放射治疗是当前治疗肿瘤的重要手段之一，由于质子束具有布拉格峰等独特的物理特性和优越的放射生物学特性，近年来质子放射治疗越来越受到青睐^[1-3]。根据国际粒子治疗合作组(Particle Therapy Co-Operative Group, PTCOG)的统计, 截至2024年1月，全球已有116个质子治疗中心投入运行，我国也有8家质子中心同时在建^[4-5]。虽然质子治疗有显著的临床应用价值，但质子治疗中心往往需要巨大的投入和运营成本。为降低质子治疗成本、减少占地空间和缩短建设周期，小型化紧凑型质子治疗系统已经迅速投入使用^[6-8]。由于质子治疗系统产生的高能质子束可导致周围物质活化，并且产生的次级辐射产物比光子治疗更多，所以相较于传统大型设备，场所空间更小的紧凑型质子系统治疗场所内的辐射安全问题更引人关注^[9-11]。本研究根据对本院安装的国内首台迈胜S250i单间室质子治疗系统(Mevion Medical System, 美国)辐射危害因素的论证，测量并评估治疗系统场所内的相关辐射剂量。

材料与方法

1. 质子治疗系统：美国迈胜医疗系统公司MEVION S250i是一种单室紧凑型笔形束扫描(PBS)质子治疗系统，超导同步回旋加速器安装在-5°~185°旋转机架上，提供最高能量为227 MeV的脉冲质子束。质子束经加速器加速后直接输出，最高束流强度为6 nA，平均束流强度1.2 nA，PBS模式最大治疗射野为20 cm × 20 cm，靶区吸收剂量率为2 Gy/min。配备HYPERSCAN束流输运系统，如图 1所示。质子束经由18块厚度不一的聚碳酸酯塑料板组成的能量选择器(energy selector, ES)调制后，再经过自适应多叶光栅(adaptive aperture^TM, AA)准直。AA安装在治疗机头离源端，贴近患者。它有7对镍制叶片，上下两对端叶片可以面对面靠近，叶片间采用舌槽结构，可以防止漏射，减少中子污染。AA光栅可在全射野范围内逐层适形扫描射野，以达到最大化降低射野半影的目的，充分实现质子调强放疗。

2. 场所屏蔽设计及通风条件：机房设有迷道，控制室与机房分离。机房地下部分的北、西、东三侧均为土壤层，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中，除控制室外，无办公室等人员常居留场所。设置了相对独立的人流路线，辐射工作场所进出口处均设有门禁管理，防止无关人员进入，便于场所的防护和安全管理。整个质子治疗区房间功能布局紧凑，辐射屏蔽防护满足相关要求，区域布局合理。

机房屏蔽墙体、屋顶和底板均采用密度3.0 g/cm³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。此外，西侧机房治疗层的西侧墙、迷道内墙和东侧机房北侧墙、迷道内墙的机架钢基座预埋处，后期利用密度3.0 g/cm³的重混凝土进行填充补偿，补偿至与原屏蔽墙体齐平。考虑到钢基座自身的屏蔽作用，补偿后该部分墙体等效混凝土厚度厚于原墙体。

北墙屏蔽体是厚度为3.35 m重混凝土，南墙屏蔽体是厚度为2.40 m重混凝土，西墙屏蔽体是厚度为1.85 m重混凝土，迷道内墙屏蔽体是厚度为1.22 m重混凝土，迷道外墙屏蔽体是厚度为2.40 m重混凝土，屋顶屏蔽体是厚度为3.85 m重混凝土，地板屏蔽体是厚度为1.40 m重混凝土，设备层防护门材料为14 cm聚乙烯，治疗层防护门材料为7 cm聚乙烯，维修层防护门材料为7 cm聚乙烯。

本院Mevion S250i质子治疗系统治疗室为独立空间，位于第二层，与下层设备层和上层检修层(统称为加速器室)隔开。治疗层高3 150 cm、设备层高2 810 cm、维修层高2 220 cm。治疗室内治疗区空间体积约为102 m³，加上迷路空间总共约为154 m³，新风口送风量约为596 m³/h，排风口排风量约为1 134 m³/h；加速器室空间约为310 m³，新风口送风总量约为1 152 m³/h，排风口排风总量约为1 578 m³/h，各空间内换气次数不低于4次/h。

3. 测量设备及仪器：使用一台AT1123型X、γ辐射防护剂量仪(ATOMTEX, 白俄罗斯)测量γ射线，校准因子k在2.11 μSv/h时为1.02，在8.5 μSv/h时为1.05，在39.2 μSv/h时为1.03，均经中国测试技术研究院检定校准；另使用一台LB134中子剂量仪(Berthold Technologies, 德国)测量中子线，校准因子k为0.881，经中国计量科学研究院检定校准。使用一台300 mm × 300 mm × 300 mm的标准水箱，注入水面高度为15 cm，用以接受质子束照射。测量前检查治疗场所的本底辐射水平，X、γ辐射剂量仪的本底值为0.067~0.127 μSv/h；中子剂量仪本底值为0.01~0.03 μSv/h，其本底值3倍标准偏差0.026 3 μSv/h为最低探测水平。AT1123型X、γ辐射防护剂量仪校准测量范围是1×10^-6~1 Gy/h，LB134中子剂量仪校准测量范围为中子注量率￠为2~395.7 cm^-2·s^-1。质子场产生的蒸发中子 < 10 MeV能量的占95%，产生的γ射线平均能量为1 MeV；检测用中子仪校准源为镅-铍中子源、辐射检测仪校准源为¹³⁷Cs，上述两仪器校准均能满足该现场检测能量场要求。

4. 测量场所辐射水平：将水箱置于治疗床上，保持治疗头喷嘴与水箱距离为5 cm，使用最大能量质子束分别对20 cm × 20 cm最大照射野范围进行连续扫描出束和沿射野中心轴进行单束斑连续出束，剂量率为2 Gy/min。出束过程中测量治疗场所不同位置的辐射水平；出束结束，待不同时间间隔后再测量特定位置的感生辐射水平。如图 2所示，所有测量位置均为距墙体或防护门外表面30 cm、距地面50、100、150 cm处测量3次，取平均值。东、西侧墙平均间隔5.5 m为一个测量点，北侧墙平均间隔5.2 m为一个测量点，楼梯间、控制室、操作位、迷道、床面均在中间点进行测量，机房防护门在正中间位置、防护门左侧缝隙处、防护门与地板缝隙处中间位置进行测量并取平均值。依据相关法律法规和标准，进行现场检测和放射性危害控制效果评价。

5. 人员受照评估：定期出入该治疗场所人员主要有场地工程师、物理师、治疗师、患者和陪同家属。场地工程师负责质子治疗设备的物理参数设置和维护，确保治疗过程中的设备安全正常运行以及性能。治疗师需进入机房对患者进行摆位或者是协助患者上下治疗床，而物理师在做质量控制时以及工程师在维护设备时需进入机房对设备进行操作。模拟定位人员负责操作CT模拟定位机，为患者进行模拟定位扫描，并记录相关信息以及将结果反馈给医师和物理师。因本中心额外配备了一台独立的模拟定位CT，同时也是考虑到模拟定位人员与患者辐射剂量以及质子治疗机房运行的效率，所以不准备在质子机房内做模拟定位，质子机房内的CT仅用作患者治疗时的图像验证。故在受照人员评估中模拟的是物理师和工程师进入机房操作质量控制设备，治疗师和患者家属进入机房、接触患者。根据本单位物理师以及生产厂商的场地工程师进行质量控制的时候，估算得出平均出束53 Gy照射剂量后，人员需进入机房内部进行操作。同时20 cm × 20 cm最大照射野范围进行连续扫描出束是更加贴切模拟患者治疗以及进行质量控制的出束。由于患者接受治疗照射，在此不对患者受照剂量进行评估。忽略出束过程中人员受照，以水箱模拟受照患者/模体，定义场所内感生辐射所致人员外照射年有效剂量H为：

$ H=n \times \int\limits_{t_0}^{t_0+t} H(t) d t $

(1)

式中，n为工作人员每年进入场所的次数；H(t)为场所内特定地点的人员所受感生放射性剂量率；$ \int\limits_{t_0}^{t_0{+t}} H(t) d t$为人员在出束后单次进入特定时间段内所受剂量；H为年有效剂量，即人员单次进入所受剂量与进入次数相乘；t₀和t分别为质子束停止照射后人员进入场所的等待时间和每次进入场所的驻留时间。测量特定地点不同时间的剂量率数据。

6. 统计学处理：使用Excel 2019软件处理数据，应用最小二乘法进行参数估计，再使用残差分析来评估拟合函数和实际数据点的差异，确保误差在可接受范围内。最后利用额外的两点数据进行模型的验证。通过拟合函数求得不同人员受照条件下的H(t)，再根据公式(1)推导出各类人员受照年有效剂量。

结果

1. 出束时场所辐射水平：质子治疗系统出束过程中，治疗场所各测量点辐射水平如表 1所示，其中检测数据均未扣除本底。结果显示，无论是射野扫描模式还是单能束斑照射，出束过程中只有治疗机房防护门及B1设备层防护门附近辐射水平明显高于本底，其中设备层防护门附近探测到中子剂量。由于本质子治疗中心机房顶部为不上人屋面，目前只能测量二楼临近机房顶部的墙面的点位作为机房顶的参考。

2. 出束后场所辐射水平：出束结束后，场所内辐射水平如表 2所示，10 min以内剂量率下降较快，10 min以后剂量率下降较慢，符合核素衰变的规律，其中检测数据均未扣除本底。因为束流停止后，中子辐射也在数秒内消失，活化产物的辐射以γ射线为主。同一地点停束时间越长，感生辐射强度越低。同一时间与受照物体的距离越远，感生辐射强度越低。

3. 人员受照评估：按年法定工作日250 d计算，1 d治疗20例患者，利用指数函数进行拟合，不同人员受照年有效剂量如表 3所示。其中物理师受照射年有效剂量最高，但所有人员均远低于放射职业人员年平均限量20 mSv，也只有少数情况下受照剂量超过普通公众年平均限量1 mSv。正常操作下，该治疗场所内辐射处于安全水平。

讨论

与传统大型多间室质子设备相比，Mevion S250i紧凑型质子治疗系统在设计和安装上发生了重大变化。它将超导回旋加速器直接安装在机械臂上并随机架旋转，质子束从加速器引出后直接通过治疗机头进行能量调制，然后输送到患者体内。该设计大大减少了质子束流在传输过程中的能量损失，并极大地缩小了设备建筑空间和占地面积，真正实现了质子治疗系统小型化。由于质子束质量大，能量高，治疗过程中会导致核素活化，虽然降低了治疗成本并缩短了设施建设周期，但缩小的设备空间也导致人们对场所内辐射剂量更加关注^[12-13]。

本研究在持续出束过程中测量了场所附近所有区域，结果显示除机房和设备层防护门附近辐射水平显著上升外，其他测量点均与本底水平接近。环境保护部监制的环境影响报告书中，采用了目前国内外通用的FLUKA程序计算质子治疗机房屏蔽体外剂量率水平，通过与其计算得出的各个关注点剂量率比较，测量结果与其计算结果均在同一数量级，差异不大。参照《放射治疗辐射安全与防护要求》^[14] (HJ 1198-2021)、《放射治疗放射防护要求》^[15] (GBZ 121-2020)、《放射治疗机房的辐射屏蔽规范第1部分：一般原则》 (GBZ/T 201.1-2007)^[16]、《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》(GBZ/T 201.5-2015)^[17]中的相关规定，关注区域的年剂量参考控制水平H_C：机房外工作人员H_C≤5 mSv/年；机房外非工作人员H_C≤0.1 mSv/年。关注点人员居留因子不同H_C也有所区别，人员居留因子T >1/2的场所：H_C≤2.5 μSv/h；人员居留因子T≤1/2的场所：H_C≤10 μSv/h。根据以上条件，计算得出各关注点剂量率控制水平结果，除负一层废水暂存间入口剂量率控制水平为0.8 μSv/h，其余关注点均为2.5 μSv/h。各个关注点测量结果均在剂量率控制水平范围内，场所辐射防护水平满足相关文件要求。另外，所有防护门处应设置明显出束警示标识，必要时可增加声音提示，提醒人员在治疗出束过程中远离防护门，尽量减少受照射剂量。

与光子放疗不同，由于高能质子在与物质作用过程中会导致受照物内原子活化，产生感生放射线，因此质子治疗场所人员会受到更多辐射。停束后对场所内辐射水平测量结果表明，感生辐射强度与出射剂量、停束时间和受照物体距离都有关。实际工作中，工程师和物理师通常在大量出束测量后进场，进场次数较少，停留位置更靠近受照射模体；质子治疗大多采用常规分割，治疗师进场前出束剂量较低，进场次数多，停留位置更靠近机房中心，进场大部分时间内受照患者已经离开机房；家属则只会在治疗结束后在患者身边受到感生照射。同时，实际照射过程中会使用不同能量射线和自适应多叶光栅，导致射线穿过降能板和AA叶片后机头感生辐射强度增加，而本研究中未涉及这部分内容。综合考虑所有因素后，根据人员身份预估其每工作日进场前出束剂量、停束时间、进场次数和停留位置，并对人员所受感生辐射剂量进行估算，计算结果与类似研究结果相近^[18]。另外，由于医师和护士进入治疗场所属于偶发事件，通常情况下其接受感生辐射水平也明显低于其他工作人员，故在此不作评估。

尽管该质子治疗场所辐射防护合格，场所内人员受辐射水平也在合理范围内，但也要尽量降低人员受辐射剂量。所有工作人员都应该遵循规范的操作流程，并不断完善业务水平和操作熟练度，尽量缩短身处辐射场所的时间。工程师与物理师在出束测量后，时间允许的条件下可以尽量等待再入场；而治疗师可以在前一位患者治疗结束后，先进行下一位患者治疗的系统准备后再入场，入场后与治疗结束患者合理保持距离。作为陪同家属，可以在治疗结束后一段时间内与患者保持一定距离以降低自身所受辐射剂量。

现场检测及论证表明，本中心Mevion S250i质子治疗系统治疗工作场所辐射水平符合要求，可以安全开展质子治疗工作。

利益冲突  无

作者贡献声明  郑仁超、卢晓光、彭知义负责实验操作及论文撰写；杨想军负责指导实验操作；吴韦清负责数据统计；胡广原、袁响林负责论文修改