(57)【要約】      （修正有）【課題】粒子加速器から取り出された荷電粒子ビームのエネルギーを減衰させるエネルギーディグレーダを提供する。【解決手段】エネルギーディグレーダ１は、第１の螺線形表面の一部の形状を有する第１のビーム入射面を有する第１のエネルギー減衰部材１０と、第２の螺線形表面の一部の形状を有する第２のビーム出射面を有する第２のエネルギー減衰部材２０とを有し、ビーム出射面は、ビーム方向に対してビーム入射面の下流に位置しており、エネルギーディグレーダ１は、更に、第１及び／又は第２の軸線Ａ１、Ａ２の周りで第１及び／又は第２のエネルギー減衰部材１０、２０を回転させる駆動装置Ｍ１、Ｍ２を有する。第１及び第２の螺線形表面は連続する面であり同じ掌性を有するので、より小さな慣性モーメントでよりコンパクトなディグレーダを形成する。【選択図】図１
2017138299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子加速器から取り出された荷電粒子ビームのエネルギーを減衰させるエネルギーディグレーダであって、
第１の螺線形表面の一部の形状を有する第１のビーム入射面を有する第１のエネルギー減衰部材であって、第１の軸線と第１のビーム出射面を有する前記第１のエネルギー減衰部材と、
前記第１のエネルギー減衰部材から分離され、第２の螺線形表面の一部の形状を有する第２のビーム出射面を有する第２のエネルギー減衰部材であって、第２の軸線と第２のビーム入射面を有する前記第２のエネルギー減衰部材と、
前記第１のエネルギー減衰部材、又は、前記第２のエネルギー減衰部材、又は、前記第１のエネルギー減衰部材及び前記第２のエネルギー減衰部材の両方に作動的に連結され、前記第１のエネルギー減衰部材、又は、前記第２のエネルギー減衰部材、又は、前記第１のエネルギー減衰部材及び前記第２のエネルギー減衰部材の両方を、前記第１の軸線、又は、前記第２の軸線、又は、前記第１の軸線及び前記第２の軸線の両方の周りでそれぞれ回転させる駆動装置とを有し、
前記第１の軸線は前記第２の軸線と平行又は同軸に構成され、
前記第１のビーム出射面と前記第２のビーム入射面は向き合っており、
前記第１の螺線形表面及び前記第２の螺線形表面は連続する面であり、
前記第１の螺線形表面及び前記第２の螺線形表面は同じ掌性を有する
ことを特徴とするエネルギーディグレーダ。
【請求項２】
請求項１記載のエネルギーディグレーダにおいて、
前記駆動装置は、前記第１のエネルギー減衰部材及び前記第２のエネルギー減衰部材に作動的に連結され、
前記駆動装置は、前記第１のエネルギー減衰部材及び前記第２のエネルギー減衰部材を前記第１の軸線及び前記第２の軸線の周りでそれぞれ回転させる
ことを特徴とするエネルギーディグレーダ。
【請求項３】
請求項２記載のエネルギーディグレーダにおいて、
前記駆動装置は、
前記第１のエネルギー減衰部材に作動的に連結された第１のモータであって、前記第１のエネルギー減衰部材を前記第１の軸線の周りで回転させる前記第１のモータと、
前記第２のエネルギー減衰部材に作動的に連結された第２のモータであって、前記第２のエネルギー減衰部材を前記第２の軸線の周りで回転させる前記第２のモータとを有する
ことを特徴とするエネルギーディグレーダ。
【請求項４】
請求項１記載のエネルギーディグレーダにおいて、
前記第１のビーム出射面は、環状形状又は部分環状形状を有し、
前記第２のビーム入射面は、環状形状又は部分環状形状を有し、
前記第１のビーム出射面は、前記第２のビーム入射面に平行であり、
前記第１のビーム出射面と前記第２のビーム入射面は、前記第１の回転軸と前記第２の回転軸に垂直である
ことを特徴とするエネルギーディグレーダ。
【請求項５】
請求項４記載のエネルギーディグレーダにおいて、
前記第１のビーム出射面と前記第２のビーム入射面との間にギャップを有し、
前記ギャップは、１０ｍｍより小さい
ことを特徴とするエネルギーディグレーダ。
【請求項６】
請求項５記載のエネルギーディグレーダにおいて、
前記ギャップは、５ｍｍより小さい
ことを特徴とするエネルギーディグレーダ。
【請求項７】
請求項５記載のエネルギーディグレーダにおいて、
前記ギャップは、１ｍｍより小さい
ことを特徴とするエネルギーディグレーダ。
【請求項８】
請求項１記載のエネルギーディグレーダにおいて、
前記第１のエネルギー減衰部材と前記第２のエネルギー減衰部材は、形状及び大きさが同一である
ことを特徴とするエネルギーディグレーダ。
【請求項９】
請求項１記載のエネルギーディグレーダにおいて、
前記第１の螺線形表面及び前記第２の螺旋形表面は、シリンドリカルな螺旋形表面である
ことを特徴とするエネルギーディグレーダ。
【請求項１０】
請求項９記載のエネルギーディグレーダにおいて、
前記第１の螺線形表面と前記第２の螺旋形表面は、同一の半径と同一のピッチを有し、
前記第１の回転軸は、前記第２の回転軸と一致する
ことを特徴とするエネルギーディグレーダ。
【請求項１１】
請求項９記載のエネルギーディグレーダにおいて、
前記第１の螺線形表面の半径は、前記第２の螺旋形表面の半径よりも小さく、
前記第１の螺線形表面のピッチは、前記第２の螺旋形表面のピッチよりも小さく、
前記第１の回転軸は、前記第２の回転軸と相違する
ことを特徴とするエネルギーディグレーダ。
【請求項１２】
請求項１記載のエネルギーディグレーダにおいて、
前記第１の螺線形表面と前記第２の螺旋形表面は、円錐形状の螺線形表面であり、
前記第１のエネルギー減衰部材と前記第２のエネルギー減衰部材は、切頭面が向かい合う直円錐台形状であり、
前記第１の螺線形表面の前記第１の軸線が、前記第２の螺線形表面の前記第２の軸線と一致する
ことを特徴とするエネルギーディグレーダ。
【請求項１３】
請求項１２記載のエネルギーディグレーダにおいて、
前記第１のエネルギー減衰部材と前記第２のエネルギー減衰部材の円錐台は、同じ開口角αを有し、
前記第１の螺線形表面と前記第２の螺旋形表面は、前記開口角αの傾斜を有し、
前記第１の螺線形表面と前記第２の螺旋形表面は、同じピッチを有する
ことを特徴とするエネルギーディグレーダ。
【請求項１４】
荷電された粒子ビームを取り出すように構成された粒子加速器と、前記粒子ビームのエネルギーを減衰するように構成されたエネルギーディグレーダとを有する粒子線治療装置であって、
前記エネルギーディグレーダは、
第１の螺線形表面の一部の形状を有する第１のビーム入射面を有する第１のエネルギー減衰部材であって、第１の軸線と第１のビーム出射面を有する前記第１のエネルギー減衰部材と、
前記第１のエネルギー減衰部材から分離され、第２の螺線形表面の一部の形状を有する第２のビーム出射面を有する第２のエネルギー減衰部材であって、第２の軸線と第２のビーム入射面を有する前記第２のエネルギー減衰部材と、
前記第１のエネルギー減衰部材、又は、前記第２のエネルギー減衰部材、又は、前記第１のエネルギー減衰部材及び前記第２のエネルギー減衰部材の両方に作動的に連結され、前記第１のエネルギー減衰部材、又は、前記第２のエネルギー減衰部材、又は、前記第１のエネルギー減衰部材及び前記第２のエネルギー減衰部材の両方を、前記第１の軸線、又は、前記第２の軸線、又は、前記第１の軸線及び前記第２の軸線の両方の周りでそれぞれ回転させる駆動装置とを有し、
前記第１の軸線は前記第２の軸線と平行又は同軸に構成され、
前記第１のビーム出射面と前記第２のビーム入射面は向き合っており、
前記第１の螺線形表面及び前記第２の螺線形表面は連続する面であり、
前記エネルギーディグレーダは、前記粒子ビームが前記第１のビーム入射面で前記エネルギーディグレーダに入射して前記第２のビーム出力面で前記エネルギーディグレーダから出力するように、前記粒子ビームに対して方向をあわせて配置されている
ことを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の粒子線治療装置において、
前記第１の螺線形表面及び前記第２の螺旋形表面は、シリンドリカルな螺旋形表面であり、
前記エネルギーディグレーダは、前記粒子ビームの経路が前記第１のビーム入射面で前記第１の軸線に平行となるように、前記粒子ビームの前記経路に対して方向をあわせて配置されている
ことを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の粒子線治療装置において、
前記第１の螺線形表面と前記第２の螺旋形表面は、同一の半径と同一のピッチを有し、
前記第１の回転軸は、前記第２の回転軸と一致する
ことを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１７】
請求項１５記載の粒子線治療装置において、
前記第１の螺線形表面の半径は、前記第２の螺旋形表面の半径よりも小さく、
前記第１の螺線形表面のピッチは、前記第２の螺旋形表面のピッチよりも小さく、
前記第１の回転軸は、前記第２の回転軸と相違する
ことを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１８】
請求項１４記載の粒子線治療装置において、
前記第１の螺線形表面と前記第２の螺旋形表面は、円錐形状の螺線形表面であり、
前記第１のエネルギー減衰部材と前記第２のエネルギー減衰部材は、切頭面が向かい合う直円錐台形状であり、
前記第１の螺線形表面の前記第１の軸線が、前記第２の螺線形表面の前記第２の軸線と一致し、
前記エネルギーディグレーダは、前記粒子ビームの経路が前記第１のビーム入射面で前記第１の螺線形表面の法線ベクトルに平行となるように、前記粒子ビームの前記経路に対して方向をあわせて配置されている
ことを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１９】
請求項１８記載の粒子線治療装置において、
前記第１のエネルギー減衰部材と前記第２のエネルギー減衰部材の円錐台は、同じ開口角αを有し、
前記第１の螺線形表面と前記第２の螺旋形表面は、前記開口角αの傾斜を有し、
前記第１の螺線形表面と前記第２の螺旋形表面は、同じピッチを有する
ことを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項２０】
請求項１５記載の粒子線治療装置において、
前記粒子加速器は、固定エネルギー加速器である
ことを特徴とする粒子線治療装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］
この出願は、２０１６年２月４日に出願された欧州特許出願第１６１５４２８２．４号に基づく優先権を主張するものである。上記出願の全体は、それを参照することにより組み込まれる。
【０００２】
［０００２］
本開示は、例えば陽子加速器や炭素イオン加速器のような荷電粒子加速器の分野に関し、より詳しくは、粒子加速器から取り出された荷電粒子ビームのエネルギーを減衰させる回転エネルギーディグレーダに関する。
【０００３】
［０００３］
本開示は、また、粒子加速器と、粒子加速器から取り出された荷電粒子ビームのエネルギーを減衰させる回転エネルギーディグレーダとを有する粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００４】
［０００４］
荷電粒子ビームを用いる特定の用途では、これら粒子のエネルギーを変化させることが求められる。例えば、粒子線治療の用途において、荷電粒子のエネルギーが粒子線治療により治療される身体への粒子の侵入深さを決定する、
［０００５］
例えば、サイクロトロンのような固定エネルギー粒子加速器は、それ自体は、それらが生成する粒子ビームのエネルギーを変化させるように構成されていないので、エネルギーを変化させるための追加の装置を必要となる。例えば、シンクロトロンのような可変エネルギー粒子加速器は、それ自体が、それらが生成する粒子ビームのエネルギーを変化させるように構成されているが、それにもかかわらず、粒子がシンクロトロンから取り出された後に更にエネルギーを変化させることが望ましい場合もある。
【０００５】
［０００６］
粒子加速器から取り出された粒子ビームのエネルギーを変化させる装置は、一般的に、エネルギーディグレーダ（Energy Degrader）と呼ばれている。エネルギーグレーダは、粒子加速器からの取り出された後であって粒子ビームがターゲットに到達する前に粒子ビームの経路を横切って配置されたひとつ又はそれ以上の減衰物質のブロックを有する。そのような減衰物質のブロックを通過する荷電粒子は、所定のタイプの粒子に対する、通過する物質固有の特性とその厚さの関数に相当するエネルギーを減衰させる。
【０００６】
［０００７］
国際出願公開第ＷＯ００３８４８６号パンフレットは、離散的なフラットステップを有する二重螺旋階段の形状を有し、粒子ビームの経路を横切って配置されているエネルギーディグレーダ物資の単一ブロックを有する回転エネルギーディグレーダを開示する。粒子ビームは、二重階段の片側のステップに垂直にディグレーダに入り、二重階段の反対側のステップに垂直にディグレーダを出て、そのステップでのディグレーダの厚さに応じてビームのエネルギーを減衰させる。ディグレーダを軸線のまわりで所定の角度だけ回転させると、粒子ビームはディグレーダの別のステップに垂直に入射し、反対側から出射し、ビームのエネルギーはディグレーダのステップの厚さに応じて減衰する。従って、粒子ビームに対してディグレーダの角度位置を変えることによりエネルギー減衰量を変化させることができる。
【０００７】
［０００８］
しかしながら、国際出願公開第ＷＯ００３８４８６号パンフレットに開示された回転エネルギーディグレーダや他の既知のエネルギーディグレーダは様々な欠点がある。例えば、粒子線治療の用途に必要とされるエネルギー変化の良好な解像度を得るためには、十分に低い高さ（国際出願公開第ＷＯ００３８４８６号パンフレットの図１ｃの「Ｈ」参照）のステップを設ける必要があり、従来のディグレーダでは大きな直径を必要とする。
【０００８】
［０００９］
結果として、これらディグレーダは大きな慣性モーメントを有し、粒子ビームに対して迅速に及び／又は高精度に回転させることが困難になってしまう。しかしながら、最近の用途では、粒子ビームのエネルギーを例えば数１０ｍ秒のように極めて迅速に且つ高精度に変化させることが要求されている。これは、例えば粒子線治療の場合である。粒子線治療の場合、例えば腫瘍のような目標物は粒子ビームにより層ごとに照射され、これらの層は患者の身体中の異なる深さに位置する。このような場合、ターゲットの１つの層から次の層に移行する際、粒子ビームのエネルギーを極めて迅速に及び／又は高精度に変化できることが望ましい。
【０００９】
［００１０］
別の欠点は、大量の高価なエネルギー減衰材料が必要であり、コストが相当高価になってしまう。大直径の別の欠点は、ディグレーダが大きいため扱いにくく、大きなスペースを占有し、設置面積が大きくなってしまう。
【００１０】
［００１１］
論文「R.E. Berg in “Rotating wedge cyclotron beam degrader” (Proceedings of the 7th International conference on cyclotrons and their applications; Zurich, Switzerland, 19-22 August 1975; pp. 315-316)」は他のエネルギーディグレーダを開示する。このディグレーダは、減衰物質の「コンマ」形状のブロックが用いられており、この「コンマ」形状のブロックは軸線の周りに回転移動可能にされている。ビームは回転軸線と直交する方向で「コンマ」と交差し、つまりビームは「コンマ」の外側の湾曲側で「コンマ」に入射し、「コンマ」の内側の湾曲側で「コンマ」から出射する。あるいはこの逆の関係に設定される場合もある。エネルギー減衰量は、粒子ビームに対する「コンマ」の角度位置を変えることにより変化する。
【００１１】
［００１２］
粒子線治療の用途に用いられる場合、このエネルギーディグレーダは、大きな直径を必要とし、従って、上記国際出願公開第ＷＯ００３８４８６号パンフレットと同様な欠点があり、すなわち慣性モーメントが大きく、コストが高価であり、占有体積が大きい欠点がある。
【００１２】
［００１３］
これらエネルギーディグレーダの他の欠点は、角測長さが２πラジアンより小さいことである。そうでないとビームが減衰物質の２つの対向する円弧間の大きなギャップを透過するからであり、これは避けるべきである。
【発明の概要】
【００１３】
［００１４］
本発明の実施形態は、粒子ビームのエネルギーを既知のディグレーダよりも迅速に及び／又は一層高い精度で変化させるように構成したエネルギーディグレーダを提供する。
【００１４】
［００１５］
本開示によるエネルギーディグレーダの典型的なビームエネルギーの上流（すなわち入力側）はＭｅＶのレンジであり、例えば１５０ＭｅＶ〜３００ＭｅＶの範囲にあり、そして、本開示によるエネルギーディグレーダの典型的な所望のビームエネルギーの下流（すなわち出力側）もＭｅＶのレンジであり、例えば上流エネルギーが２３０ＭｅＶの場合、５０ＭｅＶ〜２３０ＭｅＶの範囲である。
【００１５】
［００１６］
本開示の実施形態として、粒子加速器から取り出された荷電粒子ビームのエネルギーを減衰させるエネルギーディグレーダを開示する。エネルギーディグレーダは、第１の螺線形表面の一部の形状を有する第１のビーム入射面を有する第１のエネルギー減衰部材であって、第１の軸線と第１のビーム出射面を有する第１のエネルギー減衰部材と、第１のエネルギー減衰部材に結合されておらず、第２の軸線と第２のビーム入射面を有する第２の螺線形表面の一部の形状を有する第２のビーム出射面を有する第２のエネルギー減衰部材とを有し、第１の軸線は第２の軸線と平行又は一致している。
【００１６】
［００１７］
第１のビーム出射面と第２のビーム入射面は向き合っていてもよく、第１の螺線形表面及び第２の螺線形表面は連続する面であってもよく、第１の螺線形表面及び第２の螺線形表面は同じ掌性（handedness）を有してもよい。
【００１７】
［００１８］
エネルギーディグレーダは、第１及び／又は第２のエネルギー減衰部材に作動的に連結され、第１及び／又は第２のエネルギー減衰部材を、第１及び／又は第２の軸線の周りでそれぞれ回転させる駆動装置を更に有する。
【００１８】
［００１９］
本開示の実施形態によれば、ディグレーダは、ふたつのエネルギー減衰部材の入射面と出射面が、それを通過する荷電された粒子ビームの経路に対して次のような（連続又は不連続の）シーケンスで並べるように空間的に配置されている。
【００１９】
［００２０］
第１のエネルギー減衰部材の第１のビーム入射面、
［００２１］
第１のエネルギー減衰部材の第１のビーム出射面、
［００２２］
第２のエネルギー減衰部材の第２のビーム入射面、
［００２３］
第２のエネルギー減衰部材の第２のビーム出射面のシーケンス。
【００２０】
［００２４］
「不連続シーケンス」により、第１及び第２のエネルギー減衰部材のそれぞれのビーム出射面とビーム入射面の間に、例えば平板な物質プレートのような、追加の減衰部材が存在していると理解しなければならない。
【００２１】
［００２５］
本開示の実施形態によれば、第１の螺線形表面と第２の螺線形表面の連続性は、エネルギーディグレーダに、従来の回転ディグレーダが提供する不連続なステップよりも、より正確により高精度に変化させることを可能とする。この幾何学的特性は、同じ掌性を有する第１及び第２の螺線形表面を結合したとき、入射面と出射面に急勾配を用いることを許し続け、ディグレーダの出力での粒子の統計的エネルギー拡散を、特に粒子線治療用途において容認できる範囲に制限する。ふたつの螺線形表面が同じ掌性を有するとき、様々な厚さの分解物質（degrading material）は、従来の回転ディグレーダよりも全ビーム部にわたってより均質である。急勾配の傾斜を用いることにより、より小さな慣性モーメントでよりコンパクトなディグレーダを形成することができ、それによりディグレーダをより早く回転することを許し、その結果、エネルギー減衰をより早く変化させることができる。それは、減衰物質をより少なくすることを可能とし、それはコストを低減させる。
【００２２】
［００２６］
本開示の実施形態によれば、螺線形表面は、例えば、エネルギー減衰部材を３Ｄプリンターで形成する場合のように、非常に小さいステップの螺旋状階段のクローズアップした外観を有している。そのような場合、ビームが螺旋形表面と交差する際のレベルにおけるステップの最小段差（トレッド深さ）が最小平均ビーム直径以下の場合（例えば、螺旋形表面と交差する際の平均ビーム直径が８ｍｍと３０ｍｍとの間の範囲にある場合、ステップの最小段差は８ｍｍ以下となる）、螺旋形表面は連続する螺旋形表面と考える。
【００２３】
［００２７］
本開示の実施形態によれば、駆動装置は第１のエネルギー減衰部材に作動的に連結され、第２のエネルギー減衰部材を固定させながら、第１のエネルギー減衰部材を第１の軸線の周りで回転させる。
【００２４】
［００２８］
本開示の実施形態によれば、駆動装置は第１のエネルギー減衰部材と第２のエネルギー減衰部材に作動的に連結され、第１のエネルギー減衰部材と第２のエネルギー減衰部材の両方を第１の軸線と第２の軸線の周りでそれぞれ回転させる。これは、両方のエネルギー減衰部材の角度位置を変更し、両方のエネルギー減衰部材をより良くバランスさせる。
【００２５】
［００２９］
本開示の実施形態によれば、駆動装置は、第１のエネルギー減衰部材に作動的に接続され、第１のエネルギー減衰部材を第１の軸線の周りで回転させる第１のモータと、第２のエネルギー減衰部材に作動的に接続され、第２のエネルギー減衰部材を第２の軸線の周りで回転させる第１のモータとを有する。
【００２６】
［００３０］
そのような構成の場合、第１及び第２のエネルギー減衰部材は互いに独立して動くことができ、それは、両方のエネルギー減衰部材の入射面と出射面を粒子ビームの経路に対して、より詳しくは粒子ビームの輪郭の腰回りの位置に対して、よりよい位置にすることを許し、その結果、粒子ビームの拡散を減少させる。
【００２７】
［００３１］
本開示の実施形態によれば、第１及び第２の螺旋形表面はシリンドリカルな螺旋形表面である。第１及び第２の螺旋形表面は同一の半径と同一のピッチを有し、第１の回転軸は第２の回転軸と一致する。これは、エネルギーディグレーダの構成と動作を単純化する。
【００２８】
［００３２］
本開示の実施形態によれば、第１及び第２の螺旋形表面は円錐形状の螺線形表面であり、第１及び第２のエネルギー減衰部材は切頭面が同じで向かい合う直円錐台形状であり、第１の螺線形表面の第１の軸線（Ａ１）が第２の螺線形表面の第２の軸線（Ａ１）と一致する。第１及び第２のエネルギー減衰部材の円錐台は同じ開口角αを有し、第１及び第２の螺旋形表面は開口角αの傾斜を有し、第１及び第２の螺旋形表面は同じピッチを有する。この構成は、粒子ビームが第１のビーム入射面に垂直にエネルギーディグレーダに入射し、第２のビーム出射面に垂直にエネルギーディグレーダから出射するように、粒子ビームをエネルギーディグレーダに対して向かわせることを許す。これは粒子ビームの分散を減少させる。
【００２９】
［００３３］
本開示の実施形態によれば、粒子線治療装置はここで開示されるような粒子加速器とエネルギーディグレーダとを有する。エネルギーディグレーダは、粒子ビームが第１のビーム入射面でエネルギーディグレーダに入射して第２のビーム出力面でエネルギーディグレーダから出力するように、粒子加速器から取り出された粒子ビームに対して方向をあわせて配置されている。
【００３０】
［００３４］
本開示の実施形態によれば、第１及び第２の螺線形表面は円錐形状の螺線形表面であり、エネルギーディグレーダは、第１及び第２の螺線形表面の少なくともひとつの法線ベクトルが、エネルギーディグレーダの第１のビーム出射面において粒子ビームと平行になるように、取り出された粒子ビームに対して方向をあわせて配置されている。
【００３１】
［００３５］
本開示の実施形態によれば、粒子加速器は、例えば、サイクロトロンやシンクロサイクロトロンのような固定エネルギー加速器である。
【００３２】
［００３６］
本開示の記述内容と達成する方法は以下の詳細な説明に基づいてより詳細に記述される。前述の一般的説明及び以下の詳細な説明は例示的及び説明的のみであり、本開示に一致する実施形態に限定されない。更に、添付図面は説明と協同して本開示の実施形態を示し、本開示の原理を説明することに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
［００３７］
本開示の側面は実施形態により及び添付する図面を参照して詳細に説明する。
【００３４】
［００３８］
【図１】図１は、本開示による典型的なエネルギーディグレーダの前面を線図的に示す図である。
【００３５】
［００３９］
【図２】図２は、図１のエネルギーディグレーダの上面を線図的に示す図である。
【００３６】
［００４０」
【図３】図３は、図１のエネルギーディグレーダの高エネルギー減衰レベルにおける部分断面を線図的に示す図である。
【００３７】
［００４１］
【図４】図４は、図１のエネルギーディグレーダの低エネルギー減衰レベルにおける部分断面を線図的に示す図である。
【００３８】
「００４２」
【図５】図５は、本開示による他の典型的なエネルギーディグレーダの前面を線図的に示す図である。
【００３９】
［００４３」
【図６】図６は、図５のエネルギーディグレーダの上面を線図的に示す図である。
【００４０】
［００４４」
【図７】図７は、本開示による他の典型的なエネルギーディグレーダの前面を線図的に示す図である。
【００４１】
［００４５」
【図８】図８は、図７のエネルギーディグレーダの上面を線図的に示す図である。
【００４２】
［００４６」
【図９】図９は、図７のエネルギーディグレーダの斜視図である。
【００４３】
［００４７」
【図１０】図１０は、図７のエネルギーディグレーダの高エネルギー減衰レベルにおける部分断面を線図的に示す図である。
【００４４】
［００４８］
【図１１】図１１は、図７のエネルギーディグレーダの低エネルギー減衰レベルにおける部分断面を線図的に示す図である。
【００４５】
［００４９］
【図１２】図１２は、本開示による粒子加速器及びエネルギーディグレーダを有する粒子線治療装置を線図的に示す図である。
【００４６】
［００５０］
【図１３】図１３は、本開示による粒子加速器及びエネルギーディグレーダを有する他の粒子線治療装置を線図的に示す図である。
【００４７】
［００５１］
図面はスケール通りに又は比率にそって図示されていない。一般的に、図面に関して同様な又は同一の構成要素には同一符号を付する。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
［００５２］
図１は本開示による典型的なエネルギーディグレーダ（１）の前面をＸＹＺを基準として線図的に示す。
【００４９】
［００５３］
エネルギーディグレーダ（１）は２つの分離したエネルギー減衰部材、すなわち第１のエネルギー減衰部材（１０）と第２のエネルギー減衰部材（２０）とを備える。
【００５０】
［００５４］
第１のエネルギー減衰部材（１０）は、第１の軸線（Ａ１）を有する第１の螺旋形表面の一部の形状を有する第１のビーム入射面（１１）と、反対側の第１のビーム出射面（１２）とを与える。
【００５１】
［００５５］
第２のエネルギー減衰部材（２０）は、第２のビーム入射面（２１）と、第２の軸線（Ａ２）を有する第２の螺旋形表面の一部の形状を有する、反対側の第２のビーム出射面（２２）とを与える。第２の軸線（Ａ２）は第１の軸線（Ａ１）と平行又は一致している。第１の螺旋形表面と第２の螺旋形表面とは同じ掌性（handedness）である。
【００５２】
［００５６］
第１の螺旋形表面と第２の螺旋形表面はそれぞれそれらの入射面及び出射面が軸方向で重ならないように３６０°以下の回転を形成する。換言すれば、第１の螺旋形表面と第２の螺旋形表面のそれぞれがそれらのピッチを同じ又はそれ以下の高さを有する。
【００５３】
［００５７］
エネルギー減衰部材が３Ｄプリンターを用いて作成される場合、螺旋形表面は、非常に小さいステップを有する螺旋階段の外観を有する。しかし、ビームが螺旋形表面と交差する際のレベルにおけるステップの最小段差（トレッド深さ）が最小平均ビーム直径以下の場合（例えば、螺旋形表面と交差する際の平均ビーム直径が８ｍｍと３０ｍｍとの間の範囲にある場合、ステップの最小段差は８ｍｍ以下となる）、螺旋形表面は連続する螺旋形表面と考える。
【００５４】
［００５８］
図１から明らかなように、第１及び第２のエネルギー減衰部材（１０，２０）は、第１のビーム出射面（１２）と第２のビーム入射面（２１）とが互いに対向するように位置決めされる。
【００５５】
［００５９］
エネルギーディグレーダ（１）は、更に、第１及び／又は第２のエネルギー減衰部材（１０，２０）と作動的に連結される駆動装置を備える。この駆動装置は、第１のエネルギー減衰部材（１０）及び／又は第２のエネルギー減衰部材（２０）をそれぞれ第１の軸線（Ａ１）及び／又は第２の軸線（Ａ２）の周りで回転するように構成されている。
【００５６】
［００６０］
例えば、駆動装置は、単一のモータ（Ｍ１）及びこの単一のモータを第１のエネルギー減衰部材（１０）に選択的に連結する伝達装置を備え、第１のエネルギー減衰部材（１０）を第１の軸線（Ａ１）の周りで回転させ、第２のエネルギー減衰部材（２０）を固定する（回転しない）。
【００５７】
［００６１］
変形例として、例えば駆動装置は、単一のモータ及びこの単一のモータを第１及び第２のエネルギー減衰部材にそれぞれ連結する伝達装置を備え、第１及び第２のエネルギー減衰部材をそれぞれ回転させ、好ましくは反対方向に回転させる。すなわち、第１のエネルギー減衰部材（１０）を時計周りに回転させ、第２のエネルギー減衰部材（２０）を反射時計周りに回転させる。この逆方向の場合でもよい。
【００５８】
［００６２］
図１に示すように、駆動装置は、第１のエネルギー減衰部材（１０）に作動的に連結されて第１のエネルギー減衰部材（１０）を第１の軸線（Ａ１）の周りで回転させる第１のモータ（Ｍ１）及び第２のエネルギー減衰部材（２０）に作動的に連結されて第２のエネルギー減衰部材（２０）を第２の軸線（Ａ２）の周りで回転させる第２のモータ（Ｍ２）を備える。第１及び第２のモータは、例えばステップモータとすることができる。図１には図示されていないが、エネルギーディグレーダ（１）は、さらに、一方において第１及び／又は第２のモータと他方において第１及び第２のエネルギー減衰部材との間に中間伝達装置を備え、速度及びモータからエネルギー減衰部材に供給されるトルクを適合させる、及び／又は、動作の正確性を向上させることができる。
【００５９】
［００６３］
さらに、図１には、第１及び第２のエネルギー減衰部材（１０，２０）と交差する粒子ビーム（２）を図示する。これら２つの減衰部材（１０，２０）の幾何学的構成より、入射粒子ビームのエネルギーは、粒子ビーム（２）に対する第１及び／又は第２のエネルギー減衰部材の角度位置の関数としてより強く又はより弱く減衰されることは明らかである。駆動装置（Ｍ１、Ｍ２）に作動的に接続される制御ユニット（６０）を用いて、例えば、エネルギーディグレーダ（１）を用いる装置から受信したエネルギー減衰の設定の関数として角度位置を修正することができる。
【００６０】
［００６４］
図２は図１のエネルギーディグレーダ（１）の上面を線図的に示す。
【００６１】
［００６５］
本開示によれば、第１のビーム出射面（１２）と第２のビーム入射面（２１）は様々な形状を有することができる。第１及び第２のエネルギー減衰部材（１０、２０）は十分に離れて設けられ、その結果、あるエネルギー減衰部材が回転中の他のエネルギー減衰部材によって邪魔にならない。
【００６２】
［００６６］
第１のビーム出射面（１２）は環帯又は円盤の形状又はその一部の形状をしており、第２のビーム入射面（２１）は環帯又は円盤の形状又はその一部の形状をしている。第１のビーム出射面（１２）は第２のビーム入射面（２１）に平行である。第１のビーム出射面（１２）と第２のビーム入射面（２１）は、第１及び第２の回転軸（Ａ１、Ａ２）に垂直である。そのような構成により、第１のビーム出射面（１２）と第２のビーム入射面（２１）間のギャップ（３０）を小さくすることができ、それは、特に高エネルギー減衰レベルでビーム分散を減少させる。
【００６３】
［００６７］
そのような場合、第１及び第２のエネルギー減衰部材は、第１のビーム出射面（１２）と第２のビーム入射面（２１）との間のギャップ（３０）が５ｃｍより小さく、望ましくは１ｃｍより小さく、更に望ましくは５ｍｍより小さく、更に望ましくは１ｍｍより小さくなるように配置される。第１のビーム出射面と第２のビーム入射面は、例えば、摩耗を避けるために接触しない。
【００６４】
［００６８］
本開示によれば、第１のエネルギー減衰部材（１０）及び／又は第２のエネルギー減衰部材（２０）はベリリウム又はカーボングラファイトにより製造されうる。第１のエネルギー減衰部材（１０）は第２のエネルギー減衰部材（２０）と同じ物質により製造されうる。
【００６５】
［００６９］
図１及び図２から明らかなように、第１及び第２の螺旋形表面はシリンドリカルな螺旋形表面である。第１の軸線（Ａ１）は第２の軸線（Ａ２）と同一（一致する）でありうる。第１の螺旋形表面の半径（Ｒ１）は第２の螺旋形表面の半径（Ｒ２）と同一でありうる。第１及び第２の螺旋形表面は同一のピッチでありうる。第１及び第２のエネルギー減衰部材（１０，２０）は、形状及び大きさを同一としうる。
【００６６】
［００７０］
図３は、図１のエネルギーディグレーダ（１）の高エネルギーレベルにおける部分断面及び展開図を線図的に示す。この例示的な表現において、第１及び第２のエネルギー減衰部材（１０、２０）は、同一の大きさ及び同一形状を有し、それは、第１及び第２の螺旋形表面が同一の半径、同一の作用及び同一のピッチを有することを意味する。
【００６７】
［００７１］
ここでは、粒子ビーム（２）を拡大して示し、その断面サイズをより明瞭にする。図３から明らかなように、ビーム（２）の左端の部分の粒子は、ギャップ（３０）を介して２つのエネルギー減衰部材の厚さＥ１ａ及びＥ２ａの部位を透過する。ビーム（２）の右端の部分の粒子は、同じギャップ（３０）を介して２つのエネルギー減衰部材の厚さＥ１ｂ及びＥ２ｂの部位を透過する。ギャップ（３０）は、例えば空気ギャップ又は真空ギャップとすることができる。粒子の全エネルギー減衰量は、第１及び第２のエネルギー減衰部材の粒子における粒子経路に沿うエネルギー減衰量の和として評価できる。この例示的な構成において、Ｅ１ａ＋Ｇ１＋Ｅ２ａ＝Ｅ１ｂ＋Ｇ１＋Ｅ２ｂとし、これら２つの粒子のエネルギーは同一量だけ減衰する。ビーム（２）の他の粒子についても同様である。そのような状態は、ディグレーダの出力における粒子ビームの粒子のエネルギー分散を限定するために望ましい。
【００６８】
［００７２］
図４は、図１のエネルギーディグレーダ（１）の低エネルギー減衰レベルにおける部分断面及び展開図を線図的に示す。この構成は、第１のエネルギー減衰部材（１０）を適切な方向にある角度だけ回転させること（厚さＥ１ａ及びＥ１ｂが薄くなるように）、及び／又は、第２のエネルギー減衰部材（２０）を反対方向にある角度だけ回転させること（厚さＥ２ａ及びＥ２ｂが薄くなるように）により得ることができる。図４から明らかなように、ビーム（２）の左端の部分の粒子は、ギャップ（３０）を介して２つのエネルギー減衰部材の厚さＥ３ａ及びＥ４ａの部位を透過する。ビーム（２）の右端の部分の粒子は、同一のギャップ（３０）を介して２つのエネルギー減衰部材の厚さＥ３ｂ及びＥ４ｂの部位を透過する。従って、こら２つの粒子のエネルギーは、ほぼ同一量だけ減衰することが理解される。ビーム（２）の他の粒子についても同様である。そのような状態は、ディグレーダの出力における粒子ビームの粒子のエネルギー分散を限定するために望ましい。Ｅ３ａ＋Ｅ４ａはＥ１ａ＋Ｅ２ａより小さいので、ビームのエネルギーは、図３の配置よりも、より少なく減衰される。
【００６９】
［００７３］
図５は本開示による別の例示的エネルギーディグレーダ（１）の前面図をＸＹＺを基準として線図的に示す。このエネルギーディグレーダは、第１の螺旋形表面の半径（Ｒ１）が第２の螺旋形表面の半径（Ｒ２）よりも小さく、且つ第１の軸線（Ａ１）が第２の軸線（Ａ２）とは相違すると共に平行である点を除き、図１のエネルギーディグレーダと同一である。好ましくはＲ１＜０．５Ｒ２とし、より好ましくはＲ１＜０．２Ｒ２とし、さらに好ましくはＲ１＜０．１Ｒ２とする。
【００７０】
［００７４］
この場合、両方の螺旋形表面に同一の傾斜を形成するため、第１の螺旋形表面のピッチは好ましくは第２の螺旋形表面のピッチよりも小さくする。
【００７１】
［００７５］
図６は図５のエネルギーディグレーダの上面を線図的に示す。この図では、それらの軸方向が重ならないように第１及び第２の螺旋形表面がそれぞれ３６０°以下の回転を形成する。換言すれば、第１の螺旋形表面と第２の螺旋形表面のそれぞれが、それらのピッチを同じ又はそれ以下の高さを有する。
【００７２】
［００７６］
図７は本開示による別の例示的エネルギーディグレーダ（１）の前面図をＸＹＺを基準として線図的に示す。図１のディグレーダとは、第１及び第２の螺旋形表面が円錐形状の螺線形表面であり、第１及び第２のエネルギー減衰部材が、切頭面（１２、２１）が同一で向かい合う直円錐台（１０、２０）であること以外は類似している。第１の螺線形表面の第１の軸線（Ａ１）は第２の螺線形表面の第２の軸線（Ａ１）と一致している。したがって、２つの円錐形は同じ軸線（Ａ１）を有する。直円錐の開口角は、円錐のふたつの母線間の最大角度であること、もし母線が円錐の軸に対して角度α／２をなすなら円錐の開口角はαとなること、が幾何学的に知られている。第１のエネルギー減衰部材（１０）は、その円錐台の開口角αが第１の螺線形表面の傾斜と同じとなるように設計され、その結果、第１の螺線形表面の法線ベクトルが円錐形の軸線（Ａ１）に対して同じ角度αを形成する。この場合、第２のエネルギー減衰部材（２０）も同様に設計され、図７に示すように、同じ角度αを形成する。第１のエネルギー減衰部材の円錐台の高さは、第２のエネルギー減衰部材の円錐台の高さと同じ又は相違している。第１及び第２のエネルギー減衰部材（１０、２０）は形状及び大きさが同一である。第１及び第２の螺旋形表面は、それらの軸方向が重ならないように３６０°以下の回転を形成する。換言すれば、第１の螺旋形表面と第２の螺旋形表面のそれぞれがそれらのピッチを同じ又はそれ以下の高さを有する。
【００７３】
［００７７］
そのような幾何学的形状により、図７に示すように、軸線（Ａ１）と角度αを形成する経路の粒子ビーム（２）は、第１のビーム入射面（１１）に垂直にディグレーダに入射し、更にふたつの円錐台（１０、２０）を通過し、その後第２のビーム取捨面（２２）に垂直にディグレーダから出射する。第１及び第２のエネルギー減衰部材の角度位置がどうであってもこうなる。粒子ビームがディグレーダの入射面及び出射面に垂直に入射し出射することは粒子ビームの分散を減少させる。
【００７４】
［００７８］
図８は図７のエネルギーディグレーダの上面を線図的に示す。円錐台（１０、２０）は中空でもよいし中空でなくてもよい。慣性モーメントを減少させるためには、図８及び図９に示すように、それらは中空であるほうがよい。
【００７５】
［００７９］
図９は、図７のエネルギーディグレーダの斜視図である。
【００７６】
［００８０］
明確化のため、図８及び図９では駆動機構やその制御部を示していない。
【００７７】
［００８１］
図１０は、第１のビーム入射面（１１）に垂直に第１のエネルギー減衰物質（１０）に入射する粒子ビーム（２）の粒子により横断されたときの、図７のエネルギーディグレーダの高エネルギー減衰レベルにおける部分断面を線図的に示す図である。この例示的な説明において、第１及び第２のエネルギー減衰部材は同じ大きさで同じ形状である。図３の説明の類推で、Ｅ１ａ＋Ｅ２ａ＝Ｅ１ｂ＋Ｅ２ｂであることがわかる。その結果、対応するふたつの粒子のエネルギーが同じ量だけ減衰される。その他の粒子ビーム（２）に対しても同じことが言える。
【００７８】
［００８２］
図１１は、図７のエネルギーディグレーダの低エネルギー減衰レベルにおける部分断面を線図的に示す図である。この構造は、第１のエネルギー減衰部材（１０）を所定角度回転させて（厚さＥ１ａ及びＥ１ｂを減少させるために）適切な方向とし、かつ、第２のエネルギー減衰部材（２０）を所定角度回転させて（厚さＥ２ａ及びＥ２ｂを減少させるために）反対な方向とすることにより得られる。図１０に示す場合のように粒子ビーム（２）のエネルギーはほぼ同じ量だけ減衰する。
【００７９】
［００８３］
図１２に線図的に示すように、本開示はターゲット２００に向けて荷電粒子ビーム（２）を照射するように構成した粒子線治療装置（５０）に関する。この粒子線治療装置は、例えば陽子線や炭素イオン線のような荷電粒子ビーム（２）を発生して出射させる粒子加速器（１００）と、荷電粒子ビーム（２）のエネルギーをターゲット（２００）に到達する前に減衰させる前述したエネルギーディグレーダ（１）とを備える。
【００８０】
［００８４］
この実施例では、エネルギーディグレーダは、取り出された粒子ビーム（２）の経路がエネルギーディグレーダの第１のビーム入射面（１１）において第１の軸線（Ａ１）と平行になるように、取り出された粒子ビーム（２）の経路に対して方向をあわせて配置されている。
【００８１】
［００８５］
明確化のため、図１２は、本開示を理解するために必要な構成要素のみを図示し、従来から周知である粒子線治療装置の構成要素の全てを図示していない。
【００８２】
［００８６］
図１３は、本開示による粒子加速器（１００）及びエネルギーディグレーダ（１）、より詳しくは図７に示されたディグレーダを有する他の粒子線治療装置を線図的に示す図である。図１２の粒子線治療装置とは、取り出された粒子ビーム（２）の経路がエネルギーディグレーダの第１のビーム入射面（１１）において第１の螺線形表面の法線ベクトル（ｖ１）に平行であり、及び／又は、取り出された粒子ビーム（２）の経路がエネルギーディグレーダの第２のビーム出射面（２２）において第２の螺線形表面の法線ベクトル（ｖ２）に平行であるように、取り出された粒子ビーム（２）の経路に対して方向をあわせて配置されていること以外は類似している。
【００８３】
［００８７］
粒子加速器（１００）は、固定エネルギー加速器、例えば、サイクロトロン又はシンクロサイクロトロンである。
【００８４】
［００８８］
粒子加速器（１００）は、その出射部（１１０）において、最大エネルギーが、１ＭｅＶと５００ＭｅＶとの間、好ましくは１００ＭｅＶと３００ＭｅＶとの間、より好ましくは２００ＭｅＶと２５０ＭｅＶとの間の粒子ビーム（２）を発生するように構成する。
【００８５】
［００８９］
この場合、本開示によるエネルギーディグレーダ（１０）の出力部における典型的な所望のビームエネルギーは、例えば２３０ＭｅＶの上流エネルギーに対して５０ＭｅＶ〜２３０ＭｅＶのような範囲のＭｅＶの範囲にある。
【００８６】
［００９０］
これら典型的なエネルギーでは次のパラメータとなる。
【００８７】
［００９１］
第１のエネルギー減衰部材（１０）の最小厚さ（粒子ビームの軸方向に測定した）は、［１ｍｍ，１００ｍｍ］の範囲、好ましくは［１ｍｍ，５０ｍｍ］の範囲、より好ましくは［１ｍｍ，１０ｍｍ］の範囲に設定する。同一の事項が第２のエネルギー減衰部材（２０）にも適用される。
【００８８】
［００９２］
第１のエネルギー減衰部材（１０）の最大厚さ（軸方向に測定した）は、［１０ｍｍ，３００ｍｍ］の範囲に、好ましくは［１０ｍｍ，２００ｍｍ］の範囲に、より好ましくは［１０ｍｍ，１００ｍｍ］の範囲に設定する。同一の事項が第２のエネルギー減衰部材（２０）にも適用される。
【００８９】
［００９３］
第１のエネルギー減衰部材（１０）の直径は、［１０ｍｍ，３００ｍｍ］の範囲、好ましくは［１０ｍｍ，２００ｍｍ］の範囲、より好ましくは［１０ｍｍ，１５０ｍｍ］の範囲に設定する。同一の事項が第２のエネルギー減衰部材（２０）にも適用される。
【００９０】
［００９４］
本開示は次のように記述することもできる。粒子加速器から取り出された荷電粒子ビーム（２）のエネルギーを減衰させるエネルギーディグレーダ（１）であって、エネルギーディグレーダは、第１の螺線形表面の一部の形状を有する第１のビーム入射面（１１）を有する第１のエネルギー減衰部材（１０）と、第２の螺線形表面の一部の形状を有する第２のビーム出射面（２２）を有する第２のエネルギー減衰部材（２０）とを有し、ビーム出射面は、ビーム方向に対してビーム入射面の下流に位置しており、エネルギーディグレーダは、更に、第１及び／又は第２の軸線（Ａ１、Ａ２）の周りで第１及び／又は第２のエネルギー減衰部材を回転させる駆動装置（Ｍ１、Ｍ２）を有する。第１及び第２の螺線形表面は連続する面であり同じ掌性を有するので、それにより、より小さな慣性モーメントでよりコンパクトなディグレーダを形成することができる。したがって、ビームのエネルギーをより正確により早く変化させることができる。
【００９１】
［００９５］
本開示技術は上記実施形態により図示され詳細に説明されたが、本開示はこれら実施形態に限定されず追加の実施形態がありうる。更に、他の実施形態や様々な変形が、明細書及びそこに開示されたひとつ又はそれ以上の実施形態を考慮し、本開示の範囲から逸脱することなく、当業者にとって明らかである。
【００９２】
［００９６］
特許請求の範囲に記載した参照符号は、保護範囲を限定するものではない。
【００９３】
［００９７］
「備える」、「含む」、「構成する」又はこれらの変形語並びにこれらの活用形の使用は、これら以外の他の部材の存在を除外するものではない。
【００９４】
［００９８］
構成要素の前に記載する冠詞「ａ」、「ａｎ」又は「ｔｈｅ」の使用は、これら構成要素の複数の存在を除外するものではない。
【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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