医用加速器机房屏蔽设计的验证研究*

刘 雅 郭朝晖* 程金生 刘立明

医用加速器机房屏蔽设计的验证研究*

刘 雅①郭朝晖①*程金生①刘立明①

目的：依据国际原子能机构(IAEA)第47号报告要求，验证一台6 MV医用电子直线加速器机房放射防护设计的可靠性，并按最优化原则提出具体的防护建议和改进措施，给出医用电子直线加速器机房屏蔽设计的计算方法。方法：按照IAEA第47号报告中给出的计算方法及公式，对加速器机房屏蔽厚度进行计算，将计算结果与原设计方案进行对比分析，并根据现场检测结果对人员可能接受的辐射剂量进行评价，给出对比结果。结果：经现场检测，其防护效果符合国家标准。结论：通过理论计算与现场检测结果的比较，验证了理论计算方法的正确性。

医用加速器；机房屏蔽；计算方法；辐射防护；屏蔽设计

[First-author’s address] Chinese Center for Medical Response to Radiation Emergency, National Institute for Radiological Protection, China CDC, Beijing 100088, China.

目前，全世界的癌症发生率不断提高，约半数的患者接受放射治疗，各国放疗机房数量不断增加，为了对机房屏蔽设计进行指导，国际原子能机构(IAEA)出版的第47号报告针对医用电子直线加速器、60Co机房等放疗机房提供了评价机房周围不同区域屏蔽材料厚度的估算方法，可用于新建放疗机房和已有机房改造的屏蔽设计。依据IAEA第47号报告分析6 MV加速器机房的屏蔽防护情况。

1 场所布局及辐射源项分析

1.1 场所布局

选取验证的加速器机房北侧为控制室和水冷机房，西侧和南侧为走廊，东侧为室外空地，屋顶上方无楼层。

1.2 辐射源项分析

选取验证的医用直线加速器射线束为6 MV X射线，最大剂量率为600 cGy/min。在屏蔽验证计算中，对能量6 MV的初始X射线束及其泄漏和散射辐射进行屏蔽计算[1-3]。该型号加速器无电子束射线，屏蔽计算中不考虑电子束射线，不考虑中子的产生和感生放射性[4]。考虑验证计算中所用参数的误差，计算中取2倍安全因子。

2 屏蔽设计及计算公式

(1)屏蔽厚度(公式1)：

式中，X为所需的屏蔽厚度(mm)；H未屏蔽为未屏蔽条件下，计算点处的周剂量当量(μSv/week)(近似等于有效剂量)；H控制为计算点处应控制的周剂量当量。

职业照射和公众照射的剂量管理控制值均按年剂量限值的1/4考虑，即对职业照射为100 μSv/week，对公众照射为5 μSv/week；TVL－1/10减弱层厚度(mm)。在普通水泥(ρ=2.35g/cm3)中，6 MV加速器产生的初始X射线束的TVL值为343 mm；泄漏X射线束的TVL值为279 mm；患者表面的散射辐射(散射角为30o)的TVL值为261 mm；患者表面的散射辐射(散射角为90o)的TVL值为171 mm[5-7]。

(2)对初始辐射(公式2)：

式中，W为周工作负荷，建设单位提供的每周最大工作负荷为5.40×108μGy/week；U为利用因子[8]；T为居留因子；d为靶中心到计算点距离(m)。

(3)对泄漏辐射(公式3)：

(1)泄漏辐射。η=1×10-3；d=5.75 m/cos30.3o=6.66 m；U=1；T=1/4。代入公式得出X=3.09×TVL。计算出墙体厚度X=3.09×279×cos30.3o=744 mm。

(2)患者受照表面散射。α=2.77×10-3(散射角为30o)；F=1600 cm2(保守考虑，该值取加速器最大射野)；d1=1 m；d2=5.75 m/cos30.3o=6.66 m；U=1/4；T=1/4。代入公式得出X=4.13×TVL。计算出墙体厚度X=261×4.13×cos30.3o=931 mm。

式中，η为泄漏辐射占初始辐射的比率，其他符号含义同前。

(4)对患者受照表面散射(公式4)：

式中，α为归一到患者受照表面积为400 cm2时的散射系数；F为患者受照表面积(cm2)；d1为靶中心到患者受照表面距离(m)；d2为患者表面到计算点距离(m)。其他符号含义同前。

3 屏蔽厚度计算参数和结果

电子直线加速器机房屏蔽设计如图1所示。

图1 电子直线加速器机房屏蔽设计示意图

3.1 北墙A点处(主墙)

(1)初始辐射。图1显示，加速器等中心(d′)处到北墙墙外最近距离：d′=5.75 m，源皮距SAD=1 m。加速器靶中心(d)到A墙外最近距离：d=5.75 m+SAD=6.75 m；U=1/4；T=1。代入公式得出X=4.77×TVL。计算出墙体厚度为1636 mm。

(2)泄漏辐射。η=1×10-3；d=5.75 m；U=1；T=1。代入公式得出X=2.51×TVL。计算出墙体厚度为700 mm.

(3)患者受照表面散射。α=1.04×10-2(散射角为10o)[9]；F=1600 cm2(保守考虑，取加速器最大射野)；d1=1 m；d2=5.75 m；U=1/4；T=1。代入公式得出X=4.13×TVL。计算出墙体厚度为1417 mm。

3.2 北墙B点处(次墙)

3.3 东墙C点处(次墙)

(1)泄漏辐射。η=1×10-3；d=3700 mm＋1300 mm=5000 mm=5 m；U=1，T=1/8。代入公式得出X=3.03×TVL。计算出墙体厚度为845 mm。

(2)患者受照表面散射。α=4.26×10-4(散射角为90o)；F=1600 cm2；d1=1 m；d2=5 m；U=1，T=1/8。代入公式得出X=3.26×TVL。计算出墙体厚度为557 m。

3.4 南墙D点处(主墙)

(1)初始辐射。由图1可知，加速器等中心处到南墙墙外最近距离，d′=5.75 m，故靶中心到A墙外最近距离，d=5.75 m＋SAD=6.75 m；U=1/4；T=1/4。代入公式得出X=5.47×TVL。计算出墙体厚度X为1876 mm。

(2)泄漏辐射。η=1×10-3；d=5.75 m；U=1；T=1/4。代入公式得出X=3.21×TVL。计算出墙体厚度为896 mm.

(3)患者受照表面散射。α=1.04×10-2(散射角为10o)；F=1600 cm2；d1=1 m；d2=5.75 m；U=1/4；T=1/4。代入公式得出X=4.83×TVL。

对于6 MV加速器，患者表面的散射辐射(散射角为10o)，假定其能量近似为初始辐射能量，因此，墙体厚度为1657 mm。

3.5 南墙E点处(次墙)

(1)泄漏辐射。η=1×10-3；d=5.75 m/ cos30.3o=6.66 m；U=1；T=1/4。代入公式得出X=3.09×TVL。计算出墙体厚度X=3.09×279×cos30.3o=745 mm。

(2)患者受照表面散射。α=2.77×10-3(散射角为30o)；F=1600 cm2；d1=1 m；d2=5.75 m/cos30.3o=6.66 m；U=1/4；T=1/4。代入公式得出X=4.13×TVL。计算出墙体厚度X=261×4.13×cos30.3o=931 mm。

3.6 西墙F点处(次墙)

(1)泄漏辐射。η=1×10-3；d=8.5 m；U=1；T=1/4。代入公式得出X=2.87×TVL。计算出墙体厚度为801 mm。

(2)患者受照表面散射。α=4.26×10-4(散射角为90o)；F=1600 cm2；d1=1 m；d2=8.5 m；U=1；T=1/4。代入公式得出X=3.10×TVL。计算出墙体厚度为530 m。

3.7 顶墙G点处(主墙)

(1)初始辐射。治疗室内净高3.6 m，等中心距地面高度1.28 m，顶层厚度1.7 m。所以靶中心到顶墙外最近距离，d=5.02 m；U=1/4；T=1/16。代入公式得出X=5.13×TVL。计算出墙体厚度为1760 mm。

(2)泄漏辐射。η=1×10-3；d=4.02 m；U=1；T=1/16。代入公式得出X=2.92×TVL。计算出墙体厚度为815 mm。

(3)患者受照表面散射。α=1.04×10-2(散射角为10o)；F=1600 cm2；d1=1 m；d2=4.02 m；U=1/4；T=1/16。代入公式得出X=4.54×TVL。假定其能量近似等于初始辐射的能量，因此，计算出墙体厚度为1557 mm。

4 屏蔽厚度计算结果及评价

各墙屏蔽厚度的计算结果见表1。

表1 医用直线加速器机房各墙的屏蔽厚度

表1验证计算结果显示，北墙主屏蔽墙、南墙主屏蔽墙和西墙的设计厚度均远大于验证厚度，过于保守防护；顶墙的设计厚度略小于验证厚度。

5 机房防护检测结果评价

根据机房防护检测结果和机器有效工作时间，每周最大工作负荷为540 Gy/week，根据质量控制检测及设备维护，按每周出束时间3 h计算[10-11]。对工作场所各类人员可能接受的周剂量按下式进行计算(公式5)：

周剂量(μSv/周)＝场所检测结果平均值×每周开机治疗时间×U×T (5)

东墙、北墙及防护门的检测结果均接近天然本底水平，其余各点的检测结果评价见表2。表2显示，测量值的周剂量计算结果均小于周剂量管理控制值。

表2 医用直线加速器机房屏蔽防护检测结果评价

结果表明，机房外各检测点辐射剂量水平均低于职业人员和公众的相应剂量管理控制值。辐射防护屏蔽效果符合国家标准GB 18871－2002“电离辐射防护与辐射源安全基本标准”中的规定要求[5]。

6 结论

根据IAEA第47号报告提供的估算方法，对选取的医用电子直线加速器机房的屏蔽厚度进行估算，其屏蔽点选择、计算公式和参数值选取均依据实际情况选择。表2的评价结果显示，除房顶外的各检测点周剂量计算结果均比周剂量管理控制值低至少两个数量级；房顶的周剂量计算结果低于周剂量管理控制值，但属同一数量级。验证计算结果表明，设计方案中北墙主屏蔽墙、南墙主屏蔽墙和西墙属于过度防护，房顶的设计厚度基本合理。检测结果与验证计算结果一致，验证了此种理论计算方法的准确性。应该指出，机房的屏蔽防护效果评价最终应以辐射检测结果为准，理论计算结果仅作为机房设计和施工的依据。

[1]中华人民共和国卫生部.GBZ/T 201.1-2007放射治疗机房的辐射屏蔽规范第1部分：一般原则[S].中华人民共和国卫生部，2007-09-25.

[2]中华人民共和国卫生部.GBZ 126-2011电子加速器放射治疗放射防护要求[S].中华人民共和国卫生部，2002-04-08.

[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，2009：167-168.

[4]栾耀君，王雪航，万路远.6MV医用电子加速器机房屏蔽厚度计算的优化设计[J].中国辐射卫生，2007，16(2)：169-171.

[5]国家质量监督检验检疫总局.GB 18871－2002电离辐射防护与辐射源安全基本标准[S].国家质量监督检验检疫总局，2002-10-08.

[6]中华人民共和国卫生部.GBZ128－2002职业性外照射个人监测规范[S].中华人民共和国卫生部，2002-04-08.

[7]IAEA.Safety Report Series No.47，Radiation Protection in the Design of Radiotherapy Faci1ity[R].IAEA，2006：45-49.

[8]王洪林，陶莉，陈剑，等.医用直线加速器室辐射屏蔽防护的优化设计[J].复旦学报(医学版)，2006，33(4)：556-562.

[9]NCRP.Report No.151.Structura1 Shie1ding Design and Eva1uation for Megavo1tage X-and Gamma-Ray Radiotherapy Faci1ities[S]. NCRP，2005：163.

[10]中华人民共和国卫生部.GBZ/T 220.2-2009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].中华人民共和国卫生部，2009-10-26.

[11]中华人民共和国卫生部令第46号.放射诊疗管理规定[M].北京：人民卫生出版社，2006：3-4.

The design of the shielding protection of medical accelerator

LIU Ya, GUO Chao-hui,CHENG Jin-sheng, et al

China Medical Equipment,2014,11(7):1-4.

Objective:To verity the reliability of the radiation protection design of a medical 6MV linear accelerator room shielding, according to the IAEA TRS. No.47 report and optimization principle of radiological protection, provide a method of calculating medical 6MV linear accelerator room shielding. Methods: According to the calculation methods of the IAEA TRS. No.47 report, calculate the room shield thickness, compare and analyze the calculation thicknesses and the design thicknesses, evaluate possibly accepted weekly dose of the medical staff and public around the room according to the monitor results, compare between the results and the weekly dose control values. Results: The room shield can meet the standard requirement according to the monitoring results. Conclusion: Verify the correctness of the calculation methods by comparing with the monitoring results.

Medical accelerator; Room shield; Calculation methods; Radiation protection; Shield design

1672-8270(2014)07-0001-04

R143

A

刘雅，女，(1981- )，本科学历，助理研究员。中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室，从事辐射剂量学相关研究工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.07.001

2013-11-07

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”

①中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室 北京 100088

*通讯作者：13681345117@163.com