JP6470124B2 - 粒子線ビームの制御電磁石及びこれを備えた照射治療装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、通過する粒子線ビームの制御電磁石及びこれを備えた照射治療装置に関する。

炭素イオン等の粒子線ビームを、患者の病巣組織（がん）に照射して、治療を行う粒子線治療技術が注目されている。
この粒子線治療技術によれば、正常組織にダメージを与えず、病巣組織のみをピンポイントで死滅させることができるため、手術や投薬治療等に比べ、患者への負担が少なく、治療後の社会復帰の早期化も期待できる。

初期の照射治療装置は、粒子線ビームの照射部が固定され、ターゲットに対して一方向のみから照射が可能である固定方式が主流であった。
近年、より効果的な治療を施すことを目的とし、粒子線ビームの照射部を回転させ、病巣組織の形状や体内深度に応じ、最適な線量値及び線量分布を病巣組織に付与する回転方式が脚光を浴びている。

特開２０１１−７２７１７号公報

回転方式の照射治療装置においては、病巣組織への照射の正確性を期するために、粒子線ビームの照射部を支持する回転ガントリの高精度な回転制御が要求される。
また粒子線ビームの軌道は、回転ガントリの外部からその回転軸に沿って導かれ、回転ガントリの外側を一旦抜け出した後に、再び回転ガントリの内部に向けて半径方向に出射するように曲げられる。

そのような粒子線ビームの軌道を制御する輸送路は、ビームの収束・発散を制御する四極電磁石（収束電磁石）、ビーム軌道を曲げる偏向電磁石、及びビーム軌道のズレを補正するステアリング電磁石等を順次配列させて構成している。
このように長尺化された輸送路を支持する回転ガントリは、大型化が避けられず、大型化した回転ガントリは、回転の制御性が悪化し、粒子線ビームの照射精度を低下させる懸念がある。

本発明の実施形態は上記事情に鑑みてなされたもので、粒子線ビームの輸送路を短尺化することができる粒子線ビームの制御電磁石、及びこの制御電磁石を支持する回転ガントリの小型化及び軽量化に貢献する照射治療装置を提供することを目的とする。

実施形態に係る粒子線ビームの制御電磁石において、粒子線ビームを内側に通過させる真空ダクトと、前記粒子線ビームの進行方向を曲げる偏向磁場及び前記粒子線ビームの外径を制御する収束磁場のうち少なくとも一方を形成する第一超電導コイルと、前記粒子線ビームの進行方向に対して前記第一超電導コイルの端部に配置されるとともに前記粒子線ビームの軌道のズレを補正する補正磁場を形成する第二超電導コイルと、前記第一超電導コイル、第二超電導コイル及びこれらに接する冷却媒体を共に収容して外気から断熱する断熱容器と、を備えることを特徴とする。

さらに実施形態に係る照射治療装置において、前記粒子線ビームの制御電磁石と、前記制御電磁石を支持するとともに中心軸を中心として回転し前記粒子線ビームを前記中心軸に対し直交する方向に照射させる回転ガントリと、照射された前記粒子線ビームに対し、載置した患者を移動して位置合わせするベッドと、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態により、粒子線ビームの輸送路を短尺化することができる粒子線ビームの制御電磁石、及びこの制御電磁石を支持する回転ガントリの小型化及び軽量化に貢献する照射治療装置が提供される。

本発明の実施形態に係る粒子線ビームの制御電磁石の外観図。 図１に示される第一超電導コイル群のＡ−Ａ断面図。 図１に示される第二超電導コイル群（ステアリング磁石）のＣ−Ｃ断面図。 実施形態に係る粒子線ビームの制御電磁石を構成する第一超電導コイル群及び第二超電導コイル群を直線状に展開した分解図。 他の実施形態に係る粒子線ビームの制御電磁石を構成する第一超電導コイル群及び第二超電導コイル群を直線状に展開した分解図。 断熱容器を直線状に展開した分解図。 本発明の実施形態に係る照射治療装置の断面図。

以下、本発明の実施形態係る粒子線ビームの制御電磁石を添付図面に基づいて説明する。なお、図面において、粒子線ビームの進行方向をｓ方向、このｓ方向に対し相互に直交する方向をｘ方向及びｙ方向と定義する。

図１に示すように、粒子線ビームの制御電磁石１０は、真空ダクト１３の内側を通過する粒子線ビーム１４の進行方向を曲げる偏向磁場１５（図２）及び粒子線ビーム１４の外径を制御する収束磁場１６（図２）のうち少なくとも一方を形成する第一超電導コイル群１１と、粒子線ビーム１４の軌道上における第一超電導コイル群１１の端部に配置され粒子線ビーム１４の軌道のズレを補正する補正磁場１７（１７ｘ，１７ｙ）（図３）を形成する第二超電導コイル群１２と、第一超電導コイル群１１、第二超電導コイル群１２及びこれらに接する冷却媒体（図示略）を共に密閉収容し外気から断熱する断熱容器１８と、を備えている。

真空ダクト１３は、治療に用いる炭素イオン、負パイ中間子、陽子、ヘリウムイオン、ネオンイオン、シリコンイオン、またはアルゴンイオン等の粒子線ビーム１４を生成するイオン発生源や、上記粒子線ビーム１４を加速する線形加速器、シンクロトロン、サイクロトロン、ＦＦＡＧ加速器などの加速装置（図示略）、また、この加速装置から出射された粒子線ビーム１４をターゲット（図７の患者５３）まで輸送する輸送システム（図示略）を構成するものである。
このため、真空ダクト１３は、粒子線ビーム１４の発生源からターゲットまで、粒子線ビーム１４を通過させるのに充分な真空度を有する密閉された連続空間である。

冷却媒体は、超電導現象を発現する臨界温度以下まで超電導コイルを冷却するもので、液体窒素や液体ヘリウム等の液体媒体や、冷凍機により発生した冷熱を超電導コイルまで熱伝導させる固体媒体等が挙げられる。

図２は、図１に示される第一超電導コイル群１１のＡ−Ａ断面図である。
このように第一超電導コイル群１１は、偏向磁場１５を形成する偏向コイル３１（３１ａ，３１ｂ）と、収束磁場１６を形成する収束コイル３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）と、が同軸に積層して構成されている。
なお、図示を省略しているが、第一超電導コイル群１１（図１）のＢ−Ｂ断面には、Ａ−Ａ断面とは別個に、図２に示される収束コイル３２を９０°軸周りに回転させたものが配置されている。つまり、Ａ−Ａ断面に配置される収束コイル３２と、Ｂ−Ｂ断面に配置される収束コイル３２とは、構造が同一で電流の方向が逆転している。

偏向コイル３１（３１ａ，３１ｂ）は、対向する二つの励磁コイルから成り、その間を通過する粒子線ビームの進行方向を偏向磁場１５の作用で曲げて、軌道を円弧状にすることができる。そして、偏向コイル３１を通過した粒子線ビームを、接線方向に直進させる。
なお実施形態において、偏向コイル３１は、対向する２個の励磁コイルから構成されるものを例示しているが、それ以外の数の励磁コイルで構成される場合もある。

収束コイル３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）は、軸対称に配置される４個の励磁コイルから構成され、内部ギャップに、実線の矢印で示した収束磁場１６を生させる。
なお実施形態において、収束コイル３２として４個の励磁コイルから構成されるものを例示しているが、それ以外の数の励磁コイルで構成される場合もある。特に対向する偶数個（６個）の励磁コイルで構成される場合もある。

収束コイル３２を通過する粒子線ビームにおいて、ｘ軸上のｑ１に位置する荷電粒子は、中心方向へのローレンツ力が働く一方で、ｙ軸上のｑ２に位置する荷電粒子は、外方向へのローレンツ力が働く。すなわち、Ａ−Ａ断面の収束コイル３２は、粒子線ビームをｘ軸方向に収束させ、ｙ軸方向に発散させる。そしてＢ−Ｂ断面の収束コイル３２では、ビームの収束・発散させる方向が逆転して、粒子線ビームをｙ軸方向に収束させ、ｘ軸方向に発散させる。

そして、ビームを収束・発散させる強さは、収束コイル３２に印加される直流電流の強度により制御することができる。
このように、極性を逆転させた収束コイル３２を複数配列し、各々印加する直流電流を制御することにより、粒子線ビームのビーム径の発散を防止しビーム径を所望する大きさに制御することができる。
なお実施形態において、極性の異なる２個の四極コイル３２から構成されるものを例示しているが、１個または３個以上の四極コイル３２で構成される場合もある。

図３は、図１に示される第二超電導コイル群１２（ステアリング磁石）のＣ−Ｃ断面図である。
このように第二超電導コイル群１２は、粒子線ビームの進行方向に直交する方向（ｘ軸方向）に１次補正磁場１７ｘを形成する１次補正コイル２１（２１ａ，２１ｂ）と、粒子線ビームの進行方向及び第１補正磁場１７ｘに直交する方向（ｙ軸方向）に２次補正磁場１７ｙを形成する２次補正コイル２２（２２ａ，２２ｂ）と、を有している。

１次補正コイル２１及び２次補正コイル２２のそれぞれは、偏向コイル３１と同様に二つの励磁コイルを対向配置した構成を有する。
第二超電導コイル群１２の役割は、第一超電導コイル群１１の据付誤差により生ずる誤差磁場、または第一超電導コイル群１１やその他の励磁コイルの個体差等により生ずる誤差磁場に起因する粒子線ビームの軌道のズレを補正することである。
１次補正コイル２１が形成する第１補正磁場１７ｘ及び２次補正コイル２２が形成する２次補正磁場１７ｙのそれぞれは、粒子線ビームの軌道のズレのｙ成分及びｘ成分を補正する。

図４は、粒子線ビームの制御電磁石１０を構成する第一超電導コイル群１１及び第二超電導コイル群１２を直線状に展開した分解図である。
なお実際の第一超電導コイル群１１は、粒子線ビームの軌道に沿って湾曲形状を有するか又は複数に分割されたものが湾曲状に配置されている。
図示されるように、第一超電導コイル群１１及び第二超電導コイル群１２を構成する励磁コイルは、超電導素線を長円形の渦巻状に巻回して形成され、主面が真空ダクト１３（図１）の外周面に対峙している。

粒子線ビームの制御電磁石１０は、第一超電導コイル群１１のうち収束コイル３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）及び第二超電導コイル群１２のうち１次補正コイル２１（２１ａ，２１ｂ）が真空ダクト１３（図１）に対向する第一層を形成している。そして、偏向コイル３１（３１ａ，３１ｂ）及び２次補正コイル２２（２２ａ，２２ｂ）が第一層の上に積層する第二層を形成している。

なお１次補正コイル２１（２１ａ，２１ｂ）及び２次補正コイル２２（２２ａ，２２ｂ）は、図４に示すように同軸に積層して配置される場合の他に、図５に示すように粒子線ビームの制御電磁石１００の両端に分離して配置される場合もある。
また、実施形態において第一超電導コイル群１１は、偏向コイル３１と収束コイル３２を共に有するものを例示しているが、いずれか一方のみを有する場合もあり得る。
また、第二超電導コイル群１２は、１次補正コイル２１と２次補正コイル２２を共に有するものを例示しているが、いずれか一方のみを有する場合もあり得る。
図４、図５及びその他の形態のうちいずれを選択するかについては、真空ダクト１３にレイアウトされる制御電磁石１０が要求する性能と短尺化との観点に基づいて、決定される。

図６は断熱容器１８を直線状に展開させた分解図である。なお実際の断熱容器１８は、図１に示されるように曲率を有している。
このように断熱容器１８は、真空ダクト１３（図１）の外周面に対してクリアランスをとって同軸配置される内筒４１と、この内筒４１の外側に同軸に配置される外筒４２と、内筒４１と同じ径の孔を中心に有し外筒４２と同じ径の外径を有する端板４３（４３ａ，４３ｂ）とから構成されている。
内筒４１の両端の周縁は、それぞれ端板４３（４３ａ，４３ｂ）の孔の周縁に密着され、外筒４２の両端の周縁は、それぞれ端板４３（４３ａ，４３ｂ）の外周の周縁に密着される。これにより、内筒４１の外周面と、外筒４２の内周面と、端板４３（４３ａ，４３ｂ）の面に囲まれる密閉空間が形成される。

第一超電導コイル群１１及び第二超電導コイル群１２の各々を構成する励磁コイルは、内筒４１、外筒４２及び端板４３（４３ａ，４３ｂ）のうち少なくとも一つの面に支持されている。
そして、これら励磁コイルを収容した断熱容器１８の密閉空間は、液体冷媒が充填されるか、真空状態に保持されている。
なお、断熱容器１８の密閉空間が真空状態に保持されている場合、冷凍機で発生した冷熱は、固体媒体を介して熱的に接続する励磁コイルに、熱伝導する。
このようにして、第一超電導コイル群１１及び第二超電導コイル群１２は、断熱容器１８の密閉空間に共に収容されている冷却媒体により、超電導現象を発現する温度まで冷却される。

図７は、本発明の実施形態に係る照射治療装置５０の断面図である。
粒子線ビーム１４は、患者５３の体内を通過する際に運動エネルギーを失って速度を低下させるとともに、速度の二乗にほぼ反比例する抵抗を受けてある一定の速度まで低下すると急激に停止する。そして、粒子線ビームの停止点近傍では、ブラッグピークと呼ばれる高エネルギーが放出される。
照射治療装置５０は、このブラッグピークを患者５３の病巣組織に合わせることにより、正常組織のダメージを抑えつつ病巣組織を死滅させるものである。

照射治療装置５０は、粒子線ビームの制御電磁石１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）と、これら制御電磁石１０を支持するとともに中心軸５１を中心として回転し粒子線ビーム１４を中心軸５１に対し直交する方向に照射させる回転ガントリ５２と、照射された粒子線ビーム１４に対し載置した患者５３を移動して位置合わせするベッド５４と、を備えている。

回転ガントリ５２の内側に設けられている照射部５５には、粒子線ビーム１４を、ｘ軸方向に偏向走査するｘ軸偏向走査磁石（図示略）、ｙ軸方向に偏向走査するｙ軸偏向走査磁石（図示略）、ｓ軸方向に侵入深さ制御するレンジシフタ（図示略）が配置されている。

図示するように制御電磁石１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）が配置されることにより、ガントリ５２の回転軸５１に沿って入力した粒子線ビーム１４の軌道を９０°曲げて、この回転軸５１に直交する任意の方向から、患者５３に照射することが可能になる。
それぞれの制御電磁石１０は、偏向磁場、収束磁場及び補正磁場を発生させる超電導コイル群が、一つの断熱容器に収容されて構成されているので、これを支持する回転ガントリの小型化及び軽量化を図ることができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の粒子線ビームの制御電磁石によれば、粒子線ビームの軌道のズレを補正する補正磁場を形成する第二超電導コイル群を、偏向磁場や収束磁場を形成する第一超電導コイル群と共に、断熱容器に収容することにより、粒子線ビームの輸送路を短尺化することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０，１００…制御電磁石、１１…第一超電導コイル群、１２…第二超電導コイル群、１３…真空ダクト、１４…粒子線ビーム、１５…偏向磁場、１６…収束磁場、１７…補正磁場、１７ｘ…一次補正磁場、１７ｙ…二次補正磁場、１８…断熱容器、２１…一次補正コイル、２２…二次補正コイル、３１…偏向コイル、３２…収束コイル、４１…内筒、４２…外筒、４３…端板、５０…照射治療装置、５１…中心軸、５２…回転ガントリ、５３…患者、５４…ベッド。

Claims (6)

1. 真空ダクトの内側を通過する粒子線ビームの進行方向を曲げる偏向磁場及び前記粒子線ビームの外径を制御する収束磁場のうち少なくとも一方を形成する第一超電導コイル群と、
   前記粒子線ビームの軌道上における前記第一超電導コイル群の端部に配置され、前記粒子線ビームの軌道のズレを補正する補正磁場を形成する第二超電導コイル群と、
   前記第一超電導コイル群、第二超電導コイル群及びこれらに接する冷却媒体を共に密閉収容し外気から断熱する断熱容器と、を備えることを特徴とする粒子線ビームの制御電磁石。
2. 請求項１に記載の粒子線ビームの制御電磁石において、
   前記第一超電導コイル群は、
   前記偏向磁場を形成する偏向コイルと、前記収束磁場を形成する収束コイルと、が同軸に積層して構成されていることを特徴とする粒子線ビームの制御電磁石。
3. 請求項２に記載の粒子線ビームの制御電磁石において、
   前記収束コイル及び前記第二超電導コイル群が前記真空ダクトに対向する第一層を形成し、前記偏向コイルが前記第一層の上に積層する第二層を形成していることを特徴とする粒子線ビームの制御電磁石。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の粒子線ビームの制御電磁石において、
   前記第二超電導コイル群は、
   前記粒子線ビームの進行方向に直交する方向に１次補正磁場を形成する１次補正コイルと、
   前記粒子線ビームの進行方向及び第１補正磁場に直交する方向に２次補正磁場を形成する２次補正コイルと、を有することを特徴とする粒子線ビームの制御電磁石。
5. 請求項４に記載の粒子線ビームの制御電磁石において、
   前記１次補正コイル及び前記２次補正磁場は、同軸に積層して配置されていることを特徴とする粒子線ビームの制御電磁石。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の粒子線ビームの制御電磁石と、
   前記制御電磁石を支持するとともに中心軸を中心として回転し前記粒子線ビームを前記中心軸に対し直交する方向に照射させる回転ガントリと、
   照射された前記粒子線ビームに対し、載置した患者を移動して位置合わせするベッドと、を備えることを特徴とする照射治療装置。

Images