低能直线加速器机房屏蔽防护改造实践探讨及效果分析

唐天梅 杨成才 福建医科大学肿瘤临床医学院（福建省肿瘤医院） （福建 福州 350014）

内容提要： 目的：通过对低能直线加速器机房的屏蔽防护改造实践探讨及防护效果测量分析，为直线加速器机房屏蔽防护改造提供技术参考。方法：在瓦里安Turebeam直线加速器照射野40cm×40cm条件下，分别使用最高X射线能量10MV均整模式最高600cGy/min剂量率和6MV非均整（FFF）模式下最高1400 cGy/min剂量率进行照射，根据《放射治疗放射防护要求》GBZ121-2020标准要求及规定方法，对改造机房外表面30cm处剂量水平进行检测，满足标准限值要求。结果与结论：结合机房的实际情况和设备的防护要求，改造过程中除了考虑经济成本的同时还应充分考虑建筑承重，施工难度、空间限制等多方面因素的影响，实现以最小的经济成本达到最好的防护效果和最合理的使用需求。

医院原有加速器治疗室内的低能医用电子直线加速器（1号加速器）已使用多年，设备老化，已无法满足医院放射治疗工作的需要，故新采购一台高能医用电子直线加速器，用于开展医疗、教学、科研，提高医疗服务体系水平，为患者提供更方便、快捷、专业的治疗，更好地服务于社会。结合医院设计情况，对原有低能直线加速器机房进行相应的防护改造，使其满足新装设备的使用及屏蔽防护要求。

1.资料与方法

1.1 一般资料

本研究起止时间：2020年1月～2021年12月。

1.1.1 设备主要参数

最 高X射 线：10MV，600cGy/min、6MV[非 均 整（Flattening Filter Free，FFF）模式]，1400 cGy/min；电子线：15MeV，600cGy/min；kV级CBCT：140kV，630mA。

1.1.2 原有机房基本情况

加速器治疗室原墙体及顶棚均采用标准混凝土（ρ=2350kg/m3）浇筑，防护门采用铅板和含硼聚乙烯材料制作。治疗室东侧为控制室和候诊大厅，南侧为空置用房，西侧为后装治疗机房及其控制室，北侧外为医院道路，治疗室正下方为岩土层，机房顶棚为空旷的平台。治疗室入口采用“L”字型迷路，迷路设置于治疗室南侧，加速器主轴为东西方向。

1.2 方法

1.2.1 改造思路

众所周知，在医用电子直线加速器屏蔽材料上，铅具有较强的防辐射及抗腐蚀能力，但其改造的成本过高；目前增加机房墙壁厚度是直线加速器机房改造最普遍的防护方式，混凝土在防辐射及抗腐蚀能力方面比铅差，但胜在价格便宜，因此一般采用加厚混凝土墙的方式加强屏蔽防护能力。因该机房是属于改建项目，受机房面积及四周环境所限，全部通过增加混凝土墙的方式来增加屏蔽防护能力的做法不可取，此次改造综合成本及实际空间情况各方面因素，实施部分防护墙增加钢板（钢板ρ=7890kg/m3），部分防护墙增加混凝土（混凝土ρ=2350kg/m3）的防护方案。其中在空间受限的西侧防护墙和南侧迷路内外墙增加了一定厚度的钢板进行屏蔽防护，东侧防护墙、北侧防护墙以及顶棚增加一定厚度的混凝土进行屏蔽防护，防护门采用铅板和含硼聚乙烯材料制作。

项目所需的直线加速器设备参数：最高X射线束为10MV，等中心剂量率：600MU/min；6MV FFF MV X射线等中心剂量率：1400MU/min；根据设备参数及工作负荷计算屏蔽墙体厚度。

1.2.2 屏蔽墙体核算

加速器治疗室各关注点计算方法选用GBZ/T 220.2-2009《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》[2]附录D放射治疗机房屏蔽墙及防护门的一般核算方法，同时参考GBZ/T201.1-2007《放射治疗机房的辐射屏蔽规范 第1部分：一般原则》[3]、 GBZ/T201.2-2011《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》[4]、IAEA Safety report Series No.47[5]及NCRP 151报告[6]。根据瞬时剂量率控制水平要求，按十分之一值层厚度法估算符合剂量率目标要求的主、副屏蔽体厚度，并在原墙体基础上分析需增加的墙体厚度。

原加速器治疗室屏蔽体材料与厚度，以及按照上述核算方法计算出增加的屏蔽材料与厚度，见表1。最终加速器治疗室屏蔽防护情况示意图见图1。

表1.加速器治疗室改建前后各屏蔽体设计材料与厚度

图1.加速器治疗室屏蔽防护情况平面图

1.2.3 主屏蔽墙体的宽度计算

根据GBZ/T201.1-2007[3]中4.3.3提供的放射治疗装置机房主屏蔽墙宽度的核算方法，主屏蔽墙体的宽度计算见公式（1）：

式中：YP—机房有用射线束主屏蔽区的宽度（单位：m）；SAD—源轴距（单位：m，对于医用电子直线加速器SAD=1m）；θ—治疗束的最大张角（相对束中的轴线）；a—等中心点至主屏蔽墙外表面的距离（单位：m）。

依据等中心线至屏蔽墙的宽度估算原则，主射束屏蔽宽度应为最大射野对角线再在每边各增加30cm。此次拟安装医用电子直线加速器半张角为14°。经过计算东西墙的屏蔽防护宽度应分别＞4.58m、3.02m。此次改造将东墙的主屏蔽墙宽度由原来的3.7m增加至5.2m，西墙的主屏蔽墙宽度由原来的3.2m增加至4.2m，确保满足机房主屏蔽墙宽度设计要求。

1.2.4 屏蔽防护门的屏蔽计算

根据拟新装医用电子直线加速器的参数，按照产生X射线能量最大为10MV和产生X射线能量为6MV（FFF）模式的情况对加速器治疗室防护门进行屏蔽计算。结合直线加速器布局图可知，医用电子直线加速器的有用线束不向迷路内墙照射，加速器治疗室迷路外入口处主要照射路径如图2所示。迷路外入口需考虑以下几种辐射：

图2.加速器治疗室迷路外入口处主要照射路径示意图

1.2.4.1 散射X射线

①人体受有用线束照射时，散射至i点的辐射受墙的二次散射至g处的辐射，散射路径为“o1-o-i-g”；②至i点的泄漏辐射受墙散射至g处的辐射，散射路径为“o1-i-j-g”；③有用线束穿出人体到达位置h，受主屏蔽墙的散射至n处迷路再次散射，到达g处的辐射。散射路径为“o1-o-h-n-g”。

在估算迷路外入口处的散射辐射剂量率时，以加速器机头向西方向水平照射时①项人体辐射作为以上三项之和近似估计，通常可忽略②和③二项。

1.2.4.2 泄漏辐射

加速器治疗室迷路外入口处需核算加速器的泄漏辐射（以偏离o的位置o1为中心）经迷路内墙屏蔽后在迷路外入口的辐射剂量。其路径为“o1-g”。核算结果应为迷路外入口处的参考控制水平的一个分数（1/4）。若此项辐射剂量较高，应增加迷路内墙的屏蔽厚度；当加速器主屏蔽区加厚屏蔽部分凸向屏蔽墙外表面或凸向屏蔽墙内表面时，o1至g的泄漏辐射射入迷路内墙的斜射角有所不同，通常以30°斜射角保守估计。

1.2.4.3 散射中子和中子俘获射线

当能量高达8MeV的电子和X射线照射到物质材料时就可能产生中子，因此本项目加速器治疗室迷路外入口处应估算三项中子（加速器机头外的杂散中子、杂散中子在机房内壁的散射中子和相互作用中生成的热中子）在迷路内的散射中子和中子俘获γ射线在加速器治疗室迷路外入口处的辐射剂量。其路径为“o-m-g”。

加速器治疗室迷路外入口处防护门屏蔽设计时，通常使散射X射线、中子和中子俘获γ射线屏蔽后有相同的剂量率，对于散射X射线和中子俘获γ射线，以铅屏蔽；对于中子，以含硼（5%）聚乙烯屏蔽，所需的屏蔽防护厚度公式见公式（2）：

式中：XX—屏蔽散射X射线所需要的屏蔽材料的厚度，cm；Xγ—屏蔽中子俘获γ射线所需要的屏蔽材料的厚度，cm；Xn—屏蔽中子所需要的屏蔽材料的厚度，cm；TVLX—散射X射线在屏蔽材料中的什值层，cm；TVLγ—中子俘获γ射线在屏蔽材料中的什值层，cm；TVLn—中子在屏蔽材料中的什值层，cm；—泄漏辐射在该处的剂量率。

根据上述公式可估算出加速器治疗室防护门所需屏蔽防护厚度，见表2。

表2.加速器治疗室防护门屏蔽计算结果

1.3 改造实施难点

1.3.1 承重问题

因医院地处市区两大内河之间，地基松软，且该机房为20世纪80年代建造的用房，此次机房改造需要考虑到地基的承重，必须进行机房的加固。机房的西侧为后装治疗机房，南侧为TOMO机房。此次地基加固方式采用的是水泥锚杆桩的加固方式，桩基的设立原则为毗邻TOMO和后装治疗机房的西南两侧选择在机房内部打桩，东北两侧由操作空间选择在机房外部打桩，总共设立有20几个桩点。

1.3.2 钢板的施工工艺

因机房内空间受限，大型吊装设备无法进入，无法吊装整块钢板，此次机房西侧防护墙和迷路中钢板加厚部分采用的多层错缝焊接钢板的施工工艺。以西侧主防护墙为例，长4200mm、高4300mm、增加240mm的钢板，将240mm的钢板由10层24mm的钢板组成，每层的钢板均由现场切割完成，确保每层钢板的焊缝均不在同一平面，从而保证防护墙的屏蔽能力。

1.3.3 多学科知识的融合

在机房改造过程中除了必须具备辐射防护管理相关知识还必须掌握建筑工程知识。在机房改造过程中，医院或者评价机构的辐射防护管理人员往往缺乏建筑相关知识，很难有效地介入机房改造的施工过程中。而改造的施工方或医院的基建科及监理方等又往往缺乏射线电离辐射防护的相关知识，容易造成在施工过程中对混凝土质量重强度、轻密度的现象，甚至可能因为缺乏相关加速器机房的建设经验，在混凝土浇筑时，不能一次浇筑成型或者忽视气泡、裂缝等现象，导致最终墙壁不能满足屏蔽设计能力的要求。

2.结果

2.1 检测仪器

美国LUDLUM Model 2241-4中子辐射测量仪、白俄罗斯ATOMTEX AT1123辐射检测仪、德国PTW UNIDOS E剂量仪、希玛AR866A热线式风速风量计德国IBA Blue Phantom三维水箱，以上检测仪器的测量范围、能量响应、抗干扰能力等性能适用于被测辐射场，且有法定计量校准证书并在有效期内。

2.2 检测条件及方法

根据GBZ121-2020《放射治疗放射防护要求》[1]标准要求，对该机房进行工作场所放射防护检测。加速器治疗机房的防护检测应在巡测的基础上，对关注点的局部屏蔽和缝隙进行重点检测。关注点应包括：四面墙体、顶棚、机房门、管线洞口、工作人员操作位等，本机房的平面布局及检测布点见图3，因该机房周围50m范围内无高于机房室顶的建筑时，故不需检测侧散射。

图3.加速器机房工作场所平面布局及检测布点图

2.3 检测结果

监测点均设在机房外30cm人员可到达区域。室顶主屏蔽区部分辐射水平检测结果最大为3.03μSv/h，中子均未检出（辐射水平低于中子测量仪探测下限0.01μSv/h），检测结果均满足国家标准和医院剂量率控制水平要求。检测数据具体见表3。

表3.改造后机房门外辐射水平检测结果

3.讨论

随着电子直线加速器在放射治疗上的广泛应用，加速器机房的屏蔽防护是否合理就显得非常重要，在机房改造前进行放射性职业病危害预评价非常必要的，并在设备安装完成投入使用前必须完成放射治疗工作场所放射防护的检测，确保放射性职业病危害控制效果评价及防护设施竣工验收合格后方可进行诊疗许可证申请工作并投入临床使用[7]。

在老旧机房改建的过程中必须遵守放射防护三大原则[8]：实践正当性、防护最优化和最小剂量限值，按照拟新装设备的要求对原有机房进行改造，结合机房的实际情况和设备的防护要求，提出可行性的改造方案，改造方案在考虑经济成本的同时还应充分考虑建筑承重，施工难度、空间限制等多方面因素的影响[9]。改造方案经设计部门审核认可，由施工单位严格把控施工质量的前提下完成[10]。此次改造在防护屏蔽和使用需求上优化方案，克服场地空间狭小等困难，以最小的经济成本达到最好的防护效果和最合理的使用需求，在低能医用加速器机房屏蔽防护改造中具有一定的借鉴经验。