放射治疗是肿瘤治疗的一种重要手段, 医用直线加速器是放射治疗的重要设备, 已在越来越多的放疗部门安装使用。随着我国肿瘤防治工作的发展、医疗水平和经济实力的提高, 一些医院, 特别是省级肿瘤专科医院都建成了拥有多台医用直线加速器的放疗中心。加速器机房一般以混凝土为屏蔽材料, 屏蔽墙很厚, 建筑成本非常高。本文将探讨多台医用直线加速器机房集中在一起, 怎样才能在确保所有受到照射的各类人员(包括放射工作人员和附近的工作人员和公众)不超过个人剂量的限值的前提下, 利用机房的合理布局达到节约建筑成本的目的。

1 单机房的设计

在探讨多机房布局方案优化前, 首先分析单个机房的布局。单个机房因治疗室、迷路和控制室布局不同有不同的设计方式, 以机器水平照射时不朝向迷路的设计思路, 有两种基本设计方案, 见图 1、图 2。

主要依据GBZ/T 201.1 -2007、GBZ/T 201.2 -2011、NCRP No.151、IAEA No.47和NCRP No.144等国内外相关的技术规范和标准^[1-5], 放射工作人员的年平均有效剂量不超过20 mSv /a, 公众成员年有效剂量不超过1 mSv /a。为达到上述标准, 首要的就是要使加速器机房的防护墙达到安全的厚度。加速器机房防护墙设计主要是考虑原射线、散射线和漏射线三种射线的防护。原射线用主屏蔽墙防护, 散射线和漏射线用侧屏蔽墙等防护。其墙的厚度△用下面等公式计算获得:

1)

2)

上面两式中: TVL为建筑材料的1 /10值层厚度; Eu为距靶100 cm处, 标准射野面积10 cm × 10 cm的输出剂量率; E_L为机头漏射线强度; E_s为散射线强度; t为出束时间; n为安全系数; U为使用因子; T为居留因子; P为受照人员的剂量限值; d为放射源到防护计算点的距离。另外, 加速器机房除考虑防护墙厚度外, 还要考虑机房面积、迷路走向、主屏蔽墙的宽度、通风以及高能射线的中子防护等, 此处不一一详述。

在机房的放疗中心的设计与布局中, 首先要求机房的防护设计能够达到防护标准。在《放射治疗机房的辐射屏蔽规范的第2部分:电子直线加速器放射治疗机房》 (GBZ /T 201.2-2011)中, 假定如下条件计算, 机房使用空间几何尺寸:长(主束墙间距) 7 m、宽6 m、高(机房顶主屏蔽区内表面至地面的距离) 3.2 m。机房顶主屏蔽区向机房内凸。等中心位于机房的中心, 距地面1.3 m。迷路横宽2.1 m, 迷路内口宽度2.2 m。机房中的放射治疗装置: X射线: 6 MV、10 MV、15 MV和18 MV; 等中心(距靶1 m)处的剂量率H_o = 2.4 × 10⁸μSv /h; 机头泄漏辐射比率r = 10^-3;等中心处的最大治疗野面积40 cm × 40 cm。墙和门外相应位置的剂量率控制水平设为2.5 μSv /h, 屋顶的剂量率控制水平设为100 μSv /h。该标准的附录D之表D.1给出典型机房的混凝土屏蔽设计(见表 1)。

从表 1可以看出, 典型机房的有用束主屏蔽墙、与主屏蔽区直接相连的次屏蔽区、侧屏蔽墙、迷路外墙、迷路内墙的厚度各不相同, 主屏蔽墙厚度大于侧屏蔽墙, 侧屏蔽墙厚度大于迷路外墙。其中主屏蔽墙厚度近似为侧屏蔽墙的厚度的2倍。在墙的高度和长度相同的情况下, 主屏蔽墙的建筑面积要大于侧屏蔽墙、迷路外墙, 建筑主屏蔽墙的成本将高于侧屏蔽墙、迷路外墙。

2 两个机房布局的探讨

两个机房的布局是在单个机房的基础上组合起来的。两个机房可以采取机房背靠背的"一"字形布局, 通过共用一面墙以节约建筑成本。在机房的屏蔽剂量检测中, 通常是机房外周以机房出入口处散射剂量相对较高, 如果两个治疗室的出入口相对(见图 3、图 4), 两个治疗室之间辐射防护的影响相对较大(特别射线能量> 10MV时更明显), 对进出加速器机房的工作人员和患者均不安全, 因此, 机房门相对的布局设计最好不予考虑。

图 5中仅仅共用了操作室的后墙, 图 6中共用了一面主屏蔽墙, 图 7中共用了一面侧屏蔽墙, 它们的防护墙数量情况见表 2。

由于主屏蔽墙的厚度大于侧屏蔽墙, 侧屏蔽墙的厚度大于操作室的后墙, 故主屏蔽墙的建筑成本大于侧屏蔽墙, 侧屏蔽墙的建筑成本又大于操作室的后墙, 因此三种方案中, 方案2的成本最小, 方案1的成本最大。同时方案2减少了墙体的建筑面积, 也就是增加的机房的使用面积, 对加速器的操作使用更有利。

3 四个机房布局的探讨

多机房的布局方式有多种, 以4个机房为例, 主要以"一"字形和"田"字形布局为主。以"一"字形排列, 主要布局方式见图 8、图 9(箭头所示为机房出口, 方案1基于单机房基本设计1, 方案2基于单机房基本设计2)。

以"田"字形排列, 主要布局方式见图 10~图 12 (方案3和方案4基于单机房基本设计1;方案5基于单机房基本设计2)。

在"一"字形和"田"字形的机房布局排列中, 还有其他很多布局方式, 不再一一叙述。四个机房布局中, 它们的防护墙数量情况见表 3。

从上表中可以看出:在一字布局中, 同样为13面屏蔽墙, 方案1比方案2少的是三面侧屏蔽墙或迷路外墙, 方案2比方案1少的是三面主屏蔽墙, 故方案1的建筑成本要大于方案2;以"一"字形排列的方案1和2共用了三面屏蔽墙, 而以"田"字排列的方案3、4、5都共用了四面屏蔽墙, 田字布局比一字布局少一面屏蔽墙, 故田字布局的建筑成本比一字布局小。在田字布局中, 由于迷路外墙的厚度小于侧屏蔽墙, 故方案4和方案5又优于方案3。

4 结论

从这两个例子可以得出, 在多个加速器机房的设计中, 只要充分利用机房与机房之间共用墙的特点, 选择合理的布局方案, 就能在确保辐射防护与安全最优化和个人剂量当量限值的原则下, 尽量的减少基建成本; 同时减少墙体的建筑面积, 也就是增加机房使用面积。在实际设计中, 电子直线加速器机房并不仅仅需要考虑主屏蔽墙、迷路外墙和侧屏蔽墙, 还有迷路内墙、迷路外墙、次屏蔽墙, 以及墙的长度等因素, 而且机房的布局也受到医院建筑用地的限制, 综合所有因素, 就能在确保辐射防护与安全最优化和个人剂量当量限值的原则下, 优化机房布局, 在最大限度降低基建成本。