小型化质子加速器机房防辐射建造关键技术*

黄心颖，刘 清，刘 文，李志正，陈芬芬

(1.中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北 武汉 430064；2.迈胜医疗设备有限公司，江苏 苏州 215300)

1 工程概况

华中科技大学同济医院光谷院区配套项目(质子大楼)位于武汉市东湖新技术开发区高新大道501号，南邻高新大道，西邻三环线高架。该质子大楼总建筑面积约12 500m2，包含小型化质子加速器机房、直线加速器机房、回旋加速器机房、磁共振加速器机房、PET(CT/MR)、办公室、会议室等配套用房。

2 单室质子机房介绍

2.1 单室质子系统原理

S250i型集成化单室质子治疗系统由束流发生系统、束流传输系统、患者定位系统和控制系统组成。束流发生系统是超导同步质子回旋加速器，加速器模块安装在可190°旋转的机架上。束流传输系统包含束流射程调节系统、治疗头和可190°旋转的机架。加速器旋转机架和治疗旋转机架各自独立旋转。加速器产生的质子束流加速至230MeV后被引出，经束流传输系统调节，根据治疗时患者肿瘤的深度和厚度，在输出端得到50～230MeV连续可调不同能量的质子束流。集成化单室质子治疗系统如图1所示。

图1 集成化单室质子治疗系统

2.2 单室质子机房布局

单室质子机房分为3层结构，包括工作区和机架运动区(见图2)。其中机架运动区上、中、下3层贯通，主要为回旋加速器、旋转机架、治疗头等设备所在区域，供旋转机架自上而下190°旋转使用。工作区分为3层，其中顶层为维修层，设钢检修平台，主要用于维护、维修回旋加速器、旋转机架及束流传输系统等结构部件；中间层为治疗层，主要为医生工作和患者治疗区域；底层为设备层，主要放置射频发射机、系统控制柜、电源机柜、冷却水机组等设备。顶层与中间层通过钢格栅平台间隔，中间层和底层通过20～30cm厚的混凝土间隔。

图2 单室质子机房结构剖面

3 国内质子机房辐射屏蔽标准

在国内，小型化质子加速器机房屏蔽设计目标如下：①屏蔽体四周和顶部 参考GBZ/T 201.5—2015《放射治疗机房的辐射屏蔽规范第5部分：质子加速器放射治疗机房》进行控制，在距离机房墙和入口门外30cm处，当居留因子T>1/2时，剂量当量率≤2.5μSv/h，当居留因子T≤1/2，剂量当量率≤10μSv/h；②屏蔽体底部 当混凝土与土壤边界处瞬发辐射剂量率<5mSv/h时，土壤和地下水的感生放射性很小，处于可忽略水平。

4 辐射场所布局及屏蔽设计

4.1 辐射工作场所分区布局

为便于辐射防护管理和职业照射控制，根据GB 18871—2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》的规定，将辐射工作场所分为控制区和监督区。小型化质子加速器机房辐射工作场所分区如下：①控制区 为质子治疗机房内部和放射性固体废物储存间；②监督区 为质子治疗机房各层防护门外的通道、隔离变压器室、控制室和准备区，及废水暂存间门外的通道。

质子治疗机房在质子大楼北侧区域单独设置，两间机房地面以上部分南北宽约17m，东西长约30m，高9.37m。机房设有迷道、控制室，与机房分离。机房地下部分的北、西、东侧均为土壤层，南侧为控制室、辅助治疗区和设备机房。机房地上部分的北侧、西侧均为医院内道路、停车场、一期后勤楼和值班房、住院病房；南侧为质子放疗配套用房和质子大楼内的其他区域；东侧为医院内道路，机房顶为不上人屋面，机房底板外为废水暂存间。紧邻机房屏蔽墙体的区域除控制室外，无办公室等人员的常居留场所。另外，设置相对独立的人流路线，辐射工作场所进出口处均设门禁，防止无关人员进入，便于场所防护和安全管理。整个质子治疗区房间功能布局紧凑、辐射防护分区布局合理。

4.2 结构辐射屏蔽设计

单室质子机房3层建筑设计为整体屏蔽，每个楼层的屏蔽厚度基本一致，加速器出束时主射线朝向前墙、底部及顶部屏蔽体，其他方向为漏射线和散射线。辐射屏蔽体主要包括屏蔽墙、防护门和穿墙管道。

机房内一般采用L形迷道，主射线方向不朝向迷道。屏蔽墙材料可选择混凝土、重混凝土或有效组合多种材料。屏蔽墙的设计需考虑加速器位置、束流照射方向、束流大小、质子能量大小、屏蔽体材料、屏蔽体外环境等。防护门一般选择聚乙烯等对中子防护效果好的材料。

小型化质子加速器机房每个楼层出入口需设置防护门，底层设备层防护门和中间层治疗层防护门设计为15cm厚聚乙烯门，顶层维修层防护门设计为7cm厚聚乙烯门；防护门需根据门洞大小和开门方式设计预埋件和门缝搭接的方式，确保门体和墙体搭接宽度是缝隙宽度的10倍以上，以避免辐射泄露。

小型化质子加速器机房内的电气、暖通、消防、医气等设施需要设计很多穿墙套管、风管、水管、气体套管等，各类管道设计需结合BIM技术进行合理排布，且管线穿越屏蔽体时的方式需满足辐射屏蔽要求。

该质子机房辐射屏蔽设计如图3所示，机房屏蔽墙体、屋顶和底板选用32kN/m3的重混凝土，机房设备层、治疗层和维修层迷道口均采用聚乙烯防护门。

图3 质子机房辐射屏蔽设计

4.3 辐射安全与防护措施

质子治疗系统调试、正常运行和维护期间，会产生中子和伽马射线，停机后仍有活化部件产生伽马辐射场。为保证运行人员和公众免受潜在电离辐射伤害，应按照HJ 1198—2021《放射治疗辐射安全与防护要求》设置防止误操作、防止工作人员和公众受到意外照射的安全联锁系统和辐射监测系统，设计施工时应考虑各功能部件的布置和穿墙接线。该系统包含辐射监测、安全联锁和视频监控设备，通过联锁设备及相应软件程序将安全规程嵌入质子治疗系统运行和维护过程中，以保护运行人员人身安全。该系统设计遵循失效安全、纵深防御、最优切断原则，不但重要场所的关键安全设备采用多重冗余设计，核心控制设备也是失效安全的。安全联锁子系统、辐射监测子系统相互配合，通过通信电缆连接，实现剂量联锁。

4.3.1安全联锁系统

安全联锁系统是采用可编程控制技术、门禁控制及自动门技术、集散式控制技术、计算机网络与通讯技术、探测与数据处理技术、设备自诊断与自恢复技术等，实时监测质子治疗系统的各联锁部件，将信号输入安全联锁系统，只有在联锁条件全部满足的情况下，才允许产生束流并加速，主要由安全控制器、现场设备和网络通信部分组成，与剂量监测及机房防护门等系统配合形成的3层监控系统。系统核心部件是可编程逻辑控制器(PLC)及输入输出模块的信号，直接与安全组件和系统联锁硬线连接的部件。输入模块负责将清场按钮、急停按钮、门限位开关、钥匙控制等安全组件状态发送给控制器。输出模块负责将控制器的控制信号发送给相应加速器的输出设备。位于控制室的上位计算机通过现场总线与安全联锁系统主控制器进行通讯，获取安全联锁系统的现场设备实时状态。

安全联锁设备包括钥匙控制、门限位开关、安全门锁、急停按钮、清场搜索按钮和声光报警等设备(见图4)。急停按钮、清场搜索按钮应显目、易识别、容易到达。辐射区域设置机器运行前语音警告提示装置，控制台设置电子显示屏，用于显示辐射区域内的联锁装置工作状况。安全联锁系统逻辑如图5所示。

图4 安全联锁系统架构

图5 安全联锁系统逻辑

4.3.2辐射监测系统

辐射监测系统主要功能是测定质子加速器工作场所和周围环境中的辐射水平，以监督和控制人员活动，使接收的辐射剂量实现合理可达尽量低(ALARA)的原则，保证工作人员和公众安全。

辐射监测系统由探测器、数据处理单元、工业以太网、监控计算机、中心管理计算机与辐射防护数据库组成，架构如图6所示。探测器可测量辐射水平，并可转换剂量率信息，数据处理单元用于采集探测器的输出信号和完成信号，并进行加权处理、剂量率本地显示、本地报警及数据上传。工业以太网是探测器和监控计算机进行通讯的媒介，监控计算机用于日常分析与管理监测数据，中心管理计算机用于发布剂量监测数据，辐射防护数据库用于存储探测器测得的实时剂量数据，包括剂量率、测量时间、监测点代号、测量辐射类型(γ/中子)。小型化质子加速器机房(治疗层)固定式辐射监测点位如图7所示，每个监测点由1台中子探测器和γ探测器组成。

图6 辐射监测系统结构

图7 小型化质子加速器机房辐射监测点位(治疗层)

质子治疗系统能量范围是50～230MeV，产生的最大中子能量范围为热中子～230MeV。因此该区域中子探测器响应的能量范围不能低于热中子～230MeV，控制室内应中子探测器对中子的响应不低于热中子～14MeV，剂量率范围内至少覆盖100nSv/h～100mSv/h，并控制室内中子探测器的剂量率范围至少覆盖10nSv/h～1mSv/h。伽马探测器响应能量范围不低于30keV～6MeV，剂量率范围至少覆盖100nSv/h～10mSv/h，控制室内中子探测器的剂量率范围至少覆盖10nSv/h～1mSv/h。

4.3.3上位计算机和终端监控界面

一般选用商用计算机作为安全联锁和剂量监测系统的上位计算机，可显示各监测点的剂量率、安全联锁设备状态，终端监控界面采用工业控制用的LCD显示器，各监测点位的辐射剂量和安全联锁信息在显示器上以图形的方式直观显示。

4.4 小型化质子加速器机房通风系统

小型化质子加速器机房通风系统分为治疗区和机架区。

治疗区位于机房地上1层，采用新风空调送风、排风机排风的方式，每间机房治疗区送风量为1 500m3/h，排风量为2 000m3/h，换气次数约10次/h。排风量略高于送风量，使治疗区内保持微负压状态。

机架区为上、下3层贯通结构，采用新风空调送风、排风机排风的方式，每间机房机架区的送风量为1 500m3/h，排风量为4 000m3/h，换气次数约5次/h。排风量高于送风量，使机架区内保持微负压状态。通风系统设计分区如图8所示。

图8 通风系统设计分区

4.5 放射性废物处理

4.5.1放射性废气

质子加速器运行时，室内空气通过热中子俘获、(n，2n)、(γ，n)反应和散裂反应被活化，产生的活化核素主要为3H，7Be，11C，13N，15O，41Ar等。质子机房和治疗室内应分别设置强制排风系统，排风设计应满足GBZ 121—2020《放射治疗放射防护要求》，换气次数不低于4次/h，送风排风系统成对角，上送下排，质子系统运行过程中，通风系统应保持开启，感生放射性气体由各区域屋面排入环境中。

4.5.2放射性废液

放射性废液主要是活化冷却水。质子治疗系统所用冷却水为去离子水，使用过程中，由于15O散裂反应可能形成放射性核素，除7Be、3H外，其余核素半衰期都很短，放置一段时间基本可以衰变。正常运行情况下，设备冷却水闭路循环不排放，只在设备相关部位检修时才排放，小型化质子加速器机房底板下设有集水井，有效容积为1.2m3，用于暂存更换的冷却水，如图9所示。可能被活化的冷却水回路中总水量约0.16m3，每年最多检修排放次数为2次，年最大排放量为0.32m3。集水井通过管道与小型化质子加速器机房地漏相连，集水井的标高低于小型化质子加速器机房底板标高，且该机房设自流坡度，可确保冷却水能够自流并通过机房内地漏排入集水井内暂存。

图9 活化冷却水暂存场所位置

在集水井上设取样口，活化的冷却水在排放前必须测量取样，若满足放射性废水排放标准，才可排放。集水井管道与医院污水管网相连，且配备手动启动的排水泵，需要排放时手动开启排水泵，通过管道将冷却水排入医院污水管网。每次排放需记录废水来源、排放量、活度浓度监测结果、排放去向等信息，并存档。

4.5.3放射性固体废物

质子治疗系统产生的放射性固体废物主要为维护、维修环节更换的易损、易活化的结构部件。拆除的活化部件集中使用废物桶装收集后，暂存在治疗机房底层设备层指定区域或转移至放射性废物暂存区。每个废物桶外设置电离辐射标志和放射性废物标签，该标签包括贮存日期、材料来源和性质、表面剂量率及收集人员签名等内容。医院根据放射性固体废物储存情况，定期委托有资质的单位进行检测和分析，对于满足解控要求的固体废物，报审管部门备案和批准后，由医院作为一般固体废物进行处理。对于不满足解控要求的放射性固体废物，医院定期委托有资质的单位进行处理。放射性固体废物暂存区域如图10所示。

图10 放射性固体废物暂存区域位置

4.6 配套CT机辐射防护

小型化质子加速器机房治疗层内配备1台移动CT机，移动CT机出束期间，质子机房内部为控制区，控制室为监督区。移动CT机的辐射屏蔽体利用该机房屏蔽墙体，可满足GBZ 130—2020《放射诊断放射防护要求》中“CT机房和CT模拟定位机房屏蔽采用2.5mm铅当量的要求”。

机房内部的CT操作台设观察窗，机房内设摄像头，便于观察受检者状态及防护门开闭情况。当质子治疗系统的人身安全联锁系统建立联锁后，方可建立移动CT机的定位联锁。机房各层均设有移动CT机出束状态指示灯，该指示灯与各层出入口门和移动CT机出束状态联锁。当定位联锁后，工作状态指示灯点亮。若定位联锁被破坏，工作状态指示灯会熄灭。

5 结语

同济医院光谷院区配套项目(质子大楼)小型单室内3层建筑整体，使用重混凝土作为主屏蔽体，选用聚乙烯防护门，优化穿墙管道排布，屏蔽体外瞬时剂量率均低于剂量率控制水平。并在机房设计安全、冗余的辐射安全联锁系统，设置固定式辐射监测系统，并选用上位计算机和终端监控界面进行实时显示，可有效确保工作人员和公众安全，防止意外照射。机房设有独立的通风系统，使排风量、换气次数、进排风方式、排风高度等满足相关标准的要求。机房设有专门的放射性废物储存间和集水井，能确保废物对环境污染的影响极小，对室内CT机进行综合防护设计，使其能够安全便捷地配合质子治疗。

综上所述，该项目形成了新型小型化质子治疗系统防辐射关键技术，能解决此类小型化质子加速器机房防辐射设计和施工难题，确保符合国家法规和标准要求。