质子因其优越的物理和生物学特性，在肿瘤放射治疗领域一直备受关注^[1]。与之相应的辐射防护相关问题、放射工作人员和公众的安全也应引起足够的重视。质子治疗室的辐射场主要包括以中子、γ为主的“瞬发辐射场”和以感生放射性为主的“缓发辐射场”，有研究表明质子治疗室缓发辐射场是放射工作人员职业照射的主要来源^[2-4]。因此，探究质子治疗室内感生放射性的剂量分布期情况及不同混凝土材料对感生放射性的影响，对保护工作人员健康和质子治疗室建设和材料选择十分重要。

本研究结合国内某质子治疗机房屏蔽设计方案，利用蒙特卡罗FLUKA程序构建几何模型^[5]，引入不同的混凝土材料构成，模拟计算不同屏蔽材料下治疗室内感生放射性剂量分布情况，分析质子治疗室内感生放射性分布及屏蔽材料的影响情况。

1 材料与方法 1.1 几何模型

参考国内某在建的固定束质子治疗室屏蔽结构，构建几何模型见图1所示。长方体水靶尺寸为30 cm × 30 cm × 40 cm，水的密度为1.0 g/cm³，治疗室内填充干燥空气，密度为1.2 × 10⁻³ g/cm³（C：0.012%，N：75.527%，O：23.178%，Ar：1.283%）。质子治疗机房主射束方向墙体考虑瞬发辐射的屏蔽需要使用了重混凝土。本研究在该方案的基础上，将不同类型的混凝土引入主射束方向墙体，不同混凝土的密度和元素组成见表1^[6]。考虑模拟计算时间成本与几何复杂程度成正相关性，忽略束流配送系统、治疗床等对感生放射性辐射的影响。

1.2 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 2011.2x.2程序。模拟计算的历史数为1.00 × 10⁸。质子能量为230 MeV，束流强度3.0 nA（6.7408 × 10⁷粒子/s），连续照射2 min后、冷却0、1、3、5、10和30 min。束流方向为与水靶、墙体垂直。为了减少计算的误差，提高计算速度，本模拟采用了减方差的方法，将混凝土墙体按照质子束的射程进行分层^[5]。

1.3 模拟输出

本次研究主要记录治疗室内束流平面上感生放射性的周围剂量当量率的分布情况及主射束方向上距离屏蔽墙内侧30 cm处的周围剂量当量率。

1.4 统计分析

本研究数据为重复测量的连续数据，拟采用广义线性混合模型（GLMM）进行分析。广义线性混合模型可以看做是广义线性模型和线性混合模型的融合，可以处理不呈正态也不独立的数据。本研究将不同密度的混凝土墙体材料中的元素含量作为因子，将关注点的感生放射性周围剂量当量率作为协变量纳入模型，观察不同冷却时间下二者的相关性。利用R语言拟合广义线性混合模型，检验水准α = 0.05。

2 结　果 2.1 治疗室感生放射性周围剂量当量率分布

质子束流照射水靶2 min，冷却0、1、3、5、10、30 min后，质子治疗室内剩余辐射周围剂量当量率分布情况见图2～图7。

2.2 主射束方向关注点感生放射性周围剂量当量率值

主射束方向距离重晶石混凝土墙体内侧30 cm处，不同冷却时间的感生放射性周围剂量当量率值见表2。

2.3 关注点感生放射性周围剂量当量率与主射束屏蔽墙体材料元素关系

以关注点感生放射性周围剂量当量率为协变量，以混凝土中元素含量为因子进行广义线性混合模型分析，结果见表3。元素O、Fe、H、C、Na、Si、K的P值均 < 0.05，对关注点的感生放射性周围剂量当量率影响有统计学意义。其中元素Fe的估计值β = −0.69，即Fe元素的含量与关注点感生放射性周围剂量当量率呈负相关性，其它元素的估计值β > 0，即元素O、H、C、Na、Si、K的含量与关注点感生放射性周围剂量当量率呈正相关性。

3 讨　论

质子运行过程中产生的辐射场包括“瞬发辐射场”和“缓发辐射场”。瞬发辐射场主要质子重离子与物质作用产生的次级中子和γ，缓发辐射场主要是来自于质子以及次级粒子与物质作用产生的感生放射性^[7-8]。

忽略束流配送系统和治疗床的影响，质子治疗室内的感生放射性剂量主要来自于靶、空气和屏蔽体活化。本研究以水模体为靶材，用FLUKA模拟质子束照射靶后冷却不同时间情况下治疗室内感生放射性的剂量分布。质子治疗室内的感生放射性剂量主要集中在靶的四周，不同的主屏蔽材料会在主射束末端靠近混凝土墙体内侧形成剂量略高的区域。因此治疗后的患者的感生放射性是质子治疗工作人员（技师）最大的照射来源。同时治疗室内的空气和治疗室的屏蔽体混凝土也会因为活化对工作人员带来一定的剂量贡献。

冷却3～5 min后，治疗室内感生放射性周围剂量当量率水平迅速降低为刚停止照射时刻的5～10倍，治疗室内空气、水靶及混凝土中活化产物主要是短半衰期核素。在实际工作中帮助或者协助完成治疗患者解除摆位的操作过程，工作人员尽量选择在结束治疗后一定时间再进入治疗室，同时尽量选择离患者相对较远的位置，来减少感生放射性的影响^[9-10]。同时，对于质子治疗的物理师，在使用水箱进行质子治疗系统相关性能指标的质量控制时，也需选择合适的时间进出治疗室，并妥善处理使用过的水箱中的水，减少感生放射性外照射影响同时防止污染发生。

有研究表明，混凝土材料中添加铁、锰等重金属材料，能有效提升混凝土屏蔽瞬发辐射场的性能。但是对于质子治疗机房除考虑瞬发辐射的屏蔽外，还需要尽量减少治疗室内感生放射性^[11-12]。由不同混凝土结构材料治疗室内的感生放射性剂量分布和治疗室内有用线束方向距离内墙30 cm处关注点的周围剂量当量率结果可以看出，不同的混凝土屏蔽材料对质子治疗室内的剩余剂量会产生一定的影响，且主要集中在主射束方向靠近屏蔽墙内侧的区域。通过关注点感生放射性剂量与混凝土中主要关键元素的含量的混合效应模型分析，混凝土中 Fe、O、H、C、Na、Al、Si和K元素含量对质子治疗室内一定区域的感生放射性剂量有统计学意义，Fe、O、H、Si等元素含量对治疗室内一定区域的感生放射性剂量有显著影响，且Fe元素的含量与关注点剂量呈负相关性。

混凝土对治疗室内的感生放射性影响主要是来自于混凝土中的元素与中子等次级射线作用产生的核素衰变产生的γ射线。混凝土中的Fe含量越高，其密度越大，对于γ光子的屏蔽能力越强，因此Fe含量越高的混凝土，因其自身屏蔽γ射线能力强，导致对治疗室内感生放射性剂量贡献越小。因此，仅从减少工作人员剂量的角度出发，不考虑实际施工的难易程度等因素，对质子治疗室的防护材料选择上可以考虑Fe元素较高的重混凝土。