JP2011501391A - 粒子加速器におけるビーム電流の高速変調のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、円形の粒子加速器から出射される粒子線の電流が変調可能な円形の粒子加速器であって、前記粒子線を生成するためのイオン源（１０）と、前記粒子線を加速するために間隙（２２）をもって互いに離間するディー電極（２０）及び反ディー電極（２１）であって前記反ディー電極（２１）が接地されたディー電極（２０）及び反ディー電極（２１）と、前記間隙（２２）の間に電界を有するように、前記ディー電極（２０）に交流高電圧を印加することができる発生器（３０）と、前記円形の粒子加速器から出射される前記粒子線の電流強度を測定するための手段（３１）と、を備え、前記粒子線の電流強度の所定のセットポイント（Ｉ０）と前記粒子線の電流強度（Ｉ'Ｍ）の測定値を比較することによって前記ディー電極の電圧振幅（ＶＤ）が変調可能な調節器（４０）を更に備えることを特徴とする、円形の粒子加速器に関する。

Description

本発明は、放射線療法において用いられる粒子加速器の分野に関する。特に、本発明は、サイクロトロンのような円形の粒子加速器のビームの電流強度の調節に関する。

サイクロトロンは再循環型粒子加速器（ｒｅ−ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）である。サイクロトロンは高い真空の下で作動し、サイクロトロンの中では、イオン源によって発生する荷電粒子が円運動しながら加速される。これは、一方においては、磁場を用いてイオン源から出てきた粒子をその磁場に対して垂直な平面における円形経路に追従させることによって達成され、他方においては、通過する粒子のエネルギーを増加させるいわゆるディー電極（Ｄｅｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）に高周波の交流電圧を印加することによって達成される。

一般的に、内蔵型イオン源（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）は、円筒状のアークチャンバ（ａｒｃ ｃｈａｍｂｅｒ）又はイオン源の本体を備える。円筒状アークチャンバ又はイオン源の本体は、接地されていると共に、一端において加熱されるフィラメントを有し、且つ他端においてフローティング状態の対陰極（ａｎｔｉ−ｃａｔｈｏｄｅ）を有する。フィラメント又は陰極は、接地点に対して負にバイアスされる。陰極は放電を生成するように電子を生成し、対陰極はアークチャンバ軸に沿って繰り返してその電子を反射することができる。電子は、一方の陰極から他方の陰極まで非常に長い電子移動をもたらすと共に非常に狭い螺旋形の経路（ｈｅｌｉｃａｌ ｐａｔｈ）となっている磁力線（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｌｉｎｅ）を追従する。ガス（一般的に、水素ガス又は別のガスであり、粒子線のために要求される粒子による）は、イオン源の内部へ導入される。電子は、移動の間にガス中において、エネルギーの一部を失い、結果的にプラズマ柱（ｐｌａｓｍａ ｃｏｌｕｍｎ）を形成する電離場（ｉｏｎｉｓａｔｉｏｎ）を生成する。

幾つかのサイクロトロンのモデルは内蔵型イオン源を備えて設計される一方で、他のサイクロトロンのモデルは外付型イオン源（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）を備えて設計される。

内蔵型イオン源を備えるサイクロトロンにおいて、イオン源は、サイクロトロンのいわゆる中央領域に位置する。イオン源によって発生するイオンは、スリットを介してイオン源の本体から直接的に抽出され、イオン源の本体とプラー（ｐｕｌｌｅｒ）と呼ばれる電極との間に印加される電圧差によってスリットから引き抜かれる。電極は、電源によって交流電圧でバイアスされる。イオン源からの抽出の後、イオンは一般的にディー電極と呼ばれる電極を通って移動する。また、サイクロトロンは、粒子を円形経路に導くと共に円形経路に閉じ込めるための磁場（粒子の方向に対して垂直な）を生成する電磁石と、交流電圧をディー電極に印加して、それに伴ってディー電極間の間隙において生成する電界の極性を急速に切り替えることができる高周波電源とを備える。電界がディー電極内部には存在しないので、ディー電極を通って移動する粒子は電界によって影響を受けない。従って、粒子がディー電極の内部に存在する間にディー電極に印加された電圧の極性が逆転すると、粒子は間隙を通過するたびに、エネルギーを得ることによって螺旋経路に沿って次第に加速される。螺旋通路の端部では、静電偏向器（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）等の抽出部材が存在する。静電偏向器は、サイクロトロンから粒子を粒子線の形で抽出することを実現する。

外付型イオン源を有するサイクロトロンにおいて、イオン源によって発生するイオンは、まずサイクロトロン内の外付型イオン源から搬送された後、内蔵型イオン源を有するサイクロトロンの場合と同様に加速されるために屈折する。内蔵型イオン源を有するサイクロトロンに対する外付型イオン源を有するサイクロトロンの利点は、真空状態を常に保持しつつ、メンテナンス作業のためにイオン源に容易に接近できることにある。

近年、粒子療法、例えば二重散乱（ｄｏｕｂｌｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）又はペンシルビームスキャン（ｐｅｎｃｉｌ ｂｅａｍ ｓｃａｎｎｉｎｇ）に用いられるいくつかのビーム伝送（ｂｅａｍ ｄｅｌｉｖｅｒｙ）技術においては、サイクロトロンによって生成された粒子線の電流強度を高速に且つできるだけ正確に変調することが要求される。

現在において、そのような変調は、イオン源のアーク電流を変化させることによって達成される。これは、陰極電圧を変えることによって、又は、陰極フィラメントに印加される加熱電流（ｈｅａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）を変えることによって達成され得る。

イオン源から抽出される粒子線の電流強度を変調するための周知技術において、提起される主要な欠点のうちの１つは、アーク電流がゼロに減少するときに、ゼロでないビームの電流強度（暗電流（ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ））が未だ生成されることがあり、サイクロトロンによって加速されることである。ガスがイオン源の本体に導入されていないときにも、サイクロトロン内に収容されている残留ガスが、イオン源の本体からプラーへ放電される電子によってイオン化されることがあり、暗電流を生成する。更に、ガスがイオン源の本体に導入され、且つ陰極フィラメントがまだ熱いときには、付加的なイオン化及び暗電流が生じることがある。

しかし、その微小加速ビーム電流の強度は、良好な治療と明らかに両立しない。これは、全体の照射場（ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）がそのビームによって常に完全に走査されるからである。結果として、残余の加速されたビームは、治療をうけている患者の健康な組織（ｔｉｓｓｕｅｓ）を害することがある。

このようなビーム変調が実行可能なシステムの一例は、本出願人による特許文献１に記載されている。このシステムでは、イオン源のアーク電流を変化させることによって、サイクロトロンから抽出される粒子線の電流強度の変調が可能である。このシステムは、
・加速器の出口で測定されるビーム電流強度に対応するデジタル信号Ｉ_Ｒとビーム電流強度のセットポイント値Ｉｃとの間の差εを計算する比較器（９０）と、
・差εに基づいてビームの電流強度の修正値Ｉ_Ｐを計算するスミス予測器（８０）と、
・修正値Ｉ_Ｐに基づいて、セットポイント値Ｉ_Ａをイオン源（２０）のアーク電流の供給源に提供するインバーテッド対照テーブル（４０）と、を主に備える。
しかし、このシステムでは、以下のような幾つかの不利点が現れる。すなわち、イオン源から抽出される粒子線の電流強度の変調が、粒子線の電流とアーク電流との関係に依存する。この関係は、非常に非線形性が強く、多くのパラメータに依存する。その結果、インバーテッド対照テーブル（４０）が、正確でないＩ_Ａの値を提供することがある。更に、このシステムは、上述した暗電流という欠点を解決し得ない。

従って、上述の欠点を解決し得るビーム電流の高速変調を実行するための実際的な解決案は、未だ提案されていない。

米国特許第６８７３１２３号明細書

本発明は、従来技術の課題を解決する装置及び方法を提供することを目的とする。

特に、本発明は、粒子加速器から出射される粒子線の電流が変調可能な装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明の第１態様によれば、粒子線の電流が変調可能な粒子線を生成するための円形の粒子加速器であって、
・前記粒子線を生成するためのイオン源と、
・前記粒子線を加速するために間隔をもって互いに離間するディー電極及び反ディー電極（ｃｏｕｎｔｅｒ-Ｄｅｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）であって前記反ディー電極が接地されたディー電極及び反ディー電極と、
・前記間隔の間に電界が存在し得るように、前記ディー電極に交流の高電圧が印加可能な発生器（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）と、
・前記円形の粒子加速器から出射される前記粒子線の電流強度を測定するための手段と、を備え、
前記粒子線の電流強度の所定のセットポイントと前記粒子線の電流強度の測定値とを比較することによって前記ディー電極の電圧振幅（Ｖ_Ｄ）が変調可能な調節器（ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）を更に備えることを特徴とする、円形の粒子加速器が提供される。

好ましくは、前記円形の粒子加速器が、ディー電極の電圧振幅の閾値に対応する所定の値以下の軌道半径を有するイオン源から出射される不必要な粒子を除去（ｓｈａｖｉｎｇ）するためのコリメータを更に備える。

有利には、前記コリメータが、前記粒子加速器の中央領域に位置する。

より好ましくは、前記円形の粒子加速器が、ディー電極の電圧振幅の変調の間、既定の値までイオン源のアーク電流を安定させるように調整される。

より有利には、前記調節器が、ＰＩＤ調節器である。

好適な一実施形態によれば、前記円形の粒子加速器が、内蔵型イオン源を備えているサイクロトロンである。

好適な第２実施形態によれば、前記円形の粒子加速器が、外付型イオン源を備えているサイクロトロンである。

本発明の第２態様によれば、
・粒子線を生成するためのイオン源と、
・前記粒子線を加速するために間隙をもって互いに離間するディー電極及び反ディー電極であって前記反ディー電極が接地されたディー電極及び反ディー電極と、
・前記間隙の間に電界が存在し得るように、前記ディー電極に交流の高電圧が印加可能な発生器と、
・前記円形の粒子加速器から出射される前記粒子線の電流強度を測定するための手段と、
を備える円形の粒子加速器から出射される粒子線の電流を変調する方法であって、
・前記粒子線の電流強度の所定のセットポイントと前記サイクロトロンから出射される前記粒子線の電流強度の測定値との比較に基づいて前記ディー電極の電圧振幅が変調可能な調節器を設ける段階を備える方法が提供される。

好ましくは、この第２態様によれば、ディー電極の電圧振幅が閾値以下にあるときに、提供される方法が、全ての必要な粒子を除去するためコリメータを設ける段階を更に備える。

より好ましくは、前記コリメータは、前記円形の粒子加速器の中央領域に位置する。

本発明に係る粒子加速器の中央領域の簡略図である。 図１の粒子加速器によって発生する粒子線の電流強度の除去を示す簡略図である。 図１の粒子加速器の制御システムの概略ブロック図を示す。 本発明に係る粒子加速器において実行される測定の幾つかの結果を示す図である。

以下において、添付の図面と関連して本発明を詳細に説明する。しかし、当業者が、本発明を実施する際に、いくつかの同等な実施例又は他の方法を考え得ることは、明白である。従って、本発明の要旨及び範囲は、特許請求の範囲の記載によってのみ限定される。

図１は、本発明の好ましい実施形態に係る粒子加速器の中央領域の簡略図を示す。この好ましい実施形態に係る粒子加速器は、サイクロトロンである。このサイクロトロンの中央領域は、
・荷電粒子を生成するためのイオン源１０であって、印加されるイオン源のアーク電流の値が既定の値に固定されており、且つ接地されているイオン源の本体を備えるイオン源１０と、
・ディー電極に物理的に接続しているプラーと呼ばれる電極２３と、
・高周波電力発生器３０に連結されているディー電極２０であって、高周波電力発生器３０がディー電極２０に交流の高電圧を印加することができると共に、印加される高電圧の振幅のためにセットポイント値を受信するための制御入力（ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｐｕｔ）を備えるディー電極２０と、
・接地されていると共に、ディー電極と共に間隙２２を通過している粒子を加速する反ディー電極２１と、
・ディー電極の電圧振幅のためにセットポイント値を制御すると共にセットポイント値を提供する調節器４０と、
・コリメータ５０と、を備える。

イオン源１０は一般的に、粒子加速器の中心に位置し、イオン源の本体とプラー２３との間に生成される電界によってイオン源から引き抜かれる低エネルギーのイオンを生成する。イオンは、ディー電極２０と反ディー２１との間の第１間隙２２を横切るとき、電界によってディー電極２０に加速される。粒子によって追従される曲率半径がこの粒子によって得られるエネルギー量に依存するので、交流のディー電圧に関して位相差を有する粒子は、異なるエネルギー量を得て、また、その結果、異なる軌道半径を有する。コリメータ５０は、サイクロトロンの中央領域内に位置し、イオン源から出射される不必要な粒子を除去する。調節器４０が発生器３０にディー電極の電圧振幅のセットポイント値を提供するので、ディー電極の電圧振幅の異なる値は電界の異なる値を決定し、その結果、粒子によって得られたエネルギーの異なる量は、異なる軌道半径をもたらす。コリメータ５０は、特定の閾値以下にあるディー電極の電圧振幅の値に対応する臨界半径（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｒａｄｉｕｓ）ｒ_Ｏ以下の半径を有するすべての軌道を除去する。図１を参照すると、軌道Ｏｒ１及びＯｒ２（ｒ_Ｏより大きい軌道半径を有する）を有する粒子はコリメータ５０によって止められない。一方、軌道Ｏｒ３（ｒ_Ｏ未満の軌道半径を有する）を有する粒子はコリメータ５０によって止められる。

図１ａは、コリメータ５４の付近でサイクロトロンの中央軸線から測定されたビーム電流強度Ｉを半径ｒの関数として示している。コリメータ５０は、軌道半径ｒに応じて粒子線のガウスプロファイルの黒い領域を切り離す。従って、ｒ_Ｏ以下の軌道半径を有するすべての粒子はコリメータ５０によって止められ、ｒ_Ｏより大きい軌道半径を有するすべての粒子は止められない。

図２は、本発明に係る粒子加速器の制御システムの概略ブロック図を示す。調節器４０は、本発明の好ましい本実施形態によれば、以下の通りにフィードバック制御ループを実行する従来のＰＩＤ調節器である。調節器４０は、粒子線の電流強度の所定のセットポイントＩｃを処理が予定しているシステムからの入力とし、高周波電力発生器３０のための対応するセットポイント値ＳＶ_Ｄを計算する。高周波電力発生器３０は、電圧振幅Ｖ_Ｄをディー電極に印加して、電流の強度Ｉ_Ｍを有する粒子線を伝送する。次に、ビーム強度Ｉ_Ｍが、電離箱（ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ）３１によって測定されて、信号Ｉ'_Ｍに変換される。信号Ｉ'_Ｍは最終的にセットポイントＩｃと比較され、電流の強度Ｉ_Ｍの正しい値を得るために調節器４０によって更に処理された（仮に存在する場合には）誤差信号を得る。

図３は、ディー電極の電圧振幅がＰＩＤ調節器によって連続的に変化されると共に制御される場合において、測定から得られる幾つかの結果を示す。このシミュレーションにおいて、ＰＩＤ調節器が、以下の非限定的な特徴を有するサイクロトロンの中央領域に用いられた。
Ｂ＝１３２５０ Ｈｚ
Ｆｃ＝６６２５ Ｈｚ
Ｑ＝８０００
Ｆ０＝１０６ Ｍｈｚ
ここで、Ｂは帯域幅であり、Ｆｃはカットオフ周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｕｔ−ｏｆｆ）であり、Ｑはクオリティファクター（ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）であり、Ｆ０はサイクロトロンの中央領域の共振周波数である。ディー電極の電圧振幅は、４０ｋＶ（最小電圧値）と５６ｋＶ（最大電圧値）との間で連続的に振動する三角波で変化された。当業者は、ディー電極の電圧振幅（下の点線曲線）が約４４ｋＶであるときに、ビーム電流（上の実線曲線）がカットオフ値に達し、その結果、暗電流は粒子加速器によって生成しないことが容易に理解できる。

本発明によれば、イオン源のアーク電流を変化させる代わりに、ディー電極に印加される電圧の振幅を変化させることによって、サイクロトロンから出射される粒子線の電流強度を変調することが可能である。

更に、イオン源から抽出されるすべての不必要な粒子は、サイクロトロンの中央領域に設けられたコリメート手段（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ ｍｅａｎｓ）によって、容易に止められ得る。

更に、本発明によれば、イオン源が安定的に、且つ最適な動作点（ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）において動作され得る。

Claims (10)

1. 粒子線の電流が変調可能な粒子線を生成するための円形の粒子加速器であって、
   ・前記粒子線を生成するためのイオン源（１０）と、
   ・前記粒子線を加速するために間隙（２２）をもって互いに離間するディー電極（２０）及び反ディー電極（２１）であって前記反ディー電極（２１）が接地されたディー電極（２０）及び反ディー電極（２１）と、
   ・前記間隙（２２）の間に電界が存在し得るように、前記ディー電極（２０）に交流の高電圧が印加可能な発生器（３０）と、
   ・前記円形の粒子加速器から出射される前記粒子線の電流強度（Ｉ_Ｍ）を測定するための手段（３１）と、
   を備え、
   前記粒子線の電流強度の所定のセットポイント（Ｉ_Ｃ）と前記粒子線の電流強度の測定値（Ｉ'_Ｍ）とを比較することによって前記ディー電極の電圧振幅（Ｖ_Ｄ）が変調可能な調節器（４０）を更に備えることを特徴とする、円形の粒子加速器。
2. 前記イオン源（１０）から出射される、所定の値（ｒ_Ｏ）以下の軌道半径を有する不必要な粒子を除去するコリメータ（５０）を更に備え、
   前記所定の値が前記ディー電極の電圧振幅（Ｖ_Ｄ）の閾値に対応することを特徴とする、請求項１に記載の円形の粒子加速器。
3. 前記コリメータ（５０）が、前記粒子加速器の中央領域に位置することを特徴とする、請求項２に記載の円形の粒子加速器。
4. 前記ディー電極の電圧振幅（Ｖ_Ｄ）の変調の間、既定の値まで前記イオン源のアーク電流を安定させるように調整されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の円形の粒子加速器。
5. 前記調節器（４０）がＰＩＤ調節器であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の円形の粒子加速器。
6. 前記円形の粒子加速器が内蔵型イオン源（１０）を備えるサイクロトロンであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の円形の粒子加速器。
7. 前記円形の粒子加速器が外付型イオン源（１０）を備えるサイクロトロンであることを特徴とする、請求項５に記載の円形の粒子加速器。
8. ・粒子線を生成するためのイオン源（１０）と、
   ・前記粒子線を加速するために間隙（２２）をもって互いに離間するディー電極（２０）及び反ディー電極（２１）であって前記反ディー電極（２１）が接地されたディー電極（２０）及び反ディー電極（２１）と、
   ・前記間隙（２２）の間に電界が存在し得るように、前記ディー電極（２０）に交流の高電圧が印加可能な発生器（３０）と、
   ・前記円形の粒子加速器から出射される前記粒子線の電流強度（Ｉ_Ｍ）を測定するための手段（３１）と、
   を備える円形の粒子加速器から出射される粒子線の電流を変調する方法であって、
   ・前記粒子線の電流強度の所定のセットポイント（Ｉ_Ｃ）と前記サイクロトロンから出射される前記粒子線の電流強度の測定値（Ｉ'_Ｍ）との比較に基づいて前記ディー電極の電圧振幅（Ｖ_Ｄ）が変調可能な調節器（４０）を設ける段階を備える方法。
9. 前記ディー電極の電圧振幅（Ｖ_Ｄ）が閾値以下にあるときに、すべての不必要な粒子を除去するためのコリメータ（５０）を設ける段階を更に備えることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記コリメータ（５０）が前記円形の粒子加速器の中央領域に位置することを特徴とする、請求項９に記載の方法。