Compacte lineaire versneller genereert röntgenstralen met ultrahoge dosissnelheid voor klinische FLASH-radiotherapie

FLASH-radiotherapie, toegediend met behulp van ultrahoge dosissnelheid (UHDR) stralingsbundels, kan de normale weefseltoxiciteit aanzienlijk verminderen terwijl de antitumoreffectiviteit behouden blijft. Preklinische studies die dit FLASH-effect aantonen, hebben meestal elektronen en protonen gebruikt, omdat het relatief eenvoudig is om UHDR-stralen te genereren door bestaande medische versnellers aan te passen. Maar om FLASH te vertalen naar gebruik bij patiënten, zouden de hoogenergetische (megavoltage) röntgenstralen die gewoonlijk worden gebruikt in conventionele klinische radiotherapie een meer optimale benadering kunnen bieden.

Met dit in gedachten, een onderzoeksteam onder leiding van Tsinghua University in China ontwikkelt een FLASH-radiotherapieplatform op basis van een RF-lineaire versneller (linac) bij kamertemperatuur – zoals veel gebruikt in medische toepassingen vanwege het compacte formaat en de lage kosten. Ze toonden aan dat hun systeem, beschreven in Medische Fysica, kan hoogenergetische röntgenbundels produceren met een dosistempo van meer dan 40 Gy/s in een klinisch relevante opstelling.

"De potentiële voordelen van het gebruik van röntgenstralen bij FLASH-radiotherapie zijn de compactheid van de machine en de hoge kosteneffectiviteit van de behandeling", vertelt onderzoeker Hao Zha. Natuurkunde wereld. "De lengte van onze versneller was slechts 1.65 m, dus het experiment kon in een kleine ruimte worden geïnstalleerd."

Versneller optimalisatie

Hoogenergetische klinische röntgenradiotherapiesystemen zijn doorgaans gebaseerd op een RF-versneller op kamertemperatuur die elektronenbundels versnelt tot het MeV-niveau. Deze elektronen bestralen vervolgens een doelwit dat ze via het remstralingseffect omzet in hoogenergetische röntgenstraling. Het bereikbare röntgendosistempo hangt af van zowel de energie als de stroom van de invallende elektronenbundel.

FLASH-radiotherapie vereist echter een dosistempo dat 2 à 3 ordes van grootte hoger is dan dat van conventionele systemen. In deze studie heeft het team dit bereikt door de gemiddelde bundelstroom te verhogen van tientallen microampères tot enkele milliampères.

Zha en collega's ontwikkelden hun UHDR hoogenergetische röntgenstralingsplatform door een S-band achterwaarts bewegende golfelektronenversneller te optimaliseren. Ze ontwierpen een 1.65 m lange versneller die een op klystron gebaseerde stroombron gebruikt om 11 MeV elektronenbundels te genereren met een pulsstroom van 300 mA, een pulslengte van 12.5 µs en een gemiddeld bundelvermogen van 29 kW.

Het volgende obstakel is dat dergelijke elektronenbundels met een hoog gemiddeld vermogen enorme hoeveelheden warmte afzetten in het elektron-naar-foton-conversiedoel. Om deze opwarming te verminderen, stuurde het team de elektronenbundels door een 1.8 m lange driftbuis die de dwarse bundelgrootte vergroot van 5.1 naar 10.6 mm, waardoor de vermogensdichtheid en pulsverwarming bij het doel afneemt.

De prestaties van het conversiedoel, dat bestaat uit een wolfraamschijf als het functionele gebied omgeven door koper om waterkoeling mogelijk te maken, is afhankelijk van de dikte van wolfraam en koper in de bundellijn. Zo gebruikten de onderzoekers Monte Carlo- en thermische eindige-elementenanalysesimulaties om de materiaaldikten te optimaliseren.

Het modelleren van 1.4–4 mm wolfraam en 1.5–3 mm koper onthulde dat de röntgenstralingsdosis afnam met toenemende dikte van beide materialen. Om de conversie-efficiëntie van röntgenstralen te maximaliseren en tegelijkertijd veilige koeling te behouden, creëerden ze een doelwit met 3 mm wolfraam en 2 mm koper. Deze combinatie zou in simulaties gepulseerde röntgenstralen kunnen produceren met een gemiddelde energie van 1.66 MeV en een dosistempo van 40.2 Gy/s bij een source-surface distance (SSD) van 70 cm.

Linac dosimetrie

Om de prestaties van hun lineaire versneller op kamertemperatuur te beoordelen, gebruikten de onderzoekers EBT3- en EBT-XD-radiochrome films om absolute dosismetingen uit te voeren. Ze plaatsten de films 50 of 67.9 cm van het röntgendoel, op 2.1 cm diepte in een waterfantoom. De maximale gemiddelde dosissnelheden waren hoger dan 80 Gy/s bij 50 cm SSD en 45 Gy/s bij 67.9 cm SSD, met een goede overeenkomst tussen de twee filmtypen.

De onderzoekers gebruikten ook een PTW Farmer-type ionisatiekamer op 100 cm SSD om de relatieve totale dosis van elk stralingsschot te meten, en een vlakparallelle ionisatiekamer onder de film om de relatieve dosis van elke puls te meten. Het gemiddelde dosistempo in stabiele toestand (gekalibreerd met de filmresultaten) was 49.2 Gy/s bij 67.9 cm SSD. Puls- en bundeldosissnelheden waren respectievelijk 5.62 en 59.0 kGy/s.

Het team gebruikte ook de planparallelle detector om de systeemstabiliteit te testen. De standaarddeviatie van 20 opeenvolgende bestralingsschoten was 1.3% van de totale dosis. Door de bestralingscontrolestrategie te wijzigen, verbeterden de onderzoekers deze shot-to-shot dosisstabiliteit tot 0.3%. De dagelijkse stabiliteit had een slechtere standaarddeviatie van 3.9% over 70 stralingsschoten (10 per dag gedurende zeven dagen) - toegeschreven aan dagelijkse temperatuurveranderingen.

De onderzoekers merken op dat het linac-systeem zowel UHDR als conventionele bestraling kan produceren zonder enige wijziging in de platformopstelling. Het gemiddelde dosistempo kan worden aangepast door de pulsherhalingsfrequentie (van 1 tot 700 Hz) en de pulslengte (van 6.3 tot 12.5 µs) te wijzigen. Bovendien kunnen het gemiddelde dosistempo en het pulsdosistempo beide worden aangepast door de SSD van het platform te veranderen.

Hoge-energiefysica-apparaten aangepast voor elektronen-FLASH-dosimetrie

In toekomstige implementaties, suggereren ze, zou het statische conversiedoel kunnen worden vervangen door een roterend ontwerp. Dit zou de belasting van het koelsysteem helpen verminderen en de behoefte aan de driftbuis met bundelexpansie wegnemen, waardoor de compactheid en eenvoud van het systeem verder worden vergroot.

"De resultaten zijn bemoedigend voor toekomstig werk om röntgenflits-radiotherapie op basis van lineaire versnellers op kamertemperatuur te introduceren in klinische toepassingen", concluderen de onderzoekers. "Omdat het de voordelen heeft van betaalbare kosten, eenvoud van het systeem en een compactheid die geschikt is voor de meeste behandelkamers in ziekenhuizen, wordt voorgesteld dat het linac-systeem op kamertemperatuur een competitieve FLASH-radiotherapie-oplossing is met een aanzienlijke aantrekkingskracht."

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/compact-linac-generates-ultrahigh-dose-rate-x-rays-for-clinical-flash-radiotherapy/