小型化質子加速器機房防輻射建造關鍵技術*

黃心穎，劉 清，劉 文，李志正，陳芬芬

(1.中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064；2.邁勝醫療設備有限公司，江蘇 蘇州 215300)

1 工程概況

華中科技大學同濟醫院光谷院區配套項目(質子大樓)位于武漢市東湖新技術開發區高新大道501號，南鄰高新大道，西鄰三環線高架。該質子大樓總建筑面積約12 500m2，包含小型化質子加速器機房、直線加速器機房、回旋加速器機房、磁共振加速器機房、PET(CT/MR)、辦公室、會議室等配套用房。

2 單室質子機房介紹

2.1 單室質子系統原理

S250i型集成化單室質子治療系統由束流發生系統、束流傳輸系統、患者定位系統和控制系統組成。束流發生系統是超導同步質子回旋加速器，加速器模塊安裝在可190°旋轉的機架上。束流傳輸系統包含束流射程調節系統、治療頭和可190°旋轉的機架。加速器旋轉機架和治療旋轉機架各自獨立旋轉。加速器產生的質子束流加速至230MeV后被引出，經束流傳輸系統調節，根據治療時患者腫瘤的深度和厚度，在輸出端得到50～230MeV連續可調不同能量的質子束流。集成化單室質子治療系統如圖1所示。

圖1 集成化單室質子治療系統

2.2 單室質子機房布局

單室質子機房分為3層結構，包括工作區和機架運動區(見圖2)。其中機架運動區上、中、下3層貫通，主要為回旋加速器、旋轉機架、治療頭等設備所在區域，供旋轉機架自上而下190°旋轉使用。工作區分為3層，其中頂層為維修層，設鋼檢修平臺，主要用于維護、維修回旋加速器、旋轉機架及束流傳輸系統等結構部件；中間層為治療層，主要為醫生工作和患者治療區域；底層為設備層，主要放置射頻發射機、系統控制柜、電源機柜、冷卻水機組等設備。頂層與中間層通過鋼格柵平臺間隔，中間層和底層通過20～30cm厚的混凝土間隔。

圖2 單室質子機房結構剖面

3 國內質子機房輻射屏蔽標準

在國內，小型化質子加速器機房屏蔽設計目標如下：①屏蔽體四周和頂部 參考GBZ/T 201.5—2015《放射治療機房的輻射屏蔽規范第5部分：質子加速器放射治療機房》進行控制，在距離機房墻和入口門外30cm處，當居留因子T>1/2時，劑量當量率≤2.5μSv/h，當居留因子T≤1/2，劑量當量率≤10μSv/h；②屏蔽體底部 當混凝土與土壤邊界處瞬發輻射劑量率<5mSv/h時，土壤和地下水的感生放射性很小，處于可忽略水平。

4 輻射場所布局及屏蔽設計

4.1 輻射工作場所分區布局

為便于輻射防護管理和職業照射控制，根據GB 18871—2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》的規定，將輻射工作場所分為控制區和監督區。小型化質子加速器機房輻射工作場所分區如下：①控制區 為質子治療機房內部和放射性固體廢物儲存間；②監督區 為質子治療機房各層防護門外的通道、隔離變壓器室、控制室和準備區，及廢水暫存間門外的通道。

質子治療機房在質子大樓北側區域單獨設置，兩間機房地面以上部分南北寬約17m，東西長約30m，高9.37m。機房設有迷道、控制室，與機房分離。機房地下部分的北、西、東側均為土壤層，南側為控制室、輔助治療區和設備機房。機房地上部分的北側、西側均為醫院內道路、停車場、一期后勤樓和值班房、住院病房；南側為質子放療配套用房和質子大樓內的其他區域；東側為醫院內道路，機房頂為不上人屋面，機房底板外為廢水暫存間。緊鄰機房屏蔽墻體的區域除控制室外，無辦公室等人員的常居留場所。另外，設置相對獨立的人流路線，輻射工作場所進出口處均設門禁，防止無關人員進入，便于場所防護和安全管理。整個質子治療區房間功能布局緊湊、輻射防護分區布局合理。

4.2 結構輻射屏蔽設計

單室質子機房3層建筑設計為整體屏蔽，每個樓層的屏蔽厚度基本一致，加速器出束時主射線朝向前墻、底部及頂部屏蔽體，其他方向為漏射線和散射線。輻射屏蔽體主要包括屏蔽墻、防護門和穿墻管道。

機房內一般采用L形迷道，主射線方向不朝向迷道。屏蔽墻材料可選擇混凝土、重混凝土或有效組合多種材料。屏蔽墻的設計需考慮加速器位置、束流照射方向、束流大小、質子能量大小、屏蔽體材料、屏蔽體外環境等。防護門一般選擇聚乙烯等對中子防護效果好的材料。

小型化質子加速器機房每個樓層出入口需設置防護門，底層設備層防護門和中間層治療層防護門設計為15cm厚聚乙烯門，頂層維修層防護門設計為7cm厚聚乙烯門；防護門需根據門洞大小和開門方式設計預埋件和門縫搭接的方式，確保門體和墻體搭接寬度是縫隙寬度的10倍以上，以避免輻射泄露。

小型化質子加速器機房內的電氣、暖通、消防、醫氣等設施需要設計很多穿墻套管、風管、水管、氣體套管等，各類管道設計需結合BIM技術進行合理排布，且管線穿越屏蔽體時的方式需滿足輻射屏蔽要求。

該質子機房輻射屏蔽設計如圖3所示，機房屏蔽墻體、屋頂和底板選用32kN/m3的重混凝土，機房設備層、治療層和維修層迷道口均采用聚乙烯防護門。

圖3 質子機房輻射屏蔽設計

4.3 輻射安全與防護措施

質子治療系統調試、正常運行和維護期間，會產生中子和伽馬射線，停機后仍有活化部件產生伽馬輻射場。為保證運行人員和公眾免受潛在電離輻射傷害，應按照HJ 1198—2021《放射治療輻射安全與防護要求》設置防止誤操作、防止工作人員和公眾受到意外照射的安全聯鎖系統和輻射監測系統，設計施工時應考慮各功能部件的布置和穿墻接線。該系統包含輻射監測、安全聯鎖和視頻監控設備，通過聯鎖設備及相應軟件程序將安全規程嵌入質子治療系統運行和維護過程中，以保護運行人員人身安全。該系統設計遵循失效安全、縱深防御、最優切斷原則，不但重要場所的關鍵安全設備采用多重冗余設計，核心控制設備也是失效安全的。安全聯鎖子系統、輻射監測子系統相互配合，通過通信電纜連接，實現劑量聯鎖。

4.3.1安全聯鎖系統

安全聯鎖系統是采用可編程控制技術、門禁控制及自動門技術、集散式控制技術、計算機網絡與通訊技術、探測與數據處理技術、設備自診斷與自恢復技術等，實時監測質子治療系統的各聯鎖部件，將信號輸入安全聯鎖系統，只有在聯鎖條件全部滿足的情況下，才允許產生束流并加速，主要由安全控制器、現場設備和網絡通信部分組成，與劑量監測及機房防護門等系統配合形成的3層監控系統。系統核心部件是可編程邏輯控制器(PLC)及輸入輸出模塊的信號，直接與安全組件和系統聯鎖硬線連接的部件。輸入模塊負責將清場按鈕、急停按鈕、門限位開關、鑰匙控制等安全組件狀態發送給控制器。輸出模塊負責將控制器的控制信號發送給相應加速器的輸出設備。位于控制室的上位計算機通過現場總線與安全聯鎖系統主控制器進行通訊，獲取安全聯鎖系統的現場設備實時狀態。

安全聯鎖設備包括鑰匙控制、門限位開關、安全門鎖、急停按鈕、清場搜索按鈕和聲光報警等設備(見圖4)。急停按鈕、清場搜索按鈕應顯目、易識別、容易到達。輻射區域設置機器運行前語音警告提示裝置，控制臺設置電子顯示屏，用于顯示輻射區域內的聯鎖裝置工作狀況。安全聯鎖系統邏輯如圖5所示。

圖4 安全聯鎖系統架構

圖5 安全聯鎖系統邏輯

4.3.2輻射監測系統

輻射監測系統主要功能是測定質子加速器工作場所和周圍環境中的輻射水平，以監督和控制人員活動，使接收的輻射劑量實現合理可達盡量低(ALARA)的原則，保證工作人員和公眾安全。

輻射監測系統由探測器、數據處理單元、工業以太網、監控計算機、中心管理計算機與輻射防護數據庫組成，架構如圖6所示。探測器可測量輻射水平，并可轉換劑量率信息，數據處理單元用于采集探測器的輸出信號和完成信號，并進行加權處理、劑量率本地顯示、本地報警及數據上傳。工業以太網是探測器和監控計算機進行通訊的媒介，監控計算機用于日常分析與管理監測數據，中心管理計算機用于發布劑量監測數據，輻射防護數據庫用于存儲探測器測得的實時劑量數據，包括劑量率、測量時間、監測點代號、測量輻射類型(γ/中子)。小型化質子加速器機房(治療層)固定式輻射監測點位如圖7所示，每個監測點由1臺中子探測器和γ探測器組成。

圖6 輻射監測系統結構

圖7 小型化質子加速器機房輻射監測點位(治療層)

質子治療系統能量范圍是50～230MeV，產生的最大中子能量范圍為熱中子～230MeV。因此該區域中子探測器響應的能量范圍不能低于熱中子～230MeV，控制室內應中子探測器對中子的響應不低于熱中子～14MeV，劑量率范圍內至少覆蓋100nSv/h～100mSv/h，并控制室內中子探測器的劑量率范圍至少覆蓋10nSv/h～1mSv/h。伽馬探測器響應能量范圍不低于30keV～6MeV，劑量率范圍至少覆蓋100nSv/h～10mSv/h，控制室內中子探測器的劑量率范圍至少覆蓋10nSv/h～1mSv/h。

4.3.3上位計算機和終端監控界面

一般選用商用計算機作為安全聯鎖和劑量監測系統的上位計算機，可顯示各監測點的劑量率、安全聯鎖設備狀態，終端監控界面采用工業控制用的LCD顯示器，各監測點位的輻射劑量和安全聯鎖信息在顯示器上以圖形的方式直觀顯示。

4.4 小型化質子加速器機房通風系統

小型化質子加速器機房通風系統分為治療區和機架區。

治療區位于機房地上1層，采用新風空調送風、排風機排風的方式，每間機房治療區送風量為1 500m3/h，排風量為2 000m3/h，換氣次數約10次/h。排風量略高于送風量，使治療區內保持微負壓狀態。

機架區為上、下3層貫通結構，采用新風空調送風、排風機排風的方式，每間機房機架區的送風量為1 500m3/h，排風量為4 000m3/h，換氣次數約5次/h。排風量高于送風量，使機架區內保持微負壓狀態。通風系統設計分區如圖8所示。

圖8 通風系統設計分區

4.5 放射性廢物處理

4.5.1放射性廢氣

質子加速器運行時，室內空氣通過熱中子俘獲、(n，2n)、(γ，n)反應和散裂反應被活化，產生的活化核素主要為3H，7Be，11C，13N，15O，41Ar等。質子機房和治療室內應分別設置強制排風系統，排風設計應滿足GBZ 121—2020《放射治療放射防護要求》，換氣次數不低于4次/h，送風排風系統成對角，上送下排，質子系統運行過程中，通風系統應保持開啟，感生放射性氣體由各區域屋面排入環境中。

4.5.2放射性廢液

放射性廢液主要是活化冷卻水。質子治療系統所用冷卻水為去離子水，使用過程中，由于15O散裂反應可能形成放射性核素，除7Be、3H外，其余核素半衰期都很短，放置一段時間基本可以衰變。正常運行情況下，設備冷卻水閉路循環不排放，只在設備相關部位檢修時才排放，小型化質子加速器機房底板下設有集水井，有效容積為1.2m3，用于暫存更換的冷卻水，如圖9所示。可能被活化的冷卻水回路中總水量約0.16m3，每年最多檢修排放次數為2次，年最大排放量為0.32m3。集水井通過管道與小型化質子加速器機房地漏相連，集水井的標高低于小型化質子加速器機房底板標高，且該機房設自流坡度，可確保冷卻水能夠自流并通過機房內地漏排入集水井內暫存。

圖9 活化冷卻水暫存場所位置

在集水井上設取樣口，活化的冷卻水在排放前必須測量取樣，若滿足放射性廢水排放標準，才可排放。集水井管道與醫院污水管網相連，且配備手動啟動的排水泵，需要排放時手動開啟排水泵，通過管道將冷卻水排入醫院污水管網。每次排放需記錄廢水來源、排放量、活度濃度監測結果、排放去向等信息，并存檔。

4.5.3放射性固體廢物

質子治療系統產生的放射性固體廢物主要為維護、維修環節更換的易損、易活化的結構部件。拆除的活化部件集中使用廢物桶裝收集后，暫存在治療機房底層設備層指定區域或轉移至放射性廢物暫存區。每個廢物桶外設置電離輻射標志和放射性廢物標簽，該標簽包括貯存日期、材料來源和性質、表面劑量率及收集人員簽名等內容。醫院根據放射性固體廢物儲存情況，定期委托有資質的單位進行檢測和分析，對于滿足解控要求的固體廢物，報審管部門備案和批準后，由醫院作為一般固體廢物進行處理。對于不滿足解控要求的放射性固體廢物，醫院定期委托有資質的單位進行處理。放射性固體廢物暫存區域如圖10所示。

圖10 放射性固體廢物暫存區域位置

4.6 配套CT機輻射防護

小型化質子加速器機房治療層內配備1臺移動CT機，移動CT機出束期間，質子機房內部為控制區，控制室為監督區。移動CT機的輻射屏蔽體利用該機房屏蔽墻體，可滿足GBZ 130—2020《放射診斷放射防護要求》中“CT機房和CT模擬定位機房屏蔽采用2.5mm鉛當量的要求”。

機房內部的CT操作臺設觀察窗，機房內設攝像頭，便于觀察受檢者狀態及防護門開閉情況。當質子治療系統的人身安全聯鎖系統建立聯鎖后，方可建立移動CT機的定位聯鎖。機房各層均設有移動CT機出束狀態指示燈，該指示燈與各層出入口門和移動CT機出束狀態聯鎖。當定位聯鎖后，工作狀態指示燈點亮。若定位聯鎖被破壞，工作狀態指示燈會熄滅。

5 結語

同濟醫院光谷院區配套項目(質子大樓)小型單室內3層建筑整體，使用重混凝土作為主屏蔽體，選用聚乙烯防護門，優化穿墻管道排布，屏蔽體外瞬時劑量率均低于劑量率控制水平。并在機房設計安全、冗余的輻射安全聯鎖系統，設置固定式輻射監測系統，并選用上位計算機和終端監控界面進行實時顯示，可有效確保工作人員和公眾安全，防止意外照射。機房設有獨立的通風系統，使排風量、換氣次數、進排風方式、排風高度等滿足相關標準的要求。機房設有專門的放射性廢物儲存間和集水井，能確保廢物對環境污染的影響極小，對室內CT機進行綜合防護設計，使其能夠安全便捷地配合質子治療。

綜上所述，該項目形成了新型小型化質子治療系統防輻射關鍵技術，能解決此類小型化質子加速器機房防輻射設計和施工難題，確保符合國家法規和標準要求。