论文标题：用于 FLASH 放疗的超高剂量率下 VHEE 束流能量演化综述

论文链接：https://www.mdpi.com/2412-382X/9/4/29

期刊名： Quantum Beam Science

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/qubs

一、引言

癌症发病率持续上升，预计到2040年全球年新增病例将接近3000万例，其中多数患者接受放射治疗。传统放疗在杀伤肿瘤的同时常对周围正常组织造成损伤。近年来，FLASH放疗效应受到广泛关注——指在极短时间内（<100 ms）以超高剂量率（>40 Gy/s）照射，可在保持肿瘤控制效果的同时显著减少正常组织并发症。然而，常规低能电子束穿透深度有限，难以用于深部肿瘤。

高能电子（VHEE） 束流（50–400 MeV）以及超高能电子（UHEE，1–2 GeV）因其穿透能力强、侧向散射小、束斑边缘锐利等特性，被认为是实现深部肿瘤FLASH放疗的理想工具。本文作者系统综述了VHEE束流能量演化的技术进展、现有加速器设施、束流注入器模拟、剂量分布特征以及向临床转化面临的挑战，旨在为VHEE-FLASH放疗的进一步发展提供参考。

二、材料与方法

作者采用两种主流模拟工具开展研究：

ASTRA代码（DESY开发的空间电荷跟踪算法）：模拟激光驱动光阴极注入器中的电子束产生与加速过程。设置了128.3 MeV、446.1 MeV和1.2 GeV三种目标能量，采用Cs?Te半导体光阴极，计算了电场分布、磁场分布、横向发射度及束流能量演化。

FLUKA/FLAIR代码：模拟电子束在PMMA（组织等效模体）中的剂量分布。模拟能量包括5–100 MeV及1.2 GeV，获得深度剂量曲线（PDD）和二维剂量分布图。

此外，作者调研了欧洲主要VHEE实验设施的技术参数，包括CERN的CLEAR（60–220 MeV）、DESY的ARES（50–155 MeV）、英国CLARA（50–250 MeV）以及意大利SAFEST（80–100 MeV）等。

三、分析与结果

ASTRA注入器模拟表明：在128.3 MeV和446.1 MeV两种能量下，纵向电场和螺线管磁场均保持良好均匀性，横向发射度在初始段振荡后迅速趋于稳定低值，束流平均能量沿加速结构呈线性增长。1.2 GeV的UHEE束流在技术上可行，但需要X波段加速腔和更高成本的射频电源。

FLUKA剂量模拟显示：VHEE束流（50–100 MeV）在PMMA模体中的穿透深度可达80 cm，剂量曲线平台区明显长于低能电子。二维分布结果表明，随着束流能量从50 MeV增至1.2 GeV，剂量峰值深度从约10 cm逐渐移至110 cm，但侧向半影也随之展宽（从5 cm增至30 cm），提示VHEE/UHEE适用于深部或大体积肿瘤，但需考虑束流在靶区内的能量展宽。

现有设施评估：欧洲多个VHEE试验设施已具备或正在升级FLASH照射能力。FLASH效应所需的关键参数包括：照射时间<100 ms、平均剂量率>100 Gy/s、峰内剂量率>10? Gy/s、单脉冲剂量>1 Gy。

四、展望

文章指出，VHEE-FLASH放疗要实现临床转化，仍需在以下方面取得进展：

加速器技术：开发紧凑、稳定、高效且成本可控的VHEE加速器。激光/束流驱动尾场加速器是替代方案，可大幅缩小设备尺寸。

剂量学与标准化：目前仅少数设施能稳定输出FLASH条件所需的超高剂量率。不同设施间的束流参数和照射协议亟需统一，以便开展多中心放射生物学研究。

生物机制：FLASH效应保护正常组织的机制尚不完全清楚。放射线氧耗竭（ROD）假说认为超高剂量率快速消耗组织中氧气、降低氧增强比，但近期研究提示可能涉及活性氧（ROS）等更复杂机制。

治疗计划与临床前验证：初步计划研究显示VHEE在保护危及器官方面优于光子VMAT，但深部肿瘤的临床前试验仍缺乏系统的转化路线图。

辐射安全：VHEE加速器运行过程中会产生次级粒子（中子、光子等），需要足够的屏蔽设计、在线监测和人员防护措施。

目前，低能电子（约9 MeV）FLASH已用于浅表皮肤癌和术中放疗。下一步的关键是推动VHEE-FLASH进入深部肿瘤的临床试验。

引用格式：

Gazis, N.; Gazis, E. Review of VHEE Beam Energy Evolution for FLASH Radiation Therapy Under Ultra-High Dose Rate (UHDR) Dosimetry. Quantum Beam Sci. 2025, 9, 29. https://doi.org/10.3390/qubs9040029

期刊介绍

主编：Prof. Dr. Klaus-Dieter Liss

Quantum Beam Science (QuBS, ISSN 2412-382X) 是一个国际性开放获取期刊。主要关注量子束在广义材料研究和表征方面的应用，以及量子束源、仪器和设备的发展。期刊创刊于2017年，目前已被Scopus (Elsevier)、Emerging Sources Citation Index (ESCI)—Web of Science (Clarivate Analytics)、CAPlus/SciFinder、Inspec、Astrophysics Data System等数据库收录：https://www.mdpi.com/journal/qubs/indexing

2024 Impact Factor：1.7

2025 CiteScore：3.2