医用直线加速器室辐射屏蔽防护的优化设计

复旦学报(医学版)

FudanUnivJMedSci2006Jul.,33(4)

医用直线加速器室辐射屏蔽防护的优化设计

王洪林

1󰀂

󰀁陶󰀁莉󰀁陈󰀁剑󰀁李云海󰀁顾乃谷󰀁吴锦海󰀁王󰀁力

111222

上海󰀁200032)

(1复旦大学附属上海市第五人民医院放疗科󰀁复旦大学上海医学院影像学教研室󰀁上海󰀁200240;2复旦大学放射研究所󰀁

摘要!󰀁目的󰀁满足国家标准GB18871󰀁2002电离辐射防护与辐射安全基本标准的同时,优化设计医用加速器室的辐射屏蔽防护。方法󰀁以新的国家标准GB18871󰀁2002电离辐射防护与辐射安全基本标准为准则,运用电离辐射屏蔽原理、计算方法,根据安装的医用加速器所具有的辐射物理特点和辐射防护的发展需求,对所有产生的射线进行严谨的、规范的和优化的屏蔽计算。结果󰀁辐射屏蔽防护符合我国医用加速器机房使用标准。结论󰀁我院医用加速器室屏蔽防护可以满足新的国家标准GB18871󰀁2002电离辐射防护与辐射安全基本标准,并降低了辐射防护成本,兼顾了辐射防护的发展需求。 关键词!󰀁医用加速器;󰀁辐射防护标准;󰀁屏蔽优化设计 中图分类号!󰀁R815.6󰀁󰀁 文献标识码!󰀁A

Optimumdesignfortheshieldingprotectionofmedicallinearaccelerator

WANGHong󰀁lin1,TAOLi1,CHENJian1,LIYun󰀁hai1,GUNai󰀁gu2,WUJing󰀁hai2,WANGLi2

(1DepartmentofRadiotherapy,ShangHaiNo.5Hospital,FudanUniversity󰀁Departmentof

MedicalImageology,ShanghaiMedicalCollege,FudanUniversityShanghai200240;

2

RadiationResearchInstitute,FudanUniversityShanghai200032,China)

Abstract!󰀁Purpose󰀁TomeetthegovernmentstandardbasiccriterionGB18871󰀁2002forradiationprotectionandsafety,andtooptimizethedesignoftheshieldingprotectionofmedicallinearaccelera󰀁tor.󰀁Methods󰀁BasedonthelatestgovernmentstandardGB18871󰀁2002forradiationprotectionandsafety,withsustainabledevelopmentofradiationprotectioninmind,andaccordingtotheradiationphysicscharacteristicsofthemedicallinearacceleratorthatwouldbeinstall,weundertookarigorousandoptimizedcalculationfortheprotectionneededfortheradiationoftheaccelerator.󰀁Results󰀁TheoptimumdesignfortheshieldingprotectionofmedicallinearacceleratormetthelatestgovernmentstandardGB18871󰀁2002forradiationprotectionandsafety.󰀁Conclusions󰀁TheoptimumdesignfortheshieldingprotectionofmedicallinearacceleratormetthelatestgovernmentstandardGB18871󰀁2002forradiationprotectionandsafety,andloweredthecostofradiationprotectionandmetthesustainablede󰀁velopmentofradiationprotectionaswell.

Keywords!󰀁medicallinearaccelerator;󰀁standardforradiationprotection;󰀁optimumdesignfortheshieldingprotection

󰀁󰀁医用加速器辐射屏蔽防护设计是一项严谨的、系统的和专业化的工作。在医用加速器辐射屏蔽防护设计时必须满足医用人员职业照射水平和周围环境辐射水平最新国标要求,并要考虑辐射防护的发展需求,同时尽可能的降低辐射防护的费用。如何进行医用加速器室辐射屏蔽防护的优化设计?如何进行辐射屏蔽理论计算?计算程序和步骤有那些?作者结合本单位新安装的医用直线加速器的物理特性和加速器室实际情况,在加速器机房辐射屏蔽防护和安全设计时,满足新的国标同时考虑辐射防护

󰀁

󰀂

的发展需求,对装备医用加速器所具有的辐射特性和新建加速器机房空间格局、辐射屏蔽的土建材料以及周围环境特点,运用辐射剂量学和辐射卫生学原理对新建加速器机房主屏蔽墙、次屏蔽墙、迷路、防护门、控制室进行了加速器室辐射屏蔽防护的优化设计。

资料和方法

照射水平控制值󰀁国际辐射防护委员会

通讯作者󰀁王洪林,等.医用直线加速器室辐射屏蔽防护的优化设计

557

(ICRP)、国际原子能机构(IAEA)分别于1990年和1997年发表了有关辐射防护的新的建议和新的国际辐射防护标准。我国也予2002年颁布了新的国家辐射防护与辐射安全基本标准(国标)。

按照∀国标#定义,凡在本底辐射照射水平上额外增加人们受照水平或增加受照可能的人类活动,为辐射∀实践#。与实践相关的人类活动一定是事先计划并自始至终受到国家有关行政机构控制。实践的辐射防护必须遵循三项原则:实践正当性、防护最优化和个人剂量限值。根据当前国际和国家辐射防护标准关于职业放射工作人员剂量限值在辐射屏蔽厚度计算时,连续5年的平均有效剂量以20mSv/年作为吸收剂量控制值;如果照射以∀周(wk)#或∀小时(h)#计,则吸收剂量控制值为HL,w=0.4mSv/wk;HL,h=0.01mSv/h,任何1年的有效剂量为50mSv。而根据最优化原则,屏蔽防护设计时,职业放射工作人员的年剂量目标植不高于:5mSv[1~3]。

屏蔽计算原理和方法󰀁医用加速器主要屏蔽对象是初级X射线(有用射线束)、泄露X射线、散射X射线、漏射中子等。用加速器电子束进行治疗时,入射电子全部被人体组织吸收,尽管人体吸收电子时也会产生韧致辐射,但若辐射防护屏障能把加速器产生的X线衰减到符合辐射防护要求的话,那么就已经远远超过衰减电子束在人体产生的韧致辐射所需要的屏蔽防护要求,所以主要是对X线和中子辐射屏蔽。屏蔽初级X射线(有用射线束)的方向有地面、两侧墙和顶棚的局部。由于一楼下面无地下室,所以只须对两侧墙和顶棚的局部厚度进行屏蔽防护计算(主墙屏蔽)。屏蔽泄露X射线、散射X射线是地面、四周墙和顶棚全部,所以必须对四周墙和顶棚的厚度进行屏蔽防护计算(副墙屏蔽),并且取泄露X射线、散射X射线两者中最大的屏蔽厚度值,如果两者相差小于一个十倍衰减厚度,偏安全考虑副墙屏蔽可以再增加一个半衰减厚度。

进行X线屏蔽计算,需要确定入射辐射衰减的程度(衰减倍数K),经这一程度衰减后,所关心位置上的照射水平不超过剂量限值。本文的医用加速器加速电压为15MV时进行屏蔽计算。加速器室其他条件设计为:辐射源到主墙和副墙距离为4m;加速器迷路宽为1.8m,第一、二、三段迷路的长度分别是d16.5m、d27m、d32m;加速器屋顶周围20m无任何建筑物。

X射线的屏蔽计算󰀁d初级X射线K=(W∃Q∃U/r2)/HL,w[4]K:衰减倍数

W:工作负荷,单位为Gy∃m/wk,测算我院的2

医用加速器工作负荷为1500Gy∃m2/wk,考虑未来一定时间内发展取W=1800Gy∃m/wk。

Q:逗留因子,职业照射时Q=1

U:束方向因子,对于初级射线束,直接照射墙壁时束方向因子U=1(墙壁束方向因子U=1/4)

r:所关心位置离开辐射源距离(单位m),从上已知各关心位置至少r%4,偏安全考虑取r为4m

HL,w:0.4mSv/wk,即0.0004Sv/wkd初级X射线:初级X射线的需要屏蔽厚度将上述值代入公式K=(W∃Q∃U/r)/HL,w,则K=2.81∃105

衰减倍数K与达到这一衰减倍数需要的十倍衰减厚度的个数N1/10的关系为:N1/10=Lg(K)。所以,十倍衰减厚度个数N1/10=Lg(K)=5.44。未经屏蔽的X线十倍衰减厚度和经过适当屏蔽的X线十倍衰减厚度不完全相当,计算初级X射线的屏蔽厚度需要考虑第一个十倍衰减厚度和平衡十倍衰减厚度,而泄露和散射X射线已经适当屏蔽,仅需要平衡十倍衰减厚度。加速器加速电压15MV时的混凝土第一个十倍衰减厚度为45.7cm,平衡十倍衰减厚度为42.2cm,半衰减厚度为12.7cm。

则:d初级X射线=45.7+42.2∃(5.45-1)=233.75cm泄露X射线的屏蔽计算󰀁d泄露X射线K=(W∃Q∃0.001/r)/HL,wK、W、Q、r、HL,w意义同上

2

[4]

22

0.001为泄露X射线的照射水平出厂时规定不超过同样距离上初级X射线照射水平的0.1%d泄露X射线:泄露X射线需要屏蔽厚度

将上述值代入公式K=(W∃Q∃0.001/r2)/HL,w,则K=2.81∃102

十倍衰减厚度个数N1/10=Lg(K)=2.45加速器加速电压15MV时的混凝土时d泄露X射线=103.39cm

散射X射线的屏蔽计算󰀁d散射X射线

K=[(W∃Q∃󰀁m/r散射体2∃r散射屏蔽2)∃󰀁/400]/HL,wK、W、Q、HL,w意义同上

am:受照表面中心照射水平的比值,为0.06%[5]r散射体:辐射源到病人体表的距离,为1mr散射屏蔽:散射线的屏蔽距离从图1可知取4ma:病人体表最大受照面积,取20∃20cm2d散射X射线:散射X射线需要屏蔽厚度

将上述值代入公式K=[(W∃Q∃󰀁m/r散身体∃r散射屏蔽2)∃󰀁/400]/HL,w󰀁则K=1.69∃102

2

[4]

十倍衰减厚度个数N1/10=Lg(K)=2.23,加速器加速电压10MV时的混凝土时d散射X射线=94.1cm

所以,副墙屏蔽最大厚度为103.39cm+12.7

558复旦学报(医学版)󰀁2006年7月,33(4)󰀁

cm=116cm

迷路辐射屏蔽󰀁迷路屏蔽作用是使次级射线到达迷路入口至少经过三次以上散射,强度明显减弱,在设计时要估计迷路入口处剂量。

迷路入口处X线空气比释动能率为:

0∃ 0∃A0( r∃Ar)K迷路口=󰀂

[(IIdi)]2,i=1[6]。

j-1

屏蔽主要使其慢化,机房和屏蔽门可以采用使中子慢化材料。由于加速器机房各墙壁和迷路均采用混凝土作为屏蔽层材料,各防护墙的混凝土含有足够量的氢原子,而且其骨料又是低原子序数材料,因此混凝土不仅适用对X线和电子束的屏蔽防护,同时

/d0∃

也是常用于中子的屏蔽。另外可以在靠近控制室一侧墙上敷贴中子慢化的材料如硼、石蜡等,当有中子产生时通风后1~2min后医务人员才可以进入机房。屏蔽门也要给予中子慢化材料,该加速器机房屏蔽门的铅当量为15mm,同时在铅皮后添加有硼、石蜡等材料厚160mm,用于中子慢化的屏蔽防护,该屏蔽门具有资质的专业厂家制造。该加速器机房的通风设计按照国家标准执行,不再详述。

K0:医用电子加速器90&方向1m处空气比释动能率

0:医用电子加速器90&方向出射X线在混凝土墙上反射面积系数,其高估值为0.005

A0:医用电子加速器90&方向出射X线在混凝土墙上反射面积,其最大值为2.56m2

J:迷路的转折段数,J为3

0:反射X线在迷路墙上反射系数,取最大值0.04[6]

Ar:迷路横截面积,即迷路宽∃高

d0:X射线源到第一段迷路中心距离,为3md1、d2、d3分别是第一、二、三段迷路的长度,从上已知分别为6.5m、7m、2m;

迷路较宽则有利于人员行走和设备搬运方便,但不利于散射屏蔽;如果太窄又不利于工作,迷路屏蔽设计时要同时兼顾。我院加速器迷路宽设计为1.8m,开口处向射源方向稍突出,这样既有利辐射屏蔽,又方便工作。

将上述值代入公式后得到值作为有效剂量估计值,再计入2倍安全系数,防护门的铅皮厚度∋15mm。

中子估计、防护以及屏蔽门辐射防护󰀁医用直线加速器在电子轰击钨靶产生X线同时,X线又会通过(!,n)反应产生中子,但对钨类的高Z物质,光子至少应有8MeV以上能量(即所谓∀反应阈能ETH#)可以产生一定份额中子辐射。我院医用直线加速器X线最大能量为15MV,使用概率估计∋10%。取距离靶1m处空气比释动能率为2Gy/min,与加速电压15MV对应X线放射率常数󰀂为1125Gy∃m/mA∃min

2

[4]

[6]

结󰀁󰀁󰀁果

医用加速器安装后,经上海市环保局辐射卫生监督所对该机房辐射屏蔽效果进行测量、评价,辐射屏蔽防护符合我国医用加速器机房使用标准,上海市卫生局颁发医用加速器装备使用许可证。

表1󰀁15MVX线在20(20(cm2)照射野时测量结果(∀Sv/h)

Tab1󰀁Resultsofirradiationmeasurementwith

15MVXrays20(20(cm2)field

TestsitesOperationroomAcceleratorroom󰀁

front

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁left󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁right󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁top󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁doorgap

Meanmeasureddosage

0.160.140.150.160.220.14

讨󰀁󰀁󰀁论

随着社会进步,生产力发展,辐射科学技术在医学领域得到广泛应用同时,人们对辐射防护和安全的要求也不断提高。为了满足广大人民和医务工作者对辐射防护和安全日益提高需求,并和国际辐射防护同步,从1960年以来,我国数次颁布和更迭了国家辐射防护和安全规定,即1960年)放射性工作卫生防护暂时规定∗、1974年GBJ8󰀁74)放射防护规定∗、1984年GB4972󰀁84)放射卫生防护基本标准∗、1988年GB8703󰀁88)辐射防护规定∗和2002年GB18871󰀁2002)电离辐射防护和辐射源安全基本标准∗。医用加速器辐射屏蔽防护也必须严格按照国家标准设计和实施。我院在设计医用加速器室辐射屏蔽防护,以新的国家标准GB18871󰀁2002电离辐

(下转第562页)

,所以估计加速器内电子

束流I(∀A)为3.38,可以得出高Z厚靶物质中通过(!,n)反应由电子产生的中子份额2.4(109∀A∃s。在(!,n)反应中,侧向(90&方向)如果是为向前方向出射中子数的2倍,并占全部中子的1/2,即产生的中子在90&方向剂量最大。计入中子泄露率2(10-5,可以估计距离辐射源4m处中子有效剂量率E为:0.36∀Sv/h,低于照射时间以∀小时#计的照射控制值HL,h=0.01mSv/h。但是偏安全考虑加速器机房和屏蔽门设计时要对中子辐射防护。中子的562复旦学报(医学版)󰀁2006年7月,33(4)󰀁

光度值较大。因为柘树口山酮乙的含量相对较低,故选择该化合物的最大吸收波长259nm为测定波长,以提高其检测灵敏度。

4种异戊烯基口山酮对照品的结构和极性较相近[5,6],其中macluraxanthoneB、柘树口山酮己和柘树口山酮丁的极性尤为相似,因此色谱保留行为相近,这给分离带来了一定的困难。

在流动相的选择中,首先对水相进行了摸索。由于4种对照品的结构中均含有酚羟基,在酸性条件下可以抑制酚羟基的离子化从而改善峰形,因此,考察了多种酸性水溶液󰀁甲醇系统的分离效果,结果以0.2%磷酸或磷酸盐缓冲液(pH2~3)为水相时,对照品的峰形较尖锐,分离度相对较好。本实验选择配制简便的0.2%磷酸为水相。其次,摸索了单用甲醇或乙腈为有机相的分离效果,结果以恒配比洗脱和梯度洗脱均未得到满意的分离条件。根据甲醇和乙腈对4种对照品色谱行为影响的差异,优化了甲醇󰀁乙腈󰀁0.2%磷酸系统的梯度洗脱程序,获得了较好的分离效果。最后,对柱温与流速进行了优化,确定了本实验的色谱条件。在该条件下,各对照品之间,对照品与杂质之间的分离度均大于1.5,符合定量分析的要求。

本实验同时测定4种成分,为保证4种成分都能提取完全且杂质干扰少,比较了70%、80%、95%乙醇超声提取和加热回流提取,结果以95%乙醇超声1h提取完全,操作简便。得到的提取液进一步用大孔树脂纯化后,杂质干扰少,利于色谱分离。

参󰀁考󰀁文󰀁献

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[6]󰀁ZouYS,HouAJ,ZhuGF.Isoprenylatedxanthonesandfla󰀁

vonoidsfromCudraniatricuspidata[J].ChemBiodiv,2005,2(1):131

(收稿日期:2006-01-27;编辑:刘忠英)

(上接第558页)

射防护与辐射安全基本标准为准则,运用辐射屏蔽

原理,根据拟安装医用加速器所具有的辐射物理特点,并考虑到辐射防护发展的需求,即随着社会进步生产力提高,年剂量限值在逐步降低,并且要做到尽可能低的水平;而又随着肿瘤病人增加,工作负荷将有所增加,对初级X射线(有用射线束)、泄露X射线、散射X射线、漏射中子和中子门等屏蔽防护逐一进行严谨的、规范的和优化的屏蔽计算,得出拟安装医用加速器室的所需的各辐射屏蔽结果。并将其设计和计算出屏蔽结果委托具有评价资质的复旦大学放射医学研究所进行放射屏蔽防护预评价,主防护墙和各副防护墙屏蔽防护设计均符合辐射防护安全要求。加速器机房建成后,由上海市环保局辐射卫生监督所对该机房辐射屏蔽效果进行严格测试和最后评价,评价结果各项屏蔽防护指标均符合国家标准要求。所以,加速器室屏蔽防护设计时,在满足国家标准需要同时,又要考虑到辐射屏蔽的未来一定的发展,既做到严格、规范、节约和优化,又不过度屏蔽防护,并且不需要再重新进行辐射屏蔽建设就能满足辐射屏蔽防护发展的需求,是优化的、并且也是经济的辐射屏蔽方法。

参󰀁考󰀁文󰀁献

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(收稿日期:2005-09-13;编辑:张秀峰)