陀螺刀设备融合立体定向技术和放射治疗技术于一体, 它利用肿瘤细胞相对于正常组织细胞对放射线更敏感的原理, 采用钴-60发出的γ射线, 用几何聚焦方式, 通过精确的立体定向, 将经过规划的一定剂量γ射线集中于预照靶点, 致死性的摧毁靶点内的肿瘤组织。同时, 陀螺刀设备中的154枚放射源发出的γ线束由于采用旋转聚焦的方式进行放射治疗, 使人体正常组织所受到的照射较小, 从而达到杀死病灶组织, 保护正常组织的治疗目的。

现将该报告书中有关机房屏蔽厚度的计算与评价情况介绍如下。

1 机房屏蔽设计和设备参数 1.1 机房屏蔽设计

根据陀螺刀机房建筑设计图纸(见图 1), 其设计参数如下:①机房的四周墙体和顶棚厚度都为600 mm的钢筋混凝土(混凝土密度≥2.3g/cm³; ②机房内空尺寸: 8 100mm(长)×6 590mm(宽)×3 900mm(高); ③机房门洞尺寸:1 600mm(宽)×2 100mm(高); ④机房周边环境情况:东墙外为楼梯间, 南墙外为控制室, 西墙外为陀螺刀治疗中心过道, 北墙外为医院停车场, 机房顶上为医院门诊用。

1.2 设备参数

①钴源总活度:2.59×10¹⁴ Bq; ②钴源比活度:≥8.51×10¹² Bq; ③焦点剂量率:≥2.5Gy/min; ④四组不同的焦点, 等中心处射野直径分别为:5mm、15mm、25mm和40mm; ⑤放射源自转角度:50°; ⑥治疗头自转速度:30r/min; ⑦治疗头环绕人体旋转角度:±270°; ⑧治疗头公转速度:[(0.5~1.5)±0.1] r/min; ⑨放射源到等中心的距离:530mm; ⑩陀螺刀处治疗状态下的漏射辐射率为等中心点的0.0001%;11陀螺刀铅平衡锤的透射率:2×10^-5。

2 机房屏蔽厚度的计算方法 2.1 屏蔽厚度计算的防护原则

(1) 机房屏蔽设计应遵循辐射防护最优化原则和选定源相关的个人剂量约束值, 本机房选定个人剂量约束值为:放射工作人员:2mSv/a(国家防护标准剂量限值为20mSv/a); 公众: 0.1mSv/a(国家防护标准剂量限值为1mSv/a)^[1]

(2) 在屏蔽厚度设计时, 按国家标准规定, 对源的设计、建造和运行中留有足够的安全余地, 以确保可靠的安全运行。

(3) 在进行屏蔽厚度计算时, 对泄漏辐射按初级辐射能量(1.25MeV)计算, 对散射辐射按0.5MeV(散射线能量一般都低于0.5MeV), 直接查“宽束γ射线在不同的减弱倍数K时所需混凝土的防护厚度表”^[2]。

(4) 屏蔽计算时不考虑治疗头运动对于射线散射场的影响, 也不考虑射线穿越墙体的角度是连续多样性的, 统一取为90°。

(5) 对同一屏蔽体按有用线束(主束)透射辐射、泄漏辐射和散射辐射分别进行计算屏蔽厚度。若二者之差相差不到十分之一值层厚度时, 则在其中较厚的那个厚度上再加一个半值层厚度(HVT=6.1cm)。

2.2 主屏蔽厚度计算方法

初级γ射线的屏蔽厚度(主防护体厚度)按式(1)计算得出, 通过确定有用线束的衰减倍数K, 查表可得相应的混凝土屏蔽厚度。

(1)

式中:K:有用射束减弱倍数; W:周工作负荷, mGy/Week; U:利用因子, 对有用线束固定照射方向取1, 对旋转方向取1/4, 散、漏辐射取1;T:居留因子, 对控制室、相邻办公室取1, 部分停留区取1/4, 对偶尔停留区取1/16;d:源(靶)到防护计算点的距离, m; P:周剂量约束值, mGy/Week; 对职业放射工作人员:P=0.04mGy/Week(即职业放射工作人员在控制室的剂量约束值为2mGy/a); 对公众个人:P=0.004mGy/Week^[3]。

陀螺刀设备总装源活度(A)为2.59×10¹⁴ Bq(2.59×10⁵ GBq)^[4], 钴-60在空气中的比释动能率常数(Γ_k)为0.357 mGy·m²/h·GBq, 每周辐照时间(t)为17h(陀螺刀以每天治疗10个病人, 每个病人需照射20mn, 每周工作5d计算, 则每周的总辐照时间约为17h), 陀螺刀铅平衡锤的透射量为2×10^-5, 则陀螺刀设备外有用线束透射的工作负荷。

2.3 散射辐射屏蔽厚度计算方法

散射线的衰减倍数K由式(2)确定, 相应的屏蔽厚度可查表得知。

(2)

式中:a:照射野为400cm²的散射系数, a=0.0009(散射角取90°); ds:从散射辐射体到考查点(屏蔽体外表面)的距离, m; a:照射野面积, cm²; a=πD2/4≈12.6cm²(按最大的准直器焦斑直径40mm计算); K、T、P、W:含义同式(1)。因γ源到散射体之间的距离不是1m, 应按照距离平方反比律加以修正, 该陀螺刀放射源到等中心的距离为530mm, 则周工作负荷为:

2.4 漏射辐射屏蔽厚度计算方法

漏射辐射屏蔽厚度由式(3)确定:

(3)

式中:△:漏射辐射屏蔽厚度, cm; TVT:十分之一值层厚度, cm; 钴-60, 初级γ射线对混凝土(ρ=2.3g/cm³)的TVT=20.3 cm; T.P.d含义同式(1);W_L:周(漏射辐射)工作负荷, mGy·m²/WeeK; 根据陀螺刀设备厂家提供的参数, 即陀螺刀处治疗状态下, 距等中心1m处的漏射辐射率为等中心点的0.0001%, 则W_L=A·Γ_k·t×0.000001/0.53²

3 计算结果

根据陀螺刀周工作负荷、焦(靶)点或散射体至屏蔽体外表面防护计算点的距离、不同使用因子、机房各方向区域的居留因子和各类人员的周剂量约束值等参数, 按照上述公式分别计算出各向屏蔽体屏蔽有用线束、散射辐射和漏射辐射所需的屏蔽厚度, 并根据计算结果最终确定各向屏蔽体的综合评价厚度, 屏蔽体厚度计算结果见表。

4 评价结论

陀螺刀机房原设计周墙和顶棚的屏蔽厚度均为600mm砼, 该机房建成并投入使用后, 可以满足放射人员和公众的年受照剂量低于国家标准个人剂量限值的十分之一。因此, 该机房原屏蔽体的设计厚度是适宜可行的。

5 讨论

陀螺刀机房未设计迷路, 机房防护门(设在机房的南墙西侧)需28mm Pb当量的屏蔽层方可满足防护标准的要求。按照防护门的几何尺寸计算, 该防护门仅铅板就需1 320kg。如果机房增设迷路, 则既可提高屏蔽防护的安全性, 又可降低防护门的造价, 还可为今后防护门的检修提供便利。为此, 我们已在该建设项目放射性职业病危害放射防护预评价报告书中建议建设单位增设机房迷路。