JP2011234960A - 偏向電磁石調整装置、粒子線照射装置、粒子線治療装置及び偏向電磁石調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】偏向電磁石による荷電粒子ビームの偏向制御を高精度に調整する偏向電磁石調整装置を得ることを目的とする。
【解決手段】偏向電磁石１１、２１により走査された荷電粒子ビーム１の走査軌道を検出するモニタ３１と、走査軌道に基づいて所定の走査軌道になるような補正データを生成し、偏向電磁石１１、２１を制御する制御部１２、２２に補正データを送信するフィードバック制御装置４１とを備えた。また、フィードバック制御装置４１は、荷電粒子ビーム１の走査軌道における真円からのずれの度合いである真円度を判定し、真円度が所定の許容範囲を超えた場合に、走査軌道の真円度が許容範囲になるような補正データを生成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、医療用や研究用に用いられる粒子線治療装置に関し、特に荷電粒子ビームを円形状に走査する偏向電磁石の調整を行う偏向電磁石調整方法に関する。

照射対象に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射方法としては、均一な照射線量分布を得るために、複数のワブラ電磁石を用いて荷電粒子ビームの走査軌道を円形にするワブラ法が知られている。

ワブラ法では、互いに直行する方向に荷電粒子ビームを偏向する２つのワブラ電磁石に位相が９０°ずれた正弦波波形を有する交流電流を供給することにより、荷電粒子ビームを２つのワブラ電磁石で偏向して走査軌道を円形にしている。なお、ワブラ電磁石に供給される交流電流の振幅を調節することによって、走査される荷電粒子ビームの軌道やその大きさを調節することができる。

特許文献１には、照射対象に荷電粒子ビームを照射しているときに、複数のワブラ電磁石により走査される荷電粒子ビームの軌道が円形になっていない場合に、照射対象に対する荷電粒子ビームの照射を停止させる荷電粒子ビーム照射装置が記載されている。

特開２０００−２９２６００号公報

ワブラ電磁石により走査された荷電粒子ビームの走査軌道の真円度（真円からのずれの度合い）や、ワブラ電磁石により発生された磁場の位相差は、季節変動や経年劣化などにより、正常動作範囲からずれが生じる。これらのビーム走査軌道の真円度や磁場の位相差のずれ補正は、メンテナンス日などに実施される。

特許文献１に開示された発明においては、照射対象に荷電粒子ビームを照射しているときに、複数のワブラ電磁石により走査される荷電粒子ビームの軌道が円形になっていない場合に、照射対象に対する荷電粒子ビームの照射を停止させることは記載されている。

しかしながら、特許文献１には、ワブラ電磁石により走査された荷電粒子ビームの走査軌道の真円度のずれや、ワブラ電磁石により発生された磁場の位相差のずれを補正する方法は示されていない。ビーム走査軌道の真円度や磁場の位相差のずれ補正は必要であり、高精度にワブラ電磁石を調整する方法が求められていた。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、偏向電磁石による荷電粒子ビームの偏向制御を高精度に調整する偏向電磁石調整装置を得ることを目的とする。

偏向電磁石により走査された荷電粒子ビームの走査軌道を検出するモニタと、走査軌道に基づいて所定の走査軌道になるような補正データを生成し、偏向電磁石を制御する制御
部に補正データを送信するフィードバック制御装置とを備えた。

本発明に係る偏向電磁石調整装置は、モニタが検出した荷電粒子ビームの走査軌道に基づいて所定の走査軌道になるような補正データを生成し、補正データに基づいて偏向電磁石を制御するので、偏向電磁石による荷電粒子ビームの偏向制御を高精度に調整することができる。

本発明の実施の形態１による粒子線治療装置を示す構成図である。 図１の粒子線照射装置を示す図である。 図２の照射系を調整する偏向電磁石調整装置を示す図である。 照射系に供給される交流電流の波形を示す図である。 図４の場合におけるビームの強度分布を示す図である。 照射系に供給される他の交流電流の波形を示す図である。 図６の場合におけるビームの強度分布を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における粒子線治療装置を示す構成図である。粒子線治療装置５１は、ビーム発生装置５２と、ビーム輸送系５９と、粒子線照射装置５８ａ、５８ｂとを備える。ビーム発生装置５２は、イオン源（図示せず）と、前段加速器５３と、シンクロトロン５４とを有する。粒子線照射装置５８ｂは回転ガントリ（図示せず）に設置される。粒子線照射装置５８ａは回転ガントリを有しない治療室に設置される。ビーム輸送系５９の役割はシンクロトロン５４と粒子線照射装置５８ａ、５８ｂの連絡にある。ビーム輸送系５９の一部は回転ガントリ（図示せず）に設置され、その部分には複数の偏向電磁石５５ａ、５５ｂ、５５ｃを有する。

イオン源で発生した陽子線等の粒子線である荷電粒子ビームは、前段加速器５３で加速され、シンクロトロン５４に入射される。荷電粒子ビームは、所定のエネルギーまで加速される。シンクロトロン５４から出射された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系５９を経て粒子線照射装置５８ａ、５８ｂに輸送される。粒子線照射装置５８ａ、５８ｂは荷電粒子ビームを患者の患部４０（図２参照）に照射する。

図２は本発明の実施の形態１による粒子線照射装置を示す構成図である。ビーム発生装置５２で発生され、所定のエネルギーまで加速された荷電粒子ビーム１は、ビーム輸送系５９を経由し、粒子線照射装置５８へと導かれる。粒子線照射装置５８は、荷電粒子ビーム１に垂直な方向であるＸ方向及びＹ方向に荷電粒子ビーム１を走査するＸ方向ワブラ電磁石１１及びＹ方向ワブラ電磁石２１と、Ｘ方向ワブラ電磁石１１を制御する制御部１２と、Ｙ方向ワブラ電磁石２１を制御する制御部２２と、散乱体３４と、リッジフィルタ３５と、コリメータ３６と、ボーラス３７と、ボーラス３７を取り付けるボーラス台３８と、電磁石電源３２と、電磁石電源３２を制御する照射制御装置３３とを備える。Ｘ方向ワブラ電磁石１１（以後、適宜、単にワブラ電磁石１１と表わす）、Ｙ方向ワブラ電磁石２１（以後、適宜、単にワブラ電磁石２１と表わす）、制御部１２、制御部２２は粒子線照射装置５８の照射系１０である。なお、図２に示したように荷電粒子ビーム１の進行方向はＺ方向である。

ワブラ電磁石１１は、制御部１２により制御される正弦波波形を有する交流電流に応じて、強度が正弦波的に変化する磁場を発生させる。制御部１２は、電磁石電源３２から供給される正弦波波形を有する交流電流を調整し、ワブラ電磁石１１に供給する。ワブラ電
磁石２１もワブラ電磁石１１と同様に、制御部２２により制御される正弦波波形を有する交流電流に応じて、強度が正弦波的に変化する磁場を発生させる。制御部２２は、電磁石電源３２から供給される正弦波波形を有する交流電流を調整し、ワブラ電磁石２１に供給する。ワブラ電磁石１１及びワブラ電磁石２１に供給される電流は、図４に示すように互いに位相が９０°ずれたものである。ワブラ電磁石２１に供給される交流電流はワブラ電磁石１１に供給される交流電流と位相差が９０°であるため、ワブラ電磁石１１とワブラ電磁石２１は位相が９０°ずれた磁場を発生する。ワブラ電磁石１１とワブラ電磁石２１は荷電粒子ビーム１を円形状に走査する偏向電磁石である。

ワブラ電磁石１１に導かれた荷電粒子ビーム１は、ワブラ電磁石１１が発する磁場により偏向された後、ワブラ電磁石２１が発する磁場により偏向される。前述のように、ワブラ電磁石１１が発する磁場とワブラ電磁石２１が発する磁場とは位相が９０°ずれているので、ワブラ電磁石１１、２１が発する磁場により偏向された荷電粒子ビーム１の走査軌道は円形になる。なお、ワブラ電磁石１１、２１に供給される交流電流の振幅は、ワブラ電磁石１１、２１それぞれの磁極間隔等を考慮した上で、荷電粒子ビーム１の走査軌道が円形になるように設定される。

ワブラ電磁石１１、２１の下流には、ワブラ電磁石１１、２１により円形に走査された荷電粒子ビーム１を均一な照射線量分布にし、患部４０に照射野を形成する機器が配置される。散乱体３４は、荷電粒子ビーム１を散乱させる。散乱体３４により散乱させられた荷電粒子ビーム１の照射線量分布はガウス分布となるので、ワブラ電磁石１１、２１によりビームが円形に走査されることにより、照射線量分布を均一化することができる。リッジフィルタ３５は、荷電粒子ビーム１が通過する位置によって失うエネルギーが異なる厚さ分布を有する。リッジフィルタ３５を通過した荷電粒子のエネルギーは減衰するので、荷電粒子ビーム１のエネルギー分布が拡大される。これにより、照射対象である患部４０におけるビーム進行方向に対する照射範囲（深さ方向の照射野）を広げることができ、患部全体を同時にかつ均一に照射することができる。

ボーラス台３８に取付けられたボーラス３７は、患部４０の最深部のディスタル形状に沿った形状を有する。このボーラス３７は、患者毎に加工されたエネルギー変調器であり、ポリエチレンまたはワックスを用いて作られる。ボーラス３７を用いることにより、患部４０の最深層およびその手前の各照射層のそれぞれに対する照射線量を平坦化することができる。コリメータ３６は、横方向の照射野を制限するためのものであり、遠隔制御により、荷電粒子ビーム１と垂直な方向に移動し、横方向の照射野を調整する。コリメータ３６には、例えば多葉コリメータを使用する。深さ方向の照射野及び横方向の照射野を調整することにより、３次元的な線量分布を作り出す。散乱体３４、リッジフィルタ３５、コリメータ３６、ボーラス３７を通過した荷電粒子ビーム１は粒子線照射装置５８から患部４０に照射される。

前述したように、ワブラ電磁石１１、２１により走査された荷電粒子ビームの走査軌道の真円度（真円からのずれの度合い）や、ワブラ電磁石１１、２１により発生された磁場の位相差は、季節変動や経年劣化などにより、正常動作範囲からずれが生じる。定期検査やメンテナンスの際に、ワブラ電磁石１１、２１により走査された荷電粒子ビームの走査軌道の真円度や、ワブラ電磁石１１、２１により発生された磁場の位相差を検査する。正常動作範囲（許容範囲）からずれが生じる場合に、ワブラ電磁石１１、２１を正常動作範囲になるように調整する。ワブラ電磁石１１、２１の調整方法を説明する。図３は照射系を調整する偏向電磁石調整装置を示す図である。ワブラ電磁石１１、２１の下流に、ワブラ電磁石１１、２１が発する磁場によるビーム走査軌道の真円度を測定するためのモニタ３１が配置され、モニタ３１で検出されたワブラ電磁石１１，２１が発する磁場によるビーム走査軌道の真円度の情報は、電圧信号としてフィードバック装置４１に入力される。モニタ３１とフィードバック装置４１は偏向電磁石調整装置４２を構成する。フィードバック装置４１は、入力された電圧信号に基づいて、ワブラ電磁石１１、２１が発している磁場の位相差の絶対値が９０°になっているか否か、または磁場による荷電粒子ビーム１の走査軌道の真円度を判定する。

モニタ３１は、スクリーンモニタ、平坦度モニタ、ワイヤグリッドモニタ、プロファイルモニタ等である。モニタ３１は、走査された荷電粒子ビーム１のビーム走査軌道を直接的または間接的に得ることができればよい。スクリーンモニタはワブラ電磁石１１、２１が発する磁場による走査された荷電粒子ビーム１の強度を検出する。平坦度モニタは、走査された荷電粒子ビーム１の強度のＸＹ方向における平担度を検出する。ワイヤグリッドモニタは、走査された荷電粒子ビーム１のビーム走査軌道を検出する。プロファイルモニタは、走査された荷電粒子ビーム１の強度プロファイルを検出する。いずれのモニタでも、走査された荷電粒子ビーム１のビーム走査軌道を直接的または間接的に得ることができる。モニタ３１により得られたビーム走査軌道からワブラ半径を計算する。ワブラ半径の大きさから逆算して、ワブラ電磁石１１，２１が発する磁場の強度を算出することができる。モニタ３１は可搬型のモニタであり、モニタ３１は定期検査やメンテナンスの際に、荷電粒子ビーム１のアイソセンターで測定できるように配置される。ここでは、モニタ３１をスクリーンモニタとして説明する。判定の具体的手法を以下に説明する。

ワブラ電磁石２１に供給される交流電流は、ワブラ電磁石１１に供給される交流電流と位相差が９０°ずれるようにするが、位相差が＋９０°の場合（第１の場合）と、位相差が−９０°の場合（第２の場合）の２通りがある。第１の場合は、ワブラ電磁石２１の位相がワブラ電磁石１１の位相＋９０°であり、第２の場合は、ワブラ電磁石２１の位相がワブラ電磁石１１の位相−９０°である。フィードバック装置４１は第１の場合と第２の場合の各条件によって、ワブラ電磁石１１、２１の制御部１２、２２に送る信号が異なるため、それぞれについて具体的手法を説明する。ここでは、理解がしやすいように、ワブラ電磁石１１、２１が発生する磁場は、ワブラ電磁石１１、２１に供給される交流電流の位相に従い、理想的な交流磁場になる場合を考える。

まず、第１の場合について説明する。図４は照射系に供給される交流電流の波形を示す図である。縦軸は電流Ｉであり、横軸は位相θである。図４（ａ）は、ワブラ電磁石１１に供給される交流電流の波形を示す図である。図４（ｂ）は、ワブラ電磁石２１に供給される交流電流の波形を示す図である。図４（ｃ）は、ワブラ電磁石２１の位相がワブラ電磁石１１の位相に比べ＋αのときを示す図である。図４（ｄ）は、ワブラ電磁石２１の位相がワブラ電磁石１１の位相に比べ−αのときを示す図である。図５は、交流電流の位相差が０、＋α、−αの場合のビームの強度分布を示す図である。図５（ａ）は、モニタ（スクリーンモニタ）３１により検出されたビームの強度分布である。図５（ｂ）は、荷電粒子ビーム１の中心軸を通り、ビームの強度ピーク位置までの長さである軌道径を説明する図である。

スクリーンモニタは、当該スクリーンモニタを通過した荷電粒子ビーム１の強度を２次元（Ｚ軸に垂直な平面上、ＸＹ面（走査面）上）で検出する。粒子線照射装置５８に入射される荷電粒子ビーム１は、エネルギー分布がほとんどないので、スクリーンモニタであるモニタ３１には、荷電粒子ビーム１が走査される軌道が検出され、その検出結果が表示装置（図示せず）の表示画面に表示される。ビーム強度分布（走査軌道）５ａは、ワブラ電磁石２１に供給される交流電流の波形が図４（ｂ）の場合であり、ワブラ電磁石１１、２１の交流電流の位相差が９０°なので、円形になっている。ビーム強度分布（走査軌道）５ｂは、ワブラ電磁石２１に供給される交流電流の波形が図４（ｃ）の場合であり、ワブラ電磁石１１、２１の交流電流の位相差が９０°＋αなので、第１象限及び第３象限に長軸を有する楕円形になっている。ビーム強度分布（走査軌道）５ｃは、ワブラ電磁石２１に供給される交流電流の波形が図４（ｄ）の場合であり、ワブラ電磁石１１、２１の交流電流の位相差が９０°−αなので、第２象限及び第４象限に長軸を有する楕円形になっている。

図５（ａ）に示すように、ワブラ電磁石１１、２１の交流電流の位相差が９０°±αとなったとき、荷電粒子ビーム１の強度分布が真円から外れていくのがわかる。そこで図５（ｂ）に示すように荷電粒子ビーム１の中心軸を通り、ビームの強度ピーク位置までの長さである軌道径７ａ、７ｂを比較することにより、荷電粒子ビーム１の真円度を判定する。あるいは、荷電粒子ビーム１の真円度からワブラ電磁石１１、２１の交流電流による磁場の位相差が９０°になっているか否かを判定する。荷電粒子ビーム１の中心軸は、図２に示したＺ軸であり、図５のｘ軸とｙ軸との交点を通る。なお、図５（ｂ）に示したｘ軸と軌道径７ａ、７ｂの角度φは４５°である。図５（ｂ）に示したビーム軌道は円形（ビーム強度分布５ａに相当）であるが、楕円形の場合も同様に考える。ここでは、ワブラ電磁石１１、２１の交流電流は、位相のみが異なる正弦波を考えているので、楕円形の長軸または端軸方向に軌道径７ａ、７ｂが存在する。位相以外の違いで円形から楕円形に変形される場合には、角度φは４５°からずれることになる。

荷電粒子ビーム１の走査軌道の真円度は、軌道径７ａと軌道径７ｂとの比、例えば軌道径７ａ／軌道径７ｂ（以後、単に７ａ／７ｂと表わす）で計算する。７ａ／７ｂ＝１の場合（ビーム強度分布５ａに相当）は、真円度が１であり、荷電粒子ビーム１の走査軌道は真円である。７ａ／７ｂ＞１の場合（ビーム強度分布５ｃに相当）は、真円度が１以上であり、荷電粒子ビーム１の走査軌道は楕円である。７ａ／７ｂ＜１の場合（ビーム強度分布５ｂに相当）は、真円度が１以下であり、荷電粒子ビーム１の走査軌道は楕円である。なお、完全な楕円形からずれが生じている場合、真円度の判定は、走査軌道を楕円状に見立て、楕円状の走査軌道における長軸方向の第１の軌道径と長軸方向と垂直な方向の第２の軌道径との比により行う。

ワブラ電磁石１１、２１の交流電流による磁場の位相差は、真円度（７ａ／７ｂ）から計算する。上述したように、ワブラ電磁石１１、２１の交流電流の位相差とビーム走査軌道の真円度は１対１の関係であり、ワブラ電磁石１１、２１の交流電流による磁場の位相差とビーム走査軌道の真円度も１対１の関係がなりたつので、この関係を使って計算する。磁場の位相差は、楕円の式を変形して、ビーム走査軌道の真円度と磁場の位相差との関係式を求めて、この関係式に基づいて演算してもよい。また、磁場の位相差は、ビーム走査軌道の真円度と磁場の位相差との対応表を作成し、この対応表に基づいて求めるようにしてもよい。真円度７ａ／７ｂ＝１の場合は、磁場の位相差は９０°である。真円度７ａ／７ｂ＜１の場合は、磁場の位相差は９０°より大きい。真円度７ａ／７ｂ＞１の場合は、磁場の位相差は９０°より小さい。

ワブラ電磁石１１、２１の調整方法について説明する。ワブラ電磁石１１、２１の調整に先だって、ワブラ電磁石１１、２１の磁場が最大になるように補正されている。ワブラ電磁石１１、２１の磁場の強度補正は従来と同様に行う。

ユーザから偏向電磁石調整装置４２のフィードバック装置４１に対して、調整開始要求が出されると、フィードバック装置４１から粒子線照射装置５８にビーム出射要求が出されて、荷電粒子ビーム１が出射される。モニタ３１により得られた荷電粒子ビーム１の強度分布の軌道径７ａと、軌道径７ｂとの関係を場合分けし、軌道径７ｂ＞軌道径７ａの場合、軌道径７ｂ＝軌道径７ａの場合、軌道径７ｂ＜軌道径７ａの場合、それぞれの場合において、ワブラ電磁石１１、２１の交流電流によるビーム走査軌道の真円度や磁場の位相差の判定方法及び交流電流の調整方法を説明する。

フィードバック装置４１は、軌道径７ｂ＞軌道径７ａ（真円度７ａ／７ｂ＜１）であると判定した場合、あるいは磁場の位相差が９０°より大きいと判定した場合、ワブラ電磁石２１の交流電流の位相をマイナス方向にシフトするような補正信号（補正データ）を、制御部２２に送る。その後ユーザからの調整停止要求がない限り、フィードバック装置４１は粒子線照射装置５８にビーム出射要求を出し、モニタ３１により得られた荷電粒子ビーム１の強度分布の軌道径７ａと軌道径７ｂとの関係、あるいは磁場の位相差を判定し、補正信号を制御部２２に送ることを繰り返す。すなわち、ユーザからの調整停止要求がない限り、偏向電磁石調整装置４２は、荷電粒子ビーム１のビーム強度分布（走査軌道）を検出（検出手順）し、ビーム強度分布（走査軌道）の真円度が１であるか、あるいはワブラ電磁石１１、２１の交流電流による磁場の位相差が９０°であるかを判定（判定手順）し、ビーム強度分布（走査軌道）の真円度が１になるように、あるいはワブラ電磁石１１、２１の交流電流による磁場の位相差が９０°になるように補正信号を制御部２２に送信し、ワブラ電磁石１１、２１の調整（調整手順）を繰り返す。

フィードバック装置４１は、軌道径７ｂ＝軌道径７ａ（真円度７ａ／７ｂ＝１）であると判定した場合、あるいは磁場の位相差が９０°であると判定した場合、フィードバック装置４１は、これをユーザに知らせる信号をユーザＩ／Ｆ（インターフェース）部分から送る。フィードバック装置４１は、これと同時に粒子線照射装置５８にビーム停止要求を出す。

最後に、軌道径７ｂ＜軌道径７ａの場合を説明する。フィードバック装置４１は、軌道径７ｂ＜軌道径７ａ（真円度７ａ／７ｂ＞１）であると判定した場合、あるいは磁場の位相差が９０°より小さいと判定した場合、ワブラ電磁石２１の交流電流の位相をプラス方向にシフトするような補正信号（補正データ）を、制御部２２に送る。その後ユーザからの調整停止要求がない限り、フィードバック装置４１は粒子線照射装置５８にビーム出射要求を出し、モニタ３１により得られた荷電粒子ビーム１の強度分布の軌道径７ａと軌道径７ｂとの関係、あるいは磁場の位相差を判定し、補正信号を制御部２２に送ることを繰り返す。すなわち、ユーザからの調整停止要求がない限り、偏向電磁石調整装置４２は、荷電粒子ビーム１のビーム強度分布（走査軌道）を検出（検出手順）し、ビーム強度分布（走査軌道）の真円度が１であるか、あるいはワブラ電磁石１１、２１の交流電流による磁場の位相差が９０°であるかを判定（判定手順）し、ビーム強度分布（走査軌道）の真円度が１になるように、あるいはワブラ電磁石１１、２１の交流電流による磁場の位相差が９０°になるように補正信号を制御部２２に送信し、ワブラ電磁石１１、２１の調整（調整手順）を繰り返す。

荷電粒子ビーム１が停止された際に、制御部２２に最後に送信された補正信号による補正データは、制御部２２の記憶部に記憶される。この補正データは、荷電粒子ビーム１が照射される際に、使用される。したがって、粒子線照射装置５８は、偏向電磁石調整装置４２により生成された補正データにより電磁石電源３２からの交流電流が補正された交流電流で、ワブラ電磁石１１、２１を制御するので、荷電粒子ビーム１の均一な照射線量分布を得ることができる。

今まで、ワブラ電磁石１１、２１に供給される交流電流の位相差が＋９０°の場合（第１の場合）を説明した。次にワブラ電磁石１１、２１に供給される交流電流の位相差が−９０°の場合（第２の場合）について説明する。図６は照射系に供給される交流電流の波形を示す図である。縦軸は電流Ｉであり、横軸は位相θである。図６（ａ）は、ワブラ電磁石１１に供給される交流電流の波形を示す図である。図６（ｂ）は、ワブラ電磁石２１に供給される交流電流の波形を示す図である。図６（ｃ）は、ワブラ電磁石２１の位相がワブラ電磁石１１の位相に比べ＋αのときを示す図である。図６（ｄ）は、ワブラ電磁石２１の位相がワブラ電磁石１１の位相に比べ−αのときを示す図である。図７は、交流電
流の位相差が０、＋α、−αの場合のビームの強度分布を示す図である。図７（ａ）は、モニタ（スクリーンモニタ）３１により検出されたビームの強度分布である。図７（ｂ）は、荷電粒子ビーム１の中心軸を通り、ビームの強度ピーク位置までの長さである軌道径を説明する図である。

ビーム強度分布（走査軌道）５ｄは、ワブラ電磁石２１に供給される交流電流の波形が図６（ｂ）の場合であり、ワブラ電磁石１１、２１の交流電流の位相差が９０°なので、円形になっている。ビーム強度分布（走査軌道）５ｅは、ワブラ電磁石２１に供給される交流電流の波形が図６（ｃ）の場合であり、ワブラ電磁石１１、２１の交流電流の位相差が−９０°＋αなので、第２象限及び第４象限に長軸を有する楕円形になっている。ビーム強度分布（走査軌道）５ｆは、ワブラ電磁石２１に供給される交流電流の波形が図６（ｄ）の場合であり、ワブラ電磁石１１、２１の交流電流の位相差が−９０°−αなので、第１象限及び第３象限に長軸を有する楕円形になっている。

図７（ａ）に示すように、ワブラ電磁石１１，２１の交流電流の位相差が−９０°±αとなったとき、荷電粒子ビーム１の強度分布が真円から外れていくのがわかる。そこで図７（ｂ）に示すように荷電粒子ビーム１の中心軸を通り、ビームの強度ピーク位置までの長さである軌道径７ａ、７ｂを比較することにより、荷電粒子ビーム１の真円度を判定する。あるいは、荷電粒子ビーム１の真円度からワブラ電磁石１１、２１の交流電流による磁場の位相差が−９０°になっているか否かを判定する。図７（ｂ）は図５（ｂ）と同様のものであり、図７（ｂ）に示したビーム軌道は円形（ビーム強度分布５ｄに相当）である点が異なる。

荷電粒子ビーム１の走査軌道の真円度は、第１の場合と同様に、軌道径７ａと軌道径７ｂとの比、例えば軌道径７ａ／軌道径７ｂ（７ａ／７ｂ）で計算する。また、ワブラ電磁石１１、２１の交流電流による磁場の位相差は、第１の場合と同様に、真円度（７ａ／７ｂ）から計算する。

第１の場合で説明したのと同様に、モニタ３１により得られた荷電粒子ビーム１の強度分布の軌道径７ａと、軌道径７ｂとの関係を場合分けし、軌道径７ｂ＞軌道径７ａの場合、軌道径７ｂ＝軌道径７ａの場合、軌道径７ｂ＜軌道径７ａの場合、それぞれの場合において、ワブラ電磁石１１、２１の交流電流によるビーム走査軌道の真円度や磁場の位相差の判定方法及び交流電流の調整方法を説明する。

フィードバック装置４１は、軌道径７ｂ＞軌道径７ａ（真円度７ａ／７ｂ＜１）であると判定した場合、あるいは磁場の位相差が−９０°より小さい（位相差の絶対値が９０°より大きい）と判定した場合、ワブラ電磁石２１の交流電流の位相をプラス方向にシフトするような補正信号（補正データ）を、制御部２２に送る。その後ユーザからの調整停止要求がない限り、フィードバック装置４１は粒子線照射装置５８にビーム出射要求を出し、モニタ３１により得られた荷電粒子ビーム１の強度分布の軌道径７ａと軌道径７ｂとの関係、あるいは磁場の位相差を判定し、補正信号を制御部２２に送ることを繰り返す。すなわち、ユーザからの調整停止要求がない限り、偏向電磁石調整装置４２は、荷電粒子ビーム１のビーム強度分布（走査軌道）を検出（検出手順）し、ビーム強度分布（走査軌道）の真円度が１であるか、あるいはワブラ電磁石１１、２１の交流電流による磁場の位相差が−９０°であるか（位相差の絶対値が９０°であるか）を判定（判定手順）し、ビーム強度分布（走査軌道）の真円度が１になるように、あるいはワブラ電磁石１１、２１交流電流による磁場の位相差が−９０°（位相差の絶対値が９０°）になるように補正信号を制御部２２に送信し、ワブラ電磁石１１、２１の調整（調整手順）を繰り返す。

フィードバック装置４１は、軌道径７ｂ＝軌道径７ａ（真円度７ａ／７ｂ＝１）である
と判定した場合、あるいは磁場の位相差が−９０°である（位相差の絶対値が９０°である）と判定した場合、これをユーザに知らせる信号をユーザＩ／Ｆ（インターフェース）部分から送る。フィードバック装置４１は、これと同時に粒子線照射装置５８にビーム停止要求を出す。

最後に、軌道径７ｂ＜軌道径７ａの場合を説明する。フィードバック装置４１は、軌道径７ｂ＜軌道径７ａ（真円度７ａ／７ｂ＞１）であると判定した場合、あるいは磁場の位相差が−９０°より大きい（位相差の絶対値が９０°より小さい）と判定した場合、ワブラ電磁石２１の交流電流の位相をマイナス方向にシフトするような補正信号（補正データ）を、制御部２２に送る。その後ユーザからの調整停止要求がない限り、フィードバック装置４１は粒子線照射装置５８にビーム出射要求を出し、モニタ３１により得られた荷電粒子ビーム１の強度分布の軌道径７ａと軌道径７ｂとの関係、あるいは磁場の位相差を判定し、補正信号を制御部２２に送ることを繰り返す。すなわち、ユーザからの調整停止要求がない限り、偏向電磁石調整装置４２は、荷電粒子ビーム１のビーム強度分布（走査軌道）を検出（検出手順）し、ビーム強度分布（走査軌道）の真円度が１であるか、あるいはワブラ電磁石１１、２１の交流電流による磁場の位相差が−９０°であるか（位相差の絶対値が９０°であるか）を判定（判定手順）し、ビーム強度分布（走査軌道）の真円度が１になるように、あるいはワブラ電磁石１１、２１交流電流による磁場の位相差が−９０°（位相差の絶対値が９０°）になるように補正信号を制御部２２に送信し、ワブラ電磁石１１、２１の調整（調整手順）を繰り返す。

荷電粒子ビーム１が停止された際に、制御部２２に最後に送信された補正信号による補正データは、制御部２２の記憶部に記憶される。この補正データは、荷電粒子ビーム１が照射される際に、使用される。したがって、粒子線照射装置５８は、偏向電磁石調整装置４２により生成された補正データにより電磁石電源３２からの交流電流が補正された交流電流で、ワブラ電磁石１１、２１を制御するので、荷電粒子ビーム１の均一な照射線量分布を得ることができる。

ワブラ電磁石１１、２１が発生する磁場の最大値があらかじめ設定された値になっていないことと、ワブラ電磁石１１、２１の交流電流による磁場の位相差の絶対値（交流電流の位相差の絶対値）が９０°になっていないことの両方の影響により、荷電粒子ビーム１の走査軌道が円形から歪む場合がある。その場合でも、偏向電磁石調整装置４２は、ワブラ電磁石２１の位相差をシフトすることにより、荷電粒子ビーム１の走査軌道を許容できる真円度になるように調整することができる。

偏向電磁石調整装置４２は、荷電粒子ビーム１が許容できる真円度の走査軌道にて走査されて均一な照射線量分布が得られている場合には、走査軌道の真円度や交流電流の位相差が許容範囲内である旨のメッセージが表示されることによってユーザに知らせることができる。また、荷電粒子ビーム１の走査軌道があらかじめ定められた許容範囲以上に歪んで均一な照射線量分布が得られない場合には、上述のワブラ電磁石１１、２１の交流電流の調整方法により、走査軌道の真円度や交流電流による磁場の位相差を修正し、自動的に交流電流の調整を行う。それによって、照射対象における照射線量の制御精度の低下を防ぐことができる。

また、偏向電磁石調整装置４２は、上述の交流電流の調整方法により、走査軌道の真円度や交流電流の位相差を修正し、自動的に交流電流の調整を行うので、調整時間を短縮することができる。

荷電粒子ビーム１の走査軌道の真円度を測定し、ビーム強度分布（走査軌道）の真円度が１になるように、偏向電磁石調整装置４２により補正データを生成するので、ビーム強
度分布（走査軌道）を直接的に許容される円形状に補正ができる。また、交流電流による磁場の位相差の絶対値が９０°になっていないこと以外の要因により、荷電粒子ビーム１の走査軌道が円形から歪む場合であっても、ビーム強度分布（走査軌道）を直接的に許容される円形状に補正ができる。ビーム強度分布（走査軌道）を真円に近づけることで理想的な荷電粒子ビーム１のＸＹ面における平担度を得ることができる。理想的な荷電粒子ビーム１のＸＹ面における平担度が得られるので、理想的な線量率を得ることができる。

以上のように実施の形態１の偏向電磁石調整装置４２によれば、偏向電磁石１１、２１により走査された荷電粒子ビーム１の走査軌道を検出するモニタ３１と、走査軌道に基づいて所定の走査軌道になるような補正データを生成し、偏向電磁石１１、２１を制御する制御部１２、２２に補正データを送信するフィードバック制御装置４１とを備えたので、モニタ３１が検出した荷電粒子ビーム１の走査軌道に基づいて所定の走査軌道になるような補正データを生成し、補正データに基づいて偏向電磁石１１、２１を制御でき、偏向電磁石１１、２１による荷電粒子ビーム１の偏向制御を高精度に調整することができる。

実施の形態１の偏向電磁石調整方法によれば、偏向電磁石１１、２１により走査された荷電粒子ビーム１の走査軌道を検出する検出手順と、走査軌道に基づいて所定の走査軌道になるように生成した補正データを、偏向電磁石１１、２１を制御する制御部１２、２２に送信し、偏向電磁石１１、２１を調整する調整手順と、を含むので、偏向電磁石１１、２１による荷電粒子ビーム１の偏向制御を高精度に調整することができる。

実施の形態１の粒子線照射装置５８によれば、偏向電磁石１１、２１を制御する制御部１２、２２を有し、制御部１２、２２は偏向電磁石調整装置４２が生成した記補正データに基づいて、荷電粒子ビーム１の偏向制御を行うので、荷電粒子ビーム１の均一な照射線量分布を得ることができる。

実施の形態１の粒子線治療装置５１によれば、荷電粒子ビーム１を発生させるビーム発生装置５２と、ビーム発生装置５２で発生された記荷電粒子ビーム１を加速する加速器５４と、加速器５４により加速された荷電粒子ビーム１を輸送するビーム輸送装系５９と、ビーム輸送系５９で輸送された荷電粒子ビーム１を照射対象４０に照射する粒子線照射装置５８とを備えたので、均一な照射線量分布を有する荷電粒子ビーム１で患部４０に照射することができる。

なお、実施の形態１では、シンクロトロン５４から出射される電粒子ビーム１を照射対象である患部４０に照射する粒子線照射装置や粒子線治療装置について説明したが、電粒子ビーム１を加速するサイクロトロン５４における電粒子ビーム１の回転軌道の調整、すなわち真空軌道管のほぼ中心を電粒子ビーム１が通過するように調整する場合にも適用できる。この場合は、荷電粒子ビーム１の走査軌道の真円度を測定するのではなく、荷電粒子ビーム１の通過位置を測定し、通過位置を目標通過位置の許容範囲に近づけるように調整する。

１…電粒子ビーム、７ａ、７ｂ…軌道径、１１、２１…ワブラ電磁石、１２、２２…制御部、３１…モニタ、４０…患部、４１…フィードバック制御装置、４２…偏向電磁石調整装置、５１…粒子線治療装置、５２…ビーム発生装置、５４…シンクロトロン、５８、５８ａ、５８ｂ…粒子線照射装置、５９…ビーム輸送系。

Claims (10)

1. 荷電粒子ビームを周期的に偏向し、前記荷電粒子ビームを円形状に走査する偏向電磁石の調整を行う偏向電磁石調整装置であって、
   前記偏向電磁石により走査された荷電粒子ビームの走査軌道を検出するモニタと、前記走査軌道に基づいて所定の走査軌道になるような補正データを生成し、前記偏向電磁石を制御する制御部に前記補正データを送信するフィードバック制御装置とを備えた偏向電磁石調整装置。
2. 前記フィードバック制御装置は、前記荷電粒子ビームの走査軌道における真円からのずれの度合いである真円度を判定し、前記真円度が所定の許容範囲を超えた場合に、前記走査軌道の真円度が前記許容範囲になるような補正データを生成することを特徴とする請求項１記載の偏向電磁石調整装置。
3. 前記フィードバック制御装置は、前記荷電粒子ビームの走査軌道に基づいて周期的に変化する２つの磁場における磁場の位相差を判定し、前記磁場の位相差が所定の許容範囲を超えた場合に、前記磁場の位相差が前記許容範囲になるような補正データを生成することを特徴とする請求項１記載の偏向電磁石調整装置。
4. 前記真円度の判定は、前記走査軌道を楕円状に見立て、当該楕円状の走査軌道における長軸方向の第１の軌道径と前記長軸方向と垂直な方向の第２の軌道径との比により行うことを特徴とする請求項２記載の偏向電磁石調整装置。
5. 加速器により加速され、偏向電磁石で偏向された荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線照射装置であって、
   前記偏向電磁石を制御する制御部を有し、前記制御部は前記偏向電磁石調整装置が生成した前記補正データに基づいて、前記荷電粒子ビームの偏向制御を行い、
   前記偏向電磁石調整装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の偏向電磁石調整装置であることを特徴とする粒子線照射装置。
6. 荷電粒子ビームを発生させるビーム発生装置と、前記ビーム発生装置で発生された前記荷電粒子ビームを加速する加速器と、前記加速器により加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、前記ビーム輸送系で輸送された荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線照射装置とを備え、
   前記粒子線照射装置は、請求項５記載の粒子線照射装置であることを特徴とする粒子線治療装置。
7. 荷電粒子ビームを周期的に偏向し、前記荷電粒子ビームを円形状に走査する偏向電磁石の調整を行う偏向電磁石調整方法であって、
   前記偏向電磁石により走査された荷電粒子ビームの走査軌道を検出する検出手順と、
   前記走査軌道に基づいて所定の走査軌道になるように生成した補正データを、前記偏向電磁石を制御する制御部に送信し、前記偏向電磁石を調整する調整手順と、を含む偏向電磁石調整方法。
8. 前記調整手順は、前記荷電粒子ビームの走査軌道における円形からのずれの度合いである真円度を判定し、前記真円度が所定の許容範囲を超えた場合に、前記走査軌道の真円度が前記許容範囲にするような補正データを生成することを特徴とする請求項７記載の偏向電磁石調整方法。
9. 前記調整手順は、前記荷電粒子ビームの走査軌道に基づいて周期的に変化する２つの磁
   場における磁場の位相差を判定し、前記磁場の位相差が所定の許容範囲を超えた場合に、前記磁場の位相差が前記許容範囲にするような補正データを生成することを特徴とする請求項７記載の偏向電磁石調整方法。
10. 前記真円度の判定は、前記走査軌道を楕円状に見立て、当該楕円状の走査軌道における長軸方向の第１の軌道径と前記長軸方向と垂直な方向の第２の軌道径との比により行うことを特徴とする請求項８記載の偏向電磁石調整方法。

Images