关键词：
医用质子、碳离子加速器
感生放射性
FLUKA
实验测量
剂量评估
摘要：
质子、碳离子具备优良的剂量分布特性（Bragg峰）,其中碳离子拥有较高的相对生物效应（RBE）值,它们被认为是目前放射治疗中的最佳选择之一,同时医用质子、碳离子加速器装置及其放疗技术也成为当前的研究热点,各国均在积极地对其进行推广应用。由于加速器在运行过程中会由束流损失而产生瞬发辐射和感生放射性,其中,瞬发辐射会在停机后消失,而感生放射性则是人员受到照射的主要来源。随着近年来国内医用加速器的发展,其对医护人员、陪护人员、患者以及周围环境和公众带来的辐射影响越来越受到重视,为了促进医用质子重离子加速器装置及其放疗技术的研究与应用,有必要对此进行研究、评价并提出相应的辐射防护措施。
本文采用蒙特卡罗模拟和实验测量方法对国内市场上较为常见的医用质子、碳离子加速器装置（瓦里安ProBeam装置和中国科学院近代物理研究所HIMM装置）所产生的感生放射性开展了系统性研究;同时详细研究和评估了装置运行所引起的治疗终端、加速器部件、冷却水、空气与环境介质的感生放射性及其对人员的辐射影响。蒙特卡罗模拟时对加速器装置进行1:1比例建模,复杂处采用简化处理;根据束流损失形式,采用集中损失及均匀损失模型;对于长期照射,使用平均流强进行模拟计算以此考虑停机时间的占空比。
首先采用FLUKA程序研究了医用质子、碳离子加速器大厅的感生放射性核素、残余剂量率分布及特点。结果表明,对于建造加速器的主要材料,不锈钢和铁材质上产生的关键核素都是48V、52Mn、54Mn和56Co等;两类装置铜材料上产生的关键核素不完全相同,这是由于质子装置发生（p,2n）反应,导致62Cu在质子装置的贡献地位大于碳离子装置。刚停机时碳离子加速器大厅残余剂量率水平最大不超过0.1 mSv/h;由于质子装置能量选择系统的影响,其加速器大厅的残余剂量率水平比碳离子高出约4个数量级,最高约为633 mSv/h,这种情况下工作人员不能直接进入加速器大厅进行维修工作。
接着使用了电离室及NaI（Tl）闪烁体探测器对医用质子、碳离子治疗终端残余剂量率进行了测量,并与蒙特卡罗模拟结果进行了比较。研究结果表明,治疗终端内的残余辐射主要来自于肿瘤组织与入射粒子相互作用所产生的11C和15O等放射性核素,患者体表最高剂量率为4.7μSv/h（碳离子）、15.5μSv/h（质子）;同时,均匀扫描模式下长期工作的多叶光栅（MLC）也需引起重视,二者对于医护人员的剂量贡献在99%以上。治疗终端内的残余辐射对患者的额外照射剂量约为处方剂量的10-4-10-6倍。
另外,对冷却水及周围环境介质中的感生放射性进行了研究,这些放射性核素主要由次级中子所引起。结果表明,冷却水和地下水中的关键核素是长寿命核素3H和7Be;空气中的主要核素是半衰期从几分钟至几十分钟的11C、13N、15O和41Ar;土壤中考虑的是迁移速度较大的3H和22Na。由于医用加速器装置每天使用的粒子总数较小(质子约为1013粒子/天、碳离子约为1012粒子/天),所以该类加速器装置的运行对周围环境介质的辐射影响基本可以忽略不计。
最后结合装置运行工况评估了维修人员、医护人员、陪护人员、患者和公众所接受的辐射剂量并给出了相应的辐射防护建议。其中,增加接触距离和减少接触时间可以有效降低医护人员和陪护人员辐射剂量;公众受到的照射剂量约1.72×10-4-2.46×10-2mSv/a。均匀扫描模式下,靠近MLC位置的剂量比远离位置的大1.4倍,在处方剂量允许的范围内,增加患者单次治疗剂量可以减少医护人员辐射剂量约11%。
综上所述,本文结合医用质子、碳离子加速器装置的运行模式与治疗模式,对其感生放射性及影响进行了系统性研究和比较,首次采用实验测量方法对医用质子、碳离子治疗终端患者的残余剂量率分布进行研究,并系统性评估了维修人员、医护人员、陪护人员、患者及公众的辐射剂量。本文的研究方法和结果为医用质子、碳离子加速器装置的研究、应用及国家相关法规标准的建立完善提供了基础数据和技术支撑,可以促进医用质子、碳离子加速器装置的发展和推广,具有重要的指导意义和参考价值。
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