医用电子直线加速器及机房的屏蔽防护

福建省辐射环境监督站 温莉琴



医用电子直线加速器及机房的屏蔽防护

福建省辐射环境监督站 温莉琴

医用电子直线加速器被广泛应用，得到迅速发展，医用电子直线加速器的辐射防护问题已引起了社会的普遍关注。根据医用电子直线加速器的辐射特性，屏蔽是其辐射防护的主要方法。NCRP报告反映了医用电子加速器机房的屏蔽防护研究现状，我国也制定了一系列的法律法规，以满足人们对电离辐射防护日益提高的需求。

医用电子直线加速器辐射特性屏蔽

1 前言

与钴60 治疗机相比，医用电子直线加速器剂量率高、剂量计算准确、治疗时间短、而且对深部肿瘤的疗效更为理想等优点，因此，医用电子加速器在世界各国迅速发展，已成为目前世界上主流的放疗设备。近些年来，我国面临医用电子直线加速器得到迅速推广应用，已有逐渐取代钴－60治疗装置的趋势。估计我国每年大约新增60万癌症患者，其中约60 %至70 %需要配合施加放射治疗。因此，以医用电子直线加速器为例，31省份由1999年的420台[1]，至2006年已经装备918台，其增长速率十分可观，一些开展放射治疗的医院已同时拥有多台医用加速器。但全国平均每百万人的拥有量还仅0.7台，远远未达到世界卫生组织（WHO）建议每百万人配备2至3台医用加速器的要求[2]。所以其发展潜力还很大，与此相适应，电离辐射医学应用的放射防护与安全日益强烈凸显其重要性和迫切性[3]。

医用电子直线加速器的广泛应用和迅速发展，无疑给人类带来了巨大的利益。电离辐射是把双刃剑，各种射线对人体也有损伤作用的一面，不当的和过量的电离辐射照射会引起对人体的危害。依据现行的射线装置分类办法，医用电子直线加速器属于Ⅱ类射线装置，属于中危险射线装置，发生事故时可以使受照人员产生较严重的放射损伤，大剂量照射甚至导致死亡。医用电子直线加速器对工作场所及周围环境产生的辐射水平及其防护问题已引起了社会的普遍注意和关切。配备医用电子直线加速器设备进行放射治疗的各级医疗机构，大多在人口集中的城市中心区域。除了必须充分重视医学放射工作人员的职业照射防护外，还必须关注放射治疗机房周围环境的放射安全，考虑到公众的防护。

2 医用电子直线加速器的结构和工作原理

医用电子直线加速器的能量在整个加速器范围内属于低能段。医用电子直线加速器能量一般指X射线治疗方式下的加速电位，即X射线的最高能量。通常按能量10MV为界区分，以采取与之相应的放射防护措施。它还可按产生X射线的种类分为单光子、双光子和多光子直线加速器。单光子直线加速器一般只能产生一种低能X射线；双光子直线加速器能够产生低能和高能X射线和多种能量的电子线；多光子直线加速器可以产生高、中、低三种能量的射线；产生光子的种类越多，设备越复杂。

医用电子直线加速器一般由电子枪、加速管、微波功率源及微波传输系统、聚焦系统、真空系统、电源和控制系统、束流输运系统和附属设备等组成。其工作过程是：调制器产生两个脉冲高压，一个加到功率源（速调管或磁控管），功率源产生的微波功率经微波传输系统，馈入加速管，并在其中建立加速场。另一个脉冲高压加到电子枪，引出电子束。电子束注入加速管，受到其中加速场的加速。

医用电子直线加速器一般可使用X射线束或电子束两种射线进行肿瘤放射治疗。医用电子直线加速器运行时可能对周围环境产生电离辐射影响。因此，在加速器应用之前首先要进行辐射防护。由于电子穿透力弱，电子束流强也相对较小，屏蔽计算一般仅考虑X射线治疗方式。

3 医用电子直线加速器的辐射特性

医用电子直线加速器运行时，被加速的带电粒子从加速器的真空区引出后，这些带电粒子与被撞击的物质相互作用时产生韧致辐射X射线、特征X射线、瞬发γ射线、中子射线和缓发射线(能量≥10MeV时)。与此同时，射线作用于空气以及次级辐射等因素，可产生臭氧、氮氧化物和微量气载放射性物质。具体可分类如下：

3.1 初级射线辐射。这是指来自加速器准直孔直接发射的射线。当光阑完全打开时，从辐射头靶端出射的X射线为一个半角为14度的锥型线束，其能量特性决定于选择的X射线能量级。与电子线产生的辐射相比较，辐射防护更主要的是依据的X射线能量。

3.2 漏射线辐射。这是指穿过加速器组装壳体的泄漏射线，与主射线相比，泄漏剂量率比主射线束发射剂量率要低得多。

3.3 散射线辐射。这是指受有用射线束和泄漏辐射直接照射的照射对象、装置部件以及建筑物室壁的散射辐射，散射辐射的能量和剂量均比有用射线束的能量和发射剂量率要低。

3.4 中子辐射。在高能X射线模式会产生一定数量的中子，通常无论在高能电子线或低能X射线模式都只有很低的能量级水平，在设计屏蔽和迷路通道时可以忽略。但在高于10MV的X射线模式中，迷路入口的设计必须对中子剂量率加以考虑。

3.5 辐射活化的产生。直线加速器工作在高于8MeV的能量级时，会发生光核效应，特别是高于12MeV时增加得更快。这样会造成辐射头、室内其他物质包括周围空气在内的放射性核的形成，产生少量放射性气体。如：13N（半衰期10min）和15O（半衰期2min）。如果机房内安装有通风系统，在加速器生产和使用过程中，机房的通风量足够，那么放射性气体的累积不会达到危害人体的程度。我国GBZ126-2002规定了医用电子直线加速器治疗室（即机房）通风换气次数应达到每小时3～4次[4]。

4 医用电子直线加速器机房的屏蔽防护

根据医用电子直线加速器的辐射特性，屏蔽是其辐射防护的主要方法，屏蔽防护包括设计与评价两方面内容，屏蔽防护设计需要是根据现行标准要求，结合医院提供的工作负荷、周围环境状况等，在根据设计经验确定的治疗室布局下，采用数学计算模式设计屏蔽体的厚度；而评价则可以根据屏蔽体的厚度，结合医院提供的工作负荷、周围环境状况等，采用数学计算模式估算职业放射工作人员和公众个人所可能接受的年有效剂量，然后依据现行标准要求对其进行防护评价。因此，医用电子直线加速器辐射屏蔽设计计算方法与电离辐射防护环境影响评价理论计算方法是相通的，即年有效剂量与屏蔽体厚度之间，通过相同的其他相关参数，相互转换。设计主要包括主（初级）屏蔽体（墙、顶棚）设计、副（次级）屏蔽体（墙、顶棚）设计和迷路防护门设计，以及相关基本参数（包括剂量控制目标值、居留因子、工作负荷和使用因子等）。目前医用电子直线加速器辐射屏蔽防护设计与评价方法较多，相关参数选取混乱，由此设计而建成的机房容易出现防护不足或偏保守的现象，进而增加了周围人员的心理负担或不必要的资源浪费。

医用电子直线加速器机房一般依据NCRP报告进行屏蔽计算，NCRP报告反映了医用电子加速器机房设计和屏蔽研究的现状。1976年出版的NCRP49号报告[5]建立了初级屏蔽体和次级屏蔽体系统的计算方法，可用于Co-60治疗机以及10MV以内的电子直线加速器屏蔽计算，并将非控制区分为全居留、部分居留、偶然居留，居留因子T值分别取1、1/4、1/16，而控制区T值习惯上取1，治疗室外墙T值取1/10。NCRP51号报告[6]将能量扩展到100MV，并给出了迷路门经验屏蔽要求。1984年出版的NCRP79号报告[7]改进了中子屏蔽计算方法。2000年出版的NCRP134号报告[8]建议一般公众的偶然居留因子取1/40。2003年出版的NCRP144号报告[9]改进了计算的精确度，包括修订所有屏蔽数据（TVL值），改进机房防护门屏蔽计算（包括有迷路和无迷路的设计）的精度，新增了适形调强放射治疗(IMRT)的防护内容。有些机房设计在初级屏蔽体内埋设金属板，还讨论了该金属板产生的光中子。2005年出版的NCRP151号报告[10]，以及2006年IAEA出版的IAEA47[11]安全报告中有关医用电子加速器机房设计和屏蔽研究是目前最新内容。NCRP151号报告改进了迷路计算精度，而IAEA47安全报告中参考了NCRP151报告中的许多内容。目前我国针对新出台的NCRP151号报告和IAEA 47号报告的运用与研究的报道有限，常用的计算方法依据有：（1）1977年出版的NCRP51号报告；（2）1982年由李星洪等编、原子能出版社出版的《辐射防护基础》；（3）1991年由方杰主编、李士骏主审、原子能出版社出版的《辐射防护导论》；（4）1991年由李德平、潘自强主编，原子能出版社出版的《辐射防护手册第一分册》，等。

为了满足广大人民和医务工作者对电离辐射防护和安全日益提高的需求，我国制定了一系列的法律法规，如：《中华人民共和国职业病防治法》、《中华人民共和国放射性污染防治法》和《放射性同位素和射线装置辐射与安全管理条例》（国务院2005年449号令）等。并与国际电离辐射防护新进展同步，贯彻实施了我国新的放射防护基本标准——GB18871－2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》，它是我国各行各业应用电离辐射技术的放射防护总指南，包括如何具体应用实践的正当性、防护的最优化和个人剂量限值等放射防护三原则。一些相关的次级放射防护专项标准，例如GBZ/T 152—2002《γ远距机房设计防护标准》，规定了γ射线远距离放射治疗机房的总体布局和设计中的防护要求；GBZ 126—2002规定了 “治疗室选址和建筑设计必须符合相应的放射卫生防护法规和标准要求，保障周围环境安全；有用线束直接投照的防护墙（包括天棚）按初级辐射屏蔽要求设计，其余墙壁按次级辐射屏蔽要求设计；穿越防护墙的导线、导管等不得影响其屏蔽防护效果；X射线标称能量超过10 MeV的加速器，屏蔽设计应考虑中子辐射防护”，可供参考借鉴。医用电子直线加速器屏蔽厚度按其可能的最大输出量进行设计，所有设计和评价均是根据GB18871－2002中规定的剂量限值。不过，我国现行法规中尚无统一规定具体的医用电子直线加速器辐射屏蔽防护设计的控制目标值。

[1] 郑钧正, 贺青华, 李述唐, 等. 我国电离辐射医学应用的基本现状[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2000, 20（增刊）:7 - 14.

[2] 中华放射肿瘤学会（殷蔚伯, 余耘, 陈波, 等执笔）. 2006年全国放疗人员及设备调查报告[J]. 中华放射肿瘤学杂志, 2007, 16（1）:1 - 3.

[3] 郑钧正.电离辐射医学应用的防护与安全[M]. 北京:原子能出版社, 2009.

[4] GBZ126-2002. 医用电子加速器卫生防护标准[S].

[5] NCRP Report No.49, Structural Shielding Design and Evaluation for Medical Use of X Rays and Gamma Rays of Energies up to 10 MeV[R]. 1976.

[6] NCRP Report No.51, Radiation Protection Design Guidelines for 0.1-100 MeV Particle Accelerator Facilities[R]. 1977.

[7] NCRP Report No.79, Neutron Contamination from Medical Electron Accelerators[R]. 1984.

[8] NCRP Report No.134, Operational Radiation Safety Training[R]. 2000.

[9] NCRP Report No.144, Radiation protection for particle accelerator facilities[R]. 2003.

[10] NCRP Report No.151, Structural Shielding Design and Evaluation for Megavoltage X-and Gamma-Ray Radiotherapy Facilities[R] . 2005.

[11] Safety Reports Series No.47, Radiation protection in the Design of Radiotherapy Facilities[R]. IAEA, 2006.