JP2016213198A

JP2016213198A - 磁場フラッターを使用する粒子ビームの集束

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Publication number: JP2016213198A
Application number: JP2016144068A
Authority: JP
Inventors: ゲリット・タウンゼント・ツワート; Townsend Zwart Gerrit; ケネス・ピー・ガル; P Gall Kenneth; ヤン・ファン・デル・ラーン; Van Der Laan Jan; チャールズ・ディー・オニール・サード; D O'neal Charles Iii; ケン・ヨシキ・フランツェン; Yoshiki Franzen Ken
Original assignee: Mevion Medical Systems Inc
Current assignee: Mevion Medical Systems Inc
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: JP6254600B2; JP2015532510A; WO2014052722A3; US9155186B2; CN104813747B; US20140094637A1; WO2014052722A2; EP2901820B1; TWI604868B; TW201429514A; CN104813747A; EP2901820A2; JP6342455B2

Abstract

【課題】磁場フラッターを使用したシンクロサイクロトロン粒子加速器を提供する。
【解決手段】シンクロサイクロトロン粒子加速器は、空洞内で高周波（ＲＦ）電圧を掃引して粒子をプラズマ柱である粒子源７０１から加速するための電圧源と、該粒子を空洞内で軌道上を移動させる磁石と、再生器７０２と、再生器７０２から空間を隔てて該空洞内で配置され、該磁石で形成される磁場バンプを解消する強磁性装置８０２及び８０３で構成される。
【選択図】図１５

Description

関連出願の相互参照
本明細書では、２０１２年９月２８日に出願した米国仮出願第６１／７０７，５７２号明細書の優先権が主張される。米国仮出願第６１／７０７，５７２号明細書の内容は、参照により本開示に組み込まれる。

本開示は、一般的に、磁場フラッターを使用するシンクロサイクロトロン内の粒子ビームの集束に関する。

粒子治療システムは、加速器を使用して、腫瘍などの苦痛を治療するための粒子ビームを発生する。動作時に、粒子は、磁場の存在下で空洞内の軌道に沿って加速され、引き出しチャネルを通して空洞から取り出される。粒子治療システムで使用され得る加速器の一例は、シンクロサイクロトロンである。

シンクロサイクロトロンでは、電離ガス（例えば、水素）を使用してプラズマ柱が生成される。プラズマ柱から粒子を引き出すためにＲＦ電圧が印加され、エネルギーを増し、半径を大きくしてゆくこれらの粒子を、引き出し領域に到達するまで螺旋状軌道に維持するために磁場が印加される。プラズマ柱から粒子を加速するときに、粒子に対する相対論的効果（例えば、粒子質量が増加する）を考慮してＲＦ電圧が一定範囲の周波数にわたって掃引される。

米国特許出願第１３／９０７，６０１号明細書米国特許出願第１１／９４８，６６２号明細書米国特許出願第１１／９４８，３５９号明細書米国特許第７，７２８，３１１号明細書米国特許出願第１２／２７５，１０３号明細書米国特許出願第１３／９１６，４０１号明細書米国仮出願第６０／７６０，７８８号、名称「Ｈｉｇｈ−ＦｉｅｌｄＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＳｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ」米国特許出願第１１／４６３，４０２号、名称「ＭａｇｎｅｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅＦｏｒＰａｒｔｉｃｌｅＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ」米国仮出願第６０／８５０，５６５号、名称「ＣｒｙｏｇｅｎｉｃＶａｃｕｕｍＢｒｅａｋＰｎｅｕｍａｔｉｃＴｈｅｒｍａｌＣｏｕｐｌｅｒ」米国仮出願第６１／７０７，４６６号明細書、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧＩＮＴＥＮＳＩＴＹＯＦＡＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭ」米国仮出願第６１／７０７，５１５号明細書、名称「ＡＤＪＵＳＴＩＮＧＥＮＥＲＧＹＯＦＡＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭ」米国仮出願第６１／７０７，５４８号明細書、名称「ＡＤＪＵＳＴＩＮＧＣＯＩＬＰＯＳＩＴＩＯＮ」米国仮出願第６１／７０７，５９０号明細書、名称「ＭＡＧＮＥＴＩＣＦＩＥＬＤＲＥＧＥＮＥＲＡＴＯＲ」米国仮出願第６１／７０７，７０４号明細書、名称「ＦＯＣＵＳＩＮＧＡＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭ」米国仮出願第６１／７０７，６２４号明細書、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧＰＡＲＴＩＣＬＥＴＨＥＲＡＰＹ」米国仮出願第６１／７０７，６４５号明細書、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＳＹＳＴＥＭＦＯＲＡＰＡＲＴＩＣＬＥＡＣＣＥＬＥＲＡＴＯＲ」米国仮出願第６０／９９１，４５４号明細書米国特許第８，００３，９６４号明細書米国特許第７，２０８，７４８号明細書米国特許第７，４０２，９６３号明細書米国特許出願第１３／１４８，０００号明細書米国特許出願第１１／９３７，５７３号明細書米国特許出願第１１／１８７，６３３号明細書、名称「ＡＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＷａｖｅｆｏｒｍＧｅｎｅｒａｔｏｒｆｏｒａＳｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ」米国仮出願第６０／５９０，０８９号明細書米国特許出願第１０／９４９，７３４号明細書、名称「ＡＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＰａｒｔｉｃｌｅＳｃａｔｔｅｒｅｒｆｏｒＲａｄｉａｔｉｏｎＴｈｅｒａｐｙＢｅａｍＦｏｒｍａｔｉｏｎ」米国仮出願第６０／５９０，０８８号明細書

例示的な粒子加速器は、空洞内で高周波（ＲＦ）電圧を掃引して粒子をプラズマ柱から加速するための電圧源であって、空洞は、プラズマ柱から加速された粒子が空洞内で軌道上を移動することを引き起こす磁場を有し、磁場は空洞の縁で弓なりに曲がる磁束を有する、電圧源と、空洞内に磁場バンプをもたらし、それによりプラズマ柱から加速される粒子の連続的軌道を変化させ、最終的に、粒子が引き出し点に出力されるようにする、再生器であって、プラズマ柱に対して空洞内にある半径で配置される、再生器と、空洞内のこの半径の近くに位置する強磁性装置であって、それぞれの強磁性装置は、磁場バンプをもたらし、再生器に隣接する強磁性装置は、再生器から空間で隔てられる、強磁性装置とを含むことができる。この例示的な粒子加速器は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を、単独で、又は組み合わせて含み得る。

空間、再生器、及び強磁性装置の組み合わせは、粒子軌道に対してある角度を成す成分を有する磁場変動を発生し、磁場バンプによって引き起こされる垂直集束の低減の少なくとも一部を相殺する。磁場は、少なくとも４テスラであり、再生器によって生成される磁場バンプは、最大で２テスラとなり得る。粒子加速器は、シンクロサイクロトロンであってよい。

強磁性装置は、再生器のそれぞれの側に１つずつ、２つだけあるものとしてよい。プラズマ柱に対して同じ半径内に２つより多い強磁性装置があってもよい。プラズマ柱に対して複数の半径のそれぞれに複数の強磁性装置があってもよい。

幾つかの例では、強磁性装置は、０．２５％から２０％の間の方位角平均正規化磁場変化率を含む、磁場フラッターを生成する。

例示的な陽子治療システムは、前述の粒子加速器と、粒子加速器が取り付けられているガントリーとを含むことができる。ガントリーは、患者の位置に対して回転可能である。陽子は、実質的にシンクロサイクロトロンから患者の位置に直接出力される。粒子加速器は、シンクロサイクロトロンであってよい。

例示的な粒子加速器は、空洞内で高周波（ＲＦ）電圧を掃引して粒子をプラズマ柱から加速するための電圧源であって、空洞はプラズマ柱から加速された粒子が空洞内で軌道上を移動することを引き起こす磁場を有し、磁場は空洞全体を通して実質的に直線的である磁束を有する、電圧源を含む。空洞は、第１の磁場と第２の磁場との交互領域を含み、第１の磁場は、第２の磁場と異なり、空洞内の粒子軌道に実質的に垂直な角度の成分を有する磁気変動を生じる。この例示的な粒子加速器は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を、単独で、又は組み合わせて含み得る。

交互領域は、異なるレベルの強磁性体材料を有することができる。交互領域は、強磁性体材料の領域と強磁性体材料を含まない領域とを含み得る。交互領域は、パイ形状であり、それぞれプラズマ柱に１つの点を、空洞の縁に縁を備えるものとしてよい。交互領域は、風車形を有し、それぞれプラズマ柱に１つの点を、空洞の縁に縁を備えるものとしてよい。

空洞は、磁気構造体によって定義され得る。交互領域は、垂直方向に整列された交互領域を含むことができ、その一方は第１の磁気構造体に接続され、他方は第２の磁気構造体に接続される。

磁気変動は、空洞内の軌道上に粒子を垂直方向に集束させ得る。粒子加速器は、シンクロサイクロトロンであってよい。

第１の磁場と第２の磁場との交互領域は、磁場フラッターを含み、これは０．２５％から２０％の間の方位角平均正規化磁場変化率を含む。

それぞれの例示的な粒子加速器は、粒子が加速される空洞を画成する磁気構造体を含むことができ、粒子は、ある範囲のエネルギーのうちから選択されたエネルギーを有する粒子ビームとして出力される。

例示的な陽子治療システムは、前述の粒子加速器と、粒子加速器が取り付けられているガントリーとを含む。ガントリーは、患者の位置に対して回転可能である。陽子は、実質的に粒子加速器から患者の位置に直接出力される。粒子加速器は、シンクロサイクロトロンであってよい。

発明の概要の節で説明されているものを含む、本開示で説明されている特徴のうちの２つ又はそれ以上を組み合わせることで、本明細書では具体的に説明されていない実施例を形成することができる。

本明細書で説明されている様々なシステム、又はその一部の制御は、１つ又は複数の非一時的機械可読記憶媒体に格納され、１つ又は複数の処理デバイス上で実行可能である命令を含むコンピュータプログラム製品を介して実装され得る。本明細書で説明されているシステム、又はその一部は、１つ又は複数の処理デバイス及び述べられている機能の制御を実装する実行可能命令を格納するためのメモリを含み得る装置、方法、又は電子システムとして実装され得る。

１つ又は複数の実施形態の詳細は、添付した図面及び以下の説明で記述される。他の特徴、目的、及び利点は、説明と図面、さらには特許請求の範囲から明らかになるであろう。

例示的な治療システムの斜視図である。例示的なシンクロサイクロトロンの構成要素の分解斜視図である。例示的なシンクロサイクロトロンの断面図である。例示的なシンクロサイクロトロンの断面図である。例示的なシンクロサイクロトロンの断面図である。例示的なシンクロサイクロトロンの斜視図である。例示的なリバースボビン及び巻線の一部の断面図である。例示的なケーブルインチャネル複合導体の断面図である。例示的なイオン源の断面図である。例示的なディープレート及び例示的なダミーディーの斜視図である。例示的なボールトの斜視図である。ボールトを備える例示的な治療室の斜視図である。例示的な粒子加速器の隣りの患者を示す図である。治療室内の例示的な内部ガントリーの中に位置決めされた患者を示す図である。例示的な加速空洞及び引き出しチャネルの上面図である。超電導磁石の低温保持装置の例示的な一部の断面の図と共に、磁場強度対プラズマ柱からの径方向距離を示すグラフである。移動して引き出しチャネルに入る軌道を示す、例示的な加速空洞及び引き出しチャネルの上面図である。空洞内の磁力線を示す、例示的な加速空洞及び再生器の上面図である。弓なりに曲がっている磁力線を有する粒子加速器の加速空洞の切欠側面図である。空洞の外周にフラッターブリックを収容する加速空洞の上面図である。異なる径方向配置において空洞の外周にフラッターブリックを収容する加速空洞の上面図である。直線的な磁力線を有する粒子加速器の加速空洞の切欠側面図である。パイ形状を有する、磁気の丘と谷とを有するフラッター誘導構造体の上面図である。風車形の形状を有する、磁気の丘と谷とを有するフラッター誘導構造体の上面図である。多層フラッター誘導構造体の一部の切欠側面図である。可変エネルギー粒子加速器を使用することができる例示的な粒子治療システムの概念図である。磁場及び粒子加速器内の距離の変動に対するエネルギー及び電流を示す例示的なグラフである。粒子ビームのそれぞれのエネルギーレベルについて一定の周波数範囲にわたってディープレート上で電圧を掃引し、粒子ビームエネルギーが変化するときに周波数範囲を変化させるための例示的な構造体の側面図である。可変エネルギー粒子加速器で使用され得る例示的な磁石システムの分解斜視図である。

様々な図面内の類似の参照符号は、類似の要素を示す。

概要
本明細書では、陽子又はイオン治療システムなどの、例示的なシステムにおいて使用するための粒子加速器の一例について説明する。システムは、ガントリー上に取り付けられた粒子加速器−−この例では、シンクロサイクロトロン−−を含む。ガントリーは、以下に詳述するように、加速器を患者の位置の周りに回転させることを可能にする。幾つかの実施例では、ガントリーは鋼製であり、患者の両側に配設された２つの軸受それぞれに回転するように取り付けられた２つの脚部を有する。粒子加速器は、患者が横たわる治療領域を跨設するに十分に長い鉄骨トラスによって支持されており、鉄骨トラスは、その両端においてガントリーの回転式脚部に安定して取り付けられている。患者の周りをガントリーが回転する結果、粒子加速器も回転する。

例示的な一実施例において、粒子加速器（例えば、シンクロサイクロトロン）は、磁場（Ｂ）を発生する電流を伝導するための超電導コイルを保持する低温保持装置を備える。この例では、低温保持装置は、コイルを超電導温度、例えば、４°ケルビン（Ｋ）に維持するために液体ヘリウム（Ｈｅ）を使用する。磁気ヨークは、低温保持装置に隣接し（例えば、周りにあり）、粒子が加速される空洞を画成する。空洞内の磁場（「背景磁場」と称される）は、少なくとも４テスラ、５テスラ、又は６テスラであり、またそれより大きくてもよい（例えば、８テスラ、８．５テスラ、９テスラ、９．５テスラ、１０テスラ、１０．５テスラ、又はそれ以上）。低温保持装置は、ストラップ又は同様のものを通じて磁気ヨークに取り付けられる。

この例示的な実施例では、粒子加速器は、プラズマ柱を空洞に供給するために粒子源（例えば、ペニングイオンゲージ−−ＰＩＧ源）を含む。水素ガスは電離されてプラズマ柱を生成する。電圧源は、高周波（ＲＦ）電圧を空洞に印加して粒子をプラズマ柱から加速する。指摘されているように、この例では、粒子加速器はシンクロサイクロトロンである。したがって、プラズマ柱から粒子を引き出すときに、粒子に対する相対論的効果（例えば、粒子質量が増加する）を考慮してＲＦ電圧が一定範囲の周波数にわたって掃引される。コイルによって発生した磁場により、プラズマ柱から加速された粒子は空洞内の軌道上で加速する。磁場再生器（「再生器」）は空洞の外縁の近くに位置しており、この配置で既存の磁場を調整し、これにより、プラズマ柱から加速された粒子の連続的な軌道の位置（例えば、ピッチ及び角度）を変更し、最終的に、粒子はヨークを通る引き出しチャネルに出力される。再生器は、空洞内のある地点における磁場を増大し（例えば、空洞のある領域において磁場「バンプ」を作り出し）、これにより、その地点の粒子のそれぞれの連続的軌道が引き出しチャネルの進入点の方へ外向きに、引き出しチャネルに到達するまで歳差運動し得る。典型的には、磁場バンプは０．５テスラから２テスラの間であるが、磁場バンプは、異なるシステムではこれらの値より大きい場合も小さい場合もある。引き出しチャネルは、プラズマ柱から加速された粒子を受け、受けた粒子を空洞から出力する。

幾つかの実施例では、再生器は、特定のサイズ及び形状を有する磁場バンプを発生させるように構成された単一の強磁性装置である。単一の強磁性装置は、単一の隣接する、又は物理的に接続された構造体であり得るか、又は２つの垂直方向に整列されているが、磁束が通る空虚な空間によって分離されている物理的に接続されていない強磁性構造体（例えば、それぞれのヨーク上に１つずつある）であってもよい。垂直方向の整列は、ヨーク間の整列を含むものとしてよく、接続されていない強磁性構造体の適切に整列された全体または一部を含む。

空洞内の磁場は高いため（例えば、少なくとも４テスラ）、磁場がコイルを横切るときに比較的高い磁場勾配が発生し得る。この例において、磁場は、空洞の中心（ほぼプラズマ柱の位置）における約９テスラから、超電導コイルを横切るときの約０まで、そして超電導コイルの反対側の約−２テスラまで減少する。さらに、磁力線は空洞の縁で外向きに弓なりに曲がる。曲がる量は、曲がりが約０である（すなわち、磁力線が実質的に直線的である）、空洞の中心（ほぼ粒子源の位置）から増大する。

空洞の縁で弓なりに曲がる磁場は、粒子ビームに対して、特に、曲がりが最も顕著である空洞の縁で、垂直方向の集束（「弱集束」とも称される）を引き起こす。垂直方向の集束は、弓なりに曲がった磁力線に沿って上方に、又は下方に移動することによって粒子がその軌道を逸脱しようとするときに生じる。磁力線が弓なりに曲がる結果、上方に、又は下方に進行しようとしている粒子は、その進行しようとする方向と反対の磁力に直面する。その結果、粒子が正中軌道面から遠く逸脱するのは困難であり、その結果、垂直方向に集束される軌道が得られる。

再生器によって生成される磁場バンプは、上で説明されているように生成される垂直方向の集束を妨げ得る。例えば、磁場バンプは、少なくとも、それが配置される位置で、磁力線の曲がりを相殺するか、又は移動することができ、それによって、垂直方向の集束が妨げられ得る。再生器によって妨げられた垂直方向の集束を復元するために、「フラッターブリック」が再生器のそれぞれの側に再生器のほぼ同じ径方向配置（必ずしも正確に同じではないが）で加えられ得る（径方向配置は、空洞の中心のプラズマ柱に対して測定された距離である）。空間（又は空隙）は、それぞれのフラッターブリックと再生器との間にある。

幾つかの実施例では、フラッターブリックは、磁場変動（「磁気フラッター」又は単純に「フラッター」と称される）をフラッターブリック及び再生器のほぼ径方向位置で磁場内に導入する強磁性装置である。フラッターは、それぞれより高い磁場及びより低い磁場の領域である磁気の「丘」と「谷」とによって発生する隣接する磁場の方位角変化の結果生じる。この例では、フラッターブリック及び再生器は丘を構成する一方、それぞれのフラッターブリックと再生器との間の空虚な空間は谷を構成する。丘と谷との間の磁場の差により、結果として得られる磁力線が粒子ビームに対してある角度の径方向成分を十分に有し垂直方向の集束を引き起こすように磁力線の十分な摂動を適切な径方向領域内に発生する。

幾つかの実施例では、それぞれのフラッターブリックは、特定のサイズ及び形状を有する磁場バンプを発生させるように構成された単一の強磁性装置である。本発明では、単一の強磁性装置は、単一の隣接する、又は物理的に接続された構造体であり得るか、又は２つの垂直方向に整列されているが、磁束が通る空虚な空間によって分離されている物理的に接続されていない強磁性構造体（例えば、それぞれのヨーク上に１つずつある）であってもよい。本発明において、垂直方向の整列はヨークの間の整列を含み、また強磁性構造体の任意の適切に整列された全体又は一部を含む。

幾つかの実施例では、フラッターブリックは、再生器のそれぞれの径方向に隣接する側に１つずつ、２つのみある。他の実施例では、一連のフラッターブリックが、プラズマ柱に対して１つ又は複数の径方向配置にあり得る。例えば、Ｎ番目（Ｎ＞１）半径のそれぞれにおいて、空洞外周の全部又は一部の周りに一連のフラッターブリックがあるものとしてよく、フラッターブリックのそれぞれのペアは低い磁場の対応する空間または他の適切な領域によって隔てられている。これらの空間は、所望の磁気効果に応じて、対応するフラッターブリックとほぼ同じサイズであるか、それより大きいか若しくは小さいものとしてよい。

代替的実施例において、空洞内の磁場は、空洞内の曲がりを低減するように制御され得る。これは、例えば、空洞を画成する磁気ヨークの断面形状を変化させることによって行われ得る。そのようなものとして、上で説明されているように、背景磁場によって本質的に生成される垂直方向の集束はほとんど、又は全くあり得ない。しかし、磁気フラッターは、粒子ビームの垂直方向の集束を引き起こすために使用され得る。例えば、上で説明されている種類のフラッターブリックは、空洞内の様々な径方向位置で配置され得る。代替的に、磁気の丘／谷の配置が、空洞内に実現され得る。例示的な一実施例において、この配置のそれぞれの部分（丘又は谷）は、パイ形状であるものとしてよく、それぞれの部分はプラズマ柱に点を、空洞の縁に縁を有する。代替的に、この配置のそれぞれの部分（丘又は谷）は、風車形であるものとしてよく、それぞれの部分はプラズマ柱に点を、空洞の縁に縁を有する。これら以外の形状も、使用することができる。同様に、これらの形状の変形も、使用することができる。

磁力線を空洞全体にわたって実質的に直線的に維持することによって、空洞の半径を縮小することが可能であり得る。幾つかの実施例では、半径を、例えば、１０％以上縮小することも可能であり、その結果、粒子加速器をよりコンパクトなものにすることができる。さらに、磁場が空洞の縁で弓なりに曲がる実施例では、ＲＦ電圧は、垂直方向の集束によって引き起こされる減少する磁場を補償するために掃引しなければならない。磁気フラッターを使用して垂直方向の集束がもたらされる実施例では、ＲＦ掃引は粒子質量増加に追従するのみであるとしてよいので、範囲及び／又は大きさに関してＲＦ掃引はあまり必要ない。

本明細書で説明されている特徴は、単一の粒子加速器において使用され、これらの特徴の任意の２つ又はそれ以上を単一の粒子加速器内に組み合わせることができる。粒子加速器は、任意の種類の医療又は非医療用途に使用され得る。前述の特徴が使用され得る粒子治療システムの一例を以下に提示する。

例示的な粒子治療システム
図１に表すように、荷電粒子線治療システム５００は、ビーム発生粒子加速器５０２を備えており、ビーム発生粒子加速器５０２の重量及び大きさは、ビーム発生粒子加速器５０２の出力が加速器ハウジングから患者５０に向かう直線方向に（すなわち、実質的に直接）方向づけられている状態において、向けられた出力を有する回転式ガントリー５０４に取り付け可能とされる大きさである。

幾つかの実施例では、鋼製ガントリー５０４は、２つの脚部５０８、５１０を有しており、２つの脚部５０８、５１０は、患者の両側に配設された２つの軸受５１２、５１４それぞれに回転するように取り付けられている。ビーム発生粒子加速器５０２は、患者が横たわる治療領域５１８を跨設するに十分に長い（患者の所望のターゲット領域をビームライン上に維持した状態で空間内において背の高いヒトを完全に回転させることができるように、例えば当該背の高いヒトの身長の２倍の長さとされる）鉄骨トラス５１６によって支持されており、その両端においてガントリーの回転式脚部に安定に取り付けられている。

幾つかの実施例では、ガントリー５０４の回転が３６０°未満の範囲５２０、例えば、約１８０°に制限され、これにより、治療システムを収納するボールト５２４の壁から患者治療領域内部に至るまで床５２２を延在させることができる。また、ガントリー５０４の回転範囲５２０が制限されることによって、患者治療領域の外側に居る人々を放射線から遮蔽するための壁のうち幾つかの壁の必要な厚さを薄くすることができる。ガントリー５０４の回転範囲５２０を１８０°とすれば、すべての治療アプローチ角に対応するのに十分であるが、移動範囲を拡大することは優位である。例えば、回転範囲５２０は、１８０°〜３３０°としても、依然として治療のための床面積に対するクリアランスを確保することができる。

ガントリー５０４の水平回転軸線５３２は、患者と療法士とが治療システムをインタラクティブに操作する場所の床より公称１メートル上方に配置されている。この床は、荷電粒子線治療システム５００を遮蔽しているボールト５２４の最下床より約３メートル上方に位置決めされている。ビーム発生粒子加速器５０２は、治療ビームを回転軸線の下方から照射するために高床の下方において旋回可能とされる。患者用カウチは、ガントリー５０４の回転軸線５３２に対して略平行とされる水平面内において移動及び回転する。カウチは、このような構成によって水平面内において約２７０°の範囲５３４にわたって回転可能とされる。ガントリー５０４及び患者の回転範囲５２０、５３４と自由度との組み合わせによって、療法士は、ビームについての任意のアプローチ角を実質的に選択することができる。必要に応じて、患者を反対の向きでカウチに載置することによって、想定し得るすべての角度が利用可能となる。

幾つかの実施例では、ビーム発生粒子加速器５０２は、超高磁界超電導電磁構造体を有しているシンクロサイクロトロンを利用する。所定の運動エネルギーを具備する荷電粒子の曲率半径は、当該荷電粒子に印加される磁場の増大に正比例して小さくなるので、超高磁界磁場超電導磁気構造体を利用することによって、加速器を小型且つ軽量にすることができる。シンクロサイクロトロンは、回転角度が一様とされる磁場であって、半径が大きくなるに従って強度が低下する磁場を利用する。このような磁場形状は、磁場の規模に関係なく実現されるので、シンクロサイクロトロン内で利用可能とされる磁場の強度（ひいては、固定された半径において結果として得られる粒子エネルギー）についての上限は理論上存在しない。

非常に高い磁場の存在下において、超電導体はその超電導特性を失う。非常に高い磁場を実現するために、高性能な超電導線からなる巻線が利用される。

超電導体は、一般に、その超電導特性が得られる低温状態に至るまで冷却される必要がある。本明細書で説明されている幾つかの実施例では、超電導コイル巻線を絶対零度近傍の温度に冷却するために、冷凍機が利用される。冷凍機を利用することによって、複雑性及びコストが低減される。

シンクロサイクロトロンは、ビームが患者に対して直接生成されるようにガントリーに支持されている。ガントリーは、患者の体内の点又は患者の近傍の点（アイソセンター５４０）を含む水平回転軸線を中心としてサイクロトロンを回転させることができる。水平回転軸線に対して平行とされる分割式トラスが、サイクロトロンをその両側で支持している。

ガントリーの回転範囲は、制限されているので、アイソセンターを中心とする広い領域内に患者支持領域を収容することができる。アイソセンターを中心として広範囲にわたって床を延在させることができるので、患者支持台は、アイソセンターを通過する垂直軸線５４２に対して相対的に移動するように、且つ垂直軸線５４２を中心として回転するように位置決めされ、ガントリーの回転と患者支持台の移動及び回転との組み合わせによって、患者の任意の部位に向けて任意の角度でビームを方向づけることができる。２つのガントリーアームは、背の高い患者の身長の２倍を超える長さで離隔されているので、高床の上方に位置する水平面内において、患者を乗せたカウチを回転及び並進運動させることができる。

ガントリーの回転角度を制限することによって、治療室を囲む壁のうちの少なくとも１つの壁の厚さを低減することができる。一般にコンクリートから構成された厚肉の壁によって、治療室の外に居るヒトは放射線から防護される。陽子ビームを阻止するための下流側の壁は、同等のレベルの防護を実現するために、治療室の反対側の壁の約２倍の厚さとされる場合がある。ガントリーの回転を制限することによって、治療室を３つの側面においてアースグレード（ｅａｒｔｈｇｒａｄｅ）より低く設定することができる一方、占有領域を最も薄肉の壁に隣接させることができるので、治療室を建築するコストを低減することができる。

図１に示されている例示的な実施例において、超電導シンクロサイクロトロン５０２は、シンクロサイクロトロンの磁極間隙において８．８テスラのピーク磁場で動作する。シンクロサイクロトロンは、２５０ＭｅＶのエネルギーを有する陽子ビームを発生する。他の実施例では、場の強度は、４から２０又は６から２０テスラの範囲内とすることが可能であり、陽子エネルギーは、１５０から３００ＭｅＶの範囲内とすることが可能である。

この例で説明されている放射線治療システムは陽子放射線治療に使用されるが、同じ原理及び詳細は、重イオン（イオン）治療システムで使用するための類似のシステムにおいて適用され得る。

図２、図３、図４、図５、及び図６に示されているように、例示的なシンクロサイクロトロン１０（例えば、図１の５０２）は、粒子源９０を収容する磁石システム１２、高周波駆動システム９１、及びビーム引き出しシステム３８を含む。磁石システムによって確立される磁場は、環状超電導コイル４０、４２の分割されたペアと成形された強磁性（例えば、低炭素鋼）磁極面４４、４６のペアとの組み合わせを使用して、内部に存在する陽子ビームの集束を維持するのに適切な形状を有する。

２つの超電導磁気コイルは、共通軸４７を中心とし、この軸に沿って相隔てて並ぶ。図７及び図８に示されているように、コイルは、撚り合わせたケーブルインチャネル導体形態で配設される直径０．８ｍｍのＮｂ_３Ｓｎ系超電導線４８（最初に、銅シースによって囲まれているニオブスズコアを備える）から形成される。７本の個別の線がまとめられてケーブルにされた後、これらは加熱され、ワイヤ状の最終（脆い）超電導体を形成する反応を引き起こす。材料が反応した後、ワイヤは銅チャネル（外径３．１８×２．５４ｍｍ及び内径２．０８×２．０８ｍｍ）内にハンダ付けされ及び、絶縁体５２（この例では、ガラス繊維織布）で覆われる。次いで、ワイヤ５３を収容する銅チャネルコイル状に巻き取られ、これは８．５５ｃｍ×１９．０２ｃｍの矩形の断面を有し、２６の層を有し、層毎に４９回の巻き数を有する。次いで、この巻きコイルは、エポキシ化合物で真空含浸される。完成したコイルは、環状ステンレスリバースボビン５６上に取り付けられる。ヒーターブランケット５５は間隔をあけて巻線の層内に入れられ、磁石クエンチが生じた場合にアセンブリを保護する。

次いで、コイル全体を銅板で覆って熱伝導性及び機械的安定性を付与し、次いで、追加エポキシ層内に収容する。コイルの事前圧縮は、ステンレス製リバースボビンを加熱し、コイルをリバースボビン内に嵌め込むことによって行われ得る。リバースボビンの内径は、質量全体が４Ｋまで冷却されたときに、リバースボビンがコイルと接触したままになり、ある程度の圧縮をもたらすように選択される。ステンレス製のリバースボビンを約５０℃に加熱し、コイルを１００度のケルビン温度でコイルを嵌合すると、これが達成され得る。

コイルの幾何学的形状は、コイルを矩形リバースボビン５６内に取り付けて、コイルが通電されたときに発生する歪みを起こす力に抗して作用する復元力６０を与えることによって維持される。図５に示されているように、コイル位置は、一組の高温−低温支持ストラップ４０２、４０４、４０６を使用して磁石ヨーク及び低温保持装置に対して維持される。低温質量を細いストラップで支持することにより、剛体支持システムによって低温質量に与えられる熱漏洩が低減される。ストラップは、磁石が搭載された状態でガントリーを回転するときにコイルにかかる変化する重力に耐えるように構成される。これらは、重力と、磁気ヨークに対して完全対称位置から摂動したときにコイルによって生じる大きな偏心力との複合効果に耐える。それに加えて、幾つかの実施例では、リンクは、位置が変わった場合にガントリーが加減速する際にコイルに与えられる動的な力を低減する働きをする。それぞれの高温−低温支持体は、１つのＳ２ガラス繊維リンクと１つの炭素繊維リンクとを含む。炭素繊維リンクは、高温のヨークと中間温度（５０〜７０Ｋ）との間のピン上で支持され、Ｓ２ガラス繊維リンク４０８は、中間温度ピン及び低温質量に取り付けられたピン上で支持される。それぞれのリンクは長さ５ｃｍ（ピン中心からピン中心までの間）、幅１７ｍｍである。リンクの厚さは、９ｍｍである。それぞれのピンは、高張力ステンレス鋼から作られ、直径は４０ｍｍである。

図３を参照すると、半径の関数としての場の強度プロファイルは、大部分がコイルの幾何学的形状及び磁極面の形状の選択によって決定され、透磁性ヨーク材料の磁極面４４、４６は、磁場の形状を微調整して加速時に粒子ビームの収束を確実に保つように、起伏が付けられ得る。

超電導コイルは、限定された一組の支持点７１、７３を除き、コイル構造体の周りに自由空間を設ける真空にされた環状アルミニウム又はステンレス製低温保持槽７０の内側にコイルアセンブリ（コイル及びボビン）を封じ込めることによって絶対零度近くの温度（例えば、約４ケルビン）に維持される。代替的バージョン（図４）において、低温保持装置の外壁は、低炭素鋼で作られ、磁場に対する追加の帰還磁路をもたらすことができる。

幾つかの実施例では、絶対零度近くの温度は、１つの単段ギフォードマクマホン冷凍機と３つの２段ギフォードマクマホン冷凍機とを使用して達成され、維持される。それぞれの２段冷凍機は、ヘリウム蒸気を液体ヘリウムに再凝縮する凝縮器に取り付けられた第２段低温端部を有する。冷凍機のヘッドには、圧縮機から圧縮ヘリウムが供給される。単段ギフォードマクマホン冷凍機は、電流を超電導巻線に供給する高温（例えば、５０〜７０ケルビン）のリード線を冷却するように構成される。

幾つかの実施例では、絶対零度近くの温度は、コイルアセンブリ上の異なる位置に配置された２つのギフォードマクマホン冷凍機７２、７４を使用して達成され、維持される。それぞれの冷凍機は、コイルアセンブリと接触する低温端部７６を有する。冷凍機のヘッド７８には、圧縮機８０から圧縮ヘリウムが供給される。他の２つのギフォードマクマホン冷凍機７７、７９は、電流を超電導巻線に供給する高温（例えば、６０〜８０ケルビン）のリード線を冷却するように構成される。

コイルアセンブリ及び低温保持槽は、ピルボックス形状の磁石ヨーク８２の２つの半分８１、８３内に取り付けられ、完全に封じ込められる。この例では、コイルアセンブリの内径は、約７４．６ｃｍである。鉄ヨーク８２は、帰還磁束８４に対する経路となり、磁極面４４、４６の間の容積部８６を磁気遮蔽して外部からの磁気的影響がその容積部内の磁場の形状を摂動するのを防ぐ。ヨークは、加速器の付近の漂遊磁場を減少させる働きもする。幾つかの実施例では、シンクロサイクロトロンは、漂遊磁場を低減する能動的帰還システムを有するものとしてよい。能動的帰還システムの一例は、その内容が参照により本明細書に組み込まれている、２０１３年５月３１日に出願した米国特許出願第１３／９０７，６０１号で説明されている。能動的帰還システムにおいて、本明細書で説明されている比較的大きな磁気ヨークは、磁極片と称される、より小さな磁気構造体で置き換えられる。超電導コイルは、本明細書で説明されている主コイルの反対側に電流を流し、磁気帰還をもたらし、それによって、漂遊磁場を低減する。

図３及び図９に示されているように、シンクロサイクロトロンは、磁気構造体８２の幾何学的中心９２の近くに配置されているペニングイオンゲージ形態の粒子源９０を含む。粒子源は、以下に説明されている通りであるか、又は粒子源は、参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願第１１／９４８，６６２号で説明されている種類のものであってよい。

粒子源９０は、水素の供給部９９からガス管路１０１及び気体水素を送達する管１９４を通して供給される。電気ケーブル９４は電流源９５から電流を運び、磁場２００の方向に揃えられた陰極１９２、１９０からの電子の放出を刺激する。

幾つかの実施例では、ガス管１０１内のガスは、水素と１つ又は複数の種類の他のガスとの混合物を含み得る。例えば、混合物は、水素と希ガス、例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、及び／又はラドンのうちの１つまたは複数を含み得る（混合物は希ガスとの使用に制限されない）。幾つかの実施例では、混合物は、水素とヘリウムとの混合物であってもよい。例えば、混合物は、水素を約７５％以上、ヘリウムを約２５％以下（残留ガスが含まれ得る）含有することができる。別の例では、混合物は、水素を約９０％以上、ヘリウムを約１０％以下（残留ガスが含まれ得る）含有することができる。例えば、水素／ヘリウム混合物は、＞９５％／＜５％、＞９０％／＜１０％、＞８５％／＜１５％、＞８０％／＜２０％、＞７５％／＜２０％などのうちのどれかであってよい。

粒子源中で希ガス（又は他のガス）を水素と組み合わせて使用する利点として考えられるのは、ビーム強度の増大、陰極の寿命の増加、及びビーム出力の定常性の増大である。

この例では、放出される電子は、管１９４から小さな穴を通して出て来るガスを電離し、磁石構造体と１つのダミーディープレート１０２とによって囲まれた空間の半分にかかる１つの半円形（ディー形状）高周波プレート１００によって加速する陽イオン（陽子）の供給部を形成する。遮断された粒子源の場合（その一例は、米国特許出願第１１／９４８，６６２号で説明されている）、プラズマを収容する管の全部（又は実質的な部分）が加速領域で取り除かれ、これにより、比較的高い磁場内でイオンをより高速に加速することができる。

図１０に示されているように、ディープレート１００は、磁石構造体によって囲まれた空間の周りの回転の半分において陽子が加速される空間１０７を囲む２つの半円形表面１０３、１０５を有する中空金属構造体である。空間１０７内に開いているダクト１０９は、ヨークを通り、真空ポンプ１１１が取り付けられ得る外部の場所に延在し、これにより、空間１０７及び、加速が行われる真空槽１１９内の空間の残り部分を真空にする。ダミーディー１０２は、ディープレートの露出されている縁の近くに間隔をあけて並ぶ矩形の金属リングを備える。ダミーディーは、真空槽及び磁気ヨークに接地される。ディープレート１００は、高周波伝送路の終端部に印加される高周波信号によって駆動され、電場を空間１０７内に発生させる。高周波電場は、加速された粒子ビームが幾何学的中心からの距離を増やすにつれ時間に関して変化させられる。高周波電場は、その内容が参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願第１１／９４８，３５９号、名称「ＭａｔｃｈｉｎｇＡＲｅｓｏｎａｎｔＦｒｅｑｕｅｎｃｙＯｆＡＲｅｓｏｎａｎｔＣａｖｉｔｙＴｏＡＦｒｅｑｕｅｎｃｙＯｆＡｎＩｎｐｕｔＶｏｌｔａｇｅ」で説明されているように制御され得る。

ビームが中央に配置された粒子源から現れて粒子源構造体をクリアし、外向きに螺旋を描き始めると、高い電圧差が高周波プレート上に必要になる。高周波プレートに２０，０００Ｖが印加される。幾つかのバージョンでは、８，０００から２０，０００ボルトが高周波プレートに印加され得る。この高い電圧を駆動するために必要な電力を低減するために、磁石構造体は、高周波プレートと接地との間の静電容量を減らすように構成される。これは、高周波構造から外側ヨーク及び低温保持装置ハウジングまで十分な間隔をあけて穴を形成し、磁極面の間に十分な空間を確保することによって行われる。

ディープレートを駆動するこの高電圧の交流電位は加速サイクルにおいて、陽子の増大する相対論的質量と減少する磁場とを考慮して、周波数が低くなるように掃引される。ダミーディーは、真空槽壁と共に接地電位にあるので中空半円筒形構造体を必要としない。基本周波数の異なる位相又は倍数の周波数で駆動される加速電極の複数のペアなどの、他のプレート構成も使用することが可能である。ＲＦ構造は、例えば、互いにかみ合う回転及び静止ブレードを有する回転コンデンサを使用することによって、必要な周波数掃引においてＱを高く保つように調整することができる。ブレードのかみ合い毎に、静電容量が増加し、したがって、ＲＦ構造の共振周波数が下がる。ブレードは、必要な正確な周波数掃引がもたらされる形状に成形され得る。回転コンデンサ用の駆動モータは、正確な制御を行うためにＲＦ発生器に位相固定され得る。一群の粒子が、回転コンデンサのブレードのかみ合い毎に加速される。

加速が行われる真空槽１１９は、中央が薄く、縁が厚い、一般的に円筒形の容器である。真空槽は、ＲＦプレート及び粒子源を封じ込め、真空ポンプ１１１によって真空にされる。高真空を維持することで、加速するイオンが気体分子との衝突で失われないことが保証され、アーク地絡を生じることなくＲＦ電圧をより高いレベルに保つことが可能になる。

陽子は、粒子源から始まる一般的に螺旋状の軌道経路を横断する。螺旋経路のそれぞれのループの半分において、陽子は、空間１０７内のＲＦ電場を通過するときにエネルギーを獲得する。イオンがエネルギーを獲得すると、螺旋経路のそれぞれの連続するループの中心軌道の半径は、ループ半径が磁極面の最大半径に達するまで前のループより大きくなる。その位置で、磁場及び電場摂動はイオンを磁場が急速に減少する領域内に導き、イオンは高い磁場の領域から出て、本明細書では引き出しチャネルと称される真空管３８に通され、サイクロトロンのヨークから出る。磁場摂動を変えてイオンの向きを決めるために磁気再生器が使用され得る。サイクロトロンから出たイオンは、サイクロトロンの周りの部屋内に存在する著しく減少する磁場の領域に入ると分散する傾向を有する。引き出しチャネル３８内のビーム成形要素１０７、１０９は、イオンが空間的広がりを制限された直線的なビーム状態を保つようにイオンの向きを変える。

磁極間隙内の磁場は、加速するときに真空槽内にビームを維持する幾つかの特性を有している必要がある。磁場指数ｎは、式
ｎ＝ −（ｒ／Ｂ）ｄＢ／ｄｒ
で表され、この「弱い」集束を維持するように正に保たれなければならない。ここで、ｒはビームの半径であり、Ｂは磁場である。それに加えて、磁場指数は、０．２未満に維持される必要があるが、それは、この値では、ビームの径方向振動及び鉛直方向振動の周期がｖｒ＝２ｖ_ｚの共振で一致するからである。ベータトロン周波数は、ｖ_ｒ＝（１−ｎ）^１／２及びｖ_ｚ＝ｎ^１／２によって定義される。強磁性磁極面は、磁場指数ｎが所定の磁場内で２５０ＭｅＶのビームと一致する最小の直径において正に維持され、０．２未満となるようにコイルによって生成される磁場を成形するように設計される。

ビームが引き出しチャネルから出るときに、ビームはビームに対する散乱角度及び飛程変調の所望の組み合わせを形成するようにプログラム可能に制御され得るビーム形成システム１２５（図５）に通される。ビーム形成システム１２５は、ビームを患者に導くために内側ガントリー６０１（図１４）と共に使用され得る。

動作時に、プレートは、プレートの表面に沿った導通抵抗の結果として、印加される高周波場からエネルギーを吸収する。このエネルギーは、熱として現れ、熱交換器１１３（図３）内に熱を放出する水冷管路１０８を使用してプレートから取り出される。

サイクロトロンから出る漂遊磁場は、ピルボックス磁石ヨーク（シールドとしても働く）と別の磁気シールド１１４の両方によって制限される。別の磁気シールドは、空間１１６によって隔てられる、ピルボックスヨークを囲む強磁性体材料（例えば、鋼又は鉄）の層１１７を含む。ヨーク、空間、及びシールドのサンドイッチを含むこの構成は、より低い重量で所定の漏れ磁場に対する適切な遮蔽を形成する。

上述のように、ガントリー５０４は、シンクロサイクロトロンを水平回転軸線５３２を中心として回転させる。トラス構造体５１６は、２つの略平行なスパン５８０、５８２を有する。シンクロサイクロトロンは、脚部５０８、５１０同士の間における略中央に且つスパン５８０、５８２同士の間に配設されている。ガントリーは、トラスの反対側に位置する脚部５０８、５１０の端部に取り付けられた釣合いおもり１２２、１２４を利用することによって軸受５１２、５１４を中心として回転するようにバランスされている。

ガントリー５０４は電気モータによって回転駆動され、電気モータはガントリー５０４の少なくとも１つの脚部に取り付けられており、駆動歯車を介して軸受ハウジングに接続されている。ガントリー５０４の回転位置は、ガントリー５０４の駆動モータ及び駆動歯車に組み込まれた軸角エンコーダによって付与される信号から導き出される。

イオンビームがサイクロトロンから出る位置において、ビーム形成システム１２５は、患者の治療に適した特性をイオンビームに付与するようにイオンビームに作用する。例えば、ビームを拡散させ、当該ビームの貫入深さを変化させることによって、所定の目標体積に対して均一に放射することができる。ビーム形成システムは、能動的走査要素に加えて、受動的散乱要素を備えている場合がある。

シンクロサイクロトロンの能動的システムのすべて（例えば、電流駆動式超電導コイル、ＲＦ駆動式プレート、真空加速室のための真空ポンプ、超電導コイル冷却室のための真空ポンプ、電流駆動式粒子源、水素ガス源、及びＲＦプレート冷却装置）が、例えば制御を効果的に実施するために適切なプログラムでプログラムされた１つ以上のコンピュータを含む、適切なシンクロサイクロトロンを制御するための電子機器（図示しない）によって制御される。

ガントリー、患者支持体、能動的ビーム成形要素、及びシンクロサイクロトロンは、適切な治療を制御するための電子機器（図示しない）によって、治療セッションを実施するために制御される。

図１、図１１、及び図１２に表すように、ガントリー５０４の軸受５１２、５１４は、サイクロトロンのボールト５２４の壁によって支持されている。ガントリー５０４は、患者の上方位置、側方位置、及び下方位置を含む１８０°（又は１８０°以上）の回転範囲５２０にわたって、サイクロトロンを旋回させることができる。ボールト５２４は、ガントリー５０４の運動の上端及び下端点においてガントリー５０４が通過可能とされるのに十分な高さを有している。壁１４８、１５０を側面とする迷路１４６は、療法士及び患者のための出入り口経路とされる。少なくとも１つの壁１５２は、サイクロトロンからの直接的な陽子ビームの照射範囲に存在しないので、当該壁は、比較的薄くすることができ、依然として遮蔽機能を発揮させることができる。治療室の他の３つの側壁１５４、１５６、１５０／１４８は、遮蔽を比較的厳重にする必要があり、盛り土（図示しない）に埋設されている。土自体が必要な遮蔽の一部分を果たすことができるので、側壁１５４、１５６、１５８の必要な厚さは低減される。

図１２及び図１３に表すように、安全上及び美観上の理由から、治療室１６０は、ボールト５２４の内部に構成されている。治療室１６０は、旋回するガントリーが通過可能とされるように、且つ、治療室の床面積１６４の範囲を最大限に拡張するように、壁１５４、１５６、１５０及び収容室の基部１６２からガントリー５０４の脚部５０８、５１０同士の間に形成された空間の内部に向かって片持ち梁として形成されている。ビーム発生粒子加速器５０２の定期的整備は、高床の下方の空間内で実施可能とされる。ビーム発生粒子加速器５０２がガントリー５０４の下方位置に至るまで回転された場合、治療領域から離隔された空間内において、加速器全体に対してアクセス可能とされる。電源、冷却機器、真空ポンプ、及び他の支援機器は、当該離隔された空間内において高床の下方に配置されている。患者支持体１７０は、支持体を上下動させると共に患者を様々な位置及び向きに回転及び移動させることができる様々な態様で、治療室１６０の内部に取り付け可能とされる。

図１４に表すシステム６０２では、本明細書で説明されているタイプのビーム発生粒子加速器が、当該実施例ではシンクロサイクロトロン６０４が回転式ガントリー６０５に取り付けられている。回転式ガントリー６０５は、本明細書で説明されているタイプのものであり、患者支持体６０６の周りで角度的に回転することができる。この特徴によって、シンクロサイクロトロン６０４は、様々な角度から粒子ビームを患者に直接照射することができる。例えば、図１４に表すように、シンクロサイクロトロン６０４が患者支持体６０６の上方に位置している場合には、粒子ビームは患者に向かって下方に方向づけられている。代替的には、シンクロサイクロトロン６０４が患者支持体６０６の下方に位置している場合には、粒子ビームは患者に向かって上方に方向づけられている。中間ビーム経路指定機構が必要ないという意味では、粒子ビームは患者に直接印加される。本発明では、成形又はサイズ決定機構がビームの経路変更をするのではなく、同一且つ一般的なビーム軌道を維持しつつビームのサイズ及び／又は形状を決定するという点において、中間ビーム経路指定機構は成形又はサイズ決定機構と相違する。

上述のシステムの例示的な実施例に関するさらなる詳細は、米国特許第７，７２８，３１１号明細書及び米国特許出願第１２／２７５，１０３号に開示されている。これら特許文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれている。幾つかの実施例では、シンクロサイクロトロンは、以下に及び米国特許出願第１３／９１６，４０１号明細書で説明されている可変エネルギーデバイスとされる場合がある。当該特許文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれている。

例示的な実施例
図１５は、粒子が軌道上で（例えば、外向きの螺旋状軌道内で）加速される空洞７００の一部の上面図を示している。例が上で説明されている粒子源７０１は、空洞のほぼ中心に配設されている。荷電粒子（例えば、陽子又はイオン）は、粒子源７０１によって生成されるプラズマ柱から引き出される。荷電粒子は磁気再生器７０２の方へ軌道内で外向きに加速して、最終的に磁場再生器７０２に到達する。この例示的な実施例では、再生器７０２は、例えば、鋼鉄、鉄、又は他の種類の強磁性体材料から作られる単一の強磁性装置である。再生器７０２は、それぞれの磁気ヨークの各半分に接続されている部分を含み得る。再生器７０２は、外向きの軌道上の加速を引き起こす背景磁場を変化させる。この例では、再生器７０２は、その磁場を増大させる、例えば、磁場をその位置で強めることによって磁場にバンプをもたらす。背景磁場内のバンプは、軌道を引き出しチャネル７０３の方へ外向きに移動させる形で粒子軌道に影響を及ぼす。最終的に、軌道は、引き出しチャネル７０３に入り、そこから出る。

さらに詳しく述べると、粒子ビーム軌道は、再生器７０２に接近し、相互作用する。磁場の増大の結果、粒子ビームはそこで少し向きを変え、円形である代わりに、引き出しチャネルへ歳差運動する。図１６は、粒子源７０２に関して半径（ｒ）に対してプロットされた磁場（Ｂ）を示している。図１６に示されているように、この例では、Ｂは約９テスラ（Ｔ）から約−２Ｔまで変化する。他の実施例では、磁場は、約４Ｔ、５Ｔ、６Ｔ、７Ｔ、８Ｔ、８．５Ｔ、９．５Ｔ、１０Ｔ、１０５Ｔなどから−２Ｔ又は他の値に変化し得る。この実施例において、９Ｔは、空洞７００のほぼ中心のところで出現する。磁場の極性は、磁場が超電導コイルを横切った後に変化し、その結果コイルの外に約−２Ｔが生じ、最終的に、約０まで減少して行く。磁場バンプ７０５は、再生器の地点に生じる。図１６は、２つの超電導コイル７０９、７１０の間に引き出しチャネル７０３を有するボビン７０６の断面７０６に関する磁場のプロットも示している。

図１８は、再生器の磁気効果を示す。より具体的には、図１８に示されているように、再生器７０２は、磁力線７５０によって表される磁場を発生する。磁力線７５０は、背景磁場内に磁気的局所的欠損７５３を生じる。この局所的欠損は、図１６にも示されている。より具体的には、上で指摘されているように、図１６に、背景磁場内の対応する局所的欠損７５３と共に、再生器７０２によって生成される磁場バンプ７０５（例えば、０．５Ｔから２Ｔ）が示されている。図示されているように、局所的欠損７５３は、背景磁場に比べて比較的小さい。そのようなものとして、これが軌道の歳差運動に及ぼす効果は、比較的小さい。その結果、本明細書で説明されているものと類似の特性を有する単一の再生器を使用することができる。

図１７に表すように、再生器７０２は、軌道７１０の角度７８０及びピッチ７８１の変化を、引き出しチャネル７０３への移動が行われるように引き起こす。引き出しチャネルの地点で、磁場の強度は、粒子ビームが引き出しチャネル内に入り、その中を進行することを可能にする十分な低さである。また図１５に表すように、引き出しチャネル７０３は、双極子場への加算及び／又は減算を行い、入ってくる粒子ビームを引き出しチャネル７０３に通しビーム成形要素に導くための様々な磁気構造体７１１を収容する。

上で説明されているように、再生器７０２によって生成される磁場バンプは、空洞７００内の磁力線が弓なりに曲がること（又は他の歪み）によって引き起こされる垂直方向の集束を妨げ得る。この点で、図１９は、空洞７００の断面及びヨーク間の磁力線８００を示している。図示されているように、磁力線８００は、空洞の縁の方へ次第に弓なりに曲がり、最も顕著な曲がりは縁に見られる。上で説明されているように、この弓なりの曲がりは、垂直方向の集束を引き起こすが、その垂直の集束は、再生器によって妨げられる。他の実施例では、異なる種類の磁力線の歪みも、垂直方向の集束を引き起こし、また再生器又は同様のデバイスの動作によって妨げられ得る。

２つ又はそれ以上のフラッターブリックが空洞７００内に組み込まれ、空洞内に垂直方向の集束を引き起こすように再生器に対して配置され得る。図１５の例において、フラッターブリック８０２、８０３は、再生器７０２のそれぞれの側に１つずつ、２つある。図１５に示されているように、それぞれのフラッターブリックと再生器との間に、空間（又は空隙）がある。空間、再生器及びフラッターブリックの組み合わせは、粒子軌道に対する適切な角度の１つ又は複数の成分を有する磁場変動を発生し、垂直方向の集束を引き起こす。幾つかの実施例では、空間、再生器、及びフラッターブリックの組み合わせは、垂直方向の適切な量の集束を発生するように構造化され得る。例えば、幾つかの実施例では、この組み合わせによってもたらされる垂直方向の集束の量は、再生器によって引き起こされる垂直方向の集束の喪失を全体的に補償するか、又はその量を超えるのに十分であるものとしてよい。

図１５の例は、再生器の径方向配置に近い（が同一でない）径方向配置においてフラッターブリックを２つのみ示している。例示的な一実施例において、方位角平均正規化磁場変化率によって定められる磁場フラッターは、０．２５％から２０％の間である。他の実施例では、２つよりも多いフラッターブリックをその径方向配置に追加することができる。例えば、空洞の外周全体の周りで、適切な空間によって分離された、フラッターブリックがあり得る。例えば、図２０は、径方向配置８１５における空洞８１２の外周の周りのフラッターブリック８１０及び空間８１１を示している。他の例では、異なる径方向配置、及び複数の径方向配置に、フラッターブリックがあり得る。例えば、図２１に表すように、径方向配置８１５、８１６、８１７のところにフラッターブリックがあるものとしてよく、それぞれの径方向配置においてフラッターブリックの間に適切な空間がある。図２１は、それぞれの径方向配置における空洞の外周全体の周りのフラッターブリックを示しているが、これはそうでなくてもよい。むしろ、フラッターブリックは、図１５の実施例の場合のように、径方向配置における外周の一部のみを占有していてもよい。

前述の実施例では、強磁性装置を空間で分離されたフラッターブリックとして使用している。上で説明されているように、それぞれのフラッターブリックは、特定のサイズ及び形状を有する磁場バンプを発生させるように構成された単一の強磁性装置であってよい。単一の強磁性装置は、単一の隣接する、又は物理的に接続された構造体であり得るか、又は２つの垂直方向に整列されているが、磁束が通る空虚な空間又は他の材料によって分離されている物理的に接続されていない強磁性構造体（例えば、それぞれのヨーク上に１つずつある）であってもよい。垂直方向の整列はヨーク又は磁極片などの他の磁気構造体の間の整列を含むものとしてよく、また強磁性構造体の任意の適切に整列された全体又は一部を含む。

フラッターブリック、空間、及び再生器の前述の構成は、適切なレベルの磁場変動を発生させる丘／谷構成をもたらす。幾つかの実施例では、「谷」領域は、空虚な空間を使用して実現される必要はないが、むしろ、フラッターブリックと異なるサイズ及び／又は形状（例えば、短い、高い、薄い、厚い、スリム、幅広など）を有し、同じ材料から作られている強磁性構造体を使用するか、又はフラッターブリックと同じ若しくは異なるサイズであるが、フラッターブリックと異なる強磁性特性を有する構造体を使用して実現され得る。強磁性体材料、非強磁性体材料、能動的コイル、及び空虚な空間の任意の適切な組み合わせを使用して、上で説明されている種類の垂直方向の集束を引き起こす適切な磁場変動を発生させることができる。

この点で、図に示されているフラッターブリックは、ほぼ同じサイズ及び形状のものであるけれども、そのサイズ及び／又は形状は、同じ径方向配置または異なる径方向配置のいずれかにおいて異なり得る。さらに、径方向配置毎のフラッターブリックの数は、半径毎に異なり得る。一般的に言えば、フラッターブリックの数及び構成は、必要に応じて、空洞全体を通しての垂直方向の適切なレベルの集束を発生するように設定され得る。

他の実施例では、空洞は、中の磁場における曲がり（又は他の歪み）の量を低減するか、又は最小にするように制御され得る。例えば、磁気空洞に面する表面上のヨーク８１９（又は他の磁気構造体）の形状は、図２２に示されるようなものであってよい。この形状では、空洞８２２内の磁力線８２０は、空洞の縁にあっても、空洞全体にわたって実質的に直線的である（他の実施例では、磁力線は弓なりに曲がる）。直線的な磁力線は、粒子加速器において幾つかの利点を有する。例えば、上で説明されているように、磁力線を空洞全体にわたって実質的に直線的に維持することによって、性能を著しく低下させることなく空洞の半径を縮小することが可能である。また、ＲＦ掃引は粒子質量増加に追従するのみであるとしてよいので、範囲及び／又は大きさに関してＲＦ掃引はあまり必要ない。しかし、磁力線を空洞全体にわたって実質的に直線的に保つことでも、上で説明されているように、さもなければ磁力線が弓なりに曲がる結果生じるであろう垂直方向の集束が低減されるか、又は排除される。

フラッターは、磁力線が空洞全体にわたって実質的に直線的である実施例において垂直方向の集束をもたらすために使用され得る。例えば、フラッターブリックは、図１５、図２０、及び図２１に示されているように、適切な空間又は他の構造体と共に、フラッターを発生させるために使用される磁気の丘及び谷を形成するために組み込まれ得る。上で説明されているように、フラッターブリックは、１つ又は複数の径方向配置に導入され、またそれぞれの径方向配置において空洞の外周全体を横断する場合もしない場合もある。この実施例において、磁気変動の領域（例えば、磁気の丘及び谷）は、上で説明されている、又は本明細書の別のところで説明されている構成の任意の１つ又は複数を使用して生成され得る。

他の実施例では、フラッターは、異なる強磁性特性を有する連続領域を使用して生成され得る。例えば、図２３は、フラッターを発生させ、それによって粒子ビームを垂直方向に集束させるために粒子加速器の共振空洞内に組み込まれ得る構造体８２２を示している。構造体８２２は、高い磁場を有する領域８２４及び低い磁場を有する領域８２５を含む。本発明における「高い」は、単に低い磁場領域内の「低い」磁場よりも高いことを意味し、「高い」も「低い」もいかなる絶対値又は特定の値も暗示することを意図していない。

この実施例において、それぞれの領域はパイ形状であり、焦点又は中心点は空洞（プラズマ柱が配置されている）のほぼ中心にあるが、すべての実施例においてそうである必要はない。それぞれのパイ形状の領域の縁は、空洞の外縁におおよそ対応しているが、すべての実施例においてそうである必要はない。高い磁場と低い磁場の領域が交互に位置し、本明細書で説明されている特性のうちのどれかを有するものとしてよい。例えば、これらは、強磁性装置及び空虚な空間である、これらは、異なる材料（例えば、強磁性体材料及び非強磁性体材料）である、これらは、異なる量の強磁性体材料（例えば、鉄、鋼鉄など）を有する、などとしてよい。また、図は高い磁場及び低い磁場の領域がほぼ同じサイズであるように示しているが、これはそうである必要はない。これらの領域は、異なるサイズを有することができる。同様に、同一種類の異なる領域が、異なるサイズを有していてもよく、異なる実施例では異なる数の領域があってもよい。これはすべて、粒子加速器内で望まれるフラッターの量及び形状に依存する。共振（加速）空洞は、単一の構造体８２２又は複数の垂直方向に整列されたそのような構造体８２２を収容することができる。複数の構造体の場合、それぞれの構造体８２２は、ヨーク又は別の場所に接続され得る。

図２４に表すように、代替的一実施例において、フラッターを発生させ、それによって粒子ビームを垂直方向に集束させるために粒子加速器の共振空洞内に組み込まれ得る構造体８３０は、風車形を有するものとしてよい。図２３のパイ形状構造体８２２に関連するすべての特性及び変形は、図２４の風車形構造体に等しく適用される。例えば、構造体８３０は、高い磁場を有する領域８３１及び低い磁場を有する領域８３２を含む。上述のように、本発明における「高い」は、単に低い磁場領域内の「低い」磁場よりも高いことを意味し、「高い」も「低い」もいかなる絶対値又は特定の値も暗示することを意図していない。

構造体８２２及び８３０のいずれか一方又は両方は、フラッターを発生させるか、又はフラッターブリック及び空間によってもたらされるフラッターを増大するために図１５、図２１、及び図２２の実施例に組み込まれ得ることに留意されたい。

幾つかの実施例では、フラッター誘導構造体は、異なるレベルの丘及び谷を有することができる。例えば、そのような構造体の側面図である図２５に表すように、強磁性体材料を収容しない谷８３５、第１の高さを有する第１の丘８３６、及び第２の高さを有する第２の丘８３７がある。第２の丘８３７は、その高さにより、第１の丘８３６より強い強磁性体材料を収容し、これは谷８３５よりも強い強磁性体材料を収容する。そのような構成は、それぞれ図２３及び図２４の構造体に似た構成に組み込まれ得る。同様に、フラッター誘導構造体は、２つ又は３つのレベル（例えば、量）の強磁性体材料との併用に制限されないが、むしろ、適切な数のレベルの強磁性体材料及び／又は異なる種類の材料を組み込むことができる。

可変エネルギー粒子加速器
本明細書で説明されている例示的な粒子治療システムにおいて使用される粒子加速器は、可変エネルギー粒子加速器であるものとしてよい。

引き出される粒子ビーム（加速器から出力される粒子ビーム）のエネルギーは、治療時の粒子ビームの使用に影響を及ぼし得る。幾つかの機械では、粒子ビーム（又は粒子ビーム中の粒子）のエネルギーは、引き出し後に増加しない。しかし、エネルギーは、引き出し後と治療前に治療の必要性に基づき低減され得る。図２６に表すように、例示的な治療システム９１０は、加速器９１２、例えば、シンクロサイクロトロンを備え、そこから可変エネルギーを有する粒子（例えば、陽子）ビーム９１４が引き出され、身体９２２のターゲット容積部９２４に照射される。適宜、走査ユニット９１６若しくは散乱ユニット９１６、１つ又は複数の監視ユニット９１８、及びエネルギーデグレーダ９２０などの、１つ又は複数の追加のデバイスが、照射方向９２８に沿って置かれる。これらのデバイスは、引き出されたビーム９１４の断面を遮断し、治療用の引き出されたビームの１つ又は複数の特性を変える。

治療のため粒子ビームを照射されるターゲット容積部（照射ターゲット）は、典型的には、３次元構成を有する。幾つかの例では、治療を実施するために、ターゲット容積部は、照射が層毎に行われるように粒子ビームの照射方向に沿って幾つかの層に分割される。陽子などの幾つかの種類の粒子について、ターゲット容積部内の貫入深さ（又はビームが到達する層）は、もっぱら、粒子ビームのエネルギーによって決定される。所定のエネルギーの粒子ビームは、そのエネルギーに対する対応する貫入深さを実質的に超えて到達することはない。ターゲット容積部の一方の層から他方の層にビーム照射を移動するために、粒子ビームのエネルギーが変えられる。

図２６に示されている例において、ターゲット容積部９２４は、照射方向９２８に沿って９つの層９２６ａ〜９２６ｉに分割される。例示的なプロセスにおいて、照射は、最も深い層９２６ｉから始まり、１回に層１つずつ徐々により浅い層に進み、最も浅い層９２６ａで終わる。身体９２２に印加する前に、粒子ビーム９１４のエネルギーは、実質的に身体又はターゲット容積部、例えば、層９２６ｅ〜９２６ｉの中にさらに、又は身体のさらに奥深くまで貫入することなく、粒子ビームが所望の層、例えば、層９２６ｄで停止できるレベルに制御される。幾つかの例では、粒子ビーム９１４の所望のエネルギーは、治療層が粒子加速に対して浅くなって行くにつれ減少する。幾つかの例では、ターゲット容積部９２４の隣接する層を治療するためのビームエネルギーの差は、約３ＭｅＶから約１００ＭｅＶ、例えば、約１０ＭｅＶから約８０ＭｅＶであるけれども、他の差も、例えば、層の厚さ及びビームの特性に応じて可能である。

ターゲット容積部９２４の異なる層を治療するためのエネルギー変化は、幾つかの実施例では、加速器９１２から粒子ビームが引き出された後に追加のエネルギー変化が不要になるように加速器９１２において実行され得る（例えば、加速器側でエネルギーを変化させることができる）。したがって、治療システム１０内のオプションのエネルギーデグレーダ９２０は、システムから排除され得る。幾つかの実施例では、加速器９１２は、約１００ＭｅＶから約３００ＭｅＶまでの間、例えば、約１１５ＭｅＶから約２５０ＭｅＶまでの間で変化するエネルギーを有する粒子ビームを出力することができる。変化は、連続的又は非連続的、例えば、１回１ステップずつであってよい。幾つかの実施例では、連続的な、又は非連続的な変化は、比較的高い速度、例えば、毎秒約５０ＭｅＶまで又は毎秒約２０ＭｅＶまでの速度で生じ得る。非連続的変化は、約１０ＭｅＶから約９０ＭｅＶのステップサイズで１回に１ステップずつ実行され得る。

１つの層で照射が完了すると、加速器９１２は、次の層を照射するために、例えば、数秒以内、又は１秒未満の間に、粒子ビームのエネルギーを変化させることができる。幾つかの実施例では、ターゲット容積部９２４の治療は、実質的な中断なしで、又はいかなる中断も伴わずに、継続することができる。幾つかの状況において、非連続的エネルギー変化のステップサイズは、ターゲット容積部９２４の２つの隣接する層を照射するために必要とされるエネルギーの差に対応するように選択される。例えば、ステップサイズは、エネルギーの差と同じであるか、又は何分の１かであってよい。

幾つかの実施例では、加速器９１２及びデグレーダ９２０は、一体となって、ビーム９１４のエネルギーを変化させる。例えば、加速器９１２で粗調整を行い、デグレーダ９２０で微調整を行う、又はその逆を行う。この例では、加速器９１２は、約１０〜８０ＭｅＶの変化ステップでエネルギーを変化させる粒子ビームを出力することができ、デグレーダ９２０は、約２〜１０ＭｅＶの変化ステップでビームのエネルギーを調整する（例えば、低減する）。

飛程調整器を備え得る、エネルギーデグレーダの使用を減らす（か、又は使用しない）ことで、加速器からの出力ビームの特性及び品質、例えば、ビーム強度が維持しやすくなる。粒子ビームの制御は、加速器で実行され得る。副作用、例えば、粒子ビームがデグレーダ９２０を通るときに発生する中性子からの副作用が低減されるか、又は排除され得る。

粒子ビーム９１４のエネルギーは、ターゲット容積部９２４における治療の完了後に別の身体又は身体部分９２２’内の別のターゲット容積部９３０を治療するように調整され得る。ターゲット容積部９２４、９３０は、同じ身体（又は患者）内にあるか、又は異なる患者に属していてもよい。身体９２２’の表面からのターゲット容積部９３０の深さＤは、ターゲット容積部９２４の深さと異なることがあり得る。デグレーダ９２０によって何らかのエネルギー調整が実行され得るが、デグレーダ９１２は、ビームエネルギーを低減するだけであって、ビームエネルギーを増大させることはあり得ない。

この点で、幾つかの場合において、ターゲット容積部９３０を治療するのに必要なビームエネルギーは、ターゲット容積部９２４を治療するのに必要なビームエネルギーより大きい。このような場合に、加速器９１２は、ターゲット容積部９２４を治療した後、ターゲット容積部９３０を治療する前に、出力ビームエネルギーを増大させることができる。他の場合には、ターゲット容積部９３０を治療するのに必要なビームエネルギーは、ターゲット容積部９２４を治療するのに必要なビームエネルギーより小さい。デグレーダ９２０は、エネルギーを低減し得るけれども、加速器９１２は、デグレーダ９２０の使用を減らすか、又は排除するためにより低いビームエネルギーを出力するように調整することができる。ターゲット容積部９２４、９３０の幾つかの層への分割は、異なることも、同じであることもあり得る。また、ターゲット容積部９３０は、ターゲット容積部９２４の治療と層毎に類似の仕方で治療され得る。

同じ患者の異なるターゲット容積部９２４、９３０の治療は、実質的に連続的である、例えば、停止時間を２つの容積部が約３０分以内より長くない、例えば、２５分以内、２０分以内、１５分以内、１０分以内、５分以内、又は１分以内となるものとしてよい。本明細書で説明されているように、加速器９１２は、移動可能なガントリー上に取り付けることができ、ガントリーの移動で、加速器を異なるターゲット容積部をねらって移動させることができる。幾つかの状況において、加速器９１２は、治療システムがターゲット容積部９２４の治療を完了した後、及びターゲット容積部９３０の治療を開始する前に（ガントリーを移動するなどの）調整を行っているときに出力ビーム９１４のエネルギー調整を完了することができる。加速器とターゲット容積部９３０との整列が行われた後、治療は調整された所望のビームエネルギーで開始することができる。異なる患者に対するビームエネルギー調整は、比較的効率よく完了させることもできる。幾つかの例において、ビームエネルギーを増大／低減するステップ及び／又はガントリーを移動するステップを含む、すべての調整は、約３０分以内、例えば、約２５分以内、約２０分以内、約１５分以内、約１０分以内、又は約５分以内に行われる。

ターゲット容積部の同じ層において、走査ユニット９１６を使用してビームを層の２次元表面の端から端まで移動する（走査ビームとも称される）ことによって照射線量が印加される。代替的に、層は、散乱ユニット１６の１つ又は複数の散乱体に引き出されたビーム（散乱ビームとも称される）を通すことによって照射を受けるものとしてよい。

エネルギー及び強度などの、ビーム特性は、治療前に選択され得るか、又は治療中に、加速器９１２及び／又は、走査ユニット／散乱体９１６、デグレーダ９２０、及び図示されていない他のものなどの、他のデバイスを制御することによって調整され得る。この例示的な実施例において、上で説明されている例示的な実施例と同様に、システム９１０は、システム内の１つ又は複数のデバイスと通信する、コンピュータなどの制御装置９３２を備える。制御は、１つ又は複数のモニター９１８によって実行される監視、例えば、ビーム強度、線量、ターゲット容積部内のビーム配置、などの監視の結果に基づくものとしてよい。モニター９１８は、デバイス９１６とデグレーダ９２０との間にあるものとして図示されているけれども、１つ又は複数のモニターをビーム照射経路に沿った他の適切な配置に置くことができる。制御装置９３２は、（同じ患者及び／又は異なる患者の）１つ又は複数のターゲット容積部に対する治療計画を格納することもできる。治療計画は治療が開始する前に決定され、ターゲット容積部の形状、照射層の数、それぞれの層に対する照射線量、それぞれの層が照射を受ける回数、などのパラメータを備えることができる。システム９１０内のビーム特性の調整は、治療計画に基づき実行され得る。追加の調整は、治療時、例えば、治療計画からの逸脱が検出されたときに実行され得る。

幾つかの実施例では、加速器９１２は、粒子ビームが加速される磁場を変化させることによって出力粒子ビームのエネルギーを変化させるように構成される。例示的な一実施例において、１つ又は複数のコイルセットが、変動電流を受けて、空洞内に変動磁場を発生する。幾つかの例では、１つのコイルセットが固定電流を受けるが、１つ又は複数の他のコイルセットはコイルセットが受ける全電流が変化するように変動電流を受ける。幾つかの実施例では、すべてのコイルセットが超電導である。他の実施例では、固定電流に対するセットなどの幾つかのコイルセットは、超電導であるが、変動電流に対する１つ又は複数のセットなどの他のコイルセットは、非超電導である。幾つかの例では、すべてのコイルセットが非超電導である。

一般的に、磁場の大きさは、電流の大きさと共に増減し得る。コイルの全電流を所定の範囲内に調整することで、対応する所定の範囲内で変化する磁場を発生することができる。幾つかの例では、電流の連続的調整により、磁場の連続的変動及び出力ビームエネルギーの連続的変動を引き起こすことができる。代替的に、コイルに印加される電流が、非連続的、段階的に調整される場合、磁場及び出力ビームエネルギーも、それに応じて非連続的に（段階的に）変化する。磁場を電流に応じて増減させることにより、ビームエネルギーを比較的正確に変化させることができるが、場合によっては、入力電流以外の微調整を実施することができる。

幾つかの実施例では、可変エネルギーを有する粒子ビームを出力するために、加速器９１２は、それぞれの範囲が異なる出力ビームエネルギーに対応する、異なる周波数範囲にわたって掃引するＲＦ電圧を印加するように構成される。例えば、加速器９１２が、３つの異なる出力ビームエネルギーを発生するように構成されている場合、ＲＦ電圧は、３つの異なる周波数範囲にわたって掃引することができる。別の例では、連続的ビームエネルギー変化に対応することで、ＲＦ電圧は、連続的に変化する周波数範囲にわたって掃引する。異なる周波数範囲は、異なる下限周波数境界及び／又は上限周波数境界を有することができる。

引き出しチャネルは、可変エネルギー粒子加速器によってもたらされる異なるエネルギーの範囲に適応するように構成され得る。異なるエネルギーを有する粒子ビームは、単一のエネルギーを有する粒子ビームを引き出すために使用される再生器の特徴を変えることなく加速器９１２から引き出され得る。他の実施例では、可変粒子エネルギーに適応するために、再生器を移動して上で説明されているように異なる粒子軌道を乱し（例えば、変化させて）、及び／又は鉄製ロッド（磁気シム）を加えるか、又は取り外して再生器によってもたらされる磁場バンプを変化させることができる。より具体的には、異なる粒子エネルギーは、典型的には、空洞内で異なる粒子軌道にある。再生器を本明細書で説明されているように移動することによって、粒子軌道を特定のエネルギーで遮断し、それによって、特定のエネルギーにおける粒子が引き出しチャネルに到達するようにその軌道の正しい摂動をもたらすことが可能である。幾つかの実施例では、再生器の移動（及び／又は磁気シムの追加／取り外し）は、加速器によって出力される粒子ビームエネルギーのリアルタイムの変化と一致するようにリアルタイムで実行される。他の実施例では、粒子エネルギーは、治療毎に調整され、再生器の移動（及び／又は磁気シムの追加／取り外し）は、治療の前に実行される。いずれの場合も、再生器の移動（及び／又は磁気シムの追加／取り外し）は、コンピュータ制御され得る。例えば、コンピュータは、再生器及び／又は磁気シムの移動を引き起こす１つ又は複数のモータを制御することができる。

幾つかの実施例では、再生器は、適切な配置に移動するように制御可能である１つ又は複数の磁気シムを使用して実装される。

幾つかの実施例では、構造体７１５（上で説明されている）は、粒子加速器によって生成される異なるエネルギーに適応するように制御される。例えば、構造体７１５は、適切な厚さで、特定のエネルギーを有する粒子ビームを遮断するように回転され得る。したがって、構造体７１５は、粒子ビームのエネルギーの少なくとも一部を吸収し、これにより、上で説明されているように、粒子ビームに引き出しチャネルを横断させることができる。

例えば、表１は、例示的な加速器９１２が粒子ビームを出力することができる３つの例示的なエネルギーレベルを示している。３つのエネルギーレベルを生成するための対応するパラメータも一覧に挙げてある。この点で、磁石電流は、加速器９１２内の１つ又は複数のコイルセットに印加される全電流を指しており、最高及び最低周波数は、ＲＦ電圧が掃引する範囲を定義し、「ｒ」は、ある場所から粒子が加速される空洞の中心までの径方向距離である。

可変エネルギーを有する荷電粒子を生成する例示的な粒子加速器に含まれ得る詳細について以下で説明する。加速器はシンクロサイクロトロンであり、粒子は陽子であるものとしてよい。粒子は、パルスビームとして出力される。粒子加速器から出力されるビームのエネルギーは、患者体内の一方のターゲット容積部を治療している間、又は同じ患者若しくは異なる患者の異なるターゲット容積部の治療から次の治療までの間に、変化させることができる。幾つかの実施例では、加速器の設定は、加速器からビーム（又は粒子）が出力されないときにビームエネルギーを変化させるように変更される。エネルギー変化は、所望の範囲にわたって連続的又は非連続的であってよい。

図１に示されている例に表すように、上で説明されている加速器９１２のような可変エネルギー粒子加速器であってよい、粒子加速器（シンクロサイクロトロン５０２）は、可変エネルギーを有する粒子ビームに対して構成され得る。可変エネルギーの範囲は、約２００ＭｅＶから約３００ＭｅＶ以上、例えば、２００ＭｅＶ、約２０５ＭｅＶ、約２１０ＭｅＶ、約２１５ＭｅＶ、約２２０ＭｅＶ、約２２５ＭｅＶ、約２３０ＭｅＶ、約２３５ＭｅＶ、約２４０ＭｅＶ、約２４５ＭｅＶ、約２５０ＭｅＶ、約２５５ＭｅＶ、約２６０ＭｅＶ、約２６５ＭｅＶ、約２７０ＭｅＶ、約２７５ＭｅＶ、約２８０ＭｅＶ、約２８５ＭｅＶ、約２９０ＭｅＶ、約２９５ＭｅＶ、又は約３００ＭｅＶ以上である上限境界を有することができる。この範囲は、約１００ＭｅＶ以下から約２００ＭｅＶまで、例えば、約１００ＭｅＶ以下、約１０５ＭｅＶ、約１１０ＭｅＶ、約１１５ＭｅＶ、約１２０ＭｅＶ、約１２５ＭｅＶ、約１３０ＭｅＶ、約１３５ＭｅＶ、約１４０ＭｅＶ、約１４５ＭｅＶ、約１５０ＭｅＶ、約１５５ＭｅＶ、約１６０ＭｅＶ、約１６５ＭｅＶ、約１７０ＭｅＶ、約１７５ＭｅＶ、約１８０ＭｅＶ、約１８５ＭｅＶ、約１９０ＭｅＶ、約１９５ＭｅＶ、約２００ＭｅＶである下限境界も有することができる。

幾つかの例では、この変化は、非連続的であり、変化ステップは、約１０ＭｅＶ以下、約１５ＭｅＶ、約２０ＭｅＶ、約２５ＭｅＶ、約３０ＭｅＶ、約３５ＭｅＶ、約４０ＭｅＶ、約４５ＭｅＶ、約５０ＭｅＶ、約５５ＭｅＶ、約６０ＭｅＶ、約６５ＭｅＶ、約７０ＭｅＶ、約７５ＭｅＶ、又は約８０ＭｅＶ以上のサイズを有することができる。エネルギーを１ステップサイズだけ変化させるのに要する時間は、３０分以内、例えば、約２５分以内、約２０分以内、約１５分以内、約１０分以内、約５分以内、約１分以内、又は約３０秒以内であり得る。他の例では、この変化は、連続的であり、加速器は粒子ビームのエネルギーを比較的高い率、例えば、毎秒最大約５０ＭｅＶまで、毎秒最大約４５ＭｅＶまで、毎秒最大約４０ＭｅＶまで、毎秒最大約３５ＭｅＶまで、毎秒最大約３０ＭｅＶまで、毎秒最大約２５ＭｅＶまで、毎秒最大約２０ＭｅＶまで、毎秒最大約１５ＭｅＶまで、又は毎秒最大約１０ＭｅＶまで調整することができる。加速器は、粒子エネルギーを、連続的にも、非連続的にも調整するように構成され得る。例えば、連続的変化と非連続的変化の組み合わせを、１つのターゲット容積部の治療に、又は異なるターゲット容積部の治療に使用することができる。柔軟な治療計画及び柔軟な治療が実現され得る。

可変エネルギーを有する粒子ビームを出力する粒子加速器は、照射治療を正確にすることができ、また治療に使用される追加のデバイス（加速器以外）の数を減らすことができる。例えば、出力粒子ビームのエネルギーを変化させるためのデグレーダの使用が低減されるか、又は使用しないようにできる。強度、集束などの粒子ビームの特性は、粒子加速器において制御され、粒子ビームは、追加のデバイスからの実質的な遮断を受けることなくターゲット容積部に到達することができる。ビームエネルギーの比較的高い変化率は、治療時間を短縮し、治療システムの効率的な使用を可能にし得る。

幾つかの実施例では、図１のシンクロサイクロトロン５０２などの加速器は、加速器内の磁場を変化させることによって粒子又は粒子ビームを可変エネルギーレベルまで加速するが、これは、磁場を発生させるためにコイルに印加される電流を変化させることによって実現され得る。図３、図４、図５、図６、及び図７に示されているように、例示的なシンクロサイクロトロン１０（図１の５０２）は、粒子源９０を収容する磁石システム、高周波駆動システム９１、及びビーム引き出しシステム３８を含む。図２９は、可変エネルギー加速器で使用され得る磁石システムの一例を示している。この例示的な実施例では、磁石システム１０１２によって確立される磁場は、２つのコイルセット４０ａと４０ｂ、４２ａと４２ｂが発生することができる磁場の最大値の約５％から約３５％まで変化し得る。磁石システムによって確立される磁場は、２つのコイルセットと成形された強磁性（例えば、低炭素鋼）構造体のペアとの組み合わせを使用して収容されている陽子ビームの集束を維持するのに適切な形状を有し、その例は上に提示されている。

それぞれのコイルセットは、電流を受けるための環状コイルの分割ペアであってよい。幾つかの状況において、両方のコイルセットが超電導である。他の状況では、ただ１つのコイルセットのみが超電導であり、他のセットは非超電導又は常電導である（以下でさらに説明されているように）。また、両方のコイルセットが非超電導であることも可能である。コイルに使用するのに適した超電導体は、ニオブ３スズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）及び／又はニオブチタンを含む。他の常電導体は、銅を含むことができる。コイルセットの作製例について以下でさらに説明する。

２つのコイルセットは、直列又は並列に電気的に接続され得る。幾つかの実施例では、２つのコイルセットが受ける全電流は、約２００万アンペア回数から約１０００万アンペア回数、例えば、約２５０万から約７５０万アンペア回数、又は約３７５万アンペア回数から約５００万アンペア回数までを含み得る。幾つかの例では、一方のコイルセットは、全可変電流の固定（又は一定）部分を受けるように構成され、他方のコイルセットは、全電流の可変部分を受けるように構成される。２つのコイルセットの全電流は、一方のコイルセット内の電流の変化と共に変化する。他の状況では、両方のコイルセットに印加される電流は変化し得る。２つのコイルセット内の可変全電流は、変化する大きさを有する磁場を発生することができ、次いで、これは、粒子の加速経路を変化させ、可変エネルギーを有する粒子を発生する。

一般的に、コイルによって生成される磁場の大きさは、コイルに印加される全電流の大きさに応じて増減し得る。この増減に基づき、幾つかの実施例では、磁場強度の直線的変化はコイルセットの全電流を直線的に変化させることによって実現され得る。全電流は比較的高速で調整することができ、これにより、磁場及びビームエネルギーが比較的高速で調整される。

上記の表１に反映されている例では、コイルリングの幾何学的中心における電流の値と磁場の値との比は、１９９０：８．７（約２２８．７：１）、１９２０：８．４（約２２８．６：１）、１７６０：７．９（約２２２．８：１）である。したがって、超電導コイルに印加される全電流の大きさを調整することで、磁場の大きさを比例調整することができる（比に基づき）。

表１の例における全電流に対する磁場の増減も、図２７のプロットに示されており、ＢＺは、Ｚ方向に沿った磁場であり、Ｒは、Ｚ方向に垂直な方向に沿ったコイルリングの幾何学的中心から測定された径方向距離である。磁場は、幾何学的中心に最高値を有し、距離Ｒが増大するにつれ減少する。曲線１０３５、１０３７は、それぞれ１７６０アンペア及び１９９０アンペアである異なる全電流を受ける同じコイルセットによって生成される磁場を表す。引き出される粒子の対応するエネルギーは、それぞれ、２１１ＭｅＶ及び２５０ＭｅＶである。２つの曲線１０３５、１０３７は、実質的に同じ形状を有し、曲線１０３５、１０３７の異なる部分は、実質的に平行である。結果として、曲線１０３５又は曲線１０３７のいずれかが、他方の曲線と実質的に一致するように直線的にシフトされるものとしてよく、これは磁場がコイルセットに印加される全電流に応じて増減し得ることを示す。

幾つかの実施例では、全電流に対する磁場の増減は、完全でない場合がある。例えば、磁場と表１に示されている例に基づき計算された電流との間の比は一定でない。また、図２７に示されているように、一方の曲線を直線的にシフトさせても、他方の曲線と完全には一致し得ない。幾つかの実施例では、全電流は、増減が完全であるという仮定の下でコイルセットに印加される。ターゲット磁場（増減が完全であるという仮定の下）は、それに加えてコイルの特徴、例えば、幾何学的形状を、増減の不完全さを相殺するように変えることによって生成され得る。一例では、強磁性体材料（例えば、鉄）のロッド（磁気シム）を磁気構造体の一方又は両方から挿入するか、又は取り出すことができる。コイルの特徴は、増減が完全であり電流のみを調整すればよいという状況と比較して磁場調整の速度が実質的な影響を受けないように比較的高速に変えることができる。鉄製ロッドの例では、ロッドは、秒又は分の時間尺度、例えば、５分以内、１分以内、３０秒未満、又は１秒未満の時間で追加又は取り外しを行うことができる。

幾つかの実施例では、コイルセットに印加される電流などの、加速器の設定は、コイルセット内の全電流に対する磁場の実質的な増減に基づき選択され得る。

一般的に、所望の範囲内で変化する全電流を発生させるために、２つのコイルセットに印加される電流の任意の組み合わせが使用され得る。一例において、コイルセット４２ａ、４２ｂは、磁場の所望の範囲の下限境界に対応する固定された電流を受けるように構成され得る。表１に示されている例では、固定された電流は、１７６０アンペアである。それに加えて、コイルセット４０ａ、４０ｂは、磁場の所望の範囲の上限境界と下限境界との間の差に対応する上限境界を有する可変電流を受けるように構成され得る。表１に示されている例では、コイルセット４０ａ、４０ｂは、０アンペアと２３０アンペアとの間で変化する電流を受けるように構成される。

別の例では、コイルセット４２ａ、４２ｂは、磁場の所望の範囲の上限境界に対応する固定された電流を受けるように構成され得る。表１に示されている例では、固定された電流は、１９９０アンペアである。それに加えて、コイルセット４０ａ、４０ｂは、磁場の所望の範囲の下限境界と上限境界との間の差に対応する上限境界を有する可変電流を受けるように構成され得る。表１に示されている例では、コイルセット４０ａ、４０ｂは、−２３０アンペアと０アンペアとの間で変化する電流を受けるように構成される。

粒子を加速するための可変全電流によって生成される全可変磁場は、４テスラより大きい、例えば５テスラより大きい、６テスラより大きい、７テスラより大きい、８テスラより大きい、９テスラより大きい、又は１０テスラより大きく、最大約２０テスラ以上まで、例えば、最大約１８テスラまで、最大約１５テスラまで、又は最大約１２テスラまでの、最大の大きさを有するものとしてよい。幾つかの実施例では、コイルセット内の全電流の変化により、磁場は約０．２テスラから約４．２テスラ以上、例えば、約０．２テスラから約１．４テスラ又は約０．６テスラから約４．２テスラまで変化し得る。幾つかの状況において、磁場の変化量は、最大の大きさに比例し得る。

図２８は、粒子ビームのそれぞれのエネルギーレベルについて一定のＲＦ周波数範囲にわたってディープレート１００上で電圧を掃引し、粒子ビームエネルギーが変化するときに周波数範囲を変化させるための例示的なＲＦ構造体を示している。ディープレート１００の半円形表面１０３、１０５は、内部導体１３００に接続され、外部導体１３０２内に収納される。電源を内部導体に結合する電力結合デバイス１３０４を通して電源（図示せず、例えば、振動電圧入力）から高電圧がディープレート１００に印加される。幾つかの実施例では、結合デバイス１３０４は、内部導体１３００上に位置し、電源からディープレート１００への電力伝送を行う。それに加えて、ディープレート１００は可変リアクタンス素子１３０６、１３０８に結合されており、それぞれの粒子エネルギーレベルについてＲＦ周波数掃引を実行し、異なる粒子エネルギーレベルについてＲＦ周波数範囲を変更する。

可変リアクタンス素子１３０６は、モータ（図示せず）によって回転可能である複数のブレード１３１０を有する回転コンデンサであってよい。ＲＦ掃引のそれぞれのサイクルにおいてブレード１３１０をかみ合わせるか、又はかみ合わせを外すことによって、ＲＦ構造体のキャパシタンスが変化し、そのため、ＲＦ構造体の共振周波数が変化する。幾つかの実施例では、モータの１／４サイクル毎に、ブレード１３１０は互いにかみ合う。ＲＦ構造体のキャパシタンスが大きくなり、共振周波数が下がる。このプロセスは、ブレード１３１０のかみ合わせが外れるときに逆転する。結果として、ディープレート１０３に印加される高電圧を発生させるために要求される、またビームを加速するために必要な電力を、大幅に減らすことができる。幾つかの実施例では、ブレード１３１０の形状を、時間に対する共振周波数の必要な依存性を生じるように機械加工する。

ＲＦ周波数の発生は、共振器内のＲＦ電圧の位相を感知し、ＲＦ空洞の共振周波数の近くでディープレートに印加される交流電圧を維持することによってブレード回転と同期する。（ダミーディーは、接地されるが、図２８には示されていない）。

可変リアクタンス素子１３０８は、プレート１３１２と内部導体１３００の表面１３１６とによって形成されるコンデンサであるものとしてよい。プレート１３１２は、表面１３１６に向かう、又は表面１３１６から遠ざかる方向１３１４に沿って移動可能である。コンデンサのキャパシタンスは、プレート１３１２と表面１３１６との間の距離Ｄが変化すると変化する。１つの粒子エネルギーについて掃引されるそれぞれの周波数範囲について、距離Ｄは設定値にあり、周波数範囲を変化させるために、プレート１３１２は出力ビームのエネルギーの変化に応じて移動される。

幾つかの実施例では、内部導体１３００及び外部導体１３０２は、銅、アルミニウム、又は銀などの、金属材料から形成される。ブレード１３１０及びプレート１３１２も、導体１３００、１３０２と同じ、又は異なる金属材料から形成され得る。結合デバイス１３０４は、導電体とすることができる。可変リアクタンス素子１３０６、１３０８は他の形態を有することができ、他の方法でディープレート１００に結合し、それによりＲＦ周波数掃引及び周波数範囲変更を実行することができる。幾つかの実施例では、単一の可変リアクタンス素子は、両方の可変リアクタンス素子１３０６、１３０８の機能を実行するように構成され得る。他の実施例では、２つよりも多い可変リアクタンス素子が使用され得る。

本明細書で説明されている特徴はどれも、上で説明されているような、可変エネルギー粒子加速器と共に使用するように構成され得る。

この点に関して、前述の実施例のうちのさらに任意の２つが、適切な粒子加速器（例えば、シンクロサイクロトロン）において適切な組み合わせで使用され得る。同様に、前記の実施例のうちのさらに２つの任意の個別の特徴が、適切な組み合わせで使用され得る。

本明細書で説明されている異なる実施例の要素は、特に上で述べていない他の実施例を形成するように組み合わせることもできる。要素は、その動作に悪影響を及ぼすことなく本明細書で説明されているプロセス、システム、装置などから外してもよい。本明細書で説明されている機能を実行するために、様々な別々の要素を１つ又は複数の個別の要素に組み合わせることができる。

本明細書で説明されている例示的な実施例は、粒子治療システムと共に使用すること、又は本明細書で説明されている例示的な粒子治療システムと共に使用することに限定されない。むしろ、例示的な実施例は、加速された粒子を出力に導く適切なシステム内で使用され得る。

本明細書で説明されているようなシステム内で使用され得る粒子加速器の例示的な実施例の設計に関する追加の情報は、参照により本明細書に組み込まれている２００６年１月２０日に出願した米国仮出願第６０／７６０，７８８号、名称「Ｈｉｇｈ−ＦｉｅｌｄＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＳｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ」、２００６年８月９日に出願した米国特許出願第１１／４６３，４０２号、名称「ＭａｇｎｅｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅＦｏｒＰａｒｔｉｃｌｅＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ」、及び２００６年１０月１０日に出願した米国仮出願第６０／８５０，５６５号、名称「ＣｒｙｏｇｅｎｉｃＶａｃｕｕｍＢｒｅａｋＰｎｅｕｍａｔｉｃＴｈｅｒｍａｌＣｏｕｐｌｅｒ」に記載されている。

以下の出願は、参照により本出願に組み込まれている。米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧＩＮＴＥＮＳＩＴＹＯＦＡＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，４６６号）、米国仮出願、名称「ＡＤＪＵＳＴＩＮＧＥＮＥＲＧＹＯＦＡＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，５１５号）、米国仮出願、名称「ＡＤＪＵＳＴＩＮＧＣＯＩＬＰＯＳＩＴＩＯＮ」（出願第６１／７０７，５４８号）、米国仮出願、名称「ＦＯＣＵＳＩＮＧＡＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＵＳＩＮＧＭＡＧＮＥＴＩＣＦＩＥＬＤＦＬＵＴＴＥＲ」（出願第６１／７０７，５７２号）、米国仮出願、名称「ＭＡＧＮＥＴＩＣＦＩＥＬＤＲＥＧＥＮＥＲＡＴＯＲ」（出願第６１／７０７，５９０号）、米国仮出願、名称「ＦＯＣＵＳＩＮＧＡＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，７０４号）、米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧＰＡＲＴＩＣＬＥＴＨＥＲＡＰＹ」（出願第６１／７０７，６２４号）、及び米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＳＹＳＴＥＭＦＯＲＡＰＡＲＴＩＣＬＥＡＣＣＥＬＥＲＡＴＯＲ」（出願第６１／７０７，６４５号）。

以下の参考文献も、参照により本出願に組み込まれている。２０１０年６月１日に発行された米国特許第７，７２８，３１１号、２００７年１１月３０日に出願した米国特許出願第１１／９４８，３５９号、２００８年１１月２０日に出願した米国特許出願第１２／２７５，１０３号、２００７年１１月３０日に出願した米国特許出願第１１／９４８，６６２号、２００７年１１月３０日に出願した米国仮出願第６０／９９１，４５４号、２０１１年８月２３日に発行された米国特許第８，００３，９６４号、２００７年４月２４日に発行された米国特許第７，２０８，７４８号、２００８年７月２２日に発行された米国特許第７，４０２，９６３号、２０１０年２月９日に出願した米国特許出願第１３／１４８，０００号、２００７年１１月９日に出願した米国特許出願第１１／９３７，５７３号、２００５年７月２１日に出願した米国特許出願第１１／１８７，６３３号、名称「ＡＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＷａｖｅｆｏｒｍＧｅｎｅｒａｔｏｒｆｏｒａＳｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ」２００４年７月２１日に出願した米国仮出願第６０／５９０，０８９号、２００４年９月２４日に出願した米国特許出願第１０／９４９，７３４号、名称「ＡＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＰａｒｔｉｃｌｅＳｃａｔｔｅｒｅｒｆｏｒＲａｄｉａｔｉｏｎＴｈｅｒａｐｙＢｅａｍＦｏｒｍａｔｉｏｎ」、及び２００５年７月２１日に出願した米国仮出願第６０／５９０，０８８号。

本出願の任意の特徴は、以下の１つ又は複数の適切な特徴と組み合わせることができる。米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧＩＮＴＥＮＳＩＴＹＯＦＡＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，４６６号）、米国仮出願、名称「ＡＤＪＵＳＴＩＮＧＥＮＥＲＧＹＯＦＡＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，５１５号）、米国仮出願、名称「ＡＤＪＵＳＴＩＮＧＣＯＩＬＰＯＳＩＴＩＯＮ」（出願第６１／７０７，５４８号）、米国仮出願、名称「ＦＯＣＵＳＩＮＧＡＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＵＳＩＮＧＭＡＧＮＥＴＩＣＦＩＥＬＤＦＬＵＴＴＥＲ」（出願第６１／７０７，５７２号）、米国仮出願、名称「ＭＡＧＮＥＴＩＣＦＩＥＬＤＲＥＧＥＮＥＲＡＴＯＲ」（出願第６１／７０７，５９０号）、米国仮出願、名称「ＦＯＣＵＳＩＮＧＡＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，７０４号）、米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧＰＡＲＴＩＣＬＥＴＨＥＲＡＰＹ」（出願第６１／７０７，６２４号）、及び米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＳＹＳＴＥＭＦＯＲＡＰＡＲＴＩＣＬＥＡＣＣＥＬＥＲＡＴＯＲ」（出願第６１／７０７，６４５号）、２０１０年６月１日に発行された米国特許第７，７２８，３１１号、２００７年１１月３０日に出願した米国特許出願第１１／９４８，３５９号、２００８年１１月２０日に出願した米国特許出願第１２／２７５，１０３号、２００７年１１月３０日に出願した米国特許出願第１１／９４８，６６２号、２００７年１１月３０日に出願した米国仮出願第６０／９９１，４５４号、２０１３年５月３１日に出願した米国特許出願第１３／９０７，６０１号、２０１３年６月１２日に出願した米国特許出願第１３／９１６，４０１号、２０１１年８月２３日に発行された米国特許第８，００３，９６４号、２００７年４月２４日に発行された米国特許第７，２０８，７４８号、２００８年７月２２日に発行された米国特許第７，４０２，９６３号、２０１０年２月９日に出願した米国特許出願第１３／１４８，０００号、２００７年１１月９日に出願した米国特許出願第１１／９３７，５７３号、２００５年７月２１日に出願した米国特許出願第１１／１８７，６３３号、名称「ＡＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＷａｖｅｆｏｒｍＧｅｎｅｒａｔｏｒｆｏｒａＳｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ」、２００４年７月２１日に出願した米国仮出願第６０／５９０，０８９号、２００４年９月２４日に出願した米国特許出願第１０／９４９，７３４号、名称「ＡＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＰａｒｔｉｃｌｅＳｃａｔｔｅｒｅｒｆｏｒＲａｄｉａｔｉｏｎＴｈｅｒａｐｙＢｅａｍＦｏｒｍａｔｉｏｎ」、及び２００５年７月２１日に出願した米国仮出願第６０／５９０，０８８号。

本特許出願が優先権を主張する仮出願及び上で参照により組み込まれている文献を除き、他のいかなる文献も参照により本特許出願に組み込まれない。

本明細書で特に説明されていない他の実装も、以下の請求項の範囲内に収まる。

１０シンクロサイクロトロン
１２磁石システム
３８ビーム引き出しシステム
４０環状超電導コイル
４０ａ、４０ｂコイルセット
４２環状超電導コイル
４２ａ、４２ｂコイルセット
４４磁極面
４６磁極面
４７共通軸
４８Ｎｂ_３Ｓｎ系超電導線
５２絶縁体
５３ワイヤ
５５ヒーターブランケット
５６環状ステンレスリバースボビン、矩形リバースボビン
６０復元力
７０低温保持槽
７１支持点
７２ギフォードマクマホン冷凍機
７３支持点
７４ギフォードマクマホン冷凍機
７６低温端部
７７ギフォードマクマホン冷凍機
７８ヘッド
７９ギフォードマクマホン冷凍機
８０圧縮機
８１半分
８２磁石ヨーク、鉄ヨーク、磁気構造体
８３半分
８４帰還磁束
８６容積部
９０粒子源
９１高周波駆動システム
９２幾何学的中心
９４電気ケーブル
９５電流源
９９水素の供給部
１００ディープレート
１０１ガス管路、ガス管
１０２ダミーディープレート
１０３、１０５半円形表面
１０７空間
１０８水冷管路
１０９ダクト
１１１真空ポンプ
１１３熱交換器
１１４磁気シールド
１１６空間
１１７強磁性体材料（例えば、鋼又は鉄）の層
１１９真空槽
１２２釣合いおもり
１２４釣合いおもり
１２５ビーム形成システム
１４６迷路
１４８壁、側壁
１５０壁、側壁
１５２壁
１５４壁、側壁
１５６壁、側壁
１６０治療室
１６２基部
１６４床面積
１７０患者支持体
１９０陰極
１９２陰極
１９４管
２００磁場
４０２高温−低温支持ストラップ
４０４高温−低温支持ストラップ
４０６高温−低温支持ストラップ
４０８Ｓ２ガラス繊維リンク
５００荷電粒子線治療システム
５０２シンクロサイクロトロン
５０４回転式ガントリー
５０８脚部
５１０脚部
５１２軸受
５１４軸受
５１６鉄骨トラス、トラス構造体
５１８治療領域
５２０範囲
５２２床
５２４ボールト
５３２水平回転軸線
５３４範囲
５４０アイソセンター
５８０スパン
５８２スパン
６０１内側ガントリー
６０２システム
６０４シンクロサイクロトロン
６０５回転式ガントリー
６０６患者支持体
７００空洞
７０１粒子源
７０２磁場再生器
７０３引き出しチャネル
７０５磁場バンプ
７０６ボビン
７０６断面
７０９、７１０超電導コイル
７１１磁気構造体
７１５構造体
７５０磁力線
７５３磁気的局所的欠損（ｍａｇｎｅｔｉｃｌｏｃａｌｉｚｅｄｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ）
７８０角度
７８１ピッチ
８００磁力線
８０２、８０３フラッターブリック
８１０フラッターブリック
８１１空間
８１２空洞
８１５、８１６、８１７径方向配置
８１９ヨーク
８２２構造体
８２４高い磁場を有する領域
８２５低い磁場を有する領域
８３０構造体
８３１高い磁場を有する領域
８３２低い磁場を有する領域
８３５強磁性体材料を収容しない谷
８３６第１の丘
８３７第２の丘
９１０治療システム
９１２加速器
９１４ビーム
９１６走査ユニット
９１６散乱ユニット
９１８監視ユニット
９２０エネルギーデグレーダ
９２２身体
９２２’ 身体部分
９２４ターゲット容積部
９２６ａ〜９２６ｉ層
９２８照射方向
９３０ターゲット容積部
９３２制御装置
１０１２磁石システム
１０３５、１０３７曲線
１３００内部導体
１３０２外部導体
１３０４電力結合デバイス
１３０６、１３０８可変リアクタンス素子
１３１０ブレード
１３１２プレート
１３１４方向
１３１６表面

Claims

空洞内で高周波（ＲＦ）電圧を掃引して粒子をプラズマ柱から加速するための電圧源であって、前記空洞が、前記プラズマ柱から加速された粒子を、前記空洞内で軌道上を移動させる磁場を有し、前記磁場が前記空洞の縁で弓なりに曲がる磁束を有する、電圧源と、
前記空洞内に磁場バンプをもたらし、それにより前記プラズマ柱から加速される前記粒子の連続的軌道を変化させ、最終的に、粒子が引き出し点に出力されるようにする、再生器であって、前記プラズマ柱に対して前記空洞内におけるある半径に配置される、再生器と、
前記空洞内の前記半径の近くに位置する強磁性装置であって、それぞれの強磁性装置が磁場バンプをもたらし、前記再生器に隣接する強磁性装置が前記再生器から空間で隔てられる、強磁性装置とを備える、粒子加速器。
前記空間、前記再生器、及び前記強磁性装置の組み合わせが、粒子軌道に対してある角度を成す成分を有する磁場変動を発生し、前記磁場バンプによって引き起こされる垂直集束の低減の少なくとも一部を相殺する、請求項１に記載の粒子加速器。
前記磁場が少なくとも４テスラであり、前記再生器によって生成される前記磁場バンプが最大で２テスラである、請求項１に記載の粒子加速器。
前記強磁性装置が、前記再生器のそれぞれの側に１つずつ、２つだけある、請求項１に記載の粒子加速器。
前記プラズマ柱に対して同じ半径内に２つより多い強磁性装置がある、請求項１に記載の粒子加速器。
前記プラズマ柱に対して複数の半径のうちのそれぞれの半径内に複数の強磁性装置がある、請求項１に記載の粒子加速器。
前記粒子加速器がシンクロサイクロトロンである、請求項１に記載の粒子加速器。
請求項１に記載の前記粒子加速器と、
前記粒子加速器が取り付けられ、患者の位置に対して回転可能であるガントリーとを備え、
陽子が、前記粒子加速器から前記患者の位置に実質的に直接出力される、陽子治療システム。
前記粒子加速器がシンクロサイクロトロンを含む、請求項８に記載の陽子治療システム。
前記磁場が４テスラ以上であり、前記シンクロサイクロトロンが可変エネルギー粒子加速器である、請求項９に記載の陽子治療システム。
粒子が加速される空洞を画成する磁気構造体をさらに備え、前記粒子が、ある範囲のエネルギーのうちから選択されたエネルギーを有する粒子ビームとして出力される、請求項１に記載の粒子加速器。
前記強磁性装置が、０．２５％から２０％の間の方位角平均正規化磁場変化率を含む、磁場フラッターを生成する、請求項１に記載の粒子加速器。
空洞内で高周波（ＲＦ）電圧を掃引して粒子をプラズマ柱から加速するための電圧源であって、前記空洞が、前記プラズマ柱から加速された粒子を前記空洞内で軌道上を移動させる磁場を有し、前記磁場が前記空洞全体にわたって実質的に直線的である磁束を有する、電圧源を備え、
前記空洞が第１の磁場と第２の磁場との交互領域を含み、前記第１の磁場が前記第２の磁場と異なり、前記空洞内の粒子軌道に実質的に垂直な角度の成分を有する磁気変動を生じる、粒子加速器。
前記交互領域が異なるレベルの強磁性体材料を有する、請求項１３に記載の粒子加速器。
前記交互領域が、強磁性体材料の領域と強磁性体材料のない領域とを含む、請求項１３に記載の粒子加速器。
前記交互領域がパイ形状であり、それぞれ前記プラズマ柱に１つの点を、前記空洞の縁に縁を備える、請求項１３に記載の粒子加速器。
前記交互領域が風車形の形状を有し、それぞれ前記プラズマ柱に１つの点を、前記空洞の縁に縁を備える、請求項１３に記載の粒子加速器。
前記空洞が磁気構造体によって画成され、
前記交互領域が垂直方向に整列された交互領域を含み、その一方が第１の磁気構造体に接続され、他方が第２の磁気構造体に接続される、請求項１３に記載の粒子加速器。
前記磁気変動が、粒子を前記空洞内の軌道において垂直方向に集束させる、請求項１３に記載の粒子加速器。
前記粒子加速器がシンクロサイクロトロンである、請求項１３に記載の粒子加速器。
請求項１３に記載の前記粒子加速器と、
前記粒子加速器が取り付けられ、患者の位置に対して回転可能であるガントリーとを備え、
陽子が、前記粒子加速器から前記患者の位置に実質的に直接出力される、陽子治療システム。
前記粒子加速器がシンクロサイクロトロンを含む、請求項２１に記載の陽子治療システム。
前記磁場が４テスラ以上であり、前記シンクロサイクロトロンが可変エネルギー粒子加速器である、請求項２２に記載の陽子治療システム。
粒子が加速される空洞を画成する磁気構造体をさらに備え、前記粒子が、ある範囲のエネルギーのうちから選択されたエネルギーを有する粒子ビームとして出力される、請求項１４に記載の粒子加速器。
第１の磁場及び第２の磁場の前記交互領域が、０．２５％から２０％の間の方位角平均正規化磁場変化率を含む、磁場フラッターを含む、請求項１３に記載の粒子加速器。