医疗辐射防护测量仪器：技术、挑战和新方法
本文主要介绍一款新型医院辐射测量仪福禄克RaySafe 452：首先介绍医院环境下对辐射防护测量仪的需求；然后介绍常见的测量仪技术，阐述其可能性和界定，指出并讨论医院用测量仪测量方面的一些难点；最后介绍福禄克RaySafe 452的技术，总结该仪器如何解决已发现的问题。
1 为何医院需要使用辐射测量仪
在医疗程序中，电离辐射被用于不同用途，其中三个主要应用领域为诊断成像、核医学和放射治疗。电离辐射可以挽救生命，但要对电离辐射的利弊进行平衡。医学物理师和辐射安全人员等致力于监测、控制和减少不必要的辐射，最大程度降低患者和医务人员的辐射照射量。
图1所示为一些测量场景，表明了医院的各种测量需求。表1概括了医院中测量仪的主要应用领域，辐射类型、测量量单位和典型能量范围。
表1 医院辐射测量仪的应用领域示例
注：示例包括辐射的测量量、单位和近似能量范围，表内所示的能量范围为从散射辐射至机器上的最大设置。
领域 应用示例 辐射类型 测量量 (单位) 近似能量范围(最小值～最大值)诊断成像射线管泄漏和X射线机散射 X射线空气比释动能，Kair [Gy]；空气吸收剂量，Dair[拉德，Gy]；周围剂量当量，H*(d) [Sv，雷姆]；定向剂量当量，H’(d) [Sv，雷姆]10～150 keV MeV；β：30 keV～3 MeV；γ：30 keV ～1.25 MeV 100 keV～24 MeV核医学放射性同位素污染对摄入放射性同位素的患者的控制α、β、γ 计数[cps、cpm]；放射性[Bq/cm2]；定向剂量当量，(β)，H’(d) [Sv，雷姆]α：5～8放射治疗医用线性加速器的泄漏和散射 X射线(中子)空气比释动能，Kair [Gy]；空气吸收剂量，Dair[拉德，Gy]；周围剂量当量，H*(d) [Sv，雷姆]；定向剂量当量，H’(d) [Sv，雷姆]
2 辐射测量常用技术
辐射测量常用技术，见表2。
表2 辐射测量常用技术
探测器种类 原理 优势 分类 缺陷气体电离室 射线使气体电离，并在电场作用下漂移，形成电流，与辐射强度成正比灵敏度低；密封加压电离室通常会因为腔壁内辐射的衰减而使灵敏度下降；通气电离室具有平坦的能量响应，但需要进行环境温度和压力修正盖格米勒 射线使气体电离，在丝极与管壁之间产生气体放电，输出一个脉冲电流信号平坦的能量响应通气电离室；密封电离室。高电平信号，灵敏度高 — 饱和效应；死区效应；能量响应子-空穴对，在电场作用下形成电流信号灵敏度高 P I P S，H P G，CZT，Si-PIN温度效应；能量响应闪烁体 吸收高能粒子或射线后发光，利用PMT半导体二极管 射线与二极管材料相互作用产生形成电或Si-PIN采集光信号灵敏度高PVT，NaI(Ti)，LaBr (Ce)，BGO温度效应；能量响应；余辉效应
3 医院辐射防护测量难点
RaySafe 452可完全解决以下医院辐射环境中测量的难点（表3）。
图1 医院内辐射测量仪测量示例
注：a.射线管泄漏；b.散射辐射测量；c.墙壁泄露；d.放射性物质泄漏的污染测量；e.控制已摄入放射性同位素的患者的辐射。
4 RaySafe 452特性和优势
辐射测量仪探测器所采用的技术决定其应用领域：电离室通常用于泄漏和散射测量，而GM管则用于探测泄漏的同位素和其他污染物。RaySafe 452将多种探测器测量技术无缝集成到一台仪器之中：半导体二极管、闪烁体和GM圆盘，可同时测量不同类型的辐射和不同能量，并符合IEC 60846-1对加和性的要求。
图4为RaySafe 452的结构及其测量示意图。中间区域是GM圆盘探测器，四周是固态传感器（碳纤维覆层），配备有两个盖子，黄色盖子测量周围剂量当量H×(10)，灰色盖子测量空气比释动能（Kair）。盖子为滤过组合，在较宽的能量范围内提供平坦的能量响应（图5）。去掉盖子时，可测量α、β和γ辐射计数（CPS）。更换盖子时不需要进行任何设置，会自动切换单位。
表3 医院辐射环境中测量的主要难点
问题 要求测量难点能量响应 辐射测量仪在全部能量范围内（10 keV～24 MeV）具有平坦的响应曲线。单一的探测器（即使使用修正因子）只能在部分能量范围内具有平坦的能量响应。脉冲X射线透视成像脉冲长度为2～20 ms，重复频率为1～30 Hz能量范围宽（图2），能量响应不平坦，短脉冲期间的高剂量率会导致闪烁体和GM管饱和。医用直线加速器 脉冲为几微秒，脉冲重复率约为100 Hz能量范围宽（图3），能量响应不平坦，短脉冲期间的高剂量率会导致闪烁体和GM管饱和。铅房泄露 需要快响应时间和高灵敏度的测量仪 在低剂量率下（接近辐射本底），测量仪通常不稳定，剂量率数值波动，很难确定辐射水平是否升高。
图2 N-80（窄射束系列）和透视机在120 kV（0.3 mm铜滤过）下的近似光子能量分布
注：在SpekCalc GUI [Poludniowsky等著,医学与生物学物理,2009,54(19)]中对光谱进行了计算，并将其标准化为其积分。尽管这两个光谱的平均能量相似，分别为63.4 keV和65.2 keV，但N-80光谱并未反映出透视成像X射线谱中能量的广泛分布。
图3 临床直线加速器（Varian）光子能量的近似分布
注：光子能量设置分别为6、10、15和20 MeV。该图是在进行蒙特卡洛模拟后绘制的[Brualla等著,放射肿瘤学,2019,14(6)]。
图4 RaySafe 452的结构及其测量示意图
注：a.RaySafe 452概览；b.RaySafe 452的传感器区域，其GM圆盘（灰色）环绕着一组固态传感器（黑色表面上的标记）；c.传感器区域视图，带盖子；d.RaySafe 452及其两个盖子——“空气比释动能”为灰色，“周围剂量当量”为黄色。
（1）响应时间、低剂量率、高剂量率。融合了GM探测器和固态探测器的技术优势，低剂量率下，发挥GM探测器的响应速度和灵敏度优势，同时每毫秒执行一次死区时间修正；高剂量率下使用固态探测器；对于中等剂量率，测量仪会根据当前剂量率水平和环境温度自动选择要使用的更适合的探测器。
图5 RaySafe 452对窄射束系列N-15至N-400和S-C、S-Co、R-C和R-F的典型能量响应
注：a.K(10) 周围剂量当量；b.Kair 空气比释动能。灰色标记为常见应用的近似能量范围，蓝色虚线为常见放射性核素的衰变能量。
（2）短脉冲照射。对于脉冲透视和医用直线加速器短脉冲和高重复频率的特性，测量短脉冲照射剂量率时，显示平均剂量率，根据脉冲长度，计算短脉冲的每脉冲速率，剂量率每秒平均一次，每秒更新一次。如图6所示。
图6 温度低于30℃时，RaySafe 452在间歇性辐射下的性能
注：在绿色区域内，所有剂量率下的剂量率响应均在连续辐射响应的±20%以内。
（3）平均光子能量。根据ISO 4037-1：2019中的定义测量平均光子能量，由固态传感器不同通道的信号计算得出。
（4） 测量平台预留。手柄末端有一个三脚架螺钉安装座，方便放置于距离焦点合适的距离处
（5）数据存储分析。所有测量值都将自动存储于仪器之中，并可通过RaySafe View(软件)传输至计算机。
总之，一台仪器即可满足诊断成像、核医学和放射治疗应用领域的测量需求。