医用电子加速器在肿瘤治疗过程中, 由于电离辐射与空气作用, 产生有害的臭氧和氮氧化物。它们不仅对人体有害, 对设备也有害。了解加速器治疗过程中产生的这些气体的浓度, 对保护工作人员和设备, 均有重要的意义。

1 方法 1.1 测量方法

用美国热地公司制造的49型紫外分光臭氧测定仪测量臭氧, 读数精度为2×10^-3 ppm。对CY-10型电子加速器和SL75 -20型电子加速器产生的臭氧浓度进行了测量。为了模拟治疗情况, 测量时, 每次照射(治疗)持续时间1.0~1.5 min, 每次照射之间的间隔时间约4 min。测量用体模为47 cm ×47 cm× 32 cm, 32 cm ×32 cm ×27 cm的水模和30 cm×29 cm×17 cm的有机玻璃体模。测量仪器探头置于工作人员摆位区域。测量条件见表 1。

1.2 计算方法

治疗室没有通风换气、臭氧没有分解时, 电子束在运行空间内产生的臭氧浓度Co(ppm)^[1]

(1)

(2)

式中E, 电子动能(MeV); I, 电子束流(mA); S_col, 标准状况下电子在空气中的碰撞阻止率(keV·cm^-1); d, 电子束在空气中运行的距离(m); t, 开机(治疗)照射时间(min); F, 照射面积(照射野)(m²); D·, 照射位置的吸收剂量率(Gy·min-1);V, 臭氧分布体积(m³); lg, 常用对数符号。

照射结束后, 某时刻臭氧浓度C(ppm)^[1]

(3)

式中T, 照射结束时刻到考查臭氧浓度时刻所经历的时间(h); N, 治疗室每小时换气次数(h^-1), 等于换气风速除房间体积; e, 自然对数的底。

2 结果和讨论

表 2列出了稳定状态(照射次数不少于10次)时臭氧浓度的一些典型测量结果。为了比较, 测量结果按高于本底浓度平均值的倍数(浓度比)值列出。

2.1

加速器按常规模式进行治疗时, 在每小时通风换气次数较多(10次或更多)条件下, 产生的臭氧浓度是很低的, 远小于环境空气中臭氧一级标准(5.6·10^-2 ppm)^[2]。这可能是因为治疗时一次传递剂量200 cGy至400 cGy左右, 照射时间短(1 min左右)的缘故。但经多个病员治疗后, 臭氧浓度将逐渐积累。治疗室若无换气, 浓度将积累至危害工作人员健康的程度。例如, 对于20 MeV能量电子在等中心处1分钟传递300 cGy吸收剂量的单次治疗, 在照射空气体积内, 形成的臭氧浓度约0.041 ppm, 连续治疗10位病人后, 累积浓度可达0.41 ppm, 将超过0.14 ppm的安全界值^[3]。

2.2

臭氧主要出现在辐射照射区。这是因为在短时间(1 min左右)照射产生的臭氧尚来不及扩散到整个治疗室。测定或者估算臭氧浓度时, 应以此区域为准, 否则会得出不太符合实际的结果。因为这个区域是工作人员为病人摆位的区域, 臭氧不及时排除将使其浓度超过国家标准, 会对工作人员身体健康造成影响。为了保护工作人员, 前一位病人治疗结束后, 须等待一段时间, 待降至可以接受的浓度后, 才宜为下一位病人摆位。只有加大换气次数, 才能缩短等待时间, 增加治疗人数, 提高工作效率。例如, 将上述0.41 ppm降至0.14 ppm所需等待时间, 若每小时换气4次, 为7.0 min; 若每小时换气10次, 只为2.8 min。

2.3

无换气时出现的臭氧浓度比有换气时的高。例如, 25 MeV能量辐射在距辐射源1 m处传递剂量率400 cGy·min^-1, 每小时换气8次时, 臭氧浓度为6 ×10^-4 ppm; 无换气时, 为4.8 × 10^-3ppm^[4]。为了降低臭氧浓度, 加强治疗室通风换气是非常重要的。

2.4

辐射治疗是逐个进行的。有换气时, 臭氧不断产生又不断被排除。随着治疗人数增加, 浓度将逐渐增加。增加程度与换气次数有关。换气次数多, 增加缓慢。例如, 为1位病人摆位和治疗花5 min的条件下, 治疗10位病人后, 每小时换气4次时, 累积浓度约为产生浓度的3.4倍; 每小时换气10次时, 累积浓度只有产生浓度的1.8倍左右。因此, 增加治疗室通风换气次数, 有利于臭氧浓度降低。

2.5

辐射能量愈高, 臭氧产额愈大。在空气中, 每100 eV能量形成的臭氧分子为3~9个^[1], 有的资料为7.4~10.3个^[5], 多的达13.8个^[4]。辐射能量愈高, 单位距离内辐射传递给物质的能量愈多, 形成的臭氧就愈多。因此, 为了降低臭氧浓度, 随着辐射能量的增高, 换气次数应增加。

2.6

同能量条件下, 用X射线模式治疗时产生的臭氧浓度比用电子线模式治疗时产生的低。这可能是因为X射线是由电中性的光子组成, 它不像电子那样直接使空气电离。臭氧产量与空气电离程度有关。每5个离子对将产生1个臭氧分子和4个氮氧化物分子。^[6]空气电离程度愈高, 臭氧也就愈多。X射线电离本领虽不及电子, 但在X射线剂量大, 照射时间长, 照射体积大的条件下, 对臭氧也应给以足够重视。

3 小结

电子加速器进行辐射治疗时, 会在照射区域出现有害的臭氧, 其生成率和浓度大小与加速器发射的辐射种类, 粒子能量, 治疗剂量, 治疗时间, 照射野, 辐射在空气中运行路程, 治疗室通风换气状况等因素有关。可用文中参数关系式估计摆位治疗区内出现的臭氧浓度, 为了保障工作人员和患者身体健康, 保护设备, 必须加强治疗室通风, 使臭氧浓度降低到最小程度。