BR112020021584A2 - Um sistema acelerador linear de prótons para irradiar tecidos com duas ou mais fontes de rf - Google Patents
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Abstract
um sistema acelerador linear de prótons para irradiar tecidos com duas ou mais fontes de rf. os feixes de prótons são uma alternativa promissora a raios x para propósitos terapêuticos porque eles podem também destruir as células cancerosas, mas com um dano muito reduzido no tecido saudável. a dose de energia no tecido pode ser concentrada no local do tumor, configurando o feixe para posicionar o pico de bragg próximo ao tumor. a faixa longitudinal de um feixe de prótons no tecido geralmente depende da energia do feixe. entretanto, após a troca de energias, o sistema de feixe de prótons requer algum tempo para que a energia do feixe se estabilize antes de poder ser usada para terapia. um sistema acelerador linear de prótons é fornecido para irradiar o tecido com um controle de energia de feixe melhorado, configurado para fornecer energia de rf a partir de uma primeira fonte de energia de rf durante o tempo ativo do ciclo de operação do feixe de prótons para alterar a energia do feixe de prótons e para fornecer energia de rf de uma segunda fonte de energia de rf distinta durante o tempo inativo do ciclo de operação do feixe de prótons para aumentar ou manter a temperatura da cavidade. cada fonte de rf é operada de forma independente, permitindo que taxas de pulso de rf mais altas alcancem a cavidade, suportando um tempo menor entre os pulsos de energia do feixe de prótons. além disso, os requisitos de potência de pico para a segunda fonte de energia de rf podem, em geral, ser menores do que para a segunda fonte de energia de rf, permitindo que um tipo menos caro seja usado para a segunda fonte. o uso de uma primeira e segunda fonte de rf pode reduzir o tempo de acomodação da cavidade de minutos para menos de 10 segundos.
Description
COM DUAS OU MAIS FONTES DE RF Campo da invenção
[001] A invenção se refere a um sistema acelerador linear de prótons para irradiar o tecido e compreende uma fonte de prótons para fornecer um feixe de prótons durante uma operação. Antecedente da invenção
[002] Os feixes energéticos, como raios X, têm sido usados de maneira terapêutica por muitos anos para danificar o DNA de células cancerosas e matá-las em humanos e animais. Entretanto, durante o tratamento de tumores, os raios X expõem os tecidos saudáveis ao redor, particularmente ao longo do caminho dos raios X pelo corpo, antes (dose de entrada) e depois (dose de saída) do local do tumor. A dose de raios X frequentemente e suficientemente elevada pode resultar em efeitos colaterais em curto prazo e podem resultar posteriormente em carcinogênese, disfunção de crescimento no tecido saudável e retardamento do crescimento no caso de crianças.
[003] Os feixes de prótons são uma alternativa promissora porque eles podem também destruir as células cancerosas, mas com um dano muito reduzido no tecido saudável. A dose de energia no tecido pode ser concentrada no local do tumor, configurando o feixe para posicionar o Pico de Bragg o mais próximo do tumor, reduzindo muito a dose no caminho do tratamento de entrada e, em muitos casos, eliminando quase completamente a dose de saída no caminho do tratamento. A faixa longitudinal de um feixe de prótons no tecido geralmente depende da energia do feixe. Aqui a dose é usada para indicar o grau de interação entre o feixe e o tecido - a interação é mínima até a porção final do feixe de prótons, onde a energia do próton é depositada em uma distância relativamente curta ao longo do caminho do feixe. Esta redução na exposição indesejada longitudinalmente antes e depois do local alvo significa que doses aprimoradas podem ser aplicadas sem comprometer o tecido saudável ao redor. Isso pode reduzir a duração do tratamento, permitindo que a aplicação de uma dose efetiva diferencial ao próprio tumor, acima e além da dose que é absorvida antes e depois do tumor e normalmente reduz os efeitos colaterais devido à dose menor ao redor. É particularmente benéfico no tratamento de tumores localizados próximos a estruturas ou órgãos importantíssimos, como o cérebro, o coração, a próstata ou a medula espinhal e durante o tratamento de tumores em crianças. Sua precisão o torna particularmente efetivo ao tratar tumores oculares. Além disso, os feixes de prótons podem ser precisamente posicionados e desviados para promover o controle transversal de caminhos do feixe.
[004] Um dos obstáculos ao uso abrangente da terapia de próton é a disponibilidade de fontes e aceleradores de prótons compactas e de preço acessível. A energia dos prótons usada para tratamento estão geralmente na faixa de 50-300 MeV e mais geralmente na faixa de 70-250 MeV. Fontes existentes que contam com os cíclotrons ou síncrotrons são muito grandes, requerem instalações personalizadas e sua construção e a manutenção são caras. O uso de aceleradores lineares (Linacs) permite a construção de uma fonte compacta que pode ser instalada em instalações médicas existentes.
[005] A posição longitudinal (profundidade) da dose de energia de próton é configurada principalmente alterando-se as energias dos prótons (geralmente medidas em MeV) no feixe. A patente norte-americana 05382914 descreve um sistema linac compacto de terapia de feixe de prótons que utiliza três estágios para acelerar os prótons provenientes da fonte de próton: um linac de quadrupolo de radiofrequência (RFQ), um linac de tubo de derivação (DTL) e um linac acoplado lateral (SCL). O SCL compreende até dez unidades aceleradoras organizadas em cascata, cada unidade sendo fornecida com uma fonte de energia de RF. A energia do feixe de tratamento é controlada por um sistema de seleção grossa/fina - no ajuste grosso, desligar uma ou mais das unidades do acelerador fornece onze etapas controladas de 70 MeV a 250 MeV, com cada etapa sendo de aproximadamente 18 MeV. O ajuste fino da energia do feixe entre essas etapas é realizado inserindo absorvedores degradantes, como folhas, no feixe.
[006] A desvantagem de tal sistema é que, após cada etapa de troca, o sistema de feixe de prótons requer algum tempo para que a energia do feixe se estabilize antes de poder ser usada para terapia. Além disso, os sistemas de acionamento para as folhas degradadas geralmente não são confiáveis e as folhas devem ser substituídas regularmente. Objetivo da invenção
[007] É um objetivo da invenção fornecer um sistema acelerador linear de prótons para irradiar tecidos com um controle de energia de feixe melhorado. Sumário da invenção
[008] Um primeiro aspecto da invenção fornece um sistema acelerador linear de prótons para irradiar tecido, o sistema acelerador compreendendo: uma fonte de prótons para fornecer um feixe de prótons pulsado durante a operação; um controlador de saída de feixe para ajustar a corrente do feixe de prótons saindo da fonte; uma unidade aceleradora tendo: uma entrada de feixe de prótons para receber o feixe de prótons; uma saída de feixe de prótons para saída feixe de prótons; uma primeira fonte de energia de RF para fornecer energia de RF durante a operação; e segunda fonte de energia de RF, distinta da primeira fonte, para fornecer energia de RF durante a operação; pelo menos uma cavidade que se estende da entrada de feixes de prótons até a saída do feixe de prótons, para receber energia de RF da primeira e/ou segunda fonte de energia e para acoplar a energia de RF ao feixe de prótons conforme ele passa entrada do feixe para a saída do feixe; o sistema compreende ainda: um controlador de energia de RF conectado à primeira e à segunda fonte de energia de RF para ajustar a energia de RF fornecida a pelo menos uma cavidade e ainda conectado ao controlador de saída de feixe; o controlador de saída de feixe sendo configurado para fornecer pulsos de feixe de prótons com um ciclo de operação de feixe predeterminado e/ou controlado; o controlador de energia de RF sendo configurado para fornecer energia de RF da primeira fonte de energia de RF durante o tempo de inativo do ciclo de operação do feixe de prótons para alterar a energia do feixe de prótons e fornecer energia de RF da segunda fonte de energia de RF durante o tempo inativo do ciclo de operação do feixe de prótons para aumentar ou manter a temperatura da cavidade.
[009] Durante a operação do sistema para terapia de prótons, o dano ao tecido circundante pode ser reduzido mudando a energia do feixe e, portanto, tanto o alcance do feixe quanto o pico de Bragg correspondente. Ajustando-se a profundidade do pico de Bragg, muitos picos de Bragg separados podem ser sobrepostos para produzir um pico de Bragg estendido que produza uma distribuição de dose uniforme, ou aproximadamente uniforme, que cobre a região do tumor. Portanto, é vantajoso ter um tempo relativamente pequeno entre as etapas de energia, pois isso reduz o tempo total de tratamento, reduzindo assim o risco de movimentação do paciente durante o tratamento. Além disso, ou como alternativa, o número de níveis de energia disponíveis para o tratamento pode ser aumentado, permitindo um controle mais preciso da difusão da energia para os tecidos circundantes. Adicionalmente ou alternativamente, os movimentos do tumor durante o tratamento devido, por exemplo, à respiração do paciente, também podem ser compensados em tempo real para melhorar ainda mais o controle. Entretanto, isso requer um aumento na taxa dos pulsos de aceleração de RF que precisa ser fornecida à cavidade durante a operação.
[010] Além disso, o fornecimento de pulsos de compensação de RF (energia de RF durante o tempo inativo do ciclo de operação do feixe de prótons) pode aumentar a taxa de pulso de RF alcançando a cavidade ainda mais. A aplicação de potência de RF às cavidades da unidade aceleradora durante o tempo inativo do feixe de prótons pode reduzir o tempo de acomodação, uma vez que esses pulsos de compensação de RF podem ser predeterminados e/ou controlados para aumentar ou manter a temperatura da cavidade.
[011] A invenção se baseia no critério de que aumentar a taxa de pulso de uma fonte de RF pode reduzir consideravelmente a vida útil e a confiabilidade da fonte de RF. Além disso, a taxa de pulso de RF mais alta significa que uma fonte de RF mais cara pode ser necessária, aumentando o custo do sistema acelerador. Duas fontes de RF distintas são fornecidas - uma primeira fonte, ou primária, de energia de RF principalmente arranjada para fornecer pulsos de aceleração de RF, e uma segunda fonte, ou secundária, de energia de RF principalmente arranjada para fornecer pulsos de compensação de RF. Cada fonte de RF é operada de forma independente, permitindo que taxas de pulso de RF mais altas alcancem a cavidade, suportando um tempo menor entre os pulsos de energia do feixe de prótons. Além disso, os requisitos de potência de pico para a segunda fonte de energia de RF podem, em geral, ser menores do que para a segunda fonte de energia de RF, permitindo que um tipo menos caro seja usado para a segunda fonte. O uso de uma primeira e segunda fonte de RF pode reduzir o tempo de acomodação da cavidade de minutos para menos de 10 segundos.
[012] Em outro aspecto da invenção, o sistema acelerador compreende ainda um acoplador de RF para transferir energia de RF da primeira e/ou segunda fonte de energia de RF para pelo menos uma cavidade, o acoplador de RF tendo: uma primeira entrada de RF para receber energia de RF da primeira fonte de RF; uma segunda entrada de RF para receber energia de RF da segunda fonte de RF; e uma saída de RF para fornecer energia de RF para pelo menos uma cavidade.
[013] O uso de um acoplador de RF possibilita uma maneira conveniente de transferir a energia de RF de uma fonte de RF ou de ambas as fontes ao mesmo tempo.
[014] Em outro aspecto da invenção, o controlador de energia de RF é ainda configurado para fornecer energia de RF da primeira fonte de energia de RF como uma potência de pico e ainda configurado para fornecer energia de RF da segunda fonte de energia de RF como potência média.
[015] A primeira fonte de RF pode ser ainda otimizada para fornecer alta potência de pico para os pulsos de aceleração de RF, e a segunda fonte de RF pode ser otimizada para fornecer uma potência de pico consideravelmente mais baixa para os pulsos de compensação de RF.
[016] Também em outro aspecto da invenção, o controlador de energia de RF é ainda configurado para fornecer consideravelmente a mesma energia de RF para cada ciclo de operação de feixe de prótons sucessivo.
[017] A energia que atinge a cavidade durante cada ciclo de operação de feixe de prótons sucessivo da primeira e da segunda fontes de RF é mantida consideravelmente constante. Isso pode possibilitar um alto grau de estabilidade do feixe com um baixo tempo de acomodação, o que é particularmente vantajoso durante o tratamento.
[018] Em outro aspecto da invenção, o controlador de energia de RF é ainda configurado para fornecer energia de RF da primeira fonte de energia de RF com uma primeira potência de pico e ainda configurado para fornecer uma energia de RF sucessiva da segunda fonte de energia de RF com uma segunda potência de pico, a segunda potência de pico sendo consideravelmente menor do que a primeira potência de pico. Além disso, ou como alternativa, o controlador de energia de RF pode ser configurado para fornecer energia de RF da primeira fonte de energia de RF com uma primeira largura de pulso e ainda configurado para fornecer uma energia de RF sucessiva da segunda fonte de energia de RF com uma segunda largura de pulso, a segunda largura de pulso sendo consideravelmente maior que a primeira largura de pulso.
[019] Também em outro aspecto da invenção, o sistema acelerador compreende ainda: um sistema de controle de temperatura para adaptar a temperatura de pelo menos uma cavidade usando um líquido, configurado e arranjado para aumentar ou manter a temperatura de pelo menos uma cavidade durante o tempo inativo do ciclo de operação do feixe de prótons.
[020] Além disso, um sistema de controle de temperatura à base de líquido pode ser usado para melhorar ainda mais a compensação e/ou estabilização de temperatura. A combinação com compensação de temperatura de RF pode permitir o uso de um sistema de controle de temperatura simplificado em comparação aos sistemas convencionais.
[021] Estes e outros aspectos da invenção são evidentes e serão explicados com referência às representações descritas a seguir. Descrição breve dos desenhos Nos desenhos:
[022] A figura 1 mostra esquematicamente um sistema acelerador linear de prótons de acordo com a invenção,
[023] A figura 2 representa esquematicamente um estágio de aceleração que compreende uma ou mais unidades aceleradoras em cascata,
[024] A figura 3 representa esquematicamente uma unidade aceleradora com uma cavidade para a qual a energia de RF pode ser fornecida por uma primeira e uma segunda fonte de RF,
[025] A figura 4 representa um segundo exemplo de uma unidade aceleradora com uma cavidade para a qual a energia de RF pode ser fornecida por uma primeira e uma segunda fonte de RF,
[026] A figura 5 apresenta exemplos da operação de uma primeira fonte de RF apenas, e
[027] A figura 6 mostra outros exemplos da operação de uma primeira e segunda fonte de RF,
[028] A figura 7 mostra outro exemplo de uma unidade aceleradora de acordo com a invenção,
[029] A figura 8 mostra outro exemplo de uma unidade aceleradora de acordo com a invenção, e
[030] A figura 9 mostra ainda outro exemplo de uma unidade aceleradora de acordo com a invenção. Descrição detalhada da invenção
[031] A figura 1 mostra esquematicamente um sistema acelerador linear de prótons (ou linac) 100 de acordo com a invenção. O sistema linac 100 compreende uma fonte de feixe de prótons 110 para fornecer um feixe de prótons 115 durante a operação. Um controlador de saída de feixe 120 é fornecido para determinar e/ou controlar a corrente de feixes de prótons que sai da fonte
110. O feixe de prótons 115 que sai do controlador de feixes 120 é um feixe pulsado. Também pode ser vantajoso configurar o controlador de feixes 120 para variar o ciclo de trabalho do feixe de prótons 145 (representado nas figuras 5 e 6). O controlador de saída de feixe 120 também pode ser configurado para esvaziar o feixe para um ou mais ciclos de trabalho de feixe de prótons 145, 245. Conforme representado nas figuras 5 e 6, o ciclo de operação 190 do feixe de prótons 115 geralmente compreende um tempo ativo e um tempo inativo - o tempo ativo é quando a energia do feixe de prótons 115 é maior que zero, e o tempo inativo é quando a energia do feixe de prótons 115 é consideravelmente menor que a energia no tempo ativo. O ciclo de trabalho do feixe de prótons 145 é o tempo ativo expresso como uma fração do período do ciclo de operação 190 e frequentemente especificado como uma porcentagem ou razão. Normalmente, a energia durante o tempo inativo é menor ou igual à energia mínima necessária para a operação do sistema acelerador de prótons 100. A energia durante o tempo ativo é geralmente suficiente para fins terapêuticos e pode contribuir para a dose terapêutica administrada ao paciente.
[032] A fonte de feixe de prótons 110 pode compreender outros componentes e subcomponentes, por exemplo, uma fonte de hidrogênio ou plasma, componentes de aceleração de prótons, componentes de modulação de intensidade, componentes de formação de pulso e feixe e etc.
[033] Um ou mais estágios de aceleração 102,104,106 são fornecidos para aumentar a energia do feixe para níveis geralmente necessários para a terapia de 50 - 300 MeV, e mais geralmente na faixa de 70-250 MeV. Podem ser utilizadas quaisquer técnicas de aceleração adequadas que sejam conhecidas pelo especialista.
[034] O feixe de prótons 115 que sai do controlador de feixes 120 entra no primeiro estágio de aceleração 102. Nesta representação em particular, o primeiro estágio 102 pode ser fornecido por um RFQ (quadrupolo de radiofrequência) que acelera o feixe até aproximadamente 3 a 10 MeV, de preferência 5 MeV. O objetivo principal do RFQ é manter o feixe focado durante o primeiro estágio de aceleração e converter um feixe contínuo em um agrupado.
[035] Em um primeiro exemplo, um RFQ 102 adequado pode operar a uma frequência de 750 MHz, com uma tensão de pá a pá de 68kV, uma transmissão de feixe de 30% e uma potência de pico de RF necessária de 0,4 MW. Em um segundo exemplo, um RFQ 102 adequado pode operar a uma frequência de 499,5 MHz, com uma tensão de pá a pá de 50kV, uma transmissão de feixe de 96% e uma potência de pico de RF necessária de 0,2 MW.
[036] O RFQ 102 também pode ser configurado para operar como um controlador de saída de feixe 120- quando operado como um "cortador", se não houver nenhum controlador de feixes associado à fonte, caso em que um feixe de prótons pulsado 115 pode ainda ser fornecido usando uma fonte de prótons 110. A função de controlador de saída de feixe descrita acima pode, então, ser parcialmente ou totalmente integrada no RFQ 102, ou o controle pode ser distribuído entre o RFQ 102 e a fonte de prótons 110.
[037] O feixe de prótons 115 saindo do primeiro estágio de aceleração 102 entra no segundo estágio de aceleração 104. Nesta representação em particular, o segundo estágio 104 pode ser fornecido por um ou mais SCDTLs (Linac de tubo de derivação acoplado lateral) que aceleram o feixe até aproximadamente 25 a 50 MeV, de preferência 37,5 MeV. Como exemplo, um SCDTL 104 adequado pode operar em 3GHz e quatro desses SCDTLs podem ser operados em cascata para atingir a aceleração de 37,5 MeV.
[038] O feixe de prótons 115 saindo do segundo estágio de aceleração 104 entra no terceiro estágio de aceleração 106, que compreende uma ou mais unidades aceleradoras em cascata 130
[039] A figura 2 representa mais detalhes do terceiro estágio de aceleração 106 da figura 1, e a figura 3 representa unidades de aceleração em cascata 130 no terceiro estágio de aceleração 106.
[040] Nesta representação em particular, o terceiro estágio 106 pode ser fornecido por um ou mais CCLs (Linac de Cavidade Acoplada) 130 que aceleram o feixe até a energia máxima do sistema 100. Isso é aproximadamente 50-300 MeV e mais tipicamente na faixa de 70-250 MeV. Como exemplo, um CCL adequado 130 pode operar a aproximadamente 3GHz e dez dessas unidades CCLs podem ser operadas em cascata para atingir a aceleração de 230 MeV, cada CCL fornecendo aceleração de 20 MeV.
[041] O sistema acelerador 100 compreende ainda um controlador de energia de RF 180 conectado a uma ou mais das fontes de energia de RF 132, 232. O controlador é configurado e arranjado para ajustar a energia de RF fornecida a uma ou mais cavidades de uma ou mais unidades de aceleração 130. O controlador 180 é ainda conectado ao controlador de saída de feixe 120 e configurado e arranjado para fornecer energia de RF a partir das fontes de energia de RF 132, 232, durante o tempo inativo do ciclo de operação de feixe de prótons 190.
[042] O feixe de prótons 115 que emerge do terceiro estágio de aceleração 106 geralmente é guiado para uma linha de transferência de feixe de alta energia, compreendendo ímãs flexíveis, para direcionar o feixe para um bocal na aplicação ao paciente durante o tratamento.
[043] O feixe de prótons 115 geralmente é entregue ao paciente em pulsos de tempo ativo terapêuticos de uma duração predeterminada e/ou controlada (normalmente entre alguns microssegundos e alguns milissegundos) em uma frequência de repetição predeterminada e/ou controlada (geralmente entre 100 e 400 Hz). Nos casos em que o tempo ativo terapêutico é maior que o período de repetição da fonte de prótons 110, o ciclo de trabalho do feixe de prótons 145, 245 é o produto da duração do tempo ativo de pulso terapêutico 145 e a frequência de repetição da fonte de prótons 110. Nos casos em que o tempo ativo terapêutico é menor ou igual ao período de repetição da fonte de prótons 110, o ciclo de trabalho do feixe de prótons 145, 245 é determinado pela duração do tempo ativo do pulso terapêutico 145, 245.
[044] A figura 3 representa esquematicamente uma unidade aceleradora 130, que compreende: - uma entrada de feixe de prótons 135 para receber o feixe de prótons 115; - uma saída de feixe de prótons 137 para saída do feixe de prótons 115;
- uma primeira fonte de energia de RF 132 para fornecer energia de RF durante a operação; e segunda fonte de energia de RF 232, distinta da primeira fonte 132, para fornecer energia de RF durante a operação; - pelo menos uma cavidade 131 que se estende da entrada do feixe de prótons 135 para a saída do feixe de prótons 137 para receber energia de RF da primeira 132 e/ou segunda 232 fonte de energia de RF e para acoplar a energia de RF ao feixe de prótons 115 conforme ele passa da entrada do feixe de prótons 135 para a saída do feixe de prótons 137.
[045] O controlador de energia de RF 180 é configurado e arranjado para controlar a primeira 132 e/ou segunda 232 fontes de energia de RF: - para fornecer energia de RF a partir da primeira fonte de energia de RF 132, principalmente durante o tempo ativo do ciclo de operação de feixe de prótons 190 para alterar a energia do feixe de prótons 115 e - para fornecer energia de RF a partir da segunda fonte de energia de RF 232, principalmente durante o tempo inativo do ciclo de operação do feixe de prótons 190 para aumentar ou manter a temperatura da cavidade 131.
[046] Durante a operação, a energia de RF é fornecida durante o tempo inativo do feixe de prótons para compensar a mudança de temperatura experimentada nas cavidades de RF 131 entre os pulsos do feixe de prótons 145. A instabilidade vista após as unidades de aceleração serem ligadas ou desligadas está principalmente relacionado às mudanças de temperatura na cavidade 131. Essas cavidades geralmente são feitas de metal e mudanças consideráveis na potência de RF fornecida à cavidade produzem mudanças de temperatura que causam a contração ou a expansão da cavidade. Como a cavidade suporta ondas eletromagnéticas sintonizadas, qualquer expansão ou contração térmica sintonizará a cavidade fora da ressonância e interromperá o feixe de prótons 115.
[047] O fornecimento de energia de RF para compensação pode ser vantajoso quando pulsos de aceleração de energia de RF sucessivos, fornecidos durante o tempo ativo do feixe de prótons, fornecem níveis de potência similares ou idênticos. Após o tempo inativo, uma cavidade 131 pode precisar de um curto período para se acomodar, uma vez que um pulso de aceleração de energia de RF foi aplicado (ativo). Esta instabilidade pode limitar o pulso de feixe de prótons utilizável 145, pois uma instabilidade excessiva na energia dos pulsos de feixe de prótons 145 pode resultar na instabilidade de posicionamento do feixe de prótons durante a operação. Ao fornecer pulsos de compensação de RF apropriados durante o tempo inativo do feixe de prótons, esse tempo de acomodação pode ser reduzido ou mesmo eliminado.
[048] A compensação de energia de RF pode ser particularmente vantajosa quando pulsos de aceleração de energia de RF sucessivos, fornecidos durante o tempo ativo do feixe de prótons, fornecem diferentes níveis de energia para variar a energia dos pulsos do feixe de prótons. A energia de RF para compensação pode ser predeterminada e/ou controlada para fornecer uma temperatura de cavidade otimizada para um pulso de aceleração de RF subsequente.
[049] Em geral, quando as cavidades ressonantes de RF 131 mudam de temperatura, a condição ressonante muda e a eficiência da cavidade 131 de armazenamento de energia de RF pode cair. Esta condição cria reflexos indesejáveis de potência de RF da cavidade 131.
[050] A eficiência da cavidade 131 pode ser melhorada corrigindo a temperatura da cavidade 131, fornecendo pulsos de compensação de RF. Como alternativa ou adicionalmente, a frequência de RF dos pulsos de aceleração de RF e/ou pulsos de compensação de RF podem ser modificados.
[051] Em geral, fontes de energia de RF com uma frequência de aproximadamente 3 GHz podem ser usadas, por exemplo e RFQ de 2,99792 GHz. A frequência dos pulsos de aceleração de RF é preferencialmente fixada em quatro vezes a do RFQ, pois isso pode fornecer um alto grau de estabilidade do feixe de prótons. No entanto, a frequência dos pulsos de compensação de RF tem apenas um efeito indireto na estabilidade do feixe de prótons, permitindo um maior grau de modificação da frequência.
[052] O uso de pulsos de compensação de RF é preferido em vez de sistemas de controle de temperatura à base de líquido, que são conhecidos na técnica por estabilizar e adaptar a temperatura de cavidades semelhantes 131 - eles usam troca de calor e são dominados por convecção, que é um processo lento. Em um sistema acelerador linear para uso terapêutico, as mudanças de temperatura nas cavidades 131 podem ser muito rápidas - o sistema de correção de temperatura, consequentemente, requer um tempo de resposta rápido que é possível usando os pulsos de compensação de RF.
[053] Essas cavidades 131 geralmente são feitas de metal e mudanças consideráveis na potência de RF fornecida à cavidade produzem mudanças de temperatura que causam a contração ou a expansão da cavidade. Como a cavidade suporta ondas eletromagnéticas sintonizadas, qualquer expansão ou contração térmica sintonizará a cavidade fora da ressonância e interromperá o feixe de prótons 115. Fora da ressonância significa que o feixe de prótons 115 não está corretamente acoplado ao campo de RF nos ciclos de trabalho próximos e/ou subsequentes 145, 245 - o resultado é uma redução, ou mesmo uma parada completa, da aceleração. Na prática, isso pode resultar na perda do feixe terapêutico durante o tratamento.
[054] Para um modulador clístron típico e fonte de energia de RF 132, a largura de pulso de RF nominal disponível para acelerar o feixe pode ser de plano de 5 microssegundos. Para uma operação típica de 200 pulsos por segundo, o período do ciclo de operação 190 é de 5 milissegundos. Por exemplo, durante a operação com uma única fonte de RF 132, pulsos de aceleração de 5µs (microssegundos) e 7,5MW podem ser fornecidos por esta única fonte de RF 132 durante o tempo ativo do feixe de prótons 115. Com uma taxa de pulso de RF de 200 Hz, uma potência média de 7,5 kW pode ser fornecida. Cerca de 3 kW de potência média podem atingir a cavidade 131. Qualquer potência de RF não absorvida pelo feixe de prótons 115 é dissipada nas paredes da cavidade
131, produzindo calor. O sistema de resfriamento de água convencional absorve a maior parte do excesso de calor para atingir um equilíbrio na temperatura ressonante da cavidade. Qualquer mudança na potência de RF produzirá muito ou pouco calor. Essa diferença de calor produz dilatação ou contração, e o volume interno da cavidade muda. A condição de ressonância é então reduzida ou mesmo perdida, e alguma potência é refletida, resultando em um feixe com uma energia incorreta.
[055] O aumento e a estabilização da temperatura usando energia de RF são dominados por perdas ôhmicas nas paredes da cavidade, que é um processo mais rápido. A energia de RF fornecida pela segunda fonte de energia de RF 232 aumenta e/ou estabiliza a temperatura da cavidade 131 e o grau de aumento e/ou estabilização pode ser predeterminado e/ou controlado alterando a potência de RF fornecida pela segunda fonte de energia de RF 232 Com base em medições em cavidades reais onde nenhum pulso de compensação de RF é usado, cerca de 1 grau centígrado pode ser perdido a cada 5 a 20 segundos, e aproximadamente 1 minuto seria necessário para recuperar cada grau centígrado perdido.
[056] De preferência, a temperatura das cavidades de RF 131 é mantida consideravelmente constante, fornecendo energia proveniente da segunda fonte de energia de RF 232 para compensar as variações de energia da primeira fonte de energia de RF 132. No entanto, o especialista perceberá que mesmo uma compensação parcial também pode ser vantajosa, pois pode reduzir o tempo de acomodação quando o pulso de feixe de prótons está ativado. Os sistemas convencionais de controle de temperatura à base de líquido podem, adicionalmente, ser usados para melhorar ainda mais a compensação e/ou estabilização de temperatura, mas o uso de compensação de RF pode simplificar qualquer sistema de controle de temperatura à base de líquido em comparação com os sistemas convencionais. O uso de uma primeira 132 fonte de RF e segunda 232 fonte de RF conforme descrito nesta divulgação pode reduzir o tempo de acomodação da cavidade de minutos para menos de 10 segundos.
[057] Pode ser vantajoso usar cada fonte de energia de RF 132, 232 predominantemente para sua finalidade primária e marginalmente para sua finalidade secundária. O objetivo principal da segunda fonte de energia de RF 232 é ser dissipada por perdas Ôhmicas, enquanto a primeira fonte de energia de RF 132 de preferência cumpre os requisitos operacionais em termos de amplitude, fase, estabilidade etc.
[058] A segunda fonte de energia de RF 232 pode ser menos cara do que a primeira fonte de energia de RF 132, pois os requisitos operacionais também podem ser reduzidos em comparação com a primeira fonte de energia de RF 132. Por exemplo, um ou mais dos seguintes: uma potência de RF de pico mais baixo, uma largura de pulso mais longa, um grau mais baixo de estabilidade de energia de RF, um tempo de acomodação de energia de RF mais alto. Pode até ser uma fonte de onda contínua (cw).
[059] Um exemplo típico de cavidades de aceleração de aplicações médicas seria o uso de um clístron como uma primeira fonte de energia de RF 132, fornecendo pulsos de RF curtos de alta qualidade para tratamento e o uso de girotron ou amplificadores de estado sólido como uma segunda fonte de energia de RF 232, para compensação de energia de RF.
[060] Fontes de energia de RF conhecidas na técnica podem limitar a operação de RF a uma taxa de pulso de RF de 200 pulsos por segundo ou 200 Hz. Para uma operação típica de 200 pulsos por segundo, o período do ciclo de operação 190 é de 5 milissegundos. Como cada fonte de RF 132, 232 na invenção pode ser operada de forma independente, uma taxa de pulso de RF mais alta combinada pode ser fornecida para suportar um tempo menor entre os pulsos de energia do feixe de prótons.
[061] Além disso, os requisitos de potência de pico para a segunda fonte de energia de RF podem, em geral, ser menores do que para a segunda fonte de energia de RF, permitindo que um tipo menos caro seja usado. Normalmente, a taxa de pulso da primeira fonte de energia de RF 132 determinará a adequação de um segundo projeto de fonte de energia de RF 232. Quanto menor a taxa de pulso, maior será o tempo decorrido entre os pulsos de aceleração de RF, permitindo a escolha de uma segunda fonte de energia de RF 232 com menor pico de potência de pulso para a mesma potência média o que em geral reduzirá o preço.
[062] A operação da primeira 132 e da segunda 232 fontes de energia de RF é sincronizada pelo controlador de energia de RF
180. De preferência, a segunda fonte de energia de RF 232 é operada no tempo decorrido entre os pulsos da primeira fonte de energia de RF 132 para reduzir ou mesmo eliminar a interferência.
[063] Por exemplo, a largura de pulso da primeira fonte 132, quando usada para acelerar principalmente o feixe, pode ser 5us. A largura de pulso da segunda fonte 232, quando usada para compensar principalmente, pode ser de 5 ms. Neste caso, a potência de pico da segunda fonte 232 pode ser aproximadamente mil vezes menor do que a potência de pico da primeira 132 para manter consideravelmente a mesma potência média. Assim, mesmo se a primeira fonte 132 e a segunda 232 operarem consideravelmente ao mesmo tempo (ou com um alto grau de sobreposição temporal), o efeito da segunda fonte 232 no feixe de prótons 115 poderá ser consideravelmente insignificante - pode até ser desprezível. Sob essas condições, a segunda fonte de RF 232 pode ser uma fonte cw (onda contínua).
[064] No entanto, o uso de mais de uma fonte de energia de RF distinta 132, 232, significa que também pode ser vantajoso configurar e organizar o controlador de energia de RF 180: - para fornecer energia de RF da primeira fonte de energia de RF 132 secundariamente durante o tempo inativo do ciclo de operação de feixe de prótons 190 para alterar a energia do feixe de prótons 115, e - para fornecer energia de RF a partir da segunda fonte de energia de RF 232, secundariamente durante o tempo inativo do ciclo de operação do feixe de prótons 190 para aumentar ou manter a temperatura da cavidade 131.
[065] Em muitos casos, a energia de RF é configurada e arranjada para aumentar ou manter a energia do feixe de prótons 115, por exemplo, usando a modulação de amplitude de RF. Em alguns casos,
a energia de RF pode ser configurada e arranjada para reduzir a energia do feixe de prótons 115, por exemplo, usando modulação de fase de RF.
[066] Nesse contexto, distinto significa um dispositivo diferente, mesmo que o tipo de dispositivo seja o mesmo. Eles são operados em tempos consideravelmente diferentes, embora na prática devido aos tempos de aumento e queda não desprezíveis dos pulsos, pode haver alguma sobreposição temporal entre os pulsos de RF da primeira 132 e da segunda 232 fontes de energia de RF.
[067] Se ambas as fontes de RF 132, 232 forem acopladas ao mesmo acoplador, o que permite que a energia de RF passe da primeira 132 e/ou segunda 232 fontes de energia de RF para a mesma cavidade, isso evidenciará a distinção. Além disso, o uso de isoladores 410, 420 entre cada fonte de RF e o acoplador é mais uma evidência de que eles são distintos.
[068] Se mais de uma unidade de aceleração 130 estiverem em casta, as unidades serão configuradas e arranjadas de tal forma que o feixe de prótons 115 que sai da saída do feixe de prótons 137 da unidade de aceleração a montante 130 pode ser recebido pela entrada do feixe de prótons 237 da unidade de aceleração a jusante 230. Em cascata significa que as unidades de aceleração 130 estão arranjadas em sequência, de forma que o feixe de prótons 115 ganhe uma certa quantidade de energia em cada uma. Isso permite uma abordagem modular escolha um número adequado de cavidades para definir a energia máxima atingível no sistema.
[069] As unidades de aceleração 130 podem ser controladas de forma independente ou sincronizadas como um grupo.
[070] A figura 3 representa ainda um acoplador ou combinador de RF 300, para transferir energia de RF da primeira 132 e/ou segunda fonte de energia de RF 232 para pelo menos uma cavidade 131, o acoplador ou combinador de RF 300 tendo: - uma primeira entrada de RF 310 para receber energia de RF da primeira fonte de RF 132; - uma segunda entrada de RF 320 para receber energia de RF da segunda fonte de RF 232; e
- uma saída RF 330 para fornecer energia de RF a pelo menos uma cavidade 131.
[071] O acoplador ou combinador de RF 300 está configurado e arranjado para permitir a transferência de energia de RF da primeira fonte de RF 132 e da segunda fonte de energia de RF 232, alternativamente ou simultaneamente para a cavidade 131.
[072] A energia de RF fornecida durante o tempo ativo do feixe de prótons pode ser variada modificando-se uma ou mais das características da energia de RF emitida pela fonte de energia de RF 132, 232, como amplitude de RF, fase de RF e/ou forma de pulso de energia de RF. Adicionalmente ou alternativamente, absorventes degradantes também podem ser usados, ou meios para modificar a geometria da cavidade e/ou o acoplamento de RF. Por exemplo, sintonizadores de ferrita ou sintonizadores mecânicos podem permitir que o módulo seja mantido em ressonância, apesar das mudanças de temperatura.
[073] FIG. 5 representa a sincronização de quatro configurações de controle de energia de RF 501, 502, 503, 504 usando apenas uma primeira fonte de RF 132. O ciclo de operação do feixe de prótons 190 é representado para ilustrar a sincronização do controle de energia de RF com o ciclo de operação do feixe de prótons 190 e, em particular, com os pulsos do feixe de prótons
145.
[074] O controlador de energia de RF 180 é configurado e arranjado para manter a potência média consideravelmente constante, fornecendo pulsos de energia de RF separados durante o tempo ativo e inativo do feixe de prótons 145. Isso significa que a potência média fornecida à cavidade do acelerador 131 é mantida consideravelmente constante.
[075] Quatro formas de onda são representadas ao longo de dois ciclos de operação 190 do pulso de feixe de prótons 145, incluindo quatro instantes - t1, t2, t3, t4 e t5, para cada ciclo de operação 190. Esses instantes são representados simetricamente, mas na prática os intervalos entre os instantes podem variar de maneira considerável. As formas de onda são representadas como ondas quadradas, mas na prática as formas de onda terão tempos de subida e queda não desprezíveis que podem precisar ser levados em consideração.
[076] A forma de onda superior 500 representa os pulsos de feixe de prótons 145 durante os dois ciclos de operação 190. A corrente do feixe sobe de zero ao seu máximo no instante t1 e volta a zero no t3 para o tempo ativo do primeiro ciclo de operação 190 do feixe de prótons, sendo o pulso 145 de amplitude aproximadamente uniforme. Entre t3 para o próximo t1, a corrente do feixe (e a energia do feixe) é zero, ou aproximadamente zero, para o tempo inativo deste primeiro ciclo de operação do feixe
190. A forma de onda se repete durante o segundo ciclo operacional 190.
[077] Para uma operação típica de 100 pulsos por segundo, ou 100 Hz, o período do ciclo de operação 190 é de 10 milissegundos. Para uma operação típica de 200 pulsos por segundo, ou 200 Hz, o período do ciclo de operação 190 é de 5 milissegundos. O intervalo t1 a t2 pode normalmente ser de 2,5 microssegundos e t1 a t3 normalmente 5 microssegundos.
[078] O primeiro gráfico de configuração de controle de RF 501 representa a energia de RF fornecida à cavidade 131 de uma unidade de aceleração 130 ao longo do mesmo período. No início do primeiro ciclo de operação 190, a energia de RF sobe de zero a um valor de pico de aceleração de referência 55 em t2 e volta a zero em t3, o pulso de energia de RF 55 sendo de amplitude aproximadamente uniforme. Durante o restante deste primeiro ciclo de operação 190, incluindo os instantes t1 e t4, a energia de RF é zero, ou aproximadamente zero. A forma de onda se repete durante o segundo ciclo operacional 190.
[079] A duração do pulso de energia de RF 55 de t2 a t3 e o valor do pico de aceleração de referências 55 são predeterminados e/ou controlados para fornecer a aceleração desejada do feixe de prótons pela energia de RF durante o tempo ativo do feixe de prótons. A aceleração ocorre entre t2 e t3. Esta configuração de controle de RF é a referência para as outras três 502, 503, 504, portanto, o valor de pico de aceleração de referência 55 é considerado aqui como nominalmente
100%. Durante a operação de acordo com 501, a energia de RF é fornecida à cavidade em um único pulso por ciclo de operação de feixe de prótons 190 consideravelmente ao mesmo tempo que o tempo ativo 145 do feixe de prótons. Nenhuma energia de RF considerável é fornecida durante o tempo inativo do feixe de prótons, portanto, nenhum pulso de compensação de RF é fornecido.
[080] O segundo gráfico de configuração de controle de RF 502 representa a energia de RF fornecida a uma unidade de aceleração 130 ao longo do mesmo período. No início do primeiro ciclo de operação 190, a energia de RF sobe de zero a um valor de pico de aceleração 55 em t2 e volta a t3, o pulso de energia de RF 55 sendo de amplitude aproximadamente uniforme. Este valor de pico de aceleração 55 é de aproximadamente 90% do valor de pico de aceleração de referência 501. A energia de RF cai para um valor de pico de compensação 155 em t3 e volta a zero em t4. Este valor de pico de compensação 155 é de aproximadamente 10% do valor de pico de aceleração de referência 501. Durante o resto deste primeiro ciclo de operação 190, a energia de RF é zero ou aproximadamente zero. A forma de onda se repete durante o segundo ciclo operacional 190.
[081] A duração dos pulsos de energia de RF 55 de t2 a t3 e o valor do pico de aceleração de 55 90% são predeterminados e/ou controlados para fornecer a aceleração desejada do feixe de prótons pela energia de RF durante o tempo ativo do feixe de prótons. A aceleração ocorre entre t2 e t3.
[082] Em geral, a duração do pulso de energia de RF 155 de t3 a t4, e o valor de pico de compensação 10% são predeterminados e/ou controlados para compensar a mudança de temperatura que seria esperada quando a unidade de aceleração é operada com um menor valor de pico de aceleração 55 em comparação com os ciclos de operação anteriores, como em 501. Durante a operação, a energia de RF é fornecida à cavidade em dois pulsos por ciclo de operação de feixe de prótons 190 - o primeiro 55 consideravelmente ao mesmo tempo que o tempo ativo do feixe de prótons, e o segundo 155 consideravelmente ao mesmo tempo que o tempo inativo do feixe de prótons.
[083] Para a primeira fonte de energia de RF 132, um comprimento de pulso comum, como 5 microssegundos, foi dividido em dois meios-pulsos, de 2,5 microssegundos, por exemplo. O controlador de energia de RF 180 é configurado para fornecer a primeira metade deste pulso para aceleração, e a segunda metade para compensação.
[084] O terceiro gráfico de configuração de controle de RF 503 representa a energia de RF fornecida a uma unidade de aceleração 130 ao longo do mesmo período. No início do primeiro ciclo de operação 190, a energia de RF sobe de zero a um valor de pico de aceleração 55 em t2 e volta a t3, o pulso de energia de RF sendo de amplitude aproximadamente uniforme. Este primeiro valor de pico de aceleração 55 é de aproximadamente 75% do valor de pico de aceleração de referência 501. A energia de RF cai para um valor de pico de compensação 155 em t3 e volta a zero em t4. Este valor de pico de compensação 155 é de aproximadamente 25% do valor de pico de aceleração de referência 501. Durante o resto deste primeiro ciclo de operação 190, a energia de RF é zero ou aproximadamente zero. A forma de onda se repete durante o segundo ciclo operacional 190.
[085] A duração dos pulsos de energia de RF 55 de t2 a t3 e o valor do pico de aceleração de 55 75% são predeterminados e/ou controlados para fornecer a aceleração desejada do feixe de prótons pela energia de RF durante o tempo ativo do feixe de prótons. A aceleração ocorre entre t2 e t3.
[086] Em geral, a duração do pulso de energia de RF 155 de t3 a t4, e o valor de pico de compensação 25% são predeterminados e/ou controlados para compensar a mudança de temperatura que seria esperada quando a unidade de aceleração é operada com um menor valor de pico de aceleração 55 em comparação com os ciclos de operação anteriores, como 501 ou 502. Durante a operação, a energia de RF é fornecida à cavidade em dois pulsos por ciclo de operação de feixe de prótons 190 - o primeiro 55 consideravelmente ao mesmo tempo que o tempo ativo do feixe de prótons, e o segundo 155 consideravelmente ao mesmo tempo que o tempo inativo do feixe de prótons.
[087] Observe que a mesma energia seria fornecida à cavidade se os níveis fossem invertidos - se o valor do pico de aceleração 55 for 25% e o valor do pico de compensação 155 for 75%, embora um grau significativamente menor de aceleração do feixe de prótons 115 fosse fornecido.
[088] O quarto gráfico de configuração de controle de RF 504 representa a energia de RF fornecida a uma unidade de aceleração 130 ao longo do mesmo período. No início do primeiro ciclo de operação 190, a energia de RF sobe de zero a um valor de pico de aceleração 55 em t2 e permanece no valor do pico de compensação 155 em t3, o pulso de energia de RF sendo de amplitude aproximadamente uniforme. Este primeiro valor de pico de aceleração 55 é de aproximadamente 50% do valor de pico de aceleração de referência 501. O valor de pico de compensação 155 também é de aproximadamente 50% do valor de pico de aceleração de referência 501, então ele permanece neste valor em t3 e cai para zero em t4. Durante o resto deste primeiro ciclo de operação 190, a energia de RF é zero ou aproximadamente zero. A forma de onda se repete durante o segundo ciclo operacional 190.
[089] A duração dos pulsos de energia de RF 55 de t2 a t3 e o valor do pico de aceleração de 55 50% são predeterminados e/ou controlados para fornecer a aceleração desejada do feixe de prótons pela energia de RF durante o tempo ativo do feixe de prótons. A aceleração ocorre entre t2 e t3.
[090] Em geral, a duração do pulso de energia de RF 155 de t3 a t4, e o valor de pico de compensação 50% são predeterminados e/ou controlados para compensar a mudança de temperatura que seria esperada quando a unidade de aceleração é operada com um menor valor de pico de aceleração 55 em comparação com os ciclos de operação anteriores, como 501, 502 e 503. Durante a operação, a energia de RF é fornecida à cavidade em dois pulsos por ciclo de operação de feixe de prótons 190 - o primeiro 55 consideravelmente ao mesmo tempo que o tempo ativo do feixe de prótons, e o segundo 155 consideravelmente ao mesmo tempo que o tempo inativo do feixe de prótons.
[091] Neste exemplo, as durações dos pulsos da compensação 155 e os pulsos de aceleração 55 são as mesmas, garantindo assim que os valores de pico da compensação de amplitude uniforme 155 e pulsos de aceleração 55 somem 100% do valor de pico de referência 501, a energia de RF fornecida à cavidade para cada ciclo de operação sucessivo 190 é consideravelmente a mesma em 501, 502, 503 e 504. Esses pulsos em degrau são predeterminados e/ou controlados para ter a mesma área sob a curva de potência que a plana única representada em 501.
[092] Embora os picos de aceleração 55 e os picos de compensação 155 sejam apresentados e descritos como contíguos, o controlador de RF 180 também pode ser arranjado e configurado para fornecer picos de compensação 155 separados dos picos de aceleração 55 - ou seja, pode haver um atraso entre eles quando a energia de RF é zero ou aproximadamente zero. Os picos de aceleração 55 retornariam então a zero em t3, e os picos de compensação 155 podem, por exemplo, subir de zero em t4 e retornar a zero em t5. Os picos de compensação 155 estão preferencialmente arranjados a meio caminho entre os picos de aceleração 55 - isto pode fornecer um alto grau de eficiência.
[093] Assim, a potência média consideravelmente constante pode ser alcançada intercalando os pulsos de compensação, durante o tempo inativo do feixe de prótons, entre os pulsos de aceleração, durante o tempo ativo do feixe de prótons 145. O tempo entre os pulsos de energia de RF é preferencialmente curto em comparação com o tempo de resposta térmica da cavidade. A amplitude do pulso de aceleração 55 pode ser variada em toda a faixa da potência máxima à potência quase zero. Da mesma forma, a potência no pulso de compensação 155 pode variar da potência máxima à potência quase zero para manter a potência média consideravelmente constante.
[094] A figura 6 representa a sincronização de nossas configurações de controle de energia de RF 601, 602, 603, 604 usando uma primeira fonte de RF 132 para os picos de aceleração
55 e uma segunda fonte de RF 232 para os picos de compensação
155. O ciclo de operação do feixe de prótons 190 é representado para ilustrar a sincronização do controle de energia de RF com o ciclo de operação do feixe de prótons 190 e, em particular, com os pulsos do feixe de prótons 145.
[095] O controlador de energia de RF 180 é configurado e arranjado para manter a potência média consideravelmente constante, fornecendo pulsos de energia de RF separados durante o tempo ativo e inativo do feixe de prótons 145.
[096] Quatro formas de onda são representadas ao longo de dois ciclos de operação 190 do pulso de feixe de prótons 145, incluindo quatro instantes - t1, t2, t3, t4 e t5, para cada ciclo de operação 190. Esses instantes são representados simetricamente, mas na prática os intervalos entre os instantes podem variar de maneira considerável. As formas de onda são representadas como ondas quadradas, mas na prática as formas de onda terão tempos de subida e queda não desprezíveis que podem precisar ser levados em consideração.
[097] A forma de onda superior 500 representa os pulsos de feixe de prótons 145 da mesma maneira que representada na figura 5.
[098] O primeiro gráfico combinado de configuração de controle de RF 601 representa a energia de RF fornecida a uma unidade de aceleração 130 ao longo do mesmo período. No início do primeiro ciclo de operação 190, a energia de RF da primeira fonte de energia de RF 132 sobe de zero a um valor de pico de aceleração de referência 255 em t1 e volta a zero em t3, o pulso de energia de RF 255 sendo de amplitude aproximadamente uniforme. Durante o restante deste primeiro ciclo de operação 190, incluindo os instantes t4 e t5, a energia de RF é zero, ou aproximadamente zero. A forma de onda se repete durante o segundo ciclo operacional 190.
[099] A duração do pulso de energia de RF 255 de t1 a t3 e o valor do pico de aceleração de referências 255 são predeterminados e/ou controlados para fornecer a aceleração desejada do feixe de prótons pela energia de RF durante o tempo ativo do feixe de prótons. A aceleração ocorre entre t1 e t3.
Esta configuração de controle de RF é a referência para as outras três 602, 603, 604, portanto, o valor de pico de aceleração de referência 255 é considerado aqui como nominalmente 100%. Durante a operação de acordo com 601, a energia de RF é fornecida à cavidade em um único pulso por ciclo de operação de feixe de prótons 190 consideravelmente ao mesmo tempo que o tempo ativo 145 do feixe de prótons. Nenhuma energia de RF considerável é fornecida durante o tempo inativo do feixe de prótons, portanto, nenhum pulso de compensação de RF é fornecido.
[100] Em comparação com a forma de onda representada em 501 da figura 5, toda a largura de pulso da primeira fonte de energia de RF 132 é usada para aceleração, enquanto em 501 apenas metade da largura de pulso disponível foi usada. Isso aumenta a eficiência porque o pulso completo da primeira fonte de energia de RF 132 pode ser usado para aceleração do feixe, permitindo um pulso mais longo do feixe de prótons 115 por ciclo operacional
190. De maneira vantajosa, isso pode proporcionar um aumento na dose administrada ao paciente, o que pode reduzir o tempo de tratamento. Como alternativa, o comprimento do pulso do feixe pode ser mantido curto e os requisitos em termos de comprimento do pulso para a primeira fonte de energia de RF 132 podem ser relaxados.
[101] O segundo gráfico de configuração de controle de RF 602 representa a energia de RF fornecida a uma unidade de aceleração 130 ao longo do mesmo período. No início do primeiro ciclo de operação 190, a energia de RF da primeira fonte de energia de RF 132 sobe de zero a um valor de pico de aceleração 255 em t1 e volta em t3, o pulso de energia de RF 255 sendo de amplitude aproximadamente uniforme. Este valor de pico de aceleração 255 é de aproximadamente 90% do valor de pico de aceleração de referência 601. A energia de RF da primeira fonte de energia de RF 132 cai para zero em t3.
[102] Em aproximadamente t3, a energia de RF da segunda fonte de energia de RF 232 sobe de zero para um valor de pico de compensação 355 e volta em aproximadamente t1 do próximo ciclo operacional 190. Para maior clareza, uma lacuna é representada entre o pico de aceleração 255 e o pico de compensação 355, mas na prática essa lacuna pode ser muito pequena ou mesmo zero - cada pulso originado de uma fonte de energia de RF distinta. Os pulsos podem até se sobrepor.
[103] A forma de onda se repete durante o segundo ciclo operacional 190. A duração do pulso de energia de RF 255 de t1 a t3 e o valor do pico de aceleração de 255 90% são predeterminados e/ou controlados para fornecer a aceleração desejada do feixe de prótons pela energia de RF da primeira fonte de energia de RF 132 durante o tempo ativo do feixe de prótons. A aceleração ocorre entre t1 e t3 de cada ciclo de operação 190.
[104] Em geral, a duração do pulso de energia de RF 355 de t3 a t1 da segunda fonte de energia de RF 232 e o valor de pico de compensação 355 são predeterminados e/ou controlados para compensar a mudança de temperatura que seria esperada quando a unidade de aceleração é operada com um menor valor de pico de aceleração 55 em comparação com os ciclos de operação anteriores, como em 601.
[105] Assim, durante a operação, a energia de RF é fornecida à cavidade em dois pulsos por ciclo de operação do feixe de prótons 190 - o primeiro 255 da primeira fonte de energia de RF 132 consideravelmente ao mesmo tempo que o tempo ativo do feixe de prótons, e o segundo 355 da segunda fonte de energia de RF 232 consideravelmente ao mesmo tempo que o tempo inativo do feixe de prótons.
[106] Para a primeira fonte de energia de RF 132, todo o comprimento de pulso disponível, por exemplo 5 microssegundos, pode ser usado com vantagem. Para a segunda fonte de energia de RF 232, todo o tempo entre os pulsos de aceleração 155, por exemplo 5 milissegundos, pode ser vantajosamente usado com uma potência de pico significativamente menor em comparação com o esquema de controle representado em 502 da figura 5. Isso pode ser mil vezes menor. O controlador de energia de RF 180 é configurado para fornecer o primeiro pulso 255 para aceleração e o segundo pulso 355 para compensação.
[107] O terceiro gráfico de configuração de controle de RF 603 representa a energia de RF fornecida a uma unidade de aceleração 130 ao longo do mesmo período. No início do primeiro ciclo de operação 190, a energia de RF da primeira fonte de energia de RF 132 sobe de zero a um valor de pico de aceleração 255 em t1 e volta em t3, o pulso de energia de RF 255 sendo de amplitude aproximadamente uniforme. Este valor de pico de aceleração 255 é de aproximadamente 75% do valor de pico de aceleração de referência 601. A energia de RF da primeira fonte de energia de RF 132 cai para zero em t3.
[108] Em aproximadamente t3, a energia de RF da segunda fonte de energia de RF 232 sobe de zero para um valor de pico de compensação 355 e volta em aproximadamente t1 do próximo ciclo operacional 190. Novamente, para maior clareza, uma lacuna é representada entre o pico de aceleração 255 e o pico de compensação 355, mas na prática essa lacuna pode ser muito pequena ou mesmo zero. Novamente, como os picos se originam de fontes de RF distintas, eles podem até se sobrepor.
[109] A forma de onda se repete durante o segundo ciclo operacional 190. A duração do pulso de energia de RF 255 de t1 a t3 e 75% do valor do pico de aceleração 55 são predeterminados e/ou controlados para fornecer a aceleração desejada do feixe de prótons pela energia de RF da primeira fonte de energia de RF 132 durante o tempo ativo do feixe de prótons. A aceleração ocorre entre t1 e t3 de cada ciclo de operação 190.
[110] Em geral, a duração do pulso de energia de RF 355 de t3 a t1 da segunda fonte de energia de RF 232 e o valor de pico de compensação 355 são predeterminados e/ou controlados para compensar a mudança de temperatura que seria esperada quando a unidade de aceleração é operada com um menor valor de pico de aceleração 55 em comparação com os ciclos de operação anteriores, como em 601.
[111] Para a segunda fonte de energia de RF 232, todo o tempo entre os pulsos de aceleração 155, por exemplo 5 milissegundos,
pode ser vantajosamente usado com uma potência de pico significativamente menor em comparação com o esquema de controle representado em 503 da figura 5. O controlador de energia de RF 180 é configurado para fornecer o primeiro pulso 255 da primeira fonte de energia de RF 132 para aceleração e o segundo pulso 355 da segunda fonte de energia de RF 232 para compensação.
[112] O quarto gráfico de configuração de controle de RF 604 representa a energia de RF fornecida a uma unidade de aceleração 130 ao longo do mesmo período. No início do primeiro ciclo de operação 190, a energia de RF da primeira fonte de energia de RF 132 sobe de zero a um valor de pico de aceleração 255 em t1 e volta em t3, o pulso de energia de RF 255 sendo de amplitude aproximadamente uniforme. Este valor de pico de aceleração 255 é de aproximadamente 25% do valor de pico de aceleração de referência 601. A energia de RF da primeira fonte de energia de RF 132 cai para zero em t3.
[113] Em aproximadamente t3, a energia de RF da segunda fonte de energia de RF 232 sobe de zero para um valor de pico de compensação 355 e volta em aproximadamente t1 do próximo ciclo operacional 190. Novamente, para maior clareza, uma lacuna é representada entre o pico de aceleração 255 e o pico de compensação 355, mas na prática essa lacuna pode ser muito pequena ou mesmo zero. Novamente, como os picos se originam de fontes de RF distintas, eles podem até se sobrepor.
[114] A forma de onda se repete durante o segundo ciclo operacional 190. A duração do pulso de energia de RF 255 de t1 a t3 e 25% do valor do pico de aceleração 55 são predeterminados e/ou controlados para fornecer a aceleração desejada do feixe de prótons pela energia de RF da primeira fonte de energia de RF 132 durante o tempo ativo do feixe de prótons. A aceleração ocorre entre t1 e t3 de cada ciclo de operação 190.
[115] Em geral, a duração do pulso de energia de RF 355 de t3 a t1 da segunda fonte de energia de RF 232 e o valor de pico de compensação 355 são predeterminados e/ou controlados para compensar a mudança de temperatura que seria esperada quando a unidade de aceleração é operada com um menor valor de pico de aceleração 55 em comparação com os ciclos de operação anteriores, como em 601.
[116] Para a segunda fonte de energia de RF 232, todo o tempo entre os pulsos de aceleração 155, por exemplo, 5 milissegundos, pode ser usado de maneira vantajosa com uma potência de pico significativamente menor em comparação com uma configuração semelhante usando uma única fonte de energia de RF (não representada na figura 5). O controlador de energia de RF 180 é configurado para fornecer o primeiro pulso 255 da primeira fonte de energia de RF 132 para aceleração e o segundo pulso 355 da segunda fonte de energia de RF 232 para compensação.
[117] Assim, a potência média consideravelmente constante pode ser alcançada intercalando os pulsos de compensação 355, durante o tempo inativo do feixe de prótons, entre os pulsos de aceleração 255, durante o tempo ativo do feixe de prótons 145. O tempo entre os pulsos de energia de RF é preferencialmente curto em comparação com o tempo de resposta térmica da cavidade. A amplitude do pulso de aceleração 255 pode ser variada em toda a faixa da potência máxima à potência quase zero. Da mesma forma, a potência no pulso de compensação 355 pode variar da potência máxima à potência quase zero para manter a potência média consideravelmente constante.
[118] De preferência, a mudança de temperatura esperada é totalmente compensada, mas se isso não for possível devido a restrições operacionais, compensar parcialmente a mudança de temperatura ainda é vantajoso em comparação com a situação conhecida na técnica anterior.
[119] Em geral, usar uma segunda fonte de energia de RF 232 fornece mais flexibilidade porque pode ser controlada e operada independentemente da primeira fonte de energia de RF 132.
[120] O especialista na técnica perceberá que as formas de onda representadas são esquemáticas e as formas de onda reais podem ter um aumento e um tempo de queda não desprezíveis que podem precisar ser levados em consideração ao determinar os parâmetros de controle usados. Da mesma forma, também pode ser preciso levar em consideração pequenas variações da corrente do feixe.
[121] O especialista na técnica também perceberá que qualquer forma de onda de energia de RF é possível, não apenas os pulsos de onda quadrada representados. Por exemplo, uma forma triangular ou de rampa ou qualquer combinação das mesmas.
[122] O controlador de energia 180 pode ser configurado para fornecer pulsos de RF consideravelmente iguais ou consideravelmente diferentes para cada unidade aceleradora durante um ciclo de operação de feixe de prótons em particular
190. As unidades aceleradoras podem ser operadas individualmente ou em grupos. Os pulsos de RF para uma unidade aceleradora individual também podem variar durante a operação do sistema 100 ao longo de mais de um ciclo de operação de feixe de prótons
190. Isso fornece um sistema muito flexível e preciso para controlar e estabilizar a variação de energia do feixe causada pelo próprio sistema acelerador 100 ou por elementos de interrupção externos.
[123] A potência de RF de pico produzida pela fonte de energia de RF, como um clístron, é consumida por dois mecanismos, a potência dissipada na cavidade e a potência transferida para o feixe. Quando o feixe não está presente na cavidade, essa parte da potência precisa ser dissipada na cavidade. Embora em aplicações médicas a corrente de feixe do pico seja baixa, normalmente 300µA(microAmpere), pode ser vantajoso considerar isso por resfriamento excessivo da cavidade.
[124] Se a potência dissipada na cavidade em energia total for P_cav_max e a potência dissipada em potência reduzida for P_cav 1, a energia U0 depositada na cavidade com energia total será: U0 = P_cav_max x a largura do pulso t (para pulsos quadrados) e ou U0 = f P (t) cav_max dt (para pulsos em geral), com as correções apropriadas para a potência perdida durante os tempos de preenchimento e declínio da cavidade. O depósito de energia durante o pulso de amplitude reduzida é U1.
[125] Para evitar mudanças significativas na temperatura da cavidade, uma quantidade adicional de energia deve ser fornecida dentro de um curto período em comparação com o tempo de resposta térmica da cavidade. Isso pode ser feito pulso a pulso, ou a energia adicional pode ser fornecida em uma escala de tempo mais longa, sujeita à restrição de que as flutuações de frequência da cavidade são pequenas o suficiente para não afetar o desempenho do acelerador de maneira significativa.
[126] Se a energia da cavidade fornecida durante um pulso de feixe ativo é: U1 = P cav1 * t (para pulsos quadrados) e/ou UI= f P(t) cav1 dt (para pulsos em geral), a energia adicional que deve ser fornecida é: U2 = (P_cav_max- P_cav1) * t (para pulsos quadrados) e/ou U2 =f (P(t) cav_max- P(t) cav1) dt (para pulsos em geral).
[127] Esta energia U2 pode ser fornecida com qualquer potência de pico e comprimento de pulso em que, preferencialmente, a energia total é U2, de modo que, em média no tempo curto em comparação com o tempo de resposta térmica da cavidade, a dissipação de potência total e, portanto, a cavidade a temperatura é consideravelmente constante - em outras palavras, constante dentro de uma tolerância aceitável, de preferência algumas dezenas de graus.
[128] Para compensação de energia total, a segunda fonte de energia de RF 232 deve, de preferência, fornecer pelo menos a mesma potência média que a primeira fonte de energia de RF 132. Sabendo a potência máxima que a primeira fonte de energia de RF 132 pode fornecer, a potência da segunda fonte de energia de RF 232 pode ser determinada e/ou controlada pulso a pulso para compensar a diferença na potência dos pulsos fornecidos pela primeira fonte de energia de RF fonte 132 em relação a este máximo. Desta forma, a energia média a cada dois pulsos (um da primeira fonte de energia de RF 132 e um da segunda fonte de energia de RF 232) é mantida consideravelmente constante, e a variação de temperatura devido a diferenças na energia é suprimida. O critério matemático nesta representação é manter consideravelmente constante a integral (energia) ao longo do tempo determinando e/ou controlando a segunda fonte de energia de RF 232 para seguir quaisquer mudanças na operação da primeira fonte de energia de RF 132.
[129] Também pode ser vantajoso fornecer consideravelmente a mesma energia de RF 132 para cada ciclo de operação de feixe de prótons sucessivo 190. Isso fornece uma potência de RF média consideravelmente constante para a cavidade 131 durante a operação, aumentando a estabilidade da energia do feixe de prótons ao longo de mais de um ciclo de operação 190. A energia de RF da primeira fonte de energia de RF 132 e segunda 232 contribui para esta potência de RF média constante, embora os ciclos operacionais 190 também possam ser usados nos quais apenas a energia de RF da primeira fonte de energia de RF 132 é fornecida ou apenas a energia de RF da segunda fonte de energia de RF 232.
[130] As figuras 2 e 3 representam esquematicamente o uso de um conjunto de fontes de energia de RF para cada unidade aceleradora 130. No entanto, isso não deve ser interpretado como requerendo duas unidades físicas para cada unidade aceleradora 130 - os diagramas indicam apenas um requisito funcional. O especialista na técnica perceberá que o uso apropriado de combinadores e acopladores de RF permite que a energia de RF seja fornecida a qualquer número de unidades aceleradoras 130 usando uma ou mais fontes de energia. Da mesma forma, cada unidade aceleradora 130 pode compreender uma ou mais cavidades
131.
[131] A figura 4 representa uma figura 3 modificada, em que a energia de RF é fornecida a duas unidades aceleradoras 130 a partir de uma primeira 132 e/ou segunda fonte de energia de RF 232 durante a operação.
[132] Um outro exemplo de um acoplador ou combinador de RF 400 é representado - ele é configurado e arranjado para transferir energia de RF da primeira 132 e/ou da segunda fonte de energia de RF 232 a pelo menos duas unidades aceleradoras 130 tendo pelo menos uma cavidade 131. O acoplador ou combinador de RF 400 compreende uma primeira entrada de RF 310 para receber energia de RF da primeira fonte de RF 132, uma segunda entrada de RF 320 para receber energia de RF da segunda fonte de RF 232; e duas saídas RF 330 para fornecer energia de RF a pelo menos uma cavidade 131 cada.
[133] Um acoplador adequado 400 denominado Magic T ou T híbrido, com o braço plano H sendo configurado e arranjado como a segunda entrada de RF 320, e o braço plano E sendo configurado e arranjado como a primeira entrada de RF 310. A vantagem de um Magic T é que ele pode ser configurado e arranjado de modo que a energia que entra a partir da primeira entrada de RF 310 ou da segunda entrada de RF 320 seja dividida de maneira consideravelmente igual entre as duas saídas de RF 330. Além disso, o Magic T pode ser configurado e organizado de modo que as duas saídas de RF 330 sejam consideravelmente isoladas uma da outra.
[134] Como alternativa, qualquer outro acoplador ou combinador adequado 400 pode ser usado, como um acoplador rat-race.
[135] Como opção, a unidade aceleradora da figura 4 pode compreender um primeiro 410 e um segundo isolador de RF 420 para proteger a fonte de energia de RF de qualquer potência de RF refletida: - o primeiro isolador 410 está configurado e arranjado para transferir energia de RF da primeira fonte de RF 132 para a primeira entrada de RF 310 do acoplador de RF 300, 400 e ainda configurado e arranjado para atenuar a transferência de energia de RF da referida primeira entrada de RF 310 para a primeira fonte de RF 132; e - o segundo isolador 420 está configurado e arranjado para transferir energia de RF da segunda fonte de RF 232 para a segunda entrada de RF 320 do acoplador de RF 300, 400 e ainda configurado e arranjado para atenuar a transferência de energia de RF da referida segunda entrada de RF 320 para a primeira fonte de RF 232.
[136] Embora representado aqui em combinação com um acoplador tendo duas saídas de energia de RF 330, esses isoladores 410, 420 podem ser usados a jusante de uma primeira 132 ou segunda fonte de energia de RF 232 quando necessário. O isolador 410,
420 também pode ser compreendido dentro da fonte de energia de RF. Na prática, um isolador pode não atenuar totalmente a energia refletida - na prática, aproximadamente 1/1000 (30dB) ainda pode ser transmitido.
[137] Embora esta divulgação se refira a uma primeira fonte de energia de RF 132 e uma segunda fonte de energia de RF 232, o especialista na técnica perceberá que mais de uma unidade de RF pode ser fornecida para fornecer a funcionalidade da primeira fonte de energia de RF 132 e/ou uma segunda fonte de energia de RF 232. Está dentro do escopo da invenção ter uma pluralidade de unidades físicas de RF operando de modo funcional como uma única fonte de RF - em outras palavras, todas são direcionadas para produzir pulsos de RF consideravelmente ao mesmo tempo.
[138] O número de fontes de energia necessárias depende do número de cavidades às quais a energia está sendo fornecida e das limitações práticas da fonte de energia de RF selecionada. O controlador de energia de RF 180 pode ser configurado e arranjado para operar várias fontes de energia de RF como a primeira fonte de energia de RF 132 e/ou uma pluralidade de fontes de energia de RF como a segunda fonte de energia de RF
232.
[139] As unidades aceleradoras podem ser qualquer acelerador linear de RF adequado (ou Linac), como um Linac de Cavidade Acoplada (CCL), um Linac de Tubo de Derivação (DTL), um Linac de Tubo de Derivação Separado (SDTL), um Linac Acoplado Lateral (SCL ) ou um Linac de Tubo de Derivação Acoplado Lateral (SCDTL). Elas podem ser todas do mesmo tipo ou tipos diferentes podem ser combinados em cascata.
[140] Como mencionado acima, um sistema de controle de temperatura à base de líquido 700 pode ser usado em combinação com uma segunda fonte de RF 232 - um exemplo disso é representado na figura 7. Ele compreende a unidade aceleradora 130, descrita acima em relação à figura 1 a 6, com a primeira 132 e a segunda fontes de energia 232.
[141] No entanto, o exemplo também inclui um sistema de controle de temperatura 700 compreendendo:
- um aquecedor 710, configurado e arranjado para reter um líquido e para colocá-lo em contato térmico com uma fonte de energia 210; - um ou mais canais de parede de cavidade 731, em comunicação fluídica com o aquecedor 710, arranjados próximos às paredes de pelo menos uma cavidade 131 de modo que a temperatura de pelo menos uma parte das paredes de pelo menos uma cavidade 131 possa ser mantida ou aumentada; e - uma ou mais saídas de líquido 740, em comunicação fluídica com um ou mais canais de parede de cavidade 731.
[142] O sistema de controle de temperatura 700 é ainda configurado e arranjado para criar um fluxo de líquido do aquecedor 710 para um ou mais canais de parede de cavidade 731 usando, por exemplo, uma ou mais bombas de líquido (não representadas).
[143] Normalmente, as unidades aceleradoras são fornecidas com um circuito de resfriamento para resfriar suas cavidades durante a operação normal - sem esse resfriamento, as cavidades podem superaquecer e atingir temperaturas muito altas. Água ou à base de água é o líquido ou fluido arrefecimento mais comum, e um ou mais canais de refrigeração são fornecidos próximos às paredes da cavidade e/ou perto dos pontos de temperatura mais alta.
[144] O sistema de controle de temperatura 700 de acordo com a invenção pode, portanto, compreender um ou mais componentes de um sistema de resfriamento convencional ou pode formar um sistema separado para ser operado em paralelo com um sistema de resfriamento convencional. Esses sistemas separados podem compartilhar um ou mais canais de resfriamento em uma cavidade e/ou próximo a uma parede da cavidade.
[145] De modo vantajoso, o sistema de controle de temperatura 700 de acordo com a invenção pode compreender (pode usar) um ou mais canais de resfriamento de cavidade normalmente encontrados em cavidades.
[146] O sistema de controle de temperatura 700 é configurado e arranjado para aumentar ou manter a temperatura de pelo menos uma cavidade 131 durante o tempo inativo do ciclo de operação do feixe de prótons 190. A fonte de energia 210 pode ser de qualquer tipo adequado que pode ser pelo menos parcialmente sincronizado com o tempo inativo do feixe de prótons, como uma fonte de calor elétrico e/ou uma fonte de energia de RF. Conforme representado, a fonte de energia é conectada ao controlador de energia de RF 180. Além disso ou como alternativa, ela pode ser conectado ao controlador de saída de feixe 120.
[147] Um dos critérios sobre os quais um aspecto da invenção é baseado é que o resfriamento de cavidades pode causar problemas de estabilidade e que uma melhoria será fornecida se pelo menos uma cavidade 131 for aquecida durante o tempo inativo do feixe de prótons.
[148] Como esta é uma maneira mais indireta de aquecer pelo menos uma cavidade, pode ser vantajoso aplicar algum calor durante o tempo ativo do feixe de prótons, antecipando o tempo inativo do feixe de prótons. Esta é uma sincronização parcial.
[149] O uso desta forma indireta de aquecimento pode ser vantajoso durante períodos mais longos de inatividade e/ou períodos mais longos de feixe de prótons inativo - por exemplo, excedendo vários ciclos de trabalho do feixe.
[150] Em um estado estacionário de transferência de calor entre o sistema de controle de temperatura 700 e pelo menos uma cavidade 131, o fluxo de calor é consideravelmente determinado pelo projeto do sistema de controle de temperatura 700 e a diferença de temperatura entre o líquido e pelo menos uma cavidade 131. Q=cte (TCav - TLiq) em que Q é o fluxo de calor, TCav é a temperatura da cavidade, TLiq é a temperatura do líquido e cte é uma constante que depende do coeficiente de transferência de calor e da superfície de contato com o líquido.
[151] Ao alterar a temperatura do líquido pelo uso de uma fonte de energia 210, a temperatura de pelo menos uma parte das paredes de pelo menos uma cavidade 131 é alterada para manter o fluxo de calor consideravelmente constante.
[152] A fonte de energia 210 pode ser uma fonte de calor elétrico usada em um aquecedor de imersão 710. Também pode ser uma fonte de energia de RF - isso é explicado em mais detalhes em relação à figura 9 abaixo.
[153] A figura 8 representa um outro exemplo de acordo com a invenção. Compreende uma unidade aceleradora 1130 modificada, que é semelhante à unidade aceleradora 130 descrita acima em relação às figuras 1 a 6. Ela também compreende uma primeira 132 e uma segunda fonte de energia 232. No entanto, difere da seguinte forma: - a unidade aceleradora modificada 1130 compreende uma cavidade modificada 1131; - um ou mais canais de parede de cavidade modificados 1731, em comunicação fluídica com um sistema de resfriamento convencional (não representado) para uso com um líquido, arranjado próximo às paredes de pelo menos uma cavidade modificada 1131 de modo que a temperatura de pelo menos uma parte das paredes de pelo menos uma cavidade modificada 1131 possa ser resfriada; - os um ou mais canais de parede de cavidade modificados 1731 estão em comunicação fluídica com uma ou mais janelas de canal de cavidade 1750 e/ou uma ou mais protrusões de canal de cavidade 1760.
[154] Além disso ou como alternativa, os canais de parede de cavidade modificados 1731 podem estar em comunicação fluídica com um sistema de controle de temperatura 700, como descrito acima em relação à figura 7.
[155] Uma ou mais janelas de canal de cavidade 1750 e/ou uma ou mais protrusões do canal de cavidade 1760 são configuradas para ser uma ou mais partes dos canais de parede de cavidade 1731 - elas são configuradas e arranjadas para permitir energia de RF de pelo menos uma cavidade modificada 1131 para aumentar ou manter a temperatura do líquido.
[156] A transferência de energia entre a cavidade modificada 1131 e o líquido em canais pode ser fornecida por uma ou mais partes de canal com parede, configuradas para absorver consideravelmente e/ou transmitir consideravelmente pelo menos uma parte de energia de RF de pelo menos uma cavidade para o líquido. Essas propriedades podem ser fornecidas usando um ou mais materiais e/ou revestimentos adequados. Por exemplo: - um carbono ou ferrita adequado pode ser usado para absorver RF e aquecer localmente a parede - plástico ou vidro adequado, como PTFE ou vidro de borossilicato, podem ser usados para transmitir a RF. Cerâmicas, em particular de alumina, também estão disponíveis e permitem a penetração de RF, mas permitem a vedação de uma câmara com líquido. Também pode ser vantajoso usar um líquido ou fluido com uma absorção de RF relativamente alta, como água ou à base de água.
[157] Uma ou mais protrusões do canal de cavidade 1760 são representadas como protrusões - no entanto, estruturas semelhantes também podem ser rebaixadas em uma parede da cavidade modificada 1131.
[158] O especialista na técnica perceberá que a presença dessas janelas 1750 e/ou protrusões 1760 pode alterar as métricas e propriedades da cavidade - essas alterações podem ser levadas em consideração no projeto da unidade de aceleração modificada
1130. Qualquer perda de eficiência pode ser compensada pelo uso de energias de RF mais altas. Como alternativa ou adicionalmente, as dimensões e/ou disposição das janelas 1760 e/ou protrusões 1760 podem ser selecionadas para reduzir esses efeitos.
[159] Alternativamente ou adicionalmente, o acoplador de RF 300 pode ser modificado para compreender uma ou mais janelas 1750 e/ou protrusões 1760. Estes podem ser configurados para absorver uma parte predeterminada de energia ou compreendidos em um ou mais canais de resfriamento. Uma carga de água modificada também pode ser usada.
[160] O sistema de resfriamento ou sistema de controle de temperatura 700 é configurado e arranjado para permitir que a energia de RF de pelo menos uma cavidade 1131 aumente ou mantenha a temperatura do líquido durante o tempo inativo do ciclo de operação do feixe de prótons 190. Por exemplo: - uma ou mais janelas 1750 e/ou protrusões 1760 podem ser dispostas em uma região que está apenas exposta à energia de RF da segunda fonte de energia de RF 232, como em uma ou mais ramificações de um acoplador ou combinador 300, ou próximo ao ponto onde a energia de RF entra em pelo menos uma cavidade. - o sistema de resfriamento ou sistema de controle de temperatura 700 pode ser configurado e arranjado para evitar ou restringir o fluxo de líquido através dos canais de parede de cavidade modificados 1731 durante o tempo ativo do feixe de prótons e permitir que flua (ou restrinja menos) durante o tempo inativo. Por exemplo, usando um conjunto apropriado de válvulas.
[161] A figura 9 representa outro exemplo de acordo com a invenção - um sistema de controle de temperatura à base de líquido 700, semelhante ao descrito acima em relação à figura 7, pode ser usado de modo independente. - não há uma segunda fonte de energia de RF, distinta da primeira fonte 132, para fornecer energia de RF para pelo menos uma cavidade 131 durante a operação; e - a pelo menos uma cavidade 131 não está configurada para receber energia de RF de uma segunda (232) fonte de energia. A figura 9 representa:
[162] Um sistema acelerador linear de prótons para irradiar tecido, o sistema acelerador compreendendo: uma fonte de prótons (não representada) para fornecer um feixe de prótons pulsado (não representado) durante a operação; um controlador de saída de feixe (não representado) para ajustar a corrente de feixes de prótons que sai da fonte; uma unidade aceleradora 130 que tem: - uma entrada de feixe de prótons (não representada) para receber o feixe de prótons; - uma saída de feixe de prótons (não representada) para saída do feixe de prótons;
- uma primeira fonte de energia de RF 132 para fornecer energia de RF durante a operação; e segunda fonte de energia de RF 232, distinta da primeira fonte 132, para fornecer energia de RF durante a operação; - pelo menos uma cavidade 131 se estendendo da entrada do feixe de prótons para a saída do feixe de prótons, para receber energia de RF da primeira fonte de energia 132 e para acoplar a energia de RF ao feixe de prótons conforme ela passa da entrada do feixe para a saída do feixe; o sistema compreendendo ainda: um sistema de controle de temperatura 700, compreendendo a segunda fonte de RF 232 como uma fonte de energia para adaptar a temperatura de pelo menos uma cavidade 131 usando um líquido; um controlador de energia de RF 180 conectado à primeira 132 e à segunda fonte de energia de RF 232 para ajustar a energia de RF fornecida ao sistema acelerador; o controlador de saída de feixe 120 sendo configurado para fornecer pulsos de feixe de prótons com um ciclo de operação de feixe predeterminado e/ou controlado (não representado); o controlador de energia de RF 180 sendo configurado - para fornecer energia de RF da primeira fonte de energia de RF 132 durante o tempo ativo do ciclo de operação do feixe de prótons para alterar a energia do feixe de prótons e - para fornecer energia de RF da segunda fonte de energia de RF 232 durante o tempo inativo do ciclo de operação do feixe de prótons para aumentar ou manter a temperatura de pelo menos uma cavidade 131.
[163] Embora a fonte de energia representada 232, 732 seja a segunda fonte de energia de RF 232 compreendida em um aquecedor alimentado por RF, a fonte de energia e o aquecedor podem ser de qualquer tipo adequado que pode ser pelo menos parcialmente sincronizado com o tempo inativo do feixe de prótons, como a fonte de energia 210 e o aquecedor 710 descritos acima em relação à figura 7.
[164] Como mostrado na figura 9, a segunda fonte de energia de RF 232 está conectada ao controlador de energia de RF 180. Além disso ou como alternativa, ela pode ser conectado ao controlador de saída de feixe 120.
[165] O uso de um aquecedor alimentado por RF 732, em vez de um aquecedor elétrico imerso convencional, tem a vantagem de o aquecimento por RF poder ser consideravelmente mais rápido - o aquecedor alimentado eletricamente transfere energia para o líquido através de sua superfície de contato. Com os aquecedores alimentados por RF, a energia é absorvida volumetricamente pelo líquido.
[166] Isso pode fornecer uma absorção mais direta de calor no líquido, sem ter que primeiro aquecer, por exemplo, as paredes do aquecedor 731, 732.
[167] Essa representação pode ser menos eficiente em certas configurações em comparação com as representações com a segunda fonte de energia de RF 232 usada para fornecer energia de RF a pelo menos uma cavidade 131 (como representado na figura 3, por exemplo). No entanto, é mais eficiente do que usar um aquecedor elétrico 731. Essa representação pode permitir o uso de uma combinação mais ampla de fontes de RF e líquidos.
[168] Alternativamente ou adicionalmente, um ou mais dos aquecedores descritos acima podem ser configurados e arranjados próximos à entrada de líquido de pelo menos uma cavidade. Um ou mais aquecedores podem então aquecer o líquido e fornecer energia a pelo menos uma cavidade muito rapidamente. Isso é ainda mais vantajoso com um aquecedor de RF e fonte de energia de RF, que já oferece um aquecimento mais rápido em comparação com os meios convencionais.
[169] Como alternativa ou adicionalmente, um ou mais dos aquecedores de RF descritos acima podem ser configurados e arranjados para aquecer o líquido e fornecer energia a pelo menos uma cavidade em instâncias que são independentes do ciclo de trabalho do feixe de prótons - em outras palavras, durante um ou mais períodos quando o feixe está desligado e/ou durante um ou mais períodos quando o feixe está ligado. O aquecedor de RF pode, então, ser operado de forma relativamente independente e as conexões a um controlador de saída de feixe 120 ou um controlador de energia de RF 180 não são mais necessárias. Isso permite um aquecimento mais rápido em comparação com os meios convencionais. A fonte de energia de RF usada também pode ser relativamente barata.
[170] Será apreciado que a invenção - especialmente muitas das etapas do método indicadas acima - também se estende a programas de computador, particularmente programas de computador em ou sobre um portador, adaptado para colocar a invenção em prática. O programa pode estar na forma de código-fonte, código-objeto, uma fonte intermediária de código e código-objeto, tal como forma parcialmente compilada, ou em qualquer outra forma adequada para uso na implementação do método de acordo com a invenção.
[171] Deve-se notar que as representações mencionadas acima ilustram em vez de limitar a invenção, e que os especialistas na técnica serão capazes de projetar muitas representações alternativas sem se afastar do escopo das reivindicações anexas. Nas reivindicações, quaisquer sinais de referência colocados entre parênteses não devem ser interpretados como limitadores da reivindicação. O uso do verbo "compreender" e suas conjugações não exclui a presença de elementos ou etapas diferentes das declaradas em uma reivindicação. O artigo "um" ou "uma" que precede um elemento não exclui a presença de uma pluralidade de tais elementos. A invenção pode ser implementada por meio de hardware que compreende vários elementos distintos e por meio de um computador adequadamente programado. Na reivindicação do sistema que enumera vários meios, vários desses meios podem ser incorporados por um e o mesmo item de hardware. O simples fato de que certas medidas são citadas em reivindicações dependentes mutuamente diferentes não indica que uma combinação dessas medidas não possa ser usada com vantagem.
NÚMEROS DE REFERÊNCIA 55 pulso de aceleração de energia de RF com a primeira fonte de RF 100 sistema acelerador linear de prótons
102 primeiro estágio de aceleração, por ex.
Quadrupolo 104 segundo estágio de aceleração, por ex.
Linac de 106 Tubo de Derivação terceiro estágio Acoplado Lateral por de aceleração, (SCDTL) ex.
Linac de 110 cavidade fonte de acoplada prótons (CCL) 115 feixe de prótons 120 controlador de saída de feixe 130 unidade aceleradora 131 cavidade 132 primeira fonte de energia de RF 135 entrada do feixe de prótons 137 saída do feixe de prótons 140 eixo: corrente do feixe (FIG. 4) 145 ciclo de operação do feixe de prótons 150 eixo: período (FIG. 4) 155 pulso de compensação de energia de RF com a segunda 160 Eixo: energia de RF (figura 4) 180 controlador de energia de RF 190 ciclo de operação do feixe de prótons [Figs. 5 e 6] 210 fonte de energia 232 segunda fonte de energia de RF 255 pulso de aceleração de energia de RF com a primeira 300 acoplador ou combinador de RF 310 primeira entrada de RF 320 segunda entrada de RF 330 saída de RF 355 pulso de compensação de energia de RF com a segunda 400 acoplador ou combinador de RF 410 primeiro isolador de RF 420 segundo isolador de RF 500 pulsos do feixe de prótons durante dois ciclos de 501 operação primeira configuração de controle de RF usando 502 segunda configuração de controle de RF usando 503 terceira configuração de controle de RF usando 504 quarta configuração de controle de RF usando somente 601 primeira configuração de controle de RF usando a primeira e a segunda fontes de energia de RF
602 segunda configuração de controle de RF usando a 603 primeira econfiguração terceira a segunda fontes de energia de controle de deRFRF usando a 604 quarta configuração de controle de RF usando a 700 sistema de controle de temperatura 710 aquecedor 731 um ou mais canais da parede de cavidade 732 aquecedor alimentado por RF 740 saída de líquido 1130 uma unidade aceleradora modificada 1131 uma cavidade modificada 1731 um ou mais canais da parede de cavidade modificada 1750 janela do canal de cavidade 1760 protrusão do canal de cavidade
Claims (15)
1. Sistema acelerador linear de prótons (100) para irradiar tecido, o sistema acelerador (100) caracterizado pelo fato de compreender: uma fonte de prótons (110) para fornecer um feixe de prótons pulsado (115) durante a operação; um controlador de saída de feixe (120) para ajustar a corrente de feixes de prótons (115) que sai da fonte (110); uma unidade aceleradora (130, 1130) que tem: - uma entrada de feixe de prótons (135) para receber o feixe de prótons (115); - uma saída de feixe de prótons (137) para saída do feixe de prótons (115); - uma primeira fonte de energia de RF (132) para fornecer energia de RF durante a operação; e segunda fonte de energia de RF (232), distinta da primeira fonte (132), para fornecer energia de RF durante a operação; - pelo menos uma cavidade (131, 1131) que se estende da entrada do feixe de prótons (135) para a saída do feixe de prótons (137), para receber energia de RF da primeira (132) e/ou segunda (232) fonte de energia e para acoplar a energia de RF ao feixe de prótons (115) conforme ele passa da entrada do feixe de (135) para a saída do feixe (137); o sistema (100) compreendendo ainda: um controlador de energia de RF (180) conectado à primeira (132) e segunda (232) fonte de energia de RF para ajustar a energia de RF fornecida a pelo menos uma cavidade (131, 1131) e ainda conectado ao controlador de saída de feixe (120); o controlador de saída de feixe (120) sendo configurado para fornecer feixe de prótons (115) pulsos com um ciclo de operação de feixe predeterminado e/ou controlado (190); o controlador de energia de RF (180) sendo configurado - para fornecer energia de RF a partir da primeira fonte de energia de RF (132) durante o tempo ativo do ciclo de operação de feixe de prótons (190) para alterar a energia do feixe de prótons (115) e - para fornecer energia de RF da segunda fonte de energia de RF (232) durante o tempo inativo do ciclo de operação do feixe de prótons (190) para aumentar ou manter a temperatura de pelo menos uma cavidade (131, 1131).
2. Sistema acelerador (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o sistema (100) compreender ainda um acoplador de RF (300) para transferir energia de RF da primeira (132) e/ou segunda (232) fonte de energia de RF a pelo menos uma cavidade (131, 1131), o acoplador de RF (300, 400) tendo: - uma primeira entrada de RF (310) para receber energia de RF da primeira fonte de RF (132); - uma segunda entrada de RF (320) para receber energia de RF da segunda fonte de RF (232); e - uma saída de RF (330) para fornecer energia de RF para pelo menos uma cavidade (131, 1131).
3. Sistema acelerador (100), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o sistema (100) compreender ainda: - um primeiro isolador (410) para transferir energia de RF da primeira fonte de RF (132) para a primeira entrada de RF (310) do acoplador de RF (300, 400), configurado e arranjado para atenuar a transferência de energia de RF da referida primeira entrada de RF (310) para a primeira fonte de RF (132); e - um segundo isolador (420) para transferir energia de RF da segunda fonte de RF (232) para a segunda entrada de RF (320) do acoplador de RF (300, 400), configurado e arranjado para atenuar a transferência de energia de RF da referida segunda entrada de RF (320) para a primeira fonte de RF (232).
4. Sistema acelerador (100), de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de o controlador de energia de RF (180) ser ainda configurado para fornecer energia de RF da primeira fonte (132) de energia de RF como uma potência de pico e ainda configurado para fornecer energia de RF (132) da segunda fonte (232) de energia de RF como potência média.
5. Sistema acelerador (100), de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de o controlador de energia de RF (180) ser ainda configurado para fornecer consideravelmente a mesma energia de RF para cada ciclo de operação de feixe de prótons sucessivo (190).
6. Sistema acelerador (100), de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de o controlador de energia de RF (180) ser ainda configurado para fornecer energia de RF da primeira fonte de energia de RF (132) com uma primeira potência de pico e ainda configurado para fornecer uma energia de RF sucessiva (132) da segunda fonte de energia de RF (232) com uma segunda potência de pico, a segunda potência de pico sendo consideravelmente menor que a primeira potência de pico.
7. Sistema acelerador (100), de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de o controlador de energia de RF (180) ser ainda configurado para fornecer energia de RF da primeira fonte de energia de RF (132) com uma primeira largura de pulso e ainda configurado para fornecer uma energia de RF sucessiva (132) da segunda fonte de energia de RF (232) com uma segunda largura de pulso, a segunda largura de pulso sendo consideravelmente maior que a primeira largura de pulso.
8. Sistema acelerador (100), de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de o controlador de energia de RF (180) ser configurado para fornecer uma energia predeterminada e/ou controlada pela modificação de uma ou mais das seguintes características da primeira (132) e/ou segunda (232) fonte de energia de RF: Amplitude de RF, tempo ativo da energia de RF, tempo inativo da energia de RF, forma de pulso de energia de RF ou qualquer combinação dos mesmos.
9. Sistema acelerador (100), de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de o controlador de energia de RF (180) ser ainda configurado para fornecer energia de RF da primeira (132) e da segunda (232) fonte de energia de RF consideravelmente na mesma frequência de RF.
10. Sistema acelerador (100), de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo sistema (100) compreender ainda: - um sistema de controle de temperatura (700) para adaptar a temperatura de pelo menos uma cavidade (131, 1131) usando um líquido, configurado e arranjado para aumentar ou manter a temperatura de pelo menos uma cavidade (131, 1131) durante o tempo inativo do ciclo de operação do feixe de prótons (190).
11. Sistema acelerador (100), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de o sistema de controle de temperatura (700) compreender uma fonte de energia (210, 232), configurada e arranjada para aumentar ou manter a temperatura do líquido durante o tempo inativo ciclo de operação do feixe de prótons (190).
12. Sistema acelerador (100), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de a fonte de energia (210, 232) ser uma fonte aquecida eletricamente (710) e/ou fonte aquecida por RF (732).
13. Sistema acelerador (100), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de pelo menos uma cavidade (1131) compreender ainda pelo menos uma parte do canal (1750, 1760), em comunicação fluídica com sistema de controle de temperatura (700), configurado e arranjado para permitir energia de RF de pelo menos uma cavidade (1131) para aumentar ou manter a temperatura do líquido durante o tempo inativo do ciclo de operação do feixe de prótons (190).
14. Sistema acelerador (100), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de pelo menos uma parte do canal (1750, 1760) compreender uma parede, configurada para absorver consideravelmente e/ou transmitir consideravelmente pelo menos uma parte de energia de RF de pelo menos uma cavidade (1131) para o líquido.
15. Sistema acelerador (100), de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de a unidade aceleradora (130, 1130) ser de um dos seguintes tipos: Linac de Cavidade Acoplada (CCL), Linac de Tubo de Derivação (DTL), Linac de Tubo de Derivação Separado (SDTL), Linac Acoplado Lateral (SCL), Linac de Tubo de Derivação Acoplado Lateral (SCDTL).
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