HM-10HC回旋加速器運行時工作人員輻射劑量分析

何正中，李寧，楊鴻宇，廖光星，羅煜，楊洪，上官光懂，肖國有

1.廣西醫科大學附屬腫瘤醫院 核醫學科，廣西影像醫學臨床醫學研究中心，廣西臨床重點專科（核醫學科；醫學影像科），勢培育學科（醫學影像學科），廣西 南寧 530021；2.廣西華彥檢測技術服務有限公司，廣西 南寧 530021

引言

核醫學PET/CT 檢查在疾病的診療中，特別是腫瘤病癥的診療方面發揮著越來越重要的作用，在心血管疾病、神經疾病及腫瘤等方面顯示出重要的應用價值與突出的顯像優勢[1-8]。近年來，PET/CT（64排及以下）已從甲類大型醫用設備降為乙類設備，大大降低普通醫院申購難度，PET/CT應用獲得飛速發展。隨著PET/CT的普及，應用于生產醫用正電子放射性核素（用于制備PET/CT顯像劑）的醫用回旋加速器安裝不斷增多，相應工作人員和公眾的輻射安全與健康成為核醫學輻射安全管理的關注焦點。回旋加速器的核心是加速某種帶電粒子獲得一定能量轟擊靶物質，從而實現核反應。在核反應過程中，產生大量電離輻射、中子輻射及電磁輻射，影響工作人員輻射安全與健康。為了保證回旋加速器運行對周圍環境和工作人員的輻射安全，本研究對某醫院HM-10HC回旋加速器機房、周圍工作場所和PET/CT顯像劑18F-FDG合成、質控、轉運等生產和使用過程進行了輻射監測，通過輻射監測結果分析和討論醫用回旋加速器運行時對周圍環境輻射水平和工作人員的受照劑量。

1 研究方法

1.1 HM-10HC回旋加速器運行機制及18F-FDG制備過程

國內大多使用負離子（如H-）醫用回旋加速器，主要考慮避免正離子加速與金屬電極碰撞產生其他附加輻射。HM-10HC屬于氫負離子（H-）加速器，工作原理[8]：高純度H2氣體進入離子源后被電離形成H-，RF射頻系統將H-提取出來進入加速器真空腔加速。束流旋轉真空腔一周經過2個D形盒得到4次加速。隨著束流速度的增加，束流旋轉的半徑越來越大，此時束流的速度與其旋轉半徑的比值保持不變，即旋轉頻率為一個常數，并與電極極性變化頻率保持一致。當H-束流被加速至最大能量時（10 MeV），H-束流經過剝離碳膜剝離H-兩個電子使之成為質子束流，從而引出加速真空腔，使其撞擊重氧水（18O）發生18O（p，n）18F反應而產生18F-。回旋加速器生成的18F-傳輸至熱室，經熱室合成標記藥物18F-FDG。

18F-FDG合成標記過程[9]如圖1所示：加速器生產的18F-經過陰離子交換柱（QMA柱）被HCO3-捕獲；捕獲的18F-被K2CO3溶液和K2.2.2的乙腈溶液洗脫至反應管內，再與乙腈溶液共沸除水兩次；待反應管冷卻后向殘留物中加入三氟甘露糖的乙腈溶液，再加熱至適當溫度，混合液發生親核反應生成乙酰化的18F-FDG；再次加熱到一定的溫度，除去液體內的乙腈；繼續干燥除水至反應瓶微干；冷卻后再加入適量適當濃度的NaOH溶液，水解得到粗產品18F-FDG；粗產品經過IC-H柱到PS-2柱再到Al2O3柱后，再過無菌濾膜得到最終產品。以上各反應的制備過程均在密閉的管道中由計算機自動控制合成的，假如計算機檢測到某一環節不符合要求，則合成模塊自動停止工作，不會發生放射性藥品的泄漏。

圖1 18F-FDG合成標記示意圖[9]

1.2 輻射監測儀器

X-γ輻射劑量儀，型號FH40G+FHZ672E-10，量程：1 nSv/j～100 μSv/h，生產廠家 ：美國 Thermo 公司 ；X-γ輻射劑量儀，型號AT11123，量程：50 nSv/h～10 Sv/h，生產廠家：ATOMTER公司；電磁輻射分析儀，型號NBM-550+EF-0391，量程0.2～300 V/m，生產廠家：德國Narda公司；中子劑量當量率儀，型號FH40G-X(主機)+ FHT762(探頭)，量程0.01 μSv/h～100 mSv/h，廠家：美國Thermo公司。所用輻射監測儀器都經常過中國計量科學研究院檢測，檢定合格。

1.3 醫用回旋加速器工作場所監測內容及布點原則

對回旋加速器場所及周圍環境進行輻射監測，主要監測內容：X-γ輻射劑量當量率、中子劑量當量率、射頻磁場強度、β表面污染；監測頻次：1次。根據監測技術規范，在PET/CT中心項目用房四周輻射防護設施（墻體、門、窗）外、醫生操作位、機房正上方和正下方房間以及環境敏感點進行監測，并根據現場條件，監測實際情況，合理布點。該新建醫用回旋加速器工作場所電離與電磁輻射監測點位布置如圖2所示，18F-FDG合成、分裝、質控以及轉移過程中周圍環境輻射劑量監測點位比較，僅提供點位描述。

圖2 醫用回旋加速器機房電離與電磁輻射監測點位布置圖

1.4 監測結果估算工作人員受照劑量

通過輻射監測結果來估算操作工作人員受照劑量是輻射安全評估和職業病防控評價的重要手段，雖然不能準確計算有效劑量值，但是可以進行定性的輻射照射評價。本研究參考其評價方法分析與討論HM-10HC回旋加速器運行時對工作人員的受照劑量。從偏安全的角度考慮，假設：① 該醫用回旋加速器每天正常運行時間為2 h；② 全年為250個工作日；③ 每天合成兩批藥，每合成一批藥的時間約30 min，藥品從合成熱室到分裝熱室轉移時間約1 min，藥品分裝時間約5 min；④ 全年質檢次數與生產次數相同約500（250×2）次；⑤ 人工進行pH分析、工作人員每次轉移藥品的過程各需1 min，TLC分析過程約10 min。運行所致的附加年有效劑量參考UNSCEAR-1982年度報告附件B資料[10]進行估算，計算公式如下：

其中，E為外照射人均年有效劑量，mSv； Hr為輻射劑量率，nSv/h；t為輻射照射時間，h。

2 結果

2.1 回旋加速器運行時電離與電磁輻射監測結果

由表1～2監測數據可知，當回旋加速器正常運行時，機房防護門、三側（東、南、北）墻體外各測點的輻射劑量率比區域環境本底水平稍高；機房西側、上方大廳的輻射劑量率區域環境本底水平相當。機房中子監測結果滿足參照標準《電子加速器放射治療放射防護要求》（GBZ 126-2011）[11-12]中對“控制室和加速器機房墻外30 cm處的周圍劑量當量率應不大于2.5 μSv/h”的要求。機房周圍各測點的電場強度、功率密度均符合評價標準[13-14]。

表1 醫用回旋加速器運行狀態下機房周圍環境劑量監測結果

表2 醫用回旋加速器運行狀態下機房周圍環境的射頻電磁場監測結果

2.2 18F-FDG合成、分裝、質控以及轉移過程中電離輻射及表面污染監測結果

由表3監測數據可知，18F標記物合成、分裝、質控的過程中，除熱室操作位外，熱室周圍輻射劑量率比區域環境本底水平稍高；藥品在轉移過程中，輻射工作人員會受到少量的輻射照射。

3 討論

根據回旋加速器產生的核反應18O（p，n）18F可知，制備正電子放射性核素18F過程中會伴隨中子輻射和電離輻射，有研究工作者[15-17]測量了回旋加速器運行前后機房內的本底輻射劑量率，測量數據表明回旋加速器運行時在打靶處附近輻射劑量要高于其他位置，中子的劑量當量率可達到（1.12±0.06）μSv/h，光子的周圍劑量當量率可達到（39.2±17.5）μSv/h；隨著遠離打靶位置，中子和光子的周圍劑量當量率逐漸降低。因此，醫用回旋加速器機房設計首先考慮中子輻射和電離輻射的防護，為避免人員誤入正在運行的回旋加速器機房，防護門必須安裝門機聯動鎖裝置。本研究監測了機房外面周圍環境的電離輻射和中子輻射，數據顯示，當回旋加速器正常運行時，機房防護門、三側（東、南、北）墻體外各測點的電離輻射劑量率比區域環境本底水平稍高；機房西側、上方大廳的輻射劑量率區域環境本底水平相當。加速器操作位輻射劑量率水平比區域環境本底水平稍高。以下根據監測數據推算操作加速器的輻射工作人員所受照射劑量。如表1所示，將回旋加速器控制室操作位的測量值扣除環境本底值后得28 nSv/h，代入式(1)可知，操作工作人員每年因回旋加速器的運行而受到的額外的輻射照射為0.014 mSv。然而該醫院配置有4名工程師負責回旋加速器及放射性藥物制備，分配到每名操作回旋加速器的工作人員的附加受照劑量實際上低于0.004 mSv。回旋加速器運行生產18F-FDG的時間為醫院上班前，不會對公眾造成影響。

回旋加速器生產出18F-后，傳靶系統將18F-傳入電離輻射防護的合成熱室進行18F-FDG合成標記，最終獲得18F-FDG注射液用于PET/CT顯像。這一過程中，18F離開回旋加速器機房，進入熱室、分裝熱室、轉移罐、pH分析及TLC檢測分析，操作人員與電離輻射近距離接觸，有較大的輻射風險。本研究對18F-FDG合成標記及轉運等各個過程進行全程監測，數據顯示18F-FDG合成、分裝、質控的過程中，除熱室操作位外，熱室周圍輻射劑量率比區域環境本底水平稍高；藥品在轉移過程中，輻射工作人員會受到少量的輻射照射。

合成人員在放射性核素傳輸到合成熱室之前，先行做好物料配制、合成模塊檢查等準備工作，在與加速器人員確定放射性核素傳輸指令后，關閉合成熱室防護門，開始控制電腦進行合成。在合成過程中，通過控制電腦查看合成工藝參數，不需要靠近熱室觀察（控制電腦距離熱室約2 m）。熱室操作位輻射劑量率與區域環境本底水平相當，工作人員不會因藥品合成而受到額外的輻射照射。從合成熱室轉移到分裝熱室、分裝過程也為電腦控制，不需要人工操作。如表3監測數據所示，從偏安全的角度考慮，將轉移過程中分裝熱室前側中央測量值（195 nSv/h，扣除區域環境本底后）、分裝過程中分裝熱室前側中央測值（68 nSv/h，扣除區域環境本底后）及相應操作時間分別代入式(1)，可計算得出，輻射工作人員在以上過程中受到的額外的輻射劑量約為0.004 mSv。質檢過程分為自動分裝出少量藥品、人工進行pH分析、通過硅膠板將藥品傳至質控操作臺、TLC分析等步驟。將pH分析過程中分裝熱室右手操作點位測量值（11.63 μSv/h，扣除區域環境本底后）、轉移過程中硅膠板上表面5 cm測值（748 nSv/h，扣除區域環境本底后）、TLC分析過程中質控操作臺左手操作點位測量值（52 nSv/h，扣除區域環境本底后）及相應操作時間分別代入式(1)，可計算得出，輻射工作人員在以上過程中受到額外的輻射劑量約為0.108 mSv。因此，18F-FDG合成標記、分裝、質控及轉移等過程中的附加受照劑量為0.112 mSv（0.108+0.004 mSv），分配到每名工作人員的附加受照劑量約為0.028 mSv。

表3 18F-FDG合成、分裝、質控及轉移過程中周圍環境輻射劑量監測結果

除回旋加速器運行時和18F-FDG生產過程中工作人員接受附加受照輻射劑量外，回旋加速器定期維護時，打開回旋加速器屏蔽體、更換機器生產耗材（靶膜、碳膜、真空膜等損耗品）、靶室超聲清洗等操作時會產生大量的輻射，特別是更換下來的廢棄膜等金屬放射性廢物，存在大量中、長半衰期放射性元素。已有多篇文獻對其進行報道和分析[18-21]，對工作人員的輻射安全有一定影響。本研究中從輻射安全考慮，回旋加速器定期維護工作交由生產廠家進行合理計劃和專業的維護安排，避免使用部門和回旋加速器操作人員受到過多的輻射劑量。

4 結論

隨著PET/CT應用的快速普及，回旋加速器和正電子藥物的需求也迅速增加，相應工作人員和公眾的輻射安全與健康成為核醫學輻射安全管理的關注焦點。本研究表明，HM-10HC回旋加速器運行和18F-FDG生產過程，電離輻射、電磁輻射及中子輻射監測均符合相應的環境管理要求，工作人員接受的附加年有效劑量遠低于職業人員年劑量管理約束值（連續5年內的年平均有效劑量不應超過20 mSv，任一年內的有效劑量不應超過50 mSv），符合《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB18871-2002）[22]的要求。回旋加速器屬于Ⅱ類射線裝置，需要配置專業的核醫學工程師，執行嚴格的設備管理制度及實行定期保養維護；從事正電子放射性藥物的合成和使用工作，還必須熟練掌握放射性藥物操作規范和流程。這樣才能保證回旋加速器良好的運行狀態，提高機房周圍環境的輻射安全和避免操作人員接受附加受照劑量，消除醫護人員和公眾對核醫學輻射的恐慌心理。