Compact linac genererer røntgenstråler med ultrahøj dosis til klinisk FLASH-strålebehandling

FLASH-strålebehandling, der leveres ved hjælp af ultrahigh-dosis-rate (UHDR) strålingsstråler, kan reducere normal vævstoksicitet betydeligt, samtidig med at antitumoreffektiviteten bevares. Prækliniske undersøgelser, der viser denne FLASH-effekt, har for det meste brugt elektroner og protoner, da det er relativt nemt at generere UHDR-stråler ved at tilpasse eksisterende medicinske acceleratorer. Men for at oversætte FLASH til brug hos patienter, kunne højenergi (megaspænding) røntgenstråler, der almindeligvis anvendes i konventionel klinisk strålebehandling, give en mere optimal tilgang.

Med dette in mente gik et forskerhold op kl Tsinghua University i Kina er ved at udvikle en FLASH-strålebehandlingsplatform baseret på en rumtemperatur RF lineær accelerator (linac) – som er meget udbredt i medicinske applikationer på grund af dens kompakte størrelse og lave omkostninger. De demonstrerede, at deres system, beskrevet i Medicinsk fysik, kan producere højenergi røntgenstråler med en dosishastighed på over 40 Gy/s i en klinisk relevant opsætning.

"De potentielle fordele ved at bruge røntgenstråler i FLASH-strålebehandling er maskinens kompakthed og høj omkostningseffektivitet af behandlingen," siger forsker Hao Zha. Fysik verden. "Længden af ​​vores accelerator var kun 1.65 m, så eksperimentet kunne installeres i et lille rum."

Accelerator optimering

Kliniske højenergisystemer til røntgenstrålebehandling er typisk baseret på en rumtemperatur RF-linac, der accelererer elektronstråler til MeV-niveau. Disse elektroner bestråler derefter et mål, der omdanner dem til højenergi-røntgenstråler via bremsstrahlung-effekten. Den opnåelige røntgendosishastighed afhænger af både energien og strømmen af ​​den indfaldende elektronstråle.

FLASH-strålebehandling kræver dog en dosishastighed på 2-3 størrelsesordener højere end for konventionelle systemer. I denne undersøgelse opnåede holdet dette ved at øge den gennemsnitlige strålestrøm fra titusvis af mikroampere til flere milliampere.

Zha og kolleger udviklede deres UHDR højenergi røntgenstrålingsplatform ved at optimere en S-bånd bagudgående bølgeelektron linac. De designede en 1.65 m lang accelerator, der bruger en klystron-baseret strømkilde til at generere 11 MeV elektronstråler med en pulsstrøm på 300 mA, en 12.5 µs pulslængde og en gennemsnitlig stråleeffekt på 29 kW.

Den næste hindring er, at sådanne elektronstråler med høj middeleffekt afsætter enorme mængder varme i elektron-til-foton-konverteringsmålet. For at hjælpe med at afbøde denne opvarmning sendte holdet elektronstrålerne gennem et 1.8 m langt driftrør, der øgede den tværgående strålestørrelse fra 5.1 til 10.6 mm, og derved reducerede effekttætheden og pulsopvarmningen ved målet.

Ydeevnen af ​​konverteringsmålet, som omfatter en wolframskive som det funktionelle område omgivet af kobber for at muliggøre vandkøling, afhænger af tykkelsen af ​​wolfram og kobber i beamline. Således brugte forskerne Monte Carlo og termiske finite element-analysesimuleringer til at optimere materialetykkelserne.

Modellering af 1.4-4 mm wolfram og 1.5-3 mm kobber afslørede, at røntgendosishastigheden faldt med stigende tykkelse af begge materialer. For at maksimere røntgenkonverteringseffektiviteten og samtidig opretholde sikker afkøling, skabte de et mål med 3 mm wolfram og 2 mm kobber. Denne kombination kunne producere pulserende røntgenstråler med en middelenergi på 1.66 MeV og en dosishastighed på 40.2 Gy/s ved en kilde-overfladeafstand (SSD) på 70 cm i simuleringer.

Linac dosimetri

For at vurdere ydeevnen af ​​deres rumtemperatur linac brugte forskerne EBT3 og EBT-XD radiokrome film til at udføre absolut dosismålinger. De placerede filmene 50 eller 67.9 cm fra røntgenmålet i 2.1 cm dybde i et vandfantom. De maksimale gennemsnitlige dosishastigheder oversteg 80 Gy/s ved 50 cm SSD og 45 Gy/s ved 67.9 cm SSD, med god overensstemmelse mellem de to filmtyper.

Forskerne brugte også et PTW Farmer-type ioniseringskammer ved 100 cm SSD til at måle den relative totale dosis af hvert strålingsskud, og et planparallelt ioniseringskammer placeret under filmen for at måle den relative dosis af hver puls. Den gennemsnitlige steady state dosishastighed (kalibreret med filmresultaterne) var 49.2 Gy/s ved 67.9 cm SSD. Puls- og bunddosishastigheder var henholdsvis 5.62 og 59.0 kGy/s.

Holdet brugte også den fly-parallelle detektor til at teste systemets stabilitet. Standardafvigelsen for 20 på hinanden følgende stråleskud var 1.3 % af den samlede dosis. Ved at ændre bestrålingskontrolstrategien forbedrede forskerne denne shot-to-shot-dosis stabilitet til 0.3 %. Dag-til-dag-stabiliteten havde en dårligere standardafvigelse på 3.9% over 70 strålingsskud (10 pr. dag i syv dage) - tilskrevet daglige temperaturændringer.

Forskerne bemærker, at linac-systemet kan producere både UHDR og konventionel bestråling uden ændringer i platformsopsætningen. Den gennemsnitlige dosishastighed kan justeres ved at ændre pulsgentagelseshastigheden (fra 1 til 700 Hz) og pulslængden (fra 6.3 til 12.5 µs). Derudover kan den gennemsnitlige dosishastighed og pulsdosishastighed begge justeres ved at ændre platformens SSD.

Højenergifysikudstyr tilpasset til elektron FLASH-dosimetri

I fremtidige implementeringer, foreslår de, kan det statiske konverteringsmål erstattes med et roterende design. Dette ville hjælpe med at reducere belastningen på kølesystemet og fjerne behovet for stråleekspansionsdriftrøret, hvilket yderligere øger systemets kompakthed og enkelhed.

"Resultaterne er opmuntrende for fremtidigt arbejde med at introducere X-ray FLASH strålebehandling baseret på stuetemperatur linacs i kliniske applikationer," konkluderer forskerne. "Fordi det har fordelene ved overkommelige omkostninger, systemenkelhed og en kompakthed, der er velegnet til de fleste hospitalsbehandlingsrum, foreslås rumtemperatur linac-systemet at være en konkurrencedygtig FLASH-strålebehandlingsløsning med betydelig appel."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/compact-linac-generates-ultrahigh-dose-rate-x-rays-for-clinical-flash-radiotherapy/