2020 AAPM|COMP線上會議最佳物理(Best-in-Physics)主題海報的獲獎研究中，來自來自麻省總醫院(MGH)和哈佛醫學院的研究團隊展示了用于體內驗證質子射程的瞬發伽馬射線譜儀(prompt gamma-ray spectroscopy)，并首次探測到患者質子治療過程中的瞬發伽馬射線譜;來自密歇根大學的研究人員展示了使用電離輻射聲學成像進行體內FLASH劑量研究的項目。
質子治療過程中首次瞬發伽馬射線譜測量
質子治療相較于光子放療有著更好的劑量學優勢，在向靶區提供相同的照射劑量的同時，可以將總照射劑量減少兩倍或三倍。利用布拉格峰尖銳的末端邊緣也能夠生成高度適形于靶區的高劑量區。“但是，我們目前尚不能這樣做，因為我們并不能準確知道質子束流停下的位置。”來自麻省總醫院(MGH)和哈佛醫學院的Joost Verburg(醫學物理學家，質子劑量驗證實驗室主任，助理教授)解釋說。
為了解決這個問題，Verburg主任和他的同事正在開發用于體內驗證質子射程的瞬發伽馬射線譜儀。當治療用的質子束與內部原子核相互作用時，就會產生瞬時伽馬射線。這種方法通過測量獲取治療過程中質子束產生的能量和時間分辨的瞬發伽馬射線譜得到每一束質子筆型束的射程信息。這些射線譜通過與核反應模型作比較從而得到與治療計劃相比實際的質子束射程歧離大小。
Verburg主任描述了他的團隊開發的原型機系統并展示了在患者治療過程中他們測量到的第一個瞬發伽馬射線譜。
MGH和哈佛醫學院團隊已經制作完成了一個全尺寸的瞬發伽馬射線譜儀原型機系統，該套系統由快速閃爍體探測器準直矩陣組成，這些探測器嵌套在一個患者擺位用的7軸機器定位系統上面。初步的模體測試顯示典型的射程誤差小于1 mm。Verburg主任解釋說：“在模體測試中如果我們確實知道介質材料和質子停止的位置，那么我們測量的的確是我們所期望的結果。”
第一個參與臨床研究的是復雜的顱底腦膜瘤患者。研究人員在患者接受質子治療的5周內，每周測量一次其中的一個治療野的瞬發伽馬射線譜。每周測量的結果顯示出了與治療計劃和實際傳輸質子射程偏差之間較好的一致性。
平均射程誤差只有1~2 mm，但Verburg指出，并不是所有的質子筆形束都精確地停在計劃的位置。他們的結果顯示有一個3 mm的標準差，最大的射程偏差在8 mm左右。與傳統的質子射程邊緣范圍(3.5% +1 mm，這個例子中是6.6 mm)相比，這些誤差在傳統的邊緣范圍以內。
Verburg主任總結道：“我們首次成功地在患者身上進行了瞬發伽馬射線譜分析。我們測量的射程偏差在分次間基本一致，而且都在目前已經應用于臨床質子治療的傳統射程邊緣范圍以內。在模體內的測試結果顯示，我們的瞬發伽馬射線譜儀系統能夠非常精確的將質子束定位在1 mm以內。這個結果有巨大的應用潛能—如果我們能夠在病人體內測量以及精確的調整質子束流的射程，那么我們將會減少射程邊緣的范圍并且將來能夠設計出更好的質子治療計劃。”
用于體內FLASH劑量測定的電離輻射聲學成像
FLASH治療是一種新興的放射治療方式，它使用超高劑量率(40 Gy/s以上)來保護正常組織，與常規放射治療相比能夠提高治療率。然而，高劑量率的瞬時傳輸增加了對可靠的質子束定位和劑量監測工具的需求，特別是在處理深部腫瘤的情況下。目前的劑量計無法為安全傳輸提供足夠有效的讀數。
來自密歇根大學核工程與放射科學的Noora Ba Sunbul正在研究使用電離輻射聲學成像(iRAI)進行體內FLASH治療的劑量測定。她解釋說：“這項工作的主要目的是全面開發一個完整的模擬工作流程，以測試在FLASH治療中，iRAI作為可靠的實時劑量測定工具的可行性。”
當放射治療的脈沖束進入到組織中，會引起局部劑量沉積和熱膨脹，從而產生聲波。iRAI的工作原理是用超聲波換能器探測這些波，并利用它們實時構建劑量相關的圖像。
為了測試他們的方法，Ba Sunbul和他的同事使用了一種改良的直線加速器，在FLASH模式下向一個凝膠模體照射6兆電子伏的電子束。射野準直大小為1×1 cm，理想的換能器放置在距射束中心10 cm處。他們還用蒙特卡羅和k波模擬了FLASH出束后誘導聲波的探測。這包括在模體中模擬完整的三維劑量分布，使用劑量分布來定義初始壓力源，模擬聲波傳播，然后重建一幅圖像。
Ba Sunbul說：“將不同深度的劑量分布與膠片測量結果進行比較，結果顯示測量結果和模擬結果之間的一致性可以接受，在深度小于2 cm 時誤差小于6%。”
該團隊還利用瞬時壓力信號來確定束流的邊緣，這是由模體入口和出口之間壓力信號的變化決定的。iRAI識別的中心束流邊緣位置與膠片測量值相差在4%以內。
用于確定劑量率的直線加速器脈沖持續時間和重復率被認為與瞬時壓力信號振幅以及劑量成反比。Ba Sunbul解釋說，脈沖持續時間會影響重建的2D iRAI圖像的空間和時間分辨率，較長的脈沖會產生較低分辨率的圖像。她指出，這對iRAI的波束定位能力產生了負面影響。
Ba Sunbul總結說：“我們已經開發了一個完整的模擬工作流程，用于測試使用理想點源超聲換能器在FLASH治療中的可行性。下一步將是模擬iRAI的圖像重建過程。”她指出，iRAI用來檢測射束邊緣的能力已經在實驗中得到驗證，這種實驗是在兔子體內和肝臟假體中進行的，并且使用的是常規放射治療。
