Røntgenplattform med ultrahøy dosehastighet står i kø for FLASH radiobiologisk forskning – Physics World

Røntgenplattform med ultrahøy dosehastighet står i kø for FLASH radiobiologisk forskning – Physics World

Tidsstempel: 23. februar 2024 7:00

<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="Første strålelinjeeksperimenter Førsteforfatter Nolan Esplen ved FLASH Irradiation Research Station ved TRIUMF. (Courtesy: Luca Egoriti)” title=”Klikk for å åpne bildet i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform- line-up-for-flash-radiobiological-research-physics-world.jpg”>Nolan Esplen ved FLASH Irradiation Research Station ved TRIUMF
Første strålelinjeeksperimenter Førsteforfatter Nolan Esplen ved FLASH Irradiation Research Station ved TRIUMF. (Med tillatelse: Luca Egoriti)

Forskere i Canada har karakterisert en røntgenbestrålingsplattform for radiobiologiske studier av FLASH-strålebehandling – en fremvoksende kreftbehandlingsteknikk som bruker ultrahøydoserate (UHDR) bestråling. Plattformen, kalt FLASH Irradiation Research Station ved TRIUMF, eller "FIRST", kan levere 10 MV røntgenstråler ved dosehastigheter som overstiger 100 Gy/s.

Plassert ved ARIEL-strålelinjen kl TRIUMF, Canadas partikkelakseleratorsenter, FIRST er for tiden den eneste bestrålingsplattformen i sitt slag i Nord-Amerika. Globalt er det to eksperimentelle UHDR megavoltage røntgenstrålelinjer: den ene ved TRIUMF i Vancouver og en annen i Chengdu, ved China Academy of Engineering Physics terahertz fri elektronlaser.

Megavoltage røntgenstråler krever beskjedne akseleratorspesifikasjoner sammenlignet med andre modaliteter som brukes til å behandle dyptliggende svulster, sier forskerne, og FIRST kan tilby både UHDR og konvensjonell megaspenningsbestråling på en felles strålelinje.

«Det er et gap i tilgjengeligheten av røntgenkilder med ultrahøy dose rate; det er et slags udekket behov i felten, og det er ingen kommersiell plattform tilgjengelig for å levere denne typen stråling rutinemessig,” forklarer Nolan Esplen, en postdoktor ved MD Anderson Cancer Center. "Dette flerårige samarbeidsprosjektet [med TRIUMF] ...var en mulighet til å utnytte dette unike laboratoriet med tilgang til en høyenergi superledende elektronlinac for å produsere den typen stråling vi ønsker å se på for FLASH radiobiologisk forskning."

Esplen gjennomførte FØRSTE karakteriseringseksperimenter mens han var hovedfagsstudent ved University of Victoria arbeider i XCITE Lab. Forskerteamets siste studie, publisert i Naturvitenskapelige rapporter, presenterer en omfattende karakterisering av FØRSTE og innledende prekliniske eksperimenter. Simuleringsarbeid ble publisert i 2022 i Fysikk i medisin og biologi.

"Vi har vært involvert i bestråling med ultrahøye doser i ganske lang tid nå," sier XCITE Lab-direktør Magdalena Bazalova-Carter. "Vi begynte å snakke med folk på TRIUMF om ARIEL-strålelinjen, og hvordan hvis vi bygde et mål for denne strålen, hva slags røntgendoserater ville vi få. Det var slik det hele startet."

FØRSTs første

Forskerne utforsket et undersett av tilgjengelige og klinisk relevante stråleparametere for å karakterisere FIRST under UHDR og konvensjonell dosehastighetsdrift. De fikserte elektronstråleenergien til 10 MeV for å maksimere doserater og mållengde, og satte strålestrømmen (toppstrømmen) mellom 95 og 105 µA. Dosehastigheter ble beregnet ved bruk av filmdosimetri.

Dosehastigheter over 40 Gy/s ble oppnådd ved opptil 4.1 cm dybde for en feltstørrelse på 1 cm. Sammenlignet med en klinisk 10 MV-stråle tilbød FIRST en redusert overfladisk doseoppbygging. I forhold til lavenergi-elektronkilder tilbød FIRST et mer gradvis dosefall utover dmax (dybden av maksimal dose). Teamet bemerker at tilstedeværelsen av bratte overfladiske dybde-dosegradienter førte til doseheterogenitetsproblemer som for tiden begrenser søknader til preklinisk arbeid. Kildestabilitetsbegrensninger førte til variasjoner i strøm og dose.

Informert av karakteriseringsstudiene brukte forskerne deretter FIRST til å levere UHDR (over 80 Gy/s) og lavdose konvensjonell røntgenbestråling til lungene til friske mus. De leverte vellykket doser på 15 og 30 Gy til innenfor 10 % av resepten på 1 cm dybde. Effekter av lungevevsinhomogeniteter ble ikke korrigert for (gruppens designstudie pekte på ubetydelige forstyrrelser ved megaspenningsstråleenergier). Elektronkildeutgang og filmdosimetrivarians dominerte usikkerheten i dosemålinger før behandling.

Erfaringer

Det fysiske rommet som FIRST befinner seg i, var opprinnelig ment – ​​og fungerer fortsatt som – en stråledump (hvor en stråle av ladede partikler trygt kan absorberes). Det førte til noen unike designutfordringer for FIRST.

«Det var ikke grunnlag for å gjøre det vi gjorde, og det var også en utviklingsmulighet for TRIUMF. Mange lærte om systemet, samt nyansene for denne typen leveranser og ting vi gjorde bra, og hva vi kan gjøre bedre i fremtiden, sier Esplen. «Med det faktum at dette er et anlegg som er under utvikling, var vi en første vitenskapsmulighet – det er et veldig dynamisk miljø. Vi har noen ekstremt dyktige samarbeidspartnere og strålefysikere som jobbet med å stille inn alle optikkparametrene til strålelinjene slik at vi kunne levere en minimalt dispersiv stråle av riktig størrelse ved målet.

På tidspunktet for forskernes eksperimenter kunne bare ett fantompar eller en enkelt mus bestråles hvert 45. minutt etter å ha tatt hensyn til plattformoppsett, levering og nedleggelse. Og etter hver justering som ble gjort av strålelinjen og selve strålen, måtte forskerne justere strålen på nytt for å bekrefte utgangen og dosimetrien.

«Det er en annen historie enn klinisk medisinsk fysikk. Når du kjører eksperimenter på en linac på et sykehus, kan én person håndtere hele eksperimentet ... Dette er en helt annen situasjon, sier Bazalova-Carter. “Fem personer måtte kjøre beamline [for disse eksperimentene] for å overvåke alle skjermene – og selv om langt ikke alle ble brukt til våre eksperimenter, tror jeg at jeg telte 113 skjermer i kontrollrommet … Det var ganske interessant at vi kunne få en veldig anstendig doseavtale mellom Monte Carlo-simuleringer og eksperimenter, gitt hvor utfordrende disse eksperimentene er."

Til tross for slike hindringer inkluderer fordelene med FIRST-plattformen kontroll over nøkkelkildeparametere, inkludert pulsrepetisjonsfrekvens, toppstrøm, stråleenergi og gjennomsnittlig effekt.

"Vi var den første brukeren av ARIEL-strålelinjen," reflekterer Bazalova-Carter. "Det var ekstremt tilfredsstillende, etter mange års arbeid med dette prosjektet, å faktisk kunne kjøre musebestrålingseksperimenter."

En radiobiologisk oppfølgingsstudie kommer.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden