醫(yī)用直線加速器機房迷路改進設計研究

王武，李旭浩，金獻測

1.溫州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院醫(yī)學工程處，浙江溫州325000；2.溫州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院放化療科，浙江溫州325000

前言

癌癥是全球主要公共衛(wèi)生問題之一，約占全部死亡人口的四分之一［1-2］。隨著腫瘤發(fā)病率的上升和人們對個人健康的重視，放射治療被越來越多人熟知，它是一種利用電離輻射對腫瘤區(qū)域發(fā)射高能射線殺死癌細胞，并盡量避免傷害正常細胞的療法［3-4］。高能射線具有較強的穿透能力，在放射治療中占重要地位［5-6］，因此，對治療機房的劑量控制和設計需要嚴格要求。機房中的迷路設計不僅影響迷路外墻劑量，同時也要考慮到機房設計成本。很多研究報告表明，延長迷路和設置彎折能夠降低迷路內的劑量［7-10］。本研究的目的是對原有的加速器迷路進行改造，使到達門口的劑量降低至合理劑量范圍內。

1 材料與方法

1.1 醫(yī)用直線加速器

Elekta Synergy 醫(yī)用直線加速器，其主要性能指標：10 MV X 射線，X 射線泄漏輻射率0.1%，在等中心處的最大輻射野40 cm×40 cm。

1.2 加速器機房

撤除屏蔽門，對機房迷路進行改進設計。加速器機房位于地下一層，機房平面示意圖見圖1，其墻體為普通混凝土。直線加速器治療中心為機房的正中心。

圖1 典型機房平面示意圖（mm）Fig.1 Plan of a typical linear accelerator treatment room(mm)

1.3 迷路出口輻射劑量計算方法

根據(jù)NCRP151 報告［11］，迷路門口處的泄漏和散射輻射總和（HTot）由以下幾部分組成：①主束通過主屏蔽墻主墻a 散射到防護門處的當量劑量Hs；②直線加速器機頭泄漏輻射一次散射的當量劑量Hls；③主束通過患者體表散射產(chǎn)生的當量劑量Hps；④射線直接穿過迷路內墻d的泄漏輻射當量劑量HLT：

其中，f的值為0.34。

1.4 迷路改進方案和門口輻射劑量計算

1.4.1 直接延長迷路 如圖2所示，直接延長迷路可用以下公式計算得出。

（1）計算主射線通過主屏蔽墻主墻a 后，散射至迷路外墻e，最后到達門口處的當量劑量Hs：

其中，A0為散射面積，A0=2.62 m2；a0為A0的散射系數(shù)，a0=0.002 1（10 MV，反射角75°）；AZ為迷路內口投影到迷路外墻的橫截面面積，AZ=7.67 m2；aZ為AZ的反射系數(shù)，aZ=0.08（0.5 MV，反射角75°）；dh為放射源至A0的垂直距離，dh=4.55 m；dr為A0中心沿主束散射方向經(jīng)過迷路內墻邊緣到迷路中線的距離，dr=6.25 m；dz為迷路到測量點的距離，dz=（x-3.53）m；醫(yī)院每周工作5天，每天有100名患者，每個患者平均接受2 Gy的劑量，故工作量W=5×100×2=1 000 Gy/week；UG為利用因子，根據(jù)考察區(qū)域被有用射線照射的情況進行取值，一般取1/4。

圖2 直接延長迷路方案設計和計算參數(shù)（mm）Fig.2 Design of a maze with a direct extension and calculation parameters(mm)

（2）加速器機頭漏射至墻a 的副墻，散射到達門口處的當量劑量Hls：

其中，Lf為機頭泄漏輻射率，一般取0.1%；WL為漏射區(qū)的工作量；a1為機頭泄漏輻射至A1的反散射系數(shù)，a1=0.003 8（10 MV，反射角0°）；A1為迷路入口可見面積，A1=9.72 m2；dls為放射源至A1中心點的距離,dls=8.52 m；dzz為A1中心點至測量點的距離。

（3）主束通過患者體表，散射至墻a副墻，最后到達門口處的當量劑量Hps：

其中，a(θ)為θ 角時的散射比例，a(θ)=0.001 35（10 MV，反射角45°）；a1為機頭泄漏輻射至A1的反散射系數(shù)，a1=0.22（0.5 MV，反射角45°）；A1為迷路入口可見面積，A1=6.57 m2；F 是患者中點處的野面積，為1 600 cm2；dsca為源到散射計算點距離，dsca=1 m；dsec為散射點到A1的距離，dsec=7.87 m。

（4）射線直接穿過迷路內墻d的泄漏輻射當量劑量HLT。

根據(jù)迷路內墻c 外關心位置（垂直墻面外30 cm處）算出輻射量，它由散射和漏射兩部分組成。

①考慮散射所需要的主防護因子Bp：

其中，p 為防護的目標比例，dsec為散射點到測量點的距離，dsca為源到散射計算點距離，其中dsec=3.8+1.4+1+0.3=5.5 m，dsca=1 m，F(xiàn)=（40×40）cm2，a 為被散射的比例，a=0.000 381（10 MV，散射角90°），T =1/4。所需要的防護墻厚度S，通過計算S=n?TLV,其中TVL為十分之一值層，代表當特定輻射能量或能譜的X射線輻射、γ射線輻射窄束通過規(guī)定物質時，比釋動能率、照射量率或吸收劑量率減小到無該物質時所測量值的十分之一的規(guī)定物質的厚度［11］。n=log(1/B)，其中B為透射因子，故得S=50.38 cm。

②從漏射線考慮的防護因子Bl：

所需要的防護材料厚度S=TLV1+(n-1)·TLVe。其中TLV1 是第一個十分之一值層厚度，TLVe 是每一個額外十分之一值層厚度。故S=85.10 cm。

結果Bp=0.001 59，Bl=0.002 42。

由于二者相差大于一個十分之一值層厚度，則取較大數(shù)值為次級屏蔽厚度［8］。故至少需要迷路內墻c 厚度85.10 cm，但實際厚度為140 cm，所以不用考慮漏射和散射線，直接從迷路內墻穿過到達門口。

故當直接延長迷路達到24.4 m 時，射線到達門口的輻射劑量為20.00μSv/week。

1.4.2 90°角拐彎延長迷路 如圖3所示，進行90°角拐彎延長迷路設計，其門口散射計算過程如下所示。

圖3 90°角轉彎迷路設計方案（mm）Fig.3 Design of a maze with a 90°bend(mm)

（1）計算主射線通過主屏蔽墻主墻a 后，散射至迷路外墻e，再經(jīng)過延長迷路的f墻反射，最后到達門口處的當量劑量Hs：

其中，a0=0.002 1（10 MV，反射角75°），aZ=a3=0.08（0.5 MV，反射角75°），A0=3.31 m2，AZ=4.11 m2，A3=9.80 m2，dh=4.55 m，dr=6.26 m，dz=9.95 m，d4=（x-3.63）m。

（2）加速器機頭漏射至墻a 副墻，再經(jīng)過拐彎處的f墻散射到達門口處的當量劑量Hls：

其中，Lf=0.001，a1=0.005 1（10 MV，反射角0°），WL是漏射區(qū)的工作量，a2=0.015（0.5 MV，反射角45°），A1=A2=9.42 m2，dls=8.52 m，dzz=12.25 m，d3=（x-3.49）m。

（3）主束通過患者體表，散射至墻a副墻，再經(jīng)過拐彎處的g墻散射，最后到達門口處的當量劑量Hps：

其中，a(θ)=0.001 35（10 MV，反射角45°），F(xiàn)=1 600 m2，a1=a2=0.22（0.5 MV，反射角45°），A1=A2=9.42 m2，dsca=1 m，dsec=7.87 m，dzz=12.25 m，d4=（x-3.49）m。

故當90°拐彎延長迷路4.42 m時，射線到達門口的輻射劑量為19.60μSv/week。

1.4.3 180°角拐彎延長迷路 如圖4所示，進行180°角拐彎延長迷路方案，其門中散射劑量計算如下所示。

圖4 180°拐彎延長迷路方案（mm）Fig.4 Design of a maze with a 180°bend(mm)

（1）計算主射線通過主屏蔽墻主墻a 后，散射至迷路外墻e，再經(jīng)過拐彎處c副墻的反射，最后到達門口處的當量劑量Hs：

其中，a0=0.002 1（10 MV，反射角75°），az=a3=0.08（0.5 MV，反射角75°），A0=3.31 m2，Az=4.11 m2, A3=8 m2，dh=4.55 m，dr=6.26 m，dz=7.57 m，d4=（x-1.4）m。

（2）加速器機頭漏射至墻a 副墻，再經(jīng)過拐彎處的c副墻散射到達門口處的當量劑量Hls：

其中，Lf=0.001，a1=0.003 8（10 MV，反射角0°），a2=0.015（0.5 MV，反射角45°），A1=10.54 m2，A2=9.78 m2，dls=8.52 m，dzz=9.7 m，d3=（x-1.4）m。

（3）主束通過患者體表，散射至墻a副墻，再經(jīng)過拐彎處的c 副墻散射，最后到達門口處的當量劑量Hps：

其中，a(θ)=0.001 35（10 MV，反射角45°），F(xiàn)=1 600 m2，a1=a2=0.22（0.5 MV，反射角45°），A1=10.54 m2，A2=9.78 m2，dsca=1 m，dsec=7.87 m，dzz=9.7 m，d4=（x-1.4）m。

故當180°拐彎延長迷路2.7 m時，射線到達門口的輻射劑量為18.53μSv/week。

按照計算所得迷路延長距離從短到長依次是180°拐彎迷路、90°拐彎迷路、直接延長迷路。

2 造價估算

2.1 不延長，安裝鉛門

按上述方法算出到達門口輻射的劑量為202.35μSv/week，周劑量限值為20μSv/week，透射因子B：

所需鉛的厚度XL：

5 mm鉛當量的4 m2鉛門市場價為20 000元。

2.2 直接延長迷路

迷路比之前增加了14.7 m，延長的兩側墻體和頂，因為處于地下室，且位于延長迷路段，原來頂部厚度足夠。墻需要混凝土的厚度XC=TVL·log(1/B)=11.9 cm，安全起見，延長迷路的墻體都按照50 cm 來計算。所需要的體積V（m3）：

浙江省2017年第一季度32.5強度等級混凝土價格1 m3單價為375 元，人工費208 元/d，故總費用=58.8×375+208=22 258元。

2.3 90°角拐彎延長迷路

迷路比之前增加了4.42 m，延長的一側墻體，因為處于地下室，且位于延長迷路段，原來頂部厚度足夠。所需要的體積V（m3）：

浙江省2017年第一季度32.5強度等級混凝土價格1 m3單價為375 元，人工費208 元/d。故總費用=15.04×375+208=5 848元。

2.4 180°角拐彎延長迷路

迷路比之前增加了2.7 m，延長的一側墻體，因為處于地下室，且位于延長迷路段，原來頂部厚度足夠。所需要的體積V（m3）：

浙江省2017年第一季度32.5強度等級混凝土價格1 m3單價為375 元，人工費208 元/d。故總費用=11.6×375+208=4 558元。

故90°角拐彎延長迷路和180°角拐彎延長迷路相對于傳統(tǒng)安裝鉛門有價格優(yōu)勢。

3 結論與討論

加速器機房迷路按直接延長、90°角拐彎延長、180°角拐彎延長3種方法，分別延長24.4、4.42、2.7 m后，射線到達門口的輻射劑量符合劑量控制水平。該醫(yī)用直線加速器機房的迷路使用180°角拐彎延長法可最大程度降低有效劑量，并獲得較高的性價比。

當今社會隨著腫瘤發(fā)病率的逐年提高，放療在腫瘤治療中的應用越來越多，它給人們帶來巨大利益的同時也存在潛在的危害，做好放射防護變得十分重要［12-13］。輻射防護的基本任務是在保護環(huán)境，保障從事輻射的工作人員，以及他們后代安全和健康的前提下，進行有必要的輻射照射工作［14-15］。

本設計基于Z型迷路機房進行改造，目前一般認為在屏蔽輻射方面的作用Z型迷路優(yōu)于L型迷路［16-17］。對于不同方向改變迷路設計計算方法基本一致，主要差異在于散射線和漏射線經(jīng)過屏蔽墻的碰撞次數(shù)和角度，在醫(yī)用直線加速器能量確定的基礎上，迷路門口的輻射劑量和迷路的走向、長度、寬度和內墻厚度等因素相關［18-19］。這次設計主要考慮迷路的長度和走向的變化，來改變門口輻射的水平。

在屏蔽材料的選擇上，一般優(yōu)先選擇混凝土，若機房空間有限時，則可采用主屏蔽墻體加鉛材料，將混凝土與鉛混合使用。改建機房時，鉛材料既能很好地滿足屏蔽要求又能節(jié)約空間，但成本會相對偏高，總體符合輻射防護最優(yōu)化原則［20-22］。

在本研究的設計改進方案中未考慮中子等因素，只適用于X 線≤10 MV 的加速器，只考慮漏射和散射的總和HTot，來計算門口所需屏蔽材料的厚度或者計算延長迷路使門口輻射劑量達到規(guī)定劑量范圍內所需的長度。預算價格不精確，實際會略有差異。