放射治療模擬機房的屏蔽改造方案設計與分析*

馬永忠 王宏芳 婁 云 萬 玲 馮澤臣

放射治療模擬機房的屏蔽改造方案設計與分析*

馬永忠①*王宏芳①婁 云①萬 玲①馮澤臣①

目的：分析放射治療模擬機房物理條件與設備劑量學參數的相互關系，設計并確定合理的機房屏蔽改造方案。方法：以某單位擬投入運行的1臺放射治療模擬機及其擬改造機房為研究對象，在設備調試性出束時使用451P高壓電離室巡測儀和SG-102型X-γ環境劑量率儀測量機房外圍關注點的輻射水平，并據此進行機房墻體的屏蔽改造方案設計。結果：該模擬機在125 kV、1.8 mA的最高透視條件下，東、西主束墻外周圍劑量當量率最高分別為14 μSv/h和4 μSv/h，機房室頂上方最高劑量率為185 μSv/h，據此初步確定了該模擬機房主束屏蔽的改造方案。結論：放射治療模擬機房外在透視條件下關注點的周圍劑量當量率作為放射防護指標，根據其實測值設計機房的屏蔽改造方案實用可行。

放射治療模擬機；模擬機房；屏蔽改造；放射防護

[First-author’s address] Beijing Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100013, China.

放射治療模擬機是腫瘤患者接受放射治療的輔助設備，其使用診斷X射線球管代替直線加速器和60Co等放射治療輻射源，采用kV級X射線模擬治療射線，通過設備的機械運動模擬各種放射治療裝置的幾何位置和運動，通過電視系統觀察治療腫瘤時所需的放射野形狀、靶區中心位置及減少重要器官吸收劑量的機架角度，對患者病變部位進行確認并有效核查治療計劃系統，對腫瘤疾病的精確定位和精確治療發揮了不可替代的作用[1-3]。截至2013年，世界上運行的放射治療模擬機超過10萬臺，我國用于模擬定位的設備突破了1000余臺。隨著放射治療技術的應用和發展，模擬定位設備更新越來越快，其中普通放射治療模擬機占有一定比例。然而，在醫院引進模擬機的同時也面臨著該設備機房的選擇及其防護設計等系列問題，醫院在對原有的X射線診斷設備機房或非輻射設備機房進行改造時必須嚴格遵循國家有關標準進行屏蔽與防護設計，使之滿足設備運行的放射防護要求[4]。本研究對擬投入使用的普通放射治療模擬機房進行防護分析，確定機房實用合理的屏蔽改造設計方案，并對有關問題進行分析。

1 設備與方法

1.1 擬安裝設備及其主要技術參數

擬安裝的設備為1臺國產普通放射治療模擬機，機架旋轉范圍：±185o；治療床等中心旋轉范圍：±105o；界定器旋轉范圍：±105o；源軸距SAD：100 cm；等中心精度：r≤1 mm；輻射野尺寸：在SAD=100 cm時，2 cm×2 cm～40 cm×40 cm；非對稱野：在SAD=100 cm時，單邊-10～20 cm。設備進行X射線出束的技術參數：透視管電壓40～125 kV，透視管電流1.8 mA，攝影最短曝光時間：3.5 ms。擬安裝設備的外觀如圖1所示。

圖1 放射治療模擬機外觀

1.2 模擬機房設置條件

將模擬機安裝在醫院放射治療樓一層的角落(在無地下室的情況下)，機房在改造前為普通X射線攝影機房，其東墻和北墻外為院內過道，南墻外為控制室，西墻外為空調機房，室頂為院內非放射工作區(如圖2所示)。

圖2 放射治療模擬機房平面示意圖

機房面積為24 m2，室內長480 cm，寬500 cm，高為380 cm，擬安裝設備的管球位于機房室中心，等中心點O與機房東西方向防護墻內表面距離均為240 cm，距離南北防護墻內表面均為250 cm，與室頂內表面距離為260 cm。擬引進模擬機水平主束方向為東西，可四周旋轉照射。該機房墻體固有厚度為30 cm。X射線攝影機管電壓為120 kV，在典型照射條件下的防護檢測結果表明，設備運行時機房外圍均為現場環境本底水平。

1.3 機房屏蔽外圍輻射水平控制目標

模擬機具有攝影和透視兩種功能，在對患者進行模擬定位時透視時間遠高于攝影時間，按照國家標準GBZ130-2013“醫用X射線診斷放射防護要求”，透視條件下機房外圍的周圍劑量當量率應控制為2.5 μSv/h。由于原機房適用于普通X射線診斷設備的運行，故在屏蔽改造前實測新裝模擬機調試出束狀態時的輻射水平，以掌握機房屏蔽改造的重點。現場對機房外圍進行管制，接通模擬機的電氣線路進行短暫的調試性出束，使用451P高壓電離室巡測儀和SG-102型X-γ環境劑量率儀，實際測量透視條件下機房外圍各關注點的周圍劑量當量率，并以實測值對照標準控制值進行機房墻體的屏蔽改造方案設計。測量時設定管電壓為125 kV、管電流為1.8 mA，為該設備預期臨床應用最大工作負荷時的透視照射參數。

1.4 模擬機房屏蔽計算方法

國際原子能機構(IAEA)47號技術報告等[5-7]國際標準中對模擬機房的主束屏蔽和次束屏蔽給出了系列計算公式，基本方法是根據機房幾何參數、設備的性能指標、工作負荷和機房屏蔽因子等目標值，分別計算出主射線區和次束區屏蔽墻的衰減因子，根據衰減因子確定相應防護墻所需某種屏蔽材料的十分之一衰減厚度(TVL)值，最終求出機房所需的屏蔽厚度。機房是在原有X射線攝影機房基礎上的改建，在改建中涉及機房屏蔽厚度的計算方法與IAEA47號報告建議的方法本質上一致，在計算中可充分利用現有機房在已知照射條件下實測獲得的周圍劑量當量率()，對照國家標準規定的機房外圍周圍劑量率控制值計算出擬增設屏蔽的輻射透射因子B，進而推算出擬定附加屏蔽物質的厚度，因主束屏蔽通常滿足該區散射輻射和泄漏輻射的屏蔽防護要求。故已知模擬機房透視條件下的和，可參照IAEA47號報告的方法計算出B(公式1)：

對于給定的某已知鉛當量厚度(X)的屏蔽材料，則依據NCRP147號報告中給出的某一管電壓X射線在鉛中衰減的α、β、γ擬合值按公式2計算B：式中α、β、γ均為鉛對不同管電壓X射線輻射衰減有關的擬合參數。

按照公式(1)或(2)計算出B值后，依據NCRP147號報告中給出的某管電壓X射線在屏蔽物質中衰減的α、β、γ擬合值計算出應增設的屏蔽厚度h(公式3)：

根據國家標準GBZ130-2013，管電壓為125 kV的X射線主射線和散射線常用鉛、鐵和砼的α、β、γ的參數值見表1。

對擬增設機房主束屏蔽寬度，在機房設計中參考醫用加速器機房主束屏蔽寬度的計算公式進行近似估算，在機房內增設屏蔽時，主束區屏蔽半寬度W按公式4計算：

在機房外增設屏蔽時，主束區屏蔽半寬度W按公式5計算：

式中SAD為模擬機的源軸距，通常為100 cm；a為模擬機等中心點O至主束防護墻內表面距離(cm)；h為擬增設的屏蔽厚度(cm)；h0為機房主束區原有屏蔽厚度(cm)；θ為模擬機最大照射野時主束相對于等中心軸的半張角(o)。該模擬機最大照射野為40 cm×40 cm，θ近似為14o。x為同側主束屏蔽半寬度外延寬度(cm)，通常取30 cm。

2 結果

2.1 模擬機房屏蔽改造前機房外圍輻射水平

擬運行的模擬機在調試實驗出束時，選定最高管電壓透視條件為125 kV，管電流為1.8 mA；并設定最大照射野，進行主束方向和次束方向機房外關注點的輻射水平測試，其結果見表2。

實測值表明，機房東西主束區防護墻外和室頂上方的周圍劑量當量率均高于國家標準GBZ130-2013中規定的限值，這些方向的防護墻成為機房屏蔽改造的關鍵點，而機房外其余部位的實測輻射水平均遠低于標準規定的指標值。現場同時對模擬機房與控制室之間和空調機房之間的電纜管線孔溝位置的輻射水平進行的測試結果表明，均＜0.20 μSv/h。同時，現場調試測試中所見個別管孔處于次束區，實測輻射水平值也＜0.18 μSv/h，但尚需對管孔部位采取屏蔽措施，以免除現場操作人員的心理負擔。表2顯示有機房改造前主束墻外劑量率實測最大值，以2.5 μSv/h為控制目標值時則由公式(1)計算出東墻、西墻外和室頂的主束屏蔽透射因子B分別為1.79×10-1、6.25×10-1和1.35×10-2。機房在實際屏蔽改造中擬將主束墻外劑量率控制為＜1.0μSv/h，由此計算出東、西墻外和室頂B分別為7.14×10-2、2.50×10-1和5.41×10-3。

表1 鉛、鐵和砼對管電壓為125 kV的X射線不同輻射衰減有關的α、β、γ參數值

表2 模擬機房屏蔽改造前機房外圍關注點的輻射水平

2.2 模擬機房屏蔽改造方案

(1)模擬機房主束方向防護墻的屏蔽厚度和寬度。表2中的實測結果表明，該模擬機在透視模式下進行實驗性調試出束透視照射(125 kV，1.8 mA)時，機房東西方向主射線防護墻外圍和室頂上方的輻射水平實測值均高于國家標準規定的2.5 μSv/h，其余方向輻射水平均在標準控制值以內，因此需要著重對主束屏蔽進行改造，改造中保留機房原有屏蔽。按照公式(3)計算出東墻、西墻和室頂應增設的屏蔽厚度(見表3)。

按照公式(4)和公式(5)估算出主束區增設屏蔽應滿足的寬度見表4。

增設機房主束屏蔽時，屏蔽物質的寬度應以等中心為南北對稱，在室內增設屏蔽時水平方向寬度應以主束軸對稱南北方向各為120 cm，室頂以主束軸對稱南北方向各為130 cm；在室外增設屏蔽時水平方向寬度應以主束軸對稱，南北方向各為150 cm，室頂以主束軸對稱，南北方向各為160 cm。對機房室頂附加屏蔽宜在室頂外表面增設，若在室內增設屏蔽則應設計吊頂，并可根據吊頂的實際高度重新估算應增設主束屏蔽的寬度。

(2)機房屏蔽改造中的相關因素。在機房屏蔽改造方案設計中應考慮的有關細節包括：①在增設主束屏蔽的改造中保持不削弱機房四周原有的主體屏蔽；②在機房內定位指示燈安裝處應在相應墻壁的孔洞底部增加金屬屏蔽；③機房與控制室之間的電纜管線孔(溝)采用屏蔽材料予以封堵，墻面管孔溝道的屏蔽厚度將保證滿足同側防護墻的屏蔽效果；④在機房內更新通風設施時應保證模擬機正常運行后機房內的空氣能及時更新；⑤保留現有的機房防護門，在改造中將對防護門設置為易于開關的推拉控制設施，在防護門表面設置電離輻射警示標志和工作狀態指示燈。

3 討論

用于臨床腫瘤放射治療定位的普通模擬機通常同時具有攝影和透視功能，而且設備機頭能夠以等中心點旋轉照射，對主束屏蔽的設計和改造與常規醫用電子直線加速器機房的屏蔽設計有類似之處。因此，相對于主束方向的墻體不必全部作為主束墻屏蔽進行設計和改造，而可依據主射線準直器的最大寬度和等中心點的幾何位置等參數計算出擬增設屏蔽應具有的合適寬度。各醫療機構建設普通放射治療模擬機房時，通常將主射線方向的整面墻體均作為主束防護墻設計，主要是因為模擬機產生的X射線能量較低，機房主束墻本身就不需要過厚的屏蔽材料，使用砼作為屏蔽體時其厚度為30 cm基本能滿足要求，而非同醫用加速器機房的主束屏蔽均在200 cm以上。但是，在對模擬機房主束墻的屏蔽進行加厚改造時，從附加鉛、鐵屏蔽材料的經濟成本等因素考慮，參照主束伸展的寬度來確定擬增厚屏蔽的寬度則非常必要。表3確定的屏蔽寬度均是最低寬度的基礎上增加了60 cm的保守寬度，而當準直器旋轉45o朝向主束墻照射時，主束屏蔽的最大寬度則應依據最大照射野對角線的寬度而設置。因此，采用公式(4)和公式(5)進行主束屏蔽半寬度的計算時，應分別考慮√2的系數修正，兩公式則應分別改變為W=√2(SAD+a+h)tgθ+x和W=√2(SAD+a+h0+h)tgθ+x。東墻、西墻和室頂主束墻屏蔽增設的寬度應分別相應增至315 cm和340 cm(機房內表面增設屏蔽)，或東墻、西墻和室頂主束增設寬度分別增至400 cm和430 cm(機房外表面增設屏蔽)。由于機房擬安裝的模擬機在常規運行和維修調試時準直器很少進行對角線設置，或在進行對角線設置時機頭僅向下照射，故在改造方案中仍以表4擬定的主束屏蔽寬度為準。

表3 擬改造的模擬機房需增設的屏蔽厚度(mm)

表4 擬改造的模擬機房需增設主束屏蔽應滿足的寬度(cm)

在模擬機房主束區屏蔽厚度的設置中需要考慮的因素除設備本身的劑量學參數(kV、mA)、設備出束照射條件(照射野、散射體)的設置外，機房幾何尺寸、固有墻體的承重能力、屏蔽材料的粘附方式與固定條件以及機房外圍人員活動區域的功能等均應進行綜合考量。該模擬機房室內面積僅為24 m2，無論是進行患者腫瘤定位操作還是對設備進行維修調試，其活動空間緊湊。因此，應根據實際空間選擇屏蔽材料，盡可能避免在室內增設砼屏蔽，若使用鉛屏蔽為附加材料時則適宜在室內墻表面進行設置，以便從屏蔽寬度方面減少所用鉛屏蔽材料的成本，也可使用鉛與鐵、鉛與砼或鐵與砼等不同組合的屏蔽材料，這些屏蔽材料組合時確定的等效厚度值可參照表3的數值進行選擇，但應注意在原有墻體增設屏蔽時，附加內層屏蔽與附加外層屏蔽的鉛當量厚度的計算有所區別。然而，無論是在室內增設屏蔽還是在室外表面增設屏蔽，均應保證屏蔽材料牢固結合。

有關模擬機房外圍的周圍劑量當量率控制指標，我國的國家標準和國際放射治療與模擬定位相關的技術文件[8-12]均未作出明確的相關規定，這些標準文件提出對機房外圍人員的受照劑量水平進行控制的主要準則是結合設備運行出束的工作負荷以及人員居留因子等參數進行估算，以估算值對照標準規定的相關人員年劑量管理目標值進行評價，核算機房外圍人員可能受到的劑量是否超標。我國最新修訂的國家職業衛生標準GBZ130-2013“醫用X射線診斷放射防護要求”中第1條明確了模擬定位裝置參照本標準執行，同時該標準的第5.4條表明，對于具有透視功能的X射線機在透視條件下檢測時，機房外圍周圍劑量當量率控制目標值應＜2.5 μSv/ h。因此，在機房的屏蔽改造時采用透視條件下主束墻外圍的周圍劑量當量率實測值，對照標準控制值計算出擬增設屏蔽衰減因子并確定改造機房的屏蔽厚度，其數據科學、適當。

[1]曹洋森，于春山，劉永明.利用模擬定位機驗證射波刀影像同步追蹤系統的準確性研究[J].科學技術與工程，2013，13(6)：1578-1580.

[2]陳定科，黃燦輝，徐志勇，等.東芝LX-40A模擬定位機常見故障檢修[J].醫療裝備，2013，26(8)：60-61.

[3]曾自力，劉兵，林鋒，等.模擬定位機的質量保證與質量控制[J].醫療衛生裝備，2011，32(11)：119-121.

[4]中華人民共和國國家衛生和計劃生育委員會.GBZ 130-2013醫用X射線診斷放射防護要求[S].北京：中國標準出版社，2014.

[5]IAEA Safety Reports series No.47.Radiation Protection in the Design of Radiotherapy Facilities[R].IAEA，2006.

[6]National CouncilOUNCIL on Radiation Protection and Measurments.Structural Shielding Design and Evaluation for Medical Use of X-rays and Gamma-rays of Energies up to 10MeV[R]. Washington：NCRP Rep 49，NCRP，1976.

[7]National Council on Radiation Protection and Measurments.Structural Shielding Design for Medical X-ray Imaging Facilities[R].Washington：Rep 147，NCRP，2005.

[8]Kutcher GJ，Coia L，Gillin M，et al.Comprehensive QA for radiation oncology：Report of AAPM Radiation Therapy Committee Task Group 40[J]. Med Phys，1994，21(4)：581-618.

[9]Mutic S，Palta JR，Butker EK，et al.Quality assurance for computed-tomography simulators and the computed tomography-simulation process：report of the AAPM Radiation Therapy Committee Task Group No.66[J].Med Phys，2003，30(10)：2762-2792.

[10]彭順有，王勤，趙前峰，等.模擬定位機影像工作站在適形擋鉛制作與質量控制中的作用[J].現代腫瘤醫學，2009，17(8)：1557-1558.

[11]中華人民共和國衛生部.GBZ130-2002醫用X射線診斷衛生防護標準[S].北京：中國標準出版社，2002.

[12]國家質量技術監督局.GB/T17856-1999放射治療模擬機性能和試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2000.

Designing and analyzing on shielding reconstruction project of radiotherapysimulator room

/MA Yong-zhong, WANG Hong-fang, LOU Yun, et al// China MedicalEquipment,2014,11(8):8-12.

Objective: The relationship between the physical condition of radiotherapy simulator room and dosimetry parameters of the facility was analyzed to design and determine reasonable shielding reconstruction project of the room. Methods: A normal radiotherapy simulator and its room to be reconstructed were determined as the research object. Under the condition of debugging beam-on time, a 451P high pressure ionization chamber survey meter and a SG-102 X-γenvironmental dose rate meter were used to measure radiation level of the interest point in the periphery of the room. Then, the shielding reconstruction project of the simulator room was framed on the basis of the actual ambient dose equivalent rate. Results: While the simulator was beaming under the maximum fluoroscope condition of 125 kV and 1.8 mA , the maximum ambient dose equivalent rate outside east wall, west wall and roof of the room from primary radiation were 14, 4 and 185μSv/h respectively. The preliminary shielding reconstruction project of the room was illustrated as: the shield thickness added on east wall. Conclusion: The ambient dose equivalent rate of interest point outside a radiotherapy simulator room can be adopted as a protective parameter, and it is practical and feasible that the shielding reconstruction project of the room is designed according to the actual measured values of radiation dose rate outside the original room.

Radiotherapy simulator; Simulator room; Shielding reconstruction; Radiation protection

1672-8270(2014)08-008-05

R812 143

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.08.003

2014-04-09

衛生行業科研專項(201002009)“輻射危害控制與核輻射衛生應急處置關鍵技術研究及其應用”；北京市預防醫學公益應用研究項目(2014-BJYJ-07)“放射診療防護標準及設備性能指標的應用研究”

①北京市疾病預防控制中心 北京市預防醫學研究中心 北京 100013

*通訊作者：myz0905@126.com

馬永忠，男，(1968- )，博士，主任醫師。北京市疾病預防控制中心北京市預防醫學研究中心，從事放射防護評價及輻射劑量研究工作。