随着近年来放疗技术的不断发展，10 MV以上的X射线在肿瘤临床治疗中的使用频率越来越高^[1]。外照射放疗中使用的高能光子束具有较强的穿透能力，能够对放疗场所及周围环境造成一定的辐射威胁，因此放疗场所的辐射水平是放射防护监督工作的重要内容, 放疗场所的辐射水平及防护设施必须满足国家的有关要求^[2-3]。

新建或改建的放疗场所的辐射水平评测，通常采用实地测量的方法进行数据收集，测量数据主要包括放射源安装前后的放射工作场所及周围环境的空气吸收剂量率^[3]，通过对比前后测量的数据来判断防护设计的优良，依据实地测量的结果来评价某场所的辐射水平是否达标。实地测量的优点是可以直接准确地获得某场所的辐射水平数据，但获取数据的时机必须选择在放射场所改建或新建工程基本完成之后，当测量的结果无法满足有关标准时，该放射场所则必须返工甚至重建，然后再进行新一轮的测量。因此某些放疗单位在进行加速器机房建造时往往会高于防护标准进行设计施工，由此会造成不必要的资源浪费。

蒙特卡洛方法是核物理领域研究粒子输运问题时常用的研究方法之一^[4-5], 近年来其在辐射防护领域的应用也日益受到关注^[6]。蒙特卡洛方法的优势在于其可以借助先进的现代计算机技术，将所要研究的粒子输运过程在实际实验开始之前进行相关的模拟运算，根据运算的结果调整或设计新的实验方案。在放射治疗领域，蒙特卡洛模拟可以为加速器机房的优化设计、环境剂量估算、中子屏蔽设计等方面提供有力帮助^[7]。

本文利用蒙特卡洛方法对某放疗场所的加速器机房进行了模拟研究，构建了加速器及治疗室的物理模型，对加速器在治疗室内和迷路内产生的光子和中子数据进行了收集，通过计算得到该场所加速器等中心层面的辐射剂量分布图，并对该加速器治疗室的辐射环境进行评价。

1 材料与方法 1.1 蒙特卡洛程序及程序运行环境

通用蒙特卡洛模拟程序GEANT4是一款用于模拟粒子输运过程的软件工具包，开发者为欧洲核子中心^[8]。该程序包的最大特点是其源代码对用户完全开放，用户可以在C++环境下根据具体需要对其程序进行改进和扩展。在实际的模拟应用中，用户通常设置的参数主要包括：物体的几何结构、粒子与物质相互作用的物理过程、粒子源信息、粒子记录信息等。

本研究使用的蒙卡程序包为GEANT4.9.02版本，计算机操作系统为64位Ubuntu 13.02LTS-Linux系统，内核个数为12核，中央处理器为Intel Xeon(R)，主频为3.07 GHz，C++编辑器为Emacs。

1.2 加速器机房的模型构建 1.2.1 医用直线加速器的模型构建

医用直线加速器是常见的放疗外照射设备，它利用高频电磁波驱动真空加速管中的电子，使其获得兆伏特级别的能量用来治疗浅层肿瘤，或通过轰击高原子序数靶材的方式提供连续能量的韧致辐射光子，用以治疗深部肿瘤^[9]，其机头结构和几何空间参数如图 1和表 1所示。按照图 1和表 1所示参数，在G4_DetecterConstruction类文件中编写程序代码，构建直线加速器机头模型。高能电子束由发射枪口(Gun)依次经过初级准直器、真空腔、均整器、电离室、次级准直器等结构，得到满足剂量分布要求的X线治疗束^[10]。其中电子束打靶的过程是在密闭的真空腔内完成，靶和初级准直器均由金属材料钨构成，次级准直器及机头的屏蔽体均使用金属材料铅，其尺寸厚度见表 1。本研究的加速器模型为美国VARIAN公司生产的Clinac iX型加速器，出束模式为15X档位光子射线。

1.2.2 机房的模型构建

加速器机房一般由放射治疗室、迷道、屏蔽墙体、防护门、操作间等部分组成，本文参照我院加速器二室的空间结构，构建了放射治疗室及其周围走廊环境的物理模型。如图 2所示，加速器安装在治疗室的中间位置，治疗室的空间是由厚度为150 cm的混凝土屏蔽墙体围建而成，通过“回”形迷道与外界走廊相连通，铅防护门的厚度为30 cm。

1.3 物理过程

GEANT4为用户提供了众多的物理模型，如：G4EM、G4Livermore、G4Penelope等，这些物理模型涵盖了许多核物理学科中的物理过程，本研究选用的物理模型为G4Penelope，其中包含的光子物理过程主要有光电效应、康普顿散射、对效应，光核反应等；电子(正电子)的物理过程主要有多次散射、电离、轫致辐射、正电子湮灭等^[7]，光子截断能量设置为0.01 MeV，电子截断能量设置为0.2 MeV。

1.4 模拟过程

直线加速器产生的高能电子束通过轰击靶材料而产生轫致辐射光子，光子的能量由电子束的能量决定，在无病人接受治疗的情况下，加速器产生的光子束以及散射光子会被治疗室内的空气和屏蔽墙体吸收。在GEANT4程序中构建治疗室及加速器机头模型，光子束的射野范围设置为20 cm×20 cm方形野，机架角度分别取0°、90°、180°、270°四个角度^[3]，在加速器等中心所在层面选取体积为10 cm³的空气设置为计数单元，治疗室的及迷路在等中心层面的总计数单元为3 600个。在G4PrimaryGeneratorAction类中编写代码，将入射电子的能量设置为15 MeV，光子的输出剂量率设置为400 MU/min。高能电子束打靶产生的轫致辐射光子经过各计数单元时，会在计数单元体积内的空气中产生能量沉积，根据公式

$ D = \frac{{dE}}{{dm}} $

1)

平均能量沉积dE与单位体积空气质量dm的比值即为该计数单元的吸收剂量。

加速器产生的高能光子束与机头高Z材料会发生光核反应而产生中子，这些中子会在治疗室内产生额外的剂量，对病人和摆位技师造成不确定的剂量累积。本文的模拟研究中考虑了这一现象，并在G4Physics类中添加了光核反应的物理过程，光核反应产生的中子经过各计数单元时也会产生能量沉积，并被记录下来。

2 结果

采用网格计数的方法，将等中心层面上各计数单元的能量沉积读取出来，根据公式(1)便可换算出等中心层面各计数单元的吸收剂量，利用绘图软件可得到等中心高度处治疗室及迷墙内的剂量当量分布图。图 3(1)~(4)分别为加速器机头向上、向下和向左、向右时治疗室内的辐射剂量分布图，图中的剂量单位是mSv/h。由图 3(1)、(2)可见，等中心处治疗束剂量率约为2.6×10⁵ mSv/h，经过空气散射之后，辐射剂量率随着距离的增大而显著减小，在距离等中心1 m的位置上剂量率已下降到10² mSv/h级。随着距离的继续增大，辐射剂量率呈现缓慢减小的趋势，此时的等剂量线接近呈现圆形状态。而迷道内的剂量线基本上呈现平行分布的趋势，在内入口处辐射水平降为10 mSv/h级，经过迷道至铅门区域，辐射水平已经降到了10^-3 mSv/h级。此外，对比图 3(1)、(2)还会发现，等剂量线在靠近机房北屏蔽墙的位置时出现了一定的漂移，加速器机头方向向下(机架角度为0°)时漂移尤为明显，这表明了在机房北部X射线的剂量率受到散射线的贡献较大。由于北屏蔽墙距离机头位置较近，且机身及众多辅助设备皆分布在机头北侧，因此在机头向下出束时，来自地表和北墙的散射线经过较短的距离就进入探测区域，导致等中心平面内的等剂量线出现一定的漂移。

在射线方向向左及向右时图 3(3)、(4)，主射束透过空气到达周围的屏蔽墙。由于迷道内入口分布在机房右侧，机头方向向右图 3(3)时进入迷道内的射线量较多，形成了更多的散射，导致在内入口区域剂量率明显大于方向向左时的水平。观察四张图中迷道转折处的辐射剂量线可以发现，经过迷道内路的一次转折，辐射水平下降了一个量级。

3 讨论

放射治疗场所辐射剂量水平的检测是保证放射治疗活动正常开展的重要环节，也是保障放疗患者和医务人员辐射安全的必要部分^[3]。本文利用蒙特卡洛方法构建了简易的医用加速器机头结构模型，并利用该模型对15 MeV电子打靶过程进行了模拟，参考加速器在机房内的实际使用模式，模拟计算了机头朝向不同方向时机房内各区域的辐射剂量率水平，并根据结果绘制了该场所的辐射剂量分布图。由辐射剂量分布图可见，机房内部的辐射剂量率随距离的衰减并不是呈现严格的距离平方成反比规律，这是由于机房空间并非严格的对称结构，南北屏蔽墙距加速器治疗中心的距离也不相同，且加速器机头周围分布着较多的辅助设备，这些设备也会对光子产生一定的吸收与散射。另外，高能光子与加速器机头高Z材料会发生光核反应产生中子，尽管这部分中子的产额较低，但也会对加速器机头周围空间的辐射剂量水平造成影响。

观察迷道内入口的剂量线分布规律可知，X射线经过一次转折后其剂量水平下降了一个量级。此外对防护门外的剂量水平进行收集测算，得到走廊内的辐射水平不足0.000 1 mSv/h，表明防护铅门很好地屏蔽了迷道出口处的散射线。

通常情况下，6~10 MV的X射线已经能够满足大部分的光子治疗要求^[11]，本研究模拟了15 MV光子射线的输出情况，目的就是检验该场所的防护设计能否达到最大能量输出时的防护要求。结果显示，该场所屏蔽墙体与防护铅门的设计能够满足加速器最大能量输出时的防护要求。在模拟研究中发现，若将铅门的厚度减少一半，计算得到走廊处的剂量水平仍然小于0.000 1 mSv/h，可见该治疗室防护铅门存在过度防护的设计。

综上所述，蒙特卡洛方法能够利用计算机技术建立虚拟的直线加速器和放射治疗室的物理模型，对加速器的射线输出特性、剂量分布规律以及治疗室的防护设计进行一定程度的模拟运算，模拟结果可与实际测量结果进行对比，以验证模拟的准确性^[12]。同时，对已建的加速器机房进行模拟计算，既可以对现有机房的辐射环境进行评价，也可以为即将建造的新机房的设计提供数据支持和设计思路，具有一定的实际意义。