用于放射治療用的光纖輻射劑量檢測儀

谷京昀

[摘要] 放射治療已經成為國內外公認的治療惡性腫瘤的可靠療法，盡管放療可以有效地治療癌癥，但是它也具有非常大的副作用。目前醫學上輻射劑量的控制僅僅依靠術前體模實驗以及模擬實驗，這種方法不能實現實時對患者在放療期間所吸收的輻射劑量進行檢測，文章介紹了目前市場上的輻射劑量檢測儀現狀，設計了兩種光纖輻射劑量檢測儀，并對兩種光纖輻射劑量檢測儀的優缺點進行對比，是對目前市場上的輻射劑量檢測儀的有效補充。

[關鍵詞] 放射治療；有機熒光材料；無機熒光材料；光纖輻射劑量檢測儀

[中圖分類號] R144.1；R197.39 [文獻標識碼] A [文章編號] 1672-5654（2019）02（b）-0176-02

放射治療的簡稱為放療，是利用一種或者多種電離輻射對惡性腫瘤以及一些良性病進行的治療，放射治療的手段是電離輻射，利用放射線來治療癌癥。放射治療已經經歷了多達一個世紀的發展歷史，在倫琴發現了X射線，居里夫人發現了鐳之后，很快利被用于臨床治療惡性腫瘤，直到目前為止放射治療仍是惡性腫瘤重要的局部治療的方法。大約有70%的癌癥患者在治療癌癥的過程中需要用放射來治療，約有40%的癌癥可以用放療根治[1]。由于超高壓治療機的使用、輔助工具的改進和經驗的積累，放射治療的治療效果較之以往得到顯著提高。在我國約有70%以上的癌癥需要用放射治療， 在美國也有50%以上的癌癥需要用放射治療，放射治療幾乎可用于所有的癌癥治療。對許多的癌癥患者而言，放射治療是唯一且必須使用的治療方法。有成千上萬的人在單用放射治療或者并用放射治療、化學治療、手術治療、和生物治療后，治愈了他們的癌癥。醫生在患者的手術之前，可以利用放射治療來皺縮腫瘤，使之易于被切除；手術后，用放射治療來抑制殘存的癌細胞的生長[2]。

盡管放療可以有效地治療癌癥，但是它也具有非常大的不良反應，患者往往會出現一些不適的反應，由于腫瘤組織崩解、毒素被吸收，在照射滯后數小時或1～2 d內，患者可出現全身反應，具體表現為虛弱、頭暈、頭痛、乏力、厭食，個別會有惡心、嘔吐等等，特別是腹部照射和大面積的照射時，反應會比較嚴重。或者會產生放射性的皮炎、放射性食管炎以及食欲下降、嘔吐、腹痛、惡心、腹瀉或便秘等等諸多毒副作用。除此之外，放療導致放射性肺炎、放射性心包炎的患者明顯增多，有時還會產生局部的骨髓抑制，患者常常因骨髓抑制白細胞降低而無法繼續治療，有時不得不減少放療劑量，增加了放療的難度。另外放療對肝、腎、胃腸道的損傷也很大，綜合治療時，放療的劑量受到很大限制，對不敏感的腫瘤難以提高劑量。模擬定位、鉛擋、擺位等過程中的不精準因素也會對放療預后產生一些負面影響。尤其是當利用X射線照射腫瘤的時候，將會不可避免地對腫瘤周圍的健康組織造成一定的傷害，并使患者產生一定的并發癥，因此在放射劑量期間能夠實時檢測靶細胞以及周圍細胞組織的輻射劑量是十分必要的[3]。目前醫學上輻射劑量的控制僅僅依靠術前體模實驗以及模擬實驗，這種方法不能實現時時對患者在放療期間所吸收的輻射劑量進行檢測。若治療時劑量過高則會對患者身體的正常組織產生傷害，大大增加了患者治療的風險，會對患者的身體機能造成很大的影響。因此，設計一種可以在放療過程中可以放置于患者體內進行實時監測輻射劑量的醫用X光探測器是十分必要的。

1 目前市場上的輻射劑量檢測儀

目前市面上存在的可以監測輻射吸收劑量的探測器主要包括電離室、膠片、發光劑量檢測儀、半導體等[4]。這幾種探測器具有不同的檢測吸收劑量的原理方法。見表1。

通過上一部分對市面上常見的幾種輻射劑量檢測儀的介紹，發現，市面上的檢測儀雖然能夠達到檢測輻射吸收劑量的要求，但是他們不可避免的存在一定的弊端，如不能放置于患者體內進行實時測量、使用壽命有限、易損壞、易受周圍環境因素干擾等缺點。在這種情況下，由于光纖具有體積小、柔韌性高且抗電磁輻射干擾的優點，光纖輻射劑量傳感器在近年來獲得了大量的研究，目前主要的包括利用有機熒光發光材料和無機熒光發光材料兩種設計方法。

2 有機熒光材料光纖輻射劑量檢測儀

有機熒光材料光纖輻射劑量檢測儀通常利用將有機熒光材料（如Al2O3：C，BCF-12等具有水等效性的熒光材料）耦合到光纖末端作為感應X射線輻射的探針，然后將探針部分進行封裝，探針部分示意圖如圖1所示，光纖的另一端與光電倍增管（PMT）相連[5]，當探針接收到X射線信號時，有機熒光材料會發出可見光，并且其中一部分耦合進光纖纖芯內部進行傳播，此時光電倍增管在另一端即可檢測出熒光光強。但是，這種方法設計的輻射劑量檢測儀在使用過程中會產生切倫科夫輻射，這就導致了檢測信號中存在很大的噪聲信號。

為了消除切倫科夫輻射對有機熒光材料光纖輻射劑量檢測儀信號的影響，需要利用兩根相同的光纖，一根在末端放置熒光材料，一根不放置同時進行測量。將一根含有熒光材料的光纖與一根不含有熒光材料的相同型號與長度光纖的熒光進行并行放置，此時末端耦合有熒光材料的光纖所的熒光強度值為熒光強度積累值與切倫科夫輻射的強度和，末端不含有熒光材料的光纖熒光強度值僅為切倫科夫輻射值。因此將兩根光纖所得到的強度值相減即為熒光材料吸收X射線產生的熒光強度真實值[6]。

這種方法制成的光纖輻射劑量檢測儀其熒光強度積累和吸收劑量呈線性關系，并且具有良好的重復性，但是由于有機熒光材料的信號響應強度較低，因此該檢測儀具有較低的信噪比，使測量讀取吸收劑量變得困難。

3 無機熒光材料光纖輻射劑量檢測儀

無機熒光材料光纖輻射劑量檢測儀的設計和利用有機熒光材料制成的輻射劑量檢測儀設計方法類似，不同的是使用的熒光材料不同，在無機熒光材料選取方面主要采用稀土發光材料，如摻鋱的硫氧化釓（Gd2O2S：Tb），摻鐠硒氟的硫氧化釓（Gd2O2S：PrCeF）等。設計結構圖2所示：將光纖除去包層后用多種砂紙和拋光布對光纖端進行拋光后將無機熒光材料和固化劑的混合物涂覆于裸露的光纖周圍使其凝固，形成檢測系統的探針部分[7]。當探針受到X射線輻射時，涂覆于光纖表面的無機熒光材料就會產生可見熒光（熒光顏色根據無機熒光材料發光波段所決定），發出的可見熒光一部分耦合到光纖纖芯內部進行傳播，被光纖另一端的光子計數器接收得出光強累計值。無機熒光材料發出的熒光光強累計值和輻射吸收劑量呈線性關系。

無機熒光材料光纖輻射劑量檢測儀相較于利用有機熒光材料制成的光纖劑量檢測儀響應強度較高，不需要考慮切倫科夫輻射的影響，因此在檢測輻射劑量時不需要利用兩根光纖和探測器進行同時測量計算，節省了檢測系統的控件和成本。但無機熒光材料不具有水等效性，因此在進行輻射位置確定時需要帶入一系列的校準因子。

4 總結

目前國內外開展了一系列光纖輻射劑量檢測儀的研究，取得了很多進展，并成為放療質控的重要手段。相對而言，有機熒光材料光纖輻射劑量檢測儀采用有機熒光材料，具有較好的水等效性，但信噪比較差，切倫科夫輻射的影響大，需要進行補償；無機熒光材料光纖輻射劑量檢測儀信號強，信噪比高，但不是水等效材料，需要進行校準。光纖輻射劑量檢測儀的光纖探頭尺寸小，可以稱為放療質控的關鍵性設備，對目前市場上的輻射劑量檢測儀進行有效的補充。

[參考文獻]

[1] 滿世軍.淺析惡性腫瘤的放療治療[J].中國社區醫師：醫學專業.2010，12（35）：46-47.

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[6] MA Clift RA，Sutton，DV Webb. Dealing with Cerenkov radiation generated in organic scintillator dosimeters by bremsstrahlung beams[J].Physics in Medicine and Biology，2000，45（5）：1165-1182.

[7] Q Zhuang H，Yaosheng M，Yu Z，et al.Elfed. Embedded structure fiber-optic radiation dosimeter for radiotherapy applications[J].Optics Express，2016，24（5）：5172-5185.

（收稿日期：2018-11-18）