CN106717130A - 射束输送系统及粒子射线治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明目的是输送端部的粒子数变化平缓这样分布的带电粒子束而不会不必要地增大射束尺寸。将与带电粒子束前进方向垂直且从射束中心通过陡峭端部的方向设为x方向，射束输送系统(30)具备的射束整形装置(10)包括：将相对于射束的带电粒子的x方向前进方向的倾斜度即x角度分量(x’)的分布宽度减小的前级四极电磁体(3)；使通过前级四极电磁体(3)后的射束的x角度分量(x’)的粒子数分布的端部形状平缓的半影放大器(1)；对通过半影放大器(1)后的射束的x方向的相位空间分布中的电子感应加速相位进行调整的后级四极电磁体(4)，后级四极电磁体(4)将从半影放大器(1)向等中心(IC)的电子感应加速相位的相位提前角度调整在90度的奇数倍±45度的范围内。

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、重粒子等带电粒子形成的带电粒子束的射束输送系统、以及将输送来的带电粒子束照射到物体、人体等被照射体的粒子射线治疗装置。

背景技术

一般，粒子射线治疗装置包括：射束生成装置，该射束生成装置产生带电粒子束；加速器，该加速器与射束生成装置相连，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经由加速器加速到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侧，用于将带电粒子束射向照射对象。

在利用共振出射从作为加速器的同步加速器射出射束的情况下、或在从作为加速器的回旋加速器射出射束并且将准直器设置于射束输送系统的情况下，射束的截面方向的粒子分布呈例如矩形那样的带电粒子数在端部急剧减少的形状。在如点扫描照射方式、光栅扫描照射方式那样扫描射束来形成照射野的情况下，在如图2、图3所示那样带电粒子数在剂量分布的端部急剧减少的情况下，会产生如下那样的问题。图2、图3是对射束位置偏移和鲁棒性进行说明的图。图2是粒子射线分布的端部平缓的情况，图3是粒子射线分布的端部急剧地变化的情况。在图2、图3中，横轴是照射对象中射束的扫描方向X，纵轴是剂量(带电粒子数)。用虚线示出的剂量分布81、86是点扫描照射方式下1个照射位置的剂量分布。图3的剂量分布87、88是射束形状、射束照射位置按照计划且射束照射位置没有偏移的情况。图3的剂量分布89、90是射束形状、射束照射位置不按照计划且射束照射位置产生偏移的情况。图3的剂量分布87、89是每个照射位置的剂量分布，图3的剂量分布88、90是整个照射野的累计剂量分布。在照射具有如图3那样在端部急剧变化的剂量分布的射束的情况下，针对射束形状、射束照射位置的偏移，所形成的照射野中剂量分布90的平坦度大幅地恶化。

与此相对，在如图2所示那样为高斯分布那样端部的带电粒子数的变化平缓的分布的情况下，能使照射野中的剂量分布85的平坦度比图3好。图2的剂量分布82、83与图3相同，是射束形状、射束照射位置按照计划且射束照射位置没有偏移的情况。图2的剂量分布84、85与图3相同，是射束形状、射束照射位置不按照计划且射束照射位置产生偏移的情况。图2的剂量分布82、84是每个照射位置的剂量分布，图2的剂量分布83、85是整个照射野的累计剂量分布。在如图2所示照射具有高斯分布那样端部的带电粒子数的变化平缓的分布的射束的情况下，针对射束形状、射束照射位置的偏移，所形成的照射野中的剂量分布85的平坦度比图3的剂量分布90好。

在扫描射束来形成照射野的情况下，若带电粒子数在剂量分布的端部急剧地减少，则对于照射位置、射束形状的变化、照射位置的偏移的鲁棒性丧失，难以形成剂量分布平坦的照射野。带电粒子数在剂量分布的端部急剧地减少的情况下，例如需要进行0.1mm以下的照射位置、射束尺寸的控制。

在专利文献1中，记载了一种带电粒子照射装置，其将相当于带电粒子数在剂量分布的端部急剧地减少的情况的、X方向、Y方向的发射度椭圆为非对称的带电粒子分布在X方向、Y方向上都变更为高斯分布。专利文献1的带电粒子照射装置在从加速器到照射部的射束输送系统中设有：上游侧电磁体，该上游侧电磁体由4个四极电磁体构成；散射体，该散射体设置在上游侧电磁体的下游；以及下游侧电磁体，该下游侧电磁体由设置在散射体的下游的4个四极电磁体构成。在专利文献1的带电粒子照射装置中，在X、Y方向的发射度椭圆中非对称的射束利用上游侧电磁体使发射度椭圆的位置分量X、Y相同，利用散射体通过多重散射将Y方向的角度分量扩大，使X、Y方向的发射度相同。之后，通过利用下游侧电磁体对X、Y方向的发射度进行调整，从而调整成期望的射束直径。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特许4639401号公报(0020段、0044段～0046段、图1、图7)

发明内容

发明所要解决的技术问题

为了获得高斯分布那样端部的粒子数的变化平缓的分布，在利用专利文献1那样的散射体对分布形状进行变更的情况下，在专利文献1中，对进入至变更分布的散射体的射束的实际空间形状进行变更，使得较小的y方向的射束尺寸与较大的x方向的射束尺寸相同。然而，对进入的射束的实际空间形状并没有进行最优化，因此将发射度较小的x方向的角度分量x’大幅扩大需要使用散射角较大的散射体。在专利文献1中，将发射度大幅扩大，因此例如难以照射高精度扫描照射所需要的5mm以下那样尺寸较小且分布的端部的带电粒子数变化平缓的射束。而且，在专利文献1中，发射度的增大非常大，因此即使在从散射体到照射位置的区间的射束输送中，射束尺寸的增大也非常大，因此难以为了避免这一情况发生而将散射体配置在远离照射位置的位置上。在散射体距离照射位置较近的情况下，产生如下问题：从散射体产生的中子造成不必要的被曝、用于确保设备设置空间的装置尺寸增大。

此外，在射束截面方向仅有一个端部的带电粒子数变化急剧，且希望利用通常的各向同性散射体将照射位置的分布形状进行最优化使得端部的粒子数的变化平缓的情况下，在专利文献1的方法中，需要使通过散射体前的角度方向的分布形状相对于通过后的分布形状能达到可以忽视的程度，因此需要使用散射角非常大的散射体，分布不需要变化的方向上的分布也大幅增大。

本发明是为了解决上述的技术问题而完成的，其第一目的是获得一种具备射束整形装置的射束输送系统，其将带电粒子束整形为呈端部的粒子数变化平缓的分布的带电粒子束而不会使射束尺寸不必要地增大。此外，第二目的是获得一种具备能配置于远离照射位置的位置的射束整形装置的射束输送系统。

解决技术问题的技术方案

本发明所涉及的射束输送系统包括射束整形装置，该射束整形装置将在射束截面方向的端部具有粒子数的变化急剧的陡峭端部的带电粒子束的分布形状整形成平缓的分布形状，该射束输送系统向以将作为照射位置基准的等中心包含在内的方式定位的照射对象输送带电粒子束。射束输送系统的射束整形装置中，将与带电粒子束的前进方向垂直且从带电粒子束的中心通过陡峭端部的方向设为x方向，将构成带电粒子束的带电粒子的相对于前进方向的倾斜度设为角度分量，该射束整形装置包括：前级四极电磁体，该前级四极电磁体使带电粒子束的x方向的角度分量即x角度分量的分布宽度减小；半影放大器，该半影放大器使通过前级四极电磁体后的带电粒子束的x角度分量的粒子数分布的端部形状平缓；以及后级四极电磁体，该后级四极电磁体对通过半影放大器后的带电粒子束的x方向的相位空间分布的电子感应加速相位进行调整，后级四极电磁体将从半影放大器向等中心的电子感应加速相位的相位提前角度调整成在90度的奇数倍±45度的范围内。

发明效果

本发明所涉及的射束输送系统在使输入至半影放大器的带电粒子束的x方向的角度分量的分布宽度减小后，利用半影放大器使端部形状平缓，对于向等中心的电子感应加速相位的相位提前角度进行调整，因此能够输送端部的粒子数变化平缓那样分布的带电粒子束，而不会使射束尺寸不必要地变大。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1所涉及的射束输送系统的图。

图2是对射束位置偏移和鲁棒性进行说明的图。

图3是对射束位置偏移和鲁棒性进行说明的图。

图4是对图1的射束输送系统的射束输送的概念进行说明的图。

图5是对由图1的后级四极电磁体造成的电子感应加速相位的变化进行说明的图。

图6是对通过半影放大器前后的相位空间分布变化进行说明的图。

图7是对通过半影放大器前后的相位空间分布变化进行说明的图。

图8是示出输入至图1的半影放大器的射束的x方向的标准化相位空间分布的图。

图9是示出图8的实际空间方向的粒子数分布的图。

图10是示出图8的角度方向的粒子数分布的图。

图11是示出通过图1的半影放大器后的射束的x方向的标准化相位空间分布的图。

图12是示出图11的实际空间方向的粒子数分布的图。

图13是示出图11的角度方向的粒子数分布的图。

图14是示出图1的等中心的x方向的标准化相位空间分布的图。

图15是示出图14的实际空间方向的粒子数分布的图。

图16是示出图14的角度方向的粒子数分布的图。

图17是示出输入至图1的半影放大器的射束的实际空间分布的图。

图18是示出通过图1的半影放大器后的射束的实际空间分布的图。

图19是示出图1的等中心的射束的实际空间分布的图。

图20是示出本发明的实施方式2所涉及的射束输送系统的图。

图21是示出图20的射束输送系统的射束输送的射束宽度的图。

图22是示出输入至图20的半影放大器的射束的y方向的标准化相位空间分布的图。

图23是示出图22的实际空间方向的粒子数分布的图。

图24是示出图22的角度方向的粒子数分布的图。

图25是示出通过图20的半影放大器后的射束的y方向的标准化相位空间分布的图。

图26是示出图25的实际空间方向的粒子数分布的图。

图27是示出图25的角度方向的粒子数分布的图。

图28是示出图20的等中心的y方向的标准化相位空间分布的图。

图29是示出图28的实际空间方向的粒子数分布的图。

图30是示出图28的角度方向的粒子数分布的图。

图31是示出本发明的实施方式3所涉及的射束输送系统的图。

图32是示出本发明的实施方式4所涉及的射束输送系统的图。

图33是示出本发明的实施方式5所涉及的半影放大器的图。

图34是示出图33的半影放大器的电场分布的图。

图35是示出本发明的实施方式5所涉及的其他半影放大器的图。

图36是示出图35的半影放大器的磁场分布的图。

图37是示出本发明的实施方式6的粒子射线治疗装置的简要结构图。

图38是示出图37的粒子射线照射装置的结构的图。

图39是示出本发明的实施方式7的粒子射线治疗装置的简要结构图。

具体实施方式

实施方式1.

此处，假设为如下情况：射束的截面方向(垂直于射束前进方向的方向)的粒子分布的一个方向(x方向)的端部为例如矩形那样带电粒子数急剧地减少的形状，另一方向(y方向)的端部为带电粒子数平缓地减少的形状。在射束截面方向的端部，粒子数的变化急剧的部分为急端部。图1是示出本发明的实施方式1所涉及的射束输送系统的图。图4是对图1的射束输送系统的射束输送的概念进行说明的图，图5是对由图1的后级四极电磁体造成的电子感应加速相位的变化进行说明的图。图6、图7是对通过半影放大器前后的相位空间分布变化进行说明的图。将由射束生成装置产生并加速后的带电粒子束输送至粒子射线照射装置的射束输送系统30具备射束整形装置10。射束整形装置10包括使1次射出的带电粒子束的剂量分布的端部形状平缓的半影放大器1、配置在半影放大器1的上游侧的前级四极电磁体3、以及配置在半影放大器1的下游侧的后级四极电磁体4。带电粒子束沿着射束输送系统的射束路径9被引导至射束照射位置的基准即等中心IC。射束输送系统30向以将等中心IC包含在内的方式定位的照射对象输送带电粒子束。半影是如图2的剂量分布81那样的带电粒子束的剂量分布(粒子数分布)中从最大值的20％到80％的宽度，半影的值越大，剂量分布的端部形状越平缓。半影放大器1将剂量分布的端部形状陡峭且非常小的半影值放大到较大的值。

前级四极电磁体3至少具备2个四极电磁体2，后级四极电磁体4至少具备2个四极电磁体2。半影放大器1是例如散射体6。使用厚度为0.01mm～0.1mm左右的铝作为散射体6。前级四极电磁体3使1次射出的带电粒子束的剂量分布的端部形状、即1次射出的带电粒子束的端部的粒子数变化希望变平缓的方向的角度分量的分布变窄。后级四极电磁体4用于调整散射体6和位于散射体6下游的射束照射位置即等中心IC之间的电子感应加速相位的提前角度，例如将提前角度调整为90度的奇数倍。角度分量是相位空间分布相对于射束前进方向s的倾斜度。即，x方向的角度分量是x’(dx/ds)，y方向的角度分量是y’(dy/ds)。x方向、y方向垂直于射束的前进方向s，x方向、y方向互相垂直。

对于使用射束整形装置10的射束输送的概念，用图4进行说明。将1次射出的带电粒子束的端部的粒子数变化希望变平缓的方向作为x进行说明。图4的相位空间分布72是利用前级四极电磁体3整形后的相位空间分布、即散射体6的入口侧的相位空间分布。图4的相位空间分布73是利用散射体6整形后的相位空间分布、即散射体6的出口侧的相位空间分布。图4的相位空间分布74是利用后级四极电磁体4调整了电子感应加速相位后的相位空间分布、即等中心IC的相位空间分布。图4的3个相位空间分布中，实际空间分量x、角度分量x’都被标准化，用根据某一值的相对值来表示。实际空间分量x、角度分量x’适当地简称为x分量、x’分量。使用前级四极电磁体3，将1次射出的带电粒子束的剂量分布的端部形状希望变平缓的方向的角度分量x’的分布缩小，使得如相位空间分布72那样，分布范围即分布宽度尽可能变小。角度分量x’的分布宽度优选为在散射体6的位置通过四极电磁体2的参数变更而变得极小。

使用半影放大器1即散射体6，使角度分量x’的分布如相位空间分布73那样变大。使用散射体6的下游的后级四极电磁体4，对电子感应加速相位进行控制，使得利用散射体6使变化变得平缓的角度分量x’的分布出现在等中心IC的相位空间分布的实际空间方向x的分布中。图5是对由图1的后级四极电磁体造成的电子感应加速相位的变化进行说明的图。相位空间分布92是后级四极电磁体4的上游侧(入口侧)的相位空间分布的一个示例，相位空间分布91是后级四极电磁体4的下游侧(出口侧)的相位空间分布的一个示例。相位空间分布91的电子感应加速相位比相位空间分布92提前了Δφ。

利用后级四极电磁体4的四极电磁体2调整电子感应加速相位，并且相位空间分布中的x方向的实际空间分量即射束宽度被整形成规定大小。如上所述，具备射束整形装置10的射束输送系统能够利用射束整形装置10提供具有端部的粒子数在照射位置(等中心IC)变化平缓的实际空间分布的射束。另外，图4的相位空间分布74是将相位空间分布73的电子感应加速相位提前90度的奇数倍的示例。在电子感应加速相位提前角度为0度、180度时，实际空间分布的端部的粒子数变化依然陡峭，电子感应加速相位提前的角度越接近90度、270度，实际空间分布的端部的粒子数变化越平缓。在电子感应加速相位提前角度为90度、270度时，能够使实际空间分布的左右的半影几乎均等，并且能形成中央没有平坦部的形状，即能使实际空间分布接近高斯分布形状。即，在将电子感应加速相位提前90度的奇数倍时，能够使实际空间分布的左右的半影几乎均等，并且形成中央没有平坦部的形状，即，能使实际空间分布接近高斯分布形状。电子感应加速相位提前的角度在将基准角度设为90度时为基准角度的奇数倍最好，但也可以是在90度(基准角度)的奇数倍±45度的范围内。

对于在输入到散射体6前使相位空间分布的角度分量x’极小化的理由进行说明。图6、图7是对通过半影放大器前后的相位空间分布变化进行说明的图。图6是将角度分量x’较大的射束输入至散射体6的情况，图7是将角度分量x’较小的射束输入至散射体6的情况。角度方向特性93、96是输入至散射体6的射束的角度方向特性，纵轴是角度分量x’，横轴是射束的带电粒子数c。角度分量变化作用94表现使角度分量x’平缓的散射体6的作用，纵轴是角度分量x’，横轴是射束的带电粒子数c。角度方向特性95、97是通过散射体6后的射束的角度方向特性，纵轴是角度分量x’，横轴是射束的带电粒子数c。在图6中，示出角度分量变化作用94的高斯分布被卷积成角度方向特性93的矩形分布，从而成为具有半影的分布、即角度方向特性95。在图7中，示出角度分量变化作用94的高斯分布与角度方向特性96的矩形分布进行卷积，从而成为具有半影的分布即角度方向特性97。另外，图6、图7中，为了表现上述那样的卷积，使用了*。

散射体6为0.01mm～0.1mm左右较薄的情况下，通过散射体6后的分布、即散射后的分布是对散射体6的角度分量变化作用94进行卷积的结果。如图7所示，在散射前的角度分量x’的宽度比散射体6的角度分量变化作用94足够小的情况下，散射后的角度分量x’的分布形状中因角度分量变化作用94的宽度为主导。与此相对，如图6所示，在散射前的角度分量x’的宽度比角度分量变化作用94足够大的情况下，角度分量x’的最大值及最小值的部分变得平缓，因此散射前后的角度分量x’的分布形状的变化比例与图7相比较小。在本发明中，如图4的相位空间分布72那样，通过使散射前的角度分量x’的宽度比散射体6的角度分量变化作用94小，从而能使散射体6的角度分量x’分布的变化最大。通过使输入至散射体6的射束的角度分量x’极小，从而即使散射体6的角度方向分布的变化作用较小，也能获得充分的半影扩大效果。即，能够获得充分的半影扩大效果，并且能使散射体6的厚度变薄。由于散射体6的厚度较薄，因此能使由散射体6造成的射束能量的变化(能量降低)最小。

在专利文献1的情况下，将相位空间分布设成x方向与y方向的实际空间方向射束尺寸在散射体的正前方一致，并且对于散射前的角度方向的分布形状施加足够大的散射作用，从而消除散射前的分布形状对散射后的分布形状的影响，从而消除了分布形状的方向依赖性。即，在专利文献1的情况下，需要散射作用较大的散射体，散射体的面积较大厚度较厚，从而由散射体造成的能量降低变大。与专利文献1的情况不同，本发明的实施方式1的射束整形装置10通过使散射前的角度分量x’的宽度比散射体6的角度分量变化作用94小，从而即使是较薄的散射体也能充分利用散射体6的角度分量x’分布的变化作用。本发明的实施方式1的射束整形装置10与专利文献1的情况不同，由于散射体6的厚度较薄，因此能使由散射体6造成的射束能量的变化(能量降低)最小。

对于1次射出的带电粒子束的端部的粒子数变化无需平缓变化的方向、例如y方向进行说明。端部的粒子数变化无需平缓变化的y方向因为在端部粒子数变化已经变得平缓，因此不进行上述的处理。然而，如散射体6使角度分量x’分布扩大那样，散射体6使角度分量y’分布也扩大，因此有时会希望防止y方向的射束尺寸增大。在该情况下，通过旋转相位分布，使得在散射体6的位置上角度方向的宽度、即角度分量y’变大，从而能减小通过散射体6前后的发射度(相位空间分布的面积)的变化，并能防止射束尺寸的增大。

接着，示出图1的射束整形装置10的射束的相位空间分布与实际空间分布的示例。以下示出的分布示例是半影放大器1即散射体6的入口及出口、以及等中心的分布示例。利用射束整形装置10仅进行x方向的射束形状的整形，因此射束的相位空间分布仅示出x方向。图8是输入至图1的半影扩大器的射束的x方向的标准化相位空间分布。图9是示出图8的实际空间方向的粒子数分布的图，图10是示出图8的角度方向的粒子数分布的图。图11是示出通过图1的半影放大器后的射束的x方向的标准化相位空间分布的图。图12是示出图11的实际空间方向的粒子数分布的图，图13是示出图11的角度方向的粒子数分布的图。图14是示出图1的等中心的x方向的标准化相位空间分布的图。图15是示出图14的实际空间方向的粒子数分布的图，图16是示出图14的角度方向的粒子数分布的图。图17是示出输入至图1的半影放大器的射束的实际空间分布的图，图18是示出通过图1的半影放大器后的射束的实际空间分布的图。图19是示出图1的等中心的射束的实际空间分布的图。在图8～图19中，示出了在等中心IC，x方向的射束尺寸与y方向的射束尺寸几乎相等的示例。

首先，使用图17～图19，对于射束尺寸进行说明。在图17～图19中，横轴是x方向的长度(mm)，纵轴是y方向的长度(mm)。在散射体6的入口，如图17的实际空间分布24那样，x方向的粒子分布比y方向的粒子分布更长。在x方向的粒子分布中，粒子数变化在端部急剧。在y方向的粒子分布中，在端部黑白混合，粒子数变化变得平缓。在散射体6的出口，如图18的实际空间分布25那样，x方向的粒子分布、y方向的粒子分布均与图17的分布相同，几乎没有变化。在等中心IC，如上所述那样将x方向的相位分布的电子感应加速相位提前90度的奇数倍，从而如图19的实际空间分布26那样，在x方向的粒子分布中，粒子数变化变得平缓。此外，在等中心IC，如图19的实际空间分布26那样，即使在y方向的粒子分布中，粒子数变化也变得平缓。另外，射束的实际空间分布是射束的截面方向的粒子分布。

在图8、图11、图14中，横轴是标准化后的实际空间分量x，纵轴是标准化后的角度分量x’。在图9、图12、图15中，横轴是标准化后的实际空间分量x，纵轴是标准化后的粒子数(c/bin)。bin是箱体(bin)宽度，此处是0.04mm。在图10、图13、图16中，横轴是标准化后的粒子数(c/bin)，纵轴是标准化后的角度分量x’。在散射体6的入口，对于1次射出的带电粒子束的剂量分布的端部形状希望变平缓的方向的角度分量x’的分布，利用前级四极电磁体3缩小，使得如图8的相位空间分布15那样，分布宽度尽可能变小。角度分量x’的分布宽度例如在散射体6的位置上通过四极电磁体2的参数变更来变得极小。如图9的实际空间方向特性16那样，相位空间分布15的实际空间分量x的端部的粒子数变化急剧地变化，实际空间分量x的中间部的粒子数固定。如图10的角度方向特性17那样，相位空间分布15的角度分量x’的端部的粒子数变化急剧地变化，角度分量x’的中间部的粒子数固定。

在散射体6的出口，对于1次射出的带电粒子束的剂量分布的端部形状希望变平缓的方向的角度分量x’的分布，利用散射体6扩大其分布宽度，从而如图11相位空间分布18那样。图12的实际空间方向特性19与图9的实际空间方向特性16相同，相位空间分布18的实际空间分量x的端部的粒子数变化急剧地变化，实际空间分量x的中间部的粒子数固定。图13的角度方向特性20因散射体6其粒子数从中心(x’＝0的位置)到端部平缓地变化。如图12、图13所示那样，散射体6使相位空间分布的仅角度分量x’的粒子数分布平缓地变化。在实施方式1中，在散射体6的入口，使带电粒子束的相位空间分布的角度分量x’如图8那样足够小，因此在散射体6的出口，带电粒子束的相位空间分布的角度分量x’能够如图13那样消除在中间部粒子数为固定的部分。

在等中心IC，1次射出的带电粒子束的剂量分布的端部形状希望变平缓的方向的实际空间分量x的分布如图14的相位空间分布21那样，利用后级四极电磁体4进行调整，使电子感应加速相位为90度的奇数倍，在实际空间方向的端部，黑白部分混合在一起，从而粒子数变化变得平缓。图15的实际空间方向特性22中，由于后级四极电磁体4，使得与图13的角度方向特性20的分布形状同样，从中心(x＝0的位置)到端部为止粒子数平缓地变化。图16的角度方向特性23中，由于后级四极电磁体4，与图12的实际空间方向特性19的分布形状相同，相位空间分布21的角度方向的端部的角度分量x’的粒子数变化急剧地变化，中间部的角度分量x’的粒子数为固定。

如上所述，实施方式1的射束输送系统30包括射束整形装置10，该射束整形装置10将在射束截面方向的端部具有粒子数的变化急剧的陡峭端部的带电粒子束的分布形状整形成平缓的分布形状，该射束输送系统向以将作为照射位置的基准的等中心IC包含在内的方式定位的照射对象输送带电粒子束。实施方式1的射束输送系统30的射束整形装置10的特征在于，将与带电粒子束的前进方向(s方向)垂直且从带电粒子束的中心通过陡峭端部的方向设为x方向，将构成带电粒子束的带电粒子的相对于前进方向(s方向)的倾斜度设为角度分量，该射束整形装置10包括：前级四极电磁体3，该前级四极电磁体3使带电粒子束的x方向的角度分量x’即x角度分量x’的分布宽度减小；半影放大器1，该半影放大器1使通过前级四极电磁体3后的带电粒子束的x角度分量x’的粒子数分布的端部形状平缓；以及后级四极电磁体4，该后级四极电磁体4对通过半影放大器1后的带电粒子束的x方向的相位空间分布的电子感应加速相位进行调整，后级四极电磁体4将从半影放大器1向等中心IC的电子感应加速相位的相位提前角度调整成在90度的奇数倍±45度的范围内，因此，在使输入至半影放大器1的带电粒子束的x方向的角度分量的分布宽度减小后，利用半影放大器1使端部形状平缓，调整向着等中心IC的电子感应加速相位的相位提前角度，因此能够形成端部的粒子数的变化为平缓的分布的照射野，而不会使射束尺寸不必要地变大。

此外，实施方式1的射束整形装置10不会限制射束输送系统30的配置位置，射束整形装置10的配置位置的自由度较高。因而，实施方式1的射束输送系统30能够将射束整形装置10配置在向等中心IC照射带电粒子束的粒子射线照射装置的上游侧。实施方式1的射束输送系统30通过将射束整形装置10配置在向等中心IC照射带电粒子束的粒子射线照射装置的上游侧，从而与专利文献1的装置不同，能防止由从散射体6产生的中子造成的不必要的被曝，而不会增大射束整形装置10的装置尺寸。

实施方式2.

实施方式1中，对于与射束的前进方向s垂直的x方向、y方向中的x方向，将相位空间分布的角度分量x’的宽度最优化。实施方式2中，为了使由散射体6造成的y方向的粒子分布的变化最小，对在散射体6的设置位置缩小y方向的射束尺寸的示例进行说明

图20是示出本发明的实施方式2所涉及的射束输送系统的图。实施方式2的射束输送系统30的射束整形装置10与图1的射束输送系统30的射束整形装置10的不同点在于：前级四极电磁体3具备了3个四极电磁体2。前级四极电磁体3的2个四极电磁体2与实施方式1相同，使相位空间分布的角度分量x’缩小成尽可能小，1个四极电磁体2使相位空间分布的实际空间分量y缩小成尽可能小。

在图21中示出射束尺寸的变化例。。图21是示出图20的射束输送系统的射束输送的射束宽度的图。横轴是射束的前进方向s的长度(m)，纵轴是RMS射束宽度(mm)。RMS(RootMean Square)是均方根。射束尺寸特性27是x方向的射束尺寸的变化特性，射束尺寸特性28是y方向的射束尺寸的变化特性。图21中，还示出了四极电磁体配置29。四极电磁体配置29的四边形示出四极电磁体2的配置位置，散射体6配置在纵线75的位置。配置在四极电磁体配置29的上侧的四边形是使射束收敛的四极电磁体，配置在下侧的四边形是使射束发散的四极电磁体。例如，使前级四极电磁体3的左端的射束收敛的四极电磁体2是将相位空间分布的实际空间分量y缩小成尽可能小的四极电磁体。

图21的射束尺寸的变化例是对250MeV的质子射束使用厚度0.01mm的铝作为散射体6的示例。与实施方式1相同，端部的粒子数的变化希望变平缓的方向为x。实施方式2的射束整形装置10中，在散射体6的位置(纵线75的位置)缩小y方向的射束尺寸。由此，实施方式2的射束整形装置10能使由散射体6造成的y方向的粒子分布(实际方向空间分量)的变化最小。实施方式2的射束整形装置10与实施方式1的射束整形装置10相比，通过对配置在散射体6的上游的前级四极电磁体3追加1个四极电磁体2，从而确保用于调整的自由度，使得在散射体6的设置位置的y方向的射束尺寸变小。在实施方式1的射束整形装置10中，对250MeV的质子射束使用厚度0.01mm的铝作为散射体6，并且如四极电磁体配置29的配置(除了最左侧的四极电磁体)那样配置四极电磁体2的情况下，实施方式1的射束输送系统30的x方向的射束尺寸特性变得与图21的x方向的射束尺寸特性27相同。

接着，示出图20的射束整形装置10的射束的相位空间分布的示例。以下示出的分布示例是作为半影放大器1的散射体6的入口、出口以及等中心的分布示例。x方向的相位空间分布与实施方式1所说明的图8～图16相同，因此不重复说明。在图22～图30中示出y方向的相位空间分布。图22是输入至图20的半影放大器的射束的y方向的标准化相位空间分布。图23是示出图22的实际空间方向的粒子数分布的图，图24是示出图22的角度方向的粒子数分布的图。图25是示出通过图20的半影放大器后的射束的y方向的标准化相位空间分布的图。图26是示出图25的实际空间方向的粒子数分布的图，图27是示出图25的角度方向的粒子数分布的图。图28是示出图20的等中心的y方向的标准化相位空间分布的图。图29是示出图28的实际空间方向的粒子数分布的图，图30是示出图28的角度方向的粒子数分布的图。

在图22、图25、图28中，横轴是标准化后的实际空间分量y，纵轴是标准化后的角度分量y’。在图23、图26、图29中，横轴是标准化后的实际空间分量y，纵轴是标准化后的粒子数(c/bin)。在图24、图27、图30中，横轴是标准化后的粒子数(c/bin)，纵轴是标准化后的角度分量y’。在散射体6的入口，图22的相位空间分布61的实际空间分量y及角度分量y’在端部黑白混合，粒子数变化变得平缓。如图23那样，实际空间方向特性62的粒子数从中心(y＝0的位置)到端部平缓地变化。如图24那样，角度方向特性63的粒子数从中心(y’＝0的位置)到端部平缓地变化。

在散射体6的出口，图25的相位空间分布64的实际空间分量y及角度分量y’在端部黑白混合，粒子数变化变得平缓。如图26的实际空间方向特性65那样，粒子数从中心(y＝0的位置)到端部平缓地变化。如图27的角度方向特性66那样，粒子数从中心(y’＝0的位置)到端部平缓地变化。散射体6的出口的相位空间分布64与入口的相位空间分布61相比几乎没有变化，散射体6的影响几乎没有。

在等中心IC，图28的相位空间分布67的实际空间分量y及角度分量y’在端部黑白混合，粒子数变化变得平缓。如图29那样，实际空间方向特性68从中心(y＝0的位置)到端部为止粒子数平缓地变化。如图27那样，角度方向特性69从中心(y’＝0的位置)到端部为止粒子数平缓地变化。

实施方式2的射束输送系统30在射束整形装置10的前级四极电磁体3具备四极电磁体2，该四极电磁体2在散射体6的设置位置使y方向的射束尺寸即相位空间分布的实际空间分量y减小，因此与实施方式1的射束输送系统30相比，能减小由散射体6造成的y方向的角度分量y’的变化，能最终减小等中心IC的y方向的实际空间分量y的变化。

实施方式3.

实施方式3中，示出射束输送系统30的下游侧搭载于旋转吊架12的示例。旋转吊架12构成为能使照射带电粒子束的粒子射线照射装置以等中心IC为中心进行旋转，从任意的旋转角度向患者照射带电粒子束。图31是示出本发明的实施方式3所涉及的射束输送系统的图。等中心IC是旋转吊架12的旋转轴与粒子射线照射装置的射束轴的交点。在图31中，记载了实施方式1的射束整形装置10的示例，但是也可以是实施方式2的射束整形装置10。另外，图31中，在旋转吊架12中，将射束路径9弯曲成直角来记载。

本发明的射束整形装置10能够配置在射束输送系统30的上游侧，因此能将没有配置射束整形装置10的射束输送系统30的下游侧搭载于旋转吊架12。实施方式3的射束输送系统30即使在下游侧搭载于旋转吊架12的情况下，也能输送端部的粒子数的变化平缓这样分布的带电粒子束，而不会因射束整形装置10造成射束尺寸不必要地增大。

实施方式4.

在实施方式4中，示出在自散射体6的电子感应加速相位提前Δφ为90度的奇数倍的位置配置屏幕监视器、线栅监视器等射束形状确认装置5的示例。在图32中，Δφ记载为90*(2n-1)。n为自然数。实施方式4的射束输送系统30通过使用射束形状确认装置5，从而能确认是否形成了端部的粒子数变化为平缓的分布。实施方式4的射束输送系统30能使用射束形状确认装置5来确认射束形状，因此射束整形装置10的调整变得方便，能方便地判断是否需要维护射束整形装置10。

实施方式5.

在实施方式5中，对于应用二极电极7、二极电磁体8代替散射体6作为半影放大器1的示例进行说明。图33是示出本发明的实施方式5所涉及的半影放大器的图，图34是示出图33的半影放大器的电场分布的图。二极电极7是例如平行平板电极，配置在射束输送系统30的真空管道11的内部。在图34中，横轴为时间t，纵轴为电场E。电场特性70中，使电场E较大地变化的期间、即踢脚较大的期间T1较短，使电场E较小的期间T2较长。通过配置上述的二极电极7，使得电场E成为x方向，从而能形成x方向的端部的粒子数变化平缓的分布。如图33所示，若配置二极电极7使得电场E成为y方向，则能形成y方向的端部的粒子数变化平缓的分布。二极电极7造成的电场E的时间变化比用于在等中心IC形成照射野的射束扫描速度足够快。具体地说，使电场E在1MHz以上进行变化。

图35是示出本发明的实施方式5所涉及的其他半影放大器的图,图36是示出图35的半影放大器的磁场分布的图。二极电磁体8是配置在射束输送系统30的真空管道11的外部。在图36中，横轴为时间t，纵轴为磁场H。磁场特性71中，与电场特性70相同，使磁场H较大地变化的期间、即踢脚较大的期间T1较短，使磁场H较小的期间T2较长。如图35所示，通过配置二极电磁体8使得磁场H成为y方向，从而能形成x方向的端部的粒子数变化平缓的分布。若配置二极电磁体8使磁场H成为x方向，从而能形成y方向的端部的粒子数变化平缓的分布。二极电磁体8造成的磁场H的时间变化与二极电极7的电场E相同，比用于在等中心IC形成照射野的射束扫描速度足够快。具体地说，使磁场H在1MHz以上进行变化。

通过将实施方式5的半影放大器1用于射束整形装置10，从而与实施方式2相同，能仅在需要的方向形成端部的粒子数变化平缓的分布。实施方式5的射束输送系统30中，由于射束整形装置10具备由二极电极7、二极电磁体8构成的半影放大器1，因此与实施方式2相同，与实施方式1的射束输送系统30相比，能减小由散射体6造成的y方向的实际空间分量y的变化。

实施方式6.

在实施方式6中，对于如下粒子射线治疗装置进行说明，该粒子射线治疗装置使用同步加速器作为射束生成装置的加速器，该同步加速器采取使用了电子感应加速器共振的射束射出方式(慢射出方式)，在同步加速器的射出装置的下游的射束输送系统30设置了实施方式1～实施方式5所示的射束整形装置10。

图37是示出本发明的实施方式6的粒子射线治疗装置的简要结构图，图38是示出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51包括射束生成装置52、射束输送系统30以及粒子射线照射装置58a、58b。射束生成装置52具有离子源(未图示)、前级加速器53以及作为加速器的同步加速器54。粒子射线照射装置58b设置于旋转吊架12。粒子射线照射装置58a设置于不具有旋转吊架12的治疗室。射束输送系统30的作用是连接同步加速器54与粒子射线照射装置58a、58b。射束输送系统30包括：供带电粒子束通过的真空管道11、使带电粒子束偏向的多个偏向电磁体57、射束整形装置10、作为射束输送系统30的一部分而设置于旋转吊架12的多个偏向电磁体55、以及未图示的多个四极电磁体。四极电磁体使带电粒子束收敛或发散。

在离子源产生的质子射线等粒子射线即带电粒子束被前级加速器53加速，从入射装置46入射至同步加速器54。带电粒子束被加速到规定的能量。从同步加速器54的射出装置47射出的带电粒子束经由射束输送系统30被输送至粒子射线照射装置58a、58b。粒子射线照射装置58a、58b将带电粒子束照射至照射对象45(参照图38)。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。

由射束生成装置52产生并被加速到规定的能量的带电粒子束31经由射束输送系统30被引导到粒子射线照射装置58。在图38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方向及Y方向上扫描带电粒子束31的X方向扫描电磁体32以及Y方向扫描电磁体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、扫描电磁体电源37、以及对粒子射线照射装置58进行控制的照射管理装置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、以及点间计数器44。另外，带电粒子束31的前进方向为-Z方向。

X方向扫描电磁体32是沿X方向扫描带电粒子束31的扫描电磁体，Y方向扫描电磁体33是沿Y方向扫描带电粒子束31的扫描电磁体。位置监视器34检测射束信息，该射束信息用于计算由X方向扫描电磁体32及Y方向扫描电磁体33扫描的带电粒子束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基于位置监视器34检测到的多个模拟信号(射束信息)构成的射束信息，对带电粒子束31的通过位置(重心位置)、尺寸进行运算。并且，射束数据处理装置41还生成表示带电粒子束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上的带电粒子束31的照射位置，若由剂量监视器35测定得到并经剂量数据转换器36转换成数字数据的剂量达到目标剂量，则将带电粒子束31移动至下一个照射位置。扫描电磁体电源37基于从照射管理装置38输出的对X方向扫描电磁体32及Y方向扫描电磁体33的控制输入(指令)，来改变X方向扫描电磁体32及Y方向扫描电磁体33的设定电流。

这里，粒子射线照射装置58的扫描照射方式采用在改变带电粒子束31的照射位置时不停止照射带电粒子束31的光栅扫描照射方式，且是像点扫描照射方式那样使射束照射位置逐次在点位置间移动的方式。点计数器43对带电粒子束31的射束照射位置所停留的期间的照射剂量进行测量。点间计数器44对带电粒子束31的射束照射位置进行移动的期间的照射剂量进行测量。触发生成部42在射束照射位置的带电粒子束31的剂量达到目标照射剂量的情况下，生成剂量已满信号。

实施方式6的粒子射线治疗装置51包括：射束生成装置52，该射束生成装置52产生带电粒子束31，并利用同步加速器54将其加速到规定的能量；射束输送系统30，该射束输送系统30对经射束生成装置52加速后的带电粒子束31进行输送；以及粒子射线照射装置58，该粒子射线照射装置58将由射束输送系统30输送的带电粒子束31照射到照射对象45，射束输送系统30具备射束整形装置10。射束整形装置10是实施方式1～5所示的射束整形装置。实施方式6的粒子射线治疗装置51在射束输送系统30中具备射束整形装置10，因此能对照射对象照射端部的粒子数的变化平缓这样分布的带电粒子束，能对照射对象形成端部的粒子数的变化平缓的分布的照射野，而不会使射束尺寸不必要地增大。

实施方式6的粒子射线治疗装置51由于将射束整形装置10配置在粒子射线照射装置58a、58b的上游侧，因此与专利文献1的治疗装置不同，即使将散射体6用作为半影放大器1，也能防止由从散射体6产生的中子造成的不必要的被曝，而不会增大射束整形装置10的装置尺寸。此外，如图37那样，能够将射束整形装置10配置在向多个粒子射线照射装置58a、58b分岔的偏向电磁体57的上游侧。由此，在实施方式6的粒子射线治疗装置51中，可以仅配置1个射束整形装置10，能够向多个粒子射线照射装置58输送端部的粒子数的变化平缓这样分布的带电粒子束，而不会使装置增大、复杂，并且不会使射束尺寸不必要地增大。另外，在图37中，示出了将射束整形装置10的后级四极电磁体4配置在半影放大器1与下游侧最近的偏向电磁体57之间的示例，但也可以分散地配置在下游侧最近的偏向电磁体57与粒子射线照射装置58a之间。同样，在向粒子射线照射装置58b输送射束的情况下，也可以将射束整形装置10的后级四极电磁体4分散地配置在下游侧最近的偏向电磁体57与粒子射线照射装置58b之间。

实施方式7.

在实施方式7中，对于粒子射线治疗装置进行说明，该粒子射线治疗装置使用回旋加速器作为射束生成装置52的加速器，在射束输送系统30中设置作为能量变更器的散射体、用于限制射束尺寸的准直器、以及在实施方式1～实施方式5中示出的射束整形装置10。

图39是示出本发明的实施方式7的粒子射线治疗装置的简要结构图。实施方式7的粒子射线治疗装置51与实施方式6的粒子射线治疗装置51的不同点在于：射束生成装置52的加速器为回旋加速器59，在回旋加速器59与射束整形装置10之间具备了散射体13及准直器14。准直器14配置在散射体13的下游侧，对利用散射体扩大的射束尺寸进行限制。射束整形装置10对被准直器14切割并变得陡峭的端部的分布形状进行整形。在自准直器14的电子感应加速相位的提前角度为90度的位置上配置半影放大器1。由此，半影放大器1能使相位空间分布的角度分量x’的端部的粒子数变化变得平缓。

实施方式7的粒子射线治疗装置51能获得与实施方式6的粒子射线治疗装置51相同的效果。

另外，虽然在实施方式6、7中，对如下的照射方法进行了说明：在变更切片时使带电粒子束31停止，在对相同切片内进行照射时，持续照射带电粒子束31，但并不限于此，还能适用于对每个照射点停止带电粒子束31的点扫描方式、光栅扫描照射方式等其他照射方法。此外，本发明在其发明的范围内，能将各实施方式组合，并能将各实施方式进行适当地变形、省略。

标号说明

1 半影放大器

3 前级四极电磁体

4 后级四极电磁体

5 射束形状确认装置

6 散射体

7 二极电极

8 二极电磁体

10 射束整形装置

12 旋转吊架

13 散射体

14 准直器

30 射束输送系统

31 带电粒子束

45 照射对象

51 粒子射线治疗装置

52 射束生成装置

54 同步加速器

58、58a、58b 粒子射线照射装置

59 回旋加速器

IC 等中心

Claims (9)

1.一种射束输送系统，其具备射束整形装置，该射束整形装置将在射束截面方向的端部具有粒子数的变化急剧的陡峭端部的带电粒子束的分布形状整形成平缓的分布形状，该射束输送系统向以将作为照射位置的基准的等中心包含在内的方式进行定位的照射对象输送所述带电粒子束，其特征在于，

将与所述带电粒子束的前进方向垂直且从所述带电粒子束的中心通过所述陡峭端部的方向设为x方向，将构成所述带电粒子束的带电粒子的相对于所述前进方向的倾斜度设为角度分量，所述射束整形装置包括：

前级四极电磁体，该前级四极电磁体使所述带电粒子束的所述x方向的角度分量即x角度分量的分布宽度减小；

半影放大器，该半影放大器使通过所述前级四极电磁体后的所述带电粒子束的所述x角度分量的粒子数分布的端部形状平缓；以及

后级四极电磁体，该后级四极电磁体对通过所述半影放大器后的所述带电粒子束的所述x方向的相位空间分布中的电子感应加速相位进行调整，

所述后级四极电磁体将从所述半影放大器向所述等中心的所述电子感应加速相位的相位提前角度调整在90度的奇数倍±45度的范围内。

2.如权利要求1所述的射束输送系统，其特征在于，所述前级四极电磁体包括：

至少2个四极电磁体，该至少2个四极电磁体使所述带电粒子束的所述x角度分量的分布宽度减小；以及

四极电磁体，该四极电磁体使与所述带电粒子束的前进方向垂直并且与所述x方向垂直的y方向的射束尺寸减小。

3.如权利要求1或2所述的射束输送系统，其特征在于，具备射束形状确认装置，该射束形状确认装置在电子感应加速相位相对于所述半影放大器的相位提前角度为90度的奇数倍的位置，对射束形状进行确认。

4.如权利要求1至3中任一项所述的射束输送系统，其特征在于，所述半影放大器是厚度为0.1mm以下的散射体。

5.如权利要求1至3中任一项所述的射束输送系统，其特征在于，所述半影放大器具备二极电极，

所述二极电极产生周期性变化的电场，

所述电场的变化较大的期间比变化较小的期间短，并且周期为1MHz以上。

6.如权利要求1至3中任一项所述的射束输送系统，其特征在于，所述半影放大器具备二极电磁体，

所述二极电磁体产生周期性变化的磁场，

所述磁场的变化较大的期间比变化较小的期间短，并且周期为1MHz以上。

7.一种粒子射线治疗装置，其特征在于，包括：射束生成装置，该射束生成装置产生带电粒子束，并利用同步加速器将其加速到规定的能量；射束输送系统，该射束输送系统对经所述射束生成装置加速后的所述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将由所述射束输送系统输送的所述带电粒子束照射到照射对象，

所述射束输送系统是权利要求1至6中任一项所述的射束输送系统。

8.一种粒子射线治疗装置，其特征在于，包括：射束生成装置，该射束生成装置产生带电粒子束，并利用回旋加速器将其加速到规定的能量；射束输送系统，该射束输送系统对经所述射束生成装置加速后的所述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将由所述射束输送系统输送的所述带电粒子束照射到照射对象，

所述射束输送系统是权利要求1至6中任一项所述的射束输送系统，

在所述回旋加速器与所述射束整形装置之间，具备对所述带电粒子束的能量进行变更的散射体、以及对因所述散射体而扩大的射束尺寸进行限制的准直器，

所述射束整形装置的所述半影放大器配置在电子感应加速相位相对于所述准直器的相位提前角度为90度的位置上。

9.如权利要求7或8所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，所述粒子射线治疗装置包括以所述等中心为中心进行旋转的旋转吊架，所述半影放大器配置在所述旋转吊架的上游侧。