JP2008161716A - Particle beam therapeutic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、荷電粒子ビームを癌治療や患部の診断に利用する粒子線治療装置に関する。 The present invention relates to a particle beam therapy apparatus that uses a charged particle beam for cancer treatment or diagnosis of an affected area.
粒子線治療装置では、照射線量のブラックピークの位置が荷電粒子ビームのエネルギーに関係していることを利用して患部がブラックピークの位置になるように荷電粒子ビームのエネルギーを調整している。そして、荷電粒子ビームのエネルギーを変更するために、直接粒子加速器の加速エネルギーを変更したり、ビーム照射位置設定用の電磁石の直前に設置されたレンジシフタを駆動して異なる厚みの位置を荷電粒子ビームが透過することにより荷電粒子ビームのエネルギーを変えたりする(例えば、特許文献1参照)。
また、荷電粒子ビームのエネルギーが設定値になっていることを保障するために、粒子加速器の偏向電磁石の磁場や高周波加速電磁場を監視して、荷電粒子ビームのエネルギーが設定値外にあることが推定されたときインターロックにより当該荷電粒子ビームを遮断したり、ビーム輸送系に設置した運動量分析装置を用いてエネルギーに誤差のある荷電粒子ビームを廃棄したりしている。
In the particle beam therapy system, the energy of the charged particle beam is adjusted so that the affected area becomes the position of the black peak using the fact that the position of the black peak of the irradiation dose is related to the energy of the charged particle beam. In order to change the energy of the charged particle beam, the acceleration energy of the particle accelerator is directly changed, or the range shifter installed just before the beam irradiation position setting electromagnet is driven to set the position of the different thickness to the charged particle beam. The energy of the charged particle beam is changed by passing through (see, for example, Patent Document 1).
Also, in order to ensure that the charged particle beam energy is at the set value, the charged particle beam energy may be outside the set value by monitoring the magnetic field of the deflecting electromagnet of the particle accelerator or the high-frequency accelerating electromagnetic field. When it is estimated, the charged particle beam is blocked by an interlock, or a charged particle beam having an error in energy is discarded using a momentum analyzer installed in the beam transport system.
しかし、直接粒子加速器で荷電粒子ビームのエネルギーを変更する場合、多数のエネルギーそれぞれに対して粒子加速器の運転パラメータを作成しなければならないので、粒子加速器の調整に長時間を要するという問題がある。
また、レンジシフタを移動し、荷電粒子ビームの透過する位置を変えてレンジシフタを荷電粒子ビームが透過する距離を高速に変更する場合、レンジシフタの移動に付随する騒音が発生したり、レンジシフタを機械的に移動することにともなって駆動機構の機械的な信頼性が低下したりするという問題がある。
また、荷電粒子ビームのエネルギーが設定値になっていることを保障する場合、粒子加速器の磁場や高周波加速電磁場の変動によりインターロックが掛かりシステム停止の頻度が増加したり、運動量分析の結果として廃棄される荷電粒子ビームが多くなり荷電粒子ビームの強度が大きく変動したりするという問題がある。
However, when the energy of the charged particle beam is directly changed by the particle accelerator, it is necessary to prepare the operation parameters of the particle accelerator for each of a large number of energies, so that it takes a long time to adjust the particle accelerator.
In addition, when moving the range shifter and changing the transmission position of the charged particle beam to change the distance that the charged particle beam passes through the range shifter at high speed, noise accompanying the movement of the range shifter is generated or the range shifter is mechanically moved. There is a problem that the mechanical reliability of the drive mechanism is lowered with the movement.
In addition, when it is guaranteed that the charged particle beam energy is at the set value, the frequency of system stoppage increases due to fluctuations in the magnetic field of the particle accelerator and the high-frequency acceleration electromagnetic field, and it is discarded as a result of momentum analysis. There is a problem that the charged particle beam is increased and the intensity of the charged particle beam varies greatly.
この発明の目的は、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが変動しても、エネルギーが安定化され、粒子加速器の機器変動によるシステム停止の頻度が低く、荷電粒子ビームのエネルギーや強度の変動が小さな粒子線治療装置を提供することである。 The object of the present invention is to stabilize the energy even if the energy of the incident charged particle beam fluctuates, to reduce the frequency of system stoppage due to the equipment fluctuation of the particle accelerator, and to reduce the fluctuation of the energy and intensity of the charged particle beam. A particle beam therapy system is provided.
この発明に係わる粒子線治療装置は、荷電粒子ビームを患部に照射して治療する粒子線治療装置において、厚みが場所により異なり、透過する荷電粒子ビームのエネルギーを上記厚みに比例する分だけ低下するレンジシフタと、入射される荷電粒子ビームのエネルギーの大小に比例する厚みの上記レンジシフタの場所を透過する軌道に上記荷電粒子ビームを偏向する偏向電磁石と、上記偏向電磁石の下流側に配置され、上記荷電粒子ビームを上記偏向電磁石に入射したときの軌道の延長線上に戻す4極電磁石と、を備えるエネルギー安定化装置を具備する。 The particle beam therapy system according to the present invention is a particle beam therapy system for irradiating a diseased site with a charged particle beam, and the thickness varies depending on the location, and the energy of the transmitted charged particle beam is reduced by an amount proportional to the thickness. A range shifter, a deflection electromagnet for deflecting the charged particle beam in a trajectory that passes through the location of the range shifter having a thickness proportional to the energy of the incident charged particle beam, a downstream of the deflection electromagnet, and the charging And a quadrupole electromagnet that returns the particle beam to an extension of the orbit when it enters the deflection electromagnet.
この発明に係わる粒子線治療装置の効果は、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが変動しても、その先にある厚さの異なる部分のレンジシフタを透過することにより、エネルギーが安定化されるので、粒子加速器での荷電粒子ビームのエネルギーの変動によるシステムの停止の頻度を低減することができ、荷電粒子ビームの運動量分析によるビーム強度の変動を小さくすることができる。 The effect of the particle beam therapy system according to the present invention is that, even if the energy of the incident charged particle beam fluctuates, the energy is stabilized by transmitting through the range shifter of a different thickness ahead. The frequency of system stoppage due to the fluctuation of the energy of the charged particle beam in the particle accelerator can be reduced, and the fluctuation of the beam intensity due to the momentum analysis of the charged particle beam can be reduced.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係わる粒子線治療装置の構成図である。図2は、実施の形態1に係わるエネルギー変更装置の側面図である。
この発明の実施の形態1に係わる粒子線治療装置1は、図1に示すように、荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを発生する粒子加速器2、荷電粒子ビームを患部27に照射する照射装置3を備える。なお、粒子加速器2は、公知の装置を用いているので説明は省略する。
実施の形態1に係わる照射装置3は、図1に示すように、荷電粒子ビームの進む方向に向かって手前から荷電粒子ビームのエネルギーを低下して所望のエネルギーに変更するエネルギー変更装置5、荷電粒子ビームの軌道を走査する走査用電磁石装置6、荷電粒子ビームのエネルギーの幅を変更するリッジフィルター7、患部27に照射される照射線量を検出する照射線量モニタ8、照射装置3全体を制御する照射制御装置9を備える。走査用電磁石装置6は、荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面上の直交する2軸方向にそれぞれ走査する電磁石6a、6bを備える。なお、走査用電磁石装置6、リッジフィルター7、照射線量モニタ8は、公知の装置を用いているので説明は省略する。
FIG. 1 is a configuration diagram of a particle beam therapy system according to
As shown in FIG. 1, a particle
As shown in FIG. 1, an irradiation device 3 according to the first embodiment includes an
実施の形態1に係わるエネルギー変更装置5は、図2に示すように、幅方向(x方向)に厚みが階段状に変化するレンジシフタ11、レンジシフタ11を荷電粒子ビームが通過する位置を移動する上流側偏向電磁石対12、上流側偏向電磁石対12を励磁する第1の偏向電磁石電源13、レンジシフタ11を通過した荷電粒子ビームを元の軌道上に戻す下流側偏向電磁石対14、下流側偏向電磁石対14を励磁する第2の偏向電磁石電源15、照射制御装置9から入力されるエネルギー指令値に基づいて上流側偏向電磁石対12による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、励磁電流値を第1の偏向電磁石電源13に送信する変更制御装置16を備える。変更制御装置16は、第2の偏向電磁石電源15も制御する。
As shown in FIG. 2, the
図2では、エネルギー変更装置5をz軸に対して垂直な方向から見た側面図として示している。図2で太実線で表されている荷電粒子ビームは、図2のz軸上を上流側偏向電磁石対12に入射される。また、荷電粒子ビームの軌道は、図2の紙面の水平方向(以下、x方向と称す。)に移動される。
上流側偏向電磁石対12は、軌道変更用の偏向電磁石21と軌道平行用の偏向電磁石22とからなる。軌道変更用の偏向電磁石21は、入射された荷電粒子ビームの軌道をz軸に対して所定の角度θだけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石22は、軌道変更用の偏向電磁石21によりz軸に対して傾けられた軌道をz軸に対して平行する軌道に偏向する。
下流側偏向電磁石対14は、軌道偏向用の偏向電磁石23と軌道平行用の偏向電磁石24とからなる。軌道変更用の偏向電磁石23は、入射された荷電粒子ビームの軌道をz軸に対して(360度−所定の角度θ)だけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石24は、軌道変更用の偏向電磁石23によりz軸に対して傾けられた軌道をz軸上の軌道に偏向する。
In FIG. 2, the
The upstream
The downstream
次に、エネルギー変更装置5の動作について説明する。
粒子加速器2からビーム輸送系26を経由してエネルギー変更装置5に導入された荷電粒子ビームは、上流側偏向電磁石対12によりz軸からx方向に所定の距離離れたz軸に平行な軌道上を進む。そして、所定の厚さのレンジシフタ11の部分を荷電粒子ビームが透過することにより、エネルギーが厚さに比例する分だけ低下されて所望のエネルギーになる。
このようにして所望のエネルギーに変更された荷電粒子ビームは、下流側偏向電磁石対14によりエネルギー変更装置5に入射されたときの元の軌道の延長線上に戻される。
Next, the operation of the
The charged particle beam introduced into the
The charged particle beam thus changed to the desired energy is returned to the extension of the original trajectory when it is incident on the
このようにエネルギーが所望の値に変更され、元の軌道の延長上に戻された荷電粒子ビームは、走査用電磁石装置6により軌道が走査され、リッジフィルター7によりエネルギーの幅が変更され、照射線量モニタ8により患部27に照射される照射線量が検出されながら患部27に照射される。
In this way, the charged particle beam whose energy has been changed to a desired value and returned to the original extension of the original trajectory is scanned by the
このような粒子線治療装置1は、上流側偏向電磁石対12により所望の軌道上を荷電粒子ビームが進み、その先にある厚さの異なる部分のレンジシフタ11を透過することにより荷電粒子ビームのエネルギーが変更されるので、上流側および下流側偏向電磁石対12、14の励磁電流の変更は短時間に行うことができ、荷電粒子ビームのエネルギーの変更に要する時間を非常に短くすることができる。
また、レンジシフタ11を移動させないので、移動機構によく発生する機械的な故障の可能性がなく、高速で信頼性の高い粒子線治療装置1を提供することができる。
In such a particle
In addition, since the
実施の形態2.
図3は、この発明の実施の形態2に係わるエネルギー変更装置の側面図である。
実施の形態2に係わる粒子線治療装置は、実施の形態1に係わる粒子線治療装置1とエネルギー変更装置5Bが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態2に係わるエネルギー変更装置5Bは、図3に示すように、実施の形態1に係わるエネルギー変更装置5にレンジシフタ11を動かすレンジシフタ駆動装置30が追加され、それにともなって変更制御装置16Bが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is a side view of the energy changing device according to the second embodiment of the present invention.
The particle beam therapy system according to the second embodiment is different from the particle
As shown in FIG. 3, in the
実施の形態2に係わる変更制御装置16Bは、照射制御装置9から入力されるエネルギー指令値に基づいて上流側偏向電磁石対12による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、移動量が予め定める閾値より大きいときには閾値に相当する励磁電流値を第1の偏向電磁石電源13に送信し、移動量と閾値との差に相当するレンジシフタ移動量をレンジシフタ駆動装置30に送る。
レンジシフタ11Bは、x方向に移動可能に支持されている。
そして、レンジシフタ駆動装置30は、変更制御装置16Bから送られてきたレンジシフタ移動量に基づいてレンジシフタ11Bをx方向に移動する。
The
The
Then, the range
このようにレンジシフタ11Bを移動して厚さが大きく異なる部分を荷電粒子ビームが通過するようにして大きくエネルギーを変更することにより、上流側偏向電磁石対12および下流側偏向電磁石対14の励磁量の変化を少ないままに済ませることができる。このようにして上流側変更電磁石対12および下流側偏向電磁石対14の励磁量を適切な範囲に保つことができる。
In this way, by moving the
実施の形態3.
図4は、この発明の実施の形態3に係わる照射装置の構成図である。
実施の形態3に係わる粒子線治療装置は、実施の形態2に係わる粒子線治療装置とスキャニング照射を行うことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
スキャニング照射では、患部27を複数の照射層31a〜31nに層別し、体表面32側から順番に照射を行う。照射層の変更は、照射制御装置9からエネルギー変更装置5Bの変更制御装置16Bにエネルギー指令値を与えて行う。そして、変更制御装置16Bは、荷電粒子ビームの軌道を変更することによるエネルギー変更分Δ1とレンジシフタ駆動装置30によるエネルギー変更分Δ2を設定して、それぞれを該当するところに送ることによりエネルギーを変更し、照射層31a〜31nが変更される。
Embodiment 3 FIG.
4 is a block diagram of an irradiation apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
The particle beam therapy system according to the third embodiment is different from the particle beam therapy system according to the second embodiment in that scanning irradiation is performed, and the other parts are the same. Description is omitted.
In scanning irradiation, the affected
このような粒子線治療装置は、軌道変更が励磁電流の変更により行われるので、レンジシフタ11Bを高速に移動させる必要がないため、レンジシフタ11Bの動作騒音を大幅に低減でき、静粛性と信頼性に優れた粒子線治療装置を提供することができる。
In such a particle beam therapy system, since the trajectory is changed by changing the excitation current, it is not necessary to move the
実施の形態4.
図5は、この発明の実施の形態4に係わる粒子線治療装置の構成図である。図6は、実施の形態4に係わるエネルギー安定化装置の側面図である。
この発明の実施の形態4に係わる粒子線治療装置1Dは、荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを発生する粒子加速器2、荷電粒子ビームを患部27に照射する照射装置3Dを備える。なお、粒子加速器2は、公知の装置を用いているので説明は省略する。
実施の形態4に係わる照射装置3Dは、荷電粒子ビームの進む方向に向かって手前から、荷電粒子ビームのエネルギーを安定化するエネルギー安定化装置33、荷電粒子ビームのエネルギーを低下して所望のエネルギーに変更するエネルギー変更装置5、荷電粒子ビームの軌道を走査する走査用電磁石装置6、荷電粒子ビームのエネルギーの幅を変更するリッジフィルター7、患部27に照射される照射線量を検出する照射線量モニタ8、照射装置1D全体を制御する照射制御装置9を備える。なお、走査用電磁石装置6、リッジフィルター7、照射線量モニタ8は、公知の装置を用いているので説明は省略する。また、エネルギー変更装置5は、実施の形態1乃至3において説明したエネルギー変更装置5と同様であり、説明は省略する。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 5 is a block diagram of a particle beam therapy system according to Embodiment 4 of the present invention. FIG. 6 is a side view of the energy stabilizing device according to the fourth embodiment.
A particle beam therapy system 1D according to Embodiment 4 of the present invention includes a particle accelerator 2 that accelerates charged particles to generate a charged particle beam, and an
The
実施の形態4に係わるエネルギー安定化装置33は、図6に示すように、入射する荷電粒子ビームを固定の励磁条件で偏向する第1の偏向電磁石41、第1の偏向電磁石41を励磁する第1の偏向電磁石電源42、第1の偏向電磁石41により偏向された荷電粒子ビームの軌道を所定の位置に収束する4極電磁石43、直線に沿って厚みが連続的に変化しているレンジシフタ44、所定の位置に収束された荷電粒子ビームの軌道z軸上に偏向しながら移動する第2の偏向電磁石45、第2の偏向電磁石45を励磁する第2の偏向電磁石電源46、荷電粒子ビームの軌道の位置を検出するビーム位置モニタ47、検出された軌道の位置を元の軌道の延長線上に移動する移動指令値を第2の偏向電磁石電源46に送る位置制御装置48を備える。
As shown in FIG. 6, the
第1の偏向電磁石41では、固定の励磁条件のもとにあるので、入射する荷電粒子ビームのエネルギーが大きいときには図6の太実線sで示される軌道に荷電粒子ビームが偏向され、逆に、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが小さいときには図6の太点線wで示される軌道に荷電粒子ビームが偏向される。
Since the first deflecting
4極電磁石43は、第1の偏向電磁石41により偏向されてx方向にz軸から離れる荷電粒子ビームをx方向のz軸に向かうように偏向し、荷電粒子ビームはz軸上の所定の位置cを通過する。
The
レンジシフタ44は、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが小さいときに第1の偏向電磁石41により偏向されるx方向に向かって厚さが厚くなるように配置される。
そして、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが大きいときにはレンジシフタ44を点aで透過し、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが小さいときにはレンジシフタ44を点bで透過する。そして、点aでのレンジシフタ44の厚さが点bでのレンジシフタ44の厚さより厚いので、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが大きいほどレンジシフタ44でのエネルギーの減衰がレンジシフタ44の厚さに比例して大きくなり、位置cでの荷電粒子ビームのエネルギーが安定化される。
The
When the energy of the incident charged particle beam is large, the
第2の偏向電磁石45は、所定の位置cで荷電粒子ビームをz軸上に沿って進むように偏向する。また、位置cがz軸からずれることが発生するので、ビーム位置モニタ47により荷電粒子ビームの位置を検出し、位置制御装置48で検出された位置をz軸上に戻すために移動指令値を算出し、第2の偏向電磁石電源46により第2の偏向電磁石45を励磁して荷電粒子ビームの軌道がz軸上に揃うようにする。
The
このような粒子線治療装置1Dは、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが変動しても、安定化装置33によりエネルギーが安定化されるので、粒子加速器2での荷電粒子ビームのエネルギーの変動によるシステムの停止の頻度を低減することができる。
また、荷電粒子ビームの運動量分析によるビーム強度の変動を小さくすることができる。
また、荷電粒子ビームのエネルギーの変更の精度を向上することができる。
In such a particle beam therapy system 1D, even if the energy of the incident charged particle beam fluctuates, the energy is stabilized by the
In addition, fluctuations in beam intensity due to momentum analysis of the charged particle beam can be reduced.
In addition, the accuracy of changing the energy of the charged particle beam can be improved.
なお、粒子加速器2で加速される荷電粒子ビームのエネルギーの時間的な変動が予め予測できるものである場合、第2の偏向電磁石電源46に予め求められた制御信号を出力すればいいので、ビーム位置モニタ47を省略してもよい。
また、実施の形態4において粒子線治療装置1Dは、エネルギー変更装置5も備えられているが、安定化装置33だけを備えても同様な効果が得られる。
In addition, when the temporal variation of the energy of the charged particle beam accelerated by the particle accelerator 2 can be predicted in advance, the control signal obtained in advance may be output to the second deflection electromagnet
In the fourth embodiment, the particle beam therapy system 1D is also provided with the
実施の形態5.
図7は、この発明の実施の形態5に係わるエネルギー安定化装置の側面図である。
実施の形態5に係わる粒子線治療装置は、実施の形態4に係わる粒子線治療装置とエネルギー安定化装置33Eが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態5に係わるエネルギー安定化装置33Eは、実施の形態4に係わるエネルギー安定化装置33にさらに1つの4極電磁石51および楔型レンジシフタ52を追加したことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
FIG. 7 is a side view of an energy stabilizing device according to
The particle beam therapy system according to the fifth embodiment is different from the particle beam therapy system according to the fourth embodiment and the
The
エネルギー安定化装置33Eは、図7に示すように、第1の偏向電磁石41と第2の偏向電磁石45との間に2つの4極電磁石43、51と2つの楔型レンジシフタ44、52が配置されている。第1の偏向電磁石41側から第1の4極電磁石43、第1のレンジシフタ44、第2のレンジシフタ52、第2の4極電磁石51の順に並べられている。そして、第1のレンジシフタ44は、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが大きいときに第1の偏向電磁石41により偏向されるx方向に向かって厚さが厚くなるように配置される。一方、第2のレンジシフタ52は、荷電粒子ビームの軌道が第1の4極電磁石43によりz軸に向かうように偏向されてz軸と交差した先に、x方向のマイナスの方向に向かって厚さが厚くなるように配置される。
As shown in FIG. 7, the
このような粒子線治療装置は、2つの4極電磁石43、51と2つのレンジシフタ44、52とを組み合わせて荷電粒子ビームのエネルギーを安定化するので、粒子加速器2からの荷電粒子ビームのエネルギーの変動が大きくても、2つのうちの1つのレンジシフタ44、52が受け持つエネルギーの調整量が1つしかないときのレンジシフタ44が受け持つエネルギーの調整量の半分ですみ、レンジシフタ44、52の幅Wを大きくしなくても調整でき、レンジシフタ44、52の幅Wを適切な範囲に保つことができる。
In such a particle beam therapy apparatus, the energy of the charged particle beam from the particle accelerator 2 is stabilized because the energy of the charged particle beam is stabilized by combining the two
1 粒子線治療装置、2 粒子加速器、3 照射装置、5 エネルギー変更装置、6 走査用電磁石装置、7 リッジフィルター、8 照射線量モニタ、9 照射制御装置、11 レンジシフタ、12、14 偏向電磁石対、13、15、42、46 偏向電磁石電源、16 変更制御装置、21、22、23、24、41、45 偏向電磁石、26 ビーム輸送系、27 患部、30 レンジシフタ駆動装置、31a〜31n 照射層、32 体表面、33 エネルギー安定化装置、43、51 4極電磁石、44、52 レンジシフタ、47 ビーム位置モニタ、48 位置制御装置。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
厚みが場所により異なり、透過する荷電粒子ビームのエネルギーを上記厚みに比例する分だけ低下するレンジシフタと、
入射される荷電粒子ビームのエネルギーの大小に比例する厚みの上記レンジシフタの場所を透過する軌道に上記荷電粒子ビームを偏向する偏向電磁石と、
上記偏向電磁石の下流側に配置され、上記荷電粒子ビームを上記偏向電磁石に入射したときの軌道の延長線上に戻す4極電磁石と、
を備えるエネルギー安定化装置を具備することを特徴とする粒子線治療装置。 In a particle beam therapy system that treats a diseased part by irradiating a charged particle beam,
A range shifter that varies in thickness depending on the location, and reduces the energy of the transmitted charged particle beam by an amount proportional to the thickness,
A deflecting electromagnet that deflects the charged particle beam into a trajectory that passes through the location of the range shifter having a thickness proportional to the energy of the incident charged particle beam;
A quadrupole electromagnet disposed downstream of the deflection electromagnet and returning the charged particle beam onto an extension of the trajectory when incident on the deflection electromagnet;
A particle beam therapy system comprising an energy stabilization device comprising:
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