2021年新建国家计量基准之二: 水量热计加速器光子水吸收剂量基准装置

发布时间:2022-01-05
  近日,市场监管总局批准启用水量热计加速器光子水吸收剂量基准装置(国基证〔2021〕第153号),其测量范围和测量不确定度达到国际先进水平,填补了我国医用高能光子水吸收剂量量值复现与传递能力的空白,为癌症放射治疗水吸收剂量的准确获取和利用提供技术支撑,保障了患者的生命安全。
  癌症是影响人民健康的“头号杀手”。国际癌症研究机构(IARC)发布的《2020全球癌症报告》显示,我国2020年新发癌症病例457万,即每分钟8人被诊断为癌症,约有300万人因癌症死亡,癌症已严重威胁我国以及世界各国人民的生命健康。放射治疗可有效控制恶性肿瘤,约70%的癌症患者需要放射治疗,45%的恶性肿瘤可治愈,放射治疗已成为癌症治疗的核心手段。
  放疗剂量量值的准确直接关系患者的治疗效果和生命安全,剂量高人受伤,剂量低易复发。据统计,美国2001年至2008年发生的放疗事故中,有41%是由于使用错误的剂量导致的。放疗过程要求患者所受剂量的误差(不确定度)在5%以内,而临床剂量校准不确定度小于2%才能满足放疗剂量窗口要求。目前,90%放射治疗由医用电子直线加速器完成,加速器剂量测量和计量校准至关重要,而基准是计量校准的量值源头。长期以来,我国临床加速器剂量一直溯源到钴源参考辐射场,校准不确定度较大。随着国际先进放疗设备在中国迅速同步发展,亟待建立加速器剂量量值的直接溯源装置以及基于加速器参考辐射的量值传递体系。
  对于计量研究来说,加速器是参考辐射源,计量工作的核心和关键在于其辐射量值的测量。因为人体70%是水,所以放疗的处方剂量是水吸收剂量,即单位质量的水吸收的能量,通俗地说我们测量的是射线照射水以后传递给水的剂量(能量),这等效于放射治疗时射线传递给人体组织的剂量(能量)。确定水吸收剂量直接方法是直接测量被辐照材料温度升幅的量热法,即射线传递给人体组织的剂量。2013年,中国计量科学研究院开展了水吸收剂量绝对测量方法研究,自主研制了水量热计加速器光子水吸收剂量基准装置,实现我国加速器光子水吸收剂量量值的直接溯源。该基准装置通过水浴与半导体制冷系统二级控温,实现水模体(4±0.0001)℃的温度平衡,采用圆柱形密封式玻璃量热芯和10kΩ珠形热敏探针,在H2饱和高纯水体系中,利用惠斯通交流电桥测量热敏探针电阻变化,逐次校准热敏探针和交流电桥,实现医用加速器10MV光子水平照射条件下的水吸收剂量的绝对测量,光子剂量测量重复性0.05%,合成标准不确定度0.35%,达到了世界先进水平。通过二级恒温系统的设计和应用,克服实验室温度周期变化难题,在±2℃的温度变化周期中,实现水模体中0.1μK的温漂控制,为基准装置0.5mK/min的辐射温升测量能力提供了决定性条件。
  利用水量热计加速器光子水吸收剂量基准装置建立的医用加速器实验室条件和放疗剂量学测量能力,在放疗领域实现水吸收剂量的量值传递,填补我国在该项计量能力的空白,医用辐射源剂量测量不确定度由5%降低至3%,实现了我国放疗量值体系与国际量值体系的同步和一致。结合透射测量和点剂量测量设计,研制剂量传递标准装置,通过剂量跟随技术,将加速器参考辐射场的1%/天的剂量稳定性影响,降低至0.1%/天,成功建立基于加速器参考辐射的量值传递体系,降低临床医用辐射源的剂量测量不确定度。
  水量热计加速器光子水吸收剂量基准装置实现了临床水吸收剂量量值的复现和传递,通过国际比对使得我国放疗剂量量值与国际等效,加入国际原子能机构(IAEA)次级标准实验室网络,确保我国医用加速器放疗剂量与国际放疗剂量的一致和等效,成为亚洲第二个加入该实验室网络的基准实验室,使得我国的放疗剂量验证体系与国际接轨。同时,该装置有助于提升我国放射治疗的质控能力和水平,推动医学物理学发展,支持国产医疗器械的研发和技术能力提升,助力“健康中国”战略实施。

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