JP2013150809A - 荷電粒子癌治療システムの一部としての荷電粒子ビーム加速方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】最初の陽子ビーム経路に沿って配送された陽子は、周回ビーム経路の中で予備加速器240によって予備加速されて、加速後は偏向器292を介してビーム搬送路268に抽出される。角が丸い多角形のシンクロトロン130は、4個の直線部910及び4個の曲げ部又は方向転換部920を備え、4個の方向転換部920の各々は、1つ以上の磁石を使用して陽子ビームを約90度偏向する。
【選択図】図9
Description
陽子線治療システムは、通常、ビーム発生器、加速器、及びビーム輸送システムを備え、その結果、加速された陽子を、患者の体の中の腫瘍に陽子が配送される治療室に移動する。
K. Hiramoto等に対して1989年9月26日に付与された特許文献1「Accelerator System(加速システム)」には、放射線同位体生成ユニット又はシンクロトロンのいずれかにおける予備加速器によって加速されたイオン・ビームを導入するための選択磁石を備えた加速システムが記載されている。
S. Peggs等に対して2008年10月7日に付与された特許文献4「Rapid Cycling Medical Synchrotron and Beam Delivery System (急速周回の医療用シンクロトロン及びビーム配送システム)」には、結合された作用磁石及び高周波(RF)空洞加速器を有するシンクロトロンが記載されている。結合された作用磁石は、最初に粒子ビームを軌道経路に沿って偏向するように作用し、次にその粒子ビームをフォーカスするように作用する。RF空洞加速器は、急速周回の粒子加速器に対して揺り動く高速周波数に適応した空洞である。
M. Tadokoro 等に対して2002年4月2日に付与された特許文献11「Electromagnetic and Magnetic Field Generating Apparatus(磁石及び磁場発生装置)」、M. Tadokoro 等に対して2001年5月22日に付与された特許文献12「Electromagnetic and Magnetic Field Generating Apparatus(磁石及び磁場発生装置)」の各々には、一対の磁極、戻りヨーク、及び励磁コイルが記載されている。一対の磁極の各々の内部に有する複数のエア・ギャップ空間によって、磁場強度を増加している。
K. Matsuda等に対して1996年7月23日に付与された特許文献13「Radioactive Beam Irradiation Method and Apparatus Taking Movement of the Irradiation Area Into Consideration(照射領域の移動を考慮した放射性のビーム照射方法及び装置)」には、呼吸及び心臓の鼓動などの身体的作用のために患部の位置が変化した場合であっても、照射が可能な方法及び装置が記載されている。最初に、患者の患部の位置変化及び身体的作用が同時に測定されて、それらの間の関係が関数として定義される。照射治療は、その関数に応じて実施される。
Y. Nagamine等に対して2007年5月1日に付与された特許文献14「Patient Positioning Device and Patient Positioning Method(患者位置決め装置及び患者位置決め方法)」及びY. Nagamine等に対して2007年5月1日に付与された特許文献15「Patient Positioning Device and Patient Positioning Method(患者位置決め装置及び患者位置決め方法)」には、基準のX線画像の比較領域と現在の患者位置を示す現在のX線画像とを、パターン・マッチングによって比較する患者位置決めシステムが記載されている。
A. Beloussov 等に対して2008年5月6日に付与された特許文献21「Configuration Management and Retrieval System for Proton Beam Therapy System(構造管理及び陽子ビーム治療システムのための検索システム)」、及びA. Beloussov 等に対して2006年8月1日に付与された特許文献22「Configuration Management and Retrieval System for Proton Beam Therapy System」、及びA. Beloussov 等に対して2004年11月23日に付与された特許文献23「Configuration Management and Retrieval System for Proton Beam Therapy System」のすべてには、公認のユーザによって容易に修正できる治療の構成的なパラメータを有するマルチ・プロセッサ・ソフトウェア制御による陽子ビーム・システムが記載され、そのシステムにおいては、様々な手術の形態に対応するソフトウェア制御のシステムを用意して、データベースの中に単一障害点がある場合でも、データ及び構造的なパラメータがアクセスできることを保証するようになっている。
・フォーカス形状を与える多数の方向転換磁石、
・4つの方向転換部を有するシンクロトロンにおける荷電粒子ビームの90度の偏向ごとに少なくとも4個、好ましくは6、8、10個、以上のエッジのフォーカス・エッジ、
・シンクロトロンにおける荷電粒子ビームの軌道ごとに少なくとも約16個、好ましくは24、32個、以上のエッジのフォーカス・エッジ、
・少なくとも4個、好ましくは8個のエッジのフォーカス・エッジを各方向転換部が有する4個だけの方向転換部、
・同数の直線部及び方向転換部、
・正確に4個の方向転換部、
・4極磁石を有しないシンクロトロンの周回経路、
・抽出された荷電粒子ビームのエネルギー及び強度の独立した制御、
・60メートル未満の円周、
・60メートル未満の円周及び32個のフォーカス・エッジ面、及び
・シンクロトロンの各周回経路においてフォーカス・エッジのエッジを有する4極磁石からなる約8、16、24、又は32個の4極磁石を持たない構造。
サイクロトロンは、一定の電場及び一定の周波数の印加された電場を使用する。磁場及び電場の1つはシンクロサイクロトロンの中で変化する。磁場及び電場の双方はシンクロトロンの中で変化する。このように、シンクロトロンは特定のタイプの周回粒子加速器であり、そこで磁場は粒子を偏向するのに使用されてその粒子が周回し、電場は粒子を加速するのに使用される。シンクロトロンは、印加された磁場及び電場を周回する粒子ビームに精密に同期させる。
この明細書を通じて、陽子ビーム、水素イオン・ビーム、又はカーボン・イオン・ビームなどの、荷電粒子線治療について説明する。この実施形態では、陽子ビームを用いる荷電粒子線治療について説明する。しかしながら、陽子ビームの観点から教示し説明する態様は、陽子ビームの態様に限定されるものではなく、荷電粒子ビーム・システムを説明するためのものである。任意の荷電粒子ビーム・システムも、この実施形態に記載された技術に等しく応用することができる。
この実施形態において、シンクロトロンという用語は、周回経路において荷電粒子ビームを維持するシステムを指すのに使用される。しかしながら、サイクロトロンは、そのエネルギー、強度、及び抽出制御の固有の限界にもかかわらず、シンクロトロンの代わりに使用される。さらに、この実施形態では、荷電粒子ビームは、シンクロトロンの中央点の周りに周回経路に沿って周回するビームと称される。あるいは周回経路は軌道経路と称されるが、軌道路は完全な円又は楕円を指すものではなく、それはむしろ中央点又は中央領域の周囲の陽子の循環を指すものである。
イオン・ビーム発生システムは、水素陰イオンすなわちH−ビームなどの陰イオン・ビームを発生し、好ましくは、その陰イオン・ビームをフォーカスし、その陰イオン・ビームを陽子又はH+ビームなどの陽イオン・ビームに変換し、その陽イオン・ビームをシンクロトロン130の中に照射する。イオン・ビーム経路の陽子は、好ましくは、軽度の真空のもとにある。以下、これらのシステムの各々について説明する。
ここで、陰イオン源310の一実施例についてさらに説明する。図4には、陰イオン源システム400の一実施例の断面図が示されている。陰イオン・ビーム319は、多数のステージの中で生成される。第1のステージの期間においては、水素ガスが室の中に入射される。第2のステージの期間においては、第1の高電圧パルスの印加によって、陰イオンを生成する水素ガスのまわりにプラズマを生成する。第3のステージの期間においては、磁場フィルタがプラズマの成分に対して適用される。第4のステージの期間においては、第2の高電圧パルスの印加によって、陰イオンが低圧プラズマ領域から磁場障壁の反対側に抽出される。以下、4つのステージの各々についてさらに説明する。室が円筒状の断面図として示されているが、その円筒状は一例にすぎず、以下に説明するように、いかなる形状であっても磁気ループの格納壁に当てはまる。
図5を参照して、イオン・ビーム・フォーカス・システム350についてさらに説明する。この実施例においては、3つの電極が使用される。この実施例において、第1の電極510及び第3の電極530は共に負に帯電され、各電極は陰イオン・ビーム経路319をひとまわりして囲むか又は少なくとも部分的に囲む環状電極である。第2の電極520は正に帯電され、同じく陰イオン・ビーム経路をひとまわりして囲む環状電極である。さらに、第2の電極は、陰イオン・ビーム経路319の中に延びる1つ以上の導電路372を有する。例えば、その導電路は、第2の電極の全体にわたって延びるワイヤ・メッシュ、導電格子、又は実質的に平行なラインの連続である。使用中は、電場線が、陰イオン・ビーム経路319の中で正に帯電された導電路から負に帯電された導電路まで延びる。例えば、使用中は、電場線540が、陰イオン・ビーム経路319における導電路372から負に帯電された電極510、530まで延びる。フォーカス力を説明するために、陰イオン・ビーム経路の2本の描線550、560を使用する。第1の描線550において、陰イオン・ビームは、第1の電場線とM点で交差する。陰イオン・ビーム550の中の負に帯電されたイオンは、電場線571まで延びるx軸成分のベクトル572で示される力と交差する。x軸成分のベクトル572は、第1の描線の軌道を内側にフォーカスされたベクトル552に変え、そのベクトル552は第2の電場線とN点で交差する。繰り返すと、陰イオン・ビーム552は、x軸成分のベクトル574によって内に向かう力ベクトルを有するものとして示されており、電場線573まで延びる力と交差し、その力は内側にフォーカスされたベクトル552をさらに内側にフォーカスされたベクトル554に変える。同様に、第2の描線560において、陰イオン・ビームは、第1の電場線とO点で交差する。陰イオン・ビームのうち負に帯電されたイオンは、x軸成分の力576によって内に向かう力ベクトルを有するものとして示されて電場線575まで延びる力と交差する。その内に向かう力ベクトルは、第2の描線560の軌道を内側にフォーカスされたベクトル562に変え、そのベクトル562は第2の電場線とP点で交差する。繰り返すと、陰イオン・ビームは、x軸成分のベクトル578によって内に向かう力を有するものとして示されて電場線577まで延びる力と交差し、その力は内側にフォーカスされたベクトル562をさらに内側にフォーカスされたベクトル564に変える。最終的な結果は、陰イオン・ビームに対するフォーカス効果である。力ベクトル572、574、576、及び578の各々は、陰イオン・ビーム経路の3次元フォーカスをもたらすx力ベクトル成分及び又はy力ベクトル成分を任意に有する。もちろん、その力ベクトルは基本的な説明のためのものであり、多数の電場線が交差され、フォーカス効果は統合されたフォーカスを生じる各交差で見られる。この実施例は、フォーカス効果を説明するために用いられる。
図7(A)を参照して、2連型加速器390についてさらに説明する。2連型加速器は、一組の電極710、711、712、713、714、715によってイオンを加速する。例えば、陰イオン・ビーム経路内のH−などの陰イオンは、抽出電極426すなわち陰イオン・ビーム源310の第3の電極426に比べて次第に高くなっている電圧を有する一組の電極によって加速される。具体的には、2連型加速器390は、抽出電極426の25kVから2連型加速器390における箔395の近傍で約525kVまで広がる範囲を持つ電極を任意に備えている。陰イオンH−は、箔を通過すると、式1に従って、陽子H+に応じて2個の電子を失う。
H−→H++2e− (1)
陽子は、さらに多数の電極713、714、715における適切な電圧によってさらに加速される。次に、陽子は、上述したように、シンクロトロン130の中に入射される。
シンクロトロン130は、直線部910及びイオン・ビームの方向転換部920を備えることが好ましい。したがって、陽子の周回経路は、シンクロトロンの中の円というよりも、むしろ角が丸い多角形である。
F=q(v×B) (2)
式2において、Fは力で単位はニュートン、Bは磁場で単位はテスラ、vは瞬間速度で単位はメートル/秒である。
TFE=NTS*(M/NTS)*(FE/M) (3)
ここで、TFEはフォーカス・エッジの数、NTSは方向転換部の数、Mは磁石の数、FEはフォーカス・エッジの数である。もちろん、すべての磁石が面取りされる必要はなく、いくつかの磁石は1つのエッジだけを任意に面取りをしてもよい。
・4つの方向転換部を有するシンクロトロンにおける荷電粒子ビームの90度の偏向ごとに少なくとも4個、好ましくは6、8、10個、以上のエッジのフォーカス・エッジ、
・シンクロトロンにおける荷電粒子ビームの軌道ごとに少なくとも約16個、好ましくは24、32個、以上のエッジのフォーカス・エッジ、
・少なくとも4個、好ましくは8個のエッジのフォーカス・エッジを各方向転換部が有する4個だけの方向転換部、
・同数の直線部及び方向転換部、
・正確に4個の方向転換部、
・方向転換部ごとに少なくとも4個のエッジのフォーカス・エッジ、
・4極磁石を有しないシンクロトロンの周回経路、
・丸い角の多角形の構造、
・60メートル未満の円周、
・60メートル未満の円周及び32個のフォーカス・エッジ面、及び
・シンクロトロンの各周回経路においてフォーカス・エッジのエッジを有する4極磁石からなる約8、16、24、又は32個の4極磁石を持たない構造。
一実施例においては、最初の断面距離1410は、約15cmであり、最後の断面距離1420は、約10cmである。その与えられた数値を用いると、磁場の集束は、ギャップ1110の入射面1270において約15/10又は1.5倍であるが、その関係はリニアではない。テーパー1460は、約20、40、又は60度の傾斜を持っている。例えば1.5倍の磁場の集束は、その分だけ磁石に必要な電力消費の減少を実現する。
図17は、フィードバック・ループ1700によって磁場制御を明確にして、配送時間及び又は陽子パルス配送の間隔を変更する一実施例である。ある1つ場合においては、呼吸センサ1710は、患者の呼吸の周期を感知する。呼吸センサは、通常、患者インターフェース・モジュール150を介して、及び又は、主制御部110若しくはその副制御部を介して、磁場制御部1720のアルゴリズムに情報を送信する。アルゴリズムは、患者が呼吸の周期において、呼吸の底などの特異なポイントになるときを予測及び又は測定する。磁場センサ1730は、磁場制御部への入力として使用され、シンクロトロン130の第1の方向転換磁石1010内などの所定の磁場に対する磁気電力供給1740を制御する。したがって、制御フィードバック・ループは、選択されたエネルギーレベルをシンクロトロンにダイヤルするのに使用され、また、呼吸が底の時などの選択された時点の時間内に、所望のエネルギーレベルで陽子を配信するのに使用される。特に、主制御部は、シンクロトロンの中に陽子を入射し、抽出と組み合わせた方法でその陽子を加速し、呼吸の周期における選択された時点で陽子を腫瘍に配送する。陽子ビームの強度もこの段階で主制御部によって選択可能になり、制御可能になる。補正コイルに対するフィードバック制御によって、患者の呼吸の周期に連動したシンクロトロンのエネルギーレベルの迅速な選択が可能になる。このシステムは、電流が一定の値に安定化され、且つ、固定した周期の10又は20サイクル/秒のように、1つの周期でシンクロトロンがパルスを配送するようなシステムとは、全く対照的である。
再び図16を参照すると、4つの方向転換磁石1010、1020、1030、1040を覆う巻線コイル1630の一実施例が示されている。任意ではあるが、第1の巻線コイルは2つの磁石1030、1040を覆い、第2の巻線コイルは別の2つの磁石1010、1020を覆う。上述したように、このシステムは、方向転換部の間の空間を小さくして、方向転換の角度ごとにさらに多くの磁場を供給する。第1の補正コイル1610は、第1の方向転換磁石1010に対する磁場を補正するのに使用されることを示している。第2の補正コイル1620は、4つの方向転換磁石のまわりの巻線コイル1630に対する磁場を補正するのに使用されることを示している。各方向転換磁石に対する個々の補正コイルは、各方向転換部において最も精密な及び又は最も正確な磁場を発生させるのに好適な個々の補正コイルである。特に、個々の補正コイル1610は、所定の方向転換部の個々の磁石の不具合を補償するのに使用される。したがって、磁場監視システムにおける一連の磁場センサによれば、独立したコイルが各方向変更部に対して使用されるので、対応する磁場は一連のフィードバック・ループにおいて個々に調整できる。あるいは、他の実施例においては、多数の磁石補正コイルは、複数の方向転換磁石に対する磁場を補正するのに使用される。
第1の方向転換磁石1010の観点からギャップ表面を説明する一方で、シンクロトロン内の方向転換磁石の各々について説明する。同様に、磁場入射表面670の観点からギャップ1110を説明する一方で、磁場励磁表面680について説明する。
図18には、シンクロトロン130からの陽子抽出処理の一実施例が示されている。明確にするために、図18では、図2に示した方向転換磁石などの要素を取り除くことで、時間の関数としての陽子ビーム経路の表現を非常に明確にすることができる。一般的には、陽子を遅くすることにより、シンクロトロン130から陽子が抽出される。上述したように、陽子は周回経路264の中で最初に加速されて、複数の主要な偏向磁石250によりその加速された陽子が維持される。周回経路は、この実施形態では最初の中心のビームライン264と呼ばれる。陽子は、シンクロトロン280の中心のまわりを繰り返し周回する。陽子経路は、高周波(RF)空洞システム1810の中で向きを変える。抽出を開始するために、RF空洞システムにおいて、第1の羽根1812及び第2の羽根1814にわたってRF磁場が供給される。第1の羽根1812及び第2の羽根1814は、この実施形態では第1の対の羽根と呼ばれる。
高周波(RF)磁場などの磁場の制御によって、RF空洞1810内の周波数及び振幅は抽出された陽子ビームの強度制御を可能にし、その制御では、強度は単位時間に抽出された陽子の束又は時間の関数として抽出された陽子の数となる。
・時間
・エネルギー
・強度
・患者に対する陽子ビームの水平方向の移動を表すx軸の位置、
・患者に対する陽子ビームの垂直方向の移動を表すy軸の位置
の独立した制御下におかれる。さらに、患者は、同じ時間における陽子ビームの変換軸に対して任意に且つ独立して回転される。
図19において、患者は、好ましくは、患者インターフェース・モジュール150の患者位置システム1910の上又は内部に置かれる。患者位置システム1910は、後述するように、スキャン・システム140又は陽子目標システムによって陽子ビームが腫瘍をスキャンできる範囲の中に患者を移送するため及び又はその範囲の中で回転するのに使用される。実際のところ、患者位置システム1910は、患者の大きな移動を実行して陽子ビーム経路268の中心近くに腫瘍を位置させ、陽子スキャン又は目標システム140は、腫瘍1290を目標にする一時的なビーム位置269の細かい移動を実行する。説明のために、図19は、一時的な陽子ビーム位置269及び陽子スキャン又は目標システム140によってスキャンできる位置1940を示している。そこでは、スキャンできる位置1940は、患者1930の腫瘍1920の周囲になっている。この図に示すように、患者のy軸の移動は体の規模で生じ、例えば、約1、2、3、又は4フィートの調整であり、一方、陽子ビーム268のスキャンできる範囲は体の部分をカバーし、例えば、約1、2、4、6、8、10、又は12インチの領域になっている。患者位置システム及び患者の回転及び又は配送は陽子目標システムと組み合って、腫瘍に対する陽子の精密且つ正確な配送を実現する。
図20には、ビーム配送及び腫瘍体積スキャンのシステムが示されている。現在、世界照射線治療界では、ペンシル・ビーム・スキャン・システムによって、線量磁場形成の方法を使用している。これと極めて対照的に、図20は、スポット・スキャン・システム又は腫瘍体積スキャン・システムを示している。腫瘍体積スキャン・システムにおいては、安価で精密なスキャン・システムによって、輸送及び分配という観点から陽子ビームが制御される。そのスキャン・システムは能動的なシステムであり、そのシステムでは、直径が約0.5、1、2、又は3ミリメートルのスポット焦点の中にビームがフォーカスされる。陽子ビームの供給エネルギーを同時に変更する期間に、焦点は2つの軸に沿って平行移動され、そのことが焦点の第3の範囲を効果的に変化させる。そのシステムは、上述した体の回転と併用して適用することが可能であり、その併用は腫瘍に対する陽子の配送の個々の瞬間に又は周期の間に起こることが好ましい。任意ではあるが、上述のシステムによる体の回転は、腫瘍に対する陽子の配送と共に連続的に且つ同時に起こる。
・例えば、約50メートルよりも小さい小型の円周のシステム、
・約2cmの垂直陽子ビームサイズのギャップ、
・低減されたギャップサイズと関連した対応する低減された必要な電源供給、
・新たに導入する磁場を必要としない抽出システム、
・抽出の期間中の陽子の加速又は減速、及び
・抽出の期間中のz軸エネルギーの制御
この結果、3次元スキャン・システム及びx軸、y軸、及びz軸の制御が可能となり、そこでは、シンクロトロンの中でz軸制御が可能であり、また、シンクロトロン内の抽出処理の期間中にz軸エネルギーが可変に制御される。
陽子のエネルギー及び強度の性能について説明する。陽子配送システムは、少なくとも300メガ・エレクトロン・ボルト(MeV)のエネルギー及び330MeVの最大エネルギーに達するまで、ビームを加速する能力を有する。さらに、1つの周期における変化に富んだ陽子ビームの加速及び減速が示されている。特に、最初の1秒から4秒までの第1の周期においては、ビームは、100MeVに加速され、50MeVに減速され、再び150MeVに加速されている。5秒に始まる次の周期においては、陽子エネルギーは、330MeVに急激に増加されて、そこで1秒間そのエネルギーが維持される。その維持されたエネルギーはX線断層写真を実行するために必要である。対応するビーム強度は、シンクロトロンの加速器の動作の連続する2つの周期を提供する。ほぼ1秒半から3秒半までの第2の目盛りにおいて、ビームはある照射ポイントに向けられている。必要な線量値が照射されると、抽出は中断され、ビームは次の照射ポイントに移動されて、抽出処理は5秒半から7秒半までの第2の目盛りに再開される。リアルタイムの動作においては、上述の処理の各々が、表示された割合の10倍で任意に実行される。
この実施形態において、X線システムは、画像システムを説明するために用いられる。
X線は、2つの理由のために、(1)直前の又は(2)現在のいずれかの陽子線治療で患者を治療することと組み合わせることが好ましい。
X線は、好ましくは、治療対象を治療する直前に照射され、患者の位置決めを支援する。位置決めのためには、大きな体の領域は必要ではない。一実施形態においては、局部領域だけのX線が集められる。X線を集めるときのそのX線はX線経路を保持している。陽子は陽子ビーム経路を保持している。陽子ビーム経路にX線経路を重ねることは、腫瘍に対して陽子ビームを位置合わせする1つの方法である。しかしながら、この方法は、陽子ビーム経路の中にX線装置を配置することを伴うことになり、X線を照射した後に、X線装置をビーム経路の外に移動することになる。この処理には時間がかかる。X線装置が移動する間の経過時間は、好ましくない影響を及ぼす。第1に、X線装置を移動するに必要な時間の間に、患者が動いてしまう。移動の結果、腫瘍に対する陽子ビームの実質的な位置合わせの精密さ及び又は正確さが低下する。第2に、X線装置を移動するに必要な時間は、陽子線治療システムが使用されない時間であり、そのことは、陽子線治療システムの全体的な効率を低下させる。
陽子線治療システムの寿命の上では、最小限のメンテナンス又はメンテナンスの無いことを要求する要素が陽子線治療システム内にあることが望ましい。例えば、約20年の寿命などの長い寿命の光源を有するX線システムを備えた陽子線治療システムを装備することが望ましい。
患者の腫瘍に対する正確且つ精密な陽子ビームの配送のためには、(1)陽子ビームの位置制御、及び(2)患者の位置制御が必要である。上述したように、陽子ビームは、アルゴリズム及び磁場によって、約0.5、1、又は2ミリメートルの直径に制御される。このセクションでは、部分的な固定、固定、及び又は、患者の位置合わせに取り組んで、患者が移動した場合でも、厳しく制御された陽子ビームが効率的に目標の腫瘍を叩くと共に、周辺の正常組織を叩かないことを保証する。
好ましくは、患者1930は、陽子ビーム経路269に精密且つ正確な方法で位置合わせされる。第1の配置システムにおいては、患者は、載置台に対して周知の位置に配置される。例えば、1つ以上の位置決め固定システムは、載置台の上の精密及び又は正確な位置に患者を位置決めする。載置台に結合され又は着脱可能に結合された配置固定の要素は、載置台に患者を位置決めするために任意に使用される。配置固定システムの要素は、手の要素、手先の要素、頭部の要素、又は胴体の要素など、患者のいかなる位置を位置決めするためにも使用される。
好ましくは、患者の呼吸パターンは監視される。この実施形態では患者とも称する治療対象は、各呼吸とともに動く体の多くの部分で呼吸している。例えば、治療対象が呼吸すると、肺が動くにつれて、胃、腎臓、肝臓、胸の筋肉、皮膚、心臓、及び肺など、体の中の器官の関係する位置も動く。一般的には、胴体のほとんど又はすべての部分が呼吸と共に動く。事実、発明者らは、呼吸と一緒の胴体の動きに加えて、各呼吸と共に頭部及び脚にも様々な動きが存在することを認識した。陽子は腫瘍に特化して配送され周辺の組織には配送されないので、体への陽子線量の配送の際に動きを考慮すべきである。ビーム経路に対する腫瘍の存在位置が、動きによってあいまいになるという結果を生じる。この関係を少しでも解決するために、陽子は一連の呼吸の周期の各々における同一のポイントに選択的に配送される。
治療対象の呼吸のリズムパターンが測定された後は、信号が治療対象に送られて、呼吸の周波数をさらに正確に制御する。例えば、表示画面が治療対象の前に配置されて、呼吸を止める時及び呼吸する時を治療対象に指示する。通常、呼吸制御モジュールは、1つ以上の呼吸センサからの入力を使用する。例えば、その入力は、次の呼吸の吐息がいつ完了するかを測定するのに使用される。呼吸の底において、制御モジュールは、例えば、モニタ上で、音声信号を介して、デジタル化され且つ自動的に発生された音声指令、又は、可視制御信号を介して、呼吸止め信号を患者に提示する。好ましくは、表示モニタは治療対象の前に配置され、また、表示モニタは少なくとも呼吸の指令を治療対象に表示する。通常、治療対象は、約1.5、1、2、又は3秒などの短い時間の間、呼吸を止めることを指示される。治療対象が要求される呼吸を止める時間は10秒よりも短い。呼吸が止められる時間は、好ましくは、腫瘍に対する陽子ビームの配送時間に同期しており、その時間は約1.5、1、2、又は3秒である。呼吸の底において陽子を配送することが好ましいとはいえ、陽子は呼吸の周期の任意の点、例えば、最大吸入時に配送されてもよい。呼吸の頂点、又は、呼吸制御モジュールによって患者が息を深く吸い込んで、呼吸を止めることを指示された時の配送は、胸の空洞が最大になって、且つ、ある腫瘍にとって腫瘍と周辺の組織との間の距離が最大であるか、又は増加した体積の結果として周辺の組織が持ち上げられた呼吸の頂点において実行してもよい。したがって、周辺の組織を叩く陽子は最小になる。呼吸を止めることを要求する指示に対して、それを実行する作業を治療対象に気付かせるために、表示画面は、3、2、1秒のカウントダウンなどにより、治療対象に対して呼吸を止めることを要求する時を告げるようにしてもよい。
陽子配送制御アルゴリズムは、対象が呼吸を止めている呼吸の頂点又は底など、各呼吸の所定の期間内に、腫瘍に対する陽子の配送に同期させるのに使用される。陽子配送制御アルゴリズムは、好ましくは、呼吸制御モジュールと統合される。このため、陽子配送制御アルゴリズムは、患者が呼吸をしている時、呼吸の周期における患者の現在位置、及び又は患者が呼吸を止めている時を認識する。陽子配送制御アルゴリズムは、陽子がシンクロトロンの中に入射され及び又は予備的に加速される時、上述したように発振器を励起するためにRF信号が供給される時、及び、上述したようにシンクロトロンから陽子を抽出するためにDC電圧が供給される時を制御する。通常、陽子配送制御アルゴリズムは、治療対象が呼吸を止めることを指示される前に、又は、陽子配送時間のために選択された呼吸の周期における特定された期間の前に、陽子の予備加速及びそれに続くRF励起発振を初期化する。この方法において、陽子配送制御アルゴリズムは、上述したように、第2の一対のプレートに高いDC電圧を同時に又はほぼ同時に配送することによって、選択された呼吸の周期の期間に陽子を配送することができる。その結果、シンクロトロンからの陽子の抽出ができると共に、それに続く患者に対する陽子の配送を選択された時点にすることができる。シンクロトロンにおける陽子の加速の期間は一定であるか又は陽子ビームの所望のエネルギーレベルに対して周知であるので、陽子配送制御アルゴリズムは、患者の呼吸の周期又は所望の呼吸の周期に対して整合するAC RF信号を設定するのに使用される。
陽子スポット焦点の3次元スキャン・システムは、上述したように、好ましくは、回転/レーザ方法と組み合わされる。その方法は、多くの方向からの階層的な腫瘍照射を含んでいる。所定の照射の輪切りの期間において、陽子ビーム・エネルギーは、腫瘍の前の組織の密度に応じて連続的に変化するので、その結果、ブラッグ・ピークによって定義されるビーム停止点を、常に腫瘍の内部及び照射の輪切りの内部にもたらすことができる。その新しい方法によれば、この実施形態においては多磁場照射と称する、多くの方向からの照射が最大の効果的な線量を腫瘍レベルに与え、その一方で、同時に周辺の正常組織に対する横の影響の可能性を、従来の方法に比べて大きく低減することができる。基本的には、多磁場照射システムは、まだ腫瘍に達しない組織の深さでは線量配送を分散させる。
本出願は、
米国仮特許出願61/055,395(2008年5月22日出願)、
米国仮特許出願61/137,574(2008年8月1日出願)、
米国仮特許出願61/192,245(2008年9月17日出願)、
米国仮特許出願61/055,409(2008年5月22日出願)、
米国仮特許出願61/203,308(2008年12月22日出願)、
米国仮特許出願61/188,407(2008年8月11日出願)、
米国仮特許出願61/209,529(2009年3月9日出願)、
米国仮特許出願61/188,406(2008年8月11日出願)、
米国仮特許出願61/189,815(2008年8月25日出願)、
米国仮特許出願61/208,182(2009年2月23日出願)、
米国仮特許出願61/201,731(2008年12月15日出願)、
米国仮特許出願61/208,971(2009年3月3日出願)、
米国仮特許出願61/205,362(2009年1月12日出願)、
米国仮特許出願61/134,717(2008年7月14日出願)、
米国仮特許出願61/134,707(2008年7月14日出願)、
米国仮特許出願61/201,732(2008年12月15日出願)、
米国仮特許出願61/198,509(2008年11月7日出願)、
米国仮特許出願61/134,718(2008年7月14日出願)、
米国仮特許出願61/190,613(2008年9月2日出願)、
米国仮特許出願61/191,043(2008年9月8日出願)、
米国仮特許出願61/192,237(2008年9月17日出願)、
米国仮特許出願61/201,728(2008年12月15日出願)、
米国仮特許出願61/190,546(2008年9月2日出願)、
米国仮特許出願61/189,017(2008年8月15日出願)、
米国仮特許出願61/198,248(2008年11月5日出願)、
米国仮特許出願61/198,508(2008年11月7日出願)、
米国仮特許出願61/197,971(2008年11月3日出願)、
米国仮特許出願61/199,405(2008年11月17日出願)、
米国仮特許出願61/199,403(2008年11月17日出願)、
米国仮特許出願61/199,404(2008年11月17日出願)、
の利益を主張し、及び
国際特許出願PCT/RU2009/00015「Multi-Field Charged Particle Cancer Therapy Method and Apparatus:マルチフィールド荷電粒子の癌治療の方法及び装置(2009年3月4日出願)」
について優先権を主張する。
これらのすべては、これらの開示内容を引用することにより、その全部がこの出願に組み込まれている。
Claims (25)
- 角が丸い多角形のシンクロトロンによって加速された荷電粒子を用いて腫瘍を治療する腫瘍治療装置であって、前記シンクロトロンが、
中心と、
前記中心のまわり、複数の直線部の中、及び、複数の方向転換部の中に延びる荷電粒子周回ビーム経路と、
を備え
前記方向転換部の各々が、複数の偏向電磁石を有し、
前記周回ビーム経路が、60メートルよりも短い長さを備え、
前記直線部の数が、前記方向転換部の数と等しい、
腫瘍治療装置。 - 前記方向転換部の各々が、少なくとも4個の偏向電磁石を備え、前記4個の偏向電磁石が、少なくとも8個のエッジ・フォーカス表面を有し、前記8個のエッジ・フォーカス表面の形状が、前記荷電粒子周回ビーム経路において荷電粒子をフォーカスする、請求項1に記載の腫瘍治療装置。
- 前記方向転換部の各々が、荷電粒子の方向を約90度転換する、請求項1に記載の腫瘍治療装置。
- 前記方向転換部の各々が、少なくとも4個のフォーカス・エッジを有し、前記フォーカス・エッジの形状が、荷電粒子に対してエッジ・フォーカス効果を与える、請求項3に記載の腫瘍治療装置。
- 前記偏向電磁石が、第1の断面距離及び第2の断面距離を有し、第1の断面距離が、第2の断面距離よりも少なくとも1.5倍の長さであるテーパー状のコアを有し、前記第2の断面距離が、約10ミクロンよりも細かい表面研磨のギャップに近似し、前記荷電粒子周回ビーム経路が前記ギャップの中を通る、請求項4に記載の腫瘍治療装置。
- 前記方向転換部の数が、正確に4個の方向変換部であり、前記4個の方向転換部が、荷電粒子周回ビーム経路の方向を約90度転換し、前記シンクロトロンが、荷電粒子を少なくとも300MeVに加速することができる、請求項1に記載の腫瘍治療装置。
- 前記4個の方向転換部が、少なくとも32個の荷電粒子用のエッジ・フォーカス表面を備える、請求項6に記載の腫瘍治療装置。
- 前記方向転換部が、少なくとも8個の偏向電磁石を備え、前記荷電粒子周回ビーム経路が、動作中の何れの4極電磁石も通過しない、請求項1に記載の腫瘍治療装置。
- 前記偏向電磁石の各々が、
前記荷電粒子周回ビーム経路が通過するギャップと、
約10ミクロンよりも細かい最終仕上げの表面をもって前記ギャップにおいて終端するコアと、
を備える、請求項1に記載の腫瘍治療装置。 - 前記コアのまわりに巻かれた巻線コイルと、
前記コアのまわりに巻かれた補正コイルであって、前記巻線コイルに供給される電力の3パーセント未満の電力で作動する補正コイルと、
をさらに備える、請求項9に記載の腫瘍治療装置。 - 前記荷電粒子周回ビーム経路に近接する抽出箔に流れる電流によって発生される入力を受ける抽出制御アルゴリズムをさらに備え、前記抽出制御アルゴリズムが、照射面に対するフィードバック入力を構成し、前記抽出制御アルゴリズムが、高周波空洞システムにおいて高周波磁場を調整する、請求項10に記載の腫瘍治療装置。
- 前記偏向電磁石の少なくとも1つが、
前記荷電粒子周回ビーム経路が中を通るギャップと、
前記ギャップに接近する磁場を収束する増幅形状と、
をさらに備える、請求項1に記載の腫瘍治療装置。 - 前記偏向電磁石の少なくとも2つのまわりに巻かれたコイルを有する磁石巻線と、
前記偏向電磁石の少なくとも2つのまわりに巻かれた補正コイルを有する補正巻線であって、前記磁石巻線に供給される電力の3パーセント未満の電力で作動する補正巻線と、
をさらに備える、請求項12に記載の腫瘍治療装置。 - 前記偏向電磁石の少なくとも2つに巻かれた巻線コイルをさらに備え、前記巻線コイルの折り返し部分が、前記偏向電磁石の前記少なくとも2つの間の空間を直接占有しない、
請求項1に記載の腫瘍治療装置。 - 前記少なくとも2つの偏向電磁石のまわりに巻かれた補正コイルをさらに備え、前記補正コイルが、前記偏向電磁石の前記少なくとも2つの間の空間を直接占有しない折り返し部を有し、前記補正コイルは、前記巻線コイルに供給される電力の3パーセント未満の電力で作動する、
請求項14に記載の腫瘍治療装置。 - 陰イオン・ビームの陰イオンを生成する陰イオン源と、
陰イオン・ビームをフォーカスするイオン・ビーム・フォーカス・レンズと、
陰イオンを荷電粒子に変換する変換箔と、
をさらに備える、請求項1に記載の腫瘍治療装置。 - 前記レンズが、真空システムにおいて、陰イオン・ビームの中に延びて陰イオン・ビームをフォーカスする磁場線を提供し、前記イオン・ビーム・フォーカス・レンズが、
陰イオン・ビームを円周状に取り囲む第1のフォーカス電極と、
少なくとも部分的に陰イオン・ビームを遮蔽する金属導電路を有する第2のフォーカス電極と、
をさらに備え、
第1の電場線が、前記第1のフォーカス電極及び前記第2のフォーカス電極の間に延びて、
陰イオンが、陰イオン・ビームをフォーカスする第1の電場線まで延びる第1の力ベクトルと交差する、
請求項16に記載の腫瘍治療装置。 - 前記金属導電路が、
陰イオン・ビームを横切って実質的に平行に延びる一連の導電線、
陰イオン・ビームと交差する導電格子、及び
陰イオン・ビームの断面領域の少なくとも90パーセントの断面領域に合わせられた孔を備えて、陰イオン・ビームと交差するフォーカス箔、
のうちの何れかを有する、
請求項17に記載の腫瘍治療装置。 - 前記変換箔が、陰イオンを荷電粒子に変換し、前記変換箔が、前記陰イオン源及び前記荷電粒子周回ビーム経路の間に真空障壁を与える、請求項16に記載の腫瘍治療装置。
- 前記変換箔が、前記イオン・ビーム・フォーカス・レンズ及び前記方向転換部の間に圧力封止を与え、第1のポンプ・システムが、前記イオン・ビーム・フォーカス・レンズ内に第1の真空を維持するように動作し、第2のポンプ・システムが、前記荷電粒子周回ビーム経路内に第2の真空を維持するように動作する、請求項16に記載の腫瘍治療装置。
- 前記陰イオン源が、低温プラズマ領域から高エネルギー・プラズマ領域を分離する磁気障壁をさらに備える、請求項16に記載の腫瘍治療装置。
- 前記変換箔が、
前記陰イオン源及び前記複数の偏向電磁石の間に、真空障壁を形成する約30乃至200ミクロンの厚さのベリリウム・カーボン・フィルムを備える、
請求項16に記載の腫瘍治療装置。 - 前記シンクロトロンが、
抽出部材と、
少なくとも1kVの直流電場が両端に印加される一対の抽出羽根と、
偏向器と、
をさらに備え、
荷電粒子ビームが、前記抽出部材を通過することにより、低下したエネルギーの荷電粒子ビームを生じ、
低下したエネルギーの荷電粒子ビームが、前記一対の抽出羽根の間を通過し、
直流電場が、低下したエネルギーの荷電粒子ビームを前記偏向器によって前記シンクロトロンの外に転送し、かつ
前記偏向器が、抽出された荷電粒子ビームを生じる、
請求項1に記載の腫瘍治療装置。 - 抽出された荷電粒子の強度をフィードバック制御によって制御する強度制御部をさらに備えた、請求項23に記載の腫瘍治療装置。
- 前記抽出部材の中を通過する荷電粒子ビームによって生じた誘導電流が、前記強度制御部へのフィードバック入力を備える、請求項24に記載の腫瘍治療装置。
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