在最佳物理学演讲中 AAPM年会, Eric Diffenderfer 从放射物理、放射化学和放射生物学角度比较了四种 FLASH 质子传输技术
闪光放射治疗——以超高剂量率提供治疗性放射——提供了在保持抗肿瘤活性的同时大大降低正常组织毒性的潜力。 虽然迄今为止几乎所有研究都是临床前研究， 第一个病人的治疗 2019 年在洛桑大学医院进行了 FLASH 手术， 首次人体临床试验 去年已完成计提。
大多数临床前 FLASH 研究以及患者治疗都使用电子。 但质子治疗系统也可以提供 FLASH 剂量率，并且可能被证明在临床应用中特别有前景，提供比电子更适形的剂量分布以及治疗更深层次肿瘤的能力。 质子束可以使用各种技术来传输，从而创建不同的时空剂量率结构。 那么哪种方式是传输闪光质子束的最佳方式呢？
领导的团队 埃里克·迪芬德弗 宾夕法尼亚大学的研究人员正在使用计算模型来找出答案。 Diffenderfer（代表第一作者发言） 杨瑞 来自 BC Cancer）描述了该小组的工作，以定量确定质子剂量率结构的哪些方面可以最大化 FLASH 效应。
研究人员模拟了质子FLASH传输的四种模式：笔形束扫描（PBS），提供最高的瞬时焦点剂量率； 使用脊过滤器进行双散射； 使用旋转调制轮进行范围调制双散射； 以及混合 PBS-RF 方法，其中笔形光束通过脊形滤光片传输，同时照射所有深度。
然后他们比较了这些不同的 FLASH 传输模式对正常组织保护的影响。 他们特别检查了组织保护的三个替代指标：氧消耗效应； 有机自由基物种形成动力学； 和循环免疫细胞的存活。
为了对这些指标进行建模，每种技术都用于向 11x5x5 cm 目标提供具有 5 个能量层的空间等效展开布拉格峰计划。 FLASH 的回旋加速器输出被定义为 500 nA 的束流，这在布拉格峰值处给出了大约 2 Gy/ms 的剂量率。
该模型使用宾夕法尼亚大学 IBA 质子治疗系统的机器数据计算空间剂量分布。 然后，该团队使用模型输出逐个体素地量化上述放射物理、放射化学和放射生物学参数。 Diffenderfer 指出，该模型的灵活性使得参数能够得到改进，以便与新的实验证据进行比较。
研究人员首先通过氧效应研究了放射敏感性调节：假设超高剂量率下的氧消耗模拟正常组织中的缺氧，使它们更具抗辐射性。 Diffenderfer 展示了在超高剂量率下，瞬时氧消耗如何在空间和时间上发生差异，并减少有效剂量沉积。
该团队计算了与剂量率相关的氧气消耗和恢复，并确定了所有四种输送模式的能量沉积与氧气浓度的关系。 混合 PBS-RF 技术表现出最显着的氧浓度下降。
氧气只是促进有机自由基形成的几种剂量率依赖性物质之一，而有机自由基是 DNA 损伤的已知前体。 接下来，研究人员使用放射化学速率方程来确定有机自由基随时间的浓度，曲线下的累积面积作为 DNA 损伤的替代指标。 对于所有四种传递方法，与相应的传统照射相比，FLASH 降低了损伤程度。
提出解释 FLASH 的组织保护作用的另一个潜在机制是在超高剂量率下减少辐射引起的循环免疫细胞死亡。 为了研究这一点，研究小组实施了一个放射生物学模型，该模型考虑辐射如何与循环血池相交以量化免疫细胞的存活率。
将四种技术中被杀死的免疫细胞的比例绘制为剂量率的函数，结果表明 PBS 导致最大的细胞死亡，可能是因为它允许血池的不同部分有最多的时间暴露在辐射下。
质子闪光能否证明是临床应用的最佳选择？
总体而言，所有三个机械模型的排名都一致，其中 PBS-RF 模型的组织保留最多。 效率最低的递送技术是 PBS，可能是因为其固有的长转换时间（特别是对于能量层转换）允许显着的氧气补充，增加自由基的保留并降低免疫细胞的存活率。
Diffenderfer 总结道：“我们以比仅仅观察现场平均剂量率更微妙的方式，确定了不同传递技术的时空剂量率结构的差异，以及它如何影响超高剂量率下的组织保护。” 该团队的研究结果可以为更好地理解和调整质子治疗计划的时空结构以最大化 FLASH 效果铺平道路。
