Nylig gjennomførte forskere fra University of Quebec et vellykket eksperiment ved Advanced Laser Light Source Laboratory ved National Research Council of Canada (INRS), som demonstrerte den lovende bruken av ultrarask laserteknologi for kreftstrålebehandling.
"Vi har demonstrert for første gang at under visse forhold kan en laserstråle tett fokusert på omgivelsesluft akselerere elektroner til MeV (mega-elektronvolt) energiområdet, som er den samme energien som noen av radiatorene som brukes i kreftstråling terapi." sa Franois Légaré, INRS-professor og vitenskapelig leder for Advanced Light Sources Laboratory (ALLS).
Ved å fokusere flere sykluser av en millijoule (mJ)-nivå, femtosekund (fs), infrarød (IR) laser, genererer forskerne relativistiske elektronstråler i omgivelsesluften og oppnår høye doserater på opptil 0.15 Grå per sekund (Gy/s). Ved atmosfærisk trykk nådde laserintensiteten deres 1 × 1019 watt per kvadratcentimeter (W/cm-2). Teamet målte den resulterende elektronstrålen og fant ut at den hadde en maksimal energi på opptil 1,4 MeV.
Teamet viste hvordan laserens tette fokus, lange bølgelengde og kortsykluspulsvarighet kombineres for å begrense effekten av b-integrasjon på den fokuserte laserstrålen. Den høye tettheten av luftmolekyler i det ioniserbare fokalvolumet er tilstrekkelig til å danne et plasma nær den kritiske tettheten, noe som gir høy konverteringseffektivitet fra lasere til elektroner. Gjennom tredimensjonale partikkel-i-celle-simuleringer bekreftet forskerne at akselerasjonsmekanismen er relativistisk basert, har et massebevegelsespotensial og er teoretisk konsistent med målte elektronenergier og spredning.
Skjematisk av det eksperimentelle oppsettet: pulser av ultrakort infrarødt laserlys er tett fokusert på den omkringliggende luften, og produserer en høy dose ioniserende stråling.
Forskerne mener at styrken til denne laserdrevne elektronkilden stammer fra dens enkelhet. En enkelt fokusert optikk i luften rundt kan produsere en elektronstråle som leverer et års strålingsdose til en person som står én meter unna på mindre enn et sekund. Ingen kompliserte oppsett eller vakuumkamre er nødvendig, noe som gjør denne metoden egnet for mange bestrålingsapplikasjoner ved å redusere kravene til å produsere ultraraske MeV-elektronkilder.
Fremskritt innen laserteknologi har gjort det mulig for laser-våknefeltakselerasjon - en prosess som akselererer elektroner til høye energier på svært kort tid ved å generere plasma - til å fungere i det midt-infrarøde med mJ-klassesystemer for å produsere høye partikkelstrømmer av MeV-elektroner som kan brukes i radiobiologisk forskning. Disse høyenergilaserdrevne elektronkildene krever imidlertid komplekse og klumpete installasjoner i vakuumkamre, noe som begrenser tilgangen til strålen.
Laserdrevne MeV-elektronkilder kan gi nye tilnærminger til kreftbehandling, for eksempel FLASH-strålebehandling, en metode for å behandle svulster som er resistente mot konvensjonell strålebehandling. Med FLASH-terapi kan høye doser av stråling leveres på mikrosekunder i stedet for minutter. Denne leveringshastigheten bidrar til å beskytte det sunne vevet som omgir svulsten mot effekten av stråling. Selv om effekten av FLASH ikke er fullt ut forstått, mener forskere at FLASH kan forårsake rask deoksygenering av sunt vev, og redusere vevets følsomhet for stråling.
Målt stråledoserate (logaritmisk skala) som funksjon av avstand fra brennpunktet for tre forskjellige laserpulsenergier.
"Ingen studie har ennå vært i stand til å forklare arten av blitseffekten," sa forsker Simon Vallières, "Men elektronkilden som brukes i FLASH-strålebehandling har lignende egenskaper som den vi genererer ved å fokusere laseren intenst på omgivelsesluften. Når strålekildene er bedre kontrollert, vil ytterligere studier tillate oss å undersøke årsakene til flasheffekten og til slutt gi bedre strålebehandling for kreftpasienter."
Forskerne tror at skalerbarheten til deres tilnærming vil øke med den fortsatte utviklingen av lasere med høy gjennomsnittlig effekt i mJ-klassen. Den raske utviklingen av laserkilder, rettet mot økte tilgjengelige pulsenergier og repetisjonshastigheter, kan tillate at INRS-teknikken utvides til høyere elektronenergier og større dosehastigheter.
Forskerne understreket også viktigheten av sikkerhet når de arbeider med laserstråler som er tett fokusert på luften rundt. Når målinger ble tatt i nærheten av strålekilden, observerte teamet stråledoserater fra elektroner som var tre til fire ganger høyere enn de som ble brukt i konvensjonell strålebehandling.
"Den observerte energien til elektronene (MeV) lar dem bevege seg mer enn 3 meter i luften eller noen få millimeter under huden," sa Vallières, "som utgjør en risiko for strålingseksponering for brukere av laserlyskilden. denne strålingsfaren er en mulighet til å implementere sikrere praksis i laboratoriet."
