JP6243263B2 - 荷電粒子線治療装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線治療装置に関する。

特許文献１は、荷電粒子線（ラインスキャニングビーム）を照射する照射部と、当該荷電粒子線を走査する走査電磁石と、走査電磁石の動作を制御する制御部とを備える荷電粒子線治療装置を開示している。

特開２０１１−１９１１８４号公報

上記のような荷電粒子線治療装置は、所定のラインに沿って走査しながら（スキャンしながら）荷電粒子線を照射対象に照射する。照射対象に照射される荷電粒子線の線量は全体として均一であることが望まれているが、荷電粒子線の走査の際に荷電粒子線の照射線量が変動すると、照射対象に照射された荷電粒子線の線量にむらが生じてしまう。

荷電粒子線の照射線量の変動に応じて、イオン源内で生ずるアークの発生量を制御し、イオン源から出射されるイオン（荷電粒子）の量を調整することも考えられる。しかしながら、イオン源内におけるプラズマの濃度を高精度に且つ応答性よく制御することは、困難である。

そこで、本開示は、走査に際して荷電粒子線の照射線量の変動を抑制することが可能な荷電粒子線治療装置を説明する。

本開示の一つの観点に係る荷電粒子線治療装置は、荷電粒子を所定の軌道面に沿って旋回させつつ加速させるサイクロトロンと、サイクロトロンから出射された荷電粒子線を走査しつつ被照射体に対して照射する照射部と、サイクロトロンから出射された荷電粒子線の線量を測定する測定部と、サイクロトロンの動作を制御する制御部とを備え、サイクロトロンは、間を通過する荷電粒子の軌道を変更させることによりサイクロトロンからの荷電粒子線のオンオフを切り替えることが可能な一対のチョッパ電極と、一対のチョッパ電極に電圧を印加する電源とを有し、制御部は、測定部によって測定された線量に基づいて、一対のチョッパ電極の少なくとも一方における電圧の大きさを制御する。

本開示の一つの観点に係る荷電粒子線治療装置では、測定部によって測定された線量に基づいて、制御部が、一対のチョッパ電極の少なくとも一方における電圧の大きさを制御する。そのため、測定部によって測定された線量に変動が生じた場合には、高精度に且つ応答性よく一対のチョッパ電極の少なくとも一方における電圧の大きさが変更される。これにより、一対のチョッパ電極間における電場が変化するので、一対のチョッパ電極間を通過する荷電粒子の軌道が変更される。従って、サイクロトロン内における荷電粒子の軌道が変化することに伴い、サイクロトロンから出射された荷電粒子線の線量も変化する。よって、走査に際して荷電粒子線の照射線量の変動を抑制することが可能となる。

一対のチョッパ電極は、軌道面を間において位置するようにサイクロトロン内に配置されていてもよい。この場合、チョッパ電極が軌道面に交差しないので、サイクロトロン内における荷電粒子の移動がチョッパ電極によって妨げられることが防がれる。

制御部は、測定部によって測定された線量に基づいて、一対のチョッパ電極間における電圧の差を制御してもよい。この場合、荷電粒子線の照射線量の変動をより高精度に且つ応答性よく抑制することができる。

本開示の一つの観点に係る荷電粒子線治療装置は、電源とチョッパ電極との間に配置されたスイッチをさらに備え、制御部はスイッチのオンオフを制御してもよい。この場合、荷電粒子線の照射線量の変動をさらに高精度に且つ応答性よく抑制することができる。

制御部は、スイッチのオンオフのデューティ比を制御してもよい。

本開示に係る荷電粒子線治療装置によれば、走査に際して荷電粒子線の照射線量の変動を抑制することが可能となる。

図１は、荷電粒子線治療装置を示す斜視図である。 図２は、荷電粒子線治療装置の構成を概略的に示す図である。 図３は、サイクロトロンの断面を概略的に示す図である。 図４は、サイクロトロンの内部を上方から見た様子を概略的に示す図である。 図５は、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御を説明するための機能ブロック図である。 図６は、時間に対する照射線量の変動を一例として示す図である。

本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

荷電粒子線治療装置１は、図１及び２に示されるように、イオン源装置２と、サイクロトロン１００と、ビーム輸送部３と、回転ガントリ５２と、照射ノズル８（照射部）とを備える。サイクロトロン１００は、イオン源装置２で生成された荷電粒子を加速して、荷電粒子線Ｒを作り出す加速器である。荷電粒子線Ｒは、電荷をもった粒子を高速に加速したものである。荷電粒子線Ｒとしては、例えば陽子線、重粒子（重イオン）線、電子線等が挙げられる。

サイクロトロン１００から出射された荷電粒子線Ｒは、ビーム輸送部３を通り、治療台５１上の患者５０に照射される。ビーム輸送部３の周囲には、上流側（サイクロトロン１００側）から下流側（治療台５１側）に向かって、四極電磁石４と、ビーム位置モニタ６と、四極電磁石４と、走査電磁石５，５と、線量測定装置１０とが設けられている。四極電磁石４、ビーム位置モニタ６、四極電磁石４、走査電磁石５，５、及び線量測定装置１０は、ビーム輸送部３と共に、照射ノズル８（照射部）内に収容されている。

図１に示されるように、照射ノズル８は、治療台５１を取り囲むように設けられた回転ガントリ５２に取り付けられている。照射ノズル８は、回転ガントリ１２によって治療台５１の周りを回転可能である。照射ノズル８は、治療台５１に寝かされた患者５０（図２参照）の体内に存在する腫瘍ＴＵ（図２参照）などの被照射体に対して、荷電粒子線Ｒを照射する。

四極電磁石４は、サイクロトロン１００からビーム輸送部３に出射された荷電粒子線Ｒが発散するのを抑え且つ収束させる。

走査電磁石５は、荷電粒子線ＲをＸ軸方向とＹ軸方向に走査する。そのため、照射ノズル８の先端部８ａからは、スキャニング方式により、患者５０の体内に存在する腫瘍ＴＵに向けて、荷電粒子線Ｒが所定の照射ラインに沿って連続照射される。より具体的には、腫瘍ＴＵを深さ方向（照射方向）において複数層に分けた場合に、荷電粒子線Ｒは、腫瘍ＴＵの各層に設定された照射野内において走査電磁石５により走査されつつ連続照射（いわゆるラスタースキャニングやラインスキャニング）される。荷電粒子線Ｒは、スキャニング方式で用いられるペンシルビームである。

ビーム位置モニタ６は、荷電粒子線ＲのＸ軸方向とＹ軸方向の照射位置を検出する。線量測定装置１０は、治療台５１上の患者５０に照射される荷電粒子線Ｒの線量及び線量分布を測定する。

荷電粒子線治療装置１は、制御部Ｃを備える。制御部Ｃは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する電子制御ユニットであり、荷電粒子線治療装置１を総合的に制御する。

続いて、サイクロトロン１００の構成について、図３〜図５を参照しつつ説明する。サイクロトロン１００は、図３に示されるように、コア１１０と、コイル１１２と、高周波発生装置１１４とを備える。コア１１０は、互いに対向して主磁場を形成する一対の上ポール部１１０ａ及び下ポール部１１０ｂと、上ポール部１１０ａ及び下ポール部１１０ｂを磁気的に接続するヨーク部１１０ｃとを有する。上ポール部１１０ａ及び下ポール部１１０ｂは、内部が真空にされた真空箱（図示せず）内に位置している。

イオン源装置２で生成された荷電粒子が導管２ａを通じてサイクロトロン１００の中心部に到達すると、導管２ａの先端部に位置するインフレクタ２ｂによってその向きが上下方向から水平方向に屈曲される。次に、コア１１０及びコイル１１２が形成する磁場により、荷電粒子は、所定の軌道面（メディアンプレーン）に沿って円軌道（サイクロトロン１００の中心部から外側に向かう渦巻き状の軌道）Ｔを描きながら旋回しつつ加速される（図４参照）。すなわち、真空箱内で、且つ、上ポール部１１０ａと下ポール部１１０ｂとの間の領域は、荷電粒子の加速空間Ｓ（図３参照）として機能する。その後、荷電粒子の軌道Ｔがデフレクタ１１６や磁気チャンネル１１８によって微調整され、ビーム出口１２０を介して出射された荷電粒子線Ｒがビーム輸送部３に導入される（図４参照）。なお、イオン源装置２がサイクロトロン１００の内部に配置されていてもよい。この場合、インフレクタ２ｂ等は不要である。

図３に戻って、コイル１１２は、主磁場を形成するために用いられる。コイル１１２は、上ポール部１１０ａの外周を囲むように配置された第１の部分と、下ポール部１１０ｂの外周を囲むように配置された第２の部分とを含む。第１及び第２の部分は、電気的に直列に接続されている。

高周波発生装置１１４は、例えば扇形状を呈する一対のディー電極１１４ａと、一対のチョッパ電極１１４ｂとを有する。一対のディー電極１１４ａ及び一対のチョッパ電極１１４ｂはいずれも、上ポール部１１０ａと下ポール部１１０ｂとの間、すなわち加速空間Ｓ内に配置されている。一対のディー電極１１４ａは、軌道面を間において位置するように対向している。一対のチョッパ電極１１４ｂは、軌道面を間において位置するように対向していると共に、軌道面に垂直な方向から見て一対のディー電極１１４ａの間に位置している（図３及び図４参照）。

ディー電極１１４ａは、高周波電源（図示せず）に接続されている。高周波電源は、ディー電極１１４ａに高周波の電力を供給して、ディー電極１１４ａの間に一定の周期で電場の周期が入れ替わる交流電場（高周波電場）を発生させる。荷電粒子がディー電極１１４ａ間を通過するタイミングと高周波電場の周期とを同期させることにより、ディー電極１１４ａを通過するごとに荷電粒子が加速される。

図５に示されるように、各チョッパ電極１１４ｂにはそれぞれ、電源１１４ｃが接続されている。１台の電源１１４ｃが各チョッパ電極１１４ｂに接続されていてもよい。電源１１４ｃは、例えば５ｋＶの電圧を各チョッパ電極１１４ｂに印加する。電源１１４ｃとしては、高速応答可能な電源を用いてもよい。一方のチョッパ電極１１４ｂと電源１１４ｃとの間には、スイッチＳＷが配置されている。スイッチＳＷは、制御部Ｃからの制御信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦが切り替えられる。スイッチＳＷが完全にＯＦＦとなる場合、一対のチョッパ電極１１４ｂ間における電圧の差が大きくなるので、一対のチョッパ電極１１４ｂの間を通過する荷電粒子が大きく曲げられる。そのため、加速器１００から荷電粒子線Ｒが出射されなくなる。従って、制御部Ｃは、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り替えることにより、サイクロトロン１００からの荷電粒子線Ｒの出射状態、すなわち荷電粒子線ＲのＯＮ／ＯＦＦを制御する。

一方、制御部Ｃによっていわゆるチョッパ制御が行われ、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦが高速に切り替えられる場合、スイッチＳＷが接続されたチョッパ電極１１４ｂに生ずる電圧の実効値が電源１１４ｃの電圧（５ｋＶ）とは異なる値となる。具体的には、スイッチＳＷ周りに降圧チョッパ回路が構成されている場合には、当該チョッパ電極１１４ｂに生ずる電圧の実効値が電源１１４ｃの電圧（５ｋＶ）より小さくなる。一方、スイッチＳＷ周りに昇圧チョッパ回路が構成されている場合には、当該チョッパ電極１１４ｂに生ずる電圧の実効値が電源１１４ｃの電圧（５ｋＶ）より大きくなる。制御部Ｃは、チョッパ制御と共に、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を調整してパルス幅を任意に変更するＰＷＭ制御も行ってもよい。ＰＷＭ制御を併用する場合、過渡応答が抑制されるので、制御系の安定化を図ることが可能となる。

上記のように制御部Ｃによってチョッパ制御が行われると、一対のチョッパ電極１１４ｂ間における電圧の差に応じて、一対のチョッパ電極１１４ｂの間を通過する荷電粒子が直線的に進行したり（図５の実線Ｌ１参照）、偏向されたりする（図５の破線Ｌ２参照）。一対のチョッパ電極１１４ｂによって荷電粒子の軌道が変わると、その変化の度合いに応じて、サイクロトロン１００内における荷電粒子の加速効率も変化する。その結果、線量測定装置１０で測定される荷電粒子線Ｒの線量も変化する。

制御部Ｃは、線量測定装置１０で測定された荷電粒子線Ｒの線量に関するデータを受信すると、受信した当該線量を目標値と比較する。制御部Ｃは、比較の結果、受信した当該線量が目標値を上回っていた場合には、線量測定装置１０で測定される荷電粒子線Ｒの線量が小さくなるように、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り替える。このように、制御部Ｃは、線量測定装置１０で測定された荷電粒子線Ｒを目標値に近づけるように、スイッチＳＷに対してフィードバック制御を行う。

上記のフィードバック制御の有無による照射線量の変動の違いを、図６に一例として示す。図６において、一点鎖線は目標値を示し、破線はフィードバック制御がない場合の照射線量の変動を示し、実線はフィードバック制御がある場合の照射線量の変動を示す。図６に示されるように、制御部Ｃが上記のフィードバック制御を行うことにより、照射線量が目標値に近づくように照射線量の変動が抑制される。

以上のような本実施形態では、線量測定装置１０によって測定された線量に基づいて、制御部Ｃが、一対のチョッパ電極１１４ｂの少なくとも一方における電圧の大きさを制御している。そのため、線量測定装置１０によって測定された線量に変動が生じた場合には、高精度に且つ応答性よく一対のチョッパ電極１１４ｂの少なくとも一方における電圧の大きさが変更される。これにより、一対のチョッパ電極１１４ｂ間における電場が変化するので、一対のチョッパ電極１１４ｂ間を通過する荷電粒子の軌道が変更される。従って、サイクロトロン１００内における荷電粒子の軌道が変化することに伴い、サイクロトロン１００から出射された荷電粒子線Ｒの線量も変化する。よって、走査に際して荷電粒子線Ｒの照射線量の変動を抑制することが可能となる。

本実施形態では、一対のチョッパ電極１１４ｂは、軌道面（メディアンプレーン）を間において位置するようにサイクロトロン１００内に配置されている。そのため、チョッパ電極１１４ｂが軌道面に交差しないので、サイクロトロン１００内における荷電粒子の移動がチョッパ電極１１４ｂによって妨げられることが防がれる。

本実施形態では、制御部Ｃは、線量測定装置１０によって測定された線量に基づいて、一対のチョッパ電極１１４ｂ間における電圧の差をチョッパ制御している。そのため、荷電粒子線Ｒの照射線量の変動をより高精度に且つ応答性よく抑制することができる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、一対のチョッパ電極１１４ｂは、軌道面（メディアンプレーン）に交差するようにサイクロトロン１００内において対向していてもよい。

上記実施形態では、制御部ＣがスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを切り替えてスイッチＳＷに接続されたチョッパ電極１１４ｂに生ずる電圧の実効値を変更していたが、出力電圧を変更可能な電源（例えば、ドロッパ電源）をチョッパ電極１１４ｂに接続して、制御部Ｃが当該電源をして出力電圧を変更せしめてもよい。

１…荷電粒子線治療装置、５…走査電磁石、８…照射ノズル、１０…線量測定装置、１００…サイクロトロン、１１４ｂ…チョッパ電極、１１４ｃ…電源、Ｃ…制御部、Ｒ…荷電粒子線、ＳＷ…スイッチ。

Claims (3)

1. 荷電粒子を所定の軌道面に沿って旋回させつつ加速させるサイクロトロンと、
   前記サイクロトロンから出射された荷電粒子線を走査しつつ被照射体に対して照射する照射部と、
   前記サイクロトロンから出射された荷電粒子線の線量を測定する測定部と、
   前記サイクロトロンの動作を制御する制御部と、
   スイッチとを備え、
   前記サイクロトロンは、間を通過する前記荷電粒子の軌道を変更させることにより前記サイクロトロンからの荷電粒子線のオンオフを切り替えることが可能な一対のチョッパ電極と、前記一対のチョッパ電極に電圧を印加する電源とを有し、
   前記スイッチは、前記電源と前記チョッパ電極との間に配置されており、
   前記制御部は、前記測定部によって測定された線量に基づいて、前記スイッチのオンオフを制御する、荷電粒子線治療装置。
2. 前記一対のチョッパ電極は、前記軌道面を間において位置するように前記サイクロトロン内に配置されている、請求項１に記載の荷電粒子線治療装置。
3. 前記制御部は、前記スイッチのオンオフのデューティ比を制御する、請求項１又は２に記載の荷電粒子線治療装置。

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