根据国家标准GBZ126 - 2002对医用加速器治疗室的防护要求, 为保障周围环境的安全, 有用线束直接投照的防护墙(包括屋顶)按初级辐射屏蔽要求设计, 其余墙壁按次及辐射屏蔽要求设计。X射线能量超过10MV的加速器屏蔽设计应考虑中子的辐射防护。笔者主要验证医用加速器治疗室屏蔽防护简易计算方法的应用价值。

1 材料和方法 1.1 加速器

瓦里安Clinac23EX医用电子直线加速器, X射线能量为15MV、6 MV; 电子线能量为6MeV、9MeV、12MeV、15 MeV、18MeV、22MeV。

1.2 辐射防护设计依据^{[1 ~ 3]} 1.2.1 防护墙的计算

(1) 原射线S_u =TVLlog₁₀[(W·U·T·n)/(P·d₁²)]

(2) 散射线S_uS = TVL_clog₁₀[(a·W·U·T)/(P·d₁²·d₂²)]

(3) 漏射线S_uL =TVL_clog₁₀[(a·W·U·T·n)/(P·d₁²)]

(4) 漏散射线

S_Uls = TVL_clog₁₀{[(a·W·U·T)/(P·d₁²)] ×(n +1/d₂²)}

式中: S_uS_uSS_uLS_Uls是密度为2.35g/cm³的混凝土屏蔽墙的厚度, 单位是m。W为每周工作负荷, 放射治疗中, 指距放射源1m处每周治疗机的输出总剂量, 它由治疗机每周內治疗患者人次数和野次数, 以及每次患者所接受的平均剂量的乘积确定, 其单位为: Gy·m²·周^-1。U为使用因子, 指的是原射线(或使用射线)或散、漏射线射向防护计算点方向的剂量负荷比或照射时间比, 该值依赖于治疗机的类型(直立型或等中心旋转型)、治疗时使用的照射技术和相应照射技术的使用頻率, 例如对主防护墙和天花板, 它受照的时间只为整个照射时间的分数, 使用因子可能为1/2 ~ 1/4, 但对大面积固定侧墙照射(如全身照射), 使用因子U取1;对散、漏射线, 因所有时间都有照射, 它的使用因子必需取1。T为居留因子, 指的是各类人员停留相关区域的时间与治疗机总出束时间的比例, 用于较正有关区域的居留程度和类型, 如操作室、邻近医生诊室、邻近走廊等, 居留因子取1, 而对于那些非经常性停留的区域, 如走道、休息室等, T取1/4, 偶尔有人停留的区域, 如洗手间等, T取1/ 16。n为安全系数, 一般取2。P为每周剂量限值, 放射工作人员区, 取100μSv/w, 公众区取5μ Sv/wd。为距离因子, 指的是以米为单位, 防护计算点或防护区域代表点距放射源的直线距离, 在屏蔽设计中, 对原射线和散射线均要用距离平方反比定律, d(d₁)为靶点至计算点距离, d₂为治疗点源皮距。a为散射线与原射线强度之比, 在防护设计中, 对于高能X(γ)射线辐射, 90°散射一般取值为0.001。TVL(1/10价层)为将入射光子辐射强度衰减至1/10所需吸收体的厚度, 对15MVX射线在混凝土(其密度为2.35g/cm³)中TVL值, 对主射线TVL取43.2 cm, 对次射线(90°)TVLc取33cm。

1.2.2 防护门的计算 1.2.2.1 X射线防护

E_x=0.287(E_e/10)^0.265, E_x对应的铅半值层厚度为HVP_pl, 单位为mm, E_e为加速器X射线能量15MV, 门口剂量D_门 =5 ×10^-7D_中, D_中为4Gy/min, 控制剂量限值D_L =2.5μ Sv/h =4.2 ×10^-8Gy/min, K = D_门 /D_L, K_n =2ⁿ, 则X射线屏蔽层厚度为Δ_pb =n·HVP_PL, 单位为mm。

1.2.2.2 中子防护

迷路门口中子剂量率, 单位为Gy/ min, 门口中子剂量率限制值为P, 单位为Gy/min, 含硼聚乙烯材料对中子的半值层厚度为HVT_PL, 单位为mm, 则Kn = /P, K_n =2ⁿ, 中子屏蔽层厚度为Δ_PL =n·HVP_PL, 单位为mm。

2 结果

加速器机房主防护墙之间的宽度为8m, 次防护墙C与次防护墙D之间的宽度为8m, 机房迷路宽度为2m, 净空间高度为3.5m。加速器机头(靶)朝次防护墙D; 机座(枪)靠近次防护墙C, 加速器等中心位于机房中心。

2.1 主防护墙

每天工作按160照射野计算, 每野处方剂量2.5Gy, 加速器SSD =100cm =1m, 则d₂ =1 m, 每周工作5d, 在1m处, 加速器每周工作负荷W =160 ×2.5 ×5 =2 000Gy·m²·w^-1。

主防护墙A d₁ =4 +2.8 +0.3 +1 =8.1(计算点一般选在d₁离墙0.3m处), A墙外为公众区, U =1/4 T =1, n =2, P = 5μSv/w =5 ×10^-6Gy/w

S_u =TVLlog₁₀[(W·U·T·n)/(P·d₁²)]

=0.432 log₁₀[(2 000 ×1/4 ×1 ×2)/(5 ×10^-6 ×8.1 ×8.1)]

=0.432 × log₁₀ 3 048 316 =0.432 ×6.484 =2.8(m)

同理可计算出主防护墙B: 2.8m。

顶层主防护层d₁ =3 +1.91 =4.91m, 该机房为一层建筑, 屋顶为无人区, 但在机房3m外有高层建筑且有公众人, U = 1/4, T =1/16, n =2, P =100μ Sv/w =1 ×10^-4 Gy/w

S_u =TVLlog₁₀[(W·U·T·n)/(P·d₁²)]

=0.432 log₁₀[(2 000 ×1/4 ×1/16 ×2)/(1 ×10^-4 ×4.91 ×4.91)] =0.432 ×log₁₀²⁶³⁸⁵ =0.432 ×4.414 =1.91(m)

加速器的最大照射野为35cm ×35cm, 计算出主防护层宽度为3.5m, 实际运用中取3.5m。

2.2 次防护墙

次防护墙C:a=0.001, 每周工作负荷W = 2 000Gy·m²·w^-1, C墙外为公众区, T =1, U =1, n =2, P = 5μ Sv/w =5 ×10^-6 Gy/w, d₁ =4 +1.45 +0.3 =5.75m

S_uL = TVLclog₁₀[(a·W·U·T·n)/(P·d₁²)]

=0.33 log₁₀[(0.001 ×2 000 ×1 ×1 ×2)/(5 x10^-6 ×5.75 ×5.75)]

= 0.33 log₁₀ 24198 =0.33 ×4.384 =1.45m

同理可计算出次防护墙F, G, H, J的厚度分别为: 1.12m, 1.20m, 1.20m, 1.00m。

次防护墙D: a=0.001, 每周工作负荷W =2 000Gy·m²·w^-1, D墙外为治疗室内迷路无人区, T =1/4, U =1, n =2, P = 100μSv/w =1 ×10^-4Gy/w, d₁ =4 +0.85 +0.3 =5.15(m)

S_uL = TVLclog₁₀[(a·W·U·T·n)/(P·d₁²)]

=0.33 log₁₀[(0.001 ×2 000 ×1 ×1/4 ×2)/(1 ×10^-4 ×5.15 ×5.15)] = 0.33 log₁₀ 377 =0.33 ×2.576 =0.85m

次防护墙E: a=0.001, 每周工作负荷W =2 000Gy·m²·w^-1, E墙外为公众区, T =1, U =1, P =5μ Sv/w =5 ×10^-6 Gy/ w, n =2, d₁ =4+0.85 +2+1.42 - 0.85 +0.3 =7.72(m)

S_Uls = TVLclog₁₀{[(a·W·U·T)/(P·d₁²)] ×(n +1/d₂²)}=0.33 log₁₀{[(0.001 ×2000 ×1 ×1)/(5 ×10^-5 ×7.72×7.72) ×(2 +1)}

=0.33 log₁₀ 20 134 =0.33 ×4.304 =1.42m

此时次防护墙E的厚度为1.42m- 0.85m =0.57m

2.3 加速器治疗机房的门 2.3.1 X射线防护

因为E_e =15MV, 而E_x =0.287(E_e/ 10)^0.265, 所E_x =0.32MeV, 其对应的铅半值层厚度为HVP_pl = 1.86mm铅当量。门口剂量D_门 =5 ×10^-7 D_中, D_中为4Gy/min, 控制剂量限值D_L =2.5μ Sv/h =4.2 ×10^-8 Gy/min, K = D_门 /D_L =47.6, 取48=2ⁿ, 则n =5.6, 所以Δ_pb =n·HVP_pL =5.6 ×1.86 =10.4 mm铅当量。

2.3.2 中子防护

因为=1.17 ×10^-6, Gy/min, 其对应的含硼聚乙烯材料对中子的半值层厚度为HVT_PL =15mm, 而P = 2.5μSv/h =4.17 ×10^-8 Gy/min, 所以K_n = /p =28.1, 取28 = 2ⁿ, 则n =4.81, 所以Δ_PL =n·HVP_pl =4.81 ×15 =72.15mm。

加速器治疗机房各防护点的计算值及建筑取值见表 1。

2.4 检测结果

装机后, 经省级环保局汇同同级疾病控制中心、卫生监督所对机房进行全面检测, 其结果符合国家标准GBZ126- 2002对医用加速器治疗室的防护要求。

3 讨论

(1) 加速器治疗机房的防护墙的设计应考虑三种不同的射线:原射线、散射线和机头漏射线。原射线指由治疗机头准直后直接辐射出来的射线, 它所面对的屏蔽墙为主防护墙。散射线指由原射线与周围物质如患者或治疗床相互作用产生的射线, 它和从治疗机头泄漏出来的漏射线向四周辐射, 直接面向所有防护墙。单纯只由散射线和漏射线面对的屏蔽墙为次防护墙。因原射线的强度远大于散射线和机头漏射线的强度, 主防护墙主要根据原射线强度计算, 次防护墙则按散射线、漏射线的强度计算, 它们的厚度应将其强度减弱到所要求的剂量水平。为减少治疗机房墙的防护厚度和便于屏蔽墙的设计, 治疗机房一般都设有迷路, 利用射线的反射、折射和散射, 增加它的实际行程, 利用距离平方反比因子降低治疗治疗机房迷路口部位的辐射剂量^[1]。

(2) 经省级相关部门检测, 其结果完全符合国家标准GBZ126 - 2002对医用加速器治疗室的防护要求。如有特殊需要, 需在局部增加屏蔽厚度, 改用非混凝土作屏蔽材料, 则设计时可根据其对混凝土的相对密度来计算^[1]。混凝土具有成本低廉, 结构性能良好, 含有大量结晶水, 对X射线具有良好的屏蔽性能。上述混凝土指的是由水泥、粗骨料(石子)、砂子和水混合做成, 密度约2.35g/cm^3[4]。如有需要可在混凝土中掺入其他高密度物质。在施工中必需连续灌注, 充分振动, 墙体内不留缝隙和气泡, 保持墙体均匀结实, 同时保证混凝土密度不小于2.35g/cm³。

(3) 由于调强适形放射治疗的发展与应用, 放射治疗从原来的垂直、水平照射, 变为任意角度治疗, 所以主防护层应是3.5m宽, 竖墙壁2.8m厚、顶层1.91m厚的倒U型防护体。

(4) 治疗机房的设计, 要兼顾辐射防护的要求和临床工作的便利, 根据所安装的特定类型的治疗机, 治疗机房内周边, 需配置一定数量的辅件柜, 挡铅架等, 来确定机房面积, 理想的面积为7.5m ×7.5m ~ 8m ×8m, 净空间高度为3.5m。

(5) 上述医用电子直线加速器治疗机房的辐射防护设计方法是以15MVX射线为例, 对于其他能量的医用电子直线加速器, 计算方法相似, 但要选择计算出相应的TVL、Wu等。

(6) 高能加速器在治疗过程中, 会生成活化气体, 如氮- 14, 氧- 15, 以及臭氧等有害气体, 所以设计时, 一定要考虑机房通风问题, 一般要求机房内的空气每小时应更换3 ~ 4次。

(7) 当医用电子直线加速器的X射线能量高于10MV以上时, 高能X光子会与治疗头中多种高原子序数的材料如铅、钨等发生光核反应, 产生中子辐射。若按上述方法设计的以混凝土为材料的墙体防护厚度, 用于中子的防护已不成问题, 但机房门一般用铁、铅类高原子序数的材料, 此时必需用含硼(大约5%含量)的聚乙烯材料, 首先将中子慢化, 然后将其热中子和中能热中子俘获, 再用铅、铁将俘获过程中产生的γ射线吸收。为了尽可能减少防护门的门框与迷路墙间的间隙的漏射线, 门、门框与墙间必须有一定程度的重叠。美国NCRP第51号报告推荐其重叠度应至少等于门间隙的10倍, 实际上, 每个门边重叠5至7.5cm即可。

(8) 对于双光子医用加速器, 对混凝土防护墙, 只需在较高一档X射线能量下作防护效能的检测, 但对用铅作的防护门等, 两档X射线能量下都要进行检测, 因为低能如6 MVX射线在铅中有较强的穿射能力^[1]。