JP2023130643A - 走査電磁石、走査電磁石制御システムおよび粒子線治療システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の巻線の磁場に関する相互インダクタンスを回避し、荷電粒子ビームを高い精度で制御することができる走査電磁石を提供する。【解決手段】走査電磁石１は、荷電粒子ビーム９０の軌道に沿って伸びる往路区間および復路区間をそれぞれが有し、荷電粒子ビーム９０を通過させる柱状を成す柱状空間を囲む複数の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗを備え、それぞれの巻線Ｕ，Ｖ，Ｗにおける往路区間および復路区間は、柱状空間の周方向に沿って間隔を空けて配置されており、複数の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗのうちの１つにおける往路区間と復路区間との間に、他の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの往路区間または復路区間が配置されており、それぞれの巻線Ｕ，Ｖ，Ｗは、２つの巻線群に分けられるとともに、それぞれの巻線群により生じる磁場が互いに直交し、かつ同じ巻線群に属する複数の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗが同じ駆動回路２８Ｕ，２８ＶＷに直列に接続されている。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、走査電磁石に関する。

荷電粒子ビームを患部に照射する粒子線治療を行う粒子線治療システムがある。この粒子線治療システムでは、加速器によって加速された荷電粒子ビームが、輸送装置によって照射ノズルまで輸送され、この照射ノズルから患部に照射される。ここで、荷電粒子ビームの照射位置を変更しながら患部に照射するスキャニング照射が行われることがある。このスキャニング照射では、荷電粒子ビームのエネルギーを変更することで荷電粒子ビームの照射位置の深さが変更される。また、荷電粒子ビームを横切る方向の磁場を発生させて荷電粒子ビームを偏向させることで、深さ方向に垂直な面内における照射位置が変更される。そのため、加速器は、荷電粒子ビームのエネルギーを制御する装置が設けられる。また、照射ノズルには、荷電粒子ビームを横切る磁場を発生させる走査電磁石が設けられる。

例えば、円筒形状の走査電磁石において、その長手方向を横切るＸＹ平面に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁場、即ち２極磁場を発生させるものがある。ここで、荷電粒子ビームを２方向に走査するため、異なる方向に磁場を発生させる２つの走査電磁石が必要になる。そのため、照射ノズルが大型化してしまう。さらに、また、下流側の走査電磁石は、上流側の走査電磁石で走査された荷電粒子ビームの軌道を包含する磁場発生領域を形成する必要があるため、上流側の走査電磁石よりも大きくなってしまう。

また、ＸＹ平面内で２方向の走査が可能な８極の走査電磁石がある。この走査電磁石は、荷電粒子ビームを囲む周方向に等角度間隔で配置された８個の巻線を有している。対向する一対の巻線は、同一の駆動回路に直列接続されており、４対の巻線に流れる電流を調整することで２方向の走査が行われる。この走査電磁石では、１つの走査電磁石で２方向の走査が可能である。しかし、荷電粒子ビームを囲む周方向に沿った方向の磁場の分布が適切でないことによって、荷電粒子ビームが偏向する角度に誤差が生じることがある。

そこで、複数の巻線のうちの１つにおける往路区間と復路区間との間に、他の巻線の往路区間または復路区間が配置されることで、走査電磁石を小型化するとともに、荷電粒子ビームが偏向される角度の誤差を小さくする技術が知られている。例えば、３つの巻線が個別に駆動回路に接続されているものがある。しかし、この技術では、３つの巻線の磁場が互いに干渉し、相互インダクタンスの調整が必要になる。例えば、それぞれの駆動回路の運転の精度の違いにより、それぞれの巻線の磁場が落ち着く時間が異なってしまい、磁場の制御に時間がかかる。特に、粒子線治療システムにおける荷電粒子ビームの制御には、高い精度が要求される。

特開２０１３－２０６６３５号公報 特許第６６１３４６６号公報 米国特許第８３７８３１２号明細書 特開２０２１－１９７４７号公報

本発明が解決しようとする課題は、複数の巻線の磁場に関する相互インダクタンスを回避し、荷電粒子ビームを高い精度で制御することができる走査電磁石を提供することである。

本発明の実施形態に係る走査電磁石は、荷電粒子ビームの軌道に沿って伸びる往路区間および復路区間をそれぞれが有し、前記荷電粒子ビームを通過させる柱状を成す柱状空間を囲む複数の巻線を備え、それぞれの前記巻線における往路区間および復路区間は、前記柱状空間の周方向に沿って間隔を空けて配置されており、複数の前記巻線のうちの１つにおける往路区間と復路区間との間に、他の前記巻線の往路区間または復路区間が配置されており、それぞれの前記巻線は、２つの巻線群に分けられるとともに、それぞれの前記巻線群により生じる磁場が互いに直交し、かつ同じ前記巻線群に属する複数の前記巻線が同じ駆動回路に直列に接続されている。

本発明の実施形態により、複数の巻線の磁場に関する相互インダクタンスを回避し、荷電粒子ビームを高い精度で制御することができる走査電磁石が提供される。

走査電磁石および荷電粒子ビームを概念的に示す説明図。 第１実施形態の走査電磁石を模式的に示す断面図。 複数の溝とこれらに配置される巻線の区間との対応関係を示す説明図。 走査電磁石制御システムを示す回路図。 照射位置・励磁電流変換テーブルを示す説明図。 磁束密度の分布を示すグラフ。 粒子線治療システムを示す構成図。 粒子線スキャニング用の照射ノズルを示す構成図。 患部における照射スポットを示す斜視図。 スキャニング照射における深さ方向の線量分布を示すグラフ。 照射時に実行される処理を示すフローチャート。 （Ａ）は出射タイミング信号、（Ｂ）は荷電粒子線の強度、（Ｃ）は線量モニタ出力信号、（Ｄ）は線量モニタ制御装置によるカウント値、（Ｅ）は位置モニタ制御装置によるカウント値、（Ｆ）は巻線に流れる励磁電流を示すタイミングチャート。 第２実施形態の走査電磁石を模式的に示す断面図。 配置例としての複数の溝とこれらに配置される巻線の区間との対応関係を示す説明図。 別の配置例としての複数の溝とこれらに配置される巻線の区間との対応関係を示す説明図。 他の例の走査電磁石を模式的に示す断面図。 第３実施形態のヨークのティースの部分を拡大して示す断面図。 軸方向に延伸する穴が設けられた他の例のヨークを示す断面図。 第４実施形態の中心軸を通る面で走査電磁石を切断した状態を示す断面図。 第５実施形態の走査電磁石を模式的に示す断面図。

（第１実施形態）
以下、図面を参照しながら、走査電磁石、走査電磁石制御システムおよび粒子線治療システムの実施形態について詳細に説明する。まず、第１実施形態について図１から図１２を用いて説明する。

図１の符号１は、第１実施形態に係る走査電磁石である。この走査電磁石１は、円筒形状を成している。荷電粒子ビーム９０は、走査電磁石１で囲まれる内部空間である柱状空間を通過する。走査電磁石１には、複数の巻線が設けられている。それぞれの巻線に流れる電流によって柱状空間（内部空間）に磁場が発生し、荷電粒子ビーム９０が偏向される。後述するように、複数の巻線から発せられる磁場の向きおよび大きさを調整することで、荷電粒子ビーム９０の向きが調整される。なお、以下の説明では、磁場を定量的に表す物理量として磁束密度［Ｔ］が用いられる。

図１に示されるように、照射中心であるアイソセンタを原点とするｘｙ直交座標系が定義されている。アイソセンタが存在するアイソセンタ面と荷電粒子ビーム９０の軌道との交点が照射位置として定義される。照射位置は、ｘｙ直交座標における座標値（ｘ,ｙ）によって表される。原点から照射位置までの距離は、キック量ｒとして定義される。原点から照射位置に向かう方向のｘ軸に対する角度は、走査角θとして定義される。走査電磁石１によって荷電粒子ビーム９０が偏向される角度は、キック角ψとして定義される。

また、走査電磁石１における基準点からアイソセンタ面、即ちｘｙ平面までの距離は、Ｄとして定義される。走査電磁石１における基準点は、例えば、柱状空間（内部空間）の重心に定められる。

図２には、走査電磁石１を軸方向に垂直な面で切断し、荷電粒子ビーム９０の軌道の上流側から見たときの断面形状が模式的に示されている。この図２では、荷電粒子ビーム９０が上流側から下流側に向かう向きが、γ軸正方向として定義され、図２の紙面左方向および紙面上方向が、それぞれ、α軸正方向およびβ軸正方向として定義されている。走査電磁石１は、円筒形状のヨーク１０と、３系統の巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗから構成されている。ヨーク１０は、鉄などの磁性体で形成されている。

ヨーク１０の内壁面には、外側に向かって凹む複数の溝ＳＬ１～ＳＬ６が形成されている。例えば、軸方向（γ軸方向）に伸びた６本の溝ＳＬ１～ＳＬ６が形成されている。これらは、溝ＳＬ１～ＳＬ６の順序で反時計回りに６０°間隔で形成されている。隣接する溝の間には、ティース１２が形成されている。溝ＳＬ１～溝ＳＬ６の最深部を基準として、それぞれのティース１２は、ヨーク１０の内側に突出した形状を成している。

なお、以下の説明において、γ軸正方向またはγ軸負方向に巻線が溝を通過するという表現をする場合がある。この表現は、巻線の構造を説明するための便宜上のものであり、巻線をヨーク１０に配置する際の方法を限定するものではない。例えば、第１の溝をγ軸正方向に通過し、第２の溝をγ軸負方向に通過する導線は、第１の溝を通過して第２の溝を通過するループ構造を成す。このループ構造は、必ずしも導線を第１の溝を通過させた後、第２の溝を通過させて製造されなくても良い。

巻線Ｕは、対向する位置に設けられた溝ＳＬ１および溝ＳＬ４に設けられている。例えば、巻線Ｕを構成する導線が、溝ＳＬ１をγ軸正方向に通過するものとして、導線の通過方向を定義する。ここで、巻線Ｕを構成する導線は、溝ＳＬ４をγ軸負方向に通過する。即ち、巻線Ｕを構成する導線は、溝ＳＬ１をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ４をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ１－ＳＬ４を周回する。

巻線Ｕを構成する導線は、１回だけ溝ＳＬ１および溝ＳＬ４を通っても良いし、複数回に亘って溝ＳＬ１および溝ＳＬ４を交互に通っても良い。即ち、巻線Ｕを構成する導線は、ループ経路ＳＬ１－ＳＬ４を１周しても良いし、複数周しても良い。例えば、溝ＳＬ１に配置された巻線区間Ｕ＋に、γ軸正方向に電流が流れるときに、溝ＳＬ４に配置された巻線区間Ｕ－には、γ軸負方向に電流が流れる。

巻線Ｖは、対向する位置に設けられた溝ＳＬ３およびＳＬ６に設けられている。例えば、巻線Ｖを構成する導線が、溝ＳＬ３をγ軸正方向に通過するものとして導線の通過方向を定義する。ここで、巻線Ｖを構成する導線は溝ＳＬ６をγ軸負方向に通過する。即ち、巻線Ｖを構成する導線は、溝ＳＬ３をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ６をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ３－ＳＬ６を周回する。

巻線Ｖを構成する導線は、１回だけ溝ＳＬ３および溝ＳＬ６を通っても良いし、複数回に亘って溝ＳＬ３および溝ＳＬ６を交互に通っても良い。即ち、巻線Ｖを構成する導線は、ループ経路ＳＬ３－ＳＬ６を１周しても良いし、複数周しても良い。例えば、溝ＳＬ３に配置された巻線区間Ｖ＋に、γ軸正方向に電流が流れるときに、溝ＳＬ６に配置された巻線区間Ｖ－には、γ軸負方向に電流が流れる。

巻線Ｗは、対向する位置に設けられた溝ＳＬ５およびＳＬ２に設けられている。例えば、巻線Ｗを構成する導線が、溝ＳＬ５をγ軸正方向に通過するものとして導線の通過方向を定義する。ここで、巻線Ｗを構成する導線は、溝ＳＬ２をγ軸負方向に通過する。即ち、巻線Ｗを構成する導線は溝ＳＬ５をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ２をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ５－ＳＬ２を周回する。

巻線Ｗを構成する導線は、１回だけ溝ＳＬ５および溝ＳＬ２を通っても良いし、複数回に亘って溝ＳＬ５および溝ＳＬ２を交互に通っても良い。即ち、巻線Ｗを構成する導線は、ループ経路ＳＬ５－ＳＬ２を１周しても良いし、複数周しても良い。例えば、溝ＳＬ５に配置された巻線区間Ｗ＋に、γ軸正方向に電流が流れるときに、溝ＳＬ２に配置された巻線区間Ｗ－には、γ軸負方向に電流が流れる。

図３には、溝ＳＬ１～ＳＬ６のそれぞれに、巻線区間Ｕ＋、Ｕ－、Ｖ＋、Ｖ－、Ｗ＋およびＷ－のうち、いずれが配置されているかが示されている。「（１）」～「（６）」の記号は、それぞれ、溝ＳＬ１～溝ＳＬ６を示す。図３に示されるように、溝ＳＬ１～ＳＬ６には、それぞれ、巻線区間Ｕ＋、Ｗ－、Ｖ＋、Ｕ－、Ｗ＋およびＶ－が配置されている。

以下の説明では、巻線Ｕの両端のうち、巻線区間Ｕ＋に、γ軸正方向の電流が流れるときに、電流が流入する一端が始端と定義され、電流が流出する他端が終端と定義される。また、巻線Ｖの両端のうち、巻線区間Ｖ＋に、γ軸正方向の電流が流れるときに、電流が流入する一端が始端と定義され、電流が流出する他端が終端と定義される。さらに、巻線Ｗの両端のうち、巻線区間Ｗ＋に、γ軸正方向の電流が流れるときに、電流が流入する一端が始端と定義され、電流が流出する他端が終端と定義される。

また、始端から電流が流入したときに、γ軸正方向に電流が流れる巻線区間Ｕ＋、Ｖ＋およびＷ＋は、往路区間として定義される。そして、始端から電流が流入したときに、γ軸負方向に電流が流れる巻線区間Ｕ－、Ｖ－およびＷ－は、復路区間として定義される。

即ち、溝ＳＬ１、ＳＬ３およびＳＬ５には、それぞれ、巻線Ｕ、ＶおよびＷの往路区間が配置され、溝ＳＬ２、ＳＬ４およびＳＬ６には、それぞれ、巻線Ｕ、ＶおよびＷの復路区間が配置されている。

それぞれの巻線の往路区間および復路区間との間を結ぶコイルエンド導線は、走査電磁石１の端部において、荷電粒子ビーム９０の軌道に与える影響が小さく、他の巻線と干渉しないように配置されている。

なお、「往路区間」および「復路区間」という用語は、巻線の構造を説明するための便宜上のものであり、それぞれの巻線に流れる電流の向きを限定するものではない。それぞれの巻線に流れる電流は、後述の走査電磁石制御装置２２（図４）によって制御される。

このように、それぞれの巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗは、走査電磁石１の軸方向（γ軸方向）に沿って、即ち、荷電粒子ビームの軌道に沿って伸びる往路区間および復路区間を備えている。それぞれの巻線が備える往路区間および復路区間は、ヨーク１０に囲まれる柱状空間の外周方向を見て１８０°を隔てて配置されている。巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗのうちの１つにおける往路区間と復路区間との間には、他の１つの巻線の往路区間と、他のもう１つの巻線の復路区間が配置されている。

ヨーク１０、巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗは、ヨーク１０の中心軸に関して１２０°の回転対称構造を成している。即ち、巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗは、ヨーク１０に囲まれる柱状空間の軸を中心とした１２０°の回転対称構造を成している。

図４に示されるように、走査電磁石制御システム２は、直流電力源２６、巻線Ｕ駆動回路２８Ｕ、巻線ＶＷ駆動回路２８ＶＷ、走査電磁石制御装置２２および指令変換装置２０を備えている。また、走査電磁石１の巻線Ｖと巻線Ｗは、直列に接続されている。例えば、巻線Ｖの終端（Ｖ－）と巻線Ｗの終端（Ｗ－）同士が接続されている。

直流電力源２６において、負極端子は、接地導体に接続され、正極端子は、巻線Ｕ駆動回路２８Ｕ、巻線ＶＷ駆動回路２８ＶＷに接続されている。巻線Ｕ駆動回路２８Ｕは、巻線Ｕの両端に接続されている。巻線ＶＷ駆動回路２８ＶＷは、巻線Ｖの始端（Ｖ＋）および巻線Ｗの始端（Ｗ＋）に接続されている。なお、巻線Ｕ駆動回路２８Ｕ、巻線ＶＷ駆動回路２８ＶＷのそれぞれは、接地導体に接続されている。

このように接続することで、巻線Ｖと巻線Ｗが同時に発生させる磁場の和が、巻線Ｕが発生させる磁場と直交されるようになる。このとき、巻線Ｕと巻線Ｖおよび巻線Ｗとの相互インダクタンスがほぼゼロとなる。これにより、巻線Ｕ駆動回路２８Ｕを駆動した際に、巻線ＶＷ駆動回路２８ＶＷに自身の制御とは関係ない電圧が発生することを抑制することが可能となる。さらに、巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗに流れる励磁電流Ｉｕ，Ｉｖｗが、励磁電流目標値Ｉｕ＊，Ｉｖｗ＊により早く近付けることが可能となる。これにより、荷電粒子ビーム９０（図１）が走査電磁石１を通過した後のビーム幅の変化が抑制される。

このように、３つのそれぞれの巻線Ｕ，Ｖ，Ｗが、２つの巻線群に分けられる。なお、１つの巻線群は、少なくとも１つの巻線を含む。例えば、巻線Ｕ，Ｖ，Ｗは、巻線Ｕ駆動回路２８Ｕに接続される巻線Ｕを含む第１巻線群と、巻線ＶＷ駆動回路２８ＶＷに接続される、２つの巻線Ｖ，Ｗを含む第２巻線群とに分けられる。さらに、それぞれの巻線群により生じる磁場が互いに直交し、かつ同じ巻線群に属する複数の巻線が同じ駆動回路に直列に接続されている。

さらに、荷電粒子ビーム９０（図１）の進行方向に対して垂直なＸ方向およびＹ方向が定義される場合に、それぞれの巻線Ｕ，Ｖ，Ｗは、荷電粒子ビーム９０を、Ｘ方向に偏向させる第１巻線群（巻線Ｕ）と、Ｙ方向に偏向させる第２巻線群（巻線Ｖ，Ｗ）とに分けられている。このようにすれば、荷電粒子ビーム９０をＸ方向またはＹ方向に偏向させる制御が容易になる。

巻線Ｕと、巻線Ｖおよび巻線Ｗのそれぞれには、次の（数１）、（数２）で表される直流の励磁電流Ｉｕ＝Ｉｕ＊，Ｉｖw＝Ｉｖw＊が流される。これら励磁電流が流されることで、走査角θ、キック角ψ（Ｉ）で表される方向に、荷電粒子ビーム９０を偏向させる磁束密度ＢＬ（Ｉ）が発生される。この磁束密度ＢＬ（Ｉ）は、ヨーク１０の内部空間に発生される。

（数１）Ｉｕ＊＝Ｉ・ｃｏｓθ
（数２）Ｉｖw＊＝Ｉ・ｓｉｎθ

（数１）、（数２）は、走査角θを角度変数とし、角度変数軸上で正弦・余弦関数である。磁束密度ＢＬ（Ｉ）は、γ軸に垂直な磁束密度であり、電流係数Ｉに対する増加関数によって表される。即ち、磁束密度ＢＬ（Ｉ）は、電流係数Ｉが増加するほど大きくなる。

なお、（数１）、（数２）は、正弦・余弦関数に替えて、余弦・正弦関数で表現しても良い。また、（数１）、（数２）は、正弦関数または余弦関数を角度変数軸上で一定値だけシフトした関数で表現しても良い。

荷電粒子ビーム９０（図１）の磁気剛性率をＢρとすると、キック角ψ（Ｉ）は、（数３）のように表される。

（数３）ψ（Ｉ）＝ａｒｃｔａｎ［ＢＬ（Ｉ）/Ｂρ］≒ＢＬ（Ｉ）/Ｂρ

従って、キック量ｒは、走査電磁石１の基準点からアイソセンタ面までの距離Ｄを用いて（数４）のように表される。

（数４）ｒ＝Ｄ・ｔａｎ［ψ（Ｉ）］＝Ｄ・ＢＬ（Ｉ）/Ｂρ

ここで、走査電磁石制御装置２２は、次のような制御処理を実行する。即ち、走査電磁石制御装置２２は、キック角ψおよび走査角θが指定されることで、巻線Ｕ，巻線Ｖおよび巻線Ｗのそれぞれに流すべき励磁電流の励磁電流目標値Ｉｕ＊，Ｉｖｗ＊を求める。

走査電磁石制御装置２２は、巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗに流れる励磁電流Ｉｕ，Ｉｖｗが、励磁電流目標値Ｉｕ＊，Ｉｖｗ＊に近付き、または一致するように、巻線Ｕ、巻線ＶＷの駆動回路を制御する。このようにすれば、キック角ψおよび走査角θで定まる方向に荷電粒子ビーム９０（図１）が向けられる。

走査電磁石制御装置２２および指令変換装置２０は、例えば、プロセッサによって構成されている。走査電磁石制御装置２２は、さらに、ディジタル回路を備えても良い。走査電磁石制御装置２２を構成するプロセッサは、走査電磁石制御システム２が備えるメモリに記憶されたプログラムまたは外部から読み込まれたプログラムを実行することでディジタル回路を制御する。このディジタル回路によって、巻線Ｕ駆動回路２８Ｕ、巻線ＶＷ駆動回路２８ＶＷが制御される。

図５に示されるように、指令変換装置２０は、照射位置・励磁電流変換テーブルを記憶している。この照射位置・励磁電流変換テーブルは、照射位置のｘｙ座標値（Ｘ，Ｙ）と、励磁電流目標値Ｉｕ＊、Ｉｖｗ＊とが対応付けられたテーブルである。例えば、図５には、ｘ軸方向にｐ個、ｙ軸方向にｑ個の照射位置（Ｘ１，Ｘ１）、…（Ｘｐ，Ｘ１）、…（Ｘｐ，Ｘｑ）が定められている場合のテーブルが示されている。

それぞれの照射位置に対し、励磁電流目標値Ｉｕ＊，Ｉｖｗ＊として、（Ｉｕ＿１＿１，Ｉｖｗ＿１＿１）、…（Ｉｕ＿ｐ＿１，Ｉｖｗ＿ｐ＿１）、…（Ｉｕ＿ｐ＿ｑ，Ｉｖｗ＿ｐ＿ｑ）が対応付けられた例が示されている。

照射位置・励磁電流変換テーブルは、次の工程（ｉ）～（ｉｖ）を実行することで予め求められている。

例えば、工程（ｉ）は、ｘｙ座標値（Ｘ，Ｙ）をｒθ座標値（ｒ，θ）に変換するものである。工程（ｉｉ）は、キック量ｒに基づいてキック角ψ（Ｉ）を求め、さらに電流係数Ｉを求めるものである。工程（ｉｉｉ）は、電流係数Ｉおよび走査角θを（数１）、（数２）に当てはめて、励磁電流目標値Ｉｕ＊，Ｉｖｗ＊を求めるものである。工程（ｉｖ）は、ｘｙ座標値（Ｘ，Ｙ）と励磁電流目標値Ｉｕ＊，Ｉｖｗ＊とを対応付けるものである。

指令変換装置２０は、照射位置・励磁電流変換テーブルを参照し、照射位置のｘｙ座標値（Ｘ，Ｙ）に対応する励磁電流目標値Ｉｕ＊，Ｉｖｗ＊を求め、走査電磁石制御装置２２に出力する。走査電磁石制御装置２２は、励磁電流Ｉｕ，Ｉｖｗが、それぞれ、励磁電流目標値Ｉｕ＊，Ｉｖｗ＊に近付き、または一致するように巻線Ｕ駆動回路２８Ｕ、巻線ＶＷ駆動回路２８ＶＷを制御する。

巻線Ｕ駆動回路２８Ｕは、走査電磁石制御装置２２による制御に従い、直流電力源２６から出力される電力に基づいて、励磁電流を巻線Ｕに流す。巻線ＶＷ駆動回路２８ＶＷは、走査電磁石制御装置２２による制御に従い、直流電力源２６から出力される電力に基づいて、励磁電流を巻線Ｖと巻線Ｗに流す。

なお、指令変換装置２０は、照射位置・励磁電流変換テーブルによらず、演算処理によって励磁電流目標値Ｉｕ＊，Ｉｖｗ＊を求めても良い。この場合、指令変換装置２０は、プロセッサによる演算処理によって、前述の工程（ｉ）～（ｉｉｉ）を実行し、励磁電流目標値Ｉｕ＊，Ｉｖｗ＊を求める。

このように、走査電磁石１は、荷電粒子ビーム９０（図１）の軌道に沿って伸びる往路区間および復路区間をそれぞれが有し、荷電粒子ビーム９０を通過させる円柱状を成す柱状空間を囲む複数の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗを備える。そして、それぞれの巻線Ｕ，Ｖ，Ｗにおける往路区間および復路区間は、柱状空間の周方向に沿って所定の間隔（例えば、１８０°の間隔）を空けて配置されている。さらに、複数の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗのうちの１つにおける往路区間と復路区間との間に、他の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの往路区間または復路区間が配置されている。

それぞれの巻線Ｕ，Ｖ，Ｗを、このような分布巻構造とした上で、巻線Ｕ，巻線Ｖおよび巻線Ｗに、それぞれ、前述の（数１）、（数２）で表される直流の励磁電流が流される。ここで、柱状空間に発生される起磁力の分布は、柱状空間の外周方向を横軸にとり、起磁力を縦軸にとると、起磁力の分布は、正弦波に近似した分布となる。

このようにすれば、磁力線を横切る方向に観測したときの磁束密度の平坦度が向上される。この平坦度は、例えば、磁力線を横切る方向に観測したときの磁束密度の変動が所定範囲内である範囲の幅として定義される。柱状空間が円柱状である場合には、平坦度は、磁力線に垂直な径方向についての磁束密度の変動が、所定範囲内である範囲（径方向への長さ）として定義されても良い。磁束密度の平坦度が向上されることで、荷電粒子ビーム９０（図１）が走査電磁石１を通過した後のビーム幅の変化が抑制される。

また、あらゆる走査角θに対して起磁力の周方向についての分布が正弦波に近似した分布となるため、走査角θの変化に対する平坦度の変化が抑制される。これによって、走査角θの違いによる荷電粒子ビームのキック角およびキック量のばらつきが抑制される。

なお、指令変換装置２０は、次の（数５）、（数６）に従う励磁電流目標値Ｉｕ＊＿Ｏ、Ｉｖｗ＊＿Ｏを走査電磁石制御装置２２に出力しても良い。例えば、励磁電流目標値Ｉｕ＊＿Ｏ、Ｉｖｗ＊＿Ｏは、（数１）、（数２）で表される励磁電流目標値Ｉｕ＊、Ｉｖｗ＊に、オフセット値ΔＩｕ、ΔＩｖｗが、それぞれ加算された値である。オフセット値ΔＩｕ、ΔＩｖｗは、走査角θを変数とする関数であっても良い。オフセット値は、走査電磁石１に囲まれる内部空間における磁束密度の平坦度が向上するように、実験、シミュレーションなどによって予め決定される。

（数５）Ｉｕ＊＿Ｏ＝Ｉ・ｃｏｓθ＋ΔＩｕ
（数６）Ｉｖ＊＿Ｏ＝Ｉ・ｓｉｎθ＋ΔＩｖｗ

巻線Ｕおよび巻線Ｖと巻線Ｗに流れる励磁電流が、オフセット値が加算された励磁電流目標値に近付き、または一致することで、走査電磁石１の内部空間における磁束密度の平坦度が向上するとともに、走査角θの変化に対する平坦度の変化が抑制される。

図６のグラフには、走査角θ＝０°に対し、電流係数Ｉの２．５％の大きさを有する負の値に、オフセット値ΔＩｕが設定された場合、即ち、ΔＩｕ＝－０．０２５Ｉとした場合の磁束密度の分布が示されている。

横軸は、ヨーク１０の中心軸を径方向に横切る直線上の位置を示す。縦軸は、ある基準値を１００％としたときの磁束密度の規格化値を示す。丸印は、オフセット値ΔＩｕ，ΔＩｖｗをいずれもゼロとしたときの磁束密度を示す。菱形印は、オフセット値ΔＩｕを－０．０２５Ｉとし、オフセット値ΔＩｖｗをいずれもゼロとしたときの磁束密度を示す。矢印１０２および１０４は、磁束密度の変動が±０．１％以内である平坦領域を示し、この平坦領域の長さが平坦度を示す。

図６のグラフに示されるように、それぞれのオフセット値をゼロとしたときに比べて、オフセット値ΔＩｕを－０．０２５Ｉとした方が、平坦領域が長く、平坦度が良好であることが認められる。

このように、巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗに対する励磁電流目標値は、（数１）、（数２）に示されるように、走査角θを角度変数とする三角関数であっても良い。また、励磁電流目標値は、（数５）、（数６）に示されるように、走査角θを角度変数とする三角関数にオフセット値を加算した周期関数であっても良い。さらに、それぞれの巻線Ｕ，Ｖ，Ｗに対する励磁電流目標値は、走査電磁石１の内部空間における磁束密度の平坦度が向上するとともに、走査角θの変化に対する平坦度の変化が抑制されるように定義された、走査角θを角度変数とする一般的な周期関数であっても良い。

なお、走査電磁石１は、４つ以上の複数Ｎ個の巻線を備えても良い。例えば、複数Ｎ個の巻線は、荷電粒子ビーム９０（図１）１の軌道に沿って伸びる往路区間および復路区間を有し、荷電粒子ビーム９０を通過させる柱状空間を囲むように設けられる。それぞれの巻線における往路区間および復路区間は、柱状空間の外周方向を見て所定の間隔を隔てて配置される。また、複数の巻線のうちの１つにおける往路区間と復路区間との間には、他の巻線の往路区間または復路区間が配置される。

複数の巻線を、このような分布巻構造とした上で、複数Ｎ個の巻線を２つの巻線群に分け、それぞれの巻線群が発生する磁場が直交するよう、巻線を選択および接続する。さらに、それぞれの巻線群に流れる電流を（数１）、（数２）で表される励磁電流目標値に近づけ、または一致させる。このようにすれば、走査角θ、キック角ψ（Ｉ）で表される方向に荷電粒子ビーム９０（図１）を偏向させる磁束密度が柱状空間に発生する。なお、複数の巻線の分布巻構造は、交流電動機または交流発電機の固定子巻線の分布巻構造を応用しても良い。

次に、走査電磁石１を用いた粒子線治療システム３について説明する。図７には、粒子線治療システム３の全体構成が示されている。この粒子線治療システム３は、患者５２の患部６０（図８）に対して照射ノズル５０から治療用の放射線を照射するものである。また、粒子線治療システム３は、加速器４０、ビーム輸送装置４６、照射ノズル５０および治療台５４を備えている。

加速器４０は、荷電粒子ビーム９０（図１）を加速するものである。ビーム輸送装置４６は、加速器４０で加速された荷電粒子ビーム９０を照射ノズル５０まで輸送するものである。照射ノズル５０は、ビーム輸送装置４６で輸送された荷電粒子ビーム９０を患部６０（図９）に照射するものである。治療台５４は、患者５２が載置されるものである。

また、粒子線治療システム３は、さらに、全体制御装置３２、加速器・ビーム輸送系制御装置３４、照射ノズル制御装置３６およびディスプレイ３８を備えている。なお、照射ノズル制御装置３６には、前述の指令変換装置２０が含まれている。

全体制御装置３２、加速器・ビーム輸送系制御装置３４および照射ノズル制御装置３６は、プロセッサによって構成されている。全体制御装置３２、加速器・ビーム輸送系制御装置３４および照射ノズル制御装置３６を構成するプロセッサは、粒子線治療システム３が備えるメモリに記憶されたプログラムまたは外部から読み込まれたプログラムを実行することで、制御対象の装置を制御する処理を実行する。

加速器４０は、入射器４２およびシンクロトロン加速器４４を備えている。荷電粒子ビーム９０（図１）は、加速器４０で光速の６割～７割程度まで加速される。この加速器４０から取り出された荷電粒子ビーム９０は、ビーム輸送装置４６に配置された偏向電磁石４８により真空中を偏向しながら照射ノズル５０まで輸送される。この荷電粒子ビーム９０は、照射ノズル５０で照射領域の形状に合致するように整形され、照射対象に照射される。照射対象は、例えば、治療台５４に横たえられた患者５２の患部６０（図９）である。

次に、照射ノズル５０およびその周辺装置を図８から図１０を参照して詳述する。図８には、粒子線スキャニング用の照射ノズル５０の構成が示されている。図９には、患部６０をスキャニング照射していくときの荷電粒子ビーム９０、同じエネルギーで照射される層８０および照射スポット８２が示されている。図１０のグラフには、患部６０をスキャニング照射していくときの深さ方向の線量分布が示されている。

図８から図９に示されるように、照射ノズル５０では、荷電粒子ビーム９０の通過方向に対して垂直な２次元平面内に荷電粒子ビーム９０が走査される。走査電磁石１によって走査された荷電粒子ビーム９０は、患部６０に照射される。

線量モニタ６２は、それぞれの照射スポット８２に照射される荷電粒子ビーム９０の線量を演算するために、荷電粒子ビーム９０の通過によって生じた電子を収集する。線量モニタ６２の検出信号、例えば、電子を収集して得られたパルス信号が、線量モニタ制御装置７０に出力される。

線量モニタ制御装置７０および位置モニタ制御装置７２は、プロセッサによって構成されている。線量モニタ制御装置７０および位置モニタ制御装置７２を構成するプロセッサは、粒子線治療システム３が備えるメモリに記憶されたプログラムまたは外部から読み込まれたプログラムを実行することで、それぞれの制御対象の装置を制御する処理を実行する。

線量モニタ制御装置７０は、線量モニタ６２から出力された検出信号に基づいて、それぞれの照射スポット８２に照射される照射量を演算し、演算した照射量を照射ノズル制御装置３６に出力する。

位置モニタ６４は、それぞれの照射スポット８２の位置、例えば、重心の位置を演算するために、荷電粒子ビーム９０の通過によって生じた電子を収集する。位置モニタ６４の検出信号、例えば、電子を収集して得られたパルス信号が、位置モニタ制御装置７２に出力される。

位置モニタ制御装置７２は、位置モニタ６４から出力された検出信号に基づいて、それぞれの照射スポット８２における線量をカウントし、演算したカウント値を照射ノズル制御装置３６に出力する。

照射ノズル制御装置３６は、位置モニタ制御装置７２から出力された信号に基づき、荷電粒子ビーム９０の通過位置を求める。照射ノズル制御装置３６は、求めた通過位置のデータから照射スポット８２の位置および幅の演算を行い、荷電粒子ビーム９０の照射位置を確認する。さらに、照射ノズル制御装置３６は、線量モニタ制御装置７０から出力された検出信号に応じて荷電粒子ビーム９０の照射の制御を進行する。

リッジフィルタ６６は、ブラッグピークを広げることが必要な場合に使用される。また、レンジシフタ６８は、荷電粒子ビーム９０の到達位置を調整する際に挿入される。

スキャニング照射では、治療計画装置（図示略）を用いて、患部６０を一様な線量で照射するためのそれぞれの照射スポット８２の位置と、それぞれの照射スポット８２に対する目標照射量が予め計算される。

図９に示されるように、スキャニング照射では、患部６０が複数の層８０に分割され、１つの層８０内に照射スポット８２が１つ以上配置される。それぞれの層８０内では、同じエネルギーの荷電粒子ビーム９０で、照射スポット８２が順次照射される。

荷電粒子ビーム９０のエネルギーが変化すると、荷電粒子ビーム９０の到達位置が変化する。即ち、荷電粒子ビーム９０は、エネルギーが高い程、体内のより深い位置まで到達する。そのため、荷電粒子ビーム９０の進行方向、即ち、患部６０の深さ方向の照射位置を変更する際には、荷電粒子ビーム９０のエネルギーが変更される。

スキャニング照射では、ＳＯＢＰ（Spread Out Bragg Peak）で示される照射が行われる。ＳＯＢＰは、異なるエネルギーを有する複数の荷電粒子ビーム９０に対して照射量が適切に配分されることによって、深さ方向への線量を一様とした分布である。

図１０のグラフには、患部６０の深さ方向への線量分布としてＳＯＢＰが示されている。異なるエネルギーを有する複数の荷電粒子ビームのそれぞれに対して照射量が適切に配分されることで、それぞれのエネルギーについて、それぞれのブラッグカーブ８４で示される照射が行われる。この患部６０の深さ方向への線量分布がＳＯＢＰとなる。即ち、それぞれのエネルギーに対応するブラッグカーブ８４が重ね合わせられ、図１０のグラフに示されるように、深さ方向に一様な線量分布で示される照射が行われる。

次に、照射時に実行される処理について図１１のフローチャートを用いて説明する。なお、前述の図面を適宜参照する。

なお、患者５２（図７）ごとの治療計画データは、治療計画装置（図示略）で予め作成されている。この治療計画データは、治療計画装置からＯＩＳ（Oncology Information System）に送信され、このＯＩＳに保存されている。治療計画データは、ＯＩＳから粒子線治療システム３（図７）の全体制御装置３２に送信される。この全体制御装置３２は、粒子線治療システム３の動作状態などを示す情報をディスプレイ３８に表示しても良い。

まず、ステップＳ１０１において、全体制御装置３２は、ＯＩＳから送信された治療計画データを取得する。

次のステップＳ１０２において、全体制御装置３２は、治療台５４、加速器・ビーム輸送系制御装置３４および照射ノズル制御装置３６を制御するための機器パラメータを、治療計画データに基づいて設定する。この全体制御装置３２は、機器パラメータに基づいて、治療台５４、加速器・ビーム輸送系制御装置３４、および照射ノズル制御装置３６を制御する。

例えば、全体制御装置３２（図７）は、機器パラメータとして、それぞれの照射スポット８２（図９）のエネルギー、照射位置の座標値（Ｘ，Ｙ）、照射量などを表すデータを照射ノズル制御装置３６に送信する。また、照射ノズル制御装置３６（図７）における指令変換装置２０は、照射位置の座標値（Ｘ，Ｙ）を励磁電流目標値Ｉｕ＊、Ｉｖｗ＊に変換して、それぞれの励磁電流目標値を走査電磁石制御装置２２に送信する。

次のステップＳ１０３において、加速器・ビーム輸送系制御装置３４および照射ノズル制御装置３６は、全体制御装置３２の制御に従って、加速器４０、ビーム輸送装置４６および照射ノズル５０を制御する。これにより、第ｉ番目の層における第ｊ番目の照射スポット８２（図９）に荷電粒子ビーム９０が照射される。

ここで、ｉは１～Ｋの整数であり、患部６０に設定された層を特定する。ｊは１～Ｍ（Ｋ）の整数であり、第ｉ番目の層における照射スポット８２を特定する。例えば、最初の照射では、ｉ＝１、ｊ＝１となっている。整数Ｍ（Ｋ）は、最後の層における最後の照射スポット８２を特定する。それぞれの照射スポット８２に対する荷電粒子ビーム９０の照射ごとに、治療台５４は、全体制御装置３２の制御に従って、患者５２の位置および姿勢を適切な位置に設定する。

次のステップＳ１０４において、全体制御装置３２は、患部６０の層における最後の照射スポット８２に対する照射が完了したか否かを判定する。ここで、照射が完了していない場合（ステップＳ１０４でＮＯの場合）は、ｊを１だけ増加し、ステップＳ１０３の制御に戻る。一方、照射が完了した場合（ステップＳ１０４でＹＥＳの場合）は、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５において、全体制御装置３２は、最後の層に対する照射が完了したか否かを判定する。ここで、照射が完了していない場合（ステップＳ１０５でＮＯの場合）は、ｉを１だけ増加させ、エネルギーを変更し、ステップＳ１０３に戻って次の層の照射を行う。一方、照射が完了した場合（ステップＳ１０５でＹＥＳの場合）は、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６において、全体制御装置３２は、照射の制御を終了する。

図１２（Ａ）から図１２（Ｆ）には、スキャニング照射のタイミングチャートが概念的に示されている。照射スポット（１）から照射スポット（３）までの３つに荷電粒子ビーム９０を照射する例が示されている。

図１２（Ａ）に示されるように、照射スポット（１）に対する照射では、時刻ｔ１～ｔ２に、加速器・ビーム輸送系制御装置３４から加速器４０に出射タイミング信号が出力され、荷電粒子ビーム９０を放出すべき指令が加速器４０に対してなされる。

照射スポット（２）に対する照射では、時刻ｔ３～ｔ４に、加速器・ビーム輸送系制御装置３４から加速器４０に出射タイミング信号が出力され、荷電粒子ビームを放出すべき指令が加速器４０に対してなされる。

照射スポット（３）に対する照射では、時刻ｔ５～ｔ６に、加速器・ビーム輸送系制御装置３４から加速器４０に出射タイミング信号が出力され、荷電粒子ビームを放出すべき指令が加速器４０に対してなされる。

このように、所定の強度を有する荷電粒子ビーム９０によって患部６０が照射されるように、加速器・ビーム輸送系制御装置３４が加速器４０に指令を出力する。

なお、照射スポット（１）から照射スポット（３）のそれぞれに対する照射は、同様の処理によって行われるため、ここでは、照射スポット（１）に対する照射を例示する。

図１２（Ｂ）に示されるように、時刻ｔ１に出射タイミング信号が立ち上がってから、荷電粒子ビーム９０の強度が増加し、時刻ｔ１から時間τ１だけ経過した時刻ｔａに、荷電粒子ビーム９０の強度が最大値に達する。時刻ｔ２に出射タイミング信号が立ち下がってから、荷電粒子ビーム９０の強度が減少し、時刻ｔ２から時間τ２だけ経過した時刻ｔｂに、荷電粒子ビーム９０の強度がゼロとなる。

図１２（Ｃ）に示されるように、時刻ｔ１に、荷電粒子ビーム９０の照射が開始されると、照射ノズル５０における線量モニタ６２が、電離出力を検出信号としてのパルス信号に変換されて線量モニタ制御装置７０に出力される。

図１２（Ｄ）に示されるように、荷電粒子ビーム９０の照射に伴い、線量モニタ制御装置７０で計数されるパルスカウント値が増加し、時刻ｔｃに、パルスカウント値が所定値に達すると、線量モニタ制御装置７０が満了信号を照射ノズル制御装置３６に送信する。これによって照射ノズル制御装置３６は、照射スポット（１）に対する荷電粒子ビームの照射を停止する。

図１２（Ｅ）に示されるように、照射スポット（１）が荷電粒子ビーム９０によって照射されている間、線量モニタ６２と同様に、位置モニタ６４も電離出力を検出信号としてのパルス信号に変換して位置モニタ制御装置７２に出力する。

照射スポット（１）の照射が終了すると、位置モニタ制御装置７２は、照射スポット一照射分のパルスカウント値を照射ノズル制御装置３６に出力する。照射ノズル制御装置３６は、位置モニタ制御装置７２から出力されたカウント値に基づき、照射スポット（１）の位置および幅を演算し、所定の位置に荷電粒子ビーム９０が照射されたかどうか判定する。判定した結果、スポット位置または幅のずれが所定値を超えるときは、照射スポット（１）に対する荷電粒子ビーム９０の照射を停止する。

線量モニタ制御装置７０が出力する満了信号により、照射ノズル制御装置３６における指令変換装置２０は、次の照射位置に対応する励磁電流目標値Ｉｕ＊、Ｉｖｗ＊を求め、走査電磁石制御装置２２に送信する。走査電磁石制御装置２２は、励磁電流目標値Ｉｕ＊、Ｉｖｗ＊を用いて、巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗに流れる励磁電流を制御する。

図１２（Ｆ）には、巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗに流れる励磁電流の変化が示されている。出射タイミング信号が立ち上がった時刻ｔ１から立ち下がり始める時刻ｔｃまでの間、励磁電流が一定である。この時間帯では、照射位置のｘｙ座標値（Ｘ，Ｙ）が一定である。時刻ｔｃから、次の照射スポット（２）に対する照射に向けて出射タイミング信号が立ち上がる時刻ｔ３までの間、励磁電流の値が次の励磁電流目標値に近付き、励磁電流目標値に至る。この時間帯に照射位置のｘｙ座標値（Ｘ，Ｙ）が変化する。

ここでは、照射スポット（１）に対する荷電粒子ビーム９０の照射が述べられているが、照射スポット（２）および照射スポット（３）に対する荷電粒子ビーム９０の照射も同様の処理によって行われる。

第１実施形態の走査電磁石１は、２次元的に荷電粒子ビーム９０を走査するため、一方向に荷電粒子ビーム９０を走査する走査電磁石を２台用いた場合と比較して、照射ノズル５０が小型となる。また、走査電磁石１をより上流に配置することで、一方向に荷電粒子ビーム９０を走査する走査電磁石を２台用いた場合と比較して荷電粒子ビーム９０の走査が迅速となり、照射野が拡大される。さらに、ある一定のキック量を得るための走査電磁石１が小型化されるため、それぞれの巻線に流す励磁電流が小さくなる。これによって、それぞれの巻線に流れる電流を制御する駆動回路が小型となる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図１３から図１６を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。前述の実施形態の図面を適宜参照する。

図１３には、第２実施形態に係る走査電磁石４を荷電粒子ビームの軌道の上流側から見た断面形状が模式的に示されている。図１４には、溝ＳＬ１～ＳＬ１２のそれぞれに、巻線区間Ｕ＋、Ｕ－、Ｖ＋、Ｖ－、Ｗ＋およびＷ－のうち、いずれが配置されているかが示されている。

ヨーク１０の内壁面には、外側に向かって凹み、軸方向に伸びた１２本の溝ＳＬ１～ＳＬ１２が形成されている。これらは、溝ＳＬ１～ＳＬ１２の順序で反時計回りに３０°間隔で形成されている。隣接する溝の間には、ティース１２が形成されている。溝ＳＬ１～溝ＳＬ１２の最深部を基準として、それぞれのティース１２は、ヨーク１０の内側に突出した形状を成している。

巻線Ｕ（図４）は、溝ＳＬ１および溝ＳＬ２のそれぞれの外側および内側と、溝ＳＬ１および溝ＳＬ２に対向する溝ＳＬ７および溝ＳＬ８のぞれぞれの外側および内側に設けられている。巻線Ｕを構成する導線が、溝ＳＬ１および溝ＳＬ２をγ軸正方向に通過するものとして導線の通過方向を定義すると、巻線Ｕを構成する導線は溝ＳＬ７および溝ＳＬ８をγ軸負方向に通過する。

より詳細には、巻線Ｕを構成する導線は、溝ＳＬ１の内側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ７の外側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ１（ｉｎ）－ＳＬ７（ｏｕｔ）を周回する。また、巻線Ｕを構成する導線は、溝ＳＬ１の外側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ７の内側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ１（ｏｕｔ）－ＳＬ７（ｉｎ）を周回する。さらに、巻線Ｕを構成する導線は、溝ＳＬ２の内側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ８の外側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ２（ｉｎ）－ＳＬ８（ｏｕｔ）の外側を周回する。また、巻線Ｕを構成する導線は、溝ＳＬ２の外側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ８の内側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ２（ｏｕｔ）－ＳＬ８（ｉｎ）を周回する。溝ＳＬ１および溝ＳＬ２に配置された巻線区間Ｕ＋にγ軸正方向に電流が流れるとき、溝ＳＬ７および溝ＳＬ８に配置された巻線区間Ｕ－には、γ軸負方向に電流が流れる。

なお、往路区間としての巻線区間Ｕ＋にγ軸正方向に電流が流れるときに、復路区間としての巻線区間Ｕ－にγ軸負方向に電流が流れる。このような電流極性条件の下では、あらゆる態様で巻線Ｕ（図４）を構成する導線が配置される。即ち、このような電流極性条件の下では、溝ＳＬ１、溝ＳＬ２、溝ＳＬ７および溝ＳＬ８のそれぞれの内側および外側には、あらゆる順序で巻線Ｕを構成する導線が通過しても良い。

巻線Ｖ（図４）は、溝ＳＬ５および溝ＳＬ６のそれぞれの外側および内側と、溝ＳＬ５および溝ＳＬ６に対向する溝ＳＬ１１および溝ＳＬ１２のぞれぞれの外側および内側に設けられている。巻線Ｖを構成する導線が、溝ＳＬ５および溝ＳＬ６をγ軸正方向に通過するものとして導線の通過方向を定義すると、巻線Ｖを構成する導線は溝ＳＬ１１および溝ＳＬ１２をγ軸負方向に通過する。

より詳細には、巻線Ｖを構成する導線は、溝ＳＬ５の内側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ１１の外側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ５（ｉｎ）－ＳＬ１１（ｏｕｔ）を周回する。また、巻線Ｖを構成する導線は、溝ＳＬ５の外側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ１１の内側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ５（ｏｕｔ）－ＳＬ１１（ｉｎ）を周回する。さらに、巻線Ｖを構成する導線は、溝ＳＬ６の内側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ１２の外側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ６（ｉｎ）－ＳＬ１２（ｏｕｔ）を周回する。また、巻線Ｖを構成する導線は、溝ＳＬ６の外側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ１２の内側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ６（ｏｕｔ）－ＳＬ１２（ｉｎ）を周回する。溝ＳＬ５および溝ＳＬ６に配置された巻線区間Ｖ＋にγ軸正方向に電流が流れるとき、溝ＳＬ１１および溝ＳＬ１２に配置された巻線区間Ｖ－には、γ軸負方向に電流が流れる。

なお、往路区間としての巻線区間Ｖ＋にγ軸正方向に電流が流れるときに、復路区間としての巻線区間Ｖ－にγ軸負方向に電流が流れる。このような電流極性条件の下では、あらゆる態様で巻線Ｖを構成する導線が配置される。即ち、このような電流極性条件の下では、溝ＳＬ５、溝ＳＬ６、溝ＳＬ１１および溝ＳＬ１２のそれぞれの内側および外側には、あらゆる順序で巻線Ｖを構成する導線が通過しても良い。

巻線Ｗ（図４）は、溝ＳＬ３および溝ＳＬ４のそれぞれの外側および内側と、溝ＳＬ３および溝ＳＬ４に対向する溝ＳＬ９および溝ＳＬ１０のぞれぞれの外側および内側に設けられている。巻線Ｗを構成する導線が、溝ＳＬ９および溝ＳＬ１０をγ軸正方向に通過するものとして導線の通過方向を定義すると、巻線Ｗを構成する導線は溝ＳＬ３および溝ＳＬ４をγ軸負方向に通過する。

より詳細には、巻線Ｗを構成する導線は、溝ＳＬ１０の内側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ４の外側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ１０（ｉｎ）－ＳＬ４（ｏｕｔ）を周回する。また、巻線Ｗを構成する導線は、溝ＳＬ１０の外側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ４の内側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ１０（ｏｕｔ）－ＳＬ４（ｉｎ）を周回する。さらに、巻線Ｗを構成する導線は、溝ＳＬ９の内側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ３の外側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ９（ｉｎ）－ＳＬ３（ｏｕｔ）を周回する。また、巻線Ｗを構成する導線は、溝ＳＬ９の外側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ３の内側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ９（ｏｕｔ）－ＳＬ３（ｉｎ）を周回する。溝ＳＬ９および溝ＳＬ１０に配置された巻線区間Ｗ＋にγ軸正方向に電流が流れるとき、溝ＳＬ３および溝ＳＬ４に配置された巻線区間Ｗ－には、γ軸負方向に電流が流れる。

なお、往路区間としての巻線区間Ｗ＋にγ軸正方向に電流が流れるときに、復路区間としての巻線区間Ｗ－にγ軸負方向に電流が流れる。このような電流極性条件の下では、あらゆる態様で巻線Ｗを構成する導線が配置される。即ち、このような電流極性条件の下では、溝ＳＬ３、溝ＳＬ４、溝ＳＬ９および溝ＳＬ１０のそれぞれの内側および外側には、あらゆる順序で巻線Ｗを構成する導線が通過しても良い。

このように、ヨーク１０、巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗは、ヨーク１０の中心軸に関して１２０°回転対称構造を成している。即ち、巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗは、ヨーク１０に囲まれる柱状空間の軸を中心とした１２０°回転対称構造を成している。

図１４に示されるように、巻線構造では、それぞれの巻線における複数の往路区間が往路区間群として隣接して配置され、それぞれの巻線における複数の復路区間が復路区間群として隣接して配置されている。そして、巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗのうちの１つにおける往路区間群と復路区間群との間に、他の巻線における往路区間群または復路区間群が配置されている。

具体的には、図１４に示される巻線構造では、巻線Ｕの往路区間群は、溝ＳＬ１および溝ＳＬ２のそれぞれの外側および内側に配置された４つの往路区間Ｕ＋から構成されている。また、巻線Ｕの復路区間群は、溝ＳＬ７および溝ＳＬ８のそれぞれの外側および内側に配置された４つの復路区間Ｕ－から構成されている。

巻線Ｖの往路区間群および復路区間群は、それぞれ、ヨーク１０の中心軸を中心に、巻線Ｕの往路区間群および復路区間群を１２０°だけ反時計回りに回転させた構造を成す。巻線Ｗの往路区間群および復路区間群は、それぞれ、ヨーク１０の中心軸を中心に、巻線Ｖの往路区間群および復路区間群を１２０°だけ反時計回りに回転させた構造を有する。

第２実施形態に係る走査電磁石４では、第１実施形態に係る走査電磁石１と比較して、巻線のループ経路の数が多い。従って、柱状空間の外周方向についての起磁力の分布は、正・余弦波により近似した分布となる。これによって、磁束密度の平坦度が向上するとともに、走査角θの変化に対する平坦度の変化が抑制される。そのため、走査角θの違いによる荷電粒子ビームのキック角のばらつきが抑制されるという効果が高まる。

図１５には、溝ＳＬ１～ＳＬ１２における巻線区間Ｕ＋、Ｕ－、Ｖ＋、Ｖ－、Ｗ＋およびＷ－の別の配置例が示されている。巻線Ｕを構成する導線は、溝ＳＬ１の内側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ６の外側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ１（ｉｎ）－ＳＬ６（ｏｕｔ）を周回する。また、巻線Ｕを構成する導線は、溝ＳＬ２の内側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ７の外側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ２（ｉｎ）－ＳＬ７（ｏｕｔ）を周回する。また、巻線Ｕを構成する導線は、溝ＳＬ１の外側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ８の内側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ１（ｏｕｔ）－ＳＬ８（ｉｎ）を周回する。さらに、巻線Ｕを構成する導線は、溝ＳＬ１２の外側をγ軸正方向に向かい、溝ＳＬ７の内側をγ軸負方向に向かうループ経路ＳＬ１２（ｏｕｔ）－ＳＬ７（ｉｎ）を周回する。

巻線Ｖは、ヨーク１０の中心軸に関して、巻線Ｕを図１５の反時計回りに１２０°だけ回転したものと同様の構造を成している。巻線Ｗは、ヨーク１０の中心軸に関して、巻線Ｖを図１５の反時計回りに１２０°だけ回転したものと同様の構造を成している。このように、ヨーク１０、巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗは、ヨーク１０に囲まれる柱状空間の軸を中心とした１２０°回転対称構造を成している。

図１５に示される巻線構造においても、図１４と同様、それぞれの巻線における複数の往路区間が往路区間群として隣接して配置され、それぞれの巻線における複数の復路区間が復路区間群として隣接して配置されている。そして、巻線Ｕ、巻線Ｖおよび巻線Ｗのうちの１つにおける往路区間群と復路区間群との間に、他の巻線における往路区間群または復路区間群が配置されている。

具体的には、図１５に示される巻線構造では、巻線Ｕの往路区間群は、溝ＳＬ１２の外側、溝ＳＬ１の内側および外側、さらには、溝ＳＬ２の内側に配置された４つの往路区間Ｕ＋から構成されている。また、巻線Ｕの復路区間群は、溝ＳＬ６の外側、溝ＳＬ７の内側および外側、さらには、溝ＳＬ８の内側に配置された４つの復路区間Ｕ－から構成されている。

巻線Ｖの往路区間群および復路区間群は、それぞれ、ヨーク１０の中心軸を中心に、巻線Ｕの往路区間群および復路区間群を１２０°だけ反時計回りに回転させた構造を成す。巻線Ｗの往路区間群および復路区間群は、それぞれ、ヨーク１０の中心軸を中心に、巻線Ｖの往路区間群および復路区間群を１２０°だけ反時計回りに回転させた構造を成す。

往路区間としての巻線区間Ｕ＋にγ軸正方向に電流が流れるときに、復路区間としての巻線区間Ｕ－γ軸負方向に電流が流れる。このような電流極性条件の下では、あらゆる態様で巻線Ｕを構成する導線が配置される。巻線Ｖにおける巻線区間Ｖ＋およびＶ－、ならびに、巻線Ｗにおける巻線区間Ｗ＋およびＷ－についても同様に、あらゆる態様でそれぞれの巻線を構成する導線が配置される。

図１５に示されるように、それぞれの巻線を配置した走査電磁石４では、起磁力の周方向についての分布は正弦波により近似した分布となる。これによって、磁束密度の平坦度が向上するとともに、走査角θの変化に対する平坦度の変化が抑制される。そのため、走査角θの違いによる荷電粒子ビームのキック角のばらつきが抑制されるという効果が高まる。

走査電磁石４は、ヨーク１０の内壁における溝をさらに増加させても良い。ただし、溝の数は６の倍数とされる。図１６に示されるように、他の例の走査電磁石４は、２４本の溝ＳＬ１～ＳＬ２４で構成される。

このように、溝によって形成されるループ経路を増加させることで、柱状空間の周方向についての起磁力の分布がより正弦波形状に近付く。これによって、磁束密度の平坦度が向上するとともに、走査角θの変化に対する平坦度の変化が抑制される。そのため、走査角θの違いによる荷電粒子ビームのキック角のばらつきが抑制されるという効果が高まる。

なお、１つの巻線が、複数のループ経路を周回する場合、１つの巻線のうち１つのループ経路を周回する区間と、他のループ経路を周回する区間とは、直列接続されても良いし、並列接続されても良い。

例えば、巻線Ｕ（図４）について、ループ経路ＳＬ１（ｉｎ）－ＳＬ７（ｏｕｔ）を通過する区間、ループ経路ＳＬ１（ｏｕｔ）－ＳＬ７（ｉｎ）を通過する区間、ループ経路ＳＬ２（ｉｎ）－ＳＬ８（ｏｕｔ）を通過する区間、およびループ経路ＳＬ２（ｏｕｔ）－ＳＬ８（ｉｎ）を通過する区間があるとする。これらの区間は、直列接続されても良いし、並列接続されても良い。なお、巻線Ｖおよび巻線Ｗについても同様である。

図１５に示されている巻線Ｕについては、ループ経路ＳＬ１（ｉｎ）－ＳＬ６（ｏｕｔ）を通過する区間、ループ経路ＳＬ２（ｉｎ）－ＳＬ７（ｏｕｔ）を通過する区間、ループ経路ＳＬ１（ｏｕｔ）－ＳＬ８（ｉｎ）を通過する区間、およびループ経路ＳＬ１２（ｏｕｔ）－ＳＬ７（ｉｎ）を通過する区間がある。これらの区間は、直列接続されても良いし、並列接続されても良い。なお、巻線Ｖおよび巻線Ｗについても同様である。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について図１７から図１８を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。前述の実施形態の図面を適宜参照する。

図１７には、第３実施形態の走査電磁石５を荷電粒子ビームの軌道の上流側から見た断面のうち、ティース１２の部分が拡大して示されている。この図１７に示されるように、隣接する溝の間に形成されるティース１２の先端部は、ヨーク１０の内壁の周方向に広げられている。これらティース１２の先端部を周方向に広げた形状とすることで、磁束密度の平坦度が向上することがある。

また、図１８に示されるように、隣接するティース１２の間を塞いだ形状、即ち、溝に替えて、軸方向に延伸する穴８８が設けられた構造とすることによっても同様の効果が得られる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について図１９を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。前述の実施形態の図面を適宜参照する。

図１９には、第４実施形態に係る走査電磁石６において、中心軸を通る面で切断したときの断面図が模式的に示されている。また、最大のキック量で走査したときの荷電粒子ビームが通過する領域の外周面１０６（ビーム通過領域の外周面１０６）が実線で示されている。さらに、キック量をゼロとしたときの荷電粒子ビームの軌道１０８が破線で示されている。走査電磁石６のヨーク１０の内壁は、ビーム通過領域の外周面１０６に応じた形状を成している。それぞれのティースの先端を通る円の直径である内直径、それぞれの溝の最深部を通る円の直径である外直径を定義すると、上流ほどヨーク１０の内直径および外直径が小さく、下流ほどヨーク１０の内直径および外直径が大きい。

ヨーク１０の内部空間、即ち、柱状空間は、偏向する荷電粒子ビームの軌道に沿って、下流に向かうにつれて外側に広がる側面を有する。それぞれの巻線１２０の往路区間および復路区間は、柱状空間の側面に沿って、下流に向かうにつれて中心軸方向から外側に反れる。

このような構造によれば、上流側から下流側に沿って内直径および外直径を一定とした場合に比べて、磁束密度を発生させるべき領域が狭くなり、それぞれの巻線に流す励磁電流が小さくなる。これによって、それぞれの巻線に流れる電流を制御する駆動回路が小型となる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について図２０を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。前述の実施形態の図面を適宜参照する。

図２０に示されるように、第５実施形態に係る走査電磁石７のヨーク１０には、溝およびティースが形成されておらず、それぞれの巻線１２０がヨーク１０の内壁面に配置されている。そのため、それぞれの巻線１２０を周方向に広げた構造とすることができ、磁束密度の平坦度が向上される。さらに、走査角θを変化させた場合の平坦度の変化が小さくなる。

走査電磁石、走査電磁石制御システムおよび粒子線治療システムを第１実施形態から第５実施形態に基づいて説明されているが、いずれか１の実施形態において適用された構成が他の実施形態に適用されても良いし、各実施形態において適用された構成が組み合わせても良い。

なお、前述の実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。

前述の実施形態のシステムは、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および専用のチップなどのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）およびＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスおよびキーボードなどの入力装置と、通信インターフェースとを備える。このシステムは、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。

なお、前述の実施形態のシステムで実行されるプログラムは、ＲＯＭなどに予め組み込んで提供される。追加的または代替的に、このプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）などのコンピュータで読み取り可能な非一時的な記憶媒体に記憶されて提供するようにしても良い。

また、このシステムで実行されるプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしても良い。また、このシステムは、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワークまたは専用回線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。

なお、前述の実施形態では、照射スポット間でそれぞれの巻線に流れる電流を停止する離散スポット照射法が述べられているが、その他の態様であっても良い。例えば、照射スポット間でそれぞれの巻線に流れる電流を停止しない連続スポット照射法が用いられても良い。

なお、前述の実施形態では、シンクロトロン加速器４４が用いられているが、その他の態様であっても良い。例えば、加速器４０には、シンクロトロン加速器４４の他に、サイクロトロン加速器またはシンクロサイクロトロン加速器などの様々な公知の加速器が用いられて良い。また、加速器４０で加速する荷電粒子は、陽子または炭素などの重粒子などであっても良い。

また、前述の実施形態に係る走査電磁石１，４，５，６，７は、照射ノズル５０の他、ビーム輸送装置４６または加速器４０に備えられても良い。即ち、前述の実施形態に係る走査電磁石１，４，５，６，７は、ビーム輸送装置４６または加速器４０の内部で荷電粒子ビーム９０の軌道を補正する目的に使用されても良い。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、それぞれの巻線は、２つの巻線群に分けられるとともに、それぞれの巻線群により生じる磁場が互いに直交し、かつ同じ巻線群に属する複数の巻線が同じ駆動回路に直列に接続されていることにより、複数の巻線の磁場に関する相互インダクタンスを回避し、荷電粒子ビームを高い精度で制御することができる。

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、組み合わせを行うことができる。これら実施形態またはその変形は、発明の範囲と要旨に含まれると同様に、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ものである。

１，４，５，６，７…走査電磁石、２…走査電磁石制御システム、３…粒子線治療システム、１０…ヨーク、１２…ティース、２０…指令変換装置、２２…走査電磁石制御装置、２８Ｕ…巻線Ｕ駆動回路、２８ＶＷ…巻線ＶＷ駆動回路、２６…直流電力源、３２…全体制御装置、３４…加速器・ビーム輸送系制御装置、３６…照射ノズル制御装置、３８…ディスプレイ、４０…加速器、４２…入射器、４４…シンクロトロン加速器、４６…ビーム輸送装置、４８…偏向電磁石、５０…照射ノズル、５２…患者、５４…治療台、６０…患部、６２…線量モニタ、６４…位置モニタ、６６…リッジフィルタ、６８…レンジシフタ、７０…線量モニタ制御装置、７２…位置モニタ制御装置、８０…同じエネルギーで照射される層、８２…照射スポット、８４…ブラッグカーブ、８８…穴、９０…荷電粒子ビーム、１０６…ビーム通過領域の外周面、１０８…荷電粒子ビームの軌道、１２０…巻線。

Claims (8)

1. 荷電粒子ビームの軌道に沿って伸びる往路区間および復路区間をそれぞれが有し、前記荷電粒子ビームを通過させる柱状を成す柱状空間を囲む複数の巻線を備え、
   それぞれの前記巻線における往路区間および復路区間は、前記柱状空間の周方向に沿って間隔を空けて配置されており、
   複数の前記巻線のうちの１つにおける往路区間と復路区間との間に、他の前記巻線の往路区間または復路区間が配置されており、
   それぞれの前記巻線は、２つの巻線群に分けられるとともに、それぞれの前記巻線群により生じる磁場が互いに直交し、かつ同じ前記巻線群に属する複数の前記巻線が同じ駆動回路に直列に接続されている、
   走査電磁石。
2. 前記荷電粒子ビームの進行方向に対して垂直なＸ方向およびＹ方向が定義される場合に、それぞれの前記巻線は、前記荷電粒子ビームを前記Ｘ方向に偏向させる前記巻線群と前記Ｙ方向に偏向させる前記巻線群とに分けられている、
   請求項１に記載の走査電磁石。
3. 複数の前記巻線は、前記柱状空間の軸を中心として回転対称の配置となっている、
   請求項１または請求項２に記載の走査電磁石。
4. 前記柱状空間を囲むヨークと、
   前記ヨークの内壁に形成された複数の溝であって、前記巻線の往路区間または復路区間がそれぞれに配置され、前記ヨークの軸方向に伸びる複数の溝と、
   を備え、
   隣接する前記溝の間に形成されるティースの先端部が、前記周方向に広げられている、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の走査電磁石。
5. 前記柱状空間を囲むヨークと、
   前記ヨークに形成された複数の穴であって、前記巻線の往路区間または復路区間がそれぞれに配置され、前記ヨークの軸方向に伸びる複数の穴と、
   を備える、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の走査電磁石。
6. 前記柱状空間は、
   偏向する前記荷電粒子ビームの軌道に沿って、下流に向かうにつれて外側に広がる側面を有し、
   それぞれの前記巻線の往路区間および復路区間は、
   前記柱状空間の側面に沿って、下流に向かうにつれて外側に反れている、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の走査電磁石。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の走査電磁石と、
   前記巻線群に流れる電流を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記荷電粒子ビームが偏向される方向を定める励磁電流の目標値であって、前記巻線群の励磁電流目標値を取得し、
   それぞれ前記巻線群に対して取得された前記励磁電流目標値に基づいて、それぞれの前記巻線群に流れる電流を制御する、
   ように構成されている、
   走査電磁石制御システム。
8. 前記荷電粒子ビームを加速する加速器と、
   前記加速器から取り出された前記荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送装置と、
   前記ビーム輸送装置によって輸送された前記荷電粒子ビームを患者に照射する照射ノズルと、
   を備え、
   前記ビーム輸送装置と前記照射ノズルの少なくとも一方は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の走査電磁石を備える、
   粒子線治療システム。

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