Các nhà nghiên cứu từ Nhóm nghiên cứu và công nghệ sức khỏe tại ANSTO và Đại học Wollongong đã phát triển một thiết bị mới có thể cải thiện việc kiểm soát chất lượng của liệu pháp bắt neutron boron dựa trên máy gia tốc, một liệu pháp bức xạ tiềm năng trong điều trị các bệnh ung thư xâm lấn. Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Radiation Measurements về một thiết bị hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại mới (Quad-MOSFET), được thiết kế để giám sát các chùm neutron theo thời gian thực, tiết kiệm chi phí được sử dụng trong liệu pháp bắt giữ neutron boron.
Các nguồn neutron từ máy gia tốc là những lựa chọn thay thế tiên tiến cho các lò phản ứng hạt nhân truyền thống để sản xuất neutron. Kỹ thuật này sử dụng máy gia tốc tuyến tính, công nghệ tăng tốc các hạt tích điện lên năng lượng cao, tạo ra neutron khi các hạt này va chạm với vật liệu mục tiêu. Sau đó neutron được điều tiết hoặc giảm tốc độ xuống mức năng lượng mong muốn cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm cả BNCT. Các nguồn neutron dựa trên máy gia tốc rất nhỏ gọn và tiết kiệm chi phí, tăng cường khả năng tiếp cận neutron cho nhiều ứng dụng, bao gồm các phương pháp điều trị y tế hoặc sản xuất hạt nhân phóng xạ. Liệu pháp bắt neutron boron (BNCT) là phương pháp điều trị ung thư tiên tiến nhắm vào các tế bào ung thư với độ chính xác cao. Nó sử dụng các hợp chất chứa boron tích tụ trong tế bào ung thư. Khi các tế bào này được chiếu xạ neutron, các nguyên tử boron sẽ bắt giữ neutron và trải qua các phản ứng hạt nhân, tiêu diệt các tế bào ung thư trong khi không tổn hại các mô khỏe mạnh xung quanh.
Khi neutron chạm vào các nguyên tử boron trong tế bào khối u, chúng sẽ kích hoạt phản ứng hạt nhân cục bộ, giải phóng các hạt tích điện thứ cấp tiêu diệt các tế bào ung thư trong khi phần lớn vẫn giữ lại các mô khỏe mạnh, vì các tế bào khỏe mạnh chứa rất ít nguyên tử boron (Nguồn: Klaud Jakubowski)
Với sự phát triển của các nguồn neutron dựa trên máy gia tốc (AB), liệu pháp bắt neutron boron (BNCT) được coi như một phương thức điều trị ung thư, đặc biệt là đối với u nguyên bào thần kinh đệm đa dạng, ung thư đầu và cổ, khối u ác tính và ung thư trung biểu mô ác tính. Tính đến năm 2022, có tổng cộng 26 dự án AB-BNCT trên toàn thế giới (ISNCT, 2022). Chúng bao gồm 09 cơ sở lâm sàng, 07 cơ sở dành riêng cho sử dụng thử nghiệm, 05 cơ sở đang trong giai đoạn vận hành và 05 cơ sở đang trong giai đoạn xây dựng hoặc phát triển. BNCT sử dụng phản ứng bắt neutron nhiệt ở B-10, được đưa đến các tế bào ung thư bằng các tác nhân nhắm mục tiêu như boronophenylalanine (10B-BPA) và natri mercaptoundecahydro-closo-dodecaborate (10B-BSH). Mỗi phản ứng bắt neutron boron giải phóng năng lượng tuyến tính cao (LET) hạt 𝛼 và ion 7Li, do phạm vi hoạt động ngắn trong mô nên sẽ cung cấp liều cao trực tiếp đến các tế bào khối u. BNCT sử dụng neutron biểu mô để điều trị các khối u nằm sâu, vì những neutron này sẽ tỏa nhiệt trong cơ thể bệnh nhân trước khi đến được mục tiêu. Mặc dù 10B được phân phối có chọn lọc đến mục tiêu nhưng nó cũng tích tụ trong tế bào da và các mô xung quanh. Do đó, chùm tia neutron có thành phần neutron nhiệt đáng kể sẽ làm tăng liều da (hoặc liều vào) đối với liều mục tiêu nhất định so với phổ chùm tia bị chi phối bởi neutron biểu mô.
Ví dụ, các phương pháp điều trị AB-BNCT được mô hình hóa bằng cách sử dụng hệ thống lập kế hoạch điều trị NeuCure và SERA (TPS) và mô phỏng PHITS Monte Carlo độc lập, báo cáo liều tối đa cho da khoảng 3,0–4,4 Gy, 2,1 Gy, 0,2–0,5 Gy và 1,6–1,8 Gy do boron , gamma, nitơ và các thành phần liều hydro tương ứng. Giám sát chùm tia hiện tại trong AB-BNCT chủ yếu đánh giá các số liệu vật lý có giá trị đối với chùm neutron trong không khí theo định nghĩa của IAEA, bao gồm dòng neutron biểu mô tuyệt đối, tỷ lệ dòng neutron nhiệt và dòng neutron biểu nhiệt, tốc độ liều neutron và gamma nhanh đến biểu nhiệt, tỷ lệ dòng neutron và tổng dòng neutron ròng trên tỷ lệ dòng biểu nhiệt.
Thiết kế hệ thống thiết bị áp dụng kỹ thuật trên dựa trên sự kết hợp tối ưu của 04 máy dò MOSFET để đo thời gian thực dòng neutron nhiệt, biểu mô và neutron nhanh tương đối cũng như dòng của bức xạ 𝛾 trong trường gamma/neutron hỗn hợp cường độ cao. MOSFET được tối ưu hóa bằng cách mô phỏng nhiều độ dày bộ chuyển đổi và chọn những độ dày mang lại độ chọn lọc và độ nhạy tối ưu cho các thành phần neutron nhiệt, biểu mô và neutron nhanh. Sau đó, hiệu suất của thiết bị MOSFET được tối ưu hóa được đánh giá cho hai tình huống vận hành: thứ nhất, là thiết bị kiểm soát chất lượng được sử dụng trong không khí tự do, để kiểm tra chất lượng chùm tia; và thứ hai, là một thiết bị theo dõi chùm tia theo thời gian thực được đặt trên da của bệnh nhân và được sử dụng trong suốt quá trình truyền chùm tia và điều trị cho bệnh nhân, trong đó đánh giá tác động của tán xạ ngược đến hiệu suất của thiết bị. Sau đó, thiết kế cuối cùng được đánh giá bằng cách sử dụng Geant4 trong trường bức xạ neutron dựa trên máy gia tốc thực tế để xác định khả năng của thiết bị trong việc ước tính sự thay đổi tương đối trong thông lượng được ghi lại bởi mỗi thiết bị. Thiết bị này có khả năng phân biệt giữa neutron nhiệt, neutron biểu nhiệt và neutron nhanh khi có nền photon, cho phép giám sát chùm neutron theo thời gian thực một cách chính xác. Thiết kế cải tiến bao gồm bốn máy dò MOSFET, mỗi máy được tối ưu hóa bằng các vật liệu chuyển đổi khác nhau để đo có chọn lọc dòng neutron trên các phổ năng lượng khác nhau.
Việc triển khai thành công thiết bị MOSFET sẽ mở đường cho kỷ nguyên mới BNCT dựa trên máy gia tốc. Với khả năng theo dõi chùm neutron trong thời gian thực, các bác sĩ lâm sàng có thể đưa ra các phương pháp điều trị ung thư hiệu quả và an toàn hơn. Nhóm nghiên cứu hiện đang đánh giá nguyên mẫu của thiết bị này tại nguồn neutron nhiệt duy nhất của Úc – thiết bị chụp ảnh neutron nhiệt DINGO tại Trung tâm tán xạ neutron Úc – trước khi chuyển sang thử nghiệm tại cơ sở BNCT dựa trên máy gia tốc ở nước ngoài.
Từ khóa: BNCT; neutron;
– CMD&DND –
