質(zhì)子重離子加速器治療中感生放射性的測(cè)量與防護(hù)

胡奇勝，楊 軍

(1.中國(guó)同輻股份有限公司，北京 100089；2.鄭州大學(xué)第三附屬醫(yī)院，河南 鄭州 450052)

近年來，惡性腫瘤發(fā)病率不斷上升，已成為全世界導(dǎo)致死亡的主要原因之一，成為嚴(yán)重危害人類生命健康、制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大類疾病[1]。當(dāng)前科學(xué)家正在不斷探究更有效的惡性腫瘤治療方式，目前的三大方式為手術(shù)、化療、放射治療，其中放射治療已經(jīng)成為治療惡性腫瘤常用的方法。目前65%～75%的惡性腫瘤在術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后綜合治療中需要采用放射治療，約40%的患者需采用放射治療進(jìn)行根治[2]。

隨著放射治療設(shè)備的不斷發(fā)展以及相關(guān)技術(shù)的改進(jìn)和提高，質(zhì)子重離子治療已經(jīng)成為放射治療領(lǐng)域最精準(zhǔn)、療效最好的治療方法，其中前列腺癌重離子放療的五年生存率和局控率超過90%[3]。質(zhì)子重離子是帶有正電荷的高能粒子，屬于高線性能量傳遞(LET)粒子。質(zhì)子重離子治療將失掉電子的氫原子核或重離子(如碳離子)，利用回旋加速器或者同步加速器加速到光速的 70%～80%，以極快的速度穿透到人體內(nèi)部，到達(dá)腫瘤組織所在特定部位，速度突然降低并停止，在射程終點(diǎn)處形成一個(gè)尖銳的劑量峰，稱為Bragg峰(“布拉格峰”)，使高劑量分布區(qū)調(diào)整嵌合在治療靶區(qū)，有效殺滅腫瘤組織[4]。然而，質(zhì)子重離子粒子能量過高會(huì)產(chǎn)生感生放射性，需要重視輻射防護(hù)。本文主要分析質(zhì)子重離子的治療特點(diǎn)、治療過程中產(chǎn)生的感生放射性及其大小和分布，以及對(duì)于感生放射性的劑量監(jiān)測(cè)和防護(hù)措施，以保障質(zhì)子重離子治療工作安全有效進(jìn)行。

1 質(zhì)子重離子治療與普通放射治療區(qū)別

放射性治療是用較強(qiáng)的放射性同位素射線如X、γ射線殺死腫瘤組織，射線從進(jìn)入人體表面開始到穿過腫瘤組織時(shí)，能量持續(xù)釋放，對(duì)于照射區(qū)域內(nèi)的腫瘤組織，普通放射治療的靶區(qū)精準(zhǔn)性有限，在破壞腫瘤組織的同時(shí)對(duì)鄰近正常組織也有不同程度的抑制及損害作用[5]。

質(zhì)子重離子治療最大的優(yōu)點(diǎn)是具有非常好的物理效應(yīng)和劑量分布，即具有非常尖銳的Bragg峰。當(dāng)質(zhì)子重離子進(jìn)入人體一定深度后，其能量陡然下降，劑量產(chǎn)生突然增加，且集中在峰區(qū)處釋放，峰區(qū)前后的劑量都很低。質(zhì)子重離子劑量釋放的峰區(qū)位置和寬度可以根據(jù)腫瘤靶區(qū)的位置和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，將Bragg峰控制在腫瘤靶區(qū)的邊界內(nèi)，實(shí)現(xiàn)“立體定點(diǎn)爆破”。因此，質(zhì)子重離子的療效比X、γ射線更好，劑量分布更理想，更多的保護(hù)病灶周邊正常組織不受損害，比普通放射治療更具精準(zhǔn)優(yōu)勢(shì)，可明顯提高腫瘤的療效[6]。由于該療法具有無創(chuàng)、毒副作用小、療程短以及療效好的優(yōu)勢(shì)，質(zhì)子重離子束被稱為是21世紀(jì)最理想的放射治療用射線，預(yù)計(jì)在未來十年，質(zhì)子重離子治療的推廣應(yīng)用將快速增長(zhǎng)。

2 感生放射性的產(chǎn)生原因

由于質(zhì)子重離子治療系統(tǒng)產(chǎn)生的質(zhì)子重離子束能量比較高，在束流損失能量過程中會(huì)通過(p，n)，(γ，n)等核反應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)中子，而次級(jí)中子能夠使周圍物質(zhì)活化，這種“殘留”輻射的現(xiàn)象，叫做感生放射性[7]。

感生放射性主要產(chǎn)生在質(zhì)子加速器的加速器室束流傳輸隧道的空氣、結(jié)構(gòu)部件、冷卻水以及周圍土壤中，與此同時(shí)還伴有放射性廢物的產(chǎn)生。

如果工作人員在停止出束后立即進(jìn)入放射治療室，可能受到過量感生放射性照射。然而感生放射性衰減較快，一般停止出束后2～10 min可以減少一半或更多，工作人員可適當(dāng)推遲進(jìn)入放射治療室，以避免遭受不必要的輻射。

質(zhì)子重離子加速器治療系統(tǒng)產(chǎn)生的感生放射性較高，室內(nèi)活化物隨運(yùn)行時(shí)間增加不斷累積，感生放射性也不斷增加。其產(chǎn)生的放射性對(duì)放射工作人員的健康影響逐年提高，因此應(yīng)加強(qiáng)感生放射性的測(cè)量和人員個(gè)人劑量的監(jiān)測(cè)，掌握治療場(chǎng)所活化核素的放射性劑量大小及對(duì)周圍環(huán)境的影響，采取有效的防護(hù)措施，盡可能減少感生放射性對(duì)工作人員的健康危害和治療患者二次致癌的風(fēng)險(xiǎn)。

3 次級(jí)中子的能量分布和劑量

在質(zhì)子重離子加速器治療過程中，質(zhì)子重離子的能量主要集中在100～250 MeV范圍內(nèi)，在該能量范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生不同能量的次級(jí)中子，而不同能量的中子產(chǎn)生的感生放射性貢獻(xiàn)不同，研究次級(jí)中子的能譜分布以及劑量大小，對(duì)分析感生放射性具有重要作用。

在100～250 MeV質(zhì)子重離子加速器治療范圍內(nèi)，其次級(jí)中子的能譜主要有兩種方式，一是采用MCNPX(蒙特卡羅)方法模擬計(jì)算，二是采用中子能譜儀實(shí)際測(cè)量得到次級(jí)中子的能譜數(shù)據(jù)。

經(jīng)過MCNPX模擬計(jì)算，次級(jí)中子能量分布列于表1。

根據(jù)國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)第60號(hào)出版物，不同種類的輻射與其所引起的隨機(jī)效應(yīng)概率相關(guān)，輻射隨機(jī)效應(yīng)與概率輻射權(quán)重因子成正比，不同能量中子的輻射權(quán)重因子也不同(圖1)，因此計(jì)算中子產(chǎn)生的劑量必須考慮該輻射權(quán)重因子[10]。

圖1 輻射權(quán)重因子與中子能量關(guān)系Fig.1 Relationship between radiation weighting factor and neutron energy

根據(jù)中子能量與輻射權(quán)重因子的關(guān)系，通過MCNPX模擬和測(cè)量得到質(zhì)子重離子加速器治療過程中產(chǎn)生的次級(jí)中子劑量大小。首先，在質(zhì)子重離子束流出口前方放置一個(gè)三維水箱用于模擬人體，水箱尺寸為 40 cm×40 cm×40 cm，在放射治療靶區(qū)中心的正前方1 m處布置6個(gè)與地面平行的點(diǎn)。然后，將質(zhì)子重離子束流調(diào)整為直徑8 cm，能量230 MeV, 射程范圍5 cm, 電流6 nA。在以上條件下對(duì)治療過程中次級(jí)中子的劑量數(shù)據(jù)進(jìn)行MCNPX模擬和采用ThermoFisher FHT762中子劑量率儀測(cè)量，結(jié)果示于圖2。

圖2 MCNPX模擬數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.2 Comparison diagram of MCNPX simulation data and measured data

從圖2可以看出，MCNPX模擬和采用中子劑量率儀測(cè)量得到的數(shù)據(jù)吻合度高。主要因?yàn)椋阂皇谴渭?jí)中子的能量主要集中在中低能，處于中子劑量率儀能量響應(yīng)較好的范圍；二是中子劑量率儀的中子能量響應(yīng)范圍非常寬，從熱中子到5 GeV，對(duì)于次級(jí)高能中子奉獻(xiàn)的劑量沒有忽略。

4 感生放射性的形態(tài)

由于次級(jí)中子存活的時(shí)間非常短，在治療結(jié)束后的幾秒內(nèi)被慢化、散射和吸收，次級(jí)中子劑量的危害主要是對(duì)治療患者二次致癌的風(fēng)險(xiǎn)[11]。

當(dāng)質(zhì)子重離子加速器射線束停止后，雖然次級(jí)中子很快就消失，但依舊存在“殘留”輻射現(xiàn)象，通常是中子活化的結(jié)果。其中，慢中子通過(n，γ)俘獲反應(yīng)生成放射性核素，大多數(shù)核的慢化中子活化截面很大?？熘凶?>0.1 MeV)活化通過(n，p)、(n，α)、(n，2n)和(n，n′γ)閾能反應(yīng)生成放射性核素。快中子比慢中子的活化截面小，但是對(duì)輕元素具有較高的反應(yīng)靈敏度。

感生放射性主要產(chǎn)生在質(zhì)子加速器的加速器室束流傳輸隧道的空氣、結(jié)構(gòu)部件、冷卻水以及周圍土壤中，與此同時(shí)還伴有放射性廢物的產(chǎn)生。

1) 空氣活化。束流傳輸隧道和加速器廳的空氣被活化后，產(chǎn)生的感生放射性核素主要是O-15、N-13、Ar-41和C-11，其半衰期在7.3 s～1.83 h，輻射類型是β和γ，主要通過40Ar(n，γ)41Ar、12C(n，γ)13N、16O(γ，n)15O和14N(p，α)11C反應(yīng)產(chǎn)生[12]。

2) 結(jié)構(gòu)部件活化。質(zhì)子重離子加速器在結(jié)構(gòu)部件引起活化的主要部位是束流損失較大的部位，如束流管、旋轉(zhuǎn)機(jī)架、準(zhǔn)直器、治療床等結(jié)構(gòu)材料。這些結(jié)構(gòu)材料的材質(zhì)主要是鐵、銅、鋁和不銹鋼。產(chǎn)生的感生放射性核素主要是Fe-55、Fe-59、Cu-64、Mg-27、Al-28、Na-22、Mn-54、Zn-65和Ni-65；半衰期為2.3 min～12.8 h，產(chǎn)生輻射類型是β和γ[13]。

3) 冷卻水活化。中子引起質(zhì)子重離子加速器冷卻水活化，產(chǎn)生的感生放射性核素主要是Be-7、H-3、C-11、N-13、O-15等，其中Be-7半衰期53.28 d，H-3半衰期12.33 a，其余的核素半衰期均較短，小于21 min[14]。

質(zhì)子重離子加速器治療過程中產(chǎn)生的感生放射性存在多種形態(tài)，在空氣中、冷卻水、治療機(jī)架、治療床和地面等都會(huì)存在，因此在分析感生放射性對(duì)環(huán)境和人員的輻射效應(yīng)時(shí)，需要綜合考慮各種形態(tài)特點(diǎn)和產(chǎn)生的影響。

5 感生放射性劑量測(cè)量

感生放射性有多重形態(tài)存在，影響較大的是治療室內(nèi)的感生放射性。質(zhì)子重離子加速器，其核心裝置為同步加速器，直徑21 m，可加速質(zhì)子和重離子，質(zhì)子能量為50～220 MeV，重離子能量為85～430 MeV，能量持續(xù)可調(diào)。應(yīng)根據(jù)質(zhì)子重離子治療的不同類型、能量組成及工作時(shí)長(zhǎng)，測(cè)量固定束流旋轉(zhuǎn)機(jī)架治療室內(nèi)產(chǎn)生的感生放射性大小，以及其隨空間和時(shí)間的變化規(guī)律。本文采用ThermoFisher的空氣電離室FHT 191N測(cè)量治療室內(nèi)感生放射性，γ射線能量范圍35 keV～7 MeV，劑量率范圍為10 nSv/h～10 Sv/h，儀器測(cè)量誤差為±10%以內(nèi)。

當(dāng)固定束流時(shí)，質(zhì)子重離子能量為180 MeV，流強(qiáng)2 nA，運(yùn)行20 min后停機(jī)，測(cè)量治療床和工作人員擺位處感生放射性劑量率隨時(shí)間變化，結(jié)果列于表2。表2數(shù)據(jù)表明，治療床和工作人員擺位處都存在較大的感生γ輻射劑量率，治療床的感生γ輻射劑量率高于工作人員擺位處的感生γ輻射劑量率，隨時(shí)間的推移呈指數(shù)衰減。

表2 固定束流感生放射性劑量率Table 2 Fixed beam induced radioactivity dose rate

當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)架治療時(shí)，質(zhì)子重離子能量為230 MeV，治療深度23 cm，運(yùn)行5 min后停機(jī)，測(cè)量治療床和工作人員擺位處感生放射性劑量率隨時(shí)間變化結(jié)果列于表3。大劑量照射后，該工作場(chǎng)所內(nèi)感生γ輻射劑量率較大?！峨婋x輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18871-2002)[15]中規(guī)定放射性工作人員職業(yè)照射的個(gè)人劑量限值：任何一年中的有效劑量為50 mSv，如果長(zhǎng)期在此環(huán)境中工作，將對(duì)工作人員的健康產(chǎn)生非常大的危害，因此需要采取相應(yīng)措施保護(hù)相關(guān)工作人員的安全。

表3 旋轉(zhuǎn)機(jī)架治療室感生放射性劑量率Table 3 Rotating rack induced radioactivity dose rate

6 感生放射性的防護(hù)措施

由于感生放射性中有半衰期較長(zhǎng)的核素，其具有一定的累積性，產(chǎn)生的放射性對(duì)放射治療工作人員的影響將逐年增加，為了控制該職業(yè)危害，必須采取有效的輻射防護(hù)措施，減少感生放射性對(duì)工作人員的危害，以及對(duì)環(huán)境的影響。根據(jù)輻射防護(hù)的三要素：時(shí)間、距離和屏蔽[16]，可采取的措施如下。

第一，質(zhì)子重離子治療場(chǎng)所空氣活化核素是工作人員所受劑量的主要組成部分，因其以氣態(tài)形式存在，且半衰期較短，直接排出室外對(duì)環(huán)境和公眾的劑量值在約束值內(nèi)，可采取有效的排風(fēng)設(shè)施排出，盡可能降低場(chǎng)所中的空氣活化核素濃度。

第二，在正常運(yùn)行時(shí)，冷卻水中活化核素處于閉環(huán)狀態(tài)，不存在排放。但應(yīng)當(dāng)設(shè)立儲(chǔ)水槽，用于在事故或必要時(shí)存儲(chǔ)更換的冷卻水，進(jìn)行取樣分析，確定放射性濃度低于相關(guān)管理限制后再排放。

第三，盡管因質(zhì)子重離子設(shè)備昂貴且患者眾多，在保證放療質(zhì)量和綜合經(jīng)濟(jì)因素的同時(shí),仍應(yīng)安排放療工作人員在治療結(jié)束一定時(shí)間后再進(jìn)入治療室，并且應(yīng)規(guī)范操作流程，加強(qiáng)操作熟練度，盡量縮短在治療室停留的時(shí)間。

第四，放療工作人員在進(jìn)入治療場(chǎng)所應(yīng)該穿戴鉛衣、鉛帽、鉛圍脖、鉛眼鏡等防護(hù)用品，降低工作人員受到的輻射劑量，減輕感生放射性的輻射損傷。

最后，加強(qiáng)放射治療場(chǎng)所和工作人員的劑量監(jiān)測(cè)，以及防止人員誤入的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。對(duì)于工作場(chǎng)所的感生放射性應(yīng)設(shè)置實(shí)時(shí)在線輻射劑量監(jiān)控，按月和年度統(tǒng)計(jì)場(chǎng)所輻射劑量的變化，如出現(xiàn)重大變化需及時(shí)排查原因。對(duì)于工作人員，除佩戴熱釋光劑量計(jì)，在進(jìn)入工作場(chǎng)所時(shí)還應(yīng)當(dāng)佩戴電子個(gè)人劑量計(jì)，以備出現(xiàn)意外情況時(shí)實(shí)時(shí)報(bào)警提示，以及配置防止人員誤入的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，保護(hù)人員的安全。

7 結(jié)論

質(zhì)子重離子治療相關(guān)感生放射性對(duì)人體健康所造成的影響具有潛伏期長(zhǎng)、效應(yīng)出現(xiàn)較晚的特點(diǎn)，因此在保證放射治療質(zhì)量和綜合經(jīng)濟(jì)因素的同時(shí)，應(yīng)使放射治療工作人員遭受的感生放射性劑量保持在盡可能低的水平。感生放射性與加速器能量、粒子類型、旋轉(zhuǎn)機(jī)架與周圍物品的架構(gòu)材料、照射時(shí)間、冷區(qū)時(shí)間等諸多因素密切相關(guān)，可以從以下方面采取輻射防護(hù)措施：一是采用有效的排風(fēng)設(shè)施，降低空氣中的感生放射性水平；二是設(shè)立儲(chǔ)水槽，用于在事故或必要時(shí)存儲(chǔ)更換下來的冷卻水；三是提高工作效率、縮短滯留在治療室內(nèi)的時(shí)間，以及合理推遲停止照射后進(jìn)入治療室的時(shí)間；四是做好個(gè)人防護(hù)，正確穿戴含鉛防護(hù)用品；五是配置輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)并加強(qiáng)放療場(chǎng)所和工作人員的劑量監(jiān)測(cè)。以上防護(hù)措施可減少和避免感生放射性對(duì)工作人員及患者的健康危害，為安全有效地進(jìn)行質(zhì)子重離子治療提供保障。