JP2015179586A - 荷電粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子線治療装置の稼働効率を高める。
【解決手段】荷電粒子線治療装置は、荷電粒子を加速する加速器と、加速器から出射された荷電粒子線を被照射体に対して照射する照射部と、加速器から出射された荷電粒子線に異常が生じたか否かを検出する異常検知部と、加速器内で放電が生じたか否かを検出する放電検知部と、照射部からの荷電粒子線の照射を制御する制御部とを備える。制御部は、（Ａ）異常検知部が異常を検知した場合に照射部からの荷電粒子線の出射を停止させる制御と、（Ｂ）放電検知部が放電を検知していた場合、制御Ａにおいて照射部からの荷電粒子線の出射を停止させた後に、照射部からの荷電粒子線の出射を再開させる制御とを実行する。
【選択図】図５

Description

本発明は、荷電粒子線治療装置に関する。

特許文献１は、荷電粒子線（ラインスキャニングビーム）を照射する照射部と、当該荷電粒子線を走査する走査電磁石と、走査電磁石の動作を制御する制御部とを備える荷電粒子線治療装置を開示している。

特開２０１１−１９１１８４号公報

上記のような荷電粒子線治療装置においては、照射対象に対する荷電粒子線の照射中に、荷電粒子線の照射位置が目標位置から大きくずれたり、荷電粒子線が急に消失したりするなどの異常が発生する場合がある。このような異常が発生したことが検知されると、荷電粒子線治療装置は荷電粒子線の照射を中断する。荷電粒子線の照射を再開するためには、異常発生の原因が判明するまで作業員が荷電粒子線治療装置を点検しなければならず、復旧作業に時間を要していた。

そこで、本開示は、稼働効率を高めることが可能な荷電粒子線治療装置を説明する。

本開示の一つの観点に係る荷電粒子線治療装置は、荷電粒子を加速する加速器と、加速器から出射された荷電粒子線を被照射体に対して照射する照射部と、加速器から出射された荷電粒子線に異常が生じたか否かを検出する異常検知部と、加速器内で放電が生じたか否かを検出する放電検知部と、照射部からの荷電粒子線の照射を制御する制御部とを備え、制御部は、（Ａ）異常検知部が異常を検知した場合に照射部からの荷電粒子線の出射を停止させる制御と、（Ｂ）放電検知部が放電を検知していた場合、制御Ａにおいて照射部からの荷電粒子線の出射を停止させた後に、照射部からの荷電粒子線の出射を再開させる制御とを実行する。

本開示の一つの観点に係る荷電粒子線治療装置では、制御部が、（Ａ）異常検知部が異常を検知した場合に照射部からの荷電粒子線の出射を停止させる制御と、（Ｂ）放電検知部が放電を検知していた場合、制御Ａにおいて照射部からの荷電粒子線の出射を停止させた後に、照射部からの荷電粒子線の出射を再開させる制御とを実行する。そのため、異常検知部が検知した異常が放電である場合には、荷電粒子線治療装置からの荷電粒子線の照射が一旦中断された後に、自動的に再開される。従って、放電の発生の場合には、作業員が荷電粒子線治療装置を検査する必要がない。よって、稼働効率を高めることが可能となる。

放電検知部は、加速器内で生じたアーク放電を検知するアークセンサであってもよい。

放電検知部は、加速器内で生じたアーク放電の光を検知するカメラであってもよい。

加速器は、荷電粒子が間を通過する一対のチョッパ電極と、一対のチョッパ電極に電圧を印加する電源とを有し、制御部は、制御Ａにおいて、異常検知部が異常を検知した場合に一対のチョッパ電極の少なくとも一方における電圧の大きさを制御することにより、照射部からの荷電粒子線の出射を停止させてもよい。

本開示に係る荷電粒子線治療装置によれば、稼働効率を高めることが可能となる。

図１は、荷電粒子線治療装置を示す斜視図である。 図２は、荷電粒子線治療装置の構成を概略的に示す図である。 図３は、サイクロトロンの断面を概略的に示す図である。 図４は、サイクロトロンの内部を上方から見た様子を概略的に示す図である。 図５は、荷電粒子線治療装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図６は、他の例に係るサイクロトロンの断面を概略的に示す図である。

本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

荷電粒子線治療装置１は、図１及び図２に示されるように、イオン源装置２と、加速器１００と、ビーム輸送部３と、回転ガントリ５２と、照射ノズル８（照射部）とを備える。加速器１００は、イオン源装置２で生成された荷電粒子を加速して、荷電粒子線Ｒを作り出す加速器である。荷電粒子線治療装置１に用いられる加速器１００としては、例えばサイクロトロン、シンクロトロン、シンクロサイクロトロン、ライナックなどが挙げられる。以下では、加速器１００としてサイクロトロンを例にとって説明する。荷電粒子線Ｒは、電荷をもった粒子を高速に加速したものである。荷電粒子線Ｒとしては、例えば陽子線、重粒子（重イオン）線、電子線等が挙げられる。

加速器１００から出射された荷電粒子線Ｒは、ビーム輸送部３を通り、治療台５１上の患者５０に照射される。ビーム輸送部３の周囲には、上流側（加速器１００側）から下流側（治療台５１側）に向かって、四極電磁石４と、ビーム位置モニタ６と、四極電磁石４と、走査電磁石５，５と、線量測定装置１０とが設けられている。四極電磁石４、ビーム位置モニタ６、四極電磁石４、走査電磁石５，５、及び線量測定装置１０は、ビーム輸送部３と共に、照射ノズル８（照射部）内に収容されている。

図１に示されるように、照射ノズル８は、治療台５１を取り囲むように設けられた回転ガントリ５２に取り付けられている。照射ノズル８は、回転ガントリ１２によって治療台５１の周りを回転可能である。照射ノズル８は、治療台５１に寝かされた患者５０（図２参照）の体内に存在する腫瘍ＴＵ（図２参照）などの被照射体に対して、荷電粒子線Ｒを照射する。

四極電磁石４は、加速器１００からビーム輸送部３に出射された荷電粒子線Ｒが発散するのを抑え且つ収束させる。

走査電磁石５は、荷電粒子線ＲをＸ軸方向とＹ軸方向に走査する。そのため、照射ノズル８の先端部８ａからは、スキャニング方式により、患者５０の体内に存在する腫瘍ＴＵに向けて、荷電粒子線Ｒが所定の照射ラインに沿って連続照射される。より具体的には、腫瘍ＴＵを深さ方向（照射方向）において複数層に仮想的に分けた場合に、荷電粒子線Ｒは、腫瘍ＴＵの各層に設定された照射野内において走査電磁石５により走査されつつ連続照射（いわゆるラスタースキャニングやラインスキャニング）される。荷電粒子線Ｒは、スキャニング方式で用いられるペンシルビームである。

ビーム位置モニタ６は、荷電粒子線ＲのＸ軸方向とＹ軸方向の照射位置を検出する。線量測定装置１０は、治療台５１上の患者５０に照射される荷電粒子線Ｒの線量及び線量分布を測定する。

荷電粒子線治療装置１は、シャッタ装置１１を備える。シャッタ装置１１は、照射ノズル８の先端部８ａの下流側に配置されている。シャッタ装置１１は、遮断部材と、駆動部材とを有する（いずれも図示せず）。遮断部材は、荷電粒子線Ｒの進路を遮ることで荷電粒子線Ｒの照射を遮断する。駆動部材は、遮断部材が荷電粒子線Ｒの進路上に位置する遮断位置と、遮断部材が荷電粒子線Ｒの進路外に位置する退避位置との間で、遮断部材を移動させる。

荷電粒子線治療装置１は、制御部Ｃを備える。制御部Ｃは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する電子制御ユニットであり、荷電粒子線治療装置１を総合的に制御する。

続いて、加速器１００の構成について、図３及び図４を参照しつつ説明する。加速器１００は、図３に示されるように、コア１１０と、コイル１１２と、高周波発生装置１１４と、カメラ１２２とを備える。コア１１０は、互いに対向して主磁場を形成する一対の上ポール部１１０ａ及び下ポール部１１０ｂと、上ポール部１１０ａ及び下ポール部１１０ｂを磁気的に接続するヨーク部１１０ｃとを有する。上ポール部１１０ａ及び下ポール部１１０ｂは、内部が真空にされた真空箱（図示せず）内に位置している。

イオン源装置２で生成された荷電粒子が導管２ａを通じて加速器１００の中心部に到達すると、導管２ａの先端部に位置するインフレクタ２ｂによってその向きが上下方向から水平方向に屈曲される。次に、コア１１０及びコイル１１２が形成する磁場により、荷電粒子は、所定の軌道面（メディアンプレーン）に沿って円軌道（加速器１００の中心部から外側に向かう渦巻き状の軌道）Ｔを描きながら旋回しつつ加速される（図４参照）。すなわち、真空箱内で、且つ、上ポール部１１０ａと下ポール部１１０ｂとの間の領域は、荷電粒子の加速空間Ｓ（図３参照）として機能する。その後、荷電粒子の軌道Ｔがデフレクタ１１６や磁気チャンネル１１８によって微調整され、ビーム出口１２０を介して出射された荷電粒子線Ｒがビーム輸送部３に導入される（図４参照）。なお、イオン源装置２が加速器１００の内部に配置されていてもよい。この場合、インフレクタ２ｂ等は不要である。

図３に戻って、コイル１１２は、主磁場を形成するために用いられる。コイル１１２は、上ポール部１１０ａの外周を囲むように配置された第１の部分と、下ポール部１１０ｂの外周を囲むように配置された第２の部分とを含む。第１及び第２の部分は、電気的に直列に接続されている。

高周波発生装置１１４は、例えば扇形状を呈する一対のディー電極１１４ａと、一対のチョッパ電極１１４ｂとを有する。一対のディー電極１１４ａ及び一対のチョッパ電極１１４ｂはいずれも、上ポール部１１０ａと下ポール部１１０ｂとの間、すなわち加速空間Ｓ内に配置されている。一対のディー電極１１４ａは、軌道面を間において位置するように対向している。一対のチョッパ電極１１４ｂは、軌道面を間において位置するように対向していると共に、軌道面に垂直な方向から見て一対のディー電極１１４ａの間に位置している（図３及び図４参照）。

ディー電極１１４ａは、高周波電源（図示せず）に接続されている。高周波電源は、ディー電極１１４ａに高周波の電力を供給して、ディー電極１１４ａの間に一定の周期で電場の周期が入れ替わる交流電場（高周波電場）を発生させる。荷電粒子がディー電極１１４ａ間を通過するタイミングと高周波電場の周期とを同期させることにより、ディー電極１１４ａを通過するごとに荷電粒子が加速される。

各チョッパ電極１１４ｂにはそれぞれ、電源１１４ｃが接続されている（図４参照）。１台の電源１１４ｃが各チョッパ電極１１４ｂに接続されていてもよい。電源１１４ｃは、例えば５ｋＶの電圧を各チョッパ電極１１４ｂに印加する。電源１１４ｃとしては、高速応答可能な電源を用いてもよい。一方のチョッパ電極１１４ｂと電源１１４ｃとの間には、スイッチＳＷが配置されている。スイッチＳＷは、制御部Ｃからの制御信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦが切り替えられる。スイッチＳＷが完全にＯＦＦとなる場合、一対のチョッパ電極１１４ｂ間における電圧の差が大きくなるので、一対のチョッパ電極１１４ｂの間を通過する荷電粒子が大きく曲げられる。そのため、加速器１００から荷電粒子線Ｒが出射されなくなる。従って、制御部Ｃは、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り替えることにより、加速器１００からの荷電粒子線Ｒの出射状態、すなわち荷電粒子線ＲのＯＮ／ＯＦＦを制御する。

カメラ１２２は、図３に示されるように、加速器１００（コア１１０）の外壁に設けられている。カメラ１２２は、上ポール部１１０ａ及びヨーク部１１０ｃを貫通して延びる貫通孔Ｈを通じて、加速器１００の内部を撮像する。カメラ１２２は、図４に示されるように、撮像した加速器１００内の状態を撮像データとして制御部Ｃに送信する。

続いて、荷電粒子線治療装置１の動作について、図５を参照しつつ説明する。まず、荷電粒子線治療装置１が動作を開始すると、制御部Ｃが加速器１００の各部を制御して、加速器１００から荷電粒子線Ｒを出射させる（ステップＳ１０）。このとき、図４に示されるように、制御部Ｃは、ビーム位置モニタ６によって検出された荷電粒子線Ｒの照射位置のデータを、ビーム位置モニタ６から受信する（ステップＳ１１）。

次に、制御部Ｃは、ビーム位置モニタ６から受信した照射位置のデータに基づいて、荷電粒子線治療装置１に異常が発生したか否かを判断する（ステップＳ１２）。ここでは、荷電粒子線Ｒの照射位置と目標位置との差、すなわち照射位置のずれ量が所定の閾値以上となったような場合に、異常が発生したと判断される。より具体的には、照射対象（患者５０の体内に存在する腫瘍ＴＵ）に対する荷電粒子線Ｒの照射中に、荷電粒子線Ｒの照射位置が目標位置から大きくずれたり、荷電粒子線Ｒが急に消失したりするなどの場合に、異常が発生したと判断される。なお、ビーム位置モニタ６以外のモニタ（例えば、照射ノズル８内に設けられた線量モニタ）からの信号に基づいて、異常が発生したか否かを判断してもよい。

制御部Ｃは、ステップＳ１２において異常が発生していないと判断すると、ステップＳ１０に戻って、荷電粒子線Ｒの照射を加速器１００に継続させる。一方、制御部Ｃは、ステップＳ１２において異常が発生したと判断すると、加速器１００からの荷電粒子線Ｒの照射を停止させる（ステップＳ１３）。具体的には、制御部Ｃは、スイッチＳＷをＯＦＦに切り替えてもよいし、シャッタ装置１１の駆動部材を制御して荷電粒子線Ｒの進路上に遮断部材を位置させてもよい。なお、ビーム輸送部３にシャッタ装置を設け、制御部Ｃが、当該シャッタ装置の駆動部材を制御して荷電粒子線Ｒの進路上に遮断部材を位置させてもよい。この結果、加速器１００から荷電粒子線Ｒが出射されなくなる。

ところで、放電は、加速器１００内において確率的に発生する不確かな現象であり、ある条件のもとで確定的に発生する現象ではない。そのため、放電を完全になくすことは困難である。従って、制御部Ｃは、放電を含む異常の発生を検出した場合には異常の原因によらず一律に加速器１００からの荷電粒子線Ｒの照射を停止させ（ステップＳ１３）、その後に、異常の原因が放電によるものであるか否かを判断する（ステップＳ１４）。具体的には、制御部Ｃは、カメラ１２２から受信した撮像データを画像処理して、異常が発生したときに加速器１００内において発光が生じていたか否かを判断する。加速器１００内において発光が生ずるのは加速器１００内の電極（例えばディー電極１１４ａ）から放電が発生した場合であるので、カメラ１２２が加速器１００内における発光を撮像していた場合には、制御部Ｃは異常の原因が放電であると判断できる。

制御部Ｃは、ステップＳ１４において異常の原因が放電であると判断すると、作業員による荷電粒子線治療装置１の点検を要しないので、ステップＳ１０に戻って、加速器１００からの荷電粒子線Ｒの出射を自動的に再開させる。異常の原因が放電の場合に荷電粒子線治療装置１の点検を要しない理由は、加速器１００内で放電が発生したとしても加速器１００内の部品に故障が生ずる虞がほとんどないことと、加速器１００からの荷電粒子線Ｒの出射を自動的に再開しても荷電粒子線Ｒの照射に影響がほとんど生じないこととによる。

一方、制御部Ｃは、ステップＳ１４において異常の原因が放電でないと判断すると、加速器１００を含む荷電粒子線治療装置１の部品に異常が発生している可能性があり、異常の原因を作業員が突き止める必要があるので、加速器１００からの荷電粒子線Ｒの照射を停止させたままとする。こうして、荷電粒子線治療装置１の動作が停止する。その後、作業員は、荷電粒子線治療装置１を点検して運転の再開が可能であると判断すると、起動スイッチを物理的に操作して荷電粒子線治療装置１の運転を再開させる。

以上のような本実施形態では、制御部Ｃは、ビーム位置モニタ６から受信した照射位置のデータに基づいて荷電粒子線治療装置１に異常が発生したことを判断した場合、加速器１００からの荷電粒子線Ｒの照射を停止させる（ステップＳ１３）。さらに、制御部Ｃは、当該異常の原因が放電であると判断すると、加速器１００からの荷電粒子線Ｒの出射を自動的に再開させる。従って、放電の発生の場合には、作業員による荷電粒子線治療装置１の検査を要せずして、荷電粒子線Ｒの照射が自動的に再開される。よって、稼働効率を高めることが可能となる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、加速器１００内における放電の発生を判断するためにカメラ１２２を用いていたが、カメラ１２２の代わりに、アークセンサ１２４を用いてもよい。アークセンサ１２４は、図６に示されるように、加速器１００（コア１１０）内に配置される。加速器１００内における荷電粒子の変動に伴い周囲の電場が変化するので、アークセンサ１２４では当該電場の変化を検出し、制御部Ｃではアークセンサ１２４からの信号に基づいて放電が発生したか否かを判断する。カメラ１２２及びアークセンサ１２４を併用して、加速器１００内における放電の発生を検知してもよい。

上記実施形態では、制御部ＣがスイッチＳＷを制御して、チョッパ電極１１４ｂに接続されたスイッチＳＷを切り替えることにより荷電粒子線ＲのＯＮ／ＯＦＦを制御したが、制御部Ｃがシャッタ装置１１を制御して、シャッタ装置１１の遮断部材を遮断位置と退避位置との間で移動させることにより荷電粒子線ＲのＯＮ／ＯＦＦを制御してもよい。

１…荷電粒子線治療装置、６…ビーム位置モニタ、８…照射ノズル、１００…加速器、１１４ｂ…チョッパ電極、１１４ｃ…電源、１２２…カメラ、１２４…アークセンサ、Ｃ…制御部、Ｒ…荷電粒子線、ＳＷ…スイッチ。

Claims (4)

1. 荷電粒子を加速する加速器と、
   前記加速器から出射された荷電粒子線を被照射体に対して照射する照射部と、
   前記加速器から出射された荷電粒子線に異常が生じたか否かを検出する異常検知部と、
   前記加速器内で放電が生じたか否かを検出する放電検知部と、
   前記照射部からの前記荷電粒子線の照射を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   （Ａ）前記異常検知部が異常を検知した場合に前記照射部からの荷電粒子線の出射を停止させる制御と、
   （Ｂ）前記放電検知部が放電を検知していた場合、前記制御Ａにおいて前記照射部からの荷電粒子線の出射を停止させた後に、前記照射部からの荷電粒子線の出射を再開させる制御とを実行する、荷電粒子線治療装置。
2. 前記放電検知部は、前記加速器内で生じたアーク放電を検知するアークセンサである、請求項１に記載の荷電粒子線治療装置。
3. 前記放電検知部は、前記加速器内で生じたアーク放電の光を検知するカメラである、請求項１又は２に記載の荷電粒子線治療装置。
4. 前記加速器は、荷電粒子が間を通過する一対のチョッパ電極と、前記一対のチョッパ電極に電圧を印加する電源とを有し、
   前記制御部は、前記制御Ａにおいて、前記異常検知部が異常を検知した場合に前記一対のチョッパ電極の少なくとも一方における電圧の大きさを制御することにより、前記照射部からの荷電粒子線の出射を停止させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の荷電粒子線治療装置。

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