等效恒定剂量率作为FLASH（Flash辐射治疗）中适用于所有束流时间结构的统一剂量率概念

《MEDICAL PHYSICS》：Equivalent constant dose rate as a unifying dose rate concept for FLASH across all beam time structures

FLASH效应的等效恒定剂量率概念研究，提出基于氧增强比模型和数学框架，量化脉冲电子束及扫描质子束的等效恒定剂量率，验证其在小鼠急性皮肤毒性中的相关性，为跨时间结构束流比较提供通用方法。

　　

摘要

背景

FLASH效应已通过使用不同时间结构的束流方式（如脉冲电子束和铅笔束扫描（PBS）质子场）进行了实验研究。不同的束流时间结构使得实验之间的直接比较变得困难。因此，迫切需要一个基于生物学原理的剂量率概念，该概念能够适用于所有束流时间结构。

目的

对于任何具有时变剂量率的剂量输送，我们定义了等效恒定剂量率（$$_eq,const），即如果以恒定剂量率输送相同剂量时，能够产生相同FLASH保护效果的剂量率。本研究为$$_eq,const开发了一个数学框架，并利用该框架研究了多种束流时间结构下的情况。

方法

计算$$_eq,const需要一个FLASH保护效应的模型。在此研究中，采用了先前用于成功量化小鼠在各种质子PBS照射下观察到的急性皮肤毒性变化的现象学氧增强比（OER）加权剂量模型。我们推导出了分析方程，用于计算任何分段恒定剂量率照射下的$$_eq,const，并利用这些方程确定了几种脉冲束和PBS场下的$$_eq,const值。系统地对脉冲束和PBS场的$$_eq,const进行了表征，并研究了其在先前小鼠实验中描述急性皮肤毒性发生的能力。

结果

对于平均剂量率为$$_mean、脉冲次数为n次、脉冲剂量高达5 Gy且脉冲重复时间高达100 ms的脉冲束，$$_eq,const大约可以表示为n/(n+1)?$$_mean。对于一个平均剂量率为60 Gy/s的40 Gy PBS传输质子场，$$_eq,const值分别为：不进行重新涂布时为155 Gy/s，进行四次重新涂布时为64 Gy/s，将场分成两次、每次间隔2分钟输送时为7.7 Gy/s。对于不进行重新涂布的扩展布拉格峰（spread-out Bragg peak）照射，$$_eq,const值为98 Gy/s。在包括脉冲电子束和质子PBS在内的各种束流时间结构下，小鼠在接受约40 Gy照射后出现的急性皮肤毒性现象与$$_eq,const的值呈相同趋势，这证明了其放射生物学相关性。$$_eq,const仅略微依赖于现象学OER模型参数。

结论

这种普遍适用的、基于生物学原理的剂量率概念$$_eq,const允许直接比较所有束流时间结构下的FLASH剂量率。

利益冲突声明

Per Poulsen是名为“质子放射治疗系统及其操作方法”的专利申请的共同发明人，该专利申请已由奥胡斯大学提交，欧洲专利申请号为22155954.5。Per Poulsen和Brita S?rensen还是一项专利申请的共同发明人，该专利申请由奥胡斯大学医院提交，申请编号为63257211，EFS ID为44064136。