立体定向伽玛射线放射治疗机房屏蔽计算分析

王雪航

(黑龙江省疾病预防控制中心职业健康科，黑龙江 哈尔滨 150030)

近年来随着肿瘤患者的增多，立体定向伽马射线放射治疗因其不用开刀、无创伤、无出血、不需要全身麻醉等优势，应用越来越广泛，由此带来的放射卫生防护和安全问题备受人们的关注[1-3]。医院一方面要做好立体定向伽马射线放射治疗系统的安全防护，确保设备的安全运行；另一方面必须要做好放射工作人员、广大患者以及可能进入机房附近区域的公众的个人防护，使之免受不必要的辐射照射。因此，必须重视立体定向伽马射线放射治疗系统的防护与安全[4]。基于安全与防护问题的考虑，本文对某医院新建立体定向伽马射线放射治疗系统屏蔽厚度进行计算，判断该系统机房的屏蔽设计是否满足国家标准要求。

1 材料与方法

1.1 SGS-Ι型立体定向伽玛射线放射治疗系统基本结构立体定向伽玛射线放射治疗系统采用扇形聚焦回旋照射原理[5]，将18个钴-60放射源分为10个和8个两组在两个相邻扇面上呈扇形聚焦布置，其发出的伽玛射线通过18个聚焦分布的准直器准直和引导精确地汇聚在焦点上并绕该焦点的轴线进行回旋照射，如图1所示。治疗计划系统对病灶进行治疗规划并选择较好的射束入射回旋照射区域，治疗时依据治疗计划的设置，立体定向控制系统自动将病灶对准焦点，多束射线聚焦回旋照射后在焦点处产生高强度的剂量场，致使病灶组织发生放射性坏死，而周围的正常组织仅受到均匀小剂量的照射。

图1 扇形聚焦回转照射示意图

1.2 辐射源项分析立体定向伽玛射线放射治疗系统(SGS-Ι)装填18枚钴-60放射源，标称总活度为2.22×1014Bq(6000 Ci)，分布在弧形钴源匣内。机头泄漏辐射小于或等于治疗束剂量的0.1%。患者体表及室壁的散射辐射大小和能量与入射辐射的能量、照射面积、入射角和散射角的大小有关。对患者表面受照，大角度散射的散射份额和散射辐射的能量均较小，但对小角度(如10°)散射，散射份额相对较大(大于1%)且散射辐射能量接近入射辐射能量。

从机房辐射防护屏蔽设计考虑，主要辐射源项为：

透过准直器的泄露辐射：在治疗位置状态下，关闭准直器时的焦点剂量率不超过正常治疗状态辐射中心辐射剂量率的2%；

患者体表散射辐射：针对该装置，散射辐射相对贡献较大；

最大辐射束以外的杂散泄露辐射：在正常治疗距离处，以辐射轴线为中心且垂直辐射轴半径2 m的圆平面中的最大辐射束以外的区域内，由于泄露辐射引起的吸收剂量率的最大值不得超过在焦点剂量场中测得的最大吸收剂量率的0.2%，平均值不得超过0.1%，距离辐射源1 m处测得的由于泄露辐射引起的吸收剂量率不得超过在焦点剂量场中测得的最大吸收剂量率的0.5%；

非治疗状态下的杂散辐射：距储源器1 m处的杂散辐射引起的吸收剂量率不大于0.02 mSv/h；距可能触及的主机外壳表面5 cm任一易接近的位置由于杂散射线引起的吸收剂量率不得超过0.2 mSv/h。

1.3 计算方法

1.3.1 方法一 按照剂量管理控制值W=5.0×108μSv/week进行验证计算[6-8]。

(1)

式中：X：所需的屏蔽厚度，单位：m；TVL1：第一十分之一减弱层厚度，单位：m；TVLe：平衡十分之一减弱层厚度，单位：m；H未屏蔽：未屏蔽条件下，计算点处的周围剂量当量(近似等于有效剂量，后同)，单位：当采用周工作剂量当量计算时为μSv/week；H控制：计算点处应控制的周剂量当量，单位：当采用周工作剂量当量计算时为μSv/week；

(2)

TVL：十分之一减弱层厚度，单位：m，其余变量同公式(1)。

说明：由于在屏蔽体表面附近存在一个衰减建成区，引入第一十分之一层(TVL1)加以修正。故在计算初始辐射和泄漏辐射时采用公式(1)，计算患者受照表面散射时采用公式(2)。

对于泄漏辐射剂量的计算，有如下公式：

(3)

(4)

式中：η：泄漏辐射占初始辐射的比率，取1×10-3；其他符号含义同前。

对于迷路外墙的计算，应采用公式(4)。

对于患者受照表面散射剂量的计算，按公式(5)计算：

(5)

式中：α：距散射物体(患者)1 m处散射辐射与距离1 m处初始辐射的比率，并归一到患者受照表面积为 400 cm2；F：患者实际受照表面积，单位：cm2；d1：源到患者受照表面的距离，单位：m；d2：患者表面到计算点的距离，单位：m；其他符号含义同前。

计算参数

立体定向伽玛射线放射治疗系统的工作量如下：根据医院提供的放射治疗计划工作资料，立体定向伽玛射线放射治疗系统周工作负荷W=26 Gy/week=2.6×107μSv/week，考虑到医院今后的发展，工作量有可能增加的情况，按照W=5.0×108μSv/week进行计算。立体定向伽玛射线放射治疗系统机房关注点位置以及屏蔽设计如图2和图3所示。

A点屏蔽厚度设计验证计算

如图2所示，A点位于北侧为立体定向伽玛射线放射治疗系统控制室，为全部居留，居留因子(T)选取1；考虑泄漏辐射和患者散射，而此时泄漏辐射以0°垂直入射，保守估算患者散射角度为90°。

B点屏蔽厚度设计验证计算：如图2所示，B点位于西侧走廊，为部分居留，居留因子(T)选取1/5；考虑泄漏辐射和患者散射，而此时泄漏辐射以0°垂直入射，保守估算患者散射角度为0°。

C点屏蔽厚度设计验证计算：如图2所示，C点位于南侧库房，为偶然居留，居留因子(T)选取1/5；考虑泄漏辐射和患者散射，而此时泄漏辐射以0°垂直入射，保守估算患者散射角度为90°。

D点屏蔽厚度设计验证计算：如图2所示，D点位于东侧设备机房，为部分居留，居留因子(T)选取1/5；考虑泄漏辐射和患者散射，而此时泄漏辐射以0°垂直入射，保守估算患者散射角度为0°。

E点屏蔽厚度设计验证计算：如图2所示，E点位于东侧设备机房，部分居留，居留因子(T)选取1/5，考虑泄漏辐射和患者散射，而此时泄漏辐射的斜角42°，患者散射角度为42°。

图2 立体定向伽玛射线放射治疗系统机房屏蔽设计与关注点位置-1

H点屏蔽厚度设计验证计算：如图3所示，H点位于一层商铺，为部分居留，居留因子(T)选取1/2；考虑泄漏辐射和患者散射，而此时泄漏辐射以0°垂直入射，保守估算患者散射角度为0°。

图3 立体定向伽玛射线放射治疗系统机房屏蔽设计与关注点位置-2

以上各关注点泄漏辐射屏蔽验证计算厚度，使用放射治疗周工作负荷进行计算，相关参数见表1；患者散射屏蔽验证计算厚度，使用放射治疗周工作负荷进行计算，相关参数见表2。

表1 各关注点泄漏辐射屏蔽验证相关参数

表2 各关注点患者散射泄漏辐射屏蔽验证相关参数

按照公式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)屏蔽计算的各个关注点数据如表3所示。

表3 各关注点泄露辐射屏蔽及患者散射屏蔽计算数据

1.3.2 方法二 屏蔽验证计算根据相关标准规定的剂量率值进行验证计算[6,9]。在《X、γ射线头部立体定向外科治疗放射卫生防护标准》(GBZ 168-2005)中规定，治疗室墙体外30 cm可达界面处因透射产生的空气比释动能率一般应不大于2.5 μSv/h。

根据生产厂家提供的资料，应用LiF(Mg、Cu、P)热释光剂量计在以等距离同高度矩阵摆放方式进行出束状态的辐射水平矩阵测量如图4、图5，该图平面为等中心平面，剂量率单位为μSv/h，测量时

图4 立体定向伽玛射线放射治疗系统机房内剂量率分布图(出束状态，水平高度1 m)

图5 立体定向伽玛射线放射治疗系统机房内剂量率分布图(出束状态，水平高度2 m)

源总活度为6000 Ci。计算中取距等中心1 m处各方向最大值为参考点进行计算。从图4、图5可知，距等中心1 m处剂量率取值如下：北侧为11717 μSv/h，西侧为14880 μSv/h，南侧为14033 μSv/h，东侧为7200 μSv/h，屋顶方向为14266 μSv/h。

计算参数和结果

依据某点外照射剂量率的平方反比定律(下同)，在北墙外A点处剂量率约为：11717 μSv/h×12÷3.402=1013.58 μSv/h。根据《X、γ射线头部立体定向外科治疗放射卫生防护标准》(GBZ 168-2005)的要求，该处的空气比释动能率一般应不大于2.5 μSv/h，散射角90°，混凝土的TVL为0.151 m，根据公式(2)(下同)，北墙屏蔽厚度X=0.151×l g(1013.58/2.5)=0.39 m。

西墙外B点处剂量率约为：14880 μSv/h×12÷4.562=715.60 μSv/h，该处的空气比释动能率一般应不大于2.5 μSv/h，散射角15°，混凝土的TVL为0.223 m，西墙屏蔽厚度X=0.223×l g(715.60/2.5)=0.55 m。

南墙外C点处剂量率约为：14033 μSv/h×12÷6.452=337.31 μSv/h，该处的空气比释动能率一般应不大于2.5 μSv/h，散射角90°，混凝土的TVL为0.151 m，南墙屏蔽厚度X=0.151×l g(337.31/2.5)=0.32 m。

东墙外D点处剂量率约为：7200 μSv/h×12÷7.842=117.14 μSv/h，该处的空气比释动能率一般应不大于2.5 μSv/h，散射角小于15°，混凝土的TVL为0.223 m，南墙屏蔽厚度X=0.223×l g(117.14/2.5)=0.37 m。

东墙外E点处剂量率约为：7200 μSv/h×12÷8.992=89.09 μSv/h，该处的空气比释动能率一般应不大于2.5 μSv/h，散射角小于45°，混凝土的TVL为0.197 m，南墙屏蔽厚度X=0.197×l g(89.09/2.5)=0.31 m。

屋顶外H点处剂量率约为：14266 μSv/h×12÷4.132=836.38 μSv/h，该处的空气比释动能率一般应不大于2.5 μSv/h，散射角小于15°，混凝土的TVL为0.223 m，南墙屏蔽厚度X=0.223×l g(836.38/2.5)=0.56 m。

1.3.3 防护门屏蔽厚度计算 迷道处选择的关注点分布如图2中所示，等中心点辐射到墙上b点处，再反射辐射到门口g点，根据计算迷道外入口处患者体表二次散射辐射剂量、迷道外入口处泄漏辐射在屏蔽墙上的一次散射辐射剂量以及穿迷道内墙的辐射剂量来计算防护门的屏蔽厚度。

迷道外入口处患者体表二次散射辐射剂量：

(6)

式中：αph：400 cm2面积上的散射因子3.7×10-3(45°)；F：治疗装置有用线束在等中心处的最大治疗野面积23.75 cm2；α2：混凝土对入射的患者散射辐射的散射因子，通常取b处的入射角为45°，散射角为0°，使用能量1.25 MeV的值1.02×10-2；S：b处的散射面积(1.77 m×4 m=7.08 m2)；W：5×108μSv/week；R1：o-b之间的距离7.48 m；R2；b-g之间的距离8.45 m；R0：源到等中心的距离1 m，

=1.99 μSv/week

(7)

式中：f：泄漏辐射比，10-3；W：5×108μSv/week；S：b处的散射面积(1.77 m×4 m=7.08 m2)；αW：散射体的散射因子，入射角为45°，散射角为15°，使用能量1.25 MeV的值1.07×10-2；RL：泄漏辐射始点至散射体中心的距离，7.48 m；R：b-g之间的距离8.45 m，

=9.48 μSv/week

穿迷道内墙的辐射剂量：

(8)

式中：W：5×108μSv/week；F：治疗装置有用线束在等中心处的最大治疗野面积，3.75 cm2；αW：散射体的散射因子，入射角为45°，散射角为15°，使用能量1.25 MeV的值1.07×10-2；R：6.07 m；B：2.85×10-4，

=0.10 μSv/week

H未屏蔽=Wg+Wg1+Wg2=1.99+9.48+0.10

=11.57 μSv/week

防护门需要的屏蔽：防护门材料为铅，TVL为41 mm，所需防护厚度：X=TVLlg(H未屏蔽/H控制)=TVLlg[(11.57/5)=0.36TVL=15 mm

2 结果

根据两种计算方法验证得出立体定向伽玛射线放射治疗系统机房混凝土墙壁的屏蔽防护厚度，相关结果见表4。其中，通过剂量分布方法验证计算的屏蔽防护厚度小于周控制剂量验证计算的屏蔽防护综合厚度，设计屏蔽防护厚度均大于两种计算方法验证计算的屏蔽防护厚度。

表4 立体定向伽玛射线放射治疗系统机房屏蔽厚度(材料为混凝土，ρ=2.35 g/cm3)

防护门以铅作为屏蔽材料，其所需屏蔽防护计算厚度为15 mm，设计厚度为18 mm，设计厚度能够满足屏蔽防护的要求。

3 讨论

立体定向伽玛射线放射治疗系统已在国内很多医院投入使用，作为大型放射治疗设备，对其机房屏蔽安全防护性能要求以及对环境的影响更加重视。本文机房拟采取的防护屏蔽设计，经屏蔽计算验证、分析后，混凝土外墙和机房防护门设计厚度满足设定的管理目标值，符合《放射治疗机房辐射屏蔽规范第1部分：一般原则》《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》《放射治疗机房的辐射屏蔽规范 第3部分：γ射线源放射治疗机房》等国家标准中的相关要求[10-12]。通过本文的验证，立体定向伽玛射线放射治疗系统机房屏蔽防护厚度的理论计算值可以很好指导实际应用中的屏蔽防护设计，能够满足机房屏蔽防护效果。机房棚顶与墙壁，在进行屏蔽防护验证计算时均仅考虑一次散射和漏射辐射的射线剂量，未考虑多次散射和漏射辐射对屏蔽防护的剂量贡献，因其强度与剂量远低于一次散漏辐射。因此，采用屏蔽防护计算更偏重于实际应用，与精确理论计算具有差距。此外，为保证屏蔽防护设计在实际应用中的效果，建设单位在工程施工中应有质量保证措施，保证混凝土浇筑过程连续，材料充分振捣均匀，屏蔽层内不得留有空腔或缝隙。混凝土的密度如果不是2.35 g/cm3时应予以校正，即实际所需混凝土厚度等于按2.35 g/cm3的计算厚度乘以(2.35/ρ实际)，ρ实际为所用混凝土的实际密度，单位g/cm3。

综上所述，针对立体定向伽玛射线放射治疗系统机房基于理论计算做出的屏蔽防护设计符合国家标准的相关要求，具有实际应用价值。