射波刀放射治疗机房辐射屏蔽方案研究

刘育辰

（四川省核工业辐射测试防护院（四川省核应急技术支持中心），四川 成都 610052）

射波刀（Cyberknife）是一种新型立体定向放射治疗装置，它整合了最先进的机器人技术、智能影像实时监控以及追踪系统，将一个6 MV X射线的轻型电子直线加速器安放在有6个自由度的机械臂上，利用机械臂的全向投照能力精确地对肿瘤进行非共面和多中心的放射治疗。与直线加速器和伽马刀相比，射波刀的优势如下：1） 治疗精确。可以依靠灵活的机械臂从非共面的不同角度对肿瘤进行照射，具有较好的剂量适形与均匀效果。2） 无痛无创。无须安装头部固定架，避免了患者在治疗过程中和治疗后的疼痛及不适。3） 毒副作用小。可追踪随呼吸而运动的活动脏器部位的肿瘤，最大限度地减少对肿瘤周围正常组织的损伤。该文采用《放射治疗机房的辐射屏蔽规范 第2部分：电子直线加速器放射治疗机房》（GBZ/T 201.2—2011）（简称GBZ/T 201.2—2011）中的公式计算某医院射波刀机房的屏蔽厚度，将计算值与机房设计值进行对比分析，旨在对射波刀机房屏蔽计算方法的可靠性进行分析，从而为机房的屏蔽防护设计提供依据。

1 基本概况

云南省某医院拟引进1台M6 FM型射波刀，其最大X射线能量为6 MV，焦点剂量率为10 Gy/min。射波刀机房占地面积198 m，有效使用面积56 m，机房内长8.00 m，宽7.00 m，高4.50 m。东北、西北和西南侧墙体是厚度为2.50 m的混凝土，屋顶是厚度为2.50 m的混凝土；东南侧机房入口设置7.00 m长L型迷道，迷道内墙是厚度为1.36 m～2.50 m的混凝土，迷道外墙是厚度为1.37 m～2.50 m的混凝土，防护门为15 mm铅当量。机房平面布置图如图1所示。

根据“满足诊治工作要求、有利于辐射防护和环境保护以及各组成部分功能分区明确，既能有机联系，又不相互干扰”的原则，射波刀工作场所选址和平面布置分析如下：射波刀机房位于放疗中心（单层独栋建筑）一层西南侧，机房西南侧区域由西北向东南依次为设备间、储物间、控制室和医生办公室，东南侧为候诊大厅，北侧为直线加速器机房，楼上、楼下对应区域均无构筑物。射波刀机房所在位置相对独立，机房周围相邻区域未设置人员长期居留场所，避开了门诊大楼、收费处等人群稠密区域；同时，机房屏蔽体外50 m范围内无自然保护区、风景名胜区和生态红线等生态敏感目标，也无居民、学校等保护目标，其选址和平面布置满足《放射治疗放射防护要求》（GBZ 121—2020）、《放射治疗辐射安全与防护要求》（HJ 1198—2021）中的相关要求。从辐射安全的角度考虑，射波刀工作场所的平面布置是合理的。

图1 机房平面布置图（单位：mm）

2 机房屏蔽计算

2.1 计算方法

根据GBZ/T 201.2—2011中D.3推荐方法核算射波刀机房屏蔽防护水平是否达标。在射波刀运行时，有用线束会朝向四周墙体及屋顶部位，由于来自射波刀的泄露辐射及人体散射辐射的能量及剂量率都远小于有用线束，如果治疗机房墙体能屏蔽有用线束，那么也一定能够屏蔽来自射波刀的泄露辐射及人体散射辐射，因此该文对射波刀机房屏蔽设计方案的核算是根据机房各面屏蔽体对有用线束的屏蔽效果进行探讨的。

2.2 关注点设定

在射波刀机房设计尺寸厚度的基础上，假定以最大工况（剂量率为10 Gy/min）运行，在射波刀机房外设定关注点，针对关注点的最不利情况（即各面屏蔽体外，人员可到达的距离射线源最近的地方）对机房的屏蔽厚度进行核算。因为机房下方没有构筑物，所以不考虑地面的防护。机房平面关注点设定如图2所示，机房剖面关注点设定如图3所示，各关注点剂量率参考控制水平和有用线束照射路径见表1。

根据GBZ/T 201.2—2011中的D.3.3.2 可知，机房外的剂量率参考控制水平He的建议，取10 μSv/h；根据GBZ/T 201.2—2011中的5.2.6.2可知，有用线束向迷路照射，机房防护门须考虑2倍安全系数。因此，机房门口g点处剂量率参考控制水平He，取5 μSv/h；根据GBZ/T 201.2—2011中的4.3.2.5可知，机房迷路入口还应考虑有用线束经患者散射至迷路墙体，再二次散射至防护门处的散射辐射以及泄漏辐射经迷路内墙屏蔽后在迷路入口处的辐射剂量，该处剂量率参考控制水平，取5 μSv/h的1/4，即1.25 μSv/h。

表1 射波刀机房各关注点剂量率参考控制水平和有用线束照射路径

2.3 机房屏蔽厚度核算

采用GBZ/T 201.2—2011的相关公式计算射波刀机房所需屏蔽墙体厚度。按公式（1）、公式（2）估算所需的有效屏蔽厚度X（cm），再根据公式（3）获得屏蔽厚度X（cm），将计算结果与设计厚度进行比较，分析是否满足屏蔽厚度的要求。

式中：B为屏蔽透射因子；He为剂量率参考控制水平，μSv/h；H为加速器有用线束中心轴上距产生治疗X射线束的靶1 m处常用最高剂量率，μSv·m/h（射波刀的剂量率H=10×0.8×60×10=3.84×10μSv/h）；R为辐射源点（靶点）至关注点的距离，m（为SAD+等中心点至墙外30 cm距离，其中SAD为80 cm）；f为有用线束，f=1；θ为斜射角，即入射线与屏蔽物质平面的垂直线之间的夹角（主屏蔽墙0°入射）；TVL和TVL为辐射在屏蔽物质中的第一个什值层厚度和平衡什值层厚度，cm（查GBZ/T 201.2—2011附录B表B.1，对应6 MV的X射线能量，其有用射束在混凝土中的TVL为37cm，TVL为33 cm）；X为有效屏蔽厚度；X为墙体屏蔽厚度。

图2 射波刀机房平面预测点布置图

图3 射波刀机房剖面预测点布置图

2.3.2 机房防护门屏蔽厚度核算

根据GBZ/T 201.2—2011中的4.3.2.5.1可知，机房入口关注点g处的辐射剂量率主要由2个路径项“O→g”、“O→i→g”产生的辐射剂量率组成。路径“O→i→g”产生的散射辐射剂量率H如公式（4）所示。

表2 射波刀机房蔽墙屏蔽厚度核算

式中：H为关注点g处的散射辐射剂量率，μSv/h；H为加速器有用线束中心轴上距产生治疗X射线束的靶1 m处常用的最高剂量率，H=3.84×10μSv/h；α为患者受照面积400 cm的散射因子，根据GBZ/T 201.2—2011附录B表B.2可知，通常取45°散射角的值，采用6 MV栏内的值，即α=1.39×10；F为治疗装置有用线束在等中心处的最大治疗野面积，cm，射波刀等中心处最大治疗野为10.0 cm×11.5 cm；α为墙入射的患者散射辐射的散射因子，患者一次散射角为45°，墙入射角为45°，墙散射角近似按0°计算，查GBZ/T201.2-2011附录B表B.6，通常使用其0.5 MeV栏内的值，得混凝土墙45°入射、0°散射、1m的散射因子α=22×10；A为散射面积，m（当内口高度为4.0 m时，散射面积为1.34 m×4.50 m =6.03 m）；R为第一次散射路径，R=530 cm；R为第二次散射路径，R=920 cm。

经计算可知，路径“O→i→g”在机房入口关注点g处的散射辐射剂量率H=8.56 μSv/h。

路径“O→g”为有用线束穿过迷路内墙产生的辐射剂量率H，如公式（5）～公式（7）所示。

经计算可知，路径“O→g”在机房入口关注点g处的辐射剂量率H=0.24 μSv/h。

所需的铅屏蔽透射因子B如公式（8）所示。

式中：H为辐射剂量率管理限值，H=5 μSv/h；H为有用线束穿过迷路内墙在g处的剂量率，H=0.24 μSv/h；H为机房入口关注点g处的散射辐射剂量率，H=8.56 μSv/h。

经计算可知，铅屏蔽透射因子B=（5-0.24）/8.56=0.56。

根据GBZ/T 201.2—2011中的5.2.6.1 c可知，入口处散射辐射能量约为0.2 MeV，铅的TVL为5.00 mm，相应的铅厚度X=TVL·logB-1=1.26 mm；射波刀机房防护门实际设计为15.00 mm铅当量，满足GBZ/T 201.2—2011的要求。

2.4 射波刀自带X射线管屏蔽效果分析

射波刀的靶区定位（影像）追踪系统是由机房天花板上安装的2个X射线球管和安装于地板平面下的影像探测器组成。2个X射线球管发出的低能X射线相互垂直，交叉穿过头颅（或患者肿瘤的治疗部位），通过影像探测器获得颅骨的数字图像，并将影像资料传输到数据处理系统，计算机与事先CT扫描（病人治疗前先作CT定位，将定位影像传输到计算机内）获得的颅骨数字重建图像进行对比，先确定颅骨的精确位置，再得出治疗靶目标（病灶）的精确位置。

射波刀系统上自带的2个低能X射线管最大管电压为150 kV，根据《放射诊断放射防护要求》（GBZ 130—2020）表3“标称125 kV以上的摄影机房有用线束方向铅当量应不得低于3.0 mm铅当量”以及附录C表C.7可知，在150 kV有用线束下，255.0 mm混凝土相当于3.0 mm铅当量，而射波刀机房各面墙体最小屏蔽厚度为2 500.0 mm混凝土，远大于255.0 mm混凝土，因此，虽然2个低能X射线管运行时也会产生X射线，但是其能量远低于射波刀有用线束，经射波刀机房屏蔽后对机房周围的辐射影响很小。

表3 屏蔽厚度计算值与设计值对比

2.5 综合分析

由表3可知，射波刀机房各面屏蔽体厚度的实际设计值均大于理论计算值，因此射波刀机房的辐射屏蔽设计方案能满足GBZ/T 201.2—2011的要求。

3 结论

该文根据相关试验得出2个结论：1） 应用GBZ/T 201.2—2011中的公式计算射波刀机房各面屏蔽体厚度，计算结果表明，射波刀机房的实际设计屏蔽厚度值大于理论计算值，设计方案能满足辐射屏蔽防护和环境保护的要求。2） 该文以实例探讨射波刀机房辐射屏蔽的计算方法，并结合设计方案进行分析，可为射波刀机房辐射屏蔽的计算和方案设计提供参考。可靠的辐射屏蔽计算对射波刀机房的设计和选址具有重要指导意义，是避免环境辐射污染、加强环境保护的有效举措，也是保障工作人员及公众安全的重要前提。