醫用加速器機房屏蔽設計的驗證研究*

劉 雅 郭朝暉* 程金生 劉立明

醫用加速器機房屏蔽設計的驗證研究*

劉 雅①郭朝暉①*程金生①劉立明①

目的：依據國際原子能機構(IAEA)第47號報告要求，驗證一臺6 MV醫用電子直線加速器機房放射防護設計的可靠性，并按最優化原則提出具體的防護建議和改進措施，給出醫用電子直線加速器機房屏蔽設計的計算方法。方法：按照IAEA第47號報告中給出的計算方法及公式，對加速器機房屏蔽厚度進行計算，將計算結果與原設計方案進行對比分析，并根據現場檢測結果對人員可能接受的輻射劑量進行評價，給出對比結果。結果：經現場檢測，其防護效果符合國家標準。結論：通過理論計算與現場檢測結果的比較，驗證了理論計算方法的正確性。

醫用加速器；機房屏蔽；計算方法；輻射防護；屏蔽設計

[First-author’s address] Chinese Center for Medical Response to Radiation Emergency, National Institute for Radiological Protection, China CDC, Beijing 100088, China.

目前，全世界的癌癥發生率不斷提高，約半數的患者接受放射治療，各國放療機房數量不斷增加，為了對機房屏蔽設計進行指導，國際原子能機構(IAEA)出版的第47號報告針對醫用電子直線加速器、60Co機房等放療機房提供了評價機房周圍不同區域屏蔽材料厚度的估算方法，可用于新建放療機房和已有機房改造的屏蔽設計。依據IAEA第47號報告分析6 MV加速器機房的屏蔽防護情況。

1 場所布局及輻射源項分析

1.1 場所布局

選取驗證的加速器機房北側為控制室和水冷機房，西側和南側為走廊，東側為室外空地，屋頂上方無樓層。

1.2 輻射源項分析

選取驗證的醫用直線加速器射線束為6 MV X射線，最大劑量率為600 cGy/min。在屏蔽驗證計算中，對能量6 MV的初始X射線束及其泄漏和散射輻射進行屏蔽計算[1-3]。該型號加速器無電子束射線，屏蔽計算中不考慮電子束射線，不考慮中子的產生和感生放射性[4]。考慮驗證計算中所用參數的誤差，計算中取2倍安全因子。

2 屏蔽設計及計算公式

(1)屏蔽厚度(公式1)：

式中，X為所需的屏蔽厚度(mm)；H未屏蔽為未屏蔽條件下，計算點處的周劑量當量(μSv/week)(近似等于有效劑量)；H控制為計算點處應控制的周劑量當量。

職業照射和公眾照射的劑量管理控制值均按年劑量限值的1/4考慮，即對職業照射為100 μSv/week，對公眾照射為5 μSv/week；TVL－1/10減弱層厚度(mm)。在普通水泥(ρ=2.35g/cm3)中，6 MV加速器產生的初始X射線束的TVL值為343 mm；泄漏X射線束的TVL值為279 mm；患者表面的散射輻射(散射角為30o)的TVL值為261 mm；患者表面的散射輻射(散射角為90o)的TVL值為171 mm[5-7]。

(2)對初始輻射(公式2)：

式中，W為周工作負荷，建設單位提供的每周最大工作負荷為5.40×108μGy/week；U為利用因子[8]；T為居留因子；d為靶中心到計算點距離(m)。

(3)對泄漏輻射(公式3)：

(1)泄漏輻射。η=1×10-3；d=5.75 m/cos30.3o=6.66 m；U=1；T=1/4。代入公式得出X=3.09×TVL。計算出墻體厚度X=3.09×279×cos30.3o=744 mm。

(2)患者受照表面散射。α=2.77×10-3(散射角為30o)；F=1600 cm2(保守考慮，該值取加速器最大射野)；d1=1 m；d2=5.75 m/cos30.3o=6.66 m；U=1/4；T=1/4。代入公式得出X=4.13×TVL。計算出墻體厚度X=261×4.13×cos30.3o=931 mm。

式中，η為泄漏輻射占初始輻射的比率，其他符號含義同前。

(4)對患者受照表面散射(公式4)：

式中，α為歸一到患者受照表面積為400 cm2時的散射系數；F為患者受照表面積(cm2)；d1為靶中心到患者受照表面距離(m)；d2為患者表面到計算點距離(m)。其他符號含義同前。

3 屏蔽厚度計算參數和結果

電子直線加速器機房屏蔽設計如圖1所示。

圖1 電子直線加速器機房屏蔽設計示意圖

3.1 北墻A點處(主墻)

(1)初始輻射。圖1顯示，加速器等中心(d′)處到北墻墻外最近距離：d′=5.75 m，源皮距SAD=1 m。加速器靶中心(d)到A墻外最近距離：d=5.75 m+SAD=6.75 m；U=1/4；T=1。代入公式得出X=4.77×TVL。計算出墻體厚度為1636 mm。

(2)泄漏輻射。η=1×10-3；d=5.75 m；U=1；T=1。代入公式得出X=2.51×TVL。計算出墻體厚度為700 mm.

(3)患者受照表面散射。α=1.04×10-2(散射角為10o)[9]；F=1600 cm2(保守考慮，取加速器最大射野)；d1=1 m；d2=5.75 m；U=1/4；T=1。代入公式得出X=4.13×TVL。計算出墻體厚度為1417 mm。

3.2 北墻B點處(次墻)

3.3 東墻C點處(次墻)

(1)泄漏輻射。η=1×10-3；d=3700 mm＋1300 mm=5000 mm=5 m；U=1，T=1/8。代入公式得出X=3.03×TVL。計算出墻體厚度為845 mm。

(2)患者受照表面散射。α=4.26×10-4(散射角為90o)；F=1600 cm2；d1=1 m；d2=5 m；U=1，T=1/8。代入公式得出X=3.26×TVL。計算出墻體厚度為557 m。

3.4 南墻D點處(主墻)

(1)初始輻射。由圖1可知，加速器等中心處到南墻墻外最近距離，d′=5.75 m，故靶中心到A墻外最近距離，d=5.75 m＋SAD=6.75 m；U=1/4；T=1/4。代入公式得出X=5.47×TVL。計算出墻體厚度X為1876 mm。

(2)泄漏輻射。η=1×10-3；d=5.75 m；U=1；T=1/4。代入公式得出X=3.21×TVL。計算出墻體厚度為896 mm.

(3)患者受照表面散射。α=1.04×10-2(散射角為10o)；F=1600 cm2；d1=1 m；d2=5.75 m；U=1/4；T=1/4。代入公式得出X=4.83×TVL。

對于6 MV加速器，患者表面的散射輻射(散射角為10o)，假定其能量近似為初始輻射能量，因此，墻體厚度為1657 mm。

3.5 南墻E點處(次墻)

(1)泄漏輻射。η=1×10-3；d=5.75 m/ cos30.3o=6.66 m；U=1；T=1/4。代入公式得出X=3.09×TVL。計算出墻體厚度X=3.09×279×cos30.3o=745 mm。

(2)患者受照表面散射。α=2.77×10-3(散射角為30o)；F=1600 cm2；d1=1 m；d2=5.75 m/cos30.3o=6.66 m；U=1/4；T=1/4。代入公式得出X=4.13×TVL。計算出墻體厚度X=261×4.13×cos30.3o=931 mm。

3.6 西墻F點處(次墻)

(1)泄漏輻射。η=1×10-3；d=8.5 m；U=1；T=1/4。代入公式得出X=2.87×TVL。計算出墻體厚度為801 mm。

(2)患者受照表面散射。α=4.26×10-4(散射角為90o)；F=1600 cm2；d1=1 m；d2=8.5 m；U=1；T=1/4。代入公式得出X=3.10×TVL。計算出墻體厚度為530 m。

3.7 頂墻G點處(主墻)

(1)初始輻射。治療室內凈高3.6 m，等中心距地面高度1.28 m，頂層厚度1.7 m。所以靶中心到頂墻外最近距離，d=5.02 m；U=1/4；T=1/16。代入公式得出X=5.13×TVL。計算出墻體厚度為1760 mm。

(2)泄漏輻射。η=1×10-3；d=4.02 m；U=1；T=1/16。代入公式得出X=2.92×TVL。計算出墻體厚度為815 mm。

(3)患者受照表面散射。α=1.04×10-2(散射角為10o)；F=1600 cm2；d1=1 m；d2=4.02 m；U=1/4；T=1/16。代入公式得出X=4.54×TVL。假定其能量近似等于初始輻射的能量，因此，計算出墻體厚度為1557 mm。

4 屏蔽厚度計算結果及評價

各墻屏蔽厚度的計算結果見表1。

表1 醫用直線加速器機房各墻的屏蔽厚度

表1驗證計算結果顯示，北墻主屏蔽墻、南墻主屏蔽墻和西墻的設計厚度均遠大于驗證厚度，過于保守防護；頂墻的設計厚度略小于驗證厚度。

5 機房防護檢測結果評價

根據機房防護檢測結果和機器有效工作時間，每周最大工作負荷為540 Gy/week，根據質量控制檢測及設備維護，按每周出束時間3 h計算[10-11]。對工作場所各類人員可能接受的周劑量按下式進行計算(公式5)：

周劑量(μSv/周)＝場所檢測結果平均值×每周開機治療時間×U×T (5)

東墻、北墻及防護門的檢測結果均接近天然本底水平，其余各點的檢測結果評價見表2。表2顯示，測量值的周劑量計算結果均小于周劑量管理控制值。

表2 醫用直線加速器機房屏蔽防護檢測結果評價

結果表明，機房外各檢測點輻射劑量水平均低于職業人員和公眾的相應劑量管理控制值。輻射防護屏蔽效果符合國家標準GB 18871－2002“電離輻射防護與輻射源安全基本標準”中的規定要求[5]。

6 結論

根據IAEA第47號報告提供的估算方法，對選取的醫用電子直線加速器機房的屏蔽厚度進行估算，其屏蔽點選擇、計算公式和參數值選取均依據實際情況選擇。表2的評價結果顯示，除房頂外的各檢測點周劑量計算結果均比周劑量管理控制值低至少兩個數量級；房頂的周劑量計算結果低于周劑量管理控制值，但屬同一數量級。驗證計算結果表明，設計方案中北墻主屏蔽墻、南墻主屏蔽墻和西墻屬于過度防護，房頂的設計厚度基本合理。檢測結果與驗證計算結果一致，驗證了此種理論計算方法的準確性。應該指出，機房的屏蔽防護效果評價最終應以輻射檢測結果為準，理論計算結果僅作為機房設計和施工的依據。

[1]中華人民共和國衛生部.GBZ/T 201.1-2007放射治療機房的輻射屏蔽規范第1部分：一般原則[S].中華人民共和國衛生部，2007-09-25.

[2]中華人民共和國衛生部.GBZ 126-2011電子加速器放射治療放射防護要求[S].中華人民共和國衛生部，2002-04-08.

[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，2009：167-168.

[4]欒耀君，王雪航，萬路遠.6MV醫用電子加速器機房屏蔽厚度計算的優化設計[J].中國輻射衛生，2007，16(2)：169-171.

[5]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 18871－2002電離輻射防護與輻射源安全基本標準[S].國家質量監督檢驗檢疫總局，2002-10-08.

[6]中華人民共和國衛生部.GBZ128－2002職業性外照射個人監測規范[S].中華人民共和國衛生部，2002-04-08.

[7]IAEA.Safety Report Series No.47，Radiation Protection in the Design of Radiotherapy Faci1ity[R].IAEA，2006：45-49.

[8]王洪林，陶莉，陳劍，等.醫用直線加速器室輻射屏蔽防護的優化設計[J].復旦學報(醫學版)，2006，33(4)：556-562.

[9]NCRP.Report No.151.Structura1 Shie1ding Design and Eva1uation for Megavo1tage X-and Gamma-Ray Radiotherapy Faci1ities[S]. NCRP，2005：163.

[10]中華人民共和國衛生部.GBZ/T 220.2-2009建設項目職業病危害放射防護評價規范第2部分：放射治療裝置[S].中華人民共和國衛生部，2009-10-26.

[11]中華人民共和國衛生部令第46號.放射診療管理規定[M].北京：人民衛生出版社，2006：3-4.

The design of the shielding protection of medical accelerator

LIU Ya, GUO Chao-hui,CHENG Jin-sheng, et al

China Medical Equipment,2014,11(7):1-4.

Objective:To verity the reliability of the radiation protection design of a medical 6MV linear accelerator room shielding, according to the IAEA TRS. No.47 report and optimization principle of radiological protection, provide a method of calculating medical 6MV linear accelerator room shielding. Methods: According to the calculation methods of the IAEA TRS. No.47 report, calculate the room shield thickness, compare and analyze the calculation thicknesses and the design thicknesses, evaluate possibly accepted weekly dose of the medical staff and public around the room according to the monitor results, compare between the results and the weekly dose control values. Results: The room shield can meet the standard requirement according to the monitoring results. Conclusion: Verify the correctness of the calculation methods by comparing with the monitoring results.

Medical accelerator; Room shield; Calculation methods; Radiation protection; Shield design

1672-8270(2014)07-0001-04

R143

A

劉雅，女，(1981- )，本科學歷，助理研究員。中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所 輻射防護與核應急中國疾病預防控制中心重點實驗室，從事輻射劑量學相關研究工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.07.001

2013-11-07

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”

①中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所 輻射防護與核應急中國疾病預防控制中心重點實驗室 北京 100088

*通訊作者：13681345117@163.com