单室质子系统屏蔽体优化设计以及FLASH带来的挑战
国内计算瞬发辐射剂量通常用最大能量和最大流强来计算瞬发辐射的剂量。这种过保守的设计思路会造成巨大的资源浪费，尤其是质子治疗中心已经出现建设热潮，也将最终增加患者的费用，不利于质子治疗的健康发展。详情请见质子中国往期报道《FLUKA实操——质子治疗瞬发辐射剂量计算》。本文将按照临床实际情况进行设置束流损失，进而对单室质子系统屏蔽体进行优化设计，文末也将讨论FLASH这种新技术所带来的挑战。
类似于Hitachi和新瑞阳光的单室系统为例，加速器是同步加速器，没有降能器，建筑总占地约两三百平米。详情请见质子中国往期报道《质子治疗设备小型化与非主辐射》。
用SimplerGEO对加速器及束流线进行重新精细建模，为提高模拟的准确性，磁铁的线圈及冷却水，治疗头等子部件都体现在模型中，最后连带建筑体模型一起倒入到FLUKA文件中[1]。
由于每个患者不是只用230 MeV进行照射，经过病例统计统计后发现，用到不同能量的权重如下表。可见230 MeV其实用的很少，如果单用最高能进行设计，将过于保守。
这里还要假定机器一个合理的年工作量，因为患者也不是每天24小时连续照射的，包含摆位时间等。其实每个照野的出束时间很短[2]。
为了精细计算剩余放射性，每一天的工况也要根据实际情况做合理的假设，如下表。
经过多轮的优化设计发现，如果只用普通混凝土材料作为屏蔽体。其各个部位的厚度见下图。
下图中等高线中粉红是0.1 mSv的年剂量阈值，都在屏蔽体内部，即便经过如此精细的优化设计，最厚的部位也达到了3 m。紫色线是欧洲标准的1 mSv年剂量，最厚的地方需约1.5 m。深蓝色线是5 mSv年剂量。左图是等中心水平剖面，右图是等中心垂直剖面。
作为进一步优化，在屏蔽体中加入铁材料以降低整体厚度[3]。整体最厚的部位降为2 m。
可见年剂量粉红线0.1 mSv在屏蔽体内，1 mSv则只需要1 m的厚度。这将节省很大的空间。
剂量率的设计目标是1.5 uSv/h，如下图粉红线所示，均在屏蔽体内。
停机后，不同时间的剩余放射性强度见下图，主要是靶体和引出的部位比较强。因此加速器维护工程师和治疗技师需要特别注意。
速器维护工程师至少要等停机后10 min中再进入加速器区域进行维护。
下图是靶体随时间和空间的一个剂量变化曲线，由此可以计算治疗技师的受照剂量。
下图黄色面积是一个病人完成一个分次治疗后，治疗技师和患者家属所受到的剂量。
考虑到技师一年的工作量，保守估计总的剂量是1.04 mSv，而患者家属是0.12 mSv。
对于屏蔽设计，FLASH所带来的挑战是前所未有的，尤其是国内环保要求如此保守的前提下，没有一家已建造和在建造的质子重离子医院可以开展这项先进的研究。
FLASH的必然要求是推高加速器或者治疗头出口的束流流强，十倍甚至千百倍，我们仅推高5倍，1.5 uSv/h的等计量线在大部分区域已经超出屏蔽体的外轮廓，当推高10倍时，几乎所有的部位都无法满足法规要求了。因此就必须完全重新设计，可以想见屏蔽体将达到前所未有的厚度，或者只能建在地下。 (质子中国 编辑报道)