Røntgenplatform med ultrahøj dosishastighed står i kø for FLASH radiobiologisk forskning – Physics World

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform-lines-up-for-flash-radiobiological-research-physics-world.jpg" data-caption="Første strålelinjeforsøg Førsteforfatter Nolan Esplen ved FLASH Irradiation Research Station på TRIUMF. (Courtesy: Luca Egoriti)” title=”Klik for at åbne billede i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform- line-up-for-flash-radiobiological-research-physics-world.jpg”>

Forskere i Canada har karakteriseret en røntgenbestrålingsplatform til radiobiologiske undersøgelser af FLASH-strålebehandling – en ny kræftbehandlingsteknik, der bruger ultrahøjdosis-bestråling (UHDR). Platformen, kaldet FLASH Irradiation Research Station på TRIUMF, eller "FIRST", kan levere 10 MV røntgenstråler ved dosishastigheder, der overstiger 100 Gy/s.

Placeret ved ARIEL beamline kl TRIUMF, Canadas partikelacceleratorcenter, FIRST er i øjeblikket den eneste bestrålingsplatform af sin art i Nordamerika. Globalt er der to eksperimentelle UHDR megavoltage røntgenstrålelinjer: den ene ved TRIUMF i Vancouver og en anden i Chengdu, ved China Academy of Engineering Physics terahertz fri elektronlaser.

Megaspændingsrøntgenstråler kræver beskedne acceleratorspecifikationer sammenlignet med andre modaliteter, der bruges til at behandle dybtliggende tumorer, siger forskerne, og FIRST kan tilbyde både UHDR og konventionel megaspændingsbestråling på en fælles strålelinje.

"Der er et hul i tilgængeligheden af ​​røntgenkilder med ultrahøj dosis; det er en slags udækket behov i marken, og der er ingen kommerciel platform tilgængelig til at levere denne type stråling rutinemæssigt,” forklarer Nolan Esplen, en postdoc-forsker ved MD Anderson Cancer Center. "Dette flerårige samarbejdsprojekt [med TRIUMF] ... var en mulighed for at udnytte dette unikke laboratorium med adgang til en højenergi superledende elektronlinac til at producere den type stråling, vi ønsker at se på til FLASH radiobiologisk forskning."

Esplen udførte FØRSTE karakteriseringseksperimenter, mens han var kandidatstuderende ved University of Victoria arbejder i XCITE Lab. Forskerholdets seneste undersøgelse, offentliggjort i Natur videnskabelige rapporter, præsenterer en omfattende karakterisering af FØRSTE og indledende prækliniske eksperimenter. Simuleringsarbejde blev udgivet i 2022 i Fysik i medicin og biologi.

"Vi har været involveret i bestråling med ultrahøje doser i et stykke tid nu," siger XCITE Lab-direktør Magdalena Bazalova-Carter. "Vi begyndte at tale med folk hos TRIUMF om ARIEL-strålelinjen, og hvordan hvis vi byggede et mål for denne strålelinje, hvilken slags røntgendosishastigheder ville vi så få. Sådan startede det hele.”

FØRST's første

Forskerne udforskede en undergruppe af tilgængelige og klinisk relevante stråleparametre for at karakterisere FIRST under UHDR og konventionel dosishastighedsdrift. De fikserede elektronstråleenergien til 10 MeV for at maksimere dosishastigheder og mållevetid og indstillede strålestrømmen (spidsstrøm) mellem 95 og 105 µA. Dosishastigheder blev beregnet ved anvendelse af filmdosimetri.

Dosishastigheder over 40 Gy/s blev opnået ved op til 4.1 cm dybde for en 1 cm feltstørrelse. Sammenlignet med en klinisk 10 MV-stråle tilbød FIRST en reduceret overfladisk dosisopbygning. I forhold til lavenergi-elektronkilder tilbød FIRST et mere gradvist dosisfald ud over d_max (dybden af ​​maksimal dosis). Holdet bemærker, at tilstedeværelsen af ​​stejle overfladiske dybde-dosis gradienter førte til dosis heterogenitetsproblemer, der i øjeblikket begrænser ansøgninger til præklinisk arbejde. Kildestabilitetsbegrænsninger førte til variationer i strøm og dosis.

Oplyst af karakteriseringsundersøgelserne brugte forskerne derefter FIRST til at levere UHDR (over 80 Gy/s) og lavdosis konventionel røntgenbestråling til lungerne på raske mus. De afleverede med succes doser på 15 og 30 Gy inden for 10 % af recepten i 1 cm dybde. Effekter af lungevævsinhomogeniteter blev ikke korrigeret for (gruppens designstudie pegede på ubetydelige forstyrrelser ved megaspændingsstråleenergier). Elektronkildeoutput og filmdosimetrivarians dominerede usikkerheden i dosismålinger før behandling.

Erfaringer

Det fysiske rum, hvor FIRST befinder sig, var oprindeligt beregnet til – og fungerer stadig som – et stråledump (hvor en stråle af ladede partikler sikkert kan absorberes). Det førte til nogle unikke designudfordringer for FIRST.

”Der var ikke grundlag for at gøre det, vi lavede, og det var også en udviklingsmulighed for TRIUMF. Mange mennesker lærte om systemet, samt nuancerne for denne type levering og ting, som vi gjorde godt, og hvad vi kunne gøre bedre i fremtiden,” siger Esplen. ”Med det faktum, at dette er et anlæg, der er under udvikling, var vi en første videnskabelig mulighed – det er et meget dynamisk miljø. Vi har nogle ekstremt dygtige samarbejdspartnere og strålefysikere, som arbejdede på at indstille alle de optiske parametre for strålelinjerne, så vi kunne levere en minimalt dispersiv stråle af korrekt størrelse ved målet."

På tidspunktet for forskernes eksperimenter kunne kun ét fantompar eller en enkelt mus bestråles hvert 45. minut efter at have taget højde for platformsopsætning, levering og nedlukning. Og efter hver justering af strålelinjen og selve strålen, måtte forskerne justere strålen for at bekræfte dens output og dosimetri.

Kan konventionelle røntgenrør levere FLASH dosishastigheder?

”Det er en anden historie end klinisk medicinsk fysik. Når man kører eksperimenter på en linac på et hospital, kan én person klare hele eksperimentet...Dette er en meget anderledes situation,” siger Bazalova-Carter. "Fem personer var nødt til at køre beamline [til disse eksperimenter] for at overvåge alle skærme - og selvom langt ikke alle blev brugt til vores eksperimenter, tror jeg, jeg talte 113 skærme i kontrolrummet... Det var ret interessant, at vi kunne få en meget anstændig dosisoverenskomst mellem Monte Carlo-simuleringer og eksperimenter, i betragtning af hvor udfordrende disse eksperimenter er."

På trods af sådanne forhindringer inkluderer fordelene ved FIRST platformen kontrol over nøglekildeparametre, herunder pulsgentagelsesfrekvens, spidsstrøm, stråleenergi og gennemsnitlig effekt.

"Vi var den første bruger af ARIEL beamline," reflekterer Bazalova-Carter. "Det var ekstremt tilfredsstillende, efter mange års arbejde på dette projekt, faktisk at kunne køre musebestrålingseksperimenter."

En radiobiologisk opfølgningsundersøgelse er på vej.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform-lines-up-for-flash-radiobiological-research/