2026, Vol. 46
2. 中国工程物理研究院应用电子学研究所, 绵阳 621900
2. Institute of Applied Electronics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China
FLASH放射治疗(FLASH-RT)利用超高剂量率在短时间内向肿瘤组织传递辐射剂量，同时可显著降低放疗并发症的严重程度，近年来成为了放疗研究的热点[1]。目前，针对FLASH-RT的多项研究涉及多种辐射类型(包括电子、质子和X射线等)[2-4]，其中，X射线FLASH放疗(XFLASH-RT)设备通过电子束轰击靶材料产生超高剂量率X射线，并于2018年首次被证实可诱发FLASH效应[5]。X射线凭借其优异的组织穿透能力、相对成熟的加速器技术以及潜在的临床成本效益，在未来临床放疗中具有理想的应用前景。然而，FLASH-RT因其超高剂量率的特性，对机房辐射屏蔽性能和机房外周围剂量当量率测量方面提出了全新的挑战[6-7]。常规放疗设备治疗时产生的射线主要为连续或长脉冲射线，而FLASH-RT产生的是瞬时、高强度、短脉冲辐射场，需要对现有的适用于常规放疗设备周围剂量当量率测量仪器是否适用于FLASH-RT的测量进行进一步验证。
本研究在中国工程物理研究院应用电子学研究所和中玖闪光医疗科技有限公司联合研发的XFLASH-RT辐射场中，选取了常规放射诊疗常用的3种剂量率仪，旨在探索不同剂量率仪在XFLASH-RT超短脉冲辐射场机房外周围剂量当量率测量性能的差异，为XFLASH-RT周围剂量当量率测量仪器类型的选择和测量条件提供实验依据和数据支撑。
材料与方法1. 测试对象：3种类型的剂量率仪分别为美国Fluka公司生产的451P型、白俄罗斯Atomtex生产的AT1123型和Automess公司生产的6150AD 5/H+6150AD b/H型。451P测试时选择剂量率模式；AT1123测试时选择脉冲模式；6150AD 5/H+6150AD b/H型剂量率仪测量时连接了6150AD b/H塑料闪烁体探测器(以下简称“6150AD b/H型”)，选择剂量率模式。
2. 仪器：X射线FLASH放疗系统由中国工程物理研究院应用电子学研究所和中玖闪光医疗科技有限公司联合研发，该系统采用S波段加速器能稳定产生能量高达10 MeV高能电子束，通过轰击钨靶，得到X射线最大能量为10 MeV的连续谱。采用低气压、窄间距电离室(LPIC)作为XFLASH-RT束流监视器，采用PTW公司生产的UNIDOS Tango静电计和60025型金刚石探测器进行束流剂量测量。
3. 测试条件：固定脉冲宽度，通过调整重复频率来调节出束剂量率；固定脉冲宽度与重复频率以维持出束剂量率不变，通过改变脉冲数量调节出束时间。实验设置如下：①固定脉宽，设置重复频率为20 Hz，依次增加脉冲数量使对应出束时间依次为30、60、120、200 ms。②固定脉宽，设置重复频率为333 Hz，依次增加脉冲数量使对应出束时间依次为30、60、120、200、240 ms。③固定脉宽，设置重复频率为500 Hz，依次增加脉冲数量使对应出束时间依次为30、60、120、160 ms。受实验条件限制，该脉冲条件下最大出束时间为160 ms。设置射野大小为6 cm × 6 cm(最大射野)，测量参考点至出束口距离为25 cm，出束方向仅能竖直向下。
4. 场所屏蔽设计：本研究的放疗系统为实验样机，非临床治疗设备。加速器试验测试间地下部分为土层，东侧、南侧、西侧、北侧和顶部均为人员可到达的空间。测试间至操作间之间设有迷道，四周墙体均采用厚度200 cm(除迷道方向)、密度2.35 g/cm3的混凝土材料。本研究出束方向为竖直向下，四周墙体均为次级屏蔽区，本研究将距离机头最近的西侧屏蔽墙作为关注区域，并称为西屏蔽区。西屏蔽区测量参考点距离西侧内墙距离为150 cm，西屏蔽区外关注点距离西侧外墙30 cm，高度120 cm。测试间布局见图 1，西屏蔽区关注点为五角星处。
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图 1 测试间布局平面图 Figure 1 Layout plane of test room |
5. 辐射防护测量方法：测量参考点位于射野中心轴线上，距出束口25 cm处，距离地面190 cm，用于表征束流剂量；关注点位于西侧屏蔽墙外30 cm，距地面120 cm处，用于模拟人员活动区域并进行防护测量。将组织等效固体水模体(长、宽为30 cm，总厚度为25 cm)放置在出束口正下方，测量参考点与射野中心对齐。通过改变脉冲频率及脉冲数量，按照不同的出束剂量率和出束时间进行照射。将3种类型的剂量率仪同时放置在西屏蔽墙外关注点处进行测量，每种出束时间测量3次，并记录各剂量率仪的瞬时剂量率变化。
6. 西屏蔽区外关注点的计算：本研究XFLASH-RT系统无偏转角度，出束方向为竖直向下，故西屏蔽区外关注点主要考虑泄露辐射和散射辐射，计算公式依据标准《放射治疗机房的辐射屏蔽规范第2部分：电子直线加速器放射治疗机房》(GBZ/T 201.2-2011)[8]。根据标准《外照射放射防护剂量转换系数》(WS/T 830-2024)[9]，按1 Gy = 1.1 Sv计算。
(1) 屏蔽透射因子：当X射线束以θ角斜射入厚度为X(cm)的混凝土屏蔽时，射线束在斜射路径上的有效屏蔽厚度Xe(cm)计算公式为：
| $ X e=X \cdot \sec \theta $ | (1) |
式中，θ为斜射角，即入射线与混凝土屏蔽平面的垂直线之间的夹角。
对于给定的混凝土的厚度X(cm)，按式(1)计算有效屏蔽厚度Xe(cm)，相应的辐射屏蔽透射因子B计算公式为：
| $ B=10^{-\left(X e+\mathrm{TVL}-\mathrm{TVL}_1\right) / \mathrm{TVL}} $ | (2) |
式中，TVL为平衡什值层；TVL1为第一什值层。对于泄漏辐射，其能谱接近主射线束，因此采用10 MV X射线的参考值(TVL1为35 cm、TVL为31 cm)；对于患者79.45°散射辐射，其能谱显著软化，平均能量远低于主射线束，采用GBZ/T 201.2-2011[8]中推荐的90°散射条件下参考值(TVL和TVL1为18 cm)进行计算[8, 10-11]。
(2) 泄露辐射：泄露辐射的屏蔽估算公式为：
| $ \dot{H}=\dot{H}_0 \cdot k \cdot B / R^2 $ | (3) |
式中，
(3) 散射辐射：患者散射辐射的屏蔽估算公式为：
| $ \dot{H}=\dot{H}_0 \cdot \alpha_{\mathrm{ph}} \cdot(F / 400) \cdot B / R^2 $ | (4) |
式中，F为治疗装置有用束在等中心处的最大治疗野面积，本研究实际射野为6 cm×6 cm；αph为患者400 cm2面积上垂直入射X射线散射至距其1 m处的剂量比分，又称400 cm2面积上的散射因子。本研究散射角为79.45°，αph按GBZ/T 201.2-2011表B.2[8]中90°散射条件计算(3.81×10-4)。
7. 质量控制：3种类型的剂量率仪均经过中国计量科学研究院的检定或校准，均合格且在有效期内。LPIC监视器经实验验证具有优异的剂量线性及剂量率线性，完全符合剂量监测系统的相关标准[12]。PTW 60025型金刚石探测器为PTW与意大利罗马大学合作研发的新型flashDiamond探测器，已在UHDR条件下成功通过相对剂量测量测试[13-14]。
结果1. 周围剂量当量率计算结果：西屏蔽区外关注点的屏蔽计算在统一条件下开展：加速器能量10 MV，测量参考点至关注点距离3.87 m，混凝土有效屏蔽厚度204.12 cm。不同工况的计算结果为：测量参考点剂量率6 Gy/s时，泄露辐射为0.55 μSv/h、散射辐射为2.48×10-7 μSv/h；测量参考点剂量率100 Gy/s时，泄露辐射为9.25 μSv/h、散射辐射为4.14×10-6 μSv/h；测量参考点剂量率150 Gy/s时，泄露辐射为13.88 μSv/h、散射辐射为6.21×10-6 μSv/h。散射辐射的计算值因数量级极小，故予以忽略。
2. 周围剂量当量率测量结果：3种类型剂量率仪西屏蔽区外关注点周围剂量当量率测量结果列于表 1。
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表 1 3种类型剂量率仪西屏蔽区关注点周围剂量当量率测量结果 Table 1 Measurements of ambient dose equivalent rates at the points of interest in the west shielding zone by use of three types of dose rate meters |
(1) 参考点剂量率为6 Gy/s时：出束时间≤60 ms时，3种剂量率仪均仅检测到本底信号，无有效测量数据；出束时间为120~200 ms时，451P与6150 AD b/H型剂量率仪能检测到有效数据，但相对偏差较大；AT1123型剂量率仪在实验时间范围内均未获有效测量结果。
(2) 参考点剂量率为100 Gy/s时：随出束时间增加，3种剂量率仪检测值逐渐增大；451P型和6150AD b/H型剂量率仪的测量值显著低于计算值，相对偏差分别大于-79.72%、-61.87%；AT1123型剂量率仪在出束时间为240 ms时，测量值与计算值基本一致。对AT1123型剂量率仪测量结果进行插值分析，当测量值达到计算值的90% 时，对应出束时间约为202 ms。
(3) 参考点剂量率为150 Gy/s时：随出束时间增加，3种剂量率仪检测值逐渐增大；451P型和6150AD b/H型剂量率仪的测量值显著低于计算值，相对偏差分别大于-84.90%、-76.37%；AT1123型剂量率仪在出束时间为160 ms时，测量值与计算值的相对偏差为-17.51%。对AT1123型剂量率仪测量结果进行插值分析，当测量值达到计算值的90% 时，对应出束时间约为170 ms。
讨论451P型和6150AD b/H型剂量率仪是放射治疗周围剂量当量率测量中常用的设备，在对常规放疗设备进行屏蔽墙外周围剂量当量率测量时，射线束通常为稳定的连续出束状态，射线出束时间远大于剂量率仪的响应时间，仪器的测量值能够较为准确地反映其周围剂量当量率的真实情况。XFLASH-RT系统出束形式为脉冲出束，但其单个巨脉冲出束时间通常为毫秒或亚秒级，对于适用于长脉冲或连续辐射场测量的剂量率仪，当将其用于超短时脉冲辐射场时可能会得到偏低的测量结果[15]。
451P型剂量率仪属于电离室探测器，利用射线或粒子束在气体介质中的电离效应探测辐射，文献报道其响应时间为7.3~8.4 s[16-17]。6150AD b/H型剂量率仪属于塑料闪烁体探测器，其利用射线或粒子束在闪烁体的发光效应探测辐射，其响应时间约为8.2 s[17]。AT1123型剂量率仪常应用于X射线摄影、口内牙片X摄影等短曝光时间设备的辐射防护检测中。王俊生等[18]研究表明，采用短期辐射的剂量速率测量模式(“Tvar”模式)其终值响应时间为200 ~ 250 ms；徐辉等[19]研究表明，采用“Tvar”模式其响应时间(最大读数90%所需的时间)在80 ~ 100 ms左右。周艳等[20]对3台周围剂量当量率仪在数字化X线摄影短时间曝光情况下测量结果进行比较，结果显示当出束时间小于仪器响应时间时，测量值均小于真值，且偏差较大。本研究与上述研究相似。451P型和6150AD b/H型剂量率仪因其响应时间均远大于本研究的出束时间，其测量值与计算值偏差较大，不建议将其用于本研究条件下毫秒级短时出束辐射场的辐射防护测量。而在低剂量率辐射环境中，451P型与6150AD b/H型剂量率仪的灵敏度优于AT1123型剂量率仪，提示其在低本底辐射场中更有优势。
本研究结果显示，在参考点剂量率不变的情况下，随着出束时间的增加，AT1123型剂量率仪的测量值逐渐升高。经插值计算可得：当参考点剂量率为100和150 Gy/s时，AT1123剂量率仪达到计算值90% 所对应的出束时间分别为202和170 ms。两组条件下所得结果存在一定差异，这与相关文献结论相符[18-19]，即周围辐射水平会对仪器响应时间产生影响，周围剂量当量率越高，响应时间相应越短。综上所述，在本研究FLSAH毫秒级短时出束辐射场条件下，AT1123型剂量率仪达到计算值90% 所对应的出束时间分别为170和202 ms，且受周围剂量当量率大小影响，实际使用时应充分关注出束时间与出束剂量率对测量结果的影响。
需要说明的是，出束时间与脉冲时间并非同一概念。前者通常指巨脉冲持续时间，一般为ms级；后者则多指单个宏脉冲宽度，一般在μs级。在时间结构上，一个巨脉冲由多个宏脉冲组成，而一个宏脉冲又可进一步分解为多个微脉冲(脉宽通常在ps级)。本研究的脉宽指单个宏脉冲的持续时间，出束时间指巨脉冲的持续时间。根据AT1123型剂量率仪用户手册，脉冲模式用于测量平均脉冲辐射剂量率，其适用条件包括脉冲宽度为10 ns~30 ms、重复频率为10~104 Hz，同时要求辐射持续时间达数秒，以保证统计过程的稳定性。在本研究中，脉冲宽度和重复频率均处于上述范围内, 但单次出束时间低于仪器推荐的最小测量时间。因此，测量过程中其输出结果反映的是有限时间内对脉冲序列的积分平均响应。且尽管脉冲数为几十个，剂量率仪并未对应呈现多次独立峰值，而是每个巨脉冲仅输出一次剂量峰值。在FLASH高剂量率测量中，探测器通常会遇到离子重组效应和饱和效应等挑战[21]。在超高剂量率条件下，探测器很可能因瞬时剂量率远超其线性范围而进入饱和响应状态；同时，脉冲间隔较短，可能短于探测器饱和恢复时间，导致脉冲堆积与信号合并。在此情况下，仪器的信号处理系统最终输出的可能是在巨脉冲时间尺度上的积分信号。上述结果表明，AT1123型剂量率仪在一定条件下可用于FLASH短时脉冲辐射场的测量，未来可进一步细化脉冲时间结构与剂量率水平，对其测量性能开展更系统的分析。同时，有必要根据XFLASRT-RT的特征，研发针对XFLASRT-RT环境的辐射监测仪器，是XFLASRT-RT辐射防护测量中需开展的重要工作。
本研究基于经验公式计算周围剂量当量率可能存在不确定度，主要源于混凝土材料在实际工程中的密度差异和非均匀性，因此计算结果需谨慎对待，并建议未来结合现场屏蔽材料实测数据加以修正。XFLASRT-RT的平均剂量率和总吸收剂量是两个关键参数，平均剂量率的调控可通过以下两种方式单独或协同实现：一是调整样品表面至辐射源的距离(SSD)，二是调节直线加速器的束流强度，束流强度与驱动激光功率呈正比关系，可通过旋转激光光路中的Glan-Laser偏振器实现精确控制。另一方面，在维持特定平均剂量率的条件下，总吸收剂量的精细调节可通过改变宏脉冲持续时间来完成。实验过程中，每次照射前均会预设Glan-Laser偏振器的角度和脉冲持续时间参数，但在实际照射过程中，尽管脉冲持续时间与预设值保持一致，由于光阴极和激光发生器状态的影响，束流电流仍可能出现不可预测的变化，故每次监测到的剂量率存在一定偏差[12]。为降低随机误差的影响，本研究在每种实验条件下均进行3次重复测量，以确保数据的可靠性。受于实验条件的限制，本研究XFLASH-RT的出束时间暂不支持无极升高或降低，待系统进一步升级后，下一步可适当增加出束时间参数，为剂量率仪的研究提供更全面的参数条件。FLASH-RT因其瞬时高剂量率的特点，在可能减少肿瘤治疗的副作用的同时，也对辐射防护测量提出了更高要求，期待今后能有更多针对该技术特点的辐射防护测量仪器的研发，为保障公众安全和推动FLASH放疗技术的广泛应用提供更坚实的保障。
利益冲突 本文由署名作者按以下贡献声明独立开展，不涉及各相关方的利益冲突
作者贡献声明 张雨负责设计实验、数据测量、数据处理和论文撰写；吴岱、程金生、刘辉负责实验指导和论文修改；袁继龙、赵俏俏、何志坚、羊奕伟和王建新负责测量、分析数据；马向捷、陈佳和负责论文审阅及修订
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