放射治療模擬機房的屏蔽改造方案設(shè)計與分析*

馬永忠 王宏芳 婁 云 萬 玲 馮澤臣

放射治療模擬機房的屏蔽改造方案設(shè)計與分析*

馬永忠①*王宏芳①婁 云①萬 玲①馮澤臣①

目的：分析放射治療模擬機房物理條件與設(shè)備劑量學(xué)參數(shù)的相互關(guān)系，設(shè)計并確定合理的機房屏蔽改造方案。方法：以某單位擬投入運行的1臺放射治療模擬機及其擬改造機房為研究對象，在設(shè)備調(diào)試性出束時使用451P高壓電離室巡測儀和SG-102型X-γ環(huán)境劑量率儀測量機房外圍關(guān)注點的輻射水平，并據(jù)此進(jìn)行機房墻體的屏蔽改造方案設(shè)計。結(jié)果：該模擬機在125 kV、1.8 mA的最高透視條件下，東、西主束墻外周圍劑量當(dāng)量率最高分別為14 μSv/h和4 μSv/h，機房室頂上方最高劑量率為185 μSv/h，據(jù)此初步確定了該模擬機房主束屏蔽的改造方案。結(jié)論：放射治療模擬機房外在透視條件下關(guān)注點的周圍劑量當(dāng)量率作為放射防護(hù)指標(biāo)，根據(jù)其實測值設(shè)計機房的屏蔽改造方案實用可行。

放射治療模擬機；模擬機房；屏蔽改造；放射防護(hù)

[First-author’s address] Beijing Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100013, China.

放射治療模擬機是腫瘤患者接受放射治療的輔助設(shè)備，其使用診斷X射線球管代替直線加速器和60Co等放射治療輻射源，采用kV級X射線模擬治療射線，通過設(shè)備的機械運動模擬各種放射治療裝置的幾何位置和運動，通過電視系統(tǒng)觀察治療腫瘤時所需的放射野形狀、靶區(qū)中心位置及減少重要器官吸收劑量的機架角度，對患者病變部位進(jìn)行確認(rèn)并有效核查治療計劃系統(tǒng)，對腫瘤疾病的精確定位和精確治療發(fā)揮了不可替代的作用[1-3]。截至2013年，世界上運行的放射治療模擬機超過10萬臺，我國用于模擬定位的設(shè)備突破了1000余臺。隨著放射治療技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，模擬定位設(shè)備更新越來越快，其中普通放射治療模擬機占有一定比例。然而，在醫(yī)院引進(jìn)模擬機的同時也面臨著該設(shè)備機房的選擇及其防護(hù)設(shè)計等系列問題，醫(yī)院在對原有的X射線診斷設(shè)備機房或非輻射設(shè)備機房進(jìn)行改造時必須嚴(yán)格遵循國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行屏蔽與防護(hù)設(shè)計，使之滿足設(shè)備運行的放射防護(hù)要求[4]。本研究對擬投入使用的普通放射治療模擬機房進(jìn)行防護(hù)分析，確定機房實用合理的屏蔽改造設(shè)計方案，并對有關(guān)問題進(jìn)行分析。

1 設(shè)備與方法

1.1 擬安裝設(shè)備及其主要技術(shù)參數(shù)

擬安裝的設(shè)備為1臺國產(chǎn)普通放射治療模擬機，機架旋轉(zhuǎn)范圍：±185o；治療床等中心旋轉(zhuǎn)范圍：±105o；界定器旋轉(zhuǎn)范圍：±105o；源軸距SAD：100 cm；等中心精度：r≤1 mm；輻射野尺寸：在SAD=100 cm時，2 cm×2 cm～40 cm×40 cm；非對稱野：在SAD=100 cm時，單邊-10～20 cm。設(shè)備進(jìn)行X射線出束的技術(shù)參數(shù)：透視管電壓40～125 kV，透視管電流1.8 mA，攝影最短曝光時間：3.5 ms。擬安裝設(shè)備的外觀如圖1所示。

圖1 放射治療模擬機外觀

1.2 模擬機房設(shè)置條件

將模擬機安裝在醫(yī)院放射治療樓一層的角落(在無地下室的情況下)，機房在改造前為普通X射線攝影機房，其東墻和北墻外為院內(nèi)過道，南墻外為控制室，西墻外為空調(diào)機房，室頂為院內(nèi)非放射工作區(qū)(如圖2所示)。

圖2 放射治療模擬機房平面示意圖

機房面積為24 m2，室內(nèi)長480 cm，寬500 cm，高為380 cm，擬安裝設(shè)備的管球位于機房室中心，等中心點O與機房東西方向防護(hù)墻內(nèi)表面距離均為240 cm，距離南北防護(hù)墻內(nèi)表面均為250 cm，與室頂內(nèi)表面距離為260 cm。擬引進(jìn)模擬機水平主束方向為東西，可四周旋轉(zhuǎn)照射。該機房墻體固有厚度為30 cm。X射線攝影機管電壓為120 kV，在典型照射條件下的防護(hù)檢測結(jié)果表明，設(shè)備運行時機房外圍均為現(xiàn)場環(huán)境本底水平。

1.3 機房屏蔽外圍輻射水平控制目標(biāo)

模擬機具有攝影和透視兩種功能，在對患者進(jìn)行模擬定位時透視時間遠(yuǎn)高于攝影時間，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GBZ130-2013“醫(yī)用X射線診斷放射防護(hù)要求”，透視條件下機房外圍的周圍劑量當(dāng)量率應(yīng)控制為2.5 μSv/h。由于原機房適用于普通X射線診斷設(shè)備的運行，故在屏蔽改造前實測新裝模擬機調(diào)試出束狀態(tài)時的輻射水平，以掌握機房屏蔽改造的重點?，F(xiàn)場對機房外圍進(jìn)行管制，接通模擬機的電氣線路進(jìn)行短暫的調(diào)試性出束，使用451P高壓電離室巡測儀和SG-102型X-γ環(huán)境劑量率儀，實際測量透視條件下機房外圍各關(guān)注點的周圍劑量當(dāng)量率，并以實測值對照標(biāo)準(zhǔn)控制值進(jìn)行機房墻體的屏蔽改造方案設(shè)計。測量時設(shè)定管電壓為125 kV、管電流為1.8 mA，為該設(shè)備預(yù)期臨床應(yīng)用最大工作負(fù)荷時的透視照射參數(shù)。

1.4 模擬機房屏蔽計算方法

國際原子能機構(gòu)(IAEA)47號技術(shù)報告等[5-7]國際標(biāo)準(zhǔn)中對模擬機房的主束屏蔽和次束屏蔽給出了系列計算公式，基本方法是根據(jù)機房幾何參數(shù)、設(shè)備的性能指標(biāo)、工作負(fù)荷和機房屏蔽因子等目標(biāo)值，分別計算出主射線區(qū)和次束區(qū)屏蔽墻的衰減因子，根據(jù)衰減因子確定相應(yīng)防護(hù)墻所需某種屏蔽材料的十分之一衰減厚度(TVL)值，最終求出機房所需的屏蔽厚度。機房是在原有X射線攝影機房基礎(chǔ)上的改建，在改建中涉及機房屏蔽厚度的計算方法與IAEA47號報告建議的方法本質(zhì)上一致，在計算中可充分利用現(xiàn)有機房在已知照射條件下實測獲得的周圍劑量當(dāng)量率()，對照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的機房外圍周圍劑量率控制值計算出擬增設(shè)屏蔽的輻射透射因子B，進(jìn)而推算出擬定附加屏蔽物質(zhì)的厚度，因主束屏蔽通常滿足該區(qū)散射輻射和泄漏輻射的屏蔽防護(hù)要求。故已知模擬機房透視條件下的和，可參照IAEA47號報告的方法計算出B(公式1)：

對于給定的某已知鉛當(dāng)量厚度(X)的屏蔽材料，則依據(jù)NCRP147號報告中給出的某一管電壓X射線在鉛中衰減的α、β、γ擬合值按公式2計算B：式中α、β、γ均為鉛對不同管電壓X射線輻射衰減有關(guān)的擬合參數(shù)。

按照公式(1)或(2)計算出B值后，依據(jù)NCRP147號報告中給出的某管電壓X射線在屏蔽物質(zhì)中衰減的α、β、γ擬合值計算出應(yīng)增設(shè)的屏蔽厚度h(公式3)：

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GBZ130-2013，管電壓為125 kV的X射線主射線和散射線常用鉛、鐵和砼的α、β、γ的參數(shù)值見表1。

對擬增設(shè)機房主束屏蔽寬度，在機房設(shè)計中參考醫(yī)用加速器機房主束屏蔽寬度的計算公式進(jìn)行近似估算，在機房內(nèi)增設(shè)屏蔽時，主束區(qū)屏蔽半寬度W按公式4計算：

在機房外增設(shè)屏蔽時，主束區(qū)屏蔽半寬度W按公式5計算：

式中SAD為模擬機的源軸距，通常為100 cm；a為模擬機等中心點O至主束防護(hù)墻內(nèi)表面距離(cm)；h為擬增設(shè)的屏蔽厚度(cm)；h0為機房主束區(qū)原有屏蔽厚度(cm)；θ為模擬機最大照射野時主束相對于等中心軸的半張角(o)。該模擬機最大照射野為40 cm×40 cm，θ近似為14o。x為同側(cè)主束屏蔽半寬度外延寬度(cm)，通常取30 cm。

2 結(jié)果

2.1 模擬機房屏蔽改造前機房外圍輻射水平

擬運行的模擬機在調(diào)試實驗出束時，選定最高管電壓透視條件為125 kV，管電流為1.8 mA；并設(shè)定最大照射野，進(jìn)行主束方向和次束方向機房外關(guān)注點的輻射水平測試，其結(jié)果見表2。

實測值表明，機房東西主束區(qū)防護(hù)墻外和室頂上方的周圍劑量當(dāng)量率均高于國家標(biāo)準(zhǔn)GBZ130-2013中規(guī)定的限值，這些方向的防護(hù)墻成為機房屏蔽改造的關(guān)鍵點，而機房外其余部位的實測輻射水平均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)值?，F(xiàn)場同時對模擬機房與控制室之間和空調(diào)機房之間的電纜管線孔溝位置的輻射水平進(jìn)行的測試結(jié)果表明，均＜0.20 μSv/h。同時，現(xiàn)場調(diào)試測試中所見個別管孔處于次束區(qū)，實測輻射水平值也＜0.18 μSv/h，但尚需對管孔部位采取屏蔽措施，以免除現(xiàn)場操作人員的心理負(fù)擔(dān)。表2顯示有機房改造前主束墻外劑量率實測最大值，以2.5 μSv/h為控制目標(biāo)值時則由公式(1)計算出東墻、西墻外和室頂?shù)闹魇帘瓮干湟蜃覤分別為1.79×10-1、6.25×10-1和1.35×10-2。機房在實際屏蔽改造中擬將主束墻外劑量率控制為＜1.0μSv/h，由此計算出東、西墻外和室頂B分別為7.14×10-2、2.50×10-1和5.41×10-3。

表1 鉛、鐵和砼對管電壓為125 kV的X射線不同輻射衰減有關(guān)的α、β、γ參數(shù)值

表2 模擬機房屏蔽改造前機房外圍關(guān)注點的輻射水平

2.2 模擬機房屏蔽改造方案

(1)模擬機房主束方向防護(hù)墻的屏蔽厚度和寬度。表2中的實測結(jié)果表明，該模擬機在透視模式下進(jìn)行實驗性調(diào)試出束透視照射(125 kV，1.8 mA)時，機房東西方向主射線防護(hù)墻外圍和室頂上方的輻射水平實測值均高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.5 μSv/h，其余方向輻射水平均在標(biāo)準(zhǔn)控制值以內(nèi)，因此需要著重對主束屏蔽進(jìn)行改造，改造中保留機房原有屏蔽。按照公式(3)計算出東墻、西墻和室頂應(yīng)增設(shè)的屏蔽厚度(見表3)。

按照公式(4)和公式(5)估算出主束區(qū)增設(shè)屏蔽應(yīng)滿足的寬度見表4。

增設(shè)機房主束屏蔽時，屏蔽物質(zhì)的寬度應(yīng)以等中心為南北對稱，在室內(nèi)增設(shè)屏蔽時水平方向?qū)挾葢?yīng)以主束軸對稱南北方向各為120 cm，室頂以主束軸對稱南北方向各為130 cm；在室外增設(shè)屏蔽時水平方向?qū)挾葢?yīng)以主束軸對稱，南北方向各為150 cm，室頂以主束軸對稱，南北方向各為160 cm。對機房室頂附加屏蔽宜在室頂外表面增設(shè)，若在室內(nèi)增設(shè)屏蔽則應(yīng)設(shè)計吊頂，并可根據(jù)吊頂?shù)膶嶋H高度重新估算應(yīng)增設(shè)主束屏蔽的寬度。

(2)機房屏蔽改造中的相關(guān)因素。在機房屏蔽改造方案設(shè)計中應(yīng)考慮的有關(guān)細(xì)節(jié)包括：①在增設(shè)主束屏蔽的改造中保持不削弱機房四周原有的主體屏蔽；②在機房內(nèi)定位指示燈安裝處應(yīng)在相應(yīng)墻壁的孔洞底部增加金屬屏蔽；③機房與控制室之間的電纜管線孔(溝)采用屏蔽材料予以封堵，墻面管孔溝道的屏蔽厚度將保證滿足同側(cè)防護(hù)墻的屏蔽效果；④在機房內(nèi)更新通風(fēng)設(shè)施時應(yīng)保證模擬機正常運行后機房內(nèi)的空氣能及時更新；⑤保留現(xiàn)有的機房防護(hù)門，在改造中將對防護(hù)門設(shè)置為易于開關(guān)的推拉控制設(shè)施，在防護(hù)門表面設(shè)置電離輻射警示標(biāo)志和工作狀態(tài)指示燈。

3 討論

用于臨床腫瘤放射治療定位的普通模擬機通常同時具有攝影和透視功能，而且設(shè)備機頭能夠以等中心點旋轉(zhuǎn)照射，對主束屏蔽的設(shè)計和改造與常規(guī)醫(yī)用電子直線加速器機房的屏蔽設(shè)計有類似之處。因此，相對于主束方向的墻體不必全部作為主束墻屏蔽進(jìn)行設(shè)計和改造，而可依據(jù)主射線準(zhǔn)直器的最大寬度和等中心點的幾何位置等參數(shù)計算出擬增設(shè)屏蔽應(yīng)具有的合適寬度。各醫(yī)療機構(gòu)建設(shè)普通放射治療模擬機房時，通常將主射線方向的整面墻體均作為主束防護(hù)墻設(shè)計，主要是因為模擬機產(chǎn)生的X射線能量較低，機房主束墻本身就不需要過厚的屏蔽材料，使用砼作為屏蔽體時其厚度為30 cm基本能滿足要求，而非同醫(yī)用加速器機房的主束屏蔽均在200 cm以上。但是，在對模擬機房主束墻的屏蔽進(jìn)行加厚改造時，從附加鉛、鐵屏蔽材料的經(jīng)濟成本等因素考慮，參照主束伸展的寬度來確定擬增厚屏蔽的寬度則非常必要。表3確定的屏蔽寬度均是最低寬度的基礎(chǔ)上增加了60 cm的保守寬度，而當(dāng)準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)45o朝向主束墻照射時，主束屏蔽的最大寬度則應(yīng)依據(jù)最大照射野對角線的寬度而設(shè)置。因此，采用公式(4)和公式(5)進(jìn)行主束屏蔽半寬度的計算時，應(yīng)分別考慮√2的系數(shù)修正，兩公式則應(yīng)分別改變?yōu)閃=√2(SAD+a+h)tgθ+x和W=√2(SAD+a+h0+h)tgθ+x。東墻、西墻和室頂主束墻屏蔽增設(shè)的寬度應(yīng)分別相應(yīng)增至315 cm和340 cm(機房內(nèi)表面增設(shè)屏蔽)，或東墻、西墻和室頂主束增設(shè)寬度分別增至400 cm和430 cm(機房外表面增設(shè)屏蔽)。由于機房擬安裝的模擬機在常規(guī)運行和維修調(diào)試時準(zhǔn)直器很少進(jìn)行對角線設(shè)置，或在進(jìn)行對角線設(shè)置時機頭僅向下照射，故在改造方案中仍以表4擬定的主束屏蔽寬度為準(zhǔn)。

表3 擬改造的模擬機房需增設(shè)的屏蔽厚度(mm)

表4 擬改造的模擬機房需增設(shè)主束屏蔽應(yīng)滿足的寬度(cm)

在模擬機房主束區(qū)屏蔽厚度的設(shè)置中需要考慮的因素除設(shè)備本身的劑量學(xué)參數(shù)(kV、mA)、設(shè)備出束照射條件(照射野、散射體)的設(shè)置外，機房幾何尺寸、固有墻體的承重能力、屏蔽材料的粘附方式與固定條件以及機房外圍人員活動區(qū)域的功能等均應(yīng)進(jìn)行綜合考量。該模擬機房室內(nèi)面積僅為24 m2，無論是進(jìn)行患者腫瘤定位操作還是對設(shè)備進(jìn)行維修調(diào)試，其活動空間緊湊。因此，應(yīng)根據(jù)實際空間選擇屏蔽材料，盡可能避免在室內(nèi)增設(shè)砼屏蔽，若使用鉛屏蔽為附加材料時則適宜在室內(nèi)墻表面進(jìn)行設(shè)置，以便從屏蔽寬度方面減少所用鉛屏蔽材料的成本，也可使用鉛與鐵、鉛與砼或鐵與砼等不同組合的屏蔽材料，這些屏蔽材料組合時確定的等效厚度值可參照表3的數(shù)值進(jìn)行選擇，但應(yīng)注意在原有墻體增設(shè)屏蔽時，附加內(nèi)層屏蔽與附加外層屏蔽的鉛當(dāng)量厚度的計算有所區(qū)別。然而，無論是在室內(nèi)增設(shè)屏蔽還是在室外表面增設(shè)屏蔽，均應(yīng)保證屏蔽材料牢固結(jié)合。

有關(guān)模擬機房外圍的周圍劑量當(dāng)量率控制指標(biāo)，我國的國家標(biāo)準(zhǔn)和國際放射治療與模擬定位相關(guān)的技術(shù)文件[8-12]均未作出明確的相關(guān)規(guī)定，這些標(biāo)準(zhǔn)文件提出對機房外圍人員的受照劑量水平進(jìn)行控制的主要準(zhǔn)則是結(jié)合設(shè)備運行出束的工作負(fù)荷以及人員居留因子等參數(shù)進(jìn)行估算，以估算值對照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)人員年劑量管理目標(biāo)值進(jìn)行評價，核算機房外圍人員可能受到的劑量是否超標(biāo)。我國最新修訂的國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GBZ130-2013“醫(yī)用X射線診斷放射防護(hù)要求”中第1條明確了模擬定位裝置參照本標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，同時該標(biāo)準(zhǔn)的第5.4條表明，對于具有透視功能的X射線機在透視條件下檢測時，機房外圍周圍劑量當(dāng)量率控制目標(biāo)值應(yīng)＜2.5 μSv/ h。因此，在機房的屏蔽改造時采用透視條件下主束墻外圍的周圍劑量當(dāng)量率實測值，對照標(biāo)準(zhǔn)控制值計算出擬增設(shè)屏蔽衰減因子并確定改造機房的屏蔽厚度，其數(shù)據(jù)科學(xué)、適當(dāng)。

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Designing and analyzing on shielding reconstruction project of radiotherapysimulator room

/MA Yong-zhong, WANG Hong-fang, LOU Yun, et al// China MedicalEquipment,2014,11(8):8-12.

Objective: The relationship between the physical condition of radiotherapy simulator room and dosimetry parameters of the facility was analyzed to design and determine reasonable shielding reconstruction project of the room. Methods: A normal radiotherapy simulator and its room to be reconstructed were determined as the research object. Under the condition of debugging beam-on time, a 451P high pressure ionization chamber survey meter and a SG-102 X-γenvironmental dose rate meter were used to measure radiation level of the interest point in the periphery of the room. Then, the shielding reconstruction project of the simulator room was framed on the basis of the actual ambient dose equivalent rate. Results: While the simulator was beaming under the maximum fluoroscope condition of 125 kV and 1.8 mA , the maximum ambient dose equivalent rate outside east wall, west wall and roof of the room from primary radiation were 14, 4 and 185μSv/h respectively. The preliminary shielding reconstruction project of the room was illustrated as: the shield thickness added on east wall. Conclusion: The ambient dose equivalent rate of interest point outside a radiotherapy simulator room can be adopted as a protective parameter, and it is practical and feasible that the shielding reconstruction project of the room is designed according to the actual measured values of radiation dose rate outside the original room.

Radiotherapy simulator; Simulator room; Shielding reconstruction; Radiation protection

1672-8270(2014)08-008-05

R812 143

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.08.003

2014-04-09

衛(wèi)生行業(yè)科研專項(201002009)“輻射危害控制與核輻射衛(wèi)生應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用”；北京市預(yù)防醫(yī)學(xué)公益應(yīng)用研究項目(2014-BJYJ-07)“放射診療防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備性能指標(biāo)的應(yīng)用研究”

①北京市疾病預(yù)防控制中心 北京市預(yù)防醫(yī)學(xué)研究中心 北京 100013

*通訊作者：myz0905@126.com

馬永忠，男，(1968- )，博士，主任醫(yī)師。北京市疾病預(yù)防控制中心北京市預(yù)防醫(yī)學(xué)研究中心，從事放射防護(hù)評價及輻射劑量研究工作。