УСТРОЙСТВО ДЛЯ РОТАЦИОННОЙ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ Российский патент 1999 года по МПК A61N5/10 G21K5/04 H05H9/00 

Изобретение относится к области медицинской аппаратуры, а именно к устройствам для ротационной лучевой терапии.

Известно устройство лучевой терапии, содержащее циклический ускоритель ионов, например протонов, систему вывода пучка заряженных частиц, систему ротации пучка частиц гантры (gantry). Такое устройство - циклический ускоритель совместно с гантри является сложным, громоздким и дорогостоящим инженерно-техническим сооружением (PSI Life Sciences and Institute for Medical Radiobiology, Newsletter 1994 - Annual Report 1994 (Annex II), Paul Scherrer Institut CH-5232 Villigen PSI, Swiss, p. 6-10, 13-15).

Известно устройство для лучевой терапии, содержащее линейный ускоритель ионов, например протонов, на бегущей волне с использованием обратной пространственной гармоники (Alexey S.Bogomolov "The Proposed Hospital-Based Proton Therapy Linear Accelerator", Proc. of the Linac Conf., Tsukuba, Japan, Aug. 21-26, 1994, p.p.564-566).

Использование линейного ускорителя ионов (протонов) позволяет подвести необходимую высокую радиационную дозу к опухоли без существенного повреждения нормальных тканей. Но такой ускоритель имеет существенный лечебный недостаток, т.к. пучок в пространстве строго фиксирован и для формирования дозного поля необходимо перемещать пациента.

Широко используются для ротационной лучевой терапии устройства, содержащие инжектор, линейный ускоритель электронов, систему питания ускоряющей секции, систему ротации, систему поворота пучка, сканирующую систему (Varian Clinac 2500 - Radiotherapy Linear Accelerator, Instruction, Palo-Alto, CA 94303, U.S.A., см. также Varian Clinac 2300 C/D в [4])-прототип.

В этом устройстве во вращающейся консоли размещены ускоряющая секция, обеспечивающая ускорение релятивистских частиц (электронов) в режиме стоячей волны, источник электронов и единственное устройство поворота пучка вдоль радиуса вращения в направлении оси вращения. Высокочастотное питание такого ускорителя выполнено на клистроне сантиметрового диапазона длин волн, который размещен в стационарной части несущей конструкции данного устройства. Подачу ВЧ-питания в подвижную ускоряющую секцию осуществляют посредством применения вращающегося шарнирно волноводного сочленения.

Медицинский ускоритель электронов для ротационной терапии является относительно дешевым устройством по сравнению с ускорителями ионов, оснащенных обособленными системами гантри. Известно однако, что ускорители электронов плохо формируют предписанные дозные поля и при облучении пучком электронов (или фотонов) ткани, расположенные перед очагом на пути пучка, также получают значительную радиационную дозу, и, кроме того, края пучка расплывчаты из-за сильного рассеивания этих частиц в силу малости их массы.

Данное изобретение устраняет недостатки прототипа в области формирования дозных полей, сохраняет преимущества ионно-лучевой терапии, позволяет значительно снизить габариты ионных устройств для лучевой терапии.

Техническим результатом данного изобретения является создание компактного устройства для ионной (протонной) ротационной лучевой терапии.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для ротационной лучевой терапии, содержащем инжектор, линейный ускоритель заряженных частиц, систему высокочастотного питания ускоряющей секции, систему поворота пучка, сканирующую систему и систему ротации, ускоритель выполнен в виде линейного ускорителя ионов и содержит неподвижную ускоряющую секцию, подвижную ускоряющую секцию, устройство, соединяющее неподвижную и подвижную ускоряющие секции, система высокочастотного питания ускоряющей секции состоит из системы высокочастотного питания неподвижной ускоряющей секции и системы высокочастотного питания подвижной ускоряющей секции, ко входам которых подсоединен задающий генератор, снабженный элементами синхронизации и фазирования, инжектор размещен на входном конце неподвижной ускоряющей секции, каждая из секций состоит из набора по меньшей мере двух ускоряющих модулей, выполненных на линейных ускоряющих структурах, при этом продольные оси распространения пучка в неподвижной и подвижной секциях смещены друг относительно друга на расстояние, равное радиусу вращения подвижной секции, устройство, соединяющее неподвижную и подвижную ускоряющие секции, содержит на входе и выходе по одному узлу поворота пучка заряженных частиц, первый из которых шарнирно присоединен к выходу последнего модуля неподвижной ускоряющей секции, а второй жестко присоединен к входу первого модуля подвижной ускоряющей секции. Система высокочастотного питания неподвижной ускоряющей секции выполнена в дециметровом диапазоне длин волн, а в кратном ему сантиметровом диапазоне длин волн выполнена система высокочастотного питания подвижной ускоряющей секции. Система высокочастотного питания неподвижной и/или подвижной секции содержит компрессор высокочастотной мощности. Каждый из ускоряющих модулей неподвижной секции выполнен на линейных ускоряющих структурах на обратной гармонике. Каждый из ускоряющих модулей подвижной секции выполнен на линейных ускоряющих структурах на прямой и/или обратной пространственной гармонике, и/или стоячей волне. Система высокочастотного питания подвижной ускоряющей секции выполнена вращающейся совместно с подвижной ускоряющей секцией.

В изобретении кардинальное уменьшение размеров аппаратуры для ускорения заряженных частиц, в частности протонов, достигнуто за счет разбиения ускорителя на две части - неподвижную ускоряющую секцию, наиболее громоздкую и массивную, и подвижную - ускоряющую секцию, каждая из которых снабжена своей собственной системой ВЧ-питания. ВЧ-питание обеих секций синхронизовано и сфазировано через задающий генератор. При этом устройство, соединяющее неподвижную и подвижную секции ускорителя, осуществляет параллельный перенос пучка заряженных частиц из неподвижной в подвижную секцию. Это в свою очередь определяет выполнение неподвижной и подвижной секций таким образом, чтобы смещение продольных осей распространения пучка в них относительно друг друга было равно радиусу вращения подвижной секции. Выделение относительно легкой подвижной ускоряющей секции позволяет компактно разместить в одном вращающемся блоке эту секцию совместно с системами поворота пучка и системой сканирования пучка и даже помещать в тот же вращающийся блок высокочастотное питание этой подвижной ускоряющей секции.

На фиг. 1 представлена общая схема заявляемой установки. На фиг. 2 показан в разрезе пример конкретного выполнения устройства, соединяющего неподвижную и подвижную ускоряющие секции. На фиг. 3 схематически представлен пример размещения подвижной секции относительно неподвижной секции.

Устройство для ротационной лучевой терапии содержит источник-инжектор 1 заряженных частиц, неподвижную 2 и подвижную 3 ускоряющие секции, питаемые соответствующими высокочастотными источниками 4 и 5, систему поворота пучка 6 и систему сканирования пучка 7, установленные на выходном конце 8 подвижной ускоряющей секции 3. Неподвижная 2 и подвижная 3 секции состоят из набора модулей 9 и 10 соответственно. На схеме фиг. 1 представлен вариант выполнения ускорителя, когда модули неподвижной секции 2 и первый модуль подвижной секции 3 выполнены на обратной гармонике, а второй модуль подвижной секции 3 выполнен на стоячей волне, и последний модуль подвижной секции выполнен на прямой гармонике. Соединение выходного модуля 9 неподвижной ускоряющей секции 2 с входным модулем 10 подвижной ускоряющей секции 3 осуществляет устройство 11, содержащее на входе и выходе по однотипному узлу поворота пучка заряженных частиц 12 и 13 соответственно. Узел 12 шарнирной муфтой 14 соединен с выходом последнего модуля неподвижной ускоряющей секции 2, а узел 13 креплением 15 жестко соединен с входом первого модуля подвижной ускоряющей секции 3. Ось вращения 16 подвижной ускоряющей секции 3 совпадает с продольной осью пучка 17, ускоряемого в неподвижной секции 2. Входы высокочастотных источников питания 4 и 5 соединены с выходами задающего генератора 18.

В разрезе представлен на фиг. 2 пример конкретного выполнения устройства 11, соединяющего неподвижную 2 и подвижную 3 ускоряющие секции, где 19 - магнит узла поворота 12, расположенного на выходном конце выходного модуля 9 неподвижной секции 2; 20 - магнит узла поворота 13, расположенного на входном конце входного модуля 10 подвижной секции 3; 21 и 22 проекции на плоскость чертежа осей ускоряемого в неподвижной и подвижной секциях пучка заряженных частиц.

На фиг. 3 показан вариант конкретного выполнения ротационного ускорителя ионов для лучевой терапии, когда подвижная секция расположена над неподвижной секцией и параллельный перенос пучка выполнен с дополнительным поворотом пучка на 180^o относительно варианта, представленного на схеме фиг. 1.

Установка работает следующим образом.

Пучок заряженных частиц, инжектируемый источником 1, ускоряется последовательно в модулях 9 неподвижной ускоряющей секции 2, питаемой высокочастотным источником 4 дециметрового диапазона длин волн, и поступает во вращающийся шарнирно узел поворота пучка 14. Магнитное поле магнита 19 поворачивает пучок и направляет его вдоль устройства 11 в узел поворота пучка 13, магнитное поле магнита 20 поворачивает пучок и направляет его через соединение 15 во входной модуль 10 подвижной ускоряющей секции 3, где пучок доускоряют до энергии, необходимой для облучения опухоли. Модули 10 запитывают более высокой и кратной частоте источника 4 частотой от источника высокочастотного питания 5. Допустима запитка ускоряющих секций через известные схемы компрессоров высокочастотной мощности. Частоты и фазы колебаний высокочастотных источников 4 и 5 синхронизированы и сфазированы с помощью задающего генератора 18, поэтому сгустки ускоряемых ионов всегда поступают в подвижную секцию в "правильной" фазе. Из последнего модуля подвижной ускоряющей секции 3 пучок ионов, ускоренный до предписанной энергии, поступает в выходное поворотное 6 и сканирующее 7 устройства. Устройство 6 направляет пучок на объект облучения, а устройство 7 позволяет сформировать поле облучения строго по форме облучаемого объекта. При повороте подвижной секции 3 на любой предписанный угол относительно оси вращения 16, которая совпадает с осью пучка, ускоренного в неподвижной секции 2, пучок облучает мишень с предписанного направления, что также применяется для формирования предписанного распределения дозного поля.

При конкретном выполнении ротационного ускорителя ионов для лучевой терапии неподвижную ускоряющую секцию размещают вместе с ее высокочастотным питанием в станине установки, а подвижную ускоряющую секцию вместе с необходимым высокочастотным питанием размещают во вращающейся консоли, которая соединена со станиной штангой, снабженной противовесом.

Таким образом, выполнение ротационного ускорителя заряженных частиц для лучевой терапии в виде двух частей - неподвижной и подвижной позволяет впервые создать компактную ротационную установку для лучевой ионной терапии, с габаритами, приемлемыми для широкой клинической практики и с возможностью оперативного доступа к пациенту.

Устройство используется в медицинской аппаратуре. Линейный ускоритель ионов состоит из подвижной и неподвижной ускоряющих секций и соединяющего их устройства. Ускоряющие секции подпитываются от соответствующих элементов системы высокочастотного питания. Система поворота пучка размещена на устройстве, соединяющем подвижную и неподвижную секции. Задающий генератор снабжен элементами синхронизации и фазирования. Система ротации содержит подвижную ускоряющую секцию, при этом продольные оси пучка в секциях смещены друг относительно друга на расстояние, равное радиусу вращения подвижной секции. Выполнение линейного ускорителя на бегущей волне с использованием обратной пространственной гармоники позволяет сократить габариты ускорителя ионов, а подвижная секция позволяет сократить габариты ротационной системы. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для ротационной лучевой терапии, содержащее инжектор, линейный ускоритель заряженных частиц, систему высокочастотного питания ускоряющей секции, систему поворота пучка, сканирующую систему и систему ротации, отличающееся тем, что ускоритель выполнен в виде линейного ускорителя ионов и содержит неподвижную ускоряющую секцию, подвижную ускоряющую секцию, устройство, соединяющее неподвижную и подвижную ускоряющие секции, система высокочастотного питания ускоряющей секции состоит из системы высокочастотного питания неподвижной ускоряющей секции и системы высокочастотного питания подвижной ускоряющей секции, ко входам которых подсоединен задающий генератор, снабженный элементами синхронизации и фазирования, инжектор размещен на входном конце неподвижной ускоряющей секции, каждая из секций состоит из набора по меньшей мере двух ускоряющих модулей, выполненных на линейных ускоряющих структурах, при этом продольные оси распространения пучка в неподвижной и подвижной секциях смещены друг относительно друга на расстояние, равное радиусу вращения подвижной секции, устройство, соединяющее неподвижную и подвижную ускоряющие секции, содержит на входе и выходе по одному узлу поворота пучка заряженных частиц, первый из которых шарнирно присоединен к выходу последнего модуля неподвижной ускоряющей секции, а второй жестко присоединен к входу первого модуля подвижной ускоряющей секции. 2. Устройство для ротационной лучевой терапии по п. 1, отличающееся тем, что система высокочастотного питания неподвижной ускоряющей секции выполнена в дециметровом диапазоне длин волн, а в кратном ему сантиметровом диапазоне длин волн выполнена система высокочастотного питания подвижной ускоряющей секции. 3. Устройство для ротационной лучевой терапии по пп.1 и 2, отличающееся тем, что система высокочастотного питания неподвижной и/или подвижной секции содержит компрессор высокочастотной мощности. 4. Устройство для ротационной лучевой терапии по п.1, отличающееся тем, что каждый из ускоряющих модулей неподвижной секции выполнен на линейных ускоряющих структурах на обратной гармонике. 5. Устройство для ротационной лучевой терапии по п.1, отличающееся тем, что каждый из ускоряющих модулей подвижной секции выполнен на линейных ускоряющих структурах на прямой и/или обратной пространственной гармонике, и/или стоячей волне. 6. Устройство для ротационной лучевой терапии по п.1, отличающееся тем, что система высокочастотного питания подвижной ускоряющей секции выполнена вращающейся совместно с подвижной ускоряющей секцией.