《International Journal of Radiation Oncology*Biology*Physics》：THGEM-Based Air Ionization Chamber for Online Dose Monitoring in Conventional and FLASH Radiotherapy
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目的：旨在研发一种可同时应用于常规放疗和超高剂量率放疗（即闪疗，FLASH-RT）的在线剂量监测装置。
方法：厚型气体电子倍增器（THGEM）技术凭借其均匀的微结构特性，成为应对上述挑战的理想方案。本研究采用创新设计，在THGEM两侧电极表面覆以Mylar导
目的：旨在研发一种可同时应用于常规放疗和超高剂量率放疗（即闪疗，FLASH-RT）的在线剂量监测装置。
方法：厚型气体电子倍增器（THGEM）技术凭借其均匀的微结构特性，成为应对上述挑战的理想方案。本研究采用创新设计，在THGEM两侧电极表面覆以Mylar导电薄膜，于每个微孔中形成独立的微电离室，有效降低高剂量率环境下的电荷密度问题。
结果：实验结果表明，所研发的THGEM空气电离室（THGEM-ADIC）在常规放疗条件下1–100 Gy剂量范围内与标准PTW Farmer 30013电离室具有几乎一致的线性响应，剂量偏差控制在±3%以内，稳定工作坪区约为400 V。对于调强放疗（IMRT）或分次治疗中典型的临床单野剂量，其准确性仍有待进一步研究。更为重要的是，得益于其独特的微结构设计，THGEM-ADIC具有快速信号响应能力，可直接测量闪疗加速器宏脉冲结构。在超高剂量率工作环境下，该探测器维持约200 V的工作坪区，即使在高达250 Gy/s的极端剂量率下，与EBT3胶片剂量学测量相比仍保持超过99%的线性剂量响应。然而，在超高剂量率;br>50–250 Gy/s范围内观察到剂量率依赖性，在进行超高剂量率精确剂量学测量时应予以考虑。
结论：上述结果共同表明，THGEM-ADIC凭借其微结构设计和快速响应能力，不仅可在常规放疗中提供与传统电离室一致的测量精度，还能在超高剂量率闪疗条件下实现精确剂量监测，为闪疗技术的临床转化提供重要的剂量学工具。
放射治疗作为恶性肿瘤治疗的主要手段之一，其发展始终围绕提高肿瘤控制率的同时降低正常组织并发症这一目标。近年来，超高剂量率放射治疗（UHDR-RT），又称闪疗（FLASH-RT），因其独特的生物学效应而成为放疗领域的研究热点。闪疗在多种前临床模型中展现出保护正常组织同时维持肿瘤控制效果的潜力，并已完成首例人体临床应用。当前研究认为，氧耗竭机制（oxygen depletion）和特异性细胞应激反应可能是产生"闪效应"（Flash effect）的关键因素。
随着闪疗技术的快速发展，精确剂量检测与监测技术面临前所未有的挑战。传统剂量学设备在超高剂量率条件下表现出显著局限性：常规电离室可能因离子复合效应低估剂量达30%–40%，严重影响治疗质量保证和临床疗效的准确评估。为应对这一挑战，研究人员开发了多种创新检测技术，包括化学气相沉积（CVD）金刚石探测器、闪烁光纤阵列剂量计等，同时欧洲联合研究项目UHDpulse为超高剂量率放疗提供了全面的计量学框架。此外，束流电流互感器（BCTs）利用电磁感应实现纳秒级时间响应，切伦科夫探测器则利用超光速带电粒子在介质中产生的切伦科夫辐射实现亚毫米空间分辨率的束流通量和剖面监测。在空气电离室领域，降低离子复合效应的设计主要聚焦于减小极间距和采用低气压两个方向，但现有探测器仍面临高剂量率下饱和效应、温度依赖性等技术难题，更关键的是目前缺乏同时适用于常规剂量率（0.01–10 Gy/min）和超高剂量率（>40 Gy/s）的通用检测系统，这一技术空白严重制约了闪疗技术的临床推广。
为最小化离子复合效应对剂量测量的影响，本研究开发了基于THGEM的空气电离室（THGEM-ADIC），用于常规放疗和闪疗的实时剂量监测。THGEM技术已广泛应用于高能物理和医学成像领域，其独特的微结构特性提供了优异的时间分辨率和信号稳定性。考虑到电离室极间距与饱和效应的关系，本研究充分利用THGEM的微孔和窄极间距结构特点，有效降低高计数率环境下正离子累积引起的空间电荷效应，对解决超高剂量率下的探测器饱和问题尤为重要。
在探测器设计方面，整个探测器组件置于铝制外壳中，以提供机械支撑和电磁屏蔽。采用25 μm镀铝Mylar箔作为入射窗、出射窗及电极，THGEM核心部件由中国科学院高能物理研究所提供，厚度均匀性约1%，有效探测面积50 mm × 50 mm。THGEM以190 μm陶瓷为基材，双面均匀覆盖5 μm铜层，其上均匀分布一系列微孔。该设计的关键创新在于充分利用THGEM的微结构优势，实现仅200 μm的极间距，显著缩短离子漂移距离；均匀分布的微孔设计有效缩小信号产生区域，进一步降低电荷密度，缓解离子复合效应。THGEM电极表面紧密覆盖25 μm镀铝Mylar电极（100 nm双面铝涂层），确保孔内电场分布相对均匀，提高电荷收集效率。激光测距确认有效区域总叠层厚度为250 μm。与传统GEM探测器维持专用气体混合物流动不同，该THGEM探测器以空气为工作气体，周边设计的气流交换槽主要用于平衡THGEM孔内外静态气压。
该研究采用两种不同类型的加速器进行THGEM-ADIC性能测试：常规加速器测试使用Elekta Axesse直线加速器产生6 MV光子能谱；闪疗加速器测试则使用由中物闪研开发的先进放疗研究平台（PARTER），该平台基于中国工程物理研究院THz自由电子激光（CTFEL）设施的超导直线加速器，可产生6 MV或9 MV光子能谱，最大平均剂量率约400 Gy/s，瞬时剂量率高达约8 × 10? Gy/s。数据采集系统采用DLPCA-200低噪声可变增益跨阻放大器进行信号处理，基于NI cRIO 9063平台构建，配备NI 9215高精度模拟输入卡。
在性能评价方面，研究设计了三个关键测试项目：电压响应坪区分析，通过改变工作偏置电压（?100 V至?800 V）系统研究探测器的电荷收集行为和信号响应特性；常规剂量率条件下的剂量线性研究，在Elekta Axesse加速器平台上以600 MU/min和1400 MU/min剂量率测量1–100 Gy范围内的响应；超高剂量率条件下的剂量线性测试，在X-Flash加速器平台上以50–250 Gy/s超高剂量率测量2–20 Gy总剂量下的响应特性。
信号处理与分析结果显示，THGEM-ADIC在常规加速器模式下呈现可重复的脉冲响应，对应于加速器单个束流脉冲；在X-Flash加速器模式下，探测器可分辨加速器脉冲频率，无明显正离子累积现象，主电子信号与正离子信号清晰分离。经处理正离子信号部分，可实现闪疗加速器的剂量测量，各宏脉冲总剂量保持良好一致性，约0.1 Gy。值得注意的是，每次X-Flash测量照射初期探测器存在启动效应（turn-on effect），前六个脉冲响应异常，数据处理中予以排除。
电离区坪区特性曲线分析表明，THGEM-ADIC在常规加速器测试环境中具有约400 V宽（?350 V至?700 V）的稳定工作坪区，最佳工作电压确定为?450 V；在超高剂量率环境中，稳定坪区收窄至?200 V至?400 V，约200 V宽，闪疗工作电压最终确定为?300 V。这种差异源于两种不同机制：在低电压端，闪疗辐射的脉冲特性产生强烈瞬时电离，但自由电子收集机制使坪区在相对较低电压即可起始；在高电压端，超高剂量率下高瞬时电离密度产生的显著空间电荷场叠加于外加电场，使局部电场更早超过气体放大阈值。
剂量线性分析显示，在常规加速器条件下，THGEM-ADIC对1–100 Gy剂量范围呈现优异线性特征，拟合残差控制在3%以内，与PTW Farmer 30013探测器线性信号性能一致，能够处理≥10 Gy的常规放疗绝对剂量测量任务，但在低剂量时受噪声影响较大。在250 Gy/s超高剂量率环境下，虽线性响应略有降低，仍保持99%以上的输出线性度，与EBT-3胶片测量结果一致。此外，THGEM-ADIC在不同剂量率下表现出分段剂量率响应特征：常规剂量率下相同总剂量的电荷输出与剂量率弱相关，而50–250 Gy/s范围内输出电荷与剂量率呈正相关——剂量率越高，输出电荷越大，25%的线性增长经校正后可提供稳定可靠的剂量测量。
该现象可能源于金属电极次级电子产额的剂量率依赖性，结合单脉冲内空间电荷电场调制与快速辐射化学效应的协同作用。具体而言，超高剂量率下瞬时粒子通量急剧增加导致次级电子产额显著增强，同时闪疗单脉冲极短持续时间使正离子无法及时消除，在电极表面形成正离子鞘层，叠加外电场增强脉冲内次级电子收集效率，且剂量率越高该效应越明显。
讨论部分进一步明确了THGEM-ADIC的几项关键特性。就时间分辨率而言，THGEM微结构的固有快速响应由空气间隙中电子漂移时间主导，基于电子漂移速度1.5–2.5 × 10? cm/s、漂移距离200 μm、外加电场约15 kV/cm计算，仅8–13.3 ns，远小于数据采集系统10 μs的采样间隔，并非时间分辨率的限制因素。检测系统的实际时间分辨率受限于DAQ系统采样率和带宽：宏脉冲持续时间（500 ns至>500 ms）与NI9215兼容，但宏脉冲内含重复频率54.167 MHz的微脉冲（间隔约18.5 ns），有效信号窗口内仅包含2–3个微脉冲。
针对全剂量率范围的稳定适应，未来需量化不同电极材料在两种剂量率下的次级电子产额差异，以及电荷收集效率和气体放大因子的动态变化规律，结合空间电荷效应原位监测数据准确匹配电极参数和电场配置。为表征从剂量率无关到剂量率相关行为的转变，未来工作应比较50 Gy/s与常规剂量率（0.1–X Gy/s）下的探测器输出，以确定50 Gy/s是否为过渡起始点，明确过渡发生的剂量率范围。
研究结论部分指出：THGEM-ADIC充分利用微结构电离室的几何特性，通过减小极间距和均匀分布微孔设计，有效降低高剂量率环境下电荷密度，显著缓解离子复合效应对剂量测量的影响；在常规剂量率条件下具有约400 V宽（?350 V至?700 V）的稳定工作坪区，超高剂量率环境下仍保持约200 V（?200 V至?400 V）的工作坪区；1–100 Gy剂量范围内与PTW Farmer 30013一致性良好，线性拟合残差控制在3%以内，250 Gy/s超高剂量率下仍保持99%以上剂量线性度，与EBT-3胶片一致性验证其闪疗应用可行性；可分辨闪疗加速器宏脉冲频率结构，通过正离子信号进行精确剂量积分，为闪疗剂量验证和质量保证提供技术支持。简而言之，THGEM-ADIC实现了同时适用于常规放疗和闪疗的通用剂量监测解决方案，为解决现有剂量测量技术在超高剂量率环境中的局限、推动闪疗技术临床转化和广泛应用提供了重要保障。
