(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを搬送するように構成された複数の加速セルを含み、隣接した加速セルは連結セルによってリンクされており、前記連結セルは、隣接した加速セルの夫々の、他の加速セルと同じ位置の電場に対する電場の比を決めるように構成されており、少なくとも一つの連結セルは、電場の比の範囲が複数の正の値及び複数の負の値を含むことができるように可変である、電子加速器。
【請求項２】
前記少なくとも一つの連結セルにおける前記電場の比は、正の値から負の値まで滑らかに変化できる、請求項１に記載の電子加速器。
【請求項３】
前記荷電粒子ビームは、前記電子加速器の全長における部分のうち、前記可変である少なくとも一つの連結セルの下流側において前記電子加速器の長さに亘って相対論的な状態をとる、請求項１又は２に記載の電子加速器。
【請求項４】
前記可変である少なくとも一つの連結セルは、前記荷電粒子ビームの進む方向に対して横方向の軸線を中心として回転自在の導電性エレメントを収容したキャビティを含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の電子加速器。
【請求項５】
複数の加速セルが荷電粒子ビームを搬送するように構成されており、隣接した加速セルは連結セルによってリンクされており、前記連結セルは、隣接した加速セルの夫々の、他の加速セルと同じ位置の電場に対する電場の比を決めるように構成された電子加速器の使用方法において、少なくとも一つの連結セルを、電場の比の範囲が複数の正の値及び複数の負の値を含むことができるように変えることができるようにした、電子加速器の使用方法。
【請求項６】
前記少なくとも一つの連結セルにおける前記電場の比は、正の値から負の値まで滑らかに変化できるようにした、請求項５に記載の使用方法。
【請求項７】
複数の加速セルが荷電粒子ビームを搬送するように構成されており、隣接した加速セルは連結セルによってリンクされており、前記連結セルは、隣接した加速セルの夫々の、他の加速セルと同じ位置の電場に対する電場の比を決めるように構成された電子加速器の作動方法において、少なくとも一つの連結セルを、電場の比の範囲が複数の正の値及び複数の負の値を含むことができるように変えるようにした、電子加速器の作動方法。
【請求項８】
前記少なくとも一つの連結セルにおける前記電場の比は、正の値から負の値まで滑らかに変化させるようにした、請求項７に記載の電子加速器の作動方法。
【請求項９】
キロボルトオーダーのポータル画像を撮影する方法に用いられる、請求項１乃至４のいずれかに記載の電子加速器。
【請求項１０】
治療用Ｘ線ビームを生成する、請求項１乃至４および９のいずれか一項に記載の電子加速器を備えた放射線療法装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、線型加速器に関する。
【０００２】
背景技術
癌や他の疾病の治療に放射線療法を使用するにあたっては、適当な放射線の強力なビームが患者の疾患領域に差し向けられる。このようなビームは、癌細胞に対する使用中にその経路にある生きている細胞も殺してしまうため、ビームが正しく差し向けられていることを確認することが強く望まれている。これをし損なうと、患者の健康な細胞が不必要に破壊されることとなる。これを検査するために幾つかの方法が使用されている。重要な検査は、いわゆる「ポータル画像（portal image）」を使用する検査である。これは、短い照射期間中に写真乾板又は電子印写板を患者の下に置くことによって形成される。ビームは、患者の体内器官及び構造によって減衰され、画像を板に残す。これは、狙いが正しいかどうかを確認するため、治療完了前又は照射後のいずれかにおいて検査できる。
【０００３】
しかしながら、ポータル画像は、その解釈が極めて困難である。有用な治療効果を得るのに必要なビームのエネルギーは、医療撮影に使用されるエネルギーよりも遙かに大きい。これらの高いエネルギーでは、骨と組織構造との間での相対的減衰の比が小さく、そのため、ポータル画像はコントラストが乏しくなる。患者の体内の構造を見分けるのが困難である。
【０００４】
幾つかの現存の放射線療法装置は、ポータル画像を発生するための低エネルギーのビームを発生するように構成された第２放射線源を含む。この第２源は、通常は、主加速器の側部に沿ってこれと平行に配置されるか、或いは、第２源をポータル画像と整合させた後、治療を行うためにユニットを回転させて戻すため、患者を中心としてユニット全体を回転させることができるように所定角度で取り付けられるかのいずれかである。これらの構成は両方とも、主加速器と第２源との間を適切に整合させるのが困難である。
【０００５】
主（治療用）加速器のエネルギーを単に減少することは、これまでは不可能であった。これは、ビームの品質を維持するために相対論的なモードで作動させなければならないためである。最終的なビームのエネルギーが低過ぎる場合には、ビームは、加速器の前の方の部分で非相対論的な状態をとり、満足に作動しない。
【０００６】
発明の概要
従って、本発明は、ビームを搬送するように構成された複数の加速セルを含み、隣接したセルは連結セルによってリンクされており、前記連結セルは、隣接した加速セルの夫々の電場の比を決めるように構成されており、少なくとも一つの連結セルは、正の比と負の比との間で切り換え可能である、加速器を提供する。
【０００７】
このような加速器は、放射線療法装置の一部をなすものとして、治療用に優れて適している。これは、実際には、負の比を持ち込むことによって電場に位相変化を導入するためである。このことは、ビームが、連続したセルで逆の電場に遭遇し、実際に減速されるということを意味する。その結果、ビームを発生し、前の方のセルで、相対論的なエネルギーまで加速する際及び／又は相対論的なエネルギーでビームを束ねた後、エネルギーを後の方のセルで逃がし、ビームのエネルギーを１００ＫｅＶ乃至３００ＫｅＶ程度まで低下させる。この低出力のエネルギーにも拘わらず、ビームは、上述したように、加速器の実質的に同じ長さに亘って相対論的な状態をとる。この大きさのエネルギーは、骨構造のコントラストが遙かに高い診断用Ｘ線のエネルギーと同程度である。従って、キロボルトオーダーのポータル画像の撮影に加速器を使用することができる。
【０００８】
切り換え可能な連結セルは、ビームの軸線に対して横方向の軸線を中心として回転自在の導電性エレメントを収容したキャビティを有する。これは、更に好ましくは、本出願人の以前の出願であるＰＣＴ／ＧＢ９９／００１８７に記載されている構成である。同特許出願に触れたことにより、その特許出願に開示されている内容は本明細書中に組み入れたものとする。この出願に記載した特徴について、前記出願に記載された特徴と組み合わせて保護を求める。
【０００９】
本願は、同様に、複数の加速セルがビームを搬送するように構成されており、隣接したセルが連結セルによってリンクされており、連結セルは、隣接した加速セルの夫々の電場の比を決めるように構成された加速器の使用方法において、少なくとも一つの連結セルを、正の比と負の比との間で切り換えできるようにした、加速器の使用方法に関する。
【００１０】
更に、本願は、複数の加速セルがビームを搬送するように構成されており、隣接したセルは連結セルによってリンクされており、連結セルは、隣接した加速セルの夫々の電場の比を決めるように構成された加速器の作動方法において、少なくとも一つの連結セルを、正の比と負の比との間で切り換えるようにした、加速器の作動方法に関する。
【００１１】
次に、本発明の一実施の形態を添付図面を参照して一例として説明する。
【００１２】
実施の形態の詳細な説明
図１を参照すると、既存の加速器１００は、１０２等の一連の加速セルを有する。これらのセルは、線型のアレイをなして配置されており、各々の中心線に設けられた孔１０４を介して連通している。電子の加速ビームが各加速セルを通る経路に沿って通過する。１０６等の連結セルが隣接した加速セル間に配置されており、加速セル間に所定程度のｒｆ（高周波）連結を提供する。この連結は、外部手段（図示せず）によって加速器で発生したｒｆ定在波を調節する。
【００１３】
従来、セルの番号は、第１加速セルで始めて、セルの種類に拘わらず、各セルについて順次付されている。かくして、第１及び第２の加速セル間の第１連結セルはセル２である。次の第２加速セルはセル３である。これは図１に示してあり、この結果、加速セルには奇数が付され、連結セルには偶数が付されている。
【００１４】
図２はセルの所望のｒｆパターンを示す。パターンは、時間的な瞬間を示す定在波のパターンであり、そのため特定の位置での実際の電場は図２に示す最大値と逆電場との間で振動するということを思い出さなければならない。電場は、理想的には、セル１で正、セル２でゼロ、セル３で負、そしてセル４でゼロである。この場合、連結セルでゼロで、これと連続した加速セルの極性が交互のパターンを繰り返す。加速器は、加速電子が１つのセルから別のセルまで、例えばセル２３からセル２５まで移動する時間で定在波が半サイクル完了するように、ｒｆ定在波の周波数に関して大きさが定められている。その結果、セル２５の電場は、電子が到着したとき、電子がセル２３にある場合のその値の逆である。かくして、全ての加速セルの電場は、電子が観察される限り正であり、電子はその伝播時に電場から常にエネルギーを獲得する。
【００１５】
後の方の加速セルでは、電子のエネルギーは、その移動を相対論的な状態にするようなエネルギーである。従って、エネルギーを獲得するとき、その運動エネルギーが高くなるにも拘わらず、その速度は実質的に一定のままである。これにより、ｒｆ定在波と伝播する電子との間の位相関係を一定のままにできる。従って、ビームが相対論的な状態をとり続けることが重要である。これは、そうでない場合には、ｒｆ定在波との同期から外れてしまうためである。従って、加速度（ｒｆ出力）を減少することによってビームの出力エネルギーを減少することはできない。これは、ビームが、理論的には、出力時に相対論的であるけれども、加速器の長さの大部分に亘って非相対論的であるためである。従って、ビームは位相同期状態から外れてしまう。
【００１６】
図３は、加速器の通過時に電子に作用する実際の電場のプロットを示す。電場が強力であり且つ正である、加速キャビティの中心と対応する多数の点があるということが分かる。これらの領域間では電場は小さく、無視できる。セル内では、電場は、ほぼ所望の電場である。
【００１７】
図４は、本発明による線型加速器を示す。セル１０に代えて可変連結セル１０８を使用する。この可変連結セルは、加速器の軸線に対して横方向に整合した実質的に円筒形のキャビティ１１０を含み、このキャビティには回転自在のベーン１１２が配置されている。この装置は、我々の以前の出願であるＰＣＴ／ＧＢ９９／００１８７に記載された装置である。読者はこの出願を参照されたい。上記の出願に記載されているように、この構成により、連結係数比（ratios of coupling coefficient）の範囲を広くすることができる。しかしながら、この構成は、実際には、図５に示すように、負の比を発生することができる。図５は、ベーンを３６０°に亘って回転させたときの連結係数及びこれらの連結係数の間の比を示す。幾つかのベーン角度範囲に亘り、両連結係数が同符号であり、及び従ってこれらの間の比が正であるが、他のベーン角度範囲に亘り、連結係数の符号が異なり、及び従って比が負になるということがこの図で分かる。
【００１８】
この構成は、同符号又は異符号のいずれかの連結係数を発生することができ、これにより線型加速器の二つの部分が、両方とも粒子の加速を行うか、或いは、一方の部分が加速を行うと同時に他方の部分が減速を行うかのいずれかにすることができる。
【００１９】
比が非常に大きい幾つかの領域では、加速器は不安定になってしまう。しかしながら、図示のグラフの３０°乃至１８０°の領域等の他の領域では、無限大の大きさとならないような正の値と無限大の大きさとならないような負の値との間で比を滑らかに変化させることができる。
【００２０】
図５ａ及び図５ｂは、これがどのように起こるのかを示す。キャビティ内で全電磁場パターン（EM field pattern）の配向はベーン１１２の位置によって決められる。これは、（例えば）電場１１４の線が導電性表面と垂直に当たらなければならないためである。しかしながら、加速セルと連結セルとの間のｒｆ連結は、主に、場点（field points）が紙面に入るのか或いは出るのかを矢印端（ｘ及び・）によって示す軸線方向のＨ−場（H-field）を持つ磁場に支配される。
【００２１】
かくして、ベーン１１２がポート１１６と１１８との間にあり（図５ａ参照）、加速セルと連結セルとをリンクさせる場合には、各ポートのＨ−場は同じ極性であり（例えば、両方ともｘ）、正の連結係数比を生じ、電子が連結セルの上流及び下流の両方で加速される。一般的には、これらの加速場の強さはベーンの正確な角度設定に従って異なる。
【００２２】
ベーン１１２がポート１１６及び１１８に対して横方向である場合（図５ｂ参照）には、ポートから見たＨ−場の極性が逆であり（例えばｘ及び・）、負の連結係数比を生じ、及びかくして、電子は連結セルの上流で加速され、下流で減速される。
【００２３】
図６及び図７は、単位値（unity）以上及び単位値以下の夫々の連結係数比が加速セルの電場に及ぼす作用を示す。図６では、セル１０の後、加速ビームに作用する電場が低下し、従って、ビームが受け取るエネルギーが小さく、出力エネルギーが小さい。図７では、セル１０の後、加速ビームに作用する電場が上昇し、従って、ビームは更に多くのエネルギーを受け取り、出力エネルギーが大きい。これは、ビームの出力エネルギーを変化させるＰＣＴ／ＧＢ９９／００１８７の装置の性能を示す。
【００２４】
図８は、負の連結係数比の作用を示す。セル９からセル１１へかけて電場が逆転し、ｒｆ定在波の位相が効果的に変化する。かくして、セル１１から先に進むと、ビームに電場が作用しこれによりビームを減速し、即ちビームは電場に対してエネルギーを失う。かくして、ビームの出力はエネルギーが非常に低くなる。これにより、ポータル画像を適切なコントラストで得ることができる。
【００２５】
従来、ｒｆ場をビームと分離し、追加の半波長経路を導入することによってｒｆ場に位相変化を挿入する試みがなされてきたが、これには、ｒｆ周波数及びビームを再統一する上で非常な困難が生じる。本構成は、この困難を完全になくす。
【００２６】
勿論、本発明の範囲から逸脱することなく、上述した構成に多くの変更を行うことができるということは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の線型加速器の概略図である。
【図２】  図１の加速器の望ましい電場を示すグラフである。
【図３】  加速を受ける電子に作用する代表的な電場を示すグラフである。
【図４】  本発明による線型加速器の概略図である。
【図５】  図４のセル１０８と二つの隣接したセルとの間の個々の連結係数の変化を示し、導電性エレメント（ベーン）の回転時のこれらの係数比の変化を示すグラフであり、図５ａ及び図５ｂは、図５の説明を提案する。
【図６】  電場を低下させるように回転自在のエレメントを設定した、図４の加速器についての、電子に加わる電場を示すグラフである。
【図７】  電場を上昇させるように回転自在のエレメントを設定した、同様の電場を示すグラフである。
【図８】  電場を逆転させるように回転自在のエレメントを設定した、更に別の電場を示すグラフである。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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