加速器15 MV射線引起殘留輻射的測量研究*

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加速器15 MV射線引起殘留輻射的測量研究*

陳亞正①祁國海①李廚榮①張聲江①廖雄飛①肖明勇①黎 杰①*王 培①

目的：研究高能射線出束結束后的電離輻射情況，監測分析其殘留輻射數據。方法：使用15 MV高能X射線的醫用電子直線加速器對15 cm×15 cm×15 cm的水箱進行照射，開設5 cm×5 cm、10 cm×10 cm和15 cm×15 cm的照射野，并對每一照射野均出射跳數為50 MU、100 MU和300 MU的射線。每間隔5 s記錄一次監測儀所在位置的劑量當量率，記錄時間為30 min，分析比較劑量當量率與照射野和跳數MU的關系以及3種照射野的劑量當量率變化趨勢。結果：①劑量當量率呈非線性跌落，并且在某時間段內劑量率有上升的反彈現象；②對于同一照射野，跳數為300 MU的射線產生的劑量率最高，其余依次為100 MU和50 MU的射線，即劑量當量率H300MU＞H100MU＞H50MU；③對于相同跳數的射線，不同面積射野產生的劑量當量率無明顯的規律，即劑量當量率不決定于射野面積。結論：醫用電子直線加速器使用15 MV的射線進行治療時所引起的殘留輻射應引起注意，且必須采取相應的輻射防護措施。

高能射線；殘留輻射；劑量率；醫用直線加速器

[First-author’s address] Center of Radiation Therapy, Sichuan Cancer Hospital & Institute, Chengdu 610041, China.

電離輻射普遍存在于整個自然界，從整個宇宙空間到地球上各個角落[1]。電離輻射主要來源于天然輻射和人工輻射。目前，醫療輻射是人類生活中接觸的重要輻射之一，在醫療診治中電離輻射除受到X射線照射治療的患者外還存在于實施醫療診治的放射性工作人員。

原子中的電子受到碰撞而激發被釋放出來的電磁相互作用過程稱為電離輻射，參與相互作用的粒子可以包括α粒子、β粒子、質子，中子以及X射線[2]。腫瘤患者放射治療過程是依靠對腫瘤內原子的電離輻射過程來實現對癌癥的治療。在治療室內，從X射線產生到完全消失，需要一定的時間，放射治療工作人員在進出治療室的間隔時間內存在受到輻射的潛在可能性[3，5-6]。治療室的本底輻射劑量為0.11 Sv/h，經測定6 MV低能X射線在2 s內已經恢復到本底輻射的水平；而15 MV高能X射線在短時間內并不能完全恢復到本底的水平。為此，本研究測量5 cm×5 cm、10 cm×10 cm和15 cm×15 cm不同面積射野下，治療室內某一固定位置在使用15 MV高能光子被關閉后30 min內的劑量當量率，分析比較高能射線出束結束后的電離輻射情況，以對其殘留的輻射引起高度重視。

1　材料與方法

1.1儀器設備

采用Electa Synergy醫用電子直線加速器(SynergyVMAT，Elekta，Sweden)；PM1401GN袖珍式γ-n巡檢儀(白俄羅斯，Polimaster)，探測對象為光子，對中子不敏感。劑量當量率測量范圍：0.01～40μSv/h，每次測量的溫度均在25 ℃，大氣壓為1.032×105Pa。

1.2測量方法

(1)將加速器的劑量率設置為300 MU/min，測量5 cm×5 cm、10 cm×10 cm和15 cm×15 cm不同面積的射野，治療室內某一固定位置使用高能光子15 MV關閉后30 min內的劑量當量率。

(2)設定X射線與水碰撞的相互作用過程是各項同性的，將X射線劑量監測儀polimaster放置在距離水箱2 m的位置，水箱中心位置(100 cm)為加速器等中心位置。

圖1　15 MV光子線產生的劑量當量率曲線圖

(3)將15 cm×15 cm×15 cm的水箱放在機頭正下方，機頭距水箱中心100 cm，巡檢儀放在距離機頭1.5 m的位置，出射跳數為50 MU、100 MU和300 MU的3次射線，每次射線均在射野為5 cm×5 cm、10 cm×10 cm和15 cm×15 cm的情況下測量。并且保證每組射線的輻射恢復到室內本底時再進行下一組的測量。每組射野均出束X射線50 MU、100 MU及300 MU，每組射線之間互無影響，即每次測量前都確保治療室內的散射線完全排除干凈，恢復至本底狀態。

2　結果

2.1影響感生放射線的因素

(1)從曲線圖分析比較劑量當量率與照射野和跳數MU的關系以及3種照射野的劑量當量率變化趨勢，射野開至(5 cm×5 cm)，(10 cm×10 cm)，(15 cm×15 cm)在3組射線下的劑量當量率：對于同一個射野，跳數為300 MU的射線產生的劑量率最高，其余依次為100 MU和50 MU的射線，即劑量當量率H300MU＞H100MU＞H50MU；300 MU、100 MU和50 MU的射線在30 min內的變化趨勢及其比較如圖1所示。

(2)在相同跳數下不同面積的照射野下劑量當量率的變化趨勢及其比較。不同面積射野產生的劑量當量率無明顯的規律，即劑量當量率不決定于射野面積。300 MU高能光子產生的劑量當量率遠遠＞100 MU、50 MU的感生放射性，數值最高峰均處于出束停止的時刻，在測量時間段內均有上升的現象出現(如圖2所示)。

2.2測量時間截止時刻的數值

根據電離輻射防護與輻射源安全基本標準(GB 18871-2002)規定[16]：在距設備的任何可達表面0.1 m處所引起的周圍劑量當量率或定向劑量當量率≤1μSv/h。在5 cm×5 cm、10 cm×10 cm和15 cm×15 cm的不同射野面積下，50 MU、100 MU和300 MU的射線結束后第30 min末的劑量當量率(見表1)。

圖2　3種照射野的劑量當量率變化趨勢比較曲線圖

表1　30 min末的劑量當量率(μSv/h)

3　討論

隨著計算機技術、數學軟件、加速器硬件的更新換代，以及研究者通過對射線照射細胞生物效應敏感性的進一步認識，腫瘤放射治療技術以及臨床應用得到了較快的發展。腫瘤放射治療的發展經歷了二維治療，三維適形放射治療，調強放射治療，圖像引導調強放射治療，以及質子調強放射治療。鑒于此，醫用加速器帶來的輻射防護問題成為不可避免的研究重點。宋鋼[8]對質子加速器帶來的感生放射性特別是產生的中子進行了初步測量和分析，劉建防等[9]對Varian 2300C/D型加速器15 MeV的X射線測量了5 min、10 min、15 min、30 min、60 min以及90 min時間點的劑量當量率，給出90 min內感生放射線的大概趨勢；盧峰等[10]以綜述性的方式闡述了引起感生放射線的若干因素以及研究現狀；朱忻等[11]Varian Clinac23EX型加速器測量了15 MV的X射線隨著距離和時間變化的數據。

粒子的輸運過程是復雜的過程，從高速電子轟擊鎢靶產生X射線，X射線再與水箱碰撞，參與的相互作用主要是電磁相互作用[12-15]。參與的粒子包括電子、原子核、光子及其次級電子和次級光子。本研究圖1顯示，對于同一個照射野，跳數越大，劑量當量率越大，即H300MU＞H100MU＞H50MU。這是因為加速器產生的高能段X射線越多，治療室內的電離粒子密度越大，巡檢儀讀出的數據就越大。本研究測量的30 min內，從曲線上可以看到劑量當量率在下降的過程中出現多次回升，但并不是因為光子的能量增加，而是空間中的光子密度不同所造成。加速器產生的X射線進入到水箱后，產生次級粒子，且輻射到水箱周圍的空氣里，再次與空氣中的原子發生碰撞，進一步發生電磁相互作用，這一復雜過程并非各項同性，即與水箱相同距離的半徑內，所測得的電離輻射強度并不一定相同。圖2顯示，電子直線加速器出射同樣的跳數，不考慮面積因素的開野下，相同時刻的劑量當量率無明顯的區別，這是因為光子強度不依賴于開野面積。開野面積的大小會導致射野邊緣的粒子散射情況不同，但是不會影響治療室空間的光子數密度。

影響治療室內測量點的劑量當量率的因素有很多，包括加速器電子電壓的大小、機頭鉛門的大小、多葉準直器照射野的大小、有無水箱以及水箱的體積以及測量位置的選擇等。不同的加速器，即使額定電壓相同，產生的光子能量也會有差別，導致同一測量點的數據不相同。根據國家標準GB 18871-2002電離輻射防護與輻射源安全基本規定[16]：在距設備的任何可達表面0.1 m處所引起的周圍劑量當量率或定向劑量當量率≤1 μSv/h。表1顯示，300 MU的射線造成的劑量當量率分別為1.5 μSv/h，1.28 μSv/h，1.27 μSv/h，已經超過國家標準的規定，應當引起注意。使用高能射線治療腫瘤患者不可避免的使患者受照范圍以外的正常組織吸收額外的射線，同時也會產生中子，增加了第二原發癌產生的概率。有研究表明，具備一定能量的中子會對人體產生危害，而引發第二原發癌。中子污染已經引起放射治療人員的關切，故在近年來做了大量的測量和模擬[17]。

綜上所述，研究醫用加速器的高能電離輻射是為了強化放射診療中的放射防護與安全；而加強放射治療的防護安全關系到廣大放射診療醫務人員、受檢者、患者以及公眾的身體健康與輻射安全[18-20]。

[1]Battistoni G.Nuclear physics and particle therapy[C](2016.5.11)[2016.10.28]//EPJ Web of Conferences.Nuclear Structure，2016，Vol.117：05001.

[2]Resconi E.Fundamental physics with cosmic particles[J].Annalen der Physik，2016，528(1-2)：161-166.

[3]劉同欣.PI3K/mTOR雙靶向抑制劑GSK2126458和PKI-587對鼻咽癌增殖轉移及輻射敏感性影響的研究[D].廣州：南方醫科大學，2014.

[4]姜瑞瑤.術中放療臨床劑量學特性及其質量保證的研究[D].北京：清華大學，2009.

[5]王韜，龐建，趙良超，等.回旋加速器束測探頭感生放射性實驗研究[J].強激光與粒子束，2013(7)：1779-1782.

[6]Rokni SH，Fasso A，Gwise T，et al.Induced radioactivity of materials by stray radiation fields at an electron accelerator[J].Nucl Instrum Methods Phys Res，2002，484(1-3)：680-689.

[7]Vylet V，Liu JC.Radiation protection at highenergy electron accelerators[J].Radiat Protect Dosimetry，2001，96(4)：333-343.

[8]宋鋼.質子加速器治療系統感生放射性輻射劑量研究[D].濟南：山東大學，2013.

[9]劉建防，鄭潔.對醫用加速器產生感生放射性的分析與探討[J].干旱環境監測，2005，19(4)：201-203.

[10]盧峰，劉翠杰，鄧大平.加速器治療室內感生放射性研究現狀[J].國外醫學-放射醫學核醫學分冊，2005，29(6)：297-304.

[11]朱忻.Varian Clinac 23EX型加速器殘余輻射的監測與評價[D].蘇州：蘇州大學，2013.

[12]Stevenson GR.Induced activity in accelerator structures，air and water[J].Radiat Prot Dos，2001，96(4)：373-380.

[13]Yashima H，Uwamino Y，Sugita H，et al. Induced radioactivity in Cu targets produced by high-energy heavy ions and the corresponding estimated photon dose rates[J].Radiat Prot Dos，2004，112(2)：195-208.

[14]Zohar E.Particle physics：Quantum simulation of fundamental physics[J].Nature，2016，534(7608)：480-481.

[15]AgosteoS.Radiation protection at medical accelerators[J].Radiat Prot Dos，2001，96(4)：393-406.

[16]鄭鈞正.《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》關于職業照射的控制[J].中國職業醫學，2000，33(4)：299-303.

[17]Birgisson H，P?hlman L，Gunnarsson U，et al. Occurrence of second cancers in patients treated with radiotherapy for rectal cancer[J].J Clini Oncol，2005，23(25)：6126-6131.

[18]鄭鈞正.放射診療的蓬勃發展亟需強化醫療照射防護[J].醫學研究雜志，2012，41(10)：2-4.

[19]鄭鈞正.必須切實強化放射診療的安全防護[J].醫學研究雜志，2011，40(2)：3-5.

[20]鄭鈞正.醫療照射防護是現代社會必須充分重視與強化的熱點課題[J].環境與職業醫學，2014，31(10)：755-757.

Measurement of residual radiation induced by 15 MV energy beamin medical linear accelerator

CHEN Ya-zheng, QI Guo-hai, LI Chu-rong, et al// China Medical Equipment,2016,13(11):16-19.

Objective: To study the ionizing radiation after the end of high energy beam, detect and analyze the data of residual radiation. Methods: A 15 cm×15 cm×15 cm water phantom was irradiated with a 15 MV high energy X-ray medical linear accelerator. The irradiation field was 5 cm×5 cm, 10 cm×10 cm and 15 cm×15 cm. For each field, 50 MU,100 MU and 300 MU of X-ray were emitted. The dose equivalent rate within 30 mins was recorded every 5 s. The relationship between the dose equivalent rate and the irradiation field and the number of MU was analyzed and the change trend of the dose rate of the three fields was analyzed. Results: ①The dose rate showed a non-linear drop, and the dose rate increased in a certain period of time. ②For the same radiation field, the dose rate of 300 MU was the highest, followed by 100 MU and 50 MU of radiation, the dose equivalent rate of H300MU＞H100MU＞H50MU. ③ For the same number MU, different areas of radiation field dose equivalent rate showed no obvious characteristic, so the dose rate is not determined by the field area. Conclusion: Residual radiation caused by radiation therapy of 15 MV in medical electronic linear accelerator should be paid attention to and radiation protection measures must be taken by the department.

High energy ray; Residual radiation; Dose rate; Medical linear accelerator

陳亞正,男,(1983- ),博士，助理研究員。四川省腫瘤醫院放療中心，研究方向：醫學物理及輻射防護。

1672-8270(2016)11-0016-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.11.006

四川省科技支撐計劃(2015JQ0053)“現代放療技術中引發第二原發癌風險的輻射劑量因素研究”

①四川省腫瘤醫院放療中心 四川 成都 610041

jie.li@yeah.net

2016-08-18