RU93026U1 - Ускорительный комплекс для терапии рака протонными и ионными пучками - Google Patents
Ускорительный комплекс для терапии рака протонными и ионными пучками Download PDFInfo
- Publication number
- RU93026U1 RU93026U1 RU2008128604/22U RU2008128604U RU93026U1 RU 93026 U1 RU93026 U1 RU 93026U1 RU 2008128604/22 U RU2008128604/22 U RU 2008128604/22U RU 2008128604 U RU2008128604 U RU 2008128604U RU 93026 U1 RU93026 U1 RU 93026U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- synchrotron
- accelerator
- proton
- energy
- ion
- Prior art date
Links
Landscapes
- Radiation-Therapy Devices (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Ускорительный комплекс для терапии рака протонными и ионными пучками, включающий в себя инжектор с бустерным синхротроном, основной синхротрон, каналы транспортировки частиц низкой и высокой энергии, сверхпроводящую гантри, отличающийся тем, что в прямолинейном промежутке основного синхротрона установлена система электронного охлаждения ионного пучка.
Description
В мире существуют несколько аналогов строящегося в ИЯФ СОРАН ускорительного комплекса. Два из них в Японии "Hyogo Ion Beam Medical Center» [1. A. Itano et al, OPERATION OF MEDICAL ACCELERATOR PATRO AT HYOGO ION BEAM MEDICAL CENTER, Accelerator operation. Proceedings, 4th Workshop, WAO 2003, Hayama and Tsukuba, Japan, March 10-14, 2003.
http://conference.kek.jp/wao2003/papers/10p2-2.pdf 2.
2. Mitsuyuki ABE, Charged particle radiotherapy at the Hyogo Ion Beam Medical Center: Characteristics, technology and clinical results, Proceedings of the Japan Academy, Series В Vol.83 (2007), No. 6, pp.151-163
http://www.jstage.jst.go.jp/article/pjab/83/6/l5l/_pdf]
действующий с 2001 г.и центр HIMAC (Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba, at National Institute of Radiological Sciences), действующий с 1994 г.
[1. Toshikoshi Masami, HIMAC, National Inst. of Radiological Sciences, VOL.; NО.132; PAGE.63-73(1999)]
Первый из них (PATRO AT HYOGO ION BEAM MEDICAL CENTER) является наиболее близким аналогом, и является первым в мире специализированным ускорительным комплексом для терапии, как протонами, так и ионами углерода. Ускорительная часть комплекса включает в себя систему инжекции, основной ускоритель, систему транспортных каналов высокой энергии, систему доставки пучка к пациенту (систему формирования дозного поля). Используются 2 типа пучков для лечения: протоны с энергией 70÷230 МэВ и ионы углерода с энергией 70÷320 МэВ/нуклон. Инжекционная часть комплекса включает в себя два источника ионов, линейный ускоритель с высокочастотной квадрупольной фокусировкой, линейный ускоритель на энергию 5 МэВ/нуклон и разгруппирователь. Кольцо основного ускорителя (синхротрона) представляет собой структуру с раздельными функциями и сильной FODO фокусировкой и суперпериодичностью равной 6. Периметр кольца 93.6 м. Для выпуска пучка используется схема медленного выпуска на резонансе 3-го порядка.
Недостатки существующих комплексов; В существующих медицинских ускорительных комплексах размер пучка при заданной интенсивности, необходимой для терапевтических целей, оказывается относительно большим, что требует применения магнитов с большой апертурой как в самом ускорителе, так и в транспортных каналах, служащих для доставки пучка в облучательные комнаты. С увеличением апертуры магнитов существенно растет их энергопотребление.
С целью устранения вышеописанных недостатков предлагается использовать систему электронного охлаждения пучков ионов, располагаемую в прямолинейном промежутке основного синхротрона. Это позволит удешевить ионную и протонную терапию рака, сделать ее более доступной для широких слоев населения.
Максимальная интенсивность пучка ионов, которую можно накопить в кольце без электронного охлаждения значительно ниже, чем в кольце, оборудованном такой системой.
Без системы электронного охлаждения несколько затруднена возможность прецизионно менять энергию выпускаемого из ускорителя терапевтического пучка и невозможно реализовать порционный выпуск пучка или выпуск на рекомбинации, что усложняет реализацию объемного ЗД сканирования (облучения) опухоли, синхронизированного с дыханием пациента, в аналогичных комплексах.
Таким образом, отличительной особенностью предполагаемого изобретения является применение эффективного электронного охлаждения ионного пучка, предложенного, впервые реализованного и развитого в Институте Ядерной Физики им. Г.И.Будкера СО РАН [Будкер Г.И., Эффективный метод демпфирования колебаний частиц в протонных и антипротонных накопителях, Атомная энергия 1967, т.22, вып.5, стр.346.]. До настоящего времени системы электронного охлаждения пучков ионов применялись в физических установках, но не в специализированных медицинских ускорительных комплексах.
«Холодные» протонные и ионные пучки имеют предельно малые поперечные размеры и разброс частиц в пучке по энергии. Это позволяет уменьшить вертикальную апертуру магнитов ускорителя и транспортных каналов, а также реализовать малоапертурные быстрые кикеры в схеме развертки пучка на опухоли для формирования дозного поля.
Принцип работы электронного охлаждения основан на совмещении электронного и ионного пучков, двигающихся с одинаковой скоростью, в секции охлаждения. Сила трения между электронами и ионами приводит к выравниванию температур ионов и электронов. Соответственно, уменьшается поперечный размер ионного пучка и продольный разброс по энергии.
В тексте заявки используются 3 фигуры. На фиг.1. приведен общий вид комплекса протонно-ионной терапии (вариант компоновки). На фиг.2 приведен эскизный чертеж системы электронного охлаждения с указанием ее отдельных элементов. На фиг.3 показан общий вид системы электронного охлаждения в псевдотрехмерном виде.
Ускорительная часть терапевтического комплекса (фиг.1) состоит из инжекционной части (1, 2), основного синхротрона (3) с системой электронного охлаждения (4), транспортных каналов высокой энергии (5), по которым пучок ускоренных частиц поступает в облучательные комнаты с фиксированными портами (6) и гантри (7). Гантри - это устройство, которое обеспечивает облучение опухоли в теле пациента с разных направлений, тем самым, уменьшая паразитную дозу облучения здоровых тканей, окружающих опухоль. Облучательные комнаты оборудованы системами формирования дозного поля.
Инжекционная часть включает в себя ионные источники, электростатический или ВЧ ускоритель, быстроцикличный бустерный синхротрон (2, на фиг.1) и каналы транспортировки пучков низкой энергии.
Основной синхротрон (3, на фиг.1) служит для ускорения ионов до терапевтической энергии, транспортные каналы высокой энергии служат для распределения пучка из основного синхротрона в облучательные комнаты с фиксированными портами облучения пациентов (горизонтальными и вертикальными) и с гантри.
Ключевым элементом, отличающим предлагаемую схему ускорительного комплекса от аналогов, является применение установки электронного охлаждения (4, на фиг.1) для охлаждения циркулирующего в основном синхротроне ионного пучка. Данная установка располагается в прямолинейной секции циклического ускорителя (основного синхротрона).
Схематически система электронного охлаждения показана на фиг.2, общий вид в псевдотрехмерном виде приведен на фиг.3. Электронный пучок формируется электронной пушкой (16, здесь и далее указываются номера выносок на фиг.2) и последовательно проходит: ускорительную трубку (15), тороидальную секцию (17) для сведения пучков электронов и ионов, секцию охлаждения (14), тороидальную секцию (12) для разведения электронного и ионного пучков и секцию замедления (10), и в конце пути поглощается в коллекторе (11). Электронный пучок находится в магнитном поле от пушки до коллектора. Коллектор находится под потенциалом, несколько отличным от потенциала катода.
Высокое напряжение создается с помощью специального источника (5÷250 кВ), расположенного в баке (8). Высокое напряжение подается на центральную трубку фидера (9), соединяющего коллектор с пушкой. Вторичная обмотка выпрямителя коллектора расположена внутри фидера. Источник питания коллектора (2÷5 кВ, 0÷3 А) создает разность напряжений между пушкой и коллектором. Бак (8), фидер (9) и ускорительные трубки (15,18) помещаются в изолирующий газ (элегаз 8F6) под давлением около 1,7 атм.
Центробежная сила, действующая на электроны в поворотной секции, создается как электростатическими пластинам, так и магнитными корректирующими соленоидами. Ведущее магнитное поле создается с помощью набора соленоидов. Этот набор состоит из трех частей: системы пушка-коллектор (20, 23), тороидальной системы (12, 17) и системы основного соленоида (21). Все соленоиды располагаются на раме, сделанной из магнитомягкого железа. Эта рама замыкает магнитный поток и является магнитным экраном. В месте ввода и вывода ионных пучков расположена дипольная коррекция (22), которая компенсирует отклонения ионного пучка, вызванные вертикальной компонентой магнитного поля в тороидальной секции (12, 17).
Вакуумная камера откачивается с помощью двух ионных насосов, расположенных вблизи тороидальной секции (19), Дополнительная откачка обеспечивается магниторазрядным насосом, расположенным вблизи ускорительной трубки замедляющей колонны (13). Остаточное давление составляет приблизительно 10-8-10-9 Па.
Благодаря применению системы электронного охлаждения становятся возможными прецизионное изменение выходной энергии ионного пучка и две уникальных схемы выпуска пучка из ускорителя: капельный (порционный) выпуск пучка и выпуск на рекомбинации. Это упрощает реализацию объемного ЗД облучения опухоли, синхронизированного с дыханием пациента, что является современным требованием медиков к подобным комплексам. Также упрощается реализация других используемых методов облучения опухолей.
Таким образом, предлагаемый протонно-углеродный комплекс использует следующие технологии облучения, применение которых упрощается при использовании системы электронного охлаждения:
- Активное сканирование энергии. Система управления основным синхротроном позволяет плавно изменять энергию ионного пучка. Для прецизионного сканирования энергии применяется установка электронного охлаждения.
- Активное управление размерами пучка с помощью фокусирующих элементов, а не пассивного коллиматора, что позволяет оперативно изменять размер пучка от выстрела к выстрелу при порционном выпуске.
- Управление интенсивностью пучка. При лечении нужно использовать модуляцию интенсивности ионного пучка от выстрела к выстрелу при порционном выпуске.
- Сканирование тонким пучком опухоли в поперечной плоскости заданным образом от одной точки к другой. Такая техника обеспечивает точное облучение опухолей, имеющих неправильную форму, и оптимальное сохранение окружающих здоровых тканей.
Ускорительный комплекс работает следующим образом:
Отрицательные ионы углерода или ионы Н- из соответствующих ионных источников ускоряются в электростатическом ускорителе-тандеме или ВЧ ускорителе до энергий порядка 1 МэВ/нуклон, полученный пучок по транспортным каналам поступает в бустерный синхротрон. Инжекция в бустерный синхротрон осуществляется в горизонтальной плоскости. Инжекция ионов углерода многооборотная, инжекция протонов - однооборотная. Бустерный синхротрон ускоряет протоны до максимальной энергии 250 МэВ, достаточной для протонной терапии, а ионы углерода-до 30 МэВ/нуклон. Пучок протонов из бустера выпускается в выпускной канал и транспортируется к протонным облучательным портам. Пучок ионов углерода из бустера через транспортный канал инжектируется в основной синхротрон для дальнейшего ускорения.
После инжекции в основной синхротрон, ионный пучок накапливается, накопление ионного пучка происходит в течение нескольких рабочих циклов бустера, далее пучок охлаждается, ускоряется до необходимой энергии (можно реализовать 250 уровней по энергии), требуемой для терапии (140-430 МэВ/нуклон), и выпускается в систему транспортных каналов высокой энергии.
При использовании электронного охлаждения ионного пучка можно использовать две различные схемы выпуска пучка из основного синхротрона: схему с применением мало-апертурного импульсного кикера с высокой частотой повторения и выпуск на рекомбинации. Первый метод, названный «капельным» или «порционным» выпуском позволяет разделить ионный пучок на несколько тысяч порций («капель») с управляемой интенсивностью порции. Рекомбинация ионов углерода при прохождении через участок охлаждения используется в другой схеме медленного выпуска. Малая относительная скорость между ионами и электронами приводит к значительной вероятности рекомбинации. Управление интенсивностью и поперечным размером электронного пучка дает возможность для точного изменения интенсивности и эмиттанса 12С5+ пучка, выпускаемого из системы электронного охлаждения.
Для активного трехмерного сканирования необходимо варьировать энергию выпущенного пучка с высокой точностью. Возможность ускорения или торможения пучка посредством силы трения электронного пучка была продемонстрирована в ряде экспериментов. Устройство электронного охлаждения позволяет управлять энергией выпущенного пучка, посредством изменения энергии электронного пучка одновременно с магнитным полем синхротрона.
Выпущенный пучок по транспортным каналам высокой энергии попадает в облучательные комнаты с фиксированными портами и гантри. Каждый порт оборудован системой формирования дозного поля на опухоли. Используется мало-апертурная сканирующая система с высокой частотой повторения.
Предполагается использование гантри со сверхпроводящими магнитными элементами (сверхпроводящая гантри). Она включает в себя следующие подсистемы: сверхпроводящие поворотные магниты с криостатами, охладители, реконденсоры, вакуумную систему с токовводами, систему питания и управления, квадрупольные магниты и механическую систему вращения и поддержки.
Claims (1)
- Ускорительный комплекс для терапии рака протонными и ионными пучками, включающий в себя инжектор с бустерным синхротроном, основной синхротрон, каналы транспортировки частиц низкой и высокой энергии, сверхпроводящую гантри, отличающийся тем, что в прямолинейном промежутке основного синхротрона установлена система электронного охлаждения ионного пучка.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008128604/22U RU93026U1 (ru) | 2008-07-14 | 2008-07-14 | Ускорительный комплекс для терапии рака протонными и ионными пучками |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008128604/22U RU93026U1 (ru) | 2008-07-14 | 2008-07-14 | Ускорительный комплекс для терапии рака протонными и ионными пучками |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU93026U1 true RU93026U1 (ru) | 2010-04-20 |
Family
ID=46275385
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008128604/22U RU93026U1 (ru) | 2008-07-14 | 2008-07-14 | Ускорительный комплекс для терапии рака протонными и ионными пучками |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU93026U1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2755382C1 (ru) * | 2018-04-23 | 2021-09-15 | Кабусики Кайся Тосиба | Система лучевой терапии заряженными частицами, способ построения системы лучевой терапии заряженными частицами и устройство лучевой терапии заряженными частицами |
-
2008
- 2008-07-14 RU RU2008128604/22U patent/RU93026U1/ru active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2755382C1 (ru) * | 2018-04-23 | 2021-09-15 | Кабусики Кайся Тосиба | Система лучевой терапии заряженными частицами, способ построения системы лучевой терапии заряженными частицами и устройство лучевой терапии заряженными частицами |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5073913A (en) | Apparatus for acceleration and application of negative ions and electrons | |
US8508158B2 (en) | High-current dc proton accelerator | |
US4992746A (en) | Apparatus for acceleration and application of negative ions and electrons | |
US10090132B2 (en) | Charged particle beam irradiation apparatus | |
US6838676B1 (en) | Particle beam processing system | |
US9699882B2 (en) | Self-shielded vertical proton-linear accelerator for proton-therapy | |
Kamino et al. | Development of an ultrasmall‐band linear accelerator guide for a four‐dimensional image‐guided radiotherapy system with a gimbaled x‐ray head | |
EP1358656A1 (en) | Apparatus for generating and selecting ions used in a heavy ion cancer therapy facility | |
US20100320404A1 (en) | Particle therapy installation | |
US20240090112A1 (en) | Linear accelerator for generating high x-ray doses | |
US8198608B2 (en) | Reducing the widening of a radiation beam | |
WO2020200848A1 (en) | Compact rotational gantry for proton radiation systems | |
Garland et al. | Normal-conducting scaling fixed field alternating gradient accelerator for proton therapy | |
CN112156379A (zh) | 一种多治疗终端放射治疗装置 | |
US20230199935A1 (en) | Charged particle beam injector and charged particle beam injection method | |
RU93026U1 (ru) | Ускорительный комплекс для терапии рака протонными и ионными пучками | |
Trbojevic | FFAGs as accelerators and beam delivery devices for ion cancer therapy | |
Schippers | Proton accelerators | |
Lu et al. | Research on an accelerator-based BNCT facility | |
RU2187219C2 (ru) | Способ ускорения на встречных пучках и устройство на его основе | |
CN213724489U (zh) | 一种多治疗终端放射治疗装置 | |
Wei | Particle accelerator development: Selected examples | |
Kumada | Accelerator Systems for Proton Radiotherapy | |
Ermakov et al. | Design of a linear accelerator with a magnetic mirror on the beam energy of 45 MeV | |
RU2634310C1 (ru) | Газовая обдирочная мишень |