自 2014 年 FAVAUDON 等 ^[1] 首次通过电子线证实 FLASH 效应以来，放射医学正经历自布拉格峰发现以来最深刻的技术变革。FLASH 放射治疗被定义为以平均剂量率 ≥ 40 Gy/s、100 ms < 总照射时间 < 500 ms 的方式交付放射剂量。与传统放射治疗相比，其核心优势在于极大地拓宽了“治疗窗”：通过诱导瞬时氧耗竭及改变自由基化学动力学过程，正常组织的剂量修正因子可达到 1.1 ~ 1.8，显著降低皮肤、肺和脑组织的并发症发生概率 ^[2-5]。然而，这种照射时间由分钟量级缩短至毫秒量级的跨越，对医疗装备的底层硬件提出了极端要求。传统直线加速器在超高剂量率（ultra-high dose rate, UHDR）模式下，其靶材面临瞬时热熔毁的风险，且现有基于气体电离室的剂量监测系统会因离子复合效应（ion recombination, IR）而发生严重的测量饱和 ^[6]。目前，深部肿瘤的治疗需求正在推动装备从浅表电子线向质子线与极高能电子线（very high energy electron, VHEE）演进。高能 X 射线 FLASH效应的首次实验证明是在美国斯坦福大学的直线加速器上完成的 ^[7]。与此同时，包括中国在内的多个国家的研究团队正积极探索基于不同技术路线的高能 X 射线 FLASH 放射治疗平台。如采用超导技术的直线加速器，以此攻克光子转换效率不足、靶材散热困难等工程难题，推动这项技术早日迈向临床应用。基于此，本研究对 FLASH 放射治疗装备的研究进展与工程化挑战进行综述，并对其未来发展前景进行展望，为相关领域的工程开发与临床转化研究提供参考。

1 束流产生装备技术路径的演进

1.1 第一代：科研型实验加速器

早期的 FLASH 放射治疗研究依赖于专为物理实验设计的电子直线加速器，如 Kinetron 和Oriatron eRT6^[8]。这类设备的特点是束流电流较高（可达数百 mA），能够提供超过 1 000 Gy/s 的平均剂量率，其核心贡献在于验证了电子线在浅表肿瘤及术中放射治疗中的保护效应 ^[7]，但也暴露了其致命缺陷：束流能量低（通常 < 6 ~ 9 MeV），有效穿透深度仅 2 ~ 3 cm，无法触达人体深部病灶。

1.2 第二代：临床现役设备改装

为了推动研究成果更快实现临床转化，研究者转而对已投入临床使用的成熟加速器进行改造。通过移除常规直线加速器治疗头中的钨靶和均整器，并提升速调管驱动流强，Varian Clinac 和 TrueBeam等系列直线加速器已被成功改装并用于小动物实验和体外研究。在临床转化方面，首个针对皮肤转移瘤的电子线 FLASH 放射治疗人体Ⅰ期实验（Flash-Skin I, NCT06549439）已在瑞士洛桑大学医院成功完成，该研究使用了一台经过特殊改装的 C 型臂直线加速器 ^[9-10]。

质子线 FLASH 放射治疗是目前治疗深部肿瘤的最成熟方案，可利用等时性回旋加速器的高流强能力，配合单能“透射模式”，避免复杂的能量切换延迟，在数百毫秒内完成全深度照射。目前，针对被动散射质子线 FLASH 放射治疗的技术优化也在进行中。例如，MD 安德森质子治疗中心的研究团队开发了一套基于快速剂量计算器的自动优化算法，能够高效地设计脊形过滤器（ridgefilter, RF）、散射体等束流成形元件，以生成满足FLASH 放射治疗要求的均匀照射野 ^[11]。全球已开展多项里程碑式实验，如质子路径的 FAST-01 实验证明了四肢骨转移瘤治疗的可行性 ^[12]。

高能 X 射线 FLASH 效应的可行性已由 GAO 等^[13]于 2022 年首次证实。为实现临床转化，全球多个研究团队正致力于开发专用的高能 X 射线 FLASH放射治疗平台。例如，有研究提出利用超导高频腔技术的直线加速器驱动高流强电子束轰击旋转钨靶的技术方案，以期产生满足 FLASH 放射治疗要求的高能 X 射线（6 ~ 8 MV），并解决光子转换效率低和靶材散热等关键工程难题 ^[14-15]。

1.3 第三代：专用高能系统

VHEE（100 ~ 250 MeV）结合了 X 射线的穿透力与带电粒子的电磁可调性，同时具备深部穿透与快速束流扫描能力，是实现深部肿瘤 FLASH 放射治疗的理想束流之一。斯坦福大学提出的多向高能快速扫描电子放射治疗系统（pluridirectional high energy agile scanning electronic radiotherapy,PHASER）架构取消了旋转机架，采用 16 个固定束流源实现超快速三维照射，旨在 100 ms 内完成复杂计划交付 ^[14]。中国科学院上海应用物理研究所的研究团队提出了一种基于高梯度技术的新型质子直线加速器概念设计方案 ^[15]。该方案旨在通过射频偏转器和超导线圈等技术，探索实现无机械运动的快速束流控制与能量调制，以满足深部肿瘤 FLASH 放射治疗对超高剂量率（300 Gy/s）的要求。

2 关键装备组件：剂量监测与在线控制系统

2.1 传统探测器的失效与改进

传统监测电离室在 UHDR 条件下，由于离子复合效应，其电荷收集效率会显著下降，尤其是在单脉冲剂量（dose per pulse, DPP）达到数百 mGy至数 Gy 量级时 ^[6]。虽然通过缩小电极间距（如采用 0.27 ~ 0.60 mm 的超薄电离室）可在一定程度上缓解此问题，但仍需依赖复杂的物理模型进行后验修正。SUBIEL 等 ^[16] 在 2023 年的综述中系统总结了 FLASH 放射治疗绝对剂量测定面临的挑战，并强调了开发新型剂量测定方法的重要性。

2.2 新型抗饱和探测器硬件

金刚石探测器：基于化学气相沉积技术的微型金刚石探测器展现出极佳的响应速度（纳秒级）和在高 DPP 下的优异线性度（可达数十 Gy/pulse 量级），已成为 FLASH 放射治疗剂量学研究和质量保证（quality assurance, QA）中的重要工具之一 ^[17]。

碳化硅（silicon carbide, SiC） 传感器：SiC 因其宽禁带、高耐辐射等特性，成为医疗探测器领域的新兴材料。实验证明，其在极高瞬时剂量率（如20 Gy/pulse 量级）下仍能保持良好的线性响应，且部分设计无需外加偏置电压 ^[18-19]。

非侵入式束流监测：束流电流互感器（beam current transformer/integrating current transformer,BCT/ICT）可在不干扰束流的前提下直接测量束流电荷量。该技术已被成功集成至多个 FLASH 放射治疗专用研究平台中，实现了脉冲级别的实时剂量监测与安全联锁保护 ^[20]。

新兴光学剂量计：CHEN 等 ^[21] 研究了基于YAG‥Ce 的光纤传感器在超快外照射放射治疗剂量测定中的应用。而 VANREUSEL 等 ^[22] 则开发了一种与剂量率无关的二维 Ce 掺杂 YAG 闪烁体剂量测定系统，用于超高剂量率电子 FLASH 放射治疗的时间分辨束流监测。这些光学方法为 FLASH 放射治疗剂量监测提供了新的技术路径。

3 辅助装备与软件系统

3.1 射程调制硬件

为克服回旋加速器能量切换速度慢的限制，被动散射质子线 FLASH 放射治疗方案常采用物理射程调制器。其中，脊型过滤器是一种关键组件，它通过引入不同厚度的材料，将单能质子束的能量进行展宽，从而在深度方向上形成展宽的布拉格峰 ^[23]。通过配合准直器和射程补偿器，该方法可在毫秒级时间窗内实现对浅表或规则形状靶区的照射。

3.2 FLASH 放射治疗专用治疗计划系统（treatment planning system, TPS）

TPS 必须在硬件约束下进行时空双优化。（1）剂量率驱动优化。近期的一项研究强调，在优化物理剂量分布的同时，需要将各体素的剂量率历史明确纳入优化目标函数，以确保整个治疗过程满足FLASH 效应的剂量率阈值要求 ^[24]。这类“剂量率驱动”的优化策略，为开发真正适配 FLASH 放射治疗的计划系统提供了全新思路。（2）日志驱动验证。通过读取加速器底层运行日志，获取详细的束流传输和调制参数，并将其作为输入驱动蒙特卡洛剂量计算引擎，可实现对 FLASH 放射治疗交付全过程的高精度独立剂量验证 ^[25]。

4 装备引入的临床工程挑战与预测

4.1 临床实验全景

目前，全球已开展多项里程碑式实验。质子路径的 FAST-01 实验证明了四肢骨转移瘤治疗的可行性 ^[12]；电子路径的 Flash-Skin I 实验则验证了改装 C 型机架直线加速器用于 FLASH 放射治疗的稳定性 ^[9]。而基于成都太赫兹自由电子激光装置搭建的高能 X 射线 FLASH 放射治疗临床前研究平台，细胞与动物实验结果表明，其在维持肿瘤杀伤效果的同时，可显著减轻对肠道等正常组织的损伤，为高能 X 射线 FLASH 放射治疗的临床转化提供了重要的生物学依据 ^[13]。

4.2 现实工程瓶颈

尽管动物实验数据令人鼓舞，但 FLASH 放射治疗走向常规临床应用仍面临一系列深层次的工程与临床瓶颈，亟待系统性突破。（1）人体临床证据的匮乏。现有 FLASH 放射治疗研究的生物学证据体系高度依赖小鼠、迷你猪、猫等动物模型，而真正意义上的人体前瞻性随机对照研究数据很少。FAST-01 实验虽证明了质子线 FLASH 放射治疗在四肢骨转移瘤中的安全性与可行性 ^[13]，但其样本量有限且随访期较短，无法回答 FLASH 效应在人体内是否真实存在、效应量级如何、适用瘤种范围几何等核心临床问题。UHDR 条件下的氧耗竭假说在人体微环境中是否成立，目前尚无直接证据支持。（2）UHDR 下的辐射防护新挑战。与常规放射治疗相比，UHDR 照射会显著提升瞬发中子及感生放射性的产生量。在质子及高能 X 射线 FLASH 放射治疗平台中，超高峰值束流强度导致每次治疗期间的瞬时辐射场强度数倍乃至数十倍于常规治疗水平。这对机房的混凝土屏蔽厚度、迷路设计、门禁联锁逻辑及工作人员的年剂量管理均提出了远超现行标准的严苛要求。现有机房若要改造适配 FLASH放射治疗设备，往往面临土建成本高昂、停机周期过长的现实困境，部分机构甚至需要新建专用屏蔽机房，这大幅抬高了 FLASH 放射治疗的准入门槛。（3）设备引进与改装的经济壁垒。FLASH 放射治疗专用系统（如质子线 FLASH 加速器、VHEE 平台）的采购成本远高于现有临床设备，单套系统的综合投入（含土建、调试及维护）可能高达数千万至数亿元人民币，超出绝大多数基层及中等规模医疗机构的财务承受能力。即便是对现有直线加速器进行 UHDR 改装，也涉及速调管更换、束流输运系统改造、监测系统升级等复杂工程，改装周期长、设备停机损失大，且改装后的设备仍需通过额外的型式检验与注册审批，合规成本不容忽视。（4）剂量学标准与质控规程的缺失。目前，国际上尚无针对 FLASH 放射治疗的权威剂量学校准标准。现行的参考剂量学规程（如 IAEA TRS-398、AAPM TG-51）均基于常规剂量率条件建立，其核心测量工具在 UHDR 条件下因离子复合效应而产生不可忽视的系统偏差，且现有修正模型在极端 DPP 条件下的适用性仍存在争议。同时，针对 FLASH 放射治疗的患者特异性质量保证规程尚处于探索阶段，如何在不牺牲测量精度的前提下实现脉冲级实时监控，并与安全联锁系统有效集成，是当前临床物理学面临的核心难题之一。缺乏统一的计量溯源链和质控标准，也将直接阻碍多中心临床实验数据的横向比对与汇总分析。

随着 FLASH 放射治疗技术逐步向临床应用转化，监管机构正对这项技术带来的独特安全风险保持密切关注。业界普遍预期，未来的审批将不仅关注平均剂量率，还会对设备的束流稳定性（包括脉冲间与脉冲内）、实时剂量监测精度以及多层次的安全联锁机制提出更高要求，以确保在 UHDR 照射下的患者安全 ^[26]。

4.3 经济性与未来展望

FLASH 放射治疗有望将传统长达数周的分次照射疗程缩短至 1 ~ 5 次，理论上可大幅提升医院的患者周转效率，并摊薄单次治疗的成本。短期来看，基于电子线改装的 FLASH 放射治疗设备技术相对成熟，有望率先在浅表肿瘤（如皮肤癌）的治疗领域完成早期临床验证。中期来看，质子线FLASH 放射治疗凭借其优越的剂量学分布特性，有望在深部肿瘤治疗中发挥重要作用，而该技术的落地，依赖专用射程调制硬件（如射程调制轮）与稳定超高速率束流的集成整合。长期来看，随着相关技术逐步成熟、设备成本不断下降，VHEE 装备与高能 X 射线系统有望逐步进入临床医院，为放射治疗提供全新的技术选择 ^[27]。

5 总结

FLASH 放射治疗装备正处于从实验室原型向临床实用化转型的关键阶段。尽管传统探测器饱和与能量转换效率仍是瓶颈，但以 SiC 探测器、BCT监测和先进的剂量率驱动优化算法为代表的新一代软硬件技术正在合力跨越“转化之谷”^{[18，20，24]}。相关研究团队在质子直线加速器 FLASH 放射治疗平台的前瞻设计等方面开展了积极工作 ^[15]，标志着我国在这一前沿医疗装备领域正积极参与国际竞争与合作。未来的工程重点聚焦于脉冲稳定性的极速调控与具备 FLASH 模块的国产自主化 TPS 研发，以真正实现放射治疗的“闪时”进化。

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