方艙CT防護設計快速估算方法研究及防護監測分析

凌玉婷，康立麗，楊紹洲，藍坤明，高揚

1.南方醫科大學生物醫學工程學院，廣東廣州510515；2.南方醫科大學南方醫院增城分院設備信息科，廣東廣州511356

前言

2019年12月，武漢市部分醫療機構陸續出現不明原因肺炎病人［1］。實驗室病原學檢測感染者的呼吸道上皮細胞并分離出一種新型冠狀病毒［2］。國際病毒分類委員會將該病毒命名為嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2（SARS-CoV-2），WHO 將該病毒引起的疾病命名為新型冠狀病毒病（COVID-19）［3］，引起的肺炎命名為新型冠狀病毒肺炎。為了應對疫情爆發，國家要求相關醫療機構建立發熱門診，確保對新冠患者和疑似患者做到及時有效的處置。研究表明SARS-CoV-2 可造成以肺部為主的多器官功能損害，并具有較強傳染性，對國民健康形成嚴重威脅［2］。在中國疫情得到有效控制的同時，疫情在全球迅速蔓延，給臨床帶來極大挑戰。首先是核酸試劑盒檢測等待時間長，且存在一定假陰性率，需反復檢測；其次是試劑盒容易出現短缺，很多高度疑似患者仍難以確診。X 射線CT 作為一種醫學影像檢查技術，對COVID-19的診斷價值日益重要［4-8］。利用CT對疑似病例進行篩查，使其成為新冠肺炎疫情中篩查、診斷和療效判定的關鍵方法［6］。CT 可以清晰顯示病灶細節，并可對圖像進行量化評估，新型冠狀病毒肺炎的CT表現依據病灶的范圍和演變分為早期、進展期、重癥期、恢復期［7］。COVID-19 患者肺部影像表現變化快，病灶多，并且需要短期內多次復查，顯著增加了影像診斷醫師的負荷。近年來人工智能（AI）技術在肺結節檢出、肺癌篩查方面得到了臨床認可。基于CT 的AI輔助定量分析快速用于新冠肺炎診斷，其可全自動、快速、準確地為醫生提供診療意見，分擔一線醫護的重負，緩解醫務人員緊缺的困難局面，并且可以高效客觀準確地進行肺炎嚴重程度的量化評估，有助于臨床分診及療效評價，是新冠肺炎疫情篩查、診斷和療效判定的又一有力武器［9］。許多發熱門診的建設都考慮配置CT 作為影像學檢查手段。由于醫院新建發熱門診容易受到建筑區域大小和構造等因素的影響，購置方艙CT，將其放置在發熱門診區域成為醫院建設發熱門診簡便、快捷的方法。

對于醫用診斷X射線，需要考慮的輻射主要有兩類：其一是初級輻射，又被稱為有用線束，是輻射源發出的未經X射線管組裝體屏蔽的、用于病人檢查的輻射束；其二是次級輻射，即是初級輻射區以外的輻射，包括散射輻射和泄漏輻射［10］。對于CT 成像系統機房防護，主要考慮次級輻射。為了便于實踐，《放射診斷放射防護要求》（GBZ 130-2020）［11］對傳統CT機房的面積尺寸和輻射屏蔽提出了要求，使得傳統CT 機房可無需屏蔽計算即可進行設計。但是方艙CT 機房面積尺寸較小，無法直接按照現有國家標準選取屏蔽體的鉛當量。方艙CT 主要有兩種安裝模式：一種是廠家在符合防護標準的一體化方艙內部安裝調試好CT 后發貨到醫療機構進行吊裝；另一種是委托當地有防護設計和施工能力的機構生產方艙部件，運輸到醫療機構現場組裝好后，再將CT 部件搬至方艙內部安裝調試。相對于傳統CT 機房，方艙CT 面積尺寸小，對屏蔽要求較高。如果屏蔽不當會對機房外人員產生電離輻射危害。因此合理設計應對疫情的CT 方艙非常必要，既要滿足輻射防護要求，又應便于發熱門診的使用與管理。方艙CT 所選擇的不同防護設計方案，導致其所需的艙體質量和方艙布局不同，這些都會對方艙CT 的加工工藝以及制造成本產生重大影響［3］。如何合理地設計方艙尺寸、屏蔽厚度、CT擺放、防護門窗布局等，是減少不必要的電離輻射、確保其防護檢測結果符合國家標準要求的關鍵。為方便方艙的屏蔽設計和分析，盡量避免因設計不合理導致的重新拆修，確保方艙CT 及時安全投入使用，本文探討方艙CT 防護設計快速估算方法及防護監測分析。

已有國內外學者根據屏蔽計算方法對方艙CT的屏蔽設計進行了探討［11-20］。屏蔽計算主要是利用工作負荷、人員駐留因子、單層掃描輻射劑量等參數計算屏蔽透射比B，然后利用求得的B值及擬采用的材料進行屏蔽厚度的計算。該方法得到的屏蔽設計值會因工作負荷和居留因子等參數的選取出現較大差異［15］，而且不能保證防護測量結果低于國家限值要求。本文將管理目標值和未屏蔽情況下的劑量率值用于方艙屏蔽計算，不僅計算過程方便、快捷，而且可將防護設計與防護檢測效果相聯系，對防護監測結果有較好的保證。

1 屏蔽透射比B值計算

1.1 方法一

GBZ/T 180-2006［12］給出的B值計算公式見式（1）：

式中d為距離掃描中心的距離（cm）；D0為距掃描中心d0處的單層掃描的輻射劑量（μGy/層）；W為D0掃描條件作為參考條件下的周歸一工作負荷（層/周）；T為CT 掃描室外距離掃描中心d處的人員駐留因子。該方法中D0可根據擬購置設備提供的材料獲得；W需要根據預計的工作量和掃描條件得到周歸一的工作負荷，不同的受檢者數量和掃描條件，會有不同的周歸一工作負荷；T在不清楚方艙具體擺放位置的情況下很難確定，即人員駐留因子取值不同會有不同的計算結果。

1.2 方法二

針對CT 機房，NCRP No.147 報告［13］給出了利用CTDI（CT Dose Index）和DLP（Dose Length Product）計算B值的方法。

（1）利用CTDI100值計算次級空氣比釋動能。

1 m 處軸掃和螺旋掃的散射空氣比釋動能見式（2）和式（3）：

由式（2）、（3）可計算出每周頭部（軸掃）和體部（螺旋掃描）在r(m)處的次級空氣比釋動能（mGy/week），見式（4）：

（2）利用DLP計算次級空氣比釋動能。

1 m處散射空氣比釋動能見式（5）：

結合每周頭部和體部掃描的工作負荷計算次級空氣比釋動能（mGy/week），見式（6）：

（3）根據周工作負荷計算B值。

根據設定的周工作負荷W（mGy/week），則可以利用由CTDI和DLP得到的Ksec計算B值，見式（7）：

NCRP No.147報告兩種計算B值的方法均需要預知每周頭部檢查、體部檢查的數量以及曝光條件，這些條件的可變性較大也會導致B值計算結果的多樣性。

1.3 方法三

考慮國家標準關于CT 機房的防護監測是以周圍劑量當量率為檢測結果并進行評價［11］，而該結果不與每周工作負荷有直接關系，因此為了確保屏蔽估算結果能保證建成機房的防護效果，本文基于B值概念所反映的原理，將周圍劑量當量率的控制目標（μGy/h）作為有屏蔽時期望的輻射劑量率進行B值計算。屏蔽透射比B的計算見式（8）：

其中，是關注點未屏蔽時的輻射劑量率（μGy/h）；是關注點有屏蔽時期望的輻射劑量率（μGy/h）。可通過空間劑量分布曲線求得，一般CT 設備的劑量分布曲線呈蝶形分布，見圖1。

2 屏蔽厚度估算

GBZ/T 180-2006 給出的方法是將B值乘以斜射修正因子(1+cosθ)/2 后，然后查閱輻射透射比與屏蔽材料厚度關系表［12］，即可得到各個具體點位所需屏蔽材料的厚度。保守起見，同一側屏蔽體采用同一厚度，可忽略斜射修正因子。

GBZ 130-2020 標準［11］和NCRP No.147 報告［13］給出了已知B值計算材料厚度X的計算方法，見式（9）：

式中α、β和γ是某種材料的相關擬和參數，可查表。CT系統方艙各個方向的屏蔽體根據式（8）和式（9）即可得到需要的屏蔽厚度。

3 屏蔽計算分析

3.1 屏蔽關注點及控制目標的選取

典型的方艙CT 布局見圖2。X-CT 的劑量分布在空間上呈現出蝴蝶形狀式樣分布，在CT 機架兩側和上方由于設備自身很多部件產生衰減的原因，輻射劑量較低；在CT 空腔前后兩側則存在較高的輻射劑量，且離CT 機架越近輻射劑量越高、離CT 機架越遠輻射劑量越低，參見圖1。

圖2 方艙CT典型布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical CT shelter layout

為了簡化屏蔽計算，不同方向的方艙壁體盡量選取距離短、輻射劑量率大的位置作為關注點。按機架距后方墻壁關注點距中心1.5 m；機架兩側寬度3 m，關注點選取兩側中劑量率高的機房大門區域（距離控制室側壁2.0 m、距離設備中心1.5 m）；控制室側關注點選取距中心3 m。

根據《放射診斷放射防護要求》（GBZ 130-2020），CT 機房外的周圍劑量當量率應不大于2.5 μSv/h［11］，因此控制目標值可選擇2.5 μGy/h。為使方艙CT 達到輻射防護標準，減少不必要的輻射，保障醫護人員以及病人的安全，醫院可根據自身需求制定控制目標值，可以設置更低的控制目標值，如1.25 μGy/h 甚至更低。

3.2 CT機房屏蔽材料厚度計算

利用CT 設備的劑量分布曲線查找相關關注點的劑量參數。考慮常規管電流設置和較大管電流設置，可得到關注點在未屏蔽情況下的輻射劑量率，見表1。利用式（8）和設定的控制目標計算屏蔽透射因子B，利用式（9）可得到相應關注點的屏蔽需求，見表2。

表1 未屏蔽情況下機房外各關注點輻射劑量率（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及屏蔽厚度估算結果Tab.2 Shielding transmission factor B and the estimation of shielding thickness for each position

只要給出劑量分布曲線，都可以按照上述方法對方艙CT 各位置所需的屏蔽材料厚度進行估算。結合以上厚度的計算結果以及實際的加工工藝，可知上述方艙CT 所需的屏蔽材料的厚度以不小于3.5 mmPb 為宜。一般CT 設備的方艙防護設計采取了不低于3.5 mmPb的防護設計，如果方艙尺寸較小，則根據式（8）和式（9）進行計算，采用更高鉛當量的防護設計。不同廠家、不同機型的劑量分布曲線會有所差異，在未確定設備前，為確保機房防護效果可選用目前常見較大輻射劑量CT 設備的劑量分布曲線進行屏蔽設計計算。

4 CT方艙防護檢測結果與分析

4.1 防護監測點的選取

監測點隨著所檢測方艙CT 機房的面積尺寸、設備擺放、防護門窗的布局等變化而有所不同。在巡測基礎上，針對觀察窗、機房門在屏蔽體中央和外圍縫隙區域進行布點；對于一體化屏蔽墻體，按照尺寸大小進行布點；尋找管道穿墻區域進行布點，如通風口、電纜溝、空調管道穿墻口。圖3為某CT方艙監測點位置示意圖。

圖3 輻射監測位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of radiation monitoring positions

4.2 材料與方法

（1）輻射劑量檢測儀器：ATOMTEX 的AT1123 輻射劑量測量儀。（2）散射體模：采用32 cm 均勻圓柱形體模。（3）受檢設備：對6 臺方艙CT 機房進行輻射防護檢測，其CT 型號分別為uCT 710、NeuViz 64 In（2臺）、NeuViz 128、ANATOM 64 FIT、NeuViz Glory。選取設備能夠達到的最大電壓（如140 kV），管電流選取較大管電流。

4.3 檢測結果

對6 臺方艙CT 機房進行防護監測，防護監測結果見表3。針對方艙4 對機房大門進行檢查，發現機房大門門縫較大，其關閉后與壁體間有較大縫隙。對機房大門的縫隙進行調整后，機房大門監測值降低到2.09～2.52 μSv/h，仍較高。為了使方艙4 能夠符合國家標準限值以便能夠迅速投入使用，工作人員提高了鉛板之間的重合度，機房大門的防護監測結果見表4。

表3 X射線設備機房防護監測結果（μSv/h）Tab.3 Monitoring results of the radiation protection of X-ray equipment room (μSv/h)

表4 方艙4機房大門整改后防護監測結果（μSv/h）Tab.4 Monitoring results of the radiation protection of No.4 shelter door after rectification(μSv/h)

4.4 分析與討論

4.4.1 屏蔽設計厚度表3的防護監測結果顯示掃描床兩側的屏蔽墻體、機房大門的關注點出現了較大的監測值，其中5個方艙在機房大門一側出現了較高的監測值。產生這種情形的原因是因為CT 設備在檢查床一側兩端區域等劑量線伸展范圍更大，為便于受檢者進出機房和上下檢查床，機房大門普遍安裝在這一區域。CT機房檢查床兩側的屏蔽體以劑量分布最大的區域進行這一側屏蔽體的屏蔽設計估算是必要、合理的，防護檢測結果也說明同等防護條件下機房大門及其對側區域易出現較高監測值。表3的防護監測結果顯示4 臺方艙在靠近機架后側的壁體的關注點出現了較大的監測值，由圖1可知在機架后方區域也是劑量分布較高的區域。針對傳統CT設備機房，為了降低該區域對機房外人員的影響，一般是將該區域置于兩屏蔽墻體夾角區域，利用一體化墻體對射線有效防護。對于方艙CT 設備，無法沿用傳統CT機房的屏蔽體設計和擺放要求，CT設備靠近后壁艙體距離短，在該側區域屏蔽設計時盡量采用保守的屏蔽估算條件進行屏蔽設計。由監測結果可知針對機房大門區域、CT 設備后側艙體區域對屏蔽要求高，建議使用更加嚴格的控制目標值進行屏蔽計算，合理地提高屏蔽設計厚度確保防護監測結果在滿足國家標準要求的前提下進一步降低對周圍人員的影響。

4.4.2 材料與施工環節在設備、方艙尺寸、布局和屏蔽設計一樣的情況下，部分方艙局部監測點的監測結果有明顯差異。由表4可知方艙4 機房大門的監測結果超過了防護標準要求。機房大門的縫隙容易使X 射線經縫隙泄漏到機房大門外導致輻射監測值升高。整改門縫后，監測結果有一定下降，但仍較高，提示仍有其他環節導致泄漏輻射偏大。在進一步調整機房大門防護材料拼接縫隙的重合度后，機房大門的防護監測結果符合了國家標準要求。針對監測值進行屏蔽體整改和防護復檢的過程說明屏蔽材料的選取、加工和安裝環節仍會對屏蔽效果產生明顯影響，甚至是嚴重影響。在進行方艙CT 機房加工時，應加強防護門與屏蔽墻體的縫隙、防護板縫隙重合度、防護門的把手和鎖眼、電纜溝、空調管口、通風設施管線口等位置的屏蔽施工質量。尤其是防護門在使用過程中由于撞擊、磨損等也會造成較大的門縫或者門體內防護材料的移位，這些情況均可能導致泄漏輻射增加使得機房外的防護監測值升高。

4.4.3 防護監測條件一般CT的最大管電壓為140 kV，CT 臨床常用管電壓一般為120 kV 左右，120 kV 條件產生的X 射線穿透能力低于140 kV 條件的X 射線，因此120 kV相對于140 kV條件下的防護監測值會明顯下降。為確保機房在使用中的防護效果，防護監測時應選取CT 球管能夠實現的最大管電壓和管電流條件進行監測。在最大管電壓和管電流條件下進行監測容易尋找防護設施薄弱點，該條件下防護監測結果如果符合國家標準和管理目標值要求，則臨床常用條件下的防護效果亦會滿足要求。防護監測過程中，在巡測基礎上做好各側屏蔽體的防護監測，特別要關注一些屏蔽施工環節容易出問題位置的監測，如防護門與屏蔽墻體的縫隙、防護門把手和鎖眼，以及一些管道穿墻口（電纜溝、空調管口、通風設施管線口等）。

5 總結

對CT 設備的方艙進行屏蔽估算時，在利用CT設備劑量分布特點、控制目標值、機房布局和選擇的材料進行屏蔽估算時，應適當結合屏蔽施工易出問題的區域、使用環節中易損耗的區域以及使用需求和特點等因素綜合設計，確保方艙易于使用、擺放，使方艙的防護效果能較好地滿足國家標準要求。對于CT 設備的方艙的防護監測布點要有代表性，尤其是防護薄弱點。確保方艙CT 在使用過程中的輻射安全性，使方艙CT 在新冠肺炎的篩查、療效評估等方面有效發揮作用。