某医用陀螺刀射线剂量理论计算预测

陈 达

某医用陀螺刀射线剂量理论计算预测

陈 达

福建省辐射环境监督站

陀螺刀全称为“陀螺旋转式钴60立体定向放射外科治疗系统”，是目前世界上最先进的精确放疗设备之一。该文结合项目实际情况，对医用陀螺刀对周围环境和人群产生的剂量进行理论预测计算，计算其是否能满足防护要求，确保将来陀螺刀的安装和使用安全，为类似核技术应用项目的屏蔽计算提供参考。

陀螺刀 剂量 理论计算

1 项目概述

1.1 项目简介

某医院拟购置陀螺旋转式60Co放射外科治疗系统（以下简称陀螺刀）并新建工作用房。内含有154 个60Co放射源（按聚焦式排列），总活度2.59×1014Bq（7000Ci），放射源比活度≥8.51×1012Bq/g，焦点剂量率范围在1.5Gy/min~2.5 Gy/min之间，属于Ⅰ类放射源。

1.2 陀螺刀治疗室平面

陀螺刀位于医院西侧停车场下方的陀螺刀治疗室，为放疗科专用工作场所，是单独的地下建筑物结构。

治疗室层高3.6m(不含顶棚墙体厚度)，面积5.76m× 7.76m。迷路外墙外为控制室、候诊大厅、医生办公室，顶棚是停车场，治疗室无窗、无地下室。陀螺刀治疗室平面布置见图1。

2 预测范围及标准

2.1 预测范围

按照《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》的规定，将辐射工作场所分为控制区和监督区。本次辐射工作场所的分区情况见表1。本次预测范围重点是监督区与非限制区。

表1 本项目各辐射工作场所的分区

2.2 评价标准

公众照射剂量限值为年平均有效剂量估计值不超过1mSv，根据GB18871规定，对本项目公众照射的剂量约束值取0.1mSv/a。职业照射剂量限值为连续5年的年平均有效剂量不超过20mSv。本项目职业照射剂量约束值取5mSv/a。对于陀螺刀治疗室墙外30cm可达界面处，因透射产生的空气比释动能率不大于2.5μGy/h。

图1 陀螺刀治疗室平面图

3 射线对环境及人员的附加剂量计算

3.1 陀螺刀出束时间

该陀螺刀预计每天治疗10人，治疗时间根据源的活度和治疗剂量由治疗系统自动计算，一般为20min，放射源每天出束时间最大为3.33小时，每周工作5天，全年工作50周，则周最大出束时间约为16.7小时。

3.2 陀螺刀治疗室墙外30cm可达界面处剂量当量率估算

根据设备供货商提交的治疗状态下（准直器射野直径为40mm条件下）机房内水平面剂量分布图，陀螺刀开源旋转时，滚筒底面（北面、南面）距等中心焦点2m处的最大剂量率为2400μGy/h；在出束方向局距等中心焦点2m处的最大辐射剂量率为4560μGy/h，陀螺刀旋转时东、西侧墙和顶棚方向距等中心焦点2m处的最大辐射剂量率为4560μGy/h。根据IAEA47第6.1.2节，在未屏蔽的情况下，辐射剂量率与距离的平方成反比，可以用式（1）表示；在有屏蔽的情况下，辐射剂量率可以用式（2）表示。

其中，D0——焦点等中心最大剂量率。

将式（1）和式（2）合并，得到下列预测模式：

其中：1——陀螺刀机房内距离等中心焦点2m处最大剂量率实测值，东、西侧墙方向与顶棚方向x值为4560μGy/h，南、北侧墙方向x值为2400μGy/h；

d1——在预测点方向陀螺刀机房内与陀螺刀焦点等中心的距离，d1=2m；

d2——陀螺刀焦点与预测点距离；

K——预测点方向的混凝土屏蔽层对60Co γ射线的剂量减弱倍数；对于厚度分别为50cm、70cm和80cm、密度为2.35g/cm3的混凝土层，查表（各向同性点源γ射线减弱K倍所需的水、混凝土、铁、铅、铅玻璃、钨、铀厚度）得，K分别为56倍、460倍和1300倍。

由上式及上述参数可计算出陀螺刀治疗室各方向屏蔽墙外可达界面处0.3m处剂量当量率，预测结果见表2。

表2 治疗室墙外30cm可达界面处估算值

3.3 陀螺刀治疗室屏蔽墙(顶棚)外环境敏感目标有效剂量估算

治疗室屏蔽墙(顶棚)外环境目标预测点年有效剂量H的预测值按下列公式计算：

其中：50——每年运行50周，wk/a；

1000——μGy与mGy的换算系数；

t——陀螺刀周出束时间，t=16.7h；

x——陀螺刀机房内距离等中心焦点2m处最大剂量率实测值，东、西侧墙方向与顶棚方向x值为4560μGy/h≈ 4560μSv/h，南、北侧墙方向x值为2400μGy/h≈2400μSv/h；

d1——在预测点方向陀螺刀机房内与陀螺刀等中心焦点的距离，d1=2m；

d2——陀螺刀焦点与预测点距离，m；

K——同上。

由预测点年有效剂量预测公式及上述参数可计算出陀螺刀治疗室各方向屏蔽墙外环境目标的年有效剂量，预测结果见表3。

3.4 迷路口剂量估算

根据IAEA47中第6.2.3节，在最坏的情况下（治疗单元正好对着迷路口对面的墙），迷路口的剂量率主要由病人散射辐射所引起，其它方式的散射引起的剂量率相对较小，可以忽略不计。病人散射产生的辐射剂量率可以通过IAEA47的公式预测：

其中：0——焦点处剂量率，取2.5Gy/min（2.5×60× 106μGy/h）；

——60Co在垂直照射病人1m处的剂量散射分数，取值0.00091；

射线入射到病人的最大野面积，取20×20cm2；

α——0.5MeV射线反射系数，15度反射取值为0.021；

1——散射到迷路的墙面积，取3.2m×3.6m；

2——迷路的横截面积，取2m×3.6m；

sca——源到病人的距离，取1m；

1——焦点到墙A1的平均距离，取7.8m；

2——墙到迷路口的距离，取6.8m；

——衰减倍数，0.5MeV射线在15mm的铅的衰减倍数为9。

经计算，迷路口的辐射剂量率为0.197μGy/h。全年工作50周，周最大出束时间约为16.7小时，根据项目的具体情况，公众人员在迷路口的居留因子T取1/16，可计算出其年有效剂量Hs=0.010mSv/a。放射性职业工作人员在迷路口的居留因子T取1/4，Hs=0.041mSv/a。

表3 陀螺刀机房周围环境目标剂量估算

4 结论和建议

由上述预测结果可知，陀螺刀治疗室墙外30cm可达界面处的空气比释动能率不大于2.5μGy/h，符合《Χ、γ射线头部立体定向外科治疗放射卫生防护标准》中的规定。陀螺刀对周围环境目标公众的年有效剂量最大值为0.066mSv，为相应剂量约束值(0.1mSv/a)的66.0%；对操作陀螺刀的放射性职业工作人员而言，年有效剂量为0.004mSv，远小于职业人员的剂量约束值(5mSv/a)。因此，根据理论预测结果，该陀螺刀机房的设计方案可满足防护要求。

[1] 国际原子能机构47号报告(IAEA47).

[2] 蔡梅, 赵瑞霞. 环境影响评价技术方法[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2013.

[3] 陆书玉. 环境质量评价[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005.

[4] 卢希庭.原子核物理（修订版）[M]. 北京: 原子能出版社, 2000

[5] 吴治华,齐奔基.原子核物理实验方法[M]. 北京: 原子能出版社, 1988.