ES2285186T3 - Dispositivo de irradiacion de un blanco por medio de un haz de hadrones cargados, aplicacion en hadronterapia. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de irradiación de un blanco (12), en particular de una zona del cuerpo humano, por medio de un haz (4) de hadrones cargados, siendo este haz producido con medios de generación de haz de hadrones cargados, comprendiendo este dispositivo: - medios (14, 16, 18, 20) de óptica corpuscular, previstos para uniformizar la densidad transversal del haz de hadrones cargados, según al menos una dirección perpendicular a la trayectoria de este haz de hadrones cargados, y - medios (6, 22, 24; 10, 22, 24) de control tridimensional de la irradiación del blanco por medio de este haz de hadrones cargados, comprendiendo los medios de control tridimensional: - medios de regulación de la energía de los hadrones cargados generados, y - medios de barrido, susceptibles de desplazar el haz de hadrones cargados para hacerlo barrer el blanco mediante una estrecha banda, sensiblemente rectangular, y susceptibles de hacer que el centro de gravedad de la banda estrecha siga una línea media del blanco, todo ello con alargamiento o acortamiento de esta estrecha banda con el fin de seguir los contornos del blanco.
Description
Dispositivo de irradiación de un blanco por
medio de un haz de hadrones cargados, aplicación en
hadronterapia.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de irradiación de un blanco por medio de un haz de
hadrones cargados, denominados simplemente "hadrones" en lo
sucesivo.
La misma se refiere, en particular, a un
dispositivo de irradiación de una zona del cuerpo humano en el
transcurso de una sesión de hadronterapia, estando esta zona
ocupada por un tumor.
La invención encuentra aplicaciones en todo
sector que precise la irradiación de un blanco al que no se puede
acceder, o que resulte difícilmente accesible.
La misma se aplica, por ejemplo, a la
irradiación de desechos radiactivos que están colocados en un
contenedor herméticamente cerrado, con el fin de transmutar estos
desechos.
La invención se aplica, más en particular, a la
hadronterapia.
La misma es susceptible de ser implantada en
todos los centros de hadronterapia, y de sustituir las técnicas que
se utilizan actualmente para irradiar los tumores por medio de haces
de hadrones.
La hadronterapia consiste en un método
terapéutico que supera los principios de la radioterapia, en el
sentido de que la primera utiliza haces de hadrones, mientras que
la radioterapia utiliza fotones o electrones.
Como hadrones, se utilizan por lo general iones
ligeros tales como, por ejemplo, H^{+}, He^{2+} y C^{4+}.
Los haces de tales iones son producidos por una
instalación de acelerador, generalmente un ciclotrón en el caso de
los protones, y un sincrotrón en el caso de los iones más
pesados.
Las técnicas de hadronterapia son conocidas en
base a los documentos siguientes:
[1] "The medical accelerator HIMAC and the
charged particle therapy in Japan", A. Kitagawa y F. Soga, Proc.
PAC Conf. 2001, 18-22 de Junio de 2001, Chicago, IL,
USA.
[2] "Proposal for a dedicated ion beam
facility for cancer therapy", Eds. K.D. Gross, M. Pavlovic, GSI,
Darmstadt, Septiembre de 1998.
El interés de la hadronterapia con relación a la
radioterapia, reside en la existencia del fenómeno físico del
"pico de Bragg", según el cual los hadrones pierden la casi
totalidad de su energía cinética a una profundidad definida en el
cuerpo humano, causando así un pico de depósito de dosis en este
entorno, que se conoce como "pico de Bragg".
La profundidad del pico de Bragg es una función
de la energía cinética del haz incidente, y puede ser por tanto
regulada, típicamente, desde uno hasta algunas decenas de
centímetros, acelerando los hadrones a energías cinéticas que van
típicamente desde 50 MeV/u hasta 450 MeV/u, por medio de un
sincrotrón, o bien utilizando un sistema de análisis de momento en
el caso de un haz de protones, que se acelera con un ciclotrón.
A los efectos de este fenómeno del pico de
Bragg, se hará referencia, por ejemplo, al documento [2].
El interés de los iones ligeros y en particular
de los iones de carbono con relación a los protones (H^{+})
reside en su mejor eficacia biológica, que crea una amplificación
del pico de Bragg.
La invención es aprovechable en las dos técnicas
de producción de haces de hadrones que utilizan un acelerador de
tipo sincrotrón o ciclotrón. La misma es susceptible de sustituir
los sistemas de irradiación utilizados en los centros de
hadronterapia, sistemas que se basan en uno cualquiera de estos dos
tipos de aceleradores.
Volvamos a los dispositivos conocidos, que
permiten la irradiación de un tumor por medio de un haz de
hadrones.
Las dimensiones de un tumor pueden alcanzar
varios centímetros. En las instalaciones existentes, la irradiación
del volumen del tumor en su conjunto se asegura de dos formas
diferentes.
La primera técnica en uso fue la irradiación
pasiva, que todavía está en uso hoy en día, puesto que tiene el
mérito de poder ser dominada y es bien conocida.
\newpage
Una segunda técnica, que está hoy en día en
curso de desarrollo, consiste en el barrido mediante pixeles, o
barrido activo, que permite una irradiación tridimensional que se
ajusta a los contornos del tumor. Esta es la razón de que se
denomine "técnica de irradiación de conformación en 3D".
La técnica de irradiación pasiva se utiliza más
bien en el caso de los ciclotrones, que son máquinas de energía
fija. Sin embargo, se utiliza igualmente con los sincrotrones (véase
el documento [1]).
En esta segunda técnica, el escalonamiento de la
irradiación en profundidad está asegurado por un escalonamiento del
pico de Bragg, por medio de un material difusor ("scattering
material") que induce una gran dispersión de la energía cinética
del haz de hadrones incidente. La misma ha sido utilizada a
consecuencia de trabajos experimentales, que pretenden uniformizar
los haces con medios no lineales de óptica corpuscular.
A este efecto, se consultará el documento
siguiente:
[3] "Generation of rectangular beam
distributions", B. Blind, Report MS H811, LANL, NM 87545.
La modelización matemática de esta técnica ha
sido realizada por F. Méot y T. Aniel.
A este efecto, se podrán consultar los
documentos siguientes:
[4] "On beam uniformization by
non-linear optics", F. Méot y T. Aniel, Informe
del Laboratorio Nacional Saturne, Ref.
CEA/DSM/GECA/GT/95-05, Julio de 1995, páginas 1 a
20.
[5] "Principles of the
non-linear tuning of beam expanders", F. Méot. y
T. Aniel, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A379,
1996, páginas 197 a 205.
En el caso de la irradiación pasiva, la
irradiación transversal del tumor se obtiene, en sí misma, por
expansión transversal del haz, por ejemplo por medio de un sistema
de barrido, denominado "wobulador", que extiende el haz por
toda la anchura del tumor, asociando este sistema de barrido a
materiales difusores, cuyo papel es el de uniformizar la densidad
transversal, así como a sistemas de diafragmas, por ejemplo
colimadores multi-capas, cuya función es la de
definir lo mejor posible los contornos de la zona que se ha de
irradiar.
La técnica de irradiación pasiva presenta al
menos tres inconvenientes importantes.
En efecto, la misma se basa en el principio de
degradación del haz incidente: a partir de un haz de gran calidad y
casi mono-energético, se forma un haz cuyas
dimensiones son extendidas y la energía dispersada.
Además, esta técnica conduce a intercalar, en el
haz incidente, elementos de intercepción, conocidos como
"materiales degradadores".
Por otra parte, esta técnica presenta el defecto
importante de no permitir una irradiación de conformación en 3D
precisa: zonas externas al tumor son irradiadas inevitablemente.
La utilización de la técnica de barrido activo
está prevista, en sí misma, preferentemente en instalaciones
basadas en un sincrotrón, que es una máquina de energía
variable.
Sin embargo, el interés evidente de esta técnica
hace que la misma haya sido desarrollada ahora en determinadas
instalaciones de ciclotrón, que estaban hasta la fecha limitadas a
la irradiación pasiva, utilizando un sistema de dispersión y de
análisis de momento que permite inducir una gama de energía
ampliada.
En esta técnica de barrido activo, se utiliza un
haz de hadrones fino, cuyo diámetro vale típicamente algunos
milímetros, y la irradiación en profundidad es asegurada por
secciones, ajustando la energía del haz de hadrones, lo que tiene
como efecto determinar la profundidad del pico de Bragg. Recuérdese
que, en efecto, a una energía de los hadrones corresponde una
profundidad de irradiación de algunos milímetros.
La irradiación transversal de una sección del
tumor está asegurada, en sí misma, por el barrido de esta sección
por medio del punto de exploración del haz, a la manera de un haz de
televisión, a una velocidad del orden de 10 metros por segundo.
Una variante actual preferida de esta técnica
(véase el documento [2]), consiste en irradiar la sección del tumor
pixel por pixel.
Dada una profundidad y por tanto una sección, el
punto de exploración se mantiene sobre un pixel, cuyo diámetro es
por consiguiente el del punto de exploración del haz, hasta la
obtención de la dosis requerida, y a continuación el punto de
exploración se desplaza rápidamente en traslación hasta el pixel
siguiente, y así sucesivamente.
\newpage
Esta variante se ha ilustrado esquemáticamente
por medio de la Figura 1, donde se aprecia la irradiación de una
sección de tumor 2 por medio de un haz de hadrones no representado,
que es perpendicular al plano de la Figura. El barrido transversal
de esta sección está representado por los puntos 4, y se irradian
sucesivamente los píxeles 6.
Con relación a la irradiación pasiva, la
irradiación activa, o barrido activo, tiene la ventaja capital de
permitir una conformación en 3D y una regulación más precisa de la
dosis en todos los puntos del volumen a irradiar, lo que se conoce
también como "pixel volúmico" ("volumen pixel") o
voxel.
Otra técnica de expansión y uniformización
transversales en irradiación pasiva, ha sido propuesta recientemente
en el sector de la hadronterapia.
A este efecto, se deberá consultar el documento
siguiente:
[6] "Design of a beam transport system for a
proton radiation therapy facility", W.P. Jones y G.P. Berg,
Proc., Particle Accelerator Conf., New York, 1999, páginas
2519-2521.
El mérito de esta otra técnica consiste en no
interceptar el haz de irradiación debido a que la misma está basada
en un sistema compuesto únicamente por dispositivos de óptica
corpuscular: este sistema utiliza unas lentes magnéticas no
lineales, siendo cada lente un octupolo o la asociación de un
octupolo y un dodecapolo.
Conviene observar que esta técnica había sido ya
propuesta para la producción de haces con distribución de
intensidad transversal de gran amplitud (del orden de un metro
cuadrado) y uniforme, para el re-tratamiento por
irradiación de los desechos nucleares.
A este efecto, se puede consultar el documento
[3] citado anteriormente.
De ese modo se evitaría la utilización de
materiales difusores que tienen la desventaja de tender a deteriorar
el haz, ya que los mismos generan colas de difusión ("scattering
tails") lateral y distal.
La tendencia actual consiste en utilizar la
técnica del barrido por pixel, ya que ésta es la única que permite
una irradiación de configuración tridimensional, sabiendo además que
la irradiación pasiva se encuentra todavía en uso principalmente por
razones históricas.
El control de la profundidad del pixel mediante
el sesgo de la energía del haz incidente, se realiza entonces ya
sea por medio del acelerador, a condición de que se trate de un
sincrotrón, o ya sea por degradación mediante materiales de
intercepción.
A este efecto, se podrán consultar los
documentos siguientes:
[8] "Spot scanning irradiation with ^{11}C
beams at Himac", E. Urakabe, FFAG-02 Workshop,
KEK, Tsukuba, 13-15 Febrero 2002.
[9] "Flexible computational model of pencil
beam dose distribution for spot-scanning", A.
Molodojentsev y T. Sakae, FFAG-02 Workshop, KEK,
Tsukuba, 13-15 Febrero 2002.
En el caso del barrido activo, la tendencia
actual se limita a operar el perfeccionamiento de la técnica del
barrido por pixel.
Se conoce además otra técnica de barrido
comparable a la que se encuentra descrita en el documento [1], por
medio del documento siguiente:
[10] "Accelerator facility PATRO for
hadrontherapy at Hyogo Ton Beam Medical Center", A. Itano.
La presente invención tiene por objeto irradiar
el blanco de una manera mejor controlada que en la técnica anterior
mencionada en lo que antecede, suministrando iones al volumen exacto
de este blanco.
En particular, la invención tiene por objeto
mejorar considerablemente la técnica de barrido activo que se ha
mencionado en la descripción anterior.
De manera precisa, la presente invención tiene
por objeto un dispositivo de irradiación de un blanco, en particular
de una zona del cuerpo humano, conforme a la reivindicación 1.
Se conoce también mediante el documento US
4962317, un medio de manipulación de un haz de partículas cargadas;
este medio genera un campo magnético tal que el haz barre una zona
en forma de banda sobre un blanco.
\newpage
Según un modo de realización preferido del
dispositivo objeto de la invención, los medios de óptica corpuscular
comprenden al menos una lente no lineal de óptica corpuscular.
Estos medios de óptica corpuscular pueden
comprender dos lentes no lineales de óptica corpuscular, previstas
para uniformizar la densidad transversal del haz de hadrones
cargados, según dos direcciones perpendiculares una con la otra, y
con la trayectoria de este haz de hadrones cargados.
Con preferencia, cada lente no lineal de óptica
corpuscular es 2n-polar, siendo "n" un número
entero que al menos vale 4.
Con preferencia, los medios de barrido
comprenden un par de dipolos magnéticos.
Según un modo de realización particular del
dispositivo objeto de la invención, los medios de generación de haz
de hadrones cargados comprenden un sincrotrón, y los medios de
regulación de la energía de los hadrones cargados generados son
medios de regulación de la energía de los hadrones cargados
producidos por este sincrotrón.
Según un segundo modo de realización particular
del dispositivo objeto de la invención, los medios de generación de
haz de hadrones cargados comprenden un ciclotrón, y los medios de
regulación de la energía de los hadrones cargados generados
comprenden medios de análisis de momento.
En un modo de realización particular de la
invención, los medios de óptica corpuscular son capaces de hacer
variar la uniformización de la densidad transversal del haz de
hadrones cargados según la longitud y/o la anchura de la banda
estrecha.
En un modo de realización ventajoso de la
invención, los medios de barrido son susceptibles de hacer que se
barra el blanco por medio del haz de hadrones cargados, a
profundidades predefinidas de este blanco, y una pluralidad de
veces para cada una de estas profundidades, siendo la dosis
suministrada cada vez al blanco igual a la dosis total prevista
para esta profundidad, dividida por el número de veces.
Los hadrones cargados utilizados en la presente
invención son, con preferencia, iones ligeros o más exactamente
núcleos ligeros, es decir, núcleos cuyo número atómico es
típicamente inferior a 20.
Estos núcleos se eligen, por ejemplo, entre
H^{+}, He^{++} y C^{4+}.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención podrá ser mejor
comprendida tras la lectura de la descripción de ejemplos de
realización que se proporcionan en lo que sigue, a título de
ejemplo puramente indicativo y en ningún caso limitativo, haciendo
referencia a los dibujos anexos, en los que:
La Figura 1 ilustra esquemáticamente la
irradiación de una sección de tumor por medio de una técnica
conocida de barrido transversal por pixel, y que ya se ha
descrito;
La Figura 2 es una vista esquemática de un modo
de realización particular del dispositivo objeto de la
invención;
La Figura 3 es una vista esquemática y parcial
de una variante del dispositivo de la Figura 2;
La Figura 4 es una vista en corte transversal de
un haz de irradiación que es utilizable en la invención;
La Figura 5 ilustra esquemáticamente la
irradiación de una sección de tumor por medio de un barrido
uniformizado, lento y bidimensional de esta sección, de acuerdo con
la invención, y
La Figura 6 ilustra esquemáticamente una
yuxtaposición de píxeles para la uniformización de un depósito de
dosis, conforme a una técnica de irradiación conocida.
\vskip1.000000\baselineskip
Un modo de realización particular del
dispositivo objeto de la invención, ha sido representado
esquemáticamente en la Figura 2.
Este dispositivo está destinado a actuar sobre
un haz de hadrones cargados, cuya trayectoria se extiende según un
eje X.
Se definen igualmente dos direcciones Y y Z que
son perpendiculares una con la otra, así como con el eje X. A
título de ejemplo, el eje X es horizontal, la dirección Y también lo
es, y la dirección Z es vertical.
En el ejemplo de la Figura 2, los medios 2 de
generación del haz de hadrones 4 están constituidos por un
sincrotrón que está equipado con medios 6 que permiten regular la
energía de los hadrones. Estos últimos son, por ejemplos, núcleos
He^{2+} o C^{4+}.
En una variante que se ha ilustrado esquemática
y parcialmente mediante la Figura 3, los hadrones son protones
(H^{+}) y los medios de generación del haz 4 de protones están
constituidos por un ciclotrón 8.
Este último va seguido de medios 10 de análisis
de momento, que permiten regular la energía de los protones.
Se observa igualmente el blanco 12, por ejemplo
un tumor, que se desea irradiar por medio del haz 4 de hadrones.
El dispositivo conforme a la invención, que se
ha representado en la Figura 2, se instala entre el ciclotrón 2 y
el blanco 12 (y entre los medios 10 de análisis de momento y este
blanco en el caso de la Figura 3).
Este dispositivo comprende, a lo largo del eje
X, al menos una lente no lineal de uniformización, al menos un
dipolo magnético de barrido y un conjunto de lentes de enfoque.
En el ejemplo, cada lente no lineal de
uniformización es una lente octupolar, y se utilizan dos, que tienen
las referencias 14 y 16.
La lente 14 octupolar (respectivamente 16) está
destinada a uniformizar la densidad transversal del haz 4 de
hadrones según la dirección horizontal Y (respectivamente la
dirección vertical Z).
Se puede añadir una lente 18 dodecapolar
(respectivamente 20) a la lente octupolar 14 (respectivamente
16).
En el ejemplo, se utilizan dos dipolos
magnéticos o imanes dipolares magnéticos, que tienen las referencias
22 y 24.
Se sitúan, con preferencia, a menos de 10 m del
blanco 12.
El dipolo magnético 22 (respectivamente 24) está
destinado a hacer que se realice el barrido del blanco 12 por parte
del haz 4 de hadrones según la dirección horizontal Y
(respectivamente la dirección vertical Z).
En el ejemplo, las lentes de enfoque son lentes
cuadripolares, que se han numerado respectivamente como Q1 a Q7.
En este ejemplo, se encuentra sucesivamente: la
lente Q1 (divergente), la lente Q2 (convergente), la lente 14, la
eventual lente 18, la lente Q3 (divergente), la lente 16, la
eventual lente 20, la lente Q4 (convergente), la lente Q5
(divergente), la lente Q6 (convergente), la lente Q7 (divergente),
el dipolo 22 y el dipolo 24.
El dispositivo de la Figura 2 se clasifica
dentro de la categoría de los dispositivos de irradiación activa.
El mismo conserva así la ventaja capital de una conformación en 3D
precisa, todo ello aportándole mejoras importantes. Esto es lo mismo
para la variante de la Figura 3.
Este dispositivo se parece a los dispositivos de
barrido del tipo de los que se han descrito en lo que antecede, en
el hecho de que la irradiación por medio del haz 4 está
efectivamente controlada en las tres dimensiones del espacio, por
medio de los dipolos de barrido 22 y 24 que se sitúan algunos metros
corriente arriba del tumor, así como por medio de la regulación de
energía del haz incidente 4.
En lo que se refiere a la distribución
transversal del haz, se debe precisar que la zona transversal
irradiada está extendida, en una banda estrecha de densidad
uniforme, en una, o bien en las dos direcciones Y y Z, y es de
longitud en principio igual a la anchura local de la sección de
tumor en curso de irradiación.
En la invención, se utiliza un dispositivo de
óptica corpuscular que no intercepta el haz de hadrones. El mismo
comprende una o dos lentes no lineales.
En el ejemplo de la Figura 2, se utilizan las
lentes 14 y 16 no lineales, conocidas como lentes de uniformización,
integradas en la línea óptica que transporta el haz de hadrones
hacia un paciente en el que se irradia el tumor.
Se utiliza además un dispositivo de barrido del
haz que comprende, en el ejemplo, los dos dipolos 22 y 24
magnéticos. Estos últimos son del tipo de los que se utilizan para
el barrido activo.
Sin duda, se conoce ya la técnica de
uniformización transversal, por medio de una o dos lentes no
lineales (véanse los documentos [3] y [6] mencionados con
anterioridad), y la técnica de barrido del haz, por medio de un par
de dipolos magnéticos.
Sin embargo, la presente invención combina estas
dos técnicas de una forma totalmente original y ventajosa.
Volvamos a la uniformización transversal llevada
a cabo en la invención merced a un dispositivo no lineal de óptica
corpuscular.
En su forma natural (a la salida del sincrotrón
2 o de los medios 10 de análisis de momento), el haz 4 presenta una
densidad transversal en forma de campana (a modo de curva gaussiana)
en cada una de las dos direcciones Y y Z, que son ortogonales a su
dirección de propagación X.
Pero, en la invención, es necesario que esta
densidad sea uniforme, al menos en una de las direcciones Y y Z, a
saber en las dos.
Esta uniformización se obtiene por medio de
lentes no lineales, a razón de una lente por dirección.
Se utilizan lentes 2n-polares,
cuyo orden 2n es un número entero par suficientemente elevado
como para obtener la uniformización deseada, siendo 2n con
preferencia igual a 8 (lentes octopolares), o superior a 8 en caso
de que sea necesario.
Según se ha podido apreciar, se puede incluso
utilizar lentes no lineales complejas, formadas cada una de ellas
por un par de lentes no lineales, a saber una lente
2n-polar y una lente 2m-polar,
siendo m > n \geq 4, eligiendo por ejemplo n = 4 y m = 6.
La Figura 2 muestra una línea óptica que asegura
una uniformización de ese tipo en el plano XY y en el plano XZ a
título de ejemplo.
La sección transversal S del haz 4, que es
perpendicular al eje X y forma una banda sensiblemente rectangular
(cuya longitud es paralela a la dirección Y, y la anchura lo es a la
dirección Z), así como los perfiles del haz según Y (curva I) y
según Z (curva II) resultantes, se encuentran esquematizados en la
Figura 4 (dada a título únicamente indicativo y en ningún caso
limitativo, en especial en lo que se refiere a las dimensiones
indicadas).
En el caso de una línea óptica que se haya
concebido con vistas a la realización de la uniformización conforme
a la invención, se prevén medios de óptica corpuscular de esta línea
en función de la utilización de lentes no lineales.
En el caso de la instalación de un dispositivo
conforme a la invención en una línea óptica existente, puede ser
suficiente con adaptar las regulaciones ópticas de enfoque para
tener en cuenta los imperativos asociados al posicionamiento de las
lentes no lineales; eventualmente se puede hacer necesario desplazar
los cuadripolos de enfoque incluyendo la línea óptica.
Volvamos ahora al barrido bidimensional.
El dispositivo de la Figura 2 es un sistema de
guiado lento del haz 4 (en el sentido de que es menos rápido que en
el caso del barrido activo), por medio de dos imanes bipolares 22 y
24, dispuestos por ejemplo justamente corriente abajo del último
cuadripolo Q7 de la línea óptica de la Figura 2, de tal modo que la
huella del haz rectangular, según se ha esquematizado en la Figura
4, barre lentamente la sección del tumor considerado, de la manera
esquematizada en la Figura 5.
En esta Figura, la sección de tumor tiene la
referencia 34. Ésta experimenta un barrido uniformizado, lento y
bidimensional por parte del haz de hadrones, cuya sección
perpendicularmente al eje X tiene sensiblemente la forma de un
rectángulo 36: el centro de gravedad G de este rectángulo sigue una
línea media 38 al mismo tiempo que el rectángulo se alarga o se
acorta para seguir los contornos 40 del tumor.
Conviene apreciar que el rectángulo se desliza y
que los contornos de la zona así barrida son lisos, contrariamente
a lo que muestra la Figura 5.
Además, en el ejemplo de esta Figura 5, la parte
baja del tumor se divide en dos partes 34a y 34b.
En este caso, a partir de un rectángulo 36a de
barrido, la línea 38 de barrido se prolonga inicialmente por medio
de una línea 42 de barrido, para barrer una 34a de estas dos partes
por medio de rectángulos de barrido adaptados, y a continuación se
vuelve al rectángulo 36a para prolongar la línea 38 de barrido por
medio de otra línea 44 de barrido, con el fin de barrer la otra
parte 34b por medio de rectángulos de barrido adaptados.
La longitud del rectángulo en este punto, se
ajusta de manera muy convencional, por medio de lentes cuadripolares
de enfoque (por ejemplo, los cuadripolos Q4 a Q7). Su anchura es,
también, ajustable a la vez que los mismos cuadripolos. Se trata
así de simples formaciones de imágenes en el
plano-imagen de la línea óptica, que es el plano de
la sección de tumor irradiada.
Esto necesita un ajuste simultáneo de la (o de
las dos) lente(s) no lineal(es), puesto que la
uniformización depende también de la regulación de los cuadripolos
(véase el documento [4]).
El conjunto puede ser realizable de manera
convencional por medio de generadores de funciones que comandan las
alimentaciones de estas diversas lentes, y que están en sí mismos
comandados por medio de una lógica.
En la Figura 2, las referencias A1 a A13
designan las alimentaciones que están respectivamente asociadas a
los componentes Q1, Q2, 14, 18, Q3, 16, 20, Q4, Q5, Q6, Q7, 22 y
24.
Las referencias G1 a G13 designan los
generadores de funciones que comandan respectivamente estas
alimentaciones A1 a A13, y la referencia 46 designa los medios
electrónicos de tratamiento que contienen la lógica y que están
previstos para comandar estos generadores de funciones.
Los datos de esta lógica resultan de la
planificación de tratamiento del enfermo, elaborada previamente por
los médicos, a la vista de las imágenes obtenidas por medio de una o
varias técnicas de generación de imágenes conocidas por los expertos
en la técnica.
En lo que sigue, se proporcionan diversos
méritos y caracteres innovadores de la invención.
El barrido mediante rectángulo uniformizado que
se ha descrito, engloba el barrido por pixel, puesto que un pixel
puede ser considerado con un pequeño rectángulo.
Por otra parte, el barrido por pixel es
actualmente la técnica preferida, puesto que permite la irradiación
conocida como "de conformación en 3D": se puede regular el haz
de partículas en cuanto a posición y energía, con el fin de
alcanzar un pixel de posición arbitraria en el volumen del
tumor.
Además, se prefiere el barrido por pixel, con
detención sobre cada pixel, con relación a un barrido continuo de
tipo televisión.
Para demostrar las ventajas que presenta la
invención con relación a todas las demás técnicas conocidas, resulta
por tanto suficiente comparar los rendimientos de la invención con
los del único barrido activo por pixel, que constituye la técnica
anterior más cercana a la invención.
En determinadas condiciones accidentales, el haz
de hadrones es susceptible de presentar un pico temporal de
intensidad, el cual induce de forma inmediata la detención de la
irradiación por parte de sistemas de seguridad apropiados (no
representados), conocidos por el experto en la técnica.
Ello da como resultado una irradiación más o
menos pronunciada de la zona observada por el haz en ese momento.
Esto constituye un problema importante en hadronterapia, en la que
se busca sin embargo la solución óptima.
En el caso del dispositivo conforme a la
invención, el rectángulo de irradiación tiene con frecuencia una
superficie muy superior a la que tendría un pixel considerado en la
técnica de barrido activo. Para convencerse, es suficiente con
comparar las Figuras 1 y 5, las cuales muestran secciones de tumor
idénticas.
Por consiguiente, en el caso de la invención que
se ilustra en la Figura 5, el pico accidental provoca una
sobre-irradiación superficial más baja que en la
técnica anterior ilustrada en la Figura 1, siendo la relación de
las sobre-irradiaciones superficiales proporcional a
la relación entre las superficies.
El perjuicio se ve así reducido, incluso
eliminado, sabiendo que la irradiación pone en juego efectos no
lineales que presentan fenómenos de umbral, tal como el umbral en 2
Gray (véase el documento [1]).
A) - La intensidad del haz extraído del
acelerador debe ser tan constante como sea posible en el tiempo
(expresando por ejemplo esta intensidad en número de partículas por
segundo). En realidad, esta intensidad está sujeta a fluctuaciones,
en las gamas de frecuencias que dependen por ejemplo de las técnicas
de extracción del acelerador.
El dispositivo de la invención integra estas
fluctuaciones, es decir las alisa, de una manera mejor que lo hace
la técnica de barrido activo, puesto que el barrido mediante
rectángulo se efectúa a una velocidad más baja: en cualquier caso,
un rectángulo equivalente a N píxeles permanece sobre una región
dada N veces más tiempo que uno cualquiera de estos N píxeles.
B) - En la irradiación por píxel, la uniformidad
de dosis entre dos píxeles yuxtapuestos de una misma línea o entre
dos píxeles de líneas sucesivas, está asegurada por un recubrimiento
que se supone adecuado en las distribuciones en campana.
A este efecto, se considerará la Figura 1 y la
Figura 6 que ilustran esquemáticamente esta yuxtaposición de los
píxeles con vistas a la uniformización del depósito de dosis.
Los perfiles I, II y III de tres píxeles
yuxtapuestos, se han trazado sobre una indicación en la que la
posición P ha sido llevada a abscisas y la dosis depositada D a
ordenadas. El perfil resultante tiene la referencia IV.
El resultado no está nunca garantizado y depende
además, en gran medida, del perfil transversal de la dosis en cada
píxel, cuya distribución no tiene necesariamente forma de campana,
ni tiene que ser simétrica.
El dispositivo de la invención funciona de
manera muy diferente. En la dirección del barrido, la uniformidad
del depósito de dosis queda asegurada con la regulación de la
velocidad del barrido mediante un servomecanismo, por medio de
instrumentos de medida no representados, idénticos a los que se
utilizan en el caso del barrido activo.
A los efectos de estos instrumentos, se podrá
consultar los documentos [1, 2] ya mencionados.
En la dirección perpendicular al barrido, que es
la dirección de la longitud del rectángulo, la uniformidad es
intrínseca. Esta resulta de la uniformización por parte de las
lentes no lineales.
El hecho de que un tumor sea susceptible de
moverse, es una de las dificultades de la hadronterapia. El barrido
por rectángulo es igualmente ventajoso con relación al barrido por
píxel, en caso de movimiento inopinado.
En efecto, consideremos el caso más desfavorable
en el que el movimiento del tumor aleja la zona de irradiación
actual respecto a la zona anteriormente irradiada. Entonces, en el
caso del barrido por píxel, toda una banda no ha sido irradiada,
mientras que no hay ninguna laguna en el caso del barrido por
rectángulo; toda la banda ha sido irradiada durante el intervalo de
tiempo que precede al movimiento, por poco que éste sea.
En lo que sigue se proporcionan precisiones
complementarias a los efectos de la invención.
Se está libre para dejar, en un rectángulo de
irradiación (véanse las Figuras 4 y 5), un perfil en campana en la
dirección del barrido según el eje Z. Una de las dos lentes no
lineales está entonces inactiva y la uniformización solamente se
hace en la otra dirección, a saber en la dirección de la longitud
del rectángulo.
La uniformización eventual en la dirección de la
anchura del rectángulo vuelve abruptos los bordes de la distribución
en esta dirección (véanse los histogramas de la Figura 4), con
relación a una distribución en forma de
campana.
campana.
Se dispone de libertad para utilizar esta
propiedad para una mejor definición de los contornos de la zona
irradia-
da.
da.
A la inversa, si estos bordes aparecen demasiado
abruptos, es posible modificar su pendiente, de manera controlada,
actuando sobre la lente no lineal adecuada.
Se puede imaginar también iluminar y extender
esta lente progresivamente a los extremos del barrido para mejorar
la adaptación a los contornos del tumor.
En las instalaciones de ciclotrón, se desarrolla
en la actualidad la técnica de irradiación 3D de conformación (para
la que se prestan mejor los sincrotrones), por medio del análisis de
momento. Se puede utilizar por tanto un dispositivo conforme a la
invención en tales instalaciones: es suficiente con colocar,
corriente abajo, medios de análisis de momento, según ha sido ya
mencionado.
La duración de la irradiación de una sección es,
con todo rigor, más corta con el barrido por rectángulo
uniformizado, que con el barrido por píxel:
1/ se tienen ahorros en el desplazamiento desde
un píxel hasta el siguiente, y
2/ el barrido por rectángulo es continuo; no
presenta ninguna interrupción salvo, eventualmente, en ciertos
cambios de concavidad del tumor (como en la Figura 5).
El seguimiento de los contornos de una sección a
irradiar constituye una operación delicada. El barrido uniforme en
rectángulo permite adaptarse mejor: se puede reducir la anchura del
rectángulo y aumentar la velocidad del barrido. Por el contrario,
para un barrido por píxel, no se puede reducir tanto como se desea
el diámetro del píxel, con lo que no se domina ya la uniformidad
entre píxeles.
En la invención, para una profundidad dada, es
posible realizar el barrido en varias capas (es decir, en varias
veces), de forma eventualmente cruzada.
Para ello es suficiente dividir la dosis total
necesaria para esta profundidad, por el número de capas.
\newpage
En este caso, se facilita la uniformización de
la dosis procediendo por etapas, lo que permite ajustes, por
ejemplo sobre los bordes del tumor. Por otra parte, se aumentan un
poco más las ventajas ya citadas del barrido en rectángulo:
- -
- en lo que se refiere a las sobre-intensidades, un pico temporal accidental ve su intensidad incluso disminuida, y lo mismo ocurre para la sobre-irradiación que conlleva;
- -
- en lo que se refiere a la homogeneidad de dosis, las fluctuaciones temporales de intensidad, que están asociadas a la extracción lenta de un sincrotrón, resultan incluso más alisadas;
- -
- en lo que concierne a los tumores móviles, si un tumor se mueve durante el barrido de una capa, la existencia de las capas siguientes o anteriores limita a una sola capa la falta de dosis.
Claims (10)
1. Dispositivo de irradiación de un blanco (12),
en particular de una zona del cuerpo humano, por medio de un haz
(4) de hadrones cargados, siendo este haz producido con medios de
generación de haz de hadrones cargados, comprendiendo este
dispositivo:
medios (14, 16, 18, 20) de óptica corpuscular,
previstos para uniformizar la densidad transversal del haz de
hadrones cargados, según al menos una dirección perpendicular a la
trayectoria de este haz de hadrones cargados, y
medios (6, 22, 24; 10, 22, 24) de control
tridimensional de la irradiación del blanco por medio de este haz
de hadrones cargados, comprendiendo los medios de control
tridimensional:
medios de regulación de la energía de los
hadrones cargados generados, y
medios de barrido, susceptibles de desplazar el
haz de hadrones cargados para hacerlo barrer el blanco mediante una
estrecha banda, sensiblemente rectangular, y susceptibles de hacer
que el centro de gravedad de la banda estrecha siga una línea media
del blanco, todo ello con alargamiento o acortamiento de esta
estrecha banda con el fin de seguir los contornos del blanco.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que los medios de óptica corpuscular comprenden al menos una lente
no lineal de óptica corpuscular.
3. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que los medios de óptica corpuscular comprenden dos lentes no
lineales de óptica corpuscular, previstas para uniformizar la
densidad transversal del haz de hadrones cargados, según dos
direcciones perpendiculares cada una con la otra, y con la
trayectoria de este haz de hadrones cargados.
4. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 2 y 3, en el que cada lente no lineal de óptica
corpuscular es 2n-polar, siendo 2n un número entero
par al menos igual a 8.
5. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que los medios de barrido comprenden un par de dipolos
magnéticos.
6. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que los medios de generación de haz
de hadrones cargados comprenden un sincrotrón, y los medios de
regulación de la energía de los hadrones cargados generados son los
medios de regulación de la energía de los hadrones cargados
producidos por este sincrotrón.
7. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que los medios de generación de haz
de hadrones cargados comprenden un ciclotrón, y los medios de
regulación de la energía de los hadrones cargados generados
comprenden medios de análisis de momento.
8. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que los medios de óptica corpuscular
son susceptibles de hacer variar la uniformización de la densidad
transversal del haz de hadrones cargados, según la longitud y/o la
anchura de la banda estrecha.
9. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que los medios de barrido son
susceptibles de hacer barrer el blanco por parte del haz de
hadrones cargados, a profundidades predefinidas de este blanco y
una pluralidad de veces para cada una de esas profundidades, siendo
la dosis suministrada al blanco cada una de las veces igual a la
dosis total prevista para esta profundidad dividida por el número de
veces.
10. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en el que los hadrones cargados son núcleos
ligeros.
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