医用直线加速器作为在肿瘤治疗方面常用的治疗仪器, 使用期间必须控制其辐射剂量对环境、医护人员及患者的辐射影响。因治疗室建成后修改难度较大、成本较高, 所以治疗室设计之初的墙厚设计就显得尤为重要^[1]。

屏蔽墙厚度的设计可根据治疗室的构造, 参考GBZT 201.2-2011和NCRP REPORT No.151计算得出, 该方法较成熟且被广泛运用。同时Monte Carlo方法在粒子输运计算方面已得到广泛应用^[1], 可应用于辐射剂量计算。本文根据广州某大型医院提供的医用直线加速器治疗室设计要求, 用理论计算和蒙卡模拟方法有效地设计了治疗室屏蔽墙厚度。

1 材料与图纸 1.1 加速器治疗室

加速器有用线束朝向迷路内墙方向, 治疗室内径尺寸, 墙体材料使用的混凝土密度为2.35 t/m³。治疗室平面图见图 1。

1.2 医用加速器

主要性能指标:加速器最高能量: 10 MV, 泄漏辐射为有用线束剂量的0.1%。源轴距为100 cm, 等中心高度为1250 mm, 最大剂量率为2400 MU/min, 最大照射野为40 cm × 40 cm, 射线出射半角为14°。

2 屏蔽墙厚度计算 2.1 主屏蔽区和侧屏蔽区

主屏蔽区剂量关注点见图 1中的a、b、l, 侧屏蔽区剂量关注点为c、d, 屏蔽墙厚度按下式计算:

式中, TVL为什值层。为关注点剂量率参考控制水平(μSv/w), , 其中, U为使用因子, T为居留因子。周参考计量控制水平H_c=5 μSv/w, R为辐射源点至关注点的距离(m)。对主屏蔽区有用线束为1, f对侧屏蔽区的泄漏辐射为泄漏辐射比率。

2.2 与主屏蔽区相连的次屏蔽区

与主屏蔽区相连的次屏蔽区关注点为e、m, 考虑泄漏辐射和患者散射辐射的复合作用, 以患者散射辐射剂量率控制值1.25 μSv/h估算屏蔽厚度, 取患者散射角为, 屏蔽墙厚度按下式计算:

式中, R_s为等中心点到关注点的距离(m); α_ph为患者400 cm²面积上垂直入射X射线散射至距其1 m (关注点方向)处的剂量比例, 又称400 cm²面积上的散射因子; 为治疗装置有用束在等中心处的最大治疗野面积, cm²。

计算有用线束主屏蔽区半宽度时, 采用偏安全的计算。

2.3 迷路内墙、外墙

该治疗室的有用线束朝向迷路内墙照射, 迷路入口处的辐射剂量主要包括三个部分: H1-辐射散射(路径o-i-g); H2, 穿过内墙的有用线束散射(路径o2-j-g); H3, 泄漏辐射穿过迷路内墙到达迷路入口处(路径o1-g), 路径见图 1。由于这里不求防护门的厚度, 只需要求得迷路内墙的厚度, 所以H1辐射剂量不考虑, 取Y1和Y2中的较大者作为迷路内墙厚度。外墙厚度为主屏蔽区厚度减去内墙厚度。

Y₁:取, 根据GBZ/T 201.2的公式(4)、(5)确定迷路内墙需要达到的屏蔽厚度Y₁。

Y₂:取, 屏蔽厚度为:

式中, α_w为散射因子; R为有用线束在屏蔽墙上的投影点与计算点的距离(m)^[2-4]。

2.4 屏蔽墙厚度计算结果(表 1) 3 蒙卡模拟

在X射线源的模拟方面, 由于电子打靶后产生的X射线的能量分布要经过准直器和均整器, 进而得到较为一致的能量分布, 所以本文取均整后的X射线的最大能量作为X射线的能量值。用蒙卡方法对上文计算所得墙厚进行模拟验证, 在距离屏蔽室外离墙30 cm处各关注点设置探测器并转换剂量得出模拟剂量率都小于剂量率上限值, 各关注点剂量率表 2。

可以看出, 理论计算结果偏保守估计, 提高了建造成本。

4 结论

从蒙卡模拟所得的结果可知, 各关注点剂量率都小于上限值, 有部分关注点剂量率远远小于上限值。一方面验证了理论计算的墙体厚度是能够达到屏蔽要求的, 另一方面, 理论计算结果较蒙卡模拟偏保守, 增加了不必要的成本。

鉴于本文在蒙卡模拟中处理X射线能量的问题上忽略了其能量分布, 使得模拟结果较为粗糙, 且考虑到实际施工中, 诸如混凝土密度是否达标, 施工技术是否达要求等都影响着屏蔽室的质量, 所以建议采用理论计算设计墙厚, 再用蒙卡方法模拟验证该设计厚度的正确性, 结合两种方法, 可以为施工建设提供很好的参考价值。