JP6022045B2 - 荷電粒子ビームをパケット化する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念記載の荷電粒子ビームをパケット化する方法、請求項７の上位概念記載の荷電粒子ビームをパケット化する装置、及び、請求項８記載の粒子ビーム治療装置に関する。

加速される荷電粒子、例えば電子もしくはプロトンは、技術及び経済及び医療に関する多様な目的のために利用される。こうした粒子を粒子源で形成し、粒子加速器によって加速することが知られている。

粒子源は、連続する荷電粒子ビームを形成することが多い。ただし、粒子加速器のなかには、例えばＲＦリニア加速器のように、連続する粒子ビームの加速には適さないものも存在する。したがって、パケット化装置（バンチャー）により、粒子ビームをパケット化する（バンチングする）、つまり、離散的な複数の粒子束へ分割する必要がある。

従来技術、例えばＵＳ５７１９４７８からは、連続する粒子ビームをパケット化する種々のパケット化装置が公知である。ただし、公知のパケット化装置は、ビーム流が小さく空間分布によってパケット化過程を制御できないため、理想的なパケット化を行えないという欠点を有する。

したがって、本発明の課題は、荷電粒子ビームをパケット化する方法を改善することである。この課題は請求項１記載の特徴を有する方法により解決される。また、本発明の課題は、荷電粒子ビームをパケット化する装置を改善することである。この課題は請求項７記載の特徴を有する装置により解決される。さらに、本発明の課題は、粒子ビーム治療装置を提供することである。この課題は、請求項８記載の特徴を有する粒子ビーム治療装置により解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項から得られる。

本発明の荷電粒子ビームをパケット化する方法では、粒子は装置の電界を通過する。本発明の装置は、第１の外側電極と、第２の外側電極と、ビーム方向で見て第１の外側電極と第２の外側電極との間に配置されたリング状の中央電極とを有する。中央電極には時間依存性の電圧信号が印加される。ここで、電圧信号の電気的特性は、装置内に存在する粒子が位置依存性の速度変化を有し、この速度変化の特性がビーム方向で見て近似的に鋸歯波状となるように選定される。ビーム方向で見て鋸歯波状に粒子が速度変化することにより、部分的なパケット化の際にも完全なパケット化の際にも、良好な粒子束特性を有する高品質のパケット化が達成されるので有利である。

本発明の方法の有利な実施形態では、電圧信号は近似的に三角波状の時間特性を有する。これは、ビーム方向で見て近似的に鋸歯波状の特性を有する速度変化を得るのに適切な手段であるので有利である。

本発明の別の実施形態では、第１の外側電極と中央電極との間に第１の空隙が形成され、中央電極と第２の外側電極との間に第２の空隙が形成される。ここで、第１の空隙の中心と第２の空隙との中心との相互間には固定の空隙距離が形成される。また、電圧信号は所定の励起周波数を有し、粒子は装置を通過する前に設定速度を有する。ここで、当該励起周波数と当該設定速度との商として粒子束距離が生じる。励起周波数は、位置依存性の速度変化の複数のフーリエ成分のうち小さい方から少なくとも３つのフーリエ成分がゼロとは異なるように選定される。このようにすれば、速度変化の特性がビーム方向で見て鋸歯波状に良好に近似するので有利である。

本発明の方法の別の実施形態では、粒子束距離が空隙距離の４倍の大きさとなるように、励起周波数が選定される。これにより、小さい方から少なくとも３つのフーリエ成分がゼロとは異なる値を取るので有利である。

本発明の方法の別の実施形態では、粒子は非相対的速度を有する。

本発明の方法の別の実施形態では、外側電極はアースされる。このようにすると、外側電極と中央電極との間の電位差が得られるので有利である。

また、本発明の荷電粒子ビームをパケット化する装置は、第１の外側電極と、第２の外側電極と、ビーム方向で見て第１の外側電極と第２の外側電極との間に配置されたリング状の中央電極とを有している。ここで、第１の外側電極と中央電極との間には第１の空隙が形成されており、中央電極と第２の外側電極との間には第２の空隙が形成されている。第１の空隙の中心と第２の空隙の中心との相互間には固定の空隙距離が存在する。さらに、本発明の装置は、上述した方法にしたがって作動されるように構成されている。有利には、本発明の装置は、粒子ビームを、良好な粒子束特性を有する複数の粒子束に分割することができる。

本発明は、さらに、上述した装置を備えた粒子ビーム治療装置に関する。これにより有利には、荷電粒子束を利用した粒子ビーム治療を行うことができる。

上述した本発明の特性乃至特徴及び利点、並びに、これらを達成するための種々の態様をいっそう理解しやすくするために、以下に、図示の実施例に則して詳細に説明する。

粒子ビーム治療装置の概略的なブロック図である。 パケット化のスキーマを示す概略図である。 パケット化装置の概略図である。 パケット化装置内の軸方向の電界分布を示す概略図である。 理想的な電界分布でのケースを示す概略図である。 実際の電界分布でのケースを示す概略図である。 第１のフーリエ分解を示す図である。 第２のフーリエ分解を示す図である。 最適化された電界分布でのケースを示す図である。

図１には、粒子ビーム治療装置１００の概略的なブロック図が示されている。ただし、粒子ビーム治療装置１００は、本発明のパケット化装置を利用可能な機器の一例である。本発明のパケット化装置は種々の別の機器においても利用可能である。

粒子ビーム治療装置１００は患者に対する粒子ビーム治療を行うために用いられる。粒子ビーム治療では、患者の患部位置に荷電粒子が照射される。荷電粒子は例えばプロトンである。

粒子ビーム治療装置１００は、荷電粒子の粒子ビーム１１５をビーム方向１０１へ出力するイオン源１１０を含む。イオン源１１０は例えばプロトン源であってよい。イオン源１１０は例えば１０ｋｅＶから２０ｋｅＶまでのエネルギを有する粒子を形成できる。粒子はイオン源１１０からビーム方向１０１で連続する粒子ビーム１１５として出力される。

粒子ビーム治療装置１００は、ビーム方向１０１で見てイオン源１１０の後方に、パケット化装置１２０を有する。パケット化装置１２０は、連続する粒子ビーム１１５を一連の離散的な粒子束１２５へ分割するように構成されている。パケット化装置１２０はバンチャーとも称される。また、粒子ビーム１１５を複数の粒子束１２５へ分割するパケット化はバンチングとも称される。各粒子束１２５はパケット化装置１２０からそれぞれ同じビーム方向１０１へ出力される。

また、粒子ビーム治療装置１００は、ビーム方向１０１で見てパケット化装置１２０の後方に、偏向装置１３０を有する。偏向装置１３０は、ビーム方向１０１に対して個々の粒子束１２５を偏向するために用いられる。ビーム方向１０１で見て偏向装置１３０の後方には絞り１４０が配置されている。偏向装置１３０によって各粒子束１２５がビーム方向１０１から偏向される強さに応じて、粒子束１２５は絞り１４０を完全に通過するか又は部分的にのみ通過するか又は全く通過しない。このように、偏向装置１３０と絞り１４０とが組み合わされて、個々の粒子束１２５の選択的なフィルタリング及び／又は希薄化を行うことができる。

さらに、粒子ビーム治療装置１００は、ビーム方向１０１で見て絞り１４０の後方に、粒子加速器１５０を有する。粒子加速器１５０は、例えばリニア加速器、有利にはＲＦリニア加速器である。粒子加速器１５０は、粒子束１２５を、例えば８０ＭｅＶから２５０ＭｅＶまでのより高い力学的エネルギへ加速するために用いられる。

図２にはパケット化のスキーマ２００が概略図として示されており、これに則してパケット化装置１２０によって行われるパケット化を説明する。

連続する粒子ビーム１１５は、ビーム方向１０１でパケット化装置１２０へ入射する。粒子ビーム１１５はパケット化装置１２０によって複数の粒子束１２５へ分割される。各粒子束の中心どうしは、ビーム方向１０１で見て、所定の粒子束距離２１０だけ離れている。この場合、粒子束距離２１０は、ビーム方向１０１で見たパケット化装置１２０の長さに対応していなくてもよい。

パケット化はパケット化装置１２０の内部で有効な電界によって行われ、これにより、ビーム方向１０１で見た粒子ビーム１１５の粒子速度が制御される。各粒子束１２５の前方（先頭付近）の粒子はその相対速度２３０が低くなるように減速され、各粒子束１２５の後方の粒子はその相対速度２２０が高くなるように加速される。粒子の相対速度２２０，２３０の減速又は加速の度合が大きくなるにつれ、各粒子束１２５の中心間の距離も増大する。

粒子がビーム方向１０１へさらに移動する間、各粒子束１２５のビーム方向１０１後方に存在する粒子は、相対速度２２０が増大されるため、前方の粒子に徐々に追いついていく。逆に、各粒子束１２５の前方の粒子は、ビーム方向１０１での移動中、相対速度２３０が低減されるため、他の粒子に追いつかれる。こうして、粒子束１２５のビーム方向１０１で見たパケット化度が増大し、ビーム方向１０１の所定の点で最大値に達する。当該所定点を過ぎた後も、粒子束１２５はビーム方向１０１でさらに移動するが、再び分散していく。粒子ビーム治療装置１００では、粒子束１２５のパケット化度が最大値を有する点は、例えば、絞り１４０の位置又は粒子加速器１５０の入力部の位置に一致するように定められる。

図３には、パケット化装置１２０の概略断面図が示されている。パケット化装置１２０は、第１の外側電極３１０及び中央電極３３０及び第２の外側電極３２０を、ビーム方向１０１で見て相前後するように有する。各電極３１０，３３０，３２０はそれぞれ中空円筒状又はチューブ状に構成されている。中央電極３３０は、ビーム方向１０１で見て、外側電極３１０，３２０より短い。また、中央電極３３０はリング状電極とも称される。粒子ビーム１１５はチューブ状の各電極３１０，３３０，３２０の長手軸線に沿ってこれらの内部を走行する。

第１の外側電極３１０と中央電極３３０との間には第１の空隙３１５が形成されており、中央電極３３０と第２の外側電極３２０との間には第２の空隙３２５が形成されている。空隙３１５，３２５は各電極３１０，３３０，３２０を相互に電気的に分離している。空隙３１５，３２５の中心相互間には、ビーム方向１０１で見て所定の空隙距離３４０が存在している。なお、中央電極３３０のビーム方向１０１の中心は、パケット化装置１２０のセンタ３３５となっている。

パケット化装置１２０の動作中、時間依存性の電圧が中央電極３３０と外側電極３１０，３２０との間に印加される。外側電極３１０，３２０は有利には共通の電位に置かれる。外側電極３１０，３２０は例えばアースされる。中央電極３３０と外側電極３１０，３２０との間の電位差により、所定の電界が形成される。当該電界の等電位線３５０が図３に概略的に示されている。

パケット化装置１２０の電極３１０，３２０，３３０の中心軸線（長手軸線）に沿って、ビーム方向１０１での電界分布がガウス関数により近似的に記述される。これは、軸方向の電界分布４００として図４に概略的に示されている。図４のグラフの横軸にはパケット化装置１２０のセンタ３３５を中心としたビーム方向１０１の範囲が記されており、図４のグラフの縦軸にはビーム方向１０１での電界強度４０１が記されている。ガウス近似４１０は、ビーム方向１０１の電界強度の特性に近似する。電界強度の分布特性は各空隙３１５，３２５でガウス状となっている。したがって、２つのガウス関数はそれぞれ空隙距離３４０を有する。

時間依存性の電圧がパケット化装置１２０の中央電極３３０に印加される場合、図４に概略的に示されているビーム方向１０１（ｚ）での電界分布Ｅ（ｚ）は、中央電極３３０に印加される電圧から生じる時間依存性の電界Ｓ（ｔ）によって変調されている。つまり、ビーム方向１０１での瞬時電界Ｅ_Ｚは、軸方向の電界成分Ｅ（ｚ）と時間依存性の電界Ｓ（ｔ）との積として生じるので、
Ｅ_Ｚ（ｚ，ｔ）＝Ｅ（ｚ）Ｓ（ｔ）
となる。

ビーム方向１０１でパケット化装置１２０へ入射する粒子ビーム１１５の粒子は、瞬時電界Ｅ_Ｚとその電荷量ｑとに比例するビーム方向１０１の力を受ける。ここから、速度変化

が得られ、これは、軸方向の電界分布Ｅ（ｚ）及びＳ（ｔ）の畳み込みに比例する。ここで、ビーム方向１０１でのｚ位置と、粒子ビーム１１５の粒子速度ｖと、時間ｔとは、粒子束位置ｗ＝ｚ−ｖｔの関係を有する。ｍは粒子の質量を表している。

最も有利なのは、畳み込み、ひいては、粒子ビーム１１５の粒子のビーム方向１０１での速度変化が鋸歯波状となることである。この場合、速度変化が大きくなるにつれて、或る粒子が各粒子束１２５の中心からより遠ざかっていく。図５には、相応の電界分布５００で得られる粒子ビーム１１５の粒子の速度変化が概略的なグラフとして示されている。グラフの横軸にはビーム方向１０１での粒子束位置ｗが記されており、縦軸５０１には粒子ビーム１１５の粒子の相対速度変化が記されている。近似的な鋸歯波関数５１０は、最適な粒子束特性でのパケット化を達成するために粒子ビーム１１５の粒子が有するべき、ほぼ理想的な相対速度変化を表している。

ただし、実際には、図５の鋸歯波関数を達成するのは困難である。図６には、実際の電界分布６００で得られる種々の特性が概略的なグラフとして示されている。グラフの横軸にはビーム方向１０１でのｚ位置及びビーム方向１０１での粒子束位置ｗ及び粒子ビーム１１５の粒子が時間ｖｔで走行するビーム方向１０１の距離６０１が記されている。図示されているのは、軸方向の電界特性Ｅ（ｚ）のガウス近似４１０である。また、パケット化装置１２０の中央電極３３０に印加される電圧信号６１０の時間特性も示されている。電圧信号６１０は三角波状の時間特性を有する。さらに、図６には、粒子ビーム１１５の粒子に生じる速度変化６２０も示されている。ここでは、電圧信号６１０の時間特性が三角波状であるにもかかわらず、速度変化６２０は正弦波状の特性を有することがわかる。つまり、速度変化６２０は近似的に鋸歯波状の特性を示さない。

このことは、フーリエ係数を考察することにより説明できる。

ここで、ｔ２は空隙距離３４０であり、ｔ１はガウス近似４１０のガウスパルスの幅であり、ｎはフーリエ係数の次数であり、λは粒子速度ｖと電圧信号Ｓ（ｔ）の励起周波数ｆとの商として得られる粒子束距離２１０である。

図７には、第１のフーリエ分解７００として、空隙距離３４０が一定すなわちｔ２＝４．６である場合の、粒子束距離２１０に依存する最初の５つのフーリエ係数が示されている。図７のグラフの横軸には粒子束距離２１０（λ）が記されており、縦軸７０１にはそれぞれのフーリエ係数の振幅が記されている。図示の各曲線は、第１のフーリエ係数７１０の特性、第２のフーリエ係数７２０の特性、第３のフーリエ係数７３０の特性、第４のフーリエ係数７４０の特性、及び、第５のフーリエ係数７５０の特性を表している。

図７では、第１の粒子束距離７６０すなわちλ＝９．２＝２ｔ２がマークされている。これは、図６のグラフで使用されているパラメータである。ここでは、第１の粒子束距離７６０において、全ての整数のフーリエ係数７２０，７４０すなわち全ての高調波がフィルタリング除去されることが示されている。これは、図６の速度変化６２０の正弦特性の理由である。

図８には、第２のフーリエ分解８００が示されている。図の横軸には、空隙距離３４０（ｔ２）が記されている。粒子束距離２１０はλ＝９．２である。図の縦軸８０１にはフーリエ係数の振幅が記されている。図の各曲線は、第１のフーリエ係数８１０の特性、第２のフーリエ係数８２０の特性、第３のフーリエ係数８３０の特性、第４のフーリエ係数８４０の特性、及び、第５のフーリエ係数８５０の特性を表している。また、この図では、第１の空隙距離８６０の値ｔ２＝２．３と、図７のグラフで用いられている第２の空隙距離８７０の値ｔ２＝４．６＝１／２λとがマークされている。第２の空隙距離８７０では、図７に関連して説明したように、第２のフーリエ係数８２０と第４のフーリエ係数８４０とがフィルタリング除去される。対して、第１の空隙距離８６０が低減されており値ｔ２＝２．３＝１／４λである場合、最初の３つのフーリエ係数８１０，８２０，８３０がゼロとは異なる振幅を有する。粒子束距離２１０が空隙距離３４０の４倍の大きさに選定される場合、少なくとも最初の３つのフーリエ係数８１０，８２０，８３０がゼロとは異なる振幅を有する。

図９には、最適化された電界分布９００に対する粒子ビーム１１５の粒子の相対速度変化のグラフが示されている。グラフの横軸にはビーム方向１０１が記されており、縦軸９０１には粒子ビーム１１５の粒子の相対速度変化が記されている。鋸歯波関数の第１の近似９１０は、上述した通り、少なくとも最初の３つのフーリエ係数がゼロとは異なる振幅を有するように空隙距離３４０及び粒子束距離２１０が選定される場合に得られる。個々のフーリエ係数の振幅が付加的に最適化される場合、鋸歯波関数にいっそう強く近似する第２の近似９２０が得られる。

本発明を有利な実施例に則して詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲から離れることなく、他の実施態様を導出することも可能である。

Claims (11)

1. 荷電粒子ビーム（１１５）をパケット化する方法であって、
   第１の外側電極（３１０）と、第２の外側電極（３２０）と、ビーム方向（１０１）で見て前記第１の外側電極（３１０）と前記第２の外側電極（３２０）との間に配置されたリング状の中央電極（３３０）とを有する装置（１２０）が設けられており、
   前記粒子が前記装置（１２０）の電界を通過する、方法において、
   時間依存性の電圧信号（６１０）が前記中央電極（３３０）に印加され、
   前記装置（１２０）内に存在する粒子が位置依存性の速度変化（５１０，９１０，９２０）を有し、前記速度変化（５１０，９１０，９２０）の特性が前記ビーム方向（１０１）で見て近似的に鋸歯波状となるように、前記電圧信号（６１０）の時間特性が選定される、方法において、
   前記第１の外側電極（３１０）と前記中央電極（３３０）との間に第１の空隙（３１５）が形成されており、前記中央電極（３３０）と前記第２の外側電極（３２０）との間に第２の空隙（３２５）が形成されており、
   前記第１の空隙（３１５）の中心と前記第２の空隙（３２５）の中心との相互間に所定の空隙距離（３４０，８６０，８７０）が存在しており、
   前記電圧信号（６１０）は所定の励起周波数を有しており、
   前記粒子は前記装置（１２０）を通過する前に設定速度を有しており、
   粒子束距離（２１０，７６０）が前記励起周波数と前記設定速度との商として定められ、
   前記位置依存性の速度変化（５１０，９１０，９２０）の複数のフーリエ成分のうち小さい方から少なくとも３つのフーリエ成分（８１０，８２０，８３０）がゼロとは異なるように、前記励起周波数が選定される、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記電圧信号（６１０）は近似的に三角波状の時間特性を有する、
   請求項１記載の方法。
3. 前記粒子束距離（２１０，７６０）が前記空隙距離（３４０，８６０）の４倍の大きさとなるように、前記励起周波数が選定される、
   請求項１記載の方法。
4. 前記粒子は非相対的速度を有する、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記外側電極（３１０，３２０）の双方ともアースされる、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 荷電粒子ビーム（１１５）をパケット化する装置（１２０）であって、
   前記装置（１２０）は、第１の外側電極（３１０）と、第２の外側電極（３２０）と、ビーム方向（１０１）で見て前記第１の外側電極（３１０）と前記第２の外側電極（３２０）との間に配置されたリング状の中央電極（３３０）とを有しており、
   前記第１の外側電極（３１０）と前記中央電極（３３０）との間に第１の空隙（３１５）が形成されており、前記中央電極（３３０）と前記第２の外側電極（３２０）との間に第２の空隙（３２５）が形成されており、
   前記第１の空隙（３１５）の中心と前記第２の空隙（３２５）の中心との相互間に固定の空隙距離（３４０，８６０，８７０）が存在する、装置（１２０）において、
   前記粒子が前記装置（１２０）の電界を通過する時に、時間依存性の電圧信号（６１０）が前記中央電極（３３０）に印加され、
   前記装置（１２０）内に存在する粒子が位置依存性の速度変化（５１０，９１０，９２０）を有し、前記速度変化（５１０，９１０，９２０）の特性が前記ビーム方向（１０１）で見て近似的に鋸歯波状となるように、前記電圧信号（６１０）の時間特性が選定される、装置（１２０）において、
   前記電圧信号（６１０）は所定の励起周波数を有しており、
   前記粒子は前記装置（１２０）を通過する前に設定速度を有しており、
   粒子束距離（２１０，７６０）が前記励起周波数と前記設定速度との商として定められ、
   前記位置依存性の速度変化（５１０，９１０，９２０）の複数のフーリエ成分のうち小さい方から少なくとも３つのフーリエ成分（８１０，８２０，８３０）がゼロとは異なるように、前記励起周波数が選定される、
   ことを特徴とする装置（１２０）。
7. 前記電圧信号（６１０）は近似的に三角波状の時間特性を有する、
   請求項６記載の装置。
8. 前記粒子束距離（２１０，７６０）が前記空隙距離（３４０，８６０）の４倍の大きさとなるように、前記励起周波数が選定される、
   請求項６記載の装置。
9. 前記粒子は非相対的速度を有する、
   請求項６から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 前記外側電極（３１０，３２０）の双方ともアースされている、
    請求項６から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 請求項６から１０までのいずれか１項記載の装置（１２０）を備えた粒子ビーム治療装置（１００）。

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