15MV醫(yī)用電子加速器機(jī)房放射防護(hù)設(shè)計(jì)研究

魏瀾波，潘潤鐸，陳大偉，侯林平，賀強(qiáng)

1.吉林大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院 輻射防護(hù)教研室，吉林 長春 130021；

2.吉林大學(xué)第一醫(yī)院 a.放射科；b.放療科，吉林 長春 130021

15MV醫(yī)用電子加速器機(jī)房放射防護(hù)設(shè)計(jì)研究

魏瀾波1，潘潤鐸2a，陳大偉1，侯林平2b，賀強(qiáng)1

1.吉林大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院 輻射防護(hù)教研室，吉林 長春 130021；

2.吉林大學(xué)第一醫(yī)院 a.放射科；b.放療科，吉林 長春 130021

目的探討某15 MV醫(yī)用電子加速器機(jī)房放射防護(hù)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，提出具體的防護(hù)建議和改進(jìn)措施，從而保障放射治療職業(yè)人員和公眾的輻射安全。方法依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)房屏蔽及排風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核、計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行比較分析。結(jié)果機(jī)房墻體的屏蔽計(jì)算厚度（混凝土）為：西墻1300 mm、北主墻2400 mm、北副墻1200 mm、迷路口后東墻1200 mm、迷路墻后東墻1300 mm、南主墻2700 mm、南副墻1400 mm、機(jī)房頂2900 mm、機(jī)房副頂1600 mm；南、北主防護(hù)墻和主防護(hù)頂計(jì)算寬度分別為3500 mm、3700 mm；機(jī)房通風(fēng)次數(shù)為0.06 次/h。結(jié)論機(jī)房北主墻、北副墻、東墻的屏蔽厚度和主墻的屏蔽寬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)房南主墻、南副墻、西墻、機(jī)房頂、機(jī)房副頂?shù)钠帘魏穸群屯L(fēng)換氣次數(shù)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。

醫(yī)用電子加速器；加速器機(jī)房；輻射防護(hù)；屏蔽設(shè)計(jì)

0 前言

放射治療發(fā)展至今已有 100 多年的歷史，與手術(shù)、化療一起構(gòu)成腫瘤治療的三大手段，60%～70% 的腫瘤患者在其治療的不同階段需要接受放射治療。腫瘤放射治療學(xué)也是近年來發(fā)展最快的學(xué)科之一[1]。隨著學(xué)科的迅猛發(fā)展，醫(yī)用電子加速器越來越廣泛地被應(yīng)用于臨床工作中。因此，如何有效地減少加速器射線對(duì)周圍環(huán)境和人類健康的危害成為人們關(guān)注的話題。本文對(duì)某 15 MV 醫(yī)用電子加速器機(jī)房放射防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，希望能為加速器機(jī)房科學(xué)、合理建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 加速器參數(shù)及機(jī)房資料

機(jī)房擬安裝 SIEMENS 公司 ONCOR Expression 型醫(yī)用電子加速器，用于開展普通放療和調(diào)強(qiáng)治療，最大X射線能量為 15 MV，最大電子線能量為 21 MeV，每周出束＜ 1500 Gy。距靶 1 m 等中心處最大 X 射線輸出劑量率為600 cGy/min，最大照射野為 40 cm×40 cm，等中心位置在機(jī)房中央，距地面高度為 1308 mm。加速器機(jī)房擬建于地下一層（最底層），西側(cè)為回旋加速器操作室，北側(cè)為土層，東側(cè)為操作室和設(shè)備間，南側(cè)為走廊，地上一層為工作站。加速器機(jī)房平面圖和剖面圖，見圖 1～2。機(jī)房建筑面積約為 200 m2，使用面積約為 100 m2，機(jī)房通風(fēng)設(shè)計(jì)為 24.3 m3/h，不同通風(fēng)條件下機(jī)房臭氧濃度隨時(shí)間的變化趨勢，見圖3。

圖1 加速器機(jī)房平面圖

圖2 加速器機(jī)房剖面圖

圖3 不同通風(fēng)條件下機(jī)房臭氧濃度隨時(shí)間的變化趨勢

1.2 放射防護(hù)計(jì)算方法

1.2.1 機(jī)房屏蔽計(jì)算

（1）機(jī)房墻體屏蔽厚度。按如下方法導(dǎo)出劑量率參考控制水平：

式中，Hc為周參考劑量控制水平，職業(yè)人員取 100 μSv/周， 公 眾 取 2 μSv/周 ；Hc,d為 關(guān) 注 點(diǎn)的 導(dǎo) 出 劑量 率參考控制水平，單位為 μSv/h ；t為治療裝置周治療照射時(shí)間，單位為 h ；U為有用線束關(guān)注方向的使用因子 ；T為人員在相應(yīng)關(guān)注點(diǎn)的居留因子；N為調(diào)強(qiáng)治療時(shí)用于泄露輻射的調(diào)強(qiáng)因子，取N=5；W為周工作負(fù)荷，取 1500 Gy/周；H0為距靶 1 m 處等中心點(diǎn)最高劑量率，單位為 μSv?m2/h，600 cGy/min。

不同輻射的屏蔽估算方法：

B為屏蔽透射因子；R為輻射源點(diǎn)至關(guān)注點(diǎn)的距離，單位為 m ；f對(duì)有用束為 1，對(duì)泄漏輻射為泄漏輻射比率，取10-3；Rs 為患者至關(guān)注點(diǎn)的距離，單位為 m ；dph為 400 cm2面積上的散射因子，取 3.18×10-3；F 為治療裝置有用束在等中心處的最大治療野面積，取（40×40） cm2；Xe為有效屏蔽厚度 ；X為所需屏蔽厚度 ；TVL1為第一個(gè) 1/10 層厚度，15 MV X 射 線 混 凝 土（ρ=2.35 g/cm3） 的 TVL1取 440 mm，90°泄露輻射混凝土的TVL1取 360 mm ；TVL 為平衡 1/10值層厚度，15 MV X 射線混凝土的TVL取 410 mm，90°泄露輻射混凝土的TVL取 330 mm，15 MV X 射線鉛（ρ=11.36 g/cm3）的TVL取 57 mm，90°泄露輻射鉛的TVL取 47 mm ；θ為入射線與屏蔽物質(zhì)平面的垂直線之間的夾角；計(jì)算取2倍安全系數(shù)。

（2）主屏蔽墻寬度。主屏蔽墻寬度計(jì)算公式如下：

L為主屏蔽墻的寬度，單位為m；R為等中心點(diǎn)距屏蔽墻外表面的距離，單位為m。

（3）防護(hù)門屏蔽厚度。防護(hù)門處的輻射劑量主要來自加速器機(jī)房迷路內(nèi)的雜散X射線、泄露輻射和迷路中的散射中子等。門口的迷路雜散X射線劑量當(dāng)量率計(jì)算公式如下：

Hs為迷道計(jì)算點(diǎn)的 X 射線劑量當(dāng)量率，單位為 mSv/h；H0為迷道內(nèi)入口中點(diǎn)的 X 射線劑量當(dāng)量率，單位為 mSv/h；R0為源到散射面積的距離，單位為 m ；Rs為散射面積S到計(jì)算點(diǎn)的距離，單位為m。

防護(hù)門處的中子輻射主要來自迷道內(nèi)的散射中子，中子劑量當(dāng)量率計(jì)算公式如下：

Dn為迷道入口中子劑量當(dāng)量，單位為 Sv/Gy ；H1為距靶 1 m 等中心處每 Gy X 射線中子劑量當(dāng)量，單位為mSv/Gy ；Ar為迷道 內(nèi) 口 截面 積 ；S1為迷 道 橫 截面 積 ；d1、d2、d3分別為加速器等中心到迷路口中心，迷路口中心到防護(hù)門前迷路中心，和防護(hù)門前迷路中心到防護(hù)門的距離。

按公式（6）、（7）估算防護(hù)門的屏蔽厚度，計(jì)算過程中，TVL1=TVL，斜射角θ為 0°，散射 X 射線鉛的TVL取 50 mm，中子輻射含硼 5% 聚乙烯的TVL取 45 mm，安全系數(shù)取 2。

1.2.2 機(jī)房氣態(tài)廢物排放

每小時(shí)通風(fēng)次數(shù)和排風(fēng)速率之間的換算關(guān)系如下：

通風(fēng)次數(shù) = 排風(fēng)速率 /機(jī)房體積 （11）

假設(shè)臭氧無分解且均勻分布、治療室無通風(fēng)，產(chǎn)生的臭氧濃度計(jì)算公式如下：

C03為治療室的臭氧濃度，單位為 ppm ；Sc為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電子在空氣中的碰撞阻止系數(shù)，取 2.5 keV/cm ；I 為加速器外泄漏束流強(qiáng)度，取 1 mA ；t 為輻照時(shí)間，取 120 s ；d為加速器外電子束在輻照空氣中穿行距離，取 100 cm ；V為治療室容積，計(jì)入迷路，為 390 m3。加速器停機(jī)后通風(fēng)t’時(shí)間的臭氧濃度按下式計(jì)算：

C03’為t’時(shí)刻的臭氧濃度，f 為排風(fēng)速率，t’為通風(fēng)時(shí)間，單位為 min。

1.3 機(jī)房放射防護(hù)計(jì)算、分析依據(jù)

主要依據(jù) GBZ/T220.2-2009、GBZ/T 201.2-2011、IAEA No.47、NCRP No.151 等國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[2-5]，對(duì)某 15 MV 醫(yī)用電子加速器機(jī)房放射防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核、計(jì)算，提出具體的防護(hù)策略和措施。

2 結(jié)果

2.1 機(jī)房屏蔽計(jì)算結(jié)果

機(jī)房屏蔽計(jì)算結(jié)果，見表 1～3。

表1 機(jī)房墻體屏蔽厚度計(jì)算結(jié)果

表2 主屏蔽寬度計(jì)算結(jié)果

表3 防護(hù)門屏蔽厚度計(jì)算結(jié)果

2.2 通風(fēng)次數(shù)和臭氧濃度

按設(shè)計(jì)通風(fēng)速率計(jì)算，機(jī)房通風(fēng)次數(shù)為 0.06 次 /h，機(jī)房臭氧濃度計(jì)算結(jié)果，見表4。

表4 機(jī)房臭氧濃度計(jì)算結(jié)果（ppm）

3 討論

加速器機(jī)房放射防護(hù)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜且對(duì)技術(shù)有特殊要求的工作，既要將加速器產(chǎn)生的輻射危害減到合理狀態(tài)下的最低，又要兼顧防護(hù)最優(yōu)化原則，盡可能地減少建設(shè)過程中的資源浪費(fèi)。總體分析表明，該加速器機(jī)房的放射防護(hù)設(shè)計(jì)是可行的，但必須對(duì)部分墻體的防護(hù)厚度和通風(fēng)措施加以改進(jìn)，補(bǔ)充防護(hù)門設(shè)計(jì)，并滿足放射衛(wèi)生要求。機(jī)房墻體的設(shè)計(jì)存在以下問題及改進(jìn)措施：

（1）機(jī)房部分墻體的設(shè)計(jì)厚度未達(dá)到X射線的屏蔽要求。建議增加墻體的防護(hù)厚度，而且要注意縫隙、管孔和可能的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)可能造成的屏蔽性能減弱，必須增加屏蔽補(bǔ)償。

（2）機(jī)房入口的防護(hù)既是難點(diǎn)，也是重點(diǎn)。防護(hù)門的計(jì)算厚度為 37 mmPb 加 140 mm 含硼 5% 聚乙烯（見表 3），方案中未見機(jī)房防護(hù)門設(shè)計(jì)，故無法復(fù)核。

（3）迷路中散射路徑上使用含硼 5% 聚乙烯吸收材料吸收部分散射中子。在不影響設(shè)備和人員進(jìn)出治療室的前提下，還應(yīng)縮短迷路內(nèi)口寬度，并設(shè)置過梁，以減輕迷路入口的劑量負(fù)荷[6-7]。

（4）機(jī)房設(shè)計(jì)通風(fēng)為 0.06 次 /h，低于 4 次 /h 的標(biāo)準(zhǔn)要求。從圖 3 看出，與標(biāo)準(zhǔn)條件（排風(fēng)速率 1560 m3/h）相比，在設(shè)計(jì)通風(fēng)速率下，停機(jī) 10 min 后的機(jī)房臭氧濃度仍處于很高水平，未降到規(guī)定限值 0.14 ppm 以下。為了降低治療室臭氧濃度，加強(qiáng)通風(fēng)換氣非常重要；此外，由于產(chǎn)生的放射性粒子一般比重大于空氣，應(yīng)采用“上進(jìn)下出”的方式[8-9]。

加速器機(jī)房的輻射防護(hù)與放療工作者和公眾的健康有著緊密的聯(lián)系，對(duì)機(jī)房建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行研究和干預(yù)，是保障建筑施工科學(xué)合理的有效手段。隨著新的放射診療技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，在職業(yè)照射控制方面呈現(xiàn)出許多新的重要轉(zhuǎn)變，放射防護(hù)安全必須依靠防護(hù)技術(shù)要求與防護(hù)管理要求并重才能夠?qū)崿F(xiàn)。

[1] 石梅．腫瘤放射治療學(xué)新進(jìn)展與發(fā)展設(shè)想[J]．解放軍醫(yī)學(xué)雜志, 2010,35(5):81-84．[2] GBZ/T220．2-2009,建設(shè)項(xiàng)目職業(yè)病危害放射防護(hù)評(píng)價(jià)規(guī)范第2部分:放射治療裝置[S]．

[3] GBZ/T 201．2-2011,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[S]．

[4] IAEA Safety Reports Series No．47．Radiation Protection in the Design of Radiotherapy Facilites[R]．IAEA,2006．

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

[6] Kim HS,Jang KW,Park YH,et al．New experical formula for neutron dose level at the maze entance of 15MV medical accelerator facilities[J]．Medical Physics,2009,36(5):1512-1519．

[7] 馬永忠,婁云,萬玲,等．典型醫(yī)用加速器治療室改造的屏蔽設(shè)計(jì)與分析[J]．中國工業(yè)醫(yī)學(xué)雜志,2012,25(1):63-66．

[8] 陳澤龍,陳自謙,倪萍．醫(yī)用回旋加速器質(zhì)量控制與安全策略探討[J]．中國醫(yī)療設(shè)備,2011,26(2):15-17,7．

[9] 衛(wèi)敏仲．醫(yī)用直線加速器使用中的潛在危害及防護(hù)[J]．醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2011,32(11):124-126．

Study of Radiation Protection Design for 15MV Medical Electron Accelerator Room

WEI Lan-bo1, PAN Run-duo2a, CHEN Da-wei1, HOU Lin-ping2b, HE Qiang1
1. Radiation Protection Teaching and Research Department, School of Public Health, Jilin University, Changchun Jilin 130021, China;
2.a.Radiology Department; b.Radiotherapy Department, The First Clinical Hospital, Jilin University, Changchun Jilin 130021, China

ObjectiveTo explore the scientificalness of the radiation protection design of the 15MV medical electron accelerator room to guarantee the radiation safety of the medical staff and the public in radiotherapy, and provide specific suggestion and improvement measures.MethodsAccording to the relevant domestic and foreign technical specifications and standards, review and calculate the design of shield and ventilation, comparing and analyzing the calculation results and design contents.ResultsThe calculated thicknesses of room shield wall (concrete) are 1300 mm of west wall, 2400 mm of north main wall, 1200 mm of north side wall, 1200 mm of east wall behind the maze opening, 1300 mm of east wall behind the maze wall, 2700 mm of south main wall, 1400 mm of south side wall, 2900 mm of room main roof, 1600 mm of room side roof. The width of south and north main shield wall and room main roof are 3500 mm and 3700 mm, the calculated ventilation rate of room are 0.06 times/h.ConclusionThe shield thicknesses of north main wall, north side wall, east wall and the shielding width of main wall can meet the standards request, but the thicknesses of south main wall, south side wall, west wall, main roof, side roof and the ventilation rate of accelerator room can not.

medical electron accelerator; accelerator room; radiation protection; shield design

TL54+2；R142

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.01.037

1674-1633(2013)01-0108-03

2012-07-10

賀強(qiáng)，副教授。

作者郵箱：ayuw7891@sina．com