CN104335686A - 带电粒子束输送系统及粒子射线治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于利用带电粒子束输送系统来吸收在从加速器以慢排出方式射出时所产生的发射率的差异，实现在等中心处旋转依赖性较少的射束尺寸。本发明的带电粒子束输送系统(59)的特征在于，其固定输送部(61)使得绕旋转机架的机架转轴(15)旋转的旋转偏转部(60)的入口处的带电粒子束(31)的相位空间分布的相位成为根据基于第1相位提前及第2相位提前的平均值进行的运算而决定的相位。第1相位提前为在机架角度为机架基准角度的情况下、相位空间分布中的相位从旋转偏转部(60)的入口到等中心(IC)为止提前的变化量，第2相位提前为在机架角度为从机架基准角度旋转90°后的角度的情况下的上述变化量。

Description

带电粒子束输送系统及粒子射线治疗装置

技术领域

本发明涉及输送由质子、重粒子等带电粒子构成的带电粒子束的带电粒子束输送系统及将所输送的带电粒子束照射于物体、人体等被照射体的粒子射线治疗装置。

背景技术

一般而言，粒子射线治疗装置包括：射束产生装置，该射束产生装置产生带电粒子束；加速器，该加速器与射束产生装置相连接，对所产生的带电粒子束进行加速；带电粒子束输送系统，该带电粒子束输送系统对加速到加速器所设定的能量之后射出的带电粒子束进行输送；以及粒子射线照射装置，该粒子射线照射装置设置在射束输送系统的下游，用于将带电粒子束照射于照射对象。

一般而言，带电粒子束输送系统的带电粒子束中的带电粒子的运动基于以射束的前进方向为s方向、与s方向垂直且为加速器的偏转方向的x方向、与s方向及x方向垂直的y方向的坐标系来表述。这里，带电粒子束输送系统的射束中的带电粒子的分布是不均匀的，对于作为加速器的同步加速器的慢排出方式的情况，一般在y方向上呈高斯分布，x方向上为非高斯分布，相当于射束在相位空间上的面积的发射率在x方向、y方向上不对称。另外，慢排出方式为在较长期间内一点点排出带电粒子束的方式。

此外，若着眼于各带电粒子的运动，则其前进方向各不相同，且随时间而变化，射束整体上进行被称为电子感应加速器振荡(betatron oscillation)的一定周期的振荡。相位空间上带电粒子的射束椭圆的角度、宽度可利用四极电磁铁等来改变，但即使在此情况下，发射率(椭圆的面积)也保持一定。一般而言，在带电粒子束输送系统中，发射率在x方向和y方向上不对称，即使利用四极电磁铁等也无法消除其差异。

由于发射率如上述那样不对称，在制定粒子射线治疗的治疗计划时，难以确保照射于患部的剂量的均匀性。即，x方向的带电粒子在患部为非高斯分布使得治疗计划的制定变复杂，还会导致虽然在容许范围内，但实际照射的剂量不均匀。此外，为了将粒子射线集中照射于患部，并使正常组织的曝光量为最低限度，优选利用使粒子射线照射装置在患部的周围旋转的旋转机架。然而，若发射率存在不对称性，则射束在患部的照射点形状会随着旋转机架的旋转角度而变化，这也会导致治疗计划的制定变困难。

专利文献1中，以使发射率变对称为目的，示出了包括作为斜四极电磁铁、螺线管电磁铁的发射率调整单元的带电粒子束输送系统。专利文献2中，示出了在带电粒子束的输送系统中包括散射体和由设置在该散射体下游侧的多个四极电磁铁构成的下游侧电磁铁的带电粒子射线照射装置。利用该散射体及下游侧电磁铁，力图实现发射率的对称化，且力图使x方向及y方向的带电粒子分布呈高斯分布。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平9-265000号公报(0005段至0009段，图1)

专利文献2：日本专利特开2006-351339号公报(0011段至0013段、图3)

发明内容

发明所要解决的技术问题

以往，为了防止患者的患部上射束的照射点形状随着旋转机架的旋转角度而变化，在带电粒子束输送系统中设置力图在输入至旋转机架的偏转电磁铁前实现发射率的对称化的发射率调整单元、或散射体及下游侧电磁铁。现有的带电粒子束输送系统追加了发射率调整单元、或散射体及下游侧电磁铁，因此，存在带电粒子束输送系统变得大型化的问题。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于利用带电粒子束输送系统来吸收在从加速器以慢排出方式射出时所产生的发射率的差异，实现在等中心处旋转依赖性较少的射束尺寸。

解决技术问题的技术方案

本发明的带电粒子束输送系统中，对于从加速器射出的带电粒子束，将加速器的射出位置上与带电粒子束的前进方向垂直的面内的、加速器的环绕轨道面内的方向设为x方向，将与带电粒子束的前进方向垂直的面内的、与x方向正交的方向设为y方向，在这种情况下，该带电粒子束的x方向的发射率与y方向的发射率不同，该带电粒子束输送系统将带电粒子束输送至粒子射线照射装置，所述粒子射线照射装置装载在能以等中心为中心而旋转的旋转机架上，所述带电粒子束输送系统包括：旋转偏转部，该旋转偏转部装载于旋转机架，并绕旋转机架的机架转轴旋转；及从加速器到旋转偏转部的固定输送部，旋转偏转部具有多个偏转电磁铁。根据本发明的带电粒子束输送系统，其特征在于，在从机架转轴方向观察的情况下，以粒子射线照射装置的射束中心线与旋转偏转部的入口处的带电粒子束的y方向的轴之间的角度为机架角度，以加速器的射出位置处的x方向的发射率和y方向的发射率分离以确保各自的发射率的方式输送带电粒子束的旋转机架的角度为机架基准角度，设在机架角度为机架基准角度的情况下，带电粒子束的相位空间分布中的相位从旋转偏转部的入口到等中心为止所提前的变化量为第1相位提前，设在机架角度为从机架基准角度旋转90°后的角度的情况下，带电粒子束的相位空间分布中的相位从旋转偏转部的入口到等中心为止所提前的变化量为第2相位提前，固定输送部使得旋转偏转部的入口处的带电粒子束的相位空间分布的相位成为根据基于第1相位提前及第2相位提前的平均值进行的运算而决定的相位。

发明效果

根据本发明的带电粒子束输送系统，固定输送部能使旋转偏转部的入口处的带电粒子束的相位空间分布成为其相位为根据基于第1相位提前及第2相位提前的平均值进行的运算而决定的相位等的规定相位空间分布，因此，即使是在带电粒子束输送系统的旋转偏转部的入口处具有慢排出特征的x方向发射率非常小的射束，也能实现在等中心处旋转依赖性较少的射束尺寸。

附图说明

图1是本发明的粒子射线治疗装置的简要结构图。

图2是表示图1的粒子射线治疗装置的结构的图。

图3是表示本发明的带电粒子束输送系统的旋转偏转部的结构的图。

图4是从左侧观察图3的旋转偏转部的侧视图。

图5是表示本发明的实施方式1的从旋转偏转部到等中心的带电粒子的电子感应加速器函数(betatron function)的图。

图6是表示本发明的实施方式1的从旋转偏转部到等中心的带电粒子的运动量分散函数的图。

图7是表示本发明的实施方式1的旋转偏转部的入口处带电粒子的相位空间分布的图。

图8是表示本发明的实施方式1的旋转偏转部的角度为0°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图9是表示本发明的实施方式1的旋转偏转部的角度为30°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图10是表示本发明的实施方式1的旋转偏转部的角度为60°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图11是表示本发明的实施方式1的旋转偏转部的角度为90°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图12是表示本发明的实施方式1的旋转偏转部的角度为120°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图13是表示本发明的实施方式1的旋转偏转部的角度为150°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图14是表示本发明的实施方式1的旋转偏转部的角度为180°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图15是表示本发明的实施方式1的旋转偏转部的角度为210°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图16是表示本发明的实施方式1的旋转偏转部的角度与等中心处的射束尺寸的关系的图。

图17是对本发明的带电粒子束输送系统的固定输送部的x方向的带电粒子的相位空间分布进行说明的图。

图18是表示本发明的实施方式2的从旋转偏转部到等中心的带电粒子的电子感应加速器函数的图。

图19是表示本发明的实施方式2的从旋转偏转部到等中心的带电粒子的运动量分散函数的图。

图20是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的入口处带电粒子的相位空间分布的图。

图21是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为0°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图22是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为30°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图23是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为60°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图24是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为90°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图25是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为120°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图26是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为150°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图27是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为180°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图28是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为210°时在等中心的带电粒子的相位空间分布的图。

图29是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度与等中心处的射束尺寸的关系的图。

图30是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为0°时的射束尺寸的图。

图31是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为0°时的x方向射束尺寸的图。

图32是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为0°时的y方向射束尺寸的图。

图33是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为30°时的射束尺寸的图。

图34是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为60°时的射束尺寸的图。

图35是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为90°时的射束尺寸的图。

图36是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为120°时的射束尺寸的图。

图37是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为150°时的射束尺寸的图。

图38是对相位运算的概念进行说明的归一化相位空间的图。

图39是对相位运算的概念进行说明的归一化相位空间的图。

图40是对相位运算的概念进行说明的归一化相位空间的图。

具体实施方式

实施方式1.

图1是本发明的粒子射线治疗装置的简要结构图，图2是表示本发明的粒子射线照射装置的结构的图。图3是表示本发明的带电粒子束输送系统的旋转偏转部的结构的图，图4是从左侧观察图3的旋转偏转部的侧视图。图1中，粒子射线治疗装置51具备射束产生装置52、带电粒子束输送系统59、及粒子射线照射装置58a、58b。射束产生装置52具有离子源(未图示)、前级加速器53、及加速器54。粒子射线照射装置58b设置于旋转机架(未图示)。粒子射线照射装置58a设置于不具有旋转机架的治疗室。

带电粒子束输送系统59的作用是连接加速器54和粒子射线照射装置58a、58b。加速器54与粒子射线照射装置58a、58b经由真空管57相连接，带电粒子束通过真空管57。带电粒子束输送系统59的一部分设置于旋转机架(未图示)，设置于旋转机架的旋转偏转部60具有多个偏转电磁铁10a、10b、10c及多个四极电磁铁11a、11b、11c、11d。旋转偏转部60随着旋转机架的旋转而旋转。带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60以外的部分即固定输送部61具有多个偏转电磁铁48a、48b、48c、48d、48e、48f、48g、48h、48i及多个四极电磁铁49a、49b、49c、49d、49e、49f、49g、49h、49i、49j。固定输送部61的偏转电磁铁的标号统一使用48，在区别说明时使用48a至48i。固定输送部61的四极电磁铁的标号统一使用49，在区别说明时使用49a至49j。旋转偏转部60的偏转电磁铁的标号统一使用10，在区别说明时使用10a、10b、10c。

由离子源产生的质子射线等粒子射线即带电粒子束由前级加速器53进行加速，从入射装置46入射到加速器54中。这里，加速器54以同步加速器为例进行说明。带电粒子束被加速到规定的能量。从加速器54的射出装置47射出的带电粒子束经过带电粒子束输送系统59而被输送到粒子射线照射装置58a、58b。粒子射线照射装置58a、58b将带电粒子束照射到照射对象45(参照图2)上。粒子射线照射装置的标号统一使用58，在进行区别说明时使用58a、58b。对于从加速器54射出的带电粒子束31，将加速器54的射出位置上与带电粒子束31的前进方向(s方向)垂直的面内的、加速器54的环绕轨道面内的方向设为x方向，将与带电粒子束31的前进方向垂直的面内的、与x方向正交的方向设为y方向，在这种情况下，该带电粒子束的x方向的发射率较小，y方向的发射率较大。加速器54的射出位置上的带电粒子束31的射束坐标系为射束坐标系73。带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60的入口处的带电粒子束31的射束坐标系为射束坐标系74。另外，将射束坐标系的s方向的轴称为s轴，将射束坐标系的x方向的轴称为x轴，将射束坐标系的y方向的轴称为y轴。

由射束产生装置52产生且被加速至规定能量的带电粒子束31经由带电粒子束输送系统59，被引导至粒子射线照射装置58。图2中，粒子射线照射装置58包括在与带电粒子束31垂直的方向即X方向以及Y方向上对带电粒子束31进行扫描的X方向扫描电磁铁32及Y方向扫描电磁铁33、位置监视器34、剂量监视器35、剂量数据转换器36、射束数据处理装置41、扫描电磁铁电源37、以及控制粒子射线照射装置58的照射管理装置38。照射管理装置38包括照射控制计算机39和照射控制装置40。剂量数据转换器36包括触发生成部42、点计数器43、点间计数器44。此外，带电粒子束31的前进方向是-Z方向。

X方向扫描电磁铁32是沿X方向对带电粒子束31进行扫描的扫描电磁铁，Y方向扫描电磁铁33是沿Y方向对带电粒子束31进行扫描的扫描电磁铁。位置监视器34检测出射束信息，该射束信息用于计算由X方向扫描电磁铁32及Y方向扫描电磁铁33扫描后的带电粒子束31所通过的射束中的通过位置(重心位置)、尺寸。射束数据处理装置41基于由位置监视器34检测出的多个模拟信号(射束信息)构成的射束信息来计算带电粒子束31的通过位置(重心位置)、尺寸。并且，射束数据处理装置41生成表示带电粒子束31的位置异常或尺寸异常的异常检测信号，并将该异常检测信号输出至照射管理装置38。

剂量监视器35检测带电粒子束31的剂量。照射管理装置38基于利用未图示的治疗计划装置所生成的治疗计划数据，来控制照射对象45中带电粒子束31的照射位置，若由剂量监视器35测定并被剂量数据转换器36转换为数字数据的剂量达到目标剂量，则停止带电粒子束31。扫描电磁铁电源37基于从照射管理装置38输出到X方向扫描电磁铁32及Y方向扫描电磁铁33的控制输入(指令)，来改变X方向扫描电磁铁32及Y方向扫描电磁铁33的设定电流。

这里，粒子射线照射装置58的扫描照射方式如混合扫描照射方式(在变更射束照射位置(照射点)时不停止射束的方式)、具体而言改变带电粒子束31的照射位置时不停止带电粒子束31的光栅扫描照射方式那样来进行，并像点扫描照射方式那样，使射束照射位置依次在照射点位置之间移动，对此进行说明。点计数器43是测量带电粒子束31的射束照射位置停留期间内的照射剂量的装置。点间计数器44是测量带电粒子束31的射束照射位置移动期间内的照射剂量的装置。触发生成部42是在射束照射位置上的带电粒子束31的剂量达到目标照射剂量时生成剂量已满信号的装置。

图3示出绕机架转轴15旋转的旋转角度(以下适当称为机架角度)为0°和180°时的带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60。实线所示的情况是旋转角度为0°的情况，虚线所示的情况是旋转角度为180°的情况。为了与实线所示的情况进行区别，对虚线所示的情况标注不同的标号。旋转偏转部60中，带电粒子束31按照以下所示的顺序通过各电磁铁而到达粒子射线照射装置58。带电粒子束31的电磁铁通过顺序为偏转电磁铁10a、四极电磁铁11a、11b、偏转电磁铁10b、四极电磁铁11c、11d、偏转电磁铁10c。旋转角度为180°时的旋转偏转部60中，带电粒子束31按照以下所示的顺序通过各电磁铁而到达粒子射线照射装置68(图3及图4)。为了区别旋转角度，图3及图4中的粒子射线照射装置的标号也使用了不同于58的标号。旋转角度为90°、180°、270°的粒子射线照射装置的标号分别为67、68、69。带电粒子束31的电磁铁通过顺序为偏转电磁铁22a、四极电磁铁23a、23b、偏转电磁铁22b、四极电磁铁23c、23d、偏转电磁铁22c。等中心IC是旋转偏转部60旋转时带电粒子束31的射束中心线14彼此相交的点。旋转角度为0°、90°、180°、270°时通过粒子射线照射装置的带电粒子束的射束坐标系分别为射束坐标系75、射束坐标系77、射束坐标系76、射束坐标系78。

这里，考虑机架角度的基准。绕机架转轴15旋转的旋转角度即机架角度定义为粒子射线照射装置58的带电粒子束31的射束中心线14与旋转偏转部60的入口处的带电粒子束31的射束坐标系74中的y方向的轴之间的角度。射束中心线14与旋转偏转部60的入口处的带电粒子束31的y方向的轴(y轴)重叠时的机架角度设为机架基准角度。在机架角度为机架基准角度的情况下，带电粒子束31以加速器54的射出位置处的x方向的发射率和y方向的发射率分离从而确保各自的发射率的方式由带电粒子束输送系统59进行输送。机架基准角度可以是任意机架角度，但这里设为0°。

图4是从左侧观察图3的旋转偏转部的侧视图，还追加了旋转角度为90°和270°的情况。射束中心线16是将通过旋转角度为0°的粒子射线照射装置58和旋转角度为180°的粒子射线照射装置68的射束中心线14旋转90°后得到的，是通过旋转角度为90°的粒子射线照射装置67和旋转角度为270°的粒子射线照射装置69的带电粒子束31的射束中心线。图4中，旋转角度为0°的偏转电磁铁10a、10c的标号在旋转角度为90°、270°的情况下发生改变。旋转角度为90°的情况下为偏转电磁铁20a、20c，旋转角度为270°的情况下为偏转电磁铁24a、24c。

带电粒子束输送系统59的射束设计是指调整偏转电磁铁、四极电磁铁的磁铁排列以及各四极电磁铁的强度，决定了下式(1)所示的输送矩阵。

[数学式1]

$\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ x_2^{\′}\\ y_2\\ y_2^{\′}\\ t_2\\ p_{t2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}& m_{14}& m_{15}& m_{16}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}& m_{24}& m_{25}& m_{26}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}& m_{34}& m_{35}& m_{36}\\ m_{41}& m_{42}& m_{43}& m_{44}& m_{45}& m_{46}\\ m_{51}& m_{52}& m_{53}& m_{54}& m_{55}& m_{56}\\ m_{61}& m_{62}& m_{63}& m_{64}& m_{65}& m_{66}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_1^{\′}\\ y_1\\ y_1^{\′}\\ t_1\\ p_{t1}\end{array}\right]...\left(1\right)$

带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60及固定输送部61的射束设计也与带电粒子束输送系统59的射束设计相同。以带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60为例进行说明。输送矩阵表示的是入口的三维坐标及其运动量与出口的三维坐标及运动量的关系。右边的(x₁、y₁、x’₁、y’₁、t₁、p_t1)为旋转机架入口处的带电粒子的位置(x₁、y₁)、s方向的斜率(x’₁、y’₁)、时间t₁、及带电粒子的运动量p_t1。左边的(x₂、y₂、x’₂、y’₂、t₂、p_t2)为旋转偏转部60的出口处的带电粒子的位置(x₂、y₂)、s方向的斜率(x’₂、y’₂)、时间t₂、及带电粒子的运动量p_t2。一撇’表示对s的微分，即d/ds。

带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60的射束设计中，利用较少的磁铁数、参数来决定上述输送矩阵成为课题，以往，对上述输送矩阵进行变形，使用电子感应加速器函数β、和运动量分散函数η的概念。运动量分散函数η为Δpt/pt。本发明中，关于运动量分散函数η，与以往方法相同，假定在旋转偏转部60的入口有η_x＝0、η’_x＝0、η_y＝0、η’_y＝0的射束到来，并设计成在旋转偏转部60的出口满足η_x＝0、η’_x＝0、η_y＝0、η’_y＝0。通过施加这种制约，作为旋转偏转部60的射束设计，仅考虑下式(2)即可。

[数学式2]

$\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ x_2^{\′}\\ y_2\\ y_2^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}& m_{14}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}& m_{24}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}& m_{34}\\ m_{41}& m_{42}& m_{43}& m_{44}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_1^{\′}\\ y_1\\ y_1^{\′}\end{array}\right]...\left(2\right)$

式(2)中，不使用时间t₁、t₂及带电粒子的运动量p_t1、p_t2，因此，即使旋转偏转部60随机架的旋转而旋转，在旋转偏转部60的出口也不会产生因运动量之差而导致的射束尺寸变化、射束尺寸的变化率之差。

接着，着眼于机架角度为0°(或180°)时和90°(或270°)时。旋转偏转部60的偏转电磁铁在仅由垂直或水平的偏转电磁铁构成的情况下，式(2)将变为式(3)，x方向与y方向的耦合消失。

[数学式3]

$\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ x_2^{\′}\\ y_2\\ y_2^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{m}_{11}& m_{12}& 0& 0\\ m_{21}& m_{22}& 0& 0\\ 0& 0& m_{33}& m_{34}\\ 0& 0& m_{43}& m_{44}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_1^{\′}\\ y_1\\ y_1^{\′}\end{array}\right]...\left(3\right)$

此外，通过在旋转偏转部60的入口，使得射束的相位空间上的特征量即电子感应加速器函数β、α在x方向和y方向上一致，即，使得β_x＝β_y、α_x＝α_y，从而因电子感应加速器函数β之差而导致的射束尺寸的旋转依赖性消失。另外，将相对于s的β的函数称为电子感应加速器函数。

在实施方式1的旋转偏转部60的射束设计中，将旋转偏转部60的入口及出口的条件设为如下所述。

旋转偏转部60的入口的条件为β_x＝β_y、α_x＝α_y、η_x＝0、η’_x＝0、η_y＝0、η’_y＝0。

旋转偏转部60的出口的条件为β_x＝β_y、α_x＝α_y、η_x＝0、η’_x＝0、η_y＝0、η’_y＝0。

通过如上述那样设定旋转偏转部60的入口及出口的条件，即尽可能简化，从而能利用较少的调整参数来进行旋转偏转部60的射束设计。式(3)中的调整参数为m₁₁、m₁₂、m₂₁、m₂₂、m₃₃、m₃₄、m₄₃、m₄₄。

图5及图6中示出图3的旋转偏转部60的电子感应加速器函数β和运动量分散函数η。图5是表示本发明的实施方式1的从旋转偏转部到等中心IC的带电粒子的电子感应加速器函数的图。横轴为s方向的距离，纵轴为电子感应加速器函数β。另外，图5中，未记载电子感应加速器函数α。图5(a)是x方向的电子感应加速器函数β，图5(b)是y方向的电子感应加速器函数β。图6是表示本发明的实施方式1的从旋转偏转部到等中心IC的带电粒子的运动量分散函数的图。横轴为s方向的距离，纵轴为运动量分散函数η。图6(a)是x方向的运动量分散函数η，图5(b)是y方向的运动量分散函数η。在图5(a)、图5(b)、图6(a)、图6(b)各图中，旋转偏转部60的入口为s＝0m，旋转偏转部60的出口为左端的s＝14m附近。实施方式1的示例中，利用4个四极电磁铁11a、11b、11c、11d，使带电粒子束31通过旋转偏转部60，实现等中心IC的射束特性良好的输送矩阵。

若是非扫描照射方式的现有照射法，则即使等中心IC处的x方向和y方向的射束尺寸不同，在实际的照射中，也会因散射体、摇摆电磁铁而使射束尺寸扩展，在旋转偏转部的出口，使带电粒子散射至不依赖于原来的射束尺寸大小的程度来照射，因此，射束尺寸的差异不会成为问题。然而，在扫描照射方式中，要求尽可能小的射束尺寸，因此，期望散射尽可能少。在散射不怎么令人期待的情况下，作为加速器54、带电粒子束输送系统59的射束设计，优选为x方向和y方向的射束尺寸一致，且x方向和y方向的射束尺寸没有旋转机架的角度依赖性。

X方向射束尺寸σ_x及y方向射束尺寸σ_y一般表述为式(4)那样。ε_x、ε_y分别是x方向的发射率及y方向的发射率。发射率ε_x、ε_y为相位空间上的面积。x方向的相位空间如图7(a)所示，是横轴为x方向的距离x、纵轴为x方向的斜率x’来表示的空间。同样，y方向的相位空间如图7(b)所示，是横轴为y方向的距离y、纵轴为y方向的斜率y’来表示的空间。

[数学式4]

$\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_x=\sqrt{{\mathrm{\β}}_x{\mathrm{\ϵ}}_x}\\ {\mathrm{\σ}}_y=\sqrt{{\mathrm{\β}}_y{\mathrm{\ϵ}}_y}\end{array}...\left(4\right)$

电子感应加速器函数β_x、β_y为可根据旋转机架的射束设计而变化的量(依赖于输送矩阵的量)。与此相对，发射率ε_x、ε_y是取决于加速器54的射出情况的量，在由带电粒子束输送系统59输送带电粒子的过程中不存在散射体等的情况下，该发射率是固定的。发射率ε_x、ε_y依赖于加速器54的排出机制，在从加速器54以慢排出方式射出的情况下，发射率ε_x、ε_y为不同值。若将发射率ε_x和发射率ε_y相比，发射率ε_y要大得多，发射率ε_y为发射率ε_x的2倍乃至10倍以上。本发明中，尽量利用带电粒子束输送系统59的射束设计来消除因该发射率ε_x、ε_y的差异而导致的射束尺寸差异。

若在旋转偏转部60中存在由散射体和四极电磁铁组合而成的结构，或旋转偏转部60的四极电磁铁至少对旋转机架的每一旋转角度变更各四极电磁铁的强度，则能尽量消除射出尺寸差异。然而，通过在不改变四极电磁铁的强度的同时消除每一旋转角度的射束尺寸的差异，来低价地实现旋转偏转部60，这点较为重要。期望这种带电粒子束输送系统59的射束设计方法也能适用于已有的设施，且在已有的设施中也能实现带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60。从式(3)可知，能分为以x、x’为对象的2×2的输送矩阵和以y、y’为对象的2×2的输送矩阵，来执行带电粒子束输送系统59的射束设计。

接下来，讨论发射率较小所产生的影响。从加速器54将带电粒子束31慢排出的射束排出方式(慢射束射束排出方式)中，使在加速器54内环绕的带电粒子束31朝加速器54的外周侧(x方向)移动，仅排出带电粒子束31的外周侧，使环绕的带电粒子束31在较长期间内一点点从加速器54射出到带电粒子束输送系统59。图7是表示本发明的实施方式1的旋转偏转部的入口处带电粒子的相位空间分布的图。图7(a)是x方向的相位空间分布，图7(b)是y方向的相位空间分布。旋转偏转部60的入口处的x方向的相位空间分布中，由于来自加速器54的射出固有特性，x方向的分布被限制，成为比起椭圆更接近线状的分布。与此相对，在y方向上没有限制，因此，y方向的相位空间分布呈椭圆。相位空间上的面积为发射率，因此，在x方向和y方向上有较大差异。

本发明的实施方式1的带电粒子束输送系统59的射束设计中，分为带电粒子束31通过旋转偏转部60使等中心IC的射束特性良好的旋转偏转部60的射束设计、和为了在等中心IC处实现旋转依赖性较少的射束尺寸而实现输入至旋转偏转部60的带电粒子的相位空间分布的固定输送部61的射束设计。在固定输送部61的射束设计时，决定为了在等中心IC处实现旋转依赖性较少的射束尺寸而输入到至旋转偏转部60的带电粒子的相位空间分布。

在决定输入至旋转偏转部60的带电粒子的相位空间分布时，x方向的相位空间分布近似为线状，y方向的相位空间分布近似为椭圆。x方向的相位空间分布近似为线状，因此，比起面积，相位更加重要。旋转偏转部60的入口处的x方向的相位空间分布的相位通过着眼于旋转机架的相位关系来决定。具体而言，旋转偏转部60的入口处的x方向的相位空间分布的相位是根据基于机架角度相差90°的两个机架角度θ1、θ2各自从旋转偏转部60的入口到出口的相位提前(phase advance)的平均值进行的运算来决定的相位，例如，对将机架角度0°和90°的从入口到出口的相位提前(phase advance)的小数部分别求平均后得到的平均值取负数(-)。

考虑图3所示的旋转偏转部60的电磁铁排列，利用旋转偏转部60的输送矩阵来设计旋转偏转部60，使得各电磁铁的强度满足图5及图6所示的电子感应加速器函数及运动量分散函数。机架角度为0°的情况(图4的实线所记载的旋转偏转部60的配置)下的相位提前为1.382(497.52°)，在旋转偏转部60的出口旋转497.52°。机架角度为90°的情况(图4的偏转电磁铁20a、20c、粒子射线照射装置67所记载的旋转偏转部60的配置)下的相位提前为0.522，在旋转偏转部60的出口旋转93.96°。机架角度为180°的带电粒子束31的相位空间分布与机架角度为0°的带电粒子束31的相位空间分布在理论上一致。机架角度360°为一周，是180°的2倍，因此，无视一周的量，即以180°的相位提前进行标准化，相位提前为497.52°-360°＝137.52°。

为了使得在机架角度变化时，x方向的射束尺寸不发生变化，利用相位提前即93.96°与相位提前即137.52°的中间值(平均值)即114.465°。即，若使旋转偏转部60的入口处的x方向的相位空间分布的相位为-114.465°，则在旋转偏转部60的出口和等中心IC，如图8及图11那样，无论旋转偏转部60的机架角度、即旋转机架的设置角度为0°还是为90°，都能实现基本相同的射束尺寸。对平均值取负数(-)的理由将在后面阐述。

在不利用X方向扫描电磁铁32、Y方向扫描电磁铁33扫描带电粒子束31的情况下，等中心IC处的射束尺寸与旋转偏转部60的出口处的射束尺寸基本相等。在利用X方向扫描电磁铁32、Y方向扫描电磁铁33扫描带电粒子束31的情况下，与不扫描带电粒子束31的情况相比，等中心IC处的射束尺寸虽然多少有变化，但即使在此情况下，等中心IC处的射束尺寸也与旋转偏转部60的出口处的射束尺寸基本相等。

图8至图15是表示本发明的实施方式1的旋转偏转部的角度分别为0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°时在等中心IC的带电粒子的相位空间分布的图。各图的(a)是x方向的相位空间分布，各图的(b)是y方向的相位空间分布。各图的(a)中，横轴是x方向的距离x，纵轴是x方向的斜率x’。各图的(b)中，横轴是y方向的距离y，纵轴是y方向的斜率y’。图中的rms是指均方根(root mean square)。图中所示的射束尺寸(rms)是相当于标准偏差σ的大小。将射束尺寸(rms)称为射束尺寸1σ。

如图8所示，旋转偏转部60的角度为0°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.29mm及1.29mm。如图9所示，旋转偏转部的角度为30°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.30mm及1.30mm。如图10所示，旋转偏转部的角度为60°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.30mm及1.30mm。如图11所示，旋转偏转部的角度为90°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.30mm及1.30mm。

如图12所示，旋转偏转部的角度为120°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.29mm及1.30mm。如图13所示，旋转偏转部的角度为150°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.29mm及1.29mm。如图14所示，旋转偏转部的角度为180°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.29mm及1.30mm。如图15所示，旋转偏转部的角度为210°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.30mm及1.30mm。

如图8至图15所示，虽然x方向及y方向的相位空间分布的形状、相位不同，但x方向及y方向的射束尺寸1σ基本相等。说明对相位提前及的平均值取负数(-)的理由。旋转偏转部60的入口处的相位选择非常重要。若入口处的相位选择得不好，则出口处的相位空间上射束的相位空间分布就会变为垂直方向，因此，射束尺寸变得过小，无法达到所希望的射束尺寸，不是优选的。若对相位提前及的平均值取负数(-)，则在旋转偏转部60的出口(等中心)，机架的相位提前量被取消。对于旋转机架，相位从入口到出口是提前的，因此，优选在入口处相位为提前之前的状态。例如，旋转机架中提前60°时，若设定为-60°，则在旋转偏转部60的出口(等中心)旋转偏转部60中的相位提前量将被取消。

图16是表示本发明的实施方式1的旋转偏转部的角度与等中心IC处的射束尺寸的关系的图。横轴是旋转偏转部60的机架角度θ，纵轴为相当于标准偏差σ的3倍大小的射束尺寸3σ。实线所示的特性71为x方向特性，虚线所示的特性72为y方向特性。通过如上述那样设定实施方式1的旋转偏转部60，能实现基本一定的射束尺寸，而不依赖于旋转偏转部60的旋转角度、即旋转机架的旋转角度。

实施方式1的带电粒子束输送系统59中，在现有设计中旋转偏转部60的入口条件即β_x＝β_y、α_x＝α_y、η_x＝0、η’_x＝0、η_y＝0、η’_y＝0的基础上，追加了入口处的x方向的相位空间分布的相位用这样的入口条件来实现。旋转偏转部60的入口处的x方向的相位空间分布的相位通过对机架角度相差90°的两个机架角度θ1、θ2各自的从旋转偏转部60的入口到出口的相位提前(phase advance)的小数部分别求平均后得到的平均值取负数(-)而得到。为了使旋转偏转部60的入口处的x方向的相位空间分布的相位为设计的规定值，例如，对带电粒子束输送系统59的固定输送部61追加四极电磁铁，或移动四极电磁铁的位置，或变更励磁量的设定值。

接着，对本发明的带电粒子束输送系统59的固定输送部61的射束设计进行说明。带电粒子束输送系统59的固定输送部61设计成满足如下3个条件。条件1为带电粒子束31通过固定输送部61。条件2为运动量分散函数η及y方向的带电粒子的相位空间分布满足现有条件。条件3为在固定输送部61的入口处的x方向的带电粒子的相位空间分布成为输入至旋转偏转部60的规定的相位空间分布，以用于实现在等中心IC处旋转依赖性较少的射束尺寸。实施方式1的带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60中的规定相位空间分布为上述旋转偏转部60的入口处的x方向的相位空间分布的相位通过对机架角度相差90°的两个机架角度θ1、θ2各自的从旋转偏转部60的入口到出口的相位提前(phase advance)减去半整数部后的小数部分别求平均后得到的平均值取负数(-)而得到。

射束物理中，一般考虑设横轴为x、纵轴为x’的相位空间上的粒子的运动。在射束前进的同时，相位空间上的粒子分布按照电子感应加速器函数(β(s))进行伸缩，且按照相位提前(phase advance)进行旋转。在β相同的情况下，左右射束尺寸的是粒子分布的相位。为了仅着眼于相位，考虑对电子感应加速器函数所涉及的变形进行归一化后的归一化相位空间。该归一化相位空间中，x的取值范围为±1，x’的取值范围为±1。

该归一化相位空间中，大小不变化，射束每次被输送时沿逆时针方向进行旋转。例如，设旋转机架为0°时的x方向相位提前(phase advance)为ν₀＝2.9，旋转机架为90°时的x方向相位提前(phase advance)为ν₉₀＝0.8。利用图38～图40，说明相位运算的概念。

图38是设旋转机架入口的相位为0.15、旋转机架为0°时的x方向相位提前朝ν₀＝2.9提前的情况下的归一化相位空间。图39是设旋转机架入口的相位为0.15、旋转机架为90°时的x方向相位提前朝ν₉₀＝0.8提前的情况下的归一化相位空间。图40是用于将旋转机架入口的相位为0.15、x方向相位提前为ν₀＝2.9的情况与x方向相位提前为ν₉₀＝0.8的情况进行比较的图。在图38～图40中，相位线101为旋转机架入口的相位，相位线102为旋转机架0°时的等中心IC的相位，相位线103为旋转机架90°时的等中心IC的相位。

旋转机架入口的相位计算为-(2.9+0.8)/2＝-1.85。相位在绕半周时也是相同的，因此，旋转机架入口的相位可设为-1.85±n/2＝0.15±m/2。另外，n、m是自然数。因此，可变形为下式。

-(2.9+0.8)/2＝-0.85＝0.15-2/2

这表示结果与利用2.9的小数部0.9与0.8的小数部0.8的平均值的情况相同。

接下来，考虑半整数部。2.9除去半整数部后的部分为0.4。0.8除去半整数部后的部分为0.3。此情况下也与上述情况相同，变为下式，结果相同。

-(0.4+0.3)/2＝-0.35＝0.15-1/2

若以角度来呈现，则为沿逆时针方向旋转54°±180°的角度。

机架角度为0°时和90°时，等中心IC在x方向的扩展情况(图38～图40中为投影长度)基本相同。在0°与90°之间的角度下，存在x方向与y方向的耦合，因此并不简单，但基本在此区间内，因此，射束尺寸不依赖于机架角度而能保持固定。

上述条件1是当然的，对条件2及3进行具体说明。图17是对本发明的带电粒子束输送系统的x方向的带电粒子的相位空间分布进行说明的图。图17(a)是在固定输送部61的出口处x方向的相位空间分布为x方向相位分布98的示例，图17(b)是在固定输送部61的出口处x方向的相位空间分布为x方向相位分布99的示例。x方向相位分布97为加速器54的出口处的相位空间分布。x方向相位分布98、99为固定输送部61的出口、即旋转偏转部60的入口处的相位空间分布。x方向相位分布97、98、99呈线状分布。x方向相位分布97的端点p1的坐标为(x₁、x’₁)，x方向相位分布97的端点p2的坐标为(-x₁、-x’₁)。相位Ψ₁为x方向相位分布97的相位，相位Ψ₂为x方向相位分布98、x方向相位分布99的相位。

x方向相位分布98、99在旋转偏转部60的入口处的端点p1均为端点p11(x₂、x’₂)，在旋转偏转部60的入口处的端点p2均为端点p12(-x₂、-x’₂)。x方向相位分布98与x方向相位分布99的差异在于端点p11所存在的相位空间上的象限相反。

条件2为旋转偏转部60的入口处β_y、α_y、η_x、η’_x、η_y、η’_y满足与以往一样的条件，即，η_x、η’_x、η_y、η’_y全部为0，β_y、α_y为满足等中心IC处的射束条件的值。将该条件2称为约束条件1。

条件3为以在固定输送部61的出口(旋转偏转部60的入口)实现具有端点p11(x₂、x’₂)及端点p12(-x₂、-x’₂)的x方向相位分布98、x方向相位分布99的方式决定输送矩阵M。将该条件3称为约束条件2。输送矩阵M是带电粒子束输送系统59的固定输送部61的入口及出口的Twiss参数和相位提前(phaseadvance)的函数，若利用Twiss参数来表达条件则如式(5)那样。另外，Twiss参数是以电子感应加速器函数β、α为参数时的称法。

[数学式5]

$\begin{array}{c}{x}_2=A_1{x}_1+\sqrt{{\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\β}}_2}\sin \left(\mathrm{\Δ\ψ}\right){x^{\′}}_1\\ {x^{\′}}_2=B_1{x}_1+C_1{x^{\′}}_1\end{array}...\left(5\right)$

这里，式(5)的系数A₁、B₁、C₁如式(6)所示。

[数学式6]

$\begin{array}{c}{A}_1=\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_2}{{\mathrm{\β}}_1}}[\cos \left(\mathrm{\Δ\ψ}\right)+{\mathrm{\α}}_1\sin \left(\mathrm{\Δ\ψ}\right)]\\ B_1=\frac{\{1+{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2\}\sin \left(\mathrm{\Δ\ψ}\right)+\{{\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1\}\cos \left(\mathrm{\Δ\ψ}\right)}{\sqrt{{\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\β}}_2}}\\ C_1=\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\β}}_2}}[\cos \left(\mathrm{\Δ\ψ}\right)-{\mathrm{\α}}_2\sin \left(\mathrm{\Δ\ψ}\right)]\end{array}...\left(6\right)$

其中，β₁、α₁为固定输送部61的入口的Twiss参数，β₂、α₂为固定输送部61的出口的Twiss参数，ΔΨ为从固定输送部61的入口到出口的相位提前(phase advance)，相当于Ψ₂-Ψ₁。x₁、x’₁是由加速器54的射出设计决定的，x₂、x’₂是由使得射束尺寸不依赖角度时的旋转机架(旋转偏转部60)的设计决定的。

本发明的实施方式1的带电粒子束输送系统59中，在旋转偏转部60的入口，使x方向的相位空间分布的相位通过对机架角度相差90°的两个机架角度θ1、θ2各自的从旋转偏转部60的入口到出口的相位提前(phase advance)的小数部分别求平均后得到的平均值取负数(-)而得到。即，使得具有端点p11(x₂、x’₂)及端点p12(-x₂、-x’₂)的x方向相位分布98(或99)的相位成为对机架角度相差90°的两个机架角度θ1、θ2各自的从旋转偏转部60的入口到出口的相位提前(phase advance)的小数部分别求平均后得到的平均值取负数(-)而得到的相位x方向相位分布98(或99)的相位Ψ₂成为上述相位

满足条件1至3的带电粒子束输送系统59的固定输送部61的设计流程如下。

步骤S1：如以往那样，利用Twiss参数为条件来决定四极电磁铁49的配置及极性。这里，若将四极电磁铁49的配置加入到自由度中，则之后的工序变得过长，因此，制作四极电磁铁49的底座。如此，能缩短之后的工序。

步骤S2：绘制任意椭圆，以接近固定输送部61的出口(旋转偏转部60的入口)处的x方向的相位空间分布，并计算Twiss参数。还计算椭圆的相位Ψ₂。固定输送部61的出口(旋转偏转部60的入口)的射束分布较重要，因此，以出口为基准。

步骤S3：利用式(5)来计算固定输送部61的入口的Twiss参数。此时，ΔΨ假定为任意值，根据Ψ₂和ΔΨ计算入口的相位Ψ₁。为了从Twiss参数了解带电粒子束31能通过固定输送部61这一情况，重复步骤S2及3，使得入口的Twiss参数所对应的椭圆(发射率当然为出口的值)包含入口的射束分布。每次进行跟踪来确认射束尺寸的情况下不限于此。

步骤S4：设计固定输送部61，使得满足固定输送部61的入口和出口处的Twiss参数及约束条件2。另外，现有的设计方法相当于执行该步骤S4。

步骤S5：重复步骤S2至步骤S4，直至步骤S4中找到恰当的解。在没有解的情况下，返回至步骤S1，进行四极电磁铁49的配置、极性变更。

另外，确认这样设计的设计结果满足以往的设计条件。通过进行该确认，能顺畅地进行带电粒子束输送系统59设置后的调整操作。此外，在遵守步骤S1中决定的四极电磁铁49的配置及极性的情况下，也能顺畅地进行带电粒子束输送系统59设置后的调整操作。

实施方式1的带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60无需变更3个偏转电磁铁10a、10b、10c和4个四极电磁铁11a、11b、11c、11d的电磁铁强度，而是在现有设计的入口条件的基础上追加入口处的x方向的相位空间分布的相位通过采用这样的新入口条件，从而即使在带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60的入口处发射率存在不对称，也能实现在等中心IC处旋转依赖性较少的射束尺寸。

根据以上那样的实施方式1的带电粒子束输送系统59，该带电粒子束输送系统59中，对于从加速器54射出的带电粒子束31，将加速器54的射出位置上与带电粒子束31的前进方向垂直的面内的、加速器的环绕轨道面内的方向设为x方向，将与带电粒子束31的前进方向垂直的面内的、与x方向正交的方向设为y方向，在这种情况下，该带电粒子束的x方向的发射率与y方向的发射率不同，该带电粒子束输送系统59将带电粒子束31输送至粒子射线照射装置58，所述粒子射线照射装置58装载在能以等中心IC为中心进行旋转的旋转机架上，该带电粒子束输送系统59包括：旋转偏转部60，该旋转偏转部60装载于旋转机架，并绕旋转机架的机架转轴15旋转；及从加速器54到旋转偏转部60的固定输送部61，旋转偏转部60具有多个偏转电磁铁10。根据实施方式1的带电粒子束输送系统59，其特征在于，在从机架转轴方向观察的情况下，以粒子射线照射装置58的射束中心线14与旋转偏转部60的入口处的带电粒子束31的y方向的轴之间的角度为机架角度，以加速器54的射出位置处的x方向的发射率和y方向的发射率分离从而确保各自的发射率的方式输送带电粒子束31的旋转机架的角度为机架基准角度，设在机架角度为机架基准角度的情况下，带电粒子束31的相位空间分布中的相位从旋转偏转部60的入口到等中心IC为止所提前的变化量为第1相位提前，设在机架角度为从机架基准角度旋转90°后的角度的情况下，带电粒子束31的相位空间分布中的相位从旋转偏转部60的入口到等中心IC为止所提前的变化量为第2相位提前，固定输送部61使得旋转偏转部60的入口处的带电粒子束31的相位空间分布的相位成为根据基于第1相位提前及第2相位提前的平均值进行的运算而决定的相位，因此，固定输送部61能使旋转偏转部60的入口处的x方向的相位空间分布的相位为规定相位，即，能使旋转偏转部60的入口处的带电粒子束31的相位空间分布成为其相位为根据基于第1相位提前及第2相位提前的平均值进行的运算而决定的相位等的规定相位空间分布，即使是在带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60的入口处具有慢排出特征的x方向发射率非常小的射束，也能实现在等中心IC处旋转依赖性较少的射束尺寸。

根据以上实施方式1的粒子射线治疗装置51，其特征在于，包括：射束产生装置52，该射束产生装置52产生带电粒子束31，并利用加速器54使该带电粒子束31加速；带电粒子束输送系统59，该带电粒子束输送系统59对于由加速器54加速后的带电粒子束31进行输送，将加速器54的射出位置上与带电粒子束31的前进方向垂直的面内的、加速器54的环绕轨道面内的方向设为x方向，将与带电粒子束31的前进方向垂直的面内的、与x方向正交的方向设为y方向，在这种情况下，该带电粒子束的x方向的发射率与y方向的发射率不同；粒子射线照射装置58，该粒子射线照射装置58将经带电粒子束输送系统59输送的带电粒子束31照射到照射对象45上；以及旋转机架，该旋转机架装载粒子射线照射装置，能以等中心为中心进行旋转，带电粒子束输送系统59包括：旋转偏转部60，该旋转偏转部60装载于旋转机架，并绕旋转机架的机架转轴15旋转；及从加速器54到旋转偏转部60的固定输送部61，旋转偏转部60具有多个偏转电磁铁10，在从机架转轴方向观察的情况下，以粒子射线照射装置58的射束中心线14与旋转偏转部60的入口处的带电粒子束31的y方向的轴之间的角度为机架角度，以加速器54的射出位置处的x方向的发射率和y方向的发射率分离从而确保各自的发射率的方式输送带电粒子束31的旋转机架的角度为机架基准角度，设在机架角度为机架基准角度的情况下，带电粒子束31的相位空间分布中的相位从旋转偏转部60的入口到等中心IC为止所提前的变化量为第1相位提前，设在机架角度为从机架基准角度旋转90°后的角度的情况下，带电粒子束31的相位空间分布中的相位从旋转偏转部60的入口到等中心IC为止所提前的变化量为第2相位提前，固定输送部61使得旋转偏转部60的入口处的带电粒子束31的相位空间分布的相位成为根据基于第1相位提前及第2相位提前的平均值进行的运算而决定的相位，因此，固定输送部61能使旋转偏转部60的入口处的x方向的相位空间分布的相位为规定相位，即，能使旋转偏转部60的入口处的带电粒子束31的相位空间分布成为其相位为根据基于第1相位提前及第2相位提前的平均值进行的运算而决定的相位等的规定相位空间分布，即使是在带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60的入口处具有慢排出特征的x方向发射率非常小的射束，也能实现在等中心IC处旋转依赖性较少的射束尺寸。

实施方式2.

对本发明的实施方式2的带电粒子束输送系统59进行说明。实施方式2中，使x方向的相位空间分布近似为具有端点的线状分布，在带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60的入口处实现具有利用将式(3)的输送矩阵的一部分取出后的矩阵来计算出的端点的线状分布，以此方式构成带电粒子束输送系统59的固定输送部61。这样，通过控制旋转偏转部60的入口处的带电粒子束31的x方向的相位空间分布，从而用带电粒子束输送系统59来吸收在从加速器54以慢排出方式射出时所产生的发射率的差异，能实现在等中心IC处旋转依赖性较少的射束尺寸。

对本发明的实施方式2的带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60的射束设计进行说明。如实施方式1中说明的那样，关于运动量分散函数η，与以往方法相同，假定在旋转偏转部60的入口有η_x＝0、η’_x＝0、η_y＝0、η’_y＝0的射束到来，并设计成在旋转偏转部60的出口满足η_x＝0、η’_x＝0、η_y＝0、η’_y＝0。进一步地，着眼于机架角度为0°(或180°)时和90°(或270°)时。在旋转偏转部60的偏转电磁铁仅由在固定输送部61的偏转电磁铁的平行面及垂直面内偏转的偏转电磁铁构成的情况下，与实施方式1同样，x方向与y方向没有耦合，得到式(3)那样的输送矩阵。

在旋转偏转部60的入口及出口的条件上，与实施方式1不同，其没有α_x＝α_y的制约。即，在实施方式2的旋转偏转部60的射束设计中，旋转偏转部60的入口及出口的条件如下所述。

旋转偏转部60的入口的条件为β_x＝β_y、η_x＝0、η’_x＝0、η_y＝0、η’_y＝0。

旋转偏转部60的出口的条件为η_x＝0、η’_x＝0、η_y＝0、η’_y＝0。

通过如上述那样设定旋转偏转部60的入口及出口的条件，即尽可能简化，从而能利用较少的调整参数来进行旋转偏转部60的射束设计。式(3)中的调整参数为m₁₁、m₁₂、m₂₁、m₂₂、m₃₃、m₃₄、m₄₃、m₄₄。

本发明的实施方式2的旋转偏转部60(参照图3)的电子感应加速器函数β和运动量分散函数η示于图18及图19中。图18是表示本发明的实施方式2的从旋转偏转部到等中心IC的带电粒子的电子感应加速器函数的图。横轴为s方向的距离，纵轴为电子感应加速器函数β。另外，图18中，未记载电子感应加速器函数α。图18(a)是x方向的电子感应加速器函数β，图18(b)是y方向的电子感应加速器函数β。图19是表示本发明的实施方式2的从旋转偏转部到等中心IC的带电粒子的运动量分散函数的图。横轴为s方向的距离，纵轴为运动量分散函数η。图19(a)是x方向的运动量分散函数η，图19(b)是y方向的运动量分散函数η。在图18(a)、图18(b)、图19(a)、图19(b)各图中，旋转偏转部60的入口为s＝0m，旋转偏转部60的出口为左端的s＝14m附近。实施方式2的示例中，利用4个四极电磁铁11a、11b、11c、11d，实现等中心IC的射束特性良好的输送矩阵。

考虑以下示例：即，本发明的实施方式2的旋转偏转部60的电磁铁排列为图3所示的旋转偏转部60的电磁铁排列，在各电磁铁的强度满足图18及图19所示电子感应加速器函数及运动量分散函数的情况下，利用旋转偏转部60的输送矩阵来进行旋转偏转部60的射束设计。选择此情况下的旋转机架的输送矩阵的一部分并取出。取出式(3)的输送矩阵的一部分后的矩阵为式(7)。将选择输送矩阵的一部分并取出后的矩阵称为选择矩阵。

[数学式7]

$\left[\begin{array}{cc}{m}_{11}& m_{12}\\ m_{33}& m_{34}\end{array}\right]...\left(7\right)$

式(7)的矩阵中的m₁₁、m₁₂、m₃₃、m₃₄分别为将等中心IC处的x方向的射束尺寸、y方向的射束尺寸、旋转机架入口即旋转偏转部60的入口的相位空间上的分布相关联的量。基于该量，决定如下的旋转机架入口处的x方向的理想相位空间上的线状分布。

相位空间上的线状射束的特征量为相位空间上的端点的坐标(x、x’)。于是，以端点的坐标(x、x’)为未知数，利用式(7)的输送矩阵，导出式(8)的联立方程式。

[数学式8]

$\left[\begin{array}{cc}{m}_{11}& m_{12}\\ m_{33}& m_{34}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ x^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\sqrt{{\mathrm{\β}}_y{\mathrm{\ϵ}}_y}\\ \sqrt{{\mathrm{\β}}_y{\mathrm{\ϵ}}_y}\end{array}\right]...\left(8\right)$

对式(8)的含义进行说明。该公式为用于在使机架角度为0°或180°的情况及使机架角度为90°或270°的情况下、实现相同射束尺寸的公式。若实现在上述2个角度下能够实现基本相同的射束尺寸的光学系统(带电粒子束输送系统59)，则在上述2个角度之间的角度下仅产生不会导致问题的程度的差异。

若在机架入口(旋转偏转部60的入口)实现以由式(8)得到的端点的坐标(x、x’)为一端、以该端点的坐标(x、x’)的原点为中心的点对称的坐标、即在另一端具有(-x、-x’)的相位空间上的线状分布，则在通过现有的设定方法所设计的旋转偏转部60后，在等中心IC处射束尺寸的旋转依赖性消失。

由上述步骤得到的实施方式2的旋转偏转部60的入口处的带电粒子的相位空间分布如图20那样。此外，实施方式2的旋转偏转部60在等中心IC处的带电粒子的相位空间分布如图21至图28那样。

图21至图28是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度分别为0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°时在等中心IC的带电粒子的相位空间分布的图。各图的(a)是x方向的相位空间分布，各图的(b)是y方向的相位空间分布。各图的(a)中，横轴是x方向的距离x，纵轴是x方向的斜率x’。各图的(b)中，横轴是y方向的距离y，纵轴是y方向的斜率y’。图中所示的射束尺寸(rms)为实施方式1中说明的射束尺寸1σ。

如图21所示，旋转偏转部60的角度为0°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.29mm及1.29mm。如图22所示，旋转偏转部的角度为30°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.30mm及1.29mm。如图23所示，旋转偏转部的角度为60°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.30mm及1.30mm。如图24所示，旋转偏转部的角度为90°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.30mm及1.30mm。

如图25所示，旋转偏转部的角度为120°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.29mm及1.30mm。如图26所示，旋转偏转部的角度为150°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.29mm及1.30mm。如图27所示，旋转偏转部的角度为180°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.29mm及1.29mm。如图28所示，旋转偏转部的角度为210°时的x方向及y方向的射束尺寸1σ分别为1.30mm及1.29mm。

如图21至图28所示，虽然x方向及y方向的相位空间分布的形状、相位不同，但x方向及y方向的射束尺寸1σ基本相等。图29是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度与等中心IC处的射束尺寸的关系的图。横轴是旋转偏转部60的机架角度θ，纵轴为相当于标准偏差σ的3倍大小的射束尺寸3σ。实线所示的特性81为x方向特性，虚线所示的特性82为y方向特性。通过如上述那样设定实施方式2的旋转偏转部60，能实现基本一定的射束尺寸，而不依赖于旋转偏转部60的旋转角度、即旋转机架的旋转角度。

实施方式2的带电粒子束输送系统59的固定输送部61中，通过在旋转偏转部60的入口条件即β_x＝β_y、η_x＝0、η’_x＝0、η_y＝0、η’_y＝0的基础上，利用上述以由式(8)得到的端点的坐标(x、x’)为一端、以该端点的坐标(x、x’)的原点为中心的点对称的坐标、即在另一端具有(-x、-x’)的相位空间上的线状分布，来实现固定输送部61的出口。

固定输送部61的设计流程与实施方式1中说明的设计流程相同。但是，实施方式2中，与实施方式1不同的是，约束条件中未设定β_x＝β_y、α_x＝α_y的制约条件。

图30、图33至图37是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度分别为0°、30°、60°、90°、120°、150°时从旋转偏转部的入口到等中心的带电粒子的射束尺寸的关系的图。横轴为s方向的距离，纵轴为射束尺寸3σ。各图中，区间S1、S3、S5分别为通过偏转电磁铁10a、10b、10c的区间,区间S2为配置有四极电磁铁11a、11b的区间，区间S4为配置有四极电磁铁11c、11d的区间。区间S6为从偏转电磁铁10c的出口、即旋转偏转部60的出口到等中心IC的区间。

图31是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为0°时的x方向射束尺寸的图，图32是表示本发明的实施方式2的旋转偏转部的角度为0°时的y方向射束尺寸的图。x方向特性83是使x方向的相位空间分布为图20(a)的线状分布来进行仿真而得到的结果。y方向特性84是使y方向的相位空间分布为图20(b)的椭圆分布来进行仿真而得到的结果。x方向特性85是利用x方向的Twiss参数来进行仿真而得到的结果。y方向特性86是利用y方向的Twiss参数来进行仿真而得到的结果。图31中，x方向特性83与x方向特性85不怎么一致。这表示若使x方向的相位空间分布近似为椭圆分布，则无法得到正确的射束尺寸。图32中，y方向特性84与y方向特性86相当一致。区间S1中有偏差，但该偏差较小，为可无视的程度。

实施方式2的带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60中，无需变更3个偏转电磁铁10a、10b、10c和4个四极电磁铁11a、11b、11c、11d的电磁铁的强度，从现有设计的入口条件中解除β_x＝β_y、α_x＝α_y的制约条件，追加规定的x方向的相位空间分布，从而在等中心IC，射束尺寸的旋转依赖性消失。规定的x方向的相位空间分布为以由式(8)得到的端点的坐标(x、x’)为一端、以该端点的坐标(x、x’)的原点为中心的点对称的坐标、即在另一端具有(-x、-x’)的相位空间上的线状分布。规定的x方向的相位空间分布在带电粒子束输送系统59的固定输送部61中追加四极电磁铁、或错开四极电磁铁的位置的基础上，使励磁量再优化，在旋转偏转部60的入口处实现必要的粒子分布。实施方式2的带电粒子束输送系统59与实施方式1相比，约束条件较少，减少了为能达成课题的调整要素，力图实现进一步的紧凑化。

实施方式2的带电粒子束输送系统59中，使旋转偏转部60的入口处的x方向的相位空间分布为如上所示的规定的x方向的相位空间分布，因此，即使在带电粒子束输送系统59的旋转偏转部60的入口处发射率存在不对称，也能实现在等中心IC处旋转依赖性较少的射束尺寸。

标号说明

10、10a、10b、10c 偏转电磁铁

14 射束中心线

15 机架转轴

31 带电粒子束

45 照射对象

51 粒子射线治疗装置

54 加速器

58、58a、58b 粒子射线照射装置

59 带电粒子束输送系统

60 旋转偏转部

61 固定输送部

β_x、β_y、α_x、α_y Twiss参数

IC 等中心

Claims (9)

1.一种带电粒子束输送系统，对于从加速器射出的带电粒子束，将所述加速器的射出位置上与所述带电粒子束的前进方向垂直的面内的、所述加速器的环绕轨道面内的方向设为x方向，将与所述带电粒子束的前进方向垂直的面内的、与所述x方向正交的方向设为y方向，在这种情况下，该带电粒子束的x方向的发射率与y方向的发射率不同，所述带电粒子束输送系统将所述带电粒子束输送至粒子射线照射装置，所述粒子射线照射装置装载在能以等中心为中心进行旋转的旋转机架上，所述带电粒子束输送系统的特征在于，

包括：旋转偏转部，该旋转偏转部装载于所述旋转机架，并绕所述旋转机架的机架转轴旋转；及从所述加速器到所述旋转偏转部的固定输送部，

所述旋转偏转部具有多个偏转电磁铁，

在从所述机架转轴方向观察的情况下，以所述粒子射线照射装置的射束中心线与所述旋转偏转部的入口处的所述带电粒子束的所述y方向的轴之间的角度为机架角度，

以所述加速器的射出位置处的所述x方向的发射率和所述y方向的发射率分离从而确保各自的发射率的方式输送所述带电粒子束的所述旋转机架的角度为机架基准角度，

设在所述机架角度为所述机架基准角度的情况下，所述带电粒子束的相位空间分布中的相位从所述旋转偏转部的入口到所述等中心为止所提前的变化量为第1相位提前，

设在所述机架角度为从所述机架基准角度旋转90°后的角度的情况下，所述带电粒子束的所述相位空间分布中的相位从所述旋转偏转部的入口到所述等中心为止所提前的变化量设为第2相位提前，

所述固定输送部使得所述旋转偏转部的入口处的所述带电粒子束的所述相位空间分布的相位成为根据基于所述第1相位提前及所述第2相位提前的平均值进行的运算而决定的相位。

2.如权利要求1所述的带电粒子束输送系统，其特征在于，

所述固定输送部使得所述旋转偏转部的入口处的所述带电粒子束的所述相位空间分布的相位成为基于将所述第1相位提前以180°的相位提前进行标准化后的相位提前、与将所述第2相位提前以180°的相位提前进行标准化后的相位提前的平均值而得到的相位。

3.如权利要求1所述的带电粒子束输送系统，其特征在于，

所述固定输送部使得所述旋转偏转部的入口处的所述带电粒子束的所述相位空间分布的相位成为对将所述第1相位提前以180°的相位提前进行标准化后的相位提前、与将所述第2相位提前以180°的相位提前进行标准化后的相位提前的平均值取负数后的相位。

4.如权利要求1至3的任一项所述的带电粒子束输送系统，其特征在于，

所述旋转偏转部中的所述x方向及所述y方向的Twiss参数在该旋转偏转部的入口及出口处相一致。

5.如权利要求4所述的带电粒子束输送系统，其特征在于，

在所述旋转偏转部的入口及出口，该旋转偏转部中的所述x方向的Twiss参数β_x与所述y方向的Twiss参数β_y相一致，且所述x方向的Twiss参数α_x与所述y方向的Twiss参数α_y相一致。

6.一种带电粒子束输送系统，对于从加速器射出的带电粒子束，将所述加速器的射出位置上与所述带电粒子束的前进方向垂直的面内的、所述加速器的环绕轨道面内的方向设为x方向，将与所述带电粒子束的前进方向垂直的面内的、与所述x方向正交的方向设为y方向，在这种情况下，该带电粒子束的x方向的发射率与y方向的发射率不同，所述带电粒子束输送系统将所述带电粒子束输送至粒子射线照射装置，所述粒子射线照射装置装载在能以等中心为中心进行旋转的旋转机架上，所述带电粒子束输送系统的特征在于，

包括：旋转偏转部，该旋转偏转部装载于所述旋转机架，并绕所述旋转机架的机架转轴旋转；及从所述加速器到所述旋转偏转部的固定输送部，

所述旋转偏转部具有多个偏转电磁铁，

所述固定输送部中，在所述旋转偏转部的入口，所述带电粒子束的所述x方向的相位空间分布为能以利用规定的选择矩阵而计算出的线状分布来近似的分布，

所述选择矩阵为

在所述旋转偏转部的入口及出口、所述y方向及所述x方向的运动量分散函数为0、且所述运动量分散函数中与所述x方向及所述y方向垂直的所述带电粒子束的前进方向的斜率为0时从所述旋转偏转部的入口到所述等中心为止的输送矩阵的一部分，

具有将构成所述旋转偏转部的入口处的所述带电粒子束的带电粒子的位置(x₁、y₁)及该位置处的所述带电粒子束的前进方向的斜率(x’₁、y’₁)、与所述等中心处的所述带电粒子的位置(x₂、y₂)及该位置处的所述带电粒子束的前进方向的斜率(x’₂、y’₂)相关联的输送矩阵的分量m₁₁、m₁₂、m₃₃、m₃₄，

以所述等中心处的所述y方向的射束尺寸为σ_y，

以m₁₁x₀+m₁₂x’₀＝σ_y为第1式，

以m₃₃x₀+m₃₄x’₀＝σ_y为第2式，

根据所述第1式及所述第2式，计算出所述线状分布的一个端点(x₀、x’₀)和另一端点(-x₀、-x’₀)。

7.如权利要求6所述的带电粒子束输送系统，其特征在于，

所述旋转偏转部中的所述x方向及所述y方向的Twiss参数在该旋转偏转部的入口及出口处相一致。

8.如权利要求7所述的带电粒子束输送系统，其特征在于，

在所述旋转偏转部的入口及出口，该旋转偏转部中的所述x方向的Twiss参数β_x与所述y方向的Twiss参数β_y相一致。

9.一种粒子射线治疗装置，其特征在于，包括：

射束产生装置，该射束产生装置产生带电粒子束，并利用加速器使该带电粒子束加速；

带电粒子束输送系统，该带电粒子束输送系统对于由所述加速器加速后的带电粒子束进行输送，该带电粒子束的x方向的发射率与y方向的发射率在以下情况下不同，即，将所述加速器的射出位置上与所述带电粒子束的前进方向垂直的面内的、所述加速器的环绕轨道面内的方向设为x方向，将与所述带电粒子束的前进方向垂直的面内的、与所述x方向正交的方向设为y方向；

粒子射线照射装置，该粒子射线照射装置将经所述带电粒子束输送系统输送的带电粒子束照射到照射对象上；以及

旋转机架，该旋转机架装载所述粒子射线照射装置，能以等中心为中心进行旋转，

所述带电粒子束输送系统是如权利要求1至8的任一项所述的带电粒子束输送系统。