Πλατφόρμα ακτίνων Χ υπερυψηλής δόσης ετοιμάζεται για ραδιοβιολογική έρευνα FLASH – 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="Πρώτα πειράματα δέσμης Ο πρώτος συγγραφέας Nolan Esplen στον ερευνητικό σταθμό ακτινοβόλησης FLASH στο TRIUMF. (Ευγενική προσφορά: Luca Egoriti)” title=”Κάντε κλικ για να ανοίξετε την εικόνα στο αναδυόμενο παράθυρο” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform- lines-up-for-flash-radiobiological-research-physics-world.jpg”>

Ερευνητές στον Καναδά χαρακτήρισαν μια πλατφόρμα ακτινοβολίας ακτίνων Χ για ραδιοβιολογικές μελέτες ακτινοθεραπείας FLASH - μια αναδυόμενη τεχνική θεραπείας του καρκίνου που χρησιμοποιεί ακτινοβολία με ρυθμό υπερυψηλής δόσης (UHDR). Η πλατφόρμα, που ονομάζεται Σταθμός Έρευνας Ακτινοβόλησης FLASH στο TRIUMF, ή «FIRST», μπορεί να αποδώσει δέσμες ακτίνων Χ 10 MV σε δόσεις που υπερβαίνουν τα 100 Gy/s.

Βρίσκεται στη γραμμή δέσμης ARIEL στο TRIUMF, το κέντρο επιταχυντή σωματιδίων του Καναδά, το FIRST είναι αυτή τη στιγμή η μοναδική πλατφόρμα ακτινοβολίας του είδους της στη Βόρεια Αμερική. Παγκοσμίως, υπάρχουν δύο πειραματικές δέσμες ακτίνων Χ μεγατάσης UHDR: η μία στο TRIUMF στο Βανκούβερ και μία άλλη στο Τσενγκντού, στην Ακαδημία Μηχανικής Φυσικής της Κίνας με λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων terahertz.

Οι ακτινογραφίες Megavoltage απαιτούν μέτριες προδιαγραφές επιταχυντή σε σύγκριση με άλλες μεθόδους που χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία όγκων σε βάθος, λένε οι ερευνητές, και το FIRST μπορεί να προσφέρει τόσο UHDR όσο και συμβατικές ακτινοβολίες μεγατάσης σε μια κοινή γραμμή δέσμης.

«Υπάρχει ένα κενό στη διαθεσιμότητα πηγών ακτίνων Χ εξαιρετικά υψηλής δόσης. είναι κάπως μια ανικανοποίητη ανάγκη στο πεδίο και δεν υπάρχει διαθέσιμη εμπορική πλατφόρμα για την παροχή αυτού του τύπου ακτινοβολίας τακτικά», εξηγεί Νόλαν Έσπλεν, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο MD Anderson Cancer Center. «Αυτό το πολυετές έργο συνεργασίας [με την TRIUMF]…ήταν μια ευκαιρία για την αξιοποίηση αυτού του μοναδικού εργαστηρίου με πρόσβαση σε μια υψηλής ενέργειας υπεραγώγιμη δέσμη ηλεκτρονίων για την παραγωγή του τύπου ακτινοβολίας που θέλουμε να εξετάσουμε για την ραδιοβιολογική έρευνα FLASH».

Ο Έσπλεν διεξήγαγε τα ΠΡΩΤΑ πειράματα χαρακτηρισμού ενώ ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο Βικτόρια που εργάζονται στο XCITE Lab. Η τελευταία μελέτη της ερευνητικής ομάδας, που δημοσιεύτηκε στο Φυσικές Επιστημονικές Εκθέσεις, παρουσιάζει έναν περιεκτικό χαρακτηρισμό των ΠΡΩΤΩΝ και αρχικών προκλινικών πειραμάτων. Η εργασία προσομοίωσης δημοσιεύθηκε το 2022 στο Φυσική στην Ιατρική & Βιολογία.

«Έχουμε εμπλακεί σε υπερυψηλές δόσεις ακτινοβολίας εδώ και αρκετό καιρό», λέει ο διευθυντής του εργαστηρίου XCITE Magdalena Bazalova-Carter. «Ξεκινήσαμε να μιλάμε με ανθρώπους στην TRIUMF για τη γραμμή δέσμης ARIEL και πώς, αν χτίζαμε έναν στόχο για αυτήν τη γραμμή δέσμης, τι είδους ποσοστά δόσης ακτίνων Χ θα λαμβάναμε. Έτσι ξεκίνησαν όλα».

Οι πρωτιές του FIRST

Οι ερευνητές διερεύνησαν ένα υποσύνολο διαθέσιμων και κλινικά σχετικών παραμέτρων δέσμης για να χαρακτηρίσουν το FIRST υπό UHDR και συμβατική λειτουργία με ρυθμό δόσης. Καθόρισαν την ενέργεια της δέσμης ηλεκτρονίων στα 10 MeV για να μεγιστοποιήσουν τους ρυθμούς δόσης και τη μακροζωία-στόχο και έθεσαν το ρεύμα δέσμης (ρεύμα αιχμής) μεταξύ 95 και 105 μΑ. Οι ρυθμοί δόσης υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας δοσιμετρία φιλμ.

Ρυθμοί δόσης άνω των 40 Gy/s επιτεύχθηκαν σε βάθος έως και 4.1 cm για μέγεθος πεδίου 1 cm. Σε σύγκριση με μια κλινική δέσμη 10 MV, το FIRST προσέφερε μειωμένη επιφανειακή συσσώρευση δόσης. Σε σχέση με πηγές ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας, το FIRST προσέφερε μια πιο σταδιακή πτώση δόσης πέραν του d_max (το βάθος της μέγιστης δόσης). Η ομάδα σημειώνει ότι η παρουσία απότομων επιφανειακών κλίσεων βάθους-δόσης οδήγησε σε ζητήματα ετερογένειας δόσης που επί του παρόντος περιορίζουν τις εφαρμογές σε προκλινική εργασία. Οι περιορισμοί σταθερότητας της πηγής οδήγησαν σε διακυμάνσεις στο ρεύμα και τη δόση.

Ενημερωμένοι από τις μελέτες χαρακτηρισμού, οι ερευνητές στη συνέχεια χρησιμοποίησαν το FIRST για να χορηγήσουν UHDR (πάνω από 80 Gy/s) και συμβατική ακτινοβολία ακτίνων Χ χαμηλής δόσης στους πνεύμονες υγιών ποντικών. Παρέδωσαν επιτυχώς δόσεις 15 και 30 Gy εντός του 10% της συνταγής σε βάθος 1 cm. Οι επιδράσεις των ανομοιογενειών του πνευμονικού ιστού δεν διορθώθηκαν (η μελέτη σχεδιασμού της ομάδας έδειξε αμελητέες διαταραχές στις ενέργειες δέσμης μεγατάσης). Η έξοδος της πηγής ηλεκτρονίων και η διακύμανση δοσιμετρίας φιλμ κυριάρχησαν στις αβεβαιότητες στις μετρήσεις δόσης πριν από τη θεραπεία.

Διδάγματα

Ο φυσικός χώρος στον οποίο βρίσκεται το FIRST αρχικά προοριζόταν – και εξακολουθεί να χρησιμεύει ως – χωματερή δέσμης (όπου μια δέσμη φορτισμένων σωματιδίων μπορεί να απορροφηθεί με ασφάλεια). Αυτό οδήγησε σε μερικές μοναδικές σχεδιαστικές προκλήσεις για το FIRST.

«Δεν υπήρχε καμία βάση για να κάνουμε αυτό που κάναμε, και ήταν επίσης μια ευκαιρία ανάπτυξης για την TRIUMF. Πολλοί άνθρωποι έμαθαν για το σύστημα, καθώς και για τις αποχρώσεις αυτού του τύπου παράδοσης και πράγματα που κάναμε καλά και τι θα μπορούσαμε να κάνουμε καλύτερα στο μέλλον», λέει ο Esplen. «Με το γεγονός ότι πρόκειται για μια εγκατάσταση που αναπτύσσεται, ήμασταν μια πρώτη επιστημονική ευκαιρία – είναι ένα πολύ δυναμικό περιβάλλον. Έχουμε μερικούς εξαιρετικά ταλαντούχους συνεργάτες και φυσικούς δέσμης που εργάστηκαν για να ρυθμίσουν όλες τις οπτικές παραμέτρους των γραμμών δέσμης, έτσι ώστε να μπορούμε να παραδώσουμε μια ελάχιστα διασκορπισμένη δέσμη σωστού μεγέθους στον στόχο».

Κατά τη στιγμή των πειραμάτων των ερευνητών, μόνο ένα ζεύγος φάντασμα ή ένα μόνο ποντίκι μπορούσε να ακτινοβοληθεί κάθε 45 λεπτά μετά την καταμέτρηση της ρύθμισης, της παράδοσης και του τερματισμού της πλατφόρμας. Και μετά από κάθε προσαρμογή που γινόταν στη γραμμή δέσμης και στην ίδια τη δέσμη, οι ερευνητές έπρεπε να επαναρυθμίσουν τη δέσμη για να επιβεβαιώσουν την έξοδο και τη δοσιμετρία της.

Μπορούν οι συμβατικοί σωλήνες ακτίνων Χ να παρέχουν ρυθμούς δόσης FLASH;

«Είναι μια διαφορετική ιστορία από την κλινική ιατρική φυσική. Όταν εκτελείτε πειράματα σε ένα linac σε ένα νοσοκομείο, ένα άτομο μπορεί να χειριστεί ολόκληρο το πείραμα… Αυτή είναι μια πολύ διαφορετική κατάσταση», λέει η Bazalova-Carter. «Πέντε άτομα χρειάστηκε να τρέξουν τη γραμμή δέσμης [για αυτά τα πειράματα] για να παρακολουθήσουν όλες τις οθόνες – και ενώ μακράν δεν χρησιμοποιήθηκαν όλες για τα πειράματά μας, νομίζω ότι μέτρησα 113 οθόνες στο δωμάτιο ελέγχου… Ήταν πολύ ενδιαφέρον ότι θα μπορούσε να επιτύχει πολύ αξιοπρεπή συμφωνία δόσης μεταξύ των προσομοιώσεων και των πειραμάτων του Μόντε Κάρλο, δεδομένου του πόσο απαιτητικά είναι αυτά τα πειράματα».

Παρά τέτοια εμπόδια, τα πλεονεκτήματα της πλατφόρμας FIRST περιλαμβάνουν τον έλεγχο των βασικών παραμέτρων της πηγής, συμπεριλαμβανομένης της συχνότητας επανάληψης παλμών, του ρεύματος αιχμής, της ενέργειας δέσμης και της μέσης ισχύος.

«Ήμασταν ο πρώτος χρήστης της γραμμής δέσμης ARIEL», σκέφτεται η Bazalova-Carter. «Ήταν εξαιρετικά ικανοποιητικό, μετά από πολλά χρόνια εργασίας σε αυτό το έργο, να μπορέσω πραγματικά να εκτελέσω πειράματα ακτινοβολίας με ποντίκια».

Μια ραδιοβιολογική μελέτη παρακολούθησης είναι προσεχής.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform-lines-up-for-flash-radiobiological-research/