射波刀放射治療機(jī)房輻射屏蔽方案研究

劉育辰

（四川省核工業(yè)輻射測試防護(hù)院（四川省核應(yīng)急技術(shù)支持中心），四川 成都 610052）

射波刀（Cyberknife）是一種新型立體定向放射治療裝置，它整合了最先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)、智能影像實(shí)時(shí)監(jiān)控以及追蹤系統(tǒng)，將一個(gè)6 MV X射線的輕型電子直線加速器安放在有6個(gè)自由度的機(jī)械臂上，利用機(jī)械臂的全向投照能力精確地對腫瘤進(jìn)行非共面和多中心的放射治療。與直線加速器和伽馬刀相比，射波刀的優(yōu)勢如下：1） 治療精確?？梢砸揽快`活的機(jī)械臂從非共面的不同角度對腫瘤進(jìn)行照射，具有較好的劑量適形與均勻效果。2） 無痛無創(chuàng)。無須安裝頭部固定架，避免了患者在治療過程中和治療后的疼痛及不適。3） 毒副作用小。可追蹤隨呼吸而運(yùn)動的活動臟器部位的腫瘤，最大限度地減少對腫瘤周圍正常組織的損傷。該文采用《放射治療機(jī)房的輻射屏蔽規(guī)范 第2部分：電子直線加速器放射治療機(jī)房》（GBZ/T 201.2—2011）（簡稱GBZ/T 201.2—2011）中的公式計(jì)算某醫(yī)院射波刀機(jī)房的屏蔽厚度，將計(jì)算值與機(jī)房設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比分析，旨在對射波刀機(jī)房屏蔽計(jì)算方法的可靠性進(jìn)行分析，從而為機(jī)房的屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 基本概況

云南省某醫(yī)院擬引進(jìn)1臺M6 FM型射波刀，其最大X射線能量為6 MV，焦點(diǎn)劑量率為10 Gy/min。射波刀機(jī)房占地面積198 m，有效使用面積56 m，機(jī)房內(nèi)長8.00 m，寬7.00 m，高4.50 m。東北、西北和西南側(cè)墻體是厚度為2.50 m的混凝土，屋頂是厚度為2.50 m的混凝土；東南側(cè)機(jī)房入口設(shè)置7.00 m長L型迷道，迷道內(nèi)墻是厚度為1.36 m～2.50 m的混凝土，迷道外墻是厚度為1.37 m～2.50 m的混凝土，防護(hù)門為15 mm鉛當(dāng)量。機(jī)房平面布置圖如圖1所示。

根據(jù)“滿足診治工作要求、有利于輻射防護(hù)和環(huán)境保護(hù)以及各組成部分功能分區(qū)明確，既能有機(jī)聯(lián)系，又不相互干擾”的原則，射波刀工作場所選址和平面布置分析如下：射波刀機(jī)房位于放療中心（單層獨(dú)棟建筑）一層西南側(cè)，機(jī)房西南側(cè)區(qū)域由西北向東南依次為設(shè)備間、儲物間、控制室和醫(yī)生辦公室，東南側(cè)為候診大廳，北側(cè)為直線加速器機(jī)房，樓上、樓下對應(yīng)區(qū)域均無構(gòu)筑物。射波刀機(jī)房所在位置相對獨(dú)立，機(jī)房周圍相鄰區(qū)域未設(shè)置人員長期居留場所，避開了門診大樓、收費(fèi)處等人群稠密區(qū)域；同時(shí)，機(jī)房屏蔽體外50 m范圍內(nèi)無自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)和生態(tài)紅線等生態(tài)敏感目標(biāo)，也無居民、學(xué)校等保護(hù)目標(biāo)，其選址和平面布置滿足《放射治療放射防護(hù)要求》（GBZ 121—2020）、《放射治療輻射安全與防護(hù)要求》（HJ 1198—2021）中的相關(guān)要求。從輻射安全的角度考慮，射波刀工作場所的平面布置是合理的。

圖1 機(jī)房平面布置圖（單位：mm）

2 機(jī)房屏蔽計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

根據(jù)GBZ/T 201.2—2011中D.3推薦方法核算射波刀機(jī)房屏蔽防護(hù)水平是否達(dá)標(biāo)。在射波刀運(yùn)行時(shí)，有用線束會朝向四周墻體及屋頂部位，由于來自射波刀的泄露輻射及人體散射輻射的能量及劑量率都遠(yuǎn)小于有用線束，如果治療機(jī)房墻體能屏蔽有用線束，那么也一定能夠屏蔽來自射波刀的泄露輻射及人體散射輻射，因此該文對射波刀機(jī)房屏蔽設(shè)計(jì)方案的核算是根據(jù)機(jī)房各面屏蔽體對有用線束的屏蔽效果進(jìn)行探討的。

2.2 關(guān)注點(diǎn)設(shè)定

在射波刀機(jī)房設(shè)計(jì)尺寸厚度的基礎(chǔ)上，假定以最大工況（劑量率為10 Gy/min）運(yùn)行，在射波刀機(jī)房外設(shè)定關(guān)注點(diǎn)，針對關(guān)注點(diǎn)的最不利情況（即各面屏蔽體外，人員可到達(dá)的距離射線源最近的地方）對機(jī)房的屏蔽厚度進(jìn)行核算。因?yàn)闄C(jī)房下方?jīng)]有構(gòu)筑物，所以不考慮地面的防護(hù)。機(jī)房平面關(guān)注點(diǎn)設(shè)定如圖2所示，機(jī)房剖面關(guān)注點(diǎn)設(shè)定如圖3所示，各關(guān)注點(diǎn)劑量率參考控制水平和有用線束照射路徑見表1。

根據(jù)GBZ/T 201.2—2011中的D.3.3.2 可知，機(jī)房外的劑量率參考控制水平He的建議，取10 μSv/h；根據(jù)GBZ/T 201.2—2011中的5.2.6.2可知，有用線束向迷路照射，機(jī)房防護(hù)門須考慮2倍安全系數(shù)。因此，機(jī)房門口g點(diǎn)處劑量率參考控制水平He，取5 μSv/h；根據(jù)GBZ/T 201.2—2011中的4.3.2.5可知，機(jī)房迷路入口還應(yīng)考慮有用線束經(jīng)患者散射至迷路墻體，再二次散射至防護(hù)門處的散射輻射以及泄漏輻射經(jīng)迷路內(nèi)墻屏蔽后在迷路入口處的輻射劑量，該處劑量率參考控制水平，取5 μSv/h的1/4，即1.25 μSv/h。

表1 射波刀機(jī)房各關(guān)注點(diǎn)劑量率參考控制水平和有用線束照射路徑

2.3 機(jī)房屏蔽厚度核算

采用GBZ/T 201.2—2011的相關(guān)公式計(jì)算射波刀機(jī)房所需屏蔽墻體厚度。按公式（1）、公式（2）估算所需的有效屏蔽厚度X（cm），再根據(jù)公式（3）獲得屏蔽厚度X（cm），將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)厚度進(jìn)行比較，分析是否滿足屏蔽厚度的要求。

式中：B為屏蔽透射因子；He為劑量率參考控制水平，μSv/h；H為加速器有用線束中心軸上距產(chǎn)生治療X射線束的靶1 m處常用最高劑量率，μSv·m/h（射波刀的劑量率H=10×0.8×60×10=3.84×10μSv/h）；R為輻射源點(diǎn)（靶點(diǎn)）至關(guān)注點(diǎn)的距離，m（為SAD+等中心點(diǎn)至墻外30 cm距離，其中SAD為80 cm）；f為有用線束，f=1；θ為斜射角，即入射線與屏蔽物質(zhì)平面的垂直線之間的夾角（主屏蔽墻0°入射）；TVL和TVL為輻射在屏蔽物質(zhì)中的第一個(gè)什值層厚度和平衡什值層厚度，cm（查GBZ/T 201.2—2011附錄B表B.1，對應(yīng)6 MV的X射線能量，其有用射束在混凝土中的TVL為37cm，TVL為33 cm）；X為有效屏蔽厚度；X為墻體屏蔽厚度。

圖2 射波刀機(jī)房平面預(yù)測點(diǎn)布置圖

圖3 射波刀機(jī)房剖面預(yù)測點(diǎn)布置圖

2.3.2 機(jī)房防護(hù)門屏蔽厚度核算

根據(jù)GBZ/T 201.2—2011中的4.3.2.5.1可知，機(jī)房入口關(guān)注點(diǎn)g處的輻射劑量率主要由2個(gè)路徑項(xiàng)“O→g”、“O→i→g”產(chǎn)生的輻射劑量率組成。路徑“O→i→g”產(chǎn)生的散射輻射劑量率H如公式（4）所示。

表2 射波刀機(jī)房蔽墻屏蔽厚度核算

式中：H為關(guān)注點(diǎn)g處的散射輻射劑量率，μSv/h；H為加速器有用線束中心軸上距產(chǎn)生治療X射線束的靶1 m處常用的最高劑量率，H=3.84×10μSv/h；α為患者受照面積400 cm的散射因子，根據(jù)GBZ/T 201.2—2011附錄B表B.2可知，通常取45°散射角的值，采用6 MV欄內(nèi)的值，即α=1.39×10；F為治療裝置有用線束在等中心處的最大治療野面積，cm，射波刀等中心處最大治療野為10.0 cm×11.5 cm；α為墻入射的患者散射輻射的散射因子，患者一次散射角為45°，墻入射角為45°，墻散射角近似按0°計(jì)算，查GBZ/T201.2-2011附錄B表B.6，通常使用其0.5 MeV欄內(nèi)的值，得混凝土墻45°入射、0°散射、1m的散射因子α=22×10；A為散射面積，m（當(dāng)內(nèi)口高度為4.0 m時(shí)，散射面積為1.34 m×4.50 m =6.03 m）；R為第一次散射路徑，R=530 cm；R為第二次散射路徑，R=920 cm。

經(jīng)計(jì)算可知，路徑“O→i→g”在機(jī)房入口關(guān)注點(diǎn)g處的散射輻射劑量率H=8.56 μSv/h。

路徑“O→g”為有用線束穿過迷路內(nèi)墻產(chǎn)生的輻射劑量率H，如公式（5）～公式（7）所示。

經(jīng)計(jì)算可知，路徑“O→g”在機(jī)房入口關(guān)注點(diǎn)g處的輻射劑量率H=0.24 μSv/h。

所需的鉛屏蔽透射因子B如公式（8）所示。

式中：H為輻射劑量率管理限值，H=5 μSv/h；H為有用線束穿過迷路內(nèi)墻在g處的劑量率，H=0.24 μSv/h；H為機(jī)房入口關(guān)注點(diǎn)g處的散射輻射劑量率，H=8.56 μSv/h。

經(jīng)計(jì)算可知，鉛屏蔽透射因子B=（5-0.24）/8.56=0.56。

根據(jù)GBZ/T 201.2—2011中的5.2.6.1 c可知，入口處散射輻射能量約為0.2 MeV，鉛的TVL為5.00 mm，相應(yīng)的鉛厚度X=TVL·logB-1=1.26 mm；射波刀機(jī)房防護(hù)門實(shí)際設(shè)計(jì)為15.00 mm鉛當(dāng)量，滿足GBZ/T 201.2—2011的要求。

2.4 射波刀自帶X射線管屏蔽效果分析

射波刀的靶區(qū)定位（影像）追蹤系統(tǒng)是由機(jī)房天花板上安裝的2個(gè)X射線球管和安裝于地板平面下的影像探測器組成。2個(gè)X射線球管發(fā)出的低能X射線相互垂直，交叉穿過頭顱（或患者腫瘤的治療部位），通過影像探測器獲得顱骨的數(shù)字圖像，并將影像資料傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)與事先CT掃描（病人治療前先作CT定位，將定位影像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)）獲得的顱骨數(shù)字重建圖像進(jìn)行對比，先確定顱骨的精確位置，再得出治療靶目標(biāo)（病灶）的精確位置。

射波刀系統(tǒng)上自帶的2個(gè)低能X射線管最大管電壓為150 kV，根據(jù)《放射診斷放射防護(hù)要求》（GBZ 130—2020）表3“標(biāo)稱125 kV以上的攝影機(jī)房有用線束方向鉛當(dāng)量應(yīng)不得低于3.0 mm鉛當(dāng)量”以及附錄C表C.7可知，在150 kV有用線束下，255.0 mm混凝土相當(dāng)于3.0 mm鉛當(dāng)量，而射波刀機(jī)房各面墻體最小屏蔽厚度為2 500.0 mm混凝土，遠(yuǎn)大于255.0 mm混凝土，因此，雖然2個(gè)低能X射線管運(yùn)行時(shí)也會產(chǎn)生X射線，但是其能量遠(yuǎn)低于射波刀有用線束，經(jīng)射波刀機(jī)房屏蔽后對機(jī)房周圍的輻射影響很小。

表3 屏蔽厚度計(jì)算值與設(shè)計(jì)值對比

2.5 綜合分析

由表3可知，射波刀機(jī)房各面屏蔽體厚度的實(shí)際設(shè)計(jì)值均大于理論計(jì)算值，因此射波刀機(jī)房的輻射屏蔽設(shè)計(jì)方案能滿足GBZ/T 201.2—2011的要求。

3 結(jié)論

該文根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)得出2個(gè)結(jié)論：1） 應(yīng)用GBZ/T 201.2—2011中的公式計(jì)算射波刀機(jī)房各面屏蔽體厚度，計(jì)算結(jié)果表明，射波刀機(jī)房的實(shí)際設(shè)計(jì)屏蔽厚度值大于理論計(jì)算值，設(shè)計(jì)方案能滿足輻射屏蔽防護(hù)和環(huán)境保護(hù)的要求。2） 該文以實(shí)例探討射波刀機(jī)房輻射屏蔽的計(jì)算方法，并結(jié)合設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，可為射波刀機(jī)房輻射屏蔽的計(jì)算和方案設(shè)計(jì)提供參考。可靠的輻射屏蔽計(jì)算對射波刀機(jī)房的設(shè)計(jì)和選址具有重要指導(dǎo)意義，是避免環(huán)境輻射污染、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的有效舉措，也是保障工作人員及公眾安全的重要前提。