JP4632278B2 - イオンビーム治療システムおよび該システムを操作する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１及び９の前文に記載される癌治療に使用するイオンビーム治療システムおよび該システムを操作する方法に関する。
【０００２】
このような治療システムは米国特許第4,870,287号から陽子ビームとして公知である。この公知システムは１つの陽子源から加速器を通って選択的に陽子ビームを発生し、複数の患者治療室中の選ばれた部屋へ輸送する。各部屋はその部屋で固定位置決め装置中に支えられる患者へ異なった角度から陽子ビームを送り出すための回転可能なガントリーを有する。
【０００３】
特に、陽子よりも重いイオンを意味する重イオンにおいては、重くて巨大な装置を回転するという困難性から、当業者は回転可能なガントリーの使用を避けようとする。重イオンにおいて回転可能なガントリーを避けようとする、これらのシステムについての考察は、E. Pedroni: Beam Delivery, Proc. 1st Int. Symposium on Hadrontherapy, Como, Italy, October 18-21, 1993, 434頁に発表されている。当業者に公知であるこのようなシステムは、回転する装置の重さと大きさのいずれかを減少させるためには患者を動かす必要がある。ある設計者達は、報文、M.M. Kats, K.K. Onosovski: Instrument and Experimental Techniques Vol. 39, No.1, 1996, 1-7 頁および1 32頁 から公知であるように、回転構造に代えて固定ビームラインのセットを好ましいと考えている。したがって、偏心システムとして、重イオンを使用したイオンビーム治療システムを設計することは当業者には自明である。
【０００４】
しかしながら、偏心システムは放射線腫瘍学者が明らかに同心システムを期待し要望しているから、このような解決法を好まないという問題を有する。
【０００５】
Marius Pavlovic の文献、Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A, 11-11-1997, Elsevier, vol. 399, no. 2-3, 439-454 頁から、ガントリーの形としては、軽イオン（Ｚ＝１〜８）において、曲げ電磁石として超導電性双極子を含み、これらの超伝導性双極子における端集束効果を除いたものが公知である。
【０００６】
J. Pawelke らの文献、Physics in Medicine and Biology; Feb. 1996; IOP Publishing; Vol. 41, No. 2, 279-296 頁から、インビーム陽電子放出断層撮影画像のための種々のカメラは、インサイチュ(in situ) およびインビボ(in vivo) 治療計画検査用およびビームモニター用ならびに重イオン腫瘍治療中の線量コントロール用として公知である。
【０００７】
P. Forck らの文献、EPAC96, Fifth European Particle Accelerator Conference, Sitges, Spain; 10-14 June 1996, 2644-2646 頁から、癌治療に使用するビーム位置モニターのためのハロ検出器によるシンチレーターが公知である。この検出器は高感度略非破壊法によって、重心、幅および強度についての情報を提供する。
【０００８】
本発明は、以下からなる。
固定した位置に患者を位置決定するための患者支持体（２００）をそれぞれ有する１以上の別個の患者治療室（１００）；
イオン源（３００）；
ビーム（５０）としてイオンを加速するための加速器システム（４００）；
患者支持体（２００）によって固定位置決め状態で支えられた患者を治療する治療室（１００）へ加速器からイオンビームを送るためのイオンビーム輸送システム（６０）を含み、
該イオンビーム輸送システム（６０）は少なくとも水平ビーム送り出しシステムおよび少なくとも回転軸のまわりで回転可能なガントリー（８）を含むイオンビーム輸送システムであって、
該ガントリー（８）は、その回転軸（８０）上でイオンビームを受け取り、該イオンビームを回転軸から輸送し、かつ、患者内の標的同心（９０）で軸と交差する経路上にイオンビームを送り、該イオンビーム（５０）を０から３６０°の間の異なった角度から該標的同心（９０）へガントリーの回転によって送り出す光学系を保持し、
該ガントリー（８）および該水平ビーム送り出しシステム（４５，５５）は、該イオンビーム（５０）をラスタースキャンニングし、最終曲げ電磁石（６５）の上流に位置する垂直偏向手段（４５）および水平偏向手段（５５）を包囲し、該イオンビーム（５０）を患者の方向であって、該ガントリー（８）の最終四極子レンズ（７５）の下流に向ける手段を保持し、
該垂直偏向手段（４５）および該水平偏向手段（５５）は、該イオンビーム（５０）をそのビーム角度に直角に偏向し、その結果、ビーム（５０）は該最終曲げ電磁石（６５）を通過した後、該標的同心（９０）の回りの所定の制御領域上を操作できるとともに、イオンビーム強度を下げる機能と緊急時スイッチオフ機能を担持するＲＦチョッパーを含むことを特徴とするイオンビーム治療システム。
本発明の目的は、十分に特定したルームコーディネートシステムに同心を固定し、かつ、日常の患者に位置決めおよび治療角度を容易にチェックさせる独立請求項の前文に記載されたイオンビーム治療システムおよび該システムを操作する方法を提供することにある。さらに、イオンビーム治療システムは１つの平面構造をもち、これは曲げを必要としないが、A. Koehler: 米国特許第4,812,658号、March 14, 1989 および S.Z.Rabin
ら: Nucl. Instr.
and Meth. B40/41 (1989) 1335頁から公知である同心「螺旋状」ガントリーの概念と比べて、より大きなガントリー長となる。したがって、本発明の１つの特徴はイオンビーム、特に重イオンビームのための１つの平面構造として設計された同心結合構造では通常、全く大きくなるガントリー半径をも減少させることである。
【０００９】
さらに、本発明の１つの特徴は、アウトビーム陽電子放出断層撮影法の不正確さと不確定さを避けることにある。陽電子放出断層撮影の患者は、目下、照射後に撮影されている。この場合、患者はまず、治療室から陽電子放出断層撮影装置の所へ搬送されなければならない。この時間中に、陽電子エミッタ（主に、¹¹Ｃおよび¹⁰Ｃ、¹³Ｎ、¹⁵Ｏ）の独自の分布は、体内での物質の輸送および交換によって有意に減生されるであろう。これは本発明のイオンビーム治療システムでもって避けるべきである。
【００１０】
本発明の他の特徴はイオンビームをラスタースキャンニングしてモニターすること、特に、最終曲げ電磁石を通過した後の重イオンビームをラスタースキャンニングしてモニターすることにある。高速度で、粒子フルエンス(fluence) およびビーム位置を測定および制御することである。
【００１１】
本発明の課題は独立請求項の主題における態様によって解決される。好ましい実施態様の形態は、従属請求項に記載されている。
【００１２】
本発明の利点は、このイオンビーム治療システムが磁界によって荷電粒子を制御する可能性を有することにある。そのために、調整可能なスポットサイズをもつ電荷粒子の十分に集束化された鉛筆様ビームが、クライゼル(Kreisel) に続く治療領域上に形成され、腫瘍輪郭を走査することができる。走査速度およびビーム強度を変化させて、標的容量内でいかなる所望の線量分布をも発生させ、健康な組織には最小余剰線量でもって分配することができる。本発明のダイナミック走査ビーム送りだしは３Ｄ−等写(conformal) 腫瘍照射における理想的な技術である。
【００１３】
本発明のイオンビーム治療システムは、走査システムがガントリーの最終曲げ電磁石の上流に極在化しているから、ガントリー半径が減少した明白に同心であるシステムの利点を有している。走査システムのこの位置は、ガントリーのイオン光学システムの高い柔軟性という別な利点をも有する。これは同心でビームの大きさおよび分散性を正確に制御することができる。最終ガントリー電磁石の入口および出口の端での端集束効果によって、平行走査方式が行われる。好都合にも、得られたガントリー構造は、２方向電磁石走査システムの上流位置を有する単一平面同心ガントリーである。
【００１４】
本発明の好ましい態様では、該イオンビームのイオンは、ヘリウム、炭素または酸素イオン群の１つである。これらの炭素イオンは癌疾患の患者を治療するには非常に効果的である。これらは従来の陽子ビームに比べて、改良された治療技術を開発するために利用され得る、好ましい物理的および生物学的性質を有するから、炭素のイオンビームはいくつかの利点、まず、高い物理的選択性、第２に、より高い生物学的効果、陽電子放出断層撮影の助力を得た放射線検証の第３の可能性の特殊な組み合わせをもたらす。陽子よりも重いイオンの場合、好ましい物理的選択性は、陽子抵抗性腫瘍の治療にとって重要な利点であるより高い生物的効果によって、さらに増強される。炭素のようなイオン種を適当に選択することによって、生物学的効果はブラッグカーブのプラトー領域内に低く残り、かつ、ブラッグピーク領域内で上昇するように制御され得る。これは生物学的線量によってプラトー比にまでピークを増大して、周辺の健康な組織への線量を最小限にしつつ、腫瘍へより高い生物学的線量を送り出すことができる。陽子ビームの欠点は、物理的選択効果のみを有することにある。一方、高い物理的選択性およびさらにより高い生物学的効果は、典型的な好ましい態様として炭素イオンによって示されている。
【００１５】
本発明の他の好ましい態様では、インビームが通過する位置へ向けられた陽電子放出断層撮影カメラをさらに保持するガントリーを有する。ビームが組織を透過する際には、陽電子放出同位体が１次イオンの核分裂から発生する。１つまたは２つの中性子（例えば、炭素イオンビームの場合、¹¹Ｃ、¹⁰Ｃ）の損失によって１次粒子と相違する、これらの陽電子放出断片のいくつかは、１次粒子と同じ領域内でほぼ停止する。陽電子エミッタの停止部位は陽電子放出断層撮影を使用して確認され得る。この好ましい態様では、陽電子放出断層撮影は放射中でも行われ得る。この好ましい態様では、部位は有利にもインサイチュ(in situ) でモニターされ、放射手法の正確さはさらに放射線に露呈することなく検査され得る。
【００１６】
さらに好ましい態様では、加速器システムは線状加速器、もっとも好ましくは高周波四極子（ＲＦＱ）および櫛歯をからませた形のＨ型構造線状加速器およびシンクロトロン加速器を含む。加速器を組み合わせた利点として、イオンビームで癌を治療する応用例が周知である。このコンパクでコスト効率のよいＲＦＱ／ＩＨの組み合わせが本発明において初めて提供される。
【００１７】
別な態様では、該イオンビーム治療システムは最終曲げ電磁石を通過した後のラスタースキャンニングしたビームをモニターする手段を含む。このモニターシステムでは、粒子フルエンスおよびビーム位置をガントリー分野内で、高速度でもって正確に測定および制御することが可能である。ガントリーの最終曲げ電磁石は、好ましくは６０°以上の曲げ角度の曲げ電磁石である。
【００１８】
好ましくは、モニター手段はガントリー出口の共通支持体にインビームで据え付けられている。
【００１９】
さらに好ましい態様では、該モニター手段は平行平板型イオン化室および多条ワイヤ比例室(proportional chamber)を含む。これは粒子フルエンスは平行平板型イオン化室で測定され、ビーム位置およびビーム幅は多条ワイヤ比例室で測定されるという利点を有し、全システムは３つの平行平板型イオン化室と２つの多条ワイヤ比例室からなる。これらの平行平板型イオン化室の２つは、粒子フルエンスをモニターすることに使用され、２つの多条ワイヤ比例室はビーム位置を決定する。第３のイオン化室は有利にも独立して、別種の安全装置となる。
【００２０】
本発明の別な態様、利点および応用は、添付する図面における好ましい態様のさらなる記述によって説明される。
【００２１】
図１は建物のレイアウトを示す。
図１に示す施設は、本発明のイオンビーム治療システムおよび該システムを操作する方法に使用するために提供される。
【００２２】
この施設は公共病院付属癌治療施設である。センターとして建設されるべき建物にはいくつかの重要な点が存在する。
−既存室へ適合することから生じる窮屈さがないこと。
−最適な患者の流れを考慮した特別注文の建物設計
−適当な敷地の選択
【００２３】
この建物は下記要件を満足する。
ａ）患者にとって快適でかつ友好的な環境
患者は、技術研究所のような背景をもたず、正常でかつ友好的な病院環境を知覚する。したがって、患者支持台は寝椅子(couch) として設計される。
【００２４】
ｂ）放射線治療部門の一般的基準の保存
この建物は、医療部分を従来の放射線治療部門へ同様に配置し、機械設計に従った加速器部分を最大限に活用するために、医療部分と加速器部分に明らかに区分けされる。
【００２５】
ｃ）同一性能を有するより多い治療室
もしも所定の患者が特殊な治療室で照射されなければならないとの制約がないなら、患者の流れは速められるであろう。これは２つの同じガントリー室が存在する理由である。図１の配置における他の利点は、１つの治療室にある装置に何らかの故障がおきた場合には、所定の患者の分画計画は他の治療室を使用することによって維持することができることにある。
【００２６】
ｄ）装置取り付けおよび維持において加速器部分へ容易に接近
加速器領域に医療部分の活動を妨害することなく、取り付け、維持および修復の目的において巨大な装置および器具に近づけることができる。
【００２７】
加速器システムを含む照射施設の建物レイアウトは、図１に見取り図で示される。水平面では、受け付け領域から検査室、準備室および治療室への患者の流れは下書き線の通りであった。したがって、加速器およびビーム輸送ラインが備えられていた。図１ａは患者照射手法に関連した部屋を含み、加速器を収容する患者照射フロアーを示す。３つの治療場所である技術制御室は、線量測定、ＰＥＴ、加速器維持などのための２、３の研究室と同様にこのフロアに位置する。ガントリー室には大きな空間が必要であることから、その２階には、加速器の電源装置および照射装置、空冷設備およびさらに事務室が収容されるであろう。運転期間中のみに加わり、診断の介在を乱す(trouble)加速器制御室は電源領域内に導入される。電力３．５ＭＷの冷水装置は、シンクロトロンリングの内側に置かれ、冷却塔と主変圧器はシンクロトロン最高部上の建物の外側に設置されることが予想される。照射フロアは地下に置かれる。したがって、外側に入口穴および頭上式クレーンを備えなければならない。その結果、階層の高さは１．５ｍの増加となる。図１ｂはこの建物の垂直断面を示す。
【００２８】
患者体部と高エネルギーの炭素ビームとの相互作用から発生する高速中性子線（≧１００ＭｅＶ）に対する遮蔽予防措置は、遮蔽壁の外側での最大線量割合に基づくのではなく、むしろ１年を越えるヒトへの蓄積線量に基づく。炭素ビームのエネルギーは確率因子５によって、かつ、その強度は確率因子１０００によって包み込まれる(fold in)。
【００２９】
図１に示す施設は、本発明のイオンビーム治療システムおよび該システムを操作する方法に使用する最初の施設である。これはこのように大きなスパンのビームパラメーターで操作する。
【００３０】
ガントリー室上部の別な階は、事務室の使用のために選択されなければならないから、ガントリー室の上部遮蔽は、底部からの患者の照射をも考慮して、最初から注意深く定められている。したがって、ガントリーのカウンタウエイト（釣り合い錘）は、最終曲げ電磁石として機能する最終ガントリー双極子の出口に対して反対側にある。この位置では、カウンタウエイトは高速中性子線に対する遮蔽としても作用することができる。照射室の壁や天井は２ｍのコンクリートで固める。この厚みは９０°の角度で標的から放出し、ガントリーのカウンタウエイト遮蔽によって通過する中性子を走査するには十分である。
【００３１】
加速器システムは図２に示され、この主パラメーターは表１に記載されている。
【００３２】
図３に示すように、入射回路はイオン源、低エネルギービーム輸送ライン、高周波四極子（ＲＦＱ）、ＩＨライナックおよびシンクロトロンへの入射ラインからなる。
その主な特徴は、
−所望の粒子ビームを作り出し、かつ分析すること
−ビーム汚染をモニターすること
−ビーム強度を制御すること
−入射エネルギー７ＭｅＶ／ｕまでビームを加速すること
−シンクロトロン中へ入射したパルスの長さを決定すること
−シンクロトロン入射条件に適合すること。
【００３３】
図３に示される入射回路は、２つのイオン源および２つの低エネルギービーム輸送ブランチ、スイッチ電磁石、ＲＦＱおよびライナックおよびストリッピングフォイルからなる。ここで、略号は次の通りである。ＥＣＲＩＳ＝電子サイクロトロン共鳴イオン源、ＢＤ＝ビーム診断ブロック、ＱＳ＝四極子シングレット、ＱＤ＝四極子ダブレット、ＱＴ＝四極子トリプレット、ＳＯＬ＝ソレノイド、ＳＬ＝スリットコリメーター。入射回路の全投射長は約１３．５ｍである。
【００３４】
物理実験におけるビームの場合では通常、関連しない１つの特徴をもつ態様が存在する。治療ビームは、１％以上の強度フラクションに所望Ｚ番号と異なる原子番号Ｚを有するイオン種の汚染を含んではならない。これは加速回路とそれに続くビーム輸送エレメントが荷電対質量の比に対してのみ選択的であるから、重イオンでは問題である。この比は最も高い電荷状態では多数の重イオン種においても同じ（Ｑ／Ａ＝１／２）である。この問題は、所望イオンの電荷対質量の比と等しい不確かな電荷対質量の比の最小確率でもって、イオン源からより低い電荷状態を引き出すことによって解決される。この必要性は最も高い電荷状態よりも好ましい。汚染の可能性を最小限にするためには、¹²Ｃ⁴⁺がイオン源から引き出されるであろう。例えば、同位体¹⁸Ｏ⁶⁺、²⁴Ｍｇ⁸⁺、²⁷Ａｌ⁹⁺、または ³⁶Ａｒ¹²⁺において、電荷対質量の比、Ｑ／Ａ＝１／３におけるコインシデンスが残っている。これら（¹⁸Ｏ⁶⁺、²⁷Ａｌ⁹⁺）のいくつかは、完全にストリップされた後は１／２とは異なった電荷対質量の比を有するから、ストリッパーの下流で除去される。しかしながら、コインシデンス、Ｑ／Ａ＝１／２は、³⁶Ａｒ¹⁸⁺および ²⁴Ｍｇ¹²⁺ においては残存する。前者は空気（源での吸着または漏出によって供給された）中の無視できる画分を有する。後者は源構築のために適当に分析された材料を選択することによって避けられる。
【００３５】
ライナックが¹²Ｃ⁴⁺に対して設計されている場合には、電荷状態Ｈｅ²⁺が必須であるＨｅイオンでは、汚染問題が¹⁶Ｏ⁸⁺において存続する。規定された解決策は、¹²Ｃ⁴⁺と同じＱ／Ａ＝１／３を有する同位体、³Ｈｅ¹⁺を使用することである。
【００３６】
イオン源から取り出されるべき電流は、加速器回路中のビーム損失全てを考慮した患者に必要なビーム強度による。Ｃ⁴⁺では電流１２０μＡ、Ｈ²⁺では６００μＡおよび陽子では１．２ｍＡがＤＣモードでイオン源から送り出されるであろう。これらのＤＣビーム電流は、安定で再生可能かつ信頼性のある操作モードのＥＣＲイオン源から、特にこの態様で使用されるような永久電磁石を使用したソースモデルから送り出され得る。
【００３７】
図３に示される低エネルギービーム輸送ラインの設計は、異なった粒子種が共通した加速器集合体から取り出されるであろう事実に大きく影響される。異なった粒子は、オプションとしてではなく、むしろ１時間以内の短い時間間隔で切り替え可能な均等な操作形態で入手できる。ＥＣＲイオン源取り出しシステムの推奨される取り出し電圧に従って、ＲＦＱへの入射エネルギーは、全粒子種に対して８ｋｅＶ／ｕにセットされる。この値はまた、陽子ビームの場合に空間電荷効果を減少するという観点から都合がよい。切り替え可能なモードで異なった粒子ビームを入手するには、炭素および陽子イオン源が終始、平行して走行しているという出所戦略が必要である。低ＬＥＴ照射のための陽子イオン源ならびに故障した場合の通常の炭素源に対する代替を考慮して、イオン源と分光計ラインからなる２つの同じブランチをこの実施態様では備えている。これらの２つのブランチは切り替え型電磁石を通してＲＦＱ中へビームラインを供給する。
【００３８】
分光計光学系は、その源から出力する電荷状態を分離するのみならず、不純物を確認するように設計されている。本質的には、電磁石分光計は¹²Ｃ⁴⁺と同じ電荷対質量比を有する不純物を識別できないけれども、これは可能性ある汚染物の近隣の電荷状態や同位体を走査することによってビーム汚染のヒントを提供することができる。ビーム適合性能によって光学的に測定されるＲＦＱへの一直線のラインでは、２つの他の装置が挿入される。第１のものは、イオン源ＤＣビームから、シンクロトロン中へ入射するほぼ代表的ビームパルスを切断するマクロパルスチョッパー。ライナックとシンクロトロンリングの間の入射ラインで別なチョッパーによって細かいパルスが整形される。マクロパルス整形は、安定性のためにかつ低エネルギービームラインでの静止した空間電荷の補償を可能とするために、その源がＤＣモード内で走行しているから得策である。これは陽子ビームでは必須である。
【００３９】
低エネルギービームラインに導入され、これまで、ビーム治療システムにおいて均等な装置と考えられていない他の重要なサブシステムは、急速強度デグレイダーのようなＲＦチョッパーである。ＲＦチョッパーは横断ビームエミタンスを一定に保つＩmax ／Ｉmin の比＝１０００以上でＲＦＱ中に入射し、かつ、ＲＦＱアクセプタンスに十分に適合したビーム強度を制御する。この方法はビームエミタンスがビーム強度に依存しない利点（集束しないでスリットで切断する横断ビームのような他の可能性に比べて）を有する。
【００４０】
図２および３に示される線状加速器（またはライナック）は８〜３００ｋｅＶ／ｕのＲＦＱセクションおよび０．３〜７ＭｅＶ／ｕの本質的加速をもたらすＩＨセクションからなる。長さを短縮することを考慮すれば、２１６Ｍｈｚの高操作周波数がこのシステムの長さを短くするために使用される。詳細なビームダイナミックシミュレーターが加速器構造の設計を最適化するために使用される。１：２スケールＲＦモデルはＩＨ構造の寸法を確かめるために使用される。
【００４１】
図２および４に示されるシンクロトロンへの入射ライン（約１６ｍ長）は、ストリッパー標的、入射パルスを形付けるチョッパーシステム、質量分析への荷電のための双極子電磁石、シンクロトロンアクセプタンスへビームエミッタンスを適合させる四極子、ビーム診断装置、および最後に偏向電磁石を含む。その次の静電偏向板は環状構成品の一部分である。
【００４２】
ストリッパー標的は炭素箔、ラダー上に載せられた５つの選択性ユニットからなる。箔の厚みは約５０μｇ／ｃｍ²であり、個々の箔の寿命は約６週間である。ストリッピング効果Ｃ⁴⁺→Ｃ⁶⁺は、７ＭｅＶ／ｕでは８０％以上である。無限の寿命をもつ気体ストリッパーは、関与する低ビーム強度には必須ではなく、すなわち不必要に価格がかかる項目である。箔上の集束ビームスポットは約２ｍｍであり、多層スキャッタリングによるエミッタンス増加は５％以下に止まり、ストリッピング前の±１．５^・１０^-3のライナック出力ビームの運動量幅への寄与は±５^・１０^-4のオーダーである。
【００４３】
入射チョッパー、すなわち２つの小さなＤＣ曲げ電磁石をもつパルス静電偏向板は、０．２ｍｓライナックパルスから、入射回転数１５回の要求数に相当する約３０μｓ長を有する入射パルスを切り出す。回転数は基本的には強度要件に従って選択され得る。しかしながら、引き出したビームのエミッタンスが変化するであろうから、この性質をダイナミックに利用することは好ましくない。これは結果的には高エネルギービームラインの再調整およびガントリー光学系を必要とするであろう。
【００４４】
シンクロトロン中への入射ビームラインは、リングのβ−機能と分散機能に適合する６つの四極子レンズをさらに含む。ステアリング電磁石およびエミッタンスを規定するスリットは、ビーム電流、ビーム外形およびビーム位置の適当な診断とともに予知される。入射回路出口のビームパラメーターは表２に示される。
【００４５】
シンクロトロンの主な特徴は、
−イオンの多数回転入射手段
−所望エネルギーへのイオンの加速手段
−パルス対パルスエネルギー変換手段
−可変的取り出し時間を有する遅ビーム取り出し手段
【００４６】
入射手法は多数回転工程のために選択された。それは厄介な問題のないＳＩＳならびにＨＩＭＡＣ光−イオン医療用サイクロトロンで使用中である。この方法では、イオン源およびライナック性能は、イオン源の性能およびライナックの誤波長調整に充分な余裕量をもって、その値を加減するように要求されている。電磁石開口部の形は、リング状電磁石の水平開口部が共鳴取り出し方式によって主に決定されるように、多数回転方式によって適度に決定される。
【００４７】
リングの構成部品レイアウトでは、水ホースおよび電流接続部でしばしば故障が発生するから、構成部品数を少なくすることが奨励されている。したがって、６つの６０°曲げ電磁石が選択されていた。６０°双極子の製造は、試作モデルで点検されなければならない。四極子および六極子はプロトタイピング手法にかける必要はない。シンクロトロンリング構成部品は表３に記載され、リングレイアウトは図４に示されている。
【００４８】
コスト最適化の理由から、１．５Ｔの保存的最大流速密度が双極子電磁石には選択された。ここで、電磁石ランプにおける時間０．５秒は、入射の終了と取り出し開始の間で選択され、電磁石の固体真空槽の適当なセーブ壁厚を斟酌すれば、２．４６Ｔ／ｓのランピング速度に相当する。
【００４９】
リング状真空における平均圧力１０^-9Torrは、要件を満足する。この値は、構成部品が据付け前に適当に加工されている場合、焼成手法を使用しなくても達成され得る。Ｃ⁶⁺ビームの寿命測定がこの選択を支持している。スプッターイオンポンプがもっぱら予知される。もしもシステムが焼成され得るなら、リーククリーニング工程後に基本圧力が急速に達成されるとの議論があり、リング状真空外の焼成は、他のプロジェクトでは絶えず問題となっている。
【００５０】
取り出しエネルギーは、パルス対パルスモード５０から４３０ＭｅＶ／ｕで選択可能であり、後者エネルギーは３０ｃｍの水中の炭素ビームの浸透範囲に相当して、最大ビーム剛性６．６Ｔｍとなる。最大磁性剛性はリングおよびそれに続くビーム輸送ハードウェアの価格を支配する要素である。
【００５１】
ビーム取り出しには、「共鳴」低取り出し手法が準備されている。この低ビーム取り出しモードは、腫瘍描写ならびにビームモニターにおいて十分な時間をもたらすために、映像域走査ビーム送り出し技術が必要である。
【００５２】
ゆっくり取り出されたビームのエミッタンスは相対的に小さい。これらの値は入射時のビーム性能、取り出しビームエネルギー、取り出し手法および取り出しが始まる前のシンクロトロン設定に依存する。水平および垂直エミッタンスは一般には異なっているけれども、治療場所での安定で対称的かつ、「丸い」ビームの要求は、ビーム輸送ライン中にビーム光学系を適当に設定することでもってかなえられる。
【００５３】
できるだけ効率的にビームスピルを使用するために、１〜１０秒の可変的取り出し時間が費やされる。この特徴がないと、大量の治療時間が、取り出し中断（腫瘍薄片の完了）と新しい機械サイクルとの間で無駄になるであろう。可変的取り出し時間の場合、新しい機械サイクルは所与の腫瘍断層画像(slice)に対応する取り出しが終了した後に直ちに開始され得る。したがって、この特徴は治療時間を最小限とするには重要である。取り出し技術の他の特徴は、同じシンクロトロンサイクル（すなわち、同じビームエネルギー）中の素早い取り出しスイッチの点滅である。この可能性は２つの状況で有用であると考えられる。まず、組織異質物とともに不規則な腫瘍の形が、線量を当てるべきでない中間の領域にいくつかの孤立した「島」からなる腫瘍等エネルギー断層画像となる場合。第２に、呼吸ゲート制御 (respiration gated)照射を行なう場合。
【００５４】
シンクロトロン形状および取り出し技術の選択へ及ぼす大きな影響とは、確かな急速スピル停止、最適化時間、および必要により呼吸ゲート制御照射とともに映像域走査法の必要条件である。
【００５５】
ラスタースキャンニングによるビーム送り出し法では、取り出したビームスピルは滑らかな時間構造を有することが望ましい。共鳴取り出しモードで、この時間構造は通常、均質でなく、雑音構造を有する。これらの強度の揺動を最小限とすることは、種々の手段、例えば、シンクロトロン電源装置の脈動減少、フィードバックシステムの取り付けなどによって行なわれ得る。腫瘍容積上の線量分配のきっちりした許容範囲は、本発明のこの実施態様において再現性よく達成され得る。
【００５６】
技術的には、遅い取り出しはビームの運動量を変えるか、あるいは粒子の振幅を励起することによって、シクロトロンリングのビーム光学的設定を変化させて実現することができる。ＲＦノックアウト取り出しは、この方法が上記した要件の全てを満足し、かつ、リングの非イオン光学変化が取り出しレベルで達成されなければならないから、目下、治療システムでは、この態様のシンクロトロンにおいて提供されている。
【００５７】
これに続いての高エネルギービーム輸送システムおよびガントリーの形に影響を与える重要な点は、特に、取り出したビームのエミッタンスが水平および垂直面で異なっていると予期されることである。
【００５８】
図５に示される高エネルギービーム輸送システム（ＨＥＢＴ）は取り出したビームをシンクロトロンから治療室へ輸送し、標的同心で最終ビームパラメーターを形成することに関与する。新しい施設では、１つの固定水平ビームラインと２つのガントリー治療室が準備されている。固定水平ビームラインの場合、ＨＥＢＴシステムはシンクロトロンから標的同心へ無色ビーム輸送および標的同心でのビームスポットサイズ（４〜１０ｍｍビーム）制御をもたらす最終ビーム調整に完全に関与している。これらのパラメーターはビームエミッタンスのエネルギー依存性ならびに水平および垂直面での異なったエミッタンスを考慮して、全てのビームエネルギーにおいて達成されなければならない。
【００５９】
ガントリー治療室では、ＨＥＢＴシステムは最終ビーム整調に関与しているのではなく、むしろガントリーインプットで適当なビームを形成することに関与している。回転ガントリーを固定ビーム輸送ラインへ接続する点、いわゆる「接合点」はガントリーインプットであると定義される。ガントリーインプットでの所望のイオン光学性能は、
−シンクロトロンから接合点への無色ビーム輸送
−両平面でのビームくびれ
−水平および垂直面の等しいビームサイズ
である。
【００６０】
同心でのビームパラメーターの最終制御は、ガントリーイオン光学システムの異なった設定であれば、そのとき達成される。
【００６１】
図５のＨＥＢＴシステムは、四極子レンズ、曲げ電磁石およびビーム診断装置からなる。取り出し隔壁電磁石に続いて、急速ビーム停止チョッパーが取り付けられている。これは映像域走査断層画像の完了後にビームスイッチオフが取り出し手法を妨害することによって日常的におこる緊急状態にて使用されるであろう。高エネルギービームラインは、嵩高い機械へ介在させる場合、高架クレーンにてガントリー穴へ入れるためには、取り外し可能でなければならない。
【００６２】
図６に示されるガントリーは、ビーム輸送システムの一部ならびにビーム送り出し装置のサブシステムであると考えられる。いずれの場合も、ガントリー（８）は施設装置の主要な部分であり、陽子よりも重い粒子のビームのためのガントリーはこれまで建設されていない。重イオンガントリーは、伝統的には、非常に高価であって、建設が大変困難であると思われていた。しかしながら、大きな範囲の腫瘍部位を治療すべきであると期待される癌治療施設では、回転ガントリー（８）が、陽子治療施設の最近の実験から明白になったように強く推奨される。現在、８つの陽子ガントリーが走行中、あるいは世界中で製作依頼中であり、新しいプロジェクト申し込みのほとんどは、通常、癌の陽子治療のための２つの陽子ガントリー室を含む。
【００６３】
この実施態様では、映像域走査システムを備えた２つの同じ回転イオンガントリーのためのイオンビームシステムが提供されている。このような組み合わせは可能性がもっとも高い柔軟性と線量対腫瘍一致性をもたらす。このガントリーは照射手法のインビームＰＥＴモニターのためのＰＥＴカメラを装備しているであろう。
【００６４】
ビームの光学的理由から、走査システムは、好ましくはガントリー（８）の最終四極子レンズ（７５）の後方であって、最終ガントリー双極子（６５）の前方に配置される。この位置で、ガントリーのイオン光学システムの高い柔軟性が達成され、同心でビームの大きさおよび分散を制御することができる。走査システム（４５、５５）は、１つの水平（４５）および１つの垂直走査（５５）電磁石からなり、そのパラメーターは固定された水平ビームライン中のシステムと同じ（または近い）ように選択されている。最終ガントリー電磁石（６５）の入口および出口の端部での端集束効果によって、平行走査モードが達成され得る。得られたガントリー構造は２方向電磁石走査システムの上流位置をもつ１平面型同心ガントリーである。図６はガントリーの３Ｄ図を示す。主なガントリーパラメーターは表４に記載される。
【００６５】
最終曲げ電磁石（６５）の上流にある集積映像域走査手段（４５、５５）をもつガントリー（８）の実施態様における１つの重要な部分は、走査システムの上流位置を考慮するために、大きな開口部（我々の場合、２４×２２ｃｍ）をもつ必要がある最終９０°ガントリー双極子である。この実施態様は、電磁石空気ギャップ２Ｔの最高磁束密度を使用している。この値はまた、ガントリーのビーム輸送デザインおよび２Ｔ電磁石に相当する表４のガントリーの大きさのために使用されている。しかしながら、このシステムのガントリー室はもしも詳細な電磁石デザインが１．９または１．８Ｔへ磁場を減少させる必要性を示すなら、わずかにより大きなガントリーを収容できる空間安全限界をもつように設計される。このような場合、ガントリーのビーム輸送システムは改良を加えられなければならないであろう。しかしながら、これは本発明のガントリーの概念に影響を与えないであろう。
【００６６】
ガントリーイオン光学システムの機能性試験では、水平エミッタンス、εｘ＝１πmm mrad、垂直エミッタンス、ε_ｙ＝５πmm mradおよび０．２％の運動量分布をもつ入力ビームが準備されている。所望のビームパラメーター（スポットサイズ４〜１０ｍｍである環状ビーム、無色ビーム輸送）は高エネルギービームラインの設定を変更せずに、ガントリー角度の作用としてガントリー光学系を適当に整調することによって、もっぱらガントリー回転の全角度において達成されることがチェックされている。図７ａおよび７ｂはそれぞれ４および１０ｍｍビームのビーム範囲(envelop) およびガントリー回転１０°段階で０÷９０°である角度を示す。
【００６７】
図７はガントリーを通るビーム輸送を示し、ここで略号は次の通りである。ＢＭ／４２＝４２°曲げ電磁石、Ｑ＝四極子、点線＝分散機能。各プロットの上部および下部は、ガントリー回転の異なった角度におけるガントリーの水平面および垂直面のビーム範囲をそれぞれ示す。
【００６８】
インビーム陽電子放出断層撮影装置の据え付けは、アウトビーム標準ＰＥＴには好ましく、その結果、最高の可能性ある正確さでもってＰＥＴ記録が達成され得る。ＰＥＴ画像は、照射中に直接に撮影される。ＰＥＴシグナルがビームオンの期間に比べてバックグランドノイズによってあまり妨害されないときには、ビームスピル間の時間間隔を利用することが最も好都合である。インビームＰＥＴは、これらのシステム間の機械不調和を避け、ならびに患者位置決めにおける患者のまわりに十分な広さをもたらすために、ビーム送り出しシステムの特殊な配置、患者テーブルおよび陽電子カメラを必要とする。これは、限られた角度において陽電子カメラをレイアウトする理由である。これは速度および貯蔵能力に関するコンピューターの大きな性能をより実行できるようになる、むしろ多くの時間がかかる反復断層撮影の再構築アルゴリズムの応用を必要とする。
【００６９】
技術的な面から見て、映像域走査システムは３つの主な部分：
−走査（スイーピング）電磁石
−ビームモニターシステム
−映像域走査制御システム
からなる。
映像域走査制御システムは全体制御および安全システムの集積部分である。
走査電磁石の基本的機能は、光学軸のビームアウトを偏向し、治療計画によって定められた経路パターン中の治療領域上に、これを掃引する(sweep)ことである。
【００７０】
好ましい実施態様では、垂直および水平ビームの片寄りの可能性がある余分な安全手段が準備される。これは走査電磁石のゼロ励起によって偏向されないビームが同心を通過せず、患者にも命中しないことを意味する。
【００７１】
映像域走査システムを含むイオンビーム治療システムにおけるこの実施態様は、世界中で最初でかつ唯一の走査システムである。これは首尾よく試験され、ヒト患者への照射に応用されている。
【００７２】
好ましい態様では、窓枠の形はインダクタンスを低く保つ相対的に低い磁束密度をもつように選択される。伝導線の巻き回数は、電流と駆動電圧の間に相対的に一定な関係をもつような方法で選択される。伝導線の断面はファーストランピングレートによる高い渦電流損失を避けるために小さい。コイルの製造中および電磁石中の最終対称調整中にも、きっちした許容量は保たれる。仕上げコイルの絶縁厚みはＤＩＮ５０９８４に従う渦電流法を使用して測定される。電極の前方端縁は、折り上げたコイル端で適当な半径を有するように機械で仕上げられている。シート間の伝導接触は化学的エッチングで除かれている。
【００７３】
電流ガントリーの形は、空間が表５に示される走査システムのパラメーターを有する走査システムを収容するように確保されている。図８はガントリー内の走査ビームのビーム範囲を示す。走査電磁石の作動は走査電磁石の中間で角反跳としてシミュレートされる。この推定の正確さはガントリーの形において十分であり、ビーム輸送シミュレーションと比較して立証されている。
【００７４】
図８はガントリー内の走査ビームのビーム範囲を示す。ここで、略号は次の通りである。ＢＭ／４２＝４２°曲げ電磁石、ＢＭ／９０＝９０°曲げ電磁石、Ｑ＝四極子。平行走査モードからの出力走査ビームの偏差は目下、約０．１°であり、電極面の回転角度および走査マグネットの位置を最適化することによって、適当なガントリーの形では全体的に取り除かれる。
【００７５】
映像域走査ビーム取り出し技術による患者治療は、高速で粒子フルエンスとビーム位置の正確な測定および制御を必要とする。したがって、映像域走査ビーム取り出しシステムの他の主要なユニットはビームモニターシステムであろう。本ビームモニターシステムは１２．５μｓ毎に粒子フルエンスと１５０μｓ毎にビーム位置と幅を測定することができる。粒子フルエンスは平行平板型イオン化室（ＰＰＩＣ）で測定され、ビーム位置は多条ワイヤ比例室（ＭＷＰＣ）で測定される。全システムは、患者寝椅子（２００）の上流であって、最終曲げ電磁石（６５）の下流の共通支持体上に据え付けられた３つの平行平板型イオン化室と２つの多条ワイヤ比例室からなる。２つのＰＰＩＣは粒子フルエンスをモニターするために使用され、２つのＭＷＰＣがビーム位置を測定する。第３のイオン化室は独立して、余分な安全装置として使われる。
【００７６】
好ましい態様では、全ての検出器は大気圧下に２リッター／時であるＡｒ／ＣＯ₂ガス（８０／２０質量％の混合物）の一定な流れで操作される。高い電圧はＰＰＩＣ_ＳおよびＭＷＰＣ_Ｓの場合、それぞれ、＋１０００Ｖおよび＋１６００Ｖに保持されている。適当な作動条件をモニターするには、各室は気体流、圧力、温度および高電圧のセンサーを備えている。読み出し、制御、および連動は、新規に開発された電子部品およびソフトウエアによって行なわれる。
【００７７】
表１ 加速器の主パラメーター
【表１ａ】

【表１ｂ】

【００７８】
（表２）設計された炭素入射回路の出力ビームパラメーター
【表２】

【００７９】
（表３）シンクロトロンリングの構成品リスト
【表３】

【００８０】
（表４）ガントリーの主パラメーター

【００８１】
（表５） 走査電磁石のパラメーター
【表５】

【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 図１ａは本発明の一態様の部分切断平面図である。
【図１ｂ】 図１ｂはイオンビーム治療システムの垂直断面図である。
【図２】 本発明の一態様の加速器システムの平面図である。
【図３】 加速器システムの低エネルギー加速部分の平面図である。
【図４】 シンクロトロンリングの平面図である。
【図５】 高エネルギービーム輸送システムの平面図である。
【図６】 回転可能なガントリーの透視図である。
【図７】 図７ａは４ｍｍビームにおけるガントリー内のビーム経路図である。
図７ｂは１０ｍｍビームにおけるガントリー内のビーム経路図である。
【図８】 水平および垂直走査の結果を示すガントリー内のビーム経路である。
【符号の説明】
１ 階段
２ 受付
３ 待合室
４ 検査
５ 更衣室
６ 調製
７ 水平ビーム
８ 回転ガントリー
９ アクセス放射活性廃棄物倉庫
１０ 制御室
１１ ＷＣ
１２ 職員
１３ 保健物理学
１４ 患者区域
１５ 会議室
１６ 秘書
１７ ＰＥＴ室
１８ 線量測定室
１９ 映像域走査室
２０ 管理人
２１ 電気＋換気ダクト
２２ ライナック
２２ 線状加速器
２３ シンクロトロン
２４ ＨＥ ビーム輸送
２５ 倉庫
２６ 加速装置管理
２７ マッチングビームダンプ
２８ 冷却供給装置
２９ 据え付け入口のためのピット
４５ 走査システム、集積映像域走査手段、垂直偏向手段
５０ イオンビーム
５５ 走査システム、集積映像域走査手段、水平偏向手段
６０ イオンビーム輸送
６５ 最終ガントリー双極子、最終ガントリー電磁石、最終曲げ電磁石
７５ 最終四極子レンズ
８０ 回転軸
９０ 標的同心
１００ 患者治療室
２００ 患者寝椅子、患者支持体
３００ イオン源
４００ 加速器システム
Ａ シンクロトロン
Ｂ 電源装置
Ｃ 水平ビーム
Ｄ 放射活性廃棄物
Ｅ 回転ガントリー
Ｆ 換気室
ＢＤ ビーム診断ブロック
ＢＭＰ バンパー電磁石
Ｅsinj 静電気隔壁−入射
Ｅsextr 静電気隔壁−取り出し
Ｅfex ＲＦ励起装置
ＥＣＲＩＳ 電子サイクロトロン共鳴イオン源
ＱＦ 集束四極子
ＱＤ 脱集束四極子、四極子ダブレット
ＱＳ 四極子シングレット
ＱＴ 四極子トリプレット
ＲＦ 高周波キャビティ
ＳＯＬ ソレノイド
ＳＬ スリットコリメーター
ＳＭ 隔壁電磁石
Ｓｘｃ 色度補正用六極子
Ｓｘｒ 斜線形成用六極子
ＨＥＢＴ 高エネルギービーム輸送システム

Claims (17)

1. 固定した位置に患者を位置決定するための患者支持体（２００）をそれぞれ有する１以上の別個の患者治療室（１００）；
   イオン源（３００）；
   ビーム（５０）としてイオンを加速するための加速器システム（４００）；
   患者支持体（２００）によって固定位置決め状態で支えられた患者を治療する治療室（１００）へ加速器からイオンビームを送るためのイオンビーム輸送システム（６０）を含み、
   該イオンビーム輸送システム（６０）は少なくとも水平ビーム送り出しシステムおよび少なくとも回転軸のまわりで回転可能なガントリー（８）を含むイオンビーム輸送システムであって、
   該ガントリー（８）は、その回転軸（８０）上でイオンビームを受け取り、該イオンビームを回転軸から輸送し、かつ、患者内の標的同心（９０）で軸と交差する経路上にイオンビームを送り、該イオンビーム（５０）を０から３６０°の間の異なった角度から該標的同心（９０）へガントリーの回転によって送り出す光学系を保持し、
   該ガントリー（８）および該水平ビーム送り出しシステム（４５，５５）は、該イオンビーム（５０）をラスタースキャンニングし、最終曲げ電磁石（６５）の上流に位置する垂直偏向手段（４５）および水平偏向手段（５５）を包囲し、該イオンビーム（５０）を患者の方向であって、該ガントリー（８）の最終四極子レンズ（７５）の下流に向ける手段を保持し、
   該垂直偏向手段（４５）および該水平偏向手段（５５）は、該イオンビーム（５０）をそのビーム角度に直角に偏向し、その結果、ビーム（５０）は該最終曲げ電磁石（６５）を通過した後、該標的同心（９０）の回りの所定の制御領域上を操作できるとともに、イオンビーム強度制御機能及び/又は緊急時スイッチオフ機能を担持するＲＦチョッパーを含むことを特徴とするイオンビーム治療システム。
2. 前記イオンビーム（５０）のイオンは、ヘリウム、炭素、または酸素イオン群から選ばれたものであることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム治療システム。
3. 前記システムは、さらに、イオンビームが通過する位置に向けて位置決めされた陽電子放出断層撮影カメラを含むことを特徴とする請求項１または請求項２記載のイオンビーム治療システム。
4. 前記加速器システムは、線状加速器（２２）およびシンクロトロン（２３）加速器を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載のイオンビーム治療システム
   。
5. 前記システムは、最終曲げ電磁石（６５）を通過した後、ラスタースキャンニングしたビームをモニターする手段を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載のイオンビーム治療システム。
6. 前記モニター手段は、患者支持体（２００）の上流であって、ガントリーに結合した最終曲げ電磁石（６５）の下流、または該モニター手段の可動性支持体上の患者の上流にある共通支持体へイオンビームが通過する状態で備え付けられていることを特徴とする請求項５記載のイオンビーム治療システム。
7. 前記モニター手段は、平行平板型イオン化室および多条ワイヤ（multi-wire）室を含むことを特徴とする請求項５または６記載のイオンビーム治療システム。
8. 最終曲げ電磁石（６５）は、６０°以上の曲げ角度を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一に記載のイオンビーム治療システム。
9. 特定同位体をもつ選択されたイオンをイオン源（３００）が発生することができ；
   発生した当該イオンはイオンビームを形成され、かつ該同位体を質量光学的手段で選択され；
   ＲＦチョッパーが該イオンビームの強度を制御し、；
   該イオンビームは線状加速手段およびシンクロトロン手段で加速され；
   該イオンビームは回転可能なガントリー（８）の回転軸に沿って輸送され；
   該イオンビームは該ガントリー（８）の周辺を回って該軸から遠方へ曲げられる工程を含む医療機器システムの作動方法であって、
   該イオンビームが最終曲げ電磁石によって該ガントリーの同心領域方向へ曲げられる前に、該イオンビームの軸に関して、垂直および水平方向に該イオンを偏向して該イオンビームを走査する工程を含むことを特徴とする請求項１記載のシステムの作動方法。
10. 入射イオンビームの剛性は、０．３８〜０．７６Ｔｍの範囲内に維持される、請求項９記載のシステムの作動方法。
11. 取り出し手法の取り出しモードは腫瘍断層画像が完了する腫瘍描写時間およびビームモニター時間に適合した１〜１０秒間の可変的取り出し時間をもたらす、請求項９または１０記載のシステムの作動方法。
12. 取り出しビームのエミッタンス値は、入射時のビーム性能、取り出しビームエネルギー、取り出し手法および取り出しを開始する前のシンクロトロンの設定に依存する、請求項９〜１１のいずれかに記載のシステムの作動方法。
13. 取り出し方法は、同じビームエネルギーを有する同じシンクロトロンサイクル内で早急にスイッチの点滅を行なう、請求項９〜１２のいずれかに記載のシステムの作動方法。
14. ビームエネルギーおよび強度のパルス対パルス変動は、取り出しビームエネルギー５０〜４３０ＭｅＶ／ｕおよび最小および最大ビーム強度間の比１：１０００である大きなパラメーター間隔の加速器回路（２３）によって行われる、請求項９〜１３のいずれかに記載のシステムの作動方法。
15. スピルデュレーションの変動および同じシンクロトロンサイクル内での取り出し方法の早急なスイッチの点滅は、取り出しシステムで行われる、請求項９〜１４のいずれかに記載のシステムの作動方法。
16. ３０分以内での異なったイオン種間の切り替えは、入射回路で行われる、請求項９〜１５のいずれかに記載のシステムの作動方法。
17. 構成品不良または不正確なビーム性能の場合、制御および安全システムが患者への照射を避ける、請求項９〜１６のいずれかに記載のシステムの作動方法。

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