10 MV醫(yī)用直線加速器防護(hù)門外輻射劑量簡易估算模式

北京市輻射安全技術(shù)中心 審評(píng)室，北京 100089

引言

醫(yī)用電子直線加速器是遠(yuǎn)距放射治療的主要手段[1-3]。醫(yī)用加速器射線能量高，應(yīng)按照輻射法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的要求[4-6]，采取屏蔽措施以減少對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的輻射影響[7-8]，確保加速器運(yùn)行過程中機(jī)房外輻射劑量率與年劑量符合標(biāo)準(zhǔn)和管理限值要求[9]。10 MV以上加速器迷路入口輻射劑量主要由中子、中子俘獲γ輻射、散射及漏射輻射三部分組成[10-12]。由于中子俘獲γ射線的什值層遠(yuǎn)大于散射及漏射射線的什值層，因此迷路口防護(hù)門的γ射線屏蔽由中子俘獲γ射線決定, 滿足中子俘獲γ射線的屏蔽也必然滿足散射和泄漏輻射的屏蔽[13]。對(duì)于目前廣泛應(yīng)用的10 MV醫(yī)用直線加速器[14]，其X射線通常分為6 MV、10 MV兩檔[15]，機(jī)房迷路入口處的輻射劑量可不考慮中子輻射防護(hù)[16-18]，只考慮散射輻射、漏射輻射兩部分影響。

目前，在對(duì)10 MV醫(yī)用直線加速器機(jī)房防護(hù)門外的輻射劑量進(jìn)行計(jì)算與評(píng)價(jià)時(shí)，通常是分別計(jì)算并比較6 MV、10 MV兩種能量狀態(tài)下的輻射劑量，計(jì)算量大且容易出錯(cuò)。本文以使用一臺(tái)最大X射線能量為10 MV的醫(yī)用直線加速器為例，分別計(jì)算不同能量（6 MV、10 MV）、不同迷路內(nèi)墻厚度（砼1.2 m、1.4 m）條件下防護(hù)門外的輻射劑量水平，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，提出一種輻射劑量簡易估算模式，為加速器機(jī)房的屏蔽計(jì)算與評(píng)價(jià)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 相關(guān)計(jì)算參數(shù)

加速器物理參數(shù)：X射線能量 6 MV和10 MV，兩種能量狀態(tài)下等中心處輻射劑量率均為600 cGy/min（3.6×108μSv/h，無FFF模式），等中心處最大射野尺寸F=40 cm×40 cm， 靶點(diǎn)到等中心距離SAD =100 cm，X射線泄漏輻射比率為0.1%。

屏蔽計(jì)算參數(shù)：迷路內(nèi)墻（砼ρ=2.35 kg/m3）厚度t分別取1.2 m和1.4 m，漏射線斜穿過迷路內(nèi)墻的實(shí)際厚度t1=t/cosθ（θ為入射角，漏射線穿過迷路內(nèi)墻時(shí)入射射線與屏蔽物質(zhì)平面的垂直線之間的夾角[19]），防護(hù)門屏蔽t2為10 mm鉛。不同能量射線在砼、鉛中的什值層厚度[18]如表1所示。

表1 不同能量射線在砼、鉛中的什值層厚度

1.2 計(jì)算方法

計(jì)算加速器機(jī)房屏蔽的方法較多，比如IAEA47 號(hào)報(bào)告[20]、IPEM 75 號(hào)報(bào)告[21]等。本文采用目前國內(nèi)主要采用的美國國家委員會(huì)輻射保護(hù)與測量NCRP151號(hào)報(bào)告[22]、《放射治療機(jī)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(jī)房》[23]，兩者屏蔽計(jì)算原理和計(jì)算參數(shù)一致，本文以等中心點(diǎn)輻射劑量率替代周工作負(fù)荷，轉(zhuǎn)化為輻射劑量率估算。機(jī)房迷路入口處的輻射劑量，主要考慮和計(jì)算來自以下四部分的輻射劑量：

（1）主束經(jīng)患者、迷路外墻各一次散射輻射HPS。主束經(jīng)患者、迷路外墻各一次散射，到達(dá)迷路入口防護(hù)門M點(diǎn)的輻射劑量率HPS如公式(1)所示。

公式(1)中，α（θ）為有用束照射患者每400 cm2面積上的散射因子（取θ=45°散射角）；H0為等中心處輻射劑量率3.6×108 μSv/h；F為等中心處最大照射野F =40 cm×40 cm；αPS為墻對(duì)患者散射輻射的散射因子（患者散射能量為0.5 MeV，入射角約45°，散射角約0°）；A1為從迷路入口處可見墻的面積（m2）；dsca為靶點(diǎn)至患者（等中心點(diǎn)）的距離（1 m）；dsec為等中心點(diǎn)到A1墻與迷路中心線交點(diǎn)的距離（m）；dzz為從A1墻與迷路中心線交點(diǎn)至迷路入口處距離（m）。散射路徑如圖1所示。

圖1 經(jīng)患者后再經(jīng)迷路外墻散射

（2）主束穿過患者經(jīng)迷路外墻二次散射輻射HS。主束穿過患者后，先后經(jīng)主束墻一次散射和迷路外墻二次散射，到達(dá)迷路入口防護(hù)門M點(diǎn)的輻射劑量率HS如公式(2)所示。

公式(2)中，αo為主束散射面A0的散射系數(shù)；A0為最大照射野投影在主束散射墻上的面積（m2）；αZ為主束經(jīng)迷路外墻表面AZ第二次反散射的系數(shù)（能量為0.5 MeV）；AZ為主束散射面A0的散射線經(jīng)過迷路內(nèi)口發(fā)散到迷路外墻內(nèi)表面的散射面積（m2）；dh為從靶點(diǎn)至散射面A0的距離（m）；dr為第一次散射面中心點(diǎn)經(jīng)迷道內(nèi)口至迷道中線的距離（m）；dz為b點(diǎn)經(jīng)迷道中線至防護(hù)門外30 cm入口處的距離（m），散射路徑如圖2所示。

圖2 主束穿過患者經(jīng)迷路外墻二次散射

（3）加速器機(jī)頭泄漏輻射經(jīng)迷路外墻一次散射輻射HLS。加速器機(jī)頭泄漏輻射經(jīng)迷路外墻一次散射輻射，到達(dá)迷路入口防護(hù)門M點(diǎn)的輻射劑量率HLS如公式(3)所示。

公式(3)中，Lf為距靶1 m處裝置機(jī)頭泄漏輻射率，取0.1%；αLS為墻對(duì)漏射輻射的散射系數(shù)；A1為從門入口處可見墻的面積（m2）；dLS為靶點(diǎn)至A1墻迷路中心線的距離（m）；dZZ為從A1墻與迷路中心線交點(diǎn)至入口處的距離（m），散射路徑如圖3所示。

圖3 泄漏輻射經(jīng)迷路外墻一次散射

（4）直接穿過迷路內(nèi)墻的漏射輻射HL。加速器機(jī)頭泄漏輻射穿過迷路內(nèi)墻[24]，到達(dá)迷路入口防護(hù)門M點(diǎn)的輻射劑量率HL以及迷路內(nèi)墻對(duì)漏射輻射的衰減因子BL，如公式 (4～5)所示。

公式(4～5)中，Lf為距靶1 m處裝置機(jī)頭泄漏輻射率，取0.1%；BL為迷路內(nèi)墻對(duì)漏射輻射的衰減因子；dL為靶點(diǎn)經(jīng)迷路內(nèi)墻至迷路入口處的距離（m）；t1為漏射線斜穿過迷路內(nèi)墻的實(shí)際厚度（t1=t/cosθ，θ取30°）（cm）；TVLe、TVL1分別為漏射線穿過迷路內(nèi)墻時(shí)砼的平衡什值層和第一什值層厚度（cm），散射路徑如圖4所示。

圖4 泄漏輻射穿過迷路內(nèi)墻

（5）防護(hù)門外輻射劑量率計(jì)算HTot-shield 見公式(6)。

公式(6)中，t2為防護(hù)門鉛厚度10 mm，TVL門散為 0.5 cm，TVL門漏為5.7 cm。

2 結(jié)果

根據(jù)上述相關(guān)參數(shù)和計(jì)算公式，分別計(jì)算加速器運(yùn)行時(shí)，各散射輻射與泄漏輻射劑量水平，將防護(hù)門外M點(diǎn)的輻射劑量率計(jì)算結(jié)果列于表2。

表2 迷路入口防護(hù)門外M點(diǎn)輻射劑量率計(jì)算結(jié)果匯總

對(duì)表2中計(jì)算數(shù)值進(jìn)行分析，可得出以下主要結(jié)果。

（1）對(duì)于特定尺寸的加速器機(jī)房而言，通過合理設(shè)置一定厚度的迷路內(nèi)墻和防護(hù)門，迷路入口防護(hù)門外的輻射水平可滿足《電子加速器放射治療放射防護(hù)要求》[25]中防護(hù)門外輻射劑量率不大于2.5 μSv/h的限值要求。

（2）主束經(jīng)患者、迷路外墻各一次散射輻射（HPS）在散射輻射中的比重最大，其輻射劑量水平比其余兩種散射輻射（HS、HLS）通常要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，是散射輻射的主要來源。

（3）6 MV能量較10 MV低，其散射因子較大，三種散射輻射劑量均大于10 MV能量下相應(yīng)部分的散射輻射劑量，由于兩種不同能量下到達(dá)迷路入口的散射輻射能量均約為0.2 MeV，因此防護(hù)門外6 MV的散射輻射（HPS+HS+HLS）大于10 MV的散射輻射。同時(shí)，10 MV的漏射輻射比6 MV漏射輻射能量更高，穿過同樣厚度迷路內(nèi)墻和防護(hù)門后的10 MV漏射輻射（HL）則大于6 MV漏射輻射。

（4）防護(hù)門鉛屏蔽對(duì)加速器機(jī)頭漏射線的屏蔽能力很弱，主要通過迷路內(nèi)墻進(jìn)行充分衰減。當(dāng)迷路內(nèi)墻厚度較薄時(shí)，穿過迷路內(nèi)墻的漏射輻射影響較大，10 MV能量下防護(hù)門外總的輻射劑量較大；當(dāng)迷路內(nèi)墻厚度較厚時(shí)，穿過迷路內(nèi)墻的漏射輻射影響較小，此時(shí)防護(hù)門外總的輻射劑量6 MV較大。

3 討論

6 MV、10 MV兩種不同能量狀態(tài)下，迷路入口防護(hù)門外的輻射劑量大小關(guān)系不確定，與機(jī)房中迷路內(nèi)墻的厚度有關(guān)，在迷路內(nèi)墻厚度“從薄到厚”的過程中，防護(hù)門外6 MV的輻射劑量較10 MV實(shí)現(xiàn)了“反轉(zhuǎn)”。確定防護(hù)門外的輻射水平大小，需分別計(jì)算并比較6 MV、10 MV兩種不同能量狀態(tài)下散射輻射與漏射輻射劑量之和，取其中結(jié)果較大者與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值進(jìn)行比較與評(píng)價(jià)。

10 MV加速器機(jī)房防護(hù)門外輻射劑量由散射輻射、漏射輻射兩部分組成，由計(jì)算結(jié)果可知，散射輻射部分6 MV大于10 MV，漏射輻射部分則10 MV大于6 MV。因此，直接采用“6 MV 能量下（HPS+HS+HLS）+10 MV 能量下（HL）”組合簡易估算模式，可快速計(jì)算與評(píng)價(jià)防護(hù)門外的輻射劑量，其結(jié)果如符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值要求，則6 MV、10 MV兩種不同能量下各自的輻射劑量也必然符合限值要求。

加速器運(yùn)行時(shí)散射輻射、漏射輻射劑量的計(jì)算，涉及散射系數(shù)、什值層厚度等多種參數(shù)，且不同能量下參數(shù)均各不相同，計(jì)算過程較為復(fù)雜。采用原有分別計(jì)算不同能量下輻射劑量并加以比較的方法，計(jì)算量大且容易出錯(cuò)。采用本文提出的簡易估算模式，較大程度地減少了計(jì)算量，提高了計(jì)算與評(píng)價(jià)的效率。

4 結(jié)論

綜上所述，對(duì)于10 MV醫(yī)用直線加速器放射治療機(jī)房，本文提出了快速估算與評(píng)價(jià)防護(hù)門外的輻射劑量水平的“6 MV能量下（HPS+HS+HLS）+10 MV能量下（HL）”組合簡易估算模式，有效減少了計(jì)算量，提高了屏蔽計(jì)算與評(píng)價(jià)的效率，是優(yōu)化醫(yī)用放療加速器機(jī)房屏蔽計(jì)算與評(píng)價(jià)工作的一次嘗試和創(chuàng)新，為從事醫(yī)用直線加速器防護(hù)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)以及管理部門提供技術(shù)參考，也為后續(xù)其他能量加速機(jī)房相關(guān)的研究提供了思路和基礎(chǔ)。