医用直线加速器的感生放射性研究

高关心，夏慧琳，朱永丽，屠波

内蒙古自治区人民医院 医学工程处，内蒙古 呼和浩特 010017

医用直线加速器的感生放射性研究

高关心，夏慧琳，朱永丽，屠波

内蒙古自治区人民医院 医学工程处，内蒙古 呼和浩特 010017

专栏——医用射线的安全剂量与防护研究编者按：目前，医用射线设备的应用范围越来越广泛，在医学诊断、治疗和科研方面都起到了举足轻重的作用。其中，医用直线加速器和血管造影系统这两种设备的射线剂量质量要求最为精准，对周围人群的辐射危害也更大。本期邀请内蒙古自治区人民医院医学工程处高关心处长担任栏目主编，探讨其主持的省级自然基金项目《医用射线的安全剂量与防护研究》的研究内容和实验方法，对直线加速器的感生放射性及其检测进行探索和研究，对血管造影系统诊疗过程的各种辐射特性进行检测和分析，为医疗机构进行有效的设备安全检测和辐射防护提供依据。

栏目主编：高关心

高关心，教授，正高级工程师，内蒙古自治区人民医院医学工程处处长。中华医学会医学工程学分会副主任委员兼秘书长，北京航空航天大学生物与医学工程学院硕士生导师，内蒙古医学会医学工程分会主任委员，内蒙古自治区医疗设备管理质控中心主任，全国卫生系统医学工程重点学科、内蒙古自治区医学工程重点学科“带头人”，卫生部医院管理研究所临床医学工程研究基地首席专家。《中国医疗设备》副主任编委，《中国数字医学》常务编委。承担及参加了多项国家级和省部级科研课题，获自治区科技进步三等奖2项，发表论文（统计源期刊）24篇，出版论著2部。

医用直线加速器在治疗过程中会产生对人体有害的感生放射性，且这种危害正逐渐引起人们的重视。本文介绍了感生放射性的概念、产生机制，总结感生放射性对患者、工作人员及公众所造成的危害，探讨了感生放射性水平的影响因素，并总结减少其水平的措施。

医用直线加速器；感生放射性；放射治疗；危害防护

近年来，高能直线加速器越来越广泛地被应用于医疗领域和科研，截止到2010年底，国内已有医用直线加速器1200多台，并呈增长态势。国内肿瘤患者总数约为450余万，每年新增200万，恶性肿瘤年发病数为160万，约70%的患者在其病程的不同阶段都需要接受放射治疗。

医用直线加速器的应用在治疗肿瘤、挽救患者生命、减轻其痛苦方面起到了无法替代的作用。但医用直线加速器在产生射线的同时，也存在感生放射性，最后导致在使用过程中给患者、工作人员和公众带来了潜在的放射性危害与风险。

1 感生放射性的概念

在放射治疗过程中，加速器产生的高能粒子，如质子、电子或α粒子等轰击任何靶物质（加速器的靶材料、遮线器、均整器、治疗室内的空气以及人体等）的原子核时，它们之间发生的核物理过程包括：入射粒子改变方向；入射粒子损失一部分能量；入射粒子完全被靶核吸收并放出其他粒子或γ射线及入射粒子将靶核敲碎。在后2种过程中，靶核将变成一种新的原子核，这种反应被称之为核反应，生成的新核被称之为反冲核。反冲核往往是不稳定的，需要经过β衰变或γ衰变等才能变成稳定核，伴随衰变过程中产生的β射线和γ射线等被人们称为感生放射性。加速器的辐射源危害有2种，即瞬时辐射和剩余辐射[1]。

1.1 瞬时辐射

瞬时辐射在加速器运行时产生，关机后即消失。瞬时辐射又包括初级辐射和次级辐射。初级辐射指被加速的带电粒子；次级辐射指带电粒子与靶物质或加速器结构材料相互作用产生的X线和中子等。

1.2 剩余辐射

剩余辐射是辐射与周围物质相互作用产生的感生放射性材料放出的辐射，如β、γ等。剩余辐射有以下几个特点：① 随加速器运行时间的增加而累积；② 加速器停机后仍然存在；③ 随加速器关机时间的增长而减弱。

瞬时辐射仅仅存在于加速器运行时，易于被人们认识并加以屏蔽。剩余辐射即感生放射性，在加速器运行或不运行时均存在，相对于瞬时辐射而言更具有隐蔽性，其危害也不容忽视。

2 感生放射性的产生机制

感生放射性的种类取决于加速粒子的种类、能量、束流强度、靶材料的性质，以及运动时间长短等多种因素。感生放射性产生的物理学基础是核反应，惟有满足核反应条件时才会产生感生放射性。

2.1 任何能量的入射中子均能够引起核反应

因为中子在原子核外是不稳定的，所以其总是被其他原子核捕获而激发核反应。加速器的感生放射性多数是由中子引起的，不管中子能量如何，均能引起活化。当电子束或X线的能量大于（γ，n）反应阈能时亦可产生中子，其能谱是连续的，最大能量大致等于X线（电子）最高能量与（γ，n）反应阈能之差。从核反应阈能来看，能够直接产生感生放射性核素的带电粒子能量多数>5～10MeV，而绝大多数天然核素的（γ，n）反应阈能都>10MeV。因此，<10MeV的电子加速器不用考虑会产生感生放射性问题。

2.2 对于电子、质子等其他粒子而言，有2种情况可以引起核反应

（1）其能量达到产生中子的反应阈能，通过产生的中子而激发核反应。

（2）其能量要足够大到引起核碎裂时才能够引起感生放射性。

从核反应的阈能来看，能够直接产生感生放射性核素的被加速带电粒子能量多数需要>5～10MeV（氘的阈值为2.23MeV；铍的阈值为1.67MeV）。

与质子和离子加速器不同，电子加速器上产生的感生放射性主要不是由于原始粒子（电子）与介质的相互作用，因为无论电子能量如何，它的核反应截面都极小。它的产生机理是由于电子与介质作用产生韧致辐射，生成的高能光子（一般>10MeV）与介质产生光核反应，其后的中子、介子又引发核反应。

3 感生放射性的危害

感生放射性对人体健康所造成的影响具有潜伏期长、效应出现较晚的特点。其主要表现在易对人体的性腺、红骨髓、骨骼、肺、甲状腺及乳腺、发生癌的其他组织、皮肤以及眼晶体产生放射性危害，如诱发白血病、生育能力受损、甲状腺癌、乳腺癌、皮肤癌等。

医用直线加速器机房内感生放射性造成的危害有以下几个方面。

3.1 感生放射性对患者造成的危害

目前，全国肿瘤患者总数为450余万，每年新增200万，恶性肿瘤年发病率为160万。约70%的患者在其病程的不同阶段需要接受放射治疗。在接受治疗时，患者与机头的距离很近，这必然会受到感生放射性的照射。同时，高能粒子与人体治疗区域内组织器官的原子核也会发生核反应，其还会受到来自治疗室内空气中感生放射性的照射，这种空气中的感生放射性不仅对人体形成外照射，而且吸入后还将形成内照射危害。

3.2 感生放射性对工作人员造成的危害

目前，全国从事放疗的操作技师有6000余名，技师要在照射结束后短时间内进入治疗室进行摆位等工作，这时未冷却的感生放射性势必会对其造成危害。另外，高能加速器在使用过程中，某些部件需要维修或更换，而这些部件在受到高能粒子的长期照射后，某些半衰期较长的感生放射性核素已经积累到相当浓度，这也必然会对维修工作人员造成照射危害。

3.3 感生放射性对公众造成的危害

高能加速器治疗室内的空气受到高能粒子照射时产生的感生放射性核素，如3H、7Be、11C、13N、15O、41Ar等。加速器本身的结构材料由于腐蚀脱落而漂浮在空气中，加速器冷却水受热蒸发进入空气中，这些都是治疗室空气中感生放射性的可能来源。空气中的感生放射性核素如果不经过适当时间的衰变就被排入到空气中去，势必会对周围人群及环境造成放射性危害。此外，高能加速器治疗室屏蔽材料中的土壤、混凝土受到照射时同样会产生感生放射性核素，当治疗室停止使用被拆后，其地下的土壤和散落的混凝土渣可能会对周围环境造成污染。土壤中的放射性核素甚至会伴随降水渗入到地下水中污染水源或者通过污染区域的植物生长转移到食物中去。

4 感生放射性水平的影响因素

加速器机头处的感生放射性水平与高能粒子的的能量、粒子类型、机头处的结构材料、照射时间、冷却时间及治疗是通风状况等因素密切相关。

卢峰[2]等人的研究结果表明，加速器治疗头处的感生放射性水平与照射剂量成正比关系，照射剂量越大，则感生放射性的水平越高。在冷却时间段内（1min），这种正比关系更为明显。冷却时间段内（5min）感生放射性的水平随剂量增高的而趋势变缓。同时，加速器治疗机头处的感生放射性水平与停止照射后的冷却时间成反比，随着冷却时间的延长，感生放射性水平降低。

刘建防[3]等对不同材料的靶物质、速流管等的感生放射性进行研究，结果表明，不同材料所产生的感生放射性核素、半衰期及辐射类型不同。Ban S等[4]对一台2.5GeV电子加速器使用Al、Fe、Cu、Pb等厚靶材料的感生放射性核素的饱和活度进行测量，结果表明，照射时间不同，光子剂量率随时间衰减的规律也不同。

5 降低感生放射性水平的措施

由于高能加速器在使用中存在危害性，所以可以从以下几个方面来减小直线加速器感生放射水平，以减少其对患者及工作人员造成的危害。

5.1 做好个人防护措施

在治疗过程中，尽量避免对患者患病部位以外的其他部位进行照射。参与治疗的医护人员和技术工程人员在摆位及检修设备时要穿戴防护服、防护眼镜及防护围脖，以减少机房内感生放射性及长期累积在机器零部件内的感生放射性对自身造成的危害。

5.2 选择合适的靶物质及机壳材料

由于不同物质受高能粒子照射产生的感生放射性不同，所以靶物质及机壳材料不同的直线加速器在使用过程中产生的感生放射性也不同，在选择时应加以考虑。同时，机房内应避免放置一些与治疗无关的物质，以避免其由于高能粒子照射放射出感生放射性核素。

5.3 尽量使用低能X线

射线能量在10MV以下时，不会产生感生放射性。射线能量越高，其冷却时间越长，对经常进出机房摆位的技师影响很大。建议在不影响治疗效果的情况下尽量使用低能射线。

5.4 增加机房强制通风

直线加速器电子束与加速器靶材料和空气中的介质相互作用，诱发产生的感生放射性核素的半衰期长短不一，短者只有7.3s，长者达121.53d。所以在加速器关机的状态下，短时间内感生放射性衰减的速度非常快，长时间内感生放射性的变化趋于平缓。长半衰期感生放射性核素的存在，使得停机状态下机房仍然存在一定水平的感生放射性，并且由于长时间积累，导致机房内本底值升高。因此，机房内要注意加速器室的强制通风，加强室内外空气的流通，减少加速器室内空气中感生放射性核素的含量[5]。

6 小结

随着人们对加速器感生放射性危害的认识，国内、外的相关研究也在不断地深入。由于感生放射性水平的影响因素的多样性，到目前为止，仍然没有一种成熟的检测方法。现在普遍采用的是蒙特卡洛模拟法。机房气流场对感生放射性水平的影响及感生放射性内照射的作用机制仍需进一步的研究。

[1] 王庆敏.15MeV医用电子直线加速器感生放射性影响分析[J].四川环境,2010,29(5):130-132.

[2] 卢峰,刘翠杰,邓大平.加速器治疗室内感生放射性研究现状[J].国外医学(放射医学核医学分册),2005,29(6):297-300.

[3] 刘建防,郑洁.对医用加速器产生感生放射性的分析与探讨[J].干旱环境监测,2005,19(4):201-203.

[4] Ban S,Nakamura H,Sato T.radioactivity induced in a 2.5 GeV electron beam dump[J].Radiat prot Dos,2001,93(3):231-236.

[5] 朱连芳.加速器感生放射性的环境影响估价[J].核技术,1993,16(10):623-628.

The Study of Medical Linear Accelerator's Induced Radioactivity

GAO Guan-xin, XIA Hui-lin,ZHU Yong-li, TU bo
Biomedical Engineering Department,Inner Mongolia People's Hospital,Huhehot Inner Mongolia 010017,China

During the treatment,Linear accelerator can produce harmful induced radioactivity. This risk gradually attracted people's attention. This paper gives out the concept of induced radioactivity, mechanism,summarizes the harm to patients,staff and public caused by induced radioactivity, explores the factors affecting the level of induced radioactivity, and summarize the measures to reduce the level of induced radioactivity.

medical linear accelerator; induced radioactivity; rediation therapy; hazard protection

R814.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.12.003

1674-1633(2011)12-0017-03

2011-10-30

内蒙古自治区自然科学基金项目（200607010915）。

作者邮箱：nmyyggx@sohu.com