Gần đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Quebec đã tiến hành một thí nghiệm thành công tại Phòng thí nghiệm Nguồn sáng Laser Tiên tiến tại Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada (INRS), chứng minh ứng dụng đầy hứa hẹn của công nghệ laser cực nhanh trong xạ trị ung thư.
"Lần đầu tiên chúng tôi đã chứng minh rằng trong những điều kiện nhất định, chùm tia laser tập trung chặt chẽ vào không khí xung quanh có thể tăng tốc các electron lên dải năng lượng MeV (mega-electron volt), năng lượng tương đương với một số bộ bức xạ được sử dụng trong bức xạ ung thư." trị liệu." Franois Légaré, giáo sư INRS và lãnh đạo khoa học của Phòng thí nghiệm Nguồn sáng Tiên tiến (ALLS) cho biết.
Bằng cách tập trung chặt chẽ một số chu kỳ của tia laser cấp milijoule (mJ), femto giây (fs), hồng ngoại (IR), các nhà nghiên cứu tạo ra các chùm electron tương đối tính trong không khí xung quanh và đạt được suất liều cao lên tới 0.15 Gray trên giây (Gy/s). Ở áp suất khí quyển, cường độ tia laser của chúng đạt tới 1 × 1019 watt trên centimet vuông (W/cm-2). Đội nghiên cứu đã đo chùm electron thu được và nhận thấy nó có năng lượng cực đại lên tới 1,4 MeV.
Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra cách kết hợp tiêu điểm chặt chẽ, bước sóng dài và thời lượng xung chu kỳ ngắn của laser để hạn chế ảnh hưởng của tích phân b lên chùm tia laser hội tụ. Mật độ cao của các phân tử không khí trong tiêu điểm có thể bị ion hóa đủ để tạo thành plasma gần với mật độ tới hạn, mang lại hiệu suất chuyển đổi cao từ laser sang điện tử. Thông qua mô phỏng hạt trong tế bào ba chiều, các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng cơ chế gia tốc dựa trên cơ sở tương đối tính, có thế năng chuyển động khối lượng và về mặt lý thuyết phù hợp với năng lượng và sự tán xạ của electron đo được.
Sơ đồ bố trí thí nghiệm: các xung ánh sáng laser hồng ngoại siêu ngắn tập trung chặt chẽ vào không khí xung quanh, tạo ra bức xạ ion hóa liều lượng cao.
Các nhà nghiên cứu tin rằng sức mạnh của nguồn điện tử điều khiển bằng laser này bắt nguồn từ sự đơn giản của nó. Một quang học tập trung duy nhất trong không khí xung quanh có thể tạo ra chùm tia điện tử mang lại liều bức xạ tương đương một năm cho một người đứng cách xa một mét trong vòng chưa đầy một giây. Không cần thiết lập phức tạp hoặc buồng chân không, khiến phương pháp này phù hợp với nhiều ứng dụng chiếu xạ bằng cách giảm yêu cầu sản xuất nguồn điện tử MeV cực nhanh.
Những tiến bộ trong công nghệ laser đã cho phép tăng tốc trường đánh thức bằng laser - một quá trình tăng tốc các electron lên năng lượng cao trong một khoảng thời gian rất ngắn bằng cách tạo ra plasma - hoạt động trong vùng hồng ngoại trung bình với các hệ thống lớp mJ để tạo ra dòng hạt MeV cao có thể được sử dụng trong nghiên cứu sinh học phóng xạ. Tuy nhiên, những nguồn điện tử điều khiển bằng laser năng lượng cao này đòi hỏi phải lắp đặt phức tạp và cồng kềnh trong buồng chân không, điều này làm hạn chế khả năng tiếp cận chùm tia.
Các nguồn điện tử MeV điều khiển bằng laser có thể cung cấp các phương pháp mới để điều trị ung thư, chẳng hạn như liệu pháp bức xạ FLASH, một phương pháp điều trị các khối u có khả năng kháng lại liệu pháp xạ trị thông thường. Với liệu pháp FLASH, liều phóng xạ cao có thể được truyền đi trong vài phần triệu giây thay vì vài phút. Tốc độ phân phối này giúp bảo vệ các mô khỏe mạnh xung quanh khối u khỏi tác động của bức xạ. Mặc dù tác dụng của FLASH chưa được hiểu đầy đủ nhưng các nhà khoa học tin rằng FLASH có thể gây ra tình trạng khử oxy nhanh chóng ở các mô khỏe mạnh, làm giảm độ nhạy cảm của mô với bức xạ.
Tỷ lệ liều bức xạ đo được (thang logarit) là hàm của khoảng cách từ tiêu điểm đối với ba năng lượng xung laser khác nhau.
Nhà nghiên cứu Simon Vallières cho biết: “Chưa có nghiên cứu nào có thể giải thích bản chất của hiệu ứng đèn flash. Tuy nhiên, nguồn điện tử được sử dụng trong liệu pháp bức xạ FLASH có những đặc điểm tương tự như nguồn mà chúng tôi tạo ra bằng cách tập trung tia laser mạnh vào không khí xung quanh. Một khi các nguồn bức xạ được kiểm soát tốt hơn, các nghiên cứu sâu hơn sẽ cho phép chúng tôi điều tra nguyên nhân gây ra hiệu ứng chớp nhoáng và cuối cùng cung cấp liệu pháp bức xạ tốt hơn cho bệnh nhân ung thư."
Các nhà nghiên cứu tin rằng khả năng mở rộng phương pháp tiếp cận của họ sẽ tăng lên cùng với sự phát triển liên tục của các laser công suất trung bình cao thuộc lớp mJ. Sự phát triển nhanh chóng của các nguồn laser, nhắm mục tiêu tăng năng lượng xung sẵn có và tốc độ lặp lại, có thể cho phép kỹ thuật INRS được mở rộng tới các năng lượng điện tử cao hơn và suất liều lớn hơn.
Các nhà nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của sự an toàn khi xử lý các chùm tia laser tập trung chặt chẽ vào không khí xung quanh. Khi các phép đo được thực hiện ở vùng lân cận nguồn bức xạ, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy suất liều bức xạ từ các điện tử cao gấp ba đến bốn lần so với liều được sử dụng trong xạ trị thông thường.
Vallières cho biết: “Năng lượng quan sát được của các electron (MeV) cho phép chúng di chuyển hơn 3 mét trong không khí hoặc vài mm dưới da, điều này gây ra nguy cơ tiếp xúc với bức xạ đối với người sử dụng nguồn sáng laser”. mối nguy hiểm bức xạ này là cơ hội để thực hiện các biện pháp an toàn hơn trong phòng thí nghiệm."
