放療機(jī)房防護(hù)的Geant4模擬

朱煜和 吳芳 邊界 曾宇 楊衛(wèi)春 劉娛

摘要：目的：使用Geant4軟件對(duì)加速器機(jī)房進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。方法：加速器屏蔽墻采用常用的混凝土結(jié)構(gòu)，迷道采用L型結(jié)構(gòu)，以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBZ/T2012為準(zhǔn)則，調(diào)試模擬參數(shù)，對(duì)機(jī)房的屏蔽進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)果：模擬計(jì)算得到機(jī)房屏蔽模型，能夠保護(hù)放射工作人員安全和滿足放療使用的需要。

關(guān)鍵詞：輻射屏蔽;Geant4

中圖分類號(hào)：R148 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）33-0010-02

加速器放療機(jī)房的修建，除了要求在建造結(jié)構(gòu)上結(jié)實(shí)耐用外，還要求屏蔽墻對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)產(chǎn)生的原散射線、漏射線、散射線有效屏蔽保證機(jī)房外工作人員和候診人員的身體健康不受危害。本文嘗試用Geant4對(duì)加速器治療室的屏蔽進(jìn)行了模擬以及評(píng)價(jià)。

1材料和方法

1.1基本情況

加速器治療室內(nèi)，長(zhǎng)8m，寬6.6m，高度為3.8m。屏蔽墻包括主屏蔽墻、次屏蔽墻、副屏蔽墻及迷道內(nèi)、外墻。迷道的寬度為1.5m。加速器為Varian加速機(jī)器，可出電子線、6MV和15MV的X線。加速器可以開(kāi)展調(diào)強(qiáng)治療，治療時(shí)默認(rèn)劑量率600MU/min。加速器的工作負(fù)荷跟病人數(shù)量有關(guān)，病人的數(shù)量增加，加速器的負(fù)荷增加，要求防護(hù)墻厚度就越厚。初步取加速器工作負(fù)荷為w=1800Gy.m2/wk。根據(jù)國(guó)家輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于職業(yè)放射工作人員限值在照射以周計(jì)，則吸收劑量控制值為H.w=0.4mSv/wk。加速器機(jī)房模型如圖：

1.2模擬方法

將加速器出的X射線能譜進(jìn)行離散化，得到一個(gè)離散的X射線組，該組內(nèi)不同能量射線具有不同權(quán)重。設(shè)計(jì)1m*1m*1m的水箱，放置于源皮距離100cm處。加速器射野開(kāi)到最大，為40cm*40cm。模擬在深度5cm處，射線組各能量射線束按其對(duì)應(yīng)強(qiáng)度的沉積能量。得到該深度處吸收劑量為0.866cGy時(shí)，各能量組所需的最小模擬次數(shù)。由于加速器校準(zhǔn)時(shí)，在參考深度，1MU=1cGy。由此就可以模擬出加速器不同負(fù)荷下，對(duì)應(yīng)模擬射線粒子數(shù)在機(jī)房產(chǎn)生的能量沉積。

加速器機(jī)房墻體由混凝土組成，混凝土密度2.03g/cm³?；炷两M成成分為：H、O、Na、Hg、Al、Si、K、Ca、Fc、C。各種混凝土的密度和組成成分會(huì)有細(xì)微差別。治療室內(nèi)為空氣，密度是1.002g/cm³。機(jī)房防護(hù)計(jì)算包括主屏蔽墻、次屏蔽墻、副屏蔽墻、迷道內(nèi)墻和迷道外墻的厚度模擬計(jì)算。

在模擬過(guò)程中，為了提高模擬效率。對(duì)模擬進(jìn)行了一些優(yōu)化。

（1）將X線能譜離散化進(jìn)行模擬，省略之前的加速管電子轟擊靶的過(guò)程。

（2）X射線能量低，穿透能力弱，能量高，穿透能力強(qiáng)。6MV-X射線平均能量為0.73M峰值能量為1.67MeV。在實(shí)際模擬過(guò)程中，忽略低于0.73MeV的低能成分，提高了模擬效率，同時(shí)保證模擬精度。

（3）采用并行計(jì)算，以節(jié)省模擬時(shí)間。

1.3模擬內(nèi)容

1.3.1主屏蔽墻的防護(hù)

主屏蔽墻包括加速器機(jī)頭90度、270度、180度所對(duì)墻體。對(duì)主屏蔽墻主要考慮初級(jí)射線的防護(hù)。逐次增加防護(hù)墻的厚度，治療室外的吸收劑量逐漸減少，這與X射線的衰減規(guī)律變化一致。直到治療室外吸收劑量低于職業(yè)放射工作人員劑量限值，結(jié)束模擬。

由表中可以看見(jiàn)。當(dāng)墻厚度大于1.6m時(shí)，治療室外強(qiáng)度滿足輻射防護(hù)要求。

1.3.2次屏蔽墻的防護(hù)

次屏蔽墻與主屏蔽墻直接相連，且處于同側(cè)。次屏蔽墻需考慮泄露X射線和散射X射線的防護(hù)。

1.3.3副屏蔽墻和迷道內(nèi)墻的防護(hù)

副屏蔽墻和迷道內(nèi)墻。主要考慮泄露X射線的防護(hù)。輻射防護(hù)要求泄露X射線不超過(guò)主屏蔽墻的0.1%。由模擬結(jié)果，當(dāng)副屏蔽墻厚度只要有0.8m時(shí)，墻外劑量率為0.2998mSv/wk，即能夠滿足要求。

1.3.4迷道外墻的防護(hù)

本文的迷路類型為L(zhǎng)型迷路，有用線束不向迷路內(nèi)墻照射。主要考慮泄露X射線。

1.3.5 15MV-X線的屏蔽計(jì)算

15MV-X線在機(jī)房?jī)?nèi)會(huì)產(chǎn)生中子。因此機(jī)房的屏蔽必須考慮中子。Geant4的物理過(guò)程提供了產(chǎn)生中子的核反應(yīng)過(guò)程，以及中子物理過(guò)程。因而能夠完全模擬15MV-X線與混凝土的作用。

2結(jié)果

加速器各屏蔽墻的厚度和文獻(xiàn)屏蔽墻厚度對(duì)比如下。同時(shí)我們還給出了該屏蔽厚度下對(duì)應(yīng)的墻外吸收劑量模擬數(shù)值。由表可見(jiàn)，該屏蔽厚度能滿足6MV-X線的防護(hù)要求。

我們還模擬了該主屏蔽墻厚度下，加速器出15MV-X線時(shí)防護(hù)墻外的劑量率，由模擬結(jié)果知道，可以屏蔽6MV-X線的主屏蔽墻的墻外劑量率為5.03mSv/wk。該設(shè)計(jì)下的治療室不可以用于15MV-X線治療。

3討論

1）Geant4提供了可視化的功能。在模擬調(diào)式過(guò)程中相對(duì)MCNP，EGS等模擬軟件有優(yōu)勢(shì)，可以直觀對(duì)治療室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和優(yōu)化。

2）Geant4.10.0以后的版本支持并行計(jì)算。而現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)多為多個(gè)CPU。在模擬時(shí)使用并行功能，可以提高模擬效率。

3）本文主要討論了對(duì)6MV-X線的屏蔽。對(duì)一些醫(yī)院鈷機(jī)房改造成直線加速器機(jī)房具有借鑒意義。同時(shí)考慮了加速器較高負(fù)荷下的工作人員的所受劑量，考慮了后期放療病人的增加。