JP3547812B2

JP3547812B2 - 粒子ビーム装置及びそれを用いた医療装置

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Publication number: JP3547812B2
Application number: JP26378394A
Authority: JP
Inventors: 和夫平本; 義文北條; 淳一廣田; 政嗣西; 広明桜畠
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-10-27
Filing date: 1994-10-27
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2019-07-28
Also published as: JPH08117351A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、荷電粒子ビームを目標に向けて輸送・照射するための粒子ビーム装置およびそれを用いた医療装置および粒子ビーム照射方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来一般に採用されている荷電粒子ビーム装置を用いた医療装置は、図２にも示されているように、荷電粒子ビーム制御系を介して照射目標に照射するようにしている。すなわち加速器１０１で高エネルギーまで加速された荷電粒子ビームを各治療室１０３へ輸送し、治療室１０３内で治療，すなわち患者の患部に照射するようにしている。
【０００３】
この場合の加速器１０１は、シンクロトロンで、前段加速器１６０からのビームを入射器１５０を使ってこのシンクロトロンへ入射し、シンクロトロンでは、偏向電磁石３および４極電磁石５，７、それに加速空洞８を使って粒子ビームを周回させるとともに、高エネルギーまで加速する。
【０００４】
そして加速された粒子ビームは、治療室１０３へ輸送されるわけであるが、この輸送過程で真空ダクトに衝突しないように、４極電磁石１０４により粒子ビーム径を小さく抑えるとともに偏向電磁石１０５により粒子ビームが適切なコースを通るように調整される。
【０００５】
図３には、この輸送された粒子ビームを患者に照射する照射装置が示されている。この装置は、最上流部に偏向電磁石１１を備え、この偏向電磁石１１を出た粒子ビームは、散乱体４２の作用により、ｘ方向、ｙ方向（図中の方向記号参照）にそれぞれ広げられると同時に粒子ビームの粒子分布が平坦化される。なお、散乱体４２より下の部分には、エネルギー調整器４５が配置されている。
【０００６】
粒子の分布が平坦化された粒子ビームは、さらにコリメーター４３により粒子ビームの広がりおよびその形状が適切に調整され、その後患者４４に照射されるように形成されている。なお、このような技術に関連するものとしては、原子力工業第３２巻第３号（１９８６）第３３頁「重粒子線治療装置」などが挙げられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように形成されている従来の粒子ビーム装置では、照射位置において、散乱体により粒子ビームを十分広げるとともに粒子数分布を平坦化させるために、散乱体から照射位置まで十分な距離が必要であり、この距離を確保するために粒子ビーム装置が大型化し、さらに粒子ビームを広げるために散乱体が使用されていることからビーム損失が大きい嫌いがあった。
【０００８】
本発明はこれに鑑みなされたもので、その目的とするところは、小型にして粒子ビームが十分に広げられ、かつその粒子分布が充分に平坦化される荷電粒子ビーム装置およびそれを用いた医療装置を提供するにある。
【０００９】
さらに本発明のもう一つの目的は、小型にして粒子ビーム損失を充分低減することが可能な荷電粒子ビーム装置およびそれを用いた医療装置を提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、荷電粒子ビームを、粒子ビーム制御系を介して目標の所定範囲に照射するように形成されている粒子ビーム装置において、前記粒子ビーム制御系の上流側に、粒子ビームを扁平状に拡大成形する粒子ビーム拡大手段と、該粒子ビーム拡大手段により扁平状に拡大された粒子ビームをその扁平面に直角方向に移動させる粒子ビーム移動手段とを設けるようになし所期の目的を達成するようにしたものである。
【００１１】
【作用】
すなわちこのように形成された粒子ビーム装置であると、粒子ビーム制御系の上流側に粒子ビームを扁平状に拡大成形する粒子ビーム拡大手段装置が設けられていることから、粒子ビーム制御系の粒子ビームサイズは進行方向距離の増加とともに増加はするものの、扁平状，すなわちシート状をなしており、粒子ビーム制御系の偏向電磁石なども扁平な形状となり全体的に薄型のものとなり、またこの扁平状に拡大された粒子ビームが、粒子ビーム移動手段によりその扁平面に直角方向に移動させられるので、その照射範囲を充分覆うことが可能であり、したがって小型にして十分に拡大された粒子ビームの照射範囲とすることができるのである。
【００１２】
【実施例】
以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１には、その粒子ビーム装置を用いた医療装置の例が示されている。図中２０が照射目標（患者）で１０がプロトンを輸送する粒子ビームダクトである。加速器でエネルギーおよそ２５０ＭｅＶまで加速されたプロトンは、粒子ビームダクト１０内を流通し、収束４極電磁石１３の前側，すなわち図中Ａで示す箇所に到達する。
【００１３】
この収束４極電磁石１３の前側から照射目標２０に至るまでの間には、収束４極電磁石１３、発散４極電磁石１４、粒子数分布平坦化用８極電磁石２１、偏向電磁石１１、さらに、粒子ビーム移動用の２極電磁石２３などの粒子ビーム制御系が設置されている。
【００１４】
収束４極電磁石１３、発散４極電磁石１４、粒子数分布平坦化用８極電磁石２１、偏向電磁石１１、さらに、粒子ビーム移動用の２極電磁石２３は、それぞれ電源装置２０２、２０３、２０４、２０５、２０６に接続され、各電源装置は、制御装置２０１で制御される。この制御装置２０１は、照射範囲・形状設定装置２００の出力信号に基づき、必要な範囲を正しくビームを照射できるように前記電源装置を制御する。
【００１５】
前記４極電磁石（１３、１４）は、粒子ビームの収束、発散を行うように内部に電磁石を備えており、そのｘｙ面内の磁極構造が図６に示されている。収束用４極電磁石１３および発散用４極電磁石１４の磁極構造は、いずれもこのようにコイルＣを有する磁極ＰがＳ極Ｎ極交互に配置された構造になっているが、収束用４極電磁石１３の場合には、磁極１と磁極３がＳ極、磁極２と磁極４がＮ極になるようにコイルに電流が流され、また発散用４極電磁石１４の場合には、この逆の極性となるように電流が流される。
【００１６】
前記収束用４極電磁石１３は、磁石中心からｘ方向変位が大きくなるとｘ方向変位に比例した力で粒子ビームの軌道勾配を変えて、粒子ビームに収束する作用を与え、ｙ方向についてはｙ方向変位に比例した力で発散する作用を与える。一方、発散用４極電磁石１４の場合は、前記収束用４極電磁石１３と反対の作用を粒子ビームに与える。
【００１７】
この結果、プロトン粒子ビームは、発散用４極電磁石１４と収束用４極電磁石１３の強度を適切に選ぶ事により、偏向電磁石１１の偏向面に垂直に収束作用を受け、また、前記の偏向面に平行に発散作用を受け、照射目標に近づくにつれ偏向面に平行方向に広がり、また偏向面に垂直方向には収束していく。
【００１８】
図１に戻り、プロトン粒子ビームは８極電磁石２１を通過することにより、照射目標２０の位置で、偏向面内の粒子数分布が平坦化される。すなわち８極電磁石２１はその磁極断面が図７に示されているように、磁極１がＮ極で磁極２がＳ極で磁極８まで同様の極性が繰り返され形成されている。８極電磁石では、ｙ方向変位の３乘に比例した力で軌道勾配を変化させる。
【００１９】
この軌道勾配の変化量が変位に比例する場合は、粒子ビームの粒子数分布の形状は相似形であるが、軌道勾配の変化量と変位との関係を非線形にすると、変位の大きな粒子の軌道勾配をより大きく変化させて、粒子ビームの粒子数分布の形状を変化させることができるようになる。この効果を用いて、８極電磁石２１の磁石強度を適切に選択することにより、照射目標の位置で偏向面の粒子数分布を平坦化するのである。
【００２０】
プロトン粒子ビームは８極電磁石２１の作用を受けたあと、偏向電磁石１１でｘ面内の軌道が曲げられる。偏向電磁石１１で軌道を曲げるのに必要な電流は、偏向電磁石１１のｙ方向のギャップサイズに比例するため、偏向電磁石のギャップはできるだけ小さく抑える事が望ましい。本発明では、収束用４極電磁石１３と発散用４極電磁石１４の作用により、ｙ方向の粒子ビームサイズは小さく抑えたままでｘ方向の粒子ビームサイズを拡大するため、偏向電磁石１１のギャップは小さく抑えられる。
【００２１】
偏向電磁石１１の作用を受けた後、プロトン粒子ビームは、２極電磁石２３でｙ方向に移動させられる。２極電磁石２３による作用と照射目標上での粒子ビームの様子が概念的に図４に示されている。２極電磁石の磁場強度を変化させることにより、プロトン粒子ビームは、図中ｙ方向に移動する。なお、この場合２極電磁石を作用させる前に照射目標２０の上で、ｘ方向には広く、かつ平坦（扁平）な粒子ビームを得ることができており、２極電磁石２３により、ｙ方向に粒子ビームを移動させることにより、２次元的に広がりのある目標を照射できる。
【００２２】
このビーム移動用の２極電磁石２３には、図８に示されているように、大きさ、極性が正弦波状に変化する電流ｉが加えられ、これにより簡単に粒子ビームを移動させることができる。粒子ビームのｙ方向の移動範囲は、２極電磁石２３の電流の大きさにより決まり、移動速さは２極電磁石２３の電流の変化速さにより決まる。
【００２３】
また、ｘ方向の粒子ビームサイズ、平坦化度は、発散用４極電磁石１４、収束用４極電磁石１３、さらに粒子数分布平坦化用８極電磁石２１の強度で決まるため、これらの強度についても、照射目標の大きさにより適切に選択する。
【００２４】
すなわち照射範囲・形状設定装置２００に入力する患者の患部情報に基づきこの装置２００で自動的に算出し、これに基づき必要な範囲を照射できるように制御装置２０１では４極電磁石１３、１４の電源（２０２、２０３）の強度を設定するとともに、制御装置２０１でビームの強度分布を平坦化するための８極電磁石２０４の電流を求め、８極電磁石２０４を制御する。さらに、ビーム移動用の２極電磁石２３についても、患部の情報を照射範囲・形状設定装置２００から得て、必要な範囲を照射できる電流値を制御装置２０１で算出し、電源装置２０６を制御する。
【００２５】
上記の実施例では、照射目標上の概ね長方形状の領域を照射する。複雑な形状を照射する場合については、最終的にコリメーターで粒子ビーム形状を整形するか、粒子ビームサイズ拡大手段である４極電磁石１４の電源装置２０３とビーム平坦手段８極電磁石２１の電源装置２０４とビーム移動用電磁石２３の電源装置２０６を連係制御して、必要な形状を照射する。
【００２６】
また、上記の実施例は、２極電磁石により、粒子ビームをｙ方向に移動させたが、粒子ビームのｙ方向位置は一定にしておき、照射目標をｙ方向に移動させても全く同様の作用を持たせることができる。
【００２７】
次に、本発明の動作および作用について図を用いてもうすこし詳しく説明すると、図５は、加速器から出射した粒子ビームを輸送し目標に照射するための本発明の装置の概要を示す図である。この図のｚ軸は、粒子ビームの進行方向に沿って変化する軸とし、ｘ、ｙ軸はｚ軸に垂直であるとする。
【００２８】
加速器から出射した粒子ビームは、粒子ビームダクト１０内を通過して、偏向電磁石１１により曲げられ目標１２に照射される。この時、手段の第１で述べたように、粒子ビーム装置の上流側に粒子ビームサイズ拡大装置５０を設け、偏向面内の粒子ビームサイズを進行方向距離の増加とともに増加させ、照射点では、偏向面に沿ったシート状にする。この時の粒子ビーム形状を図４に示す。
【００２９】
図４のｚ＝０は、照射目標上の面を示し、ｘ方向、即ち、偏向面に沿った方向の粒子ビームサイズは、ｙ方向、即ち、偏向面に垂直方向の粒子ビームサイズより大きい。ここで、最下流の偏向面内の粒子ビームサイズを増加させているが、偏向面に垂直方向の粒子ビームサイズを増加させた場合、粒子ビームを失うことなく輸送するためには、偏向電磁石のギャップを増加させる必要があり、その結果、電磁石のサイズや必要な電流が増加する等の問題が生じる。
【００３０】
従って、偏向面に垂直方向の粒子ビームサイズの増加は最小限に留める。この粒子ビーム拡大には、具体的には、発散用４極電磁石を使用する。４極電磁石は、電磁石中心からの変位に比例した力で軌道勾配を変化させる。発散用４極電磁石は、偏向電磁石１１の偏向面に一致する面内で粒子ビームを発散させる作用を持ち、偏向面内に垂直な面内で収束させる作用を持つ。
【００３１】
次に、図５の装置１５により粒子ビームを図２のｙ方向に移動させる、即ち、偏向電磁石の偏向面に垂直に移動させるか、あるいは、図５の照射目標１２をｙ方向に移動させる。
【００３２】
ここで、偏向面に垂直に、粒子ビームの移動もしくは照射目標の移動をするのは、前述のように、電磁石の小型化、低コスト化のために、偏向面に垂直方向には、粒子ビームサイズを小さく抑えておくことが必要だからである。前者の粒子ビームの移動は、電磁石で行ない、電磁石に流す電流の大きさを変化させて移動量、移動速さを制御する。
【００３３】
以上のように粒子ビームの長軸方向に垂直、即ち、最下流の偏向面に垂直に、粒子ビームを移動させるか照射目標を移動させるかにより、広がりのある目標を照射することができる。即ち、照射範囲は、粒子ビームあるいは照射目標の移動距離と移動方向に垂直の粒子ビームサイズにより決まる。
【００３４】
従って、粒子ビームの長軸方向のサイズを増加させておけば、長軸方向に垂直方向のみの移動により、広がりのある目標を照射できる。広い範囲を照射するためには、粒子ビームサイズは、およそ１０ｍｍ以上にしておくことが必要である。いろいろなサイズの目標を照射する場合については、粒子ビームサイズ拡大手段、即ち、図５の粒子ビーム拡大装置５０と粒子ビーム移動装置１５を調整することにより、照射範囲を調整する。
【００３５】
粒子分布については、粒子数分布平坦化装置１６を、図５に示すように、輸送系の上流側に設ける。この装置１６により、図２のｘ方向、即ち、粒子ビームの偏向面内の粒子数分布を平坦化させる。この粒子数分布平坦化装置１６には、８極以上の多極電磁石を用いる。
【００３６】
多極電磁石を用いた粒子数分布平坦化装置、例えば８極電磁石では、粒子ビーム中心からの距離の３乘に比例した力で軌道勾配を変えることができ、粒子ビーム中心からの距離が大きい粒子を中心部に集めることができ、粒子数分布を平坦化できる。さらに多極の電磁石を使用した場合にも同様の効果を持たせることができ、粒子数分布を平坦化できる。
【００３７】
次に本発明の第２の実施例を図９に基づき説明する。本実施例では、ビーム拡大用に発散用４極電磁石１４を使用し、また、粒子数分布平坦化用に１２極電磁石２４を使用する。１２極電磁石では、ｙ方向の変位の５乘に比例した力で軌道勾配を変化させる。したがって、実施例１と同様に粒子数分布を平坦化させることができる。
【００３８】
これらにより、図９のｙ方向に粒子ビームを広げると同時にｙ方向の粒子数分布を平坦化する。さらに、２極電磁石２３を用いて粒子ビームをｘ方向に移動させ、目標２０を照射する。また、これらの電磁石の電源装置２０３、２０４、２０５は、照射範囲設定装置２００からの情報に基づき、制御装置２０１で制御する。
【００３９】
次に本発明の第３の実施例について説明する。図２と同様にシンクロトロン１０１でプロトン粒子ビームを加速し、出射器３１からプロトン粒子ビームを輸送、治療室１０３へ出射する。出射器３１から出射される粒子ビームは、患者の患部状況に応じて、粒子ビームエネルギーを変化させる。治療室１０３内の輸送・照射装置を図１０に示す。輸送・照射装置は、図に示されているように患者の患部位置に応じて、回転軸ＲＣの周りを回転できるようになっている。
【００４０】
シンクロトロンから出射された粒子ビームは、偏向電磁石３３で軌道を曲げられ、その後、粒子ビーム収束用４極電磁石１３、発散用４極電磁石１４で最終粒子ビーム偏向電磁石１１の偏向面内の粒子ビームサイズを拡大させる。ただし、実施例１と同様に、偏向面に垂直方向の粒子ビームサイズは小さく抑えておく。また、偏向面内の粒子数分布は、粒子数分布平坦化用８極電磁石２１により、平坦化する。その後、偏向電磁石２２で軌道を曲げたあと、２極電磁石２３により、偏向面に垂直方向に粒子ビームを移動させる。
【００４１】
したがって、前述した実施例１と同様に照射範囲・形状設定装置２００で自動的に算出し、これに基づき必要な範囲を照射できるように制御装置２０１で４極電磁石１３、１４の電源（２０２、２０３）の強度を設定する。制御装置２０１でビームの強度分布を平坦化するための８極電磁石の電流を求め、８極電磁石の電源を制御する。さらに、ビーム移動用の電磁石２３についても、必要な範囲を照射できる電流値を制御装置２０１で算出し電源装置２０６を制御する。なお、患部の状況によっては、シンクロトロンからは、異なるエネルギーのビームを出射する。
【００４２】
粒子ビームのエネルギーを変える場合についても収束用４極電磁石１３、発散用４極電磁石１４、偏向電磁石３３、偏向電磁石２２、２極電磁石２３が同様の効果を持つように制御装置２０１で必要な電磁石の電流を求め、電源装置２０２、２０３、２０４、２０５、２０６を制御する。
【００４３】
また、上記の実施例では、加速器にシンクロトロンを使用しているが、加速器をサイクロトロンにした場合でも図１０の粒子ビーム装置をそのまま使用することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、粒子ビーム制御系の上流側に粒子ビームを扁平状に拡大成形する粒子ビーム拡大手段装置が設けられていることから、粒子ビームは扁平状をなしており、粒子ビーム制御系の偏向電磁石なども扁平な形状となり全体的に薄型のものとなり、またこの扁平状に拡大された粒子ビームが、粒子ビーム移動手段によりその扁平面に直角方向に移動するように形成されているので、その照射範囲を充分覆うことが可能であり、したがって小型にして十分に拡大された粒子ビームの照射範囲のこの種粒子ビーム装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の医療装置の一実施例を示す線図である。
【図２】本発明の医療装置の一実施例を示す線図である。
【図３】従来の粒子ビーム装置を示す縦断側面図である。
【図４】本発明の粒子ビーム形状と粒子ビーム移動の関連を示す図である。
【図５】本発明の医療装置の一実施例を示す線図である。
【図６】４極電磁石の断面図である。
【図７】８極電磁石の断面図である。
【図８】粒子ビーム移動用電磁石の電流の時間変化を示す図である。
【図９】本発明の医療装置の他の実施例を示す線図である。
【図１０】本発明の医療装置の他の実施例を示す線図である。
【符号の説明】
１０…粒子ビームダクト、１０１…荷電粒子加速器、１０５…偏向電磁石、１０３…治療室、１０４…４極電磁石、１６０…前段加速器、１５０…入射器、５，７，４０…４極電磁石、８…加速空洞、４２…散乱体、１０３…治療室１０３、１５…粒子ビーム移動装置、５０…粒子ビームサイズ拡大装置、１６…粒子数分布平坦化装置、３，１１，２２，３３，４１…偏向電磁石、１２，２０…照射目標、２３…粒子ビーム移動用２極電磁石、１３…収束４極電磁石、１４…発散４極電磁石、２１…８極電磁石、２４…１２極電磁石２４、３０…シンクロトロン、３１…出射器、３２…照射装置。

Claims

荷電粒子ビームを、粒子ビーム制御系を介して目標物の所定範囲に照射するようになした粒子ビーム装置において、
前記粒子ビーム制御系の中の上流側に配置される電磁石装置であって、その磁石中心からの変位に比例した力で軌道勾配を変化して前記粒子ビームを偏向面に一致する面内で拡大させる電磁石装置と、
前記電磁石装置により扁平状に拡大された粒子ビームをその扁平面に直角方向に移動させる粒子ビーム移動手段とを備えていることを特徴とする粒子ビーム装置。
荷電粒子ビームを、粒子ビーム制御系を介して目標物の所定範囲に照射するようになした粒子ビーム装置において、
前記粒子ビーム制御系の中の上流側に配置される電磁石装置であって、その磁石中心からの変位に比例した力で軌道勾配を変化して前記粒子ビームを偏向面に一致する面内で拡大させる電磁石装置を設け、
かつ前記照射される目標物が乗置されている台が、前記扁平状をなした粒子ビームの扁平面に直角方向に移動するように形成されていることを特徴とする粒子ビーム装置。
荷電粒子ビームを、粒子ビーム制御系を介して目標物の所定範囲に照射するようになした粒子ビーム装置において、
前記粒子ビーム制御系の中の上流側に配置される電磁石装置であって、その磁石中心からの変位に比例した力で軌道勾配を変化して前記粒子ビームを偏向面に一致する面内で拡大させる電磁石装置を設け、
かつ前記電磁石装置の下流部に、扁平状に拡大された粒子ビームの粒子数分布を平坦化する粒子分布平坦化装置を設けるとともに、前記粒子ビーム制御系の最下流部に、前記扁平状の粒子ビームをその扁平面に直角方向に移動させる粒子ビーム移動用電磁装置を設けるようにしたことを特徴とする粒子ビーム装置。
加速された荷電粒子ビームを、粒子ビーム制御系を介して患者の所定範囲に照射するようになした医療装置において、
前記粒子ビーム制御系の中の上流側に配置される電磁石装置であって、その磁石中心からの変位に比例した力で軌道勾配を変化して前記粒子ビームを偏向面に一致する面内で拡大させる電磁石装置を設け、
かつ前記電磁石装置の下流部に、扁平状に拡大された粒子ビームの粒子数分布を平坦化する粒子分布平坦化装置を設けるとともに、前記粒子ビームの輸送系の最下流部に、前記扁平状の粒子ビームをその扁平面に直角方向に移動させる粒子ビーム移動用電磁装置を設けるようにしたことを特徴とする医療装置。
加速された荷電粒子ビームを、粒子ビーム制御系を介して患者の所定範囲に照射するようになした医療装置において、
前記粒子ビーム制御系の中の上流側に配置される電磁石装置であって、その磁石中心からの変位に比例した力で軌道勾配を変化して前記粒子ビームを偏向面に一致する面内で拡大させる電磁石装置を設けるとともに、その下流部に、扁平状に拡大された粒子ビームの粒子数分布を平坦化する粒子分布平坦化装置を設け、かつ前記患者が乗せられている台を、前記扁平状をなした粒子ビームの扁平面に直角方向に移動するように形成したことを特徴とする医療装置。
荷電粒子ビームを、粒子ビーム制御系を介して目標物の所定範囲に照射するようになした粒子ビーム装置において、
前記粒子ビーム制御系は偏向電磁石と発散４極電磁石を含み、前記発散４極電磁石は前記偏向電磁石の上流側に配置され、前記発散４極電磁石の中心からの変位に比例した力で軌道勾配を変化して前記粒子ビームを偏向面に一致する面内で拡大させることを特徴とする粒子ビーム装置。
請求項６において、前記偏向電磁石の下流側に、前記拡大された粒子ビームをその扁平面に直角方向に移動させる粒子ビーム移動手段を備えていることを特徴とする粒子ビーム装置。