Linac compacto genera ultraalta

La radioterapia FLASH, administrada mediante haces de radiación de tasa de dosis ultraalta (UHDR), puede reducir significativamente la toxicidad del tejido normal manteniendo al mismo tiempo la eficacia antitumoral. Los estudios preclínicos que demuestran este efecto FLASH han empleado principalmente electrones y protones, ya que es relativamente fácil generar haces UHDR adaptando los aceleradores médicos existentes. Pero para traducir FLASH para su uso en pacientes, los rayos X de alta energía (megavoltaje) comúnmente utilizados en la radioterapia clínica convencional podrían proporcionar un enfoque más óptimo.

Con esto en mente, un equipo de investigación encabezado por la Universidad de Tsinghua en China está desarrollando una plataforma de radioterapia FLASH basada en un acelerador lineal de RF (linac) a temperatura ambiente, ampliamente utilizado en aplicaciones médicas debido a su tamaño compacto y bajo costo. Demostraron que su sistema, descrito en Medical Physics, puede producir haces de rayos X de alta energía con una tasa de dosis superior a 40 Gy/s en una configuración clínicamente relevante.

"Las ventajas potenciales del uso de rayos X en la radioterapia FLASH son la compacidad de la máquina y la alta rentabilidad del tratamiento", dice el investigador Hao Zha a Physics World. "La longitud de nuestro acelerador era de sólo 1,65 m, por lo que el experimento se pudo instalar en una habitación pequeña".

Los sistemas de radioterapia clínica de rayos X de alta energía generalmente se basan en un linac de RF a temperatura ambiente que acelera los haces de electrones al nivel de MeV. Luego, estos electrones irradian un objetivo que los convierte en rayos X de alta energía mediante el efecto bremsstrahlung. La tasa de dosis de rayos X alcanzable depende tanto de la energía como de la corriente del haz de electrones incidente.

Sin embargo, la radioterapia FLASH requiere una tasa de dosis de 2 a 3 órdenes de magnitud mayor que la de los sistemas convencionales. En este estudio, el equipo logró esto aumentando la corriente media del haz de decenas de microamperios a varios miliamperios.

Zha y sus colegas desarrollaron su plataforma de radiación de rayos X de alta energía UHDR optimizando un linac de electrones de onda que viaja hacia atrás en banda S. Diseñaron un acelerador de 1,65 m de largo que utiliza una fuente de energía basada en klistrón para generar haces de electrones de 11 MeV con una corriente de pulso de 300 mA, una longitud de pulso de 12,5 µs y una potencia media del haz de 29 kW.

El siguiente obstáculo es que estos haces de electrones de alta potencia media depositan grandes cantidades de calor en el objetivo de conversión de electrón a fotón. Para ayudar a mitigar este calentamiento, el equipo envió los haces de electrones a través de un tubo de deriva de 1,8 m de largo que aumentó el tamaño del haz transversal de 5,1 a 10,6 mm, disminuyendo así la densidad de potencia y el calentamiento por pulsos en el objetivo.

El rendimiento del objetivo de conversión, que comprende un disco de tungsteno como área funcional rodeado de cobre para permitir el enfriamiento por agua, depende de los espesores de tungsteno y cobre en la línea de luz. Así, los investigadores utilizaron simulaciones de Monte Carlo y análisis térmico de elementos finitos para optimizar los espesores de los materiales.

El modelado de 1,4 a 4 mm de tungsteno y de 1,5 a 3 mm de cobre reveló que la tasa de dosis de rayos X disminuía al aumentar el espesor de cualquiera de los materiales. Para maximizar la eficiencia de conversión de rayos X y al mismo tiempo mantener una refrigeración segura, crearon un objetivo con 3 mm de tungsteno y 2 mm de cobre. Esta combinación podría producir rayos X pulsados ​​con una energía media de 1,66 MeV y una tasa de dosis de 40,2 Gy/s a una distancia fuente-superficie (SSD) de 70 cm en simulaciones.

Para evaluar el rendimiento de su linac a temperatura ambiente, los investigadores utilizaron películas radiocrómicas EBT3 y EBT-XD para realizar mediciones de dosis absolutas. Colocaron las películas a 50 o 67,9 cm del objetivo de rayos X, a 2,1 cm de profundidad en un fantasma de agua. Las tasas de dosis medias máximas excedieron los 80 Gy/s con SSD de 50 cm y los 45 Gy/s con SSD de 67,9 cm, con buena concordancia entre los dos tipos de película.

Los investigadores también utilizaron una cámara de ionización tipo PTW Farmer con SSD de 100 cm para medir la dosis total relativa de cada disparo de radiación, y una cámara de ionización plana paralela colocada debajo de la película para medir la dosis relativa de cada pulso. La tasa de dosis media en estado estacionario (calibrada con los resultados de la película) fue de 49,2 Gy/s a 67,9 cm SSD. Las tasas de dosis de pulso y manojo fueron 5,62 y 59,0 kGy/s, respectivamente.

El equipo también utilizó el detector de planos paralelos para probar la estabilidad del sistema. La desviación estándar de 20 inyecciones de radiación consecutivas fue del 1,3% de la dosis total. Al cambiar la estrategia de control de la irradiación, los investigadores mejoraron la estabilidad de la dosis entre disparos al 0,3%. La estabilidad diaria tuvo una desviación estándar más pobre del 3,9% en 70 disparos de radiación (10 por día durante siete días), atribuido a los cambios diarios de temperatura.

Los investigadores señalan que el sistema linac puede producir tanto UHDR como irradiación convencional sin ningún cambio en la configuración de la plataforma. La tasa de dosis media se puede ajustar cambiando la tasa de repetición del pulso (de 1 a 700 Hz) y la longitud del pulso (de 6,3 a 12,5 µs). Además, la tasa de dosis media y la tasa de dosis del pulso se pueden ajustar cambiando el SSD de la plataforma.

Dispositivos de física de alta energía adaptados para dosimetría FLASH electrónica

En futuras implementaciones, sugieren, el objetivo de conversión estático podría reemplazarse por un diseño giratorio. Esto ayudaría a reducir la carga sobre el sistema de refrigeración y eliminaría la necesidad del tubo de expansión del haz, aumentando aún más la compacidad y simplicidad del sistema.

"Los resultados son alentadores para futuros trabajos destinados a introducir la radioterapia FLASH de rayos X basada en linacs a temperatura ambiente en aplicaciones clínicas", concluyen los investigadores. "Debido a que tiene las ventajas de un costo asequible, la simplicidad del sistema y un tamaño compacto adecuado para la mayoría de las salas de tratamiento hospitalarias, el sistema linac a temperatura ambiente se propone como una solución de radioterapia FLASH competitiva con un atractivo considerable".