JP6121544B2 - 粒子ビームの集束 - Google Patents
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Description
本明細書では、2012年9月28日に出願した米国仮出願第61/707,704号明細書の優先権が主張される。米国仮出願第61/707,704号明細書の内容は、参照により本開示に組み込まれる。
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。
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。
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、幾つかの実施例では、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=2vzの共振で一致するからである。ベータトロン周波数は、vr=(1−n)1/2及びvz=n1/2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。
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、最終的に磁気再生器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、又は任意の他の種類の強磁性体材料から作られる強磁性構造体である。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、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。引き出しチャネル703は、粒子を集束させるための1つ又は複数の集束要素(例えば、図19Aの711)及び1つ又は複数の集束空間(例えば、図20Aの713)を含む1つ又は複数の集束領域751〜760を収容し、適切なサイズ及び/又は形状の粒子ビームを得ることができる。
F=qv×B
ここで、Fは粒子に加えられる力であり、qは粒子の電荷であり、vは粒子の速度であり、Bは磁場である。F、v、及びBは、ベクトルである。これらの変数の外積の関係により、粒子は軸方向平面内で圧縮される。
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。
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
48 Nb3Sn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、半円形(ディー形状)高周波プレート
101 ガス管路、ガス管
102 ダミーディー
103 半導体表面、ダミーディープレート
105 半導体表面
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
408 S2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
524 ボールト
532 水平回転軸線
534 範囲
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 磁気再生器
703 引き出しチャネル
705 磁場バンプ
706 ボビン
707 断面
709、710 超電導コイル
711 集束要素
712 背景磁力線
714 第1の位置
716 第2の位置
718 磁場
728 強磁性四重極
730 磁場減算器
734 磁場減算器の磁力線
741 軸方向平面
742 過剰集束ビーム
751〜760 集束領域
770 磁場減少要素
780 磁場増加要素
782 磁場加算器
784 磁力線
910 治療システム
912 加速器
914 粒子(例えば、陽子)ビーム
916 走査ユニット
916 散乱ユニット
918 モニター、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 (16)
- 荷電粒子が加速される共振空洞であって、第1の形状を有する背景磁場を有し、前記背景磁場が少なくとも6テスラである、共振空洞と、
前記共振空洞から出力される荷電粒子を受けるための引き出しチャネルであって、前記引き出しチャネルが受けた荷電粒子ビームを集束させるための一連の集束領域を備え、前記集束領域の少なくとも1つが、前記共振空洞から前記引き出しチャネルへの前記背景磁場の減少の結果生じる磁場勾配の存在下で前記背景磁場の形状を前記第1の形状と反対の曲率を有する第2の形状に変えるように構成された集束要素である、引き出しチャネルとを備える、粒子加速器。 - 前記集束要素が、
強磁性四重極であって、それぞれの強磁性四重極が傾斜面を有する直角台形の断面形状を有し、前記強磁性四重極が、前記強磁性四重極の傾斜面が部分的に互いに向き合うように対向する形で上下に配置構成される、強磁性四重極と、
磁場減算器であって、前記強磁性四重極の前記傾斜面が前記磁場減算器の広い面に対角線上に面するように前記強磁性四重極の隣りに水平方向に整列される、磁場減算器とを備える、請求項1に記載の粒子加速器。 - 前記磁場減算器が矩形のプレートであり、前記磁場減算器が周囲の磁束を引き込み、前記強磁性四重極が前記背景磁場を前記第2の形状に変えるのを助けるように構成される、請求項2に記載の粒子加速器。
- 前記引き出しチャネルが1つ又は複数の磁場増加要素を備え、前記1つ又は複数の磁場増加要素が2つの磁場加算器を備え、
前記磁場加算器が矩形のプレートを備え、前記磁場加算器が、一方の磁場加算器の広い面が他方の磁場加算器の広い面に面するように上下に、また互いに平行になるように垂直方向に整列される、請求項1に記載の粒子加速器。 - 前記引き出しチャネルが1つ又は複数の磁場減少要素を備え、前記1つ又は複数の磁場減少要素が磁場減算器を備え、
前記磁場減算器が矩形のプレートを備え、前記磁場減算器が、一方の磁場減算器の広い面が他方の磁場減算器の広い面に面するように互いに隣り合い、また互いに平行になるように水平方向に整列される、請求項1に記載の粒子加速器。 - 前記集束領域が、それぞれの集束領域が軸方向又は径方向平面内で受けた前記荷電粒子ビームを完全焦点の約1/6に圧縮するように配置構成される、請求項1に記載の粒子加速器。
- 前記集束領域のうちの少なくとも1つが集束空間であり、前記集束空間が前記背景磁場の前記第1の形状に類似する形状を有する磁場を有する、請求項1に記載の粒子加速器。
- 前記一連の集束領域が、集束要素及び集束空間が交互するように配置構成される、請求項7に記載の粒子加速器。
- 前記荷電粒子が陽子を含む、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。 - 前記粒子加速器が可変エネルギー粒子加速器であり、前記共振空洞から出力される前記荷電粒子が、エネルギーのある範囲内のエネルギーを有するものとすることができ、
前記集束要素が、エネルギーの前記範囲内で集束をもたらすように構成される、請求項1に記載の粒子加速器。 - 前記粒子加速器が可変エネルギー粒子加速器であり、前記共振空洞から出力される前記荷電粒子が、エネルギーのある範囲内のエネルギーを有するものとすることができ、
前記集束要素が、エネルギーの前記範囲に対応する集束をもたらすように構成される、請求項1に記載の粒子加速器。 - 前記共振空洞から受けた前記荷電粒子の前記エネルギーに基づき前記集束要素に対して移動可能である1つ又は複数の磁気シムをさらに備える、請求項11に記載の粒子加速器。
- 前記集束要素が1つ又は複数のコイルを備え、前記1つ又は複数のコイルが、前記共振空洞から受けた前記荷電粒子の前記エネルギーに基づく電流を通す、請求項11に記載の粒子加速器。
- 共振空洞が第1の形状を有する背景磁場を有するように磁場を前記共振空洞にもたらすためのコイルであって、前記背景磁場が少なくとも6テスラである、コイルと、
プラズマ柱を前記共振空洞に提供するための粒子源と、
高周波(RF)電圧を前記共振空洞に印加して荷電粒子を前記プラズマ柱から加速するための電圧源であって、前記磁場によって前記プラズマ柱から加速された荷電粒子が前記共振空洞内で軌道上を移動する、電圧源と、
前記共振空洞から出力される前記荷電粒子を受けるための引き出しチャネルを収容するエンクロージャであって、前記引き出しチャネルが、受けた荷電粒子ビームを集束させるための一連の集束領域を備え、前記集束領域の少なくとも1つが、前記共振空洞から前記引き出しチャネルへの前記背景磁場の減少の結果生じる磁場勾配の存在下で前記背景磁場の形状を前記第1の形状と反対の曲率を有する第2の形状に変えるように構成された集束要素である、エンクロージャとを備え、
前記集束要素が強磁性四重極を含み、それぞれの強磁性四重極が、傾斜面を有する直角台形の断面形状を有し、前記強磁性四重極が、前記強磁性四重極の傾斜面が少なくとも部分的に互いに向き合うように対向する形で上下に配置構成される、粒子加速器。 - 強磁性四重極の傾斜面が磁場減算器の広い面に対角線上に面するように前記強磁性四重極の隣りに水平方向に整列される、磁場減算器をさらに備える、請求項10に記載の粒子加速器。
- 荷電粒子が加速される共振空洞であって、第1の形状を有する背景磁場を有し、前記背景磁場が少なくとも4テスラである、共振空洞と、
前記共振空洞から出力される荷電粒子を受けるための引き出しチャネルであって、前記引き出しチャネルが、受けた荷電粒子ビームを集束させるための一連の集束領域を備え、前記集束領域の少なくとも1つが、前記共振空洞から前記引き出しチャネルへの前記背景磁場の減少の結果生じる磁場勾配の存在下で前記背景磁場の形状を前記第1の形状と反対の曲率を有する第2の形状に変えるように構成された集束要素である、引き出しチャネルとを備える、粒子加速器。
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