JP6640997B2 - 粒子線治療装置 - Google Patents

Description

この発明は、スキャニング照射で粒子線を照射して癌の治療を行う粒子線治療装置に関するものである。

従来の粒子線治療装置においては、加速器の出射点から照射点（アイソセンター）まで、媒質の散乱の影響が小さければ、偏向電磁石、四極電磁石、ドリフトスペースのビーム光学に従い、ビーム半径ｒは以下のとおり表わせる。
ｒ＝√（ε・β）

ここで、εはビームエミッタンス、βはベータトロン関数である。加速器からのビームが時間によらず一定で、ビーム輸送系電磁石のパラメータが、ｘｙ方向（ビームが進む方向に垂直方向）に一定であるなら、アイソセンターでの半径は時間によらず一定である。アイソセンターでのビーム半径ｒに合わせて、ビーム輸送系の光学パラメータ（四極電磁石電流）を制御し、βを設定する。

しかしながら、ビームを取り出すとき、出射制御に従い時間とともに、エネルギーに変更があると、ビーム中心位置が変わり、例えば、偏向電磁石の四極成分が変わるなど、ビーム半径ｒは、以下のように表せる。
ｒ（ｔ）＝√（ε・β（ｔ））

ここで、時間ｔとともに変化するベータトロン関数β（ｔ）を以下、
β（ｔ）＝β_０（１＋ｋ（ｔ））、β（０）＝β_０
とし、また、時間ｔ＝０のビーム半径ｒ（０）を
ｒ（０）＝ｒ_０＝√（ε・β_０）
とすると、ｒ（ｔ）は以下のようになる。
ｒ（ｔ）＝√（ε・β（ｔ））
＝√（ε・β_０（１＋ｋ（ｔ））
＝ｒ_０√（１＋ｋ（ｔ））

その結果、ビーム半径ｒは時間ｔに従い変化するため、アイソセンターでの照射線量が計画した値を得られないという問題があった。そこで、例えば、特許文献１では、四極電磁石で電流を制御し、ビーム径を安定にする方法が開示されている。

特開２００８−５０３０６７号公報（段落００４６、図２）

しかしながら、四極電磁石で電流を制御する場合には、ビーム径変動データからビーム径を安定化させるためには、四極電磁石電流をどう変化させるか算出させる計算機（パターンデータ作成計算機システム）、そのデータを逐次四極電磁石電源に設定する装置（パターンデータ設定制御装置）、及び設定変動に即座に反応する早い電源装置（パターン電源）が必要であり、装置が複雑になるという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、四極電磁石で電流を制御する場合であっても、簡便な装置で照射線量を精度よく得られる粒子線治療装置を提供することを目的としている。

この発明の粒子線治療装置は、荷電粒子ビームを絞る電磁石と、前記荷電粒子ビームをビーム軸に垂直な方向に走査するスキャニング電磁石と、前記スキャニング電磁石により走査する前記荷電粒子ビームであって、前記電磁石により目標ビーム径よりも小さなビーム径に所定の絞り係数に従い絞られた後の前記荷電粒子ビームを、前記目標ビーム径まで拡大する散乱体と、を備え、スキャニング照射で前記荷電粒子ビームを患部へ照射することを特徴とするものである。

この発明によれば、荷電粒子ビームのビーム径を小さく絞った後、散乱体を用いて目的のビーム径まで広げることで、簡便にビーム径を安定化させることができる。

この発明の実施の形態１における粒子線治療装置の概略構成を示す模式図である。 従来の粒子線治療装置での荷電粒子ビームのビーム径の変動を説明するための図である。 この発明の実施の形態１における粒子線治療装置での荷電粒子ビームのビーム径の制御状態を説明するための図である。 均一照射をした場合の線量分布を示す図である。 不均一照射をした場合の線量分布を示す図である。 ビーム径とビーム径絞り係数との関係を示す図である。 この発明の実施の形態１における粒子線治療装置でのビーム径の変動の一例を示す図である。 この発明の実施の形態２における粒子線治療装置の概略構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態３における粒子線治療装置の概略構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態３における粒子線治療装置での偏向電磁石の動作を説明するための図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による粒子線治療装置１００の構成を示す模式図である。図１に示すように、粒子線治療装置１００は、荷電粒子ビームの供給源として、シンクロトロンである円形加速器２０（以降、単に加速器と称する）と、治療室毎に設けられた照射装置１３を備える照射系４０と、加速器２０と各治療室とをつなぎ、加速器２０から荷電粒子ビームを各治療室の照射装置１３に輸送する輸送系３０とを備えている。そして、本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置１００に特徴的な構成は、各治療室に設けた照射装置１３を備える照射系４０において、輸送系３０からの荷電粒子ビームを四極電磁石２ｇ、２ｈ、２ｉで絞り、スキャニング電磁石７ａ、７ｂでビーム軸に垂直方向に走査した後、散乱体８により散乱量を調整することで目標のビーム径にまで広げて、安定化したビームを照射点１０に導くようにしたものである。

加速器２０は、荷電粒子ビームが周回する軌道経路となる真空ダクト１１、前段加速器１から供給された荷電粒子を真空ダクト１１に入射するための入射装置３、荷電粒子が真空ダクト１１内の周回軌道に沿って周回する荷電粒子ビームを形成するよう荷電粒子の軌道を偏向させるための偏向電磁石４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、加速器２０内で加速させた荷電粒子ビームを加速器２０外に取り出し、輸送系３０に出射するための出射装置５等を備えている。なお、偏向電磁石４には、偏向電磁石４の励磁電流を制御する偏向電磁石制御装置というように、各部を制御するための図示しない装置が備えられており、偏向電磁石制御装置などその他のコンポーネントを制御して加速器２０全体を制御する加速器制御装置を備えている。ただし、本発明の技術思想においては、加速器２０自体の制御を限定するものではないので、上記構成に限ることなく、安定して荷電粒子ビームを輸送系３０に出射できるものであれば、種々の変形が許されることはいうまでもない。また、前段加速器１は、図では簡略化のためにひとつの機器のように記載しているが、実際には、陽子、炭素（重粒子）等の荷電粒子（イオン）を発生させるイオン源（イオンビーム発生装置）と、発生された荷電粒子を初期加速する線形加速器系とを備えている。そして、前段加速器１から加速器２０に入射した荷電粒子は、高周波数の電界で加速され、磁石で曲げられながら、光速の約７０〜８０％まで加速される。

加速器２０により加速された荷電粒子ビームは、ＨＥＢＴ（高エネルギービーム輸送：High Energy Beam Transport）系と称される輸送系３０へと出射される。輸送系３０は、荷電粒子ビームの輸送経路となる真空ダクト１２と、荷電粒子ビームを収束させる四極電磁石２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆと、ビームを所定角度に偏向する偏向電磁石４ｇとを備えている。そして加速器２０により十分にエネルギーが与えられ、真空ダクト１２により作られた輸送経路内を進む荷電粒子ビームを、四極電磁石２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆで収束しながら、偏向電磁石４ｇで必要に応じて軌道を変え、指定された治療室に設けられた照射装置へと導く。

照射系４０は、輸送系３０から供給された荷電粒子ビームを照射対象である患者の患部の大きさや深さに応じた照射野に成形して患部へ照射する照射装置１３を備えたものである。まず、照射装置１３では、輸送系３０からの荷電粒子ビームを四極電磁石２ｇ、２ｈ、２ｉで収束させて絞るが、このまま用いると、照射点１０においてビーム半径ｒは時間ｔとともに変化する。

図２は、従来の四極電磁石２ｇ、２ｈ、２ｉのみを用いてビーム径を制御する粒子線治療装置における荷電粒子ビームの照射点１０でのビーム半径の変化を示す。図２に示すように、照射点１０において、荷電粒子ビームのビーム半径は、時間ｔ_１ではｒ_１１であったものが時間ｔ３ではｒ_１３に変化する。つまり、荷電粒子ビームのビーム半径は、ｒ_ｂから最大径ｒ_ｂ＋Δｒ_ｂまで変動し、ビーム径が時間と伴に変化することがわかる。

図３は、この発明の実施の形態１による粒子線治療装置１００における荷電粒子ビームの照射点１０でのビーム半径の制御状態を示す。図３（ａ）は、荷電粒子ビームが散乱体８を通る前の四極電磁石２ｇ、２ｈ、２ｉで調整したビーム半径を示し、図３（ｂ）は、四極電磁石２ｇ、２ｈ、２ｉで調整後の荷電粒子ビームを散乱体８に通した後のビーム半径の変化を示す。

まず、図３（ａ）に示すように、四極電磁石２ｇ、２ｈ、２ｉにより荷電粒子ビームのビーム径を、ビーム径絞り係数ｃに従って、目標のビーム径よりも小さく絞る。このとき、照射点１０において、荷電粒子ビームのビーム半径は、時間ｔ_１ではｒ_２１であったものが時間ｔ_３ではｒ_２３に変化する。つまり、荷電粒子ビームのビーム半径は、ｃｒ_ｂから最大半径ｃ（ｒ_ｂ＋ｃΔｒ_ｂ）まで変動する。

なお、粒子線治療装置においては、例えば、均一照射を実施したとき、「線治療装置の物理・技術的ＱＡシステムガイドライン（粒子線ＱＡ２０１５）」（http://www.jastro.or.jp/news/detail.php?eid=00371）で、照射終了時の標的内の線量分布の平坦度が±３％の規格が提示されている。ビーム径の変動に関しての効果を見ると、σ=３ｍｍの分布がガウシアンビームをΔｘ、Δｙ＝３ｍｍピッチ、各スポット同量で照射すると、図４に示すように均一になる。図４（ａ）は、上記条件で照射をしたときの線量分布（領域Ｓａ）を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢＢ線上での線量のプロファイルを示す。

しかしながら、中央のスポットビームのみσ=２．７６ｍｍと細くすると、中央が持ち上がり、図５に示すように、均一な照射ができない。図５（ａ）は、中央のスポットビームのみσ=２．７６ｍｍとした場合の線量分布（領域Ｓｂ）を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣＣ線上での線量のプロファイルを示す。図より、線量の上昇分が３％となるため、ビーム径の変動は約８％以内（σ=３ｍｍ±０．２４ｍｍ）に抑える必要があることがわかる。

図６に、ビーム径絞り係数ｃを変化させたときの最大ビーム径の値を示す。ビーム径絞り係数ｃは、絞る前のビーム径を１とした場合の照射点でのビーム径の比率を表す。ｒ_ｂ＝３ｍｍ、Δｒ_ｂ＝０．６ｍｍとした。縦軸は散乱体を挿入した場合の照射点における最大ビーム径とした。図６に示すように、上記規格を満たすためには、絞り係数ｃ＝０．６以下に絞る必要がある。

四極電磁石２ｇ、２ｈ、２ｉにより荷電粒子ビームのビーム径を、所定のビーム径絞り係数ｃに従って、目標のビーム径よりも小さく絞った後、図３（ｂ）に示すように、スキャニング電磁石７ａ、７ｂの後に備えた散乱体８を用いて、目標のビーム径よりも小さく絞った荷電粒子ビームのビーム径を、目標のビーム径まで拡大する。

散乱体８による散乱半径ｒ_ｓは、
ｒ_ｓ＝Ｌ<θ>
で与えられる。Ｌは照射点から散乱体の距離、<θ>は散乱体での散乱角度である。このとき、散乱体を透過させたときの照射点でのビーム半径は、√（（ｃｒ_ｂ）^２＋ｒ_ｓ ^２）から最大半径√（（ｃｒ_ｂ＋ｃΔｒ_ｂ）^２＋ｒ_ｓ ^２）まで変動する。

つまり、散乱体の厚さ、又は散乱体から照射点までの距離を調整し、初期のビーム半径を、
√（（ｃｒ_ｂ）^２＋ｒ_ｓ ^２）＝ｒ_ｂ
となるようにすると、散乱体を透過させたときの照射点でのビーム半径は、ｒ_ｂから最大半径√（ｒ_ｂ ^２＋ｃ^２Δｒ_ｂ（２ｒ_ｂ＋Δｒ_ｂ））まで変動することになる。

図７に、従来の四極電磁石２ｇ、２ｈ、２ｉのみを用いてビーム径を制御する粒子線治療装置によるビーム径の変動１４と、本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置１００によるビーム径の変動１５の一例を示す。従来の粒子線治療装置と比べて、本発明の実施の形態にかかる粒子線治療装置１００の方が、ビーム径の変動が小さいことがわかる。

このように、所定のビーム径絞り係数ｃを最初に設定し、四極電磁石２ｇ、２ｈ、２ｉにより荷電粒子ビームのビーム径を小さく絞った後、目的のビーム径まで広げる散乱体８を選択し、設定することにより、簡便にビーム径を安定化させることができる。

以上のように、この発明の実施の形態１における粒子線治療装置１００では、四極電磁石２ｇ、２ｈ、２ｉにより荷電粒子ビームのビーム径を、所定のビーム径絞り係数ｃに従って、目標のビーム径よりも小さく絞った後、スキャニング電磁石７ａ、７ｂの下流側に備えた散乱体８を用いて、目標のビーム径よりも小さく絞った荷電粒子ビームのビーム径を、目標のビーム径まで拡大するようにしたので、簡便にビーム径を安定化させることができる。また、ビーム径の変動を抑えることにより、計画のとおりの照射ができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、スキャニング電磁石７ａ、７ｂの下流側に散乱体８を設けたが、実施の形態２では、スキャニング電磁石の上流側に散乱体を設けた場合について示す。

図８は、この発明の実施の形態２による粒子線治療装置１０１の構成を示す模式図である。図８に示すように、粒子線治療装置１０１では、スキャニング電磁石７ａ、７ｂの上流側で、四極電磁石２ｉとスキャニング電磁石７ａの間に、散乱体８を備える。粒子線治療装置１０１のその他の構成については、実施の形態１の粒子線治療装置１００と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。

散乱体８をスキャニング電磁石７ａ、７ｂの上流に設置すると、照射点１０までの距離を長くとれるので、より薄い散乱体を採用でき、エネルギー損失を低減することができる。

以上のように、この発明の実施の形態２における粒子線治療装置１０１では、四極電磁石２ｇ、２ｈ、２ｉにより荷電粒子ビームのビーム径を、所定のビーム径絞り係数ｃに従って、目標のビーム径よりも小さく絞った後、スキャニング電磁石７ａ、７ｂの上流側にに備えた散乱体８を用いて、目標のビーム径よりも小さく絞った荷電粒子ビームのビーム径を、目標のビーム径まで拡大するようにしたので、簡便にビーム径を安定化させることができるだけでなく、より薄い散乱体を採用でき、エネルギー損失を低減することができる。また、ビーム径の変動を抑えることにより、計画のとおりの照射ができる。

実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２では、荷電粒子ビームのビーム径を四極電磁石２ｇ、２ｈ、２ｉでビーム径を絞った後に散乱体８で拡大する場合について示したが、実施の形態３では、四極電磁石の代わりに偏向電磁石でビーム径を絞る場合について示す。

図９は、この発明の実施の形態３による粒子線治療装置１０２の構成を示す模式図である。図９に示すように、粒子線治療装置１０２では、輸送系３１の下流端部において、荷電粒子ビームを偏向するために、四極電磁石２ｊ、２ｋ、２ｌと偏向電磁石４ｈ、４ｉが設けられている。照射系４２においては、偏向電磁石４ｉで偏向すると同時に目標のビーム径よりも小さく絞られた荷電粒子ビームを、直接、スキャニング電磁石７ａ、７ｂを経由した後、散乱体８により散乱量を調整し、目標のビーム径にまで広げて照射点１０に導く構成としたものである。粒子線治療装置１０２のその他の構成については、実施の形態１の粒子線治療装置１００と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。

次に、この発明の実施の形態３による粒子線治療装置１０２の動作について、図を用いて説明する。図１０は、粒子線治療装置１０２において、偏向電磁石４ｉが荷電粒子ビームのビーム径を小さく絞る動作を説明するための図である。図１０（ｂ）は、偏向電磁石４ｉの上面図であり、図１０（ａ）は、図１０（ｂ）のＡＡ線での矢視断面図である。

図１０（ｂ）に示すように、荷電粒子ビームＤ１、Ｄ２、Ｄ３は、偏向電磁石４ｉにより偏向されるとともに、収束効果により荷電粒子ビームの径は小さく絞られる。これは、図１０（ａ）に示すように、偏向電磁石４ｉにおいて、荷電粒子ビームの進行方向に対して垂直横方向で磁束Ｍの密度を調整することにより、偏向電磁石４ｉを出た荷電粒子ビームＤ１、Ｄ２、Ｄ３を収束させるものである。

これにより、偏向電磁石４ｉで荷電粒子ビームを絞ることができることから、照射系４２では四極電磁石が不要となり、装置の簡素化が可能となる。

以上のように、この発明の実施の形態３における粒子線治療装置１０２では、偏向電磁石４ｉにより荷電粒子ビームのビーム径を、所定のビーム径絞り係数ｃに従って、目標のビーム径よりも小さく絞った後、スキャニング電磁石７ａ、７ｂの上流側に備えた散乱体８を用いて、目標のビーム径よりも小さく絞った荷電粒子ビームのビーム径を、目標のビーム径まで拡大するようにしたので、簡便にビーム径を安定化させることができるだけでなく、さらに装置の簡素化が可能となる。また、ビーム径の変動を抑えることにより、計画のとおりの照射ができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

２ｇ、２ｈ、２ｉ 四極電磁石、４ｉ 偏向電磁石、７ａ、７ｂ スキャニング電磁石、８ 散乱体、１００、１０１、１０２ 粒子線治療装置。

Claims (6)

1. 荷電粒子ビームを絞る電磁石と、
   前記荷電粒子ビームをビーム軸に垂直な方向に走査するスキャニング電磁石と、
   前記スキャニング電磁石により走査する前記荷電粒子ビームであって、前記電磁石により目標ビーム径よりも小さなビーム径に所定の絞り係数に従い絞られた後の前記荷電粒子ビームを、前記目標ビーム径まで拡大する散乱体と、を備え、
   スキャニング照射で前記荷電粒子ビームを患部へ照射することを特徴とする粒子線治療装置。
2. 前記電磁石は、四極電磁石であることを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
3. 前記電磁石は、偏向電磁石であり、前記偏向電磁石は前記荷電粒子ビームを偏向するとともに前記荷電粒子ビームを収束させて絞ることを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
4. 前記散乱体は、前記スキャニング電磁石の上流側に備えたことを特徴とする請求項１ から請求項３のいずれか１項に記載の粒子線治療装置。
5. 前記散乱体は、前記スキャニング電磁石の下流側に備えたことを特徴とする請求項１ から請求項３のいずれか１項に記載の粒子線治療装置。
6. 前記絞り係数は、０．６以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の粒子線治療装置。

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