L'accélérateur linéaire compact génère des rayons X à très haut débit de dose pour la radiothérapie FLASH clinique

La radiothérapie FLASH, délivrée à l'aide de faisceaux de rayonnement à ultra haut débit de dose (UHDR), peut réduire de manière significative la toxicité des tissus normaux tout en maintenant l'efficacité anti-tumorale. Les études précliniques démontrant cet effet FLASH ont principalement utilisé des électrons et des protons, car il est relativement facile de générer des faisceaux UHDR en adaptant les accélérateurs médicaux existants. Mais pour traduire FLASH pour une utilisation chez les patients, les rayons X à haute énergie (mégavoltage) couramment utilisés en radiothérapie clinique conventionnelle pourraient fournir une approche plus optimale.

Dans cette optique, une équipe de recherche dirigée par Université Tsinghua en Chine développe une plateforme de radiothérapie FLASH basée sur un accélérateur linéaire RF à température ambiante (linac) - largement utilisé dans les applications médicales en raison de sa taille compacte et de son faible coût. Ils ont démontré que leur système, décrit dans Physique médicale, peut produire des faisceaux de rayons X de haute énergie avec un débit de dose supérieur à 40 Gy/s dans un montage cliniquement pertinent.

"Les avantages potentiels de l'utilisation des rayons X dans la radiothérapie FLASH sont la compacité de la machine et la rentabilité élevée du traitement", explique le chercheur Hao Zha. Monde de la physique. "La longueur de notre accélérateur n'était que de 1.65 m, donc l'expérience pouvait être installée dans une petite pièce."

Optimisation des accélérateurs

Les systèmes de radiothérapie clinique à rayons X à haute énergie sont généralement basés sur un linac RF à température ambiante qui accélère les faisceaux d'électrons au niveau du MeV. Ces électrons irradient ensuite une cible qui les convertit en rayons X de haute énergie via l'effet bremsstrahlung. Le débit de dose de rayons X réalisable dépend à la fois de l'énergie et du courant du faisceau d'électrons incident.

La radiothérapie FLASH nécessite cependant un débit de dose de 2 à 3 ordres de grandeur supérieur à celui des systèmes conventionnels. Dans cette étude, l'équipe y est parvenue en augmentant le courant moyen du faisceau de dizaines de microampères à plusieurs milliampères.

Zha et ses collègues ont développé leur plate-forme de rayonnement X à haute énergie UHDR en optimisant un linac d'électrons à ondes rétrogrades en bande S. Ils ont conçu un accélérateur de 1.65 m de long qui utilise une source d'énergie à base de klystron pour générer des faisceaux d'électrons de 11 MeV avec un courant d'impulsion de 300 mA, une durée d'impulsion de 12.5 µs et une puissance moyenne de faisceau de 29 kW.

Le prochain obstacle est que de tels faisceaux d'électrons de puissance moyenne élevée déposent de grandes quantités de chaleur dans la cible de conversion électron-photon. Pour aider à atténuer cet échauffement, l'équipe a envoyé les faisceaux d'électrons à travers un tube de dérive de 1.8 m de long qui a augmenté la taille du faisceau transversal de 5.1 à 10.6 mm, diminuant ainsi la densité de puissance et l'échauffement des impulsions au niveau de la cible.

La performance de la cible de conversion, qui comprend un disque de tungstène comme zone fonctionnelle entourée de cuivre pour permettre le refroidissement par eau, dépend des épaisseurs de tungstène et de cuivre dans la ligne de lumière. Ainsi, les chercheurs ont utilisé des simulations de Monte Carlo et d'analyse thermique par éléments finis pour optimiser les épaisseurs de matériaux.

La modélisation de 1.4 à 4 mm de tungstène et de 1.5 à 3 mm de cuivre a révélé que le débit de dose de rayons X diminuait avec l'augmentation de l'épaisseur de l'un ou l'autre matériau. Pour maximiser l'efficacité de la conversion des rayons X tout en maintenant un refroidissement sûr, ils ont créé une cible avec du tungstène de 3 mm et du cuivre de 2 mm. Cette combinaison pourrait produire des rayons X pulsés avec une énergie moyenne de 1.66 MeV et un débit de dose de 40.2 Gy/s à une distance source-surface (SSD) de 70 cm dans les simulations.

Dosimétrie Linac

Pour évaluer les performances de leur linac à température ambiante, les chercheurs ont utilisé des films radiochromiques EBT3 et EBT-XD pour effectuer des mesures de dose absolue. Ils ont placé les films à 50 ou 67.9 cm de la cible de rayons X, à 2.1 cm de profondeur dans un fantôme d'eau. Les débits de dose moyens maximaux dépassaient 80 Gy/s à 50 cm SSD et 45 Gy/s à 67.9 cm SSD, avec un bon accord entre les deux types de films.

Les chercheurs ont également utilisé une chambre d'ionisation de type PTW Farmer à 100 cm SSD pour mesurer la dose totale relative de chaque tir de rayonnement, et une chambre d'ionisation plane parallèle placée sous le film pour mesurer la dose relative de chaque impulsion. Le débit de dose moyen à l'état d'équilibre (calibré avec les résultats du film) était de 49.2 Gy/s à 67.9 cm SSD. Les débits de dose pulsés et groupés étaient de 5.62 et 59.0 kGy/s, respectivement.

L'équipe a également utilisé le détecteur plan-parallèle pour tester la stabilité du système. L'écart type de 20 injections de rayonnement consécutives était de 1.3 % de la dose totale. En modifiant la stratégie de contrôle de l'irradiation, les chercheurs ont amélioré cette stabilité de dose d'un coup à l'autre à 0.3 %. La stabilité au jour le jour présentait un écart type plus faible de 3.9 % sur 70 tirs de rayonnement (10 par jour pendant sept jours) – attribué aux changements de température quotidiens.

Les chercheurs notent que le système linac peut produire à la fois une irradiation UHDR et conventionnelle sans aucune modification de la configuration de la plate-forme. Le débit de dose moyen peut être ajusté en modifiant le taux de répétition des impulsions (de 1 à 700 Hz) et la durée des impulsions (de 6.3 à 12.5 µs). De plus, le débit de dose moyen et le débit de dose pulsé peuvent tous deux être ajustés en modifiant le SSD de la plate-forme.

Dispositifs de physique des hautes énergies adaptés à la dosimétrie FLASH électronique

Dans les futures implémentations, suggèrent-ils, la cible de conversion statique pourrait être remplacée par une conception rotative. Cela aiderait à réduire la charge sur le système de refroidissement et à supprimer le besoin du tube de dérive d'expansion du faisceau, augmentant encore la compacité et la simplicité du système.

« Les résultats sont encourageants pour les travaux futurs visant à introduire la radiothérapie FLASH à rayons X basée sur des linacs à température ambiante dans les applications cliniques », concluent les chercheurs. "Parce qu'il présente les avantages d'un coût abordable, de la simplicité du système et d'une compacité adaptée à la plupart des salles de traitement hospitalières, le système linac à température ambiante est proposé comme une solution de radiothérapie FLASH compétitive avec un attrait considérable."

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