加速器15 MV射線(xiàn)引起殘留輻射的測(cè)量研究*

陳亞正　祁國(guó)?！±顝N榮　張聲江　廖雄飛　肖明勇　黎 杰*　王 培

加速器15 MV射線(xiàn)引起殘留輻射的測(cè)量研究*

陳亞正①祁國(guó)海①李廚榮①?gòu)埪暯倭涡埏w①肖明勇①黎 杰①*王 培①

目的：研究高能射線(xiàn)出束結(jié)束后的電離輻射情況，監(jiān)測(cè)分析其殘留輻射數(shù)據(jù)。方法：使用15 MV高能X射線(xiàn)的醫(yī)用電子直線(xiàn)加速器對(duì)15 cm×15 cm×15 cm的水箱進(jìn)行照射，開(kāi)設(shè)5 cm×5 cm、10 cm×10 cm和15 cm×15 cm的照射野，并對(duì)每一照射野均出射跳數(shù)為50 MU、100 MU和300 MU的射線(xiàn)。每間隔5 s記錄一次監(jiān)測(cè)儀所在位置的劑量當(dāng)量率，記錄時(shí)間為30 min，分析比較劑量當(dāng)量率與照射野和跳數(shù)MU的關(guān)系以及3種照射野的劑量當(dāng)量率變化趨勢(shì)。結(jié)果：①劑量當(dāng)量率呈非線(xiàn)性跌落，并且在某時(shí)間段內(nèi)劑量率有上升的反彈現(xiàn)象；②對(duì)于同一照射野，跳數(shù)為300 MU的射線(xiàn)產(chǎn)生的劑量率最高，其余依次為100 MU和50 MU的射線(xiàn)，即劑量當(dāng)量率H300MU＞H100MU＞H50MU；③對(duì)于相同跳數(shù)的射線(xiàn)，不同面積射野產(chǎn)生的劑量當(dāng)量率無(wú)明顯的規(guī)律，即劑量當(dāng)量率不決定于射野面積。結(jié)論：醫(yī)用電子直線(xiàn)加速器使用15 MV的射線(xiàn)進(jìn)行治療時(shí)所引起的殘留輻射應(yīng)引起注意，且必須采取相應(yīng)的輻射防護(hù)措施。

高能射線(xiàn)；殘留輻射；劑量率；醫(yī)用直線(xiàn)加速器

[First-author’s address] Center of Radiation Therapy, Sichuan Cancer Hospital & Institute, Chengdu 610041, China.

電離輻射普遍存在于整個(gè)自然界，從整個(gè)宇宙空間到地球上各個(gè)角落[1]。電離輻射主要來(lái)源于天然輻射和人工輻射。目前，醫(yī)療輻射是人類(lèi)生活中接觸的重要輻射之一，在醫(yī)療診治中電離輻射除受到X射線(xiàn)照射治療的患者外還存在于實(shí)施醫(yī)療診治的放射性工作人員。

原子中的電子受到碰撞而激發(fā)被釋放出來(lái)的電磁相互作用過(guò)程稱(chēng)為電離輻射，參與相互作用的粒子可以包括α粒子、β粒子、質(zhì)子，中子以及X射線(xiàn)[2]。腫瘤患者放射治療過(guò)程是依靠對(duì)腫瘤內(nèi)原子的電離輻射過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)癌癥的治療。在治療室內(nèi)，從X射線(xiàn)產(chǎn)生到完全消失，需要一定的時(shí)間，放射治療工作人員在進(jìn)出治療室的間隔時(shí)間內(nèi)存在受到輻射的潛在可能性[3，5-6]。治療室的本底輻射劑量為0.11 Sv/h，經(jīng)測(cè)定6 MV低能X射線(xiàn)在2 s內(nèi)已經(jīng)恢復(fù)到本底輻射的水平；而15 MV高能X射線(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)并不能完全恢復(fù)到本底的水平。為此，本研究測(cè)量5 cm×5 cm、10 cm×10 cm和15 cm×15 cm不同面積射野下，治療室內(nèi)某一固定位置在使用15 MV高能光子被關(guān)閉后30 min內(nèi)的劑量當(dāng)量率，分析比較高能射線(xiàn)出束結(jié)束后的電離輻射情況，以對(duì)其殘留的輻射引起高度重視。

1　材料與方法

1.1儀器設(shè)備

采用Electa Synergy醫(yī)用電子直線(xiàn)加速器(SynergyVMAT，Elekta，Sweden)；PM1401GN袖珍式γ-n巡檢儀(白俄羅斯，Polimaster)，探測(cè)對(duì)象為光子，對(duì)中子不敏感。劑量當(dāng)量率測(cè)量范圍：0.01～40μSv/h，每次測(cè)量的溫度均在25 ℃，大氣壓為1.032×105Pa。

1.2測(cè)量方法

(1)將加速器的劑量率設(shè)置為300 MU/min，測(cè)量5 cm×5 cm、10 cm×10 cm和15 cm×15 cm不同面積的射野，治療室內(nèi)某一固定位置使用高能光子15 MV關(guān)閉后30 min內(nèi)的劑量當(dāng)量率。

(2)設(shè)定X射線(xiàn)與水碰撞的相互作用過(guò)程是各項(xiàng)同性的，將X射線(xiàn)劑量監(jiān)測(cè)儀polimaster放置在距離水箱2 m的位置，水箱中心位置(100 cm)為加速器等中心位置。

圖1　15 MV光子線(xiàn)產(chǎn)生的劑量當(dāng)量率曲線(xiàn)圖

(3)將15 cm×15 cm×15 cm的水箱放在機(jī)頭正下方，機(jī)頭距水箱中心100 cm，巡檢儀放在距離機(jī)頭1.5 m的位置，出射跳數(shù)為50 MU、100 MU和300 MU的3次射線(xiàn)，每次射線(xiàn)均在射野為5 cm×5 cm、10 cm×10 cm和15 cm×15 cm的情況下測(cè)量。并且保證每組射線(xiàn)的輻射恢復(fù)到室內(nèi)本底時(shí)再進(jìn)行下一組的測(cè)量。每組射野均出束X射線(xiàn)50 MU、100 MU及300 MU，每組射線(xiàn)之間互無(wú)影響，即每次測(cè)量前都確保治療室內(nèi)的散射線(xiàn)完全排除干凈，恢復(fù)至本底狀態(tài)。

2　結(jié)果

2.1影響感生放射線(xiàn)的因素

(1)從曲線(xiàn)圖分析比較劑量當(dāng)量率與照射野和跳數(shù)MU的關(guān)系以及3種照射野的劑量當(dāng)量率變化趨勢(shì)，射野開(kāi)至(5 cm×5 cm)，(10 cm×10 cm)，(15 cm×15 cm)在3組射線(xiàn)下的劑量當(dāng)量率：對(duì)于同一個(gè)射野，跳數(shù)為300 MU的射線(xiàn)產(chǎn)生的劑量率最高，其余依次為100 MU和50 MU的射線(xiàn)，即劑量當(dāng)量率H300MU＞H100MU＞H50MU；300 MU、100 MU和50 MU的射線(xiàn)在30 min內(nèi)的變化趨勢(shì)及其比較如圖1所示。

(2)在相同跳數(shù)下不同面積的照射野下劑量當(dāng)量率的變化趨勢(shì)及其比較。不同面積射野產(chǎn)生的劑量當(dāng)量率無(wú)明顯的規(guī)律，即劑量當(dāng)量率不決定于射野面積。300 MU高能光子產(chǎn)生的劑量當(dāng)量率遠(yuǎn)遠(yuǎn)＞100 MU、50 MU的感生放射性，數(shù)值最高峰均處于出束停止的時(shí)刻，在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)均有上升的現(xiàn)象出現(xiàn)(如圖2所示)。

2.2測(cè)量時(shí)間截止時(shí)刻的數(shù)值

根據(jù)電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)(GB 18871-2002)規(guī)定[16]：在距設(shè)備的任何可達(dá)表面0.1 m處所引起的周?chē)鷦┝慨?dāng)量率或定向劑量當(dāng)量率≤1μSv/h。在5 cm×5 cm、10 cm×10 cm和15 cm×15 cm的不同射野面積下，50 MU、100 MU和300 MU的射線(xiàn)結(jié)束后第30 min末的劑量當(dāng)量率(見(jiàn)表1)。

圖2　3種照射野的劑量當(dāng)量率變化趨勢(shì)比較曲線(xiàn)圖

表1　30 min末的劑量當(dāng)量率(μSv/h)

3　討論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)軟件、加速器硬件的更新?lián)Q代，以及研究者通過(guò)對(duì)射線(xiàn)照射細(xì)胞生物效應(yīng)敏感性的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，腫瘤放射治療技術(shù)以及臨床應(yīng)用得到了較快的發(fā)展。腫瘤放射治療的發(fā)展經(jīng)歷了二維治療，三維適形放射治療，調(diào)強(qiáng)放射治療，圖像引導(dǎo)調(diào)強(qiáng)放射治療，以及質(zhì)子調(diào)強(qiáng)放射治療。鑒于此，醫(yī)用加速器帶來(lái)的輻射防護(hù)問(wèn)題成為不可避免的研究重點(diǎn)。宋鋼[8]對(duì)質(zhì)子加速器帶來(lái)的感生放射性特別是產(chǎn)生的中子進(jìn)行了初步測(cè)量和分析，劉建防等[9]對(duì)Varian 2300C/D型加速器15 MeV的X射線(xiàn)測(cè)量了5 min、10 min、15 min、30 min、60 min以及90 min時(shí)間點(diǎn)的劑量當(dāng)量率，給出90 min內(nèi)感生放射線(xiàn)的大概趨勢(shì)；盧峰等[10]以綜述性的方式闡述了引起感生放射線(xiàn)的若干因素以及研究現(xiàn)狀；朱忻等[11]Varian Clinac23EX型加速器測(cè)量了15 MV的X射線(xiàn)隨著距離和時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。

粒子的輸運(yùn)過(guò)程是復(fù)雜的過(guò)程，從高速電子轟擊鎢靶產(chǎn)生X射線(xiàn)，X射線(xiàn)再與水箱碰撞，參與的相互作用主要是電磁相互作用[12-15]。參與的粒子包括電子、原子核、光子及其次級(jí)電子和次級(jí)光子。本研究圖1顯示，對(duì)于同一個(gè)照射野，跳數(shù)越大，劑量當(dāng)量率越大，即H300MU＞H100MU＞H50MU。這是因?yàn)榧铀倨鳟a(chǎn)生的高能段X射線(xiàn)越多，治療室內(nèi)的電離粒子密度越大，巡檢儀讀出的數(shù)據(jù)就越大。本研究測(cè)量的30 min內(nèi)，從曲線(xiàn)上可以看到劑量當(dāng)量率在下降的過(guò)程中出現(xiàn)多次回升，但并不是因?yàn)楣庾拥哪芰吭黾?，而是空間中的光子密度不同所造成。加速器產(chǎn)生的X射線(xiàn)進(jìn)入到水箱后，產(chǎn)生次級(jí)粒子，且輻射到水箱周?chē)目諝饫?，再次與空氣中的原子發(fā)生碰撞，進(jìn)一步發(fā)生電磁相互作用，這一復(fù)雜過(guò)程并非各項(xiàng)同性，即與水箱相同距離的半徑內(nèi)，所測(cè)得的電離輻射強(qiáng)度并不一定相同。圖2顯示，電子直線(xiàn)加速器出射同樣的跳數(shù)，不考慮面積因素的開(kāi)野下，相同時(shí)刻的劑量當(dāng)量率無(wú)明顯的區(qū)別，這是因?yàn)楣庾訌?qiáng)度不依賴(lài)于開(kāi)野面積。開(kāi)野面積的大小會(huì)導(dǎo)致射野邊緣的粒子散射情況不同，但是不會(huì)影響治療室空間的光子數(shù)密度。

影響治療室內(nèi)測(cè)量點(diǎn)的劑量當(dāng)量率的因素有很多，包括加速器電子電壓的大小、機(jī)頭鉛門(mén)的大小、多葉準(zhǔn)直器照射野的大小、有無(wú)水箱以及水箱的體積以及測(cè)量位置的選擇等。不同的加速器，即使額定電壓相同，產(chǎn)生的光子能量也會(huì)有差別，導(dǎo)致同一測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)不相同。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18871-2002電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本規(guī)定[16]：在距設(shè)備的任何可達(dá)表面0.1 m處所引起的周?chē)鷦┝慨?dāng)量率或定向劑量當(dāng)量率≤1 μSv/h。表1顯示，300 MU的射線(xiàn)造成的劑量當(dāng)量率分別為1.5 μSv/h，1.28 μSv/h，1.27 μSv/h，已經(jīng)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，應(yīng)當(dāng)引起注意。使用高能射線(xiàn)治療腫瘤患者不可避免的使患者受照范圍以外的正常組織吸收額外的射線(xiàn)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生中子，增加了第二原發(fā)癌產(chǎn)生的概率。有研究表明，具備一定能量的中子會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，而引發(fā)第二原發(fā)癌。中子污染已經(jīng)引起放射治療人員的關(guān)切，故在近年來(lái)做了大量的測(cè)量和模擬[17]。

綜上所述，研究醫(yī)用加速器的高能電離輻射是為了強(qiáng)化放射診療中的放射防護(hù)與安全；而加強(qiáng)放射治療的防護(hù)安全關(guān)系到廣大放射診療醫(yī)務(wù)人員、受檢者、患者以及公眾的身體健康與輻射安全[18-20]。

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Measurement of residual radiation induced by 15 MV energy beamin medical linear accelerator

CHEN Ya-zheng, QI Guo-hai, LI Chu-rong, et al// China Medical Equipment,2016,13(11):16-19.

Objective: To study the ionizing radiation after the end of high energy beam, detect and analyze the data of residual radiation. Methods: A 15 cm×15 cm×15 cm water phantom was irradiated with a 15 MV high energy X-ray medical linear accelerator. The irradiation field was 5 cm×5 cm, 10 cm×10 cm and 15 cm×15 cm. For each field, 50 MU,100 MU and 300 MU of X-ray were emitted. The dose equivalent rate within 30 mins was recorded every 5 s. The relationship between the dose equivalent rate and the irradiation field and the number of MU was analyzed and the change trend of the dose rate of the three fields was analyzed. Results: ①The dose rate showed a non-linear drop, and the dose rate increased in a certain period of time. ②For the same radiation field, the dose rate of 300 MU was the highest, followed by 100 MU and 50 MU of radiation, the dose equivalent rate of H300MU＞H100MU＞H50MU. ③ For the same number MU, different areas of radiation field dose equivalent rate showed no obvious characteristic, so the dose rate is not determined by the field area. Conclusion: Residual radiation caused by radiation therapy of 15 MV in medical electronic linear accelerator should be paid attention to and radiation protection measures must be taken by the department.

High energy ray; Residual radiation; Dose rate; Medical linear accelerator

陳亞正,男,(1983- ),博士，助理研究員。四川省腫瘤醫(yī)院放療中心，研究方向：醫(yī)學(xué)物理及輻射防護(hù)。

1672-8270(2016)11-0016-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.11.006

四川省科技支撐計(jì)劃(2015JQ0053)“現(xiàn)代放療技術(shù)中引發(fā)第二原發(fā)癌風(fēng)險(xiǎn)的輻射劑量因素研究”

①四川省腫瘤醫(yī)院放療中心 四川 成都 610041

jie.li@yeah.net

2016-08-18