辐射剂量测量设备的改进

鲁旭尉

湖南省肿瘤医院·中南大学湘雅医学院附属肿瘤医院 （湖南长沙 410006）

肿瘤放射治疗是利用放射线治疗肿瘤的一种局部治疗方法。放射线包括放射性同位素产生的α、β、γ 射线和各类X 线治疗机或加速器产生的X 线、电子线、质子束及其他粒子束等。据相关研究统计，约70%的癌症患者需采取放射治疗，约40%的癌症可经放射治疗根治。放射治疗在肿瘤治疗中的作用和地位日益突出，已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一[1]。为保障放射治疗的安全性、精准度和疗效，必须对放射治疗设备进行辐射剂量测量（determination of radiation dose）。辐射剂量测量是对辐射场中受照物质吸收能量的测量，其目的为：（1）定量研究受照物质内部产生的辐射效应，即研究受照物质的吸收能量与所产生的物理、化学变化间的关系，这种关系通常用离子产额和能量产额表示；（2）监测辐射区内环境和人体的剂量，以确保在辐射区内工作人员受到的剂量不超过容许剂量标准；（3）质量控制和质量保证，即辐射剂量测量是准确安全执行放射治疗质量控制、质量保证的重要环节。辐射剂量测量的设备包括Mapcheck、Arccheck、放射治疗晨检仪、三维水箱等。辐射剂量测量的基本过程为：（1）辐射粒子射入探测器的灵敏体积（探头）；（2）入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积能量；（3）探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的输出信号[2]。目前使用的辐射剂量测量设备包括测量端部分、控制模块部分、操作端部分，各部分依次使用电缆线连接。

1 改进原因及目的

放射线能够通过损伤细胞的DNA 分子，使体细胞和生殖细胞发生变异或死亡，从而引起功能障碍、不孕、肿瘤、遗传异常等疾病，使人体受到一定的危害[3]。为保护放射治疗相关工作人员的身体健康，我国制定了一系列的法律法规，并依据法规制定了《放射治疗机房的辐射屏蔽规范》（GBZ/T 201）等文件。文件中规定，放射治疗机房由辐射室、迷道、操作室组成，放射治疗的辐射室与工作人员所在的操作室中间必须间隔一面或多面辐射屏蔽墙[4]。根据辐射防护的要求，屏蔽墙的厚度非常大，如能量为15 MV 的X 线医用加速器机房的主屏蔽墙厚度超过了259 cm[5]。

在行辐射剂量测量时，设备的测量端部分和控制模块部分位于辐射室，而操作端部分位于操作室，以Mapcheck 为例说明（见图1）。Mapcheck 的测量端部分为二维电离室探头矩阵或二维半导体探头矩阵，探头矩阵上面有2 cm 水等效厚度建成材料，下面有2.3 cm 水等效厚度反散材料，其最大有效测量面积约为22 cm×22 cm。Mapcheck 的控制模块部分为测量端部分提供电源，并能根据操作端部分的指令获取每次测量中每个探头的实测剂量值，并将测量值传输到操作端部分。Mapcheck 的操作端部分硬件为一台笔记本电脑，软件为Mapcheck 配套的剂量分析软件，软件安装在笔记本电脑上。操作端部分发出指令使控制模块部分和测量端部分进行测量，并显示所测量的绝对或相对剂量分布。Mapcheck 是验证适形调强放射治疗（intensity modulated radiotherapy，IMRT）剂量学的重要辐射剂量测量设备之一。与其他辐射剂量测量设备一样，测量时，Mapcheck 的测量端部分和控制模块部分位于辐射室，而操作端部分位于操作室，控制模块部分和操作端部分的数据交换通过电缆线实现。

在辐射剂量测量设备测量时，电缆线需通过加速器机房的辐射室、迷道、操作室等，长度一般超过20 m。测量设备的这种连接方式存在以下不足：（1）需在屏蔽墙墙体中预留孔洞以供电缆线穿过，孔洞会影响屏蔽墙的辐射防护效果，使工作人员受到不必要的辐射损伤，这有悖于辐射防护三原则中的辐射防护最优化原则；（2）连接、架设、拆卸、回收电缆线时费时费力；（3）连接、架设、拆卸、回收电缆线的过程中，电缆线有可能被锐物划伤、被防护门夹伤等，将影响测量工作；（4）测量使用时，电缆线的一部分被置于非清洁区（辐射室、迷道、操作室）的地面上，地面存在大量的病菌、病毒等感染源，置于地面上的电缆线会因此被污染，负责连接、架设、拆卸、回收电缆线的工作人员也会有受感染的风险，此外，按照操作规程，被病菌、病毒污染的电缆线回收后无需进行消毒，放回仪器室的电缆线有污染室内其他物体的可能，这些情况均不利于避免医源性感染。

图1 Mapcheck 连接示意图

因此，为避免因传统辐射剂量测量设备的不足带来的风险，需设计一种无需使用电缆线连接操作室和辐射室中设备的辐射剂量测量设备。

2 改进方法

在现有的辐射剂量测量设备中，控制模块部分和操作端部分之间的电缆线仅作数据交换用，因此，若利用无线网络传输技术实现上述数据交换，则可弥补传统测量技术的不足。无线网络传输技术包括WiFi 和5G 网络等。WiFi 又被称作“行动热点”，是创建于IEEE 802.11标准的无线局域网技术，亦是目前使用范围最广的一种无线网络传输技术。5G网络即第五代移动通信网络，是最新一代蜂窝移动通信技术，具有数据传输速率快、延迟极小、节省能源、成本低、系统容量大和连接设备规模大等优点，其将渗透到未来社会的各个领域，包括医疗设备的测量控制领域。几乎所有智能手机、平板电脑和笔记本电脑等都支持无线网络传输技术。

技术方案结构框图见图2，与以往的技术方案相同，控制模块部分和操作端部分均包括通信模块，图2中，单独列出了控制模块部分和操作端部分的通信模块，控制模块部分与操作端部分经通信模块实现数据交换。以往，通信模块只能使用电缆线进行有线连接，若操作端部分笔记本电脑的通信模块支持无线网络传输技术，且控制模块部分的通信模块增加支持无线网络传输技术的功能，则两者之间即可通过无线网络传输数据。改进后的方案为：测量端部分与控制模块部分为测量部分，在测量过程中均位于辐射室内；操作端部分位于操作室内；控制模块部分与操作端部分之间不仅可采用电缆线进行有线连接，也可采用WiFi 或5G 网络实现无线连接，故可进行近场或远程通信，从而弥补传统测量技术的不足。

图2 技术方案结构框图

同样以Mapcheck 为例说明，Mapcheck 的新技术方案示意图见图3。新技术方案中，Mapcheck 的测量端部分和控制模块部分之间仍然使用电缆线连接，且在测量过程中均位于辐射室内，并使用辐射室内的电源；操作端部分位于操作室；操作端部分和控制模块部分之间可采用WiFi 或5G网络进行无线连接，可避免使用电缆线通过辐射室、迷道、操作室、辐射屏蔽墙等；作为备用，控制模块部分和操作端部分之间仍可使用电缆线连接。

图3 Mapcheck 的新技术方案示意图

3 总结

与原有的辐射剂量测量设备比较，新技术方案中控制模块部分和操作端部分可通过WiFi 或5G 网络实现数据交换，测量中控制模块部分和操作端部分之间不使用电缆线连接有以下优点：（1）连接方便，省时省力；（2）无需在辐射屏蔽墙预留孔洞，可避免工作人员受到不必要的辐射损伤；（3）避免在测量过程中因损坏电缆线而影响测量工作；（4）有利于避免工作人员受到医源性感染。此外，与使用WiFi 网络进行无线通信比较，5G 通信技术具有信号稳定、延迟小的优势，故可确保测量时实现实时操作；同时，5G技术还可实现远程操作测量端部分，便于上级部门指导下级单位的测量工作。