医用电子直线加速器治疗室辐射屏蔽计算软件的设计

朱卫国 张 奇 侯长松 林志凯 赵兰才 张 震*

医用电子直线加速器治疗室辐射屏蔽计算软件的设计

朱卫国①张 奇①侯长松①林志凯①赵兰才①张 震①*

目的：在医用直线加速器电子线模式和X射线模式下对机房屏蔽材料厚度进行快速估算，减少手工计算所引起的繁重工作并减少计算过程中的错误。方法：参照国内外已有的辐射防护屏蔽计算经验，分析医用直线加速器不同工作模式下对工作人员和公众的危害因素进行计算机程序设计，编制完成后与实际屏蔽参数进行对比。结果：通过与医用直线加速器治疗室实际屏蔽效果验证进行比较，医用电子直线加速器治疗室辐射屏蔽计算软件的计算结果与参考经验公式进行计算的结果相吻合。结论：医用电子直线加速器总治疗室辐射屏蔽计算软件可用于对医用电子直线加速器治疗室屏蔽材料的厚度进行估算，能够大幅简化繁琐的计算过程，并使计算结果更为准确可靠。

医用电子直线加速器；辐射防护；屏蔽计算

朱卫国,男,(1979- ),硕士，助理研究员。中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室，从事辐射防护研究和建设项目职业病危害放射防护评价工作。

[First-author’s address]National Institute for Radiological Protection, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China.

随着医疗技术的不断发展，医用电子直线加速器已经成为治疗肿瘤的一种重要设备，在治疗患者的同时，加强对放射工作人员和公众的防护非常有必要。编制本软件的目的是对医用直线加速器治疗室的辐射屏蔽进行计算，以及对医用直线加速器治疗室内的各类辐射类型进行快速计算，包括X射线、电子线、中子以及防护门等的辐射屏蔽计算。

对于医用电子直线加速器治疗室辐射屏蔽的计算，国内外很多研究人员已经作出了大量的研究和分析，并推荐了常用射线能量范围内不同机房情况下的辐射屏蔽计算经验公式，通过这些经验公式可以对各种常用工作条件下的医用电子直线加速器治疗室的屏蔽材料的厚度进行计算。通过对这些公式的分析，发现在实际计算过程中有一个比较难以克服的问题，几乎所有的经验公式所引用的参数都非常多，并且公式结构复杂繁琐，如果不是经过专业系统的培训，公式中的参数和公式比较难以理解，若参数引用错误则会导致完全错误的计算结果，对计算中要达到高效可靠是一个严峻的考验。鉴于以上原因，本研究设计了“医用电子直线加速器治疗室辐射屏蔽计算软件”，应用此软件可以解决手工计算的不足，达到对医用电子直线加速器治疗室辐射屏蔽的高效可靠的计算，并对其计算理论基础和方法进行了详细的分析。

1 医用电子直线加速器治疗室辐射屏蔽计算软件设计

医用电子直线加速器治疗室辐射屏蔽计算软件可以对医用电子直线加速器治疗室进行有用X射线、漏泄辐射、散射辐射、电子运行方向的电子X射线、非电子运行方向的电子X射线、中子以及针对中子的防护门屏蔽的计算。软件的设计考虑了加速器的射线能量(Ee)、周工作负荷(W)、对不同类型人员的周剂量限值(P)、考查点到辐射源的距离(r)、辐射利用因子(U)、居留因子(T)和计算中所采用的安全系数(f)等因素，并通过这些参数计算出医用电子直线加速器使用常用屏蔽材料的各主、副防护墙和防护门的厚度。

在软件的编制过程中，对于辐射防护屏蔽计算方法主要采用国内外公开发表的相关标准、资料提供的比较可靠的估算方法，或者根据相关资料提供的基础数据建立相应的数学模型，编写屏蔽计算软件。

2 医用电子直线加速器治疗室辐射屏蔽计算方法

2.1 计算过程中涉及的主要计算参数

周工作负荷，距靶1 m处的周有效剂量当量(mGy/ wk)，工作负荷由实际工作条件确定[1]；辐射利用因子(U)，即有用线束的方向因子，加速器有用线束指向某一特定屏蔽体的时间占周工作时间的份额，对初始束的屏蔽计算U≤1，次级辐射U=1；居留因子(T)，指在屏蔽体外某一区域人员可能停留的时间占周工作时间的份额，其T值根据实际情况确定。

2.2 屏蔽计算

根据医用电子直线加速器的实际情况，如果对初级和次级光子提供了适当的屏蔽防护，则初级和次级电子也将被完全阻止，不需要进一步考虑其防护。因此，在软件的编制中考虑了最大需要的对光子的防护厚度计算，只要达到软件计算的防护厚度，则该加速器治疗室的辐射屏蔽可以达到辐射防护的要求。另外，考虑到X射线是连续谱，是通过电子线束打靶得到的，因此X射线的能量不可能大于电子线束的能量，在计算中加速器的X射线的能量用电子线束的能量单位来描述。

X射线防护材料屏蔽厚度的计算为公式1、公式2[2-3]：

式中S为所要计算的防护材料屏蔽厚度；TVL为防护材料的十值层厚度(在确定的能量下，将辐射剂量减弱到1/10的防护材料厚度)；Ku为辐射剂量减弱倍数。Ku的计算式中各参数意义见上式，各参数的具体取值按实际情况确定。

防护材料的十值层厚度对不同的能量以及不同的防护材料的表现形式不相同，在软件的设计中，设计了3种常用屏蔽材料(混凝土、铅和铁)不同能量的十值层厚度的计算，此计算方法已有文献[4]作出过详细的阐述。

对电子运行方向的电子X射线的防护材料屏蔽厚度的计算公式同公式(1)，辐射剂量减弱倍数的计算为公式3、公式4：

式中L为电子在物质中的贯穿深度，电子在不同的物质中的贯穿深度不一样，在软件设计中给出了不同能量电子在水(等效人体)、铅、铜、铝的贯穿深度的计算，以适合不同情况的需要；d为电子X射线源到照射物体表面的距离；rα和rζ分别为考查点到电子X射线源和电子作用点的距离；ζ为电子X射线系数，根据不同的能量和照射的物质不同，软件设计了自动取值。

以上分析了有用X射线和电子运行方向电子X射线的防护材料屏蔽厚度的计算，X射线散射辐射和泄漏辐射引入了散射因子和泄漏份额[5-7]。计算公式和有用X射线的辐射屏蔽计算公式相同，非电子运行方向的电子X射线的辐射屏蔽引入了电子线泄漏份额，其计算方法除了需要考虑电子线的泄漏份额外和电子运行方向电子X射线的防护类似。

当加速器能量＞10 MeV时会产生中子，中子容易被低原子序数的元素慢化和吸收，一般加速器机房所使用的主要屏蔽物质为混凝土，混凝土中含有大量的H元素，是中子很好的吸收体，因此加速器产生的中子在直射情况下很容易被屏蔽墙所屏蔽。中子的影响主要是考虑其经过散射对防护门处的影响。

防护门的辐射防护计算主要考虑X射线的剂量和散射中子所产生的剂量，其中X射线剂量DX由两部分组成：①穿过迷道内墙的剂量DT；②X射线散射到迷路入口处的辐射剂量DS[8-11](公式5、公式6、公式7、公式8、公式9)：

迷路内入口处剂量DS由下式进行计算：

式中Dm为迷路内入口中心点的X线剂量当量；W为到靶距离1 m处的有用束吸收剂量，Gy/wk；F为照射野，m2；d为源皮距，m；Z为迷路内入口中心到等中心的距离，m；β为迷路几何系数。

式中l1、l2为迷路转折长度，输入框直接输入数据，m；A1、A2为迷路横截面积，输入框直接输入数据，m2。

防护门口中子剂量当量计算[10]为公式10、公式11：

式中Hn为迷道门口的中子剂量率；Hm为迷道内入口中点的中子剂量率；ηn为中子污，Sv/Gy，取2×10-3；ω为距等中心1 m处有用射束的吸收剂量，Gy；r为考查点到辐射源的距离；β为迷道的几何系数。

迷道外入口中子俘获γ射线的剂量当量约为中子剂量当量的20%，以此来计算俘获γ射线的剂量率。中子俘获γ射线的平均能量为3.6 MeV，迷道特别短的机房门口中子俘获γ射线能量可达10 MeV，TVL为61 mm Pb，迷道长度＞5 m的机房，俘获γ射线能量较低，TVL约为6 mm Pb，通过透射和散射至迷道外入口处的γ射线的能量不会超过俘获γ射线的能量[12]。

防护门不仅要考虑对透射、散射光子和中子俘获γ射线的屏蔽，还要考虑对中子的屏蔽，由于防护门一般不能做得太厚，因此在对光子的屏蔽主要采用铅等高原子序数的屏蔽物质，但些类物质不能有效地屏蔽中子，对中子屏蔽一般考虑在金属夹层中添加中子慢化物质(如含硼聚乙烯等含有低原子序数元素的物质)[11]。在迷道外入口处平均中子能量约为100 keV，此能量的中子在含硼聚乙烯中的TVL为45 mm。

防护门屏蔽厚度的计算为公式12：

式中TVL为光子或中子分别在铅和含硼聚乙烯中的十值层厚度；H未屏蔽为防护门口未屏蔽时的光子或中子的剂量当量；H控制为防护门口的剂量当量控制值。

通过公式12分别计算防护门所需的铅和含硼聚乙烯的厚度[12]。

3 医用电子直线加速器治疗室辐射屏蔽软件界面

本软件程序设计了直观易用的用户界面，程序界面示例如图1所示，对于各个输入项，当输入焦点锁定到相应的输入框时会弹出相应的说明以提示使用者该输入位置的物理意义。

图1 X射线有用线束屏蔽计算程序界面

程序编制时设计了输入数据的自动校验，当某个输入的数据明显偏离其应有的数值范围时会弹出警告画面，以提示使用者进行输入数据的检查，避免因输入错误引起的错误结果。

4 结语

实践证明，医用电子直线加速器治疗室辐射屏蔽计算软件，可以对医用电子直线加速器机房屏蔽材料厚度进行计算，其计算结果准确可靠。本研究设计的程序是根据目前的需求、科技参考资料与技术限制的状态进行编制，因此可能存在计算精度、计算误差及需求限制等方面的缺陷，在今后的实际使用过程中将不断的改进本软件功能，修正其中的设计缺陷，以得到更精确的计算结果。

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[12]National Council on Radiation Protection and Measurements，Radiation protection for particle accelerator facilities[R].Bethesda：NCRP report No.144，2003.

Software design for radiation shielding calculation of medical rlectron linear accelerator treating room/

ZHU Wei-guo, ZHANG Qi, HOU Chang-song, et al// China Medical Equipment,2014,11(9):34-37.

Objective:To develop a simulation program by the name of “Shielding Calculation Software of Medical electron accelerator Treating room”, which based on the common model of radiation protection shielding calculation. We can use this program to estimate the thickness of shield when Medical electron accelerator is work on the Electron model and X-ray model, avoiding onerous work and error by handwork calculation.Methods:Considering the available radiation protection shielding calculation experience, and analyzing the hazard factor to staff and public, when we finish the program, we may contrast the simulation results with the actual shielding results.Results:The simulation program was completed, and the simulation results were carried out by this program. By considering the actual shielding effect, we find that the simulation results are very close to the results based on the empirical formulation.Conclusion:This computer method is very convenient to estimate the thickness of shield, and the simulation results are credible.

Medical electron accelerator; Radiological protection; Shielding calculation

1672-8270(2014)09-0034-04

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.09.012

2014-01-24

①中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室 北京 100088

*通讯作者：zhangzhen04@126.com