Рентгеновская платформа сверхвысокой мощности предназначена для радиобиологических исследований FLASH

Рентгеновская платформа сверхвысокой мощности предназначена для радиобиологических исследований FLASH

Отметка времени: 23 февраля 2024 г., 7:00 AM

<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="Первые эксперименты с лучом Первый автор Нолан Эсплен на исследовательской станции FLASH-облучения в ТРИУМФ. (Любезно предоставлено: Лука Егорити)» title=»Нажмите, чтобы открыть изображение во всплывающем окне» href=»https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform- очередь-на-вспышку-радиобиологические-исследования-физика-мир.jpg»>Нолан Эсплен на исследовательской станции FLASH-облучения в ТРИУМФ
Первые эксперименты с лучом Первый автор Нолан Эсплен на исследовательской станции FLASH-облучения в ТРИУМФ. (Любезно предоставлено: Лука Егорити)

Исследователи из Канады охарактеризовали платформу рентгеновского облучения для радиобиологических исследований FLASH-радиотерапии – нового метода лечения рака, в котором используется облучение сверхвысокой мощностью дозы (UHDR). Платформа, получившая название «Исследовательская станция облучения FLASH» в ТРИУМФ или «ПЕРВАЯ», может доставлять рентгеновские лучи мощностью 10 МВ с мощностью дозы, превышающей 100 Гр/с.

Расположен на луче ARIEL в ТРИУМФКанадский ускорительный центр частиц FIRST в настоящее время является единственной платформой такого типа в Северной Америке. Во всем мире существуют две экспериментальные линии мегавольтного рентгеновского излучения UHDR: одна в TRUMF в Ванкувере, а другая в Чэнду, в терагерцовом лазере на свободных электронах Китайской академии инженерной физики.

По словам исследователей, для мегавольтного рентгеновского излучения требуются скромные характеристики ускорителя по сравнению с другими методами, используемыми для лечения глубоко расположенных опухолей, и FIRST может предложить как UHDR, так и обычное мегавольтное облучение на общей линии луча.

«Существует дефицит источников рентгеновского излучения со сверхвысокой мощностью дозы; это своего рода неудовлетворенная потребность в этой области, и не существует коммерческой платформы для регулярной доставки этого типа излучения», — объясняет Нолан Эсплен, постдокторант в Онкологическом центре доктора медицины Андерсона. «Этот многолетний совместный проект [с TRIUMF]… предоставил возможность использовать эту уникальную лабораторию с доступом к линейному ускорителю высокоэнергетических сверхпроводящих электронов для производства того типа излучения, который мы хотим изучить для радиобиологических исследований FLASH».

Эсплен провел ПЕРВЫЕ эксперименты по характеризации, когда был аспирантом Университет Виктории работая в Лаборатория XCITE. Последнее исследование исследовательской группы, опубликованное в Природа Научные доклады, представляет всестороннюю характеристику FIRST и начальных доклинических экспериментов. Работа по моделированию была опубликована в 2022 году в журнале Физика в медицине и биологии.

«Мы уже довольно давно занимаемся облучением сверхвысокой мощности», — говорит директор лаборатории XCITE. Магдалена Базалова-Картер. «Мы начали обсуждать с людьми из ТРИУМФ канал ARIEL и то, как, если мы построим мишень для этого канала, какие мощности дозы рентгеновского излучения мы получим. Вот так все и началось».

Впервые от FIRST

Исследователи изучили подмножество доступных и клинически значимых параметров луча, чтобы охарактеризовать FIRST при работе в режиме UHDR и обычной мощности дозы. Они зафиксировали энергию электронного пучка на уровне 10 МэВ, чтобы максимизировать мощность дозы и целевой срок службы, а ток пучка (пиковый ток) установили в диапазоне от 95 до 105 мкА. Мощности доз рассчитывали с помощью пленочной дозиметрии.

Мощность дозы выше 40 Гр/с была достигнута на глубине до 4.1 см при размере поля 1 см. По сравнению с клиническим лучом мощностью 10 МВ, FIRST обеспечивает меньшее накопление поверхностной дозы. По сравнению с источниками электронов низкой энергии, FIRST предлагал более постепенное снижение дозы за пределами d.Макс (глубина максимальной дозы). Команда отмечает, что наличие крутых поверхностных градиентов дозы в глубину привело к проблемам неоднородности дозы, которые в настоящее время ограничивают применение доклинических работ. Ограничения стабильности источника привели к изменениям тока и дозы.

Опираясь на данные исследований, исследователи затем использовали FIRST для доставки UHDR (более 80 Гр/с) и обычного рентгеновского облучения с низкой дозой в легкие здоровых мышей. Они успешно доставили дозы 15 и 30 Гр с точностью до 10% от предписанной на глубину 1 см. Влияние неоднородностей легочной ткани не учитывалось (исследование группы показало незначительные возмущения при энергиях мегавольтного пучка). Выходная мощность источника электронов и дисперсия пленочной дозиметрии доминировали среди неопределенностей при измерении дозы перед обработкой.

Уроки, извлеченные

Физическое пространство, в котором расположен FIRST, изначально предназначалось и до сих пор служит хранилищем пучков (где пучок заряженных частиц может безопасно поглощаться). Это привело к ряду уникальных проблем при проектировании FIRST.

«Не было никакой основы для того, чтобы делать то, что мы делали, и это также была возможность развития для ТРИУМФ. Многие люди узнали о системе, а также о нюансах этого типа доставки и о том, что у нас получилось хорошо, и что мы могли бы сделать лучше в будущем», — говорит Эсплен. «Тот факт, что это объект, который находится в стадии разработки, дал нам первую возможность для науки – это очень динамичная среда. У нас есть несколько чрезвычайно талантливых сотрудников и лучевых физиков, которые работали над настройкой всех оптических параметров лучей, чтобы мы могли доставить к цели луч с минимальной дисперсией нужного размера».

Во время экспериментов исследователей только одна пара фантомов или одна мышь могла подвергаться облучению каждые 45 минут с учетом настройки, доставки и выключения платформы. И после каждой корректировки линии луча и самого луча исследователям приходилось перенастраивать луч, чтобы подтвердить его мощность и дозиметрию.

«Это совсем другая история, чем клиническая медицинская физика. Когда вы проводите эксперименты на линейном ускорителе в больнице, один человек может провести весь эксперимент… Это совсем другая ситуация», — говорит Базалова-Картер. «Пять человек должны были управлять лучевой линией [для этих экспериментов], чтобы контролировать все экраны – и хотя далеко не все из них использовались для наших экспериментов, я думаю, что насчитал 113 экранов в диспетчерской… Было довольно интересно, что мы могли бы получить очень приличное согласие по дозе между симуляциями и экспериментами Монте-Карло, учитывая, насколько сложны эти эксперименты».

Несмотря на такие препятствия, преимущества платформы FIRST включают контроль над ключевыми параметрами источника, включая частоту повторения импульсов, пиковый ток, энергию луча и среднюю мощность.

«Мы были первыми пользователями канала ARIEL», — размышляет Базалова-Картер. «После многих лет работы над этим проектом было чрезвычайно приятно иметь возможность проводить эксперименты по облучению мышей».

Предстоит радиобиологическое исследование.

Отметка времени:

Больше от Мир физики