Röntgenplattform med ultrahög doshastighet står i kö för FLASH radiobiologisk forskning – Physics World

Röntgenplattform med ultrahög doshastighet står i kö för FLASH radiobiologisk forskning – Physics World

Tidsstämpel: 23 februari 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="Första strållinjeexperiment Första författare Nolan Esplen vid FLASH Irradiation Research Station vid TRIUMF. (Med tillstånd: Luca Egoriti)” title=”Klicka för att öppna bilden 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 vid FLASH Irradiation Research Station på TRIUMF
Första strållinjeexperiment Första författare Nolan Esplen vid FLASH Irradiation Research Station vid TRIUMF. (Med tillstånd: Luca Egoriti)

Forskare i Kanada har karakteriserat en röntgenbestrålningsplattform för radiobiologiska studier av FLASH-strålbehandling – en framväxande cancerbehandlingsteknik som använder ultrahögdosbestrålning (UHDR). Plattformen, kallad FLASH Irradiation Research Station vid TRIUMF, eller "FIRST", kan leverera 10 MV röntgenstrålar vid doshastigheter som överstiger 100 Gy/s.

Beläget vid ARIEL-strållinjen vid TRIUMF, Kanadas partikelacceleratorcenter, FIRST är för närvarande den enda bestrålningsplattformen i sitt slag i Nordamerika. Globalt finns det två experimentella UHDR megavoltage röntgenstrålar: den ena vid TRIUMF i Vancouver och en annan i Chengdu, vid China Academy of Engineering Physics terahertz fri elektronlaser.

Megavoltage röntgenstrålar kräver blygsamma acceleratorspecifikationer jämfört med andra modaliteter som används för att behandla djupt sittande tumörer, säger forskarna, och FIRST kan erbjuda både UHDR och konventionell megaspänningsstrålning på en gemensam strållinje.

"Det finns en lucka i tillgången på röntgenkällor med ultrahög doshastighet; det är ett slags otillfredsställt behov på fältet, och det finns ingen kommersiell plattform tillgänglig för att leverera den här typen av strålning rutinmässigt”, förklarar Nolan Esplen, en postdoktor vid MD Anderson Cancer Center. "Detta fleråriga samarbetsprojekt [med TRIUMF] ... var en möjlighet att utnyttja detta unika laboratorium med tillgång till en högenergi supraledande elektronlinac för att producera den typ av strålning vi vill titta på för FLASH radiobiologisk forskning."

Esplen genomförde FÖRSTA karakteriseringsexperiment medan han var doktorand vid University of Victoria arbetar i XCITE Lab. Forskargruppens senaste studie, publicerad i Natur vetenskapliga rapporter, presenterar en omfattande karakterisering av FÖRSTA och initiala prekliniska experiment. Simuleringsarbete publicerades 2022 i Fysik inom medicin och biologi.

"Vi har varit involverade i strålning med ultrahöga doser under ganska lång tid nu", säger XCITE Labs direktör Magdalena Bazalova-Carter. "Vi började prata med folk på TRIUMF om ARIEL-strållinjen, och hur om vi byggde ett mål för denna strållinje, vilken typ av röntgendoshastigheter vi skulle få. Det var så allt började.”

FIRSTs första

Forskarna undersökte en undergrupp av tillgängliga och kliniskt relevanta strålparametrar för att karakterisera FIRST under UHDR och konventionell doshastighetsdrift. De fixerade elektronstråleenergin vid 10 MeV för att maximera doshastigheter och mållivslängd, och ställde in strålströmmen (toppström) mellan 95 och 105 µA. Doshastigheter beräknades med användning av filmdosimetri.

Doshastigheter över 40 Gy/s uppnåddes vid upp till 4.1 cm djup för en 1 cm fältstorlek. Jämfört med en klinisk 10 MV-stråle erbjöd FIRST en reducerad ytlig dosuppbyggnad. I förhållande till lågenergielektronkällor erbjöd FIRST ett mer gradvis dosfall bortom dmax (djupet för maximal dos). Teamet noterar att närvaron av branta ytliga djup-dosgradienter ledde till dosheterogenitetsproblem som för närvarande begränsar applikationer till prekliniskt arbete. Begränsningar av källans stabilitet ledde till variationer i ström och dos.

Underrättad av karakteriseringsstudierna använde forskarna sedan FIRST för att leverera UHDR (över 80 Gy/s) och konventionell röntgenbestrålning med låg dos till lungorna på friska möss. De levererade framgångsrikt doser på 15 och 30 Gy inom 10 % av ordinationen på 1 cm djup. Effekter av lungvävnadsinhomogeniteter korrigerades inte för (gruppens designstudie pekade på försumbara störningar vid megaspänningsstråleenergier). Elektronkällans uteffekt och variansen i filmdosimetri dominerade osäkerheterna i dosmätningar före behandling.

Lärdomar

Det fysiska utrymmet där FIRST befinner sig var ursprungligen avsett – och fungerar fortfarande som – en stråldump (där en stråle av laddade partiklar kan absorberas säkert). Det ledde till några unika designutmaningar för FIRST.

”Det fanns ingen grund för att göra det vi gjorde, och det var också en utvecklingsmöjlighet för TRIUMF. Många lärde sig om systemet, liksom nyanserna för den här typen av leveranser och saker som vi gjorde bra, och vad vi skulle kunna göra bättre i framtiden, säger Esplen. ”Med det faktum att det här är en anläggning som håller på att utvecklas var vi en första vetenskapsmöjlighet – det är en mycket dynamisk miljö. Vi har några extremt duktiga medarbetare och strålfysiker som arbetade med att ställa in alla optiska parametrar för strållinjerna så att vi kunde leverera en minimalt spridd stråle av korrekt storlek vid målet."

Vid tidpunkten för forskarnas experiment kunde endast ett fantompar eller en enda mus bestrålas var 45:e minut efter att ha tagit hänsyn till plattformsinställning, leverans och avstängning. Och efter varje justering som gjordes av strållinjen och själva strålen, var forskarna tvungna att justera om strålen för att bekräfta dess uteffekt och dosimetri.

"Det är en annan historia än klinisk medicinsk fysik. När du kör experiment på en linac på ett sjukhus kan en person hantera hela experimentet... Det här är en helt annan situation, säger Bazalova-Carter. "Fem personer var tvungna att köra strållinjen [för dessa experiment] för att övervaka alla skärmar - och även om de inte alla användes för våra experiment, tror jag att jag räknade 113 skärmar i kontrollrummet... Det var ganska intressant att vi skulle kunna få en mycket anständig dosöverensstämmelse mellan Monte Carlo-simuleringar och experiment, med tanke på hur utmanande dessa experiment är."

Trots sådana hinder inkluderar fördelarna med FIRST-plattformen kontroll över viktiga källparametrar, inklusive pulsrepetitionsfrekvens, toppström, strålenergi och medeleffekt.

"Vi var den första användaren av ARIEL beamline," reflekterar Bazalova-Carter. "Det var extremt tillfredsställande, efter många års arbete med det här projektet, att faktiskt kunna köra musbestrålningsexperiment."

En radiobiologisk uppföljningsstudie är på väg.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden