Компактный ускоритель генерирует сверхвысокие

FLASH-лучевая терапия, проводимая с использованием лучей сверхвысокой мощности дозы (UHDR), может значительно снизить токсичность нормальных тканей, сохраняя при этом противоопухолевую эффективность. В доклинических исследованиях, демонстрирующих этот эффект FLASH, в основном использовались электроны и протоны, поскольку относительно легко генерировать лучи UHDR, адаптируя существующие медицинские ускорители. Но для использования FLASH у пациентов более оптимальным подходом может стать высокоэнергетическое (мегавольтное) рентгеновское излучение, обычно используемое в традиционной клинической лучевой терапии.

Имея это в виду, исследовательская группа, возглавляемая Университетом Цинхуа в Китае, разрабатывает платформу для лучевой терапии FLASH на основе линейного РЧ-ускорителя (linac) комнатной температуры, который широко используется в медицинских целях благодаря своим компактным размерам и низкой стоимости. Они продемонстрировали, что их система, описанная в журнале «Медицинская физика», может генерировать высокоэнергетические рентгеновские лучи с мощностью дозы, превышающей 40 Гр/с, в клинически значимой установке.

«Потенциальными преимуществами использования рентгеновских лучей во FLASH-лучевой терапии являются компактность аппарата и высокая экономическая эффективность лечения», — рассказал Physics World исследователь Хао Чжа. «Длина нашего ускорителя составляла всего 1,65 м, поэтому эксперимент можно было провести в небольшом помещении».

Высокоэнергетические системы клинической рентгеновской лучевой терапии обычно основаны на РЧ линейном ускорителе комнатной температуры, который ускоряет электронные лучи до уровня МэВ. Эти электроны затем облучают мишень, которая преобразует их в высокоэнергетические рентгеновские лучи посредством эффекта тормозного излучения. Достижимая мощность дозы рентгеновского излучения зависит как от энергии, так и от тока падающего электронного пучка.

Однако FLASH-лучевая терапия требует мощности дозы на 2–3 порядка выше, чем у традиционных систем. В этом исследовании команда добилась этого, увеличив средний ток луча с десятков микроампер до нескольких миллиампер.

Чжа и его коллеги разработали свою платформу высокоэнергетического рентгеновского излучения UHDR путем оптимизации линейного ускорителя электронов с обратной волной S-диапазона. Они разработали ускоритель длиной 1,65 м, в котором используется источник питания на основе клистрона для генерации электронных пучков с энергией 11 МэВ, импульсным током 300 мА, длительностью импульса 12,5 мкс и средней мощностью пучка 29 кВт.

Следующее препятствие заключается в том, что такие мощные электронные пучки выделяют огромное количество тепла в мишени преобразования электронов в фотоны. Чтобы смягчить этот нагрев, команда направила электронные лучи через дрейфовую трубку длиной 1,8 м, которая увеличила поперечный размер луча с 5,1 до 10,6 мм, тем самым уменьшив плотность мощности и импульсный нагрев мишени.

Производительность конверсионной мишени, которая включает в себя вольфрамовый диск в качестве функциональной области, окруженной медью для обеспечения водяного охлаждения, зависит от толщины вольфрама и меди в лучепроводе. Таким образом, исследователи использовали моделирование методом Монте-Карло и термический анализ методом конечных элементов для оптимизации толщины материала.

Моделирование вольфрама толщиной 1,4–4 мм и меди толщиной 1,5–3 мм показало, что мощность дозы рентгеновского излучения снижается с увеличением толщины любого материала. Чтобы максимизировать эффективность преобразования рентгеновского излучения при сохранении безопасного охлаждения, они создали мишень из вольфрама толщиной 3 мм и меди толщиной 2 мм. Эта комбинация могла бы производить импульсное рентгеновское излучение со средней энергией 1,66 МэВ и мощностью дозы 40,2 Гр/с при расстоянии источник-поверхность (SSD) 70 см при моделировании.

Чтобы оценить характеристики своего линейного ускорителя при комнатной температуре, исследователи использовали радиохромные пленки EBT3 и EBT-XD для измерения абсолютных доз. Они поместили пленки на расстоянии 50 или 67,9 см от рентгеновской мишени на глубине 2,1 см в водном фантоме. Максимальная средняя мощность дозы превышала 80 Гр/с на SSD 50 см и 45 Гр/с на SSD 67,9 см, при хорошем согласии между двумя типами пленок.

Исследователи также использовали ионизационную камеру типа PTW Farmer на SSD длиной 100 см для измерения относительной общей дозы каждого выстрела радиации, а также плоскопараллельную ионизационную камеру, расположенную под пленкой, для измерения относительной дозы каждого импульса. Средняя мощность дозы в установившемся состоянии (калиброванная по результатам пленки) составила 49,2 Гр/с на расстоянии 67,9 см SSD. Мощность импульсной и пучковой дозы составила 5,62 и 59,0 кГр/с соответственно.