JP6584666B2 - エネルギデグレーダと、アクロマティックな最終のベンドシステムとを有する粒子治療用ガントリ - Google Patents

Description

本発明は、陽子または炭素またはヘリウムのイオンビームを用いた、例えばヒト組織における癌治療のための粒子ビームの高速走査を提供するガントリに関する。陽子ビームに関して本明細書で提示されることは、炭素またはヘリウムのイオンビームのような他のイオンビームにも適用可能である。

陽子線治療では、標的組織に高線量を投与する一方で正常組織への高過ぎる線量を回避するために、組織中における陽子範囲の終了直前に生じるブラッグピーク（高線量ピーク）が使用される。スキャニングペンシルビーム技術では、幅狭の陽子ビームが２つの横断方向において走査され、ブラッグピークの深さは、ペンシルビームのエネルギを調整することによって設定される。

ビーム方向に対して垂直な平面における腫瘍投影のサイズは、通常、ビーム直径よりもはるかに大きい。両方の横断方向におけるビームの走査は、幅狭の“ペンシルビーム”の偏向によって実施され、すなわち、ＮＩＲＳ（図２参照）およびＬＢＮＬで最初に実証され、ＰＳＩ（図４の上図を参照）のガントリで最初に臨床的に使用された技法によって実施される。ビームは、通常、ガントリにおける最終の曲げ磁石の前（上流走査）または後（下流走査）に配置される走査磁石を介して偏向されるが、他の可能性もまた存在する。

ブラッグの深さ位置は、ビームエネルギ（運動量）を選択することによって設定される。ブラッグピークの幅が与えられると、ブラッグピークを腫瘍厚さにわたって約５ｍｍのステップでシフトすることによって、腫瘍厚さにわたって線量が広げられる。これに対応する１層当たりの運動量の所要の変化は、約１％のオーダであり、すなわちほぼ０．５％のエネルギ変化に相当する。このステップのサイズは、粒子の種類に依存しており、炭素イオンの場合には典型的に２分の１以下となりうる。

現在、多くの陽子線治療装置では、一定の取り出しエネルギを有するサイクロトロンによってビームが加速される。サイクロトロン装置では、いわゆるデグレーダによってエネルギが必要な値まで低減される−ビーム輸送系への低Ｚ材料の挿入−。このようなシステムおよび後続する磁石は、腫瘍厚さにわたって線量の深さを広げる際にエネルギ変化ができるだけ早く生じるように構成されるべきである。

治療時間を制限するためには、ペンシルビームの深さを変化させるためにエネルギ変化が生じるまで待機することによって時間を浪費しすぎないことが有利である。これについては、本明細書の後半で詳細に説明する。

ガントリは、機械的に回転可能な構造であり、陽子線治療装置のビームラインの最終の区域においてビーム輸送システムを支持する。陽子線治療装置のビームラインのビーム輸送システムは、約２３０〜２５０ＭｅＶの最大エネルギを有する陽子ビーム、または約４５０ＭｅＶ／ｎｕｃｌの炭素イオンを曲げることができる複数の双極磁石および四重極磁石から構成されている。患者テーブルの動きと一緒に実施されるガントリの回転は、例えば米国特許第６８１４６９４号明細書および米国特許第７３４８５７９号明細書に開示されるように、複数の異なる方向から腫瘍組織を照射することを可能にする。いわゆるアイソセンタは、ガントリの回転軸線と全てのガントリ方向からのビームとが交差する、空間内の共通の点である。走査システムは、アイソセンタを目標とする中央の（非走査の）ビームの方向に対して、ビームを横方向に偏向させる。

どの双極磁石においてもビーム軌道が曲げられることにより、非公称運動量を有する粒子の軌道は、ビームの公称軸線からずれることとなる。このクロマティックな現象は分散と呼ばれており、一般的に、通常は１％の運動量オフセットを有する粒子の軌道の光軸からのずれを表すいわゆる分散関数によって記述される。ガントリ磁石のアパーチャと、この軌道の最大振幅との組み合わせが、ガントリによって許容されうる最大運動量ずれを決定する。既存のガントリの大半は、いわゆる色収差補正のおかげで約±０．５％〜１％の運動量帯域を許容する。

本明細書では、いわゆるアクロマティックなシステムの２つのタイプが区別される。
・全体的なアクロマティックなシステムは、アイソセンタにおいてビームの横方向分散および角分散を抑制する。
・局所的なアクロマティック性を有するシステムは、ガントリの内部の磁石のサブグループによって分散抑制を実施する。
局所的または全体的なアクロマティックなシステムを使用することにより、このようなシステムの通過後にビーム位置がエネルギから独立していることが保証される。既存のガントリでは、通常、全体的な色収差補正が適用される。

ビームのエネルギ（運動量）が、ガントリの運動量アクセプタンスよりも大きく変化する場合には、これに従って全てのガントリ磁石を調整しなければならず、さもなければ、ガントリにおいてビームが失われてしまう。通常は、これが該当する。なぜなら、典型的な腫瘍厚さを網羅するために、複数の約２％のエネルギステップを行う必要があるからである。

２０１１年に、ＰｒｏＮｏｖａ社によって陽子線治療のための超伝導ガントリの構成が提案された（図１参照）。この構成は、２つのベンド区域からなる。それぞれのベンド区域の光学系は、局所的にアクロマティックとなるように構成されている。このガントリは市販されているが、臨床的に動作するシステムは、執筆の時点では稼働していない。２０１２年にはこのガントリを基礎として、ＰＳＩにて３５０ＭｅＶの陽子のためのガントリが構成された。このガントリ構成は、局所的にアクロマティックなベンド区域によって可能にされた、±３％の運動量アクセプタンスを示す。この既に大きい運動量アクセプタンスは、ガントリの前に線形加速器を実装する計画にとっての利点であると考えられた。このことが適用されるように計画された方法では、このことにより従来のガントリ構成にとって大きすぎる運動量広がりが引き起こされるが、ＰＳＩ構成にとっては許容可能であろう。

したがって、大きな運動量アクセプタンスを有する粒子治療のためのガントリは、本発明の課題の１つである。

上記の課題は、本発明によれば、例えばヒト組織における癌治療のために、ビーム走査技術を用いて粒子ビームを投与するための可動式のガントリにおいて、
ａ）複数の四重極磁石を含む、加速粒子ビームのための入口区域と、
ｂ）複数の双極磁石および四重極磁石と、任意選択的にビーム補正用の別の磁石とを含む、第１のベンド区域および任意選択的に第２のベンド区域と、
ｃ）複数の四重極磁石と、任意選択的にビーム補正用の別の磁石と、デグレーダとを含む輸送区域と、
ｄ）複数の別個のおよび／または組み合わせ型の双極磁石／四重極磁石／高次多極磁石を含む、アクロマティックな区域を形成する最後のビームベンド区域であって、アクロマティックな前記最後のビームベンド区域の全ての磁石は、前記デグレーダの下流に配置されており、アクロマティックな前記最後のビームベンド区域における如何なる分散も、当該最後のビームベンド区域が±５％を超える運動量アクセプタンスを有するように抑制されている、最後のビームベンド区域と、
ｅ）横方向の走査を実施するために、アイソセンタにおいてビーム方向に対して垂直な方向にビームを偏向させる２つの別個のまたは１つの組み合わせ型の高速偏向磁石を含む、走査区域と、
ｆ）ビームノズルと、任意選択的にビーム処理装置、例えば別のビーム劣化要素またはビーム修正要素、および／またはビーム品質に関連するビーム検証要素とを含む、ビームノズル区域と
を含む、ガントリによって解決される。

ガントリの最後のベンドシステムが、十分な運動量アクセプタンスを有する局所的なアクロマティック性を有していると仮定すると、本発明の第２の部分は、この特徴を、最後のベンドシステムの前の位置にある、ガントリに取り付けられたデグレーダに結びつけることである。患者に入射するビームのエネルギは、デグレーダによって設定される。以下の（１つまたは複数の）システムの、磁石およびコリメーションシステムの設定を含むビーム光学系は、
・デグレーダの後のビームのエネルギ（所定の範囲内）
・デグレーダによって引き起こされる運動量広がり
・ベンドシステムの前または内部における最後の走査磁石によるビームの偏向
・デグレーダに後続する（１つまたは複数の）コリメータによるエミッタンス制限
の組み合わせが、ベンドシステムにおけるビームロスをもたらさないように構成されている。

デグレーダの前には、デグレーダの入口におけるビームサイズおよびビーム位置を制御するためのコリメータが設けられている。デグレーダの後には、コリメーションシステムが設けられており、このコリメーションシステムは、デグレーダの後におけるビームのエミッタンスを、ガントリシステムにおける次の磁石のアクセプタンスにビームを調和させている値へと制御し、かつガントリの出口におけるペンシルビームの断面を調整する。

（１つまたは複数の）局所的なアクロマティックなベンド区域を用いることにより、本発明によるガントリの運動量アクセプタンスを、全体的なアクロマティックなシステムよりもはるかに大きく、例えば＋／−１５％にすることができる。したがって、本発明によって解決される第２の課題は、本発明によるガントリにおける複数の磁石が、ビームエネルギが変化するときに各自の磁場を変化させる必要がないことである。１回の磁場設定によって多くの腫瘍厚さを網羅することができる。その場合、エネルギ変化を行うためにかかる時間は、局所的なアクロマティックなベンドの前のデグレーダシステムの機構と、集束磁石の若干のエネルギ依存性の補正とによって決定される。

ガントリの好ましい実施形態では、走査区域を、最後のビームベンド区域の上流または内部または下流に配置することができる。さらに、デグレーダの下流に、コリメータまたはコリメータシステムを配置することができる。

ガントリのアイソセンタに配置される患者テーブルに、粒子治療の施与中にもアクセス可能にするために、ビーム輸送ラインの（１つまたは複数の）最後の区域の１つまたは複数の部分を回転または移動させること（またはこれらの組み合わせを実施すること）によって、ガントリを方向決めすることができる。

本発明の他の好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明の好ましい実施形態は、添付図面を参照しながら以下に説明される。

ＰｒｏＮｏｖａ超電導ＳＣ３６０ガントリのレイアウトを概略的に示す図である。 ＮＩＲＳ超伝導炭素イオンガントリのレイアウトを概略的に示す図である。 最終の曲げ磁石の上流（左図）または下流（右図）に配置される走査磁石のレイアウトを概略的に示す図である。 ＰＳＩガントリ２（上図）と、それぞれのベンド区域における局所的なアクロマティック性を有すると共にデグレーダを有する本発明によるガントリの実施例（下図）とを、それぞれの寸法と共に概略的に示す図である。 図４の下図に示されたガントリのビーム光学系の輸送シミュレーション結果を示す図である。 以下の３つの場合におけるコリメーション点Ｃｏｌ２の後のガントリのビーム光学系を示す図である：上図：ビーム運動量に対応する値に設定された磁石、中図：ビーム運動量に対応する値よりも１０％大きく設定された磁石、下図：ビーム運動量に対応する値よりも１０％大きく、かつＣｏｌ２において２１ｍｒａｄのビーム広がりを有するように設定された磁石。

上述した要件に基づくガントリのビーム光学系の構成に関して考えられる選択肢が開発され、以下でより詳細に説明される。

ＰＳＩのガントリ２のレイアウトは、本明細書で説明される本形式のガントリの構成におけるテンプレートとして使用されてきた。図４は、ＰＳＩ“ガントリ２”（上図）と比較した、本発明によるガントリ２’（下図）のレイアウトを示す。ＰＳＩ“ガントリ２”に関する図４には、３つの双極磁石Ｄ１，Ｄ２，およびＤ３と、７つの四重極Ｑ１〜Ｑ７と、２つのキッカー磁石Ｋ１，Ｋ２とが示されている。新しい構成のガントリ２’に関する図４の下図では、四重極磁石Ｑ１〜Ｑ８と、組み合わせ型の機能磁石（双極および四重極）Ｃ１〜Ｃ１１と、走査磁石Ｋ１およびＫ２とが設けられている。両方の構成において、６０°の２つのベンド区域８，１２と、９０°の最後の１つのベンド区域１６とが存在する。しかしながらガントリ２’の場合には、ベンド区域８，１２，１６は、後続の複数の組み合わせ型の機能磁石Ｃ１〜Ｃ１１を含み、これらの機能磁石Ｃ１〜Ｃ１１は、重畳する双極場および四重極場を有する。この構成はさらに、ベンド区域（８，１２）の前と間とに８つの四重極Ｑ１〜Ｑ８を含む。さらに、第１のコリメータＣｏｌ１および第２のコリメータＣｏｌ２が追加されていると共に、第２のコリメータＣｏｌ２の上流に配置されたデグレーダＤも追加されている。ガントリ２’は全体として、図４ｂに示されるようなｚ軸線を中心にして回転可能である。

走査は、最終の最後のベンド区域１６の上流において実施され、最終の曲げ磁石Ｃ７〜Ｃ１１の比較的大きなアパーチャを必要とする。磁石Ｃ１〜Ｃ１１を用いる場合、ガントリ２のサイズは半径約３．０ｍ、長さ約８．５ｍである。

本発明に続いて、ガントリ２’（以下参照）の構成では、最後のベンド区域１６の前にデグレーダＤを取り付けることが考えられる。良好なビーム輸送を得るために、ビームは、デグレーダＤに入るときに小さな直径を有するべきである。第１のコリメータＣｏｌ１は、結合点６に配置されている。ガントリ２’の入口にある結合点６におけるこの第１のコリメータＣｏｌ１の円形のコリメータアパーチャは、第２のコリメータＣｏｌ２に結像され、この第２のコリメータＣｏｌ２は、第２のベンド区域１２と第３のベンド区域１６との間においてデグレーダＤの下流に配置される。この第２のコリメータＣｏｌ２における（１σ）ビームサイズは、１．２５ｍｍ×１．２５ｍｍである。この第２のコリメータＣｏｌ２からアイソセンタへのポイントツーポイントの結像が行われ、そこでのビームスポットサイズは、１次で２．５ｍｍ×２．５ｍｍ（１σにおいて）である。

上述したように大抵の既存のガントリは、全体としてはアクロマティックであるが、通常、このアクロマティック性は、それぞれの個々のベンド区域の内部において再生されるわけではない（全体的なアクロマティック性）。その結果として分散が、ガントリの内部で非常に大きくなる可能性がある。このことにより、全体的にアクロマティックなシステムの運動量アクセプタンスが制限されてしまう。上述したガントリ構成の例では、それぞれのベンド区域８，１２，１６が、それ自体単独でアクロマティックである（“局所的なアクロマティック性”）。この場合には、分散関数は、決して高い値に到達することはない。この特徴を利用することにより、本明細書で提示されるガントリ構成は、±１０％を超える運動量アクセプタンスを有する。このことはつまり、超電導磁石の電流を変化させることなく、最大±１０％の運動量ずれ（ほぼ±２０％のエネルギずれに相当する）を有するビームが、依然としてガントリ磁石のアパーチャおよび真空管を通過することが可能となるということを意味する。

この位置におけるデグレーダＤの利点は、ビームサイズが小さいことであり、したがって（例えば炭素）デグレーダプレートをビーム軌道に移動させることを、たった数ミリ秒以内で実施することが可能である。このことにより、非常に高速なエネルギ変化が可能となるだろう。

本明細書で提示される構成では、ビームが、第２のコリメータＣｏｌ２の位置にウェストを形成し、このウェストは、強力な集束によってビームの発散が大きくなるように構成されており、したがってデグレーダＤは、ビームの発散を過度に強力には増加させない。

本構成における代替的な可能性は、走査磁石の別の配置である。

走査磁石を、最後のベンド区域１６の内部または後に配置してもよい。考えられる利点は、運動量アクセプタンスを減少させることなく、最後のベンド区域１６における磁石の比較的小さいアパーチャを使用できることであろう。

ガントリ２’は、既存の複数のビーム処理方法をスマートな方法で組み合わせて、ガントリ内のビーム光学系のための新しい選択肢を可能にする。これらの選択肢には、１つ１つのベンド区域の内部における強力な分散抑制が含まれる。局所的な分散抑制は、ガントリ２’のビームライン全体に沿って分散の最大値を低く維持する。本発明ではこの特性を利用して、非常に大きなエネルギ広がりを許容し、曲げ磁場を調整することなく、エネルギ変調されたビームの輸送を可能にする。このことにより、非常に高速なビームエネルギ変調が可能となり、このことは、陽子線治療において重要な利点である。

Claims (9)

1. ビーム走査技術を用いて粒子ビームを投与する可動式のガントリ（２’）において、
   ａ）複数の四重極磁石を含む、加速粒子ビームの入口区域（６）と、
   ｂ）それぞれが複数の双極磁石および四重極磁石を含む少なくとも１つのベンド区域を有する第１のベンド区域（８、１２）と、
   ｃ）複数の四重極磁石と、ビーム補正用の別の磁石と、デグレーダ（Ｄ）とを含む輸送区域と、
   ｄ）複数の別個のおよび／または組み合わせ型の双極磁石／四重極磁石／高次多極磁石を含む、アクロマティックな区域を形成する最後のビームベンド区域（１６）であって、アクロマティックな前記最後のビームベンド区域（１６）の全ての磁石は、前記デグレーダ（Ｄ）の下流に配置されており、アクロマティックな前記最後のビームベンド区域（１６）における如何なる分散も、当該最後のビームベンド区域（１６）が±５％を超える運動量アクセプタンスを有するように抑制されている、最後のビームベンド区域（１６）と、
   ｅ）横方向の走査を実施するために、アイソセンタにおいてビーム方向に対して垂直な方向にビームを偏向させる２つの別個のまたは１つの組み合わせ型の高速偏向磁石（Ｋ１，Ｋ２）を含む、走査区域（１５）と、
   ｆ）ビームノズルを含む、ビームノズル区域（１８）と
   を含み、
   前記輸送区域は、前記少なくとも１つの第１のベンド区域（８、１２）のうちの最後のベンド区域（１２）と、前記最後のビームベンド区域（１６）との間に位置する、
   ガントリ（２’）。
2. 前記デグレーダ（Ｄ）の下流に、コリメータまたはコリメータシステム（Ｃｏｌ２）が配置されている、
   請求項１記載のガントリ（２’）。
3. 前記走査区域（１５）は、前記最後のビームベンド区域（１６）の上流または内部または下流に配置されている、
   請求項１または２記載のガントリ。
4. ａ）前記第１のベンド区域（８）は、１つのアクロマティックな区域、または複数のアクロマティックな区域の組み合わせを形成している、
   請求項１から３までのいずれか１項記載のガントリ。
5. 前記ガントリ（２’）は、長手軸線（ｚ軸線）を中心にして回転可能である、
   請求項１から４までのいずれか１項記載のガントリ。
6. 前記ガントリ（２’）は、当該ガントリに入射するビームの方向に対して垂直な水平軸線（ｘ軸線）を中心にして回転可能である、
   請求項１から５までのいずれか１項記載のガントリ（２’）。
7. 前記第１のベンド区域（８）が、ビーム補正用の別の磁石を含む、
   請求項１から６までのいずれか１項記載のガントリ（２’）。
8. 前記ビームノズル区域（１８）が、ビーム処理装置を含む、
   請求項１から７までのいずれか１項記載のガントリ（２’）。
9. 前記ビーム処理装置が、ビーム劣化要素、ビーム修正要素、およびビーム品質に関連するビーム検証要素のうちの少なくとも１つを含む、
   請求項８記載のガントリ（２’）。

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