Способ изменения конечной энергии протонного пучка, используемого для флэш-терапии

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к устройствам для изменения конечной энергии пучка, а также к терапии облучением элементарными частицами. Технический результат – сокращение времени регулирования энергии протоннного пучка. Протонный пучок выводят на орбиту, параллельную первоначальной орбите пучка, с помощью первой пары отклоняющих магнитов, причем величина отклонения линейно зависит от амплитуды поля в магнитах. Затем пучок проходит сквозь клиновидный поглотитель, вследствие этого теряет заранее заданную часть своей энергии. После чего при помощи второй пары магнитов пучок возвращают на исходную траекторию. 2 ил.

 

Уровень техники

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к устройствам для изменения конечной энергии пучка, а также к терапии облучением элементарными частицами.

Современные методы лучевой терапии ограничены токсическими эффектами и лучевой нагрузкой на здоровые ткани (Гебель Хольгер, Протонное облучение с использованием сканирования пятном, Патент РФ, №2610530) [1].

Флэш-терапия протонами является инновационным методом, призванным свести к минимуму данные ограничения при сверхвысоких дозах (Акулиничев С.В., Боженко В.К., Гаврилов Ю.К., и др. Результаты первых биологических экспериментов по флэш-терапии на ускорителе ИЯИ РАН, Москва, Троицк, 2020)[2].

Радиотерапия онкологических заболеваний направлена на разрушение опухолевых тканей, при минимальном повреждении здоровых тканей и органов. Одним из наиболее перспективных направлений в дистанционной радиотерапии является протонная терапия. За счет преимущества дозового распределения в тканях, использование протонов позволяет уменьшить влияние излучения на здоровые ткани, расположенные вблизи и в непосредственном контакте с опухолью. Наибольшая эффективность технологии протонной терапии проявляется при лечении глубокозалегающих злокачественных новообразований.

Флэш-терапия - это метод лучевой терапии, предполагающий сверхбыстрое подведение дозы при ее мощности на несколько порядков выше используемой в настоящее время в клинической практике. В настоящее время протонная флэш-терапия находится в центре внимания ученых многих научных центров. Ожидается, что данная технология позволит существенно повысить качество лучевой терапии злокачественных новообразований за счет преобладания разрушений опухолевых клеток в сравнении с нормальными клетками.

Это предположение опирается на тот факт, что эффективность лучевой терапии зависит не только от величины поглощенной дозы, но и от мощности дозы [2]. Немногим более года назад в лучевой терапии онкологических заболеваний появился такой термин, как флэш-терапия. Речь идет об облучении мощным и коротким импульсом ионизирующего излучения злокачественных новообразований. Сейчас во многих научных центрах мира идет апробация этой технологии, и первые результаты впечатляют: при такой терапии опухолевые клетки гибнут почти в два раза интенсивнее, чем нормальные. С появлением флэш-терапии, которая может проводиться воздействием одного мощного импульса протонов, у пациентов появилась возможность не получать лучевую терапию ежедневно в течение 3-4 недель, а облучаться однократно, что очень удобно.

Для флэш-терапии требуются пучки протонов с энергией 235 МэВ и мощностью дозы порядка 1000 грей в секунду. Протоны доставляют максимальную дозу на заданную глубину и после этого останавливаются. Это физическая особенность пучка протонов, так называемый «пик Брэгга», позволяет концентрировать ионизующую энергию протонов в месте нахождения опухоли, максимально эффективно разрушая клетки рака и сохраняя нетронутыми окружающие здоровые ткани. До появления флэш-терапии для традиционного лучевого лечения пациента требовалось до 30 ежедневных сеансов облучения. Теперь же достаточно процедуры в доли секунды с большой мощностью дозы, которую можно достигнуть с помощью изохронного циклотрона.

Следует отметить, что не каждый ускоритель протонов подходит для изучения данного метода. Подходят только ускорители, позволяющие облучать объекты с рекордно высокой мощностью дозы. К числу таких ускорителей относится и изохронный циклотрон. Однако для повышения эффективности облучения злокачественных опухолей с помощью изохронного циклотрона надо использовать специальное устройство, позволяющее изменять энергию пучка протонов.

Дело в том, что максимальное выделение энергии протонного пучка происходит вблизи пика Брэгга, находящегося в конце пробега протонного пучка (Пряничников А.А., Черняев А.П. Хорошков В.С. Ведение в физику и технику протонной терапии, Библиотека медицинского физика, МГУ, физфак, 2019) [3]. Для сканирования пучка по опухоли в поперечном направлении можно использовать отклоняющие магниты. Для того же, чтобы перемещать пик Брэгга по опухоли вдоль направления пучка требуется изменение энергии пучка.

Однако изохронные циклотроны являются ускорителями постоянной энергии протонов и их принцип работы не позволяет ее изменять или регулировать. Поэтому, для решения проблемы используют способ изменения энергии протонного пучка путем его пропускания через специальный поглотитель клинообразной формы - деградер, который позволяет регулировать энергию уже выведенного из ускорителя протонного пучка.

Простейший деградер представляет собой плоскопараллельный блок из какого-либо материала (медь, углерод, вода, пластмасса и т.п.), который устанавливают вдоль оси уже выведенного из ускорителя протонного пучка. Протоны, проходя через блок, испытывают торможение за счет механизма ионизационных потерь в веществе блока-замедлителя и выходят из него с меньшей энергией, величина которой зависит от длины и материала блока и определяется расчетным или опытным путем.

В настоящей заявке предложено осуществлять уменьшение энергии протонного пучка путем пропускания его через клиновидный поглотитель. Регулировать массу поглотителя, размещенного на пути пучка, предлагается за счет отклонения пучка от первоначальной траектории на такое расстояние, при котором потери энергии протонами будут такими, чтобы пик Брэгга переместился внутри опухоли, не выходя за ее пределы.

Существует способ регулирования энергии протонного пучка, где используется поглотитель гребенчатого типа (Н.А. Иванов, Ж.С. Лебедева, Оценка параметров пучка протонов для применения в офтальмологии, Научно-технические ведомости СпбГПУ, Физико-математические науки, №1(165) 2013) [4]. В этом способе протонный пучок предварительно расширяется в поперечном направлении, после чего его пропускают через зубчатую структуру в направлении параллельном зубцам. Таким образом, частицы пучка проходят различную толщину поглотителя из-за чего в пучке создается большой энергетический разброс. По сути дела, в данном случае получают не пик Брэгга, а плато Брэгга, которое в литературе называется модифицированным пиком Брэгга.

После этого протонный пучок фокусируется на опухоли, где различные протоны, имея различную энергию, выделяют ее на разной глубине, чем и создают равномерное покрытие опухоли пучком.

Недостатком такого способа является невозможность динамического изменения энергии пучка, то есть в данном случае нужно устанавливать для облучения каждой опухоли свой гребенчатый фильтр.

В качестве прототипа выбрано устройство, предназначенное для замедления и регулировки энергии выведенного протонного пучка фазотрона ОИЯИ (Прототип. А.В. Агапов, Г.В. Мицин, К.Н. Шипулин «Автоматизированный замедлитель переменной толщины для задач протонной терапии». ОИЯИ. Дубна. Р13-2015-97)[5].

Устройство-прототип состоит из клинового поглотителя энергии протонов и механизма для его плавного перемещения перпендикулярно оси протонного пучка. Устройство-прототип работает следующим образом. Клиновой поглотитель плавно перемещается поперек оси протонного пучка при помощи шарико-винтовой передачи, сцепленной через муфту с шаговым двигателем, в результате чего плавно изменяется энергия протонов за клиновым поглотителем.

Недостатком устройства прототипа является медленное, обусловленное параметрами электропривода, в течение нескольких секунд, изменение массы клиновидного поглотителя, находящейся на пути пучка.

Задачей изобретения является создание такого способа, который позволит быстро, за доли секунды, регулировать изменение энергии протонного пучка, непосредственно в процессе облучения злокачественной опухоли.

Технический результат заключается в том, что с помощью первой пары отклоняющих магнитов протонный пучок выводят на орбиту, параллельную первоначальной орбите пучка, причем величина отклонения линейно зависит от амплитуды поля в магнитах; затем пучок проходит сквозь клиновидный поглотитель, вследствие этого теряет заранее заданную часть своей энергии; после чего при помощи второй пары магнитов пучок возвращают на исходную траекторию.

Описание фигур

Фиг. 1. Схема отклонения пучка и возврат его на исходную траекторию. (1, 2, 4, 5) - импульсные отклоняющие магниты, расположенные на орбите пучка, (3) - клиновой поглотитель пучка, (6) - траектория пучка, (7, 8) - источники питания отклоняющих магнитов, (9) - блок управления источниками питания

Фиг. 2. Форма тока в обмотках магнитов. (1) - ток в отклоняющих магнитах до поглотителя, (2) - ток в магнитах после поглотителя

Осуществление способа

Перемещение пучка вдоль клиновидного поглотителя производится отклоняющими магнитами.

На первую пару отклоняющих магнитов подается ток пилообразной формы, такой, что полем магнитов пучок переносится в поперечном направлении на заранее выбранное расстояние. Пучок после этого проходит сквозь клиновидный поглотитель на требуемом расстоянии от первоначального направления, при этом пучок теряет определенную часть своей энергии. Второй парой магнитов, расположенных за поглотителем, пучок возвращают на исходную траекторию. Величина потерянной в поглотителе энергии будет определять величину смещения пика Брэгга в опухоли. Время облучения и мощность поглощенной дозы определяется длительностью пучка протонов из ускорителя. Так, при мощности дозы облучения пучком 1000 Грей в секунду и длительности облучения 0.1 секунды величина дозы, выделенная в опухоли будет равна 100 Грей.

Оценим требуемые параметры магнитов, показанных на Фиг. 1. Из соотношения между кинетической энергией протона и его скоростью найдем, что для энергии протона 230 MeV его относительная скорость β=v/c=0.6, где с=3*10¹⁰ cm/s - скорость света в вакууме. Угол θ отклонения протона коротким магнитом с длиной 1 и магнитным полем В равен:

где mc²=940 MeV - масса покоя протона, выраженная в энергетических единицах, γ - релятивистский фактор.

В данном случае отклонение пучка от первоначального направления и возврат его на орбиту происходит внутри апертуры магнитов, расположенных прямо на орбите пучка. В этом случае отклонение пучка происходит на малый угол θ~10^-2, соответственно смещение пучка в поперечном направлении так же мало 3-4 cm.

Рассмотрим детально свойства магнитов, имеющих апертуру порядка d=10 cm, длину l=1 m мы рассмотрим их свойства подробнее. Из формулы (1) найдем необходимое поле, требуемое для отклонения пучка на угол θ=2*10^-2:

В=θ*mc²γβ/el=2*10^-2*940*0.6*1.24=500 Gs.

Такой угол отклонения пучка приведет, при расстоянии 2 m между центрами магнитов 1 и 2, к отклонению пучка на расстояние Δr=θ*2m=4 cm.

Требуемую напряженность магнитного поля в зазоре h=10 см магнита даст обмотка, состоящая из N=100 витков с током I=50 А. Действительно, если считать что все сопротивление магнито провода сосредоточено в зазоре магнита, то напряженность магнитного поля можно оценить по формуле:

где I - полный ток в обмотке, выраженный в Амперах, h - величина зазора, выраженная в сантиметрах. Величина H в данном случае выражена в A/cm. В воздушном зазоре магнита относительная магнитная проницаемость μ=1. Численно в зазоре H=В. Для того, чтобы выразить В в Гауссах эту величину надо умножить на коэффициент 1.256. Подставляя в формулу (2) полный ток I*N=5000 Ампер витков и деля на величину зазора h=10 cm, мы получим: В≈500 Gs.

Энергия магнитного поля равна:

где μ₀=4π*10^-7 Hn/m - магнитная проницаемость вакуума в системе СИ, μ - относительная магнитная проницаемость, в нашем случае, для зазора μ=1, v - объем, занимаемый магнитным полем. Считая ширину дорожки магнита равной 10 cm, найдем, что объем v=10^-2 m³. Подставляя цифры в формулу (3) найдем, что энергия магнитного поля в данном случае равна E=10J. Возьмем энергию с некоторым запасом, равной E=20J.

С другой стороны, энергия, заключенная в магнитном поле, может быть выражена через индуктивность и ток в катушке:

Приравнивая правые части формул (3) и (4) найдем, что индуктивность обмотки магнита равна: L=16 mHn.

Для равномерного прохождения пучка протонов вдоль клиновидного поглотителя необходимо питать обмотки магнитов током треугольной, пилообразной формы, кривая 1 Фиг. 2. Ток такой формы в обмотках отклоняющих магнитов можно получить при питании магнитов от мостовых инверторов повышенным напряжением, которое обеспечит большую линейность тока. Следует иметь в виду, что после поглотителя энергия пучка становится меньше и для его отклонения на тот же угол ток в таких же магнитах должен быть меньше, кривая 2 на Фиг. 2.

Способ изменения конечной энергии протонного пучка, используемого для флэш-терапии, при помощи клиновидного поглотителя, отличающийся тем, что протонный пучок выводят на орбиту, параллельную первоначальной орбите пучка, с помощью первой пары отклоняющих магнитов, причем величина отклонения линейно зависит от амплитуды поля в магнитах, затем пучок проходит сквозь клиновидный поглотитель, вследствие этого теряет заранее заданную часть своей энергии, после чего при помощи второй пары магнитов пучок возвращают на исходную траекторию.