物理學

董教授從物理學角度介紹了不同形式的射束(電子、光子、質(zhì)子和重離子)如何實現(xiàn)FLASH治療(超高劑量率放射治療)。

電子FLASH

董教授介紹，最開始用于電子FLASH研究的為臺式系統(tǒng)，電子FLASH目前已應(yīng)用于商業(yè)系統(tǒng)，例如術(shù)中放射治療系統(tǒng)Mobetron和NOVAC7。改良的商業(yè)直線加速器(Varian、Elekta等)可以實現(xiàn)FLASH的劑量率，不同硬件平臺可實現(xiàn)的劑量率不同。另外，目前還有一些超高能電子(veryhigh energy electron, VHEE)治療更深處的腫瘤的研究。

光子FLASH

高峰等人首次報告使用高能量X射線(high-energy X-rays, HEXs)實現(xiàn)FLASH(HEXs-FLASH)，及其在動物體內(nèi)的應(yīng)用。利用高電流、高能超導直線加速器，實現(xiàn)了高劑量率、高穿透率的FLASH。工業(yè)電子直線加速器為6～8 MeV，5 mA，平均劑量率約為1000 Gy/s。

約翰霍普金斯大學醫(yī)學院的一項研究，使用兩個商業(yè)的高容量150 kVp熒光透視X射線源，采用平行對穿的旋轉(zhuǎn)陽極技術(shù)，使用GEANT4蒙特卡羅平臺進行模擬。表征了用于FLASH和常規(guī)劑量率照射的X射線模擬劑量學特性。平行對穿的X射線源劑量率為40～240 Gy/s。

粒子FLASH

華盛頓大學醫(yī)學院進行的一項研究，使用同步回旋加速器進行臨床前質(zhì)子FLASH研究的可行性，研究發(fā)表于Medical Physics，該研究使用Mevion質(zhì)子治療系統(tǒng)，結(jié)果表明，擴展布拉格峰(SOBP)中心的平均劑量率為100～200 Gy/s。在648 Hz處，每個脈沖(脈沖寬度為4 μs)的質(zhì)子劑量約為0.3 Gy。

來自瑞士PSI研究所的一項研究，用于FLASH的筆形束掃描系統(tǒng)質(zhì)子治療裝置的調(diào)試，研究發(fā)表于Medical Physics，從回旋加速器至治療室傳輸?shù)挠行蕿?6%，單束斑模式(射野大小可達5×5 cm2)下，質(zhì)子的劑量率可達到700 Gy/s。其另一項綜述總結(jié)了不同臨床加速器典型的束流時間結(jié)構(gòu)，如下表。

德國癌癥研究中心進行了一項研究，對光子、質(zhì)子和碳離子FLASH是否消耗氧氣進行了實驗評估。實驗結(jié)果顯示水的耗氧量僅取決于照射劑量、劑量率和線性能量轉(zhuǎn)移(LET)。

瓦里安FAST01臨床試驗：使用基于PBS的FLASH對骨轉(zhuǎn)移瘤患者進行治療。試驗招募10例患者，評估臨床工作流程的可行性、治療相關(guān)毒性反應(yīng)，并通過受試者的疼痛緩解程度來評估治療效果。

目前在穿透式治療和適形FLASH方面仍有一些爭論，研究者進行了大量的研究，近期發(fā)表的研究見下圖。董教授表示對于筆形束掃描比較重要的是如何定義劑量率及局部劑量率。

董教授提出質(zhì)子FLASH目前存在的挑戰(zhàn)：大射野情況下設(shè)備的遞送能力;低劑量情況下劑量適形性;因FLASH效應(yīng)的劑量閾值限制，是否可分割或使用多個束流。

FLASH物理學總結(jié)

最后，董教授主要從不同形式的射束和硬件平臺、劑量率測量和影響因素三方面對FLASH治療的物理學進行了總結(jié)。

1不同形式射束和硬件平臺

目前，不同形式的射束和硬件平臺均可實現(xiàn)FLASH，但進行治療遞送和治療計劃需考慮硬件的實現(xiàn)能力;研究者對技術(shù)細節(jié)的公開非常重要，包括束流時間結(jié)構(gòu)和劑量率定義等。

2劑量率測量

劑量率測量方面已取得顯著進步，目前已有不同的探測器可用于測量FLASH劑量率。

3FLASH影響因素

FLASH不僅僅是劑量率，F(xiàn)LASH影響因素還包括劑量、LET、組織氧水平、修復動力學和生物學終點等。

化學

Dr. Scifoni從目前已知和未知的化學機制、現(xiàn)有工具、待解決問題及技術(shù)挑戰(zhàn)對FLASH治療進行了介紹。

化學機制

Dr. Scifoni首先介紹了為什么需要研究FLASH的化學機制。從輻射時間與相關(guān)空間尺度來看，放射治療經(jīng)過了物理階段、化學階段、生物化學階段和生物階段，化學階段處于放射治療的中心階段。

FLASH化學機制的主要假設(shè)有：氧耗竭(短暫缺氧)、自由基-自由基重新組合、軌間效應(yīng)(intertrack effect)和免疫系統(tǒng)等。Dr. Scifoni介紹，目前研究FLASH化學的主要代碼有TRAX-CHEM、TOPASnBIO、gMicroMC、Geant4-DNA、IONLYS-IRT和NASIC。

1自由基組合假說

快速耗氧一直被認為是FLASH對正常組織保護作用的潛在機制。用FLASH照射組織會導致放射化學氧耗竭，從而被照射的組織內(nèi)出現(xiàn)極為急性的缺氧期，并因此產(chǎn)生短暫的輻射抗性。來自IBA的一項研究，使用活性氧形成和衰變的動力學理論模型說明自由基重組的重要性。

Dr. Scifoni表示輻射確實消耗氧氣，但不足以耗盡所有存在的氧氣。FLASH治療不是一過性缺氧，氧合作用起到了關(guān)鍵作用。目前氧耗竭有不同的氧傳感器測量，例如OXYLITE、OXYPHORE、PRESENS和TROXSPS。另外，Dr. Scifoni介紹氧消耗還受到介質(zhì)和劑量率的影響。

2高LET影響

對于一些機制，預期可大大減少FLASH效應(yīng)。Dr. Scifoni表示高LET可導致更少的氧消耗、更少的軌間效應(yīng)(intertrack effect)。

待解決問題

Dr. Scifoni介紹目前需要解決的問題有：劑量率對自由基的影響仍有若干相反的結(jié)果;鑒別腫瘤/非腫瘤的化學行為(依賴pH等);更相關(guān)的時間尺度，是否可限制在一個，如何結(jié)合不同的尺度;與化學更相關(guān)劑量率;導致FLASH效應(yīng)最重要的自由基(HO2./O2.−，H2O2)。

技術(shù)挑戰(zhàn)

1模型

Dr. Scifoni介紹還需連接異質(zhì)/同質(zhì)時期的模型;除單脈沖近似(single pulse approximation)的多軌模擬模型;除水介質(zhì)之外的其他介質(zhì)(水介質(zhì)并沒有錯，但是仍需要其他介質(zhì))。

2實驗

Dr. Scifoni介紹還需進行以下條件下的超快輻射化學實驗：控制氧氣水平;亞微秒分辨率時間下;生物相關(guān)的介質(zhì)/媒介。

3物種

Dr. Scifoni介紹還需對快速清除(通過化合作用從特定介質(zhì)中清除分子、原子團等)的典型物種進行測量。