Kompakter Linearbeschleuniger erzeugt Röntgenstrahlen mit ultrahoher Dosisleistung für die klinische FLASH-Strahlentherapie

Die FLASH-Strahlentherapie, die mit UHDR-Strahlen (Ultrahigh Dose Rate) verabreicht wird, kann die normale Gewebetoxizität erheblich reduzieren und gleichzeitig die Antitumorwirksamkeit aufrechterhalten. Präklinische Studien, die diesen FLASH-Effekt zeigen, haben hauptsächlich Elektronen und Protonen verwendet, da es relativ einfach ist, UHDR-Strahlen durch Anpassung bestehender medizinischer Beschleuniger zu erzeugen. Aber um FLASH für die Verwendung bei Patienten einzusetzen, könnten die hochenergetischen (Megavolt-)Röntgenstrahlen, die üblicherweise in der konventionellen klinischen Strahlentherapie verwendet werden, einen optimaleren Ansatz bieten.

Vor diesem Hintergrund leitete ein Forschungsteam an Tsinghua University in China entwickelt eine FLASH-Strahlentherapieplattform, die auf einem Raumtemperatur-HF-Linearbeschleuniger (LINAC) basiert – der aufgrund seiner kompakten Größe und geringen Kosten in medizinischen Anwendungen weit verbreitet ist. Sie demonstrierten, dass ihr System, beschrieben in Medizinische Physik, kann in einem klinisch relevanten Aufbau hochenergetische Röntgenstrahlen mit einer Dosisleistung von über 40 Gy/s erzeugen.

„Die potenziellen Vorteile der Verwendung von Röntgenstrahlen in der FLASH-Strahlentherapie sind die Kompaktheit des Geräts und die hohe Kosteneffizienz der Behandlung“, erklärt Forscher Hao Zha Physik-Welt. „Die Länge unseres Beschleunigers betrug nur 1.65 m, sodass das Experiment in einem kleinen Raum installiert werden konnte.“

Beschleuniger-Optimierung

Klinische Hochenergie-Röntgenstrahlentherapiesysteme basieren typischerweise auf einem Raumtemperatur-HF-Linearbeschleuniger, der Elektronenstrahlen auf das MeV-Niveau beschleunigt. Diese Elektronen bestrahlen dann ein Target, das sie über den Bremsstrahlungseffekt in hochenergetische Röntgenstrahlen umwandelt. Die erreichbare Röntgendosisleistung hängt sowohl von der Energie als auch von der Stromstärke des einfallenden Elektronenstrahls ab.

Die FLASH-Strahlentherapie erfordert jedoch eine um 2–3 Größenordnungen höhere Dosisleistung als herkömmliche Systeme. In dieser Studie erreichte das Team dies, indem es den mittleren Strahlstrom von mehreren zehn Mikroampere auf mehrere Milliampere erhöhte.

Zha und Kollegen entwickelten ihre Plattform für hochenergetische UHDR-Röntgenstrahlung, indem sie einen S-Band-Elektronenbeschleuniger mit rückwärtslaufender Welle optimierten. Sie entwarfen einen 1.65 m langen Beschleuniger, der eine klystronbasierte Stromquelle verwendet, um 11 MeV-Elektronenstrahlen mit einem Impulsstrom von 300 mA, einer Impulslänge von 12.5 µs und einer mittleren Strahlleistung von 29 kW zu erzeugen.

Das nächste Hindernis besteht darin, dass solche Elektronenstrahlen mit hoher mittlerer Leistung große Wärmemengen auf dem Elektron-zu-Photon-Umwandlungsziel abgeben. Um diese Erwärmung abzuschwächen, schickte das Team die Elektronenstrahlen durch eine 1.8 m lange Driftröhre, die die Querstrahlgröße von 5.1 auf 10.6 mm erhöhte, wodurch die Leistungsdichte und Impulserwärmung am Target verringert wurden.

Die Leistung des Konversionstargets, das eine Wolframscheibe als funktionalen Bereich umfasst, der von Kupfer umgeben ist, um eine Wasserkühlung zu ermöglichen, hängt von der Dicke von Wolfram und Kupfer in der Strahlführung ab. Daher nutzten die Forscher Monte-Carlo- und thermische Finite-Elemente-Analyse-Simulationen, um die Materialstärken zu optimieren.

Die Modellierung von 1.4–4 mm Wolfram und 1.5–3 mm Kupfer ergab, dass die Röntgendosisleistung mit zunehmender Dicke beider Materialien abnahm. Um die Effizienz der Röntgenumwandlung zu maximieren und gleichzeitig eine sichere Kühlung aufrechtzuerhalten, erstellten sie ein Target mit 3 mm Wolfram und 2 mm Kupfer. Diese Kombination könnte in Simulationen gepulste Röntgenstrahlen mit einer mittleren Energie von 1.66 MeV und einer Dosisleistung von 40.2 Gy/s bei einem Abstand zwischen Quelle und Oberfläche (SSD) von 70 cm erzeugen.

Linac-Dosimetrie

Um die Leistung ihres Linearbeschleunigers bei Raumtemperatur zu bewerten, verwendeten die Forscher EBT3- und EBT-XD-Radiochromfilme, um Messungen der absoluten Dosis durchzuführen. Sie platzierten die Filme 50 oder 67.9 cm vom Röntgenziel entfernt in 2.1 cm Tiefe in einem Wasserphantom. Die maximalen mittleren Dosisraten überstiegen 80 Gy/s bei 50 cm SSD und 45 Gy/s bei 67.9 cm SSD, mit guter Übereinstimmung zwischen den beiden Filmtypen.

Die Forscher verwendeten auch eine Ionisationskammer vom Typ PTW Farmer bei 100 cm SSD, um die relative Gesamtdosis jedes Strahlungsschusses zu messen, und eine planparallele Ionisationskammer, die unter dem Film platziert wurde, um die relative Dosis jedes Impulses zu messen. Die mittlere Steady-State-Dosisleistung (kalibriert mit den Filmergebnissen) betrug 49.2 Gy/s bei 67.9 cm SSD. Die Puls- und Bündeldosisraten betrugen 5.62 bzw. 59.0 kGy/s.

Das Team nutzte den planparallelen Detektor auch, um die Systemstabilität zu testen. Die Standardabweichung von 20 aufeinanderfolgenden Bestrahlungen betrug 1.3 % der Gesamtdosis. Durch eine Änderung der Bestrahlungssteuerungsstrategie verbesserten die Forscher diese Schuss-zu-Schuss-Dosisstabilität auf 0.3 %. Die Tag-zu-Tag-Stabilität hatte eine schlechtere Standardabweichung von 3.9 % über 70 Bestrahlungen (10 pro Tag für sieben Tage) – zurückzuführen auf tägliche Temperaturänderungen.

Die Forscher stellen fest, dass das Linac-System ohne Änderungen am Plattformaufbau sowohl UHDR- als auch konventionelle Bestrahlung erzeugen kann. Die mittlere Dosisleistung kann durch Ändern der Impulsfolgefrequenz (von 1 bis 700 Hz) und der Impulslänge (von 6.3 bis 12.5 µs) angepasst werden. Darüber hinaus können sowohl die mittlere Dosisleistung als auch die Pulsdosisleistung angepasst werden, indem die SSD der Plattform geändert wird.

Für die Elektronen-FLASH-Dosimetrie angepasste Hochenergiephysikgeräte

In zukünftigen Implementierungen, so schlagen sie vor, könnte das statische Conversion-Ziel durch ein rotierendes Design ersetzt werden. Dies würde dazu beitragen, die Belastung des Kühlsystems zu verringern und die Strahlexpansions-Driftröhre überflüssig zu machen, was die Kompaktheit und Einfachheit des Systems weiter erhöht.

„Die Ergebnisse sind ermutigend für zukünftige Arbeiten zur Einführung der Röntgen-FLASH-Strahlentherapie auf der Grundlage von Linacs bei Raumtemperatur in klinische Anwendungen“, schlussfolgern die Forscher. „Aufgrund der Vorteile erschwinglicher Kosten, Systemeinfachheit und einer für die meisten Krankenhausbehandlungsräume geeigneten Kompaktheit wird das Linac-System bei Raumtemperatur als wettbewerbsfähige FLASH-Strahlentherapielösung mit beträchtlicher Attraktivität vorgeschlagen.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/compact-linac-generates-ultrahigh-dose-rate-x-rays-for-clinical-flash-radiotherapy/