BR112020025813A2

BR112020025813A2 - linha de transporte de feixe para sistemas de radioterapia e sistema de radioterapia da mesma

Info

Publication number: BR112020025813A2
Application number: BR112020025813-0A
Authority: BR
Inventors: Ugo Amaldi
Original assignee: Fondazione Per Adroterapia Oncologica - Tera
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2021-03-23
Also published as: CN112334187B; EP3810267B1; IT201800006452A1; US20210274634A1; CN112334187A; WO2019244073A1; IL279487A; KR20210021997A; EP3810267A1; CA3103937A1

Abstract

uma linha de transporte de feixe é descrita par um acelerador de prótons ou íons que guia prótons ou íons desde o acelerador até um sistema de distribuição de dose. o acelerador, linha de transporte de feixe e sistema de distribuição de dose são controláveis por um sistema de controle. a linha de transporte de feixe inclui uma pluralidade de elementos eletromagnéticos e pelo menos um destes é conectado a uma unidade de fonte de energia com 2-quadrantes ou 4-quadrantes disposta para produzir uma corrente que pode ser variada pelo sistema de controle em menos de 50 milissegundos de modo que, quando o feixe de energia é variado para deslocar o ponto do feixe no sentido do feixe, o mesmo é mantido focalizado em um alvo com perdas ao longo da linha de transporte do feixe e sistema de distribuição de dose não superiores a 10% e variações nas larguras totais transversais à meia altura do ponto do feixe não superiores a 10%. isto resolve o problema de como transportar um feixe cuja energia varia rapidamente.

Description

LINHA DE TRANSPORTE DE FEIXE PARA SISTEMAS DE RADIOTERAPIA E SISTEMA DE RADIOTERAPIA DA MESMA CAMPO TÉCNICO

[0001] A presente invenção diz respeito a uma linha de transporte de feixe de partículas para um sistema de radioterapia e a um sistema de radioterapia da mesma.

[0002] A invenção diz particularmente respeito a uma linha de transporte de feixe com suprimentos de energia de 2-quadrante ou 4-quadrante que variam rapidamente para efetuar uma Terapia de Varredura Localizada com Adaptação Rápida (Fast Adaptive Spot Scanning Therapy - FASST) com prótons ou feixes de íons leves, conforme o preâmbulo da Reivindicação 1.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0003] A Radioterapia é um método conhecido para tratar, primariamente, câncer, mas igualmente outras patologias focais por exemplo arritmias, malformações arteriovenosas e outras, denervação renal, cicatrizes quelóides, etc.

[0004] Um sistema de radioterapia típico inclui uma fonte de radiação e algum dispositivo para dirigir a radiação para o paciente. Formas de radiação tipicamente utilizadas incluem raios gama emitidos por fontes radiativas, raios X de alta energia, elétrons, prótons e outros íons leves, em particular íons de carbono.

[0005] Radioterapia de prótons e terapia com outros íons leves (chamados coletivamente de “hadrons”) requer alguma fonte de prótons mais os instrumentos para acelerar os prótons e formar um feixe que seja útil do ponto de vista médico. Os instrumentos de aceleração podem ser tipicamente cíclotrons, sincrociclotrons, síncrotrons, ou aceleradores lineares. Após a aceleração uma “linha de transporte de feixe” (também chamada “linha de feixe” e “canal magnético”) é usada para guiar o feixe de prótons em alta energia (e em geral de hadrons) para o Sistema de Entrega de Dose SED (Dose Delivery System – DDS) e finalmente, para o paciente.

[0006] É igualmente conhecido que para a terapia protônica são usados feixes terapêuticos de corrente relativamente baixa (da ordem de um nanoampère), com energias que correspondem a faixas em água entre 30 mm e 350 mm. As energias cinéticas relevantes estão na faixa entre 60 e 250 MeV.

[0007] Muitas companhias oferecem centros completos para terapia protônica e alguns outros centros, para íons mais pesados. Alguns desses centros apresentam muitas salas de tratamento enquanto em outros o feixe acelerado alimenta uma única sala.

[0008] Em todas as instâncias uma linha de transporte de feixe – composta de dipolos (que são elementos ligantes de feixes), quadrupolos (que são elementos que focalizam os feixes) e outros elementos magnéticos ou elétricos – guia o feixe desde o acelerador até um Sistema de Entrega de Dose (SED) e, através deste, para o ponto onde está localizado o paciente, normalmente chamado um “isocentro”.

[0009] Um Sistema de Entrega de Dose (SED) “ativo” contém tipicamente pelo menos três componentes: i) dois Magnetos de Varredura (SMx e SMy) localizados tipicamente a pelo menos 2 metros a montante do isocentro, que curvam o feixe transversalmente em uma área de tratamento de cerca de 300 mm x 300 mm; ii) um conjunto de monitores de feixe posicionado a cerca de 500 milímetros a montante do isocentro; iii) uma câmara de vácuo que é conectada com a câmara de vácuo da linha de feixe, que conecta o acelerador ao SED, et tipicamente termina em uma janela fina logo antes dos monitores, de modo a reduzir a largura do feixe devido a espalhamento múltiplo.

[00010] É igualmente conhecido que os elementos de uma linha de transporte de feixe são montados seja em suportes colocados no piso (para formar uma linha de transporte de feixe fixa, horizontal ou vertical ou inclinada) ou sobre uma estrutura mecânica rígida que gira em torno do paciente. Usualmente tal linha de transporte de feixe giratória é chamada de “pórtico”.

[00011] O Sistema de Entrega de Dose (SED) é integrado na última parte da linha de transporte de feixe. Em algumas modalidades os Magnetos de Varredura estão “a jusante” do último magneto da linha de transporte de feixe e em outras modalidades pelo menos um dentre os dois Magnetos de Varredura é posicionado “a montante” do último elemento da linha de transporte de feixe.

[00012] Um Complexo que compreende um acelerador, uma linha de transporte de feixe e um Sistema de Entrega de Dose (SED) pode ser chamado de “dispositivo emissor de feixe de prótons” e mais geralmente, de “dispositivo emissor de feixe de hadrons”.

[00013] A qualquer tempo as correntes e voltagens aplicadas aos elementos magnéticos e elétricos desse dispositivo emissor de partículas é definido pelo Sistema de Controle que, durante uma sessão de terapia, recebe sinais de sensores distribuídos por todos os elementos de hardware e envia sinais aos atuadores correspondentes para realizar, etapa por etapa, o plano de irradiação definido pelo Sistema de Planejamento de Tratamento (SPT).

[00014] É conhecido que no isocentro um feixe de terapia por radiação é caracterizado principalmente pelo ponto de entrada e o sentido no qual ele entra no corpo do paciente, a energia cinética média E do feixe de partículas, o espalhamento de energia ΔE (usualmente definido como a Largura Total na Metade do Máximo da distribuição de energia), a corrente I (tipicamente feita a média em tempos inferiores a 0,1 ns), que é uma função do tempo, e as duas Larguras Totais na Metade do Máximo FWHMx e FWHMy transversais do feixe no plano x-y, que é perpendicular ao sentido do feixe.

[00015] Espalhamento de coulomb múltiplo nos materiais atravessados pelas partículas, antes de atingir o isocentro, e nas espessuras dos monitores posicionados a montante do paciente, contribuem para os valores de FWHMx e FWHMy medidos “ao ar e no isocentro”. Esses efeitos devem ser minimizados.

[00016] Ao sintonizar as correntes nos elementos da linha de transporte de feixe o Sistema de Controle do dispositivo emissor de feixe de íons ajusta as larguras transversais em uma faixa típica que vai de 3 mm a 20 mm.

[00017] Um feixe quase mono-energético de hadrons deposita o máximo da dose no conhecido “pico de Bragg”, que é localizado em uma profundidade R no alvo. Em alvos aquáticos e alvos de tecidos moles, a faixa R (medida em mm) para prótons pode ser aproximadamente computada como uma função da energia E (medida em MeV) usando a equação: R = 0.0215 E1.77 (Equação 1)

[00018] Uma fórmula similar se aplica a partículas de maior carga e massa.

[00019] Geometricamente, durante um tratamento terapêutico, um feixe de lápis de energia E é caracterizado por um “ponto do feixe” (“beam spot”) originado pela superposição dos picos de Bragg das partículas do feixe, onde é depositada a densidade de dose mais elevada. Esse ponto do feixe está centralizado em uma profundidade R e tem uma Largura Total na Metade do Máximo (FWHM) Wd “longitudinal” e duas Larguras Totais na Metade do

Máximo Wx e Wy “transversais”. No caso dos prótons, a Largura Total na Metade do Máximo (FWHM) Wd “longitudinal” (em mm) pode ser escrita aproximadamente como: Wd = 12 mm (E/Emax) (com Emax = 230 MeV).

[00020] É conhecido que o Espalhamento Coulomb Múltiplo dos íons no alvo alarga as dimensões do feixe filiforme de modo que as larguras transversais reais Wx e Wy são obtidas pela combinação quadrática de FWHMx e FWHMy com a largura FWHM (MS) devido ao espalhamento múltiplo no interior do corpo do paciente.

[00021] Durante um tratamento, o ponto do feixe, que trata ativamente o alvo, é movimentado longitudinalmente no corpo do paciente através da variação da energia E do feixe, e transversalmente na área de tratamento atuando nas correntes lx e ly que energizam os Magnetos de Varredura SMx e SMy.

[00022] O Sistema de Planejamento do Tratamento determina a posição ótima dos “locais planejados” no corpo do paciente e, para cada um deles, o número de partículas de energia E que deve ser enviado para aquele sentido para obter a distribuição de dose desejada no alvo enquanto os órgãos sob risco (OSR) são poupados.

[00023] O Sistema de Planejamento de Tratamento tipicamente utiliza como insumo as densidades eletrônicas dos tecidos atravessados pelas partículas, já que a energia perdida por unidade de comprimento por uma partícula carregada é proporcional à densidade eletrônica local. Na prática muitas vezes os valores TC da escala de grises, ou os números Hounsfield das imagens de Tomografia Computadorizada (TC) (isto é, a proporção local de grises) determinam as densidades eletrônicas locais, que são usadas para corrigir as faixas das partículas que penetram no corpo do paciente ao longo de trajetos bem definidos. Como insumo, para cada novo sentido, o Sistema de Planejamento de Tratamento tipicamente constrói um alvo aquático “distorcido”, imerso em água, que é tal que a energia E do feixe necessária para “visitar” qualquer ponto particular no alvo com o ponto do feixe, isto é, um ponto planejado, é obtida pelo Sistema de Planejamento de Tratamento a partir de um conjunto de faixas medidas de partículas em água.

[00024] Em uma técnica típica de “Varredura Localizada”, descrita por exemplo em E. Pedroni et al., The 200 MeV proton therapy project at the Paul Scherrer Institute: conceptual design and practical realization, Medical Physics, 22(1), (1995) 37, mostrado na Figura 3, um alvo (31) em água é um elipsóide espremido imerso em água.

[00025] O alvo (31) está inscrito em um paralelepípedo (32) – tendo lados S1, S2 e S3 – e os locais planejados estão contidos em Camadas de Energia N-Iguais (CEI) que são perpendiculares ao sentido z. Na Figura as camadas são separadas por uma distância d3 =S3/(N-1), mas na prática os planos não são sempre equidistantes e nem todos são igualmente visitados pelo feixe já que as partículas que visitam locais planejados distais indiretamente irradiam os tecidos atravessados, reduzindo assim a dose a ser depositada por visitas diretas.

[00026] Durante um tratamento terapêutico o ponto do feixe é deslocado, energizando os Magnetos de Varredura com a corrente lx e ly, até uma posição inicial P0(x0, y0) determinada pelo Sistema de Tratamento do Paciente (STP). Como representado no box 33 da Figura 3, com base no STP, o Sistema de Controle atua sobre os componentes da linha de transporte de feixe e controla o ponto do feixe no plano x,y entregando a dose até que seja atingido o valor da dose prescrita. Assim que a entrega termina o ponto do feixe é deslocado para a próxima posição transversal, por exemplo, a posição final Pe(xe, ye) no box 33 da Figura 3.

[00027] Usualmente, depois que uma camada é varrida com partículas de energia E1, a energia é seja reduzida ou aumentada até um valor E2, que pode ser diferente de E1 por um valor fracionalmente pequeno, e uma CEI contígua é varrida transversalmente nos sentidos x e y. Isto é representado no box 34 da Figura 3, onde a entrega de uma dose pré-determinada é prevista em três pontos do feixe: um ponto inicial P0(x0, y0), um ponto intermediário Pint(xint, yint) e um ponto final Pe(xe, ye). O ponto do feixe é deslocado do local inicial para o local intermediário movimentando através de etapas transversais d1= S1/(M- 1), M sendo um inteiro positivo superior a 1.

[00028] Em outro procedimento menos usado, depois que a visita a um local planejado está completa, isto é, a dose planejada foi entregue, a energia é trocada e outro local planejado é visitado o qual tem as mesmas coordenadas transversais x e y mas uma coordenada de profundidade diferente. Este procedimento de Varredura Localizada “longitudinal” pode ser usado, por exemplo, quando o tempo necessário para trocar energia é curto em relação ao tempo necessário para efetuar a varredura de uma CEI.

[00029] É conhecido que para obter uma distribuição de dose uniforme é vantajoso se a distância, no plano transversal, entre os centros dos locais planejados é igual a cerca de 75% da Largura Total na Metade do Máximo transversal. Para prótons em uma profundidade de água R= 200 mm a largura do Espalhamento Múltiplo é FWHM(MS) = 10 mm que, combinado de modo quadrático com as larguras ao ar no isocentro (por exemplo, FWHMx = FWHMy = 7 mm), produz larguras de feixe no corpo do paciente Wx = Wy = 12 mm, que implica em distâncias transversais entre locais planejados contíguos iguais a 0,75x12= 9.2 mm.

[00030] Uma técnica usada para melhorar a uniformidade da distribuição da dose para o alvo é “re-varredura”, também chamada “re-pintura”, descrita por exemplo em Bernatowicz et al., “Comparative study of layered and volumetric rescanning for different scanning speeds of proton beam in liver patients”, Phys. Med. Biol., 58 (2013) 7905-7920), que permite, em re- varreduras sucessivas, a correção de erros estatísticos e sistemáticos nos quais o sistema possa ter incorrido. Neste artigo foi demonstrado que excelentes resultados são obtidos se o número de re-varreduras não for inferior a 5.

[00031] Na terapia com prótons e outros íons, um problema que é sentido é a irradiação correta de órgãos que se movimentam, particularmente para o ciclo respiratório mas igualmente por outras causas. Deste ponto de vista o tratamento de arritmias cardíacas é particularmente difícil, como descrito, por exemplo, em H. I. Lehmann, D. L. Packer et al, “Feasibility Study on Cardiac Arrhythmia Ablation Using High-Energy Heavy Ion Beam”, Scientific Reports, Vol. 6, 2016, Artigo número: 38895.

[00032] Uma solução é a irradiação de alvos em movimento com a técnica de porta respiratória (“gating”) na qual a corrente do feixe é ligada somente quando o local onde a dose deve ser depositada está – usualmente no final da fase de exalação – ao longo da trajetória do feixe de lápis. Este procedimento tem muitos inconvenientes, particularmente porque necessita tempos de irradiação mais longos.

[00033] Uma solução alternativa mais efetiva é o rastreamento do tumor. Como é conhecido, neste procedimento um dispositivo de monitoramento determina a posição em-feixe e forma do alvo em qualquer instante durante a irradiação e o Sistema de Controle do dispositivo emissor de feixe de íons ajusta em tempo real as coordenadas do centro do ponto do feixe para ter como alvo sempre o mesmo local planejado, cancelando os efeitos dos movimentos.

[00034] O acompanhamento dos movimentos alvo pode ser efetuado no plano transversal mantendo a energia E do feixe fixa e usando SMx e SMy e um sistema “bidimensional de feedback” baseado nas medidas efetuadas pelos dispositivos de medida de posição. O acompanhamento longitudinal é mais difícil porque a energia deve ser rapidamente ajustada, por exemplo ao tratar um tumor do pulmão e uma costela entra na trajetória do feixe de lápis de hadrons devido a movimentos de respiração.

[00035] O tempo necessário para variar a energia do feixe muda com o tipo de acelerador. Cíclotrons e sincrociclotrons tipicamente aceleram pulsos de partículas de 10-20 nanosegundos separados por 100-200 ns durante os quais a corrente é zero. A energia do feixe é tipicamente sempre a mesma e, no Sistema de Seleção de Energia (SSE), absorventes movíveis reduzem a energia do feixe até o valor necessário para atingir a profundidade onde, conforme o STP, o pico de Bragg deve ser posicionado. Os tempos mínimos para mover os absorventes, e portanto mudar a energia, são da ordem de 5- 100 milissegundos.

[00036] Os síncrotrons aceleram partículas em ciclos: o tempo para atingir a energia necessária E é tipicamente um segundo e o feixe é extraído, durante o topo achatado (“flat-top”) do campo magnético curvo versus tempo, diretamente na energia necessária. Deste modo, os pulsos de feixe duram de um segundo até muitos segundos. No entanto, o Instituto Nacional de Ciências Radiológicas (INCR do Japão) foi pioneiro na extração de feixes de diferentes energias no interior do mesmo ciclo de máquina, ao permitir que o feixe remanescente após a primeira extração seja diretamente levado à próxima energia desejada (Y. Iwata et al., “Multiple-energy operation with extended flattops at HIMAC”, Nucl. Instr. Meth. A 624 (2010) 33). A extração do feixe é obtida com Sistema eliminatório usando radio frequência (RF) transversal (como descrito, por exemplo, por T. Furukawa et al., “Global spill control in RF- knockout slow extraction”, Nucl. Instr. Meth. A 522 (2004) 196) e o tempo de troca entre Camadas de Energia Igual é reduzido para cerca de 100 milissegundos.

[00037] Para os síncrotrons outra possibilidade é descrita no documento publicado norte-americano US 2013/0092839A1, “Particle-beam generating device”: absorventes movíveis são usados para mudar a energia em etapas. O tempo necessário é novamente da ordem de 100 milissegundos.

[00038] Aceleradores lineares (“LINACs”) de prótons e outros íons leves produzem pulsos que perduram em torno de 2-5 milissegundos e são separados por intervalos de tempo mil vezes mais longos durante os quais não há feixe, já que as taxas típicas de repetição estão em torno de 200-400 Hz. A principal característica dos LINACs, aceleradores lineares (descritos por U. Amaldi, S. Braccini, P. Puggioni in “High Frequency Linacs for Hadron Therapy”, Rev. Acc. Sci. Tech., Vol.2, 2009, 111-131) é que atuando na energia de entrada e fase dos clistrons que alimentam os módulos separados e acelerados sucessivamente, a energia pode ser variada em cerca de 2 milissegundos.

[00039] Este método, sendo controlado de modo eletrônico, é um método muito mais confiável para controlar a energia do feixe do que métodos que usam absorvedores de energia movíveis mecanicamente. Além disso, conforme a taxa de repetição (200-400 Hz) o tempo necessário para mudar a energia e o número de partículas no pulso está na faixa de 2,5-5 milissegundos, mais de 10 vezes mais curto do que o necessário quando os prótons e outras partículas nucleares são aceleradas por sincro-ciclotrons ou sincrotrons.

[00040] Tipicamente, uma linha de transporte de feixe é usada para guiar partículas desde o acelerador até o Sistema de Entrega de Dose - SED (Dose Delivery System –DDS) ou outra seção de saída do dispositivo de radioterapia.

[00041] A patente US8173981B2 descreve uma estrutura de Gradiente Alternante de Campo Fixo (Fixed Field Alternating Gradient – FFAG) usando magnetos permanentes e que pode ser usada como linha de transporte de feixe ou um pórtico com ampla aceitação de energia.

[00042] Esta estrutura pode transmitir de modo eficiente feixes dotados de energia que diferem de 10% ou mais. W. Wan et al, “Alternating-gradient canted cosine theta superconducting magnets for future proton gantries”, Phys. Rev. ST Accel. Beams, Vol 18/10 (2015) 103501 descrevem uma solução compreendendo magnetos supercondutores. Esta última solução foi aperfeiçoada por L. Brower et al, “Design of an achromatic superconducting magnet for a proton therapy gantry”, IEEE Trans. Appl. Superconductivity, Vol 27/4, 2016, 4400106, que provê igualmente ampla aceitação de energia. A patente US15542383 descreve o projeto relevante de magnetos supercondutores. No entanto, ambas as soluções são difíceis de implementar e de alto custo.

[00043] A publicação de patente europeia EP3178522 descreve um sistema de terapia com partículas para irradiar um alvo com uma técnica de varredura com feixe. O sistema compreende um dispositivo de planejamento de irradiação com um algoritmo de planejamento configurado para associar uma energia E(i) de feixe de partículas a cada local do plano de irradiação e organizar os locais em uma sequência de locais conforme a energia. O sistema compreende um sistema de controle configurado para controlar em paralelo, de local a local, a variação de uma energia de saída de um gerador de feixes, a variação de um campo magnético de um ou mais eletromagnetos de um sistema de transporte de feixes e a variação de um campo magnético do magneto de varredura.

[00044] O pedido publicado norte-americano US2010012859A1 descreve um método para o tratamento ou irradiação de um volume alvo com um feixe de partículas carregadas, ao volume alvo sendo associadas três coordenadas conforme os sentidos X, Y e Z, a coordenada Z correspondendo ao sentido do feixe enquanto as coordenadas X e Y correspondem a sentidos perpendiculares ao sentido Z. O feixe de partículas carregadas produz um local de irradiação no volume alvo. O método compreende as seguintes etapas: varrer continuamente o local nos sentidos X e Y e aplicar um movimento contínuo a dito local no sentido Z modificando ininterruptamente a energia do dito feixe, a etapa de aplicar movimento contínuo no sentido Z e a etapa de varredura contínua nos sentidos X e Y sendo efetuada simultaneamente, pelo que é efetuada uma varredura contínua em 3D do volume alvo.

OBJETIVOS E SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[00045] Portanto é um objetivo da presente invenção resolver os problemas dos dispositivos da técnica anterior para emitir feixes de partículas como feixes de prótons e outros íons.

[00046] Em particular, é um objetivo da invenção permitir variação rápida da energia do feixe, de modo a reduzir os tempos de tratamento e aperfeiçoar a eficiência da irradiação em alvos em movimento.

[00047] Estes e outros objetivos da presente invenção se tornarão mais claros a partir da presente descrição e reivindicações anexas, que formam parte integral da presente descrição.

[00048] Conforme um primeiro aspecto, a invenção diz respeito a uma linha de transporte de feixe para um acelerador de partículas (em particular prótons), adaptada para guiar o feixe de prótons desde o acelerador até um sistema de entrega de dose, e compreendendo uma pluralidade de elementos eletromagnéticos. Pelo menos um destes elementos eletromagnéticos está conectado seja a uma fonte de energia de 2-quadrantes ou de 4-quadrantes disposta de modo a produzir uma corrente que pode ser variada pelo Sistema de Controle em menos de 50 milissegundos de modo que, quando a energia do feixe é variada para deslocar o ponto do feixe ao longo do sentido do feixe, o feixe é mantido focado em um alvo com perdas ao longo da linha de transporte de feixe e do sistema de entrega de dose não superiores a 10% e variações das Larguras Completas na Metade do Máximo do ponto do feixe não superiores a 10%.

[00049] Uma linha de transporte de feixe com estas características permite deslocar o ponto do feixe muito rapidamente, e concretizar sistemas de terapia com radiação nos quais a energia do feixe é variada muito rapidamente. Isto permite reduzir tempos de tratamento e melhorar a eficiência da radiação em alvos em movimento.

[00050] Conforme um segundo aspecto, a invenção é dirigida para uma linha de transporte de feixe para um acelerador de íons, tendo carga elétrica Z entre 2 e 10 e número de massa A entre 4 e 20, organizados para guiar o feixe de íons desde o acelerador até um sistema de entrega de dose. A linha de transporte de feixes compreende uma pluralidade de elementos eletromagnéticos, como quadrupolos ou magnetos defletores para guiar o feixe de íons. Pelo menos um desses elementos eletromagnéticos é conectado a uma unidade de fonte de energia seja a 2-quadrantes ou 4-quadrantes disposta de modo a produzir uma corrente que possa ser variada pelo Sistema de Controle em menos de 50 milissegundos de modo que, quando a energia do feixe é variada para deslocar o ponto do feixe ao longo do sentido do feixe, o feixe permanece focado em um alvo com perdas ao longo da linha de transporte de feixe e do sistema de entrega de dose não superior a 10% e variações das Larguras Totais na Metade do Máximo transversais do ponto do feixe não superiores a 10%. A linha de transporte de feixe com unidades de fonte de energia com 2-quadrantes ou 4-quadrantes e as características citadas acima, portanto, permite a redução do tempo de tratamento do paciente tanto no caso dos feixes de prótons como no caso dos feixes de íons.

[00051] Vantajosamente, o sistema de controle que controla as correntes que circulam nos elementos eletromagnéticos da linha de transporte de feixes controla igualmente o acelerador que gera o feixe de partículas e em particular controla a energia do feixe de partículas emitido pelo acelerador. O sistema de controle é então configurado de modo a controlar as correntes das unidades de fonte de energia como função da variação da energia do acelerador, de modo a permitir o rastreamento de alvos em movimento, como um coração que está batendo.

[00052] Adicionalmente, conforme um aspecto adicional, a invenção é dirigida para um sistema de radioterapia incluindo um acelerador de partículas, em particular de prótons ou íons com número atômico entre 4 e 20 e carga elétrica entre 2 e 10, e uma linha de transporte de feixe – dotada das características listadas acima e mais bem detalhadas a seguir – adaptada para guiar o feixe de partículas que sai do acelerador.

[00053] Em uma modalidade, o sistema de radioterapia compreende adicionalmente um sistema de distribuição de dose, e a linha de transporte de feixe é adaptada para guiar o feixe de partículas (prótons ou íons) para fora do acelerador para o sistema de distribuição de dose.

[00054] Em particular, em uma modalidade o sistema de terapia com radiação compreende um acelerador de partículas (em particular prótons, mas mais geralmente hadrons) adaptado para gerar um feixe de partículas, e uma linha de transporte de feixe compreendendo uma pluralidade de elementos magnéticos para guiar o feixe de partículas desde o acelerador até um sistema de distribuição de doses. Um sistema de controle é conectado operacionalmente ao acelerador para variar a energia do feixe de partículas e controlar a linha de transporte de feixe. Pelo mens um dos elementos eletromagnéticos é conectado à unidade de fonte de energia seja com 2- quadrantes ou 4-quadrantes disposta para produzir uma corrente que possa ser variada pelo Sistema de Controle em menos de 50 milissegundos de modo que, quando a energia do feixe é variada para deslocar o ponto do feixe ao longo do sentido do feixe, o feixe é mantido focado em um alvo com perdas ao longo da linha de transporte de feixes e no sistema de entrega de dose não superiores a 10% e variações das Larguras Totais na Metade do Máximo transversais do ponto do feixe não superiores a 10%.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00055] Características e vantagens adicionais da presente invenção se tornarão mais claras a partir da seguinte descrição detalhada de algumas modalidades preferidas, efetuada por referência aos desenhos anexos.

[00056] As diferentes características descritas por referência às modalidades individuais podem ser combinadas tal como desejado, se o usuário quiser usufruir das vantagens resultantes especificamente de uma combinação particular. Nesses desenhos,

[00057] A Figura 1 ilustra uma linha de transporte de feixe conforme uma modalidade da presente invenção;

[00058] A Figura 2 ilustra uma variante da linha de transporte de feixe da Figura 1;

[00059] A Figura 3 ilustra esquematicamente um alvo em água e um método conhecido para o controle de um feixe de prótons e outros íons leves para depositar uma dose de prótons sobre o alvo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[00060] Na descrição a seguir, numerais ou símbolos de referência idênticos são usados para ilustrar as Figuras para indicar componentes com a mesma função. Além disso, para a clareza da ilustração, algumas referências podem não ser repetidas em todas as Figuras.

[00061] Embora a invenção seja suscetível de várias modificações e construções alternativas, algumas modalidades preferidas estão representadas nos desenhos e serão descritas com detalhe a seguir no presente relatório. Deve ficar bem claro, no entanto, que não há intenção de limitar a invenção à modalidade especifica que é descrita mas, ao contrário, a invenção pretende cobrir todas as modificações, construções alternativas e equivalentes que pertencem ao escopo da invenção tal como definida na reivindicações.

[00062] O uso de “por exemplo”, “etc.”, “ou” denota alternativas não exclusivas sem limitação, a não ser que esteja indicado de outro modo. O uso de “inclui” significa “inclui, mas não limitado a”, a não ser que esteja indicado de outro modo.

[00063] As linhas de transporte de feixe descritas a seguir (igualmente denominadas “linhas de feixes” e “canais magnéticos”) compreendem elementos elétricos e magnéticos como magnetos curvos e quadrupolos, que conectam um acelerador de prótons e outros íons a um Sistema de Entrega de Dose (SED) para finalidades terapêuticas e paliativas para o tratamento de tumores e outras patologias que se beneficiam da radioterapia, por exemplo malformações arteriovenosas e outras malformações arteriais localizadas, arritmias cardíacas, denervação renal etc. Os elementos magnéticos são tipicamente eletromagnetos.

[00064] A linha de transporte de feixes pode ser parte de um pórtico ou pode ser uma linha fixa de transporte de feixe.

[00065] Alguns dos elementos magnéticos da linha de transporte de feixe, por exemplo dipolos ou quadrupolos, são conectados para rapidamente variar os suprimentos de energia, em particular variar rapidamente suprimentos de energia com 2-quadarantes e/ou 4-quadrantes, de modo que o feixe de prótons é transportado e mantido focado quando, em menos de 50 ms, em particular na faixa entre 0,1 e 50 ms, a energia do feixe é reduzida ou elevada. A variação de corrente pode estar dentro de um intervalo de fração que vai desde cerca de ±1% até cerca de ±10% dos seus valores, mas este intervalo pode igualmente aumentar. A variação rápida da energia implica que o ponto do feixe pode ser deslocado, em menos de 50 milissegundos, para trás e para a frente em muitos milímetros, e mesmo centímetros.

[00066] Esta característica é particularmente importante quando um dispositivo de monitoramento detecta em tempo real os movimentos tridimensionais do alvo no corpo do paciente (devido a respiração, batimento do coração ou outros movimentos do corpo) e o Sistema de Controle do Complexo acelerador-linha de feixe-SED aplica um sistema tridimensional de feedback para seguir o alvo, sem interromper a irradiação, efetuando assim o que pode ser chamado uma “Terapia de Varredura Localizada com Adaptação Rápida” ( Fast Adaptive Spot Scanning Therapy – FASST). A invenção descrita no presente relatório é relevante para a técnica mais avançada de irradiar alvos em movimento chamada “rastreamento de tumor”. Ela pode igualmente ser usada para corrigir a posição do ponto do feixe no caso de um movimento brusco do paciente.

[00067] Portanto, a seguir serão descritas linhas de feixe – que guiam as partículas desde um acelerador para terapia com feixe de prótons ou com outros íons até um SED – onde pelo menos um elemento magnético é conectado a suprimentos de energia seja com 2-quadarantes ou 4-quadrantes, produzindo uma corrente no elemento, isto é, um campo magnético, que pode ser variado pelo sistema de controle em menos do que cerca de 50 milissegundos. Para efetivar tais tempos curtos, as indutâncias das bobinas energizadas são adequadas às necessidades.

[00068] Estas linhas de transporte de feixe encontram aplicação preferida em aceleradores que podem variar rapidamente a energia do ponto do feixe – isto é, variar rapidamente a posição do pico de Bragg no interior do alvo – e têm vantagem particular quando um dispositivo medidor de posição do alvo detecta, durante uma irradiação, a necessidade de um ajuste longitudinal na faixa (isto é, na energia) do feixe. Um sistema longitudinal de feedback, conhecido por si próprio e portanto não descrito, é de preferência combinado com um sistema transversal bidimensional e transforma o mesmo em um “sistema tridimensional de feedback” completo.

[00069] Por referência à Figura 1, é ilustrada uma linha (100) de transporte de feixe a qual pode conectar um acelerador de prótons, em particular um LINAC (não representado na Figura) capaz de emitir um feixe com energia de até 230 MeV para um sistema (10) de distribuição de dose. A linha (100) de transporte de feixe compreende uma linha (1) de transporte de feixe horizontal e uma linha (3) de transporte de feixe giratória. A linha (1) de transporte de feixe horizontal e a linha (3) de transporte de feixe giratória são conectadas em um “ponto de acoplamento” P.A (“coupling point” C.P.), representado pelo numeral de referência (2). No ponto de acoplamento, uma câmara de vácuo fixa da linha (1) de transporte de feixe horizontal é conectada, por meio de uma conexão estanque a gás, a uma câmara de vácuo giratória da linha (3) de transporte de feixe giratória.

[00070] No exemplo da Figura 1, a linha (1) de transporte de feixe horizontal compreende quatro quadrupolos QA, QB, QC e QD, designados pelo numeral de referência (4), enquanto a linha (3) de transporte de feixe giratória compreende seis quadrupolos Q1-Q6, designados pelo numeral de referência (6), e quatro magnetos curvos BM1-BM4, designados pelo numeral de referência (7).

[00071] Neste exemplo, os quadrupolos (4) e (6) e os magnetos curvos (7) da linha (100) de transporte de feixe são conectados a unidades de fonte de energia de 2- quadrantes do tipo permutável (não representadas) que podem variar suas correntes por cerca de ± 10% em tempos curtos, isto é, cerca de 2 milissegundos.

[00072] Em outras modalidades e para alguns magnetos (em particular os quadrupolos) pode ser conveniente usar unidades de fonte de energia de 4- quadrantes do tipo permutável. A razão é que os campos magnéticos dos magnetos curvos nunca trocam de sinal de modo que para eles as unidades de fonte de energia de 2- quadrantes do tipo permutável são suficientes. Em vez disso pode acontecer que, ao variar a energia do feixe, o sentido dos campos em alguns quadrupolos deva ser invertido; nesses casos são necessárias unidades de fonte de energia de 4- quadrantes do tipo permutável. Este não é o caso para os quadrupolos da modalidade da Figura 1.

[00073] Conforme uma modalidade preferida, portanto, os componentes principais do sistema da Figura 1, que transporta prótons com E(max) = 230 MeV, são

1. uma “linha de transporte de feixe horizontal” que tem de preferência, mas não necessariamente, 4m de comprimento e guia o feixe desde a extremidade do LINAC de prótons até o ponto de acoplamento P.A;

2. o “ponto de acoplamento” P.A. entre a câmara de vácuo fixa e a câmara de vácuo giratória;

3. a “linha de transporte de feixe giratória” (usualmente denominada “pórtico”) que tem cerca de 8 m de comprimento e seus elementos magnéticos;

4. os “quadrupolos padrão” QA, QB, QC e QD formando a última parte da linha de feixe;

5. o “amortecimento do feixe”;

6. os “quadrupolos padrão” Q1, Q2….Q5 montados no pórtico giratório;

7. os “magnetos curvos a 30 graus” BM1 e BM2 com um campo magnético máximo B(max) = 1,6 tesla;

8. os “magnetos curvos a 75 graus” BM3 e BM4 com um campo magnético máximo B(max) = 1,6 tesla;

9. o “quadrupolo de grande abertura” Q6;

10. o “Sistema de Distribuição de Dose” SDD;

11. o “magneto de varredura SMx” que curva o feixe no sentido x;

12. o “magneto de varredura SMy” que curva o feixe no sentido y;

13. os “monitores de feixe”.

[00074] Uma modalidade mais simples está representada na Figura 2, onde o numeral de referência (14) indica uma linha de transporte de feixe horizontal e o numeral de referência (15) indica um SED horizontal. No Exemplo da Figura 2 a linha de transporte de feixe horizontal compreende seis quadrupolos QA, QB, QC, QD, QE e QF, enquanto o SED (15) compreende os dois magnetos de varredura SMx e SMy, indicados pelos numerais de referência (11) e (12), e os monitores (13) de feixe.

[00075] A modalidade da Figura 1 proporciona baixas emitâncias do feixe de prótons emitido e portanto os magnetos têm baixos intervalos ferro-para- ferro: 40 mm para os quadrupolos padrão e 30 mm para os magnetos curvos. Os magnetos são muito mais leves do que em outros pórticos existentes. Além disso, eles formam parte integral da estrutura de suporte de modo que o peso total do pórtico (com todos os seus elementos) é de somente cerca de 25 toneladas. O sistema completo pode ser fixo à parede da sala blindada de tratamento.

[00076] O acelerador-linha de transporte de feixe-SED da Figura 1 trabalha em uma frequência compreendida entre 100 Hz e 500 Hz, de preferência a 200 Hz, isto é, sua energia pode ser variada a cada 2-10 milissegundos, de preferência a cada 5 milissegundos. O controle da variação da energia do feixe é implementado pelo sistema de controle (não representado na Figura 1) que atua sobre o acelerador para variar a energia do feixe e assim ajustar a posição longitudinal do ponto do feixe.

[00077] As variações porcentuais máximas dos campos magnéticos nos magnetos curvos BM1, BM2, BM3, e BM4 foram computadas a partir da Equação 1 acima, exigindo que, para cada energia, a profundidade do pico de Bragg possa ser deslocado para trás e para a frente de duas vezes sua largura Wd. Com a equação aproximada acima isto significa uma variação de faixa máxima ΔR(max) = ± 24 mm (E/230)

[00078] Isto é realizado em alguns milissegundos variando as correntes circulando nas bobinas dos magnetos defletores graças às unidades de fonte de energia de modo permutável com 2-quadrantes ou 4-quadrantes.

[00079] A Tabela 1 a seguir lista algumas simulações para o sistema da Figura 1. Na coluna C2 da Tabela 1 a energia correspondente às faixas da coluna C1 são listadas, conforme a primeira equação, citada acima. As variações ΔR(max) na faixa máxima necessárias estão listadas na Coluna 4 da Tabela 1. A última coluna dá as variações máximas dos campos nos magnetos curvos que produzem os ajustes ΔR(max) de faixa da Coluna 4.

TABELA 1 C1 C2 C3 C4 C5 Etapa de Faixa Etapa de Max Variação Max de Faixa R Energia E Max energia campo (ΔB/B) [mm] [MeV] ΔR(max) [mm] ΔE(max) [MeV] 40 69 ± 7,20 ± 6,72 ± 5,11% 70 95 ± 9,91 ± 7,32 ± 4,20% 100 116 ± 12,1 ± 7,63 ± 3,62% 150 147 ± 15,3 ± 8,16 ± 3,12% 200 172 ± 18,0 ± 8,38 ± 2,76% 250 196 ± 20,4 ± 8,70 ± 2,54 % 300 217 ± 22,6 ± 8,88 ± 2,40% 320 225 ± 23,5 ± 8,93 ± 2,32 %

[00080] Quando a energia do próton aumenta de 70MeV para 230MeV as variações percentuais dos campos nos magnetos curvos decresce de cerca de ± 5% a cerca de ± 2% sem nunca mudar de sentido.

[00081] Cálculos de dinâmica dos feixes mostram que igualmente nos quadrupolos os sentidos dos campos magnéticos não mudam de sinal, de modo que para as modalidades da Figura 1, suprimentos de energia de 2-quadrantes são suficientes. A mesma afirmação é válida para a modalidade da Figura 2. No entanto, em outras modalidades a dinâmica dos feixes é diferente e pode ser necessário usar suprimentos de energia de 4-quadrantes.

[00082] A partir da descrição acima pode ser constatado que o ensinamento da presente invenção resolve de modo eficiente os objetivos propostos e obtém as vantagens indicadas.

[00083] Os especialistas podem introduzir modificações ou variações sem trair o escopo da proteção da presente invenção tal como descrita e reivindicada.

[00084] Como exemplo, as dimensões das linhas de feixe descritas acima por referência às Figuras 1 e 2 são preferidas mas não obrigatórias.

[00085] Em uma modalidade particularmente vantajosa, o rastreamento longitudinal rápido do tumor conforme a invenção pode ser combinado com re- varredura ou re-pintura, por exemplo com varreduras repetidas 5 vezes. Esta combinação oferece o melhor método para irradiar de modo preciso um alvo em movimento.

[00086] Torna-se igualmente claro que as linhas de transporte de feixes, tal como descritas e reivindicadas, podem igualmente ser usadas sempre que a energia do feixe é variada rapidamente e pode resultar em tempos de tratamento mais curtos. Isto é porque usando suprimentos de energia rápidos, de 2-quadrantes ou 4-quadrantes no modo comutável, os elementos magnéticos na linha de transporte de feixes são capazes de se adaptar mais rapidamente a variações de energia no feixe.

[00087] A fim de acompanhar a energia de um feixe de terapia com prótons a presente invenção modifica as propriedades de focalização e curvatura de uma linha de feixes usando suprimentos de energia que variam rapidamente, de 2-quadrantes ou 4-quadrantes, possivelmente operando no bem conhecido modo comutável. Atualmente as variações da corrente em frações desses suprimentos de energia rápidos têm limites brandos de cerca de ± 10% e isto determina o limite citado acima. No entanto, esta banda de variação, que pode aumentar, é mais do que suficiente para o rastreamento tridimensional de um alvo.

[00088] As modificações rápidas das correntes que alimentam os elementos magnéticos de interesse são de preferência síncronas e originam baixas perdas de prótons ao longo da linha de feixe, de preferência perdas inferiores a 10%. Além disso, as FWHMs transversais do ponto do feixe no alvo devem variar menos do que ± 10%.

[00089] Em conclusão, uma linha de transporte de feixe com uma ampla aceitação de energia não é necessária, porque quando os eletromagnetos da linha de feixe são atuados por uma fonte de energia rápida de 2-quadrantes ou 4-quadrantes a linha de transporte de feixe pode transmitir de modo eficiente feixes de energia variável.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Linha (100,14) de transporte de feixe para um acelerador de prótons, disposta para guiar o feixe de prótons desde o acelerador até um sistema (10,15) de entrega de dose, onde o acelerador, a linha (100,14) de transporte de feixe de prótons e o sistema de entrega de dose são dispostos para serem controláveis por um sistema de controle, e onde a linha (100,14) de transporte de feixe compreende uma pluralidade de elementos (4,6,9) eletromagnéticos, caracterizada por pelo menos um dentre esses elementos (4,6,9) eletromagnéticos ser conectado a uma unidade de fonte de energia seja com 2-quadrantes ou 4-quadrantes disposta para produzir uma corrente que pode ser variada pelo sistema de controle em menos de 50 milissegundos de modo que, quando a energia do feixe é variada para mover o ponto do feixe ao longo do sentido do feixe, o feixe é mantido focalizado em um alvo com perdas ao longo da linha (100,14) de transporte de feixe e do sistema (10,15) de entrega de dose não superiores a 10% e variações da Largura Total transversal na Metade do Máximo do ponto do feixe não superiores a 10%.

2. Linha (100,14) de transporte de feixe para um acelerador de íons, dotada de carga elétrica Z entre 2 e 10 e número de massa A entre 4 e 20, disposta para guiar o feixe de íons desde o acelerador até um sistema (10,15) de entrega de dose, onde o acelerador, a linha (100,14) de transporte de feixe de prótons e o sistema de entrega de dose são dispostos para serem controláveis por um sistema de controle, e onde a linha (100,14) de transporte de feixe compreende uma pluralidade de elementos (4,6,9) eletromagnéticos, caracterizada por pelo menos um dentre esses elementos (4,6,9) eletromagnéticos ser conectado a uma unidade de fonte de energia seja com 2-quadrantes ou 4-quadrantes disposta para produzir uma corrente que pode ser variada pelo sistema de controle em menos de 50 milissegundos de modo que quando a energia do feixe é variada para mover o ponto do feixe ao longo do sentido do feixe, o feixe é mantido focalizado em um alvo com perdas ao longo da linha (100,14) de transporte de feixe e do sistema (10,15) de entrega de dose não superiores a 10% e variações da Largura Total na Metade do Máximo transversal do ponto do feixe não superiores a 10%.

3. Linha de transporte de feixe de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada por o acelerador ser um LINAC de íons.

4. Linha de transporte de feixe de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada por o acelerador ser um sincrotron de íons, seja supercondutor ou à temperatura ambiente.

5. Linha de transporte de feixe de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada por o acelerador ser um cíclotron ou um sincro-cíclotron.

6. Sistema de radioterapia, caracterizado por compreender a linha de transporte de feixe da reivindicação 1 ou 2.

7. Sistema de terapia por radiação, compreendendo um acelerador de partículas adaptado para emitir um feixe de partículas, dito feixe de partículas sendo um feixe de prótons ou um feixe de íons com uma carga elétrica entre 2 e 10 e número de massa entre 4 e 20, uma linha (100,14) de transporte de feixe compreendendo uma pluralidade de elementos (4,6,9) eletromagnéticos para guiar o feixe de partículas desde o acelerador, um sistema de controle conectado ao acelerador de modo operacional para variar a energia do feixe de partículas, caracterizado por pelo menos um dentre os elementos (4,6,9) eletromagnéticos ser conectado a uma unidade de fonte de energia seja com 2-quadrantes ou 4-quadrantes disposta para produzir uma corrente que pode ser variada pelo sistema de controle em menos de 50 milissegundos de modo que quando a energia do feixe é variada para mover o ponto do feixe ao longo do sentido do feixe, o feixe é mantido focalizado em um alvo com perdas ao longo da linha (100,14) de transporte de feixe e do sistema (10,15) de entrega de dose não superiores a 10% e variações da Largura Total transversal na Metade do Máximo do ponto do feixe não superiores a 10%.

8. Sistema de acordo com a reivindicação 7, compreendendo adicionalmente um sistema (10,15) de distribuição de dose, caracterizado por a linha de transporte de feixe ser adaptada para guiar as partículas do feixe desde o acelerador até o sistema de distribuição de dose.

9. Sistema de radioterapia de acordo com as reivindicações 7 ou 8, caracterizado por o sistema de controle ser adaptado para variar a energia do acelerador a cada 2-10 milissegundos e para controlar a linha (100,14) de transporte de feixe e o sistema (10,15) de distribuição de dose com frequência de 100-500 Hz.

10. Sistema de radioterapia de acordo com as reivindicações 7 a 9, caracterizado por o acelerador ser um LINAC para íons.