JP6976288B2 - 粒子ビーム走査 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本明細書では、２０１３年９月２７日に出願した米国仮出願第６１／８８３，６３１号明細書の優先権が主張される。米国仮出願第６１／８８３，６３１号明細書の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般的に、粒子ビーム走査システムにおいて使用するための特徴に関する。

粒子治療システムは、加速器を使用して、腫瘍などの苦痛を治療するための粒子ビームを発生する。動作時に、粒子は、磁場の存在下で空洞内の軌道に沿って加速され、引き出しチャネルを通して空洞から取り出される。磁場再生器は、空洞の外側の近くに磁場バンプを生成して幾つかの軌道のピッチおよび角度を歪め、これらの軌道が引き出しチャネルの方へ歳差運動をし、最終的に引き出しチャネル内に入るようにする。粒子からなるビームは、引き出しチャネルを出る。

走査システムは、引き出しチャネルのビーム下流側にある。この文脈において、「ビーム下流側」は、照射ターゲットに（ここでは、引き出しチャネルに対して）より近いことを意味する。走査システムは、ビームを照射ターゲットの少なくとも一部にわたって動かし、照射ターゲットの様々な部分をビームに曝す。例えば、腫瘍を治療するために、粒子ビームが腫瘍の異なる断面の上で「走査」され得る。

米国特許出願第１３／９０７，６０１号明細書 米国特許出願第１１／９４８，６６２号明細書 米国特許出願第１１／９４８，３５９号、名称「Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ａ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆ Ａ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｃａｖｉｔｙ Ｔｏ Ａ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆ Ａｎ Ｉｎｐｕｔ Ｖｏｌｔａｇｅ」 米国特許第７，７２８，３１１号明細書 米国特許出願第１２／２７５，１０３号明細書 米国特許出願第１３／９１６，４０１号明細書 米国仮出願第６０／７６０，７８８号、名称「Ｈｉｇｈ−Ｆｉｅｌｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｓｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ」 米国特許出願第１１／４６３，４０２号、名称「Ｍａｇｎｅｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ」 米国仮出願第６０／８５０，５６５号、名称「Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｖａｃｕｕｍ Ｂｒｅａｋ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｕｐｌｅｒ」 米国仮出願第６１／７０７，４６６号明細書、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ ＯＦ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ」 米国仮出願第６１／７０７，５１５号明細書、名称「ＡＤＪＵＳＴＩＮＧ ＥＮＥＲＧＹ ＯＦ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ」 米国仮出願第６１／７０７，５４８号、名称「ＡＤＪＵＳＴＩＮＧ ＣＯＩＬ ＰＯＳＩＴＩＯＮ」 米国仮出願第６１／７０７，５７２号明細書、名称「ＦＯＣＵＳＩＮＧ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ ＵＳＩＮＧ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＦＩＥＬＤ ＦＬＵＴＴＥＲ」 米国仮出願第６１／７０７，７０４号明細書、名称「ＦＯＣＵＳＩＮＧ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ」 米国仮出願第６１／７０７，６２４号明細書、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＴＨＥＲＡＰＹ」 米国仮出願第６１／７０７，６４５号明細書、名称「ＣＯＮＴＲＯＬ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＡＣＣＥＬＥＲＡＴＯＲ」 米国仮出願第６０／９９１，４５４号明細書 米国特許第８，００３，９６４号明細書 米国特許第７，２０８，７４８号明細書 米国特許第７，４０２，９６３号明細書 米国特許出願第１３／１４８，０００号明細書 米国特許出願第１１／９３７，５７３号明細書 米国特許出願第１１／１８７，６３３号明細書、名称「Ａ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｗａｖｅｆｏｒｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ ａ Ｓｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ」 米国仮出願第６０／５９０，０８９号明細書 米国仮出願第６０／５９０，０８８号明細書 米国特許出願第１０／９４９，７３４号明細書、名称「Ａ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｃａｔｔｅｒｅｒ ｆｏｒ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒａｐｙ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ」

例示的な陽子治療システムは、粒子加速器と、走査システムと、粒子加速器および走査システムの少なくとも一部が取り付けられているガントリーとを備えることができる。ガントリーは、患者の位置に対して回転可能である。陽子は、実質的に粒子加速器から走査システムを通じて患者などの照射ターゲットの位置に直接出力される。粒子加速器は、シンクロサイクロトロンであってよい。

例示的な粒子治療システムは、粒子ビームを出力するシンクロサイクロトロンと、粒子ビームを照射ターゲットの少なくとも一部にわたって走査するように粒子ビームの方向に影響を及ぼす磁石と、粒子ビームを照射ターゲットに出力する前に粒子ビームのスポットサイズを変えるように構成可能である散乱材料とを備える。例示的な粒子治療システムは、以下の特徴のうちの１つまたは複数を、単独で、または組み合わせて含み得る。

例示的な粒子治療システムは、粒子ビームを照射ターゲットに出力する前にビームのエネルギーを変えるデグレーダを備え得る。デグレーダは、シンクロサイクロトロンに対して散乱材料のビーム下流側にあるものとしてよく、コンピュータ制御され得る。

シンクロサイクロトロンは、高周波（ＲＦ）電圧を空洞に印加してプラズマ柱からの粒子を加速するための電圧源であって、空洞は、プラズマ柱から加速された粒子が空洞内で軌道上を移動することを引き起こす磁場を有する、電圧源と、プラズマ柱から加速された粒子を受け、受けた粒子を空洞から出力する引き出しチャネルと、空洞内に磁場バンプを設け、それによりプラズマ柱から加速される粒子の連続的軌道を変化させ、最終的に、粒子が引き出しチャネルに出力されるようにする、再生器とを備えうる。磁場は、４テスラ（Ｔ）から２０Ｔの間とすることができ、また磁場バンプは、最大で２テスラであってよい。

散乱材料は、複数の散乱体を含むものとしてよく、そのそれぞれは粒子ビームの経路内に移動可能であるか、または経路の外に移動可能であるものとしてよい。幾つかの例では、一時に複数の散乱体のうちの１つのみが、粒子ビームの経路内に移動可能であるものとしてよい。散乱材料は、印加される電圧に応答して厚さを増減する圧電材料を含み得る。散乱材料は、照射ターゲットの治療過程において、または照射ターゲットの治療時間と次の治療時間との間（例えば、治療過程に入っていない）に、粒子ビームのスポットサイズを変更するように構成可能であり得る。

粒子治療システムによって実行される走査は、スポット走査であるものとしてよい。スポットサイズは、走査配置毎に変更可能であるものとしてよい。スポットサイズは、十分の数秒程度、数十ミリ秒程度、または他の何らかの時間尺度程度の、時間尺度で変更可能であるものとしてよい。

例示的な粒子治療システムは、粒子ビームを出力するためのシンクロサイクロトロンと、シンクロサイクロトロンから粒子ビームを受け、粒子ビームで照射ターゲットの少なくとも一部のスポット走査を実行するための走査システムであって、走査システムは、粒子ビームのスポットサイズを変更するように制御可能である、走査システムと、シンクロサイクロトロンおよび走査システムの少なくとも一部が取り付けられているガントリーであって、シンクロサイクロトロンおよび走査システムの少なくとも一部を照射ターゲットの周りで移動するように構成されたガントリーとを備え得る。例示的な粒子治療システムは、以下の特徴のうちの１つまたは複数を、単独で、または組み合わせて含み得る。

走査システムは、照射ターゲットに対して３次元でシンクロサイクロトロンから出力される粒子ビームを移動するための構造体と、粒子ビームのスポットサイズを変更するように構成可能である、構造体間の、散乱材料とを備え得る。散乱材料は、複数の散乱体を含むものとしてよく、そのそれぞれは粒子ビームの経路内に移動可能であるか、または経路の外に移動可能であるものとしてよい。幾つかの例では、一時に複数の散乱体のうちの１つのみが、粒子ビームの経路内に移動可能である。散乱材料は、印加される電圧に応答して厚さを増減する圧電材料を備え得る。散乱材料は、照射ターゲットの治療過程において粒子ビームのスポットサイズを変えるように構成可能であるものとしてよい。散乱材料は、照射ターゲットの治療時間と次の治療時間との間（例えば、治療過程に入っていない）に粒子ビームのスポットサイズを変えるように構成可能であるものとしてよい。

走査システムによって実行される走査は、スポット走査であるものとしてよい。スポットサイズは、走査配置毎に変更可能であるものとしてよい。スポットサイズは、十分の数秒程度、数十ミリ秒程度の時間尺度で、または他の何らかの時間尺度で、変更可能であるものとしてよい。

例示的な粒子治療システムは、粒子ビームを出力するためのシンクロサイクロトロンと、シンクロサイクロトロンから粒子ビームを受け、粒子ビームで照射ターゲットの少なくとも一部のスポット走査を実行するための走査システムと、不規則なグリッドパターンに従って照射ターゲットの断面を走査するように走査システムを制御するための１つまたは複数の処理デバイスとを備え得る。例示的な粒子治療システムは、以下の特徴のうちの１つまたは複数を、単独で、または組み合わせて含み得る。

一例において、不規則なグリッドパターンでは、走査されるべきスポット間の間隔は、変化する。不規則なグリッドパターンは、照射ターゲットの断面の周に対応する周を有するものとしてよい。照射ターゲットの断面上の異なるスポットの間の粒子ビームの走査速度は、実質的に同じであり得るか、または異なり得る。例えば、粒子ビームの走査速度は、照射ターゲットの断面上のスポットの少なくとも２つの異なる対の間で異なり得る。

例示的な粒子治療システムは、治療計画を記憶するためのメモリを備え得る。治療計画は、照射ターゲットの断面に対する不規則なグリッドパターンを定義し、また照射ターゲットの他の断面に対する不規則なグリッドパターンを定義するための情報を含み得る。照射ターゲットの異なる断面に対する異なる不規則なグリッドパターンは、照射されるべきスポットの異なる数、照射されるべきスポットの異なる配置、照射されるべきスポット間の異なる間隔、または異なるパターン周のうちの少なくとも１つを有するものとしてよい。

走査システムは、粒子ビームを照射ターゲットの少なくとも一部にわたって走査するように粒子ビームの方向に影響を及ぼす磁石と、粒子ビームを照射ターゲットに出力する前に粒子ビームのスポットサイズを変えるように構成可能である散乱材料とを備え得る。散乱材料は、シンクロサイクロトロンに対して磁石のビーム下流側であるものとしてよい。走査システムは、粒子ビームを照射ターゲットに出力する前にビームのエネルギーを変えるデグレーダも備え得る。デグレーダは、シンクロサイクロトロンに対して散乱材料のビーム下流側にあるものとしてよい。

シンクロサイクロトロンは、高周波（ＲＦ）電圧を空洞に印加してプラズマ柱からの粒子を加速するための電圧源であって、空洞はプラズマ柱から加速された粒子が空洞内で軌道上を移動することを引き起こす磁場を有する、電圧源と、プラズマ柱から加速された粒子を受け、粒子ビームの一部として受けた粒子を空洞から出力する引き出しチャネルと、空洞内に磁場バンプを設け、それによりプラズマ柱から加速される粒子の連続的軌道を変化させ、最終的に、粒子が引き出しチャネルに出力されるようにする、再生器とを備え得る。磁場は、４テスラ（Ｔ）から２０Ｔの間とすることができ、また磁場バンプは、最大で２テスラであってよい。

粒子治療システムは、シンクロサイクロトロンおよび走査システムが取り付けられているガントリーを備えるものとしてよい。ガントリーは、シンクロサイクロトロンおよび走査システムの少なくとも一部を照射ターゲットの周りで移動するように構成され得る。１つまたは複数の処理デバイスは、照射ターゲットの異なる断面の走査の間に粒子ビームを中断するための制御を行うようにプログラムされ得る。

例示的な粒子治療システムは、粒子ビームを出力するためのシンクロサイクロトロンと、粒子ビームを照射ターゲットの断面にわたって走査するように粒子ビームの方向に影響を及ぼす磁石と、不規則なグリッドパターンに従って照射ターゲットの断面を走査するように磁石を制御し、照射ターゲットの異なる断面の走査の間に粒子ビームのエネルギーを制御するための１つまたは複数の処理デバイスとを備え得る。例示的な粒子治療システムは、以下の特徴のうちの１つまたは複数を、単独で、または組み合わせて含み得る。

例示的な粒子治療システムは、照射ターゲットの断面を走査する前に粒子ビームのエネルギーを変えるデグレーダを備え得る。デグレーダは、シンクロサイクロトロンに対して磁石のビーム下流側であるものとしてよい。１つまたは複数の処理デバイスは、デグレーダの１つまたは複数の部分の移動を制御し、照射ターゲットの異なる断面の走査の間に粒子ビームのエネルギーを制御するように構成され得る。

一例において、不規則なグリッドパターンでは、走査されるべきスポット間の間隔は、変化する。不規則なグリッドパターンは、照射ターゲットの断面の周に対応する周を有するものとしてよい。照射ターゲットの断面上の異なるスポットの間の粒子ビームの走査速度は、実質的に同じ、または異なり得る。

例示的な粒子治療システムは、治療計画を記憶するためのメモリを備え得る。治療計画は、照射ターゲットの断面に対する不規則なグリッドパターンを定義し、また照射ターゲットの異なる断面に対する不規則なグリッドパターンを定義するための情報を含み得る。照射ターゲットの異なる断面に対する異なる不規則なグリッドパターンは、照射されるべきスポットの異なる数、照射されるべきスポットの異なる配置、照射されるべきスポット間の異なる間隔、または異なるパターン周のうちの少なくとも１つを有するものとしてよい。

シンクロサイクロトロンは、高周波（ＲＦ）電圧を空洞に印加してプラズマ柱からの粒子を加速するための電圧源であって、空洞はプラズマ柱から加速された粒子が空洞内で軌道上を移動することを引き起こす磁場を有する、電圧源と、プラズマ柱から加速された粒子を受け、粒子ビームの一部として受けた粒子を空洞から出力する引き出しチャネルと、空洞内に磁場バンプを設け、それによりプラズマ柱から加速される粒子の連続的軌道を変化させ、最終的に、粒子が引き出しチャネルに出力されるようにする、再生器とを備え得る。磁場は、４テスラ（Ｔ）から２０Ｔの間とすることができ、また磁場バンプは、最大で２テスラであってよい。例示的な粒子治療システムは、シンクロサイクロトロンおよび走査システムが取り付けられているガントリーを備えるものとしてよい。ガントリーは、シンクロサイクロトロンおよび走査システムの少なくとも一部を照射ターゲットの周りで移動するように構成され得る。

１つまたは複数の処理デバイスは、照射ターゲットの異なる断面の走査の間に粒子ビームを中断するための制御を行うようにプログラムされ得る。走査は、ラスター走査、スポット走査、またはこれらの組合せであってよい。シンクロサイクロトロンは、可変エネルギー機械とすることができる。１つまたは複数の処理デバイスは、レベル特定のエネルギーレベルで粒子ビームを出力するようにシンクロサイクロトロンを制御することによって照射ターゲットの異なる断面の走査の間に可変エネルギーシンクロサイクロトロンによって生成される粒子ビームのエネルギーを制御するようにプログラムされ得る。

発明の概要の節で説明されているものを含む、本開示で説明されている特徴のうちの２つまたはそれ以上を組み合わせることで、本明細書では具体的に説明されていない実施例を形成することができる。

本明細書で説明されている様々なシステム、またはその一部の制御は、１つまたは複数の非一時的機械可読記憶媒体に記憶され、１つまたは複数の処理デバイス上で実行可能である命令を収めたコンピュータプログラム製品を介して実装され得る。本明細書で説明されているシステム、またはその一部は、１つまたは複数の処理デバイスおよび述べられている機能の制御を実装する実行可能命令を記憶するためのメモリを含み得る装置、方法、または電子システムとして実装され得る。

１つまたは複数の実施例の詳細が、添付した図面および以下の説明で記述される。他の特徴、目的、および利点は、説明と図面、さらには特許請求の範囲から明らかになるであろう。

粒子治療システムにおいて使用するための例示的なシンクロサイクロトロンの断面図である。 粒子治療システムにおいて使用するための例示的なシンクロサイクロトロンの断面図である。 例示的な走査システムの側面図である。 スポットサイズ変化のための散乱材料を除く、例示的な走査システムの構成要素の斜視図である。 図３および図４に示されている種類の走査システムで使用するための例示的な磁石の正面図である。 図３および図４に示されている種類の走査システムで使用するための例示的な磁石の斜視図である。 図３および図４に示されている種類の走査システムで使用するための例示的な飛程変調装置の斜視図である。 図３および図４に示されている種類の走査システムで使用するための例示的なエネルギーデグレーダの斜視図である。 散乱体が配置され得る例示的な位置を示す、図３および図４に示されている種類の走査システムの斜視側面図である。 図３および図４に示されている種類の走査システムで使用するための例示的な散乱体の斜視図である。 図３および図４に示されている種類の走査システムで使用するための例示的な散乱体の側面図である。 例示的な開口の上面図である。 例示的な不均一なグリッド周の上面図である。 不規則な形状、規則正しい走査スポット間隔、および規則正しい走査スポット配置を有する例示的な不均一なグリッド周の上面図である。 不規則な形状、規則正しい走査スポット間隔、および不規則な走査スポット配置を有する例示的な不均一なグリッド周の上面図である。 不規則な形状、不規則な走査スポット間隔、および規則正しい走査スポット配置を有する例示的な不均一なグリッド周の上面図である。 規則正しい形状、規則正しい走査スポット間隔、および不規則な走査スポット配置を有する例示的な不均一なグリッド周の上面図である。 規則正しい形状、不規則な走査スポット間隔、および規則正しい走査スポット配置を有する例示的な不均一なグリッド周の上面図である。 不規則な形状および可変走査スポットサイズを有する例示的な不均一なグリッド周の上面図である。 例示的な治療システムの斜視図である。 粒子治療システムにおいて使用するための例示的なシンクロサイクロトロンの構成要素の分解斜視図である。 例示的なシンクロサイクロトロンの断面図である。 例示的なシンクロサイクロトロンの斜視図である。 シンクロサイクロトロン用の例示的なリバースボビンおよび超伝導コイル巻線の一部の断面図である。 超伝導コイル巻線において使用するための例示的なケーブルインチャネル複合導体の断面図である。 シンクロサイクロトロンにおいて使用するための例示的なイオン源の断面図である。 シンクロサイクロトロンにおいて使用するための例示的なディープレートおよび例示的なダミーディーの斜視図である。 粒子治療システムにおいて使用するための例示的なボールトの斜視図である。 粒子治療システムにおいて使用するための例示的なボールトの斜視図である。 粒子治療システムにおいて使用するための例示的なボールトの斜視図である。 治療室内の例示的な粒子治療システムの例示的な内部ガントリーの中に位置決めされた患者を示す図である。 可変エネルギー粒子加速器を使用することができる例示的な粒子治療システムの概念図である。 磁場および粒子加速器内の距離の変動に対するエネルギーおよび電流を示す例示的なグラフである。 粒子ビームのそれぞれのエネルギーレベルについて一定の周波数範囲にわたってディープレート上で電圧を掃引し、粒子ビームエネルギーが変化するときに周波数範囲を変化させるための例示的な構造体の側面図である。 可変エネルギー粒子加速器で使用され得る例示的な磁石システムの分解斜視図である。

様々な図面内の類似の参照記号は、類似の要素を示す。

本明細書では、陽子また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。例示的なシステムは、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−−を備える。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鋼製トラスによって支持されており、鋼製トラスは、その両端においてガントリーの回転式脚部に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。

例示的な一実施例では、粒子加速器（例えば、シンクロサイクロトロン）は、磁場（Ｂ）を発生する電流を伝導するための超伝導コイルを保持する低温保持装置を備える。この例では、低温保持装置は、コイルを超伝導温度、例えば、４°ケルビン（Ｋ）に維持するために液体ヘリウム（Ｈｅ）を使用する。磁極片またはヨークは、低温保持装置の内側に配置され、粒子が加速される空洞を画成する。

例示的な一実施例では、粒子加速器は、プラズマ柱を空洞に供給するために粒子源（例えば、ペニングイオンゲージ−ＰＩＧ源）を備える。水素ガスは電離されてプラズマ柱を生成する。電圧源は、高周波（ＲＦ）電圧を空洞に印加して粒子をプラズマ柱から加速する。指摘されているように、この例では、粒子加速器はシンクロサイクロトロンである。したがって、プラズマ柱から粒子を加速するときに、粒子に対する相対論的効果（例えば、粒子質量が増加する）を考慮してＲＦ電圧が一定範囲の周波数にわたって掃引される。超伝導コイルに電流を流すことよって発生した磁場により、プラズマ柱から加速された粒子は空洞内の軌道上で加速する。

磁場再生器（「再生器」）は、空洞の外側の近く（例えば、その内縁）に位置しており、空洞の内側の既存の磁場を調整し、これにより、プラズマ柱から加速された粒子の連続的な軌道の位置（例えば、ピッチおよび角度）を変更し、最終的に、粒子は低温保持装置を通る引き出しチャネルに出力される。再生器は、空洞内のある地点における磁場を増大し（例えば、空洞のある領域において磁場「バンプ」を作り出し）、これにより、その地点の粒子のそれぞれの連続的軌道が引き出しチャネルの入口点の方へ外向きに、引き出しチャネルに到達するまで歳差運動し得る。引き出しチャネルは、プラズマ柱から加速された粒子を受け、粒子ビームとして受けた粒子を空洞から出力する。

超伝導（「主」）コイルは、比較的高い磁場を発生することができる。主コイルによって生成される磁場は、４Ｔから２０Ｔまたはそれ以上の範囲内にあり得る。例えば、主コイルは、４．０Ｔ、４．１Ｔ、４．２Ｔ、４．３Ｔ、４．４Ｔ、４．５Ｔ、４．６Ｔ、４．７Ｔ、４．８Ｔ、４．９Ｔ、５．０Ｔ、５．１Ｔ、５．２Ｔ、５．３Ｔ、５．４Ｔ、５．５Ｔ、５．６Ｔ、５．７Ｔ、５．８Ｔ、５．９Ｔ、６．０Ｔ、６．１Ｔ、６．２Ｔ、６．３Ｔ、６．４Ｔ、６．５Ｔ、６．６Ｔ、６．７Ｔ、６．８Ｔ、６．９Ｔ、７．０Ｔ、７．１Ｔ、７．２Ｔ、７．３Ｔ、７．４Ｔ、７．５Ｔ、７．６Ｔ、７．７Ｔ、７．８Ｔ、７．９Ｔ、８．０Ｔ、８．１Ｔ、８．２Ｔ、８．３Ｔ、８．４Ｔ、８．５Ｔ、８．６Ｔ、８．７Ｔ、８．８Ｔ、８．９Ｔ、９．０Ｔ、９．１Ｔ、９．２Ｔ、９．３Ｔ、９．４Ｔ、９．５Ｔ、９．６Ｔ、９．７Ｔ、９．８Ｔ、９．９Ｔ、１０．０Ｔ、１０．１Ｔ、１０．２Ｔ、１０．３Ｔ、１０．４Ｔ、１０．５Ｔ、１０．６Ｔ、１０．７Ｔ、１０．８Ｔ、１０．９Ｔ、１１．０Ｔ、１１．１Ｔ、１１．２Ｔ、１１．３Ｔ、１１．４Ｔ、１１．５Ｔ、１１．６Ｔ、１１．７Ｔ、１１．８Ｔ、１１．９Ｔ、１２．０Ｔ、１２．１Ｔ、１２．２Ｔ、１２．３Ｔ、１２．４Ｔ、１２．５Ｔ、１２．６Ｔ、１２．７Ｔ、１２．８Ｔ、１２．９Ｔ、１３．０Ｔ、１３．１Ｔ、１３．２Ｔ、１３．３Ｔ、１３．４Ｔ、１３．５Ｔ、１３．６Ｔ、１３．７Ｔ、１３．８Ｔ、１３．９Ｔ、１４．０Ｔ、１４．１Ｔ、１４．２Ｔ、１４．３Ｔ、１４．４Ｔ、１４．５Ｔ、１４．６Ｔ、１４．７Ｔ、１４．８Ｔ、１４．９Ｔ、１５．０Ｔ、１５．１Ｔ、１５．２Ｔ、１５．３Ｔ、１５．４Ｔ、１５．５Ｔ、１５．６Ｔ、１５．７Ｔ、１５．８Ｔ、１５．９Ｔ、１６．０Ｔ、１６．１Ｔ、１６．２Ｔ、１６．３Ｔ、１６．４Ｔ、１６．５Ｔ、１６．６Ｔ、１６．７Ｔ、１６．８Ｔ、１６．９Ｔ、１７．０Ｔ、１７．１Ｔ、１７．２Ｔ、１７．３Ｔ、１７．４Ｔ、１７．５Ｔ、１７．６Ｔ、１７．７Ｔ、１７．８Ｔ、１７．９Ｔ、１８．０Ｔ、１８．１Ｔ、１８．２Ｔ、１８．３Ｔ、１８．４Ｔ、１８．５Ｔ、１８．６Ｔ、１８．７Ｔ、１８．８Ｔ、１８．９Ｔ、１９．０Ｔ、１９．１Ｔ、１９．２Ｔ、１９．３Ｔ、１９．４Ｔ、１９．５Ｔ、１９．６Ｔ、１９．７Ｔ、１９．８Ｔ、１９．９Ｔ、２０．０Ｔ、２０．１Ｔ、２０．２Ｔ、２０．３Ｔ、２０．４Ｔ、２０．５Ｔ、２０．６Ｔ、２０．７Ｔ、２０．８Ｔ、２０．９Ｔ、もしくはそれ以上のうちの１つまたは複数の大きさの、またはこれらを超える大きさの磁場を発生するために使用され得る。さらに、主コイルは、上に特には挙げられていない４Ｔから２０Ｔ（またはそれ以上）の範囲内にある磁場を発生するために使用され得る。

図１および図２に示されている実施例などの、幾つかの実施例では、大型の強磁性磁気ヨークは、超伝導コイルによって生成される漂遊磁場に対する帰還として働く。例えば、幾つかの実施例では、超伝導磁石は、例えば、４Ｔまたはそれ以上の比較的高い磁場を発生することができ、その結果、かなりの漂遊磁場が生じる。図１および図２に示されているような幾つかのシステムでは、比較的大型の強磁性帰還ヨーク８２は、超伝導コイルによって生成される磁場に対する帰還として使用される。磁気シールドがヨークを囲む。帰還ヨークおよびシールドは、一緒になって漂遊磁場を散逸させ、それによって、漂遊磁場が加速器の動作に悪影響を及ぼす確率を低減する。

幾つかの実施例では、帰還ヨークおよびシールドは、能動的帰還システムによって置き換えられるか、または増強され得る。例示的な一能動的帰還システムは、主超伝導コイルを通る電流と反対の方向に電流を流す１つまたは複数の能動的帰還コイルを備える。幾つかの例示的な実施例では、それぞれの超伝導コイルに対して能動的帰還コイルがある、例えば、２つの能動的帰還コイル−−それぞれの超伝導コイルに対して１つ−−がある（「主コイル」と称される）。それぞれの能動的帰還コイルは、対応する主超伝導コイルの外側を囲む超伝導コイルであってもよい。

電流は、主コイルを通過する電流の方向と反対の方向で能動的帰還コイルを通過する。これにより、能動的帰還コイルを通過する電流は、主コイルによって生成される磁場と極性が反対である磁場を発生する。その結果、能動的帰還コイルによって生成される磁場は、対応する主コイルから結果として生じる比較的強い漂遊磁場の少なくとも一部を散逸することができる。幾つかの実施例では、それぞれの能動的帰還は、２．５Ｔから１２Ｔまたはそれ以上の磁場を発生するために使用され得る。使用され得る能動的帰還システムの一例は、その内容が参照により本明細書に組み込まれている、２０１３年５月３１日に出願した米国特許出願第１３／９０７，６０１号で説明されている。

図３に表すように、粒子加速器１０５（図１および図２に示されている構成を有するものとしてよい）の引き出しチャネル１０２の出力のところに、照射ターゲットの少なくとも一部にわたって粒子ビームを走査するために使用され得る例示的な一走査システム１０６がある。図４は、走査磁石１０８、電離箱１０９、およびエネルギーデグレーダ１１０を備える走査システムの構成要素の例を示している。ビームスポットサイズを変えるための散乱体を含む、走査システムの他の構成要素は、図４に示されていない。これらの構成要素は、他の図に示され、以下で説明される。

例示的な動作において、走査磁石１０８は、２次元内で制御可能であり（例えば、直交座標のＸＹ次元）、これにより、粒子ビームを照射ターゲットの一部（例えば、断面）に導く。電離箱１０９では、ビームの線量を検出し、その情報を制御システムにフィードバックする。エネルギーデグレーダ１１０は、材料を粒子ビームの経路内におよび経路外に移動させて、粒子ビームのエネルギー、したがって粒子ビームが照射ターゲットを貫通する深さを変化させるように制御可能である（例えば、１つまたは複数の処理デバイス上で実行可能な１つまたは複数のコンピュータプログラムによって）。

図５および図６は、例示的な走査磁石１０８を示している。走査磁石１０８は、Ｘ方向の粒子ビーム移動を制御する２つのコイル１１１と、Ｙ方向の粒子ビーム移動を制御する２つのコイル１１２とを備える。制御は、幾つかの実施例では、一方のコイルの組または両方の組を通る電流を変化させ、それによって、発生する磁場を変化させることによって達成される。磁場を適切に変化させることによって、粒子ビームは、照射ターゲット全体にわたってＸおよび／またはＹ方向に移動することができる。幾つかの実施例では、走査磁石は、粒子加速器に対して物理的に移動可能でない。他の実施例では、走査磁石は、加速器に対して移動可能であるものとしてよい（例えば、ガントリーによってもたらされる移動に加えて）。

この例では、電離箱１０９は、入射放射線によって引き起こされるガス内に形成されるイオン対の数を検出することによって粒子ビームによって印加される線量を検出する。イオン対の数は、粒子ビームによってもたらされる線量に対応する。その情報は、粒子治療システムの動作を制御するコンピュータシステムにフィードバックされる。コンピュータシステム（図示せず）は、メモリおよび１つまたは複数の処理デバイスを備えるものとしてよく、電離箱によって検出された線量が意図された線量であるかどうかを判定する。その線量が意図された通りでない場合、コンピュータシステムは、加速器を制御して、粒子ビームの発生および／または出力を中断し、および／または走査磁石を制御して照射ターゲットへの粒子ビームの出力を妨げることができる。

図７は、エネルギーデグレーダ１１０の例示的な一実施例である、飛程変調装置１１５を示している。図７に示されているような幾つかの実施例では、飛程変調装置は、一連のプレート１１６を備える。これらのプレートは、炭素、ベリリウム、または低原子番号の他の材料のうちの１つまたは複数から作ることができる。しかしながら、これらの例示的な材料の代わりに、またはそれに加えて、他の材料も使用され得る。

これらのプレートのうちの１つまたは複数は、ビーム経路内に移動可能であるか、または経路の外に移動可能であり、それによって、粒子ビームのエネルギーに、したがって照射ターゲット内への粒子ビームの貫通深さに影響を及ぼす。例えば、粒子ビームの経路内に移動するプレートが多ければ多いほど、プレートによって吸収されるエネルギーが多くなり、粒子ビームが有するエネルギーは低くなる。逆に、粒子ビームの経路内に移動するプレートが少なければ少ないほど、プレートによって吸収されるエネルギーは少なくなり、粒子ビームが有するエネルギーは高くなる。エネルギーが高い粒子ビームは、エネルギーが低い粒子ビームよりも照射ターゲット内により深く貫通する。この文脈において、「より高い」および「より低い」は、相対語としての意味であり、いかなる特定の数値的な含意も有するわけではない。

プレートは、粒子ビームの経路内におよび経路外へ物理的に移動される。例えば、図８に示されているように、プレート１１６ａは、粒子ビームの経路内の位置と粒子ビームの経路外の位置との間の矢印１１７の方向に沿って移動する。プレートは、コンピュータ制御される。一般的に、粒子ビームの経路内に移動するプレートの数は、照射ターゲットの走査が行われるべき深さに対応する。例えば、照射ターゲットは、幾つかの断面に分割され、それぞれの断面は照射深さに対応するものとしてよい。飛程変調装置の１つまたは複数のプレートは、照射ターゲットへのビーム経路内にまたはビーム経路外へ移動することができ、これにより、照射ターゲットの断面のそれぞれを照射する適切なエネルギーを得ることができる。幾つかの実施例では、飛程変調装置は、加速器と一緒に回転しないが、むしろ、適所に留まり、プレートをビーム経路内に移動し、ビーム経路の外に移動する。

幾つかの実施例では、照射ターゲットを治療する前に治療計画が立てられる。治療計画では、特定の照射ターゲットに対し走査をどのように実行すべきかを指定することができる。幾つかの実施例では、治療計画で指定する情報は、走査の種類（例えば、スポット走査またはラスター走査）、走査配置（例えば、走査すべきスポットの配置）、走査配置当たりの磁石電流、スポット当たりの線量、スポットサイズ、照射ターゲット断面の配置（例えば、深さ）、断面当たりの粒子ビームエネルギー、それぞれの粒子ビームエネルギーに対するビーム経路内に移動するプレート、などである。一般的に、スポット走査は、照射ターゲット上の離散的なスポットに照射を行うことを伴い、ラスター走査は、照射ターゲットの端から端まで照射スポットを移動することを伴う。したがって、スポットサイズのコンセプトは、ラスター走査とスポット走査の両方に適用される。

幾つかの実施例では、照射ターゲットの治療計画全体は、照射ターゲットの異なる断面に対する異なる治療計画を含む。異なる断面に対する治療計画は、上で与えられているような、同じ情報または異なる情報を含み得る。

１つまたは複数の散乱体が粒子ビーム経路内の１つまたは複数の地点に挿入され、これにより、照射ターゲットに出力する前に走査スポットのサイズを変えることができる。例えば、幾つかの実施例では、１つまたは複数の散乱体は、走査磁石のビーム下流側の、ただしエネルギーデグレーダの前（ビーム上流側）のビーム経路内に、またはビーム経路の外に移動可能であるものとしてよい。例えば、図９に表すように、散乱体１２０は、配置１２２または配置１２３のところのビーム経路内に、またはビーム経路の外に移動され得る。他の実施例では、散乱体は、磁石１０８とエネルギーデグレーダ１１０との間の異なるまたは複数の配置に位置決めされ得る。例えば、磁石のすぐビーム下流側に配置された１つまたは複数の散乱体およびエネルギーデグレーダのすぐビーム上流側に配置された１つまたは複数の散乱体があり得る。さらに他の実施例では、１つまたは複数の散乱体は、磁石のビーム上流側またはデグレーダのビーム下流側のいずれかでビーム経路内に配置され得る。磁石のビーム上流側またはデグレーダのビーム下流側のビーム経路内に配置された１つまたは複数の散乱体は、単独であるか、組合せであるか、または磁石とエネルギーデグレーダとの間のビーム経路内の１つまたは複数の散乱体との組合せであってよい。

例示的な散乱体は、例示的な散乱材料である鉛、真鍮、または類似の材料のうちの１つまたは複数から作ることができる。しかしながら、これらの例示的な散乱材料の代わりに、またはそれに加えて、他の材料も使用され得る。

幾つかの実施例では、散乱体は、同じ、または可変厚さを有するプレートであってよく、図７に示されているエネルギーデグレーダのプレートと構造上類似しているものとしてよい。それぞれのそのようなプレートは、粒子ビーム内への一定量の散乱を導入し、それによって、引き出しチャネルから出現したビームのスポットサイズに対して粒子ビームのスポットサイズを増大させ得る。幾つかの実施例では、粒子ビーム内に導入されるプレートが多ければ多いほど、粒子ビームのスポットは大きくなる。

上で説明されているプレートベースの実施例などの、幾つかの実施例では、散乱体は、エネルギーデグレーダに取って代わり得る。例えば、散乱を実行することに加えて、散乱体は、ビームエネルギーを吸収することもでき、それによって、散乱体のビーム下流側またはビーム上流側でエネルギーデグレーダを使用することなくビームの最終的なエネルギー出力に影響を及ぼし得る。そのような例示的な実施例では、散乱体は、上で説明されているエネルギーデグレーダと同じ方式でコンピュータ制御され、これにより、適切なレベルのビーム散乱および適切な量のビームエネルギー低下の両方をもたらし得る。したがって、幾つかの実施例では、別々のエネルギーデグレーダは使用されない。

幾つかの実施例では、散乱体および１つまたは複数のエネルギーデグレーダは両方とも、粒子ビームの出力エネルギーに影響を及ぼすために使用される。例えば、一実施例では、散乱体は、ビームのエネルギーを特定のレベルに下げるために使用されるものとしてよく、エネルギーデグレーダは、さらなるビームエネルギー低下をもたらすために使用されるものとしてよく、またはその逆も同様であるものとしてよい。そのような実施例は、エネルギーデグレーダのサイズの縮小を可能にし得る。幾つかの実施例では、散乱体は、エネルギーデグレーダよりも細かいレベルのエネルギー低下をもたらし、またはその逆も同様であり、それによって、散乱体またはエネルギーデグレーダの一方もしくは他方が細かいビームレベルエネルギー調整を行うこと、ならびに散乱体またはエネルギーデグレーダの他方が粗いビームレベルエネルギー調整を行うことを可能にし得る（粗いおよび細かいは、相対語であり、いかなる特定の数値的な含意も有しない）。

幾つかの実施例では、それぞれの散乱体は、ホイールまたは他の回転可能な構造体であってよく、これはビーム経路内に配設されるか、またはビーム経路内に移動可能であるか、またはビーム経路の外に移動可能である。構造体は、最大厚さから最小厚さまでの範囲内で可変の厚さを有することができ、これは異なる量の散乱、したがって異なるビームスポットサイズをもたらす。構造体は、ビーム経路内に複数の厚さのうちの１つの厚さ部分を置くようにビームに対して移動可能であるものとしてよい。典型的には、ホイールの場合、構造体はオフセットされ、したがって、ホイールのエッジは、異なる厚さを有し、回転時に粒子ビームに影響を及ぼす。そのような例示的な散乱体は、例示的な材料である鉛、真鍮、または類似の材料のうちの１つまたは複数から作ることができる。しかしながら、これらの例示的な散乱材料の代わりに、またはそれに加えて、他の材料も使用され得る。

例示的な一実施例では、構造体は、ホイールに似た形状を有する回転可能な可変厚さのくさびであってよい。この構造体は、粒子ビームを散乱し、それによって、走査時にビームのスポットサイズを変える。構造体のより厚い部分は、構造体のより薄い部分に比べてより大きな散乱をもたらす（そしてスポットサイズをさらに大きくする）。幾つかの実施例では、構造体は、粒子ビームが散乱（例えば、スポットサイズの増大）なしで通過することが意図されている地点にはいっさい物質を含み得ない。幾つかの実施例では、構造体は、ビーム経路の外に移動可能であってもよい。図１０に表すように、幾つかの実施例では、構造体１２４は、連続的に変化する厚さを有することができ、それによって可変連続体に沿って散乱を可能にし、それによってスポットサイズの連続的範囲を可能にする。図１０の例では、厚さは、最小厚さ１２６から最大厚さ１２５まで連続的に変わる。図１１に表すように、幾つかの実施例では、構造体の厚さは、段階的に変化し、離散量の散乱を可能にし得る。図１１の例では、厚さは、最小厚さ１２９から最大厚さ１２８まで段階的に変わる。

限定はしないが上で説明されている例示的なホイールベースの実施例を含む、本明細書で説明されている例示的な散乱体はどれも、ビームエネルギーに影響を及ぼすためにも使用され、それによって、別々のエネルギーデグレーダの必要性を低減するか、または不要にし得る。上記の場合と同様に、散乱体はエネルギーデグレーダと併せて使用され、それにより、異なるエネルギーレベル低減および／または粗い／細かいエネルギー低減を行うことができる。

幾つかの実施例では、例示的なスポットサイズは、４ｍｍから３０ｍｍシグマまたは６ｍｍから１５ｍｍシグマの範囲とすることができる。しかしながら、これらの例示的なスポットサイズの代わりに、またはそれに加えて、他のスポットサイズも実装され得る。

幾つかの実施例では、図９に示されている種類、図１０に示されている種類、または図１１に示されている種類の単一の１つまたは複数の散乱体は、磁石のビーム上流側、磁石のビーム下流側およびエネルギーデグレーダのビーム上流側、並びに／またはエネルギーデグレーダのビーム下流側に位置決めされ得る。幾つかの実施例では、図９に示されている種類、図１０に示されている種類、および図１１に示されている種類の散乱体の任意の組合せは、磁石のビーム上流側、磁石のビーム下流側およびエネルギーデグレーダのビーム上流側、並びに／またはエネルギーデグレーダのビーム下流側に位置決めされ得る。

一般的に、散乱材料を粒子ビームの経路内に移動するか、または経路の外に移動する、機械的散乱体は、十分の数秒程度、例えば、０．１ｓ、０．２ｓ、０．３ｓ、０．４ｓ、０．５ｓ、０．６ｓ、０．７ｓ、０．８ｓ、０．９ｓまたはそれ以上の応答時間を有する。すなわち、そのような散乱体は、コンピュータ制御され得、散乱材料を粒子ビーム内に物理的に移動するか、またはその外に物理的に移動する時間の長さは、十分の数秒の時間尺度、およびときにはそれ以上長いものとしてよい。幾つかの実施例では、図９、図１０、および図１１の例示的な散乱体は、十分の数秒程度、例えば、０．１ｓ、０．２ｓ、０．３ｓ、０．４ｓ、０．５ｓ、０．６ｓ、０．７ｓ、０．８ｓ、０．９ｓまたはそれ以上の応答時間を有する。しかしながら、とりわけ、幾つかの実施例では、図９、図１０、および図１１の例示的な散乱体は、０．１ｓ未満の応答時間を有するものとしてよい。

幾つかの実施例では、上で説明されている機械的散乱体の代わりに、またはそれに加えて、圧電散乱体が使用され得る。圧電散乱体は、圧電散乱材料から作ることができ、これは印加電圧の圧電散乱体への印加が粒子ビームの縦方向で圧電散乱体の厚さを増大させるようにビーム経路内に配設される。逆に、異なる電圧の印加は、粒子ビームの縦方向で圧電散乱体の厚さを減少させる。この方法で、散乱材料の厚さ、したがってそれによって引き起こされる散乱の量は、変わり得る。上記のように、散乱の量が変わると、結果として、走査スポットサイズの変化が生じる（例えば、散乱が大きい程、スポットが大きくなる）。また上記の場合と同様に、圧電散乱体は、コンピュータ制御され得る。幾つかの実施例では、圧電散乱体は、数十ミリ秒程度、例えば、１０ｍｓ、２０ｍｓ、３０ｍｓ、４０ｍｓ、５０ｍｓ、６０ｍｓ、７０ｍｓ、８０ｍｓ、９０ｍｓ、または幾つかの実施例ではそれ以上の応答時間を有するものとしてよい。

幾つかの実施例では、１つまたは複数の圧電散乱体は、磁石のビーム上流側、磁石のビーム下流側およびエネルギーデグレーダのビーム上流側、並びに／またはエネルギーデグレーダのビーム下流側のいずれかに位置決めされ得る。幾つかの実施例では、１つまたは複数の圧電散乱体の組合せは、磁石のビーム上流側、磁石のビーム下流側およびエネルギーデグレーダのビーム上流側、並びに／またはエネルギーデグレーダのビーム下流側に位置決めされた図９に示されている種類、図１０に示されている種類、および／または図１１に示されている種類の１つまたは複数の散乱体とともに使用され得る。したがって、幾つかの実施例では、１つまたは複数の圧電散乱体は、単独で、または磁石のビーム上流側、磁石のビーム下流側およびエネルギーデグレーダのビーム上流側、および／またはエネルギーデグレーダのビーム下流側の図９に示されている種類、図１０に示されている種類、並びに／または図１１に示されている種類の１つまたは複数の散乱体と併用してのいずれかで配置され得る。

幾つかの実施例では、スポットサイズは、照射ターゲット断面の治療時に、または異なる照射ターゲット断面の治療と治療との間に、変更され得る。例えば、幾つかの実施例では、スポットサイズは、照射ターゲットの同じ断面上の異なる領域の照射の間に変更され得、例えば、スポットサイズは、隣接するスポットの間で変更され得る。したがって、幾つかの実施例では、スポットサイズの変更は、スポット毎に行われ得る。幾つかの実施例では、スポットサイズは、照射ターゲットの断面に対して一定のままであり、異なる断面の間で変更される。幾つかの実施例では、スポットサイズは、照射ターゲットの断面に対して一定のままであり、異なる断面の間でのみ変更される。幾つかの実施例では、スポットサイズは、同じ断面の異なる領域において異なり得る。一般的に、スポットサイズの変更は、照射ターゲットに対する治療計画および／または照射ターゲットの断面に対する治療計画において指定され得る。

幾つかの実施例では、走査システムは、粒子ビームをコリメートするコリメータ１２７（図３）、および粒子ビームの範囲、およびそれによって照射ターゲットに適用されるスポットの形状を制限するために照射ターゲットに対して配置可能である開口（図示せず）を備えることができる。幾つかの実施例では、スポットサイズは、粒子治療システムがそれらの特徴のうちの１つまたは複数を含むかどうかに基づき制御可能である。例えば、開口は、エネルギーデグレーダのビーム下流側の、粒子ビームが照射ターゲットに当たる前の、ビーム経路内に配置され得る。図１２の開口１２９などの、開口は、粒子ビームが通過する領域（例えば、穴１３０）および粒子ビームの通過を妨げる穴を画成する他の材料１３１を含み得る。したがって、幾つかの実施例では、開口は、スポットサイズを画成する。そのような実施例では、開口の存在下で、開口のサイズおよび種類に応じて、治療計画を実施するコンピュータが、スポットサイズ、時間の少なくとも一部を制御しないことを決定し得る（例えば、粒子加速器からのスポット−−固有のスポットサイズ−−が開口穴よりも大きいとき）。

幾つかの実施例では、照射ターゲットに対する治療計画は、不均一であってもよい（例えば、不規則）。この点に対して、従来から、特にスポット走査システムにおいて、治療計画は、照射ターゲットに対する規則正しい（例えば、矩形の）グリッドを画成する。規則正しいグリッドは、照射のスポットが適用されるべきである間隔が均等のターゲット配置の規則正しいパターンを含む。しかしながら、ほとんどの場合に、治療されるべき照射ターゲットの部分（例えば、断面）は、規則正しいグリッドの形状と対応する形状を有しない。したがって、照射ターゲットから離れている規則正しいグリッドの配置において、粒子ビームは、中断されるか、または粒子ビームがそれらの配置に印加されないように向けられる。

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、治療計画で不均一なグリッドに従って走査を指定することができる。粒子治療システムの様々な特徴は、不均一なグリッドに沿って走査を実施するようにコンピュータ（例えば、１つまたは複数の処理デバイス）によって制御され得る。不均一なグリッドは、照射ターゲットの周に対応する（例えば、実質的に辿る）不規則なグリッドパターンを有し得る。例えば、不均一なグリッドは、特定の治療計画を使用して照射されるべきターゲットの断面の周を実質的に辿る周内に配置されたスポットを有し得る。不均一なグリッドに対する不規則な周１３２の一例は、図１３に示されている。周は、典型的には、不規則な（例えば、非多角形、非円形、非楕円形、などの）形状であり、照射ターゲットの断面の典型的には不規則な形状を辿る。しかしながら、幾つかの場合において、不均一なグリッドは、規則正しい（例えば、多角形、円形、楕円形、などの）周を、例えば、その周が照射ターゲットの周に対応する場合に、有し得る。

不均一なグリッドは、周内の規則正しい間隔もしくは配置にあるか、または周内の不規則な間隔もしくは配置にあるスポット配置（例えば、照射されるべき配置）を含み得る。この文脈において、「間隔」は、スポット間の空間を指し、「配置」は、スポットが適用されるターゲット上の場所を指す。したがって、例えば、スポットは、規則正しい配置であるが、不規則な間隔である、直線で走査され得る。また、例えば、スポットは、規則正しい間隔であるが、不規則な配置にある、同じ間隔を有するように走査され得る。例は、図の中に示されている。

例えば、図１４は、不規則な周１３３を有し、規則正しい間隔および規則正しい配置にあるスポット配置１３４を有する例示的な不均一なグリッドを示している。図１５は、不規則な周を有し、規則正しい間隔および不規則な配置にあるスポット配置１３６を有する例示的な不均一なグリッド１３５を示している。図１６は、不規則な周を有し、不規則な間隔および規則正しい配置にあるスポット配置１３８を有する例示的な不均一なグリッド１３７を示している。図１７は、規則正しい周１３９（例えば、矩形）を有し、規則正しい間隔および不規則な配置にあるスポット配置１４０を有する例示的な不均一なグリッドを示している。図１８は、規則正しい周１４１を有し、不規則な間隔および規則正しい配置にあるスポット配置１４２を有する例示的な不均一なグリッドを示している。粒子治療システムを制御するコンピュータシステムは、不均一なグリッド走査をもたらすように治療計画に従って走査システムの走査磁石１０８または他の要素も制御し得る。他の種類の不均一なグリッドも走査に使用することができる。

不均一なグリッド走査を実施することによって、本明細書で説明されている例示的な粒子治療システムは、走査時に粒子ビームを中断するか、または向きを変える必要性を減らす。例えば、幾つかの実施例では、粒子ビームは、照射ターゲットの異なる深さの断面を走査しているときに深さの変わり目で中断される。幾つかの実施例では、粒子ビームは、照射ターゲットの異なる深さの断面を走査しているときに深さの変わり目でのみ中断される。したがって、例えば、照射ターゲットの特定の深さの断面の照射時に、粒子ビームは、ターゲットに当たらないように、中断されるかまたは向きを変えられる必要がない。

治療計画では、照射ターゲットまたはその断面について、走査されるべき不均一なグリッドおよび不均一なグリッドのそれぞれの走査配置におけるスポットサイズを指定し得る。走査システムを含む、粒子治療システム要素は、次いで、不均一なグリッドおよび可変スポットサイズに従って断面を走査するようにコンピュータ制御され得る。例えば、図１９に示されているように、走査は、不規則な断面の周１４４において、より小さいスポット１４５が比較的高い密度で配設されるように実行され得る。不規則な断面の内部領域において、より大きいスポット１４６が、周に配設されているスポットの密度よりも低い密度で配設され得る。その結果、照射ターゲットの断面は、開口を使用するか、または使用しない場合に、粒子ビームを中断するかまたは向きを変えることなく、より正確に走査され得る。

幾つかの実施例では、走査は、スポット毎に同じ速度で実行される。幾つかの実施例では、ラスター走査は、可変スポットサイズおよび不均一な走査グリッドを使用して実行され得る。粒子治療システムの様々な構成要素の制御は、これらの特徴を使用してスポット走査を実施するために実行される制御に類似している。

照射ターゲットの異なる断面は、異なる治療計画に従って走査され得る。上で説明されているように、幾つかの例では、走査深さを制御するためにエネルギーデグレーダが使用される。幾つかの実施例では、粒子ビームは、エネルギーデグレーダの構成時に中断されるか、または向きを変えられ得る。他の実施例では、これは必ずしもその場合である必要はない。

本明細書では、照射ターゲットの断面を治療する例が説明されている。それらは、一般的に、粒子ビームの方向に対して垂直である断面である。しかしながら、本明細書で説明されている概念は、粒子ビームの方向に対して垂直である断面ではない照射ターゲットの他の部分を治療するステップにも等しく適用可能である。例えば、照射ターゲットは、球体、立方体、または他の形状の容積部にセグメント分割され、これらの容積部は本明細書で説明されている概念に従って治療され得る。

本明細書で説明されているプロセスは単一の粒子加速器とともに使用され、本明細書で説明されているこれらの特徴の任意の２つまたはそれ以上は単一の粒子加速器とともに使用され得る。粒子加速器は、任意の種類の医療または非医療用途に使用され得る。使用することができる粒子治療システムの一例が、以下に提示されている。とりわけ、本明細書で説明されている概念は、特には説明されていない他のシステムでも使用され得る。

図２０に表すように、荷電粒子線治療システム５００の例示的な実施例は、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の重量および大きさは、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５０６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、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。粒子加速器５０２は、本明細書で説明されている種類の走査システム（例えば、図３から図１９）も備える。

幾つかの実施例では、鋼製ガントリーは、２つの脚部５０８、５１０を有しており、２つの脚部５０８、５１０は、患者の両側に配設された２つの軸受５１２、５１４それぞれに回転するように取り付けられている。加速器は、患者が横たわる治療領域５１８を跨設するに十分に長い（患者の所望のターゲット領域をビームライン上に維持した状態で空間内において背の高いヒトを完全に回転させることができるように、例えば当該ヒトの身長の２倍の長さとされる）鋼製トラス５１６によって支持されており、その両端においてガントリーの回転式脚部に安定に取り付けられている。

幾つかの実施例では、ガントリーの回転が３６０°未満の範囲５２０、例えば、約１８０°に制限され、これにより、治療システムを収納するボールト５２４の壁から患者治療領域内部に至るまで床５２２を延在させることができる。また、ガントリーの回転範囲が制限されることによって、治療領域の外側に居る人々を放射線から遮蔽するための壁のうちの幾つかの壁（ビームと直接的には整列されない、例えば、壁５３０）の必要な厚さを薄くすることができる。ガントリーの回転範囲を１８０°とすれば、すべての治療アプローチ角に対応するのに十分であるが、移動範囲を拡大することは優位である。例えば、回転範囲は、１８０°〜３３０°としても、依然として治療のための床面積に対するクリアランスを確保することができる。

ガントリーの水平回転軸５３２は、患者と療法士とが治療システムをインタラクティブに操作する場所の床より公称１メートル上方に配置されている。この床は、治療システムを遮蔽しているボールトの最下床より約３メートル上方に位置決めされている。加速器は、治療ビームを回転軸の下方から照射するために高床の下方において旋回可能とされる。患者用カウチは、ガントリーの回転軸に対して平行なほぼ水平の面内において移動および回転する。カウチは、このような構成によって水平面内において約２７０°の範囲５３４にわたって回転可能とされる。ガントリーおよび患者の回転範囲と自由度との組合せによって、療法士は、ビームについての任意のアプローチ角を実質的に選択することができる。必要に応じて、患者を反対の向きでカウチに載置することができ、想定し得るすべての角度が利用可能となる。

幾つかの実施例では、加速器は、超高磁場超伝導電磁構造体を有しているシンクロサイクロトロンの構成を利用する。所定の運動エネルギーの荷電粒子の曲率半径は、当該荷電粒子に印加される磁場の増大に正比例して小さくなるので、超高磁場磁場超伝導磁気構造体を利用することによって、加速器を小型かつ軽量にすることができる。シンクロサイクロトロンは、回転角度において均一である磁場であって、半径が大きくなるに従って強度が低下する磁場を利用する。このような磁場形状は、磁場の規模に関係なく実現されるので、シンクロサイクロトロン内で利用可能な磁場の強度（従って、固定された半径において結果として得られる粒子エネルギー）についての上限は理論上存在しない。

シンクロサイクロトロンは、ビームが患者に対して直接生成されるようにガントリーに支持されている。ガントリーは、患者の体内の点または患者の近傍の点（アイソセンター５４０）を含む水平回転軸を中心としてサイクロトロンを回転させることができる。水平回転軸に対して平行な分割式トラスが、サイクロトロンをその両側で支持している。

ガントリーの回転範囲は、制限されているので、アイソセンターを中心とする広い領域内に患者支持領域を収容することができる。アイソセンターを中心として広範囲にわたって床を延在させることができるので、患者支持台は、アイソセンターを通過する垂直軸５４２に対して相対的に移動するように、かつ垂直軸５４２の周りに回転するように位置決めされ、ガントリーの回転と台の移動および回転との組合せによって、患者の任意の部位に向けて任意の角度のビーム方向を得ることができる。２つのガントリーアームは、背の高い患者の身長の２倍を超える長さで離隔されているので、高床の上方に位置する水平面内において、患者を乗せたカウチを回転および並進運動させることができる。

ガントリーの回転角度を制限することによって、治療室を囲む壁のうちの少なくとも１つの壁の厚さを低減することができる。一般にコンクリートから構成された厚い壁によって、治療室の外に居るヒトは放射線から防護される。陽子ビームを阻止するための下流側の壁は、同等のレベルの防護を実現するために、部屋の反対側の壁の約２倍の厚さとされる場合がある。ガントリーの回転範囲を制限することによって、治療室を３つの側面において地表の高さより低く設定することができる一方、占有領域を最も薄い壁に隣接させることができるので、治療室を建築するコストを低減することができる。

図２０に示されている例示的な実施例では、超伝導シンクロサイクロトロン５０２は、シンクロサイクロトロンの磁極間隙において８．８テスラのピーク磁場で動作する。シンクロサイクロトロンは、２５０ＭｅＶのエネルギーを有する陽子ビームを発生する。他の実施例では、場の強度は、４Ｔから２０Ｔの範囲内とすることが可能であり、陽子エネルギーは、１５０から３００ＭｅＶの範囲内とすることが可能であるが、場の強度およびエネルギーは、それらの範囲に限定されない。

この例で説明されている放射線治療システムは陽子放射線治療に使用されるが、同じ原理および詳細は、重イオン（イオン）治療システムで使用するための類似のシステムにおいて適用され得る。

図１、図２、図２１、図２２、および図２３に示されているように、例示的なシンクロサイクロトロン１０（例えば、図１の５０２）は、粒子源９０を収容する磁石システム１２、高周波駆動システム９１、およびビーム引き出しシステム３８を含む。磁石システムによって確立される磁場は、環状超伝導コイル４０、４２の分割されたペアと成形された強磁性（例えば、低炭素鋼）磁極面４４、４６のペアとの組合せを使用して、内部に存在する陽子ビームの集束を維持するのに適切な形状を有する。

２つの超伝導磁石コイルは、共通軸４７を中心とし、この軸に沿って相隔てて並ぶ。図２４および図２５に示されているように、コイルは、撚り合わせたケーブルインチャネル導体形態で配設される直径０．８ｍｍのＮｂ_３Ｓｎ系超伝導線４８（最初に、銅シースによって囲まれているニオブスズコアを備える）から形成される。７本の個別の線がまとめられてケーブルにされた後、これらは加熱され、ワイヤ状の最終（脆い）超伝導体を形成する反応を引き起こす。材料が反応した後、ワイヤは銅チャネル（外径３．１８×２．５４ｍｍおよび内径２．０８×２．０８ｍｍ）内にハンダ付けされ、絶縁体５２（この例では、ガラス繊維織布）で覆われる。次いで、ワイヤ５３を収容する銅チャネルはコイル状に巻き取られ、これは矩形の断面を有する。次いで、この巻きコイルは、エポキシ化合物で真空含浸される。完成したコイルは、環状ステンレス鋼リバースボビン５６上に取り付けられる。ヒーターブランケット５５は間隔をあけて巻線の層内に入れられ、磁石クエンチが生じた場合にアセンブリを保護する。

次いで、コイル全体を銅板で覆って熱伝導性および機械的安定性を付与し、次いで、追加エポキシ層内に収容する。コイルの事前圧縮は、ステンレス鋼製リバースボビンを加熱し、コイルをリバースボビン内に嵌め込むことによって行われ得る。リバースボビンの内径は、質量全体が４Ｋまで冷却されたときに、リバースボビンがコイルと接触したままになり、ある程度の圧縮をもたらすように選択される。ステンレス鋼製のリバースボビンを約５０℃に加熱し、１００度のケルビン温度でコイルを嵌合すると、これが達成され得る。

コイルの幾何学的形状は、コイルを矩形リバースボビン５６内に取り付けて、コイルが通電されたときに発生する歪みを起こす力に抗して作用する復元力６０を与えることによって維持される。図２２に示されているように、コイル位置は、一組の高温−低温支持ストラップ４０２、４０４、４０６を使用して磁石ヨークおよび低温保持装置に対して維持される。低温質量を細いストラップで支持することにより、剛体支持システムによって低温質量に与えられる熱漏洩が低減される。ストラップは、磁石が搭載された状態でガントリーを回転するときにコイルにかかる変化する重力に耐えるように構成される。これらは、重力と、磁気ヨークに対して完全対称位置から摂動したときにコイルによって生じる大きな偏心力との複合効果に耐える。それに加えて、リンクは、位置が変わった場合にガントリーが加減速する際にコイルに与えられる動的な力を低減する働きをする。それぞれの高温−低温支持体は、１つのＳ２ガラス繊維リンクと１つの炭素繊維リンクとを含む。炭素繊維リンクは、高温のヨークと中間温度（５０〜７０Ｋ）との間のピン上で支持され、Ｓ２ガラス繊維リンク４０８は、中間温度ピンおよび低温質量に取り付けられたピン上で支持される。それぞれのピンは、高張力ステンレス鋼から作ることができる。

図１を参照すると、半径の関数としての場の強度プロファイルは、大部分がコイルの幾何学的形状および磁極面の形状の選択によって決定され、透磁性ヨーク材料の磁極面４４、４６は、磁場の形状を微調整して加速時に粒子ビームの収束を確実に保つように、起伏が付けられ得る。

超伝導コイルは、限定された一組の支持点７１、７３を除き、コイル構造体の周りに自由空間を設ける真空にされた環状アルミニウムまたはステンレス鋼製低温保持槽７０の内側にコイルアセンブリ（コイルおよびボビン）を封じ込めることによって絶対零度近くの温度（例えば、約４ケルビン）に維持される。代替的バージョン（例えば、図２）において、低温保持装置の外壁は、低炭素鋼で作られ、磁場に対する追加の帰還磁路をもたらすことができる。

幾つかの実施例では、絶対零度近くの温度は、１つの単段ギフォードマクマホン冷凍機と３つの２段ギフォードマクマホン冷凍機とを使用して達成され、維持される。それぞれの２段冷凍機は、ヘリウム蒸気を液体ヘリウムに再凝縮する凝縮器に取り付けられた第２段低温端部を有する。幾つかの実施例では、液体ヘリウムを収容する冷却チャネル（図示せず）を使用して絶対零度に近い温度が達成され、維持されるが、この冷却チャネルは超伝導コイル支持構造体（例えば、リバースボビン）の内側に形成され、チャネル内の液体ヘリウムと、対応する超伝導コイルとの間の熱的接続部を含む。上で説明されている種類の、使用され得る、液体ヘリウム冷却システムの一例は、米国特許出願第１３／１４８，０００号（Ｂｅｇｇら）において説明されている。

コイルアセンブリおよび低温保持槽は、ピルボックス形状の磁石ヨーク８２の２つの半分８１、８３内に取り付けられ、完全に封じ込められる。鉄ヨーク８２は、帰還磁束８４に対する経路となり、磁極面４４、４６の間の容積部８６を磁気遮蔽して外部からの磁気的影響がその容積部内の磁場の形状を摂動するのを防ぐ。ヨークは、加速器の付近の漂遊磁場を減少させる働きもする。

図１および図２６に示されているように、シンクロサイクロトロンは、磁気構造体８２の幾何学的中心９２の近くに配置されているペニングイオンゲージ形態の粒子源９０を含む。粒子源は、以下に説明されている通りであるか、または粒子源は、参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願第１１／９４８，６６２号で説明されている種類のものであってよい。

粒子源９０は、水素の供給部９９からガス管路２０１および気体水素を送達する管１９４を通して供給される。電気ケーブル９４は電流源９５から電流を運び、磁場１９９の方向に揃えられた陰極１９２、１９０からの電子の放出を刺激する。

幾つかの実施例では、ガス管１０１内のガスは、水素と１つまたは複数の種類の他のガスとの混合物を含み得る。例えば、混合物は、水素と希ガス、例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、および／またはラドンのうちの１つもしくは複数を含み得る（混合物は希ガスとの使用に制限されない）。幾つかの実施例では、混合物は、水素とヘリウムとの混合物であってもよい。例えば、混合物は、水素を約７５％以上、ヘリウムを約２５％以下（残留ガスが含まれ得る）含有することができる。別の例では、混合物は、水素を約９０％以上、ヘリウムを約１０％以下（残留ガスが含まれ得る）含有することができる。例では、水素／ヘリウム混合物は、＞９５％／＜５％、＞９０％／＜１０％、＞８５％／＜１５％、＞８０％／＜２０％、＞７５％／＜２０％などのうちのどれかであってよい。

粒子源中で希ガス（または他のガス）を水素と組み合わせて使用する利点として考えられるのは、ビーム強度の増大、陰極の寿命の増加、およびビーム出力の定常性の増大である。

この例では、放出される電子は、管１９４から小さな穴を通して出て来るガスを電離し、磁石構造体と１つのダミーディープレート１０２とによって囲まれた空間の半分にかかる１つの半円形（ディー形状）高周波プレートによって加速する陽イオン（陽子）の供給部を形成する。遮断された粒子源の場合（その一例は、米国特許出願第１１／９４８，６６２号で説明されている）、プラズマを収容する管の全部（または実質的な部分）が加速領域で取り除かれる。

図２７に示されているように、ディープレート２００は、磁石構造体によって囲まれた空間の周りの回転の半分において陽子が加速される空間２０７を囲む２つの半円形表面２０３、２０５を有する中空金属構造体である。空間２０７内に開いているダクト２０９は、ヨークを通り、真空ポンプが取り付けられ得る外部の場所に延在し、これにより、空間２０７および、加速が行われる真空槽２１９内の空間の残り部分を真空にする。ダミーディー２０２は、ディープレートの露出されている縁の近くに間隔をあけて並ぶ矩形の金属リングを備える。ダミーディーは、真空槽および磁気ヨークに接地される。ディープレート２００は、高周波伝送路の終端部に印加される高周波信号によって駆動され、電場を空間２０７内に発生させる。高周波電場は、加速された粒子ビームが幾何学的中心からの距離を増やすにつれ時間に対して変化させられる。高周波電場は、参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願第１１／９４８，３５９号、名称「Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ａ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆ Ａ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｃａｖｉｔｙ Ｔｏ Ａ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆ Ａｎ Ｉｎｐｕｔ Ｖｏｌｔａｇｅ」で説明されているように制御され得る。

ビームが中央に配置された粒子源から現れて粒子源構造体をクリアし、外向きに螺旋運動を始めると、大きな電圧差が高周波プレート上に必要になる。高周波プレートに２０，０００Ｖが印加される。幾つかのバージョンでは、８，０００から２０，０００ボルトが高周波プレートに印加され得る。この高い電圧を駆動するために必要な電力を低減するために、磁石構造体は、高周波プレートと接地との間の静電容量を減らすように構成される。これは、高周波構造から外側ヨークおよび低温保持装置ハウジングまで十分な間隔をあけて穴を形成し、磁極面の間に十分な空間を確保することによって行われる。

ディープレートを駆動するこの高電圧の交流電位は加速サイクルにおいて、陽子の増大する相対論的質量と減少する磁場とを考慮して、周波数が低くなるように掃引される。ダミーディーは、真空槽壁と共に接地電位にあるので中空半円筒形構造体を必要としない。基本周波数の異なる電気的位相または倍数の周波数で駆動される加速電極の複数のペアなどの、他のプレート構成も使用することが可能である。ＲＦ構造は、例えば、互いにかみ合う回転および静止ブレードを有する回転キャパシタを使用することによって、必要な周波数掃引においてＱを高く保つように調整することができる。ブレードのかみ合い毎に、静電容量が増加し、したがって、ＲＦ構造の共振周波数が下がる。ブレードは、必要な正確な周波数掃引がもたらされる形状に成形され得る。回転キャパシタ用の駆動モータは、正確な制御を行うためにＲＦ発生器に位相固定され得る。一群の粒子が、回転キャパシタのブレードのかみ合い毎に加速される。

加速が行われる真空槽は、中央が薄く、縁が厚い、一般的に円筒形の容器である。真空槽は、ＲＦプレートおよび粒子源を封じ込め、真空ポンプ２１１によって真空にされる。高真空を維持することで、加速するイオンが気体分子との衝突で失われないことが保証され、アーク地絡を生じることなくＲＦ電圧をより高いレベルに保つことが可能になる。

陽子は、粒子源から始まる一般的に螺旋状の軌道経路を移動する。螺旋経路のそれぞれのループの半分において、陽子は、空間１０７内のＲＦ電場を通過するときにエネルギーを獲得する。イオンがエネルギーを獲得すると、螺旋経路のそれぞれの連続するループの中心軌道の半径は、ループ半径が磁極面の最大半径に達するまで前のループより大きくなる。その位置で、磁場および電場摂動はイオンを磁場が急速に減少する領域内に導き、イオンは高い磁場の領域から出て、本明細書では引き出しチャネルと称される真空管３８に通され、サイクロトロンのヨークから出る。磁場摂動を変えてイオンの向きを決めるために磁気再生器が使用され得る。サイクロトロンから出たイオンは、サイクロトロンの周りの部屋内に存在する著しく減少する磁場の領域に入ると分散する傾向を有する。引き出しチャネル３８内のビーム成形要素４０７、４０９は、イオンが空間的広がりを制限された真っ直ぐなビーム状態を保つようにイオンの向きを変える。

ビームが引き出しチャネルから出るときに、ビームは本明細書で説明されている種類の走査システムからなるビーム形成システム２２５（図２２）を通過する。ビーム形成システム１２５は、ビームの印加を制御する内側ガントリーと共に使用され得る。

サイクロトロンから出る漂遊磁場は、ピルボックス磁石ヨーク（シールドとしても働く）と別の磁気シールド２１４の両方によって制限され得る。別の磁気シールドは、空間２１６によって隔てられる、ピルボックスヨークを囲む強磁性体（例えば、鋼または鉄）の層２１７を含む。ヨーク、空間、およびシールドのサンドイッチを含むこの構成は、より低い重量で所定の漏れ磁場に対する適切な遮蔽を形成する。上で説明されているように、幾つかの実施例では、能動的帰還システムが、磁気ヨークおよびシールドの動作の代わりに、または増強するために使用され得る。

上述のように、ガントリーは、シンクロサイクロトロンを水平回転軸５３２の周りに回転させる。トラス構造体５１６は、２つの略平行なスパン５８０、５８２を有する。シンクロサイクロトロンは、脚部の間でほぼ中央にかつスパンの間に揺動可能に配設されている。ガントリーは、トラスの反対側に位置する脚部の端部に取り付けられた釣合いおもり２２２、２２４を利用することによって軸受の周りに回転するようにバランスされている。

ガントリーは電気モータによって回転駆動され、電気モータはガントリーの１つまたは両方の脚部に取り付けられており、駆動歯車によって軸受ハウジングに接続されている。ガントリーの回転位置は、ガントリーの駆動モータおよび駆動歯車に組み込まれた軸角エンコーダによって得られる信号から導き出される。

イオンビームがサイクロトロンから出る位置において、ビーム形成システム２２５は、患者の治療に適した特性をイオンビームに付与するようにイオンビームに作用する。例えば、ビームを拡散させ、当該ビームの貫通深さを変化させることによって、所定の目標体積に対して均一に放射することができる。ビーム形成システムは、本明細書で説明されているような能動的走査要素を備える。

シンクロサイクロトロンの能動的システムのすべて（例えば、電流駆動式超伝導コイル、ＲＦ駆動式プレート、真空加速室のための真空ポンプ、超伝導コイル冷却室のための真空ポンプ、電流駆動式粒子源、水素ガス源、およびＲＦプレート冷却装置）が、例えば制御を効果的に実施するために適切なプログラムでプログラムされた１つ以上のコンピュータを含む、適切なシンクロサイクロトロンを制御するための電子機器（図示しない）によって制御される。

ガントリー、患者支持体、能動的ビーム成形要素、およびシンクロサイクロトロンは、適切な治療を制御するための電子機器（図示しない）によって、治療セッションを実施するために制御される。

図２０、図２８、および図２９に表すように、ガントリーの軸受は、サイクロトロンのボールト５２４の壁によって支持されている。ガントリーは、患者の上方位置、側方位置、および下方位置を含む１８０°（または１８０°以上）の範囲５２０にわたって、サイクロトロンを旋回させることができる。ボールトは、ガントリーの運動の上端および下端点においてガントリーが通過可能とされるのに十分な高さを有している。壁２４８、１５０を側面とする迷路２４６は、療法士および患者のための出入り口経路とされる。少なくとも１つの壁１５２は、サイクロトロンからの直接的な陽子ビームの照射範囲に存在しないので、当該壁は、比較的薄くすることができ、依然として遮蔽機能を発揮させることができる。部屋の他の３つの側壁１５４、１５６、１５０／２４８は、遮蔽を比較的厳重にする必要があり、盛り土（図示しない）に埋設されている。土自体が必要な遮蔽の一部分を果たすことができるので、壁１５４、１５６、１５８の必要な厚さは低減される。

図２８、図２９および図３０に表すように、安全上および美観上の理由から、治療室１６０は、ボールトの内部に構成されている。治療室は、旋回するガントリーが通過可能とされるように、かつ、治療室の床面積１６４の範囲を最大限に拡張するように、壁１５４、１５６、１５０および収容室の基部１６２からガントリーの脚部の間の空間の内部に向かって片持ち梁として形成されている。加速器の定期的整備は、高床の下方の空間内で実施可能とされる。加速器がガントリーの下方位置まで回転された場合、治療領域から離隔された空間内において、加速器全体に対してアクセス可能とされる。電源、冷却機器、真空ポンプ、および他の支援機器は、当該離隔された空間内において高床の下方に配置されている。患者支持体１７０は、支持体を上下動させると共に患者を様々な位置および向きに回転および移動させることができる様々な態様で、治療室の内部に取り付けることができる。

図３１のシステム６０２では、本明細書で説明されているタイプのビーム発生粒子加速器が、この場合にはシンクロサイクロトロン６０４が回転式ガントリー６０５に取り付けられている。回転式ガントリー６０５は、本明細書で説明されているタイプのものであり、患者支持体６０６の周りで角度的に回転することができる。この特徴によって、シンクロサイクロトロン６０４は、様々な角度から粒子ビームを患者に直接照射することができる。例えば、図３１に表すように、シンクロサイクロトロン６０４が患者支持体６０６の上方に位置している場合には、粒子ビームは患者に向かって下方に方向づけられている。代替的には、シンクロサイクロトロン６０４が患者支持体６０６の下方に位置している場合には、粒子ビームは患者に向かって上方に方向づけられている。中間ビーム経路指定機構が必要ないという意味では、粒子ビームは患者に直接印加される。本発明では、成形またはサイズ決定機構がビームの経路変更をするのではなく、同一かつ一般的なビーム軌道を維持しつつビームのサイズおよび／または形状を決定するという点において、中間ビーム経路指定機構は成形またはサイズ決定機構と相違する。

上述のシステムの例示的な実施例に関するさらなる詳細は、２００６年１１月１６日に出願された、「Ｃｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒａｐｙ」と題する米国特許第７７２８３１１号明細書および２００８年１１月２０日に出願された、「Ｉｎｎｅｒ Ｇａｎｔｒｙ」と題する米国特許出願第１２／２７５１０３号に開示されている。これら特許文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれている。幾つかの実施例では、シンクロサイクロトロンは、２０１３年６月１２日に出願された米国特許出願第１３／９１６４０１号明細書で説明されている可変エネルギーデバイスとされる場合がある。当該特許文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれている。

可変エネルギー粒子加速器
本明細書で説明されている例示的な粒子治療システムおよび例示的な走査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。異なるスポットサイズの散乱体は、可変エネルギー粒子加速器によってもたらされる異なるエネルギーとともに使用するように構成され得る。同様に、異なるエネルギーデグレーダは、使用されるのであれば（および、場合によってはそうでない）、可変エネルギー粒子加速器によってもたらされる異なるエネルギーとともに使用するように構成され得る。

引き出される粒子ビーム（加速器から出力される粒子ビーム）のエネルギーは、治療時の粒子ビームの使用に影響を及ぼし得る。幾つかの機械では、粒子ビーム（または粒子ビーム中の粒子）のエネルギーは、引き出し後に増加しない。しかし、エネルギーは、引き出し後かつ治療前に治療の必要性に基づき低減され得る。図３２に表すように、例示的な治療システム９１０は、加速器９１２、例えば、シンクロサイクロトロンを備え、そこから可変エネルギーを有する粒子（例えば、陽子）ビーム９１４が引き出され、身体９２２のターゲット容積部９２４に照射される。適宜、走査ユニット９１６もしくは散乱ユニット９１６、１つまたは複数の監視ユニット９１８、およびエネルギーデグレーダ９２０などの、１つまたは複数の追加のデバイスが、照射方向９２８に沿って置かれる。これらのデバイスは、引き出されたビーム９１４の断面をインターセプトし、治療用の引き出されたビームの１つまたは複数の特性を変える。

治療のために粒子ビームを照射されるターゲット容積部（照射ターゲット）は、典型的には、３次元構成を有する。幾つかの例では、治療を実施するために、ターゲット容積部は、照射が層毎に行われるように粒子ビームの照射方向に沿って幾つかの層に分割される。陽子などの幾つかの種類の粒子について、ターゲット容積部内の貫通深さ（またはビームが到達する層）は、主に粒子ビームのエネルギーによって決定される。所定のエネルギーの粒子ビームは、そのエネルギーに対する対応する貫通深さを実質的に超えて到達することはない。ターゲット容積部の一方の層から他方の層にビーム照射を移動するために、粒子ビームのエネルギーが変えられる。

図３２に示されている例において、ターゲット容積部９２４は、照射方向９２８に沿って９つの層９２６ａ〜９２６ｉに分割される。例示的なプロセスにおいて、照射は、最も深い層９２６ｉから始まり、１回に層１つずつ、徐々により浅い層に進み、最も浅い層９２６ａで終わる。身体９２２に印加する前に、粒子ビーム９１４のエネルギーは、実質的に身体またはターゲット容積部、例えば、層９２６ｅ〜９２６ｉの中にさらに、または身体のさらに奥深くまで貫通することなく、粒子ビームが所望の層、例えば、層９２６ｄで停止できるレベルに制御される。幾つかの例では、粒子ビーム９１４の所望のエネルギーは、治療層が粒子加速に対して浅くなって行くにつれ減少する。幾つかの例では、ターゲット容積部９２４の隣接する層を治療するためのビームエネルギーの差は、約３ＭｅＶから約１００ＭｅＶ、例えば、約１０ＭｅＶから約８０ＭｅＶであるけれども、他の差も、例えば、層の厚さおよびビームの特性に応じて可能である。

ターゲット容積部９２４の異なる層を治療するためのエネルギー変化は、幾つかの実施例では、加速器９１２から粒子ビームが引き出された後に追加のエネルギー変化が不要になるように加速器９１２において実行され得る（例えば、加速器側でエネルギーを変化させることができる）。したがって、治療システム１０内のオプションのエネルギーデグレーダ９２０は、システムから排除され得る。幾つかの実施例では、加速器９１２は、約１００ＭｅＶから約３００ＭｅＶまでの間、例えば、約１１５ＭｅＶから約２５０ＭｅＶまでの間で変化するエネルギーを有する粒子ビームを出力することができる。変化は、連続的または非連続的、例えば、１回１ステップずつであってよい。幾つかの実施例では、連続的な、または非連続的な変化は、比較的高い率、例えば、毎秒約５０ＭｅＶまでまたは毎秒約２０ＭｅＶまでの率で生じ得る。非連続的変化は、約１０ＭｅＶから約９０ＭｅＶのステップサイズで１回に１ステップずつ実行され得る。

１つの層で照射が完了すると、加速器９１２は、次の層を照射するために、例えば、数秒以内、または１秒未満の間に、粒子ビームのエネルギーを変化させることができる。幾つかの実施例では、ターゲット容積部９２４の治療は、実質的な中断なしで、またはいかなる中断も伴わずに、継続することができる。幾つかの状況において、非連続的エネルギー変化のステップサイズは、ターゲット容積部９２４の２つの隣接する層を照射するために必要とされるエネルギーの差に対応するように選択される。例えば、ステップサイズは、エネルギーの差と同じであるか、または何分の１かであってよい。

幾つかの実施例では、加速器９１２およびデグレーダ９２０は、一体となって、ビーム９１４のエネルギーを変化させる。例えば、加速器９１２で粗調整を行い、デグレーダ９２０で微調整を行う、またはその逆を行う。この例では、加速器９１２は、約１０〜８０ＭｅＶの変化ステップでエネルギーを変化させる粒子ビームを出力することができ、デグレーダ９２０は、約２〜１０ＭｅＶの変化ステップでビームのエネルギーを調整する（例えば、低減する）。

飛程調整器を備え得る、エネルギーデグレーダの使用を減らす（か、または使用しない）ことで、加速器からの出力ビームの特性および品質、例えば、ビーム強度を維持しやすくなる。粒子ビームの制御は、加速器で実行され得る。副作用、例えば、粒子ビームがデグレーダ９２０を通るときに発生する中性子からの副作用が低減されるか、または排除され得る。

粒子ビーム９１４のエネルギーは、ターゲット容積部９２４における治療の完了後に別の身体または身体部分９２２’内の別のターゲット容積部９３０を治療するように調整され得る。ターゲット容積部９２４、９３０は、同じ身体（または患者）内にあるか、または異なる患者に属していてもよい。身体９２２’の表面からのターゲット容積部９３０の深さＤは、ターゲット容積部９２４の深さと異なることがあり得る。デグレーダ９２０によって何らかのエネルギー調整が実行され得るが、デグレーダ９１２は、ビームエネルギーを低減するだけであって、ビームエネルギーを増大させることはあり得ない。

この点で、幾つかの場合において、ターゲット容積部９３０を治療するのに必要なビームエネルギーは、ターゲット容積部９２４を治療するのに必要なビームエネルギーより大きい。このような場合に、加速器９１２は、ターゲット容積部９２４を治療した後、ターゲット容積部９３０を治療する前に、出力ビームエネルギーを増大させることができる。他の場合には、ターゲット容積部９３０を治療するのに必要なビームエネルギーは、ターゲット容積部９２４を治療するのに必要なビームエネルギーより小さい。デグレーダ９２０は、エネルギーを低減し得るけれども、加速器９１２は、デグレーダ９２０の使用を減らすか、または排除するために、より低いビームエネルギーを出力するように調整することができる。ターゲット容積部９２４、９３０の幾つかの層への分割は、異なることも、同じであることもあり得る。また、ターゲット容積部９３０は、ターゲット容積部９２４の治療と層毎に類似の仕方で治療され得る。

同じ患者の異なるターゲット容積部９２４、９３０の治療は、実質的に連続的である、例えば、停止時間を２つの容積部が約３０分以内より長くない、例えば、２５分以内、２０分以内、１５分以内、１０分以内、５分以内、または１分以内となるものとしてよい。本明細書で説明されているように、加速器９１２は、移動可能なガントリー上に取り付けることができ、ガントリーの移動で、加速器を異なるターゲット容積部を目指して移動させることができる。幾つかの状況において、加速器９１２は、治療システムがターゲット容積部９２４の治療を完了した後、およびターゲット容積部９３０の治療を開始する前に（ガントリーを移動するなどの）調整を行っているときに出力ビーム９１４のエネルギー調整を完了することができる。加速器とターゲット容積部９３０との整列が行われた後、治療は調整された所望のビームエネルギーで開始することができる。異なる患者に対するビームエネルギー調整は、比較的効率よく完了させることもできる。幾つかの例において、ビームエネルギーを増大／低減するステップおよび／またはガントリーを移動するステップを含む、すべての調整は、約３０分以内、例えば、約２５分以内、約２０分以内、約１５分以内、約１０分以内、または約５分以内に行われる。

容積部の同じ層において、走査ユニット９１６を使用してビームを層の２次元表面の端から端まで移動する（走査ビームとも称される）ことによって照射線量が印加される。あるいは、層は、散乱ユニット１６の１つまたは複数の散乱体に引き出されたビームを通す（散乱ビームとも称される）ことによって照射を受けるものとしてよい。

エネルギーおよび強度などの、ビーム特性は、治療前に選択され得るか、または治療中に、加速器９１２および／または、走査ユニット／散乱体９１６、デグレーダ９２０、および図示されていない他のものなどの、他のデバイスを制御することによって調整され得る。この例示的な実施例では、上で説明されている例示的な実施例と同様に、システム９１０は、システム内の１つまたは複数のデバイスと通信する、コンピュータなどの制御装置９３２を備える。制御は、１つまたは複数のモニター９１８によって実行される監視、例えば、ビーム強度、線量、ターゲット容積部内のビーム配置、などの監視の結果に基づくものとしてよい。モニター９１８は、デバイス９１６とデグレーダ９２０との間にあるものとして図示されているけれども、１つまたは複数のモニターをビーム照射経路に沿った他の適切な配置に置くことができる。制御装置９３２は、（同じ患者および／または異なる患者の）１つまたは複数のターゲット容積部に対する治療計画を格納することもできる。治療計画は治療が開始する前に決定され、ターゲット容積部の形状、照射層の数、それぞれの層に対する照射線量、それぞれの層が照射を受ける回数、などのパラメータを備えることができる。システム９１０内のビーム特性の調整は、治療計画に基づき実行され得る。追加の調整は、治療時、例えば、治療計画からの逸脱が検出されたときに実行され得る。

幾つかの実施例では、加速器９１２は、粒子ビームが加速される磁場を変化させることによって出力粒子ビームのエネルギーを変化させるように構成される。例示的な一実施例では、１つまたは複数のコイルセットが、変動電流を受けて、空洞内に変動磁場を発生する。幾つかの例では、１つのコイルセットが固定電流を受けるが、１つまたは複数の他のコイルセットはコイルセットが受ける全電流が変化するように変動電流を受ける。幾つかの実施例では、すべてのコイルセットが超伝導である。他の実施例では、固定電流に対するセットなどの幾つかのコイルセットは、超伝導であるが、変動電流に対する１つまたは複数のセットなどの他のコイルセットは、非超伝導である。幾つかの例では、すべてのコイルセットが非超伝導である。

一般的に、磁場の大きさは、電流の大きさと共に一定の比率で増減し得る。コイルの全電流を所定の範囲内に調整することで、対応する所定の範囲内で変化する磁場を発生させることができる。幾つかの例では、電流の連続的調整により、磁場の連続的変動および出力ビームエネルギーの連続的変動を引き起こすことができる。あるいは、コイルに印加される電流が、非連続的な段階的様式で調整される場合、磁場および出力ビームエネルギーも、それに応じて非連続的な（段階的）様式で変化する。磁場を電流に応じて一定の比率で増減させることにより、ビームエネルギーを比較的正確に変化させることができるけれども、ときには、入力電流以外の微調整を実施することができる。

幾つかの実施例では、可変エネルギーを有する粒子ビームを出力するために、加速器９１２は、それぞれの範囲が異なる出力ビームエネルギーに対応する、異なる周波数範囲にわたって掃引するＲＦ電圧を印加するように構成される。例えば、加速器９１２が、３つの異なる出力ビームエネルギーを発生するように構成されている場合、ＲＦ電圧は、３つの異なる周波数範囲にわたって掃引することができる。別の例では、連続的ビームエネルギー変化に対応することで、ＲＦ電圧は、連続的に変化する周波数範囲にわたって掃引する。異なる周波数範囲は、異なる下限周波数境界および／または上限周波数境界を有することができる。

引き出しチャネルは、可変エネルギー粒子加速器によってもたらされる異なるエネルギーの範囲に適応するように構成され得る。異なるエネルギーを有する粒子ビームは、単一のエネルギーを有する粒子ビームを引き出すために使用される再生器の特徴を変えることなく加速器９１２から引き出され得る。他の実施例では、可変粒子エネルギーに適応するために、再生器を移動して上で説明されている様式で異なる粒子軌道を乱し（例えば、変化させて）、および／または鉄製ロッド（磁気シム）を加えるか、または取り外して再生器によってもたらされる磁場バンプを変化させることができる。より具体的には、異なる粒子エネルギーは、典型的には、空洞内で異なる粒子軌道にある。再生器を本明細書で説明されている様式で移動することによって、粒子軌道を特定のエネルギーのところでインターセプトし、それによって、特定のエネルギーにおける粒子が引き出しチャネルに到達するようにその軌道の正しい摂動をもたらすことが可能である。幾つかの実施例では、再生器の移動（および／または磁気シムの追加／取り外し）は、加速器によって出力される粒子ビームエネルギーのリアルタイムの変化とリアルタイムで一致するように実行される。他の実施例では、粒子エネルギーは、治療毎に調整され、再生器の移動（および／または磁気シムの追加／取り外し）は、治療の前に実行される。いずれの場合も、再生器の移動（および／または磁気シムの追加／取り外し）は、コンピュータ制御され得る。例えば、コンピュータは、再生器および／または磁気シムの移動を引き起こす１つまたは複数のモータを制御することができる。幾つかの実施例では、鉄製ロッド（磁気シム）は、磁気ヨーク８２の任意の適切な部分内に移動され、またそこから外に移動され、これにより、加速空洞内に引き起こされる磁場を変化させ、制御することができる。

幾つかの実施例では、再生器は、適切な配置に移動するように制御可能である１つまたは複数の磁気シムを使用して実装される。

幾つかの実施例では、構造体（図示せず）は、引き出しチャネルの入口にあり、粒子加速器によって生成される異なるエネルギーに適応するように制御される。例えば、構造体は、適切な厚さで、特定のエネルギーを有する粒子ビームをインターセプトするように回転され得る。したがって、構造体は、粒子ビームのエネルギーの少なくとも一部を吸収し、これにより、上で説明されているように、粒子ビームに引き出しチャネルを横断させることができる。

例えば、表１は、例示的な加速装置９１２が粒子ビームを出力することができる３つの例示的なエネルギーレベルを示している。３つのエネルギーレベルを生成するための対応するパラメータも一覧に挙げてある。この点で、磁石電流は、加速器９１２内の１つまたは複数のコイルセットに印加される全電流を指しており、最高および最低周波数は、ＲＦ電圧が掃引する範囲を定義し、「ｒ」は、ある場所から粒子が加速される空洞の中心までの径方向距離である。

可変エネルギーを有する荷電粒子を生成する例示的な粒子加速器に含まれ得る詳細について以下で説明する。加速器はシンクロサイクロトロンであり、粒子は陽子であるものとしてよい。粒子は、パルスビームとして出力され得る。粒子加速器から出力されるビームのエネルギーは、患者体内の一方のターゲット容積部を治療している間、または同じ患者もしくは異なる患者の異なるターゲット容積部の治療から次の治療までの間に、変化させることができる。幾つかの実施例では、加速器のセッティングは、加速器からビーム（または粒子）が出力されないときにビームエネルギーを変化させるように変更される。エネルギー変化は、所望の範囲にわたって連続的または非連続的であってよい。

図１に示されている例に表すように、上で説明されている加速器９１２のような可変エネルギー粒子加速器であってよい、粒子加速器（シンクロサイクロトロン５０２）は、可変エネルギーを有する粒子ビームに対して構成され得る。可変エネルギーの範囲は、約２００ＭｅＶから約３００ＭｅＶ以上、例えば、２００ＭｅＶ、約２０５ＭｅＶ、約２１０ＭｅＶ、約２１５ＭｅＶ、約２２０ＭｅＶ、約２２５ＭｅＶ、約２３０ＭｅＶ、約２３５ＭｅＶ、約２４０ＭｅＶ、約２４５ＭｅＶ、約２５０ＭｅＶ、約２５５ＭｅＶ、約２６０ＭｅＶ、約２６５ＭｅＶ、約２７０ＭｅＶ、約２７５ＭｅＶ、約２８０ＭｅＶ、約２８５ＭｅＶ、約２９０ＭｅＶ、約２９５ＭｅＶ、または約３００ＭｅＶ以上である上限境界を有することができる。この範囲は、約１００ＭｅＶ以下から約２００ＭｅＶまで、例えば、約１００ＭｅＶ以下、約１０５ＭｅＶ、約１１０ＭｅＶ、約１１５ＭｅＶ、約１２０ＭｅＶ、約１２５ＭｅＶ、約１３０ＭｅＶ、約１３５ＭｅＶ、約１４０ＭｅＶ、約１４５ＭｅＶ、約１５０ＭｅＶ、約１５５ＭｅＶ、約１６０ＭｅＶ、約１６５ＭｅＶ、約１７０ＭｅＶ、約１７５ＭｅＶ、約１８０ＭｅＶ、約１８５ＭｅＶ、約１９０ＭｅＶ、約１９５ＭｅＶ、約２００ＭｅＶである下限境界も有することができる。

幾つかの例では、この変化は、非連続的であり、変化ステップは、約１０ＭｅＶ以下、約１５ＭｅＶ、約２０ＭｅＶ、約２５ＭｅＶ、約３０ＭｅＶ、約３５ＭｅＶ、約４０ＭｅＶ、約４５ＭｅＶ、約５０ＭｅＶ、約５５ＭｅＶ、約６０ＭｅＶ、約６５ＭｅＶ、約７０ＭｅＶ、約７５ＭｅＶ、または約８０ＭｅＶ以上のサイズを有することができる。エネルギーを１ステップサイズだけ変化させるのに要する時間は、３０分以内、例えば、約２５分以内、約２０分以内、約１５分以内、約１０分以内、約５分以内、約１分以内、または約３０秒以内であり得る。他の例では、この変化は、連続的であり、加速器は粒子ビームのエネルギーを比較的高い率、例えば、毎秒最大約５０ＭｅＶまで、毎秒最大約４５ＭｅＶまで、毎秒最大約４０ＭｅＶまで、毎秒最大約３５ＭｅＶまで、毎秒最大約３０ＭｅＶまで、毎秒最大約２５ＭｅＶまで、毎秒最大約２０ＭｅＶまで、毎秒最大約１５ＭｅＶまで、または毎秒最大約１０ＭｅＶまでに調整することができる。加速器は、粒子エネルギーを、連続的にも、非連続的にも調整するように構成され得る。例えば、連続的変化と非連続的変化の組合せを、一方のターゲット容積部の治療に、または異なるターゲット容積部の治療に使用することができる。柔軟な治療計画および柔軟な治療が実現され得る。

可変エネルギーを有する粒子ビームを出力する粒子加速器は、照射治療を正確にすることができ、また治療に使用される追加のデバイス（加速器以外）の数を減らすことができる。例えば、出力粒子ビームのエネルギーを変化させるためのデグレーダの使用が低減されるか、または使用しないようにできる。強度、集束などの粒子ビームの特性は、粒子加速器側で制御され、粒子ビームは、追加のデバイスからの実質的な妨害を受けることなくターゲット容積部に到達することができる。ビームエネルギーの比較的高い変化率は、治療時間を短縮し、治療システムの効率的な使用を可能にし得る。

幾つかの実施例では、図１のシンクロサイクロトロン５０２などの、加速器は、加速器内の磁場を変化させることによって粒子または粒子ビームを可変エネルギーレベルまで加速するが、これは、磁場を発生させるためにコイルに印加される電流を変化させることによって実現され得る。図３、図４、図５、図６、および図７に示されているように、例示的なシンクロサイクロトロン１０（図１の５０２）は、粒子源９０を収容する磁石システム、高周波駆動システム９１、およびビーム引き出しシステム３８を備える。図３５は、可変エネルギー加速器で使用され得る磁石システムの一例を示している。この例示的な実施例では、磁石システム１０１２によって確立される磁場は、２つのコイルセット４０ａと４０ｂ、４２ａと４２ｂが発生することができる磁場の最大値の約５％から約３５％まで変化し得る。磁石システムによって確立される磁場は、２つのコイルセットと成形された強磁性（例えば、低炭素鋼）構造体のペアとの組合せを使用して収容されている陽子ビームの集束を維持するのに適切な形状を有し、その例は上に提示されている。

それぞれのコイルセットは、電流を受けるための環状コイルの分割ペアであってよい。幾つかの状況において、両方のコイルセットが超伝導である。他の状況では、ただ１つのコイルセットのみが超伝導であり、他のセットは非超伝導または常電導である（以下でさらに説明されているように）。また、両方のコイルセットが非超伝導であることも可能である。コイルに使用するのに適した超伝導体は、ニオブ３スズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）および／またはニオブチタンを含む。他の常電導体は、銅を含むことができる。コイルセットの作製例について以下でさらに説明する。

２つのコイルセットは、直列または並列に電気的に接続され得る。幾つかの実施例では、２つのコイルセットが受ける全電流は、約２００万アンペアターンから約１０００万アンペアターン、例えば、約２５０万から約７５０万アンペアターン、または約３７５万アンペアターンから約５００万アンペアターンまでを含み得る。幾つかの例では、一方のコイルセットは、全可変電流の固定（または一定）部分を受けるように構成され、他方のコイルセットは、全電流の可変部分を受けるように構成される。２つのコイルセットの全電流は、一方のコイルセット内の電流の変化と共に変化する。他の状況では、両方のコイルセットに印加される電流は変化し得る。２つのコイルセット内の可変全電流は、変化する大きさを有する磁場を発生することができ、次いで、これは、粒子の加速経路を変化させ、可変エネルギーを有する粒子を発生する。

一般的に、コイルによって生成される磁場の大きさは、コイルに印加される全電流の大きさに応じて一定の比率で増減し得る。この一定の比率の増減に基づき、幾つかの実施例では、磁場強度の直線的変化はコイルセットの全電流を直線的に変化させることによって実現され得る。全電流は比較的高速で調整することができ、これにより、磁場およびビームエネルギーが比較的高速で調整される。

上記の表１に反映されている例では、コイルリングの幾何学的中心における電流の値と磁場の値との比は、１９９０：８．７（約２２８．７：１）、１９２０：８．４（約２２８．６：１）、１７６０：７．９（約２２２．８：１）である。したがって、超伝導コイルに印加される全電流の大きさを調整することで、磁場の大きさを比例調整することができる（比に基づき）。

表１の例における全電流に対する磁場の一定の比率の増減も、図３３のプロットに示されており、ＢＺは、Ｚ方向に沿った磁場であり、Ｒは、Ｚ方向に垂直な方向に沿ったコイルリングの幾何学的中心から測定された径方向距離である。磁場は、幾何学的中心に最高値を有し、距離Ｒが増大するにつれ減少する。曲線１０３５、１０３７は、それぞれ１７６０アンペアおよび１９９０アンペアである異なる全電流を受ける同じコイルセットによって生成される磁場を表す。引き出される粒子の対応するエネルギーは、それぞれ、２１１ＭｅＶおよび２５０ＭｅＶである。２つの曲線１０３５、１０３７は、実質的に同じ形状を有し、曲線１０３５、１０３７の異なる部分は、実質的に平行である。結果として、曲線１０３５または曲線１０３７のいずれかが、他方の曲線と実質的に一致するように直線的にシフトされるものとしてよく、これは磁場がコイルセットに印加される全電流に応じて一定の比率で増減し得ることを示す。

幾つかの実施例では、全電流に対する磁場の一定の比率の増減は、完全でない場合がある。例えば、磁場と表１に示されている例に基づき計算された電流との間の比は一定でない。また、図３３に示されているように、一方の曲線を直線的にシフトさせても、他方の曲線と完全には一致し得ない。幾つかの実施例では、全電流は、一定の比率の増減が完全であるという仮定の下でコイルセットに印加される。ターゲット磁場（一定の比率の増減が完全であるという仮定の下）は、それに加えてコイルの特徴、例えば、幾何学的形状を、一定の比率の増減の不完全さを相殺するように変えることによって生成され得る。一例では、強磁性体（例えば、鉄）のロッド（磁気シム）を磁気構造体の一方または両方から挿入するか、または取り出すことができる。コイルの特徴は、一定の比率の増減が完全であり電流のみを調整すればよいという状況と比較して磁場調整の速度が実質的な影響を受けないように比較的高速に変えることができる。鉄製ロッドの例では、ロッドは、秒または分の時間尺度、例えば、５分以内、１分以内、３０秒未満、または１秒未満の時間で追加または取り外しを行うことができる。

幾つかの実施例では、コイルセットに印加される電流などの、加速器のセッティングは、コイルセット内の全電流に対する磁場の一定の比率の実質的な増減に基づき選択され得る。

一般的に、所望の範囲内で変化する全電流を発生させるために、２つのコイルセットに印加される電流の組合せが使用され得る。一例において、コイルセット４２ａ、４２ｂは、磁場の所望の範囲の下限境界に対応する固定された全電流を受けるように構成され得る。表１に示されている例では、固定された電流は、１７６０アンペアである。それに加えて、コイルセット４０ａ、４０ｂは、磁場の所望の範囲の上限境界と下限境界との間の差に対応する上限境界を有する可変電流を受けるように構成され得る。表１に示されている例では、コイルセット４０ａ、４０ｂは、０アンペアと２３０アンペアとの間で変化する電流を受けるように構成される。

別の例では、コイルセット４２ａ、４２ｂは、磁場の所望の範囲の上限境界に対応する固定された電流を受けるように構成され得る。表１に示されている例では、固定された電流は、１９９０アンペアである。それに加えて、コイルセット４０ａ、４０ｂは、磁場の所望の範囲の下限境界と上限境界との間の差に対応する上限境界を有する可変電流を受けるように構成され得る。表１に示されている例では、コイルセット４０ａ、４０ｂは、−２３０アンペアと０アンペアとの間で変化する電流を受けるように構成される。

粒子を加速するための可変全電流によって生成される全可変磁場は、４テスラより大きい、例えば５テスラより大きい、６テスラより大きい、７テスラより大きい、８テスラより大きい、９テスラより大きい、または１０テスラより大きく、最大約２０テスラまで、例えば、最大約１８テスラまで、最大約１５テスラまで、または最大約１２テスラまでの、最大の大きさを有するものとしてよい。幾つかの実施例では、コイルセット内の全電流の変化により、磁場は約０．２テスラから約４．２テスラ以上、例えば、約０．２テスラから約１．４テスラまたは約０．６テスラから約４．２テスラだけ変化し得る。幾つかの状況において、磁場の変化量は、最大の大きさに比例し得る。

図３４は、粒子ビームのそれぞれのエネルギーレベルについて一定のＲＦ周波数範囲にわたってディープレート１００上で電圧を掃引し、粒子ビームエネルギーが変化するときに周波数範囲を変化させるための例示的なＲＦ構造体を示している。ディープレート１００の半円形表面１０３、１０５は、内部導体１３００に接続され、外部導体１３０２内に収納される。電源を内部導体に結合する電力結合デバイス１３０４を通して電源（図示せず、例えば、振動電圧入力）から高電圧がディープレート１００に印加される。幾つかの実施例では、結合デバイス１３０４は、内部導体１３００上に位置し、電源からディープレート１００への電力伝送を行う。それに加えて、ディープレート１００は可変リアクタンス素子１３０６、１３０８に結合されており、それぞれの粒子エネルギーレベルについてＲＦ周波数掃引を実行し、異なる粒子エネルギーレベルについてＲＦ周波数範囲を変更する。

可変リアクタンス素子１３０６は、モータ（図示せず）によって回転可能である複数のブレード１３１０を有する回転キャパシタであってよい。ＲＦ掃引のそれぞれのサイクルにおいてブレード１３１０をかみ合わせるか、またはかみ合わせを外すことによって、ＲＦ構造体のキャパシタンスが変化し、そのため、ＲＦ構造体の共振周波数が変化する。幾つかの実施例では、モータの１／４サイクル毎に、ブレード１３１０は互いにかみ合う。ＲＦ構造体のキャパシタンスが大きくなり、共振周波数が下がる。このプロセスは、ブレード１３１０のかみ合わせが外れるときは逆である。結果として、ディープレート１０３に印加される高電圧を発生させるために要求される、またビームを加速するために必要な電力を、大幅に減らすことができる。幾つかの実施例では、ブレード１３１０の形状を、時間に対する共振周波数の必要な依存性を生じるように機械加工する。

ＲＦ周波数の発生は、共振器内のＲＦ電圧の位相を感知し、ＲＦ空洞の共振周波数の近くでディープレート上の交流電圧を維持することによってブレード回転と同期する。（ダミーディーは、接地されるが、図３４には示されていない）。

可変リアクタンス素子１３０８は、プレート１３１２と内部導体１３００の表面１３１６とによって形成されるキャパシタであるものとしてよい。プレート１３１２は、表面１３１６に向かう、または表面１３１６から遠ざかる方向１３１４に沿って移動可能である。キャパシタのキャパシタンスは、プレート１３１２と表面１３１６との間の距離Ｄが変化すると変化する。１つの粒子エネルギーについて掃引されるそれぞれの周波数範囲について、距離Ｄは設定値にあり、周波数範囲を変化させるために、プレート１３１２は出力ビームのエネルギーの変化に応じて移動される。

幾つかの実施例では、内部導体１３００および外部導体１３０２は、銅、アルミニウム、または銀などの、金属材料から形成される。ブレード１３１０およびプレート１３１２も、導体１３００、１３０２と同じ、または異なる金属材料から形成され得る。結合デバイス１３０４は、導電体とすることができる。可変リアクタンス素子１３０６、１３０８は他の形態を有することができ、他の方法でディープレート１００に結合し、それによりＲＦ周波数掃引および周波数範囲変更を実行することができる。幾つかの実施例では、単一の可変リアクタンス素子は、両方の可変リアクタンス素子１３０６、１３０８の機能を実行するように構成され得る。他の実施例では、２つよりも多い可変リアクタンス素子が使用され得る。

本明細書で説明されている粒子治療システムおよびその様々な特徴の制御は、ハードウェアまたはハードウェアとソフトウェアとの組合せを使用して実施され得る。例えば、本明細書で説明されているようなシステムは、様々な地点に配置された様々なコントローラおよび／または処理デバイスを備え得る。中央コンピュータは、様々なコントローラまたは処理デバイスの間の動作を調整することができる。中央コンピュータ、コントローラ、および処理デバイスは、テストおよび較正の制御および調整を行わせるために様々なソフトウェアルーチンを実行し得る。

システム動作は、少なくとも一部は、１つまたは複数のデータ処理装置、例えば、プログラム可能なプロセッサ、コンピュータ、複数のコンピュータ、および／またはプログラム可能な論理構成要素による実行のため、またはその動作を制御するために、１つまたは複数のコンピュータプログラム製品、例えば、１つまたは複数の非一時的機械可読媒体などの１つまたは複数の情報担体中に明確に具現化された１つまたは複数のコンピュータプログラムを使用することで制御され得る。

コンピュータプログラムは、コンパイル言語またはインタプリタ言語を含む、任意の形態のプログラミング言語で書かれ得、スタンドアロンプログラム、またはモジュール、コンポーネント、サブルーチン、またはコンピューティング環境において使用するのに適している他のユニットを含む、任意の形態で配備され得る。コンピュータプログラムは、１つのコンピュータ上で、または１つのサイトにあるか、または複数のサイトにまたがって分散され、ネットワークによって相互接続されている複数のコンピュータ上で実行されるように配備され得る。

本明細書で説明されている粒子治療システムの動作の全部または一部を実施するステップに関連するアクションは、１つまたは複数のコンピュータプログラムを実行して本明細書で説明されている機能を実行する１つまたは複数のプログラム可能なプロセッサによって実行され得る。これらの動作の全部または一部は、専用論理回路、例えば、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）、および／またはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）を使用して実施され得る。

コンピュータプログラムの実行に適しているプロセッサは、例として、汎用マイクロプロセッサと専用マイクロプロセッサを共に、および任意の種類のデジタルコンピュータの任意の１つまたは複数のプロセッサを含む。一般的に、プロセッサは、読出し専用記憶領域またはランダムアクセス記憶領域またはその両方から命令およびデータを受け取る。コンピュータ（サーバを含む）の要素は、命令を実行するための１つまたは複数のプロセッサならびに命令およびデータを記憶するための１つまたは複数の記憶領域デバイスを含む。一般的に、コンピュータは、データを記憶するための大容量ＰＣＢなどの１つまたは複数の機械可読記憶媒体、例えば、磁気ディスク、磁気光ディスク、または光ディスクも備え、またはこれらからデータを受け取るか、もしくはこれらにデータを転送するか、もしくはその両方を行うように動作可能なように結合される。コンピュータプログラムの命令およびデータを具現化するのに好適な非一時的機械可読記憶媒体は、例として、半導体記憶領域デバイス、例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、およびフラッシュ記憶領域デバイス、磁気ディスク、例えば、内蔵ハードディスクまたはリムーバブルディスク、光磁気ディスク、ならびにＣＤ−ＲＯＭおよびＤＶＤ−ＲＯＭディスクを含む、あらゆる形態の不揮発性記憶領域を含む。

本明細書で使用されているような任意の「電気的接続」は、直接的物理的接続、または介在する構成要素を含むが、それにもかかわらず、ワイヤレス信号を含む電気的信号が、接続されている構成要素間を流れることを許す接続を暗示するものとしてよい。本明細書において言及されている電気回路を伴う任意の「接続」は、断りのない限り、電気的接続であり、「電気的」という単語が「接続」を修飾するために使用されているかどうかに関係なく必ずしも直接的物理的接続ではない。

前述の実施例のうちのさらに２つが、適切な粒子加速器（例えば、シンクロサイクロトロン）において適切な組合せで使用され得る。同様に、前記の実施例のうちのさらに２つの個別の特徴が、適切な組合せで使用され得る。

本明細書で説明されている異なる実施例の要素は、特に上で述べていない他の実施例を形成するように組み合わせることもできる。要素は、その動作に悪影響を及ぼすことなく本明細書で説明されているプロセス、システム、装置などから外してもよい。本明細書で説明されている機能を実行するために、様々な別々の要素を１つまたは複数の個別の要素に組み合わせることができる。

本明細書で説明されている例示的な実施例は、粒子治療システムと共に使用すること、または本明細書で説明されている例示的な粒子治療システムと共に使用することに限定されない。むしろ、例示的な実施例は、加速された粒子を出力に導く適切なシステム内で使用され得る。

本明細書で説明されているようなシステム内で使用され得る粒子加速器の例示的な実施例の設計に関する追加の情報は、参照により本明細書に組み込まれている２００６年１月２０日に出願した米国仮出願第６０／７６０，７８８号、名称「Ｈｉｇｈ−Ｆｉｅｌｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｓｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ」、２００６年８月９日に出願した米国特許出願第１１／４６３，４０２号、名称「Ｍａｇｎｅｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ」、および２００６年１０月１０日に出願した米国仮出願第６０／８５０，５６５号、名称「Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｖａｃｕｕｍ Ｂｒｅａｋ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｕｐｌｅｒ」に記載されている。

以下の出願は、参照により本出願に組み込まれている。米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ ＯＦ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，４６６号）、米国仮出願、名称「ＡＤＪＵＳＴＩＮＧ ＥＮＥＲＧＹ ＯＦ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，５１５号）、米国仮出願、名称「ＡＤＪＵＳＴＩＮＧ ＣＯＩＬ ＰＯＳＩＴＩＯＮ」（出願第６１／７０７，５４８号）、米国仮出願、名称「ＦＯＣＵＳＩＮＧ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ ＵＳＩＮＧ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＦＩＥＬＤ ＦＬＵＴＴＥＲ」（出願第６１／７０７，５７２号）、米国仮出願、名称「ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＦＩＥＬＤ ＲＥＧＥＮＥＲＡＴＯＲ」（出願第６１／７０７，５９０号）、米国仮出願、名称「ＦＯＣＵＳＩＮＧ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，７０４号）、米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＴＨＥＲＡＰＹ」（出願第６１／７０７，６２４号）、および米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＡＣＣＥＬＥＲＡＴＯＲ」（出願第６１／７０７，６４５号）。

以下の参考文献も、参照により本出願に組み込まれている。２０１０年６月１日に発行された米国特許第７，７２８，３１１号、２００７年１１月３０日に出願した米国特許出願第１１／９４８，３５９号、２００８年１１月２０日に出願した米国特許出願第１２／２７５，１０３号、２００７年１１月３０日に出願した米国特許出願第１１／９４８，６６２号、２００７年１１月３０日に出願した米国仮出願第６０／９９１，４５４号、２０１１年８月２３日に発行された米国特許第８，００３，９６４号、２００７年４月２４日に発行された米国特許第７，２０８，７４８号、２００８年７月２２日に発行された米国特許第７，４０２，９６３号、２０１０年２月９日に出願した米国特許出願第１３／１４８，０００号、２００７年１１月９日に出願した米国特許出願第１１／９３７，５７３号、２００５年７月２１日に出願した米国特許出願第１１／１８７，６３３号、名称「Ａ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｗａｖｅｆｏｒｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ ａ Ｓｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ」２００４年７月２１日に出願した米国仮出願第６０／５９０，０８９号、２００４年９月２４日に出願した米国特許出願第１０／９４９，７３４号、名称「Ａ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｃａｔｔｅｒｅｒ ｆｏｒ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒａｐｙ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ」、および２００５年７月２１日に出願した米国仮出願第６０／５９０，０８８号。

本出願の特徴は、以下の１つまたは複数の適切な特徴と組み合わせることができる。米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ ＯＦ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，４６６号）、米国仮出願、名称「ＡＤＪＵＳＴＩＮＧ ＥＮＥＲＧＹ ＯＦ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，５１５号）、米国仮出願、名称「ＡＤＪＵＳＴＩＮＧ ＣＯＩＬ ＰＯＳＩＴＩＯＮ」（出願第６１／７０７，５４８号）、米国仮出願、名称「ＦＯＣＵＳＩＮＧ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ ＵＳＩＮＧ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＦＩＥＬＤ ＦＬＵＴＴＥＲ」（出願第６１／７０７，５７２号）、米国仮出願、名称「ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＦＩＥＬＤ ＲＥＧＥＮＥＲＡＴＯＲ」（出願第６１／７０７，５９０号）、米国仮出願、名称「ＦＯＣＵＳＩＮＧ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，７０４号）、米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＴＨＥＲＡＰＹ」（出願第６１／７０７，６２４号）、および米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＡＣＣＥＬＥＲＡＴＯＲ」（出願第６１／７０７，６４５号）、２０１０年６月１日に発行された米国特許第７，７２８，３１１号、２００７年１１月３０日に出願した米国特許出願第１１／９４８，３５９号、２００８年１１月２０日に出願した米国特許出願第１２／２７５，１０３号、２００７年１１月３０日に出願した米国特許出願第１１／９４８，６６２号、２００７年１１月３０日に出願した米国仮出願第６０／９９１，４５４号、２０１３年５月３１日に出願した米国特許出願第１３／９０７，６０１号、２０１３年６月１２日に出願した米国特許出願第１３／９１６，４０１号、２０１１年８月２３日に発行した米国特許第８，００３，９６４号、２００７年４月２４日に発行した米国特許第７，２０８，７４８号、２００８年７月２２日に発行した米国特許第７，４０２，９６３号、２０１０年２月９日に出願した米国特許出願第１３／１４８，０００号、２００７年１１月９日に出願した米国特許出願第１１／９３７，５７３号、２００５年７月２１日に出願した米国特許出願第１１／１８７，６３３号、名称「Ａ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｗａｖｅｆｏｒｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ ａ Ｓｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ」、２００４年７月２１日に出願した米国仮出願第６０／５９０，０８９号、２００４年９月２４日に出願した米国特許出願第１０／９４９，７３４号、名称「Ａ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｃａｔｔｅｒｅｒ ｆｏｒ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒａｐｙ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ」、および２００５年７月２１日に出願した米国仮出願第６０／５９０，０８８号。

本明細書で特に説明されていない他の実装も、以下の請求項の範囲内に収まる。

１０ 治療システム
１２ 磁石システム
３８ ビーム引き出しシステム
４０ 環状超伝導コイル
４２ 環状超伝導コイル
４０ａ、４０ｂ、４２ａ、４２ｂ コイルセット
４４ 磁極面
４６ 磁極面
４７ 共通軸
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
７９ ギフォードマクマホン冷凍機
７８ ヘッド
８１、８３ ヨーク
８２ 強磁性帰還ヨーク
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
１０２ 引き出しチャネル
１０５ 粒子加速器
１０６ 走査システム
１０８ 走査磁石
１０９ 電離箱
１１０ エネルギーデグレーダ
１１１、１１２ コイル
１１５ 飛程変調装置
１１６ プレート
１１６ａ プレート
１１７ 矢印
１２０ 散乱体
１２２ 配置
１２３ 配置
１２４ 構造体
１２５ 最大厚さ
１２６ 最小厚さ
１２７ コリメータ
１２８ 最大厚さ
１２９ 最小厚さ
１２９ 開口
１３０ 穴
１３１ 材料
１３２、１３３、１３９、１４１、１４４ 周
１３４、１３６、１３８、１４０、１４２ スポット配置
１３５、１３７ グリッド
１４５、１４６ スポット
１５０ 壁
１５２ 壁
１５４ 側壁
１５６ 側壁
１５８ 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
１９９ 磁場
２０１ ガス管路
２０２ ダミーディー
２０３、１０５ 半円形表面
２０７ 空間
２０９ ダクト
２１１ 真空ポンプ
２１３ 熱交換器
２１４ 磁気シールド
２１６ 空間
２１７ 強磁性体（例えば、鋼または鉄）の層
２１９ 真空槽
２２２ 釣合いおもり
２２４ 釣合いおもり
２２５ ビーム形成システム
２４６ 迷路
２４８ 壁
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 ビーム発生粒子加速器
５０４ 回転式ガントリー
５０６ 患者
５０８、５１０ 脚部
５１２、５１４ 軸受
５１６ 鋼製トラス、トラス構造体
５１８ 治療領域
５２０ 回転範囲
５２２ 床
５２４ ボールト
５３２ 水平回転軸
５３４ 回転範囲
５４０ アイソセンター
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
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’ 身体または身体部分
９２４ ターゲット容積部
９２６ａ〜８２６ｉ 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 (33)

1. 粒子治療システムであって、
   粒子ビームを出力するためのシンクロサイクロトロンと、
   前記シンクロサイクロトロンから前記粒子ビームを受け、前記粒子ビームを照射ターゲットの少なくとも一部にわたって移動するための走査システムと、
   前記粒子ビームが前記照射ターゲットに到達する前に前記粒子ビームのスポットサイズを変えるように構成可能である散乱材料と、
   前記走査システムを、不規則なグリッドパターンに従って前記照射ターゲットの前記少なくとも一部にわたって前記粒子ビームを移動させるように制御する１つまたは複数の処理デバイスと、を含み、前記不規則なグリッドパターン内の前記粒子ビームの少なくともいくつかのスポットが、前記照射ターゲットの前記少なくとも一部に沿った規則的な場所に位置する直線に沿わない、粒子治療システム。
2. 前記散乱材料は、前記照射ターゲットの治療過程において前記粒子ビームのスポットサイズを変えるように構成可能である、請求項１に記載の粒子治療システム。
3. 前記散乱材料は、前記照射ターゲットの治療時間と次の治療時間との間に前記粒子ビームのスポットサイズを変えるように構成可能である、請求項１に記載の粒子治療システム。
4. 粒子ビームを出力するためのシンクロサイクロトロンと、
   照射ターゲットの少なくとも一部にわたって、前記粒子ビームを移動させるための磁石と、
   不規則なグリッドパターンに従って、前記照射ターゲットの前記少なくとも一部にわたって前記粒子ビームを移動させるように前記磁石を制御し、前記照射ターゲットの異なる断面の走査の間に、前記粒子ビームのエネルギーを制御する、１つまたは複数の処理デバイスであって、前記不規則なグリッドパターンの前記粒子ビームの少なくともいくつかのスポットが、前記照射ターゲットの前記少なくとも一部に沿った規則的な場所に位置する直線に沿わない、１つまたは複数の処理デバイスと、
   前記粒子ビームのスポットサイズを変えるために、前記粒子ビームの経路内へ、または経路外への散乱材料の移動を制御するコンピュータシステムと、を備えた、粒子治療システム。
5. 前記不規則なグリッドパターンにおいて、前記粒子ビーム間の間隔が変化する、請求項１に記載の粒子治療システム。
6. 前記不規則なグリッドパターンが、前記照射ターゲットの断面の周に対応する周を有する、請求項１に記載の粒子治療システム。
7. 前記照射ターゲットの前記少なくとも一部の異なるスポット間の前記粒子ビームの速度が、実質的に同じである、請求項１に記載の粒子治療システム。
8. 治療計画を保存するためのメモリをさらに含み、前記治療計画が、前記照射ターゲットの前記少なくとも一部に関して前記不規則なグリッドパターンを定義し、前記照射ターゲットのその他の部分に関しても不規則なグリッドパターンを定義する情報を含む、請求項１に記載の粒子治療システム。
9. 前記照射ターゲットの前記その他の部分に関する異なる不規則なグリッドパターンが、照射されるべきスポットの異なる数、照射されるべきスポットの異なる配置、照射されるべきスポット間の異なる間隔、または異なるパターン周の少なくとも１つを有する、請求項８に記載の粒子治療システム。
10. 前記走査システムが、前記照射ターゲットの前記少なくとも一部にわたって前記粒子ビームを移動させるように前記粒子ビームの方向に影響を及ぼす磁石を含み、
    前記散乱材料が、前記シンクロサイクロトロンに対して前記磁石の下流側にある、請求項１に記載の粒子治療システム。
11. 前記走査システムがさらに、
    前記粒子ビームが前記照射ターゲットに到達する前に、前記粒子ビームのエネルギーを変えるためのエネルギーデグレーダを含み、前記エネルギーデグレーダが、前記シンクロサイクロトロンに対して、前記散乱材料の下流側にある、請求項１０に記載の粒子治療システム。
12. 前記シンクロサイクロトロンが、
    高周波（ＲＦ）電圧を空洞に印加して空洞内の粒子を加速するための電圧源であって、前記空洞に、前記粒子を、前記空洞内で軌道上を移動するように加速する磁場が存在する、電圧源と、
    加速された前記粒子を受け、前記受けた粒子を前記空洞から、前記粒子ビームの一部として出力する引き出しチャネルと、
    前記空洞内に磁場バンプを設け、それによって前記空洞内で加速された前記粒子の連続的軌道を変化させ、最終的に、粒子が前記引き出しチャネルに出力される再生器と、を含み、
    前記磁場が、前記空洞の中心において４テスラ（Ｔ）から２０Ｔの間である、請求項１１に記載の粒子治療システム。
13. 前記シンクロサイクロトロン及び前記走査システムの少なくとも一部が取り付けられるガントリーであって、前記シンクロサイクロトロン及び前記走査システムの少なくとも一部を、前記照射ターゲットの周りで少なくとも部分的に移動するように構成された、ガントリーをさらに含む、請求項１２に記載の粒子治療システム。
14. 前記散乱材料が、前記照射ターゲットの前記少なくとも一部の場所ごとに、前記粒子ビームのスポットサイズを変えるように制御可能であり、
    前記スポットサイズが、十分の数秒程度の時間尺度で変更可能である、請求項１に記載の粒子治療システム。
15. 前記散乱材料が、前記照射ターゲットの前記少なくとも一部の場所ごとに、前記粒子ビームのスポットサイズを変えるように制御可能であり、
    前記スポットサイズが、数十ミリ秒程度の時間尺度で変更可能である、請求項１に記載の粒子治療システム。
16. 前記走査システムが、エネルギーデグレーダを含み、前記エネルギーデグレーダが、前記粒子ビームが前記照射ターゲットの前記少なくとも一部に到達する前に、前記粒子ビームのエネルギーを変えるように構成可能であり、
    前記粒子ビームが前記照射ターゲットの前記少なくとも一部に到達する前に、前記粒子ビームの前記エネルギーを変えるための前記エネルギーデグレーダの少なくとも一部の構成の間に、前記粒子ビームが中断されない、請求項１に記載の粒子治療システム。
17. 前記不規則なグリッドパターンの前記粒子ビームの少なくともいくつかのスポットが、前記照射ターゲットの少なくとも一部の周を辿る場所に配置される、請求項１に記載の粒子治療システム。
18. 前記照射ターゲットの異なる断面の走査の間に前記粒子ビームのエネルギーを変えるエネルギーデグレーダであって、前記エネルギーデグレーダが、前記シンクロサイクロトロンに対して前記磁石の下流側にある、エネルギーデグレーダをさらに含み、
    前記１つまたは複数の処理デバイスが、前記照射ターゲットの異なる断面の走査の間に、前記粒子ビームのエネルギーを制御するための前記エネルギーデグレーダの１つまたは複数の部分の移動を制御するように構成された、請求項４に記載の粒子治療システム。
19. 前記不規則なグリッドパターンにおいて、前記粒子ビームのスポット間の間隔が変わる、請求項４に記載の粒子治療システム。
20. 前記不規則なグリッドパターンが、前記照射ターゲットの断面の周に対応する周を有する、請求項４に記載の粒子治療システム。
21. 前記磁石が、前記照射ターゲットの前記少なくとも一部の異なるスポット間で、前記粒子ビームの一定の速度を維持するように制御される、請求項４に記載の粒子治療システム。
22. 前記照射ターゲットの前記少なくとも一部について前記不規則なグリッドパターンを定義する情報を含む治療計画を記憶するメモリをさらに含み、前記治療計画が、前記照射ターゲットの他の部分の不規則なグリッドパターンも定義する、請求項４に記載の粒子治療システム。
23. 前記照射ターゲットの前記他の部分についての異なる不規則なグリッドパターンが、照射されるべきスポットの異なる数、照射されるべきスポットの異なる配置、照射されるべきスポット間の異なる間隔、または異なるパターン周のうちの少なくとも１つを有する、請求項２２に記載の粒子治療システム。
24. 前記シンクロサイクロトロンが、空洞内で粒子を加速するために、空洞に高周波（ＲＦ）電圧を印加するための電圧源であって、前記空洞内に、前記空洞内の軌道を移動するように粒子を加速する磁場が存在する、電圧源と、
    加速された前記粒子を受け、前記受けた粒子を前記空洞から前記粒子ビームの一部として出力する引き出しチャネルと、
    前記空洞内に磁場バンプを設け、それによって前記加速された粒子の連続的軌道を変化させ、最終的に、粒子が前記引き出しチャネルに出力される、再生器と、を備え、
    前記磁場が前記空洞の中心において４テスラ（Ｔ）から２０Ｔの間である、請求項４に記載の粒子治療システム。
25. 前記シンクロサイクロトロン及び前記磁石が取り付けられたガントリーをさらに含み、前記ガントリーが、前記シンクロサイクロトロン及び前記磁石を、前記照射ターゲットの周囲に少なくとも部分的に移動させるように構成された、請求項２４に記載の粒子治療システム。
26. 前記粒子ビームの移動がラスター走査を含む、請求項４に記載の粒子治療システム。
27. 前記粒子ビームの移動がスポット走査を含む、請求項４に記載の粒子治療システム。
28. 前記シンクロサイクロトロンが、可変エネルギー機械であり、前記１つまたは複数の処理デバイスが、前記シンクロサイクロトロンを、特定のエネルギーレベルで前記粒子ビームを出力するように制御することによって、少なくとも部分的に前記粒子ビームのエネルギーを制御するように構成された、請求項４に記載の粒子治療システム。
29. 前記粒子ビームの速度が、前記照射ターゲットの前記少なくとも一部のスポットの少なくとも２つの異なる対の間で異なる、請求項４に記載の粒子治療システム。
30. 前記コンピュータシステムが、前記粒子ビームのスポットサイズを前記照射ターゲットの前記少なくとも一部において場所ごとに変えるように、前記散乱材料の動きを制御するように構成され、
    前記スポットサイズが、十分の数秒程度の時間尺度で変更可能である、請求項４に記載の粒子治療システム。
31. 前記コンピュータシステムが、前記粒子ビームのスポットサイズを前記照射ターゲットの前記少なくとも一部において場所ごとに変えるように、前記散乱材料の動きを制御するように構成され、
    前記スポットサイズが、数十ミリ秒程度の時間尺度で変更可能である、請求項４に記載の粒子治療システム。
32. 粒子ビームが前記照射ターゲットの前記少なくとも一部に到達する前に、前記粒子ビームのエネルギーを変えるように構成可能であるプレートを含むエネルギーデグレーダをさらに含み、
    前記１つまたは複数の処理デバイスが、前記プレートを治療領域に出し入れする動きを制御することによって、前記粒子ビームのエネルギーを制御するように構成され、
    前記シンクロサイクロトロンによる前記粒子ビームの出力が、前記粒子ビームが前記照射ターゲットの前記少なくとも一部に到達する前に前記粒子ビームのエネルギーを変えるように前記プレートを構成する間に中断されない、請求項４に記載の粒子治療システム。
33. 前記不規則なグリッドパターン内の前記粒子ビームの少なくともいくつかのスポットが、前記照射ターゲットの前記少なくとも一部の周を辿る場所に配置される、請求項４に記載の粒子治療システム。

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