物理学

董教授从物理学角度介绍了不同形式的射束(电子、光子、质子和重离子)如何实现FLASH治疗(超高剂量率放射治疗)。

电子FLASH

董教授介绍，最开始用于电子FLASH研究的为台式系统，电子FLASH目前已应用于商业系统，例如术中放射治疗系统Mobetron和NOVAC7。改良的商业直线加速器(Varian、Elekta等)可以实现FLASH的剂量率，不同硬件平台可实现的剂量率不同。另外，目前还有一些超高能电子(veryhigh energy electron, VHEE)治疗更深处的肿瘤的研究。

光子FLASH

高峰等人首次报告使用高能量X射线(high-energy X-rays, HEXs)实现FLASH(HEXs-FLASH)，及其在动物体内的应用。利用高电流、高能超导直线加速器，实现了高剂量率、高穿透率的FLASH。工业电子直线加速器为6～8 MeV，5 mA，平均剂量率约为1000 Gy/s。

约翰霍普金斯大学医学院的一项研究，使用两个商业的高容量150 kVp荧光透视X射线源，采用平行对穿的旋转阳极技术，使用GEANT4蒙特卡罗平台进行模拟。表征了用于FLASH和常规剂量率照射的X射线模拟剂量学特性。平行对穿的X射线源剂量率为40～240 Gy/s。

粒子FLASH

华盛顿大学医学院进行的一项研究，使用同步回旋加速器进行临床前质子FLASH研究的可行性，研究发表于Medical Physics，该研究使用Mevion质子治疗系统，结果表明，扩展布拉格峰(SOBP)中心的平均剂量率为100～200 Gy/s。在648 Hz处，每个脉冲(脉冲宽度为4 μs)的质子剂量约为0.3 Gy。

来自瑞士PSI研究所的一项研究，用于FLASH的笔形束扫描系统质子治疗装置的调试，研究发表于Medical Physics，从回旋加速器至治疗室传输的有效率为86%，单束斑模式(射野大小可达5×5 cm2)下，质子的剂量率可达到700 Gy/s。其另一项综述总结了不同临床加速器典型的束流时间结构，如下表。

德国癌症研究中心进行了一项研究，对光子、质子和碳离子FLASH是否消耗氧气进行了实验评估。实验结果显示水的耗氧量仅取决于照射剂量、剂量率和线性能量转移(LET)。

瓦里安FAST01临床试验：使用基于PBS的FLASH对骨转移瘤患者进行治疗。试验招募10例患者，评估临床工作流程的可行性、治疗相关毒性反应，并通过受试者的疼痛缓解程度来评估治疗效果。

目前在穿透式治疗和适形FLASH方面仍有一些争论，研究者进行了大量的研究，近期发表的研究见下图。董教授表示对于笔形束扫描比较重要的是如何定义剂量率及局部剂量率。

董教授提出质子FLASH目前存在的挑战：大射野情况下设备的递送能力;低剂量情况下剂量适形性;因FLASH效应的剂量阈值限制，是否可分割或使用多个束流。

FLASH物理学总结

最后，董教授主要从不同形式的射束和硬件平台、剂量率测量和影响因素三方面对FLASH治疗的物理学进行了总结。

1不同形式射束和硬件平台

目前，不同形式的射束和硬件平台均可实现FLASH，但进行治疗递送和治疗计划需考虑硬件的实现能力;研究者对技术细节的公开非常重要，包括束流时间结构和剂量率定义等。

2剂量率测量

剂量率测量方面已取得显著进步，目前已有不同的探测器可用于测量FLASH剂量率。

3FLASH影响因素

FLASH不仅仅是剂量率，FLASH影响因素还包括剂量、LET、组织氧水平、修复动力学和生物学终点等。

化学

Dr. Scifoni从目前已知和未知的化学机制、现有工具、待解决问题及技术挑战对FLASH治疗进行了介绍。

化学机制

Dr. Scifoni首先介绍了为什么需要研究FLASH的化学机制。从辐射时间与相关空间尺度来看，放射治疗经过了物理阶段、化学阶段、生物化学阶段和生物阶段，化学阶段处于放射治疗的中心阶段。

FLASH化学机制的主要假设有：氧耗竭(短暂缺氧)、自由基-自由基重新组合、轨间效应(intertrack effect)和免疫系统等。Dr. Scifoni介绍，目前研究FLASH化学的主要代码有TRAX-CHEM、TOPASnBIO、gMicroMC、Geant4-DNA、IONLYS-IRT和NASIC。

1自由基组合假说

快速耗氧一直被认为是FLASH对正常组织保护作用的潜在机制。用FLASH照射组织会导致放射化学氧耗竭，从而被照射的组织内出现极为急性的缺氧期，并因此产生短暂的辐射抗性。来自IBA的一项研究，使用活性氧形成和衰变的动力学理论模型说明自由基重组的重要性。

Dr. Scifoni表示辐射确实消耗氧气，但不足以耗尽所有存在的氧气。FLASH治疗不是一过性缺氧，氧合作用起到了关键作用。目前氧耗竭有不同的氧传感器测量，例如OXYLITE、OXYPHORE、PRESENS和TROXSPS。另外，Dr. Scifoni介绍氧消耗还受到介质和剂量率的影响。

2高LET影响

对于一些机制，预期可大大减少FLASH效应。Dr. Scifoni表示高LET可导致更少的氧消耗、更少的轨间效应(intertrack effect)。

待解决问题

Dr. Scifoni介绍目前需要解决的问题有：剂量率对自由基的影响仍有若干相反的结果;鉴别肿瘤/非肿瘤的化学行为(依赖pH等);更相关的时间尺度，是否可限制在一个，如何结合不同的尺度;与化学更相关剂量率;导致FLASH效应最重要的自由基(HO2./O2.−，H2O2)。

技术挑战

1模型

Dr. Scifoni介绍还需连接异质/同质时期的模型;除单脉冲近似(single pulse approximation)的多轨模拟模型;除水介质之外的其他介质(水介质并没有错，但是仍需要其他介质)。

2实验

Dr. Scifoni介绍还需进行以下条件下的超快辐射化学实验：控制氧气水平;亚微秒分辨率时间下;生物相关的介质/媒介。

3物种

Dr. Scifoni介绍还需对快速清除(通过化合作用从特定介质中清除分子、原子团等)的典型物种进行测量。