γ 射线头部立体定向外科治疗又称头部伽玛刀, 近年来, 头部伽玛刀逐渐在国内医院投入使用, 该设备使用多源同步旋转照射方式, 依据放射防护最优化原则, 根据IAEA第47号报告中针对放疗机房提供的评价机房周围不同区域屏蔽材料厚度的估算方法, 分析1例头部伽玛刀机房的屏蔽防护情况。

1 场所布局及辐射源项分析 1.1 场所布局

选取验证的头部伽玛刀机房北侧为设备间和走廊, 西侧为风机房和模具室, 南侧为控制室, 东侧为体部伽玛刀机房, 屋顶上方为低压配电室。见图 1。

1.2 正常状态下的辐射源项分析

① 选取验证的头部伽玛刀装置应用⁶⁰Co γ射线源, 其半衰期为5.27 a, 平均能量为1.25 MeV。该装置使用30颗⁶⁰ Co γ射线源, 装源总活度为296 TBq (8 000 Ci), 其中每颗源活度约为9.9 TBq (268 Ci)。FreeGS-A型头部治疗γ刀装置的最大准直器规格为直径50 mm, 焦点距离40 cm。②焦点空气比释动能率最高为4 Gy/min。③治疗状态下, 准直体透射辐射不超过有用线束的0.1%。④患者体表及周围物体的散射辐射^{[1, 2]}。⑤在非治疗状态下机头的泄漏辐射。

2 屏蔽设计计算 2.1 屏蔽设计计算

1)

式中, X-所需的屏蔽厚度, 单位mm; H_未屏蔽-未屏蔽条件下, 计算点处的周剂量当量(近似等于有效剂量), 单位为μSv/w; H_控制-计算点处应控制的周剂量当量, 单位为μSv/w。职业照射和公众照射的剂量管理控制值均按年剂量限值^{[3, 4]}的1/4考虑, 即对职业照射为100 μSv/w, 对公众照射为5 μSv/w; TVL- 1/10减弱层厚度, 单位mm。考虑到验证计算中所用参数的误差, 计算中取2倍安全因子。

2)

式中:W-周工作负荷; U-利用因子; T-居留因子; d₁-源到焦点的距离; d₂-源到计算点距离。

治疗状态下, 对准直体透射辐射的次屏蔽墙计算

3)

式中:η-透射辐射比率; 其他含义同前。

对患者体表散射辐射的次屏弊墙计算

4)

式中:α-辐射场面积为400 cm²(20 cm × 20 cm)时散射系数; F-入射到患者表面的辐射场面积; d₃-源到散射表面的最近距离; d₄-散射表面到计算点的距离。其他含义同前。

2.2 计算参数和结果

根据头部伽玛刀工作特点, 屏蔽验证计算中主要考虑准直体透射辐射和患者体表散射辐射。计算参数如下:W-根据建设单位提供的资料, 每天治疗患者10~15人, 每人治疗剂量5~7 Gy, 按最大值计算, 每周工作负荷(焦点处)为15 × 7 × 5= 525 Gy; η-透射辐射与初始辐射的比率, 0.1%;α-散射角90°, 散射系数为9.1 × 10^-4; 对小散射角, 例如30°, 散射系数为6.0 × 10^-3; TVL-散射角为90°的散射辐射在普通混凝土中的TVL为15.1 cm^[5]; 对初始辐射和泄漏辐射, TVL为21.8 cm; 对小角度(不大于30°)散射, 散射辐射能量接近初始辐射能量, 取TVL值与初始辐射近似相同。F-入射到患者表面的辐射场面积, FreeGS-A型头部伽玛刀最大准直器^[6]规格为直径50 mm, 保守考虑取治疗束辐射场为10 cm × 10 cm; d₁-源到焦点距离, 为0.4 m; d₃-源到散射表面的最近距离, 取0.3 m; U、T、d₂、d₄取值见表 1。

以A墙为例, 计算如下:对透射辐射, 将各参数值代入方程(2), 计算出H_未屏蔽=0.282 mSv/w。代入公式(1)计算出墙体厚度为39 cm。对人体表面散射, 将各参数值代入方程(3), 计算出H_未屏蔽=0.71 mSv/w。代入公式(1)计算出墙体厚度为33 cm。当计算给出的不同辐射所需的屏蔽厚度其数值相差一个1/10值厚度或更大时, 一般应采用其中较厚的屏蔽厚度; 若相差不到一个1/10值厚度, 则应当采用其中较大的屏蔽厚度并增强一个半值厚度。为保守起见, 取透射辐射的半值厚度, 即21.8 cm/3.3=6.6 cm。因此, A墙的综合屏蔽厚度为46 cm。

但是, 按照GBZ 168-2005《X、γ射线头部立体定向外科治疗放射卫生防护标准》的要求, 屏蔽墙外剂量率一般不大于2.5 μSv/h。在1 m处透射辐射的剂量率为:

4 × 10^-3 × 60 × 0.4²(在焦点处最大剂量率4 Gy/min)=38.4 × 10^-3Gy/h=38.4 × 10³ μGy/h。

在6.1 m处的剂量率为1.03 × 10³μGy/h。46 cm厚A屏蔽墙的减弱系数为129(nTVL=46/21.8= 2.11, 10^2.11=129)。因此, 墙外剂量率为(1.03 × 10³)/129=7.98 μSv/h, 大于2.5 μGy/h。为了满足GBZ 168-2005标准的要求, A墙厚度需增加2个HVL厚度, 即X=46 cm+2 × 21.8/3.3=60 cm。

同理可计算其他各墙厚度。头部伽玛刀机房屏蔽验证计算结果列于表 1。另外, 为对防护门进行评价需估算迷宫外出口处剂量率。

5)

式中:D_t-经B墙(60 cm厚)屏蔽后的迷宫口处剂率; D₀-距源1 m处剂量率, 38.4 × 10⁶ μGy/h; η-透射系数, 1 × 10^-3; d-源到迷宫口距离, d=6.0 m ([4.35²+4.125²]^1/2); k-B墙屏蔽减弱系数, k= 10^nTVL, nTVL=60/21.8=2.75, k=562。

将上述参数代入方程(5), 得到D_t=1.9 μGy/h。

对人体表面散射, 计算方程为:

6)

式中:D_s为经B墙(60 cm厚)屏蔽后的迷宫口处剂率; D₀-38.4 × 10⁶ μGy/h; α-散射角90°, 散射系数为9.1 × 10^-4; F-100 cm²/400 cm²; d-6.0 m; k-B墙屏蔽减弱倍数, k=10^nTVL, nTVL=60/15.1=3.97, k =103.97=9 332。

将上述参数代入方程(6), 得到D_s=0.03 μGy/h。因此, 在迷宫外出口处总剂量率为:1.9 μGy/h+0.03 μGy/h=1.9 μGy/h, 低于2.5 μGy/h的要求。建设单位拟安装18 mmPb当量防护门, 属过度防护, 可适当减小厚度。

2.3 屏蔽厚度计算结果及评价

各墙屏蔽厚度的计算结果见表 1。由表 1验证计算结果可看出, 各墙设计厚度符合防护要求, 其中C墙和D墙设计厚度均远大于验证厚度, 防护过于保守。

3 机房防护检测结果评价

头部伽玛刀机房的屏蔽防护检测结果见表 2。

从表 2可以看出, 除位置⑨略高于γ外照射天然本底值外, 其余各点近似为天然本底值, 附加照射剂量很小。预期放射工作人员和公众所接受的年剂量小于相应的年剂量管理控制值。辐射防护屏蔽效果符合《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》中的规定要求。

4 讨论

根据IAEA第47号报告提供的估算方法对选取的头部伽玛刀机房的屏蔽厚度进行估算, 各项参数值选取都是依据实际情况选择。由表 2的检测结果可看出, 除体刀机房外, 各检测点检测结果均接近天然本底值。从验证计算结果可以看出, 设计方案中各屏蔽墙设计厚度均符合防护要求, 其中C墙和D墙设计厚度均远大于验证厚度, 防护过于保守, 可适当减少厚度, 达到防护最优化目标。