CN110418667B - 旋转照射装置及其旋转照射方法以及旋转照射治疗装置 - Google Patents

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Abstract

实施方式的旋转照射装置具备：旋转机架(3)；超导电磁铁(5)，设置于旋转机架(3)，并且形成使带电粒子束的轨道偏转的偏转磁场和使带电粒子束聚束的聚束磁场中的至少一方，将带电粒子束引导至照射对象；旋转机架驱动部(24)，旋转驱动旋转机架(3)；以及控制装置(20)，控制旋转机架驱动部(24)，以在超导电磁铁(5)被励磁的期间，使旋转机架(3)旋转并停止。

Description

旋转照射装置及其旋转照射方法以及旋转照射治疗装置
技术领域
本发明的实施方式涉及从周向的任意的角度对照射对象照射带电粒子束的旋转照射装置、旋转照射方法以及旋转照射治疗装置。
背景技术
一般来说，旋转照射治疗装置是通过绕患者旋转，从周向的任意的角度对患者照射由同步加速器等加速器加速至高能量的带电粒子束的装置。因此，旋转照射治疗装置具备能够绕患者旋转的旋转框架(以下，记作旋转机架)。
由上述同步加速器等加速器加速至高能量的带电粒子束被引导至该旋转机架的旋转中心方向。被引导到该旋转中心方向的带电粒子束通过设置有超导电磁铁的射束输送装置而暂时地向旋转机架的外周方向弯曲，然后再次向其内周方向弯曲，而被引导至治疗室。被引导到治疗室的带电粒子束从照射部向作为照射对象的患者的患部进行照射。
另外，旋转照射治疗装置为了对患者改变带电粒子束的照射角，而改变旋转机架的旋转角度。以往，在改变照射角而照射带电粒子束时，在使超导电磁铁无励磁状态下使旋转机架旋转并停止在所希望的角度。之后，对超导电磁铁进行励磁，照射带电粒子束。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11－47287号公报
专利文献2：日本特开平9－192244号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在上述的以往的旋转照射治疗装置的运用方法中，由于在使超导电磁铁无励磁状态下使旋转机架旋转，因此在旋转机架旋转时被施加的重力方向的力的作用下，超导电磁铁内的构成部件有时会微小地偏移。由此，超导电磁铁存在在旋转停止后的励磁时机械性失超(quench)的问题。其结果，对于旋转照射治疗装置而言成为了阻碍顺利治疗的重要因素。以下，对失超的理由进行具体说明。
即，超导电磁铁主要由产生磁场的线圈和承受电磁力的电磁力支承部件构成。通常，在使旋转机架旋转时，带电粒子束不通过超导电磁铁，因此在无励磁状态下进行旋转。这样，在无励磁状态下，由于在线圈中不产生电磁力，因此成为在电磁力支承部件与线圈之间未产生摩擦力、或摩擦力较小的状态。
若在该状态下施加伴随着旋转机架的旋转的加速度以及振动，则在超导电磁铁内，在线圈与电磁力支承部件之间有时会产生微小的偏移、变形。由于该偏移、变形，在对超导电磁铁进行了重新励磁时，有时会因偏移、变形的消除所带来的机械性干扰而发热，并诱发失超。
当超导电磁铁失超时，会发热，因此需要停止旋转照射治疗装置的运转，等待超导电磁铁的重新冷却并重新启动。由此，存在不得不停止旋转照射治疗装置的治疗、治疗时间变长这一问题。
本实施方式要解决的课题在于，提供一种能够防止伴随着旋转机架的旋转的超导电磁铁内的构成部件的偏移、变形的旋转照射装置、旋转照射方法以及旋转照射治疗装置。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本实施方式的旋转照射装置的特征在于，具备：旋转机架；超导电磁铁，设置于所述旋转机架，并且形成使带电粒子束的轨道偏转的偏转磁场和使所述带电粒子束聚束的聚束磁场中的至少一方，将所述带电粒子束引导至照射对象；旋转机架驱动部，旋转驱动所述旋转机架；以及控制装置，控制所述旋转机架驱动部，以在所述超导电磁铁被励磁的期间，使所述旋转机架旋转并停止。
本实施方式的旋转照射治疗装置的特征在于，具有上述实施方式的旋转照射装置。
本实施方式的旋转照射方法通过超导电磁铁将带电粒子束引导至照射对象，该超导电磁铁设置于旋转机架，并且形成使所述带电粒子束的轨道偏转的偏转磁场和使所述带电粒子束聚束的聚束磁场中的至少一方，其特征在于，该旋转照射方法具备如下工序：控制装置进行控制以对所述超导电磁铁进行励磁；以及在所述超导电磁铁被励磁的状态下，所述控制装置控制旋转机架驱动部，以使所述旋转机架旋转并停止。
发明效果
根据本实施方式，能够防止伴随着旋转机架的旋转的超导电磁铁内的构成部件的偏移、变形。
附图说明
图1是表示一实施方式的旋转照射治疗装置的纵剖面图。
图2是表示图1的复合型超导电磁铁的横剖面图。
图3是表示一实施方式的旋转照射治疗装置的系统构成的框图。
图4是表示图3的控制装置的控制顺序的流程图。
图5是表示基于图3的控制顺序的射束生成部的照射、复合型超导电磁铁的励磁以及旋转机架的旋转动作的各定时的时序图。
图6是以横截面示出作用于图2的复合型超导电磁铁中的线圈的电磁力的说明图。
图7是表示图3的复合型超导电磁铁的其他连接方式的框图。
图8是表示一实施方式的控制装置的其他控制顺序的流程图。
图9是表示基于图8的控制顺序的射束生成部的照射、复合型超导电磁铁的励磁以及旋转机架的旋转动作的各定时的时序图。
图10是表示一实施方式的控制装置的又一其他控制顺序的流程图。
图11是表示基于图10的控制顺序的射束生成部的照射、复合型超导电磁铁的励磁以及旋转机架的旋转动作的又一其他各定时的时序图。
具体实施方式
以下，参照附图对本实施方式的旋转照射治疗装置进行说明。另外，在以下的实施方式中，对将旋转照射装置应用于旋转照射治疗装置的例子进行说明。
(旋转照射治疗装置的整体构成)
图1是表示一实施方式的旋转照射治疗装置的纵剖面图。图2是表示图1的复合型超导电磁铁的横剖面图。
首先，根据图1，对本实施方式中的旋转照射治疗装置1的整体构成进行说明。
图1所示的旋转照射治疗装置1设置于建筑物2内。旋转照射治疗装置1以同步加速器等加速器(未图示)、旋转机架3、射束管(真空导管)4、以及复合型超导电磁铁5为主要的构成要素。
旋转机架3一边保持照射部6一边旋转，该照射部6成为射束输送路的终端并成为带电粒子束的出口。旋转机架3成为能够以任意的角度绕旋转轴3a旋转的构造。由此，能够在治疗时从任意的方向对位于照射部6的作为照射对象的患者的患部进行照射。
射束管4的内部被维持为真空，是将由上述加速器加速后的带电粒子束向患者的患部引导的射束输送路。
如图2所示，复合型超导电磁铁5在射束管4的外周侧同心状地配置有使带电粒子束偏转的射束偏转用的两极线圈12、以及使带电粒子束聚束的射束聚束用的四极线圈13。即，复合型超导电磁铁5作为控制带电粒子束的射束轨道的磁场，同时形成有偏转磁场(两极磁场)与聚束磁场(四极磁场)这两个磁场作为重叠的合成磁场。
与偏转磁场一起形成的聚束磁场被调节为，强制性地抑制从通过射束管4的带电粒子束的轨道中心(射束行进方向)远离的扩散成分，从带电粒子束入射到旋转机架3到从照射部6射出为止其指向性高。这种偏转磁场的调节也可通过复合型超导电磁铁5的配置来进行。
本实施方式的复合型超导电磁铁5在旋转机架3的内部，隔开预先设定的间隔而设置有三个。复合型超导电磁铁5在两极线圈12与四极线圈13的外侧隔着间隔件14同心状地配置有兼用作铁轭的电磁力支承部件15。而且，在该电磁力支承部件15的外周侧同心状地配置有真空容器16。
复合型超导电磁铁5具有有源屏蔽线圈，成为减少漏磁场的构造。复合型超导电磁铁5不会给旋转机架3的构造物、未图示的监视器等测定设备带来磁场的影响，并且对照射部6的漏磁场也变少。复合型超导电磁铁5成为不会给患者、用于治疗的装置带来磁场的影响的构造。
(旋转照射治疗装置的作用)
碳离子、质子等带电粒子束被同步加速器等加速器(未图示)加速至几百MeV的高能量，通过射束线而被导入至旋转照射治疗装置1。该带电粒子束由重粒子线、质子线等带电粒子线构成，通过维持真空状态的射束管4内，在其轨道被复合型超导电磁铁5的偏转磁场(两极磁场)弯曲三次之后，从照射部6射出，并从垂直方向对作为照射对象的患者的患部(照射点)进行照射。
这里，复合型超导电磁铁5的四极磁场能够如上述那样防止带电粒子束的扩散，向照射部6供给高精度的带电粒子束。
(系统的构成)
图3是表示一实施方式的旋转照射治疗装置的系统构成的框图。
如图3所示，控制装置20例如由微型计算机等计算机资源构成，CPU(CentralProcessing Unit：中央处理器)读出存储于未图示的ROM(Read Only Memory：只读存储器)、或硬盘装置等记录介质的处理程序以及各种数据等并在主存储器展开，CPU依次执行该展开后的处理程序。通过该程序的执行，可执行与程序对应的方法。另外，构成控制装置20的微型计算机的数量可以是一个也可以是多个。
控制装置20作为通过CPU执行处理程序而实现的功能构成，具备旋转机架驱动控制部21、电磁铁电源控制部22、以及照射控制部23。另外，实现构成控制装置20的这些要素的方法并不局限于软件，也可以使用组合逻辑电路、模拟电路等而成的硬件来实现其一部分或者全部的要素。
旋转机架驱动控制部21连接于驱动旋转机架3的旋转机架驱动部24。旋转机架驱动控制部21通过控制旋转机架驱动部24，来控制旋转机架3的接通、断开动作的各定时等。由此，可控制照射部6相对于作为照射对象的患者的患部的位置以及方向。
电磁铁电源控制部22经由信号线与电磁铁电源25连接。该电磁铁电源25经由信号线与复合型超导电磁铁5连接。电磁铁电源控制部22通过控制电磁铁电源25，控制复合型超导电磁铁5的接通、断开，并且控制其励磁量(励磁电流)以及基于其励磁量的励磁定时。
另外，在本实施方式中，电磁铁电源控制部22、电磁铁电源25、以及复合型超导电磁铁5分别独立地构成，但并不局限于此，也可以将它们全部一体地构成，另外，也可以将电磁铁电源控制部22以及电磁铁电源25一体地构成、或者将电磁铁电源25以及复合型超导电磁铁5一体地构成。
照射控制部23连接于射束生成部26。射束生成部26生成碳离子、质子等粒子，并且通过同步加速器等加速器将这些粒子加速至能够到达患部的深处的能量而生成带电粒子束。
照射控制部23进行由射束生成部26生成的带电粒子束的射出的接通、断开控制。具体而言，控制装置20例如获得来自未图示的剂量监视器的剂量已满信号，输出射束射出许可信号。该剂量监视器监视对患部照射的剂量。照射控制部23基于该射束射出许可信号控制带电粒子束的射出的接通、断开。
治疗计划数据存储部(数据存储部)30例如由硬盘装置等记录介质构成。在治疗计划数据存储部30中，带电粒子束的照射定时、复合型超导电磁铁5的励磁量以及励磁定时、旋转机架3的旋转接通、断开动作的定时等所需的各要素例如按处理顺序存储在被称作模式文件的数据文件中，在开始治疗照射前输出至控制装置20。
控制装置20基于所输入的数据控制旋转机架驱动控制部21、电磁铁电源控制部22、以及照射控制部23。
(系统的作用)
图4是表示图3的控制装置的控制顺序的流程图。图5是表示基于图3的控制顺序的射束生成部的照射、复合型超导电磁铁的励磁以及旋转机架的旋转动作的各定时的时序图。
这里，在开始治疗照射前，从治疗计划数据存储部30对控制装置20预先输出带电粒子束的照射定时、复合型超导电磁铁5的励磁量以及励磁定时、旋转机架3的旋转接通、断开动作的定时等各种数据。
首先，如图4以及图5所示，电磁铁电源控制部22控制电磁铁电源25，以励磁量n对复合型超导电磁铁5进行励磁(步骤S1)。接着，不对复合型超导电磁铁5进行消磁，旋转机架驱动控制部21控制旋转机架驱动部24的接通、断开动作的各定时，使旋转机架3旋转驱动至作为另一照射位置的m+1照射位置(步骤S2)。
然后，照射控制部23控制带电粒子束的射出的接通、断开，从射束生成部26以电磁铁电源25的励磁量n射出带电粒子束(步骤S3)。在维持了该励磁状态的状态下，旋转机架驱动控制部21控制旋转机架驱动部24的接通、断开动作的各定时，使旋转机架3进一步旋转驱动至作为另一照射位置的m+2照射位置(步骤S4)。
进而，控制电磁铁电源25，以比步骤S1的励磁量高次的励磁量即励磁量n+1对复合型超导电磁铁5进行励磁(步骤S5)。照射控制部23控制带电粒子束的射出的接通、断开，从射束生成部26以电磁铁电源25的励磁量n+1射出带电粒子束(步骤S6)。
图6是以横截面示出作用于图2的复合型超导电磁铁中的线圈的电磁力的说明图。
在本实施方式中，如图4以及图5所示，以在对复合型超导电磁铁5进行励磁后使旋转机架3旋转的方式进行控制。因此，如图6所示，磁通线17作为电磁力作用于两极线圈12以及四极线圈13。其结果，对两极线圈12以及四极线圈13作用如箭头所示的线圈电磁力。
该线圈电磁力经由间隔件14传递给电磁力支承部件15，在两极线圈12及四极线圈13与电磁力支承部件15之间产生摩擦力。因此，即使在该状态下使旋转机架3旋转，两极线圈12及四极线圈13与电磁力支承部件15通过摩擦力而被固定，不会相互偏移或者变形，因此不再产生失超。
因而，在本实施方式中，通过在旋转机架3旋转前对复合型超导电磁铁5进行励磁，能够利用产生的电磁力约束复合型超导电磁铁5的内部的构成部件，从而防止复合型超导电磁铁5内的构成部件的偏移，防止伴随旋转机架3的旋转而机械性失超的问题。
另外，在本实施方式中，两极线圈12与四极线圈13通过粘接而一体化，关于其配置方式，无论哪个配置于内周侧、哪个配置于外周侧都可以。
另外，在本实施方式中，复合型超导电磁铁5的励磁量只要是在两极线圈12及四极线圈13与电磁力支承部件15之间产生摩擦力而被固定的励磁量即可。
这样，根据本实施方式，由于以在对复合型超导电磁铁5进行励磁后使旋转机架3旋转的方式进行控制，因此能够防止伴随着旋转机架3的旋转而复合型超导电磁铁5内的构成部件发生偏移、变形。其结果，能够避免复合型超导电磁铁5伴随旋转机架3的旋转而机械性失超。由此，不会使旋转照射治疗装置1的治疗停止，可实现治疗时间的缩短化。
另外，在本实施方式中，通过使复合型超导电磁铁5的励磁量能够两级地进行切换，能够在短时间内对作为照射对象的患者的患部照射适当的剂量的带电粒子束。另外，在本实施方式中，使复合型超导电磁铁5的励磁量能够两级地进行切换，但也可以是能够以两级以上的级数进行切换。由此，能够在更短时间内照射适当的剂量的带电粒子束。
而且，在本实施方式中，通过在旋转机架3旋转时将复合型超导电磁铁5的励磁量控制为下一次照射时的励磁量，能够省去在照射时设定励磁量的麻烦。
(复合型超导电磁铁的其他连接方式)
图7是表示图3的复合型超导电磁铁的其他连接方式的框图。
在图3所示的实施方式中，对在电磁铁电源控制部22连接有一组电磁铁电源25以及复合型超导电磁铁5的例子进行了说明，但在图7中，在电磁铁电源控制部22连接有两组电磁铁电源25以及复合型超导电磁铁5。
由此，与图3所示的实施方式相比，能够减少电磁铁电源控制部22的数量，并简化构成。
另外，在图7中，对连接有两组电磁铁电源25以及复合型超导电磁铁5的例子进行了说明，但并不局限于此，也可以在电磁铁电源控制部22连接三组以上的电磁铁电源25以及复合型超导电磁铁5。
另外，在图7中，对独立地构成电磁铁电源25以及复合型超导电磁铁5的例子进行了说明，但并不局限于此，也可以如上述实施方式那样一体地构成。
(控制装置的其他控制顺序)
图8是表示一实施方式的控制装置的其他控制顺序的流程图。图9是表示基于图8的控制顺序的射束生成部的照射、复合型超导电磁铁的励磁以及旋转机架的旋转动作的其他各定时的时序图。另外，在该控制顺序中，也与上述实施方式相同，在开始治疗照射前从治疗计划数据存储部30对控制装置20预先输出各种数据。在其他控制顺序中也相同。
首先，如图8以及图9所示，电磁铁电源控制部22控制电磁铁电源25，以励磁量n+1对复合型超导电磁铁5进行励磁(步骤S11)。接着，不对复合型超导电磁铁5进行消磁，旋转机架驱动控制部21控制旋转机架驱动部24的接通、断开动作的各定时，使旋转机架3旋转驱动至作为另一照射位置的m+1照射位置(步骤S12)。
然后，照射控制部23进行带电粒子束的射出的接通、断开控制，从射束生成部26以电磁铁电源25的励磁量n+1射出带电粒子束(步骤S13)。在维持了该励磁状态的状态下，旋转机架驱动控制部21控制旋转机架驱动部24的接通、断开动作的各定时，使旋转机架3进一步旋转驱动至作为另一照射位置的m+2照射位置(步骤S14)。
然后，控制电磁铁电源25，以比步骤S11的励磁量低的下一个励磁量即励磁量n对复合型超导电磁铁5进行励磁(步骤S15)。照射控制部23进行带电粒子束的射出的接通、断开控制，从射束生成部26以电磁铁电源25的励磁量n射出带电粒子束(步骤S16)。
即使如图8以及图9所示那样控制带电粒子束的照射定时、复合型超导电磁铁5的励磁定时以及励磁量、旋转机架3的旋转接通、断开动作的定时，也可获得与上述实施方式相同的效果。
(控制装置的又一其他控制顺序)
图10是表示一实施方式的控制装置的又一其他控制顺序的流程图。图11是表示基于图10的控制顺序的射束生成部的照射、复合型超导电磁铁的励磁以及旋转机架的旋转动作的又一其他各定时的时序图。
首先，如图10以及图11所示，电磁铁电源控制部22控制电磁铁电源25，以励磁量n对复合型超导电磁铁5进行励磁(步骤S31)。接着，不对复合型超导电磁铁5进行消磁，旋转机架驱动控制部21控制旋转机架驱动部24的接通、断开动作的各定时，使旋转机架3旋转驱动至作为另一照射位置的m+1照射位置(步骤S32)。
然后，照射控制部23进行带电粒子束的射出的接通、断开控制，从射束生成部26以电磁铁电源25的励磁量n射出带电粒子束(步骤S33)。在维持了该励磁状态的状态下，旋转机架驱动控制部21控制旋转机架驱动部24的接通、断开动作的各定时，使旋转机架3进一步旋转驱动至作为另一照射位置的m+2照射位置(步骤S34)。
进而，在维持了上述电磁铁电源25的励磁量n的状态下，照射控制部23控制带电粒子束的射出的接通、断开，从射束生成部26以电磁铁电源25的励磁量n射出带电粒子束(步骤S35)。
即使在如图10以及图11所示那样将复合型超导电磁铁5的励磁量控制为一定的情况下，也可获得与上述实施方式相同的效果。
这样，在本实施方式中，以在对复合型超导电磁铁5进行励磁后使旋转机架3旋转的方式进行控制。
(其他实施方式)
对本发明的实施方式进行了说明，但该实施方式是作为例子而提示的，并不意图限定发明的范围。该实施方式能够以其他各种方式实施，能够在不脱离发明的主旨的范围内，进行各种省略、替换、变更、组合。该实施方式及其变形包含在发明的范围和主旨内，同样地包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。
另外，在上述实施方式中，对应用于旋转照射治疗装置1的例子进行了说明，但并不局限于此，只要是从周向的任意的角度对照射对象照射带电粒子束的旋转照射装置，就能够像例如物理实验等那样应用于各种用途。
另外，在上述实施方式中，对设置了两极线圈12、四极线圈13这两方的例子进行了说明，但并不限定于此，即使在仅由两极线圈12或四极线圈13的任一方单独地构成的超导电磁铁的情况下也可获得相同的效果。另外，在两极线圈12、四极线圈13由六极以上的多极构成的情况下也相同。
附图标记说明
1…旋转照射治疗装置(旋转照射装置)，2…建筑物，3…旋转机架，3a…旋转轴，4…射束管(真空导管)，5…复合型超导电磁铁(超导电磁铁)，6…照射部，12…两极线圈，13…四极线圈，14…间隔件，15…电磁力支承部件，16…真空容器，17…磁通线，20…控制装置，21…旋转机架驱动控制部，22…电磁铁电源控制部，23…照射控制部，24…旋转机架驱动部，25…电磁铁电源，26…射束生成部，30…治疗计划数据存储部(数据存储部)

Claims (8)

1.一种旋转照射装置，其特征在于，具备：
旋转机架；
超导电磁铁，设置于所述旋转机架，并且形成使带电粒子束的轨道偏转的偏转磁场和使所述带电粒子束聚束的聚束磁场中的至少一方，将所述带电粒子束引导至照射对象；
旋转机架驱动部，旋转驱动所述旋转机架；以及
控制装置，控制所述旋转机架驱动部，以在所述超导电磁铁被励磁且所述带电粒子束没有被照射时使所述旋转机架旋转并停止。
2.如权利要求1所述的旋转照射装置，其特征在于，
所述控制装置具备：
电磁铁电源控制部，控制电磁铁电源对所述超导电磁铁的励磁定时；
照射控制部，控制所述带电粒子束的射出的接通、断开；以及
旋转机架驱动控制部，控制所述旋转机架驱动部，以进行所述旋转机架的旋转以及停止的动作。
3.如权利要求2所述的旋转照射装置，其特征在于，
所述旋转照射装置还具备信号线，该信号线将所述超导电磁铁、所述电磁铁电源以及所述电磁铁电源控制部相互连接。
4.如权利要求2或3所述的旋转照射装置，其特征在于，
所述电磁铁电源控制部能够多级地切换所述超导电磁铁的励磁量。
5.如权利要求2或3所述的旋转照射装置，其特征在于，
所述电磁铁电源控制部将所述超导电磁铁的励磁量控制为下一次照射时的励磁量。
6.如权利要求1所述的旋转照射装置，其特征在于，
所述旋转照射装置还具备数据存储部，该数据存储部记录有所述带电粒子束的照射定时、所述超导电磁铁的励磁量以及励磁定时、所述旋转机架的旋转接通、断开动作的定时的各数据，该数据存储部在照射所述带电粒子束之前将所述数据输出至所述控制装置。
7.一种旋转照射治疗装置，其特征在于，
具有权利要求1～3、6中任一项所述的旋转照射装置。
8.一种旋转照射装置的旋转照射方法，该旋转照射装置，具备：旋转机架；超导电磁铁，设置于所述旋转机架，并且形成使带电粒子束的轨道偏转的偏转磁场和使所述带电粒子束聚束的聚束磁场中的至少一方，将所述带电粒子束引导至照射对象；旋转机架驱动部，旋转驱动所述旋转机架；以及控制装置，控制所述旋转机架驱动部，
所述旋转照射装置的旋转照射方法的特征在于，具备如下工序：
所述控制装置进行控制以对所述超导电磁铁进行励磁的工序；
所述控制装置进行控制以便在规定的时间进行所述带电粒子束的照射的工序；以及
在所述超导电磁铁被励磁的状态下且所述带电粒子束没有被照射时，所述控制装置控制旋转机架驱动部，以使所述旋转机架旋转并停止的工序。
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