Halcyon 加速器机房的防护设计

nanyangwang 2021-03-18

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【作者】于浪杨波孙显松张悦王贝汪之群张杰邱杰

北京协和医学院 , 中国医学科学院北京协和医院放疗科 100730

通信作者: 邱杰 , Email:qj_ww@ 139. com

【Author】Yu Lang，Yang Bo，Sun Xiansong，Zhang Yue，Wang Bei，Wang Zhiqun，Zhang Jie，Qiu Jie

Department of Radiation Oncology，Peking Union Hospital，Chinese Academy of Medical Sciences，Peking Union Medical College，Beijing 100730，China

Corresponding author：Qiu Jie，Email：qj_ww@ 139. com

摘要

目的

Objective

探讨新型封闭机架直线加速器机房的细节设计，优化机房的射线防护及布局。

To discuss the design details of accelerator room for a novel enclosed O-ring linac Halcyon and to optimize its protection and layout.

方法

Methods

根据放射防护最优化原则和国家辐射防护技术标准，结合 Halcyon 加速器结构特性，从机房空间布局、屏蔽计算、电器设施、净化通风和温湿度控制等因素进行讨论，分析该设备机房与传统加速器机房建设的区别。

According to the optimization principle of radiation protection and the requirements of national radiation protection standards and the structural characteristics of Halcyon accelerator the differences between conventional and this novel accelerator rooms were analyzed by discussing the space layout of the machine room shielding calculation electrical facilities purifying ventilation temperature and humidity control and other factors.

结果

Results

Halcyon 整机结构紧凑，采用封闭环形机架设计且自带主束屏蔽装置，提高机房空间利用率的同时极大降低辐射防护压力，经过优化的机房设计布局，可以排除隐患，避免设计缺陷，防止因设计失误给设备运行带来不良后果。

The Halcyon machine had a compact structure a closed ring frame design and a main beam shielding device which could greatly reduce the radiation protection pressure while improving the space utilization rate of the machine room. The optimized design layout of the machine room could eliminate hidden dangers avoid design defects and prevent adverse consequences caused by design errors.

结论

Conclusions

Halcyon 加速器整机结构不同于以往常规加速器，应充分考虑细节设计，才能保证辐射防护最优化，为后期设备安装、调试及运行打下良好基础，保证投入使用后能够为患者及医护人员创造良好的治疗环境。

The overall structure of Halcyon accelerator is different from that of conventional accelerators. The design details should be taken into full consideration to ensure the optimization of radiation protection lay a good foundation for subsequent installation debugging and operation of the equipment and create a good treatment environment for patients and medical staff.

【关键词】加速器机房建设；加速器机房设计；辐射防护

基金项目:中华人民共和国科技部项目(2016YFC0105207)

DOI:10.3760/cma. j. cn113030-20200413-00175

【Key words】 Construction of accelerator room；Design of accelerator room；Radiation protection

Fund program：Project of Ministry of Science and Technology of China （2016YFC0105207）

DOI：10. 3760 / cma. j. cn113030-20200413-00175

随着肿瘤放射治疗技术的不断发展，新型放射治疗设备应运而生^[1-2]。其中“C” 形臂医用电子直线加速器的应用最为广泛，相应的机房设计要求也较为成熟^[3] 。

近期，美国瓦里安公司于中国获准上市一款 “O” 形臂直线加速器Halcyon ( Varian Medical Systems，Palo Alto，CA)，该设备采用环形封闭机架设计，主束自屏蔽体随机架转动可覆盖全部射野且边缘无发散角导致的漏射^[4] 。

本文报道国内首台临床 Halcyon 机房的布局设计和辐射防护设计、系统电源、通风及空调系统、施工建设中的细节并对相关问题进行探讨^[4]。

机房的尺寸及布局设计

按照GB8871-2002 “电离辐射防护与辐射源安全基本标准” 要求加速器机房面积须 >45m²，并配有迷路^[5]。若机房顶部无吊装口，为使机架部分能顺利通过迷路进入机房，对于存在90°转角迷路，要求迷路的最小宽度不低于183cm。为提高空间利用率，建议设备居中平行安放。

不同于“C”形臂加速器，该设备不需要预埋底座，仅预留基坑，用于布置水冷机水管、主电路，另外为旋转部件通过180°时预留空间。考虑后墙屏蔽厚度同时保证机架后盖有充分的开合空间，建议基坑中心距后墙200cm以上。

由于 Halcyon 结构紧凑，外观类似CT机，环形机架高度为260cm，宽度为280cm，连同治疗床纵深约350cm，因此机房吊顶完成面高度应大于270cm。涉及外设为稳压柜及变压器均可放置于机房内，不需要单独设备间。

屏蔽防护设计

Halcyon配备一档 6MV 去均整(FFF)的高能X线，最高剂量率 800 MU/min，双层交错安装的 MLC 可形成最大射野 28 cm × 28 cm，无钨门。主射束方向自带厚度为192mm的铅钢屏蔽体，质量 Halcyon 厚度约等效为 201g/cm² ,位于距离等中心点 58cm 处，长度和宽度约为 77. 5 cm × 68. 5 cm，Halcyon 加速器自屏蔽材料主要为铅，厚度172mm，外层为厚度1cm 的钢板。按 6MV 射线半价层为1.9cm 铅当量计算，可使主束方向泄漏辐射水平小于 0.1%，因此对于 Halcyon 机房各辐射量化如下：

●

主束贯穿辐射对机房周围环境的剂量率贡献^[6]

主屏蔽墙的透射系数 Bpri 可由公式(1)求出，主束对相应关注点位的剂量率贡献 H_pri可以依据公式(2)进行估算。

公式(1)和(2)中，H为主屏蔽墙的厚度，单位为厘米(cm)；1/10 值层厚度(tenth-value layer,TVL)表示将射线辐射量衰减到原值 1/10 的混凝土厚度，TVL₁ 为混凝土对主束的第一个 1/10 值层厚度，TVL_e 为混凝土对主束的平衡 1/10 值层厚度，单位为厘米(cm)，表 1；d为等中心点至关注点的距离，单位为米(m)；D_o为等中心处 X 线的透射剂量率，Halcyon 加速器等中心处 X 线的剂量率为 800 cGy/min，自屏蔽对主束的透射率按0.1%计算。

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泄漏射线对机房周围环境的剂量率贡献^[7]

泄漏射线的透射系数 B_L 由公式(3)求出，泄漏射线对相应关注点位的剂量率贡献 HL，依据公式(4)进行估算。

【表1】普通混凝土对 6 MV X 线束的1/10值层厚度(TVL,cm)

注 : TVL 表示将射线辐射量衰减到原值 1/10 的混凝土厚度；TVL₁ 为混凝土对主束的第一个 1/10 值层厚度，TVL_e为混凝土对主束的平衡 1/10 值层厚度

公式(3)和(4)中，h 为屏蔽墙的厚度,单位为厘米 (cm)；θ 为射线对屏蔽墙的入射角；为混凝土对泄漏射线的第一个 1/10 值层，为混凝土对泄漏射线的平衡 1/10 值层，单位为厘米(cm)，具体数据见表1。L_f为主束的泄漏率，保守取 0. 1%。符号 D_o和 d 代表的意义同前文。

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患者散射线对机房周围环境的剂量率贡献

患者散射线的透射系数 B_ps 由公式(5)求出，患者散射线对相应关注点位的剂量率贡献 H_sca，依据公式 (6)进行估算。

公式(5)和(6)中，TVL_sca为混凝土对患者散射线的1/10值层，单位为厘米(cm) (表2)；α 为以不同角度散射时的散射系数；F为患者治疗位置的最大射野面积，单位为平方厘米(cm²)，本项目取 28 cm × 28 cm；d_sca为靶点至患者的距离，单位为米(m)，取值为 1；400是以射野面积 20 cm × 20 cm 为标准进行标准化的散射系数。h、θ、D_o和d代表的意义同前文。

【表2】普通混凝土对患者散射线以不同角度散射的1/10 值层厚度(TVL,cm)

注 : TVL_sca 表示将患者散射线辐射量衰减到原值 1/10 的混凝土厚度

防护门厚度的计算比较复杂^[8]，对于低能(≤ 10 MV)加速器，迷道口的辐射水平通常需要考虑：

① 主束经屏蔽墙2次散射所致的剂量率贡献，H_S

② 机头泄漏射线经屏蔽墙1次散射所致的剂量率贡献，H_LS

③ 主束经患者1次和屏蔽墙1次散射所致的剂量率贡献，H_PS

④ 泄漏射线贯穿迷道内墙所致的剂量率贡献，HLT

本项目使用的加速器为主束带自屏蔽加速器，主束透射率为 0.1%，故主束经屏蔽墙2次散射所致的剂量率贡献可以忽略，主要考虑②-④对迷道口的贡献。

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机头泄漏射线经屏蔽墙1次散射对迷道口的剂量率贡献，H_LS

如图1所示，泄漏射线经屏蔽墙1次散射后可以到达迷道口，其散射路径为机头O₁迷道内墙边缘与迷道中心线的交点P迷道口Z。泄漏辐射经屏蔽墙1次散射对迷道口的剂量率贡献估算模式见公式(7)。

公式(7)中α₁为屏蔽墙对泄漏射线的散射系数；A₁为泄漏辐射1次散射区面积，其值为从迷道口处向机房内可观察到的对面屏蔽墙的截面积，单位为 m²；d_op为等中心点经P的距离，单位为米(m)；d_pz为点P至迷道口Z的距离，单位为米(m)。

图【1】 加速器治疗室周围估算点位示意图

(注:主束方向屏蔽为原加速器机房设计，非新建)

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主束经患者和屏蔽墙各1次散射对迷道口剂量率贡献，H_PS

如图1所示，主束经患者后再经墙壁1次散射后可以到达迷道口，其散射路径为O₁➝等中心点 O➝P➝Z。主束经患者后再经墙壁1次散射对迷道口的剂量率估算模式(9)。

公式(9)中 D_o、F、d_sca、A₁ 和 d_op、d_pz代表的意义同前文；α(θ)为患者散射线以散射角θ进行散射时的散射因子；α₁为墙壁对患者散射线的散射系数，与α₀和 α₂代表的意义完全相同。

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泄漏射线贯穿迷道内墙对迷道口的剂量率贡献，H_LT

机头泄漏射线直接贯穿迷道内墙后可以直接到达迷道口，其辐射路径为 O➝Z。机头泄漏射线直接贯穿迷道内墙后对迷道口的剂量率估算模式(11)。

由公式(11)求出泄漏射线的透射系数 B_L。式中符号d_L为等中心点O到迷道口Z的距离(d_OZ)，单位为m；D_O和L_f，代表的意义同前文。

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防护门内侧、外侧辐射水平的估算

加速器机房防护门内侧的X线辐射剂量率总水平见表3，在加速器运行时，防护门内侧的辐射水平最大可达 268.1 μS v/h,需要防护门进一步衰减。

【表3】加速器机房迷道口内侧(防护门内)剂量率水平

NCRP No.151 号报告显示^[9]，散射后 X 线的能量较低，在迷道外口处的能量约为0.25 MeV，在铅中的 TVL为5 mm。本项目防护门更换为不低于10 mm铅和 6 mm铁的复合防护门(相当于13 mm铅)，故防护门外X线的周围剂量当量率为：

防护门入口屏蔽前的总剂量中将泄漏辐射的能量高，13 mm铅大约可衰减一倍，所以泄漏辐射剂量率0.27 μS v/h 经过该防护门的衰减约为0.13 μS v/h。加上该部分泄漏辐射，门外总剂量率约为0.80 μS v/h低于剂量率控制水平2.5 μS v/h。另外，应预留防护门与屏蔽墙的搭接面，搭接尺寸一般为防护门与屏蔽墙之间缝隙尺寸的10倍，而防止散射线泄漏。

电源及负荷要求

Halcyon 加速器仅有一档低能光子，负荷较低，动力供电电压一般为380 V，采用三相五线制(三相动力、零线、地线)，为了防止外界对加速器的干扰以及加速器对其他设备的干扰，动力电应与照明、墙电等其他线路分开，加速器机房应设置单独的接地端子，电阻需小于 1Ω ^[10] 。

加速器待机状态(Stand By)功率为3~5 kVA，准备状态(On)功率为20~25 kVA，出束状态(Beam On)功率为45~50 kVA，此外加速器运行时冷却水散热约15 kW。与常规加速器相比，Halcyon 激光灯集成在机架上，因此不需要在四壁预留激光灯电源。

通风与空调系统

空气在强电离辐射的照射下，会产生少量对人体机害的臭氧和氮氧化物，因此应设新风及排风系统，房内通风次数 ≥4 次/ h，确保工作场所臭氧的浓度 <0.3 mg/m³^[11] 。此外，为保证设备的正常工作状态，对房内温湿度应保持恒定(温度范围为22~ 24℃，相湿度范围为30% ~ 60%)，空调的进风口应设在机房的前端并与排风口成对角的布局，注意上送下排，排风口下沿距地面高度不超过30 cm。

水冷系统

Halcyon 的水冷机应置于机房外，有独立的房间并加装照明及冷暖空调。室外机应置于开阔处便于散热。由于机房地沟内部，水冷机的供、回水管路及加速器的主电路接入口均在机架后方基坑内，所以设计线缆沟时应考虑水电分离。另外设备基坑内也设有水路泄露探测器，可及时探测坑内积水。

关于线路预留

除设备要求的预留管线外，若机房内采用柜式空调，应在机房建设时考虑空调冷凝管路及冷凝水排放管路的预埋，另外机房及控制室墙壁应预留进线缆沟的预埋管用于固定式辐射报警仪探头安装布线。

此外考虑后续可能涉及其他外设装置的增加，应在天花板顶部、床后方墙体上下方预留电位，地沟内预留物理测量用线缆，也可在防护门下方预埋 “U”形管方便后期物理测量线缆进出机房。注意所有的网线及网口需按六类线进行配置。

装饰材料选择及照明设计

应避免采用铜、铝等金属材料，防止射线与金属材料作用产生次生辐射，也要避免使用树脂等板材，因为高能辐射会加速材料老化。此外应考虑材料的防火防潮性能。建议使用新型复合材料，如碳纤维板等可通过微孔吸音降噪的同时降低光反射，颜色宜偏于柔和色调，有利于营造良好气氛，切忌浓墨重彩。此外，Halcyon 采用封闭机架，中间圆孔纵深100 cm，易造成患者治疗时幽闭恐惧，建议在机架后方增设可调光背景墙，缓解患者不良情绪。

Halcyon 加速器具有安静、高效、精度高等特点，其独特的环形机架设计使得机架转速可达8 圈/min，将极大提高治疗效率，同时封闭设计将碰撞风险降至最低。因成像剂量已在计划系统计划优化过程中给予考虑，所以该设备可实现且强制进行每次治疗前的图像引导，与传统加速器相比较，在一定程度上确保了治疗精度^[12-13]。随主束共同旋转的屏蔽装置可将主束的穿射减小至0.1%的水平，降低机房主束方向的屏蔽负荷。以上结构特性必将对放疗设备的发展产生深远的影响。Halcyon 加速器整机结构不同于以往常规加速器，应充分考虑细节设计，才能保证辐射防护最优化，为后期设备安装、调试及运行打下良好基础，保证投入使用后能够为患者及医护人员创造良好的治疗环境。

综上所述，对于全新一代封闭机架设计的加速器 Halcyon，机房设计及建设时应充分考虑细节，放疗科室提出需求，协调基建部门、工程设计单位、施工方位^[14]，以及项目环境影响评价、职业病危害评价单。各方面因素综合考虑以设计建造出布局合理、防护得当、美观舒适并与设备完美契合的加速器机房。

【利益冲突】 所有作者声明不存在利益冲突

【作者贡献声明】于浪负责论文设计与撰写；邱杰负责总体指导及论文修改；其余人参与研究

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END

作者简介

于浪

北京协和医院放疗科物理师

【现任】