소형 linac은 초고속을 생성합니다.

초고선량률(UHDR) 방사선 빔을 사용하여 전달되는 FLASH 방사선요법은 항종양 효능을 유지하면서 정상 조직 독성을 크게 줄일 수 있습니다. 이러한 FLASH 효과를 입증하는 전임상 연구에서는 기존 의료 가속기를 적용하여 UHDR 빔을 생성하는 것이 상대적으로 쉽기 때문에 대부분 전자와 양성자를 사용했습니다. 그러나 환자에게 사용하기 위해 FLASH를 변환하려면 기존 임상 방사선 치료에 일반적으로 사용되는 고에너지(메가전압) X선이 보다 최적의 접근 방식을 제공할 수 있습니다.

이를 염두에 두고 중국 칭화대학교 연구팀은 소형 크기와 저렴한 비용으로 인해 의료 응용 분야에 널리 사용되는 실온 RF 선형 가속기(linac)를 기반으로 한 FLASH 방사선 치료 플랫폼을 개발하고 있습니다. 그들은 의료 물리학(Medical Physics)에 설명된 시스템이 임상적으로 관련된 설정에서 선량률이 40Gy/s를 초과하는 고에너지 X선 빔을 생성할 수 있음을 입증했습니다.

연구원 Hao Zha는 Physics World에 “FLASH 방사선 치료에 X선을 사용하는 잠재적인 이점은 기계의 소형화와 치료의 높은 비용 효율성입니다.”라고 말했습니다. “가속기의 길이가 1.65m에 불과해 작은 방에도 실험을 설치할 수 있었습니다.”

고에너지 임상 X선 방사선 치료 시스템은 일반적으로 전자빔을 MeV 수준으로 가속하는 실온 RF 선형 장치를 기반으로 합니다. 그런 다음 이러한 전자는 Bremsstrahlung 효과를 통해 이를 고에너지 X선으로 변환하는 타겟에 조사됩니다. 달성 가능한 X선 선량률은 입사 전자빔의 에너지와 전류에 따라 달라집니다.

그러나 FLASH 방사선 치료는 기존 시스템보다 2~3배 더 높은 선량률이 필요합니다. 이번 연구에서 팀은 평균 빔 전류를 수십 마이크로암페어에서 수 밀리암페어로 증가시켜 이를 달성했습니다.

Zha와 동료들은 S밴드 역방향 이동 파동 전자 선형 장치를 최적화하여 UHDR 고에너지 X선 방사 플랫폼을 개발했습니다. 그들은 클라이스트론 기반 전원을 사용하여 300mA의 펄스 전류, 12.5μs의 펄스 길이 및 29kW의 평균 빔 전력으로 11MeV 전자빔을 생성하는 1.65m 길이의 가속기를 설계했습니다.

다음 장애물은 이러한 높은 평균 전력의 전자빔이 전자-광자 변환 목표에 막대한 양의 열을 축적한다는 것입니다. 이러한 가열을 완화하기 위해 팀은 가로 빔 크기를 5.1mm에서 10.6mm로 증가시킨 1.8m 길이의 드리프트 튜브를 통해 전자빔을 보내 표적의 전력 밀도와 펄스 가열을 줄였습니다.

수냉을 가능하게 하기 위해 구리로 둘러싸인 기능 영역으로 텅스텐 디스크를 포함하는 변환 대상의 성능은 빔라인의 텅스텐과 구리 두께에 따라 달라집니다. 따라서 연구원들은 재료 두께를 최적화하기 위해 Monte Carlo와 열 유한 요소 분석 시뮬레이션을 사용했습니다.

1.4~4mm의 텅스텐과 1.5~3mm의 구리를 모델링한 결과 두 재료의 두께가 증가함에 따라 X선 선량률이 감소하는 것으로 나타났습니다. 안전한 냉각을 유지하면서 X선 변환 효율을 극대화하기 위해 3mm 텅스텐과 2mm 구리로 타겟을 만들었습니다. 이 조합은 시뮬레이션에서 70cm의 소스-표면 거리(SSD)에서 1.66MeV의 평균 에너지와 40.2Gy/s의 선량률을 갖는 펄스 X선을 생성할 수 있습니다.

실온 선형 장치의 성능을 평가하기 위해 연구진은 EBT3 및 EBT-XD 방사성 필름을 사용하여 절대 선량 측정을 수행했습니다. 그들은 필름을 X선 표적으로부터 50cm 또는 67.9cm 떨어진 곳에, 물 팬텀의 2.1cm 깊이에 배치했습니다. 최대 평균 선량률은 50cm SSD에서 80Gy/s, 67.9cm SSD에서 45Gy/s를 초과했으며 두 필름 유형 간에는 잘 일치했습니다.

연구원들은 또한 100cm SSD의 PTW Farmer 유형 이온화 챔버를 사용하여 각 방사선 샷의 상대 총 선량을 측정하고, 필름 아래에 배치된 평면 평행 이온화 챔버를 사용하여 각 펄스의 상대 선량을 측정했습니다. 평균 정상 상태 선량률(필름 결과로 보정됨)은 67.9cm SSD에서 49.2Gy/s였습니다. 펄스 및 다발 선량률은 각각 5.62 및 59.0 kGy/s였습니다.