高關(guān)心，夏慧琳，朱永麗，屠波

內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院 醫(yī)學工程處，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010017

醫(yī)用直線加速器的感生放射性研究

高關(guān)心，夏慧琳，朱永麗，屠波

內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院 醫(yī)學工程處，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010017

專欄——醫(yī)用射線的安全劑量與防護研究編者按：目前，醫(yī)用射線設(shè)備的應(yīng)用范圍越來越廣泛，在醫(yī)學診斷、治療和科研方面都起到了舉足輕重的作用。其中，醫(yī)用直線加速器和血管造影系統(tǒng)這兩種設(shè)備的射線劑量質(zhì)量要求最為精準，對周圍人群的輻射危害也更大。本期邀請內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院醫(yī)學工程處高關(guān)心處長擔任欄目主編，探討其主持的省級自然基金項目《醫(yī)用射線的安全劑量與防護研究》的研究內(nèi)容和實驗方法，對直線加速器的感生放射性及其檢測進行探索和研究，對血管造影系統(tǒng)診療過程的各種輻射特性進行檢測和分析，為醫(yī)療機構(gòu)進行有效的設(shè)備安全檢測和輻射防護提供依據(jù)。

欄目主編：高關(guān)心

高關(guān)心，教授，正高級工程師，內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院醫(yī)學工程處處長。中華醫(yī)學會醫(yī)學工程學分會副主任委員兼秘書長，北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院碩士生導師，內(nèi)蒙古醫(yī)學會醫(yī)學工程分會主任委員，內(nèi)蒙古自治區(qū)醫(yī)療設(shè)備管理質(zhì)控中心主任，全國衛(wèi)生系統(tǒng)醫(yī)學工程重點學科、內(nèi)蒙古自治區(qū)醫(yī)學工程重點學科“帶頭人”，衛(wèi)生部醫(yī)院管理研究所臨床醫(yī)學工程研究基地首席專家。《中國醫(yī)療設(shè)備》副主任編委，《中國數(shù)字醫(yī)學》常務(wù)編委。承擔及參加了多項國家級和省部級科研課題，獲自治區(qū)科技進步三等獎2項，發(fā)表論文（統(tǒng)計源期刊）24篇，出版論著2部。

醫(yī)用直線加速器在治療過程中會產(chǎn)生對人體有害的感生放射性，且這種危害正逐漸引起人們的重視。本文介紹了感生放射性的概念、產(chǎn)生機制，總結(jié)感生放射性對患者、工作人員及公眾所造成的危害，探討了感生放射性水平的影響因素，并總結(jié)減少其水平的措施。

醫(yī)用直線加速器；感生放射性；放射治療；危害防護

近年來，高能直線加速器越來越廣泛地被應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域和科研，截止到2010年底，國內(nèi)已有醫(yī)用直線加速器1200多臺，并呈增長態(tài)勢。國內(nèi)腫瘤患者總數(shù)約為450余萬，每年新增200萬，惡性腫瘤年發(fā)病數(shù)為160萬，約70%的患者在其病程的不同階段都需要接受放射治療。

醫(yī)用直線加速器的應(yīng)用在治療腫瘤、挽救患者生命、減輕其痛苦方面起到了無法替代的作用。但醫(yī)用直線加速器在產(chǎn)生射線的同時，也存在感生放射性，最后導致在使用過程中給患者、工作人員和公眾帶來了潛在的放射性危害與風險。

1 感生放射性的概念

在放射治療過程中，加速器產(chǎn)生的高能粒子，如質(zhì)子、電子或α粒子等轟擊任何靶物質(zhì)（加速器的靶材料、遮線器、均整器、治療室內(nèi)的空氣以及人體等）的原子核時，它們之間發(fā)生的核物理過程包括：入射粒子改變方向；入射粒子損失一部分能量；入射粒子完全被靶核吸收并放出其他粒子或γ射線及入射粒子將靶核敲碎。在后2種過程中，靶核將變成一種新的原子核，這種反應(yīng)被稱之為核反應(yīng)，生成的新核被稱之為反沖核。反沖核往往是不穩(wěn)定的，需要經(jīng)過β衰變或γ衰變等才能變成穩(wěn)定核，伴隨衰變過程中產(chǎn)生的β射線和γ射線等被人們稱為感生放射性。加速器的輻射源危害有2種，即瞬時輻射和剩余輻射[1]。

1.1 瞬時輻射

瞬時輻射在加速器運行時產(chǎn)生，關(guān)機后即消失。瞬時輻射又包括初級輻射和次級輻射。初級輻射指被加速的帶電粒子；次級輻射指帶電粒子與靶物質(zhì)或加速器結(jié)構(gòu)材料相互作用產(chǎn)生的X線和中子等。

1.2 剩余輻射

剩余輻射是輻射與周圍物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的感生放射性材料放出的輻射，如β、γ等。剩余輻射有以下幾個特點：① 隨加速器運行時間的增加而累積；② 加速器停機后仍然存在；③ 隨加速器關(guān)機時間的增長而減弱。

瞬時輻射僅僅存在于加速器運行時，易于被人們認識并加以屏蔽。剩余輻射即感生放射性，在加速器運行或不運行時均存在，相對于瞬時輻射而言更具有隱蔽性，其危害也不容忽視。

2 感生放射性的產(chǎn)生機制

感生放射性的種類取決于加速粒子的種類、能量、束流強度、靶材料的性質(zhì)，以及運動時間長短等多種因素。感生放射性產(chǎn)生的物理學基礎(chǔ)是核反應(yīng)，惟有滿足核反應(yīng)條件時才會產(chǎn)生感生放射性。

2.1 任何能量的入射中子均能夠引起核反應(yīng)

因為中子在原子核外是不穩(wěn)定的，所以其總是被其他原子核捕獲而激發(fā)核反應(yīng)。加速器的感生放射性多數(shù)是由中子引起的，不管中子能量如何，均能引起活化。當電子束或X線的能量大于（γ，n）反應(yīng)閾能時亦可產(chǎn)生中子，其能譜是連續(xù)的，最大能量大致等于X線（電子）最高能量與（γ，n）反應(yīng)閾能之差。從核反應(yīng)閾能來看，能夠直接產(chǎn)生感生放射性核素的帶電粒子能量多數(shù)>5～10MeV，而絕大多數(shù)天然核素的（γ，n）反應(yīng)閾能都>10MeV。因此，<10MeV的電子加速器不用考慮會產(chǎn)生感生放射性問題。

2.2 對于電子、質(zhì)子等其他粒子而言，有2種情況可以引起核反應(yīng)

（1）其能量達到產(chǎn)生中子的反應(yīng)閾能，通過產(chǎn)生的中子而激發(fā)核反應(yīng)。

（2）其能量要足夠大到引起核碎裂時才能夠引起感生放射性。

從核反應(yīng)的閾能來看，能夠直接產(chǎn)生感生放射性核素的被加速帶電粒子能量多數(shù)需要>5～10MeV（氘的閾值為2.23MeV；鈹?shù)拈撝禐?.67MeV）。

與質(zhì)子和離子加速器不同，電子加速器上產(chǎn)生的感生放射性主要不是由于原始粒子（電子）與介質(zhì)的相互作用，因為無論電子能量如何，它的核反應(yīng)截面都極小。它的產(chǎn)生機理是由于電子與介質(zhì)作用產(chǎn)生韌致輻射，生成的高能光子（一般>10MeV）與介質(zhì)產(chǎn)生光核反應(yīng)，其后的中子、介子又引發(fā)核反應(yīng)。

3 感生放射性的危害

感生放射性對人體健康所造成的影響具有潛伏期長、效應(yīng)出現(xiàn)較晚的特點。其主要表現(xiàn)在易對人體的性腺、紅骨髓、骨骼、肺、甲狀腺及乳腺、發(fā)生癌的其他組織、皮膚以及眼晶體產(chǎn)生放射性危害，如誘發(fā)白血病、生育能力受損、甲狀腺癌、乳腺癌、皮膚癌等。

醫(yī)用直線加速器機房內(nèi)感生放射性造成的危害有以下幾個方面。

3.1 感生放射性對患者造成的危害

目前，全國腫瘤患者總數(shù)為450余萬，每年新增200萬，惡性腫瘤年發(fā)病率為160萬。約70%的患者在其病程的不同階段需要接受放射治療。在接受治療時，患者與機頭的距離很近，這必然會受到感生放射性的照射。同時，高能粒子與人體治療區(qū)域內(nèi)組織器官的原子核也會發(fā)生核反應(yīng)，其還會受到來自治療室內(nèi)空氣中感生放射性的照射，這種空氣中的感生放射性不僅對人體形成外照射，而且吸入后還將形成內(nèi)照射危害。

3.2 感生放射性對工作人員造成的危害

目前，全國從事放療的操作技師有6000余名，技師要在照射結(jié)束后短時間內(nèi)進入治療室進行擺位等工作，這時未冷卻的感生放射性勢必會對其造成危害。另外，高能加速器在使用過程中，某些部件需要維修或更換，而這些部件在受到高能粒子的長期照射后，某些半衰期較長的感生放射性核素已經(jīng)積累到相當濃度，這也必然會對維修工作人員造成照射危害。

3.3 感生放射性對公眾造成的危害

高能加速器治療室內(nèi)的空氣受到高能粒子照射時產(chǎn)生的感生放射性核素，如3H、7Be、11C、13N、15O、41Ar等。加速器本身的結(jié)構(gòu)材料由于腐蝕脫落而漂浮在空氣中，加速器冷卻水受熱蒸發(fā)進入空氣中，這些都是治療室空氣中感生放射性的可能來源?？諝庵械母猩派湫院怂厝绻唤?jīng)過適當時間的衰變就被排入到空氣中去，勢必會對周圍人群及環(huán)境造成放射性危害。此外，高能加速器治療室屏蔽材料中的土壤、混凝土受到照射時同樣會產(chǎn)生感生放射性核素，當治療室停止使用被拆后，其地下的土壤和散落的混凝土渣可能會對周圍環(huán)境造成污染。土壤中的放射性核素甚至會伴隨降水滲入到地下水中污染水源或者通過污染區(qū)域的植物生長轉(zhuǎn)移到食物中去。

4 感生放射性水平的影響因素

加速器機頭處的感生放射性水平與高能粒子的的能量、粒子類型、機頭處的結(jié)構(gòu)材料、照射時間、冷卻時間及治療是通風狀況等因素密切相關(guān)。

盧峰[2]等人的研究結(jié)果表明，加速器治療頭處的感生放射性水平與照射劑量成正比關(guān)系，照射劑量越大，則感生放射性的水平越高。在冷卻時間段內(nèi)（1min），這種正比關(guān)系更為明顯。冷卻時間段內(nèi)（5min）感生放射性的水平隨劑量增高的而趨勢變緩。同時，加速器治療機頭處的感生放射性水平與停止照射后的冷卻時間成反比，隨著冷卻時間的延長，感生放射性水平降低。

劉建防[3]等對不同材料的靶物質(zhì)、速流管等的感生放射性進行研究，結(jié)果表明，不同材料所產(chǎn)生的感生放射性核素、半衰期及輻射類型不同。Ban S等[4]對一臺2.5GeV電子加速器使用Al、Fe、Cu、Pb等厚靶材料的感生放射性核素的飽和活度進行測量，結(jié)果表明，照射時間不同，光子劑量率隨時間衰減的規(guī)律也不同。

5 降低感生放射性水平的措施

由于高能加速器在使用中存在危害性，所以可以從以下幾個方面來減小直線加速器感生放射水平，以減少其對患者及工作人員造成的危害。

5.1 做好個人防護措施

在治療過程中，盡量避免對患者患病部位以外的其他部位進行照射。參與治療的醫(yī)護人員和技術(shù)工程人員在擺位及檢修設(shè)備時要穿戴防護服、防護眼鏡及防護圍脖，以減少機房內(nèi)感生放射性及長期累積在機器零部件內(nèi)的感生放射性對自身造成的危害。

5.2 選擇合適的靶物質(zhì)及機殼材料

由于不同物質(zhì)受高能粒子照射產(chǎn)生的感生放射性不同，所以靶物質(zhì)及機殼材料不同的直線加速器在使用過程中產(chǎn)生的感生放射性也不同，在選擇時應(yīng)加以考慮。同時，機房內(nèi)應(yīng)避免放置一些與治療無關(guān)的物質(zhì)，以避免其由于高能粒子照射放射出感生放射性核素。

5.3 盡量使用低能X線

射線能量在10MV以下時，不會產(chǎn)生感生放射性。射線能量越高，其冷卻時間越長，對經(jīng)常進出機房擺位的技師影響很大。建議在不影響治療效果的情況下盡量使用低能射線。

5.4 增加機房強制通風

直線加速器電子束與加速器靶材料和空氣中的介質(zhì)相互作用，誘發(fā)產(chǎn)生的感生放射性核素的半衰期長短不一，短者只有7.3s，長者達121.53d。所以在加速器關(guān)機的狀態(tài)下，短時間內(nèi)感生放射性衰減的速度非?？?，長時間內(nèi)感生放射性的變化趨于平緩。長半衰期感生放射性核素的存在，使得停機狀態(tài)下機房仍然存在一定水平的感生放射性，并且由于長時間積累，導致機房內(nèi)本底值升高。因此，機房內(nèi)要注意加速器室的強制通風，加強室內(nèi)外空氣的流通，減少加速器室內(nèi)空氣中感生放射性核素的含量[5]。

6 小結(jié)

隨著人們對加速器感生放射性危害的認識，國內(nèi)、外的相關(guān)研究也在不斷地深入。由于感生放射性水平的影響因素的多樣性，到目前為止，仍然沒有一種成熟的檢測方法?，F(xiàn)在普遍采用的是蒙特卡洛模擬法。機房氣流場對感生放射性水平的影響及感生放射性內(nèi)照射的作用機制仍需進一步的研究。

[1] 王慶敏.15MeV醫(yī)用電子直線加速器感生放射性影響分析[J].四川環(huán)境,2010,29(5):130-132.

[2] 盧峰,劉翠杰,鄧大平.加速器治療室內(nèi)感生放射性研究現(xiàn)狀[J].國外醫(yī)學(放射醫(yī)學核醫(yī)學分冊),2005,29(6):297-300.

[3] 劉建防,鄭潔.對醫(yī)用加速器產(chǎn)生感生放射性的分析與探討[J].干旱環(huán)境監(jiān)測,2005,19(4):201-203.

[4] Ban S,Nakamura H,Sato T.radioactivity induced in a 2.5 GeV electron beam dump[J].Radiat prot Dos,2001,93(3):231-236.

[5] 朱連芳.加速器感生放射性的環(huán)境影響估價[J].核技術(shù),1993,16(10):623-628.

The Study of Medical Linear Accelerator's Induced Radioactivity

GAO Guan-xin, XIA Hui-lin,ZHU Yong-li, TU bo
Biomedical Engineering Department,Inner Mongolia People's Hospital,Huhehot Inner Mongolia 010017,China

During the treatment,Linear accelerator can produce harmful induced radioactivity. This risk gradually attracted people's attention. This paper gives out the concept of induced radioactivity, mechanism,summarizes the harm to patients,staff and public caused by induced radioactivity, explores the factors affecting the level of induced radioactivity, and summarize the measures to reduce the level of induced radioactivity.

medical linear accelerator; induced radioactivity; rediation therapy; hazard protection

R814.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.12.003

1674-1633(2011)12-0017-03

2011-10-30

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目（200607010915）。

作者郵箱：nmyyggx@sohu.com