Linac compacto gera ultra-alta

A radioterapia FLASH, administrada usando feixes de radiação de taxa de dose ultra-alta (UHDR), pode reduzir significativamente a toxicidade tecidual normal, mantendo a eficácia antitumoral. Estudos pré-clínicos que demonstram esse efeito FLASH empregaram principalmente elétrons e prótons, pois é relativamente fácil gerar feixes UHDR adaptando aceleradores médicos existentes. Mas para traduzir o FLASH para uso em pacientes, os raios X de alta energia (megavoltagem) comumente usados ​​na radioterapia clínica convencional poderiam fornecer uma abordagem mais ideal.

Com isto em mente, uma equipa de investigação liderada pela Universidade de Tsinghua, na China, está a desenvolver uma plataforma de radioterapia FLASH baseada num acelerador linear RF à temperatura ambiente (linac) – amplamente utilizado em aplicações médicas devido ao seu tamanho compacto e baixo custo. Eles demonstraram que seu sistema, descrito em Física Médica, pode produzir feixes de raios X de alta energia com uma taxa de dose superior a 40 Gy/s em uma configuração clinicamente relevante.

“As vantagens potenciais do uso de raios X na radioterapia FLASH são a compactação da máquina e a alta relação custo-benefício do tratamento”, disse o pesquisador Hao Zha à Physics World. “O comprimento do nosso acelerador era de apenas 1,65 m, então o experimento poderia ser instalado em uma sala pequena.”

Os sistemas clínicos de radioterapia por raios X de alta energia são normalmente baseados em um linac RF à temperatura ambiente que acelera os feixes de elétrons até o nível MeV. Esses elétrons então irradiam um alvo que os converte em raios X de alta energia através do efeito Bremsstrahlung. A taxa de dose de raios X alcançável depende da energia e da corrente do feixe de elétrons incidente.

A radioterapia FLASH, no entanto, requer uma taxa de dose 2 a 3 ordens de grandeza superior à dos sistemas convencionais. Neste estudo, a equipe conseguiu isso aumentando a corrente média do feixe de dezenas de microamperes para vários miliamperes.

Zha e colegas desenvolveram sua plataforma de radiação de raios X de alta energia UHDR otimizando um linac de elétrons de onda retroativa de banda S. Eles projetaram um acelerador de 1,65 m de comprimento que usa uma fonte de energia baseada em klystron para gerar feixes de elétrons de 11 MeV com uma corrente de pulso de 300 mA, um comprimento de pulso de 12,5 µs e uma potência média de feixe de 29 kW.

O próximo obstáculo é que esses feixes de elétrons de alta potência média depositam grandes quantidades de calor no alvo de conversão de elétron em fóton. Para ajudar a mitigar esse aquecimento, a equipe enviou os feixes de elétrons através de um tubo de deriva de 1,8 m de comprimento que aumentou o tamanho do feixe transversal de 5,1 para 10,6 mm, diminuindo assim a densidade de potência e o aquecimento do pulso no alvo.

O desempenho do alvo de conversão, que compreende um disco de tungstênio como área funcional cercada por cobre para permitir o resfriamento da água, depende das espessuras do tungstênio e do cobre na linha de luz. Assim, os pesquisadores usaram simulações de Monte Carlo e de análise térmica de elementos finitos para otimizar as espessuras dos materiais.

A modelagem de 1,4–4 mm de tungstênio e 1,5–3 mm de cobre revelou que a taxa de dose de raios X diminuiu com o aumento da espessura de qualquer um dos materiais. Para maximizar a eficiência da conversão de raios X e ao mesmo tempo manter o resfriamento seguro, eles criaram um alvo com tungstênio de 3 mm e cobre de 2 mm. Essa combinação poderia produzir raios X pulsados ​​com energia média de 1,66 MeV e taxa de dose de 40,2 Gy/s a uma distância fonte-superfície (SSD) de 70 cm em simulações.

Para avaliar o desempenho de seu linac à temperatura ambiente, os pesquisadores usaram filmes radiocrômicos EBT3 e EBT-XD para realizar medições de dose absoluta. Eles colocaram os filmes a 50 ou 67,9 cm do alvo de raios X, a 2,1 cm de profundidade em um simulador de água. As taxas de dose médias máximas excederam 80 Gy/s em SSD de 50 cm e 45 Gy/s em SSD de 67,9 cm, com boa concordância entre os dois tipos de filme.

Os pesquisadores também usaram uma câmara de ionização do tipo PTW Farmer com SSD de 100 cm para medir a dose total relativa de cada disparo de radiação, e uma câmara de ionização paralela ao plano colocada sob o filme para medir a dose relativa de cada pulso. A taxa média de dose em estado estacionário (calibrada com os resultados do filme) foi de 49,2 Gy/s com SSD de 67,9 cm. As taxas de dose de pulso e grupo foram de 5,62 e 59,0 kGy/s, respectivamente.