医用诊断X射线机房的屏蔽设计可编辑

医用诊断X射线机房的屏蔽设计
毕业设计(论文)
题目:医用诊断X射线机房的屏蔽设计
英文题:the shielding design of the medical diagnostic X-ray
room
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指导教师:覃老师
二零一零年六
摘要
电离辐射的危害及其防护,是一个实践、认识、再实践、再认识的长期的发展过程。

天然放射性的发现给人类带来巨大利益的同时也会对人体造成危害。

随着核技术的发展,医用X射线诊断机在医学上得到了日益广泛的应用和普及。

因此,其机房的辐射防护和屏蔽设计越来越受到放射卫生防护人员和医院相关工
作人员的重视与关注。

本文通过对医用X射线诊断机相关资料的收集及分析,对医用X射线诊断机房的屏蔽设计进行了详细的介绍,并将总结出的设计方法应用于实践。

在设计的过程中,按照国家规定的剂量限值,综合了辐射防护的基本原则和实际情况,进行了理论估算,选择了合适的屏蔽材料。

通过对屏蔽厚度的理论计算,使放射人员和公众所受的最大个人剂量小于国家标准规定的年剂量限值。

结果表明,设计的方案基本合理,用该方法对医用诊断X射线机房的防护设计满足国家的要求。

关键词:电离辐射;X射线;屏蔽设计;个人剂量
ABSTRACT
The hazards of ionizing radiation and its protection is a long development process of practice, knowledge, more practice, more understanding. The discovery of natural radioactivity take enormous benefits to mankind and will also harm the human body. With the development of nuclear technology, medical X-ray diagnostic machine in has been increasingly widely and popular used in medicine. Therefore, radiation health staff and hospital staff pay more and more attention to radiation protection and shielding design of the engine roomBased on collect and analysis the related data of medical X-ray diagnostic machine, Introduction the shielding design of the medical diagnostic X-ray room in detail, and using the design method of summarizes in practice. In the design process, according to the dose limits prescribed by the State and combines the basic principles of radiation protection and the actual
situation to carry out the theoretical estimate, select the appropriate shielding material. Through the theoretical calculation of shielding thickness, so that radiation workers and the public suffered get the greatest individual dose is less than the national standard provision of the year dose limit, The results show that the design methods is basically reasonable, using the method of medical diagnostic X-ray room protection designed is meet the state requirements.
Key words: Ionizing radiation; X-ray; Shielding design; Individual dose目录
绪论 (1)
2 电离辐射防护基本知识 (2)
医用电离辐射的概念和种类 (2)
医用电离辐射源 (2)
电离辐射的生物效应 (3)
辐射防护的基本原则 (4)
外照射防护方
法 (5)
3 X射线及其对机体的危害....................................................................6 X射线的发现 (6)
X射线的产生 (6)
X射线的医用特性 (7)
X射线对放射工作人员的危害 (7)
医学诊疗过程中X射线的危害 (8)
放射工作人员防护 (8)
4 诊断X射线机 (10)
X射线的成像原理 (10)
X射线机的发展史 (10)
医用诊断X射线机的基本功能和结构 (11)
各类诊断X射线机 (11)
CT (11)
DSA (13)
摄影机 (14)
X射线机主要危害因素 (14)
医用诊断X射线机防护性能的要求 (15)
5 医用诊断X射线机房的屏蔽设计 (16)
屏蔽介绍 (16)
屏蔽材料的选择 (16)
X射线机房屏蔽厚度计算 (17)
医用诊断X射线机房防护设计 (21)
结
论 (25)
致谢 (26)
参考文献 (27)
绪论
1895年德国物理学家伦琴发现了X射线,1896年法国科学家克勒尔发现了天然放射性,1898年居里夫人从沥青中分离出天然放射性元素钋和镭,从此人类社会进入了辉煌的原子时代,电离辐射在工业、农业、医疗卫生、科研等各个领域获得了广泛的应用。

核能发电、辐射育种、射线无损探伤等应用技术在国民经济中的重要作用是众所周知的;集计算机技术、射线技术等高科技为一体的X 射线CT机、伽玛刀、正电子发射断层扫描装置等大型医用设备的出现,为疾病的诊断治疗提供了更为准确可靠的手段。

射线技术的应用促进了国民经济的发展,提高了人民的生活质量。

但是射线在给人类带来巨大利益的同时,由于使用目的不同和防护方法不当,也会造成对人的伤害。

1895年伦琴发现X射线,第二年就有人因从事X射线实验而发生了皮炎。

有人用X射线照射眼部,数小时后感到眼痛,继而发生了结膜炎。

1898年,玛丽.居里和他的丈夫皮埃尔?居里发现了镭。

后来居里夫妇因经常接触镭而受到了辐射伤害。

放射卫生是研究电离辐射对人体健康影响及其防护方法的科学,内容包括个人、群体及其后代的防护对策。

其目的在于根据利益、代价分析,允许进行必要的照射活动,既有利于核事业的发展,又尽可能降低射线对人类的危害,以保
障工作人员和公众的健康与安全。

新中国成立后,随着我国核能事业的发展,从事放射性工作的人员不断增加。

为了促进核科学技术的发展,保障工作人员和广大居民的健康,1960年国务院颁布了《放射性工作卫生防护暂行规定》。

1974年我国颁布了《放射防护规定》,用它取代《放射性工作卫生防护暂行规定》。

后来卫生部又发布了《建设项目职业病危害分类管理办法》等管理规章和《建设项目职业病危害放射防护评价报告编制规范》(GBZ/T181-2006)等技术标准和规范,在预防和控制职业危害、保护劳动者健康、促进核与辐射技术应用相关产业可持续发展中发挥了重要作用。

2 电离辐射防护基本知识
医用电离辐射的概念和种类
辐射指一束束微观粒子的发射释放过程。

这些微观粒子包括电子、质子、中子、光子、介子、某些质子核或某些原子核等,狭义的辐射仅指电离辐射。

辐射按其与物质作用的不同分为电离辐射和非电离辐射。

电离辐射指由带电粒子或不带电粒子或两者混合组成的任何辐射,它们能引起物质电离或者激发。

电离辐射又可分为两大类;其发射的粒子是带电粒子的如电子、质子、β射线、α粒子等叫直接电离辐射,这些粒子与物质作用时能直接使物质电离或激发;另一类发射的粒子是不带电的如光子X线、γ线、中子等,它们与物质作用时不能直接引起物质电离,而是使靶物质释放电离粒子或引起核反应,如光子与物质作用时产生次级电子,或中子与物质作用产生次级带电粒子,而这些次级带电粒子能再度使物质发生电离。

与电离辐射相反,自然界中还广泛存在着各种波长本同的辐射,如电磁波、声波等,它们不能引起物质电离,称为非电离辐射。

非电离辐射的波长较长,辐射的内在能量较低,主要通过产热而与人体织发生相互作用
而不是电离和激发,它们穿透的能力取决于波长的大小。

随着医学的发展应用越来越广泛,例如原子吸收光谱、紫外或红外吸收光谱、核磁共振、超声显像、激光等。

在影像医学和核医学中,应用较多的是X射线、γ射线、放射性核素及超声、磁共振技术等。

它们对人体可产生程度不同的损害或影响。

图1 辐射的分类
电离辐射源电离辐射根据不同的来源常分为两大类。

一类是天然辐射源,源自茫茫宇宙空间和地球地壳物质中;另一类是人工辐射源,源自人类与辐射相关的活动、实践或辐射事件。

天然辐射源对地球上人类的辐射照射,称为天然本底照射。

人工辐射源对人类产生的辐射照射称人工照射。

(1)天然辐射人类生活在天然辐射环境之中。

天然放射性有两种来源,一种是来自外层空间的宇宙射线,即高能粒子或射线;另一种则是天然放射性,即存在于自然界普通物质如空气、水、泥土、岩石、食物等中的放射性。

宇宙射线是一种从外层空间射到地球上的高能粒子流,主要有高能质子、电子、γ射线与其他粒子。

宇宙射线尽管能量很高,但基本被稠密的大气层阻挡,对人体的直接伤害较小。

地壳是天然放射性核素的重要贮存库,尤其是原生放射性核素。

天然放射性核素品种很多,性质与状态也各不相同,它们在环境中的分布十分广泛。

在岩石、土壤、空气、水、动植物、建筑材料、食品甚至人体内都有天然放射性核素的踪迹。

(2)人工辐射
随着科学技术与经济的不断发展,核能与核技术应用越来越广泛,放射性同位素的使用与核技术的应用已经遍及国民经济的各个部门和人民日常生活中。

核电站、核动力装置、辐照加工、地质勘探、医学诊断与治疗、生产工艺检验、烟雾报警、射线工业探伤等在不同生产领域与日常生活中扮演重要角色。

核技术带给人类巨大利益的同时也伴随着放射性废物日益增多,给放射性人员和公众带来了越来越大的伤害。

人类活动所产生的人工辐射的主要来源有核试验、核设施、核技术应用、核燃料循环与建筑业等。

放射性污染主要指人工辐射源造成的污染,如核武器试验时产生的放射性物质,生产和使用放射性物质的企业排出的核废料。

电离辐射的生物效应
随着核能技术的发展,射线装置与放射性同位素在国民经济、国防建设和科学实验的许多领域中得到了广泛的应用。

世界上任何事物都是一分为二,射线装置和放射性同位素也不例外,它们可以利用的一面,但工作中如果不注意受过量的辐射或者过量的放射性同位素进入人体,就会对人体产生伤害。

辐射对人体的危害作用有两个方式,一个是外照射,即辐射源在人体的外部,从体外照射人体;另一个是内照射,即放射性物质经呼吸道、食道、皮肤或伤口侵入人体,射线在体内照射。

(1)确定性效应和随机性效应
电离辐射的生物效应主要可分为两部分即:确定性效应和随机性效应。

a、确定性效应:指受到较大剂量的照射后肯定要发生的效应,所以也有人翻译成肯定性效应。

效应的严重程度与剂量大小有关,剂量愈高则效应严重程度愈大;其特点是有剂量阈值。

不同的器官组织其剂量阈值不同,一般从十分之几Gy至几Gy。

b、随即性效应:指发生的几率与剂量大小有关的效应。

其特点是效应严
重程度与剂量大小无关,在放射防护感兴趣的低剂量范围内没有阈值。

(2)影响生物效应的主要因素
影响辐射效应的影响因素主要是照射方式和射线种类、照射剂量和剂量率、受照部位和放射敏感性等。

a、照射方式和射线种类:对外照射而言,X和γ射线因其穿透力强,可以与体内物质作用产生次级电子,引起电离效应,造成皮肤和深部组织或器官的损伤。

α射线和β射线因其穿透力小,即便外照射引起损伤,一般在皮肤表面。

α射线和β射线是内照射中主要考虑的射线种类。

另外中子射线不带电荷,穿透力也很强,可产生次级电离,引起严重的生物效应。

单从生物效应的作用而言,α射线和中子大于β射线,β射线大于X和γ射线。

b、照射量和照射量率:照射量和照射量率是影响生物的主要因素。

一般情况下照射剂量或剂量率越大,生物效应越显著。

在一定剂量范围内,照射剂量与生物效应呈线性关系。

c、受照部位和放射敏感性:全身照射的效应大于局部照射,受照面积越大效应越显著。

受照部位不同,损伤程度也不同,随着受照剂量的增大,对人体的放射损伤逐渐加重。

(3)危害作用机理
危害作用机理:辐射引起的生物效应首先从射线作用于人体的原子开始,引起电离或激发,使人体中生物大分子的结构破坏,进一步影响组织或器官的正常功能,严重时导致机体死亡。

一般认为细胞内的DNA损伤是细胞致死的主要原因。

射线对生物大分子产生直接作用和间接作用。

其定义如下:
直接作用:射线作用于蛋白质、核酸等生物大分子,产生电离或激发,或引
起化学键断裂,进而导致正常功能和代谢作用的障碍。

间接作用:射线作用于体内水分子,引起水分子活化,生成自由基又间接作用于大分子,造成辐射损伤。

辐射防护的基本原则
辐射防护关心的是:既要保护个人和他们的后代以及全体人类,又要允许进行那些可能产生辐射照射的必要活动。

所以,辐射防护的目的在于防止有害的确定性,并限制随机性效应的发生率,使之达到可以接受的水平。

为达到防护目的,辐射防护必须遵循辐射实践正当化,辐射防护最优化和限制个人剂量当量三项基本原则。

实践的正当性:在施行伴有辐射照射的任何实践之前,都必须经过正当性判断,确认这种实践具有正当的理由,即能够获得超过代价的正的纯利益;
辐射防护的最优化:应避免一切不必要的照射,在考虑到经济和社会因素的条件下,所有辐射照射都应保持在可合理达到的尽量低的水平;
个人剂量限制:用剂量限值对个人所受的照射加以限制。

在上述辐射防护三原则中,个人剂量限值规定了不可接受的剂量的下限,当实践的正当性判断和辐射防护最优化的结果与个人剂量限制原则相抵触时,应服从个人剂量限值原则。

外照射防护方法
外照射是指来自体外辐射源对人体造成的照射。

γ射线、X射线、a射线、中子等都有可能照成外照射。

但是,通常外照射防护中更重视γ射线、X射线、中子等穿透能力较强的贯穿辐射。

外照射的防护方法主要有时间防护、距离防护、屏蔽防护。

(1)时间防护:对于任何照射人体受到的累积剂量于照射时间成正比,照射时间越长,受照剂量越大,危害越严重。

通过减少受照时间,能够减小受照剂量。

(2)距离防护:对一个点源尺寸很小的源或距离至少是源尺寸的10倍来说,剂量率与距离的平方成反比。

通过限制接近源的距离或通过使用长柄工具可达到减少辐射照射的目的。

(3)屏蔽防护:屏蔽防护是指在人和辐射源之间设置防护屏障的防护方法。

许多情况下,特别是对强辐射源,屏蔽防护是保证工作场所和环境辐射水平达到法规、标准要求的唯一可行措施。

通过这种方法减小剂量率而仍然可以进行工作。

所需屏蔽物质的类型和厚度取决于以下因素:a、辐射的类型和能量;b、源的活度或辐射强度;c、在屏蔽物质外可接受的剂量率。

(4)控源防护:控源防护是指放射工作人员在不影响照射的目的前提下,尽可能控制射线装置的出束面积和出束条件,以减少辐射量,降低工作人员及患者的受照剂量,达到防护目的。

3 X射线对机体的危害
X射线的发现
1895年11月8日,德国物理学家伦琴在进行阴极射线研究时偶然发现了一些奇异的现象:位于高真空阴极射线管附近的用黑纸严密包好的照相底片会被感光;用黑纸包裹的阴极射线管也能使荧光物质发出荧光,而阴极射线是透不出玻璃管的。

因此,伦琴认为,还存在着发自阴极射线管,但又非阴极射线的另一种看不见的射线。

他把这种射线称为X射线。

进一步的研究表明,X射线具有很强的穿透力,除了少数几种物质外,几乎所有的物质都能被它穿透。

伦琴还用X射线拍下了呈现他夫人手骨结构及手上所戴金戒指的轮廓的照片。

这意味着从今以后,
人类就可以借助X射线透视人体,因而该照片有着其特殊的历史意义。

经过6个多星期的深入研究,伦琴于12月28日向德国维尔茨堡物理医学会递交了《一种新的射线??初步报告》的论文。

这一伟大发现很快轰动世界,引起了许多国家科学家们的极大兴趣,他们竞相开展类似的研究,仅1896年一年,就发表了相关研究的文章十多篇。

尤其是X射线发现3个月后,维也纳医院在外科医疗中便首次应用X射线拍片,对病情进行诊断。

1901年,伦琴发现X射线而获得首届诺贝尔物理学奖。

X射线的产生
1895年,伦琴在研究阴极射线时发现一种穿透本领很强的辐射,当时称为X线,后来又称伦琴射线.经过较长的时间以后,人们才知道X线是一种比紫外线波长更短的电磁波,它具有电磁辐射的一切特性。

X线是高速运动的电子与物质相互作用而产生的,这种过程通常在X线管内进行。

图3-1是X线管的示意图。

图3-1 X射线管
K是阴极,被灯丝电源E加热后可以发射电子。

A是阳极,也称对阴极。

在阴极和对阴极之间加一约10万伏的加速电压Vo,阴极产生的电子在强电场中加速,到达阳极时将具有很高的能量。

这种高速电子与阳极的电子相互作用便产生了X射线。

根据光子的频率和能量不同,X射线与物质的相互作用分为3种:光电效应、康普顿散射和电子对效应。

(1)对于低能X射线和原子序数高的吸收物质,光电效应占优势。

(2)对于中能X射线和原子序数高的吸收物质,康普顿效应占优势。

(3)对于高能X射线和原子序数高的吸收物质,电子对效应占优势。

X射线的医用特性
X射线是一种电磁被,具有光的一般物理特性,只是波长很短,肉眼不可见。

X射线除上述一般物理性质外,还具有以下几方面与X成像相关的特性:
(1)穿透作用:X射线有穿透力,并且能量管电压越高,穿透力越强。

原子序数低的物质容易通过,原子序数高的物质透过困难。

正是由于此特性X射线方能作用于X射线诊断。

(2)荧光作用:X射线可以将硫化锌锅、钨酸钡等荧光物质激发出可见光。

是X射线作为荧光透视的基础。

(3)电离作用:X射线可以使空气电离,正负离子在电场下形成电离电流。

电离程度与吸收X射线能量成正比,因而可以计算出X射线的量。

(4)感光作用:X射线能产生电化学作用,使涂有溴化银乳胶的胶片感光并放出银离子,产生潜影,再将胶片经显影和定影处理后,银离子被还原成金属银,并沉淀于胶片膜内,此金属银的微粒在胶片上呈黑色。

而未感光的溴化银,在定影及水漂洗过程中被清洗掉,从而未感光区的胶片显出透明的片基。

金属银沉淀的多少反映感光量的多少,便产生了由黑到白的不同灰度的人体X射线影像。

摄影作用是X射线摄影的基础。

(5)生物作用:X射线进入人体,作用于体内物质,产生电离作用,使人体组织细胞和体液发生一系列生物物理和生物化学的变化,这些变化可能使细胞的生长受到阻碍或破坏,其损害程度随X射线照射剂量的大小而改变。

X射线生物效应是放射防护学和放射治疗学的基础。

X射线对放射工作人员的危害
X射线照射到生物机体时,可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死,致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。

不同的生物细胞,对X射线有不同的敏感度。

从事研究和应用X射线的职业人员,如X射线管的制造者和第一代医学放射工作者,首先受到X射线照射的危害。

1896年1月末,即在发现X射线之后的3个月,制造X射线管并进行X射线实验的美国人格鲁柏的手上发生放射性皮炎,直到晚年终于接受手术,切掉了手的一部分。

1896年4月美国的丹尼尔发表了关于在X射线长期照射下引起脱毛和严重皮肤反应的报告。

1902年,有人发表了X射线引起慢性溃疡进而诱发癌症的报告。

很多早年的研究人员的手受到了严重的损伤,甚至有的人导致生命危险。

在以后的几年,又发现X射线可导致外周血中的白细胞数明显减少和X射线工作者因射线照射影响生育功能的现象。

在发现射X线10年之后、观察到X射线诱发白内障这一事实。

美国从1929?1958年的调查说明,早年放射科医生的白血病死亡率比其他科医生高5?10倍。

以后,随着防护条件的改善,白血病的发生率也随之下降。

到20世纪60年代后,两组已无显著差异。

日本与英国的调查也有类似结果。

有人对英国1897?1954年参加放射学会的1338名医生的死亡率进行了调查,调查持续到1976年。

观察对象按参加放射工作年份分为3组,3组受照剂量随时间逐渐减少。

1921年前参加工作的放射学家有339人,到1976年全部死亡,与以全国死亡率计算的预期值比较,胰腺癌、肺癌、皮肤癌和白血病的超额死亡有统计学意义的增加;1921?1935参加工作者,则未有超额的癌发生。

医学诊疗过程中X射线的危害1897年有奥地利医生试用X射线治疗小儿背部的长毛病,结果不久患者的皮肤出现了红斑与脱毛,接着发生了严重的皮炎
直至溃疡。

在20世纪30年代至60年代,有些人不知道X射线的潜在性危险,曾把X射线盲目地用于治疗多种良性疾病,致使在数年甚至数十年后,受照群体恶性疾病的发病率明显增高,出现滥用X射线的严重后果。

英国因强直性脊椎炎接受X射线治疗的患者,经随访观察万余例,发现白血病慢性淋巴细胞性白血病除外和再生障碍性贫血的发病率比英国一般人口的预期值明显增高。

对照组白血病发生率每年每百万人口为50例,白血病发生率上升为每年每百万人口7200例。

儿童头颈部受到X射线照射,使甲状腺癌的发病率明显增高。

美国曾报道,60%因青年痉疮而接受X射线治疗的患者,后期发生了甲状腺癌。

另外,美国也曾用X射线治疗婴儿胸腺肥大、儿童扁桃体炎和头皮癣等,经长期随访观察,不仅甲状腺癌的发病率明显增高,皮肤、脑和腮腺肿瘤的发病率也增高。

1965年和1977年,有人报道了多次接受X射线胸部透视检查的病妇,乳腺癌发病率增高。

妊娠妇女因为诊断目的,腹部受到X射线照射,胎儿出生后白血病的发病率增高。

在美国对1947?1954年出生的儿童调查结果表明,胎儿期照射是癌症死亡率增高的原因之一。

随着人们对X射线危害认识的加深,防护措施的改善,医疗放射造成的危害已显著减少。

放射工作人员的防护
随着人们对辐射危害的了解不断深入,防护措施日益完善,X射线工作者职业性照射的剂量逐渐下降。

X射线工作人员的防护目的,一是尽可能合理地降低个人受照剂量,进一步提高放射工作职业的安全水平;二是降低职业性照射对国民受照总剂量的提升,尽可能减少电离辐射的潜在危害。

(1)放射工作人员上岗前,应当进行上岗前的职业健康检查,符合职业健康标准的,方可参加相应的放射工作。

(2)工作人员在X射线诊断过程中,应在屏蔽室内操作和观察病人。

(3)对仪器设备中无用而有害的射线,应加以足够的屏蔽,使其泄露不超过相应的标准,减少放射人员的受照剂量。

(4)各种X射线机有用线束宽度应尽量减小,减少有用线束的宽度,可以减少散射线,从而减少放射人员的受照剂量。

(5)扫描中尽可能取得病人的合作,做好扫描前对病人的交代及训练工作,取得病人的合作,以减少工作人员自身的照射时间。

4 医学诊断X射线机
X射线的成像原理
X射线能使人体在荧光屏或胶片上形成影像,一方面基于X射线的特性。

即其穿透性、荧光效应和摄影效应;另一方面是基于人体组织有密度和厚度的差别。

由于存在这种差别,当X射线透过人体各种不同组织结构时,它被吸收的程度不同,则到达荧光屏或胶片上的X射线量有差异,这在荧光屏或X射线胶片上就形成黑白对比不同的影像。

X射线影像的形成应具备3个基本条件:首先,X射线应有一定的穿透力,这样才能穿透被照射的组织结构;其次,被穿透的组织结构必须存在着密度和厚度的差异,这样在穿透过程中被吸收后剩余下来的X射线才会是有差别的;第三,这些剩余下来的X射线还须作用于显像物质如荧光屏或X射线胶片,才能产生具有黑白对比和层次差异的X射线影像。

X射线穿透密度不同的组织时,密度高的组织吸收的X射线多,密度低的。