ПРИМЕНЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ИОНОВ ДЛЯ ТЕРАПИИ ФИБРИЛЛЯЦИИ ПРЕДСЕРДИЙ И ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ ЭТОГО СИСТЕМА УСКОРЕНИЯ ИОНОВ
APPLICATION OF LINEAR ACCELERATORS OF IONS FOR THERAPY OF ATRIAL FIBRILLATION AND ION ACCELERATION SYSTEM APPLIED THEREFOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается применения линейных ускорителей ионов (обычно называемых «линаками») для терапии фибрилляции (AF) предсердий и системы или комплекса ускорения ионов, соответствующего ограничительным частям пунктов 1 и 2 формулы изобретения, при этом терапию фибрилляции предсердий выполняют с помощью известных технологий: сканирования «пятном» и так называемого «многократного покрытия». Этот ускоряющий комплекс называют LINAF.
Уровень техники
Хорошо известно, что адронная терапия является современным видом лучевой терапии раковых заболеваний, при котором используют пучки протонов или более тяжелых заряженных ядерных частиц с массовым атомным числом больше 1.
Несколько лет назад было предложено использовать при аналогичных технологиях, такие же пучки для терапии фибрилляции предсердий, при этом ограничения и недостатки указанной терапии указаны ниже.
Фибрилляция предсердий
Фибрилляция (AF) предсердий пожилых людей является самым распространенным типом аритмии сердца и фактором высокого риска для сердечного приступа. Риск развития фибрилляции предсердий в течение всего срока жизни составляет 25%. Распространенность увеличивается от 0,1% среди взрослых людей младше 55 лет до 9,0% среди людей возраста 80 лет и старше. Медианный возраст людей с фибрилляцией предсердий составляет 67 лет для мужчин и 75 лет для женщин и, в среднем, около 1% общего населения страдает фибрилляцией предсердий. Прогнозируют, что этот процент увеличится в 2,5 раза в следующие 50 лет, отражая рост доли пожилых людей.
В Соединенных Штатах около 3 миллионов людей в год испытывают эпизоды AF и приблизительно 20% всех приступов (75 000/год) может быть отнесено к AF; общая стоимость AF терапии составляет около 7 миллиардов долларов в год. В Европе соответствующие затраты составляют около 1% всех ежегодных затрат здравоохранения. В настоящее время варианты терапии AF таковы: лекарства для управления фибрилляцией предсердий, лекарства для уменьшения риска приступа, электроимпульсная терапия (терапия ударами электрического тока), катетерная абляция и установка кардиостимулятора.
Катетерная абляция разрывает аномальные электрические цепи в сердце. Катетеры направляют через вены пациента в сердце, где они записывают электрическую активность. Когда найден источник аномалии, источник энергии (например, такой как высокочастотные радиоволны, которые вырабатывают тепло) передается через один из катетеров для разрушения ткани.
Эта технология является инвазивной и от нее отказывается много пациентов.
Согласно автору изобретения, недавно предложенное использование пучков заряженных адронов для разрушения опасных электрических связей в сердце может быть ценной неинвазивной альтернативой. Более того, его можно использовать без анестезии, и пациент ничего не почувствует, как в случае стандартного сеанса радиотерапии. Ниже перечислены документы, имеющие отношение к этой области:
- Ch. Bert, R.Engenhart-Cabillic, M. Durante, Particle therapy for non-cancer diseases (Корпускулярная терапия для нераковых заболеваний), Med. Phys., 39 (2012) 1716.
- A. Constantinescu, H.I. Lehmann, С. Graeff, D. Packer, M. Durante, C. Bert, Influence of cardiac motion on pulmonary veins for the non-invasive treatment of atrial fibrillation with a scanned carbon ion beam (Влияние движений сердца на легочные вены для неинвазивной терапии фибрилляции предсердий с помощью сканирующего пучка ионов углерода), GSI Scientific Report 2012, p. 472.
Использование адронных пучков для терапии AF, согласно автору изобретения, является новой технологией, основанной на развитии технологии, основанной на пучках рентгеновских лучей, рассмотренной, например, в следующих публикациях:
- A. Sharma, D. Wong, G. Weidlich, T. Fogarty, A. Jack, T. Sumanaweera, P. Maguire, Non-inventive stereotactic radiosurgery (Cyber Heart) for creation of ablation lesions in the atrium (Неинвазиваная стереотаксическая радиохирургия (Cyber Heart) для создания абляционных повреждений в полости), Heart Rhythm 7 (2010) 802.
- R.M. Sullivan, A. Mazur, Stereotactic robotic radiosurgery (Cyber Heart): A cyber revolution in cardiac ablation? (Стереотаксическая роботизированная радиохирургия (CyberHeart): Киберреволюция в сердечной абляции?), Heart Rhythm, 7 (2010)811.
Также заметим, что несомненно адроны предпочтительнее рентгеновских лучей благодаря гораздо лучшей локализации доставляемой дозы вследствие пика Брэгга, когда максимальная плотность энергии попадает в тело пациента в конце пробега заряженной частицы; это свойство является тем же самым свойством, благодаря которому протоны лучше рентгеновских лучей при терапии твердых раковых образований, близких к критически важным органам.
В проходящих в настоящее время предварительных исследованиях этой новой технологии, дозу доставляют с субмиллиметровой точностью путем «нанесения» «пятна» Брэгга на соответствующие целевые ткани пульсирующего сердца. При этом необходимо быстро изменять - до направления каждого пятна - его две поперечные позиции и также его глубину в теле, чтобы компенсировать перемещения из-за (i) цикла дыхания и (ii) биения сердца пациента.
Следовательно, любая оптимальная будущая терапия должна содержать трехмерную систему обратной связи, что нужно для уменьшения нежелательного облучения окружающих здоровых тканей путем ограничения дозы рассматриваемой целью и терапии пациента в течение короткого времени.
По мнению многих экспертов, изучающих эту новую технологию, предпочтительнее использовать ионы углерода по сравнению с протонами, так как они обладают в три раза меньшим многократным рассеянием и меньшим разбросом, так что пятно покрывает объем, который примерно в десять раз меньше. Тем не менее, необходимый ускоритель гораздо больше, так как - для такого же проникновения в тело пациента - магнитная жесткость ионов углерода в три раза больше магнитной жесткости соответствующего пучка протонов.
Более того, можно наблюдать, что в области терапии рака пучками адронов, используют два типа ускорителей: циклотроны (изохронные или синхроциклотроны; обычные или сверхпроводящие) и синхротроны. Несколько компаний предлагают готовые к использованию центры для терапии протонами и/или ионами углерода на основе таких ускорителей. Эти ускорители являются ускорителями, которые используют и планируют использовать ученые, исследующие использование протонов и ионов при терапии AF.
Автор настоящего изобретения уже предложил линейные ускорители (линаки) для терапии рака протонами и легкими ионами.
1) Патент США №6888326 В2 «Linac for Ion Beam Acceleration» (Линак для ускорения пучка ионов), U. Amaldi, M. Crescenti, R. Zennaro.
2) Патент США №7554275 B2 «Proton Accelerator Complex for Radioisotopes and Therapy» (Комплекс ускорения протонов для радиоактивных изотопов и терапии), U. Amaldi.
3) Европейский патент ЕР 2106678 В1 «Ion Accelerator System for Hadrontherapy» (Система ускорения ионов для адронной терапии), авторы: U. Amaldi, S. Braccini, G. Magrin, P. Pearce, R. Zennaro.
4) Патент США 8405056 B2 «Ion Accelerator System for Hadrontherapy» (Система ускорения ионов для адронной терапии), авторы: U. Amaldi, S. Braccini, G. Magrin, P. Pearce, R. Zennaro.
Аналогичные линаки обладают многими достоинствами при терапии рака. Сейчас автор изобретения с удивлением отметил, что эти линаки обладают достоинствами также в новых разработках, касающихся терапии AF.
Раскрытие изобретения
Основная цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить применение линейных ускорителей (линак) ионов для терапии фибрилляции предсердий и предложить соответствующую систему ускорения ионов, в которой заряженные частицы не обладают ограничениями и недостатками известных технологий; эти системы или комплексы отчасти известны и полезны и обладают компактной и легкой реализацией, а также требуют небольшой поверхности для установки, так что их установка в медицинских центрах более легкая. Линак для терапии фибрилляции предсердий называется «LINAF».
Эта цель достигается в различных аспектах при применении линейных ускорителей (или линаков) ионов для терапии фибрилляции предсердий и применении соответствующей системы ускорения ионов с признаками из пп. 1 и 2 формулы изобретения. Дальнейшие частные варианты соответствуют зависимым пунктам формулы изобретения.
Благодаря использованию линейных ускорителей ионов для терапии фибрилляции предсердий и соответствующих устройств для ее реализации, в соответствии с изобретением можно добиться некоторых важных преимуществ, что будет описано ниже, вместе с другими аспектами изобретения.
В соответствии с изобретением, предложенные системы основаны на адронных линаках, работающих на высоких частотах и с высокими градиентами; они изготовлены из многих «ускоряющих блоков», отдельно снабжаемых электроэнергией. Такие линаки могут ускорять ионы любых типов.
В рамках настоящего изобретения автор дополнительно отметил, что ионы гелия особенно интересны, так как по сравнению с ионами углерода для их ускорения требуется гораздо более короткий линак, при этом они создают пятна, поперечный и продольный размеры которых в два раза меньше по сравнению с пятнами пучка протонов, которые обеспечивают такую же дозу на такой же глубине в теле пациента.
Для удовлетворения описанных выше потребностей, в соответствии с настоящим изобретением, ионы - в частности ионы гелия - ускоряют до энергии, нужной для AF терапии, с помощью одной или большего количества секций, являющихся линаками и работающих на высокой частоте - то есть на частотах, больших 1 ГГц. Типовые максимальные кинетические энергии являются энергиями, соответствующими пробегу иона в воде, равному 180 мм: 160 МэВ для протонов, 640 МэВ (160 МэВ/н) для ионов гелия и 3600 МэВ (300 МэВ/н) для ионов углерода. Соответствующие интегралы ускоряющего электрического поля равны 160 MB, 320 MB и 600 MB.
Высокочастотные линаки ионов могут работать с большими ускорениями градиентами (до 40-50 МВ/м) и, таким образом, для достижения таких энергий нужны ускоряющие структуры ограниченных длин. Тем не менее, эти цифры непосредственно показывают, что линак для ионов гелия для AF примерно в два раза длиннее линака для протонов, а линак для ионов углерода примерно в два раза длиннее линака для ионов гелия.
Инжектор высокочастотного линака (здесь называется «предварительным ускорителем») может быть линейным ускорителем, специальным для низкоскоростных ионов, или кольцевым ускорителем (циклотроном, синхроциклотроном, FFAG ускорителем или другим) или может быть комбинацией двух или более этих хорошо известных ускорителей.
Выходной пучок линака для AF является импульсным и длительность импульсов составляет 3-5 микросекунд: они следуют друг за другом с частотой повторения, которая изменяется - в соответствии с требованиями - от 1 Гц до 500 Гц.
В конечном линаке энергию (и, следовательно, глубину проникновения) каждого пятна можно регулировать путем отключения некоторого количества блоков и путем изменения мощности и фазы радиочастотных импульсов мощности, направляемых в последние активные блоки. Таким образом, линаки являются идеальными ускорителями для системы «активной» доставки доз: энергию ионов и количество ионов в импульсе можно регулировать с помощью электроники и в течение нескольких миллисекунд, от импульса к импульсу. Энергию регулируют путем воздействия на импульсы мощности и их фазы - передаваемые на ускоряющие блоки - как описано выше, при этом количество ионов обычно регулируют путем воздействия на электростатические линзы источника частиц, который, как отмечено, вырабатывает импульсы длительностью 3-5 микросекунд с частотой повторения от 1 Гц до 500 Гц.
Более того, при заданной высокой скорости повторения, каждый «элемент объема» целевой ткани может подвергаться воздействию по меньшей мере десять раз в режиме терапии, что часто называют «многократным покрытием».
В соответствии с изобретением, оптимальной AF терапии достигают путем объединения многократного покрытия и трехмерной системы обратной связи.
Следует подчеркнуть, что в циклотроне регулировку энергии получают путем механического перемещения соответствующих устройств поглощения, что является причиной нежелательной активации окружающего материала и обычно требует более 10 метров магнитов для «очищения» пучка после устройств поглощения. Более того, регулировка таких устройств поглощения требует обычно 100 миллисекунд. Быстрая электронная трехмерная регулировка положения пятна не осуществима в обычном синхротроне, так как обычно энергия изменяется в каждом цикле ускорения, то есть обычно каждую одну или две секунды.
В общем, высокочастотный линак превосходит все другие ускорители, так как энергию пучка можно изменять от импульса к импульсу (то есть каждые несколько миллисекунд) вместе с количеством частиц, доставляемых к являющейся опухолью цели (которую устанавливают путем воздействия источником частиц очень малой энергии).
Структура по времени и интенсивности пучка импульсов с высокой частотой повторения особенно подходит для доставки дозы при АF терапии, так как она улучшает с помощью «многократного покрытия» технологию «сканирования пятном», используемую в центре PSI, Институте Пауля Шеррера, г. Виллиген, Швейцария (Э. Педрони (Е. Pedroni) и другие, Проект протонной терапии 200 МэВ в институте Пауля Шеррера: концептуальный проект и практическая реализация, Medical Physics, 22(1), (1995) 37).
Помимо оптимальной по времени и интенсивности структуры пучка ионов, использование линаков ионов с высокими градиентами, в соответствии с изобретением, обладает другими достоинствами.
Прежде всего, ускоритель легче, его проще перемещать и устанавливать по сравнению с существующими циклотронами и синхротронами, и он отличается модульной структурой, выполненной из одинаковых высокотехнологичных блоков, повторяющихся практически без изменения для каждого ускоряющего модуля. Во-вторых, предложенная система является компактной, так что нужны минимальные объемы и поверхности для установки, следовательно, легче провести ее установку в медицинских центрах.
Более того, высокая частота линака подразумевает низкое потребление электроэнергии, что приводит к уменьшению затрат при эксплуатации.
Подводя итог, по сравнению с другими адронными ускорителями, которые могут быть использованы для AF терапии, в настоящем изобретении предложено построить компактный комплекс или объект с низким потреблением электроэнергии, который доставляет дозу с помощью технологии трехмерного сканирования пятном с многократным покрытием и обратной связью с целью компенсации перемещений облучаемого сердца.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, этот ускоряющий комплекс также может быть использован для терапии артериовенозных мальформаций (AVMS) и фокальных эпилептических нарушений, которые могут быть облучены пучками протонов (и других ионов), это было рассмотрено в работе Ф. Дж. А.И. Верниммен (F.J.A.I. Vernimmen) и другие, Стереотаксическая терапия пучком протонов для внутричерепных артериовенозных мальформаций, Int J RadiatOncolBiolPhys 62 (2005) 44, и в работе М. Куигг (М. Quigg) и другие, Радиохирургия для эпилепсии: склинический опыт и потенциальные противоэпилептические механизмы, Эпилепсия (Epilepsia) 53 (2012) 7.
Краткое описание чертежей
Дополнительные преимущества, подробности и характеристики использования линейных ускорителей ионов для терапии фибрилляции предсердий и соответствующей системы ускорения ионов, которые соответствуют изобретению, ясны из последующего описания предложенного применения и из реализации надлежащей системы ускорения ионов, схематически показанной в качестве примера на приложенном чертеже.
Со ссылками, главным образом, на единственную фигуру, основными компонентами комплекса адронных ускорителей для применения изобретения являются:
1. источник ионов, генерирующий ионные импульсы длительностью 5 микросекунд с частотой повторений в диапазоне от 1 Гц до 500 Гц;
2. магнитный канал (LEBT - транспорт пучка низкой энергии) транспортировки пучка низкой энергии;
3. предварительный ускоритель, который может быть радиочастотным квадруполем (RFQ), или циклотроном, или синхроциклотроном, или линаком специального типа, способным ускорять очень медленные адроны;
4. канал (МЕВТ) транспортировки пучка промежуточной энергии;
5. первая секция линака, с радиочастотой, большей 1 ГГц;
6. вторая секция линака, работающая с радиочастотой, которая может быть кратна радиочастоте первой секции линака;
7. третья секция линака, с радиочастотой, которая может быть кратна радиочастоте второй секции линака;
8. канал (НЕВТ) транспортировки пучка высокой энергии, который доставляет ускоренный пучок к помещениям для проведения терапии пациентов;
9. разветвляющий магнит, который в предпочтительном варианте реализации направляет импульсы пучка с переменной энергией и интенсивностью в помещениях для проведения терапии;
10. система транспортных линий пучка к помещениям для проведения терапии, при этом каждая указанная линия содержит два сканирующих магнита (которые определяют размеры поля облучения путем перемещения пучка ионов по вертикали и горизонтали) и систему отслеживания;
11. роботизированные кресла, в которых сидящие пациенты получают дозу в сердце, назначенную Системой (TPS) планирования терапии;
12. оборудование или комплекс адронных ускорителей, соответствующий изобретению;
13. комплекс подсистем или секций (5; 6; 7) линака;
14. система транспортных линий для импульсов ионов к местам, где облучают пациентов.
Заметим, что подсистемы или секции 5, 6 и 7 на фигуре не обязательно все присутствуют одновременно в каждой реализации.
Более точно, как показано на фиг. 1, в соответствии с изобретением, адронный ускоряющий комплекс 12 содержит различного рода ускорители, соединенные последовательно, а именно: предварительный ускоритель 3 и некоторое количество секций 5, 6, 7 линака; их частоты осцилляций могут постепенно увеличиваться, чтобы последний линак обладал большим градиентом и чтобы, таким образом, уменьшить общую длину системы. Для упрощения общей схемы могут отсутствовать некоторые из трех секций 5, 6, 7 линака.
Выход источника 1 ионов подают на вход предварительного ускорителя 3. Выходной пучок источника 1 ионов может быть непрерывным или, лучше модулированными с частотой повторений 1 - 500 Гц, импульсами длительность несколько микросекунд, так что количество ионов, направленных через МЕВТ 4 в первую секцию 5 линак, является минимальным и не создает ненужной радиоактивности в последующих элементах.
Каждая секция 5, 6, 7 линака, выполнена из «ускоряющих блоков», которые могут быть линаками с бегущей волной или линаками со стоячей волной и иметь структуры следующих типов линаков: линак (DTL) с трубками дрейфа, IH линак с трубками дрейфа, СН линак с трубками дрейфа, линак (CLUSTER) со связанными резонаторами, использующий поперечные электрические радиальные поля, линак (SCDTL) с трубками дрейфа и боковыми связями, линак (CCL) со связанными ячейками или другими в соответствии со скоростью ускоренных адронов.
Ускоряющие структуры этих типов хорошо известны, другие описаны в документах US №6888326 В2, US №7423278 В2 и US №7554275 В2, на имя настоящего заявителя, и они процитированы и включены в настоящую заявку в качестве примеров, для подробностей необходимо обратиться к процитированным документам.
Отметим, что для достижения, со средним градиентом, равным до 30 МВ/м, общего требующегося напряжения для AF терапии - протоны: около 160 MB: ионы гелия: около 320 MB; ионы углерода: около 600 MB - общая длина линака составляет около 5 м для протонов, 10 м для ионов гелия и 20 м для ионов углерода.
В целом, секция линака, формирующая наибольший градиент ускорения, является секцией, обозначенной ссылочной позицией 7 на фиг. 1. Как описано выше, эта последняя секция, которую обычно делят на блоки, которые отдельно снабжаются электроэнергией, так что энергию выходящих частиц можно регулировать от импульса к импульсу.
Пучок ускоренных ионов передают в помещения для проведения терапии по НЕВТ каналу 8. В некоторых вариантах реализации этого достигают с помощью разветвляющего магнита 9, а в других реализациях выбирают стандартную конструкцию транспортировки пучка - такую, которую используют в центрах терапии рака с вращающимися гантри.
Пациенты могут получать терапию или на роботизированном кресле 11, как показано на предпочтительной реализации на фигурах, или лежа на управляемом компьютером передвижном диване.
При реализации терапии фибрилляции предсердий в соответствии с изобретением, в пучке частиц, выходящем из комплекса 12, 8, может изменяться (i) интенсивность (при воздействии на источник (1) ионов), (ii) глубина проникновения (путем независимой регулировки радиочастотных источников питания для ускоряющих блоков линаков) и (iii) поперечно относительно центрального направления пучка (путем изменения тока в катушках двух ортогональных сканирующих магнитов, расположенных перед каждым пациентом).
Возможность регулировки, за несколько миллисекунд в трех ортогональных направлениях, положения каждого энергетического воздействия в теле пациента делает ускоряющую систему 12 отлично подходящей для облучения бьющегося сердца.
В качестве примера, возможная схема указанного комплекса 12, данные которого представлены в таблице 1, состоит из следующих компонентов:
(А) управляемый компьютером источник 1 гелия - который может быть электронного циклотронного резонансного типа (ECR) (надлежащим образом модифицированного для получения импульсного пучка с частотой повторений в диапазоне 1-500 Гц) или электронно-лучевым источником (EBIS) ионов или другим;
(B) 60 МэВ/н циклотрон или синхроциклотрон 3, с катушками, которые работают при комнатной температуре или являются сверхпроводящими;
(C) Линак 7 со связанными ячейками типа LIBO, работающий при 3 ГГц и выполненный из 10 блоков, отдельно снабжаемых электроэнергией.
Компании Thales, Франция, и CPI, США, изготавливают - помимо других компаний - 3 ГГц клистроны, требующиеся для упомянутой реализации.
В предпочтительной реализации линака в таблице 1, предварительный ускоритель является сверхпроводящим. Конфигурация и размеры магнитного поля аналогичны конфигурации и размерам сверхпроводящего циклотрона, поставляемого компанией Varian Medical Systems, Inc. (Пало Альто, США) для терапии рака пучками протонов. Магнит, требующий только около 40 кВт для криогенной техники, обладает диаметром в 3,2 м и высотой в 1,6 м. Общее потребление электроэнергии составляет менее 200 кВт. Источник 1 инжектирует импульсы ионов гелия по оси.
Из описания структуры и функций различных вариантов реализации установок или комплексов ускорения ионов с целью применения, в соответствии с изобретением, при терапии фибрилляции предсердий, ясно, что предложенное изобретение эффективно достигает заявленной цели и при этом имеют место упомянутые преимущества.
Эксперты в данной области могут предложить модификации и изменения единичных компонентов и их комбинаций, как по структуре, так и/или по размерам, для систем, предложенных для использования в соответствии с изобретением, что делают для адаптации к конкретным случаям, без выхода за пределы объема настоящего изобретения, определенного в приложенной формуле изобретения.
Список литературы
Некоторые публикации в области высокочастотных линаков для адронной терапии:
- Р.У. Хамм (R.W. Hamm), К.Р. Крендалл (К.R. Crandall) и Дж.М. Поттер (J.М. Potter), Предварительный проект специального линака для протонной терапии, в Proc. РАС90, том 4 (Сан-Фрациско, 1991) 2583.
- У. Амальди (U. Amaldi), M. Грандолфо (M. Grandolfo) и Л. Пикарди (L. Picardi) (редакторы)), Сеть RITA и проект компактных ускорителей протонов), INFN, Frascati, 1996, ISBN 88-86409-08-7. «Зеленая книга», глава 9.
- Л. Пикарди (L. Picardi), К. Ронсивалль (С. Ronsivalle) и Б. Спатаро (В. Spataro), Проект развития SCDTL структуры для ТОР линака, Ядерные инструменты и способы (Nuclear Instruments and Methods) A, 425 (1999) 8.
- У. Амальди (U. Amaldi) и другие, Линак-бустер для протонной терапии: Изготовление и тесты прототипа, Ядерные инструменты и способы (Nuclear Instruments and Methods) A 521 (2004) 512.
- У. Амальди (U. Amaldi), С. Браччини (S. Braccini) и П. Паггиони (P. Puggioni), Высокочастотные линаки для адронной терапии, Rev. Асc. Sci. Tech. 2 (2009) 111.
- У. Амальди (U. Amaldi) и другие, Ускорители для адронной терапии: от циклотронов Лоуренса до линаков, Ядерные инструменты и способы (Nuclear Instruments and Methods) A 620 (2010) 563.
- К. Де Мартинис (С. De Martinis) и другие, Тесты ускорения 3 ГГц протонного линейного ускорителя (LIBO) для адронной терапии, Ядерные инструменты и способы (Nuclear Instruments and Methods) A 681 (2012) 10.