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Apr 07, 2024

Indien hat die Linac-Innovation im Visier

Indiens Forschungswissenschaftler und Ingenieure verfolgen verschiedene Forschungsrichtungen, um die Kosten für Strahlentherapie-Behandlungssysteme zu senken und gleichzeitig ehrgeizige Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen im Bereich Mehrzweckprotonen auszuweiten

Indiens Forschungswissenschaftler und Ingenieure verfolgen verschiedene Forschungsrichtungen, um die Kosten für Strahlentherapie-Behandlungssysteme zu senken und gleichzeitig die ehrgeizigen Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen für Mehrzweck-Protonenbeschleuniger zu intensivieren. Amit Roy bewertet die neuesten Fortschritte.

Die geschätzte jährliche weltweite Inzidenz neuer Krebsfälle lag im Jahr 2020 bei über 19 Millionen, wobei mehr als 70 % der an der Krankheit leidenden Menschen in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen leben (JCO Global Oncology 2022 8 e2100358). Darüber hinaus wird nach Prognosen der Internationalen Atomenergiebehörde, die am Weltkrebstag im Februar 2022 veröffentlicht wurden, die Gesamtzahl der Krebstoten weltweit in den nächsten zwei Jahrzehnten voraussichtlich um 60 % – auf 16 Millionen Menschen pro Jahr – ansteigen Dieselben Länder mit niedrigem und mittlerem Einkommen leiden am stärksten unter der Eskalation. Indien befindet sich im Auge dieses Gesundheitssturms, wobei die inländische Belastung durch Krebsfälle im Jahr 2022 voraussichtlich zwischen 1,9 und 2 Millionen betragen wird – eine Belastung, die darüber hinaus im Laufe der Zeit ebenfalls zunehmen wird.

Grundsätzlich ist dies eine Frage des Angebots (hochwertige Krebsbehandlung) versus der Nachfrage (steigende Krebsinzidenz) für Indien – nicht zuletzt, wenn es um die Herausforderungen geht, die mit der Einführung zugänglicher und erschwinglicher Strahlentherapieeinrichtungen auf nationaler Ebene verbunden sind. Derzeit gibt es in ganz Indien rund 545 klinische Strahlentherapieeinheiten (180 60Co-basierte Teletherapiesysteme und 365 Elektronen-Linacs). Die meisten E-Linacs werden von kommerziellen Herstellern geliefert, wobei sich 50 % dieser Systeme in privaten Krankenhäusern befinden – und damit außerhalb der Reichweite der Mehrheit der indischen Bürger.

Um die Kosten für die Strahlentherapie zu senken und gleichzeitig mehr Krebspatienten den Zugang zu ermöglichen, legt die Society for Applied Microwave Electronics Engineering and Research (SAMEER) in Mumbai seit mehreren Jahrzehnten (mit finanzieller Unterstützung von) Wert auf technologische Innovationen bei E-Linacs das Ministerium für Elektronik und Informationstechnologie der Zentralregierung, auch bekannt als MeitY).

Ein Fallbeispiel in dieser Hinsicht ist die Abteilung für medizinische Elektronik von SAMEER, die Ende der 1980er Jahre ein Forschungs- und Entwicklungsprogramm für einen 4-MeV-E-Linac zur Krebstherapie initiierte. Das erste Ergebnis: ein seitengekoppelter S-Band-Linearbeschleuniger (der im π/2-Modus bei 2,998 GHz arbeitet), der für die Elektronenbeschleunigung entwickelt wurde. Später integrierte das SAMEER-Entwicklungsteam den Linearbeschleuniger in Zusammenarbeit mit der Central Scientific Instruments Organisation, Chandigarh, und dem Post Graduate Institute of Medical Education and Research (PGIMER), Chandigarh, in andere Kernsubsysteme. Der fertige Linearbeschleuniger wurde 1991 bei PGIMER in Betrieb genommen.

Diese ursprüngliche Maschine hieß Jeevan Jyoti-I. Die SAMEER-Ingenieure bauten anschließend drei weitere E-Linac-Varianten zum Thema Jeevan Jyoti-I, wobei alle Einheiten ordnungsgemäß in Betrieb genommen wurden und in Krankenhäusern in Betrieb waren. Anschließend baute SAMEER im Rahmen der Jai Vigyan-Initiative der indischen Regierung sechs weitere Strahlentherapieeinheiten (mit einer erhöhten Energie von 6 MV) und installierte diese Systeme in Krankenhäusern. Eine weitere Maschine wird im Jahr 2022 in Betrieb genommen – zunächst mit kommerziellen Mikrowellenquellen von SAMEER (obwohl diese schließlich durch ein im Inland entwickeltes 2,6-MW-Magnetron ersetzt werden).

Das indische Ministerium für Atomenergie (DAE) plant, die reichhaltigen natürlichen Thoriumquellen des Landes zu nutzen, um das inländische Kernenergieprogramm zu stärken und gleichzeitig neue Methoden für den Umgang mit hochradioaktivem Atommüll sowie die großtechnische Produktion medizinischer Radioisotope zu erforschen die Diagnose und Behandlung von Krebs.

Betrachten Sie den sogenannten beschleunigergetriebenen unterkritischen Reaktor (ADSR), ein Kernreaktordesign der nächsten Generation, das durch die Kopplung eines im Wesentlichen unterkritischen Kernreaktorkerns (unter Verwendung von Thorium als Brennstoff) mit einem Protonenbeschleuniger mit hoher Intensität und hoher Energie entsteht. Letzterer erzeugt einen reichlichen Strahl Spallationsneutronen, um den Spaltungsprozess aufrechtzuerhalten – und aktiviert das Thorium, ohne dass der Reaktor kritisch werden muss (dh das Abschalten des Protonenstrahls führt zu einer sofortigen und sicheren Abschaltung des Reaktors). Ein weiterer Vorteil des ADSR-Systems ist die relativ kurze Halbwertszeit der Abfallprodukte.

In diesem Zusammenhang haben die Forschungs- und Entwicklungslabore des DAE mit der Arbeit an einem Hochstrom-1-GeV-Protonenbeschleuniger begonnen (siehe Abbildung „Gemeinsames Unterfangen“). In der ersten Phase des Baus eines normalleitenden 20-MeV-Linearbeschleunigers am Bhabha Atomic Research Center (BARC) beschleunigten Wissenschaftler einen 2-mA-Protonenstrahl von einer Ionenquelle mithilfe eines HF-Quadrupols mit vier Flügeln (wodurch ein 3-MeV-Protonenstrahl mit 65 erzeugt wurde). % Übertragung). Anfang dieses Jahres steigerte das BARC-Team die Protonenenergie durch den ersten Driftröhren-Linearbeschleuniger auf 6,8 MeV (mit einem Spitzenstrahlstrom von 2,5 mA und einem durchschnittlichen Strahlstrom von 1 μA bei 93 % Transmission). Am Raja Ramanna Center for Advanced Technology (RRCAT) sind unterdessen mehrere Warmfront-Ionenquellen und zugehörige Subsysteme im Bau (darunter Strahltransport niedriger Energie, HF-Quadrupole, Strahltransport mittlerer Energie und ein Driftröhren-Linac). .

Auf operativer Ebene ist die Zusammenarbeit ein bestimmendes Thema der Forschungs- und Entwicklungsbemühungen Indiens im Bereich Protonenbeschleuniger – nicht zuletzt durch die direkte Beteiligung seiner Wissenschaftler am Proton Improvement Plan II (PIP-II), einer wesentlichen Modernisierung und ehrgeizigen Neugestaltung des Fermilab-Beschleunigerkomplexes in den USA. Mehrere indische Institutionen stehen an vorderster Front der PIP-II-Initiative und entwerfen und entwickeln Raumtemperatur- und supraleitende Magnete, supraleitende HF-Hohlräume, Kryomodule und HF-Verstärker für das PIP-II-Projektteam.

BARC und das Inter-University Accelerator Center (IUAC) in Neu-Delhi stellten beispielsweise zunächst zwei Einzelspeichen-Resonatorhohlräume für Tests im Fermilab zur Verfügung, während bei Fermilab eine umfassende Infrastruktur für die Herstellung und Prüfung von Niob-Hohlräumen eingerichtet wurde RRCAT. Seitdem wurden mehrere supraleitende Niob-Hohlräume hergestellt und erfolgreich getestet, die sowohl im PIP-II-Projekt als auch im indischen Protonenbeschleunigerprogramm erforderlich sind.

Eines ist klar: Indiens E-Linac-F&E-Bemühungen nehmen weiterhin Fahrt auf. Der nächste Schritt besteht darin, die Technologie für duale Photonenenergien (6 und 15 MeV) aus demselben Linearbeschleuniger sowie mehrere Elektronenenergien (von 6 bis 18 MeV) für die Behandlung zu verbessern. Ein Prototyp eines neuartigen Dual-Energy-Linearbeschleunigers wurde bereits auf Herz und Nieren geprüft und lieferte bei SAMEER einen zielgerichteten Strahl. Die Energie wird durch Einführen eines Stößels in den Kopplungshohlraum im Beschleunigungsabschnitt variiert. Während das System abschließenden Qualitätssicherungs- und Kontrollprüfungen unterzogen wird, werden Industriepartner gesucht.

Parallele Technologieprogramme – die sowohl E-Linacs als auch Protonenzyklotrons umfassen – sind ebenfalls im Gange, um die inländische Produktion medizinischer Radioisotope zu unterstützen, die bei der Diagnose und Behandlung von Krebs eingesetzt werden. Beispielsweise ist ein Linac-Projekt mit 30 MeV und 5–10 kW (das zwei 15-MeV-Abschnitte umfasst) für die Produktion von 99mTc aus 99Mo geplant (ersteres wird in einem nuklearen Bildgebungsverfahren namens Einzelphotonenemissions-Computertomographie benötigt). allgemein bekannt als SPECT). Das 99Mo wird aus 100Mo mithilfe von Bremsstrahlungsphotonen hergestellt, wobei letztere emittiert werden, nachdem beschleunigte Elektronen auf ein Ziel treffen. Tests der ersten Beschleunigungsstruktur (15 MeV) sind im Gange und die volle Energie von 30 MeV wird voraussichtlich nächstes Jahr online gehen.

Nach der assoziierten Mitgliedschaft Indiens am CERN ab 2017 bauen die Wissenschaftler und Ingenieure des Landes weiterhin auf ein reiches und vielfältiges Erbe an Beiträgen auf, das sich über zentrale Beschleunigertechnologien und die Teilnahme an hochenergetischen Physikexperimenten an vorderster Front erstreckt. Dies ist ein Vermächtnis, das sich über mehr als 50 Jahre Zusammenarbeit erstreckt. In den 1990er Jahren trug beispielsweise das RRCAT zum LEP bei, während das indische Team für Hochenergie-Schwerionenphysik zum WA93-Experiment am CERN-SPS beitrug. Ein internationales Kooperationsabkommen zwischen dem indischen Ministerium für Atomenergie (DAE) und dem CERN wurde 1992 unterzeichnet, um die Beziehungen zu vertiefen und die wissenschaftliche und technische Zusammenarbeit zwischen Indien und CERN auszuweiten. Diese Entwicklungen wiederum ebneten den Weg für die Entscheidung (1996) der indischen Atomenergiekommission, sich am Bau des LHC zu beteiligen – insbesondere, um zur Entwicklung der CMS- und ALICE-Detektoren beizutragen. Indien wurde 2002 ein CERN-Beobachterstaat, und der Erfolg der DAE-CERN-Partnerschaft am LHC führte zu einer neuen Zusammenarbeit bei neuartigen Beschleunigertechnologien, die die Beteiligung von DAE an den Linac4-, SPL- und CTF3-Projekten des CERN prägte.

An anderer Stelle leitet das Variable Energy Cyclotron Centre (VECC) in Kalkutta ein Projekt zum Bau eines medizinischen 18-MeV-Zyklotrons – einer Maschine, die die Produktionskosten für Positronen emittierende Radioisotope senken wird. Was die betrieblichen Besonderheiten angeht: Das System beschleunigt negative Wasserstoffionen (H–) aus einer externen Multicusp-Volumen-Ionenquelle, während eine Kohlenstoff-Stripperfolie den Ladungszustand der Ionen vor der Extraktion von negativ auf positiv ändert. Die bisherigen Fortschritte sind ermutigend: Der technische Entwurf des Hauptmagneten ist abgeschlossen und ein 1-mA-Strom wurde aus der H–-Ionenquelle extrahiert.

Weitere technologische Innovationen sind im Bereich der Hadronentherapie zu erkennen, bei der Protonen- oder Ionenstrahlen zur präzisen Tumorbekämpfung ohne Austrittsdosis eingesetzt werden – eine Fähigkeit, die nach Schätzungen von Klinikern die Therapieergebnisse bei 15–20 % der Krebspatienten, die eine Strahlentherapie erhalten, verbessern könnte. Indische Kliniken haben das Potenzial erkannt und kürzlich zwei 230-MeV-Protonenzyklotrone des belgischen Geräteherstellers IBA gekauft und installiert, um Krebsbehandlungen der nächsten Generation voranzutreiben.

Weitere Fortschritte wurden durch eine Zusammenarbeit zwischen SAMEER und KEK, Japans Forschungsorganisation für Hochenergiebeschleuniger, gemeldet. Gemeinsam haben die beiden Partner konzeptionelle Designstudien für ein Multiionen-Therapiegerät auf Basis eines neuartigen digitalen Beschleunigerkonzepts abgeschlossen. Das System ist im Grunde ein schnell zyklisches Induktionssynchrotron mit einer speziellen Strahlhandhabungsfähigkeit. (Zum Kontext: Die Beschleunigungsvorrichtungen eines herkömmlichen Synchrotrons, wie z. B. HF-Hohlräume, werden in einem Induktionssynchrotron durch Induktionsvorrichtungen ersetzt.) Es ist beispielsweise möglich, Partikel mit fast 200 kV Gleichstrom direkt in den Hauptring zu injizieren und, Daher benötigt das Induktionssynchrotron keinen separaten Injektor.

In einer ähnlichen Initiative haben das Tata Memorial Centre Mumbai und das Raja Ramanna Center for Advanced Technology (RRCAT), Indore, einen vorläufigen Entwurf für einen 2-MeV-Injektor und ein 70–250-MeV-Protonensynchrotron entwickelt, die möglicherweise auch dafür geeignet sind Strahlenabgabe mit variabler Energie und andere Ionenstrahltherapien.