质子笔形束扫描超高剂量率3D晶格放射治疗：一项FLASH SFRT概念验证研究

《MEDICAL PHYSICS》：Proton pencil beam scanning ultra-high dose rate 3D lattice radiotherapy: A proof-of-concept FLASH SFRT study

质子束扫描超高压率三维立体放射治疗通过两场法和单场技术实现高剂量比和正常组织保护，验证了UHDR覆盖与计划鲁棒性。

　　

摘要

背景

三维晶格放射治疗（3D-LRT）是一种有效的治疗方案，能够在控制局部肿瘤的同时将发病率降至最低。笔形束扫描（PBS）质子治疗能够实现优异的剂量分布，并消除对正常组织的出口剂量，因此非常适合用于3D-LRT。然而，它也可能对正常组织产生较高的入口剂量。超高剂量率（UHDR）束流可以通过触发FLASH效应来弥补这一缺点，从而保护正常组织。

目的

我们首次开展了将质子PBS UHDR束流应用于3D-LRT的可行性研究。本研究旨在评估超高剂量率质子束与空间分次晶格治疗技术结合的剂量学可行性和潜在优势。

方法

我们开发了针对单个顶点的双场和单场技术，以实现质子PBS UHDR 3D-LRT，并将其与针对整个肿瘤体积（GTV）的传统强度调制质子治疗（IMPT）相结合。在双场技术中，使用了包括通用范围移位器和特定于束流的距离补偿器在内的束流修改装置，来进行单能布拉格峰束的远端边缘跟踪（DET），从而实现对靶区的适形剂量分布。通过使用孔径来增强剂量衰减特性，并提高峰谷剂量比（PVDR），以获得有效的3D-LRT效果。在单场技术中，在束流上游添加了通用脊状滤波器，以扩展布拉格峰束的覆盖范围，实现均匀的适形顶点覆盖。根据已发布的指南设计了3D-LRT治疗计划，并在三个不同治疗部位的九个典型病例中进行了评估：头颈部（H&N）、肝脏和肺部。处方剂量为顶点18 GyRBE，GTV 3 GyRBE。评估内容包括计划质量、UHDR对正常组织的覆盖情况以及计划的稳健性。在头颈部模型上进行了端到端验证；使用EBT-XD放射色膜和GRID电离室阵列测量了剂量和剂量率，并与治疗计划进行了比较。

结果

双场技术的平均PVDR1（D2%/D50%）和PVDR2（D10%/D90%）分别为4.4 ± 0.4和4.2 ± 0.2，而单场技术的相应数值分别为4.9 ± 0.6和4.7 ± 0.3。双场技术的顶点D90%（19.7 ± 0.5 GyRBE）高于单场技术（19.2 ± 0.6 GyRBE）。双场技术显著降低了皮肤剂量，单场技术的D1cc为15.1 ± 0.5 GyRBE，而双场技术为9.2 ± 0.9 GyRBE。两种技术均实现了高UHDR覆盖率，当剂量超过5 GyRBE时，双场技术和单场技术的皮肤平均V40GyRBE/s覆盖率均为100%。在PVDR、D90%和皮肤D1cc方面，两种技术之间的差异较小。端到端验证显示，两种方法的测量结果与计划之间的剂量分布一致性较高，伽马通过率分别为93.4%和96.7%。测量得到的剂量率均超过了40GyRBE/s，与计划的平均误差为5%。

结论

利用提出的双场和单场技术，结合先进的逆向治疗计划和束流修改装置（如通用范围移位器、特定于束流的距离补偿器、孔径和脊状滤波器），可以实现质子PBS UHDR 3D-LRT。计划研究和端到端验证表明，这两种技术都能为进入正常组织提供UHDR覆盖，有利于触发FLASH效应，同时保持较高的PVDR和计划稳健性。

利益冲突声明

Shouyi Wei、Hang Qi、Lee Xu、Balaji Selvaraj、Xingyi Zhao、Ajay Zheng、Milo Vermeulen、Richard Bakst、Chanda Guha、Pingfang Tsai、Minglei Kang、Irini Yacoub和J. Isabelle Choi均无需要披露的利益冲突。Nancy Y. Lee曾担任Merck、Merck Serono、Nanotiotix、Galera、LEO SAB和GSK的顾问委员会成员；她持有LEO SAB的股票期权，并受邀在上海JoAnn Medical Technology Co., Ltd、Yingming Consulting以及由Suzhou Liangyihui Network Technology Co., Ltd资助的RANZCR ASM Australia 2022癌症会议上发表演讲；Xiaodong Wu是美国专利No. 8,395,131（“三维晶格放射治疗方法”）的第一发明人。Haibo Lin从Varian Medical System Research获得了机构资助。Charles B. Simone, II从Varian Medical System Research获得了酬金。