BR112012009315B1

BR112012009315B1 - Gantry compreendendo um analisador de feixes, para o uso em terapias com partículas

Info

Publication number: BR112012009315B1
Application number: BR112012009315-0A
Authority: BR
Inventors: Jongen Yves
Original assignee: Ion Beam Applications
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2018-02-06
Also published as: ES2605031T3; US10052498B2; US9289624B2; JP5748153B2; US20160199671A1; JP2013508046A; CN102695544B; EP2490765B1; US10799714B2; JP6105671B2; KR101768028B1; JP2015163229A; BR112012009315A2; US20120280150A1; WO2011048088A1; EP2490765A1; US20190151677A1; KR20120107942A; CN102695544A

Abstract

gantry compreendendo um analisador de feixes, para o uso em terapias com partículas. a presente invenção diz respeito a um aparelho para terapia com partículas, e destinado à terapia por radiação. mais especificamente, essa invenção se refere a um gantry para a emissão de feixes de partículas, que compreenda meios para a análise do feixe recebido. os meios são integrados no interior do gantry, de modo a restringir a difusão do impulso do feixe, e/ou a emissão do feixe.

Description

(54) Título: GANTRY COMPREENDENDO UM ANALISADOR DE FEIXES, PARA O USO EM TERAPIAS COM PARTÍCULAS (51) Int.CI.: A61N 5/10; G21K 1/02 (30) Prioridade Unionista: 23/10/2009 EP 09173989.6 (73) Titular(es): ΙΟΝ BEAM APPLICATIONS (72) Inventor(es): YVES JONGEN

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GANTRY COMPREENDENDO UM ANALISADOR DE FEIXES, PARA O USO

EM TERAPIAS COM PARTÍCULAS

Campo da Invenção

A presente invenção diz respeito a um aparelho para terapia com partículas carregadas, utilizado para terapias com radiação. Mais especificamente, essa invenção se refere a um gantry giratório, projetado para receber um feixe de partículas carregadas, em uma direção que conduza substancialmente ao longo de um eixo de rotação do gantry, para o transporte e a emissão do referido feixe a um alvo a ser tratado.

Antecedentes da Invenção

A radioterapia com o uso de partículas carregadas (como, por exemplo, prótons, íons de carbono, etc.) tem se mostrado uma técnica precisa de radioterapia conformacional, capaz de propiciar a emissão de uma dose elevada para um volume-alvo, assim como a minimização da dose emitida para os tecidos saudáveis que o cerquem. Em linhas gerais, um aparelho para a terapia com partículas compreende um acelerador que produza partículas energéticas carregadas, assim como um sistema de transporte de feixes para guiar o feixe de partículas em direção a uma ou mais salas de tratamento, e, para cada sala de tratamento, um sistema de emissão de feixes de partículas. É possível distinguir dois tipos de sistemas de emissão de feixes, a saber: sistemas fixos de emissão de feixes, que emitem o feixe até o alvo a partir de uma direção fixa de irradiação, e sistemas giratórios de emissão de feixes, que são capazes de emitir o feixe até o alvo a partir de direções múltiplas de irradiação. Tal sistema giratório de emissão de feixes também é denominado gantry. O alvo costuma se situar em uma posição fixa, definida pelo cruzamento entre eixo de rotação do gantry e o eixo central do feixe de tratamento. Esse ponto de cruzamento é designado como isocentro, e o aludido tipo de gantry, capaz de emitir feixes a partir de direções variadas até o isocentro, é denominado gantry isocêntrico.

O sistema de emissão de feixes por gantry compreende dispositivos destinados a moldar o feixe, para que este se adeque ao alvo. As duas principais técnicas utilizadas na terapia com feixes de partículas para moldar o feixe são as seguintes: as técnicas de dispersão passiva, mais comuns, e as de radiação dinâmica, mais avançadas. Um exemplo da técnica de radiação dinâmica consiste

2/16 na chamada técnica de escaneamento de “feixes caneta” (PBS). Na técnica de PBS, um feixe estreito em forma de caneta é- escaneado magneticamente sobre um plano ortogonal, em direção ao eixo do feixe central. A conformidade lateral no volume-alvo é obtida por meio de um controle adequado dos magnetos de escaneamento. A conformidade em profundidade no volume-alvo é obtida por meio do controle adequado da energia do feixe. Dessa forma, a dose de radiação das partículas pode ser emitida à totalidade do volume-alvo em 3D.

Os níveis de energia que têm de ser apresentados pelo feixe de partículas para que estas alcancem uma penetração suficientemente profunda no paciente dependem do tipo de partículas utilizadas. Por exemplo, para terapias com prótons, a energia do feixe costuma variar entre 70 MeV e 250 MeV. Para cada tipo de nível de penetração exigida, é necessário proceder à variação do nível de energia do feixe. A energia difundida pelo feixe tem de ser restrita, pois esse fator influencia diretamente o declínio distai da dose.

Contudo, nem todos os tipos de aceleradores podem realizar variações de energia. Para os aceleradores de energia fixa (como, por exemplo, um cíclotron isócrono fixo), costuma ser instalado um sistema de seleção de energia (ESS) entre a saída do acelerador e a sala de tratamento, conforme mostrado nas Figuras 1, 2 e 3. Tal sistema de seleção de energia é descrito por Jongen et al., em “The proton therapy system for the NPTC: equipment description and progress report”, Nuc. Instr. Meth. In Phys. Res. B 113 (1996) 522-525. A função do Sistema de Seleção de Energia (ESS) consiste em transformar o feixe de energia fixa extraído do cíclotron (por exemplo, 230 MeV ou 250 MeV para prótons) em um feixe dotado de um nível variável de energia, entre a energia fixa do cíclotron e um nível mínimo de energia exigida (por exemplo, 70 MeV para prótons). O feixe daí resultante tem de apresentar um nível verificado e controlado de energia absoluta, de energia difundida e de emissão.

O primeiro elemento do ESS consiste em um degradador de energia por carbono, que permite degradar a energia por meio da inserção, na linha do feixe, de elementos de carbono dotados de uma determinada espessura. Tal degradador de energia é descrito na patente EP1145605. Em virtude dessa degradação de energia, há um aumento na emissão e na difusão da energia do feixe. O degradador é seguido por incisões na emissão, destinadas a restringir a

3/16 emissão do feixe, e por um dispositivo de análise e seleção de um impulso ou energia para restaurar (ou seja, restringir) a energia difundida no feixe.

A Fig. 1 mostra um conhecido sistema de seleção de energia 10, juntamente com um acelerador imóvel de energia fixa 40 (neste exemplo, um cíclotron). Após o degragador e as fendas para a restrição de emissões, o feixe atravessa uma curva acromática de 120°, composta por dois grupos de duas curvas de 30°. Para atender às especificações necessárias ao declínio distai, a difusão do impulso ou da energia no feixe é restrita por uma fenda posicionada no centro da curva. Antes da curva, e entre os dois grupos de dois magnetos inclinados de 30°, o feixe é focado por quádruplos, de modo que a espessura da emissão do feixe seja pequena, e a dispersão na posição da fenda seja ampla.

A linha inteira de feixe que se inicia no degradador de energia 41, e prossegue até o isocentro de tratamento 50, forma um sistema ótico que é acromático, ou seja, um sistema ótico de feixes dotados de propriedades de imagem que independem de impulso (sem dispersão) e de sua posição transversa. A reta de feixes pode ser dividida em inúmeras seções, cada uma das quais forma uma lente acromática. Conforme mostrado na Fig. 2, a primeira seção consiste no ESS 10, seguido por uma seção de retas de feixes acromáticos, que traz o feixe até o ponto de entrada de uma sala de tratamento. Na hipótese de uma sala de tratamento que contenha um gantry, esse ponto de entrada corresponderá ao ponto de entrada ou de acoplamento do gantry giratório 15. Em seguida, a reta de feixes do gantry formará uma terceira seção de retas de feixes acromáticos. No caso de configuração de uma única sala de tratamento para terapia com partículas, conforme mostrado na Fig. 3, a reta de feixes compreende duas seções de retas de feixes acromáticos: uma primeira seção consiste no ESS 10, que traz o feixe até o ponto de entrada do gantry, e a segunda seção acromática corresponde à reta de feixes do gantry giratório 15. No ponto de entrada do gantry, o feixe tem de apresentar o mesmo grau de emissão em X e em Y, de modo a alcançar uma solução ótica para o feixe do gantry que independa do ângulo de rotação do gantry. Os eixos X e Y são perpendiculares entre si, e em relação à trajetória do feixe central. O eixo X se situa no plano inclinado dos magnetos bipolares.

Uma das desvantagens do uso de tal degradador e do analisador de

4/16 energia consiste no fato de que este dispositivo exige uma área relativamente ampla, conforme mostrado na Fig. 1, e, portanto, uma ampla área de cobertura de edificação. A instalação de um ESS também acarreta um custo excepcional com equipamentos.

A presente invenção pretende oferecer uma solução para contornar, pelo menos parcialmente, os problemas apresentados pelo estado anterior da técnica. Um dos objetivos desse invento consiste em fornecer um aparelho para terapia com partículas carregadas, que apresente um tamanho reduzido, e possa ser construído a um custo inferior, quando comparado aos aparelhos para terapia com partículas, previstos pelo estado anterior da técnica.

Sumário da Invenção

A presente invenção é definida e caracterizada pelas reivindicações em anexo.

Nas configurações previstas pelo estado anterior da técnica para terapias com partículas, conforme mostrado, por exemplo, nas Figuras 1 a 3, as funcionalidades da restrição à difusão dos impulsos (ou da energia, que a ela equivale) e à emissão do feixe são alcançadas mediante o uso de um dispositivo autônomo, a saber, o sistema de seleção de energia (ESS) 10, instalado entre o acelerador imóvel 40 e o gantry giratório 15. Conforme mostrado na Fig. 1, um primeiro elemento do ESS consiste em um degradador de energia 41, que é empregado para degradar a energia do feixe de partículas do acelerador de energia fixa 40.

Esta invenção apresenta um sistema de emissão de feixes por um gantry giratório, dotado de uma configuração para retas de feixes de gantries que desempenha inúmeras funções:

• A conhecida função de transportar, inclinar e moldar um feixe de partículas que estiver sendo introduzido, de modo a possibilitar o envio de um feixe de partículas terapêuticas até um isocentro de tratamento de um gantry, para o uso na terapia com partículas;

• A função adicional de restringir a um valor máximo escolhido a difusão de energia do feixe de partículas que estiver sendo introduzido. Graças a presente invenção, a funcionalidade do ESS de restringir a difusão de energia ou de impulso do feixe a um valor selecionado é

5/16 desempenhada pelo próprio sistema do gantry, permitindo, assim, uma redução no porte e nos custos envolvidos nas instalações para a administração de uma terapia com partículas.

No contexto da presente invenção, a difusão do impulso é definida como sendo o desvio-padrão dos impulsos das partículas, em um dado local, sendo expressa como um percentual sobre a média dos impulsos de todas as partículas situadas no referido local. Sempre que os meios destinados a restringir a difusão do impulso estiverem situados no gantry, tais meios serão preferencialmente projetados para restringir a difusão do aludido impulso a 10%, mais preferencialmente, a 5%, e, ainda mais preferencialmente, a 1% sobre a média de impulsos de todas as partículas.

Preferencialmente, o gantry também desempenha uma segunda função complementar, a saber, a de restringir a emissão de feixes transversos do feixe de partículas que estiver sendo introduzido a um valor máximo selecionado, o que contribui para reduzir ainda mais os custos e o porte das instalações para a administração de terapias com partículas.

Mais preferencialmente, o gantry de acordo com a invenção também compreende um colimador, instalado entre o ponto de entrada do gantry e um primeiro magneto quádruplo presente no gantry. Esse colimador é empregado para a redução da emissão de feixes, antes da chegada do feixe no primeiro magneto situado na reta de feixes do gantry.

Em uma forma preferencial alternativa de realização da invenção, o colimador acima mencionado é instalado fora do gantry, ou seja, entre o degradador de energia e o ponto de entrada do gantry.

A invenção também oferece um aparelho para terapias com partículas que compreenda um acelerador imóvel de partículas, um degradador de energia e um gantry giratório dotado de meios para restringir a difusão do impulso do feixe. Preferencialmente, o aludido gantry também compreende meios para restringir a emissão do feixe.

Em caráter alternativo, apresenta-se um aparelho para terapias com partículas, que compreenda um acelerador imóvel de partículas, um degradador de energia, um gantry giratório dotado de meios para restringir a difusão do impulso do feixe, e um colimador instalado entre o aludido degradador de energia / 16 e o aludido gantry, e destinado a restringir a emissão de feixes. Mais preferencialmente, o aludido gantry compreende outros meios para restringir a emissão de feixes.

Breve Descrição dos Desenhos

A Fig. 1 traz uma representação do conhecido sistema de seleção de energia, a ser empregado com um cíclotron de energia fixa.

A Fig. 2 apresenta um layout clássico de uma conhecida configuração de retas de feixes para terapias com partículas.

A Fig. 3 mostra um esquema conhecido de layout de uma configuração para sala única destinada a administração de terapias com partículas.

A Fig. 4 mostra um esquema com a representação de uma forma exemplificativa de dispositivo de acordo com a invenção.

A Fig. 5 mostra os resultados do cálculo de ótica dos feixes, no tocante a um exemplo de gantry de acordo com a invenção.

A Fig. 6 mostra os resultados do cálculo de ótica dos feixes, no tocante a outro exemplo de configuração de gantry, de acordo com a invenção.

Descrição detalhada das formas preferenciais de realização da presente invenção

A presente invenção será, de agora em diante, descrita em detalhes, com referência aos desenhos em anexo. Contudo, é óbvio que qualquer pessoa versada no estado da técnica poderá conceber diversas formas equivalentes de realização do invento, ou, ainda, outros meios de execução desta invenção. Os desenhos ora descritos se destinam à mera esquematização, e não a restringir o escopo do invento. Nos desenhos, o tamanho de alguns dos elementos poderá conter exageros, já que, para seus meros fins ilustrativos, tais figuras não são desenhadas em escala.

A Fig. 4 mostra uma configuração exemplificativa de terapia com o uso de partículas, de acordo com a invenção. Nesse exemplo, o gantry giratório de acordo com a invenção é acoplado a um acelerador de partículas que é imóvel e de energia fixa 40, de modo a formar um aparelho para uma sala única de administração de terapias com partículas 100. Um exemplo de um acelerador de partículas para prótons consiste em um sincrocícloton superconductor, que apresente uma geometria compacta (sendo, por exemplo, dotado de um raio de

7/16 extração de 1,2 m). O gantry de acordo com a invenção é instalado na sala de gantries, e uma parede-escudo (como, por exemplo, uma parede de concreto com 1,7 m de espessura) separa a sala do gantry daquela do acelerador. Um degradador de energia 41 é instalado entre o acelerador 40 e um ponto de entrada do gantry 45 (ponto de acoplamento). Esse degradador de energia 41 é posicionado no interior da sala do acelerador, exatamente diante da paredeescudo 52 que separa a sala do acelerador daquela do gantry. O ponto de entrada do gantry 45 está localizado após o degradador 41, e constitui uma janela de entrada para a reta de feixes do gantry. Essa janela de entrada 45 consiste na primeira parte de uma seção de retas de feixes de gantry, onde o feixe está adentrando o gantry em uma direção que percorre substancialmente o eixo de rotação do gantry. O eixo de rotação do gantry é indicado por uma linha horizontal de travessões pontilhados, que atravessa o isocentro 50 e o ponto de entrada 45. Conforme mostrado na Fig. 4, não há qualquer dispositivo analisador de impulsos ou de energia instalado entre o degradador e o ponto de entrada do gantry, como ocorre nos sistemas previstos pelo estado anterior da técnica (Figuras 1 a 3).

De modo semelhante ao que ocorre nas configurações contempladas pelo estado anterior da técnica, e mostradas nas Figuras 1 a 3, há uma pequena seção de retas de feixes entre a saída do acelerador e o degradador 41, onde são instalados, por exemplo, dois magnetos quádruplos 44 para o transporte e o foco do feixe no interior de um pequeno ponto (por exemplo, entre 0,5 e 2 mm por sigma) situado no degradador de energia. O degradador de energia 41 pode ser, por exemplo, rapidamente ajustável, servo-controlado, giratório, dotado de uma espessura variável e composto por um cilindro de material degradável (conforme mostrado na patente EP1145605). A distância entre a saída do acelerador e o degradador pode ser de, aproximadamente, 2 m. Também podem ser empregados outros tipos de sistemas de degradação de energia, como, por exemplo, uma soldadura dotada de mobilidade lateral, e moldada a partir de degradadores.

O degradador de energia atualmente empregado pelo depositante possui, em sua entrada, um monitor integrado do perfil horizontal-vertical dos feixes, que permite a medição do tamanho e da posição do ponto de feixes e, por meio do algoritmo de um sistema de controle, realiza a afinação automática da ótica de

8/16 feixes a montante. Assim, o feixe no degradador 41 pode ser bem definido; por exemplo, o feixe é focado no interior de uma pequena cintura, com uma largura reduzida à metade, e que não exceda 2 mm em ambos os planos. Sob tais condições dos feixes na entrada, a emissão de saída dos feixes degradados em energia é dominada por inúmeros dispersores no degradador, sendo relativamente independente das condições da entrada. Após a degradação de energia, o feixe daí resultante pode ser considerado um feixe divergente de uma cintura virtual em X e Y no degradador, com um certo tamanho e grau de divergência. Os dois eixos ortogonais de coordenadas X e Y são perpendiculares (transversos) à trajetória do feixe central. As emissões em X e Y (também denominadas de “emissões transversas”) podem ser consideradas substancialmente idênticas neste ponto. Quanto mais acentuada for a redução da energia introduzida pelo degradador, maior será a emissão transversa em X e Y, e maior será a difusão de impulsos do feixe degradado.

A forma de realização da invenção consiste em uma configuração de um gantry 43 que compreenda meios para restringir a difusão dos impulsos dos feixes recebidos. Os feixes que adentrem o gantry e compreendam partículas dotadas de um valor médio de impulsos e de uma difusão de impulsos.

Para restringir a difusão dos impulsos do feixe recebido, instala-se no gantry um par de fendas 43 para a análise dos impulsos.

Tais fendas 43 analisadoras de impulsos se situam, de preferência, em uma posição ao longo da via de feixes e onde as partículas dos feixes sejam dispersas de acordo com o seu impulso.

Mais preferencialmente, essas fendas são instaladas em uma posição onde a dispersão nominal seja maior que o tamanho nominal do feixe. A dispersão nominal é definida como sendo um deslocamento transversal de uma partícula, cujo impulso difira em 1% (um por cento) em relação a um impulso médio P de todas as partículas do feixe. O tamanho nominal do feixe é definido como sendo o valor de um sigma do tamanho de um feixe em X de um feixe de partículas monoenergéticas que possuam o impulso médio P. Supondo que a dispersão nominal corresponda a 2,5 cm, conclui-se que uma partícula dotada de um impulso P’=1,01.P será deslocada em 2,5 cm em X, a partir de uma partícula dotada de um impulso P. Neste exemplo, uma partícula dotada de um impulso

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P’=0,99.P também será deslocada em 2,5 cm em X, embora sua coordenada em X apresente um sinal oposto.

As fendas de restrição de impulsos podem, por exemplo, ser instaladas em uma posição onde o tamanho nominal do feixe em X esteja situado entre 0,2 e 1 cm, e a dispersão normal em X esteja entre 1 e 3 cm. Ao abrir ou fechar as fendas, é possível obter o impulso máximo difundido que for necessário (escolhido). Pode-se, por exemplo, optar por restringir o impulso máximo difundido a 0,5% do impulso médio, graças ao respectivo ajuste nas fendas. Se alguém pretender restringir o impulso máximo difundido a 0,4% do impulso médio, será necessário fechar ainda mais o par de fendas de impulsos. Para tanto, é possível criar uma curva de calibração, definindo a abertura da fenda como uma função do impulso difundido requerido.

Na configuração apresentada na Fig. 4, a dispersão nominal é ampla, quando comparada ao tamanho do feixe na posição entre o magneto quádruplo de número 7 do gantry e o segundo magneto bipolar 48, havendo, assim, uma posição preferencial para a instalação das fendas restritivas dos impulsos difundidos. Por exemplo, tais fendas podem ser instaladas logo antes do segundo magneto bipolar 48. A posição exata poderá sofrer variações, dependendo dos detalhes da configuração do gantry.

Em vez de utilizar um par de fendas como meio para reduzir o impulso difundido do feixe, também é possível empregar outros meios. Por exemplo, há uma possibilidade de utilizar aberturas ou colimadores dotados de diâmetros variados, passíveis de serem colocados na reta de feixes, e, preferencialmente, nas posições acima comentadas.

No exemplo mostrado na Fig. 4, apresenta-se um gantry para o envio de feixes de escaneamento até o isocentro do tratamento 50, e a reta de feixes do gantry compreende três magnetos bipolares 47, 48 e 49, assim como sete magnetos quádruplos. Nessa configuração de gantry, os magnetos de escaneamento 46 são instalados a montante do último magneto bipolar 49. Entre o ponto de entrada do gantry 45 e o primeiro magneto bipolar, e entre o primeiro e o segundo magnetos bipolares, há dois e cinco magnetos quádruplos respectivamente.

Preferencialmente, além dos meios 43 para restringir a difusão do impulso / 16 do feixe, também podem ser instalados no gantry 15 meios 42 para restringir a emissão de feixes transversos. Para tanto, dois pares de fendas (em X e em Y) que restrinjam a divergência dos feixes podem ser, por exemplo, instalados entre o segundo magneto quádruplo e o primeiro magneto bipolar 47. Assim, restringindo a divergência do feixe, a emissão de feixes transversos, que é proporcional à divergência dos feixes, também sofre restrições. Os dois primeiros quádruplos instalados no gantry entre o ponto de entrada 45 e o primeiro magneto bipolar 47 servem para focar o feixe divergente, originado a partir do degradador, antes que o feixe atinja as fendas de restrição de divergência. O grau necessário de redução na emissão de feixes dependerá do nível máximo de emissões que o gantry puder aceitar para transportar o feixe com eficiência e, ainda, das exigências do feixe no isocentro de tratamento (como, por exemplo, o tamanho do feixe exigido para adequar-se ao isocentro de tratamento). As emissões aceitáveis de feixes, assim como os tamanhos dos feixes poderão depender da técnica utilizada para moldar o feixe (por exemplo, escaneamento por feixes em caneta ou dispersão passiva). O exemplo fornecido na Fig. 4 diz respeito a um sistema para a emissão de feixes de escaneamento. No tocante a um sistema de escaneamento de prótons por feixes em caneta, a emissão de feixes pode ser, por exemplo, restrita a 7,5 Pi mm mrad, tanto em X quanto em Y. Para fins práticos de afinação do feixe, logo diante, ou a jusante da restrição de divergência ou das fendas de restrição das emissões, pode ser instalado um monitor de perfis de feixes (não mostrado na Fig. 4). Em substituição ao par de fendas utilizado em X e Y como meio para a redução da divergência do feixe, também podem ser empregados outros meios. Por exemplo, é possível utilizar aberturas ou colimadores, dotados de diâmetros diversos, e passíveis de serem colocados na reta dos feixes.

Se a redução de energia do feixe for muito ampla (por exemplo, uma redução de prótons de 250 MeV para 70 MeV), o grau de emissão e de divergência do feixe se tornará muito amplo, e o diâmetro do feixe, logo antes do primeiro magneto quádruplo situado no gantry, pode tornar-se maior que o diâmetro do tubo da reta de feixes. Para tanto, pode ser instalado ainda um colimador (não mostrado na Fig. 4) a montante do primeiro magneto quádruplo situado no gantry 15, já para limitar uma parte do feixe. Esse colimador pode ser / 16 instalado no gantry 15, entre o ponto de entrada 45 e o primeiro magneto quádruplo do gantry. Em caráter alternativo, tal colimador pode ser instalado fora do gantry, entre o degradador e o ponto de entrada 45 do gantry 15. Quando tal colimador destinado a restringir a emissão dos feixes for instalado em qualquer das duas posições acima mencionadas, em uma forma alternativa de realização do gantry, poderão ser excluídos os meios 42 destinados à restrição das emissões.

Quando um feixe de partículas colide com uma divergência e/ou com fendas para restrição de impulsos, são produzidos nêutrons. Para restringir a radiação por nêutrons no âmbito do isocentro de tratamento 50 onde está posicionado o paciente, é necessário fornecer um escudo adequado. Como os nêutrons são emitidos principalmente na direção do feixe, é possível instalar, logo após o primeiro magneto bipolar, e através do eixo de rotação do gantry, um tampão-escudo para nêutrons 51, de modo a escudar os nêutrons produzidos nos meios destinados a restringir a emissão do feixe e instalados a montante do primeiro magneto bipolar 47. Como os nêutrons são principalmente emitidos em direção ao feixe, os nêutrons produzidos nas fendas restritivas de impulsos 43 não são direcionados ao paciente. No entanto, pode ser instalado um escudo local para nêutrons (não mostrado na Fig. 4) em torno das fendas restritivas de impulsos 43, de modo a reduzir a radiação de fundo global de nêutrons.

De modo a não sobrecarregar a Fig. 4, os detalhes sobre a construção mecânica do gantry foram omitidos de forma proposital. São os seguintes os exemplos de tais elementos mecânicos, não mostrados na Fig. 4: dois rolamentos de rolos esféricos para a rotação do gantry em, pelo menos, 180° em torno do paciente, um acionamento do gantry e um sistema de frenagem, uma estrutura de tambores para apoiar uma bobina de um cabo, e um contrapeso necessário para manter o equilíbrio do gantry em rotação.

Ao projetar um gantry para terapias com partículas, é necessário atender a diversas condições óticas do feixe. No ponto de entrada do gantry 45, o feixe tem de possuir parâmetros idênticos de emissão em X e em Y, de modo a que se possa alcançar uma solução ótica para os feixes do gantry que independa do ângulo de rotação do gantry. Conforme debatido acima, tais condições são naturalmente respeitadas, quando se posiciona o degradador de energia bem em / 16 frente ao ponto de entrada do gantry. Ademais, é necessário atender às seguintes condições óticas dos feixes:

1. O sistema ótico dos feixes do gantry tem de ser acromático duplo, o que vale dizer que as propriedades de imagem do feixe têm de ser independentes dos impulsos (sem dispersões) e da posição.

2. O tamanho máximo do feixe (um sigma) no interior dos quádruplos não deve, de preferência, exceder 2 cm, de modo a que se mantenha um grau razoável de eficiência de transmissão no gantry.

Também há uma terceira condição que, no entanto, pode variar de acordo com a técnica utilizada para moldar o feixe, conforme debatido acima. Para um sistema de escaneamento, essa terceira condição pode ser descrita da seguinte forma:

3. No isocentro 50, o feixe tem de possuir uma pequena cintura, de tamanhos substancialmente idênticos em X e Y.

Para um sistema de dispersão, os tamanhos exigidos para os feixes podem ser especificados mais a montante do isocentro (como, por exemplo, na saída do último magneto inclinado), e os tamanhos aceitáveis dos feixes de dispersão são, em geral, maiores que aqueles referentes aos feixes de escaneamento (por exemplo, 1 cm na saída do último magneto inclinado).

Além dessas três condições (dos itens 1 a 3), a presente invenção ainda implica em novas exigências:

4. Na posição das fendas restritivas de difusão de energia 43, a dispersão nominal em X deve ser, preferencialmente, ampla, quando comparada ao tamanho nominal do feixe em X (para consultar exemplos de valores, vide o debate acima).

Preferencialmente, um gantry de acordo com a invenção também compreende meios destinados a restringir a emissão de feixes, o que acarreta uma exigência complementar:

5. Na posição das fendas restritivas de emissões 42, o feixe tem de apresentar parâmetros óticos (tamanho e divergência), tanto em X quanto em Y, que permitam cortar a divergência. Isso significa, por exemplo, que o feixe tem de possuir um tamanho razoável (por exemplo, de 0,5 cm a 2 cm por sigma).

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A configuração de gantry mostrada na Fig. 4 se baseia em um estudo ótico sobre feixes, realizado por meio do código “TRANSPORT” de ótica de feixes (PSI Graphic Transport Framework por U. Rohrer, com base em uma versão CERNSLAC-FERMILAB, elaborada por K. L. Brown et al.). A Fig. 5 mostra, a título exemplificativo, os envelopes de feixes em X e Y, na reta de feixes do gantry, para feixes de prótons de 170 MeV que estiverem sendo introduzidos. Os envelopes de feixes são plotados para as direções X e Y nos painéis inferior e superior respectivamente. Nesse exemplo, a emissão do feixe final corresponde a 12,5 Pi mm mrad. Tal cenário configura uma situação onde a divergência do feixe introduzido tenha sido restrita a 6 mrad em X e Y. Então, o feixe transportado através do sistema pode ser considerado como um feixe iniciado no degradador, com um pequeno ponto de feixes de 1,25 mm e um grau de divergência de 6 mrad. Graças a essa ótica de feixes, calcula-se um tamanho de feixes de 3,2 mm no isocentro do tratamento (valor de um sigma), que seja adequado à realização do escaneamento por feixes em caneta. As posições dos magnetos quádruplos e bipolares são mostradas na Fig. 5. As posições verticais dos magnetos bipolares (os intervalos verticais) não são mostradas em escala nesta figura, cuja única finalidade consiste em indicar a sua posição ao longo da trajetória central. Sobretudo o intervalo em X e Y do ultimo magneto inclinado 49 é bem maior que aquele apresentado na escala da Fig. 5, já que é necessária uma abertura ampla, pois os magnetos de escaneamento são posicionados a montante deste magneto bipolar, havendo uma ampla área de escaneamento a ser abrangida no isocentro. A posição dos magnetos de escaneamento ao longo da via de feixes é indicada por uma linha vertical. A linha pontilhada representa a dispersão nominal do feixe em X. Conforme mostrado, logo antes do segundo magneto bipolar 48, obtém-se uma ampla dispersão nominal, e é nessa posição que devem ser preferencialmente instaladas as fendas restritivas de impulsos 43. A posição ao longo da trajetória do feixe central das fendas restritivas de impulsos 43 é indicada na Fig. 5 por uma linha vertical. O tamanho nominal do feixe em X, nas fendas restritivas de impulsos, corresponde ao valor aproximado de 0,23 cm, enquanto que a dispersão nominal em X, nesta posição, é de, aproximadamente, 2,56 cm, permitindo, assim, separar o bom impulso do feixe recebido. Preferencialmente, também são empregadas fendas restritivas de divergência 42.

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Uma boa posição para tais fendas 42 é indicada na Fig. 5, por meio de uma linha vertical. Nesta posição, os tamanhos aproximados do feixe em X e Y são de 1,8 cm e 0,6 cm respectivamente. Essa solução ótica para os feixes ora apresentada atende às condições de um feixe duplo acromático.

, No exemplo mostrado nas Figs. 4 e 5, foi utilizada uma configuração de gantry dotada de três magnetos bipolares, com ângulos de inclinação de 36°, 66° e 60° respectivamente. Contudo, a invenção não se restringe a uma configuração específica de gantries, referente ao número de magnetos bipolares ou dos ângulos de inclinação destes. Tampouco se restringe a invenção ao número de magnetos quádruplos e às posições destes em relação aos magnetos bipolares.

Como um segundo exemplo, o pedido referente à presente invenção foi depositado para abranger um gantry cônico de arremesso de grande porte, com dois bipolares. Esse cenário corresponde à configuração de gantry mostrada nas Figs. 2 e 3. Tais gantries de arremesso de grande porte foram construídos pelo depositante, e debatidos por Pavlovic em “Beam-optics study of the gantry beam delivery system for light-ion câncer therapy”, Nucl. Instr. Meth. In Phys. Res. A 399(1997), na página 440. Nesses gantries, um primeiro magneto bipolar de 45° inclina o feixe para fora do eixo de rotação do gantry, e o feixe ainda segue uma segunda seção de linhas retas de feixes, antes de adentrar no segundo magneto bipolar de 135° que inclinará e direcionará o feixe em sentido essencialmente perpendicular ao do eixo de rotação. A seção de linhas retas de feixes entre o ponto de entrada do gantry e o primeiro magneto bipolar de 45° compreende, no projeto original do gantry, quatro magnetos quádruplos (a Fig. 2 representa uma configuração dotada de, apenas, dois magnetos quádruplos instalados nessa seção de retas de feixes), enquanto que a segunda seção de linhas retas entre o primeiro e o segundo magnetos bipolares compreende cinco magnetos quádruplos. Graças ao uso deste gantry, a distância entre a saída do último magneto de inclinação e o isocentro de tratamento é de 3 m, e os elementos de moldagem do feixe, configurados no chamado bocal, são instalados a montante do último magneto de inclinação. Para moldar o feixe, esse bocal pode utilizar tanto a técnica de dispersão passiva quanto a de escaneamento, conforme exigir o alvo do tratamento. Esses magnetos de escaneamento são parte integrante do bocal, sendo, assim, instalados a jusante do último magneto bipolar do gantry.

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Foi realizada uma análise ótica dos feixes nessa configuração de gantry com dois bipolares. Foram observadas as mesmas condições e exigências já debatidas acima. Os envelopes de feixes daí resultantes, e contidos neste gantry, são mostrados na Fig. 6, no tocante a um feixe de prótons de 160 MeV. Os envelopes de feixes são plotados para as direções X e Y nos painéis inferior e superior respectivamente. As posições, ao longo da via dos feixes centrais, do magneto bipolar de 45° 67, do magneto bipolar de 135° e dos diversos magnetos quádruplos 44 são indicadas na Fig. 6. Também nessa configuração, o degradador de energia é instalado logo antes da janela de entrada do gantry e, a título exemplificativo, nesse cálculo, a divergência foi cortada em 8 mrad, e a emissão do feixe final corresponde a 10 Pi mm mrad, tanto em X quanto em Y. O envelope de feixes, conforme mostrado na Fig. 6, se inicia na janela de entrada do gantry, e o tamanho do feixe corresponde a 1,25 mm (valor de um sigma). Nessa configuração de gantry, a primeira seção de linhas retas entre a janela de entrada e o primeiro magneto de inclinação de 45° do gantry 67 compreende quatro magnetos quádruplos. Os dispositivos para a restrição da divergência 42 são instalados entre o segundo e o terceiro magnetos quádruplos, sendo indicados por uma linha vertical na Fig. 6. As fendas de restrição de impulsos 43 são instaladas em uma posição onde a dispersão nominal em X seja ampla, quando comparada ao tamanho nominal do feixe. A linha pontilhada sobre a Fig. 6 representa a dispersão nominal do feixe em X. A posição das fendas restritivas da dispersão de impulsos é indicada por uma linha vertical sobre a Fig. 6. Nessa posição, a dispersão nominal aproximada é de 2,6 cm em X, enquanto que o tamanho nominal aproximado do feixe em X (valor de um sigma) é de 0,6 cm, o que é adequado à análise do feixe recebido, de acordo com o impulso e com a restrição da difusão de impulsos a um certo valor, mediante a colocação das fendas nas respectivas posições. O envelope de feixes mostrado na Fig. 6 corresponde a uma solução de afinação para um bocal que utilize a técnica de escaneamento (os magnetos de escaneamento são instalados a jusante do magneto bipolar de 135°, embora não sejam apresentados na Fig. 6). Essa configuração de gantry utilizada nessa análise ótica do feixe também compreende dois magnetos quádruplos instalados a montante do último magneto bipolar de 135° 68, conforme indicado na Fig. 6. Por meio dessa solução de afinação, / 16 obtém-se, no isocentro, uma cintura dupla em X e Y, dotada de um tamanho de feixe de 4 mm (valor de um sigma), o que é adequado à realização do escaneamento por meio de feixes em caneta. Essa solução ótica para feixes atende às condições de um duplo acromático.

Um aparelho para terapias com partículas 100 pode ser formado a partir da combinação entre um acelerador imóvel de partículas de energia fixa, um gantry giratório de acordo com a invenção, ou seja, um gantry giratório que compreenda meios para restringir a difusão de energia ou de impulsos do feixe, e que, preferencialmente, também compreenda meios para restringir a emissão dos feixes. Conforme mostrado na Fig. 4, que consiste em um exemplo de um aparelho para terapias com prótons, é possível obter uma geometria compacta, e a abrangência necessária para que a edificação abrigue as instalações contendo esse aparelho é menor que aquela necessária a um sistema autônomo de seleção de energia.

Embora as formas de realização ora descritas se refiram precipuamente aos gantries de prótons, a invenção não se restringe a estes. Qualquer pessoa versada na matéria poderá aplicar, com facilidade, os elementos da invenção, a saber, os meios para a análise de feixes (destinados a restringir as emissões e a energia difundida), para gantries a serem utilizados com qualquer tipo de partículas carregadas, tais como, por exemplo, gantries para íons de carbono ou demais íons leves.

Os gantries destinados à terapia com partículas já são projetados há muitos anos, e, em conjunto com aceleradores imóveis de partículas de energia fixa, sempre foi instalado um sistema autônomo de seleção de energia na reta de feixes entre o acelerador e o gantry. De acordo com a presente invenção, oferecese uma nova configuração de gantries que compreendam meios destinados a restringir a difusão de energia ou dos impulsos dos feixes, e, preferencialmente, que também compreendam meios para a restrição da emissão de feixes. Assim, o próprio gantry compreende funcionalidades do sistema padrão de seleção de energia já previsto no estado anterior da técnica. Por meio de um projeto de gantry dotado desses meios de análise de feixes, conforme descrito acima, poderá ser construído uma aparelho mais compacto para terapias com partículas.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Um GANTRY GIRATÓRIO (15) destinado a receber, transportar e emitir um feixe de partículas, ao longo de uma via de feixes, para uso na terapia com partículas, o qual compreende um ponto de entrada (45) para o ingresso do feixe

5 de partículas em uma direção que conduza substancialmente ao longo de um eixo de rotação do gantry, caracterizado por compreender meios (43) para limitar a difusão do impulso de partículas do feixe para um valor máximo selecionado, onde ditos meios (43) para limitar que difusão do impulso de partículas do feixe estejam situados em uma posição, ao longo da via de partículas, onde uma dispersão

10 nominal, de acordo com o impulso de uma partícula seja maior que o tamanho nominal do feixe na referida posição, e onde tal dispersão nominal seja definida como um deslocamento transverso de uma partícula, cujo impulso difira em 1 % (um por cento) do impulso médio P de todas as partículas do feixe, e onde o tamanho nominal do feixe seja definido como um tamanho de um sigma para um feixe de

15 partículas monoenergéticas, dotadas de um impulso médio P.
2. GANTRY (15), de acordo com a reinvindicação 1, caracterizado por compreender, adicionalmente, meios (42) para limitar as emissões transversas do feixe de partículas a um valor máximo selecionado.
3. GANTRY (15), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por os meios

2 0 (42) para limitar as emissões transversas do feixe, estarem localizados em direção contrária aos meios (43) para limitar a difusão do impulso de partículas do feixe.
4. GANTRY (15), de acordo com qualquer das reivindicações 2 ou 3, caracterizado por os meios (42) para limitar as emissões transversas do feixe de partículas serem fendas ou aberturas de emissão ou colimadores.

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5. GANTRY (15), de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por os meios (43) para a limitação da difusão do impulso de partículas do feixe sejam fendas, aberturas ou colimadores para a análise de impulsos.
6. Um APARELHO PARA TERAPIA COM PARTÍCULAS (100), caracterizado por compreender um gerador de feixes de partículas (40), um degradador de

3 0 energia (41) para a redução de impulsos do referido feixe de partículas e um gantry (15) de acordo com qualquer das reivindicações anteriores.
7. Um APARELHO PARA TERAPIA COM PARTÍCULAS (100), caracterizado por compreender um gerador de feixes de partículas (40), um degradador de

Petição 870170077343, de 10/10/2017, pág. 8/9

2 / 2 energia (41) para a redução de impulsos do referido feixe de partículas, um colimador para restringir qualquer emissão do aludido feixe de partículas, e um gantry (15) de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, devendo o aludido colimador situar-se entre o degradador de energia (41) e o gantry (15).

Petição 870170077343, de 10/10/2017, pág. 9/9

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Estação de _t _____________bombeamentoN°t ^Detector dq vazamento;

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