磁聚焦超高能电子束（fVHEE）逆向治疗计划与容积旋转调强放疗（VMAT）的首次比较：评估在无FLASH考量下的计划质量

《Physics and Imaging in Radiation Oncology》：Treatment planning comparison of focused very high energy electron and volumetric modulated arc therapy

本文针对高能电子放疗（VHEE）因技术进步和FLASH放疗潜力而复兴的背景，首次研究了在临床场景下为磁聚焦超高能电子束（fVHEE）实施逆向优化治疗计划的可行性。研究者对来自五个解剖部位（脑、头颈、肺、前列腺、股骨头）的七个病例生成了fVHEE计划，并与当前临床金标准VMAT进行比较，结果表明fVHEE在部分病例（尤其肿瘤偏侧或危及器官（OAR）方向隔离时）中能实现等效或更优的靶区覆盖，并显著降低OAR受量，展示了其在无FLASH因素下的选择性剂量雕刻潜力，为未来机器研发和临床适应症选择提供了早期洞见。

　　

放射治疗技术在不断进化，目标是更精准地打击肿瘤，同时更好地保护周围的健康组织。目前临床应用最广的是兆伏光子放疗（如VMAT），但其剂量沿整个射线路径沉积，对正常组织影响较大。质子治疗具有尖锐的远端剂量跌落优势，但对组织不均匀性敏感，且设备庞大昂贵。近年来，能量在50至250兆电子伏（MeV）的超高能电子（VHEE）放疗重新受到关注，这主要得益于其实现超高剂量率（FLASH）放疗的潜力，以及对深部肿瘤的穿透能力和比质子更小的侧向散射。更重要的是，VHEE射束可以利用磁场进行聚焦（fVHEE），理论上可以减少入射和出射剂量，产生类似质子扩展布拉格峰的剂量分布。然而，在真实的临床病例中进行fVHEE的逆向治疗计划研究仍是空白。

为了解决这一问题，来自瑞士伯尔尼大学医院的研究团队在《Physics and Imaging in Radiation Oncology》上发表了一项开创性研究。他们首次为fVHEE实施了逆向优化治疗计划，并在不考虑FLASH效应的前提下，与临床标准的容积旋转调强放疗（VMAT）进行了系统性的计划质量比较，旨在探索fVHEE在特定临床场景下的潜在优势。

研究者运用了几个关键技术方法：首先，他们使用基于瑞士蒙特卡洛计划（SMCP）的内部工具，结合EGSnrc蒙特卡洛代码，模拟了能量为250 MeV的fVHEE笔形束（beamlet）在不同聚焦长度下的剂量计算。其次，他们建立了一个逆向优化工作流程，包括为每个病例手动选择避开关键结构的有限射束角度，然后使用内部开发的逆向优化器，基于剂量-体积目标函数，优化每个笔形束的权重以生成fVHEE计划。最后，为了进行公平比较，他们为每个病例生成两种VMAT参考计划：一种是使用相同内部优化器和目标的“优化器匹配”VMAT，另一种是临床实际使用的VMAT计划，作为评估fVHEE能否达到临床标准的基准。研究涵盖了脑、头颈、肺、前列腺和股骨头五个部位的七个回顾性病例。

结果部分：

3.1 肺与股骨头病例的结果

在肺病例中，fVHEE达到了与临床VMAT相当或略优的靶区覆盖率（PTV的V_95%在L2病例中提高了4.5%）。更重要的是，fVHEE显著降低了脊髓和食管的近最大剂量（D_2%降低0.2–7.6 Gy）。这得益于fVHEE能够从有限的射束角度沉积剂量，从而在侧向肿瘤中避开对侧结构。股骨头病例的结果尤为突出，fVHEE改善了对所有OAR的保护，将直肠和膀胱的D_2%分别降低了1.3 Gy和2.6 Gy，并且能将剂量限制在同侧，完全保护对侧股骨头、膀胱和直肠。

3.2 脑和头颈部病例的结果

脑部病例中，fVHEE与临床VMAT的靶区覆盖和OAR剂量相似，但对位于低剂量区的视觉系统（如视神经、视交叉）的剂量更低。在头颈部病例中，fVHEE改善了靶区覆盖，并降低了脑干、视交叉、左侧腮腺和脊髓等多个OAR的剂量。然而，口腔和右侧腮腺的平均剂量（D_mean）以及右眼和右泪腺的剂量有所增加，提示在某些方向上剂量选择性带来的权衡。

3.3 前列腺病例的结果

相比之下，在前列腺病例中，fVHEE在当前设置下表现较差，靶区覆盖率下降，多个OAR的剂量增加。分析认为，这是由于膀胱和直肠在多个方向上与PTV邻近，限制了fVHEE利用方向选择性的自由度，使其难以在保护这些紧密相邻的OAR的同时实现良好的靶区覆盖。

结论与讨论：

本研究首次在多部位临床病例中实施了fVHEE的逆向优化治疗计划。结果表明，在不考虑FLASH效应的情况下，fVHEE在特定适应症中展现出达到甚至超越临床VMAT计划质量的潜力。其优势在解剖结构允许从有限方向进行治疗（如肿瘤偏侧或OAR方向隔离）的情况下最为明显，例如肺部和股骨头的病例。fVHEE能够实现更方向性的剂量投照，从而更选择性地避开OAR，这对于治疗局部肢体肿瘤或某些头颈部肿瘤具有潜在价值。

然而，研究也揭示了fVHEE的局限性，在前列腺这类OAR从多个方向紧邻靶区的情况下，其优势受到限制。这提示未来的患者选择需要基于解剖结构。

这项研究是在理想化聚焦假设下进行的概念验证，它指出未来需要比较fVHEE与未聚焦/发散的VHEE（以及质子治疗），以评估增加磁聚焦这一技术复杂性的必要性。同时，还需要研究更真实的束流光学模型、多个束流能量的影响、扫描实施的稳健性以及结合FLASH效应的潜在生物学益处。

总之，这项工作为fVHEE作为一种新型放疗模式的未来探索奠定了重要基础，不仅为其作为独立治疗手段提供了早期证据，也为其成为实现深部肿瘤FLASH放疗的潜在使能技术指明了方向。研究识别出的挑战和开放性问题，将为未来fVHEE治疗机的设计和临床适应症的确定提供关键参考。