JP3864581B2

JP3864581B2 - 荷電粒子ビーム出射方法

Info

Publication number: JP3864581B2
Application number: JP29490098A
Authority: JP
Inventors: 和夫平本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2018-10-16
Also published as: EP0994638A1; JP2000124000A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速器から荷電粒子ビームを出射する荷電粒子ビーム出射方法に係り、特に簡単な制御で荷電粒子ビームを出射できる荷電粒子ビーム出射方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
荷電粒子ビーム（以下、ビームという）を出射する加速器としては、一般にシンクロトロンが知られており、シンクロトロンにおけるビームの出射方法については、特開平5−198397 号公報において次のように述べられている。シンクロトロンを周回するビームの安定限界を四極電磁石を制御することにより一定に保ち、その状態で荷電粒子ビームに高周波印加装置から高周波電磁場を印加して安定限界内の荷電粒子ビームを安定限界外に移動させ、安定限界外へ移動したビームを共鳴を用いてシンクロトロンから出射する。
【０００３】
また、高周波電磁場を用いた上記出射方法においては、ビームのエネルギーによって高周波電磁場の周波数を変化させなければビームを効率よく出射できないことも既に知られている。特開平7−14699号公報は、出射するビームのエネルギーに応じて、ビームに印加する高周波電磁場の中心周波数と周波数幅を制御することを記載している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においてはビームに印加する高周波電磁場の強度の決定方法について何ら述べられていないが、シンクロトロンからエネルギーの異なるビームを出射する場合に、例えばビームに印加する高周波電磁場の強度を一定とすると、ビームのエネルギーが高いほどシンクロトロン内を周回するビームを全て出射するのにかかる時間が長くなるということが新たに分かった。すなわち、ビームのエネルギーが高いほど単位時間に出射される粒子数が低下することが分かった。ビームのエネルギーによって、シンクロトロン内を周回するビームを全て出射するのにかかる時間が変化してしまうと、図８に示すように、シンクロトロンの運転サイクルのうちビームを出射する期間の長さをビームのエネルギーによって変更しなければならず、シンクロトロンの制御が複雑になるという問題がある。なお、図８において、Ｔ１＜Ｔ２である。
【０００５】
本発明の目的は、簡単な制御で荷電粒子ビームを出射できる荷電粒子ビーム出射方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特徴は、加速器内を周回する荷電粒子ビームに高周波電磁場を印加することにより、加速器から荷電粒子ビームを出射する荷電粒子ビーム出射方法において、加速器から出射する荷電粒子ビームのエネルギーに基づいて、前記高周波電磁場の強度を前記エネルギーが高いほど強く設定することにある。
【０００７】
単位時間に出射される粒子数（ビームの出射量）は、荷電粒子ビームのベータトロン振動が安定限界をこえる速さ、すなわち荷電粒子ビームに印加される高周波電磁場の強度に比例する。従って、荷電粒子ビームのエネルギーに基づいて高周波電場の強度を設定することにより、ビームの出射量を調整し、荷電粒子ビームのエネルギーによらずビームの出射量を一定に保つことができる。よって、シンクロトロンの運転サイクルにおけるビームを出射する期間の長さをビームのエネルギーによらず一定にすることができ、簡単な制御で荷電粒子ビームを出射することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
【０００９】
図１は、本発明の好適な一実施例である加速器システムを示す。
【００１０】
本実施例の加速器システムは、約２０ＭｅＶの荷電粒子ビーム（以下、ビームという）を入射し、予め設定されたエネルギーまで加速後、出射するシンクロトロン１を有する。
【００１１】
図１において、制御装置３からの指示に従って前段加速器４は約２０ＭｅＶのビームを出射する。前段加速器４から出射されたビームは、ビーム輸送系を介して入射器１６に導かれ、入射器１６によりシンクロトロン１に入射される。
【００１２】
シンクロトロン１は、ビームに高周波の磁場及び電場（以下、高周波電磁場という）を印加することによりビームのベータトロン振動振幅を増加させる高周波印加装置１１，ビームの軌道を曲げる偏向電磁石１２，ビームのベータトロン振動を制御する四極電磁石１３，ビーム出射時の共鳴を励起するための六極電磁石１４，ビームにエネルギーを与える、すなわちビームを加速する高周波加速空胴１５，ビームをシンクロトロン１に入射する入射器１６及びビームをシンクロトロン１から出射する出射用デフレクター１７により構成される。これらの機器のうち、六極電磁石１４，高周波印加装置１１及び出射用デフレクター１７は、ビームを出射する過程でのみ使用する。
【００１３】
制御装置３は、シンクロトロン１内を周回中のビームのエネルギーに応じて、電源２１から偏向電磁石１２に供給する電流の値を電源２１に指示する。電源２１は制御装置３から指示された値の電流を偏向電磁石１２に供給する。偏向電磁石１２は電源２１より供給された電流に応じて磁場を発生する。なお、図１では、電源２１から１つの偏向電磁石１２にのみ電流が供給されているように示しているが、その他の偏向電磁石１２にも同じ電流が供給される（後述する四極電磁石１３及び六極電磁石１４も同様）。入射器１６によりシンクロトロン１に入射されたビームは、シンクロトロン１内を周回する過程で偏向電磁石１２により軌道が曲げられる。
【００１４】
四極電磁石１３には、水平方向にビームを収束させて垂直方向にビームを発散させるようにビームの軌道勾配をかえる四極電磁石と、水平方向にビームを発散させて垂直方向にビームを収束させるようにビームの軌道勾配をかえる四極電磁石とがある。この四極電磁石１３にも偏向電磁石１２と同様に電源２１から電流が供給されるが、この電流値は制御装置３がシンクロトロン１内を周回中のビームのエネルギーに応じて指示している。このような四極電磁石１３により、ビームはシンクロトロン１内をベータトロン振動をしながら周回し、そのベータトロン振動の振動数は、四極電磁石１３の励磁量により制御される。入射と加速の過程でビームを安定に周回させるには、シンクロトロン１における１周あたりのベータトロン振動数（以下、チューンという）を共鳴が生じない値にしておく必要があり、特に次数の低い共鳴を起こすチューンから離しておく必要がある。本実施例では水平方向チューンνｘが１.７５、垂直方向チューンνｙが１.２５になるように四極電磁石１３の励磁量を制御装置３及び電源２１により制御する。
【００１５】
この状態でビームはシンクロトロン１内を安定に周回するが、その過程で高周波加速空胴１５からビームに高周波電場が印加されることにより、ビームにエネルギーが与えられ、ビームは加速される。高周波加速空胴１５から印加される高周波電場の周波数は、周回するビームの周波数の整数倍（ｎ倍）に設定される。この高周波加速空胴１５にも制御装置３により指示された値の電流が、電源２１より供給される。ビームはこの高周波電場の周波数に同期するように、周回方向にｎ個の塊状（バンチ状）になってシンクロトロン１内を周回する。
【００１６】
また、高周波加速空胴１５によりビームを加速していくときには、偏向電磁石１２及び四極電磁石１３各々の磁場強度比を一定に保ちつつ磁場強度を増加させる。そのことにより、偏向電磁石１２では、ビームのエネルギー増加による遠心力の増加と、偏向電磁石１２の磁場強度の増加による向心力増加とが釣り合い、エネルギーが増加してもビームは同一軌道上を周回する。
【００１７】
シンクロトロン１内を周回するビームのエネルギーが、オペレータが制御装置３に入力した目標エネルギーまで増加したら、次にシンクロトロン１からビームを出射する。ビームを出射するまでの手順を図２のフローチャートに示す。まず、高周波加速空胴１５によるビームへのエネルギーの付与を停止する（ステップ２１）。エネルギーの付与を停止することによりビームはバンチ状から連続状ビームになる。次に電源２１により四極電磁石１３を制御して、水平方向チューンνｘを１.６７６に設定する（ステップ２２）。続いて、六極電磁石１４にビームを共鳴させるための電流を流す（ステップ２３）。六極電磁石１４に流す電流は、シンクロトロン１内を周回中のビームのうちベータトロン振動振幅の大きな粒子が安定限界内に納まる程度の値とし、その値は予め計算により求めておくか、或いは出射の運転の繰返しを通じて求める。次に、高周波印加装置１１によりビームに高周波電磁場を印加する（ステップ２４）。なお、高周波印加装置１１については後述する。高周波電磁場が印加されることによりビームの軌道勾配が変化し、ビームのベータトロン振動振幅が増加する。ベータトロン振動振幅が増加して安定限界をこえたビームは、共鳴によりベータトロン振動振幅が急激に増加する。ベータトロン振動振幅が増加したビームは出射用デフレクター１７によりシンクロトロン１から出射される（ステップ２５）。
【００１８】
図３は、高周波印加装置１１，電源２２及び制御装置３を示す。図３において、制御装置３は、出射するビームのエネルギーＥ及びビームの出射を開始してから終わるまでの時間Ｔに基づいて、高周波印加装置１１に供給する交流電圧の振幅の２乗平均の平方根Ｖ（以下、電圧振幅Ｖという）、交流電圧の中心周波数ｆｃ及び周波数幅ΔＢＷを決定する。電圧振幅Ｖ，中心周波数ｆｃ及び周波数幅ΔＢＷは、エネルギーＥ及び時間Ｔの様々な値に対応づけて制御装置３に記憶しておき、制御装置３は、オペレータにより入力されるエネルギーＥ及び時間Ｔに基づいて電圧振幅Ｖ，中心周波数ｆｃ及び周波数幅ΔＢＷを決める。なお、電圧振幅Ｖは、時間の経過に応じてその値が増加するよう設定されている。また、電圧振幅Ｖと高周波電磁場の強度とは比例関係にある。
【００１９】
ここで、制御装置３に記憶される電圧振幅Ｖ，中心周波数ｆｃ及び周波数幅ΔＢＷの値について説明する。ビームのエネルギーがＥの時の周回周波数をfrs とすると、高周波印加装置１１に供給する交流電圧には０.６６frs から０.７０frs 程度の周波数帯域を含む周波数スペクトルを持たせる。即ち、中心周波数ｆｃを０.６８frs とし周波数幅ΔＢＷが０.０２frs となる周波数スペクトルを持たせる。高周波印加装置１１に供給する交流電圧にこのような周波数成分を持たせる理由を、以下に説明する。なお、周回周波数frs は、エネルギーＥから求められる。
【００２０】
シンクロトロン１内を周回するビームのうち、ベータトロン振動振幅が極めて小さいビ−ムのチューンは四極電磁石１３で設定した１.６７６となっているが、共鳴発生用の六極電磁石１４の作用によって安定限界近くのベータトロン振動振幅をもったビームのチューンは１.６６６となっている。従って、シンクロトロン１内を周回するビームのチューンは１.６６６〜１.６７６の間に連続的に分布する。一方、ビームのベータトロン振動振幅を増加させるためには、高周波電磁場の周波数が以下の（数１）或いは（数２）の周波数である必要がある。
【００２１】
ｆ＝周回周波数×（整数＋チューンの小数部） …（数１）
ｆ＝周回周波数×（整数−チューンの小数部） …（数２）
本実施例では、上記（数１）において整数＝０として高周波電磁場の周波数を決定している。すなわち、チューンが１.６６６のビームに必要とされる高周波電磁場の周波数ｆは、ｆ＝frs×（０＋０.６６６）＝０.６６６frsとなる。また、チューンが１.６７６のビームに必要とされる高周波電磁場の周波数ｆは、ｆ＝frs×（０＋０.６７６）＝０.６７６frsとなる。前述の通り、本実施例の高周波印加装置１１に供給する交流電圧は０.６６frsから０.７０frs程度の周波数帯域を含む周波数スペクトルを持つので、チューンが０.６６６〜０.６７６のビームのベータトロン振動振幅を増加させるのに必要な周波数成分を含んでいる。すなわち、シンクロトロン１内を周回する全てのビームのベータトロン振動振幅を増加させることができる。なお、高周波印加装置１１に供給される交流電圧の周波数成分は、高周波印加装置１１が発生する高周波電磁場の周波数成分と等しい。
【００２２】
また、ベータトロン振動の共鳴に２次共鳴を用いる場合には、中心周波数ｆｃを０.５frsとし、周波数幅ΔＢＷは前述の周波数幅ΔＢＷと同様に０.０２frsにすればよい。
【００２３】
一方、高周波印加装置１１に供給する交流電圧の電圧振幅Ｖは、シンクロトロン１内を周回するビームの出射を開始してから終わるまでの時間をＴ、ビームのエネルギーをＥ、ビームの周回周波数をfrs 、高周波電磁場の周波数幅をΔＢＷ、高周波印加装置１１を構成する平板電極１１１及び１１２の間隔をｄとして、（数３）で表わせることが新たに分かった。
【００２４】
Ｖ²∝（ｄ²ＥΔＢＷ）／（Ｔfrs²） …（数３）
（数３）において、間隔ｄは実測値、エネルギーＥはオペレータにより入力された設定値、周波数幅ΔＢＷは前述の値、時間Ｔも設定値、周回周波数frs はエネルギーＥに基づいて計算した値をそれぞれ用いれば、電圧振幅Ｖを求めることができる。この（数３）より、エネルギーＥが高いほど、電圧振幅Ｖを大きくしなければならないことがわかる。
【００２５】
しかしながら、上記（数３）に基づいて求めた電圧振幅Ｖの交流電圧を高周波印加装置１１に供給し続けても、シンクロトロン１から単位時間に出射される粒子数（以下、ビームの出射量という）は時間の経過とともに減少する。すなわち、（数３）は、安定限界内に十分な数の粒子が存在することを前提に求められた数式であり、時間の経過とともに安定限界内の粒子数が減少すると、シンクロトロン１からのビームの出射量も減少する。そこで本実施例では、時間の経過とともに電圧振幅Ｖを増加させる。つまり、ビームの出射量は安定限界内にある粒子数とビームのベータトロン振動が安定限界をこえる速さの積に比例するから、時間の経過とともに安定限界内にある粒子数が減っても、ビームに加える高周波電磁場の強度（電圧振幅Ｖ）を増加していくことでビームのベータトロン振動が安定限界をこえる速さを速くし、単位時間当たりに出射される粒子数を一定に保つことができる。なお、この電圧振幅Ｖを増加させるパターンは、予め計算によって求めておく。
【００２６】
このようにして求められた電圧振幅Ｖのパターンは、間隔ｄ，エネルギーＥ，周波数幅ΔＢＷ，時間Ｔ及び周回周波数frs の様々な値に対応づけて制御装置３に複数記憶される。
【００２７】
制御装置３は、決定した電圧振幅Ｖを増幅器２２４へ、中心周波数ｆｃを発振器２２１へ、そして周波数幅ΔＢＷを発振器２２２へそれぞれ出力する。発振器２２１は入力された中心周波数ｆｃと等しい周波数の交流電圧（正弦波）を乗算器２２３に出力する。一方、発振器２２２は、入力された周波数幅ΔＢＷに基づいて、０〜±ΔＢＷの周波数成分を有する交流電圧を乗算器２２３に出力する。乗算器２２３は、入力された２つの交流電圧を乗算し、その結果を増幅器224に出力する。この出力電圧は、ｆｃ−ΔＢＷ〜ｆｃ＋ΔＢＷの周波数成分を有する交流電圧となる。増幅器２２４は、乗算器２２３から入力された交流電圧の振幅が、制御装置３から入力される電圧振幅Ｖのパターンと等しくなるように、交流電圧を増幅していき、その交流電圧を高周波印加装置１１の平板電極１１１及び１１２に出力する。なおこの交流電圧は、平板電極１１１及び１１２に対し逆位相で供給される。
【００２８】
平板電極１１１，１１２は、供給された交流電圧に応じて高周波電磁場を発生し、シンクロトロン１内を周回するビームに印加する。平板電極１１１及び112により発生される電場及び磁場の向きは、それぞれ図３に示す方向となる。なお、電場及び磁場の強度は、交流電圧の振幅の増加に伴って強くなっていく。
【００２９】
以上説明したように、ビームのエネルギーＥに基づいて平板電極１１１，112に印加する交流電圧の周波数成分を決めることにより、ビームのエネルギーが変わっても、シンクロトロン１内を周回する全てのビームを効率よく出射することができる。また、ビームのエネルギーＥ及びビームの出射にかける時間Ｔに基づいて交流電圧の電圧振幅Ｖのパターンを決めることによって、ビームのエネルギーＥが変わっても、時間Ｔの間にシンクロトロン１内のビームを全て出射でき、つまりビームのエネルギーＥが変わっても、ビームの出射量を一定にすることができる。すなわち、図７に示すように、ビームのエネルギーＥによらず、シンクロトロン１内を周回するビームを同じ時間Ｔで出射することができる。図７において、Ｔ１＝Ｔ２である。よって、シンクロトロン１から出射するビームのエネルギーによらず、シンクロトロンの運転サイクルのうちビームを出射する期間の長さＴを一定にすることができ、シンクロトロンの制御が簡単になる
なお、以上説明した本実施例では、交流電圧の周波数成分を２つの発振器221,２２２と乗算器２２３により得たが、広い周波数成分からフィルタで必要周波数成分を選ぶ方法や、多周波数成分を同時に加える方法、ほかには、単一周波数を時間的に変化させる方法等を用いても良い。
【００３０】
（実施例２）
図４は、実施例１の加速器システムを用いて、がん患者の治療を行う治療システムを示す。以下、本実施例について、実施例１の加速器システムに新たに付加した構成を中心に説明する。
【００３１】
図４において、回転照射装置５は、シンクロトロン１から出射されたビームを入射する。回転照射装置５に入射されたビームは、偏向電磁石５１，５２，四極電磁石５３により軌道が調節され、走査電磁石５４，５５に導かれる。なお、偏向電磁石５１，５２，四極電磁石５３には、制御装置３からの指示に従って電源５７から電流が供給される。
【００３２】
走査電磁石５４，５５には、電源５８から位相が９０度ずれた正弦波の電流がそれぞれ供給される。そのため走査電磁石５４，５５に導かれたビームはがん患者の患部位置において円形に走査されて照射される。線量モニタ５６は、ビームの照射線量を測定し、測定結果を制御装置３に出力する。線量モニタ５６の出力は、制御装置３において予め設定された目標照射線量と比較され、ビームの照射線量が目標照射線量に達したか否かの判定に用いられる。
【００３３】
また、本実施例の治療システムは、回転照射装置５に電流モニタ５９を備えている。電流モニタ５９はシンクロトロン１から出射されたビームの電流を測定し、電流測定値を電源２２に出力する。図５に示すように、電流モニタ５９の出力である電流測定値は、電源２２において比較器２２５に入力される。比較器225には予めオペレータにより設定された電流目標値も入力され、電流測定値と比較される。比較の結果、電流目標値の方が大きかった場合には増幅器２２４による増幅度を上げ、電流目標値の方が小さかった場合には増幅器２２４の増幅度を下げるように増幅器２２４を制御する。
【００３４】
本実施例のように、患部位置でビームを円形に走査して照射する照射方法に、実施例１で説明したシンクロトロン１が出射するビームを用いることにより、走査電磁石５４，５５によるビームの走査速度をビームのエネルギーによらず一定にすることができる。すなわち、従来のシンクロトロンでは、前述したように出射するビームのエネルギーによってビームの出射量が異なっていたため、ビームのエネルギーが低くてビームの出射量が多い場合には、その分走査電磁石によるビームの走査速度を早くしなければならなかった。しかしながら、本実施例のシンクロトロン１は、ビームのエネルギーによらずビームの出射量が一定であるため、走査電磁石５４，５５による走査速度を変化させる必要がなく、従って、走査電磁石５４，５５に供給する電流も変えなくて良い。よって、簡単な制御で患部にビームを照射することができる。
【００３５】
なお、本実施例ではビームを円形に走査する場合について説明したが、円形に走査する場合に限らず、ビームを走査するものであればどのような方法に対しても同様の効果を生じる。
【００３６】
（実施例３）
本実施例の治療システムについて、実施例２と異なる点を説明する。本実施例では、図６に示すように、ビームを患部に照射する際に患部をビームの進行方向に複数の層状の領域Ｌ１〜Ｌ９（以下、層Ｌ１〜Ｌ９と呼ぶ）に分け、更にその層Ｌ１〜Ｌ９を複数の領域Ａ１１，Ａ１２…に分けて、その領域毎にビームを照射する。なお、本治療システムの装置構成は、実施例２の治療システムと同様である。
【００３７】
本実施例において、各層にビームを照射する場合には、その層の位置にブラッグピークが来るようなエネルギーのビームを照射する。従って、層Ｌ９から層Ｌ１へと層の位置が浅くなるにつれて、照射されるビームのエネルギーは低くなる。このようにビームを照射する層によってビームのエネルギーを変更する場合でも、本実施例によればビームの出射量を一定にできる。
【００３８】
各層において、ビームを照射する領域Ａ１１，Ａ１２…を変更する場合には、高周波印加装置１１からビームに印加する高周波電磁場の強度を低下させて、シンクロトロン１から出射されるビームの量を例えば１／１０に減少させる。そうすることにより、ビームを照射する領域を変更しているときに照射される照射線量を減少させることができ、余分な照射を低減できる。
【００３９】
また、ビームを照射する領域を変更する場合に、ビームに対する高周波電磁場の印加を停止して、シンクロトロン１からのビームの出射を停止すれば、照射領域を変更する際の余分な照射をなくすことができる。
【００４０】
本実施例のように、照射領域を変更する際にビームの出射量を低下させる、或いはビームの出射を停止させる場合に、ビームのエネルギーによらずビームの出射量が一定ならば、ビームの照射線量をより正確に制御可能である。すなわち、出射量を低下、或いは出射を停止するのにも、ある一定の時間が必要であり、その間にも多少はビームが照射される。従来のシンクロトロンのように、ビームのエネルギーによってビームの出射量が異なると、出射量を低下、或いは出射を停止させる間に照射されるビームの量がエネルギーによって異なってしまうため、その点も考慮してビームの照射を行わなければならない。しかし、本実施例によれば、ビームのエネルギーによらずビームの出射量を一定にできるため、出射量を低下、或いは出射を停止する間に照射されるビームの量もエネルギーによらず一定となり、その値も予め求めることが可能なので、照射線量を正確に制御できる。
【００４１】
以上説明した各実施例では、ビームの出射を開始してから終了するまでの時間Ｔは、０.５秒程度とする。ただし、呼吸に同期して移動する肺や肝臓を治療する場合には、呼吸の静止期にのみビームを出射する必要があるので、時間Ｔは、０.２秒程度に設定するのが望ましい。本実施例では、このような時間の設定も容易に行うことができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡単な制御で荷電粒子ビームを出射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である加速器システムの構成図である。
【図２】荷電粒子ビームを出射するまでの手順を示すフローチャートである。
【図３】図１の高周波印加装置１１及び電源２２の構成図である。
【図４】本発明の他の実施例である治療システムの構成図である。
【図５】図４の高周波印加装置１１及び電源２２の構成図である。
【図６】本発明の他の実施例である治療システムにおける、患部への荷電粒子ビームの照射方法を示す図である。
【図７】本発明によるシンクロトロンの運転サイクルを示す図である。
【図８】従来のシンクロトロンの運転サイクルを示す図である。
【符号の説明】
１…シンクロトロン、３…制御装置、４…前段加速器、１１…高周波印加装置、１２…偏向電磁石、１３…四極電磁石、１４…六極電磁石、１５…高周波加速空胴、１６…入射器、１７…出射用デフレクター、２１，２２…電源。

Claims

加速器内を周回する荷電粒子ビームに高周波電磁場を印加することにより、加速器から荷電粒子ビームを出射する荷電粒子ビーム出射方法において、
加速器から出射する荷電粒子ビームのエネルギーに基づいて、前記高周波電磁場の強度を前記エネルギーが高いほど強く設定することを特徴とする荷電粒子ビーム出射方法。
前記高周波電磁場の強度は、荷電粒子ビームの出射を開始してから終了するまでの間、徐々に増加することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム出射方法。