FLASH放射治疗中质子与极高能电子传输的铅笔束扫描技术的比较

《Physics and Imaging in Radiation Oncology》：Comparison of protons and very high-energy electrons transmission pencil-beam-scanning for FLASH radiotherapy

比较250 MeV质子与200/150 MeV VHEE的FLASH治疗计划质量，提出FLASH指标量化各结构在10 Gy剂量下≥40 Gy/s的剂量率覆盖比例，发现质子因更高剂量率实现更优覆盖，而VHEE需500 Hz以上脉冲重复频率才能满足要求，两者计划质量相当，但VHEE设备设计更具挑战性。

　　本研究聚焦于高能电子束（VHEE）与质子治疗在放射治疗中的应用比较，特别是在与“FLASH效应”相关的剂量率评估方面。FLASH效应是指在超高剂量率（UHDR）条件下，对健康组织具有更显著的保护作用，同时保持对肿瘤的有效治疗效果。近年来，随着对这一效应的深入研究，质子治疗已经能够在临床中实现FLASH效应，而VHEE作为一种新兴的治疗手段，其在实现UHDR方面也展现出潜力。本研究通过设计和优化质子（250 MeV）与VHEE（150 MeV和200 MeV）的治疗计划，对多个临床案例进行了比较分析，旨在评估VHEE在实现FLASH效应方面的可行性，并探索其与质子治疗在治疗质量上的差异。

质子治疗因其在肿瘤治疗中的精确性和对周围正常组织的保护作用，一直是放射治疗的重要技术之一。然而，质子治疗设备的建设与运行成本较高，且对治疗的可及性造成一定限制。相比之下，VHEE作为轻粒子，其磁刚度较低，因此理论上需要更小的磁铁和更短的加速段，从而在成本和可及性方面可能具有优势。此外，VHEE的深度剂量分布特性使其能够有效地治疗深部肿瘤，例如位于10 cm以下的肿瘤。这种特性在某些情况下可能优于质子治疗，尤其在处理那些对剂量率要求较高的病例时，VHEE展现出一定的竞争力。

在本研究中，治疗计划的优化采用了一种基于Python的算法，该算法通过预计算的剂量影响矩阵来优化斑点的位置和权重。对于质子治疗，采用的是250 MeV的高能质子，而对于VHEE，则分别选择了150 MeV和200 MeV的两种能量。这些能量的选择是基于其在临床应用中的潜力，以及与未来可能实现的FLASH兼容VHEE加速器的性能一致。研究还考虑了不同的脉冲重复频率（PRF），以评估其对剂量率的影响，特别是为了达到至少40 Gy/s的超高剂量率，需要将PRF设定为500 Hz或更高。

为了评估治疗计划的质量，研究引入了一个新的“FLASH指数”概念，该指数用于衡量在特定剂量率条件下，某个结构是否能够从FLASH效应中获益。FLASH指数的计算基于剂量分布和剂量率的联合分析，即在达到特定剂量阈值的同时，是否也在特定剂量率范围内。这一指标为不同治疗方式之间的比较提供了一个客观的依据，使得研究者可以更直观地了解每种治疗方式在FLASH效应实现方面的潜力。

研究结果表明，VHEE治疗计划在目标覆盖和剂量分布方面与质子治疗计划具有相似的性能。然而，在某些情况下，质子治疗计划在健康组织的剂量保护方面表现更优，这可能与质子的更陡峭的剂量分布曲线有关。同时，研究发现，VHEE的FLASH指数普遍低于质子治疗，这表明在实现超高剂量率方面，质子治疗更具优势。此外，对于不同能量的VHEE治疗计划，其性能差异较小，说明在当前的临床条件下，VHEE可以达到与质子治疗相当的治疗效果。

在剂量率评估方面，研究发现，为了实现FLASH效应，VHEE的脉冲重复频率必须达到500 Hz以上，而在某些情况下，如肝脏和前列腺治疗，可能需要更高的频率。这一发现对于未来VHEE加速器的设计和优化具有重要意义，因为它揭示了在实现超高剂量率时，脉冲重复频率是一个关键参数。质子治疗的剂量率则可以通过其现有的系统参数直接实现，而VHEE需要更精确的控制和调整，以达到类似的治疗效果。

此外，研究还指出，尽管VHEE在某些情况下能够提供与质子治疗相似的剂量分布，但其在实现超高剂量率方面仍面临一定的挑战。这可能与VHEE的物理特性和加速器的设计有关。因此，未来的研究需要进一步探索如何优化VHEE的参数设置，以提高其在FLASH效应中的表现。

总体而言，本研究为VHEE在放射治疗中的应用提供了重要的参考，特别是在实现超高剂量率方面。通过引入FLASH指数这一新的评估工具，研究为不同治疗方式之间的比较提供了一个新的视角，有助于未来在临床实践中更好地应用VHEE技术。同时，研究也强调了在VHEE治疗中，脉冲重复频率的重要性，以及未来在该领域需要进一步研究的方向。随着对FLASH效应的深入理解，以及相关技术的不断发展，VHEE有望成为一种在成本、可及性和治疗效果方面具有竞争力的替代方案。