تیم کانادایی از فناوری لیزر فوق سریع برای پرتودرمانی سرطان استفاده می کند

اخیراً، محققان دانشگاه کبک آزمایش موفقیت‌آمیزی را در آزمایشگاه منبع نور لیزر پیشرفته در شورای تحقیقات ملی کانادا (INRS) انجام دادند که استفاده امیدوارکننده از فناوری لیزر فوق سریع برای پرتودرمانی سرطان را نشان داد.
ما برای اولین بار نشان دادیم که تحت شرایط خاص، یک پرتو لیزر به شدت بر روی هوای محیط متمرکز شده است، می‌تواند الکترون‌ها را تا محدوده انرژی MeV (مگا الکترون ولت) شتاب دهد، که همان انرژی برخی از رادیاتورهای مورد استفاده در تشعشعات سرطانی است. درمان." فرانوا لگاره، استاد INRS و رهبر علمی آزمایشگاه منابع نور پیشرفته (ALLS) گفت.
محققان با متمرکز کردن دقیق چندین چرخه لیزر در سطح میلی‌ژول (mJ)، فمتوثانیه (fs)، مادون قرمز (IR)، پرتوهای الکترونی نسبیتی را در هوای محیط تولید می‌کنند و به نرخ‌های دوز بالایی تا 0 دست می‌یابند. در هر ثانیه (Gy/s). در فشار اتمسفر، شدت لیزر آنها به 1019 × 1 وات بر سانتی‌متر مربع (W/cm-2) رسید. این تیم پرتو الکترونی حاصل را اندازه گیری کردند و دریافتند که حداکثر انرژی آن تا 1.4 مگا ولت است.
این تیم نشان داد که چگونه فوکوس فشرده لیزر، طول موج طولانی و مدت پالس سیکل کوتاه با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا اثر یکپارچگی b را بر پرتو لیزر متمرکز محدود کنند. چگالی بالای مولکول های هوا در حجم کانونی قابل یونیزاسیون برای تشکیل پلاسما نزدیک به چگالی بحرانی کافی است که بازده تبدیل بالایی از لیزر به الکترون را فراهم می کند. از طریق شبیه‌سازی‌های سه‌بعدی ذره در سلول، محققان تأیید کردند که مکانیسم شتاب مبتنی بر نسبی‌گرایی است، پتانسیل حرکت جرمی دارد و از لحاظ نظری با انرژی‌های اندازه‌گیری شده الکترون و پراکندگی همخوانی دارد.

شماتیک تنظیمات آزمایشی: پالس های نور لیزر مادون قرمز فوق کوتاه به شدت روی هوای اطراف متمرکز شده و دوز بالایی از تابش یونیزان تولید می کند.
محققان بر این باورند که قدرت این منبع الکترونی لیزری ناشی از سادگی آن است. یک نوری متمرکز در هوای اطراف می‌تواند یک پرتو الکترونی تولید کند که در کمتر از یک ثانیه دوز تابش یک سال را به فردی که یک متر دورتر می‌ایستد می‌رساند. هیچ تنظیمات پیچیده یا محفظه خلاء مورد نیاز نیست، این روش را برای بسیاری از کاربردهای تابش با کاهش الزامات تولید منابع الکترونی فوق سریع MeV مناسب می کند.
پیشرفت‌های فناوری لیزر، شتاب میدان بیدار لیزری را فعال کرده است - فرآیندی که الکترون‌ها را در مدت زمان بسیار کوتاهی با تولید پلاسما به انرژی‌های بالا شتاب می‌دهد - تا در مادون قرمز متوسط ​​با سیستم‌های کلاس mJ برای تولید شار ذرات بالای الکترون‌های MeV کار کند. که می تواند در تحقیقات رادیوبیولوژی استفاده شود. با این حال، این منابع الکترونی پرانرژی لیزری نیاز به نصب پیچیده و حجیم در محفظه‌های خلاء دارند که دسترسی به پرتو را محدود می‌کند.
منابع الکترونی MeV با لیزر می‌توانند رویکردهای جدیدی را برای درمان سرطان ارائه دهند، مانند پرتودرمانی FLASH، روشی برای درمان تومورهایی که به پرتودرمانی مرسوم مقاوم هستند. با فلاش درمانی، دوزهای بالای پرتو را می توان به جای چند دقیقه در میکروثانیه تحویل داد. این سرعت تحویل به محافظت از بافت سالم اطراف تومور در برابر اثرات تشعشع کمک می کند. اگرچه اثرات FLASH به طور کامل شناخته نشده است، دانشمندان معتقدند که FLASH ممکن است باعث اکسیژن‌زدایی سریع بافت سالم شود و حساسیت بافت را به تشعشع کاهش دهد.

میزان دوز تابش اندازه‌گیری شده (مقیاس لگاریتمی) به عنوان تابعی از فاصله از نقطه کانونی برای سه انرژی پالس لیزر مختلف.
محقق Simon Vallières گفت: "هیچ مطالعه ای هنوز نتوانسته ماهیت اثر فلاش را توضیح دهد." با این حال، منبع الکترونی مورد استفاده در پرتودرمانی FLASH دارای ویژگی های مشابه با منبعی است که ما با تمرکز لیزر به شدت بر روی هوای محیط تولید می کنیم. هنگامی که منابع تشعشع بهتر کنترل شوند، مطالعات بیشتر به ما امکان می دهد تا علل اثر فلاش را بررسی کنیم و در نهایت پرتودرمانی بهتری را برای بیماران سرطانی ارائه کنیم."
محققان معتقدند که مقیاس پذیری رویکرد آنها با توسعه مداوم لیزرهای با توان متوسط ​​بالا در کلاس mJ افزایش خواهد یافت. توسعه سریع منابع لیزر، با هدف قرار دادن افزایش انرژی پالس موجود و نرخ‌های تکرار، می‌تواند به تکنیک INRS اجازه دهد تا به انرژی‌های الکترونی بالاتر و نرخ‌های دوز بیشتر گسترش یابد.
محققان همچنین بر اهمیت ایمنی هنگام برخورد با پرتوهای لیزر متمرکز بر هوای اطراف تأکید کردند. هنگامی که اندازه‌گیری‌ها در مجاورت منبع تشعشع انجام شد، این تیم نرخ دوز تابش الکترون‌ها را مشاهده کردند که سه تا چهار برابر بیشتر از آن‌هایی بود که در پرتودرمانی معمولی استفاده می‌شد.
Vallières گفت: "انرژی مشاهده شده الکترون ها (MeV) به آنها اجازه می دهد تا بیش از 3 متر در هوا یا چند میلی متر زیر پوست حرکت کنند، که خطر قرار گرفتن در معرض تابش را برای کاربران منبع نور لیزر به همراه دارد. این خطر تشعشع فرصتی برای اجرای اقدامات ایمن تر در آزمایشگاه است."