輻射劑量測量設備的改進

魯旭尉

湖南省腫瘤醫院·中南大學湘雅醫學院附屬腫瘤醫院 （湖南長沙 410006）

腫瘤放射治療是利用放射線治療腫瘤的一種局部治療方法。放射線包括放射性同位素產生的α、β、γ 射線和各類X 線治療機或加速器產生的X 線、電子線、質子束及其他粒子束等。據相關研究統計，約70%的癌癥患者需采取放射治療，約40%的癌癥可經放射治療根治。放射治療在腫瘤治療中的作用和地位日益突出，已成為治療惡性腫瘤的主要手段之一[1]。為保障放射治療的安全性、精準度和療效，必須對放射治療設備進行輻射劑量測量（determination of radiation dose）。輻射劑量測量是對輻射場中受照物質吸收能量的測量，其目的為：（1）定量研究受照物質內部產生的輻射效應，即研究受照物質的吸收能量與所產生的物理、化學變化間的關系，這種關系通常用離子產額和能量產額表示；（2）監測輻射區內環境和人體的劑量，以確保在輻射區內工作人員受到的劑量不超過容許劑量標準；（3）質量控制和質量保證，即輻射劑量測量是準確安全執行放射治療質量控制、質量保證的重要環節。輻射劑量測量的設備包括Mapcheck、Arccheck、放射治療晨檢儀、三維水箱等。輻射劑量測量的基本過程為：（1）輻射粒子射入探測器的靈敏體積（探頭）；（2）入射粒子通過電離、激發等效應而在探測器中沉積能量；（3）探測器通過各種機制將沉積能量轉換成某種形式的輸出信號[2]。目前使用的輻射劑量測量設備包括測量端部分、控制模塊部分、操作端部分，各部分依次使用電纜線連接。

1 改進原因及目的

放射線能夠通過損傷細胞的DNA 分子，使體細胞和生殖細胞發生變異或死亡，從而引起功能障礙、不孕、腫瘤、遺傳異常等疾病，使人體受到一定的危害[3]。為保護放射治療相關工作人員的身體健康，我國制定了一系列的法律法規，并依據法規制定了《放射治療機房的輻射屏蔽規范》（GBZ/T 201）等文件。文件中規定，放射治療機房由輻射室、迷道、操作室組成，放射治療的輻射室與工作人員所在的操作室中間必須間隔一面或多面輻射屏蔽墻[4]。根據輻射防護的要求，屏蔽墻的厚度非常大，如能量為15 MV 的X 線醫用加速器機房的主屏蔽墻厚度超過了259 cm[5]。

在行輻射劑量測量時，設備的測量端部分和控制模塊部分位于輻射室，而操作端部分位于操作室，以Mapcheck 為例說明（見圖1）。Mapcheck 的測量端部分為二維電離室探頭矩陣或二維半導體探頭矩陣，探頭矩陣上面有2 cm 水等效厚度建成材料，下面有2.3 cm 水等效厚度反散材料，其最大有效測量面積約為22 cm×22 cm。Mapcheck 的控制模塊部分為測量端部分提供電源，并能根據操作端部分的指令獲取每次測量中每個探頭的實測劑量值，并將測量值傳輸到操作端部分。Mapcheck 的操作端部分硬件為一臺筆記本電腦，軟件為Mapcheck 配套的劑量分析軟件，軟件安裝在筆記本電腦上。操作端部分發出指令使控制模塊部分和測量端部分進行測量，并顯示所測量的絕對或相對劑量分布。Mapcheck 是驗證適形調強放射治療（intensity modulated radiotherapy，IMRT）劑量學的重要輻射劑量測量設備之一。與其他輻射劑量測量設備一樣，測量時，Mapcheck 的測量端部分和控制模塊部分位于輻射室，而操作端部分位于操作室，控制模塊部分和操作端部分的數據交換通過電纜線實現。

在輻射劑量測量設備測量時，電纜線需通過加速器機房的輻射室、迷道、操作室等，長度一般超過20 m。測量設備的這種連接方式存在以下不足：（1）需在屏蔽墻墻體中預留孔洞以供電纜線穿過，孔洞會影響屏蔽墻的輻射防護效果，使工作人員受到不必要的輻射損傷，這有悖于輻射防護三原則中的輻射防護最優化原則；（2）連接、架設、拆卸、回收電纜線時費時費力；（3）連接、架設、拆卸、回收電纜線的過程中，電纜線有可能被銳物劃傷、被防護門夾傷等，將影響測量工作；（4）測量使用時，電纜線的一部分被置于非清潔區（輻射室、迷道、操作室）的地面上，地面存在大量的病菌、病毒等感染源，置于地面上的電纜線會因此被污染，負責連接、架設、拆卸、回收電纜線的工作人員也會有受感染的風險，此外，按照操作規程，被病菌、病毒污染的電纜線回收后無需進行消毒，放回儀器室的電纜線有污染室內其他物體的可能，這些情況均不利于避免醫源性感染。

圖1 Mapcheck 連接示意圖

因此，為避免因傳統輻射劑量測量設備的不足帶來的風險，需設計一種無需使用電纜線連接操作室和輻射室中設備的輻射劑量測量設備。

2 改進方法

在現有的輻射劑量測量設備中，控制模塊部分和操作端部分之間的電纜線僅作數據交換用，因此，若利用無線網絡傳輸技術實現上述數據交換，則可彌補傳統測量技術的不足。無線網絡傳輸技術包括WiFi 和5G 網絡等。WiFi 又被稱作“行動熱點”，是創建于IEEE 802.11標準的無線局域網技術，亦是目前使用范圍最廣的一種無線網絡傳輸技術。5G網絡即第五代移動通信網絡，是最新一代蜂窩移動通信技術，具有數據傳輸速率快、延遲極小、節省能源、成本低、系統容量大和連接設備規模大等優點，其將滲透到未來社會的各個領域，包括醫療設備的測量控制領域。幾乎所有智能手機、平板電腦和筆記本電腦等都支持無線網絡傳輸技術。

技術方案結構框圖見圖2，與以往的技術方案相同，控制模塊部分和操作端部分均包括通信模塊，圖2中，單獨列出了控制模塊部分和操作端部分的通信模塊，控制模塊部分與操作端部分經通信模塊實現數據交換。以往，通信模塊只能使用電纜線進行有線連接，若操作端部分筆記本電腦的通信模塊支持無線網絡傳輸技術，且控制模塊部分的通信模塊增加支持無線網絡傳輸技術的功能，則兩者之間即可通過無線網絡傳輸數據。改進后的方案為：測量端部分與控制模塊部分為測量部分，在測量過程中均位于輻射室內；操作端部分位于操作室內；控制模塊部分與操作端部分之間不僅可采用電纜線進行有線連接，也可采用WiFi 或5G 網絡實現無線連接，故可進行近場或遠程通信，從而彌補傳統測量技術的不足。

圖2 技術方案結構框圖

同樣以Mapcheck 為例說明，Mapcheck 的新技術方案示意圖見圖3。新技術方案中，Mapcheck 的測量端部分和控制模塊部分之間仍然使用電纜線連接，且在測量過程中均位于輻射室內，并使用輻射室內的電源；操作端部分位于操作室；操作端部分和控制模塊部分之間可采用WiFi 或5G網絡進行無線連接，可避免使用電纜線通過輻射室、迷道、操作室、輻射屏蔽墻等；作為備用，控制模塊部分和操作端部分之間仍可使用電纜線連接。

圖3 Mapcheck 的新技術方案示意圖

3 總結

與原有的輻射劑量測量設備比較，新技術方案中控制模塊部分和操作端部分可通過WiFi 或5G 網絡實現數據交換，測量中控制模塊部分和操作端部分之間不使用電纜線連接有以下優點：（1）連接方便，省時省力；（2）無需在輻射屏蔽墻預留孔洞，可避免工作人員受到不必要的輻射損傷；（3）避免在測量過程中因損壞電纜線而影響測量工作；（4）有利于避免工作人員受到醫源性感染。此外，與使用WiFi 網絡進行無線通信比較，5G 通信技術具有信號穩定、延遲小的優勢，故可確保測量時實現實時操作；同時，5G技術還可實現遠程操作測量端部分，便于上級部門指導下級單位的測量工作。