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(dá)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(hù)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(hù)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(jìn)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(dá)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(hù)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(hù)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(fù)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(jìn)行厚度核算。屏蔽所需要的屏蔽透射因子B按下式進(jìn)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(jìn)行計算，散射輻射的透射因子按式5、3、4進(jìn)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(hù)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(hù)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(hù)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(hù)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(jìn)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(jìn)行輻射安全管，并對所有輻射工作人員進(jìn)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。