JP5873481B2 - 荷電粒子線照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射装置に関する。

陽子ビームなどの荷電粒子線を患者に照射してがん治療を行う設備が知られている。この種の設備は、荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射するサイクロトロン（加速器）、患者に対して任意の方向から荷電粒子線を照射する回転自在の照射部が取り付けられた回転ガントリ（回転体）及びサイクロトロンから出射された荷電粒子線を照射部まで輸送する輸送ラインを備えている。

照射部は患者に対して回転自在な構成になっており、照射部へ荷電粒子線を輸送する輸送ラインの形態には種々の態様が知られている。例えば、特許文献１に記載の回転ガントリに取り付けられたビーム輸送ラインは、回転ガントリの回転軸線方向に進行する荷電粒子線を回転軸線と離間するように傾斜させて進行させた後、回転軸線の回転方向に荷電粒子線を旋回させて所定の距離分進行させ、この所定の距離分進行した荷電粒子線を、回転軸線側へ湾曲させて照射部(nozzle 32)まで輸送するように配置されている。また、このように配置されたビーム輸送ラインは、トラス状構造体（回転ガントリ）に支持されている。

米国特許第５０３９０５７号明細書

しかしながら、特許文献１に記載のビーム輸送ラインは、回転軸線方向の長さが短縮されて小型化が図られているが、回転軸線と交差する方向である径方向の大きさが非常に大きなものになっている。また、ビーム輸送ラインを形成する電磁石などは、径方向の外方へ張り出すように形成されたトラス状構造体によって支持されているため、回転ガントリ装置全体が、径方向に非常に大きなものになっている。そのため、回転ガントリを収容する収容スペースも広くなり、回転ガントリを設置する建屋の大型化を招来し、建設コストの低減が困難であった。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、荷電粒子線照射装置の小型化を図ることを目的とする。

本発明は、荷電粒子線を被照射体へ照射する荷電粒子線照射装置であって、荷電粒子線を輸送する輸送ラインと、所定の回転軸線回りに回転可能な回転ガントリーと、を備え、輸送ラインは、回転軸線方向に進行する荷電粒子線の進行方向を変更する第１のベント部と、第１のベント部の下流に設けられており、荷電粒子線を回転軸線と離間するように傾斜させて進行させる傾斜部と、傾斜部の下流に設けられており、回転軸線と直交する方向へ荷電粒子線の進行方向を変更する第２のベント部と、第２のベント部の下流に設けられており、回転軸線の回転方向へ荷電粒子線の進行方向を変更する第３のベント部と、第３のベント部内を通過した荷電粒子線を、回転軸線側へ湾曲させる第４のベント部と、を有し、傾斜部内を進行した荷電粒子線を回転軸線の回転方向に旋回させ、回転方向に旋回した荷電粒子線を、回転軸線側へ湾曲させるように形成され、回転ガントリーは、被照射体を収容可能であり、かつ、輸送ラインを支持する筒体で形成され、輸送ラインの前記傾斜部は、回転ガントリーの筒体内を通過して配置されており、回転ガントリーは、回転軸線が延在する方向の一端側である正面側が開放されていて被照射体が載置される治療台が配置可能となっていると共に、筒体内にて回転軸線が延在する方向のもう一端側である背面側が背面パネルで閉じられた照射室を有し、輸送ラインの傾斜部は、回転ガントリーの背面パネル及び照射室内を通過して配置されていることを特徴としている。

本発明に係る荷電粒子線照射装置は、回転軸線回りに回転可能な筒体を有する回転ガントリーを備え、荷電粒子線を輸送する輸送ラインの一部が回転ガントリーの筒体内を通過するように形成されている。輸送ラインの一部として、荷電粒子線を回転軸線と離間するように傾斜させて進行させる傾斜部が、筒体内を通過するように配置されている。このように、回転軸線から径方向へ離間する輸送ラインの傾斜部が、回転ガントリーの筒体内を通過するように配置されていると、輸送ラインが筒体内（例えばエンクロージャー、照射室）を避けて配置されている場合と比較すると、輸送ラインの径方向の張り出し量を抑えることができ、装置全体の径方向の大きさを小さくすることができる。従って、荷電粒子線照射装置を収容するためのスペースを縮小し、建屋の小型化を図ることができる。建屋を小型化することで、例えば、放射線遮蔽壁に用いられるコンクリートの使用量を削減することができるので、建屋の建設コストを低減することが可能である。
また、回転軸線から径方向へ離間する輸送ラインの傾斜部が、回転ガントリーの背面パネル及び筒体内を通過するように配置されていると、輸送ラインが背面パネル及び筒体内（例えばエンクロージャー、照射室）を避けて配置されている場合と比較すると、輸送ラインの径方向の張り出し量を抑えることができ、装置全体の径方向の大きさを小さくすることができる。従って、荷電粒子線照射装置を収容するためのスペースを縮小し、建屋の小型化を図ることができる。建屋を小型化することで、例えば、放射線遮蔽壁に用いられるコンクリートの使用量を削減することができるので、建屋の建設コストを低減することが可能である。

本発明によれば、荷電粒子線照射装置の小型化を図り、装置の収容スペースを抑え、建屋の小型化を図ることができる。従って、荷電粒子線照射装置が設置される建屋の建設コストの低減に有効である。

本発明の実施形態に係る陽子線治療装置を備えた陽子線治療システムの概略構成図である。 本発明の実施形態に係る陽子線治療装置の正面図である。 本発明の実施形態に係る陽子線治療装置の背面図である。 本発明の実施形態に係る陽子線治療装置の右側面図である。 本発明の実施形態に係る陽子線治療装置の左側面図である。 本発明の実施形態に係る陽子線治療装置を斜め後方から示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る陽子線治療装置の回転ガントリーを回転軸線に沿って水平方向に切った概略断面図である。 回転ガントリーに取り付けられたビーム輸送ライン及びビーム照射ノズルを示す斜視図である。

以下、本発明に係る荷電粒子線照射装置の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態では、陽子線治療装置（荷電粒子線照射装置）を備えた陽子線治療システムについて説明する。陽子線治療装置は、例えばがん治療に適用されるものであり、患者の体内の腫瘍（被照射体）に対して、陽子ビーム（荷電粒子線）を照射する装置である。

図１に示すように、陽子線治療システム１は、陽子ビームを生成するサイクロトロン（粒子加速器）２、サイクロトロン２から出射された陽子ビームを輸送するビーム輸送ライン３、ビーム輸送ライン３によって輸送された陽子ビームを被照射体へ照射する陽子線治療装置１０を有する。そして、陽子線治療システム１の各機器は、建屋５内に収容されている。

サイクロトロン２で加速された陽子ビームは、ビーム輸送ライン３に沿って経路が偏向され、陽子線治療装置１０に供給される。ビーム輸送ライン３には、陽子ビームの経路を偏向させるための偏向磁石や、ビーム成形を行う四重極電磁石等が設けられている。

陽子線治療装置１０は、図２〜図８に示すように、ビーム輸送ライン３によって導入され陽子ビームを輸送するビーム導入ライン３１と、ビーム導入ライン３１によって輸送された陽子ビームを被照射体へ照射するビーム照射ノズル１１と、ビーム導入ライン３１及びビーム照射ノズル１１を支持すると共に所定の回転軸線Ｐ回りに回転可能な回転ガントリー１２を備えている。

回転ガントリー１２は、図７に示すように、回転軸線Ｐ方向に順に配置された円筒本体部１３、コーン部１４及び第２円筒部１５を有する。これらの円筒本体部１３、コーン部１４及び第２円筒部１５は、同軸（回転軸線Ｐ）上に配置されて連結されている。なお、円筒本体部１３が配置されている方を回転ガントリー１２の正面側、第２円筒部１５が配置されている方を回転ガントリー１２の背面側とする。

円筒本体部１３及び第２円筒部１５は、薄肉構造の円筒体であり、剛性を保ちつつ軽量化できるよう構成されている。第２円筒部１５は、円筒本体部１３より小径とされ、コーン部１４は、円筒本体部１３及び第２円筒部１５を連結するように円錐状に形成されている。コーン部１４は、薄肉構造の筒体であり、正面側から背面側へ向かうにつれて、内径が小さくなるように形成されている。また、回転ガントリー１２の回転軸線Ｐ方向の長さ（円筒本体部１３の正面側の端部から第２円筒部１５の背面側の端部までの長さ）は、例えば、Ｌ２＝４．６ｍ程度とされている。

円筒本体部１３の回転軸線Ｐ方向の両端部には、断面形状が例えば矩形のリング部１３ａ，１３ｂが設けられている。円筒本体部１３は、図２〜図５に示すように、円筒本体部１３の下方に配置されたローラー装置２０によって、回転可能に支持されている。ローラー装置２０は、回転ガントリー１２を回転させるための駆動装置として機能する。

円筒本体部１３の正面側は開放され、円筒本体部１３内への進入が可能な構成とされている。一方、円筒本体部１３の背面側には、背面パネル（隔壁）１６が設けられている。そして、円筒本体部１３及び背面パネル１６によって、照射室２１が構成されている。照射室２１内には、患者が横たわる寝台（治療台）２２が配置可能となっている。寝台２２は、ロボットアーム２３によって移動可能とされている。治療を実施していない通常時には、寝台２２は回転ガントリー１２（照射室２１）の外に配置され、治療を実施する際に寝台２２は照射室２１内に配置される。なお、図７では、寝台２２の図示を省略している。

照射ノズル１１は、円筒本体部１３の内面側に固定され、円筒本体部１３と共に回転軸線Ｐ回りに回転する。照射ノズル１１は、円筒本体部１３の回転と共に移動し、陽子ビームの出射方向が変更される。

陽子線治療装置１０のビーム輸送ラインであるビーム導入ライン３１は、サイクロトロン２から出射された陽子ビームを輸送するビーム輸送ライン３と接続され、ビーム輸送ライン３によって輸送された陽子ビームを照射ノズル１１に導入する。

図８は、回転ガントリーに取り付けられたビーム導入ライン及びビーム照射ノズルを示す斜視図である。ビーム導入ライン３１は、回転ガントリー１２の回転軸線Ｐ方向に進行する陽子ビームの進行方向を偏向する第１ベント部３２と、第１ベント部３２の下流に設けられ、陽子ビームＢを回転軸線Ｐ方向に対して傾斜させて進行させる傾斜部３３と、傾斜部３３の下流に設けられ、回転軸線Ｐと直交する方向へ陽子ビームＢの進行方向を偏向する第２ベント部３４と、第２ベント部３４の下流に設けられ、陽子ビームＢの進行方向を回転軸線Ｐの回転方向へ旋回させる第３ベント部３５と、第３ベント部３５の下流に設けられ、陽子ビームＢを照射ノズル１１の上方（図２に示す状態における上方）へ進行させる直線部３６と、直線部３６の下流に設けられ、陽子ビームＢを軸心側（回転軸線Ｐ側
）へ湾曲させる第４ベント部３７と、第４ベント部３７の下流に設けられ、陽子ビームＢを照射ノズル１１へ進行させる直線部３８と、を備える。

第１ベント部３２は、陽子ビームＢを湾曲させて進行方向を４５度分偏向させる４５度偏向電磁石によって構成されている。傾斜部３３は、四重極電磁石４１、ステアリング電磁石４２、及びプロファイルモニター４３などの光学要素を有する構成とされている。四重極電磁石４１は、陽子ビームＢの照射位置でのサイズや光学上の焦点位置を調整する機能を有する。ステアリング電磁石４２は、ビーム軸を平行移動する機能を有する。プロファイルモニター４３は、通過する陽子ビームＢの形状と位置を検出する機能を有する。

第２ベント部３４は、陽子ビームＢを湾曲させて進行方向を４５度分偏向させる４５度偏向電磁石によって構成されている。また、第２ベント部３４と第３ベント部３５と間には、プロファイルモニター４３が配置されている。第３ベント部３５は、陽子ビームＢを湾曲させて進行方向を１３５度分偏向させる１３５度偏向電磁石によって構成されている。

直線部３６は、四重極電磁石４１、ステアリング電磁石４２、及びプロファイルモニター４３を有する。第４ベント部３７は、陽子ビームＢを湾曲させて進行方向を１３５度分偏向させる１３５度偏向電磁石によって構成されている。直線部３８は、四重極電磁石４１及びプロファイルモニター４３を有する。

ここで、本実施形態の陽子線治療装置１０では、回転ガントリー１２に取り付けられたビーム導入ライン３１の一部が、回転ガントリー１２の筒体（円筒本体部１３、コーン部１４、第２円筒部１５）内を通過して配置されている。ビーム輸送ライン３によって輸送された陽子ビームＢは、第２円筒部１５の背面側から内部へ導入され、第２円筒部１５内、コーン部１４内、背面パネル１６及び円筒本体部１３内を通過して、円筒本体部１３を貫通して、円筒本体部１３の外部へ導出される。

回転ガントリー１２は、ビーム導入ライン３１を支持する第１〜第３支持部材５１〜５３を備えている。第１ベント部３２は、第１支持部材５１によって第２円筒部１５に固定され、第２支持部材５２によってコーン部１４に固定されている。傾斜部３３は、第３支持部材５３によってコーン部１４に固定されている。第２ベント部３４は、円筒本体部１３を貫通し、円筒本体部１３によって支持されている。

ビーム導入ライン３１は、背面パネル１６を貫通して円筒本体部１３内へ進入し、照射室２１内を通過するように配置されている。また、回転ガントリー１２は、内部を通過するビーム導入ライン３１を収容するケーシング５５を備えている。ケーシング５５は、ビーム導入ライン３１に沿って配置され、ビーム導入ライン３１を覆っている。ケーシング５５は、第１〜第３支持部材５１〜５３を介して、又は、直接的に、円筒本体部１３、コーン部１４、及び第２円筒部１５に固定されている。また、ケーシング５５は、中性子線などの放射線を遮蔽する遮蔽材（例えば、ポリエチレンや鉛、ステンレス等など）によって構成されていることが好ましい。

また、円筒本体部１３の外周面には、円筒本体部１３より外方に張り出したビーム導入ライン３１を支持するための架台１７が設けられている。なお、円筒本体部１３より外方に張り出したビーム導入ライン３１を、ビーム導入ライン張出部３１ａと称する。第３ベント部３５、直線部３６、及び第４ベント部３７は、導入ライン張出部３１ａに含まれる。架台１７は、円筒本体部１３の外面に固定され、径方向の外側へ張り出している。架台１７は、径方向の内側から、ビーム導入ライン張出部３１ａを支持している。これにより、電磁石（四重極電磁石４１、１３５度偏向電磁石）などの荷重を円筒本体部１３によって受けることができる。

また、円筒本体部１３の外周面には、回転軸線Ｐを挟んで対向配置されたカウンタウェイト１８が設けられている。カウンタウェイト１８を設置することで、円筒本体部１３の外面に配置された第３ベント部３５、直線部３６、第４ベント部３７、及び架台１７に対する重量バランスが確保されている。

そして、回転ガントリー１２は、図示されていないモーターによって回転駆動され、図示されていないブレーキ装置によって回転が停止される。

このような陽子線治療システム１では、サイクロトロン２から出射された陽子ビームＢが、ビーム輸送ライン３によって輸送され陽子線治療装置１０まで到達する。陽子線治療装置１０まで到達した陽子ビームＢは、ビーム導入ライン３１によって輸送され照射ノズル１１まで到達し、患者の腫瘍に対して照射される。照射ノズル１１から照射される陽子ビームＢの照射方向は、回転ガントリー１２を回転することで調整することができる。

このような陽子線治療装置１０では、陽子ビームＢを輸送するビーム導入ライン３１の一部が、回転ガントリー１２の第２円筒部１５、コーン部１４及び円筒本体部１３内を通過するように形成されている。特に、ビーム導入ライン３１の傾斜部３３が、照射室２１（円筒本体部１３）内を通過するように斜めに配置され、回転ガントリー１２の背面側から導入されたビーム導入ライン３１を、回転ガントリー１２の側部から導出することができる。そのため、照射室２１を避けてビーム輸送ラインを形成する場合と比較して、ビームラインの張り出し量（軸心からの最大外径）を小さくすることができる。これにより、陽子線治療装置１０の小型化を図り、陽子線治療装置１０が設置される設置スペースを小さくすることができる。その結果、陽子線治療装置１０を収容する建屋５の小型化を図ることができる。建屋を小型化することで、例えば、建屋の放射線遮蔽壁に用いられるコンクリートの使用量を削減することができるので、建屋の建設コストを低減することが可能である。なお、図２に示すように、陽子線治療装置１０の最大回転外径は、１０．６ｍ（Ｌ１×２）とすることができる。

また、陽子線治療装置１０では、ビーム導入ライン３１の一部（傾斜部）が、背面パネル及び照射室２１内を通過するように斜めに配置されてので、照射室２１を避けるようにビーム導入ライン３１が配置されている場合と比較すると、照射室２１の背面側に配置されるビーム導入ラインの長さを短くすることができる。すなわち、陽子線治療装置１０では、装置全体が回転軸線Ｐ方向にも小型化されている。

また、本実施形態に係る陽子線治療装置１０では、ビーム導入ライン（ビーム輸送ライン）３１が回転ガントリー１２の円筒本体部（筒体）１３によって支持されている。これにより、ビーム導入ライン３１を構成する光学要素である複数の電磁石が、強度部材として機能する円筒本体部１３によって支持され、電磁石の重量を円筒本体部１３によって受けることができるので、円筒本体部１３に作用する力を好適に分散させることが可能である。また、円筒本体部１３の一端側に背面パネル１６が設けられているため、この背面パネル１６を強度部材として機能させることができる。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ビーム導入ライン３１を構成する各要素は、所望のビーム設計に応じて、その配置や個数を適宜変更することができる。

また、粒子加速器はサイクロトロンに限定されず、シンクロトロンやシンクロサイクロトロンでも良い。また、荷電粒子線は陽子ビームに限定されず、炭素ビーム（重粒子ビーム）などでも良い。また、回転ガントリー１２の筒体は、円筒に限らず他の筒状でもよい。また、回転ガントリー１２の筒体は、回転軸線Ｐ方向において、同一の形状でもよい。

回転ガントリー１２は、３６０°回転（揺動）するものに限定されず、３６０°未満の揺動を行うものでもよい。

また、筒体の一部、例えば、側壁に切欠き部が設けられている構成でもよい。なお、筒体を通過するように配置されているとは、筒体に設けられた切欠き部にビーム導入ライン３１が配置されているものも含む。

また、背面パネルに切欠き部が設けられている構成でもよい。なお、背面パネルを通過するように配置されているとは、背面パネルに設けられた切欠き部にビーム導入ライン３１が配置されているものも含む。背面パネルに設けられた切欠き部や開口部を通過するようにビーム導入ライン３１が配置されていればよい。

また、上記実施形態では、傾斜部が直線状に形成されているが、例えば、緩やかに湾曲している傾斜部でもよい。

ビーム導入ライン３１を支持するビーム導入ライン支持部は、上述した構成に限定されず、その他の構成でもよい。ビーム導入ライン支持部は、例えば、第１支持部材５１、第２支持部材５２、及び第３支持部材５３が互いに連結され一体化されている構成でもよい。また、ビーム導入ライン支持部は、上記の第２支持部材５２を使用せずに、第１支持部材５１、及び第３支持部材５３によって、ビーム導入ライン３１を支持する構成でもよい。また、第１支持部材５１は、コーン部１４に固定されている構成でもよい。ビーム導入ライン支持部は、ビーム導入ライン３１を挟んで、両側に支持部材が配置されている構成でもよい。

四重極電磁石４１、ステアリング電磁石４２、及びプロファイルモニター４３の配置は、上記実施形態に記載のものに限定されず、適宜変更することができる。また、四重極電磁石４１、ステアリング電磁石４２、及びプロファイルモニター４３を有するものに限定されず、これらのうちの一つを備えていない荷電粒子線照射装置でもよい。

荷電粒子線照射装置は、ビーム導入ライン３１の一部（傾斜部）が、背面パネル１６及び照射室２１内を通過する構成に限定されない。例えば、照射室２１と円筒本体部１３及びコーン部１４との間に、ビーム導入ライン３１が通過するための十分なスペースがある場合には、照射室２１と円筒本体部１３及びコーン部１４との間に、ビーム導入ライン３１が配置された荷電粒子線照射装置でもよい。

本発明の荷電粒子線照射装置は、小型化が図られているため、装置の収容スペースが縮小され、荷電粒子線照射装置が設置される建屋の小型化を図ることができる。本発明の荷電粒子線照射装置は、建屋の建設コストの低減に有効である。

１…陽子線治療システム、２…サイクロトロン、３…ビーム輸送ライン、５…建屋、１０…陽子線治療装置（荷電粒子線照射装置）、１１…照射ノズル（照射部）、１２…回転ガントリー、１３…円筒本体部、１４…コーン部、１５…第２円筒部、１６…背面パネル、２１…照射室、３１…ビーム導入ライン（回転ガントリーのビーム輸送ライン）、３１ａ…ビーム導入ライン張出部、３２…第１ベント部、３３…傾斜部、３４…第２ベント部、３５…第３ベント部、３６…直線部、３７…第４ベント部、３８…直線部、５１〜５３…支持部材、５５…ケーシング、Ｂ…陽子ビーム、Ｐ…回転軸線。

Claims (1)

1. 荷電粒子線を被照射体へ照射する荷電粒子線照射装置であって、
   前記荷電粒子線を輸送する輸送ラインと、
   回転軸線回りに回転可能な回転ガントリーと、を備え、
   前記輸送ラインは、
   前記回転軸線方向に進行する荷電粒子線の進行方向を変更する第１のベント部と、
   前記第１のベント部の下流に設けられ、前記荷電粒子線を前記回転軸線と離間するように傾斜させて進行させる傾斜部と、
   前記傾斜部の下流に設けられ、前記回転軸線と直交する方向へ前記荷電粒子線の進行方向を変更する第２のベント部と、
   前記第２のベント部の下流に設けられ、前記回転軸線の回転方向へ前記荷電粒子線の進行方向を変更する第３のベント部と、
   前記第３のベント部内を通過した荷電粒子線を、前記回転軸線側へ湾曲させる第４のベント部と、を有し、
   前記傾斜部内を進行した前記荷電粒子線を前記回転軸線の回転方向に旋回させ、前記回転方向に旋回した前記荷電粒子線を、前記回転軸線側へ湾曲させるように形成され、
   前記回転ガントリーは、前記被照射体を収容可能であり、かつ、前記輸送ラインを支持する筒体で形成され、
   前記輸送ラインの前記傾斜部は、前記回転ガントリーの前記筒体内を通過して配置されており、
   前記回転ガントリーは、前記回転軸線が延在する方向の一端側である正面側が開放されていて前記被照射体が載置される治療台が配置可能となっていると共に、前記筒体内にて前記回転軸線が延在する方向のもう一端側である背面側が背面パネルで閉じられた照射室を有し、
   前記輸送ラインの前記傾斜部は、前記回転ガントリーの前記背面パネル及び前記照射室内を通過して配置されていることを特徴とする荷電粒子線照射装置。
   

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