JP4115468B2

JP4115468B2 - 粒子線治療装置

Info

Publication number: JP4115468B2
Application number: JP2005171472A
Authority: JP
Inventors: 克久吉田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: JP2006341010A

Description

この発明は、荷電粒子ビームを癌治療や患部の診断に利用する粒子線治療装置に関する。

粒子線治療装置では、照射線量のブラックピークの位置が荷電粒子ビームのエネルギーに関係していることを利用して患部がブラックピークの位置になるように荷電粒子ビームのエネルギーを調整している。そして、荷電粒子ビームのエネルギーを変更するために、直接粒子加速器の加速エネルギーを変更したり、ビーム照射位置設定用の電磁石の直前に設置されたレンジシフタを駆動して異なる厚みの位置を荷電粒子ビームが透過することにより荷電粒子ビームのエネルギーを変えたりする（例えば、特許文献１参照）。
また、荷電粒子ビームのエネルギーが設定値になっていることを保障するために、粒子加速器の偏向電磁石の磁場や高周波加速電磁場を監視して、荷電粒子ビームのエネルギーが設定値外にあることが推定されたときインターロックにより当該荷電粒子ビームを遮断したり、ビーム輸送系に設置した運動量分析装置を用いてエネルギーに誤差のある荷電粒子ビームを廃棄したりしている。

特開平９−２２３６００号公報

しかし、直接粒子加速器で荷電粒子ビームのエネルギーを変更する場合、多数のエネルギーそれぞれに対して粒子加速器の運転パラメータを作成しなければならないので、粒子加速器の調整に長時間を要するという問題がある。
また、レンジシフタを移動し、荷電粒子ビームの透過する位置を変えてレンジシフタを荷電粒子ビームが透過する距離を高速に変更する場合、レンジシフタの移動に付随する騒音が発生したり、レンジシフタを機械的に移動することにともなって駆動機構の機械的な信頼性が低下したりするという問題がある。
また、荷電粒子ビームのエネルギーが設定値になっていることを保障する場合、粒子加速器の磁場や高周波加速電磁場の変動によりインターロックが掛かりシステム停止の頻度が増加したり、運動量分析の結果として廃棄される荷電粒子ビームが多くなり荷電粒子ビームの強度が大きく変動したりするという問題がある。

この発明の目的は、粒子加速器の調整時間の短縮と運転パラメータファイルの種類が少なく、レンジシフタの移動音およびエネルギー変更時間を大幅に低減できるとともに、粒子加速器の機器変動によるシステム停止の頻度が低く、荷電粒子ビームのエネルギーや強度の変動が小さな粒子線治療装置を提供することである。

この発明に係わる粒子線治療装置は、荷電粒子ビームを患部に照射して治療する粒子線治療装置において、上記荷電粒子ビームが透過する方向の厚みがビーム透過方向に直交する一方向で異なり、透過する上記荷電粒子ビームのエネルギーを上記厚みに比例する分だけ低下するレンジシフタと、上記荷電粒子ビームを上記レンジシフタの厚みの異なる部分に透過するために上記レンジシフタの上流側で上記荷電粒子ビームの軌道を上記厚みが変化する方向に平行移動させる上流側偏向電磁石対と、上記レンジシフタを透過した上記荷電粒子ビームの軌道を上記上流側偏向電磁石対に入射したときの軌道の延長線上に平行移動させる下流側偏向電磁石対と、上記レンジシフタを透過することにより上記荷電粒子ビームのエネルギーが所望の値までに低下する軌道を上記荷電粒子ビームが進むように上記上流側偏向電磁石対および上記下流側偏向電磁石対を制御する変更制御装置とを備えるエネルギー変更装置を具備する。

この発明に係わる粒子線治療装置の効果は、上流側偏向電磁石対により所望の軌道上を荷電粒子ビームが進み、その先にある厚さの異なる部分のレンジシフタを透過することにより荷電粒子ビームのエネルギーが低下されるので、上流側および下流側偏向電磁石対の励磁電流の変更は短時間に行うことができ、荷電粒子ビームのエネルギーの変更に要する時間を非常に短くすることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる粒子線治療装置の構成図である。図２は、実施の形態１に係わるエネルギー変更装置の側面図である。
この発明の実施の形態１に係わる粒子線治療装置１は、図１に示すように、荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを発生する粒子加速器２、荷電粒子ビームを患部２７に照射する照射装置３を備える。なお、粒子加速器２は、公知の装置を用いているので説明は省略する。
実施の形態１に係わる照射装置３は、図１に示すように、荷電粒子ビームの進む方向に向かって手前から荷電粒子ビームのエネルギーを低下して所望のエネルギーに変更するエネルギー変更装置５、荷電粒子ビームの軌道を走査する走査用電磁石装置６、荷電粒子ビームのエネルギーの幅を変更するリッジフィルター７、患部２７に照射される照射線量を検出する照射線量モニタ８、照射装置３全体を制御する照射制御装置９を備える。走査用電磁石装置６は、荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面上の直交する２軸方向にそれぞれ走査する電磁石６ａ、６ｂを備える。なお、走査用電磁石装置６、リッジフィルター７、照射線量モニタ８は、公知の装置を用いているので説明は省略する。

実施の形態１に係わるエネルギー変更装置５は、図２に示すように、幅方向（ｘ方向）に厚みが階段状に変化するレンジシフタ１１、レンジシフタ１１を荷電粒子ビームが通過する位置を移動する上流側偏向電磁石対１２、上流側偏向電磁石対１２を励磁する第１の偏向電磁石電源１３、レンジシフタ１１を通過した荷電粒子ビームを元の軌道上に戻す下流側偏向電磁石対１４、下流側偏向電磁石対１４を励磁する第２の偏向電磁石電源１５、照射制御装置９から入力されるエネルギー指令値に基づいて上流側偏向電磁石対１２による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、励磁電流値を第１の偏向電磁石電源１３に送信する変更制御装置１６を備える。変更制御装置１６は、第２の偏向電磁石電源１５も制御する。

図２では、エネルギー変更装置５をｚ軸に対して垂直な方向から見た側面図として示している。図２で太実線で表されている荷電粒子ビームは、図２のｚ軸上を上流側偏向電磁石対１２に入射される。また、荷電粒子ビームの軌道は、図２の紙面の水平方向（以下、ｘ方向と称す。）に移動される。
上流側偏向電磁石対１２は、軌道変更用の偏向電磁石２１と軌道平行用の偏向電磁石２２とからなる。軌道変更用の偏向電磁石２１は、入射された荷電粒子ビームの軌道をｚ軸に対して所定の角度θだけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石２２は、軌道変更用の偏向電磁石２１によりｚ軸に対して傾けられた軌道をｚ軸に対して平行する軌道に偏向する。
下流側偏向電磁石対１４は、軌道偏向用の偏向電磁石２３と軌道平行用の偏向電磁石２４とからなる。軌道変更用の偏向電磁石２３は、入射された荷電粒子ビームの軌道をｚ軸に対して（３６０度−所定の角度θ）だけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石２４は、軌道変更用の偏向電磁石２３によりｚ軸に対して傾けられた軌道をｚ軸上の軌道に偏向する。

次に、エネルギー変更装置５の動作について説明する。
粒子加速器２からビーム輸送系２６を経由してエネルギー変更装置５に導入された荷電粒子ビームは、上流側偏向電磁石対１２によりｚ軸からｘ方向に所定の距離離れたｚ軸に平行な軌道上を進む。そして、所定の厚さのレンジシフタ１１の部分を荷電粒子ビームが透過することにより、エネルギーが厚さに比例する分だけ低下されて所望のエネルギーになる。
このようにして所望のエネルギーに変更された荷電粒子ビームは、下流側偏向電磁石対１４によりエネルギー変更装置５に入射されたときの元の軌道の延長線上に戻される。

このようにエネルギーが所望の値に変更され、元の軌道の延長上に戻された荷電粒子ビームは、走査用電磁石装置６により軌道が走査され、リッジフィルター７によりエネルギーの幅が変更され、照射線量モニタ８により患部２７に照射される照射線量が検出されながら患部２７に照射される。

このような粒子線治療装置１は、上流側偏向電磁石対１２により所望の軌道上を荷電粒子ビームが進み、その先にある厚さの異なる部分のレンジシフタ１１を透過することにより荷電粒子ビームのエネルギーが変更されるので、上流側および下流側偏向電磁石対１２、１４の励磁電流の変更は短時間に行うことができ、荷電粒子ビームのエネルギーの変更に要する時間を非常に短くすることができる。
また、レンジシフタ１１を移動させないので、移動機構によく発生する機械的な故障の可能性がなく、高速で信頼性の高い粒子線治療装置１を提供することができる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係わるエネルギー変更装置の側面図である。
実施の形態２に係わる粒子線治療装置は、実施の形態１に係わる粒子線治療装置１とエネルギー変更装置５Ｂが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態２に係わるエネルギー変更装置５Ｂは、図３に示すように、実施の形態１に係わるエネルギー変更装置５にレンジシフタ１１を動かすレンジシフタ駆動装置３０が追加され、それにともなって変更制御装置１６Ｂが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。

実施の形態２に係わる変更制御装置１６Ｂは、照射制御装置９から入力されるエネルギー指令値に基づいて上流側偏向電磁石対１２による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、移動量が予め定める閾値より大きいときには閾値に相当する励磁電流値を第１の偏向電磁石電源１３に送信し、移動量と閾値との差に相当するレンジシフタ移動量をレンジシフタ駆動装置３０に送る。
レンジシフタ１１Ｂは、ｘ方向に移動可能に支持されている。
そして、レンジシフタ駆動装置３０は、変更制御装置１６Ｂから送られてきたレンジシフタ移動量に基づいてレンジシフタ１１Ｂをｘ方向に移動する。

このようにレンジシフタ１１Ｂを移動して厚さが大きく異なる部分を荷電粒子ビームが通過するようにして大きくエネルギーを変更することにより、上流側偏向電磁石対１２および下流側偏向電磁石対１４の励磁量の変化を少ないままに済ませることができる。このようにして上流側偏向電磁石対１２および下流側偏向電磁石対１４の励磁量を適切な範囲に保つことができる。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３に係わる照射装置の構成図である。
実施の形態３に係わる粒子線治療装置は、実施の形態２に係わる粒子線治療装置とスキャニング照射を行うことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
スキャニング照射では、患部２７を複数の照射層３１ａ〜３１ｎに層別し、体表面３２側から順番に照射を行う。照射層の変更は、照射制御装置９からエネルギー変更装置５Ｂの変更制御装置１６Ｂにエネルギー指令値を与えて行う。そして、変更制御装置１６Ｂは、荷電粒子ビームの軌道を変更することによるエネルギー変更分Δ_１とレンジシフタ駆動装置３０によるエネルギー変更分Δ_２を設定して、それぞれを該当するところに送ることによりエネルギーを変更し、照射層３１ａ〜３１ｎが変更される。

このような粒子線治療装置は、軌道変更が励磁電流の変更により行われるので、レンジシフタ１１Ｂを高速に移動させる必要がないため、レンジシフタ１１Ｂの動作騒音を大幅に低減でき、静粛性と信頼性に優れた粒子線治療装置を提供することができる。

実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４に係わる粒子線治療装置の構成図である。図６は、実施の形態４に係わるエネルギー安定化装置の側面図である。
この発明の実施の形態４に係わる粒子線治療装置１Ｄは、荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを発生する粒子加速器２、荷電粒子ビームを患部２７に照射する照射装置３Ｄを備える。なお、粒子加速器２は、公知の装置を用いているので説明は省略する。
実施の形態４に係わる照射装置３Ｄは、荷電粒子ビームの進む方向に向かって手前から、荷電粒子ビームのエネルギーを安定化するエネルギー安定化装置３３、荷電粒子ビームのエネルギーを低下して所望のエネルギーに変更するエネルギー変更装置５、荷電粒子ビームの軌道を走査する走査用電磁石装置６、荷電粒子ビームのエネルギーの幅を変更するリッジフィルター７、患部２７に照射される照射線量を検出する照射線量モニタ８、照射装置１Ｄ全体を制御する照射制御装置９を備える。なお、走査用電磁石装置６、リッジフィルター７、照射線量モニタ８は、公知の装置を用いているので説明は省略する。また、エネルギー変更装置５は、実施の形態１乃至３において説明したエネルギー変更装置５と同様であり、説明は省略する。

実施の形態４に係わるエネルギー安定化装置３３は、図６に示すように、入射する荷電粒子ビームを固定の励磁条件で偏向する第１の偏向電磁石４１、第１の偏向電磁石４１を励磁する第１の偏向電磁石電源４２、第１の偏向電磁石４１により偏向された荷電粒子ビームの軌道を所定の位置に収束する４極電磁石４３、直線に沿って厚みが連続的に変化しているレンジシフタ４４、所定の位置に収束された荷電粒子ビームの軌道ｚ軸上に偏向しながら移動する第２の偏向電磁石４５、第２の偏向電磁石４５を励磁する第２の偏向電磁石電源４６、荷電粒子ビームの軌道の位置を検出するビーム位置モニタ４７、検出された軌道の位置を元の軌道の延長線上に移動する移動指令値を第２の偏向電磁石電源４６に送る位置制御装置４８を備える。

第１の偏向電磁石４１では、固定の励磁条件のもとにあるので、入射する荷電粒子ビームのエネルギーが大きいときには図６の太実線ｓで示される軌道に荷電粒子ビームが偏向され、逆に、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが小さいときには図６の太点線ｗで示される軌道に荷電粒子ビームが偏向される。

４極電磁石４３は、第１の偏向電磁石４１により偏向されてｘ方向にｚ軸から離れる荷電粒子ビームをｘ方向のｚ軸に向かうように偏向し、荷電粒子ビームはｚ軸上の所定の位置ｃを通過する。

レンジシフタ４４は、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが小さいときに第１の偏向電磁石４１により偏向されるｘ方向に向かって厚さが厚くなるように配置される。
そして、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが大きいときにはレンジシフタ４４を点ａで透過し、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが小さいときにはレンジシフタ４４を点ｂで透過する。そして、点ａでのレンジシフタ４４の厚さが点ｂでのレンジシフタ４４の厚さより厚いので、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが大きいほどレンジシフタ４４でのエネルギーの減衰がレンジシフタ４４の厚さに比例して大きくなり、位置ｃでの荷電粒子ビームのエネルギーが安定化される。

第２の偏向電磁石４５は、所定の位置ｃで荷電粒子ビームをｚ軸上に沿って進むように偏向する。また、位置ｃがｚ軸からずれることが発生するので、ビーム位置モニタ４７により荷電粒子ビームの位置を検出し、位置制御装置４８で検出された位置をｚ軸上に戻すために移動指令値を算出し、第２の偏向電磁石電源４６により第２の偏向電磁石４５を励磁して荷電粒子ビームの軌道がｚ軸上に揃うようにする。

このような粒子線治療装置１Ｄは、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが変動しても、安定化装置３３によりエネルギーが安定化されるので、粒子加速器２での荷電粒子ビームのエネルギーの変動によるシステムの停止の頻度を低減することができる。
また、荷電粒子ビームの運動量分析によるビーム強度の変動を小さくすることができる。
また、荷電粒子ビームのエネルギーの変更の精度を向上することができる。

なお、粒子加速器２で加速される荷電粒子ビームのエネルギーの時間的な変動が予め予測できるものである場合、第２の偏向電磁石電源４６に予め求められた制御信号を出力すればいいので、ビーム位置モニタ４７を省略してもよい。
また、実施の形態４において粒子線治療装置１Ｄは、エネルギー変更装置５も備えられているが、安定化装置３３だけを備えても同様な効果が得られる。

実施の形態５．
図７は、この発明の実施の形態５に係わるエネルギー安定化装置の側面図である。
実施の形態５に係わる粒子線治療装置は、実施の形態４に係わる粒子線治療装置とエネルギー安定化装置３３Ｅが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態５に係わるエネルギー安定化装置３３Ｅは、実施の形態４に係わるエネルギー安定化装置３３にさらに１つの４極電磁石５１および楔型レンジシフタ５２を追加したことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。

エネルギー安定化装置３３Ｅは、図７に示すように、第１の偏向電磁石４１と第２の偏向電磁石４５との間に２つの４極電磁石４３、５１と２つの楔型レンジシフタ４４、５２が配置されている。第１の偏向電磁石４１側から第１の４極電磁石４３、第１のレンジシフタ４４、第２のレンジシフタ５２、第２の４極電磁石５１の順に並べられている。そして、第１のレンジシフタ４４は、入射される荷電粒子ビームのエネルギーが大きいときに第１の偏向電磁石４１により偏向されるｘ方向に向かって厚さが厚くなるように配置される。一方、第２のレンジシフタ５２は、荷電粒子ビームの軌道が第１の４極電磁石４３によりｚ軸に向かうように偏向されてｚ軸と交差した先に、ｘ方向のマイナスの方向に向かって厚さが厚くなるように配置される。

このような粒子線治療装置は、２つの４極電磁石４３、５１と２つのレンジシフタ４４、５２とを組み合わせて荷電粒子ビームのエネルギーを安定化するので、粒子加速器２からの荷電粒子ビームのエネルギーの変動が大きくても、２つのうちの１つのレンジシフタ４４、５２が受け持つエネルギーの調整量が１つしかないときのレンジシフタ４４が受け持つエネルギーの調整量の半分ですみ、レンジシフタ４４、５２の幅Ｗを大きくしなくても調整でき、レンジシフタ４４、５２の幅Ｗを適切な範囲に保つことができる。

この発明の実施の形態１に係わる粒子線治療装置の構成図である。実施の形態１に係わるエネルギー変更装置の側面図である。この発明の実施の形態２に係わるエネルギー変更装置の側面図である。この発明の実施の形態３に係わる照射装置の構成図である。この発明の実施の形態４に係わる粒子線治療装置の構成図である。実施の形態４に係わるエネルギー安定化装置の側面図である。この発明の実施の形態５に係わるエネルギー安定化装置の側面図である。

符号の説明

１粒子線治療装置、２粒子加速器、３照射装置、５エネルギー変更装置、６走査用電磁石装置、７リッジフィルター、８照射線量モニタ、９照射制御装置、１１レンジシフタ、１２、１４偏向電磁石対、１３、１５、４２、４６偏向電磁石電源、１６変更制御装置、２１、２２、２３、２４、４１、４５偏向電磁石、２６ビーム輸送系、２７患部、３０レンジシフタ駆動装置、３１ａ〜３１ｎ照射層、３２体表面、３３エネルギー安定化装置、４３、５１４極電磁石、４４、５２レンジシフタ、４７ビーム位置モニタ、４８位置制御装置。

Claims

荷電粒子ビームを患部に照射して治療する粒子線治療装置において、
上記荷電粒子ビームが透過する方向の厚みがビーム透過方向に直交する一方向で異なり、透過する上記荷電粒子ビームのエネルギーを上記厚みに比例する分だけ低下するレンジシフタと、
上記荷電粒子ビームを上記レンジシフタの厚みの異なる部分に透過するために上記レンジシフタの上流側で上記荷電粒子ビームの軌道を上記厚みが変化する方向に平行移動させる上流側偏向電磁石対と、
上記レンジシフタを透過した上記荷電粒子ビームの軌道を上記上流側偏向電磁石対に入射したときの軌道の延長線上に平行移動させる下流側偏向電磁石対と、
上記レンジシフタを透過することにより上記荷電粒子ビームのエネルギーが所望の値までに低下する軌道を上記荷電粒子ビームが進むように上記上流側偏向電磁石対および上記下流側偏向電磁石対を制御する変更制御装置と、
を備えるエネルギー変更装置を具備することを特徴とする粒子線治療装置。
上記エネルギー変更装置は、上記上流側偏向電磁石対により平行移動された荷電粒子ビームが上記レンジシフタに入射する際に、上記レンジシフタの厚みが変化する方向に上記レンジシフタを移動するレンジシフタ駆動装置を備えることを特徴とする請求項１に記載する粒子線治療装置。