超高剂量率 X 射线平台用于 FLASH 放射生物学研究 – 物理世界

超高剂量率 X 射线平台用于 FLASH 放射生物学研究 – 物理世界

时间戳：23年2024月7日上午00:XNUMX

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第一次光束线实验 第一作者 Nolan Esplen 在 TRIUMF FLASH 辐照研究站。 （由卢卡·埃戈里蒂提供）

加拿大的研究人员开发了一个用于 FLASH 放射治疗放射生物学研究的 X 射线照射平台，这是一种使用超高剂量率 (UHDR) 照射的新兴癌症治疗技术。该平台被称为 TRIUMF FLASH 辐照研究站或“FIRST”，可以以超过 10 Gy/s 的剂量率发射 100 MV X 射线束。

位于 ARIEL 光束线上 TRIUMF加拿大粒子加速器中心FIRST是目前北美唯一的此类辐照平台。全球范围内，有两条实验性 UHDR 兆伏 X 射线束线：一条位于温哥华 TRIUMF，另一条位于成都中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光器。

研究人员表示，与用于治疗深部肿瘤的其他方式相比，兆伏 X 射线需要适度的加速器规格，而 FIRST 可以在公共光束线上提供 UHDR 和传统兆伏电压照射。

“超高剂量率 X 射线源的可用性存在差距；这是该领域未满足的需求，并且没有商业平台可以定期提供这种类型的辐射，”解释道 诺兰·埃斯普伦，MD安德森癌症中心博士后研究员。 “这个[与 TRIUMF] 的多年合作项目……是一个机会，可以利用这个独特的实验室，使用高能超导电子直线加速器来产生我们想要用于 FLASH 放射生物学研究的辐射类型。”

Esplen 在他还是该大学的研究生时进行了首次表征实验 维多利亚大学 工作在 XCITE实验室。研究小组的最新研究发表于 自然的科学报告，呈现了 FIRST 和初始临床前实验的全面表征。模拟工作于 2022 年发表于 医学与生物学物理学.

“我们参与超高剂量率辐照已经有一段时间了，”XCITE 实验室主任说道 玛格达莱娜·巴扎洛娃-卡特。 “我们开始与 TRIUMF 的人员讨论 ARIEL 光束线，以及如果我们为该光束线建立目标，我们会得到什么样的 X 射线剂量率。一切就是这样开始的。”

FIRST 的第一

研究人员探索了可用且临床相关的射束参数的子集，以表征 UHDR 和传统剂量率操作下的 FIRST。他们将电子束能量固定在 10 MeV，以最大限度地提高剂量率和目标寿命，并将束流（峰值电流）设置在 95 至 105 µA 之间。使用胶片剂量测定法计算剂量率。

对于 40 厘米的射野尺寸，在 4.1 厘米深度处可实现高于 1 戈瑞/秒的剂量率。与临床 10 MV 光束相比，FIRST 减少了表面剂量累积。相对于低能电子源，FIRST 提供了超过 d 的更渐进的剂量下降最大 （最大剂量的深度）。研究小组指出，陡峭的表面深度剂量梯度的存在导致剂量异质性问题，目前限制了其在临床前工作中的应用。源稳定性限制导致电流和剂量的变化。

根据表征研究的信息，研究人员随后使用 FIRST 对健康小鼠的肺部进行 UHDR（高于 80 Gy/s）和低剂量率常规 X 射线照射。他们成功地在 15 厘米深度处将 30 和 10 Gy 的剂量传递到处方的 1% 以内。肺组织不均匀性的影响没有得到校正（该小组的设计研究指出兆伏束能量的扰动可以忽略不计）。电子源输出和胶片剂量测定方差主导了治疗前剂量测量的不确定性。

吸取的经验教训

FIRST 所在的物理空间最初的用途是——现在仍然用作——束流收集器（带电粒子束可以被安全地吸收）。这给 FIRST 带来了一些独特的设计挑战。

“我们所做的事情没有任何基础，这也是TRIUMF的一个发展机会。很多人了解了这个系统，了解了这种交付方式的细微差别，了解了我们做得很好的事情，以及我们未来可以做得更好的地方，”Esplen 说。 “事实上，这是一个正在开发的设施，我们是第一个科学机会——这是一个非常动态的环境。我们有一些非常有才华的合作者和光束物理学家，他们致力于设置光束线的所有光学参数，以便我们能够在目标处提供正确尺寸的最小色散光束。”

在研究人员进行实验时，考虑到平台设置、交付和关闭后，每 45 分钟只能照射一对模型或一只小鼠。每次对光束线和光束本身进行调整后，研究人员都必须重新调整光束以确认其输出和剂量测定。

“这与临床医学物理学不同。当你在医院的直线加速器上进行实验时，一个人就可以处理整个实验……这是一种非常不同的情况，”Bazalova-Carter 说。 “[为了这些实验]需要五个人运行光束线来监控所有屏幕——虽然到目前为止，我们的实验并未使用所有屏幕，但我想我数了一下控制室里有 113 个屏幕……这非常有趣，我们考虑到这些实验的挑战性，蒙特卡罗模拟和实验之间可以得到非常好的剂量一致性。”

尽管存在这些障碍，FIRST 平台的优势包括对关键源参数的控制，包括脉冲重复频率、峰值电流、束能量和平均功率。

“我们是 ARIEL 光束线的第一个用户，”Bazalova-Carter 回忆道。 “在这个项目上工作了多年之后，能够真正进行小鼠辐照实验是非常令人满意的。”

放射生物学后续研究即将进行。

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