JP2007229025A

JP2007229025A - 粒子線治療装置

Info

Publication number: JP2007229025A
Application number: JP2006051478A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Shinagawa; 亮介品川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP4650299B2

Abstract

【課題】イオンビームの照射位置精度を向上させ、回転ガントリーの回転駆動装置を小型化する。
【解決手段】粒子線治療装置の照射野形成装置２８は、一対の走査電磁石３２，３３、及び走査電磁石３２，３３に取り囲まれている不活性ガスチェンバ１を有する。Ｈｅガスがガスボンベ８からガス供給管１５を通してチェンバ１に供給される。圧力コントローラ５は差圧計４で計測されたチェンバ１内外の圧力差を基にＨｅガス流量を決定する。流量制御装置６は、そのガス流量に基づいて流量調整弁７の開度を制御し、チェンバ１に供給するＨｅガス量を調節する。Ｈｅガスがチェンバ１内に供給され続け、バリアブルリークバルブ１２及びオリフィス１４が設けられたガス排出管１６を通って外部に排出される。
【選択図】図３

Description

本発明は、粒子線治療装置に係り、特に、陽子線を用いた陽子線治療装置にも適用できる粒子線治療装置に関する。

粒子線治療装置には、イオンビームに陽子線を用いる陽子線治療装置、及び炭素イオンのイオンビームである炭素線を用いる重粒子線治療装置がある。いずれの治療装置も、イオンビームを加速する円形加速器、円形加速器から出射されたイオンビームを導くビーム輸送装置、及びビーム輸送装置で輸送されたイオンビームをベッド上の患者のがんの患部に照射する照射装置を備えている。

近年、陽子線治療装置及び重粒子線治療装置において、細いイオンビームを走査して患部に照射するスキャニング照射の適用が考えられている。スキャニング照射を行う場合には、特許文献１に示すように、イオンビームを走査する走査電磁石が照射装置に設けられる。具体的には、走査電磁石は、Ｘ方向にイオンビームを走査する電磁石、及びＹ方向にイオンビームを走査する電磁石の一対の走査電磁石が設けられる。

特開平９−９９１０８号公報

粒子線治療装置の照射装置は、イオンビームを患部に照射する際の照射位置精度を高める必要がある。発明者らは、照射装置内に存在する空気が、イオンビームを散乱させるため、スキャニング照射における照射位置精度を低下させるという課題が生じることを確認した。種々検討した結果、発明者らは、照射装置内で一対の走査電磁石のそれぞれのビーム経路に、イオンビームの散乱が小さい不活性ガス（例えば、ヘリウム（Ｈｅ））を充填した不活性ガスチェンバを配置すれば良いとの結論に達した。これにより、スキャニング照射において、散乱を抑えて得られる細いイオンビームを、患部のそれぞれの所定の位置に精度良く照射することができる。

不活性ガスチェンバは、イオンビームの入口及び出口に、それぞれ、内部の雰囲気を外部の雰囲気と隔離するために隔離窓（隔離膜）を備えている。この隔離窓は、散乱効果の小さい材料（例えば、非金属）によって構成されている。不活性ガスチェンバに不活性ガスを供給する不活性ガス充填容器の小型化が望まれる。

本発明の目的は、イオンビームの照射位置精度を向上させることができ、回転ガントリーの回転駆動装置を小型化できる粒子線治療装置を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、イオンビーム発生装置で発生したイオンビームが導かれる照射装置が、走査電磁石と、走査電磁石に取り囲まれた不活性ガスチェンバと、前記不活性ガスチェンバ内に不活性ガスを供給するガス供給管と、前記ガス供給管に向けられた流量調節弁と、前記不活性ガスチェンバ内の圧力に基づいて前記流量調節弁の開度を制御する制御装置とを有していることにある。

本発明は、走査電磁石に取り囲まれた不活性ガスチェンバを有しているため、イオンビームの散乱が著しく抑制され、イオンビームを照射位置に精度良く照射することができる。また、制御装置が流量調節弁の開度を制御するため、不活性ガスチェンバ内に供給する不活性ガス量を著しく少なくできる。このため、不活性ガスの供給元であるガス貯蔵容器を小型化でき、このガス貯蔵容器を取り付ける回転ガントリーの回転駆動装置を小型化できる。

本発明によれば、イオンビームの照射位置精度を向上させることができ、回転ガントリーの回転駆動装置を小型化できる。

本発明の好適な一実施例である、粒子線治療装置の一種である陽子線治療装置を、図１を用いて説明する。陽子線治療装置は、イオンビーム発生装置２２、ビーム輸送装置２５及び回転式照射装置２７を有する。回転式照射装置２７は、回転ガントリー（図示せず）及び照射野形成装置２８を有する。照射野形成装置２８は、回転ガントリーに設置され、回転ガントリーの回転と共に回転する。

イオンビーム発生装置２２は、イオン源（図示せず）、前段加速器（例えば、直線加速器）２１及びシンクロトロン２３を有する。イオン源で発生した陽イオンは前段加速器２１で加速される。前段加速器２１から出射されたイオンビームは、シンクロトロン２３で所定のエネルギーまで加速された後、出射用デフレクタ２４からビーム輸送装置２５のビーム経路２６に出射される。このイオンビームは、ビーム経路２６を経て回転式照射装置２７の照射野形成装置（照射ノズル）２８に導かれ、ベッド３１上に横たわっている患者３０のがんの患部に照射される。ビーム経路２６の一部は回転ガントリーに取り付けられている。

照射野形成装置２８は、スキャニング用照射装置であり、図２に示すように、一対の走査電磁石３２，３３、及び不活性ガスチェンバ１を有する。走査電磁石３２，３３及び不活性ガスチェンバ１は、照射野形成装置２８のケーシング（図示せず）内に設置される。走査電磁石３２はイオンビーム１８をＸ方向に走査する。走査電磁石３３はイオンビーム１８をＹ方向に走査する。Ｘ方向は、イオンビーム１８の進行方向と直交する平面における一つの方向である。Ｙ方向は、その平面においてＸ方向と直交する方向である。不活性ガスチェンバは、照射野形成装置２８内でビーム経路に配置される。走査電磁石３２，３３は、鉄心にコイルを巻き付けて構成され、不活性ガスチェンバ１を取り囲んでいる。照射野形成装置２８は、内部で、不活性ガスチェンバ１よりも上流にビーム位置モニタ３４を、不活性ガスチェンバ１よりも下流に線量モニタ３５をそれぞれ配置している。

不活性ガスチェンバ１は、図２に示すように、第１チェンバ１Ａ及び第２チェンバ１Ｂを有する。第１チェンバ１Ａ及び第２チェンバ１Ｂは、対向するそれぞれのフランジをネジ止めして結合される。隔離窓３６が、不活性ガスチェンバ１の上流端、すなわち、第１チェンバ１Ａのイオンビーム１８の入口側に配置されて第１チェンバ１Ａに取り付けられる。隔離窓３７が、不活性ガスチェンバ１の下流端、すなわち、第２チェンバ１Ｂのイオンビーム１８の出口側に配置されて第２チェンバ１Ｂに取り付けられる。不活性ガスチェンバ１の内部、すなわち、第１チェンバ１Ａ及び第２チェンバ１Ｂのそれぞれの内部には、空間が形成される。隔離窓３６，３７は、不活性ガスチェンバ１内の空間と、その外部領域とを隔離している。

不活性ガスチェンバ１内に不活性ガス（充填ガス）であるＨｅガスを供給する充填ガス系統を、図３を用いて説明する。この充填ガス系統は、ガス供給管１５、流量調整弁７、フラッシング配管９、ガス排出管１６、オリフィス１４を有する。ガス供給管１５は、第１チェンバ１Ａに接続され、Ｈｅガスが充填されたガスボンベ（ガス貯蔵容器）８と第１チェンバ１Ａ内の空間とを連絡する。流量調整弁７がガス供給管１５に設置される。フラッシング配管９は、流量調節弁７をバイパスして、両端がガス供給管１５に接続される。開閉弁１７がフラッシング配管９に設けられる。ガスボンベ８は照射野形成装置２８のケーシングの外側に設置されている。このため、ガス供給管１５等もそのケーシングに取り付けられる。ガス排出管１６は、第２チェンバ１Ｂに接続され、第２チェンバ１Ｂ内の空間に連絡される。ガス排出管１６は、そのケーシングに取り付けられ、その一部は回転ガントリーにも取り付けられる。バリアブルリークバルブ（微少流量調整弁）１２及びオリフィス１４がガス排出管１６に設置される。

充填ガス系統は、隔離窓３６，３７を保護するための安全系として、圧力スイッチ１０及びリリーフ弁１１を有する。圧力スイッチ１０はガス供給管１５に設置される。リリーフ弁１１はガス排出管１６に取り付けられる。バッファ（緩衝）領域１３がバリアブルリークバルブ１２とオリフィス１４の間でガス排出管１６内に形成される。微少の差圧下での微量流量調整を容易にするために、バリアブルリークバルブ１２及びオリフィス１４が設けられ、バッファ領域１３が形成されている。

本実施例は、さらに、不活性ガスチェンバ１内に供給するＨｅガスの量を調節する充填ガス制御装置を備えている。この充填ガス制御装置は、圧力コントローラ５及び流量制御装置６を備えている。差圧計４が、不活性ガスチェンバ１、具体的には第１チェンバ１Ａに設置される。

照射野形成装置２８に導かれたイオンビーム１８は、不活性ガスチェンバ１内のＨｅガス雰囲気中を通って、ベッド３１上の患者３０の患部に照射される。走査電磁石３２，３３を用いてイオンビームを走査することによって、スキャニング照射が行われる。このスキャニング照射の概略を以下に説明する。患部は、イオンビームの進行方向において複数の層に分割される。スキャニング照射では、１つの層ごとにイオンビームをＸ方向及びＹ方向に走査する。すなわち、ある層に対し、走査電磁石３２によってイオンビームをＸ方向に走査する。次に、走査電磁石３３によってイオンビームをＹ方向に走査し、イオンビームの位置を前述のＸ方向の走査を行った領域と隣り合う領域に移す。この領域でイオンビームが走査電磁石３２を用いてＸ方向に移動される。このように、１つの層内でイオンビームを蛇行させながらスキャニング照射が行われる。１つの層でのスキャニング照射が終了すると、シンクロトロン２３から出射されるイオンビームのエネルギーが低減され、これにより、浅い位置にある層内でのスキャニング照射が行われる。

不活性ガスチェンバ１内のＨｅガス雰囲気をイオンビームが通過する関係上、イオンビームの散乱が生じなく細いイオンビームが層ごとに照射される。このため、治療計画で定めた各照射位置に精度よくイオンビームを照射することができる。不活性ガスチェンバ１が照射野形成装置２８内に設けられていない場合には、イオンビームが空気雰囲気中を通過するため、イオンビームが散乱によって拡大し、治療計画で定めた、層内の各照射位置に精度良く照射することができない。本実施例は、前述したように、不活性ガスチェンバ１の設置によりこのような問題を解消することができる。

本実施例に設けられた充填ガス制御装置の機能について説明する。差圧計４は、不活性ガスチェンバ１内のＨｅガスの圧力と不活性ガスチェンバ１外の空気雰囲気の圧力との差圧を計測する。圧力コントローラ５は、差圧計５で計測された差圧計測値を入力し、差圧設定値（差圧目標値）になるＨｅガス流量を決定する。流量制御装置６は、圧力コントローラ５で決定されたＨｅガス流量を基に流量調整弁７の開度を制御する。このような流量調整弁７の開度制御により、圧力コントローラ５で決定されたＨｅガス流量のＨｅガスが、ガスボンベ８からガス供給管１５を通して不活性ガスチェンバ１内に供給される。上記した差圧設定値は、不活性ガスチェンバ１内に外部の空気の流入を防止するために、外部の大気圧よりも不活性ガスチェンバ１内の圧力が若干高くなるように設定されている。このため、不活性ガスチェンバ１内のＨｅガスの圧力は、大気圧よりも若干高くなっている。不活性ガスチェンバ１内に供給されたＨｅガスは、ガス排出管１６によって外部の雰囲気に排出される。このＨｅガスの排出量は、バリアブルリークバルブ１２によって微量に制限されている。バリアブルリークバルブ１２は微量な流量のＨｅガスを排気させる装置である。オリフィス１４は、Ｈｅガスの流出を制限する固定された小さな開口が設けられている。このオリフィス１４は、バリアブルリークバルブ１２よりも下流側に配置されてバリアブルリークバルブ１２との間でガス排出管１６内にバッファ領域１３を形成するので、バリアブルリークバルブ１２のコンダクタンスの感度を鈍らせる。このため、流量制御装置６を用いた流量調整弁７の開度制御により、ガス供給管１５を通して不活性ガスチェンバ１内に供給する微量なＨｅガス流量を容易に制御することができる。したがって、Ｈｅガスの消費量を少なくすることができる。

以上のように、充填ガス制御装置によって流量調整弁７の開度を制御して、不活性ガスチェンバ１内に供給するＨｅガス量を制御しているため、不活性ガスチェンバ１内に供給するＨｅガス量を極めて少なくすることができる。このため、Ｈｅガスを充填するガスボンベ８の容量を著しく小さくすることができる。また、流量調整弁７の開度制御により不活性ガスチェンバ１内に供給するＨｅガス量を制御しているため、台風やハリケーンなどの気候の変動による大気圧の低下等の環境の変化、及び想定外のＨｅガスのリークによる過大な内外差圧の発生に対しても、隔離窓３６，３７の保護が可能である。

差圧設定値になった後に不活性ガスチェンバ１内へのＨｅガスの供給を停止することによって、不活性ガスチェンバ１内へのＨｅガスの供給量を最も少なくすることができる。しかしながら、そのＨｅガスの供給を停止した場合には、不活性ガスチェンバ１内に空気が流入する可能性がある。具体的には、各弁及びフランジのシール部から空気が不活性ガスチェンバ１内に若干量であるが流入する。微量とはいえＨｅガスを、不活性ガスチェンバ１内に流入し続けることによって、その空気の流入を防止することができる。流量調整弁７の開度制御を行わないと、多量のＨｅガスを不活性ガスチェンバ１内に供給しなければならない。本実施例は、流量調整弁７の開度制御を行っているため、Ｈｅガスの供給量を低減できる。特に、オリフィス１４の設置によって、Ｈｅガスの供給量を微量に低減することができる。バッファ領域１３の形成も、微量の供給量への低減に貢献する。

ガスボンベ８は、容量が小さいため、照射野形成装置２８のケーシングに設置できる。このため、ガス供給管１５を回転ガントリーまで引き回す必要がなく、ガス供給管１５の長さを短くすることができる。

前述のように、流量調整弁７の開度制御を行わない場合には多量のＨｅガスを不活性ガスチェンバ１内に供給する必要があるため、大きなガスボンベ（または多くの個数のガスボンベ）を用意しなければならない。この大きなガスボンベは、回転ガントリーに設置される。ガスボンベが大きくなる（またはガスボンベの個数が増える）と、回転ガントリーを回転させるモーター（回転駆動装置）の容量を大きくしなければならない。すなわち、モーターが大型化する。本実施例は、前述したようにガスボンベの容量が著しく小さいため、回転ガントリーを回転させるモーターの容量を小さくできる。これは、モーターを小型化することができる。

フラッシング配管９は、イオンビーム１８を１日の最初に不活性ガスチェンバ１に導く前に、不活性ガスチェンバ１内の雰囲気（空気が含まれている可能性あり）をＨｅガスに置換するために用いられる。そのようなフラッシング配管９は、コンダクタンスの小さなガス供給管１５とは別に、短時間でＨｅガスの置換作業を行うためにコンダクタンスが大きくなっている。圧力スイッチ１０は、不活性ガスチェンバ１内のＨｅガスと大気圧の差圧を計測し、差圧設定値を超えた場合に接点信号を出力する。この接点信号のよりリリーフ弁１１が開かれる。リリーフ弁１１は、圧力スイッチ１０から出力された接点信号により開いて、差圧設定値に低下するまで不活性ガスチェンバ１内のＨｅガスを外部に放出する。

重粒子線治療装置にも、図１〜図３に示す構成を適用できる。重粒子線治療装置は、イオン源で炭素イオンを発生させ、この炭素イオンのビーム（炭素線）を治療に使用する。前述の陽子線治療装置と同じ効果を得ることができる。

本発明の好適な一実施例である陽子線治療装置の構成図である。図１に示す照射野形成装置の構成図である。図２に示す不活性ガスチェンバの充填ガス系統の構成図である。

符号の説明

１…不活性ガスチェンバ、１Ａ…第１チェンバ、１Ｂ…第２チェンバ、４…差圧計、５…圧力コントローラ、６…流量制御装置、７…流量調整弁、８…ガスボンベ、１０…圧力スイッチ、１１…リリーフ弁（圧力逃がし弁）、１２…バリアブルリークバルブ（微少流量調整弁）、１３…バッファ領域、１４…オリフィス、１５…ガス供給管、１６…ガス排出管、２２…イオンビーム発生装置、２３…シンクロトロン、２７…回転式照射装置、２８…照射野形成装置、３２，３３…走査電磁石、３６，３７…隔離窓。

Claims

イオンビーム発生装置と、前記イオンビーム発生装置で発生したイオンビームが導かれる照射装置とを備え、
前記照射装置が、走査電磁石と、走査電磁石に取り囲まれた不活性ガスチェンバと、前記不活性ガスチェンバ内に不活性ガスを供給するガス供給管と、前記ガス供給管に向けられた流量調節弁と、前記不活性ガスチェンバ内の圧力に基づいて前記流量調節弁の開度を制御する制御装置とを有していることを特徴とする粒子線治療装置。
前記照射装置が回転ガントリーに設置されている請求項１に記載の粒子線治療装置。
前記不活性ガスチャンバに接続されたガス排出管と、前記ガス排出管に設けられたオリフィスとを備えた請求項１または請求項２に記載の粒子線治療装置。
前記オリフィスよりも上流側で前記ガス排出管に設けられたバリアブルリークバルブを有する請求項３に記載の粒子線治療装置。