醫(yī)用電子直線加速器及機(jī)房的屏蔽防護(hù)

福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站 溫莉琴

?

醫(yī)用電子直線加速器及機(jī)房的屏蔽防護(hù)

福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站 溫莉琴

醫(yī)用電子直線加速器被廣泛應(yīng)用，得到迅速發(fā)展，醫(yī)用電子直線加速器的輻射防護(hù)問(wèn)題已引起了社會(huì)的普遍關(guān)注。根據(jù)醫(yī)用電子直線加速器的輻射特性，屏蔽是其輻射防護(hù)的主要方法。NCRP報(bào)告反映了醫(yī)用電子加速器機(jī)房的屏蔽防護(hù)研究現(xiàn)狀，我國(guó)也制定了一系列的法律法規(guī)，以滿足人們對(duì)電離輻射防護(hù)日益提高的需求。

醫(yī)用電子直線加速器輻射特性屏蔽

1 前言

與鈷60 治療機(jī)相比，醫(yī)用電子直線加速器劑量率高、劑量計(jì)算準(zhǔn)確、治療時(shí)間短、而且對(duì)深部腫瘤的療效更為理想等優(yōu)點(diǎn)，因此，醫(yī)用電子加速器在世界各國(guó)迅速發(fā)展，已成為目前世界上主流的放療設(shè)備。近些年來(lái)，我國(guó)面臨醫(yī)用電子直線加速器得到迅速推廣應(yīng)用，已有逐漸取代鈷－60治療裝置的趨勢(shì)。估計(jì)我國(guó)每年大約新增60萬(wàn)癌癥患者，其中約60 %至70 %需要配合施加放射治療。因此，以醫(yī)用電子直線加速器為例，31省份由1999年的420臺(tái)[1]，至2006年已經(jīng)裝備918臺(tái)，其增長(zhǎng)速率十分可觀，一些開(kāi)展放射治療的醫(yī)院已同時(shí)擁有多臺(tái)醫(yī)用加速器。但全國(guó)平均每百萬(wàn)人的擁有量還僅0.7臺(tái)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到世界衛(wèi)生組織（WHO）建議每百萬(wàn)人配備2至3臺(tái)醫(yī)用加速器的要求[2]。所以其發(fā)展?jié)摿€很大，與此相適應(yīng)，電離輻射醫(yī)學(xué)應(yīng)用的放射防護(hù)與安全日益強(qiáng)烈凸顯其重要性和迫切性[3]。

醫(yī)用電子直線加速器的廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展，無(wú)疑給人類(lèi)帶來(lái)了巨大的利益。電離輻射是把雙刃劍，各種射線對(duì)人體也有損傷作用的一面，不當(dāng)?shù)暮瓦^(guò)量的電離輻射照射會(huì)引起對(duì)人體的危害。依據(jù)現(xiàn)行的射線裝置分類(lèi)辦法，醫(yī)用電子直線加速器屬于Ⅱ類(lèi)射線裝置，屬于中危險(xiǎn)射線裝置，發(fā)生事故時(shí)可以使受照人員產(chǎn)生較嚴(yán)重的放射損傷，大劑量照射甚至導(dǎo)致死亡。醫(yī)用電子直線加速器對(duì)工作場(chǎng)所及周?chē)h(huán)境產(chǎn)生的輻射水平及其防護(hù)問(wèn)題已引起了社會(huì)的普遍注意和關(guān)切。配備醫(yī)用電子直線加速器設(shè)備進(jìn)行放射治療的各級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)，大多在人口集中的城市中心區(qū)域。除了必須充分重視醫(yī)學(xué)放射工作人員的職業(yè)照射防護(hù)外，還必須關(guān)注放射治療機(jī)房周?chē)h(huán)境的放射安全，考慮到公眾的防護(hù)。

2 醫(yī)用電子直線加速器的結(jié)構(gòu)和工作原理

醫(yī)用電子直線加速器的能量在整個(gè)加速器范圍內(nèi)屬于低能段。醫(yī)用電子直線加速器能量一般指X射線治療方式下的加速電位，即X射線的最高能量。通常按能量10MV為界區(qū)分，以采取與之相應(yīng)的放射防護(hù)措施。它還可按產(chǎn)生X射線的種類(lèi)分為單光子、雙光子和多光子直線加速器。單光子直線加速器一般只能產(chǎn)生一種低能X射線；雙光子直線加速器能夠產(chǎn)生低能和高能X射線和多種能量的電子線；多光子直線加速器可以產(chǎn)生高、中、低三種能量的射線；產(chǎn)生光子的種類(lèi)越多，設(shè)備越復(fù)雜。

醫(yī)用電子直線加速器一般由電子槍、加速管、微波功率源及微波傳輸系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源和控制系統(tǒng)、束流輸運(yùn)系統(tǒng)和附屬設(shè)備等組成。其工作過(guò)程是：調(diào)制器產(chǎn)生兩個(gè)脈沖高壓，一個(gè)加到功率源（速調(diào)管或磁控管），功率源產(chǎn)生的微波功率經(jīng)微波傳輸系統(tǒng)，饋入加速管，并在其中建立加速場(chǎng)。另一個(gè)脈沖高壓加到電子槍?zhuān)鲭娮邮ｋ娮邮⑷爰铀俟埽艿狡渲屑铀賵?chǎng)的加速。

醫(yī)用電子直線加速器一般可使用X射線束或電子束兩種射線進(jìn)行腫瘤放射治療。醫(yī)用電子直線加速器運(yùn)行時(shí)可能對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生電離輻射影響。因此，在加速器應(yīng)用之前首先要進(jìn)行輻射防護(hù)。由于電子穿透力弱，電子束流強(qiáng)也相對(duì)較小，屏蔽計(jì)算一般僅考慮X射線治療方式。

3 醫(yī)用電子直線加速器的輻射特性

醫(yī)用電子直線加速器運(yùn)行時(shí)，被加速的帶電粒子從加速器的真空區(qū)引出后，這些帶電粒子與被撞擊的物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生韌致輻射X射線、特征X射線、瞬發(fā)γ射線、中子射線和緩發(fā)射線(能量≥10MeV時(shí))。與此同時(shí)，射線作用于空氣以及次級(jí)輻射等因素，可產(chǎn)生臭氧、氮氧化物和微量氣載放射性物質(zhì)。具體可分類(lèi)如下：

3.1 初級(jí)射線輻射。這是指來(lái)自加速器準(zhǔn)直孔直接發(fā)射的射線。當(dāng)光闌完全打開(kāi)時(shí)，從輻射頭靶端出射的X射線為一個(gè)半角為14度的錐型線束，其能量特性決定于選擇的X射線能量級(jí)。與電子線產(chǎn)生的輻射相比較，輻射防護(hù)更主要的是依據(jù)的X射線能量。

3.2 漏射線輻射。這是指穿過(guò)加速器組裝殼體的泄漏射線，與主射線相比，泄漏劑量率比主射線束發(fā)射劑量率要低得多。

3.3 散射線輻射。這是指受有用射線束和泄漏輻射直接照射的照射對(duì)象、裝置部件以及建筑物室壁的散射輻射，散射輻射的能量和劑量均比有用射線束的能量和發(fā)射劑量率要低。

3.4 中子輻射。在高能X射線模式會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的中子，通常無(wú)論在高能電子線或低能X射線模式都只有很低的能量級(jí)水平，在設(shè)計(jì)屏蔽和迷路通道時(shí)可以忽略。但在高于10MV的X射線模式中，迷路入口的設(shè)計(jì)必須對(duì)中子劑量率加以考慮。

3.5 輻射活化的產(chǎn)生。直線加速器工作在高于8MeV的能量級(jí)時(shí)，會(huì)發(fā)生光核效應(yīng)，特別是高于12MeV時(shí)增加得更快。這樣會(huì)造成輻射頭、室內(nèi)其他物質(zhì)包括周?chē)諝庠趦?nèi)的放射性核的形成，產(chǎn)生少量放射性氣體。如：13N（半衰期10min）和15O（半衰期2min）。如果機(jī)房?jī)?nèi)安裝有通風(fēng)系統(tǒng)，在加速器生產(chǎn)和使用過(guò)程中，機(jī)房的通風(fēng)量足夠，那么放射性氣體的累積不會(huì)達(dá)到危害人體的程度。我國(guó)GBZ126-2002規(guī)定了醫(yī)用電子直線加速器治療室（即機(jī)房）通風(fēng)換氣次數(shù)應(yīng)達(dá)到每小時(shí)3～4次[4]。

4 醫(yī)用電子直線加速器機(jī)房的屏蔽防護(hù)

根據(jù)醫(yī)用電子直線加速器的輻射特性，屏蔽是其輻射防護(hù)的主要方法，屏蔽防護(hù)包括設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)兩方面內(nèi)容，屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)需要是根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合醫(yī)院提供的工作負(fù)荷、周?chē)h(huán)境狀況等，在根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定的治療室布局下，采用數(shù)學(xué)計(jì)算模式設(shè)計(jì)屏蔽體的厚度；而評(píng)價(jià)則可以根據(jù)屏蔽體的厚度，結(jié)合醫(yī)院提供的工作負(fù)荷、周?chē)h(huán)境狀況等，采用數(shù)學(xué)計(jì)算模式估算職業(yè)放射工作人員和公眾個(gè)人所可能接受的年有效劑量，然后依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)其進(jìn)行防護(hù)評(píng)價(jià)。因此，醫(yī)用電子直線加速器輻射屏蔽設(shè)計(jì)計(jì)算方法與電離輻射防護(hù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)理論計(jì)算方法是相通的，即年有效劑量與屏蔽體厚度之間，通過(guò)相同的其他相關(guān)參數(shù)，相互轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)主要包括主（初級(jí)）屏蔽體（墻、頂棚）設(shè)計(jì)、副（次級(jí)）屏蔽體（墻、頂棚）設(shè)計(jì)和迷路防護(hù)門(mén)設(shè)計(jì)，以及相關(guān)基本參數(shù)（包括劑量控制目標(biāo)值、居留因子、工作負(fù)荷和使用因子等）。目前醫(yī)用電子直線加速器輻射屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法較多，相關(guān)參數(shù)選取混亂，由此設(shè)計(jì)而建成的機(jī)房容易出現(xiàn)防護(hù)不足或偏保守的現(xiàn)象，進(jìn)而增加了周?chē)藛T的心理負(fù)擔(dān)或不必要的資源浪費(fèi)。

醫(yī)用電子直線加速器機(jī)房一般依據(jù)NCRP報(bào)告進(jìn)行屏蔽計(jì)算，NCRP報(bào)告反映了醫(yī)用電子加速器機(jī)房設(shè)計(jì)和屏蔽研究的現(xiàn)狀。1976年出版的NCRP49號(hào)報(bào)告[5]建立了初級(jí)屏蔽體和次級(jí)屏蔽體系統(tǒng)的計(jì)算方法，可用于Co-60治療機(jī)以及10MV以內(nèi)的電子直線加速器屏蔽計(jì)算，并將非控制區(qū)分為全居留、部分居留、偶然居留，居留因子T值分別取1、1/4、1/16，而控制區(qū)T值習(xí)慣上取1，治療室外墻T值取1/10。NCRP51號(hào)報(bào)告[6]將能量擴(kuò)展到100MV，并給出了迷路門(mén)經(jīng)驗(yàn)屏蔽要求。1984年出版的NCRP79號(hào)報(bào)告[7]改進(jìn)了中子屏蔽計(jì)算方法。2000年出版的NCRP134號(hào)報(bào)告[8]建議一般公眾的偶然居留因子取1/40。2003年出版的NCRP144號(hào)報(bào)告[9]改進(jìn)了計(jì)算的精確度，包括修訂所有屏蔽數(shù)據(jù)（TVL值），改進(jìn)機(jī)房防護(hù)門(mén)屏蔽計(jì)算（包括有迷路和無(wú)迷路的設(shè)計(jì)）的精度，新增了適形調(diào)強(qiáng)放射治療(IMRT)的防護(hù)內(nèi)容。有些機(jī)房設(shè)計(jì)在初級(jí)屏蔽體內(nèi)埋設(shè)金屬板，還討論了該金屬板產(chǎn)生的光中子。2005年出版的NCRP151號(hào)報(bào)告[10]，以及2006年IAEA出版的IAEA47[11]安全報(bào)告中有關(guān)醫(yī)用電子加速器機(jī)房設(shè)計(jì)和屏蔽研究是目前最新內(nèi)容。NCRP151號(hào)報(bào)告改進(jìn)了迷路計(jì)算精度，而IAEA47安全報(bào)告中參考了NCRP151報(bào)告中的許多內(nèi)容。目前我國(guó)針對(duì)新出臺(tái)的NCRP151號(hào)報(bào)告和IAEA 47號(hào)報(bào)告的運(yùn)用與研究的報(bào)道有限，常用的計(jì)算方法依據(jù)有：（1）1977年出版的NCRP51號(hào)報(bào)告；（2）1982年由李星洪等編、原子能出版社出版的《輻射防護(hù)基礎(chǔ)》；（3）1991年由方杰主編、李士駿主審、原子能出版社出版的《輻射防護(hù)導(dǎo)論》；（4）1991年由李德平、潘自強(qiáng)主編，原子能出版社出版的《輻射防護(hù)手冊(cè)第一分冊(cè)》，等。

為了滿足廣大人民和醫(yī)務(wù)工作者對(duì)電離輻射防護(hù)和安全日益提高的需求，我國(guó)制定了一系列的法律法規(guī)，如：《中華人民共和國(guó)職業(yè)病防治法》、《中華人民共和國(guó)放射性污染防治法》和《放射性同位素和射線裝置輻射與安全管理?xiàng)l例》（國(guó)務(wù)院2005年449號(hào)令）等。并與國(guó)際電離輻射防護(hù)新進(jìn)展同步，貫徹實(shí)施了我國(guó)新的放射防護(hù)基本標(biāo)準(zhǔn)——GB18871－2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》，它是我國(guó)各行各業(yè)應(yīng)用電離輻射技術(shù)的放射防護(hù)總指南，包括如何具體應(yīng)用實(shí)踐的正當(dāng)性、防護(hù)的最優(yōu)化和個(gè)人劑量限值等放射防護(hù)三原則。一些相關(guān)的次級(jí)放射防護(hù)專(zhuān)項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，例如GBZ/T 152—2002《γ遠(yuǎn)距機(jī)房設(shè)計(jì)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定了γ射線遠(yuǎn)距離放射治療機(jī)房的總體布局和設(shè)計(jì)中的防護(hù)要求；GBZ 126—2002規(guī)定了 “治療室選址和建筑設(shè)計(jì)必須符合相應(yīng)的放射衛(wèi)生防護(hù)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求，保障周?chē)h(huán)境安全；有用線束直接投照的防護(hù)墻（包括天棚）按初級(jí)輻射屏蔽要求設(shè)計(jì)，其余墻壁按次級(jí)輻射屏蔽要求設(shè)計(jì)；穿越防護(hù)墻的導(dǎo)線、導(dǎo)管等不得影響其屏蔽防護(hù)效果；X射線標(biāo)稱(chēng)能量超過(guò)10 MeV的加速器，屏蔽設(shè)計(jì)應(yīng)考慮中子輻射防護(hù)”，可供參考借鑒。醫(yī)用電子直線加速器屏蔽厚度按其可能的最大輸出量進(jìn)行設(shè)計(jì)，所有設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)均是根據(jù)GB18871－2002中規(guī)定的劑量限值。不過(guò)，我國(guó)現(xiàn)行法規(guī)中尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定具體的醫(yī)用電子直線加速器輻射屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)的控制目標(biāo)值。

[1] 鄭鈞正, 賀青華, 李述唐, 等. 我國(guó)電離輻射醫(yī)學(xué)應(yīng)用的基本現(xiàn)狀[J]. 中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志, 2000, 20（增刊）:7 - 14.

[2] 中華放射腫瘤學(xué)會(huì)（殷蔚伯, 余耘, 陳波, 等執(zhí)筆）. 2006年全國(guó)放療人員及設(shè)備調(diào)查報(bào)告[J]. 中華放射腫瘤學(xué)雜志, 2007, 16（1）:1 - 3.

[3] 鄭鈞正.電離輻射醫(yī)學(xué)應(yīng)用的防護(hù)與安全[M]. 北京:原子能出版社, 2009.

[4] GBZ126-2002. 醫(yī)用電子加速器衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] NCRP Report No.49, Structural Shielding Design and Evaluation for Medical Use of X Rays and Gamma Rays of Energies up to 10 MeV[R]. 1976.

[6] NCRP Report No.51, Radiation Protection Design Guidelines for 0.1-100 MeV Particle Accelerator Facilities[R]. 1977.

[7] NCRP Report No.79, Neutron Contamination from Medical Electron Accelerators[R]. 1984.

[8] NCRP Report No.134, Operational Radiation Safety Training[R]. 2000.

[9] NCRP Report No.144, Radiation protection for particle accelerator facilities[R]. 2003.

[10] NCRP Report No.151, Structural Shielding Design and Evaluation for Megavoltage X-and Gamma-Ray Radiotherapy Facilities[R] . 2005.

[11] Safety Reports Series No.47, Radiation protection in the Design of Radiotherapy Facilities[R]. IAEA, 2006.