[研究]醫用質子加速器擴展束流與筆形束流的感生放射性輻射劑量 | 宋婷婷 汪洋 盛曉芳 陳慶 李家敏

中國醫學物理學雜誌 2018年2月 第35卷第2期；作者：上海伽瑪醫院放療科：宋婷婷，汪洋，盛曉芳；山東淄博萬傑腫瘤醫院質子治療中心：陳慶，李家敏。[作者簡介]宋婷婷，物理師，研究方向：腫瘤精確放療和放射防護，E-mail: [email protected]；[通信作者]陳慶，物理師，研究方向：質子治療醫學放射物理及放射防護，E-mail: [email protected]

【摘要】

目的：通過比較醫用質子加速器兩種不同束流引出方式的X/γ射線感生放射性輻射劑量差異，從而採取相應措施降低治療室的環境輻射水平，減少醫用質子加速器工作人員的累積輻射劑量。

方法：模擬患者治療的腫瘤輻射野，分別在質子加速器擴展束流治療室和筆形束流治療室進行15 CGE的質子射線照射，射線停止60 s後，進入治療室利用兩臺NeutronRAE II檢測儀同時對射線輸出窗口和治療牀等中心這兩個位置進行X/γ射線感生放射性輻射劑量測量，並記錄數據。按以上出束條件和測量步驟，重複測量3次，每次間隔30min。

結果：擴展束流射線輸出窗的3次測量值依次爲32.3、63.2、70.1 μSv/h，在治療牀等中心的3次測量值依次爲4.5、5.6、7.7 μSv/h，兩個測量點的感生放射性輻射劑量率均隨着測量次序依次增加。筆形束流射線輸出窗的3 次測量值依次爲3.2、2.3、2.1 μSv/h，在治療牀等中心的3 次測量值依次爲0.21、0.18、0.18 μSv/h，兩個測量點的感生放射性輻射劑量率均與測量次序無關。在輸出窗位置，擴展束流的測量平均值是筆形束流測量平均值的21.8倍；在治療牀等中心位置，擴展束流的測量平均值是筆形束流測量平均值的31.2倍。

結論：在出束劑量和時間相同的情況下，筆形束流的感生輻射劑量較小，其機房環境輻射水平遠遠低於擴展束流機房，對工作人員有更好的保護作用。

【關鍵詞】醫用質子加速器；輻射防護；感生放射性輻射劑量；擴展束流；筆形束流

【中圖分類號】R144.1；R815【文獻標誌碼】A 【文章編號】1005-202X（2018）02-0161-05

前言

醫用質子加速器射線進入人體後能在體內一定深度處形成布拉格峯（Bragg Peak），使得射線能量集中於腫瘤，而腫瘤前後沿的正常組織受量極低，因而能在最大限度殺滅腫瘤細胞的同時，對正常組織有較好的保護作用。截至2016年，全球有近60多家質子放療單位，超過13萬人接受質子放療。我國目前投入使用的質子、重離子設備有2家，目前在建或已經立項的超過10家。

醫用質子加速器已在腫瘤治療領域顯示出極強的優勢和良好的應用前景，與此同時，與其相關的輻射防護也應引起足夠的重視和關注。常規放療直線加速器的能量範圍通常爲4～30MeV，醫用質子加速器的能量可達到230MeV。而較高能量的粒子加速器（大於l0MeV）都可能通過（Y-n）、（p-n）等核反應產生泄漏或污染中子，射束停止後,金屬銅擋塊被中子活化後產生感生放射性。230MeV的質子射線能與周圍空氣或束流阻擋物相互作用，產生中子，大約每個質子會產生1.05箇中子。感生放射性的輻射水平取決於加速粒子的能量、種類、束流強度和加速器的運行時間等因素。感生輻射劑量的累積可能會對工作人員產生一定影響，因此應對不同裝置的感生輻射劑量有更深入的研究和認識。本研究從質子加速器的兩種束流引出方式出發，研究擴展束流和筆形束掃描束流的感生放射性輻射劑量差異,並對多種形式的實際測量得到的數據進行分析。研究現已取得初步的進展。

1 資料與方法

1.1 材料與設備

（圖1 IBA 230 MeV 醫用質子加速器）

（圖2 NeutronRAE II 檢測儀）

230 MeV醫用質子加速器（IBA,比利時）（圖1）；NeutronRAE II檢測儀（華瑞，美國）（圖2），能快速檢測X/γ 射線和中子射線，具有高靈敏度和快速報警功能，最大量程200 μSv/h；屏蔽水箱（IBA，比利時）；TPS計劃系統（Varian，美國）。

（圖3 擴展束流原理圖）

1.2 擴展束流和筆形束流原理介紹

1.2.1 擴展束流原理介紹 加速器出來的束流直徑比較細，束斑大約爲4 mm，在被動式束流調節範圍內不能滿足治療腫瘤的要求，因此需要對束流進行擴展。擴展束流的治療頭由射程調製器、射程調節器、束流擴展器、束流準直器組成。束流在調製調節完成後需要由束流擴展器-散射體進行束流的擴展，經過散射體後束流被擴展，然後再經過準直器形成20cm×20cm的射野，用於腫瘤放療（圖3）。

（圖4 筆形掃描束流原理圖）

1.2.2 筆形束流原理介紹 加速器出來直徑平均約爲4～10mm的束斑，在經偏轉開關磁鐵控制引入到治療室之前，由兩組分別爲X軸和Y軸方向上的掃描磁鐵控制束流在20cm×20cm 方形野範圍內進行逐點掃描，腫瘤靶區被分割成n層，每一層對應一個束流能量。根據腫瘤深度的不同，束流能量依次遞增。掃描深度不斷增加，從而完對成腫瘤細胞射線殺滅。治療過程中不用對束流進行擴展和調製，射程不用單獨調節（圖4）。

1.3 測量方法

爲研究擴展束流和筆形束流的感生放射性輻射劑量差異，設計兩組實驗。

（圖5 銅擋塊和組織補償器）

第一組實驗（實驗I）在擴展束流的治療室進行。具體測量步驟爲：（1）利用治療計劃系統設計模擬患者的放療計劃，根據模擬患者腫瘤的形狀，使用專用數控機牀製作銅擋塊，並根據腫瘤立體模型，製作有機玻璃材質的射程補償器（圖5）；（2）在治療牀後方擺好屏蔽水箱，在治療牀中心位置和治療頭射線輸出窗口中心處標記輻射測量點；（3）對治療室行15 CGE劑量的質子射線照射，射線停止60 s後，進入治療室，利用兩臺校準後的個人用放射性檢測儀同時對射線輸出窗口和治療牀等中心這兩個位置行X/γ射線檢測，並記錄此時數據；（4）間隔30 min，重複以上步驟，重複測量3次，並分別記錄數據。測量現場如圖6所示。

（圖6 測量現場圖）

第二組實驗（實驗II）在筆形束流的治療室進行。具體測量步驟爲：（1）利用治療計劃系統設計模擬患者的治療計劃，相比實驗I，筆形束流不需要進行擋塊和組織補償器的加工；（2）在治療牀後方擺好屏蔽水箱，在治療牀等中心位置和治療頭射線輸出窗口中心位置處標記輻射劑量測量點；（3）對治療室行15 CGE劑量的質子射線照射，射線停止60 s 後，進入治療室，利用兩臺校準後的個人用放射性檢測儀同時對射線輸出窗口和治療牀等中心這兩個位置行X/γ 射線檢測，並記錄此時數據；（4間隔30 min，重複以上步驟，重複測量3次，並分別記錄數據。

[表1 擴展束流在射線輸出窗和治療牀等中心處的感生放射性劑量率（μSv/h）]

2 結果

按以上實驗步驟測量的擴展束流在射線輸出窗和治療牀等中心這兩個位置的感生放射性輻射劑量率見表1；筆形掃描束流在射線輸出窗和治療牀等中心這兩個位置的感生放射性輻射劑量率見表2。

[表2 筆形束流在射線輸出窗和治療牀等中心處的感生放射性劑量率（μSv/h）]

對錶1的3次測量值進行比較發現在這兩個測量位置，測量值均隨着測量次序的增加而增大，這表明治療室的環境輻射水平隨着出束時間的增加而上升。對錶2的3次測量值進行比較發現在這兩個測量位置，測量值並未隨着測量次序的增加而增大，這表明出束間隔30min，治療室的環境輻射水平並未升高。

在輸出窗位置，擴展束流的測量平均值爲55.20 μSv/h，筆形束流測量平均值爲2.53 μSv/h，前者是後者的的21.8倍。在治療牀等中心位置，擴展束流的測量平均值爲5.93 μSv/h，筆形束流的測量平均值爲0.19 μSv/h，前者是後者的的31.2倍。

3 討論

從測量結果可知，擴展束流的治療室在射野輸出窗的X/ γ 射線的感生放射性輻射平均劑量率爲55.20 μSv/h，遠遠高於筆形束流的5.23 μSv/h。分析原因如下：擴展束流在束流擴展時需要利用散束器進行束流擴展，部分射線粒子偏離原來軌道散射到外圍，同時擴展束流輸出時，由於腫瘤形狀的不同，部分射線被銅擋塊所攔截，從而造成了射線的空間散射和空氣電離產生了多餘的X/γ射線。在筆形束流的治療室，射線源位於掃描磁鐵位置，距離等中心500cm，源於射線輸出窗口之間沒有其他介質，不會再產生散射線。所以，擴展束流的治療室在射野輸出窗的X/γ射線的感生放射性輻射平均劑量要遠遠高於筆形束流。在治療牀等中心位置處，擴展束流和筆形掃描束流的感生放射性劑量率均相對較低，分別爲5.93 μSv/h和0.19 μSv/h。這是由於擴展束流的治療等中心距離射線輸出窗口80 cm左右，射線停止後，X/γ射線在空間分佈成指數衰減，所以等中心位置的X/γ射線主要是由於銅擋塊的活化放射性、空間散射和空氣電離引起的。筆形束流的治療室，射線源位距離等中心500 cm，穿過路徑上沒有其他介質，不會產生射線散射，等中心處的X/γ射線殘留全部是由於空氣電離引起，因此感生放射性劑量很低。實驗I 和實驗II 對比發現，實驗I 中，這兩個位置的感生放射性輻射劑量率均隨着測量次序依次增加，而實驗II中，這兩個位置的感生放射性輻射劑量率隨着測量次序差別較小。分析原因爲銅擋塊在被射線照射後被活化，其半衰期爲12.7 h，所以擴展束流第2 和第3 次照射後，射線輸出窗口X/γ射線的殘餘量明顯升高，而筆形束流在路徑上主要爲空間散射和空氣電離，不存在銅擋塊的活化放射性，因此實驗II中，這兩個位置的感生放射性輻射劑量率隨着測量次序差別較小。

在測量實驗時，劑量儀的靈敏度和輻射粒子的統計不確定性會導致測量結果存在一定偏差。本實驗使用的是NeutronRAE II 檢測儀，具有高靈敏度碘化銫閃爍晶體和碘化鋰閃爍晶體探測器，靈敏度範圍爲0.01～200.00 μSv/h，累計劑量可達0.01 μSv～9.90 Sv，線性誤差小於±20%，X/γ射線的響應時間小於2 s，中子的響應時間小於5s。兩個機房的環境輻射水平均在NeutronRAE II 檢測儀的靈敏度範圍以內。在測量值上，在輸出窗位置，擴展束流的測量平均值是筆形束流測量平均值的21.8 倍，在治療牀等中心位置，擴展束流的測量平均值是筆形束流測量平均值的31.2倍。當兩種測量結果在十幾倍的差異時，縱使輻射粒子的統計不確定性仍然會引起測量結果的偏差，但也能反映出兩者之間的基本差異規律。

依據《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB18871-2002）放射性工作人員所受的劑量值按連續5年的年平均有效劑量不超過20 mSv，公衆的輻射劑量限制按年有效劑量不應超過1mSv。爲了確保輻射防護最優化原則在覈技術應用項目的實施，國際原子能機構（International Atomic Energy Agency ，IAEA）安全叢書中對核技術應用項目提出了劑量率建議值：“7.5 μSv/h，最好2.5 μSv/h”。筆形掃描束流在治療牀等中心處出束1 min 以後，測得感生放射性劑量均小於2.5 μSv/h，符合IAEA的建議值；擴展束流在治療牀等中心位置的第一次測量值爲4.5 μSv/h，受中子活化影響，之後每次測量值均較前一次有所增加，因此隨着使用時間及工作負荷的增加，該設備的感生放射性有了較大增長，對於工作人員的年劑量的貢獻將增大。宋鋼等［19-20］的研究結果也表明，感生放射性對質子治療系統的放射工作人員，特別是擺位人員的年劑量貢獻比較大，而且隨着時間的推移，感生放射性逐漸累積。

因此，筆形束流的感生放射性輻射遠遠小於擴展束流，隨着工作負荷的增加，其具有更低的治療室環境輻射水平。從輻射防護角度而言，筆形束流更具優勢。爲更有效地保護放射工作人員，建議有醫用質子治療裝置的單位建立科學的工作制度和方案，如規定延長擴展束流治療後進入機房的時間，對工作人員進行工作量限制等措施，並加強工作人員劑量監測，提高防護意識。

[參考文獻]（略）

質子重離子就醫渠道

請掃描下面的二維碼或閱讀原文進行填寫

▼粒子線放療新媒體，質子重離子就醫渠道請點擊本文左下角閱讀原文進行填寫