近日，由東京都市大學(xué)（Tokyo Metropolitan University）教授新莊清光（Kiyomitsu Shinsho）領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊，聯(lián)合東北大學(xué)及Orbray公司，在輻射劑量測量領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。他們利用Orbray開發(fā)的異質(zhì)外延合成鉆石材料，成功驗證了合成鉆石作為輻射劑量計的可行性，使其能夠同時適用于醫(yī)學(xué)診斷和放射治療場景。

這一成果發(fā)表在《醫(yī)學(xué)物理》（Medical Physics）期刊上，題為《低壓運行異質(zhì)外延鉆石電離室在診斷X射線劑量測量中的首次評估》。研究團(tuán)隊證明，基于鉆石的劑量計不僅能測量與診斷用X射線相同能量范圍內(nèi)的輻射劑量，其體積靈敏度更是遠(yuǎn)超傳統(tǒng)探測器。

突破傳統(tǒng)空氣電離室的物理局限

在臨床環(huán)境中，測量輻射劑量至關(guān)重要。目前，輻射劑量測量的標(biāo)準(zhǔn)方案是采用空氣電離室（Air Ionization Chamber）。其原理是讓射線穿過一定體積的空氣，產(chǎn)生可測量的電流。然而，這種技術(shù)面臨著巨大的量程挑戰(zhàn)。

診斷用X射線的劑量遠(yuǎn)低于放射治療中的劑量。用于治療的空氣電離室往往需要較大的空氣體積，導(dǎo)致探測器笨重，難以通過移動來繪制劑量隨位置變化的分布圖。更關(guān)鍵的是，在極低劑量水平下，傳統(tǒng)設(shè)備的靈敏度低到幾乎無法使用，存在“死區(qū)”。

鉆石材料帶來靈敏度與體積的雙重革命

新莊教授團(tuán)隊另辟蹊徑，摒棄了傳統(tǒng)的空氣介質(zhì)，轉(zhuǎn)而采用通過異質(zhì)外延（Heteroepitaxy）技術(shù)在電極上逐層沉積原子生長出的合成鉆石。這種技術(shù)使得鉆石晶體能夠高質(zhì)量地生長在基底之上。

實驗數(shù)據(jù)顯示，這款新型鉆石電離室的尺寸僅為4 x 4 x 0.5毫米，其體積約為典型空氣電離室的1/1250。然而，在施加-100伏相對較低的工作電壓時，其單位體積的靈敏度卻提高了13,500倍。

該探測器對輻射劑量表現(xiàn)出優(yōu)異的線性響應(yīng)，且對X射線能量的依賴性極小。其在低能量診斷設(shè)備中的成功應(yīng)用表明，它完全有能力應(yīng)對放射治療中更高的劑量水平。這意味著，同一款設(shè)備有望打通從診斷到治療的全流程劑量監(jiān)測。

此外，鉆石由碳元素組成，其原子序數(shù)與人體組織相近，是的人體組織等效材料，這進(jìn)一步提升了其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的準(zhǔn)確性。

構(gòu)建高精度輻射監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

這項技術(shù)為輻射劑量測量帶來了多維度的革新。首先，設(shè)備的緊湊性使其應(yīng)用場景極為廣泛，從個人佩戴式劑量計、治療過程中的實時監(jiān)測，到環(huán)境輻射監(jiān)控，均可勝任。

由于其小巧的體積，多個探測器可以像相機(jī)傳感器像素點一樣排列成網(wǎng)絡(luò)，從而繪制出大面積區(qū)域內(nèi)的劑量分布圖。其次，其對低劑量的高靈敏度，將有助于深化科學(xué)界對低水平輻射暴露對人體影響的理解，這是放射學(xué)研究中的一個關(guān)鍵盲區(qū)。

更為重要的是，該技術(shù)為解決長期存在的“劑量一致性”難題提供了方案。如果診斷和治療使用同一款高靈敏度設(shè)備進(jìn)行測量，不同場景下的劑量數(shù)據(jù)將具有直接的可比性，從而確保醫(yī)療數(shù)據(jù)的科學(xué)性和公平性。這一突破不僅將推動醫(yī)療設(shè)備的小型化與精準(zhǔn)化，也將提升環(huán)境輻射監(jiān)測的整體水平。