Röntgenplatform met ultrahoge dosis staat klaar voor FLASH-radiobiologisch onderzoek – Physics World

Röntgenplatform met ultrahoge dosis staat klaar voor FLASH-radiobiologisch onderzoek – Physics World

Tijdstempel: 23 februari 2024 7:00 uur

<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="Eerste bundellijnexperimenten Eerste auteur Nolan Esplen bij het FLASH Irradiation Research Station bij TRIUMF. (Met dank aan: Luca Egoriti)” title=”Klik om afbeelding in pop-up te openen” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform- line-up-voor-flash-radiobiologisch-onderzoek-fysica-wereld.jpg”>Nolan Esplen bij het FLASH Irradiation Research Station bij TRIUMF
Eerste bundellijnexperimenten Eerste auteur Nolan Esplen bij het FLASH Irradiation Research Station bij TRIUMF. (Met dank aan: Luca Egoriti)

Onderzoekers in Canada hebben een röntgenbestralingsplatform gekarakteriseerd voor radiobiologische studies van FLASH-radiotherapie – een opkomende techniek voor de behandeling van kanker die gebruik maakt van bestraling met een ultrahoge dosis (UHDR). Het platform, genaamd FLASH Irradiation Research Station bij TRIUMF, of “FIRST”, kan 10 MV röntgenstralen leveren bij dosissnelheden van meer dan 100 Gy/s.

Gelegen op de ARIEL-bundellijn op TRIOMF, Canada's deeltjesversnellercentrum, is FIRST momenteel het enige bestralingsplatform in zijn soort in Noord-Amerika. Wereldwijd zijn er twee experimentele UHDR-röntgenbundellijnen met megaspanning: die bij TRIUMF in Vancouver en een andere in Chengdu, bij de terahertz vrije-elektronenlaser van de China Academy of Engineering Physics.

Megaspanningsröntgenstralen vereisen bescheiden versnellerspecificaties in vergelijking met andere modaliteiten die worden gebruikt om diepgewortelde tumoren te behandelen, zeggen de onderzoekers, en FIRST kan zowel UHDR- als conventionele megaspanningsbestralingen op een gemeenschappelijke bundellijn aanbieden.

“Er is een gat in de beschikbaarheid van röntgenbronnen met ultrahoge doses; het is een soort onvervulde behoefte in het veld, en er is geen commercieel platform beschikbaar om dit soort straling routinematig toe te dienen”, legt hij uit. Nolan Esplen, een postdoctoraal onderzoeker bij het MD Anderson Cancer Center. “Dit meerjarige samenwerkingsproject [met TRIUMF] …was een kans om dit unieke laboratorium met toegang tot een hoogenergetische supergeleidende elektronenlinac te benutten om het type straling te produceren waar we naar willen kijken voor FLASH-radiobiologisch onderzoek.”

Esplen voerde EERSTE karakteriseringsexperimenten uit terwijl hij een afgestudeerde student was aan de Universiteit van Californië Universiteit van Victoria werken in de XCITE-laboratorium. De nieuwste studie van het onderzoeksteam, gepubliceerd in Nature Scientific Reports, presenteert een uitgebreide karakterisering van FIRST en initiële preklinische experimenten. Simulatiewerk werd in 2022 gepubliceerd in Physics in Medicine & Biology.

“We zijn al geruime tijd betrokken bij bestralingen met ultrahoge dosissen”, zegt XCITE Lab-directeur Magdalena Bazalova-Carter. “We begonnen met mensen bij TRIUMF te praten over de ARIEL-bundellijn, en hoe we, als we een doelwit voor deze bundellijn zouden bouwen, wat voor soort röntgendosissnelheden we zouden krijgen. Zo is het allemaal begonnen.”

FIRST's primeurs

De onderzoekers onderzochten een subset van beschikbare en klinisch relevante bundelparameters om FIRST te karakteriseren onder UHDR en conventionele dosissnelheid. Ze stelden de elektronenbundelenergie vast op 10 MeV om de dosistempo's te maximaliseren en de levensduur van het doel te bereiken, en stelden de bundelstroom (piekstroom) in tussen 95 en 105 µA. Dosissnelheden werden berekend met behulp van filmdosimetrie.

Dosissnelheden boven 40 Gy/s werden bereikt tot op een diepte van 4.1 cm voor een veldgrootte van 1 cm. Vergeleken met een klinische straal van 10 MV bood FIRST een verminderde opbouw van de oppervlakkige dosis. Vergeleken met elektronenbronnen met lage energie bood FIRST een meer geleidelijke dosisdaling voorbij dmax (de diepte van de maximale dosis). Het team merkt op dat de aanwezigheid van steile oppervlakkige diepte-dosisgradiënten leidde tot problemen met de heterogeniteit van de dosis, waardoor toepassingen momenteel beperkt blijven tot preklinisch werk. Beperkingen in de bronstabiliteit leidden tot variaties in stroom en dosis.

Op basis van de karakteriseringsstudies gebruikten de onderzoekers vervolgens FIRST om UHDR (boven 80 Gy/s) en conventionele röntgenstraling met een lage dosis aan de longen van gezonde muizen toe te dienen. Ze leverden met succes doses van 15 en 30 Gy af tot binnen 10% van de voorgeschreven dosering op een diepte van 1 cm. Voor de effecten van inhomogeniteiten in het longweefsel werd niet gecorrigeerd (het ontwerponderzoek van de groep wees op verwaarloosbare verstoringen bij megaspanningsbundelenergieën). De output van de elektronenbron en de variantie van de filmdosimetrie domineerden de onzekerheden bij de dosismetingen vóór de behandeling.

Lessen uit het verleden

De fysieke ruimte waarin FIRST zich bevindt was oorspronkelijk bedoeld – en doet nog steeds dienst als – een beam dump (waar een bundel geladen deeltjes veilig kan worden geabsorbeerd). Dat leidde tot een aantal unieke ontwerpuitdagingen voor FIRST.

“Er was geen basis om te doen wat we deden, en het was ook een ontwikkelingsmogelijkheid voor TRIUMF. Veel mensen leerden over het systeem, maar ook over de nuances voor dit soort leveringen en dingen die we goed deden, en wat we in de toekomst beter zouden kunnen doen”, zegt Esplen. “Met het feit dat dit een faciliteit is die wordt ontwikkeld, waren we een eerste wetenschappelijke kans – het is een zeer dynamische omgeving. We hebben een aantal uiterst getalenteerde medewerkers en bundelfysici die eraan hebben gewerkt om alle optische parameters van de bundellijnen in te stellen, zodat we een minimaal dispersieve bundel van de juiste grootte bij het doel konden afleveren.’

Ten tijde van de experimenten van de onderzoekers kon slechts één fantoompaar of één enkele muis elke 45 minuten worden bestraald, nadat rekening was gehouden met de installatie, levering en uitschakeling van het platform. En na elke aanpassing aan de bundellijn en de straal zelf moesten de onderzoekers de straal opnieuw afstemmen om de output en dosimetrie te bevestigen.

“Het is een ander verhaal dan de klinische medische fysica. Als je experimenten uitvoert op een lineaire versneller in een ziekenhuis, kan één persoon het hele experiment uitvoeren... Dit is een heel andere situatie”, zegt Bazalova-Carter. “Vijf mensen moesten de bundellijn gebruiken [voor deze experimenten] om alle schermen te monitoren – en hoewel ze lang niet allemaal voor onze experimenten werden gebruikt, denk ik dat ik 113 schermen in de controlekamer telde… Het was best interessant dat we zou een zeer behoorlijke dosisovereenkomst kunnen bereiken tussen Monte Carlo-simulaties en experimenten, gegeven hoe uitdagend deze experimenten zijn.”

Ondanks dergelijke hindernissen omvatten de voordelen van het FIRST-platform controle over belangrijke bronparameters, waaronder de pulsherhalingsfrequentie, piekstroom, straalenergie en gemiddeld vermogen.

“Wij waren de eerste gebruiker van de ARIEL-bundellijn”, reflecteert Bazalova-Carter. "Het was buitengewoon bevredigend om, na vele jaren aan dit project te hebben gewerkt, daadwerkelijk bestralingsexperimenten met muizen te kunnen uitvoeren."

Er komt een radiobiologisch vervolgonderzoek.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld