多角度FLASH调强放疗平台治疗头角度优化方法学：基于自适应模拟退火算法的临床束流方向适配研究

　　本文提出了一种基于自适应模拟退火（ASA）算法的多角度FLASH放疗平台治疗头角度优化方法。通过分析69,928个临床IMRT束流数据，该研究首次系统解决了固定多机头FLASH系统（如MAX-FLASH）的束流方向适配难题。优化后的非等间距角度配置（如0°/40.4°/169.4°/201.2°/239.8°）较等间距方案将平均角度偏差从78.4°降至38.9°，为FLASH放疗临床转化提供了关键技术支持。

　　

引言

近年来，FLASH放疗展现出相较于常规剂量率（CONV）放疗的革命性优势：在保持相同总剂量抗肿瘤疗效的同时，能显著降低正常组织的放射毒性。这种被称为FLASH效应的现象已在多种实验模型（小鼠、斑马鱼、猪、猫）和器官（肺、肠道、脑、皮肤）中得到验证，为FLASH放疗向人类患者转化提供了坚实基础。

为实现FLASH效应所需的超高通量率（阈值剂量率40Gy/s），必须将总照射时间缩短至亚秒级别，这远低于现代放疗技术如调强放疗（IMRT）和容积旋转调强放疗（VMAT）所需的数分钟照射时间。目前减少治疗时间的主要方式包括：单次照射免除机架运动、快速机械运动（如Decoupled ROAD系统）以及无机械运动的多角度FLASH照射。

方法与材料

多角度FLASH放疗平台示意图设计

研究针对配备N个治疗头的FLASH系统建立数学模型。如图1所示，五个直线加速器以不同共面角度垂直安装在O型机架上，采用新型配电网络实现RF功率快速切换。系统设置80cm的源轴距（SAD）以预留准直器和患者开口空间。治疗头相对于机架的角分布固定，其与机架旋转角度的组合共同决定了束流方向。

研究设定了两个关键约束条件：一是相邻治疗头需保持最小间距Δ（每个治疗头占据特定角度区间）；二是集成成像系统（包含束流发射和信号处理部件）需满足90°和270°的安装要求，且与相邻治疗头保持至少Φ度的距离。

角度排列问题的数学建模

将每个治疗头角度A_i（0≤A_i≤2π）作为变量，相邻治疗头角度关系满足：

A_i+1 = A_i + α_i（1≤i≤N-1）

其中α_i为优化变量，且需满足总和等于2π的圆周约束：

∑α_i = 2π

目标函数定义为FLASH系统产生的束流方向与临床IMRT计划束流方向之间的总角度差异最小化。针对不同束流数量（M）与治疗头数量（N）的关系，研究设计了四种优化场景：

• •

  当M≤N时：直接选择M个治疗头角度匹配临床方向

• •

  当N<>

• •

  当2N<>

• •

  当M>3N时：临床罕见场景，暂不考虑

数学求解与计算估计

采用自适应模拟退火（ASA）全局优化算法求解该问题。对于每个子优化问题，最优机架旋转角度β可通过中位数公式求得：

β = median({A_i^* - B_i})

束流方向数据库构建

研究收集了2012-2014年间8,866例IMRT计划的69,928个束流数据，涵盖鼻咽癌、乳腺癌、食管癌、肺癌和直肠癌等常见肿瘤类型。经过去重和特殊病例（如乳腺癌切线照射）处理后，图3显示了不同束流数量计划的分布情况，其中6束和9束计划最为常见。

结果

优化治疗头角度排列

针对五治疗头FLASH平台，在Δ=30°、Φ=25°约束下：

• •

  含成像系统约束的优化角度：0°、40.4°、169.4°、201.2°、239.8°

  平均角度偏差：38.9°

• •

  无成像系统约束的优化角度：0°、155.4°、234.4°、266.2°、304.8°

  平均角度偏差：37.8°

  相比之下，等间距方案（0°、72°、144°、216°、288°）的平均偏差达78.4°

典型病例验证

通过三个典型病例验证优化效果：

1. 1.

   五束流直肠癌计划（0°、45°、95°、265°、315°）

   优化后β=95.6°，目标函数值135.4°

   剂量学评估显示两组计划靶区覆盖相当，肠管最大剂量分别为57.1Gy vs 55.7Gy，均符合临床要求

2. 2.

   七束流胰腺癌计划（26°、78°、129°、180°、231°、283°、334°）

   采用两次照射方案，总角度偏差34.6°

   剂量分布和DVH曲线显示两组计划几乎一致

3. 3.

   九束流鼻咽癌计划（0°、40°、80°、120°、160°、200°、240°、280°、320°）

   两次照射方案总偏差仅12.6°

   对计划输出影响可忽略不计

讨论

本研究提出的方法学首次系统解决了多角度FLASH平台治疗头角度优化问题。需要注意的是：

1. 1.

   成像系统约束会影响优化结果，实际设计中需权衡临床需求与工程实现

2. 2.

   当前研究尚未充分评估角度偏差减少的临床影响，未来需通过大样本剂量学统计分析验证

3. 3.

   当所需束流数超过治疗头数量时，需采用分次照射策略，这可能影响FLASH效应

4. 4.

   束流强度调制需在亚秒级完成，目前采用的定制铅补偿器技术虽有效但耗时，需开发更高效调制技术

ASA算法在个人计算机（Intel Core i3 3.2GHz）上运行时间约1小时，计算效率可满足实际需求。需要注意的是，优化结果受计划数据库选择影响，随着FLASH适用肿瘤类型的明确，应针对性调整训练数据集。

结论

该研究方法学为多角度FLASH调强放疗平台的治疗头角度优化提供了有效解决方案。优化后的非等间距角度配置显著改善了临床束流方向的适配性，为FLASH放疗的临床转化奠定了重要技术基础。未来研究需进一步探讨分次照射策略对FLASH生物效应的影响，并开发更高效的束流强度调制技术。