ES2625350T3 - Sincrociclotrón que produce partículas cargadas que tienen energías variables - Google Patents

Sincrociclotrón que produce partículas cargadas que tienen energías variables Download PDF

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Gerrit Townsend Zwart
Charles D. O'neal
Ken Yoshiki FRANZEN
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Abstract

Sincrociclotrón que comprende: una fuente de partículas (90); una bobina para recibir una corriente eléctrica que tiene un valor de entre múltiples valores y para generar un campo magnético correspondiente a la corriente eléctrica; al menos una pieza de polo magnético que define una cavidad en la que se aceleran partículas procedentes de la fuente de partículas (90), comprendiendo la al menos una pieza de polo magnético material ferromagnético; una fuente de tensión para proporcionar una tensión de radiofrecuencia (RF) a la cavidad para acelerar partículas procedentes de la fuente de partículas, estando la fuente de tensión configurada para hacer un barrido de la tensión RF sobre una gama de frecuencias en un ciclo; el campo magnético para hacer que las partículas se muevan orbitalmente dentro de la cavidad con una energía que corresponda a la corriente eléctrica, siendo el campo magnético de al menos 4 Tesla; y un canal de extracción (38) para recibir las partículas y para emitir las partículas recibidas desde la cavidad, teniendo las partículas que son emitidas desde la cavidad una energía que corresponde a la corriente eléctrica; en el que la energía de las partículas que son emitidas desde la cavidad es variable en una gama comprendida entre aproximadamente 100 MeV y aproximadamente 300 MeV; caracterizado por que el sincronociclotrón está configurado para permitir el ajuste de la corriente eléctrica a un valor de entre múltiples valores, correspondiendo cada valor de los múltiples valores a una energía diferente a la que las partículas son emitidas desde la cavidad; en el que la fuente de tensión está configurada para hacer un barrido de la tensión RF sobre diferentes gamas de frecuencias, correspondiendo cada gama de frecuencias diferente a la energía diferente a la que son emitidas las partículas desde la cavidad.

Description

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DESCRIPCION
Sincrociclotron que produce partfculas cargadas que tienen energfas variables Campo tecnico
La presente descripcion se refiere generalmente a un acelerador de partfculas que produce partfculas cargadas que tienen energfas variables.
Antecedentes
Los sistemas de terapia de partfculas utilizan un acelerador para generar un haz de partfculas para tratar enfermedades, tales como tumores. En funcionamiento, las partfculas se aceleran en orbitas dentro de una cavidad en presencia de un campo magnetico y se retiran de la cavidad a traves de un canal de extraccion. Pueden usarse haces de partfculas extrafdos del acelerador para irradiar un volumen diana en un cuerpo.
La solicitud de patente internacional publicada WO 2007/061937 A2 describe un acelerador montado en un portico para permitir que el acelerador se mueva a traves de una gama de posiciones alrededor de un paciente en que esta sobre un soporte de paciente. El acelerador esta configurado para producir un haz de protones o iones con un nivel de energfa suficiente para lograr cualquier diana arbitraria en el paciente desde posiciones dentro de la gama. El haz de protones o iones basicamente pasa directamente del acelerador al paciente.
La solicitud de patente publicada US 2007/0171015 A1 describe un campo magnetico en una camara de aceleracion definida por una estructura magnetica que se forma perfilando los polos de un yugo magnetico y/o proporcionando bobinas magneticas adicionales para producir un campo magnetico en el plano de aceleracion media que disminuye con el aumento de la distancia radial desde un eje central.
Breve descripcion
La presente invencion se refiere a un sincrociclotron segun lo establecido en la reivindicacion 1. Otras realizaciones se describen en las reivindicaciones dependientes.
Un ejemplo de sincrociclotron incluye lo siguiente: una fuente de tension para proporcionar una tension de radiofrecuencia (RF) a una cavidad para acelerar partfculas de una fuente de partfculas; una bobina para recibir una corriente electrica variable y para generar un campo magnetico que es al menos de 4 Tesla para hacer que las partfculas se muevan orbitalmente dentro de la cavidad; y un canal de extraccion para recibir las partfculas aceleradas y para emitir las partfculas recibidas de la cavidad. Las partfculas que se emiten desde la cavidad tienen una energfa que es variable en base al menos a la corriente electrica variable aplicada a la bobina.
Un ejemplo de sistema de terapia de protones incluye lo siguiente: el sincrociclotron del ejemplo anterior y un portico sobre el que esta montado el sincrociclotron. El portico es giratorio con respecto a la posicion del paciente. Las partfculas son protones y esencialmente se emiten directamente desde el sincrociclotron hasta la posicion del paciente.
La corriente electrica variable puede incluir una parte fija y una parte variable, y la parte variable de la corriente electrica puede variar dentro de una gama que hace que el campo magnetico en un radio de extraccion del sincrociclotron cambie entre aproximadamente 5 % y 35 % de un valor maximo en el radio de extraccion. El campo magnetico en el radio de extraccion puede cambiar entre aproximadamente 0,2 Tesla y aproximadamente 1,4 Tesla o entre aproximadamente 0,6 y aproximadamente 4,2 Tesla. La bobina puede incluir un primer conjunto de bobinas y un segundo conjunto de bobinas. El primer conjunto puede configurarse para recibir una parte fija de la corriente electrica variable y el segundo conjunto puede configurarse para recibir una parte variable de la corriente electrica variable. La parte variable de la corriente electrica puede variar dentro de una gama que hace que el campo magnetico en un radio de extraccion del sincrociclotron cambie entre aproximadamente 5 % y 35 % de un valor maximo en el radio de extraccion. La bobina puede incluir uno o mas conjuntos de bobinas, y al menos un conjunto de bobinas puede ser superconductor y puede consistir entre 2 y 10 millones de amperio-vueltas. El campo magnetico puede tener una magnitud dentro de una gama de aproximadamente 4 Tesla a aproximadamente 20 Tesla. La energfa de las partfculas que se emiten desde la cavidad puede variar continuamente entre aproximadamente 115 MeV y aproximadamente 250 MeV, por ejemplo, a una velocidad de hasta 20 MeV por segundo. La energfa de las partfculas que se emiten desde la cavidad puede variar de manera no continua entre aproximadamente 115 MeV y aproximadamente 250 MeV. La energfa de las partfculas puede variar en un tamano de paso de aproximadamente 10 MeV a aproximadamente 80 MeV. Cada variacion de la energfa en un paso puede durar menos de 30 minutos. La bobina puede incluir una bobina superconductora. La fuente de tension se puede configurar para hacer un barrido de la tension RF sobre una gama de frecuencias dentro de un ciclo. La fuente de tension puede configurarse para b hacer un barrido de la tension RF sobre una gama de frecuencias diferente correspondiente a cada energfa diferente a la que las partfculas son emitidas desde la cavidad. Cada gama de frecuencias puede incluir un lfmite inferior y un lfmite superior y el lfmite inferior puede estar dentro de una gama de aproximadamente 40 MHz a aproximadamente 250 MHz, por ejemplo, de aproximadamente 73 MHz a aproximadamente 150 MHz, y el lfmite superior puede estar dentro de una gama de aproximadamente 56 MHz a aproximadamente 340 MHz, por ejemplo, de aproximadamente 131 MHz a aproximadamente 196 MHz. Uno o mas
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elementos reactivos se pueden acoplar a la fuente de tension para hacer un barrido de la tension RF sobre una gama de frecuencias. El uno o mas elementos reactivos pueden configurarse para seleccionar la gama de frecuencias para una energfa correspondiente en la que las partfculas son emitidas desde la cavidad. El uno o mas elementos reactivos pueden incluir un condensador o inductor variable. La bobina puede incluir un primer conjunto de bobinas y un segundo conjunto de bobinas, siendo el primer conjunto superconductor y estando configurado para recibir una parte fija de la corriente electrica variable y siendo el segundo conjunto superconductor o no superconductor y estando configurado para recibir una parte variable de la corriente electrica variable.
Dos o mas de las caractensticas descritas en esta descripcion, incluyendo las descritas en esta seccion de resumen, se pueden combinar para formar implementaciones no descritas espedficamente en el presente documento.
El control de los diferentes sistemas descritos en el presente documento, o partes de los mismos, puede implementarse a traves de un producto de programa informatico que incluye instrucciones almacenadas en uno o mas medios de almacenamiento legibles por maquina no transitorios y que son ejecutables en uno o mas dispositivos de procesamiento. Los sistemas descritos en el presente documento, o partes de los mismos, pueden implementarse como un aparato, metodo o sistema electronico que puede incluir uno o mas dispositivos de procesamiento y memoria para almacenar instrucciones ejecutables para implementar el control de las funciones indicadas.
Los detalles de una o mas implementaciones se exponen en los dibujos adjuntos y en la siguiente descripcion. Otras caractensticas, objetos y ventajas resultaran evidentes a partir de la descripcion y los dibujos, y de las reivindicaciones.
Descripcion de dibujos
La figura 1 es un diagrama de bloques que muestra un ejemplo de un sistema de tratamiento.
La figura 2 es una vista en perspectiva de un sistema de terapia.
La figura 3 es una vista en perspectiva despiezada de los componentes de un sincrociclotron.
Las figuras 4, 5, y 6 son vistas en seccion transversal de un sincrociclotron.
La figura 7 es una vista en perspectiva de un sincrociclotron.
La figura 8 es un grafico de las magnitudes del campo magnetico en diferentes lugares de una camara de aceleracion cuando se aplica corriente electrica total diferente en el acelerador.
La figura 9 es una vista en seccion transversal de una parte de un carrete inverso y devanados.
La figura 10 es una vista en seccion transversal de un conductor compuesto de cable en canal.
La figura 11 es una vista en seccion transversal de una fuente de iones.
La figura 12 es una vista en perspectiva de una placa de y una placa de ficticia.
La figura 13 es una vista en seccion transversal de un ejemplo de una estructura de radiofrecuencia (RF).
La figura 14 es una vista en perspectiva de una boveda.
La figura 15 es una vista en perspectiva de una sala de tratamiento con una boveda.
La figura 16 muestra un perfil de una mitad de un perfil simetrico de una cara de polo y una pieza de polo.
La figura 17 muestra un paciente colocado dentro de un portico interior en una sala de tratamiento.
Descripcion detallada Vision de conjunto
Se describe aqm un ejemplo de un acelerador de partfculas para su uso en un sistema de tratamiento, tal como un sistema de terapia de protones o iones. El sistema de terapia de partfculas de ejemplo incluye un acelerador de partfculas, en este ejemplo, un sincronociclotron, montado en un portico. El portico permite que el acelerador sea girado alrededor de una posicion de paciente, tal como se explica con mas detalle a continuacion. En algunas implementaciones, el portico es de acero y tiene dos patas montadas para girar sobre dos cojinetes respectivos que se encuentran en lados opuestos de un paciente. El acelerador de partfculas esta soportado por una armadura de acero que es suficientemente larga para abarcar una zona de tratamiento en la que se encuentra el paciente y que esta fijada por ambos extremos a las patas giratorias del portico. Como resultado de la rotacion del portico alrededor del paciente, el acelerador de partfculas tambien gira.
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En un ejemplo de implementacion, el acelerador de partfculas (por ejemplo, el sincrociclotron) incluye un criostato que sostiene una bobina superconductora para conducir una corriente que genera un campo magnetico (B). En este ejemplo, el criostato utiliza helio lfquido (He) para mantener la bobina a temperaturas superconductoras, por ejemplo, de 4 °Kelvin (K). Las piezas de polo magnetico se encuentran dentro del criostato a temperatura ambiente, y definen una cavidad en la que las partfculas se aceleran. En algunas implementaciones, el campo magnetico maximo generado en el acelerador es de al menos 4 Tesla y puede ser de hasta 20 Tesla o superior, por ejemplo, entre 4 Tesla y 20 Tesla o entre 6 Tesla y 20 Tesla.
En este ejemplo de implementacion, el acelerador de partfculas incluye una fuente de partfculas (por ejemplo, una fuente Penning Ion Gauge-PIG) para proporcionar una columna de plasma a la cavidad. El gas hidrogeno es ionizado para producir la columna de plasma. Una fuente de alimentacion proporciona una tension de radiofrecuencia (RF) a la cavidad para acelerar partfculas desde la columna de plasma. Como se ha indicado, en este ejemplo, el acelerador de partfculas es un sincrociclotron. En consecuencia, la tension RF es barrida a traves de una gama de frecuencias para tener en cuenta efectos de la relatividad sobre las partfculas (por ejemplo, aumento de la masa de partfculas) al acelerar las partfculas de la columna. El campo magnetico producido por la corriente que circula a traves de la bobina superconductora hace que las partfculas aceleradas desde la columna de plasma se aceleren orbitalmente dentro de la cavidad.
Un regenerador de campo magnetico ("regenerador") esta situado cerca del exterior de la cavidad (por ejemplo, en un borde interior de la misma) para ajustar el campo magnetico existente dentro de la cavidad a fin de cambiar asf posiciones (por ejemplo, el paso y el angulo) de orbitas sucesivas de las partfculas aceleradas desde la columna de plasma de manera que, finalmente, las partfculas sean emitidas a un canal de extraccion que pasa a traves del criostato. El regenerador puede aumentar el campo magnetico en un punto en la cavidad (por ejemplo, puede producir un "choque" de campo magnetico en una zona de la cavidad), haciendo por ello que cada orbita sucesiva de partfculas en ese punto progrese hacia fuera, hacia el punto de entrada del canal de extraccion hasta que alcance el canal de extraccion. El canal de extraccion recibe partfculas aceleradas desde la columna de plasma y emite las partfculas recibidas de la cavidad como un haz de partfculas.
La energfa del haz de partfculas extrafdas (o el haz de partfculas emitidas desde el acelerador) puede afectar al uso del haz de partfculas en los tratamientos. Generalmente, la energfa del haz de partfculas (o partfculas en el haz de partfculas) no aumenta despues de la extraccion. Sin embargo, la energfa puede reducirse en funcion de las necesidades de tratamiento despues de la extraccion y antes del tratamiento. Refiriendonos a la figura 1, un sistema de tratamiento de muestras 10 incluye un acelerador 12, por ejemplo, un sincrociclotron, del cual se extrae un haz de partfculas (por ejemplo, protones) l4 que tiene una energfa variable para irradiar un volumen diana 24 de un cuerpo 22. Opcionalmente, uno o mas dispositivos adicionales, tales como una unidad de escaneo 16 o una unidad de dispersion 16, una o mas unidades de monitorizacion 18 y un degradador de energfa 20, se colocan a lo largo de la direccion de irradiacion 28. Los dispositivos interceptan la seccion transversal del haz extrafdo 14 y alteran una o mas propiedades del haz extrafdo para el tratamiento.
Un volumen diana para ser irradiado por un haz de partfculas para tratamiento tiene tfpicamente una configuracion tridimensional. En algunas situaciones, para llevar a cabo el tratamiento, el volumen diana se divide en capas a lo largo de la direccion de irradiacion del haz de partfculas y la irradiacion se puede realizar capa a capa. Para determinados tipos de partfculas, tales como protones, a lo largo de la direccion de irradiacion, la profundidad de penetracion (o la capa a la que llega el haz) dentro del volumen diana esta determinada en gran medida por la energfa del haz de partfculas. El haz de partfculas de una energfa dada no sobrepasa sustancialmente la profundidad de penetracion correspondiente. Para mover la irradiacion del haz de una capa a otra capa del volumen diana, se cambia la energfa del haz de partfculas.
En el ejemplo mostrado en la figura 1, el volumen diana 24 se divide en nueve capas 26a - 26i a lo largo de la direccion de irradiacion 28. La irradiacion comienza tfpicamente desde la capa mas profunda 26i, una capa cada vez, gradualmente hasta las capas mas superficiales y termina con la capa mas superficial 26a. Antes de la aplicacion al cuerpo 22, la energfa del haz de partfculas 14 se controla para que este a un nivel que permita que la partfcula se detenga en una capa deseada, por ejemplo, la capa 26d, sin penetrar sustancialmente mas en el cuerpo o en el volumen diana, por ejemplo, las capas 26e - 26i, o mas profundamente en el cuerpo. En algunos ejemplos, la energfa deseada del haz de parttculas 14 disminuye a medida que la capa de tratamiento se hace menos profunda con respecto a la aceleracion de las partfculas. Tfpicamente, la diferencia de energfa de haz para tratar capas adyacentes del volumen diana 24 es de aproximadamente 3 MeV a aproximadamente 100 MeV, por ejemplo, de aproximadamente 10 MeV a aproximadamente 80 MeV, aunque tambien pueden ser posibles otras diferencias, dependiendo, por ejemplo, del espesor de las capas y de las propiedades del haz.
La variacion de energfa para tratar diferentes capas del volumen diana 24 puede realizarse en el acelerador 12 de manera que, en algunas implementaciones, no se requiere una variacion adicional de energfa despues de que el haz de partfculas se extraiga del acelerador 12. El degradador de energfa opcional 20 en el sistema de tratamiento 10 puede ser eliminado del sistema. En algunas implementaciones, el acelerador 12 puede emitir haces de partfculas que tienen una energfa que vana entre aproximadamente 100 MeV y aproximadamente 300 MeV, por ejemplo, entre aproximadamente 115 MeV y aproximadamente 250 MeV. La variacion puede ser continua o no continua, por ejemplo, un paso cada vez. En algunas implementaciones, la variacion, continua o no continua, puede tener lugar a
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una velocidad relativamente alta, por ejemplo, de hasta aproximadamente 50 MeV por segundo o de hasta aproximadamente 20 MeV por segundo. La variacion no continua puede tener lugar en un paso cada vez, con un tamano de paso de aproximadamente 10 MeV a aproximadamente 80 MeV.
Cuando la irradiacion se completa en una capa, el acelerador 12 puede variar la energfa del haz de partfculas para irradiar una siguiente capa, por ejemplo, unos segundos despues o menos de un segundo despues. En algunas implementaciones, el tratamiento del volumen diana 24 se puede continuar sin interrupcion sustancial o incluso sin ninguna interrupcion. En algunas situaciones, el tamano de paso de la variacion de energfa no continua se selecciona para que corresponda a la diferencia de energfa necesaria para irradiar dos capas adyacentes del volumen diana 24. Por ejemplo, el tamano del paso puede ser el mismo o una fraccion de la diferencia de energfa.
En algunas implementaciones, el acelerador 12 y el degradador 20 vanan conjuntamente la energfa del haz 14. Por ejemplo, el acelerador 12 proporciona un ajuste aproximado y el degradador 20 proporciona un ajuste preciso o viceversa. En este ejemplo, el acelerador 12 puede emitir el haz de partfculas que vana la energfa en una etapa de variacion de aproximadamente 10-80 MeV, y el degradador 20 ajusta (por ejemplo, reduce) la energfa del haz en una etapa de variacion de aproximadamente 2-10 MeV.
El uso reducido (o ausencia) del degradador, que puede ser un cambiador de gama, puede facilitar el mantenimiento de la propiedad y la calidad del haz emitido desde el acelerador, por ejemplo, la intensidad del haz. El control del haz de partfculas se puede realizar en el acelerador. Los efectos secundarios, por ejemplo, de los neutrones generados cuando el haz de partfculas pasa por el degradador 20, pueden reducirse o eliminarse.
La energfa del haz de partfculas 14 tambien puede necesitar ajuste cuando el sistema de tratamiento 10 trata otro volumen diana 30 en otro cuerpo o en otra parte de cuerpo 22' despues de completarse el tratamiento en el volumen diana 24. Los volumenes diana 24, 30 pueden estar en el mismo cuerpo (o paciente), o pueden pertenecer a diferentes pacientes. Es posible que la profundidad D del volumen diana 30 desde una superficie del cuerpo 22' sea diferente para la del volumen diana 24. Aunque el degradador 20 puede hacer algun ajuste de energfa, el degradador 12 solo puede reducir la energfa del haz y no aumentar la energfa del haz. A veces, la energfa de haz mas alta para tratar el volumen diana 30 puede ser mayor que la energfa de haz mas alta para tratar el volumen diana 24. En tal situacion, el acelerador 12 aumenta la energfa del haz emitido despues de tratar el volumen diana
24 y antes de tratar el volumen diana 30. En otras situaciones, la energfa de haz mas alta requerida para tratar el volumen diana 30 puede ser inferior a la energfa de haz mas alta del volumen diana. Aunque el degradador 20 puede reducir la energfa, el acelerador 12 puede ajustarse para producir una energfa de haz inferior para reducir o eliminar el uso del degradador 20. La division de los volumenes diana 24, 30 en capas puede ser diferente o igual. Y el volumen diana 30 se puede tratar de manera similar sobre una base capa a capa para el tratamiento del volumen diana 24.
El tratamiento de los diferentes volumenes diana 24, 30 en el mismo paciente puede ser sustancialmente continuo, por ejemplo, con el tiempo de detencion entre los dos volumenes que no sea superior a aproximadamente 30 minutos o menos, por ejemplo, 25 minutos o menos, 20 minutos o menos, 15 minutos o menos, 10 minutos o menos, 5 minutos o menos o 1 minuto o menos. Como se explica en detalle mas adelante, el acelerador 12 puede montarse en un portico movil y el movimiento del portico mueve el acelerador para apuntar a volumenes diana diferentes. En algunas situaciones, el acelerador 12 puede completar el ajuste de energfa del haz emitido 14 durante el tiempo en el que el sistema de tratamiento hace el ajuste (tal como mover el portico) despues de completar el tratamiento del volumen diana 24 y antes de comenzar el tratamiento del volumen diana 30. Tan pronto como se realiza la alineacion del acelerador y el volumen diana 30, el tratamiento puede comenzar con la energfa de haz deseada y ajustada. El ajuste de energfa del haz para diferentes pacientes tambien se puede completar de manera relativamente eficiente. En algunos ejemplos, todos los ajustes, incluyendo el aumento / reduccion de la energfa del haz y / o el movimiento del portico se realizan en aproximadamente 30 minutos, por ejemplo, en aproximadamente
25 minutos, en aproximadamente 20 minutos, en aproximadamente 15 minutos, en aproximadamente 10 minutos o en aproximadamente 5 minutos.
En la misma capa de un volumen diana, se aplica una dosis de irradiacion moviendo el haz a traves de la superficie bidimensional de la capa (que a veces se denomina haz de escaneo) usando una unidad de escaneo 16. Alternativamente, la capa puede ser irradiada pasando el haz extrafdo a traves de uno o mas dispersores de la unidad de dispersion 16 (que a veces se denomina haz de dispersion).
La propiedad del haz, tal como la energfa y la intensidad, se puede seleccionar antes de un tratamiento o puede ajustarse durante el tratamiento controlando el acelerador 12 y / u otros dispositivos, tales como la unidad de escaneo / dispersor o dispersores 16, el degradador 20 y otros no mostrados en la figura. En algunas implementaciones, el sistema 10 incluye un controlador 32, tal como un ordenador, en comunicacion con uno o mas dispositivos en el sistema. A veces, el control puede basarse en los resultados de la monitorizacion realizada por uno o mas monitores 18, por ejemplo, monitorizacion de la intensidad del haz, dosis, localizacion del haz en el volumen diana, etc. Aunque se muestra que los monitores 18 estan entre el dispositivo 16 y el degradador 20, pueden colocarse uno o mas monitores en otros lugares de la trayectoria de irradiacion del haz. El controlador 32 tambien puede almacenar un plan de tratamiento para uno o mas volumenes diana (del mismo paciente y / o de diferentes pacientes). El plan de tratamiento puede determinarse antes de comenzar el tratamiento y puede incluir
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parametros tales como la forma del volumen diana, el numero de capas, la dosis de irradiacion para cada capa, el numero de veces que se irradia cada capa, etc. El ajuste de la propiedad del haz dentro del sistema 10 se puede realizar en base al plan de tratamiento. Puede realizarse un ajuste adicional durante el tratamiento, por ejemplo, cuando se detecta una desviacion del plan de tratamiento.
En algunas implementaciones, el acelerador 12 vana la energfa del haz de partfculas emitido variando el campo magnetico en el que se acelera el haz de partfculas. En particular, uno o mas conjuntos de bobinas se utilizan para recibir corriente electrica variable para producir un campo magnetico variable en la cavidad. En algunos ejemplos, un conjunto de bobinas reciben una corriente electrica fija, mientras que uno o mas conjuntos de bobinas reciben una corriente variable de manera que la corriente total recibida por los conjuntos de bobinas vana. En algunas implementaciones, todos los conjuntos de bobinas son superconductores. En otras implementaciones, algunos conjuntos de bobinas, tales como el conjunto para la corriente electrica fija, son superconductores, mientras que otros conjuntos de bobinas, tales como uno o mas conjuntos para la corriente variable, son no superconductores. A veces todos los conjuntos de bobinas no son superconductores.
Generalmente, la magnitud del campo magnetico se puede adaptar a la magnitud de la corriente electrica. El ajuste de la corriente electrica total de las bobinas en una gama predeterminada puede generar un campo magnetico que vana en una gama predeterminada correspondiente. En algunas situaciones, un ajuste continuo de la corriente electrica puede derivar en una variacion continua del campo magnetico y en una variacion continua de la energfa del haz emitido. Alternativamente, cuando la corriente electrica aplicada a las bobinas se ajusta de una manera escalonada no continua, el campo magnetico y la energfa del haz emitido tambien vanan en consecuencia de una manera no continua. La adaptacion del campo magnetico a la corriente puede permitir que la variacion de la energfa del haz se realice con relativa precision, aunque a veces puede ser necesario un ajuste menor diferente al de la corriente de entrada, cuyos detalles se describen mas adelante.
Ademas, para emitir haces de partfculas que tienen una energfa variable, el acelerador 12 esta configurado para aplicar las tensiones RF que barren sobre diferentes gamas de frecuencias, correspondiendo cada gama a una energfa de haz emitido diferente. Por ejemplo, si el acelerador 12 esta configurado para producir tres energfas de haz emitido diferentes, puede hacerse un barrido de la tension RF sobre tres gamas de frecuencias diferentes. En otro ejemplo, que corresponde a variaciones de energfa de haz continuo, la tension RF barre sobre gamas de frecuencias que cambian continuamente. Las diferentes gamas de frecuencias pueden tener diferentes lfmites de frecuencia inferior y / o frecuencia superior.
Los haces de partfculas que tienen diferentes energfas pueden extraerse del acelerador 12 sin alterar las caractensticas del regenerador que se utiliza para extraer haces de partfculas que tienen una sola energfa. En otras implementaciones, el regenerador puede moverse para perturbar orbitas de partfculas o se pueden anadir o retirar tapones de hierro para cambiar el choque de campo magnetico en base a la energfa de partfcula variable.
Como ejemplo, el cuadro 1 muestra tres niveles de energfa en los que el acelerador 12 puede emitir haces de partfculas. Tambien se enumeran los parametros correspondientes para producir los tres niveles de energfa. En particular, la corriente magnetica se refiere a la corriente electrica total aplicada a uno o mas conjuntos de bobinas en el acelerador 12; las frecuencias maxima y minima definen las gamas en las que las tensiones RF barren; y r es la distancia radial de un lugar a un centro de la cavidad en la que las partfculas son aceleradas.
Haz
Iman Maximo Mmimo Campo magnetico en Campo magnetico en
Energfa (MeV)
Corriente (A) Frecuencia (MHz) Frecuencia (MHz) r = 0 mm(Tesla) r = 298 mm (Tesla)
250
1990 132 99 8,7 8,2
235
1920 128 97 8,4 8,0
211
1760 120 93 7,9 7,5
Tabla 1. Ejemplos de energfas de haz y parametros respectivos.
A continuacion, se describen detalles de un ejemplo de acelerador de partfculas que produce partfculas cargadas que tienen energfas variables. El acelerador puede ser un sincrociclotron y las partfculas pueden ser protones. Las partfculas se forman en haces para su uso en tratamientos. La energfa del haz emitido por el acelerador de partfculas puede variarse durante el tratamiento de un volumen diana en un paciente o entre tratamientos de diferentes volumenes diana del mismo paciente o de diferentes pacientes. En algunas implementaciones, los ajustes del acelerador se cambian para variar la energfa del haz cuando no se emite ningun haz (o partfculas) desde el acelerador. La variacion de energfa puede ser continua o no continua en una gama deseada.
Refiriendonos a la figura 2, un sistema de terapia de radiacion de partfculas cargadas 500 incluye un acelerador de partfculas productor de haz 502 que tiene un peso y un tamano suficientemente pequenos para permitir su montaje en un portico giratorio 504 con su emision dirigida recta (es decir, esencialmente directamente) desde un alojamiento de acelerador a un paciente 506.
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En algunas implementaciones, el portico de acero tiene dos patas 508, 510 montadas para girar sobre dos cojinetes respectivos 512, 514 que se encuentran en lados opuestos del paciente. El acelerador esta soportado por una armadura de acero 516 que es suficientemente larga para abarcar una zona de tratamiento 518 en la que se encuentra el paciente (por ejemplo, dos veces mas larga que una persona alta, para permitir que la persona sea girada completamente dentro del espacio con cualquier zona diana deseada del paciente permaneciendo en la lmea del haz) y esta fijado de forma estable a ambos extremos a las patas giratorias del portico.
En algunos ejemplos, la rotacion del portico esta limitada a un radio 520 de menos de 360 grados, por ejemplo, de aproximadamente 180 grados, para permitir que un suelo 522 se extienda desde una pared de la boveda 524 que aloja el sistema de terapia en la zona de tratamiento del paciente. El radio de rotacion limitado del portico tambien reduce el espesor requerido de algunas de las paredes (que nunca estan alineadas directamente con el haz, por ejemplo, la pared 530), que proporcionan blindaje contra la radiacion de personas que estan fuera de la zona de tratamiento. Un radio de 180 grados de rotacion de portico es suficiente para cubrir todos los angulos de aproximacion de tratamiento, aunque proporcionar un radio mas amplio de desplazamiento puede ser util. Por ejemplo, el radio de rotacion puede estar entre 180 y 330 grados y todavfa proporcionar espacio para la superficie de suelo de terapia.
El eje de rotacion horizontal 532 del portico esta situado nominalmente un metro por encima del suelo donde el paciente y el terapeuta interactuan con el sistema de terapia. Este suelo esta situado a unos 3 metros por encima del suelo inferior de la boveda blindada del sistema de terapia. El acelerador puede oscilar bajo el suelo elevado para suministrar haces de tratamiento por debajo del eje de rotacion. La camilla del paciente se mueve y gira en un plano sustancialmente horizontal paralelo al eje de rotacion del portico. La camilla puede girar un radio 534 de aproximadamente 270 grados en el plano horizontal con esta configuracion. Esta combinacion de portico y radios de rotacion de paciente y grados de libertad permiten al terapeuta seleccionar virtualmente cualquier angulo de aproximacion para el haz. Si es necesario, el paciente puede colocarse en la camilla en la orientacion opuesta y, a continuacion, se pueden utilizar todos los angulos posibles.
En algunas implementaciones, el acelerador utiliza una configuracion de sincrociclotron que tiene una estructura electromagnetica superconductora de campo magnetico muy elevado. Debido a que el radio de curvatura de una partmula cargada de una energfa cinetica dada se reduce en proporcion directa a un incremento en el campo magnetico aplicado a la misma, la estructura magnetica superconductora de campo magnetico muy elevado permite que el acelerador se haga mas pequeno y ligero. El sincrociclotron utiliza un campo magnetico con angulo de rotacion uniforme y disminuye de intensidad con el aumento del radio. Tal forma de campo se puede lograr sin importar la magnitud del campo magnetico, por lo que en teona no hay lfmite superior para la intensidad del campo magnetico (y por lo tanto la energfa de partmula resultante en un radio fijo) que se puede usar en un sincrociclotron.
Los materiales superconductores pierden sus propiedades superconductoras en presencia de campos magneticos muy elevados. Los devanados de cable superconductores de alto rendimiento se utilizan para permitir que se logren campos magneticos muy elevados.
Los materiales superconductores normalmente necesitan ser enfriados a bajas temperaturas para que se obtengan sus propiedades superconductoras. En algunos ejemplos descritos aqrn, se utilizan crioenfriadores para llevar los devanados de bobina superconductores a temperaturas cercanas al cero absoluto. El uso de crioenfriadores puede reducir la complejidad y el costo.
El sincrociclotron esta soportado sobre el portico de modo que el haz se genera directamente en lmea con el paciente. El portico permite la rotacion del ciclotron alrededor de un eje de rotacion horizontal que contiene un punto (isocentro 540) dentro o cerca del paciente. La armadura dividida que es paralela al eje de rotacion, soporta el ciclotron por ambos lados.
Debido a que el radio de rotacion del portico es limitado, una zona de soporte de paciente puede adaptarse en una amplia zona alrededor del isocentro. Debido a que el suelo se puede extender ampliamente alrededor del isocentro, una mesa de soporte de paciente puede estar colocada para moverse con respecto a y girar alrededor de un eje vertical 542 a traves del isocentro de manera que, mediante una combinacion de rotacion del portico y movimiento y rotacion de la mesa, se puede conseguir cualquier angulo de direccion del haz en cualquier parte del paciente. Los dos brazos del portico estan separados mas del doble de la altura de un paciente alto, permitiendo que la camilla con el paciente gire y se traslade en un plano horizontal por encima del suelo elevado.
La limitacion del angulo de rotacion de portico permite una reduccion de espesor de al menos una de las paredes que rodean la sala de tratamiento. Las paredes gruesas, normalmente construidas de hormigon, proporcionan proteccion contra las radiaciones a las personas que estan fuera de la sala de tratamiento. Una pared aguas abajo de un haz de protones de parada puede tener aproximadamente el doble de grosor que una pared en el extremo opuesto de la sala para proporcionar un nivel de proteccion equivalente. La limitacion del radio de rotacion del portico permite ubicar la sala de tratamiento por debajo del nivel de tierra en tres lados, permitiendo al mismo tiempo que una zona ocupada adyacente a la pared mas delgada reduzca el costo de construccion de la sala de tratamiento.
Energfa variable
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En el ejemplo mostrado en la figura 2, el sincrociclotron superconductor 502 emite haces de partfculas que tienen una energfa variable. La gama de la energfa variable puede tener un lfmite superior que es de aproximadamente 200 MeV a aproximadamente 300 MeV o superior, por ejemplo, 200 MeV, aproximadamente 205 MeV, aproximadamente 210 MeV, aproximadamente 215 MeV, aproximadamente 220 MeV, aproximadamente 225 MeV, aproximadamente
230 MeV, aproximadamente 235 MeV, aproximadamente 240 MeV, aproximadamente 245 MeV, aproximadamente
250 MeV, aproximadamente 255 MeV, aproximadamente 260 MeV, aproximadamente 265 MeV, aproximadamente
270 MeV, aproximadamente 275 MeV, aproximadamente 280 MeV, aproximadamente 285 MeV, aproximadamente
290 MeV, aproximadamente 295 MeV o aproximadamente 300 MeV o superior. La gama tambien puede tener un lfmite inferior que es de aproximadamente 100 MeV o inferior a aproximadamente 200 MeV, por ejemplo, aproximadamente 100 MeV o inferior, aproximadamente 105 MeV, aproximadamente 110 MeV, aproximadamente 115 MeV, aproximadamente 120 MeV, aproximadamente 125 MeV, aproximadamente 130 MeV, aproximadamente
135 MeV, aproximadamente 140 MeV, aproximadamente 145 MeV, aproximadamente 150 MeV, aproximadamente
155 MeV, aproximadamente 160 MeV, aproximadamente 165 MeV, aproximadamente 170 MeV, aproximadamente
175 MeV, aproximadamente 180 MeV, aproximadamente 185 MeV, aproximadamente 190 MeV, aproximadamente
195 MeV, aproximadamente 200 MeV.
En algunas situaciones, la variacion es no continua y la etapa de variacion puede tener un tamano de aproximadamente 10 MeV o inferior, aproximadamente 15 MeV, aproximadamente 20 MeV, aproximadamente 25 MeV, aproximadamente 30 MeV, aproximadamente 35 MeV, aproximadamente 40 MeV, aproximadamente 45 MeV, aproximadamente 50 MeV, aproximadamente 55 MeV, aproximadamente 60 MeV, aproximadamente 65 MeV, aproximadamente 70 MeV, aproximadamente 75 MeV, o aproximadamente 80 MeV o superior. Variar la energfa un tamano de paso puede tardar no mas de 30 minutos, por ejemplo, alrededor de 25 minutos o menos, unos 20 minutos o menos, unos 15 minutos o menos, unos 10 minutos o menos, unos 5 minutos o menos, aproximadamente 1 minuto o menos, o unos 30 segundos o menos. En otras situaciones, la variacion es continua y el acelerador puede ajustar la energfa del haz de partfculas a una velocidad relativamente alta, por ejemplo, hasta alrededor de 50 MeV por segundo, hasta alrededor de 45 MeV por segundo, hasta alrededor de 40 MeV por segundo, hasta alrededor de 35 MeV por segundo, hasta alrededor de 30 MeV por segundo, hasta aproximadamente 25 MeV por segundo, hasta aproximadamente 20 MeV por segundo, hasta aproximadamente 15 MeV por segundo o hasta aproximadamente 10 MeV por segundo. El acelerador puede configurarse para ajustar la energfa de las partfculas tanto de forma continua como no continua. Por ejemplo, una combinacion de la variacion continua y no continua se puede utilizar en un tratamiento de un volumen diana o en tratamientos de diferentes volumenes diana. Puede lograrse una planificacion de tratamiento flexible y un tratamiento flexible.
El acelerador de partfculas que emite un haz de partfculas que tiene una energfa variable puede proporcionar precision en el tratamiento de irradiacion y reducir el numero de dispositivos adicionales (distintos del acelerador) para el tratamiento. Por ejemplo, puede reducirse o eliminarse el uso de degradadores para cambiar la energfa de un haz de partfculas emitido. Las propiedades del haz de partfculas, tales como la intensidad, el enfoque, etc. pueden controlarse en el acelerador de partfculas y el haz de partfculas puede alcanzar el volumen diana sin alterar sustancialmente los dispositivos adicionales. La tasa relativamente alta de variacion de la energfa del haz puede reducir el tiempo de tratamiento y permitir un uso eficiente del sistema de tratamiento.
Campo magnetico variable
El acelerador, tal como el sincrociclotron 502 de la figura 2, acelera partfculas o haces de partfculas a niveles de energfa variables mediante la variacion del campo magnetico en el acelerador, lo que se puede lograr mediante la variacion de la corriente electrica aplicada a bobinas para generar el campo magnetico. Tal como se muestra en las figuras 3, 4, 5, 6, y 7, un ejemplo de sincrociclotron 1010 (502 en la figura 2) incluye un sistema magnetico 1012 que contiene una fuente de partfculas 90, un sistema de accionamiento de radiofrecuencia 91 y un sistema de extraccion de haz 38. El campo magnetico establecido por el sistema magnetico 1012 puede variar de aproximadamente 5 % a aproximadamente 35 % de un valor maximo del campo magnetico que pueden generar dos conjuntos de bobinas 40a y 40b y 42a y 42b. El campo magnetico establecido por el sistema magnetico tiene una forma adecuada para mantener el enfoque de un haz de protones contenidos utilizando una combinacion de los dos conjuntos de bobinas y un par de caras de polo ferromagnetico perfiladas 44, 46 (por ejemplo, acero bajo en carbono).
Cada conjunto de bobinas es un par dividido de bobinas anulares para recibir corriente electrica. En algunas situaciones, los dos conjuntos de bobinas son superconductores. En otras situaciones, solo un conjunto de las bobinas es superconductor y el otro conjunto es no superconductor o conductor normal (tambien se analiza mas adelante). Tambien es posible que ambos conjuntos de bobinas sean no superconductores. Materiales superconductores adecuados para su uso en las bobinas incluyen niobio-3 estano (NbaSn) y / o niobio-titanio. Otros materiales conductores normales pueden incluir cobre. Mas adelante se describen ejemplos de construcciones de conjuntos de bobinas.
Los dos conjuntos de bobinas se pueden conectar electricamente en serie o en paralelo. En algunas implementaciones, la corriente electrica total recibida por los dos conjuntos de bobinas puede incluir de aproximadamente 2 millones de amperio-vueltas a aproximadamente 10 millones de amperio-vueltas, por ejemplo, de aproximadamente 2,5 a aproximadamente 7,5 millones de amperio-vueltas o de aproximadamente 3,75 millones de amperio-vueltas a aproximadamente 5 millones de amperio-vueltas. En algunas situaciones, un conjunto de
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bobinas esta configurado para recibir una parte fija (o constante) de la corriente electrica variable total, mientras que el otro conjunto de bobinas esta configurado para recibir una parte variable de la corriente electrica total. La corriente electrica total de los dos conjuntos de bobinas vana dependiendo de la variacion de la corriente en un conjunto de bobinas. En otras situaciones, la corriente electrica aplicada a ambos conjuntos de bobinas puede variar. La corriente total variable en los dos conjuntos de bobinas puede generar un campo magnetico que tiene una magnitud variable, que a su vez vana las trayectorias de aceleracion de las partfculas y produce partfculas que tienen energfas variables.
En general, la magnitud del campo magnetico generado por la bobina o bobinas se puede adaptar a la magnitud de la corriente electrica total aplicada a la bobina o bobinas. En base a la adaptacion, en algunas implementaciones, la variacion lineal de la intensidad de campo magnetico se puede lograr cambiando linealmente la corriente total de los conjuntos de bobinas. La corriente total se puede ajustar a una tasa relativamente alta que deriva en un ajuste de tasa relativamente alta del campo magnetico y la energfa del haz.
En el ejemplo mostrado en el cuadro 1, la relacion entre valores de la corriente y el campo magnetico en el centro geometrico de los anillos de bobina es: 1990:8,7 (aproximadamente 228,7:1); 1920:8,4 (aproximadamente 228,6:1); 1760:7,9 (aproximadamente 222,8:1). En consecuencia, el ajuste de la magnitud de la corriente total aplicada a una bobina o bobinas superconductoras puede ajustar proporcionalmente (en base a la relacion) la magnitud del campo magnetico.
La adaptacion del campo magnetico a la corriente electrica total en el ejemplo del cuadro 1 se muestra tambien en el grafico de la figura 8, donde Bz es el campo magnetico a lo largo de la direccion Z; y R es la distancia radial medida desde un centro geometrico de los anillos de bobina a lo largo de una direccion perpendicular a la direccion Z. El campo magnetico tiene el valor mas alto en el centro geometrico y disminuye a medida que aumenta la distancia R. Las curvas 1035, 1037 representan el campo magnetico generado por los mismos conjuntos de bobinas que reciben una corriente electrica total diferente: 1760 amperios y 1990 amperios, respectivamente. Las energfas correspondientes de las partfculas extrafdas son 211 MeV y 25 MeV, respectivamente. Las dos curvas 1035, 1037 tienen sustancialmente la misma forma y las diferentes partes de las curvas 1035, 1037 son sustancialmente paralelas. Como resultado de ello, ya sea la curva 1035 o la curva 1037 se puede desplazar linealmente para que coincida sustancialmente con la otra curva, lo que indica que el campo magnetico se puede adaptar a la corriente electrica total aplicada a los conjuntos de bobinas.
En algunas implementaciones, la adaptacion del campo magnetico a la corriente electrica total puede no ser perfecta. Por ejemplo, la relacion entre el campo magnetico y la corriente calculada en base al ejemplo que se muestra en el cuadro 1 no es constante. Ademas, como se muestra en la figura 8, el desplazamiento lineal de una curva no puede adaptarse perfectamente a la otra curva. En algunas implementaciones, la corriente total se aplica a los conjuntos de bobinas en el supuesto de una adaptacion perfecta. El campo magnetico diana (en el supuesto de una adaptacion perfecta) puede generarse alterando adicionalmente las caractensticas, por ejemplo, la geometna de las bobinas, para contrarrestar la imperfeccion en la adaptacion. Como ejemplo, se pueden insertar o retirar varillas de hierro de una o ambas piezas de polo. Las caractensticas de las bobinas pueden alterarse a una tasa relativamente alta de modo que la tasa de ajuste de campo magnetico no se vea afectada sustancialmente en comparacion con la situacion en la que la adaptacion es perfecta y solo es necesario ajustar la corriente electrica. En el ejemplo de las varillas de hierro, las varillas pueden anadirse o retirarse en la escala de tiempo de segundos o minutos, por ejemplo, 5 minutos, 1 minuto, menos de 30 segundos, o menos de 1 segundo.
En algunas implementaciones, ajustes del acelerador, tales como la corriente aplicada a los conjuntos de bobinas, pueden elegirse en base a la adaptacion sustancial del campo magnetico a la corriente electrica total en los conjuntos de bobinas.
Generalmente, para producir la corriente total que vana dentro de una gama deseada, se puede utilizar cualquier combinacion de corriente aplicada a los dos conjuntos de bobinas. En un ejemplo, el conjunto de bobinas 42a, 42b puede estar configurado para recibir una corriente electrica fija correspondiente a un lfmite inferior de una gama deseada del campo magnetico. En el ejemplo mostrado en el cuadro 1, la corriente electrica fija es de 1760 amperios. Ademas, el conjunto de bobinas 40a, 40b se puede configurar para recibir una corriente electrica variable que tenga un lfmite superior que corresponda a una diferencia entre un lfmite superior y un lfmite inferior de la gama deseada del campo magnetico. En el ejemplo mostrado en el cuadro 1, el conjunto de bobinas 40a, 40b esta configurado para recibir corriente electrica que vane entre 0 amperios y 230 amperios.
En otro ejemplo, el conjunto de bobinas 42a, 42b puede estar configurado para recibir una corriente electrica fija correspondiente a un lfmite superior de un rango deseado del campo magnetico. En el ejemplo mostrado en el cuadro 1, la corriente fija es de 1990 amperios. Ademas, el conjunto de bobinas 40a, 40b se puede configurar para recibir una corriente electrica variable que tenga un lfmite superior que corresponda a una diferencia entre un lfmite inferior y un lfmite superior del rango deseado del campo magnetico. En el ejemplo mostrado en el cuadro 1, el conjunto de bobinas 40a, 40b esta configurado para recibir corriente electrica que vane entre -230 amperios y 0 amperios.
El campo magnetico variable total generado por la corriente total variable para acelerar las partfculas puede tener una magnitud maxima mayor de 4 Tesla, por ejemplo, mayor de 5 Tesla, mayor de 6 Tesla, mayor de 7 Tesla, mayor
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de 8 Tesla, mayor de 9 Tesla o mayor de 10 Tesla, y hasta aproximadamente 20 Tesla o superior, por ejemplo, hasta aproximadamente 18 Tesla, hasta aproximadamente 15 Tesla o hasta aproximadamente 12 Tesla. En algunas implementaciones, la variacion de la corriente total en los conjuntos de bobinas puede variar el campo magnetico de aproximadamente 0,2 Tesla a aproximadamente 4,2 Tesla o mas, por ejemplo, aproximadamente 0,2 Tesla a aproximadamente 1,4 Tesla o aproximadamente 0,6 Tesla a aproximadamente 4,2 Tesla. En algunas situaciones, la cantidad de variacion del campo magnetico puede ser proporcional a la magnitud maxima.
Ademas, a una magnitud maxima dada del campo magnetico, la intensidad del campo magnetico es generalmente una funcion de la distancia de un centro geometrico del acelerador y puede verse afectada por la eleccion de la geometna de las bobinas 40a, 40b, 42a y 42b y de la forma y el material de los polos magneticos. Un ejemplo de la variacion de intensidad de campo magnetico como una funcion de la distancia se muestra en la figura 8.
Un ejemplo de la construccion de los dos conjuntos de bobinas se describe a continuacion. Los dos conjuntos de bobinas estan centrados en un eje comun 47 y estan separados a lo largo del eje. En el ejemplo mostrado en las figuras 9 y 10, los conjuntos de bobinas estan formadas de hebras superconductoras de 0,8 mm de diametro a base de NbaSn 48 (que al principio comprenden un nucleo de niobio-estano rodeado por una cubierta de cobre) desplegadas en una geometna de conductor de cable en canal enrollado. Despues de que siete hebras individuales sean cableadas juntas, son calentadas para producir una reaccion que forme el material superconductor final (fragil) del cable. Despues de que se ha hecho reaccionar el material, los cables se sueldan en el canal de cobre (dimensiones externas 3,18 * 2,54 mm y dimensiones internas 2,08 * 2,08 mm) y se cubren con un aislamiento 52 (en este ejemplo, un material de fibra de vidrio tejida). El canal de cobre que contiene los cables 53 se enrolla despues en dos conjuntos de bobinas, teniendo cada una una seccion transversal rectangular de 8,55 cm x 19,02 cm, que tiene 26 capas y 49 vueltas por capa. Los conjuntos de bobinas enrolladas se impregnan despues al vado con un compuesto epoxi 54. Los conjuntos de bobinas acabadas se montan en una bobina de acero inoxidable anular inversa 56. Mantas termicas 55 se colocan a intervalos en las capas de los devanados para proteger el conjunto en caso de una extincion magnetica.
Los conjuntos de bobinas enrolladas se impregnan despues al vacfo con un compuesto epoxi. Cada conjunto de bobinas completo se puede cubrir despues con laminas de cobre para proporcionar conductividad termica y estabilidad mecanica y a continuacion incluir en una capa adicional de epoxi. La precompresion de los conjuntos de bobinas se puede proporcionar mediante el enfriamiento del conjunto de bobinas a una temperatura baja y montando los conjuntos de bobinas dentro de la bobina inversa. El diametro interior de la bobina inversa se elige de modo que cuando toda la masa se enfna a 4 K, la bobina inversa permanece en contacto con los conjuntos de bobinas y proporciona una cierta compresion.
La geometna de los conjuntos de bobinas se mantiene mediante el montaje de los conjuntos de bobinas en el carrete rectangular inverso 56 para ejercer una fuerza de recuperacion 60 que funcione contra la fuerza de distorsion que se produce cuando se energizan las bobinas. Como se muestra en la figura 6, la posicion de los conjuntos de bobinas se mantiene con respecto al yugo magnetico y al criostato usando un conjunto de correas de soporte calidas a fnas 402, 404, 406. El soporte de la masa fna con correas delgadas reduce la fuga de calor impartido a la masa fna por el sistema de soporte ngido. Las correas estan dispuestas para soportar la fuerza de gravedad variable sobre los conjuntos de bobinas a medida que el iman gira alojado en el portico. Estas soportan los efectos combinados de la gravedad y de la gran fuerza de descentrado realizada por los conjuntos de bobinas cuando son desestabilizados desde una posicion perfectamente simetrica con respecto al yugo magnetico. Ademas, las conexiones actuan para reducir las fuerzas dinamicas impartidas en los conjuntos de bobinas a medida que el portico se acelera y desacelera cuando se cambia su posicion. Cada soporte calido a fno incluye una conexion de fibra de vidrio S2 y una conexion de fibra de carbono. La conexion de fibra de carbono es soportada a traves de pasadores entre el yugo calido y una temperatura intermedia (50-70 K), y la conexion de fibra de vidrio S2 408 es soportada a traves del pasador de temperatura intermedia y un pasador fijado a la masa fna. Cada conexion mide 5 cm de largo (centro de pasador a centro de pasador) por 17 mm de ancho. El espesor de conexion es de 9 mm. Cada pasador esta hecho de acero inoxidable de alta resistencia y mide 40 mm de diametro.
Las principales bobinas superconductoras se mantienen a temperaturas cercanas al cero absoluto (por ejemplo, de alrededor de 4 grados Kelvin) encerrando el conjunto de bobinas (las bobinas y la estructura de soporte) en el interior de una camara criostatica de acero inoxidable o aluminio anular evacuada que proporciona al menos algo de espacio libre alrededor de la estructura de bobina. En algunas implementaciones, la temperatura cercana el cero absoluto se logra y se mantiene usando un canal de enfriamiento (no mostrado) que contiene helio lfquido, que se forma dentro de la estructura de soporte y que contiene una conexion termica entre el helio lfquido en el canal y la bobina superconductora correspondiente. Un ejemplo de un sistema de enfriamiento de helio lfquido del tipo descrito anteriormente, y que se pueden utilizar, se describe en la solicitud de patente US 13/148.000 (de Begg et al.).
Como ejemplo, los conjuntos de bobinas se mantienen a temperaturas cercanas al cero absoluto (por ejemplo, de alrededor de 4 grados Kelvin) encerrando el conjunto de bobinas (las bobinas y el carrete) en el interior de una camara criostatica de acero inoxidable o aluminio anular evacuada 70 que proporciona un espacio libre alrededor de la estructura de bobina, excepto en un conjunto limitado de puntos de soporte 71, 73.
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En algunas implementaciones, la temperatura cercana al cero absoluto se alcanza y se mantiene utilizando un criorenfriador de Gifford-McMahon de una sola etapa y tres criorenfriadores de Gifford McMahon de dos etapas. Cada criorenfriador de dos etapas tiene un extremo fno de segunda etapa fijado a un condensador que recondensa vapor de helio en helio lfquido. A las cabezas de criorenfriador se les suministra helio comprimido desde un compresor. El crioenfriador de Gifford-McMahon de una sola etapa, esta dispuesto para enfriar cables a temperatura alta (por ejemplo, 50-70 grados Kelvin) que alimentan corriente a los devanados superconductores.
En algunas implementaciones, la temperatura cercana al cero absoluto se consigue y se mantiene usando dos crioenfriadores de Gifford-McMahon 72, 74 que estan dispuestos en diferentes posiciones en el conjunto de bobinas. Cada criorenfriador tiene un extremo fno 76 en contacto con el conjunto de bobinas. A las cabezas de criorenfriador 78 se les suministra helio comprimido desde un compresor 80. Otros dos crioenfriadores de Gifford-McMahon 77, 79 estan dispuestos para enfriar cables a temperatura alta (por ejemplo, 60-80 grados Kelvin) que alimentan corriente a los devanados superconductores.
El conjunto de bobinas y la camara criostatica se montan dentro de y completamente cerrados por dos mitades 81, 83 de un yugo magnetico en forma de pastillero 82. En este ejemplo, el diametro interior del conjunto de bobinas es de unos 74,6 cm. El yugo de hierro 82 proporciona una trayectoria para el flujo de campo magnetico de retorno 84 y protege magneticamente el volumen 86 entre las caras de polo 44, 46 para evitar que influencias magneticas externas perturben la forma del campo magnetico dentro de ese volumen. El yugo tambien sirve para disminuir el campo magnetico de dispersion en el entorno del acelerador.
Aunque se muestran dos conjuntos de bobinas, el acelerador puede incluir alternativamente un conjunto de bobinas o mas de dos conjuntos de bobinas. En la situacion en la que solo se utiliza un conjunto de bobinas, el conjunto de bobinas esta configurado para recibir una corriente electrica variable para variar el campo magnetico. En las situaciones en las que se utilizan mas de dos conjuntos de bobinas, uno o mas de los conjuntos de bobinas estan configurados para recibir una corriente electrica variable para variar el campo magnetico.
Uno, dos, o mas conjuntos de bobinas pueden construirse de manera similar a las construcciones mostradas en las figuras 9 y 10. Aunque se describe que los dos conjuntos de bobinas tienen el mismo radio y construccion (por ejemplo, numero de capas y vueltas, materiales, etc.), pueden tener diferentes caractensticas. En algunas implementaciones, los diferentes conjuntos de bobinas se construyen en base a la necesidad de recibir corriente electrica diferente.
Ademas de ser variable, el campo magnetico en el acelerador tiene que tener ciertas propiedades para mantener el haz de partmulas dentro de la camara a medida que acelera. El mdice de campo magnetico n, que se muestra a continuacion,
n = - (r/B) dB/dr,
debe mantenerse positivo para mantener este enfoque "debil". Aqrn r es el radio del haz y B es el campo magnetico. Ademas, el mdice de campo debe mantenerse por debajo de 0,2, ya que en este valor la periodicidad de las oscilaciones radiales y las oscilaciones verticales del haz coinciden en una resonancia vr = 2 vz. Las frecuencias betatron se definen mediante vr = (1-n) A y vz = n1/2. Los polos son ferromagneticos y las caras de polo ferromagnetico estan disenadas para dar forma al campo magnetico generado por las bobinas, de modo que el mdice de campo n se mantiene positivo y con un diametro menor inferior a 0,2 compatible con un haz de 250 MeV en el campo magnetico dado.
El enfoque debil del mdice de campo magnetico puede facilitar la variacion de la energfa del haz de partmulas en base a la variacion del campo magnetico. A medida que se cambia el campo magnetico, de forma continua o en etapas, cambiando la corriente electrica total aplicada a los conjuntos de bobinas, el enfoque axial del campo magnetico se cambia en consecuencia. En algunas implementaciones, se pueden utilizar imanes de direccion (no se muestran) para dirigir el campo magnetico para corregir los posibles errores de puntena causados por la variacion del campo.
Los campos magneticos de dispersion que salen del acelerador estan limitados tanto por el yugo magnetico 46a, 46b (que tambien sirve de blindaje) como por el blindaje magnetico independiente adicional (no se muestra).
En algunas implementaciones, el yugo de retorno y el blindaje pueden ser reemplazados por, o aumentados mediante, un sistema de retorno activo. Un ejemplo de sistema de retorno activo incluye una o mas bobinas de retorno activo que conducen corriente en una direccion opuesta a la corriente que pasa a traves de las principales bobinas superconductoras. En algunas implementaciones ejemplares, hay una bobina de retorno activo para cada bobina superconductora, por ejemplo, dos bobinas de retorno activo, una para cada bobina superconductora (denominada bobina "principal"). Cada bobina de retorno activo tambien puede ser una bobina superconductora que rodee el exterior de una bobina superconductora principal correspondiente.
La corriente pasa a traves de las bobinas de retorno activo en una direccion que es opuesta a la direccion de la corriente que pasa a traves de las bobinas principales. La corriente que pasa a traves de las bobinas de retorno activo genera de ese modo un campo magnetico que es de polaridad opuesta al campo magnetico generado por las
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bobinas principales. Como resultado de ello, el campo magnetico generado por una bobina de retorno activo puede disipar al menos parte del campo magnetico de dispersion relativamente fuerte que resulta de la bobina principal correspondiente. En algunas implementaciones, cada retorno activo puede ser utilizado para generar un campo magnetico de entre 2,5 T y 12 T o mas. Un ejemplo de un sistema de retorno activo que puede usarse se describe en la solicitud de patente US 13/907.601, presentada el 31 de mayo de 2013, cuyo contenido se incorpora en el presente documento como referencia.
Tal como se muestra en las figuras 4 y 11, el sincrociclotron incluye una fuente de partfculas 90 con una geometna de medidor de iones de Penning situada cerca del centro geometrico 92 de la estructura magnetica 82. La fuente de partmulas puede ser como se describe a continuacion, o la fuente de partfculas puede ser del tipo descrito en la solicitud de patente US 11/948.662 incorporada en el presente documento como referencia.
La fuente de partfculas 90 es alimentada desde un alimentador 99 de hidrogeno a traves de una lmea de gas 101 y un tubo 194 que suministra hidrogeno gaseoso. Unos cables electricos 94 llevan corriente electrica desde una fuente de corriente 95 para estimular la descarga de electrones desde catodos 192, 190 que estan alineados con el campo magnetico 200.
En este ejemplo, los electrones descargados ionizan el gas que sale a traves de un pequeno agujero del tubo 194 para crear un suministro de iones positivos (protones) para su aceleracion mediante una placa de radiofrecuencia semicircular (en forma de de) 100 que se extiende la mitad del espacio encerrado por la estructura magnetica, y una placa de ficticia 102. En el caso de una fuente de partmulas interrumpidas (un ejemplo de la cual se describe en la solicitud de patente US 11/948.662), todo (o una parte sustancial) el tubo que contiene el plasma se retira en la region de aceleracion, lo que permite que los iones se aceleren mas rapidamente en un campo magnetico relativamente alto.
Gamas de frecuencia RF
Tal como se muestra en la figura 12, la placa de 100 es una estructura metalica hueca que tiene dos superficies semicirculares 103, 105 que encierran un espacio 107 en el que los protones se aceleran durante la mitad de su rotacion alrededor del espacio encerrado por la estructura magnetica. Un conducto 109 que se abre al espacio 107 se extiende a traves del yugo hasta un emplazamiento externo en el que se puede fijar una bomba de vado 111 para evacuar el espacio 107 y el resto del espacio dentro de una camara de vacm 119 en la que tiene lugar la aceleracion. El elemento ficticio 102 comprende un anillo metalico rectangular que esta separado y cerca del borde expuesto de la placa de. La de ficticia tiene como base la camara de vacfo y el yugo magnetico. La placa de 100 es accionada por una senal de radiofrecuencia que se aplica al final de una lmea de transmision de radiofrecuencia para impartir un campo electrico en el espacio 107. El campo electrico de radiofrecuencia se hace variar en el tiempo a medida que el haz de partmulas aceleradas aumenta de distancia desde el centro geometrico. Ejemplos de generadores de forma de onda de radiofrecuencia que son utiles para este proposito se describen en la solicitud de patente US 11/187,633, titulada "Programmable Radio Frequency Waveform Generator for a Synchrocyclotron", presentada el 21 de julio de 2005, y en la solicitud provisional US 60/590.089, con el mismo tttulo, presentada el 21 de julio de 2004, ambas incorporadas en el presente documento como referencia. El campo electrico de radiofrecuencia puede controlarse en el modo descrito en la solicitud de patente US 11/948.359, titulada "Matching A Resonant Frequency Of A Resonant Cavity To A Frequency Of An Input Voltage", cuyo contenido se incorpora en el presente documento como referencia.
Para el haz que emerge de la fuente de partmulas situada en el centro para despejar la estructura de fuente de partmulas a medida que empieza a girar hacia fuera, se requiere una gran diferencia de tension a traves de las placas de radiofrecuencia. En algunas versiones pueden aplicarse de 5.000 a 20.000 voltios a traves de las placas de radiofrecuencia. Para reducir la potencia necesaria para accionar esta gran tension, la estructura magnetica esta dispuesta para reducir la capacitancia entre las placas de radiofrecuencia y la masa. Esto se hace creando espacio suficiente desde las estructuras de radiofrecuencia a traves del yugo externo y del alojamiento de criostato y creando suficiente espacio entre las caras de polo magnetico.
El potencial alterno de alta tension que acciona la placa de tiene una frecuencia que es barrida hacia abajo durante el ciclo de aceleracion para justificar el aumento de masa relativista de los protones y el descenso del campo magnetico. Se puede hacer un barrido de la tension sobre una gama de frecuencias en ciclos, y cada ciclo puede corresponder al ciclo de aceleracion de las partmulas en el acelerador. En algunas implementaciones, el acelerador es un sincrociclotron y los haces de partmulas emitidos desde el acelerador tienen forma de racimos de partmulas pulsadas. Cada racimo de partmulas puede ser acelerado dentro de un ciclo de aceleracion y el ciclo de barrido de RF puede ser el mismo que el ciclo en el que se producen o extraen los racimos de partmulas.
La de ficticia no requiere una estructura semicilmdrica hueca ya que esta al potencial de tierra junto con las paredes de camara de vacfo. Se podnan usar otras disposiciones de placa, tales como mas de un par de electrodos de aceleracion accionados con diferentes etapas electricas o multiplos de la frecuencia fundamental. La estructura RF se puede sintonizar para mantener la coincidencia de resonancia correcta durante el barrido de frecuencia requerido utilizando, por ejemplo, un condensador giratorio que tenga cuchillas giratorias y fijas de engranaje. Durante cada engranaje de las cuchillas, la capacitancia aumenta, disminuyendo asf la frecuencia de resonancia de la estructura
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RF. Las cuchillas se pueden conformar para crear un barrido de frecuencia preciso requerido. Un racimo de partfculas se acelera durante cada engranaje de las cuchillas del condensador giratorio.
La gama de frecuencias RF en la que la alta tension en la placa de 100 barre esta relacionada con la energfa de haz y diferentes energfas de haz corresponden a diferentes gamas RF. En consecuencia, a medida que la energfa de haz vana en el acelerador, cambia la gama RF correspondiente sobre la que la tension barre en ciclos. Se pueden seleccionar diferentes gamas de frecuencias RF en base a las gamas de energfa de haz. En algunas implementaciones, para adaptar las gamas de la variacion de energfa, la gama de frecuencias RF tiene un lfmite inferior que vana entre aproximadamente 40 MHz y aproximadamente 250 MHz y un lfmite superior que vana entre aproximadamente 56 MHz y aproximadamente 340 MHz. Por ejemplo, el lfmite inferior puede variar entre aproximadamente 73 MHz y aproximadamente 150 MHz y el lfmite superior puede variar entre aproximadamente 131 MHz y aproximadamente 196 MHz. En el ejemplo mostrado en el cuadro 1, la gama de frecuencias RF es de 99 MHz a 132 MHz para una energfa de haz de 250 MeV, de 97 MHz a 128 MHz para una energfa de haz de 235 MeV y de 93 MHz a 120 MHz para una energfa de haz de 211 MeV.
La figura 13 muestra una estructura RF ejemplar para hacer un barrido de la tension en la placa de 100 sobre una gama de frecuencias RF para cada nivel de energfa del haz de partfculas y para variar la gama de frecuencias cuando se vana la energfa de haz de partfculas. Las superficies semicirculares 103, 105 de la placa de 100 estan conectadas a un conductor interno 1300 y alojadas en un conductor externo 1302. La alta tension se aplica a la placa de 100 desde una fuente de alimentacion (no mostrada, por ejemplo, una entrada de tension oscilante) a traves de un dispositivo de acoplamiento de potencia 1304 que acopla la fuente de alimentacion al conductor interno. En algunas implementaciones, el dispositivo de acoplamiento 1304 esta situado en el conductor interno 1300 para proporcionar transferencia de potencia desde la fuente de alimentacion a la placa de 100. Ademas, la placa de 100 esta acoplada a elementos reactivos variables 1306, 1308 para realizar el barrido de frecuencias RF para cada nivel de energfa de partfcula y para cambiar la gama de frecuencias RF para diferentes niveles de energfa de partfcula.
En particular, el elemento reactivo variable 1306 puede ser un condensador giratorio que tenga multiples cuchillas 1310 giratorias gracias a un motor (no mostrado). Al engranarse o desengranarse las cuchillas 1310 durante cada ciclo de barrido RF, cambia la capacitancia de la estructura RF, que a su vez cambia la frecuencia de resonancia de la estructura RF. En algunas implementaciones, durante cada cuarto de ciclo del motor, las cuchillas 1310 engranan entre sf. La capacitancia de la estructura RF aumenta y la frecuencia de resonancia disminuye. El proceso se invierte cuando las cuchillas 1310 se desengranan. Como resultado de ello, la potencia requerida para generar la alta tension aplicada a la placa de 103 y necesaria para acelerar el haz puede ser reducida un factor grande. En algunas implementaciones, la forma de las cuchillas 1310 se mecaniza para formar la dependencia requerida de la frecuencia de resonancia puntualmente.
La rotacion de las cuchillas puede sincronizarse con la generacion de frecuencia RF. Al variar el factor Q de la cavidad RF, la frecuencia de resonancia de la estructura RF se mantiene proxima a la frecuencia del potencial de tension alterno aplicado a la placa de 103 (la de ficticia esta conectada a tierra y no se muestra en la figura 13).
El elemento reactivo variable 1308 puede ser un condensador formado por una placa 1312 y una superficie 1316 del conductor interno 1300. La placa 1312 se puede mover a lo largo de una direccion 1314 hacia o en direccion opuesta a la superficie 1316. La capacitancia del condensador cambia a medida que cambia la distancia D entre la placa 1312 y la superficie 1316. Para cada gama de frecuencias en la que se va a realizar un barrido para una energfa de partfcula, la distancia D esta en un valor establecido, y para cambiar la gama de frecuencias, la placa 1312 se mueve en correspondencia con el cambio de la energfa del haz emitido.
En algunas implementaciones, los conductores interno y externo 1300, 1302 estan formados de un material metalico, tal como cobre, aluminio o plata. Las cuchillas 1310 y la placa 1312 tambien pueden estar formadas de los mismos materiales metalicos que los conductores 1300, 1302 o diferentes. El dispositivo de acoplamiento 1304 puede ser un conductor electrico. Los elementos reactivos variables 1306, 1308 pueden tener otras formas y pueden acoplarse a la placa de 100 de otras maneras para realizar el barrido de frecuencia RF y alterar la gama de frecuencias. En algunas implementaciones, se puede configurar un solo elemento reactivo variable para realizar las funciones de ambos elementos reactivos variables 1306, 1308. En otras implementaciones, pueden usarse mas de dos elementos reactivos variables.
Aceleracion y extraccion de haz
La camara de vacfo 119 en la que tiene lugar la aceleracion es un recipiente generalmente cilmdrico. La camara de vacfo encierra las placas RF y la fuente de partfculas y es evacuada por la bomba de vacfo 111. El mantenimiento de un alto vacfo asegura que los iones de aceleracion no se pierdan en las colisiones con moleculas de gas y permite mantener la tension RF en un nivel mas alto sin arcos electricos.
Los protones atraviesan una trayectoria orbital generalmente espiral que comienza en la fuente de partfculas. En la mitad de cada bucle de la trayectoria espiral, los protones ganan energfa a medida que pasan a traves del campo electrico RF en el espacio 107. A medida que los iones ganan energfa, el radio de la orbita central de cada bucle sucesivo de su recorrido espiral es mayor que el bucle anterior hasta que el radio de bucle alcance el radio maximo de la cara de polo. En ese lugar, una perturbacion de campo magnetico y electrico dirige iones hacia una zona en la
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que el campo magnetico disminuye rapidamente y los iones salen de la zona del campo magnetico alto y son dirigidos a traves de un tubo evacuado 38, denominado en este documento canal de extraccion, para salir del yugo del ciclotron. Se puede usar un regenerador magnetico para cambiar la perturbacion del campo magnetico para dirigir los iones. Los iones que salen del ciclotron tienden a dispersarse a medida que entran en la zona de campo magnetico marcadamente disminuida que existe en la sala alrededor del ciclotron. Los elementos de conformacion de haz 107, 109 en el canal de extraccion 38 redirigen los iones de modo que permanezcan en un haz recto de extension espacial limitada.
Cuando el haz sale del canal de extraccion, pasa a traves de un sistema de formacion de haz 125 (figura 6) que se puede controlar de forma programable para crear una combinacion deseada de angulo de dispersion y modulacion de rango para el haz. Ejemplos de sistemas de formacion de haz utiles para este fin se describen en la solicitud de patente US 10/949.734, titulada "A Programmable Particle Scatterer for Radiation Therapy Beam Formation", presentada el 24 de septiembre de 2004, y la solicitud provisional US 60/590.088, presentada el 21 de julio de 2005, ambas incorporadas en el presente documento como referencia. El sistema de formacion de haz 125 puede usarse junto con un portico interior 601, que se describe mas adelante, para dirigir un haz al paciente. El sistema de formacion de haz 125 tambien puede ser un sistema de escaneo.
Durante el funcionamiento, las placas de absorben energfa del campo de radiofrecuencia aplicado como resultado de la resistencia conductora a lo largo de las superficies de las placas. Esta energfa aparece como calor y se retira de las placas usando lmeas de enfriamiento por agua 108 que liberan el calor en un intercambiador de calor 113 (figura 4).
Los campos magneticos de dispersion que salen del ciclotron estan limitados tanto por el yugo magnetico en forma de pastillero (que tambien sirve como blindaje) como por un blindaje magnetico independiente 114. El blindaje magnetico independiente incluye una capa 117 de material ferromagnetico (por ejemplo, acero o hierro) que encierra el yugo en forma de pastillero, separado un espacio 116. Esta configuracion que incluye un emparedado de un yugo, un espacio y un blindaje consigue un blindaje adecuado para un campo magnetico de fuga dado con un peso menor.
Como ya se ha mencionado, el portico permite que el sincrociclotron sea girado alrededor del eje de rotacion horizontal 532. La estructura de armadura 516 tiene dos tramos 580, 582 generalmente paralelos. El sincrociclotron esta soportado entre los tramos aproximadamente a mitad de camino entre las patas. El portico esta equilibrado para girar alrededor de los cojinetes utilizando contrapesos 122, 124 montados en extremos de las patas opuestas a la armadura.
El portico es accionado para girar gracias a un motor electrico montado en una o ambas patas del portico y esta conectado a los alojamientos de cojinete mediante engranajes de accionamiento. La posicion de rotacion del portico se obtiene a partir de senales proporcionadas por codificadores de angulo de eje incorporados en los motores de accionamiento de portico y los engranajes de accionamiento.
En el lugar en el que el haz de iones sale del ciclotron, el sistema de formacion de haz 125 actua sobre el haz de iones para proporcionarle propiedades adecuadas para el tratamiento del paciente. Por ejemplo, el haz puede extenderse y su profundidad de penetracion puede variarse para proporcionar una radiacion uniforme a traves de un volumen diana dado. El sistema de formacion de haz puede incluir elementos de dispersion pasiva, asf como elementos de escaneo activo.
Tal como se muestra en las figuras 2, 14 y 15, los cojinetes de portico estan soportados por las paredes de una boveda de ciclotron 524. El portico permite que el ciclotron oscile en una gama 520 de 180 grados (o mas) incluyendo posiciones por encima, al lado y por debajo del paciente. La boveda es lo suficientemente alta como para despejar el portico en los extremos superior e inferior de su movimiento. Un laberinto 146 flanqueado por paredes 148, 150 proporciona una ruta de entrada y salida para terapeutas y pacientes. Debido a que al menos una pared 152 no esta nunca en lmea con el haz de protones directamente desde el ciclotron, puede hacerse relativamente delgada y seguir todavfa realizando su funcion de blindaje. Las otras tres paredes laterales 154, 156, 150/148 de la sala, que pueden necesitar estar mas blindadas, pueden ser enterradas dentro de una colina de tierra (no mostrada). El espesor requerido de las paredes 154, 156 y 158 puede reducirse ya que la propia tierra puede proporcionar parte del blindaje necesario.
Refiriendonos a las figuras 15 y 16, por razones de seguridad y de estetica, se puede construir una sala de terapia 160 dentro de la boveda. La sala de terapia esta en voladizo desde las paredes 154, 156, 150 y la base 162 de la sala de contencion en el espacio entre las patas del portico en un modo que despeja el portico oscilante y tambien maximiza la extension del espacio de suelo 164 de la sala de terapia. El mantenimiento periodico del acelerador puede realizarse en el espacio por debajo del suelo elevado. Cuando el acelerador es girado a la posicion hacia la posicion inferior en el portico, es posible acceder completamente al acelerador en un espacio separado de la zona de tratamiento. Fuentes de alimentacion, equipos de enfriamiento, bombas de vacfo y otros equipos de soporte se pueden colocar debajo del suelo elevado en este espacio separado. Dentro de la sala de tratamiento, el soporte de paciente 170 puede montarse de diferentes maneras que permitan que el soporte sea elevado y bajado y que el paciente sea girado y movido a diferentes posiciones y orientaciones.
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En el sistema 602 de la figura 17, un acelerador de partfculas de produccion de haz, en este caso el sincrociclotron 604, esta montado sobre el portico giratorio 605. El portico giratorio 605 es del tipo descrito aqm, y puede girar angularmente alrededor del soporte de paciente 606. Esta caractenstica permite que el sincrociclotron 604 proporcione un haz de partfculas directamente al paciente desde varios angulos. Por ejemplo, como en la figura 17, si el sincrociclotron 604 esta por encima del soporte de paciente 606, el haz de partfculas puede dirigirse hacia abajo, hacia el paciente. Alternativamente, si el sincrociclotron 604 esta por debajo del soporte de paciente 606, el haz de partfculas puede dirigirse hacia arriba, hacia el paciente. El haz de partfculas se aplica directamente al paciente en el sentido de que no se requiere un mecanismo de encaminamiento de haz intermedio. Un mecanismo de encaminamiento, en este contexto, es diferente de un mecanismo de conformacion o dimensionamiento en que un mecanismo de conformacion o dimensionamiento no reencamina el haz, sino que mas bien dimensiona y / o conforma el haz manteniendo la misma trayectoria general del haz.
Todos los sistemas activos del acelerador, tales como un sincrociclotron (por ejemplo, las bobinas superconductoras accionadas por corriente, las placas accionadas por RF, las bombas de vado para la camara de aceleracion de vado y para la camara de enfriamiento de bobina superconductora, la fuente de partfculas accionada por corriente, la fuente de gas de hidrogeno y los enfriadores de placa de RF), son controlados con electronica de control adecuada (no mostrada), que puede incluir, por ejemplo, uno o mas ordenadores programados con programas adecuados para efectuar el control.
El control del portico, del soporte de paciente, de los elementos de conformacion de haz activo y del acelerador para realizar una sesion de terapia se consigue mediante una electronica de control de terapia adecuada (no mostrada).
El sistema de radioterapia descrito en este ejemplo se utiliza para terapia de radiacion de protones, aunque pueden aplicarse los mismos principios y detalles en sistemas analogos para su uso en sistemas de tratamiento de iones pesados (ion).
La fuente de partfculas puede ser del tipo descrito en la solicitud de patente US 11/948.662. Ejemplos de generadores de forma de onda de radiofrecuencia que son utiles para este proposito se describen en la solicitud de patente US 11/187. 633, titulada " A Programmable Radio Frequency Waveform Generator for a Synchrocyclotron", presentada el 21 de julio de 2005, y en la solicitud provisional Us 60/590.089, con el mismo tttulo, presentada el 21 de julio de 2004. El campo electrico de radiofrecuencia puede controlarse en el modo descrito en la solicitud de patente US 11/948.359, titulada " Matching A Resonant Frequency Of A Resonant Cavity To A Frequency Of An Input Voltage".
Se pueden encontrar mas detalles referentes al sistema anterior en el documento de patente US 7.728.311, presentado el 16 de noviembre de 2006 y titulado " Charged Particle Radiation Therapy", y en la solicitud de patente US 12/275.103, presentada el 20 de noviembre de 2008 y titulada "Inner Gantry".
Dos o mas de las implementaciones anteriores pueden usarse en una combinacion adecuada en un acelerador de partfculas adecuado (por ejemplo, un sincrociclotron). Del mismo modo, las caractensticas individuales de cualquiera de dos de las implementaciones anteriores pueden usarse en una combinacion adecuada. Las subsecciones y sus respectivos tttulos se utilizan para facilitar la lectura y la comprension de la descripcion. Los tttulos de las subsecciones no cubren ni limitan la interpretacion de los contenidos de las respectivas subsecciones. Los contenidos de las subsecciones no son individuales o independientes entre sf. En su lugar, se pueden hacer cualesquiera combinaciones adecuadas de caractensticas de diferentes subsecciones.
Los elementos de implementaciones diferentes descritos aqm pueden combinarse para formar otras implementaciones no espedficas explicadas anteriormente. Los elementos pueden quedar fuera de los procesos, sistemas, aparatos, etc., descritos aqm sin afectar de manera adversa a su funcionamiento. Varios elementos individuales pueden combinarse en uno o mas elementos individuales para realizar las funciones descritas en el presente documento.
Las implementaciones ejemplares descritas en el presente documento no estan limitadas a su uso con un sistema de terapia de partfculas o a su uso con los sistemas de terapia de partfculas ejemplares descritos en el presente documento. Mas bien, las implementaciones ejemplares se pueden usar en cualquier sistema adecuado que dirige partfculas aceleradas a una salida.
Otra informacion relativa al diseno del acelerador de partfculas descrito en el presente documento se puede encontrar en la solicitud provisional US 60/760.788, titulada "High-Field Superconducting Sincrociclotron" presentada el 20 de enero de 2006; la solicitud de patente US 11/463.402, titulada " Magnet Structure For Particle Acceleration" presentada el 9 de agosto de 2006; y la solicitud provisional US 60/850.565, titulada "Cryogenic Vacuum Break Pneumatic Thermal Coupler" presentada el 10 de octubre de 2006.
Las siguientes solicitudes, que fueron presentadas el 28 de septiembre de 2012.
Cualquier caractenstica de la solicitud objeto puede combinarse con una o mas caractensticas adecuadas de las siguientes: la solicitud provisional US titulada "CONTROLLING INTENSITY OF A PARTICLE BEAM" (Solicitud 61/707.466), la solicitud provisional US titulada " ADJUSTING ENERGY OF A PARTICLE BEAM" (Solicitud
61/707.515), la solicitud provisional US titulada "ADJUSTING COIL POSITION" (Solicitud 61/707.548), la solicitud provisional US titulada "FOCUSING A PARTICLE BEAM USING MAGNETIC FIELD FLUTTER (Solicitud 61/707,572), la solicitud provisional titulada “MAGNETIC FIELD REGENERATOR” (solicitud 61/707.590), la solicitud provisional US titulada "FOCUSING A PARTICLE BEAM" (solicitud 61/707.704), la solicitud provisional US titulada 5 "CONTROLLING PARTICLE THERAPY" (Solicitud 61/707.624) y la solicitud provisional US titulada "CONTROL SYSTEM FOR A PARTICLE ACCELERATOR" (solicitud 61/707.645), la patente US 7.728.311, concedida el 1 de junio de 2010, la solicitud de patente US 11/948.359 que fue presentada el 30 de noviembre de 2007, la solicitud de patente US 12/ 275.103 que fue presentada el 20 de noviembre de 2008, la solicitud de patente US 11/948.662 que fue presentada el 30 de noviembre de 2007, la solicitud provisional US 60/991.454 que fue presentada el 30 de 10 noviembre de 2007, la patente US 8.003.964 que fue concedida el 23 de agosto de 2011, la patente US 7.208.748, que fue concedida el 24 de abril de 2007, la patente US 7.402.963, que fue concedida el 22 de julio de 2008, la solicitud de patente US 13/148.000 presentada el 9 de febrero de 2010 y la solicitud de patente US 11/ 937.573 presentada el 9 de noviembre de 2007.

Claims (13)

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    REIVINDICACIONES
    1. Sincrociclotron que comprende: una fuente de partfculas (90);
    una bobina para recibir una corriente electrica que tiene un valor de entre multiples valores y para generar un campo magnetico correspondiente a la corriente electrica;
    al menos una pieza de polo magnetico que define una cavidad en la que se aceleran partfculas procedentes de la fuente de partfculas (90), comprendiendo la al menos una pieza de polo magnetico material ferromagnetico;
    una fuente de tension para proporcionar una tension de radiofrecuencia (RF) a la cavidad para acelerar partfculas procedentes de la fuente de partfculas, estando la fuente de tension configurada para hacer un barrido de la tension RF sobre una gama de frecuencias en un ciclo;
    el campo magnetico para hacer que las partfculas se muevan orbitalmente dentro de la cavidad con una energfa que corresponda a la corriente electrica, siendo el campo magnetico de al menos 4 Tesla; y
    un canal de extraccion (38) para recibir las partfculas y para emitir las partfculas recibidas desde la cavidad, teniendo las partfculas que son emitidas desde la cavidad una energfa que corresponde a la corriente electrica;
    en el que la energfa de las partfculas que son emitidas desde la cavidad es variable en una gama comprendida entre aproximadamente 100 MeV y aproximadamente 300 MeV;
    caracterizado por que el sincronociclotron esta configurado para permitir el ajuste de la corriente electrica a un valor de entre multiples valores, correspondiendo cada valor de los multiples valores a una energfa diferente a la que las partfculas son emitidas desde la cavidad;
    en el que la fuente de tension esta configurada para hacer un barrido de la tension RF sobre diferentes gamas de frecuencias, correspondiendo cada gama de frecuencias diferente a la energfa diferente a la que son emitidas las partfculas desde la cavidad.
  2. 2. Sincrociclotron segun la reivindicacion 1, en el que el campo magnetico puede ademas ajustarse de manera correspondiente a la corriente electrica alterando una geometna de la bobina o introduciendo o retirando varillas de hierro de la al menos una pieza de polo magnetico.
  3. 3. Sincrociclotron segun la reivindicacion 1 o 2, en el que la corriente electrica comprende una parte fija y una parte variable, y la parte variable de la corriente electrica es variable dentro de una gama para hacer que el campo magnetico en un radio de extraccion del sincrociclotron cambie entre aproximadamente 5 % y 35 % de un valor maximo en el radio de extraccion.
  4. 4. Sincrociclotron segun la reivindicacion 3, en el que el campo magnetico en el radio de extraccion puede cambiarse entre aproximadamente 0,2 Tesla y aproximadamente 1,4 Tesla.
  5. 5. Sincrociclotron segun la reivindicacion 3, en el que el campo magnetico en el radio de extraccion se puede cambiar entre aproximadamente 0,6 y aproximadamente 4,2 Tesla.
  6. 6. Sincrociclotron segun la reivindicacion 1 o 2, en el que la bobina comprende un primer conjunto de bobinas y un segundo conjunto de bobinas, estando configurado el primer conjunto para recibir una parte fija de la corriente electrica y estando configurado el segundo conjunto para recibir una parte variable de la corriente electrica.
  7. 7. Sincrociclotron segun la reivindicacion 1, en el que la bobina comprende uno o mas conjuntos de bobinas, y al menos un conjunto de bobinas es superconductor y comprende entre 2 y 10 millones de amperio-vueltas.
  8. 8. Sincrociclotron segun la reivindicacion 6, en el que el campo magnetico tiene una magnitud que tiene una gama de aproximadamente 4 Tesla a aproximadamente 20 Tesla.
  9. 9. Sincrociclotron segun la reivindicacion 1, en el que la energfa de las partfculas que son emitidas desde la cavidad es variable de manera continua entre aproximadamente 115 MeV y aproximadamente 250 MeV.
  10. 10. Sincrociclotron segun la reivindicacion 9, en el que la energfa de las partfculas que son emitidas desde la cavidad es variable a una velocidad de hasta 20 MeV por segundo.
  11. 11. Sincrociclotron segun la reivindicacion 1, en el que cada gama de frecuencias comprende un lfmite inferior y un lfmite superior, y en el que el lfmite inferior esta dentro de una gama de aproximadamente 40 MHz a aproximadamente 250 MHz, y el lfmite superior esta dentro de una gama de aproximadamente 56 MHz a aproximadamente 340 MHz.
  12. 12. Sincrociclotron segun la reivindicacion 11, que comprende ademas uno o mas elementos reactivos acoplados a la fuente de tension para hacer un barrido de la tension RF sobre una gama de frecuencias;
    17
    en el que el uno o mas elementos reactivos comprenden un condensador variable o un inductor variable.
  13. 13. Sincrociclotron segun la reivindicacion 12, en el que el uno o mas elementos reactivos estan configurados para seleccionar la gama de frecuencias para una ene^a correspondiente en la que las partfculas son emitidas desde la cavidad.
    5 14. Sistema de terapia de protones que comprende:
    el sincrociclotron (502) de la reivindicacion 1; y
    un portico (504) sobre el que esta montado el sincrociclotron (502), siendo el portico giratorio con respecto a una posicion de paciente;
    en el que las partfculas son protones y el sistema de terapia de protones esta configurado para emitir los protones 10 emitidos esencialmente directamente desde el sincrociclotron (502) a la posicion de paciente.
ES14171707.4T 2013-06-12 2014-06-10 Sincrociclotrón que produce partículas cargadas que tienen energías variables Active ES2625350T3 (es)

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