BRPI0912981B1

BRPI0912981B1 - aparelho para a injeção de um feixe de partícula carregada em um acelerador de um dispositivo de irradiação

Info

Publication number: BRPI0912981B1
Application number: BRPI0912981-2A
Authority: BR
Inventors: Yegorovich Balakin Vladimir
Original assignee: Yegorovich Balakin Vladimir
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2019-11-19
Also published as: WO2009142543A2; WO2009142543A3; BRPI0912981A2; EP2283707B1; EP2283707A2; JP2011523498A

Abstract

método de injeção de feixe de partícula carregada e aparelho usado em conjunto com um sistema de terapia de câncer com partícula carregada a invenção refere-se a um método de injeção 5 de feixe de partícula carregada e um aparelho usado em conjunto com uma terapia de radiação de partícula carregada de eixo geométrico múltiplo de tumores cancerosos. a fonte de feixe de íon negativo inclui uma fonte de feixe de íon negativo, um sistema de vácuo, uma lente de focalização de feixe de íon e/ou um acelerador em tandem. a fonte de feixe de íon negativo usa linhas de campo elétrico para a focalização de um feixe de íon negativo. a câmara de plasma de fonte de íon negativo inclui um material magnético, o qual provê uma barreira de campo magnético entre uma câmara de plasma de temperatura alta e uma região de plasma de temperatura baixa. o sistema de injeção, o sistema de vácuo e o sistema de vácuo de síncrotron são separados por uma folha de conversão, onde íons negativos são convertidos em íons positivos. a folha é selada nas bordas do tubo de vácuo provendo uma pressão parcial mais alta na câmara de vácuo de sistema de injeção e uma pressão mais baixa no sistema de vácuo de síncrotron.

Description

[001] Este pedido reivindica o benefício do:

[002] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/055.395 depositado em 22 de maio de 2008;

[003] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/137.574 depositado em 1° de agosto de 2008;

[004] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/192.245 depositado em 17 de setembro de 2008;

[005] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/055.409 depositado em 22 de maio de 2008;

[006] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/203.308 depositado em 22 de dezembro de 2008;

[007] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/188.407 depositado em 11 de agosto de 2008;

[008] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/209.529 depositado em 9 de março de 2009;

[009] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/188.406 depositado em 11 de agosto de 2008;

[0010] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/189.815 depositado em 25 de agosto de 2008;

[0011] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/208.182 depositado em 23 de fevereiro de 2009;

[0012] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/201.731 depositado em 15 de dezembro de 2008;

[0013] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/208.971 depositado em 3 de março de 2009;

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2/90 [0014] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/205.362 depositado em 12 de janeiro de 2009;

[0015] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/134.717 depositado em 14 de julho de 2008;

[0016] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/134.707 depositado em 14 de julho de 2008;

[0017] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/201.732 depositado em 15 de dezembro de 2008;

[0018] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/198.509 depositado em 7 de novembro de 2008;

[0019] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/134.718 depositado em 14 de julho de 2008;

[0020] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/190.613 depositado em 3 de setembro de 2008;

[0021] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/191.043 depositado em 8 de setembro de 2008;

[0022] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/192.237 depositado em 17 de setembro de 2008.

[0023] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/201.728 depositado em 15 de dezembro de 2008;

[0024] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/190.546 depositado em 2 de setembro de 2008;

[0025] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/189.017 depositado em August 15. 2008;

[0026] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/198.248 depositado em 5 de novembro de 2008;

[0027] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/198.508 depositado em 7 de novembro de 2008;

[0028] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/197.971 depositado em 3 de novembro de 2008;

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3/90 [0029] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/199.405 depositado em 17 de novembro de 2008;

[0030] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/199.403 depositado em 17 de novembro de 2008;

[0031] Pedido de patente provisória U.S. N° 61/199.404 depositado em 17 de novembro de 2008; e [0032] reivindica prioridade para o pedido de patente PCT N°

PCT/RU2009/00015, Multi-Field Charged Particle Cancer Therapy Method and Apparatus, depositado em 4 de março de 2009;

[0033] todos os quais sendo incorporados aqui em sua totalidade como referência para este.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

CAMPO DA INVENÇÃO [0034] Esta invenção refere-se geralmente ao tratamento de cânceres sólidos. Mais particularmente, a invenção refere-se a um sistema de injeção de feixe de íons, o qual é usado em conjunto com uma aceleração de feixe de terapia de câncer de partícula carregada, a aparelhos e métodos de extração e ou direcionamento.

DISCUSSÃO DA TÉCNICA ANTERIOR

Tratamento de Câncer [0035] Os sistemas de terapia de próton tipicamente incluem: um gerador de feixe, um acelerador e um sistema de transporte de feixe para mover os prótons acelerados resultantes para uma sala de tratamento onde os prótons são enviados para um tumor no corpo de um paciente.

[0036] A terapia de próton funciona pelo direcionamento de partículas de ionização energética, tais como prótons acelerados com um acelerador de partículas, em um tumor almejado. Estas partículas danificam o DNA das células, finalmente causando sua morte. As células cancerosas, devido à sua alta taxa de divisão e a sua capacidade re

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4/90 duzida de reparar DNA danificado, são particularmente vulneráveis a ataques no seu DNA.

[0037] Devido a seu tamanho relativamente enorme, os prótons se dispersam menos facilmente no tecido, e há muito pouca dispersão lateral. Daí, o feixe de prótons fica focalizado sobre o formato do tumor, sem muito dano colateral ao tecido circundante. Todos os prótons de uma dada energia têm um certo alcance, definido pelo pico de Bragg, e a relação de administração de dosagem para tecido está em um máximo apenas pelos últimos poucos milímetros do alcance de partícula. A profundidade de penetração depende da energia das partículas, o que está diretamente relacionado à velocidade na qual as partículas foram aceleradas pelo acelerador de próton. A velocidade do próton é ajustável para a classe nominal máxima do acelerador. Portanto, é possível focalizar o dano celular devido ao feixe de prótons na verdadeira profundidade nos tecidos em que o tumor está situado. Os tecidos situados antes do pico de Bragg recebem alguma dose reduzida e os tecidos situados após o pico não recebem nada. Sincrotron [0038] H. Tanaka, et. al. Charged Particle Accelerator, Patente

U.S. N° 7.259.529 (21 de agosto de 2007) descrevem um acelerador de partícula carregada que tem um processo de aceleração de dois períodos com um campo magnético fixo aplicado em um primeiro período e um segundo período de aceleração sincronizado para prover uma aceleração compacta e de potência alta das partículas carregadas.

[0039] V. Kulish, et. al. Inductional Undulative EH-Accelerator,

Patente U.S. N° 6.433.494 (13 de agosto de 2002) descrevem um acelerador de EH ondulado indutivo para aceleração de feixes de partículas carregadas. O dispositivo consiste em um sistema de ondulação eletromagnética, cujo sistema de acionamento para eletroímãs é feito

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5/90 na forma de um oscilador de radiofrequência (RF) operando na faixa de frequência de em torno de 100 kHz a 10 GHz.

[0040] K. Saito, et. al. Radio-Frequency Accelerating System and

Ring Type Accelerator Provided with the Same, Patente U.S. N° 5.917.293 (29 de junho de 1999) descrevem um sistema de aceleração de radiofrequência que tem uma antena de laço acoplada a um grupo de núcleo magnético e um meio de ajuste de impedância conectado à antena de laço. Uma voltagem relativamente baixa é aplicada ao meio de ajuste de impedância permitindo uma construção pequena do meio de ajuste.

[0041] J. Hirota, et. al. Ion Beam Accelerating Device Having Separately Excited Magnetic Cores, Patente U.S. N° 5.661.366 (26 de agosto de 1997) descrevem um dispositivo de aceleração de feixe de íon que tem uma pluralidade de unidades de indução de campo magnético de frequência alta e núcleos magnéticos.

[0042] J. Hirota, et. al. Acceleration Device for Charged Particles,

Patente U.S. N° 5.168.241 (1° de dezembro de 1992) descrevem uma cavidade de aceleração tendo uma fonte de potência de frequência alta e um condutor de laço operando sob um controle que podem se combinar para controle de uma constante de acoplamento e/ou uma saída de sintonia permitindo uma transmissão de potência mais eficientemente para as partículas.

Câmara de Vácuo [0043] T. Kobari, et. al. Apparatus For Treating the Inner Surface of Vacuum Chamber, Patente U.S. N° 5.820.320 (13 de outubro de 1998) e T. Kobari, et. al. Process and Apparatus for Treating Inner Surface Treatment of Chamber and Vacuum Chamber, Patente U.S. N° 5.626.682 (6 de maio de 1997) ambos descrevem um aparelho para o tratamento de uma superfície interna de uma câmara de vácuo incluindo um meio para suprimento de um gás inerte ou nitrogênio para

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6/90 uma superfície da câmara de vácuo com um mandril. Alternativamente, o mandril é usado para suprimento de um álcool inferior para a câmara de vácuo para dissolução de contaminantes na superfície da câmara de vácuo.

Problema [0044] Existe na técnica de terapia de feixe de partícula de tumores cancerosos uma necessidade de uma injeção eficiente de um feixe de partícula carregada em um acelerador. Ainda, existe uma necessidade de focalização de um feixe de íon negativo no injetor. Existe ainda na técnica uma necessidade de geração de um íon negativo, extração do íon negativo, conversão do íon negativo em um íon positivo, e injeção do íon positivo em um síncrotron. Mais ainda, existe uma necessidade na técnica de controle do sistema de terapia de câncer de partícula carregada em termos de energia especificada, intensidade, e/ou sincronismo de entrega de partícula carregada. Mais ainda, existe uma necessidade de um tratamento eficiente, preciso e/ou acurado não invasivo, in vivo de um tumor canceroso sólido com minimização de danos ao tecido saudável circundante em um paciente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0045] A invenção compreende um injetor de feixe de partícula, o qual é parte de um sistema de feixe de terapia de câncer de partícula carregada.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [0046] A figura 1 ilustra conexões de componente de um sistema de terapia de feixe de partícula;

[0047] a figura 2 ilustra um sistema de terapia de partícula carregada;

[0048] a figura 3 ilustra um sistema de geração de feixe de íon;

[0049] a figura 4 ilustra uma fonte de feixe de íon negativo;

[0050] a figura 5 ilustra um sistema de focalização de feixe de íon;

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7/90 [0051] as figuras 6A a D ilustram eletrodos em torno de um percurso de feixe de íon negativo;

[0052] a figura 7A ilustra um acelerador em tandem que tem uma folha, a 7B ilustra uma estrutura de suporte e a 7C ilustra uma folha de conversão;

[0053] a figura 8 é um fluxograma de controle de síncrotron;

[0054] a figura 9 ilustra seções retas e curvas de um síncrotron;

[0055] a figura 10 ilustra ímãs de flexão de um síncrotron;

[0056] a figura 11 provê uma vista em perspectiva de um ímã de flexão;

[0057] a figura 12 ilustra uma vista em seção transversal de um ímã de flexão;

[0058] a figura 13 ilustra uma vista em seção transversal de um ímã de flexão;

[0059] a figura 14 ilustra uma concentração de campo magnético em um ímã de flexão;

[0060] a figura 15 ilustra bobinas de correção e um ímã de flexão;

[0061] a figura 16 ilustra uma seção de curva magnética de um síncrotron;

[0062] a figura 17 ilustra um sistema de controle de campo magnético;

[0063] a figura 18 ilustra um sistema de extração de partícula carregada e de controle de intensidade;

[0064] a figura 19 ilustra um sistema de posicionamento de paciente a partir de: (A) uma vista dianteira e (B) uma vista de topo;

[0065] a figura 20 ilustra uma varredura multidimensional de um sistema de varredura de ponto de feixe de partícula carregada operando em: (A) uma fatia 2-D ou (B) um volume 3-D de um tumor;

[0066] a figura 21 ilustra uma fonte de pistola de elétrons usada na geração de raio X acoplada a um sistema de terapia de feixe de partíPetição 870190082338, de 23/08/2019, pág. 11/101

8/90 cula;

[0067] a figura 22 ilustra uma fonte de raio X próxima de um percurso de feixe de elétron;

[0068] a figura 23 ilustra um percurso de feixe de raio X expandido;

[0069] a figura 24 provê um exemplo de um sistema de posicionamento de paciente;

[0070] a figura 25 ilustra um sistema de restrição de cabeça; e [0071] a figura 26 ilustra suportes para mão e cabeça.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0072] A invenção refere-se geralmente ao tratamento de cânceres sólidos. Mais particularmente, a invenção refere-se a um método e um aparelho para a injeção de um feixe de partícula carregada em um síncrotron.

[0073] Em uma modalidade, o sistema refere-se a um sistema de focalização de feixe de íon como parte de um sistema de injeção de feixe de íon usado em conjunto com métodos e aparelhos de injeção, aceleração, extração e/ou direcionamento de feixe de terapia de câncer de partícula carregada. O sistema de focalização de feixe de íon inclui dois ou mais eletrodos, onde um eletrodo de cada par de eletrodos obstrui parcialmente o percurso de feixe de íon com percursos condutivos, tal como uma malha condutiva. Em um dado par de eletrodos, as linhas de campo elétrico, passando entre a malha condutiva de um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo, provêem forças para dentro focalizando o feixe de íon negativo. Múltiplos desses pares de eletrodo provêem múltiplas regiões de focalização de feixe de íon negativo.

[0074] Em uma outra modalidade, o sistema refere-se a uma fonte de íon negativo como parte de um sistema de injeção de feixe de íon em conjunto com métodos e aparelhos de injeção, aceleração, extra

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9/90 ção e/ou direcionamento de feixe de terapia de câncer de partícula carregada. A fonte de íon negativo preferencialmente inclui uma janela de entrada para a injeção de gás hidrogênio em uma câmara de plasma de temperatura alta. Em uma modalidade, a câmara de plasma inclui um material magnético, o qual provê uma barreira de campo magnético entre a câmara de plasma de temperatura alta e uma região de plasma de temperatura baixa no lado oposto da barreira de campo magnético. Um pulso de extração é aplicado a um eletrodo de extração de íon negativo para se puxar o feixe de íon negativo para um percurso de feixe de íon negativo, o qual prossegue através de um primeiro sistema de vácuo parcial, através de um sistema de focalização de íon negativo, para o acelerador em tandem, e para um síncrotron.

[0075] Em ainda uma outra modalidade, o sistema refere-se a um sistema de vácuo de um sistema de injeção de feixe de íon usado em conjunto com métodos e aparelhos de injeção, aceleração, extração e/ou direcionamento de feixe de terapia de câncer de partícula carregada. A fonte de feixe de íon negativo contém uma câmara de vácuo isolada por uma barreira de vácuo a partir do tubo de vácuo do síncrotron. O sistema de vácuo de fonte de feixe de íon negativo preferencialmente inclui: uma primeira bomba turbomolecular, um grande volume de manutenção e uma bomba operando de forma semicontínua. Apenas bombeando a câmara de vácuo de fonte de feixe de íon e apenas operando de forma semicontínua o vácuo de fonte de feixe de íon com base em leituras de sensor sobre o volume de manutenção, o tempo de vida da bomba de operação semicontínua é estendido.

[0076] Em ainda uma outra modalidade, o sistema refere-se a um acelerador em tandem como parte de um sistema de injeção de feixe de íon usado em conjunto com métodos e aparelhos de injeção, aceleração, extração e/ou direcionamento de feixe de terapia de câncer de

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10/90 partícula carregada. A fonte de feixe de íon negativo inclui um sistema de vácuo de sistema de injeção e um sistema de vácuo de síncrotron separados por uma folha ou uma folha de conversão, onde os íons negativos são convertidos em íons positivos. A folha opcionalmente está no acelerador em tandem. A folha é selada nas bordas do tubo de vácuo provendo uma pressão parcial mais alta na câmara de vácuo sistema de injeção e uma pressão mais baixa no sistema de vácuo de síncrotron. Ter a folha separando fisicamente a câmara de vácuo em duas regiões de pressão permite que menos bombas e/ou bombas menores mantenham o sistema de pressão mais baixa no síncrotron, conforme o gás hidrogênio de entrada é extraído em um espaço contido e isolado separado pelo sistema de vácuo parcial de injeção.

[0077] Em conjunto com a invenção, novos recursos de projeto de um síncrotron são descritos. Particularmente, uma fonte de feixe de íon negativo com novos recursos na fonte de íon negativo, um sistema de vácuo de fonte de íon, uma lente de focalização de feixe de íon e um acelerador em tandem são descritos. Adicionalmente, ímãs de curva, ímãs de focalização de borda, ímãs de concentração de campo magnético, bobinas de enrolamento e correção, superfícies incidentes de campo magnético plano, e elementos de extração são descritos, que minimizam o tamanho geral do síncrotron, proveem um feixe de prótons controlado firmemente, reduzem diretamente o tamanho de campos magnéticos requeridos, reduzem diretamente a potência de operação, e permitem uma aceleração contínua de prótons em um síncrotron, mesmo durante um processo de extração de prótons a partir do síncrotron. O sistema de fonte de feixe de íon e o síncrotron preferencialmente são integrados por um computador com um sistema de formação de imagem de paciente e uma interface de paciente incluindo sensores de monitoração de respiração e elementos de posicionamento de paciente.

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11/90 [0078] Usados em conjunto com sistema de injeção, um sistema de formação de imagem, sensores de respiração e novos recursos de um síncrotron são descritos. Particularmente, um controle de intensidade de um método e aparelho de injeção, aceleração, extração e/ou direcionamento de feixe de terapia de câncer de partícula carregada usados em conjunto com uma terapia com radiação de feixe de partícula carregada de tumores cancerosos é descrito. Mais particularmente, um controle de intensidade e de energia de uma corrente de partícula carregada de um síncrotron é descrito, onde o síncrotron inclui qualquer um dentre: ímãs de curva, ímãs de focalização de borda, ímãs de concentração de campo magnético, bobinas de enrolamento e de controle, e elementos de extração. Os elementos de controle de síncrotron permitem um controle firme do feixe de partícula carregada, o qual complementa o controle firme de posicionamento do paciente, para a produção de um tratamento eficiente de um tumor sólido com danos reduzidos ao tecido quanto ao tecido saudável circundante. Além disso, o sistema reduz o tamanho geral de campos magnéticos requeridos, reduz diretamente a potência de operação requerida, e permite uma aceleração contínua de prótons em um síncrotron, mesmo durante um processo de extração de prótons do síncrotron. Cíclotron/Síncrotron [0079] Um cíclotron usa um campo magnético constante e um campo elétrico aplicado de frequência constante. Um dos dois campos é variado em um sincrocíclotron. Ambos estes campos são variados em um síncrotron. Assim, um síncrotron é um tipo em particular de acelerador de partícula cíclico no qual um campo magnético é usado para se curvarem as partículas, de modo que elas circulem e um campo elétrico seja usado para a aceleração das partículas. O síncrotron sincroniza cuidadosamente os campos aplicados com o feixe de partícula viajando.

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12/90 [0080] Pelo aumento dos campos apropriadamente, conforme as partículas ganharem energia, o percurso de partículas carregadas pode ser mantido constante, conforme elas forem aceleradas. Isto permite que o recipiente de vácuo para as partículas seja uma tora fina grande. Na realidade, é mais fácil usar algumas seções retas entre os ímãs de flexão e algumas seções de curva dando à tora o formato de um polígono de cantos arredondados. Um percurso de grande raio efetivo é assim construído usando-se segmentos simples de tubo reto e curvado, diferentemente da câmara em formato de disco dos dispositivos do tipo de cíclotron. O formato também permite e requer o uso de múltiplos ímãs para a flexão do feixe de partícula.

[0081] A energia máxima que um acelerador cíclico pode imprimir tipicamente é limitada pela in dos campos magnéticos e pelo raio mínimo / pela curvatura máxima do percurso de partícula. Em um cíclotron, o raio máximo é bastante limitado, já que as partículas começam no centro e fazem um movimento de espiral para fora, assim este percurso inteiro devendo ser uma câmara sob vácuo em formato de disco independente. Uma vez que o raio é limitado, a potência da máquina se torna limitada pela intensidade do campo magnético. No caso de um eletroímã comum, a intensidade de campo é limitada pela saturação do núcleo, porque quando todos os domínios magnéticos estão alinhados, o campo pode não ser aumentado mais até qualquer extensão prática. O arranjo do par único de ímãs também limita o tamanho econômico do dispositivo.

[0082] Os síncrotrons suplantam estas limitações, usando um tubo de feixe estreito circundado por ímãs muito menores e de focalização mais firme. A capacidade deste dispositivo de acelerar partículas é limitada pelo fato de as partículas deverem ser carregadas para serem aceleradas no todo, mas as partículas carregadas sob aceleração emitem fótons, desse modo perdendo energia. A energia de feixe limitante

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13/90 é atingida quando a energia perdida para a aceleração lateral requerida para manutenção do percurso de feixe em um círculo equivale à energia adicionada a cada ciclo. Aceleradores mais potentes são construídos pelo uso de percursos de raio grande e pelo uso de cavidades de microondas mais numerosas e mais potentes para a aceleração do feixe de partícula entre os cantos. Partículas mais leves, tais como elétrons, perdem uma fração maior de sua energia quando viram. Falando de forma prática, a energia dos aceleradores de elétron / pósitron é limitada por esta perda de radiação, enquanto ela não tem um papel significativo na dinâmica de aceleradores de próton ou íon. A energia destes é limitada estritamente pela força de ímãs e pelo custo. TERAPIA DE FEIXE DE PARTÍCULA CARREGADA [0083] Por todo este documento, um sistema de terapia de feixe de partícula carregada, tal como um feixe de próton, um feixe de íon de hidrogênio ou um feixe de íon de carbono, é descrito. Aqui, o sistema de terapia de feixe de partícula carregada é descrito usando-se um feixe de próton. Contudo, não se pretende que os aspectos ensinados e descritos em termos de um feixe de próton sejam limitados àqueles de um feixe de próton e são ilustrativos de um sistema de feixe de partícula carregada. Qualquer sistema de feixe de partícula carregada é igualmente aplicável às técnicas descritas aqui.

[0084] Com referência, agora, à figura 1, um sistema de feixe de partícula carregada 100 é ilustrado. O feixe de partícula carregada preferencialmente compreende vários subsistemas, incluindo qualquer um dentre: um controlador principal 110; um sistema de injeção 120; um síncrotron 130 que inclui, tipicamente: (1) um sistema de acelerador 132 e (2) um sistema de extração 134; um sistema de varredura / direcionamento / entrega 140; um módulo de interface de paciente 150; um sistema de exibição 160; e/ou um sistema de formação de imagem 170.

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14/90 [0085] Em uma modalidade, um ou mais dos subsistemas são armazenados em um cliente. O cliente é uma plataforma de computação configurada para atuar como um dispositivo de cliente; por exemplo, um computador pessoal, um tocador de mídia digital, um assistente digital pessoal, etc. O cliente compreende um processador que é acoplado a vários dispositivos de entrada externos ou internos, por exemplo, um mouse, um teclado, um dispositivo de exibição, etc. O processador também é acoplado a um dispositivo de saída, por exemplo, um monitor de computador para exibição de uma informação. Em uma modalidade, o controlador principal 110 é o processador. Em uma outra modalidade, o controlador principal 110 é um conjunto de instruções armazenadas em uma memória que é portada pelo processador.

[0086] O cliente inclui um meio de armazenamento que pode ser lido em computador, isto é, uma memória. A memória inclui, mas não está limitada a um dispositivo eletrônico, magnético ou outro de armazenamento ou transmissão capaz de acoplamento a um processador, por exemplo, tal como um processador em comunicação com um dispositivo de entrada sensível ao toque, com instruções que podem ser lidas em computador. Outros exemplos de meios adequados incluem, por exemplo, uma unidade flash, um CD-ROM, uma memória apenas de leitura (ROM), uma memória de acesso randômico (RAM), um circuito integrado específico de aplicação (ASIC), um DVD, um disco magnético, um chip de memória, etc. O processador executa um conjunto de instruções de código de programa executáveis em computador armazenadas na memória. As instruções podem compreender um código a partir de qualquer linguagem de programação de computador, incluindo, por exemplo, C, C++, C#, Visual Basic, Java e JavaScript.

[0087] Um método de exemplo de uso do sistema de feixe de partícula carregada 100 é provido. O controlador principal 110 controla um ou mais dos subsistemas para a entrega de forma acurada e precisa

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15/90 de prótons para um tumor de um paciente. Por exemplo, o controlador principal 110 obtém uma imagem, tal como uma porção de um corpo e/ou de um tumor, a partir do sistema de formação de imagem 170. O controlador principal 110 também obtém uma informação de posição e/ou de sincronismo a partir do módulo de interface de paciente 150. O controlador principal 110 então, opcionalmente, controla o sistema de injeção 120 para injetar um próton em um síncrotron 130. O síncrotron tipicamente contém pelo menos um sistema de acelerador 132 e um sistema de extração 134. O controlador principal preferencialmente controla o feixe de próton no sistema de acelerador, tal como pelo controle da velocidade, da trajetória e do sincronismo do feixe de próton. O controlador principal então controla a extração de um feixe de próton a partir do acelerador através do sistema de extração 134. Por exemplo, o controlador controla o sincronismo, a energia e/ou a intensidade do feixe extraído. O controlador 110 também controla, preferencialmente, o direcionamento do feixe de próton através do sistema de varredura / direcionamento / entrega 140 para o módulo de interface de paciente 150. Um ou mais componentes do módulo de interface de paciente 150 preferencialmente são controlados pelo controlador principal 110. Ainda, os elementos de exibição do sistema de exibição 160 preferencialmente são controlados através do controlador principal 110. Visores, tais como telas de exibição, tipicamente são providos para um ou mais operadores e/ou para um ou mais pacientes. Em uma modalidade, o controlador principal 110 sincroniza a entrega do feixe de próton a partir de todos os sistemas, de modo que os prótons sejam entregues de uma maneira terapêutica ótima para o paciente.

[0088] Aqui, o controlador principal 110 refere-se a um sistema único que controla o sistema de feixe de partícula carregada 100, a um controlador único que controla uma pluralidade de subsistemas controlando o sistema de feixe de partícula carregada 100, ou a uma pluraliPetição 870190082338, de 23/08/2019, pág. 19/101

16/90 dade de controladores individuais controlando um ou mais subsistemas do sistema de feixe de partícula carregada 100.

Síncrotron [0089] Aqui, o termo síncrotron é usado para referência a um sistema que mantém o feixe de partícula carregada em um percurso circular; contudo, os cíclotrons são usados, alternativamente, embora com suas limitações inerentes de energia, intensidade e controle de extração. Ainda, o feixe de partícula carregada é referido aqui como circulando ao longo de um percurso circular em torno de um ponto central do síncrotron. O percurso circular alternativamente é referido como um percurso de órbita; contudo, o percurso de órbita não referese a um círculo ou uma elipse perfeita, ao invés disso, refere-se à ciclagem dos prótons em torno de um ponto central ou região.

[0090] Com referência, agora, à figura 2, uma modalidade de exemplo ilustrativa de uma versão do sistema de feixe de partícula carregada 100 é provida. O número, a posição e o tipo descrito de componentes são ilustrativos e não de natureza limitante. Na modalidade ilustrada, um sistema injetor 210 ou uma fonte de íon ou uma fonte de feixe de partícula carregada gera prótons. Os prótons são entregues em um tubo de vácuo que corre para, através de e para fora do síncrotron. Os prótons gerados são entregues ao longo de um percurso inicial 262. Ímãs de focalização 230, tais como ímãs de quadrupolo ou ímãs de quadrupolo de injeção, são usados para a focalização do percurso de feixe de próton. Um ímã de quadrupolo é um ímã de focalização. Um ímã de flexão de injetor 232 flexiona o feixe de próton em direção ao plano do síncrotron 130. Os prótons focalizados tendo uma energia inicial são introduzidos em um ímã de injetor 240, o qual preferencialmente é um ímã de Lamberson de injeção. Tipicamente, o percurso de feixe inicial 262 é ao longo de um eixo geométrico fora, tal como acima, de um plano de circulação do síncrotron 130. O ímã de

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17/90 flexão de injetor 232 e o ímã de injetor 240 se combinam para moverem os prótons para o síncrotron 130. Ímãs de flexão principal 250 ou ímãs de dipolo ou ímãs de circulação são usados para se virarem os prótons ao longo de um percurso de feixe de circulação 264. Um ímã de dipolo é um ímã de flexão. Os ímãs de flexão principal 250 flexionam o copo 262 em um percurso de feixe de circulação 264. Neste exemplo, os ímãs de flexão principal 250 ou ímãs de circulação são representados como quatro conjuntos de quatro ímãs para manutenção do percurso de feixe de circulação 264 em um percurso de feixe de circulação estável. Contudo, qualquer número de ímãs ou de conjuntos de ímãs opcionalmente é usado para se moverem os prótons em torno de uma órbita única no processo de circulação. Os prótons passam através de um acelerador 270. O acelerador acelera os prótons no percurso de feixe de circulação 264. Conforme os prótons são acelerados, os campos aplicados pelos ímãs são aumentados. Particularmente, a velocidade dos prótons obtida pelo acelerador 270 é sincronizada com campos magnéticos dos ímãs de flexão principal 250 ou ímãs de circulação para manutenção da circulação estável dos prótons em torno de um ponto central ou região 280 do síncrotron. Em pontos separados no tempo, a combinação de acelerador 270 / ímã de flexão principal 250 é usada para a aceleração e/ou a desaceleração dos prótons de circulação enquanto se mantêm os prótons no percurso de circulação ou órbita. Um elemento de extração do sistema infletor / defletor 290 é usado em combinação com um ímã de extração de Lamberson 292 para a remoção de prótons de seu percurso de feixe de circulação 264 no síncrotron 130. Um exemplo de um componente de defletor é um ímã de Lamberson. Tipicamente, o defletor move os prótons a partir do plano de circulação para um eixo geométrico fora do plano de circulação, tal como acima do plano de circulação. Os prótons extraídos preferencialmente são dirigidos e/ou focalizados usan

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18/90 do-se um ímã de flexão de extração 237 e ímãs de focalização de extração 235, tais como ímãs de quadrupolo ao longo de um percurso de transporte 268 para o sistema de varredura / direcionamento / entrega 140. Dois componentes de um sistema de varredura 140 ou de um sistema de direcionamento tipicamente incluem um primeiro controle de eixo geométrico 142, tal como um controle de vertical, e um segundo controle de eixo geométrico 144, tal como um controle de horizontal. Um sistema de bocal 146 é usado para a formação de imagem do feixe de próton e/ou como uma barreira de vácuo entre o percurso de feixe de pressão baixa do síncrotron e a atmosfera. Os prótons são entregues com controle para o módulo de interface de paciente 150 e/ou para um tumor de um paciente. Todos os elementos listados acima são opcionais e podem ser usados em várias permutações e combinações.

Sistema de Geração de Feixe de Íon [0091] Um sistema de geração de feixe de íon gera um feixe de íon negativo, tal como um ânion de hidrogênio ou um feixe de H^-; preferencialmente, focaliza o feixe de íon negativo; converte o feixe de íon negativo em um feixe de íon positivo, tal como um feixe de próton ou H⁺; e injeta o feixe de íon positivo no síncrotron 130. As porções do percurso de feixe de íon preferencialmente são sob um vácuo parcial. Cada um destes sistemas é área de informação de disco descrito, infra.

[0092] Com referência, agora, à figura 3, um sistema de geração de feixe de íon de exemplo 300 é ilustrado. Conforme ilustrado, o sistema de geração de feixe de íon 300 tem quatro elementos principais: uma fonte de íon negativo 310, um primeiro sistema de vácuo parcial 330, um sistema de focalização de feixe de íon opcional 350 e um acelerador em tandem 390.

[0093] Ainda com referência à figura 3, a fonte de íon negativo 310

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19/90 preferencialmente inclui um a janela de entrada 312 para a injeção de gás hidrogênio em uma câmara de plasma de temperatura alta 314. Em uma modalidade, a câmara de plasma inclui um material magnético 316, o qual provê uma barreira de campo magnético 317 entre a câmara de plasma de temperatura alta 314 e uma região de plasma de temperatura baixa no lado oposto da barreira de campo magnético. Um pulso de extração é aplicado em um eletrodo de extração de íon negativo 318 para se puxar o feixe de íon negativo para um percurso de feixe de íon negativo 319, o qual prossegue através do primeiro sistema de vácuo parcial 330, através do sistema de focalização de feixe de íon 350 e para o acelerador em tandem 390.

[0094] Ainda com referência à figura 3, o primeiro sistema de vácuo parcial 330 é um sistema fechado que corre a partir da janela de entrada de gás hidrogênio 312 para a folha de conversão 395 de acelerador em tandem 390. A folha 395 é selada direta ou indiretamente às bordas do tubo de vácuo 320 provendo uma pressão mais alta, tal como de em torno de 10^-5 torr (0,0133 Pa), a ser mantida no lado de primeiro sistema de vácuo parcial 330 da folha 395 e uma pressão mais baixa, tal como de em torno de 10^-7 torr (1,33 x 10^-4 Pa), a ser mantida no lado de síncrotron da folha 390. Apenas pelo bombeamento do primeiro sistema de vácuo parcial 330 e apenas pela operação de forma semicontínua do vácuo de fonte de feixe de íon com base em leituras de sensor, o tempo de vida da bomba de operação de forma semicontínua é estendido. As leituras de sensor são adicionalmente descritas, infra.

[0095] Ainda com referência à figura 3, o primeiro sistema de vácuo parcial 330 preferencialmente inclui: uma primeira bomba 332, tal como uma bomba de operação de forma contínua e/ou uma bomba turbomolecular; um grande volume de manutenção 334; e uma bomba de operação de forma semicontínua 336. Preferencialmente, um con

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20/90 trolador de bomba 340 recebe um sinal a partir de um sensor de pressão 342 que monitora a pressão no grande volume de manutenção 334. Mediante um sinal representativo de uma pressão suficiente no grande volume de manutenção 334, o controlador de bomba 340 instrui um atuador 345 para abertura de uma válvula 346 entre o grande volume de manutenção e a bomba de operação de forma semicontínua 336, e instrui a bomba de operação de forma semicontínua para se ativar e bombear para a atmosfera gases residuais para fora da linha de vácuo 320 em torno da corrente de partícula carregada. Desta forma, o tempo de vida da bomba de operação de forma semicontínua é estendido apenas pela operação de forma semicontínua e conforme necessário. Em um exemplo, a bomba de operação de forma semicontínua 336 opera por uns poucos minutos a cada poucas horas, tal como por 5 minutos a cada 4 horas, desse modo se estendendo o tempo de vida de uma bomba de em torno de 2.000 horas para em torno de 96.000 horas.

[0096] Ainda, pelo isolamento do gás de entrada a partir do sistema de vácuo de síncrotron, as bombas de vácuo de síncrotron, tais como bombas turbomoleculares, podem operar por um tempo de vida mais longo, já que as bombas de vácuo de síncrotron têm menos moléculas de gás com que lidar. Por exemplo, o gás de entrada é primariamente gás hidrogênio, mas pode conter impurezas, tais como nitrogênio e dióxido de carbono. Pelo isolamento dos gases de entrada no sistema de fonte de íon negativo 310, o primeiro sistema de vácuo parcial 330, o sistema de focalização de feixe de íon 350 e o lado de feixe de íon negativo do acelerador em tandem 390, as bombas de vácuo de síncrotron podem operar a pressões mais baixas com tempos de vida mais longos, o que aumenta a eficiência do síncrotron 130.

[0097] Ainda com referência à figura 3, o sistema de focalização de feixe de íon 350 inclui dois ou mais eletrodos, onde um eletrodo de

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21/90 cada par de eletrodos obstrui o percurso de feixe de íon com percursos condutivos 372, tal como uma malha condutiva. No exemplo ilustrado, três seções de sistema de focalização de feixe de íon são ilustradas, uma seção de focalização de íon de dois eletrodos 360, uma primeira seção de focalização de íon de três eletrodos 370 e uma segunda seção de focalização de íon de três eletrodos 380. Em um dado par de eletrodos, as linhas de campo elétrico, que passam entre a malha condutiva de um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo, provêem forças para dentro focalizando o feixe de íon negativo. Múltiplos desses pares de eletrodos proveem múltiplas regiões de focalização de feixe de íon negativo. Preferencialmente, a seção de focalização de íon de dois eletrodos 360, a primeira seção de focalização de íon de três eletrodos 370 e a segunda seção de focalização de íon de três eletrodos 380 são posicionadas após a fonte de íon negativo e antes do acelerador em tandem e/ou cobrem um espaço de em torno de 0,5, 1 ou 2 metros ao longo do percurso de feixe de íon. Os sistemas de focalização de feixe de íon são adicionalmente descritos, infra.

[0098] Ainda com referência à figura 3, o acelerador em tandem

390 preferencialmente inclui uma folha 395, tal como uma folha de carbono. Os íons negativos no percurso de feixe de íon negativo 319 são convertidos em íons positivos, tais como prótons, e o percurso de feixe de íon inicial 262 resulta. A folha 395 preferencialmente é selada direta ou indiretamente às bordas do tubo de vácuo 320 provendo uma pressão mais alta, tal como de em torno de 10^-5 torr (0,0133 Pa), a ser mantida no lado da folha 395 e uma pressão mais baixa, tal como de em torno de 10^-7 torr (1,33 x 10^-4 Pa), a ser mantida no lado da folha 390 tendo o percurso de feixe de íon de próton 262. Ter a folha 395 separando fisicamente a câmara de vácuo 320 em duas regiões de pressão permite que um sistema tenha menos bombas e/ou bombas menores para manter o sistema de pressão mais baixo no síncrotron

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130 conforme o hidrogênio de entrada e seus resíduos forem extraídos em um espaço contido e isolado em separado pelo primeiro sistema de vácuo parcial 330.

Fonte de Íon Negativo [0099] Um exemplo da fonte de íon negativo 310 é adicionalmente descrito aqui. Com referência, agora, à figura 4, uma seção transversal de um sistema de fonte de íon negativo de exemplo 400 é provida. O feixe de íon negativo 319 é criado em múltiplos estágios. Durante um primeiro estágio, o gás hidrogênio é injetado em uma câmara. Durante um segundo estágio, um íon negativo é criado pela aplicação de um primeiro pulso de voltagem alta, o que cria um plasma em torno do gás hidrogênio para a criação de íons negativos. Durante um terceiro estágio, um filtro de campo magnético é aplicado aos componentes do plasma. Durante um quarto estágio, os íons negativos são extraídos a partir de uma região de plasma de temperatura baixa no lado oposto da barreira de campo magnético pela aplicação de um segundo pulso de voltagem alta. Cada um dos quatro estágios é adicionalmente descrito, infra. Embora a câmara seja ilustrada como uma seção transversal de um cilindro, o cilindro é apenas de exemplo, e qualquer geometria se aplica às paredes de contenção de laço magnético, descritas infra.

[00100] No primeiro estágio, o gás hidrogênio é injetado através da janela de entrada 312 em uma região de plasma de alta temperatura 490. A janela de injeção 442 é aberta por um período de tempo curto, tal como menos de em torno de 1, 5 ou 10 microssegundos para a minimização de exigências de bomba de vácuo para manutenção das exigências de câmara de vácuo 320. A região de plasma de temperatura alta é mantida em uma pressão reduzida pelo sistema de vácuo parcial 330. A injeção do gás hidrogênio é opcionalmente controlada pelo controlador principal 110, o qual responde à informação do siste

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23/90 ma de formação de imagem 170 e à informação do módulo de interface de paciente 150, tal como um posicionamento de paciente e um período em um ciclo de respiração.

[00101] No segundo estágio, uma região de plasma de temperatura alta é criada pela aplicação de um primeiro pulso de voltagem alta através de um primeiro eletrodo 422 e de um segundo eletrodo 424. Por exemplo, um pulso de 5 kV é aplicado por em torno de 20 microssegundos e um segundo eletrodo 424. Por exemplo, um pulso de 5 kV é aplicado por em torno de 20 microssegundos com 5 kV no segundo eletrodo 424 e em torno de 0 kV aplicado no primeiro eletrodo 422. O hidrogênio na câmara é quebrado, na região de plasma de temperatura alta 490 em partes componentes, tais como qualquer um dentre: hidrogênio atômico, H⁰, um próton, H+, um elétron, e^-, um ânion de hidrogênio e H^-.

[00102] No terceiro estágio, a região de plasma de temperatura alta 490 é pelo menos parcialmente separada de uma região ou zona de plasma de temperatura baixa 492 por um campo magnético ou uma barreira de campo magnético 430. Desta maneira, a barreira de campo magnético 430 atua como um filtro entre a zona A e a zona B na fonte de íon negativo. Preferencialmente, um material magnético central 410 é colocado no interior da região de plasma de temperatura alta 490, tal como ao longo de um eixo geométrico central da região de plasma de temperatura alta 490. Preferencialmente, o primeiro eletrodo 422 e o segundo eletrodo 424 são compostos por materiais magnéticos, tal como ferro. Preferencialmente, as paredes externas 450 da região de plasma de temperatura alta, tais como paredes de cilindro, são compostas por um material magnético, tal como um material à base de ímã permanente, férrico ou à base de ferro, ou um ímã de anel dielétrico de ferrita. Desta maneira, um laço de campo magnético é criado: pelo material magnético central 410, pelo primeiro eletrodo 422, pelas paredes

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24/90 externas 450, pelo segundo eletrodo 424 e pela barreira de campo magnético 430. De novo, a barreira de campo magnético 430 restringe os elétrons de energia alta quanto a passarem através da barreira de campo magnético 430. Os elétrons de energia baixa interagem com o hidrogênio atômico, H⁰, para a criação de um ânion de hidrogênio, H-, na região de plasma de temperatura baixa 492.

[00103] No quarto estágio, um segundo pulso de voltagem alta ou pulso de extração é aplicado no terceiro eletrodo 426. O segundo pulso de voltagem alta preferencialmente é aplicado durante o período posterior de aplicação do primeiro pulso de voltagem alta. Por exemplo, um pulso de extração de em torno de 25 kV é aplicado por em torno dos últimos 5 microssegundos do primeiro pulso de criação de em torno de 20 microssegundos. A diferença de potencial, de em torno de 20 kV, entre o terceiro eletrodo 426 e o segundo eletrodo 424 extrai o íon negativo, H-, da região de plasma de temperatura baixa 492 e inicia o feixe de íon negativo 390, da zona B para a zona C.

[00104] A barreira de campo magnético 430 é opcionalmente criada de várias formas. Um exemplo de criação da barreira de campo magnético 430 usando bobinas é provido. Neste exemplo, os elementos descritos, supra, em relação à figura 4, são mantidos com várias diferenças. Em primeiro lugar, o campo magnético é criado usando-se bobinas. Um material de isolamento preferencialmente é provido entre o primeiro eletrodo 422 e as paredes de cilindro 450, bem como entre o segundo eletrodo 424 e as paredes de cilindro 450. O material central e/ou as paredes de cilindro 450 opcionalmente são metálicos. Desta maneira, as bobinas criam um laço de campo magnético através do primeiro eletrodo 422, do material de isolamento, das paredes de cilindro 450, do segundo eletrodo 424, da barreira de campo magnético 430 e do material central 410. Essencialmente, as bobinas geram um campo magnético no lugar de produção do campo magnético pelo ma

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25/90 terial magnético 410. A barreira de campo magnético 430 opera conforme descrito, supra. Geralmente, qualquer maneira que crie a barreira de campo magnético 430 entre a região de plasma de temperatura alta 490 e a região de plasma de temperatura baixa 492 é funcionalmente aplicável ao sistema de extração de íon negativo 400.

Sistema de Focalização de Feixe de Íon [00105] Com referência, agora, à figura 5, o sistema de focalização de feixe de íon 350 é adicionalmente descrito. Neste exemplo, três eletrodos são usados. Neste exemplo, o primeiro eletrodo 510 e o terceiro eletrodo 530 são ambos carregados negativamente e cada um é um eletrodo de anel que envolve circunferencialmente ou envolve pelo menos parcialmente o percurso de feixe de íon negativo 319. O segundo eletrodo 520 é carregado positivamente e também é um eletrodo de anel que envolve circunferencialmente o percurso de feixe de íon negativo. Além disso, o segundo eletrodo inclui um ou mais percursos de condução 372 que correm através do percurso de feixe de íon negativo 319. Por exemplo, os percursos de condução são uma malha de fio, uma grade de condução, ou uma série de linhas de condução substancialmente paralelas correndo através do segundo eletrodo. Em uso, as linhas de campo magnético correm a partir dos percursos de condução do eletrodo carregado positivamente para os eletrodos carregados negativamente. Por exemplo, em uso, as linhas de campo elétrico 540 correm a partir dos percursos de condução 372 no percurso de feixe de íon negativo 319 para os eletrodos carregados negativamente 510, 530. Duas linhas de traço de raio 550, 560 do percurso de feixe de íon negativo são usadas para ilustração das forças de focalização. Na primeira linha de traço de raio 550, o feixe de íon negativo encontra uma primeira linha de campo elétrico no ponto M. Os íons carregados negativamente no feixe de íon negativo 550 encontram forças que correm pela linha de campo elétrico 571, ilustrada

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26/90 com um vetor de componente de eixo x 571. Os vetores de força de componente de eixo x 572 alteram a trajetória da primeira linha de traço de raio para um vetor focalizado para dentro 552, o qual encontra uma segunda linha de campo elétrico no ponto N. De novo, o feixe de íon negativo 552 encontra forças correndo pela linha de campo elétrico 572 ilustrada como tendo um vetor de força para dentro com uma componente de eixo x 574, o que altera o vetor focalizado para dentro 552 para um vetor focalizado mais para dentro 554. De modo similar, na segunda linha de traço de raio 560, o feixe de íon negativo encontra uma primeira linha de campo elétrico no ponto O. Os íons carregados negativamente no feixe de íon negativo encontram forças que correm na linha de campo elétrico 575, ilustrada como tendo um vetor de força com uma força de eixo x 576. Os vetores de força para dentro 576 alteram a trajetória da segunda linha de traço de raio 560 para um vetor focalizado para dentro 562, o qual encontra uma segunda linha de campo elétrico no ponto P. De novo, o feixe de íon negativo encontra forças que correm pela linha de campo elétrico 577, ilustrada como tendo um vetor de força com uma componente de eixo x 578, o que altera o vetor focalizado para dentro 562 para um vetor focalizado mais para dentro 564. O resultado líquido é um efeito de focalização sobre o feixe de íon negativo. Cada um dos vetores de força 572, 574, 576, 578 opcionalmente tem componentes de vetor de força x e/ou y resultando em uma focalização tridimensional do percurso de feixe de íon negativo. Naturalmente, os vetores de força são de natureza ilustrativa, muitas linhas de campo elétrico são encontradas, e o efeito de focalização é observado em cada encontro, resultando em uma focalização integral. O exemplo é usado para ilustração do efeito de focalização.

[00106] Ainda com referência à figura 5, opcionalmente, qualquer número de eletrodos é usado, tal como 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9 eletro

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27/90 dos, para a focalização do percurso de feixe de íon negativo, onde cada outro eletrodo, em uma dada seção de focalização, é positiva ou negativamente carregado. Por exemplo, três seções de focalização são opcionalmente usadas. Na primeira seção de focalização de íon 360, um par de eletrodos é usado, onde o primeiro eletrodo encontrado ao longo do percurso de feixe de íon negativo é negativamente carregado e o segundo eletrodo é positivamente carregado, resultando em uma focalização do percurso de feixe de íon negativo. Na segunda seção de focalização de íon 370, dois pares de eletrodos são usados, onde um eletrodo carregado positivamente comum com uma malha condutiva que corre através do percurso de feixe de íon negativo 319 é usado. Assim, na segunda seção de focalização de íon 370, o primeiro eletrodo encontrado ao longo do percurso de feixe de íon negativo é carregado negativamente e o segundo eletrodo é carregado positivamente, resultando na focalização do percurso de feixe de íon negativo. Ainda, na segunda seção de focalização de íon, movendo-se ao longo do percurso de feixe de íon negativo, um segundo efeito de focalização é observado entre o segundo eletrodo carregado positivamente e um terceiro eletrodo carregado negativamente. Neste exemplo, uma terceira seção de focalização de íon 380 é usada, que de novo tem três eletrodos, a qual atua da forma da segunda seção de focalização de íon descrita supra.

[00107] Com referência, agora, à figura 6, as regiões centrais dos eletrodos no sistema de focalização de feixe de íon 350 são adicionalmente descritas. Com referência, agora, à figura 5A, a região central do eletrodo de anel carregado negativamente 510 preferencialmente é desprovida de material condutivo. Com referência, agora, às figuras 6B a D, a região central de anel de eletrodo carregado positivamente 520 preferencialmente contém percursos condutivos 372. Preferencialmente, os percursos condutivos 372 ou o material condutivo no

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28/90 anel de eletrodo carregado positivamente 520 bloqueiam em torno de 1, 2, 5 ou 10 por cento da área ou, mais preferencialmente, em torno de 5 por cento da área de seção transversal do percurso de feixe de íon negativo 319. Com referência, agora, à figura 6B, uma opção é uma série de linhas condutivas 620 correndo substancialmente em paralelo através do anel de eletrodo carregado positivamente 520 que circunda uma porção do percurso de feixe de íon negativo 319. Com referência, agora, à figura 6D, uma terceira opção é ter uma folha 630 ou camada metálica cobrindo toda a área de seção transversal do percurso de feixe de íon negativo com orifícios perfurados através do material, onde os orifícios ocupam em torno de 90 a 99 por cento e, mais preferencialmente, em torno de 95 por cento da área da folha. Mais aglomeração, o par de eletrodos é configurado para prover linhas de campo elétrico que provêem vetores de força de focalização para o feixe de íon negativo, quando os íons no feixe de íon negativo se transladarem através das linhas de campo elétrico, conforme descrito supra.

[00108] Em um exemplo de um sistema de focalização de íon de feixe negativo de dois eletrodos, que tem um primeiro diâmetro de seção transversal, d1, os íons negativos são focalizados usando-se o sistema de dois eletrodos para um segundo diâmetro de seção transversal, d2, onde d1>d2. De modo similar, em um exemplo de um sistema de focalização de feixe de íon negativo de três eletrodos, ele é provido tendo um primeiro diâmetro de seção transversal, d1, os íons negativos são focalizados usando-se o sistema de três eletrodos para um terceiro diâmetro de seção transversal, d3, onde d1>d3. Para potenciais iguais nos eletrodos, o sistema de três eletrodos provê uma focalização mais firme ou mais forte, se comparado com o sistema de dois eletrodos, d3 < d2.

[00109] Nos exemplos providos supra de um sistema de focalização

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29/90 de feixe de íon de eletrodo múltiplo, os eletrodos são anéis. Mais geralmente, os eletrodos são de qualquer geometria suficiente para prover linhas de campo elétrico que provejam vetores de força de focalização para o feixe de íon negativo, quando os íons no feixe de íon negativo se transladarem através das linhas de campo elétrico, conforme descrito supra. Por exemplo, um eletrodo de anel negativo é opcionalmente substituído por vários eletrodos carregados negativamente, tal como em torno de 2, 3, 4, 6, 8, 10 ou mais eletrodos posicionados em torno da região externa de uma área de seção transversal da sonda de feixe de íon negativo. Geralmente, mais eletrodos são requeridos para convergência ou divergência de um feixe de energia mais rápida ou mais alta.

[00110] Em uma outra modalidade, pela reversão da polaridade de eletrodos no exemplo acima, o feixe de íon negativo é feito divergir. Assim, o percurso de feixe de íon negativo é opcionalmente focalizado e expandido usando-se combinações de pares de eletrodo. Por exemplo, se o eletrodo tendo a malha através do percurso de feixe de íon negativo for tornado negativo, então, o percurso de feixe de íon negativo será feito sair de foco. Daí, combinações de pares de eletrodos são usadas para focalização e desfocalização de um percurso de feixe de íon negativo, tal como onde um primeiro par inclui uma malha carregada positivamente para focalização e onde um segundo par inclui uma malha carregada negativamente para desfocalização.

Acelerador em Tandem [00111] Com referência, agora, à figura 7A, o acelerador em tandem 390 é adicionalmente descrito. O acelerador em tandem acelera íons usando uma série de eletrodos 710, 711, 712, 713, 714, 715. Por exemplo, os íons negativos, tal como H^-, no percurso de feixe de íon negativo são acelerados usando-se uma série de eletrodos tendo voltagens progressivamente mais altas em relação à voltagem do eletro

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30/90 do de extração 426 ou terceiro eletrodo 426, da fonte de feixe de íon negativo 310. Por exemplo, o acelerador em tandem 390 opcionalmente tem eletrodos que variam dos 25 kV do eletrodo de extração 426 a em torno de 525 kV próximo da folha 395 no acelerador em tandem 390. Ao passar através da folha, o íon negativo, H-, perde dois elétrons para a produção de um próton, H⁺, de acordo com a equação 1.

HH ⁺+ 2e- (eq. 1) [00112] O próton é adicionalmente acelerado no acelerador em tandem usando-se voltagens apropriadas em uma multidão de eletrodos adicionais 713, 714, 715. Os prótons são então injetados no síncrotron 130, conforme descrito supra.

[00113] Ainda com referência à figura 7, a folha 395 no acelerador em tandem 390 é adicionalmente descrita. A folha 395 preferencialmente é um filme de carbono muito fino de em torno de 30 a 200 Angstrons de espessura. A espessura de folha é projetada para: (1) não bloquear o feixe de íon e (2) permitir a transferência de elétrons produzindo prótons para a formação do percurso de feixe de próton 262. A folha 395 preferencialmente está substancialmente em contato com uma camada de suporte 720, tal como uma grade de suporte. A camada de suporte 720 provê resistência mecânica à folha 395 para combinação para a formação de um elemento de bloqueio de vácuo 725. A folha 395 bloqueia nitrogênio, dióxido de carbono, hidrogênio e outros gases quanto a passarem e, assim, atua como uma barreira de vácuo. Em uma modalidade, a folha 395 preferencialmente é selada direta ou indiretamente às bordas do tubo de vácuo 320 provendo uma pressão mais alta, tal como de em torno de 10^-5 torr (0,0133 Pa), a ser mantida no lado da folha 395 tendo o percurso de feixe de íon negativo 319 e uma pressão mais baixa, tal como de em torno de 10^-7 torr (1,33 x 10^-4 Pa), a ser mantida no lado da folha 390 tendo o percurso de feixe de íon de próton 262. Ter a folha 395 separando fisicamente a câ

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31/90 mara de vácuo 320 em duas regiões de pressão permite que um sistema de vácuo tenha menos bombas e/ou bombas menores para manter o sistema de pressão mais baixo no síncrotron 130 conforme o hidrogênio de entrada e seus resíduos forem extraídos em um espaço contido e isolado em separado pelo primeiro sistema de vácuo parcial 330. A folha 395 e a camada de suporte 720 são preferencialmente afixadas à estrutura 750 do acelerador em tandem 390 ou ao tubo de vácuo 320, para a formação de uma barreira de pressão usando qualquer meio mecânico, tal como um anel de metal, plástico ou cerâmica 730 comprimido nas paredes com um parafuso de afixação 740. Qualquer meio mecânico para separação e vedação dos dois lados de câmara de vácuo com a folha 395 são igualmente aplicáveis a este sistema. Com referência, agora, à figura 7B, a estrutura de suporte 720 e a folha 395 são individualmente vistas no plano x, y.

[00114] Com referência, agora, à figura 8, um outro método de exemplo de uso do sistema de feixe de partícula carregada 100 é provido. O controlador principal 110, ou um ou mais subcontroladores, controla um ou mais dos subsistemas para se entregarem prótons de forma acurada e precisa para um tumor de um paciente. Por exemplo, o controlador principal envia uma mensagem para o paciente indicando quando ou como respirar. O controlador principal 110 obtém uma leitura de sensor a partir do módulo de interface de paciente, tal como um sensor de respiração de temperatura ou uma leitura de força indicativa de onde em um ciclo de respiração a pessoa está. O controlador principal coleta uma imagem, tal como uma porção de um corpo e/ou de um tumor, a partir do sistema de formação de imagem 170. O controlador principal 110 também obtém uma informação de posição e/ou de sincronismo a partir do módulo de interface de paciente 150. O controlador principal 110 então opcionalmente controla o sistema de injeção 120 para a injeção de gás hidrogênio em uma fonte de feixe de íon

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32/90 negativo 310 e controla o sincronismo de extração do íon negativo a partir da fonte de feixe de íon negativo 310. Opcionalmente, o controlador principal controla a focalização de feixe de íon usando o sistema de focalização de feixe de íon 350; a aceleração do feixe de próton com o acelerador em tandem 390; e/ou a injeção do próton no síncrotron 130. O síncrotron tipicamente contém pelo menos um sistema de acelerador 132 e um sistema de extração 134. O síncrotron preferencialmente contém um ou mais dentre: ímãs de curva, ímãs de focalização de borda, ímãs de concentração de campo magnético, bobinas de enrolamento e de correção, e superfícies incidentes de campo magnético plano, alguns dos quais contendo elementos sob controle pelo controlador principal 110. O controlador principal preferencialmente controla o feixe de próton no sistema de acelerador. O controlador principal então controla a extração de um feixe de próton a partir do acelerador através do sistema de extração 134. Por exemplo, o controlador controla o sincronismo, a energia e/ou a intensidade do feixe extraído. O controlador 110 também controla, preferencialmente, o direcionamento do feixe de próton através do sistema de varredura / direcionamento / entrega 140 para o módulo de interface de paciente 150. Um ou mais componentes do módulo de interface de paciente 150 preferencialmente são controlados pelo controlador principal 110, tais como a posição vertical do paciente, a posição de rotação do paciente e os elementos de posicionamento / estabilização / controle de cadeira de paciente. Ainda, os elementos de exibição do sistema de exibição 160 preferencialmente são controlados através do controlador principal 110. Visores, tais como telas de exibição, tipicamente são providos para um ou mais operadores e/ou para um ou mais pacientes. Em uma modalidade, o controlador principal 110 sincroniza a entrega do feixe de próton a partir de todos os sistemas, de modo que os prótons sejam entregues de uma maneira terapêutica ótima para o paciente.

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Sistema de Circulação [00115] Um síncrotron 130 preferencialmente compreende uma combinação de seções retas 910 e seções de curva de feixe de íon 920. Daí, o percurso de circulação dos prótons não é circular em um síncrotron, mas ao invés disso é um polígono com cantos arredondados.

[00116] Em uma modalidade ilustrativa, o síncrotron 130, o qual também é referido como um sistema de acelerador, tem quatro elementos retos e quatro seções curvas. Os exemplos de seções retas 910 incluem: o infletor 240, o acelerador 270, o sistema de extração 290 e o defletor 292. Juntamente com quatro seções retas estão quatro seções de curva de feixe de íon 920, as quais também são referidas como seções de ímã ou seções de curva. As seções de curva são adicionalmente descritas, infra.

[00117] Com referência, agora, à figura 9, um síncrotron de exemplo é ilustrado. Neste exemplo, os prótons entregues ao longo do percurso de feixe de íon inicial 262 são infletidos para um percurso de feixe circular com o infletor 240 e, após uma aceleração são extraídos através de um defletor 292 para um percurso de transporte de feixe 268. Neste exemplo, o síncrotron 130 compreende quatro seções retas 910 e quatro seções de flexão ou curvas 920, onde cada uma das quatro seções de curva usa um ou mais ímãs para se virar o feixe de prótons em torno de noventa graus. Conforme é descrito adicionalmente infra, a capacidade de espaçar de forma próxima as seções de curva e virar eficientemente um feixe de próton resulta em seções retas mais curtas. As seções retas mais curtas permitem um projeto de síncrotron sem o uso de quadrupolos de focalização no percurso de feixe de circulação do síncrotron. A remoção dos quadrupolos de focalização do percurso de feixe de próton de circulação resulta em um projeto mais compacto. Neste exemplo, o síncrotron ilustrado tem um diâmetro de

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34/90 em torno de cinco metros versus diâmetros de seção transversal de oito metros e maiores para sistemas usando um ímã de focalização de quadrupolo no percurso de feixe de próton de circulação.

[00118] Com referência, agora, à figura 10, uma descrição adicional da primeira seção de flexão ou de curva 920 é provida. Cada uma das seções de curva preferencialmente compreende múltiplos ímãs, tais como em torno de 2, 4, 6, 8, 10 ou 12 ímãs. Neste exemplo, quatro ímãs de curva 1010, 1020, 1030, 1040 na primeira seção de curva 20 são usados para ilustração dos princípios chaves, os quais são os mesmos, independentemente do número de ímãs em uma seção de curva 920. Um ímã de curva 1010 é um tipo em particular de ímã de flexão ou de circulação principal 250.

[00119] Em física, a força de Lorentz é a força sobre uma carga pontual devido a campos eletromagnéticos. A força de Lorentz é dada pela equação 2 em termos de campos magnéticos com os termos de campo elétrico não incluídos.

F = q(v X B) eq. 2 [00120] Na equação 2, F é a força em Newtons; B é o campo magnético em Teslas; e v é a velocidade instantânea das partículas em metros por segundo.

[00121] Com referência, agora, à figura 11, um exemplo de uma seção única de flexão ou curva de ímã 1010 é expandido. A seção de curva inclui um espaço 1110 através do qual os prótons circulam. O espaço 1110 preferencialmente é um espaço plano permitindo um campo magnético através do espaço 1110 que é mais uniforme, regular e intenso. Um campo magnético entra no espaço 1110 através de uma superfície de campo magnético incidente e sai do espaço 1110 através de uma superfície de saída de campo magnético. O espaço 1110 corre em um tubo de vácuo entre duas metades de ímã. O espaço 1110 é controlado por pelo menos dois parâmetros: (1) o espaço

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1110 é mantido tão grande quanto possível, para a minimização de perda de prótons e (2) o espaço 1110 é mantido tão pequeno quanto possível para a minimização dos tamanhos de ímã e do tamanho associado e das exigências de potência dos suprimentos de potência de ímã. A natureza plana do espaço 1110 permite um campo magnético comprimido e mais uniforme através do espaço 1110. Um exemplo de uma dimensão de espaço é para a acomodação de um tamanho de feixe de próton vertical de em torno de 2 cm com um tamanho de feixe horizontal de em torno de 5 a 6 cm.

[00122] Conforme descrito, supra, um tamanho de espaço maior requer um suprimento de potência maior. Por exemplo, se o tamanho do espaço 1110 dobrar no tamanho vertical, então, as exigências de suprimento de potência aumentarão por um fator de em torno de 4. A planura do espaço 1110 também é importante. Por exemplo, a natureza plana do espaço 1110 permite um aumento na energia dos prótons extraídos a partir de em torno de 250 a em torno de 330 MeV. Mais particularmente, se o espaço 1110 tiver uma superfície extremamente plana, então, os limites de um campo magnético de um ímã de ferro serão alcançáveis. Uma precisão de exemplo da superfície plana do espaço 1110 é um polimento de menos de em torno de 5 mícrons e, preferencialmente, com um polimento de em torno de 1 a 3 mícrons. Uma não uniformidade na superfície resulta em imperfeições no campo magnético aplicado. A superfície plana polida dispersa a não uniformidade do campo magnético aplicado.

[00123] Ainda com referência à figura 11, o feixe de partícula carregada se move através do espaço 1110 com uma velocidade instantânea v. Uma primeira bobina magnética 1120 e uma segunda bobina magnética 1130 correm acima e abaixo do espaço 1110, respectivamente. Uma corrente passando através das bobinas 1120, 1130 resulta em um campo magnético, B, que passa através da seção de curva

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36/90 de ímã único 1010. Neste exemplo, o campo magnético, B, corre para cima, o que resulta em uma força F, empurrando o feixe de partícula carregada para dentro em direção a um ponto central do síncrotron, o que curva o feixe de partícula carregada em um arco.

[00124] Ainda com referência à figura 11, uma porção de uma segunda seção de flexão ou de curva de ímã opcional 1020 é ilustrada. As bobinas 1120, 1130 tipicamente têm elementos de retorno 1140, 1150 ou curvas no final de um ímã, tal como no fim da primeira seção de curva de ímã 1010. As curvas 1140, 1150 ocupam espaço. O espaço reduz a percentagem do percurso em torno de uma órbita do síncrotron que é coberta pelos ímãs de curva. Isto leva a porções do percurso de circulação em que os prótons não são curvados e/ou focalizados, e permite porções do percurso de circulação em que o percurso de próton sai de foco. Assim, o espaço resulta em um síncrotron maior. Portanto, o espaço entre seções de curva de ímã 1160 preferencialmente é minimizado. O segundo ímã de curva é usado para ilustrar que as bobinas 1120, 1130 opcionalmente passam ao longo de uma pluralidade de ímãs, tais como 2, 3, 4, 5, 6 ou mais ímãs. As bobinas 1120, 1130 passando através de múltiplos ímãs de seção de curva permitem que dois ímãs de seção de curva sejam espacialmente posicionados mais próximos de cada outro, devido à remoção da restrição estérica das curvas, o que reduz e/ou minimiza o espaço 1160 entre dois ímãs de seção de curva.

[00125] Com referência, agora, às figuras 12 e 13, duas seções transversais rodadas a 90 graus de seções de flexão ou de curva de ímã único 1010 são apresentadas. O conjunto de ímã tem um primeiro ímã 1210 e um segundo ímã 1220. Um campo magnético induzido pelas bobinas, descritas infra, passa entre o primeiro ímã 1210 até o segundo ímã 1220 através do espaço 1110. Os campos magnéticos de retorno passam através de um primeiro garfo 1212 e de um segundo

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37/90 garfo 1222. A área de seção transversal combinada dos garfos de retorno se aproxima grosseiramente da área de seção transversal do primeiro ímã 1210 ou do segundo ímã 1220. As partículas carregadas passam através do tubo de vácuo no espaço 1110. Conforme ilustrado, os prótons passam na figura 12 através do espaço 1110 e do campo magnético, ilustrado como o vetor B, aplica uma força F aos prótons empurrando os prótons em direção ao centro do síncrotron, o qual está fora da página à direita na figura 12. O campo magnético é criado usando-se enrolamentos. Uma primeira bobina que constitui uma primeira bobina de enrolamento 1250, ilustrada como pontos na figura 12 para apresentar de forma representativa seções transversais do fio para enrolamentos individuais e ilustrados como enrolamentos individuais na figura 13. A segunda bobina de fio que constitui uma segunda bobina de enrolamento 1260 é representada de forma ilustrativa e similar. Espaços de isolamento ou concentração 1230, 1240, tais como espaços de ar, isolam garfos à base de ferro do espaço 1110. O espaço 1110 é aproximadamente plano para a produção de um campo magnético através do espaço 1110, conforme descrito supra.

[00126] Ainda com referência à figura 13, as extremidades de um ímã único de flexão ou curva preferencialmente são biseladas. Bordas de ângulo quase perpendicular ou reto de um ímã de curva 1010 são representadas por linhas tracejadas 1374, 1384. As linhas tracejadas 1374, 1384 se interceptam em um ponto 1390 além do centro do síncrotron 280. Preferencialmente, a borda do ímã de curva é biselada em ângulos alfa, a, e beta, β, os quais são ângulos formados por uma primeira linha 1372, 1382 indo a partir de uma borda do ímã de curva 1010 e do centro 280 e uma segunda linha 1374, 1384 que vai a partir da mesma borda do ímã de curva e do ponto de interseção 1390. O ângulo alfa é usado para a descrição do efeito e a descrição do ângulo alfa se aplica ao ângulo beta, mas o ângulo alfa é opcionalmente dife

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38/90 rente do ângulo beta. O ângulo alfa provê um efeito de focalização de borda. A biselagem da borda do ímã de curva 1010 no ângulo alfa focaliza o feixe de próton.

[00127] Múltiplos ímãs de curva proveem múltiplas bordas de ímã que têm, cada uma, efeitos de focalização de borda no síncrotron 130. Se apenas um ímã de curva for usado, então, o feixe será apenas focalizado uma vez para o ângulo alfa ou duas vezes para o ângulo alfa e o ângulo beta. Contudo, pelo uso de ímãs de curva menores, mais ímãs de curva se adaptam nas seções de curva 920 do síncrotron 130. Por exemplo, se quatro ímãs forem usados em uma seção de curva 920 do síncrotron, então, para uma única seção de curva haverá oito possíveis superfícies de efeito de focalização de borda, duas bordas por ímã. As oito superfícies de focalização produzem um tamanho de feixe de seção transversal menor. Isto permite o uso de um espaço menor 1110.

[00128] O uso de múltiplos efeitos de focalização de borda nos ímãs de curva resulta não apenas em um espaço menor 1110, mas, também, no uso de ímãs menores e suprimentos de potência menores. Para um síncrotron 130 tendo quatro seções de curva 920, onde cada uma das seções de curva tem quatro ímãs de curva e cada ímã de curva tem duas bordas de focalização, existe um total de trinta e duas bordas de focalização para cada órbita dos prótons no percurso de circulação do síncrotron 130. De modo similar, se 2, 6 ou 8 ímãs forem usados em uma dada seção de curva, ou se 2, 3, 5 ou 6 seções de curva forem usadas, então, o número de superfícies de focalização de borda se expandirá ou contrairá de acordo com a equação 3.

tfe = nts *---*— eq. 3

NTS M [00129] onde TFE é o número total de bordas de focalização, NTS é o número de seções de curva, M é o número de ímãs, e FE é o número de bordas de focalização. Naturalmente, nem todos os ímãs são

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39/90 necessariamente biselados e alguns ímãs são opcionalmente biselados em apenas uma borda.

[00130] Os inventores determinaram que múltiplos ímãs menores têm benefícios em relação a poucos ímãs maiores. Por exemplo, o uso de 16 ímãs pequenos produz 32 bordas de focalização, ao passo que o uso de 4 ímãs maiores produz apenas 8 bordas de focalização. O uso de um síncrotron tendo mais bordas de focalização resulta em um percurso de circulação do síncrotron construído sem o uso de ímãs de quadrupolo de focalização. Todos os síncrotrons da técnica anterior usam quadrupolos no percurso de circulação do síncrotron. Ainda, o uso de quadrupolos no percurso de circulação necessita de seções retas adicionais no percurso de circulação do síncrotron. Assim, o uso de quadrupolos no percurso de circulação de um síncrotron resulta em síncrotrons tendo diâmetros maiores, comprimentos de percurso de feixe de circulação, e/ou circunferências maiores.

[00131] Em várias modalidades do sistema descrito aqui, o síncrotron tem qualquer combinação de:

• pelo menos 4 e, preferencialmente, 6, 8, 10 ou mais bordas de focalização por 90 graus de curva do feixe de partícula carregada em um síncrotron tendo quatro seções de curva;

• pelo menos em torno de 16 e, preferencialmente, em torno de 24, 32 ou mais bordas de focalização por órbita do feixe de partícula carregada no síncrotron;

• apenas 4 seções de curva, onde cada uma das seções de curva inclui pelo menos 4 e, preferencialmente, 8 bordas de focalização;

• um número igual de seções retas e seções de curva;

• exatamente 4 seções de curva; onde cada uma das seções de curva inclui pelo menos 4 e, preferencialmente, 8 bordas de focalização;

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40/90 • um número igual de seções retas e de seções de curva;

• exatamente 4 seções de curva;

• pelo menos 4 bordas de focalização por seção de curva;

• nenhum quadrupolo no percurso de circulação do síncrotron;

• uma configuração de polígono regular de canto arredondado;

• uma circunferência de menos de 60 metros;

• uma circunferência de menos de 60 metros e 32 superfícies de focalização de borda; e/ou • qualquer um dentre em torno de 8, 16, 24 ou 32 ímãs não de quadrupolo por percurso de circulação do síncrotron, onde os ímãs não de quadrupolo incluem bordas de focalização de borda. [00132] Com referência, agora, à figura 12, a superfície de campo magnético incidente 1270 do primeiro ímã 1210 é adicionalmente descrita. A figura 12 não está em escala, e é de natureza ilustrativa. As imperfeições locais ou não uniformidade na qualidade do acabamento da superfície incidente 1270 resultam em não homogeneidades ou imperfeições no campo magnético aplicado ao espaço 1110. Preferencialmente, a superfície incidente 1270 é plana, tal como com em torno de zero a três mícrons de polimento de acabamento, ou menos, preferencialmente com em torno de dez mícrons de polimento de acabamento.

[00133] Com referência, agora, à figura 14, elementos de ímã adicionais da seção transversal de ímã representados de forma ilustrativa na figura 12 são descritos. O primeiro ímã 1210 preferencialmente contém uma distância de seção transversal inicial 1410 do núcleo de base de ferro. Os contornos do campo magnético são conformados pelos ímãs 1210, 1220 e pelos garfos 1212, 1222. O núcleo à base de ferro se afunila para uma segunda distância de seção transversal

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1420. O campo magnético no ímã preferencialmente fica no núcleo de base de ferro em oposição aos espaços 1230, 1240. Conforme a distância de seção transversal diminui a partir da distância de seção transversal inicial 1410 até a distância de seção transversal final 1420, o campo magnético se concentra. A mudança no formato do ímã a partir da distância maior 1410 para a distância menor 1420 atua como um amplificador. A concentração do campo magnético é ilustrada pela representação de uma densidade inicial de vetores de campo magnético 1430 na seção transversal inicial 1410 para uma densidade concentrada de vetores de campo magnético 1440 na seção transversal final 1420. A concentração do campo magnético devido à geometria dos ímãs de curva resulta em menos bobinas de enrolamento 1250, 1260 serem requeridas e, também, um suprimento de potência menor para as bobinas sendo requerido.

Exemplo I [00134] Em um exemplo, a distância de seção transversal inicial 1410 é de em torno de 15 centímetros e a distância de seção transversal final 1420 é de em torno de 10 centímetros. Usando os números providos, a concentração do campo magnético é de em torno de 15/10 ou de 1,5 vezes na superfície incidente 1270 do espaço 1110, embora a relação não seja linear. O afunilamento 1460 tem uma inclinação, tal como de em torno de 20, 40 ou 60 graus. A concentração do campo magnético, tal como de 1,5 vezes, leva a uma diminuição correspondente nas exigências de consumo de potência para os ímãs.

[00135] Com referência, agora, à figura 15, um exemplo adicional de geometria do ímã usado para concentração do campo magnético é ilustrado. Conforme ilustrado na figura 14, o primeiro ímã 1210 preferencialmente contém uma distância de seção transversal inicial 1410 do núcleo à base de ferro. Os contornos do campo magnético são conformados pelos ímãs 1210, 1220 e pelos garfos 1212, 1222. Neste

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42/90 exemplo, o núcleo se afunila para uma segunda distância de seção transversal 1420 com um ângulo menor teta, Θ. Conforme descrito supra, o campo magnético no ímã preferencialmente fica no núcleo à base de ferro, em oposição aos espaços 1230, 1240. Conforme a distância de seção transversal diminui a partir da distância de seção transversal inicial 1410 para a distância de seção transversal final 1420, o campo magnético se concentra. O ângulo menor, teta, resulta em uma amplificação maior do campo magnético indo a partir da distância maior 1410 para a distância menor 1420. A concentração do campo magnético é ilustrada pela representação de uma densidade inicial de vetores de campo magnético 1430 na distância de seção transversal inicial 1410 para uma densidade concentrada de vetores de campo magnético 1440 na seção transversal final 1420. A concentração do campo magnético devido à geometria dos ímãs de curva resulta em menos bobinas de enrolamento 1250, 1260 serem requeridas e, também, em um suprimento de potência menor para as bobinas de enrolamento 1250, 1260 sendo requerido.

[00136] Ainda com referência à figura 15, bobinas de correção opcionais 1510, 1520 são ilustradas, que são usadas para correção da força de um ou mais ímãs de curva. As bobinas de correção 1510, 1520 têm suprimentos de potência de bobina de correção que são separados de suprimentos de potência de bobina de enrolamento com as bobinas de enrolamento 1250, 1260. Os suprimentos de potência de bobina de correção tipicamente operam a uma fração da potência requerida, se comparados com os suprimentos de potência de bobina de enrolamento, tal como de em torno de 1, 2, 3, 5, 7 ou 10 por cento da potência e, mais preferencialmente, de em torno de 1 ou 2 por cento da potência usada com as bobinas de enrolamento 1250, 1260. A potência de operação menor aplicada às bobinas de correção 1510, 1520 permite um controle mais acurado e/ou preciso das bobinas de corre

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43/90 ção. As bobinas de correção são usadas para ajuste de uma imperfeição nos ímãs de curva 1010, 1020, 1030, 1040. Opcionalmente, bobinas de correção separadas são usadas para cada ímã de curva, permitindo uma sintonia individual do campo magnético para cada ímã de curva, o que facilita as exigências de qualidade na fabricação de cada ímã de curva.

[00137] Com referência, agora, à figura 16, um exemplo de bobinas de enrolamento 1630 e bobinas de correção 1620 em torno de uma pluralidade de ímãs de curva 1010, 1020 em uma seção de curva de feixe de íon 920 é ilustrado. Conforme ilustrado, as bobinas de enrolamento de dois ímãs de curva 1630 e bobinas de correção são ilustradas corrigindo um 1640 e dois 1620 ímãs de curva. Contudo, as bobinas de enrolamento opcionalmente cobrem um ou mais ímãs de curva, tais como 1, 2 ou 4 ímãs de curva. De modo similar, as bobinas de correção opcionalmente cobrem um ou mais ímãs de curva, tais como 1, 2 ou 4 ímãs de curva. Preferencialmente, o número de ímãs de curva cobertos é o mesmo para as bobinas de enrolamento e de correção. Um ou mais sensores de campo magnético de alta precisão 1830 são colocados no síncrotron e são usados para a medição do campo magnético no ou próximo de um percurso de feixe de próton. Por exemplo, os sensores magnéticos são opcionalmente colocados entre ímãs de curva e/ou em um ímã de curva, tal como no ou próximo do espaço 1110 ou no ou próximo do núcleo ou garfo de ímã. Os sensores fazem parte de um sistema de retorno para as bobinas de correção, o que é opcionalmente rodado pelo controlador principal. Assim, o sistema preferencialmente estabiliza o campo magnético nos elementos de síncrotron, ao invés de estabilizar a corrente aplicada aos ímãs. Uma estabilização do campo magnético permite que o síncrotron chegue a um nível de energia novo rapidamente. Isto permite que o sistema seja controlado para um nível de energia selecionado por operador

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44/90 ou algoritmo, com cada pulso do síncrotron e/ou cada respiração do paciente. Sensores opcionais de campo magnético 1650 colocados próximos de um ímã de curva ou entre ímãs de curva são opcionalmente usados como entradas para sistemas de controle controlando a intensidade de campo magnético.

[00138] As bobinas de enrolamento e/ou de correção corrigem 1, 2, 3 ou 4 ímãs de curva, e, preferencialmente, corrigem um campo magnético gerado por dois ímãs de curva. Uma bobina de enrolamento ou de correção cobrindo múltiplos ímãs reduz o espaço entre ímãs, já que menos extremidades de bobina de enrolamento ou de correção são requeridas, o que ocupa espaço.

Exemplo II [00139] Com referência, agora, à figura 17, um exemplo é usado para esclarecimento do controle de um campo magnético usando um laço de retorno 1700 para mudança dos tempos de entrega e/ou períodos de entrega de pulso de próton. Em um caso, um sensor respiratório 1710 detecta o ciclo de respiração da pessoa. O sensor respiratório envia a informação para um algoritmo em um controlador de campo magnético 1720, tipicamente através do módulo de interface de paciente 150 e/ou através do controlador principal 110 ou de um subcomponente do mesmo. O algoritmo prediz e/ou mede quando a pessoa está em um ponto em particular no ciclo de respiração, tal como no fundo de uma respiração. Os sensores de campo magnético 1730 são usados como uma entrada para o controlador de campo magnético, o que controla um suprimento de potência de ímã 1740 para um dado campo magnético, tal como em um primeiro ímã de curva 1010 de um síncrotron 130. O laço de retorno de controle assim é usado para se regular o síncrotron para um nível de energia selecionado e entregar prótons com a energia desejada em um ponto selecionado no tempo, tal como no fundo da respiração. Mais aproximadamente o controlador

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45/90 principal injeta prótons no síncrotron e acelera os prótons de maneira tal que, combinado com uma extração, entregue os prótons para o tumor em um ponto selecionado no ciclo de respiração. Uma intensidade do feixe de próton também é selecionável e controlável pelo controlador principal neste estágio. O controle de retorno para as bobinas de correção permite uma seleção rápida de níveis de energia do síncrotron que são ligados ao ciclo de respiração do paciente. Este sistema é completamente em contraste com um sistema em que a corrente é estabilizada e o síncrotron entrega pulsos com um período, tal como de 10 ou 20 ciclos por segundo com um período fixo.

[00140] O retorno ou o projeto de campo magnético acoplado às bobinas de correção permite que o ciclo de extração combine com a taxa respiratória variável do paciente.

[00141] Os sistemas tradicionais de extração não permitem este controle, já que os ímãs têm memórias em termos de magnitude e de amplitude de uma onda seno. Daí, em um sistema tradicional, de modo a se mudar a frequência, mudanças lentas na corrente devem ser usadas. Contudo, com o uso do laço de retorno usando os sensores de campo magnético, a frequência e o nível de energia do síncrotron são rapidamente ajustáveis. Ainda, ajudando neste processo está o uso de um novo sistema de extração, que permite uma aceleração dos prótons durante o processo de extração, descrito infra.

Exemplo III [00142] Com referência, novamente, à figura 16, um exemplo de uma bobina de enrolamento 1630 que cobre quatro ímãs de curva 1010, 1020, 1030, 1040 é provido. Opcionalmente, uma primeira bobina de enrolamento 1640 cobre dois ímãs 1030, 1040 e uma segunda bobina de enrolamento cobre outros dois ímãs 1010, 1020. Conforme descrito supra, este sistema reduz o espaço entre uma seção de curva permitindo que mais campo magnético seja aplicado por radiado de

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46/90 volta. Uma primeira bobina de correção 1610 é ilustrada, que é usada para a correção do campo magnético para o primeiro ímã de curva 1010. Uma segunda bobina de correção 1620 é ilustrada, que é usada para a correção do campo magnético para uma bobina de enrolamento 1630 em torno de quatro ímãs de curva. As bobinas de correção individuais para cada ímã de curva são preferidas e as bobinas de correção individuais produzem o campo magnético mais preciso e/ou acurado em cada seção de curva. Particularmente, a bobina de correção individual 1610 é usada para compensação por imperfeições no ímã individual de uma dada seção de curva. Daí, com uma série de sensores de campo magnético, os campos magnéticos correspondentes são individualmente ajustáveis em uma série de laços de retorno, através de um sistema de monitoração de campo magnético, já que uma bobina independente é usada para cada seção de curva. Alternativamente, uma bobina de correção de ímã múltiplo é usada para a correção do campo magnético para uma pluralidade de ímãs de seção de curva. Superfície de Espaço Plana [00143] Embora a superfície de espaço seja descrita em termos do primeiro ímã de curva 1010, a discussão se aplica a cada um dos ímãs de curva no síncrotron. De modo similar, enquanto a superfície do espaço 1110 é descrita em termos da superfície incidente de campo magnético 670, a discussão de forma opcional adicionalmente se aplica à superfície de saída de campo magnético 680.

[00144] A superfície incidente de campo magnético 1270 do primeiro ímã 1210 preferencialmente é quase plana, tal como em de em torno de zero a três mícrons de polimento de acabamento ou menos, preferencialmente para em torno de dez mícrons de polimento de acabamento. Por ser muito plana, a superfície polida dispersa a não uniformidade do campo magnético aplicado através do espaço 1110. A superfície muito plana, tal como de em torno de 0, 1, 2, 4, 6, 8, 10, 15 ou

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47/90 microns de acabamento permite um tamanho de espaço menor, um campo magnético aplicado menor, suprimentos de potência menores e um controle mais firme da área de seção transversal de feixe de próton.

Extração de Feixe de Próton [00145] Com referência, agora, à figura 18, um processo de extração de próton de exemplo a partir do síncrotron 130 é ilustrado. Por clareza, a figura 18 remove elementos representados na figura 2, tais como os ímãs de curva, o que permite maior clareza de apresentação do percurso de feixe de próton como uma função do tempo. Geralmente, os prótons são extraídos do síncrotron 130 pela desaceleração dos prótons. Conforme descrito supra, os prótons foram inicialmente acelerados em um percurso de circulação 264, o qual é mantido com uma pluralidade de ímãs de flexão principal 250. O percurso de circulação é referido aqui como uma linha de feixe central original 264. Os prótons repetidamente circulam em torno de um ponto central no síncrotron 280. O percurso de próton atravessa um sistema de cavidade de radiofrequência (RF) 1810. Para se iniciar uma extração, um campo de RF é aplicado através de uma primeira lâmina 1812 e de uma segunda lâmina 1814 no sistema de cavidade de RF 1810. A primeira lâmina 1812 e a segunda lâmina 1814 são referidas aqui como um primeiro par de lâminas.

[00146] No processo de extração de próton, uma voltagem de RF é aplicada através do primeiro par de lâminas, onde a primeira lâmina 1812 do primeiro par de lâminas está em um lado do percurso de feixe de próton de circulação 264 e a segunda lâmina 1814 do primeiro par de lâminas está em um lado oposto do percurso de feixe de próton de circulação 264. O campo de RF aplicado aplica energia ao percurso de partícula carregada de circulação. O campo de RF aplicado altera a órbita ou o percurso de feixe de circulação ligeiramente dos prótons a

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48/90 partir da linha de feixe central original 264 para um percurso de feixe de circulação alterado 265. Mediante um segundo passe dos prótons através do sistema de cavidade de RF, o campo de RF move mais os prótons para fora da linha de feixe de próton original 264. Por exemplo, se a linha de feixe original for considerada como um percurso circular, então, a linha de feixe alterada será ligeiramente elíptica. O campo de RF aplicado é sincronizado para aplicar um movimento para fora ou para dentro para uma dada banda de prótons circulando no acelerador de síncrotron. Cada órbita dos prótons é ligeiramente mais fora de eixo, se comparada com o percurso de feixe de circulação original 264. Passes sucessivos dos prótons através do sistema de cavidade de RF são forçados mais e mais a partir da linha de feixe central original 264 pela alteração da direção e/ou da intensidade do campo de RF com cada passagem sucessiva do feixe de próton através do campo de RF. [00147] A voltagem de RF é modulada em uma frequência quase igual ao período de um ciclo de próton em torno do síncrotron para uma revolução ou em uma frequência que é um múltiplo inteiro do período de um próton circulando em torno do síncrotron. A voltagem modulada de frequência de RF aplicada excita uma oscilação de betatron. Por exemplo, a oscilação é um movimento de onda seno dos prótons. O processo de sincronismo do campo de RF para um dado feixe de próton no sistema de cavidade de RF é repetido milhares de vezes com cada passe sucessivo dos prótons sendo movido aproximadamente um micrômetro mais para fora da linha de feixe central original 264. Por clareza, aproximadamente 1000 percursos de feixe mudando com cada percurso sucessivo de uma dada banda de prótons através do campo de RF são ilustrados como o percurso de feixe alterado 265. [00148] Com uma amplitude de betatron de onda seno suficiente, o percurso de feixe de circulação alterado 265 toca em um material 1830, tal como uma folha ou uma chapa de folha. A folha preferenci

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49/90 almente é de um material de peso leve, tal como berílio, hidreto de lítio, uma chapa de carbono ou um material de carga nuclear baixa. Um material de carga nuclear baixa é um material composto por átomos consistindo essencialmente em átomos tendo seis ou menos prótons. A folha preferencialmente tem em torno de 10 a 150 mícrons de espessura, mais preferencialmente tem de 30 a 100 mícrons de espessura, e ainda tem mais preferencialmente de 40 a 60 mícrons de espessura. Em um exemplo, a folha é de berílio com uma espessura de em torno de 50 mícrons. Quando os prótons atravessam a folha, a energia dos prótons é perdida e a velocidade dos prótons é reduzida. Tipicamente, uma corrente também é gerada, descrito infra. Os prótons se movendo a uma velocidade mais lenta viajam no síncrotron com um raio de curvatura reduzido 266, se comparado com a linha de feixe central original 264 ou o percurso de circulação alterado 265. O percurso de raio de curvatura reduzido 266 também é referido aqui como um percurso que tem um diâmetro menor de trajetória ou um percurso tendo prótons com energia reduzida. O raio de curvatura reduzido 266 tipicamente tem em torno de dois milímetros a menos do que um raio de curvatura do último passe dos prótons ao longo do percurso de feixe de próton alterado 265.

[00149] A espessura do material 1830 opcionalmente é ajustada para a criação de uma carga no raio de curvatura, tal como de em torno de ¹Λ, 1, 2, 3 ou 4 mm a menos do que o último passe dos prótons 265 ou o raio de curvatura original 264. Os prótons se movendo com o raio de curvatura menor viajam entre um segundo par de lâminas. Em um caso, o segundo par de lâminas é fisicamente distinto e/ou é separado do primeiro par de lâminas. Em um segundo caso, uma do primeiro par de lâminas também é um membro do segundo par de lâminas. Por exemplo, o segundo par de lâminas é a segunda lâmina 1814 e uma terceira lâmina 1816 no sistema de cavidade de RF 1810. Um si

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50/90 nal DC de voltagem alta, tal como de em torno de 1 a 5 kV, então, é aplicado através do segundo par de lâminas, o que dirige os prótons para fora do síncrotron através de um ímã de extração 292, tal como um ímã de extração de Lamberson, em um percurso de transporte 268.

[00150] Um controle de aceleração do percurso de feixe de partícula carregada no síncrotron com o acelerador e/ou os campos aplicados dos ímãs de curva em combinação com o sistema de extração descrito acima permite um controle da intensidade do feixe de próton extraído, onde a intensidade é um fluxo de próton por unidade de tempo ou o número de prótons extraídos como uma função do tempo. Por exemplo, quando uma corrente é medida além de um limite, a modulação de campo de RF no sistema de cavidade de RF é terminada ou reiniciada para o estabelecimento de um ciclo subsequente de extração de feixe de próton. Este processo é repetido para a produção de muitos ciclos de extração de feixe de próton a partir do acelerador de síncrotron.

[00151] Devido ao fato de o sistema de extração não depender de qualquer mudança nas propriedades de campo magnético, ele permite que o síncrotron continue a operar em modo de aceleração ou desaceleração durante o processo de extração. Declarado diferentemente, o processo de extração não interfere com a aceleração de síncrotron. Em contraste completo, os sistemas tradicionais de extração introduzem um novo campo magnético, tal como através de um hexapolo, durante o processo de extração. Mais particularmente, síncrotrons tradicionais têm um ímã, tal como um ímã de hexapolo, que está desligado durante um estágio de aceleração. Durante a fase de extração, o campo magnético de hexapolo é introduzido no percurso de circulação do síncrotron. A introdução do campo magnético precisa de dois modos distintos, um modo de aceleração e um modo de extração, os quais são mutuamente exclusivos no tempo.

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Controle de Intensidade de Feixe de Partícula Carregada [00152] Um controle do campo aplicado, tal como um campo de radiofrequência (RF), frequência e magnitude no sistema de cavidade de RF 1810 permite um controle de intensidade do feixe de próton extraído, onde a intensidade é extraída do fluxo de próton por unidade de tempo ou do número de prótons extraídos como uma função do tempo. [00153] Ainda com referência à figura 18, quando os prótons no feixe de próton atingem o material 1830, os elétrons são expulsos, resultando em uma corrente. A corrente resultante é convertida em uma voltagem e é usada como parte de um sistema de monitoração de intensidade de feixe de íon ou como parte de um laço de retorno de feixe de íon para controle da intensidade de feixe. A voltagem é opcionalmente medida e enviada para o controlador principal 110 ou para um subsistema de controlador 1840. Mais particularmente, quando os prótons no percurso de feixe de partícula carregada passam através do material 1830, alguns dos prótons perdem uma fração pequena de sua energia, tal como em torno de um décimo de um percentual, o que resulta em um elétron secundário. Isto é, os prótons no feixe de partícula carregada empurram alguns elétrons quando passam através do material 1830, dando aos elétrons energia suficiente para causar a emissão secundária. O fluxo de elétrons resultante resulta em uma corrente ou um sinal que é proporcional ao número de prótons passando através do material alvo 1830. A corrente resultante preferencialmente é convertida em voltagem e amplificada. O sinal resultante é referido como um sinal de intensidade medida.

[00154] O sinal amplificado ou o sinal de intensidade medido resultante a partir dos prótons passando através do material 1830 preferencialmente é usado no controle da intensidade dos prótons extraídos. Por exemplo, o sinal de intensidade medida é comparado com um sinal de meta, o qual é predeterminado em uma irradiação do plano de

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52/90 tumor 1860. Em um exemplo, o plano de tumor 1860 contém a energia de meta ou alvo e a intensidade do feixe de próton entregue como uma função de posição em x, posição em y, tempo e/ou posição de rotação do paciente. A diferença entre o sinal de intensidade medida e o planejado para o sinal de meta é calculada. A diferença é usada como um controle do gerador de RF. Daí, o fluxo medido de corrente resultante dos prótons passando através do material 1830 é usado como um controle no gerador de RF para aumento ou diminuição do número de prótons sofrendo uma oscilação de betatron e atingindo o material 1830. Daí, a voltagem determinada desligada do material 1830 é usada como uma medida do percurso orbital e é usada como um controle de retorno para o sistema de cavidade de RF. Alternativamente, o sinal de intensidade medida não é usado no controle de retorno e é apenas usado como um monitor da intensidade dos prótons extraídos.

[00155] Conforme descrito supra, o choque dos fótons no material 1830 é uma etapa na extração dos prótons do síncrotron 130. Daí, o sinal de intensidade medida é usado para mudança do número de prótons por unidade de tempo sendo extraídos, o que é referido como uma intensidade do feixe de próton. A intensidade do feixe de próton assim está sob o controle de um algoritmo. Ainda, a intensidade do feixe de próton é controlada separadamente da velocidade dos prótons no síncrotron 130. Daí, a intensidade dos prótons extraídos e a energia dos prótons extraídos são variáveis independentemente.

[00156] Por exemplo, os prótons podem ser mover inicialmente em uma trajetória de equilíbrio no síncrotron 130. Um campo de RF é usado para excitação dos prótons em uma oscilação de betatron. Em um caso, a frequência da órbita de prótons é de em torno de 10 MHz. Em um exemplo, a em torno de um milissegundo ou após em torno de 10.000 órbitas, os primeiros prótons atingem uma borda externa do material alvo 130. A frequência específica é dependente do período da

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53/90 órbita. Ao atingir o material 130, os prótons empurram os elétrons através da folha para a produção de uma corrente. A corrente é convertida em voltagem e amplificada para a produção de um sinal de intensidade medida. O sinal de intensidade medida é usado como uma entrada de retorno para controle da magnitude de RF aplicada, da frequência de RF ou do campo de RF. Preferencialmente, o sinal de intensidade medida é comparado com um sinal alvo e uma medida da diferença entre o sinal de intensidade medida e o sinal alvo é usada para ajuste do campo de RF aplicado no sistema de cavidade de RF 1810 no sistema de extração para controle da intensidade dos prótons na etapa de extração. Declarado de novo, o sinal resultante dos prótons atingindo e/ou passando através do material 130 é usado como uma entrada na modulação de campo de RF. Um aumento na magnitude da modulação de RF resulta em prótons atingindo a folha ou o material 130 mais cedo. Pelo aumento da RF, mais prótons são empurrados para a folha, o que resulta em uma intensidade aumentada, ou mais prótons por unidade de tempo, de prótons extraídos a partir do síncrotron 130.

[00157] Em um outro exemplo, um detector 1850 externo ao síncrotron 130 é usado para a determinação do fluxo de prótons extraídos do síncrotron e um sinal a partir do detector externo é usado para alteração do campo de RF ou modulação de RF no sistema de cavidade de RF 1810. Aqui, o detector externo gera um sinal externo, o qual é usado de uma maneira similar ao sinal de intensidade medida, descrito nos parágrafos precedentes. Particularmente, o sinal de intensidade medida é comparado com um sinal desejado a partir do plano de irradiação 1860 em um controlador de intensidade de retorno 1840, o que ajusta o campo de RF entre a primeira placa 1812 e a segunda placa 1814 no processo de extração, descrito supra.

[00158] Em ainda um outro exemplo, quando uma corrente a partir

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54/90 do material 130 resultante de prótons passando através de ou atingindo um material é medida além de um limite, a modulação de campo de RF no sistema de cavidade de RF é terminada ou reiniciada para o estabelecimento de um ciclo subsequente de extração de feixe de próton. Este processo é repetido para a produção de muitos ciclos de extração de feixe de próton a partir do acelerador de síncrotron.

[00159] Em ainda uma outra modalidade, a modulação de intensidade do feixe de próton extraído é controlada pelo controlador principal 110. O controlador principal 110 de forma opcional e/ou adicional controla o sincronismo de extração do feixe de partícula carregada e a energia do feixe de próton extraído.

[00160] Os benefícios do sistema incluem um sistema de varredura multidimensional. Particularmente, o sistema permite uma independência em (1) energia dos prótons extraídos e (2) intensidade dos prótons extraídos. Isto é, a energia dos prótons extraídos é controlada por um sistema de controle de energia e um sistema de controle de intensidade controla a intensidade dos prótons extraídos. O sistema de controle de energia e o sistema de controle de intensidade são opcionalmente controlados de forma independente. Preferencialmente, o controlador principal 110 controla o sistema de controle de energia e o controlador principal simultaneamente controla o sistema de controle de intensidade para a produção de um feixe de próton extraído com energia controlada e intensidade controlada, onde a energia controlada e a intensidade controlada são variáveis independentemente. Assim, o ponto de irradiação atingindo o tumor está sob um controle independente de:

• tempo;

• energia;

• intensidade;

• posição no eixo x, onde o eixo x representa um movi-

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55/90 mento horizontal do feixe de próton em relação ao paciente, e • posição no eixo y, onde o eixo y representa um movimento vertical do feixe de próton em relação ao paciente.

[00161] Além disso, o paciente é rodado de forma opcional independentemente em relação a um eixo geométrico de translação do feixe de próton ao mesmo tempo.

Posicionamento de Paciente [00162] Com referência, agora, à figura 19, o paciente preferencialmente é posicionado sobre ou em um sistema de posicionamento de paciente 1910 do módulo de interface de paciente 150. O sistema de posicionamento de paciente 1910 é usado para a translação do paciente e/ou a rotação do paciente para uma zona em que o feixe de próton pode varrer o tumor usando um sistema de varredura 140 ou um sistema de direcionamento de próton, descrito infra. Essencialmente, o sistema de posicionamento de paciente 1910 realiza movimentos grandes do paciente para posicionamento do tumor próximo do centro de um percurso de transporte de próton 268 e o sistema de varredura ou de direcionamento de próton 140 realiza movimentos finos da posição de feixe momentânea 269 no direcionamento do tumor 1920. Para ilustração, a figura 19 mostra a posição de feixe de próton momentânea 269 e uma faixa de posições passíveis de varredura 1940 usando o sistema de varredura ou de direcionamento de próton 140, onde as posições passíveis de varredura 1940 são em torno do tumor 1920 do paciente 1930. Isto mostra de forma ilustrativa que o movimento do eixo y do paciente ocorre em uma escala do corpo, tal como um ajuste de em torno de 1, 2, 3 ou 4 pés (0,3048, 0,6096, 0,9144 ou 1,2192 m), enquanto a região passível de varredura do feixe de próton 268 cobre uma porção do corpo, tal como uma região de em torno de 1, 2, 4, 6, 8, 10 ou 12 polegadas (2,54, 5,08, 10,16, 15,24, 25,4 ou 30,48 cm). O sistema de posicionamento de paciente e sua rotação e/ou translação

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56/90 do paciente se combinam com o sistema de direcionamento de próton para a produção de uma entrega precisa e/ou acurada dos prótons ao tumor.

[00163] Ainda com referência à figura 19, o sistema de posicionamento de paciente 1910 opcionalmente inclui uma unidade de fundo 1912 e uma unidade de topo 1914, tais como discos ou uma plataforma. Com referência, agora, à figura 19A, a sistema de posicionamento de paciente 1910 preferencialmente é ajustável no eixo y 1916 para permitir um deslocamento vertical do paciente em relação ao feixe de terapia com próton 268. Preferencialmente, o movimento vertical da sistema de posicionamento de paciente 1910 é de em torno de 10, 20, 30 ou 50 centímetros por minuto. Com referência, agora, à figura 19B, a sistema de posicionamento de paciente 1910 também preferencialmente é rotativa 1917 em torno de um eixo geométrico de rotação, tal como em torno do eixo y, para se permitir um controle de rotação e um posicionamento do aparelho de cozimento em relação ao percurso de feixe de próton 268. Preferencialmente, o movimento de rotação da unidade de posicionamento de paciente 1910 é de em torno de 360 graus por minuto. Opcionalmente, a unidade de posicionamento de paciente roda em torno de 45, 90 ou 180 graus. Opcionalmente, a unidade de posicionamento de paciente 1910 roda a uma taxa de em torno de 45, 90, 180, 360, 720 ou 1080 graus por minuto. A rotação da unidade de posicionamento 1917 é ilustrada em torno do eixo geométrico de rotação em dois tempos distintos, t1 e t2. Os prótons são opcionalmente entregues para o tumor 1920 em n tempos, onde cada um dos n tempos representa direções diferentes do feixe de próton incidente 269 atingindo o paciente 1930 devido a uma rotação do paciente 1917 em torno do eixo geométrico de rotação.

[00164] Qualquer uma das modalidades de posicionamento de paciente semivertical, sentado ou deitado descritas infra é opcionalmente

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57/90 transladável verticalmente ao longo do eixo y ou rotativa em torno do eixo geométrico de rotação ou y.

[00165] Preferencialmente, as unidades de topo e de fundo 1912, 1914 se movem em conjunto, de modo que elas rodem às mesmas taxas e transladem em posição nas mesmas taxas. Opcionalmente, as unidades de topo e de fundo 1912, 1914 são independentemente ajustáveis o longo do eixo y para se permitir uma diferença na distância entre as unidades de topo e de fundo 1912, 1914. Motores, suprimentos de potência e conjuntos mecânicos para movimento das unidades de topo e de fundo 1912, 1914 preferencialmente estão localizados fora do percurso de feixe de próton 269, tal como abaixo da unidade de fundo 1912 e/ou acima da unidade de topo 1914. Isto é preferível, já que a unidade de posicionamento de paciente 1910 preferencialmente é rotativa em torno de 360 graus e os motores, suprimentos de potência e conjuntos mecânicos interferem com os prótons, caso posicionados no percurso de feixe de próton 269.

Controle de Posição de Feixe de Próton [00166] Com referência, agora, à figura 20, um sistema de entrega de feixe e de varredura de volume de tecido é ilustrado. Presentemente, a comunidade de radioterapia mundial usa um método de formação de campo de dose usando um sistema de varredura de feixe em lápis. Em contraste completo, a figura 20 ilustra um sistema de varredura de ponto ou um sistema de varredura de volume de tecido. No sistema de varredura de volume de tecido, o feixe de próton é controlado em termos de transporte e distribuição, usando-se um sistema de varredura econômico e preciso. O sistema de varredura é um sistema ativo, onde o feixe é focalizado em um ponto focal de ponto de em torno de meio, um, dois, ou três milímetros de diâmetro. O ponto focal é transladado ao longo de dois eixos, enquanto simultaneamente se altera a energia aplicada do feixe de próton, o que efetivamente muda a terceira di

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58/90 mensão do ponto focal. O sistema é aplicável em combinação com a rotação descrita acima do corpo, o que preferencialmente ocorre entre momentos individuais ou ciclos de entrega de próton ao tumor. Opcionalmente, a rotação do corpo pelo sistema descrito acima ocorre de forma contínua ou simultânea com uma entrega de próton para o tumor.

[00167] Por exemplo, no sistema ilustrado na figura 20A, o ponto é transladado horizontalmente, é movido para baixo por uma vertical e, então, de volta ao longo do eixo geométrico horizontal. Neste exemplo, uma corrente é usada para controle de um sistema de varredura vertical tendo pelo menos um ímã. A corrente aplicada altera o campo magnético do sistema de varredura vertical para controle da deflexão vertical do feixe de próton. De modo similar, um sistema de ímã de varredura horizontal controla a deflexão horizontal do feixe de próton. O grau de transporte ao longo de cada um dos eixos geométricos é controlado para se conformar à seção transversal do tumor na dada profundidade. A profundidade é controlada pela mudança da energia do feixe de próton. Por exemplo, a energia de feixe de próton é diminuída, de modo a se definível de intensidade recebido uma nova profundidade de penetração, e o processo de varredura é repetido ao longo dos eixos geométricos horizontais e verticais cobrindo uma nova área de seção transversal do tumor. Combinados, os três eixos de controle permitem a varredura ou o movimento do ponto focal de feixe de próton pelo volume inteiro do tumor canceroso. O tempo em cada ponto e a direção no corpo para cada ponto são controlados para a produção da dose de radiação desejada em cada subvolume do volume canceroso, enquanto se distribui energia atingindo o exterior do tumor.

[00168] A dimensão de volume de ponto de feixe focalizado preferencialmente é controlada firmemente para um diâmetro de em torno de 0,5, 1 ou 2 milímetros, mas, alternativamente, é de vários centíme

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59/90 tros de diâmetro. Os controles de projeto preferidos permitem uma varredura em duas direções com: (1) uma amplitude vertical de em torno de 100 mm de amplitude e frequência de até 200 Hz; e (2) uma amplitude horizontal de em torno de 700 mm de amplitude e frequência de até 1 Hz. Mais ou menos amplitude em cada eixo geométrico é possível pela alteração dos sistemas de ímã de varredura.

[00169] Na figura 20A, o feixe de próton é ilustrado ao longo de um eixo z controlado pela energia de feixe, o movimento horizontal é ao longo de um eixo x, e a direção vertical é ao longo de um eixo y. A distância que os prótons se movem ao longo do eixo z para o tecido, neste exemplo, é controlada pela energia cinética do próton. Este sistema de coordenadas é arbitrário e de exemplo. O controle real do feixe de próton é controlado em um espaço tridimensional usando-se dois sistemas de ímã de varredura e pelo controle da energia cinética do feixe de próton. O uso do sistema de extração, descrito supra, permite padrões diferentes de varredura. Particularmente, o sistema permite um ajuste simultâneo dos eixos x, y e z na irradiação do tumor sólido. Declarado de novo, ao invés de uma varredura ao longo de um plano x, y e, então, ajustando-se a energia dos prótons, tal como com uma roda de modulação de faixa, o sistema permite um movimento ao longo dos eixos z, enquanto simultaneamente se ajustam os eixos e e/ou y. Daí, ao invés de irradiar fatias do tumor, o tumor é opcionalmente irradiado em torno de uma borda externa do tumor em três dimensões. Então, o tumor é irradiado em torno de uma borda externa de uma seção interna do tumor. Este processo é repetido até que o tumor inteiro seja irradiado. A irradiação de borda externa é preferencialmente acoplada a uma rotação simultânea da pessoa, tal como em torno de um eixo y vertical. Este sistema permite uma eficiência máxima de deposição de prótons no tumor, conforme definido usando-se o pico de Bragg, para o tumor em si com uma entrega mínima de energia de próton para o

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60/90 tecido saudável circundante.

[00170] Combinado, o sistema permite que múltiplos eixos controlem o sistema de feixe de partícula carregada em um espaço pequeno, com baixo suprimento de potência. Por exemplo, o sistema usa múltiplos ímãs, onde cada ímã tem pelo menos um efeito de focalização de borda em cada seção de curva do síncrotron e/ou múltiplos ímãs tendo uma geometria de campo magnético de concentração, conforme descrito supra. Os múltiplos efeitos de focalização de borda no percurso de feixe de circulação do síncrotron combinados com a geometria de concentração dos ímãs e o sistema de extração descrito produzem um síncrotron que tem:

• um sistema de circunferência pequena, tal como de menos de em torno de 50 metros;

• um espaço de tamanho de feixe de próton vertical de em torno de 2 cm;

• exigências correspondentes reduzidas de suprimento de potência associadas ao espaço de tamanho reduzido;

• um sistema de extração não requerendo um campo magnético introduzido de novo;

• uma aceleração ou desaceleração dos prótons durante uma extração; e • um controle de energia de eixo z durante uma extração. [00171] O resultado é um sistema de varredura tridimensional, com controle de eixos x, y e z, onde o controle de eixos z reside no síncrotron, e onde a energia de eixos z é controlado de forma variável durante o processo de extração no interior do síncrotron.

[00172] Com referência, agora, à figura 20B, um exemplo de um sistema de varredura ou direcionamento de próton 140 usado para direcionamento dos prótons para o tumor com um controle de varredura de 4 dimensões é provido, onde o sistema de varredura de 4 dimen

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61/90 sões é ao longo dos eixos x, y e z juntamente com um controle de intensidade, conforme descrito supra. Um quinto eixo é o tempo. Tipicamente, as partículas carregadas viajando ao longo do percurso de transporte 268 são dirigidas através de um primeiro elemento de controle de eixo 142, tal como um controle de vertical, e um segundo elemento de controle de eixo 144, tal como um controle de horizontal, e para um tumor 1920. Conforme descrito supra, o sistema de extração também permite uma variação simultânea no eixo z. Ainda, conforme descrito supra, a intensidade ou dose do feixe extraído é controlada e variada de forma opcional simultaneamente e de forma independente. Assim, ao invés de se irradiar uma fatia do tumor, como na figura 20A, todas as quatro dimensões definindo o ponto de direcionamento da entrega de próton no tumor são simultaneamente variáveis. A variação simultânea do ponto de entrega de próton é ilustrada na figura 20B pelo percurso de entrega de ponto 269. No caso ilustrado, os prótons são inicialmente dirigidos em torno de uma borda externa do tumor e, então, são dirigidos em torno de um raio interno do tumor. Combinado com uma rotação da pessoa em torno de um eixo vertical, um processo de iluminação de campo múltiplo é usado, onde uma porção ainda não irradiada do tumor preferencialmente é irradiada na distância maior do tumor a partir do ponto de entrada de próton para o corpo. Isto produz a maior percentagem da entrega de próton, conforme definido pelo pico de Bragg para o tumor, e minimiza os danos ao tecido saudável periférico.

SISTEMA DE FORMAÇÃO DE IMAGEM / RAIO X [00173] Aqui, um sistema de raio X é usado para ilustração de um sistema de formação de imagem.

Sincronismo [00174] Um raio X preferencialmente é coletado (1) imediatamente antes ou (2) concorrentemente com o tratamento de uma pessoa com

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62/90 uma terapia de próton por um par de razões.

[00175] Em primeiro lugar, o movimento do corpo, descrito supra, muda a posição local do tumor em relação aos outros constituintes do corpo. Se a pessoa tiver tomado raio X e então movido o corpo para uma sala de tratamento com próton, um alinhamento acurado do feixe de próton com o tumor será problemático. Um alinhamento do feixe de próton usando-se um ou mais raios X é mais bem realizado no momento da entrega de próton ou nos segundos ou minutos imediatamente antes da entrega de próton e após o paciente ser colocado em uma posição terapêutica de corpo, o que tipicamente é uma posição fixada ou uma posição parcialmente imobilizada.

[00176] Em segundo lugar, o raio X tomado após um posicionamento do paciente é usado para verificação do alinhamento de feixe de próton para uma posição almejada, tal como um tumor e/ou uma posição de órgão interno.

Posicionamento [00177] Um raio X preferencialmente é tomado imediatamente antes do tratamento da pessoa, para ajudar no posicionamento do paciente. Para fins de posicionamento, um raio X de uma área grande do corpo não é necessário. Em uma modalidade, um raio X de apenas uma área local é coletado. Quando da coleta de um raio X, o raio X tem um percurso de raio X. O feixe de próton tem um percurso de feixe de próton. A superposição do percurso de raio X com o percurso de feixe de próton é um método de alinhamento do feixe de próton ao tumor. Contudo, este método envolve a colocação do equipamento de raio X no percurso de feixe de próton, a tomada do raio X e, então, o movimento do equipamento de raio X para fora do percurso de feixe. Este processo leva tempo. O tempo decorrido, enquanto o equipamento de raio X se move tem um par de efeitos prejudiciais. Em primeiro lugar, durante o tempo requerido para se mover o equipamento de raio

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X, o corpo se move. O movimento resultante diminui a precisão e/ou a acurácia de um alinhamento de feixe de próton subsequente ao tumor. Em segundo lugar, o tempo requerido para se mover o equipamento de raio X é um tempo em que o sistema de terapia com feixe de próton não está em uso, o que diminui a eficiência total do sistema de terapia de feixe de próton.

Tempo de Vida de Fonte de Raio X [00178] É desejável ter componentes no sistema de terapia com feixe de partícula que requeiram manutenção mínima ou nula ao longo do tempo de vida do sistema de terapia com feixe de partícula. Por exemplo, é desejável equipar o sistema de terapia com feixe de próton com um sistema de raio X tendo uma fonte de tempo de vida longa, tal como um tempo de vida de em torno de 20 anos.

[00179] Em um sistema, descrito infra, os elétrons são usados para a criação de raios X. Os elétrons são gerados em um catodo, onde o tempo de vida do catodo é dependente da temperatura. Análogo a um bulbo de luz, onde o filamento é mantido em equilíbrio, a temperatura de catodo é mantida em equilíbrio em temperaturas de em torno de 200, 500 ou 1000 graus Celsius. Uma redução da temperatura de catodo resulta em um tempo de vida aumentado do catodo. Daí, o catodo usado na geração dos elétrons preferencialmente é mantido a uma temperatura tão baixa quanto possível. Contudo, se a temperatura do catodo for reduzida, então, as emissões de elétron também diminuirão. Para se vencer a necessidade de mais elétrons a temperaturas mais baixas, um grande catodo é usado e os elétrons gerados são concentrados. O processo é análogo à compressão de elétrons em uma pistola de elétrons; contudo, aqui, as técnicas de compressão são adaptadas para aplicarem um melhoramento a um tempo de vida de tubo de raio X.

[00180] Com referência, agora, à figura 21, um exemplo de um dis

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64/90 positivo de geração de raio X 2100 tendo um tempo de vida melhorado é provido. Os elétrons 2120 são gerados em um catodo 2110, focalizados com um eletrodo de controle 2112 e acelerados com uma série de eletrodos de aceleração 2140. Os elétrons acelerados 2150 têm um impacto sobre uma fonte de geração de raio X 2148 resultando nos raios X gerados que são dirigidos, então, ao longo de um percurso de raio X 2270 para a pessoa 1930. A concentração dos elétrons a partir de um primeiro diâmetro 2115 para um segundo diâmetro 2116 permite que o catodo opere a uma temperatura reduzida e ainda produz o nível amplificado necessário de elétrons na fonte de geração de raio X 2148. Em um exemplo, a fonte de geração de raio X é o anodo acoplado ao catodo 2110, e/ou a fonte de geração de raio X é substancialmente composta por tungstênio.

[00181] Ainda com referência à figura 21, uma descrição mais detalhada de um dispositivo de geração de raio X de exemplo 2100 é feita. Um par de anodo 2114 / catodo 2110 é usado para a geração de elétrons. Os elétrons 2120 são gerados no catodo 2110 tendo um primeiro diâmetro 2115, o qual é denotado d1. Os eletrodos de controle 2112 atraem os elétrons gerados 2120. Por exemplo, se o catodo for mantido a em torno de -150 kV e o eletrodo de controle for mantido a em torno de -149 kV, então, os elétrons gerados 2120 serão atraídos em direção aos eletrodos de controle e focalizados. Uma série de eletrodos de aceleração 2140, então é usada para a aceleração dos elétrons para um percurso substancialmente paralelo 2150 com um diâmetro menor 2116, o qual é denotado d2. Por exemplo, com o catodo mantido a -150 kV, um primeiro, segundo, terceiro e quarto eletrodos de aceleração 2142, 2144, 2146, 2148 são mantidos em torno de -120, 90, -60, e -30 kV, respectivamente. Se uma parte do corpo mais fina for para ser analisada, então, o catodo 2110 será mantido em um nível menor, tal com em torno de -90 kV e o eletrodo de controle, os primei

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65/90 ro, segundo, terceiro e quarto eletrodos são ajustados, cada um, para níveis mais baixos. Geralmente, a diferença de voltagem do catodo para o quarto eletrodo é menor para uma voltagem negativa menor no catodo e vice-versa. Os elétrons acelerados 2150 opcionalmente são passados através de uma lente magnética 2160 para ajuste do tamanho de feixe, tal como uma lente magnética cilíndrica. Os elétrons também são opcionalmente focalizados usando-se ímãs de quadrupolo 2170, os quais focalizam em uma direção e saem de foco em uma outra direção. Os elétrons acelerados 2150, os quais são agora ajustados no tamanho do feixe e focalizados atingem uma fonte de geração de raio X 2148, tal como tungstênio, resultando em raios X gerados que passam através de um bloqueador 2262 e prosseguem ao longo de um percurso de raio X 2170 para a pessoa. A fonte de geração de raio X 2148 opcionalmente é resfriada com um elemento de resfriamento 2149, tal como água, tocando ou termicamente conectado a um lado traseiro da fonte de geração de raio X 2148. A concentração dos elétrons a partir de um primeiro diâmetro 2115 para um segundo diâmetro 2116 permite que o catodo opere a uma temperatura reduzida, e ainda produz o nível amplificado necessário de elétrons na fonte de geração de raio X 2148.

[00182] Mais geralmente, o dispositivo de geração de raio X 2100 produz elétrons tendo vetores iniciais. Um ou mais dentre o eletrodo de controle 2112, os eletrodos de aceleração 2140, a lente magnética 2160 e os ímãs de quadrupolo 2170 se cominam para a alteração dos vetores de elétron iniciais em vetores paralelos com uma área de seção transversal diminuída tendo um percurso substancialmente paralelo, referido como os elétrons acelerados 2150. O processo permite que o dispositivo de geração de raio X 2100 opere a uma temperatura mais baixa. Particularmente, ao invés de usar um catodo que é o tamanho do feixe de elétron necessário, um eletrodo maior é usado, e os elé

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66/90 trons resultantes 2120 são focalizados e/ou concentrados no feixe de elétron requerido necessário. Um tempo de vida é aproximadamente um inverso da densidade de corrente, a concentração da densidade de corrente resultando em um tempo de vida maior do dispositivo de geração de raio X. Um exemplo específico é provido para clareza. Se o catodo tiver um raio de 15 mm ou d1 for de em torno de 30 mm, então, a área (π r²) será de em torno de 225 mm² vezes pi. Se a concentração dos elétrons obtiver um raio de 5 mm ou d2 for de em torno de 10 mm, então, a área (π r²) será de em torno de 25 mm² vezes pi. A relação das duas áreas é de em torno de 9 (225 π / 25 π). Assim, há em torno de 9 vezes menos densidade de corrente no catodo maior, se comparado com o catodo tradicional tendo uma área do feixe de elétron desejada. Daí, o tempo de vida do catodo maior se aproxima de 9 vezes o tempo de vida do catodo tradicional, embora a corrente real através do catodo maior e do catodo tradicional seja quase a mesma. Preferencialmente, a área do catodo 2110 é de em torno de 2, 4, 6, 8, 10, 15, 20 ou 25 vezes aquela da área de seção transversal do feixe de elétron substancialmente paralelo 2150.

[00183] Em uma outra modalidade da invenção, os ímãs de quadrupolo 2170 resultam em um formato de seção transversal oblongo do feixe de elétron 2150. Uma projeção do formato de transversal oblongo do feixe de elétron 2150 na fonte de geração de raio X 2148 resulta em um feixe de raio X que tem um ponto pequeno em uma vista em seção transversal, o qual preferencialmente é substancialmente circular no formato de seção transversal, que então é passado através do paciente 1930. O ponto pequeno é usado para a produção de um raio X que tem uma resolução melhorada no paciente.

[00184] Com referência, agora, à figura 22, em uma modalidade, um raio X é gerado próximo de, mas não no percurso de feixe de próton. Uma combinação de um sistema de terapia de feixe de próton e

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67/90 de um sistema de raio X 2220 é ilustrada na figura 22. O sistema de terapia com feixe de próton tem um feixe de próton 268 em um sistema de transporte, após o ímã de extração de Lamberson 292 do síncrotron 130. O feixe de próton é dirigido pelo sistema de varredura / direcionamento / entrega 140 para um tumor 1920 de um paciente 1930. O sistema de raio X 2205 inclui uma fonte de feixe de elétron 2105 que gera um feixe de elétron 2150. O feixe de elétron é dirigido para uma fonte de geração de raio X 2148, tal como uma peça de tungstênio. Preferencialmente, a fonte de raio X de tungstênio está localizada em torno de 1, 2, 3, 5, 10, 15 ou 20 milímetros a partir do percurso de feixe de próton 268. Quando o feixe de elétron 2150 atinge o tungstênio, os raios X são gerados em todas as direções. Os raios X são bloqueados com uma janela 2262 e são selecionados para um percurso de feixe de raio X 2270. O percurso de feixe de raio X 2270 e o percurso de feixe de próton 268 correm substancialmente em paralelo, conforme eles progredirem até o tumor 1920. A distância entre o percurso de feixe de raio X 2270 e o percurso de feixe de próton 269 preferencialmente diminui para quase zero e/ou o percurso de feixe de raio X 2270 e o percurso de feixe de próton 269 se sobrepõem no momento em que eles atingirem o tumor 1920. Uma geometria simples mostra que este é o caso dada a distância longa, de pelo menos um metro, entre o tungstênio e o tumor 1920. A distância é ilustrada como um espaço 2280 na figura 22. Os raios X são detectados em um detector de raio X 2290, o qual é usado para formar uma imagem do tumor 1920 e/ou uma posição do paciente 1930.

[00185] Como um todo, o sistema gera um feixe de raio X que fica substancialmente no mesmo percurso que o feixe de terapia de próton. O feixe de raio X é gerado ao se atingir um tungstênio ou um material equivalente com um feixe de elétrons. A fonte de geração de raio X está localizada próximo do percurso de feixe de próton. A geometria

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68/90 de elétrons incidentes, a geometria do material de geração do raio X e a geometria do bloqueador de feixe de raio X 262 produzem um feixe de raio X que corre substancialmente em paralelo com o feixe de próton ou resulta em um percurso de feixe de raio X que começa próximo do percurso de feixe de próton e se expande para cobrir e transmitir através de uma área de seção transversal de tumor para atingir um arranjo de detector de raio X ou filme, permitindo uma formação de imagem do tumor a partir de uma direção e alinhamento do feixe de terapia com próton. A imagem de raio X, então é usada para o controle do percurso de feixe de partícula carregada para se almejar de forma acurada e precisa o tumor, e/ou é usada em uma verificação de sistema e validação.

[00186] Com referência, agora, à figura 23, uma geometria adicional do percurso de feixe de elétron 2150 e do percurso de feixe de raio X 2270 é ilustrada. Particularmente, o feixe de elétron 350 é mostrado como um percurso de feixe de elétron expandido 2152, 2154. Também, o percurso de feixe de raio X 2270 é mostrado como um percurso de feixe de raio X expandido 2272, 2274.

Imobilização de Paciente [00187] Uma entrega acurada e precisa de um feixe de próton para um tumor de um paciente requer: (1) um controle de posicionamento do feixe de próton e (2) um controle de posicionamento do paciente. Conforme descrito supra, o feixe de próton é controlado usando-se algoritmos e campos magnéticos para um diâmetro em torno de 0,5, 1 ou 2 milímetros. Esta seção se dirige a uma imobilização parcial, uma restrição e/ou um alinhamento do paciente, para se garantir que o feixe de próton controlado firmemente atinja de forma eficiente um tumoralvo e não o tecido saudável circundante, como resultado de um movimento de paciente.

[00188] Nesta seção, um sistema de coordenadas de eixos x, y e z

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69/90 e um eixo geométrico de rotação é usado para a descrição da orientação do paciente em relação ao feixe de próton. O eixo z representa um curso do feixe de próton, tal como a profundidade do feixe de próton até o paciente. Quando se olha para o paciente abaixo do eixo z do curso do feixe de próton, o eixo x refere-se ao movimento para a esquerda ou à direita através do paciente, e o eixo y refere-se ao movimento para cima ou para baixo do paciente. Um primeiro eixo geométrico de rotação é a rotação do paciente em torno do eixo y e é referido aqui como um eixo de rotação, eixo de rotação de unidade de fundo 1912 ou eixo y de rotação. Além disso, uma inclinação é uma rotação em torno do eixo x, uma guinada é uma rotação em torno do eixo y e um rolamento é uma rotação em torno do eixo z. Neste sistema de coordenadas, o percurso de feixe de próton 269 opcionalmente corre em qualquer direção. Como uma questão ilustrativa, o percurso de feixe de próton correndo através de uma sala de tratamento é descrito como correndo horizontalmente através da sala de tratamento.

[00189] Nesta seção, três exemplos de sistemas de posicionamento 2400 são providos: (1) um sistema de imobilização parcial semivertical;

(2) um sistema de imobilização parcial sentado; e (3) uma posição deitada. Os elementos descritos para uma imobilização se aplicam a outros sistemas de imobilização com pequenas mudanças. Por exemplo, um apoio de cabeça se ajustará ao longo de um eixo geométrico para uma posição reclinada, ao longo de um segundo eixo geométrico para uma posição sentada, e ao longo de um terceiro eixo para uma posição deitada. Contudo, o apoio de cabeça em si é similar para cada posição de imobilização.

Posicionamento / Imobilização de Paciente na Vertical [00190] O sistema de posicionamento de paciente semivertical preferencialmente é usado em conjunto com uma terapia com prótons de tumores no torso. O sistema de posicionamento e/ou de imobilização

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70/90 de paciente controla e/ou restringe o movimento do paciente durante uma terapia com feixe de próton. Em uma primeira modalidade de imobilização parcial, o paciente é posicionado em uma posição semivertical em um sistema de terapia com feixe de próton. Conforme ilustrado, o paciente está se reclinando em um ângulo alfa, a, de em torno de 45 graus fora do eixo y, conforme definido por um eixo geométrico que corre a partir da cabeça até o pé do paciente. Mais geralmente, o paciente opcionalmente está completamente de pé em uma posição vertical de zero grau fora do eixo y ou está em uma posição semivertical alfa que é reclinada m torno de 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, ou 65 fora do eixo y em direção ao eixo z.

[00191] As restrições de posicionamento de paciente são usadas para manutenção do paciente em uma posição de tratamento, incluindo um ou mais dentre: um suporte de assento, um suporte de costas, um suporte de cabeça, um suporte de braço, um suporte de joelho, e um suporte de pé. As restrições de forma opcional e independente são rígidas ou semirrígidas. Os exemplos de um material semirrígido incluem uma espuma de alta ou baixa densidade ou uma espuma viscoelástica. Por exemplo, o suporte de pé preferencialmente é rígido e o suporte de costas preferencialmente é semirrígido, tal como de um material de espuma de alta densidade. Uma ou mais das restrições de posicionamento são móveis e/ou estão sob controle de um computador para um posicionamento e/ou uma imobilização rápidos do paciente. Por exemplo, o suporte de assento é ajustável ao longo de um eixo geométrico de ajuste de assento, o qual preferencialmente é o eixo y; o suporte para costas é ajustável ao longo de um eixo geométrico de suporte de costas, o qual preferencialmente é dominado pelo movimento do eixo z com um elemento de eixo y; o suporte de cabeça é ajustável ao longo de um eixo geométrico de suporte de cabeça, o qual preferencialmente é dominado por um movimento de eixo z com

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71/90 um elemento de passagem 7 de eixo y; o suporte de braço é ajustável ao longo de um eixo geométrico de suporte de braço, o qual preferencialmente é dominado pelo movimento de eixo z com um elemento de eixo y; o suporte de joelho é ajustável ao longo de um eixo geométrico de suporte de joelho, o qual preferencialmente é dominado por um movimento de eixo y com um elemento de eixo z; e o suporte de pé é ajustável ao longo de um eixo geométrico de suporte de pé, o qual preferencialmente é dominado por um movimento de eixo y com um elemento de eixo z.

[00192] Se o paciente não estiver voltado para o feixe de próton chegando, então, a descrição dos movimentos dos elementos de suporte ao longo dos eixos geométricos mudará, mas os elementos de imobilização serão os mesmos.

[00193] Uma câmera opcional é usada com o sistema de imobilização de paciente. A câmera vê a pessoa criando uma imagem de vídeo. A imagem é provida para um ou mais operadores do sistema de feixe de partícula carregada e permite aos operadores um mecanismo de segurança para se determinar se a pessoa se moveu ou deseja terminar o procedimento de tratamento de terapia com próton. Com base na imagem de vídeo, os operadores podem suspender ou terminar o procedimento de terapia de próton. Por exemplo, se o operador observar através da imagem de vídeo que a pessoa está se movendo, então, o operador terá a opção de terminar ou suspender o procedimento de terapia com próton.

[00194] Um visor de vídeo opcional é provido para o paciente. O visor de vídeo opcionalmente apresenta para o paciente qualquer um dentre: instruções de operador, instruções de sistema, status de tratamento ou entretenimento.

[00195] Motores para posicionamento das restrições, da câmera e do visor de vídeo preferencialmente são montados acima ou abaixo do

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72/90 percurso de próton.

[00196] Um controle de respiração é realizado opcionalmente pelo uso do visor de vídeo. Conforme o paciente respira, estruturas internas e externas do corpo se movem em termos absolutos e em termos relativos. Por exemplo, o exterior da cavidade do peito e os órgãos internos têm movimentos absolutos com uma respiração. Além disso, a posição relativa de um órgão interno em relação a um outro componente do corpo, tal como uma região externa do corpo, um osso, uma estrutura de suporte ou um outro órgão, move-se com cada respiração. Daí, para um direcionamento mais acurado e preciso do tumor, o feixe de próton preferencialmente é entregue em um ponto a no tempo, onde a posição da estrutura interna ou do tumor é bem definida, tal como no fundo de cada respiração. O visor de vídeo é usado para ajudar a coordenar a entrega de feixe de próton com o ciclo de respiração do paciente. Por exemplo, o visor de vídeo opcionalmente exibe para o paciente um comando, tal como uma declaração para prender a respiração, uma declaração para respirar, uma contagem regressiva indicando quando o fôlego precisará ser preso em seguida, ou uma contagem regressiva até a respiração poder ser retomada.

Posicionamento / Imobilização de Paciente Sentado [00197] Em uma segunda modalidade de imobilização parcial, o paciente é parcialmente restrito em uma posição sentada. O sistema de restrição sentada tem estruturas de suporte que são similares às estruturas de suporte usadas no sistema de posicionamento semivertical, descrito supra, com exceção de que o suporte de assento é substituído por uma cadeira e o suporte de joelho não é requerido. O sistema de restrição sentada geralmente retém o suporte ajustável, uma rotação em torno do eixo y, uma câmera, um vídeo e parâmetros de controle de respiração descritos na modalidade semivertical, descrita supra.

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73/90 [00198] Com referência, agora, à figura 24, um exemplo em particular de um sistema de semi-imobilização de paciente sentado é provido. O sistema sentado preferencialmente é usado para o tratamento de tumores de cabeça e de pescoço. Conforme ilustrado, o paciente é posicionado em uma posição sentada em uma cadeira 2410 para uma terapia em particular. O paciente ainda é imobilizado usando-se qualquer um dentre: o suporte de cabeça 2440, o suporte de costas 2430, um suporte de cabeça 2420, o suporte de joelho 2460 e o suporte de pé 2470. Os suportes 2440, 2430, 2420, 2460, 2470 preferencialmente têm respectivos eixos geométricos de ajuste 2442, 2432, 2422, 2462, 2472 conforme ilustrado. A cadeira 2410 é prontamente removida para se permitir o uso de um sistema diferente de restrição de paciente, ou se adapta a uma nova posição de paciente, tal como o sistema semivertical.

Posicionamento / Imobilização de Paciente Deitado [00199] Em uma terceira modalidade de imobilização parcial, o paciente é parcialmente restrito em uma posição deitada. O sistema de restrição deitada tem estruturas de suporte que são similares às estruturas de suporte usadas no sistema de posicionamento sentado e no sistema de posicionamento semivertical, descritos supra. Na posição deitada, uma restrição opcional, um suporte ou elementos de imobilização parcial incluem um ou mais dentre: o suporte de cabeça e o suporte de costas, quadril e ombro. Os suportes preferencialmente têm respectivos eixos geométricos de ajuste que são rodados, conforme apropriado, para uma posição deitada do paciente. O sistema de restrição de posição deitada geralmente retém os suportes ajustáveis, uma rotação em torno do eixo y, uma câmera, um vídeo e parâmetros de controle de respiração descritos na modalidade semivertical, descrita supra.

[00200] Se o paciente estiver muito doente, tal como o paciente

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74/90 tendo problemas para ficar de pé por um período em torno de um a três minutos requeridos para o tratamento, então, estar em um sistema parcialmente suportado pode resultar em algum movimento do paciente devido a uma contração muscular. Nesta e em situações similares, um tratamento de um paciente em uma posição deitada em uma mesa de suporte preferencialmente é usado. A mesa de suporte tem uma plataforma horizontal para suporte do grosso do peso do paciente. Preferencialmente, a plataforma horizontal é destacável de uma plataforma de tratamento.

[00201] Adicionalmente, os elementos de suporte de perna e/ou de suporte de braço são opcionalmente adicionados para elevação, respectivamente, de um braço ou de uma perna para fora do percurso de feixe de próton 269 para tratamento de um tumor no torso ou para movimento de um braço ou de uma perna para o percurso de feixe de próton 269 para tratamento de um tumor no braço ou na perna. Isto aumenta a eficiência de entrega de próton, conforme descrito infra.

[00202] Em um sistema de posicionamento deitado, o paciente é posicionado sobre uma plataforma, a qual tem uma porção substancialmente horizontal para suporte do peso do corpo em uma posição horizontal. Presilhas de mão opcionais são usadas, descritas infra. Um ou mais elementos de suporte de perna são usados para posicionamento da perna do paciente. Um elemento de suporte de perna preferencialmente é ajustável ao longo de pelo menos um eixo geométrico de ajuste de perna ou ao longo de um arco para posicionamento da perna para o percurso de feixe de próton 269 ou para remoção da perna do percurso de feixe de próton 269, conforme descrito infra. Um elemento de suporte de braço preferencialmente é ajustável ao longo de pelo menos um eixo geométrico de ajuste de braço ou ao longo de um arco para posicionamento do braço para o percurso de feixe de próton 269 ou para remoção do braço do percurso de feixe de próton

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269, conforme descrito infra. Os elementos de suporte de perna e de suporte de braço são opcionais.

[00203] Preferencialmente, o paciente é posicionado sobre a plataforma em uma área ou sala fora do percurso de feixe de próton 269 e é levado por rodas ou deslizado para a sala de tratamento ou a área de percurso de feixe de próton. Por exemplo, o paciente é levado por rodas para a sala de tratamento em uma maca, onde o topo da maca, o qual é a plataforma, destaca-se e é posicionado sobre uma mesa. A plataforma preferencialmente é elevada sobre a mesa ou deslizada sobre a mesa, de modo que a maca ou cama não precise ser elevada sobre a mesa.

[00204] O sistema de posicionamento de paciente semivertical e o sistema de posicionamento de paciente sentado preferencialmente são usados para o tratamento de tumores na cabeça ou no torso, devido à eficiência. O sistema de posicionamento de paciente semivertical, o sistema de posicionamento de paciente sentado e o sistema de posicionamento de paciente deitado são todos usáveis para o tratamento de tumores nos membros de paciente.

Elementos de Sistema de Suporte [00205] As restrições de posicionamento incluem todos os elementos usados para posicionamento do paciente, tais como aqueles descritos no sistema de posicionamento semivertical, no sistema de posicionamento sentado e no sistema de posicionamento deitado. Preferencialmente, as restrições de posicionamento ou os elementos de sistema de suporte são alinhados em posições que não impedem ou se sobrepõem ao percurso de feixe de próton 269. Contudo, em alguns casos, as restrições de posicionamento estão no percurso de feixe de próton 269 durante pelo menos parte do tempo de tratamento do paciente. Por exemplo, um elemento de restrição de posicionamento pode residir no percurso de feixe de próton 269 durante parte de um período

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76/90 de tempo em que o paciente é rodado em torno do eixo y durante um tratamento. Em casos ou períodos de tempo em que as restrições de posicionamento ou os elementos de sistema de suporte estão no percurso de feixe de próton, então, um ajuste para cima de energia de feixe de próton é preferencialmente aplicado, que aumenta a energia de feixe de próton para deslocamento da impedância de elemento de restrição de posicionamento do feixe de próton. Em um caso, a energia de feixe de próton é aumentada por uma medida em separado da impedância de elemento de restrição de posicionamento determinada durante uma varredura de referência do elemento de sistema de restrição de posicionamento ou um conjunto de varreduras de referência do elemento de restrição de posicionamento como uma função de uma rotação em torno do eixo y.

[00206] Por clareza, as restrições de posicionamento ou os elementos de sistema de suporte aqui são descritos em relação ao sistema de posicionamento semivertical; contudo, os elementos de posicionamento e os eixos descritivos x, y e z são ajustáveis para se adaptarem em qualquer sistema de coordenadas, ao sistema de posicionamento sentado ou ao sistema de posicionamento deitado.

[00207] Um exemplo de um sistema de suporte de cabeça é descrito para suporte, alinhamento e/ou restrição do movimento de uma cabeça humana. O sistema de suporte de cabeça preferencialmente tem vários elementos de suporte de cabeça incluindo qualquer um dentre: um encosto de suporte de cabeça, um elemento de alinhamento de cabeça direito e um elemento de alinhamento de cabeça esquerdo. O encosto do elemento de suporte de cabeça preferencialmente é curvado para se adaptar à cabeça e opcionalmente é ajustável ao longo de um eixo geométrico de suporte de cabeça, tal como ao longo do eixo z. Ainda, suportes de cabeça, como as outras restrições de posicionamento de paciente, preferencialmente são feitos de um material

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77/90 semirrígido, tal como uma espuma de alta ou baixa densidade, e tem uma cobertura opcional, tal como um plástico ou couro. O elemento de alinhamento de cabeça direito e os elementos de alinhamento de cabeça esquerdos ou elementos de alinhamento de cabeça são usados primariamente para uma semirrestrição de movimento da cabeça. Os elementos de alinhamento de cabeça preferencialmente são estofados e planos, mas, opcionalmente, têm um raio de curvatura para adaptação à lateral da cabeça. Os elementos de alinhamento de cabeça esquerdo e direito preferencialmente são móveis, respectivamente, ao longo de eixos geométricos de translação para fazerem contato com os lados da cabeça. Um movimento restrito da cabeça durante uma terapia com próton é importante quando do direcionamento e do tratamento de tumores na cabeça ou no pescoço. Os elementos de alinhamento de cabeça e o encosto do elemento de suporte de cabeça se combinam para restrição de inclinação, rotação ou guinada, rolamento e/ou posição da cabeça no sistema de coordenadas de eixos x, y, z.

[00208] Com referência, agora, à figura 25, um outro exemplo de um sistema de suporte de cabeça é descrito para posicionamento e/ou restrição de movo de uma cabeça humana 1902 durante uma terapia com próton de um tumor sólido na cabeça ou no pescoço. Neste sistema, a cabeça é restrita usando-se 1, 2, 3, 4 ou mais correias ou cintos, os quais preferencialmente são conectados ou conectados de forma reposicionável a um encosto do elemento de suporte de cabeça 2510. No exemplo ilustrado, uma primeira correia 2520 puxa ou posiciona a testa para o elemento de suporte de cabeça 2510, tal como ao correr predominantemente ao longo do eixo z. Preferencialmente, uma segunda correia 2530 funciona em conjunto com a primeira correia 2520 para se evitar que a cabeça sofra uma inclinação, uma guinada, um rolamento ou movimento em termos de movimento de translação

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78/90 no sistema de coordenadas de indexador x, y e z. A segunda correia 2530 preferencialmente é afixada ou afixada reposicionável à primeira correia 2520 em ou quase em: (1) a testa; (2) um ou ambos os lados da cabeça; e/ou (3) em ou quase no elemento de suporte de cabeça 2510. Uma terceira correia 2540 preferencialmente orienta o queixo da pessoa em relação ao elemento de suporte 2510 ao passar predominantemente ao longo do eixo z. Uma quarta correia 2550 preferencialmente passa ao longo de eixos predominantemente y e z para manter o queixo em relação ao elemento de suporte de cabeça 2510 e/ou ao percurso de feixe de próton. A terceira correia 2540 preferencialmente é afixada a ou afixada de forma reposicionável à quarta correia 2550 durante o uso ou em torno do queixo do paciente. A segunda correia 2530 opcionalmente se conecta à quarta correia 2550 no ou quase no elemento de suporte 2510. As quatro correias 2520, 2530, 2540, 2550 são ilustrativas no percurso e na interconexão. Qualquer uma das correias opcionalmente mantém a cabeça ao longo de percursos diferentes em torno da cabeça e se conectam a cada outra de uma forma separada. Naturalmente, uma dada correia preferencialmente corre em torno da cabeça e não apenas em um lado da cabeça. Qualquer uma das correias 2520, 2530, 2540, 2550 é usada opcionalmente de forma independente ou em combinações ou trocas com as outras correias. As correias opcionalmente são conectadas indiretamente a cada outra através de um elemento de suporte, tal como o elemento de suporte de cabeça 2510. As correias opcionalmente são afixadas ao elemento de suporte de cabeça 2510 usando-se uma tecnologia de gancho e laço, um colchete ou um prendedor. Geralmente, as correias se combinam para controle da posição, do movimento de frente para trás da cabeça, do movimento de lado para lado da cabeça, inclinação, guinada, rolamento e/ou posição de translação da cabeça.

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79/90 [00209] As correias preferencialmente são de impedância conhecida para transmissão de próton permitindo que um cálculo de liberação de energia de pico ao longo do eixo z seja feito, tal como um ajuste para o pico de Bragg a ser feito com base na tendência de desaceleração das correias para um transporte de próton.

[00210] Com referência, agora, à figura 26, ainda um outro exemplo de um sistema de suporte de cabeça 2440 é descrito. O suporte de cabeça 2440 preferencialmente é curvado para se adaptar a uma cabeça de tamanho padrão ou de criança. O suporte de cabeça 2440 é opcionalmente ajustável ao longo de um eixo geométrico de suporte de cabeça 2442. Ainda, os suportes de cabeça, como as outras restrições de posicionamento de paciente, preferencialmente são feitos de um material semirrígido tal como uma espuma de densidade baixa ou alta, e têm uma cobertura opcional, tal como um plástico ou couro.

[00211] Os elementos do suporte de cabeça descrito acima, posicionamento de cabeça e sistemas de imobilização de cabeça são opcionalmente usados separadamente ou em combinação.

[00212] Ainda com referência à figura 26, um exemplo do suporte de braço 2420 é adicionalmente descrito. O suporte de braço preferencialmente tem uma presilha de mão esquerda 2610 e uma presilha de mão direita 2620 usadas para alinhamento do corpo superior do paciente 1930 através da ação do paciente 1930 pegando nas presilhas de mão esquerda e direita 2610, 2620 com as mãos do paciente 1934. As presilhas de mão esquerda e direita 2610, 2620 são preferencialmente conectadas ao suporte de braço 2420 que suporta a massa dos braços do paciente. As presilhas de mão esquerda e direita 2610, 2620 preferencialmente são construídas usando-se um material semirrígido. As presilhas de mão esquerda e direita 2610, 2620 são opcionalmente moldadas às mãos do paciente, para ajudarem no alinhamento. As presilhas de mão esquerda e direita opcionalmente têm

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80/90 eletrodos, conforme descrito supra.

[00213] Um exemplo do suporte de costas é adicionalmente descrito. O suporte de costas é preferencialmente curvado para suportar as costas do paciente e para envolver os lados do torso do paciente. O suporte de costas preferencialmente tem duas porções semirrígidas, um lado esquerdo e um lado direito. Ainda, o suporte de costas tem uma extremidade de topo e uma extremidade de fundo. Uma primeira distância entre as extremidades de topo do lado esquerdo e do lado direito preferencialmente é ajustável para adaptação à porção superior das costas do paciente. Uma segunda distância entre as extremidades de fundo do lado esquerdo e do lado direito preferencialmente é ajustável de forma independente, para adaptação à porção inferior das costas do paciente.

[00214] Um exemplo do suporte de joelho é adicionalmente descrito. O suporte de joelho preferencialmente tem um suporte de joelho esquerdo e um suporte de joelho direito que são opcionalmente conectados e individualmente móveis. Ambos os suportes de joelho esquerdo e direito são preferencialmente curvados para se adaptarem aos joelhos de tamanho padrão. O suporte de joelho esquerdo é opcionalmente ajustável ao longo de um eixo geométrico de suporte de joelho esquerdo e o suporte de joelho direito é opcionalmente ajustável ao longo de um eixo geométrico de suporte de joelho direito. Alternativamente, os suportes de joelho esquerdo e direito são conectados e móveis ao longo do eixo geométrico de suporte de joelho. Ambos os suportes de joelho esquerdo e direito, como as outras restrições de posicionamento de paciente preferencialmente são feitos de um material semirrígido, tal como uma espuma de densidade baixa ou alta, tendo uma cobertura opcional, tal como um plástico ou couro.

Controle por Computador de Sistema de Posicionamento [00215] Um ou mais componentes de unidade de posicionamento

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81/90 de paciente e/ou uma ou mais das restrições de posicionamento de paciente preferencialmente estão sob um controle por computador, onde o computador controla o posicionamento de dispositivos, tal como através de uma série de motores e acionamentos, para se posicionar de forma reprodutível o paciente. Por exemplo, o paciente é inicialmente posicionado e restrito pelas restrições de posicionamento de paciente. A posição de cada uma das restrições de posicionamento de paciente é gravada e salva pelo controlador principal 110, por um subcontrolador ou pelo controlador principal 110, ou por um controlador de computador em separado. Então, os dispositivos médicos são usados para a localização do tumor 1920 no paciente 1930, enquanto o paciente está na orientação do tratamento final. O sistema de formação de imagem 170 inclui um ou mais dentre: MRIs, raios X, CTs, tomografia por feixe de próton e similares. O tempo opcionalmente passa neste ponto em que as imagens a partir do sistema de formação de imagem 170 são analisadas e um plano de tratamento com feixe de próton é divisado. O paciente pode sair do sistema de restrição durante este período de tempo, o qual pode ser de minutos, horas ou dias. Mediante o retorno do paciente à unidade de posicionamento de paciente, o computador pode retornar as restrições de posicionamento de paciente para as posições gravadas. Este sistema permite um rápido reposicionamento do paciente para a posição usada durante uma formação de imagem e um desenvolvimento do plano de tratamento, o que minimiza o tempo de configuração do posicionamento do paciente e maximiza o tempo em que o sistema de feixe de partícula carregada 100 é usado para um tratamento de câncer.

Eficiência de Entrega de Próton [00216] Um perfil de energia de pico de Bragg mostra que os prótons entregam sua energia através da extensão inteira do corpo penetrada pelo próton até uma profundidade de penetração máxima. Como

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82/90 resultado, a energia está sendo entregue para um tecido saudável, para ossos e outros constituintes do corpo, antes de o feixe de próton atingir o tumor. Segue-se que quanto mais curto o comprimento de percurso no corpo antes do tumor, mais alta a eficiência da eficiência de entrega de próton, onde uma eficiência de entrega de próton é uma medida de quanta energia é entregue para o tumor em relação a porções saudáveis do paciente. Os exemplos de eficiência de entrega de próton incluem: (1) uma energia de próton de relação entregue para o tumor e uma energia de próton entregue para o tecido não de tumor; (2) um comprimento de percurso de prótons no tumor versus um comprimento de percurso no tecido não de tumor; e (3) danos a um tumor se comparados com danos às partes saudáveis do corpo. Quaisquer destas medidas são opcionalmente ponderadas pelo dano a um tecido sensível, tal como um elemento do sistema nervoso, coração, cérebro ou outro órgão. Para ilustração, para um paciente em uma posição deitada, onde o paciente é rodado em torno do eixo y durante um tratamento, um tumor próximo do coração às vezes seria tratado com prótons passando através de um percurso de cabeça para coração, um percurso de perna para coração ou um percurso de quadril para coração, os quais são todos ineficientes, se comparado com um paciente em uma posição sentada ou semivertical, onde os prótons são todos entregues através de um percurso mais curto de peito para coração; lado do corpo para coração, ou costas para coração. Particularmente, se comparada com uma posição deitada, usando-se uma posição sentada ou semivertical do paciente, um comprimento de percurso mais curto através do corpo até um tumor é provido para um tumor localizado no torso ou na cabeça, o que é uma eficiência de entrega de próton mais alta ou melhor.

[00217] Aqui, a eficiência de entrega de próton é descrita separadamente da eficiência de tempo ou da eficiência de uso de síncrotron,

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83/90 o que é uma fração de tempo em que o aparelho de feixe de partícula carregada está em operação.

Posicionamento de Paciente [00218] Preferencialmente, o paciente 1930 é alinhado no percurso de feixe de próton 269 de uma maneira precisa e acurada. Vários sistemas de posicionamento de paciente são descritos. Os sistemas de posicionamento de paciente são descritos usando-se o sistema de posicionamento deitado, mas são igualmente aplicáveis aos sistemas de posicionamento semivertical e deitado.

[00219] Em um primeiro sistema de posicionamento, o paciente é posicionado em uma localização conhecida em relação à plataforma. Por exemplo, uma ou mais restrições de posicionamento posicionam o paciente em uma localização precisa e/ou acurada na plataforma. Opcionalmente, um elemento de restrição de posicionamento conectado ou conectado de forma reposicionável à plataforma é usado para posicionamento do paciente na plataforma. O(s) elemento(s) de restrição de posicionamento é (são) usado(s) para posicionamento de qualquer posição do aparelho de cozimento, tal como um elemento de mão, membro, cabeça ou torso.

[00220] Em um segundo sistema de posicionamento, uma ou mais restrições de posicionamento ou um elemento de suporte, tal como a plataforma, são alinhados versus um elemento na sala de tratamento de paciente. Essencialmente um sistema de fechadura e chave é opcionalmente usado, onde uma fechadura se adapta a uma chave. Os elementos de fechadura e chave se combinam para a localização do paciente em relação ao percurso de feixe de próton 269 em termos de qualquer um dentre a posição x, y e z, a inclinação, a guinada e o rolamento. Essencialmente, a fechadura é um primeiro elemento de alinhamento e a chave é um segundo elemento de alinhamento se adaptando em adjacentes a ou com o primeiro elemento de alinhamento

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84/90 para fixação da localização do paciente e/ou uma localização de elemento de suporte em relação ao percurso de feixe de próton 269. Os exemplos de um elemento de alinhamento incluem qualquer um dentre um elemento mecânico, tal como um batente mecânico, e uma conexão elétrica indicando uma posição relativa ou um contato.

[00221] Em um terceiro sistema de posicionamento, o sistema de formação de imagem, descrito supra, é usado para determinar onde o paciente está em relação ao percurso de feixe de próton 269 ou em relação a um marcador de formação de imagem posicionado em um elemento de suporte ou estrutura mantendo o paciente, tal como na plataforma. Quando se usa o sistema de formação de imagem, tal como um sistema de formação de imagem de raio X, então, o primeiro sistema de posicionamento ou restrições de posicionamento minimizam um movimento do paciente, uma vez que o sistema de formação de imagem determine a localização do paciente. De modo similar, quando se usa o dispositivo de formação de imagem, tal como um sistema de formação de imagem de raio X, então, o primeiro sistema de posicionamento e/ou o segundo sistema de posicionamento provêem uma posição grosseira do paciente em relação ao percurso de feixe de próton 269 e o sistema de formação de imagem subsequentemente determina uma posição fina do paciente em relação ao percurso de feixe de próton 269.

Monitoração de Respiração [00222] Preferencialmente, o padrão de respiração do paciente é monitorado. Quando uma pessoa, também referida como um paciente está respirando, muitas porções do corpo se movem em cada respiração. Por exemplo, quando uma pessoa respira, os pulmões se movem, como o fazem as posições relativas de órgãos no corpo, tais como o estômago, os rins, o fígado, os músculos do peito, a pele, o coração e os pulmões. Geralmente, a maioria ou todas as partes do torso se mo

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85/90 vem com cada respiração. De fato, os inventores reconheceram que, além do movimento do torço com cada respiração, um movimento variado também existe na cabeça e nos membros com cada respiração. Um movimento é para ser considerado na entrega de uma dose de próton ao corpo, já que os prótons preferencialmente são entregues para o tumor e não para o tecido circundante. Um movimento assim resulta em uma ambiguidade onde o tumor reside em relação ao percurso de feixe. Para se suplantar parcialmente esta questão, os prótons preferencialmente são entregues no mesmo ponto em cada um de uma série de ciclos de respiração.

[00223] Inicialmente, um padrão rítmico de respiração de uma pessoa é determinado. O ciclo é observado ou medido. Por exemplo, um operador de feixe de próton pode observar quando uma pessoa está respirando ou está entre respirações e pode sincronizar a entrega dos prótons para um dado período de cada respiração. Alternativamente, é pedido à pessoa que inale, exale e/ou prenda sua respiração, e os prótons são entregues durante o período de tempo comandado.

[00224] Preferencialmente, um ou mais sensores são usados para a determinação do ciclo de respiração do indivíduo. Dois exemplos de sistema de monitoração de respiração são providos: (1) um sistema de monitoração térmica e (2) um sistema de monitoração de força.

[00225] Com referência, novamente, à figura 25, um exemplo do sistema de monitoração de respiração térmico é provido. No sistema de monitoração de respiração térmico, um sensor é posicionado pelo nariz e/ou pela boca do paciente. Como a mandíbula do paciente é opcionalmente restrita, conforme descrito supra, o sistema de monitoração de respiração térmico preferencialmente é colocado pelo percurso de exalação do nariz do paciente. Para se evitar uma interferência estérica dos componentes do sistema de sensor térmico com a terapia com próton, o sistema de monitoração de respiração térmico preferen

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86/90 cialmente é sado quando do tratamento de um tumor não localizado na cabeça ou no pescoço, tal como quando do tratamento de um tumor no torso ou nos membros. No sistema de monitoração térmico, um primeiro resistor térmico 2570 é usado para a monitoração do ciclo de respiração do paciente, e/ou uma localização no ciclo de respiração do paciente. Preferencialmente, o primeiro resistor térmico 2570 é colocado pelo nariz do paciente, de modo que o paciente exalando através de seu nariz sobre o primeiro resistor térmico 2570 aqueça o primeiro resistor térmico 2570 indicando uma exalação. Preferencialmente, um segundo resistor térmico 2560 é preferencialmente colocado fora do percurso de exalação do paciente, mas, no mesmo ambiente de sala local que o primeiro resistor térmico 2570. Um sinal gerado, tal como uma corrente a partir dos resistores térmicos 2570, 2560, preferencialmente é convertido em voltagem e comunicado com o controlador principal 110 ou um subcontrolador do controlador principal. Preferencialmente, o segundo resistor térmico 2560 é usado para ajuste da flutuação de temperatura ambiente que é uma parte de um sinal do primeiro resistor térmico 2570, tal como pelo cálculo de uma diferença entre os valores dos resistores térmicos 2570, 2560 para a produção de uma leitura mais acurada do ciclo de respiração do paciente.

[00226] Com referência, novamente, à figura 24, um exemplo do sistema de monitoração de respiração de força / pressão é provido. No sistema de monitoração de respiração de força, um sensor é colocado pelo torso. Para se evitar uma interferência estérica dos componentes de sistema de sensor de força com a terapia com próton, o sistema de monitoração de respiração de força preferencialmente é usado quando do tratamento de um tumor localizado na cabeça, no pescoço ou em membros. No sistema de monitoração de força, um cinto ou uma correia 2450 é colocada em torno de uma área do torso do paciente que se expande e contrai com cada ciclo de respiração do paciente. O cin

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87/90 to 2450 preferencialmente é apertado em torno do peito do paciente e é flexível. Um medidor de força 2452 é afixado ao cinto e detecta o padrão de respiração do paciente. As forças aplicadas ao medidor de força 2452 se correlacionam com os períodos do ciclo de respiração. Os sinais para o medidor de força 2452 são preferencialmente comunicados com o controlador principal 110 ou um subcontrolador do controlador principal.

Controle de Respiração [00227] Uma vez que o padrão rítmico da respiração da pessoa seja determinado, um sinal é opcionalmente entregue para a pessoa para controle de forma mais precisa da frequência de respiração. Por exemplo, uma tela de exibição é colocada na frente da pessoa dirigindo a pessoa quanto a quando prender sua respiração e quando respirar. Tipicamente, um módulo de controle de respiração usa uma entrada a partir de um ou mais dos sensores de respiração. Por exemplo, a entrada é usada para se determinar quando a próxima exalação de respiração é para se completar. No fundo da respiração, o módulo de controle exibe um sinal de prender respiração para o paciente, tal como em um monitor, através de um sinal oral, um comando de voz digitalizado e gerado automaticamente, ou através de um sinal de controle visual. Preferencialmente, um monitor de exibição é posicionado na frente da pessoa, e o monitor de exibição exibe pelo menos comandos de respiração para a pessoa. Tipicamente, a pessoa é dirigida para prender sua respiração por um período de tempo curto, tal como meio, um, dois ou três segundos. O período de tempo em que é pedido que a pessoa prenda sua respiração é menor do que em torno de dez segundos. O período de tempo em que a respiração é presa preferencialmente é sincronizado com o tempo de entrega do feixe de próton para o tumor, o qual é de meio, um dois ou três segundos. Embora a entrega dos prótons no fundo da respiração seja preferida, os prótons

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88/90 opcionalmente são entregues em qualquer ponto no ciclo de respiração, tal como mediante uma inalação plena. A entrega no topo da respiração ou quando o paciente é dirigido para inalar profundamente e prender sua respiração pelo módulo de controle de respiração é opcionalmente realizada, já que no topo da respiração a cavidade peitoral é maior e, para alguns tumores, a distância entre o tumor e o tecido circundante é maximizada ou o tecido circundante é rarefeito, como resultado do volume aumentado. Daí, os prótons atingindo um tecido circundante são minimizados. Opcionalmente, a tela de exibição avisa à pessoa quando estiver para ser pedido que prenda sua respiração, tal como em uma contagem regressiva de 3, 2, 1 segundo, de modo que a pessoa esteja ciente da tarefa que ela estiver para ser pedida para que ela realize.

Sincronização de Terapia com Feixe de Prótons com Respiração [00228] Um algoritmo de controle de entrega de próton é usado para sincronização da entrega dos prótons para o tumor em um dado período de cada respiração, tal como no topo ou no fundo de uma respiração, quando a pessoa estiver prendendo sua respiração. O algoritmo de controle de entrega de próton preferencialmente é integrado com o módulo de controle de respiração. Assim, o algoritmo de controle de entrega de próton sabe quando a pessoa está respirando, onde o ciclo de respiração em que a pessoa está e/ou quando a pessoa está prendendo sua respiração. O algoritmo de controle de entrega de próton controla quando os prótons são injetados e/ou infletidos no síncrotron, quando um sinal de RF é aplicado para a indução de uma oscilação, conforme descrito supra, e quando uma voltagem DC é aplicada para a extração de prótons a partir do síncrotron, conforme descrito supra. Tipicamente, o algoritmo de controle de entrega de próton inicia uma inflexão de próton e uma oscilação induzida por RF subsequente antes de a pessoa ser dirigida para prender sua respiração, ou antes do pe

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89/90 ríodo identificado do ciclo de respiração selecionado para um tempo de entrega de próton. Desta maneira, o algoritmo de controle de entrega de próton pode entregar prótons em um período selecionado do ciclo de respiração pela entrega de forma simultaneamente ou quase simultânea da voltagem CC alta para o segundo par de placas, descritas supra, o que resulta na extração de prótons a partir do síncrotron e uma entrega subsequente para a pessoa no ponto no tempo selecionado. Uma vez que o período de aceleração dos prótons no síncrotron é constante ou conhecido para um nível de energia desejado do feixe de próton, o algoritmo de controle de entrega de próton é usado para a regulagem de sinal de RF CA que combine com o ciclo de respiração ou o ciclo de respiração dirigido da pessoa.

Iluminação de Campo Múltiplo [00229] O sistema de varredura tridimensional do ponto focal de ponto de próton, descrito supra, preferencialmente é combinado com um método de rotação / varredura exploratória. O método inclui uma irradiação de tumor no sentido de camada a partir de muitas direções. Durante uma dada fatia de irradiação, a energia de feixe de próton é continuamente mudada, de acordo com a densidade do tecido na frente do tumor, para resultar no ponto de parada de feixe, definido pelo pico de Bragg, para estar sempre no interior do tumor e no interior da fatia irradiada. O método novo permite uma irradiação a partir de muitas direções, referidas aqui como uma irradiação de campo múltiplo, para a obtenção da dose efetiva máxima no nível de tumor, enquanto se reduz de forma simultaneamente significativa os possíveis efeitos colaterais sobre os tecidos saudáveis circundantes em comparação com os métodos existentes. Essencialmente, o sistema de irradiação de campo múltiplo distribui uma distribuição de dose em profundidades de tecido ainda não alcançando o tumor.

[00230] Embora a invenção tenha sido descrita aqui com referência

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90/90 a certas modalidades preferidas, alguém versado na técnica apreciará prontamente que outras aplicações podem ser substituídas por aquelas estabelecidas aqui, sem que se desvie do espírito e do escopo da presente invenção.

Claims

1. Aparelho para a injeção de um feixe de partícula carregada em um acelerador de um dispositivo de irradiação, o referido dispositivo de irradiação configurado para irradiar um tumor durante um uso, o referido aparelho compreende:

uma fonte de íon negativo (310), a referida fonte de íon negativo (310) produzindo íons negativos em um feixe de íon negativo, o feixe de íon negativo compreendendo uma área de seção transversal;

uma lente de focalização de feixe de íon; e uma folha de conversão (395), a referida folha de conversão configurada para converter o íon de feixe negativo em um feixe de partícula carregada;

em que a referida fonte de íon negativo (310) compreende uma barreira de campo magnético (317) que separa uma região de plasma de alta energia de uma zona de plasma de baixa temperatura, em que um material magnético (316) dentro da referida região de plasma de alta energia gera a barreira de campo magnético (317);

caracterizado pelo fato de que a referida folha de conversão (395) provê um selo de pressão entre uma câmara de lado de formação de feixe de íon do referido dispositivo de irradiação e uma câmara de lado de síncrotron (130) do referido dispositivo de irradiação, onde um primeiro sistema de bomba opera para manutenção de um primeiro vácuo na referida câmara de lado de formação de feixe de íon da referida folha de conversão (395), onde um segundo sistema de bomba opera para manutenção de um segundo vácuo na referida câmara de lado de síncrotron (130).

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende:

um primeiro eletrodo de geração de íon (422) em uma pri

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2/3 meira extremidade da referida câmara de plasma de temperatura alta (314); e um segundo eletrodo de geração de íon (424) em uma segunda extremidade da referida câmara de plasma de temperatura alta (314), onde a aplicação de um primeiro pulso de voltagem alta através do referido primeiro eletrodo de geração de íon (422) e do referido segundo eletrodo de geração de íon (424) rompe o hidrogênio na referida câmara de plasma de temperatura alta (314) em partes componentes.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um terceiro eletrodo de geração de íon (426), onde a aplicação de um segundo pulso de voltagem alta através do referido segundo eletrodo de geração de íon (424) e do referido terceiro eletrodo de geração de íon extrai íons negativos da zona de plasma de temperatura baixa, para a formação do feixe de íon negativo.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma parede externa portando um campo magnético (450) em torno da referida região de plasma de energia alta, onde o referido campo magnético produz um laço de campo magnético que passa através do referido primeiro eletrodo de geração de íon (422), através da referida parede externa portando um campo magnético, através do referido segundo eletrodo de geração de íon (424), através de um espaço e através do referido material magnético.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida folha de conversão (395) compreende:

um filme de berílio, onde o referido filme de berílio compreende uma espessura de em torno de trinta a duzentos micrômetros,

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3/3 onde o referido filme de berílio forma uma barreira de vácuo entre a referida fonte de íon negativo (310) e o referido acelerador, onde o referido acelerador compreende um síncrotron (130).