Röntgenplattform mit ultrahoher Dosisleistung bereitet sich auf die radiobiologische FLASH-Forschung vor – 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="Erste Beamline-Experimente Erstautor Nolan Esplen an der FLASH Irradiation Research Station am TRIUMF. (Mit freundlicher Genehmigung von Luca Egoriti)“ title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform- line-up-for-flash-radiobiological-research-physics-world.jpg“>

Forscher in Kanada haben eine Röntgenbestrahlungsplattform für radiobiologische Studien der FLASH-Strahlentherapie charakterisiert – einer neuen Krebsbehandlungstechnik, die Bestrahlung mit ultrahoher Dosisleistung (UHDR) nutzt. Die Plattform mit dem Namen FLASH Irradiation Research Station bei TRIUMF oder „FIRST“ kann 10-MV-Röntgenstrahlen mit Dosisraten von mehr als 100 Gy/s liefern.

Befindet sich an der ARIEL-Beamline bei TRIUMFFIRST, Kanadas Teilchenbeschleunigerzentrum, ist derzeit die einzige Bestrahlungsplattform dieser Art in Nordamerika. Weltweit gibt es zwei experimentelle UHDR-Megaspannungs-Röntgenstrahllinien: die eine am TRIUMF in Vancouver und eine weitere in Chengdu am Terahertz-Freie-Elektronen-Laser der China Academy of Engineering Physics.

Megavolt-Röntgenstrahlen erfordern im Vergleich zu anderen Modalitäten zur Behandlung tiefsitzender Tumore bescheidene Beschleunigerspezifikationen, sagen die Forscher, und FIRST kann sowohl UHDR- als auch konventionelle Megavolt-Bestrahlungen auf einer gemeinsamen Strahllinie anbieten.

„Es gibt eine Lücke in der Verfügbarkeit von Röntgenquellen mit ultrahoher Dosisleistung; Es handelt sich auf diesem Gebiet um einen ungedeckten Bedarf, und es gibt keine kommerzielle Plattform, um diese Art von Strahlung routinemäßig abzugeben“, erklärt er Nolan Esplen, Postdoktorand am MD Anderson Cancer Center. „Dieses mehrjährige Gemeinschaftsprojekt [mit TRIUMF] … war eine Gelegenheit, dieses einzigartige Labor mit Zugang zu einem hochenergetischen supraleitenden Elektronenbeschleuniger zu nutzen, um die Art von Strahlung zu erzeugen, die wir für die radiobiologische FLASH-Forschung untersuchen möchten.“

Esplen führte ERSTE Charakterisierungsexperimente durch, als er noch ein Doktorand an der Universität war University of Victoria arbeiten in der XCITE-Labor. Die neueste Studie des Forschungsteams, veröffentlicht in Nature Scientific Reports, präsentiert eine umfassende Charakterisierung ERSTER und erster präklinischer Experimente. Die Simulationsarbeit wurde 2022 veröffentlicht Physik in Medizin & Biologie.

„Wir beschäftigen uns schon seit geraumer Zeit mit Bestrahlungen mit ultrahoher Dosisleistung“, sagt XCITE Lab-Direktor Magdalena Bazalova-Carter. „Wir begannen mit den Leuten bei TRIUMF über die ARIEL-Strahllinie zu sprechen und darüber, welche Röntgendosisleistungen wir erhalten würden, wenn wir ein Ziel für diese Strahllinie bauen würden. So fing alles an.“

Die Premieren von FIRST

Die Forscher untersuchten eine Teilmenge verfügbarer und klinisch relevanter Strahlparameter, um FIRST im UHDR- und konventionellen Dosisleistungsbetrieb zu charakterisieren. Sie legten die Elektronenstrahlenergie auf 10 MeV fest, um die Dosisleistung und die Ziellebensdauer zu maximieren, und stellten den Strahlstrom (Spitzenstrom) zwischen 95 und 105 µA ein. Die Dosisleistungen wurden mithilfe der Filmdosimetrie berechnet.

Bei einer Feldgröße von 40 cm wurden Dosisraten über 4.1 Gy/s in einer Tiefe von bis zu 1 cm erreicht. Im Vergleich zu einem klinischen 10-MV-Strahl bot FIRST einen geringeren oberflächlichen Dosisaufbau. Im Vergleich zu Elektronenquellen mit niedriger Energie bot FIRST einen allmählicheren Dosisabfall über d hinaus_max (die Tiefe der maximalen Dosis). Das Team stellt fest, dass das Vorhandensein steiler oberflächlicher Tiefen-Dosis-Gradienten zu Dosisheterogenitätsproblemen führte, die derzeit Anwendungen auf präklinische Arbeiten beschränken. Einschränkungen der Quellenstabilität führten zu Schwankungen bei Strom und Dosis.

Basierend auf den Charakterisierungsstudien verwendeten die Forscher dann FIRST, um UHDR (über 80 Gy/s) und konventionelle Röntgenbestrahlung mit niedriger Dosisleistung in die Lungen gesunder Mäuse zu verabreichen. Sie verabreichten erfolgreich Dosen von 15 und 30 Gy bis auf 10 % der Verschreibung in 1 cm Tiefe. Auswirkungen von Inhomogenitäten des Lungengewebes wurden nicht korrigiert (die Designstudie der Gruppe wies auf vernachlässigbare Störungen bei Megavolt-Strahlenergien hin). Die Elektronenquellenleistung und die Varianz der Filmdosimetrie dominierten die Unsicherheiten bei Dosismessungen vor der Behandlung.

Lessons learned

Der physische Raum, in dem sich FIRST befindet, diente ursprünglich – und dient auch heute noch – als Strahldeponie (wo ein Strahl geladener Teilchen sicher absorbiert werden kann). Das führte zu einigen einzigartigen Designherausforderungen für FIRST.

„Es gab keine Grundlage für das, was wir taten, und es war auch eine Entwicklungschance für TRIUMF. Viele Leute erfuhren etwas über das System, die Feinheiten dieser Art der Zustellung und Dinge, die wir gut gemacht haben und was wir in Zukunft besser machen könnten“, sagt Esplen. „Die Tatsache, dass es sich hier um eine Einrichtung handelt, die sich in der Entwicklung befindet, war für uns eine erste Möglichkeit für die Wissenschaft – es ist ein sehr dynamisches Umfeld. Wir haben einige äußerst talentierte Mitarbeiter und Strahlphysiker, die daran gearbeitet haben, alle optischen Parameter der Strahllinien so einzustellen, dass wir einen minimal dispersiven Strahl der richtigen Größe auf das Ziel liefern können.“

Zum Zeitpunkt der Experimente der Forscher konnte alle 45 Minuten nur ein Phantompaar oder eine einzelne Maus bestrahlt werden, nachdem die Plattform aufgebaut, geliefert und heruntergefahren wurde. Und nach jeder Anpassung der Strahllinie und des Strahls selbst mussten die Forscher den Strahl neu abstimmen, um seine Leistung und Dosimetrie zu bestätigen.

Können herkömmliche Röntgenröhren FLASH-Dosisleistungen liefern?

„Es ist eine andere Geschichte als die klinische medizinische Physik. Wenn Sie in einem Krankenhaus Experimente an einem Linearbeschleuniger durchführen, kann eine Person das gesamte Experiment durchführen … Das ist eine ganz andere Situation“, sagt Bazalova-Carter. „Fünf Leute mussten die Strahlführung [für diese Experimente] bedienen, um alle Bildschirme zu überwachen – und obwohl bei weitem nicht alle von ihnen für unsere Experimente verwendet wurden, glaube ich, dass ich 113 Bildschirme im Kontrollraum gezählt habe … Es war ziemlich interessant, dass wir könnte eine sehr gute Dosisübereinstimmung zwischen Monte-Carlo-Simulationen und Experimenten erzielen, wenn man bedenkt, wie anspruchsvoll diese Experimente sind.“

Ungeachtet dieser Hürden gehört zu den Vorteilen der FIRST-Plattform die Kontrolle über wichtige Quellenparameter, einschließlich Impulswiederholungsfrequenz, Spitzenstrom, Strahlenergie und Durchschnittsleistung.

„Wir waren die ersten Nutzer der ARIEL-Beamline“, erinnert sich Bazalova-Carter. „Es war äußerst befriedigend, nach vielen Jahren der Arbeit an diesem Projekt tatsächlich Experimente zur Bestrahlung von Mäusen durchführen zu können.“

Eine strahlenbiologische Folgestudie steht bevor.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform-lines-up-for-flash-radiobiological-research/