放射物理书新版第9章.doc

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1、第第 9 章章 光子束和电子束的校准光子束和电子束的校准P.ANDREO Department of Medical Radiation Physics University of Stockholm, Karolinska Institute Stockholm SwedenJ.P. SEUNTJENS, E.B. PODGORSAKDepartment of Medical Physics, McGill University Health Centre, Montreal, Quebec, Canada翻译 丘杰 9.19.1 前言前言 现在放疗是在给定精确的靶区的基础上给予精准的治疗剂

2、量。通过对剂量响应 的精度误差为5%。考虑到在治疗病人的过程中的各种不确定因素, 5%的误差还 是很容易被接受的。在用于临床治疗之前,由放疗设备产生的光子束和电子束必须进行校准,这是对 病人进行精确治疗的最基本最重要的环节之一。其它的环节还涉及到:相对剂量 测量的程序,设备参数的拟和,质量保证,治疗机环的设计,病人实际的治疗过程等。治疗设备基本输出量通常指的是在模体中参考深度(Zref)(通常是剂量最大点), 常规源皮距 SSD 或源轴距 SAD,参考射野(通常为 1010)的情况下参考点 P 的吸收 剂量率.低千伏和深部治疗机通常以 Gymin 来表示输出剂量,医用直线加速器统常 用 GyM

3、U 来表示机器的输出剂量.对于浅层 X 线,中能 X 线和放射源产生的辐射线,输出量通常用特定源皮距,特 定准直器大小的状态下的空气比释动能率来表示.光子束和电子束的输出量的校准通常用放射剂量仪和剂量刻度技术来完成.放 射剂量刻度涉及到吸收剂量的测定与计算和其它一些相关物理量,如:特定介质中感 兴趣点的空气比释动能,电流,等效剂量等等.任何可以利用其灵敏体积测量到辐射剂量的大小并输出相应大小的读数的装置 都可以称为辐射剂量仪.分以下两种: 直接利用剂量仪产生的信号来计算绝对剂量的大小而不需要任何参考剂 量仪的校准的剂量仪 剂量仪产生的信号需要通过参考辐射场的校准才能计算绝对剂量,称为相 对剂量

4、仪医用辐射束的输出量是通过直接测量水中参考辐射场中的剂量或剂量率来校准,即 所说的参考剂量校准,目前已知的参考辐射剂量校准技术有一下三种: (a)量热计 (b)弗瑞克剂量计 (c)电离室剂量计这些剂量计都可以用于绝对剂量的测量,由于用它们校准绝对剂量比较烦琐,在 临床中很少被采用,更何况,通过标准实验室的参考辐射场进行校准的剂量计有更多 优点.当剂量计单独使用时,它只能依赖仪器自身的精度而不能于其它放射性工作者 达到同一标准. 9.1.1 量热法量热法是最基本的三种吸收剂量测量方法之一,是基于电能或温度的变化来测 量吸收剂量的测量方法.它的原理非常简单,但是在实际应用中,因为需要精确的测 量很

5、微小的温度变化,使得这项技术变得非常复杂,所以,一般只有在比较有经验的 标准实验室才会用到。标准实验室主要使用以下两种类型的量热计:1.石墨量热计2.密封水量热计石墨量热计是通过测量一个周围被真空腔绝缘隔热的物体内的平均温度的升高 来测量剂量的,通过对腔系影响的校正和剂量传递程序来进行从石墨中剂量到水中 剂量的转换。密封水量热计由热传导率低的水制成,这样就可以直接测量水中某点的温度 变化。该量热计不需要进行剂量转换，但是由于热传导导致热量损失和化学分解产 热使得用该技术测量和分析吸收剂量变得比较复杂。 9.1.2 弗瑞克剂量计当电离辐射的能量被某一介质吸收,并在该介质中引起一系列的化学反应,那

6、么 就可以通过测量某化学反应物质的多少来测量吸收剂量。最著名的化学辐射剂量计 就是弗瑞克剂量计,它是通过测量硫酸盐溶液中二价铁离子转化成三价铁离子的浓 度来计算的。溶液中三价铁离子的数量通过紫外分光光度计在波长为 304nm 处测量 得到。弗瑞克剂量计(有时被称为化学剂量计或者硫酸亚铁剂量计),通过确定辐射化 学产额,即溶液中每吸收 1J 的辐射能量所产生的三价铁离子的 mol 数.化学辐射产 额和一个较老的参数 G 直有关,G 定义为每吸收 100eV 的辐射能量,硫酸亚铁溶液中 所产生的三价铁离子的数目.化学辐射分额的精确值难以确定,这是因为它受辐射质,剂 量率和辐射及读数过程中溶液的温度

7、的影响.钴 60 射线的 G 值为 1.56mol100eV,相 应的化学辐射分额为 1.60710-6molJ。弗瑞克剂量计测量范围最大约为 400Gy, 这使得它很难在临床应用中很难得到推广。 9.1.3 电离室剂量计电离室是用于精确测量放疗设备输出量的最多最广泛的一种工具,它可用于绝 对剂量或者相对剂量的测量。电离室的灵敏体积内充满空气,于测量剂量或剂量率 相关的量分别为电离电荷或者电离电流，由灵敏体积内的质量为 mair的空气被辐射 电离所致。电荷 Q,空气质量 mair都与空气中的吸收剂量 Dair有关,关系如下:式中(Waire)是在空气中每产生一个离子对所消耗的平均能量(在干燥空

8、气中 的值为 33.97eVion pair 或者 33.97JC).随后从气腔空气的吸收剂量的转换到介质(水)的吸收剂量是基于 Bragg-Gray 气腔理论或 Spencer-Attix 空气理论。电离室内灵敏体积的大小和空气质量由以下方式确定:1)直接测量(电离室在特定情况下作为绝对剂量计使用时)2)通过在已知辐射场中的响应来间接校准得到(电离室用做相对剂量计使用时) 9.1.4 形成一个离子对所消耗的平均能量(Waire)在医用光子束和电子束能量范围内进行刻度时,通常把(Waire)假设为一个常 数,尽管这个假设没有直接的实验数据支持,这个数据只是通过对60Co,137Cs 和 2MV

9、 X 线得到.ICRU 早期所推荐的(Waire)=(33.850.15)JC 是通过对一些有效的 实验数据进行加权后所得的平均值,方法是分别用石墨量热计和石墨电离室在石墨 介质中测量吸收剂量,理论上这两种方法所测得的吸收剂量应该相同,从而得到:式中 Q 为在质量为 mair的空气中所收集的电离电荷并且已经作过电磁感应的修 正:Sgraphite,air为在光子束和电子束能量时所用到的石墨和空气的碰撞阻止本领比.由上式可知, (Waire)的值会随着 Sgraphite,air的改变而改变,根据 1984 年 ICRU 报告中的新的电子线的阻止本领比的介绍, (Waire)在干燥空气中的值已经

10、 更改为(33.970.06) JC.通过对更高能量辐射特别是电子线的有效实验数据分析可知, (Waire)的能量 依赖性不能完全确定,还有实验的不确定性和很多年来对阻止本领比不同值的使用 等等,导致最后在这个问题上没有明确的定论.现在已经知道,在室温为 20oC,大气压为 101.325KPa,湿度 50%的(Waire)值比 在相同温度气压但干燥的空气中的值大约低 0.6%,即为 33.77JC。因此在相同的 辐射剂量的照射下,湿度为 50%的空气所产生的电离电荷会比干燥空气中产生的多 0.6%(气温 20oC,气压为 101.325kpa)。 9.1.5 利用电离室做参考剂量的测定三种类

11、型的电离室用参考剂量计作绝对剂量的测量1) 标准自由空气电离室2) 空腔电离室3) 模体嵌入外推电离室9.1.5.1 自由空气电离室标准自由空气电离室是通过测量射线束与一定体积的空气相互作用，由空气电 离后产生的电离离子数来确定空气比释动能或者空气比释动能率的。要确定空气比 释动能或者空气比释动能率必须要对(Waire)值有准确的认识。实际应用中涉及到 带电离子在空气中的射程等问题，标准自由电离室只限于在能量小 0.3MeV 的光子 中使用。 9.1.5.2 空腔电离室空腔电离室是利用 BraggGray 空腔理论测量能量范围在 0.61.5MeV 之内的 空气比释动能。原理于标准空气电离室类

12、似，是测量电离空气中的离子数，但是于 标准空气电离室不同的是，气腔体积固定，并未由足够可以提供次级电子建成的石墨壁所包绕。BraggGray 等式将已知气腔体积的空气中的吸收剂量转换成已经建 成电子平衡的介质中的吸收剂量的等式，（例如石墨室壁，（这种室壁厚度的电离 室在基础标准剂量刻度实验室（PSDLs）被采用）。室壁的吸收剂量于空气中碰撞 空气比释动能有关，并且可以同室壁于空气的质能吸收系数比求得。碰撞空气比释 动能于总的空气比释动能有关，并且用于校正辐射相互作用而损耗的能量分额。为了得到精确的电离室的灵敏气腔的体积，必须考虑室壁对光子的衰减和散射 即为室壁校正因子。精确的（Waire）值,

13、电离室空腔体积和辐射分额是确定空气 比释动能（率）所必需的物理量，最终基础实验室又使用了一些额外的校正因子， 如：点源的不规则性校正因子和校正 SpencerAttix 空腔理论偏差的校正因子。 9.1.5.3模体嵌入式外推电离室该类型电离室的气腔体积未经校准，作为用于测量吸收剂量水等效模体的一部 分镶嵌其中，可作为一种测量 MV 级光子束和电子束吸收剂量的剂量计来使用，它 的标准测量规程基于 BraggGray 或 SpencerAttix 空腔理论，在介质中特定点 的吸收剂量和 Qm 比值之间建立了简单的线性关系，这里 Q 是在介质中的空腔中 质量为 m 的空气中收集到的电离电荷数目。在外

14、推电离室中，Qm 比值是一常数， 有时也可以用它的导数 dQdm 所取代，该值可由一个可控变化的分离电极精确测 得。基于 SpencerAttix 空腔理论进行空腔吸收剂量到介质吸收剂量的转换。和 标准空气电离室，空腔电离室一样，外推电离室的剂量刻度也要依赖于精确的 （Waire）值。 9.1.6医用射线束的校准与测量以上所述的三种参考剂量刻度技术的原理很好理解，但是由于这样或那样的原 因，它们都没有在临床中被普及使用。尽管如此，电离室作为相对剂量计被最广法 的用于医用光子束和电子束的校准，这些电离室都是通过国家基础标准剂量刻度实 验室(PSDL)来获得空气中或者水中的校准系数，这种校准系数基

15、本上不需要知道电 离室精确的电离室灵敏体积。在标准 ISO 31-0 中，在数量和单位上对“系数”和“因子”两个术语进行了 注释。前者为一个有量纲的乘数,而后者是一个没有量纲的乘数。为了有一致性,以 前被广泛使用的名词“校准因子”在这里更新为“校准系数”. 通过国家基础标准剂量刻度实验室对电离室进行校准系数的刻度有以下三种途径: 1）电离室直接在 PSDL 校准得到空气中的空气比释动能或者水中的吸收剂量 2）电离室直接在可信的剂量刻度实验室(ADCL)或二级标准刻度实验室(SSDL)中 被校准(当然 ADCL,SSDL 均通过 PSDL 的一级校准以后) 3）校准系数通过另一个被(ADCL,S

16、SDL,或 PSDL)校准过的电离室间接校准得到 9.1.7 剂量刻度规程在校准医用光子束和电子束时所参考的测量规范在一些国际的或国家的辐射剂 量测量规程中都有详细的描述，用哪一个规程来校准辐射束完全取决于各个放疗单 位自己。这些剂量刻度规程通常由一些国家或区域性组织出版发行，如:美国医学 物理学家协会(AAPM 北美)，医用物理和医学生物工程协会(IPEMB 英国)，德国标 准协会(DIN 德国)，Nederlandse Commissie voor Stralingsdosimetrie (NCS 荷兰和比利时)北欧临床物理学会(北欧地区)还有像国际原子能机构(IAEA)这样的 国际组织。

17、这些规程使某个国家内或国家之间的剂量刻度有了高度的统一性。9.2 基于电离室的剂量刻度体系如下图 9.1 所示,电离室剂量刻度系统其原理非常简单 ,有三个部分构成1） 一个合适的电离室2） 一个静电计3） 一个电源在整个回路中电离室作为充电电容于电源相连,静电计用来测量“电容”的充 电或放电电流。图 9.1 中 A 表示静电计，V 表示电源，电离室通常由被屏蔽的三相电缆与静电 计相连接。电缆的中心线将信号从测量极传递至静电计，保护极接地，偏压极与电 源相连.9.2.1 电离室电离室由三个极构成，用来确定电离室的灵敏体积.通常医用电离室的灵敏体 积约为 0.1-1cm3,它的三个极为:1） 极化

18、电极(偏压电极),直接与电源相连。2） 测量极，与一个一极与地相连的静电计相连，用来测量电离室灵敏体积 所产生的电量或电流。3） 保护极,直接与地相连,有两个作用，第一确定电离室灵敏体积的大小； 第二预防测量过程中的漏电流。有两种类型的电离室用于常规的辐射束的校准: 指形电离室 平行板电离室指形电离室通常用来校准中能和 MV 级 X 线以及能量高于 10Mev 的电子线；而 平行板电离室则用来校准低能 X 线、电子线、测量表皮剂量以及 MV 级光子束的建成区范围内的吸收剂量。图 9.2 给出了放疗中常用到的几种电离室a:用于放射剂量刻度的指形电离室；b 为精确微型电离室和60Co 平衡冒；c

19、为典型的 Farmer 指形电离室和一个60Co 平衡冒；d 为用于电子线校准的平行板电离室空气通常是电离室内的灵敏气体。最初电离室在间接致电离辐射相互作用中, 主要表现为通过发生光电效应、康普顿效应和电子对效应，在室壁和模体中释放高 能电子，部分高能电子进入电离室的灵敏体积,在其中电离空气产生正离子和低能 电子。低能电子与空气中的氧分子结合成为负离子。通过这个过程，空气电离室内 就是正负离子对而不是正离子和电子了。9.2.2 静电计和电源电离室本质上就是一个电容，通过与辐射线的相互作用来产生漏电流或漏电 荷。电离室中产生的电流或电荷非常少，所以必须由精度极高的测量装置(静电计) 来测量。电离

20、室或静电计回路中的电源，作为回路中单独的一个组成部分或者作为 静电计的一部分来使用。为了能提高电离室的收集离子的效率，一个能调节电压大 小和极性的电源就显得非常必要。 9.2.3 模体水是用于光子束和电子束进行剂量刻度和测量的标准模体材料。尽管如此实际 上很多的剂量测量都是在固体材料中进行。如:聚苯乙烯、合成树酯、A-150 组织 等效塑胶、固体水(WT1)、固体水(RMI-457)、塑胶水或者虚拟水等、这些模仿水的 材料必须符合以下三个参数:密度、电子密度和有效原子序数与水相似。有效原子 序数 Zeff取决于构成材料各种成分的原子序数以及辐射类型和辐射质。低能光子束,因为在与物质相互作用时,

21、主要发生的是光电效应,很少有康普顿效 应,不会发生电子对效应,所以混合材料的有效原子序数 Zeff被定义为:式中:ai为构成元素 i 在混合物中所占的质量分额:Zi构成元素 i 的原子数目:利用（9.3）公式我们计算得到水的有效原子序数为 7.5 而空气的为 7.8.在高能光子束和电子束辐射中,混合材料的 Zeff被定义为:上式中 : ai, Zi定义同前而 Ai构成元素 i 的原子质量.水是最普遍的软组织替代材料,在光子束和电子束测量中非常有用。塑料固 体材料通常用于模体测量，但是它们并不是通用的组织替代材料，因为它们的 三个等效参数(密度,电子密度,有效原子序数)并不能与水完全符合。.在光

22、子束中，组织等效或水等效意味着以下三个方面的匹配：质能吸收系 数，质量阻止本领，质量散射本领。在水等效模体的电子束剂量刻度中，模体材料必须与水的线性阻止本领和 线性散射本领相匹配。这就是说如果模体材料的电子密度和有效原子序数与水 的相同就基本符合要求了。 一般地，水是用于校准高能 X 线和电子线的推荐模体材料。高能 X 线在水中 的校准深度为水下 10cm，电子束在水中的校准深度为各自的参考深度 Zref。在 电离室测量射野边界外 5cm 的各个方向上必须仍是水环境，且电离室下方的水 的深度最少为 10cm，这样才能提供足够的散射环境。现在应用于 KV 级 X 线的塑胶并不是真正意义上的水等效

23、材料,所以在实际应 用中应该谨慎处理。 9.3 影响电离室收集信号的各个因素的校正对每一个电离室来说，参考环境都要给出一系列的电离室影响因素的参数, 有了这些,电离室的校准系数就不需要再进行进一步的校正.影响参数虽然不是 测量中的大问题,但是仍然影响到测量结果的大小.简单说明几种影响电离室剂 量刻度的参数:1） 空气的气压,温度和湿度2） 电离室所用电压的大小和极性3） 电离室的漏电流4） 电离室的杆效应如果电离室的测量环境与参考环境不一致,那就要对以上几种因素进行修正, 这样才能得到正确的测量信号。 9.3.1 空气的温度、气压和湿度修正因子：KT,P 电离室灵敏体积内的空气的质量为 air

24、Veff,这里 air是空气的密度, Veff为 电离室内的有效灵敏气腔体积。由于大部分的电离室的气腔都是于大气相通的， 所以气腔中的密度、气压、温度和湿度都可以在大气中得到。而且空气密度也 和气压,电离室收集到的电荷有着密切的关系。我们可以很容易确定测量条件下空气 air值,并且把它转换成标准状态下的 值,大多数的标准实验室在标准状态(温度 0oC,气压为 101.325KPa)下干燥空气 中采用的 air值为 1.2930kgm3.考虑到空气是比较理想的气体,在温度为 T(oC)气压为 P (KPa)状态下,空气密度 air(T,P)为:当我们在校准一个电离室时,电离室所测得的电荷的多少取

25、决于空气的温度,气 压和湿度,所以电离室的校准系数必须给出标准状态下大气的这些参数的值。现 在大部分的标准实验室,电离室的信号都是在气温 20 oC(北美采用 22 oC)气压 101.325KPa 的状态下测得,对空气的湿度没有做相应的校正.但是一般相对湿度 的范围在 45%-50%之间,所以校正系数通常把湿度取成 50%左右.在临床应用中,气温气压的校正因子为:在标准实验室中，该校正因子将测量信号转换成参考状态气温气压的电离 室信号，上式中 P 和 T 分别为测量环境下的电离室空气的气压气温，二 Po和 To为在标准实验室中标准状态下的气压气温。电离室气腔中的温度通常被当作测量模体的温度，

26、即使这个温度和周围大 气的温度也不相同。当用电离室在水模体中进行测量时，电离室的防水冒必须 有于大气相通的气孔，这样才能保证电离室内的空气于大气相通达到气压平衡。剂量测量规程中所用的(Waire)和阻止本领都是干燥空气中的值，但是这 些值受空气湿度的影响。研究结果表明在湿度为 50%的条件下60Co 的总湿度校正因子为 0.997，其中(Waire)校正因子为 0.994，阻止本领的校正因子为 1.003。9.3.2 电离室极化效应：极性校正因子 Kpol在相同的测量条件下，电离室的收集电压的极性不同，电离室会得到不同 的读数，这就是我们所要提到的极化效应。对大多数类型的电离室来说，高能 X

27、线在最大剂量深度以下测量时这种效应是可以忽略的，但是在高能 X 线的建 成区内、电子线，尤其是低能电子线和低能 X 线，这种效应就有可能非常大了。在电子线中被理解为一种电荷平衡的效应，这种效应受辐射的能量、角度、 模体中的测量深度以及射野大小的影响。实际上，极化效应会随测量深度的变 化而改变。当测量过程中电离室出现明显的极化效应时，那么电离室的读数应取在两 个极性电压情况下的读数的绝对值的平均数。极性校正因子 Kpol可以通过以下关系式得到：上式中，M+，M-分别是在相同条件下电离室接正极电压和负极电压后读数， M 为电离室在正常使用状态下的读数(可以是正或负)。如果一个电离室的极化效应大于

28、3%，那么这个电离室就不能用于绝对剂量 的测量。无论什么时候，只要电离室电极的极性改变，电荷平衡和操作状态都必须 通过预照射电离室进行重新设定，并且要在等待数分钟后才能用于下一次测量。9.3.3 电离室电压效应：复合校正因子 Ksat对于一个给定的电离室来说，电离室响应不仅仅与辐射剂量、剂量率和电离室 极性有关，而且与加在收集极和测量极的电压有关。电离室收集到的电荷有可能于 实际气腔中产射的电荷不同，这种差异(电荷缺矢或电荷过剩)是由离子在有限的气 腔内进行运输和电离室涉及工艺造成的。 下图所示曲线即为电离室饱和曲线:如图所示：在电荷 Q 在开始较低电压时与电压成线性关系，在到达某一个较高 的

29、电压后电离室达到饱和，当电压高过一定值时电离室将被击穿。图中,Qsat和 Isat 分别为电离室饱和状态下的电量和电流值,比值,用来表示电离室在工作电压 V 时的收集效率 f。在通常 刻度条件下电离室都工作在近饱和电压区(f0.98)，或者就在饱和电压范围内(f=1)。当电离室工作在饱和电压区时，所有辐射产射的电离电荷都会被收集到，并在 剂量刻度中产生正确的信号；但是当在低于饱和电压的区域工作时，辐射产生的电 荷就会产生复合以致造成测量信号的缺矢。电荷损失通过以下三种途径发生: 1） 常规复合：在不同运动轨迹上的正负离子碰撞,复合。 2） 初始复合：相同运动轨迹上的正负离子碰撞复合。 3） 离

30、子扩散损失：离子由于扩散运动逃出收集电场。为了研究离子的复合效应造成的电荷损失，我们把电离室置于以下三种辐射环 境中： 连续辐射(60Co 射线和中能 X 线) 脉冲辐射(非扫描的医用 X 线和电子线) 扫描脉冲辐射(扫描医用辐射线)离子复合校正因子 Ksat(在 AAPM 的 TG21,TG51 报告标为 Pion,是复合理论中 f 的倒数 1f)是用来修正由于常规复合、初始复合和离子扩散三种方式造成的电离 室灵敏体积内的离子损失的参数。通常情况下，常规复合在三种效应种占主要地位。根据 Boag 理论,在近饱和电压区工作时接受连续辐射时，发生常规复合的电离 室的收集效率可以写成:或在脉冲辐射

31、场中可写为:或其中是常数，Q 是测量信号,Qsat是工作在饱和区时的测量信号。 由式 9.9 知，1/Q 于 1/V2在连续辐射时成线性关系，由式 9.11 知于 1/V 成线性 关系，值 1/Qsat 是这条直线的截至点(当 1/V 趋近于 0 或 V 趋近于无穷大时)。假设在连续辐射或脉冲辐射时，1/Q 于 1/V2和 1/V 的线性关系分别成立，那么我们就可以用双电压法分别求得收集效率和,。M 为电离室在两个工作电压 时的电离室读数，两个电压分别为常规工作电压 VN和较低的工作电压 VL，那么在常 规工作电压 VN连续辐射中的收集效应可表示为：脉冲辐射条件下的收集效应可近似表示为:以上各

32、式中，MN为正常工作电压时电离室所测量到的信号ML为电离室在较低工作电压时所测量到的信号Msat 为电离室的饱和信号.由于极化效应会随电压的改变而改变，所以 MN, ML要根据式 9.7 进行极化效应 的修正。在进行脉冲辐射和脉冲扫描辐射的高能 X 线的校准时，剂量刻度规程推荐以下 方式求得复合效应的校正因子 Ksat(VN)：1） 假设 1/M 和 1/V 的线性关系成立:2） 利用双压法通过以下二项式求得:这里 ai是常数,向光脉冲辐射和脉冲扫描辐射在 IAED TRS398 的第 52 页有详细 的数据列表. 当 Ksat(VN)1.03(如 f0.97)时,利用式 9.14 得到的复合

33、效应校正因子于用下 式(式 9.15)求得的值偏差在 0.1%以内.上式中各参数意义同前.VN/VL的值应大于或等于 3，并且 VN不能太大，以防止电荷的乘积效应会测量 信号产生影响如果加在电离室上的偏压发生改变，那么就必须重新作电荷平衡，电荷平衡可 以通过在下一次测量之前对电离室进行 2 到 5Gy 的辐射来完成。9.3.4电离室的漏电流漏电流给设计剂量刻度用电离室带来了一定的挑战，这些影响通过一个栅极，带 屏蔽的三相电缆和良好的静电计来减小。漏电流主要有以下三种类型： 1）本底漏电流2）辐射致漏电流3）机械压力和摩擦电缆产生的漏电流不管电离室剂量刻度系统设计的有多周密，在没有辐射的状态下都

34、会有一个微 弱的本底电流存在。本底电流是电离室的表面和腔内的静电在偏压极和收集极之间 流动形成的。 在设计精密的电离室刻度系统中，本底电流于辐射致电流相比非常小，以至于 可以可以被忽略或者被测量电流所抑制。 辐射绝缘材料、电离室、连接电缆和用于测量的电子设备都可能导致电离室或 者静电计漏电流的产生。这种漏电流被称为辐射后漏电流，它会在辐射完成后仍 然存在，并且随时间成指数形式衰减。IEC 6.731 报告指出，在经过 10 分钟照射后的 5 秒内，辐射致漏电流应该降 低到照射时测量电流的1.0或者更低的水平（也就是降低致本底电流的水平）。另外一个由绝缘材料引起的漏电流在 20 世纪 80 年代

35、中期被关注，那就是静电 荷在非导电性塑料模体中的累积效应。由于电荷的大量累积导致在电离室附近形 成了一个电流流向电离室空腔的电场，最终导致了收集效率的误差和测量信号的 增加。 电离室连接电缆的机械压力也会导致漏电流的产生，因此实际工作中应尽量避 免电缆不必要的缠绕和折叠。9.3.5电离室的杆效应 辐射过程中照射到电离室的柄是不可避免的，这样就会导致另外一种漏电流的 产生，我们通常把这种现象称为电离室的杆效应。IEC 对两种杆效应做了阐述，即： 杆散射和杆泄漏： 杆散射发生在与电离室空腔相连的柄的部分，这种效应可以由虚拟杆来确定， 对电离室在有虚拟杆和无虚拟杆两种情况下进行照射，两次照射测量读数

36、的比值 就是杆散射效应的校正因子。 杆泄漏效应发生在辐射直接照射到与电离室相连的绝缘体和电缆上时，这种效 应通过以下方式测得：用一较窄的矩形射野对电离室进行两次照射，一次电离室 长轴于射野长轴平行，一次垂直，两次测量数值的比值即为，杆泄漏校正因子的 大小。9.4利用已经校准过的电离室测量吸收剂量 因为某些实际的原因，医用光子束和电子束通常用已经在标准实验室中得到校 准并且有校准系数的电离室来测量，这些电离室被当作相对电离室来使用。在利用 电离室对放疗设备进行校准之前，用户必须根据自己的射线束来确定合适的刻度规 程。一份剂量刻度程序提供了一个使用规范和一些把标准实验室参考状态下的电离 室校准系数

37、用于临床测量吸收剂量相关的数据。目前有两种剂量刻度规程可供选择：1） 基于空气比释动能的校准系数的规程2） 基于水中吸收剂量的校准系数的规程 目前大部分用于高能 X 线的电离室的校准系数都是在标准实验室中由60Co 射线中得到。利用高能 X 线来校准电离室目前只有少数的几个基础标准实验室可以做 到，将来这种校准方法肯定会得到普及。原理上，这两种刻度规程非常相似，它们都是通过电离室测量辐射产生的电量 或电流来确定吸收剂量或吸收剂量率的。刻度规程的第一步就是对 9.3 中所提到的影响测量信号 MQ的所有的因素进行 校正，下标 Q 表示所校准射线的射线质，射线质在 9.8 章节中会进行论述。 这里需

38、要注意的是，基于60Co 的电离室校正系数只是在高能 X 线和电子线中适用，对低能和中能 X 线的校准基于另一个原理，其校准系数也是在一种特定的 X 线质中获得。关于 KV 级 X 线的剂量刻度将在 9.10 章节中做详细阐述。9.4.1 基于空气比释动能的刻度规程 基于空气比释动能的刻度规程中的参考电离室的校准系数 NK,Co是在标准实验 室中，由60Co 辐射场获得，常规电离室都是通过参考电离室间接刻度。该规程在刻度高能 X 线和电子束时分为以下两步： 1. 通过 NK,Co计算空气吸收剂量校准系数 ND,air： 2. 根据 BraggGray 理论通过电离室信号 MQ和 ND,air来

39、计算水中的吸收剂 量。 在标准实验室，60Co 辐射场中的电离室腔内气体的平均吸收剂量与总的空 气比释动能（Kair)air存在以下关系：式中：为：次级电子以韧致辐射的形式损失的能量分额：Km为：电离室材料空气不完全等效的校正因子;Katt为：电离室壁对射线吸收和散射的校正因子；Kcel为：指形电离室中心收集极空气不完全等效的校正因子 电离室空气吸收剂量校准系数定义为：MQ是经过校正的电离室读数；空气比释动能校准系数则为：如果静电计的读数为 nC，那么 NK,Co，ND,air的单位都应取为：cGy/nC。 将 9.16 等式的两边同时除以 MQ，就可以通过60Co 辐射场中电离室的空气比释动

40、能校准系数求得空气吸收剂量的校准系数：电离室空气吸收剂量校准系数也于电离室的有效测量体积 Veff有直接关系：这里： （Wair/e）为空气中每形成一个正负离子对所消耗的平均能量Mair为电离室腔内空气的质量；air为标准气温气压的条件下空气的密度；Veff为电离室的有效测量体积从等式 9.20 可以清楚的看都，ND,air：只取决于电离室空腔内的有效空气质量 有关而于辐射质无关（因（Wair/e）也是一个于辐射质无关的参数），由此可见，在标准实验室60Co 辐射场中获得的校准系数 ND,air：同样可以用于其它的高能辐射质 Q 的剂量校准。由等式 9.20 可知，如果我们知道电离室有效测量体

41、积 Veff，我们就可求出校 准系数 ND,air：这就是我们在标准实验室中利用钴机来计算空气比释动能的原因。 因为我们实际医用电离室的有效测量体积不能很精确的测得，所以我们利用 NK,Co 来计算 ND,air：如等式 9.19.利用 BraggGray 空腔理论，我们可以将电离室空腔的吸收剂量转换成介质 中的吸收剂量。通过已知的 ND,air：值和模体中测量点处已经做过校正的静电计读 数 MQ，就可以利用下式求得水中的吸收剂量：式中：（SW,air）Q为水和空气的限制性碰撞组织本领比； PQ 为用于校正电离室插入介质中对介质中的辐射场产生干扰的扰动校正因子， 在 9.7 章节中会详细阐述。

42、9.4.2 水中吸收剂量的刻度规程 所有的刻度规程目的都是确定水中的吸收剂量。如果可能的话，提供一个吸收 剂量的校准系数比提供空气比释动能校准因子更加符合逻辑。最近的一些研究进展 表示现行的电离室刻度吸收剂量的方式进行改变即直接提供一个可以用于临床的水 中吸收剂量的校准系数 ND,W，现在许多基础实验室都提供了60Co 射线的 ND,W，还有一些实验室将其扩展应用到高能光子束和电子束中。 辐射质为 Qo的参考辐射场在水中参考深度 zeff处没有电离室的情况下的吸收 剂量为：MQo为标准实验室环境下经过完全修正的电离室读数，ND,W, Qo为通过标准实验 室得到的水中吸收剂量的校正系数。 当电离

43、室用于和其校准射线质不同的射线中时，那么它的水中吸收剂量的计算 由 9.23 式给出：其中 KQ,QO为参考辐射质于实际辐射质差别的校正因子。辐射质校正因子 KQ,Qo为在两种辐射质中的水中吸收剂量校准系数的比值即：当今，最常用的参考辐射质为60Co 射线，符号 KQ,Co简写为 KQ用作辐射质的校正因子。 在一些基础实验室中，高能光子束和电子束直接用于校准，符号 KO,Qo在这种 情况下被采用，Qo 用来表述参考校准辐射质。理想情况下每个电离室的辐射质校 正因子应在于用户相同的辐射质中直接测量得到。但是只有少数的实验室可以进行适当辐射质的测量；这种技术只是在全世界的少数几个能使用单独能量刻度

44、系统 （如量热计）标准实验室中被适用。 当没有实验数据可以利用，并且在医用辐射质中很难直接测得 KO,Qo时，在理 论上我们可以根据等式 9.24 和以上所介绍的 ND,air：求得，那么 KO,Qo可以写成：上式在辐射质 Q 和 Qo 中，包含以下两个比值：1. SpencerAttix 理论中的水和空气的限制性阻止本领比 Sw，air2. 理想 BraggGray 探测状态下两种辐射质中扰动因子的 PQ和 PQo的比值 计算 KO,Qo和计算空气比释动能基本上用的是相同的参数，但是前者用的是这 些参数的比值，这就降低了因个体数值的差异而产生的不确定性。 大多规程还提供了一个修改的规范用于电

45、子束电离室间接刻度。详细内容在 IAEA TRS398 号报告和 AAPM TG51 号规程中有述。与空气比释动能校准系数 NK相关的现在仍在使用一个量是照射量校准系数 NX，它们通过下式产生关联：g 为韧致辐射导致能量损失的分额。空气中60Co 射线的 g0.003，低能 X线的 gHVL2，k10cm） 利用 R50和 Rp可以分别求出 E0和 Ez的值，在电子线剂量学中使用这些参 数是一个近视、方便的选者，而表示一个临床电子束模式的精确状态。 为了避免误解平均能量这个概念，最近的一些剂量学报告直接使用 R50 表示线质的参数（阻止本领比和参考深度）。这样它和光子束的线质确定是 类似的，都

46、是按照射线束在水中的衰减表示。 与以前用模体表面能量来确定线质相比，使用 R50来确定线质是一个变 化。由于 E0的大小也是来自 R50，这种线质的变化仅仅是一种简化，这样避 免转化为能量的需要。 当在水中校准剂量时，指定参考深度 Zref选者也依靠于 R50。 最近的关于水中校准的剂量学报告（如 IAEA TRS 398 和 AAPM TG 51） 已经认同了这种方法，所有的数据均以 R50表示。参考深度 Zref与 R50的关系 如公式（9.40）所示： Zref0.6R50（cm）0.1cm （9.40）对半值深部 R50小于 4cm（E07g/cm2,射野面积应大于 20cm20cm。

47、测量半值深 度首选的探测器是平行板电离室，首选介质是水。 输出剂量的校准是在参考深度为 z 的水模体实现，射野大小 10cm10cm，参 考深度与半值深度的关系用如下公式表示：Zref0.6R500.1g/cm2 （9.46）R50的单位是 g/cm2，当 R504g/cm2，参考深度与最大剂量点深度是接近的。 能量越高，参考深度越大于最大剂量点深度。线质为 Q 的电子线束在参考深度 z 出的吸收剂量用如下公式表示：DW，QMQND,W,CoKQ,co （9.43）其中 MQ 经环境大气温度、气压修正后的仪器读数 ND,W,Co 基于水中吸收剂量校准因子 KQ,co 用来表示用户实际射线束线质

48、与参考线束间线质不同的影 响KQ,co的计算值而不是 R50在一些剂量报告中是有效的，它们在 IAEA TRS 398 报告中直接把这些转换或修正因子列成表格。9.10 千伏级光子束的剂量学在过去 30 年，高能射线（例如兆伏级光子和电子）的剂量学有很大的发展。 另一方面在 80 年代后期之前，千伏级 X 射线（低能，中能和常压 X 射线）的剂量 学仍然发展缓慢，尽管这样，千伏级射线仍广泛应用在浅层疾病的治疗中。 IAEA TRS277 号报告提供了独立的详细的一节来描述千伏级 X 射线， 千伏级 X 射线的电离室校准系数是由自由空气电离室对不同射线能量的校准 得到的，而兆伏级 X 射线的修正

49、系数是单一的。因为像指型电离室室壁的厚度已超 出次级电子射程的范围，所以即使在不使用平衡帽的条件下也是可以达到电子平衡 的。因为这个原因，电离室校准因子是按空气比释动能设置的，即使在模体中使用 时，校准电离室扮演比释动能探测器的角色。千伏级射线光子在模体中的散射是远远大于高能射线的，这个现象使质能吸 收系数的范围变得更窄，探测器相对剂量深度和射野大小更依赖。 千伏级射线线质的确定与兆伏级射线是不同的，用半价层表示。一般是用几 mm 的铝、峰值电压或几 mm 的铜表示。 应该注意的是：千伏级射线有很广的管电压范围，但是可能有近似一致的半 价层，主要是由于不同的滤线栅决定的。这样用户在决定使用感兴趣的射线的半价 层时，选择校准电离室相对应的 NK的值。 9.10.2 模体中空气比释动能校准方法（中能） 对中能 X 射线来讲（一般能量大于 100KV），各种剂量学报告推荐应在水模体 中以参考深度校准，与兆伏级线质的确定是类似的。各种剂量学报告是不同的，但 是都指定了参考深度。ICRU 很早接受的 IAEA