王雪航

(黑龍江省疾病預(yù)防控制中心)

0 引言

由于放射治療技術(shù)和放射治療設(shè)備發(fā)展迅速，在腫瘤治療方法中放射治療越來越受重視，占有越來越重要的地位[1-3].近年來中國應(yīng)用醫(yī)用電子直線加速器治療腫瘤工作飛速發(fā)展.由于醫(yī)用電子直線加速器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的射線對工作人員、公眾及環(huán)境的輻射安全構(gòu)成威脅，醫(yī)用電子直線加速器的防護(hù)和安全問題備受人們的關(guān)注，因此醫(yī)院不但需要加強(qiáng)醫(yī)用電子直線加速器的安全防護(hù)，保持設(shè)備處于安全運(yùn)行狀態(tài)；而且也需要重視放射治療操作人員和治療患者的個(gè)人自身防護(hù)，減少可以避免的非必須照射劑量.醫(yī)院在應(yīng)用醫(yī)用電子直線加速器開展放射治療工作中必須重視輻射防護(hù)與安全[4-5]，可靠的輻射屏蔽設(shè)計(jì)是裝置運(yùn)行時(shí)保障輻射安全的基礎(chǔ).基于安全與防護(hù)問題的考慮，該文對某醫(yī)院新建10MV醫(yī)用電子加速器機(jī)房的屏蔽厚度進(jìn)行計(jì)算，判斷其機(jī)房的屏蔽設(shè)計(jì)是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求.

1 內(nèi)容和方法

1.1 輻射源項(xiàng)分析

選取驗(yàn)證的醫(yī)用電子直線加速器射線能量為10MV，產(chǎn)生X射線的最大劑量率為600cGy/min；針對裝置產(chǎn)生X射線的初始輻射、散射輻射、泄漏輻射需采取的屏蔽防護(hù)進(jìn)行計(jì)算.此型號醫(yī)用電子直線加速器不具備電子束治療功能，屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)不涉及電子束射線[6].

1.2 機(jī)房墻體屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)

該醫(yī)用電子直線加速器機(jī)房設(shè)計(jì)為單層的獨(dú)立建筑物，機(jī)房如圖1、2所示；機(jī)房屏蔽防護(hù)墻體建筑材料擬采用密度為2.35 g/cm3的普通混凝土.

圖1 加速器機(jī)房平面示意圖

圖2 加速器機(jī)房剖面示意圖

1.3 人員劑量限值的選取

1.4 屏蔽計(jì)算方法

醫(yī)院提供該醫(yī)用電子直線加速器周工作負(fù)荷(W)為1.53×109μGy/week，射線強(qiáng)度與種類為10MV 的X射線.

屏蔽厚度計(jì)算采用 《放射治療機(jī)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(jī)房》和NCRP REPORT No.151中提供的方法以及經(jīng)驗(yàn)公式估算方法[8-9].選取的參數(shù)：利用因子(U)在照射方向?yàn)樾D(zhuǎn)照射時(shí)U為1/4，X射線次級輻射U為1；居留因子(T)在人員全居留時(shí)T為1、部分居留時(shí)T為1/4、偶然居留時(shí)T為1/16；能量為10 MV的X射線在密度為2.35 g/cm3普通混凝土中，主射線束TVL1為0.41 m、TVLe為0.37 m，漏射線TVL1為0.35 m、TVLe為0.31 m，90°方向上散射線TVL90°為0.18 m[6-7].

2 屏蔽計(jì)算

2.1 初始輻射屏蔽厚度計(jì)算

(1)選擇西側(cè)主墻關(guān)注點(diǎn)的位置為模具室，距離靶點(diǎn)為10.8 m，居留因子為1/4，利用因子為1/4，工作負(fù)荷為1.53×109μGy/week則

(2)選擇東側(cè)主墻關(guān)注點(diǎn)的位置為室外，距離靶點(diǎn)為7.6 m，居留因子為1/16，利用因子為1/4，工作負(fù)荷為1.53×109μGy/week，則同理可得東側(cè)主墻混凝土計(jì)算厚度d東=1.86 m.

(3)選擇屋頂主墻關(guān)注點(diǎn)的位置為上方室外，距離靶點(diǎn)為6.6 m，居留因子為1/16，利用因子為1/4，工作負(fù)荷為1.53×109μGy/week，則同理可得屋頂上方主墻混凝土計(jì)算厚度d屋頂=1.91 m.

2.2 泄漏輻射與患者散射屏蔽厚度計(jì)算

由于主屏蔽墻能夠滿足泄漏輻射和患者散射的屏蔽防護(hù)要求，因此僅考慮南、北墻泄漏輻射和患者散射.

2.2.1 南墻屏蔽厚度計(jì)算

南墻泄漏輻射屏蔽厚度計(jì)算(d泄漏):

該醫(yī)用電子直線加速器X射線泄漏輻射比率η為0.001，關(guān)注點(diǎn)距離靶點(diǎn)5.8 m.

南墻患者散射輻射屏蔽厚度計(jì)算(d散射):

散射因子α為3.81×10-4.

6.93×104μSv/week

則南墻綜合屏蔽厚度d南=0.86 m

2.2.2 北墻屏蔽厚度計(jì)算，方法見2.2.1

則北墻綜合屏蔽厚度d北=0.86 m

2.3 迷路防護(hù)門設(shè)計(jì)驗(yàn)證

該醫(yī)用電子直線加速器X射線標(biāo)稱能量為10MV，對標(biāo)稱能量大于或等于10MV醫(yī)用電子直線加速器，迷路入口處需考慮以下輻射：

(1)中子在迷路內(nèi)的散射中子；

(2)中子俘獲γ射線的輻射劑量；

(3)患者散射；

(4)穿過迷路內(nèi)墻的有用射線束受迷路外墻散射至迷路入口的輻射劑量；

(5)機(jī)頭泄漏輻射經(jīng)二次散射在迷路入口處的輻射劑量；

(6)機(jī)頭泄漏輻射經(jīng)迷路內(nèi)墻屏蔽后在迷路入口處的輻射劑量.

因患者散射輻射的能量與中子俘獲γ射線的能量相比較低，屏蔽門在防護(hù)中子俘獲γ射線時(shí)，忽略不計(jì)患者散射輻射射線劑量.

總中子注量Φ的計(jì)算：

在迷路外入口處中子俘獲γ射線的劑量率Dc估算：

Dc=W×Dφ=1.53×103×0.48×10-8=

7.34×10-6Sv/week=7.34 μSv/week

在迷路外入口處中子的劑量率DE估算：

DE=W×DN=1.53×103×1.13×10-8=

1.73×10-5Su/week=17.30 μSv/week

圖3 防護(hù)門屏蔽計(jì)算示意圖

患者散射劑量率DpA估算：

24.48 μSv/week

穿過迷路內(nèi)墻的有用線束受迷路外墻散射至迷路入口的輻射劑量率DwA：

機(jī)頭泄漏輻射經(jīng)二次散射在迷路入口處的輻射劑量率DLA：

12.99 μSv/week

機(jī)頭泄漏輻射透射到迷路外入口處引起的輻射劑量率DTA：

0.038 μSv/week

外側(cè)迷道入口泄露和散射輻射劑量率Dd：

Dd=2.64×(DpA+f×DwA+DLA+DTA)=

99.03 μSv/week

機(jī)房防護(hù)門屏蔽厚度估算：

在外側(cè)迷道入口處中子俘獲γ射線的劑量當(dāng)量率為7.34 μSv/week，泄露和散射輻射劑量當(dāng)量率為99.03 μSv/week，總光子劑量率為106.37 μSv/week.在迷道外入口處中子的劑量當(dāng)量為17.30 μSv/week.在這種情況下，使用鉛屏蔽光子輻射，而對中子幾乎無屏蔽作用.使用含硼聚乙烯屏蔽中子，而對光子僅有很弱屏蔽作用.因此，對這兩種輻射成分可分別獨(dú)立確定屏蔽厚度，按劑量比例分配使光子劑量和中子劑量分別達(dá)到劑量設(shè)計(jì)控制值5 μSv/week 的0.8和0.2.

在迷道外入口處，光子總劑量為106.37 μSv/week.對迷道長度大于5 m，中子俘獲γ射線的TVL為0.006 mPb(保守考慮，對泄露和散射輻射取相同TVL值且安全因子取2).

防護(hù)門應(yīng)采用至少0.011 m厚的鉛.

屏蔽中子輻射原理為吸收能量在0～1 keV的慢中子，將能量在1 keV以上中能中子、快中子以及高能中子進(jìn)行減速.所以，中子屏蔽分兩部分環(huán)節(jié)，第一個(gè)環(huán)節(jié)是將核反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子與慢化劑發(fā)生碰撞形成非彈性散射，從而損失高能中子能量；再通過與含氫物質(zhì)進(jìn)行彈性散射，將中子能量范圍降至熱能區(qū).第二個(gè)環(huán)節(jié)是吸收慢中子，主要利用中子吸收材料吸收熱中子[10-11].中子通過迷路墻壁進(jìn)行多次散射，入口處平均能量約為100 KeV，在聚乙烯中TVL為0.045 m.為減少熱中子成分而在聚乙烯中加入5%的硼，硼對熱中子TVL為0.012 m，對于能量為2 MeV的中子TVL為0.038 m.為保證屏蔽效果，計(jì)算時(shí)偏保守選取含硼5%聚乙烯TVL為0.038 m.經(jīng)計(jì)算，外側(cè)迷路入口中子劑量為17.3μSv/week.建設(shè)單位選定中子控制劑量為5μSv/week，則中子防護(hù)厚度X計(jì)算結(jié)果為：

因此，該項(xiàng)目應(yīng)采取0.011 m鉛用于防護(hù)俘獲γ射線；約0.047 m厚含硼5%的聚乙烯防護(hù)中子.建議防護(hù)材料組合順序由內(nèi)向外依次為鉛+含硼5%聚乙烯+鉛.

2.4 初始輻射屏蔽墻寬度估算

圖5 治療室東側(cè)主屏蔽墻寬度估算示意圖

圖6 治療室屋頂主屏蔽墻寬度估算示意圖

根據(jù)通行的一般原則，初始射線束在主屏蔽墻的寬度為投射到所關(guān)注墻面最大方形或矩形照射野對角線長度并在兩側(cè)各增加0.30m以上(如圖4～6所示).該醫(yī)用電子直線加速器等中心處最大照射野為0.40 m×0.40 m，其投射至主屏蔽墻面方形照射野邊長計(jì)算公式為：

圖4 治療室西側(cè)主屏蔽墻寬度估算示意圖

式中，dw為主屏蔽墻寬度，單位：m；L為等中心處最大照射野投射到主屏蔽墻的方形照射野邊長，單位：m.

分別計(jì)算西側(cè)、東側(cè)和屋頂主屏蔽墻寬度過程如下：

西側(cè)主屏蔽墻寬度計(jì)算：

0.6=3.54.

東側(cè)主屏蔽墻寬度計(jì)算：

0.6=3.82

屋頂主屏蔽墻寬度計(jì)算：

0.6=4.15

2.5 加速器機(jī)房輻射屏蔽防護(hù)監(jiān)測結(jié)果

該醫(yī)用電子直線加速器機(jī)房竣工后，對其進(jìn)行輻射屏蔽防護(hù)驗(yàn)收監(jiān)測，用以驗(yàn)證屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)際建設(shè)情況的符合性.監(jiān)測設(shè)備為高壓電離室型巡測儀：型號451P，校準(zhǔn)因子為1.02；中子周圍劑量當(dāng)量儀(用于防護(hù)門監(jiān)測)：型號BH3105，校準(zhǔn)因子0.905，兩臺設(shè)備均在計(jì)量檢定有效期內(nèi).監(jiān)測條件：加速器工作模式為10MV X射線，輸出劑量率為600cy/min，照射野為0.40m×0.40m，出束時(shí)間為3min.監(jiān)測方法:加速器工作時(shí),使用高壓電離室型巡測儀巡測機(jī)房屏蔽墻外周圍劑量當(dāng)量率；使用高壓電離室型巡測儀和中子周圍劑量當(dāng)量儀巡測機(jī)房防護(hù)門外周圍劑量當(dāng)量率.在巡測過程中取較大的若干個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)多次測量后取最大值，監(jiān)測點(diǎn)距機(jī)房屏蔽墻體或防護(hù)門距離0.3 m，距地面高度為1.3 m，頂棚上方監(jiān)測點(diǎn)距頂棚地面為1 m.對主屏蔽墻進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，射線束朝向主防護(hù)墻，無散射模體；對副屏蔽墻進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，射線束朝下，主射線束照射野內(nèi)設(shè)置散射模體；加速器機(jī)房屏蔽防護(hù)(X射線)監(jiān)測結(jié)果見表1，防護(hù)門中子周圍劑量當(dāng)量率監(jiān)測結(jié)果為0.00 μSv/h(環(huán)境本底輻射水平)，滿足機(jī)房屏蔽墻、防護(hù)門外30cm處周圍劑量當(dāng)量率應(yīng)小于等于2.5 μSv/h的劑量限值要求.

表1 加速器機(jī)房屏蔽防護(hù)(X射線)周圍劑量當(dāng)量率監(jiān)測結(jié)果 μSv/h

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

(1)該醫(yī)院醫(yī)用電子直線加速器機(jī)房是單層的獨(dú)立建筑物，符合《電子加速器放射治療放射防護(hù)要求》中對機(jī)房選址和建筑設(shè)計(jì)的規(guī)定.

(2)依據(jù)醫(yī)用電子直線加速器射線束照射方向，對機(jī)房東側(cè)、西側(cè)和屋頂?shù)闹鞣雷o(hù)墻進(jìn)行初始輻射屏蔽計(jì)算，對南側(cè)和北側(cè)的副防護(hù)墻按泄漏輻射和患者散射輻射進(jìn)行屏蔽計(jì)算，并經(jīng)過輻射屏蔽防護(hù)驗(yàn)收監(jiān)測且驗(yàn)收監(jiān)測結(jié)果滿足選取的劑量限值，得出設(shè)計(jì)厚度符合機(jī)房屏蔽防護(hù)的要求(見表2).

表2 加速器機(jī)房防護(hù)屏蔽體計(jì)算厚度與設(shè)計(jì)厚度對比

(3)西側(cè)、東側(cè)和屋頂主屏蔽墻的設(shè)計(jì)寬度符合屏蔽防護(hù)要求(見表3).

表3 主屏蔽墻計(jì)算寬度與設(shè)計(jì)寬度對比

3.2 討論

(1)防護(hù)門應(yīng)采取0.011 m鉛用于防護(hù)中子俘獲γ射線；約0.047 m厚含硼5%的聚乙烯防護(hù)中子.建議防護(hù)材料組合順序由內(nèi)向外依次為鉛+含硼5%聚乙烯+鉛.

(2)通過對計(jì)算結(jié)果的分析，該醫(yī)用電子直線加速器機(jī)房相關(guān)屏蔽體屏蔽防護(hù)厚度符合針對X射線輻射能量為10MV醫(yī)用電子直線加速器的屏蔽防護(hù)及預(yù)先所選取劑量限值的要求，使放射工作人員和周圍公眾所受射線照射劑量低于《電離輻射防護(hù)與輻射源基本安全標(biāo)準(zhǔn)》(GB18871-2002)中所規(guī)定的劑量限值和劑量約束值.從輻射防護(hù)與安全方面判斷，該醫(yī)用電子直線加速器機(jī)房屏蔽設(shè)計(jì)可以保障接觸人員包括放射工作人員、放射治療患者及公眾的健康與安全，其屏蔽設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的指導(dǎo)意義.