KR102195160B1 - 이온 빔을 제공하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

이온 빔을 제공하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은 이온-생성 타겟으로 지향하는 전자기 방사선 빔을 포함할 수 있다. 검출기는 레이저-타겟 상호 작용을 측정하도록 구성될 수 있으며, 프로세서는 양성자 빔을 조정하기 위한 피드백을 생성하는 데 사용할 수 있다. 펄스화된 이온 빔의 에너지를 필터링하고 및/또는 원하는 시간에 펄스화된 이온 방사선을 제공하기 위해, 시스템은 전자석 및 자동화된 스위치를 포함할 수 있다. 양성자 빔 시스템은 양성자 빔의 침투 깊이를 포함하여 양성자 빔과 환자 사이의 상대적인 움직임을 제어함으로써 양성자 요법으로 환자를 치료하는 데 사용될 수 있다. 이러한 시스템은 양성자 빔 생성의 크기, 복잡성 및 비용을 감소시키면서, 또한 속도, 정밀도 및 구성 가능성을 향상시킨다. 양성자 요법에서 사용될 때, 이들 시스템은 더 짧은 치료 시간, 더 높은 환자 치료량, 원하는 영역의 보다 정밀한 치료 및 건강한 조직에 대한 부수적인 손상의 덜함을 가능하게 한다.

Description

이온 빔을 제공하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR PROVIDING AN ION BEAM}
개시된 실시예는 일반적으로 양성자 빔 생성을 포함하는 이온 빔 생성에서의 개선에 관한 것이며, 특히 전자기 방사선 빔과 이온-생성 타겟 사이의 상호 작용을 통한 이온 빔 생성에 관한 것이다.
본 개시의 양태는 많은 시스템, 하위 시스템, 구성 요소 및 하위 구성 요소를 포함한다. 이미 알려진 배경기술의 상세 사항은 본원에서 반복하지 않는다. 이러한 배경 정보는 이하의 자료에 포함된 정보를 포함할 수 있다:
· 2012년 7월 24일자로 발행되고, 발명의 명칭이 "타겟 및 타겟을 제조하기 위한 프로세스"인 Cowan 등의 미국 특허 제8,229,075호;
· 2013년 3월 5일자로 발행되고, 발명의 명칭이 "빠른 이온 생성을 위한 시스템 및 그 방법"인 Zigler 등의 미국 특허 제8,389,954호;
· 2013년 9월 10일자로 발행되고, 발명의 명칭이 "높은 에너지 및 낮은 발산 입자 빔 생성을 위한 마이크로-콘(Micro-Cone) 타겟"인 Le Galloudec의 미국 특허 제8,530,852호;
· 2014년 6월 10일자로 발행되고, 발명의 명칭이 "타겟 및 타겟을 제조하기 위한 프로세스"인 Cowan 등의 미국 특허 제8,750,459호;
· 2016년 1월 12일자로 발행되고, 발명의 명칭이 "빠른 이온 생성을 위한 시스템 및 그 방법"인 Zigler 등의 미국 특허 제9,236,215호;
· 2016년 5월 17일자로 발행되고, 발명의 명칭이 "타겟 및 타겟을 제조하기 위한 프로세스"인 Adams 등의 미국 특허 제9,345,119호; 및
· 2016년 12월 27일자로 발행되고, 발명의 명칭이 "레이저 구동된 이온 빔의 레이저 활성화된 자기장 조작"인 Nahum 등의 미국 특허 제9,530,605호.
이온으로 수행된 입자 방사선-요법은 질병을 치료하는 데 사용될 수 있다. 양성자 요법이라 칭해지는 하나의 형태의 입자 요법에서, 종양은 양성자(예를 들어, 수소 이온)를 조사하여 치료된다. 양성자 요법은 부분적으로 양성자와 광자가 환자의 조직과 상호 작용하는 방식으로 인해 종래의 광자-기반 요법(예를 들어, x선 및 감마선 요법)에 비해 이점을 갖는다.
도 1은 광자 및 양성자 요법 모두에 대한 조직 깊이의 함수로서 방사선 투여량을 나타낸다. 입자가 환자의 치료 계획에 의해 정의된 치료 체적(106)을 조사하기 전에, 통상적으로 환자의 치료 체적(106)에 도달하기 전에 환자의 피부 및 다른 건강한 조직을 횡단해야 한다. 그렇게 함으로써, 입자는 건강한 조직을 손상시킬 수 있으며, 이는 치료의 바람직하지 않은 부작용이다. 도 1의 곡선(102)에 나타낸 바와 같이, 광자(예를 들어, x선)는 대부분의 에너지를 환자의 피부 근처의 영역으로 전달한다. 환자의 신체의 더 깊은 곳에 있는 종양의 경우, 이러한 상호 작용은 건강한 조직에 손상을 줄 수 있다. 또한, 일부 광자는 치료 체적(106)을 넘어 환자의 신체를 횡단하여, 궁극적으로 환자의 신체의 다른 쪽을 떠나기 전에 종양 뒤에 더 건강한 조직을 조사한다. 이러한 다른 건강한 조직에 대한 방사선 투여량은 환자의 피부 근처에 전달되는 투여량보다 낮지만, 여전히 바람직하지 않다.
광자와는 달리, 양성자는 환자의 조직과 매우 바람직한 상호 작용을 나타낸다. 도 1의 곡선(104)으로 나타낸 바와 같이, 환자 조직과 양성자의 피크 상호 작용은 환자 내부에서 더 깊게 발생하고 피크 상호 작용 후에 급격히 중단될 수 있다. 또한, 양성자는 광자보다 훨씬 적은 표면 조직과 상호 작용하는 데, 이는 양성자 빔의 에너지의 대부분이 치료 체적(106)으로 전달될 수 있고, 건강한 조직의 조사가 감소될 수 있음을 의미한다. 이들 이점을 이용하여, 양성자 요법은 건강한 조직에 대한 손상을 피하면서 환자의 건강하지 않은 조직에 대한 에너지의 보다 정밀한 투여를 허용한다. 예를 들어, 양성자 요법은 x선 요법과 비교할 때 주위의 건강한 조직에 대한 손상을 2배 내지 6배 감소시킬 수 있어, 환자의 생존과 삶의 질을 향상시킬 수 있다. 양성자는 x선에 비해 어린이의 2차 암의 수명 위험을 97% 줄일 수 있다.
상업적 양성자 요법 센터는 크고 고가의 입자 가속기를 사용하여 양성자 빔을 생성하는 기존의 양성자 요법 시스템의 단점으로 인해 현재에는 드물다. 가속기-기반 시스템은 대규모일 수 있으며 스케일링 가능하지 않다. 예를 들어, 도 2는 축구장에 대한 가속기 기반 양성자 요법 시스템의 근사적인 크기 비교를 나타낸다. 가속기-기반 시스템 운영에 고유한 에너지 요건 및 유지 보수 비용 또한 막대하다. 종합하면, 이러한 단점은 양성자 요법과 연관된 엄청난 구축 및 유지 보수 비용으로 이어진다. 가속기-기반 양성자 빔 생성과 연관된 지나친 비용 이외에, 이러한 시스템에서 양성자 빔의 특정 특성(예를 들어, 빔 에너지 및 빔 플럭스)을 조정하는 것은 번거롭고 시간 소모적일 수 있다. 이는 더 긴 치료 시간과 낮은 환자 치료량으로 이어져, 더 적은 환자가 비용 부담을 공유함에 따라 개별 치료 비용을 추가로 증가시킨다. 따라서, 현재 양성자 요법 센터는 거의 존재하지 않으며, 환자는 부분적으로 양성자 요법의 이용 불능으로 인해 열등한 치료를 종종 받는다.
본 개시는 양성자 요법에 대한 대안적인 접근법에 관한 것이다. 본원에 개시된 실시예는 양성자 빔 요법의 의료적 어플리케이션을 고려하지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 후술되는 신규한 양성자 빔 생성 방법 및 시스템이 양성자 빔이 요구되는 임의의 어플리케이션에 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
본원에 개시된 일부 실시예는 양성자 빔의 개선된 생성을 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 예를 들어, 개시된 실시예는 예를 들어 개선된 속도, 정밀성 및 구성 가능성을 제공하여 양성자 빔 생성이 보다 효율적이고 더 낮은 비용으로 수행될 수 있게 함으로써, 상술한 바와 같은 일부 종래의 양성자 생성 기술의 단점에 대해 개선될 수 있다. 개시된 실시예는 기존 시스템의 크기 및 복잡성을 추가로 감소시킬 수 있다.
본 실시예에 따르면, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버; 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스; 전자기 방사선 빔을 이온-생성 타겟으로 지향시켜 결과적인 양성자 빔을 발생시키도록 구성된 하나 이상의 광학 구성 요소들(optics components); 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성을 측정하도록 구성된 검출기; 및 검출기에 의해 측정된 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성에 기초하여 피드백 신호를 생성하고 전자기 방사선 소스, 하나 이상의 광학 구성 요소, 및 이온-생성 타겟에 대한 전자기 방사선 빔의 상대 위치 및 배향 중 적어도 하나 중 적어도 하나를 조정함으로써 양성자 빔을 변경시키도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
일부 실시예는, 전자기 방사선 빔을 제공하는 단계; 전자기 방사선 빔을 상호 작용 챔버 내의 이온-생성 타겟으로 지향시켜 결과적인 양성자 빔을 발생시키는 단계; 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성을 측정하는 단계; 및 적어도 하나의 측정된 레이저-타겟 상호 작용 특성에 기초하여 피드백 신호를 생성하여, 전자기 방사선 소스, 하나 이상의 광학 구성 요소, 및 이온-생성 타겟에 대한 전자기 방사선 빔의 상대 위치 및 배향 중 적어도 하나 중 적어도 하나를 조정함으로써 양성자 빔을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성은 양성자 빔 특성(예를 들어, 양성자 빔 에너지 또는 양성자 빔 플럭스)을 포함할 수 있다.
레이저-타겟 상호 작용 특성은 예를 들어, x선 방출 특성과 같은 2차 전자 방출 특성을 포함할 수 있다.
전자기 방사선 소스는 펄스화된 양성자 빔을 발생시키기 위해 하나 이상의 레이저 빔 또는 예를 들어, 펄스화된 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성될 수 있다.
상호 작용 챔버는 이온-생성 타겟을 지지하기 위한 타겟 스테이지를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 프로세서는 타겟 스테이지와 전자기 방사선 빔 사이의 상대 이동을 야기하도록 추가로 구성될 수 있다.
이온-생성 타겟의 구조는 예를 들어, 측정된 레이저-타겟 상호 작용 특성으로부터 생성된 피드백 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성은 양성자 빔 에너지를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성은 양성자 빔 플럭스를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 전자기 방사선 소스는 피드백 신호에 응답하여 상기 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일을 변경하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 전자기 방사선 소스는 메인 펄스 및 프리-펄스를 생성하도록 구성될 수 있고, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 소스로 하여금 피드백 신호에 응답하여 메인 펄스에 대한 프리-펄스의 콘트라스트 비를 변경하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 소스로 하여금 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 빔의 에너지를 변경하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 소스로 하여금 피드백 신호에 응답하여 예를 들어, 전자기 방사선 빔의 스폿 크기를 변경함으로써 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일을 변경하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 하나 이상의 광학 구성 요소들로 하여금 피드백 신호에 응답하여 예를 들어, 전자기 방사선 빔의 스폿 크기를 변경함으로써 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일을 변경하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 모터로 하여금 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 빔과 이온-생성 타겟 사이의 상대 배향을 변경하게 하도록 구성될 수 있다.
본 개시에 따른 다른 실시예는 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템을 포함할 수 있으며, 본 시스템은 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버; 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스; 전자기 방사선 빔을 상호 작용 챔버의 이온-생성 타겟으로 지향시켜 양성자 빔을 생성하도록 구성된 적응형 미러; 및 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일 및 전자기 방사선 빔과 이온-생성 타겟 사이의 상대 위치 및 배향 중 적어도 하나 중 적어도 하나를 조정하기 위하여 적응형 미러를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함한다.
일부 실시예는 전자기 방사선 빔을 제공하는 단계; 적응형 미러를 사용하여 전자기 방사선 빔을 상호 작용 챔버 내의 이온-생성 타겟으로 지향시켜 결과적인 양성자 빔을 발생시키는 단계; 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일 및 전자기 방사선 빔과 이온-생성 타겟 사이의 상대 위치 및 배향 중 적어도 하나 중 적어도 하나를 조정하기 위하여 적어도 하나의 프로세서로 적응형 미러를 제어하는 단계를 포함하는 방법을 포함할 수 있다.
예를 들어, 적응형 미러는 전자기 방사선 빔의 초점을 조정하고, 전자기 방사선 빔의 방향을 전환시키고, 전자기 방사선 빔을 스캐닝하는 것 중 적어도 하나에 의해 전자기 방사선 빔을 지향시키도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적응형 미러는 이온-생성 타겟 위에 전자기 방사선 빔을 래스터(raster)화하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적응형 미러는 복수의 패싯(facet)들을 포함하고, 복수의 패싯들의 각각은 디지털 논리 회로에 의해 독립적으로 제어될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적응형 미러는 반사-방지 코팅된 기판 상에 포커싱된 레이저 펄스를 포함하고, 레이저 펄스 및 반사-방지 코팅된 기판 중 하나 또는 둘 모두는 디지털 논리 회로에 의해 제어될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 적응형 미러로 하여금 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 빔을 이온-생성 타겟으로 지향하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 적응형 미러로 하여금 전자기 방사선 빔을 이온-생성 타겟의 표면 상의 미리 정해진 위치들로 지향하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 이온-생성 타겟의 표면은 패턴화된 어레이를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 이온-생성 타겟의 표면은 실질적으로 공통 축을 따라 배향된 복수의 이온-생성 구조들을 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 이온-생성 타겟의 표면은 적어도 하나의 나이프 에지(knife edge)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은, 타겟 위치에서 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버; 궤적을 따라 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스로서, 전자기 방사선 빔은 에너지, 편광, 공간 프로파일 및 시간 프로파일을 갖는, 전자기 방사선 소스; 전자기 방사선 소스와 이온-생성 타겟의 표면 사이의 전자기 방사선 빔의 궤적을 따라 위치되고, 전자기 방사선 빔으로 하여금 이온-생성 타겟을 조사하게 하여 에너지 및 플럭스를 갖는 양성자 빔의 형성을 용이하게 하기 위해 전자기 방사선 빔과 협업하도록 구성되는, 하나 이상의 광학 구성 요소들; 및 양성자 빔의 에너지를 실질적으로 일정하게 유지하면서 양성자 빔의 플럭스; 및 양성자 빔의 플럭스를 실질적으로 일정하게 유지하면서 양성자 빔의 에너지 중 적어도 하나를 조정하기 위하여, 전자기 방사선 소스 및 하나 이상의 광학 구성 요소들 중 적어도 하나를 제어하여 전자기 방사선 빔의 에너지, 전자기 방사선 빔의 편광, 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일 및 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일 중 적어도 하나를 변경하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세스를 포함할 수 있다.
일부 실시예는 양성자 빔을 생성하기 위한 방법을 포함할 수 있으며, 본 방법은, 상호 작용 챔버 내의 타겟 위치에서 이온-생성 타겟을 지지하는 단계; 전자기 방사선 소스에 의해, 궤적을 따라 전자기 방사선 빔을 제공하는 단계로서, 전자기 방사선 빔은 에너지, 편광, 공간 프로파일 및 시간 프로파일을 갖는, 단계; 전자기 방사선 소스와 이온-생성 타겟의 표면 사이의 전자기 방사선 빔의 궤적을 따라 위치된 하나 이상의 광학 구성 요소들에 의해 이온-생성 타겟을 전자기 방사선 빔으로 조사하는 단계로서, 하나 이상의 광학 구성 요소들은 에너지 및 플럭스를 갖는 양성자 빔의 형성을 용이하게 하기 위해 전자기 방사선 빔과 협업하도록 구성되는, 단계; 적어도 하나의 프로세서에 의해, 양성자 빔의 에너지를 실질적으로 일정하게 유지하면서 양성자 빔의 플럭스; 및 양성자 빔의 플럭스를 실질적으로 일정하게 유지하면서 양성자 빔의 에너지 중 적어도 하나를 조정하기 위하여, 전자기 방사선 소스 및 하나 이상의 광학 구성 요소들 중 적어도 하나를 제어하여 전자기 방사선 빔의 에너지, 전자기 방사선 빔의 편광, 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일 및 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 포함한다.
또한, 본 실시예에 따르면, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은, 타겟 위치에서 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버; 궤적을 따라 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스로서, 전자기 방사선 빔은 에너지, 편광, 공간 프로파일 및 시간 프로파일을 갖는, 전자기 방사선 소스; 전자기 방사선 소스와 이온-생성 타겟의 표면 사이의 전자기 방사선 빔의 궤적을 따라 위치되고, 전자기 방사선 빔으로 하여금 이온-생성 타겟을 조사하게 하여 에너지 및 플럭스를 갖는 양성자 빔의 형성을 용이하게 하기 위해 전자기 방사선 빔과 협업하도록 구성되는, 하나 이상의 광학 구성 요소들; 및 양성자 빔의 에너지를 변화시키면서 양성자 빔의 플럭스; 및 양성자 빔의 플럭스를 변화시키면서 양성자 빔의 에너지 중 적어도 하나를 조정하기 위하여, 전자기 방사선 소스 및 하나 이상의 광학 구성 요소들 중 적어도 하나를 제어하여 전자기 방사선 빔의 에너지, 전자기 방사선 빔의 편광, 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일 및 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일 중 적어도 하나를 변경하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세스를 포함할 수 있다.
일부 실시예는 양성자 빔을 생성하기 위한 방법을 포함할 수 있으며, 본 방법은, 상호 작용 챔버 내의 타겟 위치에서 이온-생성 타겟을 지지하는 단계; 전자기 방사선 소스에 의해, 궤적을 따라 전자기 방사선 빔을 제공하는 단계로서, 전자기 방사선 빔은 에너지, 편광, 공간 프로파일 및 시간 프로파일을 갖는, 단계; 전자기 방사선 소스와 이온-생성 타겟의 표면 사이의 전자기 방사선 빔의 궤적을 따라 위치된 하나 이상의 광학 구성 요소들에 의해 이온-생성 타겟을 전자기 방사선 빔으로 조사하는 단계로서, 하나 이상의 광학 구성 요소들은 에너지 및 플럭스를 갖는 양성자 빔의 형성을 용이하게 하기 위해 전자기 방사선 빔과 협업하도록 구성되는, 단계; 적어도 하나의 프로세서에 의해, 양성자 빔의 에너지를 변화시키면서 양성자 빔의 플럭스; 및 양성자 빔의 플럭스를 변화시키면서 양성자 빔의 에너지 중 적어도 하나를 조정하기 위하여, 전자기 방사선 소스 및 하나 이상의 광학 구성 요소들 중 적어도 하나를 제어하여 전자기 방사선 빔의 에너지, 전자기 방사선 빔의 편광, 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일 및 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 포함한다.
예를 들어, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 빔의 스폿 크기를 변경함으로써 전자기 방사선 빔의 상기 공간 프로파일을 변경하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 빔의 처프(chrip)를 변경함으로써 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일을 변경하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 하나 이상의 펌프 소스들의 타이밍을 변경함으로써 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일을 변경하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 전자기 방사선 빔이 편광되지 않도록 전자기 방사선 빔의 편광이 이루어질 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 전자기 방사선 소스는 펄스화된 전자기 방사선 빔을 제공하여 펄스화된 양성자 빔을 발생시키도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 소스로 하여금 전자기 방사선 빔의 에너지 및 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일을 변경하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 소스로 하여금 전자기 방사선 빔의 에너지 및 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일을 변화하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 소스로 하여금 전자기 방사선 빔의 에너지를 변화하게 하도록 구성될 수 있고, 적어도 하나의 프로세서는 하나 이상의 광학 구성 요소들로 하여금 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일을 변화하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 하나 이상의 광학 구성 요소들로 하여금 전자기 방사선 빔의 에너지 및 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일을 변화하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은, 복수의 패턴화된 피처들이 제공된 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버; 상기 복수의 패턴화된 피처들을 조사하기 위해 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스; 및 전자기 방사선 빔으로 하여금 복수의 패턴화된 피처들 중 개별적인 피처들을 타격하게 하여 결과적인 양성자 빔을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
일부 실시예는 복수의 패턴화된 피처들이 제공된 이온-생성 타겟을 상호 작용 챔버 내에 지지하는 단계; 전자기 방사선 소스에 의해, 복수의 패턴화된 피처들을 조사하기 위해 전자기 방사선 빔을 제공하는 단계; 및 전자기 방사선 빔으로 복수의 패턴화된 피처들 중 개별적인 피처들을 타격하여 결과적인 양성자 빔을 생성하는 단계를 포함하는 방법을 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은, 적어도 하나의 나이프 에지로 패턴화된 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버; 이온-생성 타겟의 적어도 하나의 나이프 에지를 조사하기 위한 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스; 및 전자기 방사선 빔으로 하여금 적어도 하나의 나이프 에지를 타격하게 하여 결과적인 양성자 빔을 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
또한, 일부 실시예는 상호 작용 챔버 내의 적어도 하나의 나이프 에지로 패턴화된 이온-생성 타겟을 지지하는 단계; 전자기 방사선 소스에 의해, 이온-생성 타겟의 적어도 하나의 나이프 에지를 조사하기 위한 전자기 방사선 빔을 제공하는 단계; 및 전자기 방사선 빔으로 적어도 하나의 나이프 에지를 타격하여 결과적인 양성자 빔을 발생시키는 단계를 포함하는 방법을 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 전자기 방사선 소스는 파장을 갖는 레이저 빔을 제공하도록 구성될 수 있고, 복수의 패턴화된 피처들 중 적어도 하나는 레이저 빔의 파장보다 작은 치수를 가질 수 있다. 유사하게, 나이프 에지는 레이저 빔의 파장보다 작은 치수를 가질 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 복수의 패턴화된 피처들은 이온-생성 타겟의 표면으로부터 멀어지게 연장되는 돌출부들을 포함한다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 이온-생성 타겟을 래스터화하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 빔으로 하여금 이온-생성 타겟의 표면을 연속적으로 또는 불연속적으로 스캐닝하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 적어도 하나의 나이프 에지를 연속적으로 또는 불연속적으로 스캐닝하기 위하여 적응형 미러로 하여금 전자기 방사선 빔을 조정하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 복수의 패턴화된 피처들 또는 나이프 에지는 얼음을 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 복수의 패턴화된 피처들 또는 나이프 에지는 실리콘을 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 복수의 패턴화된 피처들 또는 나이프 에지는 탄소를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 복수의 패턴화된 피처들 또는 나이프 에지는 플라스틱을 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 복수의 패턴화된 피처들 또는 나이프 에지는 스테인레스 스틸을 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 적응형 미러로 하여금 복수의 패턴화된 피처들 중 개별적인 피처들을 순차적으로 또는 동시에 타격하기 위하여, 또는 나이프 에지를 타격하기 위하여 전자기 방사선 빔을 조정하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 빔으로 하여금 패턴화된 피처들 중 개별적인 피처들을 순차적으로 타격하게 하기 위하여 모터를 조정하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 복수의 패턴화된 피처들 중 인접한 피처들 위의 전자기 방사선 빔의 순차적 스캐닝을 야기하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 타겟은 하나 초과의 나이프 에지로 패턴화될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은 적어도 하나의 이온 다발(ion bunch)을 포함하는 펄스화된 이온 빔을 생성하도록 구성된 이온 소스; 적어도 하나의 전자석; 전자석에 근접하고, 펄스화된 빔이 통하여 횡단하도록 배향되는 구역(zone); 적어도 하나의 전자석을 선택적으로 활성화시키기 위해 적어도 하나의 전자석에 전기적으로 접속된 적어도 하나의 자동화된 스위치; 적어도 하나의 자동화된 스위치를 활성화시키도록 구성된 방사선 트리거 소스; 및 이온 다발이 구역을 횡단할 때 적어도 하나의 전자석을 활성화시키도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
본 개시에 따른 다른 실시예는 대전 입자들의 펄스화된 빔을 지향시키기 위한 방법을 포함할 수 있으며, 본 방법은 적어도 하나의 이온 다발을 포함하는 펄스화된 이온 빔을 생성하는 단계로서, 펄스화된 이온 빔은 적어도 하나의 전자석에 근접한 구역을 통해 횡단하도록 구성되는, 단계; 방사선 트리거 소스에 의해, 적어도 하나의 자동화된 스위치를 활성화시키는 단계로서, 적어도 하나의 자동화된 스위치는 적어도 하나의 전자석에 전기적으로 접속되는, 단계; 및 자동화된 스위치의 활성화에 기초하여, 적어도 하나의 프로세서에 의해, 이온 다발이 구역을 횡단할 때 적어도 하나의 전자석을 선택적으로 활성화시키는 단계를 포함한다.
예를 들어, 본 실시예에 따르면, 방사선 트리거 소스는 이온, x선, 전자 및 레이저 방사선 중 하나 이상의 소스를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 전자석은 전자기장을 생성하도록 구성되고, 구역은 전자석이 활성화될 때 전자기장 내에 있도록 배향될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 구역은 약 1 인치보다 작은 치수를 가질 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 이온 소스는 방사선 트리거 소스 및 이온-생성 타겟을 포함할 수 있으며, 방사선 트리거 소스는 자동화된 스위치를 활성화시키고 이온-생성 타겟을 조사하여 펄스화된 이온 빔을 생성하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 방사선 트리거 소스가 자동화된 스위치를 활성화시키는 시간은 제어된 지연 라인에 의해 조정될 수 있다. 제어된 지연 라인은 예를 들어, 방사선 트리거 소스가 펄스화된 이온 빔과 동기하여 자동화된 스위치를 활성화시키는 시간을 조정하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 자동화된 스위치는 광도전성 반도체 스위치 또는 스파크(spark) 스위치를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 전자석은 펄스화된 이온 빔의 궤적을 따라 직렬로 복수의 전자석들을 포함할 수 있고, 적어도 하나의 자동화된 스위치는 복수의 자동화된 스위치들을 포함할 수 있고, 복수의 자동화된 스위치들의 각각은 복수의 전자석들 중 다른 것과 연관된다. 적어도 하나의 프로세서는 이온 다발이 각각의 전자석을 횡단할 때 복수의 자동화된 스위치들을 순차적으로 활성화시키도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 직렬의 하나 이상의 전자석들 중 제1 전자석은 펄스화된 이온 빔의 일부를 원래의 궤적으로부터 방향 전환된 궤적으로 방향 전환시키도록 구성될 수 있고, 직렬의 하나 이상의 전자석들 중 제2 전자석은 펄스화된 이온 빔의 방향 전환된 부분의 적어도 일부를 방향 전환된 궤적으로부터 원래의 궤적에 실질적으로 평행한 경로로 다시 방향 전환시키도록 구성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은 양성자 에너지 확산 내의 복수의 양성자 에너지들을 갖는 양성자 빔을 제공하도록 구성된 양성자 소스; 및 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 프로세서는, 3차원 좌표계의 2차원에서 양성자 빔과 치료 체적 사이의 상대 이동을 제어하고; 그리고 다른 2차원에서 실질적으로 고정된 좌표들을 유지하면서 3차원 좌표계의 제3 차원에서 치료 체적의 깊이를 조정하도록 양성자 에너지 확산을 제어하도록 구성된다.
본 개시에 따른 다른 실시예는 양성자들로 치료 체적을 치료하기 위한 방법을 포함할 수 있으며, 본 방법은 양성자 소스에 의해 양성자 에너지 확산 내의 복수의 양성자 에너지들을 갖는 양성자 빔을 제공하는 단계; 적어도 하나의 프로세서에 의해, 3차원 좌표계의 2차원에서 양성자 빔과 치료 체적 사이의 상대 이동을 제어하는 단계; 및 적어도 하나의 프로세서에 의해, 다른 2차원에서 실질적으로 고정된 좌표들을 유지하면서 3차원 좌표계의 제3 차원에서 치료 체적의 깊이를 조정하도록 양성자 에너지 확산을 제어하는 단계를 포함한다.
예를 들어, 본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 예를 들어, 갠트리(gantry)를 회전시키고, 양성자 빔을 전자석으로 지향시키고 및/또는 환자 지지 플랫폼을 이동시키는 것에 의해 양성자 빔과 치료 체적 사이의 상대 이동을 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 양성자들로 치료 체적을 치료하기 위한 시스템은 자기 분석기, 비행-시간(time-of-flight) 제어 유닛 및 에너지 저하기 중 적어도 하나를 사용하여 양성자 에너지 확산 및 양성자 에너지 분산을 제어하도록 구성될 수 있다.
다른 개시된 실시예에 따르면, 비일시적 컴퓨터-판독 가능 저장 매체가 하나 이상의 프로세서 디바이스에 의해 실행되고 본원에 설명된 임의의 방법을 수행하는 프로그램 명령들을 저장할 수 있다.
상술한 일반적인 설명은 단지 개시된 몇몇 실시예의 간략한 개요이며, 이하의 도면, 상세한 설명 및 청구항에 제시된 많은 발명의 개념을 한정하려고 의도된 것이 아니다.
본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 개시된 실시예의 특정 양태를 나타내고, 설명과 함께, 개시된 실시예를 설명한다. 도면에서:
도 1은 조직 깊이와 상관된 방사선 투여량을 도시하는 그래프이다.
도 2는 상술한 바와 같이, 일부 종래의 가속기-기반 입자 요법 시스템의 크기의 근사적인 표현이다.
도 3은 개시된 실시예에 따른 양성자 요법을 제공하기 위한 시스템의 상호 접속된 구성 요소의 예의 도면이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d 및 도 4e는 개시된 실시예에 따른 양성자 빔 생성을 위한 이온-생성 타겟의 예이다.
도 5는 개시된 실시예에 따른 양성자 요법 시스템을 제어하기 위한 제어기의 예의 개략도이다.
도 6은 개시된 실시예에 따른 전자기 방사선 소스의 예의 개략도이다.
도 7은 개시된 실시예에 따른 갠트리의 예의 개략도이다.
도 8은 개시된 실시예에 따른 갠트리의 다른 예의 개략도이다.
도 9는 개시된 실시예에 따른 양성자 요법 프로세스의 예의 흐름도이다.
도 10은 개시된 실시예에 따른 상호 작용 챔버의 예의 양태를 나타낸다.
도 11은 개시된 실시예에 따른 양성자 생성 피드백으로 양성자 요법을 제어하기 위한 프로세스의 예의 흐름도이다.
도 12는 개시된 실시예에 따른 예시적인 양성자 빔 펄스의 에너지를 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 개시된 실시예에 따른 양성자 에너지 선택 시스템의 예를 도시한다.
도 14는 개시된 실시예에 따른 양성자 생성 피드백에 기초하여 3차원 공간에서 양성자 요법 치료를 제어하기 위한 프로세스의 예의 흐름도이다.
도 15a, 도 15b, 도 15c 및 도 15d는 도 14의 프로세스에 기초한 예시적인 양성자 요법 치료의 양태를 도시한다.
이하 예시적인 실시예를 상세히 참조하며, 이들의 예는 첨부 도면에 나타내어지고 본원에 개시된다. 편리하다면, 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호가 사용된다.
이온 빔 요법을 제공하기 위한 시스템 및 방법이 본원에 제공된다. 후술하는 실시예는 양성자 요법과 관련하여 설명된다. 본원에서 사용되는 "양성자 요법"은 가장 흔히 암 치료에서 양성자 빔을 사용하여 질병 조직을 조사하는 입자 요법 의료 절차를 지칭한다. 이 설명은 이러한 요법 절차를 지칭하지만, 본원의 혁신의 의도된 범위는 요법 또는 의료 절차로 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 오히려, 임의의 목적으로 양성자 빔이 생성되는 임의의 시간에 적용될 수 있다. 또한, 본 개시는 양성자 빔의 생성에 한정되지 않고, 다른 형태의 이온 빔 생성에 또한 적용된다.
본 개시에 따라 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은 하나 이상의 전자기 방사선 소스를 포함할 수 있다. 본 개시에서 사용되는 "전자기 방사선"은 임의의 파장, 주파수, 에너지, 전력, 편광 및/또는 공간 또는 시간 프로파일을 갖는 임의의 형태의 전자기 방사선을 지칭할 수 있다. 일부 실시예에서, 전자기 방사선은 빔 형태로 전파될 수 있다. 예를 들어, 전자기 방사선 빔은 원하는 위치를 조사하기에 적절한 임의의 형태의 전자기 방사선일 수 있다. 일부 실시예에서, 양성자 요법 시스템을 제공하기 위한 시스템은 궤적을 따라 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성될 수 있다. 전자기 방사선 빔은, 예를 들어, 이온-생성 타겟(또한 더욱 상세히 후술됨)에 복수의 패턴화된 피처를 조사하도록 또는 이온-생성 타겟(또한 더욱 상세히 후술됨)에 하나 이상의 나이프 에지를 조사하도록 구성될 수 있다.
전자기 방사선 빔은 규정된 에너지, 파장, 전력, 에너지, 편광(또는 편광되지 않을 수 있음), 공간 프로파일 및/또는 시간 프로파일을 포함할 수 있다. 이러한 특성 중 임의의 것은 고정되거나 변할 수 있다. 예를 들어, 전자기 방사선 소스는 이온-생성 타겟의 특성에 맞춤화된 특성을 갖는 레이저 빔을 제공하도록 구성될 수 있다. 전자기 방사선 빔은 펄스화되어 펄스화된 양성자 빔을 발생시키거나, 연속적일 수 있어 연속적인 양성자 빔을 발생시킬 수 있다.
본 개시에 따른 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은 이온-생성 타겟을 포함할 수 있다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 이온-생성 타겟은 전자기 조사에 응답하여 이온을 생성하도록 구성된 임의의 재료, 장치 또는 요소의 조합을 지칭할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 이온-생성 타겟은 양성자 빔을 생성하도록 구성될 수 있지만; 양성자 빔은 단지 예일 뿐이다. 일부 실시예에서, 이온-생성 타겟에는 복수의 패턴화된 피처가 제공될 수 있다. 예를 들어, 복수의 패턴화된 피처는 이온-생성 타겟의 표면으로부터 연장되는 돌출부를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이온-생성 타겟은 하나 이상의 나이프 에지로 패턴화될 수 있다. 예를 들어, 이온-생성 타겟의 나이프 에지는 아레테(
Figure 112019135364455-pat00001
) 또는 블레이드의 에지와 유사한 하나 이상의 좁은 에지를 포함할 수 있다.
본 개시에 따라 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은 광학 구성 요소(들)를 포함할 수 있다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 광학 구성 요소(들)는 예를 들어, 전자기 방사선 빔의 성형, 지향, 필터링, 분할, 지연, 변조, 흡수, 증폭, 포커싱, 초핑(chopping) 및/또는 반사를 포함하는 임의의 방식으로 전자기 방사선 빔을 조작 및/또는 제어하기 위한 임의의 하나 이상의 구성 요소를 지칭할 수 있다. 예로서, 광학 구성 요소는 예를 들어, 전자기 방사선 소스와 이온-생성 타겟의 표면 사이에서 전자기 방사선 빔의 궤적을 따라 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 광학 구성 요소는 전자기 방사선 빔을 이온-생성 타겟으로 지향시켜, 예를 들어, 결과적인 양성자 빔을 발생시키도록 구성될 수 있다. 또한, 전자기 방사선 소스는 전자기 방사선 빔의 형성을 용이하게 하기 위해 하나 이상의 광학 구성 요소를 포함할 수 있다.
본 개시에 따르면, 광학 구성 요소는 하나 이상의 적응형 미러(들)를 포함할 수 있다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 적응형 미러는 적응될 수 있는 반사 표면을 포함하는 요소를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 적응형 미러는 복수의 패싯(facet)을 포함하는 변형 가능한 미러일 수 있으며, 복수의 패싯의 각각은 디지털 논리 회로에 의해 독립적으로 제어 가능하다. 다른 예로서, 적응형 미러는 반사-방지 코팅된 기판 상에 포커싱된 레이저 펄스를 포함하는 플라즈마 미러일 수 있으며, 레이저 펄스 및 반사-방지 코팅된 기판 중 하나 또는 둘 모두는 디지털 논리 회로에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 적응형 미러는 전자기 방사선 빔을 이온-생성 타겟으로 지향시키도록 구성될 수 있거나, 일부 경우에는 전자기 방사선 빔으로 하여금 이온-생성 타겟을 조사하게 하여 양성자 빔의 형성을 용이하게 하기 위해 전자기 방사선 빔과 협업하도록 구성될 수 있다. 본 개시에 따른 적응형 미러는 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일을 조정 또는 제어하고 및/또는 전자기 빔과 이온-생성 타겟 사이의 상대 위치 및 배향 중 적어도 하나를 조정 또는 제어하도록 구성될 수 있다. 일부 예에서, 적응형 미러는 전자기 방사선 빔의 하나 이상의 특성을 조정함으로써 전자기 방사선 빔을 지향시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 조정은 전자기 방사선 빔의 초점을 조정하고, 전자기 방사선 빔을 방향 전환시키고, 전자기 방사선 빔을 스캐닝하는 것 중 적어도 하나에 의해 달성될 수 있다.
본 개시에 따르면, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은 예를 들어 이온-생성 타겟 위에 전자기 방사선 빔을 래스터화하도록 구성될 수 있다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 래스터화는 임의의 형상을 갖는 표면 또는 체적 위의 순차적 스캐닝의 패턴을 지칭할 수 있다. 래스터화는, 예를 들어, 전자기 방사선 빔으로 하여금 표면 또는 체적을 순차적으로 스캐닝하게 하도록 구성된 하나 이상의 모터에 의해 달성될 수 있다. 일부 실시예에서, 전자기 방사선 빔은 이온-생성 타겟 또는 이온-생성 타겟의 나이프 에지의 개별적인 패턴화된 피처 위에 래스터화될 수 있다. 일부 실시예에서, 적응형 미러는 이온-생성 타겟의 개별적인 피처를 타격하기 위하여 전자기 방사선 빔을 지향시키도록 구성될 수 있다.
본 개시에 따라 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은 양성자 빔 조정 구성 요소(들)를 포함할 수 있다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 양성자 빔 조정 구성 요소(들)는 예를 들어, 양성자 빔을 가속, 분석, 지향, 성형, 필터링, 분할, 지연, 변조, 흡수, 증폭, 포커싱, 초핑 및/또는 반사하는 것을 포함하여 임의의 방식으로 양성자 빔을 조작 및/또는 제어하기 위한 임의의 하나 이상의 구성 요소를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 양성자 빔 조정 구성 요소는 하나 이상의 4중극 렌즈, 원통형 미러 렌즈/분석기("CMA: cylindrical mirror lens/analyzer)"), 구형 미러 렌즈/분석기("SMA(spherical mirror lens/analyzer)"), 콜리메이터(collimator), 에너지 저하기, 비행-시간(time-of flight) 제어 유닛, 자기 쌍극자, 또는 대전 이온을 조작하기에 적절한 다른 구성 요소를 포함할 수 있다.
본 개시에 따른 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은 양성자로 치료 체적을 치료하기 위한 시스템과 연계하여 사용될 수 있다. 의료적 치료의 경우, 체적은 세포 그룹 또는 조직 영역일 수 있다. 의료 분야 외에서 채용되는 경우, 체적은 방사선의 인가를 통해 이익이 달성될 수 있는 임의의 영역 또는 구역일 수 있다.
본 개시에 따르면, 갠트리가 제공될 수 있다. 갠트리는 방사선을 타겟을 향해 지향시키는 데 지원하도록 구성된 임의의 장치를 지칭할 수 있다. 조사될 타겟은 예를 들어, 환자의 신체 내의 종양과 같은 치료 체적일 수 있다. 본 개시에 따른 양성자로 치료 체적을 치료하기 위한 시스템은 양성자 빔을 생성하기 위해 개시된 시스템의 단지 하나의 어플리케이션일 뿐이므로, 이것은 단지 예일 뿐이라는 것이 이해되어야 한다. 갠트리는 또한 양성자 빔 또는 다른 방사선 빔을 조사될 임의의 타겟을 향하도록 지향시키는 데 사용될 수 있다.
본 개시에 따르면, 환자 지지 플랫폼이 제공될 수 있다. 환자 지지 플랫폼은 조사 요법 동안 환자를 지지하도록 구성된 임의의 표면, 기초 또는 다른 구조를 지칭할 수 있다. 환자 지지 플랫폼은 고정될 수 있거나 임의의 치수로 조절 가능할 수 있다.
본 개시에 따른 임의의 시스템은 시스템에 포함된 임의의 구성 요소의 사용을 모니터링, 제어 및/또는 용이하게 하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 개시된 실시예에 따르면, 프로세서는 예를 들어, 어플리케이션 특정 집적 회로(ASIC: application specific integrated circuit), 디지털 신호 프로세서(DSP: digital signal processor), 프로그래머블 논리 디바이스(PLC: programmable logic device), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA: field programmable gate array), 컨트롤러, 마이크로프로세서 또는 다른 유사한 전자 디바이스 및/또는 이들의 조합을 포함하여 임의의 하나 이상의 프로세싱 디바이스를 지칭할 수 있다. 프로세서는 제어 시스템의 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다.
본 개시에 따른 일부 실시예에서, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 빔으로 하여금 이온-생성 타겟의 복수의 패턴화된 피처를 구성하는 개별적인 패턴화된 피처를 타격하여 결과적인 양성자 빔을 생성하게 하도록 구성될 수 있다. 본 개시에 따른 일부 실시예에서, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 빔으로 하여금 이온-생성 타겟의 하나 이상의 나이프 에지를 타격하게 하여 결과적인 양성자 빔을 생성하게 하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 소스 및/또는 광학 구성 요소 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 예를 들어, 프로세서 또는 프로세서 그룹은 전자기 방사선 빔의 에너지, 전자기 방사선 빔의 플럭스, 전자기 방사선 빔의 편광, 전자기 에너지 빔의 공간 프로파일, 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일 또는 전자기 방사선 빔의 다른 양태 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 소스로 하여금 전자기 방사선 빔의 스폿(spot) 크기를 변경함으로써 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일을 변경하게 하는 명령을 생성할 수 있다. 다른 예로서, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 빔의 처프(chirp)를 변경함으로써 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일을 변경할 수 있다. 다른 예로서, 적어도 하나의 프로세서는 하나 이상의 레이저 펌프 소스의 타이밍을 변경함으로써 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일을 변경할 수 있다.
본 개시에 따른 실시예에서, 적어도 하나의 프로세서는 적응형 미러로 하여금 전자기 방사선 빔이 이온-생성 타겟의 표면상의 미리 정해진 위치로 지향하게 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서 또는 프로세서들은 전자기 방사선 빔으로 하여금 이온-생성 타겟을 래스터화하게 하도록 구성될 수 있다. 이러한 래스터화는 복수의 패턴화된 피처를 구성하는 인접하는 패턴화된 피처 위의 전자기 방사선 빔의 순차적 스캐닝을 포함할 수 있다. 개별적인 패턴화된 피처를 타격하는 것은 예를 들어, 이온-생성 타겟의 표면을 연속적으로 또는 불연속적으로 스캐닝하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세서는 적응형 미러로 하여금 패턴화된 피처를 개별적으로 타격하기 위하여 전자기 방사선 빔을 조정하게 하도록 구성될 수 있거나, 개별적인 패턴화된 피처를 동시에 타격하도록 구성될 수 있다.
본 개시에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 시스템의 복수의 양태를 독립적으로 또는 동시에 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 프로세서는 양성자 빔의 에너지를 실질적으로 일정하게 유지하면서 양성자 빔의 플럭스를 조정하도록 구성될 수 있거나, 양성자 빔의 플럭스를 실질적으로 일정하게 유지하면서 양성자 빔의 에너지를 조정하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 적어도 하나의 프로세서는 양성자 빔의 플럭스와 양성자 빔의 에너지를 동시에 조정하도록 구성될 수 있다.
도 3은 양성자 빔을 생성하기 위한 예시적인 시스템을 포함하는 양성자 요법을 제공하기 위한 예시적인 시스템(300)을 도시한다. 시스템(300)은 또한 치료 체적을 양성자로 치료하기 위한 시스템의 일례이다. 개시된 실시예에 따르면, 시스템(300)은 전자기 방사선 소스(302), 이온-생성 타겟(304), 광학 구성 요소(들)(306), 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308), 갠트리(310), 환자 지지 플랫폼(312) 및 상술한 것 중 임의의 하나 이상과 통신하도록 구성된 제어 시스템(314) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
환자 지지 플랫폼(312) 상에 환자가 위치될 수 있다. 환자 지지 플랫폼(312)은 시스템(300)의 다른 구성 요소와 함께 사용하기에 적절하고 치료 동안 환자를 지지하는 데 도움이 되는 임의의 형상 또는 형태일 수 있다. 환자 지지 플랫폼(312)은 갠트리(310)에 대해 제자리에 고정될 수 있거나, 환자 지지 플랫폼(312)은 치료 전 또는 치료 동안 병진 및/또는 회전을 위해 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 환자 지지 플랫폼(312)은 상이한 크기의 환자를 수용하거나 양성자 빔의 경로에 치료 체적을 위치시키도록 조정될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 환자 지지 플랫폼(312)은 양성자 빔에 대한 치료 체적을 재위치시키기 위해 치료 동안 조정될 수 있다.
갠트리(310)는 양성자 빔을 환자의 신체 내에서 종양과 같은 치료 체적을 향하도록 지향시키도록 구성될 수 있다. 갠트리(310)는 양성자 빔의 경로에 영향을 주기 위해 하나 이상의 방식으로 조작되도록 구성될 수 있고, 다수의 재료로 구성되고 다수의 구성 요소를 포함할 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 갠트리(310)의 예가 더욱 상세하게 후술되며, 이는 한정하려는 의도가 아니다.
　전자기 방사선 소스(302)는 이온-생성 타겟(304)을 향해 지향되는 전자기 방사선 빔(316), 예를 들어, 레이저 빔을 방출할 수 있다. 일부 실시예에서, 전자기 방사선 소스(302)는 하나 이상의 가스 레이저(예를 들어, CO2 레이저), 다이오드 펌핑된 솔리드 스테이트(DPSS: diode pumped solid state) 레이저(예를 들어, 이테르븀 레이저, 네오디뮴-도핑된 이트륨 알루미늄 가넷 레이저(Nd: YAG) 또는 티타늄-사파이어 레이저(Ti: 사파이어)) 및/또는 플래시 램프 펌핑된 솔리드 스테이트 레이저(예를 들어, Nd: YAG 또는 네오디뮴 유리)를 포함할 수 있다. 보다 넓은 의미에서, 타겟으로부터 이온을 방출시킬 수 있는 임의의 방사선 소스가 채용될 수 있다.
전자기 방사선 소스(302)는 그 강도, 펄스의 시간적인 지속 기간 및 이온-생성 타겟(304) 상의 레이저의 스폿 크기로 나눈 에너지에 기초하여 선택될 수 있다. 공간 프로파일(예를 들어, 스폿 크기), 파장, 시간적 지속 기간 및 에너지의 다양한 조합이 여전히 동일한 강도를 제공하면서 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 전자기 방사선 빔(316)은 1 J 내지 25,000 J의 에너지 범위 및 400 nm 내지 10,000 nm의 파장 범위 내에 있을 수 있다. 전자기 방사선 빔(316)은 예를 들어, 10 fs 내지 100 ns의 펄스 폭 범위로 펄스화될 수 있다. 전자기 방사선 빔(316)은 다양한 스폿 크기를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 1 μm2 내지 1 cm2의 스폿 크기가 사용될 수 있다. 전자기 방사선 빔(316)의 공간 프로파일이 임의의 빔 프로파일을 가질 수 있지만, 일부 실시예에서 공간 프로파일은 가우시안(Gaussian), 수퍼-가우시안, 탑 햇(Top Hat), 베셀(Bessel) 또는 환형 빔 프로파일을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전자기 방사선 소스(302)는 하나 이상의 프리-펄스 후에 메인 펄스를 생성하도록 구성될 수 있다. 콘트라스트 비(즉, 메인 펄스와 또한 메인 펄스 전에 도달하는 "페데스탈(pedestal)"이라 칭해지는 프리-펄스 사이의 비)는 양성자 생성에 영향을 줄 수 있다. 콘트라스트 비는 레이저의 강도가 높을수록 더 구체적으로 규정될 수 있다. 예로서, 100 ps보다 짧은 타임스케일에서, 콘트라스트 비는 10-8 내지 10-12의 범위일 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 전자기 방사선 소스(302)는 Ti:사파이어 레이저일 수 있다. Ti:사파이어 레이저의 예에서, 전자기 방사선 빔(316)은 약 1 J 내지 25 J의 에너지 범위 내에 있을 수 있고, 약 800 nm의 파장을 가질 수 있다. 이 예에서, 전자기 방사선 빔(316)은 약 10 fs 내지 400 fs의 펄스 폭 범위, 약 2 μm2 내지 1 mm2의 스폿 크기, 및 가우시안 또는 탑 햇 공간 프로파일을 가질 수 있다. 이들 특성은 단지 예시적인 것이며, 다른 구성이 채용될 수 있다.
전자기 방사선 빔(316)은 예를 들어, 전자기 방사선 소스(302)와 이온-생성 타겟(304) 사이의 궤적을 따라 배치된 하나 이상의 광학 구성 요소(들)(306)에 의해 이온-생성 타겟(304)으로 지향될 수 있다. 광학 구성 요소(들)(306)는 스펙트럼 특성, 공간 특성, 시간 특성, 에너지, 편광, 콘트라스트 비 또는 다른 특성을 포함하여 전자기 방사선 빔(316)의 특성을 변경하도록 구성된 하나 이상의 광학 및/또는 기계적 구성 요소를 포함할 수 있다. 광학 구성 요소(들)(306)는, 예를 들어, 전자기 방사선 빔(316)을 생성, 최적화, 조향, 정렬, 수정 및/또는 측정하는 데, 또는 시스템(300)의 다른 양태에 관련될 수 있다. 광학 구성 요소(들)(306)는 렌즈, 미러, 레이저 결정 및 기타 레이징 재료, 피에조 활성화된 미러, 플레이트, 프리즘, 빔 스플리터, 필터, 광 파이프, 윈도우, 블랭크, 광섬유, 주파수 시프터, 광 증폭기, 격자, 펄스 성형기, XPW, Mazzler(또는 Dazzler) 필터, 편광기, 포켓 셀(Pocket cell), 광 변조기, 조리개, 가포성 흡수제 및 다른 광학 요소와 같은 광범위하게 다양한 광학 요소를 포함할 수 있다.
광학 구성 요소(들)(306)는 고정적이거나 적응적일 수 있다. 예를 들어, 광학 구성 요소(들)(306)는 변형 가능한 미러, 플라즈마 미러, 포켓 셀, 위상 시프터, 광 변조기, 홍채, 셔터(수동 및 컴퓨터 제어) 및 다른 유사한 구성 요소와 같은 하나 이상의 능동적인, 적응적인 또는 재구성 가능한 구성 요소를 포함할 수 있다. 변형 가능한 미러 또는 플라즈마 미러의 경우와 같이, 적응적 특성은 광학 구성 요소 자체를 조작할 수 있다. 광학 구성 요소(들)(306)의 배향은 또한 광학 구성 요소(들)(306)를 병진 이동시키거나 광학 구성 요소(들)(306)를 회전 축 주위로 회전시키는 것과 같이 조정 가능할 수 있다. 조정은 수동 또는 자동일 수 있다. 일례로서, 제어 시스템(314)은 피드백 신호를 수신할 수 있고, 이에 응답하여 전자기 방사선 빔(316)과 이온-생성 타겟(304) 사이에 위치된 광학 구성 요소(들)(306)에 접속된 모터에 제어 신호를 제공할 수 있다. 결과적으로, 모터의 이동은 전자기 방사선 빔(316)과 이온-생성 타겟(304) 사이의 상대 배향을 변경하도록(예를 들어, 레이저-타겟 상호 작용의 위치를 재위치시킴으로써) 광학 구성 요소(들)(306)를 조정할 수 있다.
광학 구성 요소(들)(306)에 채용될 수 있는 변형 가능한 미러의 예는 예를 들어, 세그먼트화된 미러, 연속적인 면판의 미러, 자기 미러, MEMS 미러, 멤브레인 미러, 바이모프(bimorph) 미러 및/또는 페로플루이드(ferrofluid) 미러를 포함한다. 전자기 방사선 빔의 파면을 변경할 수 있는 임의의 수의 다른 미러 기술이 또한 사용될 수 있다.
광학 구성 요소(들)(306)에 채용될 수 있는 플라즈마 미러의 예는 반사-방지 코팅된 기판 상에 포커싱된 레이저 펄스를 포함하며, 이는 펄스의 저 강도 백그라운드로부터 고강도 피크를 반사 및 분리시키도록 이온화한다. 예로서, 플라즈마 미러는 반사-방지 코팅된 기판의 전방에 위치된 포물면 미러를 향해 레이저 펄스를 지향하게 함으로써 확립될 수 있다. 플라즈마 미러를 구현하는 다른 방식이 또한 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려져 있으며, 본원에서 설명되는 시스템 및 방법의 실시예와 함께 사용하기에 적절하다.
광학 구성 요소(들)(306)는 의도된 빔과 관련된 파라미터에 맞춤화될 수 있다. 예를 들어, 광학 구성 요소(306)는 파장, 강도, 시간 펄스형상(예를 들어, 펄스 폭), 공간 크기 및 에너지 분산, 편광 및 의도된 빔의 다른 특성의 관점에서 맞춤화될 수 있다. 이러한 빔 파라미터는 광학 기판 재료, 크기(예를 들어, 횡방향 크기 또는 두께), 코팅 재료(존재하는 경우), 형상(예를 들어, 평면, 구형 또는 기타), 빔에 대한 배향 또는 다른 사양과 관련될 수 있다.
광학 구성 요소(들)(306)는 적절한 정확도, 예를 들어, 병진 및 회전뿐만 아니라 다른 자유도로 요소의 위치 결정을 허용하면서 요소를 제 자리에 유지시키도록 구성된 하나 이상의 대응하는 홀더를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 홀더는 광학 테이블 또는 임의의 다른 기계적 홀더에 의해 제 자리에 유지된 광-기계적 마운트를 포함할 수 있다. 이러한 자유도는 수동으로 또는 전기 모터와 같은 임의의 적절한 자동화 수단을 통해 조작될 수 있다.
광학 구성 요소(들)(306)는 진공 및/또는 하나 이상의 가스에 의해 퍼징(purging)되는 환경과 같은 특정 환경 조건에 배치될 수 있다. 또한, 광학 구성 요소(306)는 전자기 방사선 소스(302)와 이온-생성 타겟(304) 사이의 전자기 방사선 소스(302)의 경로를 따라 다양한 위치에, 또는 광학 구성 요소가 요구되는 임의의 다른 시스템(300)에 배치될 수 있다. 광학 구성 요소(들)(306)는 레이저 빔 조향, 레이저 빔 진단, 레이저-타겟 상호 작용 진단, 및/또는 이온-생성 타겟 뷰잉 및 위치 결정과 같은 다양한 용도로 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 광학 구성 요소(들)(306)의 수명은 변할 수 있다. 일부 광학 구성 요소(들)(306)는 여러 회 재사용되는 장기간의 장비일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 광학 구성 요소(들)(306)는 더 적은 횟수로 사용되고 교체되는 소모적인 것일 수 있다. 이러한 분류는 레이저 강도 및 잔해/오염의 존재와 같은 많은 요인에 기초할 수 있다. 일부 실시예에서 잔해 차폐는 빈번한 교체의 필요성을 줄이기 위해 고가이거나 섬세한 광학 기기에 근접하여 설치될 수 있다. 손상이 의심되는 광학 기기에 대해 정기적인 검사가 수행될 수 있다. 특수 광학 시스템이 설치되어 위험한 광학 기기를 검사할 수 있다.
광학 구성 요소(들)(306)는 수동, 자동 또는 이들의 임의의 조합에 의해 조작될 수 있다. 광학 구성 요소(306)를 조작하기 위한 입력 유형은 고전압 신호, 트리거링 신호, 광학 펌핑 또는 임의의 다른 형태의 입력을 포함할 수 있다. 또한, 광학 구성 요소(들)(306)는 CCD 카메라와 같은 하나 이상의 카메라에 의해 모니터링될 수 있다. 적응형 미러(들)의 자동 조작은 예를 들어, 제어 시스템(314)에 의해 제공된 하나 이상의 신호에 응답하여 발생할 수 있다. 제어 시스템(314)은 예를 들어, 변형 가능 미러와 연관된 하나 이상의 모터(들), 압전 소자(들), 미세 전자 기계(MEMS: microelectromechanical) 요소(들) 등을 제어할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제어 시스템(314)은, 예를 들어, 플라즈마 미러와 연관된 하나 이상의 레이저 펄스(들), 반사-방지 코팅된 기판(들) 등을 제어할 수 있다.
일부 실시예에서, 광학 구성 요소(들)(306)는 복수의 패싯을 갖는 변형 가능한 미러와 같은 적응형의 변형 가능한 미러를 포함할 수 있으며, 복수의 패싯의 각각은 독립적으로 제어 가능하다. 패싯은 제어 시스템(314)에 포함된 디지털 제어 논리 회로와 같은 디지털 제어 논리 회로에 의해 제어될 수 있다. 다른 예로서, 적응형 미러는 포커싱된 레이저 펄스를 사용하여 반사-방지 코팅된 기판을 이온화하여 레이저 펄스의 저 강도 백그라운드로부터 고강도 피크를 반사 및 분리하는 플라즈마 미러일 수 있다. 레이저 펄스 및/또는 반사-방지 코팅된 기판은 제어 시스템(314)에 포함된 디지털 제어 논리 회로와 같은 디지털 제어 논리 회로에 의해 제어될 수 있다.
적응형 미러는 전자기 방사선 빔의 초점을 조정하고, 전자기 방사선 빔을 방향 전환시키고, 전자기 방사선 빔을 스캐닝하는 것 중 하나 이상에 의해 전자기 방사선 빔(316)을 지향시키도록 구성될 수 있다. 적응형 미러는 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백한 임의의 방식으로 전자기 방사선 빔의 초점을 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전자기 방사선 빔(316)은 변형 가능한 미러의 복수의 패싯을 타격할 수 있거나, 전자기 방사선 빔(316)은 플라즈마 미러를 타격할 수 있다. 일부 구성에서, 전자기 방사선 빔(316)이 지향되는 곳을 조정하거나 전자기 방사선 빔(316)의 특성을 조정하는 것이 바람직할 수 있다. 변형 가능한 미러의 복수의 패싯은 원하는 위치에서의 스폿 크기가 변형 가능 미러를 타격하기 직전의 스폿 크기보다 작거나, 크거나 또는 다르게 성형되도록 전자기 방사선 빔(316)을 반사하도록 제어될 수 있다. 마찬가지로, 플라즈마 미러는 원하는 위치에서의 스폿 크기가 플라즈마 미러를 타격하기 직전의 스폿 크기보다 작거나, 크거나, 다르게 성형되도록 전자기 방사선 빔(316)을 반사하도록 제어될 수 있다.
적응형 미러는 또한 전자기 방사선 빔(316)을 방향 전환시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 시스템(300)은 전자기 방사선 빔(316)이 이온-생성 타겟(304) 상의 복수의 위치 또는 시스템(300) 내의 상이한 위치에 배치된 복수의 이온-생성 타겟(304)을 순차적으로 또는 동시에 타격하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에서, 적응형 미러 또는 다른 광학 구성 요소(들)(306)는 전자기 방사선 빔(316)의 경로를 변경하여 빔을 복수의 위치 및/또는 복수의 이온-생성 타겟으로 지향시킬 수 있다. 예를 들어, 적응형 미러 또는 다른 광학 구성 요소(들)(306)는 단계적 방식과 같이, 연속적으로 또는 불연속적으로 패턴으로 전자기 방사선 빔(316)을 한 위치로부터 인접한 위치로 순차적으로 방향 전환(예를 들어, 스캐닝)할 수 있다. 자동화된 프로세스에서, 제어 시스템(314)은 적응형 미러로 하여금 전자기 방사선 빔(316)을 이온-생성 타겟(304)의 표면 상의 미리 정해진 위치로 지향시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이온-생성 타겟(304)의 표면에 제공된 이온-생성 피처의 패턴화된 어레이 위에 전자기 방사선 빔(316)을 스캐닝하는 것이 유리할 수 있다. 또한 이온-생성 타겟(304)의 표면으로부터 실질적으로 멀어지게 연장되는 돌출부와 같이, 실질적으로 공통 축을 따라 배향되는 복수의 이온-생성 구조를 포함하는 이온-생성 타겟(304) 위에 전자기 방사선 빔(316)을 스캐닝하는 것이 유리할 수 있다. 또한 아레테 또는 블레이드의 에지와 유사한 좁은 에지를 갖는 하나 이상의 피처를 포함하는 이온-생성 타겟과 같이, 하나 이상의 나이프 에지로 패턴화된 이온-생성 타겟(304) 위에 전자기 방사선 빔(316)을 스캐닝하는 것이 유리할 수 있다. 적응형 미러가 예로서 설명된다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 다른 광학 구성 요소(들)(306)가 적응형 미러를 참조하여 상술한 것과 동일하거나 유사한 기능을 수행할 수 있음을 인식할 것이다.
본 개시에 따르면, 이온-생성 타겟은 이온 생성을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이온-생성 타겟은 하나 이상의 이온-생성 구조 또는 피처를 갖는 표면을 포함할 수 있다. 이러한 구조 또는 피처는 얼음(또한 눈이라고도 칭함), 플라스틱, 실리콘, 스테인레스 스틸 또는 임의의 다양한 금속, 탄소 및/또는 이온 빔이 생성될 수 있는 임의의 다른 재료를 포함하여 하나 이상의 적절한 재료로 구성될 수 있다. 이러한 구조는 무작위로 배열되고, 성장 또는 증착 프로세스에 의해 규정된 바와 같이 배열되고 및/또는 패턴화된 어레이로 배열될 수 있다. 이러한 구조는 대안적으로 또는 추가적으로 아레테 또는 블레이드의 에지와 유사한 하나 이상의 좁은 에지를 포함할 수 있다. 구조는 전자기 방사선 빔의 하나 이상의 속성에 기초하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 이러한 구조는 레이저와 같은 전자기 방사선 빔의 파장보다 작은 치수를 가질 수 있다.
전자기 방사선 빔(316)에 의해 타격될 때 이온-생성 타겟(304)은 전자, 양성자, x선 및 다른 입자를 포함하는 다양한 입자를 방출할 수 있다. 이온-생성 타겟(304)은 다양한 재료로 구성될 수 있다. 이온-생성 타겟(304)은 전자기 방사선 빔(316)과 상호 작용하도록 구성된 하나 이상의 개별 피처를 포함하도록 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이온-생성 타겟(304)은 전자기 방사선 빔(316)과 상호 작용하기에 유리한 재료로 형성된 연속 표면 또는 텍스처를 포함할 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 전자기 방사선 빔과 상호 작용할 때 입자를 방출하기 위해 채용될 수 있는 다수의 구성이 있으며, 개시된 실시예는 단지 예시적이라는 것을 이해할 것이다.
일부 실시예에서, 이온-생성 타겟(304)은 사전 제조될 수 있다. 다른 실시예에서, 이온-생성 타겟(304)은 시스템(300) 또는 부착된 샘플 준비 시스템 내에서 현장에서 생성될 수 있다. 예를 들어, 이온-생성 타겟(304)은 후술하는 상호 작용 챔버(1000)와 같은 상호 작용 챔버 내에 배치될 수 있다. 이는 기판 상에 이러한 재료를 형성하는 것을 포함하여 적절한 재료로부터 이온-생성 타겟을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 재료는 증발, 물리 기상 증착, 화학 기상 증착, 분자 빔 에피택시, 원자층 증착 등과 같은 기술에서 통상적으로 알려진 유형의 임의의 가스, 고체 또는 액체 화학 소스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이온-생성 타겟(304)이 얼음을 포함하는 실시예에서, 이온-생성 타겟을 형성하는 데 사용되는 재료는 수증기(H2O), 수소 가스(H2) 및/또는 산소 가스(O2)를 포함할 수 있다. 또한, 이온-생성 타겟(304)이 실리콘을 포함하는 실시예에서, 이온-생성 타겟(304)을 형성하는 데 사용되는 재료는 예를 들어, 실란(SiH4), 디실란(Si2H6), 트리클로로실란(SiHCl3) 또는 임의의 다른 실리콘 소스를 포함할 수 있다. 또한, 이온-생성 타겟(304)이 플라스틱을 포함하는 실시예에서, 소스는 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 중합체 소스 재료 또는 임의의 다른 PTFE 소스를 포함할 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자가 인식할 수 있는 바와 같이, 이들은 많은 이용 가능한 타겟 재료 및 타겟 소스 재료 중에서 단지 몇몇 예시적인 예일 뿐이다. 또한, 상호 작용 챔버는 채용되는 타겟의 형태에 맞게 구조가 다양할 수 있다. 예를 들어, 타겟이 얼음인 경우, 상호 작용 챔버는 얼음을 지지하기 위해 적절한 온도를 유지하도록 구체적으로 구성될 수 있다. 각각의 타겟 재료는 상이한 유지 요건을 가질 수 있고, 따라서 상호 작용 챔버의 구조는 타겟에 적합하도록 변할 수 있다.
도 4는 이온-생성 타겟(304)으로서 채용될 수 있는 예시적인 이온-생성 타겟을 도시한다. 예를 들어, 도 4a는 중공형, 모래시계형 원추(406) 위에 위치된 캡 구조(404)를 포함하는 이온-생성 타겟(402)을 나타낸다. 일 실시예에서, 원추의 적어도 2개의 대향 지점 사이의 거리는 약 15 pm 미만일 수 있다. 특정 예에서, 거리는 약 1 pm 미만일 수 있다. 일부 실시예에서, 이온-생성 타겟(402)의 피처는 자유 독립형일 수 있다. 이러한 피처는 예를 들어, 원추, 피라미드, 반구 및 캡핑된 구조를 포함하는 임의의 수의 형상을 포함할 수 있다. (이온-생성 타겟(304)의 다른 실시예뿐만 아니라) 도 4에 나타낸 예시적인 이온-생성 타겟(402)의 구조는 포토리소그래피 기술과 같은 리소그래피 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 특정 예에서, 이온-생성 타겟 원추(406)는 실리콘 웨이퍼(408) 상에 제조된 후 하나 이상의 금속(410)으로 코팅될 수 있다. 일부 실시예에서, 양성자는 후면 개구(412)로부터 방출될 수 있다. 도 4b는 본 발명에 사용하기 위한 이온-생성 타겟(304)으로서 적절한 다른 예시적인 이온-생성 타겟을 도시한다. 도 4b는 표면에 하나 이상의 마이크로-원추 타겟(420)을 갖는 이온-생성 타겟의 일부를 도시한다. 각각의 마이크로-원추 타겟(420)은 고 에너지, 저 발산 입자 빔을 생성하는 데 적절할 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로-원추 타겟(420)은 외부 표면(424), 내부 표면(426), 대체로 편평하고 둥근 개방형 베이스(428) 및 정점을 규정하는 팁(430)을 갖는 실질적으로 원추형의 몸체(422)를 포함할 수 있다. 원추형 몸체(422)는 대체적으로 편평하고 둥근 개방형 베이스(428)로부터 팁(430)까지의 길이를 따라 테이퍼링될 수 있으며, 이는 정점을 규정한다. 외부 표면(424) 및 내부 표면(426)은 베이스(428)를 팁(430)에 접속할 수 있다.
도 4c, 도 4d 및 도 4e는 본 발명의 실시예와 함께 사용하기에 적절한 다른 예시적인 이온-생성 타겟(304)을 도시한다. 구체적으로, 도 4c, 도 4d 및 도 4e는 얼음 결정으로부터 형성될 수 있는 눈(snow) 타겟의 표면을 도시한다. 물은 수소가 풍부하기 때문에 얼음은 이온-생성 타겟으로서 사용하기에 유리할 수 있다. 또한, 도 4c에 나타낸 바와 같이, 이온-생성 타겟 상의 구조는 바늘형 형상을 나타낼 수 있다. 이러한 형상은 전자기 방사선 빔(316)과 이온-생성 타겟(304)의 상호 작용에 의해 생성된 전기장을 향상시킬 수 있다. 이온-생성 타겟(304) 상의 개별 바늘형 구조는 전자기 방사선 빔(316)의 파장과 근사적으로 동일할 수 있다. 예로서, 구조는 근사적으로 1 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다.
이온-생성 타겟(304)의 표면 상의 개별적인 패턴화된 피처는 순차적으로 스캐닝될 수 있도록 이온-생성 타겟(304) 상에 물리적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 이러한 구조는 대체로 평면 표면 상의 어레이로 배열될 수 있다. 도 4c에 나타낸 바와 같이, 개별 구조가 전체 표면에 걸쳐 패턴을 균일하게 형성하여 분산될 수 있다. 대안적으로, 구조는 도 4d 및 도 4e에 나타낸 바와 같이, 구조 사이에 공간을 갖는 반복 패턴으로 배열될 수 있다.
도 3을 다시 참조하면, 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308)는 이온-생성 타겟(304)에 의해 생성된 양성자로부터 양성자 빔(318)을 형성하고 양성자 빔을 갠트리(310) 및 환자의 치료 체적으로 지향시키도록 구성된 하나 이상의 구성 요소를 포함할 수 있다. 양성자 빔 조정 구성 요소(308)는 양성자와 같은 대전 입자를 조작할 수 있는 임의의 장비를 포함할 수 있다. 예를 들어, 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308)는 전자기 구성 요소를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308)는 4중극 렌즈, 원통형 미러 렌즈/분석기("CMA"), 구형 미러 렌즈/분석기("SMA"), 콜리메이터, 에너지 저하기, 비행-시간 제어 유닛, 자기 쌍극자 또는 대전 이온을 조작하기에 적절한 다른 구성 요소와 같은 하나 이상의 전자기 구성 요소를 포함할 수 있다. 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308)는 또한 양성자 빔(318)의 하나 이상의 특성을 조정할 수 있다. 예를 들어, 빔 조정 구성 요소(308)는 플럭스 또는 스폿 크기와 같은 특성을 조작할 수 있다. 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308)는 또한 특정 에너지를 갖는 입자를 필터링하거나 다양한 입자의 에너지를 감소시킬 수 있다.
양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308)는 상호 작용 챔버 내, 양성자 빔 라인을 따라, 갠트리(310) 내, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하여 시스템(300) 내의 다양한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 양성자 빔 조정 구성 요소는 이온-생성 타겟(304)과 갠트리(310) 사이에서 연장되는 빔 라인을 따라 배치될 수 있다. 빔 라인은 양성자 빔(318)을 전파 및/또는 조작하는 데 도움이 되는 온도, 압력(예를 들어, 진공) 또는 다른 조건(들)과 같은 다양한 조건을 유지하도록 구성될 수 있다. 빔 라인은 빔 덤프(dump), 빔 감쇠기, 및 보호 차폐와 같은 요소를 포함하지만 이에 한정되지 않는 대전 입자 빔을 수용하기 위한 다른 구성 요소를 추가로 포함할 수 있다.
제어 시스템(314)은 시스템(300)의 다양한 양태를 모니터링 및/또는 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(314)은 전자기 방사선 소스(302), 광학 구성 요소(들)(306), 이온-생성 타겟(304), 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308), 갠트리(310), 및/또는 환자 지지 플랫폼(312)과 연관된 다양한 검출기를 모니터링할 수 있다. 제어 시스템(314)은 또한 기술자 또는 다른 운영자와 같은 시스템(300)의 사용자로부터의 입력을 수용할 수 있다. 제어 시스템(314)은 또한 예를 들어, 시스템(300)의 임의의 기능을 개시 및 유지하는 것을 포함하여, 시스템(300)에 속하는 동작을 수용, 저장 및 실행할 수 있다. 제어 시스템(314)은 또한 하나 이상의 검출기와 시스템(300)의 하나 이상의 다양한 구성 요소 사이에서 피드백을 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이러한 피드백은 시스템(300)의 정밀도, 효율, 속도 및/또는 다른 양태 또는 그 동작을 개선할 수 있다. 이러한 피드백의 예가 훨씬 더 상세하게 후술된다.
도 5는 제어 시스템(314)과 연관될 수 있고 개시된 실시예에 따른 구성을 나타내는 예시적인 컴퓨팅 시스템(500)의 도면이다. 본 기술 분야의 통상의 기술자라면 이해할 바와 같이, 제어 시스템(314)과 연관된 기능의 일부 또는 전부는 컴퓨팅 시스템(500)과 연관된 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 임의의 조합에 의해 실행되거나 촉진될 수 있다. 일 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(500)은 하나 이상의 프로세서(520), 하나 이상의 메모리(540) 및 하나 이상의 입력/출력(I/O) 디바이스(530)를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(500)은 서버, 범용 컴퓨터, 맞춤형 전용 컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터, 랩톱, 모바일 디바이스 또는 이들 구성 요소의 임의의 조합의 형태를 취할 수 있다. 특정 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(500)(또는 컴퓨팅 시스템(500)을 포함하는 시스템)은 개시된 실시예에 따른 하나 이상의 동작을 수행할 수 있는 소프트웨어 명령의 저장, 실행 및/또는 구현에 기초하여 특정 장치, 시스템 등으로 구성될 수 있다. 컴퓨팅 시스템(500)은 독립형일 수 있거나, 더 큰 시스템의 일부일 수 있는 하위 시스템의 일부일 수 있다.
프로세서(520)는 어플리케이션 특정 집적 회로(ASIC), 디지털 신호 프로세서(DSP), 프로그래머블 논리 디바이스(PLC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 및 이들의 조합과 같은 하나 이상의 알려진 프로세싱 디바이스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(520)는 Intel™에 의해 제조된 Pentium™ 또는 Xeon™ 제품군, AMD™에 의해 제조된 Turion™ 제품군, 또는 Sun Microsystems에 의해 제조된 임의의 다양한 프로세서 중의 프로세서를 포함할 수 있다. 프로세서(520)는 병렬 프로세스를 동시에 실행하는 단일 코어 또는 다중 코어 프로세서를 구성할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(520)는 가상 프로세싱 기술로 구성된 단일 코어 프로세서일 수 있다. 특정 실시예에서, 프로세서(520)는 다중 프로세스를 동시에 실행 및 제어하기 위해 논리 프로세서를 사용할 수 있다. 프로세서(520)는 다중 소프트웨어 프로세스, 어플리케이션, 프로그램 등을 실행, 제어, 실행, 조작, 저장하는 등의 능력을 제공하기 위해 가상 머신 기술 또는 다른 알려진 기술을 구현할 수 있다. 프로세서(520)는 컴퓨팅 시스템(500)이 다중 프로세스를 동시에 실행할 수 있도록 병렬 프로세싱 기능을 제공하도록 구성된 다중-코어 프로세서 배열(예를 들어, 듀얼, 쿼드 코어 등)을 포함할 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본원에 개시된 능력을 제공하는 다른 유형의 프로세서 배열이 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 개시된 실시예는 임의의 유형의 프로세서(들)에 한정되지 않는다.
메모리(540)는 개시된 실시예와 관련된 기능을 수행하기 위해 프로세서(520)에 의해 사용되는 명령을 저장하도록 구성된 하나 이상의 저장 디바이스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(540)는 프로세서(520)에 의해 실행될 때 하나 이상의 동작을 수행할 수 있는 프로그램(들)(550)과 같은 하나 이상의 소프트웨어 명령으로 구성될 수 있다. 개시된 실시예는 전용 작업을 수행하도록 구성된 별도의 프로그램 또는 컴퓨터로 한정되지 않는다. 예를 들어, 메모리(540)는 컴퓨팅 시스템(500)의 기능을 수행하는 프로그램(550)을 포함할 수 있거나, 프로그램(550)은 복수의 프로그램을 포함할 수 있다. 추가적으로, 프로세서(520)는 컴퓨팅 시스템(500)으로부터 원격에 위치된 하나 이상의 프로그램을 실행할 수 있다. 예를 들어, 제어기(314)는 컴퓨팅 시스템(500)(또는 그 변형)을 통해 실행될 때에 특정의 개시된 실시예와 관련된 기능을 수행하는 하나 이상의 원격 프로그램에 액세스할 수 있다. 프로세서(520)는 데이터베이스(570)에 위치된 하나 이상의 프로그램을 추가로 실행할 수 있다. 일부 실시예에서, 프로그램(550)은 컴퓨팅 시스템(500) 외부에 위치된 서버와 같은 외부 저장 디바이스에 저장될 수 있고, 프로세서(520)는 프로그램(550)을 원격으로 실행할 수 있다.
메모리(540)는 또한 시스템이 개시된 실시예에 따른 동작을 수행하기 위해 사용할 수 있는 임의의 포맷으로 임의의 유형의 정보를 반영할 수 있는 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(540)는 프로세서(520)가 서버 어플리케이션, 네트워크 통신 프로세스, 및 임의의 다른 유형의 어플리케이션 또는 소프트웨어와 같은 하나 이상의 어플리케이션을 실행할 수 있게 하는 명령을 저장할 수 있다. 대안적으로, 명령, 어플리케이션 프로그램 등은 근거리 네트워크 또는 인터넷을 포함하는 적절한 네트워크를 통해 컴퓨팅 시스템(500)과 통신하는 외부 저장소(미도시)에 저장될 수 있다. 메모리(540)는 휘발성 또는 비휘발성, 자기, 반도체, 테이프, 광학, 제거 가능, 제거 불능, 또는 다른 유형의 저장 디바이스 또는 유형의(즉, 비일시적인) 컴퓨터-판독 가능 매체일 수 있다.
메모리(540)는 데이터(560)를 포함할 수 있다. 데이터(560)는 시스템(300)을 통한 이온(예를 들어, 양성자) 요법 치료를 제어하는 데 제어기(314)에 의해 사용되는 임의의 형태의 데이터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 데이터(560)는 시스템(300)의 다양한 구성 요소의 동작과 관련된 데이터, 운영 시스템(300)의 다양한 구성 요소와 연관된 피드백 파라미터, 시스템(300)과 연관된 하나 이상의 검출기로부터 수집된 데이터, 특정 환자 또는 특정 질병에 대한 치료 계획, 시스템(300)의 다양한 구성 요소에 대한 교정 데이터 등을 포함할 수 있다.
I/O 디바이스(530)는 컴퓨팅 시스템(500)에 의해 데이터가 수신 및/또는 송신될 수 있도록 구성되는 하나 이상의 디바이스를 포함할 수 있다. I/O 디바이스(530)는 컴퓨팅 시스템(500)이 도 3에 나타낸 시스템(300)의 다른 구성 요소와 같은 다른 머신 및 디바이스와 통신할 수 있게 하는 하나 이상의 디지털 및/또는 아날로그 통신 디바이스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(500)은 컴퓨팅 시스템(500)이 제어기(314)의 운영자로부터 입력을 수신할 수 있게 하는 하나 이상의 키보드, 마우스 디바이스, 디스플레이, 터치 센서, 카드 판독기, 생체 판독기, 카메라, 스캐너, 마이크로폰, 무선 통신 디바이스 등과 같은 하나 이상의 입력 디바이스에 인터페이스를 제공할 수 있는 인터페이스 구성 요소를 포함할 수 있다. 또한, I/O 디바이스는 제어 시스템(314)이 유선 또는 무선 통신 채널을 통하는 것과 같이 시스템(300)의 하나 이상의 다양한 디바이스와 통신할 수 있도록 구성된 하나 이상의 디바이스를 포함할 수 있다.
컴퓨팅 시스템(500)은 또한 하나 이상의 데이터베이스(들)(570)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 컴퓨팅 시스템(500)은 하나 이상의 데이터베이스(들)(570)에 통신 가능하게 접속될 수 있다. 컴퓨팅 시스템(500)은 유선 또는 무선 네트워크와 같은 네트워크를 통해 데이터베이스(들)(570)에 통신 가능하게 접속될 수 있다. 데이터베이스(570)는 정보를 저장하고 컴퓨팅 시스템(500)을 통해 액세스 및/또는 관리되는 하나 이상의 메모리 디바이스를 포함할 수 있다.
도 6은 예시적인 전자기 방사선 소스(302)의 일반적인 개략도이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 전자기 방사선 소스(302)는 하나 이상의 발진기(602), 펌프 소스(604), 광학 구성 요소(606), 진단 구성 요소(608), 신장기(610), 증폭기(612), 압축기(614) 및 제어기(616)를 포함할 수 있다. 도 6의 구성은 단지 예일 뿐이고, 전자기 방사선 소스(302)의 하나 이상의 구성 요소, 시스템(300) 또는 다른 구성 요소를 통합하여 개시된 실시예에 따른 많은 다른 구성이 구현될 수 있다.
발진기(602)는 전자기 방사선 빔(316)에 대한 요건에 도달하기 위해 조작(예를 들어, 성형 및/또는 증폭)될 초기 레이저 펄스(618)를 생성하기 위한 하나 이상의 레이저를 포함할 수 있다. 상용 레이저 시스템을 포함하여 광범위하게 다양한 레이저 또는 레이저 시스템이 발진기(602)로서 사용될 수 있다.
펌프 소스(604)는 에너지를 레이저 펄스(618)로 전달하도록 구성된 독립적인 레이저 또는 레이저 시스템(들)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 펌프 소스(604)는 하나 이상의 광학 구성 요소(들)(306)를 포함하는 광학 빔 라인에 의해 발진기(602)의 출력에 접속될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 펌프 소스(604)는 플래시 램프, 다이오드 레이저, 및 다이오드-펌핑된 솔리드-스테이트(DPSS: diode-pumped solid-state) 레이저 등과 같은 다른 펌프 메커니즘을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 펌프 소스(604)는 전자기 방사선 빔(316)의 시간 프로파일을 변경하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(314)은 펌프 소스(604)의 타이밍을 제어함으로써 프리-펄스 및 전자기 방사선 빔의 페데스탈의 타이밍을 제어하도록 구성될 수 있다.
광학 구성 요소(606)는 광학 구성 요소(306)와 관련하여 논의된 임의의 구성 요소를 포함할 수 있고, 광학 구성 요소(306)와 관련하여 설명된 역할 및/또는 기능 중 임의의 것을 수행할 수 있다.
진단 구성 요소(608)는 예를 들어, 시간적 및 공간적 특성, 스펙트럼 특성, 타이밍 및/또는 다른 특성과 같이, 레이저 펄스(618)를 모니터링하도록 설계된 광학적, 광-기계적 또는 전자적 구성 요소를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 진단 구성 요소(608)는 하나 이상의 포토다이오드, 오실로스코프, 카메라, 분광계, 위상 센서, 자기-상관기, 상호-상관기, 파워 미터 또는 에너지 미터, 레이저 위치 및/또는 방향 센서(예를 들어, 포인팅 센서), 대즐러(dazzler)(또는 매즐러(mazzler)) 등을 포함할 수 있다. 진단 구성 요소(608)는 또한 광학 구성 요소(606)와 관련하여 위에서 식별된 임의의 구성 요소를 포함하거나 통합할 수 있다.
신장기(610)는 레이저 펄스(618)를 처프(chrip) 또는 신장하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 신장기(610)는 회절 격자(들) 또는 프리즘, 처프드(chriped) 미러 등과 같은 다른 분산 구성 요소를 포함할 수 있다.
증폭기(612)는 예를 들어, 티타늄 사파이어 결정, CO2 가스 또는 Nd:YAG 결정과 같은 증폭 매체를 포함할 수 있다. 증폭기(612)는 또한 증폭 매체를 위한 홀더를 포함할 수 있다. 홀더는 위치 결정, 온도 등과 같은 지원 환경 조건과 호환되도록 구성될 수 있다. 증폭기(612)는 펌프 소스(604)로부터 에너지를 수용하고 이 에너지를 레이저 펄스(618)로 전달하도록 구성될 수 있다.
압축기(614)는 레이저 펄스(618)를 예를 들어, 최종 시간의 지속 기간까지 일시적으로 압축하도록 구성된 광학 구성 요소를 포함할 수 있다. 압축기(614)는 홀더 상에 위치되고 진공 챔버 내에 위치된 회절 격자로 구성될 수 있다. 대안적으로, 압축기(614)는 예를 들어, 분산 섬유 또는 프리즘으로 구성될 수 있다. 추가적으로, 압축기(614)는 모터 및 다른 전자적으로 제어되는 광-기계적인 것뿐만 아니라 미러 또는 다른 광학 구성 요소(306)를 포함할 수 있다.
제어기(616)는 전자기 방사선 소스(302)의 다양한 구성 요소를 제어 및/또는 동기화하는 전자 시스템(들)을 포함할 수 있다. 제어기(616)는 제어기, 전력 공급기, 컴퓨터, 프로세서, 펄스 생성기, 고전압 전력 공급기, 및 다른 구성 요소의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예로서, 제어기(616)는 전자기 방사선 소스(302)에 전용일 수 있거나 시스템(300)의 다른 구성 요소와 공유될 수 있는 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(500)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(616)의 기능 중 일부 또는 전부는 시스템(300)의 제어기(314)에 의해 수행될 수 있다.
제어기(616)는 다양한 통신 채널을 통해 전자기 방사선 소스(302)의 다양한 구성 요소 및 시스템(300)의 다른 구성 요소와 인터페이싱할 수 있다. 통신 채널은 방사선 소스(302) 또는 시스템(300)과 연관된 다양한 광학 및 광-기계 구성 요소를 제어하기 위해 전기 또는 다른 신호를 송신하도록 구성될 수 있다. 통신 채널은 고전압, 전기 트리거, 다양한 유선 또는 무선 통신 프로토콜, 광 통신 및 다른 구성 요소와 호환되는 도전체를 포함할 수 있다. 제어기(616)는 전자기 방사선 소스(302)를 따라 광학 및 기계 진단 구성 요소 및 시스템(300)의 다른 부분을 따라 진단 구성 요소(608)로부터 입력을 수신할 수 있다. 또한, 제어기(616)는 사용자로부터의 신호 또는 입력에 기초한 신호, 예를 들어, 사용자에 의해 입력된 환자 치료 계획에 기초한 신호를 수신할 수 있다.
도 7은 본 개시의 실시예에 따른 갠트리(700)의 예를 도시한다. 일부 실시예에서, 갠트리(310)(도 3)는 갠트리(700)의 형태로 배열될 수 있지만, 이는 한정하려는 의도는 아니며 다른 갠트리 설계가 채용될 수 있다. 갠트리(700)는 양성자 빔(318)을 아이소센터(isocenter)(712)로 전달할 수 있다. 일부 실시예에서, 아이소센터(712)는 치료 체적의 위치 또는 치료 체적 내의 위치를 나타낼 수 있다. 갠트리(700)는 또한 치료 전 및 치료 동안 양성자 빔(318)을 적절하게 지향시키기 위한 빔 조정 및 재구성을 위해 구성될 수 있다. 갠트리(700)는 솔레노이드(704), 커플링(706), 빔 조정 구성 요소(들)(708), 콜리메이터(들)(718) 및 스캐닝 자석(들)(710)을 포함할 수 있다. 높이(714) 및 폭(716)은 갠트리(700)의 많은 가능한 구성에 기초하여 광범위하게 변할 수 있다. 일부 실시예에서, 높이(714) 및 폭(716) 중 어느 하나 또는 둘 모두는 2.5 미터만큼 작을 수 있다.
일부 실시예에서, 갠트리(700)는 벽(702) 또는 다른 장벽에 의해 시스템(300)의 다른 구성 요소로부터 분리될 수 있다. 벽(702)은 양성자 빔(318) 및 양성자 빔(318)을 전달하도록 구성된 임의의 빔 라인 또는 다른 장비의 통과를 허용하기 위해 하나 이상의 개구(도면에 미도시)를 포함할 수 있다. 벽(702)의 위치는 다수의 요인에 따라 변할 수 있으며, 일부 실시예에서 벽(702)은 존재하지 않을 수도 있다.
솔레노이드(704)는 이온-생성 타겟(304)에 의해 방출된 양성자를 포획하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 이온-생성 타겟(304)에 의해 방출된 양성자는 큰 발산을 나타낼 수 있다. 예로서, 이온-생성 타겟(304)으로부터 방출된 양성자의 빔 크기는 1 cm와 같은 단거리에 걸쳐 100배만큼 확장될 수 있다. 솔레노이드(704)는 양성자 빔(318)의 수렴을 감소시키도록 구성될 수 있다.
솔레노이드(704)는 예를 들어, 9 내지 15 T의 초전도 솔레노이드와 같은 하이-필드 솔레노이드를 포함할 수 있다. 필드 강도는 솔레노이드 길이 및 결과적인 빔 크기와 관련될 수 있다. 솔레노이드 필드 강도가 높을수록 솔레노이드(704)에 필요한 빔 크기 및 개구가 더 작아질 수 있다. 솔레노이드(704)는 필드 강도 및 다른 요인에 기초하여 길이가 변할 수 있다. 일부 실시예에서, 솔레노이드(704)는 4 cm 내지 20 cm의 개구를 갖는 0.55 m 내지 0.85 m의 길이일 수 있다. 일부 실시예에서, 솔레노이드(704)는 하나 이상의 콜리메이터와 연계하여 사용될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 하나 이상의 4중극이 솔레노이드(704)에 추가하여 또는 대안으로 채용될 수 있다.
커플링(706)은 축(716)과 같은 회전 축에 주위의 회전과 같은 갠트리(700)의 물리적 이동을 용이하게 하도록 구성된 임의의 기계적 및/또는 광학적 접속일 수 있다. 갠트리는 임의의 적절한 모터 및/또는 액추에이터의 배열에 의해 물리적으로 이동되도록 구성될 수 있으며, 이는 제어 시스템(314)에 의해 제어될 수 있다. 커플링(706)은 하나 이상의 베어링 또는 부싱(bushing)을 포함할 수 있고 양성자 빔(318)을 운반하는 빔 라인에 접속 및/또는 통합될 수 있다. 따라서, 커플링(706)은 빔 라인 내의 진공 상태 또는 다른 환경 조건의 손실을 방지하기 위해 시일(seal) 또는 다른 장벽을 유지하도록 구성될 수 있다. 또한, 커플링(706)은 예를 들어, 갠트리 위치의 함수로서 튜닝 의존성을 감소시키기 위해 회전 불변 광학 기기를 포함할 수 있다.
갠트리(700)는 빔 조정 구성 요소(들)(708)를 추가로 포함할 수 있다. 빔 조정 구성 요소(708)는 갠트리를 통해 양성자 빔(318)을 안내하도록 구성된 위에서 논의된 빔 조정 구성 요소(308) 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 빔 조정 구성 요소(708)는 양성자 빔(318)을 갠트리(700)를 통해 방향 전환시키도록 구성된 쌍극자 및/또는 4중극과 같은 전자석을 포함할 수 있다. 빔 조정 구성 요소(708)는 정상 도전성 쌍극자, 수퍼페릭(superferric) 초전도 쌍극자, 스트립라인 쌍극자 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 빔 조정 구성 요소(708)는 직사각형(또는 직사각형 또는 다른 원하는 형상을 형성하기 위한 각도의 임의의 다른 조합)을 형성하기 위해 쌍극자 쌍(예를 들어, 근사적으로 45°만큼 각각의 굽힘 양성자 빔(318))을 포함할 수 있다. 쌍극자 쌍은 약 4.8 T에서 동작할 수 있고 약 0.6 m 길이일 수 있다. 쌍극자 쌍 사이의 직선 섹션은 튜닝 범위, 유연성 및 그에 따른 전자기 광학에서의 맞춤화를 제공하여 독립적으로 조정될 수 있다. 90° 굽힘을 2개로 분할하면 각 쌍극자가 예를 들어, 단일 전력 공급기의 션트(shunt)를 통해 독립적으로 조정되어 적어도 10 % 변동(2개를 고려한 20 %의 총 상대 변화)을 제공할 수 있으므로 기준 궤적 제어를 개선할 수 있다. 따라서, 쌍극자 쌍은 갠트리(700)의 각 아암에 대한 독립적인 궤적 보정을 용이하게 하여 공차 및 비용을 감소시킬 수 있다.
갠트리(700)는 또한 하나 이상의 콜리메이터(718)를 포함할 수 있다. 콜리메이터(718)는 원하는 방향으로 진행하고 및/또는 원하는 모멘텀을 갖는 양성자만이 통과할 수 있도록 양성자 빔(318)을 필터링하도록 구성될 수 있다. 콜리메이터(718)는 갠트리(700) 내의 다양한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 빔 조정 구성 요소(708)가 빔 하류에서 원하지 않은 효과를 생성하는 무색(achromatic) 특성을 갖는 경우, 콜리메이터(718)는 이러한 효과에 대응하도록 구성될 수 있다.
갠트리(700)는 스캐닝 자석(들)(710)을 추가로 포함할 수 있다. 스캐닝 자석(710)은 공간에서 아이소센터(712)의 위치를 조정하도록 구성된 빔 조정 구성 요소(308 또는 708)와 같은 빔 조정 구성 요소를 포함할 수 있다. 스캐닝 자석(710)은 예를 들어, 치료 체적으로 제공되는 치료 위치를 조정하기 위해 제어 시스템(314)에 의해 제어될 수 있다. 스캐닝 자석(710)은 갠트리(700) 내의 임의의 다수의 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 자석(710)은 도 7에 나타낸 바와 같이, 하나 이상의 빔 조정 구성 요소(708)로부터 상류, 모든 빔 조정 구성 요소의 하류, 또는 이러한 상류 및 하류 위치의 조합일 수 있다.
시스템(300)은 환자 내의 치료 위치를 제어하기 위해 스캐닝 자석이 다른 구성 요소와 협업하여 동작되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(314)은 스캐닝 자석(710), 갠트리(700)의 이동 및 환자 지지 플랫폼(312)의 이동의 임의의 조합을 제어할 수 있다. 하나 이상의 구성 요소는 특정 차원 및/또는 자유도의 제어를 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 환자 지지 플랫폼은 하나의 1차원에서 환자 위치를 조정하도록 구성될 수 있는 반면, 스캐닝 자석(710)은 1차원에 직교하는 다른 차원으로 조정한다.
대안적으로 또는 추가적으로, 시스템(300)은 주어진 차원에서의 대략적인 조정이 미세 조정과 다른 구성 요소에 의해 수행될 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 특정 차원에서의 대략적인 조정은 환자 지지 플랫폼(312)을 조작하도록 구성된 모터에 의해 수행될 수 있으며, 미세 조정은 스캐닝 자석(710)에 의해 수행될 수 있다. 이러한 조정의 다수의 조합은 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
도 8은 갠트리(800)의 추가적인 예를 도시한다. 갠트리(800)는 솔레노이드(704), 커플링(706), 빔 조정 구성 요소(들)(708), 콜리메이터(들)(718) 및 스캐닝 자석(들)(710)과 같은 갠트리(700)와 동일한 구성 요소의 일부 또는 전부를 포함할 수 있으며, 추가적인 4중극 요소(802)를 추가로 포함할 수 있다. 4중극 요소(802)는 자기 빔 라인의 일부인 자기 요소이며, 양성자 빔을 치료 체적으로 전달하는 것을 돕는다. 4중극 요소(802)는 통상적으로 양성자 빔을 휘게 하는 굽힘 자석으로서 종종 사용될 수 있는 일부 더 큰 쌍극자와는 대조적으로, 대전 입자의 빔을 포커싱 또는 디-포커싱하는 데 사용된다. 4중극 요소(802)는 영구 자석(예를 들어, 리어-어스(rear-earth) 요소 및/또는 다른 자기 재료로 이루어짐), 상전도성 전자석, 초전도 전자석, 펄스화된 자석 또는 적절한 고정 또는 튜닝 가능한 자기장을 제공할 수 있는 다른 디바이스일 수 있다.
도 9는 양성자 빔 형성을 위한 프로세스(900)의 예시적인 흐름도이다. 단계 902에서, 전자기 방사선 소스(예를 들어, 소스(302))는 전자기 방사선 빔(예를 들어, 빔(316))을 방출할 수 있다. 단계 904에서, 전자기 방사선 빔은 이온-생성 타겟(예를 들어, 타겟(304))을 타격할 수 있다. 단계 906에서, 전자기 방사선 빔과 이온-생성 타겟의 상호 작용은 양성자를 포함하는 입자를 생성할 수 있다. 단계 908에서, 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(예를 들어, 구성 요소(308))는 입자로부터 양성자 빔(예를 들어, 빔(318))을 형성하고 양성자 빔을 환자의 치료 체적으로 지향시킬 수 있다. 프로세스(900)의 단계는 제어 시스템(314)에 의해서와 같이 자동으로 수행될 수 있다. 프로세스(900)의 단계는 또한 제어 시스템(314)을 통한 것과 같이 사용자 입력에 응답하여 수행될 수 있거나, 다양한 구성 요소의 자동 및 수동 동작의 조합에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세스(900)는 치료 계획의 사양에 기초하여 수행될 수 있으며, 이는 특정 환자, 치료 유형 및/또는 치료 체적에 기초하여 다양한 정도로 맞춤화될 수 있다.
단계 902에서 방출된 전자기 방사선 빔은 예를 들어, 도 6과 관련하여 설명된 구성 요소의 다양한 조합과 같은 방사선 빔 생성이 가능한 임의의 구성 요소를 통해 생성될 수 있다.
단계 904에서, 전자기 방사선 빔은 이온-생성 타겟을 타격할 수 있다. 예를 들어, 이온-생성 타겟(304)은 이온-생성 타겟을 외부 환경으로부터 격리시키는 상호 작용 챔버 내에 배치될 수 있다. 이온-생성 타겟(304)에 타격할 시, 전자기 방사선 빔(316)과 이온-생성 타겟(304)의 상호 작용은 양성자 빔(318)에 사용될 수 있는 양성자를 포함하여 다양한 입자를 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 양성자는 약 10 내지 100 ㎛의 스폿 크기에 포커싱된 전자기 방사선 빔(316)에 의해 타격된 이온-생성 타겟(304) 상의 위치로부터의 약 250 MeV의 양성자 에너지에서 방출될 수 있다. 이온-생성 타겟(304)으로부터 방출된 양성자의 2차원 발산 각도는 약 0.2 라디안(즉, 약 11 도)일 수 있다. 또한, 양성자 에너지 각 분포 ∂Ω/∂E 및 양성자 수 에너지 분포 ∂N/∂E는 매우 작을 수 있어, 에너지 각 분포와 양성자 수 에너지 분포가 상당히 일정하다. 예로서, 전자기 방사선 빔의 펄스는 108개의 양성자의 방출을 야기할 수 있고, 펄스는 10 내지 1000 Hz의 레이트로 반복될 수 있다. 따라서, 펄스화된 전자기 방사선 빔(316)은 그에 의해 펄스화된 양성자 빔(318)을 생성할 수 있다. 양성자의 펄스는 또한 양성자 "다발(bunch)"로 지칭될 수 있다.
본 개시에 따르면, 이온-생성 타겟은 상호 작용 챔버에 의해 지지되고 및/또는 그 내부에 수용될 수 있다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 상호 작용 챔버는 타겟을 주위 조건으로부터 격리하고 이온 생성을 위한 적절한 환경을 제공하도록 구성된 임의의 구조를 지칭할 수 있다.
본 개시에 따르면, 상호 작용 챔버는 예를 들어, 타겟 스테이지를 포함할 수 있다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 타겟 스테이지는 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 임의의 구조를 지칭할 수 있다. 일부 실시예에서, 타겟 스테이지는 타겟 스테이지와 전자기 방사선 빔 사이의 상대 이동을 야기하도록 구성된 프로세서에 의해 제어될 수 있다.
본 개시에 따르면, 상호 작용 챔버는 하나 이상의 검출기를 포함할 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 검출기는 샘플 챔버 상태, 전자기 방사선 소스 또는 빔, 양성자 빔 및/또는 레이저-타겟 상호 작용의 하나 이상의 특성을 검출하는 디바이스를 지칭할 수 있다. 검출기는 예를 들어, 상호 작용 챔버 내에 및/또는 상호 작용 챔버에 근접한 임의의 상태를 관찰할 수 있다. 일부 실시예에서, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템은 상호 작용 챔버로부터 분리된 다른 검출기를 포함할 수 있다. 예로서, 검출기는 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성을 측정하도록 구성될 수 있다.
본 개시에서 사용되는 바와 같이, 레이저-타겟 상호 작용은 전자기 방사선 빔과 이온-생성 타겟의 상호 작용과 관련된 관찰 가능한 특성을 지칭할 수 있다. 레이저-타겟 상호 작용 특성은 예를 들어, 양성자 빔 특성, 2차 전자 방출 특성, x선 방출 특성, 양성자 빔 에너지, 양성자 빔 플럭스, 및/또는 전자기 방사선 빔과 이온-생성 타겟 사이의 상호 작용을 나타내는 다른 특성을 포함할 수 있다.
도 10은 상호 작용 챔버(1000)의 예를 도시한다. 상호 작용 챔버(1000)는 임의의 크기 및 형상일 수 있고, 레이저-타겟 상호 작용 동안 타겟을 수용할 수 있는 임의의 적절한 재료 또는 재료들로 구성될 수 있다. 스테인레스 스틸은 상호 작용 챔버(1000)를 구성하는 데 사용될 수 있는 재료의 일례이다.
상호 작용 챔버(1000)는 광학 구성 요소(들), 빔 조정 구성 요소(들), 검출기 등과 같은 상호 작용 챔버(1000) 내의 이온-생성 타겟(304) 및/또는 다른 장비를 지지하도록 구성된 하나 이상의 스테이지(1002)를 포함할 수 있다. 스테이지(들)(1002)는 고정되거나 조정 가능할 수 있다. 조정 가능한 스테이지는 하나 이상의 축을 따라 병진 및/또는 회전하도록 구성될 수 있다. 스테이지(들)(1002)의 조정은 수동 또는 자동일 수 있다. 자동화된 조정은 예를 들어, 제어 시스템(314)에 의해 제공된 하나 이상의 신호에 응답하여 수행될 수 있다. 스테이지(들)(1002)는 선택적으로 이온-생성 타겟(304)의 온도를 가열, 냉각 또는 유지하도록 구성될 수 있다. 온도 제어는 예를 들어, 이온-생성 타겟(304)의 온도를 모니터링하고, 측정된 온도에 응답하여 이온-생성 타겟(304)의 온도를 상승, 하강 또는 유지함으로써 달성될 수 있다. 온도 모니터링은 예를 들어 하나 이상의 열전쌍, 하나 이상의 적외선 온도 센서 및/또는 온도를 측정하는 데 사용되는 다른 기술로 달성될 수 있다. 온도 조정은 예를 들어, 가열 요소를 통해 흐르는 전류의 양을 조정함으로써 이루어질 수 있다. 가열 요소는 예를 들어 텅스텐, 레늄, 탄탈륨, 몰리브덴 니오븀 및/또는 이들의 합금과 같은 내화성 금속일 수 있다. 온도 조정은 예를 들어, 물 또는 극저온 유체(예를 들어, 액체 산소, 액체 헬륨, 액체 질소 등)와 같은 냉각제를 이온-생성 타겟(304)과 열 연통하도록 직접 또는 간접적으로 배치된 도관을 통해 흐르게 함으로써 또한 이루어질 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 이해할 수 있는 바와 같이, 온도를 조정하는 이러한 예시적인 방식은 호환 가능하고 조합될 수 있다. 물론, 이러한 온도 조정 방법은 한정적이지 않으며, 이온-생성 타겟(304)의 온도를 가열, 냉각 및/또는 유지하기 위한 임의의 다른 알려진 방법이 본원의 개시와 함께 사용될 수 있다.
상호 작용 챔버(1000)는 하나 이상의 연관된 진공 펌프(들)(1004)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 샘플 준비 및 양성자 빔 형성 중 어느 하나 또는 둘 모두는 대기압 미만의 대기압 요건을 갖거나 대기압 미만의 특정 범위 내에서 최적의 성능을 달성할 수 있다. 진공 펌프(들)(1004)는 상호 작용 챔버(1000) 내의 압력 조건 및/또는 상호 작용 챔버(1000)와 연관된 구성 요소에 영향을 주는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 진공 펌프(들)(1004)는 상호 작용 챔버(1000)에서 진공 상태 또는 거의 진공 상태를 유지할 수 있다. 진공 펌프(들)(1004)의 예는 하나 이상의 터보-분자 펌프, 극저온 펌프, 이온 펌프, 또는 다이어프램 또는 루트 펌프와 같은 기계식 펌프를 포함할 수 있다. 진공 펌프(들)(1004)는 하나 이상의 압력 조절기(도면에 미도시)와 연계하여 동작할 수 있다.
상호 작용 챔버(1000)는 광학 구성 요소(1006)를 포함할 수 있다. 광학 구성 요소(들)(306)와 관련하여 위에서 언급된 임의의 구성 요소는 전자기 방사선 빔(316)을 추가로 지향시키기 위해 상호 작용 챔버 내부에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 10에 나타낸 바와 같이, 상호 작용 챔버는 전자기 방사선 빔(316)을 이온-생성 타겟(304)을 향해 지향시키도록 구성된 미러(1006a)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상호 작용 챔버(1000)는 전자기 방사선 빔(316)을 이온-생성 타겟(304) 상에 포커싱하도록 구성된 포물면 미러(1006b)를 포함할 수 있다.
상호 작용 챔버(800)는 임의의 수의 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 8에 나타낸 바와 같이, 상호 작용 챔버(1000)는 콜리메이터(1010)를 포함할 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 대안적으로 또는 추가적으로, 다른 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308)가 상호 작용 챔버(800)에 포함될 수 있음을 이해할 것이다. 다양한 실시예에서, 빔 조정 구성 요소(들)(308) 중 임의의 것이 상호 작용 챔버(1000)에 통합될 수 있다.
상호 작용 챔버(1000)는 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308)와 연관하여 위에서 설명된 바와 같이 빔 라인(1012)을 포함하거나 이와 인터페이싱할 수 있다. 빔 라인(1012)은 양성자 빔(318)의 전파를 용이하게 하기 위해 대기압 미만으로 유지되는 도관을 포함할 수 있다. 빔 라인(812)은 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308)와 관련하여 위에서 언급된 임의의 요소와 같은 양성자 빔 조정 구성 요소들을 포함할 수 있다. 빔 라인(812)은 또한 대기압 미만의 상태를 달성 및/또는 유지하기 위해 진공 펌프(들)(1004)와 관련하여 설명된 임의의 펌프와 같은 진공 펌프를 포함할 수 있다.
상호 작용 챔버(1000)는 하나 이상의 밸브(들)(1014)를 포함할 수 있다. 임의의 적절한 밸브(들)가 사용될 수 있고, 예를 들어, 상호 작용 챔버(1000)의 다양한 부분들 사이 또는 상호 작용 챔버(1000)와 시스템(300) 또는 그 주위 환경의 다른 구성 요소 사이에 위치될 수 있다. 밸브(들)(1014)는 예를 들어, 진공 펌프(들)(1004) 또는 빔 라인(1012)을 격리시키도록 구성될 수 있다. 밸브(들)(1014)는 수동 또는 자동일 수 있다. 자동 밸브는 예를 들어 공압식 및/또는 전자식일 수 있다. 밸브(들)(1014)는 2-위치 게이트 밸브와 같은 단순한 개방/폐쇄 밸브일 수 있거나, 밸브(들)(1014)는 부분적으로 개방되도록 구성될 수 있다. 진공 펌프(들)(1004)와 연관된 밸브(들)(1014)는 예를 들어, 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 연속적으로 변할 수 있는 하나 이상의 버터플라이 밸브(들)를 포함할 수 있다. 밸브(들)(1014)는 이온-생성 타겟의 부품의 유지 또는 교체를 위해 압력을 유지하고, 재료를 유지 또는 방출하고, 및/또는 상호 작용 챔버(800)에 대한 접근을 허용하도록 구성될 수 있다.
상호 작용 챔버(1000)는 하나 이상의 셔터(들)(1016)를 포함할 수 있다. 셔터(들)(1016)는 예를 들어, 전자기 방사선 빔(1016)을 챔버(1000)로 차단 또는 허용하도록 구성될 수 있다. 셔터(들)(1016)는 예를 들어, 단순한 개방/폐쇄 셔터이다. 셔터(들)(1016)는 또한 원하는 경우 전자기 방사선 빔(316)을 초핑하도록 구성될 수 있다. 셔터(들)(1016)의 동작은 수동 또는 자동일 수 있다. 자동화된 동작은 예를 들어, 제어 시스템(314)에 의해 제공된 하나 이상의 신호에 응답하여 발생할 수 있다.
상호 작용 챔버(1000)는 하나 이상의 윈도우(1018)를 포함할 수 있다. 윈도우(1018)는 압력, 온도 및 상호 작용 챔버(1000)와 연관된 다른 환경적 요인에 적절한 임의의 재료로 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상호 작용 챔버(1000)는 제자리에서 이온-생성 타겟을 형성하도록 구성될 수 있다. 시스템(300)은 또한 상호 작용 챔버(1000)에 접속되고 타겟 준비 및/또는 컨디셔닝을 위해 구성된 개별의 또는 실질적으로 개별의 준비 챔버(도 6 또는 도 10에 미도시)를 포함할 수 있다. 준비 챔버는 증발, 물리 기상 증착, 화학 기상 증착, 분자 빔 에피택시, 원자층 증착 등을 수행하기 위해 시스템에서 발견될 수 있는 장비와 같은 이온-생성 타겟을 준비하기 위한 다양한 장비 및 기구를 포함할 수 있다. 준비 챔버는 또한 이온-생성 타겟(304)을 유지하기 위한 하나 이상의 스테이지(들) 또는 이온-생성 타겟(304)을 형성하기 위한 템플릿으로서의 역할을 할 타겟 기판을 포함할 수 있다. 준비 챔버는 또한 이온-생성 타겟을 준비에 후속하는 상호 작용 챔버 내의 장소로 전달하기 위한 메커니즘을 포함할 수 있다. 개별의 또는 실질적으로 개별의 준비 챔버를 사용하는 것에 대안적으로 또는 이에 추가하여, 상호 작용 챔버(1000)는 샘플 준비 또는 컨디셔닝이 상호 작용 챔버(1000)(도 6 또는 도 10에 미도시) 내에서 일어날 수 있도록 유사하게 장착될 수 있다.
준비 챔버는 또한 (스테이지(1002)와 관련하여 상술한 바와 같이) 온도 제어 요소, 전달 아암 또는 진공 시스템에 익숙한 이들에게 공지된 임의의 다른 전달 디바이스와 같은 하나 이상의 샘플 전달 메커니즘을 포함할 수 있다. 시스템(300)은 또한 샘플 준비 챔버와 상호 작용 챔버(1000) 사이의 로드 락(load lock)을 포함할 수 있다.
상호 작용 챔버(1000)는 가열 및/또는 냉각 요소(도 10에 미도시)를 추가로 포함할 수 있다. 샘플 준비 및 입자 빔 형성 중 어느 하나 또는 둘 모두는 온도 요건을 가질 수 있거나 특정 온도 범위 내에서 최적의 성능을 달성할 수 있다. 상호 작용 챔버는 이러한 온도 상태를 달성하고 유지하도록 구성된 가열 요소 및/또는 냉각 요소를 포함할 수 있다. 가열 및 냉각 요소는 스테이지(들)(1002)와 관련하여 설명되었지만 상호 작용 챔버(1000)의 다른 부분 또는 전체적으로 상호 작용 챔버(1000)의 온도 상태를 제어하도록 구성된 임의의 온도 제어 장비 및/또는 방법을 포함할 수 있다.
상호 작용 챔버(1000)는 하나 이상의 검출기(1020)를 포함할 수 있다. 검출기(1020)는 상호 작용 챔버(1000)와 연관된 상태를 측정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 측정은 단일-샷 단위로 수행될 수 있다. 즉, 검출기(1020)는 전자기 방사선 빔(316)과 이온-생성 타겟(304) 사이의 개별 상호 작용과 연관된 특성을 측정하도록 구성될 수 있다. 검출기(1020)는 또한 예를 들어, 프로세싱 후 결과를 제공하는 보다 연속적인 기반에서 동일하거나 상이한 특성을 측정할 수 있다.
검출기(1020)의 배치는 공간 제약 및 측정을 위한 최적의 위치를 포함하는 다수의 요인에 기초하여 변할 수 있다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 검출기(1020)는 (검출기(1020a)와 같이) 상호 작용 챔버(1000)의 외부 벽을 따라, (검출기(1020b 및 1020c)와 같이) 이온-생성 타겟(304)에 근접하게, 또는 (1020d와 같이) 양성자 빔(318)에 따라 위치될 수 있다.
일부 검출기(1020)의 경우, 이온-생성 타겟(304)에 근접한, 그에 따라 전자기 방사선 빔(316)과 이온-생성 타겟(304) 사이의 상호 작용(레이저-타겟 상호 작용)에 근접한 검출에 유리할 수 있다. 일 실시예에서, 시스템(300)은 시간이 지남에 따라 안정화될 수 있으며, 그 후 이러한 근접성은 불필요할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 검출기(1020)는 상호 작용 챔버(1000) 외부에 장착될 수 있다. 예를 들어, 도 10은 윈도우(1018)에 근접한 상호 작용 챔버(1000) 외부의 검출기(1020e)를 도시한다. 검출기(1020)는 본래 측정될 것으로 의도된 특성에 종속되도록 배치될 수 있거나 상호 작용 챔버(1000) 내의 상태가 측정을 용이하게 하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 광학 구성 요소(들)(1006)는 윈도우(1018)를 통해 검출기(1020e)와 같은 검출기로 상호 작용 영역으로부터의 신호를 일시적으로 또는 간헐적으로 편향시키도록 구성된 조향 미러를 포함할 수 있다. 상술한 검출기 배치는 단지 예시적이며, 다수의 다른 것들이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 검출기(1020)가 전자기 방사선 빔(316) 또는 양성자 빔(318)의 하나 이상의 레이저-타겟 상호 작용 특성을 측정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 검출기(1020)는 4중극 분석기, 구형 미러 분석기("SMA"), 원통형 미러 분석기("CMA"), 2차 전자 검출기, 광전자 증배기, 신틸레이터, 솔리드-스테이트 검출기, 비행-시간 검출기, 레이저-온(on)-타겟 광학 진단 검출기, x선 검출기, 카메라, 패러데이 컵(Faraday cup) 또는 다른 검출기를 포함할 수 있다. 검출기(1020)는 흡수 또는 반사와 같은 특성, 2차 전자 방출 특성, 전자 온도 및/또는 밀도와 같은 플라즈마 특성 및/또는 x선 방출 특성을 검출할 수 있다. 전자 및/또는 x선의 방출과 같은 2차 방출은 레이저-타겟 상호 작용 특성 및/또는 양성자 빔(318)의 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 전자 및/또는 x선의 에너지 스펙트럼 및/또는 플럭스는 양성자 빔 특성을 나타낼 수 있다. 그 후, 이들 신호는 예를 들어, 더욱 상세하게 후술하는 바와 같이, 전자기 방사선 소스(302), 광학 구성 요소(들)(306), 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308), 및 이온-생성 타겟(304)의 위치/배향 중 하나 이상을 조정함으로써 레이저-타겟 상호 작용을 수정하기 위한 피드백 루프에서 입력으로서 사용될 수 있다.
검출기(1020)는 양성자 빔 방향, 공간 확산, 강도, 플럭스, 에너지, 양성자 에너지 및/또는 에너지 확산을 검출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 톰슨(Thompson) 포물선이 채용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 양성자 빔(318)은 자기장 및 전기장이 검출 스크린 상의 위치로 양성자를 편향시키는 영역으로 지향될 수 있다. 양성자가 스크린과 접촉하는 위치는 양성자 에너지를 나타낼 수 있다. 이러한 스크린의 경우, CR-39 플레이트, 이미지 플레이트 및/또는 신틸레이터(CCD 카메라와 같은 이미징 디바이스에 커플링됨)와 같은 임의의 양성자 감지 디바이스가 사용될 수 있다. 다른 예로서, 공간 양성자 빔 분포는 CR-39와 같은 양성자에 민감한 스크린으로 검출될 수 있고 이미지 플레이트 또는 (카메라와 같은) 검출 디바이스를 갖는 신틸레이터가 사용될 수 있다.
검출기(1020)는 또한 비행-시간 검출기를 포함할 수 있다. 비행-시간 검출기는 평균 양성자 에너지를 측정할 수 있다. 일부 실시예에서, 비행-시간 검출기는 양성자 신틸레이터 및 광-증배관(PMT: photo-multiplier-tube)과 같은 적절한 시간 해상도를 갖는 검출기를 포함할 수 있다. PMT 상에서 양성자 시그니처가 검출되는 시간은 양성자 속도 및 그에 따라 양성자 에너지를 나타낼 수 있다.
검출기(1020)는 또한 전자 온도 및 밀도를 검출하도록 구성된 x선 분광계, 또는 플라즈마 밀도를 검출하도록 구성된 간섭계와 같은 플라즈마 진단용으로 구성된 기구를 포함할 수 있다. 광학 진단은 레이저 흡수 효율을 측정하기 위해 반사된 레이저 빔의 이미징을 포함할 수 있다. 이들 검출기는 초기 시스템 설계, 교정 및 테스트 중에 사용될 수 있으며 선택적으로 최종 시스템에 포함될 수 있다.
도 9를 다시 참조하면, 단계 906에서 전자기 방사선 빔(예를 들어, 316)과 이온-생성 타겟(예를 들어, 304)의 상호 작용은 양성자를 포함하는 입자를 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 이온-생성 타겟(304)의 표면은 전자기 방사선 빔(316)에 의해 스캐닝될 수 있다. 예를 들어, 전자기 빔(316)은 연속적 또는 불연속적 래스터화, 단계적 스캐닝, 또는 원하는 임의의 다른 스캐닝 파형에 의해 이온-생성 타겟(304)의 표면 위에 순차적으로 스캐닝될 수 있다. 대안적으로, 전자기 빔(316)은 이온-생성 타겟(304)의 표면 위에 비순차적으로 스캐닝될 수 있다. 전자기 방사선 빔 스캐닝은 전자기 방사선 소스(302)와 이온-생성 타겟(304) 사이에 위치된 하나 이상의 광학 구성 요소(들)(306)를 수동 또는 자동으로 조정함으로써 달성될 수 있다. 광학 구성 요소(들)(306)의 자동 조정은 예를 들어, 제어 시스템(314)에 의해 제공되는 하나 이상의 신호에 응답하여 달성될 수 있다. 제어 시스템(314)에 의해 제공되는 하나 이상의 제어 신호는 컴퓨팅 시스템(500)에 저장된 프로그램과 같은 프로그램에 의해 미리 정해질 수 있거나, 하나 이상의 검출기와 같은 시스템(300)의 다양한 요소로부터 수신된 하나 이상의 피드백 신호에 응답하여 제공될 수 있다. 예를 들어, 시스템(300)의 하나 이상의 검출기로부터의 정보는 레이저-타겟 상호 작용 사이트의 위치를 변경하는 것이 바람직하다는 것을 나타낼 수 있다. 피드백의 이러한 예 및 다른 예가 더욱 상세하게 후술된다.
단계 908에서, 시스템(300)은 입자로부터 양성자 빔(318)을 형성하고 양성자 빔(318)을 치료 체적으로 지향시킬 수 있다. 단계 906에서 생성된 양성자는 초기에 유용한 구성 또는 궤적에 배치되지 않을 수 있다. 양성자는 예를 들어, 하나 이상의 빔 조정 구성 요소(들)(308)에 의해 양성자 빔으로 형성될 수 있다. 양성자 빔의 특성은 시스템(300)의 구성 및 용도별로 변할 수 있다. 일 실시예에서, 양성자 에너지는 상술한 바와 같이 약 250 MeV일 수 있고, 예를 들어 60 내지 250 MeV 범위일 수 있다. 양성자 플럭스는 약 2 Gy/분일 수 있으며, 양성자 펄스 지속 기간은 100 psec 미만일 수 있다. 시스템(300)에 의해 생성된 양성자는 또한 대칭 위상 공간 프로파일을 가질 수 있어, 가속기-기반 양성자 생성 시스템에 대한 양성자 빔 조향 및 필터링의 개선을 가능하게 하여, 양성자 빔 전달 및 치료의 정확성 및 효율을 개선한다. 물론, 상술한 범위는 단지 예일 뿐이고, 특정 에너지 및 플럭스는 구성의 특정 사항에 기초하여 변할 수 있다.
본 개시에 따르면, 피드백은 양성자 빔의 하나 이상의 특성을 조정하는 데 사용될 수 있다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 피드백은 하나 이상의 시스템 출력이 원인 및 결과 체인의 일부로서 하나 이상의 입력으로서 시스템으로 다시 라우팅되는(즉, 시스템으로 피드백되는) 제어 프로토콜을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 (상술한 바와 같이) 전자기 방사선 빔, 양성자 빔 및/또는 레이저-타겟 상호 작용의 양태를 제어하기 위해 피드백 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 이러한 피드백 신호는, 예를 들어, 전자기 방사선 빔, 양성자 빔 및/또는 레이저-타겟 상호 작용의 하나 이상의 특성에 기초할 수 있다. 일부 실시예에서, 피드백 신호는 전자기 방사선 소스, 하나 이상의 광학 구성 요소들, 및/또는 이온-생성 타겟에 대한 전자기 방사선 빔의 위치 또는 배향 중 적어도 하나를 조정함으로써 양성자 빔을 변경할 수 있다. 일부 경우에, 피드백은 이온-생성 타겟의 구조를 결정하는 데 사용될 수 있다.
피드백 신호는 전자기 방사선 빔의 양태를 변경하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일을 변경하기 위해 전자기 방사선 소스를 조정하도록 구성된 하나 이상의 피드백 신호를 생성할 수 있다. 또한, 전자기 방사선 소스는 전자기 방사선 빔의 메인 펄스 및 프리-펄스를 생성하도록 구성될 수 있고, 프로세서는 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 소스로 하여금 프리-펄스 대 메인 펄스의 콘트라스트 비를 변경하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 프로세서는 전자기 방사선 빔의 에너지 또는 전자기 방사선 빔의 공간 또는 시간 프로파일을 변경하기 위해 피드백 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 광학 구성 요소(들)는 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 빔의 스폿 크기를 변경할 수 있다. 일부 실시예에서, 모터는 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 빔과 이온-생성 타겟 사이의 상대 배향을 변경할 수 있다. 그리고 일부 실시예에서, 적응형 미러는 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 빔을 이온-생성 타겟으로 지향시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 피드백은 양성자 빔(318)의 특성을 조정하는 데 사용될 수 있다. 도 11은 이러한 피드백을 채용하기 위한 예시적인 프로세스(1100)에서의 프로세스 흐름을 도시한다. 단계 1102에서, 시스템(300)은 레이저-타겟 상호 작용 특성의 원하는 값을 결정하거나 이로 프로그래밍될 수 있다. 레이저-타겟 상호 작용 특성은 상술한 임의의 검출기(1020)에 의해 검출된 임의의 특성에 기초할 수 있다. 원하는 값은, 예를 들어, 양성자 빔(318)에서 원하는 품질과 관련된 공칭값, 치료 계획에서의 원하는 특성에 기초한 값, 시스템(300)의 최적 작동 상태 등에 기초할 수 있다.
단계 1104에서, 시스템(300)은 검출된 레이저-타겟 상호 작용 특성에 기초하여 하나 이상의 피드백 신호(들)를 생성할 수 있다. 피드백은 제어 시스템(314)에 의해 수신 및/또는 프로세싱될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(314)은 단계 1102에서 확립된 레이저-타겟 상호 작용 특성의 원하는 값에 대한 레이저-타겟 상호 작용 특성을 비교함으로써 시스템(300)의 다양한 구성 요소에 대한 조정을 계산할 수 있다. 일부 실시예에서, 조정 및 비교는 PID(비례-적분-미분) 제어 루프와 같은 피드백 제어 알고리즘에 따라 수행될 수 있다. 피드백 신호(들)에 의해 규정된 관계(들)는 선형일 수 있다(예를 들어, 펄스 지속 기간의 증가는 양성자 에너지에 역으로 영향을 미칠 수 있다(
Figure 112019135364455-pat00002
)). 피드백 신호는 때로는(예를 들어, 기동 또는 휴지 기간 동안) 제로로 설정될 수 있거나, 조정이 필요하지 않음을 나타내는 초기값으로 설정되거나, 초기 상태를 나타내는 디폴트값으로 설정될 수 있다.
단계 1106에서, 시스템(300)은 피드백 신호에 기초하여 하나 이상의 시스템 구성 요소를 조정할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제어 시스템(314)은 피드백 신호에 기초하여 전자기 방사선 빔(316)의 특성을 조정하도록 구성될 수 있다. 생성된 피드백은 모터로 하여금 전자기 방사선 빔(316)의 경로를 조정하게 할 수 있다. 모터는 예를 들어, 하나 이상의 광학 구성 요소(들)(306)를 조정할 수 있다. 이러한 조정은 예를 들어, 전자기 방사선 빔(316)으로 하여금 보다 바람직한 위치 또는 위치들에서 이온-생성 타겟(304)을 타격하게 하여 이온-생성 타겟(304)을 타격하는 전자기 방사선 빔(316)으로부터 발생되는 양성자 빔(318)의 특성을 변경할 수 있다. 이러한 조정은 또한 전자기 방사선 빔으로 하여금 이온-생성 타겟(304)의 복수의 인접한 피처를 순차적으로 타격하게 할 수 있어, 피처가 원하는 레이트로 조사된다. 추가적으로, 광학 구성 요소(들)(306)는 이온-생성 타겟(304)의 표면 위에 전자기 방사선 빔(316)을 스캐닝하도록 구성될 수 있다. 다른 예로서, 이온-생성 타겟(304)은 이온-생성 타겟(304)을 임의의 6개의 자유도로 이동시키기 위해 피드백 신호에 기초하여 모터에 의해 조작될 수 있다.
일부 실시예에서, 단계 1108에서, 제어 시스템(314)은 전자기 방사선 소스(302)로 하여금 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 빔(316)의 에너지, 파장, 또는 시간 또는 공간 프로파일을 변경하게 할 수 있다. 제어 시스템(314)은 또한 전자기 방사선 소스(302)로 하여금 피드백 신호에 응답하여 프리-펄스 대 메인 펄스의 콘트라스트 비를 변경하게 할 수 있다. 전자기 방사선 소스(302)를 통한 전자기 방사선 빔(316)에 대한 이러한 조정은 예를 들어, 제어기(들)(616)를 통해 발진기(들)(602), 펌프 소스(들)(604), 광학 구성 요소(606), 신장기(들)(610), 증폭기(들)(612) 및 압축기(들)(614) 중 하나 이상을 조정함으로써 달성될 수 있다. 일부 실시예에서, 전자기 방사선 소스(302) 또는 광학 구성 요소(들)(306)의 임의의 광학 요소 또는 다른 구성 요소는 피드백 신호에 기초하여 변화, 이동, 배향 또는 다르게 구성될 수 있어, 임의의 수의 변화를 발생시킨다. 상술한 예는 한정적인 것으로 의도되지 않는다.
단계 1108에서, 시스템(300)은, 예를 들어, 도 9에 나타낸 프로세스(900)의 단계(902 및 904)와 관련하여 상술한 바와 같이, 전자기 방사선 빔(316)을 이온-생성 타겟(304)으로 지향시킬 수 있다.
단계 1110에서, 시스템(300)은 레이저-타겟 상호 작용 특성을 검출할 수 있다. 검출된 레이저-타겟 상호 작용 특성은 검출기(1020)와 관련하여 상술한 임의의 하나 이상의 특성 및/또는 전자기 방사선 빔(316), 양성자 빔(318), 레이저-타겟 상호 작용, 결함 조건, 또는 시스템의 임의의 구성 요소에 의해 생성된 임의의 다른 신호를 포함할 수 있다.
단계 1110에서 검출된 레이저-타겟 상호 작용 특성은 단계 1104로 다시 전달될 수 있고, 프로세스(1100)는 임의의 횟수로 반복될 수 있다. 예를 들어, 프로세스(1100)는 표준의, 고정된 횟수, 제어 시스템(314)에 의해 사전 설정된 횟수, 치료 계획에 의해 규정된 횟수 또는 실시간으로 결정된 가변 횟수를 반복할 수 있다.
일부 실시예에서, 특정 에너지 및/또는 플럭스의 양성자의 선택이 필요할 수 있다. 예를 들어, 양성자 요법의 이점과 관련하여 상술한 바와 같이, 환자 내의 특정 깊이의 치료 체적의 치료가 필요할 수 있다. 치료 깊이는 특정 에너지 레벨 또는 에너지 레벨 범위의 양성자를 선택적으로 방출함으로써 특정될 수 있다. 치료 체적으로 전달되는 방사선의 투여량은 양성자 빔의 플럭스에 부분적으로 의존한다. 따라서, 시스템(300)에 의해 생성된 양성자 플럭스 및 양성자 에너지를 조정하는 것이 바람직할 수 있다.
본 개시에 따르면, 대전 입자의 펄스화된 빔을 지향시키기 위한 시스템은 이온 소스를 포함할 수 있다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 이온 소스는 연속 또는 펄스화된 이온 빔을 생성하도록 구성된 임의의 구조 또는 디바이스를 지칭할 수 있다. 펄스화된 이온 빔은 적어도 하나의 이온 다발(예를 들어, 이온의 클러스터)을 포함하는 임의의 이온 그룹을 지칭할 수 있다. 일부 실시예에서, 이온 소스는 상술한 바와 같이 적어도 방사선 빔 및 이온-생성 타겟을 포함할 수 있지만; 이 예는 한정적인 것이 아니다. 예를 들어, 본 개시에 따른 대전 입자의 펄스화된 빔을 지향시키기 위한 시스템은 임의의 방법 또는 디바이스(예를 들어, 사이클로트론, 싱크로트론 또는 다른 입자 가속기를 포함)에 의해 생성된 대전 입자의 빔과 함께 사용될 수 있다.
또한, 본 개시에 따르면, 대전 입자의 펄스화된 빔을 지향시키기 위한 시스템은 적어도 하나의 전자석을 포함할 수 있다. 본원에 사용되는 바와 같이, 전자석은 전자기장을 생성하도록 제어 가능한 임의의 디바이스를 지칭할 수 있다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 전자석은 펄스화된 이온 빔의 궤적을 따른 직렬의 복수의 전자석을 포함할 수 있다.
또한, 본 개시에 따르면, 대전 입자의 펄스화된 빔을 지향시키기 위한 시스템은 전자석에 근접한 구역을 적어도 포함할 수 있다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 전자석에 근접한 구역은 전자석에 의해 생성된 전자기장이 구역 내에 위치된 대전 입자의 궤적을 변경할 수 있는 임의의 위치를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 전자석에 근접한 구역은 이온 빔이 통하여 횡단할 수 있도록 배향된 임의의 위치를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 구역은 전자석의 활성화에 의해 생성된 전자기장 내의 위치를 포함할 수 있다. 구역의 크기는 많은 요인에 따라 변할 수 있지만; 일부 실시예에서, 구역은 약 1 인치보다 작은 치수를 가질 수 있다.
본 개시에 따르면, 대전 입자의 펄스화된 빔을 지향시키기 위한 시스템은 적어도 하나의 자동화된 스위치를 포함할 수 있다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 자동화된 스위치는 전자석에 전기적으로 접속되도록 구성되고 신호에 의해 트리거링될 때 적어도 하나의 전자석을 선택적으로 활성화 또는 비활성화하도록 구성된 디바이스를 지칭할 수 있다. 자동화된 스위치는 선택적으로 활성화 또는 비활성화될 수 있는 임의의 스위치일 수 있다. 예를 들어, 자동화된 스위치는 광도전성 반도체 스위치 또는 스파크 스위치를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 자동화된 스위치는 복수의 자동화된 스위치를 포함할 수 있다. 개별 자동화된 스위치는 상이한 전자석 또는 동일한 전자석과 연관될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 전자석은 펄스화된 이온 빔의 일부를 원래 궤적으로부터 방향 전환된 궤적으로 방향 전환하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예는 제1 전자석과 직렬이고 펄스화된 이온 빔의 방향 전환된 부분의 적어도 일부를 방향 전환된 궤적으로부터 원래 궤적과 실질적으로 평행한 경로로 다시 방향 전화하도록 구성된 제2 전자석을 추가로 포함할 수 있다.
본 개시에 따르면, 대전 입자의 펄스화된 빔을 지향시키기 위한 시스템은 방사선 트리거 소스를 포함할 수 있다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 방사선 트리거 소스는 적어도 하나의 자동화된 스위치를 활성화 또는 비활성화하기 위해 방사선 트리거를 생성할 수 있는 임의의 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방사선 트리거 소스는 이온 소스, x선 소스, 전자 소스 및 광원(예를 들어, 레이저) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 방사선 트리거 소스에 의해 생성된 방사선 트리거는 자동화된 스위치를 활성화 또는 비활성화하고 이온-생성 타겟을 조사하여 펄스화된 이온 빔을 생성하도록 구성될 수 있다.
본 개시에 따르면, 적어도 하나의 프로세서는 이온 다발이 전자석에 근접한 구역을 횡단할 때 적어도 하나의 전자석을 활성화시키도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 상술한 임의의 프로세서를 포함할 수 있고, 이온 다발이 일련의 전자석을 횡단할 때 복수의 자동화된 스위치를 순차적으로 활성화시키도록 구성될 수 있다.
본 개시에 따르면, 제어된 지연 라인이 제공될 수 있다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 제어된 지연 라인은 방사선 빔 또는 대전 입자가 횡단하는 데 걸리는 시간을 연장하도록 구성된 경로를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 제어된 지연 라인은 이온 다발이 전자석에 근접한 구역을 횡단하는 시간을 지연시키는 데 사용될 수 있다. 다른 예로서, 제어된 지연 라인은 방사선 빔이 자동화된 스위치를 활성화시키는 시간을 지연시키는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어된 지연 라인은 방사선 빔이 전자석의 자동화된 스위치를 활성화시키는 시간을 펄스화된 이온 빔이 전자석에 근접한 구역을 횡단하는 시간과 동기화하도록 구성될 수 있다.
도 12는 이온 다발, 예를 들어, 양성자 빔(318) 내의 양성자 다발에 대한 양성자 에너지 프로파일의 예시적인 그래프이다. 도 12에 나타낸 펄스(즉, "다발")(1202)는 시스템(300) 및 이온-생성 타겟(304)과 관련하여 상술한 바와 같이 생성될 수 있다. 그러나, 이온-생성 타겟(304)의 사용은 단지 예일 뿐이고, 한정적인 것으로 의도된 것이 아니다. 다른 이온 소스 및 이온 유형이 또한 사용될 수 있다.
양성자 요법의 관점에서, 환자 내의 특정 깊이에 위치된 치료 체적을 조사하기 위해, 특정 에너지의 양성자가 필요할 수 있다. 원하는 에너지의 양성자를 격리하기 위해, 시스템(300)은 양성자 빔(318)을 필터링하여 원하는 에너지를 갖는 양성자를 환자에게 전달하여 양성자 빔으로부터 다른 에너지를 갖는 양성자를 제거할 수 있다. 예를 들어, 에너지(1206)와 에너지(1208) 사이의 에너지를 갖는 양성자(1204)를 전달하기 위해, 시스템(300)은 에너지(1206)보다 작고 에너지(1208)보다 큰 에너지를 갖는 임의의 양성자를 제거함으로써 양성자 다발(1202)을 필터링할 수 있다.
이러한 필터링은 특정 양성자 빔 조정 구성 요소(308)를 조합함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 양성자 빔 조정 구성 요소(308)는 특정 에너지를 갖는 양성자가 다른 에너지를 갖는 양성자와 다른 궤적을 따라 방향 전환되도록 양성자 빔(318)을 조작할 수 있다. 이는 많은 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 양성자 빔 조정 구성 요소(308)는 에너지(1206)와 에너지(1208) 사이의 에너지를 갖는 양성자를 격리하기 위한 대역 통과 필터로서 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 양성자 빔 조정 구성 요소(308)는 에너지(1206 또는 1208)와 같은 에너지 컷-오프(cut-off)보다 큰 에너지를 갖는 양성자를 격리하기 위한 고역 통과 필터로서 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 양성자 빔 조정 구성 요소(308)는 에너지(1206 또는 1208)와 같은 에너지 컷-오프보다 적은 에너지를 갖는 양성자를 격리하기 위한 저역 통과 필터로서 구성될 수 있다.
상술한 실시예는 조합될 수 있으며, 하나 초과의 필터가 사용될 수 있다. 저역 통과 필터 및 고역 통과 필터는 예를 들어, 대역 통과 필터를 생성하기 위해 직렬로 조합될 수 있다. 이러한 실시예에서, 저역 통과 필터는 에너지(1208)보다 적은 에너지를 갖는 양성자를 격리하도록 구성될 수 있고, 고역 통과 필터는 에너지(1206)보다 큰 에너지를 갖는 양성자를 격리하도록 구성될 수 있다. 이는 좁은 에너지 대역, 특히 독립형 대역 통과 필터가 수용할 수 있는 것보다 좁은 에너지 대역 내에서 양성자를 선택하는 데 특히 유리할 수 있다.
양성자 에너지 필터링을 달성하기 위해, 하나 이상의 양성자 빔 조정 구성 요소(308)는 스파크 스위치 또는 광도전성 스위치와 같은 하나 이상의 자동화된 스위치에 의해 선택적으로 활성화 및/또는 제어될 수 있다. 선택적 활성화는 자동화된 스위치 및 양성자 빔 조정 구성 요소(308)와의 인터페이스를 가질 수 있는 제어기(314)에 의해 규제될 수 있다. 자동화된 스위치는 제어기(314)에 의해 생성된 신호에 의해 활성화 또는 비활성화될 수 있다. 신호는 상술한 피드백의 임의의 형태와 같은 피드백에 기초하여 생성될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 일부 실시예에서, 자동화된 스위치는 레이저 또는 다른 광 소스와 같은 전자기 방사선에 의한 활성화 또는 비활성화를 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 자동화된 스위치는 전자기 방사선 빔(316)의 경로를 따라 배치된 광도전성 반도체 스위치를 포함할 수 있다. 대안적으로, 전자기 방사선 빔(316)은 하나 이상의 광학 구성 요소(306)에 의해 방향 전환되거나 광학 구성 요소(306)에 의해 복수의 빔으로 분할될 수 있으며, 복수의 빔 중 하나 이상은 자동화된 스위치로 전달된다. 이러한 실시예에서, 전자기 방사선 빔(316)에 의해 타격될 때 자동화된 스위치가 활성화 또는 비활성화될 수 있다. 따라서, 전자기 방사선 빔은 자동화된 스위치를 활성화시키고 이온-생성 타겟(304)을 조사하여 양성자 빔(318)을 생성하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 스위칭 전자기 방사선 소스는 전자기 방사선 소스(302) 또는 전자기 방사 빔(316)과 연관되지 않을 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(314)은 별도의 스위칭 전자기 방사선 소스로 하여금 하나 이상의 광도전성 반도체 스위치 또는 스파크 스위치를 조사하게 하여 양성자 에너지 필터(들)의 양성자 빔 조정 구성 요소(308)를 활성화시키거나 비활성화시킬 수 있다.
양성자 에너지 필터에서 자동화된 스위치를 활성화시키는 것과 연관된 타이밍은 적어도 부분적으로, 방사선 빔이 자동화된 스위치를 활성화시키는 시간을 조정하도록 구성된 제어된 지연 라인과 같은 비행-시간 제어 유닛에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 제어된 지연 라인은 자동화된 스위치의 타이밍을 방사선 빔과 동기화하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 양성자 에너지 필터에서 자동화된 스위치를 활성화시키는 것과 연관된 타이밍은 제어 시스템(314)에 의해, 예를 들어, 사용자 커맨드, 시스템(300)으로부터의 피드백 신호에 응답하여, 또는 미리 정해진 프로그램에 따라 제어될 수 있다.
상술한 논의는 양성자 요법 시스템에서 양성자가 필터링되는 어플리케이션을 고려하지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 이들 필터링 시스템 및 방법이 넓은 응용성을 갖는다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 양성자 필터링의 관점에서 설명된 이들 방법 및 시스템은 또한 임의의 다양한 다른 시스템 및 어플리케이션에 사용되는 임의의 다양한 다른 대전 입자를 필터링하는 데 사용될 수 있다.
도 13은 상술한 바와 같이, 양성자 에너지 선택을 달성하도록 구성된 양성자 빔 조정 구성 요소(308)의 구성의 예를 도시한다. 이러한 구성은 하나 이상의 양성자 빔 조정 구성 요소(1302 및 1306) 및 빔 덤프(dump)(1304)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 빔 조정 구성 요소(1302 및 1306)는 양성자 빔(318)의 궤적을 따라 직렬로 배치된 복수의 전자석을 포함할 수 있다. 복수의 자동화된 스위치는 하나 이상의 상이한 자석 또는 자석 그룹과 연관될 수 있다. 제어 시스템(314)은 양성자 빔(318)을 조작하기 위해 다양한 조합으로 이러한 복수의 스위치를 활성화시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(314)은 양성자 다발이 복수의 전자석의 자석을 횡단할 때 순차적으로 자동화된 스위치를 활성화시킬 수 있다. 일 실시예에서, 빔 조정 구성 요소(1302)는 양성자 빔(318)의 일부를 원래 궤적으로부터 방향 전환된 궤적으로 방향 전환시키도록 구성될 수 있다. 빔 조정 구성 요소(1302)는 펄스화된 양성자 빔의 방향 전환된 부분의 적어도 일부를 방향 전환된 궤적으로부터 원래의 궤적에 실질적으로 평행한 경로로 다시 방향 전환시키도록 구성될 수 있다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 양성자 빔(318)은 양성자 빔 조정 구성 요소(1302)에 근접한 구역을 통과할 수 있다. 구역은 임의의 크기일 수 있지만, 일부 실시예에서 1 인치 미만의 치수를 가질 수 있다. 양성자 빔 조정 구성 요소(1302)에 근접한 구역은 양성자 빔(318)(예를 들어, 연속적인 빔 또는 펄스(1202)와 같은 펄스를 포함하는 펄스화된 빔)이 구역을 횡단하도록 구성 및/또는 배향될 수 있다. 양성자 빔 조정 구성 요소(1302)는 임의의 양성자 빔 조정 구성 요소(308), 예를 들어, 쌍극자, CMA, SMA, 또는 비행-시간 분석기와 같은 전자석을 포함할 수 있다. 도 13a에 나타낸 바와 같이, 양성자 빔이 양성자 빔 조정 구성 요소(1302)에 근접한 구역을 횡단함에 따라, 자동화된 스위치는 원하는 에너지를 갖는 양성자가 궤적(1310)을 따라 빔 조정 구성 요소(1306)를 향해 방향 전환되도록 양성자 빔 조정 구성 요소(1302)를 활성화시킬 수 있다. 양성자 빔(318)으로부터 필터링될 에너지를 갖는 양성자가 양성자 빔 조정 구성 요소(1302)에 근접한 구역을 횡단할 때, 자동화된 스위치가 활성화되지 않을 수 있거나, 대안적인 스위치가 활성화될 수 있고, 양성자는 도 13b에 나타낸 바와 같이, 궤적(1308)을 따라 빔 덤프(1304)를 향해 이동할 수 있다. 원하는 에너지를 갖는 양성자가 빔 조정 구성 요소(1306)를 통과할 수 있으며, 여기서 빔 라인 궤적(1312)을 따라, 그리고 결국 치료 체적을 향해 다시 재지향된다.
일부 실시예(미도시)에서, 양성자 에너지 필터는 단일 빔 조정 구성 요소 및 빔 덤프만을 포함할 수 있다. 원하는 에너지를 갖는 양성자를 제2 전자기 요소를 향해 방향 전환시키는 대신에, 원하는 에너지를 갖는 양성자는 방향 전환되지 않고 양성자 빔 조정 구성 요소에 근접한 구역을 통과하도록 허용될 수 있다. 양성자 빔으로부터 필터링될 에너지를 갖는 양성자가 양성자 빔 조정 구성 요소에 근접한 구역을 통과함에 따라, 궤적을 따라 빔 덤프를 향해 방향 전환될 수 있다.
일부 실시예에서, 양성자 에너지 필터는 에너지 저하기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 에너지 저하기는 빔 덤프(1304)의 일부로서 사용될 수 있다. 추가적으로, 에너지 저하기는 빔 덤프로 방향 전환되지 않은 양성자의 에너지 및/또는 플럭스를 감소시키는 데 사용될 수 있다. 에너지 저하기를 사용하여 양성자 빔을 필터링하기 위해, 양성자는 저하기를 통해 방향 전환될 수 있으며, 여기서 저하기와 상호 작용한다. 양성자 빔의 궤적을 따라 저하기를 통해 전달된 양성자는 그 후 에너지가 감소되어, 양성자 빔의 에너지를 저하시킨다. 다른 양성자는 에너지 저하기에 의해 흡수되거나 양성자 빔의 궤적으로부터 방향 전환될 수 있어, 더 이상 전달된 양성자 빔의 일부를 형성하지 않아 전달된 양성자 빔의 플럭스를 감소시킨다. 에너지 저하기는 예를 들어 탄소, 플라스틱, 베릴륨, 구리 또는 납과 같은 금속, 또는 양성자 빔의 에너지 또는 플럭스를 감소시키는 데 효과적인 임의의 재료를 포함할 수 있다. 에너지 저하기는 또한 웨지(wedge), 갭(공기 또는 다른 재료로 충진될 수 있음)에 의해 분리된 이중 웨지, 원통, 직사각형, 또는 빔을 저하시킬 수 있는 임의의 다른 재료 또는 구성을 포함하여, 양성자 빔의 에너지 또는 플럭스를 감소시키는 데 효과적인 임의의 형상으로 구성될 수 있다.
본 기술 분야의 통상의 기술자는 상술한 양성자 빔 필터 구성이 단지 예시적이며, 다른 구성이 본원에 설명된 실시예에 따라 고려된다는 것을 인식할 것이다.
본 개시에 따르면, 양성자로 치료 체적을 치료하기 위한 시스템은 양성자 소스를 포함할 수 있다. 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 양성자 소스는 방출 가능한 양성자를 갖거나 양성자를 방출할 수 있는 임의의 재료, 시스템 또는 하위 시스템을 지칭할 수 있다. 양성자 소스는 양성자 에너지 확산 내에 복수의 양성자 에너지를 갖는 양성자 빔을 제공하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 개시에 따르면, 양성자로 치료 체적을 치료하기 위한 시스템은 3차원 좌표계의 2차원에서 양성자 빔과 치료 체적 사이의 상대 이동을 제어하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는, 예를 들어, 상술한 임의의 프로세서를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세서는 다른 2차원에서 실질적으로 고정된 좌표를 유지하면서 3차원 좌표계의 제3 차원에서 처리 체적의 깊이를 조정하기 위해 양성자 에너지 확산을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 3차원 좌표계의 제3 차원은 양성자 빔 궤적의 근사적인 방향을 지칭할 수 있고, 다른 2차원은 3차원에 직교하는 평면을 지칭한다.
3차원 좌표계의 2차원에서 양성자 빔과 치료 체적 사이의 상대 이동을 제어하는 것은 많은 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 양성자 빔과 치료 체적 사이의 상대 이동을 제어하는 것은 갠트리를 회전시킴으로써 달성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 양성자 빔과 치료 체적 사이의 상대 이동을 제어하는 것은 양성자 빔을 전자석으로 지향시키고 및/또는 환자 지지 플랫폼을 이동시킴으로써 달성될 수 있다.
마찬가지로, 에너지 확산 및 분산 또는 양성자를 제어하는 것은 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 본 개시에 따르면, 에너지 확산을 제어하는 것은, 예를 들어, 자기 분석기, 비행-시간 제어 유닛 및 에너지 저하기 중 하나 이상을 통해 달성될 수 있다.
시스템(300)은 다른 것들은 실질적으로 고정된 상태로 유지되면서 양성자 빔(318)의 하나 이상의 특성을 변화시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 변화는 프로세스(1100)와 관련하여 상술한 바와 같은 피드백을 통해 달성될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(314)은 양성자 빔(318)의 에너지를 독립적으로 조정하면서 양성자 빔(318)의 플럭스를 실질적으로 일정하게 유지할 수 있거나, 그 플럭스를 독립적으로 조정하면서 양성자 빔(318)의 에너지를 실질적으로 일정하게 유지할 수 있다. 이러한 독립적인 조정은 큰 크기 및 늦은 응답 속도 때문에 가속기-기반 시스템에서 가능하지 않을 수 있다. 그러나, 본원에 개시된 시스템 및 방법은 전자기 방사선 빔(316)의 특성 및 레이저-타겟 상호 작용을 재구성하기 위해 (또한, 상술한 바와 같이) 피드백을 (또한, 상술한 바와 같은) 시스템(300)의 조정 가능한 구성 요소와 커플링함으로써 독립적 에너지 및 플럭스 제어를 달성할 수 있으며, 이에 의해, 양성자 빔(318)의 에너지 및 플럭스를 독립적으로 조정한다. 따라서, 정확한 치료가 종래의 시스템보다 더욱 신속하게 제공될 수 있어, 치료에 환자가 소비하는 시간을 줄이고 환자 치료량을 증가시킬 수 있다. 또한, 치료가 더욱 정확하게 그리고 건강한 조직에 대한 더 적은 손상으로 제공될 수 있다. 본원에 개시된 시스템 및 방법은 전자기 방사선 빔(316)의 특성 및 레이저-타겟 상호 작용을 재구성하기 위해 (상술한 바와 같이) 피드백을 (또한 상술한 바와 같은) 시스템(300)의 조정 가능한 구성 요소와 커플링시킴으로써 동시의 에너지 및 플럭스 제어를 달성할 수 있으며, 이에 의해 양성자 빔(318)의 에너지 및 플럭스를 동시에 조정할 수 있다.
일 실시예에서, 양성자 빔(318)의 에너지 및 플럭스는 전자기 방사선 빔(316)의 강도, 이온-생성 타겟(304) 상의 전자기 방사선 빔의 위치, 전자기 방사선 빔(316)의 시간 프로파일, 방사선 빔(316)의 공간 프로파일, 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308)의 설정 및 선택에 따라 조정될 수 있다. 예를 들어, 양성자 빔(318)의 에너지는 전자기 방사선 빔(316)의 강도에 비례할 수 있고, 양성자 빔(318)의 플럭스는 전자기 방사선 빔(316)의 에너지에 비례할 수 있다. 이는 이하의 관계에 의해 표현될 수 있다.
Figure 112019135364455-pat00003
(1)
및
Figure 112019135364455-pat00004
(2)
여기서, IL은 전자기 방사선 빔(316)의 강도이고, EL은 전자기 방사선 빔(316)의 강도이며, A는 전자기 방사선 빔(316)의 공간 프로파일(예를 들어, 스폿 크기)을 나타내고, Δτ는 전자기 방사선 빔(316)의 시간 프로파일(예를 들어, 펄스 지속 기간)을 나타내고, Ep는 양성자 빔(318)의 에너지이고,
Figure 112019135364455-pat00005
는 양성자 빔(318)의 플럭스이다. 따라서, 전자기 방사선 빔(316)의 에너지, 공간 프로파일, 시간 프로파일 중 하나 이상을 적절히 조정함으로써 양성자 빔(318)의 에너지는 실질적으로 일정하게 유지될 수 있으며, 양성자 빔(318)의 플럭스는 변하며, 그 역도 가능하다. 예를 들어, 양성자 플럭스를 변화시키지 않고 양성자 빔(318)의 양성자 에너지를 변경하기 위해, 전자기 방사선 빔(316)의 에너지는, 이온-생성 타겟(304)에서 펄스 지속 기간 및/또는 스폿 크기를 변화시키면서 약 1 MeV에서 일정하게 유지될 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 양성자 빔(318)의 에너지 및 플럭스는 예를 들어, 적절하게 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308)를 선택 또는 조정함으로써 독립적으로 변화될 수 있다. 예를 들어, 이것은 도 13과 관련하여 상술한 필터링 시스템 및 방법 중 하나를 사용하거나 예를 들어, 하나 이상의 에너지 저하기를 사용함으로써 달성될 수 있다.
양성자 빔(318)의 플럭스를 독립적으로 조정할 때, 양성자 빔(318)의 에너지에서의 사용 가능한 변화는 양성자 빔(318)이 초기에 형성되는 경우 ±25 % 이상으로 클 수 있고, 시스템(300)은 이러한 변동을 빔 라인의 더욱 아래로 약 ±5 % 이하로 감소시킬 수 있다. 유사하게, 양성자 빔(318)의 에너지를 독립적으로 조정할 때, 양성자 빔(318)이 초기에 형성되는 경우 양성자 빔(318)의 플럭스의 사용 가능한 변동은 ±25 % 이상만큼 클 수 있으며, 시스템(300)은 이러한 변동을 빔 라인의 더욱 아래로 약 ±5 % 이하로 감소시킬 수 있다.
양성자 빔(318)의 에너지 및 플럭스를 독립적으로 조정하는 것에 대한 대안으로서, 양성자 빔(318)의 에너지 및 플럭스는 예를 들어, 적절하게 양성자 빔 조정 구성 요소(들)(308)를 선택 또는 조정함으로써 동시에 변할 수 있다. 예를 들어, 이것은 도 13과 관련하여 상술한 필터링 시스템 및 방법 중 하나를 사용하거나 예를 들어, 하나 이상의 에너지 저하기를 사용하여 달성될 수 있다.
프로세스 변수가 동작 동안 변동할 수 있기 때문에, 양성자 빔(318)의 에너지 및 플럭스의 독립적인 변화는 도 11과 관련하여 상술한 피드백 조정으로부터 상당히 유리하다. 예를 들어, 검출된 레이저-타겟 상호 작용 특성은 동작 동안 단계 1108에서 변하므로, 제어 시스템(314)은 단계 1110에서 결정된 피드백 신호를 통해 단계 1104에서 이에 따라 시스템(300)을 자동으로 조정할 수 있다.
시스템(300)은 치료 체적의 체계적인 치료를 위해 프로세스에 고정된 양성자 빔(318)의 다른 특성을 유지하면서 양성자 빔(318)의 하나 이상의 특성의 이러한 변화를 채용하도록 구성될 수 있다. 도 14는 이러한 체계적인 치료를 위한 프로세스(1400)의 예를 도시한다. 단계 1402에서, 제어 시스템(314)은 3차원 좌표계의 2차원에서 치료 체적에 대한 양성자 빔(예를 들어, 빔(318))을 위치 결정할 수 있다. 예를 들어, 제3 차원은 갠트리(예를 들어, 갠트리(310))를 빠져나갈 때 양성자 빔의 궤적에 의해 규정될 수 있고, 3차원 좌표계의 2차원은 갠트리(310)를 빠져 나갈 때 양성자 빔(318)의 궤적에 수직인 평면에 의해 규정될 수 있다. 양성자 빔(318)과 2차원에서의 치료 체적 사이의 상대 이동은 시스템(300)의 하나 이상의 구성 요소에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 상대 이동은 하나 이상의 모터 및/또는 갠트리(310)와 연관된 자석 및/또는 환자 지지 플랫폼(312)과 연관된 하나 이상의 모터의 임의의 조합에 의해 제어될 수 있다. 보다 구체적으로, 제어 시스템(314)은 갠트리(310)의 회전, 스캐닝 자석(710)의 조정, 및 환자 지지 플랫폼(312)의 재배치 중 하나 이상을 제어함으로써 양성자 빔(318)과 치료 체적 사이의 상대 이동을 제어하도록 구성될 수 있다.
단계 1404에서, 제어 시스템(예를 들어, 시스템(314))은 3차원 좌표계의 제3 차원에서 양성자 빔과 치료 체적 사이의 상대 이동을 제어하도록 구성될 수 있다. 제어 시스템(314)은 다른 2차원에서 실질적으로 고정된 좌표를 유지하면서 제3 차원에서의 이러한 상대 이동을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(314)은 다른 2차원에서의 양성자 빔(318)의 위치를 고정시키면서 치료 깊이를 조정하도록 양성자 에너지를 제어할 수 있다. 단계 1404에서 양성자 에너지를 제어하는 것은 (상술한 특정 구조를 참조하거나 참조하지 않고) 상술한 하나 이상의 기술을 통해 달성될 수 있다. 예를 들어, 전자기 방사선 빔(316)의 에너지, 시간 프로파일 및 공간 프로파일 중 적어도 하나는 위의 식 1에 따라 조정될 수 있고, 도 12 및 도 13에서의 양성자 에너지 선택이 사용될 수 있고, 및/또는 자기 분석기, 비행-시간 제어 유닛 및 에너지 저하기 중 하나 이상이 사용될 수 있다.
단계 1404의 예가 도 15a, 도 15b 및 도 15c에 나타내어져 있으며, 이는 치료 체적(1506)에 대한 치료를 제공하기 위해 환자(1504)의 피부(1502)를 관통하는 양성자 빔(318)을 도시한다. 도 15a, 도 15b 및 도 15c는 개시된 실시예에 따른 일련의 치료 위치를 나타낼 수 있다. 시스템(300)은 도 15b에 나타낸 바와 같이 양성자 빔(318)의 에너지를 감소시킨 후, 도 15c에 나타낸 영역(1512)을 치료하고, 추가로 양성자 빔(318)의 에너지를 감소시킴으로써 영역(1510)을 치료하기 전에 제3 차원으로 더 큰 거리의 (즉, 환자(1504)의 피부(1502)로부터 더 멀리) 도 15a에 나타낸 영역(1508)을 치료하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 시퀀스는 역전될 수 있으며, 도 15c의 영역(1512)을 치료한 후, 도 15b의 영역(1510)을 치료하기 위해 양성자 빔(318)의 에너지를 증가시킨 후, 도 15a의 영역(1508)을 치료하기 위해 양성자 빔(318)의 에너지를 추가로 증가시킨다.
추가적인 치료 위치는 도 15a, 도 15b 및 도 15c에 나타낸 영역(1508, 1510 및 1512) 이전, 이후 또는 중간에 단계 1404에 포함될 수 있다. 제어 시스템(314)은 또한 특정 시퀀스의 효과를 고려하여 치료를 최적화하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 영역(1508)을 치료하도록 의도된 (즉, 도 15a에 나타낸 바와 같은) 치료 체적(1506)을 통과하는 양성자는 1508에 도달하기 전에 영역(1510 및 1512)에 일부 부수적인 치료를 제공할 수 있다. 제어 시스템(314)은 이에 따라 환자의 치료 계획에서 투여량을 조정함으로써 영역(1510 및 1512)에 대해 투여된 부수적 투여량을 설명할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(314)은 영역(1508)과 같은 다른 영역을 직접 치료하면서 영역(1510 및 1512)으로 전달될 모든 부수적 투여량을 통합하고, 영역(1510 및 1512)을 치료하기에 적절한 직접 투여량으로부터 이러한 부수적인 투여량을 감산하도록 구성될 수 있다. 따라서, 보다 정확한 치료가 달성될 수 있다.
단계 1406에서, 제어 시스템(예를 들어, 제어 시스템(314))은 다른 위치가 치료를 필요로 하는지 또는 치료가 완료되었는지 여부를 결정할 수 있다. 치료가 완료되면(단계 1006; 예), 프로세스(1400)가 종료될 수 있다. 치료가 완료되지 않은 경우(단계 1006; 아니오), 프로세스(1000)는 단계 1002로 복귀하여, 도 15d에 나타낸 바와 같이 2차원에 대한 양성자 빔(318)을 재배치하고, 양성자 빔(318)의 에너지를 변화시킴으로써 제3 차원에서 깊이를 스캐닝하는 프로세스를 반복할 수 있다.
예시적인 실시예들이 본원에 설명되었지만, 본 개시에 기초하여 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 이해될 바와 같이, 그 범위는 동등한 요소, 수정, 생략, (예를 들어, 다양한 실시예에 걸친 양태의) 조합, 적응 및/또는 변경을 갖는 임의의 그리고 모든 실시예를 포함한다. 예를 들어, 예시적인 시스템에 나타내어진 구성 요소의 수 및 배향이 수정될 수 있다. 또한, 첨부된 도면에 나타내어진 예시적인 방법과 관련하여, 단계의 순서 및 시퀀스가 수정될 수 있고, 단계가 추가되거나 삭제될 수 있다.
본 발명의 양태는 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템을 포함할 수 있으며, 시스템은 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버; 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스; 전자기 방사선 빔을 이온-생성 타겟으로 지향시켜 결과적인 양성자 빔을 발생시키도록 구성된 하나 이상의 광학 구성 요소들; 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성을 측정하도록 구성된 검출기; 및 검출기에 의해 측정된 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성에 기초하여 피드백 신호를 생성하고 전자기 방사선 소스, 하나 이상의 광학 구성 요소, 및 이온-생성 타겟에 대한 전자기 방사선 빔의 상대 위치 및 배향 중 적어도 하나 중 적어도 하나를 조정함으로써 양성자 빔을 변경시키도록 구성된 프로세서를 포함한다.
레이저-타겟 상호 작용 특성은 예를 들어, 양성자 빔 에너지 및/또는 양성자 빔 플럭스와 같은 양성자 빔 특성을 포함할 수 있으며, 그 특성은 2차 전자 방출 특성을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 레이저-타겟 상호 작용 특성은 x선 방출 특성을 포함할 수 있다.
전자기 방사선 소스는 펄스화된 전자기 방사선 빔을 제공하여 펄스화된 양성자 빔을 발생시키도록 구성될 수 있다.
상호 작용 챔버는 이온-생성 타겟을 지지하기 위한 타겟 스테이지를 포함할 수 있고, 프로세서는 타겟 스테이지와 전자기 방사선 빔 사이의 상대 이동을 야기하도록 추가로 구성될 수 있다.
이온-생성 타겟의 구조는 측정된 레이저-타겟 상호 작용 특성으로부터 생성된 피드백 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다.
전자기 방사선 소스는 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일을 변경하도록 구성될 수 있으며, 및/또는 메인 펄스 및 프리-펄스를 생성하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 소스로 하여금 피드백 신호에 응답하여 메인 펄스에 대한 프리-펄스의 콘트라스트 비를 변경하게 하도록 구성될 수 있다.
피드백 신호에 응답하여, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 소스로 하여금 하나 이상의 전자기 방사선 빔의 에너지 또는 전자기 방사선 빔의 스폿 크기를 변경하게 하도록 구성될 수 있다.
적어도 하나의 프로세서는 하나 이상의 광학 구성 요소들로 하여금 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 빔의 스폿 크기를 변경하게 하고, 및/또는 모터로 하여금 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 빔과 이온-생성 타겟 사이의 상대 배향을 변경하게 하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 양태는 또한 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템을 포함하며, 본 시스템은 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버; 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스; 전자기 방사선 빔을 상호 작용 챔버의 이온-생성 타겟으로 지향시켜 양성자 빔을 생성하도록 구성된 적응형 미러; 및 전자기 방사선 빔의 스폿 크기 및 전자기 방사선 빔과 이온-생성 타겟 사이의 상대 위치 및 배향 중 적어도 하나 중 적어도 하나를 조정하기 위하여 적응형 미러를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함한다.
적응형 미러는 전자기 방사선 빔의 초점을 조정하고, 전자기 방사선 빔의 방향을 전환시키고, 전자기 방사선 빔을 스캐닝하는 것 중 적어도 하나에 의해 전자기 방사선 빔을 지향시키도록 구성될 수 있다. 적응형 미러는 또한 이온-생성 타겟 위에 전자기 방사선 빔을 래스터(raster)화하도록 구성될 수 있다. 적응형 미러는 복수의 패싯(facet)들을 포함할 수 있고, 복수의 패싯들의 각각은 디지털 논리 회로에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 적응형 미러는 반사-방지 코팅된 기판 상에 포커싱된 레이저 펄스를 포함할 수 있고, 레이저 펄스 및 반사-방지 코팅된 기판 중 하나 또는 둘 모두는 디지털 논리 회로에 의해 제어될 수 있다.
적어도 하나의 프로세서는 적응형 미러로 하여금 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 빔을 이온-생성 타겟으로 지향하게 하고, 및/또는 적응형 미러로 하여금 전자기 방사선 빔을 이온-생성 타겟의 표면 상의 미리 정해진 위치들로 지향하게 하도록 구성될 수 있다. 이온-생성 타겟의 표면은 패턴화된 어레이, 및/또는 실질적으로 공통 축을 따라 배향된 복수의 이온-생성 구조들을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이온-생성 타겟의 표면은 하나 이상의 나이프 에지(knife edge)를 포함할 수 있다.
본 발명의 양태는 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템을 포함할 수 있으며, 시스템은 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버; 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스; 전자기 방사선 빔을 이온-생성 타겟으로 지향시켜 결과적인 양성자 빔을 발생시키도록 구성된 하나 이상의 광학 구성 요소들; 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성을 측정하도록 구성된 검출기; 및 검출기에 의해 측정된 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성에 기초하여 피드백 신호를 생성하고 전자기 방사선 소스, 하나 이상의 광학 구성 요소, 및 이온-생성 타겟에 대한 전자기 방사선 빔의 상대 위치 및 배향 중 적어도 하나 중 적어도 하나를 조정함으로써 양성자 빔을 변경시키도록 구성된 하나 이상의 프로세서를 포함한다.
레이저-타겟 상호 작용 특성은 예를 들어, 양성자 빔 에너지, 양성자 빔 플럭스와 같은 양성자 빔 특성을 포함할 수 있으며, 이는 2차 전자 방출 특성을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 레이저-타겟 상호 작용 특성은 x선 방출 특성을 포함할 수 있다.
전자기 방사선 소스는 펄스화된 전자기 방사선 빔을 제공하여 펄스화된 양성자 빔을 발생시키도록 구성될 수 있다.
상호 작용 챔버는 이온-생성 타겟을 지지하기 위한 타겟 스테이지를 포함할 수 있고, 하나 이상의 프로세서는 타겟 스테이지와 전자기 방사선 빔 사이의 상대 이동을 야기하도록 추가로 구성될 수 있다.
이온-생성 타겟의 구조는 측정된 레이저-타겟 상호 작용 특성으로부터 생성된 피드백 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다.
레이저-타겟 상호 작용 특성은 양성자 빔 에너지 및/또는 양성자 빔 플럭스를 포함할 수 있다.
피드백 신호에 응답하여, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 소스로 하여금 전자기 방사선 빔의 에너지, 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일, 및/또는 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일(예를 들어, 전자기 방사선 빔의 스폿 크기)을 변경하게 하도록 구성될 수 있다.
피드백 신호에 응답하여, 적어도 하나의 프로세서는 하나 이상의 광학 구성 요소들로 하여금 전자기 방사선 빔의 에너지, 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일, 및/또는 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일(예를 들어, 전자기 방사선 빔의 스폿 크기)을 변경하게 하도록 구성될 수 있다.
전자기 방사선 소스는 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일을 변경하도록 구성될 수 있고, 및/또는 또한 적어도 메인 펄스 및 프리-펄스를 생성하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 소스로 하여금 피드백 신호에 응답하여 메인 펄스에 대한 프리-펄스의 콘트라스트 비를 변경하게 하도록 구성될 수 있다.
적어도 하나의 프로세서는 모터로 하여금 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 빔과 이온-생성 타겟 사이의 상대 배향을 변경하게 하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 양태는 또한 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템을 포함하며, 본 시스템은 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버; 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스; 전자기 방사선 빔을 상호 작용 챔버의 이온-생성 타겟으로 지향시켜 양성자 빔을 생성하도록 구성된 적응형 미러; 및 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일 및 전자기 방사선 빔과 이온-생성 타겟 사이의 상대 위치 및 배향 중 적어도 하나 중 적어도 하나를 조정하기 위하여 적응형 미러를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함한다.
적응형 미러는 전자기 방사선 빔의 초점을 조정하고, 전자기 방사선 빔의 방향을 전환시키고, 전자기 방사선 빔을 스캐닝하는 것 중 적어도 하나에 의해 전자기 방사선 빔을 지향시키도록 구성될 수 있다. 적응형 미러는 또한 이온-생성 타겟 위에 전자기 방사선 빔을 래스터화하도록 구성될 수 있다. 적응형 미러는 복수의 패싯들을 포함할 수 있고, 복수의 패싯들의 각각은 디지털 논리 회로에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 적응형 미러는 반사-방지 코팅된 기판 상에 포커싱된 레이저 펄스를 포함할 수 있고, 레이저 펄스 및 반사-방지 코팅된 기판 중 하나 또는 둘 모두는 디지털 논리 회로에 의해 제어될 수 있다.
적어도 하나의 프로세서는 적응형 미러로 하여금 피드백 신호에 응답하여 전자기 방사선 빔을 이온-생성 타겟으로 지향하게 하고, 및/또는 적응형 미러로 하여금 전자기 방사선 빔을 이온-생성 타겟의 표면 상의 미리 정해진 위치들로 지향하게 하도록 구성될 수 있다. 이온-생성 타겟의 표면은 패턴화된 어레이, 및/또는 실질적으로 공통 축을 따라 배향된 복수의 이온-생성 구조들을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이온-생성 타겟의 표면은 하나 이상의 나이프 에지를 포함할 수 있다.
본 발명의 양태는 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템을 포함할 수 있으며, 본 시스템은 타겟 위치에서 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버; 궤적을 따라 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스로서, 전자기 방사선 빔은 에너지, 편광, 공간 프로파일 및 시간 프로파일을 갖는, 전자기 방사선 소스; 전자기 방사선 소스와 이온-생성 타겟의 표면 사이의 전자기 방사선 빔의 궤적을 따라 위치되고, 전자기 방사선 빔으로 하여금 이온-생성 타겟을 조사하게 하여 에너지 및 플럭스를 갖는 양성자 빔의 형성을 용이하게 하기 위해 전자기 방사선 빔과 협업하도록 구성되는, 하나 이상의 광학 구성 요소들; 및 양성자 빔의 에너지를 실질적으로 일정하게 유지하면서 양성자 빔의 플럭스; 및 양성자 빔의 플럭스를 실질적으로 일정하게 유지하면서 양성자 빔의 에너지 중 적어도 하나를 조정하기 위하여, 전자기 방사선 소스 및 하나 이상의 광학 구성 요소들 중 적어도 하나를 제어하여 전자기 방사선 빔의 에너지, 전자기 방사선 빔의 편광, 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일 및 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일 중 적어도 하나를 변경하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세스를 포함한다.
또한, 본 발명의 양태는 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템을 포함할 수 있으며, 본 시스템은 타겟 위치에서 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버; 궤적을 따라 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스로서, 전자기 방사선 빔은 에너지, 편광, 공간 프로파일 및 시간 프로파일을 갖는, 전자기 방사선 소스; 전자기 방사선 소스와 이온-생성 타겟의 표면 사이의 전자기 방사선 빔의 궤적을 따라 위치되고, 전자기 방사선 빔으로 하여금 이온-생성 타겟을 조사하게 하여 에너지 및 플럭스를 갖는 양성자 빔의 형성을 용이하게 하기 위해 전자기 방사선 빔과 협업하도록 구성되는, 하나 이상의 광학 구성 요소들; 및 양성자 빔의 에너지를 변화시키면서 양성자 빔의 플럭스; 및 양성자 빔의 플럭스를 변화시키면서 양성자 빔의 에너지 중 적어도 하나를 조정하기 위하여, 전자기 방사선 소스 및 하나 이상의 광학 구성 요소들 중 적어도 하나를 제어하여 전자기 방사선 빔의 에너지, 전자기 방사선 빔의 편광, 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일 및 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일 중 적어도 하나를 변경하도록 구성되는 적어도 하나의 프로세스를 포함한다.
적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 빔의 스폿 크기를 변경함으로써 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일을 변경하도록 구성될 수 있다.
적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 빔의 처프(chirp)를 변경함으로써 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일을 변경하도록 구성될 수 있다.
적어도 하나의 프로세서는 하나 이상의 펌프 소스의 타이밍을 변경함으로써 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일을 변경하도록 구성될 수 있다.
전자기 방사선 빔은 편광되지 않을 수 있다.
전자기 방사선 소스는 펄스화된 전자기 방사선 빔을 제공하여 펄스화된 양성자 빔을 발생시키도록 구성될 수 있다.
적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 소스로 하여금 전자기 방사선 빔의 에너지 및 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일을 변화시키도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 또한 전자기 방사선 소스로 하여금 전자기 방사선 빔의 에너지 및 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일을 변화시키도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 또한 전자기 방사선 소스로 하여금 전자기 방사선 빔의 에너지를 변화시키고, 하나 이상의 광학 구성 요소들로 하여금 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일을 변화시키도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 또한 하나 이상의 광학 구성 요소들로 하여금 전자기 방사선 빔의 에너지 및 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일을 변화시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 양태는 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템을 포함할 수 있으며, 본 시스템은 복수의 패턴화된 피처들이 제공된 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버; 복수의 패턴화된 피처들을 조사하기 위해 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스; 및 전자기 방사선 빔으로 하여금 복수의 패턴화된 피처들 중 개별적인 피처들을 타격하게 하여 결과적인 양성자 빔을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함한다.
본 발명의 양태는 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템을 포함할 수 있으며, 본 시스템은 적어도 하나의 나이프 에지로 패턴화된 이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버; 이온-생성 타겟의 적어도 하나의 나이프 에지를 조사하기 위한 전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스; 및 전자기 방사선 빔으로 하여금 적어도 하나의 나이프 에지를 타격하게 하여 결과적인 양성자 빔을 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함한다.
전자기 방사선 소스는 파장을 갖는 레이저 빔을 제공하도록 구성될 수 있고, 복수의 패턴화된 피처들 중 적어도 하나는 레이저 빔의 파장보다 작은 치수를 가질 수 있다. 유사하게, 나이프 에지는 레이저 빔의 파장보다 작은 치수를 가질 수 있다. 복수의 패턴화된 피처들은 이온-생성 타겟의 표면으로부터 멀어지도록 연장되는 돌출부들을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 프로세서는 이온-생성 타겟을 래스터화하도록 구성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 프로세서는 전자기 방사선 빔으로 하여금 예를 들어, 모터 및/또는 적응형 미러를 제어함으로써 이온-생성 타겟의 표면을 연속적으로 또는 불연속적으로 스캐닝하게 하도록 구성될 수 있다. 이온-생성 타겟의 표면은 예를 들어, 복수의 패턴화된 피처들 및/또는 하나 이상의 나이프 에지들을 포함할 수 있고, 예를 들어, 얼음, 실리콘, 탄소, 플라스틱 또는 스틸을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 모터 및/또는 적응형 미러로 하여금 복수의 패턴화된 피처들 중 개별적인 피처들을 순차적으로 또는 동시에 타격하기 위하여, 또는 나이프 에지를 타격하기 위하여 전자기 방사선 빔을 조정하게 하도록 구성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 프로세서는 복수의 패턴화된 피처들 중 인접한 피처들 위에 전자기 방사선 빔의 순차적 스캐닝을 야기하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 양태는 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템을 포함할 수 있으며, 본 시스템은 적어도 하나의 이온 다발을 포함하는 펄스화된 이온 빔을 생성하도록 구성된 이온 소스; 적어도 하나의 전자석; 전자석에 근접하고, 펄스화된 빔이 통하여 횡단하도록 배향되는 구역(zone); 적어도 하나의 전자석을 선택적으로 활성화시키기 위해 적어도 하나의 전자석에 전기적으로 접속된 적어도 하나의 자동화된 스위치; 적어도 하나의 자동화된 스위치를 활성화시키도록 구성된 방사선 트리거 소스; 및 이온 다발이 구역을 횡단할 때 적어도 하나의 전자석을 활성화시키도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함한다.
방사선 트리거 소스는 이온, x선, 전자 및 레이저 방사선 중 하나 이상의 소스를 포함할 수 있다.
전자석은 전자기장을 생성하도록 구성될 수 있고, 구역은 전자석이 활성화될 때 전자기장 내에 있도록 배향될 수 있다. 구역은 약 1 인치 미만의 치수를 가질 수 있다.
이온 소스는 방사선 트리거 소스 및 이온-생성 타겟을 포함할 수 있고, 방사선 트리거 소스는 자동화된 스위치를 활성화시키고 이온-생성 타겟을 조사하여 펄스화된 이온 빔을 생성하도록 구성될 수 있다.
방사선 트리거 소스가 자동화된 스위치를 활성화시키는 시간은 제어된 지연 라인에 의해 조정될 수 있다. 제어된 지연 라인은 예를 들어, 방사선 트리거 소스가 펄스화된 이온 빔과 동기하여 자동화된 스위치를 활성화시키는 시간을 조정하도록 구성될 수 있다.
자동화된 스위치는 광도전성 반도체 스위치 또는 스파크(spark) 스위치를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 전자석은 펄스화된 이온 빔의 궤적을 따라 직렬로 복수의 전자석들을 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 자동화된 스위치는 복수의 자동화된 스위치들을 포함할 수 있고, 복수의 자동화된 스위치들의 각각은 복수의 전자석들 중 다른 것과 연관된다. 적어도 하나의 프로세서는 이온 다발이 각각의 전자석을 횡단할 때 복수의 자동화된 스위치들 순차적으로 활성화시키도록 구성될 수 있다.
직렬의 하나 이상의 전자석들 중 제1 전자석은 펄스화된 이온 빔의 일부를 원래의 궤적으로부터 방향 전환된 궤적으로 방향 전환시키도록 구성될 수 있고, 직렬의 하나 이상의 전자석들 중 제2 전자석은 펄스화된 이온 빔의 방향 전환된 부분의 적어도 일부를 방향 전환된 궤적으로부터 원래의 궤적에 실질적으로 평행한 경로로 다시 방향 전환시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 양태는 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템을 포함할 수 있으며, 본 시스템은 양성자 에너지 확산 내의 복수의 양성자 에너지들을 갖는 양성자 빔을 제공하도록 구성된 양성자 소스; 및 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 적어도 하나의 프로세서는 3차원 좌표계의 2차원에서 양성자 빔과 치료 체적 사이의 상대 이동을 제어하고; 그리고 다른 2차원에서 실질적으로 고정된 좌표들을 유지하면서 3차원 좌표계의 제3 차원에서 치료 체적의 깊이를 조정하도록 양성자 에너지 확산을 제어하도록 구성된다.
적어도 하나의 프로세서는 예를 들어, 갠트리를 회전시키고, 전자석으로 양성자 빔을 지향시키고, 및/또는 환자 지지 플랫폼을 이동시킴으로써 양성자 빔과 치료 체적 사이의 상대 이동을 제어하도록 구성될 수 있다.
양성자들로 치료 체적을 치료하기 위한 시스템은 자기 분석기, 비행-시간(time-of-flight) 제어 유닛 및 에너지 저하기 중 적어도 하나로 양성자 에너지 확산 및 양성자 에너지 분산을 제어하도록 구성될 수 있다.
명세서 및 청구항은 "프로세서" 또는 "검출기"와 같은 단수의 요소를 지칭할 수 있다. 이 구문은 이러한 요소의 복수를 포함하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다. 즉, 특정 기능은 동일한 보드 또는 시스템 상에 위치되거나 다른 보드 또는 다른 시스템에 원격으로 위치된 여러 프로세서에 걸쳐 분할될 수 있다. 프로세서에 대한 언급은 "적어도 하나의 프로세서"로 해석되어야 하며, 이는 언급된 기능이 복수의 프로세서에 걸쳐 발생할 수 있으며 여전히 본 개시 및 청구항의 범주 내에서 고려된다는 것을 의미한다. 명세서 및 청구항 전반에 걸쳐 단수로 설명되거나 참조된 검출기 및 다른 요소에 대해서도 마찬가지이다.
또한, 상술한 설명은 예시의 목적으로 제시되었다. 이는 철저하지 않으며 개시된 정확한 형태 또는 실시예로 한정되지 않는다. 개시된 실시예의 사양 및 실시를 고려하여 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 수정 및 개조가 명백할 것이다. 예를 들어, 이온-생성 타겟에 타격하는 레이저에 대하여 양성자의 생성이 상술된 경우, 무선 주파수 커플링 같은 다른 양성자 생성 프로세스가 사용될 수도 있다. 또한, 상술한 일부 설명은 방사선 치료로서 의료에서의 양성자의 사용에 관한 것이지만, 본원에 설명된 시스템 및 방법은 양성자 빔의 다른 어플리케이션 및 양성자 이외의 다른 이온을 포함하는 어플리케이션에서 사용될 수 있다.
청구항은 청구항에서 채용된 언어에 기초하여 광범위하게 해석되어야 하고, 본 명세서에 설명된 예에 한정되지 않으며, 이 예는 비배타적인 것으로 해석되어야 한다. 또한, 개시된 방법의 단계는 단계를 재정렬하고 및/또는 단계를 삽입 또는 삭제하는 것을 포함하여 임의의 방식으로 수정될 수 있다.

Claims (18)

  1. 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템으로서,
    이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버;
    전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스;
    상기 전자기 방사선 빔을 상기 이온-생성 타겟으로 지향시켜 결과적인 양성자 빔을 발생시키도록 구성된 하나 이상의 광학 구성 요소들;
    적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성을 측정하도록 구성된 검출기; 및
    적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는:
    상기 검출기에 의해 측정된 상기 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성에 기초하여 피드백 신호를 수신하고 - 상기 피드백 신호는 상기 양성자 빔과 상기 전자기 방사선 빔 사이의 관계를 나타냄 -; 그리고
    상기 수신된 피드백 신호에 기초하여:
    (A) 상기 전자기 방사선 소스,
    (B) 상기 하나 이상의 광학 구성 요소들,
    (C) 상기 이온-생성 타겟에 대한 상기 전자기 방사선 빔의 상대 위치 및 배향 중 적어도 하나
    중 적어도 하나 간의 항목을 조정함으로써 상기 양성자 빔을 변경하도록 구성되고;
    상기 양성자 빔을 변경하는 것은, 상기 수신된 피드백 신호에 나타내어진 상기 양성자 빔과 상기 전자기 방사선 빔 사이의 관계에 기초하여, 그리고 상기 전자기 방사선 빔의 처프를 변경함으로써 상기 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일을 변경하는 것을 포함하는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저-타겟 상호 작용 특성은 양성자 빔 특성을 포함하는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저-타겟 상호 작용 특성은 x선 방출 특성을 포함하는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저-타겟 상호 작용 특성은 전자기 방사선의 에너지 스펙트럼을 포함하는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상호 작용 챔버는 상기 이온-생성 타겟을 지지하기 위한 타겟 스테이지를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 타겟 스테이지와 상기 전자기 방사선 빔 사이의 상대 이동을 야기하도록 추가로 구성되는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 양성자 빔 특성은 양성자 빔 에너지를 포함하는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 양성자 빔 특성은 양성자 빔 플럭스를 포함하는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전자기 방사선 소스는 메인 펄스 및 프리-펄스를 생성하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 전자기 방사선 소스로 하여금 상기 수신된 피드백 신호에 나타내어진 상기 양성자 빔과 상기 전자기 방사선 빔 사이의 관계에 기초하여 상기 메인 펄스에 대한 상기 프리-펄스의 콘트라스트 비를 변경하게 하도록 구성되는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 전자기 방사선 소스로 하여금 상기 수신된 피드백 신호에 나타내어진 상기 양성자 빔과 상기 전자기 방사선 빔 사이의 관계에 기초하여 상기 전자기 방사선 빔의 에너지를 변경하게 하도록 구성되는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 전자기 방사선 소스로 하여금 상기 수신된 피드백 신호에 나타내어진 상기 양성자 빔과 상기 전자기 방사선 빔 사이의 관계에 기초하여 상기 전자기 방사선 빔의 공간 프로파일을 변경하게 하도록 구성되는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 하나 이상의 광학 구성 요소들로 하여금 상기 수신된 피드백 신호에 나타내어진 상기 양성자 빔과 상기 전자기 방사선 빔 사이의 관계에 기초하여 상기 전자기 방사선 빔의 스폿 크기를 변경하게 하도록 구성되는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 모터로 하여금 상기 수신된 피드백 신호에 나타내어진 상기 양성자 빔과 상기 전자기 방사선 빔 사이의 관계에 기초하여 상기 전자기 방사선 빔과 상기 이온-생성 타겟 사이의 상대 배향을 변경하게 하도록 구성되는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는 하나 이상의 레이저 펌프 소스들의 타이밍을 변경함으로써 상기 전자기 방사선 빔의 상기 시간 프로파일을 변경하도록 구성되는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전자기 방사선 소스는 메인 펄스 및 프리-펄스를 생성하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 수신된 피드백 신호에 나타내어진 상기 양성자 빔과 상기 전자기 방사선 빔 사이의 관계에 기초하여 상기 프리-펄스의 타이밍을 제어하도록 구성되는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  15. 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템으로서,
    이온-생성 타겟을 지지하도록 구성된 상호 작용 챔버;
    전자기 방사선 빔을 제공하도록 구성된 전자기 방사선 소스;
    상기 전자기 방사선 빔을 상기 이온-생성 타겟으로 지향시켜 결과적인 양성자 빔을 발생시키도록 구성된 하나 이상의 광학 구성 요소들;
    적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성을 측정하도록 구성된 검출기로서, 상기 레이저-타겟 상호 작용 특성은 2차 전자 방출 특성을 포함하는, 검출기;및
    적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는:
    상기 검출기에 의해 측정된 상기 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성에 기초하여 피드백 신호를 수신하고 - 상기 피드백 신호는 상기 양성자 빔과 상기 전자기 방사선 빔 사이의 관계를 나타냄 -; 그리고
    상기 수신된 피드백 신호에 기초하여, (A) 상기 전자기 방사선 소스, (B) 상기 하나 이상의 광학 구성 요소들, (C) 상기 이온-생성 타겟에 대한 상기 전자기 방사선 빔의 상대 위치 및 배향 중 적어도 하나
    중 적어도 하나 간의 항목을 조정함으로써 상기 양성자 빔을 변경하도록 구성되는, 양성자 빔을 생성하기 위한 시스템.
  16. 양성자 빔을 생성하기 위한 방법으로서,
    전자기 방사선 빔을 생성하는 단계;
    상기 전자기 방사선 빔을 이온-생성 타겟으로 지향시켜 결과적인 양성자 빔을 발생시키는 단계;
    검출기로 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성을 측정하는 단계;
    상기 검출기에 의해 측정된 상기 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성에 기초하여 피드백 신호를 수신하는 단계로서, 상기 피드백 신호는 상기 양성자 빔과 상기 전자기 방사선 빔 사이의 관계를 나타내는, 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 피드백 신호에 기초하여, (A) 상기 전자기 방사선 소스, (B) 상기 하나 이상의 광학 구성 요소들, (C) 상기 이온-생성 타겟에 대한 상기 전자기 방사선 빔의 상대 위치 및 배향 중 적어도 하나
    중 적어도 하나 간의 항목을 조정함으로써 상기 양성자 빔을 변경하는 단계를 포함하고,
    상기 양성자 빔을 변경하는 단계는, 하나 이상의 레이저 펌프 소스들의 타이밍을 변경함으로써 상기 수신된 피드백 신호에 나타내어진 상기 양성자 빔과 상기 전자기 방사선 빔 사이의 관계에 기초하여 상기 전자기 방사선 빔의 시간 프로파일을 변경하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 레이저-타겟 상호 작용 특성을 측정하는 단계는 (A) 양성자 빔 특성, (B) 2차 전자 방출 특성, (C) x선 방출 특성, (D) 전자기 방사선의 에너지 스펙트럼의 카테고리들 중 적어도 하나의 멤버를 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 전자기 방사선 빔의 상기 시간 프로파일을 변경하는 단계는 상기 전자기 방사선 빔의 처프를 변경함으로써 달성되는, 방법.
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