在碳离子放射治疗中，结合使用CR-39和TLD进行LET（线性能量转移）测量的复合检测方法

《Radiation Measurements》：Combined detection method of LET measurement using CR-39 and TLD in carbon ion radiotherapy

碳离子放射治疗中，结合CR-39核径迹探测器与LiF:Mg,Cu,P热释光剂量计（TLDs）的新型联合探测器显著提升LET分布测量精度，相对偏差控制在15%以内，验证了其在水及肺等效体中的应用潜力，为剂量优化提供新方法。

　　

周媛|卓伟海|杨志远|赵京芳|陈波

复旦大学放射医学研究所，中国上海谢渡路2094号，200032

摘要

测量碳离子治疗场中的线性能量传递（LET）分布对于优化束流质量控制和提高治疗效果至关重要。为了满足精确测量LET的需求，本研究介绍了一种新型组合探测器，该探测器集成了CR-39和热释光剂量计（TLD）。利用两种探测器的各自优势，开发了一种新的方法来估算LET谱。在水和肺模体中的验证实验表明，与单独使用任一探测器相比，这种组合探测器显著提高了测量精度。LET_d测量的相对偏差控制在15%以内。这些发现表明，这种集成探测器系统在碳离子治疗的LET分布测量中非常有效，并具有巨大的临床应用潜力。

引言

近年来，粒子放射治疗取得了显著进展。根据粒子治疗合作组（PTCOG）发布的最新数据，截至2023年底，全球已有超过41万名患者接受了粒子治疗。其中，近35万名患者接受了质子治疗，约5.6万名患者接受了碳离子治疗（Li等人，2022年）。

在临床实践中，碳离子的相对生物效应（RBE）通常被赋予2-3的固定值（Tinganelli和Durante，2020年）。然而，许多研究表明，RBE并不是一个静态参数；它受到多种因素的影响，包括辐射类型、剂量、线性能量传递（LET）、细胞或组织类型以及生物终点（Barendsen，1996年）。作为表征束流质量的关键参数和RBE计算的关键输入，LET是评估辐射引起的人体组织生物损伤的基础指标。越来越多的证据强调了治疗场内LET分布的临床重要性，表明其对临床结果的影响。特别是，肿瘤体积内的低LET暴露已被确定为肿瘤复发的关键风险因素，这突显了个性化LET调节策略在提高治疗效果的同时最小化不良影响的潜力（Hagiwara等人，2020年；Molinelli等人，2021年）。

虽然现代粒子治疗计划系统（TPS）已经具备了计算平均LET分布的能力，但针对这些模拟LET剖面的稳健质量保证方法的发展仍处于早期阶段（Christensen等人，2024年）。在临床环境中实施LET优化需要实验性探测器，这些探测器不仅需要准确，而且需要在临床上可行和实用。因此，迫切需要可靠的方法来实验验证和测量现场LET分布，这一点得到了大量研究工作的强调（Bobi?等人，2024年；Mu?oz等人，2024年；Nakaji等人，2022年；Parisi等人，2022年；Petringa等人，2020年；Wagenaar等人，2020年）。

近年来，许多研究致力于实现粒子治疗场内LET的精确测量，从而开发了各种探测器和相应的方法。这些方法包括应用于LiF:Mg,Ti TLD的高温比方法（Chang等人，2016年；Tsai等人，2019年）、CR-39固态探测器中核轨迹的形态分析（Kodaira等人，2016年；Yang等人，2022年）、光激发发光探测器的发光带强度比校准（Christensen等人，2022年；Granville等人，2014年）、双电离室技术（Dobrzyńska，2015年；Tegami等人，2017年）以及TEPC（Bianchi等人，2020年）。与大多数主动探测器（如微剂量计（Lee等人，2021年）和Timepix探测器（Nabha等人，2022年）相比，被动探测器通常具有更好的组织等效性，更适合在模体中进行测量。然而，像发光剂量计和核轨迹探测器这样的被动探测器受到其LET检测动态范围限制的影响（Yuan等人，2024年）。这些限制突显了开发能够克服当前技术和临床挑战的新测量方法的需求。

本研究提出了一种利用TLD和CR-39探测器进行LET测量的组合方法。为了确保剂量响应范围的一致性，本研究使用了LiF:Mg,Cu,P TLD而不是传统的LiF:Mg,Ti探测器。基于我们之前的研究（Yuan等人，2024年），我们尝试将HTR方法适应于不同材料组成的LiF:Mg,Cu,P TLD。该方法首先通过使用不同能量的单能碳离子束进行了交叉辐照实验进行初步验证。随后，该方法被应用于均匀水模体和异质肺等效模体中的LET测量。本研究的结果有望为LET测量领域做出有意义的贡献，从而有助于优化碳放射治疗方案，以最大化治疗效果。

部分摘录

组合探测器

本研究中使用的组合探测器如图1所示，由一个CR-39核轨迹探测器芯片和四个热释光剂量计（TLD）组成。CR-39（由Track Analysis Systems Ltd.制造，英国）被切割成40毫米×40毫米×1毫米的尺寸，并钻孔以放置TLD。考虑到轨迹重叠效应，CR-39的剂量响应上限非常低，对于碳离子，大约为1 mGy。

DPR响应曲线的校准

图7展示了本研究中使用的LiF:Mg,Cu,P探测器的DPR响应曲线。观察到的趋势与其他研究人员的报告一致（Hajek等人，2008年；Sch?ner等人，1999年）。对于LET值低于30 keV μm^-1的情况，观察到LET与DPR之间大致呈线性关系。然而，当LET超过30 keV μm^-1时，DPR响应趋于饱和，不再发生显著变化。

图8展示了Peak 2和Peak 4的产量曲线

结论

本研究介绍了一种新型组合探测器，通过集成CR-39和LiF:Mg,Cu,P探测器来测量碳离子束中的LET。这种新的数据整合方法有效解决了每种单独探测器在高低LET区域的性能限制。

验证实验和初步应用表明，组合探测器显著提高了LET_d测量的精度，偏差

CRediT作者贡献声明

赵京芳：资源管理、项目行政。杨志远：验证。卓伟海：写作 – 审稿与编辑、监督、资金获取。周媛：写作 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、验证、方法论研究、调查、正式分析、概念化。陈波：写作 – 审稿与编辑、验证、监督、方法论研究、调查

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号12175043）的支持。