质子治疗作为放射治疗领域精准尖端的放射治疗方式，在肿瘤治疗方面发挥重要的作用。质子治疗系统加速器所加速的质子不会全部到达预定目标，有一部分质子会意外损失或由于降能需要专门损失在加速器传输系统中，与加速器部件相互作用产生中子，对周围环境产生辐射影响。质子加速器通常使用加速能力达到250 MeV的质子回旋加速器或同步加速器，同步加速器因引出质子能量可调，加速传输系统中损失的质子主要为意外损失，回旋加速器由于引出质子能量固定为加速器最高加速能量，需要根据治疗终端需求使用降能器使质子能量降至所需要的治疗能量，因此回旋加速器束流损失既包括意外损失也包括降能器的专门损失，治疗室作为治疗终端将引出治疗质子束流，加速器机房和治疗室通常需要建设2 ~ 5 m的混凝土屏蔽墙^[1-2]。对于质子治疗系统场所通道门外，需达到与同侧墙体相同的屏蔽效果，通道门的设计和启闭将是一件非常困难的事情，因此质子治疗系统通道门通常设计为迷道模式，以减少对进出通道门屏蔽设计的要求。有研究者对质子治疗系统迷道设计的可行性开展了相关理论分析^[3]，本研究对一台已运行回旋加速器质子治疗系统迷道门外的辐射水平进行数值模拟计算，并与运行时的测量数据进行对比，分析质子治疗系统机房迷路设计的可行性。

材料与方法

1. 研究对象：以某医院一台质子治疗系统为研究对象。该质子治疗系统由超导回旋加速器、能量选择系统、束流传输系统和治疗系统组成。回旋加速器可加速引出能量最大为250 MeV的质子，加速器流强为800 nA，质子在超导回旋加速器加速过程中和引出时束流损失20%，达到降能器位置束流最大为640 nA(4.0×10¹² p/s)束流经能量选择系统输出能量为70~250 MeV的质子，治疗室内治疗用最大流强为4 nA(2.5×10¹⁰ p/s)。质子治疗系统设有固定束治疗室和旋转束治疗室，固定束治疗室束流以与束流前向墙成60°角引出，旋转束治疗室机架以±190°围绕等中心点做旋转治疗，束流与两侧墙成60°角。

2. 质子治疗系统机房：质子治疗系统机房主体结构采用密度不低于2.35 t/m³混凝土浇筑建造，该系统建筑物涉及三层，地下一层为回旋加速器基坑、旋转机架坑，建筑物外人员不可达。回旋加速器机房和治疗室位于地上一层，旋转束治疗室机架位于地上二层，加速器机房和治疗室迷道门均位于地上一层，该质子治疗系统迷路层平面布局图如图 1所示。

3.方法：采用两种数值解析公式估算质子治疗系统加速器大厅迷道和治疗室迷道口处的中子周围剂量当量率，质子治疗系统回旋加速器机房以碳材料的降能器为靶点，加速器引出束流全部损失在降能器的工况估算回旋加速器机房迷道口中子周围剂量当量率，固定束治疗室和旋转束治疗室以照射组织为靶点，治疗室最大引出束流全部损失在照射组织的工况下估算治疗室迷道门口中子周围剂量当量率。在质子治疗系统正常运行的工况下测量迷道口处的中子周围剂量当量率以获得测量的数据。

(1) Tesch公式^[4]：质子加速器多道迷宫第一段中子周围剂量当量率见式(1)，本质上是平方反比定律依赖关系，包含一个简单的散射因子2；后续迷道中子周围剂量当量率的表达式为两个指数之和，见式(2)：

$ H\left(r_1\right)=2 H_0\left(r_0\right)\left(r_0 / r_1\right)^2 $

(1)

$ H\left(r_i\right)=\left(\frac{\mathrm{e}^{-r_i / 0.45}+0.022 A_i^{1.3} \mathrm{e}^{-r_i / 2.35}}{1+0.022 A_i^{1.3}}\right) H_{\mathrm{oi}} $

(2)

式中，H(r₁)为第一段迷宫末端中子周围剂量当量率，μSv/h；H₀(r₀)为距靶位置r₀处预期中子周围剂量当量率，μSv/h；r₀为靶位置至第一段迷道口的距离，回旋加速器机房、固定束治疗室、旋转束治疗室分别为6.8、6.6、7.2m；r₁为靶位置至第一段迷道末端的距离，回旋加速器机房、固定束治疗室、旋转束治疗室分别为10.0、9.7、10.0m；H(r_i)为第i段迷道末端中子周围剂量当量率，μSv/h；r_i为第i段迷道长度，回旋加速器机房r₂、r₃、r₄、r₅分别为9.40、2.80、9.20、2.20m，固定束治疗室r₂、r₃分别为5.10、4.20m，旋转束治疗室r₂、r₃分别为5.00、3.00m；A_i为第i段迷道的横截面积，回旋加速器机房A₂、A₃、A₄、A₅分别为6.09、5.80、5.37、6.09m²，固定束治疗室A₂、A₃均为6.09m²，旋转束治疗室A₂、A₃均为6.53m²；H_oi为第i段迷道入口中子周围剂量当量率，μSv/h。

H₀采用式(3)计算得出。

$ H_0=S H\left(E_p, \theta\right) \times 3.6 \times 10^3 \times r_0^{-2} $

(3)

式中，S为单位时间内损失的质子数，回旋加速器机房为4.00×10¹² p/s，固定束治疗室、旋转束治疗室均为2.50 × 10¹⁰ p/s；H(E_p，θ)为θ方向上给定能量单个质子在距束流损失点1 m处的周围剂量当量，回旋加速器机房、固定束治疗室、旋转束治疗室分别为2.63 × 10^-15、5.98 × 10^-16、5.98 × 10^-16 Sv·m²·p^-1[5]。

(2) 标准推荐公式：《超导回旋质子加速器辐射屏蔽规范》(GB/T 39325-2020)^[6]给出了迷道透射因子计算见式(4)：

$ T F_{\mathrm{L}}=\frac{S^{n-1}}{l_1^2} \times \frac{A_1}{A_n} \times \prod\limits_{i=2}^n\left(\frac{{\sqrt{A_i}}^3}{l_i}\right. $

(4)

式中，TF_L为迷道的屏蔽透射因子；S为中子散射系数，取0.7；n为迷道总段数，回旋加速器机房、固定束治疗室、旋转束治疗室分别为5、3、3；l_i为第i段迷道长度，回旋加速器机房l₁、l₂、l₃、l₄、l₅分别为6.90、9.40、2.80、9.20、2.20m，固定束治疗室l₁、l₂、l₃分别为4.10、5.10、4.20m，旋转束治疗室l₁、l₂、l₃分别为3.36、5.00、3.00m；Ai为第i段迷道的横截面积，回旋加速器机房A₁、A₂、A₃、A₄、A₅分别为6.09、6.09、5.80、5.37、6.09m²，固定束治疗室A₁、A₂、A₃均为6.09m²，旋转束治疗室A₁为5.37m²，A₂、A₃均为6.53m²。

经迷道减弱后中子周围剂量当量率计算见式(5)：

$ H_{\mathrm{ol}}=H_{\mathrm{il}} \times T F_1 $

(5)

式中，H_ol为迷道出口位置中子周围剂量当量率，μSv/h；H_il为第一迷道入口位置中子周围剂量当量率，μSv/h。

第一段迷道入口处中子周围剂量当量率采用式(6)计算得出：

$ \begin{gathered} H_{i l}(E, \theta)=2 \times 10^{-10} \times C_m \times \\ \frac{1-\mathrm{e}^{-3.6 \times\left(E / E_0\right)^{1.6}}}{\left(\theta / \theta_0+40 / \sqrt{E / E_0}\right)^2} \times S \times r_0^{-2} \times 3\;600 \end{gathered} $

(6)

式中，H_il(E，θ)为第一段迷道入口位置中子周围剂量当量率，μSv/h；C_m为材料修正因子，对于水、高分子聚合物、石墨等，C_m=0.63^[7]；E为入射质子能量，MeV；E₀为基准能量，1 000 MeV；θ为次级中子出射方向与质子入射方向的夹角，回旋加速器机房、固定束治疗室、旋转束治疗室θ分别为54°、88°、86°；θ₀为单位角度，1°。

4.测量

(1) 测量条件：质子治疗系统回旋加速器运行工况为质子能量244 MeV、束流流强800 nA，加速器引出束流截止在降能器；治疗室运行工况为质子能量为244 MeV、束流流强4.2 nA，束流截止在模拟水箱。

(2) 测量仪器：使用美国赛默飞生产的FHT762Wendi-2型号检测仪器对迷道口中子周围剂量当量率进行测量，仪器经中国计量科学研究院检定，在检定合格期内，仪器不确定度为4.6%，能量响应范围为0.025 eV~5 GeV，中子周围剂量当量率最低探测限(LLD)为0.01 μSv/h。

结果

1. 数值解析公式估算和测量结果：基于两种数值解析公式及本研究质子加速器和机房的相关参数，采用Tesch公式和标准计算的回旋加速器迷道口剂量率结果分别为H_C1和H_C2，固定束治疗室迷道口剂量率结果分别为H_F1和H_F2，旋转束治疗室迷道口剂量率结果分别为H_G1和H_G2。基于中子周围剂量当量率测量工作，回旋加速器、固定束治疗室、旋转束治疗室测量结果分别为H_Cm、H_Fm、H_Gm。

2.数值解析公式估算和测量结果分析：H_C1、H_F1、H_G1均低于H_C2、H_F2、H_G2，分析结果存在差异的主要原因是部分参数的选用不同。估算迷道口中子辐射水平，首先需给出质子束撞击靶位置1 m处次级中子产生的剂量率。Tesch公式估算中，靶位置1 m处给定方向的周围剂量当量系数H(E_p，θ)采用由蒙特卡罗方法导出的非常详细的辐射源项获得，回旋加速器机房、固定束治疗室、旋转束治疗室H(E_p，θ)分别为2.63 × 10^-15、5.98 × 10^-16、5.98 × 10^-16 Sv·m^2[5]。标准推荐公式靶位置1 m处给定方向的中子周围剂量当量系数H(E_p，θ)，采用经过验证的公式估算给定角度的中子注量率，与中子通量当量剂量转换系数4.00 × 10^-14 Sv·m²相乘获得，回旋加速器机房、固定束治疗室、旋转束治疗室H(E_p，θ)分别为3.61 × 10^-15、2.30 × 10^-15、2.30 × 10^-15Sv·m²，因此标准推荐方法所计算中子周围剂量当量系数均高于蒙特卡方法导出参数数值。从标准推荐中子周围剂量当量系数H(E_p，θ)计算过程可知，靶位置1m处给定方向的周围剂量当量系数H(E_p，θ)仅考虑了角度的影响，未对中子的能量进行详细分组，国际辐射防护委员会116号报告《外照射辐射防护量转换系数》^[8]根据中子能量和照射方向给出了详细中子注量转换系数，2~300 MeV中子前后向照射时中子注量转换系数在3.59 × 10^-14~5.00 × 10^-14 Sv·m²范围内，标准建议采用4.00 × 10^-14 Sv·m²是可行的，可以减少中子能量范围较大带来的大量中子分组处理工作。

Tesch公式第一迷道中子衰减主要考虑距离平方反比定律关系，未考虑迷道截面面积等影响因素，根据该公式初始文件^[9]，第一迷道考虑距离平方反比定律，是由于质子撞击靶位置在迷道入口处，即次级中子无散射或屏蔽衰减到达迷道末端，本文研究对象靶位置均不在迷道入口处附近，使用时还需考虑Tesch公式应用的迷道截面条件限制，该公式不能适应迷道截面平方根的预期缩放，最适合于迷道横截面平方根为2 m的人员迷道，因此Tesch公式计算迷道口中子剂量率存在使用条件限制。标准推荐迷道口估算公式，考虑了所有迷道横截面积、迷道长度，公式应用不受靶位置影响，因此较Tesch公式更适合于不同设施位置的迷道口中子剂量率估算，从监测结果来看，结果较为保守。

由数值解析公式估算的质子治疗系统迷道口中子周围剂量当量率与监测结果来看，H_Cm低于H_C1和H_C2，一方面可能由于估算结果较低已接近测量仪器的监测下限，测量结果不能体现迷道口中子的实际辐射水平；另一方面是因为低估了加速器加速和引出束流损失，从而高估到达降能器位置的质子束流，使公式估算结果偏高。H_F1和H_F2远高于H_Fm，提示数值模拟估算公式对给定角度的中子经迷道散射后的估算是较为保守的。H_G1低于H_Gm，而H_G2高于H_Gm，由该质子治疗系统旋转束治疗室场所布局看，到达迷道口的的中子除了靶位置直接出射的给定角度次级中子外，其他角度出射的中子可以通过照射墙面散射到迷道口，因此对于仅考虑给定出射角度中子在迷道散射的数值解析计算公式及该角度蒙特卡罗方法导出中子源项的应用需慎重考虑。

讨论

质子治疗系统治疗室在最大束流工况下照射靶位置中子引起的辐射水平已开展了很多研究^[10]，流强1 × 10¹⁰p/s、能量为210 MeV的质子在靶位置1 m处中子周围剂量当量率为10⁵μSv/h，根据《放射治疗放射防护要求》(GBZ 121-2020)^[11]规定，质子重离子治疗系统机房应设置迷路，以使迷道门外中子产生的辐射水平满足相关标准要求。本文分析的两种迷路门口中子剂量率估算公式可知，迷路门外中子剂量率与迷路段数、迷路长度、迷路横截面积有关，此外质子入射方向与迷路入口之间的角度也是重要的因素。尽管回旋加速器机房损失流强比治疗室流强高100倍，回旋加速器机房中子经过5段迷路散射后迷道口中子周围剂量当量率低于旋转束治疗室中子经过3段迷路散射后的中子周围剂量当量率，因此，对于能量较高、流强较大的房间，宜设计多段迷道。固定束治疗室与旋转束治疗室质子在能量、流强相同的情形下，旋转束治疗室迷路门中子辐射水平明显高于固定束治疗室迷路门口中子辐射水平，在旋转治疗方向上部分次级中子可以在小角度位置到达第一段迷道侧墙，此外旋转束治疗室第一段迷路和第三段迷路均短于固定束治疗室相应的迷路长度，且迷路横截面积稍大于固定束治疗室，因此，对于质子治疗系统，如迷路段数较少则迷路不宜太短，旋转束治疗室迷路设计更需要仔细设计。在对质子治疗系统迷路口中子周围剂量当量率监测的同时，也对相同点位进行了γ周围剂量当量率监测，回旋加速器机房和固定束治疗室迷路口γ周围剂量当量率分别为1.30 × 10^-1和1.40 × 10^-1 μSv/h，旋转束治疗室迷路入口门γ周围剂量当量率为5.00 × 10^-1 μSv/h，由监测结果可知，中子经迷路散射后对迷路门外造成明显的剂量时，γ射线也会经迷路散射至迷路门外导致附加的剂量，因此，对迷路门外中子周围剂量当量率进行分析时，也应该同时分析γ导致的剂量，以评价迷路门口总的辐射影响。

据不完全统计，我国目前运行8台质子重离子装置，在建或拟建质子重离子装置33台，且随着单室小型质子治疗系统的研发生产，近几年我国将进入质子重离子治疗装置建设的高峰期。质子治疗系统机房建设时，迷路被用来减少屏蔽室入口处的辐射剂量，从而不需要非常厚重的屏蔽门。迷路设计时，需考虑两个基本原则，一是在靶位置处产生的前向辐射不能指向迷路，二是各个迷路墙厚之和应等于该方向所需直接屏蔽墙的厚度。通过本文的分析可了解，迷道设计的有效性取决于几个特征，一是迷路的段数，迷路段数增加，衰减增加。迷路之间通常垂直设计，第一段迷路衰减没有后面连续的迷路衰减效果明显。因此，对于回旋加速器机房，迷路设计建议不少于5段，且至少3段迷路长度尽可能达到7~10 m的范围，对于治疗室，固定束治疗室迷路设计建议不少于3段，旋转束治疗室迷路设计建议不少于3段的情况下，可设计带有中子防护的迷道门。二是迷路的散射面积。由于靶前向辐射不进入迷路，因此只考虑散射辐射的衰减，随着与前向辐射角度的增加，次级辐射中子能谱向低能转移，更容易被迷路墙面散射。因此，在迷路长度不能减少的情况下，应尽量减少迷路的宽度，综合散射面积要求和人员进出需要，建议迷路宽度设计在2m左右。三是屏蔽室入口处γ射线的影响。自靶位置发射的次级中子和γ射线在迷宫传输过程存在相同的衰减，但中子沿迷路传播的过程中不断有热中子产生，因此，存在一个永久的中子俘获(n，γ)γ辐射源，在迷路段数足够多、不需要屏蔽门对中子的屏蔽时，仍需考虑屏蔽门对迷路入口处热中子产生的γ射线的屏蔽。

利益冲突  无

作者贡献声明  姜文华负责数值解析公式计算，撰写论文；王晓涛、李雪琴负责论文修改；王寅宁负责监测数据收集；许忠扬负责结果数据整理分析