醫用電子直線加速器及機房的屏蔽防護

福建省輻射環境監督站 溫莉琴

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醫用電子直線加速器及機房的屏蔽防護

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醫用電子直線加速器被廣泛應用，得到迅速發展，醫用電子直線加速器的輻射防護問題已引起了社會的普遍關注。根據醫用電子直線加速器的輻射特性，屏蔽是其輻射防護的主要方法。NCRP報告反映了醫用電子加速器機房的屏蔽防護研究現狀，我國也制定了一系列的法律法規，以滿足人們對電離輻射防護日益提高的需求。

醫用電子直線加速器輻射特性屏蔽

1 前言

與鈷60 治療機相比，醫用電子直線加速器劑量率高、劑量計算準確、治療時間短、而且對深部腫瘤的療效更為理想等優點，因此，醫用電子加速器在世界各國迅速發展，已成為目前世界上主流的放療設備。近些年來，我國面臨醫用電子直線加速器得到迅速推廣應用，已有逐漸取代鈷－60治療裝置的趨勢。估計我國每年大約新增60萬癌癥患者，其中約60 %至70 %需要配合施加放射治療。因此，以醫用電子直線加速器為例，31省份由1999年的420臺[1]，至2006年已經裝備918臺，其增長速率十分可觀，一些開展放射治療的醫院已同時擁有多臺醫用加速器。但全國平均每百萬人的擁有量還僅0.7臺，遠遠未達到世界衛生組織（WHO）建議每百萬人配備2至3臺醫用加速器的要求[2]。所以其發展潛力還很大，與此相適應，電離輻射醫學應用的放射防護與安全日益強烈凸顯其重要性和迫切性[3]。

醫用電子直線加速器的廣泛應用和迅速發展，無疑給人類帶來了巨大的利益。電離輻射是把雙刃劍，各種射線對人體也有損傷作用的一面，不當的和過量的電離輻射照射會引起對人體的危害。依據現行的射線裝置分類辦法，醫用電子直線加速器屬于Ⅱ類射線裝置，屬于中危險射線裝置，發生事故時可以使受照人員產生較嚴重的放射損傷，大劑量照射甚至導致死亡。醫用電子直線加速器對工作場所及周圍環境產生的輻射水平及其防護問題已引起了社會的普遍注意和關切。配備醫用電子直線加速器設備進行放射治療的各級醫療機構，大多在人口集中的城市中心區域。除了必須充分重視醫學放射工作人員的職業照射防護外，還必須關注放射治療機房周圍環境的放射安全，考慮到公眾的防護。

2 醫用電子直線加速器的結構和工作原理

醫用電子直線加速器的能量在整個加速器范圍內屬于低能段。醫用電子直線加速器能量一般指X射線治療方式下的加速電位，即X射線的最高能量。通常按能量10MV為界區分，以采取與之相應的放射防護措施。它還可按產生X射線的種類分為單光子、雙光子和多光子直線加速器。單光子直線加速器一般只能產生一種低能X射線；雙光子直線加速器能夠產生低能和高能X射線和多種能量的電子線；多光子直線加速器可以產生高、中、低三種能量的射線；產生光子的種類越多，設備越復雜。

醫用電子直線加速器一般由電子槍、加速管、微波功率源及微波傳輸系統、聚焦系統、真空系統、電源和控制系統、束流輸運系統和附屬設備等組成。其工作過程是：調制器產生兩個脈沖高壓，一個加到功率源（速調管或磁控管），功率源產生的微波功率經微波傳輸系統，饋入加速管，并在其中建立加速場。另一個脈沖高壓加到電子槍，引出電子束。電子束注入加速管，受到其中加速場的加速。

醫用電子直線加速器一般可使用X射線束或電子束兩種射線進行腫瘤放射治療。醫用電子直線加速器運行時可能對周圍環境產生電離輻射影響。因此，在加速器應用之前首先要進行輻射防護。由于電子穿透力弱，電子束流強也相對較小，屏蔽計算一般僅考慮X射線治療方式。

3 醫用電子直線加速器的輻射特性

醫用電子直線加速器運行時，被加速的帶電粒子從加速器的真空區引出后，這些帶電粒子與被撞擊的物質相互作用時產生韌致輻射X射線、特征X射線、瞬發γ射線、中子射線和緩發射線(能量≥10MeV時)。與此同時，射線作用于空氣以及次級輻射等因素，可產生臭氧、氮氧化物和微量氣載放射性物質。具體可分類如下：

3.1 初級射線輻射。這是指來自加速器準直孔直接發射的射線。當光闌完全打開時，從輻射頭靶端出射的X射線為一個半角為14度的錐型線束，其能量特性決定于選擇的X射線能量級。與電子線產生的輻射相比較，輻射防護更主要的是依據的X射線能量。

3.2 漏射線輻射。這是指穿過加速器組裝殼體的泄漏射線，與主射線相比，泄漏劑量率比主射線束發射劑量率要低得多。

3.3 散射線輻射。這是指受有用射線束和泄漏輻射直接照射的照射對象、裝置部件以及建筑物室壁的散射輻射，散射輻射的能量和劑量均比有用射線束的能量和發射劑量率要低。

3.4 中子輻射。在高能X射線模式會產生一定數量的中子，通常無論在高能電子線或低能X射線模式都只有很低的能量級水平，在設計屏蔽和迷路通道時可以忽略。但在高于10MV的X射線模式中，迷路入口的設計必須對中子劑量率加以考慮。

3.5 輻射活化的產生。直線加速器工作在高于8MeV的能量級時，會發生光核效應，特別是高于12MeV時增加得更快。這樣會造成輻射頭、室內其他物質包括周圍空氣在內的放射性核的形成，產生少量放射性氣體。如：13N（半衰期10min）和15O（半衰期2min）。如果機房內安裝有通風系統，在加速器生產和使用過程中，機房的通風量足夠，那么放射性氣體的累積不會達到危害人體的程度。我國GBZ126-2002規定了醫用電子直線加速器治療室（即機房）通風換氣次數應達到每小時3～4次[4]。

4 醫用電子直線加速器機房的屏蔽防護

根據醫用電子直線加速器的輻射特性，屏蔽是其輻射防護的主要方法，屏蔽防護包括設計與評價兩方面內容，屏蔽防護設計需要是根據現行標準要求，結合醫院提供的工作負荷、周圍環境狀況等，在根據設計經驗確定的治療室布局下，采用數學計算模式設計屏蔽體的厚度；而評價則可以根據屏蔽體的厚度，結合醫院提供的工作負荷、周圍環境狀況等，采用數學計算模式估算職業放射工作人員和公眾個人所可能接受的年有效劑量，然后依據現行標準要求對其進行防護評價。因此，醫用電子直線加速器輻射屏蔽設計計算方法與電離輻射防護環境影響評價理論計算方法是相通的，即年有效劑量與屏蔽體厚度之間，通過相同的其他相關參數，相互轉換。設計主要包括主（初級）屏蔽體（墻、頂棚）設計、副（次級）屏蔽體（墻、頂棚）設計和迷路防護門設計，以及相關基本參數（包括劑量控制目標值、居留因子、工作負荷和使用因子等）。目前醫用電子直線加速器輻射屏蔽防護設計與評價方法較多，相關參數選取混亂，由此設計而建成的機房容易出現防護不足或偏保守的現象，進而增加了周圍人員的心理負擔或不必要的資源浪費。

醫用電子直線加速器機房一般依據NCRP報告進行屏蔽計算，NCRP報告反映了醫用電子加速器機房設計和屏蔽研究的現狀。1976年出版的NCRP49號報告[5]建立了初級屏蔽體和次級屏蔽體系統的計算方法，可用于Co-60治療機以及10MV以內的電子直線加速器屏蔽計算，并將非控制區分為全居留、部分居留、偶然居留，居留因子T值分別取1、1/4、1/16，而控制區T值習慣上取1，治療室外墻T值取1/10。NCRP51號報告[6]將能量擴展到100MV，并給出了迷路門經驗屏蔽要求。1984年出版的NCRP79號報告[7]改進了中子屏蔽計算方法。2000年出版的NCRP134號報告[8]建議一般公眾的偶然居留因子取1/40。2003年出版的NCRP144號報告[9]改進了計算的精確度，包括修訂所有屏蔽數據（TVL值），改進機房防護門屏蔽計算（包括有迷路和無迷路的設計）的精度，新增了適形調強放射治療(IMRT)的防護內容。有些機房設計在初級屏蔽體內埋設金屬板，還討論了該金屬板產生的光中子。2005年出版的NCRP151號報告[10]，以及2006年IAEA出版的IAEA47[11]安全報告中有關醫用電子加速器機房設計和屏蔽研究是目前最新內容。NCRP151號報告改進了迷路計算精度，而IAEA47安全報告中參考了NCRP151報告中的許多內容。目前我國針對新出臺的NCRP151號報告和IAEA 47號報告的運用與研究的報道有限，常用的計算方法依據有：（1）1977年出版的NCRP51號報告；（2）1982年由李星洪等編、原子能出版社出版的《輻射防護基礎》；（3）1991年由方杰主編、李士駿主審、原子能出版社出版的《輻射防護導論》；（4）1991年由李德平、潘自強主編，原子能出版社出版的《輻射防護手冊第一分冊》，等。

為了滿足廣大人民和醫務工作者對電離輻射防護和安全日益提高的需求，我國制定了一系列的法律法規，如：《中華人民共和國職業病防治法》、《中華人民共和國放射性污染防治法》和《放射性同位素和射線裝置輻射與安全管理條例》（國務院2005年449號令）等。并與國際電離輻射防護新進展同步，貫徹實施了我國新的放射防護基本標準——GB18871－2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》，它是我國各行各業應用電離輻射技術的放射防護總指南，包括如何具體應用實踐的正當性、防護的最優化和個人劑量限值等放射防護三原則。一些相關的次級放射防護專項標準，例如GBZ/T 152—2002《γ遠距機房設計防護標準》，規定了γ射線遠距離放射治療機房的總體布局和設計中的防護要求；GBZ 126—2002規定了 “治療室選址和建筑設計必須符合相應的放射衛生防護法規和標準要求，保障周圍環境安全；有用線束直接投照的防護墻（包括天棚）按初級輻射屏蔽要求設計，其余墻壁按次級輻射屏蔽要求設計；穿越防護墻的導線、導管等不得影響其屏蔽防護效果；X射線標稱能量超過10 MeV的加速器，屏蔽設計應考慮中子輻射防護”，可供參考借鑒。醫用電子直線加速器屏蔽厚度按其可能的最大輸出量進行設計，所有設計和評價均是根據GB18871－2002中規定的劑量限值。不過，我國現行法規中尚無統一規定具體的醫用電子直線加速器輻射屏蔽防護設計的控制目標值。

[1] 鄭鈞正, 賀青華, 李述唐, 等. 我國電離輻射醫學應用的基本現狀[J]. 中華放射醫學與防護雜志, 2000, 20（增刊）:7 - 14.

[2] 中華放射腫瘤學會（殷蔚伯, 余耘, 陳波, 等執筆）. 2006年全國放療人員及設備調查報告[J]. 中華放射腫瘤學雜志, 2007, 16（1）:1 - 3.

[3] 鄭鈞正.電離輻射醫學應用的防護與安全[M]. 北京:原子能出版社, 2009.

[4] GBZ126-2002. 醫用電子加速器衛生防護標準[S].

[5] NCRP Report No.49, Structural Shielding Design and Evaluation for Medical Use of X Rays and Gamma Rays of Energies up to 10 MeV[R]. 1976.

[6] NCRP Report No.51, Radiation Protection Design Guidelines for 0.1-100 MeV Particle Accelerator Facilities[R]. 1977.

[7] NCRP Report No.79, Neutron Contamination from Medical Electron Accelerators[R]. 1984.

[8] NCRP Report No.134, Operational Radiation Safety Training[R]. 2000.

[9] NCRP Report No.144, Radiation protection for particle accelerator facilities[R]. 2003.

[10] NCRP Report No.151, Structural Shielding Design and Evaluation for Megavoltage X-and Gamma-Ray Radiotherapy Facilities[R] . 2005.

[11] Safety Reports Series No.47, Radiation protection in the Design of Radiotherapy Facilities[R]. IAEA, 2006.