特許 6523957 磁場を変更するための磁性シム

(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】6523957

(24)【登録日】2019年5月10日

(45)【発行日】2019年6月5日

(54)【発明の名称】磁場を変更するための磁性シム

(51)【国際特許分類】

   H05H 13/02 20060101AFI20190527BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20190527BHJP

   G21K 5/04 20060101ALI20190527BHJP

【ＦＩ】

   H05H13/02

   A61N5/10 H

   G21K5/04 A

【請求項の数】34

【全頁数】32

(21)【出願番号】特願2015-534720(P2015-534720)

(86)(22)【出願日】2013年9月27日

(65)【公表番号】特表2015-532506(P2015-532506A)

(43)【公表日】2015年11月9日

(86)【国際出願番号】US2013062102

(87)【国際公開番号】WO2014052708

(87)【国際公開日】20140403

【審査請求日】2015年5月28日

【審判番号】不服2017-10050(P2017-10050/J1)

【審判請求日】2017年7月6日

(31)【優先権主張番号】61/707,548

(32)【優先日】2012年9月28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】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(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】ヤン・ファン・デル・ラーン

(72)【発明者】

【氏名】ケネス・ピー・ガル

(72)【発明者】

【氏名】スタニスラフ・ピー・ソブチンスキー

【合議体】

【審判長】 西村 直史

【審判官】 小松 徹三

【審判官】 村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５１−１３６０９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５０５１９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Ｃ．Ｒ．Ｈｏｆｆｍａｎｎ，ｅｔ ａｌ．，Ｔｈｅ Ｃｈａｌｋ ｒｉｖｅｒ Ｈｅａｖｙ Ｉｏｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９７５年 ６月，Ｖｏｌ．ＮＳ−２２ Ｎｏ．３，ｐ．１６４７−１６５０

【文献】 Ｊ．Ｈ．Ｏｒｍｒｏｄ，ｅｔ ａｌ．，Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈａｌｋ Ｒｉｖｅｒ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｈｅａｖｙ−Ｉｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ９ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９８１年９月，ｐ．１５９−１６７

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H05H 13/00,7/04

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転式ガントリーに取り付けられた粒子加速器において、
空洞に磁場を印加するためのコイルと、
前記コイルを保持するためのチャンバを備えていると共に、前記回転式ガントリーの回転に伴って回転するように構成されている低温保持装置であって、前記コイルが、前記チャンバの内部に配置されている、前記低温保持装置と、
前記低温保持装置に隣接している磁性構造体であって、１つ以上の磁性シムを受容するための１つ以上のスロットを有している前記磁性構造体と、
１つ以上の対応する前記スロットの内部に配設されている１つ以上の前記磁性シムであって、荷電粒子を引き出しチャネルに出力するために、前記磁性構造体によって生成された磁場を変化させることによって前記コイルの位置を調節するように移動可能とされる１つ以上の前記磁性シムと、
を備えている、粒子加速器。

【請求項2】

１つ以上の前記磁性シムが、対応する前記スロットの内方又は外方に向かって移動するように制御可能とされる、請求項１に記載の粒子加速器。

【請求項3】

１つ以上の前記磁性シムが、コンピュータ制御される、請求項２に記載の粒子加速器。

【請求項4】

前記１つ以上の磁性シムが、回転式ガントリーに取り付けられた前記粒子加速器の回転に応答して制御可能である、請求項２に記載の粒子加速器。

【請求項5】

１つ以上の前記磁性シムが、前記粒子加速器の回転によって生じる前記コイルの移動を補償するために、前記コイルの位置を調節するように制御可能とされる、請求項４に記載の粒子加速器。

【請求項6】

前記磁性シムのうち少なくとも１つの磁性シムが、前記コイルによって囲まれている空間内に位置している、請求項１に記載の粒子加速器。

【請求項7】

すべての前記磁性シムが、前記コイルによって囲まれている空間内に位置している、請求項６に記載の粒子加速器。

【請求項8】

１つ以上の前記磁性シムが、強磁性材料を含んでいる、請求項１に記載の粒子加速器。

【請求項9】

請求項１に記載の前記粒子加速器と、
前記粒子加速器が取り付けられている回転式ガントリーであって、患者の位置に対して相対的に回転可能とされる前記回転式ガントリーと、
を備えている陽子治療システムにおいて、
前記粒子加速器が、陽子を前記患者の位置に出力するように構成されている、陽子治療システム。

【請求項10】

前記粒子加速器が、所定の位置に対して相対的に回転可能とされ、
前記陽子治療システムが、前記回転式ガントリーの回転位置に基づいて１つ以上の前記磁性シムの移動を制御するための制御システムをさらに備えている、請求項９に記載の陽子治療システム。

【請求項11】

回転式ガントリーに取り付けられている粒子加速器のための電磁石であって、
磁場を発生させるために円状の構成で配置されている超電導コイルと、
前記超電導コイルに隣接している磁性構造体であって、１つ以上の磁性シムを受容するための１つ以上のスロットを有している前記磁性構造体と、
１つ以上の対応する前記スロットの内部に配設されている１つ以上の磁性シムであって、前記粒子加速器によって生成された荷電粒子を引き出しチャネルに出力するために、前記磁性構造体によって生成された磁場を変化させることによって前記超電導コイルの位置を調節するように移動可能とされる前記１つ以上の磁性シムと、
を備えている、電磁石。

【請求項12】

前記超電導コイルが、前記円状の構成の内側において、前記円状の構成の外側より強い磁場を発生させるように構成されており、
１つ以上の前記磁性シムが、前記円状の構成の外側より前記円状の構成の内側に近接している、請求項１１に記載の電磁石。

【請求項13】

１つ以上の前記磁性シムの少なくとも一部分が、前記円状の構成の内側に位置している、請求項１２に記載の電磁石。

【請求項14】

前記１つ以上の磁性シムのうちすべての磁性シムが、前記円状の構成の内側に位置している、請求項１１に記載の電磁石。

【請求項15】

前記１つ以上の磁性シムが、対応する前記スロットの内方又は外方に向かって移動するように制御可能とされる、請求項１１に記載の電磁石。

【請求項16】

前記１つ以上の磁性シムが、コンピュータ制御される、請求項１５に記載の電磁石。

【請求項17】

前記１つ以上の磁性シムが、回転式ガントリーに取り付けられた前記電磁石の回転に応答して制御可能とされる、請求項１５に記載の電磁石。

【請求項18】

１つ以上の前記磁性シムが、前記電磁石の回転によって生じる前記超電導コイルの移動を補償するために、前記超電導コイルの位置を調節するように制御可能とされる、請求項１７に記載の電磁石。

【請求項19】

１つ以上の前記磁性シムが、強磁性材料から成る１つ以上の磁性シムとされる、請求項１１に記載の電磁石。

【請求項20】

陽子を含んでいる粒子を出力するための請求項１１に記載の電磁石を具備する粒子加速器と、
前記粒子加速器が取り付けられている回転式ガントリーであって、患者の位置に対して相対的に回転可能とされる前記回転式ガントリーと、
を備えている陽子治療システムにおいて、
前記粒子加速器が、陽子を前記患者の位置に出力するように構成されている、陽子治療システム。

【請求項21】

前記粒子加速器が、所定の位置に対して相対的に回転可能とされ、
前記陽子治療システムが、前記回転式ガントリーの回転位置に基づいて１つ以上の前記磁性シムの移動を制御するための制御システムをさらに備えている、請求項２０に記載の陽子治療システム。

【請求項22】

回転式ガントリーに取り付けられた電磁石の内部における超電導コイルの位置を調節するための方法において、
前記電磁石に関連している回転位置を判定するステップと、
荷電粒子を引き出しチャネルに出力するように磁性構造体によって生成された磁場を変化させることによって前記超電導コイルの位置を調節するために、前記回転位置に基づいて、前記超電導コイルの近傍に位置している前記磁性構造体の内部における１つ以上の磁性シムの位置を制御するステップと、
を含んでいる、方法。

【請求項23】

前記電磁石が、回転可能とされる回転式ガントリーに取り付けられている粒子加速器の一部分とされ、
前記回転位置が、前記回転式ガントリーの位置である、請求項２２に記載の方法。

【請求項24】

前記超電導コイルが、磁場を発生させるために円状の構成に配置されており、
前記磁場が、前記円状の構成の内側において、前記円状の構成の外側より強く、
１つ以上の前記磁性シムが、前記円状の構成の外側より前記円状の構成の内側に近接している、請求項２２に記載の方法。

【請求項25】

前記１つ以上の磁性シムの少なくとも一部分が、前記円状の構成の内側に位置している、請求項２４に記載の方法。

【請求項26】

前記１つ以上の磁性シムのうちすべての磁性シムが、前記円状の構成の内側に位置している、請求項２４に記載の方法。

【請求項27】

１つ以上の前記磁性シムが、前記磁性構造体の対応するスロットの内方又は外方に向かって移動するように制御可能とされる、請求項２２に記載の方法。

【請求項28】

１つ以上の前記磁性シムの位置が、コンピュータによって制御可能とされる、請求項２２に記載の方法。

【請求項29】

１つ以上の前記磁性シムが、前記電磁石の回転によって生じる前記超電導コイルの移動を補償するために、前記超電導コイルの位置を調節するように制御可能とされる、請求項２２に記載の方法。

【請求項30】

１つ以上の前記磁性シムが、強磁性材料から成る１つ以上の磁性シムとされる、請求項２２に記載の方法。

【請求項31】

回転式ガントリーに取り付けられた粒子加速器において、
粒子が加速される空洞に磁場を印加するためのコイルと、
前記コイルを保持するためのチャンバを具備すると共に、前記回転式ガントリーの回転に伴って回転するように構成されている低温保持装置と、
前記低温保持装置に隣接している磁性構造体であって、複数の磁性シムを受容するための１つ以上のスロットを有している前記磁性構造体と、
対応する前記スロットの内部に配設されている磁性シムであって、荷電粒子を引き出しチャネルに出力するように前記空洞の内部における粒子の軌道及び前記コイルの位置に影響を与えるために、前記空洞の内部における磁場を調節するように移動可能とされる１つ以上の前記磁性シムと、
を備えている、粒子加速器。

【請求項32】

前記粒子加速器が、前記粒子加速器から出力するために前記粒子が通過する抽出チャネルであって、前記空洞に進入部を有している前記抽出チャネルをさらに備えており、
前記空洞から前記抽出チャネルに進入する前記粒子のエネルギーが、前記粒子が前記抽出チャネルを横断するために必要とされるエネルギーに一致するように、複数の前記磁性シムが、複数の対応する前記スロットの内部において移動可能とされる、請求項３１に記載の粒子加速器。

【請求項33】

前記抽出チャネルに対する前記進入部が、前記抽出チャネルに進入する前に粒子ビームが通過するエネルギー吸収構造体を含んでいない、請求項３２に記載の粒子加速器。

【請求項34】

請求項３１に記載の前記粒子加速器と、
前記粒子加速器が取り付けられている回転式ガントリーであって、患者の位置に対して相対的に回転可能とされる前記回転式ガントリーと、
を備えている陽子治療システムにおいて、
前記粒子加速器が、陽子を前記患者の位置に出力するように構成されている、陽子治療システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本明細書では、２０１２年９月２８日に出願した米国特許仮出願第６１／７０７，５４８号の優先権が主張される。米国特許仮出願第６１／７０７，５４８号の内容は、ここに参照により本開示に組み込まれる。

【0002】

本開示は、一般的に粒子治療システムの超電導磁石における磁性シムの使用に関する。

【背景技術】

【0003】

粒子治療システムは、加速器を使用することにより、腫瘍などの苦痛を治療するための粒子ビームを発生させる。加速器は、典型的には超電導コイルを有する電磁石を備える。超電導コイルは、ヨークと呼ばれる２つの磁性構造体の間に位置決めされたクライオスタット上に維持される。コイルの正確な位置決めが重要となり得る。コイルが不適切に位置決めされると、ヨークにより発生した磁力は、コイルに物理的損傷を与える及び／又は粒子ビームの取出しを妨げる恐れがある。しかし、粒子加速器の物理的な移動は、コイルの位置に影響を及ぼし得る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許出願第１３／９０７，６０１号

【特許文献2】米国特許出願第１１／９４８，６６２号

【特許文献3】米国特許出願第１１／９４８，３５９号、名称「Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ａ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆ Ａ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｃａｖｉｔｙ Ｔｏ Ａ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆ Ａｎ Ｉｎｐｕｔ Ｖｏｌｔａｇｅ」

【特許文献4】米国特許第７，７２８，３１１号明細書

【特許文献5】米国特許出願第１２／２７５，１０３号

【特許文献6】米国特許出願第１３／９１６，４０１号明細書

【特許文献7】米国仮出願第６０／７６０，７８８号、名称「Ｈｉｇｈ−Ｆｉｅｌｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｓｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ」

【特許文献8】米国特許出願第１１／４６３，４０２号、名称「Ｍａｇｎｅｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ」

【特許文献9】米国仮出願第６０／８５０，５６５号、名称「Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｖａｃｕｕｍ Ｂｒｅａｋ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｕｐｌｅｒ」

【特許文献10】米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ ＯＦ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，４６６号）

【特許文献11】米国仮出願、名称「ＡＤＪＵＳＴＩＮＧ ＥＮＥＲＧＹ ＯＦ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，５１５号）

【特許文献12】米国仮出願、名称「ＦＯＣＵＳＩＮＧ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ ＵＳＩＮＧ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＦＩＥＬＤ ＦＬＵＴＴＥＲ」（出願第６１／７０７，５７２号）

【特許文献13】米国仮出願、名称「ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＦＩＥＬＤ ＲＥＧＥＮＥＲＡＴＯＲ」（出願第６１／７０７，５９０号）

【特許文献14】米国仮出願、名称「ＦＯＣＵＳＩＮＧ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭ」（出願第６１／７０７，７０４号）

【特許文献15】米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＴＨＥＲＡＰＹ」（出願第６１／７０７，６２４号）

【特許文献16】米国仮出願、名称「ＣＯＮＴＲＯＬ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ Ａ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＡＣＣＥＬＥＲＡＴＯＲ」（出願第６１／７０７，６４５号）

【特許文献17】米国仮出願第６０／９９１，４５４号

【特許文献18】米国特許第８，００３，９６４号

【特許文献19】米国特許第７，２０８，７４８号

【特許文献20】米国特許第７，４０２，９６３号

【特許文献21】米国特許出願第１３／１４８，０００号

【特許文献22】米国特許出願第１１／９３７，５７３号

【特許文献23】米国特許出願第１１／１８７，６３３号、名称「Ａ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｗａｖｅｆｏｒｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ ａ Ｓｙｎｃｈｒｏｃｙｃｌｏｔｒｏｎ」

【特許文献24】米国仮出願第６０／５９０，０８９号

【特許文献25】米国特許出願第１０／９４９，７３４号、名称「Ａ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｃａｔｔｅｒｅｒ ｆｏｒ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒａｐｙ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ」

【特許文献26】米国仮出願第６０／５９０，０８８号

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

例示的な粒子加速器は、空洞に磁場を印加するためのコイルと、コイルを保持するためのチャンバを備えている低温保持装置であって、コイルが、コイルの内部領域及びコイルの外部領域を形成するようにチャンバの内部に配置されている、低温保持装置と、低温保持装置に隣接している磁性構造体であって、磁性構造体に少なくとも部分的に挿入されている１つ以上のスロットを有している磁性構造体と、１つ以上の対応するスロットの内部に配設されている１つ以上の磁性シムとを備えている。１つ以上の磁性シムは、磁性構造体によって生成された磁場を変化させることによってコイルの位置を調節するように移動可能とされる。例示的な粒子加速器は、以下の特徴のうち１つ又は複数を単独で又は組み合わせて含んでいる。

【0006】

１つ以上の磁性シムが、対応するスロットの内方又は外方に向かって移動するように制御可能とされる。１つ以上の磁性シムが、コンピュータ制御される。１つ以上の磁性シムが、粒子加速器の回転に応答して制御可能である。１つ以上の磁性シムが、粒子加速器の回転によって生じるコイルの移動を補償するために、コイルの位置を調節するように制御可能とされる。１つ以上の磁性シムが、強磁性材料を含んでいる。

【0007】

磁性シムのうち少なくとも１つの磁性シムが、内部領域に位置している。すべての磁性シムが、内部領域に位置している場合があり、この場合には、外部領域には１つの磁性シムも存在しない。

【0008】

例示的な陽子治療システムは、上述の粒子加速器と、粒子加速器が取り付けられているガントリーとを備えている。ガントリーは、患者の位置に対して相対的に回転可能とされる。陽子が、実質的に粒子加速器から患者の位置に直接出力される。当該例示的な陽子治療システムでは、粒子加速器が、所定の位置に対して相対的に回転可能とされ、陽子治療システムが、ガントリーの回転位置に基づいて１つ以上の磁性シムの移動を制御するための制御システムをさらに備えている。

【0009】

例示的な電磁石は、磁場を発生させるために略円状の構成で配置されている超電導コイルと、超電導コイルに隣接している磁性構造体であって、超電導コイルに少なくとも部分的に挿入されている１つ以上のスロットを有している磁性構造体と、１つ以上の対応するスロットの内部に配設されている１つ以上の磁性シムであって、磁性構造体によって生成された磁場を変化させることによってコイルの位置を調節するように移動可能とされる１つ以上の磁性シムとを備えている。当該例示的な電磁石は、以下の特徴のうち１つ又は複数の特徴を単独で又は組み合わせて含んでいる。

【0010】

超電導コイルが、円状の構成の内側において、円状の構成の外側より強い磁場を発生させるように構成されている。１つ以上の磁性シムが、円状の構成の外側より円状の構成の内側に近接している。１つ以上の磁性シムの少なくとも一部分が、円状の構成の内側に位置している。１つ以上の磁性シムのうちすべての磁性シムが、円状の構成の内側に位置している（円状の構成の外側には、磁性シムが存在しない）。

【0011】

１つ以上の磁性シムが、対応するスロットの内方又は外方に向かって移動するように制御可能とされる。１つ以上の磁性シムが、コンピュータ制御される。１つ以上の磁性シムが、電磁石の回転に応答して制御可能とされる。１つ以上の磁性シムが、電磁石の回転によって生じるコイルの移動を補償するために、コイルの位置を調節するように制御可能とされる。１つ以上の磁性シムが、強磁性材料から成る１つ以上の磁性シムとされる。

【0012】

例示的な陽子治療システムは、陽子を含んでいる粒子を出力するための上述の電磁石を具備する粒子加速器と、粒子加速器が取り付けられているガントリーとを備えている。ガントリーは、患者の位置に対して相対的に回転可能とされる。陽子が、実質的に粒子加速器から患者の位置に直接出力される。粒子加速器が、所定の位置に対して相対的に回転可能とされる。陽子治療システムが、ガントリーの回転位置に基づいて１つ以上の磁性シムの移動を制御するための制御システムをさらに備えている。

【0013】

電磁石の内部における超電導コイルの位置を調節するための例示的な方法は、電磁石に関連している回転位置を判定するステップと、回転位置に基づいて、超電導コイルの近傍に位置している磁性構造体の内部における１つ以上の磁性シムの位置を制御するステップとを含んでいる。当該例示的な方法は、以下の特徴のうち１つ又は複数の特徴を単独で又は組み合わせて含んでいる。

【0014】

電磁石が、回転可能とされるガントリーに取り付けられている粒子加速器の一部分とされる。回転位置が、ガントリーの位置である。超電導コイルが、磁場を発生させるために略円状の構成に配置されている。磁場が、円状の構成の内側において、円状の構成の外側より強い。１つ以上の磁性シムが、円状の構成の外側より円状の構成の内側に近接している。１つ以上の磁性シムの少なくとも一部分が、円状の構成の内側に位置している。１つ以上の磁性シムのうちすべての磁性シムが、円状の構成の内側に位置しており、円状の構成の外側には、磁性シムが存在しない。

【0015】

１つ以上の磁性シムが、磁性構造体の対応するスロットの内方又は外方に向かって移動するように制御可能とされる。１つ以上の磁性シムの位置が、コンピュータによって制御されている。１つ以上の磁性シムが、電磁石の回転によって生じるコイルの移動を補償するために、コイルの位置を調節するように制御可能とされる。１つ以上の磁性シムが、強磁性材料から成る１つ以上の磁性シムとされる。

【0016】

例示的な粒子加速器は、粒子が加速される空洞に磁場を印加するためのコイルと、コイルを保持するためのチャンバを具備する低温保持装置と、低温保持装置に隣接している磁性構造体であって、磁性構造体に少なくとも部分的に挿入されている１つ以上のスロットを有している磁性構造体と、１つ以上の対応するスロットの内部に配設されている１つ以上の磁性シムであって、空洞の内部における粒子の軌道に影響を与えるために、空洞の内部における磁場を調節するように移動可能とされる１つ以上の磁性シムとを備えている。当該例示的な粒子加速器は、以下の特徴のうち１つ又は複数の特徴を単独で又は組み合わせて含んでいる。

【0017】

粒子加速器が、粒子加速器から出力するために粒子が通過する引き出しチャネルであって、空洞に進入部を有している引き出しチャネルをさらに備えている。空洞から引き出しチャネルに進入する粒子のエネルギーが、粒子が引き出しチャネルを横断するために必要とされるエネルギーに一致するように、１つ以上の磁性シムが、１つ以上の対応するスロットの内部において制御可能とされる。引き出しチャネルに対する進入部が、引き出しチャネルに進入する前に粒子ビームが通過するエネルギー吸収構造体を含んでいない。磁性構造体が、磁極片を備えており、コイルが、第１のコイルとされる。粒子加速器が、電流が第１のコイルに流れることによって発生する磁場に対する能動反射器として動作する第２のコイルをさらに備えている。

【0018】

陽子治療システムが、上述の粒子加速器を含んでいる。また、陽子治療システムが、粒子加速器が取り付けられているガントリーであって、患者の位置に対して相対的に回転可能とされるガントリーを含んでいる。陽子が、実質的に粒子加速器から患者の位置に直接出力される。

【0019】

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

【0020】

本明細書で説明されている様々なシステム、又はその一部の制御は、１つ又は複数の非一時的機械可読記憶媒体に格納され、１つ又は複数の処理デバイス上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得る。本明細書で説明されているシステム、又はその一部は、１つ又は複数の処理デバイス及び述べられている機能の制御を実装する実行可能命令を格納するためのメモリを含み得る装置、方法、又は電子システムとして実装され得る。

【0021】

１つ又は複数の実施形態の詳細は、添付した図面及び以下の説明で記述される。他の特徴、目的、及び利点は、説明と図面、さらには特許請求の範囲から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】例示的な治療システムの斜視図である。

【図2】例示的なシンクロサイクロトロンの構成要素の分解斜視図である。

【図3】例示的なシンクロサイクロトロンの断面図である。

【図4】例示的なシンクロサイクロトロンの断面図である。

【図5】例示的なシンクロサイクロトロンの断面図である。

【図6】例示的なシンクロサイクロトロンの斜視図である。

【図7】例示的なリバースボビン及び巻線の一部の断面図である。

【図8】例示的なケーブルインチャネル複合導体の断面図である。

【図9】例示的なイオン源の断面図である。

【図10】例示的なディープレート及び例示的なダミーディーの斜視図である。

【図11】例示的なボールトの斜視図である。

【図12】ボールトを備える例示的な治療室の斜視図である。

【図13】例示的な粒子加速器の隣に位置決めされた患者を示す図である。

【図14】治療室内の例示的な内部ガントリーの中に位置決めされた患者を示す図である。

【図15】例示的な低温質量体の一部の斜視破断図である。

【図16】低温質量体の斜視図である。

【図17】例示的なヨーク及び加速空洞の破断図である。

【図18】例示的な超電導磁石の一部分の分解斜視図である。

【図19】あるタイプの磁性シムの例示的な斜視図である。

【図20】あるタイプの磁性シムの例示的な斜視図である。

【図21】超電導磁石のヨークに組み込まれた磁性シムの斜視透過図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

様々な図面中の同様の参照符号は、同様の要素を示す。

【0024】

本明細書では、陽子又はイオン治療システムなどの、例示的なシステムにおいて使用するための粒子加速器の一例について説明する。システムは、ガントリー上に取り付けられた粒子加速器−−この例では、シンクロサイクロトロン−−を含む。ガントリーは、以下に詳述するように、加速器を患者の位置の周りに回転させることを可能にする。幾つかの実施例では、ガントリーは鋼製であり、患者の両側に配設された２つの軸受それぞれに回転するように取り付けられた２つの脚部を有する。粒子加速器は、患者が横たわる治療領域を跨設するに十分に長い鉄骨トラスによって支持されており、鉄骨トラスは、その両端においてガントリーの回転式脚部に安定して取り付けられている。患者の周りをガントリーが回転する結果、粒子加速器も回転する。

【0025】

超電導磁石は、粒子加速器の一部である。例えば、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電導コイルを保持するクライオスタットを含み得る。この例では、クライオスタットは、例えば４°ケルビン（Ｋ）などの超電導温度にコイルを維持するために液体ヘリウム（Ｈｅ）を使用する。超電導コイルは、クライオスタットのコイルチャンバ内に保持される。コイルチャンバは、実質的に円形であり、したがって超電導コイルは、実質的に円形の構成に保持される。この幾何学的形状の結果として、超電導コイルにより生成される磁場は、超電導コイルにより囲まれる内方領域においては、その領域の外部よりも高い。

【0026】

磁気ヨークは、クライオスタットに隣接して（例えば周囲に）位置し、粒子が加速される空洞を画成する。クライオスタットは、磁気ヨークに装着される。この装着及びクライオスタットにおける超電導コイルの装着により、超電導コイルの移動が制限されるが、コイルの移動は、完全には防止されない。例えば、幾つかの実施例においては、回転時の引力の結果として、超電導コイルは、わずかに（例えば幾つかの例では１０分の数ミリメートル）可動となる。この移動は、引き出しチャネルで受け取られる粒子ビームのエネルギー量に影響を及ぼし、それにより粒子加速器の出力に影響を及ぼし得る。移動が十分に大きい場合には、コイル支持部に対する物理的損傷が生じる結果となる恐れがあり、例えばコイル支持部が破損する場合がある。

【0027】

また、一例においては、粒子加速器は、空洞にプラズマ柱を提供するために粒子源（例えばペニングイオンゲージすなわちＰＩＧ源）を含む。水素ガスがイオン化されてプラズマ柱を生成する。電圧源が、プラズマ柱からの粒子を加速させるために、空洞に高周波（ＲＦ）電圧を印加する。この例では、粒子加速器は、シンクロサイクロトロンである。したがって、ＲＦ電圧は、粒子に対する相対論的効果（例えば粒子質量の増加）に対処するために、ある周波数範囲にわたって掃引される。コイルにより生成される磁場は、プラズマ柱から加速された粒子をキャビティ内において軌道を描くように加速させる。磁場再生器が、空洞内部の既存の磁場を調節することによりプラズマ柱から加速される粒子の連続軌道位置を変化させ、それによって最終的に粒子がヨーク内に含まれる引き出しチャネルに出力されるように、空洞内に位置決めされる。再生器は、空洞内のあるエリアで磁場を増大させることにより、そのエリアにおける粒子の各連続軌道が、引き出しチャネルの進入部に向かって外方へと歳差運動され、最終的に引き出しチャネルに到達し得る。引き出しチャネルは、プラズマ柱から加速された粒子を受け取り、空洞からこの受け取った粒子を出力する。

【0028】

超電導コイルの移動は、空洞内部の軌道の位置に影響を及ぼし、それにより粒子ビームが加速器から出るのを妨げる恐れがある。例えば、ある方向への移動により、より低いエネルギーの軌道が再生器に影響を及ぼす恐れがあり、また一方では、別の方向への移動により、より高いエネルギーの軌道が再生器に影響を及ぼす恐れがある（粒子軌道エネルギーは、起点となるプラズマ柱からの径方向距離に比例する）。そのため、過剰に低いエネルギーの軌道が再生器に影響を及ぼす場合には、粒子ビームは、上記のように引き出しチャネルの内方エッジに衝突し得る。過剰に高いエネルギーの軌道が再生器に影響を及ぼす場合には、粒子ビームは、上記のように引き出しチャネルの外方エッジに衝突し得る。幾つかの実施例においては、１０分の数ミリメートルのオーダ（例えば２／１０ミリメートル）の超電導コイルの移動が、粒子加速器の動作にこのように影響を及ぼし得る。

【0029】

上記のように、十分な移動があった場合には、コイルは、動作時に物理的損傷を被る恐れがある。例えば、幾つかの実施例においては、超電導コイルが、２ミリメートルだけ偏心すると、電磁石の動作時に発生する力が、コイル支持部に損傷を与える場合がある。

【0030】

本明細書において説明される例示的なシステムは、クライオスタットチャンバ内の超電導コイルの位置を調節することにより、回転による（例えば引力効果による）超電導コイルの動きを補正する技術を使用する。これらの技術の概要が以下に示され、その後、これらの技術を実装し得る例示的な粒子治療システムの説明と、これらの様々な技術のさらに詳細な説明とが示される。

【0031】

これに関連して、ヨークは、鋼などの強磁性体材料から作製される。したがって、１つ又は複数の磁性シムを使用して、ヨークの実効磁気中心を調節することが可能である。強磁性ヨーク（又はヨークに置き換えられる他の強磁性構造体）とのコイルの磁気的相互作用の結果として生じる力は、ヨークに対して超電導コイルをある位置から別の位置へと移動させるために使用され得る。例えば、コイル磁場のあるエリアに位置する磁性材料を増加させることにより、結果としてある方向に超電導コイルを移動させる力を生じさせることが可能であり、又はそのエリアに位置する磁性材料を減少させることにより、結果として別の異なる方向に超電導コイルを移動させる力を生じさせることが可能である。

【0032】

例の実施例においては、ヨークの実効磁気中心は、超電導コイルの付近に位置する磁石コイルの穴（又はスロット）内において磁性シムを移動させることにより調節される。任意の適切なタイプの磁性シムが、本明細書において説明される技術を実装するために使用され得るが、本明細書において説明される実施例は、ヨークのスロットの内外に移動可能である複数の強磁性ロッド形状磁性シムを使用する。例えば、ねじが、スロット／穴に対する磁性シムの運動を制御するために使用される。

【0033】

例の実施例においては、各磁性シムは、強磁性体材料から作製される。対応する超電導コイルに対する各磁性シムの近さが、結果的に得られる磁場により超電導コイルに印加される力の量に作用する。超電導コイルに対してより近くに（例えばヨークのスロット内部へとさらに）磁性シムを移動させることにより、コイルに対する磁場力は増加する。対照的に、超電導コイルから離れるように（例えばスロット内へと上方に又はスロット外に）磁性シムを移動させることにより、コイルに対する磁場力は減少する。他の実施例においては、ヨークのスロットの内外への磁性シムの移動に対して逆の反応が得られてもよい。

【0034】

複数の磁性シムが、超電導コイルを適切に位置決めするために、超電導コイルに対する多様な位置で使用され得る。例えば、幾つかの実施例においては、位置決めは、１０分の数ミリメートルのオーダで行われてもよい。他の実施例においては、位置決めは、１０分の数ミリメートル範囲よりも大きい又は小さいものであってもよい。磁性シムは、例えば粒子加速器の回転位置などに基づき位置を変動させるようにコンピュータ制御され得る。

【0035】

超電導コイルの位置を調節するための前述の例の技術は、粒子加速器での使用に限定されず、又は粒子治療システムでの使用に限定されない。むしろ、かかる技術及びその変種は、任意のタイプの医療用途又は非医療用途での超電導コイルを含む任意の適切な電磁石と共に使用されてもよい。前述の技術を使用し得る粒子治療システムの一例を以下に示す。

【0036】

例示的な粒子治療システム
図１に表すように、荷電粒子線治療システム５００は、ビーム発生粒子加速器５０２を備えており、ビーム発生粒子加速器５０２の重量及び大きさは、ビーム発生粒子加速器５０２の出力が加速器ハウジングから患者５０に向かう直線方向に（すなわち、実質的に直接）方向づけられている状態において、向けられた出力を有する回転式ガントリー５０４に取り付け可能とされる大きさである。

【0037】

幾つかの実施例では、鋼製ガントリー５０４は、２つの脚部５０８、５１０を有しており、２つの脚部５０８、５１０は、患者の両側に配設された２つの軸受５１２、５１４それぞれに回転するように取り付けられている。ビーム発生粒子加速器５０２は、患者が横たわる治療領域５１８を跨設するに十分に長い（患者の所望のターゲット領域をビームライン上に維持した状態で空間内において背の高いヒトを完全に回転させることができるように、例えば当該背の高いヒトの身長の２倍の長さとされる）鉄骨トラス５１６によって支持されており、その両端においてガントリーの回転式脚部に安定に取り付けられている。

【0038】

幾つかの実施例では、ガントリー５０４の回転が３６０°未満の範囲５２０、例えば、約１８０°に制限され、これにより、治療システムを収納するボールト５２４の壁から患者治療領域内部に至るまで床５２２を延在させることができる。また、ガントリー５０４の回転範囲５２０が制限されることによって、患者治療領域の外側に居る人々を放射線から遮蔽するための壁のうち幾つかの壁の必要な厚さを薄くすることができる。ガントリー５０４の回転範囲５２０を１８０°とすれば、すべての治療アプローチ角に対応するのに十分であるが、移動範囲を拡大することは優位である。例えば、回転範囲５２０は、１８０°〜３３０°としても、依然として治療のための床面積に対するクリアランスを確保することができる。

【0039】

ガントリー５０４の水平回転軸線５３２は、患者と療法士とが治療システムをインタラクティブに操作する場所の床より公称１メートル上方に配置されている。この床は、荷電粒子線治療システム５００を遮蔽しているボールト５２４の最下床より約３メートル上方に位置決めされている。ビーム発生粒子加速器５０２は、治療ビームを回転軸線の下方から照射するために高床の下方において旋回可能とされる。患者用カウチは、ガントリー５０４の回転軸線５３２に対して略平行とされる水平面内において移動及び回転する。カウチは、このような構成によって水平面内において約２７０°の範囲５３４にわたって回転可能とされる。ガントリー５０４及び患者の回転範囲５２０、５３４と自由度との組み合わせによって、療法士は、ビームについての任意のアプローチ角を実質的に選択することができる。必要に応じて、患者を反対の向きでカウチに載置することによって、想定し得るすべての角度が利用可能となる。

【0040】

幾つかの実施例では、ビーム発生粒子加速器５０２は、超高磁界超電導電磁構造体を有しているシンクロサイクロトロンを利用する。所定の運動エネルギーを具備する荷電粒子の曲率半径は、当該荷電粒子に印加される磁場の増大に正比例して小さくなるので、超高磁界磁場超電導磁気構造体を利用することによって、加速器を小型かつ軽量にすることができる。シンクロサイクロトロンは、回転角度が一様とされる磁場であって、半径が大きくなるに従って強度が低下する磁場を利用する。このような磁場形状は、磁場の規模に関係なく実現されるので、シンクロサイクロトロン内で利用可能とされる磁場の強度（ひいては、固定された半径において結果として得られる粒子エネルギー）についての上限は理論上存在しない。

【0041】

非常に高い磁場の存在下において、超電導体はその超電導特性を失う。非常に高い磁場を実現するために、高性能な超電導線からなる巻線が利用される。

【0042】

超電導体は、一般に、その超電導特性が得られる低温状態に至るまで冷却される必要がある。本明細書で説明されている幾つかの実施例では、超電導コイル巻線を絶対零度近傍の温度に冷却するために、冷凍機が利用される。冷凍機を利用することによって、複雑性及びコストが低減される。

【0043】

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

【0044】

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

【0045】

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

【0046】

図１に示されている例示的な実施例において、超電導シンクロサイクロトロン５０２は、シンクロサイクロトロンの磁極間隙において８．８テスラのピーク磁場で動作する。シンクロサイクロトロンは、２５０ＭｅＶのエネルギーを有する陽子ビームを発生する。他の実施例では、場の強度は、６から２０テスラ又は４から２０テスラの範囲内とすることが可能であり、陽子エネルギーは、１５０から３００ＭｅＶの範囲内とすることが可能である。

【0047】

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

【0048】

図２、図３、図４、図５、及び図６に示されているように、例示的なシンクロサイクロトロン１０（例えば、図１の５０２）は、粒子源９０を収容する磁石システム１２、高周波駆動システム９１、及びビーム引き出しシステム３８を含む。磁石システムによって確立される磁場は、環状超電導コイル４０、４２の分割されたペアと成形された強磁性（例えば、低炭素鋼）磁極面４４、４６のペアとの組み合わせを使用して、内部に存在する陽子ビームの集束を維持するのに適切な形状を有する。

【0049】

２つの超電導磁気コイルは、共通軸４７を中心とし、この軸に沿って相隔てて並ぶ。図７及び図８に示されているように、コイルは、撚り合わせたケーブルインチャネル導体形態で配設される直径０．８ｍｍのＮｂ_３Ｓｎ系超電導線４８（最初に、銅シースによって囲まれているニオブスズコアを備える）から形成される。７本の個別の線がまとめられてケーブルにされた後、これらは加熱され、ワイヤ状の最終（脆い）超電導体を形成する反応を引き起こす。材料が反応した後、ワイヤは銅チャネル（外径３．１８×２．５４ｍｍ及び内径２．０８×２．０８ｍｍ）内にハンダ付けされ及び、絶縁体５２（この例では、ガラス繊維織布）で覆われる。次いで、ワイヤ５３を収容する銅チャネルコイル状に巻き取られ、これは８．５５ｃｍ×１９．０２ｃｍの矩形の断面を有し、２６の層を有し、層毎に４９回の巻き数を有する。次いで、この巻きコイルは、エポキシ化合物で真空含浸される。完成したコイルは、環状ステンレスリバースボビン５６上に取り付けられる。ヒーターブランケット５５は間隔をあけて巻線の層内に入れられ、磁石クエンチが生じた場合にアセンブリを保護する。

【0050】

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

【0051】

コイルの幾何学的形状は、コイルを矩形リバースボビン５６内に取り付けて、コイルが通電されたときに発生する歪みを起こす力に抗して作用する復元力６０を与えることによって維持される。図５に示されているように、コイル位置は、一組の高温−低温支持ストラップ４０２、４０４、４０６を使用して磁気ヨーク及び低温保持装置に対して維持される。低温質量体を細いストラップで支持することにより、剛体支持システムによって低温質量体に与えられる熱漏洩が低減される。ストラップは、磁石が搭載された状態でガントリーを回転するときにコイルにかかる変化する重力に耐えるように構成される。これらは、重力と、磁気ヨークに対して完全対称位置から摂動したときにコイルによって生じる大きな偏心力との複合効果に耐える。それに加えて、リンクは、位置が変わった場合にガントリーが加減速する際にコイルに与えられる動的な力を低減する働きをする。それぞれの高温−低温支持体は、１つのＳ２ガラス繊維リンクと１つの炭素繊維リンクとを含む。炭素繊維リンクは、高温のヨークと中間温度（５０〜７０Ｋ）との間のピン上で支持され、Ｓ２ガラス繊維リンク４０８は、中間温度ピン及び低温質量体に取り付けられたピン上で支持される。それぞれのリンクは長さ５ｃｍ（ピン中心からピン中心までの間）、幅１７ｍｍである。リンクの厚さは、９ｍｍである。それぞれのピンは、高張力ステンレス鋼から作られ、直径は４０ｍｍである。

【0052】

図３を参照すると、半径の関数としての場の強度プロファイルは、大部分がコイルの幾何学的形状及び磁極面の形状の選択によって決定され、透磁性ヨーク材料の磁極面４４、４６は、磁場の形状を微調整して加速時に粒子ビームの収束を確実に保つように、起伏が付けられ得る。

【0053】

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

【0054】

幾つかの実施例では、絶対零度近くの温度は、１つの単段ギフォードマクマホン冷凍機と３つの２段ギフォードマクマホン冷凍機とを使用して達成され、維持される。それぞれの２段冷凍機は、ヘリウム蒸気を液体ヘリウムに再凝縮する凝縮器に取り付けられた第２段低温端部を有する。冷凍機のヘッドには、圧縮機から圧縮ヘリウムが供給される。単段ギフォードマクマホン冷凍機は、電流を超電導巻線に供給する高温（例えば、５０〜７０ケルビン）のリード線を冷却するように構成される。

【0055】

幾つかの実施例では、絶対零度近くの温度は、コイルアセンブリ上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冷凍機７２、７４を使用して達成され、維持される。それぞれの冷凍機は、コイルアセンブリと接触する低温端部７６を有する。冷凍機のヘッド７８には、圧縮機８０から圧縮ヘリウムが供給される。他の２つのギフォードマクマホン冷凍機７７、７９は、電流を超電導巻線に供給する高温（例えば、６０〜８０ケルビン）のリード線を冷却するように構成される。

【0056】

コイルアセンブリ及び低温保持槽は、ピルボックス形状の磁気ヨーク８２の２つの半分８１、８３内に取り付けられ、完全に封じ込められる。この例では、コイルアセンブリの内径は、約７４．６ｃｍである。鉄ヨーク８２は、帰還磁束８４に対する経路となり、磁極面４４、４６の間の容積部８６を磁気遮蔽して外部からの磁気的影響がその容積部内の磁場の形状を摂動するのを防ぐ。ヨークは、加速器の付近の漂遊磁場を減少させる働きもする。幾つかの実施例では、シンクロサイクロトロンは、漂遊磁場を低減する能動的帰還システムを有するものとしてよい。能動的帰還システムの一例は、その内容が参照により本明細書に組み込まれている、２０１３年５月３１日に出願した米国特許出願第１３／９０７，６０１号で説明されている。能動的帰還システムにおいて、本明細書で説明されている比較的大きな磁気ヨークは、磁極片と称される、より小さな磁気構造体で置き換えられる。超電導コイルは、本明細書で説明されている主コイルの反対側に電流を流し、磁気帰還をもたらし、それによって、漂遊磁場を低減する。

【0057】

図３及び図９に示されているように、シンクロサイクロトロンは、磁気構造体８２の幾何学的中心９２の近くに配置されているペニングイオンゲージ形態の粒子源９０を含む。粒子源は、以下に説明されている通りであるか、又は粒子源は、参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願第１１／９４８，６６２号で説明されている種類のものであってよい。

【0058】

粒子源９０は、水素の供給部９９からガス管路１０１及び気体水素を送達する管１９４を通して供給される。電気ケーブル９４は電流源９５から電流を運び、磁場２００の方向に揃えられた陰極１９２、１９０からの電子の放出を刺激する。

【0059】

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

【0060】

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

【0061】

この例では、放出される電子は、管１９４から小さな穴を通して出て来るガスを電離し、磁石構造体と１つのダミーディープレート１０２とによって囲まれた空間の半分にかかる１つの半円形（ディー形状）高周波プレート１００によって加速する陽イオン（陽子）の供給部を形成する。遮断された粒子源の場合（その一例は、米国特許出願第１１／９４８，６６２号で説明されている）、プラズマを収容する管の全部（又は実質的な部分）が加速領域で取り除かれ、これにより、比較的高い磁場内でイオンをより高速に加速することができる。

【0062】

図１０に示されているように、ディープレート１００は、磁石構造体によって囲まれた空間の周りの回転の半分において陽子が加速される空間１０７を囲む２つの半円形表面１０３、１０５を有する中空金属構造体である。空間１０７内に開いているダクト１０９は、ヨークを通り、真空ポンプ１１１が取り付けられ得る外部の場所に延在し、これにより、空間１０７及び、加速が行われる真空槽１１９内の空間の残り部分を真空にする。ダミーディー１０２は、ディープレートの露出されている縁の近くに間隔をあけて並ぶ矩形の金属リングを備える。ダミーディーは、真空槽及び磁気ヨークに接地される。ディープレート１００は、高周波伝送路の終端部に印加される高周波信号によって駆動され、電場を空間１０７内に発生させる。高周波電場は、加速された粒子ビームが幾何学的中心からの距離を増やすにつれ時間に関して変化させられる。高周波電場は、その内容が参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願第１１／９４８，３５９号、名称「Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ａ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆ Ａ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｃａｖｉｔｙ Ｔｏ Ａ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏｆ Ａｎ Ｉｎｐｕｔ Ｖｏｌｔａｇｅ」で説明されているように制御され得る。

【0063】

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

【0064】

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

【0065】

加速が行われる真空槽１１９は、中央が薄く、縁が厚い、一般的に円筒形の容器である。真空槽は、ＲＦプレート及び粒子源を封じ込め、真空ポンプ１１１によって真空にされる。高真空を維持することで、加速するイオンが気体分子との衝突で失われないことが保証され、アーク地絡を生じることなくＲＦ電圧をより高いレベルに保つことが可能になる。

【0066】

陽子は、粒子源から始まる一般的に螺旋状の軌道経路を横断する。螺旋経路のそれぞれのループの半分において、陽子は、空間１０７内のＲＦ電場を通過するときにエネルギーを獲得する。イオンがエネルギーを獲得すると、螺旋経路のそれぞれの連続するループの中心軌道の半径は、ループ半径が磁極面の最大半径に達するまで前のループより大きくなる。その位置で、磁場及び電場摂動はイオンを磁場が急速に減少する領域内に導き、イオンは高い磁場の領域から出て、本明細書では引き出しチャネルと称される真空管３８に通され、サイクロトロンのヨークから出る。磁場摂動を変えてイオンの向きを決めるために磁気再生器が使用され得る。サイクロトロンから出たイオンは、サイクロトロンの周りの部屋内に存在する著しく減少する磁場の領域に入ると分散する傾向を有する。引き出しチャネル３８内のビーム成形要素１０７、１０９は、イオンが空間的広がりを制限された真っ直ぐなビーム状態を保つようにイオンの向きを変える。

【0067】

磁極間隙内の磁場は、加速するときに真空槽内にビームを維持する幾つかの特性を有している必要がある。磁場指数ｎは、式
ｎ ＝ −（ｒ／Ｂ）ｄＢ／ｄｒ
で表され、この「弱い」集束を維持するように正に保たれなければならない。ここで、ｒはビームの半径であり、Ｂは磁場である。それに加えて、幾つかの実施例では、磁場指数は、０．２未満に維持される必要があるが、それは、この値では、ビームの径方向振動及び鉛直方向振動の周期がｖｒ＝２ｖ_ｚの共振で一致するからである。ベータトロン周波数は、ｖ_ｒ＝（１−ｎ）^１／２及びｖ_ｚ＝ｎ^１／２によって定義される。強磁性磁極面は、磁場指数ｎが所定の磁場内で２５０ＭｅＶのビームと一致する最小の直径において正に維持され、０．２未満となるようにコイルによって生成される磁場を成形するように設計される。

【0068】

ビームが引き出しチャネルから出るときに、ビームはビームに対する散乱角、及び飛程変調の所望の組み合わせを形成するようにプログラム可能に制御され得るビーム形成システム１２５（図５）に通される。ビーム形成システム１２５は、ビームを患者に導くために内側ガントリー６０１（図１４）と共に使用され得る。

【0069】

動作時に、プレートは、プレートの表面に沿った導通抵抗の結果として、印加される高周波場からエネルギーを吸収する。このエネルギーは、熱として現れ、熱交換器１１３（図３）内に熱を放出する水冷管路１０８を使用してプレートから取り出される。

【0070】

サイクロトロンから出る漂遊磁場は、ピルボックス磁気ヨーク（シールドとしても働く）と別の磁気シールド１１４の両方によって制限される。別の磁気シールドは、空間１１６によって隔てられる、ピルボックスヨークを囲む強磁性体（例えば、鋼又は鉄）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、より低い重量で所定の漏れ磁場に対する適切な遮蔽を形成する。

【0071】

上述のように、ガントリー５０４は、シンクロサイクロトロンを水平回転軸線５３２を中心として回転させる。トラス構造体５１６は、２つの略平行なスパン５８０、５８２を有する。シンクロサイクロトロンは、脚部５０８、５１０同士の間における略中央にかつスパン５８０、５８２同士の間に配設されている。ガントリーは、トラスの反対側に位置する脚部５０８、５１０の端部に取り付けられた釣合いおもり１２２、１２４を利用することによって軸受５１２、５１４を中心として回転するようにバランスされている。

【0072】

ガントリー５０４は電気モータによって回転駆動され、電気モータはガントリー５０４の少なくとも１つの脚部に取り付けられており、駆動歯車を介して軸受ハウジングに接続されている。ガントリー５０４の回転位置は、ガントリー５０４の駆動モータ及び駆動歯車に組み込まれた軸角エンコーダによって付与される信号から導き出される。

【0073】

イオンビームがサイクロトロンから出る位置において、ビーム形成システム１２５は、患者の治療に適した特性をイオンビームに付与するようにイオンビームに作用する。例えば、ビームを拡散させ、当該ビームの貫入深さを変化させることによって、所定の目標体積に対して均一に放射することができる。ビーム形成システムは、能動的走査要素に加えて、受動的散乱要素を備えている場合がある。

【0074】

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

【0075】

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

【0076】

図１、図１１、及び図１２に表すように、ガントリー５０４の軸受５１２、５１４は、サイクロトロンのボールト５２４の壁によって支持されている。ガントリー５０４は、患者の上方位置、側方位置、及び下方位置を含む１８０°（又は１８０°以上）の回転範囲５２０にわたって、サイクロトロンを旋回させることができる。ボールト５２４は、ガントリー５０４の運動の上端及び下端点においてガントリー５０４が通過可能とされるのに十分な高さを有している。壁１４８、１５０を側面とする迷路１４６は、療法士及び患者のための出入り口経路とされる。少なくとも１つの壁１５２は、サイクロトロンからの直接的な陽子ビームの照射範囲に存在しないので、当該壁は、比較的薄くすることができ、依然として遮蔽機能を発揮させることができる。治療室の他の３つの側壁１５４、１５６、１５０／１４８は、遮蔽を比較的厳重にする必要があり、盛り土（図示しない）に埋設されている。土自体が必要な遮蔽の一部分を果たすことができるので、側壁１５４、１５６、１５８の必要な厚さは低減される。

【0077】

図１２及び図１３に表すように、安全上及び美観上の理由から、治療室１６０は、ボールト５２４の内部に構成されている。治療室１６０は、旋回するガントリーが通過可能とされるように、かつ、治療室の床面積１６４の範囲を最大限に拡張するように、壁１５４、１５６、１５０及び収容室の基部１６２からガントリー５０４の脚部５０８、５１０同士の間に形成された空間の内部に向かって片持ち梁として形成されている。ビーム発生粒子加速器５０２の定期的整備は、高床の下方の空間内で実施可能とされる。ビーム発生粒子加速器５０２がガントリー５０４の下方位置に至るまで回転された場合、治療領域から離隔された空間内において、加速器全体に対してアクセス可能とされる。電源、冷却機器、真空ポンプ、及び他の支援機器は、当該離隔された空間内において高床の下方に配置されている。患者支持体１７０は、支持体を上下動させると共に患者を様々な位置及び向きに回転及び移動させることができる様々な態様で、治療室１６０の内部に取り付け可能とされる。

【0078】

図１４に表すシステム６０２では、本明細書で説明されているタイプのビーム発生粒子加速器が、当該実施例ではシンクロサイクロトロン６０４が回転式ガントリー６０５に取り付けられている。回転式ガントリー６０５は、本明細書で説明されているタイプのものであり、患者支持体６０６の周りで角度的に回転することができる。この特徴によって、シンクロサイクロトロン６０４は、様々な角度から粒子ビームを患者に直接照射することができる。例えば、図１４に表すように、シンクロサイクロトロン６０４が患者支持体６０６の上方に位置している場合には、粒子ビームは患者に向かって下方に方向づけられている。代替的には、シンクロサイクロトロン６０４が患者支持体６０６の下方に位置している場合には、粒子ビームは患者に向かって上方に方向づけられている。中間ビーム経路指定機構が必要ないという意味では、粒子ビームは患者に直接印加される。本発明では、成形又はサイズ決定機構がビームの経路変更をするのではなく、同一かつ一般的なビーム軌道を維持しつつビームのサイズ及び／又は形状を決定するという点において、中間ビーム経路指定機構は成形又はサイズ決定機構と相違する。

【0079】

上述のシステムの例示的な実施例に関するさらなる詳細は、米国特許第７，７２８，３１１号明細書及び米国特許出願第１２／２７５，１０３号に開示されている。これら特許文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれている。幾つかの実施例では、シンクロサイクロトロンは、米国特許出願第１３／９１６，４０１号明細書で説明されている可変エネルギーデバイスとされる場合がある。当該特許文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれている。

【0080】

例示的な実施例
上記で説明したように、超電導磁石の超電導コイルは、典型的にはそれらの超電導特性を実現するために低温に冷却される。幾つかの実施例においては、超電導コイルは、限定された支点の組を除いてはコイル構造体の周囲に自由空間を提供する真空排気される環状アルミニウム又はステンレス鋼クライオスタットチャンバの内部にコイルアセンブリ（超電導コイル及びコイルを保持する構造体）を密閉することによって、絶対零度（例えば約４°ケルビン（Ｋ））付近の温度に維持される。

【0081】

粒子加速器７００で使用され得る超電導磁石７００の一部の断面が、図１５に示される。同じ超電導磁石の斜視図が、図１６に示される。超電導磁石７００は、事前に巻き付けられた超電導コイルが配置されたコイルチャンバ７０４、７０５を含む構造半部７０１、７０２（「ボビン」と呼ぶ）を含む。

【0082】

アセンブリの少なくとも一部が、動作時に例えば超電導温度などの低温に維持されるため、ボビン及び超電導コイルを含むアセンブリは、「低温質量体」と呼ばれる構造体の一部となる。例示的な実施例においては、低温質量体は、構造的ステンレス鋼ボビン内で支持されるスプリット型超電導ソレノイドコイル対である。冷却ターレットが、超電導コイルを適温に維持するために使用される。幾つかの実施例においては、冷却ターレットは、クライオクーラ凝縮器アセンブリ（上述のような）、電流リード、及びダイオードパックアセンブリを含む。低温質量体は、ターレットが組み付けられることにより超電導磁石を形成するクライオスタットの一部である。低温質量体は、支持ストラップによりヨーク内部に吊られ得る。

【0083】

図１５及び図１６の例示的な実施例においては、冷却チャンバ７０７、７０８が、各対応するボビン７０１、７０２の外周部に沿って延在する。冷却チャンバ７０７、７０８は、対応するボビンの構造体中に機械加工され、ステンレス鋼プレート７１０、７１１（図１５ではボビン７０２のみに関して図示される）により密閉（例えば液密に構成）されてもよい。ステンレス鋼は、一般的には伝熱体として劣るが、幾分かの熱を伝導し得る。幾つかの実施例においては、液体ヘリウムが冷媒として使用され得る。そのため、各冷却チャンバは、液体ヘリウムで充填されてもよい。しかし、本明細書において説明される実施例は、液体ヘリウムを使用するが、他の液体冷媒及び／又は気体冷媒が使用されてもよい。

【0084】

各ボビンにおいて、コイルチャンバ７０４、７０５が、事前に巻き付けられた超電導コイルを保持する。幾つかの実施例においては、超電導コイルは、ボビンの周囲に巻き付けられず、代わりに対応するコイルチャンバ内に単に配置される。コイルは、支持構造体により定位置に保持されてもよい。液体ヘリウム及び各対応する超電導コイルは、異なるチャンバ内に別個に置かれる（例えば冷却チャンバ７０７、７０８及びコイルチャンバ７０４、７０５のそれぞれの中に）。その結果、超電導コイルと例えば液体ヘリウムなどの冷媒との間に、直接的な物理的接触はなくなる。さらに、ボビンの本体がステンレス鋼であることにより、各ボビンの本体（例えば７１４、７１５）を介した超電導コイルと冷媒との間の熱接触は、あるとしても殆どない。したがって、超電導コイル及び液体ヘリウムの両方に接触し、これら２つの間で熱を伝導することにより超電導コイルを冷却させるために使用される伝熱構造体が導入される。

【0085】

図示するように、各コイルチャンバ７０４、７０５の構造は、実質的に円形である。したがって、コイルチャンバ内に配置された場合には、超電導コイルは、この実質的に円形の構成をとる。超電導コイルが、この円形構成から逸脱する場合には、磁力が、粒子加速器の動作に影響を及ぼし得るか又はコイルに損傷を与え得る。例えば、超電導磁石の動作時に、フープ力が超電導コイルを外方へと拡張させることにより、超電導コイルがコイルチャンバの外方内壁部に当接される場合がある。超電導コイルが、円形構成から十分に逸脱する場合には、このフープ力によりコイルは断裂する恐れがある。

【0086】

各超電導コイルは、円形構造の外側領域よりも円形構成の内側領域においてより強力となる磁場を発生させる。例えば、超電導コイルに囲まれた領域７５０内の磁場は、超電導コイルに囲まれたエリアの外部である領域７５２内の磁場よりも強い。幾つかの実施例においては、この内側領域の磁場は、外側領域の磁場の１０倍の強さを有し得るが、これがすべての実施例に当てはまるわけではない。磁場は、超電導コイルの内側領域及び外側領域の両方から距離を置くにしたがって漸減する。

【0087】

図１７を参照すると、１つ又は複数の磁性シムが、磁場に、したがってヨークにより超電導コイルに印加される磁力に作用するように、ヨーク７５３、７５４のスロット７５５ａ、７５５ｂ、７５５ｃ、７５５ｄ内に導入され得る。幾つかの実施例においては、磁性シムは、超電導コイルの内側領域７５０のスロット内に導入されるが、これは要件ではない。磁力は、外側領域よりも内側領域でより大きいため、より小型の及び／又はより少数の磁性シムを内側領域において使用することにより、外側領域に配置されたより大型の及び／又はより多数の磁性シムによって生成されるものと同一の力を生成し得る。他の実施例においては、磁性シムの中の１つ又は複数が、内側領域に位置してもよく、及び／又は磁性シムの中の１つ又は複数が、外側領域に位置してもよい。幾つかの実施例においては、磁性シムは、単純に外側領域よりも内側領域に対してより近くてもよく、又はその逆であってもよい。

【0088】

この実施例においては、各ヨークは、対応する超電導コイルの近傍に１つ又は複数のスロットを備える。例えば、スロット７５５ａは、コイル７５６の付近に位置し、スロット７５５ｃは、コイル７５７の付近に位置する、等となる。スロット及び磁性シムの個数及びサイズは、超電導磁石により発生する磁場などの様々な要因によってシステム毎に異なる。

【0089】

図１８は、ヨーク７５３及び低温質量体７６０を備える超電導磁石の一部分の分解斜視図を示す。スロット７６１ａ、７６１ｂ、７６１ｃ、及び７６１ｄは、上述のタイプの４つの磁性シムが上部ヨーク７５３（この図面のヨーク）内に導入され得る位置を示す。対応する構成が、下部ヨーク（図示せず）についても存在し得る。

【0090】

幾つかの実施例においては、磁性シムは、図１９に示す磁性シム７６２などの鉄又は鋼の磁性シムを使用して実装される。磁性シム７６２は、ロッド（プランジャ）の形状であってもよく、又は他の適切な形状を有してもよい。磁性シムは、対応する超電導コイル付近のヨークのスロット内に配置され得る。さらにヨーク内部へと下方に磁性シムを移動させることにより、超電導コイル付近の強磁性体材料の量が増加し、それにより対応する超電導コイルに印加される磁力量が増加する。対照的に、上方へとヨークの外に磁性シムを移動させることにより、超電導コイル付近の強磁性体材料の量が減少し、それにより対応する超電導コイルに印加される磁力量が低下する。

【0091】

図１９の例では、磁性シム７６２は、エンクロージャ７６３の内部にロッド状部分を備える。その部分は、ねじ７６４を使用してヨークの内外へと移動され得る。キャップ７６５が、ヨークに磁性シム７６２を固定し得る。図２０は、スロット内に永久的に固定され、キャップ７７１により定位置に保持され得る磁性シム７７０を示す。例えば、磁性シム７７０は、特定のサイズに機械加工され、スロット内に導入され、さらなる調節の余地を伴わずに固定され得る。

【0092】

図２１は、ヨークのキャップ７７７に導入された磁性シムを示す。シム７７２は、図１９に示すタイプのものであり、シム７７４は、図２０に示すタイプのものである。シム７７３は、途中まで設置されているが、キャップをまだ備えず、またヨークにも固定されていない。スロット７７５は、シムをまだ備えていない。ヨークは、すべてが同一タイプの磁性シムを備えてもよく、又は種々のタイプが同一のヨークで使用されてもよい（図２１に図示）点を指摘しておく。また、すべてのスロットがシムを必要とするわけではない。

【0093】

磁性シムの移動は、粒子治療システムの一部である制御システムを介してコンピュータ制御され得る。例えば、磁性シム７７３の移動は、粒子加速器が取り付けられたガントリーの回転位置により測定されるような、粒子加速器の回転位置（及びしたがって加速器内部の電磁石の回転位置）に基づき制御され得る。加速器の回転位置に対して磁性シムの位置を設定するために使用される様々なパラメータは、実験的に測定され、制御システムコンピュータにプログラミングされ得る。１つ又は複数のコンピュータ制御アクチュエータが、磁性シムの実移動を実行するために使用されてもよい。

【0094】

幾つかの実施例においては、磁性シムの移動は、リアルタイム制御され得る。他の実施例においては、磁性シムの最適位置は、試験を介して判定されてもよく、磁性シムは、ヨークのスロットに適切な深さで永久的に挿入されてもよい。幾つかの実施例においては、８つのスロット／磁性シム（ヨーク半部毎に４つ）が存在し得る。他の実施例においては、異なる個数のスロット／磁性シムが使用されてもよい。図２１は、４つの磁性シムが対応するヨークに導入され得る一例を示す。この例では、同様の磁性シム構成が、他方のヨーク（図示せず）に対しても用意される。

【0095】

幾つかの実施例においては、磁性シム（例えば上述の磁性シム）が、代わりとして１つ又は複数の小型電磁石であってもよく、又はそれらを含んでもよい。この電磁石を流れる電流は、上述のように再生器により生成される磁場に作用するように制御される。１つ又は複数の電磁石を流れる電流は、粒子治療システムの一部である制御システムによりコンピュータ制御されてもよい。例えば、電流は、粒子加速器が取り付けられたガントリーの回転位置により測定されるような粒子加速器の回転位置に基づき制御されてもよい。加速器の回転位置に対して電流を設定するために使用される様々なパラメータは、実験的に測定され、制御システムコンピュータにプログラミングされ得る。

【0096】

図１７に戻ると、上記で説明したように、幾つかの実施例においては、磁気は、超電導コイルの位置を調節するために超電導コイルの内側領域７５０のスロットに導入され得る。幾つかの実施例においては、本明細書において説明されるタイプの磁性シムであるが、場合によってはより小サイズの磁性シムが、領域７５０の粒子軌道エネルギーに作用するために内側領域７５０に導入され得る。より具体的には、上記で説明したように、磁場再生器が、空洞内部の既存の磁場を調節することによりプラズマ柱から加速される粒子の連続軌道位置を変化させ、それによって最終的に粒子がヨーク内に含まれる引き出しチャネルに出力されるように、空洞（領域７５０）内で位置決めされ得る。再生器は、空洞のある領域で磁場を増大させることにより、その領域における粒子の各連続軌道が、引き出しチャネルの進入点に向かって外方へと歳差運動し、最終的に引き出しチャネルに到達し得る。引き出しチャネルは、プラズマ柱から加速された粒子を受け取り、空洞からこの受け取った粒子を出力する。

【0097】

幾つかの場合では、超電導コイルが回転時に移動することにより、再生器７０２による作用を受ける軌道が、コイルの引力移動により変化する。この移動は、１０分の数ミリメートルの小さなものとなり得る。しかし、結果として、引き出しチャネルに進入する粒子ビームのエネルギーは、チャネル全体を横断するのに必要とされるエネルギーとは異なり得る。幾つかの場合では、引き出しチャネルに進入する粒子エネルギーのこの変化に対する調節を行うために、ある構造体が、引き出しチャネルの内部に又は進入点に配置される。この構造体は、粒子ビームの過剰エネルギーを吸収するために使用され得る。しかし、この構造体は、結果的に得られるビームのスポットサイズを変化させ得る。照射標的中にわたり粒子ビームを走査するために走査を利用する粒子治療システムの実施例においては、粒子ビームスポットサイズの変化は、望ましくないものとなり得る。

【0098】

したがって、本明細書において例が説明される磁性シムは、粒子ビームの過剰エネルギーを吸収するための引き出しチャネルの内部又は進入点における構造体の使用を解消するために使用され得る。例えば、磁性シムは、領域７５０内部の磁場を変化させることにより領域７５０の粒子軌道を変化させ、それによって、引き出しチャネルの進入部（領域７５０に連接する）に達する粒子のエネルギーが引き出しチャネルを横断するために必要とされるエネルギーと厳密に整合するように、領域７５０に導入され得る。磁性シムを適切に位置決めする結果として、粒子ビームからエネルギーを吸収しそれにより粒子ビームスポットサイズに作用するために、エネルギー吸収器は引き出しチャネルには不要となる。

【0099】

さらに具体的には、磁性シム又は吸収構造体を使用しない場合には、引き出しチャネルに進入する幾つかの粒子が、引き出しチャネルを横断するために必要とされるエネルギーを超過するエネルギーを有し得る。結果として、かかる粒子は、横断時に引き出しチャネル又は他の構造体の壁部に衝突し、それによりそれらの出力が妨げられ得る。他の場合では、幾つかの粒子が、引き出しチャネルに達するのに十分なエネルギーを有さない場合があり、それによりそれらの出力が妨げられ得る。本明細書において説明される磁性シムは、ある特定のエネルギーレベルで粒子軌道を摂動させ、それによって引き出しチャネルに達するエネルギーレベルの粒子が引き出しチャネルに進入し出力のために引き出しチャネルを横断するのに十分なエネルギーを有するように、領域７５０内の１つ又は複数の位置の磁場を形状設定するために使用され得る。

【0100】

幾つかの実施例においては、磁性シムは、再生器の使用を伴わずに空洞内の磁場を形状設定するために使用され得る。例えば、上述の例は、１つ又は複数の磁性シムが、空洞内の磁場を形状設定するために再生器と同時に使用される。幾つかの実施例においては、再生器自体が、本明細書において説明されるタイプの１つ又は複数の磁性シムと置換され得る。したがって、空洞内の磁場全体が、磁性シムを使用して形状設定されることにより、システムをカスタマイズ可能なものにし得る。

【0101】

領域７５０の磁性シムは、コンピュータ制御され得る。１つ又は複数の磁性シム位置が、シンクロサイクロトロンの動作時に変化を伴わずに位置決めされるように、事前に設定されてもよい。代替的には、１つ又は複数の磁性シムは、リアルタイムで領域７５０内の磁場を形状設定するために、シンクロサイクロトロンの動作時に連係的に制御され得る。１つ又は複数の磁性シムは、領域７５０内で使用されてもよい。

【0102】

米国特許出願第１３／９０７，６０１号に記載されるものなどの能動的帰還システムを使用する実施例においては、様々な磁性シムのサイズ及び位置は、本明細書に示されるものとは異なる。磁性シムは、磁気ヨークに導入されるのと同様の態様で適切な磁極片の穴を通して導入され得る。必要な場合には、追加の強磁性構造体が、能動的帰還システムを使用する実施例においてコイル位置を制御するために使用され得る。

【0103】

電磁石における超電導コイルの位置決めを調節するために、前述の特徴の中の任意の２つ以上が適切な組み合わせで使用されてもよい。

【0104】

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

【0105】

本明細書で説明されている例示的な実施例は、粒子治療システムと共に使用すること、又は本明細書で説明されている例示的な粒子治療システムと共に使用することに限定されない。むしろ、例示的な実施例は、超電導コイルを含む任意の適切なシステム内で使用され得る。

【0106】

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

【0107】

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

【0108】

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

【0109】

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

【0110】

本特許出願が優先権を主張する仮出願及び上で参照により組み込まれている文献を除き、他のいかなる文献も参照により本特許出願に組み込まれない。

【0111】

本明細書で特に説明されていない他の実施例も、以下の請求項の範囲内に収まる。

【符号の説明】

【0112】

１０ シンクロサイクロトロン
１２ 磁石システム
３８ ビーム引き出しシステム、引き出しチャネル、真空管
４０ 環状超電導コイル
４２ 環状超電導コイル
４４ 磁極面
４６ 磁極面
４７ 共通軸
５３ ワイヤ
５５ ヒーターブランケット
５６ 環状ステンレスリバースボビン、矩形リバースボビン
６０ 復元力
７０ 低温保持槽
７１ 支持点
７２ ギフォードマクマホン冷凍機
７３ 支持点
７４ ギフォードマクマホン冷凍機
７６ 低温端部
７７ ギフォードマクマホン冷凍機
７９ ギフォードマクマホン冷凍機
７８ ヘッド
８１ 半分
８２ 磁気構造体、鉄ヨーク
８３ 半分
８４ 帰還磁束
８６ 容積部
９０ 粒子源
９１ 高周波駆動システム
９２ 幾何学的中心
９４ 電気ケーブル
９５ 電流源
９９ 水素の供給部
１００ ディープレート
１０１ ガス管路
１０２ ダミーディープレート
１０３ 半円形表面
１０５ 半円形表面
１０７ 空間
１０８ 水冷管路
１０９ ダクト
１１１ 真空ポンプ
１１３ 熱交換器
１１４ 磁気シールド
１１６ 空間
１１７ 強磁性体（例えば、鋼又は鉄）の層
１１９ 真空槽
１２２ 釣合いおもり
１２４ 釣合いおもり
１２５ ビーム形成システム
１４６ 迷路
１４８ 壁
１５０ 壁
１５２ 壁
１５４ 側壁
１５６ 側壁
１５８ 側壁
１６０ 治療室
１６２ 基部
１６４ 床面積
１７０ 患者支持体
１９０ 陰極
１９２ 陰極
１９４ 管
２００ 磁場
４０２ 高温−低温支持ストラップ
４０４ 高温−低温支持ストラップ
４０６ 高温−低温支持ストラップ
４０８ Ｓ２ガラス繊維リンク
５００ 荷電粒子線治療システム
５０２ ビーム発生粒子加速器
５０４ 回転式ガントリー
５０８ 脚部
５１０ 脚部
５１２ 軸受
５１４ 軸受
５１６ 鉄骨トラス、トラス構造体
５１８ 治療領域
５２０ 回転範囲
５２２ 床
５２４ ボールト
５３２ 水平回転軸線
５３４ 回転範囲
５４０ アイソセンター
５８０ スパン
５８２ スパン
６０１ 内側ガントリー
６０２ システム
６０４ シンクロサイクロトロン
６０５ 回転式ガントリー
６０６ 患者支持体
７００ 粒子加速器、超電導磁石
７０１ 構造半部、ボビン
７０２ 構造半部、ボビン、再生器
７０４ コイルチャンバ
７０５ コイルチャンバ
７０７ 冷却チャンバ
７０８ 冷却チャンバ
７１０ ステンレス鋼プレート
７１１ ステンレス鋼プレート
７１４ 本体
７１５ 本体
７５０ 領域
７５２ 領域
７５３ ヨーク、上部ヨーク
７５４ ヨーク
７５５ａ スロット
７５５ｂ スロット
７５５ｃ スロット
７５５ｄ スロット
７５６ コイル
７５７ コイル
７６０ 低温質量体
７６１ａ スロット
７６１ｂ スロット
７６１ｃ スロット
７６１ｄ スロット
７６２ 磁性シム
７６３ エンクロージャ
７６４ ねじ
７６５ キャップ
７７０ 磁性シム
７７１ キャップ
７７２ シム
７７３ シム
７７４ シム
７７５ スロット
７７７ キャップ

【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】