劉宸

（核工業(yè)二〇三研究所，陜西 西安，710086）

近年來，隨著醫(yī)院診斷治療水平的進步，針對腫瘤的治療方法也越來越先進。伽馬射線立體定向放射治療系統(tǒng)（也稱伽馬刀）具有不開刀、不出血、無痛苦、精度高、損傷小以及安全性高的優(yōu)點，在臨床中的使用越來越廣泛。但是該治療裝置在使用時會產(chǎn)生γ射線，如果沒有有效的屏蔽防護設施，可能會對周圍的人員和環(huán)境造成輻射影響［1-2］。醫(yī)院在進行伽馬射線立體定向放射治療時，一方面要做好該射線裝置的自身防護，確保設備安全運行；另一方面必須對放置治療裝置的機房屏蔽體進行合理的設計與施工，使其在治療狀態(tài)下符合輻射防護最優(yōu)化原則，即對周圍環(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，采用模擬計算方法對屏蔽設計進行有效性驗證并提出優(yōu)化建議是非常必要的［3-4］。本文采用什值層計算方法，結(jié)合設備廠家提供的治療機房輻射劑量場，模擬計算得出機房頂部、四周屏蔽墻體以及防護門外30 cm 處的劑量當量率值，用理論預測值指導機房的屏蔽防護設計，從而保證機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在衰變過程中釋放的γ射線在病灶細胞產(chǎn)生的放射生物學效應，進而起到治療效果。γ射線能量隨著入射路徑的延長而逐漸減弱，多源同軸旋轉(zhuǎn)成為動態(tài)的錐形扇面，一方面可以實現(xiàn)在病灶處產(chǎn)生足夠大的劑量，同時多源聚焦可實現(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，從而將周圍正常組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數(shù)，降低成本和工藝難度。某伽馬射線立體定向放射治療系統(tǒng)安裝有30 個鈷源，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射線束，經(jīng)源體的初準直器、開關體、準直體上的次準直器和終準直器準直后會聚于焦點，形成很強的輻射劑量場。準直體上安置有4組共120 個準直器。由于放射源在初裝時總活度可達2.88×1014Bq±10%以上，放射防護是首要的安全要求。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，可減弱其對后方的雜散輻射。外屏蔽體、源體和開關體均由鑄鐵制造，具有良好的屏蔽效果。由于聚焦在焦點處形成很高的劑量，使得該系統(tǒng)在治療病灶的同時，對周圍健康組織的損害很小，從而形成類似手術刀切除病灶的效果。典型頭部伽馬射線立體定向放射治療系統(tǒng)結(jié)構如圖1 所示。

圖1 典型頭部伽馬射線立體定向放射治療系統(tǒng)結(jié)構示意圖（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類放射源。從機房輻射防護屏蔽設計的角度考慮，并參考設備廠家提供的資料，該設備主要輻射源項為：①透過準直器的泄露輻射；②患者體表散射輻射（主要貢獻）；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 工作場所布局

所討論的頭部多源伽馬射線立體定向放射治療系統(tǒng)（也稱伽馬刀）工作場所位于地下一層，工作場所由伽馬刀治療機房、控制室、病人等候區(qū)和規(guī)劃室等組成。治療機房設有直型迷路，可有效減少散射輻射的影響；防護門位于南側(cè)，人員均從南側(cè)過道由防護門出入，控制室（有效使用面積8.97 m2）位于治療機房南側(cè)，治療機房西側(cè)為儲物間；伽馬刀機房地下為實土層，且無規(guī)劃建筑，樓上為醫(yī)院道路、綠化。機房四周無人員長時間停留的場所，伽馬刀工作場所布局基本合理。伽馬刀工作場所及周邊環(huán)境布局示意圖見圖2。

圖2 伽馬刀工作場所及周邊環(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荷、關注點位置的使用因子和居留因子，求得關注點的導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—關注位置方向照射的使用因子；T—人員在相應關注點的居留因子；t—治療裝置周治療照射時間，16 h。

1.4.2 按照關注點人員居留因子（T）的不同，確定關注點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 的場所：Hc，max≤2.5 μS v·h-1；

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

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

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

1.5 機房輻射屏蔽計算方法

1.5.1 機房輻射防護設計

頭部多源伽馬射線立體定向放射治療機房由主機房、迷道和防護門組成。治療機房南北長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。機房四周墻體屏蔽厚度見表2，該治療機房平面及剖面布置圖見圖3 與4。

圖3 頭部多源伽馬射線立體定向放射治療機房平面布置圖（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 頭部多源伽馬射線立體定向放射治療機房防護屏蔽設計參數(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 機房輻射屏蔽計算

通過理論計算，對治療機房屏蔽體外輻射劑量率進行估算。由于該裝置設計有自屏蔽，即使在治療過程中，射線穿透機器的散射能量已降至很弱，對機房的屏蔽要求已降至很低。

1.5.2.1 工作狀態(tài)下機房內(nèi)γ空氣吸收劑量率分布

進行屏蔽計算時采用了設備廠家提供的伽馬射線立體定向放射治療實測數(shù)據(jù)。廠家采用熱釋光劑量儀空間布點的方法，測量了在治療狀態(tài)下（治療系統(tǒng)屏蔽門打開，機房的防護門關閉，選擇4 號準直器通道打開，源體旋轉(zhuǎn)，模擬對病人實施治療的狀態(tài)）機房內(nèi)的散射輻射水平。

圖4 頭部多源伽馬射線立體定向放射治療機房剖面布置圖（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 為機房內(nèi)的散射輻射劑量場分布圖，圖中各劑量率點位水平和垂直方向相隔0.5或1 m，劑量場中標注的數(shù)字表示了在治療模式下，該伽馬刀機房內(nèi)對應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)下機房周圍劑量當量率估算

1）計算公式

根據(jù)《放射治療機房的輻射屏蔽規(guī)范第3部分：γ放射源放射治療機房》（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 個什值層厚度，cm

當已知距離焦點為R0處的劑量率H1，計算屏蔽體外參考點至焦點距離為R的劑量率HR有：

式中：B—屏蔽透射因子；R—輻射源點（靶點）至關注點的距離，m；

2）計算參數(shù)

輻射源項：參考設備廠家提供的伽馬刀開機狀態(tài)周圍的劑量率檢測值。

有用線束和漏射輻射在混凝土中的TVL：根據(jù)《放射治療機房的輻射屏蔽規(guī)范第3 部分：γ射線源放射治療機房》（GBZ/T 201.3—2014）附錄C 表C.1，本項目TVL取值，對于60Co，混凝土TVL=218 mm，鉛TVL=41 mm；TVL1取值，對于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算

對于四周墻體和頂部，按照一次散射輻射區(qū)進行計算，治療機房入口門按照二次散射輻射區(qū)。根據(jù)設備廠家提供的水平方向散射輻射劑量場分布圖（圖5）及垂直向散射輻射劑量場分布圖（圖6）的數(shù)據(jù)，根據(jù)《放射治療機房的輻射屏蔽規(guī)范第3 部分：γ射線源放射治療機房》（GBZ/T 201.3—2014）7 伽馬刀治療機房屏蔽計算原則與注意事項：C）頭部伽馬刀治療機房根據(jù)廠家提供的最大準直器照射條件下的散射輻射場，以最接近機房墻內(nèi)表面的散射輻射劑量（本次當距離處于兩個監(jiān)測點之間時，保守取較大值）按照距離平方反比關系計算機房外關注點的劑量率，具體取值見表2。

圖6 垂直方向散射輻射劑量場分布圖/（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)下伽馬刀治療機房周圍墻外30 cm 處的輻射劑量率，詳見表3。輻射路徑見圖7 與8。

圖7 頭部多源伽馬射線立體定向放射治療機房輻射路徑示意圖（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 頭部多源伽馬射線立體定向放射治療機房輻射路徑示意圖（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，頭部多源伽馬射線立體定向放射系統(tǒng)在治療狀態(tài)下機房頂部和四周屏蔽墻外30 cm 處以及防護門外30 cm 處的周圍劑量當量率最大值為1.87 μSv·h-1，低于各屏蔽墻外關注點的周圍劑量當量率參考控制水平（表1）。

表3 治療狀態(tài)下機房周圍30 cm 處周圍劑量當量率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算

根據(jù)設備廠家提供的數(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，頭部多源伽馬射線立體定向放射系統(tǒng)在非治療狀態(tài)下機房頂部和四周屏蔽墻外30 cm 處的周圍劑量當量率 最 大 值 為6.45×10-3μSv·h-1，低 于 各 屏 蔽墻外關注點的周圍劑量當量率參考控制水平（表1）。

表4 非治療狀態(tài)下機房周圍30 cm 處周圍劑量當量率Table 4 Ambient dose equivalent of 30 cm around the surface of machine room under non treatment state

2 結(jié) 論

1）頭部多源伽馬射線立體定向放射系統(tǒng)作為大型且成熟的放射治療設備，已在國內(nèi)多家醫(yī)院投入使用，對其采用模擬計算的方法對屏蔽防護設計效果進行驗證，提出改進措施或建議是符合輻射防護基本原則的；

2）采用什值層計算方法對某醫(yī)院擬建頭部多源伽馬射線立體定向放射系統(tǒng)機房的屏蔽效果進行了預測分析，結(jié)果表明其屏蔽效果符合相關國家標準要求［7-8］?；趯嶋H應用出發(fā)，所采用的計算方法在進行相關屏蔽劑量估算時主要考慮貢獻值最大的散射輻射，包括治療射線和準直器的泄露輻射的散射，在對同類型設備的屏蔽效果計算起到了一定的指導性和參照性。

3）為保證屏蔽設計的效果，應嚴格按照機房屏蔽設計參數(shù)進行施工，相關質(zhì)量保證措施保證混凝土澆筑過程連續(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_到設計中給定的參數(shù)限值，這樣才能更大程度提高計算出的數(shù)據(jù)的準確度，從而保證實際建成的機房墻體具有較好的屏蔽效果。