醫(yī)用電子直線加速器的原理探討與防護(hù)分析

焦鵬飛

【摘要】現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上最常用的腫瘤放射治療設(shè)備是醫(yī)用電子直線加速器，由于醫(yī)用電子直線加速器所取得的療效十分顯著，使得它在腫瘤放射治療中扮演起了主導(dǎo)者的角色。通過(guò)對(duì)醫(yī)用電子直線加速器在正、異常情況下的輻射危害分析，以確保發(fā)生的隨機(jī)性效應(yīng)概率在可控制的范圍內(nèi)，保證放射工作人員免受確定性效應(yīng)的影響。

【關(guān)鍵詞】醫(yī)用電子直線加速器；原理；防護(hù)

0.引言

醫(yī)用電子直線加速器在能夠產(chǎn)生高能X射線的同時(shí)也能夠產(chǎn)生高能電子束，臨床中無(wú)論是X射線還是電子束都能夠?qū)颊卟≡钸M(jìn)行照射。它的特點(diǎn)與好處是擁有巨大的輸出能量、操作簡(jiǎn)便、具有良好的均勻性、可調(diào)照射野廣、療效可觀的同時(shí)也能最大限度地降低副作用，這使得它在腫瘤放射治療領(lǐng)域得到廣泛的使用。

1.醫(yī)用電子直線加速器基本結(jié)構(gòu)及工作原理

現(xiàn)代在醫(yī)學(xué)里得到廣泛使用的醫(yī)用電子加速器主要行波電子直線加速器和駐波電子直線加速器兩種。行波電子直線加速器和駐波電子直線加速器主要都是由五大系統(tǒng)構(gòu)成的，它們分別是加速系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)、劑量檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及恒溫水冷卻和充氣系統(tǒng)，兩者的區(qū)別具體體現(xiàn)在兩者的具體結(jié)構(gòu)上。

（1）作為醫(yī)用電子直線加速器的核心系統(tǒng)，加速系統(tǒng)的構(gòu)成成份是加速管、微波功率源、微波傳輸系統(tǒng)、電子注入系統(tǒng)、高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)與束流和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)等。

加速管的構(gòu)成包括電子槍、加速結(jié)構(gòu)、引出系統(tǒng)、離子泵幾部分。通過(guò)陰、陽(yáng)兩極間的高壓電場(chǎng)的作用，電子槍會(huì)產(chǎn)生具有一定的初始動(dòng)能的電子通過(guò)陰極中心孔道進(jìn)入到加速腔。行波或駐波電磁場(chǎng)是微波功率在耦合波導(dǎo)饋入的作用下產(chǎn)生的，并且在引出系統(tǒng)的作用下將電子束引出。加速管較短的低能機(jī)主要以直射式為主；而加速管較長(zhǎng)的中、高能機(jī)則多以帶偏轉(zhuǎn)磁鐵的偏轉(zhuǎn)式引出系統(tǒng)為主。由于必須維持加速管的真空狀態(tài)的要求，使得真空系統(tǒng)會(huì)采用離子泵來(lái)吸收氣體。

微波功率源的頻率范圍介于2998MHz與2856MHz之間。在低能的條件下功率源通多采用磁控管，在高能條件下則多采用速調(diào)管。這是因?yàn)樗僬{(diào)管比磁控管高能機(jī)在高峰值RF脈沖功率的要求下更加具有可靠性。

傳輸波導(dǎo)是微波傳輸系統(tǒng)主要構(gòu)成部分。隔離器被用于行波傳輸系統(tǒng)中吸收反向傳輸?shù)奈⒉▉?lái)起到保護(hù)微波功率源的作用。而由于駐波傳輸系統(tǒng)具有較強(qiáng)的反射功率，使得系統(tǒng)的隔離器件必須采用環(huán)流器。

電子注入系統(tǒng)是由電子槍、導(dǎo)向線圈和預(yù)聚焦線圈三部分所構(gòu)成的。電子槍的作用是發(fā)射電子，被安裝于電子槍和加速管兩者間的導(dǎo)向線圈和預(yù)聚焦線圈的作用則是使得電子槍所發(fā)射的電子在注入加速管后的散射角達(dá)到足夠小。

高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)包括了高壓直流電源、脈沖形成網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)電壓控制電路、開(kāi)關(guān)電路和脈沖變壓器五個(gè)部分，主要被用于產(chǎn)生具有一定波形和頻率的脈沖高壓供于微波功率源所使用。

束流和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由束流偏轉(zhuǎn)磁鐵或掃描磁鐵、對(duì)中線圈、聚焦線圈所組成。對(duì)電子束進(jìn)行限制、偏轉(zhuǎn)、聚焦作用的是系統(tǒng)中的磁場(chǎng)。加速管外安裝能產(chǎn)生使電子產(chǎn)生徑向聚焦力的軸向磁場(chǎng)的聚焦線圈的目的是消除電子束同種電荷的斥力和徑向電場(chǎng)對(duì)電子的散焦作用所帶來(lái)的影響。

（2）應(yīng)用系統(tǒng)包括由電子引出窗、均整器、x射線靶、光柵、初級(jí)準(zhǔn)直器、限光筒、附件架、電離室、散射箔、光野燈和反射鏡、光距燈和屏蔽塊組成的治療頭、機(jī)架及治療床三部分。

治療頭起到使所投射的輻射達(dá)到放射治療的特殊要求的作用。對(duì)電子線治療模式進(jìn)行選定時(shí)，加速器會(huì)自動(dòng)移開(kāi)“x射線靶”，使“窗”在對(duì)準(zhǔn)電子束之后電子線能夠直接從窗口引出。由于束流直徑只有3 mm的窄束射線不能達(dá)到臨床治療的要求，使得所引出的電子束必須展開(kāi)變成散射狀束流。造成了在對(duì)選定電子線治療模式進(jìn)行選定時(shí)，加速器在自動(dòng)移走均整塊的同時(shí)，也會(huì)把與電子束能量相適應(yīng)的金屬散射箔移到窗口下。在散射箔的散射作用下電子束變成散射狀束流并且在典鈴聲檢測(cè)、次級(jí)準(zhǔn)直器和電子束限光筒的準(zhǔn)直限束作用后到達(dá)病變位置。因?yàn)檩敵龅碾娮由渚€仍具有容易散射的特點(diǎn)，為了使輸出端口直接與患者皮膚接觸，達(dá)到降低周?chē)M織的射線受量來(lái)對(duì)正常組織進(jìn)行保護(hù)的目的，要求電子束限光筒盡量比較長(zhǎng)。

治療床能全方位移動(dòng)，包括了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。目前醫(yī)用電子直線加速器的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用的是機(jī)架、輻射頭及治療床三者的旋轉(zhuǎn)軸線交于一點(diǎn)的等中心原則，此系統(tǒng)的中心誤差范圍是±2mm。

（3）劑量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括了電離室、監(jiān)測(cè)劑量?jī)x及信號(hào)放大器。由若干片極所組成的電離室是輻射系統(tǒng)的一部分，監(jiān)測(cè)輻射野內(nèi)相互垂直的兩個(gè)方向的均整度和監(jiān)測(cè)輻射的吸收劑量的都有兩對(duì)干片，監(jiān)測(cè)輻射的能量變化的則只有一片。系統(tǒng)中對(duì)劑量給定進(jìn)行保證的是劑量聯(lián)鎖裝置。

（4）控制系統(tǒng)不僅有電源；還有包括水壓、水溫、水流、高壓過(guò)載、微波功率源打火等各種保護(hù)在內(nèi)的連鎖保護(hù)；包括自動(dòng)均整度控制、自動(dòng)劑量率控制、自動(dòng)楔形過(guò)濾器控制、自動(dòng)頻率控制、弧形旋轉(zhuǎn)控制在內(nèi)的自動(dòng)控制；包括待機(jī)、預(yù)定、準(zhǔn)備、出束等狀態(tài)的程序控制的正常治療在內(nèi)的程序控制。

（5）冷卻系統(tǒng)的作用是帶走熱量，從而使機(jī)器的工作溫度能夠維持在所需范圍內(nèi)。加速管、偏轉(zhuǎn)磁鐵線圈、聚焦線圈、微波功率源、靶、隔離器及吸收負(fù)載等在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。

2.醫(yī)用電子直線加速器的防護(hù)分析

(γ·n)反應(yīng)是指X射線或電子束打在靶材料產(chǎn)生的韌致輻射與被射物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生中子的化學(xué)效應(yīng)，由醫(yī)用電子直線加速器中的電子槍所產(chǎn)生的電子先經(jīng)微波加速波導(dǎo)管完成加速，然后在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)形成電子束并從電子窗口射出到金屬鎢靶的過(guò)程會(huì)伴隨著大量高能X射線的產(chǎn)生，所產(chǎn)生的高能X射線便會(huì)發(fā)生(γ·n)反應(yīng)，(γ·n)反應(yīng)的發(fā)生伴隨著臭氧的出現(xiàn)，而且臭氧產(chǎn)量與加速器輸出束流的強(qiáng)弱成正比。由此可見(jiàn)，加速器所產(chǎn)生的X射線、中子射線及臭氧是醫(yī)用電子直線加速器對(duì)環(huán)境造成的污染的頭號(hào)殺手。

針對(duì)醫(yī)用電子直線加速器對(duì)環(huán)境造成的污染，主要有以下幾種防護(hù)方法：

2.1輻射防護(hù)

無(wú)論是穿透力較強(qiáng)的X射線、中子射線還是臭氧濃度增高都對(duì)人們的健康造成威脅。因此，為避免環(huán)境受射線和臭氧的污染，必須降低射線排放。

2.2屏蔽防護(hù)

土建設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)治療室進(jìn)行全方位的有效的屏蔽防護(hù)計(jì)算以確保各重要機(jī)房的輻射吸收劑量在國(guó)家允許范圍內(nèi)。

2.3通風(fēng)

臭氧可在加速器電離輻射與空氣介質(zhì)的作用下產(chǎn)生，感生放射性氣體13N也可伴隨著高能量X射線的產(chǎn)生而出現(xiàn)，通風(fēng)系統(tǒng)的作用就為避免治療室及其周?chē)h(huán)境空氣質(zhì)量受其影響。通風(fēng)設(shè)計(jì)要求周?chē)渌鼌^(qū)域的壓力高于存在感生放射性氣體和臭氧氣體的區(qū)域的空氣壓力，目的是阻止有害氣體的擴(kuò)散。

2.4時(shí)間、距離兩種防護(hù)

在加速器結(jié)束出束后等待30s-3min再進(jìn)入機(jī)房對(duì)患者進(jìn)行擺位是很有必要的，射線會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)進(jìn)行衰減；而距離防護(hù)則是遵循射線衰減與距離遵循平方反比定律，射線也會(huì)隨著距離的增加而進(jìn)行衰減。

3.總結(jié)

當(dāng)醫(yī)用電子直線加速器在正常工作時(shí)，必須確保從事放射性工作的人員避免確定性效應(yīng)，嚴(yán)格控制隨機(jī)性效應(yīng)發(fā)生的概率在控制范圍內(nèi)。增強(qiáng)放射治療工作人員安全意識(shí)及完善配備防護(hù)設(shè)施都能有效減少照射發(fā)射事故的發(fā)生，加速器擁有良好的屏蔽設(shè)計(jì)和多重監(jiān)控、聯(lián)鎖系統(tǒng)對(duì)其正常、安全運(yùn)行是十分重要的。[科]

【參考文獻(xiàn)】

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［２］張晶,王建軍,唐緒興.醫(yī)用電子直線加速器污染因素、輻射防護(hù)及輻射安全管理[J].2011,(2).