《Radiation Physics and Chemistry》：Pulse-Resolved Real-Time Dosimetry in FLASH Radiotherapy Using Ge-Doped Silica Fiber Scintillators
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本研究评估了Ge掺杂硅光纤在6 MeV直线加速器超高速放疗（FLASH）条件下的时间分辨性能，测试了50-300 Hz脉冲重复频率（PRF）下的饱和效应及信号重叠，通过迭代去卷积技术降低 pile-up 艺术影响，验证了其在实时高精度剂量测量中的潜力，并指出需进一步校正策略。
A. Basaif|Adebiyi Oresegun|H.T. Zubair|Hafiz Zin|K.Y. Choo|S.A. Ibrahim|F. Moradi|Nadzim Ghani|Hao Zha|Yinuo Zhu|E. Lewis|H.A. Abdul-Rashid|D.A. Bradley
多媒体大学智能网络中心，纤维网络与通信研究中心，马来西亚雪兰莪州Cyberjaya 63100
摘要
我们研究了在6 MeV临床直线加速器提供的超高剂量率（FLASH）放射治疗条件下，掺锗硅光纤闪烁体的时间分辨性能。该加速器能够实现高达500 kGy/s的瞬时剂量率。本研究旨在评估这种闪烁体在极端辐射条件下的准确测量能力。虽然在不同的脉冲重复频率（PRF）下都能成功获取信号，但在PRF超过200 Hz时观察到了饱和效应，包括信号平台化和衰减重叠，导致基线升高和峰值分辨率降低。尽管如此，剂量-响应关系仍基本保持线性，只是在最高PRF下相关性略有下降。通过迭代反卷积技术减轻了堆积伪影并恢复了信号真实性。这些发现展示了掺锗光纤剂量计在实时FLASH剂量测量中的潜力与当前局限性，强调了需要校正策略以确保在超高剂量率下的准确测量。
引言
FLASH放射治疗因其能够通过降低正常组织毒性同时保持肿瘤控制而受到越来越多的临床关注，其特点是超高辐射率，通常超过40 Gy/s（Harrington, 2019）。由于FLASH治疗仅需几毫秒，而传统外照射放射治疗（EBRT）需要数分钟，因此存在独特的剂量测量问题，需要高速、高分辨率的检测方法（Romano et al., 2022）。
由于标准剂量计（如硅二极管和电离室）在响应时间、电荷收集效率以及对抗复合损失和极性效应方面的局限性，在这些情况下表现不佳（Liu et al., 2023）。多模剂量测量技术结合了胶片、量热计和固态探测器，以克服这些问题（Butler et al., 2025）。然而，这些方法通常需要较大的校正因子，使工作流程复杂化，并且缺乏实时能力——尤其是在尝试分辨FLASH中的单个辐射脉冲时。
闪烁信号的特性进一步增加了复杂性。在高剂量率（高达500 kGy/s）下，闪烁体可能会经历饱和效应，包括信号平台化和衰减尾部重叠，导致基线升高和峰值强度失真（Baikalov et al., 2025）。来自切伦科夫辐射和荧光辐射的信号污染，特别是在BC-400等塑料闪烁体中，使剂量测量变得更加复杂。此外，闪烁体的衰减动态必须达到平衡：既要足够快以记录短暂脉冲，又要避免严重的信号损失或长寿命的磷光尾部。例如，ZnSe:O在质子FLASH条件下表现出非线性行为，这突显了改进材料表征和校正程序的必要性（Kanouta et al., 2023）。
实际上，传感器材料在辐射作用下的退化是一个主要问题。Yang等人（2024）发现，在超高剂量率下重复暴露后，CeBr3晶体和ST401塑料闪烁体的信号损失了17%。这突显了需要适用于重复临床使用的抗辐射剂量计材料。同时，快速响应电子设备和实时数据处理算法的进步对于满足FLASH治疗的变化需求至关重要。机器学习（ML）正在被研究作为一种新的方法，用于改进时间分辨光致发光数据的提取和理解，而无需依赖预设的衰减模型（Madden et al., 2018）。
在这方面，掺锗硅光纤已成为FLASH剂量测量的有吸引力的选择。这些光纤具有体积小、空间分辨率高（约100 μm）、抗电磁干扰能力强以及可以通过远程读取而几乎不干扰光束等优点（Chen et al., 2018; Velthuis et al., 2017）。它们可以分辨单个辐射脉冲，同时由于其辐射发光（RL）信号在微秒范围内表现出衰减特性，因此仍能进行信号整流（Tarif et al., 2022）。
本研究利用清华大学6 MeV直线加速器，在FLASH条件下研究了掺锗硅光纤剂量计的时间分辨响应，该加速器能够提供高达500 kGy/s的瞬时剂量率。我们评估了在50至300 Hz范围内的脉冲重复频率下的探测器性能，检测到了高频率下的饱和效应和信号重叠。通过迭代反卷积技术分离了快速和慢速衰减组分，恢复了线性的剂量-响应行为。这些发现揭示了FLASH治疗中可靠实时测量所需的剂量测量限制和校正程序，从而促进了基于光纤的剂量计的临床应用。
方法与材料
所使用的剂量测量系统依赖于辐射发光（RL），即材料在高能电离辐射作用下产生的光（Ashraf et al., 2022; Chen et al., 2019; Liu et al., 2023）。发光信号来自闪烁体，这是一种在所需可见波长范围内发光的材料。发出的光随后通过一根对外部辐射不敏感的光纤传输，最终到达高灵敏度的检测器。
结果与讨论
本研究的结果分为四个部分。首先，确认了掺锗硅光纤在常规电子辐照下的固有辐射发光特性和空间互易性。其次，在FLASH配置的系统中检查了时间分辨的闪烁响应，系统地改变脉冲重复频率和总剂量，以评估峰值饱和、衰减截断和脉冲重叠。第三，量化了剂量-响应的线性关系。
结论
本研究进行了初步调查，并系统地表征了掺锗硅光纤闪烁体在常规和FLASH模式电子辐照下的辐射发光性能，证明了其在超高剂量率条件下进行实时、高分辨率剂量测量的可行性。即使在超过500 kGy/s的超高剂量率下，该传感器也表现出预期的平方反比剂量互易性和快速的微秒级衰减响应。然而，时间分辨
作者贡献声明
Yinuo Zhu：研究。Hao Zha：研究。Hairul Azhar Abdul-Rashid：撰写——初稿，项目管理，资金获取，概念构思。A. Basaif：撰写——初稿，方法论，概念构思。E. Lewis：监督，方法论，概念构思。S. A. Ibrahim：资源，方法论，研究。Nadzim Ghani：资源，研究。F. Moradi：方法论，研究，正式分析。Adebiyi Oresegun：撰写——初稿，研究，
数据可用性
本研究使用和分析的数据集可通过联系相应作者获得。
声明：
在准备这项工作时，作者使用了chatGPT和quillbot来帮助澄清某些描述。使用这些工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容承担全部责任。
资助
本研究得到了马来西亚高等教育部国际合作基金（ICF）的资助（IF0319Q1073）。
致谢
我们感谢马来西亚科学技术创新部（MOSTI）在ICF项目（IF0319Q1073）下的资助。M. Alkhorayef感谢沙特阿拉伯“教育部”研究创新处的支持，使他能够参与这项研究（IFKSUOR3-016-8）。
