RU2135234C1

RU2135234C1 - Apparatus for rotation radiotherapy

Info

Publication number: RU2135234C1
Application number: RU97106557A
Authority: RU
Inventors: А.С. Богомолов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Физтехмед"
Priority date: 1997-04-29
Filing date: 1997-04-29
Publication date: 1999-08-27

Abstract

FIELD: medical instruments. SUBSTANCE: linear ion accelerator has moving and fixed accelerating sections and their connecting devices. Accelerating sections are supplied with power from respective components of high- frequency power system. Beam rotation system is mounted on device interconnecting moving and fixed sections. Master oscillator has synchronizing and phasing parts. Rotation system has moving acceleration section; longitudinal axes of beam in sections are relatively offset through distances equal to radius of revolution of moving section. Traveling-wave linear accelerator uses spatial reverse harmonic. EFFECT: reduced size of ion accelerator and rotation system. 6 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области медицинской аппаратуры, а именно к устройствам для ротационной лучевой терапии. The invention relates to the field of medical equipment, and in particular to devices for rotational radiation therapy.

Известно устройство лучевой терапии, содержащее циклический ускоритель ионов, например протонов, систему вывода пучка заряженных частиц, систему ротации пучка частиц гантры (gantry). Такое устройство - циклический ускоритель совместно с гантри является сложным, громоздким и дорогостоящим инженерно-техническим сооружением (PSI Life Sciences and Institute for Medical Radiobiology, Newsletter 1994 - Annual Report 1994 (Annex II), Paul Scherrer Institut CH-5232 Villigen PSI, Swiss, p. 6-10, 13-15). A radiation therapy device is known comprising a cyclic accelerator of ions, for example protons, a system for outputting a beam of charged particles, a system for rotating a beam of particles of a gantra. Such a device - a cyclic accelerator in conjunction with a gantry - is a complex, bulky, and expensive engineering facility (PSI Life Sciences and Institute for Medical Radiobiology, Newsletter 1994 - Annual Report 1994 (Annex II), Paul Scherrer Institut CH-5232 Villigen PSI, Swiss, p. 6-10, 13-15).

Известно устройство для лучевой терапии, содержащее линейный ускоритель ионов, например протонов, на бегущей волне с использованием обратной пространственной гармоники (Alexey S.Bogomolov "The Proposed Hospital-Based Proton Therapy Linear Accelerator", Proc. of the Linac Conf., Tsukuba, Japan, Aug. 21-26, 1994, p.p.564-566). A radiation therapy device is known which comprises a linear accelerator of ions, for example protons, on a traveling wave using inverse spatial harmonic (Alexey S. Bogomolov, "The Proposed Hospital-Based Proton Therapy Linear Accelerator", Proc. Of the Linac Conf., Tsukuba, Japan Aug. 21-26, 1994, pp564-566).

Использование линейного ускорителя ионов (протонов) позволяет подвести необходимую высокую радиационную дозу к опухоли без существенного повреждения нормальных тканей. Но такой ускоритель имеет существенный лечебный недостаток, т.к. пучок в пространстве строго фиксирован и для формирования дозного поля необходимо перемещать пациента. Using a linear accelerator of ions (protons) allows you to bring the required high radiation dose to the tumor without significant damage to normal tissues. But such an accelerator has a significant medical drawback, because the beam in space is strictly fixed and for the formation of the dose field it is necessary to move the patient.

Широко используются для ротационной лучевой терапии устройства, содержащие инжектор, линейный ускоритель электронов, систему питания ускоряющей секции, систему ротации, систему поворота пучка, сканирующую систему (Varian Clinac 2500 - Radiotherapy Linear Accelerator, Instruction, Palo-Alto, CA 94303, U.S.A., см. также Varian Clinac 2300 C/D в [4])-прототип. Widely used for rotational radiation therapy are devices containing an injector, a linear electron accelerator, an accelerating section power supply system, a rotation system, a beam rotation system, and a scanning system (Varian Clinac 2500 - Radiotherapy Linear Accelerator, Instruction, Palo-Alto, CA 94303, USA, cm also Varian Clinac 2300 C / D in [4]) is a prototype.

В этом устройстве во вращающейся консоли размещены ускоряющая секция, обеспечивающая ускорение релятивистских частиц (электронов) в режиме стоячей волны, источник электронов и единственное устройство поворота пучка вдоль радиуса вращения в направлении оси вращения. Высокочастотное питание такого ускорителя выполнено на клистроне сантиметрового диапазона длин волн, который размещен в стационарной части несущей конструкции данного устройства. Подачу ВЧ-питания в подвижную ускоряющую секцию осуществляют посредством применения вращающегося шарнирно волноводного сочленения. In this device, an accelerating section is placed in a rotating console, providing acceleration of relativistic particles (electrons) in the standing wave mode, an electron source and a single device for turning the beam along the radius of rotation in the direction of the axis of rotation. The high-frequency power of such an accelerator is made on the klystron of the centimeter wavelength range, which is located in the stationary part of the supporting structure of this device. The supply of RF power to the movable accelerating section is carried out by using a rotating articulated waveguide joint.

Медицинский ускоритель электронов для ротационной терапии является относительно дешевым устройством по сравнению с ускорителями ионов, оснащенных обособленными системами гантри. Известно однако, что ускорители электронов плохо формируют предписанные дозные поля и при облучении пучком электронов (или фотонов) ткани, расположенные перед очагом на пути пучка, также получают значительную радиационную дозу, и, кроме того, края пучка расплывчаты из-за сильного рассеивания этих частиц в силу малости их массы. A medical electron accelerator for rotational therapy is a relatively cheap device compared to ion accelerators equipped with separate gantry systems. It is known, however, that electron accelerators do not form the prescribed dose fields well and when irradiated with a beam of electrons (or photons) the tissues located in front of the focus on the beam path also receive a significant radiation dose, and, in addition, the edges of the beam are blurry due to the strong scattering of these particles due to the smallness of their mass.

Данное изобретение устраняет недостатки прототипа в области формирования дозных полей, сохраняет преимущества ионно-лучевой терапии, позволяет значительно снизить габариты ионных устройств для лучевой терапии. This invention eliminates the disadvantages of the prototype in the field of dose field formation, preserves the benefits of ion radiation therapy, and significantly reduces the size of ion devices for radiation therapy.

Техническим результатом данного изобретения является создание компактного устройства для ионной (протонной) ротационной лучевой терапии. The technical result of this invention is to provide a compact device for ionic (proton) rotational radiation therapy.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для ротационной лучевой терапии, содержащем инжектор, линейный ускоритель заряженных частиц, систему высокочастотного питания ускоряющей секции, систему поворота пучка, сканирующую систему и систему ротации, ускоритель выполнен в виде линейного ускорителя ионов и содержит неподвижную ускоряющую секцию, подвижную ускоряющую секцию, устройство, соединяющее неподвижную и подвижную ускоряющие секции, система высокочастотного питания ускоряющей секции состоит из системы высокочастотного питания неподвижной ускоряющей секции и системы высокочастотного питания подвижной ускоряющей секции, ко входам которых подсоединен задающий генератор, снабженный элементами синхронизации и фазирования, инжектор размещен на входном конце неподвижной ускоряющей секции, каждая из секций состоит из набора по меньшей мере двух ускоряющих модулей, выполненных на линейных ускоряющих структурах, при этом продольные оси распространения пучка в неподвижной и подвижной секциях смещены друг относительно друга на расстояние, равное радиусу вращения подвижной секции, устройство, соединяющее неподвижную и подвижную ускоряющие секции, содержит на входе и выходе по одному узлу поворота пучка заряженных частиц, первый из которых шарнирно присоединен к выходу последнего модуля неподвижной ускоряющей секции, а второй жестко присоединен к входу первого модуля подвижной ускоряющей секции. Система высокочастотного питания неподвижной ускоряющей секции выполнена в дециметровом диапазоне длин волн, а в кратном ему сантиметровом диапазоне длин волн выполнена система высокочастотного питания подвижной ускоряющей секции. Система высокочастотного питания неподвижной и/или подвижной секции содержит компрессор высокочастотной мощности. Каждый из ускоряющих модулей неподвижной секции выполнен на линейных ускоряющих структурах на обратной гармонике. Каждый из ускоряющих модулей подвижной секции выполнен на линейных ускоряющих структурах на прямой и/или обратной пространственной гармонике, и/или стоячей волне. Система высокочастотного питания подвижной ускоряющей секции выполнена вращающейся совместно с подвижной ускоряющей секцией. The technical result is achieved in that in a device for rotational radiation therapy containing an injector, a linear accelerator of charged particles, a high-frequency power system of the accelerating section, a beam rotation system, a scanning system and a rotation system, the accelerator is made in the form of a linear ion accelerator and contains a stationary accelerating section, a moving accelerating section, a device connecting the fixed and moving accelerating sections, the high-frequency power system of the accelerating section consists of a high-frequency system from the power supply of the stationary accelerating section and the high-frequency power system of the moving accelerating section, to the inputs of which a master oscillator equipped with synchronization and phasing elements is connected, the injector is located at the input end of the stationary accelerating section, each of the sections consists of a set of at least two accelerating modules made on linear accelerating structures, while the longitudinal axes of beam propagation in the fixed and moving sections are offset from each other by a distance equal to rad the rotation of the movable section, the device connecting the stationary and movable accelerating sections contains at the input and output one node of rotation of the beam of charged particles, the first of which is pivotally connected to the output of the last module of the stationary accelerating section, and the second is rigidly connected to the input of the first module of the moving accelerating sections. The high-frequency power supply system of the stationary accelerating section is made in the decimeter wavelength range, and in the multiple centimeter wavelength range the high-frequency power supply system of the moving accelerating section is made. The high-frequency power system of the fixed and / or movable section comprises a high-frequency power compressor. Each of the accelerating modules of the fixed section is made on linear accelerating structures at the inverse harmonic. Each of the accelerating modules of the movable section is made on linear accelerating structures on the forward and / or reverse spatial harmonics, and / or a standing wave. The high-frequency power system of the movable accelerating section is made rotating together with the movable accelerating section.

В изобретении кардинальное уменьшение размеров аппаратуры для ускорения заряженных частиц, в частности протонов, достигнуто за счет разбиения ускорителя на две части - неподвижную ускоряющую секцию, наиболее громоздкую и массивную, и подвижную - ускоряющую секцию, каждая из которых снабжена своей собственной системой ВЧ-питания. ВЧ-питание обеих секций синхронизовано и сфазировано через задающий генератор. При этом устройство, соединяющее неподвижную и подвижную секции ускорителя, осуществляет параллельный перенос пучка заряженных частиц из неподвижной в подвижную секцию. Это в свою очередь определяет выполнение неподвижной и подвижной секций таким образом, чтобы смещение продольных осей распространения пучка в них относительно друг друга было равно радиусу вращения подвижной секции. Выделение относительно легкой подвижной ускоряющей секции позволяет компактно разместить в одном вращающемся блоке эту секцию совместно с системами поворота пучка и системой сканирования пучка и даже помещать в тот же вращающийся блок высокочастотное питание этой подвижной ускоряющей секции. In the invention, a dramatic reduction in the size of equipment for accelerating charged particles, in particular protons, is achieved by splitting the accelerator into two parts - a stationary accelerating section, the most bulky and massive, and a moving - accelerating section, each of which is equipped with its own RF power supply system. The RF power of both sections is synchronized and phased through a master oscillator. In this case, the device connecting the fixed and moving sections of the accelerator, carries out a parallel transfer of a beam of charged particles from the stationary to the moving section. This in turn determines the execution of the fixed and movable sections in such a way that the displacement of the longitudinal axes of beam propagation in them relative to each other is equal to the radius of rotation of the movable section. The allocation of a relatively light movable accelerating section allows you to compactly place this section in one rotating block together with the beam rotation systems and the beam scanning system and even place the high-frequency power of this movable accelerating section in the same rotating block.

На фиг. 1 представлена общая схема заявляемой установки. На фиг. 2 показан в разрезе пример конкретного выполнения устройства, соединяющего неподвижную и подвижную ускоряющие секции. На фиг. 3 схематически представлен пример размещения подвижной секции относительно неподвижной секции. In FIG. 1 presents a General diagram of the inventive installation. In FIG. 2 shows a sectional view of an example of a specific embodiment of a device connecting the fixed and movable accelerating sections. In FIG. 3 schematically shows an example of the placement of the movable section relative to the stationary section.

Устройство для ротационной лучевой терапии содержит источник-инжектор 1 заряженных частиц, неподвижную 2 и подвижную 3 ускоряющие секции, питаемые соответствующими высокочастотными источниками 4 и 5, систему поворота пучка 6 и систему сканирования пучка 7, установленные на выходном конце 8 подвижной ускоряющей секции 3. Неподвижная 2 и подвижная 3 секции состоят из набора модулей 9 и 10 соответственно. На схеме фиг. 1 представлен вариант выполнения ускорителя, когда модули неподвижной секции 2 и первый модуль подвижной секции 3 выполнены на обратной гармонике, а второй модуль подвижной секции 3 выполнен на стоячей волне, и последний модуль подвижной секции выполнен на прямой гармонике. Соединение выходного модуля 9 неподвижной ускоряющей секции 2 с входным модулем 10 подвижной ускоряющей секции 3 осуществляет устройство 11, содержащее на входе и выходе по однотипному узлу поворота пучка заряженных частиц 12 и 13 соответственно. Узел 12 шарнирной муфтой 14 соединен с выходом последнего модуля неподвижной ускоряющей секции 2, а узел 13 креплением 15 жестко соединен с входом первого модуля подвижной ускоряющей секции 3. Ось вращения 16 подвижной ускоряющей секции 3 совпадает с продольной осью пучка 17, ускоряемого в неподвижной секции 2. Входы высокочастотных источников питания 4 и 5 соединены с выходами задающего генератора 18. A device for rotational radiation therapy contains a source-injector 1 of charged particles, a stationary 2 and a movable 3 accelerating sections fed by the corresponding high-frequency sources 4 and 5, a beam rotation system 6 and a beam scanning system 7 mounted on the output end 8 of the movable accelerating section 3. Fixed 2 and movable 3 sections consist of a set of modules 9 and 10, respectively. In the diagram of FIG. 1 shows an embodiment of the accelerator when the modules of the fixed section 2 and the first module of the movable section 3 are made on the back harmonic, and the second module of the mobile section 3 is made on a standing wave, and the last module of the mobile section is made on the direct harmonic. The connection of the output module 9 of the stationary accelerating section 2 with the input module 10 of the moving accelerating section 3 is carried out by the device 11, containing at the input and output of the same type of rotation node of the charged particle beam 12 and 13, respectively. The node 12 by a swivel clutch 14 is connected to the output of the last module of the stationary accelerating section 2, and the assembly 13 by the fastening 15 is rigidly connected to the input of the first module of the moving accelerating section 3. The axis of rotation 16 of the moving accelerating section 3 coincides with the longitudinal axis of the beam 17, accelerated in the stationary section 2 The inputs of high-frequency power supplies 4 and 5 are connected to the outputs of the master oscillator 18.

В разрезе представлен на фиг. 2 пример конкретного выполнения устройства 11, соединяющего неподвижную 2 и подвижную 3 ускоряющие секции, где 19 - магнит узла поворота 12, расположенного на выходном конце выходного модуля 9 неподвижной секции 2; 20 - магнит узла поворота 13, расположенного на входном конце входного модуля 10 подвижной секции 3; 21 и 22 проекции на плоскость чертежа осей ускоряемого в неподвижной и подвижной секциях пучка заряженных частиц. A sectional view is shown in FIG. 2 an example of a specific embodiment of a device 11 connecting a fixed 2 and a moving 3 accelerating sections, where 19 is the magnet of the rotation unit 12 located at the output end of the output module 9 of the fixed section 2; 20 - magnet rotation node 13 located at the input end of the input module 10 of the movable section 3; 21 and 22 of the projection onto the plane of the drawing of the axes of a beam of charged particles accelerated in the stationary and moving sections.

На фиг. 3 показан вариант конкретного выполнения ротационного ускорителя ионов для лучевой терапии, когда подвижная секция расположена над неподвижной секцией и параллельный перенос пучка выполнен с дополнительным поворотом пучка на 180^o относительно варианта, представленного на схеме фиг. 1.In FIG. 3 shows a particular embodiment of a rotational ion accelerator for radiation therapy, when the movable section is located above the stationary section and the parallel beam transfer is performed with an additional beam rotation of 180 ^° relative to the variant shown in the diagram of FIG. 1.

Установка работает следующим образом. Installation works as follows.

Пучок заряженных частиц, инжектируемый источником 1, ускоряется последовательно в модулях 9 неподвижной ускоряющей секции 2, питаемой высокочастотным источником 4 дециметрового диапазона длин волн, и поступает во вращающийся шарнирно узел поворота пучка 14. Магнитное поле магнита 19 поворачивает пучок и направляет его вдоль устройства 11 в узел поворота пучка 13, магнитное поле магнита 20 поворачивает пучок и направляет его через соединение 15 во входной модуль 10 подвижной ускоряющей секции 3, где пучок доускоряют до энергии, необходимой для облучения опухоли. Модули 10 запитывают более высокой и кратной частоте источника 4 частотой от источника высокочастотного питания 5. Допустима запитка ускоряющих секций через известные схемы компрессоров высокочастотной мощности. Частоты и фазы колебаний высокочастотных источников 4 и 5 синхронизированы и сфазированы с помощью задающего генератора 18, поэтому сгустки ускоряемых ионов всегда поступают в подвижную секцию в "правильной" фазе. Из последнего модуля подвижной ускоряющей секции 3 пучок ионов, ускоренный до предписанной энергии, поступает в выходное поворотное 6 и сканирующее 7 устройства. Устройство 6 направляет пучок на объект облучения, а устройство 7 позволяет сформировать поле облучения строго по форме облучаемого объекта. При повороте подвижной секции 3 на любой предписанный угол относительно оси вращения 16, которая совпадает с осью пучка, ускоренного в неподвижной секции 2, пучок облучает мишень с предписанного направления, что также применяется для формирования предписанного распределения дозного поля. The beam of charged particles injected by the source 1 is accelerated sequentially in the modules 9 of the stationary accelerating section 2, fed by a high-frequency source 4 of the decimeter wavelength range, and enters the pivoting node of the beam 14. The magnetic field of the magnet 19 rotates the beam and directs it along the device 11 into the node of rotation of the beam 13, the magnetic field of the magnet 20 rotates the beam and directs it through the connection 15 to the input module 10 of the movable accelerating section 3, where the beam is accelerated to the energy necessary for tumor teachings. Modules 10 feed a higher and a multiple frequency of source 4 with a frequency from a high-frequency power supply 5. It is permissible to power accelerating sections through known high-frequency power compressor circuits. The frequencies and oscillation phases of high-frequency sources 4 and 5 are synchronized and phased using the master oscillator 18, therefore, clusters of accelerated ions always enter the mobile section in the “right” phase. From the last module of the movable accelerating section 3, an ion beam accelerated to the prescribed energy enters the output rotary 6 and scanning 7 devices. The device 6 directs the beam to the irradiated object, and the device 7 allows you to form the irradiation field strictly in the form of the irradiated object. When the movable section 3 is rotated at any prescribed angle relative to the axis of rotation 16, which coincides with the axis of the beam accelerated in the stationary section 2, the beam irradiates the target from the prescribed direction, which is also used to form the prescribed dose field distribution.

При конкретном выполнении ротационного ускорителя ионов для лучевой терапии неподвижную ускоряющую секцию размещают вместе с ее высокочастотным питанием в станине установки, а подвижную ускоряющую секцию вместе с необходимым высокочастотным питанием размещают во вращающейся консоли, которая соединена со станиной штангой, снабженной противовесом. In a specific embodiment of the rotational ion accelerator for radiation therapy, the stationary accelerating section is placed together with its high-frequency power in the installation bed, and the mobile accelerating section, together with the necessary high-frequency power, is placed in the rotating console, which is connected to the bed with the counterweight.

Таким образом, выполнение ротационного ускорителя заряженных частиц для лучевой терапии в виде двух частей - неподвижной и подвижной позволяет впервые создать компактную ротационную установку для лучевой ионной терапии, с габаритами, приемлемыми для широкой клинической практики и с возможностью оперативного доступа к пациенту. Thus, the implementation of the rotary charged particle accelerator for radiation therapy in the form of two parts - fixed and mobile - allows for the first time to create a compact rotational installation for radiation ion therapy, with dimensions acceptable for wide clinical practice and with the possibility of prompt access to the patient.

Claims

1. A device for rotational radiation therapy containing an injector, a linear accelerator of charged particles, a high-frequency power system of the accelerating section, a beam rotation system, a scanning system and a rotation system, characterized in that the accelerator is made in the form of a linear ion accelerator and contains a stationary accelerating section, movable accelerating section, a device connecting the fixed and movable accelerating sections, the high-frequency power system of the accelerating section consists of a high-frequency power system of the accelerating section and the high-frequency power supply system of the moving accelerating section, to the inputs of which a master oscillator equipped with synchronization and phasing elements is connected, the injector is located at the input end of the stationary accelerating section, each section consists of a set of at least two accelerating modules made on linear accelerating structures, while the longitudinal axes of beam propagation in the fixed and movable sections are offset relative to each other by a distance equal to the radius of rotation of the movable of the second section, the device connecting the stationary and movable accelerating sections contains, at the input and output, one node for turning the beam of charged particles, the first of which is pivotally connected to the output of the last module of the stationary accelerating section, and the second is rigidly connected to the input of the first module of the moving accelerating section.

2. The device for rotational radiation therapy according to claim 1, characterized in that the high-frequency power supply system of the stationary accelerating section is made in the decimeter wavelength range, and in the multiple centimeter wavelength range the high-frequency power supply system of the mobile accelerating section is made.

3. A device for rotational radiation therapy according to claims 1 and 2, characterized in that the high-frequency power system of the fixed and / or mobile section contains a high-frequency power compressor.

4. The device for rotational radiation therapy according to claim 1, characterized in that each of the accelerating modules of the fixed section is made on linear accelerating structures at the inverse harmonic.

5. The device for rotational radiation therapy according to claim 1, characterized in that each of the accelerating modules of the movable section is made on linear accelerating structures on the forward and / or reverse spatial harmonics, and / or a standing wave.

6. The device for rotational radiation therapy according to claim 1, characterized in that the high-frequency power system of the movable accelerating section is made rotating together with the movable accelerating section.