УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ И ПУЧКОВ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ ДЛЯ ВНУТРИТКАНЕВОЙ И ИНТРАОПЕРАЦИОННОЙ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ
ELECTRON BEAM AND X-RAY BEAM GENERATOR FOR INTERSTITIAL AND INTRAOPERATIVE RADIATION THERAPY

Настоящее изобретение относится к устройству для получения электронных пучков и пучков рентгеновских лучей для внутритканевой и интраоперационной лучевой терапии, которую чаще называют ИОЛТ (интраоперационная лучевая терапия). Более конкретно изобретение относится к устройству для ИОЛТ с использованием установки типа плазменный фокус, подключенной к направляющему электроны элементу, который подводит пучок непосредственно в ткань, предназначенную для воздействия дозой низкоэнергетического электронного или протонного рентгеновского облучения очень высокой мощности.
Известно, что установки типа плазменный фокус, предложенные Mather (JW Mather, Methods of experimental physics, Vo.9, Part B. Plasma Physics, Eds.RH Lovberg and HM Griem - Academic Press, New York, 1971 - chapter 55), позволяют создавать, ускорять и удерживать плазму, что при соответствующих рабочих условиях вызывает термоядерные реакции, генерирующие излучение и нуклиды и/или другие субатомные частицы.
Установка такого типа, в частности ее характеристики и работа, описана в заявке на патент Италии VE 2004A000038 (авторы Marco SUMINI, Agostino TARTARI, Domiziano MOSTACCI), поданной 21.10.2004, на устройство для эндогенного получения радиоизотопов, в частности для позитивно-эмиссионной томографии.
Областью техники, для которой предназначено устройство согласно настоящему изобретению, является послеоперационная лучевая терапии ткани, которую осуществляют после удаления небольших опухолевых образований. Это устройство представляет особый интерес для ИОЛТ в отношении четырех "главных убийц", т.е. опухолей легких, молочной железы, простаты и толстой кишки. Опухоли последнего типа занимают первое место среди причин смертности из-за злокачественной неоплазии среди мужчин в Италии.
В некоторых используемых в настоящее время методах ИОЛТ требуемую дозу подводят к участку с помощью пучков электронов или фотонов (гамма или рентгеновских лучей) непрерывно или в импульсном режиме.
Например, известна система для фотонной радиохирургии (ФРХ) компании Photoelectron Corporation of Massachusetts (США). Она представляет собой миниатюрный ускоритель электронов с энергией порядка 40-50 кэВ, которые фокусируются через проводник длиной 10 см и диаметром 3,2 мм на тонкой мишени для формирования непрерывного пучка рентгеновских лучей.
TM
Другое известное устройство с аналогичными характеристиками, Intrabeam, выпускает компания Oncology Systems Limited, Battlefield, Великобритания, совместно с Carl ZEISS.
Еще одним известным примером является подвижный линейный ускоритель Novac7 компании Hytesis of Latina (Италия); он генерирует линейный пучок электронов с энергией 3-9 МэВ. Этот пучок направляется облучателем из органического стекла, имеющим диаметр несколько сантиметров.
В этих известных из уровня техники устройствах величина подводимой дозы не полностью определяет радиобиологическое поражение, так как последнее строго связано с пространственно-временными условиями излучения. Поэтому наряду с традиционной терапией непрерывного действия были разработаны методы фракционного подведения дозы (во времени и пространстве) с помощью радиоизотопных имплантов. В медицинской практике стали применяться пучки частиц с высокой эффективностью терапевтического воздействия (т.е. нейтронов, протонов и ионов), хотя и только в специальных случаях. Однако их получение требует огромных установок типа ядерных реакторов, синхротронов или больших линейных ускорителей.
Кроме требования высокой радиобиологической эффективности к ИОЛТ предъявляются по меньшей мере три обязательных требования:
- осуществление процедуры вблизи помещения, в котором проводится хирургическая операция,
- точное наведение подводимой дозы,
- минимальное возможное время облучения и возможность выполнения процедуры за один сеанс ИОЛТ.
Ни одно из упомянутых выше или других предлагавшихся ранее устройств не удовлетворяет всем трем требованиям.
Учитывая такое состояние уровня техники, в основу настоящего изобретения положена задача нахождения альтернативы существующим системам ИОЛТ, которая бы позволила преодолеть их основные недостатки, такие как:
- сложность коллимирования пучка, а значит, и обработки небольших опухолей (величиной несколько миллиметров),
- малая мощность дозы облучения, передаваемой в обрабатываемую ткань,
- низкая радиобиологическая эффективность пучков,
- громоздкость облучающей головки,
- сложность управления и ограничения риска для пациента,
- чрезмерная продолжительность каждой процедуры,
- отсутствие выбора вида облучения (рентгеновские лучи или электроны).
Настоящее изобретение позволяет решить все эти проблемы с помощью устройства для получения электронных пучков или пучков рентгеновских лучей для внутритканевой и интраоперационной лучевой терапии, отличающегося тем, что оно содержит
в качестве импульсного источника электронов головку типа плазменный фокус с вакуумной камерой, снабженной парой цилиндрических коаксиальных электродов для формирования электрического разряда, и средством для введения по меньшей мере одного химически активного газа в камеру,
электрическую схему, питающую упомянутую головку-источник и содержащую конденсаторную батарею с быстродействующими переключателями и проводниками, подсоединенными к электродам упомянутой вакуумной камеры, и
направляющий электроны элемент, коаксиальный по отношению к упомянутым электродам, выходящий из головки-источника прямо возле участка облучения,
армированную платформу с высоковольтными кабелями и средствами для подвески и перемещения головки.
Фиг.1 изображает схематически общий перспективный вид устройства согласно настоящему изобретению,
фиг.2 изображает его электрическую и гидравлическую схему,
фиг.3 изображает деталь электродов, вакуумной камеры и коллектора,
фиг.4 изображает электроды вакуумной камеры и направляющий электроны элемент в увеличенном виде,
фиг.5 изображает конденсатор с его быстродействующим переключателем,
фиг.6 изображает схематически продольное сечение направляющего электроны элемента,
фиг.7 изображает функциональную схему вакуумной камеры с электродами и направляющим электроны элементом, и
фиг.8 изображает схему генерации рентгеновских лучей в зависимости от энергии падающих электронов при использовании вольфрамового преобразователя (экспериментальные данные).
Как видно на чертежах, устройство согласно настоящему изобретению можно назвать установкой для получения электронных пучков и пучков рентгеновских лучей для ИОЛТ. Оно содержит головку-источник 2 электронных импульсов, построенную на основе специального варианта плазменного фокуса по типу Mather. Более конкретно головка-источник 2 содержит вакуумную камеру 4, заключающую в себе два цилиндрических коаксиальных электрода 6,8, разделенных изолятором 10, который также закрывает нижнюю часть камеры 4.
Два электрода 6, 8 подсоединены к конденсаторной батарее 12 через быстродействующие переключатели 14. Более конкретно конденсаторы 12 подсоединены в верхней части к зарядному источнику 15 питания, а в нижней части через быстродействующие переключатели 14 к высоковольтной, сильноточной линии электропередачи 16, подсоединенной к электродам 6,8. Быстродействующие переключатели подсоединены со своей стороны к схеме охлаждения с помощью соответствующих соединителей (не отмеченных номерами на фиг.5) и подсоединены к верхней части к источнику 15 питания через соответствующий соединитель 17.
Вакуумная камера 4 также снабжена средством соединения с вакуумным насосом 18 и другим средством соединения с источником 20 водорода, неона или аргона.
Соединение вакуумной камеры 4 с конденсаторной батареей реализовано непосредственно в нижней части самой камеры с помощью специальных коллекторов 21, состоящих из двух взаимно коаксиальных стальных дисков, причем нижний диск 23 подсоединен к внутреннему электроду 6 вакуумной камеры, а верхний диск 25 подсоединен к внешнему электроду 8. Соединение с конденсаторной батареей реализовано посредством коаксиальных кабелей, у которых наружный проводник присоединен к верхнему диску 23 коллектора с помощью подходящего соединителя, а внутренний проводник пересекает верхний диск коллектора и заканчивается в подходящем соединителе на нижнем диске 25 коллектора. Соединение между коллектором и вакуумной камерой реализовано в нижней части камеры, где два электрода 6, 8 разделены изолятором. При этом верхний диск 25 коллектора, принимающий наружный проводник коаксиальных кабелей, соединен с внешней частью вакуумной камеры 4 и внешним электродом 8, а нижний диск 23 коллектора, принимающий центральный проводник коаксиальных кабелей, присоединен к нижней пластине центрального анода 6.
Элемент, направляющий электроны, присоединен к вакуумной камере 4. Он образован цилиндром 22, полым вдоль его оси, который выполнен из непрозрачного для электронов материала.
Для защиты от излучения материал цилиндра 22 помимо соответствия требованиям механической прочности и способности удерживать вакуум должен обеспечивать минимально возможную генерацию рентгеновских лучей в результате ударов электронов, как характеристических (X-K и X-L), так и тормозных. Всем этим критериям полностью отвечает органическое стекло, его физические и химические свойства хорошо известны, что облегчает проектирование. В качестве альтернативы можно использовать нержавеющую сталь.
Направляющий электроны элемент присоединен вакуум-плотным соединением к нижней изолирующей плите вакуумной камеры 4, содержащей центральной отверстие. На противоположном конце, находящемся снаружи вакуумной камеры, направляющий электроны элемент снабжен деталью 24, которая создает вакуумное уплотнение направляющего электроны элемента 22, но при этом позволяет извлекать электроны.
Деталь 24 может быть реализована в виде четырех возможных вариантов: первый вариант представляет собой фольгу толщиной несколько микронов из бериллия или другого металла с малым атомным номером, позволяющего извлекать электроны. Второй вариант представляет собой слой ПЭТФ толщиной 10-12 мкм, покрытый очень тонким слоем алюминия, который повышает механическую прочность и теплопроводность для охлаждения слоя ПЭТФ. В качестве третьего варианта используются слои толщиной 10-15 мкм из титана, тантала или вольфрама. Четвертый вариант представляет собой полусферу из металла толщиной несколько микронов для преобразования энергии электронов в характеристические рентгеновские лучи, возникающие в результате ионизации атомов в фольге при ударах электронов (A.Tartari et al: Energy spectra measurements of X-ray emission from electron interaction in a dense plasma focus devices, Nucl.Instr.Meth.B 213 (2004)206).
к
В этом четвертом варианте вакуумной детали 24 материал фольги следует выбирать так, чтобы оптимизировать генерацию характеристических рентгеновских лучей с учетом энергии падающих электронов. Выход как функция энергии показывает, что максимальная генерация достигается при энергии падающих электронов, в три раза превосходящей энергию связи Е электронов К или L; это можно видеть на фиг.8 для случая использования вольфрама в качестве материала преобразователя.
При практическом применении устройства согласно настоящему изобретению в процедуре ИОЛТ его устанавливают на платформе, содержащей основание 26 на колесах, в котором находится конденсаторная батарея 12, закрытая клеткой 28 Фарадея для изоляции электромагнитных полей. На фиг.1 для упрощения эта клетка не показана, хотя отмечен периметр ее основания. На каждом конденсаторе 12 предусмотрен соответствующий быстродействующий переключатель 14.
На основании также закреплены манипуляторы 30, удерживающие вакуумную камеру 4, висящую над пациентом. Элемент 22, направляющий электроны, возможно снабженный преобразователем для генерации энергии рентгеновских лучей из энергии электронов, выходящий из вакуумной камеры, достигает непосредственной близости к участку, подлежащему облучению.
Далее будет описана работа предложенного устройства согласно изобретению, причем для простоты будет описан одноимпульсный режим, хотя предполагается, что для ИОЛТ больше подходит циклический режим с частотой 1 Гц.
15
2
В принципе, работа происходит следующим образом: конденсаторная батарея заряжается до предварительно заданного напряжения, а затем происходит очень быстрый разряд накопленной энергии (в течение нескольких микросекунд) в электроды 6,8. Этот разряд конденсаторов вызывает ионизацию газа между электродами, его переход в состояние плазмы и движение плазмы по направлению к концу электродов. Более конкретно самообразующаяся электромагнитная сила движет слой плазмы, образовавшийся таким образом вдоль электродов, и он ускоряется по направлению к открытому концу электродов. При достижении конца плазма сжимается образовавшимися мощными электромагнитными полями и взрывается, создавая условия удержания, типичные для термоядерной плазмы, соответствующие совокупности плотности, энергии и времени удержания частиц плазмы порядка 10кэВ·сек/см.
Это удержание происходит в цилиндре, имеющем приблизительный диаметр 1 мм и длину 1 см, который называется пинч или фокус (32, см. фиг.7). Время существования этого фокуса в зависимости от энергии батареи колеблется от 10 нс (6-7 кДж) до нескольких десятков наносекунд (при батарее с большей энергией); в конце он распадается, образуя пучки частиц.
Когда в качестве заполняющего газа используется водород, или аргон, или неон, в фокусе образуются
- пучки низкоэнергетических рентгеновских лучей и протонов, испускаемые аксиально вперед,
- релятивистские пучки электронов (РПЭ) с энергией <1 МэВ, испускаемые назад (флюенс электронов около 0,5-5 мС/импульс для установки 6-7 кДж).
Так как пучки рентгеновских лучей и протонов легко поглощаются стенками вакуумной камеры 4, конкретная коаксиальная геометрия электродов 6,8 и направляющего электроны элемента 22 вместе с полой конструкцией электрода 6 позволяют извлекать релятивистские пучки электронов, РПЭ.
Эти электроны движутся вдоль направляющего электроны элемента 22 и на его конце могут использоваться для процедуры ИОЛТ либо непосредственно либо после преобразования в рентгеновские лучи 25-50 кэВ в зависимости от потребности и используемой детали 24.
Из вышеуказанного ясно, что предложенное устройство согласно изобретению имеет особую ценность по сравнению с известными из уровня техники системами ИОЛТ, в частности оно обеспечивает следующие преимущества:
- высокую радиологическую эффективность получаемых пучков;
- меньшую громоздкость, учитывая то, что головка-источник может иметь размеры около 20×30 см;
- излучение дозы в четко очерченные и контролируемые участки, имеющие площадь менее одного квадратного сантиметра и глубину 2-3 мм;
- короткую общую продолжительность сеанса, составляющую около одной минуты;
- возможность использования как электронной, так и рентгеновской терапии.
Для дополнительного пояснения изобретения далее будут описаны примеры, касающиеся уже созданного опытного образца, находящегося на стадии широких испытаний.
В одном конкретном варианте осуществления изобретения установка для ИОЛТ с использованием технологии плазменного фокуса содержит плазменный фокус и отличается наличием направляющего электроны элемента, образованного камерой для РПЭ (релятивистских пучков электронов), специальной конструкции, позволяющей размещать в ней сменные рентгеновские преобразователи и рентгеновский спектрометр.
Далее приводятся установленные параметры предварительных испытаний и полученные результаты.
Суммарная емкость конденсаторной батареи 44,4 мкФ, причем каждый конденсатор имел следующие характеристики:
- модель: GA 32899,
- емкость: С = 11,1 мкФ,
max
- максимальное рабочее напряжение V = 36 кВ,
damage
- максимальное напряжение поражения: V = 40 кВ,
c
- пиковый рабочий ток: I = 150 кА,
- реверсирование рабочего напряжения: 60%,
- реверсирование максимального напряжения: 80%,
- жизненные циклы в рабочих условиях: 1Е6,
c
- индуктивность: L = 30 нГ,
- габариты: 31 × 41 × 68 см,
- вес: 140 кг,
рабочее напряжение: 20-26 кВ,
энергия батареи: 10-15 кДж,
суммарная индуктивность: 100 нГ,
длина электрода: 13,3 см,
внутренний диаметр электрода (медь): 3 см,
внешний диаметр электрода (медь): 8 см,
псевдопериод, τ: 1-12 мкс,
3
объем вакуумной камеры из нержавеющей стали: 2,5 дм.
Источник питания имел следующие характеристики:
0
- выходное напряжение: V = 20-30 кВ,
- передаваемая энергия: 10-15 кДж,
- время зарядки батареи: 0,5-0,8 с,
PS
- средний передаваемый ток: I = 2A,
PS
PS
0
- средняя передаваемая мощность: P = IV = 60 кВА.
Этот источник питания может работать как в одноимульсном, так и в циклическом режиме, в последнем случае используется хронирование блока курков быстродействующих переключателей.
Быстродействующие переключатели имели следующие характеристики:
- модель: REB3 SG-182 O SG-183 Montecuccolino (т.е. специально разработанная компанией R.E.Beverly III & Ass. в соответствии с техническими условиями),
- тип запуска: искажение поля,
- минимальное рабочее напряжение: 15 кВ,
- максимальное рабочее напряжение: 65 кВ,
S
- пик рабочего тока: I=160 кА,
- пик максимального тока: 250 кА,
- максимальный передаваемый заряд на один импульс: 0,36 Кл,
SG
- индуктивность: L = 27 нГ,
- время замыкания: 22 нс,
- время распада: 600 нс,
- рабочий газ: синтетический воздух,
- вывод к электродам: 4 коаксиальных кабеля на каждый переключатель.
Коаксиальные кабели: DS 2248 компании Dielectric Science.
Для охлаждения в устройстве используются система охлаждения электродов, система рециркуляции газа в вакуумной камере и система рециркуляции рабочего газа быстродействующих переключателей, которые позволяют работать в циклическом режиме с частотой 1 Гц или выше.
c
SG
Индуктивность одного узла конденсатор - быстродействующий переключатель составляет L + L = 57 нГ.
Конденсаторы были запараллелены во время зарядки, распределительная коробка содержала высоковольтные диоды и соответствующие электронные схемы для подавления возмущений.
Cmax
Коаксиальные кабели (16), соединяющие четыре узла конденсатор - быстродействующий переключатель с коллектором и подсоединенные, в свою очередь, к электродам (6,8), использовались из расчета 4 на узел, т.е. всего 16 кабелей, каждый из которых передавал максимальный ток 1/4 L ≅ 25 кА.
Каждый коаксиальный кабель имел длину 4,2 м.
Диски (21) коллектора имели диаметр 45 см.
Испытания показали, что X-L спектральная компонента характеристических рентгеновских лучей составляет 35% спектра, а их энергия - 8,9 кэВ, а остальные 65% составляет компонента тормозного излучения с энергией 25,0 кэВ, при этом однократная доза составляет 10 Гр за 30 нс.