JP7045920B2 - 粒子線照射装置および粒子線治療システム - Google Patents
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Description
本発明は、粒子線照射装置および粒子線治療システムに関する。特に、荷電粒子ビームを標的に照射する粒子線照射装置および粒子線治療システムに関する。
大型化を抑制することができるとともに、十分な照射野を確保することのできる荷電粒子ビーム照射装置の一例として、特許文献１には、荷電粒子ビームが入射する第１方向に実質的に直交する第２方向に荷電粒子ビームを偏向する第１走査電磁石部と、第１方向および第２方向に実質的に直交する第３方向に荷電粒子ビームを偏向する第２走査電磁石部と、を備え、第１および第２走査電磁石部は、第１方向に対して並列に配置されることが記載されている。
がん治療法の一つである粒子線治療は、陽子や炭素イオンなどの荷電粒子ビームを患部に照射する。
このような粒子線治療に用いる粒子線治療システムでは、荷電粒子ビームのエネルギーや空間的な広がりを調整し、患部形状に合わせた線量分布を形成する。
粒子線治療システムには加速器とビーム輸送系、照射装置が含まれる。
加速器は、治療に用いるエネルギーまで荷電粒子ビームを加速する装置であり、粒子線治療に用いられるものとして、シンクロトロンやサイクロトロン、シンクロサイクロトロンなどが挙げられる。
ビーム輸送系は、系中に設置した四重極磁石等を用いて粒子ビームのサイズを調整しながら治療室中のアイソセンタと呼ばれる標的位置まで輸送する。
照射装置は、輸送されたビームが標的の患部形状に合わせた線量分布となるように形成する装置である。
線量分布の形成方法には、ビームを散乱体に当ててビーム形状を患部形状に合わせる散乱体照射法と、細く絞ったビームを走査電磁石と呼ばれる電磁石を用いて患部形状に合わせて走査するスキャニング照射法がある。
後者のスキャニング照射法では、標的上の走査可能範囲である照射野が大きいほど、広範囲にわたる標的が照射可能となる。
スキャニング照射法で照射野を拡大するためには、走査電磁石の設置位置をアイソセンタから遠ざける、走査電磁石の磁極長を伸ばす、走査電磁石の発生磁場強度を増大する、等の方法がある。
しかし、設置位置を遠ざけることや磁極長を伸展することは、粒子線治療システム全体およびそれを含む建屋の大型化につながり、採用は困難である。
ここで、走査電磁石は、一般的に、ある一方向の走査とそれに直交する一方向の走査を行う二極電磁石を一つずつ備えている。特許文献１では、この二極電磁石の組を並列に設置することで大型化を抑制しつつ、十分な照射野を確保している。
また、スキャニング照射法では、標的上におけるビームの走査速度も重要となる。走査速度は、走査電磁石の発生磁場強度の時間変化速度に依存し、磁場強度の時間変化速度は励磁電流の時間変化速度で決まる。
このうち、励磁電流の時間変化速度はコイルのインダクタンスの影響を受ける。このため、インダクタンスを軽減することにより、走査速度の向上が達成される。
このように走査速度の向上には走査電磁石のインダクタンス低減が有効であるが、その低減には、コイル巻き数の低減、もしくは電磁石の磁場印加体積の低減が必要である。しかしコイル巻き数の低減は起磁力の低下による照射野の縮小につながる。
従って、磁場印加体積の低減には、磁極長、磁極幅・磁極間ギャップの低減が必要であるが、それぞれ、照射野の縮小、走査電磁石中のビーム通過可能領域の縮小につながるため、新たな構成によって対処する必要がある。
本発明は、広照射野で、高走査速度であるとともに、小型な粒子線照射装置および粒子線治療システムを提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、粒子線照射装置であって、互いに直交する第１の方向または第２の方向にビームを走査する３台以上の走査電磁石を備え、前記３台以上の走査電磁石は、第１走査電磁石、第２走査電磁石、第３走査電磁石、および第４走査電磁石を含み、これらの走査電磁石は、前記ビームの前進方向軸に沿ってアイソセンタに向けて直列に、前記第２走査電磁石が前記第１走査電磁石の後段に配置され、前記第３走査電磁石が前記第２走査電磁石の後段に配置され、前記第４走査電磁石が前記第３走査電磁石の後段に配置され、前記第１走査電磁石および前記第２走査電磁石は第一方向に走査し、前記第３走査電磁石および前記第４走査電磁石は第二方向に走査し、前記第１走査電磁石、前記第２走査電磁石、前記第３走査電磁石、および前記第４走査電磁石のそれぞれの磁場印加領域の体積は、前記第１走査電磁石から前記第４走査電磁石までの順で増加することを特徴とする。
また、他の一例をあげるならば、粒子線照射装置であって、互いに直交する第１の方向または第２の方向にビームを走査する３台以上の走査電磁石を備え、前記３台以上の走査電磁石は、第１走査電磁石、第２走査電磁石、第３走査電磁石、および第４走査電磁石を含み、これらの走査電磁石は、前記ビームの前進方向軸に沿ってアイソセンタに向けて直列に、前記第２走査電磁石が前記第１走査電磁石の後段に配置され、前記第３走査電磁石が前記第２走査電磁石の後段に配置され、前記第４走査電磁石が前記第３走査電磁石の後段に配置され、前記第１走査電磁石および前記第２走査電磁石は第一方向に走査し、前記第３走査電磁石および前記第４走査電磁石は第二方向に走査し、前記第１走査電磁石、前記第２走査電磁石、前記第３走査電磁石、および前記第４走査電磁石のそれぞれの前記進行方向軸に垂直な面での磁場印加領域の断面積は、前記第１走査電磁石から前記第４走査電磁石までの順で増加することを特徴とする。
本発明によれば、広照射野かつ高走査速度、かつ小型な粒子線照射装置および粒子線治療システムを提供することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下に本発明の粒子線照射装置および粒子線治療システムの実施形態を、図面を用いて説明する。
例えば、以下に説明する各実施形態では、粒子線の照射方法について特に言及していないが、本発明は、加速器を用いて粒子線治療で使用する高エネルギー原子核ビームを生成して、粒子線照射装置に対して輸送し、粒子線照射装置において所定に位置にビームを走査するスキャニング照射方式に適用される。
スキャニング照射方式は、標的内の各照射位置にスポットと呼ばれる細い線量分布を並べることで、標的形状に合致した線量分布を形成する方式である。大きく分けて、ディスクリートスポットスキャニング法とラスタースキャニング法とがある。
ディスクリートスポットスキャニング法は、粒子線の照射位置をあるスポットから次のスポットに移動させている間にビーム出射を停止させ、移動完了後にビーム出射を再開させる方法である。ラスタースキャニング法は、同一スライスを走査する間はビーム出射が途切れることなく連続して照射する方法である。
＜第１実施形態＞
本発明の粒子線照射装置の第１実施形態について図１乃至図１０を用いて説明する。
本発明の粒子線照射装置の第１実施形態について図１乃至図１０を用いて説明する。
最初に、粒子線照射装置１２０４の構成について図１を用いて説明する。図１に、本実施形態の粒子線照射装置の概要を示す。
図１において、本実施形態の粒子線照射装置１２０４は、例えば、ビームの進行方向軸１０３に沿って設置された走査電磁石部１００、ビーム位置モニタ１１０、電源１１１、ビーム位置モニタ信号処理装置１１２、照射装置制御部１１３から成る。
粒子線照射装置１２０４では、走査電磁石部１００に入射した粒子ビームは、無走査時にはビームの進行方向軸１０３に沿って直進し、アイソセンタ１０４に到達する。本実施例では、アイソセンタ１０４を原点にもち、互いに直交する２軸を、水平軸１０５および垂直軸１０６と定義する。
走査電磁石部１００は、垂直軸１０６方向に粒子ビームを走査する垂直軸方向走査電磁石部１０１と、水平軸１０５方向に粒子ビームを走査する水平軸方向走査電磁石部１０２から成る。
垂直軸方向走査電磁石部１０１は、第１垂直走査電磁石１０１ａと第２垂直走査電磁石１０１ｂとの２組の電磁石から構成される。
水平軸方向走査電磁石部１０２も、同様に、第１水平走査電磁石１０２ａと第２水平走査電磁石１０２ｂとの２組の電磁石から構成される。
第１垂直走査電磁石１０１ａ，第２垂直走査電磁石１０１ｂ，第１水平走査電磁石１０２ａ，第２水平走査電磁石１０２ｂの励磁量を独立して制御するために、各々の走査電磁石１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂに対して１対１で電源１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄがそれぞれ接続されている。
垂直軸方向走査電磁石部１０１と水平軸方向走査電磁石部１０２に対して、走査電磁石電源１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄから独立して電流を供給することで、粒子ビームの軌道を走査軌道１０８に沿うように偏向し、アイソセンタ１０４を含む照射野１０７上の任意のビーム照射位置１０９に粒子ビームを照射する。
ビーム位置モニタ信号処理装置１１２は、ビーム位置モニタ１１０で検出された電気信号を積算して粒子ビームの通過位置を演算し、演算結果を照射装置制御部１１３へ出力する。
照射装置制御部１１３は、ビーム位置モニタ信号処理装置１１２でのビーム位置の演算結果に基づき、走査電磁石電源１１１の供給電流を制御することで、ビーム照射位置１０９を制御する。照射装置制御部１１３は１個または複数個のプロセッサ、ＣＰＵ等で構成され、各機器の動作の制御は各種プログラムで実行される。このプログラムは記憶部１１３ａに格納されており、ＣＰＵによって読み出され、実行される。
次に、本実施形態の粒子線照射装置における第１垂直走査電磁石１０１ａと第２垂直走査電磁石１０１ｂ、第１水平走査電磁石１０２ａと第２水平走査電磁石１０２ｂの構造について、第１垂直走査電磁石１０１ａを代表して説明する。図２は、本実施形態の粒子線照射装置における第１垂直走査電磁石１０１ａの進行方向軸１０３に直交する平面による断面図である。
なお、第２垂直走査電磁石１０１ｂや第１水平走査電磁石１０２ａ、第２水平走査電磁石１０２ｂの構造は、各々の磁極の長さ（磁極幅３０２）や磁極２０１ａ、２０１ｂ間の長さ（磁極間ギャップ２０３）が異なるのみであり、主な構造は第１垂直走査電磁石１０１ａを同じであるため、詳細な説明は省略する。
第１垂直走査電磁石１０１ａは、磁極２０１ａ，２０１ｂ、コイル２０２ａ，２０２ｂ、ヨーク２０７で構成される。
磁極２０１ａ，磁極２０１ｂは、中心平面２０６を挟んで互いに対向し、ある磁極間ギャップ２０３を確保するように離れた位置に配置される。
第１垂直走査電磁石１０１ａでは、コイル２０２ａとコイル２０２ｂとによって、磁極間ギャップ２０３中に中心平面２０６に対して略直交するような向きを持つ磁場２０４を発生させる。
このような磁場２０４の発生範囲である磁場印加領域２０５を通過した粒子ビームは、中心平面２０６と略平行な方向へ偏向される。
図３は、図２のうち、磁極２０１ａ、磁極２０１ｂおよびヨーク２０７を中心平面２０６により切断した斜視図である。
磁場印加領域２０５は、コイル２０２ａ，２０２ｂに対して通電している間、中心平面２０６に略平行な磁極２０１ａおよび磁極２０１ｂの面である２つの磁極面３０１に挟まれるように存在する。
図２に示すように、磁場印加領域２０５の体積は、磁極間ギャップ２０３の大きさ、磁極幅３０２、磁極長３０３の積によって概ねの大きさが決まる。
図４は、図２の第１垂直走査電磁石１０１ａの中心平面による断面図であり、図５は、図２の第１垂直走査電磁石１０１ａのビーム進行方向軸を含み、中心平面に直交する平面による断面図である。
図２に示すように、第１垂直走査電磁石１０１ａではコイル２０２ａ，２０２ｂに電流を流すことで紙面垂直方向に磁場２０４が発生する。
以下、第１垂直走査電磁石１０１ａのコイル２０２ａに直流電流を流すことによって、図４および図５に示すように走査軌道４０１によって照射野１０７上のあるビーム位置に粒子ビームを照射する場合について説明する。
この場合において、図４に示すようなビーム位置とアイソセンタ１０４の距離（走査距離４０２）がＤであり、直流電流の大きさがＩであるとすると、ＤとＩは概ね比例の関係となる。
次に、走査距離４０２が０からＤまで変化する場合の走査距離の変化速度、即ち走査速度について説明する。このとき、直流電流は０からＩに変化する。この電流の変化速度をｄＩ／ｄｔとすれば、走査速度ｖｓｃａｎは下記数式（１）のように求まる。
一般には、コイル２０２ａ，２０２ｂのインダクタンスが存在するため、電流の変化速度は所望の走査速度に対して遅くなる。従って、コイル２０２ａ，２０２ｂにフォーシング電圧とよばれる電圧を印加することで、必要な走査速度を得ている。
ここで、コイル２０２ａ，２０２ｂを含む回路のインダクタンスをＬ、電源から回路に印加されるフォーシング電圧をＶｆｏｒｃｅとすると、電流の変化速度ｄＩ／ｄｔは下記数式（２）のように求まる。
結果、数式（２）を数式（１）に代入することにより、走査速度ｖｓｃａｎは下記数式（３）のように求まる。
この数式（３）に示すように、インダクタンスＬを小さくすることで走査速度を向上することができる。
インダクタンスＬは、走査電磁石中の磁気エネルギーＷとコイル電流Ｉと数式（４）の関係にあることが知られている。
また、磁気エネルギーＷは数式（５）より求められることが知られている。
ここで、数式（５）中、Ｈは磁場、Ｂは磁束密度であり、積分範囲は磁場印加領域の体積Ｖである。
数式（５）に示すように磁気エネルギーＷは一般に磁場印加領域の体積Ｖが小さいほど小さくなり、数式（４）に示すように磁気エネルギーＷが小さくなる、すなわち、磁場印加領域の体積Ｖが小さいほどインダクタンスＬもそれに応じ小さくなることが分かる。
ここで、上述のように、第１垂直走査電磁石１０１ａや第２垂直走査電磁石１０１ｂ、第１水平走査電磁石１０２ａ、第２水平走査電磁石１０２ｂの磁場印加領域２０５の体積は、磁極間ギャップ２０３、磁極幅３０２、磁極長３０３の積によって決まる。
また、磁極間ギャップ２０３および磁極幅３０２は、最大の走査距離、即ち照射野１０７端部までビームを走査する際のビーム通過領域によって決まる。更に、最大走査距離は、磁場２０４をビームの進行方向軸１０３上で磁極長３０３によって決まる範囲で積分した値（ＢＬ積）で決まる。
即ち、走査電磁石の構成が異なる場合でも、ビームが通過する電磁石のＢＬ積の総和が一定であれば最大走査距離の大きさは変わらないことになる。
従って、磁極長のみをある走査電磁石の半分にした走査電磁石を２台直列に設置した場合は、１台あたりのインダクタンスを概ね半減することができつつ、最大走査距離は元の走査電磁石と概ね変わらないようにすることができることになる。
図６は、本実施形態の粒子線照射装置における垂直軸方向走査電磁石部１０１によるビーム走査の概略図である。
本実施例では、垂直軸方向走査電磁石部１０１および水平軸方向走査電磁石部１０２の磁場印加領域は、進行方向軸１０３上に直列に合計で４ヶ所存在する。
本実施例のように、垂直軸方向走査電磁石部１０１内において、磁場印加領域が第１垂直走査電磁石１０１ａによるものと第２垂直走査電磁石１０１ｂによるものとの２つ存在する場合、図６に示すように、アイソセンタ１０４からみて進行方向軸１０３上流側からそれぞれ第１磁場印加領域６０１、第２磁場印加領域６０５となる。
垂直軸方向走査電磁石部１０１では、２台の走査電磁石１０１ａ，１０１ｂへ各々独立して電流を供給し励磁することで、第１磁場印加領域６０１と第２磁場印加領域６０５に磁場が印加される。
この垂直軸方向走査電磁石部１０１でのＢＬ積は、第１磁場印加領域６０１と第２磁場印加領域６０５のＢＬ積の和で表される。各走査電磁石への供給電流値は、電源１１１ａ，１１１ｂが独立していることで任意に設定できるように構成されている。例えば、最大走査距離へビームを偏向する際に、走査電磁石電源１１１ａ，１１１ｂから供給可能な範囲内でＢＬ積の和が最も高くなるように各々調整する。
第１磁場印加領域６０１および第２磁場印加領域６０５を通過した粒子ビームは、図６に示すように、それぞれ第１偏向角度６０２および第２偏向角度６０６だけ偏向される。
照射野１０７の端部へビームを照射する際、第１磁場印加領域６０１および第２磁場印加領域６０５の出口では、それぞれ進行方向軸から第１ビーム最大通過幅６０３、第２ビーム最大通過幅６０７だけ離れた位置を通過する。
ここで、図６に示すように、ビーム最大通過幅は進行方向軸１０３の上流ほど狭いため、第１磁場印加幅６０４は第２磁場印加幅６０８よりも小さくすることができるため、第１磁場印加領域６０１を形成する第１垂直走査電磁石１０１ａの磁極間ギャップ２０３を、第２磁場印加領域６０５を形成する第２垂直走査電磁石１０１ｂの磁極間ギャップ２０３よりも狭めることができる。
なお、本実施例においては、図６乃至図９に示すように、個々の走査電磁石１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ内では磁極間ギャップ２０３および磁極幅３０２の大きさを変化させずに一定のままとする。
図７は、本実施形態の粒子線照射装置における水平軸方向走査電磁石部１０２の磁場印加領域と、垂直軸方向のみにビームを走査する際のビーム軌道の概略図である。
以下、進行方向軸１０３上流に直列に設置された垂直軸方向走査電磁石部１０１によって垂直軸方向に偏向された粒子ビームを水平軸方向走査電磁石部１０２によって偏向する場合について説明する。
図７に示すように、照射野１０７の端部へビームが照射される際、上述のように、ビームは、垂直軸方向走査電磁石部１０１によって第１偏向角度６０２と第２偏向角度６０６の和７００だけ偏向され、水平軸方向走査電磁石部１０２に入射してくる。
そのため、第１磁場印加領域７０１および第２磁場印加領域７０４の出口では、それぞれ進行方向軸から第１ビーム最大通過幅７０２、第２ビーム最大通過幅７０５だけ離れた位置を通過する。
従って、水平軸方向走査電磁石部１０２についても、上流側に位置する第１水平走査電磁石１０２ａによって形成される第１磁場印加領域７０１の水平軸方向の第１磁場印加幅７０３を、第２水平走査電磁石１０２ｂによって形成される第２磁場印加領域７０４の水平軸方向の第２磁場印加幅７０６よりも小さくすることができる。
また、水平軸方向走査電磁石部１０２の垂直軸方向についても、第１磁場印加領域７０１を形成する第１水平走査電磁石１０２ａの磁極間ギャップ２０３を、第２磁場印加領域７０４を形成する第２水平走査電磁石１０２ｂの磁極間ギャップ２０３よりも狭めることができる。
図８は、本実施形態の粒子線照射装置１２０４における走査電磁石部１００の垂直軸１０６と進行方向軸１０３を含む平面による断面図である。
図８に示すように、走査電磁石部１００内の第１垂直走査電磁石１０１ａ、第２垂直走査電磁石１０１ｂ、第１水平走査電磁石１０２ａ、第２水平走査電磁石１０２ｂによって形成される各磁場印加領域が、進行方向軸１０３下流に向かうにつれて広がる垂直軸方向ビーム通過最大領域８０１を含むように、各磁極間ギャップ２０３および各磁極幅３０２の大きさが設計される。
このとき、垂直軸方向走査電磁石部１０１が水平軸方向走査電磁石部１０２よりも、進行方向軸１０３の上流側に設置されるため、第１垂直走査電磁石１０１ａおよび第２垂直走査電磁石１０１ｂの磁極幅３０２のみならず、第１水平走査電磁石１０２ａおよび第２水平走査電磁石１０２ｂの磁極間ギャップ２０３についても下流側よりも上流側のほうが狭まる。
磁極間ギャップ２０３の短縮により、同じ起磁力のもとでも磁場強度を向上できるため、磁極長の和が同じ単一の走査電磁石とＢＬ積の和は同等かそれ以上にできる。
図９は、本実施形態の粒子線照射装置１２０４における走査電磁石部１００の水平軸１０５と進行方向軸１０３を含む平面による断面図である。
水平軸方向の磁場印加領域に関しても、図９に示すように、水平軸方向ビーム通過最大領域９０１を含むように、第１垂直走査電磁石１０１ａ、第２垂直走査電磁石１０１ｂ、第１水平走査電磁石１０２ａ、第２水平走査電磁石１０２ｂの各磁極間ギャップおよび各磁極幅の大きさを設計する。
従って、磁極幅３０２は、下流側の第２水平走査電磁石１０２ｂよりも上流側の第１水平走査電磁石１０２ａのほうが狭くなる。
また、水平軸方向ビーム通過最大領域９０１の幅は、水平軸方向走査電磁石部１０２を通過するまでは一定のため、図９に示すように、第１垂直走査電磁石１０１ａおよび第２垂直走査電磁石１０１ｂの水平軸方向の磁極間ギャップ２０３は両者とも同じ幅とする。
ここで、各々の走査電磁石１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂの垂直軸方向および水平軸方向の磁場印加領域の幅から各々の磁場印加領域の体積を考えると、進行方向軸１０３上でアイソセンタ１０４から遠ざかる位置、すなわち上流側の磁場印加領域の体積が下流側の磁場印加領域体積よりも小さくなる。
即ち、垂直軸方向走査電磁石部１０１および水平軸方向走査電磁石部１０２に各々２つの走査電磁石を用い、各磁場印加領域の体積が下流よりも上流のほうが小さくなるように設計することで、ビーム通過領域を全て含むように設計することができる。
このような場合、図１０に示すように、進行方向軸１０３上でアイソセンタ１０４から遠ざかるほど進行方向軸１０３に垂直な面での磁場印加領域２０５の断面積が小さくなる。
次に、本実施形態の効果について説明する。
上述した本発明の第１実施形態の粒子線照射装置１２０４は、互いに直交する垂直方向または水平方向にビームを走査する３台以上の走査電磁石１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂを備え、３台以上の走査電磁石１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂは、垂直方向または水平方向のうち同じ方向に走査する少なくとも２台以上の走査電磁石１０１ａ，１０１ｂおよび走査電磁石１０２ａ，１０２ｂがビームの進行方向軸１０３上に直列に配置され、かつ進行方向軸１０３上でアイソセンタ１０４から遠ざかる位置に設置された走査電磁石１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂほど磁場印加領域２０５の体積が小さい。また、進行方向軸１０３上でアイソセンタ１０４から遠ざかるほど進行方向軸１０３に垂直な面での磁場印加領域２０５の断面積が小さいものである。
これによって、例えば上述した特許文献１のように設置する場合に比べ、ビーム通過領域に合わせて段階的に電磁石の磁極幅３０２や磁極間ギャップ２０３が広がるため、ヨーク２０７内側で他方向走査用のコイルや磁極に占有されていた空間がなくなる。特に、上流側の走査電磁石で磁極幅３０２や磁極間ギャップ２０３を狭めることができる。従って、ＢＬ積の増大と走査電磁石１台あたりのインダクタンス低減を達成することができ、磁場強度の増大に伴う照射野の拡大と走査速度の増大を達成することができる。また、ＢＬ積の増大によってビーム進行方向の長さを短くすることができ、粒子線照射装置１２０４の小型化を図ることができる。
また、３台以上の走査電磁石１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂは、個々の走査電磁石１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ内では磁極間ギャップ２０３および磁極幅３０２の大きさが一定であるため、走査電磁石の製作が容易であり、粒子線照射装置１２０４の低コスト化を図ることができる。
更に、３台以上の走査電磁石１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂの励磁量を独立して制御する、走査電磁石１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂに１対１で接続された電源１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄを更に備えたことで、各々の走査電磁石の仕様と求められる走査量に応じた電流を各走査電磁石に供給することができ、制御の自由度を向上させることができる。また、より容易に走査速度の増大をより容易に達成できるとともに、照射精度を担保することができる。
なお、垂直軸方向走査電磁石部１０１の下流側に水平軸方向走査電磁石部１０２を設置する場合について説明したが、水平軸方向走査電磁石部を垂直軸方向走査電磁石部の上流側に設置することができる。
すなわち、必要な照射野の大きさや走査速度に応じて、第１水平走査電磁石１０２ａ、第２水平走査電磁石１０２ｂ、第１垂直走査電磁石１０１ａ、第２垂直走査電磁石１０１ｂの進行方向上流から下流に至る設置順序は任意である。しかしながら、同じ方向に走査する走査電磁石は必ず連続して設置し、異なる方向に走査する走査電磁石が間に挟まれないようにする。
また、水平軸方向へ走査する走査電磁石や垂直軸方向へ走査する走査電磁石の各々の設置台数も１台以上であればよく、合計で３台以上であればよい。
例えば、水平軸方向走査電磁石、もしくは垂直軸方向走査電磁石のどちらかを１台のみ、他方を２台以上備えてもよい。この場合は、磁極間ギャップをより狭められる効果が得られることから、水平軸方向と垂直軸方向のうち、下流側に設置される側の走査電磁石を１台とし、上流側に設置される側の走査電磁石を２台以上とすることが望ましい。
また、本実施形態では、各走査電磁石には偏向用の磁場を発生するコイルがコイル２０２ａ，２０２ｂとの一組のみの場合について記載したが、コイルは各電磁石中に複数組あってもよい。
また、走査電磁石電源１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄからの供給電流は、同一方向走査電磁石に対しては同一の電源から直列もしくは並列に与えてもよい。例えば、第１垂直走査電磁石１０１ａ用の電源と第２垂直走査電磁石１０１ｂ用の電源は共通化することができ、第１水平走査電磁石１０２ａ用の電源と第２水平走査電磁石１０２ｂ用の電源は共通化することができる。なお、異なる方向の走査電磁石の電源は共通化しないことが望ましい。
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態の粒子線照射装置について図１１および図１２を用いて説明する。第１実施形態と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下の実施形態においても同様とする。
本発明の第２実施形態の粒子線照射装置について図１１および図１２を用いて説明する。第１実施形態と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下の実施形態においても同様とする。
図１１は本実施形態における走査電磁石部の垂直軸とビーム進行方向軸を含む平面による断面図である。図１２は本実施形態における走査電磁石部の水平軸とビーム進行方向軸を含む平面による断面図である。
本実施形態の粒子線照射装置は、基本的には、図１に示す第１実施形態の粒子線照射装置１２０４と同等の要素で構成される。異なる点としては、走査電磁石部１００の替わりに、走査電磁石部１００Ａを備えている点である。
図１１および図１２に示すように、本実施形態の走査電磁石部１００Ａは、第１実施形態の走査電磁石部１００と同様に、垂直軸方向走査電磁石部１０１Ａと水平軸方向走査電磁石部１０２Ａから成る。
垂直軸方向走査電磁石部１０１Ａは第１垂直走査電磁石１０１Ａａおよび第２垂直走査電磁石１０１Ａｂによって構成される。また、水平軸方向走査電磁石部１０２Ａは第１水平走査電磁石１０２Ａａおよび第２水平走査電磁石１０２Ａｂによって構成される。
更に、図１１に示すように、第１垂直走査電磁石１０１Ａａ、第２垂直走査電磁石１０１Ａｂ、第１水平走査電磁石１０２Ａａ、第２水平走査電磁石１０２Ａｂは、各々の走査電磁石中のヨーク２０７、磁極幅３０２および磁極間ギャップ２０３が、垂直軸方向ビーム通過最大領域８０１Ａおよび水平軸方向ビーム通過最大領域９０１Ａに合わせて、進行方向軸１０３の下流側に向かって直線状に広がる形状となっている。
言い換えると、進行方向軸１０３上でアイソセンタ１０４から遠ざかるにつれて磁極間ギャップ２０３および磁極幅３０２の大きさが狭まように設計されている。
なお、水平軸方向ビーム通過最大領域９０１Ａの幅は、水平軸方向走査電磁石部１０２Ａを通過するまでは一定のため、図１２に示すように、第１垂直走査電磁石１０１Ａａと第２垂直走査電磁石１０１Ａｂとの水平軸方向の磁極間ギャップ２０３は同じ幅とする。
その他の構成・動作は前述した第１実施形態の粒子線照射装置と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。
本発明の第２実施形態の粒子線照射装置においても、前述した第１実施形態の粒子線照射装置とほぼ同様な効果が得られる。
また、各走査電磁石のうち、少なくとも２台以上は、個々の走査電磁石内において、進行方向軸１０３上でアイソセンタ１０４から遠ざかるにつれて磁極間ギャップ２０３および磁極幅３０２の大きさが狭まっていることにより、磁場印加領域の形状をビーム通過領域の形状により近い形状にすることができる。よって、より効果的にＢＬ積の増大と走査電磁石１台あたりのインダクタンス低減を達成することができ、照射野の拡大と走査速度の増大をより効果的に達成することができる。
更に、個々の走査電磁石内では磁極間ギャップ２０３および磁極幅３０２の大きさが一定であるものがあることで、上流側の走査電磁石では下流側の走査電磁石で走査する方向のビーム通過領域の形状が変化しないことから、上流側の走査電磁石の磁場印加領域の形状をビーム通過領域の形状により合わせることができる。
なお、本実施形態では、ヨーク、磁極幅、磁極間ギャップの広がり方は直線状であるとしたが、垂直軸方向ビーム通過最大領域８０１および水平軸方向ビーム通過最大領域９０１を含むようであれば、形状は曲線状または階段状とすることができる。
また、ヨークの外周側の形状は進行方向軸１０３の下流側に向かって広がる場合に限られず、進行方向軸１０３に平行な形状とすることができる。
さらに、本実施形態の走査電磁石の一部は、上述した第１実施形態の粒子線照射装置内に配置された走査電磁石を用いることができる。
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態の粒子線治療システムについて図１３を用いて説明する。
本発明の第３実施形態の粒子線治療システムについて図１３を用いて説明する。
図１３は本発明の第３実施形態の粒子線治療システムの全体構成図である。
図１３に示すように、本実施形態の粒子線治療システム１０００は、ライナック１２０１、シンクロトロン１２０２、ビーム輸送系１２０３、第１実施形態で説明した粒子線照射装置１２０４、加速器ビーム輸送系制御部１２０５、粒子線治療システム制御部１２０６、データベース１２０７から成る。
なお、第１実施形態で説明した粒子線照射装置１２０４の替わりに第２実施形態で説明した粒子線照射装置を用いることができる。
シンクロトロン１２０２にはライナック１２０１および入射器１２０２ａが接続されており、ライナック１２０１で生成された加速前のイオンが入射器１２０２ａから入射される。
入射されたイオンは四台の偏向電磁石１２０２ｂが形作る略四角形の経路を四極電磁石１２０２ｄ等の生成する磁場によって微調整されて周回しながら、加速空胴１２０２ｃを通過するたびに加速される。所定のエネルギーまで加速されたビームは取り出し口１２０２ｅからビーム輸送系１２０３に導入される。
ビーム輸送系１２０３は、複数の四極電磁石１２０３ａ、偏向電磁石（図示省略）を備えており、シンクロトロン１２０２と粒子線照射装置１２０４に接続されている。シンクロトロン１２０２から出射された粒子線は、ビーム輸送系１２０３内を通過しながら四極電磁石１２０３ａによって収束され、偏向電磁石によって方向を変えて粒子線照射装置１２０４に入射する。
ビーム輸送系１２０３の一部と粒子線照射装置１２０４は、治療室内の略筒状のガントリーに設置され、ガントリーと共に回転する構成とすることができるが、固定されているものとすることができる。
粒子線治療システム制御部１２０６は、データベース１２０７に記憶されている、患部の深さや形状などの情報を基に作成された照射データ（治療計画）を基に、加速器ビーム輸送系制御部１２０５と照射装置制御部１１３に指令を送る。
加速器ビーム輸送系制御部１２０５は、治療に好適なエネルギーまで粒子ビームを加速するようライナック１２０１およびシンクロトロン１２０２を構成する機器を制御する。また、所定エネルギーまで加速された粒子ビームを粒子線照射装置１２０４まで輸送するようビーム輸送系１２０３を構成する機器を制御する。
粒子線治療システム制御部１２０６は照射装置制御部１１３を通じて走査電磁石電源１１１を制御することで、照射野１０７において治療に好適なビーム照射制御を行う。
これら粒子線治療システム制御部１２０６、加速器ビーム輸送系制御部１２０５、および照射装置制御部１１３は、１または複数のプロセッサ、ＣＰＵ等で構成される。
各機器の動作の制御は各種プログラムで実行される。このプログラムはデータベース１２０７や記憶部１１３ａ等の内部記録媒体に格納されており、ＣＰＵによって読み出され、実行される。
なお、実行される動作の制御処理は、１つのプログラムにまとめられていても、それぞれが複数のプログラムに別れていてもよく、それらの組み合わせでもよい。また、プログラムの一部または全ては専用ハードウェアで実現してもよく、モジュール化されていても良い。更には、各種プログラムは、プログラム配布サーバや外部記憶メディアによって各計算機にインストールされてもよい。
これら各制御部は、各々が独立した装置で有線或いは無線のネットワークで接続されたものであっても、２つ以上が一体化していてもよい。
粒子線照射装置の構成・動作は前述した第１実施形態、または第２実施形態の粒子線照射装置と同じ構成・動作であり、詳細は省略する。
本発明の第３実施形態の粒子線治療システムによれば、前述した第１実施形態の粒子線照射装置あるいは第２実施形態の粒子線照射装置を備えていることによって、走査速度の増大等と小型化の両立が実現される。
なお、本実施形態では、加速器としてライナック１２０１とシンクロトロン１２０２を採用している場合について説明したが、加速器の種類は、サイクロトロンやシンクロサイクロトロンなどのほかの種類でも採用可能である。
また、１台の加速器と１台の照射装置からなる治療システムについて説明したが、１台の加速器に対して照射装置が複数ある粒子線治療システムとすることができ、個々の照射装置に第１実施形態の粒子線照射装置１２０４あるいは第２実施形態の粒子線照射装置を適宜備えることができる。
また、ビーム輸送系１２０３を用いる場合について説明したが、加速器から粒子線照射装置に直接粒子線を輸送することができる。
また、治療に用いる粒子線には、炭素線、ヘリウム線等の重粒子線や陽子線とすることができる。
＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
１００，１００Ａ…走査電磁石部
１０１，１０１Ａ…垂直軸方向走査電磁石部
１０１ａ，１０１Ａａ…第１垂直走査電磁石
１０１ｂ，１０１Ａｂ…第２垂直走査電磁石
１０２，１０２Ａ…水平軸方向走査電磁石部
１０２ａ，１０２Ａａ…第１水平走査電磁石
１０２ｂ，１０２Ａｂ…第２水平走査電磁石
１０３…進行方向軸
１０４…アイソセンタ
１０５…水平軸
１０６…垂直軸
１０７…照射野
１０８…走査軌道
１０９…ビーム照射位置
１１０…ビーム位置モニタ
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ…走査電磁石電源
１１２…ビーム位置モニタ信号処理装置
１１３…照射装置制御部
１１３ａ…記憶部
２０１ａ，２０１ｂ…磁極
２０２ａ，２０２ｂ…コイル
２０３…磁極間ギャップ
２０４…磁場
２０５…磁場印加領域
２０６…中心平面
２０７…ヨーク
３０１…磁極面
３０２…磁極幅
３０３…磁極長
３０４…ヨーク断面
４０１…走査軌道
４０２…走査距離
６０１…第１磁場印加領域
６０２…第１偏向角度
６０３…第１ビーム最大通過幅
６０４…第１磁場印加幅
６０５…第２磁場印加領域
６０６…第２偏向角度
６０７…第２ビーム最大通過幅
６０８…第２磁場印加幅
７０１…第１磁場印加領域
７０２…第１ビーム最大通過幅
７０３…第１磁場印加幅
７０４…第２磁場印加領域
７０５…第２ビーム最大通過幅
７０６…第２磁場印加幅
８０１，８０１Ａ…垂直軸方向ビーム通過最大領域
９０１，９０１Ａ…水平軸方向ビーム通過最大領域
１０００…粒子線治療システム
１２０４…粒子線照射装置
１０１，１０１Ａ…垂直軸方向走査電磁石部
１０１ａ，１０１Ａａ…第１垂直走査電磁石
１０１ｂ，１０１Ａｂ…第２垂直走査電磁石
１０２，１０２Ａ…水平軸方向走査電磁石部
１０２ａ，１０２Ａａ…第１水平走査電磁石
１０２ｂ，１０２Ａｂ…第２水平走査電磁石
１０３…進行方向軸
１０４…アイソセンタ
１０５…水平軸
１０６…垂直軸
１０７…照射野
１０８…走査軌道
１０９…ビーム照射位置
１１０…ビーム位置モニタ
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ…走査電磁石電源
１１２…ビーム位置モニタ信号処理装置
１１３…照射装置制御部
１１３ａ…記憶部
２０１ａ，２０１ｂ…磁極
２０２ａ，２０２ｂ…コイル
２０３…磁極間ギャップ
２０４…磁場
２０５…磁場印加領域
２０６…中心平面
２０７…ヨーク
３０１…磁極面
３０２…磁極幅
３０３…磁極長
３０４…ヨーク断面
４０１…走査軌道
４０２…走査距離
６０１…第１磁場印加領域
６０２…第１偏向角度
６０３…第１ビーム最大通過幅
６０４…第１磁場印加幅
６０５…第２磁場印加領域
６０６…第２偏向角度
６０７…第２ビーム最大通過幅
６０８…第２磁場印加幅
７０１…第１磁場印加領域
７０２…第１ビーム最大通過幅
７０３…第１磁場印加幅
７０４…第２磁場印加領域
７０５…第２ビーム最大通過幅
７０６…第２磁場印加幅
８０１，８０１Ａ…垂直軸方向ビーム通過最大領域
９０１，９０１Ａ…水平軸方向ビーム通過最大領域
１０００…粒子線治療システム
１２０４…粒子線照射装置
Claims (7)
- 粒子線照射装置であって、
互いに直交する第１の方向または第２の方向にビームを走査する３台以上の走査電磁石を備え、
前記３台以上の走査電磁石は、第１走査電磁石、第２走査電磁石、第３走査電磁石、および第４走査電磁石を含み、これらの走査電磁石は、前記ビームの前進方向軸に沿ってアイソセンタに向けて直列に、前記第２走査電磁石が前記第１走査電磁石の後段に配置され、前記第３走査電磁石が前記第２走査電磁石の後段に配置され、前記第４走査電磁石が前記第３走査電磁石の後段に配置され、
前記第１走査電磁石および前記第２走査電磁石は第一方向に走査し、
前記第３走査電磁石および前記第４走査電磁石は第二方向に走査し、
前記第１走査電磁石、前記第２走査電磁石、前記第３走査電磁石、および前記第４走査電磁石のそれぞれの磁場印加領域の体積は、前記第１走査電磁石から前記第４走査電磁石までの順で増加する
ことを特徴とする粒子線照射装置。 - 請求項１に記載の粒子線照射装置において、
前記３台以上の走査電磁石は、個々の走査電磁石内では磁極間ギャップおよび磁極幅のそれぞれの大きさが一定である
ことを特徴とする粒子線照射装置。 - 請求項１に記載の粒子線照射装置において、
前記３台以上の走査電磁石のうちの２台の走査電磁石のうち、前記アイソセンタに最も近い１台の走査電磁石の磁極間ギャップおよび磁極幅の大きさは、これらの２台の走査電磁石のうちの他方の走査電磁石の磁極間ギャップおよび磁極幅の大きさよりも大きい
ことを特徴とする粒子線照射装置。 - 請求項３に記載の粒子線照射装置において、
前記３台以上の走査電磁石は、個々の走査電磁石内では磁極間ギャップおよび磁極幅の大きさが一定であるものがある
ことを特徴とする粒子線照射装置。 - 請求項１に記載の粒子線照射装置において、
前記３台以上の走査電磁石の励磁量を独立して制御する、前記走査電磁石に１対１で接続された電源を更に備えた
ことを特徴とする粒子線照射装置。 - 粒子線照射装置であって、
互いに直交する第１の方向または第２の方向にビームを走査する３台以上の走査電磁石を備え、
前記３台以上の走査電磁石は、第１走査電磁石、第２走査電磁石、第３走査電磁石、および第４走査電磁石を含み、これらの走査電磁石は、前記ビームの前進方向軸に沿ってアイソセンタに向けて直列に、前記第２走査電磁石が前記第１走査電磁石の後段に配置され、前記第３走査電磁石が前記第２走査電磁石の後段に配置され、前記第４走査電磁石が前記第３走査電磁石の後段に配置され、
前記第１走査電磁石および前記第２走査電磁石は第一方向に走査し、
前記第３走査電磁石および前記第４走査電磁石は第二方向に走査し、
前記第１走査電磁石、前記第２走査電磁石、前記第３走査電磁石、および前記第４走査電磁石のそれぞれの前記進行方向軸に垂直な面での磁場印加領域の断面積は、前記第１走査電磁石から前記第４走査電磁石までの順で増加する
ことを特徴とする粒子線照射装置。 - 請求項１または請求項６に記載の粒子線照射装置を備える
ことを特徴とする粒子線治療システム。
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