Sistemas de aceleración de iones para hadronterapia.

Sistema de aceleración (1) para partículas cargadas compuestas,

nucleares o moleculares, con número másico mayor que 1, en forma de haces de iones, siendo dichos haces de iones adecuados para fines médicos, caracterizado por el hecho de incluir:

un ciclotrón convencional o superconductor (2),

un acelerador lineal (Linac) de radiofrecuencia (4),

una línea de transporte de haz de energía media (MEBT) (3) conectada, en un extremo, a la salida del ciclotrón o a la salida de la primera parte (4A) del acelerador lineal de radiofrecuencia (4) y, en el otro extremo, a la entrada del acelerador lineal de radiofrecuencia (4) o a la segunda parte (4B) de dicho acelerador lineal de radiofrecuencia (4) y además,

una línea de transporte de haz de alta energía (HEBT) (5) conectada, en un extremo, a la salida de dicho acelerador lineal de radiofrecuencia (4), y conectable en el otro extremo a un sistema (6) para distribución de dosis al paciente.

Sistemas de aceleración de iones para hadronterapia Campo de la invención La presente invención se refiere a un sistema de aceleración de iones para hadronterapia de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, y más exactamente a un sistema de aceleración de haz para núcleos (por ejemplo12C6+) o moléculas (por ejemplo H+2) con un número másico mayor que 1, en lo sucesivo denominados "iones", por ejemplo para uso médico en hadronterapia.

Antecedentes de la invención Como se sabe, la hadronterapia es la técnica terapéutica que usa haces de protones o de partículas cargadas más pesadas con un número másico mayor que 1.

Se sabe igualmente que en la protonterapia, que es la técnica de hadronterapia particular basada en el uso de haces de protones, se usan haces terapéuticos de una corriente relativamente baja (del orden de algunos nanoamperios) , con energías en el intervalo de 60 a 250 MeV, y un intervalo de velocidad entre aproximadamente un 25 % y un 62 % de la velocidad de la luz.

También se observa que en el caso de iones diferentes, se requieren haces terapéuticos con corrientes inferiores y energías superiores en comparación con las de los protones. Por ejemplo, en el caso de iones de carbono 12C6+, las energías requeridas están entre aproximadamente 1500 y 4800 MeV (aproximadamente 120 y 400 MeV/u) . Para un ion genérico, las energías de interés son de 50 a 500 MeV/u, correspondiendo a velocidades entre un 15 % y un 75 % de la velocidad de la luz.

En el campo de la protonterapia, entre los diferentes tipos de aceleradores existentes se usan tanto ciclotrones (convencionales o superconductores) como sincrotrones. También se ha propuesto el uso de aceleradores lineales (Linac) .

La masa del imán del ciclotrón aumenta con el número másico y con la energía de los iones acelerados y se hace muy grande cuando se pretende cubrir el intervalo completo de energías necesario para la terapia con iones de carbono y similares. En particular, hoy en día no existe ningún centro hospitalario de hadronterapia basado en ciclotrones que aceleren iones de carbono hasta la máxima energía de aproximadamente 5000 MeV. Por lo tanto, se usan sincrotrones especiales ajustados para tal terapia y, a diferencia de los ciclotrones, tienen la ventaja adicional de producir haces de iones de energía variable.

Sin embargo, los centros de hadronterapia equipados con un sincrotrón son extremadamente complejos ya que requieren un elevado número de equipos de alta tecnología derivados de la tecnología de aceleradores de partículas. Además, estos centros son bastante grandes, también debido a la superficie ocupada por el sincrotrón, y requieren grandes inversiones y grandes superficies de instalaciones que no siempre están disponibles en las cercanías de los hospitales.

También está reconocido que la radioterapia más avanzada requiere haces partículas cargadas compuestas (núcleos o moléculas total o parcialmente ionizados) con un número másico mayor que 1, de una intensidad bastante baja (menor que unos pocos nanoamperios) . Tal requisito no tiene cabida en el campo de los aceleradores de partículas; los físicos necesitan en realidad altas corrientes para sus experimentos. Esta simplificación, habitual del uso médico, se suma al requisito de la mayor compacidad posible del sistema, ya que se debería instalar en el entorno de un hospital.

Sumario de la invención El objetivo fundamental de la presente invención es proporcionar un sistema para la aceleración de iones para hadronterapia que elimine los inconvenientes de las técnicas conocidas, y que sea capaz de variar la energía y la corriente (pequeña) del haz terapéutico de forma activa, minimizando el coste de construcción y el volumen de la instalación.

La tarea indicada se lleva a cabo gracias a un sistema de aceleración de iones para hadronterapia que proporciona las características de la reivindicación 1.

Se pueden inferir otros desarrollos favorables de la invención a partir de las reivindicaciones dependientes.

El uso del sistema de aceleración de iones para hadronterapia de acuerdo con la invención presenta numerosas ventajas importantes. La primera de todas es la reducción de la complejidad, en comparación con los sistemas conocidos, ya que esta es una estructura modular, con una estructura temporal de haz individual (es decir, sin ningún ciclo temporal complejo habitual de los sincrotrones) y compuesta por el mismo equipo de alta tecnología que se repite casi sin variación para cada módulo. En segundo lugar, por adición de componentes adicionales similares a los ya instalados, se puede aumentar la energía de operación máxima incluso una segunda vez, después de la construcción del acelerador. Además el sistema propuesto es relativamente compacto, de modo que se obtienen volúmenes y superficies de instalación mínimos, facilitando por lo tanto la instalación en centros hospitalarios. Además, la alta frecuencia del Linac permite la reducción del consumo de energía que se refleja en una reducción de los costes de explotación.

Una ventaja adicional importante de la invención es que proporciona un sistema con un acelerador incorporado en el que la energía y la corriente del haz terapéutico se pueden variar fácil y continuamente de forma activa. En realidad, esta última propiedad también está presente en un sincrotrón, aunque con mayor complejidad y márgenes de error.

También se subraya que habitualmente la calidad del haz de salida del Linac es mejor en dimensión y divergencia en comparación con el de los sincrotrones y también de los ciclotrones. Dado que las emitancias del haz terapéutico producido son inferiores a las producidas por los demás aceleradores, se reducen la masa y el coste de los canales magnéticos para transportar el haz, en particular para las estructuras rotatorias que se usan para los tratamientos.

Se debería reconocer una ventaja más en la estructura temporal del haz terapéutico que se adecua bien a tratamientos que usan la técnica de la "exploración de punto", que se usa, por ejemplo, en el Centro PSI (Paul Scherrer Institute, CH-5232 Villigen, Suiza) .

El Linac, desvelado en el documento WO 2004/054331 y en el documento de Patente de Estados Unidos con número de serie 10/602060 por el Solicitante, se puede usar como Linac modular de alta frecuencia, y su contenido se incluye por la presente por referencia.

El documento KIM J et al.: "Design study of a superconducting cyclotron for heavy ion therapy" AIP CONFERENCE PROCEEDINGS AIP USA, Nº 600, 2001, páginas 324-326, XP002378388 ISSN: 0094-243X desvela un ciclotrón superconductor para terapias con iones pesados que se caracteriza por un gran diámetro de más de 4 metros, un peso de más de 500 t, y en el que la energía del haz para el tratamiento del paciente se puede variar únicamente de forma pasiva por medio de un sistema mecánico bien definido de degradadores de energía e imanes (ESS = Sistema de Selección de Energía) . Esta técnica pasiva produce la pérdida de radiaciones y la activación de los componentes mecánicos del ESS.

El documento AMALDI U et al.: "LIBO-a linac-booster for protontherapy: construction and tests of a prototype" NUCLEAR INSTRUMENTS &; METHODS IN PHYSICS RESEARCH, SECTION A (ACCELERATORS, SPECTROMETERS, DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT) ELSEVIER NETHERLANDS, vol. 521, Nº 23, 1 de abril de 2004 (2004-04-01) , páginas 512-529, XP002375468 ISSN: 0168-9002 desvela un sistema acelerador usado para protonterapia, en el que tal sistema acelerador no puede acelerar iones de alta energía -es decir, núcleos (por ejemplo 12C6+) o moléculas (por ejemplo H+2) con un número másico mayor que 1- según se requiere para fines médicos.

Breve descripción de las figuras

Además, resultarán ventajas, detalles y características adicionales del sistema de aceleración de iones para hadronterapia de acuerdo con la invención de la siguiente descripción de un patrón de ejecución preferente de la invención, ilustrado esquemáticamente en las Figuras anexas:

la Figura 1 y la Figura 3 muestran un diagrama de bloques de dos posibles versiones de un sistema de aceleración de iones para hadronterapia de acuerdo con la invención; la Figura 2 muestra un ejemplo de ejecución de un Linac modular en un diagrama de bloques.

Descripción de la invención Sistema para aceleración de iones para fines médicos que comprende un ciclotrón convencional o superconductor, un acelerador lineal de radiofrecuencia (Linac) , una línea de Transporte de Haz de Energía Media (MEBT) conectada, en el extremo de baja energía, a la salida del ciclotrón y, en el otro extremo, a la entrada del acelerador lineal... [Seguir leyendo]

1. Sistema de aceleración (1) para partículas cargadas compuestas, nucleares o moleculares, con número másico mayor que 1, en forma de haces de iones, siendo dichos haces de iones adecuados para fines médicos, 5 caracterizado por el hecho de incluir:

un ciclotrón convencional o superconductor (2) , un acelerador lineal (Linac) de radiofrecuencia (4) , una línea de transporte de haz de energía media (MEBT) (3) conectada, en un extremo, a la salida del ciclotrón o

a la salida de la primera parte (4A) del acelerador lineal de radiofrecuencia (4) y, en el otro extremo, a la entrada del acelerador lineal de radiofrecuencia (4) o a la segunda parte (4B) de dicho acelerador lineal de radiofrecuencia (4) y además, una línea de transporte de haz de alta energía (HEBT) (5) conectada, en un extremo, a la salida de dicho acelerador lineal de radiofrecuencia (4) , y conectable en el otro extremo a un sistema (6) para distribución de dosis al paciente.

2. Sistema (1) para la aceleración de iones de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el acelerador lineal de radiofrecuencia (4) presenta una frecuencia resonante mayor o igual que 1 GHz.

3. Sistema (1) para la aceleración de iones de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el acelerador lineal de radiofrecuencia (4) presenta una aplicación modular e incluye una primera sección de estructura de aceleración (4A) de tipo DTL o SCDTL y una sección de estructura de aceleración siguiente (4B) de tipo CCL, o una sección de estructura de aceleración individual (4A) de tipo DTL o SCDTL, o una sección de estructura de aceleración individual (4B) de tipo CCL, donde la potencia de radiofrecuencia en cada módulo (8, 10) de los que está

compuesto cada sección (4A, 4B) se distribuye de forma ajustable e independiente.

4. Sistema (1) para la aceleración de iones de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que en dicho Linac de radiofrecuencia (4) las estructuras de tipo DTL y de tipo CCL (4A, 4B) incluyen un número de módulos (8, 10) a voluntad.

5. Sistema (1) para la aceleración de iones de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que un ciclotrón convencional o superconductor (2) acelera previamente el haz de iones hasta una energía fija que puede variar entre aproximadamente 10 y aproximadamente 300 MeV/u, y las dos secciones DTL (4A) y CCL (4B) de dicho Linac tienen la misma frecuencia, por ejemplo aproximadamente 3 GHz o aproximadamente 5, 7 GHz, o frecuencias diferentes, por ejemplo, respectivamente, aproximadamente 1, 5 y aproximadamente 3 GHz.

6. Sistema (1) para la aceleración de iones de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que incluye una fuente continua o pulsada de acuerdo con la velocidad de repetición del Linac, por ejemplo del ECR, EBIS, o incluso otros tipos de fuente.

7. Sistema (1) para la aceleración de iones de acuerdo con la reivindicación 1 y una o más reivindicaciones de 2 a 6, caracterizado por el hecho de que para acelerar iones de carbono 12C6+ que comienzan a 300 MeV/u se usa solamente la sección CCL (4B) de dicho Linac (4) con frecuencias de 2, 998 GHz o 5, 710 GHz y para las cuales se prevén los siguientes parámetros, respectivamente:

Frecuencia [MHz] 2998 5710

Q (carga iónica) 6 6

A (masa iónica) 12 12

Energía de entrada [MeV] 3600 3600

Energía de salida [MeV] 4800 4800

Número de células de aceleración por estructura de aceleración 20 13

Diámetro de la célula de aceleración [mm] 70 40

Diámetro de apertura del orificio del haz [mm] 8 4

Número de estructuras de aceleración por módulo 2 2

Número de módulos (igual que el número de klistrones) 10 16

Longitud media de un módulo [m] 1, 8 0, 72

Longitud total del Linac [m] 17, 8 11, 5

Factor de tiempo de tránsito medio T 0, 86 0, 89

Impedancia de shunt eficaz media ZT2 [MO/m] 79 91

Campo eléctrico medio en el eje E0 [MV/m] 17, 8 31

Campo eléctrico superficial máximo en unidades Kilpatrick 1, 7 2, 2

Potencia de pico media requerida por módulo [MW] 4, 4 4, 2

Potencia media por módulo [kW] 4, 4 4, 2

Potencia media del Linac [kW] 44 67, 2

Factor de trabajo [%] 0, 1 0, 1

Fase síncrona <s [grados] -15 -15

Longitud del cuadrupolo magnético [mm] 52 60

Diámetro de apertura del cuadrupolo magnético [mm] 10 5

Gradiente magnético del cuadrupolo medio B’[T/m] (en configuración FODO) 160 320

Aceptancia transversal normalizada, 1 rms [n mm mrad] 1, 8 1, 4

8. Sistema (1) para la aceleración de iones de acuerdo con la reivindicación 1 y una o más reivindicaciones de 2 a 6, caracterizado por el hecho de que para acelerar iones de carbono 12C6+, por la sección DTL (4A) de dicho Linac a una frecuencia de 2, 855 GHz y por dicha sección CCL (4B) de dicho Linac a una frecuencia de 5, 710 GHz se prevén los siguientes parámetros:

9. Uso de un sistema (1) para la aceleración de iones de acuerdo con una o más reivindicaciones de 1 a 8 en la irradiación de tumores y en el estudio experimental de fenómenos físicos.

Frecuencia [MHz] 2855 5710

Q (carga iónica) 6 6

A (masa iónica) 12 12

Energía de entrada [Me V] 600 1920

Energía de salida [MeV] 1920 4800

Número de células de aceleración por estructura de aceleración 7 14

Diámetro de la célula de aceleración [mm] 20 40

Diámetro de apertura del haz [mm] 4 4

Número de estructuras de aceleración por módulo 4 2

Número de módulos (igual que el número de klistrones) 18 38

Longitud media de un módulo [m] 1, 06 0, 69

Longitud total del Linac [m] 19, 17 26, 18

Factor de tiempo de tránsito medio T 0, 86 0, 89

Impedancia de shunt eficaz media ZT2 [MO/m] 85 87

Campo eléctrico medio en el eje E0 [MV/m] 24, 3 32, 2

Campo eléctrico superficial máximo en unidades Kilpatrick 2, 5 2, 3

Potencia de pico media requerida por módulo [MW] 3, 5 4, 8

Potencia media por módulo [kW] 3, 5 4, 8

Potencia media del Linac [kW] 63 185

Factor de trabajo [%] 0, 1 0, 1

Fase síncrona <s [grados] -14 -15

Longitud del cuadrupolo magnético [mm] 60 60

Diámetro de apertura del cuadrupolo magnético [mm] 5 5

Gradiente magnético del cuadrupolo medio B’[T/m] (en configuración FODO) 250 240

Aceptancia transversal normalizada, 1 rms [n mm mrad] 0, 8 0, 9