JP5311564B2 - 粒子線照射装置および粒子線制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、粒子線を照射対象に３次元スキャニング照射する粒子線照射装置および粒子線制御方法に関する。

放射線でがんの治療を行う場合、がんの種類や進み具合によって放射線を使い分けることが必要である。重粒子線は、Ｘ線、γ線や陽子線に比較し、この治療効果が大きい。
この炭素、ネオン等の重粒子線をがんを患う患者の患部に照射し、治療を行う場合、如何にゆらぎ小さく一定の線量を患者に照射するかが必要とされる。
そのため、患者の患部に照射する重粒子線を線量計で測定し、この線量信号を一定に保つように、フィードバック制御が行われている。

具体的には、粒子線がん治療において、シンクロトロン(加速器)内に設置されているＲＦ−ＫＯ電極により、重粒子線のビームの進行方向に対して垂直方向に印加するＲＦ−ＫＯ電圧を、オン／オフすることにより、シンクロトロン(加速器)内から取り出される重粒子線のビームをオン／オフして、患者の呼吸状態に合わせて、イオンビーム(重粒子線のビーム)を患者の患部に照射することが行われている。

特開平５−１９８３９７号公報

図５は、従来の円形のシンクロトロン(加速器)内の軌道を加速されて廻るビームｂ１０と、ビーム取り出し時(中)のビームｂ１１の水平方向位置(横軸)とそのビーム強度(縦軸)、およびデフレクタ電極１０３との位置関係を示す概念図である。なお、図５において、シンクロトロンの水平方向の中心を原点として横軸に水平方向の位置をとり、縦軸に該水平方向の位置のビーム強度をとっている。
図５に示すように、シンクロトロンによって加速された後のビームｂ１０は、そのサイズが小さく、シンクロトロン(加速器)の中心付近に分布している。

このビームをシンクロトロンの外に取り出すためには、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加し、ビームサイズを広げる必要がある。図５に示す取り出し中ビーム分布ｂ１１は、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加し、ビームサイズを広げた場合を示している。サイズが広がったビームｂ１１の一部が、デフレクタ電極１０３と呼ばれる２枚の電極の中に入ると(図５に示すビームｂ１１a)、デフレクタ電極１０３の電場によって、ビームｂ１１aはシンクロトロン外側に蹴りだされ、患者の患部に照射のため取り出されていく。
ところで、このＲＦ−ＫＯ電圧がオフのときでも、僅かながら意図しないビーム(重粒子線)が取り出されるという問題が存在する。

この意図しないビームが取り出されるという問題は、この軌道振幅が大きくなったビームのうち、少量のビームが、ＲＦ−ＫＯ電圧がオフのときでも、何らかの理由により、デフレクタ電極１０３の中に飛び込んで、取り出されることに起因している。
また、従来、漏れ線量を低減するために、ＲＦ−ＫＯ電圧のオフと同時に、四重極電磁石を用いてベータトロン振動数を高速に変化させたり、高周波加速電圧をオフにすることが行われてきたが、次にＲＦ−ＫＯ電圧をオンにして、照射を再開する時に、ベータトロン振幅が大きいビームが、短時間に取り出されてしまい、照射線量率が瞬間的に高くなってしまうという問題も存在する。

この取り出される意図しないビームは、ビームを広げるブロードビーム照射では患者に照射するビームが広げられるので、少量であり、問題にならない。
しかしながら、重粒子線が集中する狭いペンシルビームを用いるスキャニング照射では、意図しないビームの線量が大きいため、問題となる。
本発明は上記実状に鑑み、意図しないビームの取り出しを抑制できる粒子線照射装置および粒子線制御方法の提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、第１の本発明に関わる粒子線照射装置は、加速器内で加速され該加速器内の軌道を進む荷電粒子ビームに、該荷電粒子ビームを挟んで配置されるＲＦ−ＫＯ電極により、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加して前記荷電粒子ビームの幅を広げて前記荷電粒子ビームの一部をデフレクタ電極を介して前記加速器内から取り出す粒子線照射装置であって、前記ＲＦ−ＫＯ電極により、軌道振幅が大きく前記ＲＦ−ＫＯ電圧をオフした場合に前記加速器内から取り出される可能性が高い荷電粒子ビームの振動数に共振する高周波電場を前記荷電粒子ビームに印加する制御を行うビーム選択取出し制御部を備えている。

第２の本発明に関わる粒子線制御方法は、加速器内で加速され該加速器内の軌道を進む荷電粒子ビームに、該荷電粒子ビームを挟んで配置されるＲＦ−ＫＯ電極により、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加して前記荷電粒子ビームの幅を広げて、前記荷電粒子ビームの一部をデフレクタ電極を介して前記加速器内から取り出す粒子線制御方法であって、前記荷電粒子ビームを選択的に前記加速器内から取り出すためのビーム選択取出し制御部は、前記ＲＦ−ＫＯ電極により、軌道振幅が大きく前記ＲＦ−ＫＯ電圧をオフした場合に前記加速器内から取り出される可能性が高い前記荷電粒子ビームの振動数に共振する高周波電場を前記荷電粒子ビームに印加する制御を行っている。

本発明によれば、意図しないビームの取り出しを抑制できる粒子線照射装置および粒子線制御方法を実現できる。

本発明に係わる実施形態の重粒子線照射装置の全体構成を示す模式図である。 実施形態のシンクロトロン内の周回軌道を加速されて廻る取り出し前のビームと、取り出し中のビームの水平方向位置とそのビーム強度、およびデフレクタ電極との位置関係を示す図１のＡ−Ａ線断面概念図である。 実施形態の重粒子線のビームのベータトロン振幅とベータトロン振動数の相関を示す概念図である。 実施形態のＲＦ−ＫＯ電極に付与するＲＦ−ＫＯ電圧を制御するＲＦ−ＫＯ電極制御装置を示すブロック図である。 従来の円形のシンクロトロン内の軌道を加速されて廻るビームと、ビーム取り出し時のビームの水平方向位置とそのビーム強度、およびデフレクタ電極との位置関係を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
＜重粒子線照射装置１の構成＞
図１は、本発明に係わる実施形態の重粒子線照射装置(粒子線照射装置)１の全体構成を示す模式図である。
本実施形態の重粒子線照射装置１は、がんを患う患者の患部(照射対象)に炭素、ネオン等の電子を除いた粒子(原子核)の放射線である重粒子線を照射するシステムである。

図１に示す重粒子線照射装置１は、炭素等の原子から一部の電子を取り除くイオン源２と、該一部の電子が取り除かれた粒子の初段の加速を行う線形加速器３と、該粒子の残りの電子を取り除くストリッパ４と、当該粒子が患者の体の奥深くまで到着できるエネルギまで加速する環状のシンクロトロン５と、加速された当該粒子を治療室(図示せず)の患者に照射するための照射装置６とを含んで構成される。
なお、イオン源２から照射装置６に至るまでの重粒子線の輸送管は、高真空に保たれている。

重粒子線照射装置１における各装置は、統括制御部２０(図４参照)で制御され、前記したように、重粒子線を患者の患部に(患者の体の奥深くまで)到達するのに必要なエネルギまで加速して、照射装置６を用いて患者の患部に照射する。
図１に示すイオン源２には、ＰＩＧ(Penning Ionization Gauge）型イオン源、あるいはＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）を利用してプラズマイオンを発生させるＥＣＲ型イオン源等、公知のイオン源を用いることができる。例えば、炭素イオンＣ⁶⁺の重粒子を生成させる場合は、まずＣＯ₂等の希薄なガスに電子ビームを当て、炭素分子から電子をたたき出すことにより共有結合を切り、炭素原子または電子が１個剥がれたＣ¹⁺を生成させる。

これにより、電子とイオンが混在するプラズマが形成される。この炭素原子または１価イオンに、引き続き電子ビームを当てＣ²⁺からＣ³⁺、Ｃ⁴⁺へと次第に多価イオンに変化させてゆく。
このプラズマにスリット付の負電極（−２０ｋＶ程度）を近づけると、Ｃ⁴⁺イオンはプラズマから引き出され、線形加速器３で加速される。加速によりエネルギーが６ＭｅＶ／核子になった時点で、Ｃ⁴⁺をストリッパ４に通過させる。これによりＣ⁴⁺に残っている２つの電子が剥ぎとられて炭素原子核だけのＣ⁶⁺となる。
線形加速器３で６ＭｅＶ／核子まで加速されたＣ⁶⁺は、負の高電圧が印加されているインフレクタ８によりシンクロトロン５の周回軌道に入射される。

＜重粒子線照射装置１のシンクロトロン５＞
図１に示すシンクロトロン５は、加速高周波の周期を粒子回転周期に同期させることにより、炭素の原子核等の荷電粒子(重粒子)を高エネルギまで加速する環状の装置であり、「加速器」に相当するものである。

シンクロトロン５は、主要構成機器として、インフレクタ８と、シンクロトロン５内を進む重粒子線のビームを周回軌道に保つための偏向電磁石９と、周回軌道上における重粒子線のビームの広がりを収束または拡散させる作用を有する四極電磁石１０と、重粒子線のビームの加速を行う高周波加速空洞１１と、重粒子線のビームを治療室の照射装置６に向けて出射するときにＲＦ(Radio Frequancy)−ＫＯ(Knock out)電圧を印加するＲＦ−ＫＯ電極１２と、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場により広げられた重粒子線のビームをシンクロトロン５から治療室の照射装置６へ向けて出射するデフレクタ電極１３とを備えている。

ＲＦ−ＫＯ電極１２は、シンクロトロン５の重粒子線のビームの周回軌道(図２に示す取り出し前ビームｂ１、取り出し中のビームｂ２が相当)を挟んで水平方向(図１の紙面方向)に配置される電極である。
なお、図２は、シンクロトロン(加速器)５内の周回軌道を加速されて廻る照射装置６への取り出し前のビームｂ１と、照射装置６へ取り出し中のビームｂ２の水平方向位置(横軸ｘ)とそのビーム強度(縦軸ｙ)、およびデフレクタ電極１３(二点鎖線で示す)との位置関係を示す図１のＡ−Ａ線断面概念図であり、シンクロトロン５の水平方向の中心を原点として横軸に水平方向の位置をとり、縦軸に水平方向の位置のビーム強度をとっている。

＜シンクロトロン５からの重粒子線の取り出し＞
図１に示すシンクロトロン５内の周回軌道を周回している多数の重粒子は、水平方向(図１の紙面に平行方向)又は鉛直方向(図１の紙面に垂直方向)に振動しながら周回している(図２に示す符号ｂ１参照)。この振動をベータトロン振動といい、ベータトロン振動の周回軌道一周あたりの振動数をチューンと称する。チューンは、図１に示す偏向電磁石９や四極電磁石１０などにより制御することができる。

このシンクロトロン５によって加速されベータトロン振動を行っている重粒子線のビームは、そのサイズが小さく、図２の符号ｂ１に示すように、シンクロトロン(加速器)５の中心付近に分布している。
ビームｂ１は、例えば、１０^９〜１０^１０個の炭素粒子であり、この炭素粒子は、横断面が楕円状を呈してシンクロトロン(加速器)５内の軌道を回転している。各炭素粒子に着目すると、この軌道に沿って、各炭素粒子が蛇行しながら、言い換えると、軌道に対する横断面でみると振動しながら、シンクロトロン５内の軌道に沿って廻っている。

そして、重粒子が高周波加速空洞１１(図１参照)によって加速され最大エネルギに達した後、周回している多数の重粒子の一部を、重粒子線のビームにＲＦ−ＫＯ電極１２でＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加し、デフレクタ電極１３を介して、治療室の照射装置６へ向けて出射する。
すなわち、シンクロトロン５内の重粒子線のビームをシンクロトロン５の外の照射装置６に向けて取り出すためには、中心付近に分布する重粒子線のビーム(図２の符号ｂ１参照)に、周回軌道に対して垂直に水平方向にＲＦ−ＫＯ電極１２で挟んでＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加し、重粒子線のビームサイズを広げる(図２の符号ｂ２参照)。
この重粒子の出射は、シンクロトロン５内の周回軌道を進む重粒子のベータトロン振動の共鳴を利用して行う。

具体的には、図１に示すＲＦ−ＫＯ電極１２は、照射装置６への取り出し前の周回軌道を加速されて進むビームｂ１に対して、周回軌道に垂直な水平方向(図１の紙面に平行方向)に、ベータトロン振動の周波数偏重および振幅偏重されたＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加し、周回軌道を進む重粒子線のビームを、照射装置６への図２の取り出し前ビームｂ１から図２の取り出し中のビームｂ２に幅を広げることにより、重粒子線のビームの一部ｂ3(図２参照)をデフレクタ電極１３の２枚の電極の中に入れる。デフレクタ電極１３の２枚の電極の中にビームｂ3が入ると、デフレクタ電極１３内の電場によって、重粒子線のビームｂ3は外側に蹴りだされ、照射装置６に向けて取り出されていく。
なお、ＲＦ−ＫＯ電圧がオフのときには、この重粒子のビームサイズの増加がとまるために、重粒子のビームがデフレクタ電極１３から取り出されなくなるので、照射を止めることが可能となる。

図３は、重粒子線のビームのベータトロン振幅とベータトロン振動数の相関を示す概念図であり、横軸にベータトロン振幅をとり、縦軸にベータトロン振動数をとっている。
ここで、図３に示すように、中心付近にいるベータトロン振幅の小さなビームの、ベータトロン振動数をｆ₀とすると、シンクロトロン５には六極電磁石１４(図１参照)が存在するため、ベータトロン振幅が大きくなったビームは、これとは少し異なった周波数ｆ₀＋△ｆで、ベータトロン振動をする。ＲＦ−ＫＯ電圧の周波数成分とこのベータトロン振動の周波数成分が一致したとき、共振がおこりベータトロン振幅は増大する。

つまり、ＲＦ−ＫＯ電極１２で印加するＲＦ−ＫＯ電圧の周波数成分とこの重粒子線のビームのベータトロン振動の周波数成分が一致したとき、図２の符号ｂ１に示す状態から、共振が起こり、図２の符号ｂ２に示すように、軌道振幅は増大する。
この現象を利用して、ＲＦ−ＫＯ電極１２により周波数ｆ_０＋△ｆの成分をもった高周波電圧を印加することにより、或いは、ＲＦ−ＫＯ電極１２で印加するベータトロン振動数ｆ₀近くのＲＦ−ＫＯ電圧に周波数ｆ₀＋△ｆの成分の高周波電圧を混ぜておくことにより、軌道振幅が大きいビームの振動を、選択的にさらに増大させて、予め取り出して除去することが可能となる。

すなわち、ＲＦ−ＫＯ電極１２で印加するＲＦ−ＫＯ電圧の周波数成分(≒ｆ_０)の中に、軌道振幅が大きく、ＲＦ−ＫＯ電極１２がオフ中に取り出されやすいビームのベータトロン振動数に共振する成分(ｆ_０＋△ｆ)を混ぜておく。或いは、ＲＦ−ＫＯ電極１２で周波数ｆ_０＋△ｆの成分をもった高周波電圧を印加する。
これにより、ＲＦ−ＫＯ電極１２によるＲＦ−ＫＯ電圧の印加がオフ中に取り出されやすいビームを選択的にＲＦ−ＫＯ電圧がオンになっている照射中に取り出してしまい、ベータトロン振幅が大きいビームの数が相対的に少なくなるので、ＲＦ−ＫＯ電圧がオフのとき、すなわち照射装置６で照射を行わないときに、取り出されるビーム強度を減少させることが可能となる。
また、ＲＦ−ＫＯ電圧をオンにしたときに、ベータトロン振幅が大きい重粒子線のビームが、短時間に取り出されてしまい、照射線量率が瞬間的に高くなってしまうという問題の解決にも効果がある

＜ＲＦ−ＫＯ電極１２のＲＦ−ＫＯ電圧の制御＞
これを実現するＲＦ−ＫＯ電極１２(図１参照)のＲＦ−ＫＯ電圧を制御するＲＦ−ＫＯ電圧制御装置(ビーム取り出し制御部)Ｓ１を、図４を用いて説明する。なお、図４は、ＲＦ−ＫＯ電極１２に加えるＲＦ−ＫＯ電圧を制御するＲＦ−ＫＯ電極制御装置Ｓ１を示すブロック図である。
通常、ＲＦ−ＫＯ電圧を用いたシンクロトロン５からの重粒子線のビーム取り出しに際しては、図２に示す重粒子線のビームのベータトロン周波数ｆ_０に近い周波数成分を含んだ信号を、図４に示すＲＦ−ＫＯ周波数発生器１５で発生し、この信号を増幅器１７で増幅して、ＲＦ−ＫＯ電極１２にｆ_０に近い周波数成分を有する高周波電圧を加えている。

本実施形態では、ＲＦ−ＫＯ電圧がオフ時、すなわち照射しない時に取り出され易い図２に示すｆ_０＋△ｆの周波数をもった信号を、追加周波数発生器１８で発生し、足算器１６でこの追加周波数発生器１８で発生したｆ_０＋△ｆの周波数成分の信号と、通常のＲＦ−ＫＯ周波数発生器１５で発生するベータトロン周波数ｆ_０に近い周波数成分の信号とを足した後、増幅器１７で増幅して、図示しないインピーダンス整合器等を介して、ＲＦ−ＫＯ電極１２に、ｆ_０＋△ｆの周波数成分とｆ_０に近い周波数成分との高周波電圧を加える。

これにより、図４に示す既存の増幅器１７やＲＦ−ＫＯ電極１２に変更を加えることなく、ＲＦ−ＫＯ電圧がオン時に、ＲＦ−ＫＯ電圧がオフ時に取り出され易い重粒子線のビームを、共振現象を利用して、振幅を大きくすることにより、デフレクタ電極１３(図２参照)の２枚の電極の中に入れることで、ＲＦ−ＫＯ電圧がオン時に予め取り出すことが可能となる。

ここで、図４に示すＲＦ−ＫＯ周波数発生器１５および追加周波数発生器１８は、それぞれ、ＦＭ変調されたＲＦ信号を発生するファンクションジェネレータや、シンクロトロンマスタトリガ信号、要求強度信号、および取り出しゲート信号を入力としてＡＭパターンを生成するＡＭパターン生成器、該ファンクションジェネレータおよび該ＡＭパターン生成器からの出力信号が入力される電圧制御増幅器等で構成されている。

ここで、非照射時(ＲＦ−ＫＯ電圧のオフ時)にデフレクタ電極１３で取り出され易い重粒子線のビームの周波数ｆ_０＋△ｆは、ＲＦ−ＫＯ電圧をオフした際にデフレクタ電極１３で取り出される重粒子線のビームの周波数を予め取得することにより、重粒子線照射装置１を統括的に制御する統括制御部２０で追加周波数発生器１８に予め設定する。

＜＜作用効果＞＞
通常の取り出しに用いられる周波数ｆ_０近くのＲＦ−ＫＯ電圧とは別に、ベータトロン振幅が大きく、周波数ｆ_０近くのＲＦ−ＫＯ電圧がオフ時に取り出されやすい重粒子線のビームのベータトロン振動だけに共振する周波数成分ｆ_０＋△ｆをもつ高周波電場を重粒子線のビームに加える装置とした。これにより、ベータトロン振幅が大きい重粒子線のビームは、選択的に周波数ｆ_０近くのＲＦ−ＫＯ電圧がオンになっている照射中に取り出されてしまうため、周波数ｆ_０近くのＲＦ−ＫＯ電圧がオフのときに取り出されてしまうビーム量、つまり漏れ線量を減少させることが可能となる。
また、この装置ではベータトロン振幅が大きい粒子を、予め減少させているので、周波数ｆ_０近くのＲＦ−ＫＯ電圧をオンにしたときに、ベータトロン振幅が大きい重粒子線のビームが、短時間に取り出されてしまい、照射線量率が瞬間的に高くなってしまうという問題の解決にも効果がある。
この構成により、呼吸同期などで照射を止めている間に発生する漏れ線量を低減することが可能となると共に、照射再開時に、予定以上の照射線量率で照射されてしまう問題を解決することができる。
そのため、より安全な重粒子線の照射が可能となる。

１ 重粒子線照射装置(粒子線照射装置)
５ シンクロトロン(加速器)
６ 照射装置
１２ ＲＦ−ＫＯ電極
１３ デフレクタ電極
ｆ_０＋△ｆ ベータトロン振動数(振動数)
Ｓ１ ＲＦ−ＫＯ電圧制御装置(ビーム取り出し制御部)

Claims (4)

1. 加速器内で加速され該加速器内の軌道を進む荷電粒子ビームに、該荷電粒子ビームを挟んで配置されるＲＦ−ＫＯ電極により、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加して前記荷電粒子ビームの幅を広げて前記荷電粒子ビームの一部をデフレクタ電極を介して前記加速器内から取り出す粒子線照射装置であって、
   前記ＲＦ−ＫＯ電極により、軌道振幅が大きく前記ＲＦ−ＫＯ電圧をオフした場合に前記加速器内から取り出される可能性が高い荷電粒子ビームの振動数に共振する高周波電場を前記荷電粒子ビームに印加する制御を行うビーム選択取出し制御部を
   備えることを特徴とする粒子線照射装置。
2. 前記ビーム選択取出し制御部は、前記高周波電場を前記ＲＦ−ＫＯ電圧による電場とともに前記荷電粒子ビームに印加する
   ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射装置。
3. 加速器内で加速され該加速器内の軌道を進む荷電粒子ビームに、該荷電粒子ビームを挟んで配置されるＲＦ−ＫＯ電極により、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加して前記荷電粒子ビームの幅を広げて、前記荷電粒子ビームの一部をデフレクタ電極を介して前記加速器内から取り出す粒子線制御方法であって、
   前記荷電粒子ビームを選択的に前記加速器内から取り出すためのビーム選択取出し制御部は、前記ＲＦ−ＫＯ電極により、軌道振幅が大きく前記ＲＦ−ＫＯ電圧をオフした場合に前記加速器内から取り出される可能性が高い前記荷電粒子ビームの振動数に共振する高周波電場を前記荷電粒子ビームに印加する制御を行う
   ことを特徴とする粒子線制御方法。
4. 前記ビーム選択取出し制御部は、前記高周波電場を前記ＲＦ−ＫＯ電圧による電場とともに前記荷電粒子ビームに印加する
   ことを特徴とする請求項３に記載の粒子線制御方法。
   

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