JP2016135250A - 陽荷電粒子ビームを照射装置のシンクロトロンに注入する装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】陰イオン源310は、陰イオン・ビーム源、真空システム330、イオン・ビーム・フォーカス・レンズ350、及び又は2連型加速器390を備えている。陰イオン源は、陰イオン・ビームをフォーカスするために電場線を使用する。陰イオン源プラズマ室は磁性材料316を有し、その磁性材料は高温プラズマ室314及び低温プラズマ領域の間に磁場障壁317を設ける。注入システム真空システム及びシンクロトロン真空システムは変換箔395によって分離され、その変換箔において陰イオンが陽イオンに変換される。その箔は、注入システム真空室に高めの部分圧力及びシンクロトロン真空システムに低めの圧力を用意する真空管の端に貼付される。
【選択図】図3
Description
陽子ビーム治療システムは、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。
H. Tanaka等に対して2007年8月21日に付与された特許文献1「Charged Particle Accelerator(荷電粒子加速器)」には、第1の加速期間及びその後の第2の加速期間に印加される固定の電場によって2つの期間の加速処理を有し、コンパクトでハイパワーの荷電粒子加速を実現する荷電粒子加速器が記載されている。
T. Kobari等に対して1998年9月13日に付与された特許文献6「Apparatus For Treating the Inner Surface of Vacuum Chamber(真空室の内面を処理する装置)」、並びに、T. Kobari等に対して1997年5月6日に付与された特許文献7「Process and Apparatus for Treating Inner Surface Treatment of Chamber and Vacuum Chamber (室及び真空室の内面処理を行う方法及び装置)」の双方には、ブローチを用いて真空室の表面に不活性ガス又は窒素ガスを供給する手段を有し、真空室の内面を処理する装置が記載されている。あるいは、ブローチは、真空室の表面の汚れを溶かすために、真空室にアルコールを供給するのに使用される。
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注入される。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で示される力に遭遇する。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点で遭遇する。繰り返えすと、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まで延びる力に遭遇し、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点で遭遇する。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まで延びる力に遭遇する。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点で遭遇する。繰り返えすと、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まで延びる力に遭遇し、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、はるかに多くの電場線との遭遇が発生し、各々の遭遇でフォーカス効果がみられ、これにより統合されたフォーカスが発生する。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)並びに図4及び5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を用い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を用いて加速される。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を用い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の中に注入される。
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、又はそれ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、又はそれ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、
・きっかり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の注入面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を用い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注入し、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転換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、磁場注入表面670の観点からギャップ1110を説明する一方で、磁場出射表面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を用い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を用い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・システムを用いて、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・システムを用いて、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。
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ビーム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、陽子ビーム治療システムが使用されない時間であり、そのことは、陽子ビーム治療システムの全体的な効率を低下させる。
陽子ビーム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ビーム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ビーム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を用いて、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。
半垂直部分固定システムは、好ましくは、体の胴体における腫瘍の陽子ビーム治療と組み合わせて使用される。患者位置決めシステム及び又は固定システムは、陽子ビーム治療の間、患者の移動を制御し及び又は固定する。部分固定の第1の実施形態においては、患者は、陽子ビーム治療システム内の半垂直位置に配置される。図に示すように、患者は、患者の頭から足に延びる軸によって定義されたy軸から、約45度の角度アルファ(α)に傾斜されている。さらに一般的には、患者は、y軸からゼロ度の垂直位置に、又は、y軸からz軸の方に向かって、約5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、若しくは65度傾斜したアルファの半垂直位置に、任意に自立している。
第2の部分固定システムの実施形態においては、患者は、座る位置に部分的に固定される。座位固定システムは、座位支持部が椅子に代わっていること、及び、膝支持部を必要としないことを除けば、上述の半垂直部分固定システムに使用されている支持構造部に類似した支持構造部を備えている。座位固定システムは、概ね、上述の半垂直部分固定システムにおいて記載された調整可能な支持、y軸のまわりの回転、カメラ、ビデオ、及び呼吸制御のパラメータを有する。
部分固定の第3の実施形態においては、患者は、横臥する位置に部分的に固定される。横臥固定システムは、上述の座位固定システム及び半垂直部分的固定システムに使用されている支持構造部に類似した支持構造部を備えている。横臥固定システムにおいては、任意の固定要素、支持要素、又は部分固定要素は、1つ以上の頭及び背中支持部、尻支持部、及び肩支持部を有する。支持部は、好ましくは、患者の横臥位置に対応するように回転する調整の軸を有する。横臥位置固定システムは、概ね、上述の半垂直部分固定システムにおいて記載された調整可能な支持、y軸のまわりの回転、カメラ、ビデオ、及び呼吸制御のパラメータを有している。
位置決め固定システムは、患者を位置決めするのに使用されるすべての要素、例えば、半垂直位置決めシステム、座位位置決めシステム、及び横臥位置決めシステムに記載された要素を備えている。好ましくは、位置決め固定システムの要素又は支持システムの要素は、陽子ビーム経路269を遮蔽する位置又はオーバーラップする位置にならないように位置合わせされる。しかしながら、いくつかの具体例においては、位置決め固定システムは、患者の治療の少なくとも一部の時間の間、陽子ビーム経路269の中に入る。具体的には、治療中に患者がy軸のまわりに回転される期間には、位置決め固定システムの要素が陽子ビーム経路269の中に存在することもある。位置決め固定システムの要素又は支持システムの要素が陽子ビーム経路中にある場合又はその期間においては、増強された陽子ビーム・エネルギーが陽子ビームの位置決め固定システムの要素のインピーダンスを相殺するように、陽子ビーム・エネルギーを増強する調整がなされることが好ましい。1つの場合には、位置決め固定システムの要素の基準スキャンの期間に、又は、y軸のまわりの回転の関数としての位置決め固定システムの要素の基準スキャンとの組合せの期間に、決定された陽子ビームの位置決め固定システムの要素のインピーダンスを分離して測定することによって、陽子ビーム・エネルギーが増加される。
1つ以上の患者位置決めユニットの要素及び又は1つ以上の患者位置決め固定システムは、好ましくは、コンピュータ制御の下にあり、その制御において、コンピュータは、例えば、一連のモータ及びデバイスを介して、位置決めシステムを制御して、再現可能なように患者を位置決めする。例えば、患者は、最初に位置決めされ、患者位置決め固定システムによって固定される。各患者位置決め固定システムの位置は、主制御部110により、副制御部若しくは主制御部により、又は分離したコンピュータ制御部により、記録及び保存がなされる。次に、患者に対する最終的な治療の指導中に、患者1930の腫瘍1920を見つけるために医療装置が使用される。画像システム170は、1つ以上のMRI、X線、CT、陽子ビーム断層撮影装置、及びその他を備えている。画像システム170からの画像が解析され、陽子ビーム治療計画が立てられるこの時点までは、任意の時間を要する。患者は、この時間の間に固定システムから出ることができる。その任意の時間は、数分、数時間、又は数日であるかも知れない。患者が患者位置決めユニットに戻ったときには、コンピュータは、患者位置決めユニットを記録された位置に戻すことができる。このシステムは、画像処理及び治療計画の策定の期間中に使用される位置に、患者の迅速な再位置決めを可能にするので、患者位置決めの設定時間を最少にすることができ、且つ、癌治療ののに使用される荷電陽子ビーム・システムの時間を最大にすることができる。
ブラッグ・ピーク・エネルギーの概要は、最大の浸透の深さまで達した陽子によって浸透された体の全長にわたって、陽子がそのエネルギーを配送することを示している。この結果、正常組織、骨、及び他の体の構成要素にエネルギーが配送された後に、陽子ビームが腫瘍を叩くことになる。当然ながら、それは、腫瘍より前の体における通過距離が短ければ短いほど、陽子配送効率は高くなり、陽子配送効率は、患者の正常な部分と比較して腫瘍に配送されるエネルギーがどれほど多いかで測定されることになる。陽子配送効率のいくつかの実施例は、(1)腫瘍に配送される陽子エネルギーと腫瘍でない組織に配送される陽子エネルギーとの比、(2)腫瘍内での陽子の通過距離対腫瘍でない組織内での陽子の通過距離、及び(3)正常な体の部分に対する破壊と比較される腫瘍に対する破壊、の測定を含んでいる。これらの測定のいずれにおいても、神経過敏な器官要素、心臓、脳、又は他の臓器など、繊細な組織に応じて任意に重み付けされる。横臥位置の患者が治療中にy軸のまわりに回転される場合を説明すると、心臓の近くの腫瘍は、場合によっては、頭から心臓への経路、脚から心臓への経路、又は尻から心臓への経路の中を通る陽子によって治療されるであろう。これらは、より短い経路である胸から心臓への経路、体の横から心臓への経路、又は背中から心臓への経路の中を陽子が通ってすべて配送される座位位置又は半垂直位置の患者の場合と比較すると、すべて非効率的である。これに対して、座位位置又は半垂直位置を患者に用いた場合には、横臥位置を用いた場合と比較すると、体を通って腫瘍に至るより短い経路長が胴体又は頭部に位置する腫瘍に提供されるので、より高い又はより良好な陽子配送効率が得られる。
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。種々の配置システムについて説明する。患者配置システムは、横臥位置決めシステムを用いて説明するが、半垂直位置決めシステム及び座位位置決めシステムにも同じく適用することができる。
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、体の多くの部分が動きつつ、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、体への陽子ビーム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注入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 (10)
- 陽荷電粒子ビームの陽荷電粒子により患者の癌を放射線治療する装置であって、
陰イオン・ビームの陰イオンを生成するように構成されている陰イオン源と、
第一の電極対を備える第一のイオン・ビーム・フォーカス部分を備えるイオン・ビーム・フォーカス・システムであって、当該第一の電極対が、
前記陰イオン・ビームを一周りして囲む第一のフォーカス電極、および
前記陰イオン・ビームを軸方向に横断しかつ前記陰イオン・ビームを少なくとも部分的に阻止する金属導電路を備える第二のフォーカス電極
を備え、
使用の間、前記陰イオン・ビームの前記陰イオンが、当該第一のフォーカス電極と前記陰イオン・ビームをフォーカスする当該第二のフォーカス電極との間に第一の電気力線を形成する第一の力ベクトルと、遭遇する、
イオン・ビーム・フォーカス・システムと、
前記陰イオン・ビームの前記陰イオンを陽荷電粒子ビームの陽荷電粒子に変換する変換箔を備える2連型加速器と、
当該2連型加速器から前記陽荷電粒子ビームを受取り、前記陽荷電粒子ビームを加速し、そして加速された結果の荷電粒子を前記癌に到る治療ビーム路に出力するシンクロトロンと
を備える装置。 - 当該金属導電路が、
前記陰イオン・ビームを横断して実質的に平行に延在する一連の導電線、
前記陰イオン・ビームを横断する導電格子、および
前記陰イオン・ビームを横断するフォーカス箔であって、孔を備え、前記孔の面積が、合計で前記陰イオン・ビームの横断面の少なくとも90%を占める、フォーカス箔
の何れかを備える、請求項1に記載の装置。 - 当該金属導電路が、前記陰イオン・ビームの10%未満の横断面を阻止する、請求項2に記載の装置。
- 当該第一のイオン・ビーム・フォーカス部分が、
当該第二のフォーカス電極と、前記陰イオン・ビームを一周りして囲む第三のフォーカス電極とを備える第二の電極対を備え、
前記陰イオン・ビームが、使用の間、順次、当該第一のフォーカス電極、当該第二のフォーカス電極および当該第三のフォーカス電極を通過する、
請求項3に記載の装置。 - 当該イオン・ビーム・フォーカス・システムが、更に、
第三の電極対を備える第二のイオン・ビーム・フォーカス部分を備え、当該第三の電極対が、
前記陰イオン・ビームを一周りして囲む第四のフォーカス電極と、
前記陰イオン・ビームを軸方向に横断しかつ前記陰イオン・ビームを少なくとも部分的に阻止する金属導電路を備える第五のフォーカス電極と
を備え、
使用の間、前記陰イオン・ビームの前記陰イオンが、当該第四のフォーカス電極と当該第五のフォーカス電極との間で前記陰イオン・ビームをフォーカスする第二の電気力線を形成する第二の力ベクトルと遭遇し、
当該第三のフォーカス電極と当該第四のフォーカス電極の両方が、使用の間、陰電荷を備える、
請求項4に記載の装置。 - 当該変換箔が、更に、前記陰イオンと前記陽荷電粒子との間に真空障壁を構成する、請求項5に記載の装置。
- 当該陰イオン源が、更に、
高エネルギー・プラズマ室内に配置されている磁性材料と、
高温プラズマ室の第一の端における第一のイオン発生電極と、
当該高温プラズマ室の第二の端における第二のイオン発生電極と、
前記高エネルギー・プラズマ室について外壁を構成する磁場と
を備え、
当該磁性材料が、当該第一のイオン発生電極を通り、外壁を構成する当該磁場を通り、空隙を越えて当該第二のイオン発生電極を通り、かつ当該磁性材料を通って延在する磁場ループを生成する、
請求項6に記載の装置。 - 当該陰イオン源が、更に、
当該第二のイオン発生電極と当該イオン・ビーム・フォーカス・システムとの間に配置されている第三のイオン発生電極
を備え、
前記空隙が、当該高温プラズマ室と低温プラズマ・ゾーンとの間の分割を構成し、
使用の間、当該第一のイオン発生電極と当該第二のイオン発生電極の間に第一の高電圧パルスを印加することにより、当該高温プラズマ室内の水素が構成要素部分に分解され、
使用の間、当該第二のイオン発生電極と当該第三のイオン発生電極の間に第二の高電圧パルスを印加することにより、前記低温プラズマ・ゾーンから陰イオンが抽出されて前記陰イオン・ビームが形成され、かつ
当該磁性材料が、使用の間、当該高温プラズマ室内の高エネルギー・プラズマ領域を前記低温プラズマ・ゾーンから分離する磁場障壁を発生させる、
請求項7に記載の装置。 - 当該シンクロトロンが、更に、
当該シンクロトロンの中心から第一の半径方向距離の位置に配置されている抽出材料と、
当該シンクロトロンの当該中心から第二の半径方向距離の位置に配置されている一対の抽出羽根とを
備え、
当該第二の半径方向距離が、当該第一の半径方向距離より短く、当該治療ビーム路が、順次、当該抽出材料と当該一対の抽出羽根とを通過する、
請求項8に記載の装置。 - 当該シンクロトロンが、更に、当該抽出材料を通過する前記陽荷電粒子に基づいて、当該抽出材料から放出された励起電流を受取るように構成されている強度制御器を備える、
請求項9に記載の装置。
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