Diamond-Dosimeter stehen für die FLASH-Strahlentherapie an

Ein europäisches Forschungsteam hat einen Prototyp eines Schottky-Dioden-Detektors auf Diamantbasis erfolgreich in Betrieb genommen Elektronenblitz Forschungsbeschleuniger sowohl für die konventionelle als auch für die präklinische FLASH-Strahlentherapie. Der neuartige Detektor erwies sich als nützliches Werkzeug für die schnelle und reproduzierbare Strahlcharakterisierung, geeignet für ultrahohe Dosisraten (UH-DR) und ultrahohe Dosis-pro-Puls-Bedingungen (UH-DPP). Dies ist ein Meilenstein für das Entwicklungsteam unter der Leitung von Universität Rom Tor Vergata, da derzeit keine kommerziellen Echtzeit-Aktivdosimeter für die FLASH-Strahlentherapie verfügbar sind.

Die FLASH-Strahlentherapie ist eine aufkommende Krebsbehandlungstechnik, bei der Zielgewebe mit viel höheren Dosisraten als bei der herkömmlichen Strahlentherapie und folglich für viel kürzere Bestrahlungszeiten bestrahlt werden. Diese ultrahohe Dosisrate verursacht den sogenannten FLASH-Effekt: eine Verringerung der strahleninduzierten Toxizität auf das umgebende normale Gewebe, während eine äquivalente tumortötende Reaktion aufrechterhalten wird.

Diese aufkommende Technologie wird weltweit als spannende Behandlungsstrategie gelobt, die das Potenzial hat, die Zukunft der klinischen Krebstherapie zu verändern. Es gibt jedoch Hindernisse zu überwinden, von denen eines die Entwicklung eines genauen, effizient zu verwendenden Dosimetriesystems zur Bestimmung der Strahlendosis in Echtzeit war.

Gegenwärtige kommerzielle Echtzeit-Dosimeter wie Ionisationskammern und Festkörperdetektoren sind aufgrund von Rekombinations-, Sättigungs- und Nichtlinearitätseffekten, die in ihrer Reaktion beobachtet werden, nicht für den klinischen Einsatz geeignet. Passive Dosimeter wie Alanin- und GAFchromic-Filme funktionieren, aber ihre Reaktion wird möglicherweise erst Stunden oder sogar Tage nach einem Bestrahlungsverfahren erzeugt, was sie für die tägliche Qualitätssicherung von Linearbeschleunigern unpraktisch macht.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat das Team den flashDiamond (fD)-Detektor speziell für UH-DR- und UH-DPP-Anwendungen entwickelt und in einem Artikel vom Januar 2022 in beschrieben Medizinische Physik. Nun, Hauptermittler Gianluca Verona Rinati und Kollegen haben eine systematische Untersuchung der Reaktion des fD-Detektors auf gepulste Elektronenstrahlen durchgeführt und seine Reaktionslinearität bei DPPs von bis zu etwa 26 Gy/Impuls, momentanen Dosisraten von etwa 5 MGy/s und durchschnittlichen Dosisraten von etwa 1 kGy/s validiert .

Anschließend nutzten die Forscher den fD-Detektor, um einen ElectronFlash-Beschleuniger in Betrieb zu nehmen Sordina Iort Technologien (SIT) in Italien und berichten über ihre Ergebnisse in Medizinische Physik.

Dosimetrische Charakterisierung

Um den fD-Prototyp zu bewerten, führte das Team zunächst Kalibrierungen der absorbierten Dosis unter drei verschiedenen Bestrahlungsbedingungen durch: ⁶⁰Co-Bestrahlung unter Referenzbedingungen im PTW-Sekundärnormallabor (PTW-Freiburg); UH-DPP-Elektronenstrahlen bei PTB; und Elektronenblitzstrahlen unter konventionellen Bedingungen am SIT.

Erfreulicherweise stimmten die bei den Kalibrierungsverfahren an den drei Einrichtungen erhaltenen Werte gut überein. Die Empfindlichkeiten eines fD-Prototypen erhalten unter ⁶⁰Co-Bestrahlung mit UH-DPP-Elektronenstrahlen und mit herkömmlichen Elektronenstrahlen waren 0.309 ± 0.005, 0.305 ± 0.002 bzw. 0.306 ± 0.005 nC/Gy. Dies weist darauf hin, dass es keine Unterschiede in der Antwort des fD-Prototyps gibt, wenn herkömmliche oder UH-DPP-Elektronenstrahlen verwendet werden, oder dazwischen ⁶⁰Co- und Elektronenstrahlbestrahlung.

Als nächstes untersuchte das Team die Linearität der fD-Antwort im UH-DPP-Bereich. Die Variation des DPP zwischen 1.2 und 11.9 Gy zeigte, dass die Reaktion des Prototyps zumindest bis zum maximal untersuchten Wert von 11.9 Gy linear war.

Die Forscher verglichen auch die Ergebnisse des fD-Detektors mit denen kommerziell erhältlicher Dosimeter, darunter ein microDiamond, eine Advanced-Markus-Ionisationskammer, ein Siliziumdiodendetektor und EBT-XD-GAFchromic-Filme. Sie beobachteten eine gute Übereinstimmung zwischen den prozentualen Tiefendosiskurven, Strahlprofilen und Leistungsfaktoren, die vom fD-Prototyp und den Referenzdetektoren für konventionelle und (mit EBT-XD-Filmen) UH-DPP-Bestrahlung gemessen wurden.

Schließlich verwendete das Team den fD-Detektor, um den ElectronFlash Linac in Betrieb zu nehmen, der sowohl in konventionellen als auch in UH-DPP-Modalitäten betrieben werden kann. Der Linearbeschleuniger ist mit mehreren zylindrischen PMMA-Applikatoren mit einem Durchmesser zwischen 30 und 120 mm ausgestattet, die zur Variation des DPP verwendet werden. Die Inbetriebnahme wurde abgeschlossen, indem die prozentuale Tiefendosis und Strahlprofile für gepulste Elektronenstrahlen mit 7 und 9 MeV unter Verwendung aller verschiedenen Applikatoren und sowohl in konventionellen als auch in UH-DPP-Modalitäten erfasst wurden.

Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass sich der fD-Prototyp als wertvolles Werkzeug für die Inbetriebnahme von Elektronenstrahl-Linacs für die FLASH-Strahlentherapie erweisen könnte. Sie führen derzeit Monte-Carlo-Simulationen sowohl der ElectronFlash-Linac-Strahlen als auch des fD-Detektors durch, um ihre dosimetrischen Bewertungen theoretisch zu unterstützen.