中华放射医学与防护杂志  2015, Vol. 35 Issue (9): 696-699   PDF    
引用本文
赵楠, 杨瑞杰, 王俊杰. 热释光探测器的剂量学特性研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2015, 35(9): 696-699, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2015.09.014.
热释光探测器的剂量学特性研究
赵楠, 杨瑞杰 , 王俊杰    
100191 北京大学第三医院放射治疗科
收稿日期: 2014-11-17
基金项目: 国家自然科学基金(81372420)
通信作者:杨瑞杰,Email:ruijyang@yahoo.com, E-mail: ruijyang@yahoo.com
[摘要]    目的 研究热释光探测器(TLD)的剂量学特性。方法 选取一致性为±3%的TLD 2000型热释光探测器350片。采用6 MV X射线和125I粒子分别照射,研究热释光探测器对6 MV X射线和125I粒子响应的重复性以及剂量率效应。采用137Cs(662 keV γ射线)、125I粒子、6 MV X射线分别照射热释光探测器,研究热释光探测器的剂量响应。采用125I粒子、137Cs和X射线(48、65、83、118、250 keV和6 MV)对热释光探测器照射相同剂量,研究热释光探测器的能量响应。结果 热释光探测器对于6 MV X射线和125I粒子响应重复性最大偏差分别为2.7%和4.0%,且均无剂量率效应。对于137Cs和125I粒子,热释光探测器的剂量响应均为线性。对于6 MV X射线,剂量线性响应范围为0.74~10 Gy,超过10 Gy热释光剂量响应呈非线性。能量响应按照137Cs进行归一,对于125I粒子,48、65、83、118、250 keV和6 MV能量X射线,能量响应分别为1.70、1.25、1.08、0.99、0.91、0.96和1.22。结论 TLD 2000型热释光探测器的重复性好,对于137Cs、125I粒子和6 MV X射线的剂量响应呈线性,且无剂量率效应,但存在能量响应。
[关键词]     热释光探测器    重复性    剂量响应    剂量率效应    能量响应    
The dosimetric characteristics of thermoluminescent dosimeter
Zhao Nan, Yang Ruijie , Wang Junjie    
Department of Radiation Oncology, Peking University Third Hospital, Beijing 100191, China
[Abstract]    Objective To study the dosimetric characteristics of thermoluminescent dosimeter (TLD). Methods A total of 350 pieces of TLD 2000 type TLDs having the same sensitivity within±3.0% were selected. The TLDs were irradiated to study the repeatability and dosage effect of TLDs by using 6 MV X-rays and 125I seeds. In order to study the dose response, the TLDs were irradiated at different dosages by using 137Cs (662 keV γ-rays), 125I seeds and 6 MV X-rays. In order to study the energy response, the TLDs were exposed to the same dose, from 125I seeds, 137Cs and X-rays (48, 65, 83, 118, 250 keV and 6 MV). Results The maximum deviations of the repeatability were 2.7% and 4.0% for 6 MV X-rays and 125I seeds, respectively, and there was no effect of dose rate observed. The dose response of TLDs to 137Cs and 125I seeds were linear. For 6 MV X-rays, the linear response was within the range of 0.74-10 Gy and non-linear range was beyond 10 Gy. The energy response to 125I seeds, 48, 65, 83, 118, 250 keV and 6 MV X-rays, relative to the energy response of 137Cs, were 1.70, 1.25, 1.08, 0.99, 0.91, 0.96 and 1.22, respectively. Conclusions TLD 2000 has a good repeatability and linear dose response for 137Cs, 125I seeds and 6 MV X-rays with no dose rate effects, but the dose response is energy dependent.
[Key words]     Thermoluminescent dosimeter    Repeatability    Dose response    Dose rate effect    Energy response    

热释光探测器(TLD)体积小、价格便宜、操作方便,在肿瘤近距离放射治疗中应用广泛[1, 2]。目前测量放射源剂量学参数的标准方法是采用热释光探测器测量和蒙特卡罗模拟相互验证[3, 4]。LiF (Mg,Cu,P)在临床上应用较广泛,原因是其敏感度高、能量依赖性低、剂量线性区域较宽、稳定性好、人体组织等效性好,以及退火处理简单[5]。但热释光剂量测量的准确性受探测器的重复性、剂量响应、能量响应和剂量率效应等的影响[6],不同厂家制作的LiF (Mg,Cu,P)的特性有所不同。由于制造工艺的限制,即使是相同制造商生产的每一批热释光探测器,所含成分和比例也会有所不同。因此,临床应用前需要对热释光剂量探测器的剂量学特性进行充分的了解。本研究对同一批热释光探测器TLD 2000的重复性、剂量响应、能量响应、剂量率效应等剂量学特性进行研究,以便临床应用进行参考。

材料与方法

1. 材料和设备:热释光探测器TLD 2000(北京康科洛公司),大小为φ1 mm × 6 mm; 125I粒子(上海欣科公司),大小为φ0.8 mm×4.5 mm。Harshaw TLD 3500热释光读出器(美国Thermo Fisher公司);FJ-411B退火炉(北京核仪器厂);Trilogy医用直线加速器(美国Varian公司)。研制模体:有机玻璃模体大小为10 cm×10 cm×1 cm,模体中心处打孔尺寸为φ0.8 mm×4.75 mm,用于竖直放置125I粒子。坐标平面上半径为0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 cm,其后间隔1.0 cm,直到7.0 cm,半径0.5 cm处间距20°,其他间距10°位置处打孔,用于竖直放置热释光剂量元件,圆柱形孔尺寸为φ1 mm×6 mm。在模体上下各放置10 cm厚的有机玻璃来保证电子平衡。

2. 热释光升温曲线:测量热释光读数时采用两个阶段程序升温,第一阶段恒温温度为135℃持续8 s,第二阶段恒温温度为240℃持续20 s,升温速率为15℃/s。退火条件为(240±2)℃,恒温10 min。

一致性筛选:采用65 keV X射线机对同一批次1 300片TLD 2000热释光探测器照射1 mGy标准剂量,分别读数,筛选出读数为均值97.0%~103.0%范围内的热释光探测器350片。

3. 重复性:取筛选过的热释光探测器10片,采用6 MV X射线照射、剂量率为300 MU/min,照射120 MU后读数,间隔24 h后退火再次照射120 MU后读数,间隔2个月后退火再次照射120 MU后读数。采用活度为0.739 mCi(1 mCi=3.7×107 Bq)的125I粒子放在模体中心,取12片热释光探测器放置在距离粒子中心3 cm处,每两片热释光探测器间距30°,分别照射3次后读数,前两次时间间隔24 h,后两次时间间隔2个月,照射时间为24 h,分别比较3次读数的大小。

4. 剂量响应:取热释光探测器190片,分为18组,其中13组每组10片,剩余5组每组12片。采用137Cs对其中6组每组10片分别照射0.3、1、2、3和5 mGy,一组测量本底,研究热释光探测器对137Cs的剂量响应;采用6 MV X射线对其中7组每组10片热释光探测器分别照射120、240、360、720、1 440、2 880和3 600 MU的剂量,研究热释光探测器对于6 MV X射线的剂量响应;采用活度为0.787 mCi的125I粒子(28.5 keV),分别在距粒子中心0.5、1、3、5、7 cm处放置12片热释光探测器,每个探测器间隔30°,研究热释光探测器对于125I粒子的剂量响应。

5. 能量响应:取热释光探测器90片,分成9组,每组10片。采用125I粒子、6 MV X射线、137Cs(622 keV γ射线)、48、65、83、118、250 keV X射线分别照射1 cGy,一组测量本底,研究热释光探测器的能量响应。

6. 剂量率效应:取热释光探测器96片,分为8组,每组12片。采用6 MV X射线对其中5组照射120 MU,剂量率分别为37、75、150、300和600 MU/min,比较每组热释光探测器读数均值大小;采用活度分别为0.739、0.675、0.559 mCi的125I粒子对3组热释光探测器照射相同的剂量,粒子垂直放置于模体中心,热释光探测器放置在距离粒子中心1 cm处,每两片间隔30°,保证粒子的几何中心和热释光探测器的几何中心在同一平面上。125I粒子照射t时间的累积剂量计算如公式(1)。

式中,D(t)为125I粒子照射t时间后的累积剂量,Gy;T1/2为125I粒子的半衰期,d;D0为125I粒子初始剂量率,cGy/h。计算得出,活度为0.739、0.675和0.559 mCi的125I粒子对3组热释光探测器分别照射24 h、26 h 17 min、31 h 48 min后累积剂量相同,比较每组热释光探测器读数的均值大小。

7. 统计学处理:数据以±s表示。采用SPSS 21.0软件进行分析,研究热释光探测器剂量率效应时采用独立样本t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1. 重复性:6 MV X射线照射热释光探测器重复性最大偏差为2.7%,125I粒子照射热释光探测器重复性最大偏差为4.0%。

2. 剂量响应:热释光探测器对137Cs、6 MV X射线(剂量范围0.74~10 Gy)、6 MV X射线(剂量范围＞10 Gy)和125I粒子照射的剂量响应曲线如图1所示。对于137Cs,热释光探测器在吸收剂量0.3~5 mGy范围内剂量响应呈线性,线性拟合公式为y=163.828x+24.875。式中,x是热释光探测器吸收剂量,mGy;y是热释光探测器读数,nC;拟合系数R2=0.996。对于6 MV X射线,热释光探测器在吸收剂量0.74~10 Gy范围内呈线性,线性拟合公式为y=161.544x+1.738。式中,x是热释光探测器吸收剂量,Gy;y是热释光探测器读数,μC;拟合系数R2=0.969。＞10 Gy时,吸收剂量与相应热释光读数为非线性正比关系。由于热释光探测器吸收剂量＞10 Gy后是非线性的,为了保证横坐标刻度是线性的,在照射剂量＞10 Gy的情况下时,使用机器照射的跳数来作为横坐标。采用回归多项式拟合,得到的拟合公式为y=-3.71x2+184x-56.92。式中,x是加速器照射的跳数,MU;y是热释光探测器读数,μC;拟合系数R2=0.986。对于125I粒子,热释光探测器在吸收剂量1~726 mGy范围内剂量响应呈线性,线性拟合公式为y=0.712x+0.703。式中,x是热释光探测器吸收剂量,mGy;y是热释光探测器读数,μC;拟合系数R2=0.998。

图 1 热释光探测器对不同能量射线的剂量响应 A. 137Cs照射;B. 6 MV X射线吸收剂量＜10 Gy; C. 6 MV X射线吸收剂量＞10 Gy;D. 125I粒子照射

3. 能量响应:不同能量射线照射相同剂量时热释光读数不同,按照热释光探测器接受137Cs照射的能量响应进行归一后,125I粒子(28.5 keV),48、65、83、118、250 keV和6 MV X射线的相对能量响应值分别为1.70、1.25、1.08、0.99、0.91、0.96和1.22,说明热释光探测器对于不同能量射线响应不同。结果显示,热释光探测器能量响应随着能量的增加,呈现先降低后增加的趋势,在118 keV时,响应最低。

4. 剂量率效应:对于6 MV X射线,剂量率分别为37、75、150、300和600 MU/min,照射相同的剂量后读数分别为(145.1±5.3)、(148.5±6.4)、(148.5±6.2)、(150.4±4.3)和(151.6±7.5)μC,不同剂量率之间热释光读数两两比较,差异无统计学意义(P>0.05),说明热释光探测器对6 MV X射线无剂量率效应。对于125I粒子,活度分别为0.739、0.675和0.559 mCi的125I粒子的热释光读数分别为(32.6±2.0)、(34.5±2.9)和(34.3±2.2)μC[JP],热释光读数两两比较,差异无统计学意义(P>0.05),说明热释光探测器对于125I粒子无剂量率效应。

讨 论

热释光探测器由于在压制过程中每种材料混合比例不同,导致同一批次内的分散性较大,所以,必须要进行筛选。陈立新等[7]采用60Co照射GR-200A型热释光探测器,发现其重复性在±3.0%以内。本研究中,对于6 MV X射线,热释光探测器重复性最大偏差为2.7%;而对于125I粒子,热释光探测器重复性最大偏差为4.0%,可能是由于模体加工精度限制,使得模体孔径比热释光探测器和粒子直径稍大,导致热释光探测器和粒子的相对位置不固定所致。在125I粒子剂量测量时,应考虑模体加工精度的不确定性,并且尽可能提高其加工精度。热释光探测器由于其灵敏度受到多种因素的影响,所以,使用一段时间后应该对热释光探测器进行重新校准。

热释光探测器的剂量响应是其剂量学特性的重要方面。陈立新等[7]研究发现,GR-200A型LiF(Mg,Cu,P)热释光探测器在吸收剂量＞7 Gy时,热释光探测器的剂量响应为非线性正比关系。本研究中,热释光探测器对于6 MV X射线,热释光探测器剂量响应测量范围为0.74~13.3 Gy。当吸收剂量为0.74~10 Gy时,热释光探测器剂量响应呈线性,当吸收剂量＞10 Gy时,热释光探测器剂量响应呈非线性正比关系。所以,对于测量吸收剂量＞10 Gy时,应采用修正因子或分次测量。

热释光探测器对于不同能量的能量响应不同。在28.5 keV~6 MV能量范围内,热释光探测器能量响应随着能量的变大先减小后增加,最低响应对应的能量为118 keV,这一结果与Olko等[8]与Fill和Regulla[9]的研究结果类似。Konnai等[10]发现LiF(Mg,Cu,P)在能量30和100 keV处分别有响应的最大值和最小值。产生这种现象的原因是当能量在50~120 keV之间时,X射线与低原子序数元素Li和F的主要作用由光电效应向康普顿散射转换,因此,LiF发射的次级电子谱变化很大。Massillon-J等[11]研究发现,采用60Co校准的热释光探测器应用于低能射线的剂量测量时,应该进行修正,否则会使测量不准确。对于采用单一能量校准后的热释光探测器,对不同能量射线进行测量时,应对其进行校正,否则会产生剂量偏差。

对于6 MV X 射线以及不同活度的125I粒子在不同剂量率照射相同剂量后,热释光探测器的读数差异无统计学意义,说明热释光探测器对于6 MV X射线以及125I粒子(28.5 keV)进行剂量测量时均不受剂量率影响。所以,可以应用热释光探测器测量同一能量不同剂量率下的吸收剂量。本研究仅测量6 MV X射线37~600 MU/min范围内的剂量率效应以及125I粒子0.66~0.87 cGy/h范围内的剂量率效应,对于这个范围以外的剂量率对热释光探测器剂量的影响,还有待进一步研究。

参考文献
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