荷電粒子癌治療システムと併用する荷電粒子ビーム入射方法及び装置
本発明は、癌腫瘍の多軸荷電粒子照射治療と併用される荷電粒子ビーム入射方法及び装置を有する。陰イオン源は、陰イオン・ビーム源、真空システム、イオン・ビーム・フォーカス・レンズ、及び又は２連型加速器を備えている。陰イオン源は、陰イオン・ビームをフォーカスするために電場線を使用する。陰イオン源プラズマ室は磁性材料を有し、その磁性材料は高温プラズマ室及び低温プラズマ領域の間に磁場障壁を設ける。入射システム真空システム及びシンクロトロン真空システムは変換箔によって分離され、その変換箔において陰イオンが陽イオンに変換される。その箔は、入射システム真空室に高めの部分圧力及びシンクロトロン真空システムに低めの圧力を用意する真空管の端に貼付される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には強力な癌の治療に関する。さらに詳しくは、本発明は、イオン・ビーム入射システムに関し、荷電粒子癌治療のビーム加速、抽出、及び又は目標方法及び装置と併用される。
【背景技術】
【０００２】
（癌の治療）
陽子ビーム治療システムは、通常、ビーム発生器、加速器、及びビーム輸送システムを備え、その結果、加速された陽子を、患者の体の中の腫瘍に陽子が配送される治療室に移動する。
【０００３】
陽子ビーム治療は、粒子加速器で加速された陽子などのエネルギー値の高いイオン化粒子を目標の腫瘍に向けることによって機能する。これらの粒子は、細胞のＤＮＡを破壊し、ついには細胞を死滅させる。癌細胞は、急速な分裂及び破壊されたＤＮＡを回復する能力が低下しているので、癌細胞のＤＮＡは攻撃を特に受けやすい。
【０００４】
陽子は、その比較的大きなサイズのために、組織の中では容易には散乱せず、横方向の分散は極めてわずかである。したがって、陽子ビームは、周辺組織に対して大きな横方向の破壊を及ぼさずに、腫瘍の形状にフォーカスされた状態を維持する。所定のエネルギーのすべての陽子は、ブラッグ・ピーク（Bragg peak）によって定まるある飛程（体内距離）を持っており、組織に対する配送線量比は粒子の飛程のまさに最後の数ミリの範囲で最大になる。浸透する深さは粒子のエネルギーに依存し、その深さは陽子加速器によって粒子が加速された速度に直接関係する。陽子の速度は、加速器の最大速度に調節することができる。したがって、腫瘍が位置している組織の非常に深いところに達する陽子ビームによって、細胞の破壊にフォーカスを合わせることができる。ブラッグ・ピークの前に位置している組織はある程度低下した線量を受けるが、ブラッド・ピークの後に位置している組織は線量を受けない。
【０００５】
（シンクロトロン）
H. Tanaka等に対して２００７年８月２１日に付与された特許文献１「Charged Particle Accelerator（荷電粒子加速器）」には、第１の加速期間及びその後の第２の加速期間に印加される固定の電場によって２つの期間の加速処理を有し、コンパクトでハイパワーの荷電粒子加速を実現する荷電粒子加速器が記載されている。
【０００６】
V. Kulish等に対して２００２年８月１３日に付与された特許文献２「Inductional Undulative EH-Accelerator（誘導波動のＥＨ加速器）」には、荷電粒子ビームの加速のための誘導波動のＥＨ加速装置が記載されている。その装置は電磁波動システムで構成され、その電磁波用駆動システムは、約１００ｋＨｚから１０ＧＨｚまでの範囲の周波数で動作する高周波発振器の形態で作られている。
【０００７】
K. Saito等に対して１９９９年６月２９日に付与された特許文献３「Radio-Frequency Accelerating System and Ring Type Accelerator Provided with the Same（高周波加速システム及びそのシステムを用いたリングタイプ加速器）」には、磁気コア群に結合されたループ・アンテナ及びループ・アンテナに接続されたインピーダンス調整手段を有する高周波加速システムが記載されている。そのインピーダンス調整手段には比較的低い電圧が供給されるので、小型構造の調整手段を実現している。
【０００８】
J. Hirota等に対して１９９７年８月２６日に付与された特許文献４「Ion Beam Accelerating Device Having Separately Excited Magnetic Cores （分離して励磁された磁気コアを有するイオン・ビーム加速装置）」には、複数の高周波磁場誘導ユニット及び磁気コアを有するイオン・ビーム加速装置が記載されている。
【０００９】
J. Hirota等に対して１９９２年１２月１日に付与された特許文献５「Acceleration Device for Charged Particles （荷電粒子の加速装置）」には、結合定数及び又は再調整を制御するために組み合わされた高周波電力源及び制御の下に動作するループ導体を備え、粒子に対して電力をより効率的に送信できる加速空洞が記載されている。
【００１０】
（真空室）
T. Kobari等に対して１９９８年９月１３日に付与された特許文献６「Apparatus For Treating the Inner Surface of Vacuum Chamber（真空室の内面を処理する装置）」、並びに、T. Kobari等に対して１９９７年５月６日に付与された特許文献７「Process and Apparatus for Treating Inner Surface Treatment of Chamber and Vacuum Chamber （室及び真空室の内面処理を行う方法及び装置）」の双方には、ブローチを用いて真空室の表面に不活性ガス又は窒素ガスを供給する手段を有し、真空室の内面を処理する装置が記載されている。あるいは、ブローチは、真空室の表面の汚れを溶かすために、真空室にアルコールを供給するのに使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７，２５９，５２９号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４３３，４９４号明細書
【特許文献３】米国特許第５，９１７，２９３号明細書
【特許文献４】米国特許第５，６６１，３６６号明細書
【特許文献５】米国特許第５，１６８，２４１号明細書
【特許文献６】米国特許第５，８２０，３２０号明細書
【特許文献７】米国特許第５，６２６，６８２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
癌腫瘍の粒子線治療の技術分野においては、加速器の中に荷電粒子を効率的に入射することが求められている。また、入射器の中に陰イオン・ビームをフォーカスさせることが求められている。また、その技術分野においては、陰イオンを発生し、陰イオンを抽出し、陰イオンを陽イオンに変換して、陽イオンをシンクロトロンの中に入射することが求められている。さらにまた、その技術分野においては、荷電粒子配送の特定のエネルギー、強度、及び又はタイミングに関して荷電粒子癌治療システムを制御することが求められている。さらにまた、周辺の患者の正常組織への破壊を最小限にして、効率的に、精密に、及び又は正確に、無痛で、強力な癌腫瘍の生体内の治療をすることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、粒子ビーム入射器を備え、その粒子ビーム入射器が荷電粒子癌治療ビーム・システムの一部を構成する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】粒子線治療システムの構成の接続を示す図である。
【図２】荷電粒子線治療システムを示す図である。
【図３】イオン・ビーム発生システムを示す図である。
【図４】陰イオン・ビーム源を示す図である。
【図５】イオン・ビーム・フォーカス・システムを示す図である。
【図６】（Ａ）乃至（Ｄ）は陰イオン・ビーム経路のまわりの電極を示す図である。
【図７】（Ａ）は箔を有する２連の加速器を示し、（Ｂ）は支持構造を示し、（Ｃ）は変換箔を示す図である。
【図８】シンクロトロンの制御フローチャートである。
【図９】シンクロトロンの直線部及び方向転換部を示す図である。
【図１０】シンクロトロンの偏向磁石を示す図である。
【図１１】偏向磁石の斜視図である。
【図１２】偏向磁石の断面図である。
【図１３】偏向磁石の断面図である。
【図１４】偏向磁石における磁場収束を示す図である。
【図１５】偏向磁石における補正コイルを示す図である。
【図１６】シンクロトロンの磁気的方向転換部を示す図である。
【図１７】磁場制御システムを示す図である。
【図１８】荷電粒子の抽出及び強度の制御システムを示す図である。
【図１９】患者位置決めシステムを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は上面図である。
【図２０】荷電粒子ビーム・スポット・スキャン・システムの多次元スキャンを示す図であり、（Ａ）は腫瘍の２次元の輪切りスキャンで動作する図、（Ｂ）は３次元の体積スキャンで動作する図である。
【図２１】粒子線治療システムに結合されたＸ線を発生するのに使用される電子銃源を示す図である。
【図２２】粒子ビーム経路に近接するＸ線源を示す図である。
【図２３】Ｘ線ビーム経路を示す拡大図である。
【図２４】患者位置決めシステムの実施例を示す図である。
【図２５】頭部固定システムを示す図である。
【図２６】腕及び頭部の支持部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、一般的には強力な癌の治療に関する。さらに詳しくは、本発明は、荷電粒子ビームをシンクロトロンの中に入射する方法及び装置に関する。
【００１６】
一実施形態において、本発明のシステムは、荷電粒子癌治療ビームの入射、加速、抽出、及び又は標的の方法及び装置と併用されるイオン・ビーム入射システムの一部としてのイオン・ビーム・フォーカス・システムに関するものである。イオン・ビーム・フォーカス・システムは、２つ以上の電極を備え、その電極対の各々の１つの電極が、導電性メッシュ（網目）などの導電路によって、イオン・ビーム経路を部分的に遮断する。所定の電極対において、電場線は、第１の電極及び第２の電極の導電性メッシュの間を通って、陰イオン・ビームをフォーカスする内向きの力を提供する。多数のこのような電極対は、多数の陰イオン・ビームのフォーカス領域を提供する。
【００１７】
他の実施形態においては、本発明のシステムは、荷電粒子癌治療ビームの入射、加速、抽出、及び又は標的の方法及び装置と併用されるイオン・ビーム入射システムの一部を構成する陰イオン源に関するものである。陰イオン源は、好ましくは、高温プラズマ室の中に水素ガスの入射のための注入口を有する。一実施形態においては、プラズマ室は磁性材料を備えており、その磁性材料は磁場障壁を発生して、その磁場障壁を挟んで相対する高温プラズマ室及び低温プラズマ領域を形成する。抽出パルスが、陰イオン抽出電極に印加されて、陰イオン・ビームを陰イオン・ビーム経路の中に引き出し、その陰イオン・ビームは、第１の部分真空システムの中に進み、イオン・ビーム・フォーカス・システムの中に進み、２連型加速器の中に進み、シンクロトロンの中に進む。
【００１８】
さらに他の実施形態においては、本発明のシステムは、荷電粒子癌治療ビームの照射、加速、抽出、及び又は標的の方法及び装置と共に使用されるイオン・ビーム入射システムの真空システムに関するものである。陰イオン・ビーム源は、真空障壁によってシンクロトロンの真空管から隔離された真空室を備えている。陰イオン・ビーム源の真空システムは、好ましくは、第１のポンプターボ分子ポンプ、大容積保持体、及び半連続的に作動するポンプを備えている。容積部に関するセンサ読み取りに基づいて、イオン・ビーム源の真空室を励起するだけで、及びイオン・ビーム源を半連続的に作動するだけで、半連続的に作動するポンプの寿命が延びる。
【００１９】
さらに他の実施形態において、本発明のシステムは、荷電粒子癌治療ビームの入射、加速、抽出、及び又は標的の方法及び装置と併用されるイオン・ビーム入射システムの一部を構成する２連型加速器に関するものである。陰イオン・ビーム源は、入射システムの真空システム、及び箔又は変換箔によって分離されたシンクロトロンの真空システムを備え、そこでは、陰イオンは陽イオンに変換される。箔は２連型加速器の中にあってもよい。箔は、真空管の端に封止されて、照射システムの真空室における部分的な高圧及びシンクロトロン真空システムにおける低圧を実現する。真空室を２つの圧力領域に物理的に分離する箔を備えることにより、照射の部分的な真空システムによって入口の水素ガスが分割した封止及び分離空間の中に抽出されるので、より少数及び又はより小型のポンプにとって、シンクロトロンにおける低圧システムを維持することができる。
【００２０】
本発明と組み合わせた、シンクロトロンの新しい設計の特徴について説明する。特に、陰イオン源、イオン源真空システム、イオン・ビーム・フォーカス・レンズ、及び２連型加速器における新しい特徴を有する陰イオン・ビーム源について説明する。あるいは、シンクロトロンの全体のサイズを最小にし、厳しく制御された陽子ビームを供給し、必要な磁場のサイズを直接低減し、必要な動作電力を直接低減し、シンクロトロンから陽子を抽出する処理中であってもシンクロトロンにおける陽子の連続的な加速を可能にする方向転換磁石、エッジ・フォーカス磁石、磁場収束磁石、巻線補正コイル、平坦磁場入力表面、及び抽出要素を説明する。イオン・ビーム源システム及びシンクロトロンは、好ましくは、患者画像システム並びに呼吸監視センサ及び患者位置決め要素を有する患者インターフェースを統合したコンピュータである。
【００２１】
入射システムと併用される、画像システム、呼吸センサ、及びシンクロトロンの新しい構造を説明する。特に、癌腫瘍の荷電粒子線照射治療と併用される荷電粒子ビーム加速の強度制御、抽出、及び又は目標の方法及び装置を説明する。さらに詳しくは、シンクロトロンにおける荷電粒子の流れの強度及びエネルギー制御を説明する。そのシンクロトロンは、方向転換磁石、エッジ・フォーカス磁石、収束磁場磁石、巻線及び制御コイル、並びに抽出要素のうち任意のものを備えている。シンクロトロンの制御要素は荷電粒子ビームの厳密な制御を可能にし、その厳密な制御が患者の位置決めの厳密な制御を高めて腫瘍の周囲の正常組織に対する組織破壊を低減して強力な腫瘍の効率的な治療を可能にする。さらに、システムは、シンクロトロンの全体のサイズを小さくし、厳密に制御された陽子ビームを供給し、必要な磁場のサイズを直接低減し、必要な動作電力を直接低減し、シンクロトロンからの陽子の抽出の処理中であってもシンクロトロンにおける陽子の連続的な加速を可能にする。
【００２２】
（サイクロトロン／シンクロトロン）
サイクロトロンは、一定の電場及び一定の周波数の印加された電場を使用する。磁場及び電場の１つはシンクロサイクロトロンの中で変化する。磁場及び電場の双方はシンクロトロンの中で変化する。このように、シンクロトロンは特定のタイプの周回粒子加速器であり、そこで磁場は粒子を偏向するのに使用されてその粒子が周回し、電場は粒子を加速するのに使用される。シンクロトロンは、印加された磁場及び電場を周回する粒子ビームに精密に同期させる。
【００２３】
磁場及び電場を適切に増加することにより、粒子がエネルギーを得るにしたがって、荷電粒子経路が一定に保持されることが可能になり粒子は次第に加速される。このことにより、粒子にとって真空室を大きな細い円環にすることができる。実際は、偏向磁石及びいくつかの曲がり角部分の間にいくつかの直線部分を使用して、角の丸い八角形の形をした円環が容易に実現される。このため、サイクロトロン型の装置の円盤型の室とは異なり、大きな有効半径の経路が単純な直線パイプ要素及び曲がったパイプ要素を使用して構成される。その形状により、粒子ビームを曲げるための多数の磁石の使用が可能にもなり必要にもなる。
【００２４】
周回加速器が与え得る最大のエネルギーは、通常、磁場の強度及び粒子経路の最小半径／最大曲率によって制限される。サイクロトロンにおいては、最大半径は粒子が中央でスタートし外側に向かって螺旋状になるので非常に制限され、このため、全体の経路は、自己支持型の円盤形状の真空排気室でなければならない。半径が制限されるので、装置の電力は磁場の強さによって制限される。通常の電磁気の場合においては、すべての磁気領域が並んでいる場合には磁場がそれ以上の実質的な範囲には増加しないので、磁場の強さはコアの飽和によって制限される。磁石の一対の配列によっても、装置のサイズが経済的観点から制限される。
【００２５】
シンクロトロンは、非常に小さくて且つより厳格にフォーカスする磁石によって囲まれた細いビームパイプを使用して、これらの制限を解決する。粒子を加速するこの装置の能力は、加速される粒子が荷電されなければならないのは確かであるが、加速された荷電粒子は陽子を放出するのでエネルギーを失うという事実によって、制限される。円形のビーム経路を維持するために必要な横方向の加速で失われたエネルギーが、各周期で加算されたエネルギーと等しくなった時、ビーム・エネルギーは限界に達する。さらに強力な加速器は、大きな半径路を使用することによって、且つ、多くの且つさらに強力なマイクロ波空洞を使用することによって構築されて、コーナーとコーナーとの間の粒子ビームを加速する。電子のようにより軽い粒子は、偏向するときにそのエネルギーの大部分を失う。実用的な観点から言えば、電子／陽電子・加速器のエネルギーはこの半径損失によって制限されるけれども、エネルギーの制限が陽子又はイオンの加速器の力学的な性能に大きな作用を及ぼすものではない。これらのエネルギーは、磁石の強さによって且つコストによって厳しく制限される。
【００２６】
（荷電粒子ビーム治療）
この明細書を通じて、陽子ビーム、水素イオン・ビーム、又はカーボン・イオン・ビームなどの、荷電粒子線治療について説明する。この実施形態では、陽子ビームを用いる荷電粒子線治療について説明する。しかしながら、陽子ビームの観点から教示し説明する態様は、陽子ビームの態様に限定されるものではなく、荷電粒子ビーム・システムを説明するためのものである。任意の荷電粒子ビーム・システムも、この実施形態に記載された技術に等しく応用することができる。
【００２７】
図１には、荷電粒子ビーム・システム１００が示されている。荷電粒子ビーム・システムは、好ましくは、主制御部１１０、入射システム１２０、（１）加速器システム１３２及び（２）抽出システム１３４を通常有するシンクロトロン１３０、スキャン／目標／配送システム１４０、患者インターフェース・モジュール１５０、表示システム１６０、及び又は、画像システム１７０のうち任意のものを有するいくつかのサブシステムを備えている。
【００２８】
一実施形態においては、１つ以上のサブシステムがクライアントに収容されている。クライアントは、例えば、パーソナル・コンピュータ、デジタル媒体プレーヤ、パーソナル・デジタル・アシスタント、その他のクライアント装置として動作するために構成されたコンピュータ・プラットホームである。クライアントは、例えば、マウス、キーボード、表示装置、その他のいくつかの外部又は内部の入力装置に接続されるプロセッサを備えている。プロセッサはまた、情報を表示するコンピュータ・モニタ等の出力装置に接続されている。一実施形態においては、主制御部１１０がプロセッサである。他の実施形態においては、主制御部１１０は、メモリに格納されてプロセッサによって実行される一組の命令である。
【００２９】
クライアントは、コンピュータ読取可能な記憶媒体すなわちメモリを有する。メモリは、コンピュータ読取可能な命令を記憶する電子記憶媒体、光記憶媒体、磁気記憶媒体、若しくは他の記憶媒体、又は、コンピュータ読取可能な命令を有するプロセッサに接続できる送信装置、例えば、タッチ・センサ入力装置と併用されるプロセッサを備えているが、これらに限定されるものではない。適切な媒体の他の実施例には、例えば、フラッシュ・ドライブ、ＣＤ−ＲＯＭ、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ＤＶＤ、磁気ディスク、メモリ・チップその他が含まれる。プロセッサは、メモリに記憶された一組の読取可能なプログラム・コードの命令を実行する。その命令は、例えば、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Visual Basic、Java（登録商標）、及びJavaScriptを含む任意のコンピュータ・プログラミング言語からのコードを有することができる。
【００３０】
荷電粒子ビーム・システム１００を使用する方法の一実施例を提供する。主制御部１１０は、１つ以上のサブシステムを制御して、陽子を患者の患部に正確に且つ精密に配送する。例えば、主制御部１１０は、体及び又は腫瘍の位置などの画像を画像システム１７０から取得する。また、主制御部１１０は、位置情報及び又はタイミング情報を患者インターフェース・システム・モジュール１５０から取得する。次に、主制御部１１０は、入射システム１２０を任意に制御してシンクロトロン１３０の中に陽子を入射する。シンクロトロンは、通常、少なくとも加速システム１３２及び抽出システム１３４を有する。主制御部１１０は、好ましくは、例えば、陽子ビームの速度、軌道、及びタイミングを制御することにより、加速システム内の陽子ビームを制御する。次に、主制御部は、抽出システム１３４によって加速器からの陽子ビームの抽出を制御する。例えば、制御部は、抽出されたビームのタイミング、エネルギー、及び又は強度を制御する。また、制御部１１０は、好ましくは、スキャン／目標／配送システム１４０によって、陽子ビームの目標を患者インターフェース・モジュール１５０にするように制御する。患者インターフェース・モジュール１５０の１つ以上の要素は、好ましくは、主制御部１１０によって制御される。さらに、表示システム１６０の表示要素は、好ましくは、主制御部１１０を介して制御される。表示スクリーン等の表示要素は、通常、一人以上のオペレータ及び又は一人以上の患者に対して提供される。一実施形態においては、主制御部１１０は、陽子が最適な治療方法で患者に配送されるように、すべてのシステムからの陽子ビームの配送のタイミングを測る。
【００３１】
この実施形態において、主制御部１１０は、荷電粒子ビーム・システム１００を制御する単一のシステム、荷電粒子ビーム・システム１００を制御する複数のサブシステムを制御する単一のシステム、又は、荷電粒子ビーム・システム１００の１つ若しくは複数のサブシステムを制御する複数の個々の制御部を指す。
【００３２】
（シンクロトロン）
この実施形態において、シンクロトロンという用語は、周回経路において荷電粒子ビームを維持するシステムを指すのに使用される。しかしながら、サイクロトロンは、そのエネルギー、強度、及び抽出制御の固有の限界にもかかわらず、シンクロトロンの代わりに使用される。さらに、この実施形態では、荷電粒子ビームは、シンクロトロンの中央点の周りに周回経路に沿って周回するビームと称される。あるいは周回経路は軌道経路と称されるが、軌道路は完全な円又は楕円を指すものではなく、それはむしろ中央点又は中央領域の周囲の陽子の循環を指すものである。
【００３３】
図２は、荷電粒子ビーム・システム１００の１つのバージョンの実施例を説明する図である。構成要素の番号、位置、及び記載されたタイプは、説明をするためのものであり、何らこれらに限定されるものではない。図に示された実施形態において、入射システム２１０又はイオン源又は荷電粒子ビーム源は、陽子を発生する。陽子は、シンクロトロンの中に延びて、そこを通って、そこから出る真空管の中に配送される。発生された陽子は、最初の経路２６２に沿って配送される。４極磁石又は入射用４極磁石などのフォーカス用磁石２３０は、陽子ビーム経路をフォーカスするのに使用される。４極磁石は、フォーカス磁石である。入射用偏向磁石２３２は、陽子ビームをシンクロトロン１３０の平面の方向に偏向する。初期のエネルギーを持つフォーカスされた陽子は、入射用磁石２４０の中に誘導され、その入射用磁石２４０は、好ましくは、入射用ラムバーソン磁石である。通常、最初のビーム経路２６２は、シンクロトロン１３０の周回面から外れた上側の軸に沿っている。入射用偏向磁石２３２及び入射用磁石２４０は組み合わされて、陽子をシンクロトロン１３０の中に移動する。主偏向磁石２５０又は双極磁石若しくは周回用磁石は、陽子を周回ビーム経路２６４に沿って向きを変えるのに使用される。双極磁石は偏向磁石である。主偏向磁石２５０は、最初のビーム経路２６２を周回ビーム経路２６４の中に偏向する。この実施例においては、主偏向磁石２５０又は周回用磁石は、４個の磁石の４組として表され、周回ビーム経路２６４を安定した周回ビーム経路に維持する。しかしながら、任意の数の磁石又は任意の組の磁石が、周回プロセスにおいて単一の軌道の周りに陽子を移動するために任意に使用されてもよい。陽子は、加速器２７０の中を通り抜ける。加速器は、周回ビーム経路２６４の中で陽子を加速する。陽子が加速されるときには、磁石によって供給される磁場が増加される。特に、加速器によって達成される陽子の速度は、主偏向磁石２５０又は周回用磁石の磁場に同期してシンクロトロンの中央点又は中央領域２８０のまわりで陽子の安定した周回を維持する。周回経路又は軌道の中に陽子を維持する間、加速器２７０／主偏向磁石２５０が連携して時分割で使用され、陽子を加速及び又は減速する。予備加速器／偏向器システム２９０の抽出要素は、ランバーソン抽出磁石２９２と組み合わせて使用されて、シンクロトロン１３０内において周回ビーム経路２６４から陽子を離反させる。偏向器要素の一例がランバーソン磁石である。通常、偏向器は、陽子を周回面から例えばその上方の周回面から外れた軸に移動する。抽出された陽子は、好ましくは、配送路２６８に沿った４極磁石などの抽出用偏向磁石２３７及び抽出用フォーカス磁石２３５を用いて、スキャン／目標／配送システム１４０の中に導かれ及び又はフォーカスされる。スキャン・システム又は目標システムの２つの要素は、通常、垂直制御部などの第１の軸制御部１４２、及び水平制御部などの第２の軸制御部１４４を有する。ノズル・システム１４６は、陽子ビームの像を作るのに使用され、及び又は、シンクロトロンの低圧ビーム経路と大気圧との間の真空障壁として使用される。制御された陽子は、患者インターフェース・モジュール１５０及び患者の腫瘍に配送される。上記に掲げたすべての要素は任意のものであり、種々の置き換え及び組合せにおいても使用することができる。
【００３４】
（イオン・ビーム発生システム）
イオン・ビーム発生システムは、水素陰イオンすなわちＨ−ビームなどの陰イオン・ビームを発生し、好ましくは、その陰イオン・ビームをフォーカスし、その陰イオン・ビームを陽子又はＨ＋ビームなどの陽イオン・ビームに変換し、その陽イオン・ビームをシンクロトロン１３０の中に照射する。イオン・ビーム経路の陽子は、好ましくは、軽度の真空のもとにある。以下、これらのシステムの各々について説明する。
【００３５】
図３には、イオン・ビーム発生システム３００の一実施例が示されている。図に示すように、イオン・ビーム発生システム３００は、４個の主要な要素として、陰イオン源３１０、第１の部分真空システム３３０、任意の陰イオン・フォーカス・システム３５０、及び２連型加速器３９０を有する。
【００３６】
図３において、陰イオン源３１０は、好ましくは、高温プラズマ室３１４の中に水素ガスを入射するための入力口３１２を有する。一実施形態において、プラズマ室は磁性材料３１６を有し、その磁性材料３１６は高温プラズマ室３１４とその反対側の低温プラズマ領域との間に磁場障壁３１７を設けている。抽出パルスは、陰イオン抽出電極３１８に印加されて、陰イオン・ビーム経路３１９の中に陰イオン・ビームを引き出す。その陰イオン・ビームは、第１の部分真空システム３３０の中に進み、イオン・ビーム・フォーカス・システムの中を通って、２連型加速器３９０の中に進む。
【００３７】
図３において、第１の部分真空システム３３０は、水素ガスの入力口３１２から２連型加速器３９０の変換箔３９５に延びる密閉されたシステムである。箔３９５は、箔３９５の第１の部分真空システム３３０側に維持される約１０−５トール(torr)などの高圧、及び、箔３９０のシンクロトロン側に印加される約１０−７トールなどの低圧を提供する真空管３２０の端に直接的又は間接的に封止されている。第１の部分真空システム３３０を励起し、且つ、センサの読取に基づいてイオン・ビーム源真空を半連続的に動作させるだけで、半連続的に動作するポンプの寿命が延びる。以下、センサの読取についてさらに説明する。
【００３８】
図３において、第１の部分真空システム３３０は、好ましくは、連続的に動作されるポンプ及び又はターボ分子ポンプなどの第１のポンプ３３２、大容積保持体３３４、及び半連続的に動作されるポンプ３３６を有する。ポンプ制御部３４０は、好ましくは、大容積保持体３３４内の圧力を監視する圧力センサ３４２から信号を受信する。大容積保持体３３４において十分な圧力を表す信号を受信したときは、ポンプ制御部３４０はアクチュエータ３４５に指示して大容積保持体と半連続的動作ポンプ３３６との間のバルブ３４６を開けさせ、且つ、半連続的動作ポンプに指示して残留媒体ガスを荷電粒子の流れのまわりの真空ライン３２０の外に排気させる。この方法において、半連続的動作ポンプの寿命は、必要に応じて半連続的に動作させるだけで延びる。一実施例において、半連続的動作ポンプ３３６は、４時間ごとに５分間などのように、数時間ごとに数分間動作すると、これにより約２，０００時間のポンプの寿命が約９６，０００時間に延びる。
【００３９】
さらに、シンクロトロン真空システムから入力ガスを分離することにより、ターボ分子ポンプなどのシンクロトロン真空ポンプは、シンクロトロン真空ポンプが処理するガス分子が少なくなるので、長い寿命で動作することができる。例えば、入力ガスは主として水素ガスであるが、二酸化窒素及び二酸化炭素などの不純物を含んでいることもある。陰イオン源システム３１０、第１の部分真空システム３３０、イオン・フォーカス・システム３５０、及び２連型加速器側の陰イオン・ビームにおける入力ガスを分離することによって、シンクロトロン真空ポンプは低圧で長時間動作することができ、これによりシンクロトロン１３０の効率が向上する。
【００４０】
図３において、イオン・ビーム・フォーカス・システム３５０は、１つ以上の電極を有し、各電極対の１つの電極は導電メッシュなどの導電路３７２でイオン・ビーム経路を部分的に遮蔽する。図に示す例においては、２電極イオン・フォーカス部３６０、第１の３電極イオン・フォーカス部３７０、及び第２の３電極イオン・フォーカス部３８０の３つのイオン・ビーム・フォーカス・システム部が示されている。所定の電極対において、電場線は、第１の電極及び第２の電極の導体メッシュの間に延びて、陰イオン・ビームをフォーカスする内向きの力を与える。このような多数の電極対は、多数の陰イオン・フォーカス領域を実現する。好ましくは、２電極イオン・フォーカス部３６０、第１の３電極イオン・フォーカス部３７０、及び第２の電極イオン・フォーカス部３８０は、陰イオン源の後、且つ、２連型加速器の前に配置され、及び又は、イオン・ビーム経路に沿って約０．５、１、又は２メートルの空間を覆う。イオン・ビーム・フォーカス・システムについては、さらに後述する。
【００４１】
図３において、２連型加速器３９０は、好ましくは、カーボン箔などの箔３９５を有する。陰イオン・ビーム経路３１９における陰イオンは、陽子などの陽イオンに変換されて、その結果、最初のイオン・ビーム経路２６２が生じる。箔３９５は、好ましくは、陰イオン・ビーム経路３１９を有する箔３９５の側に維持される約１０−５トールなどの高圧、及び、陽子イオン・ビーム経路２６２を有する箔３９０の側に維持される約１０−７トールなどの低圧を提供する真空管３２０の端に直接的又は間接的に封止されている。２つの圧力領域の中で真空室３２０を物理的に分離する箔３９５を有することにより、より少数及び又はより小型のポンプを有するシステムにとって、入力水素及びその残留が分離した密閉され且つ分離された空間の中で第１の部分真空システム３３０によって抽出されるので、シンクロトロン１３０の中で低圧システムを維持することが可能になる。
【００４２】
（陰イオン源）
ここで、陰イオン源３１０の一実施例についてさらに説明する。図４には、陰イオン源システム４００の一実施例の断面図が示されている。陰イオン・ビーム３１９は、多数のステージの中で生成される。第１のステージの期間においては、水素ガスが室の中に入射される。第２のステージの期間においては、第１の高電圧パルスの印加によって、陰イオンを生成する水素ガスのまわりにプラズマを生成する。第３のステージの期間においては、磁場フィルタがプラズマの成分に対して適用される。第４のステージの期間においては、第２の高電圧パルスの印加によって、陰イオンが低圧プラズマ領域から磁場障壁の反対側に抽出される。以下、４つのステージの各々についてさらに説明する。室が円筒状の断面図として示されているが、その円筒状は一例にすぎず、以下に説明するように、いかなる形状であっても磁気ループの格納壁に当てはまる。
【００４３】
第１のステージにおいて、水素ガスは入力口３１２を通って高温プラズマ領域４９０の中に入射される。入射口４４２は、約１、５又は１０秒よりも短い時間の期間に開口して、真空ポンプの要件を最小にして、真空室３２０の要件を維持する。高温プラズマ領域は、部分真空システム３３０によって低減された圧力に維持される。水素ガスの入射は、主制御部１１０によって任意に制御され、水素ガスの入射が、患者の位置決め及び呼吸の周期の期間などの、画像システム１７０の情報及び患者インターフェース１５０の情報に応答する。
【００４４】
第２のステージにおいては、高温プラズマ領域は、第１の電極４２２及び第２の電極４２４の両端に印加される第１の高電圧パルスによって生成される。例えば、５ｋＶのパルスが、約２０μSの間に、５ｋＶで第２の電極４２４に印加され、約０ｋＶで第１の電極４２２に印加される。高温プラズマ領域４９０において室内の水素は、例えば、原子状水素Ｈ０、陽子Ｈ＋、電子ｅ−、水素陰イオンＨ−のいずれかの成分に分解される。
【００４５】
第３のステージにおいては、高温プラズマ領域４９０は、磁場又は磁場障壁４３０によって、低温プラズマ領域又は区域４９２から少なくとも部分的に分離される。高エネルギーの電子は、磁場障壁４３０を通過するのを制限される。この方法において、磁場障壁４３０は、陰イオン源における区域Ａ及び区域Ｂの間のフィルタの役割を果たす。好ましくは、中央の磁性材料４１０は、例えば、高温プラズマ領域４９０の中央の軸に沿って、高温プラズマ領域４９０の内部に配置される。好ましくは、第１の電極４２２及び第２の電極４２４は、鉄などの磁性材料で構成される。好ましくは、高温プラズマ領域の円筒状の壁などの外壁４５０は、永久磁石、第二鉄、若しくは鉄を使用した材料、又はフェライト誘電体の環状磁石などの磁性材料によって構成される。この方法において、中央の磁性材料４１０、第１の電極４２２、外壁４５０、第２の電極４２４、及び磁場障壁４３０によって、磁場ループが生成される。繰り返えすと、磁場障壁４３０は、高エネルギーの電子が磁場障壁４３０を通過するのを制限する。低エネルギーの電子は、原子状水素Ｈ０と相互に作用して、低温プラズマ領域４９２の中で水素陰イオンＨ−を生成する。
【００４６】
第４のステージにおいては、第２の高電圧パルス又は抽出パルスが、第３の電極４２６に印加される。第２の高電圧パルスは、第１の高電圧パルスの後半の期間に選択的に印加される。例えば、約２５ｋＶの抽出パルスが、約２０μSの第１の生成パルスの最後の約５μSの間に印加される。第３の電極４２６と第２の電極４２４との間の約２０ｋＶの電位差が、低温プラズマ領域４９２から陰イオンＨ−を抽出して、陰イオン・ビームを区域Ｂから区域Ｃに入力する。
【００４７】
磁場障壁４３０は、いくつかの方法で任意に生成される。例えば、コイルを用いて磁場障壁４３０を生成することができる。この実施例において、図４に関して上述した要素は、種々の変形例を含んでいる。第１に、磁場はコイルを用いて生成される。絶縁材料は、好ましくは、第１の電極４２２と円筒状の壁４５０との間にも、第２の電極４２４と円筒状の壁４５０との間にも、同様に設けられる。中央材料４１０及び又は円筒状の壁４５０は、任意の金属である。この方法において、コイルは、第１の電極４２２、絶縁材料、外壁４５０、第２の電極４２４、磁場障壁４３０、及び中央の材料４１０を通る磁場ループを生成する。基本的には、コイルは、磁性材料４１０による磁場の生成の代わりに磁場を発生する。磁場障壁４３０は、上述したように動作する。一般的には、高温プラズマ領域４９０と低温プラズマ領域４９２との間に磁場障壁４３０を生成するいかなる方法であっても、イオン・ビーム抽出システム４００に対して機能的に適用できる。
【００４８】
（イオン・ビーム・フォーカス・システム）
図５を参照して、イオン・ビーム・フォーカス・システム３５０についてさらに説明する。この実施例においては、３つの電極が使用される。この実施例において、第１の電極５１０及び第３の電極５３０は共に負に帯電され、各電極は陰イオン・ビーム経路３１９をひとまわりして囲むか又は少なくとも部分的に囲む環状電極である。第２の電極５２０は正に帯電され、同じく陰イオン・ビーム経路をひとまわりして囲む環状電極である。さらに、第２の電極は、陰イオン・ビーム経路３１９の中に延びる１つ以上の導電路３７２を有する。例えば、その導電路は、第２の電極の全体にわたって延びるワイヤ・メッシュ、導電格子、又は実質的に平行なラインの連続である。使用中は、電場線が、陰イオン・ビーム経路３１９の中で正に帯電された導電路から負に帯電された導電路まで延びる。例えば、使用中は、電場線５４０が、陰イオン・ビーム経路３１９における導電路３７２から負に帯電された電極５１０、５３０まで延びる。フォーカス力を説明するために、陰イオン・ビーム経路の２本の描線５５０、５６０を使用する。第１の描線５５０において、陰イオン・ビームは、第１の電場線とＭ点で交差する。陰イオン・ビーム５５０の中の負に帯電されたイオンは、電場線５７１まで延びるｘ軸成分のベクトル５７２で示される力と交差する。ｘ軸成分のベクトル５７２は、第１の描線の軌道を内側にフォーカスされたベクトル５５２に変え、そのベクトル５５２は第２の電場線とＮ点で交差する。繰り返えすと、陰イオン・ビーム５５２は、ｘ軸成分のベクトル５７４によって内に向かう力ベクトルを有するものとして示されており、電場線５７３まで延びる力と交差し、その力は内側にフォーカスされたベクトル５５２をさらに内側にフォーカスされたベクトル５５４に変える。同様に、第２の描線５６０において、陰イオン・ビームは、第１の電場線とＯ点で交差する。陰イオン・ビームのうち負に帯電されたイオンは、ｘ軸成分の力５７６によって内に向かう力ベクトルを有するものとして示されて電場線５７５まで延びる力と交差する。その内に向かう力ベクトルは、第２の描線５６０の軌道を内側にフォーカスされたベクトル５６２に変え、そのベクトル５６２は第２の電場線とＰ点で交差する。繰り返えすと、陰イオン・ビームは、ｘ軸成分のベクトル５７８によって内に向かう力を有するものとして示されて電場線５７７まで延びる力と交差し、その力は内側にフォーカスされたベクトル５６２をさらに内側にフォーカスされたベクトル５６４に変える。最終的な結果は、陰イオン・ビームに対するフォーカス効果である。力ベクトル５７２、５７４、５７６、及び５７８の各々は、陰イオン・ビーム経路の３次元フォーカスをもたらすｘ力ベクトル成分及び又はｙ力ベクトル成分を任意に有する。もちろん、その力ベクトルは基本的な説明のためのものであり、多数の電場線が交差され、フォーカス効果は統合されたフォーカスを生じる各交差で見られる。この実施例は、フォーカス効果を説明するために用いられる。
【００４９】
図５において、２、３、４、５、６、７、８、又は９個など、任意の数の電極が使用されて、所定のフォーカス部において、すべての他の電極が正又は負のいずれかに帯電されるところで陰イオン・ビームをフォーカスする。例えば、３つのフォーカス部が任意に使用される。第１のイオン・フォーカス部３６０においては、一対の電極が使用されて、陰イオン・ビーム経路に沿って交差された第１の電極が負に帯電され、第２の電極が正に帯電されて、その結果、陰イオン・ビーム経路のフォーカスを生じる。第２のイオン・フォーカス部３７０においては、二対の電極が使用されて、陰イオン・ビーム経路３１９を通す導電メッシュを有し、共に正に帯電された電極が使用される。したがって、第２のイオン・フォーカス部３７０においては、陰イオン・ビーム経路に沿って交差された第１の電極が負に帯電され、第２の電極が正に帯電されて、その結果、陰イオン・ビーム経路のフォーカスを生じる。さらに、陰イオン・ビーム経路に沿って移動する第２のイオン・フォーカス部においては、第２のフォーカス効果は、正に帯電された第２の電極と負に帯電された第３の電極との間に見られる。この実施例においては、再び３つの電極を有する第３のイオン・フォーカス部３８０が使用され、上述したように、第２のイオン・フォーカス部と同じ態様で動作する。
【００５０】
図６を参照して、イオン・ビーム・フォーカス・システム３５０における電極の中央領域についてさらに説明する。図５（Ａ）において、負に帯電された環状電極５１０の中央領域は、好ましくは、導電部材の穴である。図６（Ｂ）乃至図６（Ｄ）において、正に帯電された環状電極５２０の中央領域は、好ましくは、導電路３７２を有する。好ましくは、導電路３７２又は正に帯電された電極環５２０を持つ導電部材は、陰イオン・ビーム経路３１９の断面領域の約１、２、５、又は１０％の領域を遮蔽し、好ましくは、約５％の領域を遮蔽する。図６（Ｂ）を参照すると、第１の選択肢は導電メッシュ６１０である。図６（Ｃ）を参照すると、第２の選択肢は、陰イオン・ビーム経路３１９の一部を囲む正に帯電された電極環５２０の両端におおむね平行に延びる一連の導線６２０である。図６（Ｄ）を参照すると、第３の選択肢は、金属に開けられた孔で陰イオン・ビーム経路の断面のすべてを覆う箔６３０又は金属の薄膜を有するものであり、その孔は箔の領域の約９０乃至９９％であり、好ましくは、約９５％である。さらに一般的には、上述したように、一対の電極は、陰イオン・ビームに力ベクトルを与えてフォーカスする電場線を供給するように構成され、陰イオン・ビーム経路におけるイオンがその電場線の中を移動する。
【００５１】
第１の断面直径ｄ１を有する２電極の陰ビーム・イオン・フォーカス・システムの一実施例において、陰イオンは２電極のシステムを用いて第２の断面直径ｄ２にフォーカスされる。この場合、ｄ１＞ｄ２である。同様に、第１の断面直径ｄ１を有する３電極の陰イオン・ビーム・フォーカス・システムが提供される一実施例において、陰イオンは３電極のシステムを用いて第３の断面直径ｄ３にフォーカスされる。この場合、ｄ１＞ｄ３である。電極にかかる電位については、３電極のシステムは、２電極のシステムに比べてより厳しく又はより強くフォーカスし、ｄ３＜ｄ２となる。
【００５２】
上述した多電極のイオン・ビーム・フォーカス・システムの実施例においては、電極は環状である。さらに一般的には、上述したように電極は、陰イオン・ビーム経路の中のイオンが移動するときにその電場線を通るときに、陰イオン・ビームにフォーカス力のベクトルを与える電場線を供給するに十分であればいかなる形状でもよい。例えば、１つの陰極の環状電極は、負に帯電された複数の電極によって任意に置き換えられ、例えば、陰イオン・ビーム・プルーブの断面領域の外側のまわりに、約２、３、４、６、８、１０個、以上の電極が配置される。一般的には、さらに多くの電極が要求されて、より速い又はより高いエネルギーのビームを収束又は発散する。
【００５３】
他の実施形態においては、上記実施例における電極の極性を反転することによって、陰イオン・ビームが発散される。したがって、陰イオン・ビーム経路は、複数の電極対の組合せを用いて任意にフォーカス及び膨張される。例えば、陰イオン・ビーム経路にわたってメッシュを有する電極が負にされた場合には、陰イオン・ビーム経路はデフォーカスされる。したがって、複数の電極対の組合せは、陰イオン・ビーム経路をフォーカス及びデフォーカスするために用いられ、例えばその場合には、第１の電極対がフォーカスのために正に帯電されたメッシュを有すると共に、第２の電極対がデフォーカスのために負に帯電されたメッシュを有する。
【００５４】
（２連型加速器）
図７（Ａ）を参照して、２連型加速器３９０についてさらに説明する。２連型加速器は、一組の電極７１０、７１１、７１２、７１３、７１４、７１５を用いてイオンを加速する。例えば、陰イオン・ビーム経路内のＨ−などの陰イオンは、抽出電極４２６すなわち陰イオン・ビーム源３１０の第３の電極４２６に比べて次第に高くなっている電圧を有する一組の電極を用いて加速される。具体的には、２連型加速器３９０は、抽出電極４２６の２５ｋＶから２連型加速器３９０における箔３９５の近傍で約５２５ｋＶまで広がる範囲を持つ電極を任意に備えている。陰イオンＨ−は、箔を通過すると、式１に従って、陽子Ｈ＋に応じて２個の電子を失う。
Ｈ−＝Ｈ＋＋２ｅ− （１）
陽子は、さらに多数の電極７１３、７１４、７１５における適切な電圧を用いてさらに加速される。次に、陽子は、上述したように、シンクロトロン１３０の中に入射される。
【００５５】
図７を参照して、２連型加速器３９０内の箔３９５についてさらに説明する。箔３９５は、好ましくは、厚さが約３０乃至２００オングストロームの非常に薄いカーボン・フィルムである。箔の厚さは、（１）イオン・ビームを遮蔽せず、且つ、（２）陽子に応じた電子の移動で陽子ビーム経路２６２を形成できるように設計される。箔３９５は、好ましくは、支持格子などの支持層７２０にほぼ接触している。支持層７２０は、箔３９５に機械的強度を与えて、真空遮蔽素子７２５を形成するように結合する。箔３９５は、窒素ガス、二酸化炭素ガス、水素ガス、及びその他のガスの通過を遮蔽するので、真空障壁の役割を果たしている。一実施形態においては、箔３９５は、陰イオン・ビーム経路３１９を有する箔３１９の側にかけるべき約１０−５トール等の高圧、及び、陽子ビーム経路２６２を有する箔３１９の側にかけるべき約１０−７トール等の低圧を提供する真空管３２０の端に、直接的又は間接的に封止されることが好ましい。真空室３２０を物理的に２つの圧力領域に分離する箔３９５を備えることにより、より少数及び又はより小型のポンプを有する真空システムが、入力水素としてシンクロトロン１３０の中の低圧システムを維持することができ、また、その残留物が、第１の部分真空システム３３０によって、分割した密閉され且つ分離された空間の中に抽出される。箔３９５及び支持層７２０は、好ましくは、２連型加速器３９０又は真空管３２０の構造体７５０に固定されて、取付ネジ７４０で壁に押し付けられた金属、樹脂、又はセラミックの環材７３０などの任意の機械的手段を用いて圧力障壁を形成する。箔によって２つの真空室側に分割し且つ密閉するための任意の機械的手段は、このシステムと同様に適用できる。図７（Ｂ）を参照すると、支持構造体７２０及び箔３９５は、ｘ面、ｙ面のそれぞれに示されている。
【００５６】
図８においては、荷電粒子ビーム・システム１００を使用する他の実施例が示されている。主制御部１１０又は１つ若しくはそれ以上の副制御部は、患者の腫瘍に陽子を正確且つ精密に配送するために、１つ以上のサブシステムを制御する。例えば、主制御部１１０は、患者にメッセージを送信して呼吸をいつするか又はどのようにするかを指示する。主制御部１１０は、治療対象が呼吸を繰り返している状態を示す熱呼吸センサ又は力呼吸センサの読取など、患者インターフェース・モジュールからのセンサの読取を取得する。主制御部は、画像システム１７０から体及び又は腫瘍の位置などの画像を収集する。また、主制御部１１０は、患者インターフェース・モジュール１５０から位置情報及び又はタイミング情報を取得する。次に、主制御部１１０は、入射システム１２０を任意に制御して、陰イオン・ビーム源３１０の中に水素ガスを入射し、陰イオン・ビーム源３１０からの陰イオンの抽出のタイミングを制御する。主制御部は、イオン・ビーム・フォーカス・レンズ・システム３５０、２連型加速器３９０による陽子ビームの加速、及び又は、シンクロトロン１３０の中への陽子の入射を用いて、イオン・ビーム・フォーカスを任意に制御する。シンクロトロンは、通常、少なくとも加速器システム１３２及び抽出システム１３４を備えている。シンクロトロンは、１つ以上の方向転換磁石、エッジ・フォーカス磁石、磁場収束磁石、巻線磁石及び補正磁石、及び平坦磁場入力面を有することが好ましく、それらのいくつかは主制御部１１０によって制御される要素を含んでいる。主制御部は、例えば、陽子ビームの速度、軌道、及び又はタイミングを制御することによって、加速器システム内の陽子ビームを制御することが好ましい。次に、主制御部は、抽出システム１３４によって加速器からの陽子ビームの抽出を制御する。例えば、制御部は、抽出されたビームのタイミング、エネルギー、及び又は強度を制御する。また、主制御部１１０は、目標／配送システム１４０によって患者インターフェース・モジュール１５０への陽子ビームの目標を制御することが好ましい。患者インターフェース・モジュール１５０の１つ以上の要素、例えば、患者の垂直位置、患者の回転位置、及び患者の椅子の位置／安定／制御部品は、主制御部１１０によって制御されることが好ましい。さらに、表示システム１６０の表示要素は、主制御部１１０を介して制御されることが好ましい。表示スクリーンなどの表示装置は、一般的には一人以上のオペレータ及び又は一人以上の患者に提供される。一実施形態においては、主制御部１１０は、すべてのシステムからの陽子ビームの配送の時間を調整するので、陽子は最適な治療方法で患者に配送される。
【００５７】
（周回システム）
シンクロトロン１３０は、直線部９１０及びイオン・ビームの方向転換部９２０を備えることが好ましい。したがって、陽子の周回経路は、シンクロトロンの中の円というよりも、むしろ角が丸い多角形である。
【００５８】
一実施形態においては、シンクロトロン１３０は、加速器システムと同じものを意味することもあり、４個の直線部及び４個の方向転換部を有する。直線部９１０の実施例は、予備加速器２４０、加速器２７０、抽出システム２９０、及び偏向器２９２を備えている。４個の直線部に加えてイオン・ビーム方向転換部９２０があり、それは磁石部又は方向変換部を意味することもある。偏向部についてはさらに後述する。
【００５９】
図９を参照して、シンクロトロンの例について説明する。この実施例においては、最初の陽子ビーム経路に沿って配送された陽子は、周回ビーム経路の中で予備加速器２４０によって予備加速されて、加速後は偏向器２９２を介してビーム搬送路２６８に抽出される。この実施例においては、シンクロトロン１３０は、４個の直線部９１０及び４個の曲げ部又は方向転換部９２０を備え、４個の偏向又は方向転換部９２０の各々は、１つ以上の磁石を使用して陽子ビームを約９０度偏向する。さらに後で説明するように、方向転換部の間隔を小さくできること及び陽子ビームを効率的に偏向できることで、より短い直線部が実現する。直線部を短くすることで、シンクロトロンの周回経路内にフォーカス４極磁石を使用せずに、シンクロトロンの設計をすることができる。周回陽子ビーム経路からフォーカス４極磁石を取り除く結果、さらに小型の設計ができる。この実施例においては、図示されたシンクロトロンは、周回経路内にフォーカス４極磁石を使用しているシステムが８メートルの直径及び大きな断面直径を持っているのに対して、約５メートルの直径を持っている。
【００６０】
参照する図１０においては、第１の偏向又は方向転換部９２０のさらに詳細な図が示されている。各方向転換部は、約２、４、６、８、１０、又は１２個の磁石のように多数の磁石を有することが好ましい。この実施例において、第１の方向転換部２０における４個の方向転換磁石１０１０、１０２０、１０３０、１０４０は、基本的な原理を示すのに使用されており、各方向転換部９２０における磁石の使用個数は同じである。方向転換磁石１０１０は、主要な方向転換磁石又は周回磁石２５０の特定のタイプである。
【００６１】
物理学においては、ローレンツ力は、電磁場の作用で点荷電に働く力である。ローレンツの力は、電場の用語を含まずに磁場の用語で式２によって与えられる。
Ｆ＝ｑ（ｖ×Ｂ） （２）
式２において、Ｆは力で単位はニュートン、Ｂは磁場で単位はテスラ、ｖは瞬間速度で単位はメートル／秒である。
【００６２】
図１１においては、単一磁石偏向又は方向転換部１０１０の一実施例が拡大して示されている。方向転換部は、陽子が周回する中にギャップ１１１０を有する。ギャップ１１１０は、そこにかかる磁場が均一、平坦、強力になるように、平らなギャップであることが好ましい。磁場は磁場入射面を通ってギャップ１１１０に入り、磁場出力面を通って出る。ギャップ１１１０は、半分の２つの磁石の間の真空管の中に延びている。ギャップ１１１０は、少なくとも２つのパラメータ、すなわち、（１）陽子の損失を最小にするためギャップ１１１０ができるだけ大きく保たれるパラメータ、及び（２）磁石サイズ及び関連する物のサイズ及び磁石に供給する必要電力を最小にするためギャップ１１１０ができるだけ小さく保たれるパラメータ、によって規制される。ギャップ１１１０の平らな性質によって、ギャップ１１１０を横断する磁場を圧縮されたより均一なものにできる。ギャップの一実施例は、大きさが約２ｃｍの垂直ビームので、大きさが約５乃至６ｃｍの水平ビームを収容する寸法になっている。
【００６３】
上述したように、ギャップサイズが大きいほど、より大きな電力供給が必要になる。具体的には、ギャップ１１１０の垂直のサイズが２倍になると、必要な電力供給は約４倍に増加する。ギャップ１１１０の平坦さも重要である。例えば、ギャップ１１１０の平らな性質は、抽出された陽子のエネルギーが約２５０から３３０ＭｅＶまで増加できる。特に、ギャップ１１１０が極めて平らな表面を持つならば、鉄の磁石の磁場は限界に達し得る。ギャップ１１１０の表面を極めて高精度にする一実施例では、約５ミクロンより小さく、好ましくは、約１乃至３ミクロンに研磨する。表面が不均一の場合には、供給される磁場に不具合が生じる。研磨された平らな表面は、供給される磁場の不均一を緩和する。
【００６４】
図１１において、荷電粒子ビームは、ギャップ１１１０を通って瞬間速度ｖで移動する。第１の磁気コイル１１２０及び第２の磁気コイル１１３０は、それぞれギャップ１１１０の上側及び下側に延びている。電流がコイル１１２０、１１３０の中を流れると、単一磁石方向転換部１０１０を通って延びる磁場Ｂを発生する。この実施例においては、磁場Ｂは上方に延びて、荷電粒子ビームをシンクロトロンの内側の中央点に向けて押す力Ｆを発生して、荷電粒子ビームを円弧の形に偏向する。
【００６５】
さらに、図１１には、別の第２の磁石偏向又は方向転換部１０２０の一部が示されている。コイル１１２０、１１３０は、通常、第１の磁石偏向又は方向転換部１０１０の端などの１つの磁石の端に、折り返し部分１１４０、１１５０又は屈曲部を有する。屈曲部１１４０、１１５０は空間を必要とする。その空間は、方向転換磁石によって覆われるシンクロトロンの１つの軌道のまわりの経路の割合を低下させる。このことは、陽子が偏向又はフォーカスされない周回経路の部分をもたらし、陽子経路がデフォーカスする周回経路の部分を生じることになる。このため、その空間は大きなシンクロトロンを生じる結果になる。したがって、磁石方向転換部１１６０の間の空間は、小さくすることが好ましい。２、３、４、５、６個、以上の磁石などの複数の磁石に沿って任意に延びるコイル１１２０、１１３０を説明するために、第２の方向転換磁石が示されている。多数の方向転換部の磁石にわたって延びるコイル１１２０、１１３０によって、方向転換部の立体構造の制約を取り除き、空間的に互いに接近して２つの方向転換磁石を配置できるので、２つの方向転換部の磁石の間の空間１１６０を低減化及び又は最少化できる。
【００６６】
図１２及び図１３には、単一磁石偏向又は方向転換部１０１０の断面を９０度回転した２つの図が示されている。磁石アセンブリは、第１の磁石１２１０及び第２の磁石１２２０を有する。後述するように、コイルによって誘発された磁場は、ギャップ１１１０を横断して第１の磁石１２１０と第２の磁石１２２０との間に延びる。戻りの磁場は、第１のヨーク１２１２及び第２のヨーク１２２２の中を延びる。戻りヨークの組み合わされた断面領域は、第１の磁石１２１０又は第２の磁石１２２０の断面領域とほぼ同じである。荷電粒子ビームは、ギャップ１１１０における真空管を通って進む。すでに説明したように、図１２において、陽子はギャップ１１１０及び磁場の中を通って進み、ベクトルＢは陽子に力Ｆを与えて、シンクロトロンの中央に向かって陽子を押し出すが、これは図１２において右側の頁の外になっている。磁場は、巻線を用いて生成される。第１の巻線コイル１２５０を構成する第１のコイルは、図１２において点線で示されて、個々の巻線についての線の断面を代表的に表し、図１３において個々の巻線として示されている。第２の巻線コイル１２６０を構成する線の第２のコイルも、同様に図面で表されている。空気のギャップなどの、分離用又は収束用ギャップ１２３０、１２４０は、鉄基材のヨークをギャップ１１１０から分離する。ギャップ１１１０は、上述したように、ギャップ１１１０にわたって均一な磁場を発生させるために、ほぼ平らになっている。
【００６７】
図１３において、単一偏向又は方向転換磁石の両端は、面取りがされていることが好ましい。方向転換磁石１０１０のほぼ直角のエッジは、破線１３７４、１３８４によって表されている。破線１３７４、１３８４は、シンクロトロンの中心２８０を過ぎて点１３９０で交差する。方向転換磁石のエッジは、角度アルファα及び角度ベータβで面取りされていることが好ましく、角度アルファ及び角度ベータは、方向転換磁石１０１０及び中心２８０から延びる第１の線１３７２、１３８２、及び、同じ方向転換磁石のエッジ及び交差点１３９０から延びる第２の線１３７４、１３８４によって形成される。角度アルファはその効果を記述するために用いられ、角度アルファの記述は角度ベータに適用するが、角度アルファは角度ベータとは異なる任意の角度でもよい。角度アルファは、エッジ・フォーカス効果を実現する。方向転換磁石１０１０のエッジを角度アルファで面取りすることで、陽子ビームをフォーカスする。
【００６８】
多数の方向転換磁石は、シンクロトロン１３０において各々がエッジ・フォーカス効果を有する多数の磁石エッジを実現する。方向転換磁石が１つだけ使用された場合には、ビームは角度アルファで１回又は角度アルファ及び角度ベータで２回だけフォーカスされる。しかしながら、より小さな方向転換磁石を用いることによって、さらに多くの方向転換磁石がシンクロトロン１３０の方向転換部９２０の中に収まる。例えば、４個の磁石がシンクロトロンの方向転換部９２０の中に使用された場合には、単一方向転換磁石において、１個の磁石に対して２つのエッジにより、８個のエッジ・フォーカス効果面が可能になる。８個のフォーカス面は、より小さな断面ビームサイズをもたらす。このことは、より小さなギャップ１１１０の使用を可能にする。
【００６９】
方向転換磁石においてマルチ・エッジ・フォーカス効果を使用することにより、より小さなギャップ１１１０を実現するだけでなく、より小さな磁石及びより小さな電力供給も実現できる。各方向転換部が４個の方向転換磁石を有し、且つ、各方向転換磁石が２つのエッジを有する方向転換磁石を４個備えたシンクロトロンにおいては、シンクロトロン１３０の周回経路の中の陽子の各軌道に対して、合計３２のフォーカス・エッジが存在する。同様に、２、６、又は８個の磁石が所定の方向転換部に使用され、又は、２、３、５、若しくは６個の磁石が使用された場合には、エッジ・フォーカス面の数は、次の式３に応じて拡大又は縮小する。
ＴＦＥ＝ＮＴＳ＊（Ｍ／ＮＴＳ）＊（ＦＥ／Ｍ） （３）
ここで、ＴＦＥはフォーカス・エッジの数、ＮＴＳは方向転換部の数、Ｍは磁石の数、ＦＥはフォーカス・エッジの数である。もちろん、すべての磁石が面取りされる必要はなく、いくつかの磁石は１つのエッジだけを任意に面取りをしてもよい。
【００７０】
発明者らは、多数のより小さな磁石が、少数のより大きな磁石よりも利益があることを突き止めた。例えば、４個の大きな磁石を使用した場合には８フォーカス・エッジしかもたらさないのに対して、１６個の小さな磁石を使用した場合には３２フォーカス・エッジをもたらす。さらに多くのフォーカス・エッジを有するシンクロトロンは、フォーカス４極磁石を使用しなくても、シンクロトロンの周回経路をつくることができる。従来技術のすべてのシンクロトロンは、シンクロトロンの周回経路に４極磁石を使用している。さらに、周回経路において４極磁石を使用した場合には、シンクロトロンの周回経路に直線部を追加する必要がある。このため、シンクロトロンの周回経路に４極磁石を使用することは、その結果、より大きな直径、周回ビーム経路長、及び又はより大きな円周を有するシンクロトロンになってしまう。
【００７１】
この実施形態に記載されたシステムの種々の実施形態において、シンクロトロンは以下の任意の組合せを備えている。
・４つの方向転換部を有するシンクロトロンにおける荷電粒子ビームの９０度の偏向ごとに少なくとも４個、好ましくは６、８、１０個、又はそれ以上のエッジのフォーカス・エッジ、
・シンクロトロンにおける荷電粒子ビームの軌道ごとに少なくとも約１６個、好ましくは２４、３２個、又はそれ以上のエッジのフォーカス・エッジ、
・少なくとも４個、好ましくは８個のエッジのフォーカス・エッジを各方向転換部が有する４個だけの方向転換部、
・同数の直線部及び方向転換部、
・きっかり４個の方向転換部、
・方向転換部ごとに少なくとも４個のエッジのフォーカス・エッジ、
・４極磁石を有しないシンクロトロンの周回経路、
・丸い角の多角形の構造、
・６０メートル未満の円周、
・６０メートル未満の円周及び３２個のフォーカス・エッジ面、及び
・シンクロトロンの各周回経路においてフォーカス・エッジのエッジを有する４極磁石からなる約８、１６、２４、又は３２個の４極磁石を持たない構造。
【００７２】
図１２を参照して、第１の磁石１２１０の入射磁場面１２７０についてさらに説明する。図１２は、目盛りがなく、基本的なものを示している。入射面１２７０の最後の質の局部的な不具合又は不均一は、ギャップ１１１０に加えられる磁場に不均質又は不具合を生じる結果となる。入射面１２７０は、好ましくは、平らであり、例えば、約０から３ミクロンの最終研磨の範囲内、あるいは１０ミクロンの最終研磨の範囲内であることが好ましい。
【００７３】
図１４を参照して、図１２において断面図で表された磁石に追加される磁石要素について説明する。第１の磁石１２１０は、鉄基材コアの第１の断面距離１４１０を有することが好ましい。磁場の外周は、磁石１２１０、１２２０及びヨーク１２１２、１２２２によって共有されている。鉄基材コアは、第２の断面距離１４２０に向かって次第に狭くなっている。磁石内の磁場は、ギャップ１２３０、１２４０に対向するように、鉄基材コア内に偏った状態で存在している。断面距離が第１の断面距離１４１０から第２の断面距離１４２０へと小さくなっているので、磁場は集束する。磁石の形状が長い距離１４１０から短い距離１４２０に変化することで、増幅器として働くことになる。磁場の集束は、第１の断面距離１４１０における磁場ベクトルの密度から、第２の断面距離１４２０における磁場ベクトルの高い密度に至ることで表現されている。磁場の収束は、方向転換磁石の形状で決まるので、巻線コイル１２５０、１２６０の数をより少なくすることが要求され、コイルに対する電力供給も小さくすることが要求される。
【００７４】
＜実施例Ｉ＞
一実施例においては、最初の断面距離１４１０は、約１５ｃｍであり、最後の断面距離１４２０は、約１０ｃｍである。その与えられた数値を用いると、磁場の集束は、ギャップ１１１０の入射面１２７０において約１５／１０又は１．５倍であるが、その関係はリニアではない。テーパー１４６０は、約２０、４０、又は６０度の傾斜を持っている。例えば１．５倍の磁場の集束は、その分だけ磁石に必要な電力消費の減少を実現する。
【００７５】
図１５を参照して、集束磁場に使用される磁石の形状の追加の実施例について説明する。図１４に示したように、第１の磁石１２１０は、鉄基材コアの第１の断面距離１４１０を有することが好ましい。磁場の外周は、磁石１２１０、１２２０及びヨーク１２１２、１２２２によって共有されている。この実施例においては、コアは、小さい角度θで第２の断面距離１４２０に向かって狭くなっている。上述したように、磁石内の磁場は、ギャップ１２３０、１２４０に対向するように、鉄基材コア内に偏った状態で存在している。断面距離が第１の断面距離１４１０から第２の断面距離１４２０へと小さくなっているので、磁場は集束する。角度θが小さくなればなるほど、長い距離１４１０から短い距離１４２０に進む磁場の増幅は次第に大きくなる。磁場の集束は、第１の断面距離１４１０における磁場ベクトルの最初の密度から、第２の断面距離１４２０における磁場ベクトルの集束された密度に至ることで表現されている。磁場の収束は、方向転換磁石の形状で決まるので、巻線コイル１２５０、１２６０の数をより少なくすることが要求され、コイルに対する電力供給もより小さくすることが要求される。
【００７６】
図１５において、１つ以上の方向転換磁石の強度を補正するのに使用される追加のコイル１５１０、１５２０が示されている。補正コイル１５２０、１５３０は、巻線コイル１２５０、１２６０を補うものである。補正コイル１５２０、１５３０は、巻線コイル１２５０、１２６０で使用される巻線コイルの電力供給から分離している補正コイル電力を使用する。補正コイルの電力供給は、巻線コイルの電力供給と比較すると、それに必要な電力のほんの何分の１、例えば、その電力の約１、２、３、５、７、又は１０％で、約１又は２％で動作が可能であることが好ましい。補正コイル１５１０、１５２０に供給される動作電力が小さくなればなるほど、補正コイルをさらに正確及び又は精密に制御することが可能になる。補正コイルは、方向転換磁石１０１０、１０２０、１０３０、１０４０における不具合を調整するのに使用される。分離した補正コイルは、各方向転換磁石に対して任意に使用されて、各方向転換磁石に対する磁場の個々の偏向ができるので、各方向転換磁石の製造における品質要求を容易に叶えることができる。
【００７７】
図１６には、イオン・ビームの方向転換部９２０における複数の方向転換磁石１０１０、１０２０のまわりの巻線コイル１６３０及び補正コイル１６２０の一実施例が示されている。図に示すように、２つの方向転換磁石の巻線コイル１６３０及び補正コイルは、１つの方向転換磁石及び２つの方向転換磁石を補正するように示されている。しかしながら、巻線コイルは、１、２、又は４個の方向転換磁石など、１つ以上の方向転換磁石を任意に覆う。同様に、補正コイルは、１、２、又は４個の方向転換磁石など、１つ以上の方向転換磁石を任意に覆う。覆われる方向転換磁石の個数は、巻線コイル及び補正コイルと同じ個数であることが好ましい。１つ以上の高精密部材１８３０は、シンクロトロンの中に配置されて、陽子ビーム経路において又はその近傍で磁場を測定するのに使用される。例えば、磁気センサは、ギャップ１１１０若しくはその近傍又は磁石若しくはヨーク若しくはその近傍など、方向転換磁石の間又は方向転換磁石の内部に任意に配置される。センサは、補正コイルに対するフィードバック・システムの一部であり、主制御部によって任意に駆動する。このように、システムは、好ましくは、磁石に供給される電流を安定化するというよりむしろ、シンクロトロンの要素における磁場を適切に安定化する。磁場の安定化によって、シンクロトロンは新たなエネルギーレベルに迅速に到達できる。このことにより、システムは、オペレータ又はアルゴリズムによって、シンクロトロンの各パルス及び又は患者の各呼吸によって選択されたエネルギーレベルを制御する。方向転換磁石の近傍又は方向転換磁石の間に配置された任意の磁場センサ１６５０は、磁場強度を制御する制御システムへの入力として任意に使用される。
【００７８】
巻線コイル及び又は補正コイルは、１、２、３、又は４個の方向転換磁石を補正し、好ましくは、２つの方向転換磁石によって発生される磁場を補正する。多数の磁石を覆う巻線コイル又は補正コイルによって、巻線コイル又は補正コイルの両端が少なくなり、両端が占有する必要な空間すなわち磁石の間の空間を小さくする。
【００７９】
＜実施例ＩＩ＞
図１７は、フィードバック・ループ１７００を用いて磁場制御を明確にして、配送時間及び又は陽子パルス配送の間隔を変更する一実施例である。ある１つ場合においては、呼吸センサ１７１０は、患者の呼吸の周期を感知する。呼吸センサは、通常、患者インターフェース・モジュール１５０を介して、及び又は、主制御部１１０若しくはその副制御部を介して、磁場制御部１７２０のアルゴリズムに情報を送信する。アルゴリズムは、患者が呼吸の周期において、呼吸の底などの特異なポイントになるときを予測及び又は測定する。磁場センサ１７３０は、磁場制御部への入力として使用され、シンクロトロン１３０の第１の方向転換磁石内などの所定の磁場に対する磁気電力供給１７４０を制御する。したがって、制御フィードバック・ループは、選択されたエネルギーレベルをシンクロトロンにダイヤルするのに使用され、また、呼吸が底の時などの選択された時点の時間内に、所望のエネルギーレベルで陽子を配信するのに使用される。特に、主制御部は、シンクロトロンの中に陽子を入射し、抽出と組み合わせた方法でその陽子を加速し、呼吸の周期における選択された時点で陽子を腫瘍に配送する。陽子ビームの強度もこの段階で主制御部によって選択可能になり、制御可能になる。補正コイルに対するフィードバック制御によって、患者の呼吸の周期に連動したシンクロトロンのエネルギーレベルの迅速な選択が可能になる。このシステムは、電流が一定の値に安定化され、且つ、固定した周期の１０又は２０サイクル／秒のように、１つの周期でシンクロトロンがパルスを配送するようなシステムとは、全く対照的である。
【００８０】
フィードバック又は磁場の設計を補正コイルと組み合わせることで、抽出の周期を患者の呼吸の変化速度に合わせることができる。
【００８１】
従来の抽出システムがこの制御をすることができないのは、正弦波の大きさ及び増幅の双方に関するメモリを磁石が持っているからである。したがって、従来のシステムにおいては、周波数を変更するために、電流の緩やかな変化を採用しなければならない。これに対して実施形態では、磁場センサを用いたフィードバックを使用することで、シンクロトロンの周波数及びエネルギーレベルを素早く調整することができる。さらに、この処理を支援することで、後述するように、抽出処理の期間中に陽子の加速ができる新しい抽出システムを使用できる。
【００８２】
＜実施例ＩＩＩ＞
再び図１６を参照すると、４つの方向転換磁石１０１０、１０２０、１０３０、１０４０を覆う巻線コイル１６３０の一実施例が示されている。任意ではあるが、第１の巻線コイルは２つの磁石１０３０、１０４０を覆い、第２の巻線コイルは別の２つの磁石１０１０、１０２０を覆う。上述したように、このシステムは、方向転換部の間の空間を小さくして、方向転換の角度ごとにさらに多くの磁場を供給する。第１の補正コイル１６１０は、第１の方向転換磁石１０１０に対する磁場を補正するのに使用されることを示している。第２の補正コイル１６２０は、４つの方向転換磁石のまわりの巻線コイル１６３０に対する磁場を補正するのに使用されることを示している。各方向転換磁石に対する個々の補正コイルは、各方向転換部において最も精密な及び又は最も正確な磁場を発生させるのに好適な個々の補正コイルである。特に、個々の補正コイル１６１０は、所定の方向転換部の個々の磁石の不具合を補償するのに使用される。したがって、磁場監視システムにおける一連の磁場センサによれば、独立したコイルが各方向転換部に対して使用されるので、対応する磁場は一連のフィードバック・ループにおいて個々に調整できる。あるいは、他の実施例においては、多数の磁石補正コイルは、複数の方向転換磁石に対する磁場を補正するのに使用される。
【００８３】
（平らなギャップ表面）
第１の方向転換磁石の観点からギャップ表面を説明する一方で、シンクロトロン内の方向転換磁石の各々について説明する。同様に、磁場入射表面６７０の観点からギャップ１１１０を説明する一方で、磁場出射表面６８０について説明する。
【００８４】
第１の磁石１２１０の磁場入射表面１２７０はほぼ平坦であることが好ましく、例えば、ほぼ０から３ミクロンの仕上げ研磨又は約１０ミクロンの仕上げ研磨であることが好ましい。極めて平坦にすることによって、研磨された表面は、ギャップ１１１０を横断して供給される磁場の不均一性を解消する。極めて平坦な表面、例えば、ほぼ０、１、２、４、６、８、１０、１５、又は２０ミクロンの仕上げ表面は、ギャップサイズをより小さくすること、供給される磁場をより小さくすること、供給電力をより小さくすること、及び、陽子ビームの断面面積をより厳密に制御することを可能にする。
【００８５】
（陽子ビーム抽出）
図１８には、シンクロトロン１３０からの陽子抽出処理の一実施例が示されている。明確にするために、図１８では、図２に示した方向転換磁石などの要素を取り除くことで、時間の関数としての陽子ビーム経路の表現を非常に明確にすることができる。一般的には、陽子を遅くすることにより、シンクロトロン１３０から陽子が抽出される。上述したように、陽子は周回経路２６４の中で最初に加速されて、複数の主偏向磁石２５０によりその加速された陽子が維持される。周回経路は、この実施形態では最初の中心のビームライン２６４と呼ばれる。陽子は、シンクロトロン２８０の中心のまわりを繰り返し周回する。陽子経路は、高周波（ＲＦ）空洞システム１８１０の中で向きを変える。抽出を開始するために、ＲＦ空洞システムにおいて、第１の羽根１８１２及び第２の羽根１８１４にわたってＲＦ磁場が供給される。第１の羽根１８１２及び第２の羽根１８１４は、この実施形態では第１の対の羽根と呼ばれる。
【００８６】
陽子抽出処理においては、第１の対の羽根にわたってＲＦ電圧が供給され、そこでは第１の対の羽根の第１の羽根１８１２は周回陽子ビーム経路２６４の一方の側にあり、第１の対の羽根の第２の羽根１８１４は周回陽子ビーム経路２６４の反対側にある。供給されたＲＦ磁場は、周回する荷電粒子ビームに対してエネルギーを与える。供給されたＲＦ磁場は、軌道又は周回ビーム経路をわずかに変更して、最初の中心のビームライン２６４から周回ビーム経路２６５にする。ＲＦ空洞システムの中で陽子が第２の経路に移動すると、ＲＦ磁場は、最初のビームラインからはずれた陽子をさらに移動する。例えば、最初のビームラインが円形の経路であるとすると、変更されたビームラインはわずかに楕円形の経路になる。供給されるＲＦ磁場はタイミングを合わせて、シンクロトロン加速器の中で周回する陽子の所定の軌道を内側又は外側に移動させる。陽子の各軌道は、最初の周回ビーム経路２６４と比べて少しずつさらに外れた軸になっている。ＲＦ空洞システムを通る陽子の連続する通過は、ＲＦ磁場を通る陽子ビームの連続する各通過に伴って、ＲＦ磁場の方向及び又は強度を変更することによって、最初の中心のビームライン２６４から次第に移動を強いられる。
【００８７】
ＲＦ電圧は、１回の回転に対してシンクロトロンのまわりを周回する１つの陽子の周期にほぼ等しい周波数で周波数変調されるか、又は、シンクロトロンのまわりを周回する１つの陽子の周期の積分乗算器よりも高い周波数で周波数変調される。供給されたＲＦ周波数変調電圧は、ベータトロン振動を励起する。例えば、その振動は陽子の正弦波の動きになっている。ＲＦ空洞システム内の所定の陽子ビームに対するＲＦ磁場タイミングの処理は、陽子が最初の中心ビームライン２６４からさらにほぼ１マイクロメートル離れて動く連続する各通過で数千倍繰り返される。説明を明確にするために、ＲＦ磁場を通る陽子の所定の軌道の連続する各経路と共にほぼ１０００回変化するビーム経路が、変更されたビーム経路２６５として図示されている。
【００８８】
正弦波のベータトロンの十分な振幅があるので、変更された周回ビーム経路２６５は、箔又は箔のシートなどの部材１８３０に接触する。箔は、軽量の材料、例えば、ベリリウム、水素化リチウム、カーボン・シート、又は低い核電荷の物質であることが好ましい。低い核電荷の物質は、実質的には６個又はそれより少ない個数の陽子を持つ原子で構成された物質である。箔は、好ましくは、約１０乃至１５０ミクロンの厚さであり、さらに好ましくは、３０乃至１００ミクロンの厚さであり、さらにいっそう好ましくは、４０乃至６０ミクロンの厚さである。一実施例では、箔は、約５０ミクロンの厚さのベリリウムである。陽子が箔の中を通り抜けると、陽子のエネルギーが失われ、陽子の速度が低下される。後述するように、通常、電流も発生される。低速度で動く陽子は、最初の中央ビームライン２６４又は変更された周回経路２６５のいずれかと比べて、小さくなった曲率半径２６６でシンクロトロン内を移動する。小さくなった曲率半径２６６の路についても、ここでは、より小さい直径の軌道を有する経路又は低エネルギーの陽子を有する経路という。小さくなった曲率半径２６６は、通常、変更された陽子ビーム経路２６５に沿った陽子の最後の通過の曲率半径よりも約２ミリメートル小さい。
【００８９】
部材１８３０の厚さは、曲率半径における変化が、例えば、陽子の最後の通過路２６５又は最初の曲率半径２６４よりも約１／２ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、又は４ｍｍ小さく形成されるように任意に調整される。より小さな曲率半径で動く陽子は、第２の対の羽根の間を移動する。第１の場合においては、第２の対の羽根は、第１の対の羽根とは物理的に別個のもの及び又は分離したものになっている。第２の場合においては、第１の対の羽根の１つが第２の対の羽根の要素にもなっている。例えば、第２の対の羽根は、ＲＦ空洞１８１０内の第２の羽根１８１４及び第３の羽根１８１６である。ここで、約１乃至１．５ｋＶなどの高電圧のＤＣ信号が第２の対の羽根の両端に印加されると、ラムバーソン抽出磁石などの抽出磁石２９２によって、陽子をシンクロトロンの外の輸送路２６８に導く。
【００９０】
加速器によるシンクロトロン内の荷電粒子ビーム経路の加速の制御によって、及び又は、上述した抽出システムと組み合わされた方向転換磁石に対して供給された磁場によって、抽出された陽子の強度を制御することができる。そこでは、強度は単位時間における陽子の束又は時間の関数として抽出された陽子の数である。例えば、閾値を超えた電流が計測されたときは、ＲＦ空洞内のＲＦ磁場変調が終了又は起動停止がなされて、陽子ビーム抽出の十分な周期を確立する。この処理は繰り返されて、シンクロトロン加速器からの陽子ビーム抽出を多く繰り返すことができる。
【００９１】
抽出システムは、磁場の性質のいかなる変化にも依存していないので、シンクロトロンは加速モード又は減速モードにおける動作を継続することができる。言い換えれば、抽出処理は、シンクロトロン加速器に干渉することはない。これと極めて対照的に、従来の抽出システムは、抽出処理の期間中に、６極磁石などによる新たな磁場を採用している。特に、従来のシンクロトロンは、加速段階の期間中はオフとなる６極磁石などの磁石を備えている。抽出段階の期間中は、６極磁石の磁場がシンクロトロンの周回経路に導入される。磁場の導入は、２つの別個のモード、加速モード及び抽出モードを強いられて、２つのモードは同じ時間においては相互に排他的なものとなる。
【００９２】
（荷電粒子ビームの強度制御）
高周波（ＲＦ）磁場などの磁場の制御によって、ＲＦ空洞１８１０内の周波数及び振幅は抽出された陽子ビームの強度制御を可能にし、その制御では、強度は単位時間に抽出された陽子の束又は時間の関数として抽出された陽子の数となる。
【００９３】
さらに図１８を参照する。陽子ビーム内の陽子が部材１８３０にぶつかると、電子が放出されて電流が発生する。発生した電流は、電圧に変換されて、イオン・ビーム強度監視システムの要素として、又は、ビーム強度制御のためのイオン・ビーム・フィードバック・ループの要素として用いられる。その電圧は、任意に測定されて、主制御部１１０又は制御部のサブシステムに任意に送られる。特に、荷電粒子ビーム経路内の陽子が部材１８３０を通過すると、いくつかの陽子はほんの何分の１のエネルギー、例えば、約１０分の１の割合のエネルギーを失って、その結果２次電子が発生する。すなわち、荷電粒子ビーム内の陽子は、部材１８３０を通過するときに２次放出を生じるに十分なエネルギーの電子を与えることで、いくつかの電子を放出する。発生した電子の流れは、目標の部材１８３０を通過する陽子の数に比例する電流又は信号を発生する。発生した電流は、電圧に変換されて増幅されることが好ましい。発生した信号は、測定された強度信号と呼ばれる。
【００９４】
陽子が部材１８３０を通過した結果得られた増幅された信号又は測定された強度信号は、抽出された陽子の強度を制御するのに使用されることが好ましい。例えば、測定された強度信号は、腫瘍面１８６０の照射においてあらかじめ設定される目標信号と比較される。一実施例において、腫瘍面１８６０は、患者のｘ位置、ｙ位置、時間、及び又は回転位置の関数として、配送される陽子ビームの目標の又は対象にされたエネルギー及び強度を有する。測定された強度信号と予定された目標信号との間の差分が計算される。その差分がＲＦ発生器に対する制御として使用される。したがって、陽子が部材１８３０を通過した結果生じて測定された電流の流れは、ＲＦ発生器において、ベータトロン振動を受け且つ部材１８３０に衝突する陽子の数の増加又は減少を制御するのに使用される。したがって、部材１８３０の電圧のうち差し引いて算出された電圧は、軌道経路の測定として使用され、且つ、ＲＦ空洞システムを制御するためのフィードバック制御として使用される。あるいは、他の実施例として、測定された強度信号はフィードバック制御には使用されず、抽出された陽子の強度の監視としてだけ使用される。
【００９５】
上述したように、陽子が部材１８３０に衝突することは、シンクロトロン１３０から陽子を抽出する中での工程である。したがって、測定された強度信号は、抽出される単位時間に対する陽子の数を変化するのに使用され、陽子ビームの強度と呼ばれる。このため、陽子ビームの強度は、アルゴリズム制御に従うことになる。さらに、陽子ビームの強度は、シンクロトロン１３０における陽子の速度から分離して制御される。したがって、抽出された陽子の強度及び抽出された陽子のエネルギーは独立して変化する。
【００９６】
例えば、陽子はシンクロトロン１３０の中で最初は平衡状態の軌道で移動する。ＲＦ磁場は、ベータトロン振動の中に陽子を励起するのに使用される。１つの場合では、陽子の軌道の周波数は約１０ＭＨｚである。一実施例においては、約１ミリ秒間において又は約１０，０００回の軌道の後において、最初の陽子が目標の磁場センサ１３０の外側のエッジを叩く。その特定の周波数は、軌道の周期に依存している。陽子が磁場センサ１３０を叩くと、陽子は箔によって電子を放出て電流を生成する。その電流は電圧に変換されて増幅され、測定された強度信号を取得できる。測定された強度信号は、供給されるＲＦの大きさ、ＲＦの周波数、又はＲＦ磁場を制御するためのフィードバック入力として使用される。好ましくは、測定された強度信号は、目標信号と比較され、測定された強度信号と目標信号との差分の測定値は、抽出の工程で陽子の強度を制御するための抽出システムにおいてＲＦ空洞システム１８１０に供給されるＲＦ磁場を調整するのに使用される。繰り返して言及すると、陽子が磁場センサ１３０を叩くことによって及び又は陽子が磁場センサ１３０を通過することによって発生する信号は、ＲＦ磁場変調への入力として使用される。ＲＦ変調の大きさを増加するほど、その結果、陽子が箔又は磁場センサ１３０を叩くのが次第に遅くなる。ＲＦを増加することによって、より多くの陽子が箔の中に放出され、その結果、シンクロトロン１３０から抽出される陽子の強度又は単位時間当たりの陽子の数が増加する。
【００９７】
他の実施例において、シンクロトロン１３０の外部の検出器１８５０は、シンクロトロンから抽出された陽子の束を測定するのに使用され、外部の検出器からの信号は、ＲＦ空洞システム１８１０におけるＲＦ磁場又はＲＦ変調を変更するのに使用される。ここで、外部の検出器は外部信号を発生し、その信号は、前の段落において説明した測定された強度信号と同じ方法によって使用される。特に、測定された強度信号は、フィードバック強度制御部１８４０における照射面１８６０からの所望の信号と比較され、上述したように、抽出処理における第１のプレート１８１２及び第２のプレート１８１４の間のＲＦ磁場を調整する。
【００９８】
さらに他の実施例において、陽子が磁場センサを通過すること又は磁場センサを叩くことで生じる磁場センサ１３０からの電流が閾値を超えたことが測定されたときは、ＲＦ空洞システム内のＲＦ磁場変調は、終了又は起動停止がなされて、陽子ビーム抽出の十分な周期が確立される。この処理は繰り返されて、シンクロトロン加速器からの陽子ビーム抽出を多く繰り返すことができる。
【００９９】
さらにまた他の実施例において、抽出された陽子ビームの強度変調は、主制御部１１０によって制御される。主制御部１１０は、荷電粒子ビームの抽出のタイミング及び抽出された陽子ビームのエネルギーを任意に及び又は補足的に制御する。
【０１００】
システムの利点には、多次元のスキャン・システムが含まれる。特に、システムは、（１）抽出された陽子のエネルギー、及び（２）抽出された陽子の強度に、独立性を持たせることができる。すなわち、抽出された陽子のエネルギーは、エネルギー制御システムによって制御され、抽出された陽子の強度は、強度制御システムによって制御される。エネルギー制御システム及び強度制御システムは、任意に且つ独立して制御される。好ましくは、主制御部１１０は、エネルギー制御システムを制御し、また、主制御部は、強度制御システムを同時に制御して、制御されたエネルギー及び制御された強度が独立して変化する中で、制御されたエネルギー及び制御された強度によって抽出される陽子ビームが得られる。このように、腫瘍をたたく照射スポットは、
・時間
・エネルギー
・強度
・患者に対する陽子ビームの水平方向の移動を表すｘ軸の位置、
・患者に対する陽子ビームの垂直方向の移動を表すｙ軸の位置
の独立した制御下におかれる。さらに、患者は、同じ時間における陽子ビームの変換軸に対して任意に且つ独立して回転される。
【０１０１】
（患者の位置決め）
図１９において、患者は、好ましくは、患者インターフェース・モジュール１５０の患者位置システム１９１０の上又は内部に置かれる。患者位置システム１９１０は、後述するように、スキャン・システム１４０又は陽子目標システムを用いて陽子ビームが腫瘍をスキャンできる範囲の中に患者を移送するため及び又はその範囲の中で回転するのに使用される。実際のところ、患者位置システム１９１０は、患者の大きな移動を実行して陽子ビーム経路２６８の中心近くに腫瘍を位置させ、陽子スキャン又は目標システム１４０は、腫瘍１２９０を目標にする一時的なビーム位置２６９の細かい移動を実行する。説明のために、図１９は、一時的な陽子ビーム位置２６９及び陽子スキャン又は目標システム１４０を用いてスキャンできる位置１９４０を示している。そこでは、スキャンできる位置１９４０は、患者１９３０の腫瘍１９２０の周囲になっている。この図に示すように、患者のｙ軸の移動は体の規模で生じ、例えば、約１、２、３、又は４フィートの調整であり、一方、陽子ビーム２６８のスキャンできる範囲は体の部分をカバーし、例えば、約１、２、４、６、８、１０、又は１２インチの領域になっている。患者位置システム及び患者の回転及び又は配送は陽子目標システムと組み合って、腫瘍に対する陽子の精密且つ正確な配送を実現する。
【０１０２】
図１９において、患者位置システム１９１０は、ディスク又は載置台などの下部ユニット１９１２及び上部ユニット１９１４を任意に有する。図１９（Ａ）に示すように、患者位置ユニット１９１０は、好ましくは、ｙ軸調整可能１９１６になっていて、陽子ビーム治療ビーム２６８に対して患者の垂直の昇降が可能である。好ましくは、患者位置ユニット１９１０の垂直動作は、１分間に約１０、２０、３０、又は５０センチメートルである。図１９（Ｂ）に示すように、患者位置システムユニット１９１０も、好ましくは、ｙ軸のまわりなどの回転軸のまわりの回転１９１７が可能になっていて、陽子ビーム経路２６８に対して患者の回転制御及び位置決めが可能である。好ましくは、患者位置ユニット１９１０の回転動作は、１分間に約３６０度である。あるいは、患者位置決めユニットは、約４５、９０、又は１８０度に回転する。また、あるいは、患者位置決めユニット１９１０は、１分間に約４５、９０、１８０、３６０、７２０、又は１０８０度の速度で任意に回転する。位置決めユニットの回転１９１７は、２つの異なる時間ｔ１及びｔ２について回転軸のまわりに示されている。陽子は、腫瘍１９２０にｎ回任意に配送される。この場合において、ｎ回の各々は、回転軸のまわりの患者１９１７の回転によって、患者１９３０を叩く入射陽子ビームの異なる方向を表している。
【０１０３】
以下に説明する半垂直、着座、横臥の患者位置決めのすべての実施形態は、ｙ軸に沿って垂直に任意に配送可能であり、又は、回転若しくはｙ軸のまわりに任意に回転可能である。
【０１０４】
好ましくは、上部ユニット及び下部ユニット１９１２、１９１４は同時に移動するので、同じ速度で回転し、同じ速度で平行移動する。上部ユニット及び下部ユニット１９１２、１９１４は、ｙ軸に沿って独立して任意に調整可能であるので、上部ユニット及び下部ユニット１９１２、１９１４の間を異なる距離にすることができる。上部ユニット及び下部ユニット１９１２、１９１４を動かすためのモータ、電源、及び機械部品は、下部ユニット１９１２の下側及び又は上部ユニット１９１４の上側など、陽子ビーム経路２６９の外に配置されることが好ましい。このことが好ましいのは、患者位置決めユニット１９１０が、３６０度に任意に回転可能であるので、モータ、電源、及び機械部品が、陽子ビーム経路２６９において位置が変化した陽子の妨げになるからである。
【０１０５】
（陽子ビームの位置制御）
図２０には、ビーム配送及び腫瘍体積スキャンのシステムが示されている。現在、世界照射線治療界では、ペンシル・ビーム・スキャン・システムを用いて、線量磁場形成の方法を使用している。これと極めて対照的に、図２０は、スポット・スキャン・システム又は腫瘍体積スキャン・システムを示している。腫瘍体積スキャン・システムにおいては、安価で精密なスキャン・システムを用いて、輸送及び分配という観点から陽子ビームが制御される。そのスキャン・システムは能動的なシステムであり、そのシステムでは、直径が約０．５、１、２、又は３ミリメートルのスポット焦点の中にビームがフォーカスされる。陽子ビームの供給エネルギーを同時に変更する期間に、焦点は２つの軸に沿って平行移動され、そのことが焦点の第３の範囲を効果的に変化させる。そのシステムは、上述した体の回転と併用して適用することが可能であり、その併用は腫瘍に対する陽子の配送の個々の瞬間に又は周期の間に起こることが好ましい。任意ではあるが、上述のシステムによる体の回転は、腫瘍に対する陽子の配送と共に連続的に且つ同時に起こる。
【０１０６】
例えば、図２０（Ａ）に示すように、スポットは水平に平行移動され、垂直に下に移動され、次に、水平軸に沿って戻る。この実施例においては、電流が使用されて、少なくとも１つの磁石を有する垂直スキャン・システムを制御する。供給された電流は、垂直スキャン・システムの磁場を変更して、陽子ビームの垂直な偏向を制御する。同様に、水平スキャン磁石システムは、陽子ビームの水平な偏向を制御する。各軸に沿った平行移動の程度は制御されて、所定の深さの腫瘍断面に一致する。その深さは、陽子ビームのエネルギーを変化することによって制御される。例えば、陽子ビームのエネルギーは、新たに浸透する深さを限定するように減少され、水平軸及び垂直軸に沿ってスキャン処理が繰り返され、腫瘍の新たな断面領域をカバーする。制御の３つの軸を組み合わせた場合には、癌の腫瘍の全体の体積にわたって陽子ビームの焦点のスキャン及び移動が可能になる。各スポットの時間及び各スポットに対する体内の方向が制御されて、分散エネルギーが腫瘍の外側を叩く間に、癌の体積の各部分に所望の照射線量を与えることができる。
【０１０７】
フォーカスされたビーム・スポットの面の大きさは、好ましくは、約０．５、１、又は２ミリメートルの直径に厳しく制御されるが、あるいは数センチメートルの直径に制御される。好ましい設計制御により、２つの方向、すなわち、（１）約１００ｍｍの垂直振幅及び２００Ｈｚまでの周波数、並びに（２）約７００ｍｍの水平振幅及び１Ｈｚまでの周波数で、スキャンすることが可能になる。スキャン磁石システムを変更することによって、各軸においてもっと大きな振幅又はもっと小さな振幅も可能である。
【０１０８】
図２０（Ａ）には、ビーム・エネルギーによって制御されてｚ軸に沿った、水平移動がｘ軸に沿った、垂直方向がｙ軸に沿った陽子が示されている。この実施例においては、ｚ軸に沿って組織の中に移動する陽子の距離は、陽子の運動エネルギーによって制御される。この座標システムは、決まったものではなく例示に過ぎない。陽子ビームの実際の制御は、２つのスキャン磁石システムを用いて３次元の空間の中で、陽子ビームの運動エネルギーを制御することによって制御される。抽出システムを使用することによって、上述したように、異なるスキャンのパターンが可能になる。特に、このシステムによれば、強力な腫瘍に対する照射においてｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を同時に調整することができる。繰り返し言及すると、回転式飛程補償体（range modulation wheel ：ＲＭＷ）を用いた場合のように、ｘｙ面に沿ったスキャン及びその後の陽子のエネルギーの調整をする代わりに、このシステムでは、ｘ軸又はｙ軸を同時に調整する間に、ｚ軸に沿って移動することができる。したがって、腫瘍の輪切りが照射されるのでなく、腫瘍は３次元同時に任意に照射される。例えば、腫瘍は、腫瘍の外縁のまわりを３次元において照射される。次に、腫瘍は、腫瘍の内部の外縁のまわりを照射される。この処理は、腫瘍全体が照射されるまで繰り返される。外縁の照射は、例えば、垂直なｙ軸のまわりで、治療対象を回転するのと同時に連動して行われることが好ましい。このシステムによれば、ブラッド・ピークを用いて定義されているように、腫瘍に対する陽子の照射の最大の効率が可能になり、周辺の正常組織に対する陽子の配送を最少にすると共に、腫瘍自体に対する陽子の照射が可能になる。
【０１０９】
組み合わされた場合には、システムは小さな電力供給で小さな空間における荷電粒子ビーム・システムの多軸制御を可能にする。例えば、上述したように、システムは、シンクロトロンの各方向転換内において各磁石が少なくとも１つのエッジ・フォーカス効果を有する多数の磁石、及び又は、収束した磁場の形状を有する多数の磁石を使用する。磁石の収束形状及び上記した抽出システムと組み合わされたシンクロトロンの周回ビーム経路における多数のエッジ・フォーカス効果は、下記の構成を有するシンクロトロンを可能にする。
・例えば、約５０メートルよりも小さい小型の円周のシステム、
・約２ｃｍの垂直陽子ビームサイズのギャップ、
・低減されたギャップサイズと関連した対応する低減された必要な電源供給、
・新たに導入する磁場を必要としない抽出システム、
・抽出の期間中の陽子の加速又は減速、及び
・抽出の期間中のｚ軸エネルギーの制御
この結果、３次元スキャン・システム及びｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の制御が可能となり、そこでは、シンクロトロンの中でｚ軸制御が可能であり、また、シンクロトロン内の抽出処理の期間中にｚ軸エネルギーが可変に制御される。
【０１１０】
図２０（Ｂ）においては、４次元のスキャン制御により腫瘍に対して陽子を導くのに使用された陽子スキャン・システム又は目標システムの一実施例が示され、その中では、上述した強度制御を伴った、４次元のスキャン制御がｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸に沿っている。５番目の軸は時間である。通常、搬送路２６８に沿って移動する荷電粒子は、垂直制御などの第１の軸制御要素１４２、及び、水平制御などの第２の軸制御要素１４４によって、腫瘍１９２０の中に照射される。上述したように、抽出システムも、ｚ軸における同時の変化を可能にする。さらに、上述したように、抽出されたビームの強度及び線量は、任意に、同時に、且つ独立に制御され、変化される。このように、腫瘍の輪切りを照射する代わりに、図２０（Ａ）に示すように、腫瘍における陽子配送の目標スポットを限定するすべての４次元が同時に変化する。陽子配送のスポットの同時の変化は、図２０（Ｂ）においてスポット配送路２６９によって示されている。図示された場合において、陽子は最初に腫瘍の外縁のあたりに照射され、次に、腫瘍の内部の範囲に照射される。垂直軸のまわりに治療対象を回転させることと組み合わせると、体中の陽子の入力点からさらに離れた腫瘍において、まだ照射されていない腫瘍の部分が適切に照射される位置で多磁場の照射処理が使用される。このことは、ブラッド・ピークを用いて定義されているように、腫瘍の中への陽子配送の最大の割合を可能にし、周辺の正常組織に対する破壊が最少になる。
【０１１１】
（画像／Ｘ線システム）
この実施形態において、Ｘ線システムは、画像システムを説明するために用いられる。
【０１１２】
（タイミング）
Ｘ線は、２つの理由のために、（１）直前の又は（２）現在のいずれかの陽子ビーム治療で患者を治療することと組み合わせることが好ましい。
【０１１３】
第１に、上述したように、体の移動は、体の他の構成要素に関連する体内の腫瘍の局部位置を変化させる。治療対象がＸ線をすでに照射されていて、治療対象が体ごと治療室に移動されている場合には、腫瘍に対して陽子ビームの正確な位置合わせは困難である。１つ以上のＸ線を用いた腫瘍に対する陽子ビームの位置合わせは、陽子配送の時間に、又は、陽子配送の直前の数秒若しくは数分で且つ治療できる体の位置に患者が配置された後において最善に実行される。その位置は、通常、固定された位置又は部分的な移動ができない位置である。
【０１１４】
第２に、位置決め後の患者が照射されるＸ線は、腫瘍及び又は内部の臓器の位置などの、目標にされた位置に対する陽子ビーム位置合わせの確認として使用される。
【０１１５】
（位置決め）
Ｘ線は、好ましくは、治療対象を治療する直前に照射され、患者の位置決めを支援する。位置決めのためには、大きな体の領域は必要ではない。一実施形態においては、局部領域だけのＸ線が集められる。Ｘ線を集めるときのそのＸ線はＸ線経路を保持している。陽子は陽子ビーム経路を保持している。陽子ビーム経路にＸ線経路を重ねることは、腫瘍に対して陽子ビームを位置合わせする１つの方法である。しかしながら、この方法は、陽子ビーム経路の中にＸ線装置を配置することを伴うことになり、Ｘ線を照射した後に、Ｘ線装置をビーム経路の外に移動することになる。この処理には時間がかかる。Ｘ線装置が移動する間の経過時間は、好ましくない影響を及ぼす。第１に、Ｘ線装置を移動するに必要な時間の間に、患者が動いてしまう。移動の結果、腫瘍に対する陽子ビームの実質的な位置合わせの精密さ及び又は正確さが低下する。第２に、Ｘ線装置を移動するに必要な時間は、陽子ビーム治療システムが使用されない時間であり、そのことは、陽子ビーム治療システムの全体的な効率を低下させる。
【０１１６】
（Ｘ線源の寿命）
陽子ビーム治療システムの寿命の上では、最小限のメンテナンス又はメンテナンスの無いことを要求する要素が陽子ビーム治療システム内にあることが望ましい。例えば、約２０年の寿命などの長い寿命の光源を有するＸ線システムを備えた陽子ビーム治療システムを装備することが望ましい。
【０１１７】
１つのシステムにおいては、後述するように、Ｘ線を生成するのに電子が使用される。電子は、寿命が温度に依存するカソードで発生される。フィラメントが平衡状態に維持される電球に似て、カソードの温度は、摂氏約２００、５００、又は１０００度の温度で平衡状態に維持される。カソードの温度を低下させると、カソードの寿命を延ばすことができる。したがって、電子を発生するのに使用されるカソードは、できる限り低い温度に保たれることが好ましい。しかしながら、カソードの温度が低下した場合には、電子の放出も低下することになる。低い温度で多くの電子の必要性を満たすためには、大きなカソードを使用して、発生する電子を収束させることである。この処理は、電子銃において電子を圧縮することに似ているが、この実施形態では、Ｘ線管の寿命の強化に利用するために圧縮技術が適用される。
【０１１８】
図２１には、強化された寿命のＸ線発生装置２１００の一実施例が示されている。電子２１２０は、カソード２１１０で発生され、制御電極２１１２によってフォーカスされ、一連の加速電極２１４０によって加速される。加速された電子２１５０はＸ線発生源２１４８に衝突して、その結果、発生されたＸ線がＸ線経路２２７０に沿って対象物１９３０に導かれる。第１の直径２１１５から第２の直径２１１６への電子の収束によって、カソードは、低下された温度で動作することができる上、さらにＸ線発生源２１４８において電子の必要な増幅レベルを与えることができる。一実施例においては、Ｘ線発生源２１４８はカソード２１１０と対をなすアノードであり、及び又は、Ｘ線発生源２１４８は実質的にタングステンで構成されている。
【０１１９】
図２１には、Ｘ線発生装置２１００がさらに詳細に記載されている。一対のアノード２１１４／カソード２１１０が、電子を発生するのに使用されている。電子２１２０は、符号ｄ１で表された第１の直径２１１５を有するカソード２１１０で発生される。制御電極２１１２は、発生された電子２１２０を引き寄せる。例えば、カソードが−１５０ｋＶに維持され、且つ、制御電極が−１４９ｋＶに維持されている場合には、発生された電子は、制御電極２１１２の方に引き寄せられて、フォーカスされる。一連の加速電極２１４０は、符号ｄ２で表されたさらに小さな直径を有する実質的に平行な通路２１５０の中で電子を加速するのに使用される。例えば、カソードが−１５０ｋＶに維持される場合には、第１、第２、第３、及び第４の加速電極２１４２、２１４４、２１４６、２１４８は、それぞれ−１２０、−９０、−６０、及び−３０ｋＶに維持される。もっと薄い体の部分が解析される場合には、カソード２１１０は、約−９０ｋＶなどのもっと小さいレベルに維持され、また、制御電極、第１、第２、第３、及び第４の電極の各々は、もっと低いレベルに調整される。一般に、カソードから第４の電極までの電圧差は、カソードにおけるもっと小さいマイナスの電圧に対して小さいし、逆の場合も同様である。加速された電子２１５０は、シリンドリカル磁界レンズなどのビームサイズを調整するための磁界レンズ２１６０を任意に通過する。電子はまた、４極磁石２１７０を用いて任意にフォーカスされる。その４極磁石２１７０は１つの方向にフォーカスし、別の方向にはデフォーカスする。加速された電子２１５０は、ビームサイズが調節され、且つ、フォーカスされて、タングステンなどのＸ線発生源２１４８を叩くので、その結果、発生されたＸ線が遮蔽物２２６２を通過し、Ｘ線経路２１７０に沿って進んで、治療対象に達する。Ｘ線発生源２１４８は、水冷又はＸ線発生源２１４８の後側における熱結合などの冷却要素２１４９によって任意に冷却される。第１の直径２１１５から第２の直径２１１６への電子の収束によって、カソードは、低下された温度で動作することができる上、さらにＸ線発生源２１４８において電子の必要な増幅レベルを実現することができる。
【０１２０】
さらに、一般的には、Ｘ線発生装置２１００は、初期ベクトルを持つ電子を生成する。１つ以上の制御電極２１１２、加速電極２１４０、磁界レンズ２１６０、及び４極磁石２１７０は組み合わされて、初期電子ベクトルを、実質的に平行な経路を持つ縮小された断面領域の平行ベクトルに変更する。その平行ベクトルは加速された電子と呼ばれる。この処理により、Ｘ線発生装置２１００は、より低い温度で動作することができる。特に、必要な電子ビームのサイズのカソードを使用する代わりに、もっと大きなカソードを使用することで、その結果、電子はフォーカスされ及び又は収束されて必要なビームサイズになる。おおまかに言って、寿命は電流密度の逆数になるので、電流密度の収束によりＸ線発生装置２１００の寿命が長くなる。明確にするため、特定の実施例を提供する。カソードが半径１５ｍｍを有するか又はｄ１が３０ｍｍの場合には、面積（πｒ２）は約２５５ｍｍ２にパイを乗じた値になる。電子の収束が５ｍｍの半径に達するか又はｄ２が１０ｍｍの場合には、面積（πｒ２）は約２５ｍｍ２にパイを乗じた値になる。２つの面積の比は約９（２２５π／２５π）である。このように、大きなカソードにおける電流密度は、所定の電子ビームの面積を有する従来のカソードと比較して約９倍小さくなる。したがって、大きなカソードと従来のカソードとを流れる実際の電流がほぼ同じである場合であっても、大きなカソードの寿命は従来のカソードの寿命のほぼ９倍になる。カソード２１１０の面積は、好ましくは、実質的に平行なビームの断面積を有するカソードの面積の約２、４、６、８、１０、１５、２０、又は２５倍である。
【０１２１】
本発明の他の実施形態においては、４極磁石２１７０によって、電子ビーム２１５０の断面形状を長楕円形にすることができる。電子ビーム２１５０の長楕円の断面形状がＸ線発生源２１４８の上に投射されると、その結果、断面図が小さなスポットを有するＸ線ビームが発生し、そのＸ線ビームは断面形状が実質的に円形であるので、患者１９３０を通り抜ける。小さなスポットを使用することで、患者に高い解像度のＸ線を与える。
【０１２２】
図２２に示す１つの実施形態において、Ｘ線は陽子ビーム経路の近くで発生されるが、陽子ビーム経路の中には入らない。陽子ビーム治療システム及びＸ線システムの併用システム２２００が図２２に示されている。陽子ビーム治療システムは、シンクロトロン１３０のランバーソン抽出磁石の後の輸送システムに、陽子ビーム２６８を有する。陽子ビームは、スキャン／目標／配送システムによって、患者１９３０の腫瘍１９２０に向けられる。Ｘ線システム２２０５は、電子ビーム２１５０を発生する電子ビーム源２１０５を備えている。電子ビームは、１つのタングステンなどのＸ線発生源２１４８に向けられる。タングステンＸ線源は、好ましくは、陽子ビーム経路２６８から約１、２、３、５、１０、１５、又は２０ミリメートル離れて配置される。陽子ビーム２１５０がタングステンを叩くと、すべての方向にＸ線が発生される。Ｘ線は、入口２２６２で遮蔽され、Ｘ線ビーム経路２２７０の方に選択される。Ｘ線ビーム経路２２７０及び陽子ビーム経路２６８は、実質的に平行に延びて、腫瘍１９２０に向かって進む。Ｘ線ビーム経路２２７０及び陽子ビーム経路２６８の間の距離は、好ましくは、ゼロ近くまで小さくなり、及び又は、Ｘ線ビーム経路２２７０及び陽子ビーム経路２６８は腫瘍１９２０に到達する時間までには重なり合う。タングステンと腫瘍１９２０との間が少なくとも１メートルの所定の長い距離の場合の単純な幾何学的配置がここに示されている。図２２において、その距離は、ギャップ２２８０として示されている。Ｘ線はＸ線検出器２２９０で検出されて、腫瘍１９２０及び又は患者の位置の画像を形成するのに使用される。
【０１２３】
全体として、システムは、陽子ビーム治療ビームと実質的に同じ経路に位置するＸ線ビームを発生する。Ｘ線ビームは、タングステン又は同等の物質を電子ビームが叩くことによって発生される。Ｘ線ビーム発生源は、陽子ビーム経路のすぐ近くに配置される。入射する電子の形状、Ｘ線発生物質の形状、及びＸ線ビーム遮蔽物の形状は、陽子ビームと実質的に平行に延びるＸ線ビームを形成するか、又は、陽子ビーム経路に近い位置からスタートし、且つ、腫瘍の断面領域をカバーすると共に腫瘍の断面領域を通過して、陽子ビーム治療ビームの方向及び位置合わせから腫瘍の画像形成が可能なＸ線検出アレイ又はフィルムを叩くために広がるＸ線ビーム経路を形成する。次に、Ｘ線画像は、荷電粒子ビーム経路を制御して、精密且つ正確に腫瘍を目標にするのに使用され、及び又は、システムの検査及び確認に使用される。
【０１２４】
図２３においては、電子ビーム経路２１５０及びＸ線ビーム経路２２７０の他の形状が示されている。特に、電子ビーム３５０は、広がった電子ビーム経路２１５２、２１５４として示されている。同様に、Ｘ線ビーム経路２２７０は、広がったＸ線ビーム経路２２７２、２２７４として示されている。
【０１２５】
（患者の固定）
患者の腫瘍に対する正確且つ精密な陽子ビームの配送のためには、（１）陽子ビームの位置制御、及び（２）患者の位置制御が必要である。上述したように、陽子ビームは、アルゴリズム及び磁場を用いて、約０．５、１、又は２ミリメートルの直径に制御される。このセクションでは、部分的な固定、固定、及び又は、患者の位置合わせに取り組んで、患者が移動した場合でも、厳しく制御された陽子ビームが効率的に目標の腫瘍を叩くと共に、周辺の正常組織を叩かないことを保証する。
【０１２６】
このセクションにおいては、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の座標システム及び回転軸を使用して、陽子ビームに対する患者の向きについて説明する。ｚ軸は、患者の中の陽子ビームの深さなどの陽子ビームの進行を表している。陽子ビームが進行するｚ軸から患者を見下ろした場合には、ｘ軸は患者が横切って右又は左に移動することを示し、ｙ軸は患者が横切って上又は下に移動することを示す。第１の回転軸は、ｙ軸のまわりの患者の回転であり、この実施形態においては、回転軸、下部ユニット１９１２の回転軸、又は回転のｙ軸と称する。なお、チルト（tilt）はｘ軸のまわりの回転であり、ヨウ（yaw）はｙ軸のまわりの回転であり、ロール（role）はｚ軸のまわりの回転である。この座標システムにおいては、陽子ビーム経路２６９はすべての方向に任意に延びる。ある治療室を通って延びる陽子ビーム経路は、その治療室を水平に通って延びるものとして説明する。
【０１２７】
このセクションにおいては、位置決めシステム２４００の３つの実施例として、（１）半垂直部分固定システム、（２）座位部分固定システム、及び（３）横臥固定システムが提供される。ある１つの固定システムで説明される要素は、わずかな変更により他の固定システムにも適用する。例えば、ヘッドレスト（頭受け部）は、傾斜位置に関しては第１の軸に沿って調整され、座位位置に関しては第２の軸に沿って調整され、及び横臥位置に関しては第３の軸に沿って調整される。しかしながら、ヘッドセット自体は、各固定位置に関してほぼ同じである。
【０１２８】
（垂直患者の位置決め／固定）
半垂直部分固定システムは、好ましくは、体の胴体における腫瘍の陽子ビーム治療と組み合わせて使用される。患者位置決めシステム及び又は固定システムは、陽子ビーム治療の間、患者の移動を制御し及び又は固定する。部分固定の第１の実施形態においては、患者は、陽子ビーム治療システム内の半垂直位置に配置される。図に示すように、患者は、患者の頭から足に延びる軸によって定義されたｙ軸から、約４５度の角度アルファ（α）に傾斜されている。さらに一般的には、患者は、ｙ軸からゼロ度の垂直位置に、又は、ｙ軸からｚ軸の方に向かって、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、若しくは６５度傾斜したアルファの半垂直位置に、任意に自立している。
【０１２９】
患者位置決め固定システムは、治療位置における患者を維持するのに使用され、１つ以上の座位支持部、背中支持部、頭部支持部、腕支持部、膝支持部、及び足支持部を備えている。その固定部は、任意に且つ独立して剛性又は半剛性になっている。半剛性の材料の実施例には、高密度若しくは低密度の発泡樹脂又は粘弾性の発泡樹脂がある。例えば、足支持部は剛性であるほうが好ましく、背中支持部は高密度の発泡樹脂などの半剛性であるほうが好ましい。１つ以上の位置決め固定部は、移動可能であり、及び又は、患者を迅速に位置決め及び固定するためコンピュータで制御される。例えば、座位支持部は、座席調整軸に沿って調整され、その軸は好ましくはｙ軸である。背中支持部は、背中調整軸に沿って調整され、その軸は好ましくはｙ軸要素と共に移動するｚ軸によって支配される軸である。頭部支持部は、頭調整軸に沿って調整され、その軸は好ましくはｙ軸要素と共に移動するｚ軸によって支配される軸である。腕支持部は、腕調整軸に沿って調整され、その軸は好ましくはｙ軸要素と共に移動するｚ軸によって支配される軸である。膝支持部は、膝調整軸に沿って調整され、その軸は好ましくはｚ軸要素と共に移動するｙ軸によって支配される軸である。足支持部は、足調整軸に沿って調整され、その軸は好ましくはｚ軸要素と共に移動するｙ軸によって支配される軸である。
【０１３０】
入ってくる陽子ビームに患者が面していない場合には、軸に沿った支持部の要素の移動についての説明は変わるが、固定要素についての説明は同じである。
【０１３１】
任意のカメラが患者固定システムと共に使用される。カメラは、ビデオ画像を生成する治療対象を捉える。画像は、荷電粒子ビーム・システムの一人以上のオペレータに提供されて、対象が移動したか又は対象が陽子ビーム治療処置の終了を希望しているかを判断する安全手順をオペレータに委ねる。ビデオ画像に基づいて、オペレータは、陽子ビーム治療処置の一時停止又は終了をすることができる。例えば、オペレータがビデオ画像を通じて患者が動いていることを発見した場合には、オペレータは陽子ビーム治療処置を終了するか又は一時停止するかを選択できる。
【０１３２】
任意のビデオ表示装置が患者に提供される。ビデオ表示装置は、オペレータの指示、システムの指示、治療の状態、又は娯楽のいずれでも患者に任意に提供する。
【０１３３】
固定部、カメラ、及びビデオ表示装置の位置決め用のモータは、好ましくは、陽子ビーム経路の上又は下に取り付けられる。
【０１３４】
呼吸制御は、ビデオ表示装置を用いることにより任意に実行される。患者が呼吸をするときには、体の内部及び外部の組織が、絶対的にも及び相対的にも動く。例えば、胸の空洞の外側及び内部の臓器は共に呼吸に伴って動く。さらに、体の外側の領域、骨、支持組織、他の臓器などの体の他の要素に関係する内部の臓器の相対的位置は、各呼吸に伴って動く。したがって、さらに正確且つ精密な腫瘍を目標にするためには、陽子ビームは、好ましくは、各呼吸の底などのように、内部組織又は腫瘍の位置がよく限定される１点に遅れずに配送される。ビデオ表示装置は、患者の呼吸の周期に陽子ビーム配送を整合させるのを補助するのに使用される。例えば、ビデオ表示装置は、呼吸止めの表現、呼吸の表現、次に止めるまでの呼吸の時間を明示するカウントダウン、又は呼吸を再開するまでの時間を明示するカウントダウンなど、患者に対する指令を表示する。
【０１３５】
（座位患者の位置決め／固定）
第２の部分固定システムの実施形態においては、患者は、座る位置に部分的に固定される。座位固定システムは、座位支持部が椅子に代わっていること、及び、膝支持部を必要としないことを除けば、上述の半垂直部分固定システムに使用されている支持構造部に類似した支持構造部を備えている。座位固定システムは、概ね、上述の半垂直部分固定システムにおいて記載された調整可能な支持、ｙ軸のまわりの回転、カメラ、ビデオ、及び呼吸制御のパラメータを有する。
【０１３６】
図２４には、座位患者半固定システムが示されている。座位システムは、好ましくは、頭部及び首の腫瘍の治療のために使用される。図に示すように、患者は、粒子治療用の椅子２４１０の座る位置に配置されている。患者はさらに、頭部支持部２４４０、背中支持部２４３０、腕支持部２４２０、膝支持部２４６０、及び足支持部２４７０のすべてを用いて固定されている。支持部２４４０、２４３０、２４２０、２４６０、及び２４７０は、図に示すように、それぞれ調整用の軸２４４２、２４３２、２４２２、２４６２、及び２４７２を有する。椅子２４１０は、異なる患者の固定システムの使用ができるように容易に移動可能であるか、又は、半垂直固定システムなどのように、新たな患者位置に対応できる。
【０１３７】
（横臥患者の位置決め／固定）
部分固定の第３の実施形態においては、患者は、横臥する位置に部分的に固定される。横臥固定システムは、上述の座位固定システム及び半垂直部分的固定システムに使用されている支持構造部に類似した支持構造部を備えている。横臥固定システムにおいては、任意の固定要素、支持要素、又は部分固定要素は、１つ以上の頭及び背中支持部、尻支持部、及び肩支持部を有する。支持部は、好ましくは、患者の横臥位置に対応するように回転する調整の軸を有する。横臥位置固定システムは、概ね、上述の半垂直部分固定システムにおいて記載された調整可能な支持、ｙ軸のまわりの回転、カメラ、ビデオ、及び呼吸制御のパラメータを有している。
【０１３８】
患者が非常に痩せている場合、例えば、１乃至３分の周期で治療を必要とするような問題をかかえている場合には、部分的に支持されたシステムにおいては、筋肉疲労のせいで患者のわずかな移動を生じることがある。このような状況及び類似した状況においては、支持テーブル上の治療位置での患者の治療が優先的になされる。支持テーブルは、患者の大部分の体重を支持するために水平な載置台を有する。好ましくは、水平な載置台は、治療台からはずせる。
【０１３９】
さらに、人体の胴における腫瘍の治療のために腕又は足を陽子ビーム経路の外に上げるため、又は、腕又は足における腫瘍の治療のために腕又は足を陽子ビーム経路の中に移動するため、足支持部の要素及び又は腕支持部の要素がそれぞれ任意に追加される。これにより、後述するように、陽子配送の効率が増加する。
【０１４０】
横臥位置決めシステムにおいては、患者は載置台の上に配置され、その載置台は、水平位置で体の体重を支えるために、実質的に水平な部分を有する。任意のハンドグリップは、後述するように、任意に使用される。１つ以上の足支持の要素が、患者の足の位置決めのために使用される。足支持部の要素は、後述するように、好ましくは、少なくとも１つの足の調整軸に沿って調整できるか、又は、陽子ビーム経路２６９の中に足を位置決めするため若しくは陽子ビーム経路２６９から足をはずすため、円弧に沿って調整できる。腕支持部の要素は、後述するように、好ましくは、少なくとも１つの腕の調整軸に沿って調整できるか、又は、陽子ビーム経路２６９の中に腕を位置決めするため若しくは陽子ビーム経路２６９から腕をはずすため、円弧に沿って調整できる。足支持部の要素及び腕支持部の要素は、共にオプションである。
【０１４１】
好ましくは、患者は陽子ビーム経路２６９の外の領域又は部屋における載置台の上に配置され、且つ、治療室又は陽子ビーム経路領域の中にキャスターで運ばれるか又は水平に滑らされる。例えば、上部を有する台車付き担架で患者が治療室の中に運ばれると、その上部は載置台でもあり、とりはずし可能であり、テーブルの上に配置される。載置台は、好ましくは、台車付き担架又はベッドをテーブルの上に持ち上げる必要がないように、テーブルの上に持ち上げられるか又はテーブルの上に滑らされる。
【０１４２】
半垂直位置決めシステム及び座位位置決めシステムは、効率をよくするため、頭部又は胴部における腫瘍の治療のために特化して使用される。半垂直位置決めシステム、座位位置決めシステム、及び横臥位置決めシステムは、すべて、患者の手足における腫瘍を治療するのに有用である。
【０１４３】
（支持システムの要素）
位置決め固定システムは、患者を位置決めするのに使用されるすべての要素、例えば、半垂直位置決めシステム、座位位置決めシステム、及び横臥位置決めシステムに記載された要素を備えている。好ましくは、位置決め固定システムの要素又は支持システムの要素は、陽子ビーム経路２６９を遮蔽する位置又はオーバーラップする位置にならないように位置合わせされる。しかしながら、いくつかの具体例においては、位置決め固定システムは、患者の治療の少なくとも一部の時間の間、陽子ビーム経路２６９の中に入る。具体的には、治療中に患者がｙ軸のまわりに回転される期間には、位置決め固定システムの要素が陽子ビーム経路２６９の中に存在することもある。位置決め固定システムの要素又は支持システムの要素が陽子ビーム経路中にある場合又はその期間においては、増強された陽子ビーム・エネルギーが陽子ビームの位置決め固定システムの要素のインピーダンスを相殺するように、陽子ビーム・エネルギーを増強する調整がなされることが好ましい。１つの場合には、位置決め固定システムの要素の基準スキャンの期間に、又は、ｙ軸のまわりの回転の関数としての位置決め固定システムの要素の基準スキャンとの組合せの期間に、決定された陽子ビームの位置決め固定システムの要素のインピーダンスを分離して測定することによって、陽子ビーム・エネルギーが増加される。
【０１４４】
明確な説明のために、位置決め固定部の要素又は支持システムの要素は、この実施形態においては、半垂直位置決めシステムと関連して記載される。しかしながら、位置決めの要素並びに、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、いかなる座標システム、座位位置決めシステム又は横臥位置決めシステムにも、適合するように調整することが可能である。
【０１４５】
頭部支持部の一実施例は、人間の頭を支持するため、位置合わせするため、及び又はその動きを制限するために記載される。頭部支持部システムは、好ましくは、種々の頭部支持の要素、すなわち、頭部の後支持部、頭部の右位置合わせ要素、及び頭部の左位置合わせ要素のすべてを有する。頭部支持部の要素の後部は、好ましくは、頭部に合うように曲線であると共に、頭部支持部の軸に沿って、すなわち、ｚ軸に沿って任意に調整できる。さらに、頭部支持部は、他の患者位置決め固定部と同様に、好ましくは、低密度又は高密度の発泡樹脂などの半剛性の材料で作られており、且つ、樹脂又は皮などの任意のカバーを有する。頭部の右側の位置合わせ要素及び頭部の左側の位置合わせ要素、すなわち頭部の位置合わせ要素は、主に頭部の動きを緩やかに固定するのに使用される。頭部の位置合わせ要素は、好ましくは、クッションの入った平らなものであるが、場合によっては頭部の側面に合うように曲率半径を有するものである。頭部の右側及び左側の位置合わせ要素は、好ましくは、平行移動軸に沿ってそれぞれ移動可能であり、頭部の左右の側面に接触させることができる。陽子ビーム治療の間における頭部の制限された動きは、頭部又は首の腫瘍を目標にする時及び治療する時に重要である。頭部の位置合わせ要素及び頭部支持部の要素の後部は組み合わされて、チルト、回転若しくはヨウ、ロール及び又はｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の座標システムの位置を制限する。
【０１４６】
図２５を参照して、頭部又は首の強力な腫瘍の陽子ビーム治療中に、人間の頭部１９０２の位置決め及び又は動き制限のための頭部支持システムの他の実施例について説明する。このシステムにおいて、頭部は、１、２、３、４個以上のストラップ若しくはベルトを用いて制限されており、これらのストラップ若しくはベルトは、好ましくは、頭部支持部の要素の後部に固定され若しくは着脱可能に固定されている。この実施例に示されているように、第１のストラップ２５２０は、例えば、ｚ軸に沿って特化して延びることによって、額を頭部支持部の要素２５１０側に引っ張るか又は位置決めする。好ましくは、第２のストラップ２５３０は、第１のストラップ２５２０と連携して働き、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の座標システム上での平行移動の観点から、チルト、ヨウ、ロール又は動きを頭部が受けることから防止する。第２のストラップ２５３０は、好ましくは、（１）額、（２）頭部の右側面若しくは左側面又は両側、及び又は（３）支持部の要素２５１０において又はこれらの近傍で、第１のストラップ２５２０に固定され若しくは着脱可能に固定されている。第３のストラップ２５４０は、好ましくは、主にｚ軸に沿って延びることにより、支持部の要素２５１０を基準として患者のあごの方に向かう。第４のストラップ２５５０は、好ましくは、主としてｙ軸及びｚ軸に沿って延びて、支持部の要素２５１０及び陽子ビーム経路に関係するあごを保持する。第３のストラップ２５４０は、好ましくは、患者のあごにおいて又はその近傍で使用中の第４のストラップ２５５０に固定され又は着脱可能に固定されている。第２のストラップ２５３０は、支持部の要素２５１０において又はその近傍で第４のストラップ２５５０に任意に固定され又は着脱可能に固定されている。４つのストラップ２５２０、２５３０、２５４０、及び２５５０は、通過経路及び相互接続の状態で示されている。いずれのストラップも、任意に、頭部のまわりの異なる経路に沿って頭部を保持し、且つ、互いに分離した態様で結合する。もちろん、所定のストラップは頭部のまわりに延びており、頭部の１つの側面だけに延びている訳ではない。ストラップ２５２０、２５３０、２５４０、及び２５５０のいずれも、独立して、又は連携して、又は他のストラップと置き換えて、任意に使用される。ストラップは、頭部支持部の要素２５１０などの支持部の要素を介して、互いに間接的に任意に結合される。ストラップは、鉤、折り返し技術、バックル、又はファスナーを用いて、任意に固定される。一般的に、ストラップは組み合わされて、位置、頭部の前後の動き、頭部の左右の動き、頭部のチルト、ヨウ、ロール、及び又は平行位置を制限する。
【０１４７】
ストラップは、好ましくは、陽子配送に対する周知のインピーダンスであり、陽子配送に対するストラップの傾向を遅くすることに基づいて作られるブラッグ・ピークに対する調整のように、計算されるｚ軸に沿ったピーク・エネルギーの放出の計算を可能にする。
【０１４８】
図２６を参照して、頭部支持システム２４４０のさらに他の実施例について説明する。頭部支持システム２４４０は、好ましくは、標準のサイズ又は子供のサイズの頭に合うようにカーブしている。頭部支持部２４４０は、頭部支持軸２４４２に沿って任意に調整できる。さらに、頭部支持部は、他の患者位置決め固定システムと同様に、好ましくは、低密度又は高密度の発泡樹脂などの半剛性の材料で作られており、且つ、樹脂又は皮などの任意のカバーを有する。
【０１４９】
上述した頭部支持システム、頭部位置決めシステム、及び頭部固定システムは、任意に分離して又は組み合わせて使用される。
【０１５０】
図２６を参照して、腕支持部２４２０の一実施例についてさらに説明する。腕支持部は、好ましくは、左手グリップ２６１０及び右手グリップ２６２０を備えており、患者１９３０が両手１９３４で左手及び右手グリップ２６１０、２６２０を把持する動作によって、患者１９３０の上半身の位置合わせののに使用される。左手及び右手グリップ２６１０、２６２０は、好ましくは、患者の両腕全体を支える腕支持部２４２０に結合されている。左手及び右手グリップ２６１０、２６２０は、好ましくは、半剛性の材料で構成されている。左手及び右手グリップ２６１０、２６２０は、患者の両手に合わせて任意に作られて、位置合わせを支援する。左手及び右手グリップ２６１０、２６２０は、上述したように、任意に電極を有する。
【０１５１】
背中支持部の一実施例についてさらに説明する。背中支持部は、好ましくは、患者の背中を支えるため及び患者の胴体の両側を包むようにカーブしている。背中支持部は、好ましくは、２つの半剛性の部分を左側及び右側に備えている。さらに、背中支持部は、上端部及び下端部を有する。左側及び右側の上端部の間の第１の距離は、好ましくは、患者の背中の上部に合うように調整することができる。左側及び右側の下端部の間の第２の距離は、好ましくは、患者の背中の下部に合うように調整することができる。
【０１５２】
膝支持部の一実施例についてさらに説明する。膝支持部は、好ましくは、左膝支持部及び右膝支持部を有し、これらは任意に結合され又は個々に移動できる。左膝及び右膝支持部は共に、好ましくは、標準のサイズの膝に合うようにカーブしている。左膝支持部は、左膝支持軸に沿って任意に調整可能であり、右膝支持部は、右膝支持軸に沿って任意に調整可能である。あるいは他の実施例として、左膝及び右膝支持部は結合されており、且つ、膝支持軸に沿って移動することができる。左膝及び右膝支持部は共に、他の患者位置決め固定システムと同様に、好ましくは、低密度又は高密度の発泡樹脂などの半剛性の材料で作られており、且つ、樹脂又は皮などの任意のカバーを有する。
【０１５３】
（位置決めシステムのコンピュータ制御）
１つ以上の患者位置決めユニットの要素及び又は１つ以上の患者位置決め固定システムは、好ましくは、コンピュータ制御の下にあり、その制御において、コンピュータは、例えば、一連のモータ及びデバイスを介して、位置決めシステムを制御して、再現可能なように患者を位置決めする。例えば、患者は、最初に位置決めされ、患者位置決め固定システムによって固定される。各患者位置決め固定システムの位置は、主制御部１１０により、副制御部若しくは主制御部により、又は分離したコンピュータ制御部により、記録及び保存がなされる。次に、患者に対する最終的な治療の指導中に、患者１９３０の腫瘍１９２０を見つけるために医療装置が使用される。画像システム１７０は、１つ以上のＭＲＩ、Ｘ線、ＣＴ、陽子ビーム断層撮影装置、及びその他を備えている。画像システム１７０からの画像が解析され、陽子ビーム治療計画が立てられるこの時点までは、任意の時間を要する。患者は、この時間の間に固定システムから出ることができる。その任意の時間は、数分、数時間、又は数日であるかも知れない。患者が患者位置決めユニットに戻ったときには、コンピュータは、患者位置決めユニットを記録された位置に戻すことができる。このシステムは、画像処理及び治療計画の策定の期間中に使用される位置に、患者の迅速な再位置決めを可能にするので、患者位置決めの設定時間を最少にすることができ、且つ、癌治療ののに使用される荷電陽子ビーム・システムの時間を最大にすることができる。
【０１５４】
（陽子配送の効率）
ブラッグ・ピーク・エネルギーの概要は、最大の浸透の深さまで達した陽子によって浸透された体の全長にわたって、陽子がそのエネルギーを配送することを示している。この結果、正常組織、骨、及び他の体の構成要素にエネルギーが配送された後に、陽子ビームが腫瘍を叩くことになる。当然ながら、それは、腫瘍より前の体における通過距離が短ければ短いほど、陽子配送効率は高くなり、陽子配送効率は、患者の正常な部分と比較して腫瘍に配送されるエネルギーがどれほど多いかで測定されることになる。陽子配送効率のいくつかの実施例は、（１）腫瘍に配送される陽子エネルギーと腫瘍でない組織に配送される陽子エネルギーとの比、（２）腫瘍内での陽子の通過距離対腫瘍でない組織内での陽子の通過距離、及び（３）正常な体の部分に対する破壊と比較される腫瘍に対する破壊、の測定を含んでいる。これらの測定のいずれにおいても、神経過敏な器官要素、心臓、脳、又は他の臓器など、繊細な組織に応じて任意に重み付けされる。横臥位置の患者が治療中にｙ軸のまわりに回転される場合を説明すると、心臓の近くの腫瘍は、場合によっては、頭から心臓への経路、脚から心臓への経路、又は尻から心臓への経路の中を通る陽子によって治療されるであろう。これらは、より短い経路である胸から心臓への経路、体の横から心臓への経路、又は背中から心臓への経路の中を陽子が通ってすべて配送される座位位置又は半垂直位置の患者の場合と比較すると、すべて非効率的である。これに対して、座位位置又は半垂直位置を患者に用いた場合には、横臥位置を用いた場合と比較すると、体を通って腫瘍に至るより短い経路長が胴体又は頭部に位置する腫瘍に提供されるので、より高い又はより良好な陽子配送効率が得られる。
【０１５５】
この実施形態においては、陽子配送効率は、時間効率又はシンクロトロンの利用効率とは切り離して説明される。陽子配送効率は、荷電粒子ビーム装置が動作中である時間のうちのほんのわずかな時間のことに過ぎないからである。
【０１５６】
（患者の配置）
好ましくは、患者１９３０は、陽子ビーム経路２６９に精密且つ正確な方法で位置合わせされる。種々の配置システムについて説明する。患者配置システムは、横臥位置決めシステムを用いて説明するが、半垂直位置決めシステム及び座位位置決めシステムにも同じく適用することができる。
【０１５７】
第１の配置システムにおいては、患者は、載置台に対して周知の位置に配置される。例えば、１つ以上の位置決め固定システムは、載置台の上の精密及び又は正確な位置に患者を位置決めする。載置台に結合され又は着脱可能に結合された配置固定の要素は、載置台に患者を位置決めするために任意に使用される。配置固定システムの要素は、手の要素、手先の要素、頭部の要素、又は胴体の要素など、患者のいかなる位置を位置決めするためにも使用される。
【０１５８】
第２の配置システムにおいては、載置台などの、１つ以上の位置決め固定システム又は支持部の要素が、患者治療室における要素に対して位置合わせされる。基本的には、錠／鍵システムが任意に使用され、錠は鍵に適合する。錠の要素と鍵の要素とは組み合わされて、ｘ軸の位置、ｙ軸の位置、及びｚ軸の位置、チルト、ヨウ、及びロールのいずれに関しても、陽子ビーム経路に対して患者を配置する。基本的には、錠は第１の登録要素であり、鍵は第２の登録要素である。第２の登録要素は、第１の登録要素の中に適合し、第１の登録要素に隣接し、又は第１の登録要素と共に、陽子ビーム経路２６９に対する患者及び又は支持部の要素配置を固定する。登録要素のいくつかの実施例は、機械的停止要素などの機械的要素及び関連する位置又は接触を表す電気的接続要素のうち任意の要素を有する。
【０１５９】
第３の配置システムにおいては、上述した画像システムが使用され、陽子ビーム経路２６９に対する患者の位置、又は、載置台などのように患者を支えている支持部の要素若しくは構造体に配置された画像標識に対する患者の位置を測定するのに使用される。Ｘ線画像システムなどの画像システムを使用した場合には、第１の配置システム又は位置決め固定システムは、画像システムが治療対象の配置を決定した後は、患者の移動を最小限に抑える。同様に、Ｘ線画像システムなどの画像システムを使用した場合には、第１の配置システム及び又は第２の配置システムは、陽子ビーム経路２６９に対する患者の概略の位置を提供し、その後に画像システムが陽子ビーム経路２６９に対する患者の細かい位置を測定する。
【０１６０】
（呼吸の監視）
好ましくは、患者の呼吸パターンは監視される。この実施形態では患者とも称する治療対象は、各呼吸とともに動く体の多くの部分で呼吸している。例えば、治療対象が呼吸すると、肺が動くにつれて、胃、腎臓、肝臓、胸の筋肉、皮膚、心臓、及び肺など、体の中の器官の関係する位置も動く。一般的には、胴体のほとんど又はすべての部分が呼吸と共に動く。事実、発明者らは、呼吸と一緒の胴体の動きに加えて、各呼吸と共に頭部及び脚にも様々な動きが存在することを認識した。陽子は腫瘍に特化して配送され周辺の組織には配送されないので、体への陽子ビーム量の配送の際に動きを考慮すべきである。ビーム経路に対する腫瘍の存在位置が、動きによってあいまいになるという結果を生じる。この関係を少しでも解決するために、陽子は一連の呼吸の周期の各々における同一のポイントに選択的に配送される。
【０１６１】
最初に、治療対象の呼吸のリズムパターンが測定される。その周期が観察され又は測定される。例えば、陽子ビームのオペレータは、治療対象が呼吸している時又は呼吸と呼吸との間を観察できるので、陽子の配送を各呼吸の所定の周期に合わせることができる。あるいは他の実施例として、治療対象は息を吸うこと、息を吐くこと、及び又は息を止めることを指示され、その指示された時間の間に陽子が配送される。
【０１６２】
好ましくは、１つ以上のセンサが個人個人の呼吸の周期を測定するのに使用される。呼吸監視システムの２つの実施例、（１）温度監視システム、（２）力監視システムが提供される。
【０１６３】
再び参照する図２５には、温度呼吸監視システムの一実施例が示されている。温度呼吸監視システムにおいては、センサは、患者の鼻及び又は口のそばに配置される。上述したように、患者のあごは任意に固定されているので、温度呼吸監視システムは、好ましくは、患者の鼻の呼吸路のそばに配置される。陽子ビーム治療に用いる温度センサ・システムの部品による立体的な構造からの妨害を避けるために、温度呼吸監視システムは、好ましくは、胴体又は脚の腫瘍を治療する場合など、頭又は首には位置していない腫瘍を治療する場合に使用される。温度呼吸監視システムにおいては、第１の温度抵抗２５７０が使用されて、患者の呼吸の周期及び又は患者の呼吸の周期内の位置を監視する。好ましくは、第１の温度抵抗２５７０は患者の鼻のそばに配置され、その結果、鼻を通って第１の温度抵抗２５７０に吐く患者の息が、第１の温度抵抗２５７０を暖めて、吐息を表示する。好ましくは、第２の温度抵抗２５６０が環境温度センサとして動作する。第２の温度抵抗２５６０は、好ましくは、患者の呼吸路から外れた位置ではあるが、第１の温度抵抗２５７０と同じ環境の部屋に配置される。温度抵抗２５７０、２５６０からの電流など、センサによって発生された信号は、好ましくは、電圧に変換されて、主制御部１１０又は主制御部の副制御部に送信される。第２の温度抵抗２５６０は、好ましくは、第１の温度抵抗２５７０の信号の一部である環境温度の変動を調整するのに使用され、例えば、温度抵抗２５７０、２５６０の数値の間の差分を計算することによって、患者の呼吸の周期のより正確な読取を取得できる。
【０１６４】
再び参照する図２４には、力／圧力呼吸監視システムの一実施例が示されている。力呼吸監視システムにおいては、胴体のそばにセンサが配置される。陽子ビーム治療に用いる力センサ・システムの部品による立体的な構造からの妨害を避けるために、力呼吸監視システムは、好ましくは、頭、首、又は脚に位置している腫瘍を治療する場合に使用される。力呼吸監視システムにおいては、ベルト又はストラップ２４５０が、患者の各呼吸の周期と共に拡張又は収縮する患者の胴体の範囲の近傍に配置される。ベルト２４５０は、患者の胸のまわりにぴったりと合まって、且つ、伸縮可能であることが好ましい。力測定器２４５２はベルトに取り付けられて、患者の呼吸のパターンを検知する。力測定器２４５２にかけられる力は、呼吸の周期の間隔と相関関係がある。力測定器２４５２からの信号は、好ましくは、主制御部１１０又は主制御部の副制御部に送信される。
【０１６５】
（呼吸の制御）
治療対象の呼吸のリズムパターンが測定された後は、信号が治療対象に送られて、呼吸の周波数をさらに正確に制御する。例えば、表示画面が治療対象の前に配置されて、呼吸を止める時及び呼吸する時を治療対象に指示する。通常、呼吸制御モジュールは、１つ以上の呼吸センサからの入力を使用する。例えば、その入力は、次の呼吸の吐息がいつ完了するかを測定するのに使用される。呼吸の底において、制御モジュールは、例えば、モニタ上で、音声信号を介して、デジタル化され且つ自動的に発生された音声指令、又は、可視制御信号を介して、呼吸止め信号を患者に提示する。好ましくは、表示モニタは治療対象の前に配置され、また、表示モニタは少なくとも呼吸の指令を治療対象に表示する。通常、治療対象は、約１．５、１、２、又は３秒などの短い時間の間、呼吸を止めることを指示される。治療対象が要求される呼吸を止める時間は１０秒よりも短い。呼吸が止められる時間は、好ましくは、腫瘍に対する陽子ビームの配送時間に同期しており、その時間は約１．５、１、２、又は３秒である。呼吸の底において陽子を配送することが好ましいとはいえ、陽子は呼吸の周期の任意の点、例えば、最大吸入時に配送されてもよい。呼吸の頂点、又は、呼吸制御モジュールによって患者が息を深く吸い込んで、呼吸を止めることを指示された時の配送は、胸の空洞が最大になって、且つ、ある腫瘍にとって腫瘍と周辺の組織との間の距離が最大であるか、又は増加した体積の結果として周辺の組織が持ち上げられた呼吸の頂点において実行してもよい。したがって、周辺の組織を叩く陽子は最小になる。呼吸を止めることを要求する指示に対して、それを実行する作業を治療対象に気付かせるために、表示画面は、３、２、１秒のカウントダウンなどにより、治療対象に対して呼吸を止めることを要求する時を告げるようにしてもよい。
【０１６６】
（呼吸と同期した陽子ビーム治療）
陽子配送制御アルゴリズムは、対象が呼吸を止めている呼吸の頂点又は底など、各呼吸の所定の期間内に、腫瘍に対する陽子の配送に同期させるのに使用される。陽子配送制御アルゴリズムは、好ましくは、呼吸制御モジュールと統合される。このため、陽子配送制御アルゴリズムは、患者が呼吸をしている時、呼吸の周期における患者の現在位置、及び又は患者が呼吸を止めている時を認識する。陽子配送制御アルゴリズムは、陽子がシンクロトロンの中に入射され及び又は予備的に加速される時、上述したように発振器を励起するためにＲＦ信号が供給される時、及び、上述したようにシンクロトロンから陽子を抽出するためにＤＣ電圧が供給される時を制御する。通常、陽子配送制御アルゴリズムは、治療対象が呼吸を止めることを指示される前に、又は、陽子配送時間のために選択された呼吸の周期における特定された期間の前に、陽子の予備加速及びそれに続くＲＦ励起発振を初期化する。この方法において、陽子配送制御アルゴリズムは、上述したように、第２の一対のプレートに高いＤＣ電圧を同時に又はほぼ同時に配送することによって、選択された呼吸の周期の期間に陽子を配送することができる。その結果、シンクロトロンからの陽子の抽出ができると共に、それに続く患者に対する陽子の配送を選択された時点にすることができる。シンクロトロンにおける陽子の加速の期間は一定であるか又は陽子ビームの所望のエネルギーレベルに対して周知であるので、陽子配送制御アルゴリズムは、患者の呼吸の周期又は所望の呼吸の周期に対して整合するＡＣ ＲＦ信号を設定するのに使用される。
【０１６７】
（多磁場照射）
陽子スポット焦点の３次元スキャン・システムは、上述したように、好ましくは、回転／レーザ方法と組み合わされる。その方法は、多くの方向からの階層的な腫瘍照射を含んでいる。所定の照射の輪切りの期間において、陽子ビーム・エネルギーは、腫瘍の前の組織の密度に応じて連続的に変化するので、その結果、ブラッグ・ピークによって定義されるビーム停止点を、常に腫瘍の内部及び照射の輪切りの内部にもたらすことができる。その新しい方法によれば、この実施形態においては多磁場照射と称する、多くの方向からの照射が最大の効果的な線量を腫瘍レベルに与え、その一方で、同時に周辺の正常組織に対する横の影響の可能性を、従来の方法に比べて大きく低減することができる。基本的には、多磁場照射システムは、まだ腫瘍に達しない組織の深さでは線量配送を分散させる。
【０１６８】
この実施形態においては、ある好適な実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者は、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、この明細書において上記した実施形態に置き換えることができる他の応用例を容易に想到するであろう。
【０１６９】
（関連出願の相互参照）
本出願は、
米国仮特許出願６１／０５５，３９５（２００８年５月２２日出願）、
米国仮特許出願６１／１３７，５７４（２００８年８月１日出願）、
米国仮特許出願６１／１９２，２４５（２００８年９月１７日出願）、
米国仮特許出願６１／０５５，４０９（２００８年５月２２日出願）、
米国仮特許出願６１／２０３，３０８（２００８年１２月２２日出願）、
米国仮特許出願６１／１８８，４０７（２００８年８月１１日出願）、
米国仮特許出願６１／２０９，５２９（２００９年３月９日出願）、
米国仮特許出願６１／１８８，４０６（２００８年８月１１日出願）、
米国仮特許出願６１／１８９，８１５（２００８年８月２５日出願）、
米国仮特許出願６１／２０８，１８２（２００９年２月２３日出願）、
米国仮特許出願６１／２０１，７３１（２００８年１２月１５日出願）、
米国仮特許出願６１／２０８，９７１（２００９年３月３日出願）、
米国仮特許出願６１／２０５，３６２（２００９年１月１２日出願）、
米国仮特許出願６１／１３４，７１７（２００８年７月１４日出願）、
米国仮特許出願６１／１３４，７０７（２００８年７月１４日出願）、
米国仮特許出願６１／２０１，７３２（２００８年１２月１５日出願）、
米国仮特許出願６１／１９８，５０９（２００８年１１月７日出願）、
米国仮特許出願６１／１３４，７１８（２００８年７月１４日出願）、
米国仮特許出願６１／１９０，６１３（２００８年９月２日出願）、
米国仮特許出願６１／１９１，０４３（２００８年９月８日出願）、
米国仮特許出願６１／１９２，２３７（２００８年９月１７日出願）、
米国仮特許出願６１／２０１，７２８（２００８年１２月１５日出願）、
米国仮特許出願６１／１９０，５４６（２００８年９月２日出願）、
米国仮特許出願６１／１８９，０１７（２００８年８月１５日出願）、
米国仮特許出願６１／１９８，２４８（２００８年１１月５日出願）、
米国仮特許出願６１／１９８，５０８（２００８年１１月７日出願）、
米国仮特許出願６１／１９７，９７１（２００８年１１月３日出願）、
米国仮特許出願６１／１９９，４０５（２００８年１１月１７日出願）、
米国仮特許出願６１／１９９，４０３（２００８年１１月１７日出願）、
米国仮特許出願６１／１９９，４０４（２００８年１１月１７日出願）、
の利益を主張し、及び
国際特許出願ＰＣＴ／ＲＵ２００９／０００１５「Multi-Field Charged Particle Cancer Therapy Method and Apparatus:マルチフィールド荷電粒子の癌治療の方法及び装置（２００９年３月４日出願）」
について優先権を主張する。
これらのすべては、これらの開示内容を引用することにより、その全部がこの出願に組み込まれている。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には強力な癌の治療に関する。さらに詳しくは、本発明は、イオン・ビーム入射システムに関し、荷電粒子癌治療のビーム加速、抽出、及び又は目標方法及び装置と併用される。
【背景技術】
【０００２】
（癌の治療）
陽子ビーム治療システムは、通常、ビーム発生器、加速器、及びビーム輸送システムを備え、その結果、加速された陽子を、患者の体の中の腫瘍に陽子が配送される治療室に移動する。
【０００３】
陽子ビーム治療は、粒子加速器で加速された陽子などのエネルギー値の高いイオン化粒子を目標の腫瘍に向けることによって機能する。これらの粒子は、細胞のＤＮＡを破壊し、ついには細胞を死滅させる。癌細胞は、急速な分裂及び破壊されたＤＮＡを回復する能力が低下しているので、癌細胞のＤＮＡは攻撃を特に受けやすい。
【０００４】
陽子は、その比較的大きなサイズのために、組織の中では容易には散乱せず、横方向の分散は極めてわずかである。したがって、陽子ビームは、周辺組織に対して大きな横方向の破壊を及ぼさずに、腫瘍の形状にフォーカスされた状態を維持する。所定のエネルギーのすべての陽子は、ブラッグ・ピーク（Bragg peak）によって定まるある飛程（体内距離）を持っており、組織に対する配送線量比は粒子の飛程のまさに最後の数ミリの範囲で最大になる。浸透する深さは粒子のエネルギーに依存し、その深さは陽子加速器によって粒子が加速された速度に直接関係する。陽子の速度は、加速器の最大速度に調節することができる。したがって、腫瘍が位置している組織の非常に深いところに達する陽子ビームによって、細胞の破壊にフォーカスを合わせることができる。ブラッグ・ピークの前に位置している組織はある程度低下した線量を受けるが、ブラッド・ピークの後に位置している組織は線量を受けない。
【０００５】
（シンクロトロン）
H. Tanaka等に対して２００７年８月２１日に付与された特許文献１「Charged Particle Accelerator（荷電粒子加速器）」には、第１の加速期間及びその後の第２の加速期間に印加される固定の電場によって２つの期間の加速処理を有し、コンパクトでハイパワーの荷電粒子加速を実現する荷電粒子加速器が記載されている。
【０００６】
V. Kulish等に対して２００２年８月１３日に付与された特許文献２「Inductional Undulative EH-Accelerator（誘導波動のＥＨ加速器）」には、荷電粒子ビームの加速のための誘導波動のＥＨ加速装置が記載されている。その装置は電磁波動システムで構成され、その電磁波用駆動システムは、約１００ｋＨｚから１０ＧＨｚまでの範囲の周波数で動作する高周波発振器の形態で作られている。
【０００７】
K. Saito等に対して１９９９年６月２９日に付与された特許文献３「Radio-Frequency Accelerating System and Ring Type Accelerator Provided with the Same（高周波加速システム及びそのシステムを用いたリングタイプ加速器）」には、磁気コア群に結合されたループ・アンテナ及びループ・アンテナに接続されたインピーダンス調整手段を有する高周波加速システムが記載されている。そのインピーダンス調整手段には比較的低い電圧が供給されるので、小型構造の調整手段を実現している。
【０００８】
J. Hirota等に対して１９９７年８月２６日に付与された特許文献４「Ion Beam Accelerating Device Having Separately Excited Magnetic Cores （分離して励磁された磁気コアを有するイオン・ビーム加速装置）」には、複数の高周波磁場誘導ユニット及び磁気コアを有するイオン・ビーム加速装置が記載されている。
【０００９】
J. Hirota等に対して１９９２年１２月１日に付与された特許文献５「Acceleration Device for Charged Particles （荷電粒子の加速装置）」には、結合定数及び又は再調整を制御するために組み合わされた高周波電力源及び制御の下に動作するループ導体を備え、粒子に対して電力をより効率的に送信できる加速空洞が記載されている。
【００１０】
（真空室）
T. Kobari等に対して１９９８年９月１３日に付与された特許文献６「Apparatus For Treating the Inner Surface of Vacuum Chamber（真空室の内面を処理する装置）」、並びに、T. Kobari等に対して１９９７年５月６日に付与された特許文献７「Process and Apparatus for Treating Inner Surface Treatment of Chamber and Vacuum Chamber （室及び真空室の内面処理を行う方法及び装置）」の双方には、ブローチを用いて真空室の表面に不活性ガス又は窒素ガスを供給する手段を有し、真空室の内面を処理する装置が記載されている。あるいは、ブローチは、真空室の表面の汚れを溶かすために、真空室にアルコールを供給するのに使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７，２５９，５２９号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４３３，４９４号明細書
【特許文献３】米国特許第５，９１７，２９３号明細書
【特許文献４】米国特許第５，６６１，３６６号明細書
【特許文献５】米国特許第５，１６８，２４１号明細書
【特許文献６】米国特許第５，８２０，３２０号明細書
【特許文献７】米国特許第５，６２６，６８２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
癌腫瘍の粒子線治療の技術分野においては、加速器の中に荷電粒子を効率的に入射することが求められている。また、入射器の中に陰イオン・ビームをフォーカスさせることが求められている。また、その技術分野においては、陰イオンを発生し、陰イオンを抽出し、陰イオンを陽イオンに変換して、陽イオンをシンクロトロンの中に入射することが求められている。さらにまた、その技術分野においては、荷電粒子配送の特定のエネルギー、強度、及び又はタイミングに関して荷電粒子癌治療システムを制御することが求められている。さらにまた、周辺の患者の正常組織への破壊を最小限にして、効率的に、精密に、及び又は正確に、無痛で、強力な癌腫瘍の生体内の治療をすることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、粒子ビーム入射器を備え、その粒子ビーム入射器が荷電粒子癌治療ビーム・システムの一部を構成する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】粒子線治療システムの構成の接続を示す図である。
【図２】荷電粒子線治療システムを示す図である。
【図３】イオン・ビーム発生システムを示す図である。
【図４】陰イオン・ビーム源を示す図である。
【図５】イオン・ビーム・フォーカス・システムを示す図である。
【図６】（Ａ）乃至（Ｄ）は陰イオン・ビーム経路のまわりの電極を示す図である。
【図７】（Ａ）は箔を有する２連の加速器を示し、（Ｂ）は支持構造を示し、（Ｃ）は変換箔を示す図である。
【図８】シンクロトロンの制御フローチャートである。
【図９】シンクロトロンの直線部及び方向転換部を示す図である。
【図１０】シンクロトロンの偏向磁石を示す図である。
【図１１】偏向磁石の斜視図である。
【図１２】偏向磁石の断面図である。
【図１３】偏向磁石の断面図である。
【図１４】偏向磁石における磁場収束を示す図である。
【図１５】偏向磁石における補正コイルを示す図である。
【図１６】シンクロトロンの磁気的方向転換部を示す図である。
【図１７】磁場制御システムを示す図である。
【図１８】荷電粒子の抽出及び強度の制御システムを示す図である。
【図１９】患者位置決めシステムを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は上面図である。
【図２０】荷電粒子ビーム・スポット・スキャン・システムの多次元スキャンを示す図であり、（Ａ）は腫瘍の２次元の輪切りスキャンで動作する図、（Ｂ）は３次元の体積スキャンで動作する図である。
【図２１】粒子線治療システムに結合されたＸ線を発生するのに使用される電子銃源を示す図である。
【図２２】粒子ビーム経路に近接するＸ線源を示す図である。
【図２３】Ｘ線ビーム経路を示す拡大図である。
【図２４】患者位置決めシステムの実施例を示す図である。
【図２５】頭部固定システムを示す図である。
【図２６】腕及び頭部の支持部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、一般的には強力な癌の治療に関する。さらに詳しくは、本発明は、荷電粒子ビームをシンクロトロンの中に入射する方法及び装置に関する。
【００１６】
一実施形態において、本発明のシステムは、荷電粒子癌治療ビームの入射、加速、抽出、及び又は標的の方法及び装置と併用されるイオン・ビーム入射システムの一部としてのイオン・ビーム・フォーカス・システムに関するものである。イオン・ビーム・フォーカス・システムは、２つ以上の電極を備え、その電極対の各々の１つの電極が、導電性メッシュ（網目）などの導電路によって、イオン・ビーム経路を部分的に遮断する。所定の電極対において、電場線は、第１の電極及び第２の電極の導電性メッシュの間を通って、陰イオン・ビームをフォーカスする内向きの力を提供する。多数のこのような電極対は、多数の陰イオン・ビームのフォーカス領域を提供する。
【００１７】
他の実施形態においては、本発明のシステムは、荷電粒子癌治療ビームの入射、加速、抽出、及び又は標的の方法及び装置と併用されるイオン・ビーム入射システムの一部を構成する陰イオン源に関するものである。陰イオン源は、好ましくは、高温プラズマ室の中に水素ガスの入射のための注入口を有する。一実施形態においては、プラズマ室は磁性材料を備えており、その磁性材料は磁場障壁を発生して、その磁場障壁を挟んで相対する高温プラズマ室及び低温プラズマ領域を形成する。抽出パルスが、陰イオン抽出電極に印加されて、陰イオン・ビームを陰イオン・ビーム経路の中に引き出し、その陰イオン・ビームは、第１の部分真空システムの中に進み、イオン・ビーム・フォーカス・システムの中に進み、２連型加速器の中に進み、シンクロトロンの中に進む。
【００１８】
さらに他の実施形態においては、本発明のシステムは、荷電粒子癌治療ビームの照射、加速、抽出、及び又は標的の方法及び装置と共に使用されるイオン・ビーム入射システムの真空システムに関するものである。陰イオン・ビーム源は、真空障壁によってシンクロトロンの真空管から隔離された真空室を備えている。陰イオン・ビーム源の真空システムは、好ましくは、第１のポンプターボ分子ポンプ、大容積保持体、及び半連続的に作動するポンプを備えている。容積部に関するセンサ読み取りに基づいて、イオン・ビーム源の真空室を励起するだけで、及びイオン・ビーム源を半連続的に作動するだけで、半連続的に作動するポンプの寿命が延びる。
【００１９】
さらに他の実施形態において、本発明のシステムは、荷電粒子癌治療ビームの入射、加速、抽出、及び又は標的の方法及び装置と併用されるイオン・ビーム入射システムの一部を構成する２連型加速器に関するものである。陰イオン・ビーム源は、入射システムの真空システム、及び箔又は変換箔によって分離されたシンクロトロンの真空システムを備え、そこでは、陰イオンは陽イオンに変換される。箔は２連型加速器の中にあってもよい。箔は、真空管の端に封止されて、照射システムの真空室における部分的な高圧及びシンクロトロン真空システムにおける低圧を実現する。真空室を２つの圧力領域に物理的に分離する箔を備えることにより、照射の部分的な真空システムによって入口の水素ガスが分割した封止及び分離空間の中に抽出されるので、より少数及び又はより小型のポンプにとって、シンクロトロンにおける低圧システムを維持することができる。
【００２０】
本発明と組み合わせた、シンクロトロンの新しい設計の特徴について説明する。特に、陰イオン源、イオン源真空システム、イオン・ビーム・フォーカス・レンズ、及び２連型加速器における新しい特徴を有する陰イオン・ビーム源について説明する。あるいは、シンクロトロンの全体のサイズを最小にし、厳しく制御された陽子ビームを供給し、必要な磁場のサイズを直接低減し、必要な動作電力を直接低減し、シンクロトロンから陽子を抽出する処理中であってもシンクロトロンにおける陽子の連続的な加速を可能にする方向転換磁石、エッジ・フォーカス磁石、磁場収束磁石、巻線補正コイル、平坦磁場入力表面、及び抽出要素を説明する。イオン・ビーム源システム及びシンクロトロンは、好ましくは、患者画像システム並びに呼吸監視センサ及び患者位置決め要素を有する患者インターフェースを統合したコンピュータである。
【００２１】
入射システムと併用される、画像システム、呼吸センサ、及びシンクロトロンの新しい構造を説明する。特に、癌腫瘍の荷電粒子線照射治療と併用される荷電粒子ビーム加速の強度制御、抽出、及び又は目標の方法及び装置を説明する。さらに詳しくは、シンクロトロンにおける荷電粒子の流れの強度及びエネルギー制御を説明する。そのシンクロトロンは、方向転換磁石、エッジ・フォーカス磁石、収束磁場磁石、巻線及び制御コイル、並びに抽出要素のうち任意のものを備えている。シンクロトロンの制御要素は荷電粒子ビームの厳密な制御を可能にし、その厳密な制御が患者の位置決めの厳密な制御を高めて腫瘍の周囲の正常組織に対する組織破壊を低減して強力な腫瘍の効率的な治療を可能にする。さらに、システムは、シンクロトロンの全体のサイズを小さくし、厳密に制御された陽子ビームを供給し、必要な磁場のサイズを直接低減し、必要な動作電力を直接低減し、シンクロトロンからの陽子の抽出の処理中であってもシンクロトロンにおける陽子の連続的な加速を可能にする。
【００２２】
（サイクロトロン／シンクロトロン）
サイクロトロンは、一定の電場及び一定の周波数の印加された電場を使用する。磁場及び電場の１つはシンクロサイクロトロンの中で変化する。磁場及び電場の双方はシンクロトロンの中で変化する。このように、シンクロトロンは特定のタイプの周回粒子加速器であり、そこで磁場は粒子を偏向するのに使用されてその粒子が周回し、電場は粒子を加速するのに使用される。シンクロトロンは、印加された磁場及び電場を周回する粒子ビームに精密に同期させる。
【００２３】
磁場及び電場を適切に増加することにより、粒子がエネルギーを得るにしたがって、荷電粒子経路が一定に保持されることが可能になり粒子は次第に加速される。このことにより、粒子にとって真空室を大きな細い円環にすることができる。実際は、偏向磁石及びいくつかの曲がり角部分の間にいくつかの直線部分を使用して、角の丸い八角形の形をした円環が容易に実現される。このため、サイクロトロン型の装置の円盤型の室とは異なり、大きな有効半径の経路が単純な直線パイプ要素及び曲がったパイプ要素を使用して構成される。その形状により、粒子ビームを曲げるための多数の磁石の使用が可能にもなり必要にもなる。
【００２４】
周回加速器が与え得る最大のエネルギーは、通常、磁場の強度及び粒子経路の最小半径／最大曲率によって制限される。サイクロトロンにおいては、最大半径は粒子が中央でスタートし外側に向かって螺旋状になるので非常に制限され、このため、全体の経路は、自己支持型の円盤形状の真空排気室でなければならない。半径が制限されるので、装置の電力は磁場の強さによって制限される。通常の電磁気の場合においては、すべての磁気領域が並んでいる場合には磁場がそれ以上の実質的な範囲には増加しないので、磁場の強さはコアの飽和によって制限される。磁石の一対の配列によっても、装置のサイズが経済的観点から制限される。
【００２５】
シンクロトロンは、非常に小さくて且つより厳格にフォーカスする磁石によって囲まれた細いビームパイプを使用して、これらの制限を解決する。粒子を加速するこの装置の能力は、加速される粒子が荷電されなければならないのは確かであるが、加速された荷電粒子は陽子を放出するのでエネルギーを失うという事実によって、制限される。円形のビーム経路を維持するために必要な横方向の加速で失われたエネルギーが、各周期で加算されたエネルギーと等しくなった時、ビーム・エネルギーは限界に達する。さらに強力な加速器は、大きな半径路を使用することによって、且つ、多くの且つさらに強力なマイクロ波空洞を使用することによって構築されて、コーナーとコーナーとの間の粒子ビームを加速する。電子のようにより軽い粒子は、偏向するときにそのエネルギーの大部分を失う。実用的な観点から言えば、電子／陽電子・加速器のエネルギーはこの半径損失によって制限されるけれども、エネルギーの制限が陽子又はイオンの加速器の力学的な性能に大きな作用を及ぼすものではない。これらのエネルギーは、磁石の強さによって且つコストによって厳しく制限される。
【００２６】
（荷電粒子ビーム治療）
この明細書を通じて、陽子ビーム、水素イオン・ビーム、又はカーボン・イオン・ビームなどの、荷電粒子線治療について説明する。この実施形態では、陽子ビームを用いる荷電粒子線治療について説明する。しかしながら、陽子ビームの観点から教示し説明する態様は、陽子ビームの態様に限定されるものではなく、荷電粒子ビーム・システムを説明するためのものである。任意の荷電粒子ビーム・システムも、この実施形態に記載された技術に等しく応用することができる。
【００２７】
図１には、荷電粒子ビーム・システム１００が示されている。荷電粒子ビーム・システムは、好ましくは、主制御部１１０、入射システム１２０、（１）加速器システム１３２及び（２）抽出システム１３４を通常有するシンクロトロン１３０、スキャン／目標／配送システム１４０、患者インターフェース・モジュール１５０、表示システム１６０、及び又は、画像システム１７０のうち任意のものを有するいくつかのサブシステムを備えている。
【００２８】
一実施形態においては、１つ以上のサブシステムがクライアントに収容されている。クライアントは、例えば、パーソナル・コンピュータ、デジタル媒体プレーヤ、パーソナル・デジタル・アシスタント、その他のクライアント装置として動作するために構成されたコンピュータ・プラットホームである。クライアントは、例えば、マウス、キーボード、表示装置、その他のいくつかの外部又は内部の入力装置に接続されるプロセッサを備えている。プロセッサはまた、情報を表示するコンピュータ・モニタ等の出力装置に接続されている。一実施形態においては、主制御部１１０がプロセッサである。他の実施形態においては、主制御部１１０は、メモリに格納されてプロセッサによって実行される一組の命令である。
【００２９】
クライアントは、コンピュータ読取可能な記憶媒体すなわちメモリを有する。メモリは、コンピュータ読取可能な命令を記憶する電子記憶媒体、光記憶媒体、磁気記憶媒体、若しくは他の記憶媒体、又は、コンピュータ読取可能な命令を有するプロセッサに接続できる送信装置、例えば、タッチ・センサ入力装置と併用されるプロセッサを備えているが、これらに限定されるものではない。適切な媒体の他の実施例には、例えば、フラッシュ・ドライブ、ＣＤ−ＲＯＭ、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ＤＶＤ、磁気ディスク、メモリ・チップその他が含まれる。プロセッサは、メモリに記憶された一組の読取可能なプログラム・コードの命令を実行する。その命令は、例えば、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Visual Basic、Java（登録商標）、及びJavaScriptを含む任意のコンピュータ・プログラミング言語からのコードを有することができる。
【００３０】
荷電粒子ビーム・システム１００を使用する方法の一実施例を提供する。主制御部１１０は、１つ以上のサブシステムを制御して、陽子を患者の患部に正確に且つ精密に配送する。例えば、主制御部１１０は、体及び又は腫瘍の位置などの画像を画像システム１７０から取得する。また、主制御部１１０は、位置情報及び又はタイミング情報を患者インターフェース・システム・モジュール１５０から取得する。次に、主制御部１１０は、入射システム１２０を任意に制御してシンクロトロン１３０の中に陽子を入射する。シンクロトロンは、通常、少なくとも加速システム１３２及び抽出システム１３４を有する。主制御部１１０は、好ましくは、例えば、陽子ビームの速度、軌道、及びタイミングを制御することにより、加速システム内の陽子ビームを制御する。次に、主制御部は、抽出システム１３４によって加速器からの陽子ビームの抽出を制御する。例えば、制御部は、抽出されたビームのタイミング、エネルギー、及び又は強度を制御する。また、制御部１１０は、好ましくは、スキャン／目標／配送システム１４０によって、陽子ビームの目標を患者インターフェース・モジュール１５０にするように制御する。患者インターフェース・モジュール１５０の１つ以上の要素は、好ましくは、主制御部１１０によって制御される。さらに、表示システム１６０の表示要素は、好ましくは、主制御部１１０を介して制御される。表示スクリーン等の表示要素は、通常、一人以上のオペレータ及び又は一人以上の患者に対して提供される。一実施形態においては、主制御部１１０は、陽子が最適な治療方法で患者に配送されるように、すべてのシステムからの陽子ビームの配送のタイミングを測る。
【００３１】
この実施形態において、主制御部１１０は、荷電粒子ビーム・システム１００を制御する単一のシステム、荷電粒子ビーム・システム１００を制御する複数のサブシステムを制御する単一のシステム、又は、荷電粒子ビーム・システム１００の１つ若しくは複数のサブシステムを制御する複数の個々の制御部を指す。
【００３２】
（シンクロトロン）
この実施形態において、シンクロトロンという用語は、周回経路において荷電粒子ビームを維持するシステムを指すのに使用される。しかしながら、サイクロトロンは、そのエネルギー、強度、及び抽出制御の固有の限界にもかかわらず、シンクロトロンの代わりに使用される。さらに、この実施形態では、荷電粒子ビームは、シンクロトロンの中央点の周りに周回経路に沿って周回するビームと称される。あるいは周回経路は軌道経路と称されるが、軌道路は完全な円又は楕円を指すものではなく、それはむしろ中央点又は中央領域の周囲の陽子の循環を指すものである。
【００３３】
図２は、荷電粒子ビーム・システム１００の１つのバージョンの実施例を説明する図である。構成要素の番号、位置、及び記載されたタイプは、説明をするためのものであり、何らこれらに限定されるものではない。図に示された実施形態において、入射システム２１０又はイオン源又は荷電粒子ビーム源は、陽子を発生する。陽子は、シンクロトロンの中に延びて、そこを通って、そこから出る真空管の中に配送される。発生された陽子は、最初の経路２６２に沿って配送される。４極磁石又は入射用４極磁石などのフォーカス用磁石２３０は、陽子ビーム経路をフォーカスするのに使用される。４極磁石は、フォーカス磁石である。入射用偏向磁石２３２は、陽子ビームをシンクロトロン１３０の平面の方向に偏向する。初期のエネルギーを持つフォーカスされた陽子は、入射用磁石２４０の中に誘導され、その入射用磁石２４０は、好ましくは、入射用ラムバーソン磁石である。通常、最初のビーム経路２６２は、シンクロトロン１３０の周回面から外れた上側の軸に沿っている。入射用偏向磁石２３２及び入射用磁石２４０は組み合わされて、陽子をシンクロトロン１３０の中に移動する。主偏向磁石２５０又は双極磁石若しくは周回用磁石は、陽子を周回ビーム経路２６４に沿って向きを変えるのに使用される。双極磁石は偏向磁石である。主偏向磁石２５０は、最初のビーム経路２６２を周回ビーム経路２６４の中に偏向する。この実施例においては、主偏向磁石２５０又は周回用磁石は、４個の磁石の４組として表され、周回ビーム経路２６４を安定した周回ビーム経路に維持する。しかしながら、任意の数の磁石又は任意の組の磁石が、周回プロセスにおいて単一の軌道の周りに陽子を移動するために任意に使用されてもよい。陽子は、加速器２７０の中を通り抜ける。加速器は、周回ビーム経路２６４の中で陽子を加速する。陽子が加速されるときには、磁石によって供給される磁場が増加される。特に、加速器によって達成される陽子の速度は、主偏向磁石２５０又は周回用磁石の磁場に同期してシンクロトロンの中央点又は中央領域２８０のまわりで陽子の安定した周回を維持する。周回経路又は軌道の中に陽子を維持する間、加速器２７０／主偏向磁石２５０が連携して時分割で使用され、陽子を加速及び又は減速する。予備加速器／偏向器システム２９０の抽出要素は、ランバーソン抽出磁石２９２と組み合わせて使用されて、シンクロトロン１３０内において周回ビーム経路２６４から陽子を離反させる。偏向器要素の一例がランバーソン磁石である。通常、偏向器は、陽子を周回面から例えばその上方の周回面から外れた軸に移動する。抽出された陽子は、好ましくは、配送路２６８に沿った４極磁石などの抽出用偏向磁石２３７及び抽出用フォーカス磁石２３５を用いて、スキャン／目標／配送システム１４０の中に導かれ及び又はフォーカスされる。スキャン・システム又は目標システムの２つの要素は、通常、垂直制御部などの第１の軸制御部１４２、及び水平制御部などの第２の軸制御部１４４を有する。ノズル・システム１４６は、陽子ビームの像を作るのに使用され、及び又は、シンクロトロンの低圧ビーム経路と大気圧との間の真空障壁として使用される。制御された陽子は、患者インターフェース・モジュール１５０及び患者の腫瘍に配送される。上記に掲げたすべての要素は任意のものであり、種々の置き換え及び組合せにおいても使用することができる。
【００３４】
（イオン・ビーム発生システム）
イオン・ビーム発生システムは、水素陰イオンすなわちＨ−ビームなどの陰イオン・ビームを発生し、好ましくは、その陰イオン・ビームをフォーカスし、その陰イオン・ビームを陽子又はＨ＋ビームなどの陽イオン・ビームに変換し、その陽イオン・ビームをシンクロトロン１３０の中に照射する。イオン・ビーム経路の陽子は、好ましくは、軽度の真空のもとにある。以下、これらのシステムの各々について説明する。
【００３５】
図３には、イオン・ビーム発生システム３００の一実施例が示されている。図に示すように、イオン・ビーム発生システム３００は、４個の主要な要素として、陰イオン源３１０、第１の部分真空システム３３０、任意の陰イオン・フォーカス・システム３５０、及び２連型加速器３９０を有する。
【００３６】
図３において、陰イオン源３１０は、好ましくは、高温プラズマ室３１４の中に水素ガスを入射するための入力口３１２を有する。一実施形態において、プラズマ室は磁性材料３１６を有し、その磁性材料３１６は高温プラズマ室３１４とその反対側の低温プラズマ領域との間に磁場障壁３１７を設けている。抽出パルスは、陰イオン抽出電極３１８に印加されて、陰イオン・ビーム経路３１９の中に陰イオン・ビームを引き出す。その陰イオン・ビームは、第１の部分真空システム３３０の中に進み、イオン・ビーム・フォーカス・システムの中を通って、２連型加速器３９０の中に進む。
【００３７】
図３において、第１の部分真空システム３３０は、水素ガスの入力口３１２から２連型加速器３９０の変換箔３９５に延びる密閉されたシステムである。箔３９５は、箔３９５の第１の部分真空システム３３０側に維持される約１０−５トール(torr)などの高圧、及び、箔３９０のシンクロトロン側に印加される約１０−７トールなどの低圧を提供する真空管３２０の端に直接的又は間接的に封止されている。第１の部分真空システム３３０を励起し、且つ、センサの読取に基づいてイオン・ビーム源真空を半連続的に動作させるだけで、半連続的に動作するポンプの寿命が延びる。以下、センサの読取についてさらに説明する。
【００３８】
図３において、第１の部分真空システム３３０は、好ましくは、連続的に動作されるポンプ及び又はターボ分子ポンプなどの第１のポンプ３３２、大容積保持体３３４、及び半連続的に動作されるポンプ３３６を有する。ポンプ制御部３４０は、好ましくは、大容積保持体３３４内の圧力を監視する圧力センサ３４２から信号を受信する。大容積保持体３３４において十分な圧力を表す信号を受信したときは、ポンプ制御部３４０はアクチュエータ３４５に指示して大容積保持体と半連続的動作ポンプ３３６との間のバルブ３４６を開けさせ、且つ、半連続的動作ポンプに指示して残留媒体ガスを荷電粒子の流れのまわりの真空ライン３２０の外に排気させる。この方法において、半連続的動作ポンプの寿命は、必要に応じて半連続的に動作させるだけで延びる。一実施例において、半連続的動作ポンプ３３６は、４時間ごとに５分間などのように、数時間ごとに数分間動作すると、これにより約２，０００時間のポンプの寿命が約９６，０００時間に延びる。
【００３９】
さらに、シンクロトロン真空システムから入力ガスを分離することにより、ターボ分子ポンプなどのシンクロトロン真空ポンプは、シンクロトロン真空ポンプが処理するガス分子が少なくなるので、長い寿命で動作することができる。例えば、入力ガスは主として水素ガスであるが、二酸化窒素及び二酸化炭素などの不純物を含んでいることもある。陰イオン源システム３１０、第１の部分真空システム３３０、イオン・フォーカス・システム３５０、及び２連型加速器側の陰イオン・ビームにおける入力ガスを分離することによって、シンクロトロン真空ポンプは低圧で長時間動作することができ、これによりシンクロトロン１３０の効率が向上する。
【００４０】
図３において、イオン・ビーム・フォーカス・システム３５０は、１つ以上の電極を有し、各電極対の１つの電極は導電メッシュなどの導電路３７２でイオン・ビーム経路を部分的に遮蔽する。図に示す例においては、２電極イオン・フォーカス部３６０、第１の３電極イオン・フォーカス部３７０、及び第２の３電極イオン・フォーカス部３８０の３つのイオン・ビーム・フォーカス・システム部が示されている。所定の電極対において、電場線は、第１の電極及び第２の電極の導体メッシュの間に延びて、陰イオン・ビームをフォーカスする内向きの力を与える。このような多数の電極対は、多数の陰イオン・フォーカス領域を実現する。好ましくは、２電極イオン・フォーカス部３６０、第１の３電極イオン・フォーカス部３７０、及び第２の電極イオン・フォーカス部３８０は、陰イオン源の後、且つ、２連型加速器の前に配置され、及び又は、イオン・ビーム経路に沿って約０．５、１、又は２メートルの空間を覆う。イオン・ビーム・フォーカス・システムについては、さらに後述する。
【００４１】
図３において、２連型加速器３９０は、好ましくは、カーボン箔などの箔３９５を有する。陰イオン・ビーム経路３１９における陰イオンは、陽子などの陽イオンに変換されて、その結果、最初のイオン・ビーム経路２６２が生じる。箔３９５は、好ましくは、陰イオン・ビーム経路３１９を有する箔３９５の側に維持される約１０−５トールなどの高圧、及び、陽子イオン・ビーム経路２６２を有する箔３９０の側に維持される約１０−７トールなどの低圧を提供する真空管３２０の端に直接的又は間接的に封止されている。２つの圧力領域の中で真空室３２０を物理的に分離する箔３９５を有することにより、より少数及び又はより小型のポンプを有するシステムにとって、入力水素及びその残留が分離した密閉され且つ分離された空間の中で第１の部分真空システム３３０によって抽出されるので、シンクロトロン１３０の中で低圧システムを維持することが可能になる。
【００４２】
（陰イオン源）
ここで、陰イオン源３１０の一実施例についてさらに説明する。図４には、陰イオン源システム４００の一実施例の断面図が示されている。陰イオン・ビーム３１９は、多数のステージの中で生成される。第１のステージの期間においては、水素ガスが室の中に入射される。第２のステージの期間においては、第１の高電圧パルスの印加によって、陰イオンを生成する水素ガスのまわりにプラズマを生成する。第３のステージの期間においては、磁場フィルタがプラズマの成分に対して適用される。第４のステージの期間においては、第２の高電圧パルスの印加によって、陰イオンが低圧プラズマ領域から磁場障壁の反対側に抽出される。以下、４つのステージの各々についてさらに説明する。室が円筒状の断面図として示されているが、その円筒状は一例にすぎず、以下に説明するように、いかなる形状であっても磁気ループの格納壁に当てはまる。
【００４３】
第１のステージにおいて、水素ガスは入力口３１２を通って高温プラズマ領域４９０の中に入射される。入射口４４２は、約１、５又は１０秒よりも短い時間の期間に開口して、真空ポンプの要件を最小にして、真空室３２０の要件を維持する。高温プラズマ領域は、部分真空システム３３０によって低減された圧力に維持される。水素ガスの入射は、主制御部１１０によって任意に制御され、水素ガスの入射が、患者の位置決め及び呼吸の周期の期間などの、画像システム１７０の情報及び患者インターフェース１５０の情報に応答する。
【００４４】
第２のステージにおいては、高温プラズマ領域は、第１の電極４２２及び第２の電極４２４の両端に印加される第１の高電圧パルスによって生成される。例えば、５ｋＶのパルスが、約２０μSの間に、５ｋＶで第２の電極４２４に印加され、約０ｋＶで第１の電極４２２に印加される。高温プラズマ領域４９０において室内の水素は、例えば、原子状水素Ｈ０、陽子Ｈ＋、電子ｅ−、水素陰イオンＨ−のいずれかの成分に分解される。
【００４５】
第３のステージにおいては、高温プラズマ領域４９０は、磁場又は磁場障壁４３０によって、低温プラズマ領域又は区域４９２から少なくとも部分的に分離される。高エネルギーの電子は、磁場障壁４３０を通過するのを制限される。この方法において、磁場障壁４３０は、陰イオン源における区域Ａ及び区域Ｂの間のフィルタの役割を果たす。好ましくは、中央の磁性材料４１０は、例えば、高温プラズマ領域４９０の中央の軸に沿って、高温プラズマ領域４９０の内部に配置される。好ましくは、第１の電極４２２及び第２の電極４２４は、鉄などの磁性材料で構成される。好ましくは、高温プラズマ領域の円筒状の壁などの外壁４５０は、永久磁石、第二鉄、若しくは鉄を使用した材料、又はフェライト誘電体の環状磁石などの磁性材料によって構成される。この方法において、中央の磁性材料４１０、第１の電極４２２、外壁４５０、第２の電極４２４、及び磁場障壁４３０によって、磁場ループが生成される。繰り返えすと、磁場障壁４３０は、高エネルギーの電子が磁場障壁４３０を通過するのを制限する。低エネルギーの電子は、原子状水素Ｈ０と相互に作用して、低温プラズマ領域４９２の中で水素陰イオンＨ−を生成する。
【００４６】
第４のステージにおいては、第２の高電圧パルス又は抽出パルスが、第３の電極４２６に印加される。第２の高電圧パルスは、第１の高電圧パルスの後半の期間に選択的に印加される。例えば、約２５ｋＶの抽出パルスが、約２０μSの第１の生成パルスの最後の約５μSの間に印加される。第３の電極４２６と第２の電極４２４との間の約２０ｋＶの電位差が、低温プラズマ領域４９２から陰イオンＨ−を抽出して、陰イオン・ビームを区域Ｂから区域Ｃに入力する。
【００４７】
磁場障壁４３０は、いくつかの方法で任意に生成される。例えば、コイルを用いて磁場障壁４３０を生成することができる。この実施例において、図４に関して上述した要素は、種々の変形例を含んでいる。第１に、磁場はコイルを用いて生成される。絶縁材料は、好ましくは、第１の電極４２２と円筒状の壁４５０との間にも、第２の電極４２４と円筒状の壁４５０との間にも、同様に設けられる。中央材料４１０及び又は円筒状の壁４５０は、任意の金属である。この方法において、コイルは、第１の電極４２２、絶縁材料、外壁４５０、第２の電極４２４、磁場障壁４３０、及び中央の材料４１０を通る磁場ループを生成する。基本的には、コイルは、磁性材料４１０による磁場の生成の代わりに磁場を発生する。磁場障壁４３０は、上述したように動作する。一般的には、高温プラズマ領域４９０と低温プラズマ領域４９２との間に磁場障壁４３０を生成するいかなる方法であっても、イオン・ビーム抽出システム４００に対して機能的に適用できる。
【００４８】
（イオン・ビーム・フォーカス・システム）
図５を参照して、イオン・ビーム・フォーカス・システム３５０についてさらに説明する。この実施例においては、３つの電極が使用される。この実施例において、第１の電極５１０及び第３の電極５３０は共に負に帯電され、各電極は陰イオン・ビーム経路３１９をひとまわりして囲むか又は少なくとも部分的に囲む環状電極である。第２の電極５２０は正に帯電され、同じく陰イオン・ビーム経路をひとまわりして囲む環状電極である。さらに、第２の電極は、陰イオン・ビーム経路３１９の中に延びる１つ以上の導電路３７２を有する。例えば、その導電路は、第２の電極の全体にわたって延びるワイヤ・メッシュ、導電格子、又は実質的に平行なラインの連続である。使用中は、電場線が、陰イオン・ビーム経路３１９の中で正に帯電された導電路から負に帯電された導電路まで延びる。例えば、使用中は、電場線５４０が、陰イオン・ビーム経路３１９における導電路３７２から負に帯電された電極５１０、５３０まで延びる。フォーカス力を説明するために、陰イオン・ビーム経路の２本の描線５５０、５６０を使用する。第１の描線５５０において、陰イオン・ビームは、第１の電場線とＭ点で交差する。陰イオン・ビーム５５０の中の負に帯電されたイオンは、電場線５７１まで延びるｘ軸成分のベクトル５７２で示される力と交差する。ｘ軸成分のベクトル５７２は、第１の描線の軌道を内側にフォーカスされたベクトル５５２に変え、そのベクトル５５２は第２の電場線とＮ点で交差する。繰り返えすと、陰イオン・ビーム５５２は、ｘ軸成分のベクトル５７４によって内に向かう力ベクトルを有するものとして示されており、電場線５７３まで延びる力と交差し、その力は内側にフォーカスされたベクトル５５２をさらに内側にフォーカスされたベクトル５５４に変える。同様に、第２の描線５６０において、陰イオン・ビームは、第１の電場線とＯ点で交差する。陰イオン・ビームのうち負に帯電されたイオンは、ｘ軸成分の力５７６によって内に向かう力ベクトルを有するものとして示されて電場線５７５まで延びる力と交差する。その内に向かう力ベクトルは、第２の描線５６０の軌道を内側にフォーカスされたベクトル５６２に変え、そのベクトル５６２は第２の電場線とＰ点で交差する。繰り返えすと、陰イオン・ビームは、ｘ軸成分のベクトル５７８によって内に向かう力を有するものとして示されて電場線５７７まで延びる力と交差し、その力は内側にフォーカスされたベクトル５６２をさらに内側にフォーカスされたベクトル５６４に変える。最終的な結果は、陰イオン・ビームに対するフォーカス効果である。力ベクトル５７２、５７４、５７６、及び５７８の各々は、陰イオン・ビーム経路の３次元フォーカスをもたらすｘ力ベクトル成分及び又はｙ力ベクトル成分を任意に有する。もちろん、その力ベクトルは基本的な説明のためのものであり、多数の電場線が交差され、フォーカス効果は統合されたフォーカスを生じる各交差で見られる。この実施例は、フォーカス効果を説明するために用いられる。
【００４９】
図５において、２、３、４、５、６、７、８、又は９個など、任意の数の電極が使用されて、所定のフォーカス部において、すべての他の電極が正又は負のいずれかに帯電されるところで陰イオン・ビームをフォーカスする。例えば、３つのフォーカス部が任意に使用される。第１のイオン・フォーカス部３６０においては、一対の電極が使用されて、陰イオン・ビーム経路に沿って交差された第１の電極が負に帯電され、第２の電極が正に帯電されて、その結果、陰イオン・ビーム経路のフォーカスを生じる。第２のイオン・フォーカス部３７０においては、二対の電極が使用されて、陰イオン・ビーム経路３１９を通す導電メッシュを有し、共に正に帯電された電極が使用される。したがって、第２のイオン・フォーカス部３７０においては、陰イオン・ビーム経路に沿って交差された第１の電極が負に帯電され、第２の電極が正に帯電されて、その結果、陰イオン・ビーム経路のフォーカスを生じる。さらに、陰イオン・ビーム経路に沿って移動する第２のイオン・フォーカス部においては、第２のフォーカス効果は、正に帯電された第２の電極と負に帯電された第３の電極との間に見られる。この実施例においては、再び３つの電極を有する第３のイオン・フォーカス部３８０が使用され、上述したように、第２のイオン・フォーカス部と同じ態様で動作する。
【００５０】
図６を参照して、イオン・ビーム・フォーカス・システム３５０における電極の中央領域についてさらに説明する。図５（Ａ）において、負に帯電された環状電極５１０の中央領域は、好ましくは、導電部材の穴である。図６（Ｂ）乃至図６（Ｄ）において、正に帯電された環状電極５２０の中央領域は、好ましくは、導電路３７２を有する。好ましくは、導電路３７２又は正に帯電された電極環５２０を持つ導電部材は、陰イオン・ビーム経路３１９の断面領域の約１、２、５、又は１０％の領域を遮蔽し、好ましくは、約５％の領域を遮蔽する。図６（Ｂ）を参照すると、第１の選択肢は導電メッシュ６１０である。図６（Ｃ）を参照すると、第２の選択肢は、陰イオン・ビーム経路３１９の一部を囲む正に帯電された電極環５２０の両端におおむね平行に延びる一連の導線６２０である。図６（Ｄ）を参照すると、第３の選択肢は、金属に開けられた孔で陰イオン・ビーム経路の断面のすべてを覆う箔６３０又は金属の薄膜を有するものであり、その孔は箔の領域の約９０乃至９９％であり、好ましくは、約９５％である。さらに一般的には、上述したように、一対の電極は、陰イオン・ビームに力ベクトルを与えてフォーカスする電場線を供給するように構成され、陰イオン・ビーム経路におけるイオンがその電場線の中を移動する。
【００５１】
第１の断面直径ｄ１を有する２電極の陰ビーム・イオン・フォーカス・システムの一実施例において、陰イオンは２電極のシステムを用いて第２の断面直径ｄ２にフォーカスされる。この場合、ｄ１＞ｄ２である。同様に、第１の断面直径ｄ１を有する３電極の陰イオン・ビーム・フォーカス・システムが提供される一実施例において、陰イオンは３電極のシステムを用いて第３の断面直径ｄ３にフォーカスされる。この場合、ｄ１＞ｄ３である。電極にかかる電位については、３電極のシステムは、２電極のシステムに比べてより厳しく又はより強くフォーカスし、ｄ３＜ｄ２となる。
【００５２】
上述した多電極のイオン・ビーム・フォーカス・システムの実施例においては、電極は環状である。さらに一般的には、上述したように電極は、陰イオン・ビーム経路の中のイオンが移動するときにその電場線を通るときに、陰イオン・ビームにフォーカス力のベクトルを与える電場線を供給するに十分であればいかなる形状でもよい。例えば、１つの陰極の環状電極は、負に帯電された複数の電極によって任意に置き換えられ、例えば、陰イオン・ビーム・プルーブの断面領域の外側のまわりに、約２、３、４、６、８、１０個、以上の電極が配置される。一般的には、さらに多くの電極が要求されて、より速い又はより高いエネルギーのビームを収束又は発散する。
【００５３】
他の実施形態においては、上記実施例における電極の極性を反転することによって、陰イオン・ビームが発散される。したがって、陰イオン・ビーム経路は、複数の電極対の組合せを用いて任意にフォーカス及び膨張される。例えば、陰イオン・ビーム経路にわたってメッシュを有する電極が負にされた場合には、陰イオン・ビーム経路はデフォーカスされる。したがって、複数の電極対の組合せは、陰イオン・ビーム経路をフォーカス及びデフォーカスするために用いられ、例えばその場合には、第１の電極対がフォーカスのために正に帯電されたメッシュを有すると共に、第２の電極対がデフォーカスのために負に帯電されたメッシュを有する。
【００５４】
（２連型加速器）
図７（Ａ）を参照して、２連型加速器３９０についてさらに説明する。２連型加速器は、一組の電極７１０、７１１、７１２、７１３、７１４、７１５を用いてイオンを加速する。例えば、陰イオン・ビーム経路内のＨ−などの陰イオンは、抽出電極４２６すなわち陰イオン・ビーム源３１０の第３の電極４２６に比べて次第に高くなっている電圧を有する一組の電極を用いて加速される。具体的には、２連型加速器３９０は、抽出電極４２６の２５ｋＶから２連型加速器３９０における箔３９５の近傍で約５２５ｋＶまで広がる範囲を持つ電極を任意に備えている。陰イオンＨ−は、箔を通過すると、式１に従って、陽子Ｈ＋に応じて２個の電子を失う。
Ｈ−＝Ｈ＋＋２ｅ− （１）
陽子は、さらに多数の電極７１３、７１４、７１５における適切な電圧を用いてさらに加速される。次に、陽子は、上述したように、シンクロトロン１３０の中に入射される。
【００５５】
図７を参照して、２連型加速器３９０内の箔３９５についてさらに説明する。箔３９５は、好ましくは、厚さが約３０乃至２００オングストロームの非常に薄いカーボン・フィルムである。箔の厚さは、（１）イオン・ビームを遮蔽せず、且つ、（２）陽子に応じた電子の移動で陽子ビーム経路２６２を形成できるように設計される。箔３９５は、好ましくは、支持格子などの支持層７２０にほぼ接触している。支持層７２０は、箔３９５に機械的強度を与えて、真空遮蔽素子７２５を形成するように結合する。箔３９５は、窒素ガス、二酸化炭素ガス、水素ガス、及びその他のガスの通過を遮蔽するので、真空障壁の役割を果たしている。一実施形態においては、箔３９５は、陰イオン・ビーム経路３１９を有する箔３１９の側にかけるべき約１０−５トール等の高圧、及び、陽子ビーム経路２６２を有する箔３１９の側にかけるべき約１０−７トール等の低圧を提供する真空管３２０の端に、直接的又は間接的に封止されることが好ましい。真空室３２０を物理的に２つの圧力領域に分離する箔３９５を備えることにより、より少数及び又はより小型のポンプを有する真空システムが、入力水素としてシンクロトロン１３０の中の低圧システムを維持することができ、また、その残留物が、第１の部分真空システム３３０によって、分割した密閉され且つ分離された空間の中に抽出される。箔３９５及び支持層７２０は、好ましくは、２連型加速器３９０又は真空管３２０の構造体７５０に固定されて、取付ネジ７４０で壁に押し付けられた金属、樹脂、又はセラミックの環材７３０などの任意の機械的手段を用いて圧力障壁を形成する。箔によって２つの真空室側に分割し且つ密閉するための任意の機械的手段は、このシステムと同様に適用できる。図７（Ｂ）を参照すると、支持構造体７２０及び箔３９５は、ｘ面、ｙ面のそれぞれに示されている。
【００５６】
図８においては、荷電粒子ビーム・システム１００を使用する他の実施例が示されている。主制御部１１０又は１つ若しくはそれ以上の副制御部は、患者の腫瘍に陽子を正確且つ精密に配送するために、１つ以上のサブシステムを制御する。例えば、主制御部１１０は、患者にメッセージを送信して呼吸をいつするか又はどのようにするかを指示する。主制御部１１０は、治療対象が呼吸を繰り返している状態を示す熱呼吸センサ又は力呼吸センサの読取など、患者インターフェース・モジュールからのセンサの読取を取得する。主制御部は、画像システム１７０から体及び又は腫瘍の位置などの画像を収集する。また、主制御部１１０は、患者インターフェース・モジュール１５０から位置情報及び又はタイミング情報を取得する。次に、主制御部１１０は、入射システム１２０を任意に制御して、陰イオン・ビーム源３１０の中に水素ガスを入射し、陰イオン・ビーム源３１０からの陰イオンの抽出のタイミングを制御する。主制御部は、イオン・ビーム・フォーカス・レンズ・システム３５０、２連型加速器３９０による陽子ビームの加速、及び又は、シンクロトロン１３０の中への陽子の入射を用いて、イオン・ビーム・フォーカスを任意に制御する。シンクロトロンは、通常、少なくとも加速器システム１３２及び抽出システム１３４を備えている。シンクロトロンは、１つ以上の方向転換磁石、エッジ・フォーカス磁石、磁場収束磁石、巻線磁石及び補正磁石、及び平坦磁場入力面を有することが好ましく、それらのいくつかは主制御部１１０によって制御される要素を含んでいる。主制御部は、例えば、陽子ビームの速度、軌道、及び又はタイミングを制御することによって、加速器システム内の陽子ビームを制御することが好ましい。次に、主制御部は、抽出システム１３４によって加速器からの陽子ビームの抽出を制御する。例えば、制御部は、抽出されたビームのタイミング、エネルギー、及び又は強度を制御する。また、主制御部１１０は、目標／配送システム１４０によって患者インターフェース・モジュール１５０への陽子ビームの目標を制御することが好ましい。患者インターフェース・モジュール１５０の１つ以上の要素、例えば、患者の垂直位置、患者の回転位置、及び患者の椅子の位置／安定／制御部品は、主制御部１１０によって制御されることが好ましい。さらに、表示システム１６０の表示要素は、主制御部１１０を介して制御されることが好ましい。表示スクリーンなどの表示装置は、一般的には一人以上のオペレータ及び又は一人以上の患者に提供される。一実施形態においては、主制御部１１０は、すべてのシステムからの陽子ビームの配送の時間を調整するので、陽子は最適な治療方法で患者に配送される。
【００５７】
（周回システム）
シンクロトロン１３０は、直線部９１０及びイオン・ビームの方向転換部９２０を備えることが好ましい。したがって、陽子の周回経路は、シンクロトロンの中の円というよりも、むしろ角が丸い多角形である。
【００５８】
一実施形態においては、シンクロトロン１３０は、加速器システムと同じものを意味することもあり、４個の直線部及び４個の方向転換部を有する。直線部９１０の実施例は、予備加速器２４０、加速器２７０、抽出システム２９０、及び偏向器２９２を備えている。４個の直線部に加えてイオン・ビーム方向転換部９２０があり、それは磁石部又は方向変換部を意味することもある。偏向部についてはさらに後述する。
【００５９】
図９を参照して、シンクロトロンの例について説明する。この実施例においては、最初の陽子ビーム経路に沿って配送された陽子は、周回ビーム経路の中で予備加速器２４０によって予備加速されて、加速後は偏向器２９２を介してビーム搬送路２６８に抽出される。この実施例においては、シンクロトロン１３０は、４個の直線部９１０及び４個の曲げ部又は方向転換部９２０を備え、４個の偏向又は方向転換部９２０の各々は、１つ以上の磁石を使用して陽子ビームを約９０度偏向する。さらに後で説明するように、方向転換部の間隔を小さくできること及び陽子ビームを効率的に偏向できることで、より短い直線部が実現する。直線部を短くすることで、シンクロトロンの周回経路内にフォーカス４極磁石を使用せずに、シンクロトロンの設計をすることができる。周回陽子ビーム経路からフォーカス４極磁石を取り除く結果、さらに小型の設計ができる。この実施例においては、図示されたシンクロトロンは、周回経路内にフォーカス４極磁石を使用しているシステムが８メートルの直径及び大きな断面直径を持っているのに対して、約５メートルの直径を持っている。
【００６０】
参照する図１０においては、第１の偏向又は方向転換部９２０のさらに詳細な図が示されている。各方向転換部は、約２、４、６、８、１０、又は１２個の磁石のように多数の磁石を有することが好ましい。この実施例において、第１の方向転換部２０における４個の方向転換磁石１０１０、１０２０、１０３０、１０４０は、基本的な原理を示すのに使用されており、各方向転換部９２０における磁石の使用個数は同じである。方向転換磁石１０１０は、主要な方向転換磁石又は周回磁石２５０の特定のタイプである。
【００６１】
物理学においては、ローレンツ力は、電磁場の作用で点荷電に働く力である。ローレンツの力は、電場の用語を含まずに磁場の用語で式２によって与えられる。
Ｆ＝ｑ（ｖ×Ｂ） （２）
式２において、Ｆは力で単位はニュートン、Ｂは磁場で単位はテスラ、ｖは瞬間速度で単位はメートル／秒である。
【００６２】
図１１においては、単一磁石偏向又は方向転換部１０１０の一実施例が拡大して示されている。方向転換部は、陽子が周回する中にギャップ１１１０を有する。ギャップ１１１０は、そこにかかる磁場が均一、平坦、強力になるように、平らなギャップであることが好ましい。磁場は磁場入射面を通ってギャップ１１１０に入り、磁場出力面を通って出る。ギャップ１１１０は、半分の２つの磁石の間の真空管の中に延びている。ギャップ１１１０は、少なくとも２つのパラメータ、すなわち、（１）陽子の損失を最小にするためギャップ１１１０ができるだけ大きく保たれるパラメータ、及び（２）磁石サイズ及び関連する物のサイズ及び磁石に供給する必要電力を最小にするためギャップ１１１０ができるだけ小さく保たれるパラメータ、によって規制される。ギャップ１１１０の平らな性質によって、ギャップ１１１０を横断する磁場を圧縮されたより均一なものにできる。ギャップの一実施例は、大きさが約２ｃｍの垂直ビームので、大きさが約５乃至６ｃｍの水平ビームを収容する寸法になっている。
【００６３】
上述したように、ギャップサイズが大きいほど、より大きな電力供給が必要になる。具体的には、ギャップ１１１０の垂直のサイズが２倍になると、必要な電力供給は約４倍に増加する。ギャップ１１１０の平坦さも重要である。例えば、ギャップ１１１０の平らな性質は、抽出された陽子のエネルギーが約２５０から３３０ＭｅＶまで増加できる。特に、ギャップ１１１０が極めて平らな表面を持つならば、鉄の磁石の磁場は限界に達し得る。ギャップ１１１０の表面を極めて高精度にする一実施例では、約５ミクロンより小さく、好ましくは、約１乃至３ミクロンに研磨する。表面が不均一の場合には、供給される磁場に不具合が生じる。研磨された平らな表面は、供給される磁場の不均一を緩和する。
【００６４】
図１１において、荷電粒子ビームは、ギャップ１１１０を通って瞬間速度ｖで移動する。第１の磁気コイル１１２０及び第２の磁気コイル１１３０は、それぞれギャップ１１１０の上側及び下側に延びている。電流がコイル１１２０、１１３０の中を流れると、単一磁石方向転換部１０１０を通って延びる磁場Ｂを発生する。この実施例においては、磁場Ｂは上方に延びて、荷電粒子ビームをシンクロトロンの内側の中央点に向けて押す力Ｆを発生して、荷電粒子ビームを円弧の形に偏向する。
【００６５】
さらに、図１１には、別の第２の磁石偏向又は方向転換部１０２０の一部が示されている。コイル１１２０、１１３０は、通常、第１の磁石偏向又は方向転換部１０１０の端などの１つの磁石の端に、折り返し部分１１４０、１１５０又は屈曲部を有する。屈曲部１１４０、１１５０は空間を必要とする。その空間は、方向転換磁石によって覆われるシンクロトロンの１つの軌道のまわりの経路の割合を低下させる。このことは、陽子が偏向又はフォーカスされない周回経路の部分をもたらし、陽子経路がデフォーカスする周回経路の部分を生じることになる。このため、その空間は大きなシンクロトロンを生じる結果になる。したがって、磁石方向転換部１１６０の間の空間は、小さくすることが好ましい。２、３、４、５、６個、以上の磁石などの複数の磁石に沿って任意に延びるコイル１１２０、１１３０を説明するために、第２の方向転換磁石が示されている。多数の方向転換部の磁石にわたって延びるコイル１１２０、１１３０によって、方向転換部の立体構造の制約を取り除き、空間的に互いに接近して２つの方向転換磁石を配置できるので、２つの方向転換部の磁石の間の空間１１６０を低減化及び又は最少化できる。
【００６６】
図１２及び図１３には、単一磁石偏向又は方向転換部１０１０の断面を９０度回転した２つの図が示されている。磁石アセンブリは、第１の磁石１２１０及び第２の磁石１２２０を有する。後述するように、コイルによって誘発された磁場は、ギャップ１１１０を横断して第１の磁石１２１０と第２の磁石１２２０との間に延びる。戻りの磁場は、第１のヨーク１２１２及び第２のヨーク１２２２の中を延びる。戻りヨークの組み合わされた断面領域は、第１の磁石１２１０又は第２の磁石１２２０の断面領域とほぼ同じである。荷電粒子ビームは、ギャップ１１１０における真空管を通って進む。すでに説明したように、図１２において、陽子はギャップ１１１０及び磁場の中を通って進み、ベクトルＢは陽子に力Ｆを与えて、シンクロトロンの中央に向かって陽子を押し出すが、これは図１２において右側の頁の外になっている。磁場は、巻線を用いて生成される。第１の巻線コイル１２５０を構成する第１のコイルは、図１２において点線で示されて、個々の巻線についての線の断面を代表的に表し、図１３において個々の巻線として示されている。第２の巻線コイル１２６０を構成する線の第２のコイルも、同様に図面で表されている。空気のギャップなどの、分離用又は収束用ギャップ１２３０、１２４０は、鉄基材のヨークをギャップ１１１０から分離する。ギャップ１１１０は、上述したように、ギャップ１１１０にわたって均一な磁場を発生させるために、ほぼ平らになっている。
【００６７】
図１３において、単一偏向又は方向転換磁石の両端は、面取りがされていることが好ましい。方向転換磁石１０１０のほぼ直角のエッジは、破線１３７４、１３８４によって表されている。破線１３７４、１３８４は、シンクロトロンの中心２８０を過ぎて点１３９０で交差する。方向転換磁石のエッジは、角度アルファα及び角度ベータβで面取りされていることが好ましく、角度アルファ及び角度ベータは、方向転換磁石１０１０及び中心２８０から延びる第１の線１３７２、１３８２、及び、同じ方向転換磁石のエッジ及び交差点１３９０から延びる第２の線１３７４、１３８４によって形成される。角度アルファはその効果を記述するために用いられ、角度アルファの記述は角度ベータに適用するが、角度アルファは角度ベータとは異なる任意の角度でもよい。角度アルファは、エッジ・フォーカス効果を実現する。方向転換磁石１０１０のエッジを角度アルファで面取りすることで、陽子ビームをフォーカスする。
【００６８】
多数の方向転換磁石は、シンクロトロン１３０において各々がエッジ・フォーカス効果を有する多数の磁石エッジを実現する。方向転換磁石が１つだけ使用された場合には、ビームは角度アルファで１回又は角度アルファ及び角度ベータで２回だけフォーカスされる。しかしながら、より小さな方向転換磁石を用いることによって、さらに多くの方向転換磁石がシンクロトロン１３０の方向転換部９２０の中に収まる。例えば、４個の磁石がシンクロトロンの方向転換部９２０の中に使用された場合には、単一方向転換磁石において、１個の磁石に対して２つのエッジにより、８個のエッジ・フォーカス効果面が可能になる。８個のフォーカス面は、より小さな断面ビームサイズをもたらす。このことは、より小さなギャップ１１１０の使用を可能にする。
【００６９】
方向転換磁石においてマルチ・エッジ・フォーカス効果を使用することにより、より小さなギャップ１１１０を実現するだけでなく、より小さな磁石及びより小さな電力供給も実現できる。各方向転換部が４個の方向転換磁石を有し、且つ、各方向転換磁石が２つのエッジを有する方向転換磁石を４個備えたシンクロトロンにおいては、シンクロトロン１３０の周回経路の中の陽子の各軌道に対して、合計３２のフォーカス・エッジが存在する。同様に、２、６、又は８個の磁石が所定の方向転換部に使用され、又は、２、３、５、若しくは６個の磁石が使用された場合には、エッジ・フォーカス面の数は、次の式３に応じて拡大又は縮小する。
ＴＦＥ＝ＮＴＳ＊（Ｍ／ＮＴＳ）＊（ＦＥ／Ｍ） （３）
ここで、ＴＦＥはフォーカス・エッジの数、ＮＴＳは方向転換部の数、Ｍは磁石の数、ＦＥはフォーカス・エッジの数である。もちろん、すべての磁石が面取りされる必要はなく、いくつかの磁石は１つのエッジだけを任意に面取りをしてもよい。
【００７０】
発明者らは、多数のより小さな磁石が、少数のより大きな磁石よりも利益があることを突き止めた。例えば、４個の大きな磁石を使用した場合には８フォーカス・エッジしかもたらさないのに対して、１６個の小さな磁石を使用した場合には３２フォーカス・エッジをもたらす。さらに多くのフォーカス・エッジを有するシンクロトロンは、フォーカス４極磁石を使用しなくても、シンクロトロンの周回経路をつくることができる。従来技術のすべてのシンクロトロンは、シンクロトロンの周回経路に４極磁石を使用している。さらに、周回経路において４極磁石を使用した場合には、シンクロトロンの周回経路に直線部を追加する必要がある。このため、シンクロトロンの周回経路に４極磁石を使用することは、その結果、より大きな直径、周回ビーム経路長、及び又はより大きな円周を有するシンクロトロンになってしまう。
【００７１】
この実施形態に記載されたシステムの種々の実施形態において、シンクロトロンは以下の任意の組合せを備えている。
・４つの方向転換部を有するシンクロトロンにおける荷電粒子ビームの９０度の偏向ごとに少なくとも４個、好ましくは６、８、１０個、又はそれ以上のエッジのフォーカス・エッジ、
・シンクロトロンにおける荷電粒子ビームの軌道ごとに少なくとも約１６個、好ましくは２４、３２個、又はそれ以上のエッジのフォーカス・エッジ、
・少なくとも４個、好ましくは８個のエッジのフォーカス・エッジを各方向転換部が有する４個だけの方向転換部、
・同数の直線部及び方向転換部、
・きっかり４個の方向転換部、
・方向転換部ごとに少なくとも４個のエッジのフォーカス・エッジ、
・４極磁石を有しないシンクロトロンの周回経路、
・丸い角の多角形の構造、
・６０メートル未満の円周、
・６０メートル未満の円周及び３２個のフォーカス・エッジ面、及び
・シンクロトロンの各周回経路においてフォーカス・エッジのエッジを有する４極磁石からなる約８、１６、２４、又は３２個の４極磁石を持たない構造。
【００７２】
図１２を参照して、第１の磁石１２１０の入射磁場面１２７０についてさらに説明する。図１２は、目盛りがなく、基本的なものを示している。入射面１２７０の最後の質の局部的な不具合又は不均一は、ギャップ１１１０に加えられる磁場に不均質又は不具合を生じる結果となる。入射面１２７０は、好ましくは、平らであり、例えば、約０から３ミクロンの最終研磨の範囲内、あるいは１０ミクロンの最終研磨の範囲内であることが好ましい。
【００７３】
図１４を参照して、図１２において断面図で表された磁石に追加される磁石要素について説明する。第１の磁石１２１０は、鉄基材コアの第１の断面距離１４１０を有することが好ましい。磁場の外周は、磁石１２１０、１２２０及びヨーク１２１２、１２２２によって共有されている。鉄基材コアは、第２の断面距離１４２０に向かって次第に狭くなっている。磁石内の磁場は、ギャップ１２３０、１２４０に対向するように、鉄基材コア内に偏った状態で存在している。断面距離が第１の断面距離１４１０から第２の断面距離１４２０へと小さくなっているので、磁場は集束する。磁石の形状が長い距離１４１０から短い距離１４２０に変化することで、増幅器として働くことになる。磁場の集束は、第１の断面距離１４１０における磁場ベクトルの密度から、第２の断面距離１４２０における磁場ベクトルの高い密度に至ることで表現されている。磁場の収束は、方向転換磁石の形状で決まるので、巻線コイル１２５０、１２６０の数をより少なくすることが要求され、コイルに対する電力供給も小さくすることが要求される。
【００７４】
＜実施例Ｉ＞
一実施例においては、最初の断面距離１４１０は、約１５ｃｍであり、最後の断面距離１４２０は、約１０ｃｍである。その与えられた数値を用いると、磁場の集束は、ギャップ１１１０の入射面１２７０において約１５／１０又は１．５倍であるが、その関係はリニアではない。テーパー１４６０は、約２０、４０、又は６０度の傾斜を持っている。例えば１．５倍の磁場の集束は、その分だけ磁石に必要な電力消費の減少を実現する。
【００７５】
図１５を参照して、集束磁場に使用される磁石の形状の追加の実施例について説明する。図１４に示したように、第１の磁石１２１０は、鉄基材コアの第１の断面距離１４１０を有することが好ましい。磁場の外周は、磁石１２１０、１２２０及びヨーク１２１２、１２２２によって共有されている。この実施例においては、コアは、小さい角度θで第２の断面距離１４２０に向かって狭くなっている。上述したように、磁石内の磁場は、ギャップ１２３０、１２４０に対向するように、鉄基材コア内に偏った状態で存在している。断面距離が第１の断面距離１４１０から第２の断面距離１４２０へと小さくなっているので、磁場は集束する。角度θが小さくなればなるほど、長い距離１４１０から短い距離１４２０に進む磁場の増幅は次第に大きくなる。磁場の集束は、第１の断面距離１４１０における磁場ベクトルの最初の密度から、第２の断面距離１４２０における磁場ベクトルの集束された密度に至ることで表現されている。磁場の収束は、方向転換磁石の形状で決まるので、巻線コイル１２５０、１２６０の数をより少なくすることが要求され、コイルに対する電力供給もより小さくすることが要求される。
【００７６】
図１５において、１つ以上の方向転換磁石の強度を補正するのに使用される追加のコイル１５１０、１５２０が示されている。補正コイル１５２０、１５３０は、巻線コイル１２５０、１２６０を補うものである。補正コイル１５２０、１５３０は、巻線コイル１２５０、１２６０で使用される巻線コイルの電力供給から分離している補正コイル電力を使用する。補正コイルの電力供給は、巻線コイルの電力供給と比較すると、それに必要な電力のほんの何分の１、例えば、その電力の約１、２、３、５、７、又は１０％で、約１又は２％で動作が可能であることが好ましい。補正コイル１５１０、１５２０に供給される動作電力が小さくなればなるほど、補正コイルをさらに正確及び又は精密に制御することが可能になる。補正コイルは、方向転換磁石１０１０、１０２０、１０３０、１０４０における不具合を調整するのに使用される。分離した補正コイルは、各方向転換磁石に対して任意に使用されて、各方向転換磁石に対する磁場の個々の偏向ができるので、各方向転換磁石の製造における品質要求を容易に叶えることができる。
【００７７】
図１６には、イオン・ビームの方向転換部９２０における複数の方向転換磁石１０１０、１０２０のまわりの巻線コイル１６３０及び補正コイル１６２０の一実施例が示されている。図に示すように、２つの方向転換磁石の巻線コイル１６３０及び補正コイルは、１つの方向転換磁石及び２つの方向転換磁石を補正するように示されている。しかしながら、巻線コイルは、１、２、又は４個の方向転換磁石など、１つ以上の方向転換磁石を任意に覆う。同様に、補正コイルは、１、２、又は４個の方向転換磁石など、１つ以上の方向転換磁石を任意に覆う。覆われる方向転換磁石の個数は、巻線コイル及び補正コイルと同じ個数であることが好ましい。１つ以上の高精密部材１８３０は、シンクロトロンの中に配置されて、陽子ビーム経路において又はその近傍で磁場を測定するのに使用される。例えば、磁気センサは、ギャップ１１１０若しくはその近傍又は磁石若しくはヨーク若しくはその近傍など、方向転換磁石の間又は方向転換磁石の内部に任意に配置される。センサは、補正コイルに対するフィードバック・システムの一部であり、主制御部によって任意に駆動する。このように、システムは、好ましくは、磁石に供給される電流を安定化するというよりむしろ、シンクロトロンの要素における磁場を適切に安定化する。磁場の安定化によって、シンクロトロンは新たなエネルギーレベルに迅速に到達できる。このことにより、システムは、オペレータ又はアルゴリズムによって、シンクロトロンの各パルス及び又は患者の各呼吸によって選択されたエネルギーレベルを制御する。方向転換磁石の近傍又は方向転換磁石の間に配置された任意の磁場センサ１６５０は、磁場強度を制御する制御システムへの入力として任意に使用される。
【００７８】
巻線コイル及び又は補正コイルは、１、２、３、又は４個の方向転換磁石を補正し、好ましくは、２つの方向転換磁石によって発生される磁場を補正する。多数の磁石を覆う巻線コイル又は補正コイルによって、巻線コイル又は補正コイルの両端が少なくなり、両端が占有する必要な空間すなわち磁石の間の空間を小さくする。
【００７９】
＜実施例ＩＩ＞
図１７は、フィードバック・ループ１７００を用いて磁場制御を明確にして、配送時間及び又は陽子パルス配送の間隔を変更する一実施例である。ある１つ場合においては、呼吸センサ１７１０は、患者の呼吸の周期を感知する。呼吸センサは、通常、患者インターフェース・モジュール１５０を介して、及び又は、主制御部１１０若しくはその副制御部を介して、磁場制御部１７２０のアルゴリズムに情報を送信する。アルゴリズムは、患者が呼吸の周期において、呼吸の底などの特異なポイントになるときを予測及び又は測定する。磁場センサ１７３０は、磁場制御部への入力として使用され、シンクロトロン１３０の第１の方向転換磁石内などの所定の磁場に対する磁気電力供給１７４０を制御する。したがって、制御フィードバック・ループは、選択されたエネルギーレベルをシンクロトロンにダイヤルするのに使用され、また、呼吸が底の時などの選択された時点の時間内に、所望のエネルギーレベルで陽子を配信するのに使用される。特に、主制御部は、シンクロトロンの中に陽子を入射し、抽出と組み合わせた方法でその陽子を加速し、呼吸の周期における選択された時点で陽子を腫瘍に配送する。陽子ビームの強度もこの段階で主制御部によって選択可能になり、制御可能になる。補正コイルに対するフィードバック制御によって、患者の呼吸の周期に連動したシンクロトロンのエネルギーレベルの迅速な選択が可能になる。このシステムは、電流が一定の値に安定化され、且つ、固定した周期の１０又は２０サイクル／秒のように、１つの周期でシンクロトロンがパルスを配送するようなシステムとは、全く対照的である。
【００８０】
フィードバック又は磁場の設計を補正コイルと組み合わせることで、抽出の周期を患者の呼吸の変化速度に合わせることができる。
【００８１】
従来の抽出システムがこの制御をすることができないのは、正弦波の大きさ及び増幅の双方に関するメモリを磁石が持っているからである。したがって、従来のシステムにおいては、周波数を変更するために、電流の緩やかな変化を採用しなければならない。これに対して実施形態では、磁場センサを用いたフィードバックを使用することで、シンクロトロンの周波数及びエネルギーレベルを素早く調整することができる。さらに、この処理を支援することで、後述するように、抽出処理の期間中に陽子の加速ができる新しい抽出システムを使用できる。
【００８２】
＜実施例ＩＩＩ＞
再び図１６を参照すると、４つの方向転換磁石１０１０、１０２０、１０３０、１０４０を覆う巻線コイル１６３０の一実施例が示されている。任意ではあるが、第１の巻線コイルは２つの磁石１０３０、１０４０を覆い、第２の巻線コイルは別の２つの磁石１０１０、１０２０を覆う。上述したように、このシステムは、方向転換部の間の空間を小さくして、方向転換の角度ごとにさらに多くの磁場を供給する。第１の補正コイル１６１０は、第１の方向転換磁石１０１０に対する磁場を補正するのに使用されることを示している。第２の補正コイル１６２０は、４つの方向転換磁石のまわりの巻線コイル１６３０に対する磁場を補正するのに使用されることを示している。各方向転換磁石に対する個々の補正コイルは、各方向転換部において最も精密な及び又は最も正確な磁場を発生させるのに好適な個々の補正コイルである。特に、個々の補正コイル１６１０は、所定の方向転換部の個々の磁石の不具合を補償するのに使用される。したがって、磁場監視システムにおける一連の磁場センサによれば、独立したコイルが各方向転換部に対して使用されるので、対応する磁場は一連のフィードバック・ループにおいて個々に調整できる。あるいは、他の実施例においては、多数の磁石補正コイルは、複数の方向転換磁石に対する磁場を補正するのに使用される。
【００８３】
（平らなギャップ表面）
第１の方向転換磁石の観点からギャップ表面を説明する一方で、シンクロトロン内の方向転換磁石の各々について説明する。同様に、磁場入射表面６７０の観点からギャップ１１１０を説明する一方で、磁場出射表面６８０について説明する。
【００８４】
第１の磁石１２１０の磁場入射表面１２７０はほぼ平坦であることが好ましく、例えば、ほぼ０から３ミクロンの仕上げ研磨又は約１０ミクロンの仕上げ研磨であることが好ましい。極めて平坦にすることによって、研磨された表面は、ギャップ１１１０を横断して供給される磁場の不均一性を解消する。極めて平坦な表面、例えば、ほぼ０、１、２、４、６、８、１０、１５、又は２０ミクロンの仕上げ表面は、ギャップサイズをより小さくすること、供給される磁場をより小さくすること、供給電力をより小さくすること、及び、陽子ビームの断面面積をより厳密に制御することを可能にする。
【００８５】
（陽子ビーム抽出）
図１８には、シンクロトロン１３０からの陽子抽出処理の一実施例が示されている。明確にするために、図１８では、図２に示した方向転換磁石などの要素を取り除くことで、時間の関数としての陽子ビーム経路の表現を非常に明確にすることができる。一般的には、陽子を遅くすることにより、シンクロトロン１３０から陽子が抽出される。上述したように、陽子は周回経路２６４の中で最初に加速されて、複数の主偏向磁石２５０によりその加速された陽子が維持される。周回経路は、この実施形態では最初の中心のビームライン２６４と呼ばれる。陽子は、シンクロトロン２８０の中心のまわりを繰り返し周回する。陽子経路は、高周波（ＲＦ）空洞システム１８１０の中で向きを変える。抽出を開始するために、ＲＦ空洞システムにおいて、第１の羽根１８１２及び第２の羽根１８１４にわたってＲＦ磁場が供給される。第１の羽根１８１２及び第２の羽根１８１４は、この実施形態では第１の対の羽根と呼ばれる。
【００８６】
陽子抽出処理においては、第１の対の羽根にわたってＲＦ電圧が供給され、そこでは第１の対の羽根の第１の羽根１８１２は周回陽子ビーム経路２６４の一方の側にあり、第１の対の羽根の第２の羽根１８１４は周回陽子ビーム経路２６４の反対側にある。供給されたＲＦ磁場は、周回する荷電粒子ビームに対してエネルギーを与える。供給されたＲＦ磁場は、軌道又は周回ビーム経路をわずかに変更して、最初の中心のビームライン２６４から周回ビーム経路２６５にする。ＲＦ空洞システムの中で陽子が第２の経路に移動すると、ＲＦ磁場は、最初のビームラインからはずれた陽子をさらに移動する。例えば、最初のビームラインが円形の経路であるとすると、変更されたビームラインはわずかに楕円形の経路になる。供給されるＲＦ磁場はタイミングを合わせて、シンクロトロン加速器の中で周回する陽子の所定の軌道を内側又は外側に移動させる。陽子の各軌道は、最初の周回ビーム経路２６４と比べて少しずつさらに外れた軸になっている。ＲＦ空洞システムを通る陽子の連続する通過は、ＲＦ磁場を通る陽子ビームの連続する各通過に伴って、ＲＦ磁場の方向及び又は強度を変更することによって、最初の中心のビームライン２６４から次第に移動を強いられる。
【００８７】
ＲＦ電圧は、１回の回転に対してシンクロトロンのまわりを周回する１つの陽子の周期にほぼ等しい周波数で周波数変調されるか、又は、シンクロトロンのまわりを周回する１つの陽子の周期の積分乗算器よりも高い周波数で周波数変調される。供給されたＲＦ周波数変調電圧は、ベータトロン振動を励起する。例えば、その振動は陽子の正弦波の動きになっている。ＲＦ空洞システム内の所定の陽子ビームに対するＲＦ磁場タイミングの処理は、陽子が最初の中心ビームライン２６４からさらにほぼ１マイクロメートル離れて動く連続する各通過で数千倍繰り返される。説明を明確にするために、ＲＦ磁場を通る陽子の所定の軌道の連続する各経路と共にほぼ１０００回変化するビーム経路が、変更されたビーム経路２６５として図示されている。
【００８８】
正弦波のベータトロンの十分な振幅があるので、変更された周回ビーム経路２６５は、箔又は箔のシートなどの部材１８３０に接触する。箔は、軽量の材料、例えば、ベリリウム、水素化リチウム、カーボン・シート、又は低い核電荷の物質であることが好ましい。低い核電荷の物質は、実質的には６個又はそれより少ない個数の陽子を持つ原子で構成された物質である。箔は、好ましくは、約１０乃至１５０ミクロンの厚さであり、さらに好ましくは、３０乃至１００ミクロンの厚さであり、さらにいっそう好ましくは、４０乃至６０ミクロンの厚さである。一実施例では、箔は、約５０ミクロンの厚さのベリリウムである。陽子が箔の中を通り抜けると、陽子のエネルギーが失われ、陽子の速度が低下される。後述するように、通常、電流も発生される。低速度で動く陽子は、最初の中央ビームライン２６４又は変更された周回経路２６５のいずれかと比べて、小さくなった曲率半径２６６でシンクロトロン内を移動する。小さくなった曲率半径２６６の路についても、ここでは、より小さい直径の軌道を有する経路又は低エネルギーの陽子を有する経路という。小さくなった曲率半径２６６は、通常、変更された陽子ビーム経路２６５に沿った陽子の最後の通過の曲率半径よりも約２ミリメートル小さい。
【００８９】
部材１８３０の厚さは、曲率半径における変化が、例えば、陽子の最後の通過路２６５又は最初の曲率半径２６４よりも約１／２ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、又は４ｍｍ小さく形成されるように任意に調整される。より小さな曲率半径で動く陽子は、第２の対の羽根の間を移動する。第１の場合においては、第２の対の羽根は、第１の対の羽根とは物理的に別個のもの及び又は分離したものになっている。第２の場合においては、第１の対の羽根の１つが第２の対の羽根の要素にもなっている。例えば、第２の対の羽根は、ＲＦ空洞１８１０内の第２の羽根１８１４及び第３の羽根１８１６である。ここで、約１乃至１．５ｋＶなどの高電圧のＤＣ信号が第２の対の羽根の両端に印加されると、ラムバーソン抽出磁石などの抽出磁石２９２によって、陽子をシンクロトロンの外の輸送路２６８に導く。
【００９０】
加速器によるシンクロトロン内の荷電粒子ビーム経路の加速の制御によって、及び又は、上述した抽出システムと組み合わされた方向転換磁石に対して供給された磁場によって、抽出された陽子の強度を制御することができる。そこでは、強度は単位時間における陽子の束又は時間の関数として抽出された陽子の数である。例えば、閾値を超えた電流が計測されたときは、ＲＦ空洞内のＲＦ磁場変調が終了又は起動停止がなされて、陽子ビーム抽出の十分な周期を確立する。この処理は繰り返されて、シンクロトロン加速器からの陽子ビーム抽出を多く繰り返すことができる。
【００９１】
抽出システムは、磁場の性質のいかなる変化にも依存していないので、シンクロトロンは加速モード又は減速モードにおける動作を継続することができる。言い換えれば、抽出処理は、シンクロトロン加速器に干渉することはない。これと極めて対照的に、従来の抽出システムは、抽出処理の期間中に、６極磁石などによる新たな磁場を採用している。特に、従来のシンクロトロンは、加速段階の期間中はオフとなる６極磁石などの磁石を備えている。抽出段階の期間中は、６極磁石の磁場がシンクロトロンの周回経路に導入される。磁場の導入は、２つの別個のモード、加速モード及び抽出モードを強いられて、２つのモードは同じ時間においては相互に排他的なものとなる。
【００９２】
（荷電粒子ビームの強度制御）
高周波（ＲＦ）磁場などの磁場の制御によって、ＲＦ空洞１８１０内の周波数及び振幅は抽出された陽子ビームの強度制御を可能にし、その制御では、強度は単位時間に抽出された陽子の束又は時間の関数として抽出された陽子の数となる。
【００９３】
さらに図１８を参照する。陽子ビーム内の陽子が部材１８３０にぶつかると、電子が放出されて電流が発生する。発生した電流は、電圧に変換されて、イオン・ビーム強度監視システムの要素として、又は、ビーム強度制御のためのイオン・ビーム・フィードバック・ループの要素として用いられる。その電圧は、任意に測定されて、主制御部１１０又は制御部のサブシステムに任意に送られる。特に、荷電粒子ビーム経路内の陽子が部材１８３０を通過すると、いくつかの陽子はほんの何分の１のエネルギー、例えば、約１０分の１の割合のエネルギーを失って、その結果２次電子が発生する。すなわち、荷電粒子ビーム内の陽子は、部材１８３０を通過するときに２次放出を生じるに十分なエネルギーの電子を与えることで、いくつかの電子を放出する。発生した電子の流れは、目標の部材１８３０を通過する陽子の数に比例する電流又は信号を発生する。発生した電流は、電圧に変換されて増幅されることが好ましい。発生した信号は、測定された強度信号と呼ばれる。
【００９４】
陽子が部材１８３０を通過した結果得られた増幅された信号又は測定された強度信号は、抽出された陽子の強度を制御するのに使用されることが好ましい。例えば、測定された強度信号は、腫瘍面１８６０の照射においてあらかじめ設定される目標信号と比較される。一実施例において、腫瘍面１８６０は、患者のｘ位置、ｙ位置、時間、及び又は回転位置の関数として、配送される陽子ビームの目標の又は対象にされたエネルギー及び強度を有する。測定された強度信号と予定された目標信号との間の差分が計算される。その差分がＲＦ発生器に対する制御として使用される。したがって、陽子が部材１８３０を通過した結果生じて測定された電流の流れは、ＲＦ発生器において、ベータトロン振動を受け且つ部材１８３０に衝突する陽子の数の増加又は減少を制御するのに使用される。したがって、部材１８３０の電圧のうち差し引いて算出された電圧は、軌道経路の測定として使用され、且つ、ＲＦ空洞システムを制御するためのフィードバック制御として使用される。あるいは、他の実施例として、測定された強度信号はフィードバック制御には使用されず、抽出された陽子の強度の監視としてだけ使用される。
【００９５】
上述したように、陽子が部材１８３０に衝突することは、シンクロトロン１３０から陽子を抽出する中での工程である。したがって、測定された強度信号は、抽出される単位時間に対する陽子の数を変化するのに使用され、陽子ビームの強度と呼ばれる。このため、陽子ビームの強度は、アルゴリズム制御に従うことになる。さらに、陽子ビームの強度は、シンクロトロン１３０における陽子の速度から分離して制御される。したがって、抽出された陽子の強度及び抽出された陽子のエネルギーは独立して変化する。
【００９６】
例えば、陽子はシンクロトロン１３０の中で最初は平衡状態の軌道で移動する。ＲＦ磁場は、ベータトロン振動の中に陽子を励起するのに使用される。１つの場合では、陽子の軌道の周波数は約１０ＭＨｚである。一実施例においては、約１ミリ秒間において又は約１０，０００回の軌道の後において、最初の陽子が目標の磁場センサ１３０の外側のエッジを叩く。その特定の周波数は、軌道の周期に依存している。陽子が磁場センサ１３０を叩くと、陽子は箔によって電子を放出て電流を生成する。その電流は電圧に変換されて増幅され、測定された強度信号を取得できる。測定された強度信号は、供給されるＲＦの大きさ、ＲＦの周波数、又はＲＦ磁場を制御するためのフィードバック入力として使用される。好ましくは、測定された強度信号は、目標信号と比較され、測定された強度信号と目標信号との差分の測定値は、抽出の工程で陽子の強度を制御するための抽出システムにおいてＲＦ空洞システム１８１０に供給されるＲＦ磁場を調整するのに使用される。繰り返して言及すると、陽子が磁場センサ１３０を叩くことによって及び又は陽子が磁場センサ１３０を通過することによって発生する信号は、ＲＦ磁場変調への入力として使用される。ＲＦ変調の大きさを増加するほど、その結果、陽子が箔又は磁場センサ１３０を叩くのが次第に遅くなる。ＲＦを増加することによって、より多くの陽子が箔の中に放出され、その結果、シンクロトロン１３０から抽出される陽子の強度又は単位時間当たりの陽子の数が増加する。
【００９７】
他の実施例において、シンクロトロン１３０の外部の検出器１８５０は、シンクロトロンから抽出された陽子の束を測定するのに使用され、外部の検出器からの信号は、ＲＦ空洞システム１８１０におけるＲＦ磁場又はＲＦ変調を変更するのに使用される。ここで、外部の検出器は外部信号を発生し、その信号は、前の段落において説明した測定された強度信号と同じ方法によって使用される。特に、測定された強度信号は、フィードバック強度制御部１８４０における照射面１８６０からの所望の信号と比較され、上述したように、抽出処理における第１のプレート１８１２及び第２のプレート１８１４の間のＲＦ磁場を調整する。
【００９８】
さらに他の実施例において、陽子が磁場センサを通過すること又は磁場センサを叩くことで生じる磁場センサ１３０からの電流が閾値を超えたことが測定されたときは、ＲＦ空洞システム内のＲＦ磁場変調は、終了又は起動停止がなされて、陽子ビーム抽出の十分な周期が確立される。この処理は繰り返されて、シンクロトロン加速器からの陽子ビーム抽出を多く繰り返すことができる。
【００９９】
さらにまた他の実施例において、抽出された陽子ビームの強度変調は、主制御部１１０によって制御される。主制御部１１０は、荷電粒子ビームの抽出のタイミング及び抽出された陽子ビームのエネルギーを任意に及び又は補足的に制御する。
【０１００】
システムの利点には、多次元のスキャン・システムが含まれる。特に、システムは、（１）抽出された陽子のエネルギー、及び（２）抽出された陽子の強度に、独立性を持たせることができる。すなわち、抽出された陽子のエネルギーは、エネルギー制御システムによって制御され、抽出された陽子の強度は、強度制御システムによって制御される。エネルギー制御システム及び強度制御システムは、任意に且つ独立して制御される。好ましくは、主制御部１１０は、エネルギー制御システムを制御し、また、主制御部は、強度制御システムを同時に制御して、制御されたエネルギー及び制御された強度が独立して変化する中で、制御されたエネルギー及び制御された強度によって抽出される陽子ビームが得られる。このように、腫瘍をたたく照射スポットは、
・時間
・エネルギー
・強度
・患者に対する陽子ビームの水平方向の移動を表すｘ軸の位置、
・患者に対する陽子ビームの垂直方向の移動を表すｙ軸の位置
の独立した制御下におかれる。さらに、患者は、同じ時間における陽子ビームの変換軸に対して任意に且つ独立して回転される。
【０１０１】
（患者の位置決め）
図１９において、患者は、好ましくは、患者インターフェース・モジュール１５０の患者位置システム１９１０の上又は内部に置かれる。患者位置システム１９１０は、後述するように、スキャン・システム１４０又は陽子目標システムを用いて陽子ビームが腫瘍をスキャンできる範囲の中に患者を移送するため及び又はその範囲の中で回転するのに使用される。実際のところ、患者位置システム１９１０は、患者の大きな移動を実行して陽子ビーム経路２６８の中心近くに腫瘍を位置させ、陽子スキャン又は目標システム１４０は、腫瘍１２９０を目標にする一時的なビーム位置２６９の細かい移動を実行する。説明のために、図１９は、一時的な陽子ビーム位置２６９及び陽子スキャン又は目標システム１４０を用いてスキャンできる位置１９４０を示している。そこでは、スキャンできる位置１９４０は、患者１９３０の腫瘍１９２０の周囲になっている。この図に示すように、患者のｙ軸の移動は体の規模で生じ、例えば、約１、２、３、又は４フィートの調整であり、一方、陽子ビーム２６８のスキャンできる範囲は体の部分をカバーし、例えば、約１、２、４、６、８、１０、又は１２インチの領域になっている。患者位置システム及び患者の回転及び又は配送は陽子目標システムと組み合って、腫瘍に対する陽子の精密且つ正確な配送を実現する。
【０１０２】
図１９において、患者位置システム１９１０は、ディスク又は載置台などの下部ユニット１９１２及び上部ユニット１９１４を任意に有する。図１９（Ａ）に示すように、患者位置ユニット１９１０は、好ましくは、ｙ軸調整可能１９１６になっていて、陽子ビーム治療ビーム２６８に対して患者の垂直の昇降が可能である。好ましくは、患者位置ユニット１９１０の垂直動作は、１分間に約１０、２０、３０、又は５０センチメートルである。図１９（Ｂ）に示すように、患者位置システムユニット１９１０も、好ましくは、ｙ軸のまわりなどの回転軸のまわりの回転１９１７が可能になっていて、陽子ビーム経路２６８に対して患者の回転制御及び位置決めが可能である。好ましくは、患者位置ユニット１９１０の回転動作は、１分間に約３６０度である。あるいは、患者位置決めユニットは、約４５、９０、又は１８０度に回転する。また、あるいは、患者位置決めユニット１９１０は、１分間に約４５、９０、１８０、３６０、７２０、又は１０８０度の速度で任意に回転する。位置決めユニットの回転１９１７は、２つの異なる時間ｔ１及びｔ２について回転軸のまわりに示されている。陽子は、腫瘍１９２０にｎ回任意に配送される。この場合において、ｎ回の各々は、回転軸のまわりの患者１９１７の回転によって、患者１９３０を叩く入射陽子ビームの異なる方向を表している。
【０１０３】
以下に説明する半垂直、着座、横臥の患者位置決めのすべての実施形態は、ｙ軸に沿って垂直に任意に配送可能であり、又は、回転若しくはｙ軸のまわりに任意に回転可能である。
【０１０４】
好ましくは、上部ユニット及び下部ユニット１９１２、１９１４は同時に移動するので、同じ速度で回転し、同じ速度で平行移動する。上部ユニット及び下部ユニット１９１２、１９１４は、ｙ軸に沿って独立して任意に調整可能であるので、上部ユニット及び下部ユニット１９１２、１９１４の間を異なる距離にすることができる。上部ユニット及び下部ユニット１９１２、１９１４を動かすためのモータ、電源、及び機械部品は、下部ユニット１９１２の下側及び又は上部ユニット１９１４の上側など、陽子ビーム経路２６９の外に配置されることが好ましい。このことが好ましいのは、患者位置決めユニット１９１０が、３６０度に任意に回転可能であるので、モータ、電源、及び機械部品が、陽子ビーム経路２６９において位置が変化した陽子の妨げになるからである。
【０１０５】
（陽子ビームの位置制御）
図２０には、ビーム配送及び腫瘍体積スキャンのシステムが示されている。現在、世界照射線治療界では、ペンシル・ビーム・スキャン・システムを用いて、線量磁場形成の方法を使用している。これと極めて対照的に、図２０は、スポット・スキャン・システム又は腫瘍体積スキャン・システムを示している。腫瘍体積スキャン・システムにおいては、安価で精密なスキャン・システムを用いて、輸送及び分配という観点から陽子ビームが制御される。そのスキャン・システムは能動的なシステムであり、そのシステムでは、直径が約０．５、１、２、又は３ミリメートルのスポット焦点の中にビームがフォーカスされる。陽子ビームの供給エネルギーを同時に変更する期間に、焦点は２つの軸に沿って平行移動され、そのことが焦点の第３の範囲を効果的に変化させる。そのシステムは、上述した体の回転と併用して適用することが可能であり、その併用は腫瘍に対する陽子の配送の個々の瞬間に又は周期の間に起こることが好ましい。任意ではあるが、上述のシステムによる体の回転は、腫瘍に対する陽子の配送と共に連続的に且つ同時に起こる。
【０１０６】
例えば、図２０（Ａ）に示すように、スポットは水平に平行移動され、垂直に下に移動され、次に、水平軸に沿って戻る。この実施例においては、電流が使用されて、少なくとも１つの磁石を有する垂直スキャン・システムを制御する。供給された電流は、垂直スキャン・システムの磁場を変更して、陽子ビームの垂直な偏向を制御する。同様に、水平スキャン磁石システムは、陽子ビームの水平な偏向を制御する。各軸に沿った平行移動の程度は制御されて、所定の深さの腫瘍断面に一致する。その深さは、陽子ビームのエネルギーを変化することによって制御される。例えば、陽子ビームのエネルギーは、新たに浸透する深さを限定するように減少され、水平軸及び垂直軸に沿ってスキャン処理が繰り返され、腫瘍の新たな断面領域をカバーする。制御の３つの軸を組み合わせた場合には、癌の腫瘍の全体の体積にわたって陽子ビームの焦点のスキャン及び移動が可能になる。各スポットの時間及び各スポットに対する体内の方向が制御されて、分散エネルギーが腫瘍の外側を叩く間に、癌の体積の各部分に所望の照射線量を与えることができる。
【０１０７】
フォーカスされたビーム・スポットの面の大きさは、好ましくは、約０．５、１、又は２ミリメートルの直径に厳しく制御されるが、あるいは数センチメートルの直径に制御される。好ましい設計制御により、２つの方向、すなわち、（１）約１００ｍｍの垂直振幅及び２００Ｈｚまでの周波数、並びに（２）約７００ｍｍの水平振幅及び１Ｈｚまでの周波数で、スキャンすることが可能になる。スキャン磁石システムを変更することによって、各軸においてもっと大きな振幅又はもっと小さな振幅も可能である。
【０１０８】
図２０（Ａ）には、ビーム・エネルギーによって制御されてｚ軸に沿った、水平移動がｘ軸に沿った、垂直方向がｙ軸に沿った陽子が示されている。この実施例においては、ｚ軸に沿って組織の中に移動する陽子の距離は、陽子の運動エネルギーによって制御される。この座標システムは、決まったものではなく例示に過ぎない。陽子ビームの実際の制御は、２つのスキャン磁石システムを用いて３次元の空間の中で、陽子ビームの運動エネルギーを制御することによって制御される。抽出システムを使用することによって、上述したように、異なるスキャンのパターンが可能になる。特に、このシステムによれば、強力な腫瘍に対する照射においてｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を同時に調整することができる。繰り返し言及すると、回転式飛程補償体（range modulation wheel ：ＲＭＷ）を用いた場合のように、ｘｙ面に沿ったスキャン及びその後の陽子のエネルギーの調整をする代わりに、このシステムでは、ｘ軸又はｙ軸を同時に調整する間に、ｚ軸に沿って移動することができる。したがって、腫瘍の輪切りが照射されるのでなく、腫瘍は３次元同時に任意に照射される。例えば、腫瘍は、腫瘍の外縁のまわりを３次元において照射される。次に、腫瘍は、腫瘍の内部の外縁のまわりを照射される。この処理は、腫瘍全体が照射されるまで繰り返される。外縁の照射は、例えば、垂直なｙ軸のまわりで、治療対象を回転するのと同時に連動して行われることが好ましい。このシステムによれば、ブラッド・ピークを用いて定義されているように、腫瘍に対する陽子の照射の最大の効率が可能になり、周辺の正常組織に対する陽子の配送を最少にすると共に、腫瘍自体に対する陽子の照射が可能になる。
【０１０９】
組み合わされた場合には、システムは小さな電力供給で小さな空間における荷電粒子ビーム・システムの多軸制御を可能にする。例えば、上述したように、システムは、シンクロトロンの各方向転換内において各磁石が少なくとも１つのエッジ・フォーカス効果を有する多数の磁石、及び又は、収束した磁場の形状を有する多数の磁石を使用する。磁石の収束形状及び上記した抽出システムと組み合わされたシンクロトロンの周回ビーム経路における多数のエッジ・フォーカス効果は、下記の構成を有するシンクロトロンを可能にする。
・例えば、約５０メートルよりも小さい小型の円周のシステム、
・約２ｃｍの垂直陽子ビームサイズのギャップ、
・低減されたギャップサイズと関連した対応する低減された必要な電源供給、
・新たに導入する磁場を必要としない抽出システム、
・抽出の期間中の陽子の加速又は減速、及び
・抽出の期間中のｚ軸エネルギーの制御
この結果、３次元スキャン・システム及びｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の制御が可能となり、そこでは、シンクロトロンの中でｚ軸制御が可能であり、また、シンクロトロン内の抽出処理の期間中にｚ軸エネルギーが可変に制御される。
【０１１０】
図２０（Ｂ）においては、４次元のスキャン制御により腫瘍に対して陽子を導くのに使用された陽子スキャン・システム又は目標システムの一実施例が示され、その中では、上述した強度制御を伴った、４次元のスキャン制御がｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸に沿っている。５番目の軸は時間である。通常、搬送路２６８に沿って移動する荷電粒子は、垂直制御などの第１の軸制御要素１４２、及び、水平制御などの第２の軸制御要素１４４によって、腫瘍１９２０の中に照射される。上述したように、抽出システムも、ｚ軸における同時の変化を可能にする。さらに、上述したように、抽出されたビームの強度及び線量は、任意に、同時に、且つ独立に制御され、変化される。このように、腫瘍の輪切りを照射する代わりに、図２０（Ａ）に示すように、腫瘍における陽子配送の目標スポットを限定するすべての４次元が同時に変化する。陽子配送のスポットの同時の変化は、図２０（Ｂ）においてスポット配送路２６９によって示されている。図示された場合において、陽子は最初に腫瘍の外縁のあたりに照射され、次に、腫瘍の内部の範囲に照射される。垂直軸のまわりに治療対象を回転させることと組み合わせると、体中の陽子の入力点からさらに離れた腫瘍において、まだ照射されていない腫瘍の部分が適切に照射される位置で多磁場の照射処理が使用される。このことは、ブラッド・ピークを用いて定義されているように、腫瘍の中への陽子配送の最大の割合を可能にし、周辺の正常組織に対する破壊が最少になる。
【０１１１】
（画像／Ｘ線システム）
この実施形態において、Ｘ線システムは、画像システムを説明するために用いられる。
【０１１２】
（タイミング）
Ｘ線は、２つの理由のために、（１）直前の又は（２）現在のいずれかの陽子ビーム治療で患者を治療することと組み合わせることが好ましい。
【０１１３】
第１に、上述したように、体の移動は、体の他の構成要素に関連する体内の腫瘍の局部位置を変化させる。治療対象がＸ線をすでに照射されていて、治療対象が体ごと治療室に移動されている場合には、腫瘍に対して陽子ビームの正確な位置合わせは困難である。１つ以上のＸ線を用いた腫瘍に対する陽子ビームの位置合わせは、陽子配送の時間に、又は、陽子配送の直前の数秒若しくは数分で且つ治療できる体の位置に患者が配置された後において最善に実行される。その位置は、通常、固定された位置又は部分的な移動ができない位置である。
【０１１４】
第２に、位置決め後の患者が照射されるＸ線は、腫瘍及び又は内部の臓器の位置などの、目標にされた位置に対する陽子ビーム位置合わせの確認として使用される。
【０１１５】
（位置決め）
Ｘ線は、好ましくは、治療対象を治療する直前に照射され、患者の位置決めを支援する。位置決めのためには、大きな体の領域は必要ではない。一実施形態においては、局部領域だけのＸ線が集められる。Ｘ線を集めるときのそのＸ線はＸ線経路を保持している。陽子は陽子ビーム経路を保持している。陽子ビーム経路にＸ線経路を重ねることは、腫瘍に対して陽子ビームを位置合わせする１つの方法である。しかしながら、この方法は、陽子ビーム経路の中にＸ線装置を配置することを伴うことになり、Ｘ線を照射した後に、Ｘ線装置をビーム経路の外に移動することになる。この処理には時間がかかる。Ｘ線装置が移動する間の経過時間は、好ましくない影響を及ぼす。第１に、Ｘ線装置を移動するに必要な時間の間に、患者が動いてしまう。移動の結果、腫瘍に対する陽子ビームの実質的な位置合わせの精密さ及び又は正確さが低下する。第２に、Ｘ線装置を移動するに必要な時間は、陽子ビーム治療システムが使用されない時間であり、そのことは、陽子ビーム治療システムの全体的な効率を低下させる。
【０１１６】
（Ｘ線源の寿命）
陽子ビーム治療システムの寿命の上では、最小限のメンテナンス又はメンテナンスの無いことを要求する要素が陽子ビーム治療システム内にあることが望ましい。例えば、約２０年の寿命などの長い寿命の光源を有するＸ線システムを備えた陽子ビーム治療システムを装備することが望ましい。
【０１１７】
１つのシステムにおいては、後述するように、Ｘ線を生成するのに電子が使用される。電子は、寿命が温度に依存するカソードで発生される。フィラメントが平衡状態に維持される電球に似て、カソードの温度は、摂氏約２００、５００、又は１０００度の温度で平衡状態に維持される。カソードの温度を低下させると、カソードの寿命を延ばすことができる。したがって、電子を発生するのに使用されるカソードは、できる限り低い温度に保たれることが好ましい。しかしながら、カソードの温度が低下した場合には、電子の放出も低下することになる。低い温度で多くの電子の必要性を満たすためには、大きなカソードを使用して、発生する電子を収束させることである。この処理は、電子銃において電子を圧縮することに似ているが、この実施形態では、Ｘ線管の寿命の強化に利用するために圧縮技術が適用される。
【０１１８】
図２１には、強化された寿命のＸ線発生装置２１００の一実施例が示されている。電子２１２０は、カソード２１１０で発生され、制御電極２１１２によってフォーカスされ、一連の加速電極２１４０によって加速される。加速された電子２１５０はＸ線発生源２１４８に衝突して、その結果、発生されたＸ線がＸ線経路２２７０に沿って対象物１９３０に導かれる。第１の直径２１１５から第２の直径２１１６への電子の収束によって、カソードは、低下された温度で動作することができる上、さらにＸ線発生源２１４８において電子の必要な増幅レベルを与えることができる。一実施例においては、Ｘ線発生源２１４８はカソード２１１０と対をなすアノードであり、及び又は、Ｘ線発生源２１４８は実質的にタングステンで構成されている。
【０１１９】
図２１には、Ｘ線発生装置２１００がさらに詳細に記載されている。一対のアノード２１１４／カソード２１１０が、電子を発生するのに使用されている。電子２１２０は、符号ｄ１で表された第１の直径２１１５を有するカソード２１１０で発生される。制御電極２１１２は、発生された電子２１２０を引き寄せる。例えば、カソードが−１５０ｋＶに維持され、且つ、制御電極が−１４９ｋＶに維持されている場合には、発生された電子は、制御電極２１１２の方に引き寄せられて、フォーカスされる。一連の加速電極２１４０は、符号ｄ２で表されたさらに小さな直径を有する実質的に平行な通路２１５０の中で電子を加速するのに使用される。例えば、カソードが−１５０ｋＶに維持される場合には、第１、第２、第３、及び第４の加速電極２１４２、２１４４、２１４６、２１４８は、それぞれ−１２０、−９０、−６０、及び−３０ｋＶに維持される。もっと薄い体の部分が解析される場合には、カソード２１１０は、約−９０ｋＶなどのもっと小さいレベルに維持され、また、制御電極、第１、第２、第３、及び第４の電極の各々は、もっと低いレベルに調整される。一般に、カソードから第４の電極までの電圧差は、カソードにおけるもっと小さいマイナスの電圧に対して小さいし、逆の場合も同様である。加速された電子２１５０は、シリンドリカル磁界レンズなどのビームサイズを調整するための磁界レンズ２１６０を任意に通過する。電子はまた、４極磁石２１７０を用いて任意にフォーカスされる。その４極磁石２１７０は１つの方向にフォーカスし、別の方向にはデフォーカスする。加速された電子２１５０は、ビームサイズが調節され、且つ、フォーカスされて、タングステンなどのＸ線発生源２１４８を叩くので、その結果、発生されたＸ線が遮蔽物２２６２を通過し、Ｘ線経路２１７０に沿って進んで、治療対象に達する。Ｘ線発生源２１４８は、水冷又はＸ線発生源２１４８の後側における熱結合などの冷却要素２１４９によって任意に冷却される。第１の直径２１１５から第２の直径２１１６への電子の収束によって、カソードは、低下された温度で動作することができる上、さらにＸ線発生源２１４８において電子の必要な増幅レベルを実現することができる。
【０１２０】
さらに、一般的には、Ｘ線発生装置２１００は、初期ベクトルを持つ電子を生成する。１つ以上の制御電極２１１２、加速電極２１４０、磁界レンズ２１６０、及び４極磁石２１７０は組み合わされて、初期電子ベクトルを、実質的に平行な経路を持つ縮小された断面領域の平行ベクトルに変更する。その平行ベクトルは加速された電子と呼ばれる。この処理により、Ｘ線発生装置２１００は、より低い温度で動作することができる。特に、必要な電子ビームのサイズのカソードを使用する代わりに、もっと大きなカソードを使用することで、その結果、電子はフォーカスされ及び又は収束されて必要なビームサイズになる。おおまかに言って、寿命は電流密度の逆数になるので、電流密度の収束によりＸ線発生装置２１００の寿命が長くなる。明確にするため、特定の実施例を提供する。カソードが半径１５ｍｍを有するか又はｄ１が３０ｍｍの場合には、面積（πｒ２）は約２５５ｍｍ２にパイを乗じた値になる。電子の収束が５ｍｍの半径に達するか又はｄ２が１０ｍｍの場合には、面積（πｒ２）は約２５ｍｍ２にパイを乗じた値になる。２つの面積の比は約９（２２５π／２５π）である。このように、大きなカソードにおける電流密度は、所定の電子ビームの面積を有する従来のカソードと比較して約９倍小さくなる。したがって、大きなカソードと従来のカソードとを流れる実際の電流がほぼ同じである場合であっても、大きなカソードの寿命は従来のカソードの寿命のほぼ９倍になる。カソード２１１０の面積は、好ましくは、実質的に平行なビームの断面積を有するカソードの面積の約２、４、６、８、１０、１５、２０、又は２５倍である。
【０１２１】
本発明の他の実施形態においては、４極磁石２１７０によって、電子ビーム２１５０の断面形状を長楕円形にすることができる。電子ビーム２１５０の長楕円の断面形状がＸ線発生源２１４８の上に投射されると、その結果、断面図が小さなスポットを有するＸ線ビームが発生し、そのＸ線ビームは断面形状が実質的に円形であるので、患者１９３０を通り抜ける。小さなスポットを使用することで、患者に高い解像度のＸ線を与える。
【０１２２】
図２２に示す１つの実施形態において、Ｘ線は陽子ビーム経路の近くで発生されるが、陽子ビーム経路の中には入らない。陽子ビーム治療システム及びＸ線システムの併用システム２２００が図２２に示されている。陽子ビーム治療システムは、シンクロトロン１３０のランバーソン抽出磁石の後の輸送システムに、陽子ビーム２６８を有する。陽子ビームは、スキャン／目標／配送システムによって、患者１９３０の腫瘍１９２０に向けられる。Ｘ線システム２２０５は、電子ビーム２１５０を発生する電子ビーム源２１０５を備えている。電子ビームは、１つのタングステンなどのＸ線発生源２１４８に向けられる。タングステンＸ線源は、好ましくは、陽子ビーム経路２６８から約１、２、３、５、１０、１５、又は２０ミリメートル離れて配置される。陽子ビーム２１５０がタングステンを叩くと、すべての方向にＸ線が発生される。Ｘ線は、入口２２６２で遮蔽され、Ｘ線ビーム経路２２７０の方に選択される。Ｘ線ビーム経路２２７０及び陽子ビーム経路２６８は、実質的に平行に延びて、腫瘍１９２０に向かって進む。Ｘ線ビーム経路２２７０及び陽子ビーム経路２６８の間の距離は、好ましくは、ゼロ近くまで小さくなり、及び又は、Ｘ線ビーム経路２２７０及び陽子ビーム経路２６８は腫瘍１９２０に到達する時間までには重なり合う。タングステンと腫瘍１９２０との間が少なくとも１メートルの所定の長い距離の場合の単純な幾何学的配置がここに示されている。図２２において、その距離は、ギャップ２２８０として示されている。Ｘ線はＸ線検出器２２９０で検出されて、腫瘍１９２０及び又は患者の位置の画像を形成するのに使用される。
【０１２３】
全体として、システムは、陽子ビーム治療ビームと実質的に同じ経路に位置するＸ線ビームを発生する。Ｘ線ビームは、タングステン又は同等の物質を電子ビームが叩くことによって発生される。Ｘ線ビーム発生源は、陽子ビーム経路のすぐ近くに配置される。入射する電子の形状、Ｘ線発生物質の形状、及びＸ線ビーム遮蔽物の形状は、陽子ビームと実質的に平行に延びるＸ線ビームを形成するか、又は、陽子ビーム経路に近い位置からスタートし、且つ、腫瘍の断面領域をカバーすると共に腫瘍の断面領域を通過して、陽子ビーム治療ビームの方向及び位置合わせから腫瘍の画像形成が可能なＸ線検出アレイ又はフィルムを叩くために広がるＸ線ビーム経路を形成する。次に、Ｘ線画像は、荷電粒子ビーム経路を制御して、精密且つ正確に腫瘍を目標にするのに使用され、及び又は、システムの検査及び確認に使用される。
【０１２４】
図２３においては、電子ビーム経路２１５０及びＸ線ビーム経路２２７０の他の形状が示されている。特に、電子ビーム３５０は、広がった電子ビーム経路２１５２、２１５４として示されている。同様に、Ｘ線ビーム経路２２７０は、広がったＸ線ビーム経路２２７２、２２７４として示されている。
【０１２５】
（患者の固定）
患者の腫瘍に対する正確且つ精密な陽子ビームの配送のためには、（１）陽子ビームの位置制御、及び（２）患者の位置制御が必要である。上述したように、陽子ビームは、アルゴリズム及び磁場を用いて、約０．５、１、又は２ミリメートルの直径に制御される。このセクションでは、部分的な固定、固定、及び又は、患者の位置合わせに取り組んで、患者が移動した場合でも、厳しく制御された陽子ビームが効率的に目標の腫瘍を叩くと共に、周辺の正常組織を叩かないことを保証する。
【０１２６】
このセクションにおいては、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の座標システム及び回転軸を使用して、陽子ビームに対する患者の向きについて説明する。ｚ軸は、患者の中の陽子ビームの深さなどの陽子ビームの進行を表している。陽子ビームが進行するｚ軸から患者を見下ろした場合には、ｘ軸は患者が横切って右又は左に移動することを示し、ｙ軸は患者が横切って上又は下に移動することを示す。第１の回転軸は、ｙ軸のまわりの患者の回転であり、この実施形態においては、回転軸、下部ユニット１９１２の回転軸、又は回転のｙ軸と称する。なお、チルト（tilt）はｘ軸のまわりの回転であり、ヨウ（yaw）はｙ軸のまわりの回転であり、ロール（role）はｚ軸のまわりの回転である。この座標システムにおいては、陽子ビーム経路２６９はすべての方向に任意に延びる。ある治療室を通って延びる陽子ビーム経路は、その治療室を水平に通って延びるものとして説明する。
【０１２７】
このセクションにおいては、位置決めシステム２４００の３つの実施例として、（１）半垂直部分固定システム、（２）座位部分固定システム、及び（３）横臥固定システムが提供される。ある１つの固定システムで説明される要素は、わずかな変更により他の固定システムにも適用する。例えば、ヘッドレスト（頭受け部）は、傾斜位置に関しては第１の軸に沿って調整され、座位位置に関しては第２の軸に沿って調整され、及び横臥位置に関しては第３の軸に沿って調整される。しかしながら、ヘッドセット自体は、各固定位置に関してほぼ同じである。
【０１２８】
（垂直患者の位置決め／固定）
半垂直部分固定システムは、好ましくは、体の胴体における腫瘍の陽子ビーム治療と組み合わせて使用される。患者位置決めシステム及び又は固定システムは、陽子ビーム治療の間、患者の移動を制御し及び又は固定する。部分固定の第１の実施形態においては、患者は、陽子ビーム治療システム内の半垂直位置に配置される。図に示すように、患者は、患者の頭から足に延びる軸によって定義されたｙ軸から、約４５度の角度アルファ（α）に傾斜されている。さらに一般的には、患者は、ｙ軸からゼロ度の垂直位置に、又は、ｙ軸からｚ軸の方に向かって、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、若しくは６５度傾斜したアルファの半垂直位置に、任意に自立している。
【０１２９】
患者位置決め固定システムは、治療位置における患者を維持するのに使用され、１つ以上の座位支持部、背中支持部、頭部支持部、腕支持部、膝支持部、及び足支持部を備えている。その固定部は、任意に且つ独立して剛性又は半剛性になっている。半剛性の材料の実施例には、高密度若しくは低密度の発泡樹脂又は粘弾性の発泡樹脂がある。例えば、足支持部は剛性であるほうが好ましく、背中支持部は高密度の発泡樹脂などの半剛性であるほうが好ましい。１つ以上の位置決め固定部は、移動可能であり、及び又は、患者を迅速に位置決め及び固定するためコンピュータで制御される。例えば、座位支持部は、座席調整軸に沿って調整され、その軸は好ましくはｙ軸である。背中支持部は、背中調整軸に沿って調整され、その軸は好ましくはｙ軸要素と共に移動するｚ軸によって支配される軸である。頭部支持部は、頭調整軸に沿って調整され、その軸は好ましくはｙ軸要素と共に移動するｚ軸によって支配される軸である。腕支持部は、腕調整軸に沿って調整され、その軸は好ましくはｙ軸要素と共に移動するｚ軸によって支配される軸である。膝支持部は、膝調整軸に沿って調整され、その軸は好ましくはｚ軸要素と共に移動するｙ軸によって支配される軸である。足支持部は、足調整軸に沿って調整され、その軸は好ましくはｚ軸要素と共に移動するｙ軸によって支配される軸である。
【０１３０】
入ってくる陽子ビームに患者が面していない場合には、軸に沿った支持部の要素の移動についての説明は変わるが、固定要素についての説明は同じである。
【０１３１】
任意のカメラが患者固定システムと共に使用される。カメラは、ビデオ画像を生成する治療対象を捉える。画像は、荷電粒子ビーム・システムの一人以上のオペレータに提供されて、対象が移動したか又は対象が陽子ビーム治療処置の終了を希望しているかを判断する安全手順をオペレータに委ねる。ビデオ画像に基づいて、オペレータは、陽子ビーム治療処置の一時停止又は終了をすることができる。例えば、オペレータがビデオ画像を通じて患者が動いていることを発見した場合には、オペレータは陽子ビーム治療処置を終了するか又は一時停止するかを選択できる。
【０１３２】
任意のビデオ表示装置が患者に提供される。ビデオ表示装置は、オペレータの指示、システムの指示、治療の状態、又は娯楽のいずれでも患者に任意に提供する。
【０１３３】
固定部、カメラ、及びビデオ表示装置の位置決め用のモータは、好ましくは、陽子ビーム経路の上又は下に取り付けられる。
【０１３４】
呼吸制御は、ビデオ表示装置を用いることにより任意に実行される。患者が呼吸をするときには、体の内部及び外部の組織が、絶対的にも及び相対的にも動く。例えば、胸の空洞の外側及び内部の臓器は共に呼吸に伴って動く。さらに、体の外側の領域、骨、支持組織、他の臓器などの体の他の要素に関係する内部の臓器の相対的位置は、各呼吸に伴って動く。したがって、さらに正確且つ精密な腫瘍を目標にするためには、陽子ビームは、好ましくは、各呼吸の底などのように、内部組織又は腫瘍の位置がよく限定される１点に遅れずに配送される。ビデオ表示装置は、患者の呼吸の周期に陽子ビーム配送を整合させるのを補助するのに使用される。例えば、ビデオ表示装置は、呼吸止めの表現、呼吸の表現、次に止めるまでの呼吸の時間を明示するカウントダウン、又は呼吸を再開するまでの時間を明示するカウントダウンなど、患者に対する指令を表示する。
【０１３５】
（座位患者の位置決め／固定）
第２の部分固定システムの実施形態においては、患者は、座る位置に部分的に固定される。座位固定システムは、座位支持部が椅子に代わっていること、及び、膝支持部を必要としないことを除けば、上述の半垂直部分固定システムに使用されている支持構造部に類似した支持構造部を備えている。座位固定システムは、概ね、上述の半垂直部分固定システムにおいて記載された調整可能な支持、ｙ軸のまわりの回転、カメラ、ビデオ、及び呼吸制御のパラメータを有する。
【０１３６】
図２４には、座位患者半固定システムが示されている。座位システムは、好ましくは、頭部及び首の腫瘍の治療のために使用される。図に示すように、患者は、粒子治療用の椅子２４１０の座る位置に配置されている。患者はさらに、頭部支持部２４４０、背中支持部２４３０、腕支持部２４２０、膝支持部２４６０、及び足支持部２４７０のすべてを用いて固定されている。支持部２４４０、２４３０、２４２０、２４６０、及び２４７０は、図に示すように、それぞれ調整用の軸２４４２、２４３２、２４２２、２４６２、及び２４７２を有する。椅子２４１０は、異なる患者の固定システムの使用ができるように容易に移動可能であるか、又は、半垂直固定システムなどのように、新たな患者位置に対応できる。
【０１３７】
（横臥患者の位置決め／固定）
部分固定の第３の実施形態においては、患者は、横臥する位置に部分的に固定される。横臥固定システムは、上述の座位固定システム及び半垂直部分的固定システムに使用されている支持構造部に類似した支持構造部を備えている。横臥固定システムにおいては、任意の固定要素、支持要素、又は部分固定要素は、１つ以上の頭及び背中支持部、尻支持部、及び肩支持部を有する。支持部は、好ましくは、患者の横臥位置に対応するように回転する調整の軸を有する。横臥位置固定システムは、概ね、上述の半垂直部分固定システムにおいて記載された調整可能な支持、ｙ軸のまわりの回転、カメラ、ビデオ、及び呼吸制御のパラメータを有している。
【０１３８】
患者が非常に痩せている場合、例えば、１乃至３分の周期で治療を必要とするような問題をかかえている場合には、部分的に支持されたシステムにおいては、筋肉疲労のせいで患者のわずかな移動を生じることがある。このような状況及び類似した状況においては、支持テーブル上の治療位置での患者の治療が優先的になされる。支持テーブルは、患者の大部分の体重を支持するために水平な載置台を有する。好ましくは、水平な載置台は、治療台からはずせる。
【０１３９】
さらに、人体の胴における腫瘍の治療のために腕又は足を陽子ビーム経路の外に上げるため、又は、腕又は足における腫瘍の治療のために腕又は足を陽子ビーム経路の中に移動するため、足支持部の要素及び又は腕支持部の要素がそれぞれ任意に追加される。これにより、後述するように、陽子配送の効率が増加する。
【０１４０】
横臥位置決めシステムにおいては、患者は載置台の上に配置され、その載置台は、水平位置で体の体重を支えるために、実質的に水平な部分を有する。任意のハンドグリップは、後述するように、任意に使用される。１つ以上の足支持の要素が、患者の足の位置決めのために使用される。足支持部の要素は、後述するように、好ましくは、少なくとも１つの足の調整軸に沿って調整できるか、又は、陽子ビーム経路２６９の中に足を位置決めするため若しくは陽子ビーム経路２６９から足をはずすため、円弧に沿って調整できる。腕支持部の要素は、後述するように、好ましくは、少なくとも１つの腕の調整軸に沿って調整できるか、又は、陽子ビーム経路２６９の中に腕を位置決めするため若しくは陽子ビーム経路２６９から腕をはずすため、円弧に沿って調整できる。足支持部の要素及び腕支持部の要素は、共にオプションである。
【０１４１】
好ましくは、患者は陽子ビーム経路２６９の外の領域又は部屋における載置台の上に配置され、且つ、治療室又は陽子ビーム経路領域の中にキャスターで運ばれるか又は水平に滑らされる。例えば、上部を有する台車付き担架で患者が治療室の中に運ばれると、その上部は載置台でもあり、とりはずし可能であり、テーブルの上に配置される。載置台は、好ましくは、台車付き担架又はベッドをテーブルの上に持ち上げる必要がないように、テーブルの上に持ち上げられるか又はテーブルの上に滑らされる。
【０１４２】
半垂直位置決めシステム及び座位位置決めシステムは、効率をよくするため、頭部又は胴部における腫瘍の治療のために特化して使用される。半垂直位置決めシステム、座位位置決めシステム、及び横臥位置決めシステムは、すべて、患者の手足における腫瘍を治療するのに有用である。
【０１４３】
（支持システムの要素）
位置決め固定システムは、患者を位置決めするのに使用されるすべての要素、例えば、半垂直位置決めシステム、座位位置決めシステム、及び横臥位置決めシステムに記載された要素を備えている。好ましくは、位置決め固定システムの要素又は支持システムの要素は、陽子ビーム経路２６９を遮蔽する位置又はオーバーラップする位置にならないように位置合わせされる。しかしながら、いくつかの具体例においては、位置決め固定システムは、患者の治療の少なくとも一部の時間の間、陽子ビーム経路２６９の中に入る。具体的には、治療中に患者がｙ軸のまわりに回転される期間には、位置決め固定システムの要素が陽子ビーム経路２６９の中に存在することもある。位置決め固定システムの要素又は支持システムの要素が陽子ビーム経路中にある場合又はその期間においては、増強された陽子ビーム・エネルギーが陽子ビームの位置決め固定システムの要素のインピーダンスを相殺するように、陽子ビーム・エネルギーを増強する調整がなされることが好ましい。１つの場合には、位置決め固定システムの要素の基準スキャンの期間に、又は、ｙ軸のまわりの回転の関数としての位置決め固定システムの要素の基準スキャンとの組合せの期間に、決定された陽子ビームの位置決め固定システムの要素のインピーダンスを分離して測定することによって、陽子ビーム・エネルギーが増加される。
【０１４４】
明確な説明のために、位置決め固定部の要素又は支持システムの要素は、この実施形態においては、半垂直位置決めシステムと関連して記載される。しかしながら、位置決めの要素並びに、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、いかなる座標システム、座位位置決めシステム又は横臥位置決めシステムにも、適合するように調整することが可能である。
【０１４５】
頭部支持部の一実施例は、人間の頭を支持するため、位置合わせするため、及び又はその動きを制限するために記載される。頭部支持部システムは、好ましくは、種々の頭部支持の要素、すなわち、頭部の後支持部、頭部の右位置合わせ要素、及び頭部の左位置合わせ要素のすべてを有する。頭部支持部の要素の後部は、好ましくは、頭部に合うように曲線であると共に、頭部支持部の軸に沿って、すなわち、ｚ軸に沿って任意に調整できる。さらに、頭部支持部は、他の患者位置決め固定部と同様に、好ましくは、低密度又は高密度の発泡樹脂などの半剛性の材料で作られており、且つ、樹脂又は皮などの任意のカバーを有する。頭部の右側の位置合わせ要素及び頭部の左側の位置合わせ要素、すなわち頭部の位置合わせ要素は、主に頭部の動きを緩やかに固定するのに使用される。頭部の位置合わせ要素は、好ましくは、クッションの入った平らなものであるが、場合によっては頭部の側面に合うように曲率半径を有するものである。頭部の右側及び左側の位置合わせ要素は、好ましくは、平行移動軸に沿ってそれぞれ移動可能であり、頭部の左右の側面に接触させることができる。陽子ビーム治療の間における頭部の制限された動きは、頭部又は首の腫瘍を目標にする時及び治療する時に重要である。頭部の位置合わせ要素及び頭部支持部の要素の後部は組み合わされて、チルト、回転若しくはヨウ、ロール及び又はｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の座標システムの位置を制限する。
【０１４６】
図２５を参照して、頭部又は首の強力な腫瘍の陽子ビーム治療中に、人間の頭部１９０２の位置決め及び又は動き制限のための頭部支持システムの他の実施例について説明する。このシステムにおいて、頭部は、１、２、３、４個以上のストラップ若しくはベルトを用いて制限されており、これらのストラップ若しくはベルトは、好ましくは、頭部支持部の要素の後部に固定され若しくは着脱可能に固定されている。この実施例に示されているように、第１のストラップ２５２０は、例えば、ｚ軸に沿って特化して延びることによって、額を頭部支持部の要素２５１０側に引っ張るか又は位置決めする。好ましくは、第２のストラップ２５３０は、第１のストラップ２５２０と連携して働き、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の座標システム上での平行移動の観点から、チルト、ヨウ、ロール又は動きを頭部が受けることから防止する。第２のストラップ２５３０は、好ましくは、（１）額、（２）頭部の右側面若しくは左側面又は両側、及び又は（３）支持部の要素２５１０において又はこれらの近傍で、第１のストラップ２５２０に固定され若しくは着脱可能に固定されている。第３のストラップ２５４０は、好ましくは、主にｚ軸に沿って延びることにより、支持部の要素２５１０を基準として患者のあごの方に向かう。第４のストラップ２５５０は、好ましくは、主としてｙ軸及びｚ軸に沿って延びて、支持部の要素２５１０及び陽子ビーム経路に関係するあごを保持する。第３のストラップ２５４０は、好ましくは、患者のあごにおいて又はその近傍で使用中の第４のストラップ２５５０に固定され又は着脱可能に固定されている。第２のストラップ２５３０は、支持部の要素２５１０において又はその近傍で第４のストラップ２５５０に任意に固定され又は着脱可能に固定されている。４つのストラップ２５２０、２５３０、２５４０、及び２５５０は、通過経路及び相互接続の状態で示されている。いずれのストラップも、任意に、頭部のまわりの異なる経路に沿って頭部を保持し、且つ、互いに分離した態様で結合する。もちろん、所定のストラップは頭部のまわりに延びており、頭部の１つの側面だけに延びている訳ではない。ストラップ２５２０、２５３０、２５４０、及び２５５０のいずれも、独立して、又は連携して、又は他のストラップと置き換えて、任意に使用される。ストラップは、頭部支持部の要素２５１０などの支持部の要素を介して、互いに間接的に任意に結合される。ストラップは、鉤、折り返し技術、バックル、又はファスナーを用いて、任意に固定される。一般的に、ストラップは組み合わされて、位置、頭部の前後の動き、頭部の左右の動き、頭部のチルト、ヨウ、ロール、及び又は平行位置を制限する。
【０１４７】
ストラップは、好ましくは、陽子配送に対する周知のインピーダンスであり、陽子配送に対するストラップの傾向を遅くすることに基づいて作られるブラッグ・ピークに対する調整のように、計算されるｚ軸に沿ったピーク・エネルギーの放出の計算を可能にする。
【０１４８】
図２６を参照して、頭部支持システム２４４０のさらに他の実施例について説明する。頭部支持システム２４４０は、好ましくは、標準のサイズ又は子供のサイズの頭に合うようにカーブしている。頭部支持部２４４０は、頭部支持軸２４４２に沿って任意に調整できる。さらに、頭部支持部は、他の患者位置決め固定システムと同様に、好ましくは、低密度又は高密度の発泡樹脂などの半剛性の材料で作られており、且つ、樹脂又は皮などの任意のカバーを有する。
【０１４９】
上述した頭部支持システム、頭部位置決めシステム、及び頭部固定システムは、任意に分離して又は組み合わせて使用される。
【０１５０】
図２６を参照して、腕支持部２４２０の一実施例についてさらに説明する。腕支持部は、好ましくは、左手グリップ２６１０及び右手グリップ２６２０を備えており、患者１９３０が両手１９３４で左手及び右手グリップ２６１０、２６２０を把持する動作によって、患者１９３０の上半身の位置合わせののに使用される。左手及び右手グリップ２６１０、２６２０は、好ましくは、患者の両腕全体を支える腕支持部２４２０に結合されている。左手及び右手グリップ２６１０、２６２０は、好ましくは、半剛性の材料で構成されている。左手及び右手グリップ２６１０、２６２０は、患者の両手に合わせて任意に作られて、位置合わせを支援する。左手及び右手グリップ２６１０、２６２０は、上述したように、任意に電極を有する。
【０１５１】
背中支持部の一実施例についてさらに説明する。背中支持部は、好ましくは、患者の背中を支えるため及び患者の胴体の両側を包むようにカーブしている。背中支持部は、好ましくは、２つの半剛性の部分を左側及び右側に備えている。さらに、背中支持部は、上端部及び下端部を有する。左側及び右側の上端部の間の第１の距離は、好ましくは、患者の背中の上部に合うように調整することができる。左側及び右側の下端部の間の第２の距離は、好ましくは、患者の背中の下部に合うように調整することができる。
【０１５２】
膝支持部の一実施例についてさらに説明する。膝支持部は、好ましくは、左膝支持部及び右膝支持部を有し、これらは任意に結合され又は個々に移動できる。左膝及び右膝支持部は共に、好ましくは、標準のサイズの膝に合うようにカーブしている。左膝支持部は、左膝支持軸に沿って任意に調整可能であり、右膝支持部は、右膝支持軸に沿って任意に調整可能である。あるいは他の実施例として、左膝及び右膝支持部は結合されており、且つ、膝支持軸に沿って移動することができる。左膝及び右膝支持部は共に、他の患者位置決め固定システムと同様に、好ましくは、低密度又は高密度の発泡樹脂などの半剛性の材料で作られており、且つ、樹脂又は皮などの任意のカバーを有する。
【０１５３】
（位置決めシステムのコンピュータ制御）
１つ以上の患者位置決めユニットの要素及び又は１つ以上の患者位置決め固定システムは、好ましくは、コンピュータ制御の下にあり、その制御において、コンピュータは、例えば、一連のモータ及びデバイスを介して、位置決めシステムを制御して、再現可能なように患者を位置決めする。例えば、患者は、最初に位置決めされ、患者位置決め固定システムによって固定される。各患者位置決め固定システムの位置は、主制御部１１０により、副制御部若しくは主制御部により、又は分離したコンピュータ制御部により、記録及び保存がなされる。次に、患者に対する最終的な治療の指導中に、患者１９３０の腫瘍１９２０を見つけるために医療装置が使用される。画像システム１７０は、１つ以上のＭＲＩ、Ｘ線、ＣＴ、陽子ビーム断層撮影装置、及びその他を備えている。画像システム１７０からの画像が解析され、陽子ビーム治療計画が立てられるこの時点までは、任意の時間を要する。患者は、この時間の間に固定システムから出ることができる。その任意の時間は、数分、数時間、又は数日であるかも知れない。患者が患者位置決めユニットに戻ったときには、コンピュータは、患者位置決めユニットを記録された位置に戻すことができる。このシステムは、画像処理及び治療計画の策定の期間中に使用される位置に、患者の迅速な再位置決めを可能にするので、患者位置決めの設定時間を最少にすることができ、且つ、癌治療ののに使用される荷電陽子ビーム・システムの時間を最大にすることができる。
【０１５４】
（陽子配送の効率）
ブラッグ・ピーク・エネルギーの概要は、最大の浸透の深さまで達した陽子によって浸透された体の全長にわたって、陽子がそのエネルギーを配送することを示している。この結果、正常組織、骨、及び他の体の構成要素にエネルギーが配送された後に、陽子ビームが腫瘍を叩くことになる。当然ながら、それは、腫瘍より前の体における通過距離が短ければ短いほど、陽子配送効率は高くなり、陽子配送効率は、患者の正常な部分と比較して腫瘍に配送されるエネルギーがどれほど多いかで測定されることになる。陽子配送効率のいくつかの実施例は、（１）腫瘍に配送される陽子エネルギーと腫瘍でない組織に配送される陽子エネルギーとの比、（２）腫瘍内での陽子の通過距離対腫瘍でない組織内での陽子の通過距離、及び（３）正常な体の部分に対する破壊と比較される腫瘍に対する破壊、の測定を含んでいる。これらの測定のいずれにおいても、神経過敏な器官要素、心臓、脳、又は他の臓器など、繊細な組織に応じて任意に重み付けされる。横臥位置の患者が治療中にｙ軸のまわりに回転される場合を説明すると、心臓の近くの腫瘍は、場合によっては、頭から心臓への経路、脚から心臓への経路、又は尻から心臓への経路の中を通る陽子によって治療されるであろう。これらは、より短い経路である胸から心臓への経路、体の横から心臓への経路、又は背中から心臓への経路の中を陽子が通ってすべて配送される座位位置又は半垂直位置の患者の場合と比較すると、すべて非効率的である。これに対して、座位位置又は半垂直位置を患者に用いた場合には、横臥位置を用いた場合と比較すると、体を通って腫瘍に至るより短い経路長が胴体又は頭部に位置する腫瘍に提供されるので、より高い又はより良好な陽子配送効率が得られる。
【０１５５】
この実施形態においては、陽子配送効率は、時間効率又はシンクロトロンの利用効率とは切り離して説明される。陽子配送効率は、荷電粒子ビーム装置が動作中である時間のうちのほんのわずかな時間のことに過ぎないからである。
【０１５６】
（患者の配置）
好ましくは、患者１９３０は、陽子ビーム経路２６９に精密且つ正確な方法で位置合わせされる。種々の配置システムについて説明する。患者配置システムは、横臥位置決めシステムを用いて説明するが、半垂直位置決めシステム及び座位位置決めシステムにも同じく適用することができる。
【０１５７】
第１の配置システムにおいては、患者は、載置台に対して周知の位置に配置される。例えば、１つ以上の位置決め固定システムは、載置台の上の精密及び又は正確な位置に患者を位置決めする。載置台に結合され又は着脱可能に結合された配置固定の要素は、載置台に患者を位置決めするために任意に使用される。配置固定システムの要素は、手の要素、手先の要素、頭部の要素、又は胴体の要素など、患者のいかなる位置を位置決めするためにも使用される。
【０１５８】
第２の配置システムにおいては、載置台などの、１つ以上の位置決め固定システム又は支持部の要素が、患者治療室における要素に対して位置合わせされる。基本的には、錠／鍵システムが任意に使用され、錠は鍵に適合する。錠の要素と鍵の要素とは組み合わされて、ｘ軸の位置、ｙ軸の位置、及びｚ軸の位置、チルト、ヨウ、及びロールのいずれに関しても、陽子ビーム経路に対して患者を配置する。基本的には、錠は第１の登録要素であり、鍵は第２の登録要素である。第２の登録要素は、第１の登録要素の中に適合し、第１の登録要素に隣接し、又は第１の登録要素と共に、陽子ビーム経路２６９に対する患者及び又は支持部の要素配置を固定する。登録要素のいくつかの実施例は、機械的停止要素などの機械的要素及び関連する位置又は接触を表す電気的接続要素のうち任意の要素を有する。
【０１５９】
第３の配置システムにおいては、上述した画像システムが使用され、陽子ビーム経路２６９に対する患者の位置、又は、載置台などのように患者を支えている支持部の要素若しくは構造体に配置された画像標識に対する患者の位置を測定するのに使用される。Ｘ線画像システムなどの画像システムを使用した場合には、第１の配置システム又は位置決め固定システムは、画像システムが治療対象の配置を決定した後は、患者の移動を最小限に抑える。同様に、Ｘ線画像システムなどの画像システムを使用した場合には、第１の配置システム及び又は第２の配置システムは、陽子ビーム経路２６９に対する患者の概略の位置を提供し、その後に画像システムが陽子ビーム経路２６９に対する患者の細かい位置を測定する。
【０１６０】
（呼吸の監視）
好ましくは、患者の呼吸パターンは監視される。この実施形態では患者とも称する治療対象は、各呼吸とともに動く体の多くの部分で呼吸している。例えば、治療対象が呼吸すると、肺が動くにつれて、胃、腎臓、肝臓、胸の筋肉、皮膚、心臓、及び肺など、体の中の器官の関係する位置も動く。一般的には、胴体のほとんど又はすべての部分が呼吸と共に動く。事実、発明者らは、呼吸と一緒の胴体の動きに加えて、各呼吸と共に頭部及び脚にも様々な動きが存在することを認識した。陽子は腫瘍に特化して配送され周辺の組織には配送されないので、体への陽子ビーム量の配送の際に動きを考慮すべきである。ビーム経路に対する腫瘍の存在位置が、動きによってあいまいになるという結果を生じる。この関係を少しでも解決するために、陽子は一連の呼吸の周期の各々における同一のポイントに選択的に配送される。
【０１６１】
最初に、治療対象の呼吸のリズムパターンが測定される。その周期が観察され又は測定される。例えば、陽子ビームのオペレータは、治療対象が呼吸している時又は呼吸と呼吸との間を観察できるので、陽子の配送を各呼吸の所定の周期に合わせることができる。あるいは他の実施例として、治療対象は息を吸うこと、息を吐くこと、及び又は息を止めることを指示され、その指示された時間の間に陽子が配送される。
【０１６２】
好ましくは、１つ以上のセンサが個人個人の呼吸の周期を測定するのに使用される。呼吸監視システムの２つの実施例、（１）温度監視システム、（２）力監視システムが提供される。
【０１６３】
再び参照する図２５には、温度呼吸監視システムの一実施例が示されている。温度呼吸監視システムにおいては、センサは、患者の鼻及び又は口のそばに配置される。上述したように、患者のあごは任意に固定されているので、温度呼吸監視システムは、好ましくは、患者の鼻の呼吸路のそばに配置される。陽子ビーム治療に用いる温度センサ・システムの部品による立体的な構造からの妨害を避けるために、温度呼吸監視システムは、好ましくは、胴体又は脚の腫瘍を治療する場合など、頭又は首には位置していない腫瘍を治療する場合に使用される。温度呼吸監視システムにおいては、第１の温度抵抗２５７０が使用されて、患者の呼吸の周期及び又は患者の呼吸の周期内の位置を監視する。好ましくは、第１の温度抵抗２５７０は患者の鼻のそばに配置され、その結果、鼻を通って第１の温度抵抗２５７０に吐く患者の息が、第１の温度抵抗２５７０を暖めて、吐息を表示する。好ましくは、第２の温度抵抗２５６０が環境温度センサとして動作する。第２の温度抵抗２５６０は、好ましくは、患者の呼吸路から外れた位置ではあるが、第１の温度抵抗２５７０と同じ環境の部屋に配置される。温度抵抗２５７０、２５６０からの電流など、センサによって発生された信号は、好ましくは、電圧に変換されて、主制御部１１０又は主制御部の副制御部に送信される。第２の温度抵抗２５６０は、好ましくは、第１の温度抵抗２５７０の信号の一部である環境温度の変動を調整するのに使用され、例えば、温度抵抗２５７０、２５６０の数値の間の差分を計算することによって、患者の呼吸の周期のより正確な読取を取得できる。
【０１６４】
再び参照する図２４には、力／圧力呼吸監視システムの一実施例が示されている。力呼吸監視システムにおいては、胴体のそばにセンサが配置される。陽子ビーム治療に用いる力センサ・システムの部品による立体的な構造からの妨害を避けるために、力呼吸監視システムは、好ましくは、頭、首、又は脚に位置している腫瘍を治療する場合に使用される。力呼吸監視システムにおいては、ベルト又はストラップ２４５０が、患者の各呼吸の周期と共に拡張又は収縮する患者の胴体の範囲の近傍に配置される。ベルト２４５０は、患者の胸のまわりにぴったりと合まって、且つ、伸縮可能であることが好ましい。力測定器２４５２はベルトに取り付けられて、患者の呼吸のパターンを検知する。力測定器２４５２にかけられる力は、呼吸の周期の間隔と相関関係がある。力測定器２４５２からの信号は、好ましくは、主制御部１１０又は主制御部の副制御部に送信される。
【０１６５】
（呼吸の制御）
治療対象の呼吸のリズムパターンが測定された後は、信号が治療対象に送られて、呼吸の周波数をさらに正確に制御する。例えば、表示画面が治療対象の前に配置されて、呼吸を止める時及び呼吸する時を治療対象に指示する。通常、呼吸制御モジュールは、１つ以上の呼吸センサからの入力を使用する。例えば、その入力は、次の呼吸の吐息がいつ完了するかを測定するのに使用される。呼吸の底において、制御モジュールは、例えば、モニタ上で、音声信号を介して、デジタル化され且つ自動的に発生された音声指令、又は、可視制御信号を介して、呼吸止め信号を患者に提示する。好ましくは、表示モニタは治療対象の前に配置され、また、表示モニタは少なくとも呼吸の指令を治療対象に表示する。通常、治療対象は、約１．５、１、２、又は３秒などの短い時間の間、呼吸を止めることを指示される。治療対象が要求される呼吸を止める時間は１０秒よりも短い。呼吸が止められる時間は、好ましくは、腫瘍に対する陽子ビームの配送時間に同期しており、その時間は約１．５、１、２、又は３秒である。呼吸の底において陽子を配送することが好ましいとはいえ、陽子は呼吸の周期の任意の点、例えば、最大吸入時に配送されてもよい。呼吸の頂点、又は、呼吸制御モジュールによって患者が息を深く吸い込んで、呼吸を止めることを指示された時の配送は、胸の空洞が最大になって、且つ、ある腫瘍にとって腫瘍と周辺の組織との間の距離が最大であるか、又は増加した体積の結果として周辺の組織が持ち上げられた呼吸の頂点において実行してもよい。したがって、周辺の組織を叩く陽子は最小になる。呼吸を止めることを要求する指示に対して、それを実行する作業を治療対象に気付かせるために、表示画面は、３、２、１秒のカウントダウンなどにより、治療対象に対して呼吸を止めることを要求する時を告げるようにしてもよい。
【０１６６】
（呼吸と同期した陽子ビーム治療）
陽子配送制御アルゴリズムは、対象が呼吸を止めている呼吸の頂点又は底など、各呼吸の所定の期間内に、腫瘍に対する陽子の配送に同期させるのに使用される。陽子配送制御アルゴリズムは、好ましくは、呼吸制御モジュールと統合される。このため、陽子配送制御アルゴリズムは、患者が呼吸をしている時、呼吸の周期における患者の現在位置、及び又は患者が呼吸を止めている時を認識する。陽子配送制御アルゴリズムは、陽子がシンクロトロンの中に入射され及び又は予備的に加速される時、上述したように発振器を励起するためにＲＦ信号が供給される時、及び、上述したようにシンクロトロンから陽子を抽出するためにＤＣ電圧が供給される時を制御する。通常、陽子配送制御アルゴリズムは、治療対象が呼吸を止めることを指示される前に、又は、陽子配送時間のために選択された呼吸の周期における特定された期間の前に、陽子の予備加速及びそれに続くＲＦ励起発振を初期化する。この方法において、陽子配送制御アルゴリズムは、上述したように、第２の一対のプレートに高いＤＣ電圧を同時に又はほぼ同時に配送することによって、選択された呼吸の周期の期間に陽子を配送することができる。その結果、シンクロトロンからの陽子の抽出ができると共に、それに続く患者に対する陽子の配送を選択された時点にすることができる。シンクロトロンにおける陽子の加速の期間は一定であるか又は陽子ビームの所望のエネルギーレベルに対して周知であるので、陽子配送制御アルゴリズムは、患者の呼吸の周期又は所望の呼吸の周期に対して整合するＡＣ ＲＦ信号を設定するのに使用される。
【０１６７】
（多磁場照射）
陽子スポット焦点の３次元スキャン・システムは、上述したように、好ましくは、回転／レーザ方法と組み合わされる。その方法は、多くの方向からの階層的な腫瘍照射を含んでいる。所定の照射の輪切りの期間において、陽子ビーム・エネルギーは、腫瘍の前の組織の密度に応じて連続的に変化するので、その結果、ブラッグ・ピークによって定義されるビーム停止点を、常に腫瘍の内部及び照射の輪切りの内部にもたらすことができる。その新しい方法によれば、この実施形態においては多磁場照射と称する、多くの方向からの照射が最大の効果的な線量を腫瘍レベルに与え、その一方で、同時に周辺の正常組織に対する横の影響の可能性を、従来の方法に比べて大きく低減することができる。基本的には、多磁場照射システムは、まだ腫瘍に達しない組織の深さでは線量配送を分散させる。
【０１６８】
この実施形態においては、ある好適な実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者は、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、この明細書において上記した実施形態に置き換えることができる他の応用例を容易に想到するであろう。
【０１６９】
（関連出願の相互参照）
本出願は、
米国仮特許出願６１／０５５，３９５（２００８年５月２２日出願）、
米国仮特許出願６１／１３７，５７４（２００８年８月１日出願）、
米国仮特許出願６１／１９２，２４５（２００８年９月１７日出願）、
米国仮特許出願６１／０５５，４０９（２００８年５月２２日出願）、
米国仮特許出願６１／２０３，３０８（２００８年１２月２２日出願）、
米国仮特許出願６１／１８８，４０７（２００８年８月１１日出願）、
米国仮特許出願６１／２０９，５２９（２００９年３月９日出願）、
米国仮特許出願６１／１８８，４０６（２００８年８月１１日出願）、
米国仮特許出願６１／１８９，８１５（２００８年８月２５日出願）、
米国仮特許出願６１／２０８，１８２（２００９年２月２３日出願）、
米国仮特許出願６１／２０１，７３１（２００８年１２月１５日出願）、
米国仮特許出願６１／２０８，９７１（２００９年３月３日出願）、
米国仮特許出願６１／２０５，３６２（２００９年１月１２日出願）、
米国仮特許出願６１／１３４，７１７（２００８年７月１４日出願）、
米国仮特許出願６１／１３４，７０７（２００８年７月１４日出願）、
米国仮特許出願６１／２０１，７３２（２００８年１２月１５日出願）、
米国仮特許出願６１／１９８，５０９（２００８年１１月７日出願）、
米国仮特許出願６１／１３４，７１８（２００８年７月１４日出願）、
米国仮特許出願６１／１９０，６１３（２００８年９月２日出願）、
米国仮特許出願６１／１９１，０４３（２００８年９月８日出願）、
米国仮特許出願６１／１９２，２３７（２００８年９月１７日出願）、
米国仮特許出願６１／２０１，７２８（２００８年１２月１５日出願）、
米国仮特許出願６１／１９０，５４６（２００８年９月２日出願）、
米国仮特許出願６１／１８９，０１７（２００８年８月１５日出願）、
米国仮特許出願６１／１９８，２４８（２００８年１１月５日出願）、
米国仮特許出願６１／１９８，５０８（２００８年１１月７日出願）、
米国仮特許出願６１／１９７，９７１（２００８年１１月３日出願）、
米国仮特許出願６１／１９９，４０５（２００８年１１月１７日出願）、
米国仮特許出願６１／１９９，４０３（２００８年１１月１７日出願）、
米国仮特許出願６１／１９９，４０４（２００８年１１月１７日出願）、
の利益を主張し、及び
国際特許出願ＰＣＴ／ＲＵ２００９／０００１５「Multi-Field Charged Particle Cancer Therapy Method and Apparatus:マルチフィールド荷電粒子の癌治療の方法及び装置（２００９年３月４日出願）」
について優先権を主張する。
これらのすべては、これらの開示内容を引用することにより、その全部がこの出願に組み込まれている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
腫瘍を照射する照射装置の使用中にその加速器内に荷電粒子ビームを入射する荷電粒子ビーム入射装置であって、前記装置は、
ある断面領域を有する陰イオン・ビームに係る陰イオンを生成する陰イオン源と、
イオン・ビーム・フォーカス・レンズと、
陰イオン・ビームを荷電粒子ビームに変換する変換箔と、
を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項２】
前記イオン・ビーム・フォーカス・レンズは、真空システムにおいて、陰イオン・ビームの中に延びて陰イオン・ビームをフォーカスする磁場線を提供し、前記イオン・ビーム・フォーカス・レンズが、
陰イオン・ビームを円周状に取り囲む第１のフォーカス電極と、
少なくとも部分的に陰イオン・ビームを遮蔽する金属導電路を有する第２のフォーカス電極と、をさらに備え、
第１の電場線が、前記第１のフォーカス電極及び前記第２のフォーカス電極の間に延びて、
陰イオンが、陰イオン・ビームをフォーカスする第１の電場線まで延びる第１の力ベクトルと交差する、構成とした
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項３】
前記第１のフォーカス電極及び前記第２のフォーカス電極が、逆極性に帯電される、構成とした
ことを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項４】
前記金属導電路が、
陰イオン・ビームを横切って実質的に平行に延びる一連の導電線、
陰イオン・ビームと交差する導電格子、及び
陰イオン・ビームの断面領域の少なくとも９０パーセントの断面領域に合わせられた孔を備えて、陰イオン・ビームと交差するフォーカス箔、のうち任意のものを有する、構成とした
ことを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項５】
前記金属導電路は、１０パーセント未満の陰イオン・ビームの断面領域を遮蔽する、構成とした
ことを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項６】
陰イオン・ビームを円周状に取り囲む第３のフォーカス電極をさらに備え、前記第２のフォーカス電極が前記第１のフォーカス電極及び前記第３のフォーカス電極の間に位置する荷電粒子ビーム入射装置であって、
前記第３のフォーカス電極が負に帯電され、
第２の電場線が、前記第３のフォーカス電極及び前記第２のフォーカス電極の間を延びて、
陰イオンが、陰イオン・ビームをフォーカスする前記第２の電場線まで延びる第２の力ベクトルに交差する、構成とした
ことを特徴とする請求項５に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項７】
前記変換箔が、陰イオンを陽子ビームに変換し、前記変換箔が、陽子ビームを有する荷電粒子ビーム及び陰イオンの間に真空障壁を設ける、
構成とした
ことを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項８】
前記陰イオン源が、磁場ループを生成する磁性材料を備える荷電粒子ビーム入射装置であって、
磁場ループが、高温プラズマ室及び低温プラズマ領域の間に磁場障壁を発生し、
前記磁気障壁が、前記高温プラズマ室の中のプラズマの要素を前記低温プラズマ領域に対して選択的に通過させ、
低エネルギー電子は、水素原子と相互に作用して前記低温プラズマ領域内に水素イオンを生成し、
高電圧のパルスの供給によって前記陰イオン源から陰イオンを抽出して陰イオン・ビームを形成する、構成とした
ことを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項９】
前記変換箔が、前記照射装置のイオン・ビーム形成側の室及び前記照射装置のシンクロトロン側の室の間に圧力封止を設ける構成とし、第１のポンプ・システムが、前記変換箔の前記イオン・ビーム形成側の室内に第１の真空を維持するように動作する構成とし、第２のポンプ・システムが、前記シンクロトロン側の室内に第２の真空を維持するように動作する構成とした、
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１０】
前記陰イオン源が、低温プラズマ領域から高エネルギー・プラズマを分離する磁気障壁を有する、構成とした
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１１】
前記高エネルギー・プラズマ領域内の磁性材料が、磁場障壁を発生する、構成とした
ことを特徴とする請求項１０に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１２】
前記高温プラズマ室の第１の端部における第１のイオン発生電極と、
前記高温プラズマ室の第２の端部における第２のイオン発生電極と、をさらに備えた荷電粒子ビーム入射装置であって、
前記第１のイオン発生電極及び前記第２のイオン発生電極に対する第１の高電圧パルスの供給が、前記高温プラズマ室の中の水素を成分要素に分割する、構成とした
ことを特徴とする請求項１１に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１３】
第３のイオン発生電極をさらに備えた荷電粒子ビーム入射装置であって、前記第２のイオン発生電極及び前記第３のイオン発生電極に対する第２の高電圧パルスの供給が、前記低温プラズマ領域から陰イオンを抽出して陰イオン・ビームを形成する、構成とした
ことを特徴とする請求項１２に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１４】
前記高エネルギー・プラズマ領域の周辺に外壁を有する磁場をさらに有する荷電粒子ビーム入射装置であって、
前記磁性材料が、前記第１のイオン発生電極を通り、前記外壁を有する磁場を通り、前記第２のイオン発生電極を通り、ギャップの全体にわたり、及び前記磁性材料を通る磁場ループを発生する、構成とした
ことを特徴とする請求項１３に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１５】
前記変換箔が、
シンクロトロンを有する前記加速器及び前記陰イオン源の間に、真空障壁を形成する約３０乃至２００ミクロンメートルの厚さのベリリウム・カーボン・フィルムを、有する
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１６】
前記加速器が前記シンクロトロンを有し、前記シンクロトロンが、
抽出材料と、
一対の抽出羽根にわたって印加される少なくとも１ｋＶの直流電場と、
偏向器と、を備えた荷電粒子ビーム入射装置であって、
荷電粒子ビームは、前記抽出材料を通過する結果、低下したエネルギーの荷電粒子ビームとなり、
低下したエネルギーの荷電粒子ビームが、前記一対の抽出羽根の間を通過し、
直流電場が、低下したエネルギーの荷電粒子ビームを前記偏向器によって前記シンクロトロンの外に転送し、
前記偏向器が、抽出された荷電粒子ビームを生じる、構成とした
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１７】
抽出された荷電粒子ビームの強度をフィードバック制御によって制御する強度制御部を、さらに備える
ことを特徴とする請求項１６に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１８】
前記抽出材料の中を通過する荷電粒子ビームによって生じた誘導電流が、前記強度制御部に対するフィードバック入力を有する、
ことを特徴とする請求項１７に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１９】
抽出された荷電粒子ビームの２０ミリメートルの範囲内に配置されたＸ線源をさらに備えた荷電粒子ビーム入射装置であって、前記Ｘ線源が、前記Ｘ線源の使用中における位置を維持し、抽出された荷電粒子ビームによる腫瘍の治療中における位置を維持する、構成とした
ことを特徴とする請求項１６に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項２０】
前記照射装置が、
照射の期間中に回転する回転自在な載置台と、
前記第１の載置台に搭載されて、荷電粒子ビームの配送の期間中に腫瘍の動きを制限する固定システムと、をさらに備えた荷電粒子ビーム入射装置であって、
前記回転自在な載置台が、抽出された荷電粒子ビームによる腫瘍照射の期間中に、少なくとも１０方向に回転する、構成とした
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項２１】
腫瘍を照射する照射装置の使用中にその加速器内に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム入射方法であって、
ある断面領域を有する陰イオン・ビームにおける陰イオンを陰イオン源によって生成する工程と、
イオン・ビーム・フォーカス・レンズにおける第１の電場線を用いて陰イオン・ビームをフォーカスする工程と、
変換箔によって陰イオン・ビームを荷電粒子ビームに変換する工程と、を有する
ことを特徴とする荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２２】
第１の電場線が真空システムに延びて陰イオン・ビームを通過し、前記イオン・ビーム・フォーカス・レンズが、さらに
第１のフォーカス電極によって陰イオン・ビームを円周状に取り囲む工程と、
少なくとも部分的に陰イオン・ビームを遮蔽する金属導電路を有する第２のフォーカス電極を設ける工程と、を有する荷電粒子ビーム入射方法であって、
第１の電場線が、前記第１のフォーカス電極及び前記第２のフォーカス電極の間に延びる工程と、
陰イオンが、陰イオン・ビームをフォーカスする前記第１の電場線まで延びる第１の力ベクトルに交差する工程と、を有する
ことを特徴とする請求項２１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２３】
前記第１のフォーカス電極及び前記第２のフォーカス電極が、逆極性に帯電される工程を有する
ことを特徴とする請求項２２に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２４】
前記金属導電路が、
一連の導電線が陰イオン・ビームの全体にわたって実質的に平行に延びる工程、
導電格子が陰イオン・ビームと交差する工程、及び
陰イオン・ビームの断面領域の少なくとも９０パーセントの断面領域と組み合わされた孔を有するフォーカス箔が陰イオン・ビームと交差する工程、
のうち任意の工程を有する
ことを特徴とする請求項２２に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２５】
前記金属導電路が、１０パーセント未満の陰イオン・ビームの断面領域を遮蔽する工程を有する
ことを特徴とする請求項２２に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２６】
第３のフォーカス電極によって陰イオン・ビームを円周状に取り囲む工程と、前記第２のフォーカス電極が前記第１のフォーカス電極及び前記第３のフォーカス電極の間に位置する工程とを、さらに有する荷電粒子ビーム入射方法であって、
第２の電場線が、前記第３のフォーカス電極及び前記第２のフォーカス電極の間に延びる工程と、
陰イオンが、陰イオン・ビームをフォーカスする前記第２の電場線まで延びる第２の力ベクトルに交差する工程と、を有する
ことを特徴とする請求項２５に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２７】
変換箔によって、陰イオンを陽子ビームに変換する工程と、
前記変換箔によって加速器及び陰イオンとの間に真空障壁を設ける工程であって、前記加速器がシンクロトロンを有するように構成する工程と、をさらに有する
ことを特徴とする請求項２２に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２８】
前記陰イオン源内に少なくとも一部が配置された磁性材料によって磁場ループを生成する工程であって、前記磁場ループが、高温プラズマ室及び低温プラズマ領域の間に磁場障壁を発生し、前記磁場障壁が、前記高温プラズマ室におけるプラズマの要素を前記低温プラズマ領域に対して選択的に転送し、低エネルギー電子が、水素原子と連携して前記低温プラズマ領域内に水素イオンを生成する工程と、
前記低温プラズマ領域に対して高電圧パルスを印加して前記陰イオン源から陰イオンを抽出して陰イオン・ビームを生成する工程と、をさらに有する
ことを特徴とする請求項２２に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２９】
前記変換箔におけるイオン・ビーム形成側及びシンクロトロン側の間に、圧力封止を設ける工程を、さらに有する
ことを特徴とする請求項２１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３０】
前記陰イオン源における低温プラズマ領域から高エネルギー・プラズマ領域を分離する磁場障壁を設ける工程をさらに有する
ことを特徴とする請求項２１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３１】
前記高エネルギー・プラズマ領域内において、磁性材料が、磁場障壁を発生する工程を有する
ことを特徴とする請求項３０に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３２】
前記高温プラズマ室の第１の端部における第１のイオン発生電極及び前記高温プラズマ室の第２の端部における第２のイオン発生電極の両端に、第１の高電圧パルスを印加する工程をさらに有する荷電粒子ビーム入射方法であって、
前記第１のイオン発生電極及び前記第２のイオン発生電極にわたって印加される前記第１の高電圧パルスの供給が、前記高温プラズマ室の水素を要素成分に分割する工程を有する
ことを特徴とする請求項３１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３３】
前記第１の高電圧パルスは、少なくとも１５μＳの期間に少なくとも４ｋＶのパルスを出力する工程を有する
ことを特徴とする請求項３２に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３４】
抽出電極によって低温プラズマ領域に対して第２の高電圧パルスを印加する工程をさらに有する
ことを特徴とする請求項３３に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３５】
前記第２の高電圧パルスは、前記第１の高電圧パルスの最後の５μＳと重複する期間に少なくとも２０ｋＶのパルスを出力する工程を有する
ことを特徴とする請求項３２に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３６】
前記第２の高電圧パルスは、前記第１の高電圧パルスの最後の３μＳと重複する期間に少なくとも２０ｋＶのパルスを出力する工程を有する
ことを特徴とする請求項３２に記載の荷電粒子ビーム入射方法
【請求項３７】
前記第２のイオン発生電極及び第３のイオン発生電極の両端に第２の高電圧パルスを印加する工程をさらに有し、その工程において、前記第２の高電圧パルスの印加によって低温プラズマ領域から陰イオンを抽出して陰イオン・ビームを形成する工程を、
有することを特徴とする請求項３６に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３８】
前記高エネルギー・プラズマ領域のまわりに外壁を有する磁場を設ける工程をさらに有する荷電粒子ビーム入射方法であって、前記磁性材料が、前記第１のイオン発生電極を通り、外壁を有する前記磁場を通り、前記第２のイオン発生電極を通り、ギャップの全体にわたり、及び前記磁性材料を通過する磁場ループを発生する工程を有し、磁場障壁が、前記ギャップの全体にわたる工程を有する
ことを特徴とする請求項３７に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３９】
前記変換箔は、約３０乃至２００ミクロンメートルの厚さのベリリウム・カーボン・フィルムで構成される工程を有する
ことを特徴とする請求項３１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項４０】
前記加速器から荷電粒子ビームを抽出する工程をさらに有する荷電粒子ビーム入射方法であって、その抽出する工程が、
荷電粒子ビームのエネルギーを低下させる抽出材料に荷電粒子ビームを転送する工程と、
一対の抽出羽根の両端に少なくとも５００ボルトの抽出電場を印加する工程と、
エネルギーが低下された荷電粒子を前記一対の抽出羽根の間に送り込む工程と、を有し、
前記抽出電場が、エネルギーが低下された荷電粒子を、エネルギーが制御されて抽出された荷電粒子として転送する工程を有する
ことを特徴とする請求項３１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項４１】
抽出された荷電粒子の強度を強度制御部によって制御する工程をさらに有する
ことを特徴とする請求項３１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項４２】
前記制御する工程が、
前記強度制御部に対してフィードバック信号を入力する工程であって、荷電粒子ビームが前記抽出材料を叩く過程で放出された電子を発生して転送する前記工程において、放出された電子が前記フィードバック信号に変換される工程と、
前記フィーバック信号を照射の設定強度と比較する工程と、
前記フィードバック信号が前記照射の設定強度に略等しくなるまで、前記強度制御部によってベータトロン振動を調整する工程と、を有する荷電粒子ビーム入射方法であって、
前記エネルギーが制御されて抽出された荷電粒子ビームが、独立した強度制御で制御される工程、
を有することを特徴とする請求項４１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項４３】
抽出された荷電粒子ビームの２０ミリメートルの範囲内に配置されるＸ線源を用いて腫瘍のＸ線画像を発生する工程をさらに有する荷電粒子ビーム入射方法であって、前記Ｘ線源は、前記Ｘ線源の使用中における位置を維持し、及び前記Ｘ線源は、抽出された荷電粒子ビームによる腫瘍の治療中における静止位置を維持する工程を有する
ことを特徴とする請求項４０に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項４４】
照射期間中における照射装置の回転自在な載置台を回転する工程と、
前記第１の回転自在な載置台に搭載され、荷電粒子ビームの配送期間中に腫瘍の動きを制限する固定システムを設ける工程と、
前記回転自在な載置台が少なくとも１０カ所の照射位置に回転されるときに、前記照射装置によって腫瘍を照射する工程と、をさらに有する
ことを特徴とする請求項３１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項１】
腫瘍を照射する照射装置の使用中にその加速器内に荷電粒子ビームを入射する荷電粒子ビーム入射装置であって、前記装置は、
ある断面領域を有する陰イオン・ビームに係る陰イオンを生成する陰イオン源と、
イオン・ビーム・フォーカス・レンズと、
陰イオン・ビームを荷電粒子ビームに変換する変換箔と、
を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項２】
前記イオン・ビーム・フォーカス・レンズは、真空システムにおいて、陰イオン・ビームの中に延びて陰イオン・ビームをフォーカスする磁場線を提供し、前記イオン・ビーム・フォーカス・レンズが、
陰イオン・ビームを円周状に取り囲む第１のフォーカス電極と、
少なくとも部分的に陰イオン・ビームを遮蔽する金属導電路を有する第２のフォーカス電極と、をさらに備え、
第１の電場線が、前記第１のフォーカス電極及び前記第２のフォーカス電極の間に延びて、
陰イオンが、陰イオン・ビームをフォーカスする第１の電場線まで延びる第１の力ベクトルと交差する、構成とした
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項３】
前記第１のフォーカス電極及び前記第２のフォーカス電極が、逆極性に帯電される、構成とした
ことを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項４】
前記金属導電路が、
陰イオン・ビームを横切って実質的に平行に延びる一連の導電線、
陰イオン・ビームと交差する導電格子、及び
陰イオン・ビームの断面領域の少なくとも９０パーセントの断面領域に合わせられた孔を備えて、陰イオン・ビームと交差するフォーカス箔、のうち任意のものを有する、構成とした
ことを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項５】
前記金属導電路は、１０パーセント未満の陰イオン・ビームの断面領域を遮蔽する、構成とした
ことを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項６】
陰イオン・ビームを円周状に取り囲む第３のフォーカス電極をさらに備え、前記第２のフォーカス電極が前記第１のフォーカス電極及び前記第３のフォーカス電極の間に位置する荷電粒子ビーム入射装置であって、
前記第３のフォーカス電極が負に帯電され、
第２の電場線が、前記第３のフォーカス電極及び前記第２のフォーカス電極の間を延びて、
陰イオンが、陰イオン・ビームをフォーカスする前記第２の電場線まで延びる第２の力ベクトルに交差する、構成とした
ことを特徴とする請求項５に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項７】
前記変換箔が、陰イオンを陽子ビームに変換し、前記変換箔が、陽子ビームを有する荷電粒子ビーム及び陰イオンの間に真空障壁を設ける、
構成とした
ことを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項８】
前記陰イオン源が、磁場ループを生成する磁性材料を備える荷電粒子ビーム入射装置であって、
磁場ループが、高温プラズマ室及び低温プラズマ領域の間に磁場障壁を発生し、
前記磁気障壁が、前記高温プラズマ室の中のプラズマの要素を前記低温プラズマ領域に対して選択的に通過させ、
低エネルギー電子は、水素原子と相互に作用して前記低温プラズマ領域内に水素イオンを生成し、
高電圧のパルスの供給によって前記陰イオン源から陰イオンを抽出して陰イオン・ビームを形成する、構成とした
ことを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項９】
前記変換箔が、前記照射装置のイオン・ビーム形成側の室及び前記照射装置のシンクロトロン側の室の間に圧力封止を設ける構成とし、第１のポンプ・システムが、前記変換箔の前記イオン・ビーム形成側の室内に第１の真空を維持するように動作する構成とし、第２のポンプ・システムが、前記シンクロトロン側の室内に第２の真空を維持するように動作する構成とした、
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１０】
前記陰イオン源が、低温プラズマ領域から高エネルギー・プラズマを分離する磁気障壁を有する、構成とした
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１１】
前記高エネルギー・プラズマ領域内の磁性材料が、磁場障壁を発生する、構成とした
ことを特徴とする請求項１０に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１２】
前記高温プラズマ室の第１の端部における第１のイオン発生電極と、
前記高温プラズマ室の第２の端部における第２のイオン発生電極と、をさらに備えた荷電粒子ビーム入射装置であって、
前記第１のイオン発生電極及び前記第２のイオン発生電極に対する第１の高電圧パルスの供給が、前記高温プラズマ室の中の水素を成分要素に分割する、構成とした
ことを特徴とする請求項１１に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１３】
第３のイオン発生電極をさらに備えた荷電粒子ビーム入射装置であって、前記第２のイオン発生電極及び前記第３のイオン発生電極に対する第２の高電圧パルスの供給が、前記低温プラズマ領域から陰イオンを抽出して陰イオン・ビームを形成する、構成とした
ことを特徴とする請求項１２に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１４】
前記高エネルギー・プラズマ領域の周辺に外壁を有する磁場をさらに有する荷電粒子ビーム入射装置であって、
前記磁性材料が、前記第１のイオン発生電極を通り、前記外壁を有する磁場を通り、前記第２のイオン発生電極を通り、ギャップの全体にわたり、及び前記磁性材料を通る磁場ループを発生する、構成とした
ことを特徴とする請求項１３に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１５】
前記変換箔が、
シンクロトロンを有する前記加速器及び前記陰イオン源の間に、真空障壁を形成する約３０乃至２００ミクロンメートルの厚さのベリリウム・カーボン・フィルムを、有する
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１６】
前記加速器が前記シンクロトロンを有し、前記シンクロトロンが、
抽出材料と、
一対の抽出羽根にわたって印加される少なくとも１ｋＶの直流電場と、
偏向器と、を備えた荷電粒子ビーム入射装置であって、
荷電粒子ビームは、前記抽出材料を通過する結果、低下したエネルギーの荷電粒子ビームとなり、
低下したエネルギーの荷電粒子ビームが、前記一対の抽出羽根の間を通過し、
直流電場が、低下したエネルギーの荷電粒子ビームを前記偏向器によって前記シンクロトロンの外に転送し、
前記偏向器が、抽出された荷電粒子ビームを生じる、構成とした
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１７】
抽出された荷電粒子ビームの強度をフィードバック制御によって制御する強度制御部を、さらに備える
ことを特徴とする請求項１６に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１８】
前記抽出材料の中を通過する荷電粒子ビームによって生じた誘導電流が、前記強度制御部に対するフィードバック入力を有する、
ことを特徴とする請求項１７に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項１９】
抽出された荷電粒子ビームの２０ミリメートルの範囲内に配置されたＸ線源をさらに備えた荷電粒子ビーム入射装置であって、前記Ｘ線源が、前記Ｘ線源の使用中における位置を維持し、抽出された荷電粒子ビームによる腫瘍の治療中における位置を維持する、構成とした
ことを特徴とする請求項１６に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項２０】
前記照射装置が、
照射の期間中に回転する回転自在な載置台と、
前記第１の載置台に搭載されて、荷電粒子ビームの配送の期間中に腫瘍の動きを制限する固定システムと、をさらに備えた荷電粒子ビーム入射装置であって、
前記回転自在な載置台が、抽出された荷電粒子ビームによる腫瘍照射の期間中に、少なくとも１０方向に回転する、構成とした
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム入射装置。
【請求項２１】
腫瘍を照射する照射装置の使用中にその加速器内に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム入射方法であって、
ある断面領域を有する陰イオン・ビームにおける陰イオンを陰イオン源によって生成する工程と、
イオン・ビーム・フォーカス・レンズにおける第１の電場線を用いて陰イオン・ビームをフォーカスする工程と、
変換箔によって陰イオン・ビームを荷電粒子ビームに変換する工程と、を有する
ことを特徴とする荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２２】
第１の電場線が真空システムに延びて陰イオン・ビームを通過し、前記イオン・ビーム・フォーカス・レンズが、さらに
第１のフォーカス電極によって陰イオン・ビームを円周状に取り囲む工程と、
少なくとも部分的に陰イオン・ビームを遮蔽する金属導電路を有する第２のフォーカス電極を設ける工程と、を有する荷電粒子ビーム入射方法であって、
第１の電場線が、前記第１のフォーカス電極及び前記第２のフォーカス電極の間に延びる工程と、
陰イオンが、陰イオン・ビームをフォーカスする前記第１の電場線まで延びる第１の力ベクトルに交差する工程と、を有する
ことを特徴とする請求項２１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２３】
前記第１のフォーカス電極及び前記第２のフォーカス電極が、逆極性に帯電される工程を有する
ことを特徴とする請求項２２に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２４】
前記金属導電路が、
一連の導電線が陰イオン・ビームの全体にわたって実質的に平行に延びる工程、
導電格子が陰イオン・ビームと交差する工程、及び
陰イオン・ビームの断面領域の少なくとも９０パーセントの断面領域と組み合わされた孔を有するフォーカス箔が陰イオン・ビームと交差する工程、
のうち任意の工程を有する
ことを特徴とする請求項２２に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２５】
前記金属導電路が、１０パーセント未満の陰イオン・ビームの断面領域を遮蔽する工程を有する
ことを特徴とする請求項２２に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２６】
第３のフォーカス電極によって陰イオン・ビームを円周状に取り囲む工程と、前記第２のフォーカス電極が前記第１のフォーカス電極及び前記第３のフォーカス電極の間に位置する工程とを、さらに有する荷電粒子ビーム入射方法であって、
第２の電場線が、前記第３のフォーカス電極及び前記第２のフォーカス電極の間に延びる工程と、
陰イオンが、陰イオン・ビームをフォーカスする前記第２の電場線まで延びる第２の力ベクトルに交差する工程と、を有する
ことを特徴とする請求項２５に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２７】
変換箔によって、陰イオンを陽子ビームに変換する工程と、
前記変換箔によって加速器及び陰イオンとの間に真空障壁を設ける工程であって、前記加速器がシンクロトロンを有するように構成する工程と、をさらに有する
ことを特徴とする請求項２２に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２８】
前記陰イオン源内に少なくとも一部が配置された磁性材料によって磁場ループを生成する工程であって、前記磁場ループが、高温プラズマ室及び低温プラズマ領域の間に磁場障壁を発生し、前記磁場障壁が、前記高温プラズマ室におけるプラズマの要素を前記低温プラズマ領域に対して選択的に転送し、低エネルギー電子が、水素原子と連携して前記低温プラズマ領域内に水素イオンを生成する工程と、
前記低温プラズマ領域に対して高電圧パルスを印加して前記陰イオン源から陰イオンを抽出して陰イオン・ビームを生成する工程と、をさらに有する
ことを特徴とする請求項２２に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項２９】
前記変換箔におけるイオン・ビーム形成側及びシンクロトロン側の間に、圧力封止を設ける工程を、さらに有する
ことを特徴とする請求項２１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３０】
前記陰イオン源における低温プラズマ領域から高エネルギー・プラズマ領域を分離する磁場障壁を設ける工程をさらに有する
ことを特徴とする請求項２１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３１】
前記高エネルギー・プラズマ領域内において、磁性材料が、磁場障壁を発生する工程を有する
ことを特徴とする請求項３０に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３２】
前記高温プラズマ室の第１の端部における第１のイオン発生電極及び前記高温プラズマ室の第２の端部における第２のイオン発生電極の両端に、第１の高電圧パルスを印加する工程をさらに有する荷電粒子ビーム入射方法であって、
前記第１のイオン発生電極及び前記第２のイオン発生電極にわたって印加される前記第１の高電圧パルスの供給が、前記高温プラズマ室の水素を要素成分に分割する工程を有する
ことを特徴とする請求項３１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３３】
前記第１の高電圧パルスは、少なくとも１５μＳの期間に少なくとも４ｋＶのパルスを出力する工程を有する
ことを特徴とする請求項３２に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３４】
抽出電極によって低温プラズマ領域に対して第２の高電圧パルスを印加する工程をさらに有する
ことを特徴とする請求項３３に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３５】
前記第２の高電圧パルスは、前記第１の高電圧パルスの最後の５μＳと重複する期間に少なくとも２０ｋＶのパルスを出力する工程を有する
ことを特徴とする請求項３２に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３６】
前記第２の高電圧パルスは、前記第１の高電圧パルスの最後の３μＳと重複する期間に少なくとも２０ｋＶのパルスを出力する工程を有する
ことを特徴とする請求項３２に記載の荷電粒子ビーム入射方法
【請求項３７】
前記第２のイオン発生電極及び第３のイオン発生電極の両端に第２の高電圧パルスを印加する工程をさらに有し、その工程において、前記第２の高電圧パルスの印加によって低温プラズマ領域から陰イオンを抽出して陰イオン・ビームを形成する工程を、
有することを特徴とする請求項３６に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３８】
前記高エネルギー・プラズマ領域のまわりに外壁を有する磁場を設ける工程をさらに有する荷電粒子ビーム入射方法であって、前記磁性材料が、前記第１のイオン発生電極を通り、外壁を有する前記磁場を通り、前記第２のイオン発生電極を通り、ギャップの全体にわたり、及び前記磁性材料を通過する磁場ループを発生する工程を有し、磁場障壁が、前記ギャップの全体にわたる工程を有する
ことを特徴とする請求項３７に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項３９】
前記変換箔は、約３０乃至２００ミクロンメートルの厚さのベリリウム・カーボン・フィルムで構成される工程を有する
ことを特徴とする請求項３１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項４０】
前記加速器から荷電粒子ビームを抽出する工程をさらに有する荷電粒子ビーム入射方法であって、その抽出する工程が、
荷電粒子ビームのエネルギーを低下させる抽出材料に荷電粒子ビームを転送する工程と、
一対の抽出羽根の両端に少なくとも５００ボルトの抽出電場を印加する工程と、
エネルギーが低下された荷電粒子を前記一対の抽出羽根の間に送り込む工程と、を有し、
前記抽出電場が、エネルギーが低下された荷電粒子を、エネルギーが制御されて抽出された荷電粒子として転送する工程を有する
ことを特徴とする請求項３１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項４１】
抽出された荷電粒子の強度を強度制御部によって制御する工程をさらに有する
ことを特徴とする請求項３１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項４２】
前記制御する工程が、
前記強度制御部に対してフィードバック信号を入力する工程であって、荷電粒子ビームが前記抽出材料を叩く過程で放出された電子を発生して転送する前記工程において、放出された電子が前記フィードバック信号に変換される工程と、
前記フィーバック信号を照射の設定強度と比較する工程と、
前記フィードバック信号が前記照射の設定強度に略等しくなるまで、前記強度制御部によってベータトロン振動を調整する工程と、を有する荷電粒子ビーム入射方法であって、
前記エネルギーが制御されて抽出された荷電粒子ビームが、独立した強度制御で制御される工程、
を有することを特徴とする請求項４１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項４３】
抽出された荷電粒子ビームの２０ミリメートルの範囲内に配置されるＸ線源を用いて腫瘍のＸ線画像を発生する工程をさらに有する荷電粒子ビーム入射方法であって、前記Ｘ線源は、前記Ｘ線源の使用中における位置を維持し、及び前記Ｘ線源は、抽出された荷電粒子ビームによる腫瘍の治療中における静止位置を維持する工程を有する
ことを特徴とする請求項４０に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【請求項４４】
照射期間中における照射装置の回転自在な載置台を回転する工程と、
前記第１の回転自在な載置台に搭載され、荷電粒子ビームの配送期間中に腫瘍の動きを制限する固定システムを設ける工程と、
前記回転自在な載置台が少なくとも１０カ所の照射位置に回転されるときに、前記照射装置によって腫瘍を照射する工程と、をさらに有する
ことを特徴とする請求項３１に記載の荷電粒子ビーム入射方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公表番号】特表２０１１−５２３４９８（Ｐ２０１１−５２３４９８Ａ）
【公表日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１０４５３（Ｐ２０１１−５１０４５３）
【出願日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＲＵ２００９／０００２４５
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１４２５４３
【国際公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【出願人】（５１０３０８９２０）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＲＵ２００９／０００２４５
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１４２５４３
【国際公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【出願人】（５１０３０８９２０）
【Ｆターム（参考）】
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