JP5321826B2

JP5321826B2 - 荷電粒子線照射装置

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Publication number: JP5321826B2
Application number: JP2009166480A
Authority: JP
Inventors: 地淳史菊; 田和孝前; 井芳治金; 渕照康永
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-07-15
Also published as: JP2011019675A

Description

本発明は、荷電粒子線照射装置に関するものである。

癌患者を対象とした放射線治療において、近年、粒子線の利用が注目されている。粒子線を利用した放射線治療は、体内深部に位置する患部に最も強い線量を集中して与えることができるため、身体表面及び患部の周囲に位置する正常細胞に比較的損傷を与えることなく治療を行うことが可能となる。粒子線としては主に、高エネルギーまで加速して得られる陽子線や炭素線等の重粒子線等が用いられる。

粒子加速器等で所定のエネルギーにまで加速された荷電粒子ビームは、電磁石等を備えた荷電粒子ビーム輸送系により患者付近まで輸送される。輸送された荷電粒子ビームは、真空バウンダリ（照射窓）を透過して大気中に取り出された後、治療室内の被照射体（患者の癌患部等）に照射される。

真空バウンダリは、ビーム輸送用ダクト内の真空雰囲気と治療室内の大気雰囲気との境界をなすため、１気圧の差圧に十分耐えうるだけの耐圧強度が求められる。そのため、従来は、真空バウンダリに、チタン（Ｔｉ）等の金属薄膜が用いられていた（例えば特許文献１参照）。

しかし、荷電粒子ビームが真空バウンダリを透過する際のビーム粒子の散乱は、真空バウンダリを構成する原子の原子番号の二乗に比例するため、チタン等の原子番号の大きい金属材料を用いた場合、ビーム散乱が大きくなり、ビーム径が増加していた。ビーム径が増加すると、患部のみにビームを照射することが困難になるという問題があった。

特開２００２−３３３４９９号公報

本発明の目的は、照射するビーム粒子の散乱を低減し、かつ真空雰囲気の保持性能の高い荷電粒子線照射装置を提供することである。

本発明の一態様による荷電粒子線照射装置は、加速器から出射された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系、及び前記ビーム輸送系の端部に設けられるビーム取り出し窓を備える荷電粒子線照射装置であって、前記ビーム取り出し窓は、前記ビーム輸送系の端部に取り付けられ、荷電粒子ビームが通過する開口部を含むフランジと、芳香族系高分子材料を含み、前記フランジの開口部を封止する第１の粒子線透過膜と、前記第１の粒子線透過膜の外周部を囲むように前記フランジに取り付けられ、荷電粒子ビームが通過する開口部を含む連結ダクトと、芳香族系高分子材料を含み、前記連結ダクトの開口部を封止する第２の粒子線透過膜と、を有することを特徴とするものである。

本発明の一態様による荷電粒子線照射装置は、加速器から出射された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系、及び前記ビーム輸送系の端部に設けられるビーム取り出し窓を備える荷電粒子線照射装置であって、前記ビーム取り出し窓は、前記ビーム輸送系の端部に取り付けられ、荷電粒子ビームが通過する開口部を含む第１のフランジと、芳香族系高分子材料を含み、前記第１のフランジの開口部を封止する第１の粒子線透過膜と、前記第１の粒子線透過膜を前記第１のフランジに固定し、荷電粒子ビームが通過する開口部を含む第２のフランジと、芳香族系高分子材料を含み、前記第２のフランジの開口部を封止する第２の粒子線透過膜と、前記第２の粒子線透過膜を前記第２のフランジに固定する第３のフランジと、を有することを特徴とするものである。

本発明の一態様による荷電粒子線照射装置は、加速器から出射された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系、及び前記ビーム輸送系の端部に設けられるビーム取り出し窓を備える荷電粒子線照射装置であって、前記ビーム取り出し窓は、前記ビーム輸送系の端部に取り付けられ、荷電粒子ビームが通過する開口部を含む第１のフランジと、芳香族系高分子材料を含み、前記第１のフランジの開口部を封止する第１の粒子線透過膜と、芳香族系高分子材料を含み、前記第１のフランジの開口部を封止する第２の粒子線透過膜と、前記第１の粒子線透過膜及び前記第２の粒子線透過膜を重ねて前記第１のフランジに固定する第２のフランジと、を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、照射するビーム粒子の散乱を低減し、かつ真空雰囲気の保持性能を高くすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る荷電粒子線照射装置の概略構成図である。同第１の実施形態に係るビーム取り出し窓の斜視図である。同第１の実施形態に係るビーム取り出し窓の縦断面図である。本発明の第２の実施形態に係るビーム取り出し窓の縦断面図である。本発明の第３の実施形態に係るビーム取り出し窓の縦断面図である。本発明の第４の実施形態に係るビーム取り出し窓の縦断面図である。本発明の第５の実施形態に係るビーム取り出し窓の縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）図１に本発明の第１の実施形態に係る荷電粒子線照射装置の概略構成を示す。荷電粒子線照射装置は、加速器１２、ビーム輸送系１３、及びビーム取り出し窓１４を備える。加速器１２はシンクロトロン等の粒子加速器であり、イオン発生源１１で発生させた荷電粒子を加速して出射する。ビーム輸送系１３は、加速器１２から出射された荷電粒子ビームを輸送する。ビーム輸送系１３は、複数の電磁石（図示せず）を有し、ビームの進行方向等を制御することができる。

荷電粒子線照射装置の内部は、図示しない真空排気装置により真空排気されており、荷電粒子ビームは、真空領域のバウンダリとなるビーム取り出し窓１４を介して大気中に出射され、患者１５の腫瘍部等に照射される。

図２及び図３を用いて、ビーム取り出し窓１４の構成について説明する。図２（ａ）は、ビーム取り出し窓１４の外観斜視図であり、図２（ｂ）は断面斜視図である。また、図３はビーム取り出し窓１４の縦断面図である。

ビーム取り出し窓１４は、粒子線透過膜１０１、１０２、固定フランジ１０３、連結ダクト１０４、押さえフランジ１０５及び１０６を有し、ビーム輸送系１３の端部に配設される。固定フランジ１０３は、荷電粒子ビームが通過する開口部を有し、この開口部をビーム輸送系１３の開口部に合わせて、ビーム輸送系１３にボルト等で固定される。

粒子線透過膜１０１は、押さえフランジ１０５により固定フランジ１０３に固定される。粒子線透過膜１０１は、固定フランジ１０３の小径真空気密部１２１及びビーム輸送系１３の真空気密部１２０を用いて、ビーム輸送系１３の開口部を封止し、真空バウンダリとして機能する。これにより、ビーム取り出し窓１４に至るまでの一連のビーム輸送系１３内における真空雰囲気を保持することが可能となる。

連結ダクト１０４は、荷電粒子ビームが通過する開口部を有し、この開口部をビーム輸送系１３及び固定フランジ１０３の開口部に合わせて、粒子線透過膜１０１の外周部を囲むように、固定フランジ１０３にボルト等で固定される。粒子線透過膜１０２は、押さえフランジ１０６により連結ダクト１０４に固定される。

粒子線透過膜１０２は、固定フランジ１０３の大径真空気密部１２２及び連結ダクト１０４の真空気密部１２３を用いて、連結ダクト１０４の開口部を封止し、真空バウンダリとして機能することができる。

粒子線透過膜１０１、１０２は例えば膜厚１００μｍのポリイミド膜である。真空気密部１２０、小径真空気密部１２１、大径真空気密部１２２、及び真空気密部１２３は例えばＯリング等のガスケットである。ここでガスケットは、バイトンＯリング、メタルガスケット等を、材質によらず適用することができる。

ビーム輸送系１３によりビーム取り出し窓１４まで輸送された荷電粒子ビームは、図２及び図３に示すような粒子線透過膜１０１及び粒子線透過膜１０２からなる二重構造のビーム取り出し窓１４を透過して真空雰囲気から大気雰囲気に取り出され、被照射体（患者１５の腫瘍部等）に照射される。

ポリイミドは金属材料よりも原子番号が小さいため、ビーム散乱を抑制でき、ビーム径の増加を防止することができる。従って、被照射体に荷電粒子ビームを効率良くかつ高精度に照射することが可能となる。

また、ビーム取り出し窓１４は二重構造となっているため、粒子線透過膜１０１及び１０２のいずれか一方が破断しても、他方の粒子線透過膜が真空バウンダリの機能を果たし、ビーム取り出し窓１４に至るまでのビーム輸送系１３内における真空雰囲気を保持し続けることができる。

粒子線透過膜１０１、連結ダクト１０４、及び粒子線透過膜１０２により気密保持される空間１１０が大気圧である場合、粒子線透過膜１０１が受ける差圧の方が、粒子線透過膜１０２が受ける差圧よりも大きいため、粒子線透過膜１０２よりも粒子線透過膜１０１の方が破断する可能性が高い。粒子線透過膜１０１が破断した場合、装置外部に聞こえる破断音の音量は粒子線透過膜１０２により低減される。そのため、粒子線透過膜１０１の破断により患者に与える威圧感を緩和することができる。

一方、粒子線透過膜１０２が破断した場合、粒子線透過膜１０２は装置外部からアクセス可能であるため、容易に交換することができる。この時、粒子線透過膜１０１は真空バウンダリとして機能し続ける。

このように、本実施形態に係る荷電粒子線照射装置は、ポリイミド等の有機材料からなる薄膜を二重構造にしたビーム取り出し窓１４を備えるため、照射するビーム粒子の散乱を低減し、かつ真空雰囲気の保持性能を高めることができる。

また、窓サイズが大きくなると粒子線透過膜にかかる負荷が大きくなるが、本実施形態のように二重構造とすることで安全的有効性を高めることができる。

（第２の実施形態）図４に本発明の第２の実施形態に係る荷電粒子線照射装置のビーム取り出し窓の概略構成を示す。なお、ビーム取り出し窓以外の荷電粒子線照射装置の構成は図１に示す上記第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態に係るビーム取り出し窓２４は、粒子線透過膜２０１、２０２、固定フランジ２０３、押さえフランジ２０５及び２０６を有し、ビーム輸送系１３の端部に配設される。粒子線透過膜２０１、２０２は例えばポリイミド膜である。固定フランジ２０３は、荷電粒子ビームが通過する開口部を有し、この開口部をビーム輸送系１３の開口部に合わせて、ビーム輸送系１３にボルト等で固定される。

粒子線透過膜２０１は、押さえフランジ２０５により固定フランジ２０３に固定される。粒子線透過膜２０１は、固定フランジ２０３の真空気密部２２１及びビーム輸送系１３の真空気密部２２０を用いて、ビーム輸送系１３の開口部を封止し、真空バウンダリとして機能する。これにより、ビーム取り出し窓２４に至るまでの一連のビーム輸送系１３内における真空雰囲気を保持することが可能となる。

粒子線透過膜２０２は、押さえフランジ２０６により押さえフランジ２０５に固定される。粒子線透過膜２０２は、固定フランジ２０５の真空気密部２２２を用いて、粒子線透過膜２０１が破断した場合の真空バウンダリとして機能することができる。

本実施形態に係るビーム取り出し窓２４は、図２及び図３に示す上記第１の実施形態に係るビーム取り出し窓１４のように連結ダクト１０４を設けずに、簡易な構成で二重構造を実現することができる。

上記第１の実施形態に係る荷電粒子線照射装置と同様に、本実施形態に係る荷電粒子線照射装置は、ポリイミド等の有機材料から薄膜を二重構造にしたビーム取り出し窓２４を備えるため、照射するビーム粒子の散乱を低減し、かつ真空雰囲気の保持性能を高めることができる。

（第３の実施形態）図５に本発明の第３の実施形態に係る荷電粒子線照射装置のビーム取り出し窓の概略構成を示す。なお、ビーム取り出し窓以外の荷電粒子線照射装置の構成は図１に示す上記第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態に係るビーム取り出し窓３４は、粒子線透過膜３０１、３０２、固定フランジ３０３、及び押さえフランジ３０５を有し、ビーム輸送系１３の端部に配設される。粒子線透過膜３０１、３０２は例えばポリイミド膜である。固定フランジ３０３は、荷電粒子ビームが通過する開口部を有し、この開口部をビーム輸送系１３の開口部に合わせて、ビーム輸送系１３にボルト等で固定される。

粒子線透過膜３０１、３０２は、押さえフランジ３０５により固定フランジ３０３に固定される。粒子線透過膜３０１、３０２は、固定フランジ３０３の真空気密部３３１及びビーム輸送系１３の真空気密部３３０を用いて、ビーム輸送系１３の開口部を封止し、真空バウンダリとして機能する。これにより、ビーム取り出し窓３４に至るまでの一連のビーム輸送系１３内における真空雰囲気を保持することが可能となる。

本実施形態に係るビーム取り出し窓３４は、図４に示す上記第２の実施形態に係るビーム取り出し窓２４のように粒子線透過膜２０１と粒子線透過膜２０２との間に押さえフランジ２０５を介さず、粒子線透過膜３０１、３０２を重ねて押さえフランジ３０５により固定フランジ３０３に固定するため、さらに簡易な構成で二重構造を実現することができる。

上記第１、第２の実施形態に係る荷電粒子線照射装置と同様に、本実施形態に係る荷電粒子線照射装置は、ポリイミド等の有機材料から薄膜を二重構造にしたビーム取り出し窓３４を備えるため、照射するビーム粒子の散乱を低減し、かつ真空雰囲気の保持性能を高めることができる。

（第４の実施形態）図６に本発明の第４の実施形態に係る荷電粒子線照射装置のビーム取り出し窓の概略構成を示す。なお、ビーム取り出し窓以外の荷電粒子線照射装置の構成は図１に示す上記第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態に係るビーム取り出し窓４４は、図２及び図３に示す上記第１の実施形態に係るビーム取り出し窓１４の連結ダクト１０４に真空排気装置１４１及び真空計１４２を設けた構成となっている。

真空排気装置１４１は、粒子線透過膜１０１、連結ダクト１０４、及び粒子線透過膜１０２により気密保持される空間１１０の気体を外部へ排出し、粒子線透過膜１０１及び粒子線透過膜１０２の膜間の圧力を所望の値に調整することができる。真空計１４２は、空間１１０の真空度を計測し、計測値を信号ケーブル１４３を介して制御部１４４へ出力する。

粒子線透過膜１０１又は粒子線透過膜１０２が破断した場合、空間１１０の真空度（圧力）が変化する。制御部１４４は真空計１４２の計測結果を監視し、空間１１０に大きな圧力変化が生じた場合、粒子線透過膜１０１又は粒子線透過膜１０２が破断したと判断し、通知を行う。例えば、図示しないディスプレイに表示したり、アラーム音を発生させたりすることで通知を行う。

このように、空間１１０の真空度を計測する真空計１４２を設けることで、粒子線透過膜の破断に対して速やかに対応することができる。

真空排気装置１４１により空間１１０の圧力を大気圧の０．６〜１倍とする場合、粒子線透過膜１０１の膜厚を粒子線透過膜１０２の膜厚より厚くすることが好適である。粒子線透過膜１０１の方が粒子線透過膜１０２よりも負荷が大きいためである。

また、真空排気装置１４１により空間１１０の圧力を大気圧の０．４〜０．６倍とする場合、粒子線透過膜１０１の膜厚と粒子線透過膜１０２の膜厚を同程度にすることが好適である。粒子線透過膜１０１と粒子線透過膜１０２にかかる負荷が同程度であるためである。

また、真空排気装置１４１により空間１１０の圧力を大気圧の０．１〜０．４倍とする場合、粒子線透過膜１０２の膜厚を粒子線透過膜１０１の膜厚より厚くすることが好適である。粒子線透過膜１０２の方が粒子線透過膜１０１よりも負荷が大きいためである。

真空計１４２は、図４に示す上記第２の実施形態に係るビーム取り出し窓２４に設けるようにしてもよい。この場合、真空計１４２は、粒子線透過膜２０１、粒子線透過膜２０２、及び押さえフランジ２０５により気密保持される空間の真空度を計測する。

（第５の実施形態）図７（ａ）に本発明の第５の実施形態に係る荷電粒子線照射装置のビーム取り出し窓の概略構成を示す。なお、ビーム取り出し窓以外の荷電粒子線照射装置の構成は図１に示す上記第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態に係るビーム取り出し窓５４は、図２及び図３に示す上記第１の実施形態に係るビーム取り出し窓１４の粒子線透過膜１０１を上記第２の実施形態と同様の二重構造に置き換えた構成となっている。

ビーム取り出し窓５４は、３つの粒子線透過膜２０１、２０２、１０２を有する三重構造となっており、二重構造のビーム取り出し窓よりさらに真空雰囲気の保持性能を向上させることができる。

また、図７（ｂ）に示すように、図２及び図３に示す上記第１の実施形態に係るビーム取り出し窓１４の粒子線透過膜１０１を上記第３の実施形態と同様の二重構造に置き換えた構成としてもよい。このような構成によっても真空雰囲気の保持性能を向上させることができる。

また、ビーム取り出し窓を４重以上の多重構造にしてもよい。

上記実施形態に係るビーム取り出し窓１４〜５４に用いられる粒子線透過膜はポリイミド膜を例に説明したがその他の有機材料にしてもよい。ビーム取り出し窓は放射線環境下で使用されるため、粒子線透過膜には優れた耐放射線特性を有するポリビフェニルエーテルやポリアミド等の芳香族系高分子を含んだ材料を使用することが好適である。

上記実施形態では、粒子線透過膜１０１、２０１、３０１を固定フランジ１０３、２０３、３０３に固定していたが、固定フランジ１０３、２０３、３０３を設けずに、ビーム輸送系１３に直接固定するようにしてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１イオン発生源
１２加速器
１３ビーム輸送系
１４ビーム取り出し窓
１０１、１０２粒子線透過膜
１０３固定フランジ
１０４連結ダクト
１０５、１０６押さえフランジ

Claims

加速器から出射された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系、及び前記ビーム輸送系の端部に設けられるビーム取り出し窓を備える荷電粒子線照射装置であって、
前記ビーム取り出し窓は、
前記ビーム輸送系の端部に取り付けられ、荷電粒子ビームが通過する開口部を含むフランジと、
芳香族系高分子材料を含み、前記フランジの開口部を封止する第１の粒子線透過膜と、
前記第１の粒子線透過膜の外周部を囲むように前記フランジに取り付けられ、荷電粒子ビームが通過する開口部を含む連結ダクトと、
芳香族系高分子材料を含み、前記連結ダクトの開口部を封止する第２の粒子線透過膜と、
を有することを特徴とする荷電粒子線照射装置。
前記第１の粒子線透過膜、前記連結ダクト、及び前記第２の粒子線透過膜により形成される空間の真空度を計測する真空計と、
前記真空度の変化に基づいて、前記第１の粒子線透過膜又は前記第２の粒子線透過膜の破断を検出する制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線照射装置。
前記第１の粒子線透過膜を前記フランジに固定し、荷電粒子ビームが通過する開口部を含む第１の押さえフランジと、
芳香族系高分子材料を含み、前記第１の押さえフランジの開口部を封止する第３の粒子線透過膜と、
前記第３の粒子線透過膜を前記第１の押さえフランジに固定する第２の押さえフランジと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電粒子線照射装置。
芳香族系高分子材料を含み、前記フランジの開口部を封止する第３の粒子線透過膜と、
前記第１の粒子線透過膜及び前記第３の粒子線透過膜を重ねて前記フランジに固定する押さえフランジと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電粒子線照射装置。
加速器から出射された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系、及び前記ビーム輸送系の端部に設けられるビーム取り出し窓を備える荷電粒子線照射装置であって、
前記ビーム取り出し窓は、
前記ビーム輸送系の端部に取り付けられ、荷電粒子ビームが通過する開口部を含む第１のフランジと、
芳香族系高分子材料を含み、前記第１のフランジの開口部を封止する第１の粒子線透過膜と、
前記第１の粒子線透過膜を前記第１のフランジに固定し、荷電粒子ビームが通過する開口部を含む第２のフランジと、
芳香族系高分子材料を含み、前記第２のフランジの開口部を封止する第２の粒子線透過膜と、
前記第２の粒子線透過膜を前記第２のフランジに固定する第３のフランジと、
を有することを特徴とする荷電粒子線照射装置。
加速器から出射された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系、及び前記ビーム輸送系の端部に設けられるビーム取り出し窓を備える荷電粒子線照射装置であって、
前記ビーム取り出し窓は、
前記ビーム輸送系の端部に取り付けられ、荷電粒子ビームが通過する開口部を含む第１のフランジと、
芳香族系高分子材料を含み、前記第１のフランジの開口部を封止する第１の粒子線透過膜と、
芳香族系高分子材料を含み、前記第１のフランジの開口部を封止する第２の粒子線透過膜と、
前記第１の粒子線透過膜及び前記第２の粒子線透過膜を重ねて前記第１のフランジに固定する第２のフランジと、
を有することを特徴とする荷電粒子線照射装置。
前記第１の粒子線透過膜及び前記第２の粒子線透過膜は、ポリイミド、ポリビフェニルエーテル、及びポリアミドの少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の荷電粒子線照射装置。