伽玛刀屏蔽设计

第22鲞 第 6期 2002年 11月 辐 射 防 护 Radiation Protection vO1．22 NO．6 NOV． 2OO2 立体定向伽玛射线全身治疗装置 治疗室的屏蔽设计 谢 向东 杨国山 蔡反攻 周红梅 -古75 勇 (北 京放射 医学研 究昕 ．t(1f)830) 宋聚 中 谢怀江 寇庆河 (沈阳军 区军事 医学 研究所 ，沈 阳，l00034) 摘 要 根据立体定 向伽 玛射线全 身治疗 装置 的结构 和原理 ，计算 了治疗 室 内散 射线 的能量分 布 ．并 据 此对某一 实际治疗室 的墙壁 、顶棚 和防护门进行 了屏蔽设计 。 关键词 立体定向伽玛射线全身-冶疗装置 屏蔽设计 治疗室 近年来，立体定向伽玛射线全身治疗装置 (以下简称“体刀”)已在国内医院安装并投入使 用，由于该装置采用多源旋转方式照射，不同于 现有的医用 y射线远距离治疗设备．因此需要 对治疗室的结构和屏蔽进行合理设计。本文针 对国产 OUR—QGD体刀，提出了其治疗室的屏 蔽计算模式和参数，并给出了具体的计算结果。 l 源项及照射途径分析 国产 ()UR—QGD体刀使用 3O个有双层不 锈钢包壳的 。Co密封 源，每个源尺寸为 23．5 mm×57．5 mm，新安装时活度为(9．95～l0．8) TBq，总活度为(306．3±30．6)TBq。 。Co为 B 和 y衰变核素，半衰期 5．27 a。其中B射线最大 能量为 0．317 MeV，全部被源的钢密封包壳吸 收，屏蔽计算中可不予考虑；y射线平均能量 为 1．25 MeV，为屏蔽设计考虑的主要因素。 图 1给出了体刀结构的纵向剖面及射线分 布示意图 1]。3O个源螺旋分布在一个内径 395 mm、外径 510 mm、张角为 15。的球冠状 源容器 中 ，源分布的纬度范围为 39．5。～69．5。；夕 层覆 盖 420 mm 厚 的球 冠 状 铸铁 屏 蔽 体 ，里 层 为 120 rFtrFt厚的球冠状准直体。准直体有一组屏 蔽塞和三组准直孔 ，非治疗状态下 ，屏蔽塞将源 屏蔽 ；治疗状 态下 ，某 一组准 直孔 与源一一 对 应。源容器和准直体绕垂直于地面的 y轴旋 转，形成球心为焦点、3O个锥顶角不等的射线 锥 面。图 l中锥面形成的锥顶角度范围为 2O．5。 ～ 1)． 。，因此准直孔准直后的出射线方向是指 向地 面的，到达治疗室 四周墙壁及屋顶 的辐射 主要为经焦点的散射辐射，而穿过 420 mm厚 铸铁屏蔽体的透射线相比之下很小，在屏蔽计 算时可忽略。 2 散射辐射能谱及剂量的计算 图2给出了绕 y轴旋转的单个源在锥面上 任意位置时入射线与散射线之间的角度关系， 当入射角为 时，散射角 Ot与入射角 之间有 如下关系一 ： COSOt— sin6sin0cos 一 cos&os0 (1) 式中，0为散射线与 y轴夹角， 为入射线所在 平面与散射线所在平面夹角。 第一作者简介：谢向东，男，1969年出生，2000年毕业于军事医学科学院放射医学专业，博士，助理研究员。 维普资讯 http://www.cqvip.com · 370· 辐射防护 第 22卷 第 6期 try+ i l l ’ ‘地 面 图 1 体刀射线分布示意图 Fig．1 Schematic diagram of the distribution of body knife rays 根据康普顿散射公式，入射光子与散射光 子的能量关系为 ： Es一__ 一 十 百 一 ∞ 式中，E 为散射线能量．MeV；E。为入射线能 量 ，1．25 MeV；d为散射角。 某个入射光子在焦点处 散射后 ，沿 a方向 d 立体角球面内的几率 户由克莱因一仁科公式 确定_3 ： 户～ [ j而] ( J 。(I— cosa)。 (1+COS。d)[1+ (1一COSO／)] (3) 式中， 为电子经典半径 ，cm； — E．．／o．5l1。 单个源 i发射的光子在焦点处经一次散射 后在空气中某点 P处的吸收剂量率为： DP 一 p％Es( ／p) (4) 式 中，识 为焦点处 光子注 量率。m ·s一 ； ( ／p) 为空气的质能吸收系数 。m!·kg～。 则绕轴旋转一周源 i在 P点处的空气平均 吸收剂量率为： 1 D 一亭ID ，de (5) ^ J 0 式 中，7 为旋转周期 。S。 各源旋转一周时 P点总平均剂量率 为： 图 2 散射线与入射线的关系 Fig．2 The angle relationship between an incident ray and its scatter ray DP= >：D (6、 ， 1 利用 (1)～(4)式 ，可 以计算 出所有源旋转 一 周 时 P点处能量 为 E的散射线 剂量 ，按 Dr 归一后 。即得到能量为 E 的散射线对剂量的相 对贡献 户 。图3给出了当P点位于焦点所处的 水平面 内，即 0— 90。时，户 按散射线能量的分 布。可见水平面内一次散射光子的能量在 0．2 MeV到 0．8 MeV之间，在低能部分存在一个 对剂量贡献较大的能量峰值 0．28 MeV。 3 治疗室屏蔽计算 设计 中治疗室长 8．6 m，宽 6．4 m，高 4 m， 体刀旋转轴离东 、南 、西 、北 四墙的距 离分别为 3．5 m、3．3 m、5．3 m 和 3．3 m，体刀焦点离地 面高度为 1 m。 屏蔽计算需要两个基本剂量学参数：一是 不 同能量散射光子对剂量 的相对贡献 ，上面对 此进行了分析并给出了结果；二是射线装置在 参 考点处 的剂量率 ，它通 常由射线装置生产厂 家提供 。对于 OUR—QGD型体刀 ，由于其结构 的对称性 ，吸收剂量 在同一水平 面上相对于源 容器转轴呈对称分布，即在同一水平面上，任意 一 点的剂量率只与该点到源体旋转轴的距离有 关 。图 4是厂家给出的当体刀在治疗状态下且 准 直器开到最 大 (≠50 mm)时 ，治疗室 内的空 气吸收剂量率分布。 - I ， 灵 j 维普资讯 http://www.cqvip.com 谢向东等：立体定向伽玛射线全身治疗装置治疗室的屏蔽设计 ·371· 昙 喜 蜒 散射线能量E (MeV) ：地 《 ＆ 尊 图 3 0—90。时散射线相对剂量和墙体衰减倍数随散射线能量的变化 Fig．3 Variance of relative dose of scattered radiation and attenuation multiple of wall with the energy of scattered radiation at 0— 90。 一 0 一 讣 划 离源体旋转轴的距 离 (m) 图 4 体刀治疗状态下开 ≯50 mm准直器时治疗室内的空气吸收剂量率分布 Fig．4 The absorbed dose rate distribution in the treatment room with 50 mm collimator 3．1 墙壁屏蔽计算 设计中的治疗室墙壁采用密度为 3．41 g／ cm。的混凝土和磁铁矿石混合物(以下简称混 合物)，总厚度为 d一50 cm。由混凝土 的密度 ID 一 2．3 g／cm。和磁铁 矿石 的密 度 ID：一4．9 g／ cm 。 ，求得混凝土和磁铁矿石的体积百分数分 别为 57 和 43 ，折算成混凝土和磁铁矿石厚 度分别为 dl一28．5 cm 和 d2—21．5 cm。 能量为E的光子对混合物墙的衰减倍数 为 ： pt,d KE= 二_-12) (7) 上J 式 中， 一 d + d ， 和 分别为混凝土 和磁铁矿石的线减弱系数，由于磁铁矿石 95％ 以上 的成份为铁 ，因此 。取铁 的线 减弱系数 ；B 为剂量积累因子。 采用无限介质中各向同性点源剂量积累因 子。在相同条件下，混凝土中B值要大于铁的B 值，作为保守估计，取混凝土的B值。混凝土中 维普资讯 http://www.cqvip.com ·372· 辐射防护 第 22卷 第 6期 两种能量不同 值的B因子见表 1 。对于图 3中所示的散射线能量，先求得 的值，再利 用二元全区间插值法 得到不同能量、相应 值所对应的B值，于是可求得衰减倍数 K ，计 算结果见图 3。 总的衰减倍数 K为 K 按相对剂量 P 的 加权求和 ．即： K—f户 K dE (8) 表 1 各向同性点源在混凝土中的 B值 Tab．1 B value in concrete from an isotropic point source 7 26．8 1 4．7 图 5给出了 K 与 0的关系。根据治疗室大 小、体刀结构和位置，当 0大于 105。时，散射线 指向地面，在屏蔽设计时无需考虑。取离地面 1 m高度处作为屏蔽剂量 的计算点，此时 为 9O。，散射线为水平方向，K 一1．36×10 。 《 蛏 妻 角度 0 (度 ) 图 5 不同 0角度时墙体的总衰减倍数 K Fig．5 Dependence of total attenuation K of wall with different angle 0 墙外的剂量率由下式计算 ： D — D。／K (9) 式中， 为治疗室内墙壁处的剂量率，pGy／h， 具体数据由图 4确定；K为 0—90。时的总衰减 倍数。 对设计中治疗室，根据上式和图 4，可计算 得到治疗室墙内、外的空气吸收剂量率，结果列 于表 2。 3．2 防护 门屏蔽计算 设 防护门为厚度 d一3．7 cm 的铅门，铅 的 密度为 10—11．35 g／cm。。采用与墙体衰减倍数 同样的计算方法，求得防护门的总衰减倍数为 K 一21。设源体中心轴到防护门的最近距离为 4 m，由于防护门位于体刀机架柱后方，所以图 4给出的治疗 室 内的剂量分 布在此处不适用 。 厂家给出的典型治疗室防护门内处的剂量率约 为 76 t~Gy／h，因此可得 门外 的剂量率 为 76／21 — 3．6 ptGy／h。 表 2 治疗室墙内、墙外的空气吸收剂量率(~tGy／h) Tab．2 Air absorbed dose rate inside and outside the wall of the treatment room 位置 东墙 南墙 西墙 北墙 (距源体中心轴距离，m) (3．5) (3．3) (5．3) (3．3) 墙 内 1 402 1641 350 1641 墙外 0．10 0．1 2 0．03 0．12 3．3 顶棚屏蔽计算 根据治疗室的结构，散射线的角度如图 6 所示。由于体刀带有自屏蔽，向上的一次散射线 与水平面的夹角小于 15。(参见图 1)，到达顶棚 的辐射为来 自地面的一次散射线和来自墙壁的 二次或多次散射线，其能量分布的计算是复杂 的。作为简化，先找出能量最大的一次散射线和 能量最大的二次散射线，即图 6中所示的散射 线 AC和 BC，再取二者中能量大的散射线进行 屏蔽计算。根据公式(2)，可以计算从地面和侧 墙散射到 C处光子的能量分别为 0．39 MeV和 0．32 MeV，取 0．39 MeV计算，得顶棚的衰减 倍数为 9．52×10 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 谢向东等：立体定向伽玛射线全身治疗装置治疗室的屏蔽设计 ·373· 图 6 顶棚散射线示意图 Fig．6 Schematic diagram of the scatter radiation at roof 经验表明，房间内的散射线剂量随高度的 变化服从反平方规律，根据图 4中离源源体中 心轴水平距离 2 m时，在地面和 1 m高度处的 吸收剂量率，可以推算得到顶棚的最大剂量率 约 1．36×10。／~Gy／h，经顶棚屏蔽后的剂量率 为 1．36×10。／9．52×10 一0．014／~Gy／h．已小 于环境地表 7射线剂量率的本底水平。 4 讨 论 除顶棚外，屏蔽计算中只考虑了一次散射 线 ，没有考虑多次散射线和泄漏辐射 的贡献 ，因 为多次散射线的能量和强度要远低于一次散射 线 。 屏蔽效果是按照散射线的能量分布来计算 的。由图 3可见，低能光子剂量占相当比例，但 墙壁对低能光子的衰减倍数很大，如果将该部 分剂量当成高能光子的剂量来处理，将大大增 加屏蔽厚度。图 7给出了水平方向墙壁屏蔽后 的剂量随光子能量的分布，可见图 3中低能光 子的剂量经屏蔽后对剂量的贡献可忽略不计。 泄漏辐射是 由源经屏蔽体衰减后的直射 线，可照射到墙壁的任何位置，其射线能量为 1．25 MeV，50 em厚磁铁矿石混凝土墙的衰减 倍数为 787。在离源 1 m处屏蔽体表面的剂量 率约 12／~Gy／h，因此按平方反 比规律以及墙的 衰减 ，距离源 3．3 m 处的南墙外泄漏辐射的剂 量率仅 为 1．4×10_。／~Gy／h，而散射辐 射相应 的剂量率为 0．12／~Gy／h，泄漏辐射对剂量的贡 献仅占 1．2 ，由此可见在该屏蔽计算中忽略 泄漏辐射是可行的。 对该治疗室 的实测结果表 明：南北 两墙外 的空气剂量率为 0．18／~Gy／h，与计算值 0．12 ／~Gy／h比较接近；东西墙及顶棚外空气剂量率 都属本底水平，约为 0．10／~Gy／h，计算值都小 于本底水平，因此二者是符合的；防护门外的测 量值 2．6／~Gy／h，要小于计算值 3．6／~Gy／h，这 与计算中没有考虑到入射防护门的射线为斜射 线所致有关，再加上屏蔽计算中的其它不确定 因素，这样的误差也是可接受的。 一 口 呈 一 缸 恤 眯 散射光子能量 (MeV) 图 7 水平方向散射线经墙屏蔽后 剂量随光子能量的分布 Fig．7 Variance of dose with photon energy for horizontal scatlered radiation shielded by wall (下转第 379页 ，Continued on page 379) 维普资讯 http://www.cqvip.com 李颖 ：FI 对辐射所致小鼠多脏器损伤的防护作用 ·379· RADIoPRoTECTIVE EFFECTS oF Fit3 LIGAND ON M ULTIPLE oRGANS oF M ICE INJURED BY IRRADIATIoN Li Ying Chen Yongzhen Xu Zhixiang Zhang Su Huang Weida Qiang Yizhong Zhang Xueguang (School of Life Science，Soochow University，215007) Abstract FL alone or in combination with other cytokines Of G—CSF·IL一1 1 and EPO was ap— plied tO BALB／C mice at different times before and after whole body irradiation with 6．0 Gy 。Co -／rays．Variations in counts of peripheral blood cells were studied in this paper，as well as histopathologic changes of organs including heart，liver，kidney，lung，spleen and thymus．FL administered at 2 h before exposure resulted in not only promoting recovery of peripheral cells， particularly WBC，but also easing radiation injury to organs mentioned above． (Key Words：Flt3 Ligand，Cytokines，Irradiation—induced Injury，Radiation Protection。Hematopoietic Stem Cel】) (dz接第 373页，Continued from page 373) 参考文献 1 广东省医药企业产品．立体定向伽码射线全 身治疗系统．Q／19SZAW01—1999 2 李德平，潘自强主编．辐射防护手册(第一分册：辐 射 源与屏蔽)．北京 ：原子能出版社，1987．352～ 354 3 F．H．Attix，W．C．Rocsch．辐射剂量学(第 一 卷：基本原理)．施学勤等，译．北京 ：原子能出版 社 ，1981．102～ 106 4 李德平，潘 自强主编．辐射防护手册(第一分册：辐 射源与屏蔽)．北京：原子能出版社，1987．426 5 李德平，潘 自强主编．辐射防护手册(第一分册：辐 射源与屏蔽)．北京 ：原子能出版社，1987．289 6 徐士良主编．c常用算法程序集．北京 ：清华大学 出版社 ，1996 (编辑部收稿日期 2001年 6月 4日) SHIELDING DESIGN FoR THE TREATM ENT RooM oF y STEREOTACTIC B0DY RADIOTHERAPY EQUIPMENT Xie Xiangdong Gou Yong Yang Ouoshan Song Juzhong Cai Fangong Xie Huaijiang Zhou Hongmei Kou Qinghe (Beijng Institute of Radiation Medcine，Beijing，100850) Abstract According tO the structure and principle of gamma stereotactic body radiotherapy e— quipment，the energy distribution of scatter radiation in the treatment room is calculated，and the shielding design for the wal1．roof and the door of a certain treatment room was performed． (Key Words：Gamma Stereotactic Body Radiotherapy Equipment，Shielding Design，Treatment Room) * Institute of M ilitary Medicine．Shenyang Military Area．10003 维普资讯 http://www.cqvip.com