JP5015131B2 - 線形加速器 - Google Patents

Description

本発明は、線形加速器に関する。

癌や他の病気を治療するために放射線治療を行う場合、適切な放射線の強力なビームが患者における病気に冒された領域に直接当てられる。このビームは、癌性細胞に対して使用されるにあたり、生きた細胞を通過する際にこの生きた細胞を殺しがちであり、このため、ビームが正確に向けられることが確実になされることが非常に望ましい。このことに失敗すると、患者の健康な細胞を不必要に破壊してしまうこととなる。

このことをチェックするために、様々な方法が行われており、２つの放射線源、治療用ビームを発生させることができるような高エネルギー加速器、および診断用ビームを生成するような低エネルギーＸ線チューブを有するようなエレクタ（登録商標）の「Ｓｙｎｅｒｇｙ（登録商標）」装置等の装置が使用されてきた。高エネルギー加速器および低エネルギーＸ線チューブは、同一の回転可能なガントリに９０°だけ離れて取り付けられている。各々のものは、ポータル画像および診断画像をそれぞれ得るために、対応するフラットパネルの検出器を有している。

本件出願人の先願である国際特許出願ＷＯ−Ａ−９９／４０７５９には、線形加速器における新規性のある連結セルが記載されている。この連結セルにより、生成されるビームのエネルギーを、これまでのものよりも容易に変えることができるようになる。本件出願人におけるその後の国際特許出願ＷＯ−Ａ−０１／１１９２８には、診断の使用に適切な、非常に小さなエネルギーのビームを生成するために、どのようにして構造体を使用することができるのかが記載されている。線形加速器において、このような構造体は高エネルギーの治療用ビームも生成することができる。これらの両方の従来技術の開示は、参照することにより本明細書に組み込まれる。読み手は、本出願がこれらの出願の原則を明らかにしたことに留意しなければならない。すなわち、これらの出願は本出願に関連して読まれるべきであり、その開示は本出願の開示の一部を形成するために使用されることに留意しなければならない。

エレクタ（登録商標）の「Ｓｙｎｅｒｇｙ（登録商標）」による処理は非常に良く機能するが、いくつかの重複した部分を必要とする。すなわち、診断用画像を得るために、構造は実質的に重複している。さらに、２つの源が位置合わせさせられた状態で治療が行われなくてはならないので、診断画像は治療ビームと相互に関連のあるものとなる。しかしながら、このことは必要なことであると思われるので、診断画像は治療の間に取得され、治療が計画通りに進むことがより確実となる。

国際特許出願ＷＯ−Ａ−０１／１１９２８は、加速器がどのようにして調整されて高エネルギービームの代わりに低エネルギービームを生成するかについて示しているが、治療およびモニタリングを並列に行う際に必要とされる、どのようにして２つのビームが同時に生成されるかについては詳細に示されていない。一般的に、公知の可変エネルギーの線形加速器において、メカニズムを画定する電子ビームエネルギーは特定の値に設定され、一定の継続期間の間、この値にて線形加速器が作動し、エネルギーは異なる設定に変化する。一般的に、治療用エネルギーを得るために、パルス方式により線形加速器を作動させることが必要であり、このことにより非常に高いピークを有する無線周波数の力を得ることができ、一方、装置は適度な平均の力を消費する。

このため、本発明は、複数の加速キャビティであって、隣り合う一対の加速キャビティが連結キャビティを介して連結され、少なくとも１つの連結キャビティが、当該連結キャビティにより得られる連結を変化させるよう回転自在な回転非対称部材を有するような、複数の加速キャビティを備えている。また、線形加速器の制御手段が設けられており、この制御手段は、線形加速器のパルスの動作および回転非対称部材の回転を制御し、回転非線形部材の制御された角度においてパルスが発生し、連続的なパルスのエネルギーを制御するようになっている。このため、必要であれば、一のパルスと次のパルスとの間でエネルギーを変えることが可能となる。

実行することによる有益な方法は、線形加速器が作動する間に回転非対称部材を連続的に回転させることである。そして、制御手段は、連続するパルスの位相を調整することのみを必要とし、パルスの短い期間の間、回転非対称部材は所定位置にあるようにみえる。線形加速器のパルスレートは、名目上、回転非対称部材の回転速度と同じとすることができるが、この回転非対称部材が完全な回転対称ではないがある程度回転対称となった場合には、回転速度はパルスレートの１／ｎ倍に設定される。ここで、ｎは、回転対称の度合いである。そして、国際特許出願ＷＯ−Ａ−９９／４０７５９のような、回転非対称部材が平らな羽根である場合には、この回転非対称部材は２の回転対称を有し（半回転が、実質的に区別ができない状態のような回転対称を残すことを意味する）、回転速度はパルスレートの半分となる。

回転非対称部材のある角度は、実際上は、他の角度よりも信頼性が低い。このため、制御手段は、回転非対称部材が特定の位相にあるときに線形加速器を作動させないようなメカニズムを有することが好ましい。

一般的に、線形加速器の電気抵抗は、当該線形加速器に含まれるセルの接続により変化することができる。このことは、制御手段が、線形加速器に供給される無線周波数の力を調整するよう設けられているときに行われる。ここで、線形加速器に供給される無線周波数の力は、無線周波数のパルスの瞬間における回転非対称部材の角度に基づいている。

国際特許出願ＷＯ−Ａ−９９／４０７５９の態様の大きな利点は、真空装置の状況下において回転連結が非常に容易なことにある。実際に、連続的に回転する装置の状況下において、更なる可能性が生じる。シャフトは、真空シールを通過することができるようになる。しかしながら、回転非対称部材が線形加速器の真空部分内に配置され、この回転非対称部材が、真空部分の外にある部分によって電磁相互作用により回転させられるようになっている態様が好ましい。真空シールを通過するような、駆動に関連する部材を設ける必要がなくなる。このことは、回転非対称部材上にある少なくとも１つの磁気的に偏極した部材と、真空部分の外部にある少なくとも１つの電気コイルとを設けることにより達成される。このような態様は、ステッピング・モーターの分野において用いられるが、（我々の知識では）真空シールを通過することはない。

本発明の実施形態について、添付図面を参照して、例示的に記載する。

ビームエネルギーが治療用エネルギーから撮像エネルギーに瞬時に効果的に切り替わるような機械には、明確な臨床的利点がある。すなわち、余分な時間を必要とすることなく治療中の撮像を可能にし、よりシンプルな構成とすることができる。

図１は、国際特許出願ＷＯ−Ａ−９９／４０７５９に開示されるような線形加速器１０の連結キャビティを示す。ビーム１２は、ｎ番目の加速キャビティ１４からｎ＋１番目のキャビティ１６に、これらの２つのキャビティの間に設けられた軸方向開口１８を介して進む。また、各キャビティは、半開口１８ａ、１８ｂを有しており、これらの複数の構成要素が積み重ねられたときに、線形加速器が形成されるようになっている。

隣り合う一対の加速キャビティは、「連結キャビティ」を介して連通している。この連結キャビティにより、無線周波数の信号が線形加速器に沿って伝達され、電子を加速させる定在波を生成する。

連結キャビティの形状および配置は、連結の強度および位相に影響を及ぼす。ｎ番目のキャビティとｎ＋１番目のキャビティの間にある連結キャビティ２０は、国際特許出願ＷＯ−Ａ−９９／４０７５９に開示されるように調整可能となっている。すなわち、この連結キャビティ２０は、回転自在の羽根２２が設けられた円筒形のキャビティを備えている。国際特許出願ＷＯ−Ａ−９９／４０７５９およびＷＯ−Ａ−０１／１１９２８（技術のある読み手により参照されるもの）に開示されるように、このことによって、加速セルの間における連結の強度および位相が、羽根の回転によって、回転非対称の結果により変化する。

羽根は回転非対称であり、無線周波数の信号により見られるように、羽根の小さな回転が連結キャビティに対して新たなそして一致することのない形状を導くことに留意されたい。１８０°という半分の回転により同一の形状となり、羽根はある程度の回転対称を有することとなる。しかしながら、より小さな回転は、連結に影響を及ぼし、このため羽根は完全な回転対称とはならない。この発明の目的により、羽根は回転非対称となる。

ｎ番目の加速キャビティ１４は、固定式の連結セルによりｎ−１番目の加速キャビティに連結される。この固定式の連結セルは、図１において半セル２４として示される構造体である。この半セル２４は、隣り合う構造体における対応する半セルと結合する。同様に、ｎ＋１番目の加速キャビティ１６は、半セル２６と隣り合う構造体における対応する半セルとから構成されるセルにより、ｎ＋２番目の加速キャビティに連結される。

線形加速器により、一般的に、約３マイクロ秒の短パルスで約２．５マイクロ秒毎に放射線が生成される。公知の線形加速器のエネルギーを変えることは、上述の回転可能な羽根または他の既に知られている手段により行われ、線形加速器のスイッチが切られ、必要な調整が行われ、線形加速器が再スタートされる。

本発明においては、回転可能な羽根２２は、線形加速器のパルスレートに関連がある期間の間、連続的に回転するようになっている。この例では期間は２．５マイクロ秒、言い換えれば毎秒４００回転すなわち２４０００ｒｐｍである。放射線は特定の位置の羽根、すなわち特定の位相の回転において生成される。線形加速器は０．１２％の時間しか動作することがなく、羽根は（最大で）半分よりわずかに少ない量しか回転せず、無線周波数の信号により見られるように実質的に静止する。

線形加速器のパルスの位相は、一のパルスから他のパルスに容易に変えることができる。このことにより、羽根の異なる角度の選択に関連がある位相を変えることによって、エネルギーを、一のパルスから他のパルスに切り替えることができる。

調節可能な連結キャビティ２０において、羽根の両側で電場は対称となる。このため、羽根の回転速度は事実上、上述のものと比較して２の因数により減少させられる。このため、１２０００ｒｐｍのより少ない回転速度が適用される。

図２は、このようなシステムを使用したときの実用面を示す。図示のように、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）と羽根の角度をプロットしたときに、角度が１００°−１２０°の範囲内にあるときと、角度が２８０°−３００°の範囲内にあるときのような２つの「危険な領域」があり、これらの領域において、導波路が連結された状態となる。適切な制御メカニズムを使用することにより、このことが避けられる。

１２０−２８０°の角度の範囲内において、羽根の角度により入力を調節することができ、電場を一定に維持することができるという利点がある。このことは、全体の導波路の電圧定在波比が羽根の角度によって変化するという事実に主に基づいている。図３は、異なる角度において必要とされる（一まとめにされた）入力を示すとともに、線形加速器に沿った約２００ｍｍの調節可能な連結セルの後に生成されるような、変化する電場を示す。このような、変化する電場は、線形加速器により生成される電子の変化するエネルギーに変換される。２６４°において、調節可能な連結セルの後における電場が逆転することに留意されたい。国際特許出願ＷＯ−Ａ−０１／１１９２８に記載されるように、このことは電子を減速させ、診断用エネルギーが非常に低くなる。

この考えはサーボ機構にも使用され、ビームの実際のエネルギーは他のシステムの変形例を考慮に入れることができる。

エネルギーパルスをパルスに変化させる能力は、パルスからパルスへの深部線量を制御するために使用することができる。このことは、電場を横切るエネルギーを変化させる能力が、Ｘ−Ｚ方向およびＹ−Ｚ方向におけるより小さな曲線的な等線量線を生成するのに使用されるような走査線装置にとって利点がある。

エネルギーを非常に迅速に変えることができる更なる利点は、電子モードにおいて、治療用ビームエネルギーを変化させ、このことにより１回で１００％の照射量とすることができる。

図４は、羽根２２が連続的に回転するような、考えうるメカニズムを示す。当然のことながら、羽根は真空領域の中に設けられており、適切なシャフトが適切なシールとともに明白に設けられており、真空領域の外部にあるモータからの回転力を伝達するようになっている。代わりに、図４に示すように、磁気制御システムが設けられていてもよい。このような形態においては、羽根２２にはその両側に、磁気的に偏極した部材２８、３０が設けられている。そして、真空シール３２の外側には、電気コイル３４、３６等が配置されている。これらの電気コイル３４、３６は、ステッピング・モーター方式により、磁気的に偏極した部材２８、３０と相互に作用を及ぼすようになっている。

当然のことながら、上述した実施形態に対し、本発明の範囲から外れることなしに様々な変形例を設けることができることが考えられよう。例えば、図４に示す態様が羽根自体に適用されたり、あるいは一方の側に設けられ連結セルから離れた分離構造体に適用されたりしてもよい。このような装置は、真空領域内に完全に収容されたシャフトを介して、回転トルクを羽根に伝達することができる。このため、真空シールを介して回転力を伝達する必要なしに、線形加速器から離れたモータの磁場を維持することができる。

一対の加速キャビティと、これらの加速キャビティ間にある連結キャビティを示す図である。 線形加速器の特性曲線を示す図であって、羽根の角度に対する線形加速器の電気抵抗の変化を示すような図である。 線形加速器の特性曲線を示す図である。 回転非対称部材を回転させる部材を示す図である。

Claims (7)

1. 線形加速器であって、
   複数の加速キャビティであって、隣り合う一対の加速キャビティが連結キャビティを介して連結され、少なくとも１つの連結キャビティが、当該連結キャビティにより得られる連結を変化させるよう回転自在な回転非対称部材を有するような、複数の加速キャビティと、
   線形加速器の動作を制御するよう設置され、前記回転非対称部材の回転を制御するような制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、パルス方式により前記線形加速器を作動し、一対のパルス間で前記回転非対称部材を回転させて連続するパルスのエネルギーを制御するようになっており、
   前記回転非対称部材は、線形加速器が作動する間、連続的に回転することを特徴とする線形加速器。
2. 前記制御手段は、前記回転非対称部材の角度に対する、連続するパルスの位相を調節することを特徴とする請求項１記載の線形加速器。
3. 前記線形加速器のパルスレートは、前記回転非対称部材の回転速度の約２倍であることを特徴とする請求項１または２記載の線形加速器。
4. 前記制御手段は、前記回転非対称部材が特定の位相にあるときに前記線形加速器を作動させないような制御メカニズムを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の線形加速器。
5. 前記制御手段は、前記回転非対称部材の角度および前記パルスの位相に基づいて、前記線形加速器に供給される無線周波数の力を調整するよう設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の線形加速器。
6. 前記回転非対称部材は、前記線形加速器の真空部分内に設置され、当該回転非対称部材は、当該真空部分の外部にある部分によって電磁相互作用により回転させられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の線形加速器。
7. 電磁相互作用は、前記回転非対称部材上にある少なくとも１つの磁気的に偏極した部材と、前記真空部分の外部にある少なくとも１つの電気コイルとの間に生じることを特徴とする請求項６記載の線形加速器。

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