某医院所使用的S GS-I型立体定向伽玛射线全身治疗系统由深圳海博科技有限公司提供, 这也是我区首台全身伽玛刀设备, 该项目设计图纸由西部建筑抗震勘察设计研究院提供。防护设计依据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》规定进行。要求防护设计必须保证各类人员受照剂量在规定限值以内, 并符合最优化原则。防护设计留有二倍安全系数。下面是根据该医院提供的设计图纸进行屏蔽防护的预防性审查结果。

1 屏蔽计算方法

据设计图纸, 治疗室准备采用混凝土建筑, 顶棚、迷道墙壁、南墙和西墙厚度为1m, 东、北墙壁厚度为0.5m, 外面为土层, 故其屏蔽不再需要考虑。设备采用扇形聚焦回转照射原理, 18个钴-60放射源扇形排列, 通过准直器形成18束半影很小的伽玛射线束, 并引导18个射线束精确汇聚在同一焦点上。治疗时, 将这18个聚焦射线束围绕焦点的等中心轴线进行回转拉弧照射, 相当于一次拉18个回转锥面照射弧。由于采用小射野束旋转照射, 在旋转过程中, 射线能穿过患者后照射到东墙、顶棚和西墙, 而南墙和北墙没有这样的直射线的照射, 只有漏射线由焦点、东墙、顶棚和西墙的散射线照射。

2 西墙及顶棚防护厚度的计算

西墙及顶棚均可受到直射线的照射, 离等中心最近墙壁的距离为3.0m, 对墙壁厚度要求最高。18个源分布在纬度为± 25°的球面上, 平均源与源的张角为2.78°, 在3.0m远处墙壁对应的间隔为tan 2.78°×3.0m=0.146m。最大准直器为直径55mm, 在等中心处(距源40cm)的射野为直径95mm, 在3.0m远的墙壁处射野为95mm×300/40=712.5mm=直径0.7125m。那么在墙壁上的一点, 可同时受到来自不同源照射的源数量为:0.7125m/0.146m=4.9, 向上取整数, 即5个源的照射。由于放射源细长, 源自吸收比较大, 不以源活度来计算不同距离处的剂量率, 而是以18个源在等中心处的剂量率进行推算。18个源在球模中心处剂量率为2.5Gy/min, 那么单个源的在等中心处的剂量率贡献为2.5/18=0.139Gy/min。射线穿过靶点后, 还需穿过球模、平衡层才能投射到墙壁上, 球模为半径8cm的有机玻璃球体; 平衡层为73mm厚铁内嵌35mm厚的钨(这样铁厚为73mm-35mm=38mm), 外接15mm厚铁和35mm厚铅。准直器平衡在离靶点0.555m处。铁、铅和钨的厚度ti(i=1, 2, 3)分别为53mm、35mm和35mm; 线减弱系数μi(i= 1, 2, 3)分别为0.415、0.649和1.052cm^-1。某一层物质的减弱系数K_i为:

式中:B_i(i=1, 2, 3)为宽射射线的能量吸收积累因子, 对上述各厚度, 可求得B_i(i=1, 2, 3)分别为2.9、2.0和1.9。它们对射线的减弱系数总K₀为:

根据距离反平方衰减规律, 单个源在3.0m远墙壁处的剂量率D₀为:

在墙壁上的某一点A, 同时最多可能受5个源的直接照射。该点的剂量率D_A为:

A点墙壁外0.5m处A'的剂量率D_A'为:

其中:μ为混凝土的线减弱系数, t为墙壁厚度, 3.0/(3.0+ 1.5)²为距离衰减因子, B为宽射射线的能量吸收积累因子。对于钴-60的γ射线, 能量E_γ=1.25MeV, μ=0.1358cm^-1, t=100cm, 可求得B=42。于是可得到D_A'=0.06μGy/h。若要将辐射水平控制在0.5μGy/h, 可求得混凝土厚度为90cm。

3 南防护墙厚度计算

南墙受到东、西墙和人体散射线的照射, 下面逐项分析。

3.1 来自东、西墙壁的散射线

由于是旋转照射, 射线照到东墙时就照射不到西墙, 因此散射线只会来同某一面, 因此只需要考虑一面墙壁散射线的情况。等中心离地面高度为1m, 张角为50°的放射源在距离源3m处墙壁上的射野为0.71m×2.85 m=2m²(见图 1)。

南北墙壁由到来到上述面积散射线的照射, 从O点发出的射线投射到A点, 再散射到南墙的B点(见图 2)。

用反照率法计算B点处的剂量率, 公式如下:

(1)

式中, △S是Q处散射面的面积; α_d[α(E₀, θ₀, θ, Ф)]微分剂量反射率; E₀为入射辐射能量; θ₀入射角; θ为反射角; Ф为方位角。

微分剂量反射率经验估算公式

(2)

式中, C、C'是与入射线能量和散射介质有关的系数; θ、θ₀同(1)式; K(θ_S)康普顿散射微分截面, 计算公式如下:

(3)

式中:经典电子半径(2.818 ×10^-13cm); θ_S为散射角; P为散射光子与入射光子能量之比。

(4)

散射线能量Es由下式计算:

(5)

式中, θ_S为散射角, E₀为入射光子能量。

将E_A=1.25MeV, θ_S=135°代入上式(5):

将E_A=1.25Me V, E_B=0.36Me V代入(4)式:

将=2.818 ×10^-13cm, P=0.29, θ_S=135°代入(3)式:

将C=0.127, C'=0.0 087, K (θ_S)=1.08 ×10^-26, θ₀=0°, θ=45°代入(2)式:

将α_d=6.04 ×10_-2, ΔS=2.0 m²(散射截面), AB=4.4m, 代入(1)式, 得到B处散射剂量D_B为:

B处光子散射光子的能量E_B为

由1m混凝土对散射光子的减弱因子为:

(6)

其中, B为能量吸收积累因子, μ为混凝土的线减弱系数, t为厚度。

由μt=23.7, 查得B为:B=270。

于是K_B=1.4 ×10^-8

墙壁内B处的散射光子剂量经过墙壁减弱后到墙外B'处的剂量D B'为:

计算表明, 0.6cm的混凝土就可将墙壁外的剂量率降到0.17μGy/h。

3.2 来自人体的散射线

18个直径为55mm的圆形射野在模体表面的总投射面积为427cm², 可查表得到散射到1m处吸收剂量的百分数为0.07%, 即剂量率为0.07%×2.5Gy/min= 1.05 ×10⁵μGy/h, 距离OC=9.5m, C处剂量率为DC=1.2 × 10³μGy/h, 查得50cm墙壁对其的透射量为2 ×10^-4, 那么C点墙壁的剂量率为0.24μGy/h, 使用60cm的混凝土其影响可忽略不计。

4 小结

通过计算和分析, 迷道墙和南墙的厚度可由设计的1m减少至0.6cm, 西墙的厚度可由设计的1m减少至0.9cm, 这样既可达到防护的最优化目标, 又可节省经费开支和扩大工作空间。