ELECTRONES Y FOTONES-X CONVERGENTES

MEMORIA DESCRIPTIVA

Desde el descubrimiento de los rayos-X en 1895 a la fecha, la emisión del haz de radiación, en cualquier rango de energía, es esencialmente divergente y la intensidad es función de la distancia a la fuente emisora (ley del inverso del cuadrado de la distancia), debido al mecanismo de producción de rayos-X: electrones que impactan un blanco. En la actualidad, existen variadas formas de generar un haz de rayos-X, cada una de ellas con un tamaño de fuente determinado y una divergencia específica, la cual es siempre positiva. En radioterapia los haces de rayos-X que se utilizan son divergentes.

El objetivo que se pretende alcanzar en radioterapia es, por medio de la aplicación de rayos-X, lograr una zona de alto flujo de rayos-X dentro de un determinado volumen, los cuales depositarán su energía. La energía depositada por unidad de masa es conocida en radioterapia como dosis. Como el haz utilizado es notablemente divergente es necesaria la utilización de varios haces direccionados (campos) hacia el volumen de interés. Como es sabido, la dosis en profundidad para un haz de rayos-X está dada por una curva exponencial decreciente con la profundidad, con un valor máximo cercano a la superficie. Una aplicación con varios campos logra un máximo de dosis en el volumen de interés (zona del tumor), a pesar de que los valores de dosis en las zonas circundantes son menores a la zona del tumor, éstos son considerablemente significativos, con valores por sobre lo tolerable en algunos casos, que pueden impedir el uso de una dosis efectiva en el tumor.

Con técnicas más depuradas como lo son las técnicas de radioterapia por intensidad modulada (IMRT), o terapia de arco, es posible mejorar y conformar el volumen de máximo flujo de rayos-X disminuyendo así los niveles de dosis en los tejidos y órganos cercanos, pero no significativamente. En la actualidad, se ha logrado que los valores de dosis en tejidos y órganos cercanos a la zona de interés, puedan reducirse hasta en un 80% respecto de la dosis en la zona de interés. Sin embargo, la planificación de los tratamientos sigue siendo compleja y siempre se intenta disminuir los efectos colaterales generados por la radiación, pero resulta imposible descartarlos completamente.

Una técnica de radioterapia cuyos efectos colaterales son más reducidos y su efectividad radiobiológicas en la zona del tumor mayor, es la técnica de hadrónterapia, la cual utilizando hadrones (protones o núcleos más pesados), se logra depositar altas dosis en la zona del tumor de un modo muy conformado, es decir limitado a esa zona. Sin embargo, el costo de esta técnica es mucho más elevado que el de las técnicas convencionales con fotones o electrones. Esto imposibilita su utilización a un gran número de pacientes y está escasamente disponible de los hospitales y centros de salud y tratamiento. En la Figura 1 se puede apreciar un gráfico comparativo de dosis relativa en profundidad de las diversas técnicas de radioterapias más difundidas.

Esta invención propone el uso de un aparato capaz de generar un haz de fotones convergente, cuyas ventajas son significativamente mayores que la técnica de radioterapia externa convencional con fotones y las técnicas de hadrónterapia, estas últimas catalogadas como las que brindan mejores resultados.

Desde un punto de vista comparativo, los métodos convencionales de radioterapia conformal o de intensidad modulada IMRT, aunque esta última es mejor, presenta mayor dosis en superficial, mayor riesgo de órganos sanos, requiere de fraccionamiento y de sistema de planificación más complejo, se requiere de energía más altas y por ende bunker más costosos y no hay accesibilidad a todos los tumores, menor efectividad. Como ventajas presentan mayor volumen tratado y un sistema de posicionamiento más simple. La Figura 2 evidencia la diferencia fundamental entre el método convencional, a y el convergente b.

Por su parte el método convergente presenta: menor dosis en la superficie, baja dosis en órganos sanos, alta dosis en el tumor que no requiere de fraccionamiento, sistema de planificación más simple, tratamientos más cortos (una o dos sesiones), mayor efectividad y accesibilidad a la gran mayoría de los tumores, sistema de refrigeración más simple, no se requiere de energías altas y por ende bunker con menos requerimientos de blindaje. Como desventaja se tiene que un menor volumen tratado hace necesario el barrido del tumor y un sistema de posicionamiento más preciso.

El único método con fotones externos que podría ser comparable en calidad con la técnica convergente de la presente invención, es la técnica de arco terapia, o tomo terapia con fotones mediante LINAC. Arco terapia emula convergencia al usar un barrido angular en torno al isocentro (zona del tumor), pero con sesiones más largas y planificaciones igualmente complejas, sin embargo, cada haz sigue siendo esencialmente divergente y las dosis en órganos sanos no son despreciables, y al igual que las demás técnicas convencionales con LINAC, se requiere de varias sesiones. Algo similar se logra mediante el uso de un aparato robótico denominado "cyberknife".

El método de hadrónterapia presenta: baja dosis en superficie y es altamente efectivo ya que deposita una alta dosis en profundidad en una zona muy reducida (pico de Bragg, ver Figura 1 ). Los hadrones y los iones presentan alta efectividad radiobiológica, los protones 5 veces más que los fotones, y sistemas de posicionamiento complejo; sin embargo, se requiere de una instalación muy compleja que incluye un sincrotrón que pueda acelerar a las partículas a energías desde varias centenas de MeV hasta varios GeV, alto vacío, y sistemas de guías eléctricas y magnéticas. Además, el costo de una instalación para hadrónterapia supera los $ 100 M USD (existen 28 instalaciones de hadrónterapia en el mundo en los países más desarrollados y a pesar del alto costo es una técnica que sigue en expansión). En Chile es impensable hasta ahora y España está evaluando la posibilidad de disponer de una de estas instalaciones en los próximos años. Brinda excelentes resultados en pacientes con cáncer complejos, ya que permite tratar los tumores que no pueden ser tratados con fotones, sin embargo el costo de un tratamiento está al alcance sólo de unos pocos.

El método convergente que utiliza la invención que aquí se propone brinda una baja dosis en superficie y es altamente efectivo ya que deposita una alta dosis en profundidad en una zona muy reducida ("pico-foco"). Los fotones presentan una menor efectividad radiobiológica, sin embargo la dosis depositada en la zona del pico-foco puede llegar a ser 100 veces mayor que la dosis en la superficie, a pesar del efecto de atenuación. Esto compensa la menor efectividad radiobiológica de los fotones y genera una dosis relativa en la superficie y en los órganos sanos aun más baja que la que se obtiene en hadrónterapia, sin embargo el sistema de posicionamiento debe ser más preciso que el de las técnicas convencionales. Lo anterior permitiría tratar cánceres complejos como en hadrónterapia, pero con una instalación menos compleja.

Por otro lado, el costo de un LINAC más bunker de edificio de control es del orden de $2 a 3 M USD, mientras que un sistema de convergencia adaptable a un LINAC podría tener un costo del orden de unos $ 0.5 M USD o menos, lo cual es una notable ventaja respecto del costo de una instalación de hadrónterapia, que es casi dos órdenes de magnitud mayor. En este sentido, un sistema convergente se comportaría de un modo similar a un sistema de hadrónterapia pero a un costo significativamente menor.

Como primer paso previo al desarrollo de esta invención, fue el estudio de los efectos de la convergencia de un haz de fotones en un determinado material, realizado por medio de Simulaciones Monte Cario (SMC) y cálculos teóricos. Como resultado de estos estudios, en la Figura 3 se presentan las curvas de dosis en profundidad correspondientes a SMC y a los resultados teóricos.

Existen en la actualidad dispositivos que logran, a partir de un haz de rayos-X divergentes, convergencia de un haz, basados en el principio de reflexión total. Los rayos-X divergentes ingresan en un capilar de sección cónica, por reflexión total en el interior del capilar los haces viajan a lo largo hasta alcanzar la salida cuya sección es menor que la sección de entrada, logrando una intensidad por unidad de área mayor. Para lograr un aumento significativo de intensidad, se utiliza un conjunto de estos capilares cónicos ubicados en paralelos conformando, lo que se conoce como un poli capilar, esto permite que se incremente el área de entrada. Sin embargo, debido que estos dispositivos utilizan el principio de reflexión total, resulta provechosa su utilización solamente para rayos-X cuyas energías son menores a 50 keV, limitando así su aplicación en equipamiento de radioterapia, en los cuales la energía de los rayos-X son mucho mayores que el valor señalado. Existen en la actualidad una gran diversidad de dispositivos focalizadores de rayos-X, utilizando no sólo el principio de reflexión total sino también la difracción y/o refracción, pero todos son utilizables para rayos-X de baja energía (< 50 keV). Por ejemplo, para uso astronómico, un telescopio de rayos-X (Chandra y equivalentes) obtiene imágenes del Universo en rayos-X, permitiendo ver las fuentes emisoras incluidos los agujeros negros. Este es un dispositivo de gran tamaño (varios metros) que se basa en el mismo principio de reflexión total, que utiliza placas reflectoras y otros materiales.

Teniendo en consideración los dispositivos existentes, limitados a baja energía, y los resultados obtenidos en los estudios realizados, surgió esta idea innovadora de un equipamiento generador de electrones y rayos-X convergentes para energías bajas, intermedias y altas (< 0,1 MeV, 0,1 -1 ,0 MeV y 1 >MeV respectivamente), siendo además la única alternativa de lograr convergencia de un haz de rayos-X de energías en el rango de la aplicación en técnicas de radioterapia.

Cuando este haz es apuntado virtualmente hacia un fantoma de agua o agua equivalente se puede obtener un perfil de dosis en profundidad como el mostrado en la Figura 4 para dos energías diferentes, estos perfiles fueron logrados a través de un código de simulación Monte Cario (SMC). A modo de ejemplo, en las figuras 5 a 8 se puede apreciar otros resultados mediante SMC. Todas las SMC llevadas a cabo demuestran que la técnica de radioterapia convergente RTC, como se propone en la presente invención, es notablemente mejor que las técnicas convencionales utilizadas hasta ahora.

En la presente descripción de la invención solo se describe muy brevemente el sistema de posicionamiento para los diferentes casos y se muestra flechas direccionales sin dar mayores detalles, ya que esto se escapa de la esencia de invención, y además, sistemas de posicionamiento existen actualmente en el mercado. En todo caso, se reivindican las diferentes maneras en que debe ser adaptado en cada caso. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La Figura 1 muestra una dosis relativa en profundidad para las diferentes técnicas utilizadas en radioterapia.

La Figura 2a muestra un esquema de un sistema tradicional de radioterapia con rayos-X.

La Figura 2b muestra un esquema de un sistema convergente de radioterapia con rayos-X.

La Figura 3 muestra una dosis en profundidad para un haz de fotones convergentes con 0,4 MeV en fantoma de agua, en comparación de resultados teóricos y de SMC.

La Figura 4 muestra una comparación de dos perfiles de dosis para fotones convergentes de dos SMC para focos ubicados a 2 y 10 cm de la superficie del fantoma.

La Figura 5 muestra una vista en corte de dosis en profundidad lograda por SMC para fotones convergentes, para un caso "no depurado".

La Figura 6 muestra una vista en corte de dosis en profundidad lograda por SMC para fotones convergentes generados por los electrones que inciden sobre un casquete anódico y luego pasan a través de un colimador tipo casquete agujerado similar a los propuestos en la presente invención.

La Figura 7 muestra un perfil de energía depositada a baja energía (por unidad de voxel) (Z=0, Y=0) con aceptación angular de colimadores: polar 2 grados y acimutal: 2 grados. E=0,4 MeV.

La Figura 8 muestra un perfil de energía depositada a alta energía (por unidad de voxel) (Z=0, Y=0) con aceptación angular de colimadores: polar 2 grados y acimutal: 2 grados. E=4 MeV.

La Figura 9 muestra un esquema del elemento generador del haz de electrones convergentes, el cual puede estar formado por más de una lente magnética. La Figura 10 muestra un esquema de una configuración alternativa del elemento generador del haz de electrones convergentes, el cual podría estar formado por un elemento electrostático similar a las lentes de cilindro.

La Figura 1 1 muestra un esquema en que se describe cómo se genera el haz de fotones convergentes.

La Figura 12 muestra un esquema de las partes esenciales de la presente invención.

La Figura 13 muestra un esquema completo de la invención con cada una de sus partes.

Las Figuras 14a y 14b muestran una vista en corte transversal y una vista frontal respectivamente de una unidad frontal.

Las Figuras 15a y 15b muestran una vista en corte transversal y una vista frontal respectivamente de una configuración alternativa de una unidad frontal.

La Figura 16 muestra una configuración de la presente invención en donde esta es adaptada a un LINAC típico.

La Figura 17 muestra una configuración de la presente invención en donde esta es adaptada a un cyberknife.

La Figura 18 muestra una configuración de la presente invención en donde esta es adaptada a un equipo de tomo terapia.

La Figura 19 muestra una configuración alternativa de la presente invención, en donde esta es utilizada para aplicaciones de baja energía.

La Figura 20 muestra una configuración alternativa en la cual se utiliza un colimador plano con salida de haz paralelo.

La Figura 21 muestra un intercambio de cono de salida de fotones por un cono para electrones. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención consiste en un dispositivo que permite generar un haz de electrones y rayos-X convergente. Para esto se considera inicialmente un haz de electrones proveniente de un cañón de electrones, los cuales son acelerados por una sucesión de etapas en un acelerador lineal LINAC de radioterapia, hasta lograr un flujo de electrones con energía del orden de los MeV. En forma alternativa, también se puede considerar para casos de energías intermedias, conocidas como de orto voltaje (centenares de keV), generados sólo por un cañón de electrones.

Tal como se puede apreciar en la figura 12, el haz de electrones relativamente colimado y proveniente del LINAC, es primeramente expandido mediante un dispersor de electrones, los cuales luego son focalizados por la acción de un lente magnético (2) o electrostático apropiadamente dispuesto. Los electrones emergentes del lente interceptan la superficie de un ánodo (3) con forma de casquete esférico (o asférico, paraboloídico), que llamaremos "casquete anódico", cuyo radio de curvatura define la distancia focal (esférico) del sistema convergente.

Como se muestra en la Figura 9, el lente magnético posee un cuerpo de lente de entrada c, una carcasa concentradora de campo d y conductores eléctricos con enrollamiento tipo solenoide e.

Además, en una configuración alternativa de la invención, el elemento generador del haz de electrones convergentes, puede estar formado por un elemento electrostático similar a las lentes de cilindro, el cual está a la vez formado por tres cilindros: el primero conectado a tierra (f), el segundo cilindro polarizado negativamente (g) y el tercero también conectado a tierra (h). Tal como se muestra en la Figura 10.

Se deben ajustar los lentes electrónicos de modo que el haz de electrones incida sobre toda la superficie del ánodo perpendicularmente. Así, como resultado de la interacción de los electrones con los átomos que constituyen el material del ánodo, se genera radiación de frenando (conocida como bremsstrahlung) o rayos-X en el material. Como la incidencia de los electrones ocurre en toda la superficie del casquete anódico / ^' (ver Figura 1 1 ), el fenómeno de emisión de rayos-X por bremsstrahlung ocurrirá isotrópicamente en todo el casquete (3). Dicho bremsstrahlung es generado en cada punto del casquete. De acuerdo a la misma figura anterior, los rayos-X que atraviesan el casquete presentan una distribución angular no isotrópica, con una mayor intensidad en la dirección de incidencia de los electrones k y una divergencia angular inversamente proporcional a la energía del electrón incidente, luego los rayos-X son colimados por un poli-colimador (5) de forma de casquete esférico similar al del casquete anódico con decenas, centenares o miles de pequeños agujeros (milimétricos o sub-milimétricos) que lo atraviesan en dirección del foco /. Los rayos-X que logran pasar a través de estos agujeros saldrán con una dispersión angular mucho menor que la que tenían a la salida del casquete anódico (3), y el resto es absorbido en el material, generándose así un haz de fotones convergente cuya intensidad máxima se concentra en el foco. La definición del foco de este haz de fotones convergente puede ser mejorada introduciendo un segundo casquete poli colimador (7). Este efecto a nivel global genera un volumen de radiación que apunta principalmente hacia el foco del sistema con una significativa mayor intensidad de rayos-X en la zona del foco, pico-foco, cuya magnitud dependerá de la energía de los electrones, del radio de curvatura del casquete anódico (3), la superficie de este y la apertura de un diafragma de campo que se muestra más adelante.

De esta manera, en la Figura 12 se muestra las partes esenciales de la invención, en donde los electrones provenientes de la fuente, en caso de venir de un LINAC o de un cañón de electrones, son dispersados por una pequeña lámina (1 ), para generar un flujo divergente de electrones, los cuales son desviados hacia el eje por un lente magnético (2) (o electrostático) generándose un flujo de electrones convergente (i) que es interceptado perpendicularmente (j) por un ánodo delgado con forma de casquete (ánodo-casquete) o esférico, asférico o parabólico (3), y un frenador de haz lateral (4). Los rayos-X generados que logran pasar el espesor del ánodo (k) son colimados por un casquete de colimador (5) agujereado en toda su superficie por pequeños orificios (6) que apuntan en la dirección del foco, el haz de rayos-X convergente (I), puede ser nuevamente colimando (m) por un segundo colimador (7) más pequeño y similar al primero, este colimador está circundado por un anillo concéntrico de interior cónico (8), el cual permite absorber a los rayos-X fuera de foco y disminuir la penumbra lateral del haz. En la Figura 13 se puede ver detalladamente la invención como aparato, el cual posee un acoplador a la fuente de electrones (9), el cual permite que el dispositivo aquí propuesto pueda adherirse a un LINAC específico o a un cañón de electrones determinado, en todo los caso se trata de una pieza que debe adaptarse a los diferentes dispositivos existentes en el mercado u otro que pueda ser construido solo para el propósito de dispositivo convergente. Arriba, en la parte central, hay un orificio o ventana que permite el ingreso de los electrones (10), los electrones provenientes de un LINAC pueden impactar en el dispersor (1 ) descrito anteriormente, y para el caso en que provienen de un cañón de electrones no hace falta, porque ya salen de éste con cierta apertura angular. El haz de electrones ingresa a un espacio al vacío contenido por un blindaje cónico (1 1 ), con conexión para vacío (12), y que en la parte de la base del cono hay un soporte con forma de argolla (13), que se fija a la carcasa externa cilindrica (14). Más abajo hay un acoplador de etapas (15), el cual separa la parte de los electrones de la de los fotones. La parte de los fotones del dispositivo está formada por una carcasa externa con forma de un cono truncado (16), el cual posee un blindaje interno (17) con soportes para las piezas (4) y (8), y también con conexión para vacío (18), si se requiere. Finalmente en la salida del haz convergente, en el extremo inferior del cono truncado, va una unidad frontal (19) con: sensores de posición, luces láser de ubicación y un mecanismo que regula el tamaño del campo, lo que en consecuencia permite regular la intensidad en el pico-foco. Sus detalles y versiones se describen a continuación.

Las Figuras 14a y 14b muestran dos vistas de la unidad frontal, la cual posee varios diafragmas (20), unos sobre otros, que permiten regular el tamaño del campo de radiación de salida. Además, y con el propósito de marcar el campo de entrada en la superficie del paciente, posee una tapa frontal (21 ) de un material de bajo Z (número atómico), como el acrílico, con agujeros en donde se posicionan pequeñas guías láser o diodos láser (22) que apuntan en la dirección del foco, ubicadas a lo largo de una circunferencia en el borde del diafragma de campo, de modo que permiten ver el campo de entrada en la piel de un paciente sometido a un tratamiento con este dispositivo. Dado a que en esta técnica de radioterapia convergente el posicionamiento máquina-paciente puede llegar a ser un factor crítico, el dispositivo posee en la misma parte frontal sensores y/o reflectores de posicionamiento de precisión sub-milimétrica (23). Finalmente, para ubicar el eje del cono de enfoque del isocentro, posee una pequeña guía láser central removible (24).

En las Figuras 15a y 15b se muestran dos vistas de una unidad frontal alternativa en donde los diafragmas son remplazados por un anillo cónico intercambiable macizo (25) con un tamaño de campo predefinido. En este las guías láser circundantes pueden estar incorporadas en el frontis del anillo y los sensores de posición y la guía láser central ubicados en una tapa de acrílico o equivalentes (bajo Z) similar a la de figura anterior.

En las Figuras 16 a 18 se presenta cómo se adaptaría esta invención a los actuales aparatos de hoy en día vigentes que se utilizan en radioterapia externa con fotones. En la Figura 16 se muestra la presente invención adaptada a un LINAC, en donde se puede apreciar el acelerador (26), el imán deflector (27) y la invención aquí propuesta (28). También puede verse como se reemplaza el gantry por el dispositivo de convergencia. Sistema de posicionamiento y barrido en camilla y giro del cabezal con sensores de posición de alta precisión en el contorno del diafragma de abertura de campo del aparato y en la piel del paciente.

La Figura 17 muestra una configuración de la presente invención en donde esta es adaptada a un cyberknife: sistema robótico (29), acelerador lineal pequeño (30) y a continuación la invención (28). Este ya posee un sistema de posicionamiento, movimientos y sensores de alta precisión.

La Figura 18 muestra una configuración de la presente invención en donde esta es adaptada a un equipo de tomo-terapia. Sistema de giro (31 ), acelerador lineal (30) pequeño y la presente invención (28). Sistema de posicionamiento y barrido en camilla (x) y giro del cabezal con desplazamiento radial del aparato que originalmente trae el aparato, se le agregan los sensores de posición en el contorno del diafragma de abertura de campo del aparato y otros pegados en la piel del paciente. Esto permite generar señales retroalimentadas para que el sistema de posicionamiento y de barrido sea más preciso. Lo anterior significa que el dispositivo se construye de un tamaño tal, que se ajusta al tamaño del dispositivo al cual se adapta, bajo la condición de que su diámetro de entrada sea igual al diámetro de salida del dispositivo a adaptar (Gantry o cañón de salida del haz).

Finalmente, en la Figura 19 se presenta un prototipo para energías intermedias, en el rango de orto-voltaje. Este prototipo está formado por la integración de un cañón de electrones (32) para niveles de energía de varios cientos de keV y el dispositivo de convergencia de rayos-X aquí presentado (28). El cañón de electrones está constituido por un filamento (33), un cátodo concentrador (34), y un ánodo acelerador y dispersor (35). También posee los sistemas de sensores para el posicionamiento retroalimentado mediante los dispositivos ya descritos arriba y sensores pegados en la piel del paciente (tipo parche) (36). Las ventajas adicionales, que presentaría una unidad como ésta, estarían en su notable más bajo costo, reducido tamaño y menores requerimientos de blindaje, convirtiendo a la radioterapia externa con fotones en una técnica efectiva y de bajo costo, permitiendo además que la radioterapia llegue a un mayor número de personas.

Otras aplicación se presenta en la Figura 20, la cual se trata de una alternativa de la invención aquí propuesta y corresponde al caso particular cuando el radio de curvatura del ánodo y colimadores tiende a infinito, pero manteniendo la condición de incidencia normal de los electrones sobre el ánodo, es decir colocando un colimador plano (37) como el que allí se aprecia, se tendrá como salida un haz de rayos-X paralelo y homogéneo. Sin embargo, esto es para otras aplicaciones en donde no se requiera la convergencia del haz, por ejemplo en imágenes.

Para concluir, la descripción en la Figura 21 presenta cómo la unidad aquí propuesta de haz convergente de fotones puede ser convertida en una unidad con salida de un haz convergente de electrones, mediante el intercambio del cono de salida de fotones por un cono de salida para electrones (38), tal como allí se muestra.