JP2002541464A - イオン光学システムを有するガントリ - Google Patents
イオン光学システムを有するガントリInfo
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- A61N2005/1085—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy characterised by the type of particles applied to the patient
- A61N2005/1087—Ions; Protons
Abstract
Description
関する。
トリの回転軸から曲げるために、米国特許第4,870,287号から公知であるような
曲げ角度90°を有する第1曲げ電磁石を包含する。さらに、第1曲げ電磁石の
曲げ角度と同じ曲げ角度を有する第2曲げ電磁石は、該イオンビームを該ガント
リの該軸と平行に曲げる。最後に、上記した先行技術によると90°の曲げ角度
を有する第3曲げ電磁石は、該イオンビームを該ガントリの該回転軸と該イオン
ビームの交わりに向けて曲げる。この交わりはイソセンタと呼ばれる。
特許第4,870,287号から、さらに公知である。第2および第3曲げ電磁石の間に
も、2つの他の四極子電磁石を配置する。しかし、このようなガントリの欠点は
、もしも非対称イオンビームが固定伝達ラインからガントリ入射口へ導入された
なら、たった4つの四極子を有するこのようなガントリ内でのビーム輸送は、ガ
ントリ回転の角度に依存することになり、非対称ビームは垂直および水平平面で
異なったエミッタンスを有するビームとしての意味を有する。
と取り出されたビームは、水平および垂直平面で上記した異なったエミッタンス
を有することを示していた。これは回転ガントリへの固定伝達ラインの整合性を
複雑にしている。ガントリの水平および垂直平面の入射口ビームパラメーターは
、ガントリ回転角度の関数となり、もしも特別な注意が払われないなら、この従
属性はガントリ射出口のビームパラメーターへと変換される。
の他の四極子電磁石を含む「回転子」と呼ばれる、特別な整合部分が、M. Bened
iktとC. Carli,「医療用シンクロトロンのためのガントリへの整合性」Particle
Accelerator Conference PAC '97, Vancouver 1997にて提案された。この回転
子は固定伝達ライン内のガントリの上流に配置される。
も、固定伝達ラインへ回転ガントリを整合させることができる一般的な方法をも
たらす。他方、これは伝達ラインの余分な長さ約10mを占め、これは病院へ取
り付ける極めてコンパクな医療用加速器複合体の形態にとしては不利である。さ
らに、回転子全体はガントリとともに同期的に回転されなければならない。これ
は、極めて正確な機械的回転のために余分な装置を必要とする。
回避することにあり、非対称的イオンビームの輸送と独立したガントリ回転を可
能とする。すなわち、イオン光学設定は、たとえビームが水平および垂直平面で
異なったエミッタンスでもってガントリへ入ったとしても、ガントリ射出口でビ
ームパラメーターをガントリ回転角度から独立させるべきである。
は、請求項1に従属する従属請求項に記載される。
3曲げ電磁石の上流に配置する水平走査電磁石; ビーム方向に垂直である平面で該イオンビームの垂直走査を行うための、該第
3曲げ電磁石の上流に配置する垂直走査電磁石; 該第1曲げ電磁石の下流であって、かつ、該走査電磁石の上流に位置する調整
可能な励磁を有する少なくとも6つの四極子電磁石を含み、 四極子電磁石は、 ガントリ入口からイソセンタへの完全にアクロマチックであるビーム輸送; 既定のビームサイズパターンに従うイソセンタでの該イオンビームのサイズ制
御;および ガントリ回転角度から独立した、イソセンタでの該イオンビームのサイズおよ
びイソセンタでの該イオンビームのスポット形をもたらし、 ガントリは加速器とガントリを結合する固定ビーム伝達ラインにおいて、0°
〜360°のいかなる角度でも回転でき、かつ、該固定ビーム伝達ラインから出
て、該ガントリへ入る該イオンビームは、該固定ビーム伝達ラインの水平および
垂直平面で異なったエミッタンスを有する。
および生物学的性質を有することは周知である。最も適したビーム伝送技術は、
特にプロトンより重いイオンでは、加速器からのエネルギー変動および請求項1
の特徴部分に記載される横方向強度制御ラスタ走査を含む、いわゆる活性ビーム
走査である。消極的なビーム伝送とは逆に、活性走査システムは患者へ可変的ス
ポットサイズを有する細い鉛筆様ビームを伝送し、治療領域上でそれを走査する
ことを目的とする。
ントリのイオン光学システムにおけるこの場合には、大きな重要性を有する。標
的に対する線量の適合性は、もしもビームがいかなる方向からも患者へ挿入でき
るなら、さらに最適化され得る。このことは室内座標系において、水平軸のまわ
りに回転する該ガントリによって達成される。鉛筆ビーム走査を回転ガントリと
組み合わせると、特殊な別のイオン光学問題を引き起こす。
で、それぞれ、シグマ・マトリックスσ(0)、σ(1)およびσ(2)で表示
される。シグマ・マトリックスは、一般には、下記形式を有する。 σ(i)11 σ(i)12 σ(i)13 σ(i)14 σ(i)=σ(i)21 σ(i)22 σ(i)23 σ(i)24 (1) σ(i)31 σ(i)32 σ(i)33 σ(i)34 σ(i)41 σ(i)42 σ(i)43 σ(i)44 ここで、i=0,1,2であり、個々のマトリックス項は、通常の意味を有す
る。シグマ・マトリックスは、現実の正定符号であって、かつ、対称的マトリッ
クスである。シグマ・マトリックスの対角項の平方根は、x,x',yおよびy'
座標におけるビームサイズの測定値である。ここで、[x,x',y,y']は、シ
グマ・マトリックスによって特徴つけられた四次元楕円面の内側の体積をビーム
が占める四次元位相空間である。オフ・対角項は、位相空間内の楕円の方向性を
決定する。伝達ラインの出口で、いわゆる未結合ビームが予想され、すなわち、
2つの横方向位相空間、[x,x']および[y,y']の間に相関関係は存在しない
。このような場合、水平および垂直相を結合するシグマ・マトリックスの要素は
ゼロになる。これらの性質を考慮すれば、伝達ラインの射出口でのビームのシグ
マ・マトリックスは単純な形式で記載され得る: σ(0)11 σ(0)12 0 0 σ(0)= σ(0)21 σ(i)22 0 0 (2) 0 0 σ(0)33 σ(0)34 0 0 σ(0)43 σ(0)44
ントリ入口でのビームのシグマ・マトリックス、σ(1)は、下記変換式によっ
て示されるであろう: σ(1)= Mα・σ(0)・Mα T (3) ここで、MαTは角度αによって座標系の回転を記述し、下記式を有するMα
に対する転置マトリックスである。 cosα 0 sinα 0 Mα= 0 cosα 0 sinα (4) −sinα 0 cosα 0 0 −sinα 0 cosα
れえる。 r11 r12 0 0 MGAN= r21 r22 0 0 (5) 0 0 r33 r34 0 0 r43 r44
らない。ガントリ光学自体における水平および垂直平面間に結合が存在しないこ
とは、等式(5)において既に仮定されている。適当な項はゼロにセットされて
いる。さらに、ガントリのビーム輸送系は、ガントリイソセンタでアクロマティ
ックであると仮定されている。(DISO=0、D'ISO=0(7,8)、ここで、
DISOはガントリイソセンタでの分散関数である。)これは分散関数に関する項
がなくても、伝達マトリックスMGANを4×4形として書くことができる。ガン
トリイソセンタでのビームのシグマ・マトリックス、σ(2)は、下記関係式で
示される: σ(2)= MGAN・σ(1)・MGAN T (9) ガントリ中のアクロマティックなビーム輸送もまた、ガントリ回転角度とは独
立していなければならない。これは、もしも分散関数およびその誘導体がガント
リ入口でゼロにセットされるなら、達成され得る。これは伝達ライン上のイオン
光学拘束力へ翻訳され、その出口でイオン分散フリー領域を形成する。
していなくてもよい。腫瘍照射線として、これは両縦方向平面におけるビームサ
イズおよびビームスポット形において、角度の独立を達成するに充分である。丸
いビームスポットが必要である。シグマ・マトリックス数理学的形式言語では、
これらの要件は、下記のように記載され得る。 σ(2)11 =σ(2)33≠f(α)AND σ(2)13=0≠f(α)(10) さらに、ビームサイズは直径4〜10mmに調整可能でなければならない。
でのビームパラメーターの従属性を調査することを進めることができる。伝達ラ
インの出口からガントリイソセンタへの全体の変換を表現するために、等式(3
)および(9)を組み合わせると便宜的である。 σ(2)=MGAN・σ(1)・MT GAN=MGAN・Mα・σ(0)・MT α・MT GNA
= MOVER・σ(0)・MT OVER (11) ここで、MOVERは下記関連式によって示される伝達ラインの出口からガントリ
イソセンタへの全体的伝達マトリックスである。 MOVER = MGAN・Mα (12)
参照)、これらの項は変換式(11)によりガントリイソセンタσ(2)のビー
ムのシグマ・マトリックス(11)へも「進入」する。1つはマトリックス増倍
式(11)から得られる。 σ(2)11=r2 11・[ σ(0)11cos2α+σ(0)33sin2α]+2r11r 12 σ(0)12cos2α+r2 12・[σ(0)22cos2α+σ(0)44sin2α]
+ 2r11r12σ(0)34sin2α (13) 等式(13)のαを含む項を取り除くことが実現可能であること、およびその
ようにする数種の方法が存在することを見出すことは興味深い。その場合、等式
(13)は、 もしも、r11=0 AND σ(0)22=σ(0)44であるなら、 σ(2)11= r2 12・σ(0)22 ≠ f(α) (14) または もしも、r12=0 AND σ(0)11=σ(0)33であるなら、 σ(2)11=r2 11・σ(0)11 ≠ f(α) (15) となる。
1)+r11r34(σ(0)34−σ(0)12)+r12r34(σ(0) 44 −σ(0)22)+r12r33(σ(0)34−σ(0)12)] (17) であろう。
足する。 {r11=0 AND r33=0 AND σ(0)22=σ(0)44} OR {r12=0 AND r34=0 AND σ(0)11=σ(0)33}
り詳細にここに記載される。
。 図3はガントリ回転角度の関数としてのガントリのビーム包絡線の図である。 図4は走査電磁石の作用の説明図である。
はイソセンタの正常導電性ガントリ上に適用される。その配置は図1に示され、
ここで、参照番号20〜27は四極子電磁石を示し、1および2は第1および第
2曲げ電磁石として42°の曲げ電磁石をそれぞれ示し、3は第3曲げ電磁石と
して90°曲げ電磁石を示し、4はイオンビームを示し、7はガントリ5の回転
軸を示し、10はイソセンタを示し、30はガントリ入口を示し、6はイソセン
タ10でのイオンビーム4と軸7との交わりを示す。11は水平スキャナを示し
、12は垂直スキャナを示し、13は入射口極面15の30°回転を示し、かつ
、14は射出口極面16の21°回転を示す。
mradおよびεy=1πmm.mradであり、運動量幅はΔp/p=0.2
%である。シミュレーションは、これが要求されるイオン光学拘束力に適合し、
かつ、σ(0)22=σ(0)44(表1の左欄)の条件を満足する小さな発散
量を有する入射口ビームにおける満足すべきビーム集束を達成することを示す。
図2aおよび2bは、ガントリ回転角度が90°異なる2つの有意なガントリ配
置におけるガントリ5のビーム包絡線40および41を示す。
送する場合の状況である。図2b)はガントリがその垂直平面で最小エミッタン
スを有するビームを輸送する場合の状況である。参照番号20〜27は四極子を
示し、1および2は42°曲げ電磁石を示し、3は90°曲げ電磁石を示し、上
部プロット40はガントリ5の水平平面を示し、下部プロット41はガントリの
垂直平面を示し、かつ、点線42が分散関数を示す。
輸送し、他の位置では、ガントリ5の水平平面は最小エミッタンスを有するビー
ム4を輸送する。
がガントリ回転角度10°増加する毎に、これら2つのガントリ位置間に存在す
ることを1つのプロットにて示す。これらのプロットは、4mmのアウトプット
ビーム(図3a)および10mmのアウトプットビーム(図3b)において示さ
れ、εx/εy=5である。図3に対応するガントリのイオン光学設定は、表2
に列挙される。参照記号は図2aおよび図2bで示されるものと同じである。プ
ロットの解像能を増加させるために、第3曲げ電磁石3の開口は釣合いを外れて
いる(out of scale)。
光学によって専ら行う。これは、伝達ラインがガントリイソセンタ10で要求さ
れるビームサイズにかかわらず、同じアウトプットラパメーターを有するビーム
を常にその射出口で形成することを意味する。ガントリ四極子22〜27の異な
った設定は、イソセンタ10でビームサイズを制御するために利用される。図3
に示される2つの極端な実施例のほかに、全ビーム直径4〜10mmにおいて1
mm毎にシミュレーションが行われた。
2は、第3曲げ電磁石3の上流であって、最後の四極子レンズ27の下流に配置
される。この位置はイオン光学の観点から最適であると判断された。第3ガント
リ電磁石3の入射口および射出口の極面15および16のエッジ集束は、平行走
査モードをほぼ達成するために使用される。理想的な平行走査からの偏角は、1
0cmの最大ビームずれで0.2°である。走査フィールドは20×20cm2 である。入射口および射出口の極面回転角度13、14(図1に示される)は、
それぞれ30°および21°である。図4の上部は、水平平面111および第3
曲げ電磁石3の曲げ範囲に示される水平走査11によって生じるビーム偏向50
を示す。図4の下部は水平平面112および第3曲げ電磁石3の曲げ範囲に示さ
れる垂直走査12によって生じるビーム偏向60を示す。
できるガントリのみを使用できる。このようなガントリは、適当な数の可変要素
、本発明に従えば、調節可能な励磁を有する少なくとも6つの四極子電磁石を有
していなければならない。本発明は、6つのイオン光学拘束力:アクロマティッ
ク輸送のために2つ、回転独立性を得るために2つおよびビームサイズ制御のた
めに2つを全て一緒に使用する。これは、本発明に従えば、四極子の最小数は6
であることを意味する。表2から明らかなように、好ましい実施態様は最小数に
比べて、ある冗長性をもたらす8つの四極子を含む。しかしながら、この冗長性
は変数が任意の数に設定され得ない、あるシステムの現実的デザインにおいては
利点を有する。四極子極先端の磁性線束密度は物理的に限定され(その限界は好
ましい実施態様では0.8Tに設定される)、もちろん、ガントリ内側のビーム
包絡線は、ビーム輸送要素の開口ができるだけ小さくなるような方法で制御され
るべきである。さらに、この冗長性はビーム輸送システムの誤った感度を最小限
にするために使用され得る。
でビームパラメーターからガントリ回転角度含有項を除去することは、2つの横
方向平面におけるいかなるエミッタンスの差異においても有効であることに注目
すべきである。実際に、これは全くεx/ey比に全く依存しない。その計算は
εx/ey=5およびεx/ey=10において実施された。これは先行技術か
ら公知である測定値よりもより大きい。しかしながら、極端に大きなエミッタン
ス比では、イソセンタで等しいビームスポットサイズを得るか、合理的な開口内
のガントリ内側にビーム包絡線を保つか、あるいは結合点で適当なビームを形成
する問題に誰しも遭遇する。これらの問題は、εx/ey>15において生じる
。
た2つ以上のイオン光学拘束力、いわゆるr11=r33=0またはr12=r 34 =0を追加されなければならないことは、本発明の興味深い事実である。ア
クロマティックなビーム輸送およびビームサイズ制御のための他の拘束力は、と
にかく充足されなければならない。
石の傾斜中にある飽和関連動的効果を避けるためには、1.8Tへ磁場を低下さ
せることが実現可能である。しかしながら、この変化は本発明の回転独立ビーム
輸送の概念に何等影響を与えない。
ードに取りつけることは、確かに可能性がある。しかしながら、このようなモー
ドはビームサイズの関数、さらにガントリ回転角度の関数として、全ての設定を
保存する大きなデータセットを必要とする。ビームエネルギーと粒子種の関数と
して、異なった設定を有する必要性も存在する。したがって、ガントリ回転角度
への依存性を除去することは、大きな利点である。これは100のファクター(
90°−ガントリ回転の1つの四極子、1°−ガントリ位置の角度解像)により
データ量をおおよそ低下させる。
的関係と要約は、表1に示される。イオン光学拘束力の2つの可能性あるセット
は、表1の2つのカラムに示される。論理的「OR」はこれらの2つのカラムの間
で使用され、一方、論理的「AND」は所与のカラム内の拘束力間を結合する。
れる。下記略号が使用される。Leff=四極子の効果長、Ap=四極子極開口の
半径、B=四極子極先端の磁性流速密度(「−」は垂直フォーカス)、BBEN D =双極子電磁石の磁性流速密度、IR=入射口極面回転角度、ER=射出口極
面回転角度、d=ドリフト長。全ての曲げ電磁石は場勾配がないように設計され
ている。すわなわち、N=0である。
である。
である。
ある。
ある。
Claims (3)
- 【請求項1】 イオンビーム(4)をガントリの回転軸(7)から曲げるため
の、40°〜45°の範囲の曲げ角度を有する第1曲げ電磁石(1); 該イオンビーム(4)を該ガントリ(5)の回転軸(7)と平行に曲げるため
の、第1曲げ電磁石(1)の曲げ角度と同じ曲げ角度を有する第2曲げ電磁石(
2); ガントリ(5)の回転軸(7)と該イオンビーム(4)の交わり(6)に向け
て該イオンビーム(4)を曲げるための、45°〜90°の範囲の曲げ角度を有
する第3曲げ電磁石を含み、交わり(6)はイソセンタ(10)と呼ばれるイオ
ン光学システムを有するガントリであって、 該ガントリは、さらに、 ビーム方向に垂直な平面で該イオンビーム(4)の水平走査を行うための、該
第3曲げ電磁石(3)の上流に位置する水平走査電磁石(11); ビーム方向に垂直な平面で該イオンビーム(4)の垂直走査を行うための、該
第3曲げ電磁石(3)の上流に位置する垂直走査電磁石(12); 該第1曲げ電磁石(1)の下流であって、かつ、該走査電磁石(11、12)
の上流に位置する調整可能な励磁を有する、少なくとも6つの四極子電磁石(2
2〜27)を含み、 四極子電磁石は、 ガントリ入口(30)からイソセンタ(10)への完全にアクロマティックで
あるビーム輸送; 既定ビームサイズパターンに従うイソセンタ(10)での該イオンビーム(4
)のサイズ制御;および ガントリ(5)の回転角度から独立した、イソセンタ(10)での該イオンビ
ーム(4)のサイズおよびイソセンタ(10)での該イオンビーム(4)のスポ
ット形をもたらし、ガントリ(5)は加速器をガントリ(5)と結合する固定ビ
ーム伝達ラインにおいて、0°〜360°のいかなる角度でも回転でき、かつ、
該固定ビーム伝達ラインから出て、該ガントリ(5)へ入る該イオンビーム(4
)は、該固定ビーム伝達ラインの水平および垂直平面で異なったエミッタンスを
有することを特徴とするガントリ。 - 【請求項2】 前記イオンビーム(4)輸送の磁気剛性率は、調整可能な励
磁において、少なくとも1.1〜6.6Tmの範囲であることを特徴とする、請
求項1記載のガントリ。 - 【請求項3】 少なくとも2つの別な四極子(20、21)が、ビーム輸送
システムの誤った感度を最小限とするために、第1曲げ電磁石(1)の上流に配
置されることを特徴とする、請求項1または請求項2記載のガントリ。
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