中国辐射卫生  2022, Vol. 31 Issue (6): 663-668  DOI: 10.13491/j.issn.1004-714X.2022.06.004

引用本文 

许志强, 耿继武, 贾育新, 张灶钦, 王美霞. 医用电子直线加速器治疗机房入口辐射剂量分析[J]. 中国辐射卫生, 2022, 31(6): 663-668. DOI: 10.13491/j.issn.1004-714X.2022.06.004.
XU Zhiqiang, GENG Jiwu, JIA Yuxin, ZHANG Zaoqin, WANG Meixia. Analysis of radiation dose at the entrance of the medical linear accelerator treatment room[J]. Chinese Journal of Radiological Health, 2022, 31(6): 663-668. DOI: 10.13491/j.issn.1004-714X.2022.06.004.

基金项目

广东省医学科研基金（A2021250）广东省职业病防治重点实验室（2017B030314152）

文章历史

收稿日期：2022-06-07
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医用电子直线加速器治疗机房入口辐射剂量分析
许志强 , 耿继武 , 贾育新 , 张灶钦 , 王美霞     
广东省职业病防治院，广东 广州　510300
收稿日期：2022-06-07
基金项目：广东省医学科研基金（A2021250）广东省职业病防治重点实验室（2017B030314152）
作者简介：许志强（1988—），男，湖南衡南人，工程师，从事放射防护工作。E-mail：1079220561@qq.com.
摘要：目的 探究加速器机房入口辐射剂量，指导机房入口防护检测。方法 利用FLUKA程序构建加速器机头及机房模型，模拟加速器在10 MV和600 cGy/min条件下，比较不同机架角度、照射条件和迷路情况下机房入口内侧的辐射剂量率。结果 不同迷路内墙厚度和机架角条件下，有水箱时入口剂量率明显大于无水箱情况。迷路内墙厚度为1 800 mm，机架角为90°时入口剂量率最大。迷路内墙厚度为1 000 mm，机架角为0°和180°时，入口剂量率明显大于其他情况。迷路内墙为1.80 m、机架角为90°、有水箱、迷路内入口宽为1 400～2 200 mm时，机房入口处剂量率在（82.26 ± 48.95）～（314.09 ± 96.34） μSv/h。结论 加速器机房入口处的剂量主要来自于有用线束在患者体表的散射和泄漏辐射，入口剂量率随迷路内口宽度递增。在入口防护检测时，机架角度的选取要考虑迷路内墙厚度，在不明确情况下对4个角度进行检测，保证检测结果的全面和准确。
关键词：加速器    机房入口剂量率    FLUKA程序    
Analysis of radiation dose at the entrance of the medical linear accelerator treatment room
XU Zhiqiang , GENG Jiwu , JIA Yuxin , ZHANG Zaoqin , WANG Meixia     
Guangdong Province Hospital for Occupational Disease Prevention and Treatment, Guangzhou 510300 China
Abstract: Objective To investigate the radiation dose at the entrance of the accelerator treatment room, and to guide the radiation protection detection at the entrance of the treatment room. Methods The FLUKA program was used to build the model of accelerator head and treatment room. Under the simulation conditions of 10 MV and 600 cGy/min for the accelerator, the radiation dose rate inside the entrance of the treatment room was measured at different gantry angles, irradiation conditions, and labyrinths. Results The entrance dose rate with a water tank was significantly higher than that without a water tank under different inner labyrinth wall thicknesses and gantry angles. The entrance dose rate reached the maximum at the inner labyrinth wall thickness of 1800 mm and the gantry angle of 90°. When the inner labyrinth wall thickness was 1000 mm and the gantry angles were 0° and 180°, the entrance dose rate was significantly higher than that at other conditions. The dose rate at the entrance of the treatment room reached (82.26 ± 48.95) μSv/h to (314.09 ± 96.34) μSv/h under the following conditions: the inner labyrinth wall thickness of 1800 mm, the gantry angle of 90°, with a water tank, and the width of the inner labyrinth entrance of 1400-2200 mm. Conclusion The dose at the entrance of the accelerator treatment room mainly comes from the scattering and leakage radiation of the useful wire harness on the patient’s body surface, and the entrance dose rate increases with the increase in the width of the inner labyrinth entrance. In the entrance protection test, the gantry angle should be determined considering the inner labyrinth wall thickness, and the test should be performed at four angles in the uncertain case to ensure the comprehensiveness and accuracy of test results.
Key words: Accelerator    Entrance dose rate of the treatment room    FLUKA program    

恶性肿瘤成为威胁中国人群健康的重要疾病，根据国家癌症中心最新发布的全国癌症统计数据，2015年中国新发恶性肿瘤392.9万例，恶性肿瘤死亡病例233.8万例，恶性肿瘤导致的死亡占中国居民全死因的23.9%[1]。作为肿瘤治疗的三大利器之一，医用电子直线加速器（简称医用加速器）被广泛应用于临床实践具有举足轻重的作用，能有效挽救患者生命，给患者带来巨大利益，同时其对工作人员和公众带来潜在的辐射风险也备受关注[2-4]。分析加速器机房入口剂量分布及影响因素，对放射治疗机房的设计、建造和日常的监测、检测都有着非常重要的意义。

本研究结合广东省内某加速器治疗机房屏蔽设计方案，利用蒙特卡罗FLUKA程序[5-7]构建加速器机头和治疗机房几何模型，引入不同的条件和因素，模拟计算机房入口处周围剂量当量率的变化情况，分析加速器治疗机房入口的剂量分布及影响因素。

1 材料与方法 1.1 模型构建 1.1.1 加速器机头模型构建

如图1，本文利用FLUKA程序编写加速器机头程序代码，构建了包括靶、初级准直、均整器和次级准直在内的加速器治疗头模型。其中电子束打靶的过程是在密闭的真空腔内完成，靶由金属材料钨和铜构成，初级准直器、均整器和次级准直器均由金属材料钨构成[8-9]。

图 1 加速器机头模型 Figure 1 Accelerator head model
1.2 机房几何模型

本次加速器机房模型按照广东省内某机房的实际尺寸，构建了几何模型，见图2。加速器机房屏蔽情况见表1。散射模体采用30 cm × 30 cm × 30 cm水模代替，密度为1.0 g/cm3。机房屏蔽体采用标准混凝土，密度为2.35 g/cm3。

图 2 加速器机房几何结构 Figure 2 Geometric structure of the accelerator treatment room

表 1 加速器机房屏蔽情况一览表 Table 1 List of shielding conditions in the accelerator treatment room
1.3 模拟计算

本研究采用的模拟计算软件为意大利核物理研究所(INFN)和欧洲核子研究中心(CERN)联合开发的基于蒙特卡罗方法的FLUKA 4.2.1程序。模拟过程以电子束打靶开始，电子初始动能为10 MeV。对于物理过程在FLUKA中调用了PRECISIO和PHOTONUC卡，利用USRBIN将空间分成若干相等的小格并记录小格中的光子通量，利用AUXSCORE卡引入ICRP74报告中的周围剂量转换系数AMB74计算剂量当量。考虑计算的时间等因素，模拟计算的历史数设置为1.00 × 109。并引入EMF-CUT卡将电子输运截止能量设置为0.7 MeV，光子输运截止能量设置为0.01 MeV[5]。源皮距SSD = 100 cm，光子束的射野范围设置为 40 cm × 40 cm方形野，机架角度分别取 0°（向下）、90°（向右）、180°（向上）和270°（向左）4个角度方向。通过模拟单个电子输运在加速器等中心点的周围剂量当量率归一化获取等中心点光子剂量率为600 cGy/min时加速器的电子束流强度为为3.37 × 1012 粒子/s。

1.4 模拟输出

本次研究主要记录机房入口在等中心高度的周围剂量当量率，将机房入口宽度入口1 500 mm按100 mm一个记录小格等分为14个记录小格（记录小格的相对位置关系见图2），记录等中心高度上每个小格的周围剂量当量率。

2 结　果 2.1 迷路内墙厚度为1 800 mm时，机房入口周围剂量当量率

在加速器机房迷路内墙厚度为1 800 mm时，有散射模体和无散射模体情况下，机架角分别取 0°、90°、180°和270° 4个角度方向，机房入口处周围剂量当量率模拟结果见表2。

表 2 迷路内墙厚度为1 800 mm时，机房入口周围剂量当量率 Table 2 Dose equivalent rate around the entrance of the treatment room at the inner labyrinth wall thickness of 1800 mm
2.2 机房入口周围剂量当量率随迷路内口宽度变化

迷路内墙厚度为1 800 mm，机架角为90°，放置散射模体，改变加速器机房迷路内口的宽度，分别为1 400～2 200 mm，机房入口处周围剂量当量率模拟结果见表3。

表 3 不同迷路内口宽度时，机房入口周围剂量当量率 (μSv/h) Table 3 Dose equivalent rate around the entrance of the treatment room at different widths of inner labyrinth entrance (μSv/h)
2.3 迷路内墙厚度为1 000 mm时，机房入口周围剂量当量率

在加速器机房迷路内墙厚度为1 000 mm时，有散射模体和无散射模体情况下，机架角分别取 0°、90°、180°和270° 4个角度方向机房入口处周围剂量当量率模拟结果见表4。

表 4 迷路内墙厚度为1 000 mm时，机房入口周围剂量当量率 Table 4 Dose equivalent rate around the entrance of the treatment room at the inner labyrinth wall thickness of 1000 mm
3 讨　论

对于能量为10 MV的加速器机房，有用线束不照向迷路时，机房入口的处的辐射剂量中来自人体受有用线束照射时，散射至迷路在迷路内的二次散射、泄漏辐射在迷路内的散射辐射、穿过人体的有用线束辐射在主屏蔽墙上的散射在迷路内的二次散射和迷路内墙的泄漏辐射[10-12]。迷路内墙厚度为1 800 mm，有散射模体情况下不同机架角度时机房入口处的剂量率为(59.26 ± 37.71)～(243.14 ± 37.92)(机架角为90°) μSv/h，无散射模体情况下不同机架角度时机房入口处的剂量率为(21.22 ± 17.17)～(112.30 ± 48.59) (机架角为90°) μSv/h。对比迷路内墙厚度为1 800 mm机房入口的剂量率，机架角为90°时，机房入口处的周围剂量当量率最大，且有散射模体比无散射模体情况下大。迷路内墙厚度为1 000 mm，机架角度在0°和180°时有/无散射模体情况下，机房入口处的剂量率分别为(348.01 ± 71.20)、(142.89 ± 39.95) μSv/h和(327.06 ± 136.66)、(169.03 ± 45.68) μSv/h，机架角为90°和270°时有/无散射模体情况下，机房入口处的剂量率分别为(276.53 ± 91.40)、(170.93 ± 68.26) μSv/h和(139.36 ± 82.54)、(59.66 ± 39.50) μSv/h。对比迷路内墙厚度为1 000 mm机房入口处的剂量率，机架角为0°和180°情况下明显大于90°和270°的情况，且放置散射模体比无模体情况大。由此也证实对于有用线束不照向迷路内墙的加速器机房，机房入口处的辐射主要来源于迷路内墙泄漏辐射和人体的散射辐射[10-12]。

在迷路内墙厚度不变情况下，改变迷路内口的宽度为1 400 mm～2 200 mm时，对应机房入口处剂量率为（82.26 ± 48.95）～（314.09 ± 96.34） μSv/h。机房迷路内口的宽度越大，机房入口处的剂量率越大。迷路内口的宽度变化，导致患者散射辐射的二次散射的面积增加，同时散射路径长度变短，而机房入口处散射剂量与二次散射面积成正比[10]，与散射路径长度的平方成反比。因此，机房内入口的剂量率随机房内入口宽度的增加而增加。

迷路内墙厚度为1 800 mm时，机房入口剂量率为（21.22 ± 17.17）～（243.14 ± 37.92） μSv/h，迷路内墙厚度为 1 000 mm时，机房入口剂量率为（59.66 ± 39.50）～（348.01 ± 71.20） μSv/h。对比迷路内墙厚度为1 800 mm和1 000 mm情况下机房入口的剂量率情况，在其他条件保持不变的情况下机房入口处的周围剂量当量率水平随迷路内墙厚度减少显著增加。可以看出机房迷路内墙主要用途是减少泄漏辐射对机房入口处辐射剂量的影响[10-12]。比较迷路内墙厚度为1 000 mm和1 800 mm机房入口处的剂量率。迷路内墙厚度为1 000 mm时，机房入口处周围剂量当量率在机架角为0°和180°时明显大于机架角为270°和90°的情况，可以看出机房入口处的辐射剂量率除跟迷路内口的情况相关外，还跟迷路内墙厚度相关，迷路内墙厚度直接影响机房入口处散射辐射和泄漏辐射的比重，而且可能导致泄漏辐射在机房入口处剂量占主导。因此，在日常监测、检测中应根据迷路内墙的实际厚度来确定机房入口处防护检测条件中的机架角度[13]。考虑到实际检测工作的时效性及检测人员的专业性等诸多因素，为了保障实际检测数据的全面性，建议机房入口处的辐射检测应该选择机架角度为0°、90°、180°和270°进行测量。

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