JP6486141B2 - 粒子線治療装置および粒子線調整方法 - Google Patents

Description

この発明は、陽子線や重イオン線を照射してがん等の治療を行う粒子線治療装置およびこれに用いる粒子線調整方法に関する。

従来、高エネルギーの荷電粒子ビームを生成する粒子加速器は、科学、産業、及び医療等の様々な分野で利用されている。粒子線治療を行う粒子線治療装置において、加速器から取り出された荷電粒子ビームは、真空ダクト、偏向電磁石、及び四極電磁石等で構成されたビーム輸送ラインを通り、標的に照射される。

粒子線治療においては、ペンシルビームと呼ばれる細い荷電粒子ビームを用いるスキャニング方式と、ビームを拡大しコリメータで整形して照射するブロードビーム方式が存在している。

ここで、スキャニング方式による粒子線治療装置は、照射するビームのエネルギーや位置、サイズ（ビーム径）を制御することで、体表面付近の正常組織への線量を極力抑えながら、体内深くにある腫瘍に大きな線量を与えることが可能である（特許文献１参照）。

また、スキャニング方式による粒子線治療装置は、通常、ビーム輸送ラインにある四極電磁石の励磁電流量を変更することで、照射ビームのサイズを調整する（特許文献２、３参照）。他にも、スキャニング方式による粒子線治療装置は、ビーム輸送ラインの途中に散乱体を入れてビームサイズを広げることも可能である（特許文献１）。

回転照射装置（回転ガントリ）を使用する場合、ガントリ回転角度に依存してビームサイズが変わらないようにすることが必要となる。このため、スキャニング方式による粒子線治療装置は、回転角度ごとに四極電磁石の励磁電流量を調整する必要がある。

ガントリ回転角度依存性をなくす他の方法として、ビーム輸送ラインの回転部入口で、ビームのエミッタンス等のパラメータを水平方向及び垂直方向で揃え、ビームを回転対称にする手段も考えられる。この場合、エミッタンスは水平、垂直方向に独立な保存量であるため、スキャニング方式による粒子線治療装置は、コリメータや散乱体（特許文献４参照）、スキュー四極電磁石またはソレノイド電磁石（特許文献５参照）などを使用する。

ここで、四極電磁石は通過するビームに対して水平、垂直方向の各方向に収束と発散、ないしは、発散と収束の効果を与えるため、励磁電流量を変更すると、水平方向及び垂直方向の両方向のビームサイズに影響が出る。このため、水平方向と垂直方向のビームサイズを独立に調整することができない。従って、ビームサイズの調整は、複雑であり、複数台の四極電磁石が必要となる。また、ビームが四極電磁石の中心を通っていなかった場合、励磁電流量を変更するとビームの軌道も変化する。このため、ビームサイズの調整と共にビーム軌道も補正する必要が生じる。

一方、散乱体を使用してビームのエミッタンスを調整する方法では、水平方向および垂直方向のどちらにもエミッタンスを広げることになる。このため、独立に調整することができず、また、水平方向及び垂直方向のどちらかのエミッタンスだけを変更することは原理的に不可能である。そのため、本来は広げる必要のない方向のエミッタンスまで広がり、ビームサイズが増大するなどのビームの質の必要以上の低下を招く。このような質の低下は、腫瘍付近の正常細胞に与える損傷を大きくしてしまうことにつながる。

同様に、回転ガントリを使用するためにビームのエミッタンスなどのパラメータを水平方向及び垂直方向で揃える場合も、複数の機器の設定電流値などを調整する必要があり、非常に複雑である。加えて、それら設定電流値などの調整を行うためには、ビームのパラメータを精度よく測定する、または計算から予測することが求められ、測定および解析に伴う作業時間がかかる上に、計算技術も必要となる。結果として、施設建設から治療開始までのビームコミッショニング期間の長期化や、日々ないし月毎などのルーチンで行われるビーム調整時間の延長によって、コストの増加が生じる。

特開２００１−２１２２５３号公報 特開２０１１−２０６２３７号公報 特開２０１３−８８１２６号公報 特許第４６３９４０１号公報 特開平９−２６５０００号公報

この発明は、上述した問題に鑑み、照射する荷電粒子ビームのサイズを簡易に調整できる粒子線治療装置および粒子線調整方法を提供することを目的とする。

この発明は、加速器から取り出した荷電粒子ビームをビーム輸送ラインで輸送し照射野形成用電磁石を用いてスキャニング方式により照射する粒子線治療装置であって、前記ビーム輸送ラインの任意の位置に設けられて荷電粒子ビームの角度を変動させる電磁場を発生する高周波電磁場発生装置と、前記高周波電磁場発生装置に対して高周波を印加する高周波印加部とを備え、前記高周波電磁場発生装置は、前記高周波の波形に沿って前記荷電粒子ビームを偏向させて前記荷電粒子ビームのエミッタンスを連続的若しくは断続的に変化させ、位相空間上における荷電粒子ビームの重心を振動させる構成である粒子線治療装置、およびこれに用いる粒子線調整方法であることを特徴とする。

この発明により、照射する荷電粒子ビームのサイズを簡易に調整できる粒子線治療装置および粒子線調整方法を提供できる。

固定照射ポートの粒子線治療装置の構成図。 粒子線治療装置の制御系の概略構成を示すブロック図。 荷電粒子ビームの位相空間上分布を示す説明図。 荷電粒子ビームの位相空間上分布を示す説明図。 回転ガントリを有する粒子線治療装置の構成図。

以下、本発明の一実施形態を図面と共に説明する。

図１は、固定照射ポートの粒子線治療装置１０の概略構成を示す構成図である。
粒子線治療装置１０は、加速器１（粒子加速器）と、ビーム輸送ライン２により主に構成されている。

加速器１は、イオン源から取り出された荷電粒子ビームを各種の電磁石、高周波加速装置などによって加速する。
ビーム輸送ライン２は、真空ダクト、四極電磁石３、及び偏向電磁石４などで構成され、加速器１から取り出された荷電粒子ビームを輸送する。

ビーム輸送ライン２の末端付近には、照射野形成用電磁石６が設けられている。この照射野形成用電磁石６は、ペンシルビームをビーム軸に対して垂直なＸＹ方向に走査する。なお、ビーム軸方向であるＺ方向、つまり、深さ方向となるビーム飛程の制御は、加速器１の出射ビームエネルギーを変えることにより実行する、あるいはビームを通過させるレンジシフタの変更により実行する等、適宜の方法により実行する。これにより、照射野形成用電磁石６は、標的の形状に合わせて照射ビームの位置を制御でき、患部形状に合わせた照射野を形成できる。

また、ビーム輸送ライン２には、照射ビームの分布を調整する高周波電磁場発生装置５が設けられている。この高周波電磁場発生装置５の設置場所は、自由に選択できる。

この粒子線治療装置１０は、上記構成によってスキャニング方式による荷電粒子ビームの照射を実行する。すなわち、照射対象となる腫瘍の形状に合わせて三次元的に配置した各スポットに荷電粒子ビームを次々に照射していくことで、全腫瘍領域に対する荷電粒子ビームのスキャニング照射を実行する。

図２は、粒子線治療装置１０の制御系の概略構成を示すブロック図である。
粒子線治療装置１０は、制御系として、加速器制御装置１１、照射制御装置１２、高周波信号発生器１３、および高周波信号増幅器１４を有しており、高周波信号増幅器１４の後段に高周波電磁場発生装置５が設けられている。

加速器制御装置１１は、加速器１を制御し、荷電粒子ビームの入射と加速、出射などを制御する。

照射制御装置１２は、ビーム輸送ライン２の制御を実行し、照射野形成用電磁石６から照射する荷電粒子ビームを制御する。

この加速器制御装置１１、照射制御装置１２、またはこの両方から、生成する高周波信号の振幅や周期、位相、波形などのパラメータが高周波信号発生器１３に入力される。ここで、ビームエミッタンスの目標値は、ビームエネルギーや目標ビーム径などの照射条件によって変化し、印加するべき高周波電磁場の振幅なども異なる。従って、上記パラメータを加速器制御装置１１又は／及び照射制御装置１２から入力することで、ビームエミッタンスの変化量を適切に制御できるようにしている。

なお、パラメータを加速器制御装置１１又は／及び照射制御装置１２等の外部装置から直接入力するのではなく、ビームエネルギーなどの情報から高周波信号発生器１３の内部で演算する、もしくはあらかじめ記録されたパラメータテーブルを使って切り替える方法としてもよい。

高周波信号発生器１３は、上記パラメータに従って、ビームエミッタンスを広げるために使用する高周波を発生させ、後段の高周波信号増幅器１４へ送る。
高周波信号増幅器１４は、受け取った高周波信号を増幅し、後段の高周波電磁場発生装置５へ印加する。この高周波信号発生器１３と高周波信号増幅器１４は、高周波印加部１５として機能する。

高周波電磁場発生装置５は、増幅された高周波信号に従って高周波電磁場を発生させ、内部を通過する荷電粒子ビームを当該高周波の波形に沿って偏向し、ビームのエミッタンスを連続的若しくは断続的に変化させる。従って、この高周波電磁場発生装置５を通過した後のビームは、ある瞬間で見ると、見るタイミングによって位相空間上での角度重心が変動している。そして、ある程度の時間幅でビーム粒子を重畳して見ると、エミッタンスが広がっているように観測される。

図３及び図４は、位相空間上における荷電粒子ビームの粒子分布を示す説明図である。
図３（Ａ２）の説明図に示すように、加速器１から取り出されてビーム輸送ライン２を輸送される荷電粒子ビーム２１の位置と角度の広がりの面積であるエミッタンスは、位相空間上で楕円形等の変形形状となっている。なお、図３（Ａ２）は、横軸をビーム粒子の水平方向位置（Ｘ）、縦軸を水平方向角度（ｄｘ／ｄｓ）としている。
このビーム粒子分布を角度（ｄｘ／ｄｓ）方向の軸に対して射影すると、多くの場合、粒子密度分布２７は、図３（Ａ１）のような正規分布、またはそれに近い分布となっている。

図３（Ｂ２）、図４（Ａ２）、及び図４（Ｂ２）は、高周波電磁場発生装置５によって角度を変化させた場合における高周波電磁場の各位相（−９０°、０°、＋９０°）での荷電粒子ビーム２１ａ，２１ｂ，２１ｃの粒子分布を示す説明図である。図３（Ｂ２）、図４（Ａ２）、及び図４（Ｂ２）も、横軸をビーム粒子の水平方向位置（Ｘ）、縦軸を水平方向角度（ｄｘ／ｄｓ）としている。

図示するように、角度を変動させることで、位相空間上における荷電粒子ビーム２１ａ，２１ｂ，２１ｃの重心が矢印２３に示す方向（角度変動する方向）へ振動する。荷電粒子ビーム２１ａ，２１ｂ，２１ｃを重畳すると、重畳ビーム２２は、角度を変動させる以前の荷電粒子ビーム２１のエミッタンスに比べて広がっている。すなわち、照射野形成用電磁石６のスポット走査周期（スポットあたりの滞在時間）よりも十分に短い周期の高周波電磁場を高周波信号発生器１３で発生させ、高周波電磁場発生装置５により荷電粒子ビームの角度を時間的に変動させることで、実効的なビームのエミッタンスを所望の方向へ広げている。

ここで、高周波電磁場発生装置５は、高周波電磁場を印加する前の荷電粒子ビーム２１の重心を位相空間上での振動の中心として角度の変動を実行する。このため、所定時間の荷電粒子ビーム２１ａ，２１ｂ，２１ｃを重ね合わせて見たときの広がった重畳ビーム２２の重心は、調整前の荷電粒子ビーム２１の重心と一致している。

高周波印加部１５（１３，１４）および高周波電磁場発生装置５により発生させる電磁場は、求められる位相空間上での粒子分布にあわせて、高周波の振幅や周期、位相、波形（正弦波や三角波、鋸波、方形波など）を制御し、電磁場を発生させる。例えば、図３（Ｂ３）に示すように正弦波２９ａでの振動を与えた場合、図３（Ｂ１）に示すように、粒子密度分布２７ａは中心のくぼんだ分布となる。また、図４（Ａ３）に示すように鋸波２９ｂまたは三角波２９ｃでの振動を与えた場合、図４（Ａ１）に示すように、粒子密度分布２７ｂはなだらかな山形の分布となる。また、図４（Ｂ３）に示すような正規分布用波形２９ｂまたは正規分布用波形２９ｃでの振動を与えた場合、図４（Ｂ１）に示すように、正規分布となる粒子密度分布２７ｄを得ることができる。

ここで、高周波信号発生器１３で発生させる高周波信号の周期は、少なくとも照射野形成用電磁石６のスポット走査周期（スポットあたりの滞在時間）以下であることが必要であり、１／５以下であることが好ましく、１／１０以下であることがより好適である。このように周期比を増やし、スキャニング照射をおこなうための照射野形成用電磁石のスポット走査周期（スポットあたりの滞在時間）よりも十分に短い周期の電磁場を発生させることで、目標のエミッタンスとの誤差が小さくなる。

また、高周波信号発生器１３で発生させる高周波の波形は、正弦波、三角波、鋸波、または方形波等の適宜の波形とすることができ、高周波電磁場発生装置５による荷電粒子ビームの角度変動が所定の時間内に略均等に実行される波形であることが好ましい。ここで、振幅が同じでも、元のビーム粒子分布や高周波信号の波形によって、重畳されてできるビームのエミッタンスは異なるため、高周波信号発生器１３で発生させる高周波信号は、元のビーム粒子分布と最終的に作りたいビーム分布（エミッタンス）、高周波電磁場発生装置の性能、技術的難度（例えば、広帯域の周波数応答性等）などを総合的に考慮して決めると良い。このとき、高周波信号の振幅が大きいほど重畳されてできるビームのエミッタンスは大きくなる。

なお、図示する例では水平方向に曲げる高周波電磁場を例にとっているがこれに限らず、様々な方向で実施できる。例えば、電磁場の向きを変えて、垂直方向にビームの角度を振動させて垂直方向のエミッタンスを広げることも可能である。

以上の構成及び動作により、粒子線治療装置１０は、照射する荷電粒子ビームのサイズを簡易に制御および調整することができる。
高周波電磁場発生装置５により荷電粒子ビーム２１の角度変動する周期がスポット走査周期よりも十分に早いため、ペンシルビームである荷電粒子ビームのサイズを安定して広げることができる。

また、高周波電磁場発生装置５による高周波電磁場を通過させてもビームの重心は変わらないため、四極電磁石でのビームサイズ調整のようなビーム軌道の変化は生じず、ビーム軌道を改めて補正する必要を無くせる。そのため、施設建設から治療開始までのビームコミッショニング期間や、日々ないし月毎などのルーチンで行われるビーム調整時間の短縮から、コストの低減につながる。

また、従来技術では不可能だったが、水平ないしは垂直の各方向のビームエミッタンスを独立に変更、調整することが可能となる。そのため、余計なビームの質の低下（ビームサイズの増大など）を防ぎ、正常細胞への損傷がより少ない照射を実現できる。

図５は、回転ガントリ７を備えた加速器１０Ａの構成を説明する構成図である。回転ガントリ７は、照射ポートを含めたビーム輸送ライン２Ａの一部で構成され、標的（患者）を動かすことなく任意の角度からビームを照射できるように回転駆動する。

高周波電磁場発生装置５の設置位置は、ビーム輸送ライン２のどこでも可能であるが、回転ガントリ７の入口よりも上流に配置している。このように配置することで、回転ガントリ７の入口でビームを回転対称にできるため、回転ガントリ７の角度に依存せずに実効的なエミッタンスが広がって安定した荷電粒子ビームを照射することができる。

その他の構成および動作は、上述した実施例１と同一であるため、同一要素に同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

以上の構成および動作により、回転ガントリ７を備えた加速器１０Ａは、実施例１と同一の効果を奏することができる。
さらに、回転ガントリ７を備えた加速器１０Ａは、回転ガントリ７を回転させて様々な角度から荷電粒子ビームを照射することができる。このとき、回転ガントリ７で輸送されるビームは、回転ガントリ７の前段に設けられた高周波電磁場発生装置５によって実効的なビームのエミッタンスが広げられている。このため、回転ガントリ７の回転角度に依存しない安定したビームを照射することができる。

この発明は、既存の設備か新設の設備かを問わず、様々な粒子線治療施設のビーム輸送ラインに利用することができる。

１…加速器
２…ビーム輸送ライン
５…高周波電磁場発生装置
６…照射野形成用電磁石
１０，１０Ａ…粒子線治療装置
２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…荷電粒子ビーム
２２…重畳ビーム

Claims (6)

1. 加速器から取り出した荷電粒子ビームをビーム輸送ラインで輸送し照射野形成用電磁石を用いてスキャニング方式により照射する粒子線治療装置であって、
   前記ビーム輸送ラインの任意の位置に設けられて荷電粒子ビームの角度を変動させる電磁場を発生する高周波電磁場発生装置と、
   前記高周波電磁場発生装置に対して高周波を印加する高周波印加部とを備え、
   前記高周波電磁場発生装置は、前記高周波の波形に沿って前記荷電粒子ビームを偏向させて前記荷電粒子ビームのエミッタンスを連続的若しくは断続的に変化させ、位相空間上における荷電粒子ビームの重心を振動させる構成である
   粒子線治療装置。
2. 前記高周波電磁場発生装置は、前記荷電粒子ビームの重心を振動させることにより、通過後の前記荷電粒子ビームの位相空間上での角度重心が見るタイミングによって変動し、かつ、前記荷電粒子ビームの粒子を時間幅で重畳して見るとエミッタンスが広がっているように観測されるように、前記荷電粒子ビームのエミッタンスを変化させる構成である
   請求項１記載の粒子線治療装置。
3. 前記高周波印加部によって前記高周波電磁場発生装置に印加する高周波は、
   前記照射野形成用電磁石によるスポット走査周期よりも短い周期である
   請求項１記載の粒子線治療装置。
4. 前記高周波電磁場発生装置は、
   前記荷電粒子ビームに対して位相空間における角度を変動させる電磁場を前記高周波に応じて発生させる構成である
   請求項１、２または３記載の粒子線治療装置。
5. 前記高周波電磁場発生装置は、
   位相空間上での荷電粒子ビームの重心を変動の中心として荷電粒子ビームの角度を変動させて実効的なエミッタンスを広げる構成である
   請求項１から４の何れかに記載の粒子線治療装置。
6. 加速器から取り出した荷電粒子ビームをビーム輸送ラインで輸送し照射野形成用電磁石を用いてスキャニング方式により照射する粒子線治療装置に用いる粒子線調整方法であって、
   前記ビーム輸送ラインの任意の位置に設けられて荷電粒子ビームの角度を変動させる電磁場を高周波電磁場発生装置に発生させるべく、
   前記高周波印加部が、前記高周波電磁場発生装置に対して高周波を印加し、
   前記高周波電磁場発生装置が、前記高周波の波形に沿って前記荷電粒子ビームを偏向させて前記荷電粒子ビームのエミッタンスを連続的若しくは断続的に変化させ、位相空間上における荷電粒子ビームの重心を振動させる
   粒子線調整方法。

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