放射治疗是肿瘤三大治疗手段之一，放射治疗设备的使用需要建设相应的机房来有效保障职业人员和公众所受照射低于可以接受的安全水平^[1]。国外组织，如美国国家辐射防护与测量委员会(National Council on Radiation Protection and Measurements，NCRP)^[2]和医学物理与工程学会(Institute of Physics and Engineering in Medicine，IPEM)^[3]发布一系列报告，提供了指导MV级X射线和γ射线放射治疗设备机房屏蔽的相关建议和技术信息。我国自2007年开始，也陆续公布了GBZ/T 201系列国家标准^[4]，分别规定了电子直线加速器^[5]、γ射线源^[6]、²⁵²Cf中子后装^[7]、质子加速器^[8]放射治疗机房辐射屏蔽的剂量参考控制水平、一般屏蔽要求和辐射屏蔽计算与评价方法，是目前相关放射治疗项目职业病危害评价的主要依据，对保障我国放射治疗行业的安全有序发展发挥了重要作用。

上述国内外标准大体上一脉相承，其屏蔽计算与评价方法基本一致，计算所需的参数(如各屏蔽材料的什值层、散射因子等)也基本相同。主要区别在于各标准设定了不同的评价标准。这使得即使对于相同的直线加速器和相同外尺寸的机房，满足标准要求的屏蔽厚度也不尽相同。本文以一个常规的低能直线加速器机房为例，按照国内外3种医用电子直线加速器机房屏蔽标准，结合国内较为有代表性的工作负荷，计算并对比了机房防护设计厚度的差别，为修订和完善现行国标提供参考。

材料与方法

1.机房尺寸及屏蔽材料：本研究以一个主屏蔽内凸的加速器机房为研究对象。为便于比较，假设该机房的辐射屏蔽材料全部采用普通混凝土(密度2.35 g/cm³)，且外尺寸保持不变，即关注点距等中心的距离保持不变。

2.加速器性能参数和工作负荷：由于加速器最大X射线能量为6 MV，因而不考虑中子的剂量贡献。等中心最大剂量率为720 Gy/h，源轴距(SAD)为1 m，漏射率按1‰保守估计。工作负荷按照本科2019年最繁忙的加速器Versa HD (瑞典医科达公司)的实际工作负荷取值，即每日工作15 h，每周工作5 d，电子线和6 MV X射线每天平均治疗人数分别为20和105人次，其中6 MV X射线常规治疗和调强放疗(IMRT)治疗人次比例分别为10%和90%。每个患者等中心处平均吸收剂量为3 Gy。

3.屏蔽计算参数：各关注点的屏蔽计算参数(如居留因子、使用因子、散射因子和相应的混凝土的什值层厚度)均采用NCRP 151号报告的推荐值^[2](表 1)。

4.屏蔽效果评价指标：为了对比不同国家或地区在加速器机房辐射防护要求上的差异，按照美国NCRP 151号报告、英国现行电离辐射法规17(Ionising Radiations Regulations，IRR 17)和我国GBZ/T 201.2-2011计算了各关注点所需的混凝土屏蔽厚度。不同标准对各关注点屏蔽效果的评价指标如表 2所示，不同标准的评价指标各不相同^{[2-3, 5]}。除周剂量控制目标值(P)外，各标准还使用瞬时剂量当量率(IDR)或任意某段时间(每天或每小时或每分钟)的平均剂量率限值(TADR_d或R_h或TADR_m)作为评价指标。即使使用相同的评价指标，各标准对各关注点所用的限值也各不相同。

5.屏蔽厚度计算方法：除屏蔽效果评价指标有所差异外，上述3种标准推荐的屏蔽厚度计算方法也有一些差异。

(1) NCRP 151计算方法：按照NCRP 151号报告计算各关注点所需的混凝土屏蔽厚度的具体方法参见NCRP 151号报告第7.1节^[2]，其计算流程如图 1所示。简单来说，首先根据NCRP报告中式(3.5)和(3.6)计算主束贯穿辐射、患者散射和机头泄漏辐射相应的工作负荷；然后根据各关注点的周剂量控制值，按照NCRP报告中式(2.1)、(2.7)、(2.8)分别计算屏蔽主束贯穿辐射、患者散射和机头泄漏辐射所需的穿透因子，并根据式(2.2)和(2.3)计算所需的混凝土初始厚度t₁。对于存在双重剂量贡献的关注点，其初始厚度按照双源原则进行处理。接着计算此屏蔽厚度和加速器最大输出剂量率条件下各关注点的周围剂量当量率水平，并按照式(3.8)、(3.9)和(3.14)计算任意1 h的平均剂量当量率R_h。如R_h大于20 μSv/h时，需在初始屏蔽厚度的基础上增加适当数量的半值层或什值层屏蔽厚度，直至最终屏蔽厚度t_NCRP满足任意1 h的平均剂量当量率小于20 μSv/h的要求。

(2) GBZ/T 201.2-2011计算方法：按照GBZ/T 201.2-2011标准计算各关注点所需的混凝土屏蔽厚度的具体方法参见GBZ/T 201-2011标准附录A^[5]，其计算流程如图 2所示。

GBZ/T 201.2-2011使用导出剂量率$\dot H$_{c, d}与最大周围剂量当量率限值$\dot H$_{c, max}中较小者作为关注点的剂量率控制水平$\dot H$_c，因而在计算屏蔽厚度前，需计算各关注点的导出剂量率水平。对于需考虑主束贯穿辐射和患者散射贡献的关注点，其导出剂量率水平由(1)式计算：

$ {\dot H_{{\rm{c, d}}}} = P/\left( {t \times U \times T} \right) $

(1)

式中，t为周治疗照射时间，h。对于需考虑泄漏辐射的关注点，其导出剂量率水平由(2)式计算：

$ {\dot H_{{\rm{c, d}}}} = P/\left( {t \times N \times T} \right) $

(2)

式中，N为调强因子，一般N=5。即对于泄漏辐射，周工作负荷需要进行IMRT修正。

根据GBZ/T 201.2-2011，对于主束主屏蔽区关注点C和D，先按照式(1)计算关注点的导出剂量率水平$\dot H$_{c, d}，再按照居留因子的不同选定对应的最大周围剂量当量率限值$\dot H$_{c, max}，取二者较小值作为关注点的剂量率控制水平$\dot H$_c。再由式(3)估算屏蔽主束贯穿辐射所需的穿透系数：

$ {B_{{\rm{pri}}}}{\rm{ = }}\frac{{d_{{\rm{pri}}}^2 \times {{\dot H}_{\rm{c}}}}}{{{{\dot D}_0}}} $

(3)

式中，C点的居留因子为0.025 < 1/2，所以其$\dot H$_{c, max}=10 μSv/h；D点的居留因子为1>1/2，所以其$\dot H$_{c, max}=2.5 μSv/h。再根据(4)式和(5)式计算所需的混凝土什值层个数和厚度t_GB。

$ n = \log \left( {\frac{1}{B}} \right) $

(4)

$ {t_{{\rm{GB}}}} = {\rm{TV}}{{\rm{L}}_1} + \left( {n - 1} \right) \times {\rm{TV}}{{\rm{L}}_{\rm{e}}} $

(5)

对于主束次屏蔽区关注点A和B，考虑患者散射和泄漏辐射的复合作用。

对于患者散射，先按照式(1)计算关注点的导出剂量率水平$\dot H$_{c, d}。由于A点的居留因子为0.025 < 1/2，所以其$\dot H$_{c, max}=10 μSv/h；B点的居留因子为1>1/2，所以其$\dot H$_{c, max}=2.5 μSv/h。取其一半($\dot H$_{c, max}5 μSv/h和$\dot H$_{c, max}1.25 μSv/h)分别作为患者散射对关注点A和B的最大周围剂量当量率参考控制水平，取相应$\dot H$_{c, d}和$\dot H$_{c, max}中较小值作为关注点的剂量率控制水平$\dot H$_c。并根据式(6)估算患者散射所需的穿透系数：

$ {B_{{\rm{sca}}}} = \frac{{{{\dot H}_{\rm{c}}} \times \left( {400} \right) \times d_{\sec }^2}}{{{{\dot D}_0} \times \alpha \times F}} $

(6)

再根据(4)式和(5)式分别计算患者散射所需的混凝土的什值层个数和有效屏蔽厚度t_sca。

对于泄漏辐射，先按照式(2)计算关注点的导出剂量率水平$\dot H$_{c, d}。使用与上述患者散射相同的处理方法确定关注点的最大周围剂量当量率参考控制水平$\dot H$_{c, max}，取相应$\dot H$_{c, d}和$\dot H$_{c, max}中较小值作为关注点的剂量率控制水平$\dot H$_c。并根据式(4)~(6)式估算泄漏辐射所需的穿透系数、什值层个数和混凝土屏蔽厚度t_L。取t_sca和t_L较大者作为关注点的最终屏蔽厚度t_GB。

对于侧墙次屏蔽E点，根据GBZ/T 201/2-2011和NCRP 151号报告，由于此处患者散射角度较大，相对于机头泄漏辐射的贡献，患者散射对屏蔽厚度的影响较小，因而该区域只需考虑泄漏辐射屏蔽。先按照式(2)计算关注点的导出剂量率水平$\dot H$_{c, d}。由于E点的居留因子为0.2 < 1/2，所以使用$\dot H$_{c, max}=10 μSv/h作为剂量率参考控制水平，取相应$\dot H$_{c, d}和$\dot H$_{c, max}中较小值作为关注点的剂量率控制水平$\dot H$_c。并使用式(7)估算泄漏辐射所需的穿透因子：

$ {B_{\rm{L}}} = \frac{{{\rm{ID}}{{\rm{R}}_{\rm{L}}} \times d_{\rm{L}}^2}}{{{{\dot D}_0} \times f}} $

(7)

再根据(4)式和(5)式计算所需的混凝土什值层个数和厚度t_GB。

对于室顶主屏蔽区F点，可以参照关注点C和D来确定满足相应要求的t_GB。对于室顶次屏蔽区G点，可以参照关注点A和B来确定满足相应要求的t_GB。

(3) IPEM 75计算方法：使用IPEM 75号报告计算所需屏蔽厚度，可先参照NCRP 151号报告推荐的方法利用周剂量控制目标值计算各关注点所需的屏蔽厚度。再参照NCRP 151号报告中式(3.8)和(3.9)计算每分钟及每天的平均剂量率水平(TADR_m和TADR_d)，判断其是否满足TADR_m < 100 μSv/h和TADR_d < 7.5 μSv/h的要求。若不满足，则视TADR_m和TADR_d的结果增加适当数量的半值层直至达到最终的屏蔽厚度t_IPEM，使得周剂量和平均剂量率均满足要求。

6.屏蔽方案比较：按照上述3个标准计算出各关注点所需的屏蔽厚度后，从屏蔽效果、室顶承重、机房内使用面积等方面对3种屏蔽方案进行了比较和讨论。

结果

1.基于不同标准计算得到的屏蔽厚度：按照不同标准计算得到的各点位所需的混凝土屏蔽厚度如表 3所示。在同一屏蔽方案中，相较于其他关注点位，主束主屏蔽区(C、D和F点)所需的混凝土屏蔽厚度最大。按照NCRP 151号报告、IRR 17法规和GBZ/T 201国标计算得到的关注点A、B、C、D、E、F和G所需的混凝土厚度分别为79、105、136、166、104、137、76 cm，94、126、183、189、119、175、92 cm和117、133、207、227、121、175、94 cm。整体上来说，NCRP 151屏蔽方案的所需混凝土厚度最小，IRR 17屏蔽方案所需的混凝土厚度次之，GBZ/T 201屏蔽方案所需的混凝土厚度最大。其中IRR 17屏蔽方案和GBZ/T 201屏蔽方案的主要差异在A、C和D点。其余关注点所需混凝土厚度的差异均小于混凝土的1个半值层厚度(~10 cm)。

2. 3种屏蔽方案的比较：在保持机房外尺寸不变，即各关注点相对等中心的距离保持不变的前提下，按照不同标准计算得到的屏蔽方案的机房图纸如图 3所示。

表 4比较了基于不同标准计算得到的各屏蔽方案的治疗室使用面积、室内层高、室顶承重。在保持机房外尺寸不变的情况下，屏蔽厚度的增加只能通过侵占治疗室内空间，减小治疗室内使用面积和层高的办法来实现。若以NCRP 151屏蔽方案为基准，IRR 17屏蔽方案将使治疗室内使用面积和层高分别减小6.79%和7.13%，室顶承重增加24.48%。此种“侵占现象”在GBZ/T 201屏蔽方案中更为明显，治疗室内使用面积和层高分别减小11.24%和7.13%，室顶承重增加25.20%。

讨论

本研究分别按照NCRP 151号报告、IRR 17法规和GBZ/T 201国家标准，计算了一个示例机房不同关注点所需的混凝土厚度。在按照3个标准的计算过程中，使用的加速器性能参数、工作负荷、居留因子、使用因子、散射因子、泄漏率、混凝土什值层都保持一致，计算方法(推导和验算)仅有少许差别，主要区别在于各标准设定的评价指标不同。从计算得到的屏蔽结果看，评价指标的不同对屏蔽结果有显著影响。

NCRP 151号报告、IRR 17法规和GBZ/T 201国家标准推荐的公众和职业人员的周剂量控制目标值分别为20和100，6和20、5和100 μSv/周。相比于NCRP 151号报告，我国现行国家标准推荐的公众的周剂量控制目标值较为保守，这些周剂量控制目标值的差异会使所需的混凝土屏蔽增加约1~2个半值层厚度。

此外，不同标准所使用的剂量率限值有明显差别。NCRP 151号报告和IRR 17主要使用时间平均的剂量率作为评价指标，而GBZ/T 201现行国家标准使用瞬时剂量当量率作为评价指标。GBZ/T 201屏蔽方案中，绝大多数关注点(如C、A、D和B点)按照最大周围剂量当量率计算得到的屏蔽厚度都大于按照周剂量控制目标值计算得到的结果，特别是对于居留因子较小的主束主屏蔽和次屏蔽区(如C点和A点)。对于B点和D点，即使NCRP 151号报告和GBZ/T 201推荐的周剂量控制目标值相同(均为100 μSv/周)，由于GBZ/T 201.2-2011限制瞬时剂量当量率不超过2.5 μSv/h，使得GBZ/T 201屏蔽方案中B点和D点所需的混凝土厚度远大于使用任意1 h平均剂量率作为剂量率评价指标的NCRP 151屏蔽方案。

使用瞬时剂量当量率作为评价指标可以提高现场检测效率。但本研究结果提示，GBZ/T 201国家标准推荐的瞬时剂量当量率限值可能较为保守。对于居留因子较大的关注点(如B点和D点)，其值等于周剂量控制目标值除以每周工作时间(每周工作5 d，每天工作8 h)。这种推导没有充分考虑医用直线加速器非连续出束的特点。在放射治疗的临床实践中，由于需要进行患者摆位、计划调用等，加速器实际出束时间仅占整个工作时间的一小部分。这使得由瞬时剂量当量率限值推导的屏蔽厚度与按照周剂量控制目标值推导的屏蔽厚度不自洽，甚至相差1~2个什值层。其次，使用过于严格的瞬时剂量当量率作为评价指标，如同硬性地排除了外照射辐射防护三原则中通过控制居留时间来降低人员受量的可能，从防护理论上似乎不太合理。最后，高剂量率甚至超高剂量率模式由于在放射生物效应上有其独特的优势，同时也有利于临床上降低靶区运动带来的患者实际受量的不确定性，因而一直是放射治疗技术和设备的发展趋势。目前加速器的剂量率已从300~600 MU/min提高到1 400~2 400 MU/min。最近推出的Varian Flash Therapy质子治疗技术，剂量率更是高达720 000 cGy/s。如仍以瞬时剂量当量率作为评价指标，显然与放射治疗新技术的发展方向相冲突。

NCRP和IPEM在其技术报告中多次强调，对于医用直线加速器这种非连续出束的治疗设备，不宜使用瞬时剂量当量率作为机房防护效果的评价指标。NCRP 151号报告推荐综合考虑工作负荷和使用因子的情况下，使用任意1 h的TADR作为评价指标。IPEM也在其最新的报告^[3]中特别强调，对于现有的绝大多数医用直线加速器，原使用的7.5 μSv/h的瞬时剂量当量率控制水平过于严格，推荐使用年剂量限值作为机房防护评价指标。英国最新的法规IRR 17已接受上述建议，放松了对瞬时剂量当量率的限制，改用每日平均剂量率限值7.5 μSv/h和每分钟平均剂量率限值100 μSv/h作为主要剂量率控制指标。

我国放射治疗事业在近一二十年内已经取得了巨大的进步，加速器数量迅猛增加。以一台加速器使用寿命为10年计算，不少一二十年前设计的加速器机房都面临设备更新和机房改造任务。对于现有机房的改造，由于受到周围环境条件的限制，所需增加的屏蔽往往只能在原有治疗室内增加。因此，本研究在比较屏蔽方案时假设机房外尺寸保持不变。从结果看，不同屏蔽方案治疗室内空间有显著差异。若按现行国标计算得到的室顶屏蔽厚度大于原有基础的承重能力，不得不对原有基础进行改造，经专业造价师估计将额外增加近20万元的成本。如因室内空间不足不得不使用高密度屏蔽材料(如铅砖)以降低屏蔽厚度，保证治疗室内使用面积，将额外增加近百万元的改造成本，并产生额外的时间成本。辐射屏蔽设计应在满足个人剂量限值的条件下遵从防护最优化原则，即需考虑经济和社会因素，采取诸多有效的防护措施以保证个人剂量的大小，受照人数以及可能遭受的照射，保持在可合理达到的尽可能低的水平(as low as reasonably achievable，ALARA)。合理设置评价指标，在保证辐射安全的前提下综合考虑经济和社会因素，这对于现有加速器机房的更新改造具有十分重要的现实意义。

目前，我国加速器机房环境影响评价所参照的是GBZ 126-2011^[11]。其第6.1节“治疗室的防护要求”中规定“辐射屏蔽设计应符合GBZ/T 201.1的要求”。而GBZ/T 201.1对医用电子直线加速器的屏蔽计算和评价方法是由GBZ/T 201.2-2011具体规定，所以本文中按照现行国家标准GBZ/T 201.2-2011计算了相应的屏蔽厚度。同时，GBZ 126-2011^[11]在第6.1.3节规定，不论各关注点居留因子的大小，“在加速器迷宫门外，控制室和加速器机房墙外30 cm处的周围剂量当量率应不大于2.5 μSv/h”，这与职业病危害评价所参照的GBZ/T 201.2-2011相关规定(加速器机房墙外周围剂量当量率因关注点位的居留因子的不同而不同：T>1/2，H_c≤2.5 μSv/h；T < 1/2，H_c≤10 μSv/h)不一致。这不仅进一步增大了机房周围部分居留或偶然居留的关注点所需的屏蔽厚度，增大现有加速器机房的改造成本和难度，更造成了我国加速器机房设计与建设过程中的困惑。

本研究对一个常规低能直线加速器机房，分别按照国内外3种医用电子直线加速器机房屏蔽标准计算并对比了屏蔽方案。由于评价指标(特别是剂量率限值)的不同，各屏蔽方案所需的屏蔽厚度有明显差异。在此基础上，本研究分析了现行国家标准中所使用的剂量率限值可能存在的问题，为修订和完善现行国家标准提供参考。

利益冲突  全体作者无利益冲突，进行该研究未接受任何不正当职务及财务获益，并对本研究的独立性和科学性予以保证

志谢 非常感谢IPEM 75号报告的主要作者Patrick W Horton教授的耐心解答，加深了作者对IPEM 75号报告的理解

作者贡献声明  田源负责机房屏蔽厚度的计算和论文的撰写；宋一昕和冯泽臣负责屏蔽厚度计算结果的审核；戴建荣负责研究设计和论文修改