特許 6054336 可変エネルギーを有する荷電粒子を生成する粒子加速器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6054336

(24)【登録日】2016年12月9日

(45)【発行日】2016年12月27日

(54)【発明の名称】可変エネルギーを有する荷電粒子を生成する粒子加速器

(51)【国際特許分類】

   H05H 13/02 20060101AFI20161219BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20161219BHJP

【ＦＩ】

   H05H13/02

   A61N5/10 H

【請求項の数】26

【外国語出願】

【全頁数】30

(21)【出願番号】特願2014-120409(P2014-120409)

(22)【出願日】2014年6月11日

(65)【公開番号】特開2015-2176(P2015-2176A)

(43)【公開日】2015年1月5日

【審査請求日】2014年8月5日

(31)【優先権主張番号】13/916,401

(32)【優先日】2013年6月12日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】508147706

【氏名又は名称】メビオン・メディカル・システムズ・インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100089037

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 隆

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】ゲリット・タウンゼント・ツワート

(72)【発明者】

【氏名】チャールズ・ディー・オニール

(72)【発明者】

【氏名】ケン・ヨシキ・フランツェン

【審査官】 林 靖

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１９５２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０２０７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２６０１９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５０７１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５２４２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５３３８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２４２１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２６３２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５０１３９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２６９７００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ２１Ｋ １／００−３／００

Ｇ２１Ｋ ５／００−７／００

Ｈ０５Ｈ ３／００−１５／００

Ａ６１Ｎ ５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

粒子源からの、荷電粒子を含む粒子を加速するために、キャビティに高周波電圧（ＲＦ電圧）を提供するための電圧源と、
複数の値のうち１つを有する電流を通過させ、前記電流に対応する磁場を発生させる１つまたは複数のコイルであって、前記磁場が前記粒子を、前記電流に対応するエネルギーで前記キャビティ内で軌道に沿って運動させるためのものであり、前記磁場が少なくとも４テスラである、コイルと、
複数の磁極片であって、前記磁極片が、キャビティの周囲に配置され、前記磁極片が、前記キャビティ内の前記磁場を調整するために前記磁極片に対して移動可能である強磁性体材料を含む、磁極片と、
前記粒子を受け取り、前記粒子を前記キャビティから出力する引き出しチャネルであって、前記キャビティから出力された前記粒子が前記電流に対応するエネルギーを有する、引き出しチャネルと、を含む、シンクロサイクロトロンであって、
前記シンクロサイクロトロンが、前記電流の設定を前記複数の値のうち１つの値に設定することができるように構成され、前記複数の値のそれぞれが、粒子が前記キャビティから出力される異なるエネルギーに対応し、
前記キャビティから出力された前記粒子のエネルギーが、１００ＭｅＶから３００ＭｅＶの間の範囲であり、
前記電圧源が、異なる周波数範囲に渡って前記ＲＦ電圧を掃引するように構成され、異なる周波数範囲のそれぞれが、粒子が前記キャビティから出力される異なるエネルギーに対応する、シンクロサイクロトロン。

【請求項2】

前記電流が、固定された第１の部分及び複数の値のうち１つに変化可能である第２の部分を含み、前記電流の前記第２の部分が、前記シンクロサイクロトロンの引き出し半径における前記磁場を、前記引き出し半径における前記磁場の値の５％から３５％の間で変化させる範囲内である、請求項１に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項3】

前記引き出し半径における前記磁場が、０．２テスラから１．４テスラの間で変化可能である、請求項２に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項4】

前記引き出し半径における前記磁場が、０．６テスラから４．２テスラの間で変化可能である、請求項２に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項5】

前記１つまたは複数のコイルがコイルの第１のセットとコイルの第２のセットとを含み、前記第１のセットが前記電流の固定部を受け取るように構成され、前記第２のセットが前記電流の複数の値のうち１つに変化可能である部分を受け取るように構成される、請求項１に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項6】

前記電流の複数の値のうち１つに変化可能である前記部分が、前記シンクロサイクロトロンの引き出し半径における前記磁場を、前記引き出し半径における前記磁場の値の５％から３５％の間だけ変化させる範囲内である、請求項５に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項7】

前記引き出し半径における前記磁場が、０．２テスラから１．４テスラの間で、または０．６から４．２テスラの間で変化可能である、請求項６に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項8】

前記１つまたは複数のコイルがコイルの１つ以上のセットを含み、前記コイルの少なくとも１つのセットが超伝導であり、前記コイルの少なくとも１つが２００万アンペアターンから１０００万アンペアターンの間の電流と巻き数の積を有する、請求項１に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項9】

前記磁場が４テスラから２０テスラの範囲を有する強度を有する、請求項５に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項10】

前記キャビティから出力された前記粒子のエネルギーが１１５ＭｅＶから２５０ＭｅＶの間で連続的に変化可能である、請求項１に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項11】

前記キャビティから出力された前記粒子のエネルギーが、最大で１秒間に２０ＭｅＶの速度で変化可能である、請求項１０に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項12】

前記キャビティから出力された前記粒子のエネルギーが、１１５ＭｅＶから２５０ＭｅＶの間で不連続に変化可能である、請求項１に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項13】

前記粒子のエネルギーが、１０ＭｅＶから８０ＭｅＶのステップの大きさで変化可能である、請求項１２に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項14】

１ステップの大きさで前記粒子の前記エネルギーを変化させることが、３０分より短い時間を要する、請求項１３に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項15】

前記１つまたは複数のコイルが、超伝導コイルを含む、請求項１に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項16】

前記各周波数範囲が下限及び上限を含み、前記下限が４０ＭＨｚから２５０ＭＨｚの範囲内にあり、前記上限が５６ＭＨｚから３４０ＭＨｚの範囲内にある、請求項１に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項17】

前記下限が７３ＭＨｚから１５０ＭＨｚの範囲内にあり、前記上限が１３１ＭＨｚから１９６ＭＨｚの範囲内にある、請求項１６に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項18】

周波数範囲に渡って前記ＲＦ電圧を掃引するための前記電圧源に結合された１つ以上のリアクタンス素子をさらに含む、請求項１６に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項19】

前記１つ以上のリアクタンス素子が、前記キャビティから出力される粒子の対応するエネルギーに関して前記周波数範囲を選択するように構成される、請求項１８に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項20】

前記１つ以上のリアクタンス素子が、可変キャパシタ又は可変インダクタを含む、請求項１９に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項21】

前記１つまたは複数のコイルが、コイルの第１のセット及びコイルの第２のセットを含み、コイルの前記第１のセットが超伝導であり前記電流の固定部を受け取るように構成され、コイルの前記第２のセットが超伝導または非超伝導であり前記電流の複数の値のうち１つに変化可能である部分を受け取るように構成された、請求項１に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項22】

請求項１に記載のシンクロサイクロトロンと、
前記シンクロサイクロトロンが搭載され、患者の位置に対して回転可能であるガントリーと、を含む陽子医療システムであって、
前記粒子が陽子であり、前記陽子医療システムが、前記患者位置に前記シンクロサイクロトロンから陽子出力を出力するように構成された、陽子医療システム。

【請求項23】

粒子源からの、荷電粒子を含む粒子を加速するために、キャビティに高周波電圧（ＲＦ電圧）を提供するための電圧源と、
コイルの第１のセット及びコイルの第２のセットを含むコイルであって、コイルの前記第１のセットが電流の第１の部分を通過させ、コイルの前記第２のセットが電流の第２の部分を通過させ、前記第１の部分が固定され、前記第２の部分が複数の値のうち１つに変化可能であり、前記コイルが磁場を発生して前記キャビティ内で軌道に沿って前記粒子を運動させ、前記磁場が少なくとも４テスラである、コイルと、
前記キャビティから前記粒子を受け取り、シンクロサイクロトロンから前記粒子を出力する引き出しチャネルと、を含み、
前記電圧源が、前記ＲＦ電圧を異なる周波数範囲に渡って掃引するように構成され、異なる周波数範囲のそれぞれが、粒子が前記キャビティから出力される異なるエネルギーに対応する、シンクロサイクロトロン。

【請求項24】

前記電流の前記第２の部分が、前記シンクロサイクロトロンの引き出し半径における前記磁場を、前記引き出し半径における前記磁場の値の５％から３５％の間だけ変化させる範囲内である、請求項２３に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項25】

前記引き出し半径における前記磁場が、０．２テスラから１．４テスラの間、または０．６テスラから４．２テスラの間で変化可能である、請求項２４に記載のシンクロサイクロトロン。

【請求項26】

前記磁場が、４テスラから２０テスラの範囲を有する強度を有する、請求項２３に記載のシンクロサイクロトロン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に可変エネルギーを有する荷電粒子を生成する粒子加速器に関する。

【背景技術】

【0002】

粒子医療システムは、腫瘍のような疾患を処置するための粒子ビームを発生させる加速器を用いる。動作時には、粒子は磁場の存在下でキャビティ内の軌道で加速され、引き出しチャネルを通してキャビティから取り出される。加速器から引き出された粒子ビームは体内の標的体積を照射するのに用いることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許出願第１３／１４８０００号明細書

【特許文献2】米国特許出願第１３／９０７６０１号明細書

【特許文献3】米国特許出願第１１／９４８６６２号明細書

【特許文献4】米国特許出願第１１／１８７６３３号明細書

【特許文献5】米国仮出願第６０／５９００８９号明細書

【特許文献6】米国特許出願第１１／９４８３５９号明細書

【特許文献7】米国特許出願第１０／９４９７３４号明細書

【特許文献8】米国仮出願第６０／５９００８８号明細書

【特許文献9】米国特許第７７２８３１１号明細書

【特許文献10】米国特許出願第１２／２７５１０３号明細書

【特許文献11】米国仮出願第６０／７６０７８８号明細書

【特許文献12】米国特許出願第１１／４６３４０２号明細書

【特許文献13】米国仮出願第６０／８５０５６５号明細書

【特許文献14】米国仮出願第６１／７０７４６６号明細書

【特許文献15】米国仮出願第６１／７０７５１５号明細書

【特許文献16】米国仮出願第６１／７０７５４８号明細書

【特許文献17】米国仮出願第６１／７０７５７２号明細書

【特許文献18】米国仮出願第６１／７０７５９０号明細書

【特許文献19】米国仮出願第６１／７０７７０４号明細書

【特許文献20】米国仮出願第６１／７０７６２４号明細書

【特許文献21】米国仮出願第６１／７０７６４５号明細書

【特許文献22】米国仮出願第６０／９９１４５４号明細書

【特許文献23】米国特許第８００３９６４号明細書

【特許文献24】米国特許第７２０８７４８号明細書

【特許文献25】米国特許第７４０２９６３号明細書

【特許文献26】米国特許出願第１１／９３７５７３号明細書

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

例示的なシンクロサイクロトロンは、粒子源からの粒子を加速するために、キャビティに高周波（ＲＦ）電圧を提供するための電圧源と、可変電流を受け取り、粒子をキャビティ内で軌道運動させるために少なくとも４テスラである磁場を発生させるためのコイルと、加速された粒子を受け取り、受け取った粒子をキャビティから出力するための引き出しチャネルと、を含む。キャビティからの出力である粒子は、コイルに印加される可変電流に少なくとも基づいて可変であるエネルギーを有する。

【0005】

例示的な陽子医療システムは、上述の例示的なシンクロサイクロトロンと、シンクロサイクロトロンが搭載されるガントリーと、を含む。ガントリーは、患者の位置に対して回転可能である。粒子は陽子であり、本質的にはシンクロサイクロトロンから患者の位置へ直接出力されるものである。

【0006】

可変電流は固定部と可変部とを含むことができ、電流の可変部はシンクロトロンの引き出し半径において最大値の約５％から３５％の間で、シンクロトロンの引き出し半径における磁場を変化させる範囲内で可変であることができる。引き出し半径における磁場は、約０．２テスラから約１．４テスラの間で、または約０．６テスラから約４．２テスラの間で変化することができる。コイルは、コイルの第１のセットと、コイルの第２のセットとを含むことができる。第１のセットは、可変電流の固定部を受け取るように構成することができ、第二のセットは可変電流の可変部を受け取るように構成することができる。電流の可変部は、シンクロサイクロトロンの引き出し半径において最大値の約５％から３５％の間でシンクロサイクロトロンの引き出し半径における磁場を変化させる範囲内で可変であることができる。コイルは、コイルの１つ以上のセットを含むことができ、少なくともコイルの１つのセットは超伝導であり、２００万から１０００万アンペアターンの間からなることができる。磁場は、約４テスラから約２０テスラの範囲を有する強度を有することができる。キャビティからの出力である粒子のエネルギーは、約１１５ＭｅＶから約２５０ＭｅＶの間で、例えば１秒間に最大２０ＭｅＶになる速度で連続的に可変であることができる。キャビティからの出力である粒子のエネルギーは、約１１５ＭｅＶから約２５０ＭｅＶの間で、不連続に可変であることができる。粒子のエネルギーは、約１０ＭｅＶから約８０ＭｅＶのステップの大きさで可変であることができる。１つのステップのエネルギーの各変化は、３０分よりも短い時間であることができる。コイルは超伝導コイルを含むことができる。電圧源は、１周期における周波数範囲に渡ってＲＦ電圧を掃引するように構成することができる。電圧源は、粒子がキャビティから出力されるそれぞれの異なるエネルギーに対応する異なる周波数範囲に渡ってＲＦ電圧を掃引するように構成することができる。各周波数範囲は下限及び上限を含むことができ、下限は約４０ＭＨｚから約２５０ＭＨｚの範囲、例えば約７３ＭＨｚから約１５０ＭＨｚの範囲であることができ、上限は約５６ＭＨｚから約３４０ＭＨｚの範囲、例えば約１３１ＭＨｚから約１９６ＭＨｚの範囲であることができる。１つ以上のリアクタンス素子が周波数範囲に渡ってＲＦ電圧を掃引する電圧源に結合されることができる。１つ以上のリアクタンス素子は粒子がキャビティから出力される対応するエネルギーに関する周波数範囲を選択するように構成することができる。１つ以上のリアクタンス素子は、可変キャパシタまたはインダクタを含むことができる。コイルは、コイルの第１のセットとコイルの第２のセットとを含むことができ、第１のセットは超伝導であり、可変電流の固定部を受け取るように構成され、第２のセットは超伝導または非超伝導であり、可変電流の可変部を受け取るように構成される。本開示で説明される２つ以上の特徴は、この概要部で説明されたものを含み、本明細書に明示されていない実装形態を形成するように組み合わせられうる。

【0007】

本明細書に記載された様々なシステムまたはその一部の制御は、１つ以上の一時的でない機械可読蓄積媒体に蓄積され、１つ以上の処理デバイスで実行可能である命令を含むコンピュータプログラム製品を介して実装されてもよい。本明細書で説明されるシステムまたはその一部は、１つ以上の処理デバイスおよび記述された機能の制御を実装するための実行可能な命令を蓄積するメモリを含みうる装置、方法または電子システムとして実装されてもよい。

【0008】

１つ以上の実装形態の詳細は、添付する図面及び以下の説明で記載される。その他の特徴、物体及び利点は明細書及び図面から、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】処置システムの一例を示すブロック図である。

【図2】医療システムの斜視図である。

【図3】シンクロサイクロトロンの構成要素の分解斜視図である。

【図4】シンクロサイクロトロンの断面図である。

【図5】シンクロサイクロトロンの断面図である。

【図6】シンクロサイクロトロンの断面図である。

【図7】シンクロサイクロトロンの斜視図である。

【図8】異なる全電流が加速器に印加されたときの加速チャンバー内の異なる位置における磁場の強度のプロットである。

【図9】逆ボビン及び巻線の一部の断面図である。

【図10】チャネル内ケーブル複合導体の断面図である。

【図11】イオン源の断面図である。

【図12】ディープレート及びダミーディーの斜視図である。

【図13】高周波（ＲＦ）構造の一例の断面図である。

【図14】ボールトの斜視図である。

【図15】ボールトを有する処置室の斜視図である。

【図16】磁極面及び磁極片の対称プロファイルの半分のプロファイルを示す。

【図17】処置室内の内部ガントリー内に位置する患者を示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

＜概説＞
本明細書では、陽子またはイオン医療システムなどの処置システムに用いられる粒子加速器の一例が説明される。例示的な粒子医療システムはガントリーに搭載された粒子加速器、この例においてはシンクロサイクロトロンを含む。ガントリーは、加速器を患者の位置の周りに、以下により詳細に説明するように回転させることが可能である。いくつかの実装形態において、ガントリーは鋼鉄製であり、患者の両側に置かれた２つのそれぞれのベアリング上で回転するために搭載された２つの脚部を有する。粒子加速器は、処置領域に渡されるのに十分長い鋼鉄製のトラスによって支持されており、処置領域には患者が横たわり、トラスは両端においてガントリーの回転する脚部に取り付けられている。患者の周囲のガントリーの回転によって、粒子加速器もまた回転する。

【0011】

例示的な実装形態において、粒子加速器（例えば、シンクロサイクロトロン）は、磁場（Ｂ）を発生させる電流を伝導するための超伝導コイルを保持するクライオスタットを含む。この例において、クライオスタットは液体ヘリウム（Ｈｅ）を用いてコイルを超伝導温度、例えば４ケルビン（Ｋ）に保つ。磁極片は室温以下でクライオスタットの中に配置され、粒子が加速されるキャビティを画定する。いくつかの実装形態において、加速器によって発生される最大磁場は少なくとも４テスラであり、２０テスラまたはより高いものまでも可能であり、例えば、４テスラから２０テスラの間または６テスラから２０テスラの間であることができる。

【0012】

この例示的な実装形態において、粒子加速器はキャビティ内にプラズマコラムを提供する粒子源（例えば、ペニングイオンゲージ、ＰＩＧ源）を含む。水素ガスがイオン化されてプラズマコラムを発生させる。電源はキャビティに高周波（ＲＦ）電圧を提供してプラズマコラムから粒子を加速させる。前述のように、この例において、粒子加速器はシンクロサイクロトロンである。従って、コラムからの粒子を加速するときに、ＲＦ電圧は粒子に相対論効果（例えば、粒子質量の増大）に対処するために周波数の範囲に渡って掃引される。超伝導コイルを通って電流が流れることにより発生する磁場は、プラズマコラムから加速された粒子をキャビティ内の軌道に沿って加速させる。

【0013】

磁場再生器（「再生器」）は、キャビティの外側の近傍（例えば、その内側のエッジ）に配置されて、キャビティ内部の既存の磁場を調整し、それによってプラズマコラムから加速された粒子の連続的な軌道の位置（例えば、間隔及び角度）を変化させ、最終的に、クライオスタットを通り抜ける引き出しチャネルへ粒子が出力される。再生器は、キャビティ内のある点における磁場を増大させ（例えば、キャビティのある領域に磁場の「バンプ」を発生させ）、それによってその点における粒子の連続的な軌道のそれぞれに、引き出しチャネルに到達するまで引き出しチャネルの入射点の方へ外向きに歳差運動させる。引き出しチャネルは、プラズマコラムから加速された粒子を受け取り、キャビティから受け取った粒子を粒子ビームとして出力する。

【0014】

引き出された粒子ビーム（または加速器からの粒子ビーム出力）のエネルギーは、処置において粒子ビームの使用に影響を与えることができる。一般に、粒子ビーム（または粒子ビーム内の粒子）のエネルギーは、引き出し後には増加しない。しかしながら、エネルギーは引き出し後であって処置前に、処置の必要に基づいて低下されることができる。図１を参照すると、例示的な処置システム１０は加速器１２、例えばシンクロサイクロトロンを含み、加速器から可変エネルギーを有する粒子（例えば陽子）ビーム１４が引き出されて体２２の標的体積２４を照射する。任意選択的に、走査ユニット１６や散乱ユニット１６、１つ以上の監視ユニット１８及びエネルギー低減部２０などの１つ以上の追加的なデバイスが、照射方向２８に沿って配置される。デバイスは引き出しビーム１４の断面を遮り、処置のために引き出されたビームの１つ以上の特性を変化させる。

【0015】

処置のために粒子ビームによって照射される標的体積は典型的には３次元構成を有する。いくつかの状況において、処置を実施するために、標的体積は粒子ビームの照射方向に沿って複数の層に分割され、照射は層ごとに行うことができる。陽子などの粒子のある特定の種類に関して、照射方向に沿った標的体積内の侵入深さ（またはどの層までビームが到達するか）は、大部分が粒子ビームのエネルギーによって決定される。所定のエネルギーの粒子ビームは、対応する侵入深さよりも深く到達することは実質的にはない。標的体積の１つの層から別の層にビームの照射を移動させるためには、粒子ビームのエネルギーが変更される。

【0016】

図１に示される例において、標的体積２４は照射方向２８に沿って９つの層２６ａから２６ｉに分割されている。照射は典型的には最も深い層２６ｉから開始し、一度に１つの層ごとに、次第により浅い層へ移り、最も浅い層２６ａで終了する。体２２に印加する前に、粒子ビーム１４のエネルギーは、粒子が、体または標的体積のより深く、例えば層２６ｅから２６ｉまたは体のより深い部分まで実質的に侵入することなく、所望の層、例えば層２６ｄで停止することを可能にするレベルであるように制御される。いくつかの例において、粒子ビーム１４の所望のエネルギーは、処置層が粒子加速に対して浅くなるにつれて減少する。典型的には、標的体積２４の隣接する層を処置するためのビームエネルギーの差は約３ＭｅＶから約１００ＭｅＶ、例えば約１０ＭｅＶから約８０ＭｅＶであるが、その他の差も、例えば層の厚さ及びビームの特性に依存して可能であってもよい。

【0017】

標的体積２４の異なる層を処置するためのエネルギーの変更は、加速器１２において実施可能であり、いくつかの実装形態では、粒子ビームが加速器１２から引き出された後では追加的なエネルギーの変更は必要でない。処置システム１０における任意選択的なエネルギー低減部２０は、システムから省略されてもよい。いくつかの実装形態において、加速器１２は約１００ＭｅＶから約３００ＭｅＶの間、例えば約１１５ＭｅＶから約２５０ＭｅＶの間で変化するエネルギーを有する粒子ビームを出力することが可能である。変更は連続的または不連続的、例えば一度に１ステップであることができる。いくつかの実装形態において、連続的または不連続的な変更は、比較的速い速度で、例えば１秒間に約５０ＭｅＶまで、または１秒間に約２０ＭｅＶまで行うことができる。不連続な変化は、一度に約１０ＭｅＶから約８０ＭｅＶまでのステップの大きさで行うことができる。

【0018】

１つの層において照射が完了すると、加速器１２は次の層を照射するために、例えば数秒または１秒未満で粒子ビームのエネルギーを変更することができる。いくつかの実装形態において、標的体積２４の処置は、実質的に中断することなく、または全く中断することさえなく続けることが可能である。いくつかの状況において、不連続なエネルギー変化のステップの大きさは、標的体積２４の２つの隣接する層を照射するために必要なエネルギー差に対応するように選択される。例えば、ステップの大きさは、エネルギー差と同一またはエネルギー差の分数であることができる。

【0019】

いくつかの実装形態において、加速器１２及び低減部２０は併せてビーム１４のエネルギーを変更する。例えば、加速器１２は、粗調整を提供し、低減部２０は微調整を提供する。またはその逆であってもよい。この例において、加速器１２は、約１０から８０ＭｅＶの変化ステップでエネルギーを変化させる粒子ビームを出力することができ、低減部２０は、約２から１０ＭｅＶの変化ステップでビームのエネルギーを調整（例えば低減）する。

【0020】

レンジシフターであることができる、低減部の使用を減少させる（または不在とする）ことで、加速器からの出力ビームの特性及び質、例えばビーム強度を維持することを容易にすることができる。粒子ビームの制御は、加速器において実施することができる。例えば粒子ビームが低減部２０を通過する際に発生する中性子からの副作用を減少または除去することができる。

【0021】

標的体積２４における処置を完了した後に、処置システム１０が別の体または別の体の部位２２’における別の標的体積３０を処置する場合、粒子ビーム１４のエネルギーもまた調整を必要としうる。標的体積２４、３０は同一の体（または患者）の中にあってもよく、異なる患者に属するものであってもよい。体２２’の表面からの標的体積３０の深さＤは、標的体積２４のそれとは異なる可能性がある。いくらかのエネルギー調整が低減部２０でなされうるが、低減部１２はビームのエネルギーを低減するのみであり、ビームのエネルギーを増加させないものでありうる。場合によっては、標的体積３０を処置するための最大のビームエネルギーは、標的体積２４を処置するための最大のビームエネルギーよりも高いことがありうる。そのような状況では、加速器１２は標的体積２４を処置した後であって標的体積３０を処置する前に、出力ビームエネルギーを増加させる。他の状況では、標的体積３０の処置のために必要な最大のビームエネルギーは、標的体積の最大のビームエネルギーよりも低いものであってよい。低減部２０はエネルギーを低減することができるが、加速器１２が低減部２０の使用の減少または排除のためにより低いビームエネルギーを出力するように調整可能である。標的体積２４、３０を層に分割することは異なるものである可能性があり、または同一である可能性がある。また、標的体積３０は、標的体積２４の処置と同様に、層ごとに処置されることが可能である。

【0022】

同一の患者の異なる標的体積２４、３０の処置は、実質的に連続して、例えば２つの体積間の停止時間が最大で約３０分以下、例えば２５分以下、２０分以下、１５分以下、１０分以下、５分以下、または１分以下とすることができる。さらに以下に詳細に説明するように、加速器１２は、可動ガントリーに搭載されることができ、ガントリーの動作は、異なる標的体積を狙うために加速器を移動させる。いくつかの状況において、加速器１２は、標的体積２４の処置を完了した後であって、標的体積３０の処置を開始する前に処置システムが調整を行う（例えばガントリーを動かす）時間の間に、出力ビーム１４のエネルギーの調整を完了することができる。加速器及び標的体積３０の位置合わせが完了するとすぐに、処置は、調整された所望のビームエネルギーで開始することができる。異なる患者のためのビームエネルギー調整もまた比較的効率的に完了することができる。いくつかの例において、ビームエネルギーの増加／減少及び／またはガントリーの移動を含むすべての調整は、約３０分以内、例えば約２５分以内、約２０分以内、約１５分以内、約１０分以内または約５分以内に行われる。

【0023】

標的体積の同一の層において、照射量は走査ユニット１６を使用して、層の２次元表面に渡ってビームを移動する（走査ビームと呼ばれることがある）ことにより印加される。代替的に、層は引き出されたビームを散乱ユニット１６の１つ以上の散乱体に通過させることによって照射されることができる（散乱ビームと呼ばれることがある）。

【0024】

エネルギーや強度のようなビーム特性は、加速器１２並びに／もしくは他のデバイス、例えば走査ユニット／散乱体１６、低減部２０及び図示されていないその他のデバイスを制御することによって、処置前に選択されることが可能であり、または処置中に調整されることが可能である。いくつかの実装形態において、システム１０は、コンピュータのような、システム内の１つ以上のデバイスと通信する制御部３２を含む。場合によっては、制御は例えばビーム強度、線量、ターゲット体積内のビームの位置などを監視する１つ以上の監視装置１８によって実施される監視の結果に基づくことができる。監視装置１８は、デバイス１６と低減部２０との間にあるように示されているが、１つ以上の監視装置が、ビーム照射経路の別の位置に配置可能である。制御部３２はまた（同一の患者及び／または異なる患者の）１つ以上の標的体積のための処置計画を蓄積することができる。処置計画は、処置が開始する前に決定可能であり、標的体積の形状、層の数、各層の照射量、各層が照射される回数などのパラメータを含むことができる。システム１０内のビーム特性の調整は、処置計画に基づいて実施可能である。例えば処置計画からの逸脱が検出されると、追加的な調整が処置中に行われることが可能である。

【0025】

いくつかの実装形態において、加速器１２は、粒子ビームが加速される磁場を変化させることによって、出力粒子ビームのエネルギーを変化させる。特に、コイルの１つ以上のセットが、キャビティ内の可変磁場を発生させるための可変電流を受け取るために使用される。いくつかの例において、コイルの１つのセットは固定電流を受け取り、その一方コイルの１つ以上の他のセットは可変電流を受け取り、コイルセットが受け取る全電流が変化する。いくつかの実装形態において、コイルの全てのセットは超伝導である。いくつかの他の実装形態において、固定電流のためのセットなどの、コイルのいくつかのセットは超伝導であり、可変電流のための１つ以上のセットのようなコイルのその他のセットは非超伝導である。場合によっては、コイルの全てのセットが非超伝導である。

【0026】

一般に、磁場の強度は電流強度とともに増減可能である。所定の範囲内でコイルの全電流を調整することにより、対応する所定の範囲内で変化する磁場を発生させることができる。いくつかの状況において、電流の連続的な調整が、磁場の連続的な変化及び出力ビームエネルギーの連続的な変化を導くことができる。代替的に、コイルに印加される電流が不連続にステップ状に調整される場合、磁場及び出力ビームエネルギーもまたそれに従って不連続的に変化する。場合によっては、詳細には以下に説明されるように入力電流以外の微調整が必要となることがあるものの、電流に対する磁場の増減は、比較的正確に実行されるビームエネルギーの変更を可能とする。

【0027】

さらに、可変エネルギーを有する粒子ビームを出力するために、加速器１２は異なる周波数範囲に渡って掃引するＲＦ電圧を印加するように構成され、各範囲は異なる出力ビームエネルギーに対応する。例えば、加速器１２が３つの異なる出力ビームエネルギーを発生させるように構成される場合、ＲＦ電圧は周波数の３つの異なる範囲に渡って掃引することが可能である。他の例において、連続的なビームエネルギー変化に対応して、ＲＦ電圧は連続的に変化する周波数範囲に渡って掃引する。異なる周波数範囲は、異なる周波数の下限及び／または上限を有してもよい。

【0028】

単一エネルギーを有する粒子ビームを引き出すために使用される再生器の特徴を変更することなく、異なるエネルギーを有する粒子ビームが加速器１２から引き出されることが可能である。他の実装形態において、再生器は粒子軌道を妨げるように移動されることが可能であり、または鉄製のプラグが、可変粒子エネルギーに基づいて磁場バンプを変化させるために追加されまたは除去されることが可能である。

【0029】

一例として、表１は加速器１２が粒子ビームを出力できる３つのエネルギーレベルを示す。３つのエネルギーレベルを発生させるための対応するパラメータもまた列挙する。特に、磁石電流は加速器１２の１つ以上のコイルセットに印加される全電流を表し、最大周波数及び最小周波数は、ＲＦ電圧が掃引する範囲を画定し、ｒは粒子が加速されるキャビティの中心への位置の半径距離である。

【0030】

【表1】

【0031】

可変エネルギーを有する荷電粒子を発生させる例示的な粒子加速器の詳細が、以下に説明される。加速器はシンクロサイクロトロンとすることが可能であり、粒子は陽子であってもよい。粒子は処置における使用のためにビームに形成される。粒子加速器からのビーム出力のエネルギーは、患者内の１つの標的の処置の間または同一の患者若しくは異なる患者の異なる標的体積の処置の間に変更可能である。いくつかの実装形態において、ビーム（または粒子）が加速器から出力されていないときに、ビームのエネルギーを変更するために加速器の設定が変更される。エネルギーの変更は、所望の範囲に渡って連続的または不連続的とすることができる。

【0032】

図２を参照すると、荷電粒子放射医療システム５００は、回転ガントリー５０４上に搭載されることが可能であるほど十分小さな重量及び大きさを有するビーム生成粒子加速器５０２を含み、その出力は加速器筐体から患者５０６へ向けて直線的に（すなわち、本質的に直接に）指向される。

【0033】

いくつかの実装形態において、鋼鉄製のガントリーは、患者の両側に置かれた２つのそれぞれのベアリング５１２、５１４上に回転するように搭載された２つの脚部５０８、５１０を有する。加速器は、患者が横たわる処置領域５１８に渡るほど十分長い（例えば、患者のいかなる所望の標的領域もビームの線内に維持したままで人を空間内に完全に回転可能とするように、長身の人の２倍の長さ）である鋼鉄製のトラス５１６によって支持され、ガントリーの回転する脚部の両端に安定的に取り付けられる。

【0034】

いくつかの例において、ガントリーの回転は、３６０度よりも小さな範囲５２０、例えば約１８０度に制限され、医療システムを患者処置領域内に収容するボールト５２４の壁から床５２２が延設することを可能にする。ガントリーの制限された回転範囲はまた、処置領域外の人の放射線遮蔽を提供する壁のいくつか（例えば壁５３０等、ビームに直接位置合わせされることの決してない壁）の必要な厚さを低減することにもなる。ガントリー回転の１８０度の範囲は、全ての処置到達角度をカバーするのに十分であるが、移動のより大きな範囲を提供することが有用なものとすることができる。例えば、回転の範囲は１８０度から３３０度の間であってもよく、それでも医療の床空間のための間隔を提供しうる。

【0035】

ガントリーの水平回転軸５３２は、患者及び医療従事者が医療システムと作用する床から名目上１メートル上方に位置する。この床は医療システムの遮蔽されたボールトの底部の床の約３メートル上方に位置する。加速器は、回転軸の下から処置ビームの搬送のために持ち上げられた床の下をスイングすることができる。患者の診察用いすは、ガントリーの回転軸に平行な実質的に水平な平面内を移動し、回転する。診察用いすは、この構成では水平面内を約２７０度の範囲５３４で回転することができる。ガントリーと患者の回転範囲及び自由度のこの組み合わせにより、医療従事者は、ビームに対していかなる到達角度も実質的に選択することが可能である。必要であれば、患者は、診察用いすに逆向きに配置されることができ、全てのありうる角度を使用することができる。

【0036】

いくつかの実装形態において、加速器は非常に高い磁場の超伝導電磁構造を有するシンクロサイクロトロン構成を用いる。所定の運動エネルギーの荷電粒子の曲率半径は印加される磁場の増大に正比例して減少するので、非常に高い磁場の超伝導磁気構造により、加速器をより小さく軽くすることができる。シンクロサイクロトロンは、回転角度において均一であり、半径が増大するにつれて強度が小さくなる磁場を使用する。そのような場の形状は、磁場の強度と無関係に達成可能であり、そのため理論的にはシンクロサイクロトロンで用いることができる磁場の強度（及びそのため固定半径における得られる粒子のエネルギー）に上限がない。

【0037】

超伝導材料は、非常に高い磁場の存在下ではその超伝導特性を失う。高性能な超伝導ワイヤー巻線が、非常に高い磁場を達成することを可能にするために使用される。

【0038】

超伝導材料は、典型的には、その実現すべき超伝導特性のために低温に冷却する必要がある。本明細書で説明されるいくつかの例では、クライオ冷却器が、超伝導コイル巻線を絶対温度に近い温度にするために用いられる。クライオ冷却器を使用することにより、複雑さ及びコストを軽減することができる。

【0039】

シンクロサイクロトロンは、ガントリーに支持されており、ビームは患者に向かって直接発生される。ガントリーは、患者内またはその近傍の点（アイソセンター５４０）を含む水平回転軸に関してサイクロトロンを回転させることができる。回転軸に対して平行な分離トラスが、サイクロトロンを両側で支持する。

【0040】

ガントリーの回転範囲が制限されているので、患者の支持領域はアイソセンター周囲の幅広い領域に収容することができる。床がアイソセンター周囲に幅広く延設されることができるので、患者支持テーブルはアイソセンターを通して垂直軸５４２に対して移動し、垂直軸５４２の周りに回転するように配置されることが可能であり、ガントリーの回転並びにテーブルの移動及び回転の組み合わせによって、患者のどの部位に向けられたどの角度のビーム方向も達成可能である。２つのガントリーアームは、長身の患者の身長の２倍よりも大きい距離だけ離隔され、患者と共に診療用いすが、持ち上げられた床の上方の水平面内を回転し、転移することができる。

【0041】

ガントリーの回転角度を制限することにより、処置室を取り囲む壁の少なくとも１つの厚さを低減することが可能となる。典型的にはコンクリートで構築された厚い壁は、処置室の外側の人に対する放射線保護を提供する。下流で陽子ビームを停止する壁は部屋の反対側の壁の約２倍としてもよく、保護の同等なレベルを提供する。ガントリーの回転範囲を制限することにより、処置室を３つの側部においてアースグレードよりも下に位置させることが可能となり、その一方で処置室を建設するコストを低減する、最も薄い壁に隣接して占められる領域を可能とする。

【0042】

＜可変エネルギー＞
図２に示された例において、超伝導シンクロサイクロトロン５０２は、可変エネルギーを有する粒子ビームを出力する。可変エネルギーの範囲は、約２００ＭｅＶから約３００ＭｅＶまたはそれより高い上限を有することができ、例えば、２００ＭｅＶ、約２０５ＭｅＶ、約２１０ＭｅＶ、約２１５ＭｅＶ、約２２０ＭｅＶ、約２２５ＭｅＶ、約２３０ＭｅＶ、約２３５ＭｅＶ、約２４０ＭｅＶ、約２４５ＭｅＶ、約２５０ＭｅＶ、約２５５ＭｅＶ、約２６０ＭｅＶ、約２６５ＭｅＶ、約２７０ＭｅＶ、約２７５ＭｅＶ、約２８０ＭｅＶ、約２８５ＭｅＶ、約２９０ＭｅＶ、約２９５ＭｅＶ、もしくは約３００ＭｅＶまたはそれより高い。範囲はまた約１００ＭｅＶまたはそれより低いエネルギーから約２００ＭｅＶまでである下限を有することができ、例えば、約１００ＭｅＶ以下、約１０５ＭｅＶ、約１１０ＭｅＶ、約１１５ＭｅＶ、約１２０ＭｅＶ、約１２５ＭｅＶ、約１３０ＭｅＶ、約１３５ＭｅＶ、約１４０ＭｅＶ、約１４５ＭｅＶ、約１５０ＭｅＶ、約１５５ＭｅＶ、約１６０ＭｅＶ、約１６５ＭｅＶ、約１７０ＭｅＶ、約１７５ＭｅＶ、約１８０ＭｅＶ、約１８５ＭｅＶ、約１９０ＭｅＶ、約１９５ＭｅＶ、約２００ＭｅＶである。

【0043】

いくつかの状況において、変更は不連続であり、変更のステップは約１０ＭｅＶ以下、約１５ＭｅＶ、約２０ＭｅＶ、約２５ＭｅＶ、約３０ＭｅＶ、約３５ＭｅＶ、約４０ＭｅＶ、約４５ＭｅＶ、約５０ＭｅＶ、約５５ＭｅＶ、約６０ＭｅＶ、約６５ＭｅＶ、約７０ＭｅＶ、約７５ＭｅＶ、約８０ＭｅＶまたはそれより高い大きさを有することができる。１つのステップの大きさでエネルギーを変化させることは、３０分よりも短い時間であることができ、例えば、約２５分以下、約２０分以下、約１５分以下、約１０分以下、約５分以下、約１分以下または約３０秒以下であることができる。他の状況において、変更は連続的であり、加速器は比較的速い速度で、例えば最大で１秒間に約５０ＭｅＶ、最大で１秒間に約４５ＭｅＶ、最大で１秒間に約４０ＭｅＶ、最大で１秒間に約３５ＭｅＶ、最大で１秒間に約３０ＭｅＶ、最大で１秒間に約２５ＭｅＶ、最大で１秒間に約２０ＭｅＶ、最大で１秒間に約１５ＭｅＶまたは最大で１秒間に約１０ＭｅＶで粒子ビームのエネルギーを調整することができる。加速器は、連続的及び不連続的の両方で粒子エネルギーを調整するように構成可能である。例えば、連続変更及び不連続変更の組み合わせが、１つの標的体積の処置において、または異なる標的体積の処置において用いられることが可能である。柔軟な処置計画及び柔軟な処置も達成可能である。

【0044】

可変エネルギーを有する粒子ビームを出力する粒子加速器は、照射処置の精度を提供し、処置のための追加的なデバイス（加速器以外）の数を減少させることができる。例えば、出力される粒子ビームのエネルギーを変更するための低減部の使用が、減少されまたは排除されうる。強度や集束などの粒子ビームの特性は粒子加速器において制御可能であり、粒子ビームは追加的なデバイスからの実質的な妨害なく標的体積に到達することが可能である。ビームエネルギーの相対的に高い変更率は処置時間を低減し、処置システムの効率的な利用を可能にすることができる。

【0045】

＜可変磁場＞
いくつかの実装形態において、図２のシンクロサイクロトロン５０２のような加速器は、加速器内の磁場を変更することにより可変エネルギーレベルまで粒子または粒子ビームを加速し、磁場の変更は磁場を発生させるためのコイルに印加される電流を変更することによって達成することができる。図３、４、５、６及び７に示されるように、例示的なシンクロサイクロトロン１０１０（図２における５０２）は、粒子源９０、高周波駆動システム９１及びビーム引き出しシステム３８を含む磁石システム１０１２を含む。磁石システム１０１２によって確立された磁場は、２つのセットのコイル４０ａ及び４０ｂ並びに４２ａ及び４２ｂが発生可能である磁場の最大値の約５％から約３５％で変更可能である。磁石システムによって確立された磁場は、２つのセットのコイル及び一対の成形された強磁性（例えば低炭素鋼鉄）の磁極面４４、４６の組み合わせを用いて含まれる陽子ビームの集束を維持するのに適切な形状を有している。

【0046】

コイルの各セットは、電流を受け取るための環状コイルの分離対である。いくつかの状況において、コイルの両方のセットが超伝導である。他の状況において、コイルの１つのセットのみが超伝導であり、他方のセットが非超伝導または常伝導である（さらに以下で議論される）。コイルの両方のセットが非超伝導であることもまた可能である。コイルに使用するための適切な超伝導材料は、３ニオブスズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）及び／またはニオブチタンを含む。その他の常伝導材料は銅を含むことができる。コイルセット構築の例は以下にさらに説明される。

【0047】

コイルの２つのセットは、直列または並列に電気的に接続されることができる。いくつかの実装形態において、コイルの２つのセットによって受け取られる全電流は約２００万アンペアターンから約１０００万アンペアターン、例えば約２５０万から約７５０万アンペアターンまたは約３７５万アンペアターンから約５００万アンペアターンを含むことができる。いくつかの状況において、コイルの１つのセットは、全可変電流のうち固定された（または一定の）部分を受け取るように構成され、その一方コイルの他方のセットは全電流の可変部分を受け取るように構成される。２つのコイルセットの全電流は、１つのコイルセットにおける電流の変化とともに変化する。他の状況において、コイルの両方のセットに印加される電流が変化することができる。コイルの２つのセットにおける可変全電流は、可変強度を有する磁場を発生させることができ、次いで粒子の加速経路を変化させ、可変エネルギーを有する粒子を発生させる。

【0048】

一般に、１つまたは複数のコイルによって発生した磁場の強度は、コイルに印加される全電流の強度に対して増減可能である。増減が可能であることに基づいて、いくつかの実装形態では、磁場強度の線形可変が、コイルセットの全電流を線形的に変化させることによって達成可能である。全電流は磁場及びビームエネルギーの比較的高い速度の調整につながる比較的速い速度で調整可能である。

【0049】

表１に示された例では、コイルリングの幾何中心における電流値と磁場の値との間の比は、１９９０：８．７（約２８８．７：１）、１９２０：８．４（約２８８．６：１）、１７６０：７．９（約２２２．８：１）である。従って、超伝導コイルに印加された全電流の強度を調整することは、比例的に（比に基づいて）磁場の強度を調整することができる。

【0050】

表１の例における全電流に対する磁場の増減可能性についても、図８のプロットに示されており、Ｂ_ＺがＺ方向に沿った磁場であり、ＲがＺ方向に対して垂直な方向に沿ったコイルリングの幾何中心から測定した半径方向の距離である。磁場は幾何中心において最も高い値を有し、距離Ｒが増加するにつれて減少する。曲線１０３５、１０３７は異なる全電流、それぞれ１７６０アンペア及び１９９０アンペアを受け取る同一のコイルセットによって発生された磁場を表す。引き出された粒子の対応するエネルギーはそれぞれ２１１ＭｅＶ及び２５ＭｅＶである。２つの曲線１０３５、１０３７は実質的に同一の形状を有し、曲線１０３５、１０３７の異なる部分は実質的に平行である。結果として、曲線１０３５又は曲線１０３７のいずれかは、線形的にシフトして他方の曲線に実質的に一致することができ、このことは磁場がコイルセットに印加される全電流に対して増減可能であることを示している。

【0051】

いくつかの実装形態において、全電流に対する磁場の増減可能性は、完全でない場合もありうる。例えば、表１に示された例に基づいて計算された、磁場と電流との間の比は、一定でない。また、図８に示されるように、一方の曲線の線形シフトは、他方の曲線と完全に一致しないことがありうる。いくつかの実装形態において、全電流は完全な増減可能性の仮定のもとにコイルセットに印加される。狙いの磁場は（完全な増減可能性の仮定のもとにおいて）追加的に変化するコイルの特徴、例えば幾何形状によって、増減可能性における不完全性を打ち消すように発生されることが可能である。１つの例として、鉄の棒が磁極片の１つ又は両方に挿入されまたは除去されることができる。コイルの特徴は、比較的高い速度で変化させることが可能であり、そのため磁場調整の速度は、増減可能性が完全であり電流のみが調整される必要がある状況と比較して、実質的に影響されない。鉄の棒の例において、棒は数秒または数分の時間規模、例えば５分以内、１分以内、３０秒未満または１秒未満で追加されまたは除去されることができる。いくつかの実装形態において、コイルセットに印加される電流のような加速器の設定は、コイルセット内の全電流に対する磁場の実質的な増減可能性に基づいて選択することができる。

【0052】

一般に、所望の範囲で変化する全電流を発生させるために、２つのコイルセットに印加される電流のどのような組み合わせも使用可能である。一例において、コイルセット４２ａ、４２ｂは、磁場の所望の範囲の下限に対応する固定電流を受け取るように構成可能である。表１に示された例において、固定電流は１７６０アンペアである。さらに、コイルセット４０ａ、４０ｂは磁場の所望の範囲の上限と下限との間の差に対応する上限を有する可変電流を受け取るように構成可能である。表１に示された例において、コイルセット４０ａ、４０ｂは０アンペアから２３０アンペアまで変化する電流を受け取るように構成される。

【0053】

他の例において、コイルセット４２ａ、４２ｂは磁場の所望の範囲の上限に対応する固定電流を受け取るように構成可能である。表１に示された例において、固定電流は１９９０アンペアである。さらに、コイルセット４０ａ、４０ｂは磁場の所望の範囲の下限と上限との間の差に対応する上限を有する可変電流を受け取るように構成可能である。表１に示される例において、コイルセット４０ａ、４０ｂは、−２３０アンペアと０アンペアとの間で変化する電流を受け取るように構成される。

【0054】

粒子を加速するための、可変全電流によって発生される全可変磁場は、４テスラよりも大きな最大強度、例えば５テスラよりも大きく、６テスラよりも大きく、７テスラよりも大きく、８テスラよりも大きく、９テスラよりも大きく、または１０テスラよりも大きく、さらに最大で約２０テスラ又はそれより高く、例えば最大で約１８テスラ、最大で約１５テスラ、または最大で約１２テスラである最大強度を有することができる。いくつかの実装形態において、コイルセットにおける全電流の変化は、約０．２テスラから約４．２テスラ又はそれよりも大きく、例えば、約０．２テスラから約１．４テスラまたは約０．６テスラから約４．２テスラで磁場を変化させることができる。いくつかの状況において、磁場の変化量は、最大強度に対して比例することができる。

【0055】

さらに、磁場の所定の最大強度において、磁場の強度は一般に加速器の幾何中心からの距離の関数であり、コイル４０ａ、４０ｂ、４２ａ及び４２ｂの幾何形状並びに磁極の形状及び材料の選択によって影響を与えられることができる。距離の関数としての磁場強度変化の一例が、図８に示されている。

【0056】

コイルの２つのセットの構築の一例が以下に議論される。２つのコイルセットは共通軸４７に中心を合わせられ、軸に沿って離隔されている。図９及び１０に示される例において、コイルセットはＮｂ_３Ｓｎ系超伝導の直径０．８ｍｍの（初めに銅シースによって取り囲まれたニオブスズコアを含む）縒り合されたチャネル内ケーブル導体幾何形状に配置されたストランド４８によって形成される。７本の個別のストランドが１つのケーブルとされた後に、それらは加熱されてワイヤーの最終的な（もろい）超伝導材料を形成する反応を発生させる。材料が反応されると、ワイヤーは銅チャネル（外寸３．１８×２．５４ｍｍ、内寸２．０８ｍｍ×２．０８ｍｍ）内へはんだ付けされ、絶縁体５２（この例において、織られたガラス繊維材料）で覆われる。ワイヤー５３を含む銅チャネルは、それぞれ８．５５ｃｍ×１９．０２ｃｍの長方形断面を有し、２６層を有し、各層ごとに４９ターンを有する２つのコイルセットに巻回される。巻回されたコイルセットは次いでエポキシ化合物５４で真空充填される。終了したコイルセットは円形ステンレス鋼反転ボビン５６上に設置される。ヒーターブランケット５５が、巻線の層内の間隙に配置され、磁気クエンチの事象において組立体を保護する。

【0057】

巻回されたコイルセットは次いでエポキシ化合物で真空充填される。全コイルセットのそれぞれは次いで銅シートで覆われて熱伝導及び機械的安定性を提供し、次いでエポキシの追加的な層に含まれることができる。コイルセットの事前圧縮が、コイルセットを低温に冷却し、コイルセットを反転ボビン内にフィットさせることによって提供されることが可能である。反転ボビンの内径は、全質量が４Ｋに冷却されるときに反転ボビンがコイルセットに接触した状態を保ち、いくらかの圧縮を提供するように選択される。

【0058】

コイルセットの幾何形状は反転長方形ボビン５６内にコイルセットを設置することによって維持され、コイルがエネルギー付与されるときに発生する変形力に対して働く復元力６０を発生させる。図６に示されるように、コイルセットの位置は磁石ヨーク及び温かい温度から低温まで支持ストラップ４０２、４０４、４０６のセットを用いるクライオスタットに関して維持される。薄いストラップで低温質量を支持することは、剛体支持システムによる低温質量へ伝えられる熱漏洩を減少させる。ストラップは、磁石がガントリーに搭載されて回転するにつれて、コイルセットにかかる可変重力に耐えられるように配置される。これらは、磁石ヨークに対して完全に対称な位置から乱されたときに、重力及びコイルセットによって実現される大きな中心を外れる力の組み合わされた効果に耐える。追加的に、ガントリーが位置を変化されたときにガントリーが加速し、減速する際に、リンクがコイルセットに係る動的な力を減少させるように働く。温かい温度から低温までの支持部のそれぞれは、１つのＳ２ガラス繊維リンク及び１つの炭素繊維リンクを含む。炭素繊維リンクは、温かい温度のヨークと中間温度（５０から７０Ｋ）との間のピンに渡って支持され、Ｓ２ガラス繊維リンク４０８は中間温度のピン及び低温質量に取り付けられたピンに渡って支持される。各リンクは長さ５ｃｍ（ピンの中心からピンの中心まで）であり、幅１７ｍｍである。リンクの厚さは９ｍｍである。各ピンは高強度ステンレス鋼で形成されており、直径４０ｍｍである。

【0059】

主超伝導コイルはコイル組立体（コイル及び支持構造）を、排気された、コイル構造の周囲に少なくともいくらかの自由空間を提供する円形のアルミニウムまたはステンレス鋼クライオスタティックチャンバー内に閉じ込めることによって絶対零度近くの温度（例えば約４ケルビン）に保つ。いくつかの実装形態において、絶対零度近くの温度は液体ヘリウムを含む冷却チャネル（図示されない）を用いて達成され、維持され、冷却チャネルは支持構造内に形成され、冷却チャネルはチャネル内の液体ヘリウムと対応する超伝導コイルとの間の熱的接触を含む。上述の種類の及び使用されうる液体ヘリウム冷却システムの一例は、特許文献１（Ｂｅｇｇら著）に記載されている。

【0060】

一例として、コイルセットは、支持点７１、７３の限定されたセットの部分を除いて、コイル構造周囲に自由な空間を提供する、排気された円形のアルミニウムまたはステンレス鋼クライオスタティックチャンバー７０の内部にコイル組立体（コイル及びボビン）を閉じ込めることによって、絶対零度近傍の温度（例えば、約４ケルビン）に保たれる。

【0061】

いくつかの実装形態において、絶対零度近傍の温度は、１つの単段式ギフォード・マクマホンクライオ冷却器及び３つの２段式ギフォード・マクマホンクライオ冷却器を用いて達成され、維持される。２段式クライオ冷却器のそれぞれは、ヘリウム蒸気を液体ヘリウムに再凝縮する凝縮器に取り付けられた第２段低温端を有する。クライオ冷却器の頭端部は圧縮機からの圧縮されたヘリウムで供給される。単段式ギフォード・マクマホンクライオ冷却器は、電流を超伝導巻線に供給する高温（例えば５０から７０ケルビン）のリード線を冷却するように構成される。

【0062】

いくつかの実装形態において、絶対零度近傍の温度は、コイル組立体の異なる位置に配置された２つのギフォード・マクマホンクライオ冷却器７２、７４を用いて達成され、維持される。クライオ冷却器のそれぞれは、コイル組立体と接触する低温端７６を有する。クライオ冷却器の頭端部７８は圧縮機８０から圧縮ヘリウムで供給される。２つの他のギフォード・マクマホンクライオ冷却器７７、７９は、電流を超伝導巻線に供給する高温（例えば６０から８０ケルビン）のリード線を冷却するように構成される。

【0063】

コイル組立体およびクライオスタティックチャンバーは、ピルボックス型磁石ヨーク８２の２つの半分の部分８１、８３の中に搭載され、２つの半分の部分８１、８３によって完全に閉じ込められている。この例において、コイル組立体の内径は約７４．６ｃｍである。鉄製のヨーク８２は、帰還磁束８４のための経路を提供し、磁極面４４、４６の間の体積８６を磁気的に遮蔽して外部磁場の影響がその体積内の磁場の形状をかく乱することを防ぐ。ヨークはまた、加速器の近傍において迷磁場を減少させる役割も果たす。

【0064】

２つのコイルセットが示されているが、加速器は、代替的に１つのコイルセットまたは３つ以上のコイルセットを含むこともできる。ただ１つのコイルセットのみが用いられる状況において、コイルセットは可変電流を受け取って磁場を変更するように構成される。３つ以上のコイルセットが用いられる状況において、１つ以上のコイルセットが可変電流を受け取って磁場を変更するように構成される。

【0065】

１つ、２つ又はそれ以上のコイルのセットが、図９及び１０に示された構成と類似して構築可能である。２つのコイルのセットが同一の半径および構成（例えば、層の数およびターン数、材料など）を有するものと説明されているが、これらは異なる特徴を有することができる。いくつかの実装例において、コイルの異なるセットが、異なる電流を受け取るための必要性に基づいて構築される。

【0066】

変更可能であることに加えて、加速器内の磁場は粒子ビームが加速するにつれて粒子ビームをチャンバー内に維持するための特定の特性を有する必要がある。以下に示される磁場インデックスｎは
ｎ＝−（ｒ／Ｂ）ｄＢ／ｄｒ
であり、この「弱」集束を維持するために正である必要がある。ここでｒはビームの半径であり、Ｂは磁場である。さらに、磁場インデックスは０．２より小さい値に保たれる必要がある。なぜなら、この値において、ビームの半径方向の振動及び垂直方向の振動の周期性がｖ_ｒ＝２ｖ_ｚ共振に合致するからである。ベータトロン周波数はｖ_ｒ＝（１−ｎ）１／２及びｖ_ｚ＝ｎ１／２で画定される。磁極は強磁性体であり、強磁性体磁極面はコイルによって発生される磁場を形成するように設計され、それによって磁場インデックスｎが所定の磁場において２５０ＭｅＶのビームに一致する最小直径において正に保たれ、かつ０．２よりも小さい。

【0067】

磁場インデックスの弱集束は、磁場の変化に基づく粒子ビームエネルギーの変化を容易にすることができる。磁場が変化するにつれて、連続的にまたは段階的に、コイルセットに印加される全電流を変化することによって、磁場の軸方向集束がそれに従って変化される。いくつかの実装形態において、偏向磁石（図示されない）が、磁場を指向して、磁場の変更によって引き起こされるあらゆる可能性のある指向エラーを修正するために用いられることができる。

【0068】

加速器から出てくる迷磁場は、磁石ヨーク４６ａ、４６ｂ（遮蔽としても働く）及び追加的な分離磁気遮蔽（図示されない）の両方によって制限される。

【0069】

いくつかの実装形態において、帰還ヨーク及び遮蔽は能動帰還システムによって置き換えられ、または増大されてもよい。例示的な能動帰還システムは、主超伝導コイルを通る電流とは反対の方向に電流を伝導させる１つ以上の能動帰還コイルを含む。いくつかの例示的な実装形態において、超伝導コイルのそれぞれに対して能動帰還コイルが存在し、例えば、それぞれがそれぞれの超伝導コイル（「主」コイルとしても称される）に対するものである、２つの能動帰還コイルが存在する。各能動帰還コイルはまた、対応する主超伝導コイルの外側を取り囲む超伝導コイルであってもよい。

【0070】

電流は、主コイルを通過する電流の方向とは反対の方向に能動帰還コイルを通過する。そのため能動帰還コイルを通過する電流は、主コイルによって発生される磁場とは極性が反対の磁場を発生させる。結果として、能動帰還コイルによって発生される磁場は、対応する主コイルに起因する比較的強い迷磁場の少なくともいくらかを打ち消すことができる。いくつかの実装形態において、各能動帰還は、２．５Ｔから１２Ｔの間またはそれ以上の磁場を発生させるために用いられてもよい。用いられうる能動帰還システムの一例は、２０１３年５月３１日に出願され、その内容が参照によって本明細書に組み込まれている特許文献２に記載されている。

【0071】

図４及び１１に示されるように、シンクロサイクロトロンは磁石構造８２の幾何学的中心９２の近傍に配置されたペニングイオンゲージ形態の粒子源９０を含む。粒子源は以下に説明されるようなものであってもよく、または粒子源は参照によって本明細書に組み込まれた特許文献３に記載されたような種類のものであってもよい。

【0072】

粒子源９０は、気体の水素を供給するガスライン１０１及びチューブ１９４を通して水素の供給部９９から供給される。電気ケーブル９４は電流源９５から電流を運んで、磁場２００と位置合わせされたカソード１９２、１９０からの電子放電を促進する。

【0073】

この例において、放電された電子はチューブ１９４から小さい穴を通って出てくるガスをイオン化させ、磁石構造及び１つのダミーディープレート１０２によって閉じ込められた空間の半分に渡る１つの半円形（Ｄ字型）高周波プレート１００によって加速するための正イオン（陽子）の供給を発生させる。遮られた粒子源（その一例は特許文献３に記載されている）の場合、プラズマを含むチューブの全て（または実質的に一部）が加速領域において除去され、それによってイオンが相対的に高い磁場の中をより急速に加速されることを可能とする。

【0074】

＜ＲＦ周波数範囲＞
図１２に示されるように、ディープレート１００は、陽子が磁石構造によって閉じ込められた空間の周囲の回転の半分の間に加速される空間１０７を閉じ込める２つの半円形表面１０３、１０５を有する中空金属構造である。空間１０７内に開口するダクト１０９は、ヨークを通って、真空ポンプ１１１が空間１０７及び加速が行われる真空チャンバー１１９内の残りの空間を排気するために取り付け可能である外部位置へ延設する。ダミーディー１０２は、ディープレートの露出された縁部に近接して空間を開けられた長方形の金属リングを含む。ダミーディーは真空チャンバー及び磁石ヨークに接地される。ディープレート１００は、空間１０７内の電場を与えるための高周波伝達線の端部において印加される高周波信号によって駆動される。高周波電場は加速された粒子ビームが幾何中心からの距離を増加させるにつれて経時的に変化するようになされる。この目的のために有用な高周波波形発生器の例は、２００５年７月２１日に出願された「シンクロサイクロトロンのためのプログラム可能な高周波波形発生器」と題する特許文献４及び２００４年７月２１日に出願された同一題の特許文献５に記載されており、そのいずれも参照によって本明細書に組み込まれている。高周波電場は「共振キャビティの共振周波数の、入力電圧の周波数への整合」と題する特許文献６に記載された方法で制御されてもよく、その内容は参照によって本明細書に組み込まれている。

【0075】

粒子源構造を明確にするために、中央に配置された粒子源から発生するビームに関して、外側に螺旋運動を始めると、大きな電圧差が高周波プレートに渡って必要となる。いくつかの場合において、５０００から２００００ボルトが高周波プレートに渡って印加されてもよい。この大きな電圧を駆動するのに必要な電力を低減するために、磁石構造は高周波プレートとグラウンドとの間の静電容量を減少させるように配置される。これは、高周波構造から外側ヨーク及びクライオスタット筐体を通して十分な空間を形成し、磁極面間に十分な空間を形成することによりなされる。

【0076】

ディープレートを駆動する交流電位の高電圧は陽子の相対論的質量の増大及び磁場の減少に対処するために、加速周期の間、下がる方向に掃引される周波数を有する。電圧は、周期における周波数範囲に渡って掃引することができ、各周期は加速器内の粒子の加速周期に対応することができる。いくつかの実装形態において、加速器はシンクロサイクロトロンであり、加速器からの粒子ビーム出力はパルス粒子束の形態である。各粒子束は加速周期内で加速されることができ、ＲＦ掃引周期は粒子束が発生されまたは引き出される周期と同一とすることができる。

【0077】

ダミーディーは、真空チャンバー壁に沿ったグラウンド電位にあるため、中空半円筒構造を必要としない。異なる電気的位相または複数の基本周波数で駆動される加速電極の２つ以上のペアなどのその他のプレート構成が使用可能である。ＲＦ構造は、例えばかみ合った回転子及び固定ブレードを有する回転キャパシタを用いることによって必要な周波数掃引の間、正確な共振整合を保つように調整されることが可能である。ブレードの各かみ合わせの間、静電容量は増大し、そのためＲＦ構造の共振周波数は低下する。ブレードは必要な正確な周波数掃引を発生させるような形状とすることができる。粒子束の１つは回転コンデンサのブレードの各かみ合わせの間、加速される。

【0078】

ディープレート１００上の高電圧が掃引するＲＦ周波数範囲は、ビームエネルギーに関連し、異なるビームエネルギーは異なるＲＦ範囲に対応する。従って、ビームエネルギーが加速器内で変化すると、電圧が周期において掃引する対応するＲＦ範囲が変化する。異なるＲＦ周波数範囲はビームエネルギー範囲に基づいて選択可能である。いくつかの実装形態において、エネルギー変化の範囲に適合するために、ＲＦ周波数範囲は約４０ＭＨｚから約２５０ＭＨｚの間で変化する下限及び約５６ＭＨｚから約３４０ＭＨｚの間で変化する上限を有する。例えば、下限は約７３ＭＨｚから約１５０ＭＨｚの間で変化することができ、上限は約１３１ＭＨｚから約１９６ＭＨｚの間で変化することができる。表１に示された例において、ＲＦ周波数範囲は２５０ＭｅＶのビームエネルギーに対して９９ＭＨｚから１３２ＭＨｚであり、２３５ＭｅＶのビームエネルギーに対して９７ＭＨｚから１２８ＭＨｚであり、２１１ＭｅＶのビームエネルギーに対して９３ＭＨｚから１２０ＭＨｚである。

【0079】

図１３は、ディープレート１００上の電圧を粒子ビームの各エネルギーレベルに関するＲＦ周波数範囲に渡って掃引するための、及び粒子ビームエネルギーが変更される際に周波数範囲を変更するための例示的なＲＦ構造を示している。ディープレート１００の半円形表面１０３、１０５は内部導体１３００に接続され、外部導体１３０２内に収容される。高電圧は電源（図示されない、例えば振動電圧入力）から電源を内部導体に結合する電力結合デバイス１３０４を通してディープレート１００に印加される。いくつかの実装形態において、結合デバイス１３０４は、内部導体１３００上に配置されて、電源からディープレート１００までの電力伝送を提供する。さらに、ディープレート１００は、各粒子エネルギーレベルに関してＲＦ周波数掃引を実行し、異なる粒子エネルギーレベルに関してＲＦ周波数範囲を変更する可変リアクタンス素子１３０６、１３０８に結合される。

【0080】

特に、可変変更素子１３０６はモーター（図示されない）によって回転可能な複数のブレード１３１０を有する回転キャパシタとすることができる。ＲＦ掃引の各サイクルにおいてブレード１３１０をかみ合わせまたはかみ合わせを外すことにより、ＲＦ構造の静電容量が変化し、次いでＲＦ構造の共振周波数を変化させる。いくつかの実装形態において、モーターの各４分の１周期の間、ブレード１３１０は互いにかみ合う。ＲＦ構造の静電容量は増大し、共振周波数は減少する。ブレード１３１０がかみ合わせがないときにはプロセスは反転する。結果的に、ディープレート１０３に印加されビームを加速するのに必要である高電圧を発生させる必要のある電力は、大きく低減されることができる。いくつかの実装形態において、ブレード１３１０の形状は、必要な時間依存する共振周波数を形成するために加工される。

【0081】

ブレードの回転はＲＦ周波数発生に同期されることができる。ＲＦキャビティのＱ値を変更することによって、ＲＦ構造の共振周波数がディープレート１０３に印加される交流電圧電位の周波数の近い状態に保たれる（ダミーディーは接地され、図１３には示されていない）。

【0082】

可変リアクタンス素子１３０８は、プレート１３１２及び内部導体１３００の表面１３１６によって形成されたキャパシタとすることができる。プレート１３１２は、方向１３１４に沿って表面１３１６の方へまたは表面１３１６から離れる方向に動くことができる。キャパシタの静電容量は、プレート１３１２と表面１３１６との間の距離Ｄが変化するにつれて変化する。１つの粒子エネルギーに関して掃引されるべき各周波数範囲に関して、距離Ｄは設定値であり、周波数範囲を変化させるために、プレート１３１２は出力ビームのエネルギーの変化に対応して移動する。

【0083】

いくつかの実装形態において、内部導体１３００及び外部導体１３０２は銅、アルミニウムまたは銀などの金属材料から形成される。ブレード１３１０及びプレート１３１２もまた、導体１３００、１３０２と同一または異なる金属材料から形成可能である。結合デバイス１３０４は、電気的導体であることができる。可変リアクタンス素子１３０６、１３０８は、その他の形状を有することができ、ＲＦ周波数掃引及び周波数範囲の変更を実施するためにその他の方法で、ディープレート１００に結合可能である。いくつかの実装形態において、単一の可変リアクタンス素子が可変リアクタンス素子１３０６、１３０８の両方の機能を果たすように構成されることができる。他の実装形態において、３つ以上の可変リアクタンス素子が用いられることができる。

【0084】

＜ビームの加速及び引き出し＞
加速が行われる真空チャンバー１１９は、一般に円筒形の容器である。真空チャンバーは、ＲＦプレート及び粒子源を収容し、真空ポンプ１１１によって排気される。高真空に保つことによって、加速イオンは気体分子に衝突して失われることがなくなり、ＲＦ電圧をアーク放電させることなくより高いレベルに保つことが可能となる。

【0085】

陽子は粒子源において始まる一般に螺旋軌道経路を走る。螺旋経路のそれぞれのループの半分において、陽子が空間１０７においてＲＦ電場を通過する際に、陽子はエネルギーを増加させる。イオンがエネルギーを増加させると、ループ半径が磁極面の最大半径に到達するまで、これらの螺旋経路の後続のループの中心軌道の半径は、その前のループよりも大きい。その位置において、磁場及び電場の摂動はイオンを磁場が急速に減少する領域へ導き、イオンは高磁場の領域を離れ、本明細書において引き出しチャネルとして称される脱出チューブ３８を通って導かれ、サイクロトロンのヨークを脱出する。磁気再生器は、イオンを導くために磁場摂動を変化させるために用いられてもよい。サイクロトロンを脱出するイオンは、サイクロトロン周囲の空間内に存在する著しく磁場の減少した領域に入る際に散逸する傾向にある。引き出しチャネル３８内のビーム成形素子１０７、１０９は、イオンが限られた空間的広がりの直線的ビームのままであるように、イオンの方向を変える。

【0086】

ビームが引き出しチャネルを脱出する際に、ビームはビームの散乱角と範囲変調の所望の組み合わせを発生させるために、プログラム可能に制御されることができるビーム形成システム１２５（図６）を通過する。そのような目的のために有用なビーム形成システムの例は、２００４年９月２４日に出願された「放射治療ビーム形成のためのプログラム可能な粒子散乱器」と題する特許文献７及び２００５年７月２１日に出願された特許文献８に記載されており、そのいずれも参照によって本明細書に組み込まれている。ビーム形成システム１２５は、以下に記載される内部ガントリー６００と結合して、ビームを患者に向けるように使用されてもよい。ビーム形成システム１２５はまた走査システムであることもできる。

【0087】

作動中は、ディープレートはプレート表面に沿った電気抵抗の結果として、印加された高周波場からのエネルギーを吸収する。このエネルギーは、熱として現れ、熱を熱交換器１１３に放出する水冷配管１０８を用いてプレートから除去される（図４）。

【0088】

サイクロトロンから脱出した迷磁場は、ピルボックス磁石ヨーク（シールドとしても働く）及び分離した磁気シールド１４４の両方によって制限される。分離した磁気シールドは、ピルボックスヨークを収容し、間隔１１６によって離隔された強磁性体材料（例えば、鋼鉄または鉄）の層１１７を含む。ヨーク、空間及びシールドのサンドイッチを含むこの構成は、より軽い重量で所定の漏洩磁場に対して適切な遮蔽を達成する。

【0089】

前述のように、ガントリーによってシンクロサイクロトロンは水平回転軸５３２の周りに回転することが可能となる。トラス構造５１６は、２つの概して平行なスパン５８０、５８２を有する。シンクロサイクロトロンはスパンの間であって脚部の間のほぼ中間部に保持される。ガントリーはトラスと反対側の脚部の端部に搭載されたカウンターウェイト１２２、１２４を用いてベアリングの周りの回転に関して均衡状態とされる。

【0090】

ガントリーは、ガントリー脚部の一方又は両方に搭載され駆動歯車によってベアリング筐体に接続された電気モーターによって回転駆動される。ガントリーの回転位置は、ガントリー駆動モーター及び駆動歯車の内部に組み込まれた軸角度エンコーダによって提供される信号から導き出される。

【0091】

イオンビームがサイクロトロンを脱出する位置において、ビーム形成システム１２５は、イオンビームに、患者の治療に適した特性を与えるように働く。例えば、ビームは拡散されその侵入深さは所定の標的体積に渡って均一な放射を提供するために変更される。ビーム形成システムは、能動走査素子とともに受動散乱素子を含むことができる。

【0092】

図２、１４及び１５に示されるように、ガントリーベアリングはサイクロトロンボールト５２４の壁によって支持される。ガントリーはサイクロトロンを、患者の上方、側方及び下方の位置を含む１８０度の（またはそれよりも大きな）角度の範囲５２０に渡って揺動可能とする。ボールトは、ガントリーの運動の上限及び下限においてガントリーから十分な余裕がある程度に高い。壁１４８、１５０によって側面を形成された迷路部１４６は、医療従事者及び患者のための入退室経路を提供する。少なくとも１つの壁１５２はサイクロトロンからの直接の陽子ビームと決して一致しないので、比較的薄くすることができ、それでも依然として遮蔽機能を発揮することができる。部屋のその他の３つの側壁１５４、１５６、１５０／１４８は、より厳重に遮蔽する必要がありうるため、土で作った丘（図示されない）の内部に埋め込まれることができる。土はそれ自体必要な遮蔽のいくらかを提供することができるため、壁１５４、１５６及び１５８の必要な厚さを低減することができる。

【0093】

図１５及び１６を参照すると、安全性及び美的理由から、治療室１６０がボールト内に構築されてもよい。治療室は壁１５４、１５６、１５０及び収容室の床１６２から、ガントリー脚部間の空間内に、揺動するガントリーの余裕空間を形成し、治療室の床空間１６４の広がりを最大化するように片持ち支持されている。加速器の周期的な稼働が、持ち上げられた床の下部の空間内で達成可能である。加速器がガントリーの下側の位置へ回転されると、処置領域から離れた空間内で加速器への完全なアクセスが可能となる。電源、冷却装置、真空ポンプ及びその他の補機類は、持ち上げられた床の下のこの分離された空間内に配置可能である。処置室内には、患者支持部１７０が、支持部を上下させることを可能にし、患者を様々な位置及び方向へ回転され移動されることを可能にする様々な方法で設置可能である。

【0094】

図１７のシステム６０２において、ビーム生成粒子加速器、この場合シンクロサイクロトロン６０４は、回転ガントリー６０５上に搭載される。回転ガントリー６０５は、本明細書で説明されるような種類であり、患者支持部６０６の周りを角度をもって回転可能である。この特徴により、シンクロサイクロトロン６０４は粒子ビームを様々な角度から患者に直接提供することが可能となる。例えば、図１７におけるように、シンクロサイクロトロン６０４が患者支持部６０６の上方にある場合、粒子ビームは患者に向かって下方に指向されうる。代替的に、シンクロサイクロトロン６０４が患者支持部６０６の下にある場合には、粒子ビームは患者に向かって上方に指向されうる。粒子ビームは中間ビームルーティング機構が必要がないように患者に直接印加される。この場合において、成形または寸法設定機構がビームの経路を再変更せず、同一のビームの概略的な軌道を維持しつつビームの大きさ及び／または形状を変更するものであるという点で、ルーティング機構は、成形または寸法設定機構とは異なる。

【0095】

シンクロサイクロトロンのような加速器の能動システムの全て（例えば、電流駆動超伝導コイル、ＲＦ駆動プレート、真空加速チャンバー及び超伝導コイル冷却チャンバーのための真空ポンプ、電流駆動粒子源、水素ガス源及びＲＦプレート冷却器）は、適切な制御電子機器（図示されない）によって制御され、そのような制御電子機器は、例えば、効果的な制御のための適切なプログラムでプログラムされた１つ以上のコンピュータを含むものであってもよい。

【0096】

治療セッションを実施するためのガントリー、患者支持部、能動ビーム成形素子、及び加速器の制御は、適切な治療制御電子機器（図示されない）によって達成される。

【0097】

この例において説明された放射線医療システムは、陽子放射線医療のために用いられるが、同一の原理及び詳細が、重イオン（イオン）医療システムに用いるための類似のシステムに提供されることが可能である。

【0098】

粒子源は参照によって本明細書に組み込まれた特許文献３に記載された種類のものであってもよい。この目的のために利用可能な高周波波形発生器の例は、２００５年７月２１日に出願された「シンクロサイクロトロンのためのプログラム可能な高周波波形発生器」と題する特許文献４及び２００４年７月２１日に出願された同一題の特許文献５に説明されており、これらのいずれも参照によって本明細書に組み込まれている。高周波電場は、内容が参照によって本明細書に組み込まれた、「共振キャビティの共振周波数の、入力電圧の周波数への整合」と題する特許文献６に記載された方法で制御されてもよい。

【0099】

上述のシステムに関するさらなる詳細は、２００６年１１月１６日に出願され、「荷電粒子放射医療」と題する特許文献９及び２００８年１１月２０日に出願され「内部ガントリー」と題する特許文献１０に見ることができる。特許文献９及び特許文献１０の内容は本開示に参照により組み込まれている。

【0100】

上述の実装形態の二つ以上のいずれも、適切な粒子加速器（例えば、シンクロサイクロトロン）において適切な組み合わせで用いられうる。同様に、上述の実装形態の２つ以上のいずれの個別の特徴も、適切な組み合わせで用いられうる。サブセクション及びそれらのそれぞれの題は、本明細書を読み、理解する助けとなるために用いられるものである。サブセクションの題は、それぞれのサブセクションの内容の解釈を覆うものでも制限するものでもない。サブセクションの内容は、互いに分離したものではなく独立したものでもない。その代わり、異なるサブセクションの特徴のいかなる適切な組み合わせもなされることができる。

【0101】

本明細書で説明される異なる実装形態の要素は、具体的に上述していないその他の実装形態を形成するために組み合わされるものであってもよい。要素はそれらの動作に悪影響を及ぼさないで、本明細書に説明されたプロセス、システム、装置などから除外されてもよい。様々な別個の要素が、本明細書に説明された機能を実施するための１つ以上の個別の要素に組み合わされてもよい。

【0102】

本明細書に説明された例示的な実装形態は、粒子医療システムと共に用いることに限定されず、本明細書に説明された例示的な粒子医療システムとともに用いることに限定されない。むしろ、例示的な実装形態は、加速された粒子を出力へ指向するどのような適切なシステムにも使用可能である。

【0103】

本明細書に説明された粒子加速器の設定に関する追加的な情報は、２００６年１月２０日に出願された「高フィールド超伝導シンクロサイクロトロン」と題する特許文献１１、２００６年８月９日に出願された「粒子加速のための磁石構造」と題する特許文献１２、及び２００６年１０月１０日に出願された「クライオジェニック真空破壊圧空熱結合器」と題する特許文献１３に見ることができ、それらの全ては全て記載されているように、参照によって本明細書に組み込まれている。

【0104】

２０１２年９月２８日に出願された以下の出願は、全て本明細書に記載されているように、当該出願に参照によって組み込まれている。「粒子ビームの強度の制御」と題する特許文献１４、「粒子ビームのエネルギーの調整」と題する特許文献１５、「コイル位置の調整」と題する特許文献１６、「磁場フラッターに用いる粒子ビームの集束」と題する特許文献１７、「磁場再生器」と題する特許文献１８、「粒子ビームの集束」と題する特許文献１９、「粒子医療の制御」と題する特許文献２０及び「粒子加速器のための制御システム」と題する特許文献２１である。

【0105】

以下も、完全に本明細書に記載されているように、当該出願に参照により組み込まれている。２０１０年７月１日に発行された特許文献９、２００７年１１月３０日に出願された特許文献６、２００８年１１月２０日に出願された特許文献１０、２００７年１１月３０日に出願された特許文献３、２００７年１１月３０日に出願された特許文献２２、２０１１年８月２３日に発行された特許文献２３、２００７年４月２４日に発行された特許文献２４、２００８年７月２２日に発行された特許文献２５及び２００７年１１月９日に出願された特許文献２６である。

【0106】

当該出願のいかなる特徴も、以下の１つ以上の適切な特徴と組み合わされうる。「粒子ビームの強度の制御」と題する特許文献１４、「粒子ビームのエネルギーの調整」と題する特許文献１５、「コイル位置の調整」と題する特許文献１６、「磁場フラッターを用いる粒子ビームの集束」と題する特許文献１７、「磁場再生器」と題する特許文献１８、「粒子ビームの集束」と題する特許文献１９、「粒子医療の制御」と題する特許文献２０、「粒子加速器のための制御システム」と題する特許文献２１、２０１０年６月１日に発行された特許文献９、２００７年１１月３０日に出願された特許文献６、２００８年１１月２０日に出願された特許文献１０、２００７年１１月３０日に出願された特許文献３、２００７年１１月３０日に出願された特許文献２２、２０１１年８月２３日に発行された特許文献２３、２００７年４月２４日に発行された特許文献２４、２００８年７月２２日に発行された特許文献２５、２０１０年２月９日に出願された特許文献１及び２００７年１１月９日に出願された特許文献２６である。

【0107】

本明細書において具体的に説明されていないその他の実装形態も、以下の特許請求の範囲内にある。

【符号の説明】

【0108】

１０ 処置システム
１２ 加速器
１４ ビーム
１６ 走査ユニット、散乱体
１８ 監視ユニット
２０ エネルギー低減部
２２、２２’ 体
２４、３０ 標的体積
２６ａ〜２６ｉ 標的体積の層
２８ 照射方向
３２ 制御部
３８ ビーム引き出しシステム
４０ａ、４０ｂ、４２ａ、４２ｂ コイル
４４、４６ 磁極面
４７ 共通軸
４８ ストランド
５２ 絶縁体
５３ ワイヤー
５４ エポキシ化合物
５５ ヒーターブランケット
５６ ボビン
６０ 復元力
７２、７４ ギフォード・マクマホンクライオ冷却器
７６ 低温端
７７、７９ ギフォード・マクマホンクライオ冷却器
７８ 頭端部
８０ 圧縮機
８１、８３ ヨークの半分の部分
８２ ヨーク
８４ 帰還磁束
８６ 磁極面間の体積
９０ 粒子源
９１ 高周波駆動システム
９４ 電気ケーブル
９５ 電流源
９９ 水素供給部
１００ 高周波プレート
１０１ ガスライン
１０２ ダミーディープレート
１０３、１０５ 半円形表面
１０７ 空間
１０８ 水冷配管
１０９ ダクト
１１１ 真空ポンプ
１１３ 熱交換器
１１６ 間隔
１１７ 強磁性体材料の層
１１９ 真空チャンバー
１２２、１２４ カウンターウェイト
１２５ ビーム形成システム
１４４ 磁気シールド
１４６ 迷路部
１４８、１５０、１５２、１５４、１５６ 壁
１６０ 治療室
１６２ 床
１６４ 床空間
１７０ 患者支持部
１９０、１９２ カソード
１９４ チューブ
２００ 磁場
４０２、４０４、４０６ 支持ストラップ
５００ 荷電粒子放射医療システム
５０２、１０１０ ビーム生成粒子加速器
５０４ ガントリー
５０６ 患者
５０８、５１０ 脚部
５１２、５１４ ベアリング
５１６ トラス
５１８ 処置領域
５２０ ガントリーの回転範囲
５２２ 床
５２４ ボールト
５３０ 壁
５３２ 水平回転軸
５３４ 診察用いすの回転範囲
５４０ アイソセンター
５４２ 垂直軸
５８０、５８２ スパン
６０２ システム
６０４ シンクロサイクロトロン
６０５ 回転ガントリー
６０６ 患者支持部
１０１２ 磁石システム
１０３５、１０３７ 磁場を表す曲線
１３００ 内部導体
１３０２ 外部導体
１３０４ 結合デバイス
１３０６、１３０８ 可変リアクタンス素子
１３１０ ブレード
１３１２ プレート
１３１４ プレート１３１２の移動する方向
１３１６ 内部導体１３００の表面

【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】