立體定向伽瑪射線放射治療機房屏蔽計算分析

王雪航

(黑龍江省疾病預防控制中心職業健康科，黑龍江 哈爾濱 150030)

近年來隨著腫瘤患者的增多，立體定向伽馬射線放射治療因其不用開刀、無創傷、無出血、不需要全身麻醉等優勢，應用越來越廣泛，由此帶來的放射衛生防護和安全問題備受人們的關注[1-3]。醫院一方面要做好立體定向伽馬射線放射治療系統的安全防護，確保設備的安全運行；另一方面必須要做好放射工作人員、廣大患者以及可能進入機房附近區域的公眾的個人防護，使之免受不必要的輻射照射。因此，必須重視立體定向伽馬射線放射治療系統的防護與安全[4]。基于安全與防護問題的考慮，本文對某醫院新建立體定向伽馬射線放射治療系統屏蔽厚度進行計算，判斷該系統機房的屏蔽設計是否滿足國家標準要求。

1 材料與方法

1.1 SGS-Ι型立體定向伽瑪射線放射治療系統基本結構立體定向伽瑪射線放射治療系統采用扇形聚焦回旋照射原理[5]，將18個鈷-60放射源分為10個和8個兩組在兩個相鄰扇面上呈扇形聚焦布置，其發出的伽瑪射線通過18個聚焦分布的準直器準直和引導精確地匯聚在焦點上并繞該焦點的軸線進行回旋照射，如圖1所示。治療計劃系統對病灶進行治療規劃并選擇較好的射束入射回旋照射區域，治療時依據治療計劃的設置，立體定向控制系統自動將病灶對準焦點，多束射線聚焦回旋照射后在焦點處產生高強度的劑量場，致使病灶組織發生放射性壞死，而周圍的正常組織僅受到均勻小劑量的照射。

圖1 扇形聚焦回轉照射示意圖

1.2 輻射源項分析立體定向伽瑪射線放射治療系統(SGS-Ι)裝填18枚鈷-60放射源，標稱總活度為2.22×1014Bq(6000 Ci)，分布在弧形鈷源匣內。機頭泄漏輻射小于或等于治療束劑量的0.1%。患者體表及室壁的散射輻射大小和能量與入射輻射的能量、照射面積、入射角和散射角的大小有關。對患者表面受照，大角度散射的散射份額和散射輻射的能量均較小，但對小角度(如10°)散射，散射份額相對較大(大于1%)且散射輻射能量接近入射輻射能量。

從機房輻射防護屏蔽設計考慮，主要輻射源項為：

透過準直器的泄露輻射：在治療位置狀態下，關閉準直器時的焦點劑量率不超過正常治療狀態輻射中心輻射劑量率的2%；

患者體表散射輻射：針對該裝置，散射輻射相對貢獻較大；

最大輻射束以外的雜散泄露輻射：在正常治療距離處，以輻射軸線為中心且垂直輻射軸半徑2 m的圓平面中的最大輻射束以外的區域內，由于泄露輻射引起的吸收劑量率的最大值不得超過在焦點劑量場中測得的最大吸收劑量率的0.2%，平均值不得超過0.1%，距離輻射源1 m處測得的由于泄露輻射引起的吸收劑量率不得超過在焦點劑量場中測得的最大吸收劑量率的0.5%；

非治療狀態下的雜散輻射：距儲源器1 m處的雜散輻射引起的吸收劑量率不大于0.02 mSv/h；距可能觸及的主機外殼表面5 cm任一易接近的位置由于雜散射線引起的吸收劑量率不得超過0.2 mSv/h。

1.3 計算方法

1.3.1 方法一 按照劑量管理控制值W=5.0×108μSv/week進行驗證計算[6-8]。

(1)

式中：X：所需的屏蔽厚度，單位：m；TVL1：第一十分之一減弱層厚度，單位：m；TVLe：平衡十分之一減弱層厚度，單位：m；H未屏蔽：未屏蔽條件下，計算點處的周圍劑量當量(近似等于有效劑量，后同)，單位：當采用周工作劑量當量計算時為μSv/week；H控制：計算點處應控制的周劑量當量，單位：當采用周工作劑量當量計算時為μSv/week；

(2)

TVL：十分之一減弱層厚度，單位：m，其余變量同公式(1)。

說明：由于在屏蔽體表面附近存在一個衰減建成區，引入第一十分之一層(TVL1)加以修正。故在計算初始輻射和泄漏輻射時采用公式(1)，計算患者受照表面散射時采用公式(2)。

對于泄漏輻射劑量的計算，有如下公式：

(3)

(4)

式中：η：泄漏輻射占初始輻射的比率，取1×10-3；其他符號含義同前。

對于迷路外墻的計算，應采用公式(4)。

對于患者受照表面散射劑量的計算，按公式(5)計算：

(5)

式中：α：距散射物體(患者)1 m處散射輻射與距離1 m處初始輻射的比率，并歸一到患者受照表面積為 400 cm2；F：患者實際受照表面積，單位：cm2；d1：源到患者受照表面的距離，單位：m；d2：患者表面到計算點的距離，單位：m；其他符號含義同前。

計算參數

立體定向伽瑪射線放射治療系統的工作量如下：根據醫院提供的放射治療計劃工作資料，立體定向伽瑪射線放射治療系統周工作負荷W=26 Gy/week=2.6×107μSv/week，考慮到醫院今后的發展，工作量有可能增加的情況，按照W=5.0×108μSv/week進行計算。立體定向伽瑪射線放射治療系統機房關注點位置以及屏蔽設計如圖2和圖3所示。

A點屏蔽厚度設計驗證計算

如圖2所示，A點位于北側為立體定向伽瑪射線放射治療系統控制室，為全部居留，居留因子(T)選取1；考慮泄漏輻射和患者散射，而此時泄漏輻射以0°垂直入射，保守估算患者散射角度為90°。

B點屏蔽厚度設計驗證計算：如圖2所示，B點位于西側走廊，為部分居留，居留因子(T)選取1/5；考慮泄漏輻射和患者散射，而此時泄漏輻射以0°垂直入射，保守估算患者散射角度為0°。

C點屏蔽厚度設計驗證計算：如圖2所示，C點位于南側庫房，為偶然居留，居留因子(T)選取1/5；考慮泄漏輻射和患者散射，而此時泄漏輻射以0°垂直入射，保守估算患者散射角度為90°。

D點屏蔽厚度設計驗證計算：如圖2所示，D點位于東側設備機房，為部分居留，居留因子(T)選取1/5；考慮泄漏輻射和患者散射，而此時泄漏輻射以0°垂直入射，保守估算患者散射角度為0°。

E點屏蔽厚度設計驗證計算：如圖2所示，E點位于東側設備機房，部分居留，居留因子(T)選取1/5，考慮泄漏輻射和患者散射，而此時泄漏輻射的斜角42°，患者散射角度為42°。

圖2 立體定向伽瑪射線放射治療系統機房屏蔽設計與關注點位置-1

H點屏蔽厚度設計驗證計算：如圖3所示，H點位于一層商鋪，為部分居留，居留因子(T)選取1/2；考慮泄漏輻射和患者散射，而此時泄漏輻射以0°垂直入射，保守估算患者散射角度為0°。

圖3 立體定向伽瑪射線放射治療系統機房屏蔽設計與關注點位置-2

以上各關注點泄漏輻射屏蔽驗證計算厚度，使用放射治療周工作負荷進行計算，相關參數見表1；患者散射屏蔽驗證計算厚度，使用放射治療周工作負荷進行計算，相關參數見表2。

表1 各關注點泄漏輻射屏蔽驗證相關參數

表2 各關注點患者散射泄漏輻射屏蔽驗證相關參數

按照公式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)屏蔽計算的各個關注點數據如表3所示。

表3 各關注點泄露輻射屏蔽及患者散射屏蔽計算數據

1.3.2 方法二 屏蔽驗證計算根據相關標準規定的劑量率值進行驗證計算[6,9]。在《X、γ射線頭部立體定向外科治療放射衛生防護標準》(GBZ 168-2005)中規定，治療室墻體外30 cm可達界面處因透射產生的空氣比釋動能率一般應不大于2.5 μSv/h。

根據生產廠家提供的資料，應用LiF(Mg、Cu、P)熱釋光劑量計在以等距離同高度矩陣擺放方式進行出束狀態的輻射水平矩陣測量如圖4、圖5，該圖平面為等中心平面，劑量率單位為μSv/h，測量時

圖4 立體定向伽瑪射線放射治療系統機房內劑量率分布圖(出束狀態，水平高度1 m)

圖5 立體定向伽瑪射線放射治療系統機房內劑量率分布圖(出束狀態，水平高度2 m)

源總活度為6000 Ci。計算中取距等中心1 m處各方向最大值為參考點進行計算。從圖4、圖5可知，距等中心1 m處劑量率取值如下：北側為11717 μSv/h，西側為14880 μSv/h，南側為14033 μSv/h，東側為7200 μSv/h，屋頂方向為14266 μSv/h。

計算參數和結果

依據某點外照射劑量率的平方反比定律(下同)，在北墻外A點處劑量率約為：11717 μSv/h×12÷3.402=1013.58 μSv/h。根據《X、γ射線頭部立體定向外科治療放射衛生防護標準》(GBZ 168-2005)的要求，該處的空氣比釋動能率一般應不大于2.5 μSv/h，散射角90°，混凝土的TVL為0.151 m，根據公式(2)(下同)，北墻屏蔽厚度X=0.151×l g(1013.58/2.5)=0.39 m。

西墻外B點處劑量率約為：14880 μSv/h×12÷4.562=715.60 μSv/h，該處的空氣比釋動能率一般應不大于2.5 μSv/h，散射角15°，混凝土的TVL為0.223 m，西墻屏蔽厚度X=0.223×l g(715.60/2.5)=0.55 m。

南墻外C點處劑量率約為：14033 μSv/h×12÷6.452=337.31 μSv/h，該處的空氣比釋動能率一般應不大于2.5 μSv/h，散射角90°，混凝土的TVL為0.151 m，南墻屏蔽厚度X=0.151×l g(337.31/2.5)=0.32 m。

東墻外D點處劑量率約為：7200 μSv/h×12÷7.842=117.14 μSv/h，該處的空氣比釋動能率一般應不大于2.5 μSv/h，散射角小于15°，混凝土的TVL為0.223 m，南墻屏蔽厚度X=0.223×l g(117.14/2.5)=0.37 m。

東墻外E點處劑量率約為：7200 μSv/h×12÷8.992=89.09 μSv/h，該處的空氣比釋動能率一般應不大于2.5 μSv/h，散射角小于45°，混凝土的TVL為0.197 m，南墻屏蔽厚度X=0.197×l g(89.09/2.5)=0.31 m。

屋頂外H點處劑量率約為：14266 μSv/h×12÷4.132=836.38 μSv/h，該處的空氣比釋動能率一般應不大于2.5 μSv/h，散射角小于15°，混凝土的TVL為0.223 m，南墻屏蔽厚度X=0.223×l g(836.38/2.5)=0.56 m。

1.3.3 防護門屏蔽厚度計算 迷道處選擇的關注點分布如圖2中所示，等中心點輻射到墻上b點處，再反射輻射到門口g點，根據計算迷道外入口處患者體表二次散射輻射劑量、迷道外入口處泄漏輻射在屏蔽墻上的一次散射輻射劑量以及穿迷道內墻的輻射劑量來計算防護門的屏蔽厚度。

迷道外入口處患者體表二次散射輻射劑量：

(6)

式中：αph：400 cm2面積上的散射因子3.7×10-3(45°)；F：治療裝置有用線束在等中心處的最大治療野面積23.75 cm2；α2：混凝土對入射的患者散射輻射的散射因子，通常取b處的入射角為45°，散射角為0°，使用能量1.25 MeV的值1.02×10-2；S：b處的散射面積(1.77 m×4 m=7.08 m2)；W：5×108μSv/week；R1：o-b之間的距離7.48 m；R2；b-g之間的距離8.45 m；R0：源到等中心的距離1 m，

=1.99 μSv/week

(7)

式中：f：泄漏輻射比，10-3；W：5×108μSv/week；S：b處的散射面積(1.77 m×4 m=7.08 m2)；αW：散射體的散射因子，入射角為45°，散射角為15°，使用能量1.25 MeV的值1.07×10-2；RL：泄漏輻射始點至散射體中心的距離，7.48 m；R：b-g之間的距離8.45 m，

=9.48 μSv/week

穿迷道內墻的輻射劑量：

(8)

式中：W：5×108μSv/week；F：治療裝置有用線束在等中心處的最大治療野面積，3.75 cm2；αW：散射體的散射因子，入射角為45°，散射角為15°，使用能量1.25 MeV的值1.07×10-2；R：6.07 m；B：2.85×10-4，

=0.10 μSv/week

H未屏蔽=Wg+Wg1+Wg2=1.99+9.48+0.10

=11.57 μSv/week

防護門需要的屏蔽：防護門材料為鉛，TVL為41 mm，所需防護厚度：X=TVLlg(H未屏蔽/H控制)=TVLlg[(11.57/5)=0.36TVL=15 mm

2 結果

根據兩種計算方法驗證得出立體定向伽瑪射線放射治療系統機房混凝土墻壁的屏蔽防護厚度，相關結果見表4。其中，通過劑量分布方法驗證計算的屏蔽防護厚度小于周控制劑量驗證計算的屏蔽防護綜合厚度，設計屏蔽防護厚度均大于兩種計算方法驗證計算的屏蔽防護厚度。

表4 立體定向伽瑪射線放射治療系統機房屏蔽厚度(材料為混凝土，ρ=2.35 g/cm3)

防護門以鉛作為屏蔽材料，其所需屏蔽防護計算厚度為15 mm，設計厚度為18 mm，設計厚度能夠滿足屏蔽防護的要求。

3 討論

立體定向伽瑪射線放射治療系統已在國內很多醫院投入使用，作為大型放射治療設備，對其機房屏蔽安全防護性能要求以及對環境的影響更加重視。本文機房擬采取的防護屏蔽設計，經屏蔽計算驗證、分析后，混凝土外墻和機房防護門設計厚度滿足設定的管理目標值，符合《放射治療機房輻射屏蔽規范第1部分：一般原則》《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》《放射治療機房的輻射屏蔽規范 第3部分：γ射線源放射治療機房》等國家標準中的相關要求[10-12]。通過本文的驗證，立體定向伽瑪射線放射治療系統機房屏蔽防護厚度的理論計算值可以很好指導實際應用中的屏蔽防護設計，能夠滿足機房屏蔽防護效果。機房棚頂與墻壁，在進行屏蔽防護驗證計算時均僅考慮一次散射和漏射輻射的射線劑量，未考慮多次散射和漏射輻射對屏蔽防護的劑量貢獻，因其強度與劑量遠低于一次散漏輻射。因此，采用屏蔽防護計算更偏重于實際應用，與精確理論計算具有差距。此外，為保證屏蔽防護設計在實際應用中的效果，建設單位在工程施工中應有質量保證措施，保證混凝土澆筑過程連續，材料充分振搗均勻，屏蔽層內不得留有空腔或縫隙。混凝土的密度如果不是2.35 g/cm3時應予以校正，即實際所需混凝土厚度等于按2.35 g/cm3的計算厚度乘以(2.35/ρ實際)，ρ實際為所用混凝土的實際密度，單位g/cm3。

綜上所述，針對立體定向伽瑪射線放射治療系統機房基于理論計算做出的屏蔽防護設計符合國家標準的相關要求，具有實際應用價值。