JP4591590B2 - Particle beam irradiation apparatus and particle beam therapy apparatus - Google Patents
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Description
この発明は、粒子加速器から供給される荷電粒子線を被照射体に照射する粒子線照射装置、及びその粒子線照射装置を用いた粒子線治療装置に関するものである。 The present invention relates to a particle beam irradiation apparatus for irradiating an irradiated body with a charged particle beam supplied from a particle accelerator, and a particle beam therapy apparatus using the particle beam irradiation apparatus.
従来の粒子線照射装置で被照射体内における荷電粒子線の飛程(レンジ)を変化させるレンジシフターを用いるものは、レンジシフターとの散乱による荷電粒子線のビーム径の変化を低減するために、レンジシフターを被照射体の近傍に配置し、さらに、レンジシフターのビーム進行方向上流に、ビーム散乱体である散乱体装置や4極電磁石を配置するか(例えば特許文献1参照)、又はビームコリメーターを配置していた(例えば特許文献2参照)。 A conventional particle beam irradiation device that uses a range shifter that changes the range of the charged particle beam in the irradiated body, in order to reduce the change in the beam diameter of the charged particle beam due to scattering with the range shifter, A range shifter is disposed in the vicinity of the irradiated object, and further, a scatterer device or a quadrupole electromagnet as a beam scatterer is disposed upstream of the range shifter in the beam traveling direction (see, for example, Patent Document 1) or beam collimator. A meter was arranged (see, for example, Patent Document 2).
従来の粒子線照射装置は以上のように構成されているので、レンジシフターを被照射体の近傍に配置しなければなかったが、患者頭頚部への照射を行う治療装置の場合には、患者の肩等との空間干渉のためにレンジシフターを照射部位に十分近づける事ができず、荷電粒子線のビーム径を必要な値まで小さくできないという問題があった。
また、治療中に厚さを変更する必要のあるレンジシフターを患者の近傍に配置したため、レンジシフターを高速に駆動するときは特に、移動音等により患者に威圧感を与えるという問題があった。
また、被照射体におけるビーム径は、レンジシフターと被照射体内での散乱の寄与でほぼ決まるため、レンジシフターのビーム進行方向上流に配置した4極電磁石やビームコリメーターではビーム径を小さくすることはできず、従来の装置ではビーム径を大きくする方向に制御することのみが可能であった。
Since the conventional particle beam irradiation apparatus is configured as described above, the range shifter had to be arranged in the vicinity of the irradiated object, but in the case of a treatment apparatus that irradiates the patient's head and neck, the patient Due to the spatial interference with the shoulder of the body, the range shifter cannot be brought close enough to the irradiation site, and the beam diameter of the charged particle beam cannot be reduced to a required value.
In addition, since the range shifter whose thickness needs to be changed during the treatment is arranged in the vicinity of the patient, there is a problem that the patient is intimidated by moving sound or the like particularly when the range shifter is driven at high speed.
In addition, the beam diameter in the irradiated object is almost determined by the contribution of the range shifter and the scattering in the irradiated object, so the quadrupole electromagnet or beam collimator placed upstream of the range shifter beam travel direction should reduce the beam diameter. However, in the conventional apparatus, it was only possible to control in the direction of increasing the beam diameter.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、レンジシフターでの散乱による荷電粒子線のビーム径の増加を低減して、被照射体への空間的に精密な照射が可能な小さなビーム径の荷電粒子線を供給できるとともに、レンジシフターを患者から離れた位置に配置して、その移動音等による威圧感を無くすることができる粒子線照射装置及び粒子線治療装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and reduces the increase in the beam diameter of the charged particle beam due to scattering by the range shifter, so that the object to be irradiated is spatially precise. A particle beam irradiation apparatus and a particle beam therapy apparatus capable of supplying a charged particle beam having a small possible beam diameter and disposing a range shifter at a position away from a patient to eliminate the intimidation caused by the moving sound or the like The purpose is to obtain.
本発明に係る粒子線照射装置は、荷電粒子線のエネルギーを低下させる可変レンジシフターと、可変レンジシフターで低下した荷電粒子線のエネルギーに応じて励磁量が制御されて、可変レンジシフターでの散乱による荷電粒子線の発散を収束させる4極電磁石と、荷電粒子線のビーム軌道を変化させるスキャニング電磁石とを備えたことを特徴とする。 The particle beam irradiation apparatus according to the present invention includes a variable range shifter that reduces the energy of the charged particle beam, and an excitation amount that is controlled according to the energy of the charged particle beam that is decreased by the variable range shifter. A quadrupole electromagnet that converges the divergence of the charged particle beam caused by the beam and a scanning electromagnet that changes the beam trajectory of the charged particle beam.
本発明に係る粒子線照射装置によれば、被照射体でのビーム径を従来の方法より小さい値にすることができ、被照射体への空間的に精密な照射ができ、また、レンジシフターを被照射体から離れた場所に配置できる。 According to the particle beam irradiation apparatus according to the present invention, the beam diameter on the irradiated object can be made smaller than that of the conventional method, and the irradiated object can be irradiated with spatial precision, and the range shifter can be used. Can be placed away from the irradiated object.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1の粒子線照射装置及びこの粒子線照射装置と粒子加速器及びビーム輸送系とで構成される粒子線治療装置を図1に基づいて説明する。
図1において、粒子加速器1で発生した荷電粒子線は、ビーム輸送系2により、粒子線照射装置3に導かれ、まず、アクリル板を通過させることで荷電粒子線のエネルギーを低下させる可変レンジシフター4を通過する。この可変レンジシフター4と被照射体5との間に、可変レンジシフター4での散乱による荷電粒子線のビーム径の増加を低減させる4極電磁石6を配置している。そして、可変レンジシフター4と4極電磁石6の間には、荷電粒子線の発散角の増加を制限する固定開口径の固定ビームスリット7を配置し、4極電磁石6と被照射体5との間には、ビーム軌道を変更させるスキャニング電磁石8、ビーム線量モニター9、及びビーム位置モニター10を配置している。
また、可変レンジシフター4のアクリル板の厚さ、並びに4極電磁石6及びスキャニング電磁石8の磁場強度は、照射制御装置11で制御する。
Hereinafter, a particle beam irradiation apparatus according to
In FIG. 1, a charged particle beam generated by a
Further, the thickness of the acrylic plate of the
次に粒子線照射装置の動作について説明する。
ビーム輸送系2により粒子加速器1から可変レンジシフター4に導かれた荷電粒子線は、可変レンジシフター4でアクリル板を通過して、エネルギーを低下させられる。可変レンジシフター4は、例えば、厚さの異なる複数枚のアクリル板で構成して、これらのアクリル板の組合せを変えたり、くさび形のアクリル板で構成して荷電粒子線が通過する位置を変更したりすることで、荷電粒子線が通過するアクリル板の厚さを変更できるようになっており、これにより粒子線のエネルギーをどの程度低下させるかを調整できる。
Next, the operation of the particle beam irradiation apparatus will be described.
The charged particle beam guided from the
一方、可変レンジシフター4での散乱により、荷電粒子線のビーム径が増加する。固定ビームスリット7は、可変レンジシフター4での散乱による荷電粒子線の発散角の増加を制限するものである。発散角が大きな荷電粒子は固定ビームスリット7により除去されるので、固定ビームスリット7よりビーム進行方向下流の機器の放射化が防止される。
On the other hand, the beam diameter of the charged particle beam increases due to scattering by the
また、ビーム進行方向と直交する方向への被照射体5に対する照射は、可変レンジシフター4の厚さと4極電磁石6の励磁量を一定に保って、スキャニング電磁石8により荷電粒子線の進路を変更して行う。ビーム進行方向と直交する方向への照射が一旦完了すると、照射制御装置11により可変レンジシフター4の厚さと4極電磁石の励磁を変更後、再度、スキャニング電磁石8による照射を行う。この操作を繰り返して、ビーム進行方向とそれと直交する方向への被照射体5に対する照射を行う。
Further, the irradiation of the irradiated object 5 in the direction orthogonal to the beam traveling direction changes the course of the charged particle beam by the
ビーム線量モニター9は、被照射体5における荷電粒子線の照射位置を変更するタイミングを決めるために用い、ビーム位置モニター10は、荷電粒子線を正しい位置に移動させるためにスキャニング電磁石8とともに用いる。これらの動作については従来の技術と同様である。
The
次に、4極電磁石による荷電粒子線のビーム径の増加の低減について説明する。
前述のように可変レンジシフター4を通過するときに荷電粒子線のビーム径が増加する。被照射体5を通過するときにも同様にビーム径の増加があるが、可変レンジシフター4と被照射体5が無い場合のビーム径をσ0、可変レンジシフター4によるビーム径の増加をσRS、被照射体によるビーム径の増加をστとすると、被照射体5におけるビーム径σは次の式で与えられる。
Next, reduction of the increase in the beam diameter of the charged particle beam by the quadrupole electromagnet will be described.
As described above, when passing through the
可変レンジシフター4と被照射体5との間に荷電粒子線を収束させる機器が無い場合、被照射体5におけるビーム径は、可変レンジシフター4から被照射体5までの距離と可変レンジシフター4での散乱による発散角との積に比例して増加するので、σの増加を低減するためには、可変レンジシフター4を被照射体5に近づけることが避けられず、治療装置に適用した場合には、可変レンジシフター4の移動音により患者が威圧感を感じる等の問題となる。
When there is no device that converges the charged particle beam between the
そこで、可変レンジシフター4と被照射体5の間に配置した4極電磁石6を用いて、可変レンジシフター4での散乱による荷電粒子線の発散を収束させることによりσRSを小さくする。この例では4連の4極電磁石を用いているが、これ以外の例えば3連などの4極電磁石を用いても良い。
なお、4極電磁石6の励磁量は、粒子加速器から供給される荷電粒子線のエネルギーと可変レンジシフター4の厚さにより決まる値に照射制御装置11を用いて設定する。
Therefore, by using the
The amount of excitation of the
この方法を用いれば、被照射体5でのビーム径を従来の方法より小さい値にすることができ、被照射体5への空間的に精密な照射ができる。また、可変レンジシフター4を被照射体5から離れた場所に配置できるので、治療装置における患者への威圧感の問題が無く、可変レンジシフター4を高速駆動して荷電粒子線のエネルギーを高速で変化させることが可能となる。
If this method is used, the beam diameter at the irradiation object 5 can be made smaller than that of the conventional method, and the irradiation object 5 can be irradiated with spatially precise irradiation. In addition, since the
また、可変レンジシフター4の散乱の影響を小さく抑える事ができるので、可変レンジシフター4の最大厚を従来の方法より大きくして、レンジシフターによる荷電粒子線のエネルギー変更範囲を従来の方法より広げることができ、荷電粒子線を供給する粒子加速器の出射エネルギーの変更回数を減らすことが可能となる。
In addition, since the influence of the scattering of the
また、図2のように、ブラッグピークを広げるためリッジフィルター12を追加して、可変レンジシフター4による拡大ブラッグピーク(SOBP:Spread Out Bragg Peak)の形成を効率的に行えるようにすることがある。
本発明によれば、可変レンジシフター4と被照射体5の間に配置した4極電磁石6を用いて、可変レンジシフター4での散乱による荷電粒子線の発散を収束させることにより、図2のように、リッジフィルター12をスキャニング電磁石8のビーム進行方向上流に配置することができる。
リッジフィルター12をスキャニング電磁石8のビーム進行方向上流に配置することで、荷電粒子線がリッジフィルターの決まった領域を通過するようにできるので、リッジ構造によるブラッグピークの一様性低下を避けることができる。
In addition, as shown in FIG. 2, a ridge filter 12 may be added to widen the Bragg peak so that the expansion Bragg peak (SOBP) can be efficiently formed by the
According to the present invention, by using the
By disposing the ridge filter 12 upstream of the
また、可変レンジシフター4と被照射体5の間に配置した4極電磁石6を用いて、可変レンジシフター4での散乱による荷電粒子線の発散を収束させることにより、可変レンジシフター4による荷電粒子線のビーム径の増加を低減できるため、リッジフィルター12での散乱による荷電粒子線のビーム径の増加に対する許容値が従来の装置より大きくなり、リッジフィルター12のリッジの高さを選択する範囲が広がる。
Further, by using a
実施の形態2.
可変レンジシフター4にアクリル板が挿入されていないときは、可変レンジシフター4での発散がなくなるが、このように可変レンジシフター4での発散角の変化が大きいとビーム径の制御が複雑になる。
この実施の形態2の粒子線照射装置及び粒子線治療装置は、図3に示すように、可変レンジシフター4のビーム進行方向上流に、例えばタングステンや鉛の薄膜からなる薄いビーム散乱体13を設けて、可変レンジシフター4にアクリル板が挿入されていない場合にも、4極電磁石6に入射する荷電粒子線の発散角が大きくなるようにして、可変レンジシフター4のアクリル板の厚さの変化による発散角の変化の割合が相対的に小さくなるようにしたものである。
ビーム散乱体13を設けたことにより、4極電磁石の励磁量が可変レンジシフター4の厚さに依存して大きく変化することが無くなり、照射制御を容易にすることができる。
When the acrylic plate is not inserted into the
As shown in FIG. 3, the particle beam irradiation apparatus and the particle beam therapy apparatus according to the second embodiment are provided with a
By providing the
実施の形態3.
実施の形態1では、荷電粒子線のエネルギーを低下させるために、ビーム進行方向上流の被照射体5から離れた位置に設けた可変レンジシフター4のみを用いる場合について述べたが、図4に示すように、被照射体5の近傍に固定レンジシフター14を設けて、被照射体5に入射する荷電粒子線のエネルギーを4極電磁石6のビーム進行方向下流においても低下させるようにすることもできる。
荷電粒子線のエネルギーを、被照射体5の表面近傍で停止するような値まで可変レンジシフター4で低下させた場合、可変レンジシフター4を通過した荷電粒子線の運動量幅が非常に大きくなるため、色収差の影響で4極電磁石6のビーム収束力が弱まり、被照射体5における荷電粒子線のビーム径を小さくすることができない。
In the first embodiment, in order to reduce the energy of the charged particle beam, the case where only the
When the energy of the charged particle beam is lowered by the
そこで、4極電磁石6のビーム進行方向上流の可変レンジシフター4では荷電粒子のエネルギー低下の変動幅の調整を行うものの、その調整の幅は色収差の影響で4極電磁石6のビーム収束力が弱まる影響が出ない範囲とする一方で、4極電磁石6のビーム進行方向下流の固定レンジシフター14で、さらに荷電粒子のエネルギーを所定の値まで低下させる。なお、一回の照射単位の間では荷電粒子のエネルギー低下の変動幅の調整は可変レンジシフター4で行うので、固定レンジシフター14は照射中には厚さを変化させる必要はない。異なる照射単位において、荷電粒子のエネルギー低下の幅が大きく異なるような場合に、固定レンジシフター14の厚さの変更が必要になる。
Therefore, the
この4極電磁石6のビーム進行方向上流の可変レンジシフター4に加えて、4極電磁石6のビーム進行方向下流の被照射体5の近傍に固定レンジシフター14を配置する構成により、4極電磁石6に入射する荷電粒子線の運動量幅を制限して、色収差の問題を回避することで、被照射体5の内部から表面近傍まで小さなビーム径の荷電粒子線を照射することができる。
In addition to the
実施の形態4.
実施の形態3のように、4極電磁石6のビーム進行方向下流に固定レンジシフター14を設ける代わりに、荷電粒子線のエミッタンスを小さくするビームスリットを設けて4極電磁石6の色収差による荷電粒子線のビーム径の増加の問題を解決することもできる。
図5は、この実施の形態4の粒子線照射装置及び粒子線治療装置の構成を示す図であって、図1の構成に対して、開口径が可変の可変ビームスリット15を4極電磁石6のビーム進行方向上流に追加して、可変レンジシフター4での散乱による荷電粒子線の発散角の増加を制御するようにしたものである。可変ビームスリット15の開口径は、可変レンジシフター4の厚さに依存して、照射制御装置11により制御する。
Instead of providing the fixed range shifter 14 downstream in the beam traveling direction of the
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the particle beam irradiation apparatus and the particle beam therapy apparatus according to the fourth embodiment. In contrast to the configuration of FIG. 1, a variable beam slit 15 having a variable aperture diameter is provided with a
荷電粒子線のエネルギーを、被照射体5の表面近傍で停止するような値まで可変レンジシフター4で低下させる場合に、可変ビームスリット15により荷電粒子線のエミッタンスを小さくして、4極電磁石6の色収差による荷電粒子線のビーム径の増加を相殺させる。可変ビームスリット15を用いることにより、実施の形態3に示した固定レンジシフター14が不要になるので、治療装置における患者への威圧感をさらに小さくすることができる。
When the energy of the charged particle beam is lowered by the
なお、可変ビームスリット15により、被照射体5に到達する荷電粒子数は減少するが、荷電粒子線の一部が可変ビームスリット15により除去されるのは、要求される照射粒子数が少ない被照射体5の表面付近を照射する場合であるので、荷電粒子数の減少は問題にならない。 Although the number of charged particles reaching the irradiated object 5 is reduced by the variable beam slit 15, a part of the charged particle beam is removed by the variable beam slit 15 because the number of irradiated particles required is small. Since it is a case where the vicinity of the surface of the irradiation body 5 is irradiated, a decrease in the number of charged particles is not a problem.
1 粒子加速器
2 ビーム輸送系
3 放射線照射装置
4 可変レンジシフター
5 被照射体
6 4極電磁石
7 固定ビームスリット
8 スキャニング電磁石
9 ビーム線量モニター
10 ビーム位置モニター
11 照射制御装置
12 リッジフィルター
13 ビーム散乱体
14 固定レンジシフター
15 可変ビームスリット
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記可変レンジシフターで低下した前記荷電粒子線のエネルギーに応じて励磁量が制御
されて、前記可変レンジシフターでの散乱による前記荷電粒子線の発散を収束させる4極
電磁石と、
前記荷電粒子線のビーム軌道を変化させるスキャニング電磁石と、
前記可変レンジシフターと前記4極電磁石の間に配置され、前記荷電粒子線の発散角の増加を制限する固定開口幅の固定ビームスリットとを備えた
粒子線照射装置。 A variable range shifter that reduces the energy of the charged particle beam,
A quadrupole electromagnet in which the amount of excitation is controlled according to the energy of the charged particle beam reduced by the variable range shifter to converge the divergence of the charged particle beam due to scattering by the variable range shifter;
A scanning electromagnet for changing the beam trajectory of the charged particle beam ;
A particle beam irradiation apparatus comprising: a fixed beam slit having a fixed aperture width that is disposed between the variable range shifter and the quadrupole electromagnet and restricts an increase in a divergence angle of the charged particle beam .
前記可変レンジシフターで低下した前記荷電粒子線のエネルギーに応じて励磁量が制御
されて、前記可変レンジシフターでの散乱による前記荷電粒子線の発散を収束させる4極
電磁石と、
前記荷電粒子線のビーム軌道を変化させるスキャニング電磁石と、
前記4極電磁石と前記スキャニング電磁石との間に配置され、ブラッグピークを広げるリッジフィルターとを備えた
粒子線照射装置。 A variable range shifter that reduces the energy of the charged particle beam,
The amount of excitation is controlled according to the energy of the charged particle beam lowered by the variable range shifter.
A quadrupole that converges the divergence of the charged particle beam due to scattering by the variable range shifter
An electromagnet,
A scanning electromagnet for changing the beam trajectory of the charged particle beam;
A particle beam irradiation apparatus comprising: a ridge filter that is disposed between the quadrupole electromagnet and the scanning electromagnet and that widens a Bragg peak .
前記可変レンジシフターで低下した前記荷電粒子線のエネルギーに応じて励磁量が制御
されて、前記可変レンジシフターでの散乱による前記荷電粒子線の発散を収束させる4極
電磁石と、
前記荷電粒子線のビーム軌道を変化させるスキャニング電磁石と、
前記4極電磁石のビーム進行方向上流に配置され、前記荷電粒子線の発散角を増加させるビーム散乱体とを備えた
粒子線照射装置。 A variable range shifter that reduces the energy of the charged particle beam,
The amount of excitation is controlled according to the energy of the charged particle beam lowered by the variable range shifter.
A quadrupole that converges the divergence of the charged particle beam due to scattering by the variable range shifter
An electromagnet,
A scanning electromagnet for changing the beam trajectory of the charged particle beam;
A particle beam irradiation apparatus , comprising: a beam scatterer disposed upstream of the quadrupole electromagnet in the beam traveling direction and increasing a divergence angle of the charged particle beam .
前記可変レンジシフターで低下した前記荷電粒子線のエネルギーに応じて励磁量が制御
されて、前記可変レンジシフターでの散乱による前記荷電粒子線の発散を収束させる4極
電磁石と、
前記荷電粒子線のビーム軌道を変化させるスキャニング電磁石と、
前記4極電磁石のビーム進行方向下流に配置され、前記荷電粒子線のエネルギーを低下させる固定レンジシフターとを備えた
粒子線照射装置。 A variable range shifter that reduces the energy of the charged particle beam,
The amount of excitation is controlled according to the energy of the charged particle beam lowered by the variable range shifter.
A quadrupole that converges the divergence of the charged particle beam due to scattering by the variable range shifter
An electromagnet,
A scanning electromagnet for changing the beam trajectory of the charged particle beam;
A particle beam irradiation apparatus , comprising: a fixed range shifter disposed downstream of the quadrupole electromagnet in a beam traveling direction and reducing energy of the charged particle beam.
前記可変レンジシフターで低下した前記荷電粒子線のエネルギーに応じて励磁量が制御
されて、前記可変レンジシフターでの散乱による前記荷電粒子線の発散を収束させる4極
電磁石と、
前記荷電粒子線のビーム軌道を変化させるスキャニング電磁石と、
前記可変レンジシフターと前記4極電磁石との間に配置され、前記可変レンジシフターで変化した前記荷電粒子線のエネルギーに応じて開口幅が変化して、前記荷電粒子線のビーム幅を制限する可変ビームスリットとを備えた
粒子線照射装置。 A variable range shifter that reduces the energy of the charged particle beam,
The amount of excitation is controlled according to the energy of the charged particle beam lowered by the variable range shifter.
A quadrupole that converges the divergence of the charged particle beam due to scattering by the variable range shifter
An electromagnet,
A scanning electromagnet for changing the beam trajectory of the charged particle beam;
A variable is disposed between the variable range shifter and the quadrupole electromagnet, and the aperture width changes according to the energy of the charged particle beam changed by the variable range shifter, thereby limiting the beam width of the charged particle beam. A particle beam irradiation apparatus comprising a beam slit .
送系と、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の粒子線照射装置を備えた粒子線治療装置。A particle beam therapy system comprising a delivery system and the particle beam irradiation apparatus according to any one of claims 1 to 5.
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