JP2017108774A - 粒子線治療装置および粒子線ガイド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型軽量で部品点数が少ない粒子線治療装置を提供する。【解決手段】実施形態の粒子線治療装置１０は、内部に治療スペース２１を形成して第１の回転軸３４の周りを回転可能に支持されて粒子源１１からの粒子線を治療スペース２１内の照射部２０に導く粒子線ガイド装置１３を備える。粒子線ガイド装置１３は、粒子源１１からの粒子線を、第１の回転軸３４の位置に配置された上流側回転シール部４５を介して受け入れて第１の回転軸３４から半径方向に離れた位置に配置された下流側回転シール部４６に導く上流側ガイド部３２と、下流側回転シール部４６を通る第２の回転軸４９の周りに回転可能に支持されて、上流側ガイド部３２から出た粒子線を、下流側回転シール部４６を介して照射部２０に導く下流側ガイド部３３と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、粒子線治療に使用する粒子線治療装置およびそのための粒子線ガイド装置に関する。

癌などの患者の患部にアイソセンタ（照射目標中心）を設定して陽子、炭素イオン等のイオンビームを照射する治療方法が知られている。例えば、この治療に用いる粒子線治療装置は、イオンビーム発生装置、ビーム輸送系、および回転ガントリーに設置された照射装置を備えている。イオンビーム発生装置で加速されたイオンビームは、ビーム輸送系を経て照射装置に達し、照射装置から患者の患部に照射される。この際、照射装置は回転ガントリーの回転に伴って患者の周りを回転し、治療計画で定められた照射角度に基づいて患部にイオンビームを照射することが可能である。一般に、アイソセンタ（照射目標中心）は固定である。

特開平１０−３２６６９９号公報 特開平１０−９４６１７号公報

上記従来技術の粒子線治療装置では、粒子線を偏向するために緩やかな軌道が必要であり、磁石の軌道が長くなる。磁石軌道が長いと磁石の支持筐体も重く大きくなり、設置スペースが限られる一般病院への設置が困難になるという課題があった。

また、たとえば患者の頭頂部をノンコプラナ照射する際にエンドリング中心にアイソセンタを固定すると、エンドリングの半径を患者の身長分とする必要があり、エンドリング径の増大を招くという課題があった。

本発明の実施形態の目的は、小型軽量で部品点数が少ない粒子線治療装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る粒子線治療装置は、内部に治療スペースを形成して第１の回転軸の周りを回転可能に支持されて粒子源からの粒子線を前記治療スペース内の照射部に導く粒子線ガイド装置、を備えた粒子線治療装置であって、前記粒子線ガイド装置は、前記粒子源からの粒子線を、前記第１の回転軸の位置に配置された上流側回転シール部を介して受け入れて前記第１の回転軸から半径方向に離れた位置に配置された下流側回転シール部に導く上流側ガイド部と、前記下流側回転シール部を通る第２の回転軸の周りに回転可能に支持されて、前記上流側ガイド部から出た前記粒子線を、前記下流側回転シール部を介して前記照射部に導く下流側ガイド部と、を有すること、を特徴とする。

また、本発明の実施形態に係る粒子線ガイド装置は、内部に治療スペースを形成して第１の回転軸の周りを回転可能に支持されて粒子源からの粒子線を前記治療スペースの照射部に導く粒子線ガイド装置であって、前記粒子源からの粒子線を、前記第１の回転軸の位置に配置された上流側回転シール部を介して受け入れて前記第１の回転軸から半径方向に離れた位置に配置された下流側回転シール部に導く上流側ガイド部と、前記下流側回転シール部を通る第２の回転軸の周りに回転可能に支持されて、前記上流側ガイド部から出た前記粒子線を、前記下流側回転シール部を介して前記照射部に導く下流側ガイド部と、を有すること、を特徴とする。

本発明の実施形態によれば、小型軽量で部品点数が少ない粒子線治療装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る粒子線治療装置の模式的縦断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る粒子線治療装置の図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る粒子線治療装置の下流側ガイド部の支持構造を示す模式的外観図である。 本発明の第１の実施形態に係る粒子線治療装置の治療台を回転軸にほぼ垂直に配置した状態で粒子線治療装置を動作させる状況を示す図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る粒子線治療装置の治療台を回転軸にほぼ垂直に配置した状態で粒子線治療装置を動作させる状況を示す図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面の一部に相当する図である。 本発明の第３の実施形態に係る粒子線治療装置の横断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面に相当する図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る粒子線治療装置の実施形態について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る粒子線治療装置の模式的縦断面図である。図２は、第１の実施形態に係る粒子線治療装置の図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面図である。

図１および図２に示すように、粒子線治療装置１０は、粒子源（イオン源）１１と、粒子加速器１２と、粒子線ガイド装置１３と、粒子線エネルギー制御装置１４と、治療台１５と、治療台駆動装置１６と、治療台位置制御装置１７とを備えている。粒子源（イオン源）１１で発生した粒子（たとえば、陽子や炭素イオン）は粒子加速器１２で加速され、粒子線ガイド装置１３でガイドされ、照射部２０に照射される。

照射部２０は、治療スペース２１内に配置された治療台１５に載置された患者２２の患部に設定される。粒子線エネルギー制御装置１４は、粒子線ガイド装置１３に送られる粒子線のエネルギーを調整することができる。また、治療台駆動装置１６は、治療台１５の位置や姿勢が変わるように治療台１５を駆動する。治療台位置制御装置１７は、治療台駆動装置１６を制御することができる。

粒子線ガイド装置１３は、回転ガントリー３０と、ターニングローラ３１（図２参照）と、回転ガントリー３０に取り付けられた上流側ガイド部３２および下流側ガイド部３３を含む。

回転ガントリー３０は、水平方向に延びる第１の回転軸３４を軸とする円筒状であって、その両端部に、リング状のエンドリング３５が形成されている。ターニングローラ３１は２個を１組として２組（合計４個）が配置されている。４個のターニングローラ３１は互いに同じ形状で同じ大きさの円柱状であり、第１の回転軸３４と平行な軸の周りに回転可能に構成されている。各組の２個のターニングローラ３１がそれぞれのエンドリング３５と接触して、回転ガントリー３０の荷重を支持している。

４個のターニングローラ３１の少なくとも１個は電動機（図示せず）によって回転駆動され、エンドリング３５との間の摩擦によってトルクが伝えられ、回転ガントリー３０が駆動される。回転ガントリー３０は、たとえば、正転と逆転とを合わせて、３６０度回転可能に構成されている。回転可能な角度は３６０度未満であってもよい。

上流側ガイド部３２は、内部が真空に維持されて加速された粒子線が通過する上流側ダクト４０と、上流側ダクト４０の外側に配置されて粒子線を曲げるための複数の上流側磁石４１とを備えている。複数の上流側磁石４１は上流側ダクト４０の長手方向に沿って配列されている。同様に、下流側ガイド部３３は、内部が真空に維持されて加速された粒子線が通過する下流側ダクト４２と、下流側ダクト４２の外側に配置されて粒子線を曲げるための複数の下流側磁石４３とを備えている。複数の下流側磁石４３は下流側ダクト４２の長手方向に沿って配列されている。上流側ダクト４０と下流側ダクト４２はそれぞれに曲管部を持っている。

上流側ガイド部３２は、上流側ガイド支持部材４４によって、回転ガントリー３０に固定支持され、回転ガントリー３０とともに回転するように構成されている。上流側ガイド部３２の上流側端部は第１の回転軸３４上に位置して、そこに、第１の回転軸３４を中心とする上流側回転シール部４５が形成されている。粒子加速器１２の真空容器（図示せず）の下流側端部と上流側ダクト４０の上流側端部とは、上流側回転シール部４５を介して、互いに連通して接続され、外気に対しては気密が維持されている。回転ガントリー３０が回転するとき、上流側回転シール部４５の摺動により気密が保たれる。

上流側ダクト４０の下流側端部は、回転ガントリー３０の半径方向外側の位置にあり、下流側回転シール部４６を介して、下流側ダクト４２の上流側端部と、互いに連通して接続され、外気に対して気密が維持されている。

下流側ダクト４２の上流側端部近くの外側に歯車４７が形成されている。先端部駆動装置４８（図２参照）の回転駆動力を、歯車４７を介して伝達することにより、下流側ガイド部３３が第２の回転軸４９の周りを回転駆動される。第２の回転軸４９は、第１の回転軸３４に平行であって、回転ガントリー３０とともに回転する。

下流側回転シール部４６の軸心は第２の回転軸４９上にあって、下流側ガイド部３３が第２の回転軸４９の周りを回転するときに摺動して、上流側ダクト４０の下流側端部と下流側ダクト４２の上流側端部との間の気密が維持される。

下流側ダクト４２の下流側先端には照射ポート５０が取り付けられている。照射ポート５０は、下流側ダクト４２内の真空を維持するように気密に封止するものであって、しかも粒子線が透過しやすいように構成されている。

回転ガントリー３０の側面には下流側ガイド部３３の先端部が貫通する開口部６０が形成されており、照射ポート５０は回転ガントリー３０の内側の治療スペース２１内にある。開口部６０は、下流側ガイド部３３が第２の回転軸４９の周りに回転するさいに干渉しないだけの十分な大きさとする。

回転ガントリー３０の、第１の回転軸３４をはさんで下流側ガイド部３３および上流側ガイド部３２の反対側の位置に、カウンターウェイト５１が取り付けられている。

図３は、第１の実施形態に係る粒子線治療装置の下流側ガイド部３３の支持構造を示す模式的外観図である。ただし、図３では、複数個の下流側磁石４３を一体的に表示している。図３に示すように、下流側ガイド部３３の変形を抑制するために下流側ガイド支持部材５２が取り付けられている。

図４は、第１の実施形態に係る粒子線治療装置の治療台を回転軸にほぼ垂直に配置した状態で粒子線治療装置を動作させる状況を示す図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面図である。

図１および図２に示す例では、患者２２は、その頭頂部と足先とを結ぶ線が第１の回転軸３４の方向になるように横たわるように配置されている。それに対して、図４に示す例では、患者２２は、その頭頂部と足先とを結ぶ線が第１の回転軸３４に垂直な水平方向になるように横たわるように配置されている。この場合に、粒子線の照射対象となる患部は回転ガントリー３０の回転中心である第１の回転軸３４からずれた位置にある。このような配置で、たとえば頭頂部の照射部２０に粒子線を照射する場合に、回転ガントリー３０を第１の回転軸３４の周りに回転させると同時に下流側ガイド部３３を第２の回転軸４９の周りに回転させる。

図４において、実線で示す粒子線ガイド装置１３が２点鎖線で示す粒子線ガイド装置１３ａの位置・姿勢に変化したときに、下流側ガイド部３３ａ、照射ポート５０ａ、カウンターウェイト５１ａの位置が示されている。同様に、粒子線ガイド装置１３が破線で示す粒子線ガイド装置１３ｂの位置・姿勢に変化したときに、下流側ガイド部３３ｂ、照射ポート５０ｂ、カウンターウェイト５１ｂの位置が示されている。

このような構成により、粒子線の照射対象となる照射部２０が第１の回転軸３４（回転ガントリー３０の回転中心）からずれた位置にあっても、一定の照射部２０に粒子線の照射を続けることができる。これにより、回転ガントリー３０の内側半径が患者２２よりも小さくても、照射部２０を患者２２の頭頂部とすることができ、従来に比べて、回転ガントリー３０の内径を小さくすることができる。

この場合に、回転ガントリー３０の回転位置に応じて照射ポート５０の先端と照射部２０との距離が変動する。一般に、粒子線が照射ポート５０を出て照射部２０に至るまでは粒子線が空気中を通るため、粒子のエネルギーが減衰する。したがって、照射ポート５０を出るときの粒子のエネルギーを一定とすると、照射ポート５０の先端と照射部２０との距離に応じて照射部２０での照射強度が変動することになる。

そのため、照射部２０での照射強度を一定にするためには、照射ポート５０の先端と照射部２０との距離に応じて、粒子線エネルギー制御装置１４により、粒子線エネルギーを制御すればよい。すなわち、照射ポート５０の先端と照射部２０との距離が大きくなるのに応じて粒子線エネルギーを増大させる。これにより、照射部２０での照射強度を一定にすることができる。

［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係る粒子線治療装置の治療台を回転軸にほぼ垂直に配置した状態で粒子線治療装置を動作させる状況を示す図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面の一部に相当する図である。

前述のように、図４に示す第１の実施形態においては、粒子線エネルギー制御装置１４により、照射ポート５０の先端と粒子線の照射対象となる照射部２０との距離の変動に応じて粒子線エネルギーを変化させ、照射部２０での照射強度を一定にする。

それに対して、この図５に示した第２の実施形態では、治療台位置制御装置１７によって、下流側ガイド部３３の照射ポート５０の先端と照射部２０との距離が一定となるように治療台１５の位置を制御する。これにより、例えば下流側ガイド部３３の照射ポート５０の先端が２点鎖線で示す下流側ガイド部３３ａの照射ポート５０ａの位置または破線で示す下流側ガイド部３３ｂの照射ポート５０ｂの位置等、照射ポート５０の先端と照射部２０との距離の変動に応じて粒子線エネルギーを変化させなくても、治療台１５の位置を２点鎖線で示す治療台１５ａの位置または破線で示す治療台１５ｂの位置に制御し、照射部２０での照射強度を一定にすることができる。

［第３の実施形態］
図６は、本発明の第３の実施形態に係る粒子線治療装置の横断面図であって、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面に相当する図である。この第３の実施形態は第１の実施形態の変形であって、一つの回転ガントリー３０に２個の粒子線ガイド装置１３が取り付けられている。２個の粒子線ガイド装置１３は、回転ガントリー３０の周方向に互いに間隔をあけて配置されている。図６に示す例では、これらの周方向の間隔は９０度である。これらの粒子線ガイド装置１３の上流側回転シール部４５（図１参照）は、１個のものを共用し、上流側ガイド部３２の上流側回転シール部４５の下流側に分岐部（図示せず）を設ければよい。

第３の実施形態によれば、第１の回転軸３４周りの回転ガントリー３０の回転角度、および第２の回転軸４９周りの下流側ガイド部３３の回転角度の両方または一方を比較的小さくしても、必要な角度範囲の照射を行うことができる。また、２個の粒子線ガイド装置１３からの照射を同時に行うことにより、短時間で必要な照射を行うことができる。

上記説明では一つの回転ガントリー３０に２個の粒子線ガイド装置１３が取り付けられているものとしたが、一つの回転ガントリー３０に３個以上の粒子線ガイド装置１３を取り付けることもできる。

［他の実施形態］
上記実施形態の説明では、第１の回転軸３４と第２の回転軸４９とが平行であるとした。しかし、変形例として、回転軸が平行でない場合も考えられる。また、上記実施形態の説明では、第１の回転軸３４と第２の回転軸４９とがともに水平であるとしたが、これらは、水平方向に対して傾斜していてもよく、また、鉛直方向でもよい。

さらに、上記実施形態の変形として、円筒状の回転ガントリー３０が存在しないものも考えられる。ただし、その場合は、上流側ガイド部３２が第１の回転軸３４の周りに回転できるように上流側ガイド部３２を回転支持する構造と、下流側ガイド部３３が第２の回転軸４９の周りに回転できるように下流側ガイド部３３を回転支持する構造を、回転ガントリー３０とは別に備えている必要がある。

上記第２の実施形態で、治療台位置制御装置１７は、照射ポート５０の先端と照射部２０との距離が一定になるように治療台１５の位置を制御するものとした。その変形として、治療台位置制御装置１７は、単に照射部２０の位置が患者２２の所定の患部に一致するように治療台１５の位置を制御するものであってもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０：粒子線治療装置、 １１：粒子源（イオン源）、 １２：粒子加速器、 １３，１３ａ，１３ｂ：粒子線ガイド装置、 １４：粒子線エネルギー制御装置、 １５，１５ａ，１５ｂ：治療台、 １６：治療台駆動装置、 １７：治療台位置制御装置、 ２０：照射部、 ２１：治療スペース、 ２２：患者、 ３０：回転ガントリー、 ３１：ターニングローラ、 ３２：上流側ガイド部、 ３３，３３ａ，３３ｂ：下流側ガイド部、 ３４：第１の回転軸、 ３５：エンドリング、 ４０：上流側ダクト、 ４１：上流側磁石、 ４２：下流側ダクト、 ４３：下流側磁石、 ４４：上流側ガイド支持部材、 ４５：上流側回転シール部、 ４６：下流側回転シール部、 ４７：歯車、 ４８：先端部駆動装置、 ４９：第２の回転軸、 ５０，５０ａ，５０ｂ：照射ポート、 ５１，５１ａ，５１ｂ：カウンターウェイト、 ５２：下流側ガイド支持部材、 ６０：開口部

Claims (9)

1. 内部に治療スペースを形成して第１の回転軸の周りを回転可能に支持されて粒子源からの粒子線を前記治療スペース内の照射部に導く粒子線ガイド装置、
   を備えた粒子線治療装置であって、
   前記粒子線ガイド装置は、
   前記粒子源からの粒子線を、前記第１の回転軸の位置に配置された上流側回転シール部を介して受け入れて前記第１の回転軸から半径方向に離れた位置に配置された下流側回転シール部に導く上流側ガイド部と、
   前記下流側回転シール部を通る第２の回転軸の周りに回転可能に支持されて、前記上流側ガイド部から出た前記粒子線を、前記下流側回転シール部を介して前記照射部に導く下流側ガイド部と、
   を有すること、を特徴とする粒子線治療装置。
2. 内部に前記治療スペースを形成して前記第１の回転軸の周りを回転可能に支持された中空円筒状の回転ガントリーをさらに有し、
   前記上流側ガイド部は前記回転ガントリーに固定されていること、を特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
3. 前記第２の回転軸が前記第１の回転軸に平行であること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の粒子線治療装置。
4. 前記上流側ガイド部と前記下流側ガイド部は、それぞれが、
   内部に前記粒子線が通る真空を保持可能で曲管部を備えた気密のダクトと、
   前記ダクトの外側に配置されて前記粒子線の向きを変えるための磁石と、
   を有し、
   前記上流側ガイド部の前記ダクトと前記下流側ガイド部の前記ダクトとが前記下流側回転シール部で連通していること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の粒子線治療装置。
5. 前記粒子線ガイド装置とは別に支持されて前記治療スペース内で自在に位置決め可能な治療台と、
   前記粒子線の照射目標中心の位置に合わせて前記治療台の位置を制御する治療台位置制御装置と、
   をさらに有すること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の粒子線治療装置。
6. 前記治療台位置制御装置は、前記下流側ガイド部の下流側先端から前記照射部までの距離が一定になるように前記治療台の位置を制御するものであること、を特徴とする請求項５に記載の粒子線治療装置。
7. 前記下流側ガイド部の下流側先端から前記照射部までの距離が長くなるのに応じて前記粒子線のエネルギーを大きくするように制御する粒子線エネルギー制御装置をさらに有すること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の粒子線治療装置。
8. 複数個の前記粒子線ガイド装置を備え、
   前記複数個の粒子線ガイド装置それぞれの前記第１の回転軸は共通であり、
   複数個の前記粒子線ガイド装置それぞれの前記第２の回転軸の位置が前記第１の回転軸の周りの周方向に異なる位置にあることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の粒子線治療装置。
9. 内部に治療スペースを形成して第１の回転軸の周りを回転可能に支持されて粒子源からの粒子線を前記治療スペースの照射部に導く粒子線ガイド装置であって、
   前記粒子源からの粒子線を、前記第１の回転軸の位置に配置された上流側回転シール部を介して受け入れて前記第１の回転軸から半径方向に離れた位置に配置された下流側回転シール部に導く上流側ガイド部と、
   前記下流側回転シール部を通る第２の回転軸の周りに回転可能に支持されて、
   前記上流側ガイド部から出た前記粒子線を、前記下流側回転シール部を介して前記照射部に導く下流側ガイド部と、
   を有すること、を特徴とする粒子線ガイド装置。

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