2020, Vol. 40
2. 北京市疾病预防控制中心放射卫生防护所 100013
2. Institute of Radiological Protection, Beijing Centers for Disease Prevention and Control, Beijing 100013, China
机房辐射屏蔽相关标准[1-6]是相关放射治疗项目环境影响评价和职业病危害评价的主要依据[7]。我国现行医用电子直线加速器机房的辐射屏蔽标准[2-3]与相关国际标准[8-10]大体上一脉相承，主要区别在于使用的剂量参考控制水平和检测评价方法不同。除周剂量控制目标值(P)有差异外，美国国家辐射防护与测量委员会(National Council on Radiation Protection and Measurements，NCRP)151号报告[9]，英国现行电离辐射法规(Ionising Radiations Regulations 2017，IRR 17)[10]和我国现行国标分别使用任意1 h的平均剂量当量率(Rh)，每天和每分钟的平均剂量当量率(TADRd和TADRm)和瞬时剂量当量率(IDR)作为评价指标。前述研究表明，对于低能医用电子直线加速器，按照我国现行国标计算得到的屏蔽厚度是最大的。由于高能医用电子直线加速器具有多档X射线能量，每档能量对应的最大输出剂量率、工作负荷和屏蔽材料的什值层等参数各不相同，屏蔽设计时须考虑各档能量对各关注点的综合贡献，情况更为复杂。本研究以一个常规高能医用电子直线加速器机房为例，首先按照国内外不同标准计算并比较各关注点所需的屏蔽厚度，然后重点研究高能X射线工作负荷占比对所需屏蔽厚度的影响，最后提出了一种新的基于瞬时剂量当量率保守估计值的屏蔽效果检测及评价方法，为修订和完善现行国家标准提供参考。
材料与方法1.按照国内外不同标准计算各关注点所需屏蔽厚度：以一个主屏蔽内凸的高能(含两档能量，6和10 MV)医用电子直线加速器机房为例，分别按照美国NCRP 151号报告[9]、IRR 17[10]以及我国现行国家标准GBZ/T 201[2-3]计算了机房外各关注点所需的混凝土屏蔽厚度。加速器每周工作5 d，每天工作15 h。除高能(10 MV)、低能(6 MV)X射线及电子线每天的工作负荷按42 :63 :20分配外，其余计算参数(如加速器性能、机房外尺寸、等中心和关注点位置、各关注点的居留因子、使用因子、散射因子及相应的混凝土的什值层厚度，表 1，2)和评价指标(表 3)均与前述研究一致。屏蔽厚度的计算方法与前述研究基本一致，只是在确定各关注点所需的最终屏蔽厚度时需根据“双源原则”综合考虑6和10 MV X射线的剂量贡献。需要特别强调的是，为便于计算和比较，假设该机房的辐射屏蔽材料全部采用普通混凝土(2.35 g/cm3)。同时，为了研究不同标准要求对旧有机房改造的影响，假设机房的外尺寸保持不变(即关注点距等中心的距离保持不变)。由于最大能量为10 MV，因而不考虑中子的剂量贡献[3]。本着保守估计的原则，计算得到的所有屏蔽厚度均向上取整。
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表 1 高能加速器不同射线对应的屏蔽计算相关参数 Table 1 Calculation parameters for high-energy linac with different X rays |
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表 2 各关注点的屏蔽计算参数 Table 2 Shielding calculation parameters for each concern point |
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表 3 使用不同标准各关注点的评价指标 Table 3 The evaluation indices for each concern point using different standards |
2.高能X射线工作负荷占比对所需屏蔽厚度的影响：从理论上讲，高能X射线工作负荷占比越高，各关注点所需的屏蔽厚度越大。为了研究不同标准中所使用的周剂量控制目标值与剂量当量率限值的自洽性，在保持平均每天治疗患者总数量不变的情况下，计算了高能X射线(10 MV)不同工作负荷占比时各关注点所需屏蔽厚度。
3.基于瞬时剂量当量率保守估计值的屏蔽效果检测及评价方法：按照NCRP 151号报告[9]，对于主束主屏蔽区(如C、D和F点)，其瞬时剂量当量率IDR和周剂量控制目标值P的关系如式(1)所示：
| $ P = \frac{{{W_{{\rm{pri}}}} \times U \times T \times {\rm{ID}}{{\rm{R}}_{{\rm{pri}}}}}}{{{D_0}}} $ | (1) |
式中，Wpri为未经IMRT修正的总工作负荷；U和T分别为关注点对应的使用因子和居留因子；D0为加速器等中心处的最大输出剂量率。根据式(1)即可推出主束主屏蔽区瞬时剂量当量率限值IDRpri为：
| $ {\rm{ID}}{{\rm{R}}_{{\rm{pri}}}} = \frac{{{D_0} \times P}}{{{W_{{\rm{pri}}}} \times U \times T}} $ | (2) |
对于次屏蔽区，IDR和P的关系如式(3)所示：
| $ \begin{array}{l} P = \frac{{{\rm{ID}}{{\rm{R}}_{{\rm{sca}}}} \times {W_{{\rm{pri}}}} \times U \times T}}{{{D_0}}} + \frac{{{\rm{ID}}{{\rm{R}}_{\rm{L}}} \times W \times T}}{{{D_0}}} = \\ \frac{{{\rm{ID}}{{\rm{R}}_{{\rm{sca}}}} \times {W_{{\rm{pri}}}} \times U \times T}}{{{D_0}}} + \frac{{{\rm{ID}}{{\rm{R}}_{\rm{L}}} \times {W_{{\rm{pri}}}} \times N \times T}}{{{D_0}}} \end{array} $ | (3) |
式中，IDRsca和IDRL分别为患者散射和机头泄漏辐射对关注点贡献的瞬时剂量当量率；N为调强因子，一般取5。
对于式(3)，可以根据“双源原则”进行如下处理：
| $ \frac{P}{2} = \frac{{{\rm{ID}}{{\rm{R}}_{{\rm{sca}}}} \times {W_{{\rm{pri}}}} \times U \times T}}{{{D_0}}} $ | (4) |
| $ \frac{P}{2} = \frac{{{\rm{ID}}{{\rm{R}}_{\rm{L}}} \times {W_{{\rm{pri}}}} \times 5 \times T}}{{{D_0}}} $ | (5) |
则可以推出次屏蔽区的瞬时剂量当量率限值IDRsec为：
| $ \begin{array}{l} {\rm{ID}}{{\rm{R}}_{\sec }} = {\rm{ID}}{{\rm{R}}_{\rm{L}}} + {\rm{ID}}{{\rm{R}}_{{\rm{sca}}}} = \frac{{{D_0} \times P}}{{2 \times {W_{{\rm{pri}}}} \times U \times T}} + \\ \frac{{{D_0} \times P}}{{2 \times {W_{{\rm{pri}}}} \times 5 \times T}} = \frac{{{D_0} \times P \times \left( {5 + U} \right)}}{{10 \times {W_{{\rm{pri}}}} \times U \times T}} \end{array} $ | (6) |
根据式(3)和式(6)，各关注点的瞬时剂量当量率与D0和P成正比，与Wpri和T成反比。可以通过对相关参数(如加速器等中心处最大输出剂量率D0)的合理估计得到IDRpri和IDRsec的保守估计值。如本研究中，可以选择各档能量标称最大输出剂量率中最小的那个输出剂量率水平作为D0，同时保守假设每天治疗患者Ps=200例，每个患者等中心处平均吸收剂量D=3 Gy，每周治疗天数Tw=7。由式(7)来估算的Wpri的最大值。
| $ {W_{{\rm{pri}}}} = Ps \times \bar D \times {T_{\rm{w}}} $ | (7) |
将上述各计算参数的保守估计值带入式(3)和式(6)，由此得到各关注点的IDRpri和IDRsec的保守估计值。
结果1.按照国内外不同标准计算各关注点所需屏蔽厚度：基于不同标准计算得到的各点位所需的混凝土屏蔽厚度如表 4所示。与前述关于低能医用电子直线加速器屏蔽设计的对比研究所得结果一致，主束主屏蔽区(C点、D点和F点)所需的屏蔽厚度在所有屏蔽方案中都是最大的。按照NCRP 151号报告、IRR 17法规和GBZ/T 201现行国家标准计算得到的各关注点(A、B、C、D、E、F和G点)所需的屏蔽分别为89、115、162、183、113、163、86 cm，104、130、215、213、128、207、105 cm和136、153、243、265、131、207和105 cm。不同标准间横向对比发现，GBZ/T 201屏蔽方案所需的屏蔽厚度最大。IRR 17屏蔽方案次之，NCRP 151屏蔽方案所需混凝土厚度最小。与前述低能加速器机房屏蔽研究结果进行纵向比较发现，即使平均每天治疗患者数量保持不变，机房各关注点所需的屏蔽厚度均不同程度的有所增加，特别是主束主屏蔽区(C、D和F点)，最大增加近38 cm。相对来说，NCRP 151屏蔽方案增加较为缓和，而对于使用TADRm和IDR作为评价指标的IRR 17屏蔽方案和GBZ/T 201屏蔽方案增加更为显著。
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表 4 使用不同计算方法和评价指标得到的各点位所需的混凝土屏蔽厚度(cm) Table 4 The required concrete thicknesses for each concern point calculated with different methods and evaluation indices(cm) |
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，不同屏蔽方案的机房的图纸如图 1所示。C、D和F点所需屏蔽厚度明显增厚。
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注：绿色. NCRP 151；蓝色. IRR 17；红色.GBZ/T 201；A、B.主束次屏蔽区关注点；C、D.主束主屏蔽区关注点；E.侧墙次屏蔽点；F.室顶主屏蔽点；G.室顶次屏蔽点；图中单位为mm 图 1 不同计算方法不同评价指标计算得到的机房屏蔽方案 A.机房平面图；B.机房立面图 Figure 1 Shielding schemes for treatment room calculation according to the different standards A.Floor plans; B.Elevations |
表 5比较了使用不同计算方法不同评价指标得到的各屏蔽方案的治疗室使用面积、室内层高和室顶承重。以NCRP 151屏蔽方案为基准，IRR 17屏蔽方案将使得治疗室内使用面积和层高分别减小7.14%和8.68%，室顶承重增加24.01%。此种“侵占现象”在按照GBZ/T 201屏蔽方案中更为严重，治疗室内使用面积和层高分别减小14.01%和8.68%，室顶承重增加24.01%。
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表 5 使用不同标准得到的各屏蔽方案的治疗室使用面积、室内层高、室顶承重增加比较 Table 5 Comparison of the indoor usable area, the indoor floor height, and the roof load-bearing of each shielding scheme calculated by using different standards |
2.高能X射线工作负荷占比对所需屏蔽厚度的影响：图 2给出了在保持每天平均工作负荷不变(125人次/d，其中X射线治疗105人次/d)的情况下，高能X射线(10 MV)工作负荷不同占比对各关注点屏蔽厚度的影响。其中，GBZ/T-IDR2为按照本文材料与方法部分提出的瞬时剂量当量率限值保守估计值为依据计算得到的屏蔽厚度。
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注: A、B.主束次屏蔽区关注点；C、D.主束主屏蔽区关注点；E.侧墙次屏蔽点；F.室顶主屏蔽点；G.室顶次屏蔽点 图 2 不同关注点高能X射线(10 MV)工作负荷不同占比对屏蔽厚度的影响 Figure 2 Influence of different workload of high energy X-ray (10 MV) on shielding thickness for different concern points |
除居留因子较小的主束主屏蔽区(C点)外，其余各关注点按照NCRP 151号报告，既考虑周剂量控制目标值P、又考虑任意1 h平均剂量当量率限值Rh计算得到的屏蔽厚度(NCRP_Final)，呈现出随高能X射线工作负荷占比增加而增加的趋势。
按照IRR 17法规和GBZ/T 201国家标准的周剂量控制目标值P计算得到的各关注点所需的混凝土屏蔽厚度在图中分别用橙色(IPEM_Dw)和蓝色方块线(GBZT_Dw)表示。随着高能X射线(10 MV)工作负荷占比的逐步增大，各关注点所需的屏蔽厚度也逐渐增大。对于主束主屏蔽区(C、D和F点)，当高能X射线(10 MV)工作负荷超过1%时，计算得到的屏蔽厚度开始明显增加，最大超过20 cm。而对于次屏蔽区(A、E和G点)，计算得到的屏蔽厚度对高能X射线(10 MV)工作负荷占比的增加相对较不敏感。只有当高能X射线(10 MV)工作负荷占比超过10%时，计算得到的屏蔽厚度才开始增加，最大增加不超过10 cm。
按照IRR 17法规和GBZ/T 201国家标准，根据各自的剂量当量率限值计算得到的各关注点所需的屏蔽厚度，在各图中分别用橙色(IPEM_IDR)和蓝色(GBZT_IDR)米字线表示。对于F点和G点，由于IRR 17法规和GBZ/T 201国家标准推荐的瞬时剂量当量率限值均为100 μSv/h，因而由两个标准推荐的瞬时剂量当量率计算得到的混凝土厚度在图中重合。与之相反，对于其他关注点(A、B、C、D和E点)，由于IRR 17法规规定的瞬时剂量当量率限值大于GBZ/T 201现行国家标准，因而GBZT_IDR大于IPEM_IDR。
从最终的屏蔽厚度看，对于C、D和F点，按照IRR 17法规计算的最终屏蔽厚度(IPEM_Final)主要由瞬时剂量当量率决定，基本不随高能X射线工作负荷的增加而变化。这一现象在GBZ/T 201屏蔽方案(GBZT_Final)中更为明显。除E点和G点外，几乎所有的关注点的由周剂量控制目标值计算得到的屏蔽厚度均比由瞬时剂量当量率限值计算的结果小约一个什值层厚度，最终屏蔽厚度都由瞬时剂量当量率决定。对于主束主屏蔽区(C点和D点)，二者的差异更为显著，甚至达到了约100 cm。对于E点，IRR 17法规和GBZ/T 201报告推荐的瞬时剂量当量率限值又显得过于宽松，最终屏蔽厚度都由周剂量控制目标值P决定。如若按照GBZ 126-2011第6.1.3节的规定，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”，分别按照瞬时剂量当量率限值和周剂量控制目标值计算得到的所需混凝土厚度差异将会更加显著。
3.基于瞬时剂量当量率保守估计值的屏蔽效果检测及评价方法：按照式(3)和(6)确定的各关注点的屏蔽厚度，如图 2中蓝色虚线所示(GBZT_IDR2)。从图 2可以看出，GBZT_IDR2同样不随高能X射线工作负荷占比的变化而变化，显示为一水平直线。其次，GBZT_IDR2均大于GBZT_Dw。对于E点和G点，虽然GBZT_IDR小于GBZT_Dw，GBZT_IDR2也能保证职业人员和公众的年个人剂量不超过相关标准的要求。最后，对于A、B、C、D、F点，GBZT_Dw与GBZT_IDR2间的差异小于GBZT_Dw与GBZT_IDR间的差异，说明与瞬时剂量当量率相比，使用瞬时剂量当量率保守估计值计算屏蔽厚度能与根据周剂量控制目标值的计算得到的结果更好地自洽。
讨论与低能加速器不同，高能加速器在临床使用过程中其工作负荷分别由高能X射线和低能X射线分担。不同能量的X射线的工作负荷、等中心处最大输出剂量率、散射因子以及相应的混凝土的什值层都不尽相同，这必然会影响最终的机房屏蔽计算结果。本研究分别按照NCRP 151号报告、IRR 17法规以及GBZ/T 201现行国家标准，计算并比较了一个常规高能医用电子直线加速器机房不同关注点所需的混凝土厚度。与前述研究所得结论相同，按照我国现行GBZ/T 201国标计算得到的屏蔽厚度最大。而且相比于前述低能医用电子直线加速器机房，不同屏蔽方案间主束主屏蔽区的厚度差异更为明显，参照我国现行标准对旧有机房进行改造将更为困难。这一方面是由于各标准推荐的周剂量控制目标值各不相同。另一方面是由于各标准使用剂量当量率评价指标也有很大的差异。现行国家标准使用瞬时剂量当量率作为评价指标，规定对于居留因子≥1/2的场所，瞬时剂量当量率需 < 2.5 μSv/h；对于居留因子 < 1/2的场所，瞬时剂量当量率需 < 10 μSv/h[3]。国内外研究表明，若仅以周剂量控制目标值为评价指标，以FF模式设计的加速器机房可基本满足FFF模式加速器机房所需的屏蔽厚度[11-15]。但如以瞬时剂量当量率作为评价指标，则不得不增加屏蔽厚度。虽然使用瞬时剂量当量率作为评价指标可以简化屏蔽设计，提高现场检测效率，但使用瞬时剂量当量率作为评价指标存在的不足已在前文报道。
从理论上讲，高能X射线工作负荷占比越高，各关注点所需的屏蔽厚度越大。但我国现行国家标准6.3.1节规定，屏蔽效果检测时治疗装置应“处于可选的最高MV，等中心处的常用最高剂量率”。这忽略了不同能量X射线的工作负荷占比对屏蔽厚度的影响，会引导高能医用电子直线加速器机房在屏蔽设计和检测时不考虑各档能量的工作负荷，即使在目前的临床实践中绝大部分工作负荷由低能X射线(6 MV)承担的情况下，也简单地将全部工作负荷按照最高档能量计算，这无疑会进一步增大各关注点所需的屏蔽厚度。
此外，我国现行国家标准6.3.1节规定，屏蔽效果检测时使用“常用最高剂量率”。但“常用最高剂量率”在实践中难以界定。对于高能加速器，不同能量对应的最大输出剂量率有明显差异，如6 MV、6 MV FFF、10 MV和10 MV FFF最大输出剂量率分别为600、1 400、600和2 400 MU/min。目前放射治疗临床常用的旋转调强技术(VMAT)，治疗过程中加速器的输出剂量率在0至最大输出剂量率范围内不断改变。无论是检测中常用的400或600 MU/min都缺乏确切的依据。为安全起见，屏蔽设计和检测时多采用各档能量的最大输出剂量率作为条件，显著增加了所需的屏蔽厚度。
如何综合考虑各档能量的工作负荷占比，在屏蔽设计和效果检测过程中选定一个合理的评价指标是当前辐射防护实践中的一个难点。既要保证防护效果，确保公众和职业人员的年个人剂量不超过相关标准要求，又能全面体现辐射防护三原则的科学思想，同时还需在实践中方便使用，具备较强的可操作性。本文提出的基于瞬时剂量当量率保守估计值的检测和评价方法不仅能确保各关注点不超过周剂量控制目标值要求，有效保障辐射防护效果和安全。特别是对于E点和G点，避免了由于瞬时剂量当量率限值设置过于宽松而造成的周剂量超量的风险。同时与标准中推荐的各关注点原有的瞬时剂量当量率限值相比，该瞬时剂量当量率保守估计值考虑了居留因子和使用因子，更为合理。对于A、B、C、D和F点，相比于按照现有瞬时剂量当量率限值计算得到的屏蔽厚度，由该瞬时剂量当量率保守估计值计算得到的屏蔽厚度与按照周剂量控制目标值计算的结果的差异显著减小，证明该瞬时剂量当量率保守估计值与周剂量控制目标值更为自洽，避免了防护过度。在检测实践中只需知道每个关注点的使用因子、居留因子以及周剂量控制目标值，即可使用该方法快速求得各关注点的瞬时剂量当量率保守估计值作为评价指标。在极限条件(最高能量、最大射野、最高剂量率)下获得瞬时剂量当量率检测结果后，即可与该瞬时剂量当量率保守估计值进行比较和评价，使用方便。
本文所讨论的3种医用电子直线加速器机房屏蔽标准各有优劣。如NCRP 151号报告中给出的天空反射理论计算公式就存在局限性。本研究分别按照上述3个标准对一个常规高能直线加速器机房外各关注点所需屏蔽厚度进行了计算和对比，发现由于评价指标(特别是剂量当量率限值)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，本研究分析了按照不同标准计算屏蔽厚度时高能X射线工作负荷占比对屏蔽厚度的影响，并提出了一种基于瞬时剂量当量率保守估计值的屏蔽效果检测和评价方法，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
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