Kompakter Linearbeschleuniger erzeugt Ultrahochleistung

Die FLASH-Strahlentherapie, die mit Ultrahochdosisleistungsstrahlen (UHDR) durchgeführt wird, kann die normale Gewebetoxizität erheblich reduzieren und gleichzeitig die Wirksamkeit gegen Tumore aufrechterhalten. In präklinischen Studien zum Nachweis dieses FLASH-Effekts wurden hauptsächlich Elektronen und Protonen eingesetzt, da es relativ einfach ist, UHDR-Strahlen durch die Anpassung vorhandener medizinischer Beschleuniger zu erzeugen. Aber um FLASH für den Einsatz bei Patienten zu nutzen, könnten die hochenergetischen (Megavolt-)Röntgenstrahlen, die üblicherweise in der konventionellen klinischen Strahlentherapie verwendet werden, einen optimaleren Ansatz bieten.

Vor diesem Hintergrund entwickelt ein Forschungsteam unter Leitung der Tsinghua-Universität in China eine FLASH-Strahlentherapieplattform auf Basis eines Raumtemperatur-HF-Linearbeschleunigers (Linac), der aufgrund seiner kompakten Größe und geringen Kosten häufig in medizinischen Anwendungen eingesetzt wird. Sie zeigten, dass ihr in Medical Physics beschriebenes System in einem klinisch relevanten Aufbau hochenergetische Röntgenstrahlen mit einer Dosisleistung von mehr als 40 Gy/s erzeugen kann.

„Die potenziellen Vorteile des Einsatzes von Röntgenstrahlen in der FLASH-Strahlentherapie liegen in der Kompaktheit des Geräts und der hohen Kosteneffizienz der Behandlung“, sagt Forscher Hao Zha gegenüber Physics World. „Die Länge unseres Beschleunigers betrug nur 1,65 m, sodass das Experiment in einem kleinen Raum untergebracht werden konnte.“

Hochenergetische klinische Röntgenstrahlentherapiesysteme basieren typischerweise auf einem HF-Linearbeschleuniger bei Raumtemperatur, der Elektronenstrahlen auf das MeV-Niveau beschleunigt. Diese Elektronen bestrahlen dann ein Target, das sie über den Bremsstrahlungseffekt in hochenergetische Röntgenstrahlen umwandelt. Die erreichbare Röntgendosisleistung hängt sowohl von der Energie als auch vom Strom des einfallenden Elektronenstrahls ab.

Die FLASH-Strahlentherapie erfordert jedoch eine um zwei bis drei Größenordnungen höhere Dosisleistung als herkömmliche Systeme. In dieser Studie erreichte das Team dies, indem es den mittleren Strahlstrom von mehreren zehn Mikroampere auf mehrere Milliampere erhöhte.

Zha und Kollegen entwickelten ihre UHDR-Plattform für hochenergetische Röntgenstrahlung durch die Optimierung eines S-Band-Elektronen-Linearbeschleunigers mit rückwärtslaufender Welle. Sie entwarfen einen 1,65 m langen Beschleuniger, der mithilfe einer Klystron-basierten Stromquelle 11-MeV-Elektronenstrahlen mit einem Pulsstrom von 300 mA, einer Pulslänge von 12,5 µs und einer mittleren Strahlleistung von 29 kW erzeugt.

Das nächste Hindernis besteht darin, dass solche Elektronenstrahlen mit hoher mittlerer Leistung große Wärmemengen im Ziel zur Umwandlung von Elektronen in Photonen abgeben. Um diese Erwärmung abzumildern, schickte das Team die Elektronenstrahlen durch ein 1,8 m langes Driftrohr, das die Querstrahlgröße von 5,1 auf 10,6 mm vergrößerte und dadurch die Leistungsdichte und die Impulserwärmung am Ziel verringerte.

Die Leistung des Konvertierungsziels, das aus einer Wolframscheibe als Funktionsbereich besteht, die von Kupfer umgeben ist, um eine Wasserkühlung zu ermöglichen, hängt von der Dicke von Wolfram und Kupfer in der Strahllinie ab. Daher nutzten die Forscher Monte-Carlo- und thermische Finite-Elemente-Analyse-Simulationen, um die Materialstärken zu optimieren.

Die Modellierung von 1,4–4 mm Wolfram und 1,5–3 mm Kupfer ergab, dass die Röntgendosisleistung mit zunehmender Dicke beider Materialien abnahm. Um die Effizienz der Röntgenkonvertierung zu maximieren und gleichzeitig eine sichere Kühlung aufrechtzuerhalten, erstellten sie ein Target mit 3 mm Wolfram und 2 mm Kupfer. Diese Kombination könnte in Simulationen gepulste Röntgenstrahlen mit einer mittleren Energie von 1,66 MeV und einer Dosisleistung von 40,2 Gy/s bei einem Quellen-Oberflächen-Abstand (SSD) von 70 cm erzeugen.

Um die Leistung ihres Raumtemperatur-Linearbeschleunigers zu bewerten, verwendeten die Forscher radiochrome Filme EBT3 und EBT-XD, um Absolutdosismessungen durchzuführen. Sie platzierten die Filme 50 oder 67,9 cm vom Röntgenziel entfernt in einer Tiefe von 2,1 cm in einem Wasserphantom. Die maximalen mittleren Dosisraten überstiegen 80 Gy/s bei 50 cm SSD und 45 Gy/s bei 67,9 cm SSD, mit guter Übereinstimmung zwischen den beiden Filmtypen.

Die Forscher verwendeten außerdem eine Ionisationskammer vom Typ PTW Farmer bei 100 cm SSD, um die relative Gesamtdosis jedes Strahlungsschusses zu messen, und eine planparallele Ionisationskammer unter der Folie, um die relative Dosis jedes Impulses zu messen. Die mittlere Steady-State-Dosisleistung (kalibriert mit den Filmergebnissen) betrug 49,2 Gy/s bei 67,9 cm SSD. Die Puls- und Bündeldosisraten betrugen 5,62 bzw. 59,0 kGy/s.

Das Team nutzte den planparallelen Detektor auch, um die Systemstabilität zu testen. Die Standardabweichung von 20 aufeinanderfolgenden Strahlenschüssen betrug 1,3 % der Gesamtdosis. Durch eine Änderung der Bestrahlungskontrollstrategie verbesserten die Forscher diese Dosisstabilität von Schuss zu Schuss auf 0,3 %. Die Stabilität von Tag zu Tag wies eine geringere Standardabweichung von 3,9 % über 70 Strahlungsaufnahmen (10 pro Tag über sieben Tage) auf – was auf tägliche Temperaturänderungen zurückzuführen ist.

Die Forscher stellen fest, dass das Linac-System sowohl UHDR- als auch konventionelle Strahlung erzeugen kann, ohne dass Änderungen am Plattformaufbau erforderlich sind. Die mittlere Dosisleistung kann durch Änderung der Pulswiederholungsrate (von 1 bis 700 Hz) und der Pulslänge (von 6,3 bis 12,5 µs) angepasst werden. Darüber hinaus können sowohl die mittlere Dosisleistung als auch die Impulsdosisleistung durch Ändern der SSD der Plattform angepasst werden.

Hochenergiephysikgeräte, die für die Elektronen-FLASH-Dosimetrie geeignet sind

Sie schlagen vor, dass in zukünftigen Implementierungen das statische Konvertierungsziel durch ein rotierendes Design ersetzt werden könnte. Dies würde dazu beitragen, die Belastung des Kühlsystems zu verringern und die Notwendigkeit eines Strahlexpansions-Driftrohrs zu beseitigen, was die Kompaktheit und Einfachheit des Systems weiter erhöht.

„Die Ergebnisse sind ermutigend für zukünftige Arbeiten zur Einführung der Röntgen-FLASH-Strahlentherapie auf Basis von Raumtemperatur-Linacs in klinische Anwendungen“, schließen die Forscher. „Da es die Vorteile erschwinglicher Kosten, Systemeinfachheit und Kompaktheit bietet, die für die meisten Krankenhausbehandlungsräume geeignet ist, wird das Linac-System bei Raumtemperatur als wettbewerbsfähige FLASH-Strahlentherapielösung mit großer Attraktivität vorgeschlagen.“