头部多源伽马射线立体定向放射治疗机房屏蔽效果计算与分析

刘宸

（核工业二〇三研究所，陕西 西安，710086）

近年来，随着医院诊断治疗水平的进步，针对肿瘤的治疗方法也越来越先进。伽马射线立体定向放射治疗系统（也称伽马刀）具有不开刀、不出血、无痛苦、精度高、损伤小以及安全性高的优点，在临床中的使用越来越广泛。但是该治疗装置在使用时会产生γ射线，如果没有有效的屏蔽防护设施，可能会对周围的人员和环境造成辐射影响［1-2］。医院在进行伽马射线立体定向放射治疗时，一方面要做好该射线装置的自身防护，确保设备安全运行；另一方面必须对放置治疗装置的机房屏蔽体进行合理的设计与施工，使其在治疗状态下符合辐射防护最优化原则，即对周围环境和公众的辐射影响减小到合理并尽可能低的水平。因此，在装置建造和使用之前，采用模拟计算方法对屏蔽设计进行有效性验证并提出优化建议是非常必要的［3-4］。本文采用什值层计算方法，结合设备厂家提供的治疗机房辐射剂量场，模拟计算得出机房顶部、四周屏蔽墙体以及防护门外30 cm 处的剂量当量率值，用理论预测值指导机房的屏蔽防护设计，从而保证机房具有较佳的屏蔽效果［5］。

1 仪器与方法

1.1 工作原理

该系统的原理是基于60Co在衰变过程中释放的γ射线在病灶细胞产生的放射生物学效应，进而起到治疗效果。γ射线能量随着入射路径的延长而逐渐减弱，多源同轴旋转成为动态的锥形扇面，一方面可以实现在病灶处产生足够大的剂量，同时多源聚焦可实现有效分散周边正常组织所受辐照剂量，而不降低病灶治疗剂量，从而将周围正常组织所受放射损伤降到最低程度；另一方面可以减少采用的钴源个数，降低成本和工艺难度。某伽马射线立体定向放射治疗系统安装有30 个钴源，分成6 组分布在锥形源体上，纬度范围介于8°～42°之间，从钴源辐射出的γ射线束，经源体的初准直器、开关体、准直体上的次准直器和终准直器准直后会聚于焦点，形成很强的辐射剂量场。准直体上安置有4组共120 个准直器。由于放射源在初装时总活度可达2.88×1014Bq±10%以上，放射防护是首要的安全要求。放射源本身由双层不锈钢包壳包裹，包壳内加装有钨合金块，可减弱其对后方的杂散辐射。外屏蔽体、源体和开关体均由铸铁制造，具有良好的屏蔽效果。由于聚焦在焦点处形成很高的剂量，使得该系统在治疗病灶的同时，对周围健康组织的损害很小，从而形成类似手术刀切除病灶的效果。典型头部伽马射线立体定向放射治疗系统结构如图1 所示。

图1 典型头部伽马射线立体定向放射治疗系统结构示意图（据某厂家，2021）Fig.1 Structure diagram of typical head gamma ray stereotactic radiotherapy system（After a factory，2021）

1.2 辐射源项分析

该系统安装有30枚60Co 放射源，总最大装源量为2.88×1014Bq，整体为I类放射源。从机房辐射防护屏蔽设计的角度考虑，并参考设备厂家提供的资料，该设备主要辐射源项为：①透过准直器的泄露辐射；②患者体表散射辐射（主要贡献）；③最大辐射束以外的杂散泄露辐射；④非治疗状态下的杂散辐射。

1.3 工作场所布局

所讨论的头部多源伽马射线立体定向放射治疗系统（也称伽马刀）工作场所位于地下一层，工作场所由伽马刀治疗机房、控制室、病人等候区和规划室等组成。治疗机房设有直型迷路，可有效减少散射辐射的影响；防护门位于南侧，人员均从南侧过道由防护门出入，控制室（有效使用面积8.97 m2）位于治疗机房南侧，治疗机房西侧为储物间；伽马刀机房地下为实土层，且无规划建筑，楼上为医院道路、绿化。机房四周无人员长时间停留的场所，伽马刀工作场所布局基本合理。伽马刀工作场所及周边环境布局示意图见图2。

图2 伽马刀工作场所及周边环境布局示意图（据某医院，2021）Fig.2 Schematic diagram of the gamma knife workplace and surrounding environment（After a hospital，2021）

1.4 剂量控制要求

1.4.1 使用放射治疗周工作负荷、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Hc，d，μS v·h-1：

式中：Hc—周参考控制水平，μSv·周-1；U—关注位置方向照射的使用因子；T—人员在相应关注点的居留因子；t—治疗装置周治疗照射时间，16 h。

1.4.2 按照关注点人员居留因子（T）的不同，确定关注点的最高剂量率参考控制水平Hc，max，μS v·h-1：

人员居留因子T≥1/2 的场所：Hc，max≤2.5 μS v·h-1；

人 员 居 留 因 子T＜1/2 的 场 所：Hc，max≤10 μS v·h-1。

取上述Hc，d和Hc，max中的较小者作为关注点的剂量率参考控制水平Hc（μSv·h-1）。由此确定的各关注点的剂量率参考控制水平见表1。

表1 治疗状态下各关注点剂量率参考控制水平Table 1 Reference control level of dose rate at each focus under treatment

1.5 机房辐射屏蔽计算方法

1.5.1 机房辐射防护设计

头部多源伽马射线立体定向放射治疗机房由主机房、迷道和防护门组成。治疗机房南北长7.45 m，东西宽5.7 m，高3.5 m，内部大小为7.45 m×5.7 m×3.5 m，使用面积约42.47 m2，总有效容积约148.63 m3。迷路为直型，迷路宽为1.9 m。墙体及室顶均为2.35 g·cm-3的普通混凝土。机房四周墙体屏蔽厚度见表2，该治疗机房平面及剖面布置图见图3 与4。

图3 头部多源伽马射线立体定向放射治疗机房平面布置图（据某医院，2021）Fig.3 Layout plan of head multi-source gamma ray stereotactic radiotherapy room（After a hospital，2021）

表2 头部多源伽马射线立体定向放射治疗机房防护屏蔽设计参数（据某医院，2021）Table 2 Design parameters of protective shield in head multi-source gamma ray stereotactic radiotherapy room（After a hospital，2021）

1.5.2 机房辐射屏蔽计算

通过理论计算，对治疗机房屏蔽体外辐射剂量率进行估算。由于该装置设计有自屏蔽，即使在治疗过程中，射线穿透机器的散射能量已降至很弱，对机房的屏蔽要求已降至很低。

1.5.2.1 工作状态下机房内γ空气吸收剂量率分布

进行屏蔽计算时采用了设备厂家提供的伽马射线立体定向放射治疗实测数据。厂家采用热释光剂量仪空间布点的方法，测量了在治疗状态下（治疗系统屏蔽门打开，机房的防护门关闭，选择4 号准直器通道打开，源体旋转，模拟对病人实施治疗的状态）机房内的散射辐射水平。

图4 头部多源伽马射线立体定向放射治疗机房剖面布置图（据某医院，2021）Fig.4 Sectional layout of head multi-source gamma ray stereotactic radiotherapy room（After a hospital，2021）

图5、6 为机房内的散射辐射剂量场分布图，图中各剂量率点位水平和垂直方向相隔0.5或1 m，剂量场中标注的数字表示了在治疗模式下，该伽马刀机房内对应位置的辐射剂量率值。由图5、6 可知，该系统在治疗模式下距离焦点1 m 处最大剂量率值为602 μGy·min-1。

图5 水平方向散射辐射剂量场分布图/（μGy·min-1）（据某厂家，2021 年）Fig.5 Horizontal scattered radiation dose field distribution/（μGy·min-1）（After a factory，2021）

1.5.2.2 工作状态下机房周围剂量当量率估算

1）计算公式

根据《放射治疗机房的辐射屏蔽规范第3部分：γ放射源放射治疗机房》（GBZ/T 201.3—2014）中推荐的公式：

有效屏蔽厚度：

式中：Xe—有效屏蔽厚度，cm；X—屏蔽厚度，cm；θ—斜射角，即入射角与屏蔽物质平面的垂直线之间的夹角。

屏蔽透射因子：

式中：B—屏蔽物质的屏蔽透射因子；Xe—有效屏蔽厚度，cm；TVL—辐射在屏蔽物质中的平均什值层厚度，cm；TVL1—辐射在屏蔽物质中的第1 个什值层厚度，cm

当已知距离焦点为R0处的剂量率H1，计算屏蔽体外参考点至焦点距离为R的剂量率HR有：

式中：B—屏蔽透射因子；R—辐射源点（靶点）至关注点的距离，m；

2）计算参数

辐射源项：参考设备厂家提供的伽马刀开机状态周围的剂量率检测值。

有用线束和漏射辐射在混凝土中的TVL：根据《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》（GBZ/T 201.3—2014）附录C 表C.1，本项目TVL取值，对于60Co，混凝土TVL=218 mm，铅TVL=41 mm；TVL1取值，对于60Co，混凝土TVL1=245 mm，铅TVL=41 mm。

3）治疗状态下屏蔽墙外剂量率计算

对于四周墙体和顶部，按照一次散射辐射区进行计算，治疗机房入口门按照二次散射辐射区。根据设备厂家提供的水平方向散射辐射剂量场分布图（图5）及垂直向散射辐射剂量场分布图（图6）的数据，根据《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》（GBZ/T 201.3—2014）7 伽马刀治疗机房屏蔽计算原则与注意事项：C）头部伽马刀治疗机房根据厂家提供的最大准直器照射条件下的散射辐射场，以最接近机房墙内表面的散射辐射剂量（本次当距离处于两个监测点之间时，保守取较大值）按照距离平方反比关系计算机房外关注点的剂量率，具体取值见表2。

图6 垂直方向散射辐射剂量场分布图/（μGy·min-1）（据某厂家，2021）Fig.6 Vertical scattered radiation dose field distribution/（μGy·min-1）（After a factory，2021）

由公式4 可估算出工作状态下伽马刀治疗机房周围墙外30 cm 处的辐射剂量率，详见表3。辐射路径见图7 与8。

图7 头部多源伽马射线立体定向放射治疗机房辐射路径示意图（平面）（据某医院，2021）Fig.7 Radiation path diagram of head multi-source gamma ray stereotactic radiotherapy room（plane）（After a hospital，2021）

图8 头部多源伽马射线立体定向放射治疗机房辐射路径示意图（剖面）（据某医院，2021）Fig.8 Radiation path diagram of head multi-source gamma ray stereotactic radiotherapy room（profile）（After a hospital，2021）

由表3 估算结果可知，头部多源伽马射线立体定向放射系统在治疗状态下机房顶部和四周屏蔽墙外30 cm 处以及防护门外30 cm 处的周围剂量当量率最大值为1.87 μSv·h-1，低于各屏蔽墙外关注点的周围剂量当量率参考控制水平（表1）。

表3 治疗状态下机房周围30 cm 处周围剂量当量率Table 3 Ambient dose equivalent around 30 cm on the surface of machine room under treatment state

4）非治疗状态下屏蔽墙外剂量率计算

根据设备厂家提供的数据，该治疗系统在非治疗状态下，距放射源1 m 处杂散辐射引起的吸收剂量率不大于0.02 mSv·h-1。

由表4 估算结果可知，头部多源伽马射线立体定向放射系统在非治疗状态下机房顶部和四周屏蔽墙外30 cm 处的周围剂量当量率 最 大 值 为6.45×10-3μSv·h-1，低 于 各 屏 蔽墙外关注点的周围剂量当量率参考控制水平（表1）。

表4 非治疗状态下机房周围30 cm 处周围剂量当量率Table 4 Ambient dose equivalent of 30 cm around the surface of machine room under non treatment state

2 结 论

1）头部多源伽马射线立体定向放射系统作为大型且成熟的放射治疗设备，已在国内多家医院投入使用，对其采用模拟计算的方法对屏蔽防护设计效果进行验证，提出改进措施或建议是符合辐射防护基本原则的；

2）采用什值层计算方法对某医院拟建头部多源伽马射线立体定向放射系统机房的屏蔽效果进行了预测分析，结果表明其屏蔽效果符合相关国家标准要求［7-8］。基于实际应用出发，所采用的计算方法在进行相关屏蔽剂量估算时主要考虑贡献值最大的散射辐射，包括治疗射线和准直器的泄露辐射的散射，在对同类型设备的屏蔽效果计算起到了一定的指导性和参照性。

3）为保证屏蔽设计的效果，应严格按照机房屏蔽设计参数进行施工，相关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。混凝土的密度必须达到设计中给定的参数限值，这样才能更大程度提高计算出的数据的准确度，从而保证实际建成的机房墙体具有较好的屏蔽效果。