JP5374731B2 - レーザー駆動粒子線照射装置およびレーザー駆動粒子線照射装置の動作方法 - Google Patents
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Description
図1は本発明に係るレーザー駆動粒子線照射装置の第1実施形態を示す図である。本実施形態のレーザー駆動粒子線照射装置は、レーザー駆動陽子線を治療照射用の粒子線源とするレーザー駆動陽子線照射装置Uである。
陽子線発生装置1は、金属或いは高分子等を材料とする薄膜状のターゲット101に高強度且つ極短波長のレーザーパルス光102を照射してレーザー駆動陽子線103を射出生成する。なお、この陽子線発生装置1は、レーザーパルス光102の照射軌道上に新たなターゲット101を常時供給可能に構成される。
ビーム集束装置2は、レーザー駆動陽子線103を患者の患部9へと導く輸送路を形成し、陽子線発生装置1から発散角θを有して射出されたレーザー駆動陽子線103を集束させる。このビーム集束装置2は、四重極磁石201、QMアクチュエータ202および角度コリメータ203を有する。
エネルギー選択装置3は、ビーム集束装置2の陽子ビーム出口側に設けられ、ビーム集束装置2で集束された連続エネルギー分布を持つ陽子ビーム104aの中から特定エネルギー且つ特定エネルギー幅の陽子ビームを選択する。このエネルギー選択装置3は、エネルギー分離磁石301、エネルギー分離磁石電源302、エネルギーコリメータ303、ECアクチュエータ304、エネルギー結合磁石305およびエネルギー結合磁石電源306を有する。
照射ポート4は、エネルギー選択装置3の陽子ビーム出口側に設けられ、エネルギー選択装置3を通過した特定エネルギーの陽子ビーム104cが患者の患部9に設定された照射点902に正しく入射するよう、陽子ビーム104cの軌道を調節する。また、患部9における陽子ビーム104cの照射位置および照射線量を監視する。この照射ポート4は、走査電磁石401、走査電磁石電源402、位置モニタ403、線量計404および線量計回路405を有する。
照射制御装置6は、患者の治療照射をどのように行うかを示す照射パターンデータを記録可能に構成され、この照射パターンデータを参照してレーザー駆動陽子線照射装置Uの全体制御を行う。なお、照射パターンデータは、治療照射の事前に行われる治療計画にて作成される最適照射情報を元にして作成される。
本実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Uでは、陽子線発生装置1で生成したレーザー駆動陽子線103はエネルギー集束装置3に設けられる四重極磁石201で形成される磁場を通過することで集束される。
レーザー駆動陽子線照射装置Uのビーム集束装置2を経過して集束された陽子ビーム104aは、エネルギー選択装置3に案内される。エネルギー選択装置3では、陽子ビーム104aがエネルギー分離磁石301が形成する磁場に入射して運動量に応じて軌道が偏向され、偏向して陽子ビーム104bがスリットS1´を通過することにより特定エネルギーの陽子ビーム104cとなる。そして、陽子ビーム104cは、エネルギー結合磁石305により形成される磁場を通過し、運動量の違いによって偏向され拡散していた陽子ビーム104bが結合される。
レーザー駆動陽子線照射装置Uにあっては、照射スライス901が変更されるごとに、ビーム停止幅が一定となるよう、エネルギーコリメータ303を通過する陽子ビームのエネルギー幅が調節される。
陽子線発生装置1から射出された発散角θを持つレーザー駆動陽子線103は、ビーム集束装置2に入射する前にその広角成分が遮蔽される。これにより、レーザー駆動陽子線103の発散軌道上に配置される四重極磁石201への陽子線入射が妨げられ、四重極磁石201の構成材料の放射化が防止される。また、最終的に患者の患部9まで到達する陽子ビーム104のうち、予め治療計画で定められた照射点902から逸脱する成分が除去され、正常組織の被ばく線量が低減される。
(1) ターゲット101にレーザーパルス光102を照射してレーザー駆動陽子線103を射出する粒子線発生装置1と、この射出されたレーザー駆動陽子線103を患者の患部9へと導く輸送路を形成し、レーザー駆動陽子線103を空間的に集束させるビーム集束装置2と、このレーザー駆動陽子線103のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択装置3と、レーザー駆動陽子線103を走査して患部9の照射位置を調節する照射ポート4と、各装置1〜4の動作制御を行う照射制御装置6とを備える。このため、レーザー駆動陽子線を用いた治療照射が可能となる。つまり、加速器を不要として装置のコンパクト化および省スペース化に有利な陽子線の治療照射を実現できる。
図10はレーザー駆動陽子線照射装置の第2実施形態を示す図である。本実施形態は、第1実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Uに陽子ビームのエネルギー選択機能ならびに同装置Uのインターロックに関わる構成を追加した例である。なお、第1実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第1実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は、符号に「A」を付して説明する。
エネルギー分布集束装置5Aは、図10に示すように、陽子線発生装置1とエネルギー選択装置3との間に設けられる。このエネルギー分布集束装置5Aは、レーザー駆動粒子線103の輸送路を形成し、この輸送路でレーザー駆動陽子線103のエネルギー分布を集束させて特定のエネルギーにピークを形成する。このエネルギー分布集束装置5Aは、外側空洞501Aと内側空洞502Aとを有する位相回転空洞500Aを用いて構成される。
位相回転空洞500Aの外側空洞501Aは、ビーム集束装置2を通過した陽子ビーム104dの輸送路外殻を成す。
照射制御装置6Aのエネルギー分布集束制御部604Aは、位相回転空洞500Aを通過する陽子ビーム104dの持つエネルギーピークの位置を調節する。このエネルギーピークの位置調節は、照射パターンデータに収められる照射スライス位置に応じて定められた体内飛程003(図2)に基づき、エネルギー分布集束装置5Aの内部空洞502Aに印加する高周波電圧の位相制御を通じて行う。
ビーム強度監視装置7Aは、1ショットあたりの陽子ビーム104cの強度を常時監視する。
第1実施形態と同様、照射ポート4の線量計404は、これを通過した陽子ビーム104cの線量すなわち患者の患部9に照射された陽子ビームの線量に応じた電気信号を出力する。また、照射ポート4の線量計回路405は、線量計404から出力される電気信号を受信し、受け取った電気信号が予め設定される積算出力値に到達したとき、患者の患部9に設定された照射点902の線量満了を示す線量満了信号を照射制御装置6に送信する。
[陽子ビームのエネルギーおよびエネルギー幅の選択と強度との両立]
図15はレーザー駆動陽子線照射装置Aのエネルギー分布集束装置5Aおよびエネルギー選択装置3を通過した陽子ビームのエネルギー分布を示す図である。図15において、横軸は陽子のエネルギー、縦軸はレーザーパルス光102の1ショット当たりの陽子数である。また、符号020はエネルギー分布集束装置5Aを通過した陽子ビームのエネルギー分布であり、符号021はエネルギー選択装置3を通過した陽子ビームのエネルギー分布である。
図16はレーザー駆動陽子線照射装置Aにおいてエネルギーの選択ずれが生じた異常時に得られる陽子ビームのエネルギー分布を示す図である。図16において、縦軸および横軸ならびに符号の内容は、図15と同様である。なお、エネルギーの選択ずれは、エネルギー分布集束装置5Aの位相回転空洞500A或いはエネルギー選択装置3のエネルギーコリメータ303の構造不具合や、エネルギー分布集束制御部604Aやエネルギー選択制御部602の制御不具合などにより生じ得る。
(9) 陽子ビームの輸送路を形成し、この輸送路で陽子ビームのエネルギー分布を集束させて特定のエネルギーにピークを形成するエネルギー分布集束装置5Aを備える。このため、照射点902の体内深度に基づき設定されるエネルギーを持つ陽子ビームの強度が高められ、第1実施形態における(1)の効果が高められる。
本実施形態は、第2実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Aにて実行される陽子ビームの高周波電場制御に関わる例である。
図17は高周波電場制御の作用を示す図(シミュレーション結果)であり、(a)は位相回転空洞500Aに印加される電圧がパルス幅圧縮電圧(式(5)参照)を満たさない場合の陽子ビームのパルス幅を示す図、(b)は位相回転空洞500Aに印加する電圧がパルス幅圧縮電圧を満たす場合の陽子ビームのパルス幅を示す図である。図17(a)の符号022aはパルス幅圧縮を受けない状態の陽子ビームのパルス幅であり、図17(b)の符号022bはパルス幅圧縮を受けた状態の陽子ビームのパルス幅である。なお、縦軸および横軸ならびに他の符号の内容は、図8と同様である。
Claims (23)
- ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を射出する粒子線発生装置と、この射出されたレーザー駆動粒子線を被照射体へと導く輸送路を形成し、レーザー駆動粒子線を空間的に集束させるビーム集束装置と、このレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択装置と、レーザー駆動粒子線を走査して被照射体の照射位置を調節する照射ポートと、各装置の動作制御を行う照射制御装置とを備え、
前記ビーム集束装置は、レーザー駆動粒子線の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線を集束させることを特徴とするレーザー駆動粒子線照射装置。 - 前記ビーム集束装置は、粒子線発生装置とエネルギー選択装置との間に設けられることを特徴とする請求項1に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
- 前記ビーム集束装置は、永久磁石から成る多重極磁石を有し、この多重極磁石により前記磁場を形成することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
- 前記ビーム集束装置の多重極磁石は、レーザー駆動粒子線の輸送路に沿って複数設けられ且つ少なくとも1つの多重極磁石が移動可能に構成されることを特徴とする請求項3に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
- 前記エネルギー集束装置は、多重極磁石と粒子線発生装置のターゲットとの間に設けられて多重極磁石に入射するレーザー駆動粒子線の広角成分を遮蔽する角度コリメータを有することを特徴とする請求項2ないし請求項4の何れか1項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
- 前記エネルギー選択装置は、レーザー駆動粒子線の輸送路にレーザー駆動粒子線が運動量に応じて偏向する磁場を形成し、特定の軌道を持つレーザー駆動粒子線を選択して残りのレーザー駆動粒子線をその輸送路から除去することにより、レーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択することを特徴とする請求項1ないし請求項5の何れか1項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
- 前記エネルギー選択装置は、励磁電流の制御を受けて可変磁場を形成する電磁石と、この可変磁場により偏向を受けたレーザー駆動粒子線の輸送路を遮断するように設けられ、特定の軌道を持つレーザー駆動粒子線の選択的通過を許容するスリットを形成するエネルギーコリメータとを有することを特徴とする請求項6に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
- 前記エネルギー選択装置のエネルギーコリメータは、スリットのサイズが調節可能に構成されることを特徴とする請求項7に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
- 前記レーザー駆動粒子線の輸送路を形成し、この輸送路でレーザー駆動粒子線のエネルギー分布を集束させて特定のエネルギーにピークを形成するエネルギー分布集束装置を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項8の何れか1項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
- 前記エネルギー分布集束装置は、レーザー駆動粒子線の輸送路を形成し、高周波電圧の印加を受けて、この輸送路で陽子バンチを構成する陽子群が加速を受ける状態と減速を受ける状態とが現れる高周波電場を形成することにより、レーザー駆動粒子線のエネルギー分布を特定のエネルギーに向かって集束させる位相回転空洞を有し、
前記照射制御装置は、位相回転空洞に印加する高周波電圧の位相を調節することにより、レーザー駆動粒子線のエネルギー分布が持つエネルギーピークの位置を調節することを特徴とする請求項9に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。 - 前記エネルギー分布集束装置の位相回転空洞は、
レーザー駆動粒子線の輸送路を形成する外側空洞と、この外側空洞の内部に間隔を置いて並置され且つ高周波電圧が印加される複数の内側空洞とを有し、
内側空洞間のギャップに高周波電場を形成して、外側空洞内で陽子バンチを構成する陽子群のうち、そのギャップに突入するタイミングと内側空洞に印加される高周波電圧の位相とが同期する陽子が持つエネルギーを中心として、陽子ビームのエネルギー分布を集束させることを特徴とする請求項10に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。 - 前記エネルギー分布集束装置は、ビーム集束装置とエネルギー選択装置との間に設けられることを特徴とする請求項9ないし請求項12の何れか1項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
- 前記エネルギー分布集束装置によりエネルギー分布が集束され且つエネルギー選択装置により特定のエネルギー幅が選択されたレーザー駆動粒子線の強度について、正常または異常を判定するビーム強度監視装置を備え、
前記照射制御装置は、ビーム強度監視装置によりレーザー駆動粒子線の強度について異常が判定されたときは、被照射体に対するレーザー駆動粒子線の照射を停止することを特徴とする請求項9ないし請求項13の何れか1項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。 - 前記ビーム強度監視装置は、レーザー駆動粒子線が持つエネルギー分布のピーク強度を前記判定の対象とし、レーザーパルス光の1ショット当たりのレーザー駆動粒子線の強度についてその判定を行うことを特徴とする請求項14に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
- ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を射出する粒子線発生装置と、この射出されたレーザー駆動粒子線を被照射体へと導く輸送路を形成し、レーザー駆動粒子線を空間的に集束させるビーム集束装置と、このレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択装置と、レーザー駆動粒子線を走査して被照射体の照射位置を調節する照射ポートとを備えるレーザー駆動粒子線照射装置の動作方法であり、
前記粒子線発生装置が、前記ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を取り出す粒子線生成工程と、
前記ビーム集束装置が、前記レーザー駆動粒子線を空間的に集束させるビーム集束工程と、
前記エネルギー選択装置が、前記被照射体に設定された照射位置の深度に応じてレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択工程と、
前記照射ポートが、前記被照射体におけるレーザー駆動粒子線の照射位置を調節する照射工程とを備え、
前記ビーム集束工程では、前記ビーム集束装置が、レーザー駆動粒子線の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線を集束させることを特徴とするレーザー駆動粒子線照射装置の動作方法。 - 前記ビーム集束工程では、前記磁場の調節を通じて、各工程において用いられる前記レーザー駆動粒子線の集束度合いを調節することを特徴とする請求項16に記載のレーザー駆動粒子線照射装置の動作方法。
- 前記エネルギー選択工程では、前記レーザー駆動粒子線の軌道上にレーザー駆動粒子線が運動量に応じて偏向する磁場を形成し、偏向したレーザー駆動粒子線をその軌道の違いにより弁別することでレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択することを特徴とする請求項16または請求項17に記載のレーザー駆動粒子線照射装置の動作方法。
- 前記レーザー駆動粒子線照射装置が、前記レーザー駆動粒子線の輸送路を形成し、この輸送路でレーザー駆動粒子線のエネルギー分布を集束させて特定のエネルギーにピークを形成するエネルギー分布集束装置を備える場合に、
前記エネルギー分布集束装置が、前記レーザー駆動粒子線のエネルギー分布を集束させて特定のエネルギーにピークを形成するエネルギー分布集束工程を備えることを特徴とする請求項16ないし請求項18の何れか1項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置の動作方法。 - 前記レーザー駆動粒子線照射装置が、前記レーザー駆動粒子線の輸送路を形成し、この輸送路でレーザー駆動粒子線のエネルギー分布を集束させて特定のエネルギーにピークを形成するエネルギー分布集束装置と、前記レーザー駆動粒子線のエネルギー分布が持つエネルギーピークの位置を調節する第1の照射制御装置とを備え、前記エネルギー分布集束装置は高周波電圧の印加を受けて、この輸送路で陽子バンチを構成する陽子群が加速を受ける状態と減速を受ける状態とが現れる高周波電場を形成することにより、レーザー駆動粒子線のエネルギー分布を特定のエネルギーに向かって集束させる位相回転空洞を有する一方、前記第1の照射制御装置は前記位相回転空洞に印加する高周波電圧の位相を調節することにより、前記レーザー駆動粒子線のエネルギー分布が持つエネルギーピークの位置を調節する場合に、
前記第1の照射制御装置が、前記位相回転空洞に対して前記レーザー駆動粒子線のパルス幅を縮小させるパルス幅圧縮電圧を印加するパルス幅圧縮工程を備えることを特徴とする請求項16ないし請求項19の何れか1項にに記載のレーザー駆動粒子線照射装置の動作方法。 - 前記レーザー駆動粒子線照射装置が、前記エネルギー分布集束装置によりエネルギー分布が集束され且つエネルギー選択装置により特定のエネルギー幅が選択されたレーザー駆動粒子線の強度について、正常または異常を判定するビーム強度監視装置から判定結果を受け取り、前記判定結果がレーザー駆動粒子線の強度について異常が判定されているときは、前記被照射体に対するレーザー駆動粒子線の照射を停止する第2の照射制御装置を備える場合に、
前記第2の照射制御装置が、前記エネルギー分布集束工程でエネルギー分布を集束させ且つエネルギー選択工程で特定のエネルギーおよびエネルギー幅を選択した後に、レーザー駆動粒子線の強度について異常が判定されたときは、前記被照射体に対するレーザー駆動粒子線の照射を停止する工程を備えることを特徴とする請求項19ないし請求項21の何れか1項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置の動作方法。 - 前記レーザー駆動粒子線照射装置が、前記ビーム強度監視装置を備える場合に、
前記ビーム強度監視装置が、前記エネルギー分布集束装置によりエネルギー分布が集束され且つエネルギー選択装置により特定のエネルギー幅が選択されたレーザー駆動粒子線の強度について、正常または異常を判定する工程は、
前記ビーム強度監視装置が、前記レーザー駆動粒子線が持つエネルギー分布のピーク強度を前記判定の対象とし、レーザーパルス光の1ショット当たりのレーザー駆動粒子線の強度についてその判定することによって行われることを特徴とする請求項22に記載のレーザー駆動粒子線照射装置の動作方法。
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