JP2019195408A - スキャニング照射装置および粒子線治療システム、ならびにスキャニング照射装置の調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来に比べて小型化することが可能なスキャニング照射装置および粒子線治療システム、ならびにスキャニング照射装置の調整方法を提供する。【解決手段】 照射装置は、荷電粒子ビームを走査するＸ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２と、目的の位置に対応したＸ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２の励磁量テーブルと、シンクロトロン１０から照射点に至るまでのビーム経路上に存在する電磁石の目的の位置に対応した励磁量のテーブルと、を記憶するデータベース５１と、データベース５１に記憶されたＸ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２の励磁量テーブルに基づきＸ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２を制御するとともに、電磁石の励磁量のテーブルに基づき電磁石を制御する制御装置５０と、を備えている。【選択図】 図１

Description

本発明は、加速された陽子や炭素イオン等の重粒子を腫瘍に照射することで治療する粒子線治療システムやそれに好適なスキャニング照射装置およびスキャニング照射装置の調整方法に関する。

正確に患部を照射することができる粒子線治療装置の一例として、特許文献１には、イオンビームを発生させる荷電粒子ビーム発生装置と、イオンビームを走査する走査電磁石を有し、荷電粒子ビーム発生装置から発生されたイオンビームを照射する照射装置と、イオンビームのビーム位置を検出するビーム位置モニタと、走査電磁石の設定電流値とビーム位置モニタにより検出したビーム位置データとを記憶する記憶装置と、この記憶装置に記憶された設定電流値及びビーム位置データを用い、治療計画データに基づくビーム位置データに応じて走査電磁石の電流値を設定する走査電磁石電流設定値演算装置と、を備えることが記載されている。

特許第４４９４８４８号

治療のために人体に荷電粒子ビーム（以下、ビームと記載）を照射する粒子線治療システムにおいて、目標への高い照射集中性や線量分布制御性を実現する照射方式の一例として、特許文献１に記載のスキャニング照射方式がある。

ここで、スキャニング照射方式では、粒子線治療で使用する高エネルギー原子核ビームは加速器を用いて生成して、照射装置に対して輸送し、照射装置において所定の位置にビームを走査することで標的に照射している。

このようなスキャニング照射方式では、輸送されてきたビームを磁場によって偏向することで走査している。このとき、ビームを照射する位置と走査用の走査電磁石の励磁電流量との間には理想的には比例関係が成り立つ。

しかし、現実には励磁電流量と実際にビームが到達する位置の間の関係は比例関係からのずれが生じる。特許文献１記載の粒子線治療システムでは、電磁石の磁極材料のヒステリシス効果や飽和の影響によって磁場による偏向量と励磁電流量の間の関係が比例関係からずれることを考慮したうえで高精度な照射位置再現性を確保している。

しかしながら、これら従来の走査電磁石では磁極幅がビームの通過領域より広くする必要がある。これは、磁極幅をビームの通過領域幅よりも広くすることで、ビームの通過領域における磁場一様度を確保し、照射野内におけるビームサイズを一定にするためである。しかしながら、このような対策では、走査電磁石が大型化する、との課題があった。

今後、粒子線治療システムの更なる普及のためには、システム全体を小型化することが望ましく、スキャニング照射装置についても同様に小型化が求められている。

本発明は、従来に比べて小型化することが可能なスキャニング照射装置および粒子線治療システム、ならびにスキャニング照射装置の調整方法を提供する。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、加速器によって生成された荷電粒子ビームを目的の位置に照射するスキャニング照射装置であって、前記荷電粒子ビームを走査する走査電磁石と、前記目的の位置に対応した走査電磁石の励磁量テーブルと、前記加速器から照射点に至るまでのビーム経路上に存在する電磁石の前記目的の位置に対応した励磁量のテーブルと、を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記走査電磁石の励磁量テーブルに基づき前記走査電磁石を制御するとともに、前記電磁石の励磁量のテーブルに基づき前記電磁石を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする。

また、他の一例をあげるならば、加速器によって生成された荷電粒子ビームを目的の位置へ走査する走査電磁石を備えたスキャニング照射装置の調整方法であって、前記加速器から照射点に至るまでのビーム経路上に存在する電磁石の前記目的の位置に対応した励磁量を求める工程と、前記目的の位置に対応した走査電磁石の励磁量に加えて、前記求めた電磁石の前記目的の位置に対応した励磁量をテーブルデータとして記憶部に記憶させる工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、走査電磁石の小型化が可能であるため、スキャニング照射装置や粒子線治療システムを従来に比べて小型化することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本発明の粒子線治療システムの全体構成を示す図である。 本発明の粒子線治療システムのうち、スキャニング照射装置内に配置された走査電磁石や四極電磁石の概要を示す図である。 図２のＡ‐Ａ’断面図である。 スキャニング照射装置中の走査電磁石の磁極ギャップのギャップ中心面上の磁場分布を示す図である。 スキャニング照射装置中の走査電磁石の励磁量とビームの照射位置との関係を示す図である。 スキャニング照射装置中の走査電磁石を制御する励磁テーブルの一例を示す図である。 本発明の粒子線治療システムの全体構成の他の形態を示す図である。

本発明のスキャニング照射装置および粒子線治療システム、ならびにスキャニング照射装置の調整方法の実施例について図１乃至図７を用いて説明する。

図１は、粒子線治療システムの全体構成を示す図である。図２は、スキャニング照射装置内に配置された走査電磁石や四極電磁石の概要を示す図、図３は図２のＡ‐Ａ’断面図である。図４はスキャニング照射装置中の走査電磁石の磁極ギャップのギャップ中心面上の磁場分布を示す図、図５はスキャニング照射装置中の走査電磁石の励磁量とビームの照射位置との関係を示す図である。図６はスキャニング照射装置中の走査電磁石を制御する励磁テーブルの一例を示す図である。図７は粒子線治療システムの全体構成の他の形態を示す図である。

図１に示すような、本実施例の粒子線治療システム１は粒子線源としてシンクロトロンを用いた陽子線治療システムである。粒子線治療システム１はビームを生成するシンクロトロン１０、シンクロトロン１０によって生成されたビームを患部に照射する照射ノズル２０、シンクロトロン１０から取り出されたビームを照射ノズル２０まで適切な位置と形状で輸送する輸送装置３０、および制御装置５０からなる。

照射ノズル２０と輸送装置３０の一部は照射点２１を通る直線を中心軸２１１として回転可能な回転ガントリー４０に設置されている。

シンクロトロン１０にはイオン源１０２ａおよび入射器１０２ｂが接続されており、イオン源１０２ａで生成された加速前のイオンが入射器１０２ｂから入射される。

入射されたイオンは四台の偏向電磁石１０１が形作る略四角形の経路を四極電磁石１０６等の生成する磁場によって微調整されて周回しながら、加速空胴１０５を通過するたびに加速される。所定のエネルギーまで加速されたビームは取り出し口１０３から輸送装置３０に導入される。

シンクロトロン１０はＲＦノックアウト方式を用いた遅い取り出しの可能なシンクロトロンであり、高周波キッカ１０４のＯＮ／ＯＦＦ制御に同期してビームのＯＮ／ＯＦＦがなされる。ここで、遅い取り出しとは、出射ビームのパルス幅を数百ミリ秒から数秒以上に広くとることで長期間に渡って少しずつビームを取り出す方法のことである。

制御装置５０は、シンクロトロン１０や照射ノズル２０、輸送装置３０を構成する各機器の動作を制御する装置であり、１つまたは複数のプロセッサ、ＣＰＵ等で構成される。制御装置５０による各機器の動作の制御は各種プログラムで実行される。このプログラムはデータベース５１や内部記録媒体、外部記録媒体に格納されており、ＣＰＵによって読み出され、実行される。

なお、制御装置５０で実行される動作の制御処理は、１つのプログラムにまとめられていても、それぞれが複数のプログラムに別れていてもよく、それらの組み合わせでもよい。また、プログラムの一部または全ては専用ハードウェアで実現してもよく、モジュール化されていても良い。更には、各種プログラムは、プログラム配布サーバや記憶メディアによって各計算機にインストールされてもよい。

本実施例の制御装置５０では、特に、ビーム照射の際には、データベース５１に記憶されたＸ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２の励磁量テーブルに基づきＸ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２を制御するとともに、四極電磁石２０５，２０６の励磁量のテーブルに基づき四極電磁石２０５，２０６を制御する。その詳細は後述する。

データベース５１は、シンクロトロン１０や照射ノズル２０、輸送装置３０構成する各機器の動作を制御するプログラムや、複数の照射計画データ等を記憶する記憶装置である。データベース５１は、有線または無線のネットワーク回線を介して制御装置５０とデータの授受を行っている。

本実施例のデータベース５１では、特に、目的の位置に対応したＸ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２の励磁量テーブルと、シンクロトロン１０から照射点に至るまでのビーム経路上に存在する電磁石の目的の位置に対応した励磁量のテーブル、が記憶されている。その詳細は後述する。

なお、以後の説明では「テーブル」という表現にて本発明の情報を説明するが、これら情報は必ずしもテーブルによるデータ構造で表現されていなくても良く、「関数」、「リスト」、「ＤＢ（データベース）」、「キュー」等のデータ構造やそれ以外で表現されていても良い。そのため、データ構造に依存しないことを示すために、「テーブル」、「関数」、「リスト」、「ＤＢ」、「キュー」等については、単に「情報」や「データ」と呼ぶこともできる。

照射ノズル２０は二台のＸ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２、二台の四極電磁石２０５，２０６が設置されている。

Ｘ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２はビームの進行方向に対して互いに垂直な二方向に磁場を発生させることができる。これによってビームは照射点２１の手前でビーム進行方向に対して垂直方向に走査され、照射点２１の周辺の領域にビームを照射することができる。

このような照射ノズル２０では、Ｘ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２の励磁量を適切に制御することにより、ビームの照射位置を定めることができる。

そのために、制御装置５０は電磁石電源１１２ａ，１１２ｂに対して指令信号を出力し、電磁石電源１１２ａはＸ方向走査電磁石２０１に対して指令量の電流を供給し、電磁石電源１１２ｂはＹ方向走査電磁石２０２に対して指令量の電流を供給することで、所定の励磁量が得られるようにする。

Ｘ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２に加えて四極電磁石２０５，２０６の励磁量を適切に励磁し、シンクロトロン１０からビームを取り出し、取り出したビームは輸送装置３０を通過して適切なビームサイズとビーム位置で照射点２１に到達する。この制御によってスキャニング照射が実現できる。

更に、のちに述べる調整時は、照射点２１に設置されたビームモニタ２０４と、その上流に設置されたビームモニタ２０３と、によってビームの位置・ビームの方向・照射された線量を計測している。

本実施例の粒子線治療システム１の調整では、ビームモニタ２０３，２０４によって計測された照射位置と照射位置ごとのビームサイズがあらかじめ指定された値に一致するようにＸ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２、四極電磁石２０５，２０６、シンクロトロン１０、輸送装置３０が調整される。その詳細は後述する。

輸送装置３０は建屋に対して固定された固定輸送系３１と回転ガントリー４０に設置された回転輸送系３２からなる。それぞれの輸送系において、偏向電磁石３１１，３２１、四極電磁石３１２，３２２、ステアリング電磁石３１３，３２３、ビームプロファイルモニタ３１４，３２４が設置されている。

また、四極電磁石３１２に対して所定量の電流を供給する電源１１１ａ、ステアリング電磁石３１３に対して所定量の電流を供給する電源１１１ｂ、ビームプロファイルモニタ３１４に対して所定量の電流を供給する電源１１１ｃ、偏向電磁石３１１に対して所定量の電流を供給する電源１１１ｄ、を有しており、制御装置５０からの指令信号に基づいて各々の電磁石に対して所定量の電流が供給される。

なお、図示の都合上省略しているが、回転輸送系３２内の偏向電磁石３２１、四極電磁石３２２、ステアリング電磁石３２３、ビームプロファイルモニタ３２４にも同様に電流を供給する電源が接続されており、制御装置５０からの指令信号に基づいて所定量の電流が供給される。

偏向電磁石３１１は固定輸送系３１を構成しており、偏向角は４５度である。偏向電磁石３２１は回転輸送系３２を構成しており、偏向角が９０度の偏向電磁石である。いずれの偏向電磁石もビームが通過する領域（ビーム通過領域）は平坦磁場とみなせる。

四極電磁石３１２は固定輸送系３１に設置されており、四極電磁石３２２は回転輸送系３２に設置されている。四極電磁石３１２，３２２はビームが通るべき設計軌道からの変位に比例した磁場強度を持つ分布の磁場を励磁する。

四極電磁石３１２，３２２を通過する際に、ビームを構成する一つの粒子は、ビームの軌道に対して直交しているある方向に対しては変位と逆向きの力（収束力）をうけ、さらにビームの軌道に対して直交する別の方向に対しては変位と同じ向きの力（発散力）を受ける。

ビームは輸送装置３０を通過中に四極電磁石３１２，３２２からの収束力と発散力を受けながら、最終的に照射ノズル２０に所定の軌道上に所定のビームサイズにて到達する。

さて、輸送装置３０に設置された偏向電磁石３１１，３２１と四極電磁石３１２，３２２，２０５，２０６、および磁場のない自由空間（ドリフトスペース）のそれぞれについて、ビームが当該箇所を通過中に受ける作用については輸送行列で表すことができる。

ビームを構成する各粒子について、設計軌道からの変位と運動量のなす角について設計軌道に直行する二つの方向について定める。具体的には、二つの変位をｘおよびｙ、二つの傾きをｘ’およびｙ’で表すと、四つの変数（ｘ，ｘ’，ｙ，ｙ’）がなす空間は位相空間となる。

輸送行列は位相空間上の線形変換に対応する。また、偏向電磁石およびドリフトスペースについては、それぞれの輸送行列Ｒ_ＢＭ、Ｒ_ＤＲは下記数式（１）および下記数式（２）のように表すことができる。

四極電磁石の輸送行列はその励磁量に依存し、収束方向については下記数式（３）で定義されるＲ_Ｆように、発散方向については下記数式（４）で定義されるＲ_Ｄのように表される。

ただしθは偏向角度、ρは偏向半径、Ｌは経路長、ｋは磁場勾配をビームの磁気剛性率で除したものの平方根である。

これらの輸送行列の積としてシンクロトロン出射点１１から照射点２１までの輸送行列が算出できる。すなわち、シンクロトロン１０から取り出されるビームの位相空間上の粒子分布を既知とすれば、輸送行列を用いて照射点２１における粒子分布を知ることができる。

また、逆に、シンクロトロン１０から取り出されるビームの位相空間上の粒子分布を既知とし、照射点２１における粒子分布の設計値を定めたうえで四極電磁石３１２，３２２の励磁量を変数として解くことによって、所望の粒子分布を実現する励磁量を算出することができる。このような励磁量で輸送することで照射点２１において所望の粒子分布となるようにビームを輸送することができる。

このような設計通りの四極電磁石の励磁量で設計通りの照射点での粒子分布が得られている状態を理想的な状態と定義する。

しかしながら、実際は、輸送装置３０および照射ノズル２０には理想的な状態からのずれを引き起こす要素が複数存在する。

例えば各種電磁石の中心軸のずれや、磁極の温度変化による磁気特性変化に起因する磁場変化や、設計外の漏れ磁場、多極磁場などが考えられる。

特に、Ｘ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２は、その特性から、ビームが通過しうる領域が相対的にほかの電磁石より大きく、照射の際はこれらの影響を考慮する必要がある。

次に、本実施例の粒子線治療システム１の照射ノズル２０におけるビームのふるまいについて詳細を述べる。照射ノズル２０の機器構成を図２に示す。

図１に示すように、照射ノズル２０は回転輸送系３２に設置された最下流の偏向電磁石３２１よりも下流の直線部に設置されており、図２に示すように、上流から順に、照射ノズル２０内の四極電磁石２０５，２０６、Ｘ方向走査電磁石２０１、Ｙ方向走査電磁石２０２、ビームモニタ２０３と、照射ノズル２０外のビームモニタ２０４、照射点２１という配置になっている。

本実施例においては、四極電磁石２０５，２０６は、目的の位置にビームを走査するために、照射ノズル２０内のうち、Ｘ方向走査電磁石２０１の上流側に設けられている。また、これらの四極電磁石２０５，２０６に電流を供給する電磁石電源１１３ａ，１１３ｂが設けられている。制御装置５０は、電磁石電源１１３ａ，１１３ｂに対して指令信号を出力し、電磁石電源１１３ａは四極電磁石２０５に対して指令量の電流を供給し、電磁石電源１１３ｂは四極電磁石２０６に対して指令量の電流を供給することで、所定の励磁量を得るように構成する。

前述のとおり、Ｘ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２の二台の走査電磁石によってビームは偏向され、所定の照射位置に照射される。Ｘ方向走査電磁石２０１のビーム軌道に直行するＡ−Ａ’平面での断面図を図３に示す。

図３に示すように、Ｘ方向走査電磁石２０１はＨ型電磁石であり、１対のコイル２０１１が対向設置された磁極２０１２に巻き付けられ、保持されている。磁極２０１２は継鉄２０１３を通じて磁気的に接続されており、コイル２０１１に電流が流れると磁極２０１２間のギャップ２０１４に磁場が励起される。

ギャップ２０１４に励起される磁場は位置依存性が生じる。すなわち、図３におけるギャップ中心面２０１５上の磁場分布は、図４に示す如く、理想的には中心線２２（図２参照）からの変位の増加に対して一定である（点線４０１）ものの、現実には中心線２２からの変位の増加に対して減少する分布となる（実線４０２）。

この磁場分布は一般的に変位の二次関数で近似することが可能であり、変位の二乗に比例する磁場の分布を六極磁場と呼ぶ。六極磁場は磁極の中心線２２上のビームに対しては実質的に影響しないが、中心線２２からずれた位置にある粒子にはキックとして作用する。

Ｘ方向走査電磁石２０１が有限の励磁量を持つとき、ビーム中心が磁極中心線からずれる。図２において四極電磁石２０５側からビームが入射され、左向きに偏向を受ける場合、変位が大きくなるにつれて磁場の絶対値が減少するため、偏向方向内側にいる粒子はより多くのキック量を受ける。すなわち、Ｘ方向への発散作用を持つ。

一方、励磁する磁場の向きを逆にし、右向きに偏向を受ける場合も変位が小さくなるにつれて磁場の絶対値が増大する。このため、同じくＸ方向への発散作用を持つ。また、ギャップ中心面２１０５と直交する方向（Ｙ方向）に変位した粒子についてはＸ方向とは逆に収束作用を受ける。

Ｙ方向走査電磁石２０２は、Ｘ方向走査電磁石２０１を９０度回転させた構造であり、この議論をＹ方向走査電磁石２０２についても適用すると、Ｙ方向には発散力が生じ、ギャップ中心面と直交する方向（Ｘ方向）には変位に応じた収束作用を受ける。

さて、この収束力あるいは発散力は磁場分布が変位の二乗に比例し、ビーム中心の変位は走査量に比例するため、実効的には変位の三乗に比例する。この効果により、図５に示すように、励磁量とビームの照射位置の関係は破線で示す理想的な状態である比例関係（点線５０１）からずれ、実線５０２で示すような三次関数で近似できる依存性が現れる。

さらに、照射点でのビームサイズは理想的には照射位置に依存せず常に一定となるが、上述の効果を考慮した場合は照射位置の二次関数で表されるような依存性を示す。

上記した収束力または発散力のずれの影響は、Ｘ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２のビームの通過領域における磁場分布が十分に平坦であれば無視することができる。しかしながら、そのためにはＸ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２の磁極幅を充分広げる必要がある。具体的には、走査電磁石はビームの通過領域より数倍程度大きな幅の磁極幅が必要となる。

しかしながら、磁極幅を広げるためには、ビームが通過しない領域に対しても磁場が励磁されることになり、必要以上にインダクタンスが大きな電磁石となってしまい、小型が困難である。

そこで、本実施例では、上記したようなずれの影響を照射性能に影響させないために、以下のような対策を採用する。

上記の理想状態からのずれは、前述したように、照射位置と走査電磁石の励磁量の比例関係からのずれと、ビームサイズの照射位置依存性がある。

そこで、Ｘ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２の励磁量に加えて、四極電磁石２０５，２０６を用いるとともに、その励磁量を補正することによって上記のずれを補正する。

すなわち、目的の位置に対応したＸ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２の励磁量テーブルと、シンクロトロン１０から照射点に至るまでのビーム経路上に存在する電磁石の目的の位置に対応した励磁量のテーブルと、をデータベース５１に保存しておく。その上で、制御装置５０は、入力として与えた照射計画に含まれるビームの照射位置（Ｘ，Ｙ）に対して、Ｘ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２の励磁量と四極電磁石２０５，２０６の励磁量を読み出し、その値で各電磁石を励磁する。

具体的には、励磁テーブルの形式は、図６に示すように、照射位置（Ｘ，Ｙ）と、Ｘ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２の励磁量と、四極電磁石２０５，２０６の励磁量と、が対応付けられている。

当該テーブルに代わり関数として実装することも可能であり、その場合は励磁量を照射位置（Ｘ，Ｙ）の多項式関数として表せば上記のずれは補正することが可能である。

以下、粒子線治療システム１の調整時におけるテーブルの作成手順について説明する。

本体系では、ビームモニタ２０３，２０４で検出されるビーム位置およびビームサイズから照射点２１のビームサイズを計算機５２によって計算する。また、テーブル作成時には、計算機５２においてビームモニタ２０３，２０４の測定結果を照射点２１でのビームサイズとビーム位置とビーム軌道の傾きに変換し、出力する。

このような条件において、四極電磁石２０５，２０６の励磁量は理想条件のまま、Ｘ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２の励磁量を変化させ、各励磁量における照射点２１でのビームサイズとビーム位置を測定する。これによると、上記の磁場分布の影響によって生じる、図５に示したようなビームの位置ずれとビームサイズの位置ずれを測定することができる。

そして、そのずれを照射位置（Ｘ，Ｙ）の少なくとも三次の多項式でフィッティングすることによって、上記の磁場分布の影響を高次の項として評価することができる。すなわち、励磁量テーブルのうち、Ｘ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２の励磁量の値は、フィッティング結果を逆に照射位置（Ｘ，Ｙ）について解くことによって求めることができる。

さらに、四極電磁石２０５，２０６の励磁量については以下の線形光学の手法を用いて得ることができる。

まず、四極電磁石２０５，２０６が理想状態であり、その輸送行列がＲ_２０５，Ｒ_２０６として表せるとき、Ｘ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２の励磁量が０、すなわち照射点位置がＸ＝０かつＹ＝０の時の四極電磁石２０５から照射点２１までのＸ方向の輸送行列は下記数式（５）のように表せる。

式５中、Ｒ_Ｄ１〜Ｒ_Ｄ５は、図２に示すように、各電磁石間の距離のドリフトスペースに対応する輸送行列である。

しかしながら、実際にＸ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２を励磁する場合は、四極電磁石２０５から照射点２１までの輸送行列は理想的な状態とは異なり、結果として照射点２１のビームサイズが変化する。

そこで、この変化を上流の四極電磁石２０５，２０６の励磁によって補正する。補正後の四極電磁石２０５，２０６の輸送行列をＲ’_２０５，Ｒ’_２０６とすると、補正後の輸送行列は下記数式（６）となる。

式６中、ベクトルｋ_１〜ｋ_４はＸとＹに関する二次関数を決定づける係数であり、測定データから得られ、Ｘ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２の収束発散作用に対応している。

この式（６）によってビームサイズが補正前後で一致すれば補正の目的が達成される。

ここで、ビームサイズはビームを構成する各粒子の中心からの変位についての標準偏差として与えられるため、補正量を求めるために必要な方程式は下記式（７）および式（８）となる。

ただし、σは四極電磁石２０５におけるビームの位相空間上の分布を表す分散共分散行列である。

ここで、式（７）はＸ方向のビームサイズを求める輸送行列であり、左辺は走査電磁石２０１，２０２による走査がない場合、すなわち擾乱要素を加味しない輸送行列、右辺は走査がある場合、すなわち擾乱要素を加味した輸送行列である。同様に、式（８）はＹ方向のビームサイズを求める輸送行列であり、左辺は擾乱要素を加味しない輸送行列、右辺は擾乱要素を加味した輸送行列である。

この式（７），式（８）は二変数の連立方程式であることから、左辺の擾乱要素を加味しない輸送行列を目標値としてこれを解くことによって必要な励磁量が得られる。

上記の処理によって測定データから補正量を算出出来たら、励磁量テーブルを作成し、それをデータベース５１に保存することによってビームを照射する際の励磁量が定まり、照射点におけるビームサイズとビーム位置が所定の値となることが期待できる。

なお、励磁量テーブルを作成し、それに従った励磁をしたとしても、上記以外の誤差要因によって照射位置とビームサイズが所定の値からのズレが生じる可能性がある。しかしながら、そのような場合にも、再度上記の手順によって所望のビームサイズと照射位置を実現する励磁量を再び算出することで対応することができる。この値に励磁量テーブルを更新することで高精度な照射を実現する。

上記手順によって、走査電磁石２０１，２０２のサイズを小型化したとしても、所望の照射位置とビームサイズでスキャニング照射が可能となる。

次の段階として、回転ガントリー４０の回転による照射位置とビームサイズの変動を同じアルゴリズムで抑制することができる。

回転ガントリー４０を備える場合、回転ガントリー４０の回転に対して理想的な状態を乱す擾乱が変化する。

回転ガントリー４０を回転させる際に特有の擾乱としては、回転輸送系３２のたわみによる偏向電磁石３２１と四極電磁石３２２の変位がある。これは主に照射点２１におけるビームの位置ずれを引き起こす。また、偏向電磁石３２１が持つ六極以上の多極磁場成分の量によってはビームサイズの変化をも引き起こす。また第二の擾乱要因として回転輸送系３２の入射点におけるビームパラメータの理想状態からずれがあげられる。

回転輸送系３２では、回転ガントリー４０の回転角度によらず、理想的に固定輸送系３１が輸送したビームを一定形状のままビームが照射点２１に照射されるように四極電磁石３２２の励磁量が調整されている。具体的には、接続点３３でビームのＸ方向とＹ方向のＴｗｉｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒが同一であるように調整されている。

なお、Ｔｗｉｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒとは、電子ビームが集団として、進行方向と直交する面内（水平面と垂直面）でどのように広がったり縮んだりするかを記述する関数の一種であり、ビームの広がり、ビーム広がりの変化率、ビームの角度広がりを表す３種類の関数から構成されるものである。

しかし、固定輸送系３１の調整が不十分である場合は、Ｘ方向とＹ方向のＴｗｉｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒにずれが生じ、その結果として、回転ガントリー４０の回転に伴い回転輸送系３２への入射条件が変化し、照射点２１におけるビームサイズの理想からのずれを引き起こす。

これらの回転ガントリー４０の回転に伴うビーム位置とビームサイズのずれは、前述の照射点位置に応じて生じるビーム位置とビームサイズのずれの補正と同じ手法で補正することが可能である。

すなわち、ガントリー角度θに対して、Ｘ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２と四極電磁石２０５，２０６の補正励磁量をテーブルとしてデータベース５１上に保存し、運転時にはその補正量を加算した励磁量で励磁することで任意のガントリー角度に対して所定のビーム位置とビームサイズでの照射が可能となる。

次に、本実施例の効果について説明する。

上述した本実施例の粒子線治療システム１が備えるスキャニング照射装置は、シンクロトロン１０によって生成されたビームを目的の位置に照射する装置であって、ビームを走査するＸ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２と、目的の位置に対応したＸ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２の励磁量テーブルと、シンクロトロン１０から照射点に至るまでのビーム経路上に存在する電磁石の目的の位置に対応した励磁量のテーブルと、を記憶するデータベース５１と、データベース５１に記憶されたＸ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２の励磁量テーブルに基づきＸ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２を制御するとともに、電磁石の励磁量のテーブルに基づき電磁石を制御する制御装置５０と、を備えている。

このような構成であることによって、走査電磁石を大型化することなく、高精度なビーム照射が可能となる。このため、スキャニング照射装置や治療システムの精度を確保しつつ、小型化を図ることができる。

また、ビーム経路上に存在する電磁石として、２個の四極電磁石２０５，２０６を採用するため、収束力の高い電磁石によってビームのサイズ、位置調整をより容易、かつ高精度に実行することができる。

更に、電磁石の励磁量を求める工程では、ビームのサイズが照射位置によらず一定値となるようにビームに対する擾乱要素を加味した輸送行列と擾乱要素を加味しない理想的な輸送行列とを計算し、理想的な輸送行列から計算されるビームサイズを目標値として励磁量を算出することにより、実際に調整用の照射を実施する必要がなくなり、照射精度と小型化の両立を図るとともに、調整に要する時間を削減することができる、との効果が得られる。

＜その他＞
なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。

例えば、データベース５１に記憶させる、図６に示すような補正テーブルデータの作成手法は、上述の実施例のように輸送行列から計算される場合にかぎられず、以下に示すような手順によっても作成することができる。

具体的には、最初に、Ｘ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２を目的の位置に対応した励磁量に励磁した状態でビームの通過位置およびサイズを計測する。

次いで、計測されたビームの通過位置およびサイズが所定値となるように四極電磁石２０５，２０６の励磁量を調整して、調整完了後の励磁量を記録する。ここまでの手順で求まるデータが、図６の１行分の四極電磁石２０５，２０６の補正励磁量テーブルデータである。

次いで、Ｘ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２の励磁量を別の照射位置用の値に変更して、ビームの通過位置およびサイズの計測と四極電磁石２０５，２０６の励磁量の調整を行う、との流れを目的に位置に対応したすべてのＸ方向走査電磁石２０１，Ｙ方向走査電磁石２０２の励磁量で行う。

その後、上述の手順によって作成された四極電磁石２０５，２０６の励磁量のデータを補正テーブルデータとしてデータベース５１に保存することができる。

このような方法によれば、実測値に基づいたより高精度な補正励磁量の計測が可能となり、照射精度を担保することができる。

また、上述の実施例では、Ｘ方向走査電磁石２０１およびＹ方向走査電磁石２０２に加えて、四極電磁石２０５，２０６の励磁量でビーム位置とビームサイズを補正する場合について説明したが、他の補正手段で補正することも可能である。四極電磁石以外の補正手段としては、六極電磁石やステアリング電磁石、偏向電磁石等の各種電磁石を用いることができる。

例えば、図７に示すように、粒子線治療システム１Ａの輸送装置３０Ａ中の回転輸送系３２Ａを構成する照射ノズル２０Ａでは、図１に示す照射ノズル２０の四極電磁石２０５，２０６の位置に六極電磁石２１５，２１６を配置し、上記と同様の流れで調整したテーブルデータに基づいて六極電磁石電源１１４ａ，１１４ｂに供給する電流値を制御して六極電磁石２１５，２１６の励磁量を制御することよっても、上記と同様の効果が得られる。

また、ビームサイズの補正には照射ノズル２０内の四極電磁石２０５，２０６の組み合わせだけでなく、輸送装置３０中の四極電磁石３１２，３２２から選ぶことができる。

さらに、照射点２１に限らず、ビーム位置とビームサイズが測定可能な箇所であれば、輸送装置３０，３０Ａ中の任意の箇所に設置する電磁石に適用することができる。

さらに、粒子線治療システムのうち、照射装置は回転ガントリーに搭載されたものである必要性はなく、固定照射装置を用いた粒子線治療システムについても上述の実施例と同様の手法を適用することが可能である。また、ビーム輸送系を省略し、加速器から照射装置へ直接ビームを輸送することができる。

また、上述の実施例では、１台の加速器に対して１台の治療室からなる治療システムを挙げたが、治療室が複数ある粒子線治療システムでも個々の照射点ごとに本発明の補正手段を適用することが可能である。

また、本実施例では加速器としてシンクロトロンを採用している場合について説明したが、加速器の種類はほかの種類（例えばサイクロトロン・シンクロサイクロトロンなど）でも採用可能である。

１…粒子線治療システム
２０…照射ノズル
２１…照射点
２２…中心線
３０…輸送装置
３１…固定輸送系
３２…回転輸送系
３３…接続点
４０…回転ガントリー
５０…制御装置
５１…データベース（記憶部）
２０１…Ｘ方向走査電磁石
２０２…Ｙ方向走査電磁石
２０３，２０４…ビームモニタ
２０５，２０６…四極電磁石
２１１…中心軸
３１１，３２１…偏向電磁石
３１２，３２２…四極電磁石
３１３，３２３…ステアリング電磁石
３１４，３２４…ビームプロファイルモニタ

Claims (9)

1. 加速器によって生成された荷電粒子ビームを目的の位置に照射するスキャニング照射装置であって、
   前記荷電粒子ビームを走査する走査電磁石と、
   前記目的の位置に対応した走査電磁石の励磁量テーブルと、前記加速器から照射点に至るまでのビーム経路上に存在する電磁石の前記目的の位置に対応した励磁量のテーブルと、を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記走査電磁石の励磁量テーブルに基づき前記走査電磁石を制御するとともに、前記電磁石の励磁量のテーブルに基づき前記電磁石を制御する制御装置と、を備えた
   ことを特徴とするスキャニング照射装置。
2. 請求項１に記載のスキャニング照射装置において、
   前記ビーム経路上に存在する電磁石は、２個の四極電磁石、あるいは２個の六極電磁石の何れかである
   ことを特徴とするスキャニング照射装置。
3. 請求項２に記載のスキャニング照射装置において、
   前記２個の四極電磁石、前記２個の六極電磁石が、前記走査電磁石を収容する照射装置内に配置されている
   ことを特徴とするスキャニング照射装置。
4. 加速器によって生成された荷電粒子ビームを目的の位置に照射するスキャニング照射装置であって、
   前記荷電粒子ビームを走査する走査電磁石と、
   前記走査電磁石の上流側に設けられ、前記目的の位置に前記荷電粒子ビームを走査する、２個の四極電磁石、あるいは２個の六極電磁石と、を備えた
   ことを特徴とするスキャニング照射装置。
5. 請求項１または請求項４に記載のスキャニング照射装置を備えた
   ことを特徴とする粒子線治療システム。
6. 加速器によって生成された荷電粒子ビームを目的の位置へ走査する走査電磁石を備えたスキャニング照射装置の調整方法であって、
   前記加速器から照射点に至るまでのビーム経路上に存在する電磁石の前記目的の位置に対応した励磁量を求める工程と、
   前記目的の位置に対応した走査電磁石の励磁量に加えて、前記求めた電磁石の前記目的の位置に対応した励磁量をテーブルデータとして記憶部に記憶させる工程と、を有する
   ことを特徴とするスキャニング照射装置の調整方法。
7. 請求項６に記載のスキャニング照射装置の調整方法において、
   前記電磁石の励磁量を求める工程では、前記荷電粒子ビームのサイズが照射位置によらず一定値となるようにビームに対する擾乱要素を加味した輸送行列と前記擾乱要素を加味しない理想的な輸送行列とを計算し、前記理想的な輸送行列から計算されるビームサイズを目標値として前記励磁量を算出する
   ことを特徴とするスキャニング照射装置の調整方法。
8. 請求項６に記載のスキャニング照射装置の調整方法において、
   前記電磁石の励磁量を求める工程では、前記走査電磁石を前記目的の位置に対応した励磁量に励磁した状態で前記荷電粒子ビームの通過位置およびサイズを計測し、計測された前記荷電粒子ビームの通過位置およびサイズが所定値となるように前記電磁石の励磁量を調整する工程を前記目的に位置に対応したすべての前記走査電磁石の励磁量で行うことによって前記励磁量を求める
   ことを特徴とするスキャニング照射装置の調整方法。
9. 請求項６に記載のスキャニング照射装置の調整方法において、
   前記ビーム経路上に存在する電磁石を、２個の四極電磁石、あるいは２個の六極電磁石の何れかとする
   ことを特徴とするスキャニング照射装置の調整方法。

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