FLASH放疗作为近年来的放疗研究热点，正逐渐从动物实验走向临床试验^[1]，瑞士洛桑大学的研究组进行了首次人体照射实验^[2-3]，瓦里安和辛辛那提儿童医院质子治疗中心完成了首次FLASH放疗的临床试验FAST-01^[4]，并开启了后续的FAST-02试验。在FLASH放疗设备研发方面，出现了不同射线类型、脉冲结构束流的技术路线，为FLASH放疗临床发展提供了更广阔的空间。

FLASH放疗源项具有照射时间极短的物理特点，在相同总剂量下，等中心处FLASH放疗出束时间(≤百ms)内的平均剂量率远高于常规剂量率放疗(分钟量级照射时间)。相同机房屏蔽防护设计下，屏蔽墙外FLASH放疗出束时间内平均剂量率水平也将数量级高于常规放疗，这给现行放疗机房辐射屏蔽防护标准和监管方案提出了现实挑战^[5-6]。

本文从FLASH放疗装置源项特点出发，梳理了各国现行放疗机房辐射屏蔽剂量控制指标、屏蔽防护设计评估和监管方案，结合FLASH照射装置辐射场剂量测量和屏蔽模拟研究，讨论FLASH放疗机房辐射屏蔽防护面临的挑战，为FLASH放疗辐射防护提供参考。

一、FLASH放疗源项特点

当前FLASH效应机制还不清晰，从既往FLASH效应实验研究中总结得到，诱发FLASH效应的电离辐射主要物理特征为：极短照射时间(≤百ms)和大剂量照射^[7]。FLASH放疗出束时间从常规剂量率放疗的分钟量级降低到了百ms，甚至ns量级，跨越数个量级，不同加速器技术路线在照射时间内的束流脉冲时间结构存在较大差异，如图 1所示，可以分为3种类型：脉冲型、近似连续型、单发脉冲型。常温射频电子直线加速器是典型的脉冲型束流结构(如图 1中①所示)，热直流电子枪在宏脉冲时间内均匀发射电子(ns~μs量级，1‰~1%占空比)，电子束在加速相位周围聚集成微团簇并聚焦，形成微脉冲。而质子回旋加速器通常产生较宽的宏脉冲(ms~s量级)，在宏脉冲内近似连续出束(如图 1中②所示)。还有一种单发脉冲模式，在ns内即完成照射，如激光加速质子加速器(如图 1中③所示)。

辐射源的时间结构直接影响周围辐射剂量场的时间特性，不同于放射性同位素形成的稳定辐射场，对于加速器产生的脉冲型辐射源，一般定义两种剂量率，瞬时剂量率指在一个脉冲周期(对于射频加速器通常指宏脉冲)中的出束时间内剂量率(等于单位脉冲剂量除以脉冲宽度)，而平均剂量率指在一个脉冲周期中的平均剂量率(等于单位脉冲剂量除以脉冲间隔，或者总照射剂量除以总照射时间)。表 1给出了不同技术路线下的FLASH放疗装置源项关键物理参数，在总照射时间、平均剂量率、瞬时剂量率上都有较大的差异。

二、国内外现行的放疗机房屏蔽防护方案

1. 辐射屏蔽剂量控制指标：各国现行放疗装置辐射防护剂量控制指标按照时间尺度可分为三类，且主要针对单次放疗照射时间在分钟量级的常规剂量率放疗，未涉及FLASH放疗这类超高剂量率放疗装置。表 2总结归纳了当前中国、美国、英国、日本、韩国、新加坡现行放疗机房辐射防护标准中的主要剂量控制指标限值。

(1) 长时间周期：规定公众和放射工作人员的年累积剂量限值和周累积剂量限值等。

(2) 短时间周期：指定如1 h、1 d等时间段，规定任意该时间长度内平均剂量率(time averaged dose rate，TADR)限值。例如美国规定控制区任意1 h内平均剂量率(记为TADR_h)不超过20 μSv/h^[22]，英国指定1 d内平均剂量率(TADR_d)>7.5 μSv/h的区域为“Controlled Area”^[23](详见表 2)。

(3) 单次放疗照射时间(分钟量级)：美国和英国标准定义了瞬时剂量率(Instantaneous dose rate, IDR)，在实际测量时，需取屏蔽体外关注点处剂量率仪的直接测量读数，并针对测量平均时间有相应规范。其中，美国规定测量平均时间为20~60 s^[22]，英国规定为1 min^[23]，具体取决于测量设备的响应时间和加速器的脉冲周期。需要注意的是，此处屏蔽防护限值中的IDR，其物理定义与前文描述辐射源项束流特性时提到的“脉冲内瞬时剂量率”有所不同，这里的IDR指的是测量时间内的平均剂量率。我国GB/TZ 201.2-2011标准^[24]规定控制区“最高剂量率参考控制水平($ \dot{H}_{c, \max }$)不超过2.5 μSv/h”，并未对测量时间进行明确的书面规定。

2. 屏蔽防护设计评估和监管方案: 图 2总结了常规放疗中3类剂量控制指标对应的机房屏蔽防护设计评估、验收和监管方案。其中，周围剂量当量率($ \dot{H}$)只与源项和屏蔽防护设计有关，与放疗实际工况无关，在辐射装置建造完成后，剂量率仪直接测量读数 $ \dot{H}$作为加速器出束状态下屏蔽体外关注点的瞬时剂量率(IDR)，或者治疗过程中的最高剂量率($ \dot{H}_{c, \max }$)。需要注意的是，在放疗机房工作时间(包括治疗、调试、自检、质控等开机时间)，加速器并非连续出束，例如，治疗过程中还包括患者摆位、切换射野、患者呼吸门控等非出束时间。对于常规剂量率放疗，在加速器以最大输出功率运行过程中，在同一个关注点测得的 作为该位置的最大IDR或者 $ \dot{H}_{c, \max }$，对应的物理含义为加速器运行时间内的平均剂量率，而非整个治疗过程中的平均剂量率。英国和中国辐射防护标准都指定了不同区域的IDR限值或最高剂量率($ \dot{H}_{c, \max }$)限值，作为屏蔽防护设计剂量控制指标，但美国辐射防护与测量委员会(NCRP)151报告^[22]认为“使用IDR作为屏蔽防护设计目标不符合可合理达到尽可能低(ALARA)原则，因为加速器最大输出功率运行时的IDR测量值不能代表放疗设备实际工况和装置辐射场，应采用更长时间范围内的TADR_h作为屏蔽防护设计目标”。

根据NCRP 151号^[22]报告，对于主屏蔽体外关注点，可以根据下列式(1)，(2)，从$ \dot{H}$计算值或测量值导出主屏蔽体外关注点平均周累积剂量当量(R_w，Gy/week)和任意1 h内剂量当量率(TADR_h，Gy/h)，进而分别与美国辐射防护标准中的周累积剂量限值(100 μSv/周)和TADR_h(20 μSv/h)限值进行比较。

$ R_{\mathrm{w}}=\dot{H} \cdot \frac{W_{\mathrm{pri}} \cdot U_{\mathrm{pri}}}{\dot{D}_{\mathrm{o}}} \leqslant 100 \mu \mathrm{~Sv} / \text { 周 } $

(1)

$ R_{\mathrm{h}}=\dot{H} \cdot \frac{N_{\mathrm{max}}}{\bar{N}_{\mathrm{h}}} \cdot \frac{W_{\mathrm{pri}} \cdot U_{\mathrm{pri}}}{40 \cdot \dot{D}_{\mathrm{o}}} \leqslant 20 \mu \mathrm{~Sv} / \mathrm{h} $

(2)

式中，N_max和N_h分别为1 h内该设备治疗患者数的最大值和平均值；W_pri为40 h工作周内机器工作负荷(Gy/周)；$ \dot{D}_{\text {o }}$为设备等中心处剂量率；U_pri为关注点对应的束流使用因子。式(2)也被用于下文中屏蔽测量案例分析中。

三、FLASH放疗屏蔽防护面临的挑战

基于对FLASH放疗装置源项物理特点的分析，结合当前现行放疗机房辐射防护标准和监管方案，本文从以下几个方面讨论FLASH放疗屏蔽防护的研究进展和面临的挑战。

1. FLASH放疗机房辐射屏蔽测量和计算：目前大多数FLASH放疗研究装置处于原型样机或者临时改造阶段，仅用于开展预临床实验或少数临床试验，辐射防护仍沿用原常规剂量率射线装置屏蔽体。下面结合三个案例介绍FLASH放疗机房屏蔽防护设计研究现状。

2021年美国马里兰大学Poirier等^[29]在改造后等中心剂量率达到34.5 Gy/s的16 MeV电子直线加速器运行时机房外的剂量率测量结果显示，在加速器出束时间内治疗室门口剂量率达到69 μSv/h，机房控制室达到10 μSv/h，超过了我国2.5 μSv/h的最高剂量率控制指标，但根据式(2)计算，要使得TADR_h>20 μSv/h，需要加速器1 h内等中心处累积输出剂量达到36 104 Gy(相当于FLASH照射出束时间达到17.4 min)，远超实际临床工作负荷，因此，可以推得原常规机房屏蔽防护设计可以满足美国TADR_h指标。

2022年美国辛辛那提儿童医院Xiao等^[30]在质子回旋加速器常规剂量率模式(流强10 nA，等中心剂量率0.273 Gy/s)下测量了常规质子放疗机房外出束时间内周围剂量当量率，机房门口和控制室的测量值在大多数照射角度下都 < 2.5 μSv/h。将测量结果按照流强比例乘以17，估算FLASH放疗模式下(流强170 nA，等中心剂量率16 Gy/s，照射时间0.5 s)，墙外出束时间内平均剂量率导出值大多在30 μSv/h左右，最高值为68 μSv/h，进一步结合工作负荷(0.5 s/beam, 8 Gy/beam，200 Gy/h，40 h/周，52周/年)导出工作人员年累积剂量最高为0.49 mSv，未超过5 mSv的累积剂量限值。

以上两个带电粒子源项的测量案例中，原常规机房外测得或导出的FLASH照射出束时间内平均剂量率高于2.5 μSv/h，但根据工作负荷导出TADR_h和年累积剂量可以满足美国标准。佐治亚理工的Rosenstrom等^[31-32]对12 MV X射线FLASH放疗装置屏蔽进行了蒙特卡罗模拟分析和设计，机头采用低Z/高Z物质交替的多层屏蔽防护设计，模拟给出控制区和非控制区的周累积剂量(48.4 μSv/周和0.012 μSv/周)低于美国辐射防护标准(100 μSv/周)，还需要进一步开展机房外剂量率水平测量实验，评估屏蔽的充分性。

2. FLASH放疗场所剂量监测设备：上述FLASH放疗辐射屏蔽测量案例^[29-30]中使用的剂量率巡测仪451P(美国，Fluke Biomedical)和FHT 762 Wendi-2(美国，Thermo Fisher Scientific)的响应时间都为数秒。虽然我国机房屏蔽防护标准中并未明确剂量率控制指标$ \dot{H}_{c, \text { max }}$的测量时间要求^[24]，根据常规放疗辐射防护监管的实践经验，$ \dot{H}_{c, \text { max }}$对应的物理含义为屏蔽体外关注点在加速器出束时间内平均剂量率。当前我国剂量率仪相关标准规定剂量当量率仪的响应时间应 < 10 s，对于低剂量率，为了降低统计涨落获得稳定读数，响应时间可以延长到60 s^[33]。对于分钟量级照射时间的常规剂量率放疗，秒量级响应时间的剂量率仪可以直接测量给出屏蔽体外关注点单次治疗的出束时间内平均剂量率。而对于单次治疗中出束时间不足1 s的FLASH放疗(不同技术路线照射时间跨度广，从ns到百ms量级，详见表 1)，常规剂量率放疗中常用的秒量级响应时间剂量率仪直接读数无法捕捉极短出束时间内平均剂量率变化，可能给出偏低的低指示值。要获得与 $ \dot{H}_{c, \text { max }}$物理含义相匹配的测量结果，用于FLASH放疗辐射场所的剂量监测设备至少要达到百ms的响应时间。当前一些短脉冲辐射剂量率仪的响应时间能达到数十ms，如Smart-G20(中国Heray-Tech)，理论上能够满足FLASH放疗屏蔽测量需求，但还有待测量实验验证。

3. 极短时间照射随机性效应风险评估：FLASH超高剂量率放疗技术的发展也提示着对极短时间照射辐射随机性效应风险的评估需要有新的科学基础。现有辐射防护体系采用剂量和剂量率效能因子(DDREF)评估剂量率对辐射随机性风险的影响，认为高剂量、高剂量率照射下单位剂量随机性效应发生率约为低剂量、低剂量率照射下的2~10倍^[34]，但既往DDREF相关实验研究最短照射时间为分钟量级，未涉及FLASH放疗百ms以内的极短照射时间。FLASH放疗效应显示极短时间、大剂量下正常组织损伤(确定性效应)小于等剂量常规剂量率照射，这提示研究者需要重新思考屏蔽墙外随机性效应随剂量率变化的量效关系：百ms量级以内极短时间照射随机性效应与分钟量级照射随机性效应是否存在差异。

四、总结

FLASH放疗极短时间、大剂量照射的物理特性给现行放疗机房屏蔽防护设计、监管带来诸多挑战，未来需明确剂量率控制指标物理含义、规范剂量率监测仪器性能要求，开展百ms量级内辐射随机性效应研究，为FLASH放疗辐射防护提供理论依据和标准工具，推动其临床发展。

利益冲突  无

作者贡献声明  周婉仪负责文献搜集、整理和论文撰写；胡安康负责文献搜集和论文撰写；邱睿和李君利指导论文设计和修改论文