JP2018146265A - Electron beam irradiation device and method for operating electron beam irradiation device - Google Patents

Electron beam irradiation device and method for operating electron beam irradiation device Download PDF

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Abstract

【課題】照射対象内の被照射部に選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を電子ビームを用いて実現する。【解決手段】電子ビーム照射装置100は、電子ビームEを患者10の患部Tに照射する。電子ビーム照射装置100は、チャープ電子ビーム源1と、電子ビーム位相回転器2と、を備える。チャープ電子ビーム源1は、エネルギーチャープを有する電子ビームEを生成する。電子ビーム位相回転器2は、チャープ電子ビーム源1で生成した電子ビームEのエネルギーチャープを、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように調整する。【選択図】図1Beam irradiation for selectively applying large energy to an irradiated portion in an irradiation target is realized using an electron beam. An electron beam irradiation apparatus 100 irradiates an affected area T of a patient 10 with an electron beam E. The electron beam irradiation apparatus 100 includes a chirped electron beam source 1 and an electron beam phase rotator 2. The chirped electron beam source 1 generates an electron beam E having energy chirp. The electron beam phase rotator 2 adjusts the energy chirp of the electron beam E generated by the chirped electron beam source 1 so that a higher energy component is arranged behind the beam traveling direction. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射装置の作動方法に関する。   The present invention relates to an electron beam irradiation apparatus and an operation method of the electron beam irradiation apparatus.

従来、例えば放射線による治療においては、重粒子線や陽子線等の粒子線ビームを患者の体幹部の患部(照射対象内の被照射部)に照射する粒子線照射装置が用いられている。粒子線ビームは、媒質物質に与えるエネルギー付与が粒子の速度に反比例し、粒子が止まる瞬間に最大となるというブラッグピーク特性を有する。そこで、粒子線照射装置では、このブラッグピーク特性を利用して、患者の患部のみに選択的に大きなエネルギー付与を与え、患部のみをビーム照射で壊滅させる治療が行われる。この種の技術として、例えば下記特許文献1には、イオンビームを患者の患部に向けて照射する重粒子線治療装置が記載されている。   Conventionally, for example, in radiation therapy, a particle beam irradiation apparatus that irradiates a diseased part of a patient's trunk (irradiated part in an irradiation target) with a particle beam such as a heavy particle beam or a proton beam is used. The particle beam has a Bragg peak characteristic in which the energy imparted to the medium material is inversely proportional to the velocity of the particle and is maximized at the moment when the particle stops. Therefore, in the particle beam irradiation apparatus, using this Bragg peak characteristic, a large energy is selectively given only to the affected part of the patient, and the treatment for destroying only the affected part by the beam irradiation is performed. As this type of technology, for example, Patent Document 1 described below describes a heavy particle beam therapy apparatus that irradiates an affected part of a patient with an ion beam.

特開2016−162692号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2006-162692

上述したような装置では、粒子線ビームのエネルギーが数百MeVと非常に高く、大型のリングシンクロトロン加速器等が必要となることから、装置が巨大化してしまう。そこで近年、電子ビームを照射対象内の被照射部に照射する電子ビーム照射装置が開発されている。しかし、電子ビームはブラッグピーク特性を持たないため、電子ビームを用いたビーム照射では、患者の体幹部の患部のみに選択的に大きなエネルギー付与を与えることは困難である。   In the apparatus as described above, the energy of the particle beam is as high as several hundred MeV, and a large ring synchrotron accelerator or the like is required. Therefore, the apparatus becomes huge. Therefore, in recent years, an electron beam irradiation apparatus that irradiates an irradiated portion in an irradiation target with an electron beam has been developed. However, since the electron beam does not have a Bragg peak characteristic, it is difficult to selectively apply large energy only to the affected part of the patient's trunk by beam irradiation using the electron beam.

本発明は、照射対象内の被照射部に選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を電子ビームを用いて実現可能な電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射装置の作動方法を提供することを課題とする。   It is an object of the present invention to provide an electron beam irradiation apparatus and an operation method of the electron beam irradiation apparatus capable of realizing beam irradiation for selectively applying large energy to an irradiated portion in an irradiation target using an electron beam. To do.

本発明に係る電子ビーム照射装置は、電子ビームを照射対象内の被照射部に照射する電子ビーム照射装置であって、エネルギーチャープを有する電子ビームを生成する電子ビーム源と、電子ビーム源で生成した電子ビームのエネルギーチャープを、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように調整するチャープ調整部と、を備える。   An electron beam irradiation apparatus according to the present invention is an electron beam irradiation apparatus that irradiates an irradiated portion in an irradiation target with an electron beam, and generates an electron beam having an energy chirp and an electron beam source. A chirp adjusting unit that adjusts the energy chirp of the electron beam so that a higher energy component is arranged at the rear of the beam traveling direction.

この電子ビーム照射装置では、生成した電子ビームのエネルギーチャープが、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように調整される。このようにエネルギーチャープが調整された電子ビームは、照射対象内の被照射部に至るまでの伝搬に伴って、自動的に徐々にパルス幅が圧縮されて電荷密度が高まっていく。これにより、電子ビームを用いたビーム照射にもかかわらず、照射対象において被照射部以外のエネルギー付与を抑える一方で被照射部のエネルギー付与を高めることが可能となる。すなわち、照射対象内の被照射部に選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を、電子ビームを用いて実現することが可能となる。   In this electron beam irradiation apparatus, the energy chirp of the generated electron beam is adjusted so that a higher energy component is arranged behind the beam traveling direction. The electron beam with the energy chirp adjusted in this way automatically has a pulse width that is gradually and gradually increased with the propagation to the irradiated portion in the irradiation target. Thereby, in spite of the beam irradiation using an electron beam, it becomes possible to increase the energy application of the irradiated part while suppressing the application of energy other than the irradiated part in the irradiation target. That is, it is possible to realize beam irradiation that selectively applies large energy to the irradiated portion in the irradiation target using the electron beam.

本発明に係る電子ビーム照射装置は、チャープ調整部で調整した電子ビームの各エネルギー成分の光路を調整して、当該電子ビームのパルス幅を圧縮する電子ビーム圧縮部を更に備えていてもよい。これにより、電子ビームのパルス幅の圧縮点を調整することができる。   The electron beam irradiation apparatus according to the present invention may further include an electron beam compression unit that adjusts the optical path of each energy component of the electron beam adjusted by the chirp adjustment unit and compresses the pulse width of the electron beam. Thereby, the compression point of the pulse width of the electron beam can be adjusted.

本発明に係る電子ビーム照射装置は、照射対象内において電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を検知する検知部と、検知部の検知結果に応じて、電子ビーム圧縮部を制御するコントローラと、を更に備えていてもよい。本発明に係る電子ビーム照射装置では、コントローラは、検知部の検知結果に基づいて電子ビーム圧縮部の駆動信号をフィードバック制御し、電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を、被照射部を含む領域内において移動させてもよい。この場合、例えば、広い範囲に亘る被照射部に対し、効果的に電子ビームを照射できる。   An electron beam irradiation apparatus according to the present invention includes a detection unit that detects a position where the pulse width of an electron beam is compressed most within an irradiation target, and a controller that controls the electron beam compression unit according to a detection result of the detection unit. , May be further provided. In the electron beam irradiation apparatus according to the present invention, the controller feedback-controls the driving signal of the electron beam compression unit based on the detection result of the detection unit, and determines the position where the pulse width of the electron beam is compressed most, You may move within the area | region to include. In this case, for example, it is possible to effectively irradiate the irradiated portion over a wide range with the electron beam.

本発明に係る電子ビーム照射装置では、電子ビーム源は、電子ビームを加速するレーザプラズマ電子加速器を含んでおり、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の前方に配置されるエネルギーチャープを有する電子ビームを生成し、チャープ調整部は、電子ビーム源で生成した電子ビームのエネルギーチャープを反転させる電子ビーム位相回転器であってもよい。このような構成により、照射対象内の被照射部に選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を電子ビームを用いて実現するという上記効果について、具体的に奏される。   In the electron beam irradiation apparatus according to the present invention, the electron beam source includes a laser plasma electron accelerator for accelerating the electron beam, and generates an electron beam having an energy chirp arranged in front of the beam traveling direction for higher energy components. The chirp adjusting unit may be an electron beam phase rotator that inverts the energy chirp of the electron beam generated by the electron beam source. With such a configuration, the above-described effect of realizing the beam irradiation that selectively applies large energy to the irradiated portion in the irradiation target by using the electron beam is specifically exhibited.

本発明に係る電子ビーム照射装置の作動方法は、電子ビームを照射対象内の被照射部に照射する電子ビーム照射装置の作動方法であって、エネルギーチャープを有する電子ビームを、電子ビーム源により生成する電子ビーム生成ステップと、電子ビーム生成ステップで生成した電子ビームのエネルギーチャープを、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように、チャープ調整部により調整するチャープ調整ステップと、を備える。   An operation method of an electron beam irradiation apparatus according to the present invention is an operation method of an electron beam irradiation apparatus that irradiates an irradiated part in an irradiation target with an electron beam, and an electron beam having an energy chirp is generated by an electron beam source. An electron beam generating step, and a chirp adjusting step for adjusting the energy chirp of the electron beam generated in the electron beam generating step by a chirp adjusting unit so that a higher energy component is arranged behind the beam traveling direction. .

この電子ビーム照射装置の作動方法においても、上記電子ビーム照射装置と同様に、電子ビームを用いたビーム照射にもかかわらず、照射対象において被照射部以外のエネルギー付与を抑える一方で被照射部のエネルギー付与を高めることが可能となる。すなわち、照射対象内の被照射部に選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を、電子ビームを用いて実現することが可能となる。   Also in the operation method of this electron beam irradiation apparatus, in the same manner as the electron beam irradiation apparatus, despite the beam irradiation using the electron beam, the application of energy other than the irradiated portion is suppressed in the irradiation target, while the irradiation portion of the irradiated portion is suppressed. It becomes possible to increase energy provision. That is, it is possible to realize beam irradiation that selectively applies large energy to the irradiated portion in the irradiation target using the electron beam.

本発明に係る電子ビーム照射装置の作動方法は、電子ビーム圧縮部により、チャープ調整ステップで調整した電子ビームの各エネルギー成分の光路を調整して、当該電子ビームのパルス幅を圧縮する電子ビーム圧縮ステップを更に備えていてもよい。これにより、例えば電子ビームのパルス幅の圧縮点を調整することができる。   The operation method of the electron beam irradiation apparatus according to the present invention is such that the electron beam compression unit compresses the pulse width of the electron beam by adjusting the optical path of each energy component of the electron beam adjusted in the chirp adjustment step by the electron beam compression unit. A step may be further provided. Thereby, for example, the compression point of the pulse width of the electron beam can be adjusted.

本発明に係る電子ビーム照射装置の作動方法は、照射対象内において電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を検知する検知ステップと、検知ステップの検知結果に応じて、電子ビーム圧縮部を制御する制御ステップと、を更に備えていてもよい。本発明に係る電子ビーム照射装置の作動方法において、制御ステップでは、検知ステップの検知結果に基づいて電子ビーム圧縮部の駆動信号をフィードバック制御し、電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を、被照射部を含む領域内において移動させてもよい。この場合、例えば、広い範囲に亘る被照射部に対し、効果的に電子ビームを照射できる。   The operation method of the electron beam irradiation apparatus according to the present invention includes a detection step for detecting the position where the pulse width of the electron beam is compressed most within the irradiation target, and controls the electron beam compression unit according to the detection result of the detection step. And a control step for performing. In the operation method of the electron beam irradiation apparatus according to the present invention, in the control step, the drive signal of the electron beam compression unit is feedback controlled based on the detection result of the detection step, and the position where the pulse width of the electron beam is compressed most, You may move within the area | region including a to-be-irradiated part. In this case, for example, it is possible to effectively irradiate the irradiated portion over a wide range with the electron beam.

本発明によれば、照射対象内の被照射部に選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を電子ビームを用いて実現できる電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射装置の作動方法を提供することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is possible to provide the electron beam irradiation apparatus which can implement | achieve the beam irradiation which gives a big energy selectively to the to-be-irradiated part in irradiation object using an electron beam, and the operating method of an electron beam irradiation apparatus It becomes.

一実施形態に係る電子ビーム照射装置を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the electron beam irradiation apparatus which concerns on one Embodiment. (a)は、電子ビーム位相回転器を示す概略図である。(b)は、電子ビームコンプレッサを示す概略図である。(A) is the schematic which shows an electron beam phase rotator. (B) is a schematic diagram showing an electron beam compressor. (a)は、チャープ電子ビーム源で生成した電子ビームのパルスを示す図である。(b)は、電子ビーム位相回転器で反転した電子ビームのパルスを示す図である。(c)は、電子ビームコンプレッサで圧縮した電子ビームのパルスを示す図である。(d)は、患部の位置における電子ビームのパルスを示す図である。(A) is a figure which shows the pulse of the electron beam produced | generated with the chirp electron beam source. (B) is a figure which shows the pulse of the electron beam inverted by the electron beam phase rotator. (C) is a figure which shows the pulse of the electron beam compressed with the electron beam compressor. (D) is a figure which shows the pulse of the electron beam in the position of an affected part. 電子ビームの線量付与分布を示すグラフである。It is a graph which shows the dose provision distribution of an electron beam.

以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or equivalent elements will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.

図1は、電子ビーム照射装置100を示す概略構成図である。図1に示されるように、電子ビーム照射装置100は、患者(照射対象)10の体内の患部(被照射部)Tに対して電子ビームEを照射する装置である。ここでの電子ビーム照射装置100は、放射線によるがん治療に用いられるがん治療装置であり、患部Tは、患者10の体幹深部に位置するがん細胞である。つまり、被照射部は、照射対象において深い位置(体幹部)に存在している。電子ビーム照射装置100は、チャープ電子ビーム源1と、電子ビーム位相回転器2と、電子ビームコンプレッサ3と、ビーム圧縮点モニタ(検知部)4と、コントローラ5と、を備えている。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an electron beam irradiation apparatus 100. As shown in FIG. 1, the electron beam irradiation apparatus 100 is an apparatus that irradiates an affected part (irradiated part) T in the body of a patient (irradiation target) 10 with an electron beam E. The electron beam irradiation apparatus 100 here is a cancer treatment apparatus used for cancer treatment by radiation, and the affected part T is a cancer cell located in the deep part of the trunk of the patient 10. That is, the irradiated part exists at a deep position (trunk) in the irradiation target. The electron beam irradiation apparatus 100 includes a chirped electron beam source 1, an electron beam phase rotator 2, an electron beam compressor 3, a beam compression point monitor (detection unit) 4, and a controller 5.

チャープ電子ビーム源1は、エネルギーチャープを有する電子ビームEを生成して出射する電子ビーム源である。チャープ電子ビーム源1は、レーザプラズマ加速により電子ビームを加速するレーザプラズマ電子加速器を含む。レーザプラズマ電子加速器としては、例えば高強度レーザパルスを長距離伝播させる光導波路を、放電管中のガス放電によって形成する光導波路形成装置を備えたものを用いることができる。チャープ電子ビーム源1で生成した電子ビームEは、レーザプラズマ電子加速器におけるプラズマ波の破砕によってエネルギースペクトルが拡がることで、エネルギーチャープを有する。   The chirped electron beam source 1 is an electron beam source that generates and emits an electron beam E having an energy chirp. The chirped electron beam source 1 includes a laser plasma electron accelerator that accelerates an electron beam by laser plasma acceleration. As the laser plasma electron accelerator, for example, an apparatus including an optical waveguide forming apparatus that forms an optical waveguide for propagating a high-intensity laser pulse over a long distance by gas discharge in a discharge tube can be used. The electron beam E generated by the chirped electron beam source 1 has an energy chirp because the energy spectrum is expanded by the disruption of the plasma wave in the laser plasma electron accelerator.

エネルギーチャープとは、電子ビームEのエネルギー成分がビーム進行方向と強い相関のある状態であって、電子ビームEのビーム進行方向の前方から後方にかけてエネルギー成分が徐々に変わっている状態を意味する。チャープ電子ビーム源1で生成した電子ビームEは、具体的には、高いエネルギーの成分(電子)ほどビーム進行方向の前方に配置されるエネルギーチャープ(換言すると、低いエネルギーの成分(電子)ほどビーム進行方向の後方に配置されるエネルギーチャープ)を有する。   The energy chirp means a state in which the energy component of the electron beam E has a strong correlation with the beam traveling direction, and the energy component gradually changes from the front to the rear in the beam traveling direction of the electron beam E. Specifically, the electron beam E generated by the chirped electron beam source 1 is such that an energy chirp (in other words, a lower energy component (electron) is a beam with a higher energy component (electron) disposed in front of the beam traveling direction). Energy chirp arranged behind the traveling direction).

チャープ電子ビーム源1で生成した電子ビームEは、数フェムト秒のパルス幅を有する。チャープ電子ビーム源1で生成した電子ビームEは、患者10を透過して患部Tへ到達可能なエネルギーを有する。ここでは、当該電子ビームEは、数百MeV以上のエネルギーを有し、具体的には200MeV以上のエネルギーを有する。   The electron beam E generated by the chirped electron beam source 1 has a pulse width of several femtoseconds. The electron beam E generated by the chirped electron beam source 1 has energy that can pass through the patient 10 and reach the affected part T. Here, the electron beam E has an energy of several hundred MeV or more, specifically, an energy of 200 MeV or more.

電子ビーム位相回転器2は、チャープ電子ビーム源1で生成した電子ビームEを空間的に180°回転させ、電子ビームEのエネルギーチャープを反転させるチャープ調整部である。電子ビーム位相回転器2は、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように(換言すると、低いエネルギー成分ほどビーム進行方向の前方に配置されるように)、当該電子ビームEのエネルギーチャープを調整する。電子ビーム位相回転器2としては、例えば電子バンチストレッチャーを用いることができる。   The electron beam phase rotator 2 is a chirp adjusting unit that rotates the electron beam E generated by the chirped electron beam source 1 spatially by 180 ° and inverts the energy chirp of the electron beam E. The electron beam phase rotator 2 is arranged so that the higher energy component is arranged behind the beam traveling direction (in other words, the lower energy component is arranged ahead of the beam traveling direction). Adjust the chirp. As the electron beam phase rotator 2, for example, an electronic bunch stretcher can be used.

図2(a)は、電子ビーム位相回転器2の一例を示す構成図である。図2(a)に示されるように、電子ビーム位相回転器2は、ダイポール磁石によって構成される磁場形成部2a,2b,2c,2dを含む。電子ビーム位相回転器2では、磁場形成部2a,2b,2c,2dの磁場により、電子が半円軌道を形成するように動く。このとき、エネルギーが高い電子は曲がりにくく、半径の大きい円の半円を描くように動き、飛行距離が長くなる。これに対して、エネルギーが低い電子は曲がりやすく、半径の小さい円の半円を描くように動き、飛行距離が短くなる。よって、電子ビーム位相回転器2から出射される電子ビームEは、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるエネルギーチャープを有する。   FIG. 2A is a configuration diagram illustrating an example of the electron beam phase rotator 2. As shown in FIG. 2A, the electron beam phase rotator 2 includes magnetic field forming units 2a, 2b, 2c, and 2d configured by dipole magnets. In the electron beam phase rotator 2, electrons move so as to form a semicircular orbit by the magnetic fields of the magnetic field forming units 2a, 2b, 2c, and 2d. At this time, electrons with high energy are difficult to bend, move like drawing a semicircle of a circle with a large radius, and the flight distance becomes long. In contrast, electrons with low energy tend to bend, move like drawing a semicircle of a circle with a small radius, and shorten the flight distance. Therefore, the electron beam E emitted from the electron beam phase rotator 2 has an energy chirp arranged at the rear of the beam traveling direction as the energy component increases.

図1に示されるように、電子ビームコンプレッサ3は、電子ビーム位相回転器2で調整した電子ビームEのパルス幅を圧縮する電子ビーム圧縮部である。電子ビームコンプレッサ3は、電子ビーム位相回転器2で調整した電子ビームEの各エネルギー成分の光路を調整して、当該電子ビームEのパルス幅を圧縮する。電子ビームコンプレッサ3は、コントローラ5により制御されて、電子ビームEのパルス幅が患部Tの位置で最も圧縮されるように当該電子ビームEの各エネルギー成分の光路を調整する。電子ビームコンプレッサ3としては、例えば電子バンチコンプレッサを用いることができる。   As shown in FIG. 1, the electron beam compressor 3 is an electron beam compression unit that compresses the pulse width of the electron beam E adjusted by the electron beam phase rotator 2. The electron beam compressor 3 adjusts the optical path of each energy component of the electron beam E adjusted by the electron beam phase rotator 2 to compress the pulse width of the electron beam E. The electron beam compressor 3 is controlled by the controller 5 to adjust the optical path of each energy component of the electron beam E so that the pulse width of the electron beam E is most compressed at the position of the affected part T. As the electron beam compressor 3, for example, an electronic bunch compressor can be used.

図2(b)は、電子ビームコンプレッサ3の一例を示す構成図である。図2(b)に示されるように、電子ビームコンプレッサ3は、電磁石3a,3b,3c,3dを含む。電子ビームコンプレッサ3では、電磁石3a,3b,3c,3dの磁場により、電子が弧状の軌道を形成するように動く。このとき、エネルギーが高い電子は飛行距離が短くなるのに対して、エネルギーが低い電子は飛行距離が長くなる。よって、電子ビームコンプレッサ3は、電磁石3a,3b,3c,3dの各駆動電流をコントローラ5により制御することで、電磁石3a,3b,3c,3dの各磁場を制御する。これにより、電子ビームEの各エネルギー成分の光路を調整し、図1に示されるように、電子ビームコンプレッサ3から患部Tまでの光路距離Lを、電子ビームEのパルス幅が患部Tの位置で最も圧縮される距離とする。   FIG. 2B is a configuration diagram illustrating an example of the electron beam compressor 3. As shown in FIG. 2B, the electron beam compressor 3 includes electromagnets 3a, 3b, 3c, and 3d. In the electron beam compressor 3, the electrons move so as to form an arcuate orbit by the magnetic fields of the electromagnets 3a, 3b, 3c, and 3d. At this time, electrons with high energy have a short flight distance, whereas electrons with low energy have a long flight distance. Therefore, the electron beam compressor 3 controls each magnetic field of the electromagnets 3a, 3b, 3c, and 3d by controlling each drive current of the electromagnets 3a, 3b, 3c, and 3d by the controller 5. Thereby, the optical path of each energy component of the electron beam E is adjusted, and as shown in FIG. 1, the optical path distance L from the electron beam compressor 3 to the affected part T is set so that the pulse width of the electron beam E is the position of the affected part T. The most compressed distance.

ビーム圧縮点モニタ4は、患者10の体内における電子ビームEのパルス幅の圧縮点を検知する。圧縮点とは、電子ビームEのパルス幅が最も圧縮される位置(距離)である。図示する例では、ビーム圧縮点モニタ4は、患者10の周囲に3つ配置されている。ビーム圧縮点モニタ4は、電子ビームEの圧縮点に関する情報(検知結果)をコントローラ5へ出力する。ビーム圧縮点モニタ4としては、特に限定されず、種々の公知のモニタを採用することができる。   The beam compression point monitor 4 detects the compression point of the pulse width of the electron beam E in the body of the patient 10. The compression point is a position (distance) at which the pulse width of the electron beam E is compressed most. In the illustrated example, three beam compression point monitors 4 are arranged around the patient 10. The beam compression point monitor 4 outputs information (detection result) regarding the compression point of the electron beam E to the controller 5. The beam compression point monitor 4 is not particularly limited, and various known monitors can be employed.

コントローラ5は、例えば一以上のコンピュータ装置により構成される。コントローラ5は、プロセッサであるCPU(Central Processing Unit)、記録媒体であるRAM(Random Access Memory)又はROM(Read Only Memory)等を含んで構成される。コントローラ5は、CPU及びRAM等のハードウェア上にプログラム等を読み込ませることにより、各種の制御を実行する。コントローラ5は、ビーム圧縮点モニタ4の検知結果に応じて、電子ビームコンプレッサ3を制御する。コントローラ5は、ビーム圧縮点モニタ4から出力された電子ビームEの圧縮点に関する情報に基づいて、電子ビームコンプレッサ3の電磁石3a,3b,3c,3dの各駆動電流(駆動信号)をフィードバック制御する。これにより、電子ビームEのパルス幅が患部Tの位置で最も圧縮されるように、患部Tまでの光路距離Lを調整する。ここでは、電子ビームEの圧縮点を、患部Tを含む領域内において移動させる。   The controller 5 is composed of, for example, one or more computer devices. The controller 5 includes a CPU (Central Processing Unit) that is a processor, a RAM (Random Access Memory) that is a recording medium, a ROM (Read Only Memory), and the like. The controller 5 executes various controls by causing a program or the like to be read on hardware such as a CPU and a RAM. The controller 5 controls the electron beam compressor 3 according to the detection result of the beam compression point monitor 4. The controller 5 feedback-controls each drive current (drive signal) of the electromagnets 3a, 3b, 3c, and 3d of the electron beam compressor 3 based on the information about the compression point of the electron beam E output from the beam compression point monitor 4. . Thereby, the optical path distance L to the affected part T is adjusted so that the pulse width of the electron beam E is compressed most at the position of the affected part T. Here, the compression point of the electron beam E is moved within the region including the affected part T.

次に、電子ビーム照射装置100による電子ビーム照射方法(電子ビーム照射装置100の作動方法)について説明する。図3(a)〜図3(d)は、電子ビームEのパルスを示す図である。図3では、左右幅がパルス幅を表し、上下幅が電荷密度を表す。図3では、エネルギー成分ごとに分けてパルスを示しており、濃いものほど高いエネルギー成分を示している。   Next, an electron beam irradiation method (operation method of the electron beam irradiation apparatus 100) by the electron beam irradiation apparatus 100 will be described. 3A to 3D are diagrams showing pulses of the electron beam E. FIG. In FIG. 3, the horizontal width represents the pulse width, and the vertical width represents the charge density. In FIG. 3, the pulses are shown separately for each energy component, and the darker the higher the energy component is.

まず、エネルギーチャープを有する電子ビームEを、チャープ電子ビーム源1により生成する(電子ビーム生成ステップ)。生成した電子ビームEは、図3(a)に示されるように、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の前方に配置されるエネルギーチャープを有する。   First, an electron beam E having energy chirp is generated by the chirped electron beam source 1 (electron beam generating step). As shown in FIG. 3A, the generated electron beam E has an energy chirp that is arranged in front of the beam traveling direction as the energy component becomes higher.

続いて、電子ビーム生成ステップで生成した電子ビームEのエネルギーチャープを、電子ビーム位相回転器2により反転させる(チャープ調整ステップ)。これにより、図3(b)に示されるように、電子ビームEは、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるエネルギーチャープを有する。この状態では、電子ビームEが伝搬する過程で前方の低エネルギー成分に後方の高エネルギー成分が追いつき、自動的に電子ビームEのパルス幅が圧縮される。パルス幅が圧縮されると、電子ビームEの電荷密度が高くなり、内部の電場が上昇する。   Subsequently, the energy chirp of the electron beam E generated in the electron beam generation step is inverted by the electron beam phase rotator 2 (chirp adjustment step). As a result, as shown in FIG. 3B, the electron beam E has an energy chirp that is arranged behind the beam traveling direction as the energy component increases. In this state, in the process of propagation of the electron beam E, the rear high energy component catches up with the front low energy component, and the pulse width of the electron beam E is automatically compressed. When the pulse width is compressed, the charge density of the electron beam E increases and the internal electric field rises.

続いて、電子ビームコンプレッサ3により、電子ビームEの各エネルギー成分の光路を調整して、図3(c)に示されるように、当該電子ビームEのパルス幅を電子ビームコンプレッサ3で圧縮する(電子ビーム圧縮ステップ)。このとき、ビーム圧縮点モニタ4により、患者10の体内における電子ビームEの圧縮点を検知する(検知ステップ)。コントローラ5により、ビーム圧縮点モニタ4の検知結果に応じて電子ビームコンプレッサ3を制御する(制御ステップ)。具体的には、コントローラ5により、ビーム圧縮点モニタ4の検知結果に基づいて、電子ビームコンプレッサ3の電磁石3a,3b,3c,3d(図2(b)参照)の各駆動電流をフィードバック制御する。これにより、電子ビームEの圧縮点を、患部Tを含む領域内において移動させる。具体的には、図3(d)に示されるように、患者10の体内の患部Tを含む領域内において、パルス幅が最も圧縮される箇所(照射箇所)が移動するようにして、電子ビームEを照射する。本実施形態では、電子ビームEのパルス幅を最も圧縮することとして、チャープ電子ビーム源1で生成後の電子ビームEのパルス(図3(a)参照)と同じパルス幅で且つ同じ電荷密度に戻るように、電子ビームEのパルス幅を圧縮させている。   Subsequently, the optical path of each energy component of the electron beam E is adjusted by the electron beam compressor 3, and the pulse width of the electron beam E is compressed by the electron beam compressor 3 as shown in FIG. Electron beam compression step). At this time, the compression point of the electron beam E in the body of the patient 10 is detected by the beam compression point monitor 4 (detection step). The controller 5 controls the electron beam compressor 3 according to the detection result of the beam compression point monitor 4 (control step). Specifically, the controller 5 feedback-controls each drive current of the electromagnets 3a, 3b, 3c, 3d (see FIG. 2B) of the electron beam compressor 3 based on the detection result of the beam compression point monitor 4. . Thereby, the compression point of the electron beam E is moved in the region including the affected part T. Specifically, as shown in FIG. 3 (d), the electron beam is moved so that the place (irradiation place) where the pulse width is most compressed moves within the region including the affected part T in the body of the patient 10. E is irradiated. In the present embodiment, the pulse width of the electron beam E is most compressed, so that the pulse width is the same as the pulse of the electron beam E generated by the chirped electron beam source 1 (see FIG. 3A) and has the same charge density. To return, the pulse width of the electron beam E is compressed.

以上、本実施形態では、チャープ電子ビーム源1により生成した電子ビームEのエネルギーチャープが、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように電子ビーム位相回転器2により調整される。このようにエネルギーチャープが調整された電子ビームは、患者10内の患部Tに至るまでの伝搬に伴って、自動的に徐々にパルス幅が圧縮されて電荷密度が高まっていく。これにより、電子ビームEを用いたビーム照射にもかかわらず、患者10において患部T以外のエネルギー付与(エネルギーデポジット)を抑える一方で患部Tのエネルギー付与を高めることが可能となる。   As described above, in the present embodiment, the energy chirp of the electron beam E generated by the chirped electron beam source 1 is adjusted by the electron beam phase rotator 2 so that the higher energy component is arranged behind the beam traveling direction. The electron beam whose energy chirp has been adjusted in this way is automatically and gradually compressed in pulse width as it reaches the affected part T in the patient 10, and the charge density increases. Thereby, in spite of the beam irradiation using the electron beam E, it is possible to suppress the energy application (energy deposit) other than the affected part T in the patient 10 while increasing the energy application of the affected part T.

すなわち、本実施形態によれば、エネルギーチャープした電子ビームEを制御し、電子ビームEの伝搬中にそのパルス幅を徐々に圧縮し、患部Tでパルス幅が短くなるように調整して患部Tにおける電子ビームEの電荷密度を高めることができる。患者10の内部の局所的領域である患部Tのみに対して選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を、電子ビームEを用いて実現することが可能となる。   That is, according to the present embodiment, the energy-chirped electron beam E is controlled, the pulse width is gradually compressed during propagation of the electron beam E, and the affected part T is adjusted so that the pulse width is shortened. The charge density of the electron beam E can be increased. Beam irradiation that selectively applies a large amount of energy only to the affected part T, which is a local region inside the patient 10, can be realized using the electron beam E.

図4は、電子ビームEの線量付与分布を示すグラフである。図中の縦軸は、電子ビームEの相対線量であり、図中の横軸は、患者10の電子ビーム入射面からの深さである。図4に示されるように、患部Tに至るまでの深さ領域では、電子ビームEの相対線量は低い状態で維持されているのに対して、患部Tの深さ位置で電子ビームEの相対線量が急峻に高まっている。このように本実施形態では、電子ビームEを用いるにもかかわらず、ハドロンビームのブラッグピーク特性と同様な照射を電子ビームで行うことが期待できる。   FIG. 4 is a graph showing the dose distribution of the electron beam E. The vertical axis in the figure is the relative dose of the electron beam E, and the horizontal axis in the figure is the depth of the patient 10 from the electron beam incident surface. As shown in FIG. 4, in the depth region up to the affected area T, the relative dose of the electron beam E is maintained at a low level, whereas the relative position of the electron beam E at the depth position of the affected area T is maintained. Dose is increasing sharply. As described above, in the present embodiment, it is expected that irradiation similar to the Bragg peak characteristic of the hadron beam is performed with the electron beam, although the electron beam E is used.

本実施形態は、電子ビームコンプレッサ3により、電子ビーム位相回転器2で調整した電子ビームEの各エネルギー成分の光路を調整して、当該電子ビームEのパルス幅を圧縮する。これにより、患部Tまでの光路距離Lを電子ビームEの最大圧縮までの距離に調整できる、すなわち、電子ビームEのパルス幅の圧縮点を調整できる。電子ビームEのパルス幅を患部Tの位置で最も圧縮させることが可能となる。   In this embodiment, the electron beam compressor 3 adjusts the optical path of each energy component of the electron beam E adjusted by the electron beam phase rotator 2 to compress the pulse width of the electron beam E. Thereby, the optical path distance L to the affected part T can be adjusted to the distance until the maximum compression of the electron beam E, that is, the compression point of the pulse width of the electron beam E can be adjusted. The pulse width of the electron beam E can be compressed most at the position of the affected part T.

本実施形態では、電子ビームEのパルス幅が最も圧縮される位置を、患部Tを含む領域内において移動させる。これにより、例えば、一回の電子ビームEの照射で、パルス幅が最も圧縮される箇所(照射箇所)が、広い範囲に亘る患部Tにおいて移動するようにして治療できる。広い範囲に亘る患部Tに対して効果的に電子ビームEを照射できる。   In the present embodiment, the position where the pulse width of the electron beam E is compressed most is moved within the region including the affected part T. Thereby, for example, it is possible to treat such that the portion (irradiation portion) where the pulse width is compressed most in one irradiation of the electron beam E moves in the affected area T over a wide range. The electron beam E can be effectively irradiated to the affected part T over a wide range.

本実施形態では、チャープ電子ビーム源1は、電子ビームEを加速するレーザプラズマ電子加速器を含んでおり、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の前方に配置されるエネルギーチャープを有する電子ビームEを生成する。そして、電子ビーム位相回転器2は、生成した当該電子ビームEのエネルギーチャープを反転させる。このような構成により、患者10の内部の患部Tに選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を電子ビームEを用いて実現するという上記効果を、具体的に奏することが可能となる。   In the present embodiment, the chirped electron beam source 1 includes a laser plasma electron accelerator for accelerating the electron beam E, and generates an electron beam E having an energy chirp arranged in front of the beam traveling direction for higher energy components. . Then, the electron beam phase rotator 2 inverts the energy chirp of the generated electron beam E. With such a configuration, it is possible to specifically achieve the above-described effect of using the electron beam E to realize beam irradiation that selectively applies large energy to the affected part T in the patient 10.

なお、本実施形態では、レーザプラズマ電子加速器を利用するため、重粒子線加速器のような大型施設は不要であり、装置の小型化が可能となる。クリニックに導入できる規模で電子ビーム照射装置100を実現できる。   In this embodiment, since a laser plasma electron accelerator is used, a large facility such as a heavy particle beam accelerator is unnecessary, and the apparatus can be downsized. The electron beam irradiation apparatus 100 can be realized on a scale that can be introduced into the clinic.

[変形例]
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば上記及び図中の各数値には、設計上、計測上又は製造上等の誤差が含まれていてもよい。
[Modification]
As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. For example, each numerical value in the above and the drawings may include errors in design, measurement, manufacturing, or the like.

上記実施形態は、電子ビームEの光路上において電子ビーム位相回転器2と患者10との間(好ましくは、患者10の身体の前)に配置されたファントム(水セル)を更に備えていてもよい。このファントムは、電子ビームコンプレッサ3と同様に電子ビーム圧縮部として機能し、電子ビームEの圧縮点が患者10の体内の患部Tになるように調整できる。また、上記実施形態では、電子ビームEを患者10の体内の患部Tに照射したが、照射対象及び被照射部としては特に限定されるものではない。   The above embodiment may further include a phantom (water cell) disposed on the optical path of the electron beam E between the electron beam phase rotator 2 and the patient 10 (preferably in front of the body of the patient 10). Good. This phantom functions as an electron beam compression unit, similar to the electron beam compressor 3, and can be adjusted so that the compression point of the electron beam E is the affected part T in the body of the patient 10. Moreover, in the said embodiment, although the electron beam E was irradiated to the affected part T in the patient's 10 body, as an irradiation object and an irradiated part, it is not specifically limited.

1…チャープ電子ビーム源(電子ビーム源)、2…電子ビーム位相回転器(チャープ調整部)、3…電子ビームコンプレッサ(電子ビーム圧縮部)、4…ビーム圧縮点モニタ(検知部)、5…コントローラ、10…患者(照射対象)、100…電子ビーム照射装置、E…電子ビーム、T…患部(被照射部)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Chirp electron beam source (electron beam source), 2 ... Electron beam phase rotator (chirp adjustment part), 3 ... Electron beam compressor (electron beam compression part), 4 ... Beam compression point monitor (detection part), 5 ... Controller: 10 ... Patient (irradiation target), 100 ... Electron beam irradiation device, E ... Electron beam, T ... Affected part (irradiated part).

Claims (9)

電子ビームを照射対象内の被照射部に照射する電子ビーム照射装置であって、
エネルギーチャープを有する前記電子ビームを生成する電子ビーム源と、
前記電子ビーム源で生成した前記電子ビームの前記エネルギーチャープを、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように調整するチャープ調整部と、を備える、電子ビーム照射装置。
An electron beam irradiation apparatus for irradiating an irradiated portion in an irradiation target with an electron beam,
An electron beam source for generating the electron beam having energy chirp;
An electron beam irradiation apparatus, comprising: a chirp adjustment unit configured to adjust the energy chirp of the electron beam generated by the electron beam source so that a higher energy component is arranged behind the beam traveling direction.
前記チャープ調整部で調整した前記電子ビームの各エネルギー成分の光路を調整して、当該電子ビームのパルス幅を圧縮する電子ビーム圧縮部を更に備える、請求項1に記載の電子ビーム照射装置。   The electron beam irradiation apparatus according to claim 1, further comprising an electron beam compression unit that adjusts an optical path of each energy component of the electron beam adjusted by the chirp adjustment unit and compresses a pulse width of the electron beam. 前記照射対象内において前記電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を検知する検知部と、
前記検知部の検知結果に応じて、前記電子ビーム圧縮部を制御するコントローラと、を更に備える、請求項2に記載の電子ビーム照射装置。
A detection unit for detecting a position where the pulse width of the electron beam is compressed most in the irradiation target;
The electron beam irradiation apparatus according to claim 2, further comprising a controller that controls the electron beam compression unit according to a detection result of the detection unit.
前記コントローラは、前記検知部の検知結果に基づいて前記電子ビーム圧縮部の駆動信号をフィードバック制御し、前記電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を、前記被照射部を含む領域内において移動させる、請求項3に記載の電子ビーム照射装置。   The controller feedback-controls the drive signal of the electron beam compression unit based on the detection result of the detection unit, and moves the position where the pulse width of the electron beam is compressed most within the region including the irradiated portion. The electron beam irradiation apparatus according to claim 3. 前記電子ビーム源は、前記電子ビームを加速するレーザプラズマ電子加速器を含んでおり、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の前方に配置される前記エネルギーチャープを有する前記電子ビームを生成し、
前記チャープ調整部は、前記電子ビーム源で生成した前記電子ビームの前記エネルギーチャープを反転させる電子ビーム位相回転器である、請求項1〜4の何れか一項に記載の電子ビーム照射装置。
The electron beam source includes a laser plasma electron accelerator for accelerating the electron beam, and generates the electron beam having the energy chirp arranged in front of the beam traveling direction with a higher energy component,
The electron beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the chirp adjusting unit is an electron beam phase rotator that inverts the energy chirp of the electron beam generated by the electron beam source.
電子ビームを照射対象内の被照射部に照射する電子ビーム照射装置の作動方法であって、
エネルギーチャープを有する前記電子ビームを、電子ビーム源により生成する電子ビーム生成ステップと、
前記電子ビーム生成ステップで生成した前記電子ビームの前記エネルギーチャープを、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように、チャープ調整部により調整するチャープ調整ステップと、を備える、電子ビーム照射装置の作動方法。
An operation method of an electron beam irradiation apparatus for irradiating an irradiated portion in an irradiation target with an electron beam,
Generating an electron beam having energy chirp by an electron beam source;
A chirp adjustment step for adjusting the energy chirp of the electron beam generated in the electron beam generation step by a chirp adjustment unit so that a higher energy component is arranged behind the beam traveling direction. How the device works.
電子ビーム圧縮部により、前記チャープ調整ステップで調整した前記電子ビームの各エネルギー成分の光路を調整して、当該電子ビームのパルス幅を圧縮する電子ビーム圧縮ステップを更に備える、請求項6に記載の電子ビーム照射装置の作動方法。   The electron beam compression unit according to claim 6, further comprising: an electron beam compression step of adjusting an optical path of each energy component of the electron beam adjusted in the chirp adjustment step by an electron beam compression unit to compress a pulse width of the electron beam. A method of operating the electron beam irradiation apparatus. 前記照射対象内において前記電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を検知する検知ステップと、
前記検知ステップの検知結果に応じて、前記電子ビーム圧縮部を制御する制御ステップと、を更に備える、請求項7に記載の電子ビーム照射装置の作動方法。
A detection step of detecting a position where the pulse width of the electron beam is compressed most in the irradiation target;
The operation method of the electron beam irradiation apparatus according to claim 7, further comprising a control step of controlling the electron beam compression unit according to a detection result of the detection step.
前記制御ステップでは、前記検知ステップの検知結果に基づいて前記電子ビーム圧縮部の駆動信号をフィードバック制御し、前記電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を前記被照射部を含む領域内において移動させる、請求項8に記載の電子ビーム照射装置の作動方法。   In the control step, the drive signal of the electron beam compression unit is feedback controlled based on the detection result of the detection step, and the position where the pulse width of the electron beam is compressed most is moved within the region including the irradiated portion. The operation method of the electron beam irradiation apparatus according to claim 8.
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