质子重离子加速器治疗中感生放射性的测量与防护

胡奇胜，杨 军

(1.中国同辐股份有限公司，北京 100089；2.郑州大学第三附属医院，河南 郑州 450052)

近年来，恶性肿瘤发病率不断上升，已成为全世界导致死亡的主要原因之一，成为严重危害人类生命健康、制约社会经济发展的一大类疾病[1]。当前科学家正在不断探究更有效的恶性肿瘤治疗方式，目前的三大方式为手术、化疗、放射治疗，其中放射治疗已经成为治疗恶性肿瘤常用的方法。目前65%～75%的恶性肿瘤在术前、术中、术后综合治疗中需要采用放射治疗，约40%的患者需采用放射治疗进行根治[2]。

随着放射治疗设备的不断发展以及相关技术的改进和提高，质子重离子治疗已经成为放射治疗领域最精准、疗效最好的治疗方法，其中前列腺癌重离子放疗的五年生存率和局控率超过90%[3]。质子重离子是带有正电荷的高能粒子，属于高线性能量传递(LET)粒子。质子重离子治疗将失掉电子的氢原子核或重离子(如碳离子)，利用回旋加速器或者同步加速器加速到光速的 70%～80%，以极快的速度穿透到人体内部，到达肿瘤组织所在特定部位，速度突然降低并停止，在射程终点处形成一个尖锐的剂量峰，称为Bragg峰(“布拉格峰”)，使高剂量分布区调整嵌合在治疗靶区，有效杀灭肿瘤组织[4]。然而，质子重离子粒子能量过高会产生感生放射性，需要重视辐射防护。本文主要分析质子重离子的治疗特点、治疗过程中产生的感生放射性及其大小和分布，以及对于感生放射性的剂量监测和防护措施，以保障质子重离子治疗工作安全有效进行。

1 质子重离子治疗与普通放射治疗区别

放射性治疗是用较强的放射性同位素射线如X、γ射线杀死肿瘤组织，射线从进入人体表面开始到穿过肿瘤组织时，能量持续释放，对于照射区域内的肿瘤组织，普通放射治疗的靶区精准性有限，在破坏肿瘤组织的同时对邻近正常组织也有不同程度的抑制及损害作用[5]。

质子重离子治疗最大的优点是具有非常好的物理效应和剂量分布，即具有非常尖锐的Bragg峰。当质子重离子进入人体一定深度后，其能量陡然下降，剂量产生突然增加，且集中在峰区处释放，峰区前后的剂量都很低。质子重离子剂量释放的峰区位置和宽度可以根据肿瘤靶区的位置和大小进行调节，将Bragg峰控制在肿瘤靶区的边界内，实现“立体定点爆破”。因此，质子重离子的疗效比X、γ射线更好，剂量分布更理想，更多的保护病灶周边正常组织不受损害，比普通放射治疗更具精准优势，可明显提高肿瘤的疗效[6]。由于该疗法具有无创、毒副作用小、疗程短以及疗效好的优势，质子重离子束被称为是21世纪最理想的放射治疗用射线，预计在未来十年，质子重离子治疗的推广应用将快速增长。

2 感生放射性的产生原因

由于质子重离子治疗系统产生的质子重离子束能量比较高，在束流损失能量过程中会通过(p，n)，(γ，n)等核反应产生次级中子，而次级中子能够使周围物质活化，这种“残留”辐射的现象，叫做感生放射性[7]。

感生放射性主要产生在质子加速器的加速器室束流传输隧道的空气、结构部件、冷却水以及周围土壤中，与此同时还伴有放射性废物的产生。

如果工作人员在停止出束后立即进入放射治疗室，可能受到过量感生放射性照射。然而感生放射性衰减较快，一般停止出束后2～10 min可以减少一半或更多，工作人员可适当推迟进入放射治疗室，以避免遭受不必要的辐射。

质子重离子加速器治疗系统产生的感生放射性较高，室内活化物随运行时间增加不断累积，感生放射性也不断增加。其产生的放射性对放射工作人员的健康影响逐年提高，因此应加强感生放射性的测量和人员个人剂量的监测，掌握治疗场所活化核素的放射性剂量大小及对周围环境的影响，采取有效的防护措施，尽可能减少感生放射性对工作人员的健康危害和治疗患者二次致癌的风险。

3 次级中子的能量分布和剂量

在质子重离子加速器治疗过程中，质子重离子的能量主要集中在100～250 MeV范围内，在该能量范围内会产生不同能量的次级中子，而不同能量的中子产生的感生放射性贡献不同，研究次级中子的能谱分布以及剂量大小，对分析感生放射性具有重要作用。

在100～250 MeV质子重离子加速器治疗范围内，其次级中子的能谱主要有两种方式，一是采用MCNPX(蒙特卡罗)方法模拟计算，二是采用中子能谱仪实际测量得到次级中子的能谱数据。

经过MCNPX模拟计算，次级中子能量分布列于表1。

根据国际放射防护委员会(ICRP)第60号出版物，不同种类的辐射与其所引起的随机效应概率相关，辐射随机效应与概率辐射权重因子成正比，不同能量中子的辐射权重因子也不同(图1)，因此计算中子产生的剂量必须考虑该辐射权重因子[10]。

图1 辐射权重因子与中子能量关系Fig.1 Relationship between radiation weighting factor and neutron energy

根据中子能量与辐射权重因子的关系，通过MCNPX模拟和测量得到质子重离子加速器治疗过程中产生的次级中子剂量大小。首先，在质子重离子束流出口前方放置一个三维水箱用于模拟人体，水箱尺寸为 40 cm×40 cm×40 cm，在放射治疗靶区中心的正前方1 m处布置6个与地面平行的点。然后，将质子重离子束流调整为直径8 cm，能量230 MeV, 射程范围5 cm, 电流6 nA。在以上条件下对治疗过程中次级中子的剂量数据进行MCNPX模拟和采用ThermoFisher FHT762中子剂量率仪测量，结果示于图2。

图2 MCNPX模拟数据与测量数据对比图Fig.2 Comparison diagram of MCNPX simulation data and measured data

从图2可以看出，MCNPX模拟和采用中子剂量率仪测量得到的数据吻合度高。主要因为：一是次级中子的能量主要集中在中低能，处于中子剂量率仪能量响应较好的范围；二是中子剂量率仪的中子能量响应范围非常宽，从热中子到5 GeV，对于次级高能中子奉献的剂量没有忽略。

4 感生放射性的形态

由于次级中子存活的时间非常短，在治疗结束后的几秒内被慢化、散射和吸收，次级中子剂量的危害主要是对治疗患者二次致癌的风险[11]。

当质子重离子加速器射线束停止后，虽然次级中子很快就消失，但依旧存在“残留”辐射现象，通常是中子活化的结果。其中，慢中子通过(n，γ)俘获反应生成放射性核素，大多数核的慢化中子活化截面很大。快中子(>0.1 MeV)活化通过(n，p)、(n，α)、(n，2n)和(n，n′γ)阈能反应生成放射性核素。快中子比慢中子的活化截面小，但是对轻元素具有较高的反应灵敏度。

感生放射性主要产生在质子加速器的加速器室束流传输隧道的空气、结构部件、冷却水以及周围土壤中，与此同时还伴有放射性废物的产生。

1) 空气活化。束流传输隧道和加速器厅的空气被活化后，产生的感生放射性核素主要是O-15、N-13、Ar-41和C-11，其半衰期在7.3 s～1.83 h，辐射类型是β和γ，主要通过40Ar(n，γ)41Ar、12C(n，γ)13N、16O(γ，n)15O和14N(p，α)11C反应产生[12]。

2) 结构部件活化。质子重离子加速器在结构部件引起活化的主要部位是束流损失较大的部位，如束流管、旋转机架、准直器、治疗床等结构材料。这些结构材料的材质主要是铁、铜、铝和不锈钢。产生的感生放射性核素主要是Fe-55、Fe-59、Cu-64、Mg-27、Al-28、Na-22、Mn-54、Zn-65和Ni-65；半衰期为2.3 min～12.8 h，产生辐射类型是β和γ[13]。

3) 冷却水活化。中子引起质子重离子加速器冷却水活化，产生的感生放射性核素主要是Be-7、H-3、C-11、N-13、O-15等，其中Be-7半衰期53.28 d，H-3半衰期12.33 a，其余的核素半衰期均较短，小于21 min[14]。

质子重离子加速器治疗过程中产生的感生放射性存在多种形态，在空气中、冷却水、治疗机架、治疗床和地面等都会存在，因此在分析感生放射性对环境和人员的辐射效应时，需要综合考虑各种形态特点和产生的影响。

5 感生放射性剂量测量

感生放射性有多重形态存在，影响较大的是治疗室内的感生放射性。质子重离子加速器，其核心装置为同步加速器，直径21 m，可加速质子和重离子，质子能量为50～220 MeV，重离子能量为85～430 MeV，能量持续可调。应根据质子重离子治疗的不同类型、能量组成及工作时长，测量固定束流旋转机架治疗室内产生的感生放射性大小，以及其随空间和时间的变化规律。本文采用ThermoFisher的空气电离室FHT 191N测量治疗室内感生放射性，γ射线能量范围35 keV～7 MeV，剂量率范围为10 nSv/h～10 Sv/h，仪器测量误差为±10%以内。

当固定束流时，质子重离子能量为180 MeV，流强2 nA，运行20 min后停机，测量治疗床和工作人员摆位处感生放射性剂量率随时间变化，结果列于表2。表2数据表明，治疗床和工作人员摆位处都存在较大的感生γ辐射剂量率，治疗床的感生γ辐射剂量率高于工作人员摆位处的感生γ辐射剂量率，随时间的推移呈指数衰减。

表2 固定束流感生放射性剂量率Table 2 Fixed beam induced radioactivity dose rate

当旋转机架治疗时，质子重离子能量为230 MeV，治疗深度23 cm，运行5 min后停机，测量治疗床和工作人员摆位处感生放射性剂量率随时间变化结果列于表3。大剂量照射后，该工作场所内感生γ辐射剂量率较大。《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB 18871-2002)[15]中规定放射性工作人员职业照射的个人剂量限值：任何一年中的有效剂量为50 mSv，如果长期在此环境中工作，将对工作人员的健康产生非常大的危害，因此需要采取相应措施保护相关工作人员的安全。

表3 旋转机架治疗室感生放射性剂量率Table 3 Rotating rack induced radioactivity dose rate

6 感生放射性的防护措施

由于感生放射性中有半衰期较长的核素，其具有一定的累积性，产生的放射性对放射治疗工作人员的影响将逐年增加，为了控制该职业危害，必须采取有效的辐射防护措施，减少感生放射性对工作人员的危害，以及对环境的影响。根据辐射防护的三要素：时间、距离和屏蔽[16]，可采取的措施如下。

第一，质子重离子治疗场所空气活化核素是工作人员所受剂量的主要组成部分，因其以气态形式存在，且半衰期较短，直接排出室外对环境和公众的剂量值在约束值内，可采取有效的排风设施排出，尽可能降低场所中的空气活化核素浓度。

第二，在正常运行时，冷却水中活化核素处于闭环状态，不存在排放。但应当设立储水槽，用于在事故或必要时存储更换的冷却水，进行取样分析，确定放射性浓度低于相关管理限制后再排放。

第三，尽管因质子重离子设备昂贵且患者众多，在保证放疗质量和综合经济因素的同时,仍应安排放疗工作人员在治疗结束一定时间后再进入治疗室，并且应规范操作流程，加强操作熟练度，尽量缩短在治疗室停留的时间。

第四，放疗工作人员在进入治疗场所应该穿戴铅衣、铅帽、铅围脖、铅眼镜等防护用品，降低工作人员受到的辐射剂量，减轻感生放射性的辐射损伤。

最后，加强放射治疗场所和工作人员的剂量监测，以及防止人员误入的安全联锁系统。对于工作场所的感生放射性应设置实时在线辐射剂量监控，按月和年度统计场所辐射剂量的变化，如出现重大变化需及时排查原因。对于工作人员，除佩戴热释光剂量计，在进入工作场所时还应当佩戴电子个人剂量计，以备出现意外情况时实时报警提示，以及配置防止人员误入的安全联锁系统，保护人员的安全。

7 结论

质子重离子治疗相关感生放射性对人体健康所造成的影响具有潜伏期长、效应出现较晚的特点，因此在保证放射治疗质量和综合经济因素的同时，应使放射治疗工作人员遭受的感生放射性剂量保持在尽可能低的水平。感生放射性与加速器能量、粒子类型、旋转机架与周围物品的架构材料、照射时间、冷区时间等诸多因素密切相关，可以从以下方面采取辐射防护措施：一是采用有效的排风设施，降低空气中的感生放射性水平；二是设立储水槽，用于在事故或必要时存储更换下来的冷却水；三是提高工作效率、缩短滞留在治疗室内的时间，以及合理推迟停止照射后进入治疗室的时间；四是做好个人防护，正确穿戴含铅防护用品；五是配置辐射安全联锁系统并加强放疗场所和工作人员的剂量监测。以上防护措施可减少和避免感生放射性对工作人员及患者的健康危害，为安全有效地进行质子重离子治疗提供保障。