JP6622142B2 - 粒子線ビーム輸送装置および照射治療装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、粒子線ビームを患者の病巣組織に照射して治療を行う粒子線ビーム輸送技術に関する。

炭素イオンなどの粒子線ビームを、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、手術や投薬治療などに比べ、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、最適な線量値およ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、回転ガントリの外周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。このような粒子線ビームの輸送経路は、ビームの軌道を曲げる偏向電磁石や、ビームの収束・発散を制御する四極電磁石などを順次配列させて構成している。また、超伝導電磁石を用いた場合には、各超伝導電磁石を個別に断熱容器に収容して冷却しなければならない。そのため、粒子線ビームの輸送経路が複雑化・長尺化してしまい、回転ガントリの大型化が避けられず、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このような事情を考慮してなされたもので、粒子線ビームの輸送経路を簡素化・短尺化することができる粒子線ビーム輸送技術を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る粒子線ビーム輸送装置は、粒子線ビームが内部を進行する真空ダクトと、前記真空ダクトの屈曲部の周囲に配置される超伝導電磁石であって前記粒子線ビームの進行方向を前記屈曲部に沿って偏向させる磁場を発生させる偏向電磁石と、前記偏向電磁石と同軸に積層して配置される超伝導電磁石であって前記粒子線ビームを収束させる磁場を発生させる四極電磁石と、１個の前記偏向電磁石に対して少なくとも２個の前記四極電磁石を前記粒子線ビームの進行方向に並べて配置し、前記偏向電磁石および前記四極電磁石を一体的に収容して断熱する断熱容器と、１個の前記偏向電磁石と前記偏向電磁石の前記配置範囲に配置された少なくとも２個の前記四極電磁石とが１個の電磁石セットを構成し、同一構成の少なくとも２個の前記電磁石セットと、を備え、一方の前記電磁石セットの前記粒子線ビームの進行方向に対する向きが、他方の前記電磁石セットと反転されて配置され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経路を簡素化・短尺化することができる粒子線ビーム輸送技術が提供される。

照射治療装置の概念図。 回転ガントリの断面図。 第１実施形態の電磁石装置の断面図。 図３に示す電磁石セットのＡ−Ａ断面図。 図３に示す電磁石セットのＢ−Ｂ断面図。 電磁石セットの各コイル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。 電磁石セットの回路図。 各電磁石の収束の強さを説明する表。 ビームサイズの変化を示すグラフ。 第２実施形態の電磁石装置の断面図。 第３実施形態の電磁石装置の断面図。

（第１実施形態）
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。まず、本実施形態の照射治療装置について図１から図２を用いて説明する。図１の符号１は、炭素イオンなど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照射治療装置である。

このような照射治療装置１を用いた放射線治療技術は、重粒子線がん治療技術などとも称され、がん病巣（患部）を炭素イオンがピンポイントで狙い撃ちし、がん病巣にダメージを与えながら、正常細胞へのダメージを最小限に抑えることが可能とされる。なお、粒子線とは、放射線のなかでも電子より重いものと定義され、陽子線、重粒子線などが含まれる。このうち重粒子線は、ヘリウム原子より重いものと定義される。重粒子線を用いるがん治療では、従来のエックス線やガンマ線や陽子線を用いたがん治療と比較して、患者の体の表面では放射線量が弱く、がん病巣において放射線量がピークになる特性を有している。そのため、照射回数と副作用を少なくすることができ、治療期間をより短くすることができる。

図１に示すように、照射治療装置１は、炭素イオンを生成するイオン生成器２と、炭素イオンを加速する前段加速器である線形加速器３と、主加速器であるリング状のシンクロトロン加速器４と、加速されたイオンビーム（粒子線ビーム）を輸送するビーム輸送装置５（輸送システム）と、患者が配置される治療室を構成する回転ガントリ６と、を備える。

本実施形態では、イオン生成器２で生成された炭素イオンが、線形加速器３で光速の約１０％まで加速され、粒子線ビームとなってシンクロトロン加速器４に入射される。この粒子線ビームは、シンクロトロン加速器４の主リング内を約百万回周回する間に光速の約７０％まで加速され、ビーム輸送装置５を介して回転ガントリ６まで導かれる。

なお、照射治療装置１には、内部が真空にされる真空ダクト７（ビームパイプ）が設けられる。この真空ダクト７の内部を粒子線ビームが進行する。本実施形態では、線形加速器３やシンクロトロン加速器４やビーム輸送装置５が有する真空ダクト７が一体となり、粒子線ビームをイオン生成器２から回転ガントリ６まで導く輸送経路を構成する。つまり、真空ダクト７は、粒子線ビームＲ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。

また、シンクロトロン加速器４は、真空ダクト７の周囲に配置され、粒子線ビームを制御する電磁石装置９，１０を備える。例えば、粒子線ビームの収束および発散を制御する制御用の電磁石装置９や、真空ダクト７の屈曲部に配置される屈曲用の電磁石装置１０などが設けられる。なお、これらの電磁石装置９，１０は、複数の偏向電磁石や四極電磁石などで構成される。

さらに、シンクロトロン加速器４は、磁場と加速電場の周波数を制御することで粒子線ビームを加速する高周波加速空洞１１を備える。また、シンクロトロン加速器４は、線形加速器３からシンクロトロン加速器４に粒子線ビームを入射させる入射装置１２や、シンクロトロン加速器４からビーム輸送装置５に粒子線ビームを出射させる出射装置１３などを備える。

また、ビーム輸送装置５は、シンクロトロン加速器４から出射された粒子線ビームを回転ガントリ６まで輸送する。このビーム輸送装置５は、シンクロトロン加速器４と同様に、制御用の電磁石装置１４や、屈曲用の電磁石装置１５を備える。なお、その他の装置や電磁石がシンクロトロン加速器４やビーム輸送装置５に設けられていても良い。

図２に示すように、回転ガントリ６は、円筒形状を成す大型の装置である。この回転ガントリ６は、その円筒の中心軸Ｊが水平方向を向くように設置される。この水平軸Ｊを中心として回転ガントリ６が回転可能となっている。また、回転ガントリ６の下部には、回転ガントリ６を回転させる回転駆動装置１６が設けられる。なお、回転ガントリ６は、その外周に固定されたリング状のフレーム６ａを介して回転駆動装置１６に支持される。

なお、回転ガントリ６には、真空ダクト７や電磁石装置１５が取り付けられる。これらの真空ダクト７や電磁石装置１５は、ビーム輸送装置５の一部を構成する。また、真空ダクト７は、回転ガントリ６の外部からその中心軸Ｊに沿って導かれ、回転ガントリ６の外周側を一旦抜け出した後に、再び回転ガントリ６の内部に向けて半径方向に延びる。

また、真空ダクト７の端部には、粒子線ビームＲを照射する照射部１７が設けられる。なお、粒子線ビームＲは、水平軸Ｊに対して直交する方向に照射部１７から照射される。さらに、回転ガントリ６は、治療室Ｔの一部を構成する。なお、患者Ｋは、治療室Ｔに設けられたベッド１８に寝かされる。このベッド１８は、患者Ｋを載置した状態で移動可能となっている。そして、ベッドによって患者Ｋを粒子線ビームＲの照射位置に移動させて位置合わせを行うことができる。そのため、患者Ｋの病巣組織に最適な精度で粒子線ビームＲを照射することができる。

また、回転ガントリ６に支持される真空ダクト７には、３箇所の屈曲部７ａ，７ｂ，７ｃが形成されている。なお、それぞれの各屈曲部７ａ，７ｂ，７ｃには、粒子線ビームＲの進行方向を屈曲部７ａ，７ｂ，７ｃに沿って偏向させる電磁石装置１５が設けられる。第１実施形態では、１箇所の屈曲部７ａ，７ｂ，７ｃに対して２個ずつの電磁石装置１５が設けられる。つまり、６個の電磁石装置１５が回転ガントリ６に支持される。

なお、各屈曲部７ａ，７ｂ，７ｃは、真空ダクト７の延設方向を９０°変化させるように所定の曲率で湾曲されている。各電磁石装置１５が発生させる偏向磁場によって、屈曲部７ａ，７ｂ，７ｃの曲率に沿って粒子線ビームＲが偏向される。

本実施形態では、真空ダクト７が３箇所の屈曲部７ａ，７ｂ，７ｃで屈曲されていることで、回転ガントリ６の水平軸Ｊに沿って進行する粒子線ビームＲを水平軸Ｊに対して直交する方向に導くことができる。なお、真空ダクト７において、回転ガントリ６の水平軸Ｊに沿う部分には、回転機構（図示略）が設けられている。そして、この部分が回転ガントリ６の回転とともに回転するようになっている。

さらに、真空ダクト７の端部近傍には、スキャニング電磁石１９が設けられる。このスキャニング電磁石１９は、粒子線ビームＲを、ｘ方向に偏向走査するｘ偏向走査磁石（図示略）とｙ方向に偏向走査するｙ偏向走査磁石（図示略）とを有している。そして、スキャニング電磁石１９は、粒子線ビームＲを制御することで、細い粒子線ビームＲを患者Ｋの患部形状に３次元的に合致させて走査することができる。

本実施形態では、回転駆動装置１６を駆動させることにより回転ガントリ６を回転させることで、患者Ｋ（水平軸Ｊ）を中心として照射部１７を３６０°（例えば右回転、左回転１８０°ずつ）回転させることができる。そして、患者Ｋの周囲のいずれの方向からも粒子線ビームＲを照射することができる。そのため、患者Ｋの負担を軽減しつつ、最適な方向から粒子線ビームＲを正確に患部に照射することができる。

なお、粒子線ビームＲは、患者Ｋの体内を通過する際に運動エネルギーを失って速度が低下するとともに、速度の二乗にほぼ反比例する抵抗を受け、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Ｒ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１は、このブラッグピークを患者Ｋの病巣組織（患部）の位置に合わせることにより、正常組織のダメージを抑えつつ、病巣組織のみを死滅させることができる。

次に、第１実施形態の電磁石装置１５について図２から図１０を用いて説明する。図２に示すように、第１実施形態では、６個の電磁石装置１５が回転ガントリ６に設けられる。また、真空ダクト７の３箇所の屈曲部７ａ，７ｂ，７ｃに設けられる各電磁石装置１５は、同一構成であるので、真空ダクト７の１箇所の屈曲部７ａに設けられる各電磁石装置１５を例示する。

なお、理解を助けるために、真空ダクト７の各屈曲部７ａ，７ｂ，７ｃに設けられた２個ずつの電磁石装置１５のうち、粒子線ビームＲの上流側の電磁石装置を第１電磁石装置１５Ａとし、粒子線ビームＲの下流側の電磁石装置を第２電磁石装置１５Ｂとして以下に説明する。また、粒子線ビームＲの進行方向をｓ方向としたときに、このｓ方向に直交し、かつ真空ダクト７の屈曲の内側に向く方向をｘ方向とする。つまり、ｘ方向は、真空ダクト７の屈曲に沿って変化する方向である。さらに、ｓ方向およびｘ方向の両方に直交する方向をｙ方向とする。

図３に示すように、第１電磁石装置１５Ａは、真空ダクト７の屈曲部７ａの周囲に配置される超伝導電磁石であって粒子線ビームＲの進行方向を屈曲部７ａに沿って偏向させる偏向磁場を発生させる第１偏向電磁石２０と、真空ダクト７を軸とした場合に、偏向電磁石２０と同軸に積層して配置される超伝導電磁石であって粒子線ビームＲを所定方向に収束させる収束磁場を発生させる２個の第１四極電磁石２１，２２と、を備える。

なお、２個の第１四極電磁石２１，２２うち、一方の第１四極電磁石２１を、粒子線ビームＲの進行方向（ｓ方向）に沿う寸法が長い第１長寸四極電磁石２１と称し、他方の第１四極電磁石２２を、粒子線ビームＲの進行方向（ｓ方向）に沿う寸法が短い第１短寸四極電磁石２２と称して以下に説明する。また、第１長寸四極電磁石２１の長さ寸法Ｎ１は、第１短寸四極電磁石２２の長さ寸法Ｎ２の２倍となっている。つまり、第１短寸四極電磁石２２の長さ寸法Ｎ２が、第１長寸四極電磁石２１の長さ寸法Ｎ１よりも短くなっている。なお、２個の短寸四極電磁石２２の長さ寸法Ｎ２を合わせた寸法が、第１長寸四極電磁石２１の長さ寸法Ｎ１と同一となっている。さらに、第１長寸四極電磁石２１が粒子線ビームＲの進行方向の上流側に配置され、第１短寸四極電磁石２２が粒子線ビームＲの進行方向の下流側に配置される。

また、第１長寸四極電磁石２１と第１短寸四極電磁石２２とが、真空ダクト７の進行方向に沿って並んで配置される。なお、第１長寸四極電磁石２１および第１短寸四極電磁石２２は、真空ダクト７の外周を囲むように配置され、その外側をさらに囲むように第１偏向電磁石２０が配置される。つまり、粒子線ビームＲの進行方向において、第１偏向電磁石２０の配置範囲に、第１長寸四極電磁石２１と第１短寸四極電磁石２２とが並んで配置される。

第１実施形態では、第１偏向電磁石２０と第１長寸四極電磁石２１と第１短寸四極電磁石２２とが、１個の電磁石セット２３Ａ（第１超電導コイル群）を構成する。この電磁石セット２３Ａが１個の断熱容器２４に密閉収容される。また、第１偏向電磁石２０と第１長寸四極電磁石２１と第１短寸四極電磁石２２とを冷却するための冷却媒体２５が、電磁石セット２３Ａとともに断熱容器２４に密閉収容される。また、断熱容器２４には、冷却媒体２５を冷却する冷凍ヘッド２６が取り付けられている。これらの装置が一体となって第１電磁石装置１５Ａを構成する。

図７は、断熱容器２４を直線状に展開した分解図である。なお、実際の断熱容器２４は、真空ダクト７に沿った曲率で湾曲されている。本実施形態の断熱容器２４は、真空ダクト７の外周面に対してクリアランス（間隙）をとって配置される内筒２４Ａと、この内筒２４Ａの外側に同軸に配置される外筒２４Ｂと、真空ダクト７の外周面に対してクリアランスとって開口される孔が形成され、外筒２４Ｂと同一の外径を有する端板２４Ｃ，２４Ｄと、を備える。

また、内筒２４Ａの両端の周縁は、それぞれ端板２４Ｃ，２４Ｄの内周縁に密着され、外筒２４Ｂの両端の周縁は、それぞれ端板２４Ｃ，２４Ｄの外周縁に密着される。これにより、内筒２４Ａの外周面と、外筒２４Ｂの内周面と、端板２４Ｃ，２４Ｄの内面とに囲まれた密閉空間が形成される。なお、互いの部材は溶接などで組み合される。さらに、断熱容器２４の密閉空間は、真空状態に保持される。また、第１偏向電磁石２０と第１長寸四極電磁石２１と第１短寸四極電磁石２２と冷却媒体２５とは、断熱容器２４の内筒２４Ａと外筒２４Ｂと端板２４Ｃ，２４Ｄとにより支持される。そして、断熱容器２４は、これらの装置を密閉収容して外気から断熱する。

第１実施形態では、第１長寸四極電磁石２１と第１短寸四極電磁石２２との間の断熱壁を省略することができるので、電磁石セット２３Ａを収容した断熱容器２４を軽量化できるとともに小型化できる。

図３に示すように、冷凍ヘッド２６には、冷凍機（図示略）により冷却された極低温のヘリウムガスが供給される。また、冷却媒体２５は、各電磁石２０，２１，２２から冷凍ヘッド２６まで熱伝導させる高純度のアルミニウムで構成された固体の部材となっている。なお、図３では、理解を助けるために図示を簡略化しているが、冷却媒体２５は、各電磁石２０，２１，２２のそれぞれに接触している。つまり、冷却媒体２５は、各コイル２０Ａ，２１Ａ，２２Ａに熱的に接続されている。これら電磁石２０，２１，２２を、超電導現象が発現する臨界温度以下まで冷却する。

なお、冷却媒体が、液体ヘリウムや液体窒素などの液体冷媒の場合には、冷媒液面の変化や揺らぎによって冷却が不安定となることが考えられる。本実施形態では、冷却媒体２５が固体であることで、粒子線ビームＲの輸送経路が回転ガントリ６の回転とともに動いても、各電磁石２０，２１，２２を安定的に冷却することができる。

図３に示すように、第２電磁石装置１５Ｂは、第１電磁石装置１５Ａを同一構成の装置となっている。なお、第２電磁石装置１５Ｂの粒子線ビームＲの進行方向（ｓ方向）に対する向きは、第１電磁石装置１５Ａと反転されて（逆向きに）配置される。

第２電磁石装置１５Ｂは、第２偏向電磁石２０と、２個の第２四極電磁石２１，２２とを備える。なお、第２電磁石装置１５Ｂは、第１電磁石装置１５Ａと向きが逆転されているので、２個の第２四極電磁石２１，２２うち、第２長寸四極電磁石２１が粒子線ビームＲの進行方向の下流側に配置され、第２短寸四極電磁石２２が粒子線ビームＲの進行方向の上流側に配置される。なお、第１実施形態では、第２偏向電磁石２０と第２長寸四極電磁石２１と第２短寸四極電磁石２２とが、１個の電磁石セット２３Ｂ（第２超電導コイル群）を構成する。

図４は、図３に示す第１電磁石装置１５Ａ（電磁石セット２３Ａ）のＡ−Ａ断面を簡略化して図示したものである。なお、第１偏向電磁石２０は、偏向磁場Ｍ１を形成する２個の偏向コイル２０Ａ（励磁コイル）を有している。これらの偏向コイル２０Ａが対向して配置され、その間を通過する粒子線ビームＲの進行方向を偏向磁場Ｍ１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２０Ａを通過した粒子線ビームＲを、接線方向に直進される。

また、第１長寸四極電磁石２１は、ｙ方向に粒子線ビームＲを収束させる収束磁場Ｍ２を形成する４個の四極コイル２１Ａ（励磁コイル）を有している。これらの四極コイル２１Ａは、真空ダクト７を軸として軸対称（点対称、回転対象）に配置され、収束磁場Ｍ２を発生させる。なお、収束磁場Ｍ２は、粒子線ビームＲが軌道中心から遠ざかる発散成分を抑える磁場である。

また、第１偏向電磁石２０（偏向コイル２０Ａ）は、第１長寸四極電磁石２１（四極コイル２１Ａ）の外周に配置され、第１偏向電磁石２０と第１長寸四極電磁石２１とが、真空ダクト７を軸として同心円状に積層して配置されている。

なお、粒子線ビームＲの収束とは、粒子線ビームＲのビームサイズσ（直径方向の長さ；外径）が小さくなることであり、粒子線ビームＲの発散とは、粒子線ビームＲのビームサイズσが大きくなることである。

図４に示すように、第１長寸四極電磁石２１の四極コイル２１Ａを通過する粒子線ビームＲにおいて、ｘ軸上の点Ｐ１に位置する荷電粒子は、外方向へのローレンツ力が働く。一方、ｙ軸上の点Ｐ２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。つまり、第１長寸四極電磁石２１は、粒子線ビームＲをｘ方向に発散させ、かつｙ方向に収束させる。このように四極コイル２１Ａは、ｘ方向に粒子線ビームＲを発散させると、ｙ方向に粒子線ビームＲが収束される性質を有する。

図５は、図３に示す第１電磁石装置１５Ａ（電磁石セット２３Ａ）のＢ−Ｂ断面を簡略化して図示したものである。第１短寸四極電磁石２２は、前述した第１長寸四極電磁石２１を、真空ダクト７を軸として９０°回転させた状態になっている。つまり、第１短寸四極電磁石２２は、第１長寸四極電磁石２１と機械的な構造が同一で電流の方向が逆転している。

また、第１短寸四極電磁石２２は、ｘ方向に粒子線ビームＲを収束させる収束磁場Ｍ２を形成する４個の四極コイル２２Ａ（励磁コイル）を有している。これらの四極コイル２２Ａは、真空ダクト７を軸として軸対称（点対称、回転対象）に配置され、収束磁場Ｍ２を発生させる。

また、第１偏向電磁石２０（偏向コイル２０Ａ）は、第１短寸四極電磁石２２（四極コイル２２Ａ）の外周に配置され、第１偏向電磁石２０と第１短寸四極電磁石２２とが、真空ダクト７を軸として同心円状に積層して配置されている。

なお、図４および図５に示すように、第１長寸四極電磁石２１（四極コイル２１Ａ）と第１短寸四極電磁石２２（四極コイル２２Ａ）とは、断面視において鏡面対象に配置される。また、四極コイル２１Ａ，２２Ａが真空ダクト７に対向する第１層を形成している。そして、偏向コイル２０Ａが第１層の上に積層する第２層を形成している。偏向コイル２０Ａを積層するために、２つの四極コイル２１Ａ，２２Ａの厚さ（ｓ方向と垂直方向の厚さ）は、同一寸法となっている。

図５に示すように、第１短寸四極電磁石２２の四極コイル２２Ａを通過する粒子線ビームＲにおいて、ｘ軸上の点Ｐ１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、ｙ軸上の点Ｐ２に位置する荷電粒子は、外方向へのローレンツ力が働く。つまり、第１短寸四極電磁石２２は、粒子線ビームＲをｘ方向に収束させ、かつｙ方向に発散させる。このように、四極コイル２２Ａは、ｘ方向に粒子線ビームＲを収束させると、ｙ方向に粒子線ビームＲが発散される性質を有する。

なお、図３に示す第２電磁石装置１５Ｂ（電磁石セット２３Ｂ）のＤ−Ｄ断面は、図４のＡ−Ａ断面と同一構成であるので、この説明を省略する。また、図３に示す第２電磁石装置１５Ｂ（電磁石セット２３Ｂ）のＣ−Ｃ断面は、図５のＢ−Ｂ断面と同一構成であるので、この説明を省略する。

図６は、電磁石セット２３Ａ，２３Ｂの各コイル２０Ａ，２１Ａ，２２Ａを直線状に展開した分解図である。なお、実際の電磁石セット２３Ａ，２３Ｂの各コイル２０Ａ，２１Ａ，２２Ａは、真空ダクト７に沿った曲率で湾曲されている。

各コイル２０Ａ，２１Ａ，２２Ａは、超電導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７の外周面に合うように曲面を構成する。ここで、超電導線は、ＮｂＴｉ、Ｎｂ_３Ｓｎ、Ｎｂ_３Ａｌ、ＭｇＢ_２などの低温超電導体、または、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０線材や、ＲＥＢ_２Ｃ_３Ｏ_７線材などの高温超電導体で構成される。

なお「ＲＥＢ_２Ｃ_３Ｏ_７」の「ＲＥ」は、希土類元素（例えば、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ホルミニウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）など）およびイットリウム元素の少なくともいずれかを意味している。また、「Ｂ」はバリウム（Ｂａ）を意味している。また、「Ｃ」は銅（Ｃｕ）を意味している。また、「Ｏ」は酸素（Ｏ）を意味している。

なお、低温超電導体を用いた場合は、低温超電導体が延性を有するため、容易に曲面を形成することが可能となる。さらに、真空ダクト７の屈曲部７ａ，７ｂ，７ｃに沿った形状を容易に形成することができる。一方、高温超電導体を用いた場合は、高温で超電導状態が発現するために冷却負荷が軽減され、運転効率が向上する。

図８は、電磁石セット２３Ａ，２３Ｂの回路図である。本実施形態では、一方の電磁石セット２３Ａ（第１電磁石装置１５Ａ）の偏向電磁石２０と、この偏向電磁石２０に隣接する他方の電磁石セット２３Ｂ（第２電磁石装置１５Ｂ）の偏向電磁石２０と、が１つの電源２７Ａに直列に接続される。また、一方の電磁石セット２３Ａの第１短寸四極電磁石２２と、この第１短寸四極電磁石２２に隣接する他方の電磁石セット２３Ｂの第２短寸四極電磁石２２と、が１つの電源２７Ｂに直列に接続される。なお、第１長寸四極電磁石２１および第２長寸四極電磁石２１は、それぞれ別個の電源２７Ｃ，２７Ｄに接続されている。

従来であれば、６個の電磁石２０，２１，２２がある場合に、６個の電源が必要であったが、本実施形態では、電源２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄ（直流電源）の個数を最小限に抑えることが可能となり、電源供給線の簡素化や低コスト化を図ることができる。また、各電磁石２０，２１，２２に供給する電力の電圧値や電流値を一定にできるので、電力の制御が容易になる。

図３および図６に示すように、粒子線ビームＲの進行方向に沿って、第１電磁石装置１５Ａの第１長寸四極電磁石２１の四極コイル２１Ａ、第１電磁石装置１５Ａの第１短寸四極電磁石２２の四極コイル２２Ａ、第２電磁石装置１５Ｂの第２短寸四極電磁石２２の四極コイル２２Ａ、第２電磁石装置１５Ｂの第２長寸四極電磁石２１の四極コイル２１Ａの順で並んでいる。つまり、粒子線ビームＲのｘ方向のビームサイズσは、第１電磁石装置１５Ａおよび第２電磁石装置１５Ｂを通過するときに、ｘ方向に発散−収束−発散（ｙ方向に収束−発散−収束）の順番で３段階に変化する。

なお、粒子線ビームＲの進行方向に沿って、第１偏向電磁石２０の偏向コイル２０Ａ、第２偏向電磁石２０の偏向コイル２０Ａの順番で並んでいる。ここで、偏向コイル２０Ａを通過する粒子線ビームＲは、ｘ方向に収束されるとともに、ｙ方向に発散される。つまり、偏向コイル２０Ａも粒子線ビームＲを収束および発散させる作用を有している。本実施形態では、第１短寸四極電磁石２２および第２短寸四極電磁石２２の四極コイル２２Ａによる粒子線ビームＲの収束方向（ｘ方向）が、第１偏向電磁石２０および第２偏向電磁石２０の偏向コイル２０Ａによる粒子線ビームＲの収束方向（ｘ方向）と同じになっている。

なお、各四極コイル２１Ａ，２２Ａにおいて、粒子線ビームＲを収束および発散させる強さは、各四極コイル２１Ａ，２２Ａ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。また、各四極コイル２１Ａ，２２Ａのサイズ（長さ寸法）によっても粒子線ビームＲを収束および発散させる強さが変化する。本実施形態では、四極コイル２１Ａ，２２Ａに供給する電力の電流値および電圧値を同一にして、四極コイル２１Ａ，２２Ａの長さ寸法Ｎ１，Ｎ２（図３参照）の違いにより、粒子線ビームＲを収束および発散させる強さを異ならせている。例えば、第１長寸四極電磁石２１（四極コイル２１Ａ）は、第１短寸四極電磁石２２（四極コイル２２Ａ）の長さ寸法Ｎ２と比較して、２倍の長さ寸法Ｎ１を有している。そのため、第１長寸四極電磁石２１が粒子線ビームＲを収束および発散させる強さは、第１短寸四極電磁石２２と比較して２倍となっている。

このように、四極電磁石２１，２２（四極コイル２１Ａ，２２Ａ）の長さ寸法Ｎ１，Ｎ２の違いにより、粒子線ビームＲを収束および発散させる強さを異ならせることで、四極コイル２１Ａ，２２Ａの配置に応じて四極コイル２１Ａ，２２Ａの寸法を設定して製造することで、粒子線ビームＲの収束の強さを調整できる。

図９は、各電磁石２０，２１，２２の収束の強さを説明する表である。この表において、プラスの数値は、粒子線ビームＲが収束していることを示し、マイナスの数値は、粒子線ビームＲが発散していることを示す。なお、第１偏向電磁石２０が粒子線ビームＲをｘ方向に収束する強さを１（基準値）としている。

第１偏向電磁石２０は、粒子線ビームＲを１倍の強さでｘ方向に収束させるとともに、ｙ方向に発散させる。また、第１長寸四極電磁石２１は、粒子線ビームＲを２倍の強さでｘ方向に発散させるとともに、ｙ方向に収束させる。また、第１短寸四極電磁石２２は、粒子線ビームＲを１倍の強さでｘ方向に収束させるとともに、ｙ方向に発散させる。また、第２短寸四極電磁石２２は、粒子線ビームＲを１倍の強さでｘ方向に収束させるとともに、ｙ方向に発散させる。また、第２長寸四極電磁石２１は、粒子線ビームＲを２倍の強さでｘ方向に発散させるとともに、ｙ方向に収束させる。また、第２偏向電磁石２０は、粒子線ビームＲを１倍の強さでｘ方向に収束させるとともに、ｙ方向に発散させる。

この表に示すように、粒子線ビームＲは、第１電磁石装置１５Ａおよび第２電磁石装置１５Ｂを通過するときに、収束と発散を繰り返すが、理論上、そのときの収束および発散の強さの合計が０になる。つまり、２個の偏向電磁石２０および２個の短寸四極電磁石２２を合わせた収束（発散）の強さと、２個の長寸四極電磁石２１の収束（発散）の強さとのバランス（平準化）を保つように調整することができる。なお、真空ダクト７の各屈曲部７ａ，７ｂ，７ｃ（輸送経路の各箇所）で粒子線ビームＲを収束および発散させながら進行させても、ビームサイズσの変化を最小限に保つことができる。

図１０は、粒子線ビームＲのビームサイズσの変化を示すグラフである。実線はｘ方向の変化を示し、点線はｙ方向の変化を示す。このグラフに示すように、真空ダクト７の各屈曲部７ａ，７ｂ，７ｃにおいて、長寸四極電磁石２１が粒子線ビームＲをｘ方向に発散させることで、偏向電磁石２０が粒子線ビームＲをｙ方向に発散させることを抑えている。なお、本実施形態では、２個の長寸四極電磁石２１の収束の強さが、２個の偏向電磁石２０および２個の短寸四極電磁石２２を合わせた収束の強さよりも、若干強くなるように設定している。そして、ビームサイズσの変化率(ビームサイズσのｓ微分)は、小さく抑えられることが分かる。そのため、ビームサイズσが過度に大きくなることがないため、真空ダクト７や偏向コイル２０Ａや四極コイル２１Ａ，２２Ａの口径を小さく抑えることができる。

本実施形態では、同一構成の複数の電磁石装置１５Ａ，１５Ｂ（電磁石セット２３Ａ，２３Ｂ）が断熱容器２４に一体的に収納され、これらの装置で粒子線ビームＲの輸送経路を構成することができる。そして、同一の設計図および同一の製造ラインで多数の電磁石装置１５Ａ，１５Ｂおよび断熱容器２４を量産することができ、生産性を向上させることができ、コストダウンが図れる。また、照射治療装置１を現地で組み立てる際に、据付調整の簡素化が可能となり、工期を短縮することができる。

また、偏向電磁石２０と四極電磁石２１，２２と冷却媒体２５とが、断熱容器２４により一体化されるので、その製造性が向上する。なお、偏向電磁石２０と四極電磁石２１，２２とが同心円状に重なって配置され、粒子線ビームＲの進行方向に短い配置となるので、回転ガントリ６の小型化および軽量化に貢献でき、回転の制御性が良好となり、粒子線ビームＲの照射精度を向上させることができる。さらに、粒子線ビームＲを安定的に輸送することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の電磁石装置１５Ｃについて図１１を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１１に示すように、第２実施形態の電磁石装置１５Ｃは、２個の電磁石セット２３Ａ，２３Ｂが、１個の断熱容器２８に密閉収容される。つまり、１個の電磁石装置１５Ｃは、２個の偏向電磁石２０と、４個の四極電磁石２１，２２とを備える。そして、これら電磁石セット２３Ａ，２３Ｂの各電磁石２０，２１，２２を、冷却するための一体化された冷却媒体２９が、電磁石セット２３Ａとともに断熱容器２８に密閉収容される。

第２実施形態では、長寸四極電磁石２１と短寸四極電磁石２２との間の断熱壁を省略することができる。また、各電磁石セット２３Ａ，２３Ｂの間の断熱壁を省略することができる。そのため、電磁石セット２３Ａ，２３Ｂを収容した断熱容器２８を軽量化させることができるとともに小型化できる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態の電磁石装置１５Ｄについて図１２を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１２に示すように、第３実施形態の電磁石装置１５Ｄは、１個の偏向電磁石３０と、３個の四極電磁石３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃとを備える。第３実施形態では、１個の偏向電磁石３０と３個の四極電磁石３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃとが、１個の電磁石セット２３Ｃを構成する。これら電磁石３０，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃが、１個の断熱容器３２に密閉収容される。そして、これら電磁石セット２３Ｃの各電磁石３０，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを、冷却するための一体化された冷却媒体３３が、電磁石セット２３Ｃとともに断熱容器３２に密閉収容される。

なお、各四極電磁石３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃにおいて、粒子線ビームＲの進行方向（ｓ方向）に沿う寸法Ｎ３は、同一寸法となっている。また、中央に配置される四極電磁石３１Ｂは、その両隣に配置される四極電磁石３１Ａ，３１Ｃを、真空ダクト７を軸として、軸周りに９０°回転させた状態になっている。つまり、中央に配置される四極電磁石３１Ｂは、その両隣に配置される四極電磁石３１Ａ，３１Ｃと機械的な構造が同一で電流の方向が逆転している。そのため、中央に配置される四極電磁石３１Ｂは、粒子線ビームＲをｘ方向に収束させるとともに、ｙ方向に発散させる。一方、その両隣に配置される四極電磁石３１Ａ，３１Ｃは、粒子線ビームＲをｙ方向に収束させるとともに、ｘ方向に発散させる。

第３実施形態では、四極電磁石３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの間の断熱壁を省略することができる。そのため、電磁石セット２３Ｃを収容した断熱容器３２を軽量化できるとともに小型化できる。

本実施形態に係る照射治療装置を第１実施形態から第３実施形態に基づいて説明したが、いずれか１の実施形態において適用された構成を他の実施形態に適用しても良いし、各実施形態において適用された構成を組み合わせても良い。

なお、本実施形態では、スキャニング電磁石１９を用いて粒子線ビームＲの照射範囲を制御しているが、コリメータやレンジシフタなどの機器を用いることで、粒子線ビームＲの照射範囲や進入の深さなどを制御しても良い。また、これらの機器とスキャニング電磁石１９とを組み合わせて用いても良い。

なお、患者が呼吸を行うことによって、僅かに動いてしまう患部の位置を把握するために、Ｘ線などを用いて患者の呼吸状態を把握し、この呼吸のタイミングに同期させて粒子線ビームＲを照射する呼吸同期制御装置などを設けるようにしても良い。

なお、本実施形態では、炭素イオンを用いた放射線治療技術を例示しているが、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などを用いて放射線治療を行っても良い。

なお、本実施形態では、シンクロトロン加速器４で粒子線ビームＲを加速しているが、サイクロトロン加速器やＦＦＡＧ加速器などの加速装置を用いて粒子線ビームＲを加速しても良い。

なお、本実施形態では、冷却媒体２５として極低温のヘリウムガスを用いているが、液体窒素や液体ヘリウムなどの液体の冷却媒体を用いて電磁石２０，２１，２２を冷却しても良い。

なお、本実施形態では、偏向電磁石は、対向する２個の励磁コイルを有する構成を例示しているが、それ以外の数の励磁コイルで偏向電磁石を構成しても良い。また、本実施形態では、収束用（発散用）の電磁石（四極電磁石）として４個の励磁コイルを有する構成を例示しているが、それ以外の数の励磁コイルで収束用の電磁石を構成しても良い。特に対向する偶数個（６個）の励磁コイルで収束用の電磁石が構成される場合もある。

なお、本実施形態では、真空ダクト７を軸として四極電磁石２１，２２の外周に偏向電磁石２０が設けられているが、偏向電磁石２０を真空ダクト７の周囲に配置し、この偏向電磁石２０の外周に四極電磁石２１，２２を配置しても良い。

なお、本実施形態では、ビーム輸送装置５の真空ダクト７の屈曲部の電磁石装置１５に本発明が適用されることを例示したが、シンクロトロン加速器４の真空ダクト７の屈曲部に配置される屈曲用の電磁石装置１０に本発明を適用しても良い。なお、粒子線ビーム輸送装置は、粒子線ビームＲの輸送経路を有する装置であれば良く、この粒子線ビーム輸送装置には加速器が含まれる。

以上説明した実施形態によれば、１個の偏向電磁石２０に対して少なくとも２個の四極電磁石２１，２２を粒子線ビームＲの進行方向に並べて配置し、偏向電磁石２０および四極電磁石２１，２２を一体的に収容して断熱する断熱容器２４を持つことにより、粒子線ビームＲの輸送経路を簡素化・短尺化することができる。

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。

１…照射治療装置、２…イオン生成器、３…線形加速器、４…シンクロトロン加速器、５…ビーム輸送装置、６…回転ガントリ、６ａ…フレーム、７…真空ダクト、７ａ，７ｂ，７ｃ…屈曲部、９，１０…電磁石装置、１１…高周波加速空洞、１２…入射装置、１３…出射装置、１４，１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ…電磁石装置、１６…回転駆動装置、１７…照射部、１８…ベッド、１９…スキャニング電磁石、２０…偏向電磁石、２０Ａ…偏向コイル、２１…長寸四極電磁石、２１Ａ…四極コイル、２２…短寸四極電磁石、２２Ａ…四極コイル、２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ…電磁石セット、２４…断熱容器、２４Ａ…内筒、２４Ｂ…外筒、２４Ｃ，２４Ｄ…端板、２５…冷却媒体、２６…冷凍ヘッド、２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄ…電源、２８…断熱容器、２９…冷却媒体、３０…偏向電磁石、３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ…四極電磁石、３２…断熱容器、３３…冷却媒体。

Claims (10)

1. 粒子線ビームが内部を進行する真空ダクトと、
   前記真空ダクトの屈曲部の周囲に配置される超伝導電磁石であって前記粒子線ビームの進行方向を前記屈曲部に沿って偏向させる磁場を発生させる偏向電磁石と、
   前記偏向電磁石と同軸に積層して配置される超伝導電磁石であって前記粒子線ビームを収束させる磁場を発生させる四極電磁石と、
   １個の前記偏向電磁石に対して少なくとも２個の前記四極電磁石を前記粒子線ビームの進行方向に並べて配置し、前記偏向電磁石および前記四極電磁石を一体的に収容して断熱する断熱容器と、
   １個の前記偏向電磁石と前記偏向電磁石の前記配置範囲に配置された少なくとも２個の前記四極電磁石とが１個の電磁石セットを構成し、同一構成の少なくとも２個の前記電磁石セットと、
   を備え、
   一方の前記電磁石セットの前記粒子線ビームの進行方向に対する向きが、他方の前記電磁石セットと反転されて配置されることを特徴とする粒子線ビーム輸送装置。
2. １個の前記電磁石セットが、１個の前記断熱容器に収容される請求項１に記載の粒子線ビーム輸送装置。
3. 少なくとも２個の前記電磁石セットが、１個の前記断熱容器に収容される請求項１に記載の粒子線ビーム輸送装置。
4. 前記一方の電磁石セットの前記偏向電磁石と、この偏向電磁石に隣接する前記他方の電磁石セットの前記偏向電磁石と、が１つの電源に直列に接続される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の粒子線ビーム輸送装置。
5. 前記一方の電磁石セットの前記四極電磁石と、この四極電磁石に隣接する前記他方の電磁石セットの前記四極電磁石と、が１つの電源に直列に接続される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の粒子線ビーム輸送装置。
6. 前記偏向電磁石の前記配置範囲に配置された少なくとも２個の前記四極電磁石のうち、一方の前記四極電磁石による前記粒子線ビームの収束方向と、他方の前記四極電磁石による前記粒子線ビームの収束方向と、が直交し、
   前記粒子線ビームの進行方向における前記一方の四極電磁石の寸法が、前記他方の四極電磁石の寸法よりも短い請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の粒子線ビーム輸送装置。
7. 前記寸法が短い四極電磁石による前記粒子線ビームの収束方向が、前記偏向電磁石による前記粒子線ビームの収束方向と同じである請求項６に記載の粒子線ビーム輸送装置。
8. 前記偏向電磁石および前記四極電磁石が、低温超伝導体を用いた超伝導電磁石である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の粒子線ビーム輸送装置。
9. 前記断熱容器に収容され、前記偏向電磁石および前記四極電磁石を冷却する固体の冷却媒体を備える請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の粒子線ビーム輸送装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の粒子線ビーム輸送装置と、
    前記粒子線ビーム輸送装置を支持するとともに水平軸を中心に回転する回転ガントリと、
    前記粒子線ビーム輸送装置により前記水平軸に対して直交する方向に導かれた前記粒子線ビームの照射位置に患者を移動して位置合わせを行うベッドと、
    を備えることを特徴とする照射治療装置。

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