Brevet FR2840223A1 — publié le 20031205

environ 7,5 French. {r l 1 2840223 La presente invention concerne les installations d'hadrontherapie. L'hadrontherapie correspond au traitement du corps humain par un faisceau de particules chargees ou non telles que par exemple les protons, les ions legers tels que Bs+ ou C6+ et de facon generale tous ccux de rapport charge / masse egal a 1/2, et les neutrons. L'intensite du faisceau qui est delivre sur la region a traiter peut etre inferieure ou egale a 2 pA par exemple. Les ions legers presentent l'avantage d'avoir une efficacite biologique relative plus elevee que les protons, les electrons ou les rayons X. Toutefois, l'energie necessaire pour accelerer ces ions afin d'obtenir une profondeur de traitement suffisante pour atteindre les tumeurs profondes est considerablement plus elevee que pour les protons. De nombreuses installations d'hadrontherapie vent decrites dans la publication Accelerators for Hadrontherapy, Joint Universities Accelerator School 1998, Archamps, March 1998, dont l'auteur est Pierre Mandrillon. La publication EP 0 526 306 decrit un accelerateur lineaire utilisable pour une application therapeutique. Le brevet US 5 585 642 decrit une installation qui comporte un synchrotron et presente une configuration cite en arete de poisson, c'est- a-dire que les lignes de desserte des salles de traitement se greffent sur une ligne commune. La configuration d' extraction unique oblige a disposer les salles de traitement le long de la vole de faisceau. En outre, le synchrotron delivre un faisceau pulse de faible duree qui se prete plus difficilement a une operation de balayage d'une region a traiter qu'un faisceau continu dans le temps, tel qu'emis par un cyclotron. Des dispositifs complexes vent parfois mis en ceuvre pour allonger temporellement chaque pulse du synchrotron, au detriment du cout de ['installation. Des dispositifs comportant un cyclotron et des degradeurs d'energie vent egalement utilises. L'utilisation de degradeurs d'energie tend a affecter defavorablement la geometric du faisceau et les elements d'optiques doivent etre nombreux et d'entrefer relativement important. Par ailleurs, des aimants d'analyse vent necessaires pour des cyclotrons a energie fxe utilisant des degradeurs, pour selectionner les energies requises. 3 0 I1 existe un besoin pour augmenter le nombre d' installations d' hadrontherapie a la disposition des malades. L'invention repond notamment a ce besoin grace a une installation 2 2840223 d'hadrontherapie qui peut se caracteriser par le fait qu'elle comporte un cyclotron et au moins une cavite acceleratrice lineaire pour accelerer des particules issues du cyclotron, notamment une pluralite de cavites HF operant a une frequence harmonique de celle du cyclotron. Grace a ['invention, il est possible de delivrer un faisceau continu de particules avec l'energie requise, eventuellement dans plusieurs directions. Il est ainsi possible d'avoir par exemple une sortie de protons H+ dans une direction et au moins une sortie d'ions legers dans une autre direction, par exemple au moins deux. Les salles de traitement n'ont alors plus a etre disposees selon la vole de faisceau necessairement mais peuvent etre disposees autour du cyclotron, ce qui peut simplifer eventuellement ['implantation de ['installation. La ou les cavites acceleratrices lineaires vent avantageusement configurees pour permettre d'accelerer les particules avec un niveau d'acceleration choisi parmi plusieurs. Il est alors possible de delivrer un faisceau avec l'energie sonhaitee sans utiliser de degradeur d'energie, done sans deteriorer les proprietes optiques du faisceau. Les divers elements d' optique des lignes d' alimentation de la ou des fetes isocentriques ainsi que de celle(s)-ci peuvent etre relativement peu nombreux grace a ['absence de degradeur d'energie. Les aimants peuvent conserver une taille modeste car le faisceau peut quitter le cyclotron avec une emittance relativement faible et l'entrefer n'a pas a etre augmente comme ctest le cas lorsque des degradeurs d'energie vent utilises. Le cyclotron est de preference supraconducteur. L'installation peut comporter une source d'ions legers ayant un nombre de charge superieur a un, notamment des ions C6+ ou Bs+ ou d'autres ions legers dans le rapport charge / masse egal a 1/2. L' installation peut aussi comporter une source d'ions H2+ et le cyclotron peut comporter un eplucheur permettant de transformer a son passage les ions H2+ en protons H+ Le cyclotron peut etre par exemple configure pour conferer aux particules accelerees une energie superieure ou egale a 100 MeV par nucleon. L'installation peut comporter au moins une cavite acceleratrice lineaire supraconduckice' notamment une pluralite de cavites capables d'etre mises selectivement en service. Chaque cavite peut comporter une pluralite de cellules pouvant etre commutees 3 2840223 selectivement. Chaque cavite peut etre configuree pour les faibles, par exemple. L'installation peut comporter en outre: - au moins un actionneur pour agir sur les particules delivrees par la source avant leur acceleration par le cyclotron, - au moins un capteur apte a delivrer une information representative de l'intensite du faisceau de particules accelerees par le cyclotron, et - un dispositif de contr81e de l'intensite programmable apte a agir sur l'actionneur en fonction de ['information delivree par le capteur et d'une loi de commande programmee de l'intensite du faisceau de particules accelerees dans le temps, de maniere a ce que l'intensite du faisceau delivree par le cyclotron respecte la loi de commande programmee. L'invention pourra etre mieux comprise a la lecture de la description detaillee qui va suivre, d'un exemple de mise en aeuvre non limitatif, et a ltexamen du dessin 1 5 annexe, sur lequel: - la figure 1 est une vue schematique d' ensemble d'un exemple d' installation selon ['invention, - la figure 2 est un schema en blocs representant une boucle de controle de l'intensite. L' installation d'hadrontherapie 1 representee tres schematiquement a la figure 1 comporte un cyclotron 2 supraconducteur recevant des ions delivres par au moins une source d'ions, par exemple une source 3 d'ions H2+ ou une source 4 d'ions legers tels que par exemple Bs ou C6+ ou d'autres ions dont le rapport charge / masse est egal a 1/2. Les ions acceleres par le cyclotron 2 suivent un trajet generalement en forme de spirale, de maniere conventionnelle. Les ions H2+ acceleres vent transformes, par passage a travers un eplucheur 8, isole electriquement de maniere a permettre une lecture d'intensite, en protons H+ qui quittent le cyclotron 2 par une sortie 5 et vent guides par des elements optiques 6 vers un premier patient P'. Les ions legers B5+ ou C6+ ou d'autres ions dont le rapport charge / masse est egal a 1/2 peuvent etre extraits par deflection conventionnelle et le cyclotron 2 comporte au moins un systeme d' extraction de ces ions legers pouvant etre mis en service lorsque le 4 2840223 cyclotron n'est pas utilise pour delivrer des protons H+. Les ions legers peuvent quitter le cyclotron 2 par une premiere sortie 10 ayant une orientation differente de la sortie 5 et vent post-acceleres par un dispositif accelerateur, comportant dans ltexemple illustre une pluralite de cavites acceleratrices HF lineaires 13 supraconductrices, puis atteignent une tete isocentrique 12 (encore appelee gantry) permettant de traiter un deuxieme patient P2. Les ions peuvent etre acceleres par une partie senlement des cavites 13 du dispositif accelerateur 11, selon le niveau d'energie sonhaite, par exemple par une seule cavite 13. L'installation comporte par exemple une autre sortie 16 pour les ions legers, et vent post-acceleres par un dispositif accelerateur comportant par exemple une seule cavite HF acceleratrice lineaire 13, avant d'etre diriges vers une autre tete isocentrique 15 permettant de traiter un troisieme patient P3. Les cavites 13 peuvent comporter chacune une pluralite de cellules 14. Les cavites 13 pourraient encore etre plus nombreuses, et le nombre de patients traites superieur a trots. Dans l'exemple considere, les cavites 13 vent similaires a celles decrites dans la publication Conceptual Design of the SPL a High-Power Superconducting Linac at ClEl?N, pages 27 a 35, dont le contenu est incorpore ici par reference, les cavites 13 etant configurees pour les falbles et presentant un facteur de qualite par exemple de l'ordre de 109. Les cavites 13 operent a une frequence de l'ordre de 350 MHz, quintuple de celle du cyclotron qui est dans l'exemple considere voisine de 70 M Hz. La puissance electrique de la source qui alimente les cavites 13 peut etre relativement faible, par exemple une centaine de watts et l'homme du metier comprendra que compte tenu du facteur de qualite Q eleve des cavites, celles-ci peuvent etre facilement commutees. L' installation 1 peut comporter un dispositif de contr81e de l' intensite programmable 20, represente schematiquement a la figure 2, qui re,coit une information representative de l'intensite mesuree par l'eplucheur 8 et permet de controler avec precision dans le temps l'intensite du faisceau de protons H+ delivre par le cyclotron. Le dispositif de controle de l'intensite 20 peut etre programme avec une loi 2840223 d'intensite quelconque, etant configure pour commander, en continu, un actionneur 21 de la ligne d' injection, non representee, permettant d' alimenter le cyclotron 2 avec les ions delivres par la source 3. Les cellules 14 etlou cavites 13 peuvent etre commutees selectivement. Un nombre plus ou moins grand de cellules 14 et/ou cavites 13 peut ainsi etre mis en service pour accelerer plus ou moins les particules issues du cyclotron et delivrer aux patients P2 ou P3 un faisceau de particules accelerees avec l'energie requise, en evitant les degradeurs d'energie. Cette energie sera choisie par exemple en fonction de la profondeur de la tumeur et de la nature des ions. Grace a ['absence de degradeurs d'energie, l'entrefer des aimants des fetes isocentriques reste faible et l'optique associee est largement simplifiee. Dans l'exemple illuske, le cyclotron 2 est capable de delivrer un faisceau de particules accelerees avec une energie de l'ordre de 120 MeV par nucleon. Selon le nombre de cellules 14 et/ou de cavites 13 mises en service, l'energie conferee aux ions legers pourra etre choisie parmi un ensemble de valeurs discretes dans une plage comprise par exemple entre 120 et 300 MeV par nucleon, sans qu'il y ait besoin de faire appel a un degradeur d'energie. Bien entendu, ['invention n'est pas limitee a l'exemple qui vient d'etre donne. On peut notamment realiser le cyclotron avec plus de deux sorties d'ions legers afin d'alimenter par exemple un plus grand nombre de fetes isocentriques. On peut egalement prevoir, par exemple, de post-accelerer les protons en placant apres la sortie 5 un dispositif accelerateur. On peut utiliser comme cavites acceleratrices des cavites autres que celles decrites precedemment, notamment des cavites de type SPOKE. 6 2840223 REVENDICATIONS 1. Installation d'hadrontherapie, caracterisee par le fait qu'elle comporte un cyclotron (2) et au moins une cavite HF acceleratrice lineaire (13) pour accelerer des particules issues du cyclotron. 2. Installation selon la revendication 1, caracterisee par le fait que la ou les cavites HF acceleratrices lineaires (13) vent configurees pour permettre d'accelerer les particules avec un niveau d'acceleration choisi parmi plusieurs. 3. Installation selon l'une des revendications precedentes, caracterisee par le fait que le cyclotron (2) est supraconducteur. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee par le fait que le cyclotron (2) est configure pour pouvoir accelerer des ions ayant un nombre de charge superieur a un, notamment des ions dont le rapport charge / masse est egal a 1/2, par exemple C6+ ou Bs+. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee par le fait que le cyclotron comporte au moins une sortie (10, 16) pour des ions ayant un nombre de charge superieur a un et une sortie (5) pour des protons H+. 6. Installation selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee par le fait qu'elle comporte au moins une tete isocentrique, notamment au moins deux fetes isocentriques (12, 15). 7. Installation selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee par le fait qu'elle comporte une source (3) d' ions H2+ pour alimenter le cyclotron. 8. Installation selon la revendication precedente, caracterisee par le fait que le cyclotron (2) comporte un eplucheur (8) permettant de transformer les ions H2+ en protons TT+ r 9. Installation selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee par le fait qu' elle comporte une source (4) d' ions ayant un nombre de charge superieur a un, notamment des ions ayant un rapport charge / masse egale a 1/2, par exemple C6+ ou B5+. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee par le fait que le cyclotron (2) est configure pour conferer aux particules 7 2840223 accelerees une energie superieure ou egale a 100 MeV par nucleon. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee par le fait que la ou les cavites HF acceleratrices lineaires (13) vent supraconductrices. 12. Installation selon la revendication 11, caracterisee par le fait qu'elle comporte une pluralite de cavites supraconduckices (13) capables d'etre mises selectivement en service. 13. Installation selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee par le fait que chaque cavite (13) comporte une pluralite de cellules (14) pouvant etre commutees selectivement. 14. Installation selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee par le fait que la frequence du cyclotron (2) est de l'ordre de 70 MHz et celle de la ou des cavites (13) de l'ordre de 350 MHz. 15. Installation selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee par le fait que la ou les cavites (13) vent configurees pour les faibles p. 16. Installation selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee par le fait qu'elle est depourvue de degradeur d'energie. 17. Installation selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee par le fait qu'elle comporte: - au moins un actionneur (21) pour agir sur les particules avant leur acceleration par le cyclotron (2), - au moins un capteur (8) apte a delivrer une information representative de l'intensite du faisceau de particules accelerees par le cyclotron, et un dispositif de controle programmable d'intensite (20) apte a agir sur l'actionneur (21) en fonction de ['information delivree par le capteur (8) et d'une loi de commande programmee de l'intensite du faisceau de particules accelerees dans le temps, de maniere a ce que l'intensite du faisceau delivre par le cyclotron respecte la loi de commande programmee.