Компактний лінак генерує рентгенівське випромінювання з надвисокою потужністю дози для клінічної променевої терапії FLASH

Променева терапія FLASH, що проводиться за допомогою пучків випромінювання надвисокої потужності дози (UHDR), може значно зменшити токсичність нормальної тканини, зберігаючи протипухлинну ефективність. Доклінічні дослідження, що демонструють цей ефект FLASH, здебільшого використовували електрони та протони, оскільки відносно легко генерувати промені UHDR шляхом адаптації існуючих медичних прискорювачів. Але для використання FLASH у пацієнтів рентгенівське випромінювання високої енергії (мегавольт), яке зазвичай використовується в звичайній клінічній променевій терапії, може забезпечити більш оптимальний підхід.

Маючи це на увазі, дослідницька група очолила університет Цінхуа у Китаї розробляє платформу променевої терапії FLASH на основі радіочастотного лінійного прискорювача кімнатної температури (лінак), який широко використовується в медицині завдяки компактному розміру та низькій вартості. Вони продемонстрували, що їх система, описана в Медична фізика, може виробляти високоенергетичні рентгенівські промені з потужністю дози, що перевищує 40 Гр/с у клінічно відповідній установці.

«Потенційні переваги використання рентгенівських променів у променевій терапії FLASH полягають у компактності апарату та високій економічній ефективності лікування», — розповідає дослідник Хао Чжа. Світ фізики. «Довжина нашого прискорювача була всього 1.65 м, тому експеримент можна було встановити в невеликій кімнаті».

Оптимізація акселератора

Високоенергетичні клінічні системи рентгенівської променевої терапії зазвичай засновані на радіочастотному лінаковому ускорювачі кімнатної температури, який прискорює електронні пучки до рівня МеВ. Потім ці електрони опромінюють мішень, яка перетворює їх у високоенергетичне рентгенівське випромінювання за допомогою ефекту гальмівного випромінювання. Досяжна потужність дози рентгенівського випромінювання залежить як від енергії, так і від струму падаючого пучка електронів.

Проте променева терапія FLASH вимагає потужності дози на 2–3 порядки вище, ніж у звичайних системах. У цьому дослідженні команда досягла цього шляхом збільшення середнього струму променя з десятків мікроампер до кількох міліампер.

Жа та його колеги розробили свою платформу високоенергетичного рентгенівського випромінювання UHDR, оптимізувавши лінак електронів із зворотною хвилею S-діапазону. Вони розробили прискорювач довжиною 1.65 м, який використовує джерело живлення на основі клістрона для генерації електронних пучків 11 МеВ з імпульсним струмом 300 мА, тривалістю імпульсу 12.5 мкс і середньою потужністю пучка 29 кВт.

Наступна перешкода полягає в тому, що такі електронні пучки з високою середньою потужністю виділяють величезну кількість тепла в мішень для перетворення електронів у фотони. Щоб зменшити це нагрівання, команда направила електронні пучки через дрейфову трубку довжиною 1.8 м, яка збільшила поперечний розмір пучка з 5.1 до 10.6 мм, тим самим зменшивши щільність потужності та нагрівання імпульсу на цілі.

Ефективність конверсійної мішені, яка містить вольфрамовий диск як функціональну область, оточену міддю для забезпечення водяного охолодження, залежить від товщини вольфраму та міді на лінії променя. Таким чином, для оптимізації товщини матеріалу дослідники використовували метод Монте-Карло та термічний аналіз кінцевих елементів.

Моделювання 1.4–4 мм вольфраму та 1.5–3 мм міді показало, що потужність дози рентгенівського випромінювання зменшується зі збільшенням товщини будь-якого матеріалу. Щоб максимізувати ефективність перетворення рентгенівського випромінювання, зберігаючи безпечне охолодження, вони створили мішень із 3 мм вольфраму та 2 мм міді. Ця комбінація може створювати імпульсне рентгенівське випромінювання із середньою енергією 1.66 МеВ і потужністю дози 40.2 Гр/с на відстані джерело-поверхня (SSD) 70 см у моделюванні.

Лінакова дозиметрія

Щоб оцінити продуктивність свого лінакового двигуна при кімнатній температурі, дослідники використовували радіохромні плівки EBT3 та EBT-XD для вимірювання абсолютної дози. Вони розмістили плівки на відстані 50 або 67.9 см від рентгенівської мішені на глибині 2.1 см у водному фантомі. Максимальна середня потужність дози перевищувала 80 Гр/с на 50 см SSD і 45 Гр/с на 67.9 см SSD, з хорошою відповідністю між двома типами плівки.

Дослідники також використовували іонізаційну камеру типу PTW Farmer на 100 см SSD для вимірювання відносної загальної дози кожного випромінювання, а також плоскопаралельну іонізаційну камеру, розміщену під плівкою, для вимірювання відносної дози кожного імпульсу. Середня потужність дози в стаціонарному стані (відкалібрована за результатами плівки) становила 49.2 Гр/с на 67.9 см SSD. Потужність імпульсної та пучкової дози становила 5.62 та 59.0 кГр/с відповідно.

Команда також використовувала плоскопаралельний детектор для перевірки стабільності системи. Стандартне відхилення 20 послідовних опромінення склало 1.3% від загальної дози. Змінивши стратегію контролю опромінення, дослідники покращили цю стабільність дози від пострілу до пострілу до 0.3%. Повсякденна стабільність мала нижче стандартне відхилення 3.9% за 70 опроміненнями (10 на день протягом семи днів), що пояснюється щоденними змінами температури.

Дослідники відзначають, що система Linac може виробляти як UHDR, так і звичайне опромінення без будь-яких змін у налаштуваннях платформи. Середню потужність дози можна регулювати, змінюючи частоту повторення імпульсів (від 1 до 700 Гц) і тривалість імпульсу (від 6.3 до 12.5 мкс). Крім того, середню потужність дози та потужність імпульсної дози можна регулювати шляхом зміни SSD платформи.

Фізичні прилади високих енергій, адаптовані для електронної FLASH дозиметрії

Вони припускають, що в майбутніх реалізаціях статичну ціль конверсії можна буде замінити обертовою конструкцією. Це допомогло б зменшити навантаження на систему охолодження та усунути потребу в дрейфовій трубці розширення променя, ще більше збільшивши компактність і простоту системи.

«Результати є обнадійливими для майбутньої роботи з впровадження рентгенівської FLASH променевої терапії на основі лінійних ускорювачів кімнатної температури в клінічні застосування», – підсумовують дослідники. «Оскільки вона має такі переваги, як доступна ціна, простота системи та компактність, придатна для більшості лікарняних кабінетів, система лінійного ускорювача кімнатної температури вважається конкурентоспроможним рішенням для радіотерапії FLASH із значною привабливістю».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/compact-linac-generates-ultrahigh-dose-rate-x-rays-for-clinical-flash-radiotherapy/