Compact linac menghasilkan sinar-X tingkat dosis sangat tinggi untuk radioterapi FLASH klinis

Radioterapi FLASH, yang disampaikan menggunakan sinar radiasi ultrahigh-dose-rate (UHDR), dapat secara signifikan mengurangi toksisitas jaringan normal sambil mempertahankan kemanjuran anti-tumor. Studi praklinis yang menunjukkan efek FLASH ini sebagian besar menggunakan elektron dan proton, karena relatif mudah untuk menghasilkan sinar UHDR dengan mengadaptasi akselerator medis yang ada. Tetapi untuk menerjemahkan FLASH untuk digunakan pada pasien, sinar-X berenergi tinggi (megavoltage) yang biasa digunakan dalam radioterapi klinis konvensional dapat memberikan pendekatan yang lebih optimal.

Dengan mengingat hal ini, tim peneliti menuju ke Tsinghua University di Cina sedang mengembangkan platform radioterapi FLASH berdasarkan akselerator linier RF suhu ruangan (linac) – yang banyak digunakan dalam aplikasi medis karena ukurannya yang ringkas dan biaya rendah. Mereka mendemonstrasikan sistem mereka, yang dijelaskan dalam Fisika Medis, dapat menghasilkan berkas sinar-X berenergi tinggi dengan laju dosis melebihi 40 Gy/s dalam pengaturan yang relevan secara klinis.

“Keuntungan potensial menggunakan sinar-X dalam radioterapi FLASH adalah kekompakan mesin dan efektivitas biaya pengobatan yang tinggi,” kata peneliti Hao Zha. Dunia Fisika. “Panjang akselerator kami hanya 1.65 m, jadi eksperimen bisa dipasang di ruangan kecil.”

Optimasi akselerator

Sistem radioterapi sinar-X klinis berenergi tinggi biasanya didasarkan pada linac RF suhu kamar yang mempercepat berkas elektron ke tingkat MeV. Elektron ini kemudian menyinari target yang mengubahnya menjadi sinar-X berenergi tinggi melalui efek bremsstrahlung. Laju dosis sinar-X yang dapat dicapai bergantung pada energi dan arus berkas elektron yang datang.

Radioterapi FLASH, bagaimanapun, membutuhkan tingkat dosis 2-3 kali lipat lebih tinggi daripada sistem konvensional. Dalam studi ini, tim mencapainya dengan meningkatkan arus pancaran rata-rata dari puluhan mikroampere menjadi beberapa miliampere.

Zha dan rekannya mengembangkan platform radiasi sinar-X energi tinggi UHDR mereka dengan mengoptimalkan linac elektron gelombang perjalanan mundur S-band. Mereka merancang akselerator sepanjang 1.65 m yang menggunakan sumber daya berbasis klystron untuk menghasilkan berkas elektron 11 MeV dengan arus pulsa 300 mA, panjang pulsa 12.5 µs, dan daya berkas rata-rata 29 kW.

Kendala berikutnya adalah berkas elektron berkekuatan rata-rata yang begitu tinggi menyimpan sejumlah besar panas dalam target konversi elektron-ke-foton. Untuk membantu mengurangi pemanasan ini, tim mengirim berkas elektron melalui tabung melayang sepanjang 1.8 m yang meningkatkan ukuran berkas melintang dari 5.1 menjadi 10.6 mm, sehingga mengurangi kerapatan daya dan pemanasan pulsa pada target.

Performa target konversi, yang terdiri dari cakram tungsten sebagai area fungsional yang dikelilingi oleh tembaga untuk memungkinkan pendinginan air, bergantung pada ketebalan tungsten dan tembaga di garis pancaran. Oleh karena itu para peneliti menggunakan Monte Carlo dan simulasi analisis elemen hingga termal untuk mengoptimalkan ketebalan material.

Pemodelan tungsten 1.4–4 mm dan tembaga 1.5–3 mm mengungkapkan bahwa laju dosis sinar-X menurun dengan meningkatnya ketebalan salah satu material. Untuk memaksimalkan efisiensi konversi sinar-X sambil mempertahankan pendinginan yang aman, mereka menciptakan target dengan tungsten 3 mm dan tembaga 2 mm. Kombinasi ini dapat menghasilkan sinar-X berdenyut dengan energi rata-rata 1.66 MeV dan laju dosis 40.2 Gy/s pada jarak sumber-permukaan (SSD) 70 cm dalam simulasi.

Dosimetri Linac

Untuk menilai kinerja linac suhu kamar mereka, para peneliti menggunakan film radiokromik EBT3 dan EBT-XD untuk melakukan pengukuran dosis absolut. Mereka menempatkan film 50 atau 67.9 cm dari target sinar-X, pada kedalaman 2.1 cm dalam hantu air. Tingkat dosis rata-rata maksimum melebihi 80 Gy/s pada 50 cm SSD dan 45 Gy/s pada 67.9 cm SSD, dengan kesepakatan yang baik antara kedua jenis film.

Para peneliti juga menggunakan ruang ionisasi tipe PTW Farmer pada 100 cm SSD untuk mengukur dosis total relatif dari setiap tembakan radiasi, dan ruang ionisasi paralel-pesawat ditempatkan di bawah film untuk mengukur dosis relatif dari setiap pulsa. Laju dosis rata-rata keadaan tetap (dikalibrasi dengan hasil film) adalah 49.2 Gy/s pada 67.9 cm SSD. Laju dosis nadi dan tandan masing-masing adalah 5.62 dan 59.0 kGy/s.

Tim juga menggunakan detektor pesawat-paralel untuk menguji stabilitas sistem. Standar deviasi dari 20 suntikan radiasi berturut-turut adalah 1.3% dari total dosis. Dengan mengubah strategi kontrol iradiasi, para peneliti meningkatkan stabilitas dosis tembakan ke tembakan menjadi 0.3%. Stabilitas harian memiliki standar deviasi yang lebih buruk sebesar 3.9% selama 70 suntikan radiasi (10 per hari selama tujuh hari) – dikaitkan dengan perubahan suhu harian.

Para peneliti mencatat bahwa sistem linac dapat menghasilkan radiasi UHDR dan konvensional tanpa ada perubahan pada pengaturan platform. Laju dosis rata-rata dapat disesuaikan dengan mengubah laju pengulangan pulsa (dari 1 hingga 700 Hz) dan panjang pulsa (dari 6.3 hingga 12.5 µs). Selain itu, laju dosis rata-rata dan laju dosis pulsa dapat disesuaikan dengan mengubah SSD platform.

Perangkat fisika energi tinggi diadaptasi untuk dosimetri FLASH elektron

Dalam implementasi mendatang, mereka menyarankan, target konversi statis dapat diganti dengan desain berputar. Hal ini akan membantu mengurangi beban pada sistem pendingin dan meniadakan kebutuhan untuk beam expansion drift tube, yang semakin meningkatkan kekompakan dan kesederhanaan sistem.

“Hasilnya menggembirakan untuk pekerjaan di masa depan untuk memperkenalkan radioterapi X-ray FLASH berdasarkan linac suhu kamar ke dalam aplikasi klinis,” para peneliti menyimpulkan. “Karena memiliki keunggulan biaya yang terjangkau, kesederhanaan sistem, dan kekompakan yang cocok untuk sebagian besar ruang perawatan rumah sakit, sistem linac suhu kamar diusulkan menjadi solusi radioterapi FLASH yang kompetitif dengan daya tarik yang cukup besar.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/compact-linac-generates-ultrahigh-dose-rate-x-rays-for-clinical-flash-radiotherapy/