Система и способ обработки радиационной терапии для облучения субъекта - RU2091093C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к облучению рентгеновским излучением человека и, в частности к модуляции рентгеновского луча микроволновым сигналом, с целью поглощения его патологическим материалом, включая макромолекулы такие, как онкогены, при обработке злокачественных образований.

Микроволновое излучение и рентгеновские лучи используют в медицинских процедурах для разрушения злокачественного материала, в частности тканей тела, пораженных различными формами рака. В результате поглощения материалом энергии излучения изменяются физические и химические свойства материала, таким образом приводя к разрушению онкообразования. Биологический материал, подвергаемый обработке излучением, может быть образован дезоксирибонуклеиновой кислотой, из которой состоит генетический материал хромосом клеток человека. Дезоксирибонуклеиновая кислота состоит из пар макромолекул, содержащих цепь молекул из пяти атомов углерода, связанных с помощью атомов фосфора и кислорода, причем каждая молекула имеет боковую цепь из пуринового или пиримидинового основания. Вирусы и гены, вызывающие рак (онкогены), состоят из таких макромолекул и имеют длину порядка 4000 или более оснований или основную цепь из около 20000 атомов.

Чтобы понять взаимодействие микроволнового излучения с макромолекулами, полезно рассмотреть некоторые базовые концепции в энергетических уровнях электронов различных атомов, расположенных в макромолекулах. В соответствии с теорией электростатики потенциальная энергия электрона обратно пропорциональна расстоянию от электрона до ядра атома, причем это расстояние определяет эквипотенциальную поверхность. Электрическое поле или сила притяжения между ядром и электроном задана градиентом поверхностного потенциала и соответственно изменяется в обратной зависимости от корня квадратного из расстояния. Передача электрона с одного из разрешенных квантованных энергетических уровней на второй энергетический уровень сопровождается выделением или поглощением количества энергии, эквивалентного разности потенциалов, между двумя уровнями. В терминах математики, без учета константы пропорциональности, энергетические величины двух уровней задаются выражениями /1/a/ и /1/b/, где a и b расстояние между ядром и энергетическим уровнем. Это простейшая модель, предполагающая сферические энергетические уровни. Во время перехода энергетического состояния, в котором электрон перемещается от одного потенциального уровня к другому потенциальному уровню, изменение энергии пропорционально /1/a-1/b/, а новое выражение равно /b-a//ab. Или d/ab, где d разность между a и b, предполагается, что она намного меньше, чем a или b. Следовательно, энергия, затрачиваемая при переходе электрона между двумя потенциальными уровнями, пропорциональна расстоянию между двумя потенциальными уровнями. Величина энергии для полного удаления электрона от атома равна энергии потенциального уровня, которая, как отмечалось выше, обратно пропорциональна радиусу поверхности потенциалов.

Взаимодействие рентгеновского излучения с молекулами материала характеризуется переходом энергии от излучения к электрону в атоме молекулы. Энергия в фотоне луча пропорциональна частоте излучения (радиации), причем коэффициентом пропорциональности является постоянная Планка. В ситуации, когда энергия фотона равна энергии перехода, требуемой для подъема электрона с внутреннего энергетического уровня на внешний энергетический уровень, переход энергии происходит легко с поглощением фотона. В этой ситуации частота излучения имеет значение, которое может быть обозначено как резонансная частота, которая обеспечивает фотон энергией, требуемой для завершения перехода в энергетическом состоянии электрона.

Предшествующий анализ базировался на упрощенной модели, в которой каждый атом молекулы снабжен энергетическими уровнями сферической формы, в действительности, энергетические уровни электрона среди тысяч атомов в макромолекулах, по меньшей мере, на внешних энергетических уровнях, являются переменными как по физической форме, так и по энергетическому уровню. Это отражается на многочисленных энергетических уровнях, которые характеризуют конкретную макромолекулу и материал, состоящий из макромолекул. Самые низкие энергетические переходы для электронов в одиночных атомах приводят к поглощению излучения в спектре видимого света, причем это излучение имеет частоту приблизительно 2•10¹⁴ герц (Гц). Частота излучения для поглощения на самом низком энергетическом уровне перехода из молекулярных энергетических уровней изменяется обратно пропорционально размеру молекулы. Ожидается, что молекула длиной в 20000 атомов должна поглощать излучение на частоте приблизительно в 1/20000 частоты света, а именно, на частоте 10¹⁰ Гц, находящейся в микроволновом диапазоне и имеющей длину волны в три сантиметра.

Существует проблема с имеющимся в настоящее время оборудованием и методологией микроволнового излучения в случае человека, для воздействия на онкообразование, например, в том, что микроволновое излучение имеет минимальную проникающую способность. Рентгеновский луч, с другой стороны, проходит через человека относительно неизбирательно скорее, чем при направлении в конкретные интересующие области. Конкретные области, находящиеся внутри человека, требуют радиационной терапии, в то время как остальная часть субъекта не требует такой терапии. Хотя можно просвечивать человека (субъекта) с различных направлений, так, чтобы сконцентрировать дозу при ограниченном поглощении, для отдельных областей требуются относительно большие дозы по причине ограниченного поглощения, и значительное количество излучения поглощается оставшейся частью субъекта. Это снижает уровень радиации, необходимый для конкретных областей, и может влиять на функционирование остальной части субъекта.

Известен аппарат для клинической рентгеновской и электронной радиотерапии, содержащий средство для генерирования рентгеновского луча, средство модуляции интенсивности рентгеновского луча, взаимодействующее с генератором, средство детектирования прошедшего излучения с устройством регистрации, средство сканирования излучения, при этом средство генерирования рентгеновского луча содержит электронную пушку, мишень и клистрон, размещенный по ходу луча (US, патент N 4726046, кл. A 61 N 5/10, 1988). Способ работы с аппаратом заключается в том, что промодулированный рентгеновский луч направляют на объект воздействия и детектируют прошедшее излучение, причем во время облучения осуществляется сканирование лучом. Известные аппарат и способ рассмотрены как ближайшие аналоги предлагаемого изобретения. Однако их использование не позволяет в полной мере избирательно воздействовать только на патологический объект и снизить тем самым необходимый уровень радиации для разрушения новообразований, не затрагивая соседних областей.

Вышеупомянутая проблема преодолевается, а также обеспечиваются другие преимущества с помощью системы и способа предложенного изобретения, которые обеспечивают генерирование излучения посредством использования рентгеновского луча, модулируемого по амплитуде с микроволновой частотой. Рентгеновский луч легко проникает через биологическую материю субъекта такую, как голова человека, чтобы доставить радиационную энергию в конкретное место такое, как место расположения опухоли. Материал опухоли взаимодействует с рентгеновским лучом для детектирования части энергии луча. Такой процесс детектирования является нелинейным процессом, который выделяет микроволновый сигнал в месте расположения опухоли. Выделенный сигнал является электромагнитным микроволновым сигналом, обладающим фотонами с энергией, подходящей для взаимодействия с электронами микромолекул опухоли. Благодаря чему разрушается опухоль.

Целью изобретения является модулирование рентгеновского луча на частоте, подходящей для приложения микроволнового сигнала в конкретном месте или местах внутри субъекта. Другой целью изобретения является сканирование субъекта для определения, какая микроволновая частота или частоты будут полезны.

Изобретение может быть осуществлено посредством включения в систему обработки радиационной терапии средства для генерирования рентгеновского луча в виде электронной пушки с мишенью, средства модуляции интенсивности рентгеновского луча, снабженного установленным по ходу луча клистроном, средства сканирования луча и средства детектирования прошедшего излучения с устройством регистрации, составляющих компьютеризированный томографический (CT) сканер, также называемый CAT (автоматизированный или с осевым томографом). При этом средство модуляции интенсивности рентгеновского луча дополняется селектирующим средством, соединенным с клистроном, с возможностью его амплитуды модуляции, а селектирующее средство содержит микроволновый источник, соединенный со средством выбора частоты амплитудной модуляции, равной резонансной частоте взаимодействия материала субъекта и поглощаемой им радиационной энергии.

При запитывании клистрона микроволновым сигналом внутри его резонатора развиваются интенсивные электрические поля, группирующие электроны в последовательность электронных импульсов, которые облучают мишень с частотой, равной частоте микроволнового сигнала.

Реальные импульсы могут иметь форму сигнала, которая может быть охарактеризована как синусоидальная или меандр, в зависимости от природы группирования электронов; однако основной фундаментальный компонент частоты последовательности электронных импульсов равен частоте микроволнового сигнала. Результирующий рентгеновский луч появляется как последовательность импульсов рентгеновского излучения с той же частотой, что и микроволновая частота. Микроволновая частота выбирается равной резонансной частоте для взаимодействия с выбранным материалом субъекта.

В одном из вариантов исполнения система может содержать средство для генерирования рентгеновского луча, состоящее из нескольких генераторов рентгеновского луча, а средство детектирования прошедшего излучения - состоящее из нескольких датчиков, при этом генераторы и датчики могут быть размещены симметрично вокруг субъекта исследования и соединены с селектирующим средством, с возможностью последовательного приведения в действие генераторов.

Предпочтительный способ использования предлагаемой системы заключается в том, что субъект воздействия облучают промодулированным по интенсивности сканирующим рентгеновским лучом и детектируют прошедшее излучение, при этом предварительно рентгеновский луч сканируют по изменению частоты микроволнового модулирующего сигнала, определяют по уменьшению интенсивности прошедшего излучения резонансную частоту его поглощения, регистрируют и выбирают ее как микроволновую модулирующую частоту поглощения, осуществляют амплитудное модулирование рентгеновского луча на выбранной микроволновой частоте поглощения и облучают им патологический материал.

Патологический материал может состоять из злокачественных клеток, вирусов или частей, а также из макромолекул. При этом рентгеновский луч может быть направлен на конкретную область патологического материала.

В соответствии с изобретением данные, выдаваемые детекторами, анализируются как функция времени, для отметки уменьшений интенсивности принятого луча рентгеновского излучения. Уменьшение интенсивности означает поглощение энергии луча за счет фотонного взаимодействия с субъектом. Поскольку модулирующую частоту качают с заранее заданной скоростью, время появления поглощения излучения указывает значение модулирующей частоты, которая создает поглощение. Посредством адресации памяти синхронно со ступенчатым качанием модулирующей частоты память регистрирует значение или значения резонансной частоты, на которых происходит взаимодействие. Затем оператор CT сканнера использует эту информацию для выбора микроволновой модулирующей частоты с надлежащим значением для облучения субъекта.

На фиг. 1 изображен схематический вид CT сканнера, модифицированного для осуществления изобретения; на фиг. 2 схематический вид источника рентгеновских лучей, используемого на фиг. 1, устройство (фиг. 2), предназначена для модулирования рентгеновского луча; на фиг. 3 электрическая схема контроллера фиг. 1, используемого при осуществлении изобретения; на фиг. 4 временная диаграмма, показывающая в стилизованной форме рентгеновский луч в немодулированной форме и в модулированной форме; на фиг. 5 спектральная диаграмма, показывающая частотные компоненты модулирующего сигнала меандра и модулированного рентгеновского луча; на фиг. 6 блок-схема алгоритма, показывающая процесс осуществления изобретения.

На фиг. 1 показана излучающая система 20, включающая в себя CT сканер 22, который модифицирован, как будет описано ниже, чтобы обеспечить осуществление изобретения. Сканер 22 включает в себя средство для генерирования рентгеновского луча, состоящее из множества генераторов 24 рентгеновских лучей, из которых для примера показано три. Генераторы 24 и детекторы 26 удерживает в их относительных позициях рамка 28, которая окружает субъект 30, которым в обычном случае является живое существо такое, как человек или животное. Генераторы 24 и детекторы 26 помещают симметрично около субъекта 30 и электрически соединяют с контроллером 32, который включает в себя схему осуществления изобретения, как будет описано ниже. В частности, необходимо отметить, что каждый генератор 24 соединен двумя электрическими линиями с контроллером 32, причем первая линия 34 подает электрический сигнал, который запускает генератор 24, а вторая электрическая линия 36 подает электрический сигнал, который модулирует рентгеновский луч с предварительно определенной частотой модуляции. Детекторы 26 средства детектирования прошедшего излучения соединены электрическими линиями 38 с контроллером 32 для ввода данных об обнаруженном (детектированном) излучении в контроллер 32, содержащий средство модуляции интенсивности рентгеновского луча с клистроном 62, средство сканирования луча и устройство регистрации в виде компьютера 84 с дисплеем 92.

На фиг. 2 показаны подробности структуры одного из генераторов 24, а также компоненты контроллера 32 и взаимное соединение между контроллером 32 и одним из детекторов 26. Все генераторы 24 функционируют одинаково как и все детекторы 26. Генератор 24 рентгеновских лучей содержит мишень 40, вращаемую двигателем 42, и коллиматор 44. Коллиматор размещают вдоль траектории рентгеновских лучей, испускаемых из мишени 40, для направления рентгеновского луча 46 к субъекту 30. Генератор 24, кроме того, содержит электронную пушку 48, которая включает в себя катод 50 прямого накала и электродный узел 52. Катод 50 прямого накала используется для эмиттирования электронов, которые ускоряются электрическим потенциалом на электродном узле 52 и мишени 40 относительно катода 50 прямого накала, ускоренные электроны образуют луч 54. Электроны луча 54 ударяются о мишень 40 и генерируют рентгеновские лучи. Батарея 56, подключенная между мишенью 40 и катодом 50 прямого накала, символически иллюстрирует электрический потенциал в диапазоне тысяч вольт, приложенный между мишенью 40 и катодом 50 прямого накала. Электрический потенциал для электродного узла 52 создается от источника 58 напряжения смещения внутри контроллера 32, напряжение источника 58 соединяется с электродной сборкой 52 через переключатель 60, также расположенный внутри контроллера 32.

В соответствии с особенностью изобретения клистрон 62, два резонатора которого 64 и 66 показаны в продольном разрезе, расположен между мишенью 40 и электронной пушкой 48 по ходу луча, причем резонатор 64 расположен между резонатором 66 и электродной сборкой 52. Центральная ось клистрона 62 соосна с осью электронного луча 54. Луч 54 проходит через отверстие 68 в концевой стенке 70 резонатора 64, трубчатую область 72, связывающую резонатором 64 и 66, и отверстие 74 в концевой стенке 76 резонатора 66. Зонд (устройство связи) 78 в форме петли расположен в полости 64 для приема входной микроволновой энергии. Микроволновая энергия подается посредством микроволнового сигнала, генерируемого внутри микроволнового источника 30, расположенного внутри контроллера 32, причем микроволновый сигнал подключается от источника 80 к зонду 78 через переключатель 22, также расположенный внутри контроллера 32.

Внутрь контроллера 32 также включен компьютер 84, частотный селектор 86, аналого-цифровой преобразователь 88 и переключатель 90. Сигналы от детектора 26 подключаются с помощью переключателя 90 к преобразователю 88, причем преобразователь 88 преобразует аналоговые сигналы детектора в цифровые отформатированные сигналы, подлежащие вводу в компьютер 84.

На фиг. 3 показаны дополнительные подробности соединения контроллера 32 с детекторами 26, с клистроном 62 и электронной пушкой 48 в соответствующих генераторах 24 рентгеновских излучений. Фиг. 3 также показывает дополнительные подробности структуры контроллера 32, включая компоненты частотного селектора 86. Контроллер 32 включает в себя дисплей 92, на который компьютер 84 выдает синтезированный образ субъекта 30, когда сканнер 22 работает в обычном автоматизированном томографическом режиме рентгеновского формирования изображения. В состав компьютера 84 входят тактовый генератор 94 и запоминающее устройство 96, которые используются как в обычном автоматизированном томографическом формировании изображения, так и при использовании CT сканнера 22, для работы с модулированными рентгеновскими лучами. В случае обычного CT формирования изображения, запоминающее устройство 96 хранит данные рентгеновских лучей, полученные от детекторов 26, а также программу комбинирования данных для создания синтезированного изображения.

Частотный селектор 86 содержит 98, элемент 100 предварительной установки, цифроаналоговый преобразователь 102, запоминающее устройство 104 и индикатор 106. Частотный селектор 86 может работать в любом из двух режимов, а именно режиме качания частоты и режиме предварительной установки частоты, для модулирования рентгеновского луча.

При работе частотного селектора 86 в режиме качания частоты компьютер 84 передает тактовые импульсы от тактового генератора 94 на счетчик 98. Счетчик 98 выполняет счет в прямом направлении и выдает выходной отсчет на преобразователь 102 для преобразования отсчета в аналоговое напряжение, пропорциональное величине отсчета. В то время, как отсчет возрастает во времени линейно, аналоговое напряжение, выдаваемое преобразователем 102, возрастает ступенчато в форме ступенчатого линейного сигнала 108, показанного на графике, помещенном рядом с преобразователем 102. На графике изображен линейный сигнал 108, в осях напряжения (B) время. Напряжение 108 ступенчатого линейного сигнала подается преобразователем 102 на вывод управления частотой микроволнового источника 80. На примере структуры микроволнового источника 80 отметим, что источник 80 содержит хорошо известную схему генератора (не показана), которая может включать в себя один или более диодов, имеющих реактивное сопротивление, зависящее от приложенного напряжения. Посредством изменения напряжения на входном выводе управления частотой частота генерации изменяется так, что входное напряжение эффективно управляет частотой генерации источника 80.

Во время приложения ступенчатого линейного напряжения 108 к микроволновому источнику 80 длительность каждой ступени сигнала напряжения является достаточно большой, чтобы позволить клистрону 62 генератора 24 достигнуть равновесия при управляемой частоте и чтобы обеспечить достаточное время для одного из детекторов 26, чтобы обнаружить излучение и передать данные в компьютер 84. Выходной отсчет счетчика 98 также подается в качестве адреса на запоминающее устройство 104, чтобы дать ему сохранить данные, полученные детектором 26 в отношении поглощения энергии излучения модулированного макромолекулами рентгеновского луча. Для этой цели частотный селектор 86, кроме того, содержит вентиль 110, компаратор 112 и источник 114 опорного напряжения.

В течение режима качания частоты сигналы, выдаваемые детектором 26 в ответ на падающее излучение, подаются через переключатель 90 на преобразователь 88, чтобы быть выданными в качестве цифрового сигнала, представляющего интенсивность падающего излучения. Компаратор 112 сравнивает напряжение выходного сигнала преобразователя 88 с опорным напряжением источника 114 опорного напряжения, чтобы определить значение сигнала значимого поглощения энергии излучения макромолекулами. В случае, когда отмечено поглощение, компаратор 112 открывает вентиль 110, чтобы позволить сигналу пройти от преобразователя 88 в запоминающее устройство 104. Благодаря этому запоминающее устройство 104 запоминает значимые сигналы по адресу, соответствующему ступени линейного сигнала 108 напряжения и соответствующей величине частоты модуляции, для которой наблюдалось значимое поглощение энергии излучения. Значения интенсивности рентгеновского луча каждого значения резонансной частоты, при которой наблюдалось поглощение, выдаются запоминающим устройством 104 на индикатор 106 для представления персоналу, управляющему системой 20 излучения. Благодаря этому во время режима качания частотный селектор 86 обеспечивает последовательность тестовых значений частоты микроволновой модуляции и представляет запись тех частот, на которых было поглощение энергии излучения макромолекулами.

После выбора подходящей резонансной частоты частотный селектор 86 работает в режиме предварительной установки частоты, в котором модуляция рентгеновского луча выполняется на одиночной заранее определенной частоте. В режиме предварительной установки частоты компьютер 84 прекращает подачу тактовых импульсов от тактового генератора 94 на счетчик 98 и счетчик 98 предварительно устанавливается вручную управляющим персоналом в состояние, отображающее требуемую резонансную частоту. Предварительная установка выполняется посредством использования элемента 100 предварительной установки, который может быть одним из множества хорошо известных цифровых входных устройств таких, как клавиатура или набор колесиков, посредством которых вручную вводится число, состоящее из цифр. Таким образом, счетчик 98 выдает фиксированный отсчет, обозначающий одиночную резонансную частоту, для которой требуется модуляция рентгеновского луча. Посредством модуляции рентгеновского луча при фиксированной резонансной частоте энергия передается от луча на конкретные макромолекулы такие, как макромолекулы опухоли в субъекте 30 для разрушения опухоли.

На фиг. 4 показаны два графика, представляющие интенсивность рентгеновского луча 46 (фиг. 2) как функцию времени. Верхний график показывает интенсивность при отсутствии микроволновой модуляции. Нижний график демонстрирует эффект микроволновой модуляции в создании последовательности импульсов рентгеновского излучения. Необходимо иметь в виду, что эти графики стилизованы посредством показа на меандре с приблизительно 50%-ным коэффициентом заполнения в импульсной последовательности рентгеновского излучения. Действительный коэффициент заполнения и форма импульсов зависят от характеристики генератора 24 рентгеновских лучей и могут изменяться до некоторой степени по сравнению с идеализированным представлением, показанным на фиг. 4.

На фиг. 5 показан соответствующий частотный спектр. В левой части спектра находится спектр нижних частот или базовой полосы частот, график показывает спектральные линии меандровой импульсной последовательности, имеющей частоту повторения, равную частоте модуляции. Показаны три частотных компонента 116A, 116B и 116C, эти компоненты появляются в нечетных гармониках основной частоты 116A. На правой стороне графика показан спектр рентгеновского излучения, модулированного меандром, причем рентгеновское излучение служит в качестве несущей модуляции. Спектральная линия рентгеновского излучения обозначена позицией 118. Как на стороне верхних, так и на стороне нижних частот спектральной линии 118 помещены спектральные линии, соответствующие компонентам 116A-C частоты модуляции. Таким образом, действие модуляции заключается в сдвиге спектра модуляции к полосе частот рентгеновского излучения. Следовательно, спектральные компоненты модуляции распространяются через материал субъекта 30 таким же образом, как это делает спектральная линия 118 рентгеновского излучения. Однако при взаимодействии рентгеновского излучения с материалом (веществом), содержащим макромолекулы, которые имеют резонансную частоту взаимодействия, равную такой частоте спектральной линии 116A, имеет место нелинейное взаимодействие, в котором имеется детектирование по меньшей мере части энергии рентгеновского луча, в основном таким же способом, которым радиолокационный сигнал детектируется диодным детектором в приемнике радара. Как хорошо известно из работы приемника радара, при детектировании сигнала радара происходит выделение сигнала модуляции из несущей. Таким же способом здесь, в случае макромолекул, микроволновый сигнал выделяется на макромолекулах с тем результатом, что электромагнитное поле микроволнового сигнала воздействует на макромолекулы. Это, в частности, заметно, когда частота модуляции равна частоте резонансного взаимодействия макромолекул, в таком случае имеется перенос фотонной энергии от микроволнового сигнала к электрону макромолекул. Это сказывается на поглощении макромолекул, т. е. в случае опухоли, онкогена, вируса или другого злокачественного образования, причем оно разрушается без повреждения окружающей ткани.

В связи с работой сканнера 22 в обычном автоматизированном томографическом режиме, это выполняется посредством выключения микроволнового источника 80, чтобы прекратить модуляцию. Вследствие этого компьютер 84 посредством управления переключателями 60 и 90 последовательно запускает электронные пушки 48 последовательных генераторов 24 рентгеновских лучей (фиг. 1) и обеспечивает соединение соответствующей последовательности детекторов 26 через преобразователь 88 с запоминающим устройством 96 (фиг. 3). Таким образом, изображение генерируется для каждой последовательности направлений рентгеновского луча, чьи образы комбинируются компьютером 84, чтобы создать синтетический образ материала субъекта, лежащего в плоскости рамки 28. Каждый детектор 26 может быть сконструирован хорошо известным способом, при котором используются матрицы кристаллов сцинтилляции для создания данных формирования изображения.

Чтобы обеспечить режим качания частоты, предыдущая процедура изменяется посредством запуска микроволнового источника 80 и управления переключателем 82 в соединении с переключателем 60. Вдобавок, как описано выше, импульсы от генератора 94 тактовых импульсов передаются на счетчик 98. Таким образом, во время каждой ориентации рентгеновских лучей, создаваемых последовательными генераторами 24 сканера 22 (фиг. 1), получают данные спектра поглощения. Выходная линия 120 компьютера 84 выдает сигнал выбора луча для управления переключателями 60, 82 и 90, также подводится как часть адреса к запоминающему устройству 104 для корреляции данных спектра поглощения с соответствующими ориентациями рентгеновского луча. Эти данные могут быть введены в компьютер 84, работающий в обычном автоматизированном томографическом режиме, чтобы генерировать сканирование на каждой резонансной частоте так, чтобы определить посредством визуального осмотра образа, какие частоты конкретно и избирательно поглощаются мишенью (опухолью) и не поглощаются другой структурой.

Процедура осуществления изобретения показана на блок-схеме алгоритма фиг. 6. Процедура начинается с модуляции рентгеновского луча микроволновым сигналом. Луч направляют на субъекта, и микроволновый модулирующий сигнал качают по частоте. Излучение распространяется от источника рентгеновских лучей через субъект и детектируется. Это сопровождается регистрацией частот, на которых происходит поглощение энергии излучения. После того, как эта информация получена, рентгеновский луч модулируется на конкретной частоте, для которой поглощение было отмечено. Затем луч, модулируемый на специальной частоте или резонансной частоте, направляют на субъект для облучения. Фотонная энергия передается макромолекулами внутри субъекта для разрушения макромолекул. Там, где макромолекулы представляют злокачественные образования, процедура изобретения разрушает злокачественное образование без повреждения соседних тканей.

Изобретение позволяет определять, когда происходит поглощение и какими структурами такими, как онкоген, опухоль или вирус, без разрушения эмпирических тканей из-за проб и ошибок. CT сканер 22 детектирует поглощение стандартного низкого уровня излучения, как это используется в диагностическом рентгеновском луче, в любой точке внутри тела субъекта 30. Общая доза излучения делится среди различных углов просмотра. Посредством проведения этой процедуры через спектр частот возможного поглощения через онкогены, на тех частотах, которые поглощаются гепетическим материалом, уникальным для опухоли или злокачественного образования, этот материал опухоли и только он будет проявлять себя как поглотитель сканирующего сигнала.

Спектр микроволновых частот, как отмечено выше, может быть наложен на рентгеновский луч, во время хода единичного сканирования посредством систематического изменения частоты модуляции. Клистрон 62 работает на частоте модуляции. Поскольку поглощение происходит в течение 10^-10 секунд, рентгеновский луч, который имеет частоту в 10¹⁷ Гц, может поместить 10⁷ различных микроволновых частот модуляции. Таким образом, каждый из приблизительно 1000 человеческих генов может быть протестирован на собственное поглощение на частотах в количестве до 10000. Как было объяснено выше со ссылкой на частотный селектор 86 фиг. 3, в процессе генерирования частотного сканирования преобразователь 88 управляется генератором 94 тактовых импульсов, чтобы производить выборку (считывание) выхода детектора при специальных приращениях задержки после начала сканирования. Временная задержка подсчитывается счетчиком 98 в соответствии с величинами частот так, что каждая поглощающая структура, такая как опухоль, воспринимается детектором 26, когда выбирается резонансная частота.

Хотя на любой данной модулирующей частоте используется лишь малая часть энергии рентгеновского луча, это достаточно для выработки такого же количества поглощенной энергии, как это происходит при обычном CAT сканировании. В обычных плоскостных черепных сериях рентгеновского облучения (которые содержат то же самое количество излучения, которому подвергается пациент при CT сканировании) приблизительно 3% интенсивности рентгеновского луча в итоге поглощается, из которых мозг поглощает 1% а именно, 3•10^-4% Если было принято, что эта доля энергии луча должна поглощаться единственной колонкой клеток, количество клеток в колонке должно быть равно корню кубическому из числа клеток в общем сферическом человеческом мозге, 10¹⁰ клеток, корень кубический составит приблизительно 3000 клеток.

При сравнении поглощения излучения в случае изобретения со случаем стандартного спектрофотометра, в котором каждая единица материала поглощает одну и ту же долю энергии луча, видно, что в случае изобретения вся энергия луча поглощается единственной клеткой в колонке клеток. Таким образом, чтобы поглотить то же самое количество излучения, что и в случае обычного CT сканнера при обычном черепном рентгеновском облучении, единственная клетка колонки должна поглотить 1/3000 упомянутой выше доли (3•10^-4) энергии луча, это дает долю в 10^-7 энергии луча. Во время режима качания частоты коэффициент заполнения модуляции, а именно процент времени, который модуляция находится на конкретной частоте ступенчатой линии ее изменения, ограничивает экспозицию ткани при вышеупомянутой доле энергии луча на каждой частоте модуляции рентгеновского луча.

Следовательно, даже несмотря на то, что каждая резонансная клетка поглощает всю имеющуюся энергию луча на этой частоте, она поглощает не более, чем это было бы при формировании рентгеновского изображения на плоской пленке, клетка поглощает, кроме того, в 3000 раз больше, чем соседние ячейки и в 100 раз больше, чем это делают кости черепа. Следовательно, осуществление изобретения обеспечивает безопасное, но эффективное детектирование посредством CT сканнера.

Когда собственная частота поглощения модулированного рентгеновского луча определена, как отмечено выше, избирательное разрушение нежелательных структур таких, как онкогены, вирусы или другие конфигурации макромолекулярной нуклеиновой кислоты, могут выполняться посредством сканирования пациента второй раз. Во второй раз клистрон настраивается на собственную резонансную частоту поглощения на всем протяжении длительности рентгеновского луча. При этом способе коэффициент заполнения во время поглощения увеличивается приблизительно до 10⁹, предполагая интервал в 10^-9 секунд длительности импульса, включая передний и задний фронты импульса, во время режима качания частоты.

Даже если бы каждая клетка одного из приблизительно десяти типов клеток в мозгу была злокачественной, увеличенная доза излучений, специфическая для клеток, из которых каждая клетка поглощает энергию излучения, была бы достаточной для уничтожения или прекращения жизнедеятельности всех клеток. На практике, опухоль диагностируется при количестве клеток приблизительно 10⁵, так что эффективная доза, доставляемая в такую опухоль, должна быть 10⁴ рад на клетку. При сравнении, общая доза излучения при CAT сканировании имеет порядок одного рада. Вышеупомянутая доза в 10⁴ рад на клетку является максимальной целительной дозой, используемой в радиотерапии. Имеется значительная разница в том, что в настоящем случае доза, доставляемая в другие незлокачественные клетки (которые не поглощают значительной энергии на резонансной частоте злокачественных клеток), составляет еще только один дополнительный рад для второго сканирования. Однако, летальная для опухоли доза в 5000 рад представляет сумму, каждая клетка поглощает лишь 10^-5 часть этой суммы, приблизительно 0,1 рад. В случае восстановленных клеток получается несколько большая кратность этого же порядка величины. При технологии изобретения доза может быть умножена на коэффициент 10⁵. Даже если сделать поправку на восстановление, которая может подчеркнуть принцип фракционирования 5000 рад в дозы 200 рад, чтобы минимизировать радиационное повреждение других тканей, чистое летальное воздействие на другие ткани способа изобретения более чем в 100 раз больше обычной радиотерапии. Это составляет 10000-кратную прежнюю дозу для ткани мишени. Напротив, радиационная экспозиция тканей, не являющихся мишенью, составляет величину в 3000 раз меньше, чем при диагностических сериях рентгеновских лучей. Также в связи с вышеупомянутым фракционированием 5000 рад в дозы по 200 рад, заметим, что избирательное поглощение тканями злокачественных образований является относительно минимальным в обычной радиотерапии по сравнению с результатами, полученными при осуществлении изобретения.

При использовании изобретения доза может быть фракционирована (разделена) посредством уменьшения коэффициента заполнения, если не требуется 100-кратная летальная для опухоли доза, в зависимости от клинической ситуации, такой, как размер опухоли. Более высокие дозы могут быть получены, если требуется, посредством повторяющегося сканирования при полном коэффициенте заполнения (рабочем цикле), каждое повторение удваивает дозу для злокачественных образований при незначительном дополнительном облучении здоровых тканей. Также в соответствии с изобретением, когда собственная частота резонансного поглощения определяется с использованием CT сканнера, использование клистрона или другого модулирующего устройства может выполняться при рентгеновском источнике сканнера или с другим рентгеновским оборудованием, будь то простая рентгеновская диагностическая трубка или оборудование для радиотерапии, чтобы модулировать его луч так, чтобы достичь более быстрого режима обработки, чем могло выполняться при CAT сканнере, который не был модифицирован для включения в состав устройства изобретения.

Необходимо отметить, что в отличие от других технологий, при которых ткани мишени выбираются пространственным образом, посредством ограничения излучения малой областью места расположения опухоли, способ и система по настоящему изобретению высокоизбирательны относительно нежелательной ткани, не ограничены в пространстве и могут разрушить эти злокачественные клетки вне основной массы опухоли, которые ответственны за рецидивы, неудачную хирургию и метастазы. Можно предположить, что осуществление изобретения может использоваться в отношении всего тела из-за высокой избирательности и вытекающей из этого высокой безопасности и эффективности.

Кроме того, поскольку процесс детектирования является эмпирическим, определяющим, какая частота единственным образом поглощается злокачественным образованием, процесс детектирования не зависит от причины или причин рака. До тех пор, пока имеется ненормальная генетическая конфигурация, уникальная для опухоли, даже если это будет неактивизированный или ненормально отсутствующий ген, изменение в длине молекулы ДНК, содержащей хромосому, приводит к уникальному образцу поглощения и последующему разрушению опухоли посредством облучения.

Что касается использования излучательного оборудования CT сканнера, включая клистрон в качестве микроволнового модулятора, оба эти устройства обеспечивают безопасность и эффективность. Были разработаны указания по использованию, включая требования по защите. Использование изобретения не изменяет проникающих характеристик рентгеновского излучения так, что рабочие характеристики останутся пригодными, в частности, в отношении экранирования (защиты). Как проникающие характеристики, так и объем экранирования хорошо проработаны. Таким образом, изобретение обеспечивает увеличенную эффективность при отсутствии затрат на безопасность.

Необходимо понимать, что вышеописанный вариант осуществления изобретения является лишь иллюстративным, и для специалиста в данной области техники очевидны возможные модификации его. Соответственно, изобретение не должно ограничиваться описанным здесь вариантом осуществления, но должно ограничиваться лишь так, как определено прилагаемой формулой изобретения.

Реферат

Использование: в медицинской технике, а именно в системах терапевтического радиологического облучения для разрушения злокачественных новообразований. Сущность: система обработки радиационной терапии для облучения субъекта содержит средство для генерирования рентгеновского луча в виде электронной пушки с мишенью, средство модуляции интенсивности рентгеновского луча снабженное установленным по ходу луча клистроном и селектирующим средством, электрически соединенным с клистроном, с возможностью его амплитудной модуляции, при этом селектирующее средство содержит микроволновый источник соединенный со средством выбора частоты амплитудной модуляции равной резонансной частоте взаимодействия материала субъекта и поглощаемой им радиационной энергии, а также средство сканирования луча и средство детектирования прошедшего излучения с устройством регистрации, которое может состоять из нескольких датчиков, размещенных симметрично с несколькими генераторами рентгеновского луча вокруг субъекта исследования. Работа с системой осуществляется по следующему способу - субъект облучают промодулированным по интенсивности сканирующим рентгеновским лучом, детектируют прошедшее излучение, при этом предварительно рентгеновский луч сканируют по изменению частоты микроволнового модулирующего сигнала, определяют по уменьшению интенсивности прошедшего излучения резонансную частоту его поглощения, регистрируют и выбирают ее как микроволновую модулирующую частоту поглощения, осуществляют амплитудное модулирование рентгеновского луча на выбранной микроволновой модулирующей частоте поглощения и облучают им патологический материал, который может состоять из злокачественных клеток или их частей, из вирусов или их частей, из макромолекул. Технический результат: повышение избирательности терапевтического воздействия на субъект воздействия. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула