Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Han comenzado a probar un conjunto de imanes para un nuevo tipo de acelerador de partículas para la terapia del cáncer. Diseñado por científicos de Brookhaven en colaboración con Best Medical International Springfield, Virginia, el acelerador - un"Sincrotrón médico de ciclado rápido de iones" iRCMS: tiene el potencial de administrar haces de partículas controlados con precisión protones y / o iones de carbono que destruyen los tumores cancerosos y minimizan el daño al tejido sano.
Los informes de los centros de tratamiento de todo el mundo sugieren que la terapia con haz de partículas produce mejores resultados con menos efectos secundarios en comparación con el tratamiento convencional con radiación de rayos X, particularmente para tumores en áreas sensibles como el cerebro o cerca de la columna vertebral. La razón: las partículas cargadas, como los protones, pueden apuntar con precisión y depositar la mayor parte de su energía donde se detienen, en lugar de producir el tipo de vía de daño que los rayos X entregan cuando se mueven a través del tejido.
Los primeros resultados de las instalaciones de tratamiento de carbono en Asia y Europa, actualmente no hay ninguno en Norteamérica, sugieren que los iones de carbono, con un suministro aún más preciso y otras ventajas biológicas, pueden ser incluso más efectivos que los protones. The Brookhaven /El mejor diseño médico ofrecería la flexibilidad del tratamiento con cualquier tipo de partículas, junto con otras mejoras, incluida la simplicidad operativa y un tamaño de imán reducido en comparación con otras instalaciones de tratamiento de carbono.
"Probar este primer conjunto de imanes, una viga curva que sostiene tres imanes de longitud completa y dos de media longitud, es un primer paso hacia la construcción de un prototipo de este novedoso acelerador", dijo el físico del acelerador de Brookhaven Lab Stephen Peggs, uno de los arquitectosdel diseño y un investigador principal en un Acuerdo de Investigación y Desarrollo Cooperativo CRADA entre el Laboratorio y Best Medical. La prueba tomará aproximadamente seis meses. Si todo va bien, el equipo ordenará cinco conjuntos de imanes más hechos con las mismas especificaciones, y luego comenzar a construir un acelerador prototipo en una instalación de Best Medical cerca de Pittsburgh, Pennsylvania.
"El objetivo es implementar la tecnología en las instalaciones de tratamiento médico para que el carbono y otras terapias con haz de partículas estén disponibles para la investigación y el tratamiento de pacientes", dijo Joseph Lidestri, consultor de Best Medical.
Manny Subramanian, Director de Investigación y Desarrollo de Best Medical, agregó: "Es emocionante colaborar con los expertos de Brookhaven Lab para desarrollar este dispositivo único que es potencialmente útil para tratar pacientes con cáncer en todo el mundo de manera eficiente".
Tratamiento de cáncer de fuego rápido
La característica definitoria del iRCMS es su ciclo rápido. Quince veces por segundo, la fuente de alimentación aumenta y disminuye la corriente de una manera repetible y reproducible. Un grupo de partículas recibe un impulso sincronizado una vez por turno, como un niñoempujado en un columpio, aumentando la energía a medida que el grupo se mueve alrededor del acelerador en forma de pista de carreras. En el momento adecuado, cuando el grupo ha alcanzado la energía correcta, se extrae y se envía por una línea de haz al paciente.
El cambio cíclico de la energía del haz permite a los operadores extraer el haz en cualquiera energía, incluso a diferente energía en cada ciclo sucesivo, simplemente cambiando el momento de la extracción. Dado que la energía del haz determina qué tan adentro penetrarán las partículas en un paciente antes de depositar su energía que mata el tumor, esta flexibilidad para seleccionar energías le da a los médicos un control exquisito en la entregadosis de radiación.
"Con el iRCMS, los médicos podrán administrar dosis individuales más pequeñas con mucha precisión y cambiarlas muy rápidamente profundidad a la que se administra la dosis, para apuntar a todo el volumen de un tumor ", dijo Lidestri. Peggs lo compara con la administración de muchos disparos pequeños de manera rápida, en lugar de una gran bala de cañón, con la capacidad de depositar esos pequeños"balas "exactamente donde las quieres.
El ciclo rápido también significa que deben circular menos partículas al mismo tiempo. Esto aumenta la seguridad y tiene otras ventajas, incluida la capacidad de construir el acelerador con imanes más pequeños.
mini imanes poderosos
El conjunto de imán en forma de arco que acaba de llegar a Brookhaven mide poco más de 17 pies de largo, y cada imán mide aproximadamente 2 pies de ancho por 14 pulgadas de alto. Diseñado por los físicos de Brookhaven Dejan Trbojevic y Wuzheng Meng, y los ingenieros Joseph Tuozzolo y Chris Cullen, estos imanes tienen una función combinada: doblar el haz alrededor de la trayectoria curva en los extremos de la pista de aceleración y enfocar y desenfocar el haz alternativamente. Este diseño de "gradiente alterno" imita el fuerte concepto de enfoque incorporado por primera vez en el famoso AlternadorSincrotrón de gradiente AGS, y ahora se usa en aceleradores de todo el mundo.
"El uso de una cadena de imanes que enfoca y desenfoca alternativamente el haz en las direcciones horizontal y vertical mantiene el tamaño del haz pequeño, por lo que los imanes pueden tener una abertura pequeña y todo el acelerador puede ser relativamente pequeño", dijo Meng.
Esa reducción en el tamaño del acelerador es importante por una variedad de razones, que incluyen requerir menos energía eléctrica para operar, pesar menos y ocupar una huella general más pequeña, con los dos últimos factores que reducen el costo de construir un ala de hospital para albergar talesuna instalación.
Pero estos mini imanes aún tienen que ser lo suficientemente poderosos como para doblar haces de iones de carbono. "Es casi tres veces más difícil doblar iones de carbono que los protones", dijo JK Kandaswamy, físico de Best Medical. "Esto lo hace aún más importante".para reducir el tamaño y el peso de los imanes "
Cada imán está hecho de muchas capas transversales de acero laminado, conformadas con precisión para producir los campos deseados para enfocar, desenfocar y doblar las vigas. Cada capa debe diseñarse según los estándares de precisión especificados por el equipo de Brookhaven, yensamblado con aislamiento laminado entre las capas para romper las corrientes de Foucault potencialmente disruptivas que se desarrollan dentro del propio acero. Pequeños errores en la forma, el grosor y la alineación de las capas pueden causar grandes cambios en la calidad del campo magnético.
"Debido a la naturaleza de la función combinada de los imanes y al rápido cambio de campos que experimentarán a medida que avanzan los ciclos del acelerador, necesitábamos personas con competencia de clase mundial para probar esta primera asamblea", dijo Lidestri.
prueba personalizada
El equipo recurrió a la experiencia de la División de imanes superconductores de Brookhaven. Allí, el físico Animesh Jain y el ingeniero Piyush Joshi realizarán una serie de mediciones físicas y de ingeniería. Están diseñando un aparato especializado para medir los campos magnéticos: cuánto magnéticocampo que producen los imanes, con qué calidad espacial, para una cantidad dada de corriente.
"El campo no es lo mismo que moverse a través del imán", dijo Jain. "Algunas partes del hierro ven un campo más alto y otras ven un campo más bajo". El suave cambio de campo es lo que produce el enfoque, pero elcampo calidad - la suavidad - debe permanecer constante durante el ciclo del imán.
La prueba de todos estos efectos es complicada por la forma curva de los imanes y el pequeño tamaño de la abertura a través de la cual viajarán los haces. En los imanes rectos, el equipo normalmente insertaría una sonda cilíndrica y la rotaría para medir los cambiosen la fuerza y calidad de campo de los imanes. Para este trabajo, "tuvimos que diseñar una sonda curva", dijo Jain.
Afortunadamente, la naturaleza cíclica de los imanes cambia el campo, eliminando la necesidad de rotar la sonda personalizada, lo que hubiera sido imposible. "Sin embargo, tenemos que medir el campo en varios puntos a través de la abertura para que sepamos con qué suavidadel campo cambia y qué tan consistente es ", dijo Jain." La combinación de las funciones de flexión y enfoque hace que el campo dependa de dónde coloque la sonda, por lo que el instrumento debe alinearse con alta precisión ".
Por ahora, el equipo probará cada imán de enfoque y desenfoque en el ensamblaje de la viga individualmente. También habrá pruebas de los sistemas de suministro de energía de última generación y muchos otros imanes en el acelerador.
"En última instancia, debemos asegurarnos de que todos estos componentes estén funcionando en sincronía para que funcionen como un acelerador, la forma en que se genera música perfecta mediante la ejecución armoniosa y sincronizada de instrumentos en una orquesta bajo el control centralizado y aparentemente sin esfuerzo deel conductor ", dijo Joshi.
El desarrollo del iRCMS y las pruebas que se realizan en Brookhaven están financiadas en su totalidad por Best Medical International. Pero la tecnología detrás de este proyecto es una consecuencia directa del apoyo a largo plazo del Departamento de Energía de los Estados Unidos para la investigación física básica. Dijo Peggs, "Es estimulante y gratificante convertir las mismas técnicas e ideas en un desafío diferente ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Original escrito por Karen McNulty Walsh. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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