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EP1265462A1 - Dispositif et méthode de régulation de l'intensité d'un faisceau extrait d'un accélérateur de particules - Google Patents

Dispositif et méthode de régulation de l'intensité d'un faisceau extrait d'un accélérateur de particules Download PDF

Info

Publication number
EP1265462A1
EP1265462A1 EP01870122A EP01870122A EP1265462A1 EP 1265462 A1 EP1265462 A1 EP 1265462A1 EP 01870122 A EP01870122 A EP 01870122A EP 01870122 A EP01870122 A EP 01870122A EP 1265462 A1 EP1265462 A1 EP 1265462A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
intensity
signal
value
beam intensity
accelerator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01870122A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Bruno Marchand
Bertrand Bauvir
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ion Beam Applications SA
Original Assignee
Ion Beam Applications SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ion Beam Applications SA filed Critical Ion Beam Applications SA
Priority to EP01870122A priority Critical patent/EP1265462A1/fr
Priority to JP2003504721A priority patent/JP2004529483A/ja
Priority to PCT/BE2002/000089 priority patent/WO2002102123A1/fr
Priority to US10/479,380 priority patent/US6873123B2/en
Priority to EP02737673A priority patent/EP1393602A1/fr
Priority to CA002449307A priority patent/CA2449307A1/fr
Priority to CN02811473.6A priority patent/CN1247052C/zh
Publication of EP1265462A1 publication Critical patent/EP1265462A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00

Definitions

  • the present invention is in the technical field of regulating the intensity of a beam extracted from a particle accelerator.
  • the present invention relates to a device for the rapid and precise regulation of the intensity of a beam extracted from an accelerator particles, and more specifically a cyclotron.
  • the present invention also relates to a method for regulating beam intensity extract from a particle accelerator.
  • the present invention finally relates to use of this device or method in proton therapy and in particular in the technique of "Pencil Beam Scanning".
  • Cyclotrons are accelerators circular particles that are used to accelerate positive or negative ions up to energies of a few MeV or more. This type of device finds applications in different fields such as industry or medicine, specifically radiotherapy for the production of radioisotopes or in proton therapy, to treat cancerous tumors.
  • Cyclotrons typically include five major components: the ion source that generates the ionized particles, the vacuum containment device ionized particles, the electromagnet that produces the magnetic field guiding particles ionized, the high frequency accelerator system intended for accelerate the ionized particles, and the device extraction to deflect ionized particles of their acceleration trajectory and then evacuate them of the cyclotron in the form of a high energy beam kinetic. This beam is then directed towards the volume target.
  • the ion source that generates the ionized particles
  • the vacuum containment device ionized particles the electromagnet that produces the magnetic field guiding particles ionized
  • the high frequency accelerator system intended for accelerate the ionized particles
  • the device extraction to deflect ionized particles of their acceleration trajectory and then evacuate them of the cyclotron in the form of a high energy beam kinetic. This beam is then directed towards the volume target.
  • the ions are obtained by ionization, in a closed enclosure, a gaseous medium consisting of one or more gases, means of electrons strongly accelerated by resonance cyclotronic electronics under the action of a field high frequency magnetic injected into the enclosure.
  • Such cyclotrons can be used in proton therapy.
  • Proton therapy aims to deliver a dose high in a well defined target volume to be treated while sparing the healthy tissues surrounding the volume considered.
  • protons Compared to conventional radiotherapy (rays X), protons have the advantage of depositing their dose at a specific energy-dependent depth (peak of Bragg).
  • peak of Bragg Several techniques for distributing the dose in the target volume are known.
  • Patent application WO00 / 40064 of the Applicant describes an improved technique, called “pencil beam scanning ", in which the beam should not be interrupted between the irradiation of each individual voxel.
  • the process described in this document consists in moving the beam continuously so as to "paint" the target volume layer by layer.
  • Double Diffusion Another technique used in proton therapy is the technique called "Double Diffusion ".
  • the modulation of the irradiation depth i.e. energy
  • the absorbent parts of this modulator consist of a absorbent material, such as graphite or lexan.
  • the modulation in depth obtained is fairly close to predictions. Uniformity remains outside specifications desired. To reach the specifications on uniformity, rather than re-machining the wheels of modulation it is cheaper to use regulation of the beam intensity which is synchronized on the speed of rotation of the energy modulator.
  • the function of modulation is therefore established for each modulator of energy and is used as the path provided as set the beam intensity regulator. A fast and precise regulation of the beam intensity extract from a particle accelerator is therefore necessary also in the double diffusion techniques using such a modulation wheel.
  • the present invention aims to provide a device and method for regulating the intensity of a beam extracted from an accelerator particles, which does not have the disadvantages of state of the art methods and devices.
  • the device according to the invention may include analog-to-digital converter converting analog signal directly representative of the intensity of the beam measured at the exit of the accelerator, and providing a digital signal.
  • the device of the invention includes means for updating the content of the table reverse match.
  • the sampling frequency is preferably between 100 kHz and 200 kHz, and the cut-off frequency of the low-pass filter is preferably between 2 and 6 kHz.
  • the correspondence between a value for supplying the source arc current of ions and a value of the beam intensity measured at the accelerator output is determined before the regulation.
  • the values of the supply of the arc current corresponding to the values beam intensity greater than a limit are replaced by the arc current supply value matching this limit.
  • the present invention relates also to the use of the device and the method of the invention in proton therapy and in particular in "Pencil Beam Scanning” and “double” technique diffusion ".
  • Figure 1 shows a device for regulation of the intensity of a beam extracted from a particle accelerator according to the prior art.
  • FIG. 2 represents the characteristic of the system, that is to say the correspondence between a value I A for the supply of the arc current of the ion source and a value I M of the intensity of the measured beam at the exit of the accelerator.
  • FIG. 3 represents an embodiment of a beam intensity regulation device extract of a particle accelerator according to the invention.
  • FIG. 4 represents a second mode of creation of an intensity regulation device of a beam extracted from a particle accelerator according to the invention.
  • a set value I C of the beam intensity is supplied to a conventional PID regulator 10, which determines a value I A of the arc current of the ion source 20.
  • L ' beam intensity is measured by means of an ionization chamber 30, and the corresponding signal I M is compared using a comparator 90 to the set value I C to provide an error signal ⁇ .
  • the intensity of the beam varies simultaneously with the displacement, so as to obtain compliance with the delivered dose.
  • the evolution of the characteristic depends on two well decoupled phenomena: the first, of constant of short time, corresponds to the conditioning of the source of ions, that is to say at its temperature.
  • the functioning normal, continuous or intermittent with high duty cycle heats the ion source quickly.
  • This time rapid temperature establishment could allow work in an open loop, i.e. without holding account of the real characteristic of the system, in using conventional methods, during the time of conditioning.
  • this compromise strongly limits the use of a conventional method in operation intermittent with average duty cycle, which corresponds often to the operating mode used.
  • the present invention proposes by therefore to more specifically resolve this problem by using according to a preferred embodiment a regulating device 10 shown in FIG. 3 with the supply of arc current from the ion source 20.
  • the ion source produces an ion beam, which is accelerated during its course in the accelerator, is extracts, and passes through a measuring device 30 of the intensity of the beam at the exit of the accelerator.
  • This measuring device 30 can be for example a chamber ionization.
  • a filter is introduced into the feedback low-pass 60 and a phase advance regulator 70.
  • the filter 60 is for example a low pass filter of the first order.
  • the cutoff frequency is 4.5 kHz.
  • a phase advance regulator 70 differential filtered
  • the device according to the invention is realized by means of an electronic card which calls DSP (Digital Signal) type digital technologies Processing).
  • DSP Digital Signal
  • the method of regulation according to this invention has several advantages. First, she allows a controlled adaptation, i.e. it requires very little computation time compared to modern methods of adaptive control and allows a very easy change of structure since the identification is made by construction of a table of correspondence which then suffices to reverse numerically to linearize the characteristic of the system seen by the main regulator.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif (10) de régulation de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules, tel qu'un cyclotron, utilisé par exemple pour la protonthérapie, lesdites particules étant générées à partir d'une source d'ions, caractérisé en ce qu'il comporte au moins :
  • un comparateur (90) déterminant un écart ε entre un signal digital IR représentatif de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur et une valeur de consigne IC de l'intensité du faisceau;
  • un prédicteur de Smith (80), qui détermine, à partir de l'écart ε, une valeur corrigée de l'intensité de faisceau IP;
  • une table de correspondance inversée (40), fournissant, à partir de la valeur corrigée de l'intensité de faisceau IP, une valeur de consigne IA pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions (20).

Description

Objet de l'invention
La présente invention se situe dans le domaine technique de la régulation de l'intensité d'un faisceau extrait d'un accélérateur de particules.
La présente invention se rapporte à un dispositif destiné à la régulation rapide et précise de l'intensité d'un faisceau extrait d'un accélérateur de particules, et plus spécifiquement d'un cyclotron.
La présente invention se rapporte également à une méthode pour la régulation de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules.
La présente invention se rapporte enfin à l'utilisation de ce dispositif ou de cette méthode en protonthérapie et en particulier dans la technique de "Pencil Beam Scanning".
Arrière-plan technologique et état de la technique
Les cyclotrons sont des accélérateurs circulaires de particules qui sont utilisés pour accélérer des ions positifs ou négatifs jusqu'à des énergies de quelques MeV voire plus. Ce type d'appareils trouve des applications dans des domaines différents tels que l'industrie ou la médecine, plus précisément en radiothérapie pour la production de radio-isotopes ou en protonthérapie, en vue de traiter des tumeurs cancéreuses.
Les cyclotrons comprennent généralement cinq composants majeurs : la source d'ions qui génère les particules ionisées, le dispositif de confinement sous vide des particules ionisées, l'électroaimant qui produit le champ magnétique assurant le guidage des particules ionisées, le système accélérateur haute fréquence destiné à accélérer les particules ionisées, et le dispositif d'extraction permettant de dévier les particules ionisées de leur trajectoire d'accélération puis de les évacuer hors du cyclotron sous forme d'un faisceau à haute énergie cinétique. Ce faisceau est ensuite dirigé vers le volume cible.
Dans la source d'ions d'un cyclotron, les ions sont obtenus par ionisation, dans une enceinte fermée, d'un milieu gazeux constitué d'un ou plusieurs gaz, au moyen d'électrons fortement accélérés par résonance électronique cyclotronique sous l'action d'un champ magnétique haute fréquence injecté dans l'enceinte.
De tels cyclotrons peuvent être utilisés en protonthérapie. La protonthérapie vise à délivrer une dose élevée dans un volume cible à traiter bien défini tout en épargnant les tissus sains entourant le volume considéré. En comparaison à la radiothérapie conventionnelle (rayons X), les protons présentent l'avantage de déposer leur dose à une profondeur précise dépendant de l'énergie (pic de Bragg). Plusieurs techniques pour distribuer la dose dans le volume cible sont connues.
La technique mise au point par Pedroni et décrite dans « The 200-Mev proton therapy project at the Paul Scherrer Institute : conceptual design and practical realization » MEDICAL PHYSICS, JAN. 1995, USA, vol.22, no.1, pages 37-53, XP000505145 ISSN : 0094-2405, consiste à découper le volume cible en volumes élémentaires appelés « voxels ». On dirige le faisceau vers un premier voxel, et lorsque la dose prescrite est atteinte, on interrompt l'irradiation en déviant brusquement le faisceau au moyen d'un aimant rapide (fast kicking magnet). On règle alors un aimant de balayage de manière à diriger le faisceau vers un voxel suivant, et on réintroduit le faisceau de manière à irradier ce voxel suivant. Ce processus est répété jusqu'à irradiation du volume cible en entier. Un des inconvénients de ce procédé est que, en raison des interruptions et rétablissements successifs du faisceau entre deux voxels, le temps de traitement est important, et peut atteindre plusieurs minutes dans des conditions typiques.
La demande de brevet WO00/40064 de la Demanderesse décrit une technique améliorée, dite « pencil beam scanning », dans laquelle le faisceau ne doit pas être interrompu entre l'irradiation de chaque voxel individuel. Le procédé décrit dans ce document consiste à déplacer le faisceau de manière continue de manière à "peindre" le volume cible couche après couche.
En opérant simultanément un déplacement du faisceau et une variation de l'intensité de ce faisceau, on parvient à conformer exactement la dose à délivrer au volume cible. La régulation de l'intensité du faisceau de protons est réalisée indirectement par une action sur le courant d'alimentation de la source d'ions. On utilise dans ce but un régulateur qui permet de réguler l'intensité du faisceau de protons. Toutefois, cette régulation n'est pas optimale.
Une autre technique utilisée en protonthérapie est la technique dite de « Double Diffusion ». Dans cette technique, la modulation de la profondeur d'irradiation (c'est-à-dire de l'énergie), est réalisée à l'aide d'une roue dite roue de modulation tournant à une vitesse de l'ordre de 600 tr/min. Les parties absorbantes de ce modulateur sont constituées d'un matériau absorbant, tel que le graphite ou de lexan. Lors de la fabrication de ces roues de modulation, la modulation en profondeur obtenue est assez proche des prédictions. L'uniformité reste malgré tout en dehors des spécifications désirées. Pour atteindre les spécifications sur l'uniformité, plutôt que de ré-usiner les roues de modulation, il est moins onéreux d'utiliser une régulation de l'intensité du faisceau qui soit synchronisée sur la vitesse de rotation du modulateur d'énergie. La fonction de modulation est donc établie pour chaque modulateur d'énergie et est utilisée comme trajectoire fournie comme consigne au régulateur de l'intensité du faisceau. Une régulation rapide et précise de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules est donc nécessaire également dans les techniques de double diffusion utilisant une telle roue de modulation.
Buts de l'invention
La présente invention vise à fournir un dispositif et une méthode destinés à la régulation de l'intensité d'un faisceau extrait d'un accélérateur de particules, qui ne présente pas les inconvénients des procédés et dispositifs de l'état de la technique.
Résumé de l'invention
La présente invention se rapporte à un dispositif de régulation de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules, tel qu'un cyclotron, utilisé par exemple pour la protonthérapie, lesdites particules étant générées à partir d'une source d'ions, caractérisé en ce qu'il comporte au moins :
  • un comparateur déterminant un écart entre un signal digital représentatif de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur et une valeur de consigne de l'intensité du faisceau;
  • un prédicteur de Smith, qui détermine, à partir de cet écart, une valeur corrigée de l'intensité de faisceau;
  • une table de correspondance inversée, fournissant, à partir de la valeur corrigée de l'intensité de faisceau, une valeur de consigne pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions.
En outre, le dispositif selon l'invention peut comprendre un convertisseur analogique-digital convertissant le signal analogique directement représentatif de l'intensité du faisceau mesuré à la sortie de l'accélérateur, et fournissant un signal digital.
De préférence, le dispositif selon l'invention comprendra en outre :
  • un filtre passe-bas filtrant le signal analogique directement représentatif de l'intensité du faisceau mesuré à la sortie de l'accélérateur, et fournissant un signal analogique filtré;
  • un régulateur à avance de phase échantillonnant ledit signal analogique filtré, compensant le retard de phase introduit par le filtre passe-bas, et fournissant un signal digital au comparateur.
Avantageusement, le dispositif de l'invention comporte des moyens de mise à jour du contenu de la table de correspondance inversée.
La fréquence d'échantillonnage est de préférence comprise entre 100 kHz et 200 kHz, et la fréquence de coupure du filtre passe-bas est de préférence comprise entre 2 et 6 kHz.
La présente invention concerne également une méthode de régulation, au moyen d'un dispositif de régulation digital fonctionnant à une fréquence d'échantillonnage donnée, de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules, tel qu'un cyclotron, utilisé par exemple en protonthérapie, lesdites particules étant générées à partir d'une source d'ions, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins les étapes suivantes :
  • on mesure l'intensité du faisceau à la sortie de l'accélérateur de particules;
  • on compare un signal digital représentatif de la mesure de l'intensité du faisceau avec la valeur de consigne de l'intensité du faisceau;
  • on détermine, au moyen d'un prédicteur de Smith, une valeur corrigée de l'intensité de faisceau;
  • on détermine, à partir de cette valeur corrigée de l'intensité de faisceau, au moyen d'une table de correspondance inversée, une valeur de consigne pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions.
De préférence, dans la méthode selon l'invention, après la mesure de l'intensité du faisceau à la sortie de l'accélérateur de particules, on convertit le signal analogique directement représentatif de l'intensité du faisceau mesurée au moyen d'un convertisseur analogique digital pour obtenir un signal digital.
Selon une forme d'exécution de la méthode selon l'invention,
  • on filtre le signal analogique directement représentatif de l'intensité du faisceau mesurée au moyen d'un filtre passe-bas, donnant un signal analogique filtré;
  • on échantillonne ledit signal filtré, et on compense le retard de phase introduit par le filtrage pour obtenir un signal digital.
Avantageusement, la correspondance entre une valeur pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions et une valeur de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur est déterminée préalablement à la régulation.
Avantageusement, dans la correspondance entre une valeur de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur et une valeur pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions, les valeurs de l'alimentation du courant d'arc correspondant aux valeurs d'intensité de faisceau supérieures à une limite sont remplacées par la valeur d'alimentation du courant d'arc correspondant cette limite.
Enfin, la présente invention se rapporte également à l'utilisation du dispositif et de la méthode de l'invention en protonthérapie et en particulier dans les technique de "Pencil Beam Scanning" et de « double diffusion ».
Brève description des figures
La figure 1 représente un dispositif de régulation de l'intensité d'un faisceau extrait d'un accélérateur de particules suivant l'art antérieur.
La figure 2 représente la caractéristique du système, c'est-à-dire la correspondance entre une valeur IA pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions et une valeur IM de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur.
La figure 3 représente un mode de réalisation d'un dispositif de régulation de l'intensité d'un faisceau extrait d'un accélérateur de particules selon l'invention.
La figure 4 représente un second mode de réalisation d'un dispositif de régulation de l'intensité d'un faisceau extrait d'un accélérateur de particules suivant l'invention.
Problèmes à la base de la présente invention
En utilisant une régulation classique, par exemple PID, pour la mise en oeuvre de la technique dite "pencil beam scanning" telle que décrite dans la publication WO00/40064 de la Demanderesse, on est confronté aux problèmes décrits ci-après.
Ainsi que le montre la figure 1, une valeur de consigne IC de l'intensité du faisceau est fournie à un régulateur PID classique 10, qui détermine une valeur IA du courant d'arc de la source d'ions 20. L'intensité du faisceau est mesurée au moyen d'une chambre d'ionisation 30, et le signal correspondant IM est comparé à l'aide d'un comparateur 90 à la valeur de consigne IC pour fournir un signal d'erreur ε. Selon la technique de balayage continu du faisceau, il est indispensable que l'intensité du faisceau varie de manière simultanée avec le déplacement, de manière à obtenir la conformité de la dose délivrée.
Un tel système présente les difficultés suivantes :
  • un temps mort pur important est dû au temps de parcours important d'une particule entre son émission par la source d'ions 20 et sa sortie de la machine;
  • la caractéristique du système, liant l'intensité du faisceau extrait de l'accélérateur de particules IM à l'intensité du courant d'arc de la source d'ions IA est fortement non linéaire, ainsi que le montre la figure 2;
  • de plus, cette caractéristique peut varier au cours du temps, ainsi que le montrent les courbes en trait interrompu de la figure 2. Cette variation peut survenir rapidement en raison du chauffage ou du refroidissement du filament de la source d'ions lors de sa mise en service. Elle peut également provenir du vieillissement du filament. Ces deux phénomènes conduisent à des variations de la caractéristique avec des constantes de temps très différentes;
  • le système est fortement bruité. L'intensité du faisceau généré par la source d'ions présente un bruit important, en particulier à la fréquence d'échantillonnage utilisée pour la mesure.
La régulation d'un tel système en utilisant les méthodes classiques de régulation telles que les techniques de feedforward, de feedback par action proportionnelle, intégrale et dérivée (PID) et de boucles en cascade a été évaluée. En raison du temps mort pur important, toutes ces méthodes donnent des réponses soit trop lentes, soit instables. Les méthodes classiques ne permettent pas non plus d'adresser le problème d'une caractéristique du système fluctuant en fonction du temps en utilisant une valeur moyenne des caractéristiques sur une période donnée, car les variations de gain d'une réponse à l'autre sont dans un rapport très important.
L'évolution de la caractéristique dépend de deux phénomènes bien découplés : le premier, de constante de temps brève, correspond au conditionnement de la source d'ions, c'est-à-dire à sa température. Le fonctionnement normal, continu ou intermittent à rapport cyclique élevé, chauffe la source d'ions rapidement. Ce temps d'établissement rapide en température pourrait permettre de travailler en boucle ouverte, c'est-à-dire sans tenir compte de la caractéristique réelle du système, en utilisant les méthodes classiques, pendant le temps de conditionnement. Cependant, ce compromis limite fortement l'utilisation d'une méthode classique en fonctionnement intermittent à rapport cyclique moyen, qui correspond souvent au mode de fonctionnement utilisé.
Le second phénomène, de constante de temps plus longue, est dû au vieillissement du filament et de la source d'ions elle-même. Cette évolution plus lente de la caractéristique pourrait donc donner lieu à l'utilisation d'une caractéristique moyenne du système. L'utilisation d'une caractéristique moyenne conduit cependant à une régulation soit trop lente, soit instable.
Il apparaít donc comme évident que les méthodes classiques de régulation ne peuvent pas résoudre de manière satisfaisante les problèmes du contrôle d'un tel système, c'est-à-dire un temps mort pur largement supérieur à la constante de temps principale du système (environ 4 fois) et une caractéristique non-linéaire évolutive et nécessitant une méthode de régulation adaptative.
La régulation rapide et précise de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules se heurte donc à de nombreuses difficultés. Une telle régulation rapide et précise est cependant importante pour l'application de la technique du « pencil beam scanning ».
Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention
La présente invention se propose par conséquent de résoudre plus spécifiquement ce problème en utilisant selon une forme d'exécution préférée un dispositif de régulation 10 représenté à la figure 3 avec l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions 20. La source d'ions produit un faisceau d'ions, qui est accéléré au cours de son parcours dans l'accélérateur, en est extrait, et traverse un dispositif de mesure 30 de l'intensité du faisceau à la sortie de l'accélérateur. Ce dispositif de mesure 30 peut être par exemple une chambre d'ionisation.
Le régulateur suivant l'invention à été appliqué pour un cyclotron présentant les caractéristiques exemplatives et non limitatives suivantes :
  • énergie fixe: 235 MeV
  • temps mort pur : 60 µsec. Ce temps mort pur correspond au temps de parcours des ions dans l'accélérateur. Il correspond donc directement au temps nécessaire pour mesurer l'influence d'une modification de la consigne du courant d'arc de la source d'ions sur l'intensité du faisceau d'ions extraits de la machine
  • constante de temps principale : 15 µs. Elle donne une indication sur le temps nécessaire à l'établissement, en boucle ouverte, de la réponse du système à une modification de consigne.
  • caractéristique du système fortement non-linéaire, ce qui conduit à une caractéristique en boucle ouverte correspondant quasiment à celle d'un système à dynamique hybride (tout ou rien).
  • évolution de la caractéristique au cours du temps.
  • signal mesuré très bruité. En effet, la source d'ions est instable, ce qui conduit un niveau de bruit très important pour l'intensité du faisceau après extraction. Le rapport bruit/signal observé est de l'ordre de 150%. En conséquence, lors d'une mise en oeuvre digitale du régulateur, les fréquences d'échantillonnages retenues engendrent un rapport signal / bruit très faible.
Dans le dispositif de régulation de l'invention, représenté à la figure 3, les étapes suivantes sont réalisées :
  • la valeur de consigne de l'intensité du faisceau IC est fournie sous la forme d'un signal analogique 0-10 V (10 V correspondant à une intensité du faisceau de 300 nA);
  • l'intensité de faisceau est mesurée au moyen d'une chambre d'ionisation 30 et la mesure IM est fournie au dispositif de régulation 10 au moyen d'un signal analogique 0-15 µA (15 µA correspondant à une intensité du faisceau de 300 nA) ;
  • ce signal analogique IM est converti par un convertisseur 50 en un signal digital IR;
  • ce signal IR est comparé par le comparateur à la consigne IC pour fournir un signal d'erreur ε;
  • ce signal d'erreur ε est fourni au régulateur de type « Prédicteur de Smith » 80;
  • la sortie IP du prédicteur de Smith 80 est alors fournie à l'entrée d'une table de correspondance inversée 40. La table de correspondance 40 fournit de manière numérique la relation non-linéaire entre le courant d'arc de la source d'ions IA et l'intensité du faisceau IM d'ions extrait de l'accélérateur. Elle permet donc d'identifier la caractéristique non linéaire du système. La sortie de la table de correspondance inversée est convertie en un signal analogique de type 4-20 mA IA qui est fourni par le dispositif de régulation 10 comme valeur de consigne pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions.
Des simulations montrent qu'un tel dispositif permet une bonne régulation. Il est cependant sensible aux perturbations basse fréquence. Pour résoudre ce problème, on a développé une variante préférée du dispositif suivant l'invention, représenté à la figure 4. Dans ce dispositif 10, on introduit dans la contre-réaction un filtre passe-bas 60 et un régulateur à avance de phase 70. Le filtre 60 est par exemple un filtre passe-bas du premier ordre. La fréquence de coupure est de 4,5 kHz. Afin de compenser le retard de phase introduit par le filtre, on utilise un régulateur à avance de phase 70 (dérivateur filtré), qui compense ce déphasage.
Tant le dispositif de la figure 3 que celui de la figure 4 comportent une table de correspondance inversée 40. Le contenu de cette table 40 est déterminé préalablement à chaque utilisation du dispositif de la manière suivante :
  • le régulateur étant en boucle ouverte, la consigne du courant d'arc de la source d'ions 20 est portée progressivement de 0 à 20 mA sous la forme d'une rampe de 100 ms;
  • l'intensité du faisceau est mesurée pour chacun des 4000 points échantillonnés;
  • la table obtenue est inversée, de manière à fournir une valeur correspondante du courant d'arc de la source d'ions IA en fonction de l'intensité du faisceau IM.
  • Cette table inversée est chargée dans le dispositif de régulation 10.
En pratique, cette opération est réalisée une douzaine de fois successivement. Ceci permet de s'assurer que les paramètres atteignent un palier, correspondant à la température de régime du filament. Afin d'éliminer le bruit, une moyenne des 4 dernières tables est calculée. Ces opérations, réalisées automatiquement, durent au maximum 1,5 s. Dans une variante de l'invention, les valeurs de IA correspondant aux valeurs de IM supérieures à une limite donnée sont remplacées par la valeur de IA correspondant à cette limite. Les courbes de la figure 2 sont donc écrêtées. Ceci est un élément de sécurité permettant de garantir que l'intensité du faisceau produit par l'accélérateur ne sera jamais supérieur à cette limite.
Le dispositif suivant l'invention est réalisé au moyen d'une carte électronique qui fait appel aux technologies digitales de type DSP (Digital Signal Processing).
La synthèse du prédicteur de Smith à été réalisée dans le domaine de Laplace et la discrétisation est fournie par la transformée en Z par la méthode de correspondance pôles-zéros. Un sur-échantillonnage aurait été adéquat pour éviter tout problème lié à la discrétisation mais les technologies DSP du moment ne nous ont pas permis de monter au-delà de 100 kHz.
La méthode de régulation selon la présente invention présente plusieurs avantages. Tout d'abord, elle permet une adaptation commandée, c'est-à-dire qu'elle demande un temps de calcul très petit en comparaison des méthodes modernes du contrôle adaptatif et permet un changement de structure très facile puisque l'identification est faite par construction d'une table de correspondance qu'il suffit alors d'inverser numériquement pour linéariser la caractéristique du système vu par le régulateur principal.
En outre, elle offre une flexibilité importante puisqu'elle pourrait trouver sa place dans la régulation précise, reproductible, robuste et performante de toute source d'ions équipant un cyclotron et ce de par l'avantage d'une régulation de type adaptatif permettant la ré-identification de la caractéristique du système lorsque celle-ci évolue dans le temps. Elle permet donc l'identification et la régulation d'un autre accélérateur que le cyclotron C235 pour laquelle cette régulation à été développée à la base.

Claims (13)

  1. Dispositif (10) de régulation de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules, tel qu'un cyclotron, utilisé par exemple pour la protonthérapie, lesdites particules étant générées à partir d'une source d'ions, caractérisé en ce qu'il comporte au moins :
    un comparateur (90) déterminant un écart ε entre un signal digital IR représentatif de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur et une valeur de consigne IC de l'intensité du faisceau;
    un prédicteur de Smith (80), qui détermine, à partir de l'écart ε, une valeur corrigée de l'intensité de faisceau IP;
    une table de correspondance inversée (40), fournissant, à partir de la valeur corrigée de l'intensité de faisceau IP, une valeur de consigne IA pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions (20).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un convertisseur analogique-digital (50) convertissant le signal analogique IM directement représentatif de l'intensité du faisceau mesuré à la sortie de l'accélérateur, et fournissant un signal digital IR.
  3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
    un filtre passe-bas (60) filtrant le signal analogique IM directement représentatif de l'intensité du faisceau mesuré à la sortie de l'accélérateur, et fournissant un signal analogique filtré IF;
    un régulateur à avance de phase (70) échantillonnant le signal analogique filtré IF, compensant le retard de phase introduit par le filtre passe-bas (60), et fournissant un signal digital IR au comparateur (90).
  4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mise à jour du contenu de la table de correspondance inversée (40).
  5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence d'échantillonnage est comprise entre 100 kHz et 200 kHz.
  6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la fréquence de coupure du filtre passe-bas (60) est comprise entre 2 et 6 kHz.
  7. Méthode de régulation, au moyen d'un dispositif de régulation digital (10) fonctionnant à une fréquence d'échantillonnage donnée, de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules, tel qu'un cyclotron, utilisé par exemple en protonthérapie, lesdites particules étant générées à partir d'une source d'ions (20), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins les étapes suivantes :
    on mesure l'intensité du faisceau (IM) à la sortie de l'accélérateur de particules;
    on compare au moyen d'un comparateur (90) un signal digital IR représentatif de la mesure de l'intensité du faisceau (IM) avec la valeur de consigne IC de l'intensité du faisceau;
    on détermine, au moyen d'un prédicteur de Smith (80), une valeur corrigée IP de l'intensité de faisceau;
    on détermine, à partir de la valeur corrigée IP de l'intensité de faisceau, au moyen d'une table de correspondance inversée (40), une valeur de consigne IA pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions (20).
  8. Méthode de régulation selon la revendication 7, caractérisée en ce que, après la mesure de l'intensité du faisceau à la sortie de l'accélérateur de particules, on convertit le signal analogique IM directement représentatif de l'intensité du faisceau mesurée au moyen d'un convertisseur analogique digital (50) pour obtenir un signal digital IR.
  9. Méthode selon la revendication 7, caractérisée en ce que, après la mesure de l'intensité du faisceau à la sortie de l'accélérateur de particules :
    on filtre le signal analogique IM directement représentatif de l'intensité du faisceau mesurée au moyen d'un filtre passe-bas (60), donnant un signal analogique filtré IF;
    on échantillonne le signal filtré IF, et on compense le retard de phase à l'aide d'un régulateur à avance de phase (70) introduit par le filtrage pour obtenir un signal digital IR.
  10. Méthode selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que la correspondance entre une valeur IA pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions (20) et une valeur IM de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur est déterminée préalablement à la régulation.
  11. Méthode selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que, dans la correspondance entre une valeur IM de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur et une valeur IA pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions, les valeurs de IA correspondant aux valeurs de IM supérieures à une limite sont remplacées par la valeur de IA correspondant cette limite.
  12. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 en protonthérapie et en particulier dans les technique de "Pencil Beam Scanning" et de « double diffusion ».
  13. Utilisation de la méthode de selon l'une quelconque des revendications 7 à 11 en protonthérapie et en particulier dans les techniques de "Pencil Beam Scanning" et de « double diffusion ».
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