低能直線加速器機房屏蔽防護改造實踐探討及效果分析

唐天梅 楊成才 福建醫科大學腫瘤臨床醫學院（福建省腫瘤醫院） （福建 福州 350014）

內容提要： 目的：通過對低能直線加速器機房的屏蔽防護改造實踐探討及防護效果測量分析，為直線加速器機房屏蔽防護改造提供技術參考。方法：在瓦里安Turebeam直線加速器照射野40cm×40cm條件下，分別使用最高X射線能量10MV均整模式最高600cGy/min劑量率和6MV非均整（FFF）模式下最高1400 cGy/min劑量率進行照射，根據《放射治療放射防護要求》GBZ121-2020標準要求及規定方法，對改造機房外表面30cm處劑量水平進行檢測，滿足標準限值要求。結果與結論：結合機房的實際情況和設備的防護要求，改造過程中除了考慮經濟成本的同時還應充分考慮建筑承重，施工難度、空間限制等多方面因素的影響，實現以最小的經濟成本達到最好的防護效果和最合理的使用需求。

醫院原有加速器治療室內的低能醫用電子直線加速器（1號加速器）已使用多年，設備老化，已無法滿足醫院放射治療工作的需要，故新采購一臺高能醫用電子直線加速器，用于開展醫療、教學、科研，提高醫療服務體系水平，為患者提供更方便、快捷、專業的治療，更好地服務于社會。結合醫院設計情況，對原有低能直線加速器機房進行相應的防護改造，使其滿足新裝設備的使用及屏蔽防護要求。

1.資料與方法

1.1 一般資料

本研究起止時間：2020年1月～2021年12月。

1.1.1 設備主要參數

最 高X射 線：10MV，600cGy/min、6MV[非 均 整（Flattening Filter Free，FFF）模式]，1400 cGy/min；電子線：15MeV，600cGy/min；kV級CBCT：140kV，630mA。

1.1.2 原有機房基本情況

加速器治療室原墻體及頂棚均采用標準混凝土（ρ=2350kg/m3）澆筑，防護門采用鉛板和含硼聚乙烯材料制作。治療室東側為控制室和候診大廳，南側為空置用房，西側為后裝治療機房及其控制室，北側外為醫院道路，治療室正下方為巖土層，機房頂棚為空曠的平臺。治療室入口采用“L”字型迷路，迷路設置于治療室南側，加速器主軸為東西方向。

1.2 方法

1.2.1 改造思路

眾所周知，在醫用電子直線加速器屏蔽材料上，鉛具有較強的防輻射及抗腐蝕能力，但其改造的成本過高；目前增加機房墻壁厚度是直線加速器機房改造最普遍的防護方式，混凝土在防輻射及抗腐蝕能力方面比鉛差，但勝在價格便宜，因此一般采用加厚混凝土墻的方式加強屏蔽防護能力。因該機房是屬于改建項目，受機房面積及四周環境所限，全部通過增加混凝土墻的方式來增加屏蔽防護能力的做法不可取，此次改造綜合成本及實際空間情況各方面因素，實施部分防護墻增加鋼板（鋼板ρ=7890kg/m3），部分防護墻增加混凝土（混凝土ρ=2350kg/m3）的防護方案。其中在空間受限的西側防護墻和南側迷路內外墻增加了一定厚度的鋼板進行屏蔽防護，東側防護墻、北側防護墻以及頂棚增加一定厚度的混凝土進行屏蔽防護，防護門采用鉛板和含硼聚乙烯材料制作。

項目所需的直線加速器設備參數：最高X射線束為10MV，等中心劑量率：600MU/min；6MV FFF MV X射線等中心劑量率：1400MU/min；根據設備參數及工作負荷計算屏蔽墻體厚度。

1.2.2 屏蔽墻體核算

加速器治療室各關注點計算方法選用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》[2]附錄D放射治療機房屏蔽墻及防護門的一般核算方法，同時參考GBZ/T201.1-2007《放射治療機房的輻射屏蔽規范 第1部分：一般原則》[3]、 GBZ/T201.2-2011《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》[4]、IAEA Safety report Series No.47[5]及NCRP 151報告[6]。根據瞬時劑量率控制水平要求，按十分之一值層厚度法估算符合劑量率目標要求的主、副屏蔽體厚度，并在原墻體基礎上分析需增加的墻體厚度。

原加速器治療室屏蔽體材料與厚度，以及按照上述核算方法計算出增加的屏蔽材料與厚度，見表1。最終加速器治療室屏蔽防護情況示意圖見圖1。

表1.加速器治療室改建前后各屏蔽體設計材料與厚度

圖1.加速器治療室屏蔽防護情況平面圖

1.2.3 主屏蔽墻體的寬度計算

根據GBZ/T201.1-2007[3]中4.3.3提供的放射治療裝置機房主屏蔽墻寬度的核算方法，主屏蔽墻體的寬度計算見公式（1）：

式中：YP—機房有用射線束主屏蔽區的寬度（單位：m）；SAD—源軸距（單位：m，對于醫用電子直線加速器SAD=1m）；θ—治療束的最大張角（相對束中的軸線）；a—等中心點至主屏蔽墻外表面的距離（單位：m）。

依據等中心線至屏蔽墻的寬度估算原則，主射束屏蔽寬度應為最大射野對角線再在每邊各增加30cm。此次擬安裝醫用電子直線加速器半張角為14°。經過計算東西墻的屏蔽防護寬度應分別＞4.58m、3.02m。此次改造將東墻的主屏蔽墻寬度由原來的3.7m增加至5.2m，西墻的主屏蔽墻寬度由原來的3.2m增加至4.2m，確保滿足機房主屏蔽墻寬度設計要求。

1.2.4 屏蔽防護門的屏蔽計算

根據擬新裝醫用電子直線加速器的參數，按照產生X射線能量最大為10MV和產生X射線能量為6MV（FFF）模式的情況對加速器治療室防護門進行屏蔽計算。結合直線加速器布局圖可知，醫用電子直線加速器的有用線束不向迷路內墻照射，加速器治療室迷路外入口處主要照射路徑如圖2所示。迷路外入口需考慮以下幾種輻射：

圖2.加速器治療室迷路外入口處主要照射路徑示意圖

1.2.4.1 散射X射線

①人體受有用線束照射時，散射至i點的輻射受墻的二次散射至g處的輻射，散射路徑為“o1-o-i-g”；②至i點的泄漏輻射受墻散射至g處的輻射，散射路徑為“o1-i-j-g”；③有用線束穿出人體到達位置h，受主屏蔽墻的散射至n處迷路再次散射，到達g處的輻射。散射路徑為“o1-o-h-n-g”。

在估算迷路外入口處的散射輻射劑量率時，以加速器機頭向西方向水平照射時①項人體輻射作為以上三項之和近似估計，通常可忽略②和③二項。

1.2.4.2 泄漏輻射

加速器治療室迷路外入口處需核算加速器的泄漏輻射（以偏離o的位置o1為中心）經迷路內墻屏蔽后在迷路外入口的輻射劑量。其路徑為“o1-g”。核算結果應為迷路外入口處的參考控制水平的一個分數（1/4）。若此項輻射劑量較高，應增加迷路內墻的屏蔽厚度；當加速器主屏蔽區加厚屏蔽部分凸向屏蔽墻外表面或凸向屏蔽墻內表面時，o1至g的泄漏輻射射入迷路內墻的斜射角有所不同，通常以30°斜射角保守估計。

1.2.4.3 散射中子和中子俘獲射線

當能量高達8MeV的電子和X射線照射到物質材料時就可能產生中子，因此本項目加速器治療室迷路外入口處應估算三項中子（加速器機頭外的雜散中子、雜散中子在機房內壁的散射中子和相互作用中生成的熱中子）在迷路內的散射中子和中子俘獲γ射線在加速器治療室迷路外入口處的輻射劑量。其路徑為“o-m-g”。

加速器治療室迷路外入口處防護門屏蔽設計時，通常使散射X射線、中子和中子俘獲γ射線屏蔽后有相同的劑量率，對于散射X射線和中子俘獲γ射線，以鉛屏蔽；對于中子，以含硼（5%）聚乙烯屏蔽，所需的屏蔽防護厚度公式見公式（2）：

式中：XX—屏蔽散射X射線所需要的屏蔽材料的厚度，cm；Xγ—屏蔽中子俘獲γ射線所需要的屏蔽材料的厚度，cm；Xn—屏蔽中子所需要的屏蔽材料的厚度，cm；TVLX—散射X射線在屏蔽材料中的什值層，cm；TVLγ—中子俘獲γ射線在屏蔽材料中的什值層，cm；TVLn—中子在屏蔽材料中的什值層，cm；—泄漏輻射在該處的劑量率。

根據上述公式可估算出加速器治療室防護門所需屏蔽防護厚度，見表2。

表2.加速器治療室防護門屏蔽計算結果

1.3 改造實施難點

1.3.1 承重問題

因醫院地處市區兩大內河之間，地基松軟，且該機房為20世紀80年代建造的用房，此次機房改造需要考慮到地基的承重，必須進行機房的加固。機房的西側為后裝治療機房，南側為TOMO機房。此次地基加固方式采用的是水泥錨桿樁的加固方式，樁基的設立原則為毗鄰TOMO和后裝治療機房的西南兩側選擇在機房內部打樁，東北兩側由操作空間選擇在機房外部打樁，總共設立有20幾個樁點。

1.3.2 鋼板的施工工藝

因機房內空間受限，大型吊裝設備無法進入，無法吊裝整塊鋼板，此次機房西側防護墻和迷路中鋼板加厚部分采用的多層錯縫焊接鋼板的施工工藝。以西側主防護墻為例，長4200mm、高4300mm、增加240mm的鋼板，將240mm的鋼板由10層24mm的鋼板組成，每層的鋼板均由現場切割完成，確保每層鋼板的焊縫均不在同一平面，從而保證防護墻的屏蔽能力。

1.3.3 多學科知識的融合

在機房改造過程中除了必須具備輻射防護管理相關知識還必須掌握建筑工程知識。在機房改造過程中，醫院或者評價機構的輻射防護管理人員往往缺乏建筑相關知識，很難有效地介入機房改造的施工過程中。而改造的施工方或醫院的基建科及監理方等又往往缺乏射線電離輻射防護的相關知識，容易造成在施工過程中對混凝土質量重強度、輕密度的現象，甚至可能因為缺乏相關加速器機房的建設經驗，在混凝土澆筑時，不能一次澆筑成型或者忽視氣泡、裂縫等現象，導致最終墻壁不能滿足屏蔽設計能力的要求。

2.結果

2.1 檢測儀器

美國LUDLUM Model 2241-4中子輻射測量儀、白俄羅斯ATOMTEX AT1123輻射檢測儀、德國PTW UNIDOS E劑量儀、希瑪AR866A熱線式風速風量計德國IBA Blue Phantom三維水箱，以上檢測儀器的測量范圍、能量響應、抗干擾能力等性能適用于被測輻射場，且有法定計量校準證書并在有效期內。

2.2 檢測條件及方法

根據GBZ121-2020《放射治療放射防護要求》[1]標準要求，對該機房進行工作場所放射防護檢測。加速器治療機房的防護檢測應在巡測的基礎上，對關注點的局部屏蔽和縫隙進行重點檢測。關注點應包括：四面墻體、頂棚、機房門、管線洞口、工作人員操作位等，本機房的平面布局及檢測布點見圖3，因該機房周圍50m范圍內無高于機房室頂的建筑時，故不需檢測側散射。

圖3.加速器機房工作場所平面布局及檢測布點圖

2.3 檢測結果

監測點均設在機房外30cm人員可到達區域。室頂主屏蔽區部分輻射水平檢測結果最大為3.03μSv/h，中子均未檢出（輻射水平低于中子測量儀探測下限0.01μSv/h），檢測結果均滿足國家標準和醫院劑量率控制水平要求。檢測數據具體見表3。

表3.改造后機房門外輻射水平檢測結果

3.討論

隨著電子直線加速器在放射治療上的廣泛應用，加速器機房的屏蔽防護是否合理就顯得非常重要，在機房改造前進行放射性職業病危害預評價非常必要的，并在設備安裝完成投入使用前必須完成放射治療工作場所放射防護的檢測，確保放射性職業病危害控制效果評價及防護設施竣工驗收合格后方可進行診療許可證申請工作并投入臨床使用[7]。

在老舊機房改建的過程中必須遵守放射防護三大原則[8]：實踐正當性、防護最優化和最小劑量限值，按照擬新裝設備的要求對原有機房進行改造，結合機房的實際情況和設備的防護要求，提出可行性的改造方案，改造方案在考慮經濟成本的同時還應充分考慮建筑承重，施工難度、空間限制等多方面因素的影響[9]。改造方案經設計部門審核認可，由施工單位嚴格把控施工質量的前提下完成[10]。此次改造在防護屏蔽和使用需求上優化方案，克服場地空間狹小等困難，以最小的經濟成本達到最好的防護效果和最合理的使用需求，在低能醫用加速器機房屏蔽防護改造中具有一定的借鑒經驗。