Bayesian optimization of a laser-plasma accelerator aiming the production of high-energy electron beams for VHEE radiotherapy

Abstract

A radioterapia é uma das principais modalidades de tratamento para tumores malignos. No entanto, a toxicidade dos tecidos normais, que limita a dose, ainda é um dos obstáculos significativos à sua aplicação. A protonterapia tem se mostrado promissora por sua potencial adequação a esse aspecto; contudo, seu custo é atualmente considerado elevado demais para o uso generalizado, uma vez que é necessária uma infraestrutura significativa para transportar os feixes até os pacientes. Elétrons com energias variando de 50 a 250 MeV, conhecidos como elétrons de altíssima energia (VHEE, do inglês Very High Energy Electrons), exibem penetração profunda nos tecidos, tornando-os uma opção atraente para a radioterapia convencional e para a radioterapia FLASH. Esta última destaca-se como uma alternativa capaz de fornecer doses curativas mais elevadas, possibilitando a redução da toxicidade em tecidos normais e a superação da resistência tumoral à radiação. Equipamentos baseados na tecnologia FLASH a partir de VHEE tornam-se vantajosos para produzir tal efeito. Em particular, para este propósito, aceleradores a laser-plasma (LPA) têm sido estudados para produzi-los de forma compacta e com custo reduzido, se comparados à aceleração convencional de íons em cíclotrons, apresentando grande potencial para aplicações médicas. Neste contexto, este trabalho propõe o uso da otimização Bayesiana de um acelerador de laser-plasma para produzir feixes de elétrons com propriedades adequadas para radioterapia VHEE. O processo de otimização, abrangendo 377 simulações, resultou em um feixe de elétrons de alta qualidade com uma carga total de aproximadamente 1,86 nC. O espectro de energia final é bimodal, com picos distintos e quase monoenergéticos em energias terapeuticamente relevantes de 160 MeV e 197 MeV, além de um corte nítido em 300 MeV. Isso representa um espectro "mais limpo" e qualitativamente superior para aplicações VHEE em comparação a trabalhos anteriores, com uma redução significativa na população de elétrons de baixa energia. Uma análise de correlação revelou percepções físicas importantes, identificando a composição do gás como um potencial determinante da energia do feixe e a geometria da rampa de plasma como um possível controle principal para a carga acelerada, exigindo análises paramétricas adicionais. No entanto, o estudo foi limitado pela falta de convergência dos parâmetros de entrada, o que foi atribuído ao uso de uma mistura gasosa de Hélio-Nitrogênio. A viabilidade computacional desta pesquisa foi apoiada pelo Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC/MCTI, Brasil), que forneceu acesso ao supercomputador Santos Dumont (Projeto LPA-FARMA), contribuindo significativamente para os resultados relatados neste trabalho.