《International Journal of Radiation Oncology*Biology*Physics》：The Quasi-Adiabatic Graphite Calorimeter for Absolute Dosimetry in Ultra-High Dose Rate (FLASH) X-Ray Radiotherapy
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本研究开发了一种探针式石墨量热计，结合准绝热水控系统，用于准确测量10MVFLASH X射线束的水吸收剂量，解决了超高剂量率放疗中的剂量标准难题，不确定度低于1.0%，支持临床应用。
Ji Huang|Guolong Zhang|Kun Wang|Baolin Tian|Yiwei Yang|Dai Wu|Sunjun Jin|Zhipeng Wang|Yaping Qi|Haowen Zhang|Hui Zhang|Hao Wu|Xueqing Yan|Anna Subiel
中国国家计量院（NIM）电离辐射计量分部，北京100029
摘要
目的
FLASH放疗利用高能X射线，结合了超高剂量率照射和高能X射线束的物理特性，在保持足够组织穿透力的同时显著降低了正常组织的生物损伤，因此在临床应用中具有巨大潜力。然而，目前缺乏针对FLASH X射线束的可追溯绝对剂量测量方法，这成为其临床应用的主要限制。本研究旨在建立一种准绝热水控探针式石墨量热器，用于测量10 MV FLASH X射线束对水吸收的绝对剂量，以解决X射线FLASH放疗剂量测量的可追溯性问题。
方法与材料
开发了一种探针式石墨量热器，采用热稳定的水作为热控制介质，以精确调节石墨核心的温度平衡。该准绝热系统旨在实现超高剂量率条件下的准确绝对剂量测量。
结果
结果表明，在单次照射总剂量超过2 Gy的情况下，通过五次重复测量得到的平均A型相对不确定度（使用样本标准差计算）小于0.2%。通过推导出确定FLASH光子放疗绝对剂量（以Gy为单位）所需的校正因子，水吸收剂量的测量不确定度被确定为1.0%（1σ）。
结论
本研究开发了一种探针式石墨量热器，用于测量10 MV FLASH X射线束对水吸收的绝对剂量。该系统旨在解决X射线FLASH放疗剂量测量的可追溯性问题，从而支持其临床应用。
引言
FLASH超高剂量率（UHDR）放疗作为放疗领域的前沿技术，近年来受到了广泛关注1。与传统放疗技术相比，FLASH放疗具有显著优势：它能在极短时间内传递高辐射剂量，实现精确的肿瘤细胞杀伤，同时有效减少对周围正常组织的损伤2,3。目前关于FLASH放疗的研究主要集中在电子束和质子束上。然而，由于电子束的穿透深度有限，其应用仅限于治疗表浅肿瘤4,5。相比之下，尽管质子放疗提供了更好的物理剂量分布，但其高昂的设备成本严重阻碍了其临床应用6。此外，质子束的生物学效应仍存在很大不确定性，使得直接应用现有的光子放疗临床经验变得困难。与电子束和质子束相比，UHDR光子束具有更广泛的适用性，具有更大的肿瘤治疗潜力。
光子束放疗作为一种成熟的治疗方式，具有深度穿透、低成本和广泛适用性等优势。此外，它拥有丰富的临床经验和完善的数据库支持，使FLASH X射线放疗成为推动该技术发展的关键方向。近年来，已有多项关于UHDR X射线生物学效应的研究报道。例如，Feng Gao等人和Zhu H等人使用专用FLASH X射线平台进行了FLASH生物效应验证实验，结果表明UHDR X射线能有效抑制肿瘤生长并显著降低正常组织的毒性7,9。Shi X等人9使用该平台进行了联合肿瘤免疫疗法的体外研究，发现平均剂量率为110-120 Gy/s的UHDR X射线照射显著减轻了免疫检查点敲除小鼠的肠道损伤，并显著提高了小鼠的存活率。上述实验结果不仅展示了UHDR X射线的卓越生物学特性，还揭示了其在放疗领域的巨大潜力和独特优势。
在放疗过程中准确控制患者接受的剂量是确保治疗安全可靠的关键，而对水吸收剂量的精确测量和可追溯性是这一过程的核心。然而，在超高剂量率条件下，短时间内传递极高剂量使得准确的剂量测量成为公认的挑战10。典型的剂量测量仪器（如电离室和半导体电子剂量计）受到复合效应的显著影响，导致其剂量测量精度大幅下降11。被动测量方法（如薄膜和丙氨酸剂量计）虽然表现出剂量率的独立性12, 13, 14，但通常具有较大的测量不确定性和无法提供实时剂量读数的缺点，无法满足剂量测量和临床应用的需求15。量热法利用温度作为可追溯的物理标准，能够实现与辐射质量、剂量率和其他束参数无关的可重复测量。因此，量热法是许多国家采用的绝对剂量测量标准方法。近年来，国际计量组织在超高剂量率电子束和质子束的绝对剂量测量方面取得了重要进展16, 17, 18, 19, 20, 21。这些发展为FLASH放疗在超高剂量率下的剂量测量标准和可追溯性技术研究提供了重要的理论基础。然而，目前尚无关于超高剂量率下FLASH X射线绝对剂量测量方法和计量特性的研究报道。这一技术空白严重限制了FLASH X射线治疗的剂量标准及其临床应用的发展。
为解决上述问题，本研究采用了一种探针式石墨量热器（GC05），并结合自开发的准绝热水系统，使用专用FLASH照射平台进行FLASH X射线放疗的绝对剂量测量。目的是评估石墨量热器作为FLASH X射线放疗绝对剂量计的可行性。此外，本研究利用COMSOL进行有限元分析以评估量热器的热传递校正，并通过蒙特卡洛模拟计算剂量转换因子，从而确定从测量的石墨剂量换算成水的相应吸收剂量。
部分内容摘要
量热器和测量系统
石墨量热器有两种工作模式：主动等温模式和准绝热模式22,23。在主动等温模式下，GC05的所有组件在整个照射过程中必须保持恒定温度。然而，与传统放疗较长的照射时间不同，FLASH放疗中的超高剂量率束在极短时间内传递极高剂量。由于实验时间有限，目前的主动温度控制
量热器测量
在UHDR X射线条件下，GC05测得的原始温度-时间曲线如图2(a)所示。该图表明，在照射开始前，量热器核心的温度漂移较为稳定。
为了消除温度漂移对测量结果的影响，对数据进行了漂移校正。将照射开始前20秒的数据进行线性拟合，并从整个测量曲线中减去这条拟合线，
结论
本研究基于FLASH X射线平台，利用石墨量热器测量了FLASH X射线的绝对吸收剂量。结果表明，基于自开发量热方法的探针式石墨量热器GC05在14.24 Gy/s至118.75 Gy/s的平均剂量率范围内表现出优异的适用性。当每次照射的总剂量超过2 Gy时，平均A型相对不确定度为
资助声明
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2023YFF0613500）、核技术研究开发项目（项目编号HJSYF2024 (05)）以及中国国家自然科学基金（项目编号12305356）的财政支持。
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