CN105392527A - 射束输送系统及粒子射线治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于获得一种射束输送系统，该射束输送系统中，即使是从小型化的同步加速器射出的射束，也能使射束的照射位置的射束的色差基本成为零。根据本发明的射束输送系统(4)，光学参数计算装置(17)的特征在于，基于由射束解析装置(14)计算得到的射束分布监视器(11)中的、射束位置的时间变动量或射束直径即射束时间变动关联量来计算设定于加速器(3)的射束轨道上的射束输送系统(4)的设计起点(S)的带电粒子射束(31)的运动量分散函数(η、ηˊ)即起点运动量分散函数，并计算将起点运动量分散函数和检测到分布数据时的照射位置(T)的开始条件作为初始条件的光学参数。

Description

射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射束的射束输送系统、以及将所输送的带电粒子射束照射到物体、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：产生带电粒子射束的射束产生装置；与射束产生装置相连，对产生的带电粒子射束进行加速的加速器；对加速至由加速器所设定的能量后出射的带电粒子射束进行输送的带电粒子射束输送系统；以及设置于射束输送系统的下游侧，用于将带电粒子射束照射至照射对象的粒子射线照射装置。

一般射束输送系统设定有加速器的射束轨道上的一点和射束照射位置(等中心)这两个基准点，来设计光学参数。加速器的射束轨道上的一点成为光学参数设计的起点，射束照射位置、尤其是作为其中心的等中心成为光学参数设计的终点。具体而言，射束输送系统将加速器和该射束输送系统(高能射束输送系统(HEBT系统))的交汇点(起点)的射束初始条件作为设计值，来计算该射束输送系统的电磁铁的强度，对电磁铁设定该强度(励磁电流)，来传输射束，以使得射束到达照射位置。

在加速器是小型医疗用的同步加速器的情况下，即使同步加速器的初始值是理想值(设计值)，由于同步加速器的电磁铁类的未设想到的磁场(因工作误差等而产生的磁场)，因此即使适当地配置六极电磁铁也不满足Hardt的条件，分界线的出射分支因能量的不同而不同。因此，存在因能量值不同而导致所述交汇点的射束的角度(斜率)、位置不同的现象(色差)，且由于加速器的射束出射法的不同，从而会发生照射位置的射束的位置发生变动、或射束直径变大的现象。

对发生射束的角度(斜率)、位置不同的现象即色差的理由进行说明。图15是说明相位空间中的起点的射束移动的图，图16是说明射束轨道的图。图15的横轴是与射束轨道中心轴垂直的x方向的距离ΔX,纵轴是相对于ΔX的射束轨道中心轴的斜率ΔX’。图16的横轴是向射束的前进方向延伸的s轴，纵轴是x方向的距离ΔX。图16中示出与射束轨道变更相关的偏转电磁铁63和四极电磁铁64的位置、起点S、终点T。图16的上侧示出射束出射为理想状态的情况，图16的下侧示出射束出射偏离理想状态的情况。

以往，假设为起点S的射束没有移动、是具有图16的椭圆62所示的假设相位空间分布的射束，来设计射束输送系统的射束光学系统。然而，实际的射束具有根据时间的不同，相位空间分布以61a、61b、61c的方式变化的相位空间分布60。对于实际的射束，如图5所示那样间断的电流值在零和零以外的值之间反复，时刻t1、t2、t3处射束的相位空间分布不同。例如，射束的相位空间分布在时刻t1(溢出(spill)开始)的情况下为相位空间分布61a，在时刻t2(溢出中央)的情况下为相位空间分布61b，在时刻t3(溢出结束)的情况下为相位空间分布61c。

在射束出射为理想状态的情况下，如图16的上侧所示，即使起点S的相位空间中的射束没有移动，在上游侧以射束轨道65a、65b、65c的方式变动，但在下游侧通过偏转电磁铁63和四极电磁铁64的励磁电流的调整，从而能调整为射束轨道与射束轴(s轴)相一致，且在终点T不会产生色差。然而，在射束出射偏离理想状态的情况下，即、相位空间分布随时间变动的情况下，如图16的下侧所示，在下游侧也以射束轨道66a、66b、66c的方式变动，在照射位置即终点T会产生色差。例如，射束轨道66a是与相位空间分布61a相对应的轨道，射束轨道66b是与相位空间分布61b相对应的轨道，射束轨道66c是与相位空间分布61c相对应的轨道。在射束出射偏离理想状态的情况下，在终点T会产生色差，因此射束直径扩散，射束位置(重心位置)成为偏离射束轴(s轴)的位置。

在实际的射束输送系统中，具有起点S的射束的相位空间分布的时间变动，在不考虑该射束的相位空间分布的时间变动的情况下，如上所述会在终点T产生色差，因此为了使终点T的色差为零，需要考虑起点S的射束的相位空间分布的时间变动。

专利文献1中记载了如下方法：为了使射束尺寸的调整变得容易而实现射束尺寸调整的自动化。专利文献1的带电粒子射束的输送装置包括：灵敏度计算装置，该灵敏度计算装置基于设置于从加速器的出口到照射装置的入口之间的多个分布监视器所测定到的射束尺寸和射束分布，来计算出表示射束尺寸相对于四极电磁铁等射束聚集装置的聚集力的关系的灵敏度矩阵；以及励磁电流校正量计算装置，该励磁电流校正量计算装置利用灵敏度矩阵根据所设定的射束尺寸的调整目标值计算出射束的聚集力，利用励磁电流校正量计算装置计算得到的励磁电流来控制射束聚集装置。专利文献1的射束尺寸的调整方法中，在射束输送的粗调整后根据分布监视器测定得到的射束尺寸和射束分布求出灵敏度矩阵，并利用灵敏度矩阵计算各射束聚集装置的励磁电流，利用该励磁电流进行对各射束聚集装置进行励磁的调整，反复进行上述处理直至射束尺寸充分接近所期望的值。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2011-206237号公报(0037段～0049段、0057段～0061段、图1、图3)

发明内容

发明所要解决的技术问题

专利文献1的带电粒子射束输送装置(相当于射束输送系统)中，利用由分布监视器测定到的射束尺寸的灵敏度矩阵来计算各射束聚集装置的励磁电流，反复进行利用该励磁电流对各射束聚集装置进行励磁的调整，由此进行射束尺寸的调整，使得射束尺寸充分接近所期望的值。然而，专利文献1的带电粒子射束输送装置未考虑光学参数设计的起点及终点的色差，因此即使射束输送路径上的分布监视器所测定到的射束尺寸能成为所期望的值，也无法使照射位置的射束的色差基本成为零。此外，在进行了小型化的同步加速器的情况下，如上所述难以使射束输送系统的光学参数设计的起点的色差成为零，因此，若将专利文献1的射束尺寸的调整方法应用于进行了小型化的同步加速器，则反复进行射束调整的次数会增加。专利文献1的射束尺寸的调整方法中，即使能完成射束调整，也仍旧存在无法使照射位置的射束的色差基本成为零的问题。

在小型化的同步加速器的情况下，若要使射束输送系统的光学参数设计的起点的色差成为零，则需要使用高性能的偏转电磁铁、四极电磁铁、六极电磁铁，存在导致加速器、射束输送系统的大型化、复杂化，使加速器、射束输送系统变得昂贵的问题。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于获得一种射束输送系统，该射束输送系统中，即使是从小型化的同步加速器出射的射束，也能使射束的照射位置的射束的色差基本成为零。

解决技术问题所采用的技术手段

本发明所涉及的射束输送系统包括：偏转带电粒子射束的至少一个偏转电磁铁；使带电粒子射束聚集或发散的至少2个四极电磁铁；检测带电粒子射束的分布数据的至少一个射束分布监视器；基于分布数据来计算射束分布监视器中的射束位置的时间变动量或射束直径即射束时间变动关联量的射束解析装置；计算射束输送系的光学参数的光学参数计算装置；以及基于光学参数计算装置计算得到的光学参数设定偏转电磁铁和四极电磁铁的励磁电流的电磁铁电源。本发明所涉及的射束输送系统的光学参数计算装置的特征在于，基于射束时间变动关联量计算设定于加速器的射束轨道上的射束输送系统的设计起点的带电粒子射束的运动量分散函数即起点运动量分散函数，并计算将起点运动量分散函数和检测到分布数据时的照射位置的开始条件作为初始条件的光学参数。

发明效果

根据本发明所涉及的射束输送系统，将基于射束时间变动关联量的设计起点的带电粒子射束的起点运动量分散函数和检测到分布数据时的照射位置的开始条件作为初始条件来计算得到光学参数，并基于该光学参数设定偏转电磁铁及四极电磁铁的励磁电流，因此即使是从小型化的同步加速器射出的射束，也能使射束的照射位置的射束的色差基本成为零。

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的粒子射线照射装置的结构的图。

图3是表示本发明的实施方式1的射束输送系统中的校正前的射束轨道的图。

图4是表示本发明的实施方式1的射束输送系统中的校正后的射束轨道的图。

图5是说明出射到本发明的实施方式1的射束输送系统的射束电流的图。

图6是表示本发明的实施方式1的射束输送系统的起点的相位空间分布的图。

图7是表示本发明的实施方式1的射束输送系统的终点的校正前的相位空间分布的图。

图8是表示本发明的实施方式1的射束输送系统的终点的校正后的相位空间分布的图。

图9是表示本发明的实施方式1的射束输送系统的终点的校正前的射束点配置的图。

图10是表示本发明的实施方式1的射束输送系统的终点的校正后的射束点配置的图。

图11是表示本发明的实施方式2的射束输送系统中的校正前的射束轨道及射束直径的图。

图12是表示本发明的实施方式2的射束输送系统中的校正后的射束轨道及射束直径的图。

图13是表示本发明的实施方式3的射束输送系统中的校正前的射束轨道的图。

图14是表示本发明的实施方式3的射束输送系统中的校正后的射束轨道的图。

图15是说明相位空间中的起点的射束的移动的图。

图16是说明射束输送系统中的射束轨道的图。

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。粒子射线治疗装置20包括入射系统1、加速器3、射束输送系统4及粒子射线照射装置58。入射系统1具有入射器2和四极电磁铁6a、6b。加速器3包括多个偏转电磁铁5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h、5i、5j、5k、5l、5m、多个四极电磁铁6c、6d、6e、6f、6g、6h、6i、6j、6k、6l、6m、6n、加速腔9、x方向踢电极(kickelectrode)10、RF加速电源12、RF踢电源(kickpowersource)13、及设备控制装置16。射束输送系统4具有多个偏转电磁铁7a、7b、多个四极电磁铁8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h、射束分布监视器11a、11b、射束解析装置14、电磁铁电源15、光学参数计算装置17。入射系统1及加速器3的四极电磁铁的标号统一使用6，在区别说明的情况下使用6a至6n。加速器3的偏转电磁铁的标号统一使用5，在区别说明的情况下使用5a至5m。射束输送系统4的偏转电磁铁的标号统一使用7，在区别说明的情况下使用7a、7b。射束输送系统4的四极电磁铁的标号统一使用8，在区别说明的情况下使用8a至8h。射束分布监视器的偏转电磁铁的标号统一使用11，在区别说明的情况下使用11a、11b。

偏转电磁铁5、7使带电粒子射束偏转，四极电磁铁6、8使带电粒子射束聚集或发散。带电粒子射束的射束坐标系中，将带电粒子射束的前进方向(s方向)的轴称为s轴，将与s轴垂直、且向加速器3的环绕轨道面的外侧扩展的方向即x方向的轴称为x轴，将与s轴及y轴垂直的y方向的轴称为y轴。加速腔9对在加速器3内进行环绕的带电粒子射束进行加速。x方向踢电极10是为了将带电粒子射束出射至射束输送系统4而利用电场将带电粒子射束从环绕方向按压向外周侧(x方向)的电极。射束分布监视器11检测用于计算带电粒子射束的射束位置、射束大小等的射束分布数据。射束输送系统4将带电粒子射束经由粒子射线照射装置58输送至照射位置T。

由入射器2的离子源产生的质子射线等粒子射线即带电粒子射束在入射器2的前级加速器中被加速，利用四极电磁铁6a、6b使带电粒子射束聚集或发散，从而入射至加速器3。此处，加速器3以同步加速器为例进行说明。带电粒子射束将被加速至规定的能量。带电粒子射束从设置于加速器3的偏转电磁铁7a进入射束输送系统4，经由粒子射线照射装置58输送至照射位置T，对患者的照射对象45(参照图2)即患部进行照射。粒子射线照射装置58对射束进行扩大、或扫描射束，从而将带电粒子射束照射至照射对象45(参照图2)，以形成所期望的照射野。

图2中，粒子射线照射装置58包括：在与带电粒子射束31垂直的方向即X方向及Y方向上扫描带电粒子射束31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、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包括触发器生成部42、点计数器43、点间计数器44。图2中，带电粒子射束31的前进方向-Z方向。另外，-Z方向为射束坐标系的s方向，但图2中的X方向、Y方向不一定与射束坐标系的x方向、y方向相一致。

X方向扫描电磁铁32是在X方向上扫描带电粒子射束31的扫描电磁铁，Y方向扫描电磁铁33是在Y方向上扫描带电粒子射束31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所扫描的带电粒子射束31通过的射束中的通过位置(重心位置)及尺寸。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，来计算带电粒子射束31的通过位置(重心位置)及尺寸。射束数据处理装置41生成表示带电粒子射束31的位置异常、尺寸异常的异常检测信号，并将该异常检测信号输出到照射管理装置38。

剂量监视器35检测出带电粒子射束31的剂量。照射管理装置38基于由未图示的治疗计划装置生成的治疗计划数据，控制照射对象45的带电粒子射束31的照射位置，若由剂量监视器35测定到的、并由剂量数据转换器36转换成数字数据的剂量达到目标剂量，则带电粒子射束31移动到下一个照射位置。扫描电磁铁电源37基于从照射管理装置38输出的对X方向扫描电磁铁32及Y方向扫描电磁铁33输入的控制(指令)，使X方向扫描电磁铁32及Y方向扫描电磁铁33的设定电流改变。

这里，将粒子射线照射装置58的扫描照射方式设为混合扫描照射方式(在改变射束照射位置(点)的情况下不停止射束的方式)来进行说明，具体而言，如在改变带电粒子射束31的照射位置时不使带电粒子射束31停止的光栅扫描照射方式那样进行，且如点扫描照射方式那样射束照射位置在点位置间依次进行移动的方式。点计数器43测量带电粒子射束31的射束照射位置停留的期间的照射剂量。点间计数器44测量带电粒子射束31的射束照射位置移动的期间的照射剂量。触发器生成部42在射束照射位置的带电粒子射束31的剂量达到目标照射剂量时生成剂量已满信号。

示出利用RF扫描(sweep)法使带电粒子射束31从加速器3射束出射时的射束输送系统4。图1的粒子射线治疗装置20的入射系统1、加速器(同步加速器)3、射束输送系统4中，利用后述的步骤获得在照射位置T中基本没有色差(射束不移动)的光学系统。图3是表示本发明的实施方式1的射束输送系统中的校正前的射束轨道的图。图3中，以直线状表示设计射束输送系统4的光学系统的起点S至终点(照射位置)T。图3的横轴是带电粒子射束31的前进方向的轴即s轴，纵轴是x方向的距离ΔX。图5是说明出射到本发明的实施方式1的射束输送系统的射束电流的图。图6是表示本发明的实施方式1的射束输送系统的起点的相位空间分布的图。图6的横轴是与射束轨道中心轴垂直的x方向的距离ΔX,纵轴是相对于ΔX的射束轨道中心轴的斜率ΔX’。

如上所述，对于实际的带电粒子射束31，间断的电流值在零和零以外的值之间反复，在时刻t1、t2、t3，带电粒子射束31的相位空间分布不同。

例如，带电粒子射束31的相位空间分布在时刻t1(溢出(spill)开始)的情况下为相位空间分布24a，在时刻t2(溢出中央)的情况下为相位空间分布24b，在时刻t3(溢出结束)的情况下为相位空间分布24c。图3的射束轨道21a是时刻t1(溢出开始)时的射束轨道，是与相位空间分布24a相对应的射束轨道。射束轨道21b是时刻t2(溢出中央)时的射束轨道，是与相位空间分布24b相对应的射束轨道。射束轨道21c是时刻t3(溢出结束)时的射束轨道，是与相位空间分布24c相对应的射束轨道。

步骤S1中，利用光学参数计算装置17计算同步加速器(加速器3)处于理想状态时的光学参数。该光学参数输出至设备控制装置16，设备控制装置16基于光学参数计算各电磁铁的电流值，并将电流值发送至电磁铁电源15。电磁铁电源15设定射束输送系统4的电磁铁(偏转电磁铁7、四极电磁铁8)的电流。另外，电磁铁电源15也设定入射系统1和加速器3的电磁铁(偏转电磁铁5、四极电磁铁6)的电流。

步骤S2中，利用设备控制装置16将与加速器3的光学参数相对应的指令值发送至RF加速电源12、电磁铁电源15，根据这些指令值驱动各装置(偏转电磁铁5、四极电磁铁6、加速腔9)，对带电粒子射束31进行加速并使其出射。另外，此处为RF扫描法，因此出射时适当地扫描RF加速电源12的RF频率，但不驱动RF踢电源13。图1中记载了x方向踢电极10、RF踢电源13，但RF扫描法不使用它们，因此也可以从加速器3中去除。

步骤S3中，利用射束分布监视器11a、11b获取从加速器3出射的带电粒子射束31的各时间的分布数据，利用射束解析装置14来解析射束位置。获取分布数据的时间为从出射开始到出射结束为止的时间，为图5的时刻t1到t3的时间。

步骤S4中，从分布数据的位置变动信息计算出式(1)、式(2)所示的运动量分散函数ηa、ηb。p为运动量，Δp是与作为基准的时刻t0的运动量之间的运动量差分，Δx是与作为基准的时刻t0的x方向的位置之间的位置差分。另外，下标a表示射束分布监视器11a中的数值，下标b表示射束分布监视器11b中的数值。

[数学式1]

Δx_a＝η_a·Δp/p

Δx_a′＝η_a·Δp/p…(1)

[数学式2]

Δx_b＝η_b·Δp/p

Δx_b′＝η_b·Δp/p…(2)

步骤S5中，计算出起点S的运动量分散函数(ηx，ηx')、(ηy,ηy')及光学参数，并输出至设备控制装置16。分别用式(3)、式(4)表示射束分布监视器11a、11b的运动量分散函数。另外，右边的下标i表示输入，即表示起点S。式(3)、式(4)中，Ma、Mb是从起点S到射束分布监视器11a、11b为止的射束传递矩阵，以式(5)、式(6)来表示。

[数学式3]

${\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x\\ {{\mathrm{\η}}_x}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_a=M_a{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x\\ {{\mathrm{\η}}_x}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_i...\left(3\right)$

[数学式4]

${\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x\\ {{\mathrm{\η}}_x}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_b=M_b{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x\\ {{\mathrm{\η}}_x}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_i...\left(4\right)$

[数5]

$M_a={\left(\begin{array}{ccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}\\ 0& 0& 1\end{array}\right)}_a...\left(5\right)$

[数6]

$M_b={\left(\begin{array}{ccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}\\ 0& 0& 1\end{array}\right)}_b...\left(6\right)$

光学参数计算装置17中，利用式(3)、式(4)来计算起点S的运动量分散化函数(ηx，ηx')、(ηy,ηy')。例如，计算出成为图6的相位空间分布23的运动量分散化函数(ηx，ηx')、(ηy,ηy')。根据式(7)计算出使终点T即照射位置的运动量分散函数成为(0，0)(条件1)的光学参数，并输出至光学参数计算装置17。条件1是由射束分布监视器11检测出分布数据时的照射位置(终点T)的开始条件。

[数学式7]

${\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right)}_f=M_f{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x\\ {{\mathrm{\η}}_x}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_i...\left(7\right)$

步骤S6中，设备控制装置16再次将基于满足条件1的光学参数的电流值传输至电磁铁电源15，对各电磁铁设定规定的电流。

在各电磁铁设定为步骤S6的电流值的情况下，如图4、图9、图10所示那样照射位置(终点T)的射束不会移动，如图7、图8所示色差基本成为零(实质为零)。图4是表示本发明的实施方式1的射束输送系统中的校正后的射束轨道的图。图7是表示本发明的实施方式1的射束输送系统的终点的校正前的相位空间分布的图，图8是表示本发明的实施方式1的射束输送系统的终点的校正后的相位空间分布的图。图9是表示本发明的实施方式1的射束输送系统的终点的校正前的射束点配置的图，图10是表示本发明的实施方式1的射束输送系统的终点的校正后的射束点配置的图。

图4的射束轨道22a是时刻t1(溢出开始)时校正后的射束轨道，图3是射束轨道21a经过校正后的射束轨道。射束轨道22b是时刻t2(溢出中央)时校正后的射束轨道，图3是射束轨道21b经过校正后的射束轨道。射束轨道22c是时刻t3(溢出结束)时校正后的射束轨道，图3是射束轨道21c经过校正后的射束轨道。另外，图4的射束轨道22b在校正后也与图3的射束轨道21b相同，置于s轴上。

图7、图8的横轴是与射束轨道中心轴垂直的x方向的距离ΔX,纵轴是相对于ΔX的射束轨道中心轴的斜率ΔX’。图9、图10的横轴是上述射束坐标系的x轴，纵轴是射束坐标系的y轴。如图7所示，射束输送系统4的终点T的校正前的相位空间分布为相位空间分布25，在时刻t1(溢出开始)的情况下为相位空间分布26a，在时刻t2(溢出中央)的情况下为相位空间分布26b，在时刻t3(溢出结束)的情况下为相位空间分布26c。如图8所示，射束输送系统4的终点T的校正后的相位空间分布为相位空间分布27，在时刻t1(溢出开始)的情况下为相位空间分布28a，在时刻t2(溢出中央)的情况下为相位空间分布28b，在时刻t3(溢出结束)的情况下为相位空间分布28c。图8中，为了易于理解将相位空间分布28a、28b、28c稍稍偏离来进行记载，但色差基本成为零(实质为零)。在色差基本为零(实质为零)的情况下，无论何时相位空间上的射束位置为固定。由此，实施方式1的射束输送系统4的终点T的校正前的相位空间分布25的色差较大，但校正后的相位空间分布27的色差基本成为零(实质为零)。

校正前的相位空间分布25的ΔX为-4.2mm至4.1mm，校正后的相位空间分布27的ΔX为-2.0mm至2.0mm如图3所示，在校正前，在终点T处存在射束轨道的变动，射束尺寸偏离计划值，变得较宽大。另外，射束尺寸的从相位分布的ΔX的下限到上限为止的宽度值不同，但ΔX的宽度值越大射束尺寸变得越大。如图4所示，对于校正后的射束轨道，在射束分布监视器11b的设置位置之后，射束轨道22a、22b、22c均置于s轴上。终点T处的校正后的射束轨道不存在变动，因此终点T处的射束尺寸成为与计划一致的射束尺寸，即、终点T的射束尺寸不会偏离计划值而变大。

利用图9、图10对扫描照射的点配置和均匀照射的剂量分布进行说明。为了易于观察到带电粒子射束31的点配置的偏离，在图9、图10中增加了虚线的格子。虚线格子的角是计划的点位置。如图9所示，在具有x方向的色差的校正前的情况下，具有扩散的射束的重心(图9、图10的各圆的中心)在x方向的位置上偏离。与此相对，如图10所示，在不具有x方向的色差的校正后的情况下，具有扩散的射束的重心与虚线格子的角相一致，x方向的位置与计划一致。在点位置偏离计划的情况下，即使均匀地进行照射，但由于对于计划的照射点的照射剂量不同，因此实际的剂量分布产生凹凸。实施方式1的射束输送系统4能使终点T的色差基本成为零(实质为零)，能使扫描照射的点位置与计划一致。

实施方式1的射束输送系统4能在不使粒子射线照射装置58进行动作的照射位置(终点T)、即等中心，使带电粒子射束31的色差为零，能使扫描照射的点位置与计划一致。利用粒子射线照射装置58对带电粒子射束31进行扫描，以形成较宽的照射野，但即使所扫描的照射位置的射束的色差不为零，若射束的照射位置位于允许范围内，则也能实现高精度的粒子射线治疗，因此也可以是照射位置位于允许范围内那样的不为零的色差。因而，如上所述那样设计得到的实施方式1的射束输送系统4能使带电粒子射束31的照射位置的射束的色差基本成为零(实质为零)，能高精度地使扫描照射的点位置与计划一致。

对于实施方式1的射束输送系统4，即使在小型化的同步加速器的情况下，即使不使用高性能的偏转电磁铁、四极电磁铁、六极电磁铁来使射束输送系统4的光学参数设计的起点S的色差成为零，也能使带电粒子射束31的照射位置的射束的色差基本成为零(实质为零)。因而，对于实施方式1的射束输送系统4，即使在小型化的同步加速器的情况下，也不会导致加速器及射束输送系统变得大型、复杂，从而能抑制加速器及射束输送系统显著变得昂贵。

实施方式1所示的射束输送系统4的设计方法为如下方法：在以理想的磁场条件设定的射束输送系统中，利用由射束分布监视器11检测得到的分布数据来测定射束输送系统4中途的射束位置，并计算射束分布监视器11的射束位置的时间变动量即射束时间变动关联量，从而计算出射束交汇点(起点S)的初始条件的一部分即x方向运动量分散函数ηx,ηx'及y方向运动量分散函数ηy,ηy'，以作为起点运动量分散函数，将检测到分布数据时的照射位置(终点T)的开始条件即所述条件1和起点运动量分散函数设为初始条件，来设定射束输送系统4的新的光学参数。通过应用该设计方法，即使在设置现场调整也变得容易，与以往的不得不调整多次的情况不同，与以往相比能缩短射束输送系统的调整时间。

对射束输送系统4的偏转电磁铁7及四极电磁铁8的个数进行说明。在照射位置(终点T)使得带电粒子射束31不会在x方向上移动的情况下，配置一个以上的向x方向偏转的偏转电磁铁7，在该偏转电磁铁7的上游配置2个以上控制x方向的聚集发散的四极电磁铁8。图3、图4中，偏转电磁铁7b和四极电磁铁8a、8b是所需最小限度的偏转电磁铁7及四极电磁铁8。在照射位置(终点T)使得带电粒子射束31不会在y方向上移动的情况下，配置一个以上的向y方向偏转的偏转电磁铁7，在该偏转电磁铁7的上游配置2个以上控制y方向的聚集发散的四极电磁铁8。

图1、图3、图4中，在射束输送系统4中未记载向y方向偏转的偏转电磁铁7，但例如可以配置在偏转电磁铁7b的下游侧，将向该y方向偏转的偏转电磁铁7的上游的2个四极电磁铁8作为控制y方向的聚集发散的四极电磁铁即可。图1的示例中，环绕中的带电粒子射束31向x方向移动并导入射束输送系统4，因此能利用配置于加速器3的偏转电磁铁5和四极电磁铁6使起点S的y方向的色差变得足够小。因而，在起点S的y方向的色差较大的情况下，配置使照射位置(终点T)的带电粒子射束31不会向y方向移动的y方向用偏转电磁铁7和四极电磁铁8即可。

如上所述，根据实施方式1的射束输送系统4，包括：偏转带电粒子射束31的至少一个偏转电磁铁7；使带电粒子射束31聚集或发散的至少2个四极电磁铁8；检测带电粒子射束31的分布数据的至少一个射束分布监视器11；基于分布数据来计算射束分布监视器11中的射束位置的时间变动量或射束直径即射束时间变动关联量的射束解析装置14；计算射束输送系统4的光学参数的光学参数计算装置17；以及基于光学参数计算装置17计算得到的光学参数设定偏转电磁铁7和四极电磁铁8的励磁电流的电磁铁电源15。实施方式1的射束输送系统4的光学参数计算装置17的特征在于，基于射束时间变动关联量计算设定于加速器3的射束轨道上的射束输送系统4的设计起点(起点S)的带电粒子射束31的运动量分散函数η、η'即起点运动量分散函数，并计算将起点运动量分散函数和检测到分布数据时的照射位置(终点T)的开始条件作为初始条件的光学参数，因此即使是从小型化的同步加速器出射的射束，也能使射束的照射位置(终点T)的射束的色差基本成为零。

根据实施方式1的粒子射线治疗装置20，包括：对带电粒子射束31进行加速的加速器3；将从加速器3出射的带电粒子射束31输送到照射位置(终点T)的射束输送系统4；以及配置于射束输送系统4的下游侧，对照射对象45照射带电粒子射束31以形成所期望的照射野的粒子射线照射装置58。根据实施方式1的粒子射线治疗装置20，射束输送系统4包括：偏转带电粒子射束31的至少一个偏转电磁铁7；使带电粒子射束31聚集或发散的至少2个四极电磁铁8；检测带电粒子射束31的分布数据的至少一个射束分布监视器11；基于分布数据来计算射束分布监视器11中的射束位置的时间变动量或射束直径即射束时间变动关联量的射束解析装置14；计算射束输送系统4的光学参数的光学参数计算装置17；以及基于光学参数计算装置17计算得到的光学参数设定偏转电磁铁7和四极电磁铁8的励磁电流的电磁铁电源15。根据实施方式1的粒子射线治疗装置20，光学参数计算装置17的特征在于，基于射束时间变动关联量计算设定于加速器3的射束轨道上的射束输送系统4的设计起点(起点S)的带电粒子射束31的运动量分散函数η、η'即起点运动量分散函数，并计算将起点运动量分散函数和检测到分布数据时的照射位置(终点T)的开始条件作为初始条件的光学参数，因此即使是从小型化的同步加速器出射的射束，也能使射束的照射位置(终点T)的射束的色差基本成为零，能高精度地控制射束的照射位置(终点T)。

实施方式2.

实施方式1中，说明了利用RF扫描(sweep)法使带电粒子射束31从加速器3射束出射时的射束输送系统4。实施方式2中，对利用RF淘汰(knockout)法使带电粒子射束31从加速器3射束出射时的射束输送系统4进行说明。图1的粒子射线治疗装置20的入射系统1、加速器(同步加速器)3、射束输送系统4中，利用后述的步骤获得在照射位置T中基本没有色差(射束不移动)、且射束直径不会变大的光学系统。RF淘汰法是在同步加速器出射点，在某一时刻混合存在有各种能量的粒子的出射方法。因此，RF淘汰法在设计射束输送系统4的光学系统的起点S的运动量分散函数(ηx,ηx')、(ηy,ηy')、特维斯(twiss)参数(αx,βx),(αy,βy)状况不明的情况下输送射束。因而，如图11所示，由于照射位置(终点T)的色差，观测到射束直径较大。通过利用实施方式2的设计方法来修正射束直径，能如图12所示获得照射位置(终点T)的直径较小的射束。

图11是表示本发明的实施方式2的射束输送系统中的校正前的射束轨道及射束直径的图，图12是表示本发明的实施方式2的射束输送系统中的校正后的射束轨道及射束直径的图。在图11、图12的上侧，以直线状表示设计射束输送系统4的光学系统的起点S至终点(照射位置)T。在图11、图12的下侧，示意性地以圆表示相对于以从上侧引出的虚线所示的s轴上的位置的射束直径。图11的射束轨道46a是式(1)、式(2)的Δp/p＞0时的射束轨道。图11的射束轨道46b是式(1)、式(2)的Δp/p＝0时的射束轨道，图11的射束轨道46c是式(1)、式(2)的Δp/p＜0时的射束轨道。起点S的射束直径是以标号47a所示的圆的直径，终点T的射束直径是以标号47g所示的圆的直径。在起点S至终点T之间以标号47b、47c、47d、47e、47f的圆的直径表示5个射束直径。

与图11相同，图12的射束轨道48a是式(1)、式(2)的Δp/p＞0时的射束轨道。图12的射束轨道48b是式(1)、式(2)的Δp/p＝0时的射束轨道，图12的射束轨道48c是式(1)、式(2)的Δp/p＜0时的射束轨道。起点S的射束直径是以标号49a所示的圆的直径，终点T的射束直径是以标号49g所示的圆的直径。在起点S至终点T之间以标号49b、49c、49d、49e、49f的圆的直径表示5个射束直径。

步骤S11中，利用光学参数计算装置17计算同步加速器(加速器3)处于理想状态时的光学参数。该光学参数输出至设备控制装置16，设备控制装置16基于光学参数计算各电磁铁的电流值，并将电流值发送至电磁铁电源15。电磁铁电源15设定射束输送系统4的电磁铁(偏转电磁铁7、四极电磁铁8)的电流。另外，电磁铁电源15也设定入射系统1和加速器3的电磁铁(偏转电磁铁5、四极电磁铁6)的电流。

步骤S12中，利用设备控制装置16将与加速器3的光学参数相对应的指令值发送至RF加速电源12、电磁铁电源15，根据这些指令值驱动各装置(偏转电磁铁5、四极电磁铁6、加速腔9、x方向踢电极10)，对带电粒子射束31进行加速并使其出射。另外，此处为RF淘汰法，因此出射时不改变RF加速电源12的RF频率，通过驱动RF踢电源13，增加横向(x方向)的发射率，使带电粒子射束31出射。另外，发射率与射束的相位空间上的面积相对应。

步骤S13中，利用射束分布监视器11a、11b获取从加速器3出射的带电粒子射束31的各时间的分布数据，利用射束解析装置14来解析射束直径。获取分布数据的时间为从出射开始到出射结束为止的时间，为图5的时刻t1到t3的时间。RF淘汰法中，具有某一运动量宽度的带电粒子射束31同时从加速器3出射。因此，利用式(11)、式(12)、式(13)来计算射束直径。

一般，在利用由式(11)的矩阵表示的传递矩阵M来输送射束的情况下，射束的特维斯参数α、β、γ如式(12)那样被传递。此外，输送时的射束直径r以式(13)来表示。式(12)的右边的特维斯参数α、β、γ是由传递矩阵M传递前的参数，式(12)的左边的特维斯参数α、β、γ是由传递矩阵M传递后的参数。式(12)的特维斯参数的传递矩阵M_t的各要素利用式(11)的传递矩阵M中的要素m₁₁、m₁₂、m₁₃、m₂₁、m₂₂、m₂₃来记载。式(13)中，r_x是x方向的射束直径，ε_x是x方向的发射率，β_x是x方向的特维斯参数β，η_x是x方向的运动量分散函数。

[数学式8]

$M=\left(\begin{array}{ccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}\\ 0& 0& 1\end{array}\right)...\left(11\right)$

[数学式9]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\β}\\ \mathrm{\α}\\ \mathrm{\γ}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{m_{11}}^2& -2m_{11}{m}_{12}& {m_{12}}^2\\ -m_{21}{m}_{11}& 1+2m_{12}{m}_{21}& -m_{12}{m}_{22}\\ {m_{21}}^2& -2m_{22}{m}_{21}& {m_{22}}^2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{\β}\\ \mathrm{\α}\\ \mathrm{\γ}\end{array}\right)...\left(12\right)$

[数学式10]

$r_x=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_x{\mathrm{\β}}_x}+{\mathrm{\η}}_x\·\mathrm{\Δ}p/p...\left(13\right)$

步骤S14中，求出射束分布监视器11a、11b中的带电粒子的光学式。射束分布监视器11a中的带电粒子的光学式由式(14)、式(17)、式(20)来表示。射束分布监视器11b中的带电粒子的光学式由式(23)、式(26)、式(29)来表示。首先，对射束分布监视器11a中的带电粒子的光学式进行说明。另外，以下所示式子的下标i表示输入，即表示起点S。以下所示式子的下标a表示射束分布监视器11a中的数值，下标b表示射束分布监视器11b中的数值。下标x表示对应的变量为x方向的值。

[数学式11]

${\left(\begin{array}{c}\mathrm{\β}x\\ {\mathrm{\α}}_x\\ {\mathrm{\γ}}_x\end{array}\right)}_a={\left(\begin{array}{ccc}{m_{11}}^{}& -2m_{11}{m}_{12}& {m_{12}}^2\\ -m_{21}{m}_{11}& 1+2m_{12}{m}_{21}& -m_{12}{m}_{22}\\ {m_{21}}^2& -2m_{22}{m}_{21}& {m_{22}}^2\end{array}\right)}_a{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_x\\ {\mathrm{\α}}_x\\ {\mathrm{\γ}}_x\end{array}\right)}_i...\left(14\right)$

式(14)表示起点S的x方向的特维斯参数α_x、β_x、γ_x分别由特维斯参数的传递矩阵M_ta如α_xa、β_xa、γ_xa那样被传递。特维斯参数的传递矩阵M_ta是式(14)的标有下标a的矩阵。若使用改变四极电磁铁6、四极电磁铁8的励磁的传递矩阵M_a1、M_a2，即、若使用特维斯参数的传递矩阵M_ta1、M_ta2，则x方向的射束的特维斯参数α_x、β_x、γ_x如式(15)、式(16)那样被传递。传递矩阵M_ta1、M_ta2为与传递矩阵M_ta相同的形式。另外，下标a1表示利用传递矩阵M_a1、传递矩阵M_ta1进行输送时的射束分布监视器11a中的数值，下标a2表示利用传递矩阵M_a2、传递矩阵Mt_a2进行输送时的射束分布监视器11a中的数值。

[数学式12]

${\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_x\\ {\mathrm{\α}}_x\\ {\mathrm{\γ}}_x\end{array}\right)}_{a1}=M_{ta1}{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_x\\ {\mathrm{\α}}_x\\ {\mathrm{\γ}}_x\end{array}\right)}_i...\left(15\right)$

[数学式13]

${\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_x\\ {\mathrm{\α}}_x\\ {\mathrm{\γ}}_x\end{array}\right)}_{a2}=M_{ta2}{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_x\\ \mathrm{\α}x\\ {\mathrm{\γ}}_x\end{array}\right)}_i...\left(16\right)$

在射束分布监视器11a中的传递矩阵具有与式(11)相同的各要素的情况下，射束的特维斯参数α、β、γ如式(14)那样被传递。射束分布监视器11a中的x方向的射束直径r_xa如式(17)那样表示。β_xa是射束分布监视器11a中的x方向的特维斯参数β，η_xa是射束分布监视器11a中的x方向的运动量分散函数。x方向的运动量分散函数η_xa如式(20)所示那样利用传递矩阵M_a将起点S的x方向的运动量分散函数η_x传递为η_xa而得到。

[数学式14]

$r_{xa}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_x{\mathrm{\β}}_{xa}}+{\mathrm{\η}}_{xa}\·\mathrm{\Δ}p/p...\left(17\right)$

若使用改变四极电磁铁6、四极电磁铁8的励磁的传递矩阵M_a1，则与式(17)相同，射束分布监视器11a中的x方向的射束直径r_xa1如式(18)那样表示。若使用改变四极电磁铁6、四极电磁铁8的励磁的传递矩阵M_a2，则与式(17)相同，射束分布监视器11a中的x方向的射束直径r_xa2如式(19)那样表示。β_xa1是由传递矩阵M_ta1传递的射束分布监视器11a中的x方向的特维斯参数β，η_xa1是由传递矩阵M_a1传递的射束分布监视器11a中的x方向的运动量分散函数。β_xa2是由传递矩阵M_ta2传递的射束分布监视器11a中的x方向的特维斯参数β，η_xa2是由传递矩阵M_a2传递的射束分布监视器11a中的x方向的运动量分散函数。

[数学式15]

$r_{xa1}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_x{\mathrm{\β}}_{xa1}}+{\mathrm{\η}}_{xa1}\·\mathrm{\Δ}p/p...\left(18\right)$

[数学式16]

$r_{xa2}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_x{\mathrm{\β}}_{xa2}}+{\mathrm{\η}}_{xa2}\·\mathrm{\Δ}p/p...\left(19\right)$

式(20)表示起点S的x方向的运动量分散函数η_x和其对于s方向的斜率即η_x’分别由传递矩阵M_a传递为η_xa、和η_xa’。若使用改变四极电磁铁6、四极电磁铁8的励磁的传递矩阵M_a1、M_a2，则x方向的运动量分散函数η_x和对于s方向的斜率即η_x’如式(21)、式(22)那样被传递。

[数学式17]

${\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x\\ {{\mathrm{\η}}_x}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_a=M_a{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x\\ {{\mathrm{\η}}_x}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_i...\left(20\right)$

[数学式18]

${\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x\\ {{\mathrm{\η}}_x}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_{a1}=M_a{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x\\ {{\mathrm{\η}}_x}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_i...\left(21\right)$

[数学式19]

${\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x\\ {{\mathrm{\η}}_x}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_{a2}=M_{a2}{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x\\ {{\mathrm{\η}}_x}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_i...\left(22\right)$

接着，对射束分布监视器11b中的带电粒子的光学式进行说明。射束分布监视器11b中的带电粒子的光学式也与射束分布监视器11a中的带电粒子的光学式相同。

[数学式20]

${\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_x\\ {\mathrm{\α}}_x\\ {\mathrm{\γ}}_x\end{array}\right)}_b={\left(\begin{array}{ccc}{m_{11}}^2& -2m_{11}{m}_{12}& {m_{12}}^2\\ -m_{21}{m}_{11}& 1+2m_{12}{m}_{21}& -m_{12}{m}_{22}\\ {m_{21}}^2& -2m_{22}{m}_{21}& {m_{22}}^2\end{array}\right)}_b{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_x\\ {\mathrm{\α}}_x\\ {\mathrm{\γ}}_x\end{array}\right)}_i...\left(23\right)$

式(23)表示起点S的x方向的特维斯参数α_x、β_x、γ_x分别由特维斯参数的传递矩阵M_tb如α_xb,β_xb,γ_xb那样被传递。若使用改变四极电磁铁6、四极电磁铁8的励磁的传递矩阵M_a1、M_a2，即、使用特维斯参数的传递矩阵M_tb1、M_tb2，则x方向的特维斯参数α_x、β_x、γ_x如式(24)、式(25)那样被传递。另外，传递矩阵M_tb是式(23)的标有下标b的矩阵。下标b1表示利用传递矩阵M_b1、传递矩阵M_tb1进行输送时的射束分布数据11b中的数值，下标b2表示利用传递矩阵M_b2、传递矩阵M_tb2进行输送时的射束分布数据11b中的数值。

[数学式21]

${\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_x\\ {\mathrm{\α}}_x\\ {\mathrm{\γ}}_x\end{array}\right)}_{b1}=M_{tb1}{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_x\\ {\mathrm{\α}}_x\\ {\mathrm{\γ}}_x\end{array}\right)}_i...\left(24\right)$

[数学式22]

${\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_x\\ {\mathrm{\α}}_x\\ {\mathrm{\γ}}_x\end{array}\right)}_{b2}=M_{tb2}{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_x\\ {\mathrm{\α}}_x\\ {\mathrm{\γ}}_x\end{array}\right)}_i...\left(25\right)$

在射束分布监视器11b中的传递矩阵M_b具有与式(11)相同的各要素的情况下，射束的特维斯参数α、β、γ如式(23)那样被传递。射束分布监视器11b中的x方向的射束直径r_xb如式(26)那样表示。β_xb是射束分布监视器11b中的x方向的特维斯参数β，η_xb是射束分布监视器11b中的x方向的运动量分散函数。x方向的运动量分散函数η_xb如式(29)所示那样利用传递矩阵M_b将起点S的x方向的运动量分散函数η_x传递为η_xa而得到。

[数学式23]

$r_{xb}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_x{\mathrm{\β}}_{xb}}+{\mathrm{\η}}_{xb}\·\mathrm{\Δ}p/p...\left(26\right)$

若使用改变四极电磁铁6、四极电磁铁8的励磁的传递矩阵M_b1，则与式(26)相同，射束分布监视器11b中的x方向的射束直径r_xb1如式(27)那样表示。若使用改变四极电磁铁6、四极电磁铁8的励磁的传递矩阵M_b2，则与式(26)相同，射束分布监视器11b中的x方向的射束直径r_xb2如式(28)那样表示。β_xb1是由传递矩阵M_tb1传递的射束分布监视器11b中的x方向的特维斯参数β，η_xb1是由传递矩阵M_b1传递的射束分布监视器11b中的x方向的运动量分散函数。β_xb2是由传递矩阵M_tb2传递的射束分布监视器11b中的x方向的特维斯参数β，η_xb2是由传递矩阵M_b2传递的射束分布监视器11b中的x方向的运动量分散函数。

[数学式24]

$r_{xb1}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_x{\mathrm{\β}}_{xb1}}+{\mathrm{\η}}_{xb1}\·\mathrm{\Δ}p/p...\left(27\right)$

[数学式25]

$r_{xb2}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_x{\mathrm{\β}}_{xb2}}+{\mathrm{\η}}_{xb2}\·\mathrm{\Δ}p/p...\left(28\right)$

式(29)表示起点S的x方向的运动量分散函数η_x和其对于s方向的斜率即η_x’分别由传递矩阵M_b传递为η_xb、和η_xb’。若使用改变四极电磁铁6、四极电磁铁8的励磁的传递矩阵M_b1、M_b2，则x方向的运动量分散函数η_x和对于s方向的斜率即η_x’如式(30)、式(31)那样被传递。

[数学式26]

${\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x\\ {{\mathrm{\η}}_x}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_b=M_a{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_i\\ {{\mathrm{\η}}_i}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_i...\left(29\right)$

[数学式27]

${\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x\\ {{\mathrm{\η}}_x}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_{b1}=M_{b1}{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_i\\ {{\mathrm{\η}}_i}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_i...\left(30\right)$

[数学式28]

${\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x\\ {{\mathrm{\η}}_x}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_{b2}=M_{b2}{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_i\\ {{\mathrm{\η}}_i}^{\′}\\ 1\end{array}\right)}_i...\left(31\right)$

步骤S14中，计算出上述所示的射束分布监视器11_a、11b中的带电粒子的光学式，并根据式(32)计算出起点S的特维斯参数(α_xi,β_xi,γ_xi)运动量分散函数(η_xi,η_xi')。通过这些初始条件，终点T的射束直径不会变大，即利用光学参数计算装置17计算出射束直径与由射束分布监视器11检测到分布数据时的照射位置(终点t)的射束直径相同的光学条件(条件2)的光学参数。将满足该条件2的光学参数输出至光学参数计算装置17。

[数学式29]

β_iγi-α_i ²＝1…(32)

步骤S15中，设备控制装置16再次将基于满足条件2的光学参数的电流值传输至电磁铁电源15，对各电磁铁设定规定的电流。

各电磁铁设定为步骤S15的电流值的情况下，如图11、图12所示那样照射位置(终点T)的射束直径变小。在不进行使终点T的色差基本成为零的校正的状态下，即使在射束分布监视器11b的下游侧，射束直径如圆47d、47f、47g那样变得比起点S的射束直径(圆47a)要大。然而，在进行了使终点T的色差基本成为零的校正后，在射束分布监视器11b的下游侧，射束直径如圆49d至49g那样与起点S的射束直径(圆49a)基本相同，照射位置(终点T)的射束直径变得比校正前要小。

实施方式2的射束输送系统4能使射束的照射位置(终点T)的射束的色差基本成为零，在利用RF淘汰法将带电粒子射束从加速器3射束出射的情况下，能抑制因色差而导致射束直径变大，能在照射位置(终点T)获得直径较小的射束。

实施方式2的射束输送系统4中，即使在小型化的同步加速器的情况下，即使不使用高性能的偏转电磁铁、四极电磁铁、六极电磁铁来使射束输送系统4的光学参数设计的起点S的色差成为零，也能使带电粒子射束31的照射位置的射束的色差基本成为零(实质为零)。因而，对于实施方式2的射束输送系统4，即使在小型化的同步加速器的情况下，也不会导致加速器及射束输送系统变得大型、复杂，从而能抑制加速器及射束输送系统显著变得昂贵。

实施方式2所示的射束输送系统4的设计方法为如下方法：在利用RF淘汰法将带电粒子射束从加速器3射束出射时、以理想的磁场条件设定的射束输送系统中，利用由射束分布监视器11检测得到的分布数据来测定射束输送系统4中途的射束的大小(射束直径)，从而计算出射束交汇点(起点S)的初始条件的一部分即x方向运动量分散函数ηx,ηx'及y方向运动量分散函数ηy,ηy'，以作为起点运动量分散函数，将检测分布数据时的照射位置(终点T)的开始条件即所述条件2和起点运动量分散函数设为初始条件，来设定射束输送系统4的新的光学参数。通过应用该设计方法，即使在设置现场调整也变得容易，与以往的不得不调整多次的情况不同，与以往相比能缩短射束输送系统的调整时间。

在照射位置(终点T)使带电粒子射束31的x方向的色差基本成为零，抑制射束尺寸的增大的情况下，配置一个以上的向x方向偏转的偏转电磁铁7，在该偏转电磁铁7的上游配置2个以上控制x方向的聚集发散的四极电磁铁8。图11、图12中，偏转电磁铁7b和四极电磁铁8a、8b是所需最小限度的偏转电磁铁7及四极电磁铁8。在照射位置(终点T)使带电粒子射束31的y方向的色差基本成为零，抑制射束尺寸的增大的情况下，配置一个以上的向y方向偏转的偏转电磁铁7，在该偏转电磁铁7的上游配置2个以上控制y方向的聚集发散的四极电磁铁8。

图1、图11、图12中，在射束输送系统4中未记载向y方向偏转的偏转电磁铁4，但例如可以配置在偏转电磁铁7b的下游侧，将向该y方向偏转的偏转电磁铁7的上游的2个四极电磁铁8作为控制y方向的聚集发散的四极电磁铁即可。图1的示例中，环绕中的带电粒子射束31向x方向移动并导入射束输送系统4，因此能利用配置于加速器3的偏转电磁铁5和四极电磁铁6使起点S的y方向的色差变得足够小。因而，在起点S的y方向的色差较大的情况下，配置使照射位置(终点T)的带电粒子射束31的y方向的色差基本成为零，且抑制射束尺寸的增大的y方向用偏转电磁铁7和四极电磁铁8即可。

实施方式3.

实施方式1及实施方式2中，照射位置(终点T)的带电粒子射束31的x方向的色差基本成为零。实施方式3中，对即使不使照射位置(终点T)的带电粒子射束31的x方向的色差成为零，照射位置(终点T)的带电粒子射束31也不会向x方向移动的射束输送系统4进行说明。图13是表示本发明的实施方式3的射束输送系统中的校正前的射束轨道的图，图14是表示本发明的实施方式3的射束输送系统中的校正后的射束轨道的图。图13中，将图4的偏转电磁铁5g、7a如偏转电磁铁5n、7c那样倾斜配置，并增加转向电磁铁18a、18b。图14中，将图5的偏转电磁铁5g、7a如偏转电磁铁5n、7c那样倾斜配置，并增加转向电磁铁18a、18b。另外，图13、图14中，偏转电磁铁5g、7a以虚线来表示。图13、图14中示出倾斜配置的偏转电磁铁5n、7c发生与设计时的配置偏离的电磁铁配置误差的情况。

若偏转电磁铁5n、7c中具有配置误差，则即使是应用实施方式1的射束输送系统4的设计方法、实施方式2的射束输送系统4的设计方法的射束输送系统4，也会如图11的射束轨道29a所示那样，照射位置(终点T)的带电粒子射束31处于偏离的位置。实施方式3中，通过增加转向电磁铁18a、18b能校正射束输送系统4的偏转电磁铁的配置误差，能使其成为图14的射束轨道29b所示那样，能使照射位置(终点T)的射束位置与不使粒子射线照射装置58动作的照射位置(等中心)准确地相匹配。该情况下，能使照射位置(终点T)的带电粒子射束31的x方向的色差基本成为零。另外，射束轨道29c是虚线所示的偏转电磁铁5g、7a的情况下的校正前的射束轨道。射束轨道29d是虚线所示的偏转电磁铁5g、7a的情况下的校正后的射束轨道。

即使射束输送系统4的偏转电磁铁5n、7c具有配置误差，也能成为图14的射束轨道29b那样的情况表示即使偏转电磁铁5n、7c中没有配置误差，照射位置(终点T)的带电粒子射束31的x方向的色差稍稍变大，也能使照射位置(终点T)的带电粒子射束31不向x方向移动。因而，实施方式3的射束输送系统4中，即使不使照射位置(终点T)的带电粒子射束31的x方向的色差基本成为零，也能使照射位置(终点T)的带电粒子射束31不向x方向移动，因此对于照射位置(终点T)的带电粒子射束31的x方向的色差调整困难的情况有效。

应用了实施方式3的射束输送系统4的粒子射线治疗装置20将图1中的转向电磁铁18a、18b增加到图11、图12所示的位置。

另外，本发明可以在其发明范围内对各实施方式进行自由组合，或者对各个实施方式适当地进行变形、省略。

标号说明

3加速器、

4射束输送系统、

7、7a、7b偏转电磁铁、

8、8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h四极电磁铁、

9加速腔、

10x方向踢电极、

11、11a、11b射束分布监视器、

14射束解析装置、

15电磁铁电源、

17光学参数计算装置、

18a、18b转向电磁铁、

20粒子射线治疗装置、

31带电粒子射束、

45照射对象、

58粒子射线照射装置、

S起点(设计起点)、

T终点(照射位置)、

η、η'、ηx、ηx'、ηy、ηy'运动量分散函数。

Claims (7)

1.一种射束输送系统，该射束输送系统将从加速器出射的带电粒子射束输送到照射位置，其特征在于，所述射束输送系统包括：

偏转所述带电粒子射束的至少一个偏转电磁铁；

使所述带电粒子射束聚集或发散的至少2个四极电磁铁；

检测所述带电粒子射束的分布数据的至少一个射束分布监视器；

基于所述分布数据来计算所述射束分布监视器处的射束位置的时间变动量或射束直径即射束时间变动关联量的射束解析装置；

计算所述射束输送系统的光学参数的光学参数计算装置；以及

基于所述光学参数计算装置计算得到的所述光学参数，设定所述偏转电磁铁和所述四极电磁铁的励磁电流的电磁铁电源，

所述光学参数计算装置中，

基于所述射束时间变动关联量计算设定于所述加速器的射束轨道上的所述射束输送系统的设计起点处的所述带电粒子射束的运动量分散函数即起点运动量分散函数，

并计算将所述起点运动量分散函数和检测到所述分布数据时的所述照射位置处的开始条件作为初始条件的所述光学参数。

2.如权利要求1所述的射束输送系统，其特征在于，

所述加速器为同步加速器，

在通过扫描提供给设置于所述加速器的加速腔的高频功率，从而使所述带电粒子射束从所述加速器出射的情况下，

所述射束解析装置计算所述射束分布监视器处的所述射束位置的时间变动量，以作为所述射束时间变动关联量。

3.如权利要求1或2所述的射束输送系统，其特征在于，

所述开始条件包括所述照射位置处的所述带电粒子射束的运动量分散函数即终点运动量分散函数为零这一条件。

4.如权利要求1所述的射束输送系统，其特征在于，

所述加速器为同步加速器，

在通过将高频功率提供给设置于所述加速器的踢电极，使所述带电粒子射束的环绕面上的、与所述带电粒子射束的前进方向垂直的方向的发射率变大，从而使所述带电粒子射束从所述加速器出射的情况下，

所述射束解析装置计算所述射束分布监视器处的所述射束直径，以作为所述射束时间变动关联量。

5.如权利要求1或4所述的射束输送系统，其特征在于，

所述开始条件包括所述照射位置处的所述带电粒子射束的所述射束直径的设定条件。

6.如权利要求1至5的任一项所述的射束输送系统，其特征在于，

包括对所述偏转电磁铁的配置误差进行修正的转向电磁铁。

7.一种粒子射线治疗装置，其特征在于，包括：

对带电粒子射束进行加速的加速器；

将从所述加速器出射的所述带电粒子射束输送到照射位置的射束输送系统；以及

配置于所述射束输送系统的下游侧，对照射对象照射所述带电粒子射束以形成所期望的照射野的粒子射线照射装置，

所述射束输送系统为权利要求1至6的任一项所述的射束输送系统。