10 MV醫用直線加速器防護門外輻射劑量簡易估算模式

北京市輻射安全技術中心 審評室，北京 100089

引言

醫用電子直線加速器是遠距放射治療的主要手段[1-3]。醫用加速器射線能量高，應按照輻射法規和標準的要求[4-6]，采取屏蔽措施以減少對環境產生的輻射影響[7-8]，確保加速器運行過程中機房外輻射劑量率與年劑量符合標準和管理限值要求[9]。10 MV以上加速器迷路入口輻射劑量主要由中子、中子俘獲γ輻射、散射及漏射輻射三部分組成[10-12]。由于中子俘獲γ射線的什值層遠大于散射及漏射射線的什值層，因此迷路口防護門的γ射線屏蔽由中子俘獲γ射線決定, 滿足中子俘獲γ射線的屏蔽也必然滿足散射和泄漏輻射的屏蔽[13]。對于目前廣泛應用的10 MV醫用直線加速器[14]，其X射線通常分為6 MV、10 MV兩檔[15]，機房迷路入口處的輻射劑量可不考慮中子輻射防護[16-18]，只考慮散射輻射、漏射輻射兩部分影響。

目前，在對10 MV醫用直線加速器機房防護門外的輻射劑量進行計算與評價時，通常是分別計算并比較6 MV、10 MV兩種能量狀態下的輻射劑量，計算量大且容易出錯。本文以使用一臺最大X射線能量為10 MV的醫用直線加速器為例，分別計算不同能量（6 MV、10 MV）、不同迷路內墻厚度（砼1.2 m、1.4 m）條件下防護門外的輻射劑量水平，對計算結果進行分析，提出一種輻射劑量簡易估算模式，為加速器機房的屏蔽計算與評價提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 相關計算參數

加速器物理參數：X射線能量 6 MV和10 MV，兩種能量狀態下等中心處輻射劑量率均為600 cGy/min（3.6×108μSv/h，無FFF模式），等中心處最大射野尺寸F=40 cm×40 cm， 靶點到等中心距離SAD =100 cm，X射線泄漏輻射比率為0.1%。

屏蔽計算參數：迷路內墻（砼ρ=2.35 kg/m3）厚度t分別取1.2 m和1.4 m，漏射線斜穿過迷路內墻的實際厚度t1=t/cosθ（θ為入射角，漏射線穿過迷路內墻時入射射線與屏蔽物質平面的垂直線之間的夾角[19]），防護門屏蔽t2為10 mm鉛。不同能量射線在砼、鉛中的什值層厚度[18]如表1所示。

表1 不同能量射線在砼、鉛中的什值層厚度

1.2 計算方法

計算加速器機房屏蔽的方法較多，比如IAEA47 號報告[20]、IPEM 75 號報告[21]等。本文采用目前國內主要采用的美國國家委員會輻射保護與測量NCRP151號報告[22]、《放射治療機房的輻射屏蔽規范 第2部分：電子直線加速器放射治療機房》[23]，兩者屏蔽計算原理和計算參數一致，本文以等中心點輻射劑量率替代周工作負荷，轉化為輻射劑量率估算。機房迷路入口處的輻射劑量，主要考慮和計算來自以下四部分的輻射劑量：

（1）主束經患者、迷路外墻各一次散射輻射HPS。主束經患者、迷路外墻各一次散射，到達迷路入口防護門M點的輻射劑量率HPS如公式(1)所示。

公式(1)中，α（θ）為有用束照射患者每400 cm2面積上的散射因子（取θ=45°散射角）；H0為等中心處輻射劑量率3.6×108 μSv/h；F為等中心處最大照射野F =40 cm×40 cm；αPS為墻對患者散射輻射的散射因子（患者散射能量為0.5 MeV，入射角約45°，散射角約0°）；A1為從迷路入口處可見墻的面積（m2）；dsca為靶點至患者（等中心點）的距離（1 m）；dsec為等中心點到A1墻與迷路中心線交點的距離（m）；dzz為從A1墻與迷路中心線交點至迷路入口處距離（m）。散射路徑如圖1所示。

圖1 經患者后再經迷路外墻散射

（2）主束穿過患者經迷路外墻二次散射輻射HS。主束穿過患者后，先后經主束墻一次散射和迷路外墻二次散射，到達迷路入口防護門M點的輻射劑量率HS如公式(2)所示。

公式(2)中，αo為主束散射面A0的散射系數；A0為最大照射野投影在主束散射墻上的面積（m2）；αZ為主束經迷路外墻表面AZ第二次反散射的系數（能量為0.5 MeV）；AZ為主束散射面A0的散射線經過迷路內口發散到迷路外墻內表面的散射面積（m2）；dh為從靶點至散射面A0的距離（m）；dr為第一次散射面中心點經迷道內口至迷道中線的距離（m）；dz為b點經迷道中線至防護門外30 cm入口處的距離（m），散射路徑如圖2所示。

圖2 主束穿過患者經迷路外墻二次散射

（3）加速器機頭泄漏輻射經迷路外墻一次散射輻射HLS。加速器機頭泄漏輻射經迷路外墻一次散射輻射，到達迷路入口防護門M點的輻射劑量率HLS如公式(3)所示。

公式(3)中，Lf為距靶1 m處裝置機頭泄漏輻射率，取0.1%；αLS為墻對漏射輻射的散射系數；A1為從門入口處可見墻的面積（m2）；dLS為靶點至A1墻迷路中心線的距離（m）；dZZ為從A1墻與迷路中心線交點至入口處的距離（m），散射路徑如圖3所示。

圖3 泄漏輻射經迷路外墻一次散射

（4）直接穿過迷路內墻的漏射輻射HL。加速器機頭泄漏輻射穿過迷路內墻[24]，到達迷路入口防護門M點的輻射劑量率HL以及迷路內墻對漏射輻射的衰減因子BL，如公式 (4～5)所示。

公式(4～5)中，Lf為距靶1 m處裝置機頭泄漏輻射率，取0.1%；BL為迷路內墻對漏射輻射的衰減因子；dL為靶點經迷路內墻至迷路入口處的距離（m）；t1為漏射線斜穿過迷路內墻的實際厚度（t1=t/cosθ，θ取30°）（cm）；TVLe、TVL1分別為漏射線穿過迷路內墻時砼的平衡什值層和第一什值層厚度（cm），散射路徑如圖4所示。

圖4 泄漏輻射穿過迷路內墻

（5）防護門外輻射劑量率計算HTot-shield 見公式(6)。

公式(6)中，t2為防護門鉛厚度10 mm，TVL門散為 0.5 cm，TVL門漏為5.7 cm。

2 結果

根據上述相關參數和計算公式，分別計算加速器運行時，各散射輻射與泄漏輻射劑量水平，將防護門外M點的輻射劑量率計算結果列于表2。

表2 迷路入口防護門外M點輻射劑量率計算結果匯總

對表2中計算數值進行分析，可得出以下主要結果。

（1）對于特定尺寸的加速器機房而言，通過合理設置一定厚度的迷路內墻和防護門，迷路入口防護門外的輻射水平可滿足《電子加速器放射治療放射防護要求》[25]中防護門外輻射劑量率不大于2.5 μSv/h的限值要求。

（2）主束經患者、迷路外墻各一次散射輻射（HPS）在散射輻射中的比重最大，其輻射劑量水平比其余兩種散射輻射（HS、HLS）通常要高出一個數量級，是散射輻射的主要來源。

（3）6 MV能量較10 MV低，其散射因子較大，三種散射輻射劑量均大于10 MV能量下相應部分的散射輻射劑量，由于兩種不同能量下到達迷路入口的散射輻射能量均約為0.2 MeV，因此防護門外6 MV的散射輻射（HPS+HS+HLS）大于10 MV的散射輻射。同時，10 MV的漏射輻射比6 MV漏射輻射能量更高，穿過同樣厚度迷路內墻和防護門后的10 MV漏射輻射（HL）則大于6 MV漏射輻射。

（4）防護門鉛屏蔽對加速器機頭漏射線的屏蔽能力很弱，主要通過迷路內墻進行充分衰減。當迷路內墻厚度較薄時，穿過迷路內墻的漏射輻射影響較大，10 MV能量下防護門外總的輻射劑量較大；當迷路內墻厚度較厚時，穿過迷路內墻的漏射輻射影響較小，此時防護門外總的輻射劑量6 MV較大。

3 討論

6 MV、10 MV兩種不同能量狀態下，迷路入口防護門外的輻射劑量大小關系不確定，與機房中迷路內墻的厚度有關，在迷路內墻厚度“從薄到厚”的過程中，防護門外6 MV的輻射劑量較10 MV實現了“反轉”。確定防護門外的輻射水平大小，需分別計算并比較6 MV、10 MV兩種不同能量狀態下散射輻射與漏射輻射劑量之和，取其中結果較大者與標準規定限值進行比較與評價。

10 MV加速器機房防護門外輻射劑量由散射輻射、漏射輻射兩部分組成，由計算結果可知，散射輻射部分6 MV大于10 MV，漏射輻射部分則10 MV大于6 MV。因此，直接采用“6 MV 能量下（HPS+HS+HLS）+10 MV 能量下（HL）”組合簡易估算模式，可快速計算與評價防護門外的輻射劑量，其結果如符合標準規定限值要求，則6 MV、10 MV兩種不同能量下各自的輻射劑量也必然符合限值要求。

加速器運行時散射輻射、漏射輻射劑量的計算，涉及散射系數、什值層厚度等多種參數，且不同能量下參數均各不相同，計算過程較為復雜。采用原有分別計算不同能量下輻射劑量并加以比較的方法，計算量大且容易出錯。采用本文提出的簡易估算模式，較大程度地減少了計算量，提高了計算與評價的效率。

4 結論

綜上所述，對于10 MV醫用直線加速器放射治療機房，本文提出了快速估算與評價防護門外的輻射劑量水平的“6 MV能量下（HPS+HS+HLS）+10 MV能量下（HL）”組合簡易估算模式，有效減少了計算量，提高了屏蔽計算與評價的效率，是優化醫用放療加速器機房屏蔽計算與評價工作的一次嘗試和創新，為從事醫用直線加速器防護設計、評價機構以及管理部門提供技術參考，也為后續其他能量加速機房相關的研究提供了思路和基礎。