10 MV医用直线加速器防护门外辐射剂量简易估算模式

北京市辐射安全技术中心 审评室，北京 100089

引言

医用电子直线加速器是远距放射治疗的主要手段[1-3]。医用加速器射线能量高，应按照辐射法规和标准的要求[4-6]，采取屏蔽措施以减少对环境产生的辐射影响[7-8]，确保加速器运行过程中机房外辐射剂量率与年剂量符合标准和管理限值要求[9]。10 MV以上加速器迷路入口辐射剂量主要由中子、中子俘获γ辐射、散射及漏射辐射三部分组成[10-12]。由于中子俘获γ射线的什值层远大于散射及漏射射线的什值层，因此迷路口防护门的γ射线屏蔽由中子俘获γ射线决定, 满足中子俘获γ射线的屏蔽也必然满足散射和泄漏辐射的屏蔽[13]。对于目前广泛应用的10 MV医用直线加速器[14]，其X射线通常分为6 MV、10 MV两档[15]，机房迷路入口处的辐射剂量可不考虑中子辐射防护[16-18]，只考虑散射辐射、漏射辐射两部分影响。

目前，在对10 MV医用直线加速器机房防护门外的辐射剂量进行计算与评价时，通常是分别计算并比较6 MV、10 MV两种能量状态下的辐射剂量，计算量大且容易出错。本文以使用一台最大X射线能量为10 MV的医用直线加速器为例，分别计算不同能量（6 MV、10 MV）、不同迷路内墙厚度（砼1.2 m、1.4 m）条件下防护门外的辐射剂量水平，对计算结果进行分析，提出一种辐射剂量简易估算模式，为加速器机房的屏蔽计算与评价提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 相关计算参数

加速器物理参数：X射线能量 6 MV和10 MV，两种能量状态下等中心处辐射剂量率均为600 cGy/min（3.6×108μSv/h，无FFF模式），等中心处最大射野尺寸F=40 cm×40 cm， 靶点到等中心距离SAD =100 cm，X射线泄漏辐射比率为0.1%。

屏蔽计算参数：迷路内墙（砼ρ=2.35 kg/m3）厚度t分别取1.2 m和1.4 m，漏射线斜穿过迷路内墙的实际厚度t1=t/cosθ（θ为入射角，漏射线穿过迷路内墙时入射射线与屏蔽物质平面的垂直线之间的夹角[19]），防护门屏蔽t2为10 mm铅。不同能量射线在砼、铅中的什值层厚度[18]如表1所示。

表1 不同能量射线在砼、铅中的什值层厚度

1.2 计算方法

计算加速器机房屏蔽的方法较多，比如IAEA47 号报告[20]、IPEM 75 号报告[21]等。本文采用目前国内主要采用的美国国家委员会辐射保护与测量NCRP151号报告[22]、《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》[23]，两者屏蔽计算原理和计算参数一致，本文以等中心点辐射剂量率替代周工作负荷，转化为辐射剂量率估算。机房迷路入口处的辐射剂量，主要考虑和计算来自以下四部分的辐射剂量：

（1）主束经患者、迷路外墙各一次散射辐射HPS。主束经患者、迷路外墙各一次散射，到达迷路入口防护门M点的辐射剂量率HPS如公式(1)所示。

公式(1)中，α（θ）为有用束照射患者每400 cm2面积上的散射因子（取θ=45°散射角）；H0为等中心处辐射剂量率3.6×108 μSv/h；F为等中心处最大照射野F =40 cm×40 cm；αPS为墙对患者散射辐射的散射因子（患者散射能量为0.5 MeV，入射角约45°，散射角约0°）；A1为从迷路入口处可见墙的面积（m2）；dsca为靶点至患者（等中心点）的距离（1 m）；dsec为等中心点到A1墙与迷路中心线交点的距离（m）；dzz为从A1墙与迷路中心线交点至迷路入口处距离（m）。散射路径如图1所示。

图1 经患者后再经迷路外墙散射

（2）主束穿过患者经迷路外墙二次散射辐射HS。主束穿过患者后，先后经主束墙一次散射和迷路外墙二次散射，到达迷路入口防护门M点的辐射剂量率HS如公式(2)所示。

公式(2)中，αo为主束散射面A0的散射系数；A0为最大照射野投影在主束散射墙上的面积（m2）；αZ为主束经迷路外墙表面AZ第二次反散射的系数（能量为0.5 MeV）；AZ为主束散射面A0的散射线经过迷路内口发散到迷路外墙内表面的散射面积（m2）；dh为从靶点至散射面A0的距离（m）；dr为第一次散射面中心点经迷道内口至迷道中线的距离（m）；dz为b点经迷道中线至防护门外30 cm入口处的距离（m），散射路径如图2所示。

图2 主束穿过患者经迷路外墙二次散射

（3）加速器机头泄漏辐射经迷路外墙一次散射辐射HLS。加速器机头泄漏辐射经迷路外墙一次散射辐射，到达迷路入口防护门M点的辐射剂量率HLS如公式(3)所示。

公式(3)中，Lf为距靶1 m处装置机头泄漏辐射率，取0.1%；αLS为墙对漏射辐射的散射系数；A1为从门入口处可见墙的面积（m2）；dLS为靶点至A1墙迷路中心线的距离（m）；dZZ为从A1墙与迷路中心线交点至入口处的距离（m），散射路径如图3所示。

图3 泄漏辐射经迷路外墙一次散射

（4）直接穿过迷路内墙的漏射辐射HL。加速器机头泄漏辐射穿过迷路内墙[24]，到达迷路入口防护门M点的辐射剂量率HL以及迷路内墙对漏射辐射的衰减因子BL，如公式 (4～5)所示。

公式(4～5)中，Lf为距靶1 m处装置机头泄漏辐射率，取0.1%；BL为迷路内墙对漏射辐射的衰减因子；dL为靶点经迷路内墙至迷路入口处的距离（m）；t1为漏射线斜穿过迷路内墙的实际厚度（t1=t/cosθ，θ取30°）（cm）；TVLe、TVL1分别为漏射线穿过迷路内墙时砼的平衡什值层和第一什值层厚度（cm），散射路径如图4所示。

图4 泄漏辐射穿过迷路内墙

（5）防护门外辐射剂量率计算HTot-shield 见公式(6)。

公式(6)中，t2为防护门铅厚度10 mm，TVL门散为 0.5 cm，TVL门漏为5.7 cm。

2 结果

根据上述相关参数和计算公式，分别计算加速器运行时，各散射辐射与泄漏辐射剂量水平，将防护门外M点的辐射剂量率计算结果列于表2。

表2 迷路入口防护门外M点辐射剂量率计算结果汇总

对表2中计算数值进行分析，可得出以下主要结果。

（1）对于特定尺寸的加速器机房而言，通过合理设置一定厚度的迷路内墙和防护门，迷路入口防护门外的辐射水平可满足《电子加速器放射治疗放射防护要求》[25]中防护门外辐射剂量率不大于2.5 μSv/h的限值要求。

（2）主束经患者、迷路外墙各一次散射辐射（HPS）在散射辐射中的比重最大，其辐射剂量水平比其余两种散射辐射（HS、HLS）通常要高出一个数量级，是散射辐射的主要来源。

（3）6 MV能量较10 MV低，其散射因子较大，三种散射辐射剂量均大于10 MV能量下相应部分的散射辐射剂量，由于两种不同能量下到达迷路入口的散射辐射能量均约为0.2 MeV，因此防护门外6 MV的散射辐射（HPS+HS+HLS）大于10 MV的散射辐射。同时，10 MV的漏射辐射比6 MV漏射辐射能量更高，穿过同样厚度迷路内墙和防护门后的10 MV漏射辐射（HL）则大于6 MV漏射辐射。

（4）防护门铅屏蔽对加速器机头漏射线的屏蔽能力很弱，主要通过迷路内墙进行充分衰减。当迷路内墙厚度较薄时，穿过迷路内墙的漏射辐射影响较大，10 MV能量下防护门外总的辐射剂量较大；当迷路内墙厚度较厚时，穿过迷路内墙的漏射辐射影响较小，此时防护门外总的辐射剂量6 MV较大。

3 讨论

6 MV、10 MV两种不同能量状态下，迷路入口防护门外的辐射剂量大小关系不确定，与机房中迷路内墙的厚度有关，在迷路内墙厚度“从薄到厚”的过程中，防护门外6 MV的辐射剂量较10 MV实现了“反转”。确定防护门外的辐射水平大小，需分别计算并比较6 MV、10 MV两种不同能量状态下散射辐射与漏射辐射剂量之和，取其中结果较大者与标准规定限值进行比较与评价。

10 MV加速器机房防护门外辐射剂量由散射辐射、漏射辐射两部分组成，由计算结果可知，散射辐射部分6 MV大于10 MV，漏射辐射部分则10 MV大于6 MV。因此，直接采用“6 MV 能量下（HPS+HS+HLS）+10 MV 能量下（HL）”组合简易估算模式，可快速计算与评价防护门外的辐射剂量，其结果如符合标准规定限值要求，则6 MV、10 MV两种不同能量下各自的辐射剂量也必然符合限值要求。

加速器运行时散射辐射、漏射辐射剂量的计算，涉及散射系数、什值层厚度等多种参数，且不同能量下参数均各不相同，计算过程较为复杂。采用原有分别计算不同能量下辐射剂量并加以比较的方法，计算量大且容易出错。采用本文提出的简易估算模式，较大程度地减少了计算量，提高了计算与评价的效率。

4 结论

综上所述，对于10 MV医用直线加速器放射治疗机房，本文提出了快速估算与评价防护门外的辐射剂量水平的“6 MV能量下（HPS+HS+HLS）+10 MV能量下（HL）”组合简易估算模式，有效减少了计算量，提高了屏蔽计算与评价的效率，是优化医用放疗加速器机房屏蔽计算与评价工作的一次尝试和创新，为从事医用直线加速器防护设计、评价机构以及管理部门提供技术参考，也为后续其他能量加速机房相关的研究提供了思路和基础。