Первичный пучок

Первичный пучок

Первичный пучок часто называют полезным пучком. Он имеет наивысшую энергию и наивысший радиационный флюенс (т.е. наибольшее число частиц на единицу площади) среди трех рассматриваемых типов излучения. Поэтому особенное внимание должно уделяться экранированию (защите) от этого типа излучения.

Первичный пучок обычно  хорошо сколлимирован и направлен, поэтому размер поля и направление пучка как правило хорошо известны. Однако, хорошее осуществление радиационной защиты требует, чтобы при проектировании  первичных барьеров безопасности все потенциальные направления принимались во внимание. Иногда не все направления пучка возможны (например, в линейных ускорителях с изоцентрической структурой, где пучок может рассматриваться только в единственной точке в одной плоскости). В других случаях, таких как orthovoltage радиационные установки для терапии фотонами со средней энергией, желательно ограничивать направления пучка соответственно,  уменьшая площадь стены, которая требует экранирования от первичного пучка. В частности, важно уменьшить перемещения рентгеновской трубки так, чтобы пучок  не указывал в направлении пульта управления (оператора).

Тогда когда  все возможные направления первичного пучка приняты во внимание, их следует взвешивать  с помощью коэффициента использования (символ U).   Этот коэффициент описывает,  какой процент от общего времени облучения пучок испускается в определенном направлении. Очевидно, сумма всех коэффициентов использования для всех возможных направлений пучка должен быть 1,  но в практических расчетах невозможно прогнозировать точный коэффициент использования для каждого направления. Также, важно не допускать ошибку на безопасной стороне и консервативно переоценивать коэффициент использования. Примеры использования коэффициентов использования для  изоцентрически установленных линейных ускорителей и  современных установок для дистанционной кюритерапии кобольтом-60 даны в Докладе 49 НКРЗ.

  • Пучок, указывающий вниз, (Udown) = 1.
  • Пучок, указывающий вверх, (Uup)= 0.5.
  • Пучок, указывающий влево или вправо, (Uleft) = (Uright) = 0.25.
  • Все остальные направления (Uother) = 0.1.

Отметим, что общая сумма всех коэффициентов использования превышает 1. Однако, использование этих значений учитывает консервативную оценку использования пучка. На практике часто нужно приспособить коэффициенты использования для частного случая применения или определенного метода лечения. Пример будет посвящен установкам для лечения груди с использованием тангенциальных полей.

Коэффициенты использования для неизоцентрически сконструированных установок зависят от возможности изменения положения излучательной головки и  используемого метода лечения. Их аккуратная оценка должна быть сделана до проектирования и установки защиты.

Принимая во внимание все это, коэффициент ослабления защиты необходимый для первичного защитного барьера  может быть рассчитан, с использованием Формулы 3.

A = W x U x T x ISL [3]

Hlimit

где      A – коэффициент ослабления,

W – объем работ,

U – коэффициент использования,

T – фактор занятости,

ISL – коэффициент в законе обратных квадратов ISL=(d1/d2)2, где эталонное расстояние d1 обычно принимается в 1 м для мегавольтных установок,

Hlimit – часть предела годовой эффективной дозы (в зивертах),  определяющая вклад в этот предел рассматриваемой зоны. (Hlimit обычно принимается как часть реального предела эффективной дозы, чтобы принять во внимание облучение от других источников излучения если рассматриваемая установка расположена в  отделении радиологии или ядерной медицины. Hlimit берется в качестве порога дозы – обычно одна треть значимого предела как обсуждено в Модуле 2.1 Принципы радиационной защиты).

Практический пример проведения этого расчета показан в Примере 2.

ПРИМЕР 2

Вопрос

Необходимо создать первичный защитный барьер  для мегавольтной установки, рассмотренной в Примере 1. Пучок у этой установки  является изоцентрическим и защищаемая зона расположена рядом с туалетами, которые могут быть доступны персоналу и необлучаемым профессионально работникам. Расстояние от пучка до туалета составляет 4 метра.

Ответ

W – объем работы W=10 400 Гр в год (из Формулы 1)

U – фактор использования для изоцентрически смонтированной установки, указывающей влево/вправо U=0.25

T – фактор занятости для туалета T=0.25

ISL – коэффициент закона обратных квадратов ISL=(d1/d2)2=(1/4)2= 0.0625

Hlimit – 1/3 от предела эффективной дозы за год для непрофессионально облучаемых работников Hlimit= 1/3 x 1мЗв = 0.33 мЗв = 0.33 x 0.001 Зв = 0.00033 Зв

Используя Формулу 3

A = 10 400 x 0.25 x 0.25 x 0.0625 = 123 106

0.00033

Следовательно, коэффициент ослабления для первичного защитного барьера  должен составлять приблизительно 123 000 (приблизительно коэффициент 105).

Коэффициент требуемого ослабления известен, необходимая толщина защиты для различных материалов может быть определена  с помощью слоев десятикратного ослабления (TVL) (см. Модуль 2.2 Защита от внешних радиационных опасностей). Слой десятикратного ослабления – это толщина  защиты, необходимой для уменьшения пучка излучения в 10 раз. Слои десятикратного ослабления  для различных материалов защиты для фотонных пучков показаны в Таблице 1.

Таблица 1

Слои десятикратного ослабления (TVL) для различных материалов

 

TVL (см) для различных энергий фотонов
Защитный материал

(плотность в  г/см3)

500 kVp

спектр

4 MVp

спектр

4 MV

моноэнергетические

6 MVp

спектр

10 MVp

спектр

20 MVp

спектр

References

Ссылки

Свинец

(11.3)

1.19 5.3   5.6 5.5 — 5.8 5.8 NCRP 1976

Cember 1992

Siemens 1994

Сталь/Железо

(7.8)

  9.1   9.9 9.7 — 10.5 10.9 Cember 1992

Siemens 1994

Бетон

(1.8-2.4)

11.7 29.2 32 34.5 38 — 39.6 45 NCRP 1976

Cember 1992

Siemens 1994

Ledite

(приблизительно 4)

  14         Manufacture specifications

Примечание: Ledite это  смесь свинцовой дроби в бетоне, в блоков различных размеров. Ledite (и подобные материалы)  часто используются для целей защиты, поскольку  они объединяют высокую физическую плотность и  возможность использования блоков  ledite в качестве независимого строительного материала.

 

Итак, для защиты туалета как упомянуто в Примере 2,  нам необходимо 5 слоев десятикратного ослабления (для уменьшения пучка на коэффициент ослабления 105).  Если мегавольтная установка была бы линейным усорителем, использующим 10 МВ фотоны,  это равнялось бы приблизительно 2 метрам защиты из бетона (36.6 см х 5).

Отметим, что в вышеприведенных расчетах не принимается во внимание ослабление пучка пациентом. На самом деле, это добавляет дополнительный запас  в поведенных расчетах.

При проектировании реальных физических размеров первичного защитного барьера важно также рассмотреть размеры поля облучения.  В действительности, если размер поля составляет 40 x 40 см2 в изоцентре,  то площадь, требующая наибольшую защиту, составляет до 16 раз больше, чем при размере поля только 10 x 10 cм2. Рекомендуется  использовать наибольший возможный размер поля при расчетах защиты, если не могут быть сделаны обоснованные оценки реального размера поля.

Второй фактор связанный с  размером поля, котором часто пренебрегают, это вероятность того, что коллимирующее устройство может  вращаться, что приводит к увеличению ширины необходимой защиты (смотрите Рисунок 6).

 

 

Рисунок 6

Иллюстрация необходимости рассматривать положение диагонального коллиматора при проектировании защиты от первичного пучка при радиотерапии внешним пучком

2.2.3.2            Побочное (паразитное) излучение

Даже при наилучшей проектной защите вокруг источника излучения будет некоторое побочное (паразитное) излучение. Поэтому важно рассмотреть все источники облучения на  пациентов и персонал и соблюсти правила и рекомендации по их радиационной защите

Для терапевтического излучающего оборудования в основном применимы следующие правила:

  • Для установок дистанционной кюритерапии важно помнить, что побочное излучение существует даже тогда, когда установка выключена. Следовательно, уровень побочного (внеполосного) излучения  должен оцениваться квалифицированным экспертом (причем в положении при хранении, и в рабочем положении) и  необходимая защита должна быть на месте всегда, даже если установка не используется.
  • Для оборудования с максимальной энергией рентгеновского излучения менее 500 кВ защитный бокс трубки должен быть достаточным, чтобы уменьшать побочное излучение до мощности менее 10 мГр в час на расстоянии одного метра от источника излучения.
  • Для оборудования с максимальными энергиями рентгеновского излучения до 500 кВ, уровень побочного излучения  не должен превышать 0.1%  от дозы в полезном пучке на расстоянии 1 м от источника излучения.

Хорошей практикой является – обследование нового оборудования на интенсивность побочного излучения, чтобы минимизировать облучение пациентов и персонала. При этом полезным методом обследования является обернуть установку  рентгенографической пленкой и работать с оборудованием на протяжении длительного времени. Пленка чернеет, в местах где воздействует побочное облучение. Отметим, что дополнительное излучение, передаваемое через  пучок, в устройствах с   движущимися коллиматорами,  должно быть рассмотрено как побочное излучение.

Требования к вторичному защитному барьеру от побочного излучения могут быть рассчитаны аналогично требованиям к барьеру для первичного излучения по Формуле 4

A = W x U x T x ISL x L [4]

Hlimit

Где A, W, U, T, ISL  и Hlimit определены выше, и L – коэффициент побочного излучения, который может быть обычно принят за  0.001 согласно рекомендаций докладу 49 NCRP.

2.2.3.3            Рассеянное излучение

В то время как первичное и побочное излучение сравнительно легко оценить, величину рассеянного излучения определить более сложно.  Это зависит от вида излучения, размера поля, рассеивающего материала и угла падения.  Рассеянное излучение  имеет различный угол, различное расположение источника и вероятно более низкую энергию излучения, чем первичный пучок, но следующие особые обстоятельства следует  рассматривать:

  • Рассеяние от пациента. Это почти всегда первое рассеяние первичного пучка.  Тогда как величина рассеянного излучения значительно зависит от размера поля облучения, может предполагаться, что рассеяние от пациента вносит вклад менее одного процента первичного пучка  в общее радиационное облучение.
  • Многократное рассеяние. Многократное рассеяние дает наиболее значительный вклад в облучение, достигающее входа в кабинет (процедурную комнату). Поэтому, рекомендуется устанавливать  относительно длинный входной лабиринт. Также, поскольку каждый акт рассеяния значительно уменьшает поток и эффективную энергию  излучения, стоит  тщательно рассмотреть кабинета.  В идеале  ни какое излучение, которое  было бы отражено менее двух раз, не должно достигать двери процедурной комнаты. Это особенно важно для линейных ускорителей (смотрите Рисунок 7).

Отметим, что на Рисунке 7 толщина, данная для стен, оценена  приближенно – для реального проектирования она будет зависеть от объема работ, коэффициента использования  и занятости смежных помещений.

2.2.3.4            Общая защита

При планировании терапевтических установок оптимизация защиты обычно более важна, чем на медицинских диагностических установках, и гаратированный запас  обычно делается меньшим, чтобы снизить затраты. Следовательно,  всегда следует иметь ввиду, что:

  • Защита – это трехмерный процесс: в любом случае площади сверху и снизу от процедурной комнаты должны приниматься во внимание.
  • Путем изменения расположения оборудования и ограничения определенных направлений облучения зачастую можно сократить  значительное количество защиты.  Полезный способ – это начертить  предположительные направления первичного пучка на кальке, а затем  план кабинета в том же масштабе.  Путем перемещения кальки можно найти наилучшее положение для установки.
  • Не всегда лучше использовать свинец в качестве защитного материала. В областях, где  доминирует эффект Комптона при взаимодействии фотонов с веществом (от 500 кэВ  до 20 МэВ), все вещества являются приблизительно в равной степени эффективными для защиты (килограмм на килограмм). Высокий атомный номер  материалов может в действительности иметь недостаток, будучи  менее эффективными для защиты от нейтронов, и могут давать рост уровня тормозного излучения.  Обычно они также более дороги.
  • Важно принимать во внимание тот факт, что  при взаимодействии излучения с веществом один определенный вид излучения может образовывать другой отличный от первого вид излучения, который может требовать других подходов к защите.  Примерами этого служат  реакции (фотон, n) в мегавольтных пучках рентгеновского излучения и образование тормозного излучения  высокоэнергетическими электронами.