放射治疗模拟机房的屏蔽改造方案设计与分析*

马永忠 王宏芳 娄 云 万 玲 冯泽臣

放射治疗模拟机房的屏蔽改造方案设计与分析*

马永忠①*王宏芳①娄 云①万 玲①冯泽臣①

目的：分析放射治疗模拟机房物理条件与设备剂量学参数的相互关系，设计并确定合理的机房屏蔽改造方案。方法：以某单位拟投入运行的1台放射治疗模拟机及其拟改造机房为研究对象，在设备调试性出束时使用451P高压电离室巡测仪和SG-102型X-γ环境剂量率仪测量机房外围关注点的辐射水平，并据此进行机房墙体的屏蔽改造方案设计。结果：该模拟机在125 kV、1.8 mA的最高透视条件下，东、西主束墙外周围剂量当量率最高分别为14 μSv/h和4 μSv/h，机房室顶上方最高剂量率为185 μSv/h，据此初步确定了该模拟机房主束屏蔽的改造方案。结论：放射治疗模拟机房外在透视条件下关注点的周围剂量当量率作为放射防护指标，根据其实测值设计机房的屏蔽改造方案实用可行。

放射治疗模拟机；模拟机房；屏蔽改造；放射防护

[First-author’s address] Beijing Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100013, China.

放射治疗模拟机是肿瘤患者接受放射治疗的辅助设备，其使用诊断X射线球管代替直线加速器和60Co等放射治疗辐射源，采用kV级X射线模拟治疗射线，通过设备的机械运动模拟各种放射治疗装置的几何位置和运动，通过电视系统观察治疗肿瘤时所需的放射野形状、靶区中心位置及减少重要器官吸收剂量的机架角度，对患者病变部位进行确认并有效核查治疗计划系统，对肿瘤疾病的精确定位和精确治疗发挥了不可替代的作用[1-3]。截至2013年，世界上运行的放射治疗模拟机超过10万台，我国用于模拟定位的设备突破了1000余台。随着放射治疗技术的应用和发展，模拟定位设备更新越来越快，其中普通放射治疗模拟机占有一定比例。然而，在医院引进模拟机的同时也面临着该设备机房的选择及其防护设计等系列问题，医院在对原有的X射线诊断设备机房或非辐射设备机房进行改造时必须严格遵循国家有关标准进行屏蔽与防护设计，使之满足设备运行的放射防护要求[4]。本研究对拟投入使用的普通放射治疗模拟机房进行防护分析，确定机房实用合理的屏蔽改造设计方案，并对有关问题进行分析。

1 设备与方法

1.1 拟安装设备及其主要技术参数

拟安装的设备为1台国产普通放射治疗模拟机，机架旋转范围：±185o；治疗床等中心旋转范围：±105o；界定器旋转范围：±105o；源轴距SAD：100 cm；等中心精度：r≤1 mm；辐射野尺寸：在SAD=100 cm时，2 cm×2 cm～40 cm×40 cm；非对称野：在SAD=100 cm时，单边-10～20 cm。设备进行X射线出束的技术参数：透视管电压40～125 kV，透视管电流1.8 mA，摄影最短曝光时间：3.5 ms。拟安装设备的外观如图1所示。

图1 放射治疗模拟机外观

1.2 模拟机房设置条件

将模拟机安装在医院放射治疗楼一层的角落(在无地下室的情况下)，机房在改造前为普通X射线摄影机房，其东墙和北墙外为院内过道，南墙外为控制室，西墙外为空调机房，室顶为院内非放射工作区(如图2所示)。

图2 放射治疗模拟机房平面示意图

机房面积为24 m2，室内长480 cm，宽500 cm，高为380 cm，拟安装设备的管球位于机房室中心，等中心点O与机房东西方向防护墙内表面距离均为240 cm，距离南北防护墙内表面均为250 cm，与室顶内表面距离为260 cm。拟引进模拟机水平主束方向为东西，可四周旋转照射。该机房墙体固有厚度为30 cm。X射线摄影机管电压为120 kV，在典型照射条件下的防护检测结果表明，设备运行时机房外围均为现场环境本底水平。

1.3 机房屏蔽外围辐射水平控制目标

模拟机具有摄影和透视两种功能，在对患者进行模拟定位时透视时间远高于摄影时间，按照国家标准GBZ130-2013“医用X射线诊断放射防护要求”，透视条件下机房外围的周围剂量当量率应控制为2.5 μSv/h。由于原机房适用于普通X射线诊断设备的运行，故在屏蔽改造前实测新装模拟机调试出束状态时的辐射水平，以掌握机房屏蔽改造的重点。现场对机房外围进行管制，接通模拟机的电气线路进行短暂的调试性出束，使用451P高压电离室巡测仪和SG-102型X-γ环境剂量率仪，实际测量透视条件下机房外围各关注点的周围剂量当量率，并以实测值对照标准控制值进行机房墙体的屏蔽改造方案设计。测量时设定管电压为125 kV、管电流为1.8 mA，为该设备预期临床应用最大工作负荷时的透视照射参数。

1.4 模拟机房屏蔽计算方法

国际原子能机构(IAEA)47号技术报告等[5-7]国际标准中对模拟机房的主束屏蔽和次束屏蔽给出了系列计算公式，基本方法是根据机房几何参数、设备的性能指标、工作负荷和机房屏蔽因子等目标值，分别计算出主射线区和次束区屏蔽墙的衰减因子，根据衰减因子确定相应防护墙所需某种屏蔽材料的十分之一衰减厚度(TVL)值，最终求出机房所需的屏蔽厚度。机房是在原有X射线摄影机房基础上的改建，在改建中涉及机房屏蔽厚度的计算方法与IAEA47号报告建议的方法本质上一致，在计算中可充分利用现有机房在已知照射条件下实测获得的周围剂量当量率()，对照国家标准规定的机房外围周围剂量率控制值计算出拟增设屏蔽的辐射透射因子B，进而推算出拟定附加屏蔽物质的厚度，因主束屏蔽通常满足该区散射辐射和泄漏辐射的屏蔽防护要求。故已知模拟机房透视条件下的和，可参照IAEA47号报告的方法计算出B(公式1)：

对于给定的某已知铅当量厚度(X)的屏蔽材料，则依据NCRP147号报告中给出的某一管电压X射线在铅中衰减的α、β、γ拟合值按公式2计算B：式中α、β、γ均为铅对不同管电压X射线辐射衰减有关的拟合参数。

按照公式(1)或(2)计算出B值后，依据NCRP147号报告中给出的某管电压X射线在屏蔽物质中衰减的α、β、γ拟合值计算出应增设的屏蔽厚度h(公式3)：

根据国家标准GBZ130-2013，管电压为125 kV的X射线主射线和散射线常用铅、铁和砼的α、β、γ的参数值见表1。

对拟增设机房主束屏蔽宽度，在机房设计中参考医用加速器机房主束屏蔽宽度的计算公式进行近似估算，在机房内增设屏蔽时，主束区屏蔽半宽度W按公式4计算：

在机房外增设屏蔽时，主束区屏蔽半宽度W按公式5计算：

式中SAD为模拟机的源轴距，通常为100 cm；a为模拟机等中心点O至主束防护墙内表面距离(cm)；h为拟增设的屏蔽厚度(cm)；h0为机房主束区原有屏蔽厚度(cm)；θ为模拟机最大照射野时主束相对于等中心轴的半张角(o)。该模拟机最大照射野为40 cm×40 cm，θ近似为14o。x为同侧主束屏蔽半宽度外延宽度(cm)，通常取30 cm。

2 结果

2.1 模拟机房屏蔽改造前机房外围辐射水平

拟运行的模拟机在调试实验出束时，选定最高管电压透视条件为125 kV，管电流为1.8 mA；并设定最大照射野，进行主束方向和次束方向机房外关注点的辐射水平测试，其结果见表2。

实测值表明，机房东西主束区防护墙外和室顶上方的周围剂量当量率均高于国家标准GBZ130-2013中规定的限值，这些方向的防护墙成为机房屏蔽改造的关键点，而机房外其余部位的实测辐射水平均远低于标准规定的指标值。现场同时对模拟机房与控制室之间和空调机房之间的电缆管线孔沟位置的辐射水平进行的测试结果表明，均＜0.20 μSv/h。同时，现场调试测试中所见个别管孔处于次束区，实测辐射水平值也＜0.18 μSv/h，但尚需对管孔部位采取屏蔽措施，以免除现场操作人员的心理负担。表2显示有机房改造前主束墙外剂量率实测最大值，以2.5 μSv/h为控制目标值时则由公式(1)计算出东墙、西墙外和室顶的主束屏蔽透射因子B分别为1.79×10-1、6.25×10-1和1.35×10-2。机房在实际屏蔽改造中拟将主束墙外剂量率控制为＜1.0μSv/h，由此计算出东、西墙外和室顶B分别为7.14×10-2、2.50×10-1和5.41×10-3。

表1 铅、铁和砼对管电压为125 kV的X射线不同辐射衰减有关的α、β、γ参数值

表2 模拟机房屏蔽改造前机房外围关注点的辐射水平

2.2 模拟机房屏蔽改造方案

(1)模拟机房主束方向防护墙的屏蔽厚度和宽度。表2中的实测结果表明，该模拟机在透视模式下进行实验性调试出束透视照射(125 kV，1.8 mA)时，机房东西方向主射线防护墙外围和室顶上方的辐射水平实测值均高于国家标准规定的2.5 μSv/h，其余方向辐射水平均在标准控制值以内，因此需要着重对主束屏蔽进行改造，改造中保留机房原有屏蔽。按照公式(3)计算出东墙、西墙和室顶应增设的屏蔽厚度(见表3)。

按照公式(4)和公式(5)估算出主束区增设屏蔽应满足的宽度见表4。

增设机房主束屏蔽时，屏蔽物质的宽度应以等中心为南北对称，在室内增设屏蔽时水平方向宽度应以主束轴对称南北方向各为120 cm，室顶以主束轴对称南北方向各为130 cm；在室外增设屏蔽时水平方向宽度应以主束轴对称，南北方向各为150 cm，室顶以主束轴对称，南北方向各为160 cm。对机房室顶附加屏蔽宜在室顶外表面增设，若在室内增设屏蔽则应设计吊顶，并可根据吊顶的实际高度重新估算应增设主束屏蔽的宽度。

(2)机房屏蔽改造中的相关因素。在机房屏蔽改造方案设计中应考虑的有关细节包括：①在增设主束屏蔽的改造中保持不削弱机房四周原有的主体屏蔽；②在机房内定位指示灯安装处应在相应墙壁的孔洞底部增加金属屏蔽；③机房与控制室之间的电缆管线孔(沟)采用屏蔽材料予以封堵，墙面管孔沟道的屏蔽厚度将保证满足同侧防护墙的屏蔽效果；④在机房内更新通风设施时应保证模拟机正常运行后机房内的空气能及时更新；⑤保留现有的机房防护门，在改造中将对防护门设置为易于开关的推拉控制设施，在防护门表面设置电离辐射警示标志和工作状态指示灯。

3 讨论

用于临床肿瘤放射治疗定位的普通模拟机通常同时具有摄影和透视功能，而且设备机头能够以等中心点旋转照射，对主束屏蔽的设计和改造与常规医用电子直线加速器机房的屏蔽设计有类似之处。因此，相对于主束方向的墙体不必全部作为主束墙屏蔽进行设计和改造，而可依据主射线准直器的最大宽度和等中心点的几何位置等参数计算出拟增设屏蔽应具有的合适宽度。各医疗机构建设普通放射治疗模拟机房时，通常将主射线方向的整面墙体均作为主束防护墙设计，主要是因为模拟机产生的X射线能量较低，机房主束墙本身就不需要过厚的屏蔽材料，使用砼作为屏蔽体时其厚度为30 cm基本能满足要求，而非同医用加速器机房的主束屏蔽均在200 cm以上。但是，在对模拟机房主束墙的屏蔽进行加厚改造时，从附加铅、铁屏蔽材料的经济成本等因素考虑，参照主束伸展的宽度来确定拟增厚屏蔽的宽度则非常必要。表3确定的屏蔽宽度均是最低宽度的基础上增加了60 cm的保守宽度，而当准直器旋转45o朝向主束墙照射时，主束屏蔽的最大宽度则应依据最大照射野对角线的宽度而设置。因此，采用公式(4)和公式(5)进行主束屏蔽半宽度的计算时，应分别考虑√2的系数修正，两公式则应分别改变为W=√2(SAD+a+h)tgθ+x和W=√2(SAD+a+h0+h)tgθ+x。东墙、西墙和室顶主束墙屏蔽增设的宽度应分别相应增至315 cm和340 cm(机房内表面增设屏蔽)，或东墙、西墙和室顶主束增设宽度分别增至400 cm和430 cm(机房外表面增设屏蔽)。由于机房拟安装的模拟机在常规运行和维修调试时准直器很少进行对角线设置，或在进行对角线设置时机头仅向下照射，故在改造方案中仍以表4拟定的主束屏蔽宽度为准。

表3 拟改造的模拟机房需增设的屏蔽厚度(mm)

表4 拟改造的模拟机房需增设主束屏蔽应满足的宽度(cm)

在模拟机房主束区屏蔽厚度的设置中需要考虑的因素除设备本身的剂量学参数(kV、mA)、设备出束照射条件(照射野、散射体)的设置外，机房几何尺寸、固有墙体的承重能力、屏蔽材料的粘附方式与固定条件以及机房外围人员活动区域的功能等均应进行综合考量。该模拟机房室内面积仅为24 m2，无论是进行患者肿瘤定位操作还是对设备进行维修调试，其活动空间紧凑。因此，应根据实际空间选择屏蔽材料，尽可能避免在室内增设砼屏蔽，若使用铅屏蔽为附加材料时则适宜在室内墙表面进行设置，以便从屏蔽宽度方面减少所用铅屏蔽材料的成本，也可使用铅与铁、铅与砼或铁与砼等不同组合的屏蔽材料，这些屏蔽材料组合时确定的等效厚度值可参照表3的数值进行选择，但应注意在原有墙体增设屏蔽时，附加内层屏蔽与附加外层屏蔽的铅当量厚度的计算有所区别。然而，无论是在室内增设屏蔽还是在室外表面增设屏蔽，均应保证屏蔽材料牢固结合。

有关模拟机房外围的周围剂量当量率控制指标，我国的国家标准和国际放射治疗与模拟定位相关的技术文件[8-12]均未作出明确的相关规定，这些标准文件提出对机房外围人员的受照剂量水平进行控制的主要准则是结合设备运行出束的工作负荷以及人员居留因子等参数进行估算，以估算值对照标准规定的相关人员年剂量管理目标值进行评价，核算机房外围人员可能受到的剂量是否超标。我国最新修订的国家职业卫生标准GBZ130-2013“医用X射线诊断放射防护要求”中第1条明确了模拟定位装置参照本标准执行，同时该标准的第5.4条表明，对于具有透视功能的X射线机在透视条件下检测时，机房外围周围剂量当量率控制目标值应＜2.5 μSv/ h。因此，在机房的屏蔽改造时采用透视条件下主束墙外围的周围剂量当量率实测值，对照标准控制值计算出拟增设屏蔽衰减因子并确定改造机房的屏蔽厚度，其数据科学、适当。

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Designing and analyzing on shielding reconstruction project of radiotherapysimulator room

/MA Yong-zhong, WANG Hong-fang, LOU Yun, et al// China MedicalEquipment,2014,11(8):8-12.

Objective: The relationship between the physical condition of radiotherapy simulator room and dosimetry parameters of the facility was analyzed to design and determine reasonable shielding reconstruction project of the room. Methods: A normal radiotherapy simulator and its room to be reconstructed were determined as the research object. Under the condition of debugging beam-on time, a 451P high pressure ionization chamber survey meter and a SG-102 X-γenvironmental dose rate meter were used to measure radiation level of the interest point in the periphery of the room. Then, the shielding reconstruction project of the simulator room was framed on the basis of the actual ambient dose equivalent rate. Results: While the simulator was beaming under the maximum fluoroscope condition of 125 kV and 1.8 mA , the maximum ambient dose equivalent rate outside east wall, west wall and roof of the room from primary radiation were 14, 4 and 185μSv/h respectively. The preliminary shielding reconstruction project of the room was illustrated as: the shield thickness added on east wall. Conclusion: The ambient dose equivalent rate of interest point outside a radiotherapy simulator room can be adopted as a protective parameter, and it is practical and feasible that the shielding reconstruction project of the room is designed according to the actual measured values of radiation dose rate outside the original room.

Radiotherapy simulator; Simulator room; Shielding reconstruction; Radiation protection

1672-8270(2014)08-008-05

R812 143

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.08.003

2014-04-09

卫生行业科研专项(201002009)“辐射危害控制与核辐射卫生应急处置关键技术研究及其应用”；北京市预防医学公益应用研究项目(2014-BJYJ-07)“放射诊疗防护标准及设备性能指标的应用研究”

①北京市疾病预防控制中心 北京市预防医学研究中心 北京 100013

*通讯作者：myz0905@126.com

马永忠，男，(1968- )，博士，主任医师。北京市疾病预防控制中心北京市预防医学研究中心，从事放射防护评价及辐射剂量研究工作。