Ускорительный комплекс для терапии рака протонными и ионными пучками

Отличительной особенностью изобретения является применение установки электронного охлаждения ионного пучка, располагаемой в прямолинейном промежутке циклического ускорителя. Это позволяет уменьшить вертикальную апертуру магнитов, используемых в ускорителе, транспортных каналах и устройствах выпуска и развертки пучка на опухоли и, как следствие, энергопотребление всего ускорительного комплекса, что позволяет уменьшить стоимость ускорительного комплекса и курса терапии.

Ускорительная часть терапевтического комплекса состоит из инжектора, основного синхротрона с системой электронного охлаждения и системы транспортировки пучков высокой энергии к фиксированным портам и гантри.

Применение электронного охлаждения позволяет прецизионно управлять выходной энергией ионного пучка и реализовать две уникальных схемы выпуска пучка из ускорителя: Капельный (с управлением его интенсивностью от выстрела к выстрелу) и на рекомбинации ионов углерода. Это упрощает реализацию методов активного сканирования опухоли, синхронизованного с движениями пациента (дыханием и др.).

В мире существуют несколько аналогов строящегося в ИЯФ СОРАН ускорительного комплекса. Два из них в Японии "Hyogo Ion Beam Medical Center» [1. A. Itano et al, OPERATION OF MEDICAL ACCELERATOR PATRO AT HYOGO ION BEAM MEDICAL CENTER, Accelerator operation. Proceedings, 4th Workshop, WAO 2003, Hayama and Tsukuba, Japan, March 10-14, 2003.

http://conference.kek.jp/wao2003/papers/10p2-2.pdf 2.

2. Mitsuyuki ABE, Charged particle radiotherapy at the Hyogo Ion Beam Medical Center: Characteristics, technology and clinical results, Proceedings of the Japan Academy, Series В Vol.83 (2007), No. 6, pp.151-163

http://www.jstage.jst.go.jp/article/pjab/83/6/l5l/_pdf]

действующий с 2001 г.и центр HIMAC (Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba, at National Institute of Radiological Sciences), действующий с 1994 г.

[1. Toshikoshi Masami, HIMAC, National Inst. of Radiological Sciences, VOL.; NО.132; PAGE.63-73(1999)]

Первый из них (PATRO AT HYOGO ION BEAM MEDICAL CENTER) является наиболее близким аналогом, и является первым в мире специализированным ускорительным комплексом для терапии, как протонами, так и ионами углерода. Ускорительная часть комплекса включает в себя систему инжекции, основной ускоритель, систему транспортных каналов высокой энергии, систему доставки пучка к пациенту (систему формирования дозного поля). Используются 2 типа пучков для лечения: протоны с энергией 70÷230 МэВ и ионы углерода с энергией 70÷320 МэВ/нуклон. Инжекционная часть комплекса включает в себя два источника ионов, линейный ускоритель с высокочастотной квадрупольной фокусировкой, линейный ускоритель на энергию 5 МэВ/нуклон и разгруппирователь. Кольцо основного ускорителя (синхротрона) представляет собой структуру с раздельными функциями и сильной FODO фокусировкой и суперпериодичностью равной 6. Периметр кольца 93.6 м. Для выпуска пучка используется схема медленного выпуска на резонансе 3-го порядка.

Недостатки существующих комплексов; В существующих медицинских ускорительных комплексах размер пучка при заданной интенсивности, необходимой для терапевтических целей, оказывается относительно большим, что требует применения магнитов с большой апертурой как в самом ускорителе, так и в транспортных каналах, служащих для доставки пучка в облучательные комнаты. С увеличением апертуры магнитов существенно растет их энергопотребление.

С целью устранения вышеописанных недостатков предлагается использовать систему электронного охлаждения пучков ионов, располагаемую в прямолинейном промежутке основного синхротрона. Это позволит удешевить ионную и протонную терапию рака, сделать ее более доступной для широких слоев населения.

Максимальная интенсивность пучка ионов, которую можно накопить в кольце без электронного охлаждения значительно ниже, чем в кольце, оборудованном такой системой.

Без системы электронного охлаждения несколько затруднена возможность прецизионно менять энергию выпускаемого из ускорителя терапевтического пучка и невозможно реализовать порционный выпуск пучка или выпуск на рекомбинации, что усложняет реализацию объемного ЗД сканирования (облучения) опухоли, синхронизированного с дыханием пациента, в аналогичных комплексах.

Таким образом, отличительной особенностью предполагаемого изобретения является применение эффективного электронного охлаждения ионного пучка, предложенного, впервые реализованного и развитого в Институте Ядерной Физики им. Г.И.Будкера СО РАН [Будкер Г.И., Эффективный метод демпфирования колебаний частиц в протонных и антипротонных накопителях, Атомная энергия 1967, т.22, вып.5, стр.346.]. До настоящего времени системы электронного охлаждения пучков ионов применялись в физических установках, но не в специализированных медицинских ускорительных комплексах.

«Холодные» протонные и ионные пучки имеют предельно малые поперечные размеры и разброс частиц в пучке по энергии. Это позволяет уменьшить вертикальную апертуру магнитов ускорителя и транспортных каналов, а также реализовать малоапертурные быстрые кикеры в схеме развертки пучка на опухоли для формирования дозного поля.

Принцип работы электронного охлаждения основан на совмещении электронного и ионного пучков, двигающихся с одинаковой скоростью, в секции охлаждения. Сила трения между электронами и ионами приводит к выравниванию температур ионов и электронов. Соответственно, уменьшается поперечный размер ионного пучка и продольный разброс по энергии.

В тексте заявки используются 3 фигуры. На фиг.1. приведен общий вид комплекса протонно-ионной терапии (вариант компоновки). На фиг.2 приведен эскизный чертеж системы электронного охлаждения с указанием ее отдельных элементов. На фиг.3 показан общий вид системы электронного охлаждения в псевдотрехмерном виде.

Ускорительная часть терапевтического комплекса (фиг.1) состоит из инжекционной части (1, 2), основного синхротрона (3) с системой электронного охлаждения (4), транспортных каналов высокой энергии (5), по которым пучок ускоренных частиц поступает в облучательные комнаты с фиксированными портами (6) и гантри (7). Гантри - это устройство, которое обеспечивает облучение опухоли в теле пациента с разных направлений, тем самым, уменьшая паразитную дозу облучения здоровых тканей, окружающих опухоль. Облучательные комнаты оборудованы системами формирования дозного поля.

Инжекционная часть включает в себя ионные источники, электростатический или ВЧ ускоритель, быстроцикличный бустерный синхротрон (2, на фиг.1) и каналы транспортировки пучков низкой энергии.

Основной синхротрон (3, на фиг.1) служит для ускорения ионов до терапевтической энергии, транспортные каналы высокой энергии служат для распределения пучка из основного синхротрона в облучательные комнаты с фиксированными портами облучения пациентов (горизонтальными и вертикальными) и с гантри.

Ключевым элементом, отличающим предлагаемую схему ускорительного комплекса от аналогов, является применение установки электронного охлаждения (4, на фиг.1) для охлаждения циркулирующего в основном синхротроне ионного пучка. Данная установка располагается в прямолинейной секции циклического ускорителя (основного синхротрона).

Схематически система электронного охлаждения показана на фиг.2, общий вид в псевдотрехмерном виде приведен на фиг.3. Электронный пучок формируется электронной пушкой (16, здесь и далее указываются номера выносок на фиг.2) и последовательно проходит: ускорительную трубку (15), тороидальную секцию (17) для сведения пучков электронов и ионов, секцию охлаждения (14), тороидальную секцию (12) для разведения электронного и ионного пучков и секцию замедления (10), и в конце пути поглощается в коллекторе (11). Электронный пучок находится в магнитном поле от пушки до коллектора. Коллектор находится под потенциалом, несколько отличным от потенциала катода.

Высокое напряжение создается с помощью специального источника (5÷250 кВ), расположенного в баке (8). Высокое напряжение подается на центральную трубку фидера (9), соединяющего коллектор с пушкой. Вторичная обмотка выпрямителя коллектора расположена внутри фидера. Источник питания коллектора (2÷5 кВ, 0÷3 А) создает разность напряжений между пушкой и коллектором. Бак (8), фидер (9) и ускорительные трубки (15,18) помещаются в изолирующий газ (элегаз 8F₆) под давлением около 1,7 атм.

Центробежная сила, действующая на электроны в поворотной секции, создается как электростатическими пластинам, так и магнитными корректирующими соленоидами. Ведущее магнитное поле создается с помощью набора соленоидов. Этот набор состоит из трех частей: системы пушка-коллектор (20, 23), тороидальной системы (12, 17) и системы основного соленоида (21). Все соленоиды располагаются на раме, сделанной из магнитомягкого железа. Эта рама замыкает магнитный поток и является магнитным экраном. В месте ввода и вывода ионных пучков расположена дипольная коррекция (22), которая компенсирует отклонения ионного пучка, вызванные вертикальной компонентой магнитного поля в тороидальной секции (12, 17).

Вакуумная камера откачивается с помощью двух ионных насосов, расположенных вблизи тороидальной секции (19), Дополнительная откачка обеспечивается магниторазрядным насосом, расположенным вблизи ускорительной трубки замедляющей колонны (13). Остаточное давление составляет приблизительно 10^-8-10^-9 Па.

Благодаря применению системы электронного охлаждения становятся возможными прецизионное изменение выходной энергии ионного пучка и две уникальных схемы выпуска пучка из ускорителя: капельный (порционный) выпуск пучка и выпуск на рекомбинации. Это упрощает реализацию объемного ЗД облучения опухоли, синхронизированного с дыханием пациента, что является современным требованием медиков к подобным комплексам. Также упрощается реализация других используемых методов облучения опухолей.

Таким образом, предлагаемый протонно-углеродный комплекс использует следующие технологии облучения, применение которых упрощается при использовании системы электронного охлаждения:

- Активное сканирование энергии. Система управления основным синхротроном позволяет плавно изменять энергию ионного пучка. Для прецизионного сканирования энергии применяется установка электронного охлаждения.

- Активное управление размерами пучка с помощью фокусирующих элементов, а не пассивного коллиматора, что позволяет оперативно изменять размер пучка от выстрела к выстрелу при порционном выпуске.

- Управление интенсивностью пучка. При лечении нужно использовать модуляцию интенсивности ионного пучка от выстрела к выстрелу при порционном выпуске.

- Сканирование тонким пучком опухоли в поперечной плоскости заданным образом от одной точки к другой. Такая техника обеспечивает точное облучение опухолей, имеющих неправильную форму, и оптимальное сохранение окружающих здоровых тканей.

Ускорительный комплекс работает следующим образом:

Отрицательные ионы углерода или ионы Н^- из соответствующих ионных источников ускоряются в электростатическом ускорителе-тандеме или ВЧ ускорителе до энергий порядка 1 МэВ/нуклон, полученный пучок по транспортным каналам поступает в бустерный синхротрон. Инжекция в бустерный синхротрон осуществляется в горизонтальной плоскости. Инжекция ионов углерода многооборотная, инжекция протонов - однооборотная. Бустерный синхротрон ускоряет протоны до максимальной энергии 250 МэВ, достаточной для протонной терапии, а ионы углерода-до 30 МэВ/нуклон. Пучок протонов из бустера выпускается в выпускной канал и транспортируется к протонным облучательным портам. Пучок ионов углерода из бустера через транспортный канал инжектируется в основной синхротрон для дальнейшего ускорения.

После инжекции в основной синхротрон, ионный пучок накапливается, накопление ионного пучка происходит в течение нескольких рабочих циклов бустера, далее пучок охлаждается, ускоряется до необходимой энергии (можно реализовать 250 уровней по энергии), требуемой для терапии (140-430 МэВ/нуклон), и выпускается в систему транспортных каналов высокой энергии.

При использовании электронного охлаждения ионного пучка можно использовать две различные схемы выпуска пучка из основного синхротрона: схему с применением мало-апертурного импульсного кикера с высокой частотой повторения и выпуск на рекомбинации. Первый метод, названный «капельным» или «порционным» выпуском позволяет разделить ионный пучок на несколько тысяч порций («капель») с управляемой интенсивностью порции. Рекомбинация ионов углерода при прохождении через участок охлаждения используется в другой схеме медленного выпуска. Малая относительная скорость между ионами и электронами приводит к значительной вероятности рекомбинации. Управление интенсивностью и поперечным размером электронного пучка дает возможность для точного изменения интенсивности и эмиттанса ¹²С⁵⁺ пучка, выпускаемого из системы электронного охлаждения.

Для активного трехмерного сканирования необходимо варьировать энергию выпущенного пучка с высокой точностью. Возможность ускорения или торможения пучка посредством силы трения электронного пучка была продемонстрирована в ряде экспериментов. Устройство электронного охлаждения позволяет управлять энергией выпущенного пучка, посредством изменения энергии электронного пучка одновременно с магнитным полем синхротрона.

Выпущенный пучок по транспортным каналам высокой энергии попадает в облучательные комнаты с фиксированными портами и гантри. Каждый порт оборудован системой формирования дозного поля на опухоли. Используется мало-апертурная сканирующая система с высокой частотой повторения.

Предполагается использование гантри со сверхпроводящими магнитными элементами (сверхпроводящая гантри). Она включает в себя следующие подсистемы: сверхпроводящие поворотные магниты с криостатами, охладители, реконденсоры, вакуумную систему с токовводами, систему питания и управления, квадрупольные магниты и механическую систему вращения и поддержки.

Ускорительный комплекс для терапии рака протонными и ионными пучками, включающий в себя инжектор с бустерным синхротроном, основной синхротрон, каналы транспортировки частиц низкой и высокой энергии, сверхпроводящую гантри, отличающийся тем, что в прямолинейном промежутке основного синхротрона установлена система электронного охлаждения ионного пучка.