传统的术中放射治疗(intraoperative radiotherapy，IORT)主要使用高剂量率放射源发出的γ射线或医用直线加速器产生的高能电子束实施照射。近些年，利用kV级低能X射线实施IORT的技术快速发展，INTRABEAM术中放疗系统(Carl Zeiss Meditec AG, 德国)是其中最具代表性的设备[1-2]。该设备使用小型加速器产生低能X射线实施术中照射，由于低能X射线在组织中能够快速衰减，因此有助于实现靶区周围正常组织的保护[3-4]。此外，相比于传统的IORT技术，使用低能X射线实施IORT对于辐射屏蔽的要求会更低。然而低能X射线IORT设备的工作负荷较高，产生的X射线能量较低但是剂量率很高，因此，安全且优化的辐射屏蔽方案十分重要。本研究以最具代表性的低能X射线IORT设备和常见治疗室(专用手术室)布局为例，依照国内外不同标准和指南进行了治疗室屏蔽需求的计算。在屏蔽计算之外，本研究还实际测量了INTRABEAM设备出束时治疗室内关注位置的周围剂量当量率水平，不同屏蔽材料对此设备产生低能X射线的透射系数，以及模拟实际工作条件下防护装置的屏蔽效果。研究得到的理论计算结果和实际测量数据可为此类设备辐射屏蔽方案的设计和防护装置的应用提供参考。

1. 防护标准和指南：在我国低能X射线IORT的放射防护应当遵循我国职业卫生标准GBZ 121-2020《放射治疗放射防护要求》[5]。在国外，英国医学物理与工程研究所(Institute of Physics and Engineering in Medicine，IPEM)发布的75号报告[6]是针对放射治疗设施设计和屏蔽的指南，范围涵盖这类低能X射线IORT装置。美国国家辐射防护与测量委员会(National Council on Radiation Protection and Measurements，NCRP)发布的147号[7]和151号报告[8]分别为针对医用X射线影像设施和兆伏级X/γ射线放射治疗设施的屏蔽设计指南，其中的辐射屏蔽目标和效果评价指标均是一致的。虽然NCRP 147[7]和151号报告[8]的范围均不明确涵盖低能X射线IORT装置，但是对于放射治疗设备，可以参照NCRP 151号报告[8]中的辐射屏蔽目标和评估指标进行屏蔽需求计算。同时，由于此类IORT设备所使用X射线的能量在影像设备常用的射线能量范围内，因此可以利用NCRP 147号报告[7]中的相关参数和数据来实施屏蔽需求计算。

2. 辐射源：INTRABEAM系统主要由X射线源、控制平台、支持承载系统、质量保证系统、各种施用器和其他附件组成。其核心组件为一个小型射线装置，最大加速电压50 kV，最大加速电流40 μA，可以近似点状放射源发出各向同性的低能光子线，临床使用中配合不同结构和尺寸的施用器产生相应的照射野。最常使用的是用于乳腺癌IORT的球形施用器(直径15~50 mm)，应用后仍保持各向同性的射线分布。依据产品技术文档[9]中的数据，在最高工作条件并且不应用任何施用器的情况下，距射线源点1 m处的剂量率可达到79.2 mGy/h。

3. 屏蔽计算参数：当前INTRABEAM系统最广泛的临床应用是针对早期乳腺癌的IORT，采用的处方剂量为球形施用器表面达到20 Gy。考虑到外科手术的准备和实施过程，以及IORT的工作流程，本研究就此设定按照每天最多可以实施2例IORT(处方剂量20 Gy给予到直径50 mm的球形施用器表面)，每周工作5 d得到周工作负荷W为距射线源点1 m处达到125 mGy/周。以常见的IORT治疗室(专用手术室)尺寸和周围布局来进行屏蔽需求计算，具体的布局、尺寸和关注点位置如图 1所示，按照使用屏蔽材料铅来进行屏蔽厚度计算和结果显示。

各个关注点的屏蔽计算参数如表 1所示，均依据NCRP 151号报告[8]中的推荐值设定。由于发出的X射线具有近似各向同性的分布，因此治疗室的四周墙壁、屋顶和地板均按照主屏蔽考虑，使用因子U在所有关注点均取值1。由于此射线装置和患者在治疗室中的位置并不固定，按照保守情况进行屏蔽需求计算，认为辐射源距离治疗室四周墙壁的最小距离为2 m。考虑到关注点位置的合理性，设置治疗室墙壁外关注点位置为距墙面0.3 m处，屋顶上关注点位置为上层房间地面上0.5 m处，治疗室地板下关注点位置为下层房间地面上1.7 m处(图 1)。

4. 屏蔽效果评价指标及屏蔽计算方法：分别依据GBZ 121-2020标准[5]、IPEM 75号报告[6]以及NCRP 151号报告[8]中所采用的放射治疗设施屏蔽效果评价指标实施屏蔽需求计算，评价指标包括周剂量控制目标值P、瞬时剂量当量率(instantaneous dose-equivalent rate，IDR)和任意某时间段(每天·每小时·每分钟)平均剂量当量率(time averaged dose-equivalent rate，TADR)的限值。

NCRP 151号报告[8]和IPEM 75号报告[6]对于关注位置所需屏蔽厚度的计算流程大体一致，方法可以概括为：首先依据屏蔽和照射类型确定相应的周工作负荷；然后结合各个关注点的周剂量控制值计算相应的透射系数；再根据透射系数计算所需屏蔽材料的初始厚度，最后评估关注点处的周围剂量当量率水平来确定最终的屏蔽材料厚度。

本研究所关注的主屏蔽透射系数B的计算公式为：

式中，P为关注点的周剂量控制目标值，μSv/周；D为关注点到辐射源的距离，m；W为1 m处的周工作负荷量，μGy/周；U为关注点处的使用因子；T为关注点处的居留因子。

通过周剂量控制值和工作负荷计算得到初始屏蔽厚度后，需计算在此屏蔽厚度和设备最高输出剂量率条件下各关注点处的TADR，包括每分钟的平均剂量当量率水平TADRm(对于所评估设备等同于IDR)，每小时的平均剂量当量率TADRh(Rh)以及每天的平均剂量当量率TADRd。随后评估TADR结果是否满足相应的限值要求，如果超过限值则在初始屏蔽厚度基础上增加适当数量的半值层或什值层厚度，直至最终屏蔽厚度满足相应TADR限值的要求。NCRP 151号报告[8]中提出的标准是任意1 h的平均剂量当量率Rh≤20 μSv/h，IPEM 75号报告[6]则采用计算并评估任意1 min以及1 d时间的平均剂量当量率水平TADRm和TADRd的方法，判断其是否满足TADRm≤100 μSv/h和TADRd≤7.5 μSv/h的要求。

我国的GBZ 121-2020标准[5]是根据关注点的周围剂量当量率参考控制水平${\dot H_c}$来计算所需屏蔽的透射系数，进而得到所需屏蔽材料的厚度。${\dot H_c}$的最终取值为根据周剂量参考控制水平求得的周围剂量当量率结果与根据居留因子确定的最高周围剂量当量率参考控制水平${\dot H_{c, \mathit{max}}}$中的较小值。根据周剂量参考控制水平来计算关注点处周围剂量当量率参考控制水平${\dot H_c}$的公式如下：

式中，He为周剂量参考控制水平，μSv/周；U和T分别为关注点的使用因子和居留因子；t为设备的周最大累积照射时长，h/周。根据GBZ 121-2020标准[5]中的规定，对于治疗室外控制区的工作人员：He ≤100 μSv/周，对于治疗室外非控制区的人员：He ≤5 μSv/周。最高周围剂量当量率参考控制水平${\dot H_{c, \max }}$根据关注点处人员居留因子T来确定，T>0.5的场所：${\dot H_{{\rm{c}}, \max }}$≤2.5 μSv/h，T≤0.5的场所：${\dot H_{{\rm{c}}, \max }}$≤10 μSv/h。

相应的主屏蔽透射系数B的计算公式为：

式中，${{\dot H}_{\rm{c}}}$为关注点的周围剂量当量率参考控制水平，μSv/h；D为关注点到辐射源的距离，m；${{{{\dot H}_{\rm{o}}}}}$为距离辐射源1 m处可达到的最高剂量当量率，μSv/h。

对于所评估IORT设备使用的低能X射线而言，射线穿过屏蔽材料时由于光电效应会发生很大程度的衰减，所以不适合利用固定的半值层和什值层数据来计算所需的屏蔽厚度。本研究使用透射比曲线拟合公式[10]，来计算透射系数B所对应的屏蔽材料厚度X，公式如下：

式中，α、β、γ为相应屏蔽材料和射线能量对应的透射比曲线拟合参数，均采用NCRP 147号报告[7]附录A中提供的数据。

5. 屏蔽材料透射系数测量：INTRABEAM系统在本院的治疗室为一间四周墙壁、门窗、屋顶和地板均按照2 mm铅当量标准进行过防护改造的专用手术室，全部实际测量工作均使用经过校准的451P-DE-SI电离室辐射测量仪(Fluke Biomedical，美国)在此专用手术室中完成，测量结果均采用仪器读数稳定后的测量数值。INTRABEAM系统在最高工作条件下使用球形或表面施用器后发出X射线的有效能量约为20~26 kV[11-13]，辐射防护评估和测量中可认为有效能量为30 kV[14]。本研究报道的周围剂量当量率测量结果均为根据测量仪用户手册中能量响应曲线对仪器校准能量和射线有效能量之间差异进行相应修正后的结果。

测量中使用INTRABEAM系统配备的表面施用器(直径3 cm)来产生近似窄束的照射野，射线源(施用器表面)与测量仪器有效探测点之间的距离为1 m，屏蔽材料置于距射线源30 cm处的位置。屏蔽材料的尺寸均远大于照射野尺寸，从而实现有效的射线屏蔽。计算屏蔽材料引入后与引入前所测得剂量率结果的比值得到屏蔽材料对于设备所产生低能X射线的透射系数。用于测量的屏蔽材料包括：1和2 cm厚度的固体水板，标称0.25和0.5 mm铅当量的防辐射围裙，INTRABEAM系统配备的标称0.05 mm铅当量的柔性屏蔽贴片。

6. 模拟治疗情况下周围剂量当量率测量：应用INTRABEAM系统尺寸最小的球形施用器(直径15 mm)，在设备处于最高工作条件下测量此施用器分别置于空气中和水中5 cm深度时(使用外形尺寸20 cm×20 cm×30 cm的有机玻璃材质小水箱)，距离射线源1和2 m处的周围剂量当量率水平(射线源点和测量点均位于地面上1.5 m高度处)。与此同时测量一个可移动医用射线防护屏的应用效果，将防护屏置于距射线源1.7 m处的位置，测量防护屏后30 cm处的周围剂量当量率。防护屏由上半部分的透明铅玻璃和下半部分的铅板构成(高2 m×宽1.2 m)，其标称防护效果为2 mm铅当量(120 kV管电压)。

1. 屏蔽需求计算结果：表 2列出了GBZ 121-2020标准[5]、IPEM 75号报告[6]和NCRP 151号报告[8]对于所评估IORT治疗室外各个关注点的屏蔽效果评价指标。标准和指南均采用了周剂量限值作为屏蔽效果的评价指标之一，并且均依据关注点处驻留人员的类型来设置不同的控制目标值。GBZ 121-2020标准[5]对于公众的周剂量限值与IPEM 75号报告[6]的相应限值接近，而对于放射工作人员的周剂量限值则为IPEM 75号报告[6]中相应指标的5倍，与NCRP 151号报告[8]中的限值保持一致。对于剂量率相关评价指标，GBZ 121-2020标准[5]采用了IDR限值作为评价指标，IPEM 75号报告[6]和NCRP 151号报告[8]均采用TADR限值作为评价指标。

依据不同标准和指南的屏蔽效果评价指标以及相应计算方法得到的所需铅屏蔽厚度如表 3所示。由表 3可以看到，无论依据何种标准或指南得到的关注点处所需屏蔽厚度的差异均较小，全部关注点处的所需铅屏蔽厚度值均 < 0.6 mm(等效混凝土厚度6.3 cm，石膏板厚度18.5 cm)，这显示出所评估IORT治疗室的辐射屏蔽需求较低。从整体上来看，依据GBZ 121-2020标准[5]计算得到的所需铅屏蔽厚度值相比于依据IPEM 75号报告[6]和NCRP 151号报告[8]得到的结果要大，但是绝对差异较小，仅为亚毫米级别。

2. 屏蔽材料透射系数测量结果：不同材料对于此IORT设备所产生低能X射线的透射系数测量结果如表 4所示。表中所列的理论透射系数是通过屏蔽计算时所使用的透射比拟合曲线得到的数据。测量结果显示1 cm厚度的固体水就可以使此设备产生的低能X射线强度衰减到入射线的25%，系统配备的屏蔽贴片可以将此低能X射线强度衰减到7%以下。从0.25和0.5 mm铅当量防辐射围裙透射系数的测量结果可以看出，放射诊断中常用的防护装置可以对此设备产生的低能X射线起到很强的屏蔽作用。

3. 模拟治疗条件下周围剂量当量率测量结果：应用球形施用器在空气中进行照射时，距离射线源1和2 m处测得的周围剂量当量率分别为10.7和2.6 mSv/h，周围剂量当量率数值与距射线源的距离大体上成平方反比关系。使用射线防护屏进行屏蔽后，在防护屏后30 cm处(距射线源点2 m处)测得的周围剂量当量率降低为9.8 μSv/h。由于2 mm铅当量防护屏的理论透射系数 < 2×10-10，这个测量结果反映出各向同性的射线分布导致散射线成为防护屏后剂量贡献的主要来源。应用球形施用器并将其置于小水箱中进行照射时，距离射线源点1和2 m处测得的周围剂量当量率分别为3.8和0.9 μSv/h，应用防护屏后的测量结果为环境本底水平(0.07~0.09 μSv/h)。

本研究分别依照我国职业卫生标准、IPEM和NCRP指南评估了一间低能X射线IORT治疗室的屏蔽需求。依据不同标准和指南进行屏蔽需求计算的过程中，使用的射线装置性能参数、工作负荷、居留因子、使用因子和屏蔽材料参数等均保持一致。不同标准和指南的主要差异表现在屏蔽效果的评价指标不尽相同，并且在屏蔽需求的计算方法上存在一定差别，从而导致计算得到的所需屏蔽厚度不同。从此低能X射线IORT治疗室屏蔽需求的计算结果可以看出，不同关注点位置所需铅屏蔽厚度的差异较小，依据不同标准和指南计算得到的所需铅屏蔽厚度值也仅有亚毫米级别的差异。计算结果显示0.6 mm铅当量的屏蔽即可满足全部标准和指南对于各个关注点的屏蔽要求，这反映出低能X射线IORT治疗室的屏蔽需求较低。同时，此屏蔽需求也低于我国GBZ 130-2020标准[15]中对于放射诊断机房的屏蔽要求。虽然本研究结果显示低能X射线IORT治疗室的屏蔽需求较低，但是此类术中放疗设备在结构设计、使用方式、应用场景和防护性能等方面具有独特性，需要针对其辐射防护开展更多深入的研究。除治疗室屏蔽设计和防护装置使用外，作为一类术中放疗技术应当关注治疗场所的防护设施、安全管理制度以及流程管理[16]，从而保证此类低能X射线IORT的辐射安全。

需要指出的是屏蔽计算中使用的工作负荷以及设备产生照射的最高剂量率均为保守数据。IORT需要配合外科手术来开展，手术相关工作均会长时间占用治疗室，同时IORT的实施需要治疗前准备、设备质控和计划设计等环节，因此每天实施2例治疗，每周工作5 d的周工作负荷是保守的考虑。此外，IORT实施过程中需要应用不同的施用器来实现相应的照射方案，屏蔽计算中使用的距离辐射源点1 m处达到79.2 mGy/h的最高剂量率是在没有施用器应用情况下的数据，临床使用中无法在不应用施用器的情况下实施照射，施用器的应用会对此低能X射线产生明显的衰减。研究中的实际测量结果显示，应用球形施用器后距射线源点1 m处的剂量率测量值仅为进行屏蔽需求计算时所用最高剂量率数据的13.5%。

所研究IORT设备产生的X射线能量较低，最高加速电压仅为50 kV，属于放射诊断设备所使用射线的能量范围，屏蔽材料透射系数的测量结果也显示放射诊断中常用防护装置可以对产生的射线起到很强的透射衰减。但不同于常见放射诊断设备，低能X射线IORT设备的照射剂量率较高，并且具有各向同性的射线分布。虽然放射诊断中常用的个人防护用品(如防护围裙、围巾和眼镜等)可以实现很强的射线衰减，但是无法提供全面的防护。研究中的测量结果也显示出防护屏后的散射线相比于透射线是主要的剂量贡献来源，因此应充分评估防护装置使用时可以达到的最终防护效果，贴近辐射源使用的柔性屏蔽贴片和大尺寸的防护屏是较为理想的防护装置。

本研究依据国内外不同标准和指南计算了低能X射线IORT治疗室的屏蔽需求，结果显示此治疗室的屏蔽需求较低。对于屏蔽材料透射系数、关注位置处周围剂量当量率水平以及防护装置屏蔽效果的实际测量结果显示此IORT设备所使用射线的有效能量较低，放射诊断中常用防护装置可以起到很强的屏蔽作用，但是所发出射线具有各向同性的分布，邻近未屏蔽辐射源位置的剂量率较高。在低能X射线IORT的临床应用中应当优化设计治疗室的屏蔽方案并且合理使用防护装置。

利益冲突  无

作者贡献声明  张达光负责屏蔽计算、数据测量和论文撰写；朱紫夕和孙佳娜负责数据整理和核对；田源负责论文修订和审核；王伟负责研究设计和论文审核