晁 勇，帥萬(wàn)鈞，張少東，劉 帥，蘇衛(wèi)華，牛 福，武 超，譚樹(shù)林

0 引言

在汶川地震救援中，野戰(zhàn)X線(xiàn)車(chē)在危重傷員的救治中發(fā)揮了重要的作用，特別是對(duì)骨科傷情的評(píng)估，為現(xiàn)場(chǎng)手術(shù)提供了診查依據(jù)，從而挽救了大量傷員的生命。然而，很多顱腦外傷和擠壓受傷的傷員多數(shù)伴有顱內(nèi)出血和臟器破裂，由于救援現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有CT機(jī)等診查設(shè)備，無(wú)法進(jìn)行顱內(nèi)和胸腹探查，從而耽誤了寶貴的搶救時(shí)間。在醫(yī)院急診救治中，CT設(shè)備是顱腦等臟器損傷探查的主要手段。因此，適合于野外救援應(yīng)用的CT設(shè)備應(yīng)作為救援醫(yī)學(xué)裝備的研制重點(diǎn)[1-3]。

1 問(wèn)題的提出

基于以上需求，我院與軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所共同研制了車(chē)載式CT方艙，用于野戰(zhàn)醫(yī)院和災(zāi)難救援下的顱腦、骨骼和臟器損傷的快速診斷。眾所周知，我國(guó)的地質(zhì)環(huán)境非常復(fù)雜，山地、丘陵和沙漠占據(jù)了大部分國(guó)土面積，且部分路面條件極其惡劣，國(guó)外現(xiàn)有的CT拖車(chē)無(wú)法在野外救援環(huán)境下使用，因此機(jī)動(dòng)性、靈活性和抗震能力是車(chē)載式CT方艙設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)[4]。

CT機(jī)是利用X線(xiàn)穿過(guò)人體后產(chǎn)生射線(xiàn)衰減，通過(guò)反投影和卷積方法，重建出人體橫斷面結(jié)構(gòu)的一種醫(yī)學(xué)成像方法。X線(xiàn)是一種對(duì)人體具有積累效應(yīng)的有害射線(xiàn)，若超過(guò)一定量值，將會(huì)引起人體組織損傷，甚至?xí)T發(fā)腫瘤[5-6]。重金屬材料對(duì)X線(xiàn)有一定的屏蔽作用，常規(guī)方法是采用一定厚度的鉛板進(jìn)行有害射線(xiàn)的防護(hù)。但是，此類(lèi)材料的密度大，按常規(guī)防護(hù)計(jì)算方法，CT方艙防護(hù)材料的總質(zhì)量應(yīng)為2 000 kg，加上CT設(shè)備、減振器以及艙體的質(zhì)量，CT方艙的總質(zhì)量將會(huì)超過(guò)10 t，需要選用重型卡車(chē)運(yùn)輸CT方艙，從而限制了CT方艙在野外環(huán)境的應(yīng)用。

為此，課題組分析CT機(jī)X線(xiàn)的分布曲線(xiàn)和CT方艙的使用環(huán)境，并優(yōu)化艙體布局，提出了X線(xiàn)適形防護(hù)的設(shè)計(jì)方法，以減輕防護(hù)材料的質(zhì)量。

2 CT機(jī)輻射防護(hù)的主要影響因素

CT機(jī)在檢查中會(huì)對(duì)操作人員、被檢患者和環(huán)境人員產(chǎn)生電離輻射的潛在傷害[7-8]。為此，國(guó)家環(huán)保部對(duì)CT機(jī)等有害射線(xiàn)發(fā)生設(shè)備專(zhuān)門(mén)制定了相關(guān)管理規(guī)定，對(duì)放射工作從業(yè)者、檢查患者和附近的工作人員接受輻射的劑量作了嚴(yán)格的限定。此外，要求在進(jìn)行有害射線(xiàn)的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)根據(jù)具體使用環(huán)境，采用符合實(shí)際的屏蔽措施，從而達(dá)到最佳防護(hù)效果[9]。

2.1 有害射線(xiàn)照射劑量限值的確定

對(duì)于從事與輻射有關(guān)的工作人員所接受的照射劑量稱(chēng)之為職業(yè)照射劑量。應(yīng)對(duì)任何工作人員的職業(yè)照射水平進(jìn)行控制，即連續(xù)5 a的平均有效劑量≤20mSv，并且任何一年中的有效劑量≤50mSv。公眾照射劑量是指實(shí)踐中對(duì)公眾關(guān)鍵人群組成人員產(chǎn)生的年平均有效劑量，年有效劑量≤1mSv[10]。

在進(jìn)行CT方艙設(shè)計(jì)時(shí)，著眼于未來(lái)的發(fā)展，并為其他輻射設(shè)施和實(shí)踐活動(dòng)留有余地；參照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，定義了劑量約束值的概念，即選取職業(yè)照射年有效劑量限值的1/5作為職業(yè)人員年劑量管理目標(biāo)值，即年有效劑量≤4mSv/a；選取公眾照射年劑量限值的1/10作為公眾劑量約束值，即年有效劑量≤0.1mSv/a。

以此為依據(jù)，CT機(jī)檢查室的輻射屏蔽應(yīng)滿(mǎn)足以上要求，轉(zhuǎn)化為CT方艙輻射防護(hù)驗(yàn)收指標(biāo)，即（1）放射工作人員區(qū)域：在距控制室艙壁表面0.3m處，空氣比釋動(dòng)能率應(yīng)＜30μSv/h；（2）鄰近公眾人員區(qū)域：在距檢查室艙壁外表面0.3m處，空氣比釋動(dòng)能率應(yīng)＜7.5μSv/h。

2.2 CT方艙的使用環(huán)境分析

與醫(yī)院內(nèi)部CT機(jī)房相對(duì)復(fù)雜的使用環(huán)境不同，CT方艙在野外的使用環(huán)境相對(duì)比較簡(jiǎn)單。CT方艙為獨(dú)立艙體。當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，艙體由運(yùn)載車(chē)輛底盤(pán)卸下，平放于水平地面。其周?chē)h(huán)境可分為以下幾個(gè)區(qū)域：

（1）艙體頂部區(qū)域：在野外環(huán)境下，方艙為單層結(jié)構(gòu)，頂部無(wú)層疊辦公區(qū)域，因此艙體上方可定義為空氣層。按經(jīng)驗(yàn)公式，空氣對(duì)于電離輻射射線(xiàn)主要為吸收作用，反射和散射作用不明顯，故艙體頂部不需要進(jìn)行輻射防護(hù)[11]。

（2）艙體底部區(qū)域：野外環(huán)境下，CT方艙放置于砂土地或泥土地面，偶爾會(huì)放置于水泥地面。因CT方艙底板距地面僅有20 cm，按相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式估算[10]，砂土地或泥土地面主要以吸收為主，水泥地面的部分反射也應(yīng)被帶屏蔽的側(cè)壁阻擋，這一區(qū)域有害射線(xiàn)基本被地面所吸收，對(duì)人體的傷害程度可以忽略不計(jì)，因此，CT方艙艙底區(qū)域也不需要進(jìn)行輻射防護(hù)。

（3）艙體平面工作區(qū)域：CT方艙的平面工作區(qū)域與往來(lái)人員活動(dòng)平面重疊，應(yīng)作為重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域。以CT方艙應(yīng)用于野戰(zhàn)方艙醫(yī)院的布局為例，其內(nèi)部布局和外部環(huán)境條件如圖1所示。

圖1 CT方艙內(nèi)部布局與外部環(huán)境示意圖

CT機(jī)架后部艙壁設(shè)有患者檢查通道，定義為主通道區(qū)域，按經(jīng)驗(yàn)值估算，可選擇其駐留因子T=1/4；CT方艙兩側(cè)區(qū)域?yàn)橄噜彊z查室或醫(yī)務(wù)人員往來(lái)的通道，距離為3～5m，可作為空閑區(qū)處理，可選擇其駐留因子T=1/10；控制室后部的區(qū)域?yàn)镃T方艙空調(diào)散熱區(qū)域和電源接口，通常禁止人員靠近，其后方10m范圍內(nèi)應(yīng)無(wú)人員駐留，故該區(qū)域可定義為閑置區(qū)域，同時(shí)該區(qū)域距離射線(xiàn)源距離較遠(yuǎn)，可選擇其駐留因子T=1/20。

（4）CT方艙內(nèi)部區(qū)域：如圖1所示，CT方艙內(nèi)部分為CT檢查室和控制室，控制室為操作人員長(zhǎng)期駐留場(chǎng)所，該區(qū)域的駐留因子通常定義為T(mén)=1。同時(shí)，操作人員長(zhǎng)期處于受線(xiàn)狀態(tài)，為保護(hù)工作人員的安全，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)檢查室距離放射源的距離，適當(dāng)提高防護(hù)級(jí)別。

2.3 CT機(jī)輻射劑量的分布曲線(xiàn)

CT機(jī)輻射劑量隨檢查部位的變化而變化，并非一個(gè)固定值，因此在設(shè)計(jì)CT方艙有害射線(xiàn)防護(hù)時(shí)，應(yīng)結(jié)合CT機(jī)的最大工作條件、檢查部位以及日均檢查量來(lái)綜合考慮。

表1為CT機(jī)工作時(shí)的曝光參數(shù)。其中，管電壓值為X線(xiàn)球管工作時(shí)所加的電壓值，它的高低代表產(chǎn)生X線(xiàn)的穿透能力，管電壓值越大，X線(xiàn)穿透力越強(qiáng)；管電流代表X線(xiàn)球管工作時(shí)產(chǎn)生X線(xiàn)的劑量，管電流值越大，表示在單位時(shí)間內(nèi)射線(xiàn)產(chǎn)生的劑量越多，對(duì)人體的傷害性越強(qiáng)。不同檢查部位，厚度和組成成分不同，選取的曝光條件也有所區(qū)別，從而使圖像的清晰度達(dá)到最佳。

表1 CT機(jī)曝光時(shí)管電壓和管電流關(guān)系表

以此次CT方艙使用的GEBrivo325型CT機(jī)為例，其在極限曝光條件下，最大管電壓值為140 kV，最大管電流值為160mA。根據(jù)廠家提供的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制相應(yīng)的空間輻射劑量分布曲線(xiàn)圖如圖2所示。

圖2 CT機(jī)在140 kV時(shí)的空間劑量分布

由圖2可以看出，其輻射劑量在空間區(qū)域呈蝶形分布規(guī)律：距離CT機(jī)架越遠(yuǎn)，輻射劑量越低；同時(shí)CT機(jī)架的側(cè)方區(qū)域輻射劑量最低。

根據(jù)CT機(jī)輻射曲線(xiàn)分布的特點(diǎn)，通過(guò)理論計(jì)算檢查室艙壁各處輻射劑量的大小，選擇不同厚度的防護(hù)材料，在保證有效防護(hù)的前提下，降低防護(hù)材料的用量，達(dá)到減輕CT方艙整體質(zhì)量的目的。

3 CT方艙輻射防護(hù)的適形計(jì)算方法

根據(jù)上述分析并參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10]，CT方艙輻射防護(hù)計(jì)算應(yīng)結(jié)合CT方艙艙體布局、CT機(jī)每周工作負(fù)荷、CT機(jī)工作時(shí)的輻射劑量分布曲線(xiàn)，按照輻射透射比估算公式，計(jì)算出艙壁所需采用防護(hù)材料的厚度。根據(jù)艙壁結(jié)構(gòu)和加工工藝，對(duì)艙體各部位的屏蔽厚度進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而計(jì)算出最佳的艙體防護(hù)方案。

3.1 CT方艙輻射屏蔽材料厚度的計(jì)算方法

為減小防護(hù)材料的體積及增加牢固性，CT方艙擬選用99.9%純度的鉛板作為屏蔽材料。設(shè)定CT機(jī)每周平均檢查量為200人次，CT機(jī)在最大曝光條件下，其輻射透射比計(jì)算公式為：

式中：B為X線(xiàn)輻射透射比（μGy-1）；d為人員距掃描中心的距離（cm）；D0為距掃描中心d0（cm）處單層掃描的輻射劑量（μGy/s）；W為D0以給出值的掃描條件為參考條件下的周歸一工作負(fù)荷（s/周）；T為CT掃描室外距掃描中心d處的人員駐留因子。

根據(jù)CT機(jī)的散射輻射劑量分布曲線(xiàn)及使用環(huán)境條件，按照公式（1），可計(jì)算出艙體各個(gè)位置的輻射透射比（B）。輻射透射比乘以斜射修正因子（1+cosθ）/2后，查閱輻射透射比與屏蔽材料厚度關(guān)系表[10]，即可計(jì)算出CT方艙艙體各個(gè)具體點(diǎn)位所需屏蔽材料的厚度。

3.2 CT方艙艙壁的防護(hù)分區(qū)

由CT方艙艙體屏蔽材料的厚度計(jì)算結(jié)果可知，艙體各位置所需屏蔽材料的厚度隨其與CT機(jī)架的距離變化而變化，為一個(gè)非均勻分布曲面。而CT方艙艙體的加工工藝擬采用手動(dòng)推拉翻板式雙向擴(kuò)大板式結(jié)構(gòu)，以方便展開(kāi)和撤收。防護(hù)材料的固定方法通常采用夾板式固定，即將鉛板夾于艙體內(nèi)外壁板之間，因此嚴(yán)格按照計(jì)算結(jié)果，采用非均勻厚度鉛板，從制造工藝上很難實(shí)現(xiàn)。

為此，根據(jù)CT機(jī)輻射劑量曲線(xiàn)的分布特點(diǎn)，并結(jié)合厚度計(jì)算結(jié)果，同時(shí)考慮加工工藝，將艙壁分為8個(gè)不同等級(jí)的防護(hù)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域屏蔽材料的厚度選取該區(qū)域中厚度的最大值，以提高安全防護(hù)性能。艙體的區(qū)域劃分如圖3所示。以TPb表示所用鉛板的厚度，各區(qū)域具體說(shuō)明如下：

區(qū)域1：操作室正對(duì)CT機(jī)架室壁，TPb=3.0mm；

區(qū)域2：操作室側(cè)壁及操作室側(cè)門(mén)，TPb=2.0mm；

區(qū)域3：操作室外兩側(cè)艙壁，TPb=1.0mm；

區(qū)域4：操作室正對(duì)CT機(jī)架觀察窗，TPb=3.0mm；

區(qū)域5：檢查室兩側(cè)靠近操作室側(cè)1/2面積的艙壁，TPb=1.0mm；

區(qū)域6：檢查室兩側(cè)靠近CT機(jī)架側(cè)1/2面積的艙壁，TPb=0.5mm；

區(qū)域7：患者進(jìn)出通道門(mén)及相連艙壁，TPb=1.5mm；

區(qū)域8：CT機(jī)架后方艙壁，TPb=2.0mm。

圖3 CT方艙艙體防護(hù)分區(qū)示意圖

3.3 CT方艙防護(hù)材料質(zhì)量計(jì)算

鉛板材料的密度為11.3×103kg/m3，按照經(jīng)驗(yàn)公式，1.0mm厚的鉛板，其每平方米質(zhì)量為12.5 kg（含鉛板接縫處的重疊部分）。故根據(jù)艙體尺寸，即可計(jì)算出各區(qū)域鉛板的質(zhì)量，計(jì)算公式如下：

式中：mPb為鉛板的質(zhì)量（kg）；H 為鉛板的高度（m）；W為鉛板的寬度（m）；TPb為鉛板的厚度（mm）。

3.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)公式（1）和公式（2）計(jì)算，采用適形防護(hù)方法計(jì)算艙體各區(qū)域防護(hù)材料數(shù)值計(jì)算過(guò)程及最終結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 艙體各防護(hù)區(qū)域鉛材料的厚度及質(zhì)量

3.5 CT方艙輻射防護(hù)效果測(cè)試結(jié)果

在完成CT方艙的防護(hù)設(shè)計(jì)后，按設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了艙體的加工和安裝。同時(shí)，各個(gè)隔板之間的縫隙采用0.5鉛當(dāng)量的鉛橡膠進(jìn)行密封，以避免出現(xiàn)銜接縫隙漏線(xiàn)。

在CT方艙經(jīng)過(guò)2 000 km的運(yùn)動(dòng)測(cè)試，高低溫試驗(yàn)，日照、雨淋試驗(yàn)以及多路況振動(dòng)試驗(yàn)后，采用美國(guó)賽默飛世爾科技公司RADEYE-B20型輻照儀對(duì)CT方艙進(jìn)行了輻射劑量測(cè)試。CT機(jī)按140 kV和160mA的體部曝光條件，位置在檢查室艙壁外表面和操作室艙壁內(nèi)表面的0.3m處，測(cè)量空氣比釋動(dòng)能率最大值為6.4μSv/h，小于設(shè)計(jì)指標(biāo)7.5μSv/h的要求，適形防護(hù)方案使各區(qū)域的照射劑量滿(mǎn)足了約束劑量要求。

4 討論

CT方艙的適形防護(hù)技術(shù)根據(jù)CT機(jī)的劑量分布曲線(xiàn)和應(yīng)用環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了防護(hù)材料用量減少及整艙質(zhì)量減輕的目的。這一技術(shù)還可應(yīng)用于其他有害射線(xiàn)的防護(hù)計(jì)算。與傳統(tǒng)方法相比，其具有以下優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景：

（1）減少防護(hù)材料的用量。目前，市場(chǎng)上主要電離輻射防護(hù)材料為一定厚度的鉛板，而鉛為重金屬材料，其在起到防護(hù)作用的同時(shí)，也會(huì)對(duì)環(huán)境和工作人員造成重金屬污染。因此，減少鉛防護(hù)材料的用量，可減少二次污染的危害。

（2）適形防護(hù)技術(shù)不僅可以應(yīng)用于CT方艙，還可推廣到醫(yī)院環(huán)境。對(duì)于DR、C型臂等X線(xiàn)發(fā)生設(shè)備，也可采用類(lèi)似方法進(jìn)行防護(hù)材料厚度計(jì)算，以達(dá)到減少鉛材料用量的目的。

5 結(jié)論

CT方艙的研制提高了野戰(zhàn)醫(yī)院應(yīng)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)和自然災(zāi)害時(shí)傷員的救治水平。CT方艙的適形防護(hù)技術(shù)通過(guò)對(duì)方艙艙體防護(hù)材料用量的優(yōu)化，大大降低了CT方艙整艙的質(zhì)量，滿(mǎn)足了CT方艙的運(yùn)輸條件，使CT方艙在野外惡劣環(huán)境下的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。

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