15MV医用电子加速器机房放射防护设计研究

魏澜波，潘润铎，陈大伟，侯林平，贺强

1.吉林大学公共卫生学院 辐射防护教研室，吉林 长春 130021；

2.吉林大学第一医院 a.放射科；b.放疗科，吉林 长春 130021

15MV医用电子加速器机房放射防护设计研究

魏澜波1，潘润铎2a，陈大伟1，侯林平2b，贺强1

1.吉林大学公共卫生学院 辐射防护教研室，吉林 长春 130021；

2.吉林大学第一医院 a.放射科；b.放疗科，吉林 长春 130021

目的探讨某15 MV医用电子加速器机房放射防护设计的科学性，提出具体的防护建议和改进措施，从而保障放射治疗职业人员和公众的辐射安全。方法依据国内外相关技术规范和标准，对机房屏蔽及排风设计进行复核、计算，将计算结果与设计内容进行比较分析。结果机房墙体的屏蔽计算厚度（混凝土）为：西墙1300 mm、北主墙2400 mm、北副墙1200 mm、迷路口后东墙1200 mm、迷路墙后东墙1300 mm、南主墙2700 mm、南副墙1400 mm、机房顶2900 mm、机房副顶1600 mm；南、北主防护墙和主防护顶计算宽度分别为3500 mm、3700 mm；机房通风次数为0.06 次/h。结论机房北主墙、北副墙、东墙的屏蔽厚度和主墙的屏蔽宽度符合标准要求，机房南主墙、南副墙、西墙、机房顶、机房副顶的屏蔽厚度和通风换气次数达不到标准要求。

医用电子加速器；加速器机房；辐射防护；屏蔽设计

0 前言

放射治疗发展至今已有 100 多年的历史，与手术、化疗一起构成肿瘤治疗的三大手段，60%～70% 的肿瘤患者在其治疗的不同阶段需要接受放射治疗。肿瘤放射治疗学也是近年来发展最快的学科之一[1]。随着学科的迅猛发展，医用电子加速器越来越广泛地被应用于临床工作中。因此，如何有效地减少加速器射线对周围环境和人类健康的危害成为人们关注的话题。本文对某 15 MV 医用电子加速器机房放射防护设计进行研究，希望能为加速器机房科学、合理建设提供参考。

1 材料与方法

1.1 加速器参数及机房资料

机房拟安装 SIEMENS 公司 ONCOR Expression 型医用电子加速器，用于开展普通放疗和调强治疗，最大X射线能量为 15 MV，最大电子线能量为 21 MeV，每周出束＜ 1500 Gy。距靶 1 m 等中心处最大 X 射线输出剂量率为600 cGy/min，最大照射野为 40 cm×40 cm，等中心位置在机房中央，距地面高度为 1308 mm。加速器机房拟建于地下一层（最底层），西侧为回旋加速器操作室，北侧为土层，东侧为操作室和设备间，南侧为走廊，地上一层为工作站。加速器机房平面图和剖面图，见图 1～2。机房建筑面积约为 200 m2，使用面积约为 100 m2，机房通风设计为 24.3 m3/h，不同通风条件下机房臭氧浓度随时间的变化趋势，见图3。

图1 加速器机房平面图

图2 加速器机房剖面图

图3 不同通风条件下机房臭氧浓度随时间的变化趋势

1.2 放射防护计算方法

1.2.1 机房屏蔽计算

（1）机房墙体屏蔽厚度。按如下方法导出剂量率参考控制水平：

式中，Hc为周参考剂量控制水平，职业人员取 100 μSv/周， 公 众 取 2 μSv/周 ；Hc,d为 关 注 点的 导 出 剂量 率参考控制水平，单位为 μSv/h ；t为治疗装置周治疗照射时间，单位为 h ；U为有用线束关注方向的使用因子 ；T为人员在相应关注点的居留因子；N为调强治疗时用于泄露辐射的调强因子，取N=5；W为周工作负荷，取 1500 Gy/周；H0为距靶 1 m 处等中心点最高剂量率，单位为 μSv•m2/h，600 cGy/min。

不同辐射的屏蔽估算方法：

B为屏蔽透射因子；R为辐射源点至关注点的距离，单位为 m ；f对有用束为 1，对泄漏辐射为泄漏辐射比率，取10-3；Rs 为患者至关注点的距离，单位为 m ；dph为 400 cm2面积上的散射因子，取 3.18×10-3；F 为治疗装置有用束在等中心处的最大治疗野面积，取（40×40） cm2；Xe为有效屏蔽厚度 ；X为所需屏蔽厚度 ；TVL1为第一个 1/10 层厚度，15 MV X 射 线 混 凝 土（ρ=2.35 g/cm3） 的 TVL1取 440 mm，90°泄露辐射混凝土的TVL1取 360 mm ；TVL 为平衡 1/10值层厚度，15 MV X 射线混凝土的TVL取 410 mm，90°泄露辐射混凝土的TVL取 330 mm，15 MV X 射线铅（ρ=11.36 g/cm3）的TVL取 57 mm，90°泄露辐射铅的TVL取 47 mm ；θ为入射线与屏蔽物质平面的垂直线之间的夹角；计算取2倍安全系数。

（2）主屏蔽墙宽度。主屏蔽墙宽度计算公式如下：

L为主屏蔽墙的宽度，单位为m；R为等中心点距屏蔽墙外表面的距离，单位为m。

（3）防护门屏蔽厚度。防护门处的辐射剂量主要来自加速器机房迷路内的杂散X射线、泄露辐射和迷路中的散射中子等。门口的迷路杂散X射线剂量当量率计算公式如下：

Hs为迷道计算点的 X 射线剂量当量率，单位为 mSv/h；H0为迷道内入口中点的 X 射线剂量当量率，单位为 mSv/h；R0为源到散射面积的距离，单位为 m ；Rs为散射面积S到计算点的距离，单位为m。

防护门处的中子辐射主要来自迷道内的散射中子，中子剂量当量率计算公式如下：

Dn为迷道入口中子剂量当量，单位为 Sv/Gy ；H1为距靶 1 m 等中心处每 Gy X 射线中子剂量当量，单位为mSv/Gy ；Ar为迷道 内 口 截面 积 ；S1为迷 道 横 截面 积 ；d1、d2、d3分别为加速器等中心到迷路口中心，迷路口中心到防护门前迷路中心，和防护门前迷路中心到防护门的距离。

按公式（6）、（7）估算防护门的屏蔽厚度，计算过程中，TVL1=TVL，斜射角θ为 0°，散射 X 射线铅的TVL取 50 mm，中子辐射含硼 5% 聚乙烯的TVL取 45 mm，安全系数取 2。

1.2.2 机房气态废物排放

每小时通风次数和排风速率之间的换算关系如下：

通风次数 = 排风速率 /机房体积 （11）

假设臭氧无分解且均匀分布、治疗室无通风，产生的臭氧浓度计算公式如下：

C03为治疗室的臭氧浓度，单位为 ppm ；Sc为标准状态下电子在空气中的碰撞阻止系数，取 2.5 keV/cm ；I 为加速器外泄漏束流强度，取 1 mA ；t 为辐照时间，取 120 s ；d为加速器外电子束在辐照空气中穿行距离，取 100 cm ；V为治疗室容积，计入迷路，为 390 m3。加速器停机后通风t’时间的臭氧浓度按下式计算：

C03’为t’时刻的臭氧浓度，f 为排风速率，t’为通风时间，单位为 min。

1.3 机房放射防护计算、分析依据

主要依据 GBZ/T220.2-2009、GBZ/T 201.2-2011、IAEA No.47、NCRP No.151 等国内外相关技术规范和标准[2-5]，对某 15 MV 医用电子加速器机房放射防护设计进行复核、计算，提出具体的防护策略和措施。

2 结果

2.1 机房屏蔽计算结果

机房屏蔽计算结果，见表 1～3。

表1 机房墙体屏蔽厚度计算结果

表2 主屏蔽宽度计算结果

表3 防护门屏蔽厚度计算结果

2.2 通风次数和臭氧浓度

按设计通风速率计算，机房通风次数为 0.06 次 /h，机房臭氧浓度计算结果，见表4。

表4 机房臭氧浓度计算结果（ppm）

3 讨论

加速器机房放射防护设计是一项复杂且对技术有特殊要求的工作，既要将加速器产生的辐射危害减到合理状态下的最低，又要兼顾防护最优化原则，尽可能地减少建设过程中的资源浪费。总体分析表明，该加速器机房的放射防护设计是可行的，但必须对部分墙体的防护厚度和通风措施加以改进，补充防护门设计，并满足放射卫生要求。机房墙体的设计存在以下问题及改进措施：

（1）机房部分墙体的设计厚度未达到X射线的屏蔽要求。建议增加墙体的防护厚度，而且要注意缝隙、管孔和可能的薄弱环节，对可能造成的屏蔽性能减弱，必须增加屏蔽补偿。

（2）机房入口的防护既是难点，也是重点。防护门的计算厚度为 37 mmPb 加 140 mm 含硼 5% 聚乙烯（见表 3），方案中未见机房防护门设计，故无法复核。

（3）迷路中散射路径上使用含硼 5% 聚乙烯吸收材料吸收部分散射中子。在不影响设备和人员进出治疗室的前提下，还应缩短迷路内口宽度，并设置过梁，以减轻迷路入口的剂量负荷[6-7]。

（4）机房设计通风为 0.06 次 /h，低于 4 次 /h 的标准要求。从图 3 看出，与标准条件（排风速率 1560 m3/h）相比，在设计通风速率下，停机 10 min 后的机房臭氧浓度仍处于很高水平，未降到规定限值 0.14 ppm 以下。为了降低治疗室臭氧浓度，加强通风换气非常重要；此外，由于产生的放射性粒子一般比重大于空气，应采用“上进下出”的方式[8-9]。

加速器机房的辐射防护与放疗工作者和公众的健康有着紧密的联系，对机房建设项目进行研究和干预，是保障建筑施工科学合理的有效手段。随着新的放射诊疗技术的产生和发展，在职业照射控制方面呈现出许多新的重要转变，放射防护安全必须依靠防护技术要求与防护管理要求并重才能够实现。

[1] 石梅．肿瘤放射治疗学新进展与发展设想[J]．解放军医学杂志, 2010,35(5):81-84．[2] GBZ/T220．2-2009,建设项目职业病危害放射防护评价规范第2部分:放射治疗装置[S]．

[3] GBZ/T 201．2-2011,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[S]．

[4] IAEA Safety Reports Series No．47．Radiation Protection in the Design of Radiotherapy Facilites[R]．IAEA,2006．

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

[6] Kim HS,Jang KW,Park YH,et al．New experical formula for neutron dose level at the maze entance of 15MV medical accelerator facilities[J]．Medical Physics,2009,36(5):1512-1519．

[7] 马永忠,娄云,万玲,等．典型医用加速器治疗室改造的屏蔽设计与分析[J]．中国工业医学杂志,2012,25(1):63-66．

[8] 陈泽龙,陈自谦,倪萍．医用回旋加速器质量控制与安全策略探讨[J]．中国医疗设备,2011,26(2):15-17,7．

[9] 卫敏仲．医用直线加速器使用中的潜在危害及防护[J]．医疗卫生装备,2011,32(11):124-126．

Study of Radiation Protection Design for 15MV Medical Electron Accelerator Room

WEI Lan-bo1, PAN Run-duo2a, CHEN Da-wei1, HOU Lin-ping2b, HE Qiang1
1. Radiation Protection Teaching and Research Department, School of Public Health, Jilin University, Changchun Jilin 130021, China;
2.a.Radiology Department; b.Radiotherapy Department, The First Clinical Hospital, Jilin University, Changchun Jilin 130021, China

ObjectiveTo explore the scientificalness of the radiation protection design of the 15MV medical electron accelerator room to guarantee the radiation safety of the medical staff and the public in radiotherapy, and provide specific suggestion and improvement measures.MethodsAccording to the relevant domestic and foreign technical specifications and standards, review and calculate the design of shield and ventilation, comparing and analyzing the calculation results and design contents.ResultsThe calculated thicknesses of room shield wall (concrete) are 1300 mm of west wall, 2400 mm of north main wall, 1200 mm of north side wall, 1200 mm of east wall behind the maze opening, 1300 mm of east wall behind the maze wall, 2700 mm of south main wall, 1400 mm of south side wall, 2900 mm of room main roof, 1600 mm of room side roof. The width of south and north main shield wall and room main roof are 3500 mm and 3700 mm, the calculated ventilation rate of room are 0.06 times/h.ConclusionThe shield thicknesses of north main wall, north side wall, east wall and the shielding width of main wall can meet the standards request, but the thicknesses of south main wall, south side wall, west wall, main roof, side roof and the ventilation rate of accelerator room can not.

medical electron accelerator; accelerator room; radiation protection; shield design

TL54+2；R142

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.01.037

1674-1633(2013)01-0108-03

2012-07-10

贺强，副教授。

作者邮箱：ayuw7891@sina．com