Le linac compact génère des

La radiothérapie FLASH, administrée à l'aide de faisceaux de rayonnement à débit de dose ultra élevé (UHDR), peut réduire considérablement la toxicité tissulaire normale tout en maintenant l'efficacité antitumorale. Les études précliniques démontrant cet effet FLASH ont principalement utilisé des électrons et des protons, car il est relativement facile de générer des faisceaux UHDR en adaptant les accélérateurs médicaux existants. Mais pour traduire FLASH chez les patients, les rayons X à haute énergie (mégatension) couramment utilisés en radiothérapie clinique conventionnelle pourraient constituer une approche plus optimale.

Dans cette optique, une équipe de recherche dirigée par l’Université Tsinghua en Chine développe une plateforme de radiothérapie FLASH basée sur un accélérateur linéaire RF (linac) à température ambiante – largement utilisé dans les applications médicales en raison de sa taille compacte et de son faible coût. Ils ont démontré que leur système, décrit dans Medical Physics, peut produire des faisceaux de rayons X de haute énergie avec un débit de dose supérieur à 40 Gy/s dans une configuration cliniquement pertinente.

"Les avantages potentiels de l'utilisation des rayons X en radiothérapie FLASH sont la compacité de l'appareil et la rentabilité élevée du traitement", explique le chercheur Hao Zha à Physics World. "La longueur de notre accélérateur n'était que de 1,65 m, l'expérience pouvait donc être installée dans une petite pièce."

Les systèmes de radiothérapie clinique à rayons X à haute énergie sont généralement basés sur un linac RF à température ambiante qui accélère les faisceaux d'électrons jusqu'au niveau MeV. Ces électrons irradient ensuite une cible qui les convertit en rayons X de haute énergie via l'effet bremsstrahlung. Le débit de dose de rayons X réalisable dépend à la fois de l’énergie et du courant du faisceau d’électrons incident.

La radiothérapie FLASH nécessite cependant un débit de dose de 2 à 3 ordres de grandeur supérieur à celui des systèmes conventionnels. Dans cette étude, l’équipe y est parvenue en augmentant le courant moyen du faisceau de plusieurs dizaines de microampères à plusieurs milliampères.

Zha et ses collègues ont développé leur plate-forme de rayonnement X à haute énergie UHDR en optimisant un linac électronique à ondes descendantes en bande S. Ils ont conçu un accélérateur de 1,65 m de long qui utilise une source d'énergie à base de klystron pour générer des faisceaux d'électrons de 11 MeV avec un courant d'impulsion de 300 mA, une durée d'impulsion de 12,5 µs et une puissance moyenne du faisceau de 29 kW.

Le prochain obstacle est que ces faisceaux d’électrons de puissance moyenne élevée déposent de grandes quantités de chaleur dans la cible de conversion électron-photon. Pour aider à atténuer cet échauffement, l’équipe a envoyé les faisceaux d’électrons à travers un tube dérivé de 1,8 m de long qui a augmenté la taille du faisceau transversal de 5,1 à 10,6 mm, diminuant ainsi la densité de puissance et l’échauffement des impulsions au niveau de la cible.

Les performances de la cible de conversion, qui comprend un disque de tungstène comme zone fonctionnelle entourée de cuivre pour permettre le refroidissement par eau, dépendent des épaisseurs de tungstène et de cuivre dans la ligne de lumière. Ainsi, les chercheurs ont utilisé des simulations de Monte Carlo et d’analyse thermique par éléments finis pour optimiser les épaisseurs de matériaux.

La modélisation de 1,4 à 4 mm de tungstène et de 1,5 à 3 mm de cuivre a révélé que le débit de dose de rayons X diminuait avec l'augmentation de l'épaisseur de l'un ou l'autre matériau. Pour maximiser l'efficacité de la conversion des rayons X tout en maintenant un refroidissement sûr, ils ont créé une cible avec du tungstène de 3 mm et du cuivre de 2 mm. Cette combinaison pourrait produire des rayons X pulsés avec une énergie moyenne de 1,66 MeV et un débit de dose de 40,2 Gy/s à une distance source-surface (SSD) de 70 cm dans les simulations.

Pour évaluer les performances de leur linac à température ambiante, les chercheurs ont utilisé des films radiochromiques EBT3 et EBT-XD pour effectuer des mesures de dose absolue. Ils ont placé les films à 50 ou 67,9 cm de la cible radiologique, à 2,1 cm de profondeur dans un fantôme d'eau. Les débits de dose moyens maximaux dépassaient 80 Gy/s à 50 cm SSD et 45 Gy/s à 67,9 cm SSD, avec un bon accord entre les deux types de films.

Les chercheurs ont également utilisé une chambre d'ionisation de type PTW Farmer à 100 cm SSD pour mesurer la dose totale relative de chaque tir de rayonnement, et une chambre d'ionisation plan parallèle placée sous le film pour mesurer la dose relative de chaque impulsion. Le débit de dose moyen à l'état d'équilibre (calibré avec les résultats du film) était de 49,2 Gy/s à une SSD de 67,9 cm. Les débits de dose par impulsion et par paquet étaient respectivement de 5,62 et 59,0 kGy/s.