Компактный однокабинный комплекс протонной лучевой терапии
COMPACT SINGLE-CAB COMPLEX OF PROTON RADIATION THERAPY

Изобретение относится к области дистанционной лучевой терапии, а именно - к протонной лучевой терапии и может быть использовано при создании компактных комплексов протонной лучевой терапии.
Краткое описание сущности изобретения
После длительных физико-технических и клинических исследований 1954-1990 гг., проведенных в 10 экспериментальных центрах протонной лучевой терапии (ПЛТ) США, России, Европы и Японии этот метод дистанционной лучевой терапии активно внедряется с 1990 г. в практическое здравоохранение во всем мире. ПЛТ получили более 120 тысяч больных.
В настоящее время лечение проводится в 43 крупных клинических центрах ПЛТ, сооруженных при больших многопрофильных или онкологических госпиталях. Каждый из таких центров ПЛТ (фиг. 1) базируется на одном ускорителе (синхротроне или циклотроне), из которого протонные пучки транспортируются по вакуумному каналу в каньоны к размещенным в них лучевым установкам. Каждый центр оснащается 3÷5 лучевыми установками, из которых 2÷4 являются установками для ротационного многопольного облучения лежащего пациента с любых направлений (как правило, в пределах ±180°), называемыми гантри.
Принцип работы гантри ясен из схемы, представленной на фиг. 2. Выведенный из ускорителя и доставленный по каналу транспортировки горизонтальный пучок протонов переводится плоскопараллельно первыми двумя 45° магнитами на расстояние 6÷6,5 м от оси пучка, а затем последним магнитом поворачивается на 90° и направляется на больного, лежащего на деке позиционера. Вся система (3 магнита, электромагнитные линзы, вакуумопровод и т.п.) объединена единой рамой, которая может поворачиваться на ±180° вокруг оси, совпадающей с осью горизонтального пучка, доставленного из ускорителя.
Таким образом, представляется возможным облучать больного с любых направлений, лежащих в вертикальной плоскости, перпендикулярной исходному пучку.
Существуют и другие схемы гантри, обеспечивающие такое же многопольное облучение с любых направлений. Несмотря на простоту схемы, гантри является очень сложным инженерным сооружением. Каждая из этих установок является самым громоздким (10-12 метров по все трем измерениям), самым тяжелым (до 100 тонн) и дорогим (стоимость двух установок больше стоимости базового ускорителя) элементом оборудования клинического центра ПЛТ.
Для понимания сути изобретения важно отметить, что по ряду причин расстояние между последним 90° магнитом гантри и лежащим пациентом (см. рис. 2в) не может быть меньше 2,5÷3 метров. Поэтому применение в тракте гантри сверхпроводящих магнитов и соответствующее уменьшение радиуса поворота пучка, скажем от 1,5 до 0,5 м, слабо влияет на габаритный размер (диаметр) гантри.
С 1990 г. ни один центр ПЛТ не сооружается без гантри, обеспечивающей многопольное облучение лежащего пациента, что кардинально расширяет сферу использования ПЛТ и позволяет осуществлять ПЛТ больных со злокачественными новообразованиями практически любых локализаций. Сооружение многокабинных клинических центров активно продолжается во всем мире [Particle Therapy Cooperative Group, http://ptcog.ch/]. Прогноз 2032 г.: не менее 300 действующих центров ПЛТ. Каждый из сооруженных и сооружаемых центров ПЛТ рассчитан на лечение 1000 и более больных в год.
В настоящей заявке раскрыто использование протонного синхротрона для создания компактного однокабинного комплекса протонной лучевой терапии.
В конструкции предложенного компактного однокабинного комплекса для ПЛТ протонный синхротрон, генерирующий монохроматический пучок заданной энергии, и поворотный магнит, предназначенный для перевода пучка протонов из плоскости эжекции в вертикальную плоскость, направленную в полюс ротации на лежащего на позиционере пациента, устанавливаются на единой раме, ротация которой осуществляется вокруг оси, лежащей в медианной (срединной) плоскости ускорителя и поворотного магнита, параллельно горизонтальной плоскости деки позиционера.
Уровень техники
Еще в середине 90-х годов прошлого века появился четкий запрос на создание малых однокабинных комплексов ПЛТ (один протонный ускоритель -одна лучевая установка для ротационного многопольного облучения больного), обеспечивающих годовой поток в 250÷300 больных. Сфера использования подобных протонных установок (рынок) несравненно шире, нежели ниша использования многокабинных центров ПЛТ. В отличие от последних, приобретение и эффективное использование которых может осуществляться лишь крупными госпиталями, потенциальными потребителями (пользователями) однокабинных комплексов ПЛТ являются малые и средние, в т.ч. частные онкологические госпитали, число которых на порядок больше числа госпиталей-гигантов.
В тоже время, достаточно очевидно, что стоимость сооружения и эксплуатации однокабинного центра ПЛТ, нормированная на поток больных, заметно выше этого показателя для многокабинных центров. Это представляется естественным, поскольку суммарная стоимость ускорителя и инфраструктуры меняется слабо, а поток больных уменьшается пропорционально уменьшению числа кабин (лучевых установок). Именно это обстоятельство долгое время сдерживало создание и внедрение в практическое здравоохранение однокабинных комплексов ПЛТ
Тем не менее, в середине первой декады 21 века однокабинные центры ПЛТ (фиг. 3 и 4) стали активно разрабатываться [заявка на патент ЕР 2490765 А1 (ION BEAM APPLICATIONS [BE]), опубл. 29.08.2012; Jacjbus M., Lomax, Antony J., Emerging technologies in proton therapy: Acta Oncologica, Vol.50, Num. 6, August 2011, pp.838-850; патент US 8907311 B2 (GALL KENNETH [US]; ROSENTHAL STANLEY [US]; ROW GORDON [US]; AHEARN MICHAEL [US]; MEVION MEDICAL SYSTEMS INC [US]), опубл. 09.12.2014 и др.].
Так, на основе разработки Proteus One компании IBA [заявка на патент ЕР 2490765 А1, опубл. 29.08.2012] уже выполнено 11 заказов на однокабинные комплексы протонно-лучевой терапии для практического использования. Изделие представлено на фиг. 3, по существу оно является фрагментом многокабинного центра ПЛТ: один ускоритель - одна лучевая установка гантри. Причем один из важнейших параметров гантри - угол ротации пучка уменьшен с ±180° до 110°, вероятно из соображений миниатюризации комплекса (уменьшается высота необходимого каньона).
Изделие фирмы Mevion Medical System (патент US 8907311 В2, опубл. 09.12.2014) представлено на фиг. 4. Сверхпроводящий циклотрон совместно с системой формирования пучка (дозового поля), размещены на раме-качалке, осуществляющей повороты циклотрона и выведенного из него пучка вокруг лежащего на позиционере больного. Изделие фирмы Mevion Medical System выбрано в качестве прототипа настоящего изобретения.
Описанный в прототипе (патент US 8907311 В2, опубл. 09.12.2014) однокабинный комплекс представляет собой специализированное процедурное помещение с радиационно-защитными стенами, включающее в себя стол-позиционер для облучения пациента в положении лежа, гантри, на котором установлен ускоритель. Гантри имеет две опоры и ферму между ними, на которой установлен ускоритель - сверхпроводящий синхроциклотрон, что позволяет перемещать ускоритель вокруг пациента, лежащего на столе-позиционере. Ось вращения гантри проходит через опоры, таким образом, чтобы обеспечить перемещение ускорителя вокруг лежачего на столе - позиционере пациента. Гантри имеет ограничения по углу поворота, который составляет всего 190°. Дека стола позиционера может поворачиваться в горизонтальной плоскости примерно на 270°. Комбинация диапазонов вращения гантри и стола-позиционера позволяет терапевту выбирать необходимый угол входа пучка в тело пациента. Ускоритель имеет параметры генерируемого протонного или ионного пучка, обеспечивающие энергетический уровень, достаточный, чтобы поразить произвольную мишень в теле пациента в пределах диапазона перемещения гантри. Диапазон энергий пучков протонов или ионов, генерируемых ускорителем, составляет от 150 до 300 МэВ.
Ограничение угла поворота гантри позволяет уменьшить толщину по крайней мере одной из стен, окружающих процедурное помещение. Толстые стены, как правило, изготовленные из бетона, обеспечивают защиту от излучения для людей за пределами процедурного помещения. Стена, расположенная по направлению распространения пучка протонов, может быть примерно в два раза толще стенки на противоположном конце помещения, чтобы обеспечить эквивалентный уровень защиты. Ограничение диапазона вращения гантри позволяет расположить процедурное помещение ниже уровня грунта с трех сторон, в то время как планировку дополнительных помещений выполнить смежными с самой тонкой стеной, тем самым уменьшив стоимость строительства процедурного помещения. Габариты комплекса (Д×Ш×В): 9.8 м × 11.3 м × 8,53 м. Вес менее 100 т.
Несмотря на инновационность и привлекательность этой установки-прототипа, она имеет достаточно серьезные, вообще говоря, схожие с другими подобными установками недостатки. Наиболее важными и существенными недостатками являются два из них.
Во-первых, в известных аналогах не удалось обеспечить полную (±180°) ротацию протонного пучка, так, в прототипе она ограничена углом 190° (-5°, +185°).
Во-вторых, в аналогичных комплексах, в том числе в прототипе в качестве ускорителя используется циклотрон, всегда генерирующий пучок максимальной энергии. Поэтому для выбора энергии пучка, необходимой для конкретной клинической ситуации, используется так называемый деградатор пучка, состоящий из двух частей: тормозитель пучка переменной толщины, замедляющий исходный пучок от максимальной до нужной энергии, и магнитный сепаратор, отбирающий из немонохроматичного (после торможения) пучка частицы нужной энергии (монохроматичный пучок).
Деградатор является достаточно сложным, дорогим и, что особенно проблематично, радиационно опасным элементом установки, генерирующим большой радиационный фон (гамма излучение и нейтроны) как во время работы установки, так и после ее остановки (наведенная активность). Кроме того, наличие подобной системы (деградатора) в малогабаритном комплексе (в любом из аналогов) усложняет комплекс, увеличивает его габариты. Более того, в прототипе недостаток места не позволил разместить полноценную систему торможения пучка (собственно тормозитель и сепаратор частиц выбранной энергии). Сепаратор частиц отсутствует и пучок после тормозителя не монохроматичен. Это отрицательно сказалось на его качестве - амплитуда (максимум) пика Брэгга ниже общепринятой (классической), а протяженность заднего склона кривой около 6 мм (вместо обычных 1÷1,5 мм).
Последний недостаток особенно существенен, поскольку, в конечном итоге делает невозможным применение ряда ставших классическими методик ПЛТ, обеспечиваемых лишь этим уникальным качеством протонного излучения -высочайшим дистальным градиентом дозового поля.
Кроме того, в имеющейся информации по устройству фирмы Mevion Medical System (патент US 8907311 В2, опубл. 09.12.2014) не просматривается наличия сколь либо серьезной биологической защиты между тормозителем пучка и процедурной (очевидно сказалось стремление к уменьшению габаритов и недостаток места), что, вероятнее всего, создает повышенный радиационной фон от гамма-излучения и нейтронов, генерируемых в тормозителе, что в свою очередь приводит к негативным последствиям для пациента и обслуживающего персонала из-за побочного облучения.
Перечень фигур
Фиг. 1. Макет оборудования для протонно-лучевой терапии компании «Вариан. Реникер Центр ПЛТ», Мюнхен, Германия:
1 - циклотрон
2 - трассы транспортировки протонного пучка
3 - лучевая установка с системой гантри
4 - лучевая установка с фиксированным направлением протонного пучка.
Фиг. 2. Гантри компании Мицубиси:
а) внешний вид (корпус) устройства поворота пучка - гантри;
б) вид на позиционер и на гантри со стороны медицинского кабинета;
в) схема гантри. Поперечный размер гантри - 11 м, длина - 9,5 м.
Фиг. 3. Однокабинный комплекс Proteus One компании IBA (макет). На рисунке справа налево: сверхпроводящий ускоритель типа синхроциклотрон; система изменения энергии пучка; гантри с углом поворота±110°.
Фиг. 4. Однокабинный комплекс компании Mevion Medical System (макет). Ускоритель - сверхпроводящий синхроциклотрон установлен в средней части цилиндра, расположенного на раме - качалке. Для изменения энергии используется система торможения пучка. Магнитный сепаратор отбора после торможения частиц нужной энергии отсутствует. Угол ротации пучка вокруг лежащего больного 180° (-5°, +185°).
Фиг. 5. Схема компактного однокабинного комплекса с протонным синхротроном:
5 - классический синхротрон на теплых магнитах
6 - поворотная рама
7 - дека позиционера
8 - система формирования дозового поля
9 - поворотный магнит.
Фиг. 6. Схема компактного однокабинного комплекса с ускорителем на сверхпроводящих магнитах:
6 - поворотная рама, аналогично рис. 5
7 - дека позиционера, аналогично рис. 5
8 - система формирования дозового поля, аналогично рис. 5
9 - поворотный магнит
10 - синхротрон на сверхпроводящих магнитах
11 - противовес.
Подробное описание сущности изобретения
Целью изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков компактных однокабинных комплексов для ПЛТ.
Поставлена техническая задача - повысить эффективность однокабинных комплексов для протонной лучевой терапии, минимизировав их габариты.
Решение поставленной задачи привело к достижению неожиданного технического результата, а именно:
1) обеспечение возможности ротации пучка протонов на ±185°, что позволяет осуществить многопольное облучение лежащего на позиционере больного по любым заданным направлениям как компланарным, так и некопланарным в вертикальной плоскости, в то время как в прототипе ротация ограничена углом 190° (-5°, +185°);
10
-9
2) достижение высокого качества протонного пучка и дозных полей, в частности таких параметров как: генерации и эжекции монохроматичного импульсного пучка протонов любой заданной энергии в диапазоне 70-250 МэВ при интенсивности до 5⋅10 протонов в секунду, с максимальной частотой посылок (банчей) 1-1,5 Гц и временем эжекции от 30⋅10 с до нескольких секунд; обеспечение классической формы кривой Брэгга при любых выбранных энергиях и при высоком градиенте дозы на заднем склоне кривой (падение дозы от канцероцидной 80% до безопасной 10% происходит на дистанции 1÷1,5 мм водного эквивалента) и при минимальном боковом рассеянии пучка в транзитных тканях и мишени;
3) снижение экономических затрат в десятки раз на создание и размещение компактных однокабинных комплексов для ПЛТ за счет исключения громоздкой, тяжелой и дорогой системы гантри и системы торможения пучка, с уменьшением веса ротируемой части конструкции до 20 тонн,
4) минимизация радиационного излучения на пациента и персонал за счет исключения мощного источника вторичного нейтронного и гамма излучения - деградатора.
Указанный технический результат достигается путем применения протонного синхротрона и создания уникальной конструкции комплекса, в частности сочетания ротируемых элементов комплекса, их взаиморасположения по отношению к оси ротации и, наконец, отказа от тормозителя пучка и от классической системы гантри.
В настоящей заявке предложен компактный однокабинный комплекс протонной лучевой терапии, включающий протонный ускоритель, систему формирования дозового поля и деку позиционера. В качестве протонного ускорителя используют протонный синхротрон, который укреплен на единой раме совместно с поворотным магнитом, предназначенным для перевода пучка протонов из плоскости эжекции в вертикальную плоскость, направленную в полюс ротации на лежащего на позиционере пациента. Ротация указанной рамы осуществляется на ±185° вокруг оси в медианной плоскости ускорителя и поворотного магнита, параллельно горизонтальной плоскости деки позиционера. поворотный магнит и деку позиционера.
Угол поворота 100°÷110° поворотного магнита конструктивно может варьироваться в зависимости от угла эжекции пучка из ускорителя.
В одном из вариантов воплощения предложенного компактного однокабинного комплекса в качестве протонного синхротрона может быть использован синхротрон на сверхпроводящих магнитах.
Как показано на фиг. 5 и 6 протонный синхротрон и поворотный магнит для перевода пучка из плоскости эжекции в вертикальную плоскость, направленную в полюс ротации на лежащего пациента, объединены в единое целое на поворотной раме (позиция 6, фиг. 5, 6). При этом угол поворота 100°÷110° поворотного магнита конструктивно может варьироваться в зависимости от угла эжекции пучка из ускорителя (позиция 9, фиг. 5, 6).
Вся конструкция может поворачиваться на ±185°, что обеспечивает ротационное многопольное облучение лежащего на позиционере (позиция 7, фиг 5, 6) больного по любым заданным направлениям в вертикальной плоскости.
Позиционер как в классических установках гантри обладает всеми необходимыми степенями свободы, что обеспечивает как, компланарные так и некопланарные направления облучения.
Наиболее крупногабаритный, сложный и дорогой элемент комплекса - гантри, как отдельная система комплекса, отсутствует. Фактически функции этой системы выполняются магнитным трактом ускорителя и поворотным магнитом, ротируемыми как единое целое.
Выбор протонного синхротрона в качестве базового ускорителя обеспечивает следующие важнейшие характеристики и параметры Комплекса и протонного пучка:
10
- возможность генерации и эжекции пучка протонов любой заданной энергии в диапазоне 70-250 МэВ при интенсивности до 5⋅10 протонов в секунду;
- пучок любой энергии монохроматичен -
-9
- пучок - импульсный с максимальной частотой посылок (банчей) 1-1,5 гц и временем эжекции от 30⋅10 с до нескольких секунд;
- при любых выбранных энергиях параметры пучка обеспечивают классическую форму кривой Брэгга  при высоком градиенте дозы на заднем склоне кривой (падение дозы от канцероцидной 80% до безопасной 10% происходит на дистанции 1÷1,5 мм водного эквивалента) и при минимальном боковом рассеянии пучка в транзитных тканях и мишени;
- тормозитель пучка отсутствует, что минимизирует радиационный гамма и нейтронный фоны в каньоне для облучения больного и в помещениях персонала.
- вес ротируемой части Комплекса (без рамы) составляет около 20 тонн.
В качестве одного из вариантов исполнения Комплекса возможно использование синхротрона на сверхпроводящих магнитах (фиг. 6). В этом варианте все параметры и характеристики Комплекса и пучка, указанные выше, сохраняются. За счет увеличения магнитной индукции в сверхпроводящих магнитах синхротрона (позиция 10, фиг. 6) и в поворотном магните примерно в 3 раза удается уменьшить радиус поворота пучка от примерно 1,5 метра (в классическом синхротроне на «теплых» магнитах) до 0,5 метра. Это позволит уменьшить как азимутальный размер, так и диаметр ротируемой части Комплекса почти на 2 метра. Исходя из этого, вдвое уменьшится энергопотребление Комплекса. Вес ротируемой части Комплекса изменится слабо: уменьшение веса сверхпроводящего синхротрона (по сравнению с классическим «теплым») необходимо будет компенсировать противовесом (позиция 11, фиг. 6), или при размещении ускорителя симметрично оси ротации увеличением угла поворота и, следовательно, веса поворотного магнита. Учитывая необходимость оснащения Комплекса, в этом варианте, достаточно сложной гелиевой системой охлаждения магнитов выбор варианта (сверхпроводящий синхротрон versus обычный «теплый» синхротрон) не очевиден: преимущества невелики, а введение дополнительной системы охлаждения магнитов неизбежно снижает важнейший эксплуатационный показатель любого медицинского оборудования - надежность.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемыми техническими результатами существует причинно-следственная связь, а именно благодаря правильному выбору типа ускорителя и новым конструктивным решениям, изложенным выше, возникает новое физическое качество комплекса. Это, в свою очередь, позволило избежать всех серьезных недостатков, присущих аналогам и прототипу. Предложенная новая конструктивная схема обеспечила возможность ротации пучка протонов на ±185°, а применение синхротрона - высокое качество протонного пучка и дозных полей. При этом удалось исключить из Комплекса два элемента: громоздкую, тяжелую и дорогую систему гантри и мощный источник вторичного нейтронного и гамма излучения - систему торможения пучка (деградатор). Удалось минимизировать габариты комплекса до (Д×Ш×В) 6,5 м × 5 м × 6,2 м и достичь веса ротируемой части комплекса 20 т.
Статическое положение предлагаемого Комплекса, взаиморасположение элементов, алгоритм динамических перемещений (ротация) отдельных элементов Комплекса ясны из Описания и иллюстративного материала. Что касается осуществимости предлагаемого изобретения, следует отметить следующее. Многолетняя (с 1990 г.) практика создания и интенсивного успешного использования в многокабинных центрах ПЛТ системы ротации пучка - гантри (сегодня в мире работает более 80 подобных устройств) подтверждают их работоспособность, обеспечение необходимых для ПЛТ точностей гантри, надежность и т.п. В тоже время, классическая ротируемая система гантри значительнее тяжелее и сложнее предлагаемого Комплекса, функционально обладающего теми же качеством и характеристиками. Таким образом, многолетняя практика использования классической системы гантри однозначно подтверждает осуществимость предлагаемого Комплекса.