近年来，放射治疗设备和技术有了很大发展，出现了很多新型电子直线加速器^[1]，例如美国瓦里安公司近期在中国获准上市一款“O”形臂直线加速器Halcyon^[2-3]、美国Elekta公司出品的全球首款磁共振图像引导直线加速器系统Unity MR Linac^[4]以及美国Accuray公司生产的螺旋断层放射治疗系统TOMO^[5-6]等。与临床应用广泛、屏蔽设计成熟的“C”型臂式医用电子直线加速器^[7]不同，这些医用电子直线加速器均具备自屏蔽部件，对于加速器的主射束有较强的衰减作用，显著地改变了加速器机房内的辐射场，对机房屏蔽防护性能提出不同的要求。本文将以3款自屏蔽加速器为研究对象，通过屏蔽计算和对比分析，对该类设备机房布局和防护设计提出优化建议，为进一步完善相关防护标准提供数据支持。

1 材料与方法 1.1 加速器机房及关注点选取

以1个无主屏蔽结构加速器机房为参照，为便于分析，机房的辐射屏蔽材料全部采用普通混凝土（密度为2.3 g/cm³），所有墙体及顶棚屏蔽厚度均为1 400 mm，等中心位置保持一致。以加速器向西出束为例，机房主屏蔽区关注点设定为A，次屏蔽区横断面关注点设定为B，矢状面关注点设定为C，无主屏蔽直线机房结构及关注点位置见图1。

1.2 自屏蔽加速器

选取Halcyon、Unity MR Linac、TOMO 3款自屏蔽加速器为研究对象，其主要性能及自屏蔽结构技术参数见表1。

1.3 自屏蔽宽度验证

由于3款加速器等中心距离及照射野大小均不相同，自屏蔽体屏蔽宽度也不尽相同。根据厂家提供设备资料，3款设备的自屏蔽宽度都能够完全覆盖加速器有用线束范围。本文参考国家标准《放射治疗机房的辐射屏蔽规范 第1部分：一般原则》^[8]中提供的主屏蔽区宽度验证计算方法，由自屏蔽装置替代常规加速器机房主屏蔽墙的理论宽度值，利用式1）计算自屏蔽结构宽度下限Yp，并对厂家提供的屏蔽宽度进行验证。

$ {Y_p} = 2 \times (SAD + a + X) \times tg(\alpha /2)^\circ $

(1)

式中，Y_p为加速器有用束自屏蔽结构的理论宽度下限，mm；SAD为源到等中心距离，mm；a为等中心至自屏蔽装置的距离，mm；X为加速器自屏蔽结构的厚度，mm；α为加速器主射束最大张角，°。

1.4 屏蔽防护效果

MC模拟法：利用FLUKA软件（FLUKA 4-2.0）模拟电子打靶后产生X射线并将后者设定在加速器主射束最大张角范围内，定性分析屏蔽墙外辐射水平分布。模拟打靶电子数为10⁹。参考加速器机房屏蔽结构构建几何模型，其中模体设计为水模，根据《放射治疗放射防护要求》GBZ 121—2020^[9]中的相关要求，水模垂直于入射面完全覆盖主射束范围，水模厚度设计为15 cm。

经验公式计算法：依据国家标准《放射治疗机房的辐射屏蔽规范 第2部分：电子直线加速器放射治疗机房》^[10]中提供的机房屏蔽计算方法估算机房各关注点辐射水平。

$ Q=10^{-d /T VL} $

(2)

$ B=10^{-\left(d+T V L-T VL_{1}\right) / T V L} $

(3)

$ H=\frac{H_{0} \times S A D^{2}}{R^{2}}\cdot B \cdot Q $

(4)

$ H=\frac{H_{0} \times S A D^{2} \times \alpha_{p h} \times(F / 400)}{R^{2}} \cdot B $

(5)

式中，Q为加速器自屏蔽体透射率；d为屏蔽体的有效屏蔽厚度，mm；B为混凝土墙体的屏蔽因子；TVL₁和TVL为辐射在屏蔽材料中的第一个什值层厚度和平衡什值层厚度，mm；H₀为加速器等中心位置最高剂量率，μSv·m²/h；R为辐射源点至关注点的距离，m；α_ph为患者400 cm²上的散射因子；F为加速器有用束在等中心处最大照射野面积，cm²。

2 结　果 2.1 自屏蔽宽度符合性分析

利用加速器厂家提供的相关参数，按照1.3中的方法对3款加速器横断面和矢状面主射束最大张角及自屏蔽体宽度下限进行计算，计算结果见表2。

2.2 关注点MC模拟结果分析

FLUKA模拟3款加速器出束时，机房内等中心所在横断面及矢状面的周围剂量当量率分布见图2。

进一步分析3款加速器横断面的主射束及散射线在墙体入射平面内以主射束轴为0点，两侧200 cm范围内各点（10 cm间隔）相对于主射束轴处剂量率的比值变化，结果显示TOMO、Halcyon 2款加速器在墙体入射面等中心高度剂量率变化不明显，而Unity MR Linac散射线剂量率明显高于主射束透射剂量率，最高点位于主射束轴两侧1 m处，可达主射束轴处剂量率的4倍,详见图3。

2.3 关注点剂量率数值分析

基于与MC模拟相同的无主屏蔽设计加速器机房，利用经验公式法计算了Halcyon、Unity MR Linac和TOMO 3款自屏蔽直线加速器主屏蔽结构透射率及加速器垂直向西出束时机房屏蔽体外各关注点周围剂量当量率，结果见表3。

其中，对于主屏蔽区（关注点A），由于加速器自屏蔽结构的存在，主射束得到不同程度的衰减，其中Unity MR Linac透射率最高（0.83%），Halcyon最低（0.06%），两者相差13.8倍。主射束在自屏蔽衰减的基础上，再次经过机房屏蔽墙的衰减，得到机房外主屏蔽区的剂量率估算值，其中Unity MR Linac最高为8.13 μSv/h，而Halcyon最低为0.40 μSv/h，两者相差20倍。对于次屏蔽区（关注点B和C）：Halcyon次屏蔽区在横断面和矢状面机房外散射辐射剂量率（B1和C1）一致。而Unity MR Linac和TOMO在横断面和矢状面机房外散射辐射剂量率（B2和C2、B3和C3）有着较大的不同，前者要明显高于后者。另外，TOMO主屏蔽区和次屏蔽区外剂量率估算结果比较接近，而Halcyon主屏蔽区外剂量率估算结果要明显高于次屏蔽区，两者相差10倍；与之相反的是Unity MR Linac，其主屏蔽区外剂量率估算结果要比次屏蔽区低了5倍多，这也验证了MC模拟的分析结果。

3 讨　论

常规加速器无自屏蔽装置，防护分为主屏蔽防护和次屏蔽防护，主屏蔽防护需考虑主射束贯穿辐射对主屏蔽墙体外的辐射剂量贡献；次屏蔽主要考虑散射线对主屏蔽墙体两侧次屏蔽区的辐射剂量的贡献。Halcyon、Unity MR Linac和TOMO的自屏蔽结构能够显著地减少主屏蔽墙厚度，在达到同样的防护效果的情况下，所需机房的屏蔽墙厚度显著减少^[11]，可节省加速器机房的建设成本，同时自屏蔽结构可起到系统配重，在加速器旋转时可保持整体系统的动态平衡。目前该类带有自屏蔽装置加速器机房设计中常见方式为取消机房屏蔽墙中的主屏蔽外凸部分。本研究结果表明3款加速器自屏蔽体的屏蔽宽度均能达到屏蔽要求，就TOMO的分析结果来看利用自屏蔽体衰减主射束后屏蔽墙外剂量率水平较为“均整”，因此TOMO机房更为适合无主屏蔽外凸的设计。而Unity MR Linac在次屏蔽区散射剂量率要比主屏蔽区透射剂量率高出约5.3倍，这需要引起我们的注意的是Unity MR Linac无主屏蔽外凸的机房设计中墙体屏蔽厚度应当着重满足散射线的屏蔽要求，甚至考虑到辐射防护最优化原则，主射线屏蔽区墙体可以设计的更薄一些。

Unity MR Linac在矢状面的散射角约为26.7°，而横断面仅为13.1°，散射角2倍的差距导致横断面和矢状面散射剂量率相差14.6倍。散射角主要通过以下3个方面来影响屏蔽体外散射剂量率估算结果^[12]：①散射角决定α_ph取值，散射角越小α_ph取值越大；②散射角决定散射线的能量，散射角越小散射线能量越大，所需的混凝土屏蔽越厚；③散射角决定机房屏蔽墙有效屏蔽厚度，散射角越小机房屏蔽墙有效屏蔽厚度越短，剂量率越大。针对Unity MR Linac横断面散射剂量率较高的问题，建议增加自屏蔽体横断面方向的屏蔽宽度，进而增大散射角来解决。此外机房设计过程中也可适当增加主屏蔽区两侧一定距离次屏蔽区的屏蔽厚度，保证屏蔽体外散射剂量率低于剂量率控制值要求^[13]。

TOMO散射辐射的散射角约为12°，比Unity MR Linac还要小，但屏蔽体外的散射剂量率比前者小得多，这是由于Unity MR Linac在距机头1 m处的剂量率要明显高于TOMO（两者分别为927 cGy/min和614 cGy/min），而且等中心处最大照射野不同，分别为1 263 cm²和200 cm²，导致Unity MR Linac散射面积也要明显高于TOMO。由于Halcyon照射野为正方形，边长为250 mm，自屏蔽宽度在设计上要高于Unity MR Linac和TOMO,散射角也要高于上述2种加速器（约为28°），导致次屏蔽区散射剂量率要比主屏蔽区剂量率低一个数量级，基于辐射防护最优化准则在此类机房设计中可适当减少次屏蔽区屏蔽厚度。

相信随着加速器放射治疗技术的不断发展，带有自屏蔽结构的新型加速器将陆续投入临床使用，由自屏蔽结构存在所带来的机房屏蔽设计新思路也将在加速器机房从设计到建造、再到投入使用各个环节带来变革。这就要求我们在机房设计及建造过程中要充分考虑自屏蔽加速器设计细节及临床科室的使用需求，不断完善屏蔽设计标准，通过改进屏蔽计算方法，优化新型放疗机房辐射防护，降低放射工作人员及公众的受照剂量和辐射损伤^[14]，同时建议针对自屏蔽设备进一步完善放射防护标准，推动机房屏蔽设计的规范化和标准化，为自屏蔽加速器装置的临床应用奠定基础。