Nền tảng tia X tốc độ siêu cao được bố trí cho nghiên cứu sinh học phóng xạ FLASH – Vật lý Thế giới

Nền tảng tia X tốc độ siêu cao được bố trí cho nghiên cứu sinh học phóng xạ FLASH – Vật lý Thế giới

Dấu thời gian: ngày 23 tháng 2024 năm 7 00:XNUMX sáng

<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="Thí nghiệm chùm tia đầu tiên Tác giả đầu tiên Nolan Esplen tại Trạm nghiên cứu chiếu xạ FLASH tại TRIUMF. (Được phép: Luca Egoriti)” title=”Nhấp để mở hình ảnh trong cửa sổ bật lên” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform- xếp hàng cho flash-radiobiological-research-physical-world.jpg”>Nolan Esplen tại Trạm nghiên cứu chiếu xạ FLASH tại TRIUMF
Thí nghiệm chùm tia đầu tiên Tác giả đầu tiên Nolan Esplen tại Trạm nghiên cứu chiếu xạ FLASH tại TRIUMF. (Được phép: Luca Egoriti)

Các nhà nghiên cứu ở Canada đã mô tả nền tảng chiếu xạ tia X cho các nghiên cứu sinh học phóng xạ về xạ trị FLASH – một kỹ thuật điều trị ung thư mới nổi sử dụng chiếu xạ tốc độ siêu cao (UHDR). Nền tảng này được đặt tên là Trạm nghiên cứu chiếu xạ FLASH tại TRIUMF, hay “FIRST”, có thể phát ra chùm tia X 10 MV với tốc độ liều vượt quá 100 Gy/s.

Tọa lạc tại đường tia ARIEL tại TRIUMF, trung tâm máy gia tốc hạt của Canada, FIRST hiện là nền tảng chiếu xạ duy nhất thuộc loại này ở Bắc Mỹ. Trên toàn cầu, có hai chùm tia X siêu điện áp UHDR đang thử nghiệm: một tại TRIUMF ở Vancouver và một tại Thành Đô, tại Học viện Vật lý Kỹ thuật Laser điện tử tự do terahertz của Trung Quốc.

Các nhà nghiên cứu cho biết, tia X siêu điện áp yêu cầu thông số kỹ thuật máy gia tốc khiêm tốn khi so sánh với các phương thức khác được sử dụng để điều trị các khối u nằm sâu và FIRST có thể cung cấp cả chiếu xạ UHDR và ​​siêu điện áp thông thường trên một đường truyền chung.

“Có một khoảng trống về sự sẵn có của nguồn tia X tốc độ cực cao; đó là một nhu cầu chưa được đáp ứng trong lĩnh vực này và không có nền tảng thương mại nào có sẵn để cung cấp loại bức xạ này một cách thường xuyên,” giải thích Nolan Esplen, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Trung tâm Ung thư MD Anderson. “Dự án hợp tác kéo dài nhiều năm này [với TRIUMF] …là cơ hội để tận dụng phòng thí nghiệm độc đáo này với khả năng tiếp cận máy linac điện tử siêu dẫn năng lượng cao để tạo ra loại bức xạ mà chúng tôi muốn xem xét cho nghiên cứu sinh học phóng xạ FLASH.”

Esplen đã tiến hành những thí nghiệm đầu tiên về mô tả đặc tính khi ông còn là nghiên cứu sinh tại trường đại học Đại học Victoria làm việc trong Phòng thí nghiệm XCITE. Nghiên cứu mới nhất của nhóm nghiên cứu, được công bố trên Báo cáo khoa học tự nhiên, trình bày đặc tính toàn diện của các thí nghiệm tiền lâm sàng ĐẦU TIÊN và ban đầu. Tác phẩm mô phỏng được xuất bản vào năm 2022 trên Vật lý trong Y học & Sinh học.

Giám đốc Phòng thí nghiệm XCITE cho biết: “Chúng tôi đã tham gia vào lĩnh vực chiếu xạ liều lượng cực cao được một thời gian”. Magdalena Bazalova-Carter. “Chúng tôi bắt đầu trao đổi với mọi người tại TRIUMF về đường truyền tia ARIEL và làm thế nào nếu chúng tôi xây dựng mục tiêu cho đường truyền tia này thì chúng tôi sẽ nhận được loại liều tia X nào. Đó là cách mọi chuyện bắt đầu.”

Lần đầu tiên của FIRST

Các nhà nghiên cứu đã khám phá một tập hợp con các thông số chùm tia có sẵn và phù hợp về mặt lâm sàng để mô tả FIRST theo UHDR và ​​vận hành tốc độ liều thông thường. Họ cố định năng lượng chùm tia điện tử ở mức 10 MeV để tối đa hóa suất liều và tuổi thọ mục tiêu, đồng thời đặt cường độ dòng điện của chùm tia (dòng điện cực đại) trong khoảng từ 95 đến 105 µA. Tỷ lệ liều lượng được tính toán bằng cách sử dụng phép đo liều phim.

Tỷ lệ liều lượng trên 40 Gy/s đã đạt được ở độ sâu lên tới 4.1 cm đối với kích thước trường 1 cm. So với chùm tia 10 MV lâm sàng, FIRST giúp giảm lượng tích tụ bề mặt. So với các nguồn điện tử năng lượng thấp, FIRST đưa ra mức giảm liều dần dần vượt quá dtối đa (độ sâu của liều tối đa). Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng sự hiện diện của gradient độ sâu-liều bề mặt dốc đã dẫn đến các vấn đề về tính không đồng nhất về liều hiện đang hạn chế các ứng dụng vào nghiên cứu tiền lâm sàng. Những hạn chế về độ ổn định của nguồn dẫn đến sự thay đổi về dòng điện và liều lượng.

Dựa trên các nghiên cứu mô tả đặc điểm, các nhà nghiên cứu sau đó đã sử dụng FIRST để cung cấp UHDR (trên 80 Gy/s) và chiếu xạ tia X thông thường tốc độ liều thấp đến phổi của những con chuột khỏe mạnh. Họ đã cung cấp thành công liều 15 và 30 Gy trong khoảng 10% liều lượng ở độ sâu 1 cm. Ảnh hưởng của tính không đồng nhất của mô phổi không được điều chỉnh (nghiên cứu thiết kế của nhóm chỉ ra sự nhiễu loạn không đáng kể ở năng lượng chùm tia siêu điện áp). Đầu ra nguồn điện tử và phương sai đo liều màng chiếm ưu thế trong độ không đảm bảo trong các phép đo liều trước xử lý.

Bài học kinh nghiệm

Không gian vật lý nơi FIRST tọa lạc ban đầu được dự định - và vẫn đóng vai trò là - một bãi chứa chùm tia (nơi chùm hạt tích điện có thể được hấp thụ một cách an toàn). Điều đó dẫn đến một số thách thức thiết kế độc đáo cho FIRST.

“Không có cơ sở để làm những gì chúng tôi đang làm và đó cũng là cơ hội phát triển cho TRIUMF. Rất nhiều người đã tìm hiểu về hệ thống cũng như các sắc thái của loại hình giao hàng này và những điều chúng tôi đã làm tốt cũng như những điều chúng tôi có thể làm tốt hơn trong tương lai,” Esplen nói. “Với thực tế đây là cơ sở đang được phát triển, chúng tôi là cơ hội khoa học đầu tiên – đó là một môi trường rất năng động. Chúng tôi có một số cộng tác viên cực kỳ tài năng và các nhà vật lý chùm tia đã làm việc để thiết lập tất cả các thông số quang học của đường truyền tia sao cho chúng tôi có thể cung cấp chùm tia phân tán tối thiểu có kích thước chính xác tới mục tiêu.”

Vào thời điểm các nhà nghiên cứu thực hiện thí nghiệm, chỉ có một cặp ảo hoặc một con chuột có thể được chiếu xạ cứ sau 45 phút sau khi tính đến việc thiết lập, phân phối và tắt nền tảng. Và sau mỗi lần điều chỉnh đường truyền tia và bản thân chùm tia, các nhà nghiên cứu phải điều chỉnh lại chùm tia để xác nhận công suất và phép đo liều lượng của nó.

“Đó là một câu chuyện khác với vật lý y học lâm sàng. Khi bạn chạy thí nghiệm trên máy linac trong bệnh viện, một người có thể xử lý toàn bộ thí nghiệm…Đây là một tình huống rất khác,” Bazalova-Carter nói. “Năm người phải chạy tia [cho các thí nghiệm này] để giám sát tất cả các màn hình – và mặc dù cho đến nay không phải tất cả chúng đều được sử dụng cho các thí nghiệm của chúng tôi, tôi nghĩ tôi đã đếm được 113 màn hình trong phòng điều khiển…Thật thú vị khi chúng tôi có thể đạt được sự thỏa thuận liều lượng rất tốt giữa mô phỏng và thí nghiệm Monte Carlo, dựa trên mức độ thách thức của những thí nghiệm này.”

Bất chấp những rào cản như vậy, ưu điểm của nền tảng FIRST bao gồm khả năng kiểm soát các tham số nguồn chính, bao gồm tần số lặp lại xung, dòng điện cực đại, năng lượng chùm tia và công suất trung bình.

Bazalova-Carter phản ánh: “Chúng tôi là người dùng đầu tiên của đường truyền tia ARIEL. “Thật vô cùng hài lòng, sau nhiều năm làm việc trong dự án này, khi thực sự có thể chạy các thí nghiệm chiếu xạ trên chuột.”

Một nghiên cứu tiếp theo về sinh học phóng xạ sắp được thực hiện.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý