生物學(xué)：重新探究放射生物學(xué)，提升對正常組織的保護劑量問題FLASH和微型束的劑量學(xué)
精確測量光子、質(zhì)子或電子的FLASH照射劑量是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，這主要是由于這種放療技術(shù)中使用的高劑量率束流模式。因此，冗余測量通常使用其響應(yīng)幾乎與劑量率無關(guān)的劑量計。
在傳統(tǒng)放療的情況下，可以使用電離室來測量絕對劑量，但要謹(jǐn)慎一些。例如，瑞士洛桑大學(xué)的研究人員指出，在脈沖電子FLASH照射中，校正劑量計收集的原始電荷的因素取決于每脈沖的劑量，而不是劑量率。
法拉第杯(Faraday cups)也被用作FLASH治療的劑量計。正如在不同的研究中所示的那樣，法拉第杯所測量的積分電荷被用來驗證電離室的測量劑量。
在響應(yīng)獨立于劑量率的劑量計中，放射膠片通常被用于提供對所遞送劑量的重復(fù)驗證。此外，丙氨酸顆粒與放射膠片已很好地用于首次人體FLASH臨床治療中進行獨立劑量驗證。詳情請見質(zhì)子中國往期報道《首例人體治療：皮膚淋巴瘤患者的FLASH治療》。用于測量超高劑量率束流的其他劑量率獨立劑量計還有PTW公司生產(chǎn)的微寶石探測器、IBA LYNX 2D閃爍器、TLD-100和甲基紫精。最近有文獻發(fā)表了對FLASH劑量計的全面綜述，該文章中包括了基于電荷的、化學(xué)的和發(fā)光的探測技術(shù)，并以圖表方式給出了每種探測器的優(yōu)點特性，揭示了發(fā)光方法在時間分辨率和附加性能測量氧張力和LET方面的重要性。
有研究人員開展實驗，試圖能夠?qū)崿F(xiàn)FLASH照射的實時劑量監(jiān)測。例如美國賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員使用NaI伽馬探測器將即時探測到的伽馬射線與輻照劑量率聯(lián)系起來，而美國密歇根大學(xué)的研究人員指出，電離輻射聲學(xué)成像技術(shù)可用于進行實時深部組織劑量測定。
質(zhì)子微型束放療的劑量測量是一項具有挑戰(zhàn)性的工作，因為它既要描述劑量分布的均勻性，又要描述入射空間劑量分布的不均勻性。入射劑量分布在毫米和亞毫米尺度上有明顯的空間變化，因此應(yīng)該使用高空間分辨率劑量計。另一方面，束流的均勻部分又沒有明顯的空間變化，因此可以使用傳統(tǒng)的劑量計，比如電離室。為此，法國國家科學(xué)研究中心提出了一種兩步方案來測量用多縫準(zhǔn)直儀獲得的質(zhì)子微型束。第一步是用指型電離室進行絕對劑量測量，第二步是用放射膠片進行測量，以確定峰谷劑量比。
放射外科(Radiosurgery)二極管已被用作替代或與放射膠片一起測量質(zhì)子束的高調(diào)制入射劑量區(qū)劑量。法國居里研究所的研究人員使用放射外科p型硅二極管測量高調(diào)制入口劑量區(qū)域。美國華盛頓大學(xué)和圣裘德兒童研究醫(yī)院發(fā)表的文章中也提出使用微金剛石二極管進行測量并對測量結(jié)果給出了評價。此外，法國國家科學(xué)研究中心已采用微型金剛石二極管來測量碳和氧微型束。
澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的研究人員使用凝膠進行劑量測量方面取得了一些經(jīng)驗，他們使用熒光顯微鏡來實現(xiàn)更高的空間分辨率劑量測量。
FLASH束流遞送中的時間因素臨床束流的脈沖結(jié)構(gòu)及其與物理化學(xué)過程的動力學(xué)關(guān)系
雖然通常討論的是如何實現(xiàn)FLASH的高劑量率模式，但是怎樣理解FLASH劑量在時間結(jié)構(gòu)上是如何進行劑量遞送的，尤其是其束流的脈沖特征也十分重要的。在兩個極端情況下，可以提到回旋加速器提供的“連續(xù)”輻照(以幾兆赫茲頻率加速)，以及同步加速器的低頻脈沖(幾赫茲)和同步回旋加速器(通常為1千赫茲)，通過不同的引出方法加以改進。后者從制造緊湊型加速器的角度獲得了工業(yè)界的興趣。在加速器內(nèi)部，同步回旋加速器在獲得能量時改變加速頻率，使其與粒子質(zhì)量同步。以“S2C2 Proteus One同步回旋加速器”(IBA)為例，研究人員測量了在臨床條件下到達等中心的束流強度與時間的函數(shù)(圖1)。加速的頻率在30~90 MHz不等。在引出部分，每1 ms有10 μs時間寬度的脈沖束流出射，也即引出頻率為1 KHz。
在圖1B中，研究人員疊加了已發(fā)表的關(guān)于50 µmol/L濃度下O2演化的數(shù)據(jù)，假設(shè)在10 µs寬的第一個脈沖中以106 Gy/s的劑量率傳遞了10 Gy。在任何實驗研究中(例如，以10或100次脈沖傳遞10 Gy)，必須對所有相關(guān)元素(氧、自由基等)與脈沖束的潛在相互作用進行評估。
其他在時間尺度的劑量傳遞模式也必須進行考慮。在一些系統(tǒng)中，單個“點”的劑量沉積被分割成兩到三個部分，因此反饋系統(tǒng)可以測量和控制總集成電荷，為該點提供精確的劑量測量。在更大的時間尺度上，當(dāng)使用“筆形束掃描系統(tǒng)”時，介質(zhì)中某一給定點的劑量將由連續(xù)的點和線(與掃描時間有關(guān))和層(與改變束流能量的時間有關(guān))所貢獻。在更大的時間范圍內(nèi)，如果治療計劃中有多個束流，則需要幾秒鐘或幾分鐘來旋轉(zhuǎn)機架和/或治療床來設(shè)置下一個束流方向，如果需要驗證新的束流和患者的位置，則需要更多的時間。在很少的FLASH治療照射分次的情況下，照射分次間的每日差異將會增大。
在研究項目中，評估這些時間尺度是至關(guān)重要的，特別是與之前提到的化學(xué)和生物過程相關(guān)的時間尺度更為重要。
接下來，小編將為大家?guī)砘⌒沃委?、無旋轉(zhuǎn)機架治療等解決質(zhì)子治療缺陷的機械學(xué)方法，敬請期待。(質(zhì)子中國 編輯報道)
參考文獻Mazal A, Vera Sanchez JA, Sanchez-Parcerisa D, et al. Biological and Mechanical Synergies to Deal With Proton Therapy Pitfalls: Minibeams, FLASH, Arcs, and Gantryless Rooms. Front Oncol. 2021;10:613669. Published 2021 Jan 21. doi:10.3389/fonc.2020.613669.
