用于诊断放射学的Kerma-Area产品测量仪的研制与性能评估

《Radiation Physics and Chemistry》：Development and Performance Evaluation of a Kerma-Area Product Meter for Diagnostic Radiology

辐射剂量监测设备开发及性能评估研究。针对现有KAP米器在能量响应、透光率和等效厚度方面不达标的问题，采用高透明COC基材和专用TCO涂层技术研制NT2401参考类KAP米器，经PTW34014离子化室校准，其能量响应误差±5.0%，透光率60%以下，等效厚度0.5mmAl以下，长期稳定性达六个月，满足IEC60580-2019标准，适用于临床剂量评估和场设备快速校准。

　　

徐世明|段伟康|万青|范杰

中国国家计量测试技术研究院

摘要

Kerma面积产品（KAP）测量仪在医学成像中越来越被用于患者剂量监测和质量保证。本研究开发了一种符合国际电工委员会（IEC）标准的新款参考级KAP测量仪。为了实现高计量性能，该测量仪的电离室采用了高透明度的环状烯烃共聚物（COC）和特殊的透明导电氧化物（TCO）涂层制造。对所开发测量仪与其他常用KAP测量仪的关键参数进行了性能评估和比较分析。结果表明，该测量仪在入射光束和透射光束方向上的能量响应均在±5.0%范围内，并且在六个月内表现出显著的长期稳定性。此外，该测量仪还满足了IEC对线性（0.08 μGy•m²至4.20 μGy•m²范围内）、等效厚度和透射率的所有关键要求。基于其优异的性能，所开发的KAP测量仪被验证为参考级设备，适用于临床应用，能够提供可靠的患者剂量评估，并可作为现场级KAP测量仪快速校准的参考仪器。

引言

诊断放射学是公众暴露于人造电离辐射的最大来源。X射线诊断放射学中采用了多种检查技术，包括荧光透视、介入放射学程序、乳腺X光摄影、CT以及牙科和普通放射摄影（IAEA，2007年）。因此，减少患者在接受医学放射学检查或程序时所受的辐射剂量已成为近年来的核心问题（IEC，2019年；Lin等人，2015年）。

Kerma面积产品（KAP）测量仪，也称为剂量-面积产品测量仪，通常由一个平面平行的透明电离室组成，其有效面积为约15厘米×15厘米（Hetland等人，2009年）。这些测量仪用于测量患者在医学放射学检查中接受的KAP值（Huda，2014年；Miller，2020年）。KAP是X射线束在垂直于束轴的平面上的空气Kerma的积分（Costa和Potiens，2014年；IAEA，2007年），具体计算公式如下：

对于KAP测量仪，IEC 60580-2019（IEC，2019年）提出了新的分类标准，根据其性能和使用方法将它们分为两类：现场级KAP测量仪和参考级KAP测量仪。现场级KAP测量仪主要由医疗机构用于测量远距离处的透射光束的KAP值，从而实现对患者受到的剂量的二维评估，同时尽量减少距离误差（Kaushik等人，2020年；Kisielewicz等人，2011年）。除了这一功能外，参考级KAP测量仪还可以用于校准其他KAP测量仪；因此，它们不仅测量透射辐射的KAP值，还测量入射辐射的KAP值（Toroi等人，2008年）。两种类型测量仪的放置位置以及透射光束和入射光束的测量方法如图1所示。

目前市场上有许多常用的现场级KAP测量仪，例如IBA的Kerma X-plus IDP（120-104 HS）和Vacutec的VacuDAP Compact。然而，参考级KAP测量仪很少，几乎所有文献中提到的都是Radcal的KAP测量仪，名为Patient Dose Calibrator（PDC KAP测量仪）（Costa和Potiens，2014年；Magill等人，2019年）。

然而，根据新的IEC标准（IEC，2019年）的要求，市面上的KAP测量仪，特别是参考级KAP测量仪，存在以下不足：

1) 能量响应：除了PDC KAP测量仪的能量响应优于5%（标称值为±3%（Magill等人，2019年）外，其他所有测量仪的能量响应都超过了5%，有些制造商的产品甚至超过了8%的要求。

2) 透射率必须低于60%。如果KAP测量仪用于光束光阑，辐射探测器的透明度必须允许至少60%的光通量透过。例如，PDC KAP测量仪由不透明材料制成，其光透射率远低于60%。

3) 等效厚度不得超过0.5毫米铝。辐射探测器的质量等效过滤层不得超过0.5毫米铝，纯度不低于99%。根据PDC KAP测量仪的官方技术数据，其等效过滤层为0.6毫米铝。

本研究旨在使用一套统一的测量标准来评估NT2401测量仪在辐射剂量标准实验室中的性能，从而确定其主要指标是否符合规定要求。研究在中国进行，实验室中测试了三台NT2401测量仪。此外，为了便于比较，我们还选择了其他制造商的三台KAP测量仪进行相应的实验。

材料与方法

为了解决上述问题并开发符合新IEC标准要求的参考级KAP测量仪，我们与四川中策辐射技术有限公司合作设计并制造了一种KAP测量仪（以下简称NT2401）（见图2）。NT2401具有以下特点：采用锌镓氧化物（Ga掺杂ZnO，GZO）掺杂技术（Yang等人，2017年），在两个平行表面的上形成约2微米的TCO薄膜。

结果

我们使用经过校准的传输电离室（PTW 34014）对KAP测量仪进行了所有必要的测量。所有报告的值均已进行相应校准。如图3所示，不同制造商的KAP测量仪在辐射质量范围（RQR3至RQR10）内的校准因子表现出四种不同的趋势。同一测量仪在入射光束和透射光束下的KAP校准因子存在差异。

能量响应

图3A展示了RQR3至RQR10范围内透射KAP的校准因子。NT2401和VacuDAP Compact都呈现出轻微的V形趋势，三个NT2401测量仪的表现高度一致，在100 kV以上逐渐增加。而120-104HS在120 kV以下的表现相当，但在150 kV时出现急剧上升（校准因子>1.1），形成了明显的钩形，这解释了其能量响应超过8.0%限制的原因。

结论

为了符合新的IEC标准，我们开发了一种创新的KAP测量仪，采用了先进的涂层材料和高透明基板材料。通过对能量响应、线性、稳定性等关键指标的全面测量，我们将它的性能与其他制造商的KAP测量仪进行了比较。结果表明，其性能符合所有要求，特别是在能量响应方面表现出色（在±5.0%范围内）。

作者贡献声明

段伟康：数据可视化与整理。徐世明：初稿撰写、方法论设计、调查、数据分析、概念构建。范杰：审稿与编辑、验证、监督、资源协调、概念构建。万青：调查与概念构建

未引用的参考文献

中国国家市场监督管理总局，2014年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢杨勇（中国国家计量测试技术研究院）在光透射率方面的帮助。