从加速器生产正电子发射型核素到病人接受PET(Positron Emission Computed Tomography)检查, 各环节的射线外照射和可能的放射性污染都会对相关人员造成辐射危害。本工作以某处PET-CT及带有自屏蔽的回旋加速器为例, 对PET及其配套加速器引进建设中的防护进行了较为详细的分析, 以期对保障工作人员、受检者和公共的健康安全有所裨益。

1 放射防护设施设计依据及基本参数 1.1 设施设计依据

(1)《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GBl8871 - 2002)

(2)《临床核医学卫生防护标准》(GBZ120 -2002)

(3)《医用放射性废物管理卫生防护标准》(GBZ133 -2002)

(4) 设备工作原理说明书

1.2 设计基本参数 1.2.1 剂量限值

《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》规定:公众年有效剂量限值为lmSv; 放射工作人员年连续5年平均有效剂量约束值为20mSv。国家标准剂量限值是照射剂量的最高限值而不是最优化限值, 其与潜在照射的控制无关, 也与如何干预无关, 因此在放射防护设施的设计时, 剂量约束值取有效剂量限值的10 %~ 30%, 即:公众年有效剂量限值为0.1 ~ 0.3mSv, 放射工作人员连续5年平均有效剂量约束值为2mSv。

1.2.2 工作负荷

每周20h(其中加速器每周运行12.5h)。

1.2.3 放射性同位素种类及辐射类型种类

主要有¹⁴N、¹⁸F、¹⁵O、¹¹C; 辐射类型主要是γ射线(加速器泄漏平均能量为6MeV, 核素能量为0.511MeV), 中子(平均能量小于5MeV)。

2 放射防护设计

回旋加速器生产放射性核素首先需要离子源和靶物质, 生产不同的核素需要不同的靶物质。屏蔽外壳由混合有氢和硼的高强度混凝土组成, 其将设备生产过程中产生的中子及γ射线辐射限制在一个可控制的范围。PET -CT是由正电子发射计算机断层仪(PET)和X射线计算机辅助断层仪(CT)的有机结合体。PET系统病人扫描需要注射药物活度约为0.37GBq (10mCi); CT系统的参考曝光条件为:140kV, 80 ~ 160mA。图 1示出了PET中心的结构示意图, 由图可以看出:回旋加速器室、热室、注射室、待检室、PET扫描室构成了主要的放射性场所。

2.1 回旋加速器室

回旋加速器室是生产放射性核素的专用设施。PET诊断所用的核素均为短寿命核素, 因此, 回旋加速器是必须的。它的主要原理是质子在电磁场作用下加速, 轰击靶材料, 通过核反应生产放射性核素。核素的种类和产额取决于加速器的能量、束流强度以及靶材料的性质。其生产的核素及有关参数见表 1。

从其核反应看, 在加速过程中, 构成核辐射场的主要产物为¹⁸F和伴随产生的中子、中子活化产物及其中子慢化过程中产生的高能γ光子。在轰击过程中, 对外界可能引起的外照射来自穿过屏蔽体和加速器的中子和高能γ光子, 加速器室内的活化气体是其放射性污染的主要来源。

目前与PET配套的回旋加速器均带有铅和含硼聚乙烯做成的自屏蔽系统, 使屏蔽体外的中子和γ辐射水平大大降低, 因此加速器室的屏蔽厚度相对医用电子直线加速器要简单。根据厂方提供的以靶为中心的自屏蔽体外某些参考点处中子和γ射线的能量及当量剂量率可以计算加速器室屏蔽墙、门和屋顶的厚度。设在参考点r₀处的中子和γ射线当量剂量率分别为Hn、Hg(μSv/h), 屏蔽材料的厚度为x, 则在R处中子和γ射线当量剂量率的综合H_R可按公式1计算^{[1, 2]}。

(1)

式中TVLn和TVLγ为屏蔽材料对中子和γ射线的1/10值减弱层厚度。根据公式可以计算回旋加速器机房各屏蔽墙(门)厚度, 如表 2所示。

2.2 热室

在合成过程中, 主要照射为光子穿过合成箱容器对工作人员的外照射和药物合成过程中残留的放射性气溶胶。根据丹麦技术大学D.E.Paulsen^[3]等人采用经过精心设计的仪器在哥本哈根大学医院PET中心监测气体¹³N、¹⁵O、¹⁸F放射性浓度和采用擦拭法、NaI探测器测量了表面污染, 估计了相应的有效剂量, 结果表明工作场所的放射性气溶胶产生的照射可以忽略。鉴于PET中心生产放射性药物的方式、种类、用量的一致性, 所以D.E.Paulsen的报道具有普遍性。而热室内设有专用的合成箱, 在其内进行的简单化学标记完全由机械手完成, 箱体外的外照射水平由厂家保证, 符合国家标准, 对操作箱不必进行额外的防护。

2.3 注射室和待检室

注射室和待检室是高活室, 注射后的病人随时放出的γ光子可能对工作人员造成照射。按每次注射1名, 每次注射含0.37GBq(10mCi)的¹⁸F, 并且假设辐射源位于注射室中央设计, 则注射室各屏蔽墙(门)厚度如表 3所示。待检室按两个待检病人, 总活度为0.74GBq(20mCi)的¹⁸F设计, 则待检室各屏蔽墙(门)厚度如表 4所示。

2.4 PET扫描室

在PET扫描前, 医生需给扫描病人摆位, 这也是工作人员受照主要途径之一。按病人一次注射0.37GBq (10mCi)的¹⁸F。防护屏蔽厚度按距离平衡45min后的病人1m处实测有效的剂量率为27μSv/h^[4]计算, 且已考虑到CT扫描时各屏蔽墙所需屏蔽的厚度平均不大于¹⁸F辐射所需实际设计厚度, 其结果见表 5。

2.5 污水处理

放射性污水的来源主要是工作人员和给药后病人的用水和排泄物的排放以及事故时的紧急排放。按工作人员和受检者最多50人, 每人平均用水及排泄20 L计算并考虑放射性废液中核素的半衰期, 每个衰变池的有效体积应不小于2 m³, 连续经三次衰变后即可排入普通的下水道。衰变池的池壁厚度与普通化粪池相同即可, 但应作防酸碱腐蚀和防渗处理, 废水液面与池盖间应有20 cm的距离。第一级衰变池的砼厚度应不小于20 cm。

3 结论和建议

PET中心作为开放性放射源工作场所和使用小型回旋加速器, 使得建设过程中的防护设计显得比较复杂, 但是由于放射性核素的日用量较少、寿命短, 并且多为低毒性, 可按照乙级放射性工作场所的要求考虑防护。防护设计和评价的重点应针对某些实验室的外照射屏蔽, 如加速器室、热室、注射室、待检室和PET扫描室等。热室和加速器室的通风通水可参照相应级别的放射性实验室设计。另外未涉及的其他有关的内容在实际的防护设计中应当予以充分的考虑。