JP6955052B2 - 粒子ビームのエネルギーの調整 - 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61/707515号明細書の優先権が主張される。米国仮出願第61/707515号明細書の内容は、参照により本開示に組み込まれる。
[付記項1]
空洞に磁場を印加するためのコイルと、
前記空洞にプラズマ柱を形成するための粒子源と、
前記プラズマ柱から粒子を加速させるために前記空洞に高周波(RF)電圧を印加するための電圧源であって、前記プラズマ柱から加速された前記粒子が、前記磁場によって、前記空洞の内部において軌道に沿って移動される、前記電圧源と、
前記プラズマ柱から加速された前記粒子を受けるための、且つ、受けた前記粒子を前記空洞から出力するための引き出しチャネルを含んでいるエンクロージャと、
受けた前記粒子のエネルギーレベルを変化させるために前記引き出しチャネルの近傍に配置されている構造体と、
を備えている、粒子加速器。
[付記項2]
前記構造体が、複数の厚さを有しており、
前記構造体が、受けた前記粒子の経路内に前記複数の厚さのうち一の厚さの部分を置くように、前記引き出しチャネルに対して相対的に移動可能とされる、付記項1に記載の粒子加速器。
[付記項3]
前記構造体が、車輪状になっており、前記引き出しチャネルの内部において回転可能とされる、付記項2に記載の粒子加速器。
[付記項4]
前記構造体の厚さが、最大厚さから最小厚さまでの範囲内において変化する、付記項2に記載の粒子加速器。
[付記項5]
前記粒子加速器が、所定の位置に対して回転可能であり、
前記粒子加速器が、前記粒子加速器の回転位置に基づいて前記構造体の移動を制御するための制御システムをさらに備えている、付記項1に記載の粒子加速器。
[付記項6]
前記空洞の内部に位置する前記磁場を調整することによって、最終的に前記粒子が前記引き出しチャネルに出力されるように、前記プラズマ柱から加速された前記粒子の連続的な軌道を変化させるための、再生器をさらに備えている、付記項1に記載の粒子加速器。
[付記項7]
前記構造体が、ベリリウム、カーボン、及びプラスチックのうちの少なくとも1つを材料として含んでいる、付記項1に記載の粒子加速器。
[付記項8]
前記粒子が陽子を含んでいる、付記項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ているガントリーであって、患者の位置に対して相対的に回転可能とされる前記ガントリーと、
を備えている陽子治療システムにおいて、
陽子が、実質的に前記粒子加速器から前記患者の位置に直接出力される、陽子治療システム。
[付記項9]
空洞に磁場を印加するためのコイルと、
前記空洞にプラズマ柱を形成するための粒子源と、
粒子をプラズマ柱から加速させるために、高周波(RF)電圧を前記空洞に印加するための電圧源であって、前記プラズマ柱から加速された前記粒子が、前記磁場によって、前記空洞の内部において軌道に沿って移動される、前記電圧源と、
前記プラズマ柱から加速された前記粒子を受けるための、且つ、受けた前記粒子を前記空洞から出力するための引き出しチャネルを含んでいるエンクロージャと、
前記空洞の内部に位置する前記磁場を調整することによって、最終的に前記粒子が前記引き出しチャネルに出力されるように、前記プラズマ柱から加速された前記粒子の連続的な軌道を変化させる再生器であって、前記粒子の軌道に対して相対的に前記空洞の内部において移動可能とされる前記前記再生器と、
を備えている、粒子加速器。
[付記項10]
前記再生器が、径方向において空洞の略中心に対して相対的に移動するように構成されている、付記項9に記載の粒子加速器。
[付記項11]
制御信号に応答して前記再生器を移動させるためのアクチュエータをさらに備えている、付記項10に記載の粒子加速器。
[付記項12]
前記粒子加速器が、所定の位置に対して相対的に回転可能とされ、
前記粒子加速器が、前記粒子加速器の回転位置に基づいて前記再生器の移動を制御するために前記制御信号を発生させるための制御システムをさらに備えている、付記項11に記載の粒子加速器。
[付記項13]
前記再生器が、強磁性材料を含んでいる、付記項9に記載の粒子加速器。
[付記項14]
前記粒子が陽子を含んでいる、付記項9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ているガントリーであって、患者の位置に対して相対的に回転可能とされる前記ガントリーと、
を備えている陽子治療システムにおいて、
陽子が、実質的に前記粒子加速器から前記患者の位置に直接出力される、陽子治療システム。
[付記項15]
空洞に磁場を形成するためのコイルと、
プラズマ柱を前記空洞に送り込むための粒子源と、
粒子をプラズマ柱から加速させるために、前記空洞に高周波(RF)電圧を印加するための電圧源であって、前記プラズマ柱から加速された前記粒子が、前記磁場によって、前記空洞の内部において軌道に沿って移動される、前記電圧源と、
前記プラズマ柱から加速された前記粒子を受けるための、且つ、受けた前記粒子を前記空洞から出力するための引き出しチャネルを含んでいるエンクロージャと、
前記空洞内で前記磁場を調整することによって、最終的に前記粒子が前記引き出しチャネルに出力されるように、前記プラズマ柱から加速される前記粒子の連続的な軌道を変化させる再生器と、
を備えている粒子加速器において、
前記エンクロージャが、磁性構造体を備えており、
前記磁性構造体のうち少なくとも1つの磁性構造体が、スロットを有しており、
前記スロットが、強磁性を有していると共に前記スロットの内部において移動可能とされる磁性シムを収容しており、
前記磁性シムが、前記磁場に対する前記再生器の調整量に影響を及ぼすように、前記再生器に対して相対的に移動可能とされる、粒子加速器。
[付記項16]
前記磁性構造体のうち前記少なくとも1つの磁性構造体が、前記少なくとも1つの磁性構造体の内部に複数のスロットを有しており、
前記スロットそれぞれが、強磁性を有していると共に前記スロットの内部において移動可能とされる磁性シムを収容しており、前記磁性シムそれぞれが、前記磁場に対する前記再生器の調整量に影響を及ぼすように、前記再生器に対して相対的に移動可能とされる、付記項15に記載の粒子加速器。
[付記項17]
前記粒子加速器が、所定の位置に対して相対的に回転可能とされ、
前記粒子加速器が、前記粒子加速器の回転位置に基づいて前記磁性シムの移動を制御するために、制御信号を発生させるための制御システムをさらに備えている、付記項15に記載の粒子加速器。
[付記項18]
前記磁性シムが、電磁石を備えている、付記項15に記載の粒子加速器。
[付記項19]
前記粒子が陽子を含んでいる、付記項15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ているガントリーであって、患者の位置に対して相対的に回転可能とされる前記ガントリーと、
を備えている陽子治療システムにおいて、
陽子が、実質的に前記粒子加速器から前記患者の位置に直接出力される、陽子治療システム。
[付記項20]
磁場を発生する電流を伝導する超電導コイルを具備する低温保持装置と、
前記低温保持装置に隣接している磁性構造体であって、前記低温保持装置が、前記磁性構造体に取り付けられており、前記磁性構造体が、空洞を含んでいる、前記磁性構造体と、
前記空洞にプラズマ柱を形成するための粒子源と、
粒子をプラズマ柱から加速させるために、高周波(RF)電圧を前記空洞に印加するための電圧源であって、前記プラズマ柱から加速された前記粒子が、前記磁場によって、前記空洞の内部において軌道に沿って移動される、前記電圧源と、
前記プラズマ柱から加速された前記粒子を受ける引き出しチャネルであって、受けた前記粒子を前記空洞から出力する前記引き出しチャネルと、
前記磁性構造体に対して相対的に前記低温保持装置を移動させるように制御可能とされるアクチュエータと、
を備えている粒子加速器。
[付記項21]
前記粒子加速器が、所定の位置に対して相対的に回転可能であり、
前記粒子加速器が、前記粒子加速器の回転位置に基づいて前記アクチュエータを制御するために、制御信号を発生させるための制御システムをさらに備えている、付記項20に記載の粒子加速器。
[付記項22]
前記アクチュエータが、低温保持装置前記超電導コイルに対する重力の影響を補償するために、前記低温保持装置の移動を制御するように制御される、付記項21に記載の粒子加速器。
[付記項23]
前記粒子が陽子を含んでいる、付記項20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ているガントリーであって、患者の位置に対して相対的に回転可能とされるガントリーと、
を備えている陽子治療システムにおいて、
陽子が、実質的に前記粒子加速器から前記患者の位置に直接出力される、陽子治療システム。
[付記項24]
所定の範囲のエネルギーから選択されたエネルギーを有する粒子ビームとして出力されるように粒子が加速される空洞を形成している磁性構造体と、
前記粒子ビームを受けるための引き出しチャネルと、
前記粒子ビームが前記引き出しチャネルに入る前に前記粒子ビームを遮断するために、前記引き出しチャネルの近傍に配置されている構造体であって、選択されたエネルギーに基づいて移動可能とされ、前記粒子ビームが前記引き出しチャネル内に入る前に前記粒子ビームの少なくとも一部分のエネルギーを吸収するように構成されている、前記構造体と、
を備えている、可変エネルギー粒子加速器。
[付記項25]
前記構造体が、変化する厚さを有している車輪を備えており、
前記厚さの変化に従って、吸収されるエネルギーが変化する、付記項24に記載の可変エネルギー粒子加速器。
[付記項26]
前記可変エネルギー粒子加速器が、前記選択されたエネルギーに対応する粒子軌道において磁場バンプを形成するための磁気再生器をさらに備えており、
前記磁気再生器が、前記可変エネルギー粒子加速器の移動に基づいて移動可能とされる、付記項24に記載の可変エネルギー粒子加速器。
[付記項27]
前記可変エネルギー粒子加速器が、前記選択されたエネルギーに対応する粒子軌道において磁場バンプを形成するための磁気再生器をさらに備えており、
前記磁気再生器が、前記選択されたエネルギーを有する粒子軌道を遮断するように移動可能とされる、付記項24に記載の可変エネルギー粒子加速器。
本明細書では、陽子又はイオン治療システムなどの、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発生す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。例として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によって発生す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発生させる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。
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、42 環状超電導コイル
40aと40b、42aと42b コイルセット
44、46 磁極面
47 共通軸
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
70 低温保持槽
71、73 支持点
72、74、77、79 ギフォードマクマホン冷凍機
76 低温端部
80 圧縮機
82 磁石ヨーク、鉄ヨーク、磁気構造体
84 帰還磁束
86 容積部
90 粒子源
91 高周波駆動システム
94 電気ケーブル
95
92 幾何学的中心
99 供給部電流源
100 ディープレート
101 ガス管
102 ダミーディープレート
103、105 半導体表面
107、109 ビーム成形要素
108 水冷管路
111 真空ポンプ
114 磁気シールド
119 真空槽
122、124 釣合いおもり
125 ビーム形成システム
154、156、158 側壁
160 治療室
162 基部
170 患者支持体
190、192 陰極
194 管
200 磁場
402、404、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、ビーム発生粒子加速器
504 回転式ガントリー、鋼製ガントリー
508、510 脚部
512、514 軸受
516 鉄骨トラス
518 治療領域
520、534 回転範囲
522 床
524 ボールト
532 水平回転軸線
540 アイソセンター
542 垂直軸線
580、582 スパン
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
706 断面
709、710 超電導コイル
711 磁気構造体
715 構造体
715a より厚い部分
715b より薄い部分
716 モータ
717 配置
719 軌道
720 軌道
721 配置
722 軌道
723 配置
730 磁性シム
730a、730b 磁性シム
731a、731b ヨーク
735 矢印
736 低温保持装置
737 矢印
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 監視ユニット
920 エネルギーデグレーダ
922 身体
922’ 身体又は身体部分
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 (19)
- コイルアセンブリを備えている粒子加速器であって、前記コイルアセンブリが、前記粒子加速器から出力するための粒子ビームを生成するように粒子を加速させるための空洞に磁場を形成するために、超電導コイルと、前記コイルを保持するための構造体と、を備えている、前記粒子加速器と、
前記粒子加速器が患者に対して相対的に回転するように取り付けられているガントリーと、
前記ガントリーの回転位置を検出するための検出器と、
前記検出器によって検出された前記粒子加速器の回転位置に基づいて前記構造体を物理的に移動させることによって、前記超電導コイルの移動を補償するようにコンピュータ制御されているアクチュエータであって、前記粒子加速器の回転位置が、前記ガントリーの回転位置に基づく、前記アクチュエータと、
を備えていることを特徴とするシステム。 - 前記粒子加速器が、
プラズマ柱を前記空洞に形成するための粒子源と、
前記粒子を加速させるために高周波(RF)電圧を前記空洞に印加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前記粒子が、前記空洞の内部において軌道上で移動される、前記電圧源と、
前記空洞の内部で加速された荷電粒子を受容するための引き出しチャネルであって、前記荷電粒子を前記空洞から出力するための前記引き出しチャネルと、
前記コイルアセンブリが重力と偏心力との複合効果に耐えることができるように、前記コイルアセンブリに接続されているリンクを備えているストラップと、
を備えており、
前記検出器が、軸角エンコーダを備えていることを特徴とする請求項1に記載のシステム。 - 前記超電導コイルが、第1のコイルとされ、
前記コイルアセンブリが、第2のコイルを備えており、
前記粒子加速器が、限定された一組の支持点を除いて、前記コイルアセンブリの周囲に自由空間を設けている低温保持層を備えていることを特徴とする請求項1に記載のシステム。 - 前記粒子加速器が回転されることによって、前記第1のコイルと前記第2のコイルとが、第1の方向に移動され、
前記アクチュエータが、前記第1の方向の反対方向である第2の方向に前記コイルアセンブリを移動させるようにコンピュータ制御されることを特徴とする請求項3に記載のシステム。 - 前記粒子加速器が、荷電粒子が引き出しチャネルに向かって移動するように前記荷電粒子の軌道に影響を及ぼすために、前記空洞の内部に磁場バンプを形成するための再生器を備えており、
前記超電導コイルの位置が、前記再生器に対して相対的に変化されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。 - 前記粒子加速器が、荷電粒子が引き出しチャネルに向かって移動するように前記荷電粒子の軌道に影響を及ぼすために、前記空洞の内部に磁場バンプを形成するための再生器を備えており、
前記粒子加速器が移動することによって、前記超電導コイルと前記再生器との位置合わせが解除され、
前記超電導コイルの位置が、前記超電導コイルと前記再生器とを位置合わせするために、前記超電導コイルを元の位置に復帰させるように変化されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。 - 前記再生器が、前記荷電粒子の軌道に選択的に影響を及ぼすように、前記空洞の内部において移動可能とされることを特徴とする請求項6に記載のシステム。
- 前記粒子加速器が、前記コイルアセンブリに取り付けられているストラップを備えており、
前記ストラップが、前記超電導コイルを具備する磁石が移動する際に前記超電導コイルの移動を制限するが、防止しないことを特徴とする請求項1に記載のシステム。 - 前記コイルアセンブリの位置が、磁石が移動する際に前記超電導コイルの移動を補償するように変化されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記粒子加速器が、異なるエネルギを有する荷電粒子を出力することができるシンクロサイクロトロンとされることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- ターゲットに対する粒子ビームの放射の出力に影響を及ぼす磁場を発生させるように電流を伝導させるために1つ以上のコイルを備えている磁石であって、前記磁石が、前記ターゲットに対して相対的に移動するように構成されており、前記電流が、複数の異なるエネルギのうち一のエネルギで前記粒子ビームを出力するように制御可能とされる、前記磁石と、
前記磁石を備えている粒子加速器であって、前記磁場が、前記ターゲットに対する出力のための放射を備えている前記粒子ビームを生成するように前記粒子加速器の空洞の内部において荷電粒子を加速させる、前記粒子加速器と、
前記一のエネルギに基づくエネルギを有している前記粒子ビームを引き出しチャネルに出力するために、前記粒子加速器が前記ターゲットに対して相対的に移動するように取り付けられているガントリーの回転位置に基づいて1つ以上の前記コイルを保持するための構造体を物理的に移動させることによって、1つ以上の前記コイルの移動を補償するように制御可能とされる1つ以上のアクチュエータと、
を備えていることを特徴とするシステム。 - 1つ以上の前記アクチュエータが、1つ以上の前記コイルを移動させるために前記リバースボビンを移動させるように制御可能とされることを特徴とする請求項11に記載のシステム。
- 前記リバースボビンが、チャンバーを備えており、前記チャンバーそれぞれが、コイルを保持するように構成されており、前記コイルが、超電導温度に維持されることを特徴とする請求項12に記載のシステム。
- 前記ガントリーが、前記粒子ビームを前記ターゲットの様々な地点に方向づけるために、前記ターゲットに対して相対的に前記粒子加速器を回転させるように構成されていることを特徴とする請求項11に記載のシステム。
- 前記磁石の移動によって、1つ以上の前記コイルが、ハウジングに対して相対的に移動され、
1つ以上の前記アクチュエータが、前記ハウジングに対する1つ以上の前記コイルの移動を補償するために、1つ以上の前記コイルを物理的に移動させるようにコンピュータ制御されることを特徴とする請求項11に記載のシステム。 - 前記システムが、前記磁石を備えている粒子加速器であって、前記磁場が、ターゲットに対する出力のための放射を備えている粒子ビームを生成するために、前記粒子加速器の空洞の内部において荷電粒子を軌道上で加速させる、前記粒子加速器を備えており、
前記粒子加速器が、前記空洞の内部における前記荷電粒子の軌道に影響を及ぼすように磁場バンプを形成するために、強磁性材料を具備する再生器を備えており、
1つ以上の前記アクチュエータが、1つ以上の前記コイルと前記再生器とを位置合わせするために1つ以上の前記コイルを物理的に移動させるように制御可能とされることを特徴とする請求項11に記載のシステム。 - 前記システムが、前記磁石を備えている粒子加速器であって、前記磁場が、ターゲットに対する出力のための放射を備えている粒子ビームを生成するために、前記粒子加速器の空洞の内部において荷電粒子を軌道上で加速させる、前記粒子加速器を備えており、
前記粒子加速器が、前記空洞の内部における前記荷電粒子の軌道に影響を及ぼすように磁場バンプを形成するために、強磁性材料を具備する再生器を備えており、
前記磁石の移動によって、1つ以上の前記コイルが前記粒子加速器の内部において移動され、1つ以上の前記アクチュエータが、前記磁石の内部における1つ以上の前記コイルの元の位置に1つ以上の前記コイルを移動させるために、1つ以上の前記コイルを物理的に移動させるように制御可能とされることを特徴とする請求項11に記載のシステム。 - 前記システムが、シンクロサイクロトロンを備えており、
前記シンクロサイクロトロンが、前記磁石を備えている可変エネルギシンクロサイクロトロンとされることを特徴とする請求項11に記載のシステム。 - 1つ以上の前記コイルが、
一定の電流を通過させるための第1のコイルセットと、
前記一のエネルギを生成するために変化可能とされる電流を通過させるための第2のコイルセットと、
を備えていることを特徴とする請求項11に記載のシステム。
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