目前医用电子直线加速器已在江苏地区得到了广泛推广及运用, 成为各大型医院的必备治疗设备之一。但随着直线加速器使用技术的日益成熟, 其最高强度仅为15MV的X射线逐渐不能满足治疗的需要。由于直线型加速器受到加速轨道长度及机器外形的限制, 无法产生高于15MV的射线, 因此经过技术革新, 采取了回旋型加速器, 使得在保证机器外形不过于庞大的前提下能够产生更高能量的电子束。

2005年, 某医院新建的内科医技楼进行初步设计时计划引进我省第一台瑞典Scanditronix公司研制的MM 50(Medical Microtron 50 MV)肿瘤立体定向放射治疗仪, 其工作原理与目前常见的电子直线加速器基本一致, 但最高射线强度可达50MV, 因此对环境产生的辐射影响可能会更大。笔者试图从环境保护及屏蔽计算的角度分析与评价医用电子回旋加速器运行对环境的影响, 重点探讨回旋加速器在屏蔽要求方面与常见的直线加速器的不同之处。

1 辐射安全环境影响评价 1.1 评价依据^[1~4]

根据《辐射环境保护管理导则-核技术应用项目环境影响报告书(表)的内容和格式》(HJ/10.1-1995)的规定, 50MV的医用电子回旋加速器编制环境影响报告表。环境影响评价主要采用模拟类比测量法及经验计算法。调查内容主要包括:机房选址是否适宜、平面布局是否科学、屏蔽设计是否合适、安全通风设施是否合理可靠、应急措施是否有效可行、拟建地点电离辐射背景值现状和周围是否有重要敏感保护目标等。通过对项目运行后对周围环境及工作人员影响的分析预测, 做出代价利益分析, 得出项目环境影响评价结论。

1.2 评价原则与标准

电子回旋加速器的评价原则与标准与目前对电子直线加速器的评价原则与标准一致。仍然严格执行《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(G B18871-2002)、《医用电子加速器卫生防护标准》(G BZ126-2002)等标准中的相关规定。

2 回旋加速器运行期环境影响分析 2.1 辐射环境影响分析

根据电子加速器的工作原理, 加速器运行对环境的主要影响是X射线和来自X射线产生的中子和感生放射性的影响, 以及射线电离机房内空气所产生的臭氧和二氧化氮的影响。医用电子回旋加速器同时使用电子线和X射线, 而X射线对屏蔽要求高, 因此, 在治疗室设计中, 只估算X射线与中子线的屏蔽。

2.1.1 X射线屏蔽防护分析

X射线屏蔽防护预测一般采用类比测量法或经验计算法。由于电子回旋加速器目前使用较少, 保守起见采用经验计算法。MM 50型回旋加速器性能指标有①电子线束:10~50MV, 输出剂量3Gy/min; 电子线共8档, 每档相差5MV; 照射野最大为40cm×40cm(SSD=100cm), 只有对称野。②X射线束:10~50MV, 输出剂量3Gy/min; 50MV能量最大剂量率为2Gy/min; 照射野最大为40cm×40cm (SSD=100cm), 只有对称野。根据Scanditronix公司提供的设计图纸, 以及该医院计划将机房建于新建的内科医技大楼主体外的地下一房, 拟建的电子回旋加速器机房布局图见图 1。

2.1.1.1 主屏蔽墙厚度计算^[2]

(式1)

式中:B—透射量, 相应于B值的屏蔽厚度可通过查图表读出; P—每周指定的剂量当量限值, mSv/week; d—加速器的等中心到考查点的距离, m; W—周工作负荷, 取1 000mGy·m²/Week; T—占有因子; U—使用因子。参照《γ远距治疗室设计防护标准》(G BZ/T 152-2002)中表 3的内容:全居留T=1的区域包括工作室、办公室、候诊室、居住区等常有人居留的地方; 部分居留T=1/4的区域包括公共走廊、人操纵的电梯、无人看管的停车场等有时有人居留的地方; 偶然居留T=1/16的区域包括公共浴室、厕所、少量行人车辆通过的地方。根据周剂量限值、并利用因子U、居留因子T的选用值见表 1。

将本项目有关参数代入公式, 求出B值, 从文献[2]的图 4-11中查出相应的屏蔽墙厚度, 与设计厚度相比较, 根据比较结果做出设计合格与否的判断。(见图 2)图 2中右起向左第一条斜线为100MV射线衰减曲线, 第二条斜线为40MV射线衰减曲线, 由于两条线距离很近, 因此按照100MV曲线考虑50MV的射线的衰减情况。

经计算, 使用ρ=2.35g/cm³的混凝土做屏蔽墙, 50MV的X射线需要的主屏蔽墙厚度为约290 cm, 通过换算, 使用ρ=3.5g/cm³的混凝土做屏蔽墙, 50MV的X射线需要的主屏蔽墙厚度为约194cm。

2.1.1.2

主屏蔽墙宽度计算^[2]主屏蔽墙宽度根据几何原理计算, 并考虑散射问题。主屏蔽墙宽度AB的计算公式:

(式2)

θ_1/2为射线最大出射角的一半, d同式1。

MM 50型回旋加速器的最大照射野为40cm×40cm, 靶至治疗床距离为80cm时, 治疗床至墙外侧的距离为5.4m, 治疗床至房顶外侧距离为4.7m, 根据几何学知识, 经计算, 考虑散射的问题两边各加0.5m作为安全保证, 南、北主屏蔽墙宽度应大于280cm, 屋顶主屏蔽宽度应大于220cm。

(1) 漏射屏蔽计算通过计算漏射线的透射量, 以确定屏蔽厚度, 公式如下:

(式3)

式中:B_L—漏射透射量, 相应于B_L值的屏蔽厚度可由透射曲线读出; d—从漏射辐射体到考查点的距离, m; W_L—加速器泄漏X射线量, mGy/Week; T—占有因子; U—使用因子; P—以每周的剂量当量表示的剂量限值, mGy/Week。将上述有关参数值代入公式, 求出B_L值, 利用计算的B_L按2/3有用线束能量查图 4得到屏蔽厚度加上一个半值层(Δ_1/2)。

(2) 散射屏蔽计算

(式4)

式中:B_S:散射透射量; p:周剂量当量限值, 同式3, mSv/Week; W:周工作负荷, 取1 000Gy/Week; T:占有因子; U:使用因子; d_i:靶至散射体的距离, m; d_s:散射体至参考点的距离; α:散射系数, 由图中读出; A:照射野。将有关参数代入上述公式, 即可求出屏蔽散射线所需的屏蔽墙厚度, 在此基础上再叠加一个半衰减, 与实际施工厚度相比较, 根据比较结果做出设计合格与否的判断。由上图可知, 厂家提供的设计图纸对于机房屏蔽墙的宽度与厚度的设计还是合理到位的。但是由于电子回旋加速器射线能量较高, 散射线与漏射线的强度也较高, 虽然根据理论计算可以满足屏蔽要求, 但是出于最优化原则, 建议布局做如下修改:沿拟建迷道西侧顶端向北再建一堵宽200cm, 厚180cm的屏蔽墙, 成L型。建议将病人等待区由机房南墙外移至过道南侧, 避免直接沿机房外墙建设, 降低就诊患者受照剂量, 布局图见图 3。

医用电子回旋加速器治疗室的通风管道、水管及电缆管道在穿越屏蔽墙时, 为了防止辐射经管道的泄露, 管道应采取“U”型并低于地面40cm以上。

2.1.2 中子屏蔽防护分析与评价

当加速器X射线能量高于10MV时就需要考虑中子的屏蔽防护。根据分析与计算, 就回旋加速器而言, 机房防护墙只要满足屏蔽X射线的要求, 对中子的屏蔽效果要比对X射线大300多倍, 足以满足屏蔽中子的要求。因此机房防护墙不必考虑中子屏蔽计算。

2.1.3 防护门厚度确定

根据有关资料推算, 由于MM 50使用的是合金靶, 则中子线强度最大约为3MV, 类比目前国内同样采用MM 50型回旋加速器的其他医院。防护门为加速器生产厂家Scanditronix公司订做, 采用统一参数:屏蔽措施为50mm厚铅板, 内含120mmPVC材料对X射线及中子线进行防护, 外壳为4mm厚的不锈钢。根据生产商介绍, 此种PVC材料为专用填充物, 可满足中子屏蔽需求。根据目前卫生、环保部门已有的测量结论, 只要建设方严格按照厂家提供的设计图纸进行施工, 周围放射性环境均接近当地本底值, 不会发生超标情况。

2.2 非辐射环境影响分析

回旋加速器产生的有害气体包括臭氧及二氧化氮, 经专用的排风装置排入大气, 通风口位于机房墙角地面, 所有用于通风的管道均低于机房地面40cm以上, 有效的避免破坏机房屏蔽效果。机房通风大于每小时4次, 由于产生的量很少且分解迅速, 因此不会对周围空气环境产生影响。

3 污染防治及安全措施分析

医用电子回旋加速器在污染防治及安全措施上的要求与直线加速器一致, 但更加严格, 须重点考虑规划布局、技术防治、安全管理等方面的因素。尤其要重视和防范可能产生的各种事故风险, 如安全连锁装置失效, 加速器工作时人员误入机房等情况。

4 讨论

医用电子回旋加速器与直线加速器在屏蔽措施、安全措施等方面有高度一致的相似性, 所不同之处在于回旋加速器射线能量更高, 因此在机房的屏蔽性, 安全性上有着更高的要求。机房建设时在确保按照图纸进行施工的前提下, 一方面确保重晶混凝土的密度达到设计要求, 另一方面机房主体必须一次浇灌完工。此外电缆沟的深度、防护门的厚度、搭界宽度与缝隙宽度都是需要重点关注的对象, 根据加速器生产厂家提供的资料, 防护门内填充的防中子材料为特制的PVC材料, 具体成分不明, 究竟能否起到良好的防护效果尚需进一步研究。