頭部多源伽馬射線(xiàn)立體定向放射治療機(jī)房屏蔽效果計(jì)算與分析

劉宸

（核工業(yè)二〇三研究所，陜西 西安，710086）

近年來(lái)，隨著醫(yī)院診斷治療水平的進(jìn)步，針對(duì)腫瘤的治療方法也越來(lái)越先進(jìn)。伽馬射線(xiàn)立體定向放射治療系統(tǒng)（也稱(chēng)伽馬刀）具有不開(kāi)刀、不出血、無(wú)痛苦、精度高、損傷小以及安全性高的優(yōu)點(diǎn)，在臨床中的使用越來(lái)越廣泛。但是該治療裝置在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生γ射線(xiàn)，如果沒(méi)有有效的屏蔽防護(hù)設(shè)施，可能會(huì)對(duì)周?chē)娜藛T和環(huán)境造成輻射影響［1-2］。醫(yī)院在進(jìn)行伽馬射線(xiàn)立體定向放射治療時(shí)，一方面要做好該射線(xiàn)裝置的自身防護(hù)，確保設(shè)備安全運(yùn)行；另一方面必須對(duì)放置治療裝置的機(jī)房屏蔽體進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與施工，使其在治療狀態(tài)下符合輻射防護(hù)最優(yōu)化原則，即對(duì)周?chē)h(huán)境和公眾的輻射影響減小到合理并盡可能低的水平。因此，在裝置建造和使用之前，采用模擬計(jì)算方法對(duì)屏蔽設(shè)計(jì)進(jìn)行有效性驗(yàn)證并提出優(yōu)化建議是非常必要的［3-4］。本文采用什值層計(jì)算方法，結(jié)合設(shè)備廠家提供的治療機(jī)房輻射劑量場(chǎng)，模擬計(jì)算得出機(jī)房頂部、四周屏蔽墻體以及防護(hù)門(mén)外30 cm 處的劑量當(dāng)量率值，用理論預(yù)測(cè)值指導(dǎo)機(jī)房的屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)，從而保證機(jī)房具有較佳的屏蔽效果［5］。

1 儀器與方法

1.1 工作原理

該系統(tǒng)的原理是基于60Co在衰變過(guò)程中釋放的γ射線(xiàn)在病灶細(xì)胞產(chǎn)生的放射生物學(xué)效應(yīng)，進(jìn)而起到治療效果。γ射線(xiàn)能量隨著入射路徑的延長(zhǎng)而逐漸減弱，多源同軸旋轉(zhuǎn)成為動(dòng)態(tài)的錐形扇面，一方面可以實(shí)現(xiàn)在病灶處產(chǎn)生足夠大的劑量，同時(shí)多源聚焦可實(shí)現(xiàn)有效分散周邊正常組織所受輻照劑量，而不降低病灶治療劑量，從而將周?chē)＝M織所受放射損傷降到最低程度；另一方面可以減少采用的鈷源個(gè)數(shù)，降低成本和工藝難度。某伽馬射線(xiàn)立體定向放射治療系統(tǒng)安裝有30 個(gè)鈷源，分成6 組分布在錐形源體上，緯度范圍介于8°～42°之間，從鈷源輻射出的γ射線(xiàn)束，經(jīng)源體的初準(zhǔn)直器、開(kāi)關(guān)體、準(zhǔn)直體上的次準(zhǔn)直器和終準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后會(huì)聚于焦點(diǎn)，形成很強(qiáng)的輻射劑量場(chǎng)。準(zhǔn)直體上安置有4組共120 個(gè)準(zhǔn)直器。由于放射源在初裝時(shí)總活度可達(dá)2.88×1014Bq±10%以上，放射防護(hù)是首要的安全要求。放射源本身由雙層不銹鋼包殼包裹，包殼內(nèi)加裝有鎢合金塊，可減弱其對(duì)后方的雜散輻射。外屏蔽體、源體和開(kāi)關(guān)體均由鑄鐵制造，具有良好的屏蔽效果。由于聚焦在焦點(diǎn)處形成很高的劑量，使得該系統(tǒng)在治療病灶的同時(shí)，對(duì)周?chē)】到M織的損害很小，從而形成類(lèi)似手術(shù)刀切除病灶的效果。典型頭部伽馬射線(xiàn)立體定向放射治療系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 典型頭部伽馬射線(xiàn)立體定向放射治療系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（據(jù)某廠家，2021）Fig.1 Structure diagram of typical head gamma ray stereotactic radiotherapy system（After a factory，2021）

1.2 輻射源項(xiàng)分析

該系統(tǒng)安裝有30枚60Co 放射源，總最大裝源量為2.88×1014Bq，整體為I類(lèi)放射源。從機(jī)房輻射防護(hù)屏蔽設(shè)計(jì)的角度考慮，并參考設(shè)備廠家提供的資料，該設(shè)備主要輻射源項(xiàng)為：①透過(guò)準(zhǔn)直器的泄露輻射；②患者體表散射輻射（主要貢獻(xiàn)）；③最大輻射束以外的雜散泄露輻射；④非治療狀態(tài)下的雜散輻射。

1.3 工作場(chǎng)所布局

所討論的頭部多源伽馬射線(xiàn)立體定向放射治療系統(tǒng)（也稱(chēng)伽馬刀）工作場(chǎng)所位于地下一層，工作場(chǎng)所由伽馬刀治療機(jī)房、控制室、病人等候區(qū)和規(guī)劃室等組成。治療機(jī)房設(shè)有直型迷路，可有效減少散射輻射的影響；防護(hù)門(mén)位于南側(cè)，人員均從南側(cè)過(guò)道由防護(hù)門(mén)出入，控制室（有效使用面積8.97 m2）位于治療機(jī)房南側(cè)，治療機(jī)房西側(cè)為儲(chǔ)物間；伽馬刀機(jī)房地下為實(shí)土層，且無(wú)規(guī)劃建筑，樓上為醫(yī)院道路、綠化。機(jī)房四周無(wú)人員長(zhǎng)時(shí)間停留的場(chǎng)所，伽馬刀工作場(chǎng)所布局基本合理。伽馬刀工作場(chǎng)所及周邊環(huán)境布局示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 伽馬刀工作場(chǎng)所及周邊環(huán)境布局示意圖（據(jù)某醫(yī)院，2021）Fig.2 Schematic diagram of the gamma knife workplace and surrounding environment（After a hospital，2021）

1.4 劑量控制要求

1.4.1 使用放射治療周工作負(fù)荷、關(guān)注點(diǎn)位置的使用因子和居留因子，求得關(guān)注點(diǎn)的導(dǎo)出劑量率參考控制水平Hc，d，μS v·h-1：

式中：Hc—周參考控制水平，μSv·周-1；U—關(guān)注位置方向照射的使用因子；T—人員在相應(yīng)關(guān)注點(diǎn)的居留因子；t—治療裝置周治療照射時(shí)間，16 h。

1.4.2 按照關(guān)注點(diǎn)人員居留因子（T）的不同，確定關(guān)注點(diǎn)的最高劑量率參考控制水平Hc，max，μS v·h-1：

人員居留因子T≥1/2 的場(chǎng)所：Hc，max≤2.5 μS v·h-1；

人 員 居 留 因 子T＜1/2 的 場(chǎng) 所：Hc，max≤10 μS v·h-1。

取上述Hc，d和Hc，max中的較小者作為關(guān)注點(diǎn)的劑量率參考控制水平Hc（μSv·h-1）。由此確定的各關(guān)注點(diǎn)的劑量率參考控制水平見(jiàn)表1。

表1 治療狀態(tài)下各關(guān)注點(diǎn)劑量率參考控制水平Table 1 Reference control level of dose rate at each focus under treatment

1.5 機(jī)房輻射屏蔽計(jì)算方法

1.5.1 機(jī)房輻射防護(hù)設(shè)計(jì)

頭部多源伽馬射線(xiàn)立體定向放射治療機(jī)房由主機(jī)房、迷道和防護(hù)門(mén)組成。治療機(jī)房南北長(zhǎng)7.45 m，東西寬5.7 m，高3.5 m，內(nèi)部大小為7.45 m×5.7 m×3.5 m，使用面積約42.47 m2，總有效容積約148.63 m3。迷路為直型，迷路寬為1.9 m。墻體及室頂均為2.35 g·cm-3的普通混凝土。機(jī)房四周墻體屏蔽厚度見(jiàn)表2，該治療機(jī)房平面及剖面布置圖見(jiàn)圖3 與4。

圖3 頭部多源伽馬射線(xiàn)立體定向放射治療機(jī)房平面布置圖（據(jù)某醫(yī)院，2021）Fig.3 Layout plan of head multi-source gamma ray stereotactic radiotherapy room（After a hospital，2021）

表2 頭部多源伽馬射線(xiàn)立體定向放射治療機(jī)房防護(hù)屏蔽設(shè)計(jì)參數(shù)（據(jù)某醫(yī)院，2021）Table 2 Design parameters of protective shield in head multi-source gamma ray stereotactic radiotherapy room（After a hospital，2021）

1.5.2 機(jī)房輻射屏蔽計(jì)算

通過(guò)理論計(jì)算，對(duì)治療機(jī)房屏蔽體外輻射劑量率進(jìn)行估算。由于該裝置設(shè)計(jì)有自屏蔽，即使在治療過(guò)程中，射線(xiàn)穿透機(jī)器的散射能量已降至很弱，對(duì)機(jī)房的屏蔽要求已降至很低。

1.5.2.1 工作狀態(tài)下機(jī)房?jī)?nèi)γ空氣吸收劑量率分布

進(jìn)行屏蔽計(jì)算時(shí)采用了設(shè)備廠家提供的伽馬射線(xiàn)立體定向放射治療實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。廠家采用熱釋光劑量?jī)x空間布點(diǎn)的方法，測(cè)量了在治療狀態(tài)下（治療系統(tǒng)屏蔽門(mén)打開(kāi)，機(jī)房的防護(hù)門(mén)關(guān)閉，選擇4 號(hào)準(zhǔn)直器通道打開(kāi)，源體旋轉(zhuǎn)，模擬對(duì)病人實(shí)施治療的狀態(tài)）機(jī)房?jī)?nèi)的散射輻射水平。

圖4 頭部多源伽馬射線(xiàn)立體定向放射治療機(jī)房剖面布置圖（據(jù)某醫(yī)院，2021）Fig.4 Sectional layout of head multi-source gamma ray stereotactic radiotherapy room（After a hospital，2021）

圖5、6 為機(jī)房?jī)?nèi)的散射輻射劑量場(chǎng)分布圖，圖中各劑量率點(diǎn)位水平和垂直方向相隔0.5或1 m，劑量場(chǎng)中標(biāo)注的數(shù)字表示了在治療模式下，該伽馬刀機(jī)房?jī)?nèi)對(duì)應(yīng)位置的輻射劑量率值。由圖5、6 可知，該系統(tǒng)在治療模式下距離焦點(diǎn)1 m 處最大劑量率值為602 μGy·min-1。

圖5 水平方向散射輻射劑量場(chǎng)分布圖/（μGy·min-1）（據(jù)某廠家，2021 年）Fig.5 Horizontal scattered radiation dose field distribution/（μGy·min-1）（After a factory，2021）

1.5.2.2 工作狀態(tài)下機(jī)房周?chē)鷦┝慨?dāng)量率估算

1）計(jì)算公式

根據(jù)《放射治療機(jī)房的輻射屏蔽規(guī)范第3部分：γ放射源放射治療機(jī)房》（GBZ/T 201.3—2014）中推薦的公式：

有效屏蔽厚度：

式中：Xe—有效屏蔽厚度，cm；X—屏蔽厚度，cm；θ—斜射角，即入射角與屏蔽物質(zhì)平面的垂直線(xiàn)之間的夾角。

屏蔽透射因子：

式中：B—屏蔽物質(zhì)的屏蔽透射因子；Xe—有效屏蔽厚度，cm；TVL—輻射在屏蔽物質(zhì)中的平均什值層厚度，cm；TVL1—輻射在屏蔽物質(zhì)中的第1 個(gè)什值層厚度，cm

當(dāng)已知距離焦點(diǎn)為R0處的劑量率H1，計(jì)算屏蔽體外參考點(diǎn)至焦點(diǎn)距離為R的劑量率HR有：

式中：B—屏蔽透射因子；R—輻射源點(diǎn)（靶點(diǎn)）至關(guān)注點(diǎn)的距離，m；

2）計(jì)算參數(shù)

輻射源項(xiàng)：參考設(shè)備廠家提供的伽馬刀開(kāi)機(jī)狀態(tài)周?chē)膭┝柯蕶z測(cè)值。

有用線(xiàn)束和漏射輻射在混凝土中的TVL：根據(jù)《放射治療機(jī)房的輻射屏蔽規(guī)范第3 部分：γ射線(xiàn)源放射治療機(jī)房》（GBZ/T 201.3—2014）附錄C 表C.1，本項(xiàng)目TVL取值，對(duì)于60Co，混凝土TVL=218 mm，鉛TVL=41 mm；TVL1取值，對(duì)于60Co，混凝土TVL1=245 mm，鉛TVL=41 mm。

3）治療狀態(tài)下屏蔽墻外劑量率計(jì)算

對(duì)于四周墻體和頂部，按照一次散射輻射區(qū)進(jìn)行計(jì)算，治療機(jī)房入口門(mén)按照二次散射輻射區(qū)。根據(jù)設(shè)備廠家提供的水平方向散射輻射劑量場(chǎng)分布圖（圖5）及垂直向散射輻射劑量場(chǎng)分布圖（圖6）的數(shù)據(jù)，根據(jù)《放射治療機(jī)房的輻射屏蔽規(guī)范第3 部分：γ射線(xiàn)源放射治療機(jī)房》（GBZ/T 201.3—2014）7 伽馬刀治療機(jī)房屏蔽計(jì)算原則與注意事項(xiàng)：C）頭部伽馬刀治療機(jī)房根據(jù)廠家提供的最大準(zhǔn)直器照射條件下的散射輻射場(chǎng)，以最接近機(jī)房墻內(nèi)表面的散射輻射劑量（本次當(dāng)距離處于兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間時(shí)，保守取較大值）按照距離平方反比關(guān)系計(jì)算機(jī)房外關(guān)注點(diǎn)的劑量率，具體取值見(jiàn)表2。

圖6 垂直方向散射輻射劑量場(chǎng)分布圖/（μGy·min-1）（據(jù)某廠家，2021）Fig.6 Vertical scattered radiation dose field distribution/（μGy·min-1）（After a factory，2021）

由公式4 可估算出工作狀態(tài)下伽馬刀治療機(jī)房周?chē)鷫ν?0 cm 處的輻射劑量率，詳見(jiàn)表3。輻射路徑見(jiàn)圖7 與8。

圖7 頭部多源伽馬射線(xiàn)立體定向放射治療機(jī)房輻射路徑示意圖（平面）（據(jù)某醫(yī)院，2021）Fig.7 Radiation path diagram of head multi-source gamma ray stereotactic radiotherapy room（plane）（After a hospital，2021）

圖8 頭部多源伽馬射線(xiàn)立體定向放射治療機(jī)房輻射路徑示意圖（剖面）（據(jù)某醫(yī)院，2021）Fig.8 Radiation path diagram of head multi-source gamma ray stereotactic radiotherapy room（profile）（After a hospital，2021）

由表3 估算結(jié)果可知，頭部多源伽馬射線(xiàn)立體定向放射系統(tǒng)在治療狀態(tài)下機(jī)房頂部和四周屏蔽墻外30 cm 處以及防護(hù)門(mén)外30 cm 處的周?chē)鷦┝慨?dāng)量率最大值為1.87 μSv·h-1，低于各屏蔽墻外關(guān)注點(diǎn)的周?chē)鷦┝慨?dāng)量率參考控制水平（表1）。

表3 治療狀態(tài)下機(jī)房周?chē)?0 cm 處周?chē)鷦┝慨?dāng)量率Table 3 Ambient dose equivalent around 30 cm on the surface of machine room under treatment state

4）非治療狀態(tài)下屏蔽墻外劑量率計(jì)算

根據(jù)設(shè)備廠家提供的數(shù)據(jù)，該治療系統(tǒng)在非治療狀態(tài)下，距放射源1 m 處雜散輻射引起的吸收劑量率不大于0.02 mSv·h-1。

由表4 估算結(jié)果可知，頭部多源伽馬射線(xiàn)立體定向放射系統(tǒng)在非治療狀態(tài)下機(jī)房頂部和四周屏蔽墻外30 cm 處的周?chē)鷦┝慨?dāng)量率 最 大 值 為6.45×10-3μSv·h-1，低 于 各 屏 蔽墻外關(guān)注點(diǎn)的周?chē)鷦┝慨?dāng)量率參考控制水平（表1）。

表4 非治療狀態(tài)下機(jī)房周?chē)?0 cm 處周?chē)鷦┝慨?dāng)量率Table 4 Ambient dose equivalent of 30 cm around the surface of machine room under non treatment state

2 結(jié) 論

1）頭部多源伽馬射線(xiàn)立體定向放射系統(tǒng)作為大型且成熟的放射治療設(shè)備，已在國(guó)內(nèi)多家醫(yī)院投入使用，對(duì)其采用模擬計(jì)算的方法對(duì)屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)效果進(jìn)行驗(yàn)證，提出改進(jìn)措施或建議是符合輻射防護(hù)基本原則的；

2）采用什值層計(jì)算方法對(duì)某醫(yī)院擬建頭部多源伽馬射線(xiàn)立體定向放射系統(tǒng)機(jī)房的屏蔽效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，結(jié)果表明其屏蔽效果符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求［7-8］?；趯?shí)際應(yīng)用出發(fā)，所采用的計(jì)算方法在進(jìn)行相關(guān)屏蔽劑量估算時(shí)主要考慮貢獻(xiàn)值最大的散射輻射，包括治療射線(xiàn)和準(zhǔn)直器的泄露輻射的散射，在對(duì)同類(lèi)型設(shè)備的屏蔽效果計(jì)算起到了一定的指導(dǎo)性和參照性。

3）為保證屏蔽設(shè)計(jì)的效果，應(yīng)嚴(yán)格按照機(jī)房屏蔽設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工，相關(guān)質(zhì)量保證措施保證混凝土澆筑過(guò)程連續(xù)，材料充分振搗均勻，屏蔽層內(nèi)不得留有空腔或縫隙?；炷恋拿芏缺仨氝_(dá)到設(shè)計(jì)中給定的參數(shù)限值，這樣才能更大程度提高計(jì)算出的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，從而保證實(shí)際建成的機(jī)房墻體具有較好的屏蔽效果。