嚴(yán)寒地區(qū)醫(yī)用直線加速器通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（下）
摘要 醫(yī)用直線加速器是指用于放射腫瘤治療的微波電子直線加速器，是目前最主要的放射治療設(shè)備，是治療腫瘤的一種新方法, 大型醫(yī)用直線加速器正在進(jìn)入各類(lèi)醫(yī)院用于腫瘤患者的治療。本文通過(guò)對(duì)醫(yī)用直線加速器原理及污染源分析，在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中降低直線加速器對(duì)周?chē)h(huán)境及患者的影響。并通過(guò)介紹嚴(yán)寒地區(qū)實(shí)際工程，介紹了在設(shè)計(jì)工作中醫(yī)用直線加速器室的通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞 嚴(yán)寒地區(qū) 通風(fēng) 空氣加熱器 空調(diào)
醫(yī)用電子直線加速器是指用于腫瘤放射治療的微波電子直線加速器（microwave electron linear
Accelerator，LINAC）, LINAC是linear accelerator的縮寫(xiě)，中文簡(jiǎn)稱(chēng)“直加”是指電子從微波電磁加速場(chǎng)獲得能量并延直線軌道加速運(yùn)動(dòng)醫(yī)用電子直線加速器按加速的電磁場(chǎng)形態(tài)不同分為行波直線加速器和駐波直線加速器[1] [2] [3] [4]。
醫(yī)用直線加速器是一種能對(duì)腫瘤病人進(jìn)行放射治療的設(shè)備，屬乙類(lèi)大型醫(yī)用設(shè)備。它通過(guò)對(duì)中子進(jìn)行加速轟擊腫瘤細(xì)胞從而殺死腫瘤細(xì)胞和病變組織達(dá)到治療的效果。由于電子直線加速器對(duì)病人產(chǎn)生的副作用小、療效顯X線和電子束輸出量大，射野大的特點(diǎn)，醫(yī)用電子直線加速器成為了目前最常用的放療設(shè)備。并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備不斷推陳出新，從上世紀(jì)80年代以前的常規(guī)放療到當(dāng)今的圖像引導(dǎo)放射治療，各類(lèi)醫(yī)院都正在建設(shè)直線加速器機(jī)房用于腫瘤患者的放射治療[5]。
在嚴(yán)寒地區(qū)，由于其氣候因素使得加速器通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有異于其他地區(qū)的設(shè)計(jì)
2、醫(yī)用直線加速器實(shí)際案例分析
該工程為嚴(yán)寒地區(qū)某醫(yī)院的新建工程。兩個(gè)直線加速器位于地下一層。每個(gè)直線加速器室?guī)б婚g控制室和水冷控制室。設(shè)置患者候診區(qū)、模具等設(shè)備存放間、設(shè)備用房等。風(fēng)機(jī)房位于地下一層直線加速器室的旁邊。
2.1 冷熱源設(shè)計(jì)
由于直線加速器的使用時(shí)間與其他科室有差別，放射科室部分房間空調(diào)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，功能房間采用多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)方式，本工程放射科采用變頻多聯(lián)機(jī)+換熱站熱水作為冷熱源，室外機(jī)設(shè)在本工程屋面。根據(jù)直線加速器廠家提供的設(shè)備熱負(fù)荷為基礎(chǔ)進(jìn)行冷熱源選型依據(jù)，見(jiàn)表2。冬季室內(nèi)空調(diào)計(jì)算溫度為24℃，相對(duì)濕度為40%；夏季室內(nèi)空調(diào)計(jì)算溫度為25℃，相對(duì)濕度為60%（室外設(shè)計(jì)參數(shù)選用新疆烏魯木齊的室外參數(shù)）。
在嚴(yán)寒地區(qū)，直線加速器換氣次數(shù)為10次/h，導(dǎo)致室內(nèi)空氣溫度不能保證，本工程選用附加熱盤(pán)管的直流式新風(fēng)機(jī)，附加空氣加熱器選用SRL型加熱器，熱源采用一次熱水120/70℃，加熱器換熱面積計(jì)算采用式2-1、式2-2、式2-3、式2-4。
(2.1)
(2.2)
(2-4)
式中 Q—直線加速通風(fēng)熱負(fù)荷，KW；
cp—空氣比熱容，1.01kJ/（kg·℃）；
G—被加熱空氣量，kg/s；
t1—加熱前空氣溫度，℃；
t2—加熱后空氣溫度，℃；
Q’—加熱前供給熱量，KW；
K—加熱器傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；
—熱媒與空氣之間的平均溫差，℃。
冬季直線加速器室室內(nèi)機(jī)不需承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷，只作為備用熱源及夏季使用，所以直線加速器室所選室內(nèi)機(jī)以夏季冷負(fù)荷選取，取兩臺(tái)制冷量為12.5 KW嵌入式四面出風(fēng)室內(nèi)機(jī)（自帶冷凝水提升泵）�？刂剖疫x室內(nèi)機(jī)制冷量為3.6Kw，四面出風(fēng)型。直線加速器自身的冷卻由配套的冷卻水系統(tǒng)冷卻。
2.2 通風(fēng)設(shè)計(jì)
加速器在運(yùn)行過(guò)程中空氣在強(qiáng)電離輻射的照射下，會(huì)產(chǎn)生少量對(duì)人體有害的O3和NOX。當(dāng)用X射線＞10MV時(shí)還會(huì)產(chǎn)生微量感生放射性物質(zhì)。在相同的條件下，O3的輻射產(chǎn)額為NOX的3倍，而O3的允許濃度比NOX約低17倍，感生放射性物質(zhì)的壽命很短。由于臭氧的毒性大，產(chǎn)額高，且能使橡膠等材料加速老化，全面通風(fēng)系統(tǒng)按稀釋O3所需的空氣量計(jì)算通風(fēng)次數(shù)，取臭氧的濃度限值為0. 3mg /m3。通風(fēng)管道和電纜管道設(shè)計(jì)成“Z”形，并避開(kāi)加速射束的方向和輻射發(fā)射率峰值方向。
直線加速器室產(chǎn)生的O3一部分由通風(fēng)系統(tǒng)排到室外，另一部分自然分解。治療室某時(shí)刻平均濃度可用式（2-5）計(jì)算。
式中 —治療室t時(shí)刻O(píng)3的平均濃度，mg/m3；
Q0—臭氧的輻射化學(xué)產(chǎn)額，mg/h(根據(jù)中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志，1994年4月第14卷第2期P101，輻射所致臭氧的估算與分析)，本工程臭氧產(chǎn)額為40g/a；
V—直線加速器體積（含迷道），m3；
T—有效清除時(shí)間，h；
tv—換氣一次所需時(shí)間，h；
td—抽煙有效分解時(shí)間，取0.83h，h；
根據(jù)不同加速器O3產(chǎn)額不同，計(jì)算相應(yīng)的全面通風(fēng)量，本工程選用10次/h，工作場(chǎng)所O3濃度0.006<0.3mg/m3。通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮壓力梯度，感生放射性氣體和有毒氣體的區(qū)域的空氣壓力略低于周?chē)渌麉^(qū)域的壓力, 以避免有害氣體擴(kuò)散到其他區(qū)域。通風(fēng)系統(tǒng)的排氣口安裝在建筑物外面, 并遠(yuǎn)離進(jìn)氣口, 防止排出氣體的回流。O3及NOX經(jīng)過(guò)排風(fēng)管道排至室外，經(jīng)過(guò)大氣的稀釋和擴(kuò)散作用其濃度進(jìn)一步降低，遠(yuǎn)低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中O3的1小時(shí)平均濃度限值(0.2mg/m3)，對(duì)周?chē)髿猸h(huán)境的影響十分輕微，因此直接排至室外不會(huì)導(dǎo)致周?chē)h(huán)境O3濃度的顯著提高。
通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，回風(fēng)管道均設(shè)計(jì)粗效過(guò)濾器，以滿足直線加速器室內(nèi)空氣中固體顆粒物不大于10μｍ的要求。直線加速器消防設(shè)計(jì)中采用氣體滅火系統(tǒng)，由于機(jī)房屏蔽墻厚度較大，留洞難度大，所以平時(shí)通風(fēng)和氣體滅火后排風(fēng)共用同一套管路。因此排風(fēng)口設(shè)置在機(jī)房下部，利于有害物質(zhì)排出。機(jī)房發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由消防控制室或現(xiàn)場(chǎng)控制關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)和電控防火閥，待氣體滅火完畢后，再控制開(kāi)啟風(fēng)機(jī)和防火閥排除室內(nèi)廢氣，直線加速器機(jī)房的室內(nèi)外均設(shè)風(fēng)機(jī)和閥門(mén)控制開(kāi)關(guān)。
空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)精確控制室內(nèi)溫度, 但相對(duì)濕度控制不是非常精確，直線加速器內(nèi)的電離室對(duì)環(huán)境干濕度要求很高, 一般濕度不得大于65%, 否則機(jī)內(nèi)電離室將有可能潮解損壞, 在潮濕地區(qū)增加除濕器，保證直線加速器室內(nèi)的相對(duì)濕度維持在65%以下。
2.3 通風(fēng)及空調(diào)工程預(yù)埋管道設(shè)計(jì)
本工程直線加速器機(jī)房的屏蔽墻采用混凝土一次性澆鑄而成，預(yù)埋管道墻體厚度為1200mm，墻體預(yù)埋管道主要為通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)管道，包括：送風(fēng)回風(fēng)系統(tǒng)的預(yù)埋管、直線加速器冷卻水系統(tǒng)的預(yù)埋管、室內(nèi)機(jī)冷媒的預(yù)埋管和氣體滅火泄壓口預(yù)埋管共5套。由于圓形管道承壓比矩形管道承壓好，因此預(yù)埋管均采用圓形不銹鋼管道，送回風(fēng)管的預(yù)埋管均為φ400；氣體滅火泄壓口預(yù)埋管φ450；室內(nèi)機(jī)冷媒的預(yù)埋管φ150。上述預(yù)埋管必須跟混凝土澆鑄同時(shí)澆筑，一次成型。
為盡量減小穿混凝土屏蔽墻的面積，保證直線加速器外輻射滿足限值要求。預(yù)埋管方式主要 “Z”字形埋管。通風(fēng)管道在直線加速器防護(hù)門(mén)上方預(yù)埋管道進(jìn)入室內(nèi)。直線加速器室的空調(diào)通風(fēng)平面參照?qǐng)D3，直線加速器室的預(yù)埋管剖面參照?qǐng)D4。預(yù)埋套管使剪力墻的局部厚度減小，因此，應(yīng)根據(jù)關(guān)于職業(yè)放射工作人員劑量限值 ((周劑量限值取0.02msv/w)，核算局部厚度最小處是否滿足。本工程需核算電動(dòng)門(mén)口上方屏蔽墻體的厚度。經(jīng)計(jì)算，本工程的埋管做法滿足理論要求。
3、設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題
3.1 直線加速器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生高速電子及其X射線，治療室中屏蔽墻體應(yīng)充分考慮周?chē)h(huán)境的輻射劑量，確保輻射劑量在限值內(nèi)，杜絕對(duì)有關(guān)人群構(gòu)成損害，在屏蔽墻體內(nèi)預(yù)埋管道導(dǎo)致防護(hù)等級(jí)降低，應(yīng)該進(jìn)一步驗(yàn)算滿足理論要求，并在施工前進(jìn)行各管路綜合分析，確保屏蔽墻一次澆筑。
3.2 本工程風(fēng)管采用“Z” 字形埋管，并保證在屏蔽墻體內(nèi)完成“Z” 字形，保證射線通過(guò)風(fēng)管管道泄漏。
3.3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在嚴(yán)寒地區(qū)熱負(fù)荷與冷負(fù)荷差別較大，采用在新風(fēng)機(jī)前加空氣加熱器，采用一次高溫?zé)崴M(jìn)行新風(fēng)預(yù)熱，保證送入直線加速器內(nèi)空氣溫度達(dá)到送風(fēng)要求，冬季減少多聯(lián)機(jī)室內(nèi)機(jī)的開(kāi)啟頻率。
3.4 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用直流式空調(diào)系統(tǒng)，避免回風(fēng)中有害氣體進(jìn)入新風(fēng)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 仲茜,張繼偉,張巍.電子加速器機(jī)房的建筑設(shè)計(jì)[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),1999,14(3):29-33.
[2] 楊紹洲,康立麗,劉曼芳.國(guó)外醫(yī)用直線加速器的進(jìn)展[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2002,3:25-26.
[3] 李智慧,張金泉,劉勇.蘭州重離子直線加速器設(shè)計(jì)初步[J].高能物理與核物理,2006,30:129-131.
[4] 黃山,吳虹.醫(yī)用直線加速器機(jī)房的空調(diào)與通風(fēng)設(shè)計(jì)[J].空調(diào)制冷,2013,43:144-145.
[5] 溫莉琴.醫(yī)用電子直線加速器及機(jī)房的屏蔽防護(hù)[J].海峽科學(xué),2010,6:64-65.
[6] 王赟,鄔家龍,羅偉立.甘肅省某醫(yī)院新建醫(yī)用電子直線加速器機(jī)房建設(shè)項(xiàng)目職業(yè)病危害因素控制衛(wèi)生學(xué)評(píng)價(jià)[J].疾病預(yù)防控制通報(bào),2013,28(4):28-30.
[7] 陳飛霞.某醫(yī)院電子直線加速器運(yùn)行期環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J].海峽科學(xué),2010,2:38-40.
[8] 王瑩.某醫(yī)院新建直線加速器項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J].中國(guó)輻射衛(wèi)生,2006,16(1):72-74.
[9] 陳登源,盧換平,張林燕.15MV醫(yī)用直線加速器舊機(jī)房改建項(xiàng)目研究[J].醫(yī)療裝備,2104,27(11):1-3.