Diamantdosimeter står i kö för FLASH-strålbehandling

Ett europeiskt forskarlag har använt en prototypdiamantbaserad Schottky-dioddetektor för att framgångsrikt driftsätta en ElectronFlash forskningsaccelerator för både konventionell och preklinisk FLASH-strålbehandling. Den nya detektorn visade sig vara ett användbart verktyg för snabb och reproducerbar strålkarakterisering, lämplig för ultrahöga doshastigheter (UH-DR) och ultrahöga doser per puls (UH-DPP). Detta är en milstolpeprestation för dess utvecklingsteam, som leds upp på Universitetet i Rom Tor Vergata, eftersom det för närvarande inte finns några kommersiella aktiva dosimetrar i realtid för FLASH-strålbehandling.

FLASH-strålbehandling är en framväxande cancerbehandlingsteknik där målvävnader bestrålas med mycket högre doshastigheter än med konventionell strålterapi, och följaktligen för mycket kortare bestrålningstider. Denna ultrahöga doshastighet orsakar den så kallade FLASH-effekten: en minskning av strålningsinducerad toxicitet för omgivande normala vävnader, samtidigt som en likvärdig tumördödande respons bibehålls.

Denna framväxande teknologi hyllas globalt som en spännande behandlingsstrategi med potential att förändra framtiden för klinisk cancerterapi. Men det finns hinder att övervinna, varav ett har varit utvecklingen av ett exakt, effektivt dosimetrisystem för att bestämma stråldosen i realtid.

Aktuella kommersiella realtidsdosimetrar som joniseringskammare och fasta tillståndsdetektorer är inte lämpliga för klinisk användning, på grund av rekombinations-, mättnads- och olinjäritetseffekter som observeras i deras svar. Passiva dosimetrar som alanin och GAFchromic-filmer fungerar, men deras svar kanske inte genereras i timmar eller till och med dagar efter en bestrålningsprocedur, vilket gör dem opraktiska för daglig linac kvalitetssäkring.

För att övervinna dessa begränsningar designade teamet flashDiamond (fD)-detektorn specifikt för UH-DR- och UH-DPP-applikationer, och beskrev den i en artikel från januari 2022 i Medicinsk fysik. Nu chefsutredare Gianluca Verona Rinati och kollegor har utfört en systematisk undersökning av fD-detektorns svar på pulsade elektronstrålar, validerat dess responslinjäritet vid DPPs på upp till cirka 26 Gy/puls, momentana doshastigheter på cirka 5 MGy/s och genomsnittliga doshastigheter på cirka 1 kGy/s .

Forskarna använde sedan fD-detektorn för att ta i bruk en ElectronFlash-linac vid Sordina Iort Technologies (SIT) i Italien, rapporterar sina resultat i Medicinsk fysik.

Dosimetrisk karakterisering

För att bedöma fD-prototypen utförde teamet först absorberade doskalibreringar under tre olika bestrålningsförhållanden: ⁶⁰Sambestrålning under referensförhållanden vid PTWs sekundära standardlaboratorium (PTW-Freiburg); UH-DPP elektronstrålar vid PTB; och ElectronFlash-strålar under konventionella förhållanden vid SIT.

Uppmuntrande nog stämde de värden som erhölls från kalibreringsprocedurerna vid de tre anläggningarna väl. Känsligheten för en fD-prototyp erhållen under ⁶⁰Sambestrålning, med UH-DPP-elektronstrålar och med konventionella elektronstrålar var 0.309±0.005, 0.305±0.002 respektive 0.306±0.005 nC/Gy. Detta indikerar att det inte finns några skillnader i fD-prototypsvaret när konventionella eller UH-DPP elektronstrålar används, eller mellan ⁶⁰Co- och elektronstrålebestrålning.

Teamet undersökte sedan fD-svarslinjäriteten i UH-DPP-området. Att variera DPP mellan 1.2 och 11.9 Gy visade att prototypens svar var linjär åtminstone upp till det maximala undersökta värdet på 11.9 Gy.

Forskarna jämförde också fD-detektorresultaten med de för kommersiellt tillgängliga dosimetrar, inklusive en microDiamond, en Advanced Markus joniseringskammare, en kiseldioddetektor och EBT-XD GAFchromic-filmer. De observerade god överensstämmelse mellan procentuella djupdoskurvor, strålprofiler och utgångsfaktorer mätta av fD-prototypen och referensdetektorerna, för konventionell och (med EBT-XD-filmer) UH-DPP-bestrålning.

Slutligen använde teamet fD-detektorn för att driftsätta ElectronFlash linac, som kan fungera i både konventionella och UH-DPP-modaliteter. Linac är utrustad med flera cylindriska PMMA-applikatorer, på mellan 30 och 120 mm i diameter, som används för att variera DPP. Driftsättningen slutfördes genom att förvärva procentuella djupdos- och strålprofiler för 7 och 9 MeV pulsade elektronstrålar, med användning av alla olika applikatorer, och i både konventionella och UH-DPP-modaliteter.

Forskarna drar slutsatsen att fD-prototypen kan visa sig vara ett värdefullt verktyg för idrifttagning av elektronstrålelinacs för FLASH-strålbehandling. De genomför för närvarande Monte Carlo-simuleringar av både ElectronFlash linac-strålar och fD-detektorn för att ge teoretiskt stöd till deras dosimetriska värderingar.