JP2019529017A - 照射電子ビームの磁気制御用の装置および方法 - Google Patents

Abstract

放射線治療用の電子ビームを制御するための装置および方法を提供する。例示的態様は、複数の磁石のパラメータを変更することによって、電子ビームを異なる深度に集束させることを可能にする。例示的態様はまた、電子ビームのエネルギーレベルを一貫したレベルに維持しながら、電子ビームを異なる深度に集束させることも可能にしうる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全内容が本明細書に組み入れられる、2016年9月9日に提出された米国特許仮出願第62/385,346号「APPARATUS AND METHODS FOR MAGNETIC CONTROL OF RADIATION ELECTRON BEAM」の優先権を主張する。

背景情報
電子ビーム放射線治療は、典型的には癌の処置の一部として悪性細胞を破壊するために、電離放射線を利用する。放射線治療は、癌が身体の1つのエリアに局在しているならば、多数のタイプの癌において治癒的となりうる。放射線治療はまた、原発性悪性腫瘍を除去する手術の後、腫瘍の再発を防ぐための補助療法の一部としても用いられる場合がある。例えば、乳癌など特定のタイプの癌の早期において、補助療法の一部として電子ビーム放射線治療が用いられる場合がある。

放射線治療は、細胞の成長を制御できる能力があることから、癌性腫瘍に広く適用されている。電離放射線は、癌性組織のDNAを損傷させて細胞死をもたらすことによって作用する。健常組織（例えば、腫瘍を処置するために放射線が通過しなければならない組織）の曝露を低減するため、放射線ビームを、腫瘍部で交差するよう異なる角度から当ててもよい。

電子ビーム放射線治療は現在、標的領域（例えば腫瘍を含有する領域）に直接照射して標的領域内の細胞を破壊するために用いられている。典型的な電子システムは、標的領域を良好に処置できる深度に限界がある。加えて、典型的なシステムは、照射深度の動的制御を提供しておらず、標的領域を囲む健常組織に、望ましくない照射を向けてしまう可能性がある。

例えば、既存のシステムでは、最大約3 cmのピーク線量深度まで（これは、現在市販されている臨床用電子ビームの最大エネルギー20 MeVから決定される）、放射線透過深度を制御するため、ビームエネルギーが手動で選択される。そのようなシステムにおいて、放射線透過深度を大きくするには、ビームエネルギーが増大される。このことは、表面または表面近くの組織に対する照射レベルを高め、そして、周囲の健常組織に対する、望ましくない過剰な放射線曝露につながる可能性がある。

したがって、様々な深度における放射線照射量レベルをより良好に制御でき、かつ、周囲の健常組織に対する放射線曝露を最小にする、新しい放射線治療の装置および方法に対するニーズが存在する。

概要
以下により詳しく説明するように、本開示の例示的態様は、現在の装置および方法と比較して、電子ビーム放射線治療の多数の局面における改善を可能にする。

本開示の例示的態様は、放射線照射量の高い局所的焦点スポットを標的体積内にもたらすために超高エネルギー電子（very high energy electrons（VHEE））を用いる、電子ビーム送達および制御システムを含む。例示的態様は、本明細書において磁気式最適化超高エネルギー電子処置（magnetically optimized very high energy electron treatment（MOVHEET））と呼ぶ技法を通じて、焦点スポットの位置を制御できる。

MOVHEET技法を組み入れた装置は、周囲の正常組織より高い放射線照射量の分布を標的領域（例えば腫瘍体積）内にもたらすため、動的に制御することができる。この能力の結果として、正常組織がより大きく温存され、かつ、腫瘍体積の周りにおける照射制御の程度が増大する可能性がある。例示的態様は、50〜250メガ電子ボルト（MeV）の電子ビームを、所望の標的深度における焦点スポットに動的に集束させる能力を含む。本明細書において用いる「深度（depth）」という用語は、焦点スポットに関して用いられる場合、電子ビームに対して平行に（例えば、磁気制御装置に入る前のビームの主軸に対して平行に）測定される寸法を指す。所望の標的深度は、最適化された対称性を備えたビームと、標的表面におけるビーム密度が低くなりそして入射線量が低くなるような集束角度とが、集束システムの出力となるような、照射処置計画の線量分布によって、決定されてもよい。

電子集束システムの焦点スポット深度を動的に制御するための方法は、電子の軌跡を変更して所望のビーム挙動をもたらすための、標的体積外部の磁場の使用を含んでいてもよい。

集束システムの1つの態様は、隣接する各極が反対の極性の磁場を備えるよう4つの内向きの極を有する磁石によってもたらされる、四重極磁場を利用する。導電性コイルが、強磁性材料の内部に磁場をもたらすような方式でアレンジされてもよく、その四重極磁場の強度はコイル電流を変動させることによって調整されてもよい。このタイプの磁石設計は鉄支配型（iron-dominated）と呼ばれる。

四重極磁石の別の態様は、コイル支配型（coil-dominated）の設計に基づく；この設計において、導電性コイルは、荷電粒子ビームが受ける多重極磁場が、強磁性コアの使用を伴わずにコイルそれ自体によって直接的にもたらされるような方式で設計される。コイル中の電流を変動させると磁場の強度が調整される。

四重極磁場は、1つの平面内において荷電粒子ビームを脱集束させ、かつ一方で、垂直平面内においてそのビームを集束させるという効果を有する。これにより、所望のビームをもたらすよう電流、ポジション、および他の磁石パラメータが選択された四重極磁石の組み合わせによって、両平面内における全体的な集束を実現することが可能となる。様々な射出ビーム形状が用いられてもよく、そして、対称的なビームを発生するため、四極子の特定の構成が用いられてもよい。

そのような1つの構成において、3つの共線的な四重極磁石の組み合わせが、平行な入射電子ビームに対して、対称的に集束したビームをもたらしてもよい。そのようなシステムはまた、四重極磁石の強度を（単独で、または他のパラメータ変更とともに）変動させることによってビームの焦点スポットが調整されてもよい、発散性ビームの無収差集束を可能にしてもよい。

そのような別の構成において、周囲の臨床構造のため空間許容度が厳しい特定の線量分布にとって理想的となりうる、長く延びた形状の出力ビームをもたらすため、2つの共線的な四重極磁石の組み合わせが用いられてもよい。2つまたは3つの四極子を備えた四極子システムを用いることにより、ユーザーが標的エリアに基づいて適切な集束分布を選ぶことが可能となる。

例えば、臨床処置に用いられる典型的な深度範囲（例えば0〜35センチメートル）について、所望の深度線量分布を得るため、四極子の分離距離および三連のポジションを変動させて最適な処置ビームを実現してもよい。稼働中の四重極磁石システムは、磁場領域内の電子の軌跡を支配する微分方程式系の解によって決定される、特異的な条件セット下で四極子が稼働されている時に、集束ビームをもたらしてもよい。

例示的態様において、磁石パラメータ用の制御システムが、処置計画作成ソフトウェアから線量分布を取り込み、そしてアルゴリズムを用いて、所望のビーム軌跡をもたらすために必要な集束システムパラメータを計算する。

ビームはまた、三次元の線量分布をもたらすため、それぞれの方向においてビームに均一なオフセットをもたらす直交性の双極場によって、横に走査されてもよい。他の態様において、三次元の線量分布をもたらすため、集束システムが機械的に動かされてもよい。横走査パラメータは、ビーム制御システムに含まれてもよく、そして処置計画作成ソフトウェアによって決定されてもよい。

発散する入力ビームを用いる集束システムについて、ビームの発散および起点もまた、制御システムのアルゴリズムによって決定されうる変数である。例として、ユニークな発散パターンをもたらすよう設計された散乱箔の使用によって、ペンシルビームが発散性にされてもよい；その発散性ビームは次に、四極子集束システムに入力できるよう発散角を制限するため、コリメータに通される。散乱箔と、コリメータと、四極子入射との間の相対位置は、特定の射出ビームについてユニークであり、かつ、その四極子設定に沿って決定されてもよい。

留意されるべき点として、磁場は、本来的な非一貫性または誤差を有する可能性があり、それは集束後の電子ビームにおける不均一性に転じる可能性がある、例えば、幾何学的および色彩的な様々な非一貫性を補償するなどのため、六重極構成よび八重極構成の使用とともに、そのような非一貫性に対する慎重な考慮が払われてもよい。集束システムの1つの態様は、幾何学収差が補正された集束ビームをもたらすため、四連の四重極磁石を、相互的に散在する3つの八重極磁石と同時に用いてもよい。

特定の態様において、対称的に集束されたビームをもたらす磁石パラメータについて解を求めるため、アルゴリズムが用いられてもよい；その場合、四極子によって導入される非一貫性は八重極磁石によって補償されて、より質の高い線量分布が標的体積内にもたらされる。制御システムは、処置計画作成システムによって決定されたビームを最適化するため、パラメータを動的に調整してもよい。理解される点として、本明細書に開示する磁石構成は例示的なものにすぎず、そして、磁石によって誘発される他の非一貫性について補正するため、磁石の他の組み合わせが用いられてもよい。

特定の態様は、磁場強度によって決定される深度において電子の方向が逆転するよう、後方ソレノイド磁石を利用して標的体積内に磁場勾配をもたらすことによって、ビーム深度を動的に制御してもよい。標的体積内の磁場を改変しかつ線量堆積を高めるため、後方磁石とともに前方ソレノイド磁石が用いられてもよい。局在化された高線量領域の深度は、所望の線量分布に基づいてソレノイド電流を調整するよう設計された制御システムによって、制御されてもよい。

例示的態様は、電子ビームを発生するよう構成された電子ビーム発生器と；電子ビームを焦点スポットに集束させるよう構成された複数の磁場をもたらす複数の磁石と；標的領域内の第一深度に位置する第一位置から標的領域内の第二深度に位置する第二位置まで焦点スポットを動かすため、複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを変更するよう構成された制御システムとを具備する、放射線治療用の電子ビームを制御するための装置を含む。

特定の態様において、標的領域は対象の上皮表面より下にある；第一位置または第二位置は、上皮表面から0〜50センチメートルの深度にある。詳細な態様において、電子ビームは、50〜250メガ電子ボルト（MeV）のエネルギーを有する。いくつかの態様において、焦点スポットが第一位置から第二位置まで動かされる時、ビームのエネルギーは変調されない。具体的な態様において、複数の磁石は、複数の共線的な多重極磁石を含む。特定の態様において、複数の共線的な多重極磁石は、少なくとも2つの共線的な四重極磁石を含む。

詳細な態様において、複数の磁石の1つまたは複数のパラメータは、複数の共線的な多重極磁石間の分離距離を含み、かつ、制御システムは、複数の共線的な多重極磁石間の分離距離を変更するよう構成される。いくつかの態様において、複数の磁石は、前方レンズ磁石と、後方反射磁石と、複数の放射状焦点磁石とを含む。具体的な態様において、複数の磁石は電磁石を含み；複数の磁石の1つまたは複数のパラメータは、電磁石を通る電流を含み；かつ、制御システムは、電磁石を通る電流を変更するよう構成される。特定の態様において、電磁石は、鉄支配型またはコイル支配型の超伝導電磁石である。

詳細な態様において、複数の磁場は、電子ビームを50〜500 mradの収束角で集束させるよう構成される。いくつかの態様において、複数の磁場は、電子ビームを200〜400 mradの収束角で集束させるよう構成される。具体的な態様において、制御システムは、複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを計算するためのアルゴリズムを含む。特定の態様において、制御システムは、線量分布を計算するよう構成された処置計画作成ソフトウェアプログラムから入力を受け取る。詳細な態様において、焦点スポットは、電子線量の最大の集中を含む。

例示的態様は、電子ビームを発生させる段階；複数の磁石によってもたらされる複数の磁場を通じて電子ビームを方向付けする段階；複数の磁場で電子ビームを焦点スポットに集束させる段階；および、標的領域内の第一深度に位置する第一位置から標的領域内の第二深度に位置する第二位置まで焦点スポットを動かすため、複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを変更する段階を含む、放射線治療用の電子ビームを制御する方法を含む。

特定の態様において、標的領域は対象の上皮表面より下にあり；かつ、第一位置または第二位置は、上皮表面から0〜50センチメートルの深度にある。詳細な態様において、電子ビームは、50メガ電子ボルト〜250メガ電子ボルトのパワーを有する。いくつかの態様において、焦点スポットが第一位置から第二位置まで動かされる時、ビームのパワーは変調されない。具体的な態様において、複数の磁石は、複数の共線的な多重極磁石を含む。特定の態様において、複数の共線的な多重極磁石は、少なくとも3つの共線的な四重極磁石を含む。

詳細な態様において、複数の磁石の1つまたは複数のパラメータは、複数の共線的な多重極磁石間の分離距離を含み；かつ、制御システムは、複数の共線的な多重極磁石間の分離距離を変更するよう構成される。いくつかの態様において、複数の磁石は、前方レンズ磁石と、後方反射磁石と、複数の放射状焦点磁石とを含む。具体的な態様において、複数の磁石は電磁石を含み；複数の磁石の1つまたは複数のパラメータは、電磁石を通る電流を含み；かつ、制御システムは、電磁石を通る電流を変更するよう構成される。

特定の態様において、複数の磁場は、電子ビームを100〜500 mradの収束角で集束させるよう構成される。詳細な態様において、複数の磁場は、電子ビームを200〜400 mradの収束角で集束させるよう構成される。いくつかの態様において、制御システムは、複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを計算するためのアルゴリズムを含む。具体的な態様において、制御システムは、線量分布を計算するよう構成された処置計画作成ソフトウェアプログラムから入力を受け取る。特定の態様において、焦点スポットは、電子線量の最大の集中を含む。

例示的態様は、50メガ電子ボルト〜250メガ電子ボルトのパワーを備えた電子ビームを発生するよう構成された電子ビーム発生器と；電子ビームを焦点スポットに集束させるよう構成された複数の磁石と；第一深度にある第一位置から第二深度にある第二位置まで焦点スポットを動かすよう構成された制御システムであって、焦点スポットが第一位置から第二位置まで動かされる時、電子ビームのパワーが一貫したレベルに維持される該制御システムとを具備する、放射線治療用の電子ビームを制御するための装置を含む。

特定の態様において、第一位置および第二位置は標的領域内に位置する。詳細な態様において、標的領域は対象の上皮表面より下にあり；かつ、第一位置または第二位置は、上皮表面から10〜20センチメートルの深度にある。いくつかの態様において、焦点スポットを第一位置から第二位置まで動かすため、複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを変更するよう制御システムは構成される。具体的な態様において、制御システムは、複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを計算するためのアルゴリズムを含む。

特定の態様において、制御システムは、線量分布を計算するよう構成された処置計画作成ソフトウェアプログラムから入力を受け取る。詳細な態様において、複数の磁石は、複数の共線的な多重極磁石を含む。いくつかの態様において、複数の共線的な多重極磁石は、少なくとも3つの共線的な四重極磁石を含む。具体的な態様において、複数の磁石の1つまたは複数のパラメータは、複数の共線的な多重極磁石間の分離距離を含み；かつ、制御システムは、複数の共線的な多重極磁石間の分離距離を変更するよう構成される。

特定の態様において、複数の磁石は、前方レンズ磁石と、後方反射磁石と、複数の放射状焦点磁石とを含む。詳細な態様において、複数の磁石は電磁石を含み；焦点スポットを第一位置から第二位置まで動かすため、複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを変更するよう制御システムは構成され；複数の磁石の1つまたは複数のパラメータは、電磁石を通る電流を含み；かつ、制御システムは、電磁石を通る電流を変更するよう構成される。

詳細な態様において、複数の磁石は、電子ビームを100〜500 mradの収束角で集束させるよう構成される。いくつかの態様において、複数の磁石は、電子ビームを200〜400 mradの収束角で集束させるよう構成される。具体的な態様において、焦点スポットは、電子線量の最大の集中を含む。

特定の態様は、50メガ電子ボルト〜250メガ電子ボルトのパワーを有する電子ビームを発生する段階；複数の磁石で電子ビームを焦点スポットに集束させる段階；および、電子ビームのパワーを一貫したレベルに維持しながら、第一深度にある第一位置から第二深度にある第二位置まで焦点スポットを動かす段階を含む、放射線治療用の電子ビームを制御する方法を含む。

詳細な態様において、第一位置および第二位置は標的領域内に位置する。特定の態様において、標的領域は対象の上皮表面より下にあり；第一位置または第二位置は、上皮表面から10〜20センチメートルの深度にある。いくつかの態様において、第一深度にある第一位置から第二深度にある第二位置まで焦点スポットを動かす段階は、複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを変更することを含む。具体的な態様において、制御システムは、複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを計算するためのアルゴリズムを含む。詳細な態様において、制御システムは、線量分布を計算するよう構成された処置計画作成ソフトウェアプログラムから入力を受け取る。特定の態様において、複数の磁石は、複数の共線的な多重極磁石を含む。いくつかの態様において、複数の共線的な多重極磁石は、少なくとも3つの共線的な四重極磁石を含む。

具体的な態様において、複数の磁石の1つまたは複数のパラメータは、複数の共線的な多重極磁石間の分離距離を含み；かつ、複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを変更する段階は、複数の共線的な多重極磁石間の分離距離を変更することを含む。特定の態様において、複数の磁石は、前方レンズ磁石と、後方反射磁石と、複数の放射状焦点磁石とを含む。詳細な態様において、複数の磁石は電磁石を含み；かつ、第一深度にある第一位置から第二深度にある第二位置まで焦点スポットを動かす段階は、電磁石を通る電流を変更することを含む。

特定の態様において、複数の磁石は、電子ビームを100〜500 mradの収束角で集束させるよう構成される。詳細な態様において、複数の磁石は、電子ビームを200〜400 mradの収束角で集束させるよう構成される。いくつかの態様において、焦点スポットは、電子線量の最大の集中を含む。

以下において、「連結された（coupled）」という用語は、接続されたとして定義されるが、必ずしも直接的にでなくてもよく、かつ、必ずしも機械的にでなくてもよい。

「1つの（a）」または「1つの（an）」という単語の使用は、特許請求の範囲および／または本明細書において「具備する/含む」という用語との関連において用いられる場合、「1つの（one）」を意味しうるが、「1つまたは複数の」または「少なくとも1つの」の意味ともまた矛盾しない。「約（about）」、「実質的に」、および「約（approximately）」という用語は、概して、記述される値のプラスまたはマイナス5%を意味する。特許請求の範囲における「または（もしくは）」という用語の使用は、選び得るもののみを指すことが明示されているかまたは選び得るものが互いに排他的であるのでない限り、「および（ならびに）／または（もしくは）（and/or）」を意味するために用いられる；ただし本開示は、選び得るもののみ、および、「および（ならびに）／または（もしくは）」を指す定義を支持する。

「具備する/含む（comprise）」（ならびに、「具備する/含む（comprises）」および「具備する/含む（comprising）」など、具備する/含む（comprise）の任意の語形）、「有する（have）」（ならびに、「有する（has）」および「有する（having）」など、有する（have）の任意の語形）、「含む（include）」（ならびに、「含む（includes）」および「含む（including）」など、含む（include）の任意の語形）、および「含有する（contain）」（ならびに、「含有する（contains）」および「含有する（containing）」など、含有する（contain）の任意の語形）という用語は、オープンエンドの連結動詞である。したがって、1つまたは複数の段階または要素を「具備する」、「有する」、「含む」、または「含有する」、方法またはデバイスは、それら1つまたは複数の段階または要素を備えるが、それら1つまたは複数の段階または要素のみを備えることに限定されるわけではない。同様に、1つまたは複数の特徴を「具備する」、「有する」、「含む」、または「含有する」、方法の段階、またはデバイスの要素は、それら1つまたは複数の特徴を備えるが、それら1つまたは複数の特徴のみを備えることに限定されるわけではない。さらに、特定の方式に構成されるデバイスまたは構造は、少なくともその方式に構成されるが、列挙されていない方式にもまた構成されてもよい。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。ただし、この詳細な説明から、本発明の精神および範囲内における様々な変更および改変が当業者に明らかになると考えられ、したがって、以下の詳細な説明および具体的実施例は、本発明の具体的態様を示すものであるが、実例としてのみ提示されていることが理解されるべきである。

以下の図面は本明細書の一部をなすものであり、本発明の特定の局面をさらに例証するために含まれている。これら図面のうち1つまたは複数を、本明細書に提示する具体的態様の詳細な説明と組み合わせて参照することにより、本発明はよりよく理解されるであろう。

本開示の例示的態様に基づく、放射線治療用の電子ビームを制御するための装置の略図である。 図1の態様における磁石の配置の斜視図である。 図1の態様のX-Z平面における線量分布をシミュレーションしたプロット図である。 図1の態様のY-Z平面における線量分布をシミュレーションしたプロット図である。 図1の態様についてシミュレーションした線量分布百分率曲線を、非集束の電子ビームと比較したグラフである。 本開示の例示的態様に基づく、放射線治療用の電子ビームを制御するための装置の略図である。 図1の態様の、異なる構成についてシミュレーションした、深部線量百分率曲線のグラフである。 図6の態様について、前立腺CT（コンピュータ断層撮影）画像上に集束させた、複数の電子ビームによる複合的線量分布のモンテカルロ計算を示した図である。 図6の態様について、前立腺CT（コンピュータ断層撮影）画像上に集束させた、複数の電子ビームによる複合的線量分布のモンテカルロ計算を示した図である。 図6の態様の、異なる構成についてシミュレーションした、深部線量百分率曲線のグラフである。

例示的態様の詳細な説明
まず図1を参照すると、放射線治療用の電子ビームを制御するための装置100が示されている。この態様において、装置100は、電子ビーム155を発生するよう構成された電子ビーム発生器150を具備する。装置100は、共線的な多重極磁石を含む複数の磁石105をさらに具備する。

この態様において、磁石105は、第一の四重極磁石101と、第二の四重極磁石102と、第三の四重極磁石103とを含む。第一の四重極磁石101は、第一の極111と、第二の極112と、第三の極113と、第四の極114とを含む。理解される点として、第二の四重極磁石102および第三の四重極磁石103もまた、4つの極を含む（明瞭にする目的で、図中ではラベル付けしていない）。磁石105の上面斜視図を図2に示す。

装置100の稼働中、磁石105は、電子ビーム155を集束させかつ標的領域内の焦点スポットに電子線量の最大の集中を提供するよう、構成される。特に図3および図4を参照すると、装置100について、X-Z平面（図3）およびY-Z平面（図4）における線量分布をシミュレーションしたプロット図が示されている。線量分布は、物質中の高エネルギー粒子の相互作用をシミュレーションするための汎用コードである、モンテカルロ計算コードのFLUKA（著作権）を用いて計算した。"The FLUKA Code: Developments and Challenges for High Energy and Medical Applications" T.T. Bohlen, F. Cerutti, M.P.W. Chin, A. Fasso, A. Ferrari, P.G. Ortega, A. Mairani, P.R. Sala, G. Smirnov and V. Vlachoudis, Nuclear Data Sheets 120, 211-214 (2014)を参照されたい；"FLUKA: a multi-particle transport code" A. Ferrari, P.R. Sala, A. Fasso, and J. Ranft, CERN-2005-10 (2005), INFN/TC_05/11, SLAC-R-773 もまた参照されたい。図3および図4は、最小ステップサイズを0.05 cm、荷電粒子のエネルギーカットオフを10 keV、そして線量のビニンググリッドサイズを1 mmとして、2.5x10⁵ のトラッキングによってもたらされた。この実施例において、電子ビーム155は、100メガ電子ボルト（MeV）、半径5センチメートルの電子ビームである。示されている電子ビーム155は、100センチメートルの空気を通過し、そして水ファントム（対象の上皮表面に対応する、Z次元における0センチメートル）に入射している。図示した態様において、磁石105は三連の四極子として構成され、そして、対称的で均一な集束レンズとして機能する。

図3に示すように、第一の四重極磁石101はX-Z平面において電子ビーム155を集束させるが、第二の四重極磁石102は電子ビーム155を脱集束させ、そして、第三の四重極磁石103は電子ビーム155を集束させる。図4に示すように、磁石101、102、および103は、Y-Z平面において電子ビーム155に逆の操作を行う。具体的には、第一の四重極磁石101はY-Z平面において電子ビーム155を脱集束させるが、第二の四重極磁石102は電子ビーム155を集束させ、そして、第三の四重極磁石103は電子ビーム155を脱集束させる。

図3および図4に示すように、磁石105は、電子ビーム155を集束させかつ焦点スポット125に電子線量の最大の集中を提供するよう、構成されてもよい。より詳しく後述するように、稼働中、Z平面において焦点スポット125を標的領域内の異なる深度に動かすため、（図1に示す）制御システム190が、磁石105の1つまたは複数のパラメータを変更してもよい。例示的態様において、焦点スポット125が標的領域内の異なる深度に動かされる時、電子ビーム155のパワーは変調されない。

例えば、制御システム190は、磁石間の分離距離を変更するため、磁石群105における個々の磁石のポジションを制御してもよい。具体的には、制御システム190は、第一の四重極磁石101と第二の四重極磁石102との間の分離距離を変更してもよい。制御システム190はまた、第二の四重極磁石102と第三の四重極磁石103との間の分離距離も変更してもよい。

磁石101、102、および103間の分離距離は、例えば1つまたは複数のリニアアクチュエータなどを含む、任意の好適な機構によって変更されてもよい。例えば、図1に示すように、制御システム190は、磁石101、102、および103のポジションを、それぞれリニアアクチュエータ131、132、および133を介して制御してもよい。各磁石101、102、および103のポジションを調整することにより、磁石間の分離距離が変更されてもよい。磁石群105における磁石間の分離距離の変更は、電子ビーム155の集束と、図4に示す収束角Aとに影響を及ぼす。

収束角Aが大きくなると、焦点スポット125は磁石105の近くに動かされる。逆に、収束角Aが小さくなるように磁石105間の分離距離が制御されると、焦点スポット125は磁石105から遠くに動かされる。特定の態様において、装置100は、収束角Aを最大約400ミリラジアンまで増大させてもよい。このことは、典型的に表面から0〜35センチメートルである標的領域内で焦点スポット125を動かすことを可能にしうる。理解される点として、同様の収束角が図3のX-Z平面内にも存在する。明瞭にする目的で、図3に存在する収束角はラベル付けされていない。

他の態様において、制御システム190は、電子ビーム155および焦点スポット125を制御するため、異なるパラメータを制御してもよい。例えば、特定の態様において、磁石105が電磁石を含んでもよく、そして、制御システム190が、電磁石を通る電流を変更するよう構成されてもよい。磁石の分離距離と同様に、磁石101、102、および103の各々を通る電流の変更もまた、収束角Aと、焦点スポット125のポジションとに影響を及ぼしうる。したがって、磁石パラメータ（例えば磁石の分離距離または電流）の変更は、軸方向（例えば電子ビーム155と共線的な方向）において焦点スポット125を磁石105のより近くおよびより遠くに動かすことを可能にすることによって、焦点スポット125の深度を変えることができる。

磁石パラメータを介して収束角Aおよび焦点スポット125の位置を制御できることにより、多数の利点が提供される可能性がある。例えば、標的領域の外部の領域における線量が低減されうる。具体的には、より大きな収束角を作り出せることにより、焦点スポット125における断面と比較して、皮膚表面におけるビーム155の断面をより大きくできる可能性がある。現在の典型的な技術が、最大照射量の約80または90パーセントという表面線量を提供するのに対して、詳細な態様は、焦点スポット125における最大線量の15パーセントという、低い表面入射線量をもたらせる可能性がある。焦点スポットの軸方向深度位置を制御し、かつ、標的領域の外部の健常組織に対する放射線照射量レベルを最小にできる能力は、患者アウトカムを向上させかつ回復時間を短縮させる可能性がある。

さらに、例示的態様はまた、ビーム155のエネルギーを変調させることなく、標的領域内で、集束ポイント125にある線量ピークの深度を制御する能力も提供する。現在の電子治療技術は、典型的に、透過深度を調整するために電子ビームのエネルギーを変動させるが、これは手作業で行われ、かつ、照射量レベルを動的に制御するには適していない。例えば、電子ビームのエネルギーを変えることによって透過深度を調整すると、焦点スポット深度と照射レベルとを独立に制御することができない。

対照的に、本開示の例示的態様は、患者の体厚の臨床範囲全域を透過し、そして次に、磁石システムのパラメータを用いて、標的深度全体にわたって動かされてもよい高線量の集束領域を標的内にもたらすよう、構成される。標的深度は、電子ビームのエネルギーレベル以外のパラメータ（例えば磁石の電流および／またはポジション）によって制御されうる。

本明細書に開示するような、線量ピーク深度の制御の結果として、様々な線量ピーク深度のビームが重ね合わせられてもよく、これにより、腫瘍または処置部位に対応する患者体内の深部領域にわたって、線量が一定した領域がもたらされてもよい。

図5に、半径5センチメートルの円形ビームについて、水に入射した140 MeVの電子ビームの線量分布百分率をシミュレーションしたグラフを示す。図5の1つのプロットにおいて電子ビームは集束されておらず、一方、他方のプロットでは、同じビームが、図1および図2に示したような共線的な四重極磁石構成によって集束されている。図5に示されているように、表面（例えば深度0 cm）における線量百分率は、非集束ビームと比較して集束ビームにおいて実質的に低下している。集束ビームは最大線量の20〜30パーセントの線量を表面に提供し、一方、非集束ビームは最大線量の70〜80パーセントの表面線量を提供する。図5はまた、集束ビームが、15 cmよりやや浅い深度で最大線量を提供したことも示している。

他の態様は、先に図示および説明したものと異なる磁石構成を含んでいてもよい。例えば、図6を参照すると、装置200は、共線的でなくかつ電子ビーム255を制御するよう構成された、複数の磁石205を具備する。この態様において、磁石205はソレノイド電磁石として構成され、かつ、前方レンズ磁石201と、後方反射磁石202と、複数の放射状焦点磁石203、204、206、および207とを含む。

装置200の稼働中、前述の態様と同様の様式で、ビーム255を異なる深度に集束させるため制御システム290が磁石205のパラメータを制御してもよい。例えば、制御システム290が、磁石201〜204および206〜207の各々を通る電流を制御してもよい。制御システムはまた、ビーム255の焦点スポット（明瞭にする目的で、図6には示していない）を変えるため各磁石間の分離距離が変更されるよう、磁石201〜204および206〜207のポジションを制御するように構成されてもよい。

図6に示す構成において、前方レンズ磁石201が集束の主要な提供源である。放射状焦点磁石203、204、206、および207は、前方レンズ磁石201の磁場を改変しそして追加的な集束を提供する磁場を標的内にもたらす。放射状焦点磁石203、204、206、および207の平面は、処置深度に基づいて調整されてもよい。後方反射磁石202は、磁石202の磁場強度に依存する深度で電子が反射され、その結果、線量が所望の深度に限局されるよう、磁場勾配をもたらす。

平面内の磁石203、204、206、および207によって定義される磁気平面の深度を変えて、図6の構成を用いて集束され、水ファントムに入射した100 MeV、半径5 cmの電子ビームについて、深部線量百分率曲線をシミュレーションしたグラフを図7に示す。図7に示されているように、異なる深度の磁気平面は、異なる深度への線量ピークのシフトに対応する。40 cmの磁気平面は最大線量ピークを約16 cmのところに有し、35 cmの磁気平面は最大線量ピークを約13.5 cmのところに有し、30 cmの磁気平面は最大線量ピークを約11.5 cmのところに有し、そして、25 cmの磁気平面は最大線量ピークを約8.5 cmのところに有する。比較のため、集束用の磁場を伴わない、20 MeVの電子による半径5 cmの円形ビームについての深部線量百分率曲線も示されている。図7に示されているように、20 MeVの非集束ビームの表面線量は80〜90パーセントであり、一方、集束ビームは表面線量が10〜20パーセントである。

図6に示した磁石構成を用いた、様々なエネルギーの5本の集束電子ビームによる、前立腺CT（コンピュータ断層撮影）画像上の複合的線量分布のモンテカルロ計算を、図8に示す。（例えば、ビームの各々について焦点スポットの深度を変更するなど）「線量ペインティング」の1形式を利用した、様々なエネルギーの10本の集束電子ビームによる複合的線量分布のモンテカルロ計算を、図9に示す。この技法は、図6に示した磁石構成を用いて、前立腺全体にわたる高線量カバレージを高めるために用いられてもよい。

前方レンズ磁石および後方反射磁石とともに放射状焦点磁石を利用する図6に示した態様の、異なる構成について、深度に対する線量百分率のグラフを図10に示す。グラフは、25センチメートルの磁気平面の構成と、40センチメートルの磁気平面の構成とを含んでおり、各分布の強度は、シミュレーションされた拡大ブラッグピーク（「偽性SOBP」）構成をもたらすよう最適化されている。図10に示すグラフは、5センチメートルの半径を備えた100 MeVの電子ビームについてシミュレーションしたデータを含んでいる。

本明細書に開示され、そして特許請求される、すべてのデバイス、装置、システム、および／または方法は、本開示に照らして、過度の実験を行うことなく作成および実行されうる。本発明のデバイス、装置、システム、および方法を、詳細な態様に関して説明したが、本明細書に説明するデバイス、装置、システム、および／または、方法、方法の段階、もしくは方法の段階の順序に対して、本発明の概念、精神、および範囲から逸脱することなくバリエーションが適用されうることが、当業者には明らかであろう。当業者に明らかである、そうした同様の代用および改変はすべて、添付の特許請求の範囲によって定義される、本発明の精神、範囲、および概念の範囲内であるとみなされる。

参照文献：
以下の参照文献の内容は参照により本明細書に組み入れられる。

Claims (57)

1. 電子ビームを発生するよう構成された電子ビーム発生器と；
   該電子ビームを焦点スポットに集束させるよう構成された複数の磁場をもたらす複数の磁石と；
   標的領域内の第一深度に位置する第一位置から該標的領域内の第二深度に位置する第二位置まで該焦点スポットを動かすため、該複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを変更するよう構成された制御システムと
   を具備する、放射線治療用の電子ビームを制御するための装置。
2. 標的領域が対象の上皮表面より下にあり；かつ
   前記第一位置または第二位置が、該上皮表面から0〜50センチメートルの深度にある、
   請求項1記載の装置。
3. 電子ビームが50〜250メガ電子ボルト（MeV）のエネルギーを有する、請求項1記載の装置。
4. 焦点スポットが前記第一位置から前記第二位置まで動かされる時、ビームのエネルギーが変調されない、請求項3記載の装置。
5. 前記複数の磁石が、複数の共線的な多重極磁石を含む、請求項1記載の装置。
6. 前記複数の共線的な多重極磁石が、少なくとも2つの共線的な四重極磁石を含む、請求項5記載の装置。
7. 前記複数の磁石の1つまたは複数のパラメータが、前記複数の共線的な多重極磁石間の分離距離を含み；かつ
   前記制御システムが、該複数の共線的な多重極磁石間の該分離距離を変更するよう構成される、
   請求項5記載の装置。
8. 前記複数の磁石が、前方レンズ磁石と、後方反射磁石と、複数の放射状焦点磁石とを含む、請求項1記載の装置。
9. 前記複数の磁石が電磁石を含み；
   前記複数の磁石の1つまたは複数のパラメータが、電磁石を通る電流を含み；かつ
   前記制御システムが、該電磁石を通る該電流を変更するよう構成される、
   請求項1記載の装置。
10. 電磁石が、鉄支配型（iron-dominated）またはコイル支配型（coil-dominated）の超伝導電磁石である、請求項9記載の装置。
11. 前記複数の磁場が、電子ビームを50〜500 mradの収束角で集束させるよう構成される、請求項1記載の装置。
12. 前記複数の磁場が、電子ビームを200〜400 mradの収束角で集束させるよう構成される、請求項1記載の装置。
13. 前記制御システムが、前記複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを計算するためのアルゴリズムを含む、請求項1記載の装置。
14. 前記制御システムが、線量分布を計算するよう構成された処置計画作成ソフトウェアプログラムから入力を受け取る、請求項13記載の装置。
15. 焦点スポットが、電子線量の最大の集中を含む、請求項1記載の装置。
16. 電子ビームを発生させる段階；
    複数の磁石によってもたらされる複数の磁場を通じて該電子ビームを方向付けする段階；
    該複数の磁場で該電子ビームを焦点スポットに集束させる段階；および
    標的領域内の第一深度に位置する第一位置から該標的領域内の第二深度に位置する第二位置まで該焦点スポットを動かすため、該複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを変更する段階
    を含む、放射線治療用の電子ビームを制御する方法。
17. 標的領域が対象の上皮表面より下にあり；かつ
    前記第一位置または第二位置が、該上皮表面から0〜50センチメートルの深度にある、
    請求項16記載の方法。
18. 電子ビームが、50メガ電子ボルト〜250メガ電子ボルトのパワーを有する、請求項16記載の方法。
19. 焦点スポットが前記第一位置から前記第二位置まで動かされる時、ビームのパワーが変調されない、請求項18記載の方法。
20. 前記複数の磁石が、複数の共線的な多重極磁石を含む、請求項16記載の方法。
21. 前記複数の共線的な多重極磁石が、少なくとも3つの共線的な四重極磁石を含む、請求項20記載の方法。
22. 前記複数の磁石の1つまたは複数のパラメータが、前記複数の共線的な多重極磁石間の分離距離を含み；かつ
    制御システムが、該複数の共線的な多重極磁石間の該分離距離を変更するよう構成される、
    請求項20記載の方法。
23. 前記複数の磁石が、前方レンズ磁石と、後方反射磁石と、複数の放射状焦点磁石とを含む、請求項16記載の方法。
24. 前記複数の磁石が電磁石を含み；
    前記複数の磁石の1つまたは複数のパラメータが、該電磁石を通る電流を含み；かつ
    制御システムが、該電磁石を通る該電流を変更するよう構成される、
    請求項16記載の方法。
25. 前記複数の磁場が、電子ビームを100〜500 mradの収束角で集束させるよう構成される、請求項16記載の方法。
26. 前記複数の磁場が、電子ビームを200〜400 mradの収束角で集束させるよう構成される、請求項16記載の方法。
27. 制御システムが、前記複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを計算するためのアルゴリズムを含む、請求項16記載の方法。
28. 制御システムが、線量分布を計算するよう構成された処置計画作成ソフトウェアプログラムから入力を受け取る、請求項27記載の方法。
29. 焦点スポットが、電子線量の最大の集中を含む、請求項16記載の方法。
30. 50メガ電子ボルト〜250メガ電子ボルトのパワーを備えた電子ビームを発生するよう構成された電子ビーム発生器と；
    該電子ビームを焦点スポットに集束させるよう構成された複数の磁石と；
    第一深度にある第一位置から第二深度にある第二位置まで該焦点スポットを動かすよう構成された制御システムであって、該焦点スポットが該第一位置から該第二位置まで動かされる時、該電子ビームのパワーが一貫したレベルに維持される、該制御システムと
    を具備する、放射線治療用の電子ビームを制御するための装置。
31. 第一位置および第二位置が標的領域内に位置する、請求項30記載の装置。
32. 標的領域が対象の上皮表面より下にあり；かつ
    前記第一位置または第二位置が、該上皮表面から10〜20センチメートルの深度にある、
    請求項31記載の装置。
33. 焦点スポットを前記第一位置から前記第二位置まで動かすため、前記複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを変更するよう制御システムが構成される、請求項30記載の装置。
34. 制御システムが、前記複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを計算するためのアルゴリズムを含む、請求項33記載の装置。
35. 制御システムが、線量分布を計算するよう構成された処置計画作成ソフトウェアプログラムから入力を受け取る、請求項35記載の装置。
36. 前記複数の磁石が、複数の共線的な多重極磁石を含む、請求項33記載の装置。
37. 前記複数の共線的な多重極磁石が、少なくとも3つの共線的な四重極磁石を含む、請求項36記載の装置。
38. 前記複数の磁石の1つまたは複数のパラメータが、前記複数の共線的な多重極磁石間の分離距離を含み；かつ
    前記制御システムが、該複数の共線的な多重極磁石間の該分離距離を変更するよう構成される、
    請求項36記載の装置。
39. 前記複数の磁石が、前方レンズ磁石と、後方反射磁石と、複数の放射状焦点磁石とを含む、請求項30記載の装置。
40. 前記複数の磁石が電磁石を含み；
    焦点スポットを前記第一位置から前記第二位置まで動かすため、前記複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを変更するよう前記制御システムが構成され；
    前記複数の磁石の該1つまたは複数のパラメータが、該電磁石を通る電流を含み；かつ
    該制御システムが、該電磁石を通る該電流を変更するよう構成される、
    請求項30記載の装置。
41. 前記複数の磁石が、電子ビームを100〜500 mradの収束角で集束させるよう構成される、請求項30記載の装置。
42. 前記複数の磁石が、電子ビームを200〜400 mradの収束角で集束させるよう構成される、請求項30記載の装置。
43. 焦点スポットが、電子線量の最大の集中を含む、請求項30記載の装置。
44. 50メガ電子ボルト〜250メガ電子ボルトのパワーを有する電子ビームを発生させる段階；
    複数の磁石で該電子ビームを焦点スポットに集束させる段階；および
    該電子ビームのパワーを一貫したレベルに維持しながら、第一深度にある第一位置から第二深度にある第二位置まで該焦点スポットを動かす段階
    を含む、放射線治療用の電子ビームを制御する方法。
45. 第一位置および第二位置が標的領域内に位置する、請求項44記載の方法。
46. 標的領域が対象の上皮表面より下にあり；かつ
    前記第一位置または第二位置が、該上皮表面から10〜20センチメートルの深度にある、
    請求項45記載の方法。
47. 第一深度にある第一位置から第二深度にある第二位置まで焦点スポットを動かす段階が、前記複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを変更することを含む、請求項44記載の方法。
48. 制御システムが、前記複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを計算するためのアルゴリズムを含む、請求項47記載の方法。
49. 制御システムが、線量分布を計算するよう構成された処置計画作成ソフトウェアプログラムから入力を受け取る、請求項48記載の方法。
50. 前記複数の磁石が、複数の共線的な多重極磁石を含む、請求項47記載の方法。
51. 前記複数の共線的な多重極磁石が、少なくとも3つの共線的な四重極磁石を含む、請求項50記載の方法。
52. 前記複数の磁石の1つまたは複数のパラメータが、前記複数の共線的な多重極磁石間の分離距離を含み；かつ
    前記複数の磁石の1つまたは複数のパラメータを変更することが、該複数の共線的な多重極磁石間の該分離距離を変更することを含む、
    請求項50記載の方法。
53. 前記複数の磁石が、前方レンズ磁石と、後方反射磁石と、複数の放射状焦点磁石とを含む、請求項44記載の方法。
54. 前記複数の磁石が電磁石を含み；かつ
    第一深度にある第一位置から第二深度にある第二位置まで焦点スポットを動かす段階が、該電磁石を通る電流を変更することを含む
    請求項44記載の方法。
55. 前記複数の磁石が、電子ビームを100〜500 mradの収束角で集束させるよう構成される、請求項44記載の方法。
56. 前記複数の磁石が、電子ビームを200〜400 mradの収束角で集束させるよう構成される、請求項44記載の方法。
57. 焦点スポットが、電子線量の最大の集中を含む、請求項44記載の方法。

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