JP6009670B2 - ビーム輸送系及び粒子線治療装置 - Google Patents

Description

本発明は、陽子や重粒子などの荷電粒子からなる荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系及び、輸送された荷電粒子ビームを物体、人体等の被照射体に照射する粒子線治療装置に関するものである。

一般に、粒子線治療装置は、荷電粒子ビームを発生するビーム発生装置と、ビーム発生装置につながれ、発生した荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速器で設定されたエネルギーまで加速された後に出射される荷電粒子ビームを輸送する荷電粒子ビーム輸送系と、ビーム輸送系の下流側に設置され、荷電粒子ビームを照射対象に照射するための粒子線照射装置とを備える。

一般に、ビーム輸送系は、加速器のビーム軌道上の１点と、ビーム照射位置（アイソセンタ）とに２つの基準点を設定して、光学パラメータを設計している。加速器のビーム軌道上の１点は、光学パラメータ設計の始点となり、ビーム照射位置、特にその中心であるアイソセンタは光学パラメータ設計の終点となる。具体的には、ビーム輸送系は、加速器と当該ビーム輸送系（高エネルギービーム輸送装系（ＨＥＢＴ系））との取り合い点（始点）でのビーム初期条件を設計値として、当該ビーム輸送系の電磁石の強度を計算し、電磁石にその強度（励磁電流）を設定し、照射位置にビームが到達するように、ビームを運んでいた。

加速器が小型医療用のシクロトロンである場合、シンクロトロンの初期値が理想値（設計値）であっても、シンクロトロンの電磁石類の想定していない磁場（工作誤差などで発生する磁場）のため、六極電磁石を適切に配置してもＨａｒｄｔの条件を満たさず、セパラトリクスの出射枝がエネルギーにより異なることがあった。このため、エネルギー値により前記取り合い点でのビームの角度（傾き）や位置が異なる現象（色収差）があり、加速器のビーム出射法によっては、照射位置でのビームの位置が動いたり、ビーム径が大きくなったりする現象が発生していた。

ビームの角度（傾き）や位置が異なる現象である色収差が発生する理由を説明する。図１５は位相空間における始点でのビームの動きを説明する図であり、図１６はビーム軌道を説明する図である。図１５の横軸はビーム軌道中心軸に垂直なｘ方向の距離ΔＸであり、縦軸はΔＸのビーム軌道中心軸に対する傾きΔＸ’である。図１６の横軸はビームの進行方向に延伸するｓ軸であり、縦軸はｘ方向の距離ΔＸである。図１６に、ビーム軌道変更に関わる偏向電磁石６３と四極電磁石６４の位置、始点Ｓ、終点Ｔを示した。図１６の上側にはビーム出射が理想的な場合を示し、図１６の下側にはビーム出射が理想からずれた場合を示した。

従来、始点Ｓでのビームは動きが無いとして、図１５の楕円６２で示した想定位相空間分布を有するビームと仮定して、ビーム輸送系のビーム光学系を設計していた。しかし、実際のビームは、時間によって位相空間分布が６１ａ、６１ｂ、６１ｃのように変化している位相空間分布６０を有している。実際のビームは、図５に示すように断続的に電流値がゼロとゼロ以外の値とを繰り返しており、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３でビームの位相空間分布が異なっている。例えば、ビームの位相空間分布は、時刻ｔ１（スピル始め）の場合は位相空間分布６１ａであり、時刻ｔ２（スピル中央）の場合は位相空間分布６１ｂであり、時刻ｔ３（スピル終わり）の場合は位相空間分布６１ｃである。

ビーム出射が理想的な場合は、図１６の上側に示すように、始点Ｓでの位相空間におけるビームは動きが無くても、上流側ではビーム軌道６５ａ、６５ｂ、６５ｃのように変動するが、下流側では偏向電磁石６３と四極電磁石６４の励磁電流の調整により、ビーム軌道がビーム軸（ｓ軸）に一致し、終点Ｔにおいて色収差が発生しないように調整可能である。しかしながら、ビーム出射が理想的な状態からずれた場合、すなわち位相空間分布が時間的に変動する場合は、図１６の下側に示すように、下流側においてもビーム軌道６６ａ、６６ｂ、６６ｃのように変動し、照射位置である終点Ｔにおいて色収差が発生する。例えば、ビーム軌道６６ａは位相空間分布６１ａに対応する軌道であり、ビーム軌道６６ｂは位相空間分布６１ｂに対応する軌道であり、ビーム軌道６６ｃは位相空間分布６１ｃに対応する軌道である。ビーム出射が理想的な状態からずれた場合は、終点Ｔにおいて色収差が発生するので、ビーム径が広がり、ビーム位置（重心位置）がビーム軸（ｓ軸）から離れた位置になる。

実際のビーム輸送系では、始点Ｓでのビームの位相空間分布の時間変動があり、このビームの位相空間分布の時間変動を考慮しない場合は、上述したように終点Ｔにおいて色収差が発生してしまうので、終点Ｔにおいて色収差をゼロにするためには始点Ｓでのビームの位相空間分布の時間変動を考慮する必要がある。

特許文献１には、ビームサイズの調整を容易にするために、ビームサイズ調整の自動化を実現する手法が記載されている。特許文献１の荷電粒子ビーム輸送装置は、加速器の出口から照射装置の入口までの間に設置された複数のプロファイルモニタで測定されたビームサイズとビームプロファイルに基づいて、四極電磁石等のビーム収束装置の収束力に対するビームサイズの関係を示す感度行列を算出する感度計算装置と、設定されたビームサイズの調整目標値から感度行列を用いてビームの収束力を算出する励磁電流補正量計算装置を備えており、励磁電流補正量計算装置で計算した励磁電流によりビーム収束装置を制御している。特許文献１のビームサイズの調整方法は、ビーム輸送の荒調整後にプロファイルモニタにより測定したビームサイズとビームプロファイルから感度行列を求め、感度行列を用いて各ビーム収束装置の励磁電流を算出し、この励磁電流で各ビーム収束装置を励磁する調整を行い、ビームサイズが所望値に十分に近づくまで、繰り返していた。

特開２０１１−２０６２３７号公報（００３７段〜００４９段、００５７段〜００６１段、図１、図３）

特許文献１の荷電粒子ビーム輸送装置（ビーム輸送系に相当）は、ビームサイズが所望値に十分に近づくように、プロファイルモニタで測定したビームサイズの感度行列を用いて、各ビーム収束装置の励磁電流を算出し、この励磁電流で各ビーム収束装置を励磁する調整を繰り返すことで、ビームサイズの調整を行っていた。しかしながら、特許文献１の荷電粒子ビーム輸送装置は、光学パラメータ設計の始点及び終点において色収差を考慮していないので、ビーム輸送経路上のプロファイルモニタで測定したビームサイズが所望値にできたとしても、照射位置でのビームの色収差をほぼゼロにすることはできない。また、小型化されたシンクロトロンの場合は、上述したようにビーム輸送系の光学パラメータ設計の始点において色収差をゼロにすることは困難なので、特許文献１のビームサイズの調整方法を小型化されたシンクロトロンに適用すると、ビーム調整の繰り返し回数が増加する。特許文献１のビームサイズの調整方法では、ビーム調整はできたとしても、やはり照射位置でのビームの色収差をほぼゼロにすることはできない問題があった。

小型化のシンクロトロンの場合に、ビーム輸送系の光学パラメータ設計の始点において色収差をゼロにしようとすると、高性能な偏向電磁石や四極電磁石や六極電磁石を用いることが必要になり、加速器やビーム輸送系の大型や複雑化を招き、加速器やビーム輸送系が高額になってしまう問題あった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、小型化のシンクロトロンから出射されるビームであっても、ビームの照射位置においてビームの色収差をほぼゼロにできるビーム輸送系を得ることを目的にする。

本発明に係るビーム輸送系は、荷電粒子ビームを偏向する、少なくとも１つの偏向電磁石と、荷電粒子ビームを収束または発散させる、少なくとも２つの四極電磁石と、荷電粒子ビームのプロファイルデータを検出する、少なくとも１つのビームプロファイルモニタと、プロファイルデータに基づいて、ビームプロファイルモニタにおける、ビーム位置の時間変動量またはビーム径であるビーム時間変動関連量を計算するビーム解析装置と、ビーム輸送系の光学パラメータを計算する光学パラメータ計算装置と、光学パラメータ計算装置により計算された光学パラメータに基づいて、偏向電磁石及び四極電磁石の励磁電流を設定する電磁石電源と、を備える。本発明に係るビーム輸送系の光学パラメータ計算装置は、ビーム時間変動関連量に基づいて、加速器のビーム軌道上に設定されたビーム輸送系の設計始点における荷電粒子ビームの運動量分散関数である始点運動量分散関数を計算し、始点運動量分散関数と、プロファイルデータを検出した際の照射位置における当初条件とを初期条件とした光学パラメータを計算することを特徴とする。

本発明に係るビーム輸送系によれば、ビーム時間変動関連量に基づいた設計始点における荷電粒子ビームの始点運動量分散関数と、プロファイルデータを検出した際の照射位置における当初条件とを初期条件として計算された光学パラメータに基づいて、偏向電磁石及び四極電磁石の励磁電流を設定するので、小型化のシンクロトロンから出射されるビームであっても、ビームの照射位置においてビームの色収差をほぼゼロにできる。

本発明による粒子線治療装置の概略構成図である。 図１の粒子線照射装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１によるビーム輸送系における補正前のビーム軌道を示す図である。 本発明の実施の形態１によるビーム輸送系における補正後のビーム軌道を示す図である。 本発明の実施の形態１によるビーム輸送系に出射されるビーム電流を説明する図である。 本発明の実施の形態１によるビーム輸送系の始点における位相空間分布を示す図である。 本発明の実施の形態１によるビーム輸送系の終点における補正前の位相空間分布を示す図である。 本発明の実施の形態１によるビーム輸送系の終点における補正後の位相空間分布を示す図である。 本発明の実施の形態１によるビーム輸送系の終点における補正前のビームスポット配置を示す図である。 本発明の実施の形態１によるビーム輸送系の終点における補正後のビームスポット配置を示す図である。 本発明の実施の形態２によるビーム輸送系における補正前のビーム軌道及びビーム径を示す図である。 本発明の実施の形態２によるビーム輸送系における補正後のビーム軌道及びビーム径を示す図である。 本発明の実施の形態３によるビーム輸送系における補正前のビーム軌道を示す図である。 本発明の実施の形態３によるビーム輸送系における補正後のビーム軌道を示す図である。 位相空間における始点でのビームの動きを説明する図である。 ビーム輸送系におけるビーム軌道を説明する図である。

実施の形態１．
図１は本発明による粒子線治療装置の概略構成図であり、図２は本発明による粒子線照射装置の構成を示す図である。粒子線治療装置２０は、入射系１と、加速器３と、ビーム輸送系４と、粒子線照射装置５８を備える。入射系１は、入射器２と、四極電磁石６ａ、６ｂを有する。加速器３は、複数の偏向電磁石５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ、５ｉ、５ｊ、５ｋ、５ｌ、５ｍと、複数の四極電磁石６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ、６ｉ、６ｊ、６ｋ、６ｌ、６ｍ、６ｎと、加速空洞９と、ｘ方向キック電極１０と、ＲＦ加速電源１２と、ＲＦキック電源１３と、機器制御装置１６とを備える。ビーム輸送系４は、複数の偏向電磁石７ａ、７ｂと、複数の四極電磁石８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈと、ビームプロファイルモニタ１１ａ、１１ｂと、ビーム解析装置１４と、電磁石電源１５と、光学パラメータ計算装置１７とを有する。入射系１及び加速器３の四極電磁石の符号は、総括的に６を用い、区別して説明する場合に６ａ乃至６ｎを用いる。加速器３の偏向電磁石の符号は、総括的に５を用い、区別して説明する場合に５ａ乃至５ｍを用いる。ビーム輸送系４の偏向電磁石の符号は、総括的に７を用い、区別して説明する場合に７ａ、７ｂを用いる。ビーム輸送系４の四極電磁石の符号は、総括的に８を用い、区別して説明する場合に８ａ乃至８ｈを用いる。ビームプロファイルモニタの符号は、総括的に１１を用い、区別して説明する場合に１１ａ、１１ｂを用いる。

偏向電磁石５、７は荷電粒子ビームを偏向し、四極電磁石６、８は、荷電粒子ビームを収束または発散させる。荷電粒子ビームのビーム座標系は、荷電粒子ビームの進行方向（ｓ方向）の軸をｓ軸、ｓ軸に垂直で、加速器３の周回軌道面の外に広がる方向であるｘ方向の軸をｘ軸、ｓ軸及びｘ軸に垂直なｙ方向の軸をｙ軸と呼ぶことにする。加速空洞９は加速器３内を周回する荷電粒子ビームを加速する。ｘ方向キック電極１０は、ビーム輸送系４に荷電粒子ビームを出射するために、周回方向から外周側（ｘ方向）へ電場で押す電極である。ビームプロファイルモニタ１１は荷電粒子ビームのビーム位置やビームの大きさ等を計算するためのビームプロファイルデータを検出する。ビーム輸送系４は、荷電粒子ビームを、粒子線照射装置５８を経由して照射位置Ｔまで輸送する。

入射器２のイオン源で発生した陽子線等の粒子線である荷電粒子ビームは、入射器２の前段加速器で加速され、四極電磁石６ａ、６ｂにより荷電粒子ビームを収束または発散させて加速器３に入射される。ここでは、加速器３は、シンクロトロンを例に説明する。荷電粒子ビームは、所定のエネルギーまで加速される。荷電粒子ビームは、加速器３に設置された偏向電磁石７ａからビーム輸送系４に入り、粒子線照射装置５８を経由して照射位置Ｔまで輸送され、患者の照射対象４５（図２参照）である患部に照射される。粒子線照射装置５８は荷電粒子ビームを所望の照射野を形成するように、ビームを拡大したり、ビームを走査したりして照射対象４５（図２参照）に照射する。

図２において、粒子線照射装置５８は、荷電粒子ビーム３１に垂直な方向であるＸ方向及びＹ方向に荷電粒子ビーム３１を走査するＸ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３と、位置モニタ３４と、線量モニタ３５と、線量データ変換器３６と、ビームデータ処理装置４１と、走査電磁石電源３７と、粒子線照射装置５８を制御する照射管理装置３８とを備える。照射管理装置３８は、照射制御計算機３９と照射制御装置４０とを備える。線量データ変換器３６は、トリガ生成部４２と、スポットカウンタ４３と、スポット間カウンタ４４とを備える。なお、図２において荷電粒子ビーム３１の進行方向は−Ｚ方向である。なお、−Ｚ方向は、ビーム座標系のｓ方向であるが、図２におけるＸ方向、Ｙ方向は、ビーム座標系のｘ方向、ｙ方向とは必ずしも一致しない。

Ｘ方向走査電磁石３２は荷電粒子ビーム３１をＸ方向に走査する走査電磁石であり、Ｙ方向走査電磁石３３は荷電粒子ビーム３１をＹ方向に走査する走査電磁石である。位置モニタ３４は、Ｘ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３で走査された荷電粒子ビーム３１が通過するビームにおける通過位置（重心位置）やサイズを演算するためのビーム情報を検出する。ビームデータ処理装置４１は、位置モニタ３４が検出した複数のアナログ信号（ビーム情報）からなるビーム情報に基づいて荷電粒子ビーム３１の通過位置（重心位置）やサイズを演算する。また、ビームデータ処理装置４１は、荷電粒子ビーム３１の位置異常やサイズ異常を示す異常検出信号を生成し、この異常検出信号を照射管理装置３８に出力する。

線量モニタ３５は、荷電粒子ビーム３１の線量を検出する。照射管理装置３８は、図示しない治療計画装置で作成された治療計画データに基づいて、照射対象４５における荷電粒子ビーム３１の照射位置を制御し、線量モニタ３５で測定され、線量データ変換器３６でデジタルデータに変換された線量が目標線量に達すると荷電粒子ビーム３１を次の照射位置へ移動する。走査電磁石電源３７は、照射管理装置３８から出力されたＸ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３への制御入力（指令）に基づいてＸ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３の設定電流を変化させる。

ここでは、粒子線照射装置５８のスキャニング照射方式を、ハイブリッドスキャニング照射方式（ビーム照射位置（スポット）を変更する場合にビームを停止しない方式）、具体的には、荷電粒子ビーム３１の照射位置を変えるときに荷電粒子ビーム３１を停止させないラスタースキャニング照射方式のように行い、スポットスキャニング照射方式のようにビーム照射位置がスポット位置間を次々と移動していく方式として説明する。スポットカウンタ４３は、荷電粒子ビーム３１のビーム照射位置が停留している間の照射線量を計測するものである。スポット間カウンタ４４は、荷電粒子ビーム３１のビーム照射位置が移動している間の照射線量を計測するものである。トリガ生成部４２は、ビーム照射位置における荷電粒子ビーム３１の線量が目標照射線量に達した場合に、線量満了信号を生成するものである。

荷電粒子ビーム３１をＲＦスイープ法にて加速器３からビーム出射させる場合のビーム輸送系４を示す。図１の粒子線治療装置２０の入射系１、加速器（シンクロトロン）３、ビーム輸送系４において、後述する手順で、照射位置Ｔにおいてほぼ色収差がない（ビームが動かない）光学系を得る。図３は本発明の実施の形態１によるビーム輸送系における補正前のビーム軌道を示す図である。図３では、ビーム輸送系４の光学系を設計する始点Ｓから終点（照射位置）Ｔまでを、直線状にして表示してある。図３の横軸は荷電粒子ビーム３１の進行方向の軸であるｓ軸であり、縦軸はｘ方向の距離ΔＸである。図５は、本発明の実施の形態１によるビーム輸送系に出射されるビーム電流を説明する図である。図６は、本発明の実施の形態１によるビーム輸送系の始点における位相空間分布を示す図である。図６の横軸はビーム軌道中心軸に垂直なｘ方向の距離ΔＸであり、縦軸はΔＸのビーム軌道中心軸に対する傾きΔＸ’である。

前述したように、実際の荷電粒子ビーム３１は、断続的に電流値がゼロとゼロ以外の値とを繰り返しており、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３で荷電粒子ビーム３１の位相空間分布が異なっている。例えば、荷電粒子ビーム３１の位相空間分布２３は、時刻ｔ１（スピル始め）の場合は位相空間分布２４ａであり、時刻ｔ２（スピル中央）の場合は位相空間分布２４ｂであり、時刻ｔ３（スピル終わり）の場合は位相空間分布２４ｃである。図３のビーム軌道２１ａは、時刻ｔ１（スピル始め）の場合のビーム軌道であり、位相空間分布２４ａに対応したビーム軌道である。ビーム軌道２１ｂは、時刻ｔ２（スピル中央）の場合のビーム軌道であり、位相空間分布２４ｂに対応したビーム軌道である。ビーム軌道２１ｃは、時刻ｔ３（スピル終わり）の場合のビーム軌道であり、位相空間分布２４ｃに対応したビーム軌道である。

ステップＳ１にて、シンクロトロン（加速器３）が理想状態である場合の光学パラメータを、光学パラメータ計算装置１７で算出する。その光学パラメータは、機器制御装置１６に出力され、機器制御装置１６は、光学パラメータに基づいて、各電磁石の電流値を計算し、電磁石電源１５に電流値を送付する。電磁石電源１５が、ビーム輸送系４の電磁石（偏向電磁石７、四極電磁石８）の電流を設定する。なお、電磁石電源１５は、入射系１と加速器３の電磁石（偏向電磁石５、四極電磁石６）の電流も設定する。

ステップＳ２にて、機器制御装置１６により、加速器３の光学パラメータに対応した指令値をＲＦ加速電源１２、電磁石電源１５に送り、それらの指令値に従い、各装置（偏向電磁石５、四極電磁石６、加速空洞９）を駆動し、荷電粒子ビーム３１を加速、出射させる。なお、ここではＲＦスイープ法なので、出射時には、ＲＦ加速電源１２のＲＦ周波数を適切に挿引するが、ＲＦキック電源１３は駆動させない。図１ではｘ方向キック電極１０、ＲＦキック電源１３を記載しているが、ＲＦスイープ法ではこれらは使用しないので、加速器３から削除しても構わない。

ステップＳ３にて、ビームプロファイルモニタ１１ａ、１１ｂで、加速器３から出射された荷電粒子ビーム３１の各時間でのプロファイルデータを取得し、ビーム解析装置１４で、ビーム位置を解析する。プロファイルデータを取得する時間は、出射始めから出射終わりまでの時間であり、図５の時刻ｔ１からｔ３までの時間である。

ステップＳ４にて、プロファイルデータの位置変動情報から、式（１）、式（２）で表せる運動量分散関数ηａ、ηｂを算出する。ｐは運動量であり、Δｐは基準となる時刻ｔ０における運動量との運動量差分であり、Δｘは基準となる時刻ｔ０におけるｘ方向の位置との位置差分である。なお、添え字ａは、ビームプロファイルモニタ１１ａにおける数値であることを示しており、添え字ｂは、ビームプロファイルモニタ１１ｂにおける数値であることを示している。

ステップＳ５にて、始点Ｓにおける運動量分散関数（ηｘ，ηｘ’）、（ηｙ，ηｙ’）及び光学パラメータを算出し、機器制御装置１６に出力する。ビームプロファイルモニタ１１ａ、１１ｂでの運動量分散関数は、それぞれ式（３）、式（４）で表せる。なお、右辺の添え字ｉは入力を示しており、すなわち始点Ｓを示している。式（３）、式（４）における、Ｍａ、Ｍｂは始点Ｓからビームプロファイルモニタ１１ａ、１１ｂまでのビーム輸送行列であり、式（５）、式（６）で表せる。

光学パラメータ計算装置１７にて、式（３）、式（４）より始点Ｓの運動量分散化関数（ηｘ，ηｘ’）、（ηｙ，ηｙ’）を算出する。例えば、図６の位相空間分布２３となるような運動量分散化関数（ηｘ，ηｘ’）、（ηｙ，ηｙ’）を算出する。終点Ｔである照射位置での運動量分散関数が（０，０）となる（条件１）光学パラメータを、式（７）から算出し、機器制御装置１６に出力する。この条件１は、ビームプロファイルモニタ１１によるプロファイルデータを検出した際の照射位置（終点Ｔ）における当初条件である。

ステップＳ６にて、再度、機器制御装置１６が、電磁石電源１５に条件１となる光学パラメータに基づいた電流値を転送し、各電磁石に所定の電流を設定する。

各電磁石がステップＳ６の電流値に設定された場合は、図４、図９、図１０に示すように照射位置（終点Ｔ）でビームが動かなくなり、図７、図８に示すように色収差がほぼゼロ（実質的にゼロ）になる。図４は、本発明の実施の形態１によるビーム輸送系における補正後のビーム軌道を示す図である。図７は本発明の実施の形態１によるビーム輸送系の終点における補正前の位相空間分布を示す図であり、図８は本発明の実施の形態１によるビーム輸送系の終点における補正後の位相空間分布を示す図である。図９は本発明の実施の形態１によるビーム輸送系の終点における補正前のビームスポット配置を示す図であり、図１０は本発明の実施の形態１によるビーム輸送系の終点における補正後のビームスポット配置を示す図である。

図４のビーム軌道２２ａは、時刻ｔ１（スピル始め）の場合の補正後のビーム軌道であり、図３のビーム軌道２１ａが補正されたビーム軌道である。ビーム軌道２２ｂは、時刻ｔ２（スピル中央）の場合の補正後のビーム軌道であり、図３のビーム軌道２１ｂが補正されたビーム軌道である。ビーム軌道２２ｃは、時刻ｔ３（スピル終わり）の場合の補正後のビーム軌道であり、図３のビーム軌道２１ｃが補正されたビーム軌道である。なお、図４のビーム軌道２２ｂは、補正後でも図３のビーム軌道２１ｂと同じく、ｓ軸上に載っている。

図７、図８の横軸はビーム軌道中心軸に垂直なｘ方向の距離ΔＸであり、縦軸はΔＸのビーム軌道中心軸に対する傾きΔＸ’である。図９、図１０の横軸は前述したビーム座標系のｘ軸であり、縦軸はビーム座標系のｙ軸である。図７に示すように、ビーム輸送系４の終点Ｔにおける補正前の位相空間分布は、位相空間分布２５であり、時刻ｔ１（スピル始め）の場合は位相空間分布２６ａであり、時刻ｔ２（スピル中央）の場合は位相空間分布２６ｂであり、時刻ｔ３（スピル終わり）の場合は位相空間分布２６ｃである。図８に示すように、ビーム輸送系４の終点Ｔにおける補正後の位相空間分布は、位相空間分布２７であり、時刻ｔ１（スピル始め）の場合は位相空間分布２８ａであり、時刻ｔ２（スピル中央）の場合は位相空間分布２８ｂであり、時刻ｔ３（スピル終わり）の場合は位相空間分布２８ｃである。図８では、分かり易くするために、位相空間分布２８ａ、２８ｂ、２８ｃが多少ずれているように記載しているが、色収差がほぼゼロ（実質的にゼロ）になっている。色収差がほぼゼロ（実質的にゼロ）の場合は、位相空間上のビーム位置は時間によらず一定である。このように、実施の形態１のビーム輸送系４の終点Ｔにおける補正前の位相空間分布２５は色収差が大きいが、補正後の位相空間分布２７は色収差がほぼゼロ（実質的にゼロ）になっている。

補正前の位相空間分布２５は、ΔＸが−４．２ｍｍから４．１ｍｍであり、補正後の位相空間分布２７は、ΔＸが−２．０ｍｍから２．０ｍｍである。図３に示したように、補正前では終点Ｔにおいてビーム軌道の変動があり、ビームサイズは計画値からずれて広くなっている。なお、ビームサイズは位相分布におけるΔＸの下限から上限までの幅値とは異なるが、ΔＸの幅値が大きいほどビームサイズは大きくなる。図４に示したように、補正後のビーム軌道は、ビームプロファイルモニタ１１ｂの設置位置以降では、ビーム軌道２２ａ、２２ｂ、２２ｃのいずれもｓ軸上に載っている。終点Ｔにおける補正後のビーム軌道は変動がないので、終点Ｔにおけるビームサイズは計画通りのビームサイズになっており、すなわち終点Ｔにおけるビームサイズが計画値からずれて大きくなってはいない。

図９、図１０を用いて、スキャニング照射のスポット配置と均一照射の線量分布について説明する。荷電粒子ビーム３１のスポット配置のずれが見易くなるように、図９、図１０に破線の格子を追加した。破線の格子の角が計画されたスポット位置である。図９に示すように、ｘ方向の色収差がある補正前の場合は、広がりのあるビームの重心（図９、図１０の各円の中心）が、ｘ方向の位置においてずれている。これに対して、図１０に示すように、ｘ方向の色収差がない補正後の場合は、広がりのあるビームの重心が、破線の格子の角に一致しており、ｘ方向の位置が計画通りになっている。スポット位置が計画からずれている場合は、均一照射に照射しようとしても、計画した照射スポットに対する照射線量が異なるので、実際の線量分布に凹凸が生じてしまう。実施の形態１のビーム輸送系４は、終点Ｔにおいて色収差がほぼゼロ（実質的にゼロ）にでき、スャニング照射のスポット位置を計画通りにすることができる。

実施の形態１のビーム輸送系４は、粒子線照射装置５８を動作させない照射位置（終点Ｔ）、すなわちアイソセンタにおいて、荷電粒子ビーム３１の色収差をゼロにでき、スャニング照射のスポット位置を計画通りにすることができる。荷電粒子ビーム３１は、粒子線照射装置５８で広い照射野を形成するように走査されるが、走査された照射位置ではビームの色収差がゼロでなくても、ビームの照射位置が許容範囲となっていれば高精度な粒子線治療はできるので、照射位置の許容範囲となるようなゼロではない色収差であってもよい。したがって、上記のように設計された実施の形態１のビーム輸送系４は、荷電粒子ビーム３１の照射位置においてビームの色収差をほぼゼロ（実質的にゼロ）にでき、スャニング照射のスポット位置を高精度に計画通りにすることができる。

実施の形態１のビーム輸送系４は、小型化のシンクロトロンの場合であっても、高性能な偏向電磁石や四極電磁石や六極電磁石を用いて、ビーム輸送系４の光学パラメータ設計の始点Ｓにおいて色収差をゼロにしなくても、荷電粒子ビーム３１の照射位置においてビームの色収差をほぼゼロ（実質的にゼロ）にできる。したがって、実施の形態１のビーム輸送系４は、小型化のシンクロトロンの場合であっても、加速器やビーム輸送系の大型や複雑化を招くことなく、加速器やビーム輸送系を著しく高額になることを抑制することができる。

実施の形態１で示したビーム輸送系４の設計方法は、理想的磁場条件で設定したビーム輸送系において、ビームプロファイルモニタ１１で検出されたプロファイルデータを用いてビーム輸送系４の途中のビーム位置を測定し、ビームプロファイルモニタ１１におけるビーム位置の時間変動量であるビーム時間変動関連量を計算することにより、ビーム取り合い点（始点Ｓ）における初期条件の一部であるｘ方向運動量分散関数ηｘ、ηｘ’及びｙ方向運動量分散関数ηｙ、ηｙ’を始点運動量分散関数として算出し、プロファイルデータを検出した際の照射位置（終点Ｔ）における当初条件である前記条件１と、始点運動量分散関数とを初期条件にして、ビーム輸送系４の新たな光学パラメータを設定するものである。この設計方法を適用することで、設置現場でも調整が容易になり、従来のように何度も調整しなければならないものとは異なり、ビーム輸送系の調整時間を従来に比べて短縮することができる。

ビーム輸送系４における偏向電磁石７及び四極電磁石８の台数について説明する。照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１がｘ方向に動かないようにする場合は、ｘ方向に偏向する偏向電磁石７を１台以上配置し、当該偏向電磁石７の上流にｘ方向の収束発散を制御する四極電磁石８を２台以上配置する。図３、図４では、偏向電磁石７ｂと四極電磁石８ａ、８ｂが必要最小限の偏向電磁石７及び四極電磁石８である。また、照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１がｙ方向に動かないようにする場合は、ｙ方向に偏向する偏向電磁石７を１台以上配置し、当該偏向電磁石７の上流にｙ方向の収束発散を制御する四極電磁石８を２台以上配置する。

図１、図３、図４では、ビーム輸送系４において、ｙ方向に偏向する偏向電磁石７は記載していないが、例えば偏向電磁石７ｂより下流側に配置し、このｙ方向に偏向する偏向電磁石７の上流の四極電磁石８の２台をｙ方向の収束発散を制御する四極電磁石とすればよい。図１の例では、周回中の荷電粒子ビーム３１をｘ方向に動かしてビーム輸送系４に導入するので、始点Ｓにおけるｙ方向の色収差は加速器３に配置された偏向電磁石５及び四極電磁石６により十分小さくすることができる。したがって、始点Ｓにおけるｙ方向の色収差が大きい場合に、照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１がｙ方向に動かないようにするｙ方向用の偏向電磁石７及び四極電磁石８を配置すればよい。

以上のように、実施の形態１のビーム輸送系４によれば、荷電粒子ビーム３１を偏向する、少なくとも１つの偏向電磁石７と、荷電粒子ビーム３１を収束または発散させる、少なくとも２つの四極電磁石８と、荷電粒子ビーム３１のプロファイルデータを検出する、少なくとも１つのビームプロファイルモニタ１１と、プロファイルデータに基づいて、ビームプロファイルモニタ１１における、ビーム位置の時間変動量またはビーム径であるビーム時間変動関連量を計算するビーム解析装置１４と、ビーム輸送系４の光学パラメータを計算する光学パラメータ計算装置１７と、光学パラメータ計算装置１７により計算された光学パラメータに基づいて、偏向電磁石７及び四極電磁石８の励磁電流を設定する電磁石電源１５と、を備える。実施の形態１のビーム輸送系４の光学パラメータ計算装置１７は、ビーム時間変動関連量に基づいて、加速器３のビーム軌道上に設定されたビーム輸送系４の設計始点（始点Ｓ）における荷電粒子ビーム３１の運動量分散関数η、η’である始点運動量分散関数を計算し、始点運動量分散関数と、プロファイルデータを検出した際の照射位置（終点Ｔ）における当初条件とを初期条件とした光学パラメータを計算することを特徴とするので、小型化のシンクロトロンから出射されるビームであっても、ビームの照射位置（終点Ｔ）においてビームの色収差をほぼゼロにできる。

実施の形態１の粒子線治療装置２０によれば、荷電粒子ビーム３１を加速する加速器３と、加速器３から出射された荷電粒子ビーム３１を照射位置（終点Ｔ）へ輸送するビーム輸送系４と、ビーム輸送系４の下流側に配置され、荷電粒子ビーム３１を所望の照射野を形成するように、照射対象４５に照射する粒子線照射装置５８と、を備える。実施の形態１の粒子線治療装置２０によれば、ビーム輸送系４が、荷電粒子ビーム３１を偏向する、少なくとも１つの偏向電磁石７と、荷電粒子ビーム３１を収束または発散させる、少なくとも２つの四極電磁石８と、荷電粒子ビーム３１のプロファイルデータを検出する、少なくとも１つのビームプロファイルモニタ１１と、プロファイルデータに基づいて、ビームプロファイルモニタ１１における、ビーム位置の時間変動量またはビーム径であるビーム時間変動関連量を計算するビーム解析装置１４と、ビーム輸送系４の光学パラメータを計算する光学パラメータ計算装置１７と、光学パラメータ計算装置１７により計算された光学パラメータに基づいて、偏向電磁石７及び四極電磁石８の励磁電流を設定する電磁石電源１５と、を備える。実施の形態１の粒子線治療装置２０によれば、光学パラメータ計算装置１７は、ビーム時間変動関連量に基づいて、加速器３のビーム軌道上に設定されたビーム輸送系４の設計始点（始点Ｓ）における荷電粒子ビーム３１の運動量分散関数η、η’である始点運動量分散関数を計算し、始点運動量分散関数と、プロファイルデータを検出した際の照射位置（終点Ｔ）における当初条件とを初期条件とした光学パラメータを計算することを特徴とするので、小型化のシンクロトロンから出射されるビームであっても、ビームの照射位置（終点Ｔ）においてビームの色収差をほぼゼロにでき、ビームの照射位置（終点Ｔ）を高精度に制御することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、荷電粒子ビーム３１をＲＦスイープ法にて加速器３からビーム出射させる場合のビーム輸送系４を説明した。実施の形態２では、荷電粒子ビーム３１をＲＦノックアウト法にて加速器３からビーム出射させる場合のビーム輸送系４を説明する。図１の粒子線治療装置２０の入射系１、加速器（シンクロトロン）３、ビーム輸送系４において、後述する手順で、照射位置Ｔにおいてほぼ色収差がなく（ビームを動かなく）、さらにビーム径が大きくならない光学系を得る。ＲＦノックアウト法は、シンクロトロン出射点で、ある時刻に様々なエネルギーの粒子を混在させた出射方法である。このためＲＦノックアウト法は、ビーム輸送系４の光学系を設計する始点Ｓにおける運動量分散関数（ηｘ，ηｘ’）、（ηｙ，ηｙ’）や、ツイス（ｔｗｉｓｓ）パラメータ（αｘ、βｘ）、（αｙ、βｙ）が不明な状況で、ビームを輸送させることになる。したがって、図１１のように、照射位置（終点Ｔ）において色収差のためビーム径が大きく観測される。これを実施の形態２の設計方法で修正することにより、図１２のように、照射位置（終点Ｔ）において小さな径のビームを得ることができる。

図１１は本発明の実施の形態２によるビーム輸送系における補正前のビーム軌道及びビーム径を示す図であり、図１２は本発明の実施の形態２によるビーム輸送系における補正後のビーム軌道及びビーム径を示す図である。図１１、図１２の上側では、ビーム輸送系４の光学系を設計する始点Ｓから終点（照射位置）Ｔまでを、直線状にして表示してある。図１１、図１２の下側では、上側から引いた破線で示したｓ軸上の位置に対するビーム径を模式的に円で示した。図１１のビーム軌道４６ａは、式（１）、式（２）のΔｐ／ｐ＞０の場合のビーム軌道である。図１１のビーム軌道４６ｂは、式（１）、式（２）のΔｐ／ｐ＝０の場合のビーム軌道であり、図１１のビーム軌道４６ｃは、式（１）、式（２）のΔｐ／ｐ＜０の場合のビーム軌道である。始点Ｓにおけるビーム径は符号４７ａで示した円の直径であり、終点Ｔにおけるビーム径は符号４７ｇで示した円の直径である。始点Ｓから終点Ｔの間に、５つのビーム径を符号４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ、４７ｅ、４７ｆの円の直径で示した。

図１１と同様に、図１２のビーム軌道４８ａは、式（１）、式（２）のΔｐ／ｐ＞０の場合のビーム軌道である。図１２のビーム軌道４８ｂは、式（１）、式（２）のΔｐ／ｐ＝０の場合のビーム軌道であり、図１２のビーム軌道４８ｃは、式（１）、式（２）のΔｐ／ｐ＜０の場合のビーム軌道である。始点Ｓにおけるビーム径は符号４９ａで示した円の直径であり、終点Ｔにおけるビーム径は符号４９ｇで示した円の直径である。始点Ｓから終点Ｔの間に、５つのビーム径を符号４９ｂ、４９ｃ、４９ｄ、４９ｅ、４９ｆの円の直径で示した。

ステップＳ１１にて、シンクロトロン（加速器３）が理想状態である場合の光学パラメータを、光学パラメータ計算装置１７で算出する。その光学パラメータは、機器制御装置１６に出力され、機器制御装置１６は、光学パラメータに基づいて、各電磁石の電流値を計算し、電磁石電源１５に電流値を送付する。電磁石電源１５が、ビーム輸送系４の電磁石（偏向電磁石７、四極電磁石８）の電流を設定する。なお、電磁石電源１５は、入射系１と加速器３の電磁石（偏向電磁石５、四極電磁石６）の電流も設定する。

ステップＳ１２にて、機器制御装置１６により、加速器３の光学パラメータに対応した指令値をＲＦ加速電源１２、電磁石電源１５に送り、それらの指令値に従い、各装置（偏向電磁石５、四極電磁石６、加速空洞９、ｘ方向キック電極１０）を駆動し、荷電粒子ビーム３１を加速、出射させる。なお、ここではＲＦノックアウト法なので、出射時には、ＲＦ加速電源１２のＲＦ周波数を変化させず、ＲＦキック電源１３を駆動させ、横方向（ｘ方向）のエミッタンスを増加させることで、荷電粒子ビーム３１を出射させる。なお、エミッタンスは、ビームの位相空間上の面積に相当するものである。

ステップＳ１３にて、ビームプロファイルモニタ１１ａ、１１ｂで、加速器３から出射された荷電粒子ビーム３１の各時間でのプロファイルデータを取得し、ビーム解析装置１４で、ビーム径を解析する。プロファイルデータを取得する時間は、出射始めから出射終わりまでの時間であり、図５の時刻ｔ１からｔ３までの時間である。ＲＦノックアウト法では、ある運動量幅をもった荷電粒子ビーム３１が同時に加速器３から出射される。そこで、ビーム径は、式（１１）、式（１２）、式（１３）を用いて計算する。

一般に、式（１１）の行列で表せる輸送行列Ｍで、ビームを輸送する場合、ビームのツイスパラメータα、β、γは式（１２）のように輸送される。また、輸送されたところのビーム径ｒは、式（１３）で表せる。式（１２）の右辺におけるツイスパラメータα、β、γは、輸送行列Ｍで輸送前のものであり、式（１２）の左辺におけるツイスパラメータα、β、γは、輸送行列Ｍで輸送後のものである。式（１２）のツイスパラメータの輸送行列Ｍ_ｔの各要素は、式（１１）の輸送行列Ｍにおける要素ｍ_１１、ｍ_１２、ｍ_１３、ｍ_２１、ｍ_２２、ｍ_２３を用いて記載されている。式（１３）において、ｒ_ｘはｘ方向のビーム径であり、ε_ｘはｘ方向のエミッタンスであり、β_ｘはｘ方向のツイスパラメータβであり、η_ｘはｘ方向の運動量分散関数である。

ステップＳ１４にて、ビームプロファイルモニタ１１ａ、１１ｂでの荷電粒子の光学式を求める。ビームプロファイルモニタ１１ａでの荷電粒子の光学式は、式（１４）、式（１７）、式（２０）で表される。ビームプロファイルモニタ１１ｂでの荷電粒子の光学式は、式（２３）、式（２６）、式（２９）で表される。まず、ビームプロファイルモニタ１１ａでの荷電粒子の光学式について説明する。なお、以下に示す式における添え字ｉは入力を示しており、すなわち始点Ｓを示している。以下に示す式における添え字ａは、ビームプロファイルモニタ１１ａにおける数値であることを示しており、添え字ｂは、ビームプロファイルモニタ１１ｂにおける数値であることを示している。添え字ｘは、該当する変数がｘ方向の値であることを示している。

式（１４）は、始点Ｓにおけるｘ方向のツイスパラメータα_ｘ、β_ｘ、γ_ｘが、それぞれツイスパラメータの輸送行列Ｍ_ｔａによってα_ｘａ、β_ｘａ、γ_ｘａのように輸送されることを示している。ツイスパラメータの輸送行列Ｍ_ｔａは、式（１４）の添え字ａが付された行列である。四極電磁石６や四極電磁石８の励磁を変化させた輸送行列Ｍ_ａ１、Ｍ_ａ２を用いると、すなわちツイスパラメータの輸送行列Ｍ_ｔａ１、Ｍ_ｔａ２を用いると、ｘ方向のビームのツイスパラメータα_ｘ、β_ｘ、γ_ｘは、式（１５）、式（１６）のように輸送される。輸送行列Ｍ_ｔａ１、Ｍ_ｔａ２は、輸送行列Ｍ_ｔａと同様の形になる。なお、添え字ａ１は、輸送行列Ｍ_ａ１や輸送行列Ｍ_ｔａ１によって輸送された場合のビームプロファイルモニタ１１ａにおける数値であることを示しており、添え字ａ２は、輸送行列Ｍ_ａ２や輸送行列Ｍ_ｔａ２によって輸送された場合のビームプロファイルモニタ１１ａにおける数値であることを示している。

ビームプロファイルモニタ１１ａにおける輸送行列が、式（１１）と同様の各要素を有している場合に、ビームのツイスパラメータα、β、γは式（１４）のように輸送される。ビームプロファイルモニタ１１ａにおけるｘ方向のビーム径ｒ_ｘａは、式（１７）のように表せる。β_ｘａはビームプロファイルモニタ１１ａにおけるｘ方向のツイスパラメータβであり、η_ｘａはビームプロファイルモニタ１１ａにおけるｘ方向の運動量分散関数である。ｘ方向の運動量分散関数η_ｘａは、式（２０）に示すように、始点Ｓにおけるｘ方向の運動量分散関数η_ｘが、輸送行列Ｍ_ａによってη_ｘａに輸送されたものである。

四極電磁石６や四極電磁石８の励磁を変化させた輸送行列Ｍ_ａ１を用いると、式（１７）と同様に、ビームプロファイルモニタ１１ａにおけるｘ方向のビーム径ｒ_ｘａ１は、式（１８）のように表せる。また、四極電磁石６や四極電磁石８の励磁を変化させた輸送行列Ｍ_ａ２を用いると、式（１７）と同様に、ビームプロファイルモニタ１１ａにおけるｘ方向のビーム径ｒ_ｘａ２は、式（１９）のように表せる。β_ｘａ１は、輸送行列Ｍ_ｔａ１で輸送されたビームプロファイルモニタ１１ａにおけるｘ方向のツイスパラメータβであり、η_ｘａ１は、輸送行列Ｍ_ａ１で輸送されたビームプロファイルモニタ１１ａにおけるｘ方向の運動量分散関数である。β_ｘａ２は、輸送行列Ｍ_ｔａ２で輸送されたビームプロファイルモニタ１１ａにおけるｘ方向のツイスパラメータβであり、η_ｘａ２は、輸送行列Ｍ_ａ２で輸送されたビームプロファイルモニタ１１ａにおけるｘ方向の運動量分散関数である。

式（２０）は、始点Ｓにおけるｘ方向の運動量分散関数η_ｘと、そのｓ方向に対する傾きであるη_ｘ’が、それぞれ輸送行列Ｍ_ａによってη_ｘａとη_ｘａ’に輸送されることを示している。四極電磁石６や四極電磁石８の励磁を変化させた輸送行列Ｍ_ａ１、Ｍ_ａ２を用いると、ｘ方向の運動量分散関数η_ｘとｓ方向に対する傾きであるη_ｘ’は、式（２１）、式（２２）のように輸送される。

次に、ビームプロファイルモニタ１１ｂでの荷電粒子の光学式について説明する。ビームプロファイルモニタ１１ｂでの荷電粒子の光学式も、ビームプロファイルモニタ１１ａでの荷電粒子の光学式と同様である。

式（２３）は、始点Ｓにおけるｘ方向のツイスパラメータα_ｘ、β_ｘ、γ_ｘが、それぞれ輸送行列Ｍ_ｔｂによってα_ｘｂ、β_ｘｂ、γ_ｘｂのように輸送されることを示している。四極電磁石６や四極電磁石８の励磁を変化させた輸送行列Ｍ_ａ１、Ｍ_ａ２を用いると、すなわちツイスパラメータの輸送行列Ｍ_ｔｂ１、Ｍ_ｔｂ２を用いると、ｘ方向のツイスパラメータα_ｘ、β_ｘ、γ_ｘは、式（２４）、式（２５）のように輸送される。なお、輸送行列Ｍ_ｔｂは、式（２３）の添え字ｂが付された行列である。添え字ｂ１は、輸送行列Ｍ_ｂ１や輸送行列Ｍ_ｔｂ１によって輸送された場合のビームプロファイルモニタ１１ｂにおける数値であることを示しており、添え字ｂ２は、輸送行列Ｍ_ｂ２や輸送行列Ｍ_ｔｂ２によって輸送された場合のビームプロファイルモニタ１１ｂにおける数値であることを示している。

ビームプロファイルモニタ１１ｂにおける輸送行列Ｍ_ｂが、式（１１）と同様の各要素を有している場合に、ビームのツイスパラメータα、β、γは式（２３）のように輸送される。ビームプロファイルモニタ１１ｂにおけるｘ方向のビーム径ｒ_ｘｂは、式（２６）のように表せる。β_ｘｂはビームプロファイルモニタ１１ｂにおけるｘ方向のツイスパラメータβであり、η_ｘｂはビームプロファイルモニタ１１ｂにおけるｘ方向の運動量分散関数である。ｘ方向の運動量分散関数η_ｘｂは、式（２９）に示すように、始点Ｓにおけるｘ方向の運動量分散関数η_ｘが、輸送行列Ｍ_ｂによってη_ｘｂに輸送されたものである。

四極電磁石６や四極電磁石８の励磁を変化させた輸送行列Ｍ_ｂ１を用いると、式（２６）と同様に、ビームプロファイルモニタ１１ｂにおけるｘ方向のビーム径ｒ_ｘｂ１は、式（２７）のように表せる。また、四極電磁石６や四極電磁石８の励磁を変化させた輸送行列Ｍ_ｂ２を用いると、式（２６）と同様に、ビームプロファイルモニタ１１ｂにおけるｘ方向のビーム径ｒ_ｘｂ２は、式（２８）のように表せる。β_ｘｂ１は、輸送行列Ｍ_ｔｂ１で輸送されたビームプロファイルモニタ１１ｂにおけるｘ方向のツイスパラメータβであり、η_ｘｂ１は、輸送行列Ｍ_ｂ１で輸送されたビームプロファイルモニタ１１ｂにおけるｘ方向の運動量分散関数である。β_ｘｂ２は、輸送行列Ｍ_ｔｂ２で輸送されたビームプロファイルモニタ１１ｂにおけるｘ方向のツイスパラメータβであり、η_ｘｂ２は、輸送行列Ｍ_ｂ２で輸送されたビームプロファイルモニタ１１ｂにおけるｘ方向の運動量分散関数である。

式（２９）は、始点Ｓにおけるｘ方向の運動量分散関数η_ｘと、そのｓ方向に対する傾きであるη_ｘ’が、それぞれ輸送行列Ｍ_ｂによってη_ｘｂとη_ｘｂ’に輸送されることを示している。四極電磁石６や四極電磁石８の励磁を変化させた輸送行列Ｍ_ｂ１、Ｍ_ｂ２を用いると、ｘ方向の運動量分散関数η_ｘとｓ方向に対する傾きであるη_ｘ’は、式（３０）、式（３１）のように輸送される。

ステップＳ１４にて、上記に示したビームプロファイルモニタ１１ａ、１１ｂでの荷電粒子の光学式と、式（３２）から始点Ｓのツイスパラメータ（α_ｘｉ，β_ｘｉ，γ_ｘｉ）運動量分散関数（η_ｘｉ，η_ｘｉ’）を算出する。これらの初期条件より、終点Ｔにおけるビーム径が大きくならない、すなわち、ビームプロファイルモニタ１１によるプロファイルデータを検出した際の照射位置（終点Ｔ）におけるビーム径と同一となる光学条件（条件２）の光学パラメータを、光学パラメータ計算装置１７で算出する。この条件２を満たす光学パラメータを、機器制御装置１６に出力する。

ステップＳ１５にて、再度、機器制御装置１６が、電磁石電源１５に条件２となる光学パラメータに基づいた電流値を転送し、各電磁石に所定の電流を設定する。

各電磁石がステップＳ１５の電流値に設定された場合は、図１１、図１２に示すように照射位置（終点Ｔ）でビーム径が小さくなる。終点Ｔにおける色収差をほぼゼロにする補正をしない状態では、ビームプロファイルモニタ１１ｂより下流側でもビーム径は円４７ｄ、４７ｆ、４７ｇのように始点Ｓのビーム径（円４７ａ）よりも大きなっている。しかし、終点Ｔにおける色収差をほぼゼロにする補正をした後には、ビームプロファイルモニタ１１ｂより下流側で、ビーム径は円４９ｄから４９ｇのように始点Ｓのビーム径（円４９ａ）とほぼ同じであり、照射位置（終点Ｔ）でビーム径が補正前よりも小さくなっている。

実施の形態２のビーム輸送系４は、ビームの照射位置（終点Ｔ）においてビームの色収差をほぼゼロにでき、荷電粒子ビームをＲＦノックアウト法にて加速器３からビーム出射させる場合に、色収差のためビーム径が大きくなることを抑制でき、照射位置（終点Ｔ）において小さな径のビームを得ることができる。

実施の形態２のビーム輸送系４は、小型化のシンクロトロンの場合であっても、高性能な偏向電磁石や四極電磁石や六極電磁石を用いて、ビーム輸送系４の光学パラメータ設計の始点Ｓにおいて色収差をゼロにしなくても、荷電粒子ビーム３１の照射位置においてビームの色収差をほぼゼロ（実質的にゼロ）にできる。したがって、実施の形態２のビーム輸送系４は、小型化のシンクロトロンの場合であっても、加速器やビーム輸送系の大型や複雑化を招くことなく、加速器やビーム輸送系を著しく高額になることを抑制することができる。

実施の形態２で示したビーム輸送系４の設計方法は、電粒子ビームをＲＦノックアウト法にて加速器３からビーム出射させる場合の理想的磁場条件で設定したビーム輸送系において、ビームプロファイルモニタ１１で検出されたプロファイルデータを用いてビーム輸送系４の途中のビームの大きさ（ビーム径）を測定することにより、ビーム取り合い点（始点Ｓ）における初期条件の一部であるｘ方向運動量分散関数ηｘ、ηｘ’及びｙ方向運動量分散関数ηｙ、ηｙ’を始点運動量分散関数として算出し、プロファイルデータを検出した際の照射位置（終点Ｔ）における当初条件である前記条件２と、始点運動量分散関数とを初期条件にして、ビーム輸送系４の新たな光学パラメータを設定するものである。この設計方法を適用することで、設置現場でも調整が容易になり、従来のように何度も調整しなければならないものとは異なり、ビーム輸送系の調整時間を従来に比べて短縮することができる。

照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１におけるｘ方向の色収差をほぼゼロにし、ビームサイズの増大を抑制する場合は、ｘ方向に偏向する偏向電磁石７を１台以上配置し、当該偏向電磁石７の上流にｘ方向の収束発散を制御する四極電磁石８を２台以上配置する。図１１、図１２では、偏向電磁石７ｂと四極電磁石８ａ、８ｂが必要最小限の偏向電磁石７及び四極電磁石８である。また、照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１におけるｙ方向の色収差をほぼゼロにし、ビームサイズの増大を抑制する場合は、ｙ方向に偏向する偏向電磁石７を１台以上配置し、当該偏向電磁石７の上流にｙ方向の収束発散を制御する四極電磁石８を２台以上配置する。

図１、図１１、図１２では、ビーム輸送系４において、ｙ方向に偏向する偏向電磁石７は記載していないが、例えば偏向電磁石７ｂより下流側に配置し、このｙ方向に偏向する偏向電磁石７の上流の四極電磁石８の２台をｙ方向の収束発散を制御する四極電磁石とすればよい。図１の例では、周回中の荷電粒子ビーム３１をｘ方向に動かしてビーム輸送系４に導入するので、始点Ｓにおけるｙ方向の色収差は加速器３に配置された偏向電磁石５及び四極電磁石６により十分小さくすることができる。したがって、始点Ｓにおけるｙ方向の色収差が大きい場合に、照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１におけるｙ方向の色収差をほぼゼロにし、ビームサイズの増大を抑制するｙ方向用の偏向電磁石７及び四極電磁石８を配置すればよい。

実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２では、照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１におけるｘ方向の色収差をほぼゼロにしていた。実施の形態３では、照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１におけるｘ方向の色収差をほぼゼロにしなくても照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１がｘ方向に動かないようにするビーム輸送系４を説明する。図１３は本発明の実施の形態３によるビーム輸送系における補正前のビーム軌道を示す図であり、図１４は本発明の実施の形態３によるビーム輸送系における補正後のビーム軌道を示す図である。図１３は、図４の偏向電磁石５ｇ、７ａを偏向電磁石５ｎ、７ｃのように傾けて配置し、ステアリング電磁石１８ａ、１８ｂを追加したものである。図１４は、図４の偏向電磁石５ｇ、７ａを偏向電磁石５ｎ、７ｃのように傾けて配置し、ステアリング電磁石１８ａ、１８ｂを追加したものである。なお、図１３、１４において、偏向電磁石５ｇ、７ａは破線で示した。図１３、図１４で斜めに配置された偏向電磁石５ｎ、７ｃは、設計時の配置からずれた電磁石配置誤差が生じていることを示している。

偏向電磁石５ｎ、７ｃにおいて配置誤差があると、実施の形態１のビーム輸送系４の設計方法や実施の形態２のビーム輸送系４の設計方法を適用したビーム輸送系４でも、図１３のビーム軌道２９ａのようになり、照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１がずれた位置にきてしまう。実施の形態３では、ステアリング電磁石１８ａ、１８ｂを追加することで、ビーム輸送系４の偏向電磁石の配置誤差を補正でき、図１４のビーム軌道２９ｂのようにすることができ、照射位置（終点Ｔ）でのビーム位置を、粒子線照射装置５８を動作させない照射位置（アイソセンタ）に正確に合わすことができる。この場合は、照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１におけるｘ方向の色収差をほぼゼロにできる。なお、ビーム軌道２９ｃは、破線で示した偏向電磁石５ｇ、７ａの場合における、補正前のビーム軌道である。ビーム軌道２９ｄは、破線で示した偏向電磁石５ｇ、７ａの場合における、補正後のビーム軌道である。

ビーム輸送系４の偏向電磁石５ｎ、７ｃに配置誤差があっても、図１４のビーム軌道２９ｂのようにすることがでるということは、偏向電磁石５ｎ、７ｃにおいて配置誤差がなく、照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１におけるｘ方向の色収差が多少大きくても、照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１がｘ方向に動かないようにできることを示している。したがって、実施の形態３のビーム輸送系４は、照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１におけるｘ方向の色収差をほぼゼロにしなくても照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１がｘ方向に動かないようにできるので、照射位置（終点Ｔ）で荷電粒子ビーム３１におけるｘ方向の色収差の調整が困難な場合に有効である。

なお、実施の形態３のビーム輸送系４を適用した粒子線治療装置２０は、図１においてステアリング電磁石１８ａ、１８ｂを図１３、図１４に示した位置に追加される。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

３…加速器、４…ビーム輸送系、７、７ａ、７ｂ…偏向電磁石、
８、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈ…四極電磁石、
９…加速空洞、１０…ｘ方向キック電極、
１１、１１ａ、１１ｂ…ビームプロファイルモニタ、
１４…ビーム解析装置、１５…電磁石電源、
１７…光学パラメータ計算装置、
１８ａ、１８ｂ…ステアリング電磁石、２０…粒子線治療装置、
３１…荷電粒子ビーム、４５…照射対象、５８…粒子線照射装置、
Ｓ…始点（設計始点）、Ｔ…終点（照射位置）、
η、η’、ηｘ、ηｘ’、ηｙ、ηｙ’…運動量分散関数。

Claims (7)

1. 加速器から出射された荷電粒子ビームを照射位置へ輸送するビーム輸送系であって、
   前記荷電粒子ビームを偏向する、少なくとも１つの偏向電磁石と、
   前記荷電粒子ビームを収束または発散させる、少なくとも２つの四極電磁石と、
   前記荷電粒子ビームのプロファイルデータを検出する、少なくとも１つのビームプロファイルモニタと、
   前記プロファイルデータに基づいて、前記ビームプロファイルモニタにおける、ビーム位置の時間変動量またはビーム径であるビーム時間変動関連量を計算するビーム解析装置と、
   前記ビーム輸送系の光学パラメータを計算する光学パラメータ計算装置と、
   前記光学パラメータ計算装置により計算された前記光学パラメータに基づいて、前記偏向電磁石及び前記四極電磁石の励磁電流を設定する電磁石電源と、を備え、
   前記光学パラメータ計算装置は、
   前記ビーム時間変動関連量に基づいて、前記加速器のビーム軌道上に設定された前記ビーム輸送系の設計始点における前記荷電粒子ビームの運動量分散関数である始点運動量分散関数を計算し、
   前記始点運動量分散関数と、前記プロファイルデータを検出した際の前記照射位置における当初条件とを初期条件とした前記光学パラメータを計算することを特徴とするビーム輸送系。
2. 前記加速器はシンクロトロンであり、
   前記加速器に設置された加速空洞に供給する高周波電力がスイープされることにより、前記荷電粒子ビームが前記加速器から出射される場合に、
   前記ビーム解析装置は、前記ビーム時間変動関連量として、前記ビームプロファイルモニタにおける前記ビーム位置の時間変動量を計算することを特徴とする請求項１記載のビーム輸送系。
3. 前記当初条件は、前記照射位置における前記荷電粒子ビームの運動量分散関数である終点運動量分散関数がゼロであるとの条件を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のビーム輸送系。
4. 前記加速器はシンクロトロンであり、
   前記加速器に設置されたキック電極に高周波電力を供給し、前記荷電粒子ビームの周回面上であって、前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直な方向のエミッタンスが大きくされることにより、前記荷電粒子ビームが前記加速器から出射される場合に、
   前記ビーム解析装置は、前記ビーム時間変動関連量として、前記ビームプロファイルモニタにおける前記ビーム径を計算することを特徴とする請求項１記載のビーム輸送系。
5. 前記当初条件は、前記照射位置における前記荷電粒子ビームの前記ビーム径の設定条件を含むことを特徴とする請求項１または４に記載のビーム輸送系。
6. 前記偏向電磁石の配置誤差を修正するステアリング電磁石を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のビーム輸送系。
7. 荷電粒子ビームを加速する加速器と、
   前記加速器から出射された前記荷電粒子ビームを照射位置へ輸送するビーム輸送系と、
   前記ビーム輸送系の下流側に配置され、前記荷電粒子ビームを所望の照射野を形成するように、照射対象に照射する粒子線照射装置と、を備え、
   前記ビーム輸送系は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のビーム輸送系であることを特徴とする粒子線治療装置。

Images