醫(yī)用電子直線加速器機房屏蔽合理性分析探討

宋超

(海西州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，青海 德令哈 817000)

醫(yī)用電子直線加速器作為腫瘤治療可達到一般非放射性治療方法所不能及的治療效果，是其他治療項目無法替代的，但在醫(yī)用電子直線加速器的使用過程中會產(chǎn)生電子、X射線等電離輻射。根據(jù)《關(guān)于發(fā)布〈射線裝置分類〉的公告》(環(huán)境保護部/國家衛(wèi)生和計劃生育委員會，公告2017年第66號)，醫(yī)用電子直線加速器屬于Ⅱ類射線裝置，為盡量減小電離輻射對職業(yè)人員及公眾造成的危害，需設(shè)計輻射防護屏蔽機房[1]。文章通過對某醫(yī)院10MV醫(yī)用電子直線加速器設(shè)計的屏蔽體厚度合理性進行理論計算量化分析和實際監(jiān)測驗證分析，期望對同類型低能醫(yī)用電子直線加速器機房的設(shè)計及電離輻射影響評價有參考意義。

1 基本情況介紹

某醫(yī)院從醫(yī)科達購買的Precise Digital Accelerator型10MV醫(yī)用電子直線加速器主要開展腫瘤治療，機房設(shè)計凈空尺寸長7.3m×寬6.9m×高3.7m，其中主射墻體主屏蔽墻厚1.8m，屏蔽寬度4.0m，東側(cè)和西側(cè)次屏蔽墻厚1.0m，北側(cè)屏蔽墻厚1.2m，設(shè)置7.3m長“L”形迷道，屋頂主屏蔽頂板厚1.8m，次屏蔽頂板厚1.0m，防護門鉛當(dāng)量7.5mm，年出束時間約500h。該機房主體結(jié)構(gòu)屏蔽材料為重晶石混凝土，容重3 800kg/m3，機房施工方式為連續(xù)整體澆筑，并確保施工中無縫隙或氣泡產(chǎn)生。其主要技術(shù)參數(shù)見表1，屏蔽機房平面布置情況見圖1。

表1 醫(yī)用電子直線加速器參數(shù)表

2 工作原理及產(chǎn)污分析

2.1 醫(yī)用電子直線加速器工作原理

醫(yī)用電子直線加速器電子槍產(chǎn)生的電子由行波加速波導(dǎo)管加速后進入偏轉(zhuǎn)磁場，所形成的電子束由電子窗口射出，通過2cm左右的空氣射到金屬鎢靶，當(dāng)高能電子束與靶物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生韌致輻射(即X射線)，其最大能量為電子束的最大能量[2]。韌致輻射經(jīng)準(zhǔn)直和限束后形成劑量均勻穩(wěn)定的X射線，最后到達患者病灶實現(xiàn)治療目的。

2.2 產(chǎn)污分析

醫(yī)用電子直線加速器加速粒子為電子，當(dāng)電子束經(jīng)高能加速后與靶物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生韌致輻射(即X射線)，該醫(yī)用電子直線加速器可以提供X射線和電子線，根據(jù)設(shè)備參數(shù)，其中使用最大X射線能量為10MV，吸收劑量率為6Gy/min；最大電子線能量為18MeV，吸收劑量率為6Gy/min的電子線。電子線和X射線是隨機器的開關(guān)而產(chǎn)生和消失的。

3 屏蔽機房屏蔽合理性分析

根據(jù)《放射治療機房的輻射屏蔽規(guī)范第2部分：電子直線加速器放射治療機房》，(GBZ/T 201.2-2011)[3]的要求，醫(yī)用電子直線加速器機房外設(shè)定關(guān)注點。從保守角度出發(fā)，在加速器機房設(shè)計的尺寸厚度基礎(chǔ)上，假定加速器最大工況運行并針對關(guān)注點最不利情況對機房進行輻射屏蔽核算。加速器機房的關(guān)注點設(shè)定及主要照射路徑見圖2、圖3。由于加速器機房下方?jīng)]有其他樓層，所以地面的防護不予考慮。

3.1 計算點劑量率參考控制水平

參考GBZ/T201.2-2011，機房墻外30cm處各計算點的劑量率參考控制水平He由以下方法確定：

(1)使用放射治療年工作負荷、關(guān)注點位置的使用因子和居留因子，求得關(guān)注點的導(dǎo)出劑量率參考控制水平He，d：

對于主射線束：He，d=Ha/(t·U·T)

式1

式中：He，d—導(dǎo)出劑量率參考控制水平；Ha—年劑量參考控制水平，職業(yè)人員取5 000μSv/a，公眾取100μSv/a；U—主射線束向關(guān)注位置的方向照射的使用因子；根據(jù)醫(yī)院實際治療情況，射線投向地面的比例約占40%，每面墻體各占25%，屋頂占10%；對于漏射線使用因子取1；T—經(jīng)常有人員停留的地方取1，有部分時間有人員停留的地方取1/4，偶然有人員經(jīng)過的地方取1/16；t—年治療照射時間，根據(jù)醫(yī)院提供資料，平均每人治療時間為2.0min，每天最多治療50人，年工作時間為300d，計算得年工作時間500h。

(2)關(guān)注點的最高劑量率參考控制水平He，max：

人員居留因子T≥1/2的場所，He，max≤2.5μSv/h

人員居留因子T<1/2的場所，He，max≤10μSv/h

(3)取(1)(2)中較小者作為關(guān)注的劑量率參考控制水平(He)。

由此確定的各關(guān)注點的劑量率參考控制水平和主要考慮的輻射束見表2。

表2 機房外各關(guān)注點劑量率參考控制水平和主要考慮的輻射束

3.2 有用線束主屏蔽區(qū)寬度計算

主屏蔽區(qū)包括屋頂及墻體的部分位置，加速器主射線的最大出束角度為28°。有用線束主屏蔽區(qū)計算結(jié)果見表3。

表3 加速器機房主屏蔽范圍計算表

3.3 主屏蔽區(qū)、側(cè)屏蔽墻、內(nèi)墻和外墻核算

利用GBZ/201.2-2011的相關(guān)公式對主屏蔽區(qū)(計算點C、H、J)、側(cè)屏蔽墻(計算點A)、迷道外墻(計算點G)、迷道內(nèi)墻(計算點F′)進行厚度核算。屏蔽所需要的屏蔽透射因子B按下式進行計算。

式2

Xe=TVL×logB-1+(TVL1-TVL)

式3

X=Xecosθ

式4

式中：B—屏蔽透射因子；He—劑量率參考控制水平，μSv/h；H0—加速器有用線束中心軸上距產(chǎn)生治療X射線束的靶1m處的常用最高劑量率，取3.6×108μSv.m2/h(最高劑量率為6Gy/min)，后續(xù)計算均取此值；R—輻射源點(靶點)至關(guān)注點的距離，m；f—有用束為1，泄漏線占主射線比率(0.1%)；θ—斜射角，即入射線與屏蔽物質(zhì)平面的垂直線之間的夾角；TVL1(cm)和TVL(cm)—輻射在屏蔽物質(zhì)中的第一個什值層厚度和平衡什值層厚度；Xe—墻體有效屏蔽厚度(cm)；X—墻體屏蔽厚度(cm)。主屏蔽墻和側(cè)屏蔽厚度核算結(jié)果見表4。

表4 主屏蔽墻和側(cè)屏蔽墻屏蔽厚度核算表

續(xù)表

3.4 與主屏蔽區(qū)相連的次屏蔽區(qū)屏蔽厚度核算

根據(jù)GBZ/201.2-2011，對于與主屏蔽區(qū)相連的次屏蔽區(qū)(計算點B、D、I、K)應(yīng)考慮泄漏輻射和患者的一次散射輻射的復(fù)合作用，分別計算其所需屏蔽厚度，取較厚者。泄漏輻射所需厚度按照式2、3、4進行計算，散射輻射的透射因子按式5、3、4進行計算。

式5

式中：αph—患者400cm2面積上垂直入射X射線散射至距其1m(關(guān)注點方向)處的劑量比例，又稱400cm2面積上的散射因子；F—治療裝置有用束在等中心處的最大治療野面積(cm2)。

與主屏蔽區(qū)相連的次屏蔽區(qū)漏射輻射屏蔽厚度核算結(jié)果見表5。與主屏蔽區(qū)相連的次屏蔽區(qū)散射輻射屏蔽厚度核算結(jié)果見表6。

表5 與主屏蔽區(qū)相連的次屏蔽區(qū)漏射輻射屏蔽厚度核算表

表6 與主屏蔽區(qū)相連的次屏蔽區(qū)散射輻射屏蔽厚度核算表

3.5 機房防護門屏蔽厚度核算

機房入口關(guān)注點處(計算點E)的散射輻射劑量率H計算公式如下：

式6

式中：H—計算點E處的迷道散射輻射劑量率，μSv/h；αph—400cm2面積上的散射因子，取45°散射角的值1.35×10-3；α2—墻入射的患者散射輻射因子，患者一次散射角為45°，墻入射角為45°，墻散射角近似按0°計算，查得墻體45°入射、0°散射、1m2的散射因子α2=5.1×10-3(查附錄B表B.6)；A—散射面積，取3.7m×1.8m=6.7m2；R1—第一次散射路徑，取6.0m；R2—第二次散射路徑，取9.5m。

經(jīng)計算，迷道入口E計算點處的散射輻射劑量率H為20.5μSv/h。

所需的鉛屏蔽透射因子B計算公式如下：

式7

式中：Hoe—O1位置穿過迷道內(nèi)墻的漏射輻射在迷道口E點的劑量率，經(jīng)計算為0.016μSv/h；He—迷道入口E點控制劑量率，取0.8μSv/h。

入口處散射輻射平均能量約為0.2MeV，鉛的TVL為5mm，相應(yīng)B=0.038的鉛厚度X=TVL·logB-1=7.1mm。

防護門設(shè)計為7.5mm鉛當(dāng)量的鉛鋼門，滿足屏蔽要求。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

為進一步驗證機房的屏蔽合理性，本次還采用實際監(jiān)測的方法進行屏蔽合理性的校驗，監(jiān)測選用的儀器為BH3103B型便攜式X-γ劑量率儀，檢出限：1×10-8Gy/h，監(jiān)測點位主要選擇機房四周人員到達的范圍，具體監(jiān)測點位見圖4，監(jiān)測結(jié)果見表7。

表7 加速器機房周圍X-γ空氣吸收劑量率監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)表7監(jiān)測結(jié)果，醫(yī)用電子直線加速器在正常曝光狀態(tài)下，機房周圍操作位等職業(yè)人員活動區(qū)域內(nèi)監(jiān)測點位的X-γ空氣吸收劑量率在8.0×10-8Gy/h ～9.5×10-8Gy/h，其它公眾活動區(qū)域和周圍環(huán)境中監(jiān)測點位的X-γ空氣吸收劑量率為7.9×10-8Gy/h～10×10-8Gy/h。對比未曝光時X-γ輻射空氣吸收劑量率(6.3×10-8Gy/h～8.9×10-8Gy/h)兩者相差不大，且接近醫(yī)院周圍背景監(jiān)測值(7.5×10-8Gy/h～8.0×10-8Gy/h)，說明機房防護較好，不存在射線泄漏，且滿足《電子加速器放射治療放射防護要求》(GBZ126-2011)中“在加速器迷宮門處、控制室和加速器機房墻外30cm人員活動處的周圍劑量當(dāng)量率應(yīng)不大于2.5μSv/h”的規(guī)定要求。醫(yī)用電子直線加速器最大年出束運行時間約400h，在扣除輻射環(huán)境本底后，經(jīng)估算職業(yè)人員年最大受照射劑量為1.44×10-2mSv，滿足5mSv/a劑量約束限值，公眾年最大受照射劑量為4.00×10-3mSv，滿足0.1mSv/a劑量約束限值，因此其輻射環(huán)境影響較小。

5 輻射安全措施

為進一步減小輻射環(huán)境影響及輻射事故風(fēng)險，醫(yī)用電子直線加速器除采取屏蔽機房的措施外，還需安裝各項安全裝置以確保職業(yè)人員及公眾的輻射安全，且各項措施需要有冗余性，主要安全設(shè)施，包括：門機聯(lián)鎖、超劑量聯(lián)鎖、緊急止動開關(guān)、工作狀態(tài)指示燈、準(zhǔn)備出束語音提示、緊急開門裝置、聲光報警裝置、監(jiān)控攝像頭等。同時在運行過程中還需采取各項輻射安全管理措施包括：設(shè)立輻射安全管理機構(gòu)并設(shè)立專職人員進行輻射安全管，并對所有輻射工作人員進行崗前培訓(xùn)；配備便攜式X-γ輻射監(jiān)測儀并建立輻射工作場所監(jiān)測計劃和檔案；配備個人劑量計并建立職業(yè)人員個人劑量檔案和健康檔案；制定輻射安全管理規(guī)章制度和輻射事故應(yīng)急預(yù)案等。

6 結(jié)語

通過理論計算和實際監(jiān)測分析，Precise Digital Accelerator型醫(yī)用電子直線加速器設(shè)計屏蔽體屏蔽厚度均滿足要求，該醫(yī)用電子直線加速器機房屏蔽設(shè)計是合理的，同時在運行過程中通過落實各項安全設(shè)施和安全管理措施的條件下，醫(yī)用電子直線加速器可以確保安全運行，并對周圍輻射環(huán)境影響較小。