CN102397628B - 带电粒子束照射控制装置及带电粒子束照射方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带电粒子束照射控制装置及带电粒子束照射方法，其目的在于谋求带电粒子束的照射状态/非照射状态的切换的高速化的同时，可以谋求被射出的带电粒子束的稳定化。将带电粒子束的照射状态的加速电压设为基准加速电压，将加速电压切换为大于或小于基准加速电压的设定加速电压，从而改变带电粒子束的轨道，使带电粒子束(R0)碰撞到其他物体，从而使带电粒子束成为非照射状态。仅通过较大或较小地切换加速电压即可成为非照射状态，所以可以谋求照射状态/非照射状态的切换的高速化。并且由于无需进行离子源(21)的电弧放电的ON/OFF控制，所以不受电弧放电上升时的不稳定性的影响，可以谋求带电粒子束的稳定化。

Description

带电粒子束照射控制装置及带电粒子束照射方法

技术领域

本发明涉及一种带电粒子束照射控制装置及带电粒子束照射方法。

背景技术

例如在具备回旋加速器等的内部离子源的加速器中，通过对离子源的电弧放电进行ON/OFF控制来进行射束(带电粒子束)的照射状态/非照射状态的切换。并且，以往作为隔断回旋加速器的射束的装置，例如有专利文献1中记载的技术。在专利文献1中记载的射束隔断装置中，在内部离子源型回旋加速器中，通过使配置于内部离子源附近的快门移动至射束轨道上来隔断射束。

专利文献1：日本特开2002-25797号公报

图8是表示在内部离子源产生电弧放电而上升时的射束电流的一例的图表。如图8所示，由于电弧放电的上升不稳定，所以从加速器射出的射束也同样变得不稳定，其结果，存在成为不均匀的照射区的忧虑。

并且，在上述专利文献1中记载的以往技术中，由于通过机械地开关快门来进行射束的照射状态/非照射状态的切换，所以存在难以进行高速状态下的切换的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种谋求带电粒子束的照射状态/非照射状态的切换的高速化，并且，可以谋求被射出的带电粒子束的稳定化的带电粒子束照射控制装置及带电粒子束照射方法。

根据本发明的带电粒子束照射控制装置控制带电粒子束的照射，其特征在于，具备控制使带电粒子束加速的加速电压的控制单元，控制单元具备设定加速电压控制单元，该设定加速电压控制单元将带电粒子束的照射状态的加速电压设为基准加速电压，将加速电压切换为大于或小于基准加速电压的设定加速电压，从而使带电粒子束成为非照射状态。

并且，根据本发明的带电粒子束照射方法，对被照射体照射带电粒子束，其特征在于，具备控制使带电粒子束加速的加速电压的控制工序，控制工序具备设定加速电压控制工序，该设定加速电压控制工序将带电粒子束的照射状态的加速电压设为基准加速电压，将加速电压切换为大于或小于基准加速电压的设定加速电压，从而使带电粒子束成为非照射状态。

在该发明中，将带电粒子束的照射状态的加速电压设为基准加速电压，将加速电压切换为大于或小于基准加速电压的设定加速电压，从而改变带电粒子束的轨道，使带电粒子束碰撞到加速器内的物体，从而可以使带电粒子束成为非照射状态。这样仅通过较大或较小地切换加速电压即可成为非照射状态，所以可以谋求带电粒子束的照射状态/非照射状态的切换的高速化。并且，由于不基于离子源的电弧放电的ON/OFF控制，就可以切换带电粒子的照射/非照射，所以不受电弧放电的上升时的不稳定性的影响，可以谋求带电粒子束的稳定化。

在此，设定加速电压控制单元优选将设定加速电压控制成从离子源射出的带电粒子碰撞到设置于加速器内的电极。这样，通过控制设定加速电压而使从离子源射出的带电粒子束碰撞到电极来设为非照射状态。由此，使带电粒子束碰撞到从以往就被配置的电极上，从而可以设为非照射状态。

并且，适合向设定加速电压的切换之后，产生在离子源中的电弧放电，产生电弧放电之后，将加速电压切换为基准加速电压。由此，可以缩短将加速电压变更为设定加速电压的时间。因此，抑制加速电极的温度下降，可以谋求带电粒子束的稳定化。

发明效果

根据本发明，使被射出的带电粒子束稳定化的同时，可以谋求带电粒子束的照射状态/非照射状态的切换的高速化。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式所涉及的带电粒子束照射装置的一部分的立体图。

图2是图1的带电粒子束照射装置的简要结构图。

图3是图2中的回旋加速器的简要结构图。

图4是图3的回旋加速器的中央附近的主要部分放大图。

图5是表示仅实施加速电压的切换时的加速电压、电弧电压、射束电流的关系的图表。

图6是表示采取电弧电压的ON/OFF控制时的加速电压、电弧电压、射束电流的关系的图表。

图7是用于说明图1的带电粒子束照射装置的动作的图。

图8是表示通过对电弧放电进行ON/OFF控制来将带电粒子束设为照射状态时的射束电流的图表。

图9是表示加速电压与射束电流的关系的图表。

图中：1-带电粒子束照射装置，2-回旋加速器(加速器)，6-控制装置(控制单元、设定加速电压控制单元、电弧电压控制单元)，21-离子源，23、24-加速电极，31～33-中心电极。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。另外，在以下说明中对于相同或相当要素附加相同标记而省略重复说明。

对本发明的实施方式所涉及的带电粒子束照射装置进行说明。图1是表示本发明的实施方式所涉及的带电粒子束照射装置的一部分的立体图，图2是图1的带电粒子束照射装置的简要结构图。图1所示的带电粒子束照射装置1是根据扫描法的装置，安装在以包围治疗台11的方式设置的旋转托台12上，并且能够通过该旋转托台12绕治疗台11旋转。另外，虽然图1中未表示，但带电粒子束照射装置1在远离治疗台11及旋转托台12的位置具备有加速器2。

如图2所示，该带电粒子束照射装置1朝向患者13的体内的肿瘤(被照射物)14连续照射带电粒子束R。具体而言，带电粒子束照射装置1将肿瘤14向深度方向(Z方向)分为多层，在设定于各层的照射区F中沿照射线L(参照图7)以扫描速度V扫描带电粒子束R的同时，进行连续照射(所谓光栅扫描或线扫描)。即，带电粒子束照射装置1为了形成对准肿瘤14的三维照射区，将肿瘤14分割为多层而分别对这些各层进行平面扫描。由此，对准肿瘤14的三维形状照射带电粒子束R。

带电粒子束R是高速加速带有电荷的粒子的粒子束，作为带电粒子束R，例如可以举出质子束、重粒子(重离子)束、电子束等。照射区F例如成为最大200mm×200mm的区域，如图7所示，此处的照射区F的其外形成为矩形。另外，照射区F的形状也可以是各种形状，例如当然也可以设成沿肿瘤14的形状的形状。

照射线L是照射带电粒子束R的预定线(假想线)。此处的照射线L若以线扫描为例，则以矩形波状延伸，具体而言，包括如下而构成，即以预定间隔并列设置的多个第1照射线L1(L11～L1n，n是整数)、和连接相邻的第1照射线L1的一端彼此或另一端彼此的多个第2照射线L2。

回到图2，带电粒子束照射装置1具备有回旋加速器2、集束用电磁铁3a、3b、监视器4a、4b、扫描电磁铁5a、5b、探测雷达8及控制部6。

回旋加速器2是连续产生带电粒子束R的产生源。在该回旋加速器2产生的带电粒子束R通过射束输送系统7被输送至后段的集束用电磁铁3a。回旋加速器2成为如下结构，即接收从控制部6输出的指令信号来可以切换带电粒子束R的照射状态(ON)/非照射状态(OFF)。

集束用电磁铁3a、3b是使带电粒子束R集中而集束的电磁铁。集束用电磁铁3a、3b在带电粒子束R的照射轴(以下仅称作“照射轴”)中，配置在回旋加速器2的下游侧。

监视器4a监视带电粒子束R的射束位置，监视器4b监视带电粒子束R的照射量的绝对值和带电粒子束R的照射量分布。监视器4a例如在照射轴中配置在集束用电磁铁3a、3b之间，监视器4b例如在照射轴中配置在集束用电磁铁3b的下游侧。

扫描电磁铁5a、5b是用于扫描带电粒子束R的电磁铁。具体而言，通过使磁场根据所外加的电流来变化，使通过的带电粒子束R的照射位置在照射区移动。扫描电磁铁5a在照射区F的X方向(与照射轴正交的方向)扫描带电粒子束R，扫描电磁铁5b在照射区F的Y方向(与照射轴及X方向正交的方向)扫描带电粒子束R。这些扫描电磁铁5a、5b在照射轴中，配置在集束用电磁铁3b及监视器4b之间。另外，也有扫描电磁铁5a在Y方向扫描带电粒子束R，扫描电磁铁5b在X方向扫描带电粒子束R的情况。

探测雷达8用于对在深度方向分割为多层的肿瘤14的各层照射带电粒子束R。具体而言，该探测雷达8使所通过的带电粒子束R的能量损失变化，调整患者13的体内的带电粒子束R的到达深度，从而使带电粒子束R的到达深度与被分割的各层中的一个层对准。

控制装置(控制单元)6电连接于监视器4b及扫描电磁铁5a、5b，根据由监视器4b监视的带电粒子束R的照射量的绝对值和照射量分布，控制扫描电磁铁5a、5b的动作。控制装置6电连接到回旋加速器2，控制回旋加速器2的动作。控制装置6控制回旋加速器2的加速电压、电弧电压。

图3是图2中的回旋加速器的简要结构图。回旋加速器2具备有产生离子化粒子(带电粒子)的离子源(带电粒子产生源)21、连接于高频电源22且使带电粒子加速的一对加速电极23、24、配置于加速电极23、24两侧的多个对抗电极25～28、配置于带电粒子的环绕轨道R1的两侧的相位狭缝34。

加速电极23具有配置于回旋加速器2的中央部且规定带电粒子的环绕轨道R1的中心电极31、32。加速电极24具有配置于回旋加速器2的中央部且规定带电粒子的环绕轨道R1的中心电极33。

在离子源21中产生的带电粒子通过加速电极23、24外加加速电压，在通常的照射状态下，一边在环绕轨道R1上旋转一边加速。

控制装置6是作为控制使带电粒子加速的加速电压的控制单元来发挥作用。控制装置6通过切换加速电压来进行带电粒子束R的照射状态/非照射状态的控制。

控制装置6通过将照射状态的加速电压设为基准加速电压V(H)，将加速电压切换为小于基准加速电压V(H)的设定加速电压V(L)，从而将带电粒子束R设为非照射状态。作为设定加速电压V(L)，优选低于基准加速电压V(H)10-30％左右的电压。设定加速电压V(L)的下限受加速腔的次级电子倍增条件的限制。

并且，控制装置6作为电弧电压控制单元发挥作用，所述电弧电压控制单元控制用于产生离子源21中的电弧放电的电弧电压。

图5是表示仅实施加速电压的切换时的加速电压、电弧电压、射束电流的关系的图表。在图5中，在横轴表示时间的经过，“V1”表示加速电压，“V2”表示电弧电压，“I1”表示射束电流的变化。

首先，在时刻T1，控制装置6将加速电压V1设为设定加速电压V(L)。接着，在时刻T2，产生离子源21中的电弧电压V2。这时，从离子源21引出的带电粒子沿着图4中用实线表示的轨道R0运动，碰撞到中心电极32。带电粒子消失而成为非照射状态。

接着，在时刻T3，将加速电压V1设为基准加速电压V(H)。这时，从离子源21引出的带电粒子沿着图4中用虚线表示的轨道R1运动、加速，进而成为照射状态。

接着，在时刻T4，将加速电压V1设为设定加速电压V(L)。这时，从离子源21引出的带电粒子沿着图4中用实线表示的轨道R0运动，碰撞到中心电极32。带电粒子消失而成为非照射状态。

图6是表示采取电弧电压的ON/OFF控制时的加速电压、电弧电压、射束电流的关系的图表。在图6中，在横轴表示时间的经过，“V3”表示加速电压，“V4”表示电弧电压，“I2”表示射束电流的变化。

首先，在时刻T5，将加速电压V3设为基准加速电压V(H)。接着，在时刻T6，将加速电压V3设为设定加速电压V(L)。接着，在时刻T7，产生电弧电压V4而设为非照射状态，在时刻T8，将加速电压V3设为基准加速电压V(H)。这时，从离子源21引出的带电粒子沿着图4中用虚线表示的轨道R1运动并加速，进而成为照射状态。

接着，在时刻T9，将加速电压V3设为设定加速电压V(L)。这时，从离子源21引出的带电粒子沿着图4中用实线表示的轨道R0运动，碰撞到中心电极32。带电粒子消失而成为非照射状态。

接着，在时刻T10，将电弧电压V4设为OFF，在时刻T11，将加速电压V3设为基准加速电压V(H)。

接着，对已说明的带电粒子束照射装置1的动作进行说明。

在带电粒子束照射装置1中，将肿瘤14在深度方向分割为多层，朝向设定在其一个层上的照射区F照射带电粒子束R。并且，通过对各层重复实施该动作，沿肿瘤14的三维形状照射带电粒子束R。

在照射带电粒子束R时，通过用控制装置6控制扫描电磁铁5a、5b，沿照射区F的照射线L平行地扫描带电粒子束R。

这里，将带电粒子束R设为照射状态时，控制装置6在离子源21产生电弧放电，并且，将加速电压控制为基准加速电压V(H)，进而使带电粒子加速(控制工序)。由此，从回旋加速器2照射被加速的带电粒子。

另一方面，将带电粒子束R从照射状态切换至非照射状态时，控制装置6将加速电压从基准加速电压V(H)变更为设定加速电压V(L)(设定加速电压控制工序)。由此，如图4所示，从离子源21引出的带电粒子沿轨道R0前进，碰撞到中心电极32，且不被加速。因此，从回旋加速器2不照射带电粒子。

将带电粒子束R从非照射状态切换至照射状态时，控制装置6将加速电压从设定加速电压V(L)变更为基准加速电压V(H)。

这样，如果根据本实施方式的带电粒子束照射装置1，通过将带电粒子束的照射状态的加速电压设为基准加速电压，并将加速电压切换为小于基准加速电压的设定加速电压来设为非照射状态。即，减小加速电压，变更带电粒子束的轨道，使带电粒子束碰撞到中心电极32而使其消失。这样，仅通过较小地切换加速电压，即可设为非照射状态，所以可以谋求带电粒子束的照射状态/非照射状态的切换的高速化。另外，在本实施方式的带电粒子束照射装置1中，例如可以在1ms以下执行射束电流的ON/OFF控制。

具备本发明的带电粒子束照射控制装置的带电粒子束装置，由于可以高速进行带电粒子束的照射状态/非照射状态的切换(ON/OFF控制)，所以在进行扫描照射的治疗装置中特别有效。在进行扫描照射时，例如重要的是使射束在1ms以下稳定，在1ms以下切换射束而使其稳定，从而可以适当地保持射束的均匀性。例如，在沿着图7中的第1照射线L1的照射中，每1线进行10ms以下的连续照射。

并且，不通过离子源21的电弧放电的ON/OFF控制，就可以切换带电粒子的照射/非照射，所以在该切换时，不会受到电弧放电的上升时的不稳定性的影响。由此，可以谋求向带电粒子束的照射状态的切换之后的带电粒子束的稳定化。

并且，由于是使带电粒子束碰撞到中心电极32而使其消失的结构，所以通过利用以往被设定的中心电极32，可以将带电粒子束设为非照射状态。

并且，无需对加速电压进行OFF，就可以设为非照射状态，所以加速电极的温度不会大幅度下降。

在此，在进一步抑制加速电极的温度下降时，在即将使带电粒子束成为照射状态之前对离子源电弧进行OFF，并且，将加速电压设为基准加速电压V(H)的状态。接着，将加速电压从基准加速电压V(H)切换为设定加速电压V(L)之后，产生离子源21中的电弧放电。接着，在电弧放电稳定之后，将加速电压从设定加速电压V(L)切换至基准加速电压V(H)。由此，通过缩短将加速电压控制为设定加速电压V(L)的时间，可以将加速电极的温度下降控制在最小限，从而可以谋求带电粒子束的稳定化。

图9是表示加速电压与射束电流的关系的图表。在图9中，在横轴表示加速电压，在纵轴表示射束电流。图中“V_pmax”表示加速腔的次级电子倍增条件的最高电压，“V(L)”为设定加速电压V(L)，“V(H)”为基准加速电压V(H)。并且，“V(H)_min”为开始产生射束电流的加速电压V(H)_min。开始产生射束电流的加速电压V(H)_min为每个回旋加速器中互不相同，没有简单的规则性。设定加速电压V(L)被设定为低于加速电压V(H)_min即可。并且，如图9所示，基准加速电压(H)具有预定的范围，而不是1点的值。

以上，基于其实施方式对本发明进行了具体说明，但本发明不限于上述实施方式。在上述实施方式中，将带电粒子束的照射状态的加速电压设为基准加速电压，将加速电压切换为小于基准加速电压的设定加速电压，从而将带电粒子束设为非照射状态，但也可以通过将加速电压切换为大于基准加速电压的设定加速电压，将带电粒子束设为非照射状态。

在图4中，图示出将加速电压切换为大于基准加速电压的设定加速电压时的带电粒子的轨道R2。这时的轨道R2比通常的照状射态的环绕轨道R1更向径方向的外侧前进，带电粒子碰撞到中心电极31。由此，可以将带电粒子束设为非照射状态。

并且，在上述实施方式中，决定设定加速电压以使从离子源射出的带电粒子碰撞到中心电极32，例如也可以使带电粒子碰撞到其他中心电极、加速电极、对抗电极、相位狭缝、壁体等，从而设为非照射状态。

并且，在上述实施方式中，对本发明的带电粒子束照射装置(方法)的向医疗领域的应用进行了说明，但也可以将本发明应用于例如半导体晶片照射等的产业用放射线照射装置等，其他领域的带电粒子束照射装置。

Claims (12)

1.一种带电粒子束照射控制装置，控制带电粒子束的照射，其特征在于，

具备控制使带电粒子加速的加速电压的控制单元，

所述控制单元具备设定加速电压控制单元，该设定加速电压控制单元为，将带电粒子束的照射状态的加速电压设为基准加速电压，通过将加速电压切换为大于所述基准加速电压的设定加速电压或小于所述基准加速电压的设定加速电压，由此使带电粒子束成为非照射状态。

2.如权利要求1所述的带电粒子束照射控制装置，其特征在于，所述设定加速电压控制单元控制所述设定加速电压，以使从离子源射出的带电粒子碰撞到设置于加速器内的电极上。

3.如权利要求2所述的带电粒子束照射控制装置，其特征在于，

所述设定加速电压控制单元控制所述设定加速电压，以使从离子源射出的带电粒子，碰撞到配置于加速器的中央部且规定带电粒子的环绕轨道的中心电极上。

4.如权利要求1～3任一项所述的带电粒子束照射控制装置，其特征在于，还具备：电弧电压控制单元，在向所述设定加速电压切换之后，产生在离子源中的电弧放电；以及

所述控制单元，在产生电弧放电之后，将所述加速电压切换为所述基准加速电压。

5.如权利要求1～3任一项所述的带电粒子束照射控制装置，其特征在于，所述设定加速电压控制单元，无需对所述加速电压进行OFF，就将带电粒子束设为非照射状态。

6.一种带电粒子束照射装置，具备如权利要求1～5任一项所述的带电粒子束照射控制装置，其特征在于，

该带电粒子束照射装置进行扫描照射。

7.一种带电粒子束照射方法，对被照射体照射带电粒子束，其特征在于，

具备控制使带电粒子束加速的加速电压的控制工序，

所述控制工序具备设定加速电压控制工序，该设定加速电压控制工序为，将带电粒子束的照射状态的加速电压设为基准加速电压，通过将加速电压切换为大于所述基准加速电压的设定加速电压或小于所述基准加速电压的设定加速电压，由此使带电粒子束成为非照射状态。

8.如权利要求7所述的带电粒子束照射方法，其特征在于，所述设定加速电压控制工序控制所述设定加速电压，以使从离子源射出的带电粒子碰撞到设置于加速器内的电极上。

9.如权利要求8所述的带电粒子束照射方法，其特征在于，

所述设定加速电压控制工序控制所述设定加速电压，以使从离子源射出的带电粒子，碰撞到配置于加速器的中央部且规定带电粒子的环绕轨道的中心电极上。

10.如权利要求7～9任一项所述的带电粒子束照射方法，其特征在于，还具备：

电弧电压控制工序，在向所述设定加速电压的切换之后，产生在离子源中的电弧放电；以及

所述控制工序，在产生电弧放电之后，将所述加速电压切换为所述基准加速电压。

11.如权利要求7～9任一项所述的带电粒子束照射方法，其特征在于，所述设定加速电压控制工序，无需对所述加速电压进行OFF，就将带电粒子束设为非照射状态。

12.如权利要求7～9任一项所述的带电粒子束照射方法，其特征在于，对所述被照射体扫描照射带电粒子束。