JP2021000265A - 粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置全体の設置面積が小さく、しかも、加速器本体を回転させない構造の粒子線治療装置を提供する。【解決手段】加速器１０から引き出された粒子ビームを固定輸送系１１によって輸送し、さらに回転輸送系２０によって、粒子ビームの軌道を折り返してカウチ２００の周囲まで導く。加速器１０の全体または一部は、回転輸送系２０の回動軌跡の内側領域である回動領域２内に位置する床１０２に固定されている。粒子ビームの軌道を折り返すため、設置面積は回転輸送系の回動領域によって決定され、設置面積を低減できる。しかも、加速器１０本体は床１０２に固定され、回転させないため、加速器１０の構造を簡素化できる。【選択図】 図１

Description

本発明は、粒子加速器とそれを利用した粒子線治療装置に関する。

粒子線治療の普及に伴い、装置の小型化、低コスト化、加速器性能の向上（蓄積電荷量やビーム特性など）への要求が高まっている。

粒子線治療には、荷電粒子のビームを周回させて加速する円形加速器（サイクロトロンやシンクロサイクロトロンなど）や円環加速器（シンクロトロンなど）がよく用いられる。また、回転ガントリと呼ばれるビームの照射方向を変えられるビーム輸送系も一般的になってきている。

例えば特許文献１記載の粒子線治療装置の場合、その主要構成要素である加速器、固定輸送系、回転ガントリがシリーズに配置された構造であり、加速器から出射された粒子ビームを患者まで導いて照射する。

また、特許文献２記載の粒子線治療装置の場合、回転ガントリの中心に小型の加速器を搭載して回転ガントリとともに回転させ、回転ガントリの外周部から中心軸に平行に配置されたビーム輸送系でビームを中心軸方向に患者の近くまで導き、さらに回転ガントリの半径方向に配置されたビーム輸送系で半径方向に患者の近傍までさらに導いて照射する。この装置は、加速器と回転ガントリとビーム輸送系を一体に回転させることにより、患者に対しての所望の方向から粒子ビームを照射する。

特開２０１８−１４９１８１号公報 国際公開第２０１８／０４２５３８号

特許文献１に記載の粒子線治療装置では、加速器、固定輸送系、回転ガントリが、シリーズに配置され、それぞれの構成の設置場所が必要であるため、治療装置の全長が長くなる。よって、装置全体の設置面積も大きくなる。

一方、特許文献２に記載の粒子線治療装置では、加速器本体を回転ガントリの中心に搭載し、加速器と回転ガントリとを一体化して回転させる構造である。このため、加速器を安定に回転ガントリ内に支持し、回転ガントリとともに加速器が回転しても、その動きに耐えられる支持構造が必要である。また、加速器を搭載したまま回転にするため、回転ガントリの構造自体も大掛かりになる。さらに、加速器内に配置された超電導コイル等が、加速器の回転に伴って歪まないようにする必要があるため、加速器の内部構造も複雑になる。

本発明の目的は、装置全体の設置面積が小さく、しかも、加速器本体を回転させない構造の粒子線治療装置を提供することにある。

本発明によれば、床に配置されたカウチと、荷電粒子を加速する加速器と、一端が加速器に固定され、加速器から引き出された粒子ビームを輸送する固定輸送系と、固定輸送系の他端に回転可能に接続され、固定輸送系によって輸送された粒子ビームをカウチの周囲まで導く回転輸送系と、回転輸送系をカウチの周囲で回動させる回転機構とを有する。加速器の全体または一部は、回転輸送系の回動軌跡の内側領域である回動領域内に位置する床に固定されている。

本発明の粒子線治療装置によれば、回転輸送系の回動領域内に加速器を配置するため、必要な設置面積は回転輸送系の回動領域によって決定され、設置面積を低減できる。しかも、加速器本体を回転させないため、加速器の構造を簡素化できる。

（ａ）実施形態１の粒子線治療装置の主要構成の配置を示す斜視図、（ｂ）その断面図。 （ａ）実施形態２の粒子線治療装置の主要構成の配置を示す斜視図、（ｂ）その断面図。 （ａ）実施形態３の粒子線治療装置の主要構成の配置を示す斜視図、（ｂ）その断面図。 （ａ）実施形態４の粒子線治療装置の主要構成の配置を示す斜視図、（ｂ）その断面図。 （ａ）実施形態５の粒子線治療装置の主要構成の配置を示す斜視図、（ｂ）その断面図。 （ａ）実施形態６の粒子線治療装置の主要構成の配置を示す斜視図、（ｂ）その断面図。

以下、図面を用いて本発明の一実施形態の粒子線治療装置を説明する。

＜＜実施形態１＞＞
実施形態１の粒子線治療装置を図１を用いて説明する。図１（ａ）は、粒子線治療装置の主要構成の斜視図であり、図１（ｂ）は、Ａ−Ａ断面位置における回転輸送系の回動領域を示す図である。

実施形態１の粒子線治療装置は、図１（ａ）のように、粒子線治療装置を構成する主要素である荷電粒子を加速する円形加速器１０と、輸送系（１１、２０）と、患者を搭載するカウチ２００とを備えている。輸送系（１１，２０）は、加速器１０によって所定のエネルギーまで加速された後、取り出された荷電粒子のビーム（粒子ビーム）をカウチ２００が配置された治療室１００まで輸送する。輸送系の一部は、回転しない固定輸送系１１であり、他の一部は回転輸送系２０である。回転輸送系２０は、患者が搭載されるカウチ２００の周りを回転する。これにより、粒子ビームの照射方向を変えて、患者に任意の方向から荷電粒子を照射することができる。

輸送系（１１，２０）は、内部が真空排気された輸送管と、輸送管内の磁場を印加してビームの軌道を曲げる偏向電磁石（偏向部）２１と、ビームを収束または発散させる四極電磁石２２とを備えている。輸送系（１１，２０）には、その他に、補正電磁石、ビームモニタなど（図１には記載省略）が配置されていてもよい。また、粒子ビームのエネルギーを調整するために、ディグレーダを輸送系（１１，２０）の途中に配置することも可能である。

固定輸送系１１は、一端が加速器１０に固定され、他端には、回転輸送系２０が接続されている。回転輸送系２０と固定輸送系１１との接続部には、粒子ビームが通過する状態を維持しながら、回転輸送系２０を固定輸送系１１に対して回転可能に接続する回転接続部１０４が配置されている。

また、回転輸送系２０には、カウチ２００の周囲で回動させる回転機構が備えらえている。例えば、回転機構は、リング状のガイドレール２３と、回転輸送系２０をガイドレール２３に沿って回動させる駆動部（不図示）とを含んでいる。回転輸送系２０とガイドレールと駆動部は、回転ガントリを構成している。

このとき本実施形態の粒子線治療装置では、図１（ｂ）に示すように、加速器１０の全体または一部が、回転輸送系２０の回動軌跡の内側領域（以下、回動領域と呼ぶ）２内に位置するように配置されている。具体的には、回転領域２内の床１０２の上に、加速器１０が固定されている。これにより、固定輸送系１１および回転輸送系２０は、粒子ビームの軌道を湾曲させて折り返すことによりカウチ２００の方向に導く構造となるため、本実施形態の粒子線治療装置は、加速器、固定輸送系、回転輸送系が、この順に一列に配置された構成の装置と比較して、装置全体の長さが短くなる。また、装置の設置面積を低減することができる。

なお、上述の偏向電磁石２１は、回転輸送系２０の粒子ビームの軌道を湾曲させて折り返す領域に配置されている。

また、図１（ａ）の構成では、固定輸送系１１を中心軸１０３に沿った直線状の経路とし、その端部に回転接続部１０４を介して回転輸送系２０を接続しているため、回転接続部１０４が中心軸１０３上に位置し、固定輸送系１１と回転輸送系２０との接続部の構成を簡素化することができる。

また、本実施形態の粒子線治療装置は、加速器１０が床１０２に固定され、回転しないため、加速器１０の内部構造を簡素化できる。また、加速器１０が回転しないため、加速器１０の床１０２への支持構造も簡素化できる。これにより、加速器１０を小型化できる。

図１（ａ）、（ｂ）の粒子線治療装置を別の言葉で説明すると、カウチ２００と加速器１０は、軸１０３の方向に並べて配置され、固定輸送系１１は、軸１０３の方向についてカウチ２００とは反対側に粒子ビームを引き出す向きに、床１０２と水平に配置されている。回転輸送系２０は、固定輸送系１１によって水平方向から輸送された粒子ビームの軌道を、最初の偏向部２１で略９０度偏向して垂直方向に輸送し、次の偏向部２１によって略９０度偏向して湾曲させて折り返す。さらに、回転輸送系２０は、３番目の偏向部２１により略９０度粒子ビームの軌道を偏向し、粒子ビームをカウチ２００の方向に導く。このように、本実施形態の粒子線治療装置は、粒子ビームの軌道を折り返す構造であるため、加速器、固定輸送系、回転輸送系が一列に配置された構成の装置と比較して、装置の全長を短くすることができる。

なお、加速器１０は、回転輸送系２０の中心軸１０３の方向については、その全体が回転輸送系２０の回動領域２の長さＬの内側に位置することが望ましい。固定輸送系１１は、床１０２に固定され、その全体または一部が、回転輸送系２０の回動領域２の内側に配置されていることが望ましい。これらの構成により、粒子線治療装置の中心軸１０３方向の全長を、回転輸送系２０の長さと同等程度まで低減できる。

また、加速器１０が固定された床１０２の幅Ｗは、図１（ｂ）のように回転輸送系２０の回動領域２の直径Ａよりも小さく、床１０２の幅全体が、回動領域２の内側に位置するように構成されていることが望ましい。
すなわち、加速器１０は、回転輸送系２０を３６０度回転させたときに形成される回動領域２にすべてが内包される形で配置され、治療室１００の床１０１から張り出された片梁構造の床１０２に設置されている。よって、回転ガントリ２０は、３６０度回転可能で、患者の任意の方向から荷電粒子を照射することができる。

加速器１０は、どのような構造の加速器でもよいが、サイクロトロンやシンクロサイクロトロンのような小型の円形加速器を好適に用いることができる。

カウチ２００と加速器１０との間には、これらを隔てる隔壁１１０を配置することも可能である。この場合、壁の幅および高さは、回動領域２の中心軸１０３に直交する面内において、図２（ｂ）に示すように、回動領域２内で入るように設計することが望ましい。これにより、回転輸送系２０は、隔壁１１０と干渉することなく、隔壁１１０の外側を回動することができる。

カウチ２００の周囲には、回転輸送系２０の先端２０ａを支持して、回転輸送系２０と同期して回転する筒状の支持部材１１１を配置してもよい。

また、上記説明では、回転輸送系２０をリング状のガイドレール２３に沿って回転させる構成としたが、回転輸送系２０を環状の回転ガントリに搭載し、環状の回転ガントリ全体を回転させる構成とすることも可能である。

＜＜実施形態２＞＞
実施形態２の粒子線治療装置を図２（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

実施形態２の粒子線治療装置は、実施形態１の装置と同様の構成であるが、加速器１０が搭載された床１０２の幅方向の側面が回動領域２よりも外側に張り出している。張り出した床１０２の側面は、壁面１０５に固定されている点が実施形態１とは異なっている。

床１０２を壁面１０５に固定したことにより、床１０２の強度を高めることができるため、図１（ａ），（ｂ）のような片梁構造の床１０２よりも床の構造を簡略化でき、軽量化することができる。

なお、図２（ａ）、（ｂ）の構造では、ガイドレール２３よりも外側に床１０２が張り出すため、回転輸送系２０の最大回転角度（回転領域２の角度範囲）は、３３０〜３５０度程度となる。

＜＜実施形態３＞＞
実施形態３の粒子線治療装置を図３（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

実施形態３の粒子線治療装置は、実施形態１の装置と同様の構成であるが、加速器１を搭載した床１０２を、支持柱もしくはパイル（杭）１０６により支持した構造としている点で実施形態１とは異なっている。

実施形態３の装置においても実施形態２と同様に、床１０２の強度を図１（ａ）、(ｂ)の片梁構造の床よりも高めることができるため、床１０２の構造を簡略化し、軽量化することができる。回転輸送系２０の最大回転角度（回転領域２の角度範囲）は、３３０〜３５０度程度となる。

＜＜実施形態４＞＞
実施形態４の粒子線治療装置を図４（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

実施形態４の粒子線治療装置は、実施形態３の装置と同様の構成であるが、加速器１０が固定されている床１０２は、治療室１００の床１０１とは分離されている。この場合も、実施形態３と同様の作用効果を得ることができる。

＜＜実施形態５＞＞
実施形態５の粒子線治療装置を図５（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

実施形態５の粒子線治療装置は、実施形態２の装置と同様の構成であるが、壁面１０５と中心軸１０３との距離が、リング状のガイドレール２３の半径よりも小さい。これにより、回転輸送系２０の最大回転角度は１８０〜３００度程度に制限されるが、壁面１０５を加速器１０に近づく配置となるため、粒子線治療装置の大幅な小型化が可能である。

なお、図５（ｂ）では、壁面１０５を挟んで加速器１０３とは逆側の空間にガイドレール２３の一部が突出しているが、突出した部分を除去した構成とすることも可能である。

＜＜実施形態６＞＞
実施形態６の粒子線治療装置を図６（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

実施形態５の粒子線治療装置は、実施形態２の装置と同様に加速器１０を搭載する床１０２を側面を壁面１０５によって支持する構成であるが、加速器１０としてシンクロトロンを用い、シンクロトロンの一部が、回転輸送系２０の回動領域２の外側に位置する点が実施形態１とは異なっている。

実施形態５の構造により、シンクロトロンを加速器１０として用いた場合であっても、小型の装置を提供できる。

２…回動領域
１０…加速器
１１…固定輸送系
２０…回転輸送系
２１…偏向電磁石
２２…四極電磁石
２３…ガイドレール
１００…治療室
１０１…床
１０２…床
１０３…中心軸
１０５…壁面
２００…患者用カウチ（ベッド）

Claims (11)

1. 床に配置されて患者を搭載するカウチと、荷電粒子を加速する加速器と、一端が前記加速器に固定されて前記加速器から引き出された粒子ビームを輸送する固定輸送系と、前記固定輸送系の他端に回転可能に接続され、前記固定輸送系によって輸送された粒子ビームを前記カウチの周囲まで導く回転輸送系と、前記回転輸送系を前記カウチの周囲で回動させる回転機構とを有し、
   前記加速器の全体または一部は、前記回転輸送系の回動軌跡の内側領域である回動領域内に位置する床に、固定されていることを特徴とする粒子線治療装置。
2. 請求項１に記載の粒子線治療装置であって、前記加速器は、前記回転輸送系の回動の中心軸方向について、その全体が前記回転輸送系の回動領域の内側に位置することを特徴とする粒子線治療装置。
3. 請求項１に記載の粒子線治療装置であって、前記固定輸送系は、床に固定され、その全体または一部が、前記回転輸送系の回動領域の内側に配置されていることを特徴とする粒子線治療装置。
4. 請求項１に記載の粒子線治療装置であって、前記カウチが配置された床と前記加速器が固定された床はいずれも、前記回転輸送系の回動領域の径方向についての幅が、前記回動領域の直径よりも小さく、全体が前記回動領域の内側に位置することを特徴とする粒子線治療装置。
5. 請求項１に記載の粒子線治療装置であって、前記加速器が固定された床の底面には、当該床を支持する支持柱が配置されていることを特徴とする粒子線治療装置。
6. 請求項１に記載の粒子線治療装置であって、前記加速器が固定された床の側面には、当該床を支持する壁が固定されていることを特徴とする粒子線治療装置。
7. 請求項１に記載の粒子線治療装置であって、前記カウチが搭載された床と、前記加速器が搭載された床は、不連続であることを特徴とする粒子線治療装置。
8. 請求項１に記載の粒子線治療装置であって、前記カウチと加速器との間には、これらを隔てる壁が設けられ、前記壁の前記回動領域の中心軸に直交する面内のサイズは、いずれの方向についても前記回動領域内であり、
   前記回転輸送系は、前記壁の外側を回動することを特徴とする粒子線治療装置。
9. 請求項１に記載の粒子線治療装置であって、前記加速器は、サイクロトロン、サイクロシンクロトロンおよびシンクロトロンのうちのいずれかであることを特徴とする粒子線治療装置。
10. 床に配置されたカウチと、床に固定された加速器と、一端が前記加速器に固定されて前記加速器から引き出された粒子ビームを輸送する固定輸送系と、前記固定輸送系の他端に回転可能に接続され、前記固定輸送系で輸送された粒子ビームを前記カウチの周囲まで導く回転輸送系と、前記回転輸送系を前記カウチの周囲で回動させる回転機構とを有し、
    前記カウチと前記加速器は、所定の軸方向に並べて配置され、
    前記固定輸送系は、前記軸方向について前記カウチとは反対側に前記粒子ビームを引き出す向きに配置され、
    前記回転輸送系は、前記固定輸送系によって前記カウチとは反対側に引き出された前記粒子ビームの軌道を湾曲させて前記カウチの方向に導く偏向部を有することを特徴とする粒子線治療装置。
11. 請求項１０に記載された粒子線治療装置であって、前記加速器は、前記軸方向については、その全体が、前記回転輸送系の回動軌跡の内側領域である回動領域の内側に位置することを特徴とする粒子線治療装置。

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