诊断X射线Hp(3)和Dp,lens转换系数蒙特卡罗模拟
时间：2023-02-28 19:00:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
滕忠斌， 宋明哲， 魏可新， 杭仲斌， 耿璇， 高飞， 刘蕴韬， 刘森林
(中国原子能科学研究院 计量与校准技术重点实验室， 北京 102413)
眼晶状体是电离辐射敏感性最高的人体组织器官之一[1-3]。介入治疗工作场所中存在着大量的X射线，介入医生直接暴露在X射线辐射场中，其眼晶状体当量剂量有可能超过当前国际上的剂量限值(5 a内平均年当量剂量为20 mSv，年最高当量剂量不超过50 mSv[4])。因此，在介入治疗过程中需要对放射职业人员的眼晶状体剂量进行监测，用于评估辐射危害和优化防护方法。为保障剂量监测结果的准确可靠，眼晶状体剂量计需要送至有资质的计量部门进行周期性的校准和检定。相比于校准实验室中常用的ISO N系列辐射质，RQR系列辐射质的能谱分布与实际诊断辐射场中的能谱分布更为接近[5-6]。眼晶状体剂量计在RQR辐射场中的响应能更好地反映其在介入治疗环境中的响应。因此，在RQR辐射场中开展眼晶状体剂量计的校准工作同样具有实际意义[7-9]。
校准眼晶状体剂量计首先需要确定辐射场校准位置处的眼晶状体运行实用量(Hp(3)和Dp lens)的约定真值。其中，眼晶状体个人吸收剂量Dp lens是由国际电离辐射测量及单位委员会(International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU)重新定义的一个运行实用量[10]。相比于个人剂量当量Hp(3)，Dp lens使用了与眼晶状体当量剂量HTlens相同的剂量转换系数，可以更准确地评估HTlens。根据ISO 4037标准中推荐的方法[11]，在确定参考辐射场中Hp(3)和Dp lens的约定真值时，需要使用空气比释动能Kair到Hp(3)和Kair到Dp lens的转换系数，将校准位置处的Kair分别转换为Hp(3)和Dp lens。
目前国外研究人员模拟计算了RQR辐射质的Kair到Hp(3)的转换系数[9,12]。但由于辐射质的能谱分布受X光机的特性参数(如管电压、固有过滤、附加过滤和靶角等)影响，进而影响了辐射质的Kair到Hp(3)的转换系数的大小。为了实现对Hp(3)的准确定值，需要针对已有特定的辐射质进行剂量转换系数的计算。此外，Dp lens转换系数的大小不仅与辐射质有关，还与人种信息有关[13-15]。目前国内暂无文献给出RQR辐射场中Dp lens的转换系数。
本文为了获得具有更小测量不确定度的辐射质转换系数和避免复杂的能谱解析过程，使用蒙特卡罗方法分别计算了RQR辐射场中空气比释动能Kair到Hp(3)和Kair到Dp lens的转换系数。并与能谱解析结果比较，验证本文模拟计算结果是否准确。本文研究得到的剂量转换系数可用于确定RQR辐射场中Hp(3)和Dp lens的约定真值，进而用于校准眼晶状体剂量计、降低定值结果的测量不确定度和开展相关量值传递与量值比对工作。
1.1 辐射场参数
RQR辐射场由X光管产生的X射线经过过滤材料后形成。本研究使用双极性油冷却X光管(品牌：YXLON，型号：Y.TU450-D10)作为X射线发生装置，具体参数为：钨靶，靶角30°，固有过滤0.5 mm Be，出射角40°，最大管电压450 kV。IEC 62167标准中规定了建立RQR系列辐射质的辐射条件，其中包括X光机靶角、管电压、固有过滤、第一半值层和同质系数[6]。本文使用的RQR2～RQR10辐射质满足IEC 62167标准中对RQR辐射质的相关要求，其具体参数如表1所示。
表1 RQR辐射质特性参数
1.2 模拟计算
1.2.1 光机建模与验证
根据X光机产品手册中的数据和实际照射装置的结构，在BEAMnrc[16]中建立用于产生RQR系列辐射质的MC模型，如图1所示。上述MC建模中所依据的材料信息如表2所示。
图1 用于产生RQR系列辐射质的MC模型Fig.1 MC model for the generation of RQR radiation qualities
使用BEAMnrc和图1中的MC模型，模拟计算RQR2～RQR10辐射场中距离光机焦点100 cm处的相空间文件。计算得到的相空间文件中包含了入射粒子类型、能量、注量和角分布等信息。使用BEAMDP[18]对相空间文件进行分析，得到RQR2～RQR10辐射质的光子注量谱。然后比较模拟注量谱与实际注量谱的能谱形状，通过调整光机MC模型中Be窗和附加过滤的厚度，使模拟注量谱更接近实际注量谱。其中，实际注量谱通过能谱测量与解谱计算得到，基本方法可以参考文献[19]。
表2 照射装置MC模型材料信息Table 2 Material information for the MC model of the irradiation facility
1.2.2 转换系数计算
个人剂量当量H(d)表示为品质因数Q和吸收剂量D(d)的乘积，其中d为ICRU组织中的深度。对于光子，品质因数Q等于1。此时可以将吸收剂量D(d)的数值大小等同于个人剂量当量H(d) 的数值大小。为了得到RQR系列辐射质的空气比释动能到Hp(3)和空气比释动能到Dp lens的转换系数，首先需要分别计算校准位置处的Hp(3)和Dp lens。计算所使用的体模分别为：1)圆柱型体模：直径20 cm，高20 cm，由ICRU组织(10.12%H:11.1%C:2.6%N:76.18%O, 1 g/cm3)填充。记录区域中心位于圆柱体模3 mm深度处。记录区域沿半径方向厚度0.02 mm，沿轴线方向高50 mm，宽度0.411 mm(角度0.242 7°)；
2)具有国人特征的头部和眼部体模MC模型。该人眼模型由角膜、巩膜、玻璃体、晶状体、虹膜和前房6个部分组成[15,21]。头部模型的建立考虑了头全高、头最大宽、头最大长、瞳孔间距和眼球突出度5个结构[20]。上述计算所使用的体模模型如图2所示。
图2 剂量转换系数计算模型Fig.2 Models for the calculation of dose conversion coefficients
计算时将RQR2～RQR10辐射质的模拟注量谱作为输入能谱。选择合适的射束直径，使得上述体模完全处于平行光子束之中。然后计算不同辐射质和不同辐射入射角度(0°～90°，15°间隔)下单位光子注量的Hp(3)和Dp lens。由于在光子参考辐射场中，校准位置处需要存在带电粒子平衡。因此在计算时设置体模材料的电子输运截止能量大于光子输运截止能量，使得次级电子的能量就地沉积。计算过程中的MC输运参数为：光子和电子的输运截止能量分别为1 keV和512 keV；
选择XCOM截面用于光子输运过程；
使用标准EGSnrc截面计算电子碰撞阻止本领，以及使用Bethe-Heitler截面计算电子辐射阻止本领；
设置每个电子输运步长中的电子最大损失能量份额为25%(ESTEPE=0.25)；
输运粒子数设置为1×108～2×109个，使得转换系数计算结果的统计好于1%。
使用EGSnrc中的g程序[21-22]和1.2.1节中模拟得到的注量谱计算各RQR辐射质的单位光子注量的空气比释动能Kair。结合各RQR辐射质的单位光子注量的Hp(3)和Dp lens，得到空气比释动能Kair到Hp(3)和Kair到Dp lens的转换系数，结果如表3～6所示。
表3 RQR2～RQR6辐射质Hp(3)/Kair计算值与解析值Table 3 Simulated and analytical values of Hp(3)/Kair for RQR2～RQR6 radiation qualities
表4 RQR7～RQR10辐射质Hp(3)/Kair计算值与解析值Table 4 Simulated and analytical values of Hp(3)/Kair for RQR7～RQR10 radiation qualities
表5 RQR2～RQR6辐射质Dp lens/Kair计算值与解析值Table 5 Simulated and analytical values of Dp lens/Kair for RQR2～RQR6 radiation qualities
表6 RQR7～RQR10辐射质Dp lens/Kair计算值与解析值Table 6 Simulated and analytical values of Dp lens/Kair for RQR7～RQR10 radiation qualities
1.3 解析计算
使用由能谱解析方法得到的实际注量谱和分别计算空气比释动能Kair到Hp(3)、Kair到Dp lens的转换系数：
(3)
式中：E为光子的能量；
ΦE(E)为光子注量对能量的微分分布；
μtr(E)/ρ为空气的质能转移系数。由于在本研究所考虑的光子能量范围内，可以忽略质能转移系数和质能吸收系数μen(E)/ρ的数值差异，因此计算时使用μen(E)/ρ代替μtr(E)/ρ。h(E)表示为单能光子空气比释动能Kair到Hp(3)和Kair到Dp lens的剂量转换系数，其数值大小可参考ISO 4037-3和文献[20]中的推荐值。
2.1 MC模型验证
为了验证1.2.1节中建立的MC模型是否准确，比较了部分模拟注量谱与实际注量谱，如图3所示。在模拟过程中，通过调整附加过滤的厚度，使模拟注量谱更接近于实际注量谱。模拟注量谱和实际注量谱的平均能量为：
(4)
计算结果如表7所示。
图3 部分RQR辐射质的模拟注量谱与实际注量谱Fig.3 Comparison of the simulated and the true fluence spectra for RQR radiation qualities
表7 模拟注量谱与实际注量谱的平均能量对比
图3中仅给出了部分模拟注量谱与实际注量谱的对比图。从图3中可以发现，模拟注量谱与实际注量谱的形状大体相符。从表7中可以得到，所有RQR辐射质的模拟注量谱与实际注量谱的平均能量的相对偏差在2.8%之内。其中，RQR2～RQR6辐射质的模拟注量谱与实际注量谱的平均能量的相对偏差在1.4%之内。通过上述计算，验证了图1中的MC模型较为准确，可用于剂量转换系数的计算。
2.2 转换系数结果对比
根据1.2.1节中的方法，分别模拟计算不同角度下RQR2～RQR10的空气比释动能到Hp(3)和Dp lens的转换系数，结果如表3～6所示。并且，针对RQR2～RQR10辐射质的实际注量谱，通过能谱解析得到各辐射质的空气比释动能到Dp lens和Hp(3)的转换系数，计算结果如表3～6所示。从表3～6中可以得到，转换系数Kair到Hp(3)和Kair到Dp lens的模拟结果与能谱解析结果的最大相对偏差分别为2.91%(RQR4, 90°)和3.95%(RQR4, 75°)。通常由能谱解析法得到的剂量转换系数的扩展不确定度(k=2)为4%[9,17]。上述二者偏差均小于能谱解析结果的测量不确定度，即模拟结果均在能谱解析结果的测量不确定度范围内。
2.3 不确定度分析
本文研究得到的Kair到Hp(3)和Kair到Dp lens的转换系数的测量不确定度包含2种成分：1)统计不确定度。采用方和根法，由模拟结果的统计不确定度合成得到。2)非统计不确定度。上述转换系数均为不同形状的体模中的吸收剂量(针对Hp(3)和Dp lens)和校准位置处的空气比释动能的比值。考虑到以下原因，本文研究认为非统计不确定度可以忽略不计：1)尽管使用了不同的EGSnrc用户程序来计算吸收剂量和空气比释动能，但模拟计算均是在带电粒子平衡条件下进行。这使得在模拟计算过程中，光子产生的次级电子的能量就地沉积，次级电子没有被输运，计算结果仅与光子输运过程有关。因此不必考虑电子阻止本领的测量不确定度(经验值为2%[23])对计算结果的影响；
2)由于吸收剂量和空气比释动能的计算过程中均使用了相同的输运参数，二者计算结果相除将大大减小计算结果的不确定度；
3)本文计算针对的是强贯穿辐射(能量大于15 keV的光子)在物质中的能量沉积问题。因此，不必考虑记录体积内存在剂量分布不均匀情况。从而不必考虑记录区域的大小为计算结果带来测量不确定度。最终本文研究将计算结果的统计不确定度作为转换系数模拟结果的标准测量不确定度，如表8、9所示。
表8 RQR2～RQR10辐射质Hp(3)/Kair计算值的不确定度Table 8 Uncertainties of the values of Hp(3)/Kair for RQR2～RQR10 radiation qualities %
表9 RQR2～RQR10辐射质Dp lens/Kair计算值的不确定度Table 9 Uncertainties of the values of Dp lens/Kair for RQR2～RQR10 radiation qualities %
相关文献中Kair到Hp(3)和Kair到Dp lens的转换系数推荐值均具有2%左右的测量不确定度[9,24]。与上述文献中的转换系数进行比较，发现根据本文提出的转换系数计算方法，最终得到的Hp(3)和Dp lens转换系数的不确定度最大值分别为0.86%(RQR2，90°)和0.14%(RQR2，90°)。因此，相比于使用文献中转换系数的推荐值，使用本文计算得到的转换系数可以有效降低Hp(3)和Dp lens约定真值的测量不确定度。
1)计算得到了RQR2～RQR10辐射质的Kair到Hp(3)的转换系数(0°～90°，15°间隔)，并给出了其推荐值；
2)计算得到了RQR2～RQR10辐射质的Kair到Dp lens的转换系数(0°～90°，15°间隔)，并给出了其推荐值；
3)Hp(3)和Dp lens转换系数的模拟值与能谱解析值最大相对偏差分别在2.91%(RQR4, 90°)和3.95%(RQR4, 75°)之内。结合能谱解析结果的扩展不确定度(k=2)为4%，可以认为本文提出的转换系数模拟方法是合理的；
4)Hp(3)和Dp lens转换系数的模拟结果分别具有不高于0.86%(RQR2，90°)和0.14%(RQR2，90°)的标准测量不确定度。与能谱解析结果的标准测量不确定度(通常为2%[17])相比，本文计算模拟得到的转换系数具有更小的不确定度。
本文研究可以为国内眼晶状体运行实用量量值溯源体系的建立提供数据和技术支撑，进而为眼晶状体剂量监测仪表的读数准确可靠提供计量保障。
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