JP5111233B2 - Particle beam therapy system - Google Patents

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本発明は、高精度な治療照射が可能な粒子線治療システムに係り、特に、スポットスキャニング照射法を用いるのに好適な粒子線治療システムに関する。   The present invention relates to a particle beam therapy system capable of high-precision treatment irradiation, and more particularly to a particle beam therapy system suitable for using a spot scanning irradiation method.

近年の高齢化社会を反映し、がん治療法の一つとして、低侵襲で体に負担が少なく、治療後の生活の質が高く維持できる放射線治療が注目されている。その中でも、加速器で加速した陽子や炭素などの荷電粒子ビームを用いた粒子線治療システムが、患部への優れた線量集中性のため特に有望視されている。粒子線治療システムは、イオン源で発生したビームを光速近くまで加速するシンクロトロンやサイクロトロンなどの加速器と、加速器の出射ビームを輸送するビーム輸送系と、患部の位置や形状に合わせてビームを患者に照射する照射装置から構成される。   Reflecting the recent aging society, as one of the cancer treatment methods, radiotherapy that is minimally invasive, has less burden on the body, and can maintain a high quality of life after treatment is attracting attention. Among them, a particle beam therapy system using a charged particle beam such as proton or carbon accelerated by an accelerator is particularly promising because of excellent dose concentration on the affected area. The particle beam therapy system consists of an accelerator such as a synchrotron and cyclotron that accelerates the beam generated by the ion source to near the speed of light, a beam transport system that transports the emitted beam of the accelerator, and a beam that matches the position and shape of the affected area. It is comprised from the irradiation apparatus which irradiates to.

ところで、粒子線治療システムの照射装置では、従来、患部の形状に合わせてビームを照射する際、散乱体でビーム径を拡大したのちコリメータで周辺部を削ってビームを整形していた。ところが、その方法ではビーム利用効率が悪く、不必要な中性子が発生し易いこと、また患部形状との一致度にも限界がある。そこで最近、より高精度な照射方法として、加速器からの細径ビームを電磁石で偏向し患部形状に合わせて走査するスキャニング照射法の市場ニーズが高まっている。   By the way, in the irradiation apparatus of the particle beam therapy system, conventionally, when irradiating a beam according to the shape of the affected part, the beam diameter is enlarged with a scatterer, and then the peripheral part is shaved with a collimator to shape the beam. However, in this method, the beam utilization efficiency is poor, unnecessary neutrons are easily generated, and the degree of coincidence with the shape of the affected area is limited. Thus, recently, as a more accurate irradiation method, there is an increasing market need for a scanning irradiation method in which a thin beam from an accelerator is deflected by an electromagnet and scanned according to the shape of an affected area.

スキャニング照射法では、3次元的な患部形状を深さ方向の複数の層に分割し、各層を更に2次元的に分割して複数の照射スポットを設定する。深さ方向には照射ビームのエネルギーを変更して各層を選択的に照射し、各層内では電磁石で照射ビームを2次元的に走査して各照射スポットに所定の線量を与える。照射スポット間を移動中に照射ビームを連続的にONし続ける方法をラスタースキャニングと称し、一方、移動中に照射ビームをOFFする方法をスポットスキャニングと称する。   In the scanning irradiation method, a three-dimensional affected part shape is divided into a plurality of layers in the depth direction, and each layer is further divided two-dimensionally to set a plurality of irradiation spots. In the depth direction, the energy of the irradiation beam is changed to selectively irradiate each layer, and within each layer, the irradiation beam is two-dimensionally scanned with an electromagnet to give a predetermined dose to each irradiation spot. A method of continuously turning on the irradiation beam while moving between irradiation spots is referred to as raster scanning, and a method of turning off the irradiation beam during movement is referred to as spot scanning.

従来のスポットスキャニング法では、ビーム走査を停止した状態で各照射スポットに所定の線量を照射し、照射ビームをOFFしてから走査電磁石の励磁量を変更して次の照射スポットに移動する。したがって、スポットスキャニング法で高精度な治療照射を実現するためには、照射ビームの位置精度とともに高速ON/OFF、特に高速遮断(OFF)が必須である。   In the conventional spot scanning method, each beam spot is irradiated with a predetermined dose while the beam scanning is stopped. After the irradiation beam is turned off, the excitation amount of the scanning electromagnet is changed to move to the next beam spot. Therefore, in order to realize high-precision treatment irradiation by the spot scanning method, high-speed ON / OFF, particularly high-speed cutoff (OFF) is indispensable together with the irradiation beam position accuracy.

照射ビームの位置精度の観点から、シンクロトロンからのビーム出射法として、高周波で周回ビームのサイズを増大させて、安定限界を超えた振幅の大きい粒子から出射するものが知られている。この方法では、シンクロトロンの出射関連機器の運転パラメータを出射中に一定に設定できるため、出射ビームの軌道安定度が高く、スポットスキャニング法に要求される照射ビームの高い位置精度を達成できる。   From the viewpoint of the positional accuracy of the irradiation beam, a beam emitting method from the synchrotron is known in which the size of the circulating beam is increased at a high frequency and emitted from a particle having a large amplitude exceeding the stability limit. In this method, the operating parameters of the synchrotron emission-related equipment can be set constant during the emission, so that the orbit stability of the emission beam is high and the high positional accuracy of the irradiation beam required for the spot scanning method can be achieved.

しかし、各スポットの照射終了時に出射用高周波をOFFしても、出射ビームが遮断されるまでには時間がかかるため、この遅延時間中の照射(遅延照射)が生じる。スポットスキャニング法では線量精度の観点で、この遅延照射量を極力低減することが必須である。そこで、ビーム輸送系に設置した遮断電磁石をON/OFFして、シンクロトロンの出射ビームが照射スポット間で照射装置に到達しないように制御している。例えば、特許文献1では、ビーム輸送系の直線部に配置した遮断電磁石で出射ビームを偏向し、その直線部の下流に配置したビームダンプで遅延照射の原因となる不要ビーム成分を廃棄している。   However, even if the emission high frequency is turned off at the end of irradiation of each spot, it takes time until the emission beam is interrupted, so irradiation during this delay time (delayed irradiation) occurs. In the spot scanning method, it is essential to reduce this delayed irradiation dose as much as possible from the viewpoint of dose accuracy. Therefore, the breaking electromagnet installed in the beam transport system is turned ON / OFF so that the emitted beam of the synchrotron does not reach the irradiation device between the irradiation spots. For example, in Patent Document 1, an outgoing beam is deflected by a breaking electromagnet disposed in a linear portion of a beam transport system, and unnecessary beam components that cause delayed irradiation are discarded by a beam dump disposed downstream of the linear portion. .

一方、加速器がサイクロトロンの場合にも遅延照射の問題がある。サイクロトロンではイオン源の印加電圧を制御して出射ビームをON/OFFするが、各スポットの照射終了時にイオン源の印加電圧をOFFしても出射ビームが遮断されるまでには時間がかかる。そのため、シンクロトロンと同様に、例えば特許文献1に開示されている対策を実施している。   On the other hand, there is a problem of delayed irradiation when the accelerator is a cyclotron. The cyclotron controls the ion source applied voltage to turn on / off the emitted beam, but it takes time until the emitted beam is cut off even if the ion source applied voltage is turned off at the end of irradiation of each spot. For this reason, the measures disclosed in Patent Document 1, for example, are implemented in the same manner as the synchrotron.

特開2005−332794号公報JP 2005-332794 A

しかしながら、例えば特許文献1記載の従来技術では出射ビームの遮断時間は数100μsに達し、スポットスキャニング法で要求される数10μs以内に短縮することは困難であった。即ち、励磁電源は高電圧で且つ大電流出力が必須で高価となり、遮断電磁石は耐電圧特性と耐熱冷却特性の強化のため大型化する。一方、遮断電磁石と励磁電源の要求性能を緩和するため、遮断電磁石とビームダンプ間のビーム輸送系の直線部ドリフト距離を延長すると、システム全体の大型化とビーム輸送調整の困難化を招く問題があった。   However, for example, in the prior art described in Patent Document 1, the cut-off time of the outgoing beam reaches several hundreds of μs, and it has been difficult to reduce it to within several tens of μs required by the spot scanning method. That is, the excitation power source is high voltage and requires a large current output and is expensive, and the breaking electromagnet is increased in size to enhance withstand voltage characteristics and heat-resistant cooling characteristics. On the other hand, if the linear part drift distance of the beam transport system between the breaker magnet and the beam dump is extended to alleviate the required performance of the breaker magnet and excitation power source, there is a problem that the overall system becomes larger and the beam transport adjustment becomes difficult. there were.

本発明の目的は、出射ビームの遮断時間を短縮して線量精度を向上する粒子線治療システムを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a particle beam therapy system that improves the dose accuracy by shortening the blocking time of the outgoing beam.

上記の目的を達成するために、本発明は、荷電粒子ビームを所定のエネルギーまで加速し出射する加速装置と、荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、加速装置から出射された荷電粒子ビームを照射装置に導くビーム輸送系と、ビーム輸送系に設置され、照射装置への荷電粒子ビームの供給を遮断するビーム遮断装置とを備え、ビーム遮断装置は、ビーム輸送系を通過する前記荷電粒子ビームを偏向する第1遮断電磁石と、第1遮断電磁石と応答速度が異なる第2の遮断電磁石を備えるようにしたものである。   In order to achieve the above object, the present invention provides an acceleration device that accelerates and emits a charged particle beam to a predetermined energy, an irradiation device that emits a charged particle beam to an irradiation target, and a charged particle emitted from the acceleration device. A beam transport system that guides the beam to the irradiation device; and a beam blocking device that is installed in the beam transport system and blocks the supply of the charged particle beam to the irradiation device, and the beam blocking device passes through the beam transport system. A first breaking electromagnet for deflecting the particle beam and a second breaking electromagnet having a response speed different from that of the first breaking electromagnet are provided.

また、本発明は、荷電粒子ビームを所定のエネルギーまで加速し出射する加速装置と、荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、加速装置から出射された荷電粒子ビームを照射装置に導くビーム輸送系と、ビーム輸送系に設置され、照射装置への荷電粒子ビームの供給を遮断するビーム遮断装置とを備え、ビーム遮断装置は、荷電粒子ビームの入口側に設置される応答速度の異なる複数の遮断電磁石と、荷電粒子ビームの出口側に設置されるビームダンプを備えるようにしたものである。   The present invention also provides an acceleration device that accelerates and emits a charged particle beam to a predetermined energy, an irradiation device that emits a charged particle beam to an irradiation target, and a beam that guides the charged particle beam emitted from the acceleration device to the irradiation device. And a beam blocking device that is installed in the beam transport system and blocks the supply of the charged particle beam to the irradiation device, and the beam blocking device is a plurality of different response speeds installed on the entrance side of the charged particle beam. And a beam dump installed on the exit side of the charged particle beam.

さらに、本発明は、上記粒子線治療システムにおいて、ビーム遮断装置を構成する2つの異なる応答速度の遮断電磁石が実質的に逆極性の2極磁場成分を発生し、ビーム輸送系で導かれる荷電粒子ビームを逆方向に偏向するようにしたものである。   Furthermore, the present invention provides a charged particle guided by a beam transport system in which the breaking magnets having two different response speeds in the particle beam therapy system generate a dipole magnetic field component having substantially opposite polarity. The beam is deflected in the opposite direction.

本発明によれば、出射ビームの遮断時間を短縮でき、線量精度を向上した粒子線治療システムを実現することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the interruption | blocking time of an emitted beam can be shortened, and the particle beam therapy system which improved the dose precision can be implement | achieved.

〔第1の実施形態〕
以下、図1〜図6を用いて、本発明の第1の実施形態による粒子線治療システムの構成及び動作について説明する。最初に、図1〜図3を用いて、本実施形態による粒子線治療システムの全体構成及び粒子線ビームの照射原理について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療システムの構成を示すシステム構成図である。
[First Embodiment]
Hereinafter, the configuration and operation of the particle beam therapy system according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the overall configuration of the particle beam therapy system according to the present embodiment and the irradiation principle of the particle beam will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a system configuration diagram showing the configuration of the particle beam therapy system according to the first embodiment of the present invention.

粒子線治療システム100は、ライナックのような前段加速器11と、前段加速器11で予備加速した荷電粒子ビームを所定のエネルギーまで加速したのち出射するシンクロトロン200と、シンクロトロンから出射された荷電粒子ビームを治療室400まで導くビーム輸送系300と、治療室400で患者41の患部形状に合わせて荷電粒子ビームを照射する照射装置500と、制御装置600とから構成される。   The particle beam therapy system 100 includes a pre-accelerator 11 such as a linac, a synchrotron 200 that emits after accelerating a charged particle beam preliminarily accelerated by the pre-accelerator 11 to a predetermined energy, and a charged particle beam emitted from the synchrotron. Is composed of a beam transport system 300 that guides the patient to the treatment room 400, an irradiation device 500 that irradiates a charged particle beam in accordance with the shape of the affected part of the patient 41 in the treatment room 400, and a control device 600.

シンクロトロン200は、前段加速器11で予備加速した荷電粒子ビームを入射する入射装置24と、荷電粒子ビームを偏向し一定の軌道上を周回させる偏向電磁石21と、荷電粒子ビームが広がらないように水平/垂直方向に収束力を与える収束/発散型の四極電磁石22と、高周波加速電圧で荷電粒子ビームを所定のエネルギーまで加速する加速空胴25と、周回する荷電粒子ビームの振動振幅に対して安定限界を形成する六極電磁石23と、高周波電磁場で荷電粒子ビームの振動振幅を増大し安定限界を超えさせて外部に取り出す出射装置26と、出射装置26に出射用高周波電力を供給する電源26Aと、荷電粒子ビームを出射するために偏向する出射偏向装置27とから構成される。   The synchrotron 200 includes an incident device 24 that receives a charged particle beam preliminarily accelerated by the pre-accelerator 11, a deflecting electromagnet 21 that deflects the charged particle beam and circulates in a fixed orbit, and a horizontal so that the charged particle beam does not spread. / Convergent / divergent type quadrupole electromagnet 22 that gives a converging force in the vertical direction, acceleration cavity 25 that accelerates the charged particle beam to a predetermined energy with a high-frequency acceleration voltage, and stable against vibration amplitude of the circulating charged particle beam A hexapole electromagnet 23 that forms a limit; an output device 26 that increases the vibration amplitude of a charged particle beam in a high-frequency electromagnetic field and exceeds the stability limit; and outputs a high-frequency power for output to the output device 26. And an output deflecting device 27 that deflects to emit a charged particle beam.

ここで、図2を用いて、本実施形態による粒子線治療システムにおけるシンクロトロンからの荷電粒子ビームの出射方法について説明する。図2は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療システム100におけるシンクロトロン200からの荷電粒子ビームの出射方法の説明図である。   Here, with reference to FIG. 2, a method of emitting a charged particle beam from the synchrotron in the particle beam therapy system according to the present embodiment will be described. FIG. 2 is an explanatory diagram of a method of emitting a charged particle beam from the synchrotron 200 in the particle beam therapy system 100 according to the first embodiment of the present invention.

図2は、シンクロトロンを周回する荷電粒子ビームの状態を、出射に関係する水平方向の位相空間内に示したものである。横軸は設計軌道からのずれ(位置P)で、縦軸は設計軌道に対する傾き(角度θ)である。図2(A)は、出射開始前の水平方向の位相空間を示している。図2(B)は、出射開始後の水平方向の位相空間を示している。   FIG. 2 shows the state of the charged particle beam circulating around the synchrotron in a horizontal phase space related to emission. The horizontal axis is the deviation (position P) from the design trajectory, and the vertical axis is the inclination (angle θ) with respect to the design trajectory. FIG. 2A shows a horizontal phase space before the start of emission. FIG. 2B shows a horizontal phase space after the start of emission.

図2(A)に示すように、荷電粒子ビームを構成する各粒子は、設計軌道を中心にして水平/垂直方向に振動しながら、周回ビームBMとして周回する。ここで、図1に示した六極電磁石23を励磁することで、位相空間内に三角形状の安定領域SAが形成される。安定領域内の粒子はシンクロトロン200内を安定に周回し続ける。   As shown in FIG. 2A, each particle constituting the charged particle beam circulates as a circular beam BM while vibrating in the horizontal / vertical direction around the design trajectory. Here, by exciting the hexapole electromagnet 23 shown in FIG. 1, a triangular stable region SA is formed in the phase space. The particles in the stable region continue to circulate stably in the synchrotron 200.

このとき、図1に示した出射装置26に出射用高周波を印加すると、図2(B)に示すように、周回ビームBMの振幅が増大する。そして、安定領域SAの外に出た粒子は、出射ブランチEBに沿って急激に振動振幅が増大し、最終的に出射偏向装置27の開口部OPに飛び込んで、出射ビームBとして、シンクロトロンから取り出される。   At this time, when an output high frequency is applied to the output device 26 shown in FIG. 1, the amplitude of the circular beam BM increases as shown in FIG. 2B. Then, the particles that have moved out of the stable region SA suddenly increase in vibration amplitude along the outgoing branch EB, and finally jump into the opening OP of the outgoing deflection device 27 to be output as the outgoing beam B from the synchrotron. It is taken out.

安定領域の大きさは収束/発散型の四極電磁石22や六極電磁石23の励磁量で決まる。図2(A)は出射開始前の、図2(B)は出射開始後の位相空間を示す。安定領域の大きさを出射開始前の荷電粒子ビームのエミッタンス(位相空間で占める面積)より大きめに設定する。出射開始とともに出射用の高周波電磁場を印加して荷電粒子ビームのエミッタンスを大きくし(粒子の振動振幅を増大させ)、安定限界を超えた粒子から出射する。この状態で出射用の高周波電磁場をON/OFFすることで、出射ビームのON/OFFが制御できる。この出射方法の特徴は、出射中に電磁石励磁量が一定で安定領域や出射ブランチが不変なので、出射ビームの位置やサイズが安定でありスキャニング法に好適な照射ビームが得られることである。   The size of the stable region is determined by the amount of excitation of the convergence / divergence type quadrupole electromagnet 22 or hexapole electromagnet 23. FIG. 2A shows a phase space before the start of emission, and FIG. 2B shows a phase space after the start of emission. The size of the stable region is set larger than the emittance (area occupied by the phase space) of the charged particle beam before the start of extraction. When the emission starts, a high frequency electromagnetic field for emission is applied to increase the emittance of the charged particle beam (increase the vibration amplitude of the particle), and the particle is emitted from the particle exceeding the stability limit. In this state, by turning ON / OFF the high frequency electromagnetic field for emission, ON / OFF of the emission beam can be controlled. The feature of this extraction method is that the position and size of the emission beam are stable and an irradiation beam suitable for the scanning method can be obtained because the excitation amount of the electromagnet is constant during the emission and the stable region and the emission branch are unchanged.

再び、図1においてビーム輸送系300は、シンクロトロン200の出射ビームを磁場で偏向して所定の設計軌道に沿って治療室400に導く偏向電磁石31と、輸送中に荷電粒子ビームが広がらないように水平/垂直方向に収束力を与える収束/発散型の四極電磁石32と、治療室内の照射装置500への荷電粒子ビームの供給をON/OFFするビーム遮断装置700から構成される。   Referring again to FIG. 1, the beam transport system 300 includes a deflecting electromagnet 31 that deflects the outgoing beam of the synchrotron 200 with a magnetic field and guides it to the treatment room 400 along a predetermined design trajectory, and prevents the charged particle beam from spreading during transportation. A converging / diverging type quadrupole electromagnet 32 that applies a converging force in the horizontal / vertical direction and a beam blocking device 700 for turning on / off the supply of the charged particle beam to the irradiation device 500 in the treatment room.

ビーム遮断装置700は、2台の遮断電磁石(高速遮断電磁石)33,(低速遮断電磁石)34と、2台の遮断電磁石33,34の各々を励磁する励磁電源33A,34Aと、遮断電磁石33,34で除去したビーム成分を廃棄するビームダンプ35から構成される。励磁電源33Aが遮断電磁石33に接続され、励磁電源34Aが遮断電磁石34に接続される。制御装置600は、励磁電源33A,34Aに接続され、これらを制御する。遮断電磁石33と励磁電源33Aは遮断開始時の高速応答・短時間運転用であり、遮断電磁石34と励磁電源34Aはその後の遮断期間中の低速応答・長時間運転用である。動作シーケンスに関しては図4を用いて後述する。   The beam blocking device 700 includes two breaking electromagnets (high-speed breaking electromagnets) 33, (low-speed breaking electromagnets) 34, excitation power supplies 33A and 34A for exciting each of the two breaking electromagnets 33 and 34, and breaking electromagnets 33, It comprises a beam dump 35 for discarding the beam component removed at 34. An excitation power source 33A is connected to the breaking electromagnet 33, and an excitation power source 34A is connected to the breaking electromagnet 34. The control device 600 is connected to the excitation power supplies 33A and 34A and controls them. The breaking electromagnet 33 and the excitation power supply 33A are for high-speed response / short-time operation at the start of breaking, and the breaking electromagnet 34 and excitation power supply 34A are for low-speed response / long-time operation during the subsequent interruption period. The operation sequence will be described later with reference to FIG.

なお、遮断電磁石33,34としては、励磁した際の2極磁場で不要ビーム成分を偏向してビームダンプ35で廃棄する方法と、励磁した際の2極磁場で偏向したビーム成分のみ照射装置500に供給する方法がある。前者はビーム輸送系の調整が簡単であり、後者は機器の異常時に照射装置への荷電粒子ビームの供給が遮断されるので安全性が高い。どちらの方法も可能であるが、本実施形態では前者の場合について記述している。   The breaking electromagnets 33 and 34 include a method of deflecting an unnecessary beam component with a dipole magnetic field when excited and discarding it with a beam dump 35, and an irradiation apparatus 500 only for the beam component deflected with a dipole magnetic field when excited. There are ways to supply. The former is easy to adjust the beam transport system, and the latter is highly safe because the supply of the charged particle beam to the irradiation device is interrupted when the equipment is abnormal. Either method is possible, but in the present embodiment, the former case is described.

照射装置500は、走査電磁石の電源500Aを備えている。ここで、図3を用いて、本実施形態による粒子線治療システムに用いる照射装置500の構成について説明する。図3は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療システム100に用いる照射装置500の構成を示す正面図である。   The irradiation apparatus 500 includes a scanning electromagnet power supply 500A. Here, the configuration of the irradiation apparatus 500 used in the particle beam therapy system according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a front view showing a configuration of an irradiation apparatus 500 used in the particle beam therapy system 100 according to the first embodiment of the present invention.

照射装置500は、ビーム輸送系300で導かれた荷電粒子ビームを水平及び垂直方向に偏向し患部42の断面形状に合わせて2次元的に走査する走査電磁石51と、走査電磁石51の電源500Aと、荷電粒子ビームの位置,サイズ(形状),線量を監視する各種ビームモニタ52a,52bから構成される。   The irradiation apparatus 500 includes a scanning electromagnet 51 that deflects the charged particle beam guided by the beam transport system 300 in the horizontal and vertical directions and performs two-dimensional scanning according to the cross-sectional shape of the affected part 42, and a power source 500 </ b> A of the scanning electromagnet 51. And various beam monitors 52a and 52b for monitoring the position, size (shape) and dose of the charged particle beam.

ここで、図3(A)と(B)により、スポットスキャニング法について説明する。図3(B)は、照射ビームを上流側から見た説明図である。   Here, the spot scanning method will be described with reference to FIGS. FIG. 3B is an explanatory view of the irradiation beam as viewed from the upstream side.

図3(A)に示すように、患者41の患部42に対して、その患部形状を3次元的な深さ方向の複数の層に分割し、各層を更に2次元的に分割して複数の照射スポットを設定する。深さ方向にはシンクロトロン200の出射ビームのエネルギー変更などで照射ビームのエネルギーを変更して各層を選択的に照射する。各層内では、図3(B)に示すように、走査電磁石51a,51bで照射ビームを2次元的に走査して各照射スポットSPに所定の線量を与える。1つの照射スポットSPの線量が満了すると照射ビームを高速で遮断したのち、照射ビームをOFFした状態で次の照射スポットに移動し、同様に照射を進めていくことにより、スポットスキャニングを行える。   As shown in FIG. 3A, with respect to the affected part 42 of the patient 41, the affected part shape is divided into a plurality of layers in a three-dimensional depth direction, and each layer is further divided two-dimensionally to obtain a plurality of parts. Set the irradiation spot. In the depth direction, each layer is selectively irradiated by changing the energy of the irradiation beam by changing the energy of the emission beam of the synchrotron 200 or the like. In each layer, as shown in FIG. 3B, the irradiation beams SP are two-dimensionally scanned by the scanning electromagnets 51a and 51b to give a predetermined dose to each irradiation spot SP. When the dose of one irradiation spot SP expires, the irradiation beam is interrupted at a high speed, and then the irradiation beam is turned off to move to the next irradiation spot.

次に、図4を用いて、本実施形態の粒子線治療システム100によるスポットスキャニング法の動作について説明する。図4は、本発明の第1の実施形態の粒子線治療システム100によるスポットスキャニング法の動作を示すタイミングチャートである。   Next, the operation of the spot scanning method by the particle beam therapy system 100 of the present embodiment will be described using FIG. FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the spot scanning method by the particle beam therapy system 100 according to the first embodiment of the present invention.

図4において、横軸は時間tを示している。図4(A)の縦軸は、制御装置600から走査電磁石51の電源500Aに供給される走査指令信号に応じて、電源500Aから走査電磁石51に供給される走査電磁石電流を示している。図4(B)の縦軸は、制御装置600から出射装置26の電源26Aに供給される出射用高周波制御信号に応じて、電源26Aから出射装置26に供給される出射用高周波電力を示している。図4(C)の縦軸は、シンクロトロン200からビーム輸送系300に出射する出射ビームを示している。図4(D)の縦軸は、制御装置600から高速遮断電磁石33の電源33Aに供給されるビーム遮断制御信号に応じて、電源33Aから高速遮断電磁石33に供給される励磁電流のON/OFF状態を示している。同様に図4(E)の縦軸は、制御装置600から低速遮断電磁石34の電源34Aに供給されるビーム遮断制御信号に応じて、電源34Aから低速遮断電磁石34に供給される励磁電流のON/OFF状態を示している。図4(F)の縦軸は、照射装置500から照射される照射ビームのON/OFF状態を示している。照射ビームがONのとき、スポットS1,S2,S3,S4が形成される。   In FIG. 4, the horizontal axis indicates time t. The vertical axis in FIG. 4A indicates the scanning electromagnet current supplied from the power supply 500 </ b> A to the scanning electromagnet 51 in accordance with the scanning command signal supplied from the control device 600 to the power supply 500 </ b> A of the scanning electromagnet 51. The vertical axis in FIG. 4B indicates the high frequency power for emission supplied from the power supply 26A to the emission device 26 in accordance with the high frequency control signal for emission supplied from the control device 600 to the power supply 26A of the emission device 26. Yes. The vertical axis in FIG. 4C indicates the outgoing beam emitted from the synchrotron 200 to the beam transport system 300. In FIG. 4D, the vertical axis indicates ON / OFF of the excitation current supplied from the power supply 33A to the high-speed cutoff electromagnet 33 in accordance with the beam cutoff control signal supplied from the control device 600 to the power supply 33A of the high-speed cutoff electromagnet 33. Indicates the state. Similarly, the vertical axis of FIG. 4E represents the ON of the excitation current supplied from the power supply 34A to the low-speed cutoff electromagnet 34 in response to the beam cutoff control signal supplied from the control device 600 to the power supply 34A of the low-speed cutoff electromagnet 34. / OFF state. The vertical axis | shaft of FIG.4 (F) has shown the ON / OFF state of the irradiation beam irradiated from the irradiation apparatus 500. FIG. When the irradiation beam is ON, spots S1, S2, S3 and S4 are formed.

図4(A)に示すように、電源500Aから走査電磁石51に供給される走査電磁石電流を増加させることで、照射ビームの照射位置を走査し、電源500Aから走査電磁石51に供給される走査電磁石電流を一定とすることで、照射ビームの照射位置を一定とできる。そして、スポットスキャニング法では、図4(A)と(F)に示すように、ビーム走査を停止した状態で各照射スポットS1,S2,S3に所定の線量を照射し、照射ビームをOFFしてから走査電磁石の励磁量を変更して次の照射スポットに移動する。   As shown in FIG. 4A, by increasing the scanning electromagnet current supplied from the power source 500A to the scanning electromagnet 51, the irradiation position of the irradiation beam is scanned, and the scanning electromagnet supplied from the power source 500A to the scanning electromagnet 51. By making the current constant, the irradiation position of the irradiation beam can be made constant. In the spot scanning method, as shown in FIGS. 4A and 4F, a predetermined dose is irradiated to each of the irradiation spots S1, S2, and S3 while the beam scanning is stopped, and the irradiation beam is turned off. Then, the excitation amount of the scanning electromagnet is changed to move to the next irradiation spot.

照射装置500に荷電粒子ビームを供給するスポット照射時には、図4(B)に示すように、出射装置26に印加する高周波電磁場をONし、照射装置500への荷電粒子ビームの供給を遮断するスポット間移動時には出射装置26に印加する高周波電磁場をOFFする。照射装置500への荷電粒子ビームの供給を遮断する際には、同時に、図4(D)と(E)に示すように、ビーム輸送系300に設置した応答速度と通電時間が異なる2台の遮断電磁石を励磁して荷電粒子ビームの供給を高速に遮断する。本実施形態では、遮断電磁石33,34を励磁した場合、ビーム輸送系300内のビーム軌道を通過する荷電粒子ビームは、ビーム軌道から偏向されてビームダンプ35に衝突して廃棄される。他方、遮断電磁石33,34を励磁していない場合、荷電粒子ビームは、ビーム輸送系300のビーム軌道を通過して照射装置500内に供給される。図4(C)に示すように、荷電粒子ビームは、出射装置26の出射用高周波電力(図4(B))が停止された後も、シンクロトロン200から出射(遅延照射)される。この遅延照射される荷電粒子ビームを、ビーム遮断装置700で高速に遮断する。出射装置26の出射用高周波電力をOFFした後、高速用の遮断電磁石33による励磁量を高速に立ち上げる。その後、低速用の遮断電磁石34を用いて励磁量を増加させる。出射装置26に印加する高周波電磁場のON/OFFのタイミングや2台の遮断電磁石の励磁タイミングは制御装置600で管理,制御されている。   At the time of spot irradiation for supplying a charged particle beam to the irradiation device 500, as shown in FIG. 4B, the high-frequency electromagnetic field applied to the emission device 26 is turned on to block the supply of the charged particle beam to the irradiation device 500. During high-speed movement, the high-frequency electromagnetic field applied to the extraction device 26 is turned off. When the supply of the charged particle beam to the irradiation device 500 is cut off, as shown in FIGS. 4D and 4E, two units with different response speeds and energization times installed in the beam transport system 300 are simultaneously used. The supply of charged particle beam is cut off at high speed by exciting the breaking electromagnet. In this embodiment, when the breaking electromagnets 33 and 34 are excited, the charged particle beam passing through the beam trajectory in the beam transport system 300 is deflected from the beam trajectory and collides with the beam dump 35 and is discarded. On the other hand, when the breaking electromagnets 33 and 34 are not excited, the charged particle beam passes through the beam trajectory of the beam transport system 300 and is supplied into the irradiation apparatus 500. As shown in FIG. 4C, the charged particle beam is emitted (delayed irradiation) from the synchrotron 200 even after the emission high-frequency power (FIG. 4B) of the emission device 26 is stopped. The delayed charged particle beam is blocked at a high speed by the beam blocking device 700. After turning off the high-frequency power for extraction of the extraction device 26, the excitation amount by the high-speed breaking electromagnet 33 is raised at high speed. Thereafter, the amount of excitation is increased using the low-speed interrupting magnet 34. The control device 600 manages and controls the ON / OFF timing of the high-frequency electromagnetic field applied to the extraction device 26 and the excitation timing of the two breaking electromagnets.

ここで、前述した従来技術と対比しながら、本実施形態の特徴を説明する。図14は、従来技術による粒子線治療システム100Bの構成を示すシステム構成図である。ビーム遮断装置700Bは1台の遮断電磁石36とその励磁電源37を備えている。図15は、従来技術による粒子線治療システム100Bにおけるスポットスキャニング法の動作を示すタイミングチャートである。   Here, the features of the present embodiment will be described in comparison with the above-described prior art. FIG. 14 is a system configuration diagram showing the configuration of a conventional particle beam therapy system 100B. The beam blocking device 700B includes a single breaking electromagnet 36 and its excitation power source 37. FIG. 15 is a timing chart showing the operation of the spot scanning method in the conventional particle beam therapy system 100B.

従来技術で高速ビーム遮断を実現するには、1台の遮断電磁石36を1台の励磁電源37で励磁し、図15(E)の破線で示すように、その励磁電流を急峻な立ち上がり後に長時間にわたり一定値で維持する必要がある。特に、照射スポットが離れた位置にある遠隔スポット照射時にはビーム走査時間、即ち照射ビームOFFの時間が長くなり、励磁時間は最大数10msに及ぶ。したがって、励磁電源37は高電圧で大電流かつ高デューティ出力が必須で極めて高価となり、遮断電磁石36は耐電圧特性と耐熱冷却特性の強化のため複雑化し大型化する。そのため、従来技術では図15(E)と(F)の実線で示すように、出射ビームの遮断時間は実際には数100μsに達し、スポットスキャニング法で要求される数10μs以内に短縮することは困難であった。なお、遮断電磁石36と励磁電源37の要求性能を緩和するため、遮断電磁石36とビームダンプ35間のビーム輸送系の直線部ドリフト距離を延長して必要な励磁電流を低減する方法もある。この場合には、システム全体の大型化とビーム輸送調整の困難化を招く大きな問題があった。   In order to realize high-speed beam blocking by the conventional technique, one interrupting magnet 36 is excited by one excitation power source 37, and the excitation current is increased after a sharp rise as shown by the broken line in FIG. It must be maintained at a constant value over time. In particular, when irradiating a remote spot at a position where the irradiation spot is distant, the beam scanning time, that is, the irradiation beam OFF time becomes long, and the excitation time reaches a maximum of several tens of ms. Therefore, the excitation power source 37 is required to have a high voltage, a large current, and a high duty output, and is extremely expensive. The breaking electromagnet 36 is complicated and enlarged because of the enhancement of withstand voltage characteristics and heat-resistant cooling characteristics. Therefore, in the prior art, as shown by the solid lines in FIGS. 15E and 15F, the cut-off time of the outgoing beam actually reaches several hundreds of μs and can be shortened to several tens of μs required by the spot scanning method. It was difficult. In order to alleviate the required performance of the breaking electromagnet 36 and the excitation power source 37, there is also a method of reducing the necessary exciting current by extending the linear part drift distance of the beam transport system between the breaking electromagnet 36 and the beam dump 35. In this case, there is a big problem that leads to an increase in the size of the entire system and difficulty in adjusting the beam transport.

一方、本実施形態では、ビーム遮断装置700を構成する遮断電磁石と励磁電源をそれぞれ遮断開始時の高速応答・短時間運転用(33,33A)とその後の遮断期間中の低速応答・長時間運転用(34,34A)の2つに機能分離して構成する。本実施形態によれば、高速応答用と低速応答用の二つに機能分離して構成しているため、要求性能の達成が容易となり、それぞれの運転条件に最適化した設計が可能となるため装置の小型化・低コスト化が実現できる。即ち、この場合、それぞれ2台の製作容易な遮断電磁石と励磁電源を用いて、実効的に図15(E)の破線で示すような理想的な励磁電流を達成できる。本実施形態では、一つのビーム遮断装置700内で高速応答用と低速応答用に機能を分離して構成しているが、各機能を有するビーム遮断装置を別々に備えてもよい。この場合、高速応答用の第1遮断電磁石装置701が、第1の遮断電磁石33と第1の励磁電源33Aを有し、低速応答用の第2遮断電磁石装置702が、第2の遮断電磁石34と第2の励磁電源34Aを有する。   On the other hand, in the present embodiment, the breaking magnet and the excitation power source constituting the beam blocking device 700 are respectively used for high-speed response / short-time operation (33, 33A) at the start of interruption and low-speed response / long-time operation during the subsequent interruption period. (34, 34A) for functional separation. According to the present embodiment, since the functions are separated into two for high-speed response and low-speed response, the required performance can be easily achieved, and a design optimized for each operating condition becomes possible. The device can be reduced in size and cost. That is, in this case, an ideal excitation current as shown by a broken line in FIG. 15E can be effectively achieved by using two breaker magnets and excitation power sources that can be easily manufactured. In the present embodiment, functions are separated for high-speed response and low-speed response in one beam blocking device 700, but a beam blocking device having each function may be provided separately. In this case, the first breaking electromagnet device 701 for high-speed response has the first breaking electromagnet 33 and the first excitation power supply 33A, and the second breaking electromagnet device 702 for low-speed response is the second breaking electromagnet 34. And a second excitation power supply 34A.

図5は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療システムに用いるビーム遮断装置700の遮断電磁石の構造を示す断面図である。図5(A)は、高速遮断電磁石33の構造の例を示す。磁性体コア71はC型電磁石を構成しており、高速励磁に対応して磁性体コア71に用いる材質としては、フェライト,アモルファス,ナノ微細結晶質軟磁性合金などの極めて渦電流が流れにくい材質を選択する。ビームダクト72も同様に渦電流対策のためにセラミック製とする。励磁コイル73は電磁石のインダクタンスを抑えて印加電圧を低減するために、コイル巻数を数10ターン以下で設計する。一方、コイル巻数を抑えたため励磁電流が大きくなるが、励磁時間を遮断開始時の短時間に制限することで、平均消費電力(発熱量)を抑えて空冷のみで冷却が可能な構造に設計できる。したがって、耐電圧性能や冷却性能が緩和できる。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the breaking electromagnet of the beam blocking device 700 used in the particle beam therapy system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5A shows an example of the structure of the high-speed breaking electromagnet 33. The magnetic core 71 constitutes a C-type electromagnet, and the material used for the magnetic core 71 in response to high-speed excitation is a material that hardly flows eddy current, such as ferrite, amorphous, nano-fine crystalline soft magnetic alloy, etc. Select. Similarly, the beam duct 72 is made of ceramics for countermeasures against eddy currents. The exciting coil 73 is designed with the number of coil turns of several tens of turns or less in order to suppress the inductance of the electromagnet and reduce the applied voltage. On the other hand, the excitation current increases because the number of coil turns is reduced, but by limiting the excitation time to a short time at the start of shut-off, it is possible to design a structure that can be cooled only by air cooling while suppressing average power consumption (heat generation amount). . Therefore, the withstand voltage performance and the cooling performance can be relaxed.

図5(B)は、低速遮断電磁石34の構造の例を示す。磁性体コア71は窓枠型電磁石を構成しており、磁性体コア71に用いる材質としては、シンクロトロン200やビーム輸送系300に設置される各種電磁石と同様に、積層鋼板などの渦電流が適度に流れにくい材質を選択する。ビームダクト72も同様に渦電流低減のために薄肉ステンレス製とする。励磁コイル73は巻数を数100ターン程度に増加して、インダクタンスが極端に大きくならない範囲で励磁電流を小さく抑え、平均消費電力(発熱量)を低減して空冷のみで冷却が可能な構造に設計できる。したがって、耐電圧性能や冷却性能が緩和できる。   FIG. 5B shows an example of the structure of the low-speed breaking electromagnet 34. The magnetic core 71 constitutes a window frame type electromagnet, and the material used for the magnetic core 71 is an eddy current such as a laminated steel plate as in various electromagnets installed in the synchrotron 200 and the beam transport system 300. Select a material that does not flow properly. Similarly, the beam duct 72 is made of thin-walled stainless steel to reduce eddy currents. The exciting coil 73 is designed to have a structure in which the number of turns is increased to about several hundred turns, the exciting current is kept small within a range where the inductance does not become extremely large, the average power consumption (heat generation amount) is reduced, and cooling can be performed only by air cooling. it can. Therefore, the withstand voltage performance and the cooling performance can be relaxed.

図6は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療システムに用いるビーム遮断装置700の励磁電源の構成を示す機器構成図である。図6(A)は、高速遮断電磁石33を励磁する励磁電源33Aの機器構成の例を示す。励磁電源33Aは、商用電源から受電した交流電力を適切な電圧値に変換する入力部74,その交流電力を必要な電圧値の直流電力に変換する変圧・整流部75,その直流電力を入力しコンデンサを充放電するパルス整形部76,制御装置600からのタイミング制御信号に基づきコンデンサの充放電のタイミングを調整する制御部77,高速遮断電磁石33にパルス励磁電流を出力するとともに反射電力を吸収する出力部78から構成される。高速遮断電磁石33の励磁電流の立ち上がり時間は、パルス整形部76のコンデンサの容量と高速遮断電磁石33のインダクタンスで決まる。一方、励磁電流の立ち下り時間は、高速遮断電磁石33のインダクタンスと反射電力を吸収する出力部78の減衰抵抗器の抵抗値で決まる。高速遮断電磁石33のインダクタンスが小さいため、励磁電源33Aは充電電圧が低い安価なパルス電源で実現できる。   FIG. 6 is an equipment configuration diagram showing the configuration of the excitation power source of the beam blocker 700 used in the particle beam therapy system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6A shows an example of the device configuration of an excitation power source 33 </ b> A that excites the high-speed breaking electromagnet 33. The excitation power source 33A inputs an input unit 74 that converts AC power received from a commercial power source into an appropriate voltage value, a transformer / rectifier unit 75 that converts the AC power into DC power having a required voltage value, and the DC power. The pulse shaping unit 76 that charges and discharges the capacitor, the control unit 77 that adjusts the charging and discharging timing of the capacitor based on the timing control signal from the control device 600, and the pulse excitation current are output to the high-speed breaking electromagnet 33 and the reflected power is absorbed. An output unit 78 is included. The rise time of the excitation current of the high-speed breaking electromagnet 33 is determined by the capacitance of the capacitor of the pulse shaping unit 76 and the inductance of the high-speed breaking electromagnet 33. On the other hand, the fall time of the excitation current is determined by the resistance value of the attenuation resistor of the output unit 78 that absorbs the inductance of the high-speed breaking magnet 33 and the reflected power. Since the inductance of the high-speed breaking electromagnet 33 is small, the excitation power supply 33A can be realized by an inexpensive pulse power supply with a low charging voltage.

図6(B)は、低速遮断電磁石34を励磁する励磁電源34Aの機器構成の例を示す。励磁電源34Aは、商用電源から受電した交流電力を適切な電圧値に変換する入力部74、その交流電力を必要な電圧値の直流電力に変換する変圧・整流部75,その直流電力を入力して所定の励磁電流パターン(励磁電流の時間変化)を出力するパターン整形・出力部79,制御装置600からのタイミング制御信号に基づき所定の励磁パターンを出力するタイミングを調整する制御部77から構成される。低速遮断電磁石34の励磁コイルの巻数の最適化により、励磁電源34Aは出力電圧・電流とも製作が容易な値を選定でき、安価なパターン電源で実現できる。   FIG. 6B shows an example of the device configuration of an excitation power supply 34 </ b> A that excites the low-speed breaking electromagnet 34. The excitation power supply 34A receives an input unit 74 that converts AC power received from a commercial power source into an appropriate voltage value, a transformer / rectifier unit 75 that converts the AC power into DC power having a required voltage value, and the DC power. A pattern shaping / output unit 79 for outputting a predetermined excitation current pattern (time change of excitation current), and a control unit 77 for adjusting a timing for outputting a predetermined excitation pattern based on a timing control signal from the control device 600. The By optimizing the number of turns of the exciting coil of the low-speed breaking electromagnet 34, the exciting power supply 34A can be selected as an output voltage and a current that can be easily manufactured, and can be realized with an inexpensive pattern power supply.

本実施例によれば、ビーム遮断装置700を構成する遮断電磁石と励磁電源をそれぞれ遮断開始時の高速応答・短時間運転用とその後の遮断期間中の低速応答・長時間運転用の2つに機能分離して構成できるので、要求性能の達成が容易となり、それぞれの運転条件に最適化した設計が可能となるため装置の小型化・低コスト化が実現できる。   According to the present embodiment, the breaking magnet and the excitation power source constituting the beam blocking device 700 are respectively divided into two for high-speed response and short-time operation at the start of interruption and low-speed response and long-time operation during the subsequent interruption period. Since the functions can be separated, the required performance can be easily achieved, and the design optimized for each operating condition can be realized, so that the apparatus can be reduced in size and cost.

また、本実施例によれば、高速ビーム遮断が可能となりスポットスキャニング法による粒子線治療に好適な照射ビームが得られる。しかも、小型で安価かつ調整が容易な粒子線治療システムを供給できる。本実施例のように、低速遮断電磁石34と高速遮断電磁石33を一体型としてビーム遮断装置700内に配置することにより、制御や調整が容易となる。なお、低速遮断電磁石34と高速遮断電磁石33を個々の装置に配置する場合であっても、これらの間に他の機器を配置しない構成にすることで、同様の効果を得ることができる。   Further, according to the present embodiment, high-speed beam blocking is possible, and an irradiation beam suitable for particle beam therapy by the spot scanning method can be obtained. In addition, a particle beam therapy system that is small, inexpensive, and easy to adjust can be supplied. As in this embodiment, by arranging the low-speed breaking electromagnet 34 and the high-speed breaking electromagnet 33 as a single unit in the beam cutoff device 700, control and adjustment are facilitated. Even when the low-speed breaking electromagnet 34 and the high-speed breaking electromagnet 33 are arranged in individual devices, the same effect can be obtained by adopting a configuration in which no other device is arranged between them.

〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態による粒子線治療システムの構成について説明する。図7は、本実施形態による粒子線治療システムの全体構成を示すシステム構成図である。ここでは、第1の実施形態のシステム構成と相違する部分のみ説明する。
[Second Embodiment]
Next, the configuration of the particle beam therapy system according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a system configuration diagram showing the overall configuration of the particle beam therapy system according to the present embodiment. Here, only parts different from the system configuration of the first embodiment will be described.

本実施形態では、ビーム輸送系300を構成する偏向電磁石31の入口側に2台の遮断電磁石33と34を、出口側にビームダンプ35を配置している。この機器配置により偏向電磁石31をドリフト空間として利用できるため、第1の実施形態のようにビーム輸送系300にドリフト距離を確保するための長い直線部が必要ない。即ち、直線部ドリフト距離を延長しなくとも不要なビーム成分を十分に分離して廃棄できる。また、直線部ドリフト距離を延長しなくて済むため四極電磁石によるビーム収束が容易となり、ビーム輸送調整の困難化を回避できる。   In the present embodiment, two breaking electromagnets 33 and 34 are arranged on the entrance side of the deflection electromagnet 31 constituting the beam transport system 300, and a beam dump 35 is arranged on the exit side. Since the deflecting electromagnet 31 can be used as a drift space by this equipment arrangement, a long linear portion for ensuring a drift distance is not required in the beam transport system 300 as in the first embodiment. That is, unnecessary beam components can be sufficiently separated and discarded without extending the straight line drift distance. Further, since it is not necessary to extend the straight part drift distance, beam convergence by the quadrupole electromagnet becomes easy, and it is possible to avoid difficulty in adjusting the beam transport.

本発明の第2の実施形態の粒子線治療システムによるスポットスキャニング法の動作について説明する。図8は、本実施形態の粒子線治療システムによるスポットスキャニング法の動作を示すタイミングチャートである。ここでは、第1の実施形態の動作と相違する部分のみ説明する。本実施形態では、図8(E)に示すように、低速用の遮断電磁石34を励磁した場合、荷電粒子ビームは、ビーム輸送系300のビーム軌道を通過して照射装置500に供給される。他方、遮断電磁石33,34を励磁していない場合、ビーム輸送系300内のビーム軌道を通過する荷電粒子ビームは、ビーム軌道から偏向されてビームダンプ35に衝突して廃棄される。つまり、低速遮断電磁石を励磁した状態で照射ビームをONできる動作論理となっている。本実施例では、機器故障の際には照射ビームが自動的にOFFとなるため、安全性の高いシステムを構築できる。また、図8(D)に示すように、ビーム遮断開始時に高速遮断電磁石を低速遮断電磁石と逆極性に励磁し、実効的に低速遮断電磁石の励磁電流の立ち下り時間を短縮して高速ビーム遮断を実現している。低速遮断電磁石を励磁した状態で照射ビームがONのため、その直下流の偏向電磁石31の設置位置や偏向角度は、低速遮断電磁石の偏向角度を考慮して決定される。勿論、本実施形態において、第1の実施形態と同様な動作論理、即ち、2台の遮断電磁石を励磁して照射ビームをOFFすることも可能である。なお、本実施形態の荷電粒子ビーム出射方法,照射装置,遮断電磁石,励磁電源の構成は、第1の実施形態と同様で図2〜図6に示したとおりである。   The operation | movement of the spot scanning method by the particle beam therapy system of the 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 8 is a timing chart showing the operation of the spot scanning method by the particle beam therapy system of this embodiment. Here, only parts different from the operation of the first embodiment will be described. In the present embodiment, as illustrated in FIG. 8E, when the low-speed breaking electromagnet 34 is excited, the charged particle beam passes through the beam trajectory of the beam transport system 300 and is supplied to the irradiation device 500. On the other hand, when the breaking electromagnets 33 and 34 are not excited, the charged particle beam passing through the beam trajectory in the beam transport system 300 is deflected from the beam trajectory and collides with the beam dump 35 and is discarded. That is, the operation logic is such that the irradiation beam can be turned on while the low-speed breaking electromagnet is excited. In the present embodiment, since the irradiation beam is automatically turned off in the event of equipment failure, a highly safe system can be constructed. In addition, as shown in FIG. 8D, the high-speed breaking magnet is excited at the opposite polarity to the low-speed breaking magnet at the start of beam breaking, and the falling time of the excitation current of the low-speed breaking magnet is effectively shortened so that the high-speed beam breaking is performed. Is realized. Since the irradiation beam is turned on while the low-speed breaking electromagnet is excited, the installation position and deflection angle of the deflection electromagnet 31 immediately downstream thereof are determined in consideration of the deflection angle of the low-speed breaking electromagnet. Of course, in the present embodiment, it is also possible to turn off the irradiation beam by exciting the two breaking electromagnets in the same operation logic as in the first embodiment. The configuration of the charged particle beam extraction method, irradiation device, breaker magnet, and excitation power source of this embodiment is the same as that of the first embodiment and is as shown in FIGS.

本実施例によれば、実施例1と同様の効果を得ることができる。   According to the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

また、本実施例によれば、ビーム輸送系300の偏向電磁石をドリフト空間として利用可能なため、直線部ドリフト距離を延長しなくとも不要なビーム成分を十分に分離して廃棄できる。更に、直線部ドリフト距離を延長しなくて済むため四極電磁石によるビーム収束が容易となり、ビーム輸送調整の困難化を回避できる。   Further, according to the present embodiment, since the deflection electromagnet of the beam transport system 300 can be used as the drift space, unnecessary beam components can be sufficiently separated and discarded without extending the straight line drift distance. Furthermore, since it is not necessary to extend the straight part drift distance, the beam convergence by the quadrupole electromagnet becomes easy, and the difficulty in adjusting the beam transport can be avoided.

〔第3の実施形態〕
次に、本発明の第3の実施形態による粒子線治療システムの構成と運転方法について説明する。図9は、本実施形態による粒子線治療システムの全体構成を示すシステム構成図である。ここでは、第1の実施形態のシステム構成や運転方法と相違する部分のみを説明する。
[Third Embodiment]
Next, the configuration and operation method of the particle beam therapy system according to the third embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a system configuration diagram showing the overall configuration of the particle beam therapy system according to the present embodiment. Here, only the parts different from the system configuration and operation method of the first embodiment will be described.

本実施形態では、荷電粒子ビームを加速する加速器としてサイクロトロン800を用いている。サイクロトロン800は、荷電粒子ビームを生成するイオン源81と、荷電粒子ビームを周回毎に加速する加速空胴82と、荷電粒子ビームを偏向して螺旋状に周回させる偏向電磁石83と、最外周の所定のエネルギーに達した荷電粒子ビームを出射する出射偏向装置84で構成される。   In this embodiment, a cyclotron 800 is used as an accelerator for accelerating a charged particle beam. The cyclotron 800 includes an ion source 81 that generates a charged particle beam, an acceleration cavity 82 that accelerates the charged particle beam every revolution, a deflecting electromagnet 83 that deflects the charged particle beam and makes it spiral, and an outermost periphery. It comprises an output deflection device 84 that emits a charged particle beam that has reached a predetermined energy.

サイクロトロン800では、出射ビームのON/OFFをイオン源81に印加する高電圧のON/OFFで実現している。より具体的には、荷電粒子ビームの源となるプラズマを生成するアーク電圧、荷電粒子ビームをプラズマから引き出す加速電圧、引き出し直後に荷電粒子ビームに印加する偏向電圧のうち、何れかON/OFFすることで出射ビームをON/OFFできる。しかし、何れの場合も瞬時にON/OFFが可能であるわけではなく、高電圧電源の応答性やサイクロトロン内の周回時間に応じた遅延が発生する。   In the cyclotron 800, the output beam is turned ON / OFF by applying a high voltage ON / OFF applied to the ion source 81. More specifically, any one of an arc voltage for generating plasma that is a source of the charged particle beam, an acceleration voltage for extracting the charged particle beam from the plasma, and a deflection voltage applied to the charged particle beam immediately after extraction is turned ON / OFF. Thus, the outgoing beam can be turned ON / OFF. However, in any case, ON / OFF is not possible instantaneously, and a delay corresponding to the response of the high voltage power supply and the circulation time in the cyclotron occurs.

図10は、本実施形態の粒子線治療システムによるスポットスキャニング法の動作を示すタイミングチャートである。第1の実施形態の場合の図4との相違は、シンクロトロン200では出射装置26に印加する高周波電力をON/OFFするのに対し、サイクロトロン800ではイオン源81に印加する高電圧をON/OFFする点である。どちらも出射ビームが遮断されるまでには時間がかかるため、この遅延時間中の照射(遅延照射)が生じる。この遅延照射量を低減するためのビーム遮断装置700の構成や運転方法は、第1の実施形態の場合と同様(図3〜図6)であるため説明を省略する。   FIG. 10 is a timing chart showing the operation of the spot scanning method by the particle beam therapy system of this embodiment. The difference from FIG. 4 in the case of the first embodiment is that the high frequency power applied to the extraction device 26 is turned on / off in the synchrotron 200, whereas the high voltage applied to the ion source 81 is turned on / off in the cyclotron 800. It is a point to turn off. In either case, since it takes time until the outgoing beam is interrupted, irradiation during this delay time (delayed irradiation) occurs. The configuration and operation method of the beam blocking device 700 for reducing the delayed irradiation amount are the same as in the case of the first embodiment (FIGS. 3 to 6), and thus the description thereof is omitted.

本実施形態によれば、実施形態1と同様の効果を得ることができる。   According to the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

また、サイクロトロン800はシンクロトロン200より小型になり、一方、システム全体の大きさを一定とするとビーム輸送系の直線部ドリフト距離が長くとれるため、ビーム遮断装置の各機器の要求性能がより緩和できる。   In addition, the cyclotron 800 is smaller than the synchrotron 200. On the other hand, if the overall system size is constant, the linear part drift distance of the beam transport system can be increased, so that the required performance of each device of the beam blocking device can be more relaxed. .

〔第4の実施形態〕
次に、本発明の第4の実施形態による粒子線治療システムの構成について説明する。図11は、本実施形態による粒子線治療システムの全体構成を示すシステム構成図である。本実施形態では、第3の実施形態と同様に、荷電粒子ビームを加速する加速器としてサイクロトロン800を用いており、また、第2の実施形態と同様に、ビーム遮断装置700としてビーム輸送系300の偏向電磁石31の入口側に2台の遮断電磁石33と34、出口側にビームダンプ35を配置する構成である。
[Fourth Embodiment]
Next, the configuration of the particle beam therapy system according to the fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is a system configuration diagram showing the overall configuration of the particle beam therapy system according to the present embodiment. In the present embodiment, a cyclotron 800 is used as an accelerator for accelerating a charged particle beam, as in the third embodiment, and, as in the second embodiment, the beam blocking device 700 includes a beam transport system 300. In this configuration, two breaking electromagnets 33 and 34 are disposed on the entrance side of the deflection electromagnet 31 and a beam dump 35 is disposed on the exit side.

図12は、本実施形態の粒子線治療システムによるスポットスキャニング法の動作を示すタイミングチャートである。第2の実施形態の場合の図8との相違は、シンクロトロン200では出射装置26に印加する高周波電力をON/OFFするのに対し、サイクロトロン800ではイオン源81に印加する高電圧をON/OFFする点である。   FIG. 12 is a timing chart showing the operation of the spot scanning method by the particle beam therapy system of this embodiment. The difference from FIG. 8 in the case of the second embodiment is that the high frequency power applied to the extraction device 26 is turned on / off in the synchrotron 200, whereas the high voltage applied to the ion source 81 is turned on / off in the cyclotron 800. It is a point to turn off.

本実施形態によれば、実施形態1と同様の効果を得ることができる。   According to the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

また、本実施形態の場合が最もシステム全体の小型化を達成したうえで、スポットスキャニング法による粒子線治療に好適な照射ビームが得られる。   Further, in the case of the present embodiment, the irradiation beam suitable for the particle beam therapy by the spot scanning method can be obtained after achieving the miniaturization of the entire system.

〔第5の実施形態〕
最後に、本発明の第5の実施形態による粒子線治療システムの構成について説明する。図13は本実施形態による粒子線治療システムの全体構成を示すシステム構成図である。他実施形態と異なり本実施形態では、2台の遮断電磁石のうち1台をビーム輸送系300の偏向電磁石31の入口側に、もう一台をビーム輸送系300の直線部に配置している。図13では高速遮断電磁石33を直線部に配置しているが逆でもよい。また、本実施形態では、加速器としてサイクロトロン800を用いているが、シンクロトロン200であってもよい。
[Fifth Embodiment]
Finally, the configuration of the particle beam therapy system according to the fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 13 is a system configuration diagram showing the overall configuration of the particle beam therapy system according to the present embodiment. Unlike the other embodiments, in this embodiment, one of the two breaking electromagnets is disposed on the entrance side of the deflection electromagnet 31 of the beam transport system 300 and the other is disposed on the linear portion of the beam transport system 300. In FIG. 13, the high-speed breaking electromagnet 33 is arranged in the straight line portion, but the reverse may be possible. In this embodiment, the cyclotron 800 is used as an accelerator, but the synchrotron 200 may be used.

本実施形態の粒子線治療システムによるスポットスキャニング法の動作に関しては他実施形態と同様であり、動作を示すタイミングチャートは図4,図8,図10,図12を用いて説明したとおりである。本実施形態はビーム輸送系の設計上、2台の遮断電磁石を近接して配置することが困難な場合に適用できる。   The operation of the spot scanning method by the particle beam therapy system of this embodiment is the same as that of the other embodiments, and the timing chart showing the operation is as described with reference to FIG. 4, FIG. 8, FIG. This embodiment can be applied when it is difficult to arrange two breaking electromagnets close to each other due to the design of the beam transport system.

以上、実施形態1〜5で説明したとおり、本発明によれば高速ビーム遮断が可能となりスポットスキャニング法による粒子線治療に好適な照射ビームが得られ、しかも小型で安価かつ調整が容易な粒子線治療システムを供給できる。特に、照射スポットが離れた位置にある遠隔スポット照射時にも確実に不要な線量投与を回避できるので、複雑な患部形状に対応した高精度治療照射が容易に実現できる。   As described above in Embodiments 1 to 5, according to the present invention, a high-speed beam blocking is possible, an irradiation beam suitable for particle beam therapy by the spot scanning method is obtained, and a particle beam that is small, inexpensive, and easy to adjust A treatment system can be supplied. In particular, since unnecessary dose administration can be avoided reliably even when irradiating a remote spot at a position where the irradiation spot is remote, high-precision treatment irradiation corresponding to a complicated affected part shape can be easily realized.

なお、実施形態1〜5のビーム遮断装置700は、二つに機能分離されているが、2つに限定されるものではなく、複数の遮断電磁石及び励磁電源を有しても良い。   In addition, although the beam cutoff apparatus 700 of Embodiments 1-5 is functionally separated into two, it is not limited to two, You may have a some interruption | blocking electromagnet and excitation power supply.

本発明は、がん治療等を目的とした粒子線治療システム以外に、シンクロトロンやサイクロトロン等の加速器で加速した高エネルギーの荷電粒子ビームを、高精度に且つ所望の強度分布でターゲットに照射する必要性のある物理研究にも適用できる。   The present invention irradiates a target with high-accuracy and desired intensity distribution with a high-energy charged particle beam accelerated by an accelerator such as a synchrotron or a cyclotron in addition to a particle beam therapy system for cancer treatment or the like. Applicable to physics research with necessity.

本発明の第1の実施形態による粒子線治療システムの構成を示すシステム構成図である。1 is a system configuration diagram showing a configuration of a particle beam therapy system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態による粒子線治療システムにおけるシンクロトロンからの荷電粒子ビームの出射方法の説明図である。It is explanatory drawing of the extraction method of the charged particle beam from a synchrotron in the particle beam therapy system by the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態による粒子線治療システムに用いる照射装置の構成を示す正面図である。It is a front view which shows the structure of the irradiation apparatus used for the particle beam therapy system by the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態による粒子線治療システムにおけるスポットスキャニング法の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows operation | movement of the spot scanning method in the particle beam therapy system by the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態による粒子線治療システムに用いるビーム遮断装置の遮断電磁石の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the interruption | blocking electromagnet of the beam interruption apparatus used for the particle beam therapy system by the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態による粒子線治療システムに用いるビーム遮断装置の励磁電源の構成を示す機器構成図である。It is an apparatus block diagram which shows the structure of the excitation power supply of the beam blocker used for the particle beam therapy system by the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態による粒子線治療システムの構成を示すシステム構成図である。It is a system block diagram which shows the structure of the particle beam therapy system by the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態による粒子線治療システムにおけるスポットスキャニング法の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows operation | movement of the spot scanning method in the particle beam therapy system by the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態による粒子線治療システムの構成を示すシステム構成図である。It is a system block diagram which shows the structure of the particle beam therapy system by the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態による粒子線治療システムにおけるスポットスキャニング法の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows operation | movement of the spot scanning method in the particle beam therapy system by the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態による粒子線治療システムの構成を示すシステム構成図である。It is a system block diagram which shows the structure of the particle beam therapy system by the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態による粒子線治療システムにおけるスポットスキャニング法の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the operation | movement of the spot scanning method in the particle beam therapy system by the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態による粒子線治療システムの構成を示すシステム構成図である。It is a system block diagram which shows the structure of the particle beam therapy system by the 5th Embodiment of this invention. 従来技術による粒子線治療システムの構成を示すシステム構成図である。It is a system block diagram which shows the structure of the particle beam therapy system by a prior art. 従来技術による粒子線治療システムにおけるスポットスキャニング法の動作を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows operation | movement of the spot scanning method in the particle beam therapy system by a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

11 前段加速器
21,31,83 偏向電磁石
22,32 収束/発散型四極電磁石
23 六極電磁石
24 入射装置
25,82 加速空胴
26 出射装置
26A,33A,34A,81A,500A 電源
27,84 出射偏向装置
33 高速遮断電磁石
34 低速遮断電磁石
35 ビームダンプ
41 患者
42 患部
51 走査電磁石
52 ビームモニタ
71 磁性体コア
72 ビームダクト
73 励磁コイル
74 入力部
75 変圧・整流部
76 パルス整形部
77 制御部
78 出力部
79 パターン整形・出力部
81 イオン源
100 粒子線治療システム
200 シンクロトロン
300 ビーム輸送系
400 治療室
500 照射装置
600 制御装置
700 ビーム遮断装置
800 サイクロトロン
11 Pre-accelerator 21, 31, 83 Bending electromagnet 22, 32 Converging / diverging quadrupole electromagnet 23 Hexapole electromagnet 24 Incident device 25, 82 Acceleration cavity 26 Ejecting device 26A, 33A, 34A, 81A, 500A Power supply 27, 84 Device 33 High-speed breaking electromagnet 34 Low-speed breaking electromagnet 35 Beam dump 41 Patient 42 Affected part 51 Scanning magnet 52 Beam monitor 71 Magnetic body core 72 Beam duct 73 Excitation coil 74 Input part 75 Transformer / rectifier part 76 Pulse shaping part 77 Control part 78 Output part 79 Pattern shaping / output unit 81 Ion source 100 Particle beam therapy system 200 Synchrotron 300 Beam transport system 400 Treatment room 500 Irradiation device 600 Control device 700 Beam blocking device 800 Cyclotron

Claims (5)

荷電粒子ビームを所定のエネルギーまで加速し出射する加速装置と、
前記荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、
前記加速装置から出射された前記荷電粒子ビームを前記照射装置に導くビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系に設置され、前記照射装置への荷電粒子ビームの供給を遮断するビーム遮断装置とを備え、
前記ビーム遮断装置は、前記ビーム輸送系を通過する前記荷電粒子ビームを偏向する第1遮断電磁石と、前記第1遮断電磁石と応答速度が異なる第2の遮断電磁石を有し、
前記第2遮断電磁石の励磁電流の立ち上り、あるいは立下りの時間に、前記第2遮断電磁石よりも応答速度が速い前記第1遮断電磁石を励磁することで、前記照射装置への前記荷電粒子ビームの供給を遮断することを特徴とする粒子線治療システム。
An acceleration device for accelerating and emitting a charged particle beam to a predetermined energy;
An irradiation device for emitting the charged particle beam to an irradiation target;
A beam transport system for guiding the charged particle beam emitted from the acceleration device to the irradiation device;
A beam blocking device installed in the beam transport system and blocking the supply of the charged particle beam to the irradiation device;
The beam blocking device, possess a first shielding magnet for deflecting the charged particle beam passing through the beam transport system, a second shielding magnet to the first shielding magnet and the response speed is different,
By exciting the first breaker magnet having a response speed faster than that of the second breaker magnet at the rise or fall time of the excitation current of the second breaker magnet, the charged particle beam to the irradiation device is excited. A particle beam therapy system characterized by cutting off the supply .
前記ビーム遮断装置は、
前記ビーム輸送系を構成する偏向電磁石の入口側に設置される前記第1及び第2の遮断電磁石と、
前記偏向電磁石の出口側に設置されるビームダンプを備えることを特徴とする請求項1に記載の粒子線治療システム。
The beam blocking device is
The first and second breaking electromagnets installed on the entrance side of a deflection electromagnet constituting the beam transport system ;
The particle beam therapy system according to claim 1, further comprising a beam dump installed on an exit side of the deflection electromagnet .
前記ビーム遮断装置は、前記遮断電磁石により荷電粒子ビームを偏向し、偏向された前記荷電粒子ビームを前記ビームダンプで消滅させることを特徴とする請求項2に記載の粒子線治療システム。   The particle beam therapy system according to claim 2, wherein the beam blocking device deflects a charged particle beam by the blocking electromagnet and extinguishes the deflected charged particle beam by the beam dump. 前記第1遮断電磁石と前記第2遮断電磁石は、実質的に逆極性の2極磁場成分を生成し、前記ビーム輸送系に導かれた前記荷電粒子ビームを逆方向に偏向することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の粒子線治療システム。 The first breaking electromagnet and the second breaking electromagnet generate a dipole magnetic field component having substantially opposite polarity, and deflect the charged particle beam guided to the beam transport system in a reverse direction. The particle beam therapy system according to claim 1 or 2 . 前記ビーム遮断装置は、前記第2遮断電磁石を励磁して荷電粒子ビームを偏向し、偏向した前記荷電粒子ビームを前記照射装置へ供給し、前記第2遮断電磁石への励磁を停止し、前記第2遮断電磁石よりも応答速度が速い前記第1遮断電磁石を励磁することで前記照射装置への前記荷電粒子ビームの供給を遮断することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の粒子線治療システム。 The beam blocking device excites the second blocking magnet to deflect the charged particle beam, supplies the deflected charged particle beam to the irradiation device, stops excitation of the second blocking magnet, and 3. The particle beam according to claim 1, wherein the supply of the charged particle beam to the irradiation device is interrupted by exciting the first interrupting magnet having a response speed higher than that of the two interrupting magnets. Treatment system.
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