根据世界卫生组织WHO发布的世界癌症报告2014(World Cancer Report 2014)，2012年新增的癌症病例超过1 400万，死亡820万。预测在2025年，全球新增癌症病例的总数将超过2 000万。癌症正成为威胁人类健康的主要因素之一，因此癌症的预防和控制显得十分迫切^[1]。放射治疗三大手段之一的放射治疗因癌症的发病数增加也越显重要，其技术也得到同步发展，其中的质子治疗因其独特的物理特性和优越的放射生物学特性，优于传统的光子治疗近年被广泛引进^[2]。质子治疗过程使用的质子束为高能带电粒子，与物质的相互作用较为复杂，且在治疗场所的屏蔽防护上缺少相应的经验。

本研究参照广东省内某质子治疗室屏蔽设计，利用由意大利核物理研究所(INFN)和欧洲核子研究中心(CERN)联合开发的基于蒙特卡罗方法的FLUKA 2011.2x.2程序，建立质子治疗室屏蔽计算模型，模拟质子治疗室的剂量分布，分析优化质子治疗的屏蔽防护设计方案。

1 材料和方法 1.1 材料

参考广东省内某在建的质子治疗室屏蔽结构，构建几何模型，几何模型见图 1所示。研究对象主体尺寸见图 2所示。研究对象四周墙体、顶棚和地板均为普通混凝土，其厚度见表 1。普通混凝土的密度为2.35 g/cm³。靶材料结构为30 cm×30 cm×40 cm的水靶，水的密度为1.0 g/cm³。考虑模拟计算时间成本与几何复杂程度成正相关性，忽略治疗床、穿墙管道等对辐射场的剂量分布影响。

1.2 束流参数

模拟束流的能量和强度均为该质子治疗装置能达到的最大值。最大质子能量为240 MeV，束流强度为3.0 nA(6.75×10⁷粒子/s)。研究对象为旋转治疗室，束流方向为360°旋转，本研究选择对工作人员影响较大的方向水平西偏北方向进行计算。

1.3 模拟输出

模拟历史数为1.00×10⁹。输出工作场所中子周围剂量当量率、γ周围剂量当量率和两者之和。治疗室的长、宽、高各设置成210、280和210层进行记录，每层层厚10 cm。

2 结果 2.1 治疗室辐射场周围剂量当量率分布

FLUKA模拟质子束流方向为水平西偏北时，治疗室控制室墙外周围剂量当量率一维分布如图 3所示，控制室墙外30cm处的中子和γ射线周围剂量当量率一维分布如图 4和图 5所示。由模拟结果可知，束流西偏北照射时，治疗室控制室周围剂量当量率最大为3.12 μSv/h，大于GBZ/T 201.5—2015的要求。

2.2 治疗室控制墙壁屏蔽方案调整后的周围剂量当量率分布

将控制室墙壁250 cm混凝土墙改成5 cm钢板(机房侧)+237 cm混凝土+8 cm聚乙烯(控制室侧)后，治疗室控制室墙外30 cm处周围剂量当量率一维分布如图 6所示，治疗室控制室周围剂量当量率最大为1.43 μSv/h，满足GBZ/T 201.5—2015的要求。

2.3 不同屏蔽结构对治疗室周围剂量当量率分布的影响

在不改变调整后屏蔽方案的屏蔽厚度的基础上，调整屏蔽材料的组合方式，将控制室墙壁250 cm混凝土墙改成8 cm聚乙烯(机房侧)+237 cm混凝土+5 cm钢板(控制室侧)后，控制室周围剂量当量率一维分布如图 7所示，治疗室控制室周围剂量当量率最大为3.95 μSv/h，不满足GBZ/T 201.5—2015的要求。

3 讨论

用于质子治疗的质子能量均大于100 MeV以上，该能区的质子与物质作用主要以电离和激发过程为主，同时该能区的质子也会进入原子核内，与原子核发生核内级联反应。核内级联反应主要有(p，n)、(p，pn)、(p，2n)、(p，α)、(p，γ)等，以上核反应会产生瞬发中子、γ和π介子等。π介子静质量能为140 MeV，产生阈能为150 MeV，因此该能级的质子的核内级联反应可以产生π介子，但其产生截面很小，在300 MeV时，也仅为0.001 mb左右，因此可以忽略π介子等稀有粒子的影响。在产生的次级粒子中，带电粒子因电离作用迅速停止，因此从靶出来的主要是次级中子和γ。其中产生的中子能量由低到高可分为热中子、蒸发中子和级联中子三部分，其中级联中子的能量在20 MeV以上，且占50%以上^[3-4]。

质子治疗室辐射辐射场相对较复杂，但主要是中子和γ射线，其中中子的贡献占主要部分。本研究的计算也验证了这一点，因此在质子治疗场所的屏蔽防护的计算或者设计上只需要考虑中子^[5-7]。

中子辐射屏蔽的原理是将能量在0~1 keV的慢中子吸收, 将能量在1 keV以上的中能中子、快中子以及高能中子减速。因此中子的屏蔽分为两个环节，第一个环节是核反应产生的高能中子碰撞慢化剂发生非弹性散射损失能量。再利用含氢的物质通过弹性散射，将中子的能量降低到热能区。第二个环节是慢中子的吸收过程，主要是通过中子吸收材料将热中子吸收^[8-9]。根据本研究的模拟计算可以看出，内层屏蔽选用钢板能有效将控制室内的周围剂量当量率水平降低到标准要求的2.5 μSv/h以内。同样内层换成聚乙烯，控制室内的周围剂量当量率反而在原屏蔽方案的基础上增加。因此，该模拟结果也验证了质子治疗使用的质子束与靶作用产生的中子能量绝大部分是高能中子和快中子。

因此对于质子治疗室的屏蔽防护，选择一定厚度的高原子序数的材料布置在内层用于与高能中子和快中子的非弹性碰撞，将中子能量降低到1 MeV以下，再采用含氢或者轻核素材料通过弹性碰撞将中子能量降低为可被吸收的热中子，最后用吸收截面大的材料吸收热中子。

中子活化是感生放射性的主要形式，不同的元素与中子作用活化的反应截面相差比较大，医用辐射的防护在关注工作人员的防护的同时，还需要兼顾患者的防护。以上关于质子治疗室的屏蔽防护尽是从工作人员的角度出发，选择内层增加高原子序数的材料来降低工作人员操作位的剂量，以达到国家标准的要求。内层不同元素的材料与中子发生相关作用，会被中子活化产生感生放射性，由于其与中子反应的截面不同，在治疗室内的感生放射性的产生量也不同^[10]。因此，后续可从综合考虑工作人员防护和患者防护角度出发，对不同的材料组合形式对质子治疗室内感生放射性的剂量分布影响情况进行研究。