JP6053938B2 - 粒子線治療システム - Google Patents

Description

この発明は、粒子線を照射して癌の治療を行うなど粒子線を応用する粒子線治療システムに関するものである。

粒子線治療システムは、シンクロトロンなどの加速器によって加速された高エネルギー荷電粒子をビーム状の粒子線として加速器から取り出し、取り出した粒子線を真空ダクトおよび偏向電磁石などで構成される粒子線輸送部により治療室に輸送して、粒子線照射装置により患者の患部に照射する構成となっている。

粒子線治療システムは、これら、加速器、輸送部、治療室を配置する必要があるため、比較的広い面積を必要とする。設置面積を小さくするため、治療室を加速器とは異なる高さ、すなわち加速器とは異なるフロアに配置する構成が提案されている（例えば特許文献１、非特許文献１）

特許文献１では、加速器としてサイクロトロンを用い、加速器室の直上に治療室を配置して、加速器から出射される粒子線を垂直方向に偏向させる偏向電磁石により治療室に輸送する構成としている。また、治療室を２つ設け、それぞれの治療室にガントリ型の照射装置を放射状に配置している。この２つの照射装置への粒子線の切替は、電磁石を回転させる機構により実現している。

一方、非特許文献１では、加速器としてシンクロトロンを用い、特許文献１と同様、加速器室の直上に治療室を配置して、加速器から出射される粒子線を垂直方向に偏向させる偏向電磁石により治療室のフロアに輸送し、治療室のフロアにおいて、さらに粒子線を水平方向に偏向させる電磁石により偏向させて治療室に輸送する構成としている。治療室では、ガントリ型の照射装置を配置している。

特開２０１２−１００９１５号公報

三菱電機 ニュースリリース "小型陽子線治療装置を製品化"、インターネット（URL:http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2011/1012-b_zoom_02.html）

特許文献１に記載されている粒子線治療システムにおいては、ガントリ型の照射装置を放射状に配置しているため、例えば幅が限られた敷地に粒子線治療システムを配置することが困難になる場合がある。一般的に粒子線は円形加速器の出口で運動量分散関数を持ち，希望する場所で分散関数をゼロにするためには、これを考慮してビームラインを設計する必要がある。運動量分散関数がゼロでない場所では、ビームの運動量広がりにより、ビーム領域の増大やビーム分布の運動量との相関が生じる。また、ビームの中心運動量が時間変化する場合は、ビーム位置の時間変化が生じる。粒子線が患部に照射されるアイソセンタにて、ビーム領域を小さく、分布を均一にしつつ、ビームの位置変動を最小にするために、円形加速器の中間面(median plane)と平行な面内で偏向させて、中間面に平行な方向の運動量分散関数を無くす必要がある。しかしながら、特許文献１の粒子線治療システムでは、加速器中間面と平行な面内において、粒子線を偏向する構成とはなっていない。したがって、加速器中間面に平行な方向の運動量分散関数を無くすことができず、ビームサイズの増大、運動量に相関を持つビーム分布の偏りが生じ、位置変動が大きくなる恐れがあり、照射対象において所望の線量分布を形成することが難しくなる可能性がある。

一方、非特許文献１の粒子線治療システムにおいては、加速器中間面に平行な方向の運動量分散関数を無くすことができる。また、敷地が正方形に近い場所に設置する場合に適した構成である。しかしながら、治療室を配置するフロアにおいて偏向電磁石を配置する必要があるため、治療室を配置するフロアのスペース効率が悪い。

本発明は、上記のような従来の粒子線治療システムの問題点を解消するべく、円形加速器から出射される粒子線の運動量分散関数が存在する問題を解消しつつ、治療室を配置するフロアのスペース効率が高い粒子線治療システムを提供することを目的とする。

本発明は、粒子線を加速する円形加速器と、この円形加速器から出射された粒子線を輸送する粒子線輸送部と、この粒子線輸送部により輸送された粒子線を患者の患部に照射するための、円形加速器とは異なるフロアに設置された粒子線照射部とを備えた粒子線治療システムにおいて、粒子線輸送部は、加速器中間面と平行な方向に粒子線を偏向させる水平偏向電磁石と、この水平偏向電磁石によって進行方向を曲げられた粒子線を、加速器中間面と平行な方向とは異なる方向に偏向させる第一の垂直偏向電磁石と、この第一の垂直偏向電磁石によって進行方向を曲げられた粒子線を、加速器中間面と平行な方向に進行するように進行方向を曲げる第二の垂直偏向電磁石を備え、水平偏向電磁石を、粒子線照射部が設置されたフロアとは異なるフロアに設置したものである。

本発明によれば、円形加速器から出射される粒子線に運動量分散関数が存在する問題を解消しつつ、治療室を配置するフロアのスペース効率が高い粒子線治療システムを提供できる。

本発明の実施の形態１による粒子線治療システムの主要機器の配置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による粒子線治療システムの主要機器の配置を示す上面図である。 非特許文献１に記載された粒子線治療システムの回転ガントリが配置されているフロアの主要機器の配置を示す上面図である。 本発明の実施の形態２による粒子線治療システムの主要機器の配置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２による粒子線治療システムの円形加速器および水平偏向電磁石群が設置されているフロアの主要機器の配置を示す上面図である。 本発明の実施の形態２による粒子線治療システムの粒子線照射部である回転ガントリが設置されているフロアの主要機器の配置を示す上面図である。 本発明の実施の形態３による粒子線治療システムの主要機器の配置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３による粒子線治療システムの主要機器の配置を示す上面図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による粒子線治療システムの概略構成を示す斜視図である。図１では、粒子線治療システムの主要機器の配置のみを示している。粒子線治療システムは入射器１０、低エネルギー粒子線輸送部１１、シンクロトロンなどの円形加速器１２、高エネルギー粒子線輸送部５、回転ガントリ１５などのサブシステムから構成されている。

次に実施の形態１による粒子線治療システムの基本的な動作および構成を説明する。入射器１０のイオン源で発生したイオン（例えば水素イオン、炭素イオン）の集合である粒子線は、入射器１０の前段直線加速器によって予備加速を受け、所定の運動エネルギーにまで加速される。予備加速を受けた粒子線は入射器１０から、各種の電磁石が配置された低エネルギー粒子線輸送部１１を通り、円形加速器１２へと導かれる。図１では円形加速器としてシンクロトロンを図示している。円形加速器１２には、粒子線が円形加速器１２内で周回軌道を周回するように偏向電磁石、軌道補正用電磁石、収束または発散用四極電磁石などの各種の電磁石が配置されており、高周波加速空洞が形成する加速電場を繰り返し受ける。粒子線は高周波加速空洞の加速電場によって繰り返し加速され、その運動エネルギーが加速と共に高くなる。運動エネルギーが高くなるにつれ、粒子線の偏向などに必要な磁場強度が変化するため、円形加速器１２を構成する各種の電磁石などの機器は時間によって運転パラメータが変化する。円形加速器１２中の粒子線が所定の運動エネルギーにまで到達し、粒子線の取り出しが可能となったタイミングでビーム出射装置によって粒子線は高エネルギー粒子線輸送部５（単に粒子線輸送部５とも称する）へと送り出される。

円形加速器１２内で粒子線が周回軌道を周回する面を加速器中間面と呼ぶ。粒子線輸送部５は、偏向電磁石により粒子線の進行方向を変化させ、回転ガントリなど、患者の患部に粒子線を照射させるための粒子線照射部１５へ粒子線を輸送する。以後、粒子線照射部１５は、回転ガントリ１５として説明する。粒子線輸送部５では、水平偏向電磁石５０１、５０２、５０３、および加速器中間面と平行な方向以外の方向に粒子線を偏向させる第一の垂直偏向電磁石５５１と加速器中間面と平行な方向に戻す第二の垂直偏向電磁石５５２を備えている。粒子線が通過する部分は、粒子線が散乱しないように真空にする必要があり、粒子線輸送部５に内蔵された真空ダクト中を粒子が通過する。粒子線輸送部５には、その他、必要に応じて粒子線を収束あるいは発散させるための電磁石なども配置される。

以上のように、粒子線輸送部５に第一の垂直偏向電磁石５５１および第二の垂直偏向電磁石５５２を配置して、粒子線を円形加速器１２の加速器中間面とは異なる高さに輸送し、円形加速器１２が設置されているフロアとは異なるフロアに粒子線照射部を設けるようにしている。一方、水平偏向電磁石５０１、５０２、５０３は、全て円形加速器１２が設置されているフロアと同じフロアに設置されている。

本明細書では、加速器中間面と平行な面内で粒子線が進行している場合、粒子線の進行方向をＺ方向、Ｚ方向に垂直で、加速器中間面内あるいは加速器中間面と平行な面内の方向をＸ方向、Ｚ方向とＸ方向に垂直な方向をＹ方向として説明する。よって、Ｘ−Ｚ面は加速器中間面と平行な面であって水平面、Ｙ方向はこの面に垂直な方向、すなわち鉛直方向となる。シンクロトロン加速器などの円形加速器から出射される粒子線は、円形加速器の出口で、粒子線の進行方向に垂直な面内の方向に運動量分散関数を有する。アイソセンタで運動量分散関数をゼロにするためには、円形加速器出口の運動量分散関数を考慮して設計を行う必要がある。出射された粒子線がアイソセンタで運動量分散関数を有すると、アイソセンタ上でビーム位置が変動してしまうため、照射対象である患者の患部において所望の線量分布を形成することが難しくなる。粒子線をＸ方向、すなわち水平方向に偏向させることによりＸ方向の運動量分散関数がアイソセンタでゼロとなるようにすることが可能である。したがって、Ｘ方向の運動量分散関数を調整するために、粒子線を加速器中間面と平行な面内で偏向させる必要がある。すなわち、水平偏向電磁石５０１、５０２、５０３を加速器中間面と平行な面内に設置する必要がある。

本実施の形態１による粒子線治療システムでは、水平偏向電磁石５０１、５０２、５０３で構成される水平偏向電磁石群５０を全て円形加速器１２が設置されているフロアと同じフロア、すなわち粒子線照射部である回転ガントリ１５が設置されているフロアとは異なるフロアに設置している。図２に本発明の実施の形態１による粒子線治療システムの全体の上面図を示す。回転ガントリ１５は回転するため多くのスペースが必要となる。図２の回転ガントリ１５の構成部材１５１が１８０度回転すると、破線で示す構成部材１５２の配置となる。このため、回転ガントリとしては構成部材を回転させるための機構も含めると、少なくとも破線の長方形で示すスペースが必要となる。図２に示すように、回転ガントリ１５が設置される回転ガントリ室の上面図におけるスペースは、幅Ｗ１とＷ２の積算となる。たとえば、回転ガントリの回転軸を任意の角度（図２では４５度）で配置した場合、回転ガントリ室の寸法を決定する幅Ｗ１及びＷ２は、ほぼ回転ガントリ１５が占める幅で決定される。

これに対し、非特許文献１に記載された粒子線治療システムでは、水平偏向電磁石を回転ガントリが設置されているフロアと同じフロアに設けているため、円形加速器の直上に回転ガントリを配置し易いメリットはある。しかし、配置や調整の自由度の都合上、一般に水平偏向電磁石は複数個必要となる。従って、水平偏向電磁石は水平偏向電磁石群として設置する必要があり、この水平偏向電磁石群を設置する粒子線輸送部５のスペースが必要となる。このため、非特許文献１に記載された粒子線治療システムでは、回転ガントリ室の寸法は、回転ガントリが占めるスペースに、少なくとも水平偏向電磁石群で構成される部分のスペースを足し合わせたものが必要になる。

非特許文献１に記載された粒子線治療システムについて、本発明の実施の形態１による粒子線治療システムとの比較のため、回転ガントリが設置されているフロアの上面図を図３に示す。図３に示すように、回転ガントリ１５が占める領域に追加して水平偏向電磁石群で構成される部分の粒子線輸送部の寸法を加えた領域で回転ガントリ室の幅Ｗ１ｃ及びＷ２ｃが決定されるため、本発明の実施の形態１よりも広い回転ガントリ室が必要となる。このため、限られた延べ床面積が与えられた際に、本発明の粒子線治療システムは非特許文献１に記載された粒子線治療システムに比べて粒子線照射部である回転ガントリが存在するフロアの延べ床面積を回転ガントリ室以外の医療に用いる諸室に割り当てることができ、延べ床面積を有効活用することができる。

さらに、本発明の実施の形態１の粒子線治療システムにあっては、回転ガントリ１５を水平偏向電磁石群５０が設置されているフロアに投影した場合、水平偏向電磁石群５０を含む粒子線輸送部５と重なる位置に回転ガントリ１５を配置しており、一方向の幅がより狭い敷地に設置することが可能となる。実施の形態１では、図１における水平偏向電磁石５０１、５０２、５０３により構成される水平偏向電磁石群５０の後の第一の垂直偏向電磁石５５１へ入力される粒子線２０の進行方向と、回転ガントリ１５が配置されるフロアにおける第二の垂直偏向電磁石５５２から出力される粒子線２１の進行方向とが逆向きとなるようにしている。このため、粒子線照射部の、水平偏向電磁石が設置されているフロアへの投影が、水平偏向電磁石が設置されているフロアの粒子線輸送部と重なるようにできる。このようにして、本発明の実施の形態１の粒子線治療システムにあっては、回転ガントリ１５と粒子線輸送部５の全体とを含めた投影の幅Ｗ１が最小となるように配置することができ、一方向の幅がより狭い敷地に設置することが可能となる。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２による粒子線治療システムの主要機器の配置を示す斜視図である。本実施の形態２は、回転ガントリ１５および回転ガントリ１６の２台の回転ガントリを備えた粒子線治療システムの実施の形態である。本実施の形態２においても、水平偏向電磁石５０１、５０３、５０５、５１０により構成される水平偏向電磁石群５０は、回転ガントリとは異なるフロアに設置されている。ここで、水平偏向電磁石５１０は、粒子線を回転ガントリ１５と回転ガントリ１６のいずれかに輸送するように切り替える、分岐の機能も有している。

図５は、円形加速器１２や水平偏向電磁石群５０が設置されているフロアの上面図、図６は、回転ガントリ１５および回転ガントリ１６が設置されているフロアの上面図である。回転ガントリ１５は治療室３１に、回転ガントリ１６は治療室３２に設置されている。図５に示すように、回転ガントリ１５へ輸送する粒子線は、治療室３１の直下に配置された第一の垂直偏向電磁石５５１により上方に立ち上げて、図６に示す治療室３１の第二の垂直偏向電磁石５５２により回転ガントリ１５に導かれる。一方、回転ガントリ１６へ輸送する粒子線は、治療室３２の直下に配置された第一の垂直偏向電磁石５５３により上方に立ち上げて、治療室３２の第二の垂直偏向電磁石５５４により回転ガントリ１６に導かれる。

本実施の形態２による粒子線治療システムにあっても、水平偏向電磁石群５０を回転ガントリとは異なるフロアに設置したため、実施の形態１と同様に回転ガントリ室部分の寸法を最小とすることができる。また、回転ガントリ１５および回転ガントリ１６を水平偏向電磁石群５０のフロアに投影した場合、水平偏向電磁石群５０を含む粒子線輸送部５と重なる位置であっても回転ガントリ１５および回転ガントリ１６を配置できる。このため、図４に示すシステム全体の投影の幅をほぼ回転ガントリ１５および回転ガントリ１６が占める幅と同じ幅にすることができ。図５および図６に示すように細長い敷地に、粒子線治療システム全体を収めることができる。

実施の形態３．
図７は本発明の実施の形態３による粒子線治療システムの主要機器の配置を示す斜視図である。実施の形態１および実施の形態２では、水平偏向電磁石群５０の後の第一の垂直偏向電磁石５５１へ向かう粒子線２０の方向と、回転ガントリ１５が配置されるフロアにおける第二の垂直偏向電磁石５５２から回転ガントリ１５に向かう粒子線２１の方向とが逆向きとなるようにした。しかし、必ずしもこのような構成とする必要はなく、図７に示すように回転ガントリ１５が配置されるフロアにおける第二の垂直偏向電磁石５５２から回転ガントリ１５に向かう粒子線２１の方向が実施の形態１及び２と逆向きとなるようにしてもよい。また、第二の垂直偏向電磁石５５２から回転ガントリ１５に向かう粒子線２１の向きは、第一の垂直偏向電磁石５５１へ向かう粒子線２０の方向に対して逆向きに限らず、任意の方向でもよい。図８は図７の上面図である。図８に示すように、この場合も実施の形態１と同様に、回転ガントリ室が占めるスペースがＷ１×Ｗ２となり、粒子線照射部が存在するフロアの延べ床面積を回転ガントリ室以外の医療に用いる諸室に割り当てることができ、延べ床面積を有効活用することができる。

５ 粒子線輸送部、１２ 円形加速器、
１５、１６ 回転ガントリ（粒子線照射部）、
５０ 水平偏向電磁石群、
５０１、５０２、５０３、５０５、５１０ 水平偏向電磁石、
５５１、５５３ 第一の垂直偏向電磁石、
５５２、５５４ 第二の垂直偏向電磁石

Claims (6)

1. 粒子線を加速する円形加速器と、この円形加速器から出射された粒子線を輸送する粒子線輸送部と、この粒子線輸送部により輸送された粒子線を患者の患部に照射するための、前記円形加速器とは異なるフロアに設置された粒子線照射部とを備えた粒子線治療システムにおいて、
   前記粒子線輸送部は前記円形加速器の加速器中間面と平行な方向に前記粒子線を偏向させる水平偏向電磁石と、この水平偏向電磁石によって進行方向を曲げられた前記粒子線を前記加速器中間面と平行な方向とは異なる方向に偏向させる第一の垂直偏向電磁石と、この第一の垂直偏向電磁石によって進行方向を曲げられた前記粒子線を前記加速器中間面と平行な方向に進行するように進行方向を曲げる第二の垂直偏向電磁石とを備え、前記水平偏向電磁石を、前記粒子線照射部が設置されたフロアとは異なるフロアに設置したことを特徴とする粒子線治療システム。
2. 前記粒子線照射部の、上方から前記水平偏向電磁石が設置されているフロアへの投影が、前記水平偏向電磁石が設置されているフロアの前記粒子線輸送部と重なることを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療システム。
3. 前記粒子線照射部は、回転ガントリを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の粒子線治療システム。
4. 前記水平偏向電磁石は複数の偏向電磁石で構成され、前記水平偏向電磁石を全て前記粒子線照射部が設置されたフロアとは異なるフロアに設置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子線治療システム。
5. 前記粒子線照射部が複数設置され、前記複数の偏向電磁石で構成された水平偏向電磁石のうちの少なくとも一つの偏向電磁石が、粒子線を２方向に分岐する機能を有することを特徴とする請求項４に記載の粒子線治療システム。
6. 前記第一の垂直偏向電磁石に入力される粒子線の進行方向と前記第二の垂直偏向電磁石から出力される粒子線の進行方向とが逆向きであることを特徴とする請求項１〜５のいず
   れか１項に記載の粒子線治療システム。

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