Compact linac genererar röntgenstrålar med ultrahöga doser för klinisk FLASH-strålbehandling

FLASH-strålbehandling, som ges med ultrahög doshastighet (UHDR) strålningsstrålar, kan avsevärt minska normal vävnadstoxicitet samtidigt som antitumöreffekten bibehålls. Prekliniska studier som visar denna FLASH-effekt har mestadels använt elektroner och protoner, eftersom det är relativt enkelt att generera UHDR-strålar genom att anpassa befintliga medicinska acceleratorer. Men för att översätta FLASH för användning hos patienter kan högenergiröntgen (megaspänning) som vanligtvis används i konventionell klinisk strålbehandling ge ett mer optimalt tillvägagångssätt.

Med detta i åtanke gick ett forskarteam upp kl Tsinghuauniversitetet i Kina utvecklar en FLASH strålbehandlingsplattform baserad på en linjär RF-accelerator för rumstemperatur (linac) – som används ofta i medicinska tillämpningar på grund av dess kompakta storlek och låga kostnad. De visade att deras system, beskrivet i Medicinsk fysik, kan producera högenergiröntgenstrålar med en doshastighet som överstiger 40 Gy/s i en kliniskt relevant uppställning.

"De potentiella fördelarna med att använda röntgenstrålning i FLASH-strålbehandling är maskinens kompakthet och hög kostnadseffektivitet för behandlingen", säger forskaren Hao Zha. Fysikvärlden. "Längden på vår accelerator var bara 1.65 m, så experimentet kunde installeras i ett litet rum."

Acceleratoroptimering

Kliniska högenergisystem för strålbehandling med röntgen är vanligtvis baserade på en rumstemperatur RF-linac som accelererar elektronstrålar till MeV-nivån. Dessa elektroner bestrålar sedan ett mål som omvandlar dem till högenergiröntgenstrålar via bremsstrahlung-effekten. Den uppnåbara röntgendoshastigheten beror på både energin och strömmen hos den infallande elektronstrålen.

FLASH-strålbehandling kräver dock en doshastighet som är 2–3 storleksordningar högre än för konventionella system. I denna studie uppnådde teamet detta genom att öka medelstråleströmmen från tiotals mikroampere till flera milliampere.

Zha och kollegor utvecklade sin UHDR högenergiplattform för röntgenstrålning genom att optimera en S-band bakåtgående vågelektronlinac. De designade en 1.65 m lång accelerator som använder en klystron-baserad kraftkälla för att generera 11 MeV elektronstrålar med en pulsström på 300 mA, en 12.5 µs pulslängd och en medelstråleeffekt på 29 kW.

Nästa hinder är att sådana elektronstrålar med hög medeleffekt avsätter stora mängder värme i omvandlingsmålet för elektron-till-foton. För att hjälpa till att mildra denna uppvärmning skickade teamet elektronstrålarna genom ett 1.8 m långt driftrör som ökade den tvärgående strålstorleken från 5.1 till 10.6 mm, och därigenom minskade effekttätheten och pulsuppvärmningen vid målet.

Prestandan hos konverteringsmålet, som innefattar en volframskiva som funktionsområde omgivet av koppar för att möjliggöra vattenkylning, är beroende av tjockleken av volfram och koppar i strållinjen. Således använde forskarna Monte Carlo och termiska finita elementanalyssimuleringar för att optimera materialtjockleken.

Modellering av 1.4–4 mm volfram och 1.5–3 mm koppar avslöjade att röntgendoshastigheten minskade med ökande tjocklek av båda materialet. För att maximera röntgenkonverteringseffektiviteten samtidigt som säker kylning bibehålls skapade de ett mål med 3 mm volfram och 2 mm koppar. Denna kombination skulle kunna producera pulsade röntgenstrålar med en medelenergi på 1.66 MeV och en doshastighet på 40.2 Gy/s vid ett avstånd mellan källa och yta (SSD) på 70 cm i simuleringar.

Linac dosimetri

För att bedöma prestandan för deras rumstemperatur linac, använde forskarna EBT3 och EBT-XD radiokromfilmer för att utföra absoluta dosmätningar. De placerade filmerna 50 eller 67.9 cm från röntgenmålet, på 2.1 cm djup i en vattenfantom. De maximala medeldoshastigheterna översteg 80 Gy/s vid 50 cm SSD och 45 Gy/s vid 67.9 cm SSD, med god överensstämmelse mellan de två filmtyperna.

Forskarna använde också en joniseringskammare av PTW Farmer-typ vid 100 cm SSD för att mäta den relativa totala dosen av varje strålningsskott, och en planparallell joniseringskammare placerad under filmen för att mäta den relativa dosen av varje puls. Den genomsnittliga steady state-doshastigheten (kalibrerad med filmresultaten) var 49.2 Gy/s vid 67.9 cm SSD. Puls- och gruppdoshastigheter var 5.62 respektive 59.0 kGy/s.

Teamet använde också den planparallella detektorn för att testa systemets stabilitet. Standardavvikelsen för 20 på varandra följande strålningsskott var 1.3 % av den totala dosen. Genom att ändra bestrålningskontrollstrategin förbättrade forskarna denna shot-to-shot-dosstabilitet till 0.3 %. Dag-till-dag-stabiliteten hade en sämre standardavvikelse på 3.9 % över 70 strålningsskott (10 per dag i sju dagar) – tillskrivet dagliga temperaturförändringar.

Forskarna noterar att linac-systemet kan producera både UHDR och konventionell bestrålning utan några förändringar i plattformsuppsättningen. Medeldoshastigheten kan justeras genom att ändra pulsrepetitionsfrekvensen (från 1 till 700 Hz) och pulslängden (från 6.3 till 12.5 µs). Dessutom kan både medeldoshastigheten och pulsdoshastigheten justeras genom att ändra plattformens SSD.

Högenergifysikenheter anpassade för elektron FLASH dosimetri

I framtida implementeringar, föreslår de, kan det statiska konverteringsmålet ersättas med en roterande design. Detta skulle bidra till att minska belastningen på kylsystemet och ta bort behovet av strålexpansionsdriftröret, vilket ytterligare ökar systemets kompakthet och enkelhet.

"Resultaten är uppmuntrande för framtida arbete med att introducera röntgen FLASH strålbehandling baserad på rumstemperatur linacs i kliniska tillämpningar", avslutar forskarna. "Eftersom det har fördelarna med överkomlig kostnad, enkelhet i systemet och en kompakthet som lämpar sig för de flesta behandlingsrum på sjukhus, föreslås linacsystemet i rumstemperatur vara en konkurrenskraftig FLASH-strålbehandlingslösning med stor tilltalande."

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/compact-linac-generates-ultrahigh-dose-rate-x-rays-for-clinical-flash-radiotherapy/