方舱CT防护设计快速估算方法研究及防护监测分析

凌玉婷，康立丽，杨绍洲，蓝坤明，高扬

1.南方医科大学生物医学工程学院，广东广州510515；2.南方医科大学南方医院增城分院设备信息科，广东广州511356

前言

2019年12月，武汉市部分医疗机构陆续出现不明原因肺炎病人［1］。实验室病原学检测感染者的呼吸道上皮细胞并分离出一种新型冠状病毒［2］。国际病毒分类委员会将该病毒命名为严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2），WHO 将该病毒引起的疾病命名为新型冠状病毒病（COVID-19）［3］，引起的肺炎命名为新型冠状病毒肺炎。为了应对疫情爆发，国家要求相关医疗机构建立发热门诊，确保对新冠患者和疑似患者做到及时有效的处置。研究表明SARS-CoV-2 可造成以肺部为主的多器官功能损害，并具有较强传染性，对国民健康形成严重威胁［2］。在中国疫情得到有效控制的同时，疫情在全球迅速蔓延，给临床带来极大挑战。首先是核酸试剂盒检测等待时间长，且存在一定假阴性率，需反复检测；其次是试剂盒容易出现短缺，很多高度疑似患者仍难以确诊。X 射线CT 作为一种医学影像检查技术，对COVID-19的诊断价值日益重要［4-8］。利用CT对疑似病例进行筛查，使其成为新冠肺炎疫情中筛查、诊断和疗效判定的关键方法［6］。CT 可以清晰显示病灶细节，并可对图像进行量化评估，新型冠状病毒肺炎的CT表现依据病灶的范围和演变分为早期、进展期、重症期、恢复期［7］。COVID-19 患者肺部影像表现变化快，病灶多，并且需要短期内多次复查，显著增加了影像诊断医师的负荷。近年来人工智能（AI）技术在肺结节检出、肺癌筛查方面得到了临床认可。基于CT 的AI辅助定量分析快速用于新冠肺炎诊断，其可全自动、快速、准确地为医生提供诊疗意见，分担一线医护的重负，缓解医务人员紧缺的困难局面，并且可以高效客观准确地进行肺炎严重程度的量化评估，有助于临床分诊及疗效评价，是新冠肺炎疫情筛查、诊断和疗效判定的又一有力武器［9］。许多发热门诊的建设都考虑配置CT 作为影像学检查手段。由于医院新建发热门诊容易受到建筑区域大小和构造等因素的影响，购置方舱CT，将其放置在发热门诊区域成为医院建设发热门诊简便、快捷的方法。

对于医用诊断X射线，需要考虑的辐射主要有两类：其一是初级辐射，又被称为有用线束，是辐射源发出的未经X射线管组装体屏蔽的、用于病人检查的辐射束；其二是次级辐射，即是初级辐射区以外的辐射，包括散射辐射和泄漏辐射［10］。对于CT 成像系统机房防护，主要考虑次级辐射。为了便于实践，《放射诊断放射防护要求》（GBZ 130-2020）［11］对传统CT机房的面积尺寸和辐射屏蔽提出了要求，使得传统CT 机房可无需屏蔽计算即可进行设计。但是方舱CT 机房面积尺寸较小，无法直接按照现有国家标准选取屏蔽体的铅当量。方舱CT 主要有两种安装模式：一种是厂家在符合防护标准的一体化方舱内部安装调试好CT 后发货到医疗机构进行吊装；另一种是委托当地有防护设计和施工能力的机构生产方舱部件，运输到医疗机构现场组装好后，再将CT 部件搬至方舱内部安装调试。相对于传统CT 机房，方舱CT 面积尺寸小，对屏蔽要求较高。如果屏蔽不当会对机房外人员产生电离辐射危害。因此合理设计应对疫情的CT 方舱非常必要，既要满足辐射防护要求，又应便于发热门诊的使用与管理。方舱CT 所选择的不同防护设计方案，导致其所需的舱体质量和方舱布局不同，这些都会对方舱CT 的加工工艺以及制造成本产生重大影响［3］。如何合理地设计方舱尺寸、屏蔽厚度、CT摆放、防护门窗布局等，是减少不必要的电离辐射、确保其防护检测结果符合国家标准要求的关键。为方便方舱的屏蔽设计和分析，尽量避免因设计不合理导致的重新拆修，确保方舱CT 及时安全投入使用，本文探讨方舱CT 防护设计快速估算方法及防护监测分析。

已有国内外学者根据屏蔽计算方法对方舱CT的屏蔽设计进行了探讨［11-20］。屏蔽计算主要是利用工作负荷、人员驻留因子、单层扫描辐射剂量等参数计算屏蔽透射比B，然后利用求得的B值及拟采用的材料进行屏蔽厚度的计算。该方法得到的屏蔽设计值会因工作负荷和居留因子等参数的选取出现较大差异［15］，而且不能保证防护测量结果低于国家限值要求。本文将管理目标值和未屏蔽情况下的剂量率值用于方舱屏蔽计算，不仅计算过程方便、快捷，而且可将防护设计与防护检测效果相联系，对防护监测结果有较好的保证。

1 屏蔽透射比B值计算

1.1 方法一

GBZ/T 180-2006［12］给出的B值计算公式见式（1）：

式中d为距离扫描中心的距离（cm）；D0为距扫描中心d0处的单层扫描的辐射剂量（μGy/层）；W为D0扫描条件作为参考条件下的周归一工作负荷（层/周）；T为CT 扫描室外距离扫描中心d处的人员驻留因子。该方法中D0可根据拟购置设备提供的材料获得；W需要根据预计的工作量和扫描条件得到周归一的工作负荷，不同的受检者数量和扫描条件，会有不同的周归一工作负荷；T在不清楚方舱具体摆放位置的情况下很难确定，即人员驻留因子取值不同会有不同的计算结果。

1.2 方法二

针对CT 机房，NCRP No.147 报告［13］给出了利用CTDI（CT Dose Index）和DLP（Dose Length Product）计算B值的方法。

（1）利用CTDI100值计算次级空气比释动能。

1 m 处轴扫和螺旋扫的散射空气比释动能见式（2）和式（3）：

由式（2）、（3）可计算出每周头部（轴扫）和体部（螺旋扫描）在r(m)处的次级空气比释动能（mGy/week），见式（4）：

（2）利用DLP计算次级空气比释动能。

1 m处散射空气比释动能见式（5）：

结合每周头部和体部扫描的工作负荷计算次级空气比释动能（mGy/week），见式（6）：

（3）根据周工作负荷计算B值。

根据设定的周工作负荷W（mGy/week），则可以利用由CTDI和DLP得到的Ksec计算B值，见式（7）：

NCRP No.147报告两种计算B值的方法均需要预知每周头部检查、体部检查的数量以及曝光条件，这些条件的可变性较大也会导致B值计算结果的多样性。

1.3 方法三

考虑国家标准关于CT 机房的防护监测是以周围剂量当量率为检测结果并进行评价［11］，而该结果不与每周工作负荷有直接关系，因此为了确保屏蔽估算结果能保证建成机房的防护效果，本文基于B值概念所反映的原理，将周围剂量当量率的控制目标（μGy/h）作为有屏蔽时期望的辐射剂量率进行B值计算。屏蔽透射比B的计算见式（8）：

其中，是关注点未屏蔽时的辐射剂量率（μGy/h）；是关注点有屏蔽时期望的辐射剂量率（μGy/h）。可通过空间剂量分布曲线求得，一般CT 设备的剂量分布曲线呈蝶形分布，见图1。

2 屏蔽厚度估算

GBZ/T 180-2006 给出的方法是将B值乘以斜射修正因子(1+cosθ)/2 后，然后查阅辐射透射比与屏蔽材料厚度关系表［12］，即可得到各个具体点位所需屏蔽材料的厚度。保守起见，同一侧屏蔽体采用同一厚度，可忽略斜射修正因子。

GBZ 130-2020 标准［11］和NCRP No.147 报告［13］给出了已知B值计算材料厚度X的计算方法，见式（9）：

式中α、β和γ是某种材料的相关拟和参数，可查表。CT系统方舱各个方向的屏蔽体根据式（8）和式（9）即可得到需要的屏蔽厚度。

3 屏蔽计算分析

3.1 屏蔽关注点及控制目标的选取

典型的方舱CT 布局见图2。X-CT 的剂量分布在空间上呈现出蝴蝶形状式样分布，在CT 机架两侧和上方由于设备自身很多部件产生衰减的原因，辐射剂量较低；在CT 空腔前后两侧则存在较高的辐射剂量，且离CT 机架越近辐射剂量越高、离CT 机架越远辐射剂量越低，参见图1。

图2 方舱CT典型布局示意图Fig.2 Schematic diagram of typical CT shelter layout

为了简化屏蔽计算，不同方向的方舱壁体尽量选取距离短、辐射剂量率大的位置作为关注点。按机架距后方墙壁关注点距中心1.5 m；机架两侧宽度3 m，关注点选取两侧中剂量率高的机房大门区域（距离控制室侧壁2.0 m、距离设备中心1.5 m）；控制室侧关注点选取距中心3 m。

根据《放射诊断放射防护要求》（GBZ 130-2020），CT 机房外的周围剂量当量率应不大于2.5 μSv/h［11］，因此控制目标值可选择2.5 μGy/h。为使方舱CT 达到辐射防护标准，减少不必要的辐射，保障医护人员以及病人的安全，医院可根据自身需求制定控制目标值，可以设置更低的控制目标值，如1.25 μGy/h 甚至更低。

3.2 CT机房屏蔽材料厚度计算

利用CT 设备的剂量分布曲线查找相关关注点的剂量参数。考虑常规管电流设置和较大管电流设置，可得到关注点在未屏蔽情况下的辐射剂量率，见表1。利用式（8）和设定的控制目标计算屏蔽透射因子B，利用式（9）可得到相应关注点的屏蔽需求，见表2。

表1 未屏蔽情况下机房外各关注点辐射剂量率（μGy/h）Tab.1 Radiation dose rate at each concern position of the room without shielding(μGy/h)

表2 各位置所需屏蔽透射因子B及屏蔽厚度估算结果Tab.2 Shielding transmission factor B and the estimation of shielding thickness for each position

只要给出剂量分布曲线，都可以按照上述方法对方舱CT 各位置所需的屏蔽材料厚度进行估算。结合以上厚度的计算结果以及实际的加工工艺，可知上述方舱CT 所需的屏蔽材料的厚度以不小于3.5 mmPb 为宜。一般CT 设备的方舱防护设计采取了不低于3.5 mmPb的防护设计，如果方舱尺寸较小，则根据式（8）和式（9）进行计算，采用更高铅当量的防护设计。不同厂家、不同机型的剂量分布曲线会有所差异，在未确定设备前，为确保机房防护效果可选用目前常见较大辐射剂量CT 设备的剂量分布曲线进行屏蔽设计计算。

4 CT方舱防护检测结果与分析

4.1 防护监测点的选取

监测点随着所检测方舱CT 机房的面积尺寸、设备摆放、防护门窗的布局等变化而有所不同。在巡测基础上，针对观察窗、机房门在屏蔽体中央和外围缝隙区域进行布点；对于一体化屏蔽墙体，按照尺寸大小进行布点；寻找管道穿墙区域进行布点，如通风口、电缆沟、空调管道穿墙口。图3为某CT方舱监测点位置示意图。

图3 辐射监测位置示意图Fig.3 Schematic diagram of radiation monitoring positions

4.2 材料与方法

（1）辐射剂量检测仪器：ATOMTEX 的AT1123 辐射剂量测量仪。（2）散射体模：采用32 cm 均匀圆柱形体模。（3）受检设备：对6 台方舱CT 机房进行辐射防护检测，其CT 型号分别为uCT 710、NeuViz 64 In（2台）、NeuViz 128、ANATOM 64 FIT、NeuViz Glory。选取设备能够达到的最大电压（如140 kV），管电流选取较大管电流。

4.3 检测结果

对6 台方舱CT 机房进行防护监测，防护监测结果见表3。针对方舱4 对机房大门进行检查，发现机房大门门缝较大，其关闭后与壁体间有较大缝隙。对机房大门的缝隙进行调整后，机房大门监测值降低到2.09～2.52 μSv/h，仍较高。为了使方舱4 能够符合国家标准限值以便能够迅速投入使用，工作人员提高了铅板之间的重合度，机房大门的防护监测结果见表4。

表3 X射线设备机房防护监测结果（μSv/h）Tab.3 Monitoring results of the radiation protection of X-ray equipment room (μSv/h)

表4 方舱4机房大门整改后防护监测结果（μSv/h）Tab.4 Monitoring results of the radiation protection of No.4 shelter door after rectification(μSv/h)

4.4 分析与讨论

4.4.1 屏蔽设计厚度表3的防护监测结果显示扫描床两侧的屏蔽墙体、机房大门的关注点出现了较大的监测值，其中5个方舱在机房大门一侧出现了较高的监测值。产生这种情形的原因是因为CT 设备在检查床一侧两端区域等剂量线伸展范围更大，为便于受检者进出机房和上下检查床，机房大门普遍安装在这一区域。CT机房检查床两侧的屏蔽体以剂量分布最大的区域进行这一侧屏蔽体的屏蔽设计估算是必要、合理的，防护检测结果也说明同等防护条件下机房大门及其对侧区域易出现较高监测值。表3的防护监测结果显示4 台方舱在靠近机架后侧的壁体的关注点出现了较大的监测值，由图1可知在机架后方区域也是剂量分布较高的区域。针对传统CT设备机房，为了降低该区域对机房外人员的影响，一般是将该区域置于两屏蔽墙体夹角区域，利用一体化墙体对射线有效防护。对于方舱CT 设备，无法沿用传统CT机房的屏蔽体设计和摆放要求，CT设备靠近后壁舱体距离短，在该侧区域屏蔽设计时尽量采用保守的屏蔽估算条件进行屏蔽设计。由监测结果可知针对机房大门区域、CT 设备后侧舱体区域对屏蔽要求高，建议使用更加严格的控制目标值进行屏蔽计算，合理地提高屏蔽设计厚度确保防护监测结果在满足国家标准要求的前提下进一步降低对周围人员的影响。

4.4.2 材料与施工环节在设备、方舱尺寸、布局和屏蔽设计一样的情况下，部分方舱局部监测点的监测结果有明显差异。由表4可知方舱4 机房大门的监测结果超过了防护标准要求。机房大门的缝隙容易使X 射线经缝隙泄漏到机房大门外导致辐射监测值升高。整改门缝后，监测结果有一定下降，但仍较高，提示仍有其他环节导致泄漏辐射偏大。在进一步调整机房大门防护材料拼接缝隙的重合度后，机房大门的防护监测结果符合了国家标准要求。针对监测值进行屏蔽体整改和防护复检的过程说明屏蔽材料的选取、加工和安装环节仍会对屏蔽效果产生明显影响，甚至是严重影响。在进行方舱CT 机房加工时，应加强防护门与屏蔽墙体的缝隙、防护板缝隙重合度、防护门的把手和锁眼、电缆沟、空调管口、通风设施管线口等位置的屏蔽施工质量。尤其是防护门在使用过程中由于撞击、磨损等也会造成较大的门缝或者门体内防护材料的移位，这些情况均可能导致泄漏辐射增加使得机房外的防护监测值升高。

4.4.3 防护监测条件一般CT的最大管电压为140 kV，CT 临床常用管电压一般为120 kV 左右，120 kV 条件产生的X 射线穿透能力低于140 kV 条件的X 射线，因此120 kV相对于140 kV条件下的防护监测值会明显下降。为确保机房在使用中的防护效果，防护监测时应选取CT 球管能够实现的最大管电压和管电流条件进行监测。在最大管电压和管电流条件下进行监测容易寻找防护设施薄弱点，该条件下防护监测结果如果符合国家标准和管理目标值要求，则临床常用条件下的防护效果亦会满足要求。防护监测过程中，在巡测基础上做好各侧屏蔽体的防护监测，特别要关注一些屏蔽施工环节容易出问题位置的监测，如防护门与屏蔽墙体的缝隙、防护门把手和锁眼，以及一些管道穿墙口（电缆沟、空调管口、通风设施管线口等）。

5 总结

对CT 设备的方舱进行屏蔽估算时，在利用CT设备剂量分布特点、控制目标值、机房布局和选择的材料进行屏蔽估算时，应适当结合屏蔽施工易出问题的区域、使用环节中易损耗的区域以及使用需求和特点等因素综合设计，确保方舱易于使用、摆放，使方舱的防护效果能较好地满足国家标准要求。对于CT 设备的方舱的防护监测布点要有代表性，尤其是防护薄弱点。确保方舱CT 在使用过程中的辐射安全性，使方舱CT 在新冠肺炎的筛查、疗效评估等方面有效发挥作用。