黃心穎，劉 清，劉 文，李志正，陳芬芬

(1.中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064；2.邁勝醫(yī)療設備有限公司，江蘇 蘇州 215300)

1 工程概況

華中科技大學同濟醫(yī)院光谷院區(qū)配套項目(質子大樓)位于武漢市東湖新技術開發(fā)區(qū)高新大道501號，南鄰高新大道，西鄰三環(huán)線高架。該質子大樓總建筑面積約12 500m2，包含小型化質子加速器機房、直線加速器機房、回旋加速器機房、磁共振加速器機房、PET(CT/MR)、辦公室、會議室等配套用房。

2 單室質子機房介紹

2.1 單室質子系統(tǒng)原理

S250i型集成化單室質子治療系統(tǒng)由束流發(fā)生系統(tǒng)、束流傳輸系統(tǒng)、患者定位系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。束流發(fā)生系統(tǒng)是超導同步質子回旋加速器，加速器模塊安裝在可190°旋轉的機架上。束流傳輸系統(tǒng)包含束流射程調節(jié)系統(tǒng)、治療頭和可190°旋轉的機架。加速器旋轉機架和治療旋轉機架各自獨立旋轉。加速器產生的質子束流加速至230MeV后被引出，經束流傳輸系統(tǒng)調節(jié)，根據(jù)治療時患者腫瘤的深度和厚度，在輸出端得到50～230MeV連續(xù)可調不同能量的質子束流。集成化單室質子治療系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 集成化單室質子治療系統(tǒng)

2.2 單室質子機房布局

單室質子機房分為3層結構，包括工作區(qū)和機架運動區(qū)(見圖2)。其中機架運動區(qū)上、中、下3層貫通，主要為回旋加速器、旋轉機架、治療頭等設備所在區(qū)域，供旋轉機架自上而下190°旋轉使用。工作區(qū)分為3層，其中頂層為維修層，設鋼檢修平臺，主要用于維護、維修回旋加速器、旋轉機架及束流傳輸系統(tǒng)等結構部件；中間層為治療層，主要為醫(yī)生工作和患者治療區(qū)域；底層為設備層，主要放置射頻發(fā)射機、系統(tǒng)控制柜、電源機柜、冷卻水機組等設備。頂層與中間層通過鋼格柵平臺間隔，中間層和底層通過20～30cm厚的混凝土間隔。

圖2 單室質子機房結構剖面

3 國內質子機房輻射屏蔽標準

在國內，小型化質子加速器機房屏蔽設計目標如下：①屏蔽體四周和頂部 參考GBZ/T 201.5—2015《放射治療機房的輻射屏蔽規(guī)范第5部分：質子加速器放射治療機房》進行控制，在距離機房墻和入口門外30cm處，當居留因子T>1/2時，劑量當量率≤2.5μSv/h，當居留因子T≤1/2，劑量當量率≤10μSv/h；②屏蔽體底部 當混凝土與土壤邊界處瞬發(fā)輻射劑量率<5mSv/h時，土壤和地下水的感生放射性很小，處于可忽略水平。

4 輻射場所布局及屏蔽設計

4.1 輻射工作場所分區(qū)布局

為便于輻射防護管理和職業(yè)照射控制，根據(jù)GB 18871—2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》的規(guī)定，將輻射工作場所分為控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)。小型化質子加速器機房輻射工作場所分區(qū)如下：①控制區(qū) 為質子治療機房內部和放射性固體廢物儲存間；②監(jiān)督區(qū) 為質子治療機房各層防護門外的通道、隔離變壓器室、控制室和準備區(qū)，及廢水暫存間門外的通道。

質子治療機房在質子大樓北側區(qū)域單獨設置，兩間機房地面以上部分南北寬約17m，東西長約30m，高9.37m。機房設有迷道、控制室，與機房分離。機房地下部分的北、西、東側均為土壤層，南側為控制室、輔助治療區(qū)和設備機房。機房地上部分的北側、西側均為醫(yī)院內道路、停車場、一期后勤樓和值班房、住院病房；南側為質子放療配套用房和質子大樓內的其他區(qū)域；東側為醫(yī)院內道路，機房頂為不上人屋面，機房底板外為廢水暫存間。緊鄰機房屏蔽墻體的區(qū)域除控制室外，無辦公室等人員的常居留場所。另外，設置相對獨立的人流路線，輻射工作場所進出口處均設門禁，防止無關人員進入，便于場所防護和安全管理。整個質子治療區(qū)房間功能布局緊湊、輻射防護分區(qū)布局合理。

4.2 結構輻射屏蔽設計

單室質子機房3層建筑設計為整體屏蔽，每個樓層的屏蔽厚度基本一致，加速器出束時主射線朝向前墻、底部及頂部屏蔽體，其他方向為漏射線和散射線。輻射屏蔽體主要包括屏蔽墻、防護門和穿墻管道。

機房內一般采用L形迷道，主射線方向不朝向迷道。屏蔽墻材料可選擇混凝土、重混凝土或有效組合多種材料。屏蔽墻的設計需考慮加速器位置、束流照射方向、束流大小、質子能量大小、屏蔽體材料、屏蔽體外環(huán)境等。防護門一般選擇聚乙烯等對中子防護效果好的材料。

小型化質子加速器機房每個樓層出入口需設置防護門，底層設備層防護門和中間層治療層防護門設計為15cm厚聚乙烯門，頂層維修層防護門設計為7cm厚聚乙烯門；防護門需根據(jù)門洞大小和開門方式設計預埋件和門縫搭接的方式，確保門體和墻體搭接寬度是縫隙寬度的10倍以上，以避免輻射泄露。

小型化質子加速器機房內的電氣、暖通、消防、醫(yī)氣等設施需要設計很多穿墻套管、風管、水管、氣體套管等，各類管道設計需結合BIM技術進行合理排布，且管線穿越屏蔽體時的方式需滿足輻射屏蔽要求。

該質子機房輻射屏蔽設計如圖3所示，機房屏蔽墻體、屋頂和底板選用32kN/m3的重混凝土，機房設備層、治療層和維修層迷道口均采用聚乙烯防護門。

圖3 質子機房輻射屏蔽設計

4.3 輻射安全與防護措施

質子治療系統(tǒng)調試、正常運行和維護期間，會產生中子和伽馬射線，停機后仍有活化部件產生伽馬輻射場。為保證運行人員和公眾免受潛在電離輻射傷害，應按照HJ 1198—2021《放射治療輻射安全與防護要求》設置防止誤操作、防止工作人員和公眾受到意外照射的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)和輻射監(jiān)測系統(tǒng)，設計施工時應考慮各功能部件的布置和穿墻接線。該系統(tǒng)包含輻射監(jiān)測、安全聯(lián)鎖和視頻監(jiān)控設備，通過聯(lián)鎖設備及相應軟件程序將安全規(guī)程嵌入質子治療系統(tǒng)運行和維護過程中，以保護運行人員人身安全。該系統(tǒng)設計遵循失效安全、縱深防御、最優(yōu)切斷原則，不但重要場所的關鍵安全設備采用多重冗余設計，核心控制設備也是失效安全的。安全聯(lián)鎖子系統(tǒng)、輻射監(jiān)測子系統(tǒng)相互配合，通過通信電纜連接，實現(xiàn)劑量聯(lián)鎖。

4.3.1安全聯(lián)鎖系統(tǒng)

安全聯(lián)鎖系統(tǒng)是采用可編程控制技術、門禁控制及自動門技術、集散式控制技術、計算機網(wǎng)絡與通訊技術、探測與數(shù)據(jù)處理技術、設備自診斷與自恢復技術等，實時監(jiān)測質子治療系統(tǒng)的各聯(lián)鎖部件，將信號輸入安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，只有在聯(lián)鎖條件全部滿足的情況下，才允許產生束流并加速，主要由安全控制器、現(xiàn)場設備和網(wǎng)絡通信部分組成，與劑量監(jiān)測及機房防護門等系統(tǒng)配合形成的3層監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)核心部件是可編程邏輯控制器(PLC)及輸入輸出模塊的信號，直接與安全組件和系統(tǒng)聯(lián)鎖硬線連接的部件。輸入模塊負責將清場按鈕、急停按鈕、門限位開關、鑰匙控制等安全組件狀態(tài)發(fā)送給控制器。輸出模塊負責將控制器的控制信號發(fā)送給相應加速器的輸出設備。位于控制室的上位計算機通過現(xiàn)場總線與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)主控制器進行通訊，獲取安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的現(xiàn)場設備實時狀態(tài)。

安全聯(lián)鎖設備包括鑰匙控制、門限位開關、安全門鎖、急停按鈕、清場搜索按鈕和聲光報警等設備(見圖4)。急停按鈕、清場搜索按鈕應顯目、易識別、容易到達。輻射區(qū)域設置機器運行前語音警告提示裝置，控制臺設置電子顯示屏，用于顯示輻射區(qū)域內的聯(lián)鎖裝置工作狀況。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)邏輯如圖5所示。

圖4 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)架構

圖5 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)邏輯

4.3.2輻射監(jiān)測系統(tǒng)

輻射監(jiān)測系統(tǒng)主要功能是測定質子加速器工作場所和周圍環(huán)境中的輻射水平，以監(jiān)督和控制人員活動，使接收的輻射劑量實現(xiàn)合理可達盡量低(ALARA)的原則，保證工作人員和公眾安全。

輻射監(jiān)測系統(tǒng)由探測器、數(shù)據(jù)處理單元、工業(yè)以太網(wǎng)、監(jiān)控計算機、中心管理計算機與輻射防護數(shù)據(jù)庫組成，架構如圖6所示。探測器可測量輻射水平，并可轉換劑量率信息，數(shù)據(jù)處理單元用于采集探測器的輸出信號和完成信號，并進行加權處理、劑量率本地顯示、本地報警及數(shù)據(jù)上傳。工業(yè)以太網(wǎng)是探測器和監(jiān)控計算機進行通訊的媒介，監(jiān)控計算機用于日常分析與管理監(jiān)測數(shù)據(jù)，中心管理計算機用于發(fā)布劑量監(jiān)測數(shù)據(jù)，輻射防護數(shù)據(jù)庫用于存儲探測器測得的實時劑量數(shù)據(jù)，包括劑量率、測量時間、監(jiān)測點代號、測量輻射類型(γ/中子)。小型化質子加速器機房(治療層)固定式輻射監(jiān)測點位如圖7所示，每個監(jiān)測點由1臺中子探測器和γ探測器組成。

圖6 輻射監(jiān)測系統(tǒng)結構

圖7 小型化質子加速器機房輻射監(jiān)測點位(治療層)

質子治療系統(tǒng)能量范圍是50～230MeV，產生的最大中子能量范圍為熱中子～230MeV。因此該區(qū)域中子探測器響應的能量范圍不能低于熱中子～230MeV，控制室內應中子探測器對中子的響應不低于熱中子～14MeV，劑量率范圍內至少覆蓋100nSv/h～100mSv/h，并控制室內中子探測器的劑量率范圍至少覆蓋10nSv/h～1mSv/h。伽馬探測器響應能量范圍不低于30keV～6MeV，劑量率范圍至少覆蓋100nSv/h～10mSv/h，控制室內中子探測器的劑量率范圍至少覆蓋10nSv/h～1mSv/h。

4.3.3上位計算機和終端監(jiān)控界面

一般選用商用計算機作為安全聯(lián)鎖和劑量監(jiān)測系統(tǒng)的上位計算機，可顯示各監(jiān)測點的劑量率、安全聯(lián)鎖設備狀態(tài)，終端監(jiān)控界面采用工業(yè)控制用的LCD顯示器，各監(jiān)測點位的輻射劑量和安全聯(lián)鎖信息在顯示器上以圖形的方式直觀顯示。

4.4 小型化質子加速器機房通風系統(tǒng)

小型化質子加速器機房通風系統(tǒng)分為治療區(qū)和機架區(qū)。

治療區(qū)位于機房地上1層，采用新風空調送風、排風機排風的方式，每間機房治療區(qū)送風量為1 500m3/h，排風量為2 000m3/h，換氣次數(shù)約10次/h。排風量略高于送風量，使治療區(qū)內保持微負壓狀態(tài)。

機架區(qū)為上、下3層貫通結構，采用新風空調送風、排風機排風的方式，每間機房機架區(qū)的送風量為1 500m3/h，排風量為4 000m3/h，換氣次數(shù)約5次/h。排風量高于送風量，使機架區(qū)內保持微負壓狀態(tài)。通風系統(tǒng)設計分區(qū)如圖8所示。

圖8 通風系統(tǒng)設計分區(qū)

4.5 放射性廢物處理

4.5.1放射性廢氣

質子加速器運行時，室內空氣通過熱中子俘獲、(n，2n)、(γ，n)反應和散裂反應被活化，產生的活化核素主要為3H，7Be，11C，13N，15O，41Ar等。質子機房和治療室內應分別設置強制排風系統(tǒng)，排風設計應滿足GBZ 121—2020《放射治療放射防護要求》，換氣次數(shù)不低于4次/h，送風排風系統(tǒng)成對角，上送下排，質子系統(tǒng)運行過程中，通風系統(tǒng)應保持開啟，感生放射性氣體由各區(qū)域屋面排入環(huán)境中。

4.5.2放射性廢液

放射性廢液主要是活化冷卻水。質子治療系統(tǒng)所用冷卻水為去離子水，使用過程中，由于15O散裂反應可能形成放射性核素，除7Be、3H外，其余核素半衰期都很短，放置一段時間基本可以衰變。正常運行情況下，設備冷卻水閉路循環(huán)不排放，只在設備相關部位檢修時才排放，小型化質子加速器機房底板下設有集水井，有效容積為1.2m3，用于暫存更換的冷卻水，如圖9所示?？赡鼙换罨睦鋮s水回路中總水量約0.16m3，每年最多檢修排放次數(shù)為2次，年最大排放量為0.32m3。集水井通過管道與小型化質子加速器機房地漏相連，集水井的標高低于小型化質子加速器機房底板標高，且該機房設自流坡度，可確保冷卻水能夠自流并通過機房內地漏排入集水井內暫存。

圖9 活化冷卻水暫存場所位置

在集水井上設取樣口，活化的冷卻水在排放前必須測量取樣，若滿足放射性廢水排放標準，才可排放。集水井管道與醫(yī)院污水管網(wǎng)相連，且配備手動啟動的排水泵，需要排放時手動開啟排水泵，通過管道將冷卻水排入醫(yī)院污水管網(wǎng)。每次排放需記錄廢水來源、排放量、活度濃度監(jiān)測結果、排放去向等信息，并存檔。

4.5.3放射性固體廢物

質子治療系統(tǒng)產生的放射性固體廢物主要為維護、維修環(huán)節(jié)更換的易損、易活化的結構部件。拆除的活化部件集中使用廢物桶裝收集后，暫存在治療機房底層設備層指定區(qū)域或轉移至放射性廢物暫存區(qū)。每個廢物桶外設置電離輻射標志和放射性廢物標簽，該標簽包括貯存日期、材料來源和性質、表面劑量率及收集人員簽名等內容。醫(yī)院根據(jù)放射性固體廢物儲存情況，定期委托有資質的單位進行檢測和分析，對于滿足解控要求的固體廢物，報審管部門備案和批準后，由醫(yī)院作為一般固體廢物進行處理。對于不滿足解控要求的放射性固體廢物，醫(yī)院定期委托有資質的單位進行處理。放射性固體廢物暫存區(qū)域如圖10所示。

圖10 放射性固體廢物暫存區(qū)域位置

4.6 配套CT機輻射防護

小型化質子加速器機房治療層內配備1臺移動CT機，移動CT機出束期間，質子機房內部為控制區(qū)，控制室為監(jiān)督區(qū)。移動CT機的輻射屏蔽體利用該機房屏蔽墻體，可滿足GBZ 130—2020《放射診斷放射防護要求》中“CT機房和CT模擬定位機房屏蔽采用2.5mm鉛當量的要求”。

機房內部的CT操作臺設觀察窗，機房內設攝像頭，便于觀察受檢者狀態(tài)及防護門開閉情況。當質子治療系統(tǒng)的人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)建立聯(lián)鎖后，方可建立移動CT機的定位聯(lián)鎖。機房各層均設有移動CT機出束狀態(tài)指示燈，該指示燈與各層出入口門和移動CT機出束狀態(tài)聯(lián)鎖。當定位聯(lián)鎖后，工作狀態(tài)指示燈點亮。若定位聯(lián)鎖被破壞，工作狀態(tài)指示燈會熄滅。

5 結語

同濟醫(yī)院光谷院區(qū)配套項目(質子大樓)小型單室內3層建筑整體，使用重混凝土作為主屏蔽體，選用聚乙烯防護門，優(yōu)化穿墻管道排布，屏蔽體外瞬時劑量率均低于劑量率控制水平。并在機房設計安全、冗余的輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，設置固定式輻射監(jiān)測系統(tǒng)，并選用上位計算機和終端監(jiān)控界面進行實時顯示，可有效確保工作人員和公眾安全，防止意外照射。機房設有獨立的通風系統(tǒng)，使排風量、換氣次數(shù)、進排風方式、排風高度等滿足相關標準的要求。機房設有專門的放射性廢物儲存間和集水井，能確保廢物對環(huán)境污染的影響極小，對室內CT機進行綜合防護設計，使其能夠安全便捷地配合質子治療。

綜上所述，該項目形成了新型小型化質子治療系統(tǒng)防輻射關鍵技術，能解決此類小型化質子加速器機房防輻射設計和施工難題，確保符合國家法規(guī)和標準要求。