医用电子加速器因射线能量高、穿透能力强、半影区小等优点已成为放射治疗的主要设备。在进行放射治疗时,医用电子加速器不可避免地从机头屏蔽体射出X射线及中子,即泄漏辐射,这些泄漏辐射于治疗无关却对患者不利。为此,GBZ 126-2011《电子加速器放射治疗放射防护要求》规定了M区外的泄漏辐射要求,M区外指与有用线束轴垂直、外延直径为2 m的圆形平面内(不包括在患者平面,以有用线束轴为中心并以最大照射野为其边界的区域即M区域)^[1]。本研究报道17台医用电子加速器M区外的泄漏辐射测量结果,以此评价医用电子加速器的防护性能,并进行相关分析。

1. 受检设备:选择常见型号的医用电子加速器共17台,其中包括美国瓦里安公司加速器4台,德国西门子公司加速器5台,瑞典医科达公司加速器3台,山东新华医疗器械厂加速器3台,北京医疗器械研究所加速器2台。

2. 检测仪器:探测器的热释光粉末分为两种,中国人民解放军防化研究院生产的塑料管封装(LiF:Mg,Cu,P)(简称TLD1)和中国辐射防护研究院生产的成对使用LiF-GS玻璃管封装(⁶LiF:Mg,Cu,P;⁷LiF:Mg,Cu,P)(简称⁶LiF、⁷LiF);采用北京防化研究院生产的RGD-3B型热释光剂量仪;采用德国PTW公司生产的Unidos E型剂量仪(用以校准加速器输出剂量)、30013型0.6 cc电离室及30 cm×30 cm×30 cm水箱。

3. 检测方法和步骤:按照国际原子能机构(IAEA)277号技术报告的要求,校准加速器实际辐射输出剂量^[2]。在此基础上,按照GBZ 126-2011方法对M区外的泄漏辐射进行测量:布样方法详见图1。在X射线工作模式下,加速器以最大标称能量进行照射,100 cGy/次。其中能量电压 < 10 MV的加速器使用TLD1,测量其X射线泄漏辐射;对能量电压≥ 10 MV的加速器配对使用⁶LiF、⁷LiF,测量其X射线和中子泄漏辐射。

4. 泄漏辐射率的计算:M区外X射线泄漏辐射率计算如公式(1):

式中,X_i为TLD1、⁷LiF的净读数;Cf为刻度因子(Cf₁、Cf₂分别由TLD、⁷LiF检定证书提供),cGy;η为源皮距100 cm处,X射线泄漏辐射空气比释动能换算成最大剂量深度水中的吸收剂量的转换系数(η₆、η₁₀、η₁₅分别为能量电压为6、10和15 MV的转换系数,具体数值借助固体水模型及TLD1测得);D₀为射束中心轴上最大吸收剂量,D₀=100 cGy。M区外中子泄漏辐射率(m,%)计算如公式(2):

式中,Z为⁶LiF、⁷LiF读数的数据差值;f₀为每次读数的组织比释动能因子(f₀系参照⁶LiF、⁷LiF检定证书及刻度源参数求出,f₀的计算见公式(3):

式中,f_k为中子源比释动能因子值,f_k=3.77×10^-13cGy·m²;φ(t,r)为距中子刻度源75cm处的中子注量率,3.85×10⁶ m^-2·s^-1;T为检定时标称能量为1 mSv对应的照射时间,s;A为检定证书给出的标称能量为1 mSv对应的⁶LiF、⁷LiF差值。

5. 质量控制措施:为保证测量数据的准确可靠,实验用热释光双元件和读出器均经中国计量科学研究院检定及校准,且均在有效期内。TLD1与⁶LiF、⁷LiF退火条件、测量条件及加热盘均不同,测量过程中进行了认真核实。

1. M区外X射线泄漏辐射水平:实验使用TLD1与⁷LiF测量了17台加速器M区外的X射线泄漏辐射率,两者测量的最大值的范围分别为0.010%~0.063%、0.023%~0.091%,平均值范围分别为0.006%~0.029%、0.014%~0.046%,两项指标均符合GBZ 126-2011标准规定值(最大值、平均值上限分别为:0.2%、0.1%)。

M区外X射线泄漏辐射率变化情况与距离等中心的位置关系如图2所示。其中1~6号加速器对应能量电压为6 MV,7~13号加速器对应能量电压为10 MV,14~17号加速器对应能量电压为15 MV。由结果可知,M区外X射线泄漏辐射率与能量电压变化不明显;除5、6号加速器外,M区外X射线泄漏辐射率随与等中心点距离的增大而减少。

2. M区外中子泄漏辐射水平:M区外的中子泄漏辐射率最大值的范围为0.011%~0.049%,低于标准规定值上限(最大值上限为0.05%),平均值范围为:0.006%~0.036%,除两台加速器外,M区外的中子泄漏辐射率平均值均低于标准规定值上限(平均值上限为0.02%)。调查发现此两台加速器生产日期分别为2002、2003年,可能机头屏蔽体对中子的屏蔽不够,也可能是测量的误差所致。后续调查发现,其中1台加速器已因机型太老拆除,另一台加速器平均值为0.034%,仍超过控制值上限,基本可以排除误差影响。

M区外中子泄漏辐射率变化情况与距离等中心的位置关系如图3所示。其中9、11~13号加速器对应能量电压为10 MV,14~17号加速器对应能量电压为15 MV。由结果可知,加速器M区外中子泄漏辐射率随距等中心点距离变化不明显;能量电压为15 MV的加速器M区外中子泄漏辐射率平均值>能量电压为10 MV的加速器平均值,这与中子泄漏辐射率和X射线能量关系密切结论相符^[3]。

虽GBZ 126-2011附录D中给出的测量点有24个,但实际测量中因加速器机座的限制最多只能测量到16个点。探测器的选择上也有多种,如赵新春等^[4]、马永忠等^[5]使用的中子雷姆仪,杜翔等^[6]采用的二维的剂量分布仪及传统的电离室方法,本研究选择热释光元件作探测器,此探测器体积小,布样位置更精确,且操作简便。即使如此,M区外X射线及中子泄漏辐射水平测量仍较为复杂,操作时间较长,约为1 h左右。

加速器在投入临床应用前严格按相关标准的要求做好加速器自身防护性能的验收工作。尽管泄漏辐射的测量繁琐,但泄漏辐射水平必须符合标准规定的要求,其水平直接反映加速器防护性能,因为其危害不容忽视。在放射治疗中,泄漏辐射水平是人体靶外剂量的重要来源,泄漏辐射较高可能对患者病灶外的正常组织产生过多的靶外剂量,从而增加正常组织放射损伤的危险^[7]。尤其是当加速器X射线有用线束能量>10 MeV时,会通过电中子反应和光中子反应产生中子^{[8, 9]},之后协同与X射线靶外辐射作用于人体,增加了患者放射损伤的风险。本研究中有两台加速器中子泄漏辐射率平均值不符合标准要求,更进一步说明此项工作的重要性。尽管标准规定M区外泄漏辐射水平测量仅进行型式试验,但如有条件应增加检测次数。

本研究的不足之处在于,由于医院肿瘤患者数量多,加速器工作时间长,且与院方沟通不够,导致样本量较小。因测量的机器台数有限,难以从现有资料中很好地分析不同机型的M区外X射线及中子泄漏辐射率,在后续调查研究中,希望能与更多院方合作,尽力扩大样本量,以保证数据的科学性和准确性。