JP6488086B2 - ビーム輸送装置の調整方法および粒子線治療システム - Google Patents

Description

本発明は陽子線や炭素イオン線等の重イオン線の照射によって、がんなどの腫瘍を治療する粒子線治療システムやその粒子線治療システムのビーム輸送装置の調整方法に関する。

がん治療法の一つとして、患部に陽子や炭素イオン等のイオンビームを照射する粒子線治療が知られている。陽子や炭素イオン等のイオンを高エネルギーで物質に入射すると、飛程の終端で多くのエネルギーを失う。粒子線治療ではこの性質を利用し、がん細胞で多くのエネルギーを失うようにイオンビームを患者に照射する。これにより、周囲の健康な組織への損傷を抑えつつ、がん細胞を破壊することができる。粒子線治療ではイオンビームの空間的な広がりとエネルギーを調整し、患部の形状に合わせた線量分布を形成する。

粒子線治療に用いるイオンビームはイオン源で生成したイオンを加速器で加速することで得る。ビームは加速器から輸送装置を経て、照射装置に輸送される。照射装置は患部の形状に合わせた線量分布を形成する。線量分布の形成方法にはビームを散乱体に当て、ビーム形状を患部形状に一致させる散乱体照射法と、細く絞ったビームを電磁石で患部に沿って走査して患部に線量を付与するスキャニング照射法がある。

いずれの照射法に対しても患部に対し任意方向からのビーム照射を適用するために回転ガントリー上に搭載された回転輸送装置を用いることがある。回転輸送装置の調整には特許文献１に記載のように、回転輸送装置の入射点でのビームパラメータを調整し、照射ビームサイズの回転ガントリー角度に対する依存性を低減する方法がある。このような輸送装置の調整ではあらかじめ非特許文献１に記載のＱｕａｄｒｕｐｏｌｅ ｔｕｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄを用いて加速器から取り出されるビームのエミッタンスとＴｗｉｓｓパラメータを測定する。

国際公開ＷＯ２０１３／１７５６００号

Ａ．Ｗ． Ｃｈａｏ， Ｍ． Ｔｉｇｎｅｒ「Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」， Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ， ｐ５５９−５６１， １９９８

しかしながら、上述の特許文献１に記載のような方法による輸送装置の調整は、回転輸送装置の入射点におけるビームのＴｗｉｓｓパラメータを調整することで照射点におけるビームサイズのガントリー角度依存性を低減していたが、完全にガントリー角度に依存しないで一定のビームサイズとすることは原理的に不可能であった。

本発明は、ガントリー角度に依存しないで一定のビームサイズとすることができる粒子線治療システムやその粒子線治療システムのビーム輸送装置の調整方法を提供する。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、荷電粒子を加速し、荷電粒子ビームとして取り出す加速器と、前記荷電粒子ビームを照射点まで輸送するビーム輸送装置と、前記加速器、前記ビーム輸送装置を制御する制御部とを備え、前記ビーム輸送装置は、建屋に対して固定された固定輸送装置と、この固定輸送装置の下流に接続された回転輸送装置であって、前記建屋に対して回転自在に設置され、前記建屋に対して固定された前記照射点に対してその回転によって前記荷電粒子ビームを照射する角度を回転自在に定める回転輸送装置とを有し、前記回転輸送装置の先の前記照射点にある照射対象に対して前記荷電粒子ビームを照射するための粒子線治療システムにおけるビーム輸送装置の調整方法であって、前記回転輸送装置内のビームの進行方向に垂直な面内の直交する二方向のベータトロン振動の位相進みの差がπの整数倍となるよう、前記制御部における前記回転輸送装置の制御パラメータを調整することを特徴とする。

本発明によれば、照射点におけるビームサイズおよびビームの形状とガントリー角度の関係を明らかにでき、従来方法では実現不可能であったガントリー角度に依存しないでビームサイズを一定とすることができ、照射精度の向上を実現することができる。

本発明の一実施例の粒子線治療システムの全体構成図である。 本発明の一実施例の粒子線治療システムの輸送装置調整のフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ本発明の粒子線治療システムやその粒子線治療システムのビーム輸送装置の調整方法の実施例を説明する。本実施例は加速器としてシンクロトロンを用いた粒子線治療システム１００であり、粒子線として陽子ビームを用いる場合を例に説明する。

図１に本実施例の粒子線治療システムの全体構成図を示す。

図１において、粒子線治療システム１００は、イオン源２００、入射器３００、シンクロトロン４００、ビーム輸送装置５００、回転ガントリー６００、照射装置７００からなる。

イオン源２００にて治療用のビームとする陽子を発生させ、入射器３００において核子当たり運動エネルギー７ＭｅＶ／ｕまで予備加速される。その後にシンクロトロン４００に入射され、その後治療に用いるエネルギーまで加速される。本実施例の粒子線治療システム１００では、シンクロトロン４００で加速したビームの運動エネルギーは最大２３０ＭｅＶ／ｕである。また、シンクロトロン４００からは２３０ＭｅＶ／ｕ以下の任意の指定された運動エネルギーのビームを取り出すことができる。実際の治療時には患者ごとに作成された治療計画に従って、シンクロトロン４００から取り出されるビームの運動エネルギーは決定される。

シンクロトロン４００から取り出されるビームは取り出し用偏向電磁石４１０を通過し、出射点４２０に接続された輸送装置５００に導入される。

輸送装置５００は建屋に対して固定された固定輸送装置５１０と回転軸６１０を軸として回転可能な回転ガントリー６００に固定された回転輸送装置５２０とが直列に接続されている。回転輸送装置５２０の終点は照射点６３０であり、治療時においては照射点６３０に患部が位置するように患者をベッドに固定している。この状態でビームを照射することで、治療計画によって定められた線量が患部に付与される。

本システムはスキャニング照射法が実施可能な照射装置であり、照射装置７００にはビームの軌道に対して垂直な平面内の直交する二方向（以下、まとめて横方向と定義する）に独立にビームが走査できるように二台の走査電磁石を備えている。

輸送装置５００内のビーム経路５３０は、真空ポンプによって真空引きされており、経路５３０中にはビームを偏向させる偏向部５５１〜５５４とビームを直進させる直線部とがある。

直線部にはビームを横方向に収束あるいは発散させるための固定輸送装置５１０内の四極電磁石５６１〜５６７および回転輸送装置５２０内の四極電磁石５７１〜５７７と、ビームの形状を測定するプロファイルモニタ５８１〜５８３等が設置されている。

プロファイルモニタ５８１〜５８３はＭＷＰＣ（マルチワイヤプロポーショナルチェンバー）を用いており、横方向に等間隔に張られたワイヤ状電極によってビームが通過したときに発生するイオン対を電極へ収集し、収集された電荷量を信号として取り出す。これによりビームの横方向のビームサイズを測定する。図１には図示していないが、照射装置７００にもプロファイルモニタが内蔵されており、ビームサイズを測定できるように構成されている。また、適宜必要に応じて照射点６３０にビームサイズ測定用のモニタや放射線感受性フィルムを設置することができる。

固定輸送装置５１０のプロファイルモニタ５８１〜５８２は、各プロファイルモニタで直交する水平方向と鉛直方向の二つの方向におけるビームプロファイルを測定できるよう配置されている。回転輸送装置５２０と照射装置７００に設置されているプロファイルモニタ５８３は、回転輸送装置５２０の偏向面に平行な方向と垂直な方向との直交する二方向のビームプロファイルを測定できるよう構成されている。

以上、プロファイルを測定するビームの進行方向に対して垂直な平面内の直交する二方向を選び、Ｘ方向，Ｙ方向と定義する。固定輸送装置５１０中においても、回転輸送装置５２０中においても、それぞれの偏向電磁石における偏向面に平行な方向をＸ方向とし、偏向面に垂直な方向をＹ方向とする。

固定輸送装置５１０内の四極電磁石５６１〜５６７は、電源８５０から電流の供給を受け、磁場を励起する。電源８５０の出力電流は制御装置８００が指示する。

回転輸送装置５２０内の四極電磁石５７１〜５７７は、電源８５０から電流の供給を受け、磁場を励起する。電源８５０の出力電流は制御装置８００が指示する。本システムの調整時には、調整者は、ＨＭＩ８１０を通じて制御装置８００を介して電源８５０の出力電流を指定し、その指定したパラメータを用いて四極電磁石５７１〜５７７を制御する。このシステムの調整時における電源８５０の出力電流の値は、回転輸送装置５２０内のビームの進行方向に垂直なＸＹ面内の直交する二方向（Ｘ方向およびＹ方向）におけるベータトロン振動の位相進みと呼ばれるパラメータ（ψｘ，ψｙ）を定義（定義については詳しくは後述する）したときに、この位相進みψｘとψｙとの差がπの整数倍となるよう調整された値を指定する。そして、ビームを照射点６３０に対して輸送する際は、この位相進みψｘとψｙとの差がπの整数倍となるよう調整されたパラメータに基づいて電源８５０の出力電流値が制御装置８００より各四極電磁石５７１〜５７７に対して出力される。この位相進みψｘとψｙとの差がπの整数倍となるよう調整された値の求め方、理由については詳しくは後述する。

また、輸送装置５００の調整中には、必要に応じてプロファイルモニタ５８１〜５８３で測定したビームサイズは測定のたびに記憶装置８２０に送信され、データとして蓄積される。測定データの蓄積の際は制御装置８００から各電磁石電源８５０への電流指示値も合わせて記録される。この蓄積されたデータはデータ処理装置８３０により、後述する手順でビームのエミッタンス・Ｔｗｉｓｓパラメータおよび回転輸送装置５２０におけるベータトロン振動の位相進み差Δψが計算され、これらの値が計測結果としてＨＭＩ（Ｈｕｍａｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）８１０に表示される。このＨＭＩ８１０により、調整者は、回転輸送装置５２０の制御パラメータや、位相進みの差をπの整数倍とするための調整過程の各種パラメータを確認することができる。

次に、本実施例におけるビーム輸送装置の調整に手法について述べる。

本実施例で用いるスキャニング照射法を用いた粒子線治療システムにおいては、腫瘍外への線量を抑制するには横方向のビーム広がり（ビームサイズ）を小さく抑制することが有効である。そのため、固定輸送装置５１０に設置された四極電磁石５６１〜５６７および回転輸送装置５２０に設置された四極電磁石５７１〜５７７の励磁量を調整し、照射点６３０において所望のビームサイズとする必要がある。

ここで、ビームサイズの調整に必要なビーム光学について述べる。

ビームを構成する個々の陽子が偏向電磁石や四極電磁石や磁場のない真空ダクト内（以上をまとめて輸送機器と以下では述べる）を通過した際、通過後のビーム位置は輸送行列なる行列を用いて式１のように表せる。

但し、式１中のｘは設計軌道からのＸ方向の位置ずれ、ｘ’は軌道の傾きずれである。また、ｙおよびｙ’は設計軌道からのＹ方向の位置ずれおよび軌道の傾きである。さらに、δは基準運動量からのずれである。この（ｘ，ｘ’，ｙ，ｙ’，δ）で張られる空間を位相空間と呼び、位相空間上の点を指定するベクトルとして位相空間ベクトルｘが定義できる。また、下付き添え字のｉは機器入射時のビームの状態を表し、下付き添え字のｆは機器出射時のビーム状態を表すこととする。

上述の式１より、輸送機器によって決まる輸送行列Ｒを入射時の位相空間ベクトルに掛けることによって、ビームがその機器を通過した後の位相空間ベクトルを求めることができる。すなわち輸送行列Ｒは収束・発散の効果を表す。

輸送行列Ｒの例として、磁場のない直線部と偏向電磁石と四極電磁石の輸送行列をそれぞれＲ_Ｄ，Ｒ_ＢＭ，Ｒ_ＱＭと定義すると、その成分はそれぞれ次式２−４のように表すことができる。

ただし、式２−４中のＬは核輸送機器中のビームの設計軌道の長さであり、αは偏向電磁石の偏向角である。ｋは四極電磁石における収束力の強さを表す量であり、次式５のように定義される。

上述の式５はｋが虚数になる場合も有効であり、計算の際は適宜三角関数を双曲線関数に置き換えればよい。

ここで、四極電磁石の輸送行列の（２，１）成分と（３，４）成分に注目すると、ｋが実数の場合はＸ方向の輸送行列で負となり、Ｙ方向の輸送行列において正となる。逆にｋが純虚数の場合は正負が逆となる。この成分が正の場合はビームを構成する各粒子は変位に比例して変位と同じ方向に力を受ける。すなわち、発散の作用を受ける。一方負の場合はビームを構成する各粒子が変位とは逆向きに力を受けるので、収束の作用を受ける。

同様に、偏向電磁石においてはＸ方向に収束し、Ｙ方向は自由空間と同じく収束も発散もしない。

さらに、固定輸送装置５１０と回転輸送装置５２０との接続点６４０において、ビーム軌道を軸とする座標変換（以下、捻り作用と定義する）が生じる。この捻り作用も、次式６に示す輸送行列Ｒ_ＲＯＴとして表現できる。

但し、式６中のθは以下ガントリー角度と呼び、変換前後のＸ軸の成す角とする。このガントリー角度θは変換前のＸ軸からＹ軸に向かう回転を正とする。

ところで、一般的に、ビームサイズ等のビーム軌道に垂直な面（ＸＹ面）内でのビーム形状を表すにはビーム位置と傾きの分散共分散行列Σ（シグマ行列と以下では呼ぶ。）を用いる。このシグマ行列は次式７のように定義される。

式７においてシグマ行列は実対称行列であり、各成分はビームを構成する粒子に関する位相空間上の位置の積の平均である。
例えば、シグマ行列の（１，１）成分はＸ方向での軌道からのずれの分散であり、（２，２）成分はビームの発散角の分散である。また、（１，２）成分は（１，１）成分の軌道に沿った微分に比例する量であり、ビームサイズの位置変化を表す。ビームサイズは（１，１）成分の二乗根をとればビームの空間的な広がりを表すビームサイズとなる。Ｙ方向についても同様の議論が成立する。

さらに、ＸＹ面内におけるビーム形状の傾きもシグマ行列によって表現できる。ビームの形状が楕円であると仮定すると、楕円の長軸ｌ_Ｌと短軸ｌ_ｓおよび軸の傾き角φとシグマ行列の成分の間には、それぞれ次式８−１０で示す関係が成り立つ。

但し、式１０中の傾き角φは、−４５度から４５度の範囲で長軸あるいは短軸とＸ軸のなす角である。

また、輸送機器のシグマ行列に与える効果も輸送行列Ｒによって表現でき、入射点でのシグマ行列をΣ_ｉ、出射点でのシグマ行列をΣ_ｆとすると、両者は次式１１によって結びつけられる。

但し、式１１中の右上添え字のＴは転置行列を表す。輸送行列の行列式は１であるため、シグマ行列の行列式は不変である。

回転輸送装置５２０のように、単一の平面内に設置された輸送装置では、その輸送行列は式２−４に示したＲ_Ｄ，Ｒ_ＢＭ，Ｒ_ＱＭの積である。よって輸送行列の（１，３），（１，４），（２，３），（２，４）成分は０である。すると、シンクロトロン４００の出射点４２０におけるビームのシグマ行列のうち、Ｘ方向とＹ方向の共分散成分、すなわち（１，３），（１，４），（２，３），（２，４）成分が０であれば、輸送装置全域にわたってこれらの値は０である。

これに対し、回転輸送装置５２０のガントリー角度によっては接続点６４０での輸送行列Ｒ_ＲＯＴの（１，３），（２，４）成分が０でない値を持つ。その場合、回転輸送装置５２０内と照射点６３０では、（１，３），（１，４），（２，３），（２，４）成分は０でなくなる。このことをＸＹ結合がある状態と定義する。ＸＹ結合が生じているビームにおいては、ＸＹ面内におけるビームの空間的形状に傾きがある。また、運動量ずれδとの相関を表すパラメータに（１，５），（２，５），（３，５），（４，５）成分が対応する。これらの成分は照射点において０にすることでビームサイズを小さくすることができる。

輸送装置５００の調整には以上の理論を用いる。すなわち、接続点６４０あるいは照射点６３０のようにビームのシグマ行列に対して調整目標がある場合、式１１においてΣ_ｉをシンクロトロンの出射点４２０におけるシグマ行列とし、接続点６４０や照射点６３０におけるビームのシグマ行列に課される条件を満たすシグマ行列をΣ_ｆとすれば、式１１は四極電磁石励磁量を変数とする方程式となる。この方程式を解くことにより、接続点６４０や照射点６３０でのシグマ行列に課された条件を満足する四極電磁石励磁量が得られる。この解を求める手法は適宜、準ニュートン法など多変数方程式を数値的に解く手法を用いて数値解を得ればよい。これらの計算処理はデータ処理装置８３０が記憶装置８２０に蓄積されたデータを基づいて計算する。以上の方法に基づいて輸送装置５００の各部を制御するパラメータの調整を行う。

次に、固定輸送装置５１０および回転輸送装置５２０を含む輸送装置５００の調整のフローチャートについて、図２を参照して以下説明する。調整は４ステップとそれに付随する確認作業からなる。

固定輸送系５１０内の四極電磁石５６１〜５６７を調整し、接続点６４０におけるシグマ行列の調整を行うために、まず、出射点でのシグマ行列を非特許文献１に記載されたようなＱｕａｄｒｕｐｏｌｅ ｔｕｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄを用いて測定する（ステップＳ１２）。

具体的には、固定輸送装置５１０中のプロファイルモニタ５８１またはプロファイルモニタ５８２でのビームサイズを四極電磁石５６１〜５６７の励磁量を変更しながら多数の条件で測定することで励磁量とビームサイズの関係から出射点４２０でのシグマ行列を求める。

出射点４２０でのシグマ行列が得られたら、次いで、接続点６４０までの四極電磁石５６１〜５６７の励磁量を計算する（ステップＳ１４）。ここでは、接続点６４０において実現すべきシグマ行列はガントリー回転に伴う照射点６３０でのビーム形状の変化を抑えるために、次式１２−１４の条件を課す。

すなわちシグマ行列の（１，１）成分と（３，３）成分，（１，２）成分と（３，４）成分，（２，２）成分と（４，４）成分の比を、Ｘ方向とＹ方向のエミッタンスの比に一致させる。さらに、分散関数に比例する項である、（１，５），（２，５），（３，５），（４，５）の各成分は０とする。式１２−１４の各式はＴｗｉｓｓパラメータのβ・α・γに対応しており、それぞれのパラメータをＸ方向とＹ方向で一致させることと同値である。

次いで、式１２−１４の条件を満たすか否かを確認し、接続点５４０までの四極電磁石５６１〜５６７の調整が問題ない状態であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。式１２−１４の条件を満たすか否か確認には照射点６３０におけるビーム形状に関連する長軸長ｌ_Ｌ，短軸長ｌ_Ｓ，軸傾きφを測定する。

ステップＳ１６において、計測した照射点６３０におけるビーム形状が式１２−１４の条件を満たすときはステップＳ１８に処理を進める。これに対し、満たさないときはステップＳ１４に処理を戻して、再度接続点６４０までの四極電磁石５６１〜５６７の励磁量を計算する。

ステップＳ１２−Ｓ１６における接続点６４０でのシグマ行列の調整が完了したら、次に、接続点６４０から照射点６３０までの調整、すなわち回転輸送装置５２０の四極電磁石５７１〜５７７の調整を行う。

まず、ガントリー角度を０度とする。すなわち固定輸送装置５１０と回転輸送装置５２０のＸ方向とＹ方向が一致している状態とする（ステップＳ１８）。

ここで、本ステップにおける輸送装置５００の調整では、輸送装置の開始点である接続点６４０でのシグマ行列は前ステップの調整において式１２−１４によって課せられる条件を満たしており、すでにシグマ行列の値が既知である。そこで、照射点６３０におけるシグマ行列に課される条件を満たすような式１１を解く。これにより、回転輸送装置５２０における四極電磁石５７１〜５７７の励磁量を計算でき、照射点６３０におけるビームサイズを所望の値とする四極電磁石５７１〜５７７の励磁量が定まる。

ここで、このステップＳ１８において照射点６３０におけるシグマ行列に課す条件は、接続点６４０におけるシグマ行列に課した条件に類似する。すなわち、シグマ行列の（１，１）成分と（３，３）成分，（１，２）成分と（３，４）成分，（２，２）成分と（４，４）成分の比をＸ方向とＹ方向のエミッタンスの比に一致させる。特に、ビームサイズの二乗に比例する（１，１）成分と（３，３）成分は小さいことがスポットスキャニング照射の実現に必要である。また、照射点においては分散関数に比例する項である（１，５），（２，５），（３，５），（４，５）の各成分は０とする。このような条件では回転輸送装置５２０の接続点６４０から照射点６３０までの輸送行列Ｒ_ｇに対する条件が定まり、式１５に示される形である必要がある。

ただし、式１５中におけるα，β，γはＴｗｉｓｓパラメータであり、添え字ｆのついたパラメータは照射点６３０での値を、添え字ｉのついたパラメータは接続点６４０での値を示している。ψｘとψｙはそれぞれＸ方向とＹ方向のベータトロン振動の位相進みと呼ばれるパラメータである。

本実施例では、このステップＳ１８において、更に、この式１５に示す回転輸送装置５２０の輸送行列Ｒ_ｇに従来にはない条件を加える。従来は式１５のベータトロン位相進みはＸ方向とＹ方向でそれぞれ独立な値を選んでいたが、本実施例では式１６に示すようなψｘとψｙとの差をπの整数倍とする条件を加える。

この条件によると、照射点でのビームは楕円形の長軸・短軸の長さを保つことができる。

次いで、ステップＳ１８における調整の確認を行う（ステップＳ２０）。このステップＳ２０における確認は、照射点６３０におけるビーム形状に関連する長軸長ｌ_Ｌ，短軸長ｌ_Ｓ，軸傾きφを測定することで行う。

具体的には、回転ガントリー６００の回転角度が０度の際にビーム形状を測定するために、放射線感受性のあるフィルムなどを用いる、またはビーム軌道を軸としてプロファイルモニタを回転させる等の方法を用いることで測定する。その後、回転ガントリー６００を任意の角度だけ回転させ、同様にビーム形状を測定する。この回転ガントリー６００の角度に対するビーム形状の測定を所定角度で実施し、この測定によってビームの長軸長ｌ_Ｌ、短軸長ｌ_Ｓのガントリー回転への依存性を測定する。

その上で、ガントリー回転に伴う軸長および短軸長の変化量を基にして、測定された長軸長ｌ_Ｌおよび短軸長ｌ_Ｓの変化量が、あらかじめ定めた許容変化量以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。測定された長軸長ｌ_Ｌと短軸長ｌ_Ｓの変化量があらかじめ定めた許容変化量以下と判定されれば、調整完了となる。

このステップＳ２０は、長軸長ｌ_Ｌに対する短軸長ｌ_Ｓの比率の値の変化量が所定範囲以内に収まっているか否かを判定し、所定範囲以内に収まっていれば調整完了とし、収まっていなければ再度調整するよう制御するものとすることができる。

これに対し、測定された長軸長ｌ_Ｌと短軸長ｌ_Ｓの変化量が許容値を超えていれば、再度回転輸送装置５２０の四極電磁石５７１〜５７７の励磁量調整を実施する。その際、確認時の測定結果から位相進みの差の値を算出し（ステップＳ２２）、その後処理をステップＳ２０に戻して、先のステップＳ２２で算出した位相進みの差の値をπの整数倍に近づける方向に四極電磁石５７１〜５７７の励磁量を調整する（ステップＳ２０）。このステップＳ２０〜Ｓ２２の処理を繰り返し、測定された長軸長ｌ_Ｌと短軸長ｌ_Ｓの変化量があらかじめ定めた許容変化量以下となれば調整完了となる。

本発明のポイントである、ステップＳ１８〜Ｓ２２における、ベータトロン振動の位相進みの差と照射点６３０でのビーム形状の関係について以下説明する。

まず、式１１に基づき、接続点６４０における回転作用と、その下流の回転輸送装置５２０の効果を評価する。回転作用の回転行列はガントリー角度θを用いて式６で表せる。回転輸送装置５２０の輸送行列Ｒ_ｇを表す式（式１５）を用いて式１１を展開すると、任意のガントリー角度θに対するシグマ行列の値として次式１７が得られる。

この式１７を式によって与えられているビームの長軸長ｌ_Ｌと短軸長ｌ_Ｓおよび傾き角φとの関係に代入すると、これらのビーム形状を表すパラメータとガントリー角度φとの関係が次式１８−２０の各式のように求められる。

式１８−２０から長軸長ｌ_Ｌと短軸長ｌ_Ｓがガントリー角度φに対して不変となる条件は、式２１に示されるように位相進みの差Δψのｓｉｎが次式２１に示すように０となることである。

この式２１で示されるのは、位相進みの差がπの整数倍であることと同値であり、位相進みの差をπの整数倍とすることで照射点６３０におけるビーム形状の不変性を実現できることを示している。

更に、位相進みの差とビームの傾き角φの間には式１８−２０に表す関係がある。これによると、ガントリー角度０度の時は位相進みの差に依らずビームの傾き角も０度であり、同様にガントリー角度４５度の時は位相進みの差に依らずビームの傾き角も４５度である。

その他の一般的な角度では、ビームの傾き角とガントリー角度の正接との比が位相進みの差Δψのｃｏｓとなる。これによると、あるガントリー角度でのビームの傾き角を測定することで位相進みの差を測定することができることになる。この原理に基づいて本実施例における輸送装置調整方法の位相進みの差を算出している。

そのほか、位相進みの差の測定には、ビーム形状と位相進みの差の関係を用いることもできる。用いる式の選択は測定体系や測定精度から適宜最適なものを選べばよい。

上述した本実施例の粒子線治療システムやその粒子線治療システムのビーム輸送装置の調整方法では、回転輸送装置５２０内の四極電磁石５７１〜５７７の電源８５０の出力電流の値として、回転輸送装置５２０内のビームの進行方向に垂直なＸ方向とＹ方向のベータトロン振動の位相進みの差がπの整数倍となるよう調整された値とする。その上で、ビームを照射点６３０に対して輸送する際は、この位相進みの差がπの整数倍となるよう調整されたパラメータに基づいて電源８５０の出力電流値を制御装置８００より各四極電磁石５７１〜５７７に対して出力するよう制御する。

よって、照射点６３０におけるビームサイズおよびビームの形状（ビームの長軸と短軸の長さ）をガントリー６００の回転角度の関係に依存せずに一定とすることができ、ビームの照射精度の向上を実現することができる。また、回転輸送装置５２０の回転角度毎の四極電磁石５７１〜５７７の制御パラメータを演算する必要がなくなり、制御装置の制御系統の構造を簡易にすることができ、調整および制御が従来に比べて容易となる。

また、回転輸送装置５２０内の各機器の制御パラメータや、位相進みの差をπの整数倍とするための調整過程の各種パラメータを調整者が確認するためのＨＭＩ８１０を備えていることにより、位相進みの差がπの整数倍となるよう調整する作業が実施しやすくなり、効率的な調整を実施することができる。よって、より効率的に照射点６３０におけるビームサイズおよびビームの形状をガントリー６００の回転角度の関係に依存せずに一定とする調整を実施することができる。

なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例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ない。

例えば、本実施例の構成は一例としてシンクロトロンを用いた粒子線治療システムを挙げたが、加速器の種類はシンクロトロンに限らずサイクロトロンやシンクロサイクロトロンとすることができる。

また、ビームの利用目的は、粒子線治療に限らず物理実験や放射光源としての利用とすることができる。

更に、粒子線として陽子ビームを用いる場合について説明したが、粒子線は陽子ビームに限られず、炭素イオン等の重イオン線を用いることができる。

１００…粒子線治療システム、
２００…イオン源、
３００…入射器、
４００…シンクロトロン、
４１０…取り出し用偏向電磁石、
４２０…シンクロトロン出射点、
５００…ビーム輸送装置、
５１０…固定輸送装置、
５２０…回転輸送装置、
５３０…輸送経路、
５５１〜５５４…偏向部、
５６１〜５６７…四極電磁石、
５７１〜５７７…四極電磁石、
６００…回転ガントリー、
６１０…回転軸、
６３０…照射点、
７００…照射装置、
８００…制御装置、
８１０…ＨＭＩ、
８２０…記憶装置、
８３０…データ処理装置、
８５０…電源。

Claims (7)

1. 荷電粒子を加速し、荷電粒子ビームとして取り出す加速器と、
   前記荷電粒子ビームを照射点まで輸送するビーム輸送装置と、
   前記加速器、前記ビーム輸送装置を制御する制御部とを備え、
   前記ビーム輸送装置は、
   建屋に対して固定された固定輸送装置と、
   この固定輸送装置の下流に接続された回転輸送装置であって、前記建屋に対して回転自在に設置され、前記建屋に対して固定された前記照射点に対してその回転によって前記荷電粒子ビームを照射する角度を回転自在に定める回転輸送装置とを有し、
   前記回転輸送装置の先の前記照射点にある照射対象に対して前記荷電粒子ビームを照射するための粒子線治療システムにおけるビーム輸送装置の調整方法であって、
   前記回転輸送装置内のビームの進行方向に垂直な面内の直交する二方向のベータトロン振動の位相進みの差がπの整数倍となるよう、前記制御部における前記回転輸送装置の制御パラメータを調整する
   ことを特徴とするビーム輸送装置の調整方法。
2. 請求項１に記載のビーム輸送装置の調整方法において、
   前記位相進みの差を、前記回転輸送装置中の荷電粒子ビームの形状の前記回転輸送装置の回転角に対する依存性を測定することで算出する
   ことを特徴とするビーム輸送装置の調整方法。
3. 請求項１に記載のビーム輸送装置の調整方法において、
   前記位相進みの差を、この位相進みの差の余弦を前記荷電粒子ビームの傾き角の正接と前記回転輸送装置の回転角の正接の比として算出し、この位相進みの差の余弦から前記位相進みの差を算出する
   ことを特徴とするビーム輸送装置の調整方法。
4. 請求項１に記載のビーム輸送装置の調整方法において、
   調整者は、前記制御部における前記回転輸送装置の制御パラメータ、前記位相進みの差をπの整数倍とするための調整過程の各種パラメータをインターフェイスによって確認する
   ことを特徴とするビーム輸送装置の調整方法。
5. 患者の患部に荷電粒子ビームを照射する粒子線治療システムであって、
   荷電粒子を加速し、前記荷電粒子ビームとして取り出す加速器と、
   前記荷電粒子ビームを照射点まで輸送するビーム輸送装置と、
   前記加速器、前記ビーム輸送装置を制御する制御部とを備え、
   前記ビーム輸送装置は、
   建屋に対して固定された固定輸送装置と、
   この固定輸送装置の下流に接続された回転輸送装置であって、前記建屋に対して回転自在に設置され、前記建屋に対して固定された前記照射点に対してその回転によって前記荷電粒子ビームを照射する角度を回転自在に定める回転輸送装置とを有し、
   前記制御部は、前記回転輸送装置内のビームの進行方向に垂直な面内の直交する二方向のベータトロン振動の位相進みの差がπの整数倍となるよう調整された制御パラメータに基づいて前記回転輸送装置の制御を行う
   ことを特徴とする粒子線治療システム。
6. 請求項５に記載の粒子線治療システムにおいて、
   前記回転輸送装置の制御パラメータ、前記位相進みの差をπの整数倍とするための調整過程の各種パラメータを調整者が確認するためのインターフェイスを更に備えた
   ことを特徴とする粒子線治療システム。
7. 請求項５に記載の粒子線治療システムにおいて、
   前記制御パラメータは、前記回転輸送装置の回転角に依存しない
   ことを特徴とする粒子線治療システム。

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