医用电子直线加速器机房屏蔽合理性分析探讨

2021-01-06宋超

青海环境 2020年4期

宋超

(海西州生态环境监测站，青海德令哈 817000)

医用电子直线加速器作为肿瘤治疗可达到一般非放射性治疗方法所不能及的治疗效果，是其他治疗项目无法替代的，但在医用电子直线加速器的使用过程中会产生电子、X射线等电离辐射。根据《关于发布〈射线装置分类〉的公告》(环境保护部/国家卫生和计划生育委员会，公告2017年第66号)，医用电子直线加速器属于Ⅱ类射线装置，为尽量减小电离辐射对职业人员及公众造成的危害，需设计辐射防护屏蔽机房[1]。文章通过对某医院10MV医用电子直线加速器设计的屏蔽体厚度合理性进行理论计算量化分析和实际监测验证分析，期望对同类型低能医用电子直线加速器机房的设计及电离辐射影响评价有参考意义。

1 基本情况介绍

某医院从医科达购买的Precise Digital Accelerator型10MV医用电子直线加速器主要开展肿瘤治疗，机房设计净空尺寸长7.3m×宽6.9m×高3.7m，其中主射墙体主屏蔽墙厚1.8m，屏蔽宽度4.0m，东侧和西侧次屏蔽墙厚1.0m，北侧屏蔽墙厚1.2m，设置7.3m长“L”形迷道，屋顶主屏蔽顶板厚1.8m，次屏蔽顶板厚1.0m，防护门铅当量7.5mm，年出束时间约500h。该机房主体结构屏蔽材料为重晶石混凝土，容重3 800kg/m3，机房施工方式为连续整体浇筑，并确保施工中无缝隙或气泡产生。其主要技术参数见表1，屏蔽机房平面布置情况见图1。

表1 医用电子直线加速器参数表

2 工作原理及产污分析

2.1 医用电子直线加速器工作原理

医用电子直线加速器电子枪产生的电子由行波加速波导管加速后进入偏转磁场，所形成的电子束由电子窗口射出，通过2cm左右的空气射到金属钨靶，当高能电子束与靶物质相互作用时产生韧致辐射(即X射线)，其最大能量为电子束的最大能量[2]。韧致辐射经准直和限束后形成剂量均匀稳定的X射线，最后到达患者病灶实现治疗目的。

2.2 产污分析

医用电子直线加速器加速粒子为电子，当电子束经高能加速后与靶物质相互作用时产生韧致辐射(即X射线)，该医用电子直线加速器可以提供X射线和电子线，根据设备参数，其中使用最大X射线能量为10MV，吸收剂量率为6Gy/min；最大电子线能量为18MeV，吸收剂量率为6Gy/min的电子线。电子线和X射线是随机器的开关而产生和消失的。

3 屏蔽机房屏蔽合理性分析

根据《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》，(GBZ/T 201.2-2011)[3]的要求，医用电子直线加速器机房外设定关注点。从保守角度出发，在加速器机房设计的尺寸厚度基础上，假定加速器最大工况运行并针对关注点最不利情况对机房进行辐射屏蔽核算。加速器机房的关注点设定及主要照射路径见图2、图3。由于加速器机房下方没有其他楼层，所以地面的防护不予考虑。

3.1 计算点剂量率参考控制水平

参考GBZ/T201.2-2011，机房墙外30cm处各计算点的剂量率参考控制水平He由以下方法确定：

(1)使用放射治疗年工作负荷、关注点位置的使用因子和居留因子，求得关注点的导出剂量率参考控制水平He，d：

对于主射线束：He，d=Ha/(t·U·T)

式1

式中：He，d—导出剂量率参考控制水平；Ha—年剂量参考控制水平，职业人员取5 000μSv/a，公众取100μSv/a；U—主射线束向关注位置的方向照射的使用因子；根据医院实际治疗情况，射线投向地面的比例约占40%，每面墙体各占25%，屋顶占10%；对于漏射线使用因子取1；T—经常有人员停留的地方取1，有部分时间有人员停留的地方取1/4，偶然有人员经过的地方取1/16；t—年治疗照射时间，根据医院提供资料，平均每人治疗时间为2.0min，每天最多治疗50人，年工作时间为300d，计算得年工作时间500h。

(2)关注点的最高剂量率参考控制水平He，max：

人员居留因子T≥1/2的场所，He，max≤2.5μSv/h

人员居留因子T<1/2的场所，He，max≤10μSv/h

(3)取(1)(2)中较小者作为关注的剂量率参考控制水平(He)。

由此确定的各关注点的剂量率参考控制水平和主要考虑的辐射束见表2。

表2 机房外各关注点剂量率参考控制水平和主要考虑的辐射束

3.2 有用线束主屏蔽区宽度计算

主屏蔽区包括屋顶及墙体的部分位置，加速器主射线的最大出束角度为28°。有用线束主屏蔽区计算结果见表3。

表3 加速器机房主屏蔽范围计算表

3.3 主屏蔽区、侧屏蔽墙、内墙和外墙核算

利用GBZ/201.2-2011的相关公式对主屏蔽区(计算点C、H、J)、侧屏蔽墙(计算点A)、迷道外墙(计算点G)、迷道内墙(计算点F′)进行厚度核算。屏蔽所需要的屏蔽透射因子B按下式进行计算。

式2

Xe=TVL×logB-1+(TVL1-TVL)

式3

X=Xecosθ

式4

式中：B—屏蔽透射因子；He—剂量率参考控制水平，μSv/h；H0—加速器有用线束中心轴上距产生治疗X射线束的靶1m处的常用最高剂量率，取3.6×108μSv.m2/h(最高剂量率为6Gy/min)，后续计算均取此值；R—辐射源点(靶点)至关注点的距离，m；f—有用束为1，泄漏线占主射线比率(0.1%)；θ—斜射角，即入射线与屏蔽物质平面的垂直线之间的夹角；TVL1(cm)和TVL(cm)—辐射在屏蔽物质中的第一个什值层厚度和平衡什值层厚度；Xe—墙体有效屏蔽厚度(cm)；X—墙体屏蔽厚度(cm)。主屏蔽墙和侧屏蔽厚度核算结果见表4。

表4 主屏蔽墙和侧屏蔽墙屏蔽厚度核算表

续表

3.4 与主屏蔽区相连的次屏蔽区屏蔽厚度核算

根据GBZ/201.2-2011，对于与主屏蔽区相连的次屏蔽区(计算点B、D、I、K)应考虑泄漏辐射和患者的一次散射辐射的复合作用，分别计算其所需屏蔽厚度，取较厚者。泄漏辐射所需厚度按照式2、3、4进行计算，散射辐射的透射因子按式5、3、4进行计算。

式5

式中：αph—患者400cm2面积上垂直入射X射线散射至距其1m(关注点方向)处的剂量比例，又称400cm2面积上的散射因子；F—治疗装置有用束在等中心处的最大治疗野面积(cm2)。

与主屏蔽区相连的次屏蔽区漏射辐射屏蔽厚度核算结果见表5。与主屏蔽区相连的次屏蔽区散射辐射屏蔽厚度核算结果见表6。

表5 与主屏蔽区相连的次屏蔽区漏射辐射屏蔽厚度核算表

表6 与主屏蔽区相连的次屏蔽区散射辐射屏蔽厚度核算表

3.5 机房防护门屏蔽厚度核算

机房入口关注点处(计算点E)的散射辐射剂量率H计算公式如下：

式6

式中：H—计算点E处的迷道散射辐射剂量率，μSv/h；αph—400cm2面积上的散射因子，取45°散射角的值1.35×10-3；α2—墙入射的患者散射辐射因子，患者一次散射角为45°，墙入射角为45°，墙散射角近似按0°计算，查得墙体45°入射、0°散射、1m2的散射因子α2=5.1×10-3(查附录B表B.6)；A—散射面积，取3.7m×1.8m=6.7m2；R1—第一次散射路径，取6.0m；R2—第二次散射路径，取9.5m。

经计算，迷道入口E计算点处的散射辐射剂量率H为20.5μSv/h。

所需的铅屏蔽透射因子B计算公式如下：

式7

式中：Hoe—O1位置穿过迷道内墙的漏射辐射在迷道口E点的剂量率，经计算为0.016μSv/h；He—迷道入口E点控制剂量率，取0.8μSv/h。

入口处散射辐射平均能量约为0.2MeV，铅的TVL为5mm，相应B=0.038的铅厚度X=TVL·logB-1=7.1mm。

防护门设计为7.5mm铅当量的铅钢门，满足屏蔽要求。

4 监测结果分析

为进一步验证机房的屏蔽合理性，本次还采用实际监测的方法进行屏蔽合理性的校验，监测选用的仪器为BH3103B型便携式X-γ剂量率仪，检出限：1×10-8Gy/h，监测点位主要选择机房四周人员到达的范围，具体监测点位见图4，监测结果见表7。

表7 加速器机房周围X-γ空气吸收剂量率监测结果

根据表7监测结果，医用电子直线加速器在正常曝光状态下，机房周围操作位等职业人员活动区域内监测点位的X-γ空气吸收剂量率在8.0×10-8Gy/h ～9.5×10-8Gy/h，其它公众活动区域和周围环境中监测点位的X-γ空气吸收剂量率为7.9×10-8Gy/h～10×10-8Gy/h。对比未曝光时X-γ辐射空气吸收剂量率(6.3×10-8Gy/h～8.9×10-8Gy/h)两者相差不大，且接近医院周围背景监测值(7.5×10-8Gy/h～8.0×10-8Gy/h)，说明机房防护较好，不存在射线泄漏，且满足《电子加速器放射治疗放射防护要求》(GBZ126-2011)中“在加速器迷宫门处、控制室和加速器机房墙外30cm人员活动处的周围剂量当量率应不大于2.5μSv/h”的规定要求。医用电子直线加速器最大年出束运行时间约400h，在扣除辐射环境本底后，经估算职业人员年最大受照射剂量为1.44×10-2mSv，满足5mSv/a剂量约束限值，公众年最大受照射剂量为4.00×10-3mSv，满足0.1mSv/a剂量约束限值，因此其辐射环境影响较小。

5 辐射安全措施

为进一步减小辐射环境影响及辐射事故风险，医用电子直线加速器除采取屏蔽机房的措施外，还需安装各项安全装置以确保职业人员及公众的辐射安全，且各项措施需要有冗余性，主要安全设施，包括：门机联锁、超剂量联锁、紧急止动开关、工作状态指示灯、准备出束语音提示、紧急开门装置、声光报警装置、监控摄像头等。同时在运行过程中还需采取各项辐射安全管理措施包括：设立辐射安全管理机构并设立专职人员进行辐射安全管，并对所有辐射工作人员进行岗前培训；配备便携式X-γ辐射监测仪并建立辐射工作场所监测计划和档案；配备个人剂量计并建立职业人员个人剂量档案和健康档案；制定辐射安全管理规章制度和辐射事故应急预案等。