Die FLASH-Strahlentherapie – eine neue Behandlungstechnik, bei der Strahlung extrem schnell und mit ultrahohen Dosisraten abgegeben wird – bietet das Potenzial, gesundes Gewebe zu schonen und gleichzeitig Krebszellen effektiv abzutöten. Für die Protonentherapie könnten sich FLASH-Behandlungen auch als wirtschaftlich vorteilhaft erweisen, da sie den Patientendurchsatz erheblich steigern, gleichzeitig das Behandlungsergebnis verbessern und strahlenbedingte Nebenwirkungen deutlich verringern.
Mit seiner Aussicht, eines Tages die Radioonkologie zu revolutionieren, hat FLASH enorme Forschungsaufmerksamkeit erhalten. Doch bevor es routinemäßig in der Klinik eingesetzt werden kann, müssen Forscher die biomedizinischen Mechanismen verstehen, die dem FLASH-Effekt zugrunde liegen, nachweisen, dass es tatsächlich die normale Gewebetoxizität reduziert, und seine Auswirkungen auf medizinisches Personal und Instrumente charakterisieren.
Auf dieses Ziel hin arbeitet ein Team unter der Leitung von Karol Lang im University of Texas at Austin untersucht den Einsatz der Positronen-Emissions-Tomographie (PET), um den Übergang zur klinischen FLASH-Therapie zu erleichtern. Die Forscher haben nun die erste jemals aufgezeichnete PET-Bildgebung und Dosimetrie eines Protonen-FLASH-Strahls demonstriert.
„Wir haben erfolgreich Tests durchgeführt, die eine neue PET-Modalität mit Protonen-FLASH-Strahlen eröffnen, die zu einer verbesserten Überwachung von Bestrahlungen und einer bildgesteuerten FLASH-Protonentherapie führt“, schreiben die Forscher Physik in Medizin & Biologie.
PET-Überprüfung
Durch PET-Scanning im Strahl kann die Protonenreichweite durch Kartierung von Positronenemitter (z. B 15O, 13Noch 11C) werden entlang des Strahlengangs erzeugt, wenn die Protonen mit Gewebe im Patienten interagieren. Während der FLASH-Abgabe könnte die momentane Positronenintensität bis zu 1000-mal höher sein als bei der herkömmlichen Protonentherapie. Darüber hinaus bedeutet der FLASH-Überlauf von weniger als einer Sekunde, dass das Signal nicht die Auswaschung erfährt, die bei längeren Strahllieferungen auftritt. Dieses starke und schnelle Signal könnte eine einzigartige Überwachung der Protonentherapie ermöglichen, stellt aber auch Herausforderungen für die PET-Instrumente dar, die innerhalb einer intensiven Strahlungszone funktionieren müssen.
Für ihre Experimente verwendeten Lang und seine Mitarbeiter den 75.8-MeV-Protonen-FLASH-Strahl am MD Anderson Protonentherapiezentrum. Dieser Strahl liefert eine Dosisleistung von etwa 163.7 Gy/s und hat eine Intensität von etwa 3.5 x 1010 Protonen während jedes FLASH-Überlaufs von 101.5 ms. Sie entwickelten einen PET-„Miniscanner“ mit zwei PET-Modulen, die aus LYSO:Ce-Szintillationskristallen zusammengesetzt waren. Jedes Modul enthält zwei 8 × 8-Kristallanordnungen, wobei jeder Kristall mit einem Silizium-Photomultiplier gekoppelt ist.
Die Forscher charakterisierten den Protonen-FLASH-Strahl zunächst mit Detektoren, die bekanntermaßen in Umgebungen mit hoher Strahlung gut funktionieren. Sie bestrahlten zunächst einen PMMA-Block mit dem FLASH-Strahl und maßen die emittierte Strahlung mit einem M400-Gamma-Imager auf Cadmium-Zink-Tellurid-Basis, der Vernichtungs-Gammastrahlen und Trigger-Gammastrahlen mit bis zu 140,000 Zählimpulsen/s messen kann.
Die resultierenden Spektren zeigten Peaks aufgrund von Positronenvernichtungs-Gammas (511 keV) von induzierten Isotopen und Paarproduktionswechselwirkungen von Prompt-Gammas sowie Prompt-Gammas von 12C wird vom Ziel emittiert. Die Überlagerung eines aus den Vernichtungsgammastrahlen rekonstruierten 2D-Bildes mit einem optischen Bild des Experiments ermöglichte eine Visualisierung der 2D-Größe und Reichweite des FLASH-Stiftstrahls im Phantom während und unmittelbar nach der Bestrahlung.
Grundsatzbeweis
Im Anschluss an diese erste Bewertung bewerteten die Forscher das Potenzial des PET-Miniscanners für die Bildgebung und Dosimetrie eines FLASH-Strahls, der ein zylindrisches PMMA-Phantom bestrahlt. Mit den PET-Modulen maßen sie die Ausbeute und zeitliche Entwicklung aktivierter Positronenemitter im Phantom, das auf der Strahlachse zentriert war. Das System zeichnete Ergebnisse über 200 s auf, darunter drei 101.5 ms lange FLASH-Überläufe.
Während dieser 200 s dauernden Erfassung erkannte das System 163,394 Koinzidenzen (Ereignisse, die in zwei gegenüberliegenden Kristallanordnungen innerhalb eines Zeitrahmens von 10 ns erkannt wurden) in 3815 unterschiedlichen Paaren von Auslesekanälen. Die grafische Darstellung der Anzahl der beobachteten Zufälle über die Zeit zeigte deutliche Sprünge in der Phantomaktivierung durch die drei FLASH-Ausbrüche. Aufgrund der hohen Trefferquote in den PET-Kristallen, die das Auslese- und Datenerfassungssystem nicht verarbeiten konnte, kam es bei der Auslesung des PET-Systems jedoch bei jedem Überlauf zu einer Totzeit.
„Die Quintessenz ist, dass unser System gut mit After-Spill-Ereignissen funktioniert (aufgrund aktivierter Positronenemitter), aber einen neuen Ansatz erfordert, um In-Spill-Prompt-Gammastrahlen aufgrund der Anregung einer Vielzahl von Isotopen abzubilden“, sagt Lang. „Wir haben Ideen, wie es geht, und schlagen es dem NIH [National Institutes of Health] vor.“
Die Forscher ermittelten für jedes Koinzidenzkristallpaar die Antwortlinie (Line-of-Response, LOR) und rekonstruierten anhand dieser LORs Bilder mit einer Voxelgröße von 1.5 mm3. Trotz eines begrenzten Sichtfelds (die Aufbaugeometrie bedeutete, dass nur die unteren Kristallanordnungen empfindlich auf aufeinanderfolgende Gammastrahlen reagierten, die vom aktivierten Phantom emittiert wurden), zeigten die Bilder deutlich den Weg der Produktion von Positronen emittierenden Isotopen.
Diese Fähigkeit, Ereignisse und LORs zu zählen, demonstriert die dosimetrische Leistungsfähigkeit des In-Beam-PET-Miniscanners. Die Forscher weisen darauf hin, dass die vollständige Analyse der PET-Bilder und der Dosimetrie im Gange ist, dass diese Arbeit jedoch einen ersten Einblick in „solch beispiellose Möglichkeiten für einen FLASH-Strahl“ bietet.
NPL führt absolute Dosimetrie für FLASH-Protonenstrahlen ein
„Die Hauptmotivation für diesen Bericht besteht darin, der Öffentlichkeit unsere jüngsten Ergebnisse der Untersuchung von FLASH-Strahldaten mitzuteilen, bevor detailliertere Messungen durchgeführt werden können. „Unsere Ergebnisse liefern ermutigende Neuigkeiten zur PET-Bildgebung von FLASH-Strahlen“, schließen sie.
Lang erzählt Physik-Welt dass das Team kürzlich eine weitere Veröffentlichung vorgelegt hat, in der es um die Strahlenexposition von sechs Phantomen und die Analyse von Daten geht, die sowohl während des 101.5 ms langen Austritts als auch bis zu 20 Minuten danach aufgezeichnet wurden. „Diese beispiellosen Studien ebnen den Weg für eine neue wichtige PET-Modalität, die das Gesamtergebnis der Protonentherapie verbessern wird“, sagt er.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/in-beam-pet-provides-the-first-glimpse-of-a-proton-flash-beam/
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