2020, Vol. 40
2. 中国科学院等离子体物理研究所, 合肥 230031;
3. 国家癌症中心 国家肿瘤临床医学研究中心 中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院放疗科, 北京 100021;
4. 中国科学技术大学离子医学研究所, 合肥 230026
2. Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China;
3. Department of Radiation Oncology, National Cancer Center, National Clinical Research Center for Cancer, Cancer Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences(CAMS) and Peking Union Medical College(PUMC), Beijing 100021, China;
4. Ion Medical Research Institute, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
癌症是当今人类健康的第一大杀手，质子射线因具有“布拉格峰”物理剂量优势，成为当今肿瘤放射治疗领域新的“治癌利器”。在质子中心建设过程中，机房的辐射屏蔽计算是非常重要的一环。国外组织，如医学物理与工程学会(Institute of Physics and Engineering in Medicine，IPEM)和粒子治疗联盟(Particle Therapy Co-Operative Group，PTCOG)已发布了相关的报告和指南用于指导质子加速器放射治疗机房的屏蔽计算[1-2]。我国也自2007年起陆续公布了GBZ/T 201系列的国家标准，针对质子放射治疗机房规定了辐射屏蔽计算的剂量控制要求、辐射屏蔽计算方法，也是国内质子放射诊疗项目环境影响评价和建设项目职业病危害评价的主要参考依据[3]。以上报告或指南与国内标准所采取的计算与评价方法基本一致，主要的差别在于辐射剂量或剂量率参考控制水平不同。本研究以配备美国瓦里安ProBeam多室质子系统的机房为例，在相同的治疗机房设计尺寸条件下，讨论了中外不同的辐射防护标准在设计、建设及使用方面对质子机房的影响。
材料与方法1.质子治疗系统结构及屏蔽计算点选取：常见的质子治疗系统结构大致分为加速器、束流传输线以及治疗室三部分。本研究计算对象为一个多室质子治疗中心，该中心共有4间临床治疗室，其平面布局及机房设计尺寸示于图 1：GR1、GR2、GR3为旋转治疗室(设计尺寸为13.0 m×16.8 m×8.2 m)，FR2为水平固定治疗室(设计尺寸为13.0 m×16.0 m×3.6 m)。FR1为科研室，仅供科研使用。
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注：GR1、GR2、GR3为旋转治疗室；FR1.科研室；FR2.水平固定治疗室 图 1 多室质子治疗系统平面图及墙体标识 Figure 1 Floor plan and wall labels for a multi-room proton therapy system |
为了比较中外不同辐射防护标准对质子机房屏蔽设计造成的差异，选取治疗室间隔墙及治疗室与控制室隔墙两部分的墙体为计算对象。按墙体两侧对应的屏蔽条件划分示于图 1：墙体A、B、C、D为治疗室间隔墙，墙体E、F为治疗室与控制室间隔墙。
对于固定治疗室的屏蔽计算点，以FR2室为例，H1~H8为GR1的维修通道，该区域有门禁设计，仅由厂商工程师作偶然停留；H9~H11为FR2的控制室，H12~H14为FR1的治疗活动区域，H15~H16为FR2的入口，见图 2。
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注：ISO.等中心点；H1~H8.旋转治疗室的维修通道；H9~H11.水平固定治疗室的控制室；H12~H14.科研室的治疗活动区域；H15~H16.水平固定治疗室的入口 图 2 固定治疗室周边计算点 Figure 2 Fixed room calculation points |
考虑到3个旋转治疗室的对称性，以GR2为屏蔽计算对象。其中G1~G8为GR3的维修通道，G9~G11为GR2的控制室，G12~G16为GR1的治疗活动区域，G17~G18为GR2的入口。对于GR3机房外墙侧走廊区域另外设置了8个计算点，见图 3。
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注：G1~G8.旋转治疗室的维修通道；G9~G11.旋转治疗室的控制室；G12~G16.旋转治疗室的人员活动区域；G17~G18.旋转治疗室的入口区域；G1′~G8′.旋转治疗室外墙侧公共走廊区域 图 3 旋转治疗室周边计算点 Figure 3 Gantry room calculation points |
束流损失点为治疗的等中心点位置，每一区域内各计算点与束流损失点连线夹角为10°。
各墙体最终厚度的取值规则如下：对于侧屏蔽墙A，取G1′~G8′点计算得到的对应墙厚最大值作为满足条件的最终墙厚值；对于治疗室间隔墙B、C和D，分别取G1~G8、G12~G16对应墙厚的最大值、H1~H8、G12~G16对应墙厚的最大值和H1~H8、H12~H14对应墙厚的最大值作为满足条件的墙厚值；对于治疗室与控制室间隔墙E和F，分别取G9~G11、G17~G18对应墙厚的最大值和H9~H11、H15~H16对应墙厚的最大值作为满足条件的墙厚值。
2.屏蔽计算参数及不同辐射防护标准对应的评价指标：本文参考美国Varian ProBeam质子治疗系统，所有治疗头均拥有先进的扫描笔形束技术[4]，且出射束定义为最高标称能量245 MeV和最大标称流强4.4 nA。在上述能量下，机房墙体的屏蔽只需考虑级联中子，而低能的蒸发中子、电子、正电子、γ光子以及次级质子的剂量贡献可以忽略不计[5-6]。
假定各治疗室的工作负荷相同且参考国标附录B，即周工作负荷W=600 Gy/周，每周工作5 d，每天的实际出束照射时间为tbd=1.0 h，每周的总束流照射时间为tbw=5.0 h，每天的开机时间最大为td=12 h，每周总的开机时间最大为tw=60 h。
质子机房的屏蔽剂量限值通常会参考光子机房的屏蔽限值，比如我国发布的GBZ/T 201.5-2015质子加速器机房的屏蔽标准与前系GBZ/T 201.2-2011电子直线加速器机房中的规定相同[7]；新加坡2001年发布的辐射防护法案规定的带电粒子加速器机房的辐射防护限值也同电子直线加速器机房相同[8]；美国宾夕法尼亚大学罗伯特质子中心的辐射屏蔽设计参考了美国国家辐射防护与测量委员会(NCRP)151号报告[9]；英国依据IPEM 75号报告第2版的内容，在2017年实施了新的电离辐射监管规定(Ionising Radiations Regulations, IRR 17)，并由国家健康及安全执行局(Health and Safety Executive, HSE)批准了更为具体的执行守则(Approved Code of Practice, ACoP)，守则中明确了各辐射工作场所的屏蔽限值。
屏蔽限值通常分为短时(min或h)剂量限值和长时(周或年)剂量限值，不同的国家对于辐射屏蔽标准有不同的规定限值[10]。上述各计算点辐射屏蔽参数及按4种不同标准对应的评价指标分别见表 1和表 2，其中H15~H16、G17~G18、G1′~G8′点按照新加坡国家辐射防护法案中的要求，对非放射工作人员剂量率限值要 < 1.5 μSv/h。
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表 1 各计算点的屏蔽计算参数 Table 1 Shielding calculation parameters for each calculation point |
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表 2 各计算点不同屏蔽计算标准下评价指标 Table 2 The evaluation indices for each calculation point using different shielding standards |
3.不同辐射防护标准对应的机房墙体厚度计算方法：以下将分别按照NCRP 151[11]、新加坡辐射防护法案、英国ACoP指南以及我国GBZ/T 201.5-2015标准计算各质子机房的墙体屏蔽厚度。
(1) 按NCRP 151计算方法：
首先由(1)式得到计算点的周平均剂量率水平Rw或TADRw:
| $ {R_{\rm{w}}}{\rm{ = ID}}{{\rm{R}}_1} \times {t_{{\rm{bw}}}} \times U $ | (1) |
一般情况下，每个患者的单次治疗时间在15~45 min之间，这里假设治疗室每小时最大治疗人数为4人次，每天治疗人数取N=30，则任意1 h平均剂量率为：
| $ {R_{\rm{h}}} = \frac{4}{{\frac{N}{{{t_{\rm{d}}}}}}} \times \frac{{{R_{\rm{w}}}}}{{{t_{\rm{w}}}}}{\rm{ = }}\frac{{{R_{\rm{w}}}}}{{37.5}} $ | (2) |
根据任意1 h剂量率限值要求Rh＜20 μSv/h，得到此条件下的瞬时剂量率限值IDR1, max：
| $ {\rm{ID}}{{\rm{R}}_{{\rm{1,max}}}} = \frac{{20 \times 37.5}}{{{t_{{\rm{bw}}}} \times U}} $ | (3) |
再根据周剂量控制水平得到此条件下的瞬时剂量率限值IDR2, max:
| $ {\rm{ID}}{{\rm{R}}_{{\rm{2,max}}}} = \frac{{{P_{\rm{w}}}}}{{{t_{{\rm{bw}}}} \times U \times T}} $ | (4) |
选取IDR1, max和IDR2, max较小值作为该计算点的瞬时剂量率限值IDRmax，即该计算点既满足周剂量限值又满足任意1 h的剂量率限值。
最后，由下式得到对应的屏蔽墙体厚度：
| $ d = \frac{{ - \lambda \left( \theta \right)}}{\rho }\ln \left( {\frac{{{r^2}{\rm{ID}}{{\rm{R}}_{\max }}}}{{{S_0}{H_{{\rm{casc}}}}\left( \theta \right)}}} \right) $ | (5) |
该式参考GBZ/T 201.5-2015中点源模型剂量率计算公式。对于计算点H12~H14，因这些点位的θ角大于90°，保守考虑λ(θ)、Hcasc(θ)仍取为θ=90°的值[12]。
(2) 按新加坡辐射防护法案计算方法：首先按公式(4)由周剂量控制水平得到瞬时剂量率限值IDR1, max。对于H15~H16，G17~G18和G1′~G8′，根据任意1 h剂量率限值由公式(1)(2)得到此条件下的瞬时剂量率限值IDR2, max，再比较IDR1, max，10 μSv/h和IDR2, max的最小值作为这些计算点的瞬时剂量率限值，由式(5)得到对应的墙体厚度。其余计算点取IDR1, max和10 μSv/h较小值作为该点位的瞬时剂量率限值，由公式(5)得到对应的墙体厚度。
(3) 按英国ACoP指南计算方法：首先根据式(4)由周剂量控制水平得到瞬时剂量率限值IDR1, max，再以任意一天的平均剂量率公式得到该条件下瞬时剂量率限值IDR2, max：
| $ {\rm{ID}}{{\rm{R}}_{{\rm{2,max}}}} = \frac{{{\rm{TAD}}{{\rm{R}}_{\rm{d}}} \times {t_{{\rm{bd}}}}}}{{U \times {t_{\rm{d}}}}} $ | (6) |
取IDR1, max，IDR2, max以及100 μSv/h中最小值作为该条件下瞬时剂量率限值，再由公式(5)得到对应的墙体厚度值。
(4) 按GBZ/T 201.5-2015方法：首先由周剂量限值根据公式(4)得到瞬时剂量率限值IDR1, max，再根据不同计算点的人员居留因子T确定瞬时剂量率限值IDR2, max，两者取较小值作为作为该计算点的瞬时剂量率限值IDRmax，再由公式(5)求得对应的屏蔽墙厚。
为比较超高剂量率(ultra-high dose rate irradiation, 又称FLASH)模式下按该屏蔽标准计算得到的墙厚差异，另将质子流强增加100倍，即440 nA，计算墙厚结果。
结果1. 4种不同屏蔽计算标准下各墙体厚度计算结果：各墙体厚度计算值列于表 3，由表 3可知，由于NCRP 151号报告中周剂量限值和任意1 h的剂量率限值较其他标准更为宽松，故其计算的各墙体厚度均为最小，而国家标准中按居留因子对应的瞬时剂量率限值远高于其他标准，故其计算的各墙体厚度均为最大，另外，如果将质子流强增大100倍实现超高剂量率治疗模式，按国家标准屏蔽要求，墙体A~F的厚度还将增加60%以上。
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表 3 4种不同屏蔽计算标准下各位点的墙体厚度值(m) Table 3 Wall thickness calculated based on 4 different shielding calculation standards(m) |
2.各屏蔽标准下的机房对比图：在保持机房设计尺寸以及束流损失点至计算点距离不变的情况下，4种不同屏蔽方案对应的机房平面图如图 4所示，其中红、蓝、橙和黑色方框分别代表由NCRP 151号报告、英国ACoP指南、新加坡国家辐射法案和国家标准计算得到的屏蔽墙体，黑色虚线方框为FLASH模式下按国家标准计算得到的墙体。为方便比较，各方框做了拉长处理。
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注：GR1、GR2、GR3.旋转治疗室；FR1.科研室；FR2.水平固定治疗室；NCRP.美国国家防护与测量委员会；SG.新加坡辐射防护法案；UK.英国ACoP指南；GBZ/T.国家标准 图 4 不同屏蔽标准下的机房平面对比图 Figure 4 Floor plan of treatment rooms based on different shielding calculation standards |
3.不同屏蔽计算标准下治疗机房有效使用面积对比和机房建设成本对比：以NCRP 151号报告计算结果为基准，各治疗室有效使用面积和混凝土成本差异比较示于表 4。结果表明，按国家标准计算的机房使用面积减少的最多，而混凝土成本增加的最多。而且这仅仅考虑了建筑材料费，实际还会有其他关联费用，比如人工及装潢费用，增加的成本还会更高。
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表 4 不同屏蔽计算标准下治疗室有效使用面积及建设成本对比 Table 4 Comparison of treatment room effective use area and construction costs between different shielding calculation standards |
讨论
需要说明的是，本文仅以机房间隔墙以及机房与控制室间隔墙为计算对象，实际上，其他部分比如加速器室，束流线或机房顶的屏蔽墙体厚度在不同屏蔽标准下也会有差异，但其计算及评价方法类似，且与文中讨论的结论一致，故在文中未再罗列。
国际上广泛认为屏蔽设计限值应当考虑实际治疗工况，而不能过度依赖于瞬时剂量率限值。比较4个辐射防护标准，NCRP 151号报告以任意1 h剂量率取代瞬时剂量率作为限值条件。英国参考的IPEM第2版报告和新加坡国家辐射防护法案虽然采用了瞬时剂量率限值，但不同程度的放宽了该值大小，同时增加任意1 h或任意1 d的平均剂量率限值作为补充条件。而国家标准中虽然给出周剂量限值，但同时推荐的瞬时剂量率限制较高，成为计算墙厚的决定因素。
根据国际原子能机构(IAEA)2014年发表的“国际辐射防护和辐射源安全基本安全标准：一般安全要求第三部分”，要求从事放射治疗工作人员的年当量剂量率低于20 mSv/年，国家标准GB18871-2002中规定此值是5年内平均值为20 mSv/年[13-14]，但在GBZ/T 201.5-2015中对机房外工作人员周剂量限值是100 μSv/周，相当于5 mSv/年，为20 mSv/年的1/4，已经做了保守考虑。对于居留因子T≥1/2的区域又给出了2.5 μSv/h的IDR限值，相当于100 mSv/周除以40 h/周而得，即质子治疗系统每周需要出束照射40 h，这种推算没有充分考虑质子治疗实际工况。事实上，质子治疗医师临床工作中必须核对患者信息、操作旋转机架或治疗床位置、患者的仔细摆位、影像引导及质子射束请求等，实际质子出束照射时间非常短暂，常规剂量率下每个照射野仅在1 min左右，仅占整个治疗流程的一小部分。从以上年、周、瞬时当量剂量率限值条件之间的关系来看，为满足年当量剂量率限值而设定的IDR限值在当今放疗工况下可能显得过于保守。
应当指出，在屏蔽设计中取保守态度是正确的，故而在计算中考虑最坏的情况也是通行的做法，但该情况必须是可能出现的，即使其出现的概率较小。屏蔽计算不应当基于事实上不可能出现的情况，如每周40 h的出束时间。这不符合辐射屏蔽设计的一般原则，即ALARA(as low as reasonably achievable)。IAEA 47号报告[15]和NCRP 151号报告对IDR和TADR做了比较：IDR是1 min内的短时剂量率平均，不能恰当地代表当今放疗的实际工况，可能会导致辐射防护过度。TADR是一段时间内的平均剂量率，该值正比于IDR，并且考虑了工作负荷和使用因子，能更好地反应实际治疗情况。在NCRP 151号报告和IPEM第2版报告中都建议适当放宽IDR限值而增加TADR作为限值条件。在IPEM第2版报告中还指出屏蔽计算最重要的是控制年剂量限值，认为采用7.5 μSv/h的瞬时剂量率限值对于临床要求过高，尤其是对于现代光子放疗中采用FFF(flattening-filter-free)模式来说更易造成防护过度。
而高剂量率治疗模式正是当前放疗领域的一大发展趋势。FLASH技术能够在降低正常组织损伤的同时保持射线对肿瘤的杀伤效果，是一种非常有前景的放疗技术[16-17]。但FLASH的剂量率达40 Gy/s以上，是目前放疗中最高照射剂量率的一百倍。在质子流强增大为100倍后，需要承担额外的建筑成本或者牺牲原有的治疗空间，这对质子FLASH技术进一步的发展会造成不利影响。质子治疗系统本身造价高昂，如果由于过高的屏蔽计算标准导致建筑成本二次增加，这将是限制质子治疗新技术开展和普及的又一不利因素。
综上所述，本文比较了不同屏蔽标准对质子机房使用面积及建筑成本等方面的影响，结果显示，与其他国家法规、标准或指南相比，我国现行的质子加速器机房辐射屏蔽标准远高于其他国家，尤其是根据不同居留因子设定的瞬时剂量率限值在屏蔽计算中起主要作用，这会显著增加机房的屏蔽墙厚度，对国内的质子治疗技术的发展以及将来升级到超高剂量率治疗模式都有一定影响。建议参考质子治疗技术已相对成熟的国家的标准和经验，适当放宽瞬时剂量率限值条件，增加更能反映现实治疗工况的TADR限值条件，以更好地实现机房屏蔽设计的最优化原则。
利益冲突 无
作者贡献声明 单超负责辐射防护屏蔽计算及论文撰写；徐坤负责整理中外不同辐射防护标准及计算结果分析；田源负责计算结果校验及讨论分析；卢晓明负责提出指导意见及修改论文
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