多项临床前研究表明，FLASH照射对比常规剂量率照射，在杀死肿瘤的同时，能有效保护正常组织^[1-2]，相关临床研究也逐步开展^[3-4]。而治疗室的辐射屏蔽防护是实现其临床应用的前提条件^[5]。治疗室屏蔽设计的优化工作也亟待进一步完善，美国马里兰大学16 MeV电子FLASH(34.5 Gy/s)控制室剂量率为10 μSv/h^[6]，符合美国标准(≤20 μSv/h)^[7]，却高于我国(≤2.5 μSv/h)^[8]；辛辛那提儿童医院质子FLASH疗室外瞬时剂量率可能高达68 μSv/h，但年累积剂量仅为0.49 mSv^[9]；佐治亚理工学院X射线多层屏蔽模拟结果符合美国标准，但仍需实测^[10]。

本研究用Geant4模拟9 MeV电子FLASH(e-FLASH)治疗室辐射场，计算不同控制区域(如控制室、防护门等)工作人员可能受到的年度职业照射剂量。并采用AT1123辐射检测仪对关键点位进行现场测量，验证数值模拟的准确性。

1.加速器：使用e-Flash 200A加速器(绵阳中玖闪光公司)进行FLASH照射。该加速器的电子标称能量为9 MeV，通过调节加速器脉宽和频率，可实现常规辐照模式(平均剂量率0.15 Gy/s)以及FLASH辐照模式(最大平均剂量率250 Gy/s)。设备配备了可更换限光筒，其直径范围Ф30 ~ 100 mm(步进5 mm)，束流可选角度包括0°、15°和30°，可满足多种治疗需求。采用六自由度大负载机械臂系统，具有高精度定位，灵活运动等优势。采用30 cm × 30 cm × 25 cm的水箱作为测量装置并固定于治疗床上，保持机头垂直向下照射，使用直径10 cm的限光筒，角度0°，以水下1.7 cm深度处(最大剂量点)作为参考测量点，源皮距为50 cm条件下，该参考点的平均剂量率为250 Gy/s。

如图 1A所示，加速器放置于治疗室内，治疗室主体尺寸为860 cm × 1 240 cm × 880 cm，与另一间治疗室共用的墙体厚度为200 cm，独立墙体厚度为60 cm，天花板厚度50 cm，防护门的厚度为60 cm，尺寸为60 cm × 300 cm × 700 cm，材料均为混凝土，密度为2.3 g/cm³。图 1B为e-FLASH加速器治疗头，由准直器和限光筒划定辐照场，并通过快速电流互感器收集电流信号，同时借助透射式平板监测电离室实时在线监测剂量。

图 1 电子线FLASH加速器治疗室(A)及治疗头(B)模型 Figure 1 Model of e-FLASH accelerator treatment room (A) and accelerator treatment head (B)

2.蒙特卡罗程序：本研究采用欧洲核子研究中心(CERN)开发的Geant 4.11.3蒙特卡罗模拟程序进行粒子输运计算，该程序基于C++架构，具有开源、可扩展性强、物理过程丰富等特点^[11]。计算采用“G4EmStandardPhysics_option3”电磁相互作用模型，该模型能够描述伽马射线及带电粒子(如电子、正电子等)在介质中的输运过程。兼顾计算精度与效率，模拟采用10⁹粒子数，在Windows Server 2016[64位操作系统，lntel(R) Xeon(R) Platinum 8358 CPU 2.60 GHz，128个逻辑处理器]下进行，使用50线程并行计算。探测器网格尺寸设置为10 cm×10 cm×10 cm，并采用0.05 mm的粒子射程截断阈值。记录电子、伽马射线在各类介质中的能量沉积分布。模拟中最大剂量率与实验条件一致，设定为250 Gy/s。基于电子与光子的品质因子均为1(即1 Gy = 1 Sv)，结合单次出束时间0.2 s，可直接换算得到剂量当量率。

3.辐射测量仪：AT1123便携式X/γ辐射剂量率仪(15 keV~10 MeV，Atomtex公司，白俄罗斯)具备持续辐射(50 nSv/h~10 Sv/h)、短时辐射(5 μSv/h~10 Sv/h)及脉冲辐射(0.1 μSv/h~10 Sv/h)测量能力，最小可检测辐射脉冲为10 ns。针对e-FLASH放疗系统(最大剂量率250 Gy/s，ms级出束)，该仪器可准确测量治疗室外剂量率。仪器经国家认证研究机构年度校准(编号：校准字第202501102016号，溯源至中国测试技术研究院基准)，所有测量操作均在校准有效期内执行。

4.测试方案：通过AT1123辐射监测仪控制面板切换至脉冲测量模式，可实时采集瞬时剂量率，剂量率读数动态误差显示于主参数区下方。测量仪被放置在与参考点同一高度(离地113 cm)的平面上，共取3个测量点T1、T2和T3(各点距屏蔽墙30 cm，空间分布参见图 2)。每个测量点与源中心连线垂直于屏蔽墙。辐照参数设置如下：参考点处单次剂量为50 Gy，剂量率为250 Gy/s，各次辐照间的时间间隔设置为5 min。

图 2 治疗室测试点位俯视图 Figure 2 Top view of measuring points in the treatment room

1.辐射场分布：为分析空间分布特征，沿治疗室坐标系x、y、z 3个正交方向，通过剂量率最大值所在位置进行二维切片，获取从治疗室内至墙外30 cm区域的剂量当量率分布。如图 3所示，e-FLASH治疗室辐射场剂量当量率分布，参考点(离地113 cm)处治疗束剂量率为9×10¹¹μSv/h，经过模体后射线向周围散射，随着离源距离的增大剂量率逐渐下降，在模体周围，等剂量线近似呈圆形分布，门内(门内侧正中，离地100 cm)辐射水平下降至3.7×10⁴ μSv/h，经防护门屏蔽，剂量率衰减至2.5 μSv/h。2 m厚的水泥屏蔽墙(墙外30 cm，离地100 cm)使主体区域剂量率衰减至5 μSv/h以下。局部区域因金属部件散射或射线叠加，瞬时剂量率可达100 μSv/h，但按小时平均剂量率(5 min/次)计算为0.067 μSv/h，低于国家标准限值(10 μSv/h)。

图 3 电子线FLASH加速器治疗室各平面切面图  A. xy平面(z=255 cm)；B. yz平面(x=595 cm)；C. xz平面(y=385 cm) Figure 3 Planar sectional views of e-FLASH treatment room   A. xy-plane (z=255 cm); B. yz-plane (x=595 cm); C. xz-plane (y=385 cm)

2.实验测量结果：为减少实验误差，对每个关注点的剂量当量率进行5次重复测量，采用5次测量的x±s与模拟值对比，同时标注5次测量中的最大值作为极端工况的保守参考。T1、T2和T3处用AT1123测量的治疗室外剂量当量率及辐射剂量模拟值见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 电子线FLASH加速器治疗室屏蔽墙外各关注点的辐射剂量(x±s) Table 1 Radiation doses at points of interest outside the shielding wall of e-FLASH accelerator treatment room (x±s) 关注点 样本数 Geant4 (μSv/h) AT1123 (μSv/h) 相对偏差(%) T1 5 188.00±18.80 205.00±23.80 -8.471 T2 5 0.084±0.034 0.068±0.003 23.529 T3 5 224.00±22.40 258.00±46.80 -13.111 注：相对偏差=(模拟值-测量值)/测量值×100%；测量值均未扣除本底1~80 nSv/h

表 1 电子线FLASH加速器治疗室屏蔽墙外各关注点的辐射剂量(x±s) Table 1 Radiation doses at points of interest outside the shielding wall of e-FLASH accelerator treatment room (x±s)

治疗室外围3个关注点的辐射剂量模拟值(Geant4)与实测值(AT1123)对比表明，各点位偏差范围-8.47%~23.53%，最大偏差出现在T2点位置(23.53%)。这是因为T2点墙厚2 m，对X射线屏蔽能力强，使得穿透后的粒子大幅减少，蒙特卡罗模拟的统计涨落显著增大。总体来说，两者之间的数据吻合良好，该Geant4模型可有效表征治疗室内外辐射场分布。

基于数值模拟计算结果，对e-FLASH加速器运行工况下的辐射防护性能进行评估。具体计算条件为：单次出束剂量50 Gy，运行频率12次/h，8 h/d，年工作日275 d(折合50周)。针对不同关注点(包括控制室、治疗室门口、邻室及建筑边界等关键区域)，计算了小时平均剂量率和年累积剂量当量，具体数据详见表 2。通过表 2可知，在超高剂量率治疗模式下，虽然单次出束时的瞬时剂量率水平(如房顶75.4 μSv/h)超过了现行屏蔽标准(2.5 μSv/h)的要求，但基于实际运行工况(12次/h，50周/年)计算得到的平均剂量率和年累积剂量均满足辐射防护标准要求。

表 2(Table 2)

表 2 电子线FLASH加速器治疗室不同关注点小时平均剂量率和年累积剂量 Table 2 Hourly average dose rate and annual cumulative dose at different points of interest in e-FLASH accelerator treatment room 关注点位置 居留因子 一次出束累积剂量(nSv) 一次出束瞬时剂量率(μSv/h) 1 h内平均剂量率(μSv/h) 国标剂量率参考控制水平(μSv/h) 1年275 d剂量(mSv) 国标年剂量限值(mSv) 控制室 1 0.100 0 1.800 0.001 20 2.5 0.002 64 5 防护门 1/8 0.561 1 10.100 0.006 70 10.0 0.001 85 1 房顶 1/20 4.188 9 75.400 0.050 30 100.0 0.005 53 1 隔壁治疗室 1/2 0.003 8 0.069 0.000 05 2.5 0.000 05 1 动物房 出束期间无人停留 16.555 6 298.000 0 10.0 0 1 大厅 1/5 2.733 3 49.200 0.032 80 10.0 0.014 43 1

表 2 电子线FLASH加速器治疗室不同关注点小时平均剂量率和年累积剂量 Table 2 Hourly average dose rate and annual cumulative dose at different points of interest in e-FLASH accelerator treatment room

本研究利用Geant4建立了治疗室的数值仿真模型，并通过与实验对比，表明仿真模型能够有效预测e-FLASH治疗室的辐射场剂量分布特征，可作为FLASH治疗室屏蔽优化设计的重要工具。此外，对于实验与模拟间存的偏差，做出以下解释：①能量截断阈值的设定可能导致次级粒子(如低能电子、中子)未被充分追踪。②10 cm的网格尺寸在计算效率与精度间取得平衡，但仍可能影响局部剂量场的精确预测。③治疗室内复杂的金属构件(铅板、钢架、铜板等)被简化为均匀介质。

针对上述偏差，建议采取以下改进措施：①在关键区域(如控制室、治疗室门口、迷宫通道)使用更精细的网格(如1 cm)，提高局部剂量计算精度。②建立包含主要金属构件的精细化几何模型。

研究发现，单次出束时治疗室门口的瞬时剂量率可能超过国家标准限值(2.5 μSv/h)，这是因为FLASH放疗具有超高剂量率的特征，但在实际工况下，由于极短的照射时间，年累积剂量仍然满足辐射防护标准要求。因此，传统的瞬时剂量率评价体系不完全适用于FLASH技术^[12]。针对瞬时剂量率高但实际出束时长短的放疗设备机房，本研究提出采用时间平均剂量率(time averaged dose rate, TADR)作为辐射屏蔽评估指标。国际上，美国、西班牙、瑞士和泰国等国均采用TADR来评估放射治疗设备机房外的辐射水平^[13]。可见，在优化FLASH治疗室屏蔽设计时，同时考虑TADR和年累积剂量的评价体系更为合理。其次，FLASH放疗场所剂量监测设备匮乏，传统环境监测仪因量程、响应速度及抗干扰能力等性能限制，无法满足FLASH放疗场景的监测需求，亟待研制适用于FLASH放疗场所剂量监测设备，提高测量精度，更准确地评估潜在的职业照射风险，并确保辐射安全^[12]。

本研究建立的仿真模型，经验证与实际测量结果具有良好的一致性，表明该方法可作为FLASH治疗室设计和辐射安全评估的有效替代手段，为缺乏实测条件的场所提供可靠的预评估方法。

利益冲突  所有作者声明无利益冲突

作者贡献声明  程德琪负责研究实施、论文撰写；杨沁、黄旭帆负责实验实施；吴鹏、谢浩然、夏静、汪二峰、于国福、蒋雨参与研究工作；刘贤洪负责研究指导、论文审阅