小型ライナックは、臨床フラッシュ放射線治療用の超高線量率 X 線を生成します

超高線量率 (UHDR) 放射線ビームを使用して送達される FLASH 放射線療法は、抗腫瘍効果を維持しながら、正常組織の毒性を大幅に軽減できます。 この FLASH 効果を実証する前臨床研究では、既存の医療用加速器を適応させることで UHDR ビームを比較的簡単に生成できるため、主に電子と陽子が使用されています。 しかし、FLASH を患者に使用するために翻訳するには、従来の臨床放射線療法で一般的に使用される高エネルギー (メガボルト) X 線が、より最適なアプローチを提供する可能性があります。

これを念頭に置いて、研究チームは 清華大学 中国では、室温 RF 線形加速器 (linac) に基づく FLASH 放射線治療プラットフォームを開発しています。これは、コンパクトなサイズと低コストにより、医療用途で広く使用されています。 彼らは、彼らのシステムが 医学物理学、臨床的に関連するセットアップで40 Gy / sを超える線量率の高エネルギーX線ビームを生成できます。

「FLASH 放射線治療で X 線を使用する潜在的な利点は、装置がコンパクトであり、治療の費用対効果が高いことです」と研究者の Hao Zha 氏は語っています。 物理学の世界. 「私たちの加速器の長さはわずか 1.65 m でしたので、実験は小さな部屋に設置することができました。」

アクセラレータの最適化

高エネルギー臨床 X 線放射線治療システムは、通常、電子ビームを MeV レベルに加速する室温 RF ライナックに基づいています。 これらの電子はターゲットに照射され、制動放射効果によって高エネルギー X 線に変換されます。 達成可能なX線線量率は、入射電子ビームのエネルギーと電流の両方に依存します。

ただし、FLASH 放射線治療では、従来のシステムよりも 2 ～ 3 桁高い線量率が必要です。 この研究では、チームは平均ビーム電流を数十マイクロアンペアから数ミリアンペアに増やすことでこれを達成しました。

Zhaらは、Sバンド後方進行波電子ライナックを最適化することにより、UHDR高エネルギーX線放射プラットフォームを開発しました。 彼らは、クライストロン ベースの電源を使用して、パルス電流 1.65 mA、パルス長 11 μs、平均ビーム出力 300 kW の 12.5 MeV 電子ビームを生成する長さ 29 m の加速器を設計しました。

次の障害は、そのような高平均出力の電子ビームが、電子から光子への変換ターゲットに大量の熱を蓄積することです。 この加熱を軽減するために、チームは電子ビームを長さ 1.8 m のドリフト チューブに送り、ビームの横方向のサイズを 5.1 mm から 10.6 mm に大きくして、ターゲットでの電力密度とパルス加熱を減らしました。

水冷を可能にするために銅で囲まれた機能領域としてタングステンディスクを含む変換ターゲットの性能は、ビームライン内のタングステンと銅の厚さに依存します。 そこで、研究者はモンテカルロおよび熱有限要素解析シミュレーションを使用して、材料の厚さを最適化しました。

1.4 ～ 4 mm のタングステンと 1.5 ～ 3 mm の銅をモデル化すると、いずれかの材料の厚さが増加するにつれて X 線量率が減少することが明らかになりました。 安全な冷却を維持しながら X 線変換効率を最大化するために、彼らは 3 mm のタングステンと 2 mm の銅でターゲットを作成しました。 この組み合わせにより、シミュレーションで 1.66 cm の線源 - 表面距離 (SSD) で平均エネルギー 40.2 MeV、線量率 70 Gy/s のパルス X 線を生成できます。

ライナック線量測定

室温ライナックの性能を評価するために、研究者は EBT3 および EBT-XD ラジオクロミック フィルムを使用して絶対線量測定を実行しました。 彼らは、X 線ターゲットから 50 cm または 67.9 cm、水ファントムの深さ 2.1 cm にフィルムを配置しました。 最大平均線量率は、80 cm SSD で 50 Gy/s、45 cm SSD で 67.9 Gy/s を超え、XNUMX つのフィルム タイプ間でよく一致しました。

研究者はまた、100 cm SSD で PTW ファーマー型電離箱を使用して、各放射線ショットの相対総線量を測定し、フィルムの下に配置された平面平行電離箱を使用して各パルスの相対線量を測定しました。 定常状態の平均線量率 (フィルム結果で較正) は、49.2 cm SSD で 67.9 Gy/s でした。 パルス線量率とバンチ線量率は、それぞれ 5.62 と 59.0 kGy/s でした。

チームはまた、平面平行検出器を使用してシステムの安定性をテストしました。 20回の連続放射線ショットの標準偏差は、総線量の1.3%でした。 照射制御戦略を変更することで、研究者はこのショット間の線量安定性を 0.3% に改善しました。 日々の安定性は、毎日の温度変化に起因する 3.9 回の放射線ショット (70 日あたり 10 回、XNUMX 日間) で標準偏差が XNUMX% と低くなりました。

研究者は、リニアック システムは、プラットフォームの設定を変更することなく、UHDR と従来の照射の両方を生成できることに注目しています。 平均線量率は、パルス繰り返し率 (1 ～ 700 Hz) とパルス長 (6.3 ～ 12.5 μs) を変更することによって調整できます。 また、プラットフォームのSSDを変更することにより、平均線量率とパルス線量率の両方を調整することができます。

電子フラッシュ線量測定に適応した高エネルギー物理デバイス

将来の実装では、静的なコンバージョン ターゲットをローテーション デザインに置き換えることができると彼らは示唆しています。 これにより、冷却システムの負担が軽減され、ビーム拡大ドリフト管が不要になり、システムのコンパクトさとシンプルさがさらに向上します。

「この結果は、室温ライナックに基づく X 線 FLASH 放射線療法を臨床応用に導入するための将来の研究にとって有望です」と研究者は結論付けています。 「手頃な価格、システムのシンプルさ、およびほとんどの病院の治療室に適したコンパクトさという利点があるため、室温ライナック システムは、非常に魅力的な競争力のある FLASH 放射線治療ソリューションであると提案されています。」

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