JP2020000779A - 荷電粒子ビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の荷電粒子ビーム照射装置では、複数の固定照射ポートを設けた構成ではアイソセンターに照射できる方向は不連続であり、照射方向の数だけビーム輸送ラインが必要となる問題があり、連続的に照射できる構成であってもアイソセンターへ異なる方向から荷電粒子ビームを照射するには巨大なビーム輸送装置そのものを回転させる必要があるという問題がある。【解決手段】本発明は、荷電粒子ビームを偏向することで、アイソセンターへの荷電粒子ビームの照射角を連続的に変える偏向電磁石と、前記偏向電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って連続的に移動する照射ノズルとを備え、前記偏向電磁石から出射した荷電粒子ビームは前記照射ノズルを通り前記アイソセンターに照射される、荷電粒子ビーム照射装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子ビーム照射装置に関する。

従来より、高エネルギーに加速された荷電粒子ビームを癌などの悪性腫瘍に照射し、悪性腫瘍を治療する粒子線治療が行われている。

荷電粒子ビームを物体に照射すると、物体内の荷電粒子ビームの経路に沿って物体にエネルギー（線量）が付与される。物体内部の限られた領域（標的）に集中して線量を付与する場合、荷電粒子ビームが標的に重なるように、荷電粒子ビームを様々な方向から照射することで線量の集中性を高めることが行われる。

粒子線治療の分野において、正常な組織の被ばくを抑えつつ、体内の標的に多くの線量を付与するために、複数の方向から荷電粒子ビームを照射する方法が一般的である。このような照射装置として、患者を全方向から照射するためにビーム輸送系の一部と照射部とが回転する回転照射装置が知られている（特許文献１及び２）。また、治療室に複数の固定照射ポートを設け、照射ポート末端の照射ノズルのみを照射方向に移動させる粒子線治療システムも知られている（特許文献３）。

図８（ａ）は、特許文献３に記載のような従来の荷電粒子ビーム照射装置を説明するための図であり、図８（ｂ）は、ビーム輸送系の下流側と、照射ノズルを側面から見た概略構成図である。加速器から取り出された荷電粒子ビームは、複数の電磁石等からなるビーム輸送系を通り、その後、ビーム輸送系末端にある照射ノズルを通過し、対象（患者等）に照射される。図８の例では１つの治療室にビーム輸送系が３つ設けられている。照射ノズルは治療室内で共通に利用されるものとなっており、ビーム輸送系末端の照射ノズルを各ビーム輸送系に駆動することで、対象に対して三方向からビームを照射する構成である。２箇所の振分電磁石以降（下流側）から照射ノズルまでを照射ポートとすると、患者に荷電粒子ビームの照射を行うときに、照射ノズルを駆動し、治療室内に３つの照射ポート（水平、４５°、垂直）を構成する。このように、従来の装置では不連続な特定の角度（図８の例では、水平に対して０°、４５°、９０°の角度）からのみ荷電粒子ビームの照射が可能な構成である。

特表２０１３−５０５７５７号公報 特許第２８３６４４６号 特開２０１７−１５３９１０号公報

特許文献１及び２に記載の回転照射装置では、患部（アイソセンター）への照射角度を連続的に変えることができる一方で、アイソセンターへ異なる方向から荷電粒子ビームを照射するには巨大なビーム輸送装置そのものを回転させる必要がある。このことは、ひいてはその製作に係る困難性やコスト、設置スペースの面などの問題を生じる。

特許文献３に記載の複数の固定照射ポートを設けた粒子線治療システムでは、アイソセンターに照射できる方向は不連続であり、また照射方向の数だけビーム輸送ラインも必要となる。このことは、ひいてはその製作に係る困難性やコスト、設置スペースの面などの問題を生じる。

上記に鑑み、本発明は、荷電粒子ビームを偏向することで、アイソセンターへの荷電粒子ビームの照射角を連続的に変えることができる偏向電磁石と、該偏向電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って連続的に移動する照射ノズルとを備え、該偏向電磁石から出射した荷電粒子ビームは該照射ノズルを通り前記アイソセンターに照射される、荷電粒子ビーム照射装置を提供することを目的とする。

本発明には以下の態様〔１〕〜〔１１〕が含まれる。
〔１〕
荷電粒子ビームを偏向することで、アイソセンターへの荷電粒子ビームの照射角を連続的に変える偏向電磁石と、
前記偏向電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って連続的に移動する照射ノズルとを備え、
前記偏向電磁石から出射した荷電粒子ビームは前記照射ノズルを通り前記アイソセンターに照射される、荷電粒子ビーム照射装置。
〔２〕
前記偏向電磁石は、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置されたコイル対を備え、
前記コイル対は、電流を入力すると、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸）に直交する方向（Ｚ軸）に磁場が向いた有効磁場領域を生成するよう構成されており、ここで、Ｘ軸とＺ軸の両方に直交する軸をＹ軸とし、
ＸＹ面において、
偏向起点ＱにてＸ軸に対する偏向角φで偏向し、前記有効磁場領域に入射した荷電粒子ビームは、前記有効磁場領域により偏向され、Ｘ軸に対する照射角θで前記照射ノズルを通り前記アイソセンターに照射され、
前記有効磁場領域の荷電粒子ビームの出射側の境界上の任意の点Ｐ２は、前記アイソセンターから等距離ｒ_１の位置にあり、
前記有効磁場領域の荷電粒子ビームの入射側の境界上の点Ｐ１と前記点Ｐ２は、半径ｒ_２及び中心角(θ＋φ)の円弧上にあり、
前記偏向起点Ｑと前記点Ｐ１との間の距離Ｒは、前記偏向起点Ｑと前記アイソセンターとの間の距離をＬとすると、関係式（４）：
を満たす、上記〔１〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔３〕
前記照射ノズルは、荷電粒子ビームを所定の範囲内で走査可能にする走査電磁石と、荷電粒子ビームを監視するビームモニタとを備える、上記〔２〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔４〕
前記ビームモニタからの情報を基に、前記走査電磁石を制御して、荷電粒子ビームを走査するスキャニング制御部をさらに備える上記〔３〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔５〕
前記照射ノズルは、前記偏向電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って設けられたガイドレールに沿って移動する、上記〔２〕〜〔４〕のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔６〕
前記照射ノズルは、治療室内側の壁面の一部を構成するカバーに設置され、
前記カバーが前記偏向電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って連続的に移動することで、前記照射ノズルが前記偏向電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って連続的に移動する、上記〔２〕〜〔４〕のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔７〕
前記偏向電磁石は、前記コイル対を二組以上備え、
前記二組以上のコイル対は、荷電粒子ビームの経路を挟み且つＹ軸方向に並ぶように配置され、
前記第１のコイル対及び前記第２のコイル対は、生成する有効磁場領域の磁場の向きが互いに反対となるよう構成されている、上記〔２〕〜〔６〕のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔８〕
荷電粒子ビームを生成する加速器と、
前記加速器からの荷電粒子ビームを、前記偏向起点Ｑにて１０度以上の偏向角φで偏向する振分電磁石と
をさらに有する上記〔２〕〜〔７〕のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔９〕
前記振分電磁石装置と前記偏向電磁石とを接続する真空ダクト
をさらに有し、
前記真空ダクトは、ＸＹ面において扇型形状をしており、前記１０度以上の偏向角φで偏向された荷電粒子ビームであっても前記真空ダクト内を通過できるよう構成されている、上記〔８〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。

本発明の一実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置により、巨大なビーム輸送装置そのものを回転させたり、照射方向の数だけビーム輸送ラインを設けなくても、アイソセンターへの照射角を連続的に変えることができる（連続的に異なる方向からアイソセンターに照射できる）。ひいては、本発明の一実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置は、従来の装置における製作に係る困難性やコスト、設置スペースの面などの問題の解決を可能にする。

一実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図である。 一実施形態に係る偏向電磁石の概略構成図である。 一実施形態に係る有効磁場領域の形成を説明するための図である。 一実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図である。 一実施形態に係る制御システムのブロック図である。 一実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図である。 他の形態の荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図である。 従来の荷電粒子ビーム照射装置を説明するための図である。

本発明の一実施形態は、患部（アイソセンター）に荷電粒子ビームを照射する照射ノズル１００に関する。

図１は、本実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置１０の概略構成図である。荷電粒子ビーム照射装置１０は、加速器２０、荷電粒子ビーム輸送系３０、偏向電磁石４０、及び照射ノズル１００を備える。照射ノズル１００は、患者を載せる治療台が備わった治療室５０内に配置されている。

加速器２０は、荷電粒子ビームを生成する装置であり、例えばシンクロトロン、サイクロトロン、又は線形加速器である。加速器２０で生成された荷電粒子ビームは、荷電粒子ビーム輸送系３０を通じて偏向電磁石４０に導かれる。

荷電粒子ビーム輸送系３０には、１つ又は複数の荷電粒子ビーム調整手段３１、真空ダクト３２、振分電磁石３３、及び扇型真空ダクト３４などが含まれる。加速器２０、荷電粒子ビーム調整手段３１、及び振分電磁石３３は、真空ダクト３２で接続され、振分電磁石３３及び偏向電磁石４０は扇型真空ダクト３４で接続されている。ＸＹ面における扇型真空ダクト３４の形状を扇型状とすることで、１０度以上の偏向角φで偏向された荷電粒子ビームであっても前記真空ダクト内を通過でき、矩形状のものと比べて小型化でき、設置スペースを低減できる。

荷電粒子ビームは、上流側の加速器２０で生成され、減衰を避ける（又は低減する）ために真空ダクト３２、３４内を進み、荷電粒子ビーム調整手段３１による調整を受けながら下流側の偏向電磁石４０に導かれる。

荷電粒子ビーム調整手段３１は、荷電粒子ビームのビーム形状及び／又は線量を調整するためのビームスリット、荷電粒子ビームの進行方向を調整するための電磁石、荷電粒子ビームのビーム形状を調整するための四極電磁石、並びに、荷電粒子ビームのビーム位置を微調整するためのステアリング電磁石などを、仕様に応じて適宜用いる。

荷電粒子ビームの振分電磁石３３から患部（アイソセンターＯ）までの経路は、後述する照射角θに応じて異なる。このことから、荷電粒子ビームが受ける光学的要素も照射角θに応じて変わり、アイソセンターＯでの荷電粒子ビームのビーム形状が照射角θに応じて変わることがある。これに対しては、例えば、偏向電磁石４０よりも上流側に設けられた荷電粒子ビーム調整手段３１を照射角θごとに制御し、アイソセンターＯにおける荷電粒子ビームのビーム形状が適切になるように調整するようにしてもよい。

振分電磁石３３は、荷電粒子ビームを後述する偏向角φで連続的に偏向し、偏向電磁石４０へ荷電粒子ビームを出射するよう構成されている。また、偏向電磁石４０は、患部（アイソセンターＯ）へ向かう荷電粒子ビームの照射角θを連続的に変えるよう構成されている。ここで、本願と同じ出願人による先行特許出願（特願２０１８−０７３３０３号）の全ての内容は、参照により本明細書に組み込まれるものとするが、振分電磁石３３及び偏向電磁石４０（収束電磁石ともいう。）の例について以下に説明する。

図２（ａ）は、偏向電磁石４０の概略構成図である。図２において荷電粒子ビームの進行方向をＸ軸、偏向電磁石４０が生成する磁場の方向をＺ軸、Ｘ軸及びＺ軸に直交する方向をＹ軸とする。偏向電磁石４０は、ＸＹ面において、Ｘ軸に対する偏向角φの広い範囲から入射する荷電粒子ビームを、アイソセンターＯに収束させるよう構成されている。なお、図２〜３においては、照射ノズル１００は省略し、説明を簡単にするために、アイソセンターＯをＸＹＺ空間の原点とし、上流側（加速器側）をＸ軸の正の方向としている。

偏向角φの範囲は、−９０度超〜＋９０度未満の範囲にあり、プラス（＋Ｙ軸方向）の偏向角範囲とマイナス（−Ｙ軸方向）の偏向角範囲は異なっていてもよい（非対称）。例えば、プラス側の最大偏向角（φ＝φmax）を４５度とし、マイナス側の最大偏向角（φ＝−φmax）を−３０度とするなどしてもよい。

偏向電磁石４０は、１組以上のコイル対を備え、該コイル対は、荷電粒子ビームの進行方向と荷電粒子ビームの偏向角φの広がり方向に直交する方向（図中Ｚ軸方向）を向いた一様な磁場を生成し（有効磁場領域４１ａ、４１ｂ）、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置されている。偏向電磁石４０の１組のコイル対が生成する有効磁場領域は、図２（ａ）に示すようにＸＹ平面において三日月様の形状を有し、その詳細については後述する。なお、荷電粒子ビームが通過する、対向するコイル対間の隙間は（Ｚ軸方向の距離）、ＸＹ面における荷電粒子ビームが広がる範囲に比べて十分に小さいため、ここでは荷電粒子ビームのＺ軸方向の広がりについては考慮しない。

図２（ｂ）は、偏向電磁石４０のＡ−Ａ線断面図である。偏向電磁石４０は、好ましくは少なくとも二組のコイル対４４ａ、４４ｂを備える。コイル４４ａ、４４ｂの内部にはそれぞれ磁極４５ａ、４５ｂが組み込まれ、磁極４５ａ、４５ｂにはヨーク４６が接続されている。偏向電磁石４０には電源装置（後述する電磁石制御部１２２）が接続されており、電源装置からコイル対４４ａ、４４ｂに電流（励磁電流）が供給されることで、偏向電磁石４０が励磁し、有効磁場領域４１ａ、４１ｂ（総称して有効磁場領域４１ともいう。）が形成される。

なお、有効磁場領域４１ａの範囲と有効磁場領域４１ｂの範囲は、異なっていてもよい（非対称）。例えば、プラス（＋Ｙ軸方向）の偏向角φの範囲とマイナス（−Ｙ軸方向）の偏向角φの範囲が非対称であれば、それに応じて有効磁場領域４１ａ、４１ｂも非対称に形成することで、使用されない有効磁場領域を削減できる。

振分電磁石３３により偏向され、偏向電磁石４０に入射する荷電粒子ビームの偏向角φの範囲は、プラスの最大偏向角（φ＝φmax）からマイナスの最大偏向角（φ＝−φmax）の範囲であり、プラスの最大偏向角φmaxは、１０度以上９０度未満の角度であり、マイナスの最大偏向角−φmaxは、−９０度超−１０度以下の角度である。偏向角φ及び後述する照射角θは、ＸＹ面において、Ｘ軸に対する荷電粒子ビームの経路の角度である。

プラスの偏向角範囲（φ＝０超〜φmax）で入射した荷電粒子ビームは、第１のコイル対４４ａの有効磁場領域４１ａにより偏向され、照射ノズル１００を通りアイソセンターＯに照射される。マイナスの偏向角範囲（φ＝０未満〜−φmax）で入射した荷電粒子ビームは、第２のコイル対４４ｂの有効磁場領域４１ｂにより偏向され、照射ノズル１００を通りアイソセンターＯに照射される。有効磁場領域４１ａと有効磁場領域４１ｂの磁場の向きは互いに反対の方向である。なお、振分電磁石３３から偏向角φ＝０で偏向電磁石４０に入射する荷電粒子ビームは、有効磁場領域４１ａ、４１ｂのいずれか又は両領域４１ａ、４１ｂの間を通過し、照射ノズル１００を通じてアイソセンターＯに収束する。

偏向電磁石４０に入射する荷電粒子ビームの偏向角φは、振分電磁石３３により制御される。振分電磁石３３は、加速器（不図示）から供給される荷電粒子ビームの進行方向（図中Ｘ軸）に直交する方向（図中Ｚ軸）を向いた磁場を生成し、通過する荷電粒子ビームを偏向する電磁石と、該磁場の強度及び向きを制御する制御部とを備える（不図示）。振分電磁石３３は、後述する電磁石制御部１２２が振分電磁石３３の磁場の強度及び向き（Ｚ軸方向）を制御することにより、ＸＹ面において荷電粒子ビームを偏向し、偏向起点Ｑにて偏向角φで偏向した荷電粒子ビームを偏向電磁石４０に出射する。ここで、偏向起点ＱとアイソセンターＯはＸ軸上にある。

図３を参照して、偏向電磁石４０の有効磁場領域４１ａを形成するための計算式について説明する。なお、本実施形態では、Ｚ軸方向への荷電粒子ビームの偏向は考慮しないので、ＸＹ面における有効磁場領域の形成について説明する。偏向電磁石４０の有効磁場領域４１ａについて説明するが、有効磁場領域４１ｂについても同じであるため、説明は省略する。

まず、偏向電磁石４０の荷電粒子ビームの出射側４３の有効磁場領域４１ａの境界は、アイソセンターＯから等距離ｒ_１の位置にある範囲となるように決める。次に、偏向電磁石４０の荷電粒子ビームの入射側４２の有効磁場領域４１ａの境界は、後述する関係式（１）〜（５）に基づき、アイソセンターＯから所定の距離Ｌの位置にある仮想上の偏向起点Ｑにて偏向角φで偏向し、入射する荷電粒子ビームが、アイソセンターＯに収束するように決められる。ここで、仮想上の偏向起点Ｑは、振分電磁石３３の中心で荷電粒子ビームが偏向角φのキックを極短距離の間に受けると仮定した点である。

偏向角φで輸送されてきた荷電粒子ビームは、入射側４２の有効磁場領域４１ａの境界上の任意の点Ｐ１から入り、有効磁場領域４１ａ内で曲率半径ｒ_２の円運動を行い（このときの中心角は（φ＋θ）となる。）、出射側４３の有効磁場領域４１ａの境界上の点Ｐ２から出て、アイソセンターＯに向けて照射される。つまり、点Ｐ１と点Ｐ２とは半径ｒ_２及び中心角（φ＋θ）の円弧上にある。

ＸＹ面においてアイソセンターＯを原点とするＸＹ座標系を想定する。出射側４３の点Ｐ２とアイソセンターＯとを結ぶ直線とＸ軸とがなす角度を照射角θとすると、入射側４２の点Ｐ１の座標（ｘ，ｙ）、偏向角φ、及び点Ｑと点Ｐ１との間の距離Ｒは、以下の関係式（１）〜（４）から求まる。

ここで、有効磁場領域４１ａには一様な磁束密度Ｂの磁場が生じており、荷電粒子ビームの運動量をｐ（およそ加速器に依存する）、電荷をｑとすると、磁場中で偏向される荷電粒子ビームの曲率半径ｒ_２は、式（５）で表される。

上記関係式（１）〜（５）に基づき、偏向電磁石４０のコイル対４４ａ及び磁極４５ａの形状及び配置を調整し、コイル対４４ａに流す電流を調整することで、有効磁場領域４１ａの境界の形状を調整できる。すなわち、出射側４３の有効磁場領域４１ａの境界上の任意の点Ｐ２とアイソセンターＯとの間の距離が等距離ｒ_１となるように境界を定め、有効磁場領域４１ａの磁束密度Ｂを調整して式（５）からｒ_２を決め、入射側４２の有効磁場領域４１ａの境界上の点Ｐ１と偏向起点Ｑとの間の距離Ｒが式（４）の関係を有するように、入射側４２の有効磁場領域４１ａの境界を定める。式（３）のφの極大値が、最大偏向角φmaxとなる。なお、限定されるものではないが、偏向起点Ｑを通過する荷電粒子ビームが偏向電磁石４０による偏向を受けなくともアイソセンターＯに収束するように、偏向起点Ｑ、偏向電磁石４０、及びアイソセンターＯの配置を調整しておくと、装置構成をよりシンプルにできるため好ましい。

上記のようにして求まる偏向電磁石４０の有効磁場領域４１ａ、４１ｂの境界は、荷電粒子ビームをアイソセンターＯに収束させるための理想的な形状である。なお実際には、この理想的な形状からのずれや磁場分布の不均一性があったとしても、偏向電磁石４０の励磁量（磁束密度Ｂ）を偏向角φごとに予め微調整し、その情報を電源装置（例えば照射制御部１２１）に記憶させておき、偏向角φと偏向電磁石４０の電流量とが連動するようにそれらを制御することで、荷電粒子ビームをアイソセンターＯに合わせて偏向させることができる。また、事前に磁場分布の不均一性を予測できる場合には、偏向電磁石４０のコイル対４４ａ、４４ｂ及び磁極４５ａ、４５ｂの形状及び配置を補正することで、荷電粒子ビームの軌道を微調整することも可能である。

次に、本実施形態に係る照射ノズル１００について説明する。図４（ａ）は、荷電粒子ビーム照射装置１０の下流側、即ち、振分電磁石３３、偏向電磁石４０、及び照射ノズル１００を拡大した模式図であり、図４（ｂ）は、ＸＹ面において有効磁場領域４１の出射側４３の形状（境界形状）に沿うように、照射ノズル１００が連続的に移動することを表した模式図である。

照射ノズル１００は、荷電粒子ビームを用いた治療等が行われる治療室５０内にあり、治療室５０内の壁面５１に設けられたガイドレール５２に沿って移動する駆動部１１０に移動可能に支持されている。言い換えると、照射ノズル１００は、ガイドレール５２に沿って連続的に移動できるように治療室５０内に設置される。

ガイドレール５２（及びガイドレール５２が設置される壁面５１）は、ＸＹ面において、偏向電磁石４０の有効磁場領域４１の出射側４３の形状に沿うように設けておくとよい。言い換えると、駆動部１１０により駆動される照射ノズル１００が、ＸＹ面において、偏向電磁石４０の有効磁場領域４１の出射側４３の形状に沿うように連続的に移動することができるように、ガイドレール５２は設けられる。

また、ガイドレール５２は、治療室５０内側の壁面５１の一部を構成するカバーであってもよく、該カバーに照射ノズル１００が設置され、該カバーが偏向電磁石４０の有効磁場領域４１の出射側４３の形状に沿って連続的に移動することで、照射ノズル１００が偏向電磁石４０の有効磁場領域４１の出射側４３の形状に沿って連続的に移動するようにしてもよい。このとき、照射ノズル１００は、該カバーに対して固定されたものであってもよいし、該カバーに対して相対移動できるように構成されていてもよい。

駆動部１１０は、例えば、駆動モータと該駆動モータにより駆動する機構を備え、該機構がガイドレール５２にガイドされ移動することで、照射ノズル１００が偏向電磁石４０の有効磁場領域４１の出射側４３の形状に沿うように連続的に移動する。

偏向電磁石４０の有効磁場領域４１の出射側４３から出た荷電粒子ビームは、直線的に進行する。偏向電磁石４０から出た荷電粒子ビームが照射ノズル１００の入射端（中心位置）に入射されることで、荷電粒子ビームの減衰が最も抑えられ、照射ノズル１００内における荷電粒子ビームの調整が容易となるように、照射ノズル１００を構成しておくとよい。そして、ＸＹ面において照射ノズル１００を有効磁場領域４１の出射側４３の形状に沿うように移動させることで、有効磁場領域４１から出た荷電粒子ビームは照射ノズル１００の入射端に入射するのが容易となり、荷電粒子ビームの減衰も避ける（又は低減する）ことができる。

ここで、荷電粒子ビーム照射装置１０のうち偏向電磁石４０から上流側の部分は、治療室５０の外側に配置されるようにしてもよい。また、ＸＹ面において偏向電磁石４０の有効磁場領域４１の出射側４３の形状に沿うように偏向電磁石４０にガイドレール５２を設け、偏向電磁石４０を治療室５０内に設置するようにしてもよい。

照射ノズル１００は、走査電磁石１０１、ビームモニタ１０２、及びエネルギー変換手段１０３を備える。

走査電磁石１０１は、流れる電流量や電流の向きを調整することで、照射ノズル１００から出射する荷電粒子ビームの進行方向を微調整し、所定の範囲内でスキャン（走査）可能にするための電磁石である。ビームモニタ１０２は、荷電粒子ビームを監視し、線量モニタやビームの位置や平坦度を計測するモニタである。エネルギー変換手段１０３は、荷電粒子ビームのエネルギーを調整して荷電粒子ビームの患者内の到達する深さを調整するものであり、例えば、レンジモジュレータ、散乱体、リッジフィルタ、患者コリメータ、患者ボーラス、又はアプリケータなどである。

図５は、照射ノズル１００、振分電磁石３３、及び偏向電磁石４０の制御システム１２０に関するブロック図である。制御システム１２０は、荷電粒子ビームを照射する標的ごとに予め定められた処方線量を監視するための照射制御部１２１、振分電磁石３３及び偏向電磁石４０を制御して荷電粒子ビームの偏向角φ（及び照射角θ）を調整する電磁石制御部１２２、照射ノズル１００の走査電磁石１０１を制御するスキャニング制御部１２３、及び、駆動部１１０を制御して照射ノズル１００の移動を制御する照射ノズル制御部１２４を有する。

照射制御部１２１は、予め設定された、患部（アイソセンター）に照射すべき荷電粒子ビームの方向（照射角θ）に応じて、電磁石制御部１２２及び照射ノズル制御部１２４に指令を送る。該指令を受けた電磁石制御部１２２は、振分電磁石３３（及び／又は偏向電磁石４０）に流す電流を調整し、偏向電磁石４０から出射される荷電粒子ビームの照射角θが予め設定された照射角となるように調整する。また、該指令を受けた照射ノズル制御部１２４は、荷電粒子ビームの照射開始前に、駆動部１１０を駆動し、偏向電磁石４０から出射される荷電粒子ビームが照射ノズル１００の入射端（中心）を通過するように、照射ノズル１００を移動させる（図６）。

患部に対し荷電粒子ビームを照射している間、照射制御部１２１は、照射ノズル１００のビームモニタ１０２からの情報（ビームの位置や幅、線量等の情報）を受けて、患部への荷電粒子ビームの照射が適切かどうかを判断し、フィードバック制御を行うようにしてもよい。例えば、ビームモニタ１０２からの情報に基づき荷電粒子ビームの方向（照射角θ）が患部に対して予め設定された方向に対して適切ではない場合は、電磁石制御部１２２（及び／又はスキャニング制御部１２３）を制御して、照射角θを微調整（及び／又は所定範囲内での荷電粒子ビームのスキャンによる調整）する。また、荷電粒子ビームの照射量が患部に対して予め設定された値に対して適切ではない場合は、照射ノズル１００のエネルギー変換手段１０３及び／又は荷電粒子ビーム調整手段３１等により、患部にあたる荷電粒子ビームの照射量が調整されるようにしてもよい。

上記のとおり、本実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置１０は、患部に対する照射角θを連続的に変えることができる偏向電磁石４０と、ＸＹ面における偏向電磁石４０の有効磁場領域４１の出射側４３の形状に沿って、連続的に移動できる照射ノズル１００とを少なくとも備え、患部に対して連続的に任意の方向から荷電粒子ビームを照射できる。また、従来の回転式の照射装置を用いる場合には装置や設置する施設を大型化する必要があり、それによるコストやメンテナンス、設置スペースの問題が生じるおそれがあるが、本実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置１０はその問題を解決できる。また、従来の照射装置では、照射ノズルを一旦設置するとそれを動かすのは困難であり、ノズル位置の微調整を行うためには調整のための試験期間がかかるといった問題が生じるおそれがあるが、本実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置１０はその問題を解決できる。

また、高い照射精度を維持するためには、患部（アイソセンター）に照射される荷電粒子ビームの照射角θを正確に制御することが好ましい。しかし、荷電粒子ビーム照射装置１０の各種機器のアライメント誤差や、各種電磁石の磁場の誤差により、荷電粒子ビームの軌道のずれや荷電粒子ビームの形状の変動など（荷電粒子ビームの状態）が許容値に収まらないと、照射角θの精度が低下することにつながる。また、図８に記載の従来の装置では、照射方向（水平、４５°、垂直）に応じて照射ノズルが対応する輸送ラインに移動する構成であるが、この構成では照射方向に応じて偏向電磁石の下流側端部から照射点までの距離も変化することになるため、偏向電磁石の下流側に、照射ノズルとは別に該距離の変化を補正する電磁石を設ける必要があるが、本実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置１０はその問題を解決できる。また、荷電粒子ビーム照射装置１０の荷電粒子ビーム輸送系３０における各種電磁石のアライメントのエラーを照射ノズル１００の位置で吸収（調整）することも可能となり、ひいては調整に係る試験期間を短縮できることにつながる。

（他の形態）
他の形態では、ＸＹ面に垂直なＸＺ面において、荷電粒子ビームを連続的に偏向できる偏向電磁石１４０と、偏向電磁石の有効磁場領域１４１の出射側の形状に沿って連続的に移動できる照射ノズル１００を備えた荷電粒子ビーム照射装置１５０に関する（図７）。

本実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置１５０は、照射ノズル１００を水平面内（ＸＺ面）で連続的に駆動できるように構成されている。本実施形態では、照射点（アイソセンターＯ）は複数存在することになるが、照射ノズル１００が偏向電磁石１４０の有効磁場領域１４１の出射側の（ＸＺ面における）形状に沿って連続的に移動することができるため、偏向電磁石１４０と照射ノズル１００との間に補正用の追加の電磁石を設ける必要がない。さらに、照射ノズル１００が偏向電磁石１４０の有効磁場領域１４１の出射側の（ＸＺ面における）形状に沿って連続的に移動できるため、各種電磁石のアライメントのエラーを照射ノズル１００位置で吸収（調整）することができ、ひいては試験期間を短縮化できる。

上記で説明される寸法、材料、形状、構成要素の相対的な位置等は、本発明が適用される装置の構造又は様々な条件に応じて変更される。説明に用いた特定の用語及び実施形態に限定されることは意図しておらず、当業者であれば、他の同等の構成要素を使用することができ、上記実施形態は、本発明の趣旨又は範囲から逸脱しない限り、他の変形及び変更も可能である。また、本発明の一つの実施形態に関連して説明した特徴を、たとえ明確に前述していなくても、他の形態とともに用いることも可能である。

１０、１５０ 荷電粒子ビーム照射装置
２０ 加速器
３０ 荷電粒子ビーム輸送系
３１ 荷電粒子ビーム調整手段
３２ 真空ダクト
３３ 振分電磁石
３４ 扇型真空ダクト
４０ 偏向電磁石
４１（４１ａ、４１ｂ）、１４１ 有効磁場領域
４２ 入射側
４３ 出射側
４４（４４ａ、４４ｂ）コイル
４５ 磁極
４６ ヨーク
５０ 治療室
５１ 壁面
５２ ガイドレール
１００ 照射ノズル
１０１ 走査電磁石
１０２ ビームモニタ
１０３ エネルギー変換手段
１１０ 駆動部
１２０ 制御システム
１２１ 照射制御部
１２２ 電磁石制御部
１２３ スキャニング制御部
１２４ 照射ノズル制御部

Claims (9)

1. 荷電粒子ビームを偏向することで、アイソセンターへの荷電粒子ビームの照射角を連続的に変える偏向電磁石と、
   前記偏向電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って連続的に移動する照射ノズルとを備え、
   前記偏向電磁石から出射した荷電粒子ビームは前記照射ノズルを通り前記アイソセンターに照射される、荷電粒子ビーム照射装置。
2. 前記偏向電磁石は、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置されたコイル対を備え、
   前記コイル対は、電流を入力すると、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸）に直交する方向（Ｚ軸）に磁場が向いた有効磁場領域を生成するよう構成されており、ここで、Ｘ軸とＺ軸の両方に直交する軸をＹ軸とし、
   ＸＹ面において、
   偏向起点ＱにてＸ軸に対する偏向角φで偏向し、前記有効磁場領域に入射した荷電粒子ビームは、前記有効磁場領域により偏向され、Ｘ軸に対する照射角θで前記照射ノズルを通り前記アイソセンターに照射され、
   前記有効磁場領域の荷電粒子ビームの出射側の境界上の任意の点Ｐ２は、前記アイソセンターから等距離ｒ_１の位置にあり、
   前記有効磁場領域の荷電粒子ビームの入射側の境界上の点Ｐ１と前記点Ｐ２は、半径ｒ_２及び中心角(θ＋φ)の円弧上にあり、
   前記偏向起点Ｑと前記点Ｐ１との間の距離Ｒは、前記偏向起点Ｑと前記アイソセンターとの間の距離をＬとすると、関係式（４）：
   を満たす、請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
3. 前記照射ノズルは、荷電粒子ビームを所定の範囲内で走査可能にする走査電磁石と、荷電粒子ビームを監視するビームモニタとを備える、請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
4. 前記ビームモニタからの情報を基に、前記走査電磁石を制御して、荷電粒子ビームを走査するスキャニング制御部をさらに備える請求項３に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
5. 前記照射ノズルは、前記偏向電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って設けられたガイドレールに沿って移動する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
6. 前記照射ノズルは、治療室内側の壁面の一部を構成するカバーに設置され、
   前記カバーが前記偏向電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って連続的に移動することで、前記照射ノズルが前記偏向電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って連続的に移動する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
7. 前記偏向電磁石は、前記コイル対を二組以上備え、
   前記二組以上のコイル対は、荷電粒子ビームの経路を挟み且つＹ軸方向に並ぶように配置され、
   前記第１のコイル対及び前記第２のコイル対は、生成する有効磁場領域の磁場の向きが互いに反対となるよう構成されている、請求項２〜６のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
8. 荷電粒子ビームを生成する加速器と、
   前記加速器からの荷電粒子ビームを、前記偏向起点Ｑにて１０度以上の偏向角φで偏向する振分電磁石と
   をさらに有する請求項２〜７のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
9. 前記振分電磁石装置と前記偏向電磁石とを接続する真空ダクト
   をさらに有し、
   前記真空ダクトは、ＸＹ面において扇型形状をしており、前記１０度以上の偏向角φで偏向された荷電粒子ビームであっても前記真空ダクト内を通過できるよう構成されている、請求項８に記載の荷電粒子ビーム照射装置。