CN110339491A - 聚束电磁铁及带电粒子束照射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供使从大角度范围入射的带电粒子束偏转而聚束于等角点的聚束电磁铁。本发明提供聚束电磁铁，具备隔着带电粒子束的路径配置的线圈对，线圈对生成磁场朝向Z轴的有效磁场区域，Z轴正交于作为带电粒子束的行进方向的X轴的方向，在XY面，在偏转起点Q相对于X轴以偏转角φ偏转并入射的带电粒子束被有效磁场区域偏转，相对于X轴以照射角θ照射等角点，有效磁场区域的射出侧的边界上的任意点P2位于距等角点等距离r1的位置，有效磁场区域的入射侧的边界上的点P1和点P2位于半径r2及中心角θ+φ的圆弧上，在将偏转起点Q和等角点之间的距离设为L时，偏转起点Q和点P1之间的距离R满足关系式(4)。

Description

聚束电磁铁及带电粒子束照射装置
技术领域
本发明涉及聚束电磁铁及使用了聚束电磁铁的带电粒子束照射装置。
背景技术
一直以来，进行着向癌变等恶性肿瘤照射以高能量加速的带电粒子束来治疗恶性肿瘤的粒子线治疗。
向物体照射带电粒子束时，沿着物体内的带电粒子束的路径，会向物体赋予能量(照射剂量)。向物体内部的受限区域(标靶)集中赋予照射剂量的情况下，通过以带电粒子束与标靶重合的方式从各个方向照射带电粒子束，提高照射剂量的集中性。
在粒子线治疗领域，为了在抑制正常组织暴露的同时在体内的标靶上赋予大的照射剂量，通常采用从多个方向照射带电粒子束的方法。在日本特开2002－113118号公报中，作为从多个方向朝向标靶照射带电粒子束的装置，公开有在治疗室设置多个固定照射端口，并在多个固定照射端口共用使带电粒子束的特性变化的设备的装置。日本特开昭60－20439号公报公开有通过使标靶自身旋转，将从一个固定照射端口射出的带电粒子束从多个方向照射到标靶的装置。日本特许第2836446号公开有使带电粒子束的输送装置整体旋转的旋转照射装置。
发明内容
在日本特开2002－113118号公报记载的装置中，向标靶照射带电粒子束的方向的数量与固定照射端口的数量相同，向标靶照射带电粒子束的方向(照射角)不连续。另外，还需要与照射方向的数量对应的带电粒子束的输送线路，在制造成本及设置空间方面也存在问题。在日本特开昭60－20439号公报记载的装置中，通过使患者旋转来从各个方向朝向标靶照射带电粒子束，因此被旋转的患者负担重，存在容易产生旋转引起的肿瘤(标靶)变形的问题。在日本特许第2836446号记载的装置中，能够对标靶连续地照射带电粒子束，另一方面，需要用于使带电粒子束的输送线路及照射端口一体旋转的巨大机构，在制造这种机构的成本及设置的空间方面也存在问题。
鉴于这样的情况，本发明的一实施方式的目的在于，提供聚束电磁铁，其使从较大的角度范围入射的带电粒子束偏转而在等角点聚束。本发明的另一实施方式的目的在于，提供具备该聚束电磁铁的带电粒子束照射装置。另外，本发明的另外的实施方式的目的在于，提供具备该聚束电磁铁及照射口的带电粒子束照射装置。
本发明的实施方式包括下述〔1〕～〔15〕。
〔1〕一种聚束电磁铁，具备隔着带电粒子束的路径配置的线圈对，
所述线圈对构成为，如果输入电流，就会生成磁场朝向Z轴的有效磁场区域，Z轴正交于作为带电粒子束的行进方向的X轴的方向，在此，将正交于X轴和Z轴双方的轴作为Y轴，
在XY面，
在偏转起点Q相对于X轴以偏转角偏转并入射到所述有效磁场区域的带电粒子束被所述有效磁场区域偏转，
相对于X轴以照射角θ照射等角点，所述有效磁场区域的带电粒子束的射出侧的边界上的任意点P2位于距所述等角点等距离r1的位置，
所述有效磁场区域的带电粒子束的入射侧的边界上的点P1和所述点P2位于半径r2及中心角的圆弧上，
在将所述偏转起点Q和所述等角点之间的距离设为L时，所述偏转起点Q和所述点P1之间的距离R满足关系式(4)：
〔2〕根据〔1〕所述的聚束电磁铁，其中，
所述聚束电磁铁具备二组以上的所述线圈对，
所述二组以上的线圈对以隔着带电粒子束的路径且在Y轴方向排列的方式配置，
电流切换器与所述二组以上的线圈对中的第一线圈对及第二线圈对连接，
所述电流切换器向所述第一线圈对及所述第二线圈对中的任一方供给电流，
所述第一线圈对及所述第二线圈对所生成的有效磁场区域的磁场方向彼此相反。
〔3〕根据〔1〕或〔2〕所述的聚束电磁铁，其中，
所述偏转起点Q和所述等角点位于X轴上。
〔4〕一种带电粒子束照射装置，其中，
具备：
加速器，生成带电粒子束；
偏转电磁铁装置，在所述偏转起点Q以10度以上的偏转角φ使来自所述加速器的带电粒子束偏转；
〔1〕～〔3〕中任一项所述的聚束电磁铁；
电源装置，用于向所述聚束电磁铁供给电流进行励磁。
〔5〕根据〔4〕所述的带电粒子束照射装置，其中，
还具有真空管道，连接所述偏转电磁铁装置和所述聚束电磁铁，
所述真空管道构成为，在XY面形成扇形，即使是以10度以上的偏转角φ偏转的所述带电粒子束，也能够在所述真空管道内通过。
〔6〕根据〔4〕或〔5〕所述的带电粒子束照射装置，其中，
还具有驱动装置，使所述聚束电磁铁围绕X轴以旋转角ω旋转，从所述旋转角ω和所述照射角θ任意组合的范围向等角点照射带电粒子束。
〔7〕根据〔4〕～〔6〕中任一项所述的带电粒子束照射装置，其中，
所述聚束电磁铁相对于设置有所述带电粒子束照射装置的照射室的地面能够倾斜地配置所述聚束电磁铁的长度方向。
〔8〕根据〔4〕～〔7〕中任一项所述的带电粒子束照射装置，其中，
还具有四极电磁铁，设置于所述偏转电磁铁装置的上游侧，用于调整带电粒子束的粒子束形状。
〔9〕根据〔8〕所述的带电粒子束照射装置，其中，
为了针对每个照射角θ调整带电粒子束的粒子束形状，针对每个照射角θ控制所述四极电磁铁的励磁电流。
〔10〕根据〔4〕～〔9〕中任一项所述的带电粒子束照射装置，其中，
还具有：转向电磁铁装置，设置于所述偏转电磁铁装置的上游侧；粒子束监视装置，设置于所述聚束电磁铁的所述射出侧，
根据来自所述粒子束监视装置的带电粒子束的粒子束位置的信息，反馈控制所述偏转电磁铁装置、所述聚束电磁铁及所述转向电磁铁装置中的至少一个的励磁电流。
〔11〕根据〔4〕～〔10〕中任一项所述的带电粒子束照射装置，其中，
还具有夹着位于所述等角点上的标靶设置的图像拍摄装置，
所述图像拍摄装置在向所述标靶照射带电粒子束之前或在照射中，生成所述标靶的图像信息。
〔12〕一种带电粒子束照射装置，其中，具备：
聚束电磁铁，通过使带电粒子束偏转，连续地改变朝向等角点的带电粒子束的照射角；
照射口，沿着所述聚束电磁铁的有效磁场区域的射出侧的形状连续移动，
从所述聚束电磁铁射出的带电粒子束通过所述照射口向所述等角点照射。
〔13〕一种带电粒子束照射装置，其中，具备：
〔1〕～〔3〕中任一项所述的聚束电磁铁；
照射口，沿着所述聚束电磁铁的有效磁场区域的射出侧的形状连续移动，
从所述聚束电磁铁射出的带电粒子束通过所述照射口向所述等角点照射。
〔14〕根据〔12〕或〔13〕所述的带电粒子束照射装置，其中，
所述照射口具备可将带电粒子束在规定的范围内扫描的扫描电磁铁和监视带电粒子束的粒子束监视器，
所述带电粒子束照射装置还具备扫描控制部，该扫描控制部以来自所述粒子束监视器的信息为基础，控制所述扫描电磁铁，扫描带电粒子束。
〔15〕根据〔12〕～〔14〕中任一项所述的带电粒子束照射装置，其中，
所述照射口通过以下方式沿着所述聚束电磁铁的有效磁场区域的射出侧的形状连续移动：
(i)所述照射口沿着导轨移动，所述导轨沿着所述聚束电磁铁的有效磁场区域的射出侧的形状设置，或者
(ii)所述照射口设置于构成治疗室内侧的壁面的一部分的罩体，所述罩体沿着所述聚束电磁铁的有效磁场区域的射出侧的形状连续移动。
本发明的一实施方式的聚束电磁铁能够使朝向标靶照射带电粒子束的方向(照射角θ)连续。即使带电粒子束从较大的角度范围入射，该聚束电磁铁也能够将带电粒子束聚束在标靶。通过使用该聚束电磁铁，无需移动标靶(患者)，能够防止或减少患者的负担及伴随移动的标靶变形。另外，由于在该聚束电磁铁中形成有确定带电粒子束与偏转角φ对应地聚束在标靶的照射角θ的有效磁场区域，因此不需要用于物理地移动该聚束电磁铁的巨大机构，相应地，能够减少制造成本及设置空间的问题。
附图说明
图1a是一实施方式的聚束电磁铁的概略结构图。
图1b是一实施方式的聚束电磁铁的剖视图。
图2是用于说明一实施方式的有效磁场区域的形成的图。
图3是一实施方式的电源装置的概略结构图。
图4a是一实施方式的带电粒子束照射装置的概略结构图。
图4b是一实施方式的带电粒子束照射装置的概略结构图。
图5是一实施方式的带电粒子束照射装置的概略结构图。
图6是一实施方式的带电粒子束照射装置的概略结构图。
图7a是一实施方式的带电粒子束照射装置的概略结构图。
图7b是一实施方式的带电粒子束照射装置的概略结构图。
图8是一实施方式的带电粒子束照射装置的概略结构图。
图9是一实施方式的带电粒子束照射装置的概略结构图。
图10a是一实施方式的带电粒子束照射装置的概略结构图。
图10b是一实施方式的带电粒子束照射装置的概略结构图。
图11是一实施方式的带电粒子束照射装置的概略结构图。
图12是一实施方式的带电粒子束照射装置的概略结构图。
图13是其它方式的带电粒子束照射装置的概略图。
具体实施方式
〔第一实施方式〕
本发明的第一实施方式涉及使从大的角度范围入射的带电粒子束偏转并使其在等角点聚束的聚束电磁铁10。
图1a是本实施方式的聚束电磁铁10的概略结构图。将带电粒子束的行进方向设为X轴，将聚束电磁铁10生成的磁场方向设为Z轴，将与X轴及Z轴正交的方向设为Y轴。在XY面，聚束电磁铁10使从相对于X轴的偏转角φ大的范围入射的带电粒子束聚束在等角点O。
在此，本实施方式中，如图2所示，将等角点O设为XYZ空间的原点，将上游侧(加速器侧)设为X轴的正方向，但不限于此。偏转角φ的范围在大于－90度～小于+90度的范围，正(+Y轴方向)的偏转角范围和负(－Y轴方向)的偏转角范围可以不同。即，后述的有效磁场区域15a、15b可以在XY面具有非对称的形状。例如，正侧的最大偏转角(φ＝φmax)可以为45度，负侧的最大偏转角(φ＝－φmax)可以为－30度等。
聚束电磁铁10具备1组以上的线圈对，该线圈对生成朝向与带电粒子束的行进方向和带电粒子束的偏转角φ的扩大方向正交的方向(图中Z轴方向)的均匀磁场(有效磁场区域15a、15b)，隔着带电粒子束的路径配置。聚束电磁铁10的1组线圈对生成的有效磁场区域如图1a所示，在XY面具有新月形状，对其在后面详述。此外，带电粒子束通过的相对的线圈对之间的间隙(Z轴方向的距离)相比于XY面的带电粒子束扩展的范围足够小，因此，在此对于带电粒子束的Z轴方向的扩展不作考虑。另外，将有效磁场区域15a、15b统称为有效磁场区域15。
图1b是聚束电磁铁10的A－A线剖视图。在本实施方式中，聚束电磁铁10优选具备至少二组线圈对11a、11b。在线圈11a、11b的内部分别装入磁极12a、12b，在磁极12a、12b连接有磁轭13。聚束电磁铁10连接有后述的电源装置(图3)。通过从电源装置向线圈对11a、11b供给电流(也称为励磁电流)，聚束电磁铁10被励磁，形成有效磁场区域15a、15b。此外，有效磁场区域15a的范围和有效磁场区域15b的范围可以不同(非对称)。例如，如果正(+Y轴方向)的偏转角范围和负(－Y轴方向)的偏转角范围为非对称，则与其相应地，有效磁场区域15a、15b也会非对称地形成，能够减少未被使用的有效磁场区域。
通过由偏转电磁铁装置20偏转，入射到聚束电磁铁10的带电粒子束的偏转角φ的范围是从正的最大偏转角(φ＝φmax)至负的最大偏转角(φ＝－φmax)的范围，正的最大偏转角φmax为10度以上且小于90度的角度，负的最大偏转角－φmax是大于－90且－10度以下的角度。例如，正的最大偏转角φmax可以是10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度、60度、70度、80度或85度，负的最大偏转角－φmax独立于正的最大偏转角φmax，可以是－10度、－15度、－20度、－25度、－30度、－35度、－40度、－45度、－50度、－55度、－60度、－70度、－80度或－85度。偏转角及后述的照射角θ是在XY面相对于X轴的带电粒子束路径的角度。
以正的偏转角范围(φ＝大于0～φmax)入射的带电粒子束被第一线圈对11a的有效磁场区域15a偏转，向等角点O照射。以负的偏转角范围(φ＝小于0～－φmax)入射的带电粒子束被第二线圈对11b的有效磁场区域15b偏转，向等角点O照射。有效磁场区域15a和有效磁场区域15b的磁场方向彼此相反(±Z轴方向)。在此，从偏转电磁铁装置20以偏转角入射到聚束电磁铁10的带电粒子束通过有效磁场区域15a、15b中的任一方或两方区域15a、15b之间，聚束在等角点O。
入射到聚束电磁铁10的带电粒子束的偏转角φ由偏转电磁铁装置20控制。偏转电磁铁装置20生成朝向与从加速器(未图示)供给的带电粒子束的行进方向(图中X轴)正交的方向(图中Z轴)的磁场，具备使通过的带电粒子束偏转的电磁铁和控制该磁场的强度及方向的控制部(未图示)。偏转电磁铁装置20通过控制磁场的强度及方向(Z轴方向)，在XY面使带电粒子束偏转，使得在偏转起点Q以偏转角φ偏转的带电粒子束向聚束电磁铁10射出。在此，偏转起点Q和等角点O位于X轴上。
加速器和偏转电磁铁装置20之间、以及偏转电磁铁装置20和聚束电磁铁10之间设有真空管道(未图示)，由于带电粒子束在其中输送，所以在输送途中不会大幅度衰减。
参照图2，对于用于形成聚束电磁铁10的有效磁场区域15a的计算式进行说明。此外，由于不考虑带电粒子束朝向Z轴方向的偏转，因此对于XY面的有效磁场区域的形成进行说明。此外，对于聚束电磁铁10的有效磁场区域15a进行说明，而对于有效磁场区域15b，由于相同，因此省略说明。
首先，聚束电磁铁10的带电粒子束射出侧17的有效磁场区域15a的边界被确定为是位于距等角点O等距离r1的位置的范围。其次，聚束电磁铁10的带电粒子束入射侧16的有效磁场区域15a的边界被确定为：基于后述的关系式(1)～(5)，使在位于距等角点O规定距离L的位置的假想的偏转起点Q以偏转角φ偏转并入射的带电粒子束被聚束于等角点O。在此，假想的偏转起点Q为：假定在偏转电磁铁装置20的中心，带电粒子束在极短距离之间产生偏转角φ时的点。
以偏转角φ输送过来的带电粒子束从入射侧16的有效磁场区域15a的边界上的任意点P1进入，在有效磁场区域15a内进行曲率半径r2的圆周运动(此时的中心角为(φ+θ))，从射出侧17的有效磁场区域15a的边界上的点P2射出，向等角点O照射。即点P1和点P2在半径r2及中心角(φ+θ)的圆弧上。
在XY面内，设想以等角点O为原点的XY坐标系。将连结射出侧17的点P2和等角点O的直线和X轴所形成的角度视为照射角θ时，入射侧16的点P1的坐标(x，y)、偏转角φ、以及点Q和点P1之间的距离R根据以下的关系式(1)～(4)求出。
x＝r1cosθ+r2(sinθ+sinΦ)(1)
y＝r1sinθ-r2(cosθ-cosΦ)(2)
在此，在有效磁场区域15a生成具有均匀的磁通量密度B的磁场，将带电粒子束的运动量设为p(大体取决于加速器)，将电荷设为q时，在磁场中偏转的带电粒子束的曲率半径r2由式(5)表示。
基于上述关系式(1)～(5)调整聚束电磁铁10的线圈对11a及磁极12a的形状及配置，通过调整流过线圈对11a的电流，能够调整有效磁场区域15a的边界形状。即，以射出侧17的有效磁场区域15a的边界上的任意点P2和等角点O之间的距离成为等距离r1的方式确定边界，调整有效磁场区域15a的磁通量密度B，根据式(5)确定r2，以入射侧16的有效磁场区域15a的边界上的点P1和偏转起点Q之间的距离R具有式(4)的关系的方式确定入射侧16的有效磁场区域15a的边界。式(3)的φ的极大值成为最大偏转角φmax。此外，作为不具有限定意图的优选方式，以通过偏转起点Q的带电粒子束即使是不受到聚束电磁铁10的偏转的情况(φ＝0)也聚束在等角点O的方式调整偏转起点Q、聚束电磁铁10、及等角点O的配置，使得装置结构更加简单。
以上述方式求出的聚束电磁铁10的有效磁场区域15a、15b的边界是用于使带电粒子束聚束在等角点O的理想形状。实际上，即使存在从该理想形状的偏离及磁场分布的不均匀性，通过针对每个偏转角φ事先微调聚束电磁铁10的励磁量(磁通量密度B)，并将该信息存储于电源装置(未图示)，以偏转角φ和聚束电磁铁10的电流量联动的方式控制它们，能够使带电粒子束一致地偏转到等角点O。另外，在能够事先预测出磁场分布的不均匀性的情况下，通过修正聚束电磁铁10的线圈对11a及磁极12a的形状及配置，也能够微调带电粒子束的轨道。
图3是向聚束电磁铁10供给电流的电源装置30的概略结构图。电源装置30具备与聚束电磁铁10的线圈对11a、11b的电流供给端即汇流条18a、18b连接的电流切换器31、通过电流切换器31向线圈11a、11b提供电流的电源32、控制电流切换器31及电源32的照射角控制部33。
带电粒子束基本上通过线圈对11a、11b中的某一方，因此电源装置30通过电流切换器31切换从电源32向线圈对11a、11b供给的电流(励磁电流)，使电流流经带电粒子束通过的线圈对11a、11b中的某一方。
电流切换器31及电源32由照射角控制部33控制。根据带电粒子束的能量和/或偏转电磁铁装置20产生的带电粒子束的偏转角φ，照射角控制部33通过控制电源32来控制在线圈对11a、11b通过的电流，通过控制电流切换器31来切换应该供给电流的线圈对11a、11b。照射角控制部33利用电流切换器31切换在线圈对11a、11b通过的电流，由此，与电源32同时连接的线圈对的数量减少，与减少的数量的线圈相对应地，能够降低电感和电阻，因此能够减小电源32的电源容量。
照射角控制部33可以与偏转电磁铁装置20产生的带电粒子束的偏转方向(偏转角φ)进行同步控制。另外，照射角控制部33可以从偏转电磁铁装置20周期性输入关于带电粒子束的偏转角的信息，基于该信息控制电流切换器31及电源32。此外，也可以预先求出与偏转角φ对应的带电粒子束的能量及励磁量(每个线圈对11a、11b的电流值)，并与偏转角φ相关联地存储在照射角控制部33，照射角控制部33通过参照该信息，根据偏转角φ控制励磁量。
此外，在流经线圈11a、11b的电流量在线圈对11a、11b双方可以相等的情况(即，针对每个偏转角φ励磁量无变化的情况)下，可以将线圈对11a和线圈对11b彼此串联连接，通过单个电源32向线圈对11a、11b双方提供电流。该情况下，电源装置30可以不具备电流切换器31。
本实施方式的聚束电磁铁10能够使朝向标靶(等角点O)照射带电粒子束的方向(照射角θ)连续。即使带电粒子束从较大的角度范围(例如最大偏转角为±10度～小于90度)入射，聚束电磁铁10也能够将带电粒子束聚束在标靶。通过使用聚束电磁铁10，无需移动标靶(患者)，与移动患者的现有技术相比，能够防止或减少患者的负担及伴随移动的标靶变形。另外，在聚束电磁铁10中形成确定带电粒子束与偏转角对应地聚束在标靶的照射角θ的有效磁场区域，因此不需要用于物理地移动该聚束电磁铁的巨大机构，相应地能够减少制造成本及设置空间的问题。
〔第二实施方式〕
本发明的第二实施方式涉及使用了第一实施方式的聚束电磁铁10的带电粒子束照射装置100。
图4a是本实施方式的带电粒子束照射装置100的概略结构图，图4b是从带电粒子束照射装置100的上游侧的加速器40至下游侧的聚束电磁铁10的概略立体图。带电粒子束照射装置100具有聚束电磁铁10、偏转电磁铁装置20、电源装置30及加速器40。另外，带电粒子束照射装置100还可以具有粒子束切割装置50、四极电磁铁装置52、转向电磁铁装置54及粒子束监视装置60中的至少一个以上。
加速器40是生成带电粒子束的装置，例如是同步加速器、回旋加速器或线性加速器。由加速器40生成的带电粒子束经过内部保持为真空的真空管道70被导入至偏转电磁铁装置20。在带电粒子束照射装置100具有粒子束切割装置50、四极电磁铁装置52及转向电磁铁装置54的情况下，加速器40、粒子束切割装置50、四极电磁铁装置52、转向电磁铁装置54及偏转电磁铁装置20各自之间通过真空管道70连接。
粒子束切割装置50具备调整带电粒子束的粒子束形状和/或照射剂量的狭缝和控制狭缝宽度的控制部。如后所述，该控制部可以基于来自粒子束监视装置60的信息控制狭缝宽度，调整粒子束形状和/或照射剂量。
四极电磁铁装置52具备用于调整带电粒子束的粒子束形状的一个以上的四极电磁铁和控制在四极电磁铁流动的电流而控制粒子束形状的调整量的控制部。如后所述，该控制部可以基于来自粒子束监视装置60的信息控制流经四极电磁铁的电流量，以调整粒子束形状。例如，四极电磁铁装置52至少具备用于调整Y轴方向的粒子束形状的四极电磁铁和用于调整Z轴方向的粒子束形状的四极电磁铁这两个四极电磁铁。
转向电磁铁装置54具备用于调整带电粒子束的粒子束位置的一个以上的电磁铁和控制流经该电磁铁的电流而控制带电粒子束的粒子束位置的控制部。该控制部可以基于来自粒子束监视装置60的信息控制在电磁铁流动的电流，以调整粒子束位置。
从带电粒子束的偏转电磁铁装置20至等角点O的路径根据照射角θ有所不同，因此，带电粒子束受到的光学因素也根据照射角θ而改变，在等角点O的带电粒子束的粒子束形状有时会根据照射角θ而改变。对此，例如，设置于聚束电磁铁10的上游侧的四极电磁铁装置52针对每个照射角θ控制对四极电磁铁进行励磁的电流，调整为在等角点O的带电粒子束的粒子束形状合适。另外，带电粒子束的粒子束形状的调整也可以通过粒子束切割装置50进行。与该情况同样，可以针对每个照射角θ控制粒子束切割装置50的狭缝宽度。
为了维持高的照射精度，优选准确地控制照射在等角点O的带电粒子束的照射角θ。但是，由于带电粒子束照射装置100的各种设备的对准误差及各种电磁铁的磁场误差，照射角θ的精度有可能降低。因此，优选在聚束电磁铁10的射出侧17设置监视带电粒子束的位置的粒子束监视装置60，向粒子束切割装置50、四极电磁铁装置52、转向电磁铁装置54、偏转电磁铁装置20及聚束电磁铁10的电源装置30的照射角控制部33中的一个以上输出来自粒子束监视装置60的带电粒子束的粒子束位置及粒子束形状(粒子束宽度等)的信息，分别进行反馈控制。
例如，当输入来自粒子束监视装置60的信息时，粒子束切割装置50控制狭缝宽度而调整带电粒子束的粒子束形状，四极电磁铁装置52控制在四极电磁铁流动的励磁电流而调整带电粒子束的粒子束形状，转向电磁铁装置54控制在电磁铁流动的励磁电流而调整带电粒子束的粒子束位置，偏转电磁铁装置20控制在电磁铁流动的励磁电流而调整射出的带电粒子束的偏转角φ，或者照射角控制部33调整照射在等角点O的带电粒子束的照射角θ。
通过使用了粒子束监视装置60的反馈控制，能够进一步提高对于等角点O的照射精度。此外优选地，可以预先调查反馈的信息(粒子束位置及粒子束形状)与粒子束切割装置50、四极电磁铁装置52、转向电磁铁装置54、偏转电磁铁装置20及照射角控制部33各自的调整量之间的关系，将其预先存储在各装置中。
在带电粒子束照射装置100中，在偏转电磁铁装置20和聚束电磁铁10之间设置有用于输送带电粒子束的真空管道72。真空管道72是覆盖偏转电磁铁装置20的最大偏转角φ的范围的扇形(XY面)的真空管道。通过将XY面的真空管道72的形状形成为扇形，与矩形的真空管道相比，能够实现小型化，减小设置空间。
如图5所示，真空管道72还可以是与偏转电磁铁装置20的射出口连接的筒状的真空管道。根据该结构，真空管道能够更加小型化，减小设置空间。在该情况下，驱动机构(未图示)可以与偏转电磁铁装置20的偏转角φ联动，使真空管道72在XY面内的正的最大偏转角(φmax)至负的最大偏转角(－φmax)的范围内移动。
图6是将带电粒子束照射装置100用于对患者的粒子线治疗的使用概略图。在设置有带电粒子束照射装置100的进行粒子线治疗的照射室中，通过以聚束电磁铁10的长度方向相对于照射室的地面倾斜的方式配置聚束电磁铁10，能够将装置的设置所需的天花板高度抑制成较低。在该情况下，来自加速器40的带电粒子束的行进方向和等角点O不在一直线上，因此，在将连结偏转电磁铁装置20的带电粒子束的偏转起点Q和等角点O的线作为X轴时，如图2中说明，基于关系式(1)～(5)能够形成有效磁场区域15a、15b。
〔第三实施方式〕
本发明的第三实施方式涉及使用了具备1组线圈对11a的聚束电磁铁200的带电粒子束照射装置300。
如图7a及图7b所示，本实施方式的聚束电磁铁200具备第一实施方式的聚束电磁铁10中的线圈对11a、磁极12a及磁轭13。与第一实施方式的聚束电磁铁10相比，与线圈对11b及磁极12b对应地，聚束电磁铁200能够降低构成电磁铁的磁轭13的体积，还减轻聚束电磁铁200的重量。
虽未图示，但带电粒子束照射装置300与第二实施方式同样地，具有偏转电磁铁装置20、电源装置30及加速器40，进而具有使聚束电磁铁200围绕通过等角点O的X轴旋转的驱动装置220。聚束电磁铁200和偏转电磁铁装置20通过真空管道240相连。另外，虽未图示，但带电粒子束照射装置300还可以具有粒子束切割装置50、四极电磁铁装置52、转向电磁铁装置54及粒子束监视装置60中的至少一个以上。
如图8所示，在带电粒子束照射装置300中，驱动装置220通过使聚束电磁铁200绕X轴旋转，能够从任意的立体角(绕X轴的旋转角ω和XY面的照射角θ的组合)的范围朝向等角点O照射带电粒子束。这样，带电粒子束照射装置300无需移动患者，进行基于类似伽玛刀机构的立体的多方向照射的粒子线治疗。
〔第四实施方式〕
本发明的第四实施方式涉及在第二实施方式的带电粒子束照射装置100(或第三实施方式的带电粒子束照射装置300)进一步设置用于观察体内标靶的图像拍摄装置420的带电粒子束照射装置400。
如图9所示，通过在患者附近配置利用X射线或磁共振技术的图像拍摄装置420，能够在带电粒子束照射之前或在照射中确认患者内部的标靶(恶性肿瘤)的形状。如果能在照射带电粒子束之前使用图像拍摄装置420确认体内标靶的形状，还可根据标靶的位置高精度对准照射的带电粒子束。另外，基于利用图像拍摄装置420拍摄的图像信息，结合随时间变化的标靶形状，还可微调事先计划的照射区域的形状(带电粒子束的形状)。另外，标靶有可能会在带电粒子束照射中移动或变形，但即使是这种情况，在带电粒子束照射中使用图像拍摄装置420取得标靶的图像信息，基于该信息，通过手动或用第二实施方式描述的反馈控制调整带电粒子束的形状，能够进一步提高照射精度。
〔第五实施方式〕
关于本发明的第五实施方式的带电粒子束照射装置，使用附图进行说明。
首先，在日本特表2013－505757号公报或日本特许第2836446号记载的现有的旋转式带电粒子束照射装置中，虽然能够连续地改变对患部(等角点)的照射角度，但另一方面，为了从不同方向朝向等角点照射带电粒子束，需要旋转巨大的粒子束输送装置本身。另外，在日本特开2017－153910号公报记载的现有的设置了多个固定照射端口的粒子线治疗系统中，能够向等角点照射的方向不连续，而且还需要与照射方向的数量对应的粒子束输送线路。这些现有的装置及系统，在其制作的困难性、制作成本、维修的困难性和/或设置空间上存在着问题。
鉴于上述问题，本实施方式提供具备第一～第四实施方式中任一方式记载的聚束电磁铁10(或200)和沿着聚束电磁铁10的有效磁场区域的射出侧的形状连续移动的照射口的带电粒子束照射装置，从聚束电磁铁10射出的带电粒子束通过该照射口朝向等角点照射。
通过本实施方式的带电粒子束照射装置，即使不使巨大的粒子束输送装置本身旋转或不设置对应于照射方向的数量的粒子束输送线，也能够连续地改变向等角点的照射角，能够从不同的方向连续地向等角点照射带电粒子束。根据该结构，可解决现有的装置及系统的制作困难性、制作成本、维修的困难性和/或设置空间上的问题。
对于本实施方式的带电粒子束照射装置的照射口500进行说明。图10a是放大带电粒子束照射装置的下游侧(即，偏转电磁铁装置20、聚束电磁铁10(或200)、照射口500)的示意图。图10b是示意图，表示照射口500在XY面以沿着有效磁场区域15(15a及15b)的射出侧15c的形状(边界形状)的方式连续地移动。
照射口500位于执行使用带电粒子束的治疗等的治疗室550内，被支承在沿着设置于治疗室550内的壁面551的导轨552移动的驱动部510。即，照射口500以沿着导轨552能够连续移动的方式设置于治疗室550内。
导轨552(及设置有导轨552的壁面551)可以在XY面以沿着聚束电磁铁10的有效磁场区域15的射出侧15c的形状的方式设置。即，导轨552被设置成被驱动部510驱动的照射口500在XY面内能够沿着聚束电磁铁10的有效磁场区域15的射出侧15c的形状连续地移动。
另外，导轨552可以是构成治疗室550内侧的壁面551的一部分的罩体，也可以在该罩体设置照射口500并使该罩体沿着聚束电磁铁10的有效磁场区域15的射出侧15c的形状连续地移动，从而使照射口500沿着聚束电磁铁10的有效磁场区域15的射出侧15c的形状连续移动。此时，照射口500可以相对于该罩体固定，也可以相对于该罩体能够相对移动。
驱动部510例如具备驱动马达和通过该驱动马达的驱动而移动的机构，通过该机构被导轨552引导而移动，照射口500以沿着聚束电磁铁10的有效磁场区域15的射出侧15c的形状的方式连续移动。
从聚束电磁铁10的有效磁场区域15的射出侧15c射出的带电粒子束以直线前进。照射口500构成为，从聚束电磁铁10射出的带电粒子束入射到照射口500的入射端(照射口500的中心)，带电粒子束的衰减被最大程度地抑制，使得照射口500内的带电粒子束的调整变得容易。而且，通过使照射口500在XY面内沿着有效磁场区域15的射出侧15c的形状移动，从有效磁场区域15射出的带电粒子束入射到照射口500的入射端变得容易，能够避免或降低带电粒子束的衰减。
在此，本实施方式的带电粒子束照射装置中从聚束电磁铁10至加速器的上游侧部分可以配置在治疗室550的外侧。另外，也可以在聚束电磁铁10上以在XY面内沿着聚束电磁铁10的有效磁场区域15的射出侧15c的形状的方式设置导轨552，并在治疗室550内设置聚束电磁铁10。
照射口500具备扫描电磁铁501、粒子束监视器502及能量转换手段503。
扫描电磁铁501通过调整在扫描电磁铁501流动的电流量及电流的方向，微调从照射口500射出的带电粒子束的行进方向，从而在规定的范围内进行扫描(scan)。粒子束监视器502监视带电粒子束，是照射剂量监视器或测量粒子束的位置及平坦度的监视器。能量转换单元503调整带电粒子束的能量，从而调整带电粒子束到达患者内的深度，例如是范围调整器、散射体、脊形滤波器，患者准直器，患者推注(bolus)或涂药器等。
图11是照射口500、偏转电磁铁装置20及聚束电磁铁10的控制系统520的方框图。控制系统520具有照射控制部521、电磁铁控制部522、扫描控制部523及照射口控制部524。照射控制部521针对每个照射带电粒子束的标靶监视预定的处方照射剂量，同时控制照射控制部521、电磁铁控制部522、扫描控制部523及照射口控制部524。电磁铁控制部522通过控制偏转电磁铁装置20及聚束电磁铁10来调整带电粒子束的偏转角φ及照射角θ。此外，电磁铁控制部522可以通过照射角控制部33(图3)控制聚束电磁铁10。扫描控制部523控制照射口500的扫描电磁铁501。照射口控制部524控制驱动部510，从而控制照射口500的移动。
照射控制部521根据预先设定的应当向患部(等角点)照射的带电粒子束的方向(照射角θ)，向电磁铁控制部522及照射口控制部524发送指令。接收了该指令的电磁铁控制部522调整在偏转电磁铁装置20和/或聚束电磁铁10流动的电流，使得从聚束电磁铁10射出的带电粒子束的照射角θ成为预先设定的照射角。另外，从照射控制部521接收了指令的照射口控制部524在带电粒子束照射开始之前驱动驱动部510使照射口500连续移动，以便从聚束电磁铁10射出的带电粒子束通过照射口500的入射端(中心)(图12)。
对患部照射带电粒子束的期间，照射控制部521可以接收来自照射口500的粒子束监视器502的信息(带电粒子束的位置、宽度及照射剂量等信息)，判定朝向患部的带电粒子束的照射是否适当，进行反馈控制。例如，在照射控制部521基于来自粒子束监视器502的信息判断出与相对于患部预先设定的带电粒子束的方向相比带电粒子束的方向(照射角θ)不适当的情况下，控制电磁铁控制部522和/或扫描控制部523对照射角θ进行微调，并且/或者自照射角θ在规定的角度范围内扫描调整带电粒子束。另外，在照射控制部521判断出与相对于患部预先设定的值相比带电粒子束的照射量不适当的情况下，可通过照射口控制部524控制照射口500的能量转换单元503，调整针对患部的带电粒子束的照射量。
如上所述，本实施方式的带电粒子束照射装置具备能够连续地改变对患部的照射角θ的聚束电磁铁10、能够沿着XY面内的聚束电磁铁10的有效磁场区域15的射出侧15c的形状连续移动的照射口500，能够连续地从任意方向朝向患部照射带电粒子束。另外，在使用现有的旋转式照射装置的情况下，需要装置及设置设施的大型化，往往在由此在制作困难性、制作成本、维修的困难性和/或设置空间方面产生问题，但本实施方式的带电粒子束照射装置能够解决这些问题。另外，在现有的照射装置中，一旦设置了照射口就难以移动，为了进行照射口位置的微调，需要花费用于调整的试验时间，但本实施方式的带电粒子束照射装置能够解决该问题。
另外，为了维持高的照射精度，优选准确地控制照射在患部(等角点)的带电粒子束的照射角θ。但是，如果由于带电粒子束照射装置的各种设备的对准误差及各种电磁铁的磁场误差，带电粒子束轨道的偏离及带电粒子束形状的变动等(带电粒子束的状态)未被纳入到容许值内时，照射角θ的精度就会降低。另外，现有的装置(日本特开2017-153910号公报)是照射口根据照射方向(水平、45度及垂直方向)移动到对应的输送线上的结构，在该结构中，根据照射方向的不同，从聚束电磁铁的下游侧端部至照射点的距离也会变化，因此需要在聚束电磁铁的下游侧，在照射口之外另行设置修正该距离变化的电磁铁，然而本实施方式的带电粒子束照射装置能够解决该问题。另外，在本实施方式的带电粒子束照射装置中，还可在照射口500的位置吸收(调整)带电粒子束输送系统中的各种电磁铁的对准误差，进而能够缩短调整的试验时间。
(其它)
作为其它的方式，带电粒子束照射装置600具备：聚束电磁铁610，在与XY面垂直的XZ面能够使带电粒子束连续地偏转；照射口650，能够沿着聚束电磁铁610的有效磁场区域620的射出侧的形状连续地移动(图13)。
本实施方式的带电粒子束照射装置600能够在水平面内(XZ面)连续地驱动照射口650。在本实施方式中，存在多个照射点(等角点O)，但由于照射口650能够沿着聚束电磁铁610的有效磁场区域620的射出侧625的(XZ面内)形状连续地移动，因此不需要在聚束电磁铁610和照射口650之间追加设置用于修正带电粒子束的电磁铁。进而，由于照射口650能够沿着聚束电磁铁610的有效磁场区域620的射出侧625的(XZ面的)形状连续地移动，因此能够在照射口650位置吸收(调整)各种电磁铁的对准误差，进而能够缩短试验时间。
在上述实施方式中说明的尺寸、材料、形状、结构要素的相对的位置等，可根据应用本发明的装置的结构或各种条件而变更。并不意图限定在说明时所使用的特定的术语及实施方式，只要是从业者，能够使用其它等同的结要要素，上述实施方式只要不从本发明的构思或范围脱离，也可进行其它的变形及变更。另外，即使没有明确提及，本发明的一个实施方式相关特征也可与其它的实施方式一起使用。
附图标记说明
10、200 聚束电磁铁
11a、11b 线圈对
12a、12b 磁极
13 磁轭
15、15a、15b 有效磁场区域
15c 有效磁场区域的射出侧
16 带电粒子束的入射侧
17 带电粒子束的射出侧
18 汇流条
20 偏转电磁铁装置
30 电源装置
31 电流切换器
32 电源
33 照射角控制部
40 加速器
50 粒子束切割装置
52 四极电磁铁装置
54 转向电磁铁装置
60 粒子束监视装置
70、72 真空管道
100、300、400 带电粒子束照射装置
220 驱动装置
420 图像拍摄装置
500 照射口
510 驱动部

Claims (15)

1.一种聚束电磁铁，具备隔着带电粒子束的路径配置的线圈对，其特征在于，
所述线圈对构成为，如果输入电流，就会生成磁场朝向Z轴的有效磁场区域，Z轴正交于作为带电粒子束的行进方向的X轴的方向，在此，将正交于X轴和Z轴双方的轴作为Y轴，
在XY面，
在偏转起点Q相对于X轴以偏转角φ偏转并入射到所述有效磁场区域的带电粒子束被所述有效磁场区域偏转，相对于X轴以照射角θ照射等角点，
所述有效磁场区域的带电粒子束的射出侧的边界上的任意点P2位于距所述等角点等距离r1的位置，
所述有效磁场区域的带电粒子束的入射侧的边界上的点P1和所述点P2位于半径r2及中心角(θ+φ)的圆弧上，
在将所述偏转起点Q和所述等角点之间的距离设为L时，所述偏转起点Q和所述点P1之间的距离R满足关系式(4)：
2.如权利要求1所述的聚束电磁铁，其特征在于，
所述聚束电磁铁具备二组以上的所述线圈对，
所述二组以上的线圈对以隔着带电粒子束的路径且在Y轴方向排列的方式配置，
电流切换器与所述二组以上的线圈对中的第一线圈对及第二线圈对连接，
所述电流切换器向所述第一线圈对及所述第二线圈对中的任一方供给电流，
所述第一线圈对及所述第二线圈对所生成的有效磁场区域的磁场方向彼此相反。
3.如权利要求1所述的聚束电磁铁，其特征在于，
所述偏转起点Q和所述等角点位于X轴上。
4.一种带电粒子束照射装置，其特征在于，具有：
加速器，生成带电粒子束；
偏转电磁铁装置，在所述偏转起点Q以10度以上的偏转角φ使来自所述加速器的带电粒子束偏转；
权利要求1～3中任一项所述的聚束电磁铁；
电源装置，用于向所述聚束电磁铁供给电流进行励磁。
5.如权利要求4所述的带电粒子束照射装置，其特征在于，
还具有真空管道，连接所述偏转电磁铁装置和所述聚束电磁铁，
所述真空管道构成为，在XY面形成扇形，即使是以10度以上的偏转角φ偏转的所述带电粒子束，也能够在所述真空管道内通过。
6.如权利要求4所述的带电粒子束照射装置，其特征在于，
还具有驱动装置，使所述聚束电磁铁围绕X轴以旋转角ω旋转，
从所述旋转角ω和所述照射角θ任意组合的范围向等角点照射带电粒子束。
7.如权利要求4所述的带电粒子束照射装置，其特征在于，
所述聚束电磁铁相对于设置有所述带电粒子束照射装置的照射室的地面能够倾斜地配置所述聚束电磁铁的长度方向。
8.如权利要求4所述的带电粒子束照射装置，其特征在于，
还具有四极电磁铁，设置于所述偏转电磁铁装置的上游侧，用于调整带电粒子束的粒子束形状。
9.如权利要求8所述的带电粒子束照射装置，其特征在于，
为了针对每个照射角θ调整带电粒子束的粒子束形状，针对每个照射角θ控制所述四极电磁铁的励磁电流。
10.如权利要求4所述的带电粒子束照射装置，其特征在于，
还具有：
转向电磁铁装置，设置于所述偏转电磁铁装置的上游侧；
粒子束监视装置，设置于所述聚束电磁铁的所述射出侧，
根据来自所述粒子束监视装置的带电粒子束的粒子束位置的信息，反馈控制所述偏转电磁铁装置、所述聚束电磁铁及所述转向电磁铁装置中的至少一个的励磁电流。
11.如权利要求4所述的带电粒子束照射装置，其特征在于，
还具有夹着位于所述等角点上的标靶设置的图像拍摄装置，
所述图像拍摄装置在向所述标靶照射带电粒子束之前或在照射中，生成所述标靶的图像信息。
12.一种带电粒子束照射装置，其特征在于，具备：
聚束电磁铁，通过使带电粒子束偏转，连续地改变朝向等角点的带电粒子束的照射角；
照射口，沿着所述聚束电磁铁的有效磁场区域的射出侧的形状连续移动，
从所述聚束电磁铁射出的带电粒子束通过所述照射口向所述等角点照射。
13.一种带电粒子束照射装置，其特征在于，具备：
权利要求1～3中任一项所述的聚束电磁铁；
照射口，沿着所述聚束电磁铁的有效磁场区域的射出侧的形状连续移动，
从所述聚束电磁铁射出的带电粒子束通过所述照射口向所述等角点照射。
14.如权利要求13所述的带电粒子束照射装置，其特征在于，
所述照射口具备可将带电粒子束在规定的范围内扫描的扫描电磁铁和监视带电粒子束的粒子束监视器，
所述带电粒子束照射装置还具备扫描控制部，该扫描控制部以来自所述粒子束监视器的信息为基础，控制所述扫描电磁铁，扫描带电粒子束。
15.如权利要求13所述的带电粒子束照射装置，其特征在于，
所述照射口通过以下方式沿着所述聚束电磁铁的有效磁场区域的射出侧的形状连续移动：
(i)所述照射口沿着导轨移动，所述导轨沿着所述聚束电磁铁的有效磁场区域的射出侧的形状设置，或者
(ii)所述照射口设置于构成治疗室内侧的壁面的一部分的罩体，所述罩体沿着所述聚束电磁铁的有效磁场区域的射出侧的形状连续移动。
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