剂量测定是医学物理学科中最基础且重要的内容之一。
一、电离室剂量测定系统
放射治疗成功的关键是保证放射设备输出到病人靶体积内的剂量准确。在临床实践中，精确测量剂量是放疗标准化的重要环节。
其中，用的最多最广泛的工具是电离室(ion chamber)。就如青龙偃月刀之于关云长，电离室是物理师们手中最重要的兵器，它可以用来做commissioning、校准辐射束、做病人治疗计划QA等。
Courtesy of Elekta
各种国际实用规范已详细描述了电离室的使用（例如AAPM51号报告、国际原子能机构398号报告）。里面一些细节可能略有不同，但基本概念是相通的：通过将电离室测量的读数(M, measurement)乘以该电离室校准因子（ND,W）和其他修正因子，以得到吸收剂量(Dw, dose to water)。
以最精简的公式来表达这个概念，为：
可是有这么简单吗？没有……
我们先来看电离室的结构。
电离室主要由外部导电室壁和中心测量电极组成，室壁内是充满自由空气的空腔。室壁和测量电极之间由高绝缘材料及防护电极分隔开，用于减小在施加极化电压时的漏电流。
一般来说，电离室内气腔的长度不超过25 mm，气腔的内直径不超过7 mm。用作室壁的材料一般是低原子序数Z（即组织或空气等效）材料，室壁的厚度低于0.1g/ cm2。测量电极一般用铝或石墨作为材料。
Farmer 型指形电离室的设计原理见下图：
No.2
平行板电离室
(parallel-plate chamber)
适用于测定：
低能X射线(superficial)
能量低于10MeV的电子线
光子建成区内的吸收剂量及表面剂量
Advanced Markus平行板电离室 Courtesy of PTW
平行板电离室由两个平板室壁组成，其中一个作为入射窗，形成极化电极，另一个作为后壁，形成电荷信号的测量电极。平行板电离室周围还设计有宽度超过3 mm的保护环(guard ring，防护电极)，这就保证了没有电子可以通过室壁对测量信号产生影响。平行板电离室的示意图：
归纳总结一下，电离室由三极构成，它们共同定义电离室的灵敏体积(sensitive volume)：
1） 极化电极(偏压电极, polarizing electrode), 通过静电计与电源相连；
2） 测量电极(collector electrode)，与静电计相连，用来测量电离室灵敏体积所产生的电量或电流；
3） 防护电极(guard electrode), 用于截断漏电流，并绕开收集电极，将漏电流导向地面。它还能确保电离室灵敏体积内的电场具有良好的均匀性，这样可以准确地收集电离电荷量。
二、电离室如何校准？
剂量基准是统一量值的最高依据，也是与其他国家量值保持等效的接口。各种类型的剂量仪器校准因子的检定（calibration）必须追溯到国家基准。
我国的剂量基准机构是中国计量科学研究院(National Institute of Metrology, NIM)。
下图为世界上其他国家的剂量基准机构，以及国际计量标准机构。
国际度量衡局（BIPM）推动多边相互承认协定（MRA），透过国际度量衡委员会（CIPM）或各区域计量组织举办的国际量测比对活动，才能不断提高测量的准确度，并促进剂量测量的量值的国际统一，达到各国计量标准相互认可的目的。
目前已有三类基本方法用来作为测量伽马射线水吸收剂量标准测量方法，作为Primary standard (原级标准)：
01
Calorimetry量热法
1.1 Graphite calorimeter(石墨量热法)
采用的国家例如ARPANSA (澳洲), NIMJ (日本), LNHB(法国), NPL(英国)
1.2 Water calorimeter(水量热法)
采用的国家比如有NIST (美国), NRC (加拿大)
以上两种方法都是基于测量辐射产生热来得到剂量，他们的优点：
√ 量热法是最直接的辐射吸收剂量量测方法，仅需对热量泄漏及化学反应进行微幅修正，即可根据定义求得辐射剂量。
√ 无能量上限或剂量率上限。
缺点：
× 辐射能量的沉积对于物质的温度上升幅度过低，每1 Gy辐射剂量仅能使石墨上升1.4×10-3℃，限制水量热法量测低辐射剂量率时的精度。
× 量热法的温度控制及量测设备太过庞大，不便于运输及安装，因此通常只能用于实验室作为标准。
02
Fricke dosimetry (Fricke化学计量法)
原理为二价的铁离子被电离辐射照射，氧化成三价的铁离子，改变探测紫外线的吸收率。
采用的国家例如有：PTB (德国) ⇒ Water calorimeter (2006)
03
Ionometric method(电离法)
图4：courtesy of ARPANSA
优点
√ 操作容易、成本低。
√ 对于能量在2 MeV以下的光子十分稳定。
要求每一个剂量仪器的检定都直接追溯到国家基准上，在通常情况下既无必要，也无可能。大量的检定任务由二级标准或三级标准剂量实验室完成。
通过国家基准剂量实验室对电离室进行校准因子的检定有以下三种途径:
1）电离室直接在基础标准剂量刻度实验室（PSDLs）校准，得到空气中的空气比释动能或者水中的吸收剂量。
2）电离室直接在可信的剂量刻度实验室(ADCL)或二级标准刻度实验室(SSDL)中被校准(当然ADCL,SSDL都是在通过PSDL的一级校准以后)。比如Tomotherapy用的Exradin A1SL指型电离室就是在美国的ADCL之一：Wisconsin-Madison实验室校准的，而不是送到NIST里校准。
ND,W校准因子(calibration factor)是怎么来的？
其实就是在标准实验室里做一个我们平时测量剂量逆操作的动作。简单来说就是将剂量(D)除以电离室测量到的电量(M)，再经过一些修正，就得到该电离室证书上的ND,W。
3）每个医院可送检最核心的一个电离室。得到证书后，其他电离室的校准因子可通过这个被(ADCL,SSDL,或PSDL)校准过的电离室间接交叉校准(cross calibrate)得到。
三、什么是布拉格格雷空腔理论
布拉格格雷空腔理论(Bragg-Gray cavity theory) 是一座桥梁，它是第一个将空腔电离室测定剂量(下图左)与介质吸收剂量(下图右)联系起来的理论。
Bragg-Gray空腔理论有三个条件。
条件一
空腔足够小，小到腔的存在不会扰动介质中带电粒子通量（Φ）
空腔尺寸要多小才算小呢？它是相对于空腔中光子产生的次级带电粒子的射程来说的。如果带电粒子的射程比空腔尺寸大得多，就认为空气腔是小的。
在MV级光子及电子辐照下，空气电离室满足Bragg-Gray空腔理论。可是在kV级光子射线质量下，并不真正满足Bragg-Gray空腔理论。
对于电子，吸收剂量等于电子通量乘以阻止本领。用公式表达上图右左情况剂量之比，则是：
也就是说均匀介质中的吸收剂量可以简化为：电离腔里测到的吸收剂量乘以两种物质的阻止本领之比。
条件二
吸收剂量仅由穿过空腔的带电粒子沉积产生（即假定腔中的光子相互作用非常少，并因此可忽略）
其实这是条件一的推论：如果空腔小到以满足第一个条件，那么由光子与空腔里的空气作用累积的剂量一定是小到可以忽略。如果这部分剂量不能忽略，那么就证明了带电粒子通量已经不一样了。
这又是什么意思呢？我们用下图来解释：
假设有A和B物质粘在一起，中间有条交界线。电子从左边射入，经过这个交界线时，它不会停在这个缝里，也不会在缝上产生新的电子，因为夹缝厚度无穷小，并没有真正的物质存在于夹缝上。
这时候把A和B拉开，中间是真空。真空不存在任何分子，所以不会有电子停止在这，也不会有新的电子产生。
再来看最右边的图，如果AB之间夹的是空气，情况就不一样了。虽然空气的密度很低，可是它还是会与入射电子发生反应。如果入射带电粒子能量很低，它会被空气挡住，停在空气带中。如果入射的电子能量很高，有可能电离产生次级电子，就有可能带着能量跑出去。
最右边的图模拟了我们使用电离空腔做测量的情况。在实际计算中，Bragg-Gray规定能量D 的电子必须能通过空腔。截止值D 因此与腔尺寸相关, 并定义为射程等于穿过腔平均弦长的电子的能量。
条件三
带电粒子在介质中达到平衡（charged particle equilibrium，CPE）
Spencer-Attix空腔理论
Spencer-Attix 理论进一步考虑了那些自身有足够能量进一步电离的次级电子（δ-rays）的产生。释放在气腔中的这些电子将有足够的能量逃脱空腔，并带走部分能量。这减少了空腔中吸收能量，故要求对空气阻止本领进行修正。
Spencer-Attix和Bragg-Gray的公式比起来，不同之处由红色标出
这两个理论之间差多少呢？下图可以看出Bragg-Gray里的质量阻止本领(S/ρ),与Spencer-Attix用的限制质量阻止本领(L/ρ)，随着能量变化的大趋势是一样的，只是在高能量处分开。蒙特卡罗计算显示：两种腔理论区别不能忽略，但通常也不很明显。
说了这么多，不知道大家有没有开始犯晕呢？
总结一下。
Take home messages
空腔理论探讨的是如何将沉积在气体空腔中的剂量转化为介质中的剂量。
Bragg-Gray理论要求：
光子通量不因电离室存在而受扰动
吸收剂量仅由穿过空腔的带电粒子沉积产生
带电粒子在介质中达到平衡 CPE
Spencer-Attix 理论进一步考虑到次级电子带走的能量，将这部分能量排除。计算剂量时用带电粒子通量乘以限制质量阻止本领。
四、极化效应与电荷复合效应
用电离室测定吸收剂量时，最内核的公式是D=M×N，即吸收剂量(D)等于静电计读数(M)乘以所使用电离室的校准因子(N)。
剂量计读数(M)会受到许多因素影响，使得测得的剂量与实际的吸收剂量不一致。影响测量结果的因素包括：
· 环境空气温度、气压
· 环境空气湿度
· 静电计收集效率
· 极化效应
· 电荷复合效应
· 漏电电流
· 室杆效应（现代电离室已几乎不用修正）
以上列出的因素虽不是剂量测量的最大问题，但仍会影响到测量结果。今天我们就来详解其中的两项：极化效应与电荷复合效应。
电离室极化效应：极性校正因子kpol
在相同的照射条件下，在电离室中使用极性相反的电势可能会产生不同的读数。这种现象称为极性效应。
施加不同的极性电压会影响读数是由于：
·不同的极性电压会让保护和收集电极之间的电场扭曲；
·空间电荷让定义敏感体积的电场线产生畸变；
·正负离子迁移率的差异会导致中心电极周围空间电荷分布的差异。注意，电离室并不是收集电离产生的正负电子，正电子会与氧原子结合形成氧离子，电离室收集的是负电子和正离子。正离子因其质量大，运动能力弱于带负电的电子。
如需进一步了解电离室的构造，请点前文链接：辐射剂量测定（一）电离室剂量测定系统
对大多数类型的电离室来说，高能X线在dmax深度以下测量时极化效应可以忽略，但是在高能X射线的建成区内及电子线，尤其是低能电子线和低能X射线，极化效应影响较大，且与受辐射的能量、角度、模体中的测量深度以及射野大小有关。
当在产生可测量极性影响的光束中使用腔室时，将真实读数视为在两个极性处获得的读数绝对值的平均值。
上式中，M+，M-分别是在相同条件下电离室接正极电压和负极电压后读数，M为电离室在正常使用状态下的读数(可以是正或负)。
如果一个电离室的极性校正因子大于3%，那么这个电离室就不能用于绝对吸收剂量的测量。另外，只要改变电离室电极极性，都须预辐射2～5 Gy，且等待数分钟达到电荷稳定平衡后才能用于下一次测量。
电离室电荷复合效应：复合校正因子Ks
气态电离室工作电压与收集信号的关系如图所示，依电压大小可分为六区。
(1) 复合区
当外加电压很小时，由辐射产生的正负离子对，部分会再复合而消失，因此产生的信号太小而无应用价值。
(2) 饱和区(电离室区)
当外加电压逐渐升高，辐射产生的正负离子对复合机率减少，电压增至适当大小后，所产生的离子对全部被收集而呈现饱和的信号。此饱和的信号大小与入射辐射电离的离子对数目有关，而与外加电压大小无关。此区域为电离室的工作区。
(3) 比例区(比例计数区)
外加电压继续升高，会使初次电离的离子被加速，在比例区的离子已被加速至具有足够的动能使其他未被入射辐射电离的气体分子亦因撞击而电离。此时离子对的数目会急遽增加，收集脉冲信号亦随之升高。此区域内，脉冲信号大小正比于原始离子对的数目，故称为比例区，为比例计数器的工作区域。
(4) 限制比例区
持续升高电压，电场与电压之关系将呈非线性。此乃因二次电离过程中，电子很快被收集，而正离子则缓慢的移向阴极，当正离子浓度很高时，其空间电荷会严重影响侦检器内电场的分布，而使外加电压与电场将呈非线性之关系性。在此区中，脉冲信号大小仍随初次电离之离子对增加而增加，但不呈线性关系。
(5)盖格牟勒区(盖格区)
当外加电压再升高，气体电离的倍增作用继续增加，直到产生足够的正离子，使得侦检器内之电场降低直至气体倍增作用终止。不同种类或能量的辐射在相同电压下的盖格区产生的脉冲信号大小皆相同，故此区仅能计数辐射数量，而不能用以鉴别辐射种类或能量。盖格牟勒区为平时在核医学部门用于检测放射污染的GM counter的工作区域。
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