目前, 肿瘤的治疗除了手术和化疗外, 另外一种有效的手段就是放射治疗。据统计, 70%以上的肿瘤患者采用放射治疗方式, 其中X射线放射治疗占绝大多数。医用电子直线加速器具有高剂量率, 大照射野, 均匀性好, 半影区小等优点, 治疗效果更为显著, 所以已经成为肿瘤放射治疗的主要手段之一^[1]。

某医院为了完善服务功能, 提升医疗综合服务能力, 满足肿瘤患者治疗的需要, 决定建设放疗中心, 引进瑞典Precise型医用直线加速器。

医用直线加速器具有一定的辐射环境影响, 笔者依据国家相关辐射环境标准^{[2, 3]}对其进行环境影响论述。

1 项目简介^[4]

肿瘤放疗中心项目建筑面积1800m², 总投资2000万元, 其中:土建投资400万元, 直线加速器治疗室建筑面积554m², 设备投资1600万元, 主要包括:医用直线加速器1套(包括治疗计划系统、体架及X刀系统)、模拟定位机1台、防辐射配套设备。该中心内设有:病人候诊厅、医务办公室、模拟定位机房、物理室、水冷机房、加速器机房。医务人员数人。瑞典Precise型直线加速器全数字化放射治疗系统是国际公认的先进治疗设备。该加速器可以进行多种射线的不同能量的选择, 以满足临床治疗X射线和电子射线能量的需要。

Precise型直线加速器束流输出的主要技术参数为:①X射线能量为:6MV、15MV。②电子射线(β射线)能量为:4、6、8、10、12、15、18MeV。③最大输出剂量率指数:400cGym²/min。④最大照射视野面积:40cm×40cm。⑤漏射率:≤0.3%。⑥靶距主屏蔽外墙6.0m, 距次屏蔽外墙分别为4.9m(后墙)和7.9m(前墙), 距地面1.25m, 距屋顶外5.25m。该机对临床患者治疗方式分为垂直(即0⁰治疗头方向朝下照射)和固定角度治疗。垂直照射治疗占70%, 水平照射治疗占20%, 其他角度照射治疗占10%。每天平均接受治疗照射的患者约30野次, 年工作日为250d, 则年治疗照射7500野次, 每人次平均照射时间约30s。接受X射线治疗和电子射线治疗的患者各占50%。X射线治疗采用6MV, 占X射线治疗的99%。15 MeV很少使用。电子射线根据深度不同选择不同能量, 以8、10、12MeV为多, 占电子线治疗的70%, 其他能量约占30%。

当患者确定治疗方案, 经过模拟机定位后, 患者进入治疗室。在医生的指导下躺在治疗床上, 摆好体位。在控制室的控制台上正确选择患者治疗的基本参数:包括机架架角、射线类型、射线能量、吸收剂量、束流控制等一些其他参数。在监视系统的监视下可以随时观察患者的动态, 关闭防护门, 开机治疗。当预选照射时间达到时, 照射自动停止。每个患者从进入治疗室到照射结束全过程约4min, 实际照射治疗时间为30s。由于该机是完全集成化的计算机控制系统, 因此通过一个控制台就可以完成机器的运转和治疗的全过程。

2 主要污染源

该项目采用的瑞典Precise型直线加速器, 使用输出X射线和电子射线作为射线源治疗患者, 其中使用的X射线束最大能量为15MV, 电子射线束的最大能量为18MeV。在开机出束治疗期间, 治疗室、迷宫等地方具有较高的辐射剂量, 是本工程的主要辐射危害, 必须进行有效的射线屏蔽防护。

该加速器属低能加速器, 低能加速器在运行过程中产生的辐射分为瞬发辐射和缓发辐射两种, 该机为瞬发辐射, 即开机时产生辐射, 关机后辐射消失。

X射线或电子束打在靶材料产生的韧致辐射与被射物质相互作用均产生中子, 习惯把这种反应称为(γ, n)反应。其能量与入射粒子的能量及发生这种反应的阈值有关, 低能X射线照射只能产生很少的低能中子, 故可忽略。当加速器在X射线照射 > 10MV时, 将产生一定量中子辐射。因此需在治疗室、迷宫入口、防护门等处对中子辐射的防护。

另外, 在加速器设施上还存在其他非辐射危害, 其中以臭氧(O₃)最为重要。电离辐射与空气作用都会产生臭氧和氮的氧化物。因为加速器输出电离粒子束流越强, 臭氧和氮的氧化物的产额就越高, 在这些气体中以臭氧的危害最大, 产额最高, 所以其危害也是不能忽视的。

综上所述, 本项目所使用的医用加速器产生的主要辐射危害是X射线、电子射线、中子射线、非辐射危害主要是臭氧(O₃)。对于辐射危害的防护有三种方法:时间防护、距离防护和屏蔽防护。即减少照射时间, 远离辐射源及加以必要的屏蔽层。本项目的辐射防护设计就是本着这一原则综合进行考虑的。O₃设置通风系统以降低其浓度。

3 屏蔽设计

将辐射照射降低到可达到的尽量低的水平, 以保证工作人员和公众所接受的剂量当量不超过各自的允许限值。为此对治疗室的主防护墙、次防护墙、屋顶、迷路、防护门等进行了有效的屏蔽防护设计。使防护墙外边各个参考点可能停留的公众成员所受到的辐射剂量当量低于1mSv/a的限值标准。

本项目中所使用的屏蔽防护材料有:混凝土、石蜡、铅、钢, 墙壁建筑材料为密度2.35t/m³的混凝土。

加速器治疗室外尺寸:12000mm×12800mm×4000mm, 室内体积为394m³。

3.1 主屏蔽墙

在束流中心点周围2000mm区域内的墙厚为2500mm; 2m外为1200mm, 混凝土。

3.2 次屏蔽墙

次屏蔽墙分别为1200mm和800mm, 混凝土。

3.3 迷宫

长8700mm, 宽1000mm, 在迷宫拐弯处增加500mm×500mm厚度混凝土, 在入口处增加400mm厚混凝土过梁。

3.4 屋顶

在束流中心点周围2500mm区域内的墙厚为2 500mm, 其他为1300mm混凝土。

3.5 防护门

10mm厚钢板, 100mm厚铅, 100mm石蜡。

4 通风

由于加速器电离辐射与空气介质作用产生的O₃, 以及加速器工作在高能X射线状态下产生少量的感生放射性气体¹³N (T_1/2=10min)、¹⁵O(T_1/2=2.1min), 为了使治疗室及其周围环境空气质量不受到影响, 因此设置了通风系统。通风设计应能够使存在感生放射性气体和有毒气体的区域的空气压力略低于周围其他区域的压力, 以避免有害气体扩散到其他区域。通风系统的排气口安装在建筑物外面, 并远离进气口, 防止排出气体的回流。治疗室内新风补充量保持在25%, 排气口高度(10m)高出本建筑物主体高度。换气次数为3~4次/h。

5 辐射安全系统

为了防止由于工作人员的误操作或由于机器控制失灵而造成工作人员与患者遭受意外辐射损害, 机器本身及在机房设计中都进行了考虑, 设置了联锁装置和警告装置。联锁装置是指加速器存在某种危险状况时能立即自动切断电源或束流的电气线路。为保证辐射防护安全, 相应配备了安全报警系统, 其中包括警灯、警铃、剂量控制、闭路电视系统、紧急开关系统、钥匙开关、门联锁系统等安全装置。其主要功能为:

(1) 紧急开关用于在紧急情况下切断加速器主要部件的电源供给, 从而保证人身及设备的安全。其工作原理:紧急开关回路串联在主接触器CONA线包供电回路中, 且保持常通状态。当某个紧急开关被触动后将导致CONA线包供电回路断路, CONA开路, 进而切断了加速器低压区、高压区、运动区及内循环水泵的电源供给。

(2) 第一、二道门联锁用于禁止机器在第一或第二道门没有关闭的情况下产生高压、出束。其中, 第二道门联锁在出束后打开, 还能将仿真线上的残余高压泄放掉, 保证工作人员的安全。其工作原理:第一道门联锁串联于初级高压联锁系统中, 它的动作可控制高压区CONJ的通断。而第二道门联锁串联于次高压联锁中, 它的动作可控制高压区CONK的通断。加速器系统将根据第一、二道门联锁的动作而处于相应的状态, 从而达到控制加速器的目的。

(3) 在迷路入口的防护门上装有门开关, 以保证在加速器治疗期间防护措施是安全可靠的。

从上述的屏蔽设计、通风和辐射安全系统来看, 本工程的辐射防护设计措施是安全可靠的。

6 环境影响评价

Precise型医用直线加速器的环境影响主要是电离辐射和非电离辐射O₃。电离辐射主要来自初级X射线束直接透射, 侧向漏束X射线透射。电子射线产生的韧致辐射和中子辐射及感生放射性对环境的影响与初X射线, 漏束X射线相比可以忽略不计。

6.1 加速器治疗时环境影响预测 6.1.1 X射线治疗期间环境参考点剂量估算模式^{[5, 6]} 6.1.1.1

垂直照射治疗时侧向漏束X射线透射主、次屏蔽墙外和房顶外0.5cm处参考点的年当量剂量:

(1)

6.1.1.2

水平照射治疗初级X射线透射主屏蔽墙外环境外0.5m处参考点的年当量剂量:

(2)

6.1.1.3

水平照射治疗时漏束X射线透射次屏蔽墙外和屋顶外0.5m处参考点的年当量剂量:

(3)

式中: ———距靶1m处最大吸收剂量率指数(Gy·m²/min); f———本加速器侧向X射线漏束率; R_x———减弱因子; R_x———人体对X射线的减弱因子(取0.12);η———居留因子; T、T′———分别为垂直, 水平年照射治疗时间(h); d_i、d_o—分别为靶至参考点、靶至患者之间距离(m)。

6.1.1.4

100%的水平照射计算防护门参考点年当量剂量:

(4)

(5)

式中:β_k———每100cm²被照射在混凝土屏蔽墙上散射角为K⁰, 散射至0.5m处散射剂量率占入射剂量率(比释动能量率)的百分数; a_k———中子能量为2.0MV, 入射角为Q₀, 反射角为Q的混凝土中子剂量微分反照率; S照射野面积(cm); R_X.Pb、R_x.Fe———为X射线在铅和钢板中的减弱因子; E_n———中子的能量(MeV); R_n.石、R_n.Pb、R_n.Fe———别为中子在石蜡、铅、钢中的减弱因子; d_p、d_门———分别为靶至P点、P点至门外参论点距离m。

6.1.2 参考点剂量估算结果 6.1.2.1 加速器剂量计算设定参数和加速器运行时环境影响参考点剂量估算结果(表 1) 6.1.2.2 放疗中心二楼放疗示教室剂量估算

加速器靶至示教室墙外为13.7m, 由公式(1)计算得:4×10^-9Sv.a^-1, 示教室内公众年当量剂量 < ×10^-9Sv.a^-1。

6.1.2.3 治疗室防护门外0.5m处剂量估算

加速器靶点发射的X或中子射线, 以90⁰角水平照射斜射墙面P点, 设靶至P距离为d_P, l射角为Q₀, 反射角为Q, 散射角为Q_S, 设P点至防护门处0.5m处参考点为d_门, 门的铅厚为t_Pb(100mm), 钢板为t_Fe(10mm), 石蜡厚为t_石(100mm), 并按公式(4)、(5)计算。

参数设定:K⁰=127⁰, β_K=0.006%;S=(40×40)cm²; Q₀ =53⁰; Q=0⁰; Q_S=127⁰; β_K≈0.006%;a_K≈0.100;6MV、15MV的X射线入射角为53^o射向混凝土墙面, 散射角为127^o散射后的X射线的能量均为0.32MV, 则:R_X.Pb < < 1×10^-10, R_x.Fe≈ 0.4, R_n.石≈0.18, R_n.Pb < < 1×10^-10, R_n.Fe≈2.5×10^-1, n=1, T′·100%=31.3h;d_P=7.87m;d_门=11.5m。将上述参数代入公式(4)、(5)则: 。10^-10Sv.a^-1。防护门外0.5m处年当量; 4.0×10^-10Sv.a^-1。

6.2 环境辐射影响评价

加速器运行期间治疗室东、西、南、北墙外、屋顶外、防护门外0.5m处参考点的公众成员年当量剂量都低于国家标准允许 < 1mSv.a^-1限值^[1]; 治疗室S墙外参考点最大值2.31×10^-4Sva^-1, 为允许限值1mSv.a^-1的21%。

6.3 致电离辐射产生的臭氧(O₃)环境影响预测 6.3.1 环境O₃浓度的计算 6.3.1.1 X射线产生O₃产生率估算公式Q₀

(6)

式中:Q₀———X射线致空气的O₃产生率(mg.h^-1);

K_c—不同能量X射线产生系数;

A—某一能量X射线在1m处所致剂量率的相应活度(TB_q);

V—治疗室体积(m³);

f_s—加速器1m处视角份额, %;

f_c—加速器开机的时间份额, %;

参数设定:K_c=0.30, A=325.2TB_q, V=394m³, f_s= 0.97%, f_c=1.55%.

将上述参数代入公式(6), 则:Q₀=6.45×10^-1mg.h^-1.

6.3.2 O₃对环境的影响

O₃对工作场所空气的影响。治疗室空气中O₃平均浓度Q_S:

(7)

式中:Qo′———O₃的辐射化学产额(mg.h^-1); T———有效清洗时间(h); V———治疗室体积(m³)。

(8)

t_v———换气一次所需时间, h; t_d———O₃有效分解时间, h.

参数:Q₀′=6.00mg(h)-1, t_d=0.83h.代入公式(7)、(8)计算出工作场所(治疗室)空气O₃浓度, 见表 2。

6.4 环境O₃影响评价

当换气为4次/h, 治疗室排出的空气中O₃浓度平均为2.8×10^-3mg/m³, 低于环境大气中O₃浓度限值0.16mg/m³。环境中关心点医院妇产科和河滨公园空气中O₃浓度远远低于0.16mg/m³国家标准限值。

7 结论与建议

在加速器治疗室设计评比材料厚度情况下, 加速器运行期间机房墙体外各参考点的年当量剂量为2.31×10^-4~4.36× 10^-7Sv/a; 机房房顶当居留因子取1/16时, 年当量剂量为6.39 ×10^-10~4.36×10^-7Sv/a; 妇产科公众年当量剂量 < 4.0× 10^-9Sv/a; 治疗机房防护门外总剂量 < 4.0×10^-9Sv/a。加速器运行期间除机房S墙外有些影响(为允许限值的21%)外, 对环境的影响可以忽略, 环境是安全的^{[2, 3]}。

加速器运行时产生的O₃, 每小时换气4次, 治疗室环境关心点空气中O₃浓度保证低于2.89×10^-3mg/m³。只要保证每小时换气3~4次(治疗室内新风补充量保持在25%), 环境空气中O₃浓度就会远小于0.16mg/m³标准。

在设计中充分考虑X射线、电子射线、中子射线的防护和降低O₃浓度, 设计合理。治疗室防护门的屏蔽材料设计厚度有些过厚, 应与考虑。

加速器运行前应建立主管院长负责和放射安全管理人员分工负责的安全防护机构, 建立健全各种规章制度和严格操作规程, 确保人员安全和环境质量。