质子治疗肿瘤技术由于具有质子布拉格峰效应带来的深度截止效应，以及更加精准的宽度方向控制，已成为新一代更加有效的放疗技术，质子治疗装置也成为当前国际上肿瘤放射治疗的主流装备^[1-2]。根据国际组织粒子治疗合作组（PTCOG）最新统计，截止至2018年4月，全世界在运行的质子治疗中心有68个，在建质子中心41个，拟建质子中心23个^[3]。我国多地也都在建设或筹建质子治疗中心，目前上海市质子重离子医院已建成并投入临床运营，广州、涿州、合肥等地的质子治疗中心也均在建设中。此外，国内中国原子能科学研究院、中科院上海应用物理研究所、华中科技大学、合肥离子中心等单位也在大力推进质子治疗设备国产化工作。高能质子治疗系统运行时，高能质子在传输过程中会有损失，损失的质子与周围物质碰撞发生核反应而产生中子和γ射线，这些中子和γ射线可能对环境产生辐射影响。目前，常用中、低能医用加速器的辐射防护设计和相关评价均已形成了较成熟的方法^[4-5]，而高能质子治疗系统的环境影响评价等却少见报道。考虑到该类设备粒子能量高、辐射源复杂、辐射场多样，其辐射环境影响评价中需要对可能产生的污染源进行综合分析，并对相应的辐射防护和环境保护措施的可行性进行评价。本文针对近期开展的国内某质子治疗系统辐射环境影响评价中存在的问题进行探讨，力求今后更加科学、客观开展此类项目的环境影响评价工作，保障工作人员和环境安全。

1 质子治疗系统概况

一套完整的质子治疗系统由加速器系统、治疗终端系统和治疗计划系统组成。其中加速器系统是核心，目前国内外专用质子治疗中心，基本上采用三种不同类型的加速器：直线加速器、回旋加速器和同步加速器^[6]。目前国内已建成或在建的质子治疗中心多采用回旋加速器和同步加速器，回旋加速器主要特点是体积小、占地小、引出能量固定，需要外设的能量选择器调节能量。同步加速器主要特点是环形、大直径、引出能量可变、不需要外设能量选择器，但占地面积较大。本文以Varian生产的Probeam质子治疗系统^[7]为例，给出其主要技术指标，列于表1。

治疗室分为固定束治疗室和旋转束治疗室（如图1），每个治疗中心一般可配备2～4个旋转束治疗室和1～2个固定束治疗室。旋转机架治疗室内含有旋转机架，旋转机架是一个包含束流传输系统末端及扫描治疗头的钢结构，能够环绕卧姿患者进行转动，按照所需角度投照射束，通常可实现360°旋转。固定束治疗室内不含旋转机架，只能朝向固定方向照射。

2 辐射环境影响评价关注重点 2.1 束流损失

在质子束流形成、加速、引出、输出以及为了达到治疗目的而对束流能量和截面进行调整的过程中，都会有束流损失。损失的质子束流与加速器部件（磁铁、降能器、准直器、狭缝、束流阻挡器等周围物质）发生作用，由此产生大量中子。因此，束流损失点即是瞬发辐射源点，是构成部件活化、辐射环境污染的主要来源，束流损失数据是进行辐射屏蔽设计的出发点，也是环境影响评价的基本依据。

目前国内现有或在建的质子治疗中心多数使用国外质子治疗系统，而各国规范、设计标准等不完全相同。在进行辐射屏蔽设计时，国外通常主要考虑年累积剂量限值的防护要求，其提出的束流损失数据通常是针对不同肿瘤类型、治疗计划和年工作负荷，给出束流的年损失量，进而判断其造成的年受照剂量是否满足剂量限值要求。而国内既要考虑剂量率限值的要求，又要考虑年累积剂量限值的要求，需要提出基于最保守情况下（即可能出现最大束流损失）的束流损失率和能量。同时，从辐射防护最优化的角度出发，根据治疗期间的实际情况，对束流损失数据再进行优化。例如，某厂家的质子治疗系统的治疗室终端引出的瞬时流强峰值可达4.4 nA，但执行一次治疗任务的出束时间约为2 min，该期间流强4.4 nA的情况仅持续30 s，优化考虑后可采用3nA的平均流强作为环境影响评价和辐射屏蔽设计的依据。

2.2 屏蔽体外剂量率控制水平限值

目前，质子治疗系统所在建筑屏蔽体外剂量率控制水平限值的确定通常是以《放射治疗机房的辐射屏蔽规范 第5部分：质子加速器放射治疗机房》^[8]中的相关规定为依据，即机房墙外和门处全居留工作场所（T ≥ 1/2）剂量率水平低于2.5 μSv/h，部分居留的工作场所（T ＜ 1/2）剂量率水平低于10 μSv/h。

一般来说，加速器大厅外的主控制室、各治疗室的控制室等处按全居留场所考虑，相邻治疗室内、电气设备间、电源间等按部分居留场所考虑。质子治疗系统屋顶区通常设有电源室、水暖间、会议室、医生办公室、值班室等区域，其中电源室、水暖间、会议室等按部分居留场所考虑，医生办公室、值班室等按全居留场所考虑。但对于相邻旋转束治疗室的机架区处及其迷道内墙入口处的剂量率限值，在进行辐射防护设计、环境影响评价以及职业病危害预评价时存在较大争议，最终确定该两处的剂量率限值按照10 μSv/h执行。

相邻旋转束治疗室的机架区属于技术区，仅经过专门培训的专业人员才可进入，且每名人员在该区域内的工作时间一般不会超过20 h/年。同时，考虑到迷道内墙入口处仅作为人员进出治疗室的通道，不会有人员在此长时间停留。由于国内现有技术标准中仅针对不同区域居留情况提出剂量率限值要求，未对上述两处区域应执行的居留因子和剂量率限值做出明确规定。因此，出于辐射防护最优化的考虑，在后续进行该类项目的环境影响评价时，建议与辐射防护设计、职业病危害预评价同时进行，对于此两处的剂量率限值是否执行10 μSv/h的要求进行商讨，综合考虑建设单位的实际使用情况、工作负荷以及环保、卫生的要求后确定。

2.3 辐射屏蔽复核计算

对于质子治疗系统的辐射屏蔽设计，通常使用蒙特卡洛程序FLUKA进行。而辐射环境影响评价中通常采用经验公式对辐射屏蔽设计进行复核计算，经验公式相对简单且结果偏保守。质子加速器屏蔽计算多采用Moyer公式^[8-9]，见公式1）和2）。涉及的中子当量剂量以及衰减长度数据可通过FLUKA程序模拟或由文献[10-12]获取。在进行复核计算时，通常根据设备布局和屏蔽体外环境分布情况，选取多处关注点。针对某一关注点处的剂量率，应综合考虑可能造成该点剂量率的所有束流损失点，根据损失的质子能量、流强、中子角分布、屏蔽体有效厚度等进行估算。

${D_p} = {S_p}H(\theta )\dfrac{1}{{{r^2}}}{e^{ - d/\lambda (\theta )}}$

(1)

${D_L} = {S_L}H(\theta )\dfrac{2}{r}{e^{ - d/0.89\lambda (\theta )}}$

(2)

式中：D_p和D_L分别为对点源和线源屏蔽体外的剂量率，Sv/s；S_p为单位时间内在束流损失点处损失的质子数，s⁻¹；S_L为单位时间内在单位束流损失线上损失的质子数，s⁻¹·m⁻¹；H(θ)为单个质子打靶时，在距靶1 m处中子引起的剂量，Sv·m²；λ(θ)为中子在屏蔽层内的衰减长度，g/cm²；θ为入射质子与出射中子之间的夹角；r为源点到计算点之间的距离，m；d为屏蔽体的质量厚度，g/cm²。

此外，回旋加速器自身结构中的轭铁可视作屏蔽体，对于铁和混凝土复合屏蔽体的屏蔽计算公式，利用文献[12]中的公式2计算。但需注意在屏蔽计算时，需要考虑质子的出射角度，取其穿过轭铁的有效厚度进行计算。

2.4 感生放射性

目前在质子治疗系统辐射环境影响评价中，对于感生放射性的关注多集中在空气、冷却水、加速器结构部件、土壤及地下水以及混凝土屏蔽墙等方面，可采用蒙特卡洛程序进行精确计算，也可利用成熟的经验公式估算，这些经验公式在文献[9]中均有提及。此外，对于地下水和土壤的活化，根据文献[13]，同时参考日本JPARC以及中国散裂中子源的辐射防护设计，当混凝土与土壤边界处瞬发辐射剂量率低于5.5 mSv/h时，可忽略土壤和地下水的活化。

吴青彪^[13]等、宋钢^[14]对治疗室内的感生放射性进行了计算分析和测量，结果发现，当质子能量较高（230 MeV）时，单次短时治疗结束后治疗室内感生放射性水平较高，停机1 min后距离治疗中心30 cm处剂量率水平可达200 μSv/h，停机5 min后剩余剂量率可衰减为停机1 min的1/4。在对比分析了治疗室内空气、混凝土墙、结构部件以及病人的感生放射性后发现，主要来源是病人的感生放射性。

因此，在后续对质子治疗系统的辐射环境影响评价中，应对治疗室的感生放射性进行综合分析计算，重点关注病人的感生放射性及其对工作人员造成外照射剂量。

2.5 受照剂量估算 2.5.1 工作人员受照剂量估算

在进行工作人员受照剂量估算时，将工作人员按工作内容进行分类。对于全居留场所（主要是加速器主控室、各治疗室的控制室）的工作人员，其受照剂量主要考虑加速器出束以及治疗期间产生的瞬时辐射外照射。对于治疗室摆位技术人员，其受照剂量来源除来自相邻正在出束的治疗室的瞬时辐射外照射外，还应综合考虑治疗室内感生放射性气体、治疗头的感生放射性以及病人感生放射性所致剂量。其中，感生放射性气体对工作人员的照射途径主要考虑吸入内照射和空气浸没外照射；治疗头和病人的感生放射性所致的照射途径主要考虑外照射。通常来说，摆位技术人员的工作内容包括对结束治疗的患者解除摆位以及对下一位患者进行治疗前摆位。需根据其进入治疗室的实际工作模式、摆位操作时间以及与患者之间的距离，合理估算其受照剂量。

2.5.2 公众受照剂量估算

公众受照剂量来源主要为质子治疗系统运行产生的瞬时辐射外照射、天空反散射以及感生放射性气体的排放。天空反散射剂量可采用文献[9]中的方法计算。感生放射性气体排放所致公众剂量通常采用文献[15]中推荐的简单稀释模式进行估算，一般考虑空气浸没外照射、地表沉积外照射以及吸入内照射三种途径。相关参数的取值在文献[16]中均有提及。

3 讨论

对质子治疗系统辐射环境影响评价中重点关注的问题进行归纳分析表明：

（1）目前国内使用的质子治疗系统多数来自国外供应商，考虑到束流损失数据是进行辐射屏蔽设计的出发点，也是环境影响评价的基本依据，因此，在该类装置辐射环境影响评价时，应注意区分国、内外标准，准确、合理的确定束流损失源项。

（2）屏蔽体外剂量率水平限值既是环境影响评价中判定辐射屏蔽设计是否满足相关标准要求的依据，也是进行辐射屏蔽设计的依据。因此，合理准确的确定屏蔽体外剂量率限值，在遵循辐射防护最优化的原则下确保环境安全，对于此类项目的建设、辐射屏蔽设计和环境影响评价是必要的。后续类似项目的环境影响评价中，相邻旋转束治疗室迷道内墙入口及其机架区是否仍继续执行10 μSv/h的剂量率限值有待商讨。建议辐射防护设计、环境影响评价、职业病危害预评价同时进行，根据建设单位的实际运行情况、工作负荷以及环保、卫生部门的要求进行确定。

（3）目前在质子治疗系统辐射环境影响评价中，对于感生放射性的关注多集中在空气、冷却水、加速器结构部件、土壤及地下水以及混凝土屏蔽墙等方面，少有关注治疗室内病人的感生放射性。而该部分感生放射性是治疗室内感生放射性的主要来源。建议后续环境影响评价时，根据质子治疗系统实际的治疗工况，对病人感生放射性进行定量计算。并根据工作模式，给出相应停机时间后由于病人感生放射性所致外照射剂量率值。

（4）估算工作人员受照剂量时，对于治疗室摆位技术人员，应综合考虑感生放射性气体、治疗头的感生放射性以及病人感生放射性所致剂量。根据其进入治疗室内的工作模式、工作时间等合理估算其受照剂量。对于可能导致摆位技术人员受照剂量较大的工作模式，可提出建议如增加治疗结束后摆位人员进入治疗室前的等待时间，增加摆位技术人员数量，增加与病人之间的距离等防护措施进行控制。