《Annals of Nuclear Energy》：A simulation study of X-ray-induced acoustic dosimetry for a compact FLASH radiotherapy device using digital phantoms
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•建立了10 MV直线加速器超高清X射线剂量到体模XA信号的转换模型。•利用基于模型的时间反转（TR）方法，探索了一种基于XA（X射线诱导声成像）的FLASH-RT剂量学技术。•分析了不同信噪比XA信号的重建结果，并进行了进一步的对比。引言近年来，FLASH放疗（FLASH-
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建立了10 MV直线加速器超高清X射线剂量到体模XA信号的转换模型。
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利用基于模型的时间反转（TR）方法，探索了一种基于XA（X射线诱导声成像）的FLASH-RT剂量学技术。
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分析了不同信噪比XA信号的重建结果，并进行了进一步的对比。
引言
近年来，FLASH放疗（FLASH-RT）技术受到了来自全球研究人员和临床医生的广泛关注与认可。相关研究结果已经证明，FLASH-RT可以在确保肿瘤治疗有效性的同时，显著减少正常组织的损伤（Fu等，2024，Favaudon等，2014，Vozenin等，2019，Bourhis等，2019，Shi等，2023）。与此同时，该技术还可以显著缩短放疗时间，减少放疗疗程，降低临床医生的工作负荷和患者的治疗成本（Kacem等，2022，Romano等，2022，Alhaddad等，2024，Fang等，2021）。在各种FLASH模式当中，基于X射线的FLASH-RT在临床转化方面具有独特的实用优势。具体来说，它能够实现快速多角度、高剂量率照射，并且在加速器可用性、占用空间小和运行成本低廉等方面，相较于电子或质子FLASH方法具有明显优势（Loo, Jr.等，2024，Montay-Gruel等，2022，Lin等，2024）。
为了在高能X射线FLASH-RT期间进行剂量学评估和验证，确保向肿瘤提供足够的辐射剂量，同时保护周围组织免受辐射损伤，有必要在高能X射线束照射靶区体积（TVs）和危及器官（OARs）时，重建并可视化感兴趣区域中的实际剂量分布（Zhang等，2023）。然而，现有的图像引导与递送剂量反馈监测技术通常基于传统的计算机断层扫描技术，或者仅仅依靠布置辐射阵列传感器来收集穿过介质的射线，这大多局限于人体外表面的点测量，导致无法在FLASH-RT期间对照射靶区进行剂量成像（Mijnheer等，2013）。尽管电子射野成像设备（EPID）可以用于常规放疗中，通过与解剖成像数据集成来计算TVs和OARs内的剂量分布，但其在FLASH-RT中的应用面临着显著的限制：FLASH-RT的超高清剂量率（UHDR）照射和极短的束流递送时间特征，会导致EPID探测器由于无法快速响应瞬时剂量率变化而出现信号饱和效应，并且UHDR高能X射线与物质的相互作用主要通过电子对产生效应来生成电子-正电子对，从而导致EPID剂量测量值与实际递送剂量之间存在显著偏差（Gustafsson等，2009，Niu等，2021）。新一代的辐射探测器可以部署在人体内，但受到剂量阈值和探测器灵敏度等诸多因素的限制，难以完成这一任务（Islam等，2009，Poppe等，2010，Yang等，2021，Liu等，2025）。因此，必须开发出合适的非侵入性和体内成像技术，以实现X射线FLASH-RT期间的精确剂量学测量，并确保严格的质量保证。
当由直线加速器（Linac）产生的脉冲X射线束照射组织时，束流能量会在极短的时间尺度上沉积，产生快速、局部的温度升高（Hickling等，2018）。由此产生的瞬态加热会引发瞬时热膨胀，进而产生热弹性应力波（即声波），其压力幅度与局部沉积的能量或剂量成正比（Xiang等，2013，Kim等，2017）。根据所采用的成像模式和信号处理方式，利用压力传感器（如超声换能器）进行多角度检测X射线诱导声（XA）波，可以重建出断层图像，其体素级对比度反映了物体的结构特性或吸收剂量的空间分布。这种利用脉冲X射线束产生的声信号来可视化靶标的模式，因此被定义为X射线诱导声成像（XAI）。XAI是一种新兴的混合技术，将X射线激发与超声检测相结合，以映射生物组织或材料中的结构信息或辐射剂量分布（Wang等，2020，Gonzalez等，2023）。基于XAI的生物组织中递送剂量分布重建工作流包括以下步骤：首先，利用空间超声换能器收集的XA信号序列对XA强度分布进行反演；然后，通过计算机断层扫描（CT）或磁共振成像（MRI）获取组织周围各部分的格里尼斯（Grüneseń）参数和密度分布信息；此外，可以计算出X射线束在感兴趣区域内的递送剂量分布。尽管在传统X射线放疗背景下已经进行了一些关于XAI的研究，但其向FLASH-RT的适配尚未受到多少关注，而后者需要在超短脉冲和UHDR条件下实现可靠的剂量学测量。
在本研究中，我们研究了一种基于XAI的非侵入性剂量学方法，以实现由集成在紧凑型FLASH放疗设备中的10 MV医用Linac递送的UHDR X射线束的精确剂量递送重建。我们利用蒙特卡洛（MC）方法近似计算了单脉冲UHDR高能X射线束在照射体模中的能量和剂量沉积分布，并使用k空间伪谱方法正向模拟了XA信号在非均匀介质中的传播和衰减。然后，利用超声阵列换能器收集的XA信号矩阵数据，对介质中的递送剂量进行断层成像。本研究的主要贡献在下述几点中进行了说明。
(1) 通过Geant4程序和K-wave工具箱，构建了由10 MV超导医用Linac产生的UHDR脉冲X射线束递送剂量与体模产生的XA信号之间的转换模型。
(2) 分析了由单脉冲X射线束照射由不同材料组成的三个代表性体模所诱导的XA信号的差异，并使用基于模型的时间反转（TR）方法重建了体模中的递送剂量分布，该方法集成了CT衍生的材料参数和由128元环形超声换能器收集的信号序列。
(3) 分析了具有不同信噪比（SNR）的XA信号重建结果，并进一步进行了对比，展示了该方法在强噪声干扰条件下用于X射线FLASH-RT剂量学测量的潜力。
本文其余部分组织如下。在第2节中，我们分别介绍了X射线诱导声效应的原理、基于Geant4程序和K-wave工具箱的模拟工作流，以及X射线FLASH-RT中的递送剂量重建任务。在第3节中，我们对实验结果进行了系统分析和对比评估，在理想条件和具有挑战性的噪声环境下，考察了在临床代表性医学体模上的重建性能。在第4节中，我们对本研究得出结论，并讨论了未来的可能步骤。
章节片段
UHDR脉冲X射线诱导XA波的理论
当来自LINAC的UHDR脉冲X射线束在FLASH-RT中照射目标介质时，高能光子与目标组织中的物质相互作用，产生光电效应、康普顿散射、电子对生成和多重散射等物理反应。高能光子携带的能量会沉积在介质中，引起瞬时热膨胀，从而产生XA波，如图1a所示。在每个入射脉冲期间
在无噪声干扰环境下的递送剂量重建
为了比较在X射线FLASH-RT的理想无噪声条件下，单脉冲高能X射线束照射不同体模所诱导的XA压力信号的差异，我们使用阵列超声换能器的一个元件，在信号依次穿过各体模后，再穿过水后进行采集。如图3所示，蓝色曲线、红色曲线和黑色曲线分别代表了放置在下方12.5厘米处的元件所记录的XA压力信号序列
结论
在本研究中，我们探索了一种基于XAI的新兴剂量学方法，以克服X射线FLASH-RT中照射靶标非侵入性和在线剂量递送成像的挑战。通过Geant4程序和K-wave工具箱，构建了由10 MV Linac产生的UHDR高能X射线束递送剂量与诱导的XA压力信号之间的转换模型，并且我们分析了在……时诱导的XA压力信号的特征和差异
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响到本文所报告的工作。
Xulin Hu|Junling Wang|Dai Wu|Liuyuan Zhou|Xiaoqin Nie|Jianwen Huo
