Une plateforme de rayons X à très haut débit de dose s’aligne pour la recherche radiobiologique 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="Premières expériences sur la ligne de lumière Premier auteur Nolan Esplen à la station de recherche sur l'irradiation FLASH de TRIUMF. (Avec l'aimable autorisation de Luca Egoriti) » title = « Cliquez pour ouvrir l'image dans une fenêtre contextuelle » href = « https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform- files-up-for-flash-radiobiological-research-physics-world.jpg”>

Des chercheurs canadiens ont caractérisé une plateforme d’irradiation aux rayons X pour les études radiobiologiques de la radiothérapie FLASH – une technique émergente de traitement du cancer qui utilise l’irradiation à débit de dose ultra élevé (UHDR). La plate-forme, baptisée FLASH Irradiation Research Station at TRIUMF, ou « FIRST », peut fournir des faisceaux de rayons X de 10 MV à des débits de dose supérieurs à 100 Gy/s.

Situé sur la ligne de lumière ARIEL à TRIUMF, le centre d'accélérateurs de particules du Canada, FIRST est actuellement la seule plateforme d'irradiation de ce type en Amérique du Nord. À l’échelle mondiale, il existe deux lignes de lumière expérimentales à rayons X mégavoltage UHDR : celle de TRIUMF à Vancouver et l’autre à Chengdu, au laser à électrons libres térahertz de l’Académie chinoise d’ingénierie physique.

Les rayons X à mégavoltage nécessitent des spécifications d'accélérateur modestes par rapport aux autres modalités utilisées pour traiter les tumeurs profondes, affirment les chercheurs, et FIRST peut offrir à la fois des irradiations UHDR et conventionnelles à mégavoltage sur une ligne de lumière commune.

« Il existe une lacune dans la disponibilité de sources de rayons X à très haut débit ; c'est en quelque sorte un besoin non satisfait dans le domaine, et il n'existe aucune plate-forme commerciale disponible pour délivrer ce type de rayonnement de manière systématique », explique Nolan Esplen, chercheur postdoctoral au MD Anderson Cancer Center. « Ce projet de collaboration pluriannuel [avec TRIUMF]… a été l’occasion de tirer parti de ce laboratoire unique ayant accès à un linac électronique supraconducteur à haute énergie pour produire le type de rayonnement que nous souhaitons étudier pour la recherche radiobiologique FLASH. »

Esplen a mené les PREMIÈRES expériences de caractérisation alors qu'il était étudiant diplômé à l'Université Université de Victoria travaillant dans le Laboratoire XCITE. La dernière étude de l'équipe de recherche, publiée dans Nature Scientific Reports, présente une caractérisation complète des PREMIÈRES et des premières expériences précliniques. Des travaux de simulation ont été publiés en 2022 dans Physique en médecine et biologie.

"Nous sommes impliqués dans les irradiations à très haut débit de dose depuis un certain temps déjà", déclare le directeur du XCITE Lab. Magdalena Bazalova-Carter. « Nous avons commencé à discuter avec des gens de TRIUMF de la ligne de lumière ARIEL et de la manière dont, si nous construisions une cible pour cette ligne de lumière, quel type de débits de dose de rayons X obtiendrons-nous. C'est comme ça que tout a commencé.

Les premières de FIRST

Les chercheurs ont exploré un sous-ensemble de paramètres de faisceau disponibles et cliniquement pertinents pour caractériser FIRST sous UHDR et en fonctionnement conventionnel à débit de dose. Ils ont fixé l'énergie du faisceau d'électrons à 10 MeV pour maximiser les débits de dose et la longévité cible, et ont réglé le courant du faisceau (courant de crête) entre 95 et 105 µA. Les débits de dose ont été calculés par dosimétrie sur film.

Des débits de dose supérieurs à 40 Gy/s ont été obtenus jusqu'à une profondeur de 4.1 cm pour un champ de 1 cm. Comparé à un faisceau clinique de 10 MV, FIRST offrait une accumulation superficielle réduite de dose. Par rapport aux sources d'électrons de faible énergie, FIRST offrait une diminution de dose plus progressive au-delà de d_max (la profondeur de la dose maximale). L’équipe note que la présence de gradients profondeur-dose superficiels abrupts a conduit à des problèmes d’hétérogénéité de dose qui limitent actuellement les applications aux travaux précliniques. Les limitations de stabilité de la source ont entraîné des variations du courant et de la dose.

Informés par les études de caractérisation, les chercheurs ont ensuite utilisé FIRST pour administrer une irradiation conventionnelle aux rayons X UHDR (au-dessus de 80 Gy/s) et à faible débit de dose aux poumons de souris en bonne santé. Ils ont délivré avec succès des doses de 15 et 30 Gy à 10 % près de la prescription à 1 cm de profondeur. Les effets des inhomogénéités du tissu pulmonaire n'ont pas été corrigés (l'étude de conception du groupe a mis en évidence des perturbations négligeables aux énergies des faisceaux de mégavoltages). La sortie de la source d'électrons et la variance de la dosimétrie du film dominaient les incertitudes dans les mesures de dose avant traitement.

Les leçons apprises

L’espace physique dans lequel se trouve FIRST était initialement destiné – et sert toujours – de décharge de faisceaux (où un faisceau de particules chargées peut être absorbé en toute sécurité). Cela a conduit à des défis de conception uniques pour FIRST.

« Il n'y avait aucune base pour faire ce que nous faisions, et c'était aussi une opportunité de développement pour TRIUMF. Beaucoup de gens ont découvert le système, ainsi que les nuances de ce type de livraison et les choses que nous avons bien faites et ce que nous pourrions faire mieux à l'avenir », déclare Esplen. « Étant donné qu'il s'agit d'une installation en cours de développement, nous avons constitué une première opportunité scientifique – c'est un environnement très dynamique. Nous avons des collaborateurs et des physiciens des faisceaux extrêmement talentueux qui ont travaillé pour définir tous les paramètres optiques des lignes de lumière afin que nous puissions fournir un faisceau à dispersion minimale de taille correcte sur la cible.

Au moment des expériences des chercheurs, une seule paire fantôme ou une seule souris pouvait être irradiée toutes les 45 minutes après avoir pris en compte la configuration, la livraison et l'arrêt de la plateforme. Et après chaque ajustement apporté à la ligne de lumière et au faisceau lui-même, les chercheurs ont dû réajuster le faisceau pour confirmer sa sortie et sa dosimétrie.

Les tubes à rayons X conventionnels peuvent-ils délivrer des débits de dose FLASH ?

« C'est une autre histoire que la physique médicale clinique. Lorsque vous effectuez des expériences sur un linac dans un hôpital, une seule personne peut gérer l'ensemble de l'expérience… C'est une situation très différente », explique Bazalova-Carter. « Cinq personnes ont dû faire fonctionner la ligne de lumière [pour ces expériences] pour surveiller tous les écrans – et même si tous n'ont pas été utilisés pour nos expériences, je pense avoir compté 113 écrans dans la salle de contrôle… C'était assez intéressant que nous pourrait obtenir un accord de dose très décent entre les simulations de Monte Carlo et les expériences, compte tenu de la difficulté de ces expériences.

Malgré ces obstacles, les avantages de la plate-forme FIRST incluent le contrôle des paramètres clés de la source, notamment la fréquence de répétition des impulsions, le courant de crête, l'énergie du faisceau et la puissance moyenne.

«Nous avons été les premiers utilisateurs de la ligne de lumière ARIEL», explique Bazalova-Carter. "C'était extrêmement satisfaisant, après de nombreuses années de travail sur ce projet, de pouvoir mener des expériences d'irradiation sur des souris."

Une étude de suivi radiobiologique est à venir.

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