輕離子束射程及其穩定性測量的方法

王培臣，付國濤，焦春營，謝士兵

北京市醫療器械檢驗所 （北京 101111）

按照IEC 60601-2-64：2014[1]的定義，輕離子束是指原子序數Z ≤10的離子束，目前在臨床上以質子束和碳離子束為主。當輕離子束穿過介質時，在接近其行程的末端產生的劑量分布——Bragg 峰，被認為是放射治療最為突出的優勢而得到廣泛的認同。Bragg 峰在介質中的位置由輕離子的入射單核能決定，由于醫用輕離子束設備引出的離子束的單核能與最后配送到患者體表的離子束單核能可能發生改變，為了反映離子束的真實穿透性，在臨床上通常用離子束射程來代替離子束的單核能。在放射治療實踐中，與Bragg 峰位置直接相關的輕離子束射程的準確性和穩定性都會對患者治療的劑量分布產生不利影響，因此，必須通過試驗進行精確測量確定。

按照IEC 62667：2017[2]定義，輕離子束射程是指在規定的輻射野參考軸上，水等效模體表面距設備參考點為規定距離處，非射程調制射野的吸收劑量為Bragg 峰吸收劑量的80%遠端深度（R80），見圖1。輕離子束射程穩定性是指在2 min 輻照時間內，取樣時間間隔不超過3 s，在輕離子Bragg 峰下降沿，50%峰值對應的深度（R50）隨時間變化的最大偏差。

圖1 深度劑量曲線示意圖

1 測量方法

1.1 儀器設備

本試驗使用的主要設備和探測器包括PTW MP3-P45三維掃描水模體、TM34070-2.5 Bragg 峰掃描電離室、TM34073-2.5 Bragg 峰監測電離室，2種型號的電離室基本參數見表1。

表1 電離室基本參數

1.2 試驗方法

1.2.1 深度劑量曲線測量

試驗布置如圖2所示，三維水模體（或等效水模體）表面距離設備參考點為規定距離處（本試驗模體表面設定在設備參考點），且垂直于輕離子輻射束軸。沿輻射束軸且與之相垂直的平面，放置一個電離室作為參考電離室，位于靠近輻射頭的輻射束中，用于監測入射劑量；放置另一個電離室作為掃描電離室，位于水模體中，用于掃描測量輻射束軸上任一點的劑量。對于水模體中輻射束軸上的每一個點，計算掃描電離室測量的該點劑量與參考電離室測量的對應入射劑量的比值（相對劑量），并歸一到最大劑量點，繪制水深作為相對劑量曲線，確定曲線遠端80%相對劑量對應的水深，即為輕離子束射程。

圖2 射程測量布局示意圖

1.2.2 射程穩定性測量

試驗布置同深度劑量曲線測量，將掃描電離室表面設置在大約R50位置處，如圖1所示。在連續輸出輻射2 min 內，以每次間隔不超過3 s，對掃描電離室測量的劑量和參考電離室監測的劑量值進行采樣，并計算其比值，根據圖1中該點的劑量梯度，將比值的變化轉化為射程的變化，給出射程變化的最大值，即為射程穩定性。

1.2.3 結果的報告

對每一種輕離子，分別對最小、（最大+最小）/2和最大3個單核能的射程和對應的穩定性報告測量結果。

2 結果與討論

2.1 結果

表2為一臺碳離子加速器的最小單核能120 MeV 、中間單核能260 MeV 和最大單核能400 MeV 的C6+離子束射程和穩定性的測量結果，圖3、5、7均為其深度劑量曲線，圖4、6、8為對應的Bragg 峰區曲線。

表2 深度劑量曲線特性

圖3 120 MeV C6+離子深度劑量曲線

圖4 120 MeV C6+離子Bragg 峰區曲線

圖5 260 MeV C6+離子深度劑量曲線

圖6 260 MeV C6+離子Bragg 峰區曲線

圖7 400 MeV C6+離子深度劑量曲線

圖8 400 MeV C6+離子Bragg 峰區曲線

2.2 討論

2.2.1 引出束流傳輸路徑對輕離子射程的影響

由于輕離子束射程定義不同，給出的結果可能略有不同。通常，粒子物理中單能帶電粒子在物質中的射程如下：

其中，dE 為輕離子的入射能量，-dE/dx 為輕離子的電離能量損失率，用Bethe-Block[3]公式描述。本研究中采用的是IEC 62667：2017標準中的定義，通過試驗測定法確定輕離子束的射程。例如，對于單核能為400 MeV 的C6+離子，本方法的測量結果為265.55 mm，而采用上述定義通過Monte-Carlo 模擬計算得到的Bragg 峰位置就已達到274.8 mm[4]，大于IEC 62667：2017標準方法測量值。經分析，產生這種現象的主要原因為，在試驗中發現，C6+離子束在加速器引出端口至水模體表面之間的束流傳輸路徑上，為自由空氣介質而非真空，由于空氣的散射造成C6+離子束能量的非預期損失，使得入射水模體表面處的C6+離子束能量低于加速器標稱引出能量，進而導致試驗測量的射程值低于Monte-Carlo 計算值。由此可進一步推論，在實際放射治療過程中，應充分考慮束流引出端至患者體表之間束流傳輸路徑上的介質對束流能量衰減的影響，特別注意避免在束流傳輸路徑上插入非預期介質，以免影響離子束射程的預期位置。同時，為了防止加速器輸出端輸出能量的非預期降低，應采取防護措施防止離子束傳輸路徑上非預期介質的插入，具體措施包括增加傳輸路徑上的真空管路，縮短束流在空氣中的傳輸距離，增加安全聯鎖裝置等。

2.2.2 探測器對射程測量的影響

由表1參數可知，掃描電離室的靈敏厚度為2 mm，因此可以近似估計被測離子束流深度劑量曲線的空間分辨力為1 mm。在劑量梯度變化較小的區域（如坪區），測量曲線與實際深度劑量分布誤差較小，但在劑量梯度變化較大的區域，特別是Bragg 峰區，測量曲線與實際深度劑量分布之間可能存在較大誤差，因此，從掃描電離室的固有空間分辨力來粗略地估計，對射程劑量（Bragg 峰下降沿80%對應的深度）結果的影響為1 mm。另外，在離子束流小區域高劑量（如高劑量小束斑）情況下，考慮到由于高電離密度帶來的離子對復合效應對掃描電離室測量結果的影響，特別是在Bragg 峰區，可能會造成電離室測量結果低于實際劑量值，從而影響離子束射程測量結果，因此，在必要時應對電離室的測量結果作離子對復合修正。需要注意的是，在測量束斑深度曲線時，通常得到的是深度電離曲線而非深度劑量曲線，在這種情況下，為了得到深度劑量曲線，需要利用束斑在每個深度的橫向電離或劑量分布曲線，將深度電離曲線轉換為深度劑量曲線。

2.2.3 探測器對輕離子射程穩定性測量的影響

由表2可以看出，被測碳離子加速器單核能在120～400 MeV，其Bragg 峰下降沿80%～20%的寬度為0.42 ～1.60 mm，且離子束單核能越低，梯度變化越大，因此，在測量碳離子束射程穩定性時，選擇的平行板探測器應具有足夠深度方向的空間分辨力。鑒于目前用于測量輕離子束Bragg 峰的平行板電離室技術水平限制，難以找到靈敏體積厚度更小的探測器，因此，在測量射程穩定性時，測量結果可能存在較大的不確定性，參見2.2.2。此外，由圖1～8還可以看出，被測碳離子加速器單核能為120～400 MeV，其Bragg 峰上升沿梯度變化與下降沿相比相對平緩，可以滿足測量射程穩定性的需求，建議采用上升沿上適當的位置測量射程的穩定性。在測量射程穩定性時，連續監測2 min，取樣間隔≤3 s，對于回旋加速器是完全可行的，但對于同步加速器，由于束流的引出通常是周期性脈沖輸出（如束流輸出脈沖周期為8 s：加載2 s，空載6 s），上述試驗條件難于滿足，建議制造商給出具體的試驗方法（如連續2 min 的加載脈沖之間的射程穩定性）。

3 小結

隨著我國輕離子治療設備在臨床上的應用，對其性能指標的測量與評價顯得極為重要。由于我國目前在評價其性能方面無測量方法可遵循，所以需要不斷地嘗試和探索新的測量方法，以期最終達成統一。輕離子束射程和射程穩定性是醫用輕離子加速器的重要性能指標，本研究依據IEC 62667：2017標準，介紹了一種輕離子束射程和射程穩定性的試驗方法，試驗驗證表明，該測量方法可行，可用于非調制輕離子束射程及其穩定性指標的測量與評價。從碳離子束的測量結果來看，輕離子在配送路徑上的能量損失、電離室的選擇、Bragg 峰曲線測量位置的選擇、加速器束流引出特性等因素均會對輕離子束射程及其穩定性測量結果產生影響，通過對上述影響因素的討論和建議，望能夠盡早將這些影響因素消除或降至最低，使輕離子設備的射程和穩定性指標得到更加合理和客觀的評價。