KR101138597B1

KR101138597B1 - 하전 입자 암 치료 시스템의 일부로서의 하전 입자 빔 가속 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101138597B1
Application number: KR1020107028788A
Authority: KR
Inventors: 블라디미르 예고르비치 발라킨
Original assignee: 블라디미르 예고르비치 발라킨
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2012-06-14
Also published as: KR101233862B1; US20090309038A1; KR101233907B1; KR20110028291A; US8384053B2; KR20110019752A; US8614429B2; KR101408562B1; US7939809B2; US20100155621A1; KR20110028293A; US20110174984A1; KR20110028292A

Abstract

본 발명은 암 종양들의 다축 하전 입자 방사선 치료의 일부로서 사용되는 하전 입자 빔 가속 방법 및 장치를 포함한다. 가속기는, 터닝 자석들, 에지 집속 자석들, 자계 집중 자석들, 및 싱크로트론의 전체 사이즈를 최소화하며, 엄격하게 제어된 양성자 빔을 제공하며, 요구되는 자계들의 사이즈를 직접적으로 감소시키며, 요구되는 동력을 직접적으로 감소시키며, 싱크로트론에서 추출된 하전 입자들의 독립적인 에너지 및 강도 제어를 허용하는 추출 및 강도 제어 요소들에서 진전들을 갖는 싱크로트론을 포함한다.

Description

하전 입자 암 치료 시스템의 일부로서의 하전 입자 빔 가속 방법 및 장치{CHARGED PARTICLE BEAM ACCELERATION METHOD AND APPARATUS AS PART OF A CHARGED PARTICLE CANCER THERAPY SYSTEM}

본 발명은 고형 암들의 치료에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 하전 입자 암 치료 빔 주사, 추출, 및/또는 표적화 방법 및 장치와 함께 사용되는, 이온 빔 가속 시스템에 관한 것이다.

관련된 출원들의 참조

본 출원은 :

2008년 5월 22일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/055,395;

2008년 8월 1일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/137,574;

2008년 9월 17일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/192,245;

2008년 5월 22일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/055,409;

2008년 12월 22일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/203,308;

2008년 8월 11일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/188,407;

2009년 3월 9일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/209,529;

2008년 8월 11일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/188,406;

2008년 8월 25일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/189,815;

2009년 2월 23일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/208,182;

2008년 12월 15일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/201,731;

2009년 3월 3일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/208,971;

2009년 1월 12일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/205,362;

2008년 7월 14일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/134,717;

2008년 7월 14일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/134,707;

2008년 12월 15일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/201,732;

2008년 11월 7일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/198,509;

2008년 7월 14일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/134,718;

2008년 9월 2일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/190,613;

2008년 9월 8일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/191,043;

2008년 9월 17일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/192,237;

2008년 12월 15일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/201,728;

2008년 9월 2일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/190,546; 2008년 8월 15일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/189,017;

2008년 11월 5일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/198,248;

2008년 11월 7일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/198,508;

2008년 11월 3일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/197,971;

2008년 11월 17일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/199,405;

2008년 11월 17일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/199,403;

2008년 11월 17일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/199,404; 및

2009년 3월 4일 출원된, "멀티-계 하전 입자 암 치료 방법 및 장치"라는 명칭의 PCT 특허 출원 번호 PCT/RU2009/00015에 대한 우선권을 주장하는 바이며,

이들 모두는 본 명세서에 그들의 전체 내용이 참고로 포함되어 있다.

암 치료

양성자 치료 시스템들은 일반적으로 : 빔 발생기, 가속기, 및 가속된 양성자들을 환자 신체의 종양으로 양성자들이 전달되는 치료실로 이동시키는 빔 이동 시스템을 포함한다.

양성자 치료는, 입자 가속기로 가속된 양성자들 등의, 에너지를 가진 이온화 입자들을 타깃 종양 상으로 조준함에 의해 작용한다. 이 입자들은 세포들의 DNA를 손상시켜, 결국 그들의 죽음을 초래한다. 그들의 고속의 분열 및 손상된 DNA를 복구할 수 있는 그들의 감소된 능력 때문에, 암 세포들은 그들의 DNA로의 공격들에 특히 취약하다.

그들의 비교적 거대한 사이즈로 인해, 양성자들은 조직에서 덜 용이하게 산포되며 매우 적은 측면 확산만이 있다. 그러므로, 양성자 빔은 주위 조직으로의 많은 측면 손상 없이 종양 형상 상에 집속되어 머무른다. 주어진 에너지의 모든 양성자들은, 브래그 피크에 의해 정의된, 어느 정도의 범위를 가지며, 조직에 대한 투여량 전달의 비율은 환자의 범위의 마지막 수 밀리미터 바로 위에서 최대로 된다. 양성자 가속기에 의해 입자들이 가속되는 속도에 직접 관련된, 입자들의 에너지에 따라 관통 깊이가 정해진다. 양성자의 속도는 가속기의 최대 속도로 조정 가능하다. 따라서, 종양이 위치된 조직들의 그 정확한 깊이에서 양성자 빔으로 인한 세포의 손상이 집중될 수 있다. 브래그 피크 전에 위치한 조직들은 일부 감소된 투여량을 받게 되며 상기 피크 후에 위치된 조직들은 하나도 받지 않게 된다.

싱크로트론

케이. 히라모토 등의 "가속기 시스템"이라는 명칭의, 미국 특허 제4,870,287(1989년 9월 26일)호는 프리-액셀러레이터들에 의해 가속된 이온 빔을 방사성 동위 원소 생성 유닛 또는 싱크로트론으로 도입하기 위한 선택 전자석을 가진 가속기 시스템을 개시하고 있다.

케이. 히라모토 등의, "원형 가속기, 그의 하전 입자 주사 방법, 및 그의 하전 입자 주사 장치"라는 명칭의, 미국 특허 제5,789,875(1998년 8월 4일)호 및 케이. 히라모토 등의, "원형 가속기, 그의 하전 입자 주사 방법, 및 그의 하전 입자 주사 장치"라는 명칭의, 미국 특허 제5,600,213(1997년 2월 4일)호는 둘 다 주사 빔이 덕트의 기하학 형상의 중심에 대한 높이 및 폭을 가진 진공 덕트로 다수의 하전 입자들을 주사하기 위한 방법 및 장치를 개시하고 있다.

가속기/싱크로트론

에스. 페그스 등의, "신속하게 순환하는 의료용 싱크로트론 및 빔 전달 시스템"이라는 명칭의, 미국 특허 제7,432,516(2008년 10월 7일)호는 고주파(RF) 캐비티 가속기 및 결합된 기능성 자석들을 가진 싱크로트론을 개시하고 있다. 결합된 기능성 자석들은 궤도 경로를 따라 입자 빔을 먼저 구부린 다음 두 번째로 입자 빔을 집속하도록 기능한다. RF 캐비티 가속기는 신속하게 순환하는 입자 가속을 위한 고속 주파수 스윙들에 대해 채용된 페라이트 부하가 걸린 캐비티이다.

에이치. 타나카 등의, "하전 입자 가속기"라는 명칭의, 미국 특허 제7,259,529(2007년 8월 21일)호는 하전 입자들의 콤팩트한 고출력 가속을 제공하도록 제1 기간에 인가되는 고정된 자계 및 정해진 타이밍의 제2 가속 기간의 두 개의 기간의 가속 과정을 가진 하전 입자 가속기를 개시하고 있다.

티이. 하베러 등의, "이온 빔 치료 시스템 및 시스템 작동 방법"이라는 명칭의, 미국 특허 제6,683,318(2004년 1월 27일)호는 이온 빔 치료 시스템 및 시스템을 작동시키기 위한 방법을 개시하고 있다. 이온 빔 시스템은, 에지 집속 효과로부터의 평행 주사 모드를 야기하는, 마지막 벤딩 자석 전에 배치된 수평 편향 시스템 및 수직 편향 시스템을 가진 갠트리를 이용한다.

브이. 쿨리시 등의, "유도성 파형 EH-액셀러레이터"라는 명칭의, 미국 특허 제6,433,494(2002년 8월 13일)호는 하전 입자들의 빔들의 가속을 위한 유도성 파형 EH-액셀러레이터를 개시하고 있다. 상기 장치는 전자석 파형 시스템으로 구성되며, 전자석들에 대한 그의 구동 시스템은 약 100KHz 내지 10GHz 범위의 주파수에서 작동하는 고주파(RF) 발진기의 형태로 제조된다.

케이. 사이토 등의, "고주파 가속 시스템 및 그에 제공된 링 타입 가속기"라는 명칭의, 미국 특허 제5,917,293(1999년 6월 29일)호는 자기 코어 그룹에 결합된 루프 안테나 및 루프 안테나에 접속된 임피던스 조정 수단을 가진 고주파 가속 시스템을 개시하고 있다. 임피던스 조정 수단에는 비교적 낮은 전압이 인가되며 이로써 상기 조정 수단을 소형으로 구성할 수 있게 된다.

제이. 히로타 등의, "분리되어 익사이트된 자기 코어들을 가진 이온 빔 가속 장치"라는 명칭의, 미국 특허 제5,661,366(1997년 8월 26일)호는 다수의 고주파수 자계 유도 유닛들 및 자기 코어들을 가진 이온 빔 가속 장치를 개시하고 있다.

제이. 히로타 등의, "하전 입자들의 가속 장치"라는 명칭의, 미국 특허 제5,168,241(1992년 12월 1일)호는 입자들에 더 효율적으로 동력을 전달하도록 허용하는 결합 상수 및/또는 이조(離調)를 제어하기 위해 결합하는 제어 하에 작동하는 루프형 전도체 및 고주파수 동력원을 가진 가속 캐비티를 개시하고 있다.

자석 형상

엠. 타도코로 등의, "전자기장 및 자계 발생 장치"라는 명칭의, 미국 특허 제6,365,894(2002년 4월 2일) 및 엠. 타도코로 등의, "전자기장 및 자계 발생 장치"라는 명칭의, 미국 특허 제6,236,043(2001년 5월 22일)호는 각각 한 쌍의 자기 폴들, 리턴 요크, 및 익사이팅 코일들을 개시하고 있다. 자기 폴들 각각의 내부는 자계 강도를 증가시키도록 다수의 공기 갭 스페이서들을 가진다.

호흡

케이. 마츠다의, "조사 영역의 이동을 고려하는 방사성 빔 조사 방법 및 장치"라는 명칭의, 미국 특허 제5,538,494(1996년 7월 23일)호는, 호흡 및 심장 박동 등의, 물리적 활동으로 인해 병든 부분의 위치가 변화하는 경우에도 조사할 수 있는 방법 및 장치를 개시하고 있다. 초기에, 병든 신체 부분 및 환자의 물리적 활동의 위치 변화는 동시에 측정되며 그들 사이의 관계가 함수로서 정의된다. 방사선 치료는 상기 함수에 따라 실행된다.

환자 위치 결정

와이. 나가미네 등의, "환자 위치 결정 장치 및 환자 위치 결정 방법"이라는 명칭의, 미국 특허 제7,212,609(2007년 5월 1일)호 및 와이. 나가미네 등의, "환자 위치 결정 장치 및 환자 위치 결정 방법"이라는 명칭의, 미국 특허 제7,212,608(2007년 5월 1일)호는 기준 X-선 이미지의 비교 영역 및 현재 환자 위치의 현재 X-선 이미지를 패턴 매칭을 이용하여 비교하는 환자 위치 결정 시스템을 개시하고 있다.

디, 밀러 등의, "모듈러 환자 지지 시스템" 이라는 명칭의, 미국 특허 제7,173,265(2007년 2월 6일)호는, 성형 가능한 폼(foam) 크레이들(cradle) 등의, 하나 이상의 고정 장치 및 모듈 구조를 가진 팽창 가능한 환자 포드(pod)를 포함하는 환자 지지 시스템을 가진 방사선 치료 시스템을 개시하고 있다.

케이. 카토 등의, "가속기를 포함하는 의학 시스템 및 멀티-리프(Multi- Leaf) 콜리메이터"라는 명칭의, 미국 특허 제6,931,100(2005년 8월 16일)호; 케이. 카토 등의, "가속기를 포함하는 의학 시스템 및 멀티-리프(Multi- Leaf) 콜리메이터"라는 명칭의, 미국 특허 제6,823,045(2004년 11월 23일)호; 케이. 카토 등의, "가속기를 포함하는 의학 시스템 및 멀티-리프(Multi- Leaf) 콜리메이터"라는 명칭의, 미국 특허 제6,819,743(2004년 11월 16일)호; 및 케이. 카토 등의, "가속기를 포함하는 의학 시스템 및 멀티-리프(Multi- Leaf) 콜리메이터"라는 명칭의, 미국 특허 제6,792,078(2004년 9월 14일)호는 모두 조사 치료를 위해 환자의 위치 결정 시간을 단축하도록 사용되는 리프 판들의 시스템을 개시하고 있다. 모터 구동력은 피니언 기어를 통해 동시에 다수의 리프 판들로 전달된다. 또한, 상기 시스템은 환자를 위치시키기 위한 상부 및 하부 가이드들 및 상부 및 하부 공기 실린더들을 이용한다.

컴퓨터 제어

에이. 벨로우소프 등의, "양성자 빔 치료 시스템용 형상 관리 및 검색 시스템"이라는 명칭의, 미국 특허 제7,368,740(2008년 5월 6일)호; 에이. 벨로우소프 등의, "양성자 빔 치료 시스템용 형상 관리 및 검색 시스템"이라는 명칭의, 미국 특허 제7,084,410(2006년 8월 1일)호; 및 에이. 벨로우소프 등의, "양성자 빔 치료 시스템용 형상 관리 및 검색 시스템"이라는 명칭의, 미국 특허 제6,822,244(2004년 11월 23일)호는 모두 데이터베이스에서 단일 지점 실패들이 발생하는 경우 데이터 및 형상 변수들이 액세스 가능함을 보장하도록 여러 가지 작동 모드들에 대해 소스트웨어 제어 시스템을 준비하기 위해 인가된 사용자에 의해 쉽게 개조되는 치료 형상 변수들을 가진 멀티-프로세서 소프트웨어 제어식 양성자 빔 시스템을 개시하고 있다.

제이. 히로타 등의, "얻어진 작동 패턴들을 이용하는 자동 작동 가속기"라는 명칭의, 미국 특허 제5,698,954(1997년 12월 16일)호는 작동 패턴으로부터 제어들이 비롯되는 가속기 본체의 모든 부품의 제어 타이밍 및 제어량을 결정하기 위한 주 제어기를 개시하고 있다.

암 종양들의 입자 빔 치료 분야에서 싱크로트론의 하전 입자 빔을 효율적으로 가속하기 위한 필요가 있다. 또한, 상기 분야에서는 음이온을 효율적으로 발생시키고, 음이온을 추출하고, 음이온을 양이온으로 전환하며, 양이온을 싱크로트론으로 주사하기 위한 필요성이 존재한다. 또한, 상기 분야에서는 하전 입자 암 치료 시스템을 특정 에너지, 강도, 및/또는 하전 입자 전달 타이밍의 항들에서 제어할 필요성이 있다. 또한, 환자의 건강한 조직에 대한 손상을 최소화하면서 고형 암 종양의 효율적이고, 정밀하며, 및/또는 정확한 체내 치료에 대한 필요성도 존재한다.

본 발명은 하전 입자 암 치료 빔 시스템의 일부인, 입자 빔 가속기를 포함한다.

본 발명에서는, 암 종양들의 입자 빔 치료 분야에서, 환자의 건강한 조직에 대한 손상을 최소화하면서 고형 암 종양의 효율적이고, 정밀하며, 및/또는 정확한 체내 치료를 제공하기 위한 입자 빔 가속기를 제공한다.

도1은 입자 빔 치료 시스템의 부품 연결들을 나타낸 도면,
도2는 하전 입자 치료 시스템을 나타낸 도면,
도3은 이온 빔 발생 시스템을 나타낸 도면,
도4는 음이온 빔 소스를 나타낸 도면,
도5는 이온 빔 집속 시스템을 나타낸 도면,
도6a-d는 음이온 빔 경로 주위의 전극들을 나타낸 도면,
도7a는 포일을 가진 탠덤 가속기를 나타낸 도면, 7b는 지지 구조를 나타낸 도면, 및 7c는 전환 포일을 나타낸 도면,
도8은 싱크로트론 제어 플로우챠트,
도9는 싱크로트론의 직선 및 터닝 부분들을 나타낸 도면,
도10은 싱크로트론의 벤딩 자석들을 나타낸 도면,
도11은 벤딩 자석의 사시도,
도12는 벤딩 자석의 단면도,
도13은 벤딩 자석의 다른 단면도,
도14는 벤딩 자석의 자계 집중을 나타낸 도면,
도15는 벤딩 자석의 보정 코일들을 나타낸 도면,
도16은 싱크로트론의 자기 터닝 부분을 나타낸 도면,
도17은 자계 제어 시스템을 나타낸 도면,
도18은 하전 입자 추출 및 강도 제어 시스템을 나타낸 도면,
도19는 환자 위치 결정 시스템의 : (a) 정면도 및 (b) 평면도, 및
도20은 하전 입자 빔 스폿 주사 시스템의 작동 중의 다차원 주사를 나타낸 도면으로서 : (a)는 2차원 슬라이스 또는 (b)는 3차원 종양 볼륨을 나타낸 도면이다.

본 발명은 고형 암들의 치료에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 싱크로트론의 하전 입자 빔을 가속하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

일 실시예에서, 싱크로트론 진전들은 소형 풋프린트 가속기를 초래하는 것으로 설명되고 있다. 특히, 터닝 자석들, 에지 집속 자석들, 자계 집중 자석들, 및 추출 자석들은, 싱크로트론의 전체 사이즈를 최소화하며, 엄격하게 제어된 양성자 빔을 제공하며, 요구되는 자계들의 사이즈를 직접적으로 감소시키며, 요구되는 작동 전력을 직접적으로 감소시키며, 싱크로트론에서 양성자들을 추출하는 과정 중에도 싱크로트론의 양성자들의 연속적인 가속을 허용하는 것으로 설명된다. 여기에서 설명되는 시스템의 여러 가지의 예들에서, 싱크로트론은 :

ㆍ집속 기하학 형상들을 가진 다수의 터닝 자석들;

ㆍ4개의 터닝 부분들을 가진 싱크로트론의 하전 입자 빔의 90도 턴 당 적어도 4 및 바람직하게는 6, 8, 10, 또는 그 이상의 에지 집속 에지들;

ㆍ싱크로트론의 하전 입자 빔의 궤도 당 적어도 약 16 및 바람직하게는 약 24, 32, 또는 그 이상의 에지 집속 에지들;

ㆍ각각의 터닝 부분들이 적어도 4 및 바람직하게는 8개의 에지 집속 에지들을 포함하는 단지 4개의 터닝 부분들;

ㆍ 동일한 수의 직선 부분들 및 터닝 부분들;

ㆍ정확하게 4개의 터닝 부분들;

ㆍ싱크로트론의 순환 경로에 4중극들 없음;

ㆍ추출된 하전 입자 빔의 독립적인 에너지 및 강도 제어

ㆍ60미터 미만의 원주;

ㆍ60미터 미만의 원주 및 32개의 에지 집속 표면들; 및/또는

ㆍ비-4중극 자석들이 에지 집속 에지들을 포함하는 경우에, 싱크로트론의 순환 경로 당 약 8, 16, 24, 또는 32개의 비-4중극 자석들 중 어느 하나를 가진다.

선택적인 이온 빔 인젝션 시스템은, 음이온 소스, 이온 빔 집속 시스템, 두 개의 부분 진공 시스템, 및 탠덤 가속기를 포함하는, 여러 개의 컴포넌트들을 포함한다. 음이온 소스는 바람직하게 수소 가스를 고온 플라즈마 쳄버로 분사하기 위한 입구 포트, 고온 플라즈마 쳄버 및 자계 배리어 대향 측 상의 저온 플라즈마 영역 사이에 자계 배리어를 제공하는, 자기 재료를 포함한다. 제1 부분 진공 시스템을 통해, 이온 빔 집속 시스템을 통해, 탠덤 가속기로, 그리고 전환 포일에서 양성자 빔으로 전환 후에 싱크로트론으로 진행하는, 음이온 빔을 음이온 빔 경로로 끌어당기도록 음이온 추출 전극에 추출 펄스가 인가된다.

다른 실시예에서, 이온 빔 소스 시스템 및 싱크로트론은 바람직하게 환자의 호흡 사이클의 설정 기간과 하전 입자 전달을 동기화하도록 호흡 감시 센서들을 포함하는 환자 인터페이스 모듈에 통합된 컴퓨터이다.

사이클로트론/ 싱크로트론

사이클로트론은 일정 자계 및 일정-주파수 인가 전계를 이용한다. 상기 두 개의 계들 중 하나는 싱크로사이클로트론에서 변화된다. 상기 계들 양자는 싱크로트론에서 변화된다. 따라서, 싱크로트론은 입자들을 회전시키어 순환시키도록 자계가 이용되며 입자들을 가속시키도록 전계가 이용되는 순환 입자 가속기의 특수 타입이다. 싱크로트론은 인가된 계들과 이동하는 입자 빔을 조심스럽게 동기화시킨다.

입자들이 에너지를 얻을 때 상기 계들을 적절하게 증가시킴에 의해, 하전 입자 경로는 입자들이 가속될 때 일정하게 고정될 수 있다. 이는 입자들에 대한 진공 용기가 크고 얇은 토러스로 되도록 허용한다. 실제로 구부려진 자석들 사이에서 일부 직선 부분들 및 둥근 코너의 다각형 형상의 토러스를 제공하는 일부 터닝 부분들을 이용함이 더 용이하다. 따라서, 커다란 유효 반경의 경로가, 사이클로트론 타입 장치들의 디스크형 쳄버와 다르게, 간단한 직선 및 구부려진 파이프 세그먼트들을 이용하여 구성된다. 상기 형상은 또한 입자 빔을 구부리도록 다수의 자석들의 사용을 허용하며 필요로 한다.

순환 가속기가 제공할 수 있는 최대 에너지는 일반적으로 자계들의 강도 및 입자 경로의, 최소 반경/최대 곡률에 의해 제한된다. 사이클로트론에서 최대 반경은 입자들이 중앙 및 나선형 외측방향에서 시작할 때로 제한되며, 따라서 전체 경로는 자립(self-supporting) 디스크형 빈 쳄버 형태로 되어야 한다. 반경이 제한되므로, 가속기의 파워도 자계의 강도에 의해 제한된다. 통상의 전자석의 경우에, 상기 계의 강도는 모든 자기 구역이 정렬된 때 상기 계는 임의의 실질적인 정도까지 더욱 증가될 수 없기 때문에 코어의 포화에 의해 제한된다. 또한, 단일 쌍의 자석들의 배열도 장치의 경제적인 사이즈를 제한하게 된다.

싱크로트론들은, 더 작고 더 엄격한 집속 자석들에 의해 둘러싸인 좁은 빔 파이프를 이용하여, 상기한 제한들을 극복한다. 입자들을 가속하기 위한 상기 장치의 능력은 입자들이 조금이라도 가속되도록 하전되어야 하지만, 가속 하의 하전 입자들은 양성자들을 방사하여, 에너지를 잃게 된다는 사실에 의해 제한된다. 빔 경로를 원형으로 유지하도록 요구되는 횡 가속에 의해 손실된 에너지가 각 사이클에 더해지는 에너지와 동일하게 될 때 상기 제한적인 빔 에너지에 도달된다. 큰 반경의 경로들을 이용하고 코너들 사이에서 입자 빔을 가속하도록 더 많은 수의 더 강력한 마이크로파 캐비티들을 이용하여 더 강력한 가속기들이 설립된다. 전자 등의, 더 가벼운 입자들은 터닝 시에 그들의 에너지의 더 큰 부분을 잃는다. 실질적으로, 전자/양전자 가속기들의 에너지는 이러한 방사 손실에 의해 제한되는 한편, 양성자 또는 이온 가속기들의 역학 관계에서 중요한 역할을 행하지 않는다. 이들의 에너지는 자석들의 강도 및 비용에 의해 엄격하게 제한된다.

하전 입자 빔 치료

본 명세서를 통해, 양성자 빔, 수소 이온 빔, 또는 탄소 이온 빔 등의, 하전 입자 빔 치료 시스템이 설명된다. 여기에서, 하전 입자 빔 치료 시스템은 양성자 빔을 이용하여 설명된다. 그러나, 양성자 빔에서 설명된 양태들은 양성자 빔의 것으로만 제한하려는 의도가 없으며 하전 입자 빔 시스템의 예시적인 것이다. 임의의 하전 입자 빔 시스템도 여기에서 설명된 기술들에 동일하게 적용 가능하다.

이제 도1을 참조하면, 하전 입자 빔 시스템(100)이 도시된다. 하전 입자 빔은 : 주 제어기(110); 인젝션 시스템(120); 일반적으로 (1) 가속기 시스템(132) 및 (2) 추출 시스템(134)을 포함하는 싱크로트론(130); 주사/표적/전달 시스템(140); 환자 인터페이스 모듈(150); 디스플레이 시스템(160); 및/또는 이미징 시스템(170) 중에서 임의로 포함하는 다수의 서브시스템들을 포함한다.

일 실시예에서, 하나 이상의 서브 시스템들이 클라이언트 상에 저장된다. 클라이언트는, 예컨대 개인용 컴퓨터, 디지털 미디어 플레이어, 개인 휴대 정보 단말기 등의, 클라이언트 장치로서 작용하도록 된 컴퓨팅 플랫폼이다. 상기 클라이언트는, 마우스, 키보드, 디스플레이 장치 등의, 다수의 외부 또는 내부 입력 장치들에 결합된 프로세서를 포함한다. 또한, 상기 프로세서는 정보를 표시하도록 예컨대 컴퓨터 모니터 등의 출력 장치에 결합된다. 일 실시예에서, 주 제어기(110)는 프로세서이다. 다른 실시예에서, 주 제어기(110)는 프로세서에 의해 실행되는 메모리에 저장된 명령들의 세트이다.

상기 클라이언트는 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체, 즉 메모리를 포함한다. 상기 메모리는, 비제한적으로, 컴퓨터로 판독 가능한 명령들을 갖는, 터치 감응성 입력 장치와 소통하는 프로세서 등의, 프로세서에 결합할 수 있는 전자, 광학, 자기, 또는 다른 저장 또는 전송 장치를 포함한다. 적절한 매체의 다른 예들은, 예컨대, 플래시 드라이브, CD-ROM, 독출 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 주문형 반도체(ASIC), DVD, 자기 디스크, 메모리칩 등을 포함한다. 상기 프로세서는 메모리에 저장된 컴퓨터-실행 가능 프로그램 코드 명령들의 세트를 실행한다. 상기 명령들은 , 예컨대, C, C++, C#, 비주얼 베이직, 자바, 및 자바스크립트 등을 포함하는 임의의 컴퓨터-프로그래밍 언어로부터의 코드를 포함할 수 있다.

하전 입자 빔 시스템(100)의 예시적인 사용 방법이 제공된다. 주 제어기(110)는 환자의 종양으로 양성자들을 정확하고 정밀하게 전달하도록 서브시스템들 중 하나 이상을 제어한다. 예컨대, 주 제어기(110)는, 이미징 시스템(170)으로부터, 신체 및/또는 종양의 일부 등의, 이미지를 얻는다. 또한, 주 제어기(110)는 환자 인터페이스 모듈(150)로부터 위치 및/또는 타이밍 정보를 얻는다. 그 후, 주 제어기(110)는 양성자를 싱크로트론(130)으로 주사하도록 인젝션 시스템(120)을 선택적으로 제어한다. 싱크로트론은 적어도 가속기 시스템(132) 및 추출 시스템(134)을 포함한다. 주 제어기는, 양성자 빔의 속도, 궤도, 및 타이밍을 제어하는 등에 의해, 가속기 시스템 내의 양성자 빔을 제어한다. 그 후, 주 제어기는 추출 시스템(134)을 통해 가속기로부터의 양성자 빔의 추출을 제어한다. 예컨대, 상기 제어기는 추출된 빔의 타이밍, 에너지, 및/또는 강도를 제어한다. 또한, 상기 제어기(110)는 주사/표적/전달 시스템(140)을 통해 환자 인터페이스 모듈(150)로의 양성자 빔의 표적화를 제어한다. 환자 인터페이스 모듈(150)의 하나 이상의 부품들은 바람직하게 주 제어기(110)에 의해 제어된다. 또한, 디스플레이 시스템(160)의 디스플레이 소자들도 주 제어기(110)를 통해 제어된다. 디스플레이 스크린 등의, 디스플레이들은 일반적으로 하나 이상의 작동자들 및/또는 하나 이상의 환자들에게 제공된다. 일 실시예에서, 주 제어기(110)는 양성자들이 환자에게 최적의 치료 방식으로 전달되도록 모든 시스템들에서의 양성자 빔의 전달을 타이밍을 맞춘다.

여기에서, 주 제어기(110)는 하전 입자 빔 시스템(100)을 제어하는 단일 시스템, 하전 입자 빔 시스템(100)을 제어하는 다수의 서브시스템들을 제어하는 단일 제어기, 또는 하전 입자 빔 시스템(100)의 하나 이상의 서브 시스템들을 제어하는 다수의 개별 제어기들로 될 수 있다.

싱크로트론

여기에서, 용어 싱크로트론은 순환 경로에서 하전 입자 빔을 유지하는 시스템에 관한 것으로 사용되지만, 비록 에너지, 강도, 및 추출 제어의 고유한 제한들을 갖더라도, 사이클로트론들이 그 대신에 사용된다. 또한, 하전 입자 빔은 싱크로트론의 중앙 지점을 중심으로 순환 경로를 따라 순환하는 것으로 여기에서 언급된다. 순환 경로는 궤도 경로로서도 언급되지만, 궤도 경로는 완전한 원 또는 타원으로 되지 않고, 중앙 지점 또는 영역 둘레에서의 양성자들의 순환에 관련된 것이다.

이제 도2를 참조하면, 하전 입자 빔 시스템(100)의 일 버젼의 예시적인 실시예가 제공된다. 부품들의 수, 위치, 및 개시된 타입은 예시적인 것이며 비제한적이다. 도시된 실시예에서, 인젝터 시스템(210) 또는 이온 소스 또는 하전 입자 빔 소스는 양성자들을 생성한다. 이 양성자들은, 싱크로트론 내로, 통과하여, 그의 밖으로 연장하는 진공 튜브로 전달된다. 생성된 양성자들은 초기 경로(262)를 따라 전달된다. 사중극 전자석 또는 인젝션 사중극 전자석들 등의, 집속 자석들(230)이 양성자 빔 경로를 집속하도록 이용된다. 사중극 전자석은 집속 자석이다. 인젝터 벤딩 자석(232)은 양성자 빔을 싱크로트론(130)의 평면을 향해 구부린다. 초기 에너지를 가진 집속된 양성자들은, 인젝션 램버슨 자석이 바람직한, 인젝터 자석(240)으로 도입된다. 일반적으로, 초기 빔 경로(262)는 싱크로트론(130)의 순환하는 평면에서 떨어진, 예컨대 평면 위 등에서, 축을 따라 진행한다. 인젝터 벤딩 자석(232) 및 인젝터 자석(240)은 양성자들을 싱크로트론(130)으로 이동시키도록 결합한다. 주 벤딩 자석들(250) 또는 2극 전자석들 또는 순환 자석들이 양성자들을 순환 빔 경로(264)를 따라 턴시키도록 사용된다. 2극 전자석은 벤딩 자석이다. 주 벤딩 자석들(250)은 초기 빔 경로(262)를 순환 빔 경로(264)로 구부린다. 이 예에서, 주 벤딩 자석들(250) 또는 순환 자석들은 순환 빔 경로(264)를 안정된 순환 빔 경로로 유지하도록 4개의 자석들의 4개의 세트들로서 나타내진다. 그러나, 순환 과정에서 양성자들을 단일 궤도 둘레로 이동시키도록 임의 개수의 자석들 또는 자석들의 세트들이 선택적으로 사용된다. 양성자들은 가속기(270)를 통과한다. 가속기는 순환 빔 경로(264) 내의 양성자들을 가속시킨다. 양성자들이 가속될 때, 자석들에 의해 인가된 계들이 증가된다. 특히, 가속기(270)에 의해 얻어진 양성자들의 속도는 싱크로트론의 중앙 지점 또는 영역(280)을 중심으로 한 양성자들의 안정적인 순환을 유지하도록 주 벤딩 자석들(250) 또는 순환 자석들의 자계들과 동기화된다. 분리 지점들에서 양성자들을 순환 경로 또는 궤도 내에 유지하면서 순환하는 양성자들을 가속 및/또는 감속시키도록 가속기(270)/주 벤딩 자석(250) 조합이 사용된다. 싱크로트론(130) 내의 순환 빔 경로(264)에서 양성자들을 제거하도록 램버슨 추출 자석(292)과 함께 인플렉터/디플렉터 시스템(290)의 추출 요소가 사용된다. 디플렉터 부품의 일례가 램버슨 자석이다. 일반적으로 디플렉터는 양성자들을 순환 평면에서, 순환 평면 위 등의, 순환 평면에서 떨어진 축으로 이동시킨다. 추출된 양성자들은, 사중극 전자석 등의, 추출 집속 자석(235) 및 추출 벤딩 자석(237)을 이용하여 이동 경로(268)를 따라 주사/표적/전달 시스템(140)으로 배향 및/또는 집속된다. 주사 시스템(140) 또는 표적 시스템의 두 개의 컴포넌트들은 일반적으로 수직 제어부 등의 제1 축 제어부(142), 및 수평 제어부 등의 제2 축 제어부(144)를 포함한다. 노즐 시스템(146)은 싱크로트론의 저압 빔 경로 및 대기 사이의 진공 배리어로서 및/또는 양성자 빔을 이미징하도록 사용된다. 양성자들은 환자 인터페이스 모듈(150) 및 환자의 종양으로 제어 하에 전달된다. 이상 열거된 모든 요소들은 선택적이며 여러 가지의 치환들 및 조합들로 사용될 수 있다.

이온 빔 발생 시스템

이온 빔 발생 시스템은 수소 음이온 또는 H^- 빔 등의, 음이온 빔을 생성하며; 바람직하게 음이온 빔을 집속하며; 음이온 빔을 양성자 또는 H⁺ 빔 등의 양이온 빔으로 변환하며; 양이온 빔을 싱크로트론(130)으로 주사한다. 이온 빔 경로의 양성자들은 부분 진공 하에 있다. 이 시스템들 각각은 후술된다.

이제 도3을 참조하면, 예시적인 이온 빔 발생 시스템(300)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 이온 빔 발생 시스템(300)은 : 음이온 소스(310), 제1 부분 진공 시스템(330), 선택적 이온 빔 집속 시스템(350), 및 탠덤형 가속기(390)의 4개의 주 요소들을 가진다.

도3을 더 참조하면, 음이온 소스(310)는 수소 가스를 고온 플라즈마 쳄버(314)로 분사하는 입구 포트(312)를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 플라즈마 쳄버는, 고온 플라즈마 쳄버(314) 및 자계 배리어의 대향 측 상의 저온 플라즈마 영역 사이에 자계 배리어(317)를 제공하는, 자기 재료(316)를 포함한다. 제1 부분 진공 시스템(330), 이온 빔 집속 시스템(350)을 통해, 탠덤형 가속기(390)로 진행하는, 음이온 빔 경로(319)로 음이온 빔을 끌어당기도록 음이온 추출 전극(318)에 추출 펄스가 인가된다.

도3을 더 참조하면, 제1 부분 진공 시스템(330)은 수소 가스 입구 포트(312)에서 탠덤형 가속기(390) 전환 포일(395)로 연장하는 밀폐 시스템이다. 포일(395)은 그의 제1 부분 진공 시스템(330) 측에 유지될, 약 10^-5 토르 등의, 고압 및 포일(390)의 싱크로트론 측에서 유지될, 약 10^-7 토르 등의, 저압을 제공하는 진공 튜브(320)의 에지들에 직접 또는 간접적으로 밀봉된다. 단지 제1 부분 진공 시스템(330)으로 펌핑함에 의해 그리고 센서 리딩에 따라 이온 빔 소스 진공을 반 연속으로 작동시키는 것 만으로, 반 연속으로 작동하는 펌프의 수명이 연장된다. 센서 리딩은 후술된다.

도3을 더 참조하면, 제1 부분 진공 시스템(330)은 : 연속으로 작동하는 펌프 및/또는 터보 분자 펌프 등의, 제1 펌프(332); 큰 홀딩 체적(334); 및 반 연속 작동 펌프(336)를 포함한다. 바람직하게, 펌프 제어기(340)는 큰 홀딩 체적(334)의 압력을 감시하는 압력 센서(342)로부터의 신호를 수신한다. 큰 홀딩 체적(334) 내의 충분한 압력을 나타내는 신호에 따라, 펌프 제어기(340)는 큰 홀딩 체적 및 반 연속 작동 펌프(336) 사이의 밸브(346)를 개방하도록 작용기(345)에 명령하고 반 연속 작동 펌프가 가동되어 하전 입자 스트림 주위의 진공 라인(320) 외측의 잔여 가스들을 대기로 펌핑하도록 명령한다. 이 형태에서, 반 연속 작동 펌프의 수명은 단지 반 연속으로 필요할 때만 작동함에 의해 연장된다. 일례에서, 반 연속 작동 펌프(336)는, 매 4시간 마다 5분 등의, 몇 시간 마다 몇 분 동안 작동함으로써, 약 2000시간의 수명을 가진 펌프를 약 96,000 시간으로 연장시킨다.

또한, 싱크로트론 진공 시스템에서 입력 가스를 분리함에 의해, 터보 분자 펌프 등의 싱크로트론 진공 펌프들은 더 적은 가스 분자들을 처리하게 됨에 따라 더 긴 수명 동안 작동할 수 있다. 예컨대, 입력 가스는 주로 수소이지만, 질소 및 이산화탄소 등의, 불순물들을 포함할 수 있다. 음이온 소스 시스템(310), 제1 부분 진공 시스템(330), 이온 빔 집속 시스템(350) 및 탠덤형 가속기(390)의 음이온 빔 측에서 입력 가스를 분리함에 의해, 싱크로트론 진공 펌프들은 더 긴 수명 기간 동안 저압으로 작동할 수 있으며, 싱크로트론(130)의 효율을 증가시키게 된다.

도3을 더 참조하면, 이온 빔 집속 시스템(350)은 두 개 이상의 전극을 포함하며, 각 전극 쌍의 하나의 전극은 이온 빔 경로를, 전도성 메시 등의, 전도성 경로들(372)로써 부분적으로 차단한다. 도시된 예에서, 두 개의 전극 이온 집속 부분(360), 제1의 3개의 전극 이온 집속 부분(370), 및 제2의 3개의 전극 이온 집속 부분(380)의, 3개의 이온 빔 집속 시스템 부분들이 도시되어 있다. 주어진 전극 쌍에서, 제1 전극 및 제2 전극의 전도성 메시 사이로 연장하는, 전계 라인들은 음이온 빔을 집속하는 내향의 힘들을 제공한다. 이러한 다수의 전극 쌍들은 다수의 음이온 빔 집속 영역들을 제공한다. 바람직하게, 두 개의 전극 이온 집속 부분(360), 제1의 3개의 전극 이온 집속 부분(370), 및 제2의 3개의 전극 이온 집속 부분(380)은 음이온 소스 후 및 탠덤형 가속기 전에 배치되며 및/또는 이온빔 경로를 따라 약 0.5, 1, 또는 2미터의 공간을 커버한다. 이온 빔 집속 시스템들은 후술된다.

도3을 더 참조하면, 탠덤형 가속기(390)는, 카본 포일 등의, 포일(395)을 포함한다. 음이온 빔 경로(319)의 음이온들은 양성자 등의 양이온으로 변환되며, 초기 이온 빔 경로(262)가 발생된다. 포일(395)은 음이온 빔 경로(319)를 가진 포일(395)의 측면 상에 유지될, 약 10^-5 토르 등의, 고압 및 양이온 빔 경로(262)를 가진 포일(390)의 측면 상에 유지될, 약 10^-7 토르 등의, 저압을 제공하는 진공 튜브(320)의 에지들에 대해 직접 또는 간접적으로 밀봉된다. 진공 쳄버(320)를 두 개의 압력 영역들로 물리적으로 분리하는 포일(395)을 갖는 것에 의해 입력수소 및 그의 잔여량이 제1 부분 진공 시스템(330)에 의해 포함 및 격리된 분리된 공간에서 추출될 때 더 적은 및/또는 작은 펌프들을 가진 시스템이 싱크로트론(130)에서 저압 시스템을 유지할 수 있도록 허용한다.

음이온 소스

여기에서 음이온 소스(310)의 예를 더 설명한다. 이제 도4를 참조하면, 예시적인 음이온 소스 시스템(400)의 단면이 제공된다. 음이온 빔(319)은 다단에서 형성된다. 제1 단 중에, 수소 가스가 쳄버로 분사된다. 제2 단 중에, 음이온들을 형성하도록 수소 가스 주위에 플라즈마를 형성하는, 제1 고전압 펄스를 인가함에 의해 음이온이 형성된다. 제3 단 중에, 플라즈마의 컴포넌트들에 자계 필터가 인가된다. 제4 단 중에, 제2 고전압 펄스를 인가함에 의해, 자계 배리어의 대향 측상의, 저온 플라즈마 영역에서 음이온들이 추출된다. 제4 단들 각각은 후술된다. 쳄버가 원통형의 단면으로 도시되지만, 원통형은 단지 예시적인 것이며 임의의 기하학 형상이, 후술되는, 자기 루프 봉쇄 벽들에 적용된다.

제1 단에서, 수소 가스는 고온 플라즈마 영역(490)으로 입구 포트(312)를 통해 분사된다. 진공 쳄버(320) 요건들을 유지하기 위한 진공 펌프 요건들을 최소화하도록, 약 1, 5, 또는 10마이크로초 미만 등의, 짧은 기간 동안 인젝션 포트(442)가 개방된다. 고온 플라즈마 영역은 부분 진공 시스템(330)에 의해 감소된 압력으로 유지된다. 수소 가스의 분사는, 환자 위치 및 호흡 사이클 기간 등의, 환자 인터페이스 모듈(150) 정보 및 이미징 시스템(170) 정보에 반응하는, 주 제어기(110)에 의해 선택적으로 제어된다.

제2 단에서, 고온 플라즈마 영역은 제1 전극(422) 및 제2 전극(424)에 걸쳐 제1 고전압 펄스를 인가함에 의해 형성된다. 예컨대, 제2 전극(424)에 5kV 및 제1 전극(422)에 0kV의 상태로 5kV 펄스가 약 20마이크로초 동안 인가된다. 고온 플라즈마 영역(490)에서, 쳄버 내의 수소는 : 원자 수소 H⁰, 양성자, H⁺, 전자, e-, 수소 음이온 H^- 중 어느 것 등의, 성분들로 분해된다.

제3 단에서, 고온 플라즈마 영역(490)은 자계 또는 자계 배리어(430)에 의해 적어도 부분적으로 저온 플라즈마 영역 또는 존(492)에서 분리된다. 고에너지 전자들은 자계 배리어(430)를 통과함이 제한된다. 이 방식으로, 자계 배리어(430)는, 음이온 소스의, 존 A 및 존 B, 사이에서 필터로서 작용한다. 바람직하게, 중앙 자기 재료(410)는, 고온 플라즈마 영역(490)의 중앙 축 등을 따라, 고온 플라즈마 영역(490) 내에 배치된다. 제1 전극(422) 및 제2 전극(424)은 철 등의 자기 재료로 구성된다. 바람직하게, 원통형 벽 등의, 고온 플라즈마 영역의 외벽들(450)은, 영구 자석, 철분, 또는 철기 재료, 또는 페라이트 유전체 링 자석 등의, 자기 재료로 구성된다. 이 방식으로, 중앙 자기 재료(410), 제1 전극(422), 외벽들(450), 제2 전극(424), 및 자계 배리어(430)에 의해 자계 루프가 형성된다. 다시, 자계 배리어(430)는 고에너지 전자들이 자계 배리어(430)를 통과함을 제한한다. 저에너지 전자들은, 저온 플라즈마 영역(492)에서, 수소 음이온 H^-를 형성하도록, 원자 수소 H⁰와 상호 작용한다.

제4 단에서, 제3 전극(426)에 제2 고전압 펄스 또는 추출 펄스가 인가된다. 제2 고전압 펄스는 제1 고전압 펄스의 늦은 인가 기간 중에 우선적으로 인가된다. 예컨대, 약 20마이크로초의 제1 펄스 형성 기간 중 마지막 약 5마이크로초 동안 약 25kV의 추출 펄스가 인가된다. 제3 전극(426) 및 제2 전극(424) 사이의, 약 20kV의, 전위차에 의해 저온 플라즈마 영역(492)에서, 음이온 H^-를 추출하며, 존 B에서 존 C로, 음이온 빔(390)이 이동 개시되도록 한다.

자계 배리어(430)는 다수의 방식들로 선택적으로 형성된다. 코일들을 이용한 자계 배리어(430)의 형성의 일례가 제공된다. 이 예에서, 도4에 관련하여 상기한 전자들은 여러 가지 차이들로 유지된다. 첫째, 코일들을 이용하여 자계가 형성된다. 제2 전극(424) 및 원통형 벽들(450) 사이는 물론 제1 전극(422) 및 원통형 벽들(450) 사이에도 분리 재료가 제공된다. 중앙 재료(410) 및/또는 원통형 벽들(450)은 선택적으로 금속으로 된다. 이 방식으로, 코일들이 제1 전극(422), 분리 재료, 원통형 벽들(450), 제2 전극(424), 자계 배리어(430), 및 중앙 재료(410)를 통해 자계 루프를 형성한다. 본질적으로, 코일들은 자기 재료(410)에 의한 자계의 생성을 대신하여 자계를 발생시킨다. 자계 배리어(430)는 상기한 바와 같이 작동한다. 일반적으로, 고온 플라즈마 영역(490) 및 저온 플라즈마 영역(492) 사이에 자계 배리어(430)를 형성하는 임의의 방식도 이온 빔 추출시스템(400)에 기능적으로 적용 가능하다.

이온 빔 집속 시스템

이제 도5를 참조하면, 이온 빔 집속 시스템(350)이 더 설명된다. 이 예에서, 3개의 전극들이 사용된다. 이 예에서, 제1 전극(510) 및 제3 전극(530)은 모두 음으로 하전되며 각각 음이온 빔 경로(319)를 적어도 부분적으로 둘러싸거나 또는 원주 방향으로 둘러싸는 링 전극이다. 제2 전극(520)은 양으로 하전되며 또한 음이온 빔 경로를 원주 방향으로 둘러싸는 링 전극이다. 또한, 제2 전극은 음이온 빔 경로(319)를 통해 진행하는 하나 이상의 전도 경로들(372)을 포함한다. 예컨대, 상기 전도 경로들은 와이어 메시, 전도성 그리드, 또는 제2 전극을 가로질러 진행하는 일련의 평행한 전도 라인들이다. 사용 시에, 전계 라인들은 양으로 하전된 전극의 전도 경로들에서 음으로 하전된 전극들로 진행한다. 예컨대, 사용 시에 전계 라인들(540)은 음이온 빔 경로(319)의 전도 경로들(372)에서 음으로 하전된 전극들(510,530)로 진행한다. 음이온 빔 경로의 두 개의 레이 트레이스 라인들(550,560)이 집속 힘들을 나타내도록 사용된다. 제1 레이 트레이스 라인(550)에서, 음이온 빔은 지점 M에서 제1 전계 라인과 만나게 된다. 음이온 빔(550)의 음으로 하전된 이온들은, x축 성분 벡터(572)로 나타낸, 전계 라인(571)으로 진행하는 힘들과 접하게 된다. x축 성분 힘 벡터(572)는 제1 레이 트레이스 라인의 궤도를, 지점 N에서 제2 전계 라인과 만나는, 내측으로 집중된 벡터(552)로 변경한다. 다시, 음이온 빔(552)은, x축 성분(574)의 내측으로 향한 힘 벡터를 갖는 것으로 나타내진, 전계 라인(573)으로 진행하는 힘들을 접하게 되며, 내측으로 집중된 벡터(552)를 더욱 내측으로 집중된 벡터(554)로 변경한다. 유사하게, 제2 레이 트레이스 라인(560)에서, 음이온 빔은 지점 O에서 제1 전계를 만나게 된다. 음이온 빔의 음으로 하전된 이온들은, x축 힘(576)의 힘 벡터를 갖는 것으로 나타낸, 전계 라인(575)으로 진행하는 힘과 접하게 된다. 내측으로 향한 힘 벡터(576)는 제2 레이 트레이스 라인(560)의 궤도를, 지점 P에서 제2 전계 라인과 만나는, 내측으로 집중된 벡터(562)로 변경한다. 다시, 음이온 빔은, x축 성분(578)의 힘 벡터를 갖는 것으로 나타내진, 전계 라인(577)으로 진행하는 힘들을 접하게 되며, 내측으로 집중된 벡터(562)를 더욱 내측으로 집중된 벡터(564)로 변경한다. 이 결과는 음이온 빔 상으로의 집속 효과이다. 각각의 힘 벡터들(572,574,576,578)은 선택적으로 음이온 빔 경로의 3차원 집속을 야기하는 x 및/또는 y 힘 벡터 성분들을 가진다. 자연적으로, 힘 벡터들은 예시적인 것이며, 많은 전계 라인들이 만나게 되며, 완전한 집중을 야기하는 각각의 만남에서 집중 효과가 관찰된다. 이 예는 집중 효과를 나타내도록 사용된다.

도5를 더 참조하면, 주어진 집속 섹션에서, 모든 다른 전극이 양으로 또는 음으로 하전되는 경우에, 음이온 빔 경로를 집속하도록, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 또는 9개의 전극들 등의, 임의 개수의 전극들이 선택적으로 사용된다. 예컨대, 3개의 집속 섹션들이 선택적으로 사용된다. 제1 이온 집속 섹션(360)에서, 한 쌍의 전극들이 사용되며 음이온 빔 경로를 따라 진행하는 제1 전극이 음으로 하전되고 제2 전극이 양으로 하전되어, 음이온 빔 경로의 집속을 야기하게 된다. 제2 이온 집속 섹션(370)에서, 두 쌍의 전극들이 사용되며, 음이온 빔 경로(319)를 통해 진행하는 전도성 메시에 의해 양으로 하전되는 공통 전극이 사용된다. 따라서, 제2 이온 집속 섹션(370)에서, 음이온 빔 경로를 따라 진행하는 제1 전극이 음으로 하전되고 제2 전극이 양으로 하전되어, 음이온 빔 경로의 집속을 야기하게 된다. 또한, 음이온 빔 경로를 따라 이동하는, 상기 제2 이온 집속 섹션에서, 양으로 하전된 제2 전극 및 음으로 하전된 제3 전극 사이에서 제2 집속 효과가 관찰된다. 이 예에서, 상기한 바와 같이, 제2 이온 집속 섹션의 형태로 작용하는, 3개의 전극들을 가진 제3 이온 집속 섹션(380)이 사용된다.

이제 도6을 참조하면, 이온 빔 집속 시스템(350)의 전극들의 중앙 영역들이 더 설명된다. 이제 도5a를 참조하면, 음으로 하전된 링 전극(510)의 중앙 영역은 바람직하게 전도성 재료가 없다. 이제 도6b-d를 참조하면, 양으로 하전된 링 전극(520)의 중앙 영역은 전도성 경로들(372)을 포함한다. 바람직하게, 양으로 하전된 링 전극(520) 내의 전도성 경로들(372) 또는 전도성 재료는 음이온 빔 경로(319)의 단면적의 약 1, 2, 5, 또는 10% 및 더 바람직하게는 상기 면적의 약 5%를 차단하게 된다. 이제 도6b를 참조하면, 하나의 옵션은 전도성 메시(610)이다. 이제 도6c를 참조하면, 제2 옵션은 음이온 빔 경로(319)의 일부를 둘러싸는 양으로 하전된 링 전극(520)에 걸쳐 사실상 평행하게 진행하는 일련의 전도성 라인들(620)이다. 이제 도6d를 참조하면, 제3 옵션은 상기 재료를 통해 뚫려진 구멍들에 의해 음이온 빔 경로의 단면적 모두를 커버하는 포일(630) 또는 금속 층이며, 상기 구멍들은 포일의 면적의 약 90-99% 및 더 바람직하게는 약 95%를 차지하게 된다. 일반적으로, 음이온 빔의 이온들이, 상기한 바와 같이, 전계 라인들을 통해 이동할 때 전극들의 쌍은 음이온 빔에 대한 집속 힘 벡터들을 제공하는 전계 라인들을 제공하는 형태로 된다.

제1 단면 직경, d₁,을 가진 두 개의 전극 음이온 빔 집속 시스템의 예에서, 음이온들은 두 개의 전극 시스템을 이용하여 제2 단면 직경, d₂,로 집속되며, 여기에서 d₁〉d₂이다. 유사하게, 제1 단면 직경, d₁,을 가진 세 개의 전극 음이온 빔 집속 시스템이 제공된 예에서, 음이온들은 세 개의 전극 시스템을 이용하여 제3 단면 직경, d₃,로 집속되며, 여기에서 d₁〉d₃이다. 상기 전극들 상의 유사한 전위들에 대해, 세 개의 전극 시스템은 두 개의 전극 시스템에 비해 더 타이트한 또는 더 강한 집속을 제공하며, d₃〈d₂이다.

다전극 이온 빔 집속 시스템의, 상기한 바와 같이, 제공된 예들에서, 전극들은 링들이다. 일반적으로, 상기 전극들은, 상기한 바와 같이, 음이온 빔의 이온들이 전계 라인들을 통해 이동할 때 음이온 빔에 집속 힘 벡터들을 제공하는 전계 라인들을 제공하기에 충분한 임의의 기하학 형상으로 된다. 예컨대, 하나의 음 링 전극은, 음이온 빔 프로브의 단면 영역의 외측 영역 주위에 배치된 약 2, 3, 4, 6, 8, 10, 또는 그 이상의 전극들 등의, 다수의 음으로 하전된 전극들에 의해 선택적으로 대체된다. 일반적으로, 보다 빠르거나 또는 높은 에너지 빔을 수렴 또는 발산시키도록 더 많은 전극들이 요구된다.

다른 실시예에서, 상기 예의 전극들의 극성들을 역전함에 의해, 음이온 빔이 발산하게 된다. 따라서, 음이온 빔 경로는 전극 쌍들의 조합들을 이용하여 선택적으로 집속 및 팽창된다. 예컨대, 음이온 빔 경로를 가로질러 메시를 가진 전극이 음으로 되면, 음이온 빔 경로는 디포커싱된다. 그러므로, 전극 쌍들의 조합들은, 제1 쌍이 집속을 위해 양으로 하전된 메시를 포함하며 제2 쌍이 디포커싱을 위해 음으로 하전된 메시를 포함하는 등으로, 음이온 빔 경로를 집속 및 디포커싱하도록 이용된다.

탠덤 가속기

이제 도7a를 참조하면, 탠덤 가속기(390)가 더 설명된다. 탠덤 가속기는 일련의 전극들(710,711,712,713,714,715)을 이용하여 이온들을 가속시킨다. 예컨대, 음이온 빔 경로의, H^-등의, 음이온들은 음이온 빔 소스(310)의, 추출 전극(426), 또는 제3 전극(426)의 전압에 대해 점진적으로 높아지는 전압을 가진 일련의 전극들을 이용하여 가속된다. 예컨대, 탠덤 가속기(390)는 추출 전극(426)의 25kV에서 탠덤 가속기(390)의 포일(395) 근방의 약 525kV 까지의 범위의 전극들을 가진다. 포일을 통과하면서, 음이온, H^-,는 식 1에 따라, 양성자, H⁺,를 제공하도록 두 개의 전자들을 잃는다.

H^- → H⁺+2e^- (식1)

양성자는 다수의 다른 전극들(713,714,715)에서의 적절한 전압들을 이용하여 탠덤 가속기에서 더욱 가속된다. 그 후, 양성자들은 상기한 바와 같이 싱크로트론(130)으로 주사된다.

도7을 더욱 참조하면, 탠덤 가속기(390)의 포일(395)이 더욱 설명된다. 포일(395)은 두께 약 30 내지 200 옹스트롬의 매우 얇은 탄소막이다. 포일 두께는 : (1) 이온 빔을 차단하지 않고 (2) 양성자 빔 경로(262)를 형성하도록 양성자들을 제공하는 전자들의 이동을 허용하도록 설계된다. 포일(395)은, 지지 그리드 등의, 지지 층(720)과 접촉하게 된다. 지지 층(720)은 진공 차단 요소(725)를 형성하도록 포일(395)에 결합할 수 있는 기계적 강도를 제공한다. 포일(395)은 질소, 이산화탄소, 수소 및 다른 가스의 통과를 차단하며 따라서 진공 배리어로서 작용한다. 일 실시예에서, 포일(395)은, 음이온 빔 경로(319)를 가진 포일(395)의 측면 상에서 유지될, 약 10^-5 토르 등의, 고압 및 양성자 이온 빔 경로(262)를 가진 포일(395)의 측면 상에 유지될, 약 10^-7 등의, 저압을 제공하는 진공 튜브(320)의 에지들에 대해 직접 또는 간접적으로 밀봉된다. 진공 쳄버(320)를 두 개의 압력 영역들로 물리적으로 분리하는 포일(395)에 의해, 흡입 수소 및 그의 잔류물들이 분리되어 함유되며 격리되는 공간으로 제1 부분 진공 시스템(330)에 의해 추출될 때 싱크로트론(130)에서 저압 시스템을 유지하기 위해 보다 적은 및/또는 작은 펌프들을 갖는 진공 시스템을 허용하게 된다. 부착 나사(740)로써 벽들에 압축된 금속, 플라스틱, 또는 세라믹 링(730) 등의, 임의의 기계적 수단을 이용하는 압력 배리어를 형성하도록 포일(395) 및 지지 층(720)이 진공 튜브(320) 또는 탠덤 가속기(390)의 구조(750)에 부착된다. 포일(395)과 두 개의 진공 쳄버 측면들을 분리하여 밀봉하기 위한 임의의 기계적 수단이라도 동등하게 이 시스템에 적용될 수 있다. 이제 도7b를 참조하면, 지지 층(720) 및 포일(395)이 x, y 평면에 개별적으로 도시되어 있다.

이제 도8을 참조하면, 하전 입자 빔 시스템(100)의 다른 예시적인 사용 방법이 제공된다. 주 제어기(110), 또는 하나 이상의 서브-제어기들이, 양성자들을 환자의 종양으로 정확하고 정밀하게 전달하도록 하나 이상의 서브 시스템들을 제어한다. 예컨대, 주 제어기는 언제 또는 어떻게 호흡하는가를 나타내는 환자에 대한 메시지를 전송한다. 주 제어기(110)는, 온도 호흡 센서 또는 호흡 사이클에서 대상의 위치를 나타내는 포스(force) 리딩 등의, 센서 리딩을 환자 인터페이스 모듈에서 얻는다. 상기 주 제어기는, 신체 및/또는 종양의 일부 등의, 이미지를 이미징 시스템(170)으로부터 수집한다. 또한, 주 제어기(110)는 환자 인터페이스 모듈(150)로부터 위치 및/또는 타이밍 정보를 얻는다. 그 후, 주 제어기(110)는 음이온 빔 소스(310)로 수소 가스를 분사하도록 분사 시스템(120)을 선택적으로 제어하며 음이온 빔 소스(310)에서 음이온을 추출하는 타이밍을 제어한다. 선택적으로, 주 제어기는 이온 빔 집속 렌즈 시스템(350)을 이용한 이온 빔 집속; 탠덤형 가속기(390)에 의한 양성자 빔의 가속; 및/또는 싱크로트론(130)으로의 양성자의 주사를 제어한다. 싱크로트론은 일반적으로 적어도 가속 시스템(132) 및 추출 시스템(134)을 포함한다. 싱크로트론은 바람직하게 : 터닝(turning) 자석들, 에지 집속 자석들, 자계 집중 자석들, 와인딩 및 보정 코일들, 및 편평한 자계 입사 표면들 중 하나 이상을 포함하며, 그중 일부는 주 제어기(110)에 의한 제어 하의 요소들을 포함한다. 주 제어기는, 양성자 빔의 속도, 궤도, 및/또는 타이밍을 제어하는 등에 의해, 가속기 시스템 내의 양성자 빔을 제어한다. 그 후, 상기 주 제어기는 가속기에서 추출 시스템(134)을 통한 양성자 빔의 추출을 제어한다. 예컨대, 상기 제어기는 추출된 빔의 타이밍, 에너지, 및/또는 강도를 제어한다. 또한, 상기 제어기(110)는 궤도/전달 시스템(140)을 통해 환자 인터페이스 모듈(150)로의 양성자 빔의 표적화를 제어한다. 환자의 수직 위치, 환자의 회전 위치, 및 환자 의자 위치/안정/제어 요소들 등의, 환자 인터페이스 모듈(150)의 하나 이상의 부품들이 바람직하게 주 제어기(110)에 의해 제어된다. 또한, 디스플레이 시스템(160)의 디스플레이 소자들도 주 제어기(110)를 통해 제어된다. 디스플레이 스크린 등의, 디스플레이들은 일반적으로 한 명 이상의 작동자들 및/또는 한 명 이상의 환자들에게 제공된다. 일 실시예에서, 주 제어기(110)는 양성자들이 환자에게 최적의 치료 방식으로 전달되도록 모든 시스템들에서의 양성자 빔의 전달의 타이밍을 맞춘다.

순환 시스템

싱크로트론(130)은 직선 부분들(910) 및 이온 빔 터닝 부분들(920)의 조합을 포함한다. 따라서, 양성자들의 순환 경로는 싱크로트론에서 원형이 아니라, 둥근 코너들을 가진 다각형이다.

하나의 예시적인 실시예에서, 가속기 시스템이라고도 하는, 싱크로트론(130)은 4개의 직선 요소들 및 4개의 터닝 요소들을 가진다. 직선 부분들(910)의 예들은 : 인플렉터(240), 가속기(270), 추출 시스템(290), 및 디플렉터(292)를 포함한다. 4개의 직선 부분들과 함께, 자석 부분들 또는 터닝 부분들이라고도 하는, 4개의 이온 빔 터닝 부분들(920)이 있다. 터닝 부분들은 후술된다.

이제 도9를 참조하면, 예시적인 싱크로트론이 도시되어 있다. 이 예에서, 초기 양성자 빔 경로(262)를 따라 전달된 양성자들은 인플렉터(240)로써 순환 빔 경로로 굴절되며 가속 후에 디플렉터(292)를 통해 빔 이동 경로(268)로 추출된다. 이 예에서, 싱크로트론(130)은 4개의 직선 부분들(910) 및 4개의 벤딩 또는 터닝 부분들(920)을 포함하며 4개의 터닝 부분들 각각은 양성자 빔을 약 90도로 회전시키도록 하나 이상의 자석들을 이용한다. 후술되는 바와 같이, 상기 터닝 부분들을 밀접하게 간격을 두게 하고 양성자 빔을 효율적으로 터닝시키는 능력에 의해 더욱 짧은 직선 부분들로 될 수 있다. 더욱 짧은 직선 부분들은 싱크로트론의 순환 빔 경로에 집속 4중극을 이용하지 않고 싱크로트론을 설계할 수 있게 허용한다. 순환하는 양성자 빔 경로에서 집속 4중극을 제거하면 더욱 콤팩트한 설계를 할 수 있다. 이 예에서, 도시된 싱크로트론은 순환하는 양성자 빔 경로에 4중극 집속 자석을 이용하는 시스템들에서의 8미터 및 더 큰 단면의 직경들에 비해 약 5미터 직경을 가진다.

이제 도10을 참조하면, 제1 벤딩 또는 터닝 부분(920)의 추가 설명이 제공된다. 터닝 부분들 각각은, 약 2, 4, 6, 8, 10, 또는 12개의 자석들 등의, 다수의 자석들을 포함한다. 이 예에서, 제1 터닝 부분(920)에 4개의 터닝 자석들(1010,1020,1030,1040)이, 터닝 부분(920)의 자석들의 수에 관계없이 동일한, 주 원리들을 나타내도록 사용되어 있다. 터닝 자석(1010)은 주 벤딩 또는 순환 자석(250)의 특수 타입이다.

물리학적으로, 로렌츠 힘은 전자계로 인한 점 전하 상의 힘이다. 로렌츠 힘은 전계의 항들은 포함되지 않는 자계들의 항들로 식2에 의해 주어진다.

F=q(vxB) 식2

식2에서, F는 뉴우튼 단위의 힘이며; B는 테슬라 단위의 자계이며; v는 초당 미터 단위의 입자들의 순간 속도이다.

이제 도11을 참조하면, 단일 자석 벤딩 또는 터닝 부분(1010)의 예가 확대되어 있다. 상기 터닝 부분은 갭(1110)을 포함하며 그 갭을 통해 양성자들이 순환한다. 갭(1110)은 편평한 갭이며, 그 갭(1110)에 걸쳐 더 균일하고, 균등하며, 강력한 자계를 허용한다. 자계는 자계 입사면을 통해 갭(1110)으로 진입되며 자계 배출면을 통해 갭(1110)에서 배출된다. 상기 갭(1110)은 두 개의 자석 절반부들 사이의 진공 튜브에서 연장한다. 상기 갭(1110)은 적어도 : (1) 상기 갭(1110)이 양성자의 손실을 최소화하도록 가능한 한 크게 유지되며 (2) 상기 갭(1110)은 자석 사이즈 및 관련된 사이즈 및 자석 전원의 전력 요구량을 최소화하도록 가능한 한 작게 유지되는 두 개의 변수들에 의해 제어된다. 갭(1110)의 편평한 특성은 갭(1110)에 걸쳐 압축되어 더욱 균일한 자계를 허용한다. 갭 치수의 일례는 약 5 내지 6 cm의 수평 빔 사이즈와 약 2cm의 수직 양성자 빔 사이즈를 수용하도록 된다.

상기한 바와 같이, 더 큰 갭 사이즈는 더 큰 전력 공급을 필요로 한다. 예컨대, 갭(1110) 사이즈가 수직 사이즈로 두 배로 되면, 전력 공급 요구량은 약 4의 팩터로 증가한다. 또한, 갭(1110)의 편평도도 중요하다. 예컨대, 갭(1110)의 편평도 특성은 추출된 양성자들의 에너지가 약 250에서 약 330 MeV로 증가하도록 허용한다. 특히, 갭(1110)이 극히 편평한 표면을 가지면, 철 자석의 자계의 한계들에 도달 가능하다. 갭(1110)의 편평한 표면의 예시적인 정밀도는 약 5미크론 미만의 폴리시이며 바람직하게는 약 1 내지 3미크론의 폴리시이다. 표면의 불균일은 인가된 자계에 결함을 야기한다. 폴리시된 평탄한 표면은 인가된 자계의 불균일을 확산시킨다.

도11을 더 참조하면, 하전 입자 빔은 순간 속도 v로 갭(1110)을 통해 이동한다. 제1 자기 코일(1120) 및 제2 자기 코일(1130)은 각각 갭(1110) 위 아래로 진행한다. 코일들(1120,1130)을 통해 흐르는 전류는, 단일 자석 터닝 부분(1010)을 통해 진행하는, 자계 B를 야기한다. 이 예에서, 자계 B는 상방으로 진행하며, 이로써 하전 입자 빔을 싱크로트론의 중앙 지점을 향해 내측으로 미는 힘 F를 야기하며, 하전 입자 빔을 아크로 터닝시킨다.

도11을 더 참조하면, 선택적인 제2 자석 벤딩 또는 터닝 부분(1020)이 도시되어 있다. 코일들(1120,1130)은 일반적으로, 제1 자석 터닝 부분(1010)의 단부 등의, 하나의 자석의 단부에 턴들 또는 리턴 요소들(1140,1150)을 가진다. 상기 턴들(1140,1150)은 공간을 취한다. 상기 공간은 터닝 자석들에 의해 커버되는 싱크로트론의 일 궤도를 중심으로 한 경로의 비율을 감소시킨다. 이로써 양성자들이 턴 및/또는 집속되지 않는 순환 경로의 부분들을 야기하게 되며 양성자 경로가 디포커싱되는 순환 경로의 부분들을 허용하게 된다. 따라서, 상기 공간은 더 큰 싱크로트론을 야기하게 된다. 따라서, 자석 터닝 부분들(1160) 사이의 공간은 바람직하게 최소화된다. 2, 3, 4, 5, 6, 또는 그 이상의 자석들 등의, 다수의 자석들을 따라 코일들(1120,1130)이 선택적으로 진행함을 나타내도록 제2 터닝 자석이 이용된다. 다수의 터닝 부분 자석들에 걸쳐 연장하는 코일들(1120,1130)은 두 개의 터닝 부분 자석들이 턴들의 입체적 제약의 제거로 인해 공간적으로 서로 더 근접하게 배치되도록 허용하며, 이로써 두 개의 터닝 부분 자석들 사이의 공간(1160)을 감소 및/또는 최소화한다.

이제 도12 및 13을 참조하면, 단일 자석 벤딩 또는 터닝 부분들(1010)의 두 개의 예시적인 90도 회전된 단면들이 제공되어 있다. 자석 조립체는 제1 자석(1210) 및 제2 자석(1220)을 가진다. 후술되는 코일들에 의해 유도된 자계는 갭(1110)을 가로질러 제1 자석(1210)에서 제2 자석(1220) 사이로 진행한다. 리턴 자계들은 제1 요크(1212) 및 제2 요크(1222)를 통해 진행한다. 리턴 요크들의 결합된 단면적은 제1 자석(1210) 또는 제2 자석(1220)의 단면적과 대략 유사하다. 하전 입자들은 갭(1110)의 진공 튜브를 통해 진행한다. 도시된 바와 같이, 양성자들은 갭(1110)을 통해 도12 내로 진행되며 벡터 B로서 나타낸, 자계는 양성자들에 힘 F를 인가하여 양성자들을, 도12에서 우측으로 오프 페이지된, 싱크로트론의 중앙을 향해 밀게된다. 자계는 와인딩들을 이용하여 형성된다. 개별 와인딩의 와이어의 현재 단면을 나타내기 위해 도12에 도시되며 도13에 개별 와인딩으로서 도시된, 제1 와인딩 코일(1250)을 제1 코일이 형성하고 있다. 유사하게 제2 와인딩 코일(1260)을 형성하는 와이어의 제2 코일이 예시적으로 나타나 있다. 공기 갭들 등의, 분리 또는 집중 갭들(1230,1240)은 갭(1110)에서 철기(iron based) 요크들을 분리시킨다. 갭(1110)은, 상기한 바와 같이, 그 갭(1110)에 걸쳐 균일한 자계를 제공하도록 대략적으로 편평하다.

다시 도13을 참조하면, 단일 벤딩 또는 터닝 자석의 단부들은 경사지게 되어 있다. 터닝 자석(1010)의 거의 수직 또는 직각 에지들은 점선들(1374,1384)로 나타내고 있다. 점선들(1374,1384)은 싱크로트론(280)의 중앙 너머의 지점(1390)에서 교차한다. 바람직하게, 상기 터닝 자석의 에지는, 터닝 자석(1010)의 에지로부터 중앙(280) 까지 이어지는 제1 라인(1372,1382) 및 터닝 자석의 동일한 에지로부터 교차점(1390) 까지 이어지는 제2 라인(1374,1384)에 의해 형성된 각들인, 각도 알파 α, 및 각도 베타 β로 경사져 있다. 각도 알파는 효과를 설명하도록 이용되며 각도 알파의 설명은 각도 베타에도 적용되지만, 각도 알파는 선택적으로 각도 베타와 다르게 될 수 있다. 각도 알파는 에지 집속 효과를 제공한다. 터닝 자석(1010)의 에지를 각도 알파로 기울이면 양성자 빔을 집속하게 된다.

다수의 터닝 자석들은 각각 싱크로트론(130)에서 에지 집속 효과들을 갖는 다수의 자석 에지들을 제공한다. 단지 하나의 터닝 자석이 사용된다면, 빔은 각도 알파에 대해 한 번 또는 각도 알파 및 각도 베타에 대해 두 번만 집속된다. 그러나, 더 작은 터닝 자석들을 이용함에 의해, 더 많은 터닝 자석들이 싱크로트론(130)의 터닝 부분들(920) 내로 끼워진다. 예컨대, 싱크로트론의 터닝 부분(920)에 4개의 자석들이 사용되는 경우, 단일의 터닝 부분에 대해, 자석당 두 개의 에지들,로 인해 8개의 가능한 에지 집속 효과 표면들이 제공된다. 8개의 집속 표면들은 더 작은 단면의 빔 사이즈를 제공한다. 이로써 더 작은 갭(1110)의 사용을 허용하게 된다.

터닝 자석들에서 다수의 에지 집속 효과들을 이용하면 더 작은 갭(1110) 뿐만 아니라, 더 적은 자석들 및 더 작은 전원들을 이용할 수 있게 된다. 각 터닝 부분들이 4개의 터닝 자석들을 가지며 각 터닝 자석이 두 개의 집속 에지들을 가지는 경우의 4개의 터닝 부분들(920)을 갖는 싱크로트론(130)에 있어서, 싱크로트론(130)의 순환 경로의 양성자들의 각 궤도에 대해 전체 32개의 집속 에지들이 존재하게 된다. 유사하게, 2, 6, 또는 8개의 자석들이 주어진 터닝 부분에 사용되는 경우, 또는 2, 3, 5, 또는 6개의 터닝 부분들이 사용되는 경우, 에지 집속 표면들의 수는 식 3에 따라 증가 또는 감소한다.

식3

이 식에서 TFE는 전체 집속 에지들의 수이며, NTS는 터닝 부분들의 수이며, M은 자석들의 수이며, FE는 집속 에지들의 수이다. 모든 자석들이 경사지도록 될 필요는 없으며 일부 자석들은 선택적으로 하나의 에지에서만 경사지게 된다.

본 발명자는 더 적은 수의 더 큰 자석들에 대한 다수의 작은 자석들이 장점을 갖는 것으로 결정하였다. 예컨대, 16개의 작은 자석들의 사용으로 32개의 집속 에지들을 제공하는 한편 4개의 큰 자석들을 사용하여 단지 8개의 집속 에지들만이 제공된다는 것이다. 더 많은 집속 에지들을 갖는 싱크로트론의 사용에 의해 집속 4중극 자석들을 사용하지 않고 싱크로트론의 순환 경로를 형성하게 된다. 모든 종래 기술의 싱크로트론들은 싱크로트론의 순환 경로에 4중극들을 사용하고 있다. 또한, 순환 경로에 4중극들을 사용하게 되면 싱크로트론의 순환 경로에 추가의 직선 부분들을 필요로 하게 된다. 따라서, 싱크로트론의 순환 경로에 4중극들을 사용하게 되면 싱크로트론들이 더 큰 직경들, 순환 빔 경로길이들, 및/또는 더 큰 외주들을 갖게 된다.

상기 설명된 시스템의 여러 가지 실시예들에서, 싱크로트론은

ㆍ 동일한 수의 직선 부분들 및 터닝 부분들;

ㆍ정확하게 4개의 터닝 부분들;

ㆍ터닝 부분 당 적어도 4개의 에지 집속 에지들;

ㆍ싱크로트론의 순환 경로에 4중극들 없음;

ㆍ둥근 코너의 장방형 다각형 형태;

ㆍ60미터 미만의 원주;

ㆍ60미터 미만의 원주 및 32개의 에지 집속 표면들; 및/또는

ㆍ비-4중극 자석들이 에지 집속 에지들을 포함하는 경우에, 싱크로트론의 순환 경로 당 약 8, 16, 24, 또는 32개의 비-4중극 자석들 중 어느 하나의, 임의의 조합을 가진다.

다시 도12를 참조하면, 제1 자석(1210)의 입사 자계면(1270)이 더 설명되어 있다. 도12는 축척 대로가 아니며 예시적인 것이다. 입사면(1270)의 마무리 품질에서의 국부적 결함 또는 불균일은 갭(1110)에 인가된 자계의 불균등 또는 결함들을 야기하게 된다. 바람직하게, 상기 입사면(1270)은, 약 0 내지 3 미크론 피니시 폴리시 내, 또는 덜 바람직하게 약 10 미크론 피니시 폴리시 등으로, 편평하다.

이제 도14를 참조하면, 도12에 나타낸 자석 단면의, 부가적인 자석 요소들이 설명된다. 제1 자석(1210)은 철기 코어의 초기 단면 거리(1410)를 포함한다. 자계의 외형들은 자석들(1210,1220) 및 요크들(1212,1222)에 의해 형성된다. 상기 철기 코어는 제2 단면 거리(1420)로 점차 적어진다. 상기 자석의 자계는 갭들(1230,1240)에 대향하게 철기 코어에 우선적으로 머물게 된다. 상기 단면 거리가 초기 단면 거리(1410)에서 최종 단면 거리(1420)로 감소하면, 자계가 집중된다. 긴 거리(1410)에서 짧은 거리(1420)로 자석의 형상의 변화는 증폭기로서 작용하게 된다. 자계의 집중은 초기 단면(1410)에서의 자계 벡터들(1430)의 초기 밀도를 최종 단면(1420)에서의 자계 벡터들(1440)의 집중 밀도에 대해 나타냄으로써 예시된다. 터닝 자석들의 기하학 형상으로 인한 자계의 집중은 더 작은 수의 와인딩 코일들(1250,1260)이 요구되도록 하며 또한 코일들에 대해 더 작은 전원이 요구되도록 한다.

예 I

일례에서, 초기 단면 거리(1410)는 약 15cm이며 최종 단면 거리(1420)는 약 10cm이다. 제공된 수들을 이용하면, 자계의 집중은, 그 관계가 선형적인 것은 아니지만, 갭(1110)의 입사면(1270)에서 약 15/10 또는 1.5배이다. 테이퍼(1460)는, 약 20, 40, 또는 60도 등의, 기울기를 가진다. 약 1.5배 등의, 자계의 집중은 자석들에 요구되는 전력 소비에서 대응하는 감소를 이끌게 된다.

이제 도15를 참조하면, 자계를 집중하도록 사용되는 자석의 기하학 형상의 다른 예가 도시된다. 도14에 도시된 바와 같이, 제1 자석(1210)은 철기 코어의 초기 단면 거리(1410)를 포함한다. 상기 자계의 외형들은 자석들(1210,1220) 및 요크들(1212,1222)에 의해 형성된다. 이 예에서, 코어는 더 작은 각, θ로 제2 단면 거리(1420)에 대해 테이퍼된다. 상기한 바와 같이, 상기 자석의 자계는 갭들(1230,1240)에 대향하는 바로서 철기 코어에 머물게 된다. 상기 단면 거리가 초기 단면 거리(1410)에서 최종 단면 거리(1420)로 감소하면, 자계는 집중된다. 더 작은 각, 세타는, 긴 거리(1410)에서 짧은 거리(1420)로 가면서 자계의 더 큰 증폭을 야기하게 된다. 자계의 집중은 초기 단면(1410)의 자계 벡터(1430)의 초기 밀도를 최종 단면(1420)의 자계 벡터(1440)의 집중된 밀도로 나타냄에 의해 예시된다. 터닝 자석들의 기하학 형상으로 인한 자계 집중은 더 작은 와인딩 코일들(1250,1260)을 요구하게 하며 또한 요구되는 와인딩 코일들(1250,1260)에 대해 더 작은 전원을 필요로 하게 한다.

다시 도15를 참조하면, 제2 거리(1410)의 단면적은 제1 단면 거리(1420)의 단면적의 약 2/3 미만이다.

도15를 더 참조하면, 하나 이상의 터닝 자석들의 강도를 보정하도록 사용되는 선택적인 보정 코일들(1510,1520)이 도시되어 있다. 보정 코일들(1510,1520)은 와인딩 코일들(1250,1260)에 의해 사용되는 와인딩 코일 전원들에서 분리된 보정 코일 전원들을 가진다. 보정 코일 전원들은 일반적으로 와인딩 코일 전원들에 대해 요구되는 전력의, 1, 2, 3, 5, 7, 또는 10% 및 더 바람직하게는 와인딩 코일들(1250,1260)에 사용되는 전력의 약 1 또는 2% 등의, 일부분만으로 작동하게 된다. 보정 코일들(1510,1520)에 인가되는 더 작은 작동 전력은 보정 코일들의 더 정확하고 및/또는 정밀한 제어를 허용하게 된다. 보정 코일들은 터닝 자석들(1010,1020,1030,1040)의 결함에 대해 조정하도록 이용된다. 선택적으로, 각각의 터닝 자석의 제조 시에 품질 요건들을 용이하게 하는, 각각의 터닝 자석에 대한 자계의 개별적인 조절을 허용하도록 각각의 터닝 자석에 대해 분리형 보정 코일들이 사용된다.

이제 도16을 참조하면, 이온 빔 터닝 부분(920)의 다수의 터닝 자석들(1010,1020) 주위의 와인딩 코일들(1630) 및 보정 코일들(1620)의 예가 나타나 있다. 도시된 바와 같이, 와인딩 코일들은 두 개(1630)의 터닝 자석들을 그리고 보정 코일들은 하나(1640) 및 두 개(1620) 터닝 자석들을 보정하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 와인딩 코일들은, 1, 2, 또는 4개의 터닝 자석들 등의, 하나 이상의 터닝 자석들을 선택적으로 커버한다. 유사하게, 보정 코일들은, 1, 2, 또는 4개의 터닝 자석들 등의, 하나 이상의 터닝 자석들을 선택적으로 커버한다. 바람직하게, 커버된 터닝 자석들의 수는 와인딩 및 보정 코일들과 같다. 하나 이상의 고정밀 자계 센서들(1830)이 싱크로트론에 배치되어 양성자 빔 경로 또는 그 근방의 자계를 측정하도록 사용된다. 예컨대, 자기 센서들은, 갭(1110) 또는 그 근방 또는 자석 코어 또는 요크 또는 그 근방 등의, 터닝 자석 내에 및/또는 터닝 자석들 사이에 선택적으로 배치된다. 상기 센서들은, 주 제어기에 의해 선택적으로 작동되는, 보정 코일들로의 피드백 시스템의 일부이다. 따라서, 상기 시스템은 자석들에 인가된 전류를 안정화하기 보다 싱크론트론 요소들의 자계를 안정화한다. 자계의 안정화는 싱크로트론이 새로운 에너지 레벨로 빠르게 도달하도록 허용한다. 이로써 싱크로트론의 각 펄스 및/또는 환자의 각 호흡에 따라 선택된 에너지 레벨 알고리즘 또는 작동자에 의해 상기 시스템이 제어되도록 허용한다. 터닝 자석들 사이 또는 터닝 자석 근처에 배치된 선택적인 자계 센서들(1650)이 자계 강도를 제어하는 제어 시스템으로의 입력들로서 선택적으로 사용된다.

와인딩 및/또는 보정 코일들은 1, 2, 3, 또는 4개의 터닝 자석들을 보정하며, 바람직하게 두 개의 터닝 자석들에 의해 생성된 자계를 보정한다. 공간을 차지하는, 더 작은 수의 와인딩 또는 보정 코일 단부들이 요구됨으로써, 다수의 자석들을 커버하는 와인딩 또는 보정 코일은 자석들 사이의 공간을 감소시키게 된다.

예 II

이제 도17을 참조하면, 양성자 펄스 전달 기간 및/또는 전달 시간을 변화시키도록 피드백 루프(1700)를 이용하는 자계 제어를 명료화하기 위한 예가 사용된다. 이 경우, 호흡 센서(1710)는 대상의 호흡 사이클을 감지한다. 상기 호흡 센서는 자계 제어기(1720)의 알고리즘에, 일반적으로 환자 인터페이스 모듈(150) 및/또는 주 제어기(110) 또는 그의 서브컴포넌트를 통해, 정보를 전송한다. 상기 알고리즘은 대상이 호흡 사이클 중, 호흡의 바텀 등의, 특정 지점에 있을 때를 예측 및/또는 측정한다. 자계 센서들(1730)은, 싱크로트론(130)의 제1 터닝 자석(1010) 내 등의, 주어진 자계에 대한 자석 전원(1740)을 제어하는, 자계 제어기로의 입력으로서 사용된다. 따라서, 제어 피드백 루프는 싱크로트론을 선택된 에너지 레벨로 조정하고, 호흡의 바텀 등의, 선택된 지점에서 원하는 에너지를 가진 양성자들을 제 시간에 전달하도록 사용된다. 특히, 주 제어기는 싱크로트론으로 양성자들을 주사하여 호흡 사이클의 선택된 지점에서, 추출과 결합하여, 양성자들을 종양으로 전달하는 방식으로 양성자들을 가속시킨다. 또한, 양성자 빔의 강도는 이 단계에서 주 제어기에 의해 선택 및 제어 가능하다. 보정 코일들로의 피드백 제어는 환자의 호흡 사이클에 매여있는 싱크로트론의 에너지 레벨들의 신속한 선택을 허용하게 된다. 이 시스템은, 전류가 안정화되며 싱크로트론이, 고정된 기간에 초당 10 또는 20 사이클들 등의, 기간을 갖는 펄스들을 전달하는 시스템과 현저한 대조를 이룬다.

보정 코일들과 결합된 피드백 또는 자계 설계는 추출 사이클이 환자의 변화하는 호흡 속도에 매칭되도록 허용한다.

전통적인 추출 시스템은 자석들이 사인파의 진폭 및 규모 양자의 면들에서 메모리들을 가지는 이러한 제어를 허용하지 않는다. 따라서, 상기 전통 시스템에서, 주파수를 변화시키기 위해, 전류의 느린 변화들이 이용되어야 한다. 그러나, 자계 센서들을 이용하는 피드백 루프를 이용하면, 싱크로트론의 주파수 및 에너지 레벨을 신속하게 조정할 수 있다. 다른 도움은 이 과정이 후술되는 추출 과정 중에 양성자들의 가속을 허용하는 새로운 추출 시스템을 사용하는 것이다.

예 III

다시 도16을 참조하면, 네 개의 터닝 자석들(1010,1020,1030,1040)을 커버하는 와인딩 코일(1630)의 예가 제공된다. 선택적으로, 제1 와인딩 코일(1640)이 드 개의 자석들(1030,1040)을 커버하며 제2 와인딩 코일이 두 개의 자석들(1010,1020)을 커버한다. 상기한 바와 같이, 이 시스템은 턴의 라디안당 더 많은 자계가 인가되도록 허용하는 터닝 부분 사이의 공간을 감소시킨다. 제1 보정 코일(1610)은 제1 터닝 자석(1010)에 대한 자계를 보정하도록 사용되는 것으로 도시되어 있다. 제2 보정 코일(1620)은 네 개의 터닝 자석들 주위의 와인딩 코일(1630)에 대한 자계를 보정하도록 사용되는 것으로 도시되어 있다. 각 터닝 자석에 대한 개별적인 보정 코일들이 바람직하며 개별적인 보정 코일들은 각 터닝 부분의 자계를 가장 정밀 및/또는 정확하게 제공한다. 특히, 개별 보정 코일(1610)은 주어진 터닝 부분의 개별적인 자석에서의 결함들에 대해 보정하도록 사용된다. 따라서, 일련의 자계 센서들로써, 대응하는 자계들이, 각 터닝 부분에 대해 독립적인 코일이 사용되므로, 자계 감시 시스템을 통해, 일련의 피드백 루프들에서 개별적으로 조정 가능하다. 이와 다르게, 다수의 터닝 부분 자석들에 대한 자계를 보정하도록 다수의 자석 보정 코일이 사용된다.

편평한 갭 표면

갭 표면은 제1 터닝 자석(1010)의 부분에서 설명되었지만, 싱크로트론의 터닝 자석들의 각각에 대한 설명이 제공된다. 유사하게, 갭(1110)은 자계 입사면(670)의 부분에서 설명되었지만, 자계 배출면(680)에 대한 설명이 추가된다.

제1 자석(1210)의 자계 입사면(1270)은 바람직하게, 약 0 내지 3 미크론 피니시 폴리시 또는 덜 바람직하게 약 10 미크론 피니시 폴리시 등으로, 편평하다. 매우 편평함에 의해, 폴리시된 표면이 갭(1110)에 걸쳐 인가된 자계의 불균등을 확산시킨다. 약 0, 1, 2, 4, 6, 8, 10, 15, 또는 20 미크론 피니시 등의, 매우 편평한 표면은 더 작은 갭 사이즈, 더 작게 인가되는 자계, 더 작은 전원, 및 양성자 빔 단면적의 더 엄격한 제어를 허용한다.

양성자 빔 추출

이제 도18을 참조하면, 싱크로트론(130)에서의 예시적인 양성자 추출 과정이 도시되어 있다. 명료화를 위해, 도18에서는, 터닝 자석들 등의, 도2에 나타낸 요소들을 제거하였으며, 이로써 양성자 빔 경로를 시간의 함수로서 더 명료하게 나타내도록 허용한다. 일반적으로, 양성자들을 느리게 함에 의해 싱크로트론(130)에서 양성자들이 추출된다. 상기한 바와 같이, 양성자들은 초기에 순환 경로(264)에서 가속되며, 다수의 주 벤딩 자석들(250)로써 유지된다. 순환 경로는 여기에서 원래의 중앙 빔라인(264)으로서 언급된다. 양성자들은 싱크로트론(280)의 중앙 지점 둘레에서 반복적으로 순환한다. 양성자 경로는 고주파(RF) 캐비티 시스템(1810)을 통해 통과한다. 초기 추출을 위해, RF계(자장)는, RF 캐비티 시스템(1810)의, 제1 블레이드(1812) 및 제2 블레이드(1814)에 걸쳐 인가된다. 제1 블레이드(1812) 및 제2 블레이드(1814)는 여기에서 제1 쌍의 블레이드들로서 언급된다.

양성자 추출 과정에서, RF 전압은 제1 쌍의 블레이드들에 걸쳐 인가되며, 제1 쌍의 블레이드들의 제1 블레이드(1812)는 순환하는 양성자 빔 경로(264)의 일측 상에 있으며 제1 쌍의 블레이드들의 제2 블레이드(1814)는 순환하는 양성자 빔 경로(264)의 대향 측 상에 있다. 인가된 RF 계는 순환하는 하전 입자 빔에 에너지를 인가한다. 상기 인가된 RF 계는 궤도를 도는 또는 순환하는 양성자들의 빔 경로를 원래의 중앙 빔라인(264)에서 변경된 순환 빔 경로(265)로 약간 변화시킨다. RF 캐비티 시스템을 통한 양성자들의 두번 째의 통과에 따라, RF 계는 양성자들을 원래의 중앙 빔라인(264)에서 떨어지게 더 이동시킨다. 예컨대, 원래의 빔라인이 원형 경로로서 고려되는 경우, 변경된 빔라인은 약간 타원형이다. 인가된 RF 계는 싱크로트론 가속기에서 순환하는 양성자들의 주어진 밴드에 대해 외측 또는 내측 이동을 인가하도록 타이밍을 맞춘다. 양성자들의 각각의 궤도는 원래의 순환 빔 경로(264)에 비해 약간 더 탈 축(off axis)된다. RF 계를 통한 양성자 빔의 각각의 연속적인 통과에 따라 RF 계의 방향 및/또는 강도를 변경함에 의해 RF 캐비티 시스템을 통한 양성자들의 연속적인 통과들이 원래의 중앙 빔라인(264)에서 점점 더 멀어지게 강제된다.

RF 전압은 싱크로트론 주위에서 순환하는 하나의 양성자의 주기의 적분 승수(multiplier)인 주파수 또는 일 회전 동안 싱크로트론 주위에서 순환하는 하나의 양성자의 주기에 대략 동일한 주파수로 종종 조절된다. 인가된 RF 주파수 조절 전압은 베타트론 진동을 촉발시킨다. 예컨대, 상기 진동은 양성자들의 사인파 운동이다. RF 캐비티 시스템 내의 주어진 양성자 빔에 대한 RF 계의 타이밍 과정은, 양성자들의 각각의 연속적인 통과에 의해 원래의 중앙 빔라인(264)에서 약 1 마이크로미터 떨어지게 이동되는 상태로 수천번 반복된다. 명료화를 위해, RF 계를 통과한 양성자들의 주어진 밴드의 각각의 연속적인 경로에서 약 1000번 변화한 빔 경로들이 변경된 빔 경로(265)로서 나타내진다.

충분한 사인파 베타트론 진폭에서, 변경된 순환 빔 경로(265)는, 포일 또는 포일의 시트 등의, 재료(1830)에 터치한다. 상기 포일은 바람직하게, 베릴륨, 수소화리튬, 탄소 시트, 또는 낮은 핵전하 재료 등의, 경량 재료이다. 낮은 핵전하 재료는 6 또는 그 미만의 양성자들을 가진 원자들로 구성된 원자 구성 재료이다. 상기 포일은 약 10 내지 150 미크론의 두께, 더 바람직하게는 30 내지 100 미크론의 두께, 더욱 더 바람직하게는 40 내지 60 미크론의 두께를 갖는 것이다. 일례에서, 상기 포일은 약 50 미크론의 두께를 가진 베릴륨이다. 양성자들이 포일을 통과할 때, 양성자들의 에너지가 손실되며 양성자들의 속도는 감소된다. 일반적으로, 후술되는 바와 같이, 전류도 발생된다. 더 느린 속도로 이동하는 양성자들은 원래의 중앙 빔라인(264) 또는 변경된 순환 경로(265)에 비해 감소된 곡률 반경(266)으로 싱크로트론에서 이동한다. 감소된 곡률 반경(266) 경로는 또한 여기에서 소직경의 궤도를 가진 경로 또는 감소된 에너지의 양성자들을 가진 경로로서 언급된다. 감소된 곡률 반경(266)은 일반적으로 변경된 양성자 빔 경로(265)를 따라 양성자들의 최종 통과의 곡률 반경보다 약 2밀리미터 작게 된다.

상기 재료(1830)의 두께는 양성자들의 최종 통과(265) 또는 원래의 곡률 반경(264)보다 약 1/2, 1, 2, 3, 또는 4mm 작은, 곡률 반경의 변화를 형성하도록 선택적으로 조정된다. 작은 곡률 반경으로 이동하는 양성자들은 제2 쌍의 블레이드들 사이에서 이동한다. 하나의 경우, 제2 쌍의 블레이드들은 제1 쌍의 블레이드들과 물리적으로 다르거나 및/또는 분리된다. 제2의 경우, 제1 쌍의 블레이드들 중 하나는 또한 제2 쌍의 블레이드들의 멤버이다. 예컨대, 제2 쌍의 블레이드들은 RF 캐비티 시스템(1810)의 제2 블레이드(1814) 및 제3 블레이드(1816)이다. 다음, 약 1 내지 5kV 등의, 고전압 DC 신호가, 램버슨 추출 자석 등의, 추출 자석(292)을 통해 이동 경로(268)로 싱크로트론 외측으로 양성자들을 배향시키는, 제2 쌍의 블레이드들에 걸쳐 인가된다.

상기 추출 시스템과 함께 터닝 자석들의 가속기 및/또는 인가된 계들에 의한 싱크로트론의 하전 입자 빔 경로의 가속 제어는 추출된 양성자 빔의 강도의 제어를 허용하며, 강도는 단위 시간당 양성자 플럭스 또는 시간의 함수로서 추출된 양성자들의 수이다. 예컨대, 문턱치 너머로 전류가 측정될 때, RF 캐비티 시스템의 RF 계 변조는 양성자 빔 추출의 이어지는 사이클을 형성하도록 종결 또는 다시 시작된다. 이 과정은 싱크로트론 가속기에서의 양성자 빔 추출의 많은 사이클들을 제공하도록 반복된다.

상기 추출 시스템은 자계 특성에서의 어떠한 변화에도 의존하지 않기 때문에, 추출 과정 중에 싱크로트론을 가속 또는 감속 모드로 계속하여 작동하도록 허용한다. 다르게 말하면, 추출 과정은 싱크로트론 가속에 간섭하지 않는다는 것이다. 현저하게 대비되는, 전통적인 추출 시스템들은 추출 과정 중에, 6중극을 통해, 새로운 자계를 도입한다. 특히, 전통적인 싱크로트론들은, 가속 단계 중에 오프되는, 6중극 자석 등의, 자석을 가진다. 추출 상 중에, 6중극 자계가 싱크로트론의 순환 경로에 도입된다. 상기 자계의 도입은, 상호 배타적인, 가속 모드 및 추출 모드의, 두 개의 다른 모드들을 필요로 한다.

하전 입자 빔 강도 제어

RF 캐비티 시스템(1810)의 고주파(RF) 계 등의, 인가된 계, 주파수 및 규모의 제어는 추출된 양성자 빔의 강도의 제어를 허용하며, 강도는 단위 시간당 양성자 플럭스 또는 시간의 함수로서 추출된 양성자들의 수이다.

도18을 참조하면, 양성자 빔의 양성자들이 재료(1830)를 타격할 때 전자들이 방출되어 전류를 발생시킨다. 그 결과의 전류는 전압으로 변환되어 빔 강도를 제어하기 위한 이온 빔 피드백 루프의 부분 또는 이온 빔 강도 감시 시스템의 부분으로서 이용된다. 상기 전압은 선택적으로 측정되며 주 제어기(110) 또는 제어기 서브시스템(1840)으로 전송된다. 특히, 하전 입자 빔 경로의 양성자들이 재료(1830)를 통과할 때, 일부 양성자들이 그들의 에너지 중, 약 1%의 1/10 등의, 작은 부분을 잃게 되어, 2차 전자로 된다. 즉, 하전 입자 빔의 양성자들이 일부 전자들을 밀어서 재료(1830)를 통과할 때 전자들에 충분한 에너지를 제공하여 2차 방출을 야기한다. 그 결과의 전자 흐름은 타깃 재료(1830)를 통과하는 양성자들의 수에 비례하는 전류 또는 신호를 발생시킨다. 상기 결과의 전류는 전압으로 변환되어 증폭된다. 상기 결과의 신호는 측정된 강도 신호로서 언급된다.

재료(1830)를 통과하는 양성자들에서 기인하는 증폭된 신호 또는 측정된 강도 신호는 바람직하게 추출된 양성자들의 강도를 제어하는데 사용된다. 예컨대, 측정된 강도 신호는, 종양 플랜(1860)의 방사 시에 미리 결정되는, 목표 신호에 비교된다. 일례에서, 종양 플랜(1860)은 x-위치, y-위치, 시간, 및/또는 환자의 회전 위치의 함수로서 전달된 양성자 빔의 강도 및 목표 또는 타깃 에너지를 포함한다. 측정된 강도 신호 및 목표 신호에 대해 플랜된 것 사이의 차를 계산한다. 이 차이는 RF 발생기에 대한 제어로서 사용된다. 따라서, 재료(1830)를 통과하는 양성자들에서 기인하는 전류의 측정된 흐름은 베타트론 진동 하에 재료(1830)를 타격하는 양성자들의 수를 증가 또는 감소시키기 위해 RF 발생기에서의 제어 수단으로서 사용된다. 따라서, 재료(1830)에서 결정된 전압은 궤도 경로의 측정으로서 사용되며 RF 캐비티 시스템을 제어하기 위한 피드백 제어부로서 사용된다. 이와 다르게, 측정된 강도 신호는 피드백 제어에서 사용되지 않고 추출된 양성자들의 강도의 모니터로서 사용된다.

상기한 바와 같이, 재료(1830)를 타격하는 양성자들은 싱크로트론(130)에서 양성자들을 추출하는 스텝이다. 따라서, 측정된 강도 신호는, 양성자 빔의 강도로서 언급되는, 추출되는 단위 시간당 양성자들의 수를 변화시키도록 사용된다. 양성자 빔의 강도는 알고리즘 제어하에 있다. 또한, 양성자 빔의 강도는 싱크로트론(130)의 양성자들의 속도와 별도로 제어된다. 따라서, 추출된 양성자들의 강도 및 추출된 양성자들의 에너지는 독립적으로 변하게 된다.

예컨대, 양성자들은 초기에는 싱크로트론(130)의 평형 궤도에서 이동한다. 양성자들을 베타트론 진동으로 자극하도록 RF 계가 사용된다. 하나의 경우에, 양성자 궤도의 주파수는 약 10MHz이다. 일례에서, 약 1밀리초 또는 약 10,000 궤도 후에, 제1 양성자들은 타깃 재료(130)의 외측 에지를 타격한다. 특정 주파수는 궤도의 주기에 따르게 된다. 재료(130)를 타격하면, 양성자들이 포일을 통해 전자들을 밀어서 전류를 발생시킨다. 이 전류는 전압으로 변환되며 측정된 강도 신호를 제공하도록 증폭된다. 측정된 강도 신호는 인가된 RF 규모, RF 주파수, 또는 RF 계를 제어하기 위한 피드백 입력으로서 사용된다. 바람직하게, 측정된 강도 신호는 목표 신호에 비교되며 측정된 강도 신호 및 목표 신호 사이의 차의 측정은 추출 단계에서 양성자들의 강도를 제어하기 위해 추출 시스템의 RF 캐비티 시스템(1810)에 인가된 RF 계를 조정하도록 사용된다. 다시 말하면, 재료(130)를 타격 및/또는 통과하는 양성자들에서의 신호는 RF 계 변조의 입력으로서 사용된다. RF 변조의 량의 증가는 양성자들이 포일 또는 재료(130)를 더 빨리 타격하게 되도록 한다. RF를 증가시킴에 의해, 더 많은 양성자들이 포일로 밀려지게 되어, 싱크로트론(130)에서 추출된 양성자들의 밀도 증가, 또는 단위 시간당 더 많은 양성자들을 야기하게 된다.

다른 예에서, 싱크로트론(130) 외부의 탐지기(1850)는 싱크로트론에서 추출된 양성자들의 플럭스를 결정하도록 사용되며 외부의 탐지기에서의 신호는 RF 캐비티 시스템(1810)에서 RF 계 또는 RF 변조를 변경하도록 사용된다. 외부 탐지기는, 앞의 단락에서 설명된, 측정된 강도 신호에 유사한 방식으로 사용되는, 외부 신호를 발생시킨다. 특히, 측정된 강도 신호는, 상기한 추출 과정에서 제1 판(1812) 및 제2 판(1814) 사이의 RF 계를 조정하는, 피드백 강도 제어기(1840)의 방사 플랜(1860)에서의 원하는 신호에 비교된다.

또 다른 예에서, 재료를 통과 또는 타격하는 양성자들에서 기인하는 재료(130)에서의 전류가 문턱치 너머로 측정될 때, RF 캐비티 시스템의 RF 계 변조는 양성자 빔 추출의 이어지는 사이클을 형성하도록 종결 또는 다시 시작된다. 이 과정은 싱크로트론 가속기에서의 양성자 빔 추출의 많은 사이클들을 제공하도록 반복된다.

또 다른 실시예에서, 추출된 양성자 빔의 강도 변조는 주 제어기(110)에 의해 제어된다. 주 제어기(110)는 하전 입자 빔의 추출 타이밍 및 추출된 양성자 빔의 에너지를 선택적으로 및/또는 부가적으로 제어한다.

상기 시스템의 장점들은 다차원 주사 시스템을 포함하는 것이다. 특히, 상기 시스템은 : (1) 추출된 양성자들의 에너지 및 (2) 추출된 양성자들의 강도의 독립성을 허용한다. 즉, 추출된 양성자들의 에너지는 에너지 제어 시스템에 의해 제어되며 강도 제어 시스템은 추출된 양성자들의 강도를 제어한다. 에너지 제어 시스템 및 강도 제어 시스템은 선택적으로 독립적으로 제어된다. 바람직하게, 주 제어기(110)는 에너지 제어 시스템을 제어하며 상기 주 제어기는 제어된 에너지 및 제어된 강도를 갖는 추출된 양성자 빔을 제공하도록 강도 제어 시스템을 동시에 제어하며 이 경우 제어된 에너지 및 제어된 강도는 독립적으로 변화한다. 따라서, 종양을 타격하는 조사 스팟은 :

ㆍ시간;

ㆍ에너지;

ㆍ강도;

ㆍx축이 환자에 대한 양성자 빔의 수평 이동을 나타내는 경우, x-축 위치, 및

ㆍy축이 환자에 대한 양성자 빔의 수직 이동을 나타내는 경우, y-축 위치의 독립적인 제어하에 있게 된다.

또한, 환자는 동시에 양성자 빔의 병진 축에 대해 선택적으로 독립적으로 회전된다.

환자 위치 결정

이제 도19를 참조하면, 환자는 환자 인터페이스 모듈(150)의 환자 위치 결정 시스템(1910) 상 또는 그 내측에 위치된다. 환자 위치 결정 시스템(1910)은 후술되는 주사 시스템(140) 또는 양성자 표적화 시스템을 이용하여 양성자 빔이 종양을 주사할 수 있는 영역으로 환자를 이동 및/또는 회전하도록 사용된다. 근본적으로, 환자 위치 결정 시스템(1910)은 양성자 빔 경로(268)의 중앙 근방에 종양을 배치하도록 환자의 큰 이동들을 실행하며 양성자 주사 또는 표적화 시스템(140)은 종양(1920)을 표적화할 때 순간적인 빔 위치(269)의 미세한 이동들을 행한다. 설명을 위해, 도19는 순간적인 양성자 빔 위치(269) 및 양성자 주사 또는 표적화 시스템(140)을 이용하는 주사 가능한 위치들(1940)의 범위를 나타내며, 주사 가능한 위치들(1940)은 환자(1930)의 종양(1920) 주위에 있다. 이는 환자의 y축 이동이, 약 1, 2, 3, 또는 4 피트의 조정 등의, 신체의 규모 상에서 발생하는 한편, 양성자 빔(268)의 주사 가능 영역은 약 1, 2, 4, 6, 8, 10, 또는 12 인치의 영역 등의, 신체의 일부를 커버함을 예시적으로 나타내고 있다. 환자 위치 결정 시스템 및 환자의 회전 및/또는 이동은 양성자들을 종양으로 정밀하게 및/또는 정확하게 전달하도록 양성자 표적화 시스템과 결합된다.

도19를 더 참조하면, 환자 위치 결정 시스템(1910)은 선택적으로, 디스크들 또는 플랫폼 등의, 하부 유닛(1912) 및 상부 유닛(1914)을 포함한다. 이제 도19a를 참조하면, 환자 위치 결정 시스템(1910)은 양성자 치료 빔(268)에 대해 환자의 수직 이동을 허용하기 위해 조정 가능한(1916) y축이 있다. 바람직하게, 환자 위치 결정 시스템(1910)의 수직 이동은 분당 약 10, 20, 30, 또는 50 cm이다. 이제 도19b를 참조하면, 환자 위치 결정 시스템(1910)은, 양성자 빔 경로(268)에 대해 환자의 회전 제어 및 위치 제어를 허용하도록, y축 등의, 회전 축을 중심으로 회전 가능(1917)하다. 바람직하게, 환자 위치 결정 시스템(1910)의 회전 운동은 분당 약 360도이다. 선택적으로, 환자 위치 결정 시스템은 약 45, 90, 또는 180도로 회전한다. 선택적으로, 환자 위치 결정 시스템(1910)은 분당 약 45, 90, 180, 360, 720, 또는 1080도의 속도로 회전한다. 위치 결정 유닛(1917)의 회전은, t₁ 및 t₂의 두 개의 다른 횟수들로 상기 회전 축을 중심으로 발생된다. 양성자들은 선택적으로 n번 종양(1920)으로 전달되며 n번의 각각은 상기 회전 축을 중심으로 한 환자(1917)의 회전으로 인해 환자(1930)를 타격하는 입사 양성자 빔(269)의 다른 방향들을 나타낸다.

후술되는 반-수직, 앉기, 또는 눕힌 환자의 위치의 실시예들 중 어느 것이라도 선택적으로 y축을 따라 이동하거나 또는 회전 축 또는 y축을 중심으로 회전할 수 있다.

바람직하게, 상부 및 하부 유닛들(1912,1914)은, 그들이 동일 속도로 회전하며 동일 속도로 제 위치에서 이동하도록, 함께 이동한다. 선택적으로, 상부 및 하부 유닛들(1912,1914)은 그들 사이의 거리의 차이를 허용하도록 y축을 따라 독립적으로 조정 가능하다. 상부 및 하부 유닛들(1912,1914)을 이동시키기 위한 모터들, 전원들, 및 기계적 조립체들은 바람직하게, 하부 유닛(1912) 아래 및/또는 상부 유닛(1914) 위 등의, 양성자 빔 경로(269) 밖에 배치된다. 이는 환자 위치 결정 유닛(1910)이 약 360도 회전 가능하며 모터들, 전원들, 및 기계적 조립체들이 양성자 빔 경로(269)에 배치되면 양성자들과 간섭하게 되기 때문에 바람직하다.

양성자 빔 위치 제어

이제 도20을 참조하면, 빔 전달 및 조직 볼륨 주사 시스템이 도시된다. 현재, 세계적인 방사선요법 커뮤니티는 펜슬 빔 주사 시스템을 이용하여 형성하는 투여 계의 방법을 이용한다. 극명하게 대조적으로, 도20은 스폿 주사 시스템 또는 조직 볼륨 주사 시스템을 나타내고 있다. 조직 볼륨 주사 시스템에서, 양성자 빔은, 저렴하고 정밀한 주사 시스템을 이용하여, 이동 및 분포의 면에서, 제어된다. 상기 주사 시스템은 액티브 시스템이며, 빔은 직경 약 0.5, 1, 2, 또는 3mm의 스폿 집속점으로 집속된다. 초점은 두 개의 축을 따라 이동되며 동시에 양성자 빔의 인가 에너지를 변화시키며, 이로써 초점의 제3 차원을 효과적으로 변화시킨다. 상기 시스템은 상기한 신체의 회전과 조합하여 적용 가능하며, 종양으로의 양성자 전달의 개별 순간들 또는 사이클들 중간에서 발생한다. 선택적으로, 상기 설명된 시스템에 의한 신체의 회전은 종양으로의 양성자 전달과 동시에 연속적으로 발생된다.

예컨대, 도20a에 도시된 시스템에서, 스폿은 수평으로 이동되며, 수직 y축 아래로 이동되며, 수평축을 따라 지지된다. 이 예에서, 적어도 하나의 자석을 가진 수직 주사 시스템을 제어하도록 전류가 사용된다. 인가된 전류는 양성자 빔의 수직 편향을 제어하도록 수직 주사 시스템의 자계를 변경한다. 유사하게, 수평 주사 자석 시스템은 양성자 빔의 수평 편향을 제어한다. 각각의 축을 따른 이동 정도는 주어진 깊이에서 종양 단면에 일치하도록 제어된다. 깊이는 양성자 빔의 에너지를 변경함에 의해 제어된다. 예컨대, 양성자 빔의 에너지는, 새로운 관통 깊이를 정의하도록, 감소되며, 상기 주사 과정은 종양의 새로운 단면 영역을 커버하는 수평 및 수직 축을 따라 반복된다. 결합된 세 개의 제어 축들은 암 종양의 전체 볼륨에 걸쳐 양성자 빔 초점의 주사 또는 이동을 허용한다. 각 스폿의 시간 및 각 스폿에 대한 신체로의 방향은 분포 에너지가 종양의 외측을 타격하는 중에 암 볼륨의 각 서브-볼륨에서의 원하는 방사선량을 제공하도록 제어된다.

집속된 빔 스폿 볼륨 치수는 바람직하게 약 0.5, 1, 또는 2mm의 직경으로 엄격하게 제어되지만, 이와 다르게 직경이 몇 cm로 될 수 있다. 바람직한 설계는 : (1) 약 100mm의 수직 진폭 및 약 200Hz 까지의 주파수; 및 (2) 약 700mm의 수평 진폭 및 약 1Hz까지의 주파수의 두 개의 방향들로의 주사를 허용한다. 주사 자석 시스템을 변경함에 의해 각 축에서 높거나 낮은 진폭이 가능해진다.

도20a에서, 양성자 빔은 빔 에너지에 의해 제어된 z축을 따라 도시되며, 수평 이동은 x축을 따라서, 수직 이동은 y축을 따라서 진행된다. 이 예에서, z축을 따라 조직으로 이동하는 양성자들의 거리는 양성자의 운동 에너지에 의해 제어된다. 이 좌표 시스템은 임의적이고 예시적이다. 양성자 빔의 실제의 제어는 양성자의 운동 에너지를 제어함에 의해 그리고 두 개의 주사 자석 시스템들을 이용하여 3차원 공간에서 제어된다. 상기한 추출 시스템의 사용은 다른 주사 패턴들을 허용한다. 특히, 상기 시스템은 고형 종양의 조사 시에 x, y, 및 z축의 동시의 조정을 허용한다. 다시 말하면, x, y 평면을 따라 주사하고, 범위 변조 휠 등으로, 양성자들의 에너지를 조정하는 대신에, 상기 시스템은 x 및/또는 y축을 조정하는 동시에 z축을 따라 이동하도록 허용한다. 따라서, 종양의 슬라이스들을 조사하기 보다, 종양은 3차원에서 동시에 선택적으로 조사된다. 예컨대, 종양은 3차원의 종양의 외측 에지 둘레에서 조사된다. 다음, 종양은 종양의 내측 부분의 외측 에지 둘레에서 조사된다. 이 과정은 전체 종양이 조사될 때까지 반복된다. 외측 에지 조사는 바람직하게, 수직 y축을 중심으로 하는 등의, 대상의 동시적인 회전과 결합된다. 이 시스템은, 건강한 조직으로의 양성자 에너지의 전달을 최소화하면서 종양 자체에 대해, 브래그 피크를 이용하여 정의된 바와 같이, 종양으로의 양성자들의 퇴적의 최대 효율을 허용한다.

상기 시스템은 저전력 공급으로 작은 공간에서 하전 입자 빔 시스템의 다축 제어를 허용한다. 예컨대, 상기 시스템은 각각의 자석이 싱크로트론의 각각의 터닝 부분에서 적어도 하나의 에지 집속 효과를 가지는 다수의 자석들 및/또는 상기한 집중 자계 기하학 형상을 가진 다수의 자석들을 이용한다. 자석들의 집중 기하학 형상 및 전술한 추출 시스템과 결합된 싱크로트론의 순환 빔 경로에서의 다 에지 집속 효과들은 :

ㆍ약 50미터 미만 등의, 작은 외주 시스템;

ㆍ 약 2cm의 수직 양성자 빔 사이즈;

ㆍ감소된 갭 사이즈와 관련된 대응하는 감소된 전원 요건들;

ㆍ새로 도입된 자계를 필요로 하지 않는 추출 시스템;

ㆍ추출 중에 양성자들의 가속 또는 감속; 및

ㆍ추출 중에 z축 에너지의 제어를 포함하는 싱크로트론을 제공한다.

상기 결과는 x,y, 및 z축 제어, 3차원 주사 시스템이며, z축 제어는 싱크로트론에 존재하며 z축 에너지는 싱크로트론 내측의 추출 과정 중에 가변적으로 제어된다.

이제 도20b를 참조하면, 4차원 주사 제어로 양성자들을 종양으로 배향시키도록 이용되는 양성자 주사 또는 표적 시스템(140)이 제공되며, 4차원 주사 제어는 상기한 바와 같은, 강도 제어와 함께 x, y, 및 z축을 따라 행해진다. 제5축은 시간이다. 일반적으로, 이동 경로(268)를 따라 이동하는 하전 입자들은, 수직 제어 등의, 제1 축 제어 요소(142), 및 수평 제어 등의, 제2 축 제어 요소(144)를 통해 종양(1920)으로 배향된다. 상기한 바와 같이, 추출 시스템은 또한 z축의 동시적인 변화를 허용한다. 또한, 상기한 바와 같이, 추출된 빔의 강도 또는 투여량은 선택적으로 동시에 그리고 독립적으로 제어 및 변화된다. 따라서, 도20a에서와 같이, 종양의 슬라이스에 조사하는 대신에, 종양으로의 양성자의 전달의 타깃 스폿을 정의하는 모두 4차원들이 동시에 변화 가능하다. 양성자 전달 스폿의 동시적 변화는 스폿 전달 경로(269)에 의해 도20b에 도시되어 있다. 도시된 경우에, 양성자들은 초기에 종양의 외측 에지 둘레로 배향된 다음 종양의 내측 반경 둘레로 배향된다. 수직 축을 중심으로 한 대성의 회전과 결합되는, 멀티-계 조사 과정은 종양의 아직 조사되지 않은 부분이 신체로의 양성자 진입 부분에서 가장 먼 종양 부분에 조사되는 경우에 사용된다. 이로써, 브래그 피크에 의해 정의된 바와 같은, 종양으로의 양성자 전달의 최대 퍼센트를 제공하며 주변의 건강한 조직으로의 손상을 최소화하게 된다.

양성자 에너지 및 강도 제어

양성자 에너지 및 강도 능력들이 제공된다. 양성자 전달 시스템은 적어도 300메가 전자 볼트(MeV) 에너지 및 최대 330MeV의 에너지까지 빔 가속을 행할 수 있다. 일 사이클에서 양성자 빔의 플랙시블하고 반복적인 가속 및 감속을 나타내 주고 있다. 특히, 제1 사이클에서 제1초로부터 제4초들까지, 빔은 100MeV로 가속되고, 50MeV로 감속되며 한번 더 150MeV로 가속된다. 제5초에 시작하는 다음 사이클에서, 양성자 에너지는, 단층 촬영을 실행하기 위해 요구되는 바로서, 330MeV로 급속하게 증가되어 1초 동안 유지된다. 싱크로트론 가속기의 작동의 두 개의 연속적인 사이클들에 대해 대응하는 빔 강도가 제공된다. 대략적으로 1.5 내지 3.5초 마크들로부터, 빔은 어느 조사 지점으로 배향된다. 필요한 투여량 값을 얻으면, 추출이 중단되며, 빔은 다음 지점으로 이동되고 추출 과정은 5.5에서 7.5초 마크들로부터 재개된다. 실시간 작동에서, 상기 과정들 각각은 선택적으로 나타내진 속도의 10배에서 발생된다.

이미징 / X-선 시스템

여기에서, 이미징 시스템을 나타내도록 X-선 시스템이 사용된다.

타이밍

X-선은 바람직하게 여러 가지 이유들로 양성자 치료에 의해 대상을 치료하기 (1) 직전 또는 (2) 동시에 수집된다. 첫째, 상기한 바와 같이, 신체의 이동은 다른 신체 구성부들에 대한 신체의 종양의 국부적 위치를 변화시킨다. 상기 대상이 X-선을 쪼인 후에 양성자 치료실로 이동되면, 종양으로의 양성자 빔의 정확한 정렬이 문제시된다. 하나 이상의 X-선들을 이용하는 종양으로의 양성자 빔의 정렬은 양성자 전달 시 또는 양성자 전달 직전 수초 또는 수분 내 및, 일반적으로 고정 위치 또는 부분 고정 위치인, 신체 치료 위치로 환자가 위치된 후에 가장 잘 실행된다. 둘째, 환자 배치 후에 취해진 X-선은, 종양 및/또는 내부 장기 위치 등의, 표적 위치로의 양성자 빔 정렬을 확인하도록 사용된다.

위치 결정

X-선은 바람직하게 환자 위치 결정에 도움을 주도록 대상을 치료하기 직전에 취해진다. 위치 결정 목적으로, 큰 신체 영역의 X-선은 필요하지 않다. 일 실시예에서, 국부적 영역 만의 X-선이 수집된다. X-선을 수집할 때, X-선은 X-선 경로를 가진다. 양성자 빔은 양성자 빔 경로를 가진다. 양성자 빔 경로와 X-선 경로를 오버레이함은 양성자 빔을 종양으로 정렬하는 하나의 방법이다. 그러나, 이 방법은 X-선 장비를 양성자 빔 경로로 넣고, X-선을 취한 다음, 상기 빔 경로 밖으로 X-선 장비를 이동시키는 단계들을 포함한다. 이 과정은 시간이 걸린다. X-선 장비를 이동시키는 동안 경과된 시간은 해로운 결과들을 가진다. 첫째, X-선 장비를 이동시키도록 요구되는 시간 중에, 신체는 이동한다. 이러한 이동은 이어지는 종양으로의 양성자 빔 정렬의 정밀도 및/또는 정확도를 감소시킨다. 둘째로, X-선 장비를 이동시키도록 요구되는 시간은 양성자 빔 치료 시스템이 사용되지 않는 시간이며, 이는 양성자 빔 치료 시스템의 전체 효율을 감소시키게 된다.

X-선 소스 수명

바람직하게, 입자 빔 치료 시스템의 부품들은 상기 입자 빔 치료 시스템의 수명 동안 최소 또는 정비를 필요로 하지 않아야 한다. 예컨대, 약 20년의 수명 등의, 긴 수명 소스를 가진 X-선 시스템을 양성자 빔 치료 시스템에 장착함이 바람직하다.

후술되는 일 시스템에서, 전자들은 X-선을 형성하도록 이용된다. 음극의 수명이 온도 의존성인 경우 음극에서 전자들이 발생된다. 유사하게 백열 전구에서, 필라멘트가 평형을 유지하는 경우, 음극 온도는 약 200, 500, 또는 1000℃의 온도로 평형으로 유지된다. 음극온도가 감소하면 음극의 수명이 증가된다. 그러므로, 전자들을 발생하도록 사용되는 음극은 가능한 한 낮은 온도로 유지됨이 바람직하다. 그러나, 음극의 온도가 감소되면, 전자 방출도 감소된다. 저온에서 더 많은 전자들의 필요성을 극복하도록, 큰 음극이 사용되며 발생된 전자들은 집중된다. 이 과정은 전자 건에서 전자들을 압축함에 유사하지만, 압축 기술들은 X-선 관 수명을 향상시키도록 적용하여 채용된다.

환자 고정

환자의 종양으로의 양성자 빔의 정확하고 정밀한 전달을 위해 :

(1) 양성자 빔의 위치 제어 및 (2)환자의 위치 제어를 필요로 한다. 상기한 바와 같이, 양성자 빔은 약 0.5, 1, 또는 2mm의 직경의 자계들 및 알고리즘들을 이용하여 제어된다. 이 섹션에서는 엄격하게 제어된 양성자 빔을, 환자 이동의 결과로서, 종양을 둘러싸는 건강한 조직이 아닌 타깃 종양에 효율적으로 타격하기 위한 환자의 부분 고정, 억제, 및/또는 정렬에 대한 문제를 해결하도록 한다.

환자 배치

바람직하게, 환자(1930)는 정밀하고 정확한 방식으로 양성자 빔 경로(269)에 정렬된다. 제1 배치 시스템에서, 환자는 플랫폼에 대해 공지된 위치에 배치된다. 예컨대, 하나 이상의 위치 억제부들은 환자를 플랫폼 상의 정밀하며 및/또는 정확한 위치에 위치시킨다. 선택적으로, 플랫폼에 연결된 또는 교체 가능하게 연결된 위치 억제 요소는 플랫폼 상에 환자를 위치시키도록 사용된다. 위치 억제 요소는, 손, 팔다리, 머리, 또는 몸통 등의, 환자의 임의의 위치를 위치시키도록 사용된다.

환자 호흡 감시

바람직하게, 환자 호흡 패턴이 감시된다. 대상 또는 환자가 호흡할 때 신체의 많은 부분들이 각각의 호흡과 함께 이동한다. 예컨대, 대상이 호흡할 때, 폐는, 위, 신장, 간, 흉부 근육, 피부, 심장, 및 폐 등의, 신체 내의 장기들의 상대적인 위치들에 대해 이동한다. 일반적으로, 몸통의 대부분 또는 모든 부분들은 각각의 호흡에 의해 이동한다. 실제로, 본 발명자들은, 각각의 호흡에 의한 몸통의 운동에 더하여, 각각의 호흡에 의해 머리 및 팔다리에도 여러 가지 운동이 존재함을 인지하였다. 모션은 양성자들이 주위 조직이 아닌 종양으로 우선적으로 전달될 때 신체로의 양성자 투여량의 전달로 고려된다. 따라서, 모션은 종양이 빔 경로에 대해 존재하는 경우에 애매함을 야기한다. 이러한 우려를 부분적으로 극복하도록, 양성자들은 일련의 호흡 사이클들의 각각의 동일 지점에서 우선적으로 전달된다.

초기에 대상의 숨 또는 호흡의 리드미컬한 패턴이 결정된다. 상기 사이클은 관찰 또는 측정된다. 예컨대, X-선 빔 작동자 또는 양성자 빔 작동자는 대상이 호흡할 때 또는 호흡들 사이에 있을 때를 관찰할 수 있고 각 호흡의 주어진 기간에 양성자들이 전달되는 시간을 측정할 수 있다. 이와 다르게, 대상은 숨을 들이마시고, 내쉬고, 및/또는 그들의 호흡을 억제하도록 명령되며 양성자들은 명령된 기간 중에 전달된다.

바람직하게, 개별의 호흡 사이클을 결정하도록 하나 이상의 센서들이 사용된다. 호흡 감시 시스템의 : (1) 열 감시 시스템 및 (2) 힘 감시 시스템의 두 개의 예들이 제공된다.

호흡 제어

환자의 호흡의 리드미컬한 패턴이 결정되면, 호흡 주파수를 더 정밀하게 제어하도록 대상에게 신호가 선택적으로 전달된다. 예컨대, 호흡 억제 시에 및 호흡시에 대상을 향하는 디스플레이 스크린이 대상의 전면에 배치된다. 일반적으로, 호흡 제어 모듈은 하나 이상의 호흡 센서들로부터의 입력을 이용한다. 예컨대, 상기 입력은 다음 호흡 내쉼이 완전하게 된 때를 결정하도록 이용된다. 호흡의 바텀에서, 상기 제어 모듈은, 디지털화되어 자동으로 발생되는 음성 명령인, 음성 신호, 또는 비주얼 제어 신호를 통해, 모니터 상 등에서, 대상에게 호흡 억제 신호를 디스플레이한다. 바람직하게, 디스플레이 모니터는 대상의 전면에 배치되어 대상에게 적어도 호흡 명령들을 디스플레이한다. 일반적으로, 대상은, 약 1/2, 1, 2, 또는 3초 등의, 짧은 기간 동안 그들의 호흡을 억제하도록 지시된다. 대상에게 그들의 호흡을 억제하도록 요청되는 기간은 약 10초 미만이다. 호흡을 억제하는 기간은 바람직하게, 약 1/2, 1, 2, 또는 3초인, 종양으로의 양성자 빔의 전달 시간에 동기화된다. 호흡의 바텀에서 양성자들의 전달이 바람직하지만, 양성자들은 선택적으로, 완전한 들이쉼 등의, 호흡 사이클의 임의의 지점에서 전달된다. 호흡의 탑에서 흉강이 최대로 되고 일부 종양들에서 종양 및 주변 조직 사이의 거리가 최대로 되거나 또는 증가된 체적의 결과로 주위 조직에서 공기가 희박하게 될 때, 호흡의 탑에서 또는 호흡 제어 모듈에 의해 환자가 숨을 깊게 들이쉬고 그들의 호흡을 억제하라고 지시될 때 선택적으로 전달이 실행된다. 따라서, 주위 조직을 타격하는 양성자들이 최소로 된다. 선택적으로, 디스플레이 스크린은, 3, 2, 1 초의 카운트다운 등으로, 대상이 그들의 호흡을 억제하도록 요구될 때를 대상에게 말하여, 대상이 실행하도록 요청된 임무를 알 수 있도록 한다.

호흡과 양성자 빔 치료 동기화

양성자 전달 제어 알고리즘은 대상이 그들의 호흡을 억제할 때 호흡의 탑 또는 바텀 등의, 각 호흡의 주어진 기간 내에 종양으로의 양성자들의 전달을 동기하도록 사용된다. 양성자 전달 제어 알고리즘은 바람직하게 호흡 제어 모듈과 통합된다. 따라서, 양성자 전달 제어 알고리즘은, 대상이 호흡할 때, 호흡 사이클에서 대상이 있는 위치, 및/또는 대상이 그들의 호흡을 억제할 때를 알고 있다. 양성자 전달 제어 알고리즘은 양성자들이 싱크로트론으로 주사 및/또는 굴절될 때, 상기한 바와 같이 진동을 유도하도록 RF 신호가 인가될 때, 및 상기한 바와 같이 싱크로트론에서 양성자들을 추출하도록 직류 전압이 인가될 때를 제어한다. 일반적으로, 양성자 전달 제어 알고리즘은 양성자 굴절을 초기에 개시하며 이어서 대상이 그들의 호흡을 억제하도록 지시되기 전 또는 양성자 전달 시간에 대해 선택된 호흡 사이클의 확인된 기간 전에 RF 유도 진동을 행한다. 이 방식으로, 양성자 전달 제어 알고리즘은 상기한 바와 같이, 제2 쌍들의 판들에 높은 직류 전압을 동시에 또는 거의 동시에 전달함에 의해 호흡 사이클의 선택된 기간에서 양성자들을 전달할 수 있으며, 이로써 상기 선택된 시점에서 싱크로트론으로부터 양성자들을 추출하고 이어서 대상에게 전달할 수 있게 된다. 싱크로트론에서의 양성자들의 가속 기간이 양성자 빔의 원하는 에너지 레벨에 대해 일정하거나 또는 알려져 있으므로, 양성자 전달 제어 알고리즘은 대상의 호흡 사이클 또는 지시된 호흡 사이클에 매칭하는 교류 RF 신호를 설정하도록 사용된다.

멀티-계 조사

양성자 스팟 집속점의 3차원 주사 시스템은 바람직하게 회전/래스터 방법과 결합된다. 상기 방법은 여러 방향들로부터 레이어 와이즈(layer wise) 종양 조사를 포함한다. 주어진 조사 슬라이스 중에, 양성자 빔 에너지는, 항상 종양의 내측 및 조사된 슬라이스의 내측으로 되는, 브래그 피크에 의해 정의된, 빔 정지 지점을 야기하도록 종양의 앞쪽의 조직의 밀도에 따라 연속적으로 변화된다. 상기 새로운 방법은 종양 레벨에서 최대 효과적인 투여를 얻음과 동시에 현존하는 방법들과 비교하여 둘러싸는 건강한 조직들 상에서 가능한 측면 효과들을 크게 감소시키도록, 여기에서 멀티-계 조사라고 하는, 여러 방향들로부터의 조사를 허용한다. 멀티-계 조사 시스템은 종양에 도달하지 않은 조직 깊이들에 투여량-분포를 분포시킨다.

당업자들이라면 본 발명이 여기에서 설명 및 고려된 특정 실시예들과 다른 여러 가지 형태들로 나타낼 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 형태 및 상세 내용의 일탈이 이루어질 수 있다. 따라서, 본발명은 이하에 포함됨 특허 청구의 범위에 의해서만 제한되는 것이다.

100 : 하전 입자 빔 시스템
110 : 주 제어기
120 : 주사 시스템
130 : 싱크로트론
132 : 가속기 시스템
134 : 추출 시스템
140 : 주사/표적/전달 시스템
150 : 환자 인터페이스 모듈
160 : 디스플레이 시스템
170 : 이미징 시스템
210 : 인젝션 시스템
230 : 집속 자석
232 : 인젝터 벤딩 자석
240 : 인젝터 자석
250 : 주 벤딩 자석
262 : 초기 빔 경로
264 : 순환 빔 경로
268 : 양성자 빔 경로
292 : 추출 자석
290 : 인플렉터/디플렉터 시스템

Claims

둥근 코너의 다각형 싱크로트론에 의해 가속된 하전 입자들을 이용하는 종양 치료용 장치로서, 상기 싱크로트론은 :
중심; 및
상기 싱크로트론의 상기 중심 주위를,
상기 싱크로트론의 직선 부분들을 통해; 그리고,
상기 싱크로트론의 터닝 부분들을 통해 진행하도록 구성된 하전 입자 순환 빔 경로를 포함하며,
상기 터닝 부분의 각각은 다수의 벤딩 자석들을 포함하며, 상기 벤딩 자석 각각은 충전 입자를 상기 싱크로트론의 중심을 향해 벤딩하도록 구성되며,
상기 순환 빔 경로는 60미터 미만의 길이를 포함하며,
상기 직선 부분들의 수는 터닝 부분들의 수와 동일한, 종양 치료용 장치.
제1항에 있어서, 제1 집속 에지; 제2 집속 에지; 제3 집속 에지; 및 제4 집속 에지를 더 포함하며,
상기 터닝 부분들 중 제1 터닝 부분은 제1 벤딩 자석 및 제2 벤딩 자석을 포함하며,
제1 벤딩 자석들은 제1 집속 에지 및 제2 집속 에지와 대향하는 측면들 상에서 종결하며,
제1 집속 에지에 의해 성립된 제1 평면은 싱크로트론의 중심 너머의 제2 집속 에지에 의해 성립된 평면과 교차하며,
제2 벤딩 자석들은 제3 집속 에지 및 제4 집속 에지와 대향하는 측면들 상에서 종결하며,
제3 집속 에지에 의해 성립된 제2 평면은 싱크로트론의 중심 너머의 제4 집속 에지에 의해 성립된 평면과 교차하며,
제1 집속 에지; 제2 집속 에지; 제3 집속 에지; 및 제4 집속 에지 모두는 하전 입자들을 싱크로트론의 중심을 향해 구부리는 종양 치료용 장치.
제2항에 있어서, 적어도 두 개의 상기 다수의 벤딩 자석들이 자계 집속 부분을 더 포함하며, 상기 집속 부분은 :
제1 단면 영역에서 제2 단면 영역으로 테이퍼된 기하학 형상을 포함하며, 제2 단면 영역은 제1 단면 영역의 면적의 2/3 미만을 포함하며, 제2 단면 영역은 하전 입자 빔 경로에 인접한 종양 치료용 장치.
제3항에 있어서, 상기 기하학 형상은 사용 중에 자계를 이동시키며, 상기 자계는 제1 단면 영역에서 제2 단면 영역으로 밀도를 집중시키는 종양 치료용 장치.
제4항에 있어서, 상기 제2 단면 영역은 0 내지 3 미크론 폴리시를 포함하는 편평한 표면을 포함하는 종양 치료용 장치.
제1항에 있어서, 상기 터닝 부분들은 각각 적어도 4개의 벤딩 자석들을 포함하며, 상기 4개의 벤딩 자석들은 적어도 8개의 에지 집속면들을 포함하며, 에지 집속면들의 기하학 형상은 사용 중에 하전 입자 순환 빔 경로에서 하전 입자들을 집속하는 종양 치료용 장치.
제1항에 있어서, 상기 터닝 부분들 각각은 하전 입자들을 90도로 회전시키는 종양 치료용 장치.
제7항에 있어서, 상기 터닝 부분들 각각은 적어도 4개의 집속 에지들을 포함하며, 집속 에지들의 기하학 형상은 하전 입자들 상에 에지 집속 효과를 제공하는 종양 치료용 장치.
제8항에 있어서, 상기 벤딩 자석들은 테이퍼된 코어를 포함하며, 테이퍼된 코어는 제2 단면 거리보다 적어도 1.5배 더 긴 제1 단면 거리를 포함하며, 제2 단면 거리는 갭에 인접해 있으며, 상기 갭은 10미크론 미만의 표면 폴리시 거칠기를 가지며, 하전 입자 순환 빔 경로는 갭을 통해 진행하는 종양 치료용 장치.
제1항에 있어서, 터닝 부분들의 수는 정확하게 4개의 터닝 부분들을 포함하며, 4개의 터닝 부분들 각각은 하전 입자 순환 빔 경로를 90도로 회전시키며, 싱크로트론은 적어도 300MeV로 하전 입자들을 가속시킬 수 있는 종양 치료용 장치.
제10항에 있어서, 상기 4개의 터닝 부분들은 적어도 32개의 하전 입자 에지 집속면들을 포함하는 종양 치료용 장치.
제1항에 있어서, 상기 터닝 부분들은 적어도 8개의 벤딩 자석들을 포함하며, 하전 입자 순환 빔 경로는 어떠한 작동적인 4중극 자석들도 통과하지 않는 종양 치료용 장치.
제1항에 있어서, 상기 터닝 자석들은 각각 :
하전 입자 빔 경로가 통과하여 진행하는 갭; 및
코어를 포함하며, 상기 코어는 10미크론 폴리시 미만의 마무리를 포함하는 표면에 의해 상기 갭에서 종결하는 종양 치료용 장치.
제13항에 있어서, 상기 코어 주위를 감고 있는 와인딩 코일;및
상기 코어 주위를 감고 있는 있으며, 와인딩 코일의 전력의 3% 미만으로 작동하는 보정 코일을 더 포함하는 종양 치료용 장치.
제14항에 있어서, 추출 포일에서 유래하는 전류에 의해 발생된 입력을 수신하도록 구성된 추출 제어 알고리즘을 더 포함하며, 상기 추출 포일은 하전 입자 순환 빔 경로에 인접해 있으며, 상기 추출 제어 알고리즘은 조사 플랜에 대해 피드백 입력을 비교하도록 구성되며, 상기 싱크로트론의 고주파 캐비티 시스템내의 두 개의 블레이드 사이의 고주파 자장(radio frequency field)를 조정하는 종양 치료용 장치.
제1항에 있어서, 상기 다수의 벤딩 자석중 적어도 하나는:
상기 하전 입자 순환 빔 경로가 통과하여 진행하는 갭; 및
상기 갭에 접근하는 자계를 집중시키는 증폭기 기하학 형상을 더 포함하는 종양 치료용 장치.
제16항에 있어서, 상기 터닝 자석들 중 적어도 두 개의 둘레를 둘러싸고 있는 코일을 포함하는 자기 와인딩; 및
상기 터닝 자석들 중 적어도 두 개의 주위를 둘러싸고 있는 보정 코일을 포함하며, 사용시 상기 자기 와인딩의 전력의 3% 미만에서 작동하는 보정 와인딩을 더 포함하는 종양 치료용 장치.
제1항에 있어서, 와인딩 코일을 더 포함하며, 상기 코일의 턴이 상기 터닝 자석들 중 적어도 두 개의 둘레를 감고 있으며, 상기 턴은 터닝 자석들 중 적어도 두 개의 사이의 공간을 직접 차지하고 있지 않은 종양 치료용 장치.
제18항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 터닝 자석들 주위를 둘러싸고 있으며, 터닝 자석들 중 적어도 두 개의 사이의 공간을 직접 차지하고 있지 않은 턴을 포함하며, 사용시 와인딩 코일의 전력의 3% 미만에서 작동하는 보정 코일을 더 포함하는 종양 치료용 장치.
제1항에 있어서, 음이온 빔내의 음 이온들을 생성하도록 구성된 음이온 소스;
상기 음이온 빔을 집속하도록 구성된 이온 빔 집속 렌즈; 및
상기 음이온 빔을 하전 입자들로 전환하도록 구성된 전환 포일을 더 포함하는 종양 치료용 장치.
제20항에 있어서, 상기 이온 빔 집속 렌즈는,
음이온 빔을 원주 방향으로 둘러싸도록 구성된 제1 집속 전극; 및
음이온 빔을 적어도 부분적으로 차단하도록 구성된 금속 전도성 경로들을 포함하는 제2 집속 전극을 더 포함하며,
제1 전계 라인들은 사용시 제1 집속 전극 및 제2 집속 전극 사이에서 진행하며,
음이온들은 사용시 음이온 빔을 집속하는 제1 전계 라인들로 진행하는 제1 힘 벡터들과 만나게 되는 종양 치료용 장치.
제21항에 있어서, 금속 전도성 경로들은 :
음이온 빔을 가로질러 평행하게 진행하는 일련의 전도성 라인들;
음이온 빔을 가로지르는 전도성 그리드; 및
음이온 빔을 횡단하며, 음이온 빔의 단면적의 적어도 90%의 결합된 단면적을 포함하는 구멍들을 가진 집속 포일 중 임의의 것을 포함하는 종양 치료용 장치.
제20항에 있어서, 상기 전환 포일은 음이온들을 하전 입자들로 전환하며, 음이온 소스 및 하전 입자 순환 빔 경로 사이에 진공 배리어를 제공하는 종양 치료용 장치.
제20항에 있어서, 상기 전환 포일은 이온 빔 집속 렌즈 및 터닝부분들 사이에 압력 시일을 제공하며, 제1 펌프 시스템은 이온 빔 집속 렌즈 내에 제1 진공을 유지하도록 작동하며, 제2 펌프 시스템은 하전 입자 순환 빔 경로에 제2 진공을 유지하도록 작동하는 종양 치료용 장치.
제20항에 있어서, 상기 음이온 소스는 고에너지 플라즈마 영역을 저온 플라즈마 영역으로부터 분리하는 자계 배리어를 더 포함하는 종양 치료용 장치.
제20항에 있어서, 상기 전환 포일은 :
30 내지 200마이크로미터의 두께를 포함하며, 음이온 소스 및 다수의 터닝 자석들 사이에 진공 배리어를 형성하는 베릴륨 탄소 막을 포함하는 종양 치료용 장치.
제1항에 있어서, 상기 싱크로트론은 :
베릴륨, 수소화리튬, 탄소중 적어도 하나를 포함하는 추출 재료;
사용시 한 쌍의 추출 블레이드들에 걸쳐 인가된 적어도 1킬로볼트 직류계(kilovolt direct current field); 및
디플렉터를 더 포함하며,
하전 입자들은 사용시 상기 추출 재료를 통과하여 감소된 에너지의 하전 입자들로 되며,
감소된 에너지의 하전 입자들은 한 쌍의 추출 블레이드들 사이로 통과하며,
직류계는 감소된 에너지의 하전 입자들을 디플렉터를 통해 싱크로트론 밖으로 재배향시키며,
상기 디플렉터는 추출된 하전 입자 빔을 제공하는 종양 치료용 장치.
제27항에 있어서, 피드백 제어를 통해 추출된 하전 입자들의 강도를 제어하도록 구성된 강도 제어기를 더 포함하는 종양 치료용 장치.
제28항에 있어서, 사용시 상기 추출 재료를 통과하는 하전 입자들로부터 유도 전류가 발생되며, 유도 전류는 강도 제어기로의 피드백 입력을 포함하는 종양 치료용 장치.
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