线聚焦X射线管原型机实现微束与微束放射治疗的突破性进展：调试、表征及首次高剂量率照射研究

《International Journal of Radiation Oncology*Biology*Physics》：Commissioning, characterization and first high dose rate irradiations at a compact X-ray tube for microbeam and minibeam radiation therapy

本研究针对微束与微束放射治疗(MRT)缺乏适用于临床的紧凑型辐射源这一技术瓶颈，开发了首台线聚焦X射线管(LFXT)原型机。研究团队成功完成设备调试与束流表征，测得72.3 μm的微小焦斑宽度，在70 mm厚PMMA模体中实现峰值-谷值剂量比(PVDR)>10的优异束流品质，并通过体外细胞和小鼠脑部照射实验验证了该技术在MRT领域的临床应用潜力，为推进空间分割放射治疗(SFRT)的临床转化提供了关键技术支撑。

　　

在肿瘤放射治疗领域，科学家们一直在探索如何既能有效杀灭肿瘤细胞，又能最大限度地保护周围正常组织。传统放疗技术追求均匀的剂量分布，但近年来，一种打破常规的思路——空间分割放射治疗(SFRT)正受到越来越多关注。这种技术的核心思想是故意将辐射场调制成高低剂量交替的"峰谷"模式，其中微束（毫米级调制）和微束（微米级调制）放射治疗被认为能通过更精细的剂量调制获得更宽的治疗窗。

然而，理想的治疗方案却面临着现实的技术瓶颈。目前大多数临床前微束研究都依赖第三代同步辐射装置，如法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射装置(ESRF)和澳大利亚同步加速器。这些"庞然大物"虽然能提供优质的微束辐射，但其巨大的基础设施需求和昂贵的运营成本使其根本无法在临床环境中推广。而常规X射线管虽体积小巧，却因焦斑尺寸过大导致几何模糊效应，使得微束图案在组织深度增加时迅速模糊，峰值-谷值剂量比(PVDR)急剧下降，严重限制了其在深部肿瘤治疗中的应用。

正是在这样的背景下，慕尼黑工业大学的研究团队开启了一项创新性探索——开发专门用于微束和微束放射治疗的紧凑型线聚焦X射线管(LFXT)。这项发表于《International Journal of Radiation OncologyBiologyPhysics》的研究，报道了首台LFXT原型机的调试过程、束流特性表征以及首批高剂量率照射实验结果，为推进MRT的临床转化迈出了关键一步。

研究人员采用了几项关键技术方法：通过高电压 conditioning 和真空处理确保设备稳定性；利用光学成像、针孔成像和刀边法多维度表征焦斑特性；使用射频铬胶片进行微束剂量分布测量；通过体外A549肺癌细胞模型和体内GL261胶质母细胞瘤小鼠模型验证生物效应。

调试

研究团队首先对LFXT原型机进行了为期两周的烘烤除气处理，使加速器腔和靶腔分别达到3.9×10^?9 mbar和2.5×10^?8 mbar的超高真空环境。通过自动化高电压 conditioning 程序，设备成功达到300 kV的设计电压。虽然旋转靶轴承故障限制了最终运行参数（最高150 kV），但原型机已能稳定产生X射线束流。

焦斑测量

焦斑表征结合了三种方法：捕捉过渡辐射的光学成像、25 μm针孔成像和刀边测量。结果显示LFXT产生了强烈的偏心电子分布，焦斑长度约6 mm，宽度测量值因方法而异：针孔法为(144.3 ± 0.8) μm半高宽(FWHM)，刀边法为(72.3 ± 0.3) μm FWHM。这种差异源于针孔成像固有的展宽效应，而刀边法结果更接近真实值，虽比设计目标50 μm宽约44%，但仍显著优于常规X射线管。

剂量学

在150 kV加速电压和17.4 mA束流下，LFXT在距焦斑150 mm处实现了4.3 Gy/s的开放野剂量率。微束剂量分布测量显示，使用50 μm狭缝宽度、400 μm中心距的多缝准直器时，LFXT产生的微束剂量分布具有陡峭的侧向半影（表面27 μm，71 mm深度处41 μm）。最重要的是，在整个70 mm厚PMMA模体中，PVDR始终保持在10以上，从表面的25.4逐渐下降至30 mm深度后的约10。与常规小动物辐照器XenX相比，LFXT的剂量分布明显更尖锐，PVDR随深度下降更缓慢，证明了小焦斑尺寸在减少几何模糊方面的优势。

首批临床前实验

体外实验显示，A549肺癌细胞经微束照射后30分钟，高剂量区域（峰值）出现明显的γ-H2AX焦点聚集，表明DNA双链断裂，而低剂量区域（谷值）焦点显著减少，证明了LFXT产生精确微束场的能力。体内实验中，携带GL261胶质母细胞瘤的小鼠接受全脑微束照射（峰值剂量150 Gy，谷值剂量15 Gy），治疗后21天的T1加权MRI图像清晰显示微束通道为亮条纹，且在整个长达53天的随访期内，小鼠未出现与照射相关的副作用或神经功能障碍。

讨论与结论

LFXT原型机的成功验证了其作为MRT紧凑型辐射源的可行性。相比常规X射线管，LFXT能在数厘米组织深度处保持高PVDR值和尖锐剂量分布；相比同步辐射装置，其紧凑尺寸和较低成本使其更具备临床转化潜力。研究估计在设计参数（300 kV，300 mA）下，LFXT在5 mm深度处可达12 Gy/s的峰值剂量率，将极大缩短治疗时间。

尽管目前原型机仍存在焦斑宽度优化、靶轴承改进等挑战，但这项研究无疑为微束和微束放射治疗的临床推广应用开辟了新途径。LFXT技术的进一步发展，结合更多临床前研究（特别是与免疫治疗的协同效应探索），有望最终实现这种创新放疗技术在肿瘤治疗中的广泛应用，为癌症患者带来新的希望。