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医院机房辐射防护所用主要材料及先进工艺

王国成 秦楷  2017-08-02

 

随着科技日新月异的发展,普放科、核医学科、放疗科的诊断治疗设备不断更新换代,涌现出各种新技术与新设备,射线和放射性同位素在这些科室的医学诊断、疾病治疗和医学研究中发挥着至关重要的作用。同时,随着社会的发展与人们认知水平的提高,越来越多的人们能够客观的认识与接受医疗辐射,目前国内相关科室的发展也呈现快速发展势态,越来越多的人群将直接或间接地受到医疗辐射,出于对公众及医务工作人员的安全考虑,辐射防护工作必须得到重视,它也将成为医院安全管理工作中的重要环节。

本文将从辐射防护的基本原理、防护材料选择、防护施工工艺这三个方面展开讨论,重点在于后两者的探讨,分析对比现有各种常见材料及工艺的优缺点。

基本原理

探讨医院辐射防护,首先要清楚知晓辐射的分类与防护方式。根据辐射产生的来源可以分为外照射与内照射。外照射指体外辐射源对人体造成的照射,主要是X射线、γ射线、β射线等高能带电离子和中子束的照射;内照射指进入人体内的放射性核素作为辐射源对人体产生的照射。本文仅讨论外照射相关的防护,内照射防护不属于本文讨论范畴。对于外照射,其防护方式包括:时间防护、距离防护、屏蔽防护。具体防护原理分别如下,其中屏蔽防护将是本文所讨论的重点。

时间防护的原理:无论何种照射,人体受照累计剂量大小与受照时间成正比。接触射线时间越长,放射危害越严重。尽量缩短从事放射性工作时间,以达到减少受照剂量的目的。

距离防护的原理:某处的辐射剂量率与其离放射源距离的平方成反比,与放射源的距离越远,该处的剂量率越小。所以工作中要尽量远离放射源,也就是说在一定距离以外工作,使人们所受到的辐射剂量在最高允许值以下,就能保证人身安全,从而达到防护目的

屏蔽防护的原理:射线穿透物质时强度会减弱,一定厚度的屏蔽物质能减弱射线的强度,在辐射源与人体之间设置足够厚的屏蔽物(防护材料),便可降低辐射水平,使人们在工作时所受到的剂量降低至最高允许剂量以下,确保人身安全,达到防护目的。屏蔽防护根据所使用的放射源种类、用途和操作方式大致可分为:固定式防护,如防护墙、门、窗、铅玻璃观察窗、防护屏、放射性废物储存室、放射性衰变存储池等;移动式防护,如铅罐、移动式防护屏、注射用防护车等;个人防护用品,如防护帽、防护眼镜、防护手套等。

屏蔽材料的选择

众所周知,任何物质或多或少地都能使穿过其中的射线受到衰减,但不同物质对射线的衰减程度不同,也就意味着不是所有的材料都适合用作屏蔽防护材料,在选择时必须综合考虑其防护性能(通常用铅当量mmpb或比铅当量mmpb/mm表示)、结构性能和材料来源等因素。

屏蔽防护材料按结构特点和用途可分为四大类:重金属防护材料,如:铅、铁、钢、铜、钨等;建筑用墙体防护材料,如:混凝土、砖、复合防护材料、泥土等;软质防护材料,如铅橡胶、铅塑料等;透明防护材料,主要是铅玻璃、有机铅玻璃和水等。

而目前在医院防护工程中最常使用的材料主要有四种:混凝土、硫酸钡、铅、铅玻璃。

混凝土(简称砼),密度为2.3~2.4g/cm³,由水泥、沙子和水混合而成。其成本低廉,具有良好的结构性能,在工程中常用作固定防护屏蔽,既可防X射线、γ射线,也可防中子,是一种常用的墙体防护材料,尤其对高能辐射具有较好的防护效果。不过,混凝土作为防护材料其缺点是厚度大、体积大、自重量大、对空间与建筑结构的要求较高。

硫酸钡作为防护材料,其防护性能略高于普通混凝土,密度高,强度低,造价适中。但是,其施工工艺条件要求高,尤其是对配比、挂网和保持饱满度要求高,需保证其附着力、密度和不开裂。另外,墙体所占空间稍大,容易开裂(须注意年检问题),一旦出现问题或者年检不合格,需把外装饰拆掉解决防护问题后再重新恢复,给医院造成很大损失;无法重复使用,废弃时需要作为医疗废物进行专业处理。所以硫酸钡多用作配合材料。

铅作为屏蔽防护材料,用途很广泛,包括固定式防护、移动式防护和贮源容器等。铅(pb)的原子序数是82,密度11.34g/cm³,熔点327.4℃,布氏硬度4.0,抗压强度154kgf/cm²,伸长度45%。具有耐腐蚀和强衰减X射线、γ射线的特征,易加工成型,是一种良好的防护材料。但相比其它防护材料,铅的价格较昂贵,对于高能X射线和γ射线衰减能力有所下降,机械强度差,用做防护材料需要夹持固定在铁板或木板上,以防止重力作用下产生下垂。

目前国产铅玻璃中,常见密度有4.2g/cm³、4.6g/cm³、4.8g/cm³,对医用诊断X射线(能量范围80-120keV)的比铅当量大约为0.2mmpb/mm0.24mmpb/mm0.26mmpb/mm。铅玻璃含铅量越高,其密度越大,比铅当量越高,但颜色变黄,表面硬度降低,易氧化和变色,致使透光率降低。铅玻璃是防护室和防护屏上用做观察窗的必备防护材料,所需厚度需根据实际情况计算确定。

考虑到以上四种常见材料各自的优缺点,做好医院辐射防护工作,需要结合辐射产生原理和防护原则,以及医院自身的实际情况(机房空间尺寸、结构、设备参数、经济条件)等多方面因素综合考虑,合理选择防护材料,以达到防护效果与利益最优化。另外,先进的施工工艺对于防护材料的应用起到不可或缺的作用,下面将对一些常见的机房防护施工工艺进行讨论。

防护施工工艺

医疗辐射防护的涉及面很广泛,包括回旋加速器区域防护、核医学科整体防护、核素治疗病房防护、普放科机房防护、放疗科机房防护、放射性废物废气废液处理等,且其中每一项都是一个庞大而复杂的系统性工程。本文,我们仅围绕产生辐射的机房这个六面体空间,探讨其现有的常见防护施工工艺。

机房内部的防护应根据机房墙体已有现状、设备仪器型号及参数等因素,科学计算防护当量,再对机房内部的墙、顶、地、门窗、管道线缆、开关插座等进行防护施工。如科学计算结果表明,原有墙体满足防护要求,一般是指原有墙体的材质及厚度能对射线产生足够大的衰减,则无需额外增加防护层;如不能满足防护要求或者准确来讲是某些墙面不能满足防护要求,则需额外增加防护层。

其中墙面与顶、地相比,其施工工艺种类繁多,基本涵盖了顶面、地面的施工工艺种类,另外,防护门是整个机房的代表,同时也是整个机房防护的薄弱环节,对它的质量和工艺要求很高。因此,下文将重点讨论墙面和防护门所涉及的各种工艺,并对顶、地、防护窗等进行简单阐述。

墙面防护施工工艺

*硫酸钡材料墙面防护施工工艺

建筑物待装饰墙壁表面均为多孔型水泥性墙体,其干燥速度受气候、温度、湿度、材料种类与保水性等诸多因素影响,另外墙体内可溶性盐类、气体水分的渗入对金属构件将产生腐蚀,且墙面附着力如不够将可能将出现硫酸钡层不牢固。考虑到这些问题,首先应采取相应的底材处理(清理+拉毛)。即清理表面颗粒和疏松附着物,并用水泥或腻子补平表面细小的孔洞、凹陷及缝隙,再用水泥界面剂充分搅拌均匀后,在墙上甩刷一遍,就会增加粗糙度,以提高墙面附着力。

待拉毛层完全干燥后再开始面涂。即将含硫酸钡80%以上的重晶砂与水泥按照一定比例(一般3:14:1)混合并充分搅匀,根据施工需要酌情加入适量清水(一般不超过10%)调稀后开始涂抹;涂抹完第一遍后待完全硬干后(最少2小时以上),再开始涂抹第二遍。在涂抹过程中须注意,一旦发现有漏底或不均匀的地方应随时补刷,发现有裂缝必须铲除重抹。遵循先横抹、略干后再竖抹的顺序,每次涂抹厚度控制在1.2cm以内,反复多次涂抹,保证墙面不开裂、不起皮、不脱落,直至达到技术要求的铅当量厚度。

此工艺材料价格相对低廉,但施工进度很慢,每涂抹一遍需等完全硬干后方可涂抹第二遍,工期很长;涂抹总厚度有限,为20~30mm(约1-2mmpb);如超过30mm,必须在每涂抹完一遍后挂钢网再进行下一遍涂抹,即使采用挂钢网这种方式,涂抹总厚度与基层墙体材质有关,总防护当量约5~6mmpb;如所需防护当量更大时,可采用硫酸钡植筋钢筋绑扎支模板的工艺。

硫酸钡涂料容易开裂且容易下坠,一旦开裂或下坠,将产生射线泄漏,改进的硫酸钡挂钢网上墙工艺和硫酸钡植筋钢筋绑扎支模板的工艺,虽然在一定程度上增加了防护当量、减少了不规则裂缝的可能性,但是其裂缝下坠、防护当量受限、体积大、工期长、需定期年检、可重复率低的特点没有实质改观,除了需要对经济因素进行特殊考虑的项目以外,目前在国内各大医院机房墙面防护建设中已不多见。

*铅板直接上墙墙面防护施工工艺

铅板较硫酸钡具有更好的防护性能,应选用纯度不小于99.9%的电解铅。

直接上墙面的工艺相对简单,即:首先根据楼层标高水平线、沿墙四周弹顶棚标高水平线、找出房间中心点,并在墙上画好铅板分档位置线;然后裁剪铅板并进行编号,裁剪时需考虑预留以便铅板搭接(长度不小于20mm),编号的目的是为了方便快捷的施工;接下来加上一小块铅板用做垫片并用钢排钉将垫片和铅板一同固定在墙上,随后进行回铅处理将钉尾遮盖,彻底防止辐射泄漏,钢排钉间距一般为250mm*250mm;对于搭接处采用双层铅板,搭接量在10mm~20mm,对管道/线盒等需回铅处理的地方进行回铅处理;最终复查牢固程度、水平度、搭接是否严密等。

铅板射钉直接固定的方式,防护效果不错,工艺流程也较简单,工期短。但是由于铅板比重大、质地柔软,且纯度越高越软,牢固度、水平度很难把控,搭接处/钉眼处/管道线盒等细微处的处理要求高。若按此工艺,时间久了便会产生下坠脱落,从而造成射线泄漏,并且维修费用高,需要把外装饰拆开后检查,这样也就与硫酸钡造成的后果一样了,目前这种铅板直接上墙的工艺已逐渐被淘汰。

*钢龙骨+铅木复合板墙面防护施工工艺

相对于前几种墙面防护工艺,目前采用较多的做法是镀锌钢龙骨+铅木复合板。其具体工艺如下:

根据设计要求制作钢龙骨,竖向龙骨以设计要求标高来确定长度,横向龙骨以600mm截断;然后先把竖向龙骨与固定在墙面上的膨胀栓焊接牢固并进行找平,再把横向龙骨焊接牢固并进行找平,再对所有焊接部位进行防锈处理;龙骨结构搭建完毕后需复查牢固度、水平度和防锈处理效果,均验收合格后方可进行下道工序;随后是将铅木复合板固定在龙骨结构上,再补上铅钉并进行钉眼回铅处理等。

其中,铅木复合板的制作工艺也是整个防护施工工艺中的重要环节之一,目前行业内采用的方法是:铅板选用纯度不小于99.9%的电解铅;木料通过蒸汽烘干使含水量小于12%,表面经过精刨打磨,并经防火防腐处理以形成保护层;再通过200吨的热压工艺将铅板与木板制作成一体化复合板。

采用镀锌钢龙骨+铅木复合板防护,其优点众多:具有优良的防护效果,与硫酸钡相比不存在开裂的可能,与铅板直接上墙相比不会出现铅板下坠,完全杜绝了射线泄露的可能性;最大程度节省空间,提高房间的使用面积,与硫酸钡防护相比,相同的防护当量情况下,厚度大大减小;环保且可回收利用,如遇改造或搬迁,铅木复合板可拆下后直接重复利用;使用寿命长,无需任何维护;能够充分保证墙面基层平整,且完工后最外层为木板,这些都为后续的内部饰面装饰提供了很好的条件;工艺简单,提高了整体安装速度,大大缩短工期,节约时间成本。

此施工工艺在目前医院机房墙面防护中最为常见,值得推广。

顶面防护施工工艺

顶面多为混凝土结构,如原顶面墙体厚度不够而不能满足防护要求,需要额外增加防护,常见的工艺有三种。

*顶面楼板上部直接铺铅板

将铅板铺设在地面底部,然后在其上方打垫层将铅板固定即可,此种工艺相对简单,防护效果也很好。

*顶面楼板上部铺硫酸钡水泥

工艺流程大致如此:先进行基层处理(清理浮浆、松动混凝土、砂浆等);然后根据墙上的+50cm水平标高线,往下量测出垫层标高;再将水泥、重晶砂、重晶石和水按一定比例混合,且应注意投料顺序、控制水量、搅拌均匀与搅拌时间;随后铺设硫酸钡混凝土,并振捣与找平;后续还应以覆盖和浇水的方式进行养护。此种工艺相比直接铺设铅板要复杂得多,各项操作注意事项繁多,如操作不当后续可能出现地面防护层开裂,且其防护当量受垫层厚度制约。

*顶面下部采用镀锌钢龙骨+铅木复合板

此工艺用在顶面防护上,与用在墙面上基本一样,前面已详细介绍,这里不再重复。相比顶面楼板上部直接铺设铅板或硫酸钡水泥,其优点主要体现在:不受上层楼板地面限制,防护当量在允许范围内可足够大,管道电缆的铺设可隐藏在龙骨层内,复合板的表面更适合各种饰面装饰。

总之,当上层楼板地面满足施工要求时,可选择上层地面直接铺铅板或者铺硫酸钡水泥的方式;如不满足施工要求,则只能选择镀锌钢龙骨+铅木复合板的方式。

地面防护施工工艺

地面防护与顶面防护极为相似,主要是采用铅板直接铺设或硫酸钡水泥直接铺设。除此以外,也可考虑浇筑适当厚度的混凝土,此工艺较简单,这里不做详细介绍。

防护门施工工艺

防护门在整个机房防护工程中具有重要地位,代表着医院形象,除了美观以外,质量更为重要。防护门是动态的,使用频率高,重量大,易疲劳磨损与下坠,是整个机房防护的薄弱环节,因此医院辐射防护工程对于防护门的质量及工艺要求很高。

市面上的防护门种类繁多,其中不乏一些劣质产品及传统工艺。其外表是不锈钢,里面却粗制滥造,有的填充硫酸钡复合板(易开裂下坠),有的采用回收铅(纯度不够、防护效果不佳),安装完毕后在使用初期没有问题,可是随着时间的推移,会不断出现开裂或变形,从而造成门体功能失常和射线泄露。其大致工艺流程是:按照门洞及设计尺寸制作好龙骨(有的甚至不进行防腐处理);在龙骨基础上固定合适当量的防护材料;在外层包裹不锈钢板,接缝处进行焊接处理(焊点易开焊起鼓),即完成门体的制作。

另外,有的手动防护门选用劣质五金件或采用传统合页,由于防护门重达上百公斤,使用时间稍长后便会出现五金件功能失灵、合页变形、门扇下坠而造成剐蹭墙面或地面,导致门体不能正常开关甚至出现射线泄露。

有的重型防护门采用地面滑轨方式,其设计、施工难度低,可实现地面无缝隙,避免门缝处射线泄露的麻烦。但这种方式的弊端是:重型门重达几吨,地轨受力较大极易出现故障或损坏,一旦出现问题维修较麻烦;门槛、地轨使患者或伤残人士进出机房极为不便,可能被绊倒;不易清洁或存在清洁死角。

以上这些问题与弊端,如果采用合适的防护材料、合理的结构设计、先进的生产工艺,都可以很好地避免与解决,以实现门体防护的最优化。

目前比较先进的防护门体采用数控加工后经200吨的智能热压温控设备一次性冲压成型;采用特殊拉铆钉结构固定,无任何焊接,保证门体永久性的平整度、不空鼓、不变形;门体内部采用平衡附铅设计,在保证防护效果的前提下也使得门体受力更均匀;采用天地轴合页设计,使门体受力均匀、经久耐用,永久性地避免因门扇下坠而造成射线泄露;表面处理工艺多采用抗指纹不锈钢、静电粉末喷涂或木纹转印,且木纹效果或喷涂颜色可定制,美观大方,使门体与整体装修融为一体;在停电时可以手动轻松开启;电动防护门还设置有安全防夹传感装置、门机联锁、射线警示灯、辐射警示标志等。

 

防护窗施工工艺

防护观察窗用于工作人员观察机房内部使用情况,目前均采用铅玻璃制作,施工工艺较统一。其安装是在墙面大部分防护、装饰完成以后进行。具体工艺流程如下:参照设计要求尺寸与实测尺寸,对铅玻璃进行相应裁割,检查边缘不得有缺角等任何破损情况,必要时应做再加工处理或更换;安装窗框;安装铅玻璃,安装前应将玻璃双面擦拭干净,用钢丝卡固定,间距不得大于300mm,且每边不得少于两个,如采用橡皮垫,应先将橡皮垫嵌入裁口内,并用压条和螺丝钉加以固定;最后用1.0mm拉丝不锈钢包边,或采用喷塑钢板包边。广角收口方式,以保证医生的观察视野。

 

结语

以上介绍了医院机房防护工程中常见的几种防护材料和施工工艺,每一种都有其各自的特点与适用范围,没有绝对的优劣之分。同时,有射线产生的机房种类繁多,常见的有X光室、DR室、CT室、DSA室、PET室、PET/CT室、SPECT/CT室、直线加速器室等,其防护等级与防护要求各有不同。因此,做好医院机房的辐射防护工程,需要结合医院自身实际情况,综合考虑众多因素,包括建筑结构现状、设备参数型号、资金预算等,科学合理地选择防护材料与施工工艺,以达到防护效果的最优化与医院利益最大化,这不仅关系医院的运营效益,也关系大众及工作人员的健康,以及对环境的保护

 

王国成  秦楷  华克医疗科技(北京)股份公司

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