上海市质子碳离子放射治疗设施辐射源关键点分析

文章编号：1671-7104(2020)06-0476-05
王孝娃1, 2，杜宁1, 2，王岚1, 2
1 上海市质子重离子医院， 上海市，201321
2 上海质子重离子放射治疗工程技术研究中心，上海市，201321
由于质子/碳离子具有布拉格峰剂量分布特征，相对于常规高能X 射线放射治疗具有明显优势。

但质子重离
子设施结构复杂，能量较高以及运行过程中因各种核反应过程而产生多种射线类型，所以设施运行过程中带来的辐射防护安全也逐渐引起重视。

笔者尝试以上海市质子重离子医院的质子碳离子放射治疗设施为例，主要分析了质子碳离子治疗设施的运行原理、辐射防护的依据、关键辐射源点分析等内容，从而为做好辐射防护提供理论支持和经验。

质子/碳离子；辐射；辐射防护；分析R197.39 A
doi: 10.3969/j.issn.1671-7104.2020.06.002
WANG Xiaowa 1, 2, DU Ning 1, 2, WANG Lan 1, 2
1 Shanghai Proton and Heavy Ion Center, Shanghai, 201321
2 Shanghai Engineering Research Center of Proton and Heavy Ion Radiation Therapy, Shanghai, 201321
Compared with conventional high energy X-ray radiotherapy, proton/carbon ion has obvious
advantages because of its Bragg peak dose distribution. However, proton heavy ion facility has complex structure, high energy and various radiation types due to various nuclear reaction processes, the radiation protection safety brought by the operation of facilities has gradually attracted attention. Taking the proton/carbon ion radiotherapy facility of Shanghai Proton and Heavy Ion Center as an example, the author mainly analyzed the operation principle of proton/carbon ion treatment facility, the basis of radiation protection, analysis of key radiation source points, etc., so as to provide theoretical support and experience for radiation protection.
proton/carbon ion, radiation source, radiation protection, analysis
上海市质子碳离子放射治疗设施辐射源关键点分析
【作 者】【摘 要】【关 键 词】【中图分类号】【文献标志码】【 Writers 】【 Abstract 】【Key words 】Analysis of Key Points of Radiation Sources in Proton and
Carbon Ion Radiotherapy Facilities in Shanghai
作者简介：王孝娃，E-mail ：*********************.cn
0 引言
质子、碳离子束流剂量分布的主要特征是此类带电粒子在射程末端以布拉格峰的形式释放出绝大部分能量而尾部剂量很低，较高能X 射线具有明显剂量分布优势[1-4]，因此，经治疗计划系统设计计算的质子、碳离子束流经治疗系统执行后可以在肿瘤病灶内得到比较高的剂量分布，而周围正常组织器官的剂量较低，与常规高能X 射线放射治疗技术相比也可以减少照射野数量，从而显著地提高肿瘤治疗剂量，增强了对肿瘤的杀
灭效应，同时降低了质子、碳离子入射途径周边和肿瘤病灶周围正常组织损伤和减少了受照射的正常组织器官的体积[5-9]。

笔者以上海市质子重离子医院的质子碳离子放射治疗设施（以下简称为设施）为例，主要从以下几个方面进行架构：首先介绍设施的运行原理（见图1）；其次阐述设施建筑辐射防护设计依据；再进行了设施日常运行时辐射防护要点分析及设施运行过程中各环节产生的辐射源的分析；最后，总结了设施正常运行时辐射防护要点等内容，从而为辐射防护管理提供理论技术基础。

1 设施的运行原理
氢气和二氧化碳经离子源形成氢离子和碳离子的等离子体，经离子源高压引出后经低能量束流传输段传送和斩波进入直线加速器段（经射频四极加速腔（RFQ ）将离子加速至大约400 keV/u ，后再由漂移加速强（IH-DTL ）加速至约7 MeV/u ），再通过中能量束流传输段经传送、碳离子剥离全部外层电子、斩波和能量强度选择等操作后注入同步环，束流经同步加速器的加速腔加速到指定的能量后引出，经高能量束流传输段后再经过扫描磁铁入射患者体内[10]。

2 设施建筑辐射防护设计的理论依据
该设施可以实现2个主要与辐射防护相关的临床参数，有单次溢出最大粒子强度、最大粒子能量和粒子种类使用的时间分布。

2.1 单次溢出最大粒子强度
质子的单次溢出最大粒子强度可以达到2×1010粒子数，即每秒粒子数量的上限1×1010粒子数每秒乘以每循环溢出的时间下限2 s ，设
图1 设施运行原理图
Fig.1 Schematic diagram of facility operation
施甚至可能每次达到4×1010粒子数；碳离子的单次溢出最大粒子强度可以达到1×109粒子数，即每秒粒子数量的上限3.3×108粒子数每秒乘以每循环溢出的时间下限3 s 。

2.2 最大粒子能量及粒子种类使用时间分布
质子的最大粒子能量可达250 MeV/u ，碳离子的最大粒子能量可达430 MeV/u 。

根据以往实际的临床使用情况，使用的质子能量预测值为90%用150 MeV/u ，10%用220 MeV/u ；碳离子使用的能量预测值为90%用280 MeV/u ，10%用430 MeV/u 。

预测的粒子种类使用的时间分布占比为初期主要使用质子束流，其中碳离子占10%而质子占90%；长期主要使用碳离子束流，其中碳离子占70%而质子占30%。

该设施根据以上主要参数和驻留时间以最保守的（冗余度最高）情形下计算辐射防护量，预计辐射防护的几何尺寸，以此建造整个辐射防护建筑墙，按每年出束时间2 000 h 计算，整个设施有效剂量范围大约在0.6 mSv/a ，与实际监控的
3.2 产生的辐射源时间长短分析
设施所产生的电离辐射源按时间可分为瞬发辐射源和残余辐射源。

3.2.1 瞬发辐射源的产生分析
在粒子加速过程中，或者使用被加速粒子的时候，粒子会通过同原子或原子核发生相互作用而产生瞬发辐射场。

瞬发辐射场的性质与粒子的能量、种类以及作用靶都有密切关系：①对质子/碳离子束流，入射粒子的能量低于10 MeV/u 时，只有在一些核反应阈值较低的材料上会发生核反应。

因此，低能的核反应很大程度上和靶材料的核结构有关[11]。

②在入射的质子或碳离子能量高于10 MeV/u 左右时，开放的核反应道越来越多。

③ 能量在10～430 MeV/u 的入射粒子到原子核内后与该核内的核子发生级联碰撞、交换能量、打出能量很高的级联中子[12]，同时原子核被质子、碳离子轰击后处于不稳定的状态，在自行退回稳定状态的“振荡退激”过程中再次发射出蒸发中子，其能量较低，为几个MeV ，角分布接近各向同性。

退激过程伴随发射γ射线。

级联中子和蒸发中子由于慢化会变成热中子[13]。

临床应用的质子碳离子治疗系统治疗使用的两种粒子，最低能量均大于100 MeV ，所产生的次级粒子主要考虑级联中子和蒸发中子。

在中子总产额中，蒸发中子约占95%，级联中子占中子总产额的百分之几，但能量较高，其中能量大于20 MeV 的占级联中子的50%以上。

加速器瞬发辐射场主要是初级的入射粒子，即质子和碳离子，以及电磁级联、强子级联辐射后产生的各种次级粒子，但光子和带电粒子经过屏蔽材料时大都被吸收，只有很小一部分会对屏蔽外的剂量场有贡献，所以瞬发辐射的外辐射场主要是中子辐射。

瞬发辐射源与加速器运行直接有关，随加速器的停机其全部成分同时消失。

3.2.2 残余辐射源的产生分析
所谓残余辐射主要是指感生所产生的放射
数据（0.52 mSv/a ）相近，符合预期辐射防护的设计目标。

3 设施日常运行时辐射来源分析
这里辐射来源的分析主要从两个角度阐述。

一个方面是从加速器自身角度分析来源，按束流在加速器内损失的位置分析辐射来源；另一个方面是从辐射源产生的时间长短对辐射源进行分析。

3.1 从加速器自身分析辐射产生的来源
该设施辐射产生的主要来源由束流主动损失和束流被动损失所构成。

质子/碳离子在粒子加速、束流引出、束流输运和束流准直等过程中，不可避免地在治疗设施的部件上会发生束流损失。

在这个过程中质子/碳离子与物质的原子核发生级联反应，产生能量很高的中子（最高能量接近入射粒子能量）和其他级联产物。

3.1.1 主动束流损失
主要是指在正常的加速器操作期间，束流损失主要发生在以下几个位置：
（1）低能量束流传输段（LEBT ）：损失的主要原因为离子和强度的选择；
（2）直线加速器段（LINAC ）：损失的主要原因为加速过程中能散、位置和相位等的选择； （3）同步加速器注入、加速和引出：原因基本同直线加速器段，即主要原因是加速过程中能散、位置和相位等的选择；
（4）在同步加速器里的束流倾倒（主动损失）：没有被用到的离子或联锁引起的需被踢出的剩余离子会倾倒到事先指定位置；
（5）治疗室：主要的粒子束流被用在治疗室内，用在患者线上或体模上。

3.1.2 被动束流损失
主要是指在非正常运行情况下，如参数配置失当、部分硬件工作不正常等等，束流将全部或大部分损失在故障部件位置的前段空间范围内，无法正常到达治疗室。

性[14-15]。

加速器装置运行时初级粒子以及所产生成的次级粒子所形成的瞬发辐射场，使加速器的构件及周围介质，如隧道内设备冷却水、空气、屏蔽墙、土壤及地下水等活化从而产生感生放射性，放出β粒子、γ射线，构成残余辐射场。

感生放射性产生主要是通过中子或高能γ射线与物质会发生(n,γ)或者(γ, n)反应，产生的放射性核素，设施主要包括以下几处：
3.2.2.1 治疗室设备的活化
对于质子碳离子治疗系统，治疗室机头感生放射性辐射场分布不均匀，其大小与位置有很大关系。

这种活化辐射的剂量场是摆位人员接受剂量的重要来源，对患者治疗是一种附加辐射。

3.2.2.2 加速器结构材料活化产物
　（1）加速器隧道外附近空气的活化
在设施运行时，粒子在传输过程中由于束流损失质子或碳离子打在真空管壁或者加速器器件上，从而产生次级粒子（中子和γ射线）。

一般情况下，由于γ射线的总产额小，经验计算结果比表明γ射线的总产额约为中子总产额的1/5，且能量大于2 MeV的γ射线产额小于1%，因此，因γ射线所引起的活化相比中子所致的活化可以忽略不计，对于隧道外附近空气，只考虑因中子活化而产生的气态放射性。

空气中生成的主要放射性核素有11C、13N、
15O和41Ar等。

这些放射性核素主要通过放出β射线，然后衰变为稳定的核素。

　（2）冷却水的活化
　束流损失产生的次级粒子中的中子会将流经这些器件的一次冷却水活化。

由于二次冷却水不直接与被冷却器件接触，距离束流损失点较远，不考虑被活化。

一次冷却水被活化而产生的主要放射性核素有7Be、3Ｈ、11C、15O等。

　（3）加速器器件的活化
加速器器件的活化由初级粒子的直接作用及次级粒子的作用产生，主要是束流损失较大处的部件易被活化。

主要被活化的部件有束流管道、偏转磁铁、束流踢出装置等。

主要的构成材料为不锈钢和铜。

活化而产生的主要放射性核素有48V、51Cr、52Mn、52mMn、54Mn、56Mn等。

　（4）屏蔽墙的活化
质子/碳离子也会因束流损失产生的次级粒子引起屏蔽体混凝土的活化，尤其碳离子。

　（5）地下水及土壤的活化
质子/碳离子因束流损失而产生的次级粒子引起加速器隧道及治疗室周边土壤和地下水的活化，尤其碳离子。

由于混凝土和土壤的组成成分复杂多样，活化能够产生多种感生放射性核素。

具体取决于加速器粒子的能量、种类、束流强度、运行模式和运行时间等。

　（6）臭氧和二氧化氮
质子/碳离子因束流损失而产生的次级粒子中，光子中能量小于光核反应(γ, n)的阈能时，这些光子对空气介质辐照而产生臭氧（O3）、二氧化氮（NO2）等。

这些气体是有害气体，需要采取一定诸如排风等措施使得其浓度降低到相关管理标准之下。

　（7）天空散射
由于该设施和治疗室均建于地下，顶层按主屏蔽设计且顶部为非人员活动区域，因此，这里由设施所形成的天空散射在防护上可以忽略。

　（8）散射和漏射
屏蔽室内的次级辐射受墙、顶和地板的一次或多次散射，以及中子俘获产生的γ辐射，在迷路入口形成一定的辐射剂量。

同时屏蔽室内次级辐射贯穿迷道内屏蔽墙的漏射辐射。

加速器停止后感生放射性依然存在，因构成残余辐射的各放射性核素的放射性半衰期不同而会不同程度随时间的延长而衰减。

在加速器停机维护期间，这些被活化的加速器器件、循环冷却
水及加速器隧道内空气所放出的β粒子、γ射线成为了主要的防护对象。

4 设施正常运行时辐射防护要点
基于以上束流损失的电离作用分析及束流损失的位置，在整个设施的辐射防护中，主要考虑由质子/碳离子所直接引发的次级粒子的防护。

因此设施的辐射防护要点总结如下：
　（1）对于束流预期大量损失的部位应加强屏蔽，设立可拆卸铅墙等措施，如中低能量束流传输段中的斩波器，同步环注入和引出位置，束流倾倒位置及治疗室束流出口正前方的墙面；
　（2）定期对束流预期大量损失的部位进行辐射监控，如发现异常立即处理；
　（3）对设施内部的物质包括建筑、各种设备及水等进行停机监控，严格控制活化物质移出设施，建立进出流程，如加速器部件退运；
　（4）加强对设施周围的中子和X辐射的日常监控；
　（5）加强对设施内部的通风并对通风口的过滤等附件进行辐射监控；
　（6）对进出设施的人员进行严格管理；
　（7）督促降低和控制设施的联锁和故障发生率，可以减少束流的不正常损失，也可保证患者的治疗剂量准确性。

识别质子碳离子放射治疗设施运行过程中的辐射源点是进行辐射防护的关键，是做好辐射防护的基础，是进行辐射防护管理的钥匙。

我们对质子碳离子的关键辐射源点进行了分析，并对关键点的辐射防护进行了总结，为同类相应设施的安全运行提供辐射防护的参考。

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