基于蒙特卡罗方法的伽玛刀专用工具装源现场剂量场模拟计算

李钢1，范文红2，庞新新3，陈淬4，龚绍润1，彭文斌5*

1 中核高能（天津）装备有限公司，天津 300399

2 天津医科大学总医院，天津 300052

3 中国同辐股份有限公司，北京 100089

4 中核承影(西安)医疗设备有限公司，陕西西安710000

5 广西壮族自治区辐射环境监督管理站，广西南宁  530000

摘  要：[目的]基于蒙特卡罗粒子模拟工具计算伽玛刀专用倒源罐装源现场剂量场，为现场装源过程的辐射防护工作提供指导。[方法]梳理装源过程，确认高剂量辐射水平出现的关键工作场景，利用 MCNP5 程序建立仿真模型重建相关场景并计算对应辐射剂量场分布，以此为依据开展工作防护。[结果]根据蒙特卡洛模拟计算结果，结合各关键阶段工作人员操作时间，计算得到装源过程中工作人员单次所受剂量不超过0.97mGy，其余协助人员在倒源罐的提吊、放射源由倒源罐降至伽玛刀源室过程中保持与源罐3m以上距离时，人均受到辐射剂量更低。[结论]采用伽玛刀设备专用倒源罐并严格按照操作规程开展工作可确保现场操作人员个人剂量安全可控。

关键词：伽玛刀   专用倒源罐    MCNP   辐射防护

Dose field simulation of the Gamma Knife radioactive source loading with Monte Carlo method tool

LI Gang1, FAN Wenghong2, PANG Xinxin3, CHEN Cui4,  GONG Shaorun1, PENG Wenbing5*

1. CNNC High Energy Equipment (Tianjin) Co., Ltd., Tianjin, 300399, China

2. Tianjin Medical University General Hospital，Tianjin, 300052, China

3. China Isotope & Radiation Corporation，Beijing, 100089, China
4. CNNC imaging (Xi'an) Medical Equipment Co. , Ltd, Shanxi Xi'an, 710000, China

5.Guangxi Zhuang Autonomous Region Radiation Environment Supervision and Management Station, Guangxi, Nanning, 530000, China

Abstract：[Objective] Based on Monte Carlo particle simulation tool, the field dose field of gamma knife special inverted source canning source is calculated to provide guidance for radiation protection in the field loading process. [Method] Sort out the loading process, confirm the key working scenarios in which high dose radiation levels occur, and use MCNP5 program to build a simulation model to reconstruct the relevant scenarios and calculate the corresponding radiation dose field distribution, so as to carry out work protection. [Results] According to the Monte Carlo simulation calculation results, combined with the operation time of the staff at each key stage, it was calculated that the maximum dose received by the on-site staff in the process of source loading less than 0.97mGy, When the remaining assistants maintain a distance of more than 3m from the source tank during the process of lifting the inverted source tank and lowering the radioactive source from the inverted source tank to the gamma knife source chamber, the radiation dose received by the inpidual is safe and controllable.

[Conclusion] Using the inverted source tank dedicated to gamma knife equipment and working in strict accordance with the operating procedures can ensure the safety and control of the personal dose of the field operator.

Key words: Gamma knife   source Special inverted tank   MCNP    Radiation protection

Corresponding author: PENG Wenbing ,E-mail:[e-mail] 

当前，放疗与手术、化疗并列成为肿瘤治疗的三大核心手段。随着医学影像学的发展，放疗的精准度明显提升而在癌症治疗领域的地位得到了进一步的加强。目前，大约70%的肿瘤患者需要进行不同程度的放射治疗。

伽玛刀立体定向放射外科是一种非手术方式的高精度放射治疗方式[1]。伽玛刀可用于治疗多种颅内疾病，包括良恶性肿瘤、血管畸形及功能障碍等[2,3] 。它是根据立体几何定向原理，将体内正常组织或病变组织选择性的确定为靶点，使用60Co产生的γ射线进行一次性大剂量聚焦照射，使之产生局灶性坏死或功能改变而达到治疗肿瘤的目的[4]。伽玛刀具有不开刀、损伤小、无创伤、无出血、无感染、无痛苦、治疗迅速、 安全可靠的优点[5]。它的适应症十分广泛，对全身各部肿瘤及个别体部疾病均有疗效，与常用的医用电子直线加速器等其他放疗设备相比，伽玛刀对头部肿瘤具有较大优势，且具备性价比优势明显[6]，目前国内保有量约400台左右。

伽玛刀用放射源基本为60Co放射源，其半衰期为5.27年，为保障癌症患者治疗效率，伽玛刀设备需要定期更换放射源，目前放射源更换多采用热室法：如图1所示，在机房内搭建屏蔽热室，将放射源9从运源铅罐10内的置源架取下后，再用机械手3逐一装入设备11[7]。热室总重约20多吨，人工操控机械手逐个将放射源装入伽玛刀，这其中存在操作不当可能导致放射源掉到热室而导致放射源失控引发现场工作人员甚至医护人员超剂量照射事故[8,9]。

图1  机房现场搭建热室装源示意图（左右两部分为不同角度切面示意图）

另一种换源方式是将装有放射源的治疗头整体取出，运输至专业换源厂家再执行换源，该方式需要对治疗头运输货包进行专门设计并经认证，操作上极大不便且成本更高[7,10]而相对少见。

1设备与方法

本文介绍一款伽玛刀设备专用倒源罐，可实现伽玛刀设备的高效装源。图2所示为倒源罐实物与结构示意图。

1.1倒源罐现场装源工作流程分析及高辐射水平场景分析

倒源罐现场装源工作流程介绍如下，装载放射源的运源罐运送至伽玛刀机房后，将专用倒源罐与运源罐上下对接。打开运源罐上端阀门和倒源罐下端阀门，畅通放射源运转通道。利用起吊皮带将放射源提至倒源罐内，关闭倒源罐下端阀门。然后通过起吊设备把倒源罐起吊并安置到主机顶端的法兰上，待与法兰及伽玛刀源室对接好后，打开倒源罐下端阀门，再利用起吊皮带将放射源下沉至伽玛刀源室，关闭伽玛刀源室窗口后将倒源罐及法兰由伽玛刀机头吊至地面，装源过程结束。

     

图2  专用倒源罐实物图（左），倒源罐运至伽玛刀治疗机头上方对接装源状态（右）    

整个装源过程可分为三个阶段：放射源由运源罐换位至倒源罐阶段；倒源罐转移阶段；放射源由倒源罐换位至伽玛刀源室阶段，在两次换位过程中部分区域的泄露辐射水平较高，此外倒源罐下端阀门屏蔽效果相对较差，当放射源进入倒源罐被起吊至伽玛刀机头的过程中，射线经倒源罐下端阀门透射至地面，对现场工作人员产生较大辐射照射。

本研究利用专业蒙特卡罗粒子输运模拟工具 MCNP5程序模拟以上高辐射水平场景，计算得到对应辐射剂量分布，用于指导操作人员的合理作业位置及各工位操作时间，优化伽玛刀装源过程，尽可能降低装源人员个人所受剂量。

1.2 辐射输运场景建模

1.2.1 γ放射源建模参数

本研究中的伽玛刀系统中安装60Co密封源，总装源量约14000Ci，按聚焦式方式放置在双层不锈钢圆柱形包壳内，用氩弧焊封装。源匣子根据所需放射源数量和活度特别定制，分源区、包壳。

1.2.2 放射源倒装过程建模

放射源从运源罐至倒源罐过程中，一开始放射源处于运源罐底部，如图3(a)所示。转运过程中，运源罐与倒源罐连接形成一个带有提升通道的封闭几何，在连接处存在大量的不锈钢结构、缝隙以及带有圆孔的吊环，当放射源在提升过程中经过运源罐与倒源罐二者连接处，屏蔽罐外围的辐射剂量最大，如图3(b)所示。随着放射源继续提升，源进入倒源罐中，如图3(c)所示。当放射源完全吊入倒源罐时，屏蔽塞旋转90°后封闭运源通道，如图3(d)所示。此时，由于运源孔道的存在，倒源罐下方的辐射剂量也需重点关注。运源罐和倒源罐主要由铅和不锈钢包壳构成，放射源上方采用贫铀进行屏蔽。在运源罐和倒源罐二者连接处以及倒源罐下方，为了增强屏蔽性能，同样采用了钨替代不锈钢材料。由于伽玛刀治疗机头辐射屏蔽相对较弱，在放射源经倒源罐转移到伽玛刀源室的过程中，将在屏蔽薄弱处产生较强的辐射剂量场，特别是两者连接处，如图3(e)。

图3 放射源从运源罐至机头的过程：(a) 放射源在运源罐底部；(b) 放射源在运源罐和倒源罐连接处；(c) 放射源在倒源罐内（倒源罐屏蔽塞打开）；(d) 放射源在倒源罐内（倒源罐屏蔽塞关闭）；(e)放射源在倒源罐与机头的连接处

1.2.3 γ辐射剂量点与剂量场计算

屏蔽罐外某点处的γ注量率采用MCNP5计数卡f5卡计算得到（点探测器）、剂量场采用Meshtally卡计算得到，单位为cm-2/s/模拟粒子，根据文献可知，照射量X与注量率的关系式如（1）所示：

                                                           （1）

其中f为照射率常数，它与入射粒子能量成正比关系，单位为C·kg-1·m-2，具体取值按能量平均值1.25MeV获得[11]，吸收剂量D与照射量X的关系如（2）式所示：

                     （2）

2结果

2.1 剂量率计算结果影响因素分析

2.1.1 叠层简化影响分析

对相关场景作适当的保守简化处理如均匀混合、将同种材料组成的叠层结构叠加等效。因此，需要研究叠加等效前后与的差异，确保模型满足计算精度要求。结果表明，叠加前后结果相差10倍左右，应尽量避免在建模中或者理论计算进行叠加简化处理。

         

图4实际带缝隙分层结构（左），分层叠加简化结构（右）

2.1.2 测量点与放射源底部相对水平位置的影响

由于源匣子上有一层很厚的贫铀，而下部分只有很薄的一层WCu合金，因此实际情况可能是放射源底部水平线以下位置的辐射剂量会比水平线以上位置大。通过计算也证实了水平线下方辐射剂量比水平方向大3倍左右，验证了该预测。所以，在实际评估中应重点关注放射源最低水平线的下方位置。

2.2装源过程辐射剂量计算结果分析

根据上面的评估可知，理论计算的近似简化处理可能会带来很大误差，因此根据实际情况进行建模更能反应真实值，模型越精细，结果越精确。模型的准确性包括尺寸、材料、放射源等。因此，本次MCNP模拟计算都按实际尺寸和形状进行建模，特别是放射源的分散布置。需要指出的是，计算各点剂量率时，放射源与源匣子和贫铀屏蔽体作为一个整体一起移动至所计算点的水平位置靠上方（即计算点在源偏下方位置）。

2.2.1 放射源由运源罐换位至倒源罐阶段

该阶段倒源罐与运源罐处于上下对接状态，运源罐上端阀门和倒源罐下端阀门均打开，放射源运转通道畅通后利用专用工具将放射源提至倒源罐内，实现放射源由运源罐至倒源罐的换位，示意图见图3(a)、2(b)、2(c)。计算结果显示，该阶段只有2号、5号、8号方位点辐射剂量高，需重点考虑。实际工作中，2号方位点位于地面，不会对人员产生高剂量照射。操作人员在5号、8号方位距罐体表面一般控制在 50 cm处，整个提升源的过程操作时间约20s，剂量率最大值出现在图3（b）所示状态的5号方位点，剂量率为1.88μGy/h，出于尽可能安全角度考虑，整个20s时间以图3（b）所示状态的最大剂量率进行计算，该阶段操作人员所受剂量不超过0.01μGy。

表1  放射源由运源罐换位至倒源罐阶段重点关注点计算结果（源提至两罐交接处）

重点关注 方位点编号	计算剂量率（μGy/h）
	罐表面	距罐10cm	距罐30cm	距罐50cm
1	1.68	/	/	/
2	1100	/	/	/
3	1.25	0.76	0.44	0.37
4	3.37	0.94	0.23	0.20
5	143.20	52.40	4.64	1.88
6	0.47	0.39	0.23	0.15
7	0.02	/	/	/
8	8.75	5.11	2.53	1.76

点探测器只能大致估算特定位置的剂量，在实际工作中，操作人员不能等效成点，因此有必要计算屏蔽罐外的二维剂量场分布。以图3（b）状态剂量场分布为例，从图4可以看出，重点关注点的剂量与二维场分布的总体趋势是一致的，但由于Meshtally卡计算结果是一个网格栅元内的平均结果，对于两种材料交界处的计算结果精度较差，实际计算时应以点探测器结果为准。

图5 放射源处于运源罐与倒源罐衔接位置处辐射剂量二维分布图

2.2.2 倒源罐转移阶段

该阶段源处于倒源罐中，倒源罐与运源罐分离，通过起吊设备把倒源罐起吊并安置到主机顶端的法兰上，示意图见图3(d)。该阶段，其余人员均撤离至倒源罐3m以外，仅拉吊人员位于倒源罐侧下方，距倒源罐至少50cm，出于保守计算，将9号方位点剂量率作为拉吊人员所处方位剂量值进行估算，拉吊时间约5min，该阶段拉吊人员所受剂量不超过32.5 μGy。

表2  倒源罐转移阶段重点关注点计算结果

重点关注 方位点编号	计算剂量率（μGy/h）
	罐表面	距罐10cm	距罐30cm	距罐50cm
9	1471.71	1916.52	774.81	389.52

 

图6 放射源处于倒源罐内辐射剂量二维分布图

2.2.3 放射源由倒源罐换位至伽玛刀源室阶段

该阶段倒源罐、法兰及伽玛刀源室完成对接，使放射源运转通道畅通，打开倒源罐下端阀门，再次利用专用工具将放射源下沉至伽玛刀源室后关闭源室窗口。实现放射源由倒源罐至伽玛刀源室的换位，示意图见图3(e)。该阶段，只保留2名操作人员站立在伽玛刀机头执行装源操作，其余人员均撤离至倒源罐至少3m以外。现场操作时，操作人员在10~14号方位点方向上，距罐体表面约50cm，整个降源过程操作时间约20s，距罐50cm处剂量率最大值出现在图3（e）所示状态的12号方位点，剂量率为1.69×10

5 μGy/h，出于尽可能安全角度考虑，同样将整个20s时间以图3（e）所示状态局罐50cm处最大剂量率进行计算，该阶段操作人员所受剂量不超过0.94 mGy。

图7 放射源处于倒源罐与伽玛刀源室衔接位置处辐射剂量二维分布图

表3  放射源由倒源罐换位至伽玛刀源室阶段重点关注点计算结果（源降至交接处）

重点关注 方位点编号	计算剂量率（μGy/h）
	罐表面	距罐10cm	距罐30cm	距罐50cm
10	4.77×106	1.12×106	2.92×105	1.34×105
11	7.54×105	7.69×105	3.39×105	1.54×105
12	2.52×105	3.03×105	2.88×105	1.69×105
13	6.37×106	1.48×105	1.13×105	9.11×104
14	1.88×106	9.35×105	7.97×104	5.51×104

3 讨论

本文采用MCNP5对利用专用倒源罐进行伽玛刀现场换源过程，可能产生的高辐射剂量各阶段进行了建模并计算，结合实际操作过程关键操作步骤所需时间，经计算得知，采用该方法进行现场装源，工作人员单次所受个人剂量不超过0.97mGy。以伽玛刀生产厂家一年销售10台套设备计，厂家装源人员年所受剂量不超过9.7mGy，满足国家标准中放射性工作人员年个人剂量限值要求[12]。需要注意的是，其余辅助人员在倒源罐起吊过程及放射源由倒源罐换位至伽玛刀源室阶段，出于尽可能安全起见，保持在距罐体外3m处，其所受个人剂量是安全可控的。本研究为利用伽玛刀专用倒源罐现场装源过程的操作人员提供了理论参考依据，对使用该方法现场装源的辐射安全防护具有实际指导意义。

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[5]段炼, 杨祖耀, 李少华, 等.一种伽马刀源体装配平台[P].湖北省：CN212385410U,2021-01-22.

[6] 卢峰,  陈英民, 宋钢,等. 光子放疗靶区计划剂量验证的结果与分析[J]. 中国辐射卫生, 2019, 28(3):267-270.

[7] 岑永娟. 伽玛刀放射治疗设备放射源安全装换装置[P]. 上海市：CN208990090U,2019-06-18.

[8] 邓君,王拓,范胜男,等.2015年我国医用放射工作人员职业外照射个人剂量水平与分析[J].中国辐射卫生,2017,26(04):398-400.

[9] 单铁梅, 付丽丽, 王丽东,等.电离辐射对放射工作者职业健康的影响[J].中国辐射卫生,2021,30(04):402-406.

[10] 邵新宇, 邓建春. 伽玛刀的自动换源设备及其方法[P]. 湖北省：CN102614594B,2014-08-27.

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