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Apr 07, 2024

India pone su mirada en la innovación linac

Los científicos e ingenieros investigadores de la India están siguiendo diversas líneas de investigación para reducir el costo de los sistemas de tratamiento de radioterapia, al tiempo que intensifican los ambiciosos esfuerzos de I+D sobre protones multipropósito.

Los científicos e ingenieros investigadores de la India están siguiendo diversas líneas de investigación para reducir el costo de los sistemas de tratamiento de radioterapia, al tiempo que intensifican los ambiciosos esfuerzos de I+D sobre aceleradores de protones multipropósito. Amit Roy evalúa los últimos avances.

La incidencia global anual estimada de nuevos casos de cáncer fue de más de 19 millones en 2020, y más del 70% de las personas que padecen la enfermedad residen en países de ingresos bajos y medianos (JCO Global Oncology 2022 8 e2100358). Es más, según las previsiones de la Agencia Internacional de Energía Atómica publicadas el Día Mundial contra el Cáncer en febrero de 2022, se prevé que el número total de muertes por cáncer en todo el mundo aumente un 60% en las próximas dos décadas (hasta 16 millones de personas al año), con esas Los mismos países de ingresos bajos y medios son los más afectados por la escalada. India se encuentra en el ojo de esta tormenta sanitaria, con una carga interna de casos de cáncer proyectada entre 1,9 y 2 millones en 2022, una carga que, además, también se prevé que aumente con el tiempo.

Fundamentalmente, se trata de una cuestión de oferta (tratamiento contra el cáncer de alta calidad) versus demanda (aumento de la incidencia del cáncer) en la India, sobre todo en lo que respecta a los desafíos asociados con el despliegue de instalaciones de radioterapia accesibles y asequibles a nivel nacional. En este momento, hay alrededor de 545 unidades de radioterapia clínica en toda la India (180 sistemas de teleterapia basados ​​en 60Co y 365 linacs de electrones). La mayoría de los e-linacs son suministrados por fabricantes comerciales, y el 50% de estos sistemas están ubicados en hospitales privados y, por lo tanto, fuera del alcance de la mayoría de los ciudadanos indios.

Para reducir el coste del tratamiento de radioterapia y, al mismo tiempo, abrir el acceso a más pacientes con cáncer, la Sociedad de Ingeniería e Investigación en Electrónica de Microondas Aplicadas (SAMEER) de Mumbai ha estado dando prioridad a la innovación tecnológica en e-linacs durante varias décadas (con el apoyo financiero de Ministerio de Electrónica y Tecnología de la Información del gobierno central, también conocido como MeitY).

Un caso de estudio a este respecto es la división de electrónica médica de SAMEER, que inició un programa de I+D para un e-linac de 4 MeV para la terapia del cáncer a finales de los años 1980. El resultado inicial: un linac de banda S con acoplamiento lateral (que funciona en modo π/2 a 2,998 GHz) desarrollado para la aceleración de electrones. Posteriormente, el equipo de desarrollo de SAMEER integró el linac con otros subsistemas centrales en colaboración con la Organización Central de Instrumentos Científicos, Chandigarh, y el Instituto de Postgrado de Educación e Investigación Médica (PGIMER), Chandigarh, y el linac completo se puso en servicio en PGIMER en 1991.

Esta máquina original se llamaba Jeevan Jyoti-I. Los ingenieros de SAMEER continuaron construyendo tres variaciones más de e-linac sobre el tema Jeevan Jyoti-I, con todas las unidades debidamente puestas en funcionamiento y funcionando en hospitales. Posteriormente, bajo la iniciativa Jai ​​Vigyan del gobierno indio, SAMEER construyó seis unidades de radioterapia más (con una energía aumentada de 6 MV) e instaló estos sistemas en hospitales. En 2022 se pondrá en marcha una máquina más, que inicialmente utilizará fuentes de microondas comerciales de SAMEER (aunque eventualmente serán reemplazadas por un magnetrón de 2,6 MW desarrollado en el país).

El Departamento de Energía Atómica (DAE) de la India planea explotar las ricas fuentes naturales de torio del país para reforzar el programa interno de energía nuclear, explorando simultáneamente nuevos métodos para tratar los desechos nucleares de alta actividad y la producción a escala de radioisótopos médicos para el diagnóstico y tratamiento del cáncer.

Consideremos el llamado reactor subcrítico impulsado por acelerador (ADSR), un diseño de reactor nuclear de próxima generación formado mediante el acoplamiento de un núcleo de reactor nuclear sustancialmente subcrítico (que utiliza torio como combustible) con un acelerador de protones de alta intensidad y alta energía. Este último genera un abundante haz de neutrones de espalación para sostener el proceso de fisión, activando el torio sin necesidad de hacer que el reactor sea crítico (es decir, apagar el haz de protones da como resultado el apagado inmediato y seguro del reactor). Otro beneficio del plan ADSR es la vida media relativamente corta de los productos de desecho.

En este contexto, los laboratorios de I+D del DAE han comenzado a trabajar en un acelerador de protones de 1 GeV de alta corriente (ver figura “Esfuerzo colectivo”). En la primera fase de construcción de un linac de conducción normal de 20 MeV en el Centro de Investigación Atómica Bhabha (BARC), los científicos aceleraron un haz de protones de 2 mA desde una fuente de iones utilizando un cuadrupolo de RF de cuatro paletas (generando un haz de protones de 3 MeV con 65 % transmisión). A principios de este año, el equipo BARC aumentó la energía de los protones a 6,8 MeV a través del primer linac de tubo de deriva (con una corriente de haz máxima de 2,5 mA y una corriente de haz promedio de 1 μA con una transmisión del 93%). Mientras tanto, en el Centro Raja Ramanna de Tecnología Avanzada (RRCAT), se están construyendo varias fuentes de iones de frente cálido y subsistemas asociados (incluido el transporte de haces de baja energía, cuadrupolos de RF, el transporte de haces de energía media y un linac con tubo de deriva). .

Desde el punto de vista operativo, la colaboración es un tema definitorio del esfuerzo de I+D de la India en aceleradores de protones, sobre todo a través de la participación directa de sus científicos en el Plan de Mejora de Protones II (PIP-II), una mejora esencial y una ambiciosa reinvención del complejo de aceleradores Fermilab en Estados Unidos. Varias instituciones indias están al frente y al centro de la iniciativa PIP-II, diseñando y desarrollando imanes superconductores y a temperatura ambiente, cavidades de RF superconductoras, criomódulos y amplificadores de RF para el equipo del proyecto PIP-II.

BARC y el Centro de Aceleradores Interuniversitarios (IUAC) de Nueva Delhi, por ejemplo, suministraron inicialmente dos cavidades de resonador de un solo radio para realizar pruebas en el Fermilab, mientras que en el Fermilab se ha establecido una infraestructura integral para la fabricación y pruebas de cavidades de niobio. RRCAT. Desde entonces se han fabricado y probado con éxito varias cavidades superconductoras de niobio, necesarias tanto en el proyecto PIP-II como en el programa del acelerador de protones de la India.

Una cosa está clara: el esfuerzo de I+D de e-linac de la India sigue cobrando impulso. El siguiente paso es mejorar la tecnología para energías de fotones duales (6 y 15 MeV) del mismo linac, junto con energías de múltiples electrones (de 6 a 18 MeV) para el tratamiento. Ya se ha puesto a prueba un prototipo de un novedoso linac de energía dual, que ofrece un haz de luz en el objetivo en SAMEER. La energía se varía introduciendo un émbolo en la cavidad de acoplamiento en la sección de aceleración. Se están buscando socios de la industria mientras el sistema se somete a controles finales de control y garantía de calidad.

También se están llevando a cabo programas tecnológicos paralelos, que abarcan tanto e-linacs como ciclotrones de protones, para apoyar la producción nacional de radioisótopos médicos utilizados en el diagnóstico y tratamiento del cáncer. Por ejemplo, se está preparando un proyecto linac de 30 MeV, 5-10 kW (que incorpora dos secciones de 15 MeV) para la producción de 99mTc a partir de 99Mo (el primero se requiere en un procedimiento de obtención de imágenes nucleares llamado tomografía computarizada por emisión de fotón único). comúnmente conocido como SPECT). El 99Mo se producirá a partir de 100Mo utilizando fotones Bremsstrahlung, y estos últimos se emitirán después de que electrones acelerados incidan sobre un objetivo. Se están realizando pruebas de la primera estructura aceleradora (15 MeV) y se espera que el próximo año entre en funcionamiento toda la energía de 30 MeV.

Tras la membresía asociada de la India en el CERN desde 2017, los científicos e ingenieros del país continúan aprovechando un legado rico y diverso de contribuciones que abarcan tecnologías centrales de aceleradores y participación en experimentos de física de alta energía de primera línea. Este es un legado que se extiende a lo largo de más de 50 años de colaboración. En la década de 1990, por ejemplo, el RRCAT contribuyó al LEP, mientras que el Equipo de Física de Iones Pesados ​​de Alta Energía de la India contribuyó al experimento WA93 en el CERN-SPS. En 1992 se firmó un acuerdo de cooperación internacional entre el Departamento de Energía Atómica (DAE) de la India y el CERN para profundizar los vínculos y ampliar la cooperación científica y técnica entre la India y el CERN. Esos acontecimientos, a su vez, allanaron el camino para la decisión (en 1996) de la Comisión de Energía Atómica de la India de participar en la construcción del LHC, concretamente, de contribuir al desarrollo de los detectores CMS y ALICE. India se convirtió en Estado observador del CERN en 2002, y el éxito de la asociación DAE-CERN en el LHC condujo a una nueva cooperación en nuevas tecnologías de aceleradores, dando forma a la participación de DAE en los proyectos Linac4, SPL y CTF3 del CERN.

Por otra parte, el Centro de Ciclotrón de Energía Variable (VECC) en Calcuta está liderando un proyecto para construir un ciclotrón médico de 18 MeV, una máquina que reducirá el costo de producción de radioisótopos emisores de positrones. En términos de detalles operativos: el sistema acelerará los iones de hidrógeno negativos (H–) desde una fuente externa de iones de volumen multicúspide, mientras que una lámina separadora de carbono alterará el estado de carga de los iones de negativo a positivo antes de la extracción. Los avances logrados hasta la fecha son alentadores: el diseño de ingeniería del imán principal está completo y se ha extraído una corriente de 1 mA de la fuente de iones H–.

Es evidente una mayor innovación tecnológica en el campo de la terapia con hadrones, que utiliza haces de protones o iones para atacar tumores con precisión con dosis de salida cero, una capacidad que los médicos estiman que podría mejorar los resultados terapéuticos en entre el 15% y el 20% de los pacientes con cáncer que reciben radioterapia. Al reconocer el potencial aquí, las clínicas indias compraron e instalaron recientemente dos ciclotrones de protones de 230 MeV, suministrados por el fabricante belga de equipos IBA, en un giro hacia los tratamientos contra el cáncer de próxima generación.

Se ha informado de mayores avances gracias a una colaboración entre SAMEER y KEK, la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía de Japón. Conjuntamente, los dos socios han completado estudios de diseño conceptual para una máquina de terapia multiional basada en un novedoso concepto de acelerador digital. El sistema es básicamente un sincrotrón de inducción de ciclo rápido con una capacidad especializada de manejo de haces. (Para contextualizar, los dispositivos de aceleración de un sincrotrón convencional, como las cavidades de RF, se reemplazan con dispositivos de inducción en un sincrotrón de inducción). Es posible, por ejemplo, inyectar partículas a casi 200 kV CC directamente en el anillo principal y, como tal, el sincrotrón de inducción no necesita un inyector separado.

En una iniciativa relacionada, el Tata Memorial Center Mumbai y el Raja Ramanna Center for Advanced Technology (RRCAT), Indore, han ideado un diseño preliminar para un inyector de 2 MeV y un sincrotrón de protones de 70-250 MeV que también puede ser adecuado para administración de haces de energía variable y otras terapias con haces de iones.