(57)【要約】  例示的な方法は、処置計画プロセスから、照射ターゲットに関する線量分布に基づく情報を受け取る段階と、以下の動作、粒子ビームのスポットが、事前トリムされたスポットについての特性が受け取った情報に基づいて得られる、事前トリムされたスポットを近似するように、粒子ビームのスポットをトリムするために構造を動かす段階、受け取った情報内に含まれる照射ターゲットの層についてのトリミング曲線の仕様に基づいて、照射ターゲットの層についてのトリミング曲線を生成するように構造を動かす段階、受け取った情報に含まれる単一のトリミング曲線の仕様に基づいて、照射ターゲットの全ての放射線フィールドについて単一のトリミング曲線を生成するように構造を動かす段階、または受け取った情報内の構造についての構成情報に基づいて構造を動かす段階、のうち少なくとも１つを実行する段階と、を含む。
2019520172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処置計画プロセスから、照射ターゲットに関する線量分布に基づく情報を受け取る段階と、
前記情報に基づいて適応アパーチャを構成する段階と、を含む、方法。
【請求項２】
前記情報が前記適応アパーチャの構造を特定し、
前記適応アパーチャを構成する段階が、トリミング曲線を生成するために前記適応アパーチャの構造を動かす段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記情報がトリミング曲線の特性を特定し、
前記適応アパーチャを構成する段階が、前記トリミング曲線を生成するために前記適応アパーチャの構造を動かす段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記情報が、事前トリムされたスポットの特性を特定し、前記特性がコンピュータメモリ内のライブラリに保存され、
前記適応アパーチャを構成する段階が、粒子ビームのスポットが前記事前トリムされたスポットを近似するように、前記粒子ビームのスポットをトリムするために前記適応アパーチャの構造を動かす段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記情報が、スポットが前記照射ターゲットに形成される場所を示し、
前記適応アパーチャを構成する段階が、前記スポットが前記照射ターゲットに形成される場所に基づいて、前記適応アパーチャの構造を動かす段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記情報がスポットの特性を特定し、
前記適応アパーチャを構成する段階が、スポットごとに、前記適応アパーチャの構造を動かす段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記適応アパーチャを構成する段階が、少なくとも２つの連続するスポットが異なる大きさまたは異なる形状の少なくとも１つを有するように、前記適応アパーチャの構造を動かす段階を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記情報が、前記照射ターゲットに関連付けられた放射線フィールドに関するトリミング曲線の仕様を含み、
前記適応アパーチャを構成する段階が、前記トリミング曲線を生成するように前記適応アパーチャの構造を動かす段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記仕様が、既知の点に対する前記トリミング曲線の形状または前記トリミング曲線の位置の少なくとも１つを特定する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記情報が、前記照射ターゲットの異なる層について区別されるトリミング曲線の仕様を含み、
前記適応アパーチャを構成する段階が、前記層のそれぞれについての仕様に基づいて、前記照射ターゲットの層のそれぞれについてトリミング曲線を生成するために、前記適応アパーチャの構造を動かす段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記情報が、前記照射ターゲットと関連付けられた放射線フィールドに関する単一のトリミング曲線の仕様を含み、
前記適応アパーチャを構成する段階が、前記単一のトリミング曲線を生成するために、前記適応アパーチャの構造を動かす段階を含み、前記単一のトリミング曲線が、前記照射ターゲットの複数の層について放射線フィールドをトリムするために使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記情報が、前記照射ターゲットの放射線フィールドに関する前記適応アパーチャの構成についての仕様を含み、
前記適応アパーチャを構成する段階が、前記適応アパーチャの構成についての仕様に基づいて、前記適応アパーチャの構造を動かす段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記情報が、前記照射ターゲットの異なる層についての前記適応アパーチャの構成の仕様を含み、
前記適応アパーチャを構成する段階が、前記情報に基づいて前記照射ターゲットの前記異なる層について前記適応アパーチャの構造を動かす段階を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記適応アパーチャが、
処置領域の部分をトリムするための形状を生成するために、前記照射ターゲットに対して移動可能である構造と、
前記照射ターゲットに対して第１の次元で前記照射ターゲットに対して前記構造を動かすための、前記構造に結合された一次キャリッジと、を含み、
前記適応アパーチャを構成する段階が、前記構造内の構造または前記一次キャリッジの少なくとも１つを動かす段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記適応アパーチャが、前記照射ターゲットに対して第２の次元で前記構造を動かすための、前記一次キャリッジ及び前記構造に結合された二次キャリッジを含み、
前記適応アパーチャを構成する段階が、前記二次キャリッジの少なくとも１つを動かす段階を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の次元が、前記処置領域内への、または前記処置領域外への移動を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記二次キャリッジの少なくとも１つを動かす段階が、前記二次キャリッジの少なくとも１つを回転させる段階を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記構造が、粒子ビームに対して伸長可能かつ引き込み可能である葉状構造を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記適応アパーチャを構成する段階が、前記適応アパーチャの全てまたは一部を回転させる段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
処置計画プロセスから、照射ターゲットに関する線量分布に基づく情報を受け取る段階と、
以下の動作、
粒子ビームのスポットが、事前トリムされたスポットについての特性が受け取った前記情報に基づいて得られる、事前トリムされたスポットを近似するように、前記粒子ビームのスポットをトリムするために構造を動かす段階、
受け取った前記情報内に含まれる照射ターゲットの層についてのトリミング曲線の仕様に基づいて、前記照射ターゲットの層についてのトリミング曲線を生成するように構造を動かす段階、
受け取った前記情報に含まれる単一のトリミング曲線の仕様に基づいて、照射ターゲットの全ての放射線フィールドについて単一のトリミング曲線を生成するように構造を動かす段階、または
受け取った前記情報内の構造についての構成情報に基づいて構造を動かす段階、
のうち少なくとも１つを実行する段階と、を含む、方法。
【請求項２１】
前記構造が適応アパーチャの一部であり、前記粒子ビームによって処置される領域内に、または領域の外に移動可能である葉状構造を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
照射ターゲットに印加するための粒子ビームを出力するための粒子加速器と、
前記粒子加速器と前記照射ターゲットとの間の適応アパーチャであって、前記粒子ビームの経路内に、及び経路外に移動可能である構造を含む適応アパーチャと、
処置計画プロセスから、前記照射ターゲットに関する線量分布に基づく情報を受け取る動作、及び
前記情報に基づいて前記適応アパーチャを構成する動作
を含む動作を実行するように構成された１つまたは複数の処理デバイスを含む制御システムと、
を含む、粒子治療システム。
【請求項２３】
前記情報が、事前トリムされたスポットの特性を特定し、前記特性が、コンピュータメモリ内のライブラリに保存され、
前記適応アパーチャを構成する動作が、前記粒子ビームのスポットが前記事前トリムされたスポットを近似するように、粒子ビームのスポットをトリムするために前記適応アパーチャの構造を動かす動作を含む、請求項２２に記載の粒子治療システム。
【請求項２４】
前記情報が、前記事前トリムされたスポットが前記照射ターゲット上で形成される場所を示し、
前記適応アパーチャを構成する動作が、前記事前トリムされたスポットが前記照射ターゲット上で形成される場所に基づいて、前記適応アパーチャの構造を動かす動作を含む、請求項２３に記載の粒子治療システム。
【請求項２５】
特性が１つまたは複数のパラメータを含み、前記１つまたは複数のパラメータが、スポットに関連付けられた半径またはスポットの回転角度の少なくとも１つを含む、請求項２２に記載の粒子治療システム。
【請求項２６】
前記情報がスポットの特性を特定し、
前記適応アパーチャを構成する動作が、スポットごとに前記適応アパーチャの構造を動かす動作を含む、請求項２２に記載の粒子治療システム。
【請求項２７】
前記適応アパーチャを構成する動作が、少なくとも２つの連続するスポットが異なる大きさまたは異なる形状の少なくとも１つを有するように、前記適応アパーチャの構造を動かす動作を含む、請求項２６に記載の粒子治療システム。
【請求項２８】
前記適応アパーチャを構成する動作が、少なくとも２つの連続するスポットが、同じ大きさまたは同じ形状の少なくとも１つを有するように、前記適応アパーチャの構造を維持する動作を含む、請求項２６に記載の粒子治療システム。
【請求項２９】
前記情報が、前記照射ターゲットに関連付けられた放射線フィールドについてのトリミング曲線の仕様を含み、
前記適応アパーチャを構成する動作が、前記トリミング曲線を生成するために前記適応アパーチャの構造を動かす動作を含む、請求項２２に記載の粒子治療システム。
【請求項３０】
前記仕様が、既知の点に対する前記トリミング曲線の形状または前記トリミング曲線の位置の少なくとも１つを特定する、請求項２９に記載の粒子治療システム。
【請求項３１】
前記情報が、前記照射ターゲットの異なる層についてのトリミング曲線の仕様を含み、
前記適応アパーチャを構成する動作が、前記照射ターゲットの各層についての仕様に基づいて、前記照射ターゲットの各層についてのトリミング曲線を生成するために、前記適応アパーチャの構造を動かす動作を含む、請求項２２に記載の粒子治療システム。
【請求項３２】
前記情報が、前記照射ターゲットに関連付けられた放射線フィールドについての単一のトリミング曲線の仕様を含み、
前記適応アパーチャを構成する動作が、前記単一のトリミング曲線を生成するために前記適応アパーチャの構造を動かす動作を含み、前記単一のトリミング曲線が、前記照射ターゲットの複数の層についての放射線フィールドをトリムするために使用される、請求項２２に記載の粒子治療システム。
【請求項３３】
前記情報が、前記照射ターゲットの放射線フィールドに関する前記適応アパーチャの構成についての仕様を含み、
前記適応アパーチャを構成する動作が、前記適応アパーチャの構成に関する仕様に基づいて、前記適応アパーチャの構造を動かす動作を含む、請求項２２に記載の粒子治療システム。
【請求項３４】
前記情報が前記照射ターゲットの異なる層についての前記適応アパーチャの構成の仕様を含み、
前記適応アパーチャを構成する動作が、前記情報に基づいて前記照射ターゲットの異なる層について前記適応アパーチャの構造を動かす動作を含む、請求項３３に記載の粒子治療システム。
【請求項３５】
前記適応アパーチャが、前記照射ターゲットに対して第１の次元で前記照射ターゲットに対して前記構造を動かすために、前記構造に結合された一次キャリッジを含み、
前記適応アパーチャを構成する動作が、前記構造の構造のうちの構造または前記一次キャリッジの少なくとも１つを動かす動作を含む、請求項２２に記載の粒子治療システム。
【請求項３６】
前記適応アパーチャが、前記照射ターゲットに対して第２の次元で前記構造を動かすように、前記一次キャリッジ及び前記構造に結合された二次キャリッジを含み、
前記適応アパーチャを構成する動作が、前記二次キャリッジの少なくとも１つを動かす動作を含む、請求項３５に記載の粒子治療システム。
【請求項３７】
前記第２の次元が、処置領域内への、及び処置領域外への動きを含む、請求項３６に記載の粒子治療システム。
【請求項３８】
前記二次キャリッジの少なくとも１つを動かす動作が、前記二次キャリッジの少なくとも１つを回転させる動作を含む、請求項３６に記載の粒子治療システム。
【請求項３９】
前記構造が、前記粒子ビームに対して伸長可能であり、かつ引き込み可能である葉状構造を含む、請求項３５に記載の粒子治療システム。
【請求項４０】
前記適応アパーチャを構成する動作が、前記適応アパーチャの全てまたは一部を回転させる動作を含む、請求項２２に記載の粒子治療システム。
【請求項４１】
照射ターゲットに印加するための粒子ビームを出力するための粒子加速器と、
処置計画プロセスから、前記照射ターゲットに関する線量分布に基づいた情報を受け取る動作、及び、
以下の、
前記粒子ビームのスポットが、事前トリムされたスポットについての特性が受け取った前記情報に基づいて得られる、事前トリムされたスポットを近似するように、前記粒子ビームのスポットをトリムするために構造を動かす動作、
受け取った前記情報に含まれる照射ターゲットの層についてのトリミング曲線の仕様に基づいて、前記照射ターゲットの層についてのトリミング曲線を生成するために、構造を動かす動作、
受け取った前記情報に含まれる単一のトリミング曲線の仕様に基づいて、照射ターゲットの全ての放射線フィールドについての単一のトリミング曲線を生成するために、構造を動かす動作、または
受け取った前記情報内の前記構造についての構成情報に基づいて、構造を動かす動作、
のうちの少なくとも１つを実行する動作、
を実行するように構成された１つまたは複数の処理デバイスを含む制御システムと、
を含む、粒子治療システム。
【請求項４２】
前記構造が適応アパーチャの一部であり、前記粒子ビームによって処置される領域内へ、または領域外へ移動可能である葉状構造を含む、請求項４１に記載の粒子治療システム。
【請求項４３】
処置領域についてのターゲット線量分布を得る段階と、
前記ターゲット線量分布の１つまたは複数の点を最もよく近似する、事前トリムされたスポットのライブラリの中から１つまたは複数の事前トリムされたスポットを特定する段階と、
前記１つまたは複数の事前トリムされたスポットを特定する情報を出力する段階と、を含む、方法。
【請求項４４】
前記ターゲット線量分布を近似する粗いスポットのセットを得る段階と、
処置領域の一部についての最大許容可能線量に基づいて、前記粗いセットのうち１つまたは複数のスポットの強度を変更する段階と、
前記処置領域の遷移領域内にある前記粗いスポットのうちの１つのスポットを特定する段階と、をさらに含み、
前記特定する段階が、前記１つまたは複数の事前トリムされたスポットを特定された前記スポットの代わりにする段階を含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記処置領域の一部について最小許容可能線量を得る段階をさらに含み、
前記粗いスポットのセットが、前記最小許容可能線量に基づいて選択される、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記情報が、前記ターゲット線量分布を近似する処置の間の線量分布を達成するように適応アパーチャを構成するために使用可能である、請求項４３に記載の方法。
【請求項４７】
処置領域に関するターゲット線量分布を得る動作と、
前記ターゲット線量分布の１つまたは複数の点を最もよく近似する事前トリムされたスポットのライブラリの中から１つまたは複数の事前トリムされたスポットを特定する動作と、
前記１つまたは複数の事前トリムされたスポットを特定する情報を出力する動作と、
を含む動作を実施するために実行可能な命令を保存する、１つまたは複数の非一時機械可読保存媒体。
【請求項４８】
前記動作が、
前記ターゲット線量分布を近似する粗いスポットのセットを得る動作と、
処置領域の一部についての最大許容可能線量に基づいて、前記粗いセットのうち１つまたは複数のスポットの強度を変更する動作と、
処置領域の遷移領域内である前記粗いスポットから１つのスポットを特定する動作と、
前記１つまたは複数の事前トリムされたスポットを、前記遷移領域内のスポットの代わりにする動作と、を含む、請求項４７に記載の１つまたは複数の非一時機械可読保存媒体。
【請求項４９】
前記動作が、前記処置領域の一部について最小許容可能線量を得る動作を含み、
前記粗いスポットのセットが、前記最小許容可能線量に基づいて選択される、請求項４８に記載の１つまたは複数の非一時機械可読保存媒体。
【請求項５０】
前記情報が、前記ターゲット線量分布を近似する処置の間の線量分布を達成するように、適応アパーチャを構成するのに使用可能である、請求項４７に記載の１つまたは複数の非一時機械可読保存媒体。
【請求項５１】
処置計画情報を得る段階と、
前記処置計画情報に基づいて、放射線の前回の印加から照射ターゲットが動いたことを判断する段階と、
更新された処置計画情報を生成するために、前記照射ターゲットの動きに基づいて、前記処置計画情報を修正する段階と、
前記更新された処置計画情報に基づいて、前記照射ターゲットに放射線を印加する段階と、を含む、方法。
【請求項５２】
前記処置計画情報を修正する段階が、粒子治療システムの計算システムによって実行される、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記照射ターゲットが動いたことを判断する段階が、時間的に２点の間で取得された前記照射ターゲットの画像の比較に基づく、請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
前記処置計画情報が、動きに続く前記照射ターゲットの位置に基づいて、放射線のスポットが前記照射ターゲットに印加される位置を変更することによって修正される、請求項５１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年７月８日に出願された「治療計画の決定」と題する米国仮出願第６２／３６０２２７号の優先権の利益を主張する。米国仮出願第６２／３６０２２７号は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
技術分野
本開示は、一般に、粒子治療システムにおける治療計画の決定に関する。
【背景技術】
【０００３】
粒子治療システムは、腫瘍などの苦痛を治療するために粒子ビームを発生させる加速器を使用する。動作時には、粒子は磁場の存在するキャビティ内の軌道で加速され、引き出しチャネルを通ってキャビティから取り出される。磁場再生器は、いくつかの軌道のピッチ及び角度をひずませるためにキャビティの外側近傍に磁場バンプを発生させ、これらは、引き出しチャネルの方へ、そして同時に引き出しチャネル内に歳差運動する。粒子からなるビームは、引き出しチャネルを出る。
【０００４】
粒子ビームは、照射ターゲットに隣接する健康な組織に損傷を与えうる。健康な組織の粒子ビームへの露出を制限するための構造が使用されうる。例えば、構造またはその一部は、粒子ビームと健康な組織との間に配置され、それによって健康な組織の粒子ビームへの露出を防ぎうる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
例示的な方法は、処置計画プロセスから、照射ターゲットに関する線量分布に基づく情報を受け取る段階と、情報に基づいて適応アパーチャを構成する段階と、を含む。例示的な方法は、以下の特徴の１つまたは複数を、単独で、または組み合わせて含みうる。
【０００６】
処置計画プロセスから受け取った情報が適応アパーチャの構造を特定し、適応アパーチャを構成する段階が、トリミング曲線を生成するために適応アパーチャの構造を動かす段階を含みうる。情報がトリミング曲線の特性を特定し、適応アパーチャを構成する段階が、トリミング曲線を生成するために適応アパーチャの構造を動かす段階を含みうる。情報が、事前トリムされたスポットの特性を特定し、特性がコンピュータメモリ内のライブラリに保存され、適応アパーチャを構成する段階が、粒子ビームのスポットが事前トリムされたスポットを近似するように、粒子ビームのスポットをトリムするために適応アパーチャの構造を動かす段階を含みうる。情報が、スポットが照射ターゲットに形成される場所を示し、適応アパーチャを構成する段階が、スポットが照射ターゲットに形成される場所に基づいて、適応アパーチャの構造を動かす段階を含みうる。情報がスポットの特性を特定し、適応アパーチャを構成する段階が、スポットごとに、適応アパーチャの構造を動かす段階を含みうる。
【０００７】
適応アパーチャを構成する段階が、少なくとも２つの連続するスポットが異なる大きさまたは異なる形状の少なくとも１つを有するように、適応アパーチャの構造を動かす段階を含みうる。情報が、照射ターゲットに関連付けられた放射線フィールドに関するトリミング曲線の仕様を含み、適応アパーチャを構成する段階が、トリミング曲線を生成するように適応アパーチャの構造を動かす段階を含みうる。仕様が、既知の点に対するトリミング曲線の形状またはトリミング曲線の位置の少なくとも１つを特定しうる。情報が、照射ターゲットの異なる層について区別されるトリミング曲線の仕様を含み、適応アパーチャを構成する段階が、層のそれぞれについての仕様に基づいて、照射ターゲットの層のそれぞれについてトリミング曲線を生成するために、適応アパーチャの構造を動かす段階を含みうる。
【０００８】
処置計画プロセスから受け取った情報が、照射ターゲットと関連付けられた放射線フィールドに関する単一のトリミング曲線の仕様を含み、適応アパーチャを構成する段階が、単一のトリミング曲線を生成するために、適応アパーチャの構造を動かす段階を含みうる。単一のトリミング曲線が、照射ターゲットの複数の層について放射線フィールドをトリムするために使用されうる。情報が、照射ターゲットの放射線フィールドに関する適応アパーチャの構成についての仕様を含み、適応アパーチャを構成する段階が、適応アパーチャの構成についての仕様に基づいて、適応アパーチャの構造を動かす段階を含みうる。情報が、照射ターゲットの異なる層についての適応アパーチャの構成の仕様を含み、適応アパーチャを構成する段階が、情報に基づいて照射ターゲットの異なる層について適応アパーチャの構造を動かす段階を含みうる。
【０００９】
適応アパーチャが、処置領域の部分をトリムするための形状を生成するために、照射ターゲットに対して移動可能である構造と、照射ターゲットに対して第１の次元で照射ターゲットに対して構造を動かすための、構造に結合された一次キャリッジと、を含みうる。適応アパーチャを構成する段階が、構造内の構造または一次キャリッジの少なくとも１つを動かす段階を含みうる。適応アパーチャが、照射ターゲットに対して第２の次元で構造を動かすための、一次キャリッジ及び構造に結合された二次キャリッジを含みうる。適応アパーチャを構成する段階が、二次キャリッジの少なくとも１つを動かす段階を含みうる。第２の次元が、処置領域内への、または処置領域外への移動を含みうる。二次キャリッジの少なくとも１つを動かす段階が、二次キャリッジの少なくとも１つを回転させる段階を含みうる。構造が、粒子ビームに対して伸長可能かつ引き込み可能である葉状構造を含みうる。適応アパーチャを構成する段階が、適応アパーチャの全てまたは一部を回転させる段階を含みうる。
【００１０】
例示的な方法は、処置計画プロセスから、照射ターゲットに関する線量分布に基づく情報を受け取る段階と、以下の動作、粒子ビームのスポットが、特性が受け取った情報に基づいて得られる事前トリムされたスポットを近似するように、粒子ビームのスポットをトリムするために構造を動かす段階、受け取った情報内に含まれる照射ターゲットの層についてのトリミング曲線の仕様に基づいて、照射ターゲットの層についてのトリミング曲線を生成するように構造を動かす段階、受け取った情報に含まれる単一のトリミング曲線の仕様に基づいて、照射ターゲットの全ての放射線フィールドについて単一のトリミング曲線を生成するように構造を動かす段階、または受け取った情報内の構造についての構成情報に基づいて構造を動かす段階、のうち少なくとも１つを実行する段階と、を含む。構造が適応アパーチャの一部であり、粒子ビームによって処置される領域内に、または領域の外に移動可能である葉状構造を含みうる。情報は、葉状構造及び／または葉状構造を保持するキャリッジの構成を特定しうる。
【００１１】
例示的な粒子治療システムは、照射ターゲットに印加するための粒子ビームを出力するための粒子加速器と、粒子加速器と照射のターゲットの間の適応アパーチャであって、粒子ビームの経路内に、及び経路外に移動可能である構造を含む適応アパーチャと、様々な動作を実行するように構成された１つまたは複数の処理デバイスを含む制御システムと、を含む。様々な動作は、処置計画プロセスから、照射ターゲットに関する線量分布に基づく情報を受け取る動作、及び情報に基づいて適応アパーチャを構成する動作を含みうる。例示的な粒子治療システムは、以下の特徴の１つまたは複数を、単独で、または組み合わせて含みうる。
【００１２】
線量分布に基づく情報が、事前トリムされたスポットの特性を特定し、特性が、コンピュータメモリ内のライブラリに保存され、適応アパーチャを構成する動作が、粒子ビームのスポットが事前トリムされたスポットを近似するように、粒子ビームのスポットをトリムするために適応アパーチャの構造を動かす動作を含みうる。情報が、事前トリムされたスポットが照射ターゲット上で形成される場所を示し、適応アパーチャを構成する動作が、事前トリムされたスポットが照射ターゲット上で形成される場所に基づいて、適応アパーチャの構造を動かす動作を含みうる。特性が１つまたは複数のパラメータを含み、１つまたは複数のパラメータが、スポットに関連付けられた半径またはスポットの回転角度の少なくとも１つを含みうる。情報がスポットの特性を特定し、適応アパーチャを構成する動作が、スポットごとに適応アパーチャの構造を動かす動作を含みうる。
【００１３】
適応アパーチャを構成する動作が、少なくとも２つの連続するスポットが異なる大きさまたは異なる形状の少なくとも１つを有するように、適応アパーチャの構造を動かす動作を含みうる。適応アパーチャを構成する動作が、少なくとも２つの連続するスポットが、同じ大きさまたは同じ形状の少なくとも１つを有するように、適応アパーチャの構造を維持する動作を含みうる。情報が、照射ターゲットに関連付けられた放射線フィールドについてのトリミング曲線の仕様を含み、適応アパーチャを構成する動作が、トリミング曲線を生成するために適応アパーチャの構造を動かす動作を含みうる。仕様が、既知の点に対するトリミング曲線の形状またはトリミング曲線の位置の少なくとも１つを特定しうる。
【００１４】
線量分布に基づく情報が、照射ターゲットの異なる層についてのトリミング曲線の仕様を含み、適応アパーチャを構成する動作が、照射ターゲットの各層についての仕様に基づいて、照射ターゲットの各層についてのトリミング曲線を生成するために、適応アパーチャの構造を動かす動作を含みうる。情報が、照射ターゲットに関連付けられた放射線フィールドについての単一のトリミング曲線の仕様を含み、適応アパーチャを構成する動作が、単一のトリミング曲線を生成するために適応アパーチャの構造を動かす動作を含み、単一のトリミング曲線が、照射ターゲットの複数の層についての放射線フィールドをトリムするために使用されうる。
【００１５】
情報が、照射ターゲットの放射線フィールドに関する適応アパーチャの構成についての仕様を含み、適応アパーチャを構成する動作が、適応アパーチャの構成に関する仕様に基づいて、適応アパーチャの構造を動かす動作を含みうる。情報が照射ターゲットの異なる層についての適応アパーチャの構成の仕様を含み、適応アパーチャを構成する動作が、情報に基づいて照射ターゲットの異なる層について適応アパーチャの構造を動かす動作を含みうる。適応アパーチャが、照射ターゲットに対して第１の次元で照射ターゲットに対して構造を動かすために、構造に結合された一次キャリッジを含み、適応アパーチャを構成する動作が、構造の構造のうち少なくとも１つ、または一次キャリッジを動かす動作を含みうる。適応アパーチャが、照射ターゲットに対して第２の次元で構造を動かすように、一次キャリッジ及び構造に結合された二次キャリッジを含み、適応アパーチャを構成する動作が、二次キャリッジの少なくとも１つを動かす動作を含みうる。
【００１６】
第２の次元が、処置領域内への、及び処置領域外への動きを含みうる。二次キャリッジの少なくとも１つを動かす動作が、二次キャリッジの少なくとも１つを回転させる動作を含みうる。構造が、粒子ビームに対して伸長可能であり、引き込み可能である葉状構造を含みうる。適応アパーチャを構成する動作が、適応アパーチャの全てまたは一部を回転させる動作を含みうる。
【００１７】
例示的な粒子治療システムは、照射ターゲットに印加するための粒子ビームを出力するための粒子加速器と、様々な動作を実行するように構成された１つまたは複数の処理デバイスを含む制御システムと、を含む。動作は、処置計画プロセスから、照射ターゲットに関する線量分布に基づいた情報を受け取る動作、及び、以下の、粒子ビームのスポットが、特性が受け取った情報に基づいて得られる事前トリムされたスポットを近似するように、粒子ビームのスポットをトリムするために構造を動かす動作、受け取った情報に含まれる照射ターゲットの層についてのトリミング曲線の仕様に基づいて、照射ターゲットの層についてのトリミング曲線を生成するために、構造を動かす動作、受け取った情報に含まれる単一のトリミング曲線の仕様に基づいて、照射ターゲットの全ての放射線フィールドについての単一のトリミング曲線を生成するために、構造を動かす動作、または受け取った情報内の構造についての構成情報に基づいて、構造を動かす動作、のうちの少なくとも１つを実行する動作を含む。構造が適応アパーチャの一部であり、粒子ビームによって処置される領域内へ、または領域外へ移動可能である葉状構造を含みうる。
【００１８】
粒子治療システムによって実行されうる例示的な方法は、処置領域についてのターゲット線量分布を得る段階と、ターゲット線量分布の１つまたは複数の点を最もよく近似する、事前トリムされたスポットのライブラリの中から１つまたは複数の事前トリムされたスポットを特定する段階と、１つまたは複数の事前トリムされたスポットを特定する情報を出力する段階と、を含む。例示的な方法は、以下の特徴の１つまたは複数を、単独で、または組み合わせて含みうる。
【００１９】
例示的な方法は、ターゲット線量分布を近似する粗いスポットのセットを得る段階と、処置領域の一部についての最大許容可能線量に基づいて、粗いセットのうち１つまたは複数のスポットの強度を変更する動作と、処置領域の遷移領域内である粗いスポットから１つのスポットを特定する動作と、１つまたは複数の事前トリムされたスポットを、遷移領域内のスポットの代わりにする動作と、を含みうる。例示的な方法は、処置領域の一部について最小許容可能線量を得る動作を含んでもよく、粗いスポットのセットが、最小許容可能線量に基づいて選択される。情報が、ターゲット線量分布を近似する処置の間の線量分布を達成するように、適応アパーチャを構成するのに使用可能でありうる。
【００２０】
粒子治療システムによって実行されうる例示的な方法は、処置計画情報を得る段階と、処置計画情報に基づいて、放射線の前回の印加から照射ターゲットが動いたことを判断する段階と、更新された処置計画情報を生成するために、照射ターゲットの動きに基づいて、処置計画情報を修正する段階と、更新された処置計画情報に基づいて、照射ターゲットに放射線を印加する段階と、を含む。例示的な方法は、以下の特徴の１つまたは複数を、単独で、または組み合わせて含みうる。
【００２１】
処置計画情報を修正する段階が、粒子治療システムの計算システムによって実行されうる。照射ターゲットが動いたことを判断する段階が、時間的に２点の間で取得された照射ターゲットの画像の比較に基づきうる。処置計画情報が、動きの後の照射ターゲットの位置に基づいて、放射線のスポットが照射ターゲットに印加される位置を変更することによって修正されうる。
【００２２】
この概要において説明されたものを含む、本開示において説明された特徴の２つまたはそれ以上は、本明細書で具体的に説明されていない実装例を形成するために組み合わされうる。
【００２３】
本明細書で説明された様々なシステム、またはその一部の制御は、１つまたは複数の非一時機械可読保存媒体に保存され、１つまたは複数の処理デバイス（例えばマイクロプロセッサ、特定用途集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイのようなプログラムされた論理回路など）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うる。本明細書で説明されたシステムまたはその一部は、１つまたは複数の処理デバイス及び、記述された機能の制御を実装するために実行可能な命令を保存するためのコンピュータ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うる。
【００２４】
１つまたは複数の実装例の詳細は、添付された図面及び以下の説明に記載される。その他の特徴、対象及び利点は、明細書及び図面から、並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】
【００２５】
【図１】本明細書に記載された例示的な適応アパーチャで使用可能な例示的な適応アパーチャ葉状構造の斜視図である。
【図２】照射ターゲットの治療領域に対して位置された例示的な適応アパーチャ葉状構造の上面図である。
【図３】例示的な適応アパーチャの斜視図である。
【図４】内部を示す、透視図で描かれた構成要素を有する例示的な適応アパーチャの前面図である。
【図５】内部を示す、透視図で描かれた構成要素を有する例示的な適応アパーチャの斜視図である。
【図６】照射ターゲットの治療領域内へ、及び治療領域外へ葉状構造を移動させるのに使用される例示的な制御構造の上面図である。
【図７】曲線的な葉状構造を有する例示的な適応アパーチャの斜視図である。
【図８】粒子治療システムで使用するための例示的なシンクロサイクロトロンの断面図である。
【図９】粒子治療システムで使用するための例示的なシンクロサイクロトロンの断面図である。
【図１０】例示的な走査システムの側面図である。
【図１１】例示的な走査システムの構成要素の斜視図である。
【図１２】図１０及び１１に示された種類の走査システムに使用するための例示的な磁石の前面図である。
【図１３】図１０及び１１に示された種類の走査システムに使用するための例示的な磁石の斜視図である。
【図１４】図１０及び１１に示された種類の走査システムに使用するための例示的なエネルギーデグレーダ（飛程変調器）の斜視図である。
【図１５】粒子の経路にエネルギーデグレーダの葉状構造を移動させるためのプロセスの斜視図である。
【図１６】粒子治療処置中に、患者に対して配置された適応アパーチャの斜視図である。
【図１７】図１０から１５のハードウェアを用いて実行されうるラスター走査を実行するための例示的なプロセスを示すフロー図である。
【図１８】照射ターゲット及び放射線走査経路の例示的な断面を示す上面図である。
【図１９】例示的な治療システムの斜視図である。
【図２０】粒子治療システムで使用するための例示的なシンクロサイクロトロンの構成要素の分解斜視図である。
【図２１】例示的なシンクロサイクロトロンの断面上面図である。
【図２２】例示的なシンクロサイクロトロンの斜視図である。
【図２３】シンクロサイクロトロンで使用するための例示的なイオン源の断面図である。
【図２４】シンクロサイクロトロンで使用するための例示的なディー葉状構造及び例示的なダミーディーの斜視図である。
【図２５】可変エネルギー粒子加速器を使用しうる例示的な粒子治療システムの概念図である。
【図２６】可変エネルギー粒子加速器で使用されうる例示的な磁石システムの斜視分解図である。
【図２７】粒子加速器における磁場及び距離の変動に関してエネルギー及び電流を示す例示的なグラフである。
【図２８】粒子ビームの各エネルギーレベルに関して、ある周波数範囲にわたってディー葉状構造の電圧を掃引し、粒子ビームエネルギーが変化したときの周波数範囲を変化させるための例示的な構造の側面図である。
【図２９】粒子ビームの方向に対して曲げられたトラック上に取り付けられたキャリッジ上の例示的な適応アパーチャの葉状構造の上面図である。
【図３０】照射ターゲットの処置領域に対して配置された例示的な適応アパーチャの葉状構造の上面図である。
【図３１】例示的な粒子治療システムによって作り出されたスポットのガウシアン分布を示すグラフである。
【図３２】元のスポット及び、元のスポットをトリムすることによって作り出された事前トリムスポットを示す。
【図３３】粒子治療によって処置されることとなる層を含む照射ターゲットの斜視図である。
【図３４】処置されることとなる層を含む照射ターゲット及びトリミング曲線の照射ターゲットへの適用の斜視図である。
【図３５】照射ターゲットの層及びそれに重畳されたトリミング曲線の斜視図である。
【図３６】ターゲット線量分布についての情報に基づくトリミング曲線の構成を含む、例示的な走査プロセスを示すフロー図である。
【図３７】処置計画情報をモデル化し、得るために実行される最適化プロセスの例を示すフロー図である。
【図３８】処置領域に適用される線量を決定する例示的な処置領域の側面図である。
【図３９】処置領域に適用されるスポットの粗いセットの側面図である。
【図４０】強度変調されたスポットを有する、図３９のスポットのセットの側面図である。
【図４１】事前トリムスポットによって置き換えられたスポットを有する、図４０のスポットのセットの側面図である。
【図４２】ライブラリ内の例示的なスポットの側面図を示す。
【図４３】照射ターゲットの動きに応じて適応アパーチャを構成するための例示的なプロセスを示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
様々な図面中の類似の参照シンボルは同様の要素を表す。
【００２７】
本明細書には、患者に適用される、陽子やイオンビームなどの放射線の範囲を制御するために使用されうる適応アパーチャ（「構成可能コリメータ」とも呼ばれる）の例示的な実装例が示されている。いくつかの実装例において、適応アパーチャは、ある放射線の患者への通過を許容し、ある放射線が患者に通過することを防ぐように制御可能である構造を含む。典型的には、通過する放射線は処置される照射ターゲットに向けられ、遮断される放射線は、そうでなければ、健康な組織に衝突し、損傷を与える可能性がある。ターゲット内へ入る放射線も同様に、あるターゲット線量分布を達成することができるように遮断されうる。例示的な動作において、適応アパーチャは放射線源と照射ターゲットとの間の放射線経路に配置され、適切な大きさ及び形状のトリミング曲線を生成するように制御される。トリミング曲線は、ある放射線が照射ターゲットに通過するのを許容し、その一方ある放射線が隣接する組織に到達するのを防ぐ開口部などの開曲線または閉曲線でありうる。適応アパーチャは、任意の適切な放射線治療システムで使用されてもよく、本明細書で説明されるものを含む、いずれの特定の種類のシステムでの使用に限定されない。適応アパーチャが使用されうるシステムの例は、本明細書で説明されうる。
【００２８】
いくつかの実装例において、適応アパーチャは一般に平坦な構造体を含み、これは「平板」または「葉状構造」と呼ばれ、ある放射線を遮断し、ある放射線の通過を許容するために「ビーム」または「処置」領域内に移動するように制御可能である。葉状構造は、現在の処置に適した大きさ及び形状の開口部を作り出すように制御可能である。いくつかの実装例において、葉状構造は、２つのキャリッジ上に保持され、互いに、及び処置領域に面する。葉状構造は、患者の領域を処置するために粒子ビームが通過する開口部（またはアパーチャ）を形成するために、処置領域内へ、及び処置領域外へ移動するように制御可能である。開口部を形成する葉状構造はまた、葉状構造によって覆われる開口部に隣接する組織（例えば健康な組織）に放射線が通過するのを防ぐ。この場合、覆うということは、葉状構造が粒子ビームを遮断することを含む。葉状構造またはその一部は、粒子ビームとターゲット組織との間に配置されて、別の粒子ビームと組み合わせたときに目的の機能を満足するように線量分布をより最適化しうる鋭い線量勾配を形成しうる。
【００２９】
いくつかの実装例において、葉状構造の各セットは、縁の第１の側の粒子ビームの第１の部分が葉状構造によって遮断され、縁の第２の側の粒子ビームの第２の部分が葉状構造によって遮断されず、処置領域への通過を許容されるように、粒子ビームの経路内へ移動可能な縁を画定するように構成可能である。いくつかの実装例において、葉状構造は、縁を画定するために処置領域に向かう、または処置領域から離れる葉状構造の運動を制御するように制御可能である葉状構造ごとに１つのモーターに接続され、またはモーターの一部であり、またはモーターを含む。いくつかの実装例において、モーターはリニアモーターでありうる。例示的なリニアモーターは、可動構成要素及び固定構成要素を含む。固定構成要素は、第１の磁場を発生するように整列された磁極を有する２つの磁石などの磁場発生器を含みうる。可動構成要素は２つの磁石の間にサンドイッチされてもよく、可動構成要素に、固定構成要素に対して移動を生じさせる第１の磁場と相互作用する第２の磁場を発生するための電流を流す１つまたは複数のコイルを含みうる。各リニアモーターの可動構成要素は、対応する葉状構造が可動構成要素の移動とともに移動するように、葉状構造のうち対応する１つの葉状構造に接続され、またはその一部である。
【００３０】
図１は、適応アパーチャで使用されうる葉状構造４０の例を示しているが、適応アパーチャはこの種類の葉状構造を有する使用に限定されない。葉状構造の高さ５０は、ビームラインに沿っている（例えば粒子ビームの方向）。葉状構造の長さ５２は、処置領域に出入りする作動の方向に沿っており、システムが処置可能なフィールドの大きさまたはその一部の大きさに基づく。フィールドの大きさは、ビームが衝突可能な処置領域に対応する。葉状構造の幅５３は、作動されると複数の葉状構造が積層する方向である。一般に、より多くの葉状構造が使用されると、曲線の境界を含む、形成可能なトリミング曲線の解像度が高くなる。
【００３１】
図１において、葉状構造４０は、その側面に沿って舌状部及び溝特徴体５５を含み、これはそのような葉状構造が複数積層する際に、葉状構造間の漏洩を減少させるように構成される。この例において、葉状構造４０の曲面端部５６は、処置領域の全ての位置において、ビームに対する表面正接を維持するように構成される。しかし、いくつかの実装例において、各葉状構造の端部は平坦であり、曲面でなくてもよい。
【００３２】
いくつかの実装例において、適応アパーチャの葉状構造は、少なくとも最大ビームエネルギー（例えば粒子治療システムによって出力される粒子ビームの最大エネルギー）を遮断するのに十分な高さを有する。いくつかの実装例において、適応アパーチャの葉状構造は、以下に示す理由により、最大ビームエネルギー未満を遮断する高さを有する。いくつかの実装例において、適応アパーチャの葉状構造は、全処置領域の領域によってではなく、むしろ単一のビームスポットまたは複数のビームスポットの領域によって決定される長さを有する。この場合、「ビームスポット」は、粒子ビームの断面領域を含む。いくつかの実装例において、適応アパーチャは、ある放射線を遮断し、ある放射線を個別のまたは複数のビームスポットから通過させるために「ビーム」または「処置」領域内に移動するように制御可能である。
【００３３】
一例において、粒子治療システムは、２０ｃｍ×２０ｃｍの正方形の領域にフィットできる断面積を有する腫瘍を処置するように構成されうる。この例において、適応アパーチャの各葉状構造は、約２ｃｍの長さを有してもよく、これは１つのビームスポットの半分において粒子を遮断するのにほぼ十分である。前述のように、適応アパーチャは互いに面した葉状構造の複数のセットを含みうる。そのため、各セットからの葉状構造は、必要な場合には単一のビームスポット全体をカバーするように制御され、それによって放射線の通過を妨げてもよい。葉状構造はまた、単一のビームスポットからの放射線のある程度または全てが通過できる開口部を画定する１つまたは複数のトリミング曲線を形成するように制御可能であってもよい。
【００３４】
動作時には、適応アパーチャは、ビームが放射ターゲットにわたって走査するにつれて動き、走査の間、ビームの移動を追跡するように構成される。一例において、適応アパーチャは、２０ｃｍ×２０ｃｍの領域全体に渡るカバーを可能にするように、約２０ｃｍ移動するように構成されうる。前述のように、適応アパーチャは、１つのビームスポット及び、いくつかの場合には少量の追加領域（例えば５％の追加領域、１０％の追加領域、１５％の追加領域、または２０％の追加領域）を覆う（または「トリムする」）のに十分な葉状構造を使用するように構成されうる。
【００３５】
図２は、適応アパーチャ７００の例示的な実装例を示している。この例において、適応アパーチャ７００は、所定のエネルギーの放射の通過を妨げ、または防ぐのに十分な、ある高さを有し、ニッケル、真鍮、タングステンまたはその他の金属などの材料からなる葉状構造７０１を含む。例えば、いくつかのシステムにおいて、粒子加速器は、１００ＭｅＶから３００ＭｅＶの最大エネルギーを有する粒子ビームを発生させるように構成される。したがって、そのようなシステムにおいて、葉状構造は、１００ＭｅＶ、２００ＭｅＶ、２５０ＭｅＶ、３００ＭｅＶなどのエネルギーを有するビームの追加を妨げるように構築されうる。
【００３６】
葉状構造７０１は、患者の腫瘍の断面層のような照射ターゲットの処置領域に対する移動を制御するためのキャリッジに取り付けられる。移動は、葉状構造７０１が処置領域７０４のいくつかの部分を覆うように制御され、それによって処置中にこれらの部分に放射線が衝突するのを防ぎ、その一方で処置領域のその他の部分を放射線に露出された状態とする。図２の例示的な実装例において、全部で１４個の葉状構造が存在し、左側に７個、右側に７個存在する。いくつかの実装例において、異なる数の葉状構造が存在してもよく、例えば左側に５個、右側に５個で、全部で１０個存在してもよく、左側に６個、右側に６個で、全部で１２個存在してもよく、その他であってもよい。
【００３７】
適応アパーチャは、いずれの適切な種類の放射線治療システムでも使用されうる。例示的な実装例において、放射線治療システムは、陽子治療システムである。本明細書で説明されるように、例示的な陽子治療システムは、悪性組織を破壊できるように、照射ターゲットの処置領域にわたって陽子ビームを走査する。走査中、粒子ビームは放射線で処置領域をカバーするために処置領域にわたって動く。例示的な実装例において、粒子ビームはパルス化される。パルスビームを使用する場合であっても、均一な線量カバレージが、ビームの１回の通過で達成可能である。各スポットは、制御できない各パルスの強度のランダムな変動を考慮して複数のパルスに衝突されうる。粒子ビームは、患者の動きに起因する（例えば呼吸に起因する）臓器の動きの効果を低減することができるように、複数回、処置領域上を通過されうる。結果として、一回よりも複数回、同じ処置領域を走査することが有益でありうる。連続的な走査のそれぞれは、１つまたは複数の別の走査からオフセットされうる。走査のこの種類の例は、ペンシルビーム走査と呼ばれ、繰り返し走査は、処置領域の塗りつぶしまたは塗りなおしと呼ばれる。
【００３８】
照射ターゲットは、典型的には構造内で３次元的である。したがって、本明細書で説明されるように、照射ターゲットは断面層（または単純に「層」）ごとに処置される。すなわち、ターゲット全体が処置されるまで、照射ターゲットの１つの層が処置されると、続いて別の層の別の処置が行われる。照射ターゲットの各層は、粒子ビームのエネルギーレベルを変更することによって処置される。すなわち、異なるエネルギーレベルの粒子ビームは照射ターゲットの異なる層を衝撃し、エネルギーレベルが高いほど、粒子ビーム源に対して照射ターゲットの内部のより深い層に影響を与える。したがって、処置中は、粒子ビームのエネルギーレベルは、照射ターゲットの異なる層に到達し、処置することができるように変更される。
【００３９】
図２は、放射線が層の一部（例えば処置領域）を衝撃し、層のその他の部分（例えば健康な組織）を放射線が衝撃しないように構成された葉状構造７０１を示している。図２において、位置７０７は、処置領域７０４に渡る陽子ビームの走査の間、送達されるビームスポットの中心を表す。円７０８は、それを越えて放射線が送達されないことを意図される処置境界を表す。この境界に近い（例えば、粒子ビームプロファイルの１つの標準偏差内）ビームスポットは、健康な組織との境界を作る。これらは、適応アパーチャ上の葉状構造の適切な構成及び配置によってトリムされた（すなわち、遮断された）スポットである。トリムされるビームスポットの例はビームスポット７１１であり、位置７０６に中心を有する。図示されるように、葉状構造７０１のそれぞれは、円７０８を越えて延在するビームスポット７１１の部分を遮断するように構成される。
【００４０】
例示的な実装例において、２つの別個のキャリッジのそれぞれの上に、幅約５ｍｍである５個の葉状構造及び幅約２０ｍｍである２個の葉状構造、全部でキャリッジごとに７個の葉状構造が存在する。そのため、いくつかの実装例において、２つの別個のキャリッジのそれぞれの上に７個の葉状構造が存在し、そのうちの２個が、５個の別の葉状構造のそれぞれの幅の３倍以上の幅をそれぞれ有する。その他の実装例は、異なる数、異なる大きさ及び構成の葉状構造、並びに異なる数及び構成のキャリッジを含みうる。例えば、いくつかの実装例は、キャリッジ当たり５から５０個のいずれかの数の葉状構造を含んでもよく、例えばキャリッジ当たり５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、もしくは５０個の葉状構造（またはそれ以上）を含んでもよい。
【００４１】
キャリッジは、本明細書に説明されるように水平及び垂直の両方に移動することができる。葉状構造も、処置領域の中へ、及び処置領域の外へ、各キャリッジに対して水平方向に移動可能である。このように、葉状構造は、処置される領域（例えばこの例では円７１１またはその一部）に近い領域の処置境界の形状を近似するように構成可能である。
【００４２】
ビームが特定の領域に到達される際に葉状構造が適切な位置にあるように、葉状構造は、粒子ビームの各走査の間に、垂直及び／または水平に移動されうる。葉状構造は、必ずしも全ての走査経路について移動される必要はないが、その代わりにある領域に対して適切な位置に移動されうる。いくつかの場合において、例えば処置領域の内部のスポットに関して、放射線処置は、適応アパーチャによって提供されるトリミングなしに進行されうる。
【００４３】
図３０は、位置１４０２に中心を有する放射線スポット１４０１をトリムするように構成された適応アパーチャの一部である葉状構造１４００の別の例を示している。この例において、（対応するキャリッジによって支持された）適応アパーチャの２つの側部のそれぞれの上に７個の葉状構造が存在する。各側部の葉状構造は、別の５個よりも幅広い２個の葉状構造を含む。しかし、適応アパーチャはこの構成に限定されない。この場合において、スポット１４０１は、８ｍｍガウシアン放射スポットを画定する２．５シグマの半径を有する。
【００４４】
図３、４及び５は、前述の葉状構造を保持し、処置ターゲットに対して垂直及び水平の両方に移動させるように構成されたキャリッジ７１３、７１４、７１５を含む適応アパーチャの例示的な実装例の構成要素の例示的な実装例を示している。図示されるように、垂直移動は、デカルト座標のＺ次元７１７の移動を含み、水平移動は、デカルト座標のＸ次元７１８（及び図４のページ内またはページ外であるデカルト座標のＹ次元とともに）の移動を含む。図４及び５は、筐体内の構成要素を示すことができるように、キャリッジ筐体の部分を透明であるとして示しているが、筐体は実際には透明ではない。
【００４５】
キャリッジ７１３は、本明細書では一次キャリッジと呼ばれ、キャリッジ７１４及び７１５は本明細書では二次キャリッジと呼ばれる。二次キャリッジ７１４、７１５は図３から５に示されるように一次キャリッジ７１３と結合される。この例において、二次キャリッジ７１４、７１５はそれぞれ、対応する部材７１８、７１９を介して一次キャリッジ７１５に固定された筐体を含む。この例において、一次キャリッジ７１３は、トラック７２０に沿って垂直に（Ｚ次元）移動可能である。一次キャリッジ７１３の垂直移動はまた、二次キャリッジの垂直な移動も引き起こす。いくつかの実装例において、二次キャリッジは同時に垂直に移動する。いくつかの例において、各二次キャリッジの垂直な移動は、他の二次キャリッジの垂直な移動とは独立している。
【００４６】
図３から５に示されるように、二次キャリッジ７１４、７１５のそれぞれは対応する棒材７２２、７２３に接続され、それに沿って二次キャリッジが移動する。より具体的には、この例において、モーター７２５は、二次キャリッジ７１４を棒材７２２に沿って二次キャリッジ７１５に向けて、または二次キャリッジ７１５から離れるように移動するように駆動する。同様に、この例において、モーター７２６は、二次キャリッジ７１５を棒材７２３に沿って二次キャリッジ７１４に向けて、または二次キャリッジ７１４から離れるように移動するように駆動する。一次及び二次キャリッジの移動についての制御は、本明細書で説明されるように照射ターゲットに対して葉状構造を位置決定するように実装される。さらに、葉状構造それ自体も、本明細書で説明されるようにキャリッジの内側へ、及びキャリッジの外へ移動するように構成される。
【００４７】
図５に示されるように、モーター７３０は、一次キャリッジ７１３の垂直移動を駆動する。例えば、図４に示されるように、リードねじ７３１が筐体７３２に結合され、これは対応する二次キャリッジ７１４、７１５を駆動し、トラック７２０に取り付けられたモーター７２５、７２６を保持する。リードねじ７３１は、モーター７３０と結合され、モーター７３０によってＺ次元に駆動される。すなわち、モーター７３０はＺ次元でリードねじ７３１を駆動する。リードねじ７３１は筐体７３２に固定されているため、この移動は筐体７３２、従って二次キャリッジ７１４、７１５も、トラック７２０に沿ってＺ次元に移動させることとなる。
【００４８】
この例示的な実装例において、前述のように、７個の葉状構造７３５、７３６が各二次キャリッジ７１４、７１５に取り付けられる。各二次キャリッジは、葉状構造を水平に（Ｘ次元で）処置領域の内側へ、または外側へ移動させるように構成されうる。二次キャリッジ上の個別の葉状構造は、同じ二次キャリッジ上の別の葉状構造に対してＸ次元で独立に移動可能でありうる。いくつかの実装例において、葉状構造はまた、Ｙ次元に移動するようにも構成されうる。さらに、１つの二次キャリッジ７１４上の葉状構造は、別の二次キャリッジ７１５上の葉状構造に対して独立に移動可能でありうる。二次キャリッジ上の葉状構造のこれらの独立な移動は、一次キャリッジによって可能になったＺ次元の移動とともに、葉状構造を様々な構成に移動することを可能にする。結果として、葉状構造は、水平次元及び垂直次元の両方において任意の形状である処置領域に対して水平及び垂直の両方で形状を適合させることができる。葉状構造の大きさ及び形状は、異なる形状適合を行うように変更されうる。
【００４９】
葉状構造は、放射線の透過を防ぐ、または禁止する任意の適切な材料からなりうる。使用される放射線の種類は、どの材料が葉状構造に使用されるかを選択しうる。例えば放射線がＸ線である場合、葉状構造は鉛からなりうる。本明細書で説明される例では、放射線は陽子またはイオンビームである。したがって、異なる種類の金属または別の材料が、葉状構造に関して使用されうる。例えば、葉状構造は、ニッケル、タングステン、鉛、真鍮、鋼鉄、鉄またはそれらの任意の適切な組み合わせからなりうる。各葉状構造の高さは、葉状構造が放射線の透過をどれだけ良好に禁止するかを決定しうる。
【００５０】
いくつかの実装例において、葉状構造は同じ高さを有してもよく、一方別の実装例において、葉状構造のいくつかが、別の葉状構造の高さとは異なる高さを有しうる。例えば、図２から５において、葉状構造は、それぞれ高さ５ｍｍである。しかし、任意の適切な高さが使用されうる。例えば、葉状構造７３５、７３６は、以下のいずれか（またはその他の高さ）を有しうる：１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍ、１１ｍｍ、１２ｍｍ、１３ｍｍ、１４ｍｍ、１５ｍｍ、１６ｍｍ、１７ｍｍ、１８ｍｍ、１９ｍｍ、２０ｍｍ、２１ｍｍ、２２ｍｍ、２３ｍｍ、２４ｍｍ、２５ｍｍ、２６ｍｍ、２７ｍｍ、２８ｍｍ、２９ｍｍなどである。葉状構造は、前述の高さの任意の組合せを有しうる。さらに、葉状構造のそれぞれは、別の葉状構造の１つまたはそれ以上とは異なる高さを有しうる。
【００５１】
いくつかの実装例において、同じ幅または異なる幅の葉状構造が、放射線の透過を禁止するために積層されうる。いくつかの実装例において、より薄い葉状構造（例えば幅の小さい葉状構造）が、より厚い葉状構造（例えば、幅の大きい葉状構造）と共に使用されうる。いくつかの実装例において、葉状構造は、最大ビームエネルギーの粒子ビームを完全に遮断するのに十分な高さを有する。同じ高さまたは異なる高さの葉状構造が、放射線の透過を禁止するために積層されうる。いくつかの実装例において、より短い葉状構造（例えば、より高さの低い葉状構造）が、より長い葉状構造と共に使用されうる。いくつかの実装例において、葉状構造は、最大ビームエネルギーの粒子ビームを完全に遮断するのに十分な高さを有する。いくつかの実装例において、葉状構造は、最大ビームエネルギーよりも低いエネルギーの粒子ビームを遮断するのに十分な（かつ最大エネルギーの粒子ビームを遮断するのに十分でない）高さを有する。例えば、陽子治療システムが患者内の３２ｃｍの深さを処置することができる２３０ＭｅＶのエネルギーのビームを送達する能力を有しうる一方で、いくつかの実装例において、適応アパーチャは２０ｃｍに満たない深さを処置可能な最大１７５ＭｅＶの陽子を遮断できるのみである。そのようにすると、ビーム阻止能のより小さな材料、例えば３．３ｃｍではなく２．１ｃｍのタングステン、または５．２ｃｍではなく３．３ｃｍのニッケルが使用されうる。この例において、陽子治療システムは、２０ｃｍを超える深さを依然として処置することが可能になるが、適応アパーチャは、そのような処置には使用されないであろう。これは、いくつかの環境では、より深い処置は、適応アパーチャが提供する粒子ビームコリメーションからの利益が少ないため、許容可能であると考えられうる。すなわち、いくつかの処置シナリオにおいて、浅く、低エネルギーの処置が、適応アパーチャが最も効果的になり、葉状構造の材料の量を減少させることに技術的な利点が存在しうる。そのため、いくつかの例示的な実装例において、より短い葉状構造が使用され、適応アパーチャは、浅く、最大エネルギーよりも低いエネルギーの処置への使用に制限される。
【００５２】
図２から５の実装例において、葉状構造は、半長方形の形状であり、側面から見た時にほぼ同じ表面積を有する。いくつかの実装例において、これは必ずしもそうでなくてもよい。例えば、葉状構造は、示されたものとは異なる形状を有してもよい。例示的な形状は、円形、曲線形状、楕円形、正方形、及び三角形を含むがこれらに限定されない。さらに、個々の葉状構造は、同じキャリッジまたは別のキャリッジに含まれる別の葉状構造とは異なる形状を有してもよい。例えば、１つのキャリッジは、長方形及び曲線形状の葉状構造の両方を含みうる。
【００５３】
いくつかの実装例において、葉状構造は、予想される最大陽子エネルギーの粒子ビームを完全に停止する（例えば２３０ＭｅＶでは３．３ｃｍのタングステンまたは例えば５．２ｃｍのニッケル）だけでなく、葉状構造の間の陽子の透過を防ぐのに十分な追加的な材料を有するのに十分な高さを有する。この材料は、図１に示されるような舌状及び溝構造または類似の構成を有しうる。葉状構造の端部は、様々な発散の陽子ビームについて送達される半影を増進するように、曲線またはテーパー状の表面を含むように構成されうる。
【００５４】
いくつかの実装例において、複数の一次キャリッジ並びに対応するモーター及びレールが存在しうる。例えば、第１の一次キャリッジは、第１の二次キャリッジのＺ次元の移動を制御してもよく、第２の一次キャリッジは第２の二次キャリッジのＺ次元の移動を制御してもよい。そのため、そのような実装例において、２つの二次キャリッジが、好適であればＺ次元に独立に移動可能である。いずれの場合においても、一次キャリッジはコンピュータで制御されうる。例えば、実行可能な命令がコンピュータメモリ（例えば、１つまたは複数の非一時機械可読保存媒体）に保存され、移動を制御するように１つまたは複数の処理デバイスによって実行される。制御は、処置の間、使用者の入力で、または入力なしに実行されうる。
【００５５】
説明されたように、各二次キャリッジ７１４、７１５は、前述のようにＸキャリッジ移動を制御するための対応するモーターを含む。いくつかの実装例において、各葉状構造について１つのモーターが存在しうるが、その一方、別の実装例において、単一のモーターが全ての葉状構造を制御しうる。モーターは、対応する二次キャリッジに取り付けられうる。結果として、モーターは、対応する二次キャリッジにしたがって移動する。前述のように、モーターは各キャリッジの葉状構造の移動を制御する。葉状構造は、２つの次元での移動を可能にするアクチュエータに取り付けられうる。図２から５の例において、葉状構造は、統合された葉状構造の各部分である。図６の例を参照すると、機構が、個々の葉状構造を、処置領域内へ、または外部へのそれぞれのキャリッジを含む統合された葉状構造の内側及び外側（Ｘ次元）に移動させることを可能にする。
【００５６】
いくつかの実装例において、単一のキャリッジ上の全ての葉状構造は、個別に移動可能である。図６は、二次キャリッジの一部である葉状構造７３５ａについての移動機構を示す。各二次キャリッジの各葉状構造は、図６の葉状構造及び移動機構と類似の、または同一の構成及び移動機構を有しうる。
【００５７】
図６の例において、移動機構は、葉状構造スティック７３５ｂ、リードねじナット７３５ｃ、リードねじ７３５ｄ、スラストベアリングアセンブリ７３５ｅ、カップリング７３５ｆ、モーター７３５ｇ、ベアリングブロック７３５ｈ、スリーブベアリングピン７３５ｉ、スリーブベアリング７３５ｊ及びモーター取り付けブロック７３５ｋを含む。動作時に、カップリングを通るモーターシャフトは、リードねじを回転させる。これにより、リードねじナットはねじの回転方向に応じて前進または後退する。リードねじナットは葉状構造アセンブリに固定されているため、葉状構造はモーターが回転するにつれて前後に（ビーム経路内に、または外に）動かされる。スリーブベアリングピンは葉状構造に固定され、アセンブリ全体を支持するベアリングブロック内に保持されたスリーブベアリングに沿ってスライドする。このベアリングブロックはベアリングを収容し、キャリッジ上の全ての葉状構造についてモーターアセンブリのための空間を提供する。
【００５８】
いくつかの実装例において、図６に関して説明されたモーターは、リニアモーターで置き換えられうる。いくつかの実装例において、リニアモーターは、第１の縁を画定するように葉状構造のセットを構成し、第１の縁に面する第２の縁を画定するように葉状構造の別のセットを構成するように制御可能である。リニアモータのそれぞれは、可動構成要素及び固定構成要素を含みうる。固定構成要素は、第１の磁場を発生するための磁場発生器を含みうる。磁場発生器の一例は、隣接し間隔を開けられ、整列された磁極を有する２つの固定磁石を含む。可動構成要素は、可動構成要素を固定構成要素に対して移動させるために、第１の磁場と相互作用する第２の磁場を発生させるための電流を流す１つまたは複数のコイルを含む。例えば、可動構成要素は、固定構成要素を構成する２つの磁石の間のコイル搬送平板でありうる。電流がコイルを通過すると、その電流は２つの磁石によって生成された磁場と相互作用し、可動構成要素（例えば電流搬送平板）を２つの磁石に対して移動させる磁場を発生させる。いくつかの実装例において、単一のリニアモーターが、単一の葉状構造を制御しうる。葉状構造は可動構成要素に取り付けられるため、葉状構造は、可動構成要素に沿って移動する。異なる葉状構造のリニアモーターは、葉状構造の移動を制御するように、そのため本明細書で説明される適応アパーチャの縁を画定するように制御されうる。
【００５９】
説明されるように、適応アパーチャは、積層体のような３次元場成形技術を可能にする、異なる形状のアパーチャで、走査される処置の各層をトリムするために使用可能である。しかし、適応アパーチャの実装例は、機械加工された患者特有の構造または複数葉状構造コリメータのいずれかを模倣するように構成されうる。
【００６０】
これについて、いくつかの既存の処置計画システム（ＴＰＳ，Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  Ｐｌａｎｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）は、処置体積全体に均一に適用されるように意図される固定真鍮アパーチャの形状を計算する処置計画プロセスを実行する。ＴＰＳはまた、ターゲットに関して適応アパーチャの形状を選択し、または構成するための命令を含みうる。コンピュータプログラムは、連続的なアパーチャ曲線、または固定された複数葉状構造コリメータの葉状構造の位置のセットのいずれかからアパーチャの形状を解釈することができ、この形状を、送達される放射線処置スポットと相関する適応アパーチャの一連の動的な葉状構造の位置に変換することができる。。そのため既存のＴＰＳの機能が活用可能であり、適応アパーチャを、既存のＴＰＳソフトウェアに対して比較的わずかな改修で互換性を有するようにできる。
【００６１】
縁の形状適合性を改善しうる、適応アパーチャによって可能になる別の例示的な技術は、ある層の同じ処置領域に対する処置線量が複数回の通過または塗りつぶしで達成される可能性を利用することである。本明細書で説明された塗り直しは、呼吸などの患者の動きと比較して長い時間スケールの間、送達された放射線の均一性を拡大することができるように、複数回の粒子ビームの追加を使用する処置領域に線量が分割される、走査陽子治療で使用される技術である。所定のスポットへの線量が全て１回のパルスで送達されない場合がある別の理由も存在する。いくつかの例示的な理由は、動的線量制御が、正確な合計線量を送達するために各パルスにおける電荷を調整可能であること、パルス内の電荷に対する安全制限が存在すること、及び線量の必要なダイナミックレンジが、粒子加速器の能力を超過しうることを含む。
【００６２】
照射体積内のスポットが治療の間に（例えば複数回の走査の間に）数回塗りつぶされると、照射ターゲットの水平な縁に対する適応アパーチャの形状適合性は、各塗りつぶしの間に（例えば同じ処置領域をカバーする粒子ビームの各走査の通過の間に）、葉状構造をわずかに（例えばミリメートル未満のレベルで）垂直に、水平に、または垂直及び水平の両方にシフトすることによって改善可能である。このようにすると、個別の葉状構造の有限な大きさによるわずかにぎざぎざのある縁でありえたものが、意図されるアパーチャ曲線のよりよい近似に到達するために滑らかにされうる。
【００６３】
回転自由度を追加することで、放射ターゲットに形状適合する適応アパーチャの能力を向上させることができる。例えば、図３から５のアセンブリーの全体が、ビーム方向に対して垂直な平面、ビーム方向に対して平行な平面、またはその組み合わせの中で回転するように構成されうる。いくつかの実装例において、各個別の二次キャリッジ７１４、７１５は、同じ面内で独立に回転するように構成されうる。このように、適応アパーチャは、理想的に配向されない複雑な形状に形状適合するためのより優れた柔軟性をもたらしうる。いくつかの実装例において、一次キャリッジ及び各二次キャリッジの両方とも回転可能でありうる。
【００６４】
前述の例示的な実装例において、各葉状構造は、任意の形状が葉状構造の構成とともにトレースされうるように、独立して作動される。しかし、そのような柔軟性は、許容可能な縁の形状適合性を達成するには必要とされない場合がありうる。葉状構造は、有限な数の構成のみを達成する能力を有するように機械的に制約されうる。例えば、葉状構造は、垂直線、前方対角線形状、後方対角線形状、凹形状、凸形状、またはその他任意の達成可能な形状にする配置に制限されうる。このようにすると、柔軟性は機械的単純さと引き換えにされうる。葉状構造は、二次キャリッジ上に取り付けられた４個のモーターよりむしろ、１つの遠隔モーターを介してカムタイミングギヤを用いて作動されうる。いくつかの実装例において、ギヤの個々の形状は、必要に応じて所定の位置に回転される車輪のセクター外に加工されうる。モーター、フィードバック、コントローラ及び関連する配線の数を低減することができるように、個々の葉状構造の構成を達成する１つのモーターを有するアセンブリーが使用されうる。
【００６５】
図７は、シャフト７５１に対して回転可能なカムを有する適応アパーチャの例示的な実装例を示す。図７の例において、全ての葉状構造７５０は、１つのモーターによって作動する。このモーターは、垂直シャフト７５１の頂部にある。葉状構造のカムの形状及び配向は、主駆動シャフトの異なる回転角に対して異なる葉状構造の構成を達成するように選択される。
【００６６】
適応アパーチャの別の可能な利点は、場に対して完全に内部である縁をコリメートする能力である。処置計画が、保護されるべき体積を完全に取り囲む、処置すべき体積（例えば、脊髄を完全に取り囲む腫瘍）を要求する場合、単一の、機械加工された構造が、処置される体積のいくらかを遮断することなく、保護される体積に対する放射線を遮断することは、典型的にはできない。適応アパーチャは、一連の葉状構造の位置を使用してそのような場を処置することができる。例えば、適応アパーチャは、処置を必要とする領域の処置を可能にしつつ、保護を必要とする領域を保護するように、動的に、かつ処置の際に再構成されうる。
【００６７】
いくつかの場合、粒子ビームが葉状構造の縁の表面に対する接線である場合に、より良好なビーム性能（半影または縁のシャープネス）が得られる。しかし、ビームが有効に単一の点源に起因するため、適応アパーチャの平面を通過する角度は、ビームがフィールドの中心から外れるにつれて変化する。この理由により、葉状構造は、図１に示されるように曲線状の縁を有してもよく、それによって縁は常に粒子ビームに接する位置に配置可能となる。適応アパーチャの例示的な実装例において、一次キャリッジ及び二次キャリッジの両方が移動するトラックは曲線状にされ、それによって、平坦な葉状構造の縁が、曲線状の葉状構造の縁の代わりに使用可能であり、平坦であるが粒子ビームに対する接線のままとなる。
【００６８】
図２９は、曲線状のトラック１４２０の例示的な実装例を示す。図２９の例において、粒子ビーム１４２１はビーム源１４２２から生じ、これは本明細書で説明されるシンクロサイクロトロンなどの粒子加速器でありうる。粒子ビーム１４２２はフィールド１４２３を通って走査し、ある場合には位置１４２５にありえ、別の場合には位置１４２６にありうる。葉状構造１４２８及び１４２９を保持するキャリッジは、曲線状のトラック１４２０に取り付けられ、そのため葉状構造１４２８及び１４２８は、互いに向かう方向にまたは互いから離れる方向に動くことができる。この例において、葉状構造は図１の曲線端部５６とは対照的に直線端部（または“フロント”）１４３１、１４３１を有する。曲線トラックを採用することにより、粒子ビームは走査フィールド１４２３を通して直線端部に対して接したまま、または実質的に接したままとすることができる。粒子ビームを端部に接した状態を維持することは、適合アパーチャによって提供されるトリミングを、ビームフィールドの範囲にわたって一定とすることを可能にする点で有利でありうる。
【００６９】
まとめると、いくつかの実装例において、適応アパーチャは、一度に処置領域の小さな部分、例えば処置領域全体よりも小さく、１つのスポットサイズ、２つのスポットサイズ、３つのスポットサイズ、４つのスポットサイズ、５つのスポットサイズなどとほぼ等しい領域のみをトリムしうる。そのため、いくつかの実装例において、適応アパーチャは、一度に単一のスポットをトリムするのに十分小さく、１つの位置にいくつかのスポットをトリムするのに十分大きくしうるが、移動せずにフィールド全体はトリムしない。適応アパーチャは、ビームが走査するにつれて、フィールドの周り及びフィールド内を移動するように構成されうる。例えば、いくつかの実装例において、適応アパーチャは、ビームが走査するにつれてビームを追跡し、その構成及び再構成は、走査及びビームによって提供されるパルス（例えば、異なるビームパルス及び／または位置について異なる再構成）と同期されうる。処置領域全体をトリムするのに十分大きな葉状構造を使用しないことにより、適応アパーチャをより小さくすることができ、そのため適応アパーチャを、別のデバイスとほとんどまたは全く干渉せずに、患者のより近くに配置することができる。いくつかの実装例において、適応アパーチャの葉状構造のいずれも、最大の処置領域全体にわたる１つの寸法も有しない。いくつかの実装例において、各個別の葉状構造は、処置領域内の２つの次元で移動可能であり、デバイスは、１つまたは複数の軸で回転し、アイソセンターに向かってまたはアイソセンターから離れるように延在可能にしうるガントリーに取り付けられる（例えば本明細書で説明されるような粒子治療システムの場合）。
【００７０】
例示的な処置計画プロセスは、本明細書で説明されるような、適応アパーチャを含むシステムにおいて説明される。しかし、後述する例示的な処置計画プロセスは、本明細書で説明されるシステムでの使用に制限されず、処置のために腫瘍のようなターゲットに放射線を印加する任意の適切なシステムで使用されうる。
【００７１】
ＴＰＳによって実行される例示的な処置計画プロセス（ＴＰＰ、Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  Ｐｌａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）は、逆計画法を採用しうる。一般に、逆計画法は、放射線のターゲット線量分布を得る段階及び、ターゲット線量分布を達成する特性を決定するためにプロセスの最適化のようなプロセスを実行する段階を含む。プロセスは、１つまたは複数の処理デバイス上で、１つまたは複数の非一時機械可読保存媒体上に保存され、媒体から取り出される１つまたは複数のコンピュータプログラムを実行することによって実施されうる。特性は、スポットの大きさ、スポットの形状、スポットの位置、スポットの重み（スポット当たりの陽子の数）、スポットの配向などを含みうるがこれらに限定されない。いくつかの実装例において、特性は、例えば葉状構造の数及び位置などの適応アパーチャの構造、適応アパーチャを用いて達成可能なスポットの解像度、キャリッジが移動可能な方法及び程度などに関する情報を含みうる。そのような例において、ＴＰＳは、その構成を制御するための適応アパーチャに対する命令を生成するための適応アパーチャの構造の知識を利用する。
【００７２】
本明細書で説明されるように、図１から７、２９及び３０の例示的な適応アパーチャは、単一のスポット、１組のスポット、処置層、処置フィールドをトリムするために使用されうる。処置フィールドは、特定の層に適用可能な放射線の程度を含み、処置フィールドは、その層自体を超えて延在しうる。例示的なスポットは、図３１のグラフに示されるように、ガウシアン分布を有しうる。すなわち、スポットにおける陽子の分布は、スポットの中心１５００が陽子の最大濃度を有し、その濃度が、スポットの中心からの距離とともに減少するガウシアン分布である。このガウシアン分布は、処置計画における効果を有することができる。例えば、いくつかの実装例において、ＴＰＰは、放射線ターゲットの所定の位置について適切な線量を決定するのに、この分布を考慮に入れてもよく、適応アパーチャを用いてスポットをトリムするかどうか、及びどこをトリムするかの決定（またはその他任意の適切なスポットトリミング機構）に、この分布を考慮に入れてもよい。例えば、図２を参照すると、適応アパーチャは、円７０８（例えば腫瘍）によって画定される放射ターゲットと、健康な組織との間の境界において、スポットをトリムするために使用されうる。しかし、トリミングは、疾病組織と健康な組織との間の境界に限定されない。例えば、処置計画は、例えば所望の線量分布を達成するために、処置層内のスポットがトリムされることを必要としうる。したがって、適応アパーチャは、同様に内部スポットトリミングを実装するように構成されうる。
【００７３】
例示的なＴＰＰは、ＴＰＳによって実行される。例示的なＴＰＰは、プロセスがターゲット線量分布を達成するために使用しうる、事前トリムされたスポットの特性を定義する情報を含むライブラリを参照する。例えば、ライブラリは、１つまたは複数のパラメータに基づいてトリムされたスポットを定義する。例えば、図３２を参照すると、事前トリムされたスポット１６００（上面図に示される）は、その半径及び回転角度について定義されうる。図３２の例において、事前トリムされたスポット１６００は、弦１６０２、１６０３において、元のスポット１６０１をトリムすることによって生成される。事前トリムされたスポット１６００において、半径は、スポットの縁に対して垂直な、トリムされていないスポットの中心１６０６からの直線１６０５である。図３２の例において、回転の角度は、元の位置に対して時計回りまたは反時計回りにスポットが回転される量１６０７として定義される。いくつかの例において、図３２のスポット１６００のように、複数の半径（この場合は２つ）がスポットを定義しうる。いくつかの実装例において、単一の半径が部分的にスポットを画定しうる。そして、別の実装例においては、２つより多い半径が部分的にスポットを画定しうる。ライブラリは、実際のスポットを生成するために使用されうる、任意の適切な数の事前トリムされたスポットの特性を定義する情報を保存しうる。
【００７４】
事前トリムされたスポットは任意の適切な形状を有してもよく、図３２に示された形状に限定されない。例えば、事前トリムされたスポットは、図２及び３０においてトリムされたスポットのような、１つまたは複数の段階的な縁を有しうる。
【００７５】
いくつかの実装例において、追加的な、または別の情報が、ライブラリ内のスポットを定義するために使用されうる。例えば、面積、形状またはその他の記述的な情報が、各スポットを定義しうる。この情報は、前述の半径及び回転に加えて、またはそれらの代わりになりうる。各スポットを定義する情報、例えば半径及び回転は、情報を適応アパーチャの対応する葉状構造の動きにインデックスすることを可能にする、例えば１つまたは複数のファイル、ルックアップテーブルまたはその他のコンストラクトで、コンピュータメモリ内に保存される。
【００７６】
より具体的には、いくつかの実装例において、トリムされたスポットのそれぞれは、トリムされた放射スポット（例えば、本明細書で説明されたシンクロサイクロトロンで生成されたもの）から生成されうる。本明細書で説明されるように、トリミングは、適応アパーチャを使用して実行されうる。トリムされたスポットのそれぞれを生成するのに使用される適応アパーチャの構成は、スポットを定義するライブラリ内の情報にインデックスされ、そうでなければ関連付けられて保存されうる。構成は、（例えば葉状構造が展開された、及びされていない）適応アパーチャの葉状構造の構成、適応アパーチャの回転角度、一次キャリッジ及び二次キャリッジの位置などを含みうるが、これらに限定されない。対応するトリムされたスポットを生成するための適応アパーチャの構成を特徴づける任意の適切な情報が保存されうる。
【００７７】
いくつかの実装例において、処置計画の間、ＴＰＰは、ＴＰＰが、処置のためのターゲット線量分布を達成するために、ライブラリから事前トリムされたスポットの情報を選択する、最適化プロセスなどのプロセスを実行する。例えば、ＴＰＰは、ターゲット線量分布またはターゲット線量分布に許容可能な程度に近い線量分布が達成されるまで、トリムされたスポットのための線量分布を反復してシミュレートするための情報を使用しうる。最良の線量分布を生成する情報は、適応アパーチャを制御するコンピューティングシステムによって受け取られ、その情報は葉状構造及び／またはキャリッジの位置に変換される。いくつかの実装例において、ＴＰＰは、所望の線量分布を達成するためにモンテカルロ最適化プロセスを採用しうる。一般に、モンテカルロ最適化プロセスは、可能な入力のドメインの定義（例えば、ライブラリからのトリムされたスポットを定義する情報）、ドメインにわたる確率分布からのランダムな入力生成、入力に対する決定論的計算の実施、及び結果の収集を含む。いくつかの実装例において、ＴＰＰは、所望の線量分布を達成するために、ペンシルビームに基づく最適化プロセスまたはその他任意の適切な最適化プロセスを採用しうる。
【００７８】
いくつかの実装例において、処置計画の間、ＴＰＰは、ＴＰＰが処置のためのターゲット線量分布を達成することができるようにトリミング曲線を最適化する最適化プロセスのようなプロセスを実行する。例えば、ＴＰＰは、適応アパーチャを用いて生成されたトリミング曲線を定義する情報を得て、その情報を、ターゲット線量分布またはターゲット線量分布に許容可能に近い線量分布が達成されるまで、トリムされたスポットの線量分布を反復してシミュレートするために、使用しうる。トリミング曲線を定義する情報は、例えば、長さ、曲率、角度、配向、及びトリミング曲線を定義することが可能なその他任意の適切な情報を含みうる。この例において、情報は、ライブラリ内の事前トリムされたスポットからは独立しており、事前トリムされたスポットは、適応アパーチャを制御するために使用されない。むしろ、最良の線量分布を生成する情報は、適応アパーチャを制御するコンピューティングシステムによって受け取られ、その情報は葉状構造及び／またはキャリッジの位置に変換される。前述のように、いくつかの実装例において、ＴＰＰは、所望の線量分布を達成することができるように、モンテカルロ最適化プロセス、ペンシルビームに基づく最適化プロセスまたはその他任意の適切な最適化プロセスを採用しうる。
【００７９】
いくつかの実装例において、処置計画の間、ＴＰＰは最適化プロセスのようなプロセスを実行し、ＴＰＰは、スポット半径及び配向のような、しかしそれらに限定されない情報に基づいて、トリミングを通して生成される異なるスポットの大きさ及び／または形状を定義する。例えば、ＴＰＰは、ターゲット線量分布、またはターゲット線量分布に許容可能な程度まで近い線量分布が達成されるまで、トリムされたスポットについての線量分布を反復してシミュレートするための情報を使用しうる。大きさ及び形状を識別する情報は、本明細書で説明されるようなスポット半径及び／もしくは配向を識別する情報、またはその他任意の適切な識別情報を含みうる。この例において、情報は、ライブラリ内の事前トリムされたスポットとは独立しており、事前トリムされたスポットは、適応アパーチャを制御するためには使用されない。むしろ、最良の線量分布を生成する情報は、適応アパーチャを制御するコンピューティングシステムによって受け取られ、その情報は葉状構造及び／またはキャリッジ位置に変換される。前述のように、いくつかの実装例において、ＴＰＰは、所望の線量分布を達成することができるように、モンテカルロ最適化プロセス、ペンシルビームに基づく最適化プロセス、またはその他任意の適切な最適化プロセスを採用しうる。
【００８０】
いくつかの実装例において、処置計画の間、ＴＰＰは、最適化プロセスなどの、ＴＰＰが、処置を実行するために適応アパーチャの葉状構造及び／またはキャリッジの移動を定義するプロセスを実行する。すなわち、ＴＰＰは、適応アパーチャの幾何形状、構造及び能力を知っており、この知識を処置計画を最適化するために利用する。例えば、ＴＰＰは、ターゲット線量分布またはターゲット線量分布に許容可能に近い線量分布をが達成されるまで、トリムされたスポットについて線量分布を反復してシミュレートするためにその情報を使用しうる。ターゲット線量分布に最も近い葉状構造及び／またはキャリッジの位置は、ＴＰＰによって、適応アパーチャの構成を制御する制御／コンピューティングシステムに提供される。この例において、葉状構造及び／またはキャリッジの移動を識別する情報は、ライブラリ内の事前トリムされたスポットとは独立しており、事前トリムされたスポットは、適応アパーチャを制御するためには使用されない。むしろ、情報は、適応アパーチャを制御する制御／コンピューティングシステムによって受け取られ、その情報は、適応アパーチャの葉状構造及び／またはキャリッジを位置決めするのに使用される。前述のように、いくつかの実装例において、ＴＰＰは、所望の線量分布を達成することができるように、モンテカルロ最適化プロセス、ペンシルビームに基づく最適化プロセス、またはその他任意の適切な最適化プロセスを採用しうる。
【００８１】
一般に、ＴＰＰは、適応アパーチャを制御するための情報を含む適切な線量分布を決定した後、ＴＰＰは、その情報を粒子治療（またはその他の放射線治療）システムのための制御システム（例えば、１つまたは複数のコンピュータ）に提供する。いくつかの実装例において、ＴＰＰから提供された情報は、線量分布を実装するために使用されることとなるライブラリ内のスポットを識別し、これらのスポットが、各スポットの送達の時に照射ターゲットのどこに形成されるべきであるか／どこに適用されるべきであるかを指示する。いくつかの実装例において、ＴＰＰから提供された情報は、線量分布を実装するために使用されることとなるスポットの大きさ及び形状を識別し、これらのスポットが、各スポットの送達の時に照射ターゲットのどこに形成されるべきであるか／どこに適用されるべきであるかを指示する。大きさ及び形状を識別する情報は、本明細書で説明されるようなスポットの半径及び／もしくは配向を識別する情報、またはその他任意の適切な識別情報を含みうる。いくつかの実装例において、ＴＰＰから提供された情報は、適応アパーチャによって生成されることとなるトリミング曲線を識別する。いくつかの実装例において、ＴＰＰから提供された情報は、適応アパーチャに関して特定される葉状構造及び／またはキャリッジ位置を含む。
【００８２】
制御システムは、ターゲット線量分布またはターゲット線量分布に許容可能に近い線量分布を得るのに必要な適応アパーチャの構成を決定するために、ＴＰＰから受け取った情報を使用する。一例において、トリムされたスポットを生成するのに必要な適応アパーチャの構成を特徴づける情報は、対応する事前トリムされたスポット（例えばその半径及び配向）を定義する情報と関連付けられうる（例えばインデックスされうる）。制御システムは、適応アパーチャの構成を特徴づける情報を得て、その情報を、スポットが各スポットの送達の時にどこに適用されるべきであるかを識別する情報とともに、粒子加速器及び適応アパーチャの動作を制御するために使用する。すなわち、スポットが各スポットの送達の時にどこに適用されるべきであるかを示す情報は、ビーム出力及び方向を制御するために使用される。適応アパーチャの構成を特徴づける情報は、ターゲット線量分布を達成することができるように、適切なときに適応アパーチャを構成するように使用される。一例において、トリミング曲線を生成するのに必要な適応アパーチャの構成を特徴づける情報は、ＴＰＰから受け取られたその曲線の形状から得られうる。一例において、適応アパーチャの構成を特徴づける情報は、葉状構造の形状及び／またはキャリッジ位置において、ＴＰＰから直接受け取られうる。
【００８３】
動作時には、各トリムされたスポットについて、適応アパーチャは、適切なスポットサイズ及び形状を達成するように構成される。例えば、適応アパーチャの葉状構造は、特定の位置についてのスポットと等しい、または近いトリムされたスポットを生成するために、必要に応じて伸長され、または引き込まれる。いくつかの実装例において、適応アパーチャの葉状構造の位置、したがってその動きは、照射ターゲットの所定のアイソセンターに対して決定される。葉状構造の移動は、各スポットについて必要な構成に従って制御システムによって命令される。一次及び／または二次キャリッジの移動も、必要に応じて、葉状構造の移動に加えて、または葉状構造の移動の代わりに命令されうる。説明されたように、いくつかの実装例において、各スポットの大きさ及び形状はスポットごとに（例えばスポットごとの基準に基づいて）変動してもよく、スポット走査間の適応アパーチャの再構成を必要とする。いくつかの実装例において、適応アパーチャの構成は、スポット走査間で維持され、それによってビームが移動するごとに再構成する必要性を低減する。いくつかの実装例において、例えば、照射ターゲットの層の内部で、トリミングが行われず、例えば適応アパーチャの葉状構造が全て引き込まれうる。いくつかの実装例において、照射ターゲットの層の内部を含んで、例えばターゲット線量分布を達成するために１つまたは複数のスポットエッジを定義するためにトリミングが実行される。
【００８４】
本明細書で説明されるように、処置は、照射ターゲットの層ごとに実行されうる。層は、粒子ビームのエネルギーを変更することにより到達されてもよく、より高いエネルギーのビームは貫通して（ビーム源に対して）より深い層に到達する。本明細書で説明されるように、粒子ビームのエネルギーは、粒子ビームの経路内に１つまたは複数の平板を移動することによって、可変エネルギー加速器を用いてビームのエネルギーを変更することによって、またはその組み合わせによって変更されうる。
【００８５】
いくつかの実装例において、適応アパーチャは、単一のスポット、処置される層の一部、処置される層の全体、またはその層についての放射フィールド全体をトリムしうる。すなわち、適応アパーチャは、フィールドまたは層内の個別のスポットまたは一組のスポットよりも多くトリムするために使用されうる。例えば、適応アパーチャは、各層について、またはその層についてのフィールドについて、別個に構成されうる。これに関して、図３３は、層１７０１、１７０２を含む、処置されるいくつかの層を有する照射ターゲット１７００の側面図を示している。図１から７も参照すると、適応アパーチャは、層１７０２をトリムするように構成されうる。そして、適応アパーチャは、層１７０１をトリムするように構成されうる。それぞれの場合において、適応アパーチャの構成を層について適切な構成に変更するために、適切な葉状構造が伸長されまたは引き込まれてもよく、１つまたは複数のキャリッジが適切な位置に移動されてもよい。ＴＰＰは、各層について実行されることとなるトリミングを定義するために適切な最適化を実行しうる。
【００８６】
いくつかの実装例において、適応アパーチャは、照射ターゲットの全ての層についてＴＰＰによって生成された曲線をトリムしうる。より具体的には、いくつかの実装例において、最適化された処置計画は、照射ターゲットの異なる層（例えば深さ）について異なるトリミングを必要としない場合がありうる。すなわち、単一のトリミング曲線（アパーチャがトリミング曲線でありうる）は、層が異なる断面形状を有していたとしても、照射ターゲットの全ての層について構成され、使用されうる。例えば、図３４において、層１８０１、１８０２は異なる幅を有する。ＴＰＰは、層の両方をトリミングすることが可能な最適化されたトリミング曲線を生成しうる。例えば、図３４に示されるように、トリミング曲線１８０４は、照射ターゲットのより幅広い層（例えば１８０２）のエッジをトリムし、より狭い層（例えば１８０１）で生成されたガウシアンプロット１８０６（逆ガウシアン曲線として示されている）のテールエッジ１８０７のみをトリムしうる。ＴＰＰは、照射ターゲットを所定の形状及び体積のボクセルに分割することによって、そして最適化されたトリミング曲線が決定されるまでボクセルについてパラメータを反復して調整することによって、最適化されたトリミング曲線を生成しうる。例えば、各ボクセルについて、ＴＰＰは、スポットの重み、位置、大きさ、形状などのパラメータを選択し、ターゲット線量分布が照射ターゲットにわたって得られるまで、またはターゲット線量分布の特定の許容範囲内の線量分布が照射ターゲットにわたって得られるまで、これらのパラメータを通して反復する。最適化された線量分布が決定された後、ＴＰＰは、決定された線量分布に基づいて、照射ターゲットの各層に最もフィットするトリミング曲線を決定しうる。
【００８７】
より具体的には、一例において、ＴＰＰは、各層について決定された線量分布を調べ、これらの線量分布に基づいて、全ての層について最も適切な単一のトリミング曲線を選択する。例えば、いくつかの実装例において、トリミング曲線は、照射ターゲットの各層の不規則なパターンに対応するように構成されうる。トリミング曲線の大きさ及び形状の選択はまた、照射ターゲットの内側または照射ターゲットの外側の構造に基づきうる。例えば、異なる外側の構造は、それ以外の放射線の露出に対してより許容範囲が大きくなりうる。トリミング曲線は、そのような許容範囲に対応するように構成されうる。
【００８８】
説明したように、いくつかの実装例において、ＴＰＰは、制御システムに対し、図３４のトリミング曲線の仕様を提供する。仕様は、例えば、照射ターゲット内のアイソセンターなどの既知の点に対するトリミング曲線の形状及び位置を含みうる。一例において、制御システムは、ＴＰＰによって提供される仕様に適合するトリミング曲線を生成するように適応アパーチャを構成する。この例において、適応アパーチャは、連続する層を処置するために再構成されず、そのためあらかじめ構成された（そして適応性／再構成可能ではない）アパーチャまたはその他の適切な構造を模倣する。
【００８９】
前述の例において、同じトリミング曲線が、処置される各層について使用される。これは、適応アパーチャが従来のＴＰＰと共に使用されることを可能にするため、有利でありうる。より具体的には、いくつかの従来のＴＰＰは、所定のアパーチャとともに動作するように構成され、従来のアパーチャは静的（例えば非適応型）構造または放射線が中断されずに通過する穴を生成する構造である。適応アパーチャを、処置全体を通して同じ構成を維持するように構成することによって、適応アパーチャは、前述の種類の従来のＴＰＰと共に使用可能である。
【００９０】
前述の例示的な実装例において、ＴＰＰは、スポットの重み、位置、大きさ、形状などのパラメータを選択し、ターゲット線量分布が照射ターゲットにわたって得られるまで、これらのパラメータを通して反復する。いくつかの例示的な実装例において、ＴＰＰは、ターゲット線量分布を得る場合に適応アパーチャの構成についての知識を有さず、または適応アパーチャの構成を考慮しない。むしろ、ＴＰＰによって提供される仕様は、線量分布に基づいて適切なトリミング曲線を達成することができるように、例えば葉状構造を伸長または引き込み、キャリッジを移動するなど、適応アパーチャの構成を制御するための制御システムによって解釈される。
【００９１】
説明したように、いくつかの実装例において、ＴＰＰは、ターゲット線量分布を得る場合に適応アパーチャの構成についての知識を有し、適応アパーチャの構成を考慮する。例えば、ＴＰＰは、適応アパーチャ内の葉状構造の数、各葉状構造の寸法及び形状、葉状構造の相対的な位置、キャリッジの数、キャリッジをどのように動かすかなどを知りうる。この情報は、照射ターゲットについて最適化された線量分布を決定する場合に、例えばスポットの重み、スポットの位置、スポットの大きさ、スポットの配向、及び／またはスポットの形状に従って考慮されうる。ＴＰＰは、この情報を、送達されたスポットのそれぞれに対応する適切な葉状構造の位置を決定する際に使用しうる。すなわち、ＴＰＰは、適応アパーチャの葉状構造の本当の幾何形状及び移動の制限についての知識を有しており、直接的にその最適化の計算にその幾何形状を含む。次いで、ＴＰＰは、スポットごとに葉状構造及び／またはキャリッジの正確な位置についての規定を生成する。そのため、この例において、ＴＰＰによって制御システムに提供される仕様は、適応アパーチャを構成するために使用される情報を含む。例えば、仕様は、適応アパーチャの葉状構造及び／またはキャリッジの構成を含みうる。いくつかの実装例において、適応アパーチャの構成の異なるセットが、必要に応じて、照射ターゲットの各層について、または照射ターゲット上のスポットについて提供されうる。この例において、ＴＰＰによって提供される適応アパーチャについての構成情報（例えば葉状構造の構成の情報を含む）が、生成されるトリミングを定義するため、トリミング曲線自体についての情報はＴＰＰによって提供される必要はない。
【００９２】
例示的な実装例において、ＴＰＰは、異なるスポット形状を定義する情報（例えばライブラリまたはその他から得られた）を用いて、また既知の適応アパーチャ（例えば葉状構造）の構成を用いて、モンテカルロ最適化またはペンシルビーム最適化などの最適化プロセスを実行する。例示的な最適化プロセスにおいて、既知の粒子ビームについて、ＴＰＰは、結果的に得られる線量を得るために、ビームの形状及び適応アパーチャ構成の異なる組合せを通して反復し、結果的に得られた線量を（考慮された領域についての）ターゲット線量と比較しうる。結果的に得られる線量が、ターゲット線量から、定義された量よりも逸脱すると、スポット形状及び適応アパーチャ構成の異なる組合せが選択され、最適化が達成される（例えば、結果的に得られる線量がその領域についてのターゲット線量と適合する、またはターゲット線量に対して定義された許容範囲内になる）まで、プロセスが繰り返される。
【００９３】
いくつかの実装例において、ＴＰＰは逆計画プロセスの線量及び線量制限に基づいてビームスポットの形状を選択する。いくつかの実装例において、スポットの形状及び大きさの選択は、事前トリムされたスポットの特徴を定義する情報を含む、本明細書で説明されたライブラリ内で定義されたスポットに基づきうる。いくつかの実装例において、スポット形状及び大きさの選択は、事前トリムされたスポットの特徴を定義する情報を含む本明細書で説明されたライブラリ内で定義されたスポットとは独立でありうる。例えば、ＴＰＰは、任意の適切な形状を有するスポットを生成するために、（葉状構造及び／またはキャリッジを含む）適応アパーチャを構成しうる。換言すれば、ＴＰＰは、粒子治療システムの能力とともにプログラムされてもよく、腫瘍などの照射ターゲットについての処置計画とともにプログラムされてもよい。この情報が与えられると、ＴＰＰは、所望の処置を達成するために、任意の適切な方法で粒子ビームをトリミングすることによって、スポット形状及び大きさを生成するように適応アパーチャに命令しうる。適応アパーチャによって生成されるトリミングは、この例ではライブラリから所定のスポットを生成することに限定されない。
【００９４】
いくつかの実装例において、ＴＰＰは、逆計画プロセスの線量及び線量制限に基づいてビームスポットの形状を選択する。複数の処置スポットの位置決定及び形状を記述する放射線計画は、線量マップを放射線計画に変換する計画ソフトウェアを用いて臨床医によって準備された線量マップを参照して構築されうる。線量マップは、例えば、グラフィック端末を用いて患者の体積内の異なる領域におけるターゲット（例えば所望の）線量を定義するために、患者の１つまたは複数のＣＴ画像を臨床医が見て、準備されうる。ターゲット線量を達成するためにどのスポットを処置領域に適用するかを決定するために最適化プロセスが実施されうる。
【００９５】
図３７は、例えばＴＰＰによって実施されうる最適化プロセス２１００の例を示している。プロセスは、１つまたは複数の非一時的機械可読媒体に保存されたコンピュータプログラムとして実装されうる。命令は、図３７に示された動作を実装するために、１つまたは複数の処理デバイス（例えばマイクロプロセッサ）において実行されうる。これについて、図３７のプロセスは、スポット、強度、処置領域などの物理的エンティティの点で定義されているが、図３７のプロセスは、これらの物理的エンティティについて実施されるのではなく、むしろこれらの物理的エンティティを表し、これらの物理的エンティティ及び相互作用をモデル化するデータを用いて実行される。したがって、図３７の説明及び添付図面は、エンティティ自体（例えばスポット、処置領域など）を指しているが、（モデリング及び最適化プロセスがコンピュータ上で実行され、本明細書において説明されたような治療システムを用いて後で実装される処置計画を出力する際に）エンティティの名前は実際にはこれらのエンティティを記述するデータについての省略表現である。
【００９６】
最適化プロセスは、粗いビームセットを最適化する段階（２１０１）を含む。図３８を参照すると、この例において、この動作（２１０１）は、最小ターゲット線量２２０２及び最大ターゲット線量２２０１を得る段階を含む。一例において、最小目標は、腫瘍などの処置領域２２０４に印加されることとなる最小線量である（例えば、処置領域の９８％にわたって所望の線量の９８％）。最大目標は、処置領域の外側の、例えば、正常な組織や、臓器などの重要な構造に印加されることとなる線量の最大量である。いくつかの実装例において、線量は、単一の走査（例えばターゲット蓄積線量の一部）に関するものでありえ、いくつかの実装例では、線量はターゲット蓄積線量でありうる。
【００９７】
最小線量及び最大線量は、例えば様々な因子に基づいて前述のように臨床医によって決定されうる。一組のガウシアンスポット（この例において、図３９のスポットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥ）を定義するデータは、処置領域におけるこれらのスポットの放射線の効果をモデル化するために使用される。スポットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥは、どのスポットが、最小目標及び最大目標の制約が与えられた処置領域に処置を提供するか、例えば最小目標を達成するが最大目標を超過しない最も近いスポットの初期推定を構成する。しかし、この点において、これらの目標は実際には合致しない場合がありうる。この段階（粗いビームセット）において、スポットは、図３９に画像的に示されるように、同じ、またはほぼ同じ強度を有する。いくつかの実装例において、異なる粗いスポットのセットが選択され、これらの用途の結果がモデル化されうる。ターゲット線量を最も近く近似するセットは、粗いセットとして選択されるセットでありうる。例えば、ターゲット線量分布の定義されたパーセンテージ内であるセットが選択されてもよく、ターゲットパーセンテージは、任意の適切なパーセンテージ、例えば５％、１０％、１５％、２０％などである。
【００９８】
最適化プロセスは、ターゲット線量をさらに近似するためのスポット強度最適化を実施する段階（２１０２）を含む。この例において、スポット強度最適化は、（例えば、処置領域の位置、正常な組織の位置、重要な構造の位置、及びその他の適切な基準に基づいて）、どのスポットが、最小目標及び最大目標などの制限が与えられた強度において増加されるべきか、または減少されるべきか、を識別する段階を含む。図３９及び４０を参照すると、この例において、最適化プロセスは、スポットＥが処置領域２２０４の縁にあり、処置領域のもっとも外側であると認識する。したがって、最適化プロセスは、スポットＥの強度を（例えば、最大目標またはそれ以下のあるレベルまで）減少させる。これは、スポットＥがスポットＡ、Ｂ、Ｃ及びＤに対して大きさ及び／または形状を減少されることによって、図４０に視覚的に示されている。この最適化は、必要に応じて複数のスポットについて実行されてもよく、モデル化された線量をターゲット線量に近づける。いくつかの実装例において、異なるビーム強度が選択されてもよく、それらの用途の結果がモデル化されてもよい。適切な位置においてターゲット線量を最もよく近似するビーム強度が、選択されるビーム強度でありうる。
【００９９】
最適化プロセスは、処置領域内の１つまたは複数の遷移領域内（例えば遷移領域に影響を与える）のスポットを特定する段階（２１０３）を含む。例えば遷移領域は、処置領域の縁２２０５でありえ、遷移領域におけるスポットは、スポットＤ（線２２０６によって示されているような）を含みうる。特に、遷移領域は処置領域の縁だけである必要はない。本明細書で説明されるように、遷移領域は処置領域の内側の位置にあってもよく、線量プロファイル、処置領域内の重要な構造の位置、処置される腫瘍の形状、及びその他適切な因子に依存してもよい。
【０１００】
最適化プロセスは、遷移領域における１つのスポット（または複数のスポット）を、代替的な形状の１つまたは複数のスポットで置き換える段階（２１０４）を含む。いくつかの実装例において、図４１を参照すると、この動作は、遷移領域におけるスポットＤを、ターゲット線量分布を最もよく近似するライブラリからの事前トリムされたスポットで置き換える段階を含む。例えば、図４２は、ライブラリ内の事前トリムされたスポットの例の側面図を（例えばガウシアンまたはガウシアンからトリムされたスポット内の陽子の分布を示す側面図とともに）示している。スポット２４０１のような適切なスポットが選択され、スポットＤについて置き換えられ、置き換えられたスポットＤ’は（この場合）図４１に示される形状を有することとなる。いくつかの実装例において、異なる形状のスポットがライブラリから選択され、それらの適用の結果がモデル化されうる。適切な位置におけるターゲット線量を最もよく近似する事前トリムされたスポットが、使用のために選択されうる。動作２１０１から２１０４は必要に応じて、異なる処置領域及び単一の処置領域内の異なる位置について繰り返されうる。
【０１０１】
いくつかの実装例において、動作２１０４は、ライブラリからの事前トリムされたスポットの使用を含まない。その代わりに、動作２１０４は、照射ターゲットに適用されることとなる所望の処置並びに、適応アパーチャの葉状構造及びキャリッジが１つまたは複数のトリミング曲線を生成するために動くことができる方法を含むがそれらに限定されない情報に基づいて、スポット形状を定義する段階を含みうる。１つまたは複数のスポットの構成は、リアルタイムで定義されてもよく、いくつかの実装例では事前定義されていない。スポットは、各スポットについての半径及び／もしくは配向の情報を単独で、またはスポットの大きさ及び形状を特定するために使用可能なその他任意の適切な情報と組み合わせて使用して定義されうる。これについて、いくつかの実装例において、リアルタイムは、連続的に、または時間内に互いにトラックして、処理、データ送信、ハードウェアなどに関する遅延を考慮して生じるアクションを含みうる。
【０１０２】
最適化プロセスは、処置領域にどのスポットを適用するかについて定義する情報を出力する（２１０５）。スポットのいくつかはトリムされておらず（例えばスポットＡ、Ｂ、Ｃ）、この場合強度及びその他の適切な情報のみが治療制御システムに提供される。トリムされたスポット（例えばスポットＤ）については、これらはライブラリからのスポットに整合し、これらの事前トリムされたスポットを特定する情報が制御システムに出力される。事前トリムされたスポットを採用しない実装例については、スポットの大きさ及び形状を特徴づける情報が使用されうる。本明細書で説明されるように、これらのスポットの形状を定義するライブラリ内の情報は、適応アパーチャの構成にインデックスされ、またはそうでなければ関連付けられる。したがって、この情報は制御システムによって得られ、必要に応じて、これらのスポットを形成するために適応アパーチャを制御するために使用される。強度変調されたスポットについては、これらのスポットについての情報も出力され、適切な強度でスポットを生成するために使用される。いくつかの実装例において、強度変調スポットも、所望の強度に従って変調された事前トリムされたスポットでありうる。
【０１０３】
前述のように、トリミング曲線は、アパーチャ、例えば１つもしくは複数の曲線または照射ターゲットに通過する放射線の程度を制限する穴を定義しうる。いくつかの実装例において、トリミング曲線は単純に照射ターゲットのスポットまたはフィールドの縁を定義する直線または曲線でありうる。例えば、図３５を参照すると、層１９０１は、複数の内部トリミング曲線１９０２から１９０５を含んでもよく、これらのいずれも閉曲線ではない。
【０１０４】
図３６は、適応アパーチャのどのような構成が図１７のプロセスに適合するかを示している。動作２００１及び２００２以外、図３６の動作は図１７のものと同じである。この例において、層選択プロセスの一部として、またはその前に、粒子治療システムの制御システムは、ＴＰＰから、照射ターゲットに関する線量分布に基づく情報を受信し（２００１）、以下の動作の少なくとも１つを実行することによって適応アパーチャを構成する（２００２）：（Ａ）粒子ビームのスポットが、受信した情報に基づいて特性が得られる事前トリムされたスポットを近似するように粒子ビームのスポットをトリムするために、構造を動かすこと、（Ｂ）受信された情報に含まれる異なる層についてのトリミング曲線の仕様に基づいて照射ターゲットの各層についてトリム曲線を生成するために構造を動かすこと、（Ｃ）受信された情報に含まれる単一のトリミング曲線の仕様に基づいて、照射ターゲットの全ての放射フィールドについて単一のトリミング曲線を生成するために構造を動かすこと、または（Ｄ）受信された情報内の構造についての構成情報に基づいて、照射ターゲットの放射フィールドについてのトリミング曲線を生成するために構造を動かすこと。
【０１０５】
本明細書で説明されるように、いくつかの実装例において、構造は、ビーム経路内に、またはビーム経路の外に移動される葉状構造体でありうる。いくつかの実装例において、図３６のプロセス２０００は、適応アパーチャ以外のデバイスで実装されうる。必要に応じて、前述の動作（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）または（Ｄ）の任意の２つ以上が、全体的にまたは部分的に、組み合わされ、または一緒に使用されうる。
【０１０６】
また本明細書には、陽子またはイオン粒子治療システムのような粒子加速器システムの一例が説明され、これは、図１から７、２９及び３０の適応アパーチャを採用し、本明細書で説明されるようにＴＰＰからの情報に従ってこれらの適応アパーチャを構成しうる。例示的な粒子治療システムは、ガントリー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、患者内のいかなる任意の処置領域に対しても粒子加速器からの粒子ビームを当てることができるように、以下により詳細に説明されるように、加速器を患者位置の周りに回転可能にする。いくつかの実装例において、ガントリーは鋼鉄であり、患者の両側に位置する２つの各ベアリング上で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、患者が横たわる処置領域にわたるのに十分な長さの、ガントリーの回転脚部の両端に取り付けられた鋼鉄製トラスによって支持される。ガントリーが患者の周囲を回転する結果として、粒子加速器も回転する。
【０１０７】
例示的な実装例において、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それぞれ伝導するために１つまたは複数の超伝導コイルを保持するクライオスタットを含む。一例において、クライオスタットは、各コイルを超伝導温度、例えば４ケルビン（Ｋ）に維持するために液体ヘリウム（Ｈｅ）を使用する。磁気ヨークまたはより小さな磁極片が、クライオスタット内に配置され、粒子が加速されるキャビティの形状を画定する。磁気シムは、磁気ヨークまたは磁極片を通過して、キャビティ内の磁場の形状及び／または強度を変化させうる。
【０１０８】
この例示的な実装例において、粒子加速器は、キャビティ内にイオン化プラズマ柱をもたらすための粒子源（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、プラズマ柱を生成する。電圧源は、キャビティに高周波（ＲＦ）電圧を提供し、粒子のパルスをプラズマ柱からキャビティ内へ加速する。キャビティ内の磁場は、粒子がキャビティ内部の軌道上を移動するような形状とされる。磁場は、本明細書で説明されるように、例えば少なくとも４テスラでありうる。
【０１０９】
言及したように、一例において、粒子加速器はシンクロサイクロトロンである。したがって、ＲＦ電圧は、粒子をプラズマ柱から加速する際に粒子に対する相対論的効果（例えば粒子の質量の増加）を考慮して周波数のある範囲にわたって掃引される。超伝導コイル内を流れる電流によって生じた磁場は、キャビティの形状とともに、プラズマ柱から加速された粒子をキャビティ内の軌道上で加速させる。他の実装例において、シンクロサイクロトロン以外の粒子加速器が使用されうる。例えば、サイクロトロン、シンクロトロン、線形加速器などが、本明細書で説明されたシンクロサイクロトロンと置き換えられうる。
【０１１０】
例示的なシンクロサイクロトロンにおいて、磁場再生器（「再生器」）が、キャビティ内部の既存の磁場を調整するためにキャビティの外側の近く（例えばその内側エッジ）に配置され、それによって、プラズマ柱から加速された粒子の連続的な軌道の位置（例えばピッチ及び角度）を変化させ、最終的に、粒子は、クライオスタットを通過する引き出しチャネルに出力される。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てもよく（例えばキャビティ内のある領域において約２テスラの磁場「バンプ」を生じてもよく）、それにより、その点において粒子の連続的な軌道のそれぞれを、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口に向かって外側方向に摂動させる。引き出しチャネルは、プラズマ柱から加速された粒子をキャビティから受け取り、受け取った粒子をキャビティから粒子ビームとして出力する。
【０１１１】
超伝導（「主」）コイルは、相対的に高い磁場を発生することができる。主コイルによって生成される最大磁場は、４Ｔから２０Ｔの範囲内またはそれ以上でありうる。例えば、主コイルは、以下の強度、４．０Ｔ、４．１Ｔ、４．２Ｔ、４．３Ｔ、４．４Ｔ、４．５Ｔ、４．６Ｔ、４．７Ｔ、４．８Ｔ、４．９Ｔ、５．０Ｔ、５．１Ｔ、５．２Ｔ、５．３Ｔ、５．４Ｔ、５．５Ｔ、５．６Ｔ、５．７Ｔ、５．８Ｔ、５．９Ｔ、６．０Ｔ、６．１Ｔ、６．２Ｔ、６．３Ｔ、６．４Ｔ、６．５Ｔ、６．６Ｔ、６．７Ｔ、６．８Ｔ、６．９Ｔ、７．０Ｔ、７．１Ｔ、７．２Ｔ、７．３Ｔ、７．４Ｔ、７．５Ｔ、７．６Ｔ、７．７Ｔ、７．８Ｔ、７．９Ｔ、８．０Ｔ、８．１Ｔ、８．２Ｔ、８．３Ｔ、８．４Ｔ、８．５Ｔ、８．６Ｔ、８．７Ｔ、８．８Ｔ、８．９Ｔ、９．０Ｔ、９．１Ｔ、９．２Ｔ、９．３Ｔ、９．４Ｔ、９．５Ｔ、９．６Ｔ、９．７Ｔ、９．８Ｔ、９．９Ｔ、１０．０Ｔ、１０．１Ｔ、１０．２Ｔ、１０．３Ｔ、１０．４Ｔ、１０．５Ｔ、１０．６Ｔ、１０．７Ｔ、１０．８Ｔ、１０．９Ｔ、１１．０Ｔ、１１．１Ｔ、１１．２Ｔ、１１．３Ｔ、１１．４Ｔ、１１．５Ｔ、１１．６Ｔ、１１．７Ｔ、１１．８Ｔ、１１．９Ｔ、１２．０Ｔ、１２．１Ｔ、１２．２Ｔ、１２．３Ｔ、１２．４Ｔ、１２．５Ｔ、１２．６Ｔ、１２．７Ｔ、１２．８Ｔ、１２．９Ｔ、１３．０Ｔ、１３．１Ｔ、１３．２Ｔ、１３．３Ｔ、１３．４Ｔ、１３．５Ｔ、１３．６Ｔ、１３．７Ｔ、１３．８Ｔ、１３．９Ｔ、１４．０Ｔ、１４．１Ｔ、１４．２Ｔ、１４．３Ｔ、１４．４Ｔ、１４．５Ｔ、１４．６Ｔ、１４．７Ｔ、１４．８Ｔ、１４．９Ｔ、１５．０Ｔ、１５．１Ｔ、１５．２Ｔ、１５．３Ｔ、１５．４Ｔ、１５．５Ｔ、１５．６Ｔ、１５．７Ｔ、１５．８Ｔ、１５．９Ｔ、１６．０Ｔ、１６．１Ｔ、１６．２Ｔ、１６．３Ｔ、１６．４Ｔ、１６．５Ｔ、１６．６Ｔ、１６．７Ｔ、１６．８Ｔ、１６．９Ｔ、１７．０Ｔ、１７．１Ｔ、１７．２Ｔ、１７．３Ｔ、１７．４Ｔ、１７．５Ｔ、１７．６Ｔ、１７．７Ｔ、１７．８Ｔ、１７．９Ｔ、１８．０Ｔ、１８．１Ｔ、１８．２Ｔ、１８．３Ｔ、１８．４Ｔ、１８．５Ｔ、１８．６Ｔ、１８．７Ｔ、１８．８Ｔ、１８．９Ｔ、１９．０Ｔ、１９．１Ｔ、１９．２Ｔ、１９．３Ｔ、１９．４Ｔ、１９．５Ｔ、１９．６Ｔ、１９．７Ｔ、１９．８Ｔ、１９．９Ｔ、２０．０Ｔ、２０．１Ｔ、２０．２Ｔ、２０．３Ｔ、２０．４Ｔ、２０．５Ｔ、２０．６Ｔ、２０．７Ｔ、２０．８Ｔ、２０．９Ｔ、またはそれ以上の１つまたは複数の、またはそれを越える磁場を発生するために使用されうる。さらに、主コイルは、上に具体的に列挙されていない４Ｔから２０Ｔの範囲内（またはそれ以上、またはそれ以下）の磁場を発生するために使用されうる。
【０１１２】
図８及び９に示される実装例のようないくつかの実装例において、大きな強磁性磁気ヨークは、超伝導コイルによって発生した迷磁場に対する帰還経路として働く。例えば、いくつかの実装例において、超伝導磁石は、例えば４Ｔまたはそれ以上の比較的高い磁場を発生することができ、これはかなりの迷磁場を生じることとなる。図８及び９に示されるもののようないくつかのシステムにおいて、相対的に大きな強磁性帰還ヨーク１００が、超伝導コイルによって発生した磁場に関する帰還経路として使用される。磁気シールドはヨークを取り囲む。帰還ヨーク及びシールドはともに迷磁場を消散させ、それによって迷磁場が加速器の動作に悪影響を及ぼす可能性を低減する。
【０１１３】
いくつかの実装例において、帰還ヨーク及びシールドは、能動帰還システムによって置き換えられ、または増強されうる。例示的な能動帰還システムは、主超伝導コイルを通過する電流とは反対の方向に電流を伝導する１つまたは複数の能動帰還コイルを含む。いくつかの例示的な実装例において、各超伝導コイルについて能動帰還コイルが存在し、例えば２つの能動帰還コイルが存在し、超伝導コイル（「主」コイルと称される）のそれぞれについて１つ存在する。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同心円状に取り囲む超伝導コイルでありうる。
【０１１４】
電流は、主コイルを通過する電流の方向と反対の方向に、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した磁場の極性とは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した磁場は、対応する主コイルから生じる比較的強い迷磁場の少なくともいくらかを消散させることができる。いくつかの実装例において、各能動帰還は、２．５Ｔから１２Ｔまたはそれ以上の磁場を発生させるために使用されうる。例えば、磁場は、２．５Ｔ、２．６Ｔ、２．７Ｔ、２．８Ｔ、２．９Ｔ、３．０Ｔ、３．１Ｔ、３．２Ｔ、３．３Ｔ、３．４Ｔ、３．５Ｔ、３．６Ｔ、３．７Ｔ、３．８Ｔ、３．９Ｔ、４．０Ｔ、４．１Ｔ、４．２Ｔ、４．３Ｔ、４．４Ｔ、４．５Ｔ、４．６Ｔ、４．７Ｔ、４．８Ｔ、４．９Ｔ、５．０Ｔ、５．１Ｔ、５．２Ｔ、５．３Ｔ、５．４Ｔ、５．５Ｔ、５．６Ｔ、５．７Ｔ、５．８Ｔ、５．９Ｔ、６．０Ｔ、６．１Ｔ、６．２Ｔ、６．３Ｔ、６．４Ｔ、６．５Ｔ、６．６Ｔ、６．７Ｔ、６．８Ｔ、６．９Ｔ、７．０Ｔ、７．１Ｔ、７．２Ｔ、７．３Ｔ、７．４Ｔ、７．５Ｔ、７．６Ｔ、７．７Ｔ、７．８Ｔ、７．９Ｔ、８．０Ｔ、８．１Ｔ、８．２Ｔ、８．３Ｔ、８．４Ｔ、８．５Ｔ、８．６Ｔ、８．７Ｔ、８．８Ｔ、８．９Ｔ、９．０Ｔ、９．１Ｔ、９．２Ｔ、９．３Ｔ、９．４Ｔ、９．５Ｔ、９．６Ｔ、９．７Ｔ、９．８Ｔ、９．９Ｔ、１０．０Ｔ、１０．１Ｔ、１０．２Ｔ、１０．３Ｔ、１０．４Ｔ、１０．５Ｔ、１０．６Ｔ、１０．７Ｔ、１０．８Ｔ、１０．９Ｔ、１１．０Ｔ、１１．１Ｔ、１１．２Ｔ、１１．３Ｔ、１１．４Ｔ、１１．５Ｔ、１１．６Ｔ、１１．７Ｔ、１１．８Ｔ、１１．９Ｔ、１２．０Ｔまたはそれ以上でありうる。さらに、能動帰還コイルは、上に具体的に列挙されていない２．５Ｔから１２Ｔの範囲内（またはそれ以上、またはそれ以下）の磁場を発生させるのに使用されうる。
【０１１５】
図１０を参照すると、粒子加速器１０５（図８または９に示された構成を有しうる）の引き出しチャネル１０２の出力において、照射ターゲットの少なくとも一部にわたって粒子ビームを走査するために使用されうる例示的な走査システム１０６がある。図１１も、走査システムの構成要素の例を示している。これらは、走査磁石１０８、イオンチャンバー１０９及びエネルギーデグレーダ１１０を含むがこれらに限定されない。走査システムに組み込まれうる、例えばビームスポットの大きさを変化させるための１つまたは複数の散乱体を含むその他の構成要素は図１１に示されていない。例示的な走査システムは、その構成要素を含め、ガントリーに取り付けられ、ガントリーの移動の際に粒子加速器とともに移動しうる。
【０１１６】
例示的な動作において、走査磁石１０８は、照射ターゲットの処置領域（例えば断面）にわたって粒子ビームを向けるために２次元（例えばデカルトＸＹ次元）で制御可能である。イオンチャンバー１０９はビームの線量を検出し、その情報をビームの動きを調整するための制御システムにフィードバックする。エネルギーデグレーダ１１０は、粒子ビームのエネルギーを変化させ、それによって粒子ビームが照射ターゲットに貫入する深さを変化させるために、粒子ビームの経路内に、または経路の外に材料（例えば１つまたは複数の個別の平板）を移動するように制御可能である。このようにすると、エネルギーデグレーダは、２次元で走査するための照射ターゲットの深さ方向の層を選択する。
【０１１７】
図１２及び１３は、例示的な走査磁石１０８の図を示している。この例示的な実装例において、走査磁石１０８は２つのコイル１１１及び２つのコイル１１２を含み、２つのコイル１１１は粒子ビームの動きをＸ次元で制御し、２つのコイル１１２は粒子ビームの動きをＹ次元で制御する。制御は、いくつかの実装例では、コイルの一方または両方のセットを通る電流を変化させ、それによって生成された磁場を変化させることによって達成される。磁場を適切に変化させることにより、粒子ビームは照射ターゲットにわたってＸ及び／またはＹ次元で動かされることができる。いくつかの実装例において、走査磁石は粒子加速器に対して物理的に動くことができない。別の実装例において、走査磁石は粒子加速器に対して移動可能でありうる（例えばガントリーによってもたらされる動きに加えて）。いくつかの実装例において、走査磁石は粒子ビームを連続的に動かすように制御可能であってもよく、それによって、走査される照射ターゲットまたはその一部（例えば処置領域）の層の少なくとも一部、可能であれば全てにわたって粒子ビームの動きが中断されない。別の実装例において、走査磁石は間欠的に、または特定の回数制御可能である。いくつかの実装例において、Ｘ及び／またはＹ次元における粒子ビームの全てまたは一部の動きを制御するための異なる走査磁石が存在しうる。
【０１１８】
いくつかの実装例において、走査磁石１０８は空気のコアを有しうる。別の実装例において、走査磁石１０８は強磁性体（例えば鉄）のコアを有しうる。一般に、空気のコアを有する磁石は空気などの非強磁性体材料であるコアの周りの磁気コイルを含む。例えば、空気のコアの磁石は、空気を取り囲む自己支持性コイルを含みうる。いくつかの実装例において、空気のコアの磁石は、セラミックまたはプラスチックなどの、空気を含むか含まない場合がありうる絶縁体の周りに巻き付けられたコイルを含みうる。
【０１１９】
いくつかの場合には、空気のコアは、強磁性体コアに対して優位性を有しうる。例えば、粒子ビームがＸ及び／またはＹ次元で動く（例えば偏向される）量は、少なくとも部分的に、磁石に対して印加される電流（「磁石電流」と称される）の量に基づいて決定される。走査磁石は典型的にはある動き（または偏向）の範囲を有し、これは磁石がビームを動かす範囲である。エッジなどのこの範囲の限界では、相対的に高い量のビーム偏向を達成できるように、より大きな量の電流が走査磁石に印加される。強磁性体コアを有するいくつかの種類の走査磁石は、これらの限界において飽和し、電流と磁石の動きとの間に非線形的な関係をもたらしうる。すなわち、磁石によって生じた偏向の量は、磁石に印加された電流の量に線形的に比例しない場合がありうる。この非線形性のために、いくつかの場合では、磁石電流を用いていくつかのビーム位置を決定及び／またはセットすることが困難でありうる。したがって、強磁性コアを有する走査磁石が使用される場合、前述のような非線形性を修正することができるように実行される何らかの較正及び／または補正の必要性が存在しうる。
【０１２０】
対照的に、空気のコアを有する走査磁石は、強磁性コアを有する走査磁石と同じように飽和しない場合がありうる。例えば、空気のコアの磁石は飽和せず、または強磁性コアを有する磁石よりも飽和が小さい場合がありうる。結果的に、電流と磁石の動きとの間の関係は、特に範囲の限界においてより線形的になり、少なくともいくつかの場合において磁石電流に基づくビーム位置の決定をより正確にしうる。この線形性の増大も、特に範囲の限界においてビームのより正確な動きを可能にすることができる。すなわち、空気のコアの走査磁石が使用される場合、電流とビームの動きとの間の関係が、より大きな範囲にわたって一般により線形的であるため、ビームの動きは空気のコアの走査磁石を用いるとより容易に再現可能になりうる。これは、照射ターゲットの深さ方向の層が複数の走査を必要とし、それぞれが合計蓄積放射線線量のある割合を提供しうるため、有利でありうる。空気のコアの走査磁石の使用を通して得られうるものなどの、同じ領域に対する複数の線量の送達の精度は、処置の効率に影響を与えうる。
【０１２１】
電流と磁石の動きとの間の関係が空気のコアの磁石ではより線形的でありうるにもかかわらず、いくつかの場合には、空気のコアの磁石は、強磁性コアを有する磁石よりも迷磁場に対してより影響を受けやすくなりうる。これらの迷磁場は、ガントリーによって発生した走査磁石の動きの間、走査磁石に影響を与えうる。したがって、空気のコアを有する走査磁石を使用するいくつかの実装例において、ビームを動かすために走査磁石に印加される電流は、患者に対する走査磁石の位置を考慮して（または、対応して、ガントリーの位置が患者に対する走査磁石の位置に対応するため、ガントリーの位置を考慮して）較正されうる。例えば、走査磁石の挙動は、ガントリーの異なる回転位置（角度）に対して決定され、または例えば回転位置に基づいてある印加電流を増大し、または減少させることによって、必要に応じて修正されうる。
【０１２２】
いくつかの実装例において、走査磁石は、空気及び強磁性体材料（例えば鉄）の両方からなるコアを有しうる。そのような実装例において、コア内の空気及び強磁性材料の量及び構成は、前述の因子を考慮して決定されうる。
【０１２３】
いくつかの実装例において、電流センサ１１８は、走査磁石１０８に接続され、またはそうでなければ関連付けられうる。例えば、電流センサは、走査磁石と通信するが接続されない場合がありうる。いくつかの実装例において、電流センサは、磁石に印加された電流をサンプリングし、これはＸ次元のビーム走査を制御するためのコイルに対する電流及び／またはＹ次元のビーム走査を制御するためのコイルに対する電流を含みうる。電流センサは、粒子ビーム内のパルスの発生に対応する回数で、またはパルスが粒子ビーム内で発生する早さを超過する早さで、磁石を通過する電流をサンプリングしうる。この場合、磁石電流を特定するサンプルは、以下に説明されるイオンチャンバーによるパルスの検出と相関される。例えば、パルスがイオンチャンバー（後述される）を用いて検出される回数は、電流センサからのサンプルに対して時間的に相関され、それによってパルスの回数で磁石コイル内の電流を特定しうる。磁石電流を用いると、各パルス、及びすなわち粒子の線量が送達された照射ターゲットにおける（例えば照射ターゲットの深さ方向の層における）位置を決定することが可能になりうる。深さ方向の層の位置は、ビーム経路内のエネルギーデグレーダの位置（例えば平板の数）に基づいて決定されうる。
【０１２４】
動作時には、磁石電流の強度（例えば値）は、線量が送達される各位置について、線量の量（例えば強度）とともに保存されうる。加速器上または加速器から離れた場所にありうる、メモリ及び１つまたは複数の処理デバイスを含みうるコンピュータシステムは、磁石電流を照射ターゲット内の座標と相関させてもよく、これらの座標は、線量の量とともに保存されうる。例えば、位置は、深さ方向の層の数及びデカルトＸＹ座標によって、またはデカルトＸＹＺ座標（Ｚ座標に対応する層）によって特定されうる。いくつかの実装例において、磁石電流の強度及び座標の位置の両方が、各位置における線量とともに保存されうる。この情報は、加速器上または加速器から離れた場所にあるメモリ内に保存されうる。本明細書でより詳細に説明されるように、この情報は、ターゲット蓄積線量を達成するために同じ位置に複数の線量を印加するために、走査の間使用されうる。
【０１２５】
いくつかの実装例において、イオンチャンバー１０９は、入射放射線によって引き起こされて気体内に生じたイオン対の数を検出することによって、粒子ビームによって照射ターゲットの位置に印加された線量（例えば１つまたは複数の個別の線量）を検出する。イオン対の数は、粒子ビームによってもたらされた線量に対応する。この情報はコンピュータシステムにフィードバックされ、線量がもたらされた時間とともにメモリ内に保存される。この情報は、前述のように、線量がもたらされた位置及び／またはその時の磁石電流の強度と相関され、または関連付けられて保存されうる。
【０１２６】
以下により詳細に説明されるように、いくつかの実装例において、走査システムはオープンループで実行され、この場合、粒子ビームはターゲットを放射線で実質的にカバーできるように、照射ターゲットにわたって自由に動かされ、中断されない。放射線が送達されると、粒子治療制御システムによって実装される線量測定が、場所ごとの放射線の量及び放射線が送達された位置に対応する情報を記録する（例えば保存する）。放射線が送達された位置は、座標として、または１つもしくは複数の磁石電流値として記録されてもよく、送達された放射線の量は、グレイの単位で線量として記録されてもよい。システムはオープンループで実行されるため、放射線の送達は粒子加速器の動作と（例えばそのＲＦサイクルと）同期されない。しかし、線量測定は、粒子加速器の動作と同期されうる。より具体的には、線量測定は、線量が送達されるごとに（すなわち、可能な所定の技術的限界の許す限り、送達の時間に近い）、送達された各線量の量及び位置を記録する。線量が加速器の動作と同期して送達されるので（例えば、１つのパルスがＲＦサイクルごとに送達される）、いくつかの実装例では、線量及び位置を記録する線量測定は、放射線量のターゲットへの送達と同期して、または実質的に同期して、そのためＲＦサイクルなどの粒子加速器の動作と同期して動作する。
【０１２７】
図１４は飛程変調器１１５を示しており、これはエネルギーデグレーダ１１０の例示的な実装例である。図１４に示されるもののようないくつかの実装例において、飛程変調器は一連の平板１１６を含む。平板は、以下の例示的な材料、炭素、ベリリウムまたは原子番号の小さな別の材料のうち、１つまたは複数の材料からなりうる。しかし、別の材料も、これらの例示的な材料の代わりに、またはこれらに加えて使用されうる。
【０１２８】
平板の１つまたは複数はビーム経路内に、またはビーム経路の外へ動かすことができ、それによって、粒子ビームのエネルギーに影響を与え、照射ターゲット内の粒子ビームの貫入深さに影響を与える。例えば、粒子ビームの経路内へ動かされる平板が多いほど、平板によって吸収されるエネルギーは大きくなり、粒子ビームはより少ないエネルギーを有するようになる。反対に、粒子ビームの経路内に動かされる平板がより少ないほど、平板によって吸収されるエネルギーは小さくなり、粒子ビームはより多くのエネルギーを有するようになる。より高いエネルギーの粒子ビームは、典型的にはより低いエネルギーの粒子ビームよりも照射ターゲット内に深く貫入する。この場合、「より高い」及び「より低い」は相対的な用語を意味しており、いかなる特定の数値的意味も有しない。
平板は、粒子ビームの経路内に、または経路の外に物理的に動かされる。例えば、図１５に示されるように、平板１１６ａは粒子ビームの経路内の位置と粒子ビームの経路外の位置との間を、矢印１１７の方向に沿って移動する。平板は、コンピュータ制御される。一般に、粒子ビームの経路内に動かされる平板の数は、照射ターゲットの走査が行われることとなる深さに対応する。例えば、照射ターゲットは、断面または深さ方向の層に分割可能であり、そのそれぞれは照射深さに対応する。飛程変調器の１つまたは複数の平板は、照射ターゲットのこれらの断面または深さ方向の層のそれぞれを照射するのに適したエネルギーを達成できるように、照射ターゲットへのビーム経路内へ、またはその外へ移動可能である。飛程変調器は、粒子ビームの経路内へ、またはその外へ移動する平板を除いて、照射ターゲットの一部（例えばその断面）の走査の間、粒子ビームに対して静止した状態でありうる。代替的に、図１４及び１５の飛程変調器は、少なくともその時間の一部において、粒子ビームの移動を追跡する飛程変調器と置き換えられてもよく、それによってより小さな平板の使用が可能になる。
【０１２９】
前述の種類の飛程変調器を使用する実装例において、ビーム経路内へ動かされる平板の数は、走査されることとなる照射ターゲットの深さ方向の層を決定／設定する。例えば、２つの平板がビーム経路内へ動かされる場合、１つの平板がビーム経路内へ動かされ、または平板が動かされない場合よりも層が浅くなる。層は、ビーム経路内に動かされる平板の数に基づいて特定され、メモリ内に保存されうる。いくつかの実装例において、平板は、異なる高さを有しうる。そのような実装例では、様々な平板の高さも、どの層が走査されるべきであるか（例えば、粒子ビームがターゲットにどの程度の深さまで貫入するか）に影響を与える。
【０１３０】
いくつかの実装例において、粒子加速器は、可変エネルギー粒子加速器でありうる。可変エネルギー粒子加速器が使用される例示的なシステムにおいて、粒子ビームのエネルギーレベルが粒子加速器によって制御されうるため、本明細書で説明される種類のエネルギーデグレーダの必要性が小さくなりうる。例えば、可変エネルギー粒子加速器を採用するいくつかのシステムにおいて、エネルギーデグレーダは必要でない場合がありうる。可変エネルギー粒子加速器を採用するいくつかのシステムにおいて、エネルギーデグレーダは、ビームエネルギーのレベルを変化させるために依然として使用されうる。
【０１３１】
いくつかの実装例において、処置計画は、照射ターゲットを処置する前に確立される。処置計画は、粒子治療システムの動作を制御するコンピュータシステムにアクセス可能なメモリ内に保存されうる。説明されるように、処置計画は、ＴＰＳ／ＴＰＰから受け取られ、放射線処置が粒子治療システムによってどのようにもたらされるかについての情報を含みうる。例えば、処置計画は、どのような走査が特定の照射ターゲットに対して実行されることとなるかを特定しうる。いくつかの実装例において、処置計画は、ラスター走査が実行されることとなることを特定する。ラスター走査は、照射ターゲットにわたって粒子ビームの中断されない動きを作り出すことを含む。例えば、走査磁石は、照射ターゲットの層の少なくとも一部において、粒子ビームの中断されない動きを作り出すように、照射ターゲットにわたって粒子ビームを連続的に走査する（例えば動かす）ように動く。動きは、照射ターゲットの層全体にわたって、または層の一部のみにわたって中断されない場合がありうる。いくつかの実装例において、ビームは、照射ターゲットの層の全てまたは一部に沿って一定の速度で動かされうる。いくつかの実装例において、ビームが照射ターゲットの層の全てまたは一部に沿って動かされる速度は、変動しうる。例えば、粒子ビームは、層の縁よりも層の内側部分にわたってより速く動きうる。移動の速度は、処置計画において特定されうる。
【０１３２】
いくつかの実装例において、処置計画はまた、照射ターゲットの層上の様々な位置に印加されることとなる放射線（粒子）のターゲット蓄積線量も特定しうる。線量は、粒子の１つまたは複数の線量の印加を通して達成されうるという意味で、蓄積する。例えば、照射ターゲット上の同じ位置（例えばＸＹＺ空間における）が１０回照射されてもよく、各回が、ターゲット蓄積線量を達成するためにターゲット蓄積線量の１０％である。いくつかの実装例において、処置計画は、各位置についての線量、位置、または位置が照射されることとなる回数を特定する必要はない。すなわち、この情報は、いくつかの実装例において処置計画から省略されうる。むしろ、いくつかの実装例において、粒子ビームの強度が、照射の過程ごとに放射線の特定の線量をもたらすように事前に設定されうる。次いで、粒子ビームは、次の位置へ移動するためのフィードバックを必要とすることなく、オープンループで照射ターゲットの層上を走査されうる。粒子ビームが走査されると、ビームの位置が決定され、その位置における対応する線量が決定される。決定は、走査及び送達とほぼ同時に（すなわち、可能な所定の技術的限界の許す限り、送達に近い時間で）行われうる。その位置における蓄積線量は、現在の処置の間にこれまで送達された任意の線量と同様に、現在の線量を含み、処置計画からのターゲット蓄積線量と比較される。２つが合致しない場合、追加的な線量が、後続の走査の間、その位置に印加されうる。どれだけの放射線が走査ごとに１つの位置に送達されることになるかが常に正確にわかるわけではないため、ある位置が走査される回数は事前に設定されない場合がありうる。同様に、走査ごとにある位置に実際に送達される放射線の量には変動がありうるため、走査ごとの正確な放射線量は、必ずしも事前に設定されない。結果的に、いくつかの実装例において、そのような情報は、処置計画に含まれる必要がない。
【０１３３】
いくつかの実装例において、処置計画はまた、１つまたは複数のパターンを含み、それにわたって粒子ビームが層ごとに走査されうる。処置計画はまた、特定のエネルギーレベル／層を達成するために、エネルギーデグレーダの平板の数も特定しうる。別の実装例は、上記で特定されたものに加えて、またはその代わりの情報を含みうる。
【０１３４】
いくつかの実装例において、照射ターゲットの処置計画全体は、照射ターゲットの異なる断面（層）について異なる処置計画を含みうる。異なる断面についての処置計画は、上記でもたらされるもののような同じ情報または異なる情報を格納しうる。
【０１３５】
走査システムは、図１から７、２９及び３０（またはそれらの変形例）の適応アパーチャを含んでもよく、これは照射ターゲットに対して、粒子ビームの範囲を制限するために配置可能であり、それによって、粒子ビームの範囲を制限する。例えば、適応アパーチャは、エネルギーデグレーダのビーム下流側のビーム経路内に、粒子ビームが照射ターゲットの処置領域に衝突する前に配置されうる。適応アパーチャは、粒子ビームの少なくとも一部が通過し、次いで処置領域の特定の部分に衝突することが可能であり、その一方粒子ビームを患者の別の部分に衝突することを防ぐように制御可能である。例えば、適応アパーチャは、粒子ビームが健康な組織に衝突することを防ぎ、または粒子ビームが照射ターゲットの別の部分に衝突することを防ぐように（例えば、ターゲットの特定の部分が、別の部分よりもより多い放射線を受けることとなる場合）制御されうる。適応アパーチャは、説明されるように、照射ターゲットの層に対して内側または外側のトリミングを実行するように制御されうる。図１６は、本明細書で説明された適応アパーチャの患者７７１に対する実装７７０の配置を示している。ビーム７７１ａの方向も示されている。
【０１３６】
注記したように、いくつかの実装例において、走査は、例えば粒子治療システムを制御するコンピューティングデバイスなどの１つまたは複数の処理デバイスを用いて実装されうるオープンループ制御システムによって、オープンループで実行される。この例において、オープンループ走査は、ターゲットを放射線で実質的にカバーするように、照射ターゲットにわたって粒子ビームを動かすことを含む。いくつかの実装例において、移動は、加速器の動作と、例えばＲＦ周波数と同期されず、むしろ加速器が動作する際に加速器の動作とは独立して行われる。例えば、粒子ビームの動きは中断されず、粒子加速器のＲＦサイクルに依存しない場合がありうる。中断されない動きは、照射ターゲットの層の全てまたは一部にわたって生じうる。しかし、本明細書で説明されるように、線量測定は、粒子ビームのパルスの照射ターゲットへの送達と同期されうる。線量測定が粒子ビームのパルスの送達と同期される例において、線量測定は、加速器の動作とも（例えばイオン源プラズマ柱から粒子ビームのパルスを引き出すのに使用されるＲＦ周波数と）同期される。
【０１３７】
粒子ビームの個別の線量（例えば加速器からの個別のパルス）の放射線レベルは、事前に設定されうる。例えば、各個別の線量は、グレイの単位で特定されうる。個別の線量は、照射ターゲット内の位置（例えばＸＹＺ座標）に印加されることとなるターゲット蓄積線量の割合でありうる、またはそれに対応しうる。いくつかの実装例において、個別の線量は、ターゲット蓄積線量の１００％でありえ、結果として、照射ターゲットの位置ごとに単一の放射線線量（例えば、１つまたは複数の粒子パルス）を送達するために、単一の走査のみが必要となりうる。いくつかの実装例において、個別の線量は、ターゲット蓄積線量の１００％よりも少ない場合がありえ、その結果、照射ターゲットに複数回の放射線線量を送達するために同じ位置を複数回走査することが必要になる。個別の線量は、１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、１６％、１７％、１８％、１９％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％またはこれらの値の間の任意の割合などの、ターゲット蓄積線量の任意の適切な割合でありうる。
【０１３８】
走査磁石電流は、照射ターゲットの深さ方向の層を走査するために、処置計画に従って制御されうる。層は、粒子ビームの経路内の飛程補償器から１つもしくは複数のエネルギーデグレーダを適切に配置することによって、及び／または可変エネルギー粒子加速器のエネルギーレベルを設定することによって、選択される。層が走査されると、電流センサが走査磁石に印加される電流をサンプリングする。磁石電流の量が記録され、例えばメモリ内に保存されうる。１つより多くの磁石または磁石コイルが使用される場合、磁石電流の量は、磁石またはコイルの識別子とともに保存されうる。さらに、電流は、照射ターゲット内の座標（例えばデカルトＸＹＺ座標）と相関されてもよく、これらの座標は、対応する磁石電流に加えて、または磁石電流の代わりに保存されうる。前述のように、電流センサは磁石電流をサンプリングし、サンプリング時間を照射線量（例えばパルス）が送達される時間に相関させうる。
【０１３９】
これに関して、イオンチャンバー１０９は、線量が送達される際に照射ターゲットに送達される線量の強度を検出しうる。各線量の強度は、各送達線量の位置とともに記録される（例えばメモリに保存される）。注記したように、各送達線量の位置は、座標、磁石電流によって、またはその他何らかの適切な測定量を用いて保存されうる。注記したように、線量測定（線量の検証）は、線量の送達と、すなわち加速器の出力（これは前述のようにＲＦ周波数に対応する）と同期されうる。したがって、いくつかの実装例において、線量が送達されるごとに、その線量の強度がほとんど瞬時に決定され、線量が印加される位置がほとんど瞬時に決定される。この情報は、１つまたは複数の表（例えば層ごとの１つの表または層ごとの複数の表）、またはその他の適切なコンピュータ保存コンストラクトに保存されうる。
【０１４０】
いくつかの実装例において、表は、追加的な線量が送達されるごとに更新されうる。例えば、表は、各位置に送達された線量の実行追跡を保持しうる。そして、ビーム線量が、第１の走査経路において「Ｘ」グレイである場合、表はある位置に対してＸグレイを記録しうる。第２の走査経路において、表は、ターゲット蓄積線量が達成されるまで、２Ｘグレイなどを記録してもよい。
【０１４１】
これに関して、各位置について、加速器と関連付けられた処理デバイス（例えば、粒子治療システムを制御するコンピュータシステム）は、前述のもののような表からの蓄積線量を、ターゲット蓄積線量と比較しうる。蓄積線量がターゲット蓄積線量と整合する場合、その位置（または層）についての処置は完了したものと考えられる。蓄積線量がターゲット蓄積線量と整合しない場合、追加的な処置が実行される。例えば、層または位置は、表から得られた同じ位置で再び走査される。磁石電流と、空気コアの磁石の使用によって生じたビームの移動との間の線形相関は、容易に繰り返すことができ、比較的正確であり、走査の間、ビームの複数回の通過の間に同じ位置で繰り返して走査することができる。本明細書で説明される適応アパーチャの葉状構造は、前述のように、同じ領域の各走査の間に、わずかに（例えば数分の１ミリメートル、１ミリメートルまたは数ミリメートル）動かされうる。
【０１４２】
走査は、同じ位置で、ターゲット蓄積線量が各位置で達成されるまで任意の適切な回数だけ繰り返されうる。これに関して、層の異なる位置についてのターゲット蓄積線量に依存して、層全体が再び走査されてもよく、層の選択した部分のみが再び走査されてもよい。いくつかの実装例において、粒子ビームの強度は走査の間で変化しない。他の実装例において、具体的にターゲット蓄積線量に到達するために蓄積線量に追加するために小さな線量が必要である場合、粒子ビームの強度は走査と走査の間で変化しうる。線量の強度は、例えばイオン源の動作を変更すること（例えばプラズマイオン化を増加させること）、ＲＦ周波数の掃引を変化させることによって、またはその他任意の適切な方法によって増大または減少されうる。
【０１４３】
注記したように、走査は、層全体について、または層の一部のみについて繰り返されうる。いくつかの実装例において、層全体、またはその一部が、別の層を処置する前に完全に処置されうる。すなわち、走査は、合計蓄積線量が、別の層が処置される前にある層の各位置について達成されるまで、繰り返されうる。いくつかの実装例において、各層は、順に部分的に処置され（例えば１回走査され）、次いで順に再走査されうる。いくつかの実装例において、いくつかの指定された層が、別の層が処置される前に完全に処置されうる。いくつかの実装例において、ターゲット全体が１回走査され、適切な合計蓄積線量が各位置に送達されるまでターゲット全体の連続的な走査が続いて行われうる。適応アパーチャは、各走査について再構成されてもよく、またはその構成は走査の間で不変のままであってもよい。
【０１４４】
層間の移動の際、ビームはオフにされうる。例えば、層間の移動の際、イオン源はオフにされ、それによってビームの出力を妨げうる。層間の移動の際、粒子加速器のＲＦ掃引がオフにされ、それによってビームの引出し（及びすなわち出力）を妨げうる。層間の移動の際、イオン源及び、ＲＦ掃引を作り出す回路の両方が、いくつかの実装例において停止されうる。いくつかの実装例において、層間の移動の際に、イオン源及び／またはＲＦ掃引をオフにするよりもむしろ、ビームはキッカー磁石（図示されない）または走査磁石を用いてビーム吸収材料に向けて偏向されうる。
【０１４５】
照射ターゲットの異なる断面が、異なる処置計画に従って走査されうる。前述のように、エネルギーデグレーダは、走査の深さを制御するために使用される。いくつかの実装例において、粒子ビームは、エネルギーデグレーダの構成の際に遮断され、または方向を変更されうる。別の実装例において、これは必要でない場合がありうる。
【０１４６】
照射ターゲットの断面を処置する例が本明細書で説明される。これらは、粒子ビームの方向に対しておおよそ垂直である断面でありうる。しかし、本明細書で説明される概念は、粒子ビームの方向に対して垂直な断面でない照射ターゲットの別の部分の処置にも等しく適用可能である。例えば、照射ターゲットは球状、立方体、またはその他の形状の体積に区分されてもよく、これらの体積は本明細書で説明された例示的なプロセス、システム及び／またはデバイスを用いて処置されうる。
【０１４７】
図１７は、本明細書で説明される走査プロセスの例示的な実装例を示すフロー図である。図１７のプロセス２００は本明細書で説明されたハードウェアについて説明されるが、プロセス２００は、任意の適切なハードウェアを用いて実行されうる。プロセス２００に示された動作は、示されたのと同じ順序で、または適切な場合には異なる順序で実行されうる。
【０１４８】
プロセス２００によれば、処置計画が保存される（２０１）。処置計画は、前述のような処置計画でありうる。例えば、処置計画は、走査の種類（例えば中断されないラスター走査）及び照射ターゲットの各層における各位置に送達されることとなる放射線の合計蓄積線量を特定しうる。いくつかの実装例において、処置計画は、例えば個別の位置において各層について送達されることとなる線量及びその強度を、各位置に送達される線量の数及び位置の特定とともに省略しうる。いくつかの実装例において、処置計画は、例えば個別の位置における各走査について送達される線量及びその強度を、各位置に送達される線量の数及び位置の特定とともに含みうる。
【０１４９】
エネルギーデグレーダは層を選択する（２０２）ために設定されてもよく、電流が磁石に印加され、層を走査するために例えば処置計画に記述されたパターンに従って粒子ビームを動かす（２０３）ために制御されてもよい。電流制御は、荷電ビームの線量を送達するために照射ターゲットの少なくとも一部にわたってビームの中断されない動きを生じうる。照射ターゲットの層２３３にわたるビームの動き２３０のパターンの例が、図１８に示される。ビームが動くと、ビームの各パルスは、ターゲットに放射線線量を送達する。線量はある強度を有し、これは加速器内で、または走査中に事前に設定されてもよく、特定の位置に送達される。線量が送達されることとなる正確な位置は事前に設定される必要はないが、むしろビームの動きとパルス出力との組み合わせによって到達されうる。
【０１５０】
線量が送達される位置について、情報が保存され（２０４）（またはそうでなければ記録され）、これは位置及びその位置に送達される線量を特定する。この情報は、典型的には線量が送達された後に保存される。前述のように、情報は、粒子ビーム強度（例えば線量）を決定するためのイオンチャンバー及び、線量が送達される位置を決定するための走査磁石上の電流センサを用いて、可能な限り線量の送達に近づけて決定されうる。前述のように、いくつかの実装例において、送達と同期して、照射ターゲットに送達される粒子ビームの線量を特定する情報は、線量が送達された座標または線量が送達された磁石電流の少なくとも１つとともに保存される。また、前述のように、この情報は表に保存されてもよく、これは照射ターゲットの様々な層の位置に印加される放射線の蓄積線量を保存するために使用されうる。
【０１５１】
層全体が走査され、前述のようにそれについての情報が記録されてもよく、または層の一部のみが走査され、それについての情報が記録されてもよい。適応アパーチャは、適応アパーチャが走査動作の間に粒子ビームの動きを追跡することを可能にするような方法で走査システムの適切な位置に取り付けられる。走査の際のある点において、各位置に送達された蓄積線量は、その位置についてのターゲット蓄積線量と比較される。例えば、これは、その位置を含む層の一部が走査された後、層全体が走査された後、一組の層が走査された後、または照射ターゲット内の全ての層が走査された後になされうる。現在の蓄積線量が特定の位置におけるターゲット蓄積線量と整合するかについて判断される（２０５）。現在の蓄積線量が特定の位置におけるターゲット蓄積線量と整合する場合、走査はこの位置について完了する（２０７）。現在の蓄積線量が特定の位置におけるターゲット蓄積線量と整合しない場合、走査システムは、これらの位置における対応するターゲット蓄積線量に対して記録された（例えば現在の蓄積）線量内の不足を補償するために動作される。例えば、現在の蓄積線量が特定の位置においてターゲット蓄積線量と整合しない場合、特定の位置に追加的な線量を送達できるようにビームを動かす（２０６）ことができるように、走査磁石中の電流が制御されうる。
【０１５２】
前述のように、いくつかの実装例において、線量の１００％が層の１回の走査（例えば粒子の１回の送達）の間に印加されうる。この場合、層ごとに１回より多い走査が必要とならない場合がありうる。別の実装例において、線量の１００％未満が１回の走査の際に印加されうる。この場合、層ごとに１回より多い走査が必要でありうる。これを達成するために、走査プロセスによれば、線量が印加される位置について、各位置における現在の蓄積線量が、対応する位置におけるターゲット蓄積線量と整合しない場合、追加的な線量を、より多くの線量を必要とする位置に送達できるようにビームを動かすために、磁石電流が制御される。換言すれば、層は、ターゲット蓄積線量が、層の全ての位置について到達されるまで、任意の適切な回数再走査されうる。いくつかの実装例において、１回の走査で、または複数回の走査で、実際に送達された線量がターゲット蓄積線量の１００％を超過しうる。どの線量を送達するかは、適切な医療専門家によって決定されうる。
【０１５３】
前述のように、層は、例えば層の一部が現在の走査で完了した後に、層全体が現在の走査で完了した後に、一組の層が走査で完了した後に、または全ての層が走査で完了した後に、任意の適切な点において再走査されうる。再走査の間、前述のプロセスが、ターゲット蓄積線量が、照射ターゲット内の位置の全てまたはいくつかのサブセットについて達成されるまで繰り返される。いくつかの実装例において、粒子ビームの強度は、例えば最後の走査について調整される必要がありうる。例えば、強度がターゲット蓄積線量の２５％に設定されているが、各走査で２０％のみが送達されている場合、５回目の（及びありうる場合には６回目の）線量は、ターゲット蓄積線量に到達するために２５％よりも低い強度を必要とすることとなる。
【０１５４】
いくつかの実装例において、ＴＰＰからの情報が、初期スポットまたは一連のスポットについて、適応アパーチャを構成するために使用されうる。本明細書で説明されるように、構成は、例えば、キャリッジ７１３、７１４及び／もしくは７１５、並びに／または１つもしくは複数の葉状構造体７３５及び／もしくは７３６の配置を含みうる。いくつかの実装例において、初期構成は、処置計画決定プロセスに含まれる、処置中の照射ターゲット及び患者の位置を含むがそれらに限定されない仮定に基づいてなされうる。しかし、いくつかの場合、処置の間の照射ターゲット及び患者の位置は、ＴＰＰに含まれる仮定に対して変化しうる。例えば、患者は動く可能性があり、呼吸はターゲット位置に影響を与えうる等する。動きによって引き起こされるこれらの変化を考慮するために、スポット位置、スポットの大きさ、スポットの形状、スポットの重み、またはスポットの配向を含むがこれらに限定されないスポットの特性が、処置を実装できるように対応して変化されうる。いくつかの実装例において、ＴＰＰを介してこれらの変化を作ることができるようにＴＰＰへの入力を改良するよりもむしろ、変化は、ＴＰＰまたはＴＰＳからの任意のまたはある程度の追加的な入力を必要とすることなく、オンラインで（例えば加速器が動作可能である処置の間）に行われうる。
【０１５５】
例えば、いくつかの実装例において、照射ターゲットの位置は、処置室内で直接追跡されうる。例えば、処置室は、照射ターゲットの動きを画像取得し、それによって追跡するための１つまたは複数の画像取得システムを含みうる。照射ターゲットの動きを追跡するために使用されうる室内画像取得システムの例は、２０１４年９月９日に出願され、「患者位置決定システム」と題する米国特許出願公開第２０１６／００６７５２５号明細書に説明されている。米国特許出願公開第２０１６／００６７５２５号明細書は、少なくとも、処置室内の照射ターゲットの動きの位置を決定し、追跡するために使用されるシステムの開示について、参照により組み込まれている。
【０１５６】
いくつかの実装例において、画像取得システムは、３次元（３Ｄ）画像取得システムでありうる。いくつかの実装例において、画像取得システムは、２次元（２Ｄ）画像取得システムでありうる。いくつかの実装例において、画像取得システムは、以下の種類の画像取得システム、ＣＴシステム、放射線画像を取得するためのＸ線デバイス、ＭＲＩ画像を取得するための磁気共鳴画像取得（ＭＲＩ）デバイス、ＰＥＴ画像を取得するための陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）デバイス、ＳＰＥＣＴ／ＣＴデバイス（ここで、ＳＰＥＣＴは、単一光子放出コンピュータ断層撮影、Ｓｉｎｇｌｅ−Ｐｈｏｔｏｎ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｄ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、及び／もしくはビデオ表面画像取得デバイス、またはこれらの画像取得デバイスのいずれかの組合せの１つまたは複数でありえ、または１つまたは複数を含みうる。いくつかの実装例において、画像は、照射ターゲットの動きを追跡することが可能になるように、時間的に異なる点で取得されうる。いくつかの実装例において、患者に関連し、照射ターゲットに近接する基準が、患者及び／または照射ターゲットの動きを検出するために使用されうる。ターゲットに対する基準の位置は既知でありえ、基準の動きが検出され、照射ターゲットの動きと相関されうる。いくつかの実装例において、照射ターゲットは、時間的に２つの異なる点において直接画像取得されうる。
【０１５７】
いくつかの実装例において、動きは、単一層上の個別のスポットの適用の間、単一層上のスポットのセット（例えば所定の数のスポット）の適用の間、複数の層の間、または前述の何らかの適切な組み合わせの間で追跡されうる。図４３の例示的なプロセス２５００を参照すると、照射ターゲットまたは患者の画像が、照射ターゲットの位置を決定するために取得される（２５０１）。粒子治療システムは、ＴＰＰ／ＴＰＳから情報を受け取り（２５０２）、これは情報に基づいて適切な位置で照射ターゲット上のスポットまたはスポットのセットを生成する（２５０３）のに使用される。その後、照射ターゲットまたは患者の画像が取得され（２５０４）、前の画像が取得されてから照射ターゲットが動いたかどうかを判断する（２５０５）。いくつかの実装例において、Ｘ線システムが、画像を取得するのに使用されうる。しかし、本明細書で説明されたものを含むがそれらに限定されない任意の適切な画像取得システムが使用されうる。照射ターゲットが画像間で、例えば基準などの何らかの参照点に対して同じ位置にない場合、照射ターゲットは動いたと考えられる。照射ターゲットが動かなかった場合、１つまたは複数のスポットが、直近の処置計画情報を使用して生成される（２５０３）。例えば、直近の処置計画情報は、ＴＰＰ／ＴＰＳから受け取った（２５０２）情報でありうるか、または直近の処置計画情報は、前の動きを考慮して修正された（２５０６）情報でありうる。照射ターゲットが動いた場合、処置計画情報は、照射ターゲットの動きに基づいて更新された処置計画情報を生成するために修正される（２５０６）。その後、更新された処置計画情報を用いてスポットが生成される。プロセスは、ターゲット全体が処置されるまで、図４３に示されるように進行しうる。
【０１５８】
そのため、いくつかの実装例において、ＴＰＰは、照射ターゲットの新しく決定された位置などの新しい情報を用いて再度実行される必要はない。その代わりに、いくつかの実装例において、スポットを生成するのに使用されるＴＰＰ／ＴＰＳからの情報は、照射ターゲットの動きを考慮するために、例えばリアルタイムで修正または変更される（２５０６）。例えば、情報は、処置を提供するために使用される、シンクロサイクロトロンのような粒子加速器がオンラインである間に変更されうる。スポット位置、スポットの大きさ、スポット形状、スポットの重み、またはスポットの配向を含むがこれらに限定されない任意の適切な情報が変更されうる。例えば、スポットの位置は、照射ターゲットの動きを考慮して変更されうる。別の例では、照射ターゲットへの粒子の印加の方向が、照射ターゲットの動きを考慮して変更されうる。
【０１５９】
本明細書で説明されたプロセスは、単一の粒子加速器で使用されてもよく、本明細書で説明されたいずれの２つまたはそれ以上のそれらの特徴も、単一の粒子加速器で使用されてもよい。粒子加速器は、いずれの種類の医療用途または非医療用途に使用されてもよい。使用されうる粒子治療システムの例は以下に挙げられる。特に、本明細書で説明された概念は、具体的に説明されていない別のシステムで使用されうる。
【０１６０】
図１９を参照すると、荷電粒子放射線治療システム４００の例示的な実装例は、患者４０６に向けられた加速器ハウジングから直線的に向けられた（すなわち、本質的に直接）その出力で、回転ガントリー４０４に取り付けることが可能な程度に十分小さな重さ及び大きさを有するビーム発生粒子加速器４０２（例えば図８及び９の粒子加速器）を含む。粒子加速器４０２はまた、本明細書で（例えば図１０から１８で）説明された種類の走査システムを含む。
【０１６１】
いくつかの実装例において、鋼鉄製ガントリーは、患者の両側に置かれた２つのベアリング４１２、４１４のそれぞれで回転するように取り付けられた２つの脚部４０８、４１０を有する。加速器は、患者が横たわる処置領域４１８にわたるほど十分長い（例えば、ビームのライン内に患者の任意の所望のターゲット領域を残した空間内で完全に人が回転できるように、背の高い人の２倍の長さ）鋼鉄製トラス４１６によって支持され、両端でガントリーの回転脚部に固定して取り付けられる。
【０１６２】
いくつかの例において、ガントリーの回転は、患者の処置領域内に治療システムを収容するボールト４２４の壁から床４２２が延在することができるように、３６０°未満、例えば約１８０°の範囲４２０に制限される。ガントリーの制限された回転範囲はまた、処置領域の外側の人の放射線遮蔽を提供する壁のいくつか（これらはビームと直接整列されない、例えば壁４３０）の必要な厚さを低減する。１８０°の範囲のガントリーの回転は、全ての処置アプローチ角度をカバーするのに十分であるが、より大きな範囲の移動を提供することは有用でありうる。例えば、回転の範囲は、１８０から３３０°の間でありえ、それでもなお治療の床空間に対してクリアランスを提供する。別の実装例において、回転は前述のように制限されない。
【０１６３】
ガントリーの水平回転軸４３２は、患者及び医療者が治療システムとやり取りをする床の上方１メートルに通常配置される。この床は、治療システムの遮蔽されたボールトの底部の床から約３メートル上方に配置される。加速器は、回転軸の下から治療ビームの送達のために持ち上げられた床の下方をスイングすることができる。患者の治療台は、ガントリーの回転軸に対して平行な実質的に水平な平面内を移動し、回転する。治療台は、この構成では水平面において約２７０°の範囲４３４を通して回転することができる。ガントリーと患者の回転範囲と自由度のこの組み合わせにより、医療者はビームについて任意のアプローチ角度を実際上選択することが可能になる。必要であれば、患者は、反対方向で治療台に配置されることができ、このときすべての可能な角度を使用することができる。
【０１６４】
いくつかの実装例において、加速器は、高磁場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使用する。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加に正比例して減少するため、高磁場超伝導磁気構造は、加速器をより小さく軽量にすることができる。シンクロサイクロトロンは、回転角度が均一であり、半径が大きくなると強度が減少する磁場を使用する。そのような磁場形状は、磁場の強度に関係なく達成可能であり、そのため理論上、シンクロサイクロトロンで使用可能な磁場強度（そのため、固定半径で得られる粒子エネルギー）に対する制限はない。
【０１６５】
シンクロサイクロトロンは、ビームが患者と直接直線状に生成されるようにガントリー上に支持される。ガントリーは、患者内の、または患者近傍の点（アイソセンター４４０）を含む水平回転軸に関してシンクロサイクロトロンの回転を可能にする。回転軸に対して平行な分離トラスは、両側でシンクロサイクロトロンを支持する。
【０１６６】
ガントリーの回転範囲がいくつかの例示的な実装例では限定されるため、患者支持領域はアイソセンターの周りの幅広い範囲で適合可能である。床はアイソセンターの周囲に幅広く延在可能であるため、患者支持台は、アイソセンターを通る垂直軸４４２に対して移動し、垂直軸４４２に関して回転するように配置可能であり、ガントリーの回転並びに台の移動及び回転の組合せによって、患者の任意の部分への任意の角度のビーム方向が達成可能である。いくつかの実装例において、２つのガントリーの腕部が、患者のいる治療台を持ち上げられた床の上方の水平面内を回転させ、併進させることができるように、背の高い患者の高さの２倍よりも離隔される。
【０１６７】
ガントリーの回転角を制限することで、処置室を取り囲む壁の少なくとも１つの厚さの減少が可能になる。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防護を提供する。陽子ビームを停止する下流の壁は、部屋の反対側の壁の約２倍でありえ、同等レベルの防護を提供する。ガントリーの回転範囲を制限することで、処置室は、３面を地表よりも下に置くことができるようになり、その一方で最も薄い壁に隣接した占有領域を可能にすることで処置室を建設するコストを低減できる。
【０１６８】
図１９に示された例示的な実装例において、超伝導シンクロサイクロトロン４０２は、８．８テスラのシンクロサイクロトロンの磁極ギャップ内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のビームを発生させる。いくつかの実装例において、シンクロサイクロトロンは、可変エネルギー装置であり、異なるエネルギーを有する陽子ビームを出力することが可能である。いくつかの実装例において、シンクロサイクロトロンは、固定エネルギーを有するビームを発生させうる。いくつかの実装例において、磁場強度は、４Ｔから２０Ｔの範囲でありえ、陽子エネルギーは１００から３００ＭｅＶの範囲でありうる。
【０１６９】
この例において説明された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）処置システムで使用される類似のシステムにも適用可能である。
【０１７０】
図８、９、２０、２１及び２２に示されるように、例示的なシンクロサイクロトロン１０（例えば図１９の４０２）は、粒子源１９０、高周波駆動システム１９１及びビーム引出しシステムを含む磁石システム１２２を含む。この例において、磁石システムによって確立された磁場は、分離した一対の環状超伝導コイル１４０、１４２及び一対の成形された強磁性体（例えば低炭素鋼）磁極面１４４、１４６の組合せを使用する、含まれた陽子ビームの焦点を維持するのに適した形状を有する。
【０１７１】
２つの超伝導磁石コイルは、共通軸に中心を有し、軸に沿って離隔される。コイルは、ねじれ式チャネル内ケーブル導体幾何形状に設けられたＮｂ３Ｓｎ系超伝導ストランド（これは最初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）によって形成されうる。個々のストランドがともにケーブル状にされた後、これらは加熱されて、ワイヤー状の最終的な（脆い）超伝導材料を形成する反応を引き起こす。材料が反応した後、ワイヤーは銅チャネル内にはんだ付けされ、絶縁体で覆われる。次いで、ワイヤーを含む銅チャネルは、長方形断面を有するコイルに巻かれる。次いで、巻かれたコイルは、エポキシ化合物で真空含浸される。完成したコイルは、環状ステンレス鋼リバースボビンに取り付けられる。ヒーターブランケットは、磁気クエンチ事象においてアセンブリを保護するために巻線の層内に間隔を開けて配置されうる。
【０１７２】
次いで、全コイルが、熱伝導性及び機械的安定性を提供するために銅シートで覆われ、次いでエポキシの追加的な層に格納されうる。コイルの事前圧縮が、ステンレス鋼リバースボビンを加熱し、コイルをリバースボビン内に合わせることによって提供されうる。リバースボビンの内径は、全質量が４Ｋに冷却されたときにリバースボビンがコイルと接触を保ったままであり、ある程度の圧縮力を提供するように選択される。ステンレス鋼リバースボビンを約５０℃まで加熱し、コイルを１００Ｋの温度で合わせることによって、これを達成することができる。
【０１７３】
コイルの幾何形状は、「リバース」長方形ボビン内にコイルを取り付け、コイルがエネルギー付与されたときに生じるひずみ力に対して作用する復元力を発生させることによって維持される。図２１に示されるように、いくつかの実装例において、コイルの位置は、対応する磁極片及びクライオスタットに対して、高温−低温支持ストラップ４０２、４０４、４０６のセットを用いて維持される。薄いストラップで低温質量を支持することで、剛体支持システムによって冷却質量に与えられる熱漏洩を低減する。ストラップは、磁石が取り付けガントリーで回転する際に、コイルにかかる変動する重力に耐えるように構成される。これらは、磁気ヨークに対して完全に対称的な位置からずれたときにコイルによって発生する重力及び大きな偏心力の複合効果に耐える。さらに、リンクは、ガントリーが位置が変化するときに加減速する際にコイルに働く動的な力を低減するように働く。各高温−低温支持部は、１つのＳ２ファイバーグラスリンク及び１つのカーボンファイバーリンクを含みうる。カーボンファイバーリンクは、高温のヨークと中程度の温度（５０−７０Ｋ）との間のピンにわたって支持され、Ｓ２ファイバーグラスリンク４０８は、中間温度ピンと低温質量に取り付けられたピンとにわたって支持される。各ピンは、高張力ステンレス鋼で作られうる。
【０１７４】
図８を参照すると、半径の関数としての磁場強度プロファイルは、コイル幾何形状及び磁極面形状の選択によって大きく決定される。透磁性ヨーク材料の磁極面１４４、１４６は、確実に粒子ビームが加速中に集束されたままであるように、磁場の形状を精密に調整するように凹凸を付けられうる。
【０１７５】
超伝導コイルは、コイルアセンブリ（コイル及びボビン）を、支持点１７１、１７３の限られたセットを除いてコイル構造の周りに自由空間を提供する真空環状アルミニウムまたはステンレス鋼低温チャンバー１７０（クライオスタット）内に収容することによって、絶対零度に近い温度（例えば約４Ｋ）に維持される。代替的なバージョン（例えば図９）では、クライオスタットの外壁は、磁場について追加的な帰還磁束経路を提供するために低炭素鋼からなりうる。
【０１７６】
いくつかの実装例において、絶対零度に近い温度は、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段低温端部を有する。いくつかの実装例において、絶対零度に近い温度は、液体ヘリウムを含む（図示されない）冷却チャネルを用いて達成され、維持され、これは超伝導コイル支持構造（例えばリバースボビン１５６）内に形成され、チャネル内の液体ヘリウムと対応する超伝導コイルとの間の熱接続を含む。
【０１７７】
いくつかの実装例において、コイルアセンブリ及び低温チャンバーは、ピルボックス形状磁石ヨーク１００の２つの半分部１８１、１８３内に取り付けられ、半分部１８１、１８３によって完全に収容される。ヨーク１００は帰還磁束１８４に関する経路を提供し、外部磁気の影響が体積内の磁場の形状を乱すのを防ぐために磁極面１４４、１４６間の体積１８６を磁気的に遮蔽する。ヨークはまた、加速器近傍の迷磁場を低減する役割も果たす。別の実装例において、コイルアセンブリ及び低温チャンバーは、非磁性容器内に取り付けられ、非磁性容器によって完全に収容され、帰還磁束の経路は、その例が前述された能動帰還システムを用いて実装されうる。
【０１７８】
図８及び２３に示されるように、シンクロサイクロトロンは、磁石構造の幾何学的中心１９２の近傍に配置されたペニングイオンゲージ幾何形状の粒子源１９０を含む。粒子源は、以下に説明されうる。
【０１７９】
粒子源１９０は、気体水素を搬送するガスライン３９３及びチューブ３９４を通って水素の供給源３９９から供給される。電気ケーブル２９４は、磁場と整列されたカソード３９２、３９０から放電された電子を刺激するための電源からの電流を伝導する。粒子源は、加速平面において遮断されてもよく、例えば、粒子源の全体が取り除かれてもよく、それによってプラズマ柱を露出する。
【０１８０】
この例において、放電された電子は、チューブ３９４から小さな穴を通って出た気体をイオン化し、磁気構造及び１つのダミーディー平板によって収容された空間の半分にわたる１つの半円形（ディー形状）の高周波平板による加速のための陽イオン（陽子）の供給を生成する。遮断された粒子源の場合、プラズマを含むチューブの全て（または実質的な部分、例えば大部分）が加速領域において取り除かれる。
【０１８１】
図２４に示されるように、ディー平板５００は、空間５０７を閉じる２つの半円形表面５０３、５０５を有する中空金属構造であり、陽子が、空間５０７内で、磁石構造によって閉じられた空間の周りの回転の半分の間加速される。空間５０７内に開口するダクト５０９は、容器（例えばヨークまたは磁極片）を通って外部に延在し、そこから、空間５０７及び、加速が行われる真空チャンバー内の空間の残りを排気するために真空ポンプを取り付けることができる。ダミーディー５０２は、ディープレートの露出された縁に近接して離隔さ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対して接地される。ディー平板５００は、空間５０７に電場を加えるために、高周波伝送線の端部に印加された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学的中心からの距離を増すにつれて時間的に変動するようになされる。
【０１８２】
中心に配置された粒子源から現れたビームが粒子源構造を離れて外側にらせん運動を始めると、大きな電圧差が、高周波平板にわたって印加されうる。２００００ボルトが、高周波平板にわたって印加される。いくつかのバージョンにおいて、８０００から２００００ボルトが、高周波平板にわたって印加されうる。この大きな電圧を駆動するのに必要な出力を低減するために、磁石構造は、高周波平板と地面との間の静電容量を低減するように構成される。これは、高周波構造から、外側のヨーク及びクライオスタット筐体を通して十分な間隔を有する穴を形成し、磁極面の間に十分な空間を作ることによってなされうる。
【０１８３】
ディー平板を駆動する高電圧交流電位は、陽子の相対論的質量の増加及び磁場の減少を考慮して、加速サイクル中に減少するように掃引される周波数を有する。ダミーディーは、真空チャンバー壁に沿って接地電位にあるため、中空半円筒形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一対を超える加速電極などのその他の平板構成が使用されうる。ＲＦ構造は、例えば、互いにかみ合った回転ブレード及び静止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、Ｑを高く維持するように調整されうる。ブレードの各かみ合いの間、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、必要とされる正確な周波数掃引を作り出すような形状とされうる。回転コンデンサのための駆動モーターは、正確な制御のためにＲＦ発生器に位相ロックされうる。粒子の１つのバンチは、回転コンデンサのブレードの各かみ合いの間加速されうる。
【０１８４】
加速が行われる真空チャンバーは、一般に、中心で薄く縁で厚い円筒形容器である。真空チャンバーは、ＲＦ平板及び粒子源を収容し、真空ポンプによって排気される。高真空を維持することによって、加速するイオンが気体分子との衝突によって失われない確率を低減し、ＲＦ電圧を、地面とのアーク放電を防ぎつつより高いレベルに保つことを可能にする。
【０１８５】
陽子（または他のイオン）は、粒子源において始まる概してらせん状の軌道経路を横切る。らせん経路の各ループの半分において、陽子はＲＦ電場を通過するごとにエネルギーを得る。陽子がエネルギーを得るにつれて、そのらせん経路の連続的なループのそれぞれ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、前のループよりも大きくなる。その位置において、磁場及び電場のかく乱が、磁場が急速に減少する領域内に陽子を導き、陽子は高磁場の領域を離れ、本明細書では引き出しチャネルと呼ばれる排気されたチューブを通って導かれ、シンクロサイクロトロンを脱出する。磁場再生器は、陽子を導くための磁場のかく乱を変化するために使用されうる。陽子の脱出は、陽子が、シンクロサイクロトロンの周囲の空間内に存在する顕著に磁場が減少した領域に入る際に消散する傾向にある。引き出しチャネル１３８内のビーム整形要素６０７、６０９（図２１）は、陽子を、限定された空間的広がりの直線ビームにとどまるように方向を向けなおす。
【０１８６】
ビームが引き出しチャネルを出ると、ビーム形成システム５２５を通過し（図２１）、これは本明細書で説明された種類の走査システムを含みうる。ビーム形成システム５２５は、ビームの印加を制御する内側のガントリーと組み合わせて使用されうる。
【０１８７】
シンクロサイクロトロンから出る迷磁場は、磁石ヨーク（シールドとしても働く）及び分離磁気シールド５１４（例えば図８）の両方によって制限されうる。分離磁気シールドは、ピルボックスヨークを収容する強磁性材料（例えば鋼鉄または鉄）の層５１７を含み、空間５１６によって隔てられる。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、より軽量で所定の漏洩磁場に対する適切な遮蔽を達成する。前述のように、いくつかの実装例において、能動帰還システムが、磁気ヨーク及びシールドの動作の代わりに、またはこれらを拡大するために使用されうる。
【０１８８】
図１９を参照すると、ガントリーは、シンクロサイクロトロンを、水平回転軸４３２の周りに回転することを可能にする。トラス構造４１６は、２つのほぼ平行なスパン４８０、４８２を有する。シンクロサイクロトロンは、脚部のほぼ中間でスパンの間で受け台に載せられる。ガントリーは、トラスと反対側の脚部の端部に取り付けられたカウンターウェイト６２２、６２４を用いてベアリングの周りの回転に対してバランスをとられる。
【０１８９】
ガントリーは、駆動歯車によって、ガントリー脚部の１つまたは両方に取り付けられ、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するように駆動される。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に組み込まれた軸角度エンコーダによってもたらされる信号から得られる。
【０１９０】
イオンビームがシンクロサイクロトロンを出る位置において、ビーム形成システム５２５は、イオンビームに対して患者処置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、所定のターゲット体積にわたって均一な放射線を提供するように変化された貫入深さとされうる。ビーム形成システムは、本明細書で説明されるような能動走査要素を含みうる。
【０１９１】
シンクロサイクロトロンの能動システムの全て（例えば、電流駆動超伝導コイル、ＲＦ駆動平板、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平板冷却器）は、適切なシンクロサイクロトロン制御電子機器（図示されない）によって制御されてもよく、これは、例えば、制御を有効にするために非一時メモリからの命令を実行する１つまたは複数の処理デバイスを含みうる。
【０１９２】
本明細書で説明された例示的な粒子治療システム及び例示的な走査システムにおいて使用された粒子加速器は、可変エネルギー粒子加速器でありえ、その一例が以下に説明される。
【０１９３】
引き出された粒子ビーム（加速器から出力された粒子ビーム）のエネルギーは、処置の間の粒子ビームの使用に影響を与えうる。いくつかの機械において、粒子ビーム（または粒子ビーム内の粒子）のエネルギーは、引出し後は増加しない。しかし、エネルギーは、引き出し後であって処置前に、処置の必要性に基づいて減少されうる。図２５を参照すると、例示的な処置システム９１０は、可変エネルギーを有する粒子（例えば陽子）ビーム９１４が、体９２２のターゲット体積９２４を照射するために引き出される加速器９１２、例えばシンクロサイクロトロンを含む。任意選択的に、走査ユニット９１６、散乱ユニット９１６、１つまたは複数の監視ユニット９１８、及びエネルギーデグレーダ９２０などの１つまたは複数の追加的なデバイスが、照射方向９２８に沿って配置される。デバイスは、引き出されたビーム９１４の断面を遮り、処置のために引き出されたビームの１つまたは複数の特性を変化させる。適応アパーチャは、エネルギーデグレーダと患者との間で、エネルギーデグレーダの下流に配置されうる。
【０１９４】
処置のために粒子ビームによって照射されることとなるターゲット体積（照射ターゲット）は、典型的には３次元的構成を有する。いくつかの例において、処置を実行するために、ターゲット体積は、粒子ビームの照射方向に沿って層に分割され、照射は、層ごとになされうる。陽子などの特定の種類の粒子について、ターゲット体積内の貫入深さ（またはどの層にビームが到達するか）は、粒子ビームのエネルギーによって大部分決定される。所定のエネルギーの粒子ビームは、そのエネルギーについて対応する貫入深さを実質的に超えて到達しない。ターゲット体積の１つの層から別の層へビーム照射を移動するために、粒子ビームのエネルギーが変化される。
【０１９５】
図２５に示された例において、ターゲット体積９２４は、照射方向９２８に沿った９つの層９２６ａから９２６ｉに分割される。例示的なプロセスにおいて、照射は、最も深い層９２６ｉから開始し、一度に１つの層を、次第により浅い層まで照射し、最も浅い層９２６ａで終了する。体９２２への印加前に、体またはターゲット体積、例えば層９２６ｅから９２６ｉまたは体のさらに深くまで実質的に貫入することなく、所望の層、例えば層９２６ｄで粒子ビームを停止させることができるように、粒子ビーム９１４のエネルギーはあるレベルとなるように制御される。いくつかの例において、粒子ビーム９１４の所望のエネルギーは、処置層が粒子加速に対してより浅くなるように減少する。いくつかの例において、ターゲット体積９２４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応じて可能でありうる。
【０１９６】
ターゲット体積９２４の異なる層を処置するためのエネルギーの変化は、いくつかの実装例では、粒子ビームが加速器９１２から引き出された後にいかなる追加的なエネルギー変動も必要とならないように、加速器９１２で実行されうる（例えば、加速器はエネルギーを変化させうる）。そのため、処置システム１０内の任意選択的なエネルギーデグレーダ９２０が、システムから排除されうる。いくつかの実装例において、加速器９１２は、約１００ＭｅＶから約３００ＭｅＶの間、例えば約１１５ＭｅＶから約２５０ＭｅＶの間で変動するエネルギーを有する粒子ビームを出力することができる。変動は連続的であっても非連続的であってもよく、例えば一度に１ステップとしてもよい。いくつかの実装例において、連続的または非連続的な変動は、例えば１秒ごとに最大約５０ＭｅＶまたは１秒ごとに最大約２０ＭｅＶの比較的高い速度で行われうる。非連続的な変動は、約１０ＭｅＶから約９０ＭｅＶのステップの大きさで、一度に１ステップで行われうる。
【０１９７】
照射が１つの層で完了すると、加速器９１２は次の層を照射するために粒子ビームのエネルギーを、例えば数秒または１秒未満で変化させうる。いくつかの実装例において、ターゲット体積９２４の処置は、実質的な中断なしに、またはいかなる中断もなしに続けられうる。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、ターゲット体積９２４の２つの隣接する層を照射するのに必要なエネルギー差に対応して選択される。例えば、ステップの大きさは、エネルギー差と同じまたはその分数でありうる。
【０１９８】
いくつかの実装例において、加速器９１２及びデグレーダ９２０は併せてビーム９１４のエネルギーを変化させる。例えば、加速器９１２が粗い調整を提供し、デグレーダ９２０が微調整を提供し、またはその逆もありうる。この例において、加速器９１２は、約１０から８０ＭｅＶの変動ステップでエネルギーを変化させる粒子ビームを出力することができ、デグレーダ９２０は、約２から１０ＭｅＶの変動ステップでビームのエネルギーを調整する（例えば減少させる）。
【０１９９】
飛程変調器などのエネルギーデグレーダの使用を減少させること（または使用しないこと）は、加速器からの出力ビームの特性及び品質、例えばビーム強度を維持する助けとなりうる。粒子ビームの制御は、加速器で実行されうる。例えば粒子ビームがデグレーダ９２０を通過する際に生じる中性子による副作用が低減され、または排除されうる。
【０２００】
粒子ビーム９１４のエネルギーは、ターゲット体積９２４の処置の完了後に、別の体または体の部分９２２’内の別のターゲット体積９３０を処置するために調整されうる。ターゲット体積９２４、９３０は、同じ体（または患者）または異なる患者の中にありうる。体９２２’の表面からのターゲット体積９３０の深さＤがターゲット体積９２４の深さとは異なることがありうる。同じエネルギー調整がデグレーダ９２０によって実行されうるが、デグレーダ９１２はビームエネルギーを減少させるのみであり、ビームエネルギーを増大させない場合がありうる。
【０２０１】
これについて、いくつかの場合には、ターゲット体積９３０を処置するのに必要なビームエネルギーは、ターゲット体積９２４を処置するのに必要なビームエネルギーよりも大きい。そのような場合には、加速器９１２は、ターゲット体積９２４を処置した後であってターゲット体積９３０を処置する前に出力ビームエネルギーを増大しうる。別の場合には、ターゲット体積９３０を処置するのに必要なビームエネルギーは、ターゲット体積９２４を処置するのに必要なビームエネルギーよりも小さい。デグレーダ９２０はエネルギーを減少させることができるが、加速器９１２は、デグレーダ９２０の使用を減少させまたは排除するために、より低いビームエネルギーを出力するように調整されうる。ターゲット体積９２４、９３０の層への分割は、異なるか、または同じでありうる。ターゲット体積９３０は、ターゲット体積９２４の処置に基づいて層ごとに同様に処置されうる。
【０２０２】
同じ患者の異なるターゲット体積９２４、９３０の処置は、例えば２つの体積間の停止時間が約３０分またはそれよりも長くなく、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分以下で、実質的に連続的でありうる。本明細書で説明されたように、加速器９１２は可動ガントリーに取り付けられてもよく、ガントリーの動きは、加速器を異なるターゲット体積に向かわせるように動かすことができる。いくつかの状況において、加速器９１２は、ターゲット体積９２４の処置完了後であってターゲット体積９３０の処置開始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９１４のエネルギー調整を完了することができる。加速器及びターゲット体積９３０の位置合わせの後、処置は、調整された所望のビームエネルギーで開始可能である。異なる患者に対するビームエネルギー調整も、比較的効率的に完了可能である。いくつかの例にいて、ビームエネルギーの増大／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分以内で行われる。
【０２０３】
ターゲット体積の同じ層内で、照射線量は、走査ユニット９１６を用いて層の２次元的表面にわたってビームを動かす（これは走査ビームと呼ばれることもある）ことによって印加されうる。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つまたは複数の散乱体を通過させる（これは散乱ビームと呼ばれることもある）ことによって照射可能である。
【０２０４】
エネルギー及び強度のようなビーム特性は、加速器９１２並びに／または、走査ユニット／散乱体９１６、デグレーダ９２０及び図示されていないその他のデバイスのようなその他のデバイスを制御することによって、処置の前に選択可能であり、または処置の間に調整可能である。例示的な実装例において、システム９１０は、コンピュータのような、システムの１つまたは複数のデバイスと通信するコントローラ９３２を含む。制御は、１つまたは複数のモニター９１８によって実行される監視の結果、例えばターゲット体積内のビーム強度、線量、ビーム位置などの監視の結果に基づきうる。モニター９１８はデバイス９１６とデグレーダ９２０との間に示されているが、１つまたは複数のモニターが、ビーム照射経路に沿ったその他の適切な位置に配置されうる。コントローラ９３２はまた、１つまたは複数のターゲット体積について（同じ患者及び／または異なる患者について）の処置計画を保存しうる。処置計画は、処置が開始する前に決定可能であり、ターゲット体積の形状、照射層の数、各層の照射線量、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９１０内のビーム特性の調整は、照射計画に基づいて実行可能である。追加的な調整が、処置中、例えば処置計画からの逸脱が検出された際になされうる。
【０２０５】
いくつかの実装例において、加速器９１２は、粒子ビームが加速される磁場を変化させることによって、出力粒子ビームのエネルギーを変化させるように構成される。例示的な実装例において、１つまたは複数のセットのコイルが、キャビティ内の可変磁場を発生させるために可変電流を受け取る。いくつかの例において、一組のコイルが固定電流を受け取り、１つまたは複数の別のセットのコイルが可変電流を受け取って、コイルセットによって受け取られた全電流が変化するようにする。いくつかの実装例において、全てのセットのコイルが超伝導である。別の実装例において、固定電流に対するセットのようないくつかのセットのコイルが超伝導であり、可変電流のための１つまたは複数のセットのような別のセットのコイルが非超伝導である。いくつかの例において、全てのセットのコイルが非超伝導である。
【０２０６】
一般に、磁場の強度は、電流の強度とともに変更可能である。コイルの全電流を所定の範囲内で調整することで、対応する所定の範囲で変化する磁場を発生させることができる。いくつかの例において、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もたらすことができる。代替的に、コイルに印加される電流が不連続的に、ステップ状に調整されると、磁場及び出力ビームエネルギーも、それに従って不連続（ステップ状）に変化する。磁場の電流に対する変化は、入力電流以外のわずかな調整がなされうる場合もあるが、ビームエネルギーの変化を比較的正確に実行することが可能になる。
【０２０７】
いくつかの実装例において、可変エネルギーを有する粒子ビームを出力するために、加速器９１２は、異なる範囲の周波数にわたって掃引する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９１２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、３つの異なる範囲の周波数にわたって掃引することが可能である。別の例において、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わたって掃引する。異なる周波数範囲は、異なる周波数の下限及び／または周波数の上限を有しうる。
【０２０８】
引き出しチャネルは、可変エネルギー粒子加速器によって生成された異なるエネルギーの範囲に対応するように構成されうる。例えば、引き出しチャネルは、粒子加速器によって発生される最大及び最小エネルギーをサポートするのに十分な大きさでありうる。すなわち、引き出しチャネルは、そのエネルギーの範囲内で粒子を受け取り、通過させるような大きさとされ、またはそうでなければ粒子を受け取り、通過させるように構成されうる。異なるエネルギーを有する粒子ビームは、単一のエネルギーを有する粒子ビームを引き出すために使用される再生器の特徴を変更することなく、加速器９１２から引き出されうる。別の実装例において、可変粒子エネルギーに対応するために、再生器は前述のように異なる粒子軌道を妨げる（例えば変化させる）ように動かすことが可能であり、及び／または鉄製の棒（磁気シム）が、再生器によって提供される磁場バンプを変化させるために追加され、もしくは取り除かれる。より具体的には、異なる粒子エネルギーは、典型的にはキャビティ内の異なる粒子軌道にあることとなる。再生器を動かすことにより、粒子軌道を特定のエネルギーで妨げることができ、それによって、特定のエネルギーの粒子が引き出しチャネルに到達するように、その軌道の正確な摂動を引き起こすことができる。いくつかの実装例において、再生器の移動（及び／または磁気シムの追加／除去）は、加速器によって出力される粒子ビームエネルギーのリアルタイムの変化に整合するために、リアルタイムで実行される。別の実装例において、粒子エネルギーは、処置ごとに調整され、再生器の移動（及び／または磁気シムの追加／除去）は、処置に先立って実行される。いずれかの場合に、再生器の移動（及び／または磁気シムの追加／除去）は、コンピュータ制御されうる。例えば、コンピュータは、再生器及び／または磁気シムの移動を有効にする１つまたは複数のモーターを制御しうる。
【０２０９】
いくつかの実装例において、再生器は、適切な位置に動かすように制御可能である１つまたは複数の磁気シムを用いて実現される。
【０２１０】
例として、表１は、例示的な加速器９１２が粒子ビームを出力可能な３つの例示的な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列挙される。これに関して、磁石電流は、加速器９１２の１つまたは複数のコイルセットに印加される全電流を指し、最大及び最小周波数は、ＲＦ電圧が掃引する範囲を定義し、「ｒ」は、粒子が加速されるキャビティの中心に対する位置の半径方向距離である。
【０２１１】
【表１】
2019520172.tif 000003
【０２１２】
加速器はシンクロサイクロトロンでありえ、粒子は陽子でありうる。粒子は、パルスビームとして出力されうる。粒子加速器から出力されるビームのエネルギーは、患者内の１つのターゲット体積の処置の間に、または同じ患者もしくは異なる患者の異なるターゲット体積の処置の間に変化されうる。いくつかの実装例において、加速器の設定は、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、ビームエネルギーを変更するように変化される。エネルギー変動は、所望の範囲にわたって連続的または不連続的でありうる。
【０２１３】
図８に示された例を参照すると、前述の加速器９１２のような可変エネルギー粒子加速器でありうる粒子加速器は、可変エネルギーを有する粒子ビームを出力するように構成されうる。可変エネルギーの範囲は、約２００ＭｅＶから約３００ＭｅＶまたはそれ以上、例えば、２００ＭｅＶ、約２０５ＭｅＶ、約２１０ＭｅＶ、約２１５ＭｅＶ、約２２０ＭｅＶ、約２２５ＭｅＶ、約２３０ＭｅＶ、約２３５ＭｅＶ、約２４０ＭｅＶ、約２４５ＭｅＶ、約２５０ＭｅＶ、約２５５ＭｅＶ、約２６０ＭｅＶ、約２６５ＭｅＶ、約２７０ＭｅＶ、約２７５ＭｅＶ、約２８０ＭｅＶ、約２８５ＭｅＶ、約２９０ＭｅＶ、約２９５ＭｅＶ、もしくは約３００ＭｅＶまたはそれ以上である上限を有しうる。範囲はまた、約１００ＭｅＶそれ以下から約２００ＭｅＶ、例えば１００ＭｅＶまたはそれ以下、約１０５ＭｅＶ、約１１０ＭｅＶ、約１１５ＭｅＶ、約１２０ＭｅＶ、約１２５ＭｅＶ、約１３０ＭｅＶ、約１３５ＭｅＶ、約１４０ＭｅＶ、約１４５ＭｅＶ、約１５０ＭｅＶ、約１５５ＭｅＶ、約１６０ＭｅＶ、約１６５ＭｅＶ、約１７０ＭｅＶ、約１７５ＭｅＶ、約１８０ＭｅＶ、約１８５ＭｅＶ、約１９０ＭｅＶ、約１９５ＭｅＶ、約２００ＭｅＶである下限を有することができる。
【０２１４】
いくつかの例において、変化は不連続であり、変化のステップは、約１０ＭｅＶまたはそれ以下、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、もしくは約８０ＭｅＶまたはそれ以上の大きさを有しうる。１つのステップサイズでエネルギーを変化させることは、３０分以下、例えば約２５分もしくはそれ以下、約２０分もしくはそれ以下、約１５分もしくはそれ以下、約１０分もしくはそれ以下、約５分もしくはそれ以下、約１分もしくはそれ以下、または約３０秒もしくはそれ以下しかかからないようにできる。別の例において、変化は連続的であり、加速器は、比較的高速で、粒子ビームのエネルギーを、例えば最大１秒当たり約５０ＭｅＶ、最大１秒当たり約４５ＭｅＶ、最大１秒当たり約４０ＭｅＶ、最大１秒当たり約３５ＭｅＶ、最大１秒当たり約３０ＭｅＶ、最大１秒当たり約２５ＭｅＶ、最大１秒当たり約２０ＭｅＶ、最大１秒当たり約１５ＭｅＶ、または最大１秒当たり約１０ＭｅＶで調整可能である。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、連続的な変化及び不連続的な変化の組合せは、１つのターゲット体積の処置または異なるターゲット体積の処置において使用可能である。柔軟な処置計画及び柔軟な処置が達成可能である。
【０２１５】
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、照射処置の正確性をもたらし、処置に使用される追加的な装置（加速器以外）の数を低減することが可能である。例えば、出力粒子ビームのエネルギーを変化させるためのデグレーダの使用は、処置の全てまたは一部について減少され、または排除されうる。強度、集束などの粒子ビームの特性は、粒子加速器で制御可能であり、粒子ビームは、追加的なデバイスからの実質的なかく乱なしにターゲット体積に到達可能である。ビームエネルギーの相対的に高い変化率は、処置時間を低減し、処置システムの効率的な使用を可能にすることができる。
【０２１６】
いくつかの実装例において、図８のシンクロサイクロトロンなどの加速器は、粒子または粒子ビームを、加速器内の磁場を変化させることによって可変エネルギーレベルに加速し、これは磁場を発生するためのコイルに印加される電流を変化することによって達成可能である。前述のように、例示的なシンクロサイクロトロン（例えば図８のシンクロサイクロトロン）は、粒子源、高周波駆動システム、及びビーム引出しシステムを含む磁石システムを含む。図２６は、可変エネルギー加速器で使用されうる磁石システムの例を示している。この例示的な実装例において、磁石システム１０１２によって達成される磁場は、２セットのコイル４０ａ及び４０ｂ並びに４２ａ及び４２ｂが発生することが可能な磁場の最大値の約５％から約３５％だけ変化させることが可能である。磁石システムによって確立される磁場は、２セットのコイルと一対の形状形成された強磁性（例えば低炭素鋼）構造との組み合わせを用いて、含まれる陽子ビームの焦点を維持するのに適した形状を有し、その例は上記に挙げられている。
【０２１７】
コイルの各セットは、電流を受け取るための分離された一対の環状コイルでありうる。いくつかの状況において、両方のセットのコイルが超伝導である。別の状況において、１つのセットのコイルのみが超伝導であり、もう一方のセットが非超伝導または常伝導である（以下でさらに議論される）。両方のセットのコイルが非超伝導であることも可能である。コイルに使用するのに適した超伝導材料は、ニオブ３スズ（Ｎｂ３Ｓｎ）及び／またはニオブ−チタンを含む。別の例示的な導体材料は銅を含むことができる。コイルセット構成の例は以下にさらに説明される。
【０２１８】
２セットのコイルは電気的に直列または並列に接続可能である。いくつかの実装例において、２セットのコイル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みうる。いくつかの例において、１セットのコイルは、全可変電流の固定（または一定）部分を受け取るように構成され、別のセットのコイル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つのコイルセットの電流の変化とともに変化する。別の状況において、コイルの両方のセットに印加される電流が変化可能である。２セットのコイルの可変全電流は、可変強度を有する磁場を発生させることができ、これは粒子の加速経路を変化させて、可変エネルギーを有する粒子を発生させる。
【０２１９】
一般に、コイルによって発生する磁場の強度は、コイルに印加される全電流の強度に対して変化する。大きさの変化に基づいて、いくつかの実装例では、磁場強度の線形変化が、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。全電流は比較的高速で調整可能であり、これは磁場及びビームエネルギーの比較的高速な調整をもたらす。
【０２２０】
上の表１に反映された例において、電流の値とコイルリングの幾何学的中心における磁場との比は、１９９０：８．７（およそ２２８．７：１）、１９２０：８．４（およそ２２８．６：１）、１７６０：７．９（およそ２２８．８：１）である。したがって、超電導コイルに印加される全電流の強度の調整は、磁場の強度を比例して（比に基づいて）調整可能である。
【０２２１】
表１の例における磁場の全電流に対する大きさの変化はまた、図２７のプロットにも示されており、ＢＺはＺ次元に沿った磁場であり、Ｒはコイルリングの幾何学的中心から、Ｚ次元に対して垂直な方向に沿って測定された半径方向距離である。磁場は、幾何学的中心において最も高い値を有し、距離Ｒが増大するにつれて減少する。曲線１０３５、１０３７は、異なる全電流、１７６０アンペア及び１９９０アンペアをそれぞれ受け取る同じコイルセットによって生成された磁場を表す。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２５０ＭｅＶである。２つの曲線１０３５、１０３７は実質的に同じ形状を有し、曲線１０３５、１０３７のそれぞれの部分は実質的に平行である。結果として、曲線１０３５または曲線１０３７のいずれかが、他方の曲線に実質的に整合するように線形的にシフト可能であり、磁場が、コイルセットに印加される全電流に対して可変であることを示している。
【０２２２】
いくつかの実装例において、全電流に対する磁場の大きさの変化は完全ではない場合がありうる。例えば、磁場と、表１に示された例に基づいて計算された電流との比が一定でない。また図２７に示されるように、１つの曲線の線形シフトは、別の曲線に完全に整合しない場合がありうる。いくつかの実装例において、全電流は、完全な大きさの変化を仮定してコイルセットに印加される。ターゲット磁場（完全な大きさの変化の仮定の下で）は、コイルの特徴、例えば幾何学を追加的に変化させることによって、大きさの変化の不完全さを打ち消すように発生されうる。１つの例として、強磁性（例えば鉄製の）棒（磁気シム）が、磁気構造（例えばヨーク、磁極片など）の一方または両方に挿入され、またはこれらから除去されうる。コイルの特徴は、磁場調整の速さが、大きさの変化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ように、比較的高い速度で変更されうる。鉄製の棒の例において、棒は秒または分の時間スケール、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、または除去されうる。
【０２２３】
いくつかの実装例において、コイルセットに印加される電流などの加速器の設定は、コイルセットの全電流に対する磁場の実質的な大きさの変化に基づいて選択されうる。
【０２２４】
一般に、所望の範囲内で変化する全電流を発生させるために、２つのコイルセットに印加される電流の任意の適切な組み合わせが使用可能である。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アンペアの間で変化する電流を受け取るように構成される。
【０２２５】
別の例において、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されうる。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に示された例において、コイルセット４０ａ、４０ｂは、−２３０アンペアから０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。
【０２２６】
粒子を加速するために、可変全電流によって発生する全可変磁場は、４テスラよりも大きな、例えば５テスラよりも大きな、６テスラよりも大きな、７テスラよりも大きな、８テスラよりも大きな、９テスラよりも大きな、１０テスラよりも大きな、また最大２０テスラまたはそれ以上、例えば最大約１８テスラ、最大約１５テスラ、または最大約１２テスラの最大強度を有しうる。いくつかの実装例において、コイルセットの全電流の変化は、約０．２テスラから約４．２テスラまたはそれ以上だけ、例えば約０．２テスラから約１．４テスラ、または約０．６テスラから約４．２テスラだけ磁場を変化させうる。いくつかの状況において、磁場の変動の量は、最大強度に比例しうる。
【０２２７】
図２８は、粒子ビームエネルギーが変化する際に、粒子ビームの各エネルギーレベルに対してＲＦ周波数範囲にわたってディー平板５００に電圧を掃引し、周波数範囲を変化させるための例示的なＲＦ構造を示す。ディー平板５００の半円形表面５０３、５０５は、内部導体１３００に接続され、外部導体１３０２に収容される。高電圧が、電源（図示されない、例えば励振電圧入力）から、電源を内部導体に結合する電力結合デバイス１３０４を介してディー平板５００に印加される。いくつかの実装例において、結合デバイス１３０４は、内部導体１３００上に配置され、電源からディー平板５００への電力移送を提供する。さらに、ディー平板５００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、ＲＦ周波数範囲を異なる粒子エネルギーレベルに関して変化させるために、可変リアクティブ素子１３０６、１３０８に結合される。
【０２２８】
可変リアクティブ素子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でありうる。ＲＦ掃引の各サイクル中にブレード１３１０をかみ合わせ、またはかみ合わせを解除することによって、ＲＦ構造の静電容量が変化し、これはＲＦ構造の共振周波数を変化させる。いくつかの実装例において、モーターの各四分の一サイクルの間に、ブレード１３１０は互いにかみ合う。ＲＦ構造の静電容量が増加し、共振周波数が減少する。プロセスは、ブレード１３１０のかみ合わせが解除されると逆になる。結果的に、ディー平板１０３に印加される高電圧を発生するのに必要であり、ビームを加速するのに必要な電力が、大きく低減されうる。いくつかの実装例において、ブレード１３１０の形状は、必要な時間に対する共振周波数の依存性を形成するように加工される。
【０２２９】
ＲＦ周波数発生は、共振器内のＲＦ電圧の位相を感知することによってブレードの回転と同期され、ディー平板の交流電圧をＲＦキャビティの共振周波数に近く保つ（ダミーディーは接地され、図２８には示されていない）。
【０２３０】
可変リアクティブ素子１３０８は、内部導体１３００の平板１３１２及び表面１３１６によって形成されたキャパシタでありうる。平板１３１２は、表面１３１６に向かう、または表面１３１６から離れる方向１３１４に沿って移動可能である。キャパシタの静電容量は、平板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で掃引される各周波数範囲について、距離Ｄはある設定値にあり、周波数範囲を変化させるために、平板１３１２は、出力ビームのエネルギーの変化に対応して動かされる。
【０２３１】
いくつかの実装例において、内部導体及び外部導体１３００、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及び平板１３１２も、導体１３００、１３０２と同じまたは異なる金属材料から形成されうる。結合デバイス１３０４は、電気コネクタでありうる。可変リアクティブ素子１３０６、１３０８は、別の形態を有してもよく、ＲＦ周波数掃引及び周波数範囲変更を実行するために別の方法でディー平板１００に結合しうる。いくつかの実装例において、単一の可変リアクティブ素子は、可変リアクティブ素子１３０６、１３０８の両方の機能を実行するように構成されうる。別の実装例において、２つより多くの可変リアクティブ素子が使用されうる。
【０２３２】
治療セッションを実行するための、ガントリー、患者支持台、能動ビーム形成要素及びシンクロサイクロトロンの制御は、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。
【０２３３】
本明細書で説明される粒子治療システムの制御及びそのさまざまな特徴は、ハードウェアを用いて、またはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせを用いて実装されうる。例えば、本明細書で説明されたもののようなシステムは、様々な点に配置された様々なコントローラ及び／または処理デバイスを含みうる。中央コンピュータは、様々なコントローラまたは処理デバイスの間で動作を協調させうる。中央コンピュータ、コントローラ及び処理デバイスは、制御並びに試験及び較正の協調を有効にするために、様々なソフトウェアルーチンを実行しうる。
【０２３４】
システム動作は、１つまたは複数のデータ処理装置、例えばプログラム可能プロセッサ、コンピュータ、複数のコンピュータ及び／またはプログラム可能論理構成要素によって、またはこれらの動作を制御するために実行するための、少なくとも部分的に、１つまたは複数のコンピュータプログラム製品、例えば１つまたは複数の非一時的機械可読媒体に有形に具現された１つまたは複数のコンピュータプログラムを用いて制御されうる。
【０２３５】
コンピュータプログラムは、コンパイル言語またはインタープリタ言語を含む任意の形態のプログラミング言語で記述可能であり、スタンドアロンプログラムとして、またはモジュール、コンポーネント、サブルーチンもしくは計算環境での使用に適したその他のユニットを含む任意の形態で設けられうる。コンピュータプログラムは、１つの場所の、もしくは複数の場所にわたって分散され、ネットワークによって相互接続された１つのコンピュータまたはは複数のコンピュータ上で実行されるように設けられうる。
【０２３６】
本明細書で説明された粒子治療システムの動作の全てまたは一部の実装に関連した動作は、本明細書で説明された機能を実行するために１つまたは複数のプログラムを実行する１つまたは複数のプログラム可能なプロセッサによって実行されうる。動作の全てまたは一部は、特定用途論理回路、例えばＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）及び／またはＡＳＩＣ（特定用途集積回路）を用いて実装されうる。
【０２３７】
コンピュータプログラムの実行に適したプロセッサは、例として、汎用及び特定用途マイクロプロセッサの両方、及び任意の種類のデジタルコンピュータの任意の１つまたは複数のプロセッサを含む。一般に、プロセッサは、命令及びデータを読み取り専用保存領域もしくはランダムアクセス保存領域、またはその両方から受け取ることとなる。コンピュータ（サーバーを含む）の要素は、命令を実行するための１つまたは複数のプロセッサ並びに命令及びデータを保存するための１つまたは複数の保存領域デバイスを含む。一般に、コンピュータは、データを保存するための大量ＰＣＢのような例えば磁気、磁気光学ディスクまたは光学ディスクのような１つまたは複数の機械可読保存媒体を含み、または機械可読保存媒体からデータを受け取り、もしくは機械可読保存媒体にデータを送信し、またはその両方を行うために動作可能に結合されうる。コンピュータプログラム命令及びデータを具現するのに適した非一時機械可読保存媒体は、半導体保存領域デバイス、例えばＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ及びフラッシュ保存領域デバイス、磁気ディスク、例えば内部ハードディスクもしくは取り外し可能ディスク、磁気光学ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ及びＤＶＤ−ＲＯＭディスクを例として含む、全ての形態の非一時保存領域を含む。
【０２３８】
本明細書で使用されるように、いずれの「電気的接続」も、介在構成要素を含むが、そうでなければ接続された構成要素間を電気信号が流れることを可能にする直接物理的接続、有線または無線接続を意味しうる。本明細書で言及された電気回路を伴う任意の「接続」は、そうではないと言明されなければ、電気的接続でありえ、「電気」という用語が「「接続」を改良するために使用されているか否かにかかわらず、必ずしも直接物理的接続でない場合がありうる。
【０２３９】
前述の実装例の任意の２つ以上が、適切な粒子加速器（例えばシンクロサイクロトロン）において適切な組み合わせで使用されうる。同様に、前述の実装例の任意の２つ以上の個別の特徴が、適切な組み合わせで使用されうる。
【０２４０】
本明細書で説明された異なる実装例の要素は、具体的に前述されていない別の実装例を形成するために組み合わされうる。要素は、動作に悪影響を与えることなく、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うる。様々な別個の要素は、本明細書で説明された機能を実施するために、１つまたは複数の個別の要素に組み合わせられうる。
【０２４１】
本明細書で説明された例示的な実装例は、粒子治療システムで使用することまたは本明細書で説明された例示的な粒子治療システムで使用することに限定されない。むしろ、例示的な実装例は、加速された粒子を出力に向ける任意の適切なシステムで使用可能である。
【０２４２】
本明細書で具体的に説明されないその他の実装例も、以下の特許請求の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０２４３】
１  散乱ユニット
２  コイル
１０  シンクロサイクロトロン
１６  散乱ユニット
４０  葉状構造
４２  コイルセット
５０、５２  葉状構造の高さ
５３  葉状構造の幅
５５  溝特徴体
５６  曲面端部
１００  ヨーク
１０３  ディー平板
１０６  走査システム
１０８  走査磁石
１０９  イオンチャンバー
１１０  エネルギーデグレーダ
１１１、１１２  コイル
１１５  飛程変調器
１１６  平板
１１８  電流センサ
１３８  チャネル
１４０、１４２  環状超電導コイル
１４４、１４６  磁極面
１５６  リバースボビン
１７０  ステンレス鋼低温チャンバー
１７１、１７３  支持点
１８１、１８３  半分部
１８４  帰還磁束
１９０  粒子源
１９１  磁石システム
１９２  幾何学的中心
２００  プロセス
２３３  照射ターゲットの層
２９４  電気ケーブル
３９０、３９２  カソード
３９３  ガスライン
３９４  チューブ
３９９  供給源
４００  荷電粒子放射線治療システム
４０２  粒子加速器
４０４、４０６  高温−低温支持ストラップ
４０８、４１０  脚部
４１２、４１４  ベアリング
４１６  トラス構造
４１８  処置領域
４２０  ガントリーの回転範囲
４２２  床
４２４  ボールト
４３０  壁
４３２  水平回転軸
４３４  範囲
４４０  アイソセンター
４４２  垂直軸
４８０、４８２  スパン
５００  ディー平板
５０２  ダミーディー
５０３、５０５  半円形表面
５０７  空間
５０９  ダクト
５１４  分離磁気シールド
５１６  空間
５１７  強磁性材料の層
５２５  ビーム形成システム
６０７、６０９  ビーム整形要素
６２２、６２４  カウンターウェイト
７００  適応アパーチャ
７０１  葉状構造
７０４  処置領域
７０６、７０７  ビームスポットの中心
７０８  処置境界
７１１  ビームスポット
７１３  一次キャリッジ
７１４、７１５  二次キャリッジ
７１７  Ｚ次元
７１８、７１９  部材
７２０  トラック
７２２、７２３  棒材
７２５、７２６、７３０  モーター
７３１  リードねじ
７３２  筐体
７３５、７３６  葉状構造
７３５ａ  葉状構造
７３５ｂ  葉状構造スティック
７３５ｃ  リードねじナット
７３５ｄ  リードねじ
７３５ｅ  スラストベアリングアセンブリ
７３５ｆ  カップリング
７５０  葉状構造
７５１  垂直シャフト
７７１  患者
９１０  処置システム
９１２  加速器
９１４  粒子ビーム
９１６  走査ユニット
９１８  監視ユニット
９２０  エネルギーデグレーダ
９２２  患者の体
９２２’  患者の体の部分
９２４  ターゲット体積
９２６  ターゲット体積の層
９２８  照射方向
９３０  ターゲット体積
９３２  コントローラ
１０１２  磁石システム
１３００  内部導体
１３０２  外部導体
１３０４  電力結合デバイス
１３０６、１３０８  可変リアクティブ素子
１３１０  ブレード
１３１２  平板
１４００  葉状構造
１４０１  放射線スポット
１４０２  放射線スポットの中心
１４２０  トラック
１４２１  粒子ビーム
１４２２  ビーム源
１４２３  走査のフィールド
１４２５、１４２６  ビームの位置
１４２８、１４２９  葉状構造
１４３１  直線端部
１５００  スポットの中心
１６００  事前トリムされたスポット
１６０１  元のスポット
１６０２、１６０３  弦
１６０５  事前トリムされたスポットの半径
１６０６  トリムされていないスポットの中心
１６０７  スポットが回転される量
１７００  照射ターゲット
１７０１、１７０２  処置される層
１８０１、１８０２  照射ターゲットの層
１８０４  トリミング曲線
１８０６  ガウシアンプロット
１８０７  テールエッジ
１９０１  照射ターゲットの層
１９０２から１９０５  内部トリミング曲線
２２０１  最大ターゲット線量
２２０２  最小ターゲット線量
２２０４  処置領域
２２０５  処置領域の縁
２２０６  スポットＤ
２４０１  スポット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2019520172.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2019520172.tif 000022
【図２０】
2019520172.tif 000023
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
2019520172.tif 000031
【図２９】
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【図３０】
2019520172.tif 000033
【図３１】
2019520172.tif 000034
【図３２】
2019520172.tif 000035
【図３３】
2019520172.tif 000036
【図３４】
2019520172.tif 000037
【図３５】
2019520172.tif 000038
【図３６】
2019520172.tif 000039
【図３７】
2019520172.tif 000040
【図３８−４１】
2019520172.tif 000041
【図４２】
2019520172.tif 000042
【図４３】
2019520172.tif 000043
【国際調査報告】
2019520172.tif 000044
2019520172.tif 000045
2019520172.tif 000046