コンパクトなリニアックが超高出力を発生

超高線量率（UHDR）放射線ビームを使用して照射されるフラッシュ放射線療法は、抗腫瘍効果を維持しながら正常組織の毒性を大幅に軽減できます。 既存の医療用加速器を適応させることで UHDR ビームを生成するのは比較的簡単であるため、この FLASH 効果を実証する前臨床研究では主に電子と陽子が使用されています。 しかし、FLASH を患者向けに翻訳するには、従来の臨床放射線療法で一般的に使用されている高エネルギー (メガボルト) X 線が、より最適なアプローチを提供する可能性があります。

これを念頭に置いて、中国の清華大学を率いる研究チームは、コンパクトなサイズと低コストのため医療用途で広く使用されている室温 RF 線形加速器 (リニアック) をベースにしたフラッシュ放射線治療プラットフォームを開発しています。 彼らは、『Medical Physics』で説明されている彼らのシステムが、臨床関連のセットアップで 40 Gy/s を超える線量率の高エネルギー X 線ビームを生成できることを実証しました。

「フラッシュ放射線治療で X 線を使用する潜在的な利点は、装置のコンパクトさと治療の高い費用対効果です」と研究者の Hao Zha 氏は Physics World に語ります。 「私たちの加速器の長さはわずか 1.65 m だったので、実験は小さな部屋に設置することができました。」

高エネルギー臨床 X 線放射線治療システムは通常、電子ビームを MeV レベルまで加速する室温の RF ライナックに基づいています。 これらの電子はターゲットに照射され、制動放射効果によって高エネルギー X 線に変換されます。 達成可能な X 線線量率は、入射電子ビームのエネルギーと電流の両方に依存します。

ただし、フラッシュ放射線療法では、従来のシステムよりも 2 ～ 3 桁高い線量率が必要です。 この研究では、チームは平均ビーム電流を数十マイクロアンペアから数ミリアンペアに増やすことでこれを達成しました。

Zhaらは、Sバンド後方進行波電子線形加速器を最適化することにより、UHDR高エネルギーX線放射プラットフォームを開発した。 彼らは、クライストロンベースの電源を使用して、パルス電流300 mA、パルス長12.5 μs、平均ビーム出力29 kWで11 MeVの電子ビームを生成する長さ1.65 mの加速器を設計しました。

次の障害は、このような高平均出力の電子ビームが電子から光子への変換ターゲットに大量の熱を蓄積することです。 この加熱を軽減するために、研究チームは長さ1.8mのドリフト管に電子ビームを送り、横方向のビームサイズを5.1mmから10.6mmに増大させ、それによってターゲットでの出力密度とパルス加熱を減少させた。

水冷を可能にするために銅で囲まれた機能領域としてタングステンディスクを含む変換ターゲットの性能は、ビームライン内のタングステンと銅の厚さに依存します。 そこで研究者らは、モンテカルロ法と熱有限要素解析シミュレーションを使用して、材料の厚さを最適化しました。

1.4 ～ 4 mm のタングステンと 1.5 ～ 3 mm の銅をモデル化すると、どちらの材料の厚さが増加するにつれて X 線線量率が減少することが明らかになりました。 安全な冷却を維持しながら X 線変換効率を最大化するために、3 mm のタングステンと 2 mm の銅でターゲットを作成しました。 この組み合わせにより、シミュレーションでは線源表面間距離 (SSD) 70 cm で平均エネルギー 1.66 MeV、線量率 40.2 Gy/s のパルス X 線を生成できます。

室温リニアックの性能を評価するために、研究者らは EBT3 および EBT-XD ラジオクロミック フィルムを使用して絶対線量測定を実行しました。 彼らはフィルムを X 線ターゲットから 50 または 67.9 cm、水ファントム内の深さ 2.1 cm に配置しました。 最大平均線量率は、50 cm SSD で 80 Gy/s、67.9 cm SSD で 45 Gy/s を超え、2 つのフィルム タイプ間でよく一致しました。

研究者らはまた、100 cm SSD にある PTW ファーマー型電離箱を使用して各放射線ショットの相対総線量を測定し、フィルムの下に配置された平行平面電離箱を使用して各パルスの相対線量を測定しました。 平均定常状態線量率 (フィルムの結果で補正) は、67.9 cm SSD で 49.2 Gy/s でした。 パルス線量率とバンチ線量率はそれぞれ 5.62 kGy/s と 59.0 kGy/s でした。