JP6431289B2 - 粒子線治療システム及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子線治療システム及び装置、粒子線治療システムの制御方法に関する。

本技術分野の背景技術として、ＷＯ２０１３／０６９３７９ Ａ１（特許文献１）がある。この公報には、「本発明の粒子線治療システムは、荷電粒子ビームを加速する加速器系と、この加速器系から出射された荷電粒子ビームを照射位置まで輸送するビーム輸送系とからなる粒子線治療システムにおいて、前記ビーム輸送系に少なくとも１個のステアリング電磁石とこれに対応する少なくとも１個のビーム位置モニタを備え、前記ビーム位置モニタは前記ステアリング電磁石に周期的に変動するビーム位置を補正する励磁電流を供給することを特徴とするものである。」（段落０００８）と記載されている。

ＷＯ２０１３／０６９３７９ Ａ１

特許文献１には、粒子線治療システムにおいて照射ビーム位置の変動を抑制する方法が記載されている。特許文献１に記載の粒子線治療システムは、照射ビーム位置の周期的な変動をビーム輸送系中に設置されたビーム位置モニタにより測定し、ビーム輸送系中に設置されたステアリング電磁石の励磁電流を照射ビーム位置の変動を補正するよう周期的に変化させることにより照射ビーム位置の変動を抑制する。しかしながら、特許文献１に記載の粒子線治療システムは、ビーム輸送系中のステアリング電磁石の電源に出力電流を周期的に変化させる機能を持つ高価な電源（以下、パターン電源という）を使用する必要があるため、粒子線治療システムのコストが増大するという課題がある。

そこで本発明では、以上の点に鑑み、低コストかつ照射ビーム位置の変動を抑制できる粒子線治療システム及び装置、粒子線治療システムの制御方法を提供する。

本発明の第１の解決手段によると、
粒子線治療システムであって、
荷電粒子ビームを加速して取り出す加速器と、
前記荷電粒子ビームの形状を調整する複数の四極電磁石を有し、前記加速器から取り出された前記荷電粒子ビームを照射対象へ輸送するビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系中の前記荷電粒子ビームに対し、前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直で、前記加速器の偏向電磁石の動径方向又は前記加速器の周回ビーム軌道若しくは中心軌道が含まれる平面方向に沿った方向である第一の方向について定義された、前記加速器に由来する二種類の第一のディスパージョンが、前記照射対象の位置において０又は略０となるよう前記ビーム輸送系中の前記複数の四極電磁石の各々の励磁量を制御する制御装置と、
を備え、
前記二種類の第一のディスパージョンは、加速周波数由来のディスパージョン（ηｆｘ１）と偏向磁場由来のディスパージョン（ηＢｘ１）であり、
前記二種類の第一のディスパージョンが前記照射対象の位置において略０となるとは、前記照射対象の位置における前記第一のディスパージョンと運動量ずれの積が、予め定められた照射ビーム位置の変動幅の制限以内であることを特徴とする粒子線治療システムが提供される。

本発明の第２の解決手段によると、
粒子線治療装置であって、
加速器から取り出した荷電粒子ビームの形状を調整する複数の四極電磁石を有し、前記加速器から取り出された前記荷電粒子ビームを照射対象へ輸送するビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系中の前記荷電粒子ビームに対し、前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直で、前記加速器の偏向電磁石の動径方向又は前記加速器の周回ビーム軌道若しくは中心軌道が含まれる平面方向に沿った方向である第一の方向について定義された、前記加速器に由来する二種類の第一のディスパージョンが、前記照射対象の位置において０又は略０となるよう前記ビーム輸送系中の前記複数の四極電磁石の各々の励磁量を制御する制御装置と、
を備え、
前記二種類の第一のディスパージョンは、加速周波数由来のディスパージョン（ηｆｘ１）と偏向磁場由来のディスパージョン（ηＢｘ１）であり、
前記二種類の第一のディスパージョンが前記照射対象の位置において略０となるとは、前記照射対象の位置における前記第一のディスパージョンと運動量ずれの積が、予め定められた照射ビーム位置の変動幅の制限以内であることを特徴とする粒子線治療装置が提供される。

本発明によれば、低コストかつ照射ビーム位置の変動を抑制できる粒子線治療システムを提供することができる。

実施形態１の粒子線治療システムの構成図の例 実施形態１において四極電磁石励磁量を算出する手順を示すフローチャート図 実施形態１の粒子線治療システムの構成図の例 実施形態２の粒子線治療システムの構成図の例 実施形態２の粒子線治療システムの構成図の例 実施形態２において四極電磁石励磁量を算出する手順を示すフローチャート図 実施形態３の粒子線治療システムの構成図の例 実施形態３において四極電磁石励磁量を算出する手順を示すフローチャート図

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。

（実施形態１）
本実施形態では、低コストかつ照射ビーム位置の変動を抑制できる粒子線治療システムの例を説明する。

図１は、本実施形態による粒子線治療システムの例である。

本実施形態の粒子線治療システムは、入射器１よりシンクロトロン１０へ入射された荷電粒子ビーム（以下、ビームという）をシンクロトロン１０により所定のエネルギーまで加速して取り出し、患者４０中の患部（照射対象）４１へ照射するものである。

入射器１には、例えば、イオン源（図示せず）で生成したビームをシンクロトロン１０への入射に適したエネルギー（以下、入射エネルギーという）まで加速する線形加速器（ライナック）が用いられる。入射器１から取り出された荷電粒子ビームは、低エネルギービーム輸送系２および入射用インフレクタ１４を経由してシンクロトロン１０へ入射される。

シンクロトロン１０は、入射用インフレクタ１４と、偏向電磁石１１と、四極電磁石１２と、高周波加速空胴１３と、取り出し用デフレクタ１５を備える。

偏向電磁石１１はシンクロトロン１０中を周回するビーム（以下、周回ビームという）を偏向して所定の周回軌道（以下、周回ビーム軌道という）を形成する。周回ビームの進行方向に沿った方向を進行方向（ビームが進む方向を正）、進行方向に垂直で偏向電磁石１１の動径方向に沿った方向を水平方向（シンクロトロン外側方向を正）、進行方向および水平方向の両方に垂直な方向を垂直方向と呼ぶ（図面手前方向を正）。ここで、ビームを水平方向に偏向するとは、進行方向と水平方向を含む平面内でビームが進む方向を変化させることを表し、ビームを垂直方向に偏向するとは、進行方向と垂直方向を含む平面内でビームが進む方向を変化させることを表す。また、シンクロトロン１０の設計上の周回ビーム軌道を中心軌道と呼ぶ。周回ビーム粒子は中心軌道の周りを水平および垂直方向に振動しており、この振動をベータトロン振動という。また、シンクロトロン一周あたりのベータトロン振動の振動数をチューンという。四極電磁石１２は、周回ビームに収束あるいは発散の力を加えて周回ビームのチューンを周回ビームが安定となる値に保つ。高周波加速空胴１３は周回ビームに進行方向の高周波電圧（以下、加速電圧という）を印加して周回ビームを進行方向の所定の位相に捕獲し、偏向電磁石１１の励磁量と加速電圧の周波数（以下、加速周波数という）を徐々に上昇させることで周回ビームを所定のエネルギーまで加速する。周回ビームを加速する間は、四極電磁石１２の励磁量を周回ビームの運動量に比例して増加させ、周回ビーム軌道および周回ビームのチューンを一定に保つ。取り出し用デフレクタ１５は加速終了後の周回ビームを水平方向に偏向し、シンクロトロン１５の外へ取り出す。

シンクロトロン１５から取り出されたビーム（以下、取り出しビームという）は、高エネルギービーム輸送系２０および照射野形成装置３０を経由した後に患部４１へ照射される。高エネルギービーム輸送系２０および照射野形成装置３０内の座標系はシンクロトロンの座標系に準じる。

高エネルギービーム輸送系２０には、この例では、１台の偏向電磁石２１、６台の四極電磁石２２ａ〜２２ｆ、ステアリング電磁石２４が設置されている。偏向電磁石２１は取り出しビームを患者４０のいる治療室（図示せず）へ向けて水平方向に偏向し、四極電磁石２２ａ〜２２ｆは取り出しビームに収束あるいは発散の力を加えて進行方向の患部４１の位置（以下、照射地点という）におけるビームの水平および垂直方向の形状を調整する。四極電磁石２２ａ〜２２ｆは個別の四極電磁石電源２３ａ〜２３ｆにそれぞれ接続されており、四極電磁石電源２３ａ〜２３ｆは制御装置２５に接続されている。四極電磁石電源２３ａ〜２３ｆが出力する四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁電流は制御装置２５により個別に制御される。四極電磁石２２ａ〜２２ｆが発生する四極磁場の強度（以下、四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量という）は四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁電流と比例関係にあるため、四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁電流を制御することは四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量を制御することと等価である。なお、四極電磁石２２ａ〜２２ｆ及び四極電磁石電源２３ａ〜２３ｆの数はそれぞれ６台に限らず、それ以上又は以下の適宜の台数とすることができる。ステアリング電磁石２４は高エネルギービーム輸送系２０中のビームを水平、垂直方向に偏向し、高エネルギービーム輸送系２０中および照射地点におけるビームの軌道を調整する。図１には２台のステアリング電磁石２４が記載されているが、ステアリング電磁石の数は３台以上でも構わないし、ビームを水平方向に偏向するステアリング電磁石とビームを垂直方向に偏向するステアリング電磁石の数が同じでなくても構わない。また、高エネルギービーム輸送系２０中にステアリング電磁石を設置しない構成としても良い。

照射野形成装置３０は、高エネルギービーム輸送系２０からのビームを整形し、患部４１の形状に合わせた照射線量の分布（以下、照射野という）を形成する。照射野形成装置３０が照射野を形成する際には、例えば、ビームを散乱体により拡散した後にコリメータなどを用いて患部４１の形状に合わせて整形する二重散乱体法や、ビームを走査電磁石により患部４１の形状に合わせて走査するスキャニング照射法が用いられる。

測定部５０は、シンクロトロン１０出口地点における水平ディスパージョンηｆｘ０、ηＢｘ０とその勾配ηｆｘ０’、ηＢｘ０’、及び、シンクロトロン１０出口地点におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ０、αｘ０、βｙ０、αｙ０を測定し、制御装置２５に測定値を出力する。なお、測定部５０は、図示の位置の他、適宜の測定位置に設けることができる。

シンクロトロン１０は、周回ビームの取り出しが完了した後、偏向電磁石１１の励磁量、四極電磁石１２の励磁量、加速周波数をシンクロトロン１０へのビーム入射時の値に変更し、次のビーム入射に備える。

本実施形態の粒子線治療システムは、あらかじめ治療計画装置（図示せず）が定めたビームの照射が完了するまで、前述のビームの加速、取り出し、照射を繰り返す。

本実施形態において、照射ビーム位置の変動を抑制する手法について説明する。照射ビーム位置とは、照射地点における水平および垂直方向のビーム位置を指すものとする。照射ビーム位置の変動とは、目標とする照射ビーム位置と実際の照射ビーム位置との差分の時間的な変化を表す。粒子線治療システムにおいて許容される照射ビーム位置の変動の範囲は、線量分布に求められる精度と照射野形成の方式から定まる。スキャニング照射法により照射野を形成する場合、照射ビーム位置の変動の範囲は水平、垂直両方向それぞれについて例えば±１ｍｍ以内であることが望ましい。なお、本実施形態の粒子線治療システムでは、高エネルギービーム輸送系中のステアリング電磁石が接続されている電源がパターン電源ではないため、ステアリング電磁石の励磁量の制御だけでは照射ビーム位置の変動を十分に抑制できない場合が想定される。

本実施形態の粒子線治療システムにおける照射ビーム位置の変動の要因として、シンクロトロン１０からの取り出しビームの位置および運動量の変動がある。取り出しビームの位置のずれと取り出しビームの運動量のずれは比例関係にあり、その比例係数を分散関数あるいはディスパージョンと呼んで文字ηで表す。シンクロトロン１０の出口地点における取り出しビームの水平方向のディスパージョンηｘ０は、同地点における取り出しビームの水平ビーム位置のずれΔｘ０と運動量の設計値で規格化した運動量のずれΔｐ／ｐを用いて数式１により表される。数式１において、添え字ｘは水平方向についての値であること、添え字０はシンクロトロン１０の出口地点における値であることを表す。また、進行方向についてのディスパージョンの変化率、即ちビームが進行方向に単位長さ進む間のディスパージョンの変化量又は変化率をディスパージョンの勾配と呼び、文字η’で表す。シンクロトロン１０出口地点における取り出しビームの垂直ディスパージョンηｙ０は、水平ディスパージョンと同様、シンクロトロン１０出口地点における垂直ビーム位置のずれΔｙ０を用いて数式２により表される。添え字ｙは垂直方向についての値であることを表す。取り出し用デフレクタ１５を含むシンクロトロン１０の構成機器は、中心軌道が含まれる平面（以下、水平面という）を境として垂直方向に対称な構造であるため、シンクロトロン１０出口地点における取り出しビームの垂直ディスパージョンηｙ０とその勾配ηｙ０’は共に０となる。

照射地点におけるディスパージョンηｘ１、ηｙ１とその勾配ηｘ１’、ηｙ１’は、シンクロトロン１０出口地点におけるディスパージョンηｘ０、ηｙ０とその勾配ηｘ０’ηｙ０’およびシンクロトロン１０出口地点から照射地点までの輸送行列Ａｘ、Ａｙを用いて数式３により求められる。添え字１は、照射地点における値であることを表す。水平方向の輸送行列Ａｘは数式４の形をとる３行３列の行列であり、行列中の各要素の値は高エネルギービーム輸送系２０中の機器配置や四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量から求められる。垂直方向の輸送行列Ａｙは、高エネルギービーム輸送系２０中の偏向電磁石２１がビームを垂直方向へ偏向しないことから、数式５の形をとる。

以上より、照射地点におけるディスパージョンηｘ１、ηｙ１とその勾配ηｘ１’、ηｙ１’は、数式６により与えられる。

本実施形態の粒子線治療システムでは、照射ビーム位置の変動を抑制するために、シンクロトロン１０からの取り出しビームに対して以下に述べる二種類のディスパージョンを定義する。

第一のディスパージョンは、シンクロトロン１０の加速周波数の設計値からのずれにより生じたシンクロトロン１０からの取り出しビームの位置および運動量のずれに対して定義されるディスパージョン（以下、加速周波数由来のディスパージョンという）である。加速周波数由来のディスパージョンは記号ηｆｘ、ηｆｙで表す。添え字ｆは、加速周波数にずれがある場合の値であることを表す。また、加速周波数由来のディスパージョンの勾配を記号ηｆｘ’、ηｆｙ’で表す。シンクロトロン１０出口地点における加速周波数由来のディスパージョンηｆｘ０、ηｆｙ０とその勾配ηｆｘ０’、ηｆｙ０’は、例えばシンクロトロン１０の例えば高周波加速空胴１３の加速周波数を変更しながら高エネルギービーム輸送系２０中のビーム位置を測定部５０により測定することで求めることができる。高エネルギービーム輸送系２０中のビーム位置の測定には、例えば、測定部５０として水平、垂直方向におけるビーム粒子の分布を測定するビームプロファイルモニタ等を用いることができる。なお、測定部５０の位置は図示の他に、適宜の位置に設けることができる。また、取り出しビーム軌道の計算結果から加速周波数由来のディスパージョンηｆｘ０、ηｆｙ０とその勾配ηｆｘ０’、ηｆｙ０’を計算により求めても良い。加速周波数由来のディスパージョンは輸送行列による変換に従うため、照射地点における加速周波数由来のディスパージョンηｆｘ１、ηｆｙ１とその勾配ηｆｘ１’、ηｆｙ１’は数式７により表される。

第二のディスパージョンは、偏向電磁石１１の励磁量の設計値からのずれにより生じたシンクロトロン１０からの取り出しビームの位置および運動量のずれに対して定義されるディスパージョン（以下、偏向磁場由来のディスパージョンという）である。偏向磁場由来のディスパージョンは、記号ηＢｘ、ηＢｙで表す。添え字Ｂは、偏向電磁石１１の励磁量にずれがある場合の値であることを表す。また、偏向磁場由来のディスパージョンの勾配を記号ηＢｘ’、ηＢｙ’で表す。シンクロトロン１０出口地点における偏向磁場由来の水平ディスパージョンηＢｘ０とその勾配ηＢｘ０’は、一般にシンクロトロン１０出口地点における加速周波数由来のディスパージョンηｆｘ０とその勾配ηｆｘ０’とは異なる値となる。シンクロトロン１０出口地点における偏向磁場由来の垂直ディスパージョンηＢｙ０とその勾配ηＢｙ０’は、加速周波数由来の場合と同様０である。シンクロトロン１０出口地点における偏向磁場由来のディスパージョンηＢｙ０とその勾配ηＢｙ０’は、例えばシンクロトロン１０の偏向電磁石１１の励磁量を変更しながら高エネルギービーム輸送系２０中のビーム位置を測定部５０により測定することで求めることができる。また、取り出しビーム軌道の計算結果からシンクロトロン１０出口地点における偏向磁場由来のディスパージョンηＢｙ０とその勾配ηＢｙ０’を計算により求めても良い。加速周波数由来のディスパージョンおよびその勾配と同様、照射地点における偏向磁場由来のディスパージョンηＢｘ１、ηＢｙ１とその勾配ηＢｘ１’、ηＢｙ１’は数式８により表される。

本実施形態の粒子線治療システムでは、制御装置２５が高エネルギービーム輸送系２０に設置された四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量を照射地点における加速周波数由来の水平ディスパージョンηｆｘ１と偏向磁場由来の水平ディスパージョンηＢｘ１が両方０となるように制御する。具体的には、シンクロトロン１０の出口地点から照射地点までの水平方向の輸送行列の各成分が数式９の関係を満たすよう四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量を制御する。数式９に示されるディスパージョンに関する制約条件は二種類であるため、水平方向の輸送行列Ａｘが数式９を満たすには、高エネルギービーム輸送系２０中の四極電磁石２２ａ〜２２ｆのうち少なくとも２台の励磁量を独立に制御する必要がある。

さらに、粒子線治療システムにおいては、照射地点におけるビームの水平サイズｓｘ１とその変化率ｓｘ１’、垂直サイズｓｙ１とその変化率ｓｙ１’を適切な値に制御する必要がある。ビームサイズとは、進行方向に垂直な平面内においてビーム粒子が存在する領域の幅を表す。ビームサイズの変化率とは、進行方向の位置の変化に対するビームサイズの変化の度合いを表す。ビームサイズに関する制約条件は水平方向で二種類（ｓｘ１、ｓｘ１’）、垂直方向で二種類（ｓｙ１、ｓｙ１’）の合計四種類であるため、照射地点におけるビームサイズｓｘ１、ｓｙ１とその変化率ｓｘ１’、ｓｙ１’を適切な値に制御するためには、高エネルギービーム輸送系２０中の四極電磁石２２ａ〜２２ｆのうち少なくとも４台の励磁量を独立に制御する必要がある。

制御装置２５は、照射地点におけるビームサイズｓｘ１、ｓｙ１とその変化率ｓｘ１’、ｓｙ１’が適切な値となり、なおかつ照射地点における加速周波数由来の水平ディスパージョンηｆｘ１と偏向磁場由来の水平ディスパージョンηＢｘ１が両方０となるよう高エネルギービーム輸送系２０中の四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量を制御する。制御装置２５は６台の四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量を独立に制御するため、水平方向の輸送行列Ａｘがディスパージョンに関する制約条件とビームサイズに関する制約条件を同時に満たすように四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量を設定することができる。

水平方向の輸送行列Ａｘがディスパージョンに関する制約条件とビームサイズに関する制約条件を同時に満たすような四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量は、高エネルギービーム輸送系の機器配置から作られるモデル、シンクロトロン１０からの取り出しビームのＴｗｉｓｓパラメータ、加速周波数由来の水平ディスパージョンηｆｘ０とその勾配ηｆｘ０’、偏向磁場由来の水平ディスパージョンηＢｘ０とその勾配ηＢｘ０’から制御装置２５が計算により求める。

Ｔｗｉｓｓパラメータとは、位相空間上のビーム粒子の分布を表現するために用いられるパラメータであり、水平方向のＴｗｉｓｓパラメータβｘ、αｘは、水平方向のビームサイズｓｘ、水平方向のエミッタンスεｘを用いて数式１０により表される。数式１０中のｓは進行方向の位置を表す。同様に、垂直方向のＴｗｉｓｓパラメータβｙ、αｙは、垂直方向のビームサイズｓｙ、垂直方向のエミッタンスεｙを用いて数式１１により表される。照射地点におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ１、αｘ１、βｙ１、αｙ１はシンクロトロン１０出口地点におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ０、αｘ０、βｙ０、αｙ０とシンクロトロン１０出口から照射地点までの輸送行列Ａｘ、Ａｙの各成分を用いて数式１２により表される。照射地点におけるビームサイズｓｘ１、ｓｙ１とその変化率ｓｘ１’、ｓｙ１’を適切な値に制御するには、照射地点におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ１、αｘ１、βｙ１、αｙ１が所定の値となるよう高エネルギービーム輸送系２０中の四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量を制御すればよい。

照射地点における水平ディスパージョンηｆｘ１、ηＢｘ１が両方０となり、なおかつ照射地点におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ１、αｘ１、βｙ１、αｙ１が所定の値となるような四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁電流を制御装置２５が求める手法の一例を、図２を用いて説明する。

図２は、制御装置２５が四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量を反復法により求める手順を示すフローチャート図である。制御装置２５はまず始めに、測定部５０により、シンクロトロン１０出口地点における水平ディスパージョンηｆｘ０、ηＢｘ０とその勾配ηｆｘ０’、ηＢｘ０’を読み込み（Ｓ１０１）、次にシンクロトロン１０出口地点におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ０、αｘ０、βｙ０、αｙ０を読み込む（Ｓ１０３）。制御装置２５は四極電磁石２２ａ〜２２ｆの計算用の励磁量Ｋ１〜Ｋ６に初期値（例えば四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量の設計値）を設定し（Ｓ１０５）、四極電磁石２２ａ〜２２ｆの計算用の励磁量Ｋ１〜Ｋ６を用いて、数式４及び数式５に示したように、シンクロトロン１０出口地点から照射地点までの輸送行列Ａｘ、Ａｙを計算する（Ｓ１０７）。制御装置２５は、数式７及び数式８に従いシンクロトロン１０出口地点における水平ディスパージョンηｆｘ０、ηＢｘ０およびその勾配ηｆｘ０’、ηＢｘ０’と輸送行列Ａｘ、Ａｙから照射地点における水平ディスパージョンηｆｘ１、ηＢｘ１を計算し、また、数式１２に従いシンクロトロン１０出口地点におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ０、αｘ０、βｙ０、αｙ０と輸送行列Ａｘ、Ａｙから照射地点におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ１、αｘ１、βｙ１、αｙ１を計算する（Ｓ１０７）。照射地点におけるＴｗｉｓｓパラメータの目標値がβｘ１Ｔ、αｘ１Ｔ、βｙ１Ｔ、αｙ１Ｔである場合に、反復計算における目的関数Ｆを例えば数式１３により定義する。

数式１３に示す目的関数Ｆは、照射地点における水平ディスパージョンηｆｘ１、ηＢｘ１が両方０となり、照射地点におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ１、αｘ１、βｙ１、αｙ１が目標値と一致する場合に０となる関数である。制御装置２５は照射地点における水平ディスパージョンηｆｘ１、ηＢｘ１およびＴｗｉｓｓパラメータβｘ１、αｘ１、βｙ１、αｙ１の計算結果から目的関数Ｆを計算し（Ｓ１０９）、目的関数Ｆがあらかじめ設定した閾値以下であるか否かを判定する（Ｓ１１１）。目的関数が閾値よりも大きい、即ち判定結果がＮｏである場合、制御装置は計算用の四極電磁石励磁量を変更し（Ｓ１１３）、再度輸送行列Ａｘ、Ａｙの計算から目的関数Ｆの判定までの処理（Ｓ１０７〜Ｓ１１１）を実施する。ステップＳ１１１で目的関数Ｆが閾値以下である、即ち判定結果がＹｅｓである場合、制御装置２５は現在の計算用四極電磁石励磁量を四極電磁石２２ａ〜２２ｆ励磁量の計算結果とし、四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量の算出を完了する（Ｓ１１５）。制御装置２５は算出された四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量に一致するよう四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量を制御する。なお、制御装置２５は、算出結果の値等を適宜のメモリに記憶しておき、メモリがその値を読み出し制御に用いてもよい。

本実施形態では制御装置２５が制約条件を満たす四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量を計算するとしたが、四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量は粒子線治療システムの調整者が別途計算し、四極電磁石２２ａ〜２２ｆ励磁量の計算結果を制御装置２５に入力しても良い。この場合、制御装置２５は入力された四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量に一致するよう四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量を制御する。本実施形態の粒子線治療システムでは、制御装置２５が四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量を、水平方向の輸送行列が数式９を満たすよう制御するため、照射地点における加速周波数由来の水平ディスパージョンηｆｘ１と偏向磁場由来の水平ディスパージョンηＢｘ１が共に０となる。照射地点における垂直ディスパージョンηｆｙ１、ηＢｙ１は、数式７、数式８に示すように、四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量に依らず０である。

本実施形態の粒子線治療システムにおいてビーム照射中にシンクロトロン１０の加速周波数が変動した場合、取り出しビームの水平位置と運動量が変動するが、照射地点における加速周波数由来の水平、垂直ディスパージョンηｆｘ１、ηｆｙ１が０であるため、照射ビーム位置は加速周波数のずれに依らず一定に保たれる。同様に、ビーム照射中にシンクロトロン１０の偏向電磁石１１の励磁量が変動した場合においても、照射ビーム位置における偏向磁場由来の水平、垂直ディスパージョンηＢｘ１、ηＢｙ１が０であるため、照射ビーム位置が偏向電磁石１１の励磁量のずれに依らず一定に保たれる。

このように、本実施形態の粒子線治療システムでは、シンクロトロン１０からの取り出しビームに対して定義された加速周波数由来の水平ディスパージョンと偏向磁場由来の水平ディスパージョンに対し、照射地点において二種類のディスパージョンが両方０となるよう制御装置２５が高エネルギービーム輸送系２０中の四極電磁石２２ａ〜２２ｆの励磁量を制御するため、高エネルギービーム輸送系２０中のステアリング電磁石２４の電源に高価なパターン電源を使用せずに、照射ビーム位置の変動を抑制することができる。

本実施形態の粒子線治療システムは、高エネルギービーム輸送系２０中に６台の四極電磁石２２ａ〜２２ｆを設置する構成としたが、高エネルギービーム輸送系２０中に設置される四極電磁石は６台より多くても構わない。高エネルギービーム輸送系２０中に６台よりも多くの四極電磁石を設置する場合、上述のディスパージョンによる制約と上述のビームサイズによる制約を満たすことに加えて、高エネルギービーム輸送系２０中を通過するビームの水平、垂直サイズを、高エネルギービーム輸送系２０を構成する真空ダクト（図示せず）の内径以下に制御し、高エネルギービーム輸送系２０におけるビーム損失を抑制することが可能となる。また、四極電磁石２２ａ〜２２ｆの一部あるいは全ては偏向電磁石２１よりも上流側（シンクロトロン１０に近い側）に設置しても良い。

本実施形態の粒子線治療システムでは高エネルギービーム輸送系２０が１台の偏向電磁石２１を備えるとしたが、高エネルギービーム輸送系２０が備える偏向電磁石は２台以上でも構わない。また、高エネルギービーム輸送系２０が偏向電磁石を１台も備えない構成としても良い。本実施形態では、高エネルギービーム輸送系２０中の偏向電磁石の員数によらず照射ビーム位置の変動を抑えることができる。

本実施形態の粒子線治療システムでは、照射地点における加速周波数由来の水平ディスパージョンηｆｘ１および偏向磁場由来の水平ディスパージョンηＢｘ１を０に補正するとしたが、照射地点における補正後のディスパージョンは正確に０でなくても構わない。具体的には、照射地点における加速周波数由来の水平ディスパージョンηｆｘ１の絶対値および偏向磁場由来の水平ディスパージョンηＢｘ１の絶対値が十分に小さければ、照射ビーム位置の変動を抑制する本実施形態の効果を得ることができる。

照射地点における加速周波数由来の水平ディスパージョンηｆｘ１の絶対値が十分に小さい（略０）とは、照射地点における加速周波数由来の水平ディスパージョンηｆｘ１と加速周波数由来の運動量ずれの積が、粒子線治療システムの求める照射ビーム位置の変動幅の制限以内であることを指す。例えば、加速周波数由来の運動量ずれが全幅で±０．１％、照射ビーム位置の変動幅の制限が±１ｍｍ以内である場合、加速周波数由来の水平ディスパージョンηｆｘ１の絶対値が十分に小さいとは、ηｆｘ１が−１ｍ以上１ｍ以下であることを表す。同様に、照射地点における偏向磁場由来の水平ディスパージョンηＢｘ１の絶対値が十分に小さいとは、照射地点における偏向磁場由来の水平ディスパージョンηＢｘ１と偏向磁場由来の運動量ずれの積が、粒子線治療システムの求める照射ビーム位置の変動幅の制限以内であることを指す。

本実施形態の粒子線治療システムでは照射地点における加速周波数由来の水平ディスパージョンの勾配ηｆｘ１’と偏向磁場由来の水平ディスパージョンの勾配ηＢｘ１’は０とならないが、ディスパージョンの勾配は照射ビーム位置に影響しないため、水平ディスパージョンの勾配ηｆｘ１’、ηＢｘ１’が０でないことは照射ビーム位置の変動を抑制する上で問題とはならない。

本実施形態の粒子線治療システムでは、シンクロトロン１０によりビームを照射に適したエネルギーまで加速するとしたが、図３に示すように、ビームをサイクロトロンにより照射に適したエネルギーまで加速する構成としても良い。図３に示す粒子線治療システムは図１に示す粒子線治療システムと同様の構成を有するが、入射器１およびシンクロトロン１０の代わりにサイクロトロン７０によりビームを照射に適したエネルギーまで加速する点が異なる。サイクロトロン７０を用いた粒子線治療システムでは、例えばサイクロトロン７０を構成する磁極間に発生する磁場のずれにより生じるビーム位置と運動量のずれに対して第一のディスパージョンを定義し、サイクロトロン７０を構成するディー電極へ印加する高周波電圧の周波数のずれにより生じるビーム位置と運動量のずれに対して第二のディスパージョンを定義することにより、シンクロトロン１０を用いる場合と同様にして照射ビーム位置の変動を抑制できる。

（実施形態２）
本実施形態では、低コストかつ、高エネルギービーム輸送系においてビームを垂直方向に偏向する場合であっても照射ビーム位置の変動を抑制できる粒子線治療システムの例を説明する。

図４は、本実施形態による粒子線治療システムの例である。
本実施形態の粒子線治療システムは、実施形態１の粒子線治療システムと同様の構成を有するが、高エネルギービーム輸送系２０の構成および患部４１に対してビームを照射する方向が異なっている。図４は、本実施形態による粒子線治療システムを、シンクロトロン１０の垂直正方向から見た模式図となっている。また、図５は本実施形態による粒子線治療システムを、シンクロトロン１０の取り出し用デフレクタ１５が設置されている直線部における水平正方向から見た模式図である。

高エネルギービーム輸送系２０には、この例では、偏向電磁石２１、３台の偏向電磁石５１ａ〜５１ｃ、７台の四極電磁石５２ａ〜５２ｇ、ステアリング電磁石２４が設置されている。偏向電磁石２１は実施形態１と同様、シンクロトロン１０からの取り出しビームを治療室へ向けて水平方向に偏向する。偏向電磁石５１ａ〜５１ｃはビームを垂直方向に複数回偏向し、患部４１に対して垂直方向からのビームの照射を可能とする。四極電磁石５２ａ〜５２ｇは実施形態１と同様、照射地点におけるビームの形状を調整する。四極電磁石５２ａ〜５２ｇは個別の四極電磁石電源５３ａ〜５３ｇにそれぞれ接続されており、四極電磁石電源５３ａ〜５３ｇは制御装置２５に接続されている。四極電磁石電源５３ａ〜５３ｇが出力する四極電磁石５２ａ〜５２ｇの励磁電流は制御装置２５により個別に制御される。ステアリング電磁石２４は実施形態１と同様、高エネルギービーム輸送系２０中および照射地点におけるビームの軌道を調整する。

本実施形態において、照射ビーム位置の変動を抑制する手法について説明する。本実施形態では高エネルギービーム輸送系２０中でビームを垂直方向に偏向するため、照射地点における垂直ディスパージョンは常に０になるとは限らない。シンクロトロン１０出口地点における加速周波数由来の水平ディスパージョンをηｆｘ０、その勾配をηｆｘ０’、偏向磁場由来の水平ディスパージョンをηＢｘ０、その勾配をηＢｘ０’とする。シンクロトロン１０出口地点における垂直ディスパージョンηｆｙ０、ηＢｙ０とその勾配ηｆｙ０’、ηＢｙ０’は、実施形態１と同様０である。本実施形態の高エネルギービーム輸送系２０はビームを垂直方向にも偏向するため、シンクロトロン１０出口地点から照射地点までの輸送行列Ａｘ、Ａｙは数式１４の形で表される。ビームが垂直方向に偏向されるため、垂直方向の輸送行列Ａｙの１行３列成分ａ１３と２行３列成分ａ２３は実施形態１のように０にはならない。照射地点におけるディスパージョンηｆｘ１、ηｆｙ１、ηＢｘ１、ηＢｙ１は、実施形態１と同様シンクロトロン１０出口地点におけるディスパージョンηｆｘ０、ηｆｙ０、ηＢｘ０、ηＢｙ０およびその勾配ηｆｘ０’、ηｆｙ０’、ηＢｘ０’、ηＢｙ０’と輸送行列Ａｘ、Ａｙとの積で与えられるため、照射地点におけるディスパージョンηｆｘ１、ηｆｙ１、ηＢｘ１、ηＢｙ１は数式１５により表される。

本実施形態の粒子線治療システムでは、制御装置２５が高エネルギービーム輸送系２０に設置された四極電磁石５２ａ〜５２ｇの励磁量を照射地点における加速周波数由来の水平、垂直ディスパージョンηｆｘ１、ηｆｙ１と偏向磁場由来の水平、垂直ディスパージョンηＢｘ１、ηＢｙ１が全て０となるように制御する。具体的には、シンクロトロン１０の出口地点から照射地点までの水平、垂直方向の輸送行列Ａｘ、Ａｙの各成分が数式１６の関係を満たすよう四極電磁石５２ａ〜５２ｈの励磁量を制御する。数式１６に示されるディスパージョンに関する制約条件は３種類であるため、水平、垂直方向の輸送行列Ａｘ、Ａｙが数式１６を満たすには、高エネルギービーム輸送系２０中の四極電磁石５２ａ〜５２ｇのうち少なくとも３台の励磁量を独立に制御する必要がある。

実施形態１と同様、本実施形態において照射地点におけるビームサイズｓｘ１、ｓｙ１とその変化率ｓｘ１’、ｓｙ１’を適切な値に制御するためには、四極電磁石５２ａ〜５２ｇのうち少なくとも４台の励磁量を独立に制御する必要がある。照射地点におけるビームサイズｓｘ１、ｓｙ１とその変化率ｓｘ１’、ｓｙ１’を適切な値に制御するには、実施形態１と同様、照射地点におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ１、αｘ１、βｙ１、αｙ１を所定の値に制御すれば良い。制御装置２５は、照射地点におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ１、αｘ１、βｙ１、αｙ１が所定の値となり、なおかつ照射地点における加速周波数由来の水平、垂直ディスパージョンηｆｘ１、ηｆｙ１と偏向磁場由来の水平、垂直ディスパージョンηＢｘ１、ηＢｙ１が全て０となるよう高エネルギービーム輸送系２０中の四極電磁石５２ａ〜５２ｇの励磁量を制御する。制御装置２５は７台の四極電磁石５２ａ〜５２ｇの励磁量を独立に制御するため、輸送行列Ａｘ、Ａｙがディスパージョンに関する制約条件とビームサイズに関する制約条件を同時に満たすよう、四極電磁石５２ａ〜５２ｇの励磁量を制御することができる。

輸送行列Ａｘ、Ａｙがディスパージョンに関する制約条件とビームサイズに関する制約条件を同時に満たすような四極電磁石５２ａ〜５２ｇの励磁量は、実施形態１と同様、シンクロトロン１０からの取り出しビームのＴｗｉｓｓパラメータβｘ０、αｘ０、βｙ０、αｙ０、加速周波数由来の水平ディスパージョンηｆｘ０とその勾配ηｆｘ０’、偏向磁場由来の水平ディスパージョンηＢｘ０とその勾配ηＢｘ０’から制御装置２５が計算により求める。また、四極電磁石５２ａ〜５２ｇの励磁量を計算するために必要となるシンクロトロン１０からの取り出しビームのＴｗｉｓｓパラメータβｘ０、αｘ０、βｙ０、αｙ０、加速周波数由来の水平ディスパージョンηｆｘ０とその勾配ηｆｘ０’、偏向磁場由来の水平ディスパージョンηＢｘ０とその勾配ηＢｘ０’は、実施形態１と同様にして測定あるいは計算することができる。

図６に、照射地点における水平、垂直ディスパージョンηｆｘ１、ηｆｙ１、ηＢｘ１、ηＢｙ１が全て０となり、なおかつ照射地点におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ１、αｘ１、βｙ１、αｙ１が所定の値となるような四極電磁石５２ａ〜５２ｇの励磁電流を制御装置２５が反復法により求める手順についてのフローチャート図を示す。制御装置２５が四極電磁石５２ａ〜５２ｇの励磁量を計算する手順は実施形態１と同様であるが、ディスパージョン読み込み（Ｓ２０１）及びＴｗｉｓｓパラメータ読み込み（Ｓ２０３）（実施形態１のＳ１０１及びＳ１０３に相当）の後、本実施形態では高エネルギービーム輸送系２０中に設置された７台の四極電磁石を独立に制御するため、四極電磁石５２ａ〜５２ｇの計算用の励磁量はＫ１からＫ７までの７台分となる（Ｓ２０５、Ｓ２１３、Ｓ２１５参照）。また、本実施形態では照射地点における垂直ディスパージョンηｆｘ１、ηＢｙ１が四極電磁石５２ａ〜５２ｇの励磁量により変化するため、繰り返し計算の目的関数Ｆは例えば数式１７の形とする必要がある（Ｓ２０７、Ｓ２０９、Ｓ２１１参照）。照射地点における偏向磁場由来の垂直ディスパージョンηＢｙ１は、数式１５に示すように照射地点における加速周波数由来のディスパージョンηｆｙ１と一致するため、数式１７では照射地点における垂直ディスパージョンηｆｙ１、ηＢｙ１のうち片方のηｆｙ１のみを目的関数Ｆの計算に使用している（なお、ηｆｙ１の代わりにηＢｙ１を使用してもよい。）。

本実施形態の粒子線治療システムにおいてビーム照射中にシンクロトロン１０の加速周波数が変動した場合、取り出しビームの水平位置と運動量が変動するが、照射地点における加速周波数由来の水平、垂直ディスパージョンηｆｘ１、ηｆｙ１が０であるため、照射ビーム位置は加速周波数のずれに依らず一定に保たれる。同様に、ビーム照射中にシンクロトロン１０の偏向電磁石１１の励磁量が変動した場合においても、照射ビーム位置における偏向磁場由来の水平、垂直ディスパージョンηＢｘ１、ηＢｙ１が０であるため、照射ビーム位置が偏向電磁石１１の励磁量のずれに依らず一定に保たれる。

このように、本実施形態の粒子線治療システムでは、シンクロトロン１０からの取り出しビームに対して定義された加速周波数由来の水平、垂直ディスパージョンと偏向磁場由来の水平、垂直ディスパージョンに対し、照射地点においてこれらディスパージョンの値が全て０となるよう制御装置２５が高エネルギービーム輸送系２０中の四極電磁石５２ａ〜５２ｇの励磁量を制御するため、高エネルギービーム輸送系２０中のステアリング電磁石２４の電源に高価なパターン電源を使用せずに、照射ビーム位置の変動を抑制することができる。

本実施形態の粒子線治療システムは、高エネルギービーム輸送系２０中に７台の四極電磁石５２ａ〜５２ｇを設置する構成としたが、高エネルギービーム輸送系２０中に設置される四極電磁石は７台より多くても構わない。高エネルギービーム輸送系２０中に７台よりも多くの四極電磁石を設置する場合、実施形態１と同様に、高エネルギービーム輸送系２０におけるビーム損失を抑制することが可能である。また、四極電磁石５２ａ〜５２ｇは高エネルギービーム輸送系２０中の何れの直線部に設置しても良い。

本実施形態の粒子線治療システムでは、実施形態１と同様、高エネルギービーム輸送系２０が備えるビームを水平方向に偏向する偏向電磁石は２台以上でも構わないし、高エネルギービーム輸送系２０がビームを水平方向に偏向する偏向電磁石を１台も備えない構成としても良い。同様に、本実施形態において高エネルギービーム輸送系が備えるビームを垂直方向に偏向する偏向電磁石は、１台以上であれば何台であってもかまわない。

本実施形態の粒子線治療システムでは、実施形態１と同様、照射地点における加速周波数由来の水平、垂直ディスパージョンηｆｘ１、ηｆｙ１および偏向磁場由来の水平垂直ディスパージョンηＢｘ１、ηＢｙ１が正確に０に補正されていなくても構わない。

（実施形態３）
本実施形態では、低コストかつ、高エネルギービーム輸送系が回転ガントリーを備える場合であっても照射ビーム位置の変動を抑制できる粒子線治療システムの例を説明する。

図７は、本実施形態による粒子線治療システムの例である。

本実施形態の粒子線治療システムは、実施形態１の粒子線治療システムと同様の構成を有するが、高エネルギービーム輸送系２０が回転ガントリー６０を有する点において実施形態１の粒子線治療システムと異なっている。

高エネルギービーム輸送系２０は、偏向電磁石２１、６台の四極電磁石６２ａ〜６２ｆ、ステアリング電磁石２４、回転軸６４を軸として患者４０の周囲を回転可能な回転ガントリー６０からなる。回転ガントリー６０は、複数の偏向電磁石および複数の四極電磁石を備える。高エネルギービーム輸送系２０において、回転軸６４を軸として回転可能な部分の開始地点を回転ガントリー６０の入口（以下、回転ガントリー入口６５という）とする。偏向電磁石２１、四極電磁石６２ａ〜６２ｆ、ステアリング電磁石２４は、高エネルギービーム輸送系２０のシンクロトロン１０出口から回転ガントリー入口６５までの間に設置されている。偏向電磁石２１は実施形態１と同様、シンクロトロン１０からの取り出しビームを治療室へ向けて水平方向に偏向する。四極電磁石６２ａ〜６２ｈは、ビームに収束あるいは発散の力を加えて回転ガントリー入口６５におけるビームの形状を調整する。四極電磁石６２ａ〜６２ｆは個別の四極電磁石電源６３ａ〜６３ｆにそれぞれ接続されており、四極電磁石電源６３ａ〜６３ｆは制御装置２５に接続されている。四極電磁石電源６３ａ〜６３ｆが出力する四極電磁石６２ａ〜６２ｆの励磁電流は制御装置２５により個別に制御される。ステアリング電磁石２４は実施形態１と同様、高エネルギービーム輸送系２０中および照射地点におけるビームの軌道を調整する。回転ガントリー６０は、回転軸６４を軸として回転することにより照射ノズルと治療室鉛直方向のなす角（以下、ガントリー回転角と呼ぶ）を変更し、患部４１に対して複数の異なる方向からのビーム照射を可能とする。回転ガントリー６０中の四極電磁石は、実施形態１と同様照射地点におけるビームの形状を調整する。

本実施形態において、照射ビーム位置の変動を抑制する手法について説明する。まず、本実施形態では、回転ガントリー６０中の座標系が回転ガントリー６０の回転に合わせて回転するため、回転ガントリー入口６５を境界として座標系が切り替わることになる。回転ガントリー入口６５では二種類の座標系が重なるため、ディスパージョン等のパラメータについては、回転しない座標系における値を「回転ガントリー入口６５固定側における値」と呼び、回転する座標系における値を「回転ガントリー入口６５回転側における値」と呼ぶことにする。シンクロトロン１０の出口地点から回転ガントリー入口６５までの水平方向の輸送行列Ｈｘが数式１８の形で表されるとする。このとき、回転ガントリー入口６５固定側における加速周波数由来の水平ディスパージョンηｆｘ２とその勾配ηｆｘ２’および偏向磁場由来の水平ディスパージョンηＢｘ２とその勾配ηＢｘ２’は、実施形態１と同様に数式２０により表される。ディスパージョンの添え字２は、回転ガントリー入口６５固定側における値であることを表す。なお、本実施形態では、シンクロトロン１０の取り出し用デフレクタ１５および高エネルギービーム輸送系２０中の偏向電磁石２１が水平方向にビームを変更するため、回転ガントリー入口６５固定側における垂直ディスパージョンηｆｙ２、ηＢｙ２とその勾配ηｆｙ２’、ηＢｙ２’は実施形態１と同様０となる。なお、シンクロトロン１０出口地点から回転ガントリー入口６５までの垂直方向の輸送行列Ｈｘは、実施形態１と同様、数式１９の形で表される。

本実施形態の粒子線治療システムでは、制御装置２５が高エネルギービーム輸送系２０に設置された四極電磁石６２ａ〜６２ｆの励磁量を回転ガントリー入口固定側における加速周波数由来の水平ディスパージョンの勾配ηｆｘ２’と偏向磁場由来の水平ディスパージョンの勾配ηＢｘ２’が共に０となるように制御する。具体的には、シンクロトロン１０の出口地点から回転ガントリー入口６５までの水平方向の輸送行列Ｈｘの各成分が数式２１の関係を満たすよう四極電磁石６２ａ〜６２ｆの励磁量を制御する。数式２１に示されるディスパージョンに関する制約条件は２種類であるため、水平方向の輸送行列Ｈｘが数式１４を満たすには、高エネルギービーム輸送系２０中の四極電磁石６２ａ〜６２ｆのうち少なくとも２台の励磁量を独立に制御する必要がある。

さらに、本実施形態の粒子線治療システムにおいて、照射地点におけるビームサイズｓｘ１、ｓｙ１とその変化率ｓｘ１’、ｓｙ１’を適切な値に制御するためには、回転ガントリー入口６５固定側におけるビームサイズｓｘ２、ｓｙ２とその変化率ｓｘ２’、ｓｙ２’を適切な値に制御する必要がある。このためには、回転ガントリー入口６５固定側におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ２、αｘ２、βｙ２、αｙ２を回転ガントリーの設計から定まる所定の値とすれば良い。回転ガントリー入口６５固定側におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ２、αｘ２、βｙ２、αｙ２を所定の値に制御するためには、実施形態１と同様、四極電磁石６２ａ〜６２ｆのうち少なくとも４台の励磁量を独立に制御する必要がある。制御装置２５は、回転ガントリー入口６５固定側におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ２、αｘ２、βｙ２、αｙ２が所定の値となり、なおかつ回転ガントリー入口６５固定側における加速周波数由来の水平ディスパージョンの勾配ηｆｘ２’と偏向磁場由来の水平ディスパージョンの勾配ηＢｘ２’が共に０となるよう高エネルギービーム輸送系２０中の四極電磁石６２ａ〜６２ｆの励磁量を制御する。制御装置２５は６台の四極電磁石６２ａ〜６２ｆの励磁量を独立に制御するため、輸送行列Ａｘ、Ａｙがディスパージョンに関する制約条件とビームサイズに関する制約条件を同時に満たすよう四極電磁石６２ａ〜６２ｆの励磁量を制御することができる。

輸送行列Ａｘ、Ａｙがディスパージョンに関する制約条件とビームサイズに関する制約条件を同時に満たすような四極電磁石６２ａ〜６２ｆの励磁量は、実施形態１と同様、シンクロトロン１０からの取り出しビームのＴｗｉｓｓパラメータβｘ０、αｘ０、βｙ０、αｙ０、加速周波数由来の水平ディスパージョンηｆｘ０とその勾配ηｆｘ０’、偏向磁場由来の水平ディスパージョンηＢｘ０とその勾配ηＢｘ０’から制御装置２５が計算により求める。また、四極電磁石５２ａ〜５２ｈの励磁量を計算するために必要となるシンクロトロン１０からの取り出しビームのＴｗｉｓｓパラメータβｘ０、αｘ０、βｙ０、αｙ０、加速周波数由来の水平ディスパージョンηｆｘ０とその勾配ηｆｘ０’、偏向磁場由来の水平ディスパージョンηＢｘ０とその勾配ηＢｘ０’は、実施形態１と同様にして測定あるいは計算することができる。

図８に、回転ガントリー入口固定側６５における水平ディスパージョンの勾配ηｆｘ２’ηＢｘ２’が０となり、なおかつ回転ガントリー入口固定側６５におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ２、αｘ２、βｙ２、αｙ２が所定の値となるような四極電磁石６２ａ〜６２ｆの励磁電流を制御装置２５が反復法により求める手順についてのフローチャート図を示す。制御装置２５が四極電磁石６２ａ〜６２ｆの励磁量を計算する手順は実施形態１と同様であるが、ステップＳ３０１〜Ｓ３０７（実施形態１のステップＳ１０１〜Ｓ１０７に相当）の後、本実施形態では回転ガントリー入口６５固定側における水平ディスパージョンの勾配ηｆｘ２’、ηＢｘ２’を０に補正するため、繰り返し計算の目的関数Ｆは例えば数式２２の形とする必要がある（Ｓ３０９）。数式２２中のβｘ２Ｔ、αｘ２Ｔ、βｙ２Ｔ、αｙ２Ｔはそれぞれ回転ガントリー入口６５固定側におけるＴｗｉｓｓパラメータβｘ２、αｘ２、βｙ２、αｙ２の目標値である。

本実施形態の回転ガントリー６５は、一般的な粒子線治療システムにおける回転ガントリーと同様、回転ガントリー入口６５回転側においてディスパージョンとその勾配が共に０の場合、照射地点におけるディスパージョンとその勾配も共に０となるよう回転ガントリー６０中の四極電磁石の励磁量が制御されている。換言すれば、回転ガントリー６０は、回転ガントリー入口６５回転側から照射地点までのビーム輸送において新たにディスパージョンを発生させることがない。また、本実施形態の回転ガントリー６０は、照射地点におけるビームサイズが回転ガントリー入口６５回転側におけるビームサイズよりも小さくなる、即ち、ビームを回転ガントリー入口６５回転側から照射地点へ向けて収束するように回転ガントリー６５中の四極電磁石の励磁量が制御されている。これらにより、回転ガントリー６５の水平方向の輸送行列Ｇｘおよび垂直方向の輸送行列Ｇｙは、数式２３の形で近似することができる。輸送行列Ｇｘ、Ｇｙの１行１列成分が０に近似できるのは回転ガントリー６５が照射地点へ向けてビームを収束するためであり、輸送行列Ｇｘ、Ｇｙの１行３列成分および２行３列成分が０であるのは回転ガントリー６５が新たにディスパージョンを発生させないことによる。また、照射地点における水平ディスパージョンηｘ１および垂直ディスパージョンηｙ１は、回転ガントリー入口６５回転側における水平ディスパージョンの勾配ηｘ３’と垂直ディスパージョンの勾配ηｙ３’を用いて数式２４により近似される。ディスパージョンの添え字３は、回転ガントリー入口６５回転側における値であることを表す。数式２４に示すように、照射地点における水平、垂直ディスパージョンηｘ１、ηｙ１は回転ガントリー入口６５回転側における水平、垂直ディスパージョンの勾配ηｘ３’、ηｙ３’に比例し、水平、垂直ディスパージョンηｘ３、ηｙ３には依存しない。

本実施形態において、回転ガントリー入口６５回転側の水平、垂直ディスパージョンηｘ３、ηｙ３は回転ガントリー入口６５固定側の水平、垂直ディスパージョンηｘ２、ηｙ２の線形結合となり、回転ガントリー入口６５回転側の水平、垂直ディスパージョンの勾配ηｘ３’、ηｙ３’は回転ガントリー入口６５固定側の水平、垂直ディスパージョンの勾配ηｘ２’、ηｙ２’の線形結合となる。従って、回転ガントリー６５固定側における水平、垂直ディスパージョンの勾配ηｘ２’、ηｙ２’が共に０である場合、回転ガントリー６５回転側における水平、垂直ディスパージョンの勾配ηｘ３’、ηｙ３’も共に０となる。本実施形態では回転ガントリー固定側における加速周波数由来の水平、垂直ディスパージョンの勾配ηｆｘ２’、ηｆｙ２’と偏向磁場由来の水平、垂直ディスパージョンの勾配ηＢｘ２’、ηＢｙ２’が全て０であるから、回転ガントリー回転側における加速周波数由来の水平、垂直ディスパージョンの勾配ηｆｘ３’、ηｆｙ３’と偏向磁場由来の水平、垂直ディスパージョンの勾配ηＢｘ３’、ηＢｙ３’も全て０となる。従って、数式２５より、本実施形態では照射地点における加速周波数由来の水平、垂直ディスパージョンηｆｘ１、ηｆｙ１と偏向磁場由来の水平、垂直ディスパージョンηＢｘ１、ηＢｙ１が全て０となる。

本実施形態の粒子線治療システムにおいてビーム照射中にシンクロトロン１０の加速周波数が変動した場合、取り出しビームの水平位置と運動量が変動するが、照射地点における加速周波数由来の水平、垂直ディスパージョンηｆｘ１、ηｆｙ１が０であるため、照射ビーム位置は加速周波数のずれに依らず一定に保たれる。同様に、ビーム照射中にシンクロトロン１０の偏向電磁石１１の励磁量が変動した場合においても、照射ビーム位置における偏向磁場由来の水平、垂直ディスパージョンηＢｘ１、ηＢｙ１が０であるため、照射ビーム位置が偏向電磁石１１の励磁量のずれに依らず一定に保たれる。

このように、本実施形態の粒子線治療システムでは、シンクロトロン１０からの取り出しビームに対して定義された加速周波数由来の水平ディスパージョンと偏向磁場由来の水平ディスパージョンに対し、回転ガントリー入口６５固定側におけるこれらディスパージョンの勾配が共に０となるよう制御装置２５が高エネルギービーム輸送系２０中の四極電磁石６２ａ〜６２ｆの励磁量を制御するため、高エネルギービーム輸送系２０中のステアリング電磁石２４の電源に高価なパターン電源を使用せずに、照射ビーム位置の変動を抑制することができる。

本実施形態の粒子線治療システムは、シンクロトロン１０の出口から回転ガントリー入口６５までの間に６台の四極電磁石６２ａ〜６２ｆを設置する構成としたが、この区間に設置される四極電磁石は６台より多くても構わない。シンクロトロン１０の出口から回転ガントリー入口６５までの間に６台よりも多くの四極電磁石を設置する場合、実施形態１と同様に、高エネルギービーム輸送系２０におけるビーム損失を抑制することが可能である。また、四極電磁石６２ａ〜６２ｆはシンクロトロン１０の出口から回転ガントリー入口６５までの間の何れの直線部に設置しても良い。

本実施形態の粒子線治療システムでは、実施形態１と同様、高エネルギービーム輸送系２０が備えるビームを水平方向に偏向する偏向電磁石は２台以上でも構わないし、高エネルギービーム輸送系２０がビームを水平方向に偏向する偏向電磁石を１台も備えない構成としても良い。同様に、回転ガントリー６０を構成する偏向電磁石および四極電磁石は何台であっても構わない。

本実施形態の粒子線治療システムでは、実施形態１と同様の理由により、回転ガントリー入口６５固定側における加速周波数由来の水平ディスパージョンの勾配および偏向磁場由来の水平ディスパージョンの勾配が正確に０に補正されていなくても構わない。

本実施形態の粒子線治療システムでは、取り出し用デフレクタ１５が垂直方向にビームを偏向しても良い。また、シンクロトロン１０の出口から回転ガントリー入口６５までの間にビームを垂直方向に偏向する偏向電磁石を備える構成としても良い。回転ガントリー入口６５までにビームが垂直方向に偏向される場合、シンクロトロン１０の出口から回転ガントリー入口６５までの間に８台以上の四極電磁石を設置することにより照射ビーム位置の変動を抑制することが可能となる。具体的には、回転ガントリー入口６５固定側における加速周波数由来の水平、垂直ディスパージョンの勾配ηｆｘ２’、ηｆｙ２’と偏向磁場由来の水平、垂直ディスパージョンの勾配ηＢｘ２’、ηＢｙ２’が全て０となるよう制御装置２５が高エネルギービーム輸送計２５中の四極電磁石の励磁量を制御することにより、照射ビーム位置の変動が抑制される。

（付記）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上の必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

本発明の粒子線治療システム及び装置、粒子線治療システムの制御方法は、その各手順をコンピュータに実行させるための粒子線治療プログラム、粒子線治療プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体、粒子線治療プログラムを含みコンピュータの内部メモリにロード可能なプログラム製品、そのプログラムを含むサーバ等のコンピュータ、等により提供されることができる。

１ 入射器
２ 低エネルギービーム輸送系
１０ シンクロトロン
１１ 偏向電磁石
１２ 四極電磁石
１３ 高周波加速空胴
１４ 入射用インフレクタ
１５ 取り出し用デフレクタ
２０ 高エネルギービーム輸送系
２１ 偏向電磁石
２２ 四極電磁石
２３ 四極電磁石電源
２４ ステアリング電磁石
２５ 制御装置
３０ 照射野形成装置
４０ 患者
４１ 患部
５０ 測定部
５１ 偏向電磁石
５２ 四極電磁石
５３ 四極電磁石電源
６０ 回転ガントリー
６２ 四極電磁石
６３ 四極電磁石電源
７０ サイクロトロン

Claims (12)

1. 粒子線治療システムであって、
   荷電粒子ビームを加速して取り出す加速器と、
   前記荷電粒子ビームの形状を調整する複数の四極電磁石を有し、前記加速器から取り出された前記荷電粒子ビームを照射対象へ輸送するビーム輸送系と、
   前記ビーム輸送系中の前記荷電粒子ビームに対し、前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直で、前記加速器の偏向電磁石の動径方向又は前記加速器の周回ビーム軌道若しくは中心軌道が含まれる平面方向に沿った方向である第一の方向について定義された、前記加速器に由来する二種類の第一のディスパージョンが、前記照射対象の位置において０又は略０となるよう前記ビーム輸送系中の前記複数の四極電磁石の各々の励磁量を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記二種類の第一のディスパージョンは、加速周波数由来のディスパージョン（ηｆｘ１）と偏向磁場由来のディスパージョン（ηＢｘ１）であり、
   前記二種類の第一のディスパージョンが前記照射対象の位置において略０となるとは、前記照射対象の位置における前記第一のディスパージョンと運動量ずれの積が、予め定められた照射ビーム位置の変動幅の制限以内であることを特徴とする粒子線治療システム。
2. 請求項１に記載の粒子線治療システムであって、
   前記制御装置は、前記照射対象の位置におけるビームサイズとその変化率が予め定められた値となり、且つ、前記加速器に由来する前記二種類の第一のディスパージョンが、前記照射対象の位置において０又は略０となるよう前記ビーム輸送系中の前記複数の四極電磁石の各々の励磁量を制御することを特徴とする粒子線治療システム。
3. 請求項２に記載の粒子線治療システムであって、
   前記制御装置は、前記複数の四極電磁石の各々の励磁量を、前記ビーム輸送系の機器配置から作られるモデル、前記加速器から取り出した前記荷電粒子ビームのＴｗｉｓｓパラメータ、前記加速器出口地点における前記第一の方向の前記加速周波数由来のディスパージョン（ηｆｘ０）とその勾配（ηｆｘ０’）、前記加速器出口地点における前記第一の方向の前記偏向磁場由来のディスパージョン（ηＢｘ０）とその勾配（ηＢｘ０’）から計算することを特徴とする粒子線治療システム。
4. 請求項２に記載の粒子線治療システムであって、
   前記制御装置は、前記加速器出口地点における、前記二種類の前記第一の方向のディスパージョン（ηｆｘ０、ηＢｘ０）とそれらの勾配（ηｆｘ０’、ηＢｘ０’）、及び、Ｔｗｉｓｓパラメータを読み込み、
   前記制御装置は、前記複数の四極電磁石の各々の励磁量の予め設定された設計値を用いて前記加速器出口地点から前記照射対象の位置までの輸送行列（Ａｘ、Ａｙ）を計算し、
   前記制御装置は、前記加速器出口地点における前記二種類の前記第一の方向のディスパージョン（ηｆｘ０、ηＢｘ０）およびそれらの勾配（ηｆｘ０’、ηＢｘ０’）と前記ビーム輸送系の輸送行列（Ａｘ、Ａｙ）から前記照射対象の位置における前記二種類の前記第一の方向のディスパージョン（ηｆｘ１、ηＢｘ１）を計算し、前記加速器出口地点におけるＴｗｉｓｓパラメータと前記ビーム輸送系の輸送行列（Ａｘ、Ａｙ）から前記照射対象の位置におけるＴｗｉｓｓパラメータを計算し、
   前記制御装置は、前記照射対象の位置における前記二種類の前記第一の方向のディスパージョン（ηｆｘ１、ηＢｘ１）が両方０となり且つ前記照射対象の位置におけるＴｗｉｓｓパラメータが目標値と一致する場合に０となる関数である目的関数に従い、前記照射対象の位置における前記二種類の前記第一の方向のディスパージョン（ηｆｘ１、ηＢｘ１）およびＴｗｉｓｓパラメータの計算結果から前記目的関数の値を計算し、
   前記制御装置は、前記目的関数の値が予め定められた閾値以下になるような前記複数の四極電磁石の励磁量を算出し、
   前記制御装置は、前記複数の四極電磁石の各々を、算出された励磁量に従い制御することを特徴とする粒子線治療システム。
5. 請求項３または４に記載の粒子線治療システムであって、
   前記加速器出口地点における、前記二種類の前記第一の方向のディスパージョン（ηｆｘ０、ηＢｘ０）とそれらの勾配（ηｆｘ０’、ηＢｘ０’）、及び、Ｔｗｉｓｓパラメータを測定し、前記制御装置に与える測定部をさらに備えたことを特徴とする粒子線治療システム。
6. 請求項１に記載の粒子線治療システムであって、
   前記制御装置は、
   前記ビーム輸送系中の前記荷電粒子ビームに対し、前記加速器に由来する前記二種類の第一のディスパージョン（ηｆｘ１、ηＢｘ１）と、前記荷電粒子ビームの進行方向および前記第一の方向と垂直な第二の方向について定義された前記加速器に由来する二種類の第二のディスパージョンとが、前記照射対象の位置において０又は略０となるよう前記ビーム輸送系中の前記複数の四極電磁石の各々の励磁量を制御し、
   前記二種類の第二のディスパージョンは、加速周波数由来のディスパージョン（ηｆｙ１）と偏向磁場由来のディスパージョン（ηＢｙ１）であり、
   前記二種類の第二のディスパージョンが前記照射対象の位置において略０となるとは、前記照射対象の位置における前記第二のディスパージョンと運動量ずれの積が、予め定められた照射ビーム位置の変動幅の制限以内であることを特徴とする粒子線治療システム。
7. 請求項６に記載の粒子線治療システムであって、
   前記ビーム輸送系は、
   前記加速器から取り出した前記荷電粒子ビームを前記照射対象へ向けて前記第一の方向に偏向する偏向電磁石と、
   前記荷電粒子ビームを前記第二の方向に複数回偏向し、前記照射対象に対して前記第二の方向からの前記荷電粒子ビームを照射するための複数の偏向電磁石と、
   を備え、
   前記第二の方向から前記照射対象に前記荷電粒子ビームを照射可能としたことを特徴とする粒子線治療システム。
8. 請求項１記載の粒子線治療システムであって、
   前記ビーム輸送系から前記荷電粒子ビームを入力し、前記荷電粒子ビームを前記照射対象に対して複数の異なる方向から照射することができる回転ガントリー
   をさらに備え、
   前記回転ガントリーの入口地点における前記第一の方向について定義された前記二種類の前記第一の方向のディスパージョンの前記荷電粒子ビームの進行方向についての勾配（ηｆｘ２’、ηＢｘ２’）が０となるよう前記制御装置が前記複数の四極電磁石の各々の励磁量を制御することを特徴とする粒子線治療システム。
9. 請求項１または２に記載の粒子線治療システムであって、
   前記加速器がシンクロトロンであり、
   前記二種類の第一のディスパージョンのうちの一種類が、前記シンクロトロンの周回ビームを所定のエネルギーまで加速する高周波加速空胴による加速周波数の変化により生じるビーム位置の変化とビーム運動量の変化に対して定義された加速周波数由来のディスパージョンであり、
   前記二種類の第一のディスパージョンのうちのもう一種類が、前記シンクロトロンの周回ビーム軌道を形成する複数の偏向電磁石による偏向磁場の変化により生じるビーム位置の変化とビーム運動量の変化に対して定義された偏向磁場由来のディスパージョンであることを特徴とする粒子線治療システム。
10. 請求項１または２に記載の粒子線治療システムであって、
    前記加速器がサイクロトロンであり、
    前記二種類の第一のディスパージョンのうちの一種類が、前記サイクロトロンを構成するディー電極へ印加する高周波電圧の変化により生じるビーム位置の変化とビーム運動量の変化に対して定義された加速周波数由来のディスパージョンであり、
    前記二種類の第一のディスパージョンのうちのもう一種類が、前記サイクロトロンを構成する磁極間に発生する磁場の変化により生じるビーム位置の変化とビーム運動量の変化に対して定義された偏向磁場由来のディスパージョンであることを特徴とする粒子線治療システム。
11. 請求項３または４に記載の粒子線治療システムであって、
    前記加速器出口地点における前記加速器から取り出された前記荷電粒子ビームの前記第一の方向のディスパージョンは、同地点における前記荷電粒子ビームの前記第一の方向のビーム位置のずれΔｘ０と、運動量の設計値で規格化した運動量のずれΔｐ／ｐを用いて、Δｘ０／（Δｐ／ｐ）により表されることを特徴とする粒子線治療システム。
12. 粒子線治療装置であって、
    加速器から取り出した荷電粒子ビームの形状を調整する複数の四極電磁石を有し、前記加速器から取り出された前記荷電粒子ビームを照射対象へ輸送するビーム輸送系と、
    前記ビーム輸送系中の前記荷電粒子ビームに対し、前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直で、前記加速器の偏向電磁石の動径方向又は前記加速器の周回ビーム軌道若しくは中心軌道が含まれる平面方向に沿った方向である第一の方向について定義された、前記加速器に由来する二種類の第一のディスパージョンが、前記照射対象の位置において０又は略０となるよう前記ビーム輸送系中の前記複数の四極電磁石の各々の励磁量を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記二種類の第一のディスパージョンは、加速周波数由来のディスパージョン（ηｆｘ１）と偏向磁場由来のディスパージョン（ηＢｘ１）であり、
    前記二種類の第一のディスパージョンが前記照射対象の位置において略０となるとは、前記照射対象の位置における前記第一のディスパージョンと運動量ずれの積が、予め定められた照射ビーム位置の変動幅の制限以内であることを特徴とする粒子線治療装置。

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