胡奇勝，楊 軍

(1.中國同輻股份有限公司，北京 100089；2.鄭州大學第三附屬醫(yī)院，河南 鄭州 450052)

近年來，惡性腫瘤發(fā)病率不斷上升，已成為全世界導致死亡的主要原因之一，成為嚴重危害人類生命健康、制約社會經(jīng)濟發(fā)展的一大類疾病[1]。當前科學家正在不斷探究更有效的惡性腫瘤治療方式，目前的三大方式為手術(shù)、化療、放射治療，其中放射治療已經(jīng)成為治療惡性腫瘤常用的方法。目前65%～75%的惡性腫瘤在術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后綜合治療中需要采用放射治療，約40%的患者需采用放射治療進行根治[2]。

隨著放射治療設備的不斷發(fā)展以及相關(guān)技術(shù)的改進和提高，質(zhì)子重離子治療已經(jīng)成為放射治療領(lǐng)域最精準、療效最好的治療方法，其中前列腺癌重離子放療的五年生存率和局控率超過90%[3]。質(zhì)子重離子是帶有正電荷的高能粒子，屬于高線性能量傳遞(LET)粒子。質(zhì)子重離子治療將失掉電子的氫原子核或重離子(如碳離子)，利用回旋加速器或者同步加速器加速到光速的 70%～80%，以極快的速度穿透到人體內(nèi)部，到達腫瘤組織所在特定部位，速度突然降低并停止，在射程終點處形成一個尖銳的劑量峰，稱為Bragg峰(“布拉格峰”)，使高劑量分布區(qū)調(diào)整嵌合在治療靶區(qū)，有效殺滅腫瘤組織[4]。然而，質(zhì)子重離子粒子能量過高會產(chǎn)生感生放射性，需要重視輻射防護。本文主要分析質(zhì)子重離子的治療特點、治療過程中產(chǎn)生的感生放射性及其大小和分布，以及對于感生放射性的劑量監(jiān)測和防護措施，以保障質(zhì)子重離子治療工作安全有效進行。

1 質(zhì)子重離子治療與普通放射治療區(qū)別

放射性治療是用較強的放射性同位素射線如X、γ射線殺死腫瘤組織，射線從進入人體表面開始到穿過腫瘤組織時，能量持續(xù)釋放，對于照射區(qū)域內(nèi)的腫瘤組織，普通放射治療的靶區(qū)精準性有限，在破壞腫瘤組織的同時對鄰近正常組織也有不同程度的抑制及損害作用[5]。

質(zhì)子重離子治療最大的優(yōu)點是具有非常好的物理效應和劑量分布，即具有非常尖銳的Bragg峰。當質(zhì)子重離子進入人體一定深度后，其能量陡然下降，劑量產(chǎn)生突然增加，且集中在峰區(qū)處釋放，峰區(qū)前后的劑量都很低。質(zhì)子重離子劑量釋放的峰區(qū)位置和寬度可以根據(jù)腫瘤靶區(qū)的位置和大小進行調(diào)節(jié)，將Bragg峰控制在腫瘤靶區(qū)的邊界內(nèi)，實現(xiàn)“立體定點爆破”。因此，質(zhì)子重離子的療效比X、γ射線更好，劑量分布更理想，更多的保護病灶周邊正常組織不受損害，比普通放射治療更具精準優(yōu)勢，可明顯提高腫瘤的療效[6]。由于該療法具有無創(chuàng)、毒副作用小、療程短以及療效好的優(yōu)勢，質(zhì)子重離子束被稱為是21世紀最理想的放射治療用射線，預計在未來十年，質(zhì)子重離子治療的推廣應用將快速增長。

2 感生放射性的產(chǎn)生原因

由于質(zhì)子重離子治療系統(tǒng)產(chǎn)生的質(zhì)子重離子束能量比較高，在束流損失能量過程中會通過(p，n)，(γ，n)等核反應產(chǎn)生次級中子，而次級中子能夠使周圍物質(zhì)活化，這種“殘留”輻射的現(xiàn)象，叫做感生放射性[7]。

感生放射性主要產(chǎn)生在質(zhì)子加速器的加速器室束流傳輸隧道的空氣、結(jié)構(gòu)部件、冷卻水以及周圍土壤中，與此同時還伴有放射性廢物的產(chǎn)生。

如果工作人員在停止出束后立即進入放射治療室，可能受到過量感生放射性照射。然而感生放射性衰減較快，一般停止出束后2～10 min可以減少一半或更多，工作人員可適當推遲進入放射治療室，以避免遭受不必要的輻射。

質(zhì)子重離子加速器治療系統(tǒng)產(chǎn)生的感生放射性較高，室內(nèi)活化物隨運行時間增加不斷累積，感生放射性也不斷增加。其產(chǎn)生的放射性對放射工作人員的健康影響逐年提高，因此應加強感生放射性的測量和人員個人劑量的監(jiān)測，掌握治療場所活化核素的放射性劑量大小及對周圍環(huán)境的影響，采取有效的防護措施，盡可能減少感生放射性對工作人員的健康危害和治療患者二次致癌的風險。

3 次級中子的能量分布和劑量

在質(zhì)子重離子加速器治療過程中，質(zhì)子重離子的能量主要集中在100～250 MeV范圍內(nèi)，在該能量范圍內(nèi)會產(chǎn)生不同能量的次級中子，而不同能量的中子產(chǎn)生的感生放射性貢獻不同，研究次級中子的能譜分布以及劑量大小，對分析感生放射性具有重要作用。

在100～250 MeV質(zhì)子重離子加速器治療范圍內(nèi)，其次級中子的能譜主要有兩種方式，一是采用MCNPX(蒙特卡羅)方法模擬計算，二是采用中子能譜儀實際測量得到次級中子的能譜數(shù)據(jù)。

經(jīng)過MCNPX模擬計算，次級中子能量分布列于表1。

根據(jù)國際放射防護委員會(ICRP)第60號出版物，不同種類的輻射與其所引起的隨機效應概率相關(guān)，輻射隨機效應與概率輻射權(quán)重因子成正比，不同能量中子的輻射權(quán)重因子也不同(圖1)，因此計算中子產(chǎn)生的劑量必須考慮該輻射權(quán)重因子[10]。

圖1 輻射權(quán)重因子與中子能量關(guān)系Fig.1 Relationship between radiation weighting factor and neutron energy

根據(jù)中子能量與輻射權(quán)重因子的關(guān)系，通過MCNPX模擬和測量得到質(zhì)子重離子加速器治療過程中產(chǎn)生的次級中子劑量大小。首先，在質(zhì)子重離子束流出口前方放置一個三維水箱用于模擬人體，水箱尺寸為 40 cm×40 cm×40 cm，在放射治療靶區(qū)中心的正前方1 m處布置6個與地面平行的點。然后，將質(zhì)子重離子束流調(diào)整為直徑8 cm，能量230 MeV, 射程范圍5 cm, 電流6 nA。在以上條件下對治療過程中次級中子的劑量數(shù)據(jù)進行MCNPX模擬和采用ThermoFisher FHT762中子劑量率儀測量，結(jié)果示于圖2。

圖2 MCNPX模擬數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)對比圖Fig.2 Comparison diagram of MCNPX simulation data and measured data

從圖2可以看出，MCNPX模擬和采用中子劑量率儀測量得到的數(shù)據(jù)吻合度高。主要因為：一是次級中子的能量主要集中在中低能，處于中子劑量率儀能量響應較好的范圍；二是中子劑量率儀的中子能量響應范圍非常寬，從熱中子到5 GeV，對于次級高能中子奉獻的劑量沒有忽略。

4 感生放射性的形態(tài)

由于次級中子存活的時間非常短，在治療結(jié)束后的幾秒內(nèi)被慢化、散射和吸收，次級中子劑量的危害主要是對治療患者二次致癌的風險[11]。

當質(zhì)子重離子加速器射線束停止后，雖然次級中子很快就消失，但依舊存在“殘留”輻射現(xiàn)象，通常是中子活化的結(jié)果。其中，慢中子通過(n，γ)俘獲反應生成放射性核素，大多數(shù)核的慢化中子活化截面很大?？熘凶?>0.1 MeV)活化通過(n，p)、(n，α)、(n，2n)和(n，n′γ)閾能反應生成放射性核素?？熘凶颖嚷凶拥幕罨孛嫘。菍p元素具有較高的反應靈敏度。

感生放射性主要產(chǎn)生在質(zhì)子加速器的加速器室束流傳輸隧道的空氣、結(jié)構(gòu)部件、冷卻水以及周圍土壤中，與此同時還伴有放射性廢物的產(chǎn)生。

1) 空氣活化。束流傳輸隧道和加速器廳的空氣被活化后，產(chǎn)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，輻射類型是β和γ，主要通過40Ar(n，γ)41Ar、12C(n，γ)13N、16O(γ，n)15O和14N(p，α)11C反應產(chǎn)生[12]。

2) 結(jié)構(gòu)部件活化。質(zhì)子重離子加速器在結(jié)構(gòu)部件引起活化的主要部位是束流損失較大的部位，如束流管、旋轉(zhuǎn)機架、準直器、治療床等結(jié)構(gòu)材料。這些結(jié)構(gòu)材料的材質(zhì)主要是鐵、銅、鋁和不銹鋼。產(chǎn)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；半衰期為2.3 min～12.8 h，產(chǎn)生輻射類型是β和γ[13]。

3) 冷卻水活化。中子引起質(zhì)子重離子加速器冷卻水活化，產(chǎn)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較短，小于21 min[14]。

質(zhì)子重離子加速器治療過程中產(chǎn)生的感生放射性存在多種形態(tài)，在空氣中、冷卻水、治療機架、治療床和地面等都會存在，因此在分析感生放射性對環(huán)境和人員的輻射效應時，需要綜合考慮各種形態(tài)特點和產(chǎn)生的影響。

5 感生放射性劑量測量

感生放射性有多重形態(tài)存在，影響較大的是治療室內(nèi)的感生放射性。質(zhì)子重離子加速器，其核心裝置為同步加速器，直徑21 m，可加速質(zhì)子和重離子，質(zhì)子能量為50～220 MeV，重離子能量為85～430 MeV，能量持續(xù)可調(diào)。應根據(jù)質(zhì)子重離子治療的不同類型、能量組成及工作時長，測量固定束流旋轉(zhuǎn)機架治療室內(nèi)產(chǎn)生的感生放射性大小，以及其隨空間和時間的變化規(guī)律。本文采用ThermoFisher的空氣電離室FHT 191N測量治療室內(nèi)感生放射性，γ射線能量范圍35 keV～7 MeV，劑量率范圍為10 nSv/h～10 Sv/h，儀器測量誤差為±10%以內(nèi)。

當固定束流時，質(zhì)子重離子能量為180 MeV，流強2 nA，運行20 min后停機，測量治療床和工作人員擺位處感生放射性劑量率隨時間變化，結(jié)果列于表2。表2數(shù)據(jù)表明，治療床和工作人員擺位處都存在較大的感生γ輻射劑量率，治療床的感生γ輻射劑量率高于工作人員擺位處的感生γ輻射劑量率，隨時間的推移呈指數(shù)衰減。

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

當旋轉(zhuǎn)機架治療時，質(zhì)子重離子能量為230 MeV，治療深度23 cm，運行5 min后停機，測量治療床和工作人員擺位處感生放射性劑量率隨時間變化結(jié)果列于表3。大劑量照射后，該工作場所內(nèi)感生γ輻射劑量率較大?！峨婋x輻射防護與輻射源安全基本標準》(GB 18871-2002)[15]中規(guī)定放射性工作人員職業(yè)照射的個人劑量限值：任何一年中的有效劑量為50 mSv，如果長期在此環(huán)境中工作，將對工作人員的健康產(chǎn)生非常大的危害，因此需要采取相應措施保護相關(guān)工作人員的安全。

表3 旋轉(zhuǎn)機架治療室感生放射性劑量率Table 3 Rotating rack induced radioactivity dose rate

6 感生放射性的防護措施

由于感生放射性中有半衰期較長的核素，其具有一定的累積性，產(chǎn)生的放射性對放射治療工作人員的影響將逐年增加，為了控制該職業(yè)危害，必須采取有效的輻射防護措施，減少感生放射性對工作人員的危害，以及對環(huán)境的影響。根據(jù)輻射防護的三要素：時間、距離和屏蔽[16]，可采取的措施如下。

第一，質(zhì)子重離子治療場所空氣活化核素是工作人員所受劑量的主要組成部分，因其以氣態(tài)形式存在，且半衰期較短，直接排出室外對環(huán)境和公眾的劑量值在約束值內(nèi)，可采取有效的排風設施排出，盡可能降低場所中的空氣活化核素濃度。

第二，在正常運行時，冷卻水中活化核素處于閉環(huán)狀態(tài)，不存在排放。但應當設立儲水槽，用于在事故或必要時存儲更換的冷卻水，進行取樣分析，確定放射性濃度低于相關(guān)管理限制后再排放。

第三，盡管因質(zhì)子重離子設備昂貴且患者眾多，在保證放療質(zhì)量和綜合經(jīng)濟因素的同時,仍應安排放療工作人員在治療結(jié)束一定時間后再進入治療室，并且應規(guī)范操作流程，加強操作熟練度，盡量縮短在治療室停留的時間。

第四，放療工作人員在進入治療場所應該穿戴鉛衣、鉛帽、鉛圍脖、鉛眼鏡等防護用品，降低工作人員受到的輻射劑量，減輕感生放射性的輻射損傷。

最后，加強放射治療場所和工作人員的劑量監(jiān)測，以及防止人員誤入的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。對于工作場所的感生放射性應設置實時在線輻射劑量監(jiān)控，按月和年度統(tǒng)計場所輻射劑量的變化，如出現(xiàn)重大變化需及時排查原因。對于工作人員，除佩戴熱釋光劑量計，在進入工作場所時還應當佩戴電子個人劑量計，以備出現(xiàn)意外情況時實時報警提示，以及配置防止人員誤入的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，保護人員的安全。

7 結(jié)論

質(zhì)子重離子治療相關(guān)感生放射性對人體健康所造成的影響具有潛伏期長、效應出現(xiàn)較晚的特點，因此在保證放射治療質(zhì)量和綜合經(jīng)濟因素的同時，應使放射治療工作人員遭受的感生放射性劑量保持在盡可能低的水平。感生放射性與加速器能量、粒子類型、旋轉(zhuǎn)機架與周圍物品的架構(gòu)材料、照射時間、冷區(qū)時間等諸多因素密切相關(guān)，可以從以下方面采取輻射防護措施：一是采用有效的排風設施，降低空氣中的感生放射性水平；二是設立儲水槽，用于在事故或必要時存儲更換下來的冷卻水；三是提高工作效率、縮短滯留在治療室內(nèi)的時間，以及合理推遲停止照射后進入治療室的時間；四是做好個人防護，正確穿戴含鉛防護用品；五是配置輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)并加強放療場所和工作人員的劑量監(jiān)測。以上防護措施可減少和避免感生放射性對工作人員及患者的健康危害，為安全有效地進行質(zhì)子重離子治療提供保障。