JP4452848B2 - 荷電粒子線照射装置および回転ガントリ - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビームを例えば患者の癌細胞に照射して癌治療を行う荷電粒子線照射装置および回転ガントリに関する。

放射線による癌等の治療には、Ｘ線、ガンマ線、電子線等が用いられており、さらに近年では、加速器で加速した高エネルギーの荷電粒子（炭素等のイオン）ビームを用いて癌等の治療を行う荷電粒子線照射装置が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。

そこで、このような荷電粒子線照射装置１００について、図４および図５を参照して説明する。図４に示すように、シンクロトロン等の加速器（図示せず）を通過して高エネルギで加速された荷電粒子は、四極電磁石１１０，１１１，１１２等を経由して最終偏向電磁石１１３に入射される。なお、四極電磁石１１０，１１１，１１２は、ビーム輸送管１１４を通過するビームの発散を抑えるための収束電磁石であり、最終偏向電磁石は荷電粒子を標的に向けて偏向させる偏向電磁石である。そして、最終偏向電磁石１１３に入射した荷電粒子は、偏向磁場により最終偏向電磁石１１３内を円弧状に湾曲しながら輸送される。次にこのビームは、図４および図５に示すように、最終偏向電磁石１１３内を通過するビームの偏向軌跡を含む面と平行でかつ、前記ビームの進行方向に対しては直角なＸ方向にスキャンされるＸ方向二極電磁石（照射野形成電磁石）１１５と、前記ビームの進行方向及びＸ方向に対して直角のＹ方向にスキャンされるＹ方向二極電磁石（照射野形成電磁石）１１６とを通過して標的１１７に照射される。あるいは、Ｙ方向二極電磁石を通過してからＸ方向二極電磁石を通過してもよい。

また、このような荷電粒子線照射装置１００を用いて癌を治療する場合、癌の治療効果を上げるため、及び患者に苦痛を与えないために、粒子の照射は癌部を中心にして１８０°または３６０°の回転照射によって行うことが好ましい。従って、荷電粒子ビームを癌の治療に用いる場合は、例えば特許文献１に示されているように、ベッドの上に横たえた患者の周囲から陽子線を照射する回転ガントリが広く用いられている。

Timothy R. Renner and William T. Chu Wobbler facility for biological experiments Medical Physics 14(1987) 825-834 特開平８−２５７１４８号公報（段落００１２〜００１３、図１）

ところで、従来の荷電粒子線照射装置１００は、最終偏向電磁石１１３の下流側に２台のＸ，Ｙ方向二極電磁石１１５，１１６を設置する構成としている。ここで、Ｘ，Ｙ方向二極電磁石１１５，１１６等では、炭素等のイオンが重いため陽子の３倍程度の大きな磁場を発生させる必要がある。そして、癌等の治療を行うには、加速器から供給される直径１ｃｍ程度の荷電粒子線ビームを、直径２０ｃｍの照射野を形成する程度まで拡大する必要がある。このため、炭素等の荷電粒子線をＸ，Ｙ方向二極電磁石１１５，１１６で拡大させるには、陽子線と比較して、より長い照射ポート長（Ｘ，Ｙ方向二極電磁石１１５，１１６の内の上流側の二極電磁石から標的１１７までの間の距離）が必要になる。炭素の荷電粒子線の場合は、最短でも５．５ｍ程度に長めに設定せざるを得ず、装置の大型化を招くという問題がある。

また、このような荷電粒子線照射装置１００を特許文献１に記載の回転ガントリに適用した場合には、回転ガントリを駆動させるのに必要な空間が例えば１８×９×９×π（ｍ³）程度（図３参照）になり、非常に大きな空間を確保しなければならないという問題がある。

本発明は、前記課題に鑑み、装置全体の小型化を図ることができるようにした荷電粒子線照射装置および回転ガントリを提供することにある。

本発明は、前記課題を解決すべく構成されるものであり、請求項１に記載の発明は、加速器で加速された荷電粒子を標的に向けて偏向させる偏向電磁石と、前記偏向電磁石を通過した荷電粒子をスキャンして前記標的に面照射させる照射野形成電磁石とを備える荷電粒子線照射装置において、前記偏向電磁石は、前記荷電粒子のビームを前記偏向させると共に、偏向電磁場の大きさを増減させることにより、前記ビームの偏向軌跡を含む面と平行でかつ前記ビームの進行方向に対しては直角なＸ方向にスキャンさせ、前記照射野形成電磁石は、前記ビームを前記ビームの進行方向と前記Ｘ方向に対して直角のＹ方向成分を含んでスキャンさせ、前記偏向電磁石による前記ビームのＸ方向のスキャンと、前記照射野形成電磁石による前記ビームのＹ方向成分を含んでのスキャンとで、前記標的に対して照射を行うことを特徴とする荷電粒子線照射装置である。

請求項１に記載の発明によれば、偏向電磁石に入射してきた荷電粒子のビームを、偏向磁場を制御することにより荷電粒子のビームを前記偏向軌跡を含む面と平行でかつビームの進行方向に対しては直角なＸ方向にスキャンさせることができる。このため、偏向電磁石を、ビームをＸ方向にスキャンさせる照射野形成電磁石と同様の機能を有する電磁石として用いることができ、偏向電磁石とは別個に前記照射野形成電磁石をわざわざ設ける必要がなくなるので、照射ポート長を短くできる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の荷電粒子線照射装置を用いたことを特徴とする回転ガントリである。

請求項２に記載の発明によれば、ビームをＸ方向成分を含んでスキャンさせる照射野形成電磁石を省略した回転ガントリを製作することができ、照射ポート長を短くできる結果、回転ガントリの回転半径を小さくすることが可能になり、回転ガントリの小型化を図ることができる。

以上、詳述した通り、本発明によれば、ビームのスキャン開始位置を偏向電磁石内に設けることができるので、装置全体を小型化することができる。ビームをＸ方向にスキャンさせる照射野形成電磁石を省略することができるので、そのようにすればさらに、装置全体を小型化することができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る荷電粒子線照射装置を、図１および図２の添付図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る荷電粒子線照射装置の照射部分を示す図である。図２は、本実施の形態に係る荷電粒子線照射装置と従来技術による荷電粒子線照射装置とを比較した説明図であり、（ａ）は本発明に係る荷電粒子線照射装置を示す図であり、（ｂ）は従来技術による荷電粒子線照射装置を示す図である。

図１に示すように、荷電粒子線照射装置１は、従来技術で述べた荷電粒子線照射装置１００とほぼ同様に、炭素線等の荷電粒子ビーム２が通過するビーム輸送管３と、ビーム輸送管３の途中に設置されて荷電粒子ビーム２の発散を抑える四極電磁石４，５，６と、ビーム輸送管３の下流側の端部に接続された最終偏向電磁石７と、最終偏向電磁石７の下流側の端部に接続されたＹ方向二極電磁石（照射野形成電磁石）８とを備えている。しかし、本実施の形態では、従来技術で述べたＸ方向二極電磁石１１５（図４参照）が省略されている点で、従来技術のものとは異なっている。なお、前記Ｘ方向とは、従来技術でも述べたように、最終偏向電磁石７によるビームの偏向軌跡を含む面と平行でかつ、ビームの進行方向に対して直角な方向をいう。また、前記Ｙ方向とは、ビームの進行方向と前記Ｘ方向に対して直角な方向をいう。

ここで、最終偏向電磁石７は、最終偏向電磁石７内で偏向電磁場を発生させることにより、荷電粒子ビーム２の軌道を円弧状に変えると共に、前記偏向電磁場の大きさを例えば一定の周期をもって増減させることにより、荷電粒子ビーム２をＸ方向にスキャンさせるものである。例えば現在点線Ａの偏向軌跡に沿って偏向される１本のビームは、前記のように偏向電磁場の大きさを増減させることにより、図１に示すように、最大で点線Ｂの位置まで内側へとＸ方向にスキャンされると共に、最大で点線Ｃの位置まで外側へとＸ方向にスキャンされる。つまり、１本のビームは点線Ｂと点線Ｃとの間でＸ方向にスキャンされる。また、Ｙ方向二極電磁石８は、荷電粒子ビーム２をＸ方向に対して直角のＹ方向成分を含んでスキャンさせるものである。

次に、このように構成される荷電粒子線照射装置１の動作について説明する。まず、四極電磁石４，５，６を経由して最終偏向電磁石７内に入射してきた荷電粒子ビーム２は、最終偏向電磁石７内で生じる偏向電磁場を例えば一定の周期をもって増減させることにより、図１中に点線で示すように、最終偏向電磁石７内を円弧状に輸送されつつ、Ｘ方向成分を含んでスキャンされる。そして、Ｘ方向成分を含んでスキャンされた荷電粒子ビーム２はＹ方向二極電磁石８を通過するときにＸ方向に対して直角のＹ方向成分を含んでスキャンされる。これにより荷電粒子ビーム２は、Ｘ方向の成分とＹ方向の成分を含んでスキャンされ、患者の患部である標的９に対してあらかじめ設定された所定のプログラムに従って一様にすきまなく照射される。

従って、本実施の形態に係る荷電粒子線照射装置１は、従来技術によるＸ方向二極電磁石１１５の機能を最終偏向電磁石７が兼ねることにより、このＸ方向二極電磁石１１５を省略できるから、図２に示すように、荷電粒子線照射装置１全体の大きさを従来技術のものよりも寸法Ｌ（Ｌ＝Ｌ１−Ｌ２＝約１ｍ）だけ短縮でき、荷電粒子線照射装置１の小型化を図ることができる。

（第２の実施の形態）
次に、図３は本発明の第２の実施の形態を示している。図３は、本実施の形態に係る回転ガントリと従来技術による回転ガントリとを比較するための説明図である。

図３に示すように、回転ガントリ５０は、第１の偏向電磁石５１と、第１の偏向電磁石５１にビーム輸送管５２を介して接続された第２の偏向電磁石５３と、ビーム輸送管５２の途中に設けられた四極電磁石５４，５５，５６と、第２の偏向電磁石５３にビーム輸送管５７を介して接続された第３の偏向電磁石（以下、最終偏向電磁石という）５８と、ビーム輸送管５７の途中に設けられた四極電磁石５９，６０，６１と、最終偏向電磁石５８の下流側の端部に接続されたＹ方向二極電磁石６２とを備えている。

なお、図３中に仮想線で示すように、従来技術による回転ガントリ２００は、第１の偏向電磁石２０１、ビーム輸送管２０２、四極電磁石２０３，２０４，２０５，２０６、第２の偏向電磁石２０８、ビーム輸送管２０９、四極電磁石２１０，２１１，２１２、第３の偏向電磁石２１３、Ｘ方向二極電磁石２１４、およびＹ方向二極電磁石２１５を備えている。

このように構成される本実施の形態に係る回転ガントリ５０によると、シンクロトロン等の加速器（図示せず）を通過して高エネルギで加速された荷電粒子ビーム６３は、図３中に点線で示すように、第１の偏向電磁石５１、四極電磁石５４，５５，５６、第２の偏向電磁石５３、および四極電磁石５９，６０，６１等を順次経由して最終偏向電磁石５８内に入射される。この最終偏向電磁石５８内に入射された荷電粒子ビーム６３は、最終偏向電磁石５８内で生じる偏向電磁場を例えば一定の周期をもって増減するように制御することにより、最終偏向電磁石５８内を円弧状に輸送されつつ、Ｘ方向にスキャンされる。そして、Ｘ方向にスキャンされた荷電粒子ビーム６３はＹ方向二極電磁石６２を通過する間にＹ方向の成分を含んでスキャンされる。これにより荷電粒子ビーム６３は、Ｘ方向の成分とＹ方向の成分を含んでスキャンされ、患者の患部である標的６４に対して例えば円を描くように照射される。

そして、回転ガントリ５０は、最終偏向電磁石５８と標的６４との間を結ぶ回転軸Ａ−Ａを中心に駆動モータ（図示せず）等を用いて標的６４の周囲を３６０°回転するようになっている。つまり、回転ガントリ２０は、荷電粒子である重粒子が照射される照射口６５が標的６４の周囲を回転することにより標的６４に対して３６０度任意の方向から照射を行えるようになっている。

このように構成される本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、従来技術によるＸ方向二極電磁石２１４の機能を最終偏向電磁石５８が兼ねることにより、このＸ方向二極電磁石２１４を省略できるから、Ｘ方向二極電磁石２１４の分だけ回転ガントリ５０の小型化を図ることができる。また、図３に示すように、回転ガントリ５０を作動させるのに必要な空間が従来技術では、例えば１８×９×９×π（ｍ³）程度であったの対し、本実施の形態では、例えば１６×８×８×π（ｍ³）程度に小さくでき、回転ガントリ５０の設置空間を縮小することができる。

また、このように回転ガントリ５０を小型化できるため、ビーム輸送管５２の全長を従来技術によるビーム輸送管２０２よりも短縮できる。ここで、一般に、四極電磁石２０３，２０４，２０５，２０６は、ビーム輸送管２０２に等間隔に配置するものである。従って、ビーム輸送管５２の全長を従来技術によるビーム輸送管２０２よりも短縮できることにより、従来技術では、ビーム輸送管２０２に４個必要であった四極電磁石２０３，２０４，２０５，２０６を、本実施の形態では、ビーム輸送管５２に必要な四極電磁石５４，５５，５６を３個に減らすことができ、回転ガントリ５０をより一層小型化でき、それに伴い回転モーメントも小さくなるので、回転ガントリ５０の製作コストを低減することができる。

なお、第１の実施の形態では、最終偏向電磁石７の下流側に１個のＹ方向二極電磁石８を配置する構成とした場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えば最終偏向電磁石７とＹ方向二極電磁石８との間にＸ方向二極電磁石を配置する構成としてもよい。このことは第２の実施の形態についても同様である。

本発明の第１の実施の形態に係る荷電粒子線照射装置の照射部分を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る荷電粒子線照射装置と従来技術による荷電粒子線照射装置とを比較した説明図であり、（ａ）は第１の実施の形態に係る荷電粒子線照射装置を示す図であり、（ｂ）は従来技術による荷電粒子線照射装置を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る回転ガントリと従来技術による回転ガントリとを比較するための説明図である。 従来技術による荷電粒子線照射装置の照射部分を示す図である。 従来技術によるＸ方向の照射野形成電磁石とＹ方向の照射野形成電磁石を拡大して示す斜視図である。

符号の説明

１ 荷電粒子線照射装置
２，６３ 荷電粒子ビーム
７，５８ 最終偏向電磁石
８，６２ Ｙ方向二極電磁石（照射野形成電磁石）
５０ 回転ガントリ

Claims (2)

1. 加速器で加速された荷電粒子を標的に向けて偏向させる偏向電磁石と、前記偏向電磁石を通過した荷電粒子をスキャンして前記標的に面照射させる照射野形成電磁石とを備える荷電粒子線照射装置において、
   前記偏向電磁石は、前記荷電粒子のビームを前記偏向させると共に、偏向電磁場の大きさを増減させることにより、前記ビームの偏向軌跡を含む面と平行でかつ前記ビームの進行方向に対しては直角なＸ方向にスキャンさせ、
   前記照射野形成電磁石は、前記ビームを前記ビームの進行方向と前記Ｘ方向に対して直角のＹ方向成分を含んでスキャンさせ、
   前記偏向電磁石による前記ビームのＸ方向のスキャンと、前記照射野形成電磁石による前記ビームのＹ方向成分を含んでのスキャンとで、前記標的に対して照射を行う
   ことを特徴とする荷電粒子線照射装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線照射装置を用いたことを特徴とする回転ガントリ。

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