JP6871136B2 - 粒子線ビーム輸送装置、回転ガントリ及び粒子線ビーム照射治療システム - Google Patents
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Description
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に患部のみをピンポイントで死滅させることができるため、手術や投薬治療等と比較して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することができる。
粒子線ビームを照射機まで導く粒子線ビーム輸送装置を回転ガントリで安定的に支持するため、粒子線ビーム輸送装置は、回転ガントリの内外に蛇行して照射機に接続される。よって、粒子線ビーム輸送装置のビーム輸送経路も回転ガントリの内外で蛇行する。
このため、従来の技術では、ビーム輸送装置を支持する回転ガントリが大型化して回転の制御性が低下することで、粒子線ビームの照射精度を低下させる懸念があった。
なお、以下、各実施形態及び図面において、粒子線ビームβ(以下、単に「ビームβ」という)の進行方向をs方向、このs方向に対し直交する方向をx方向、s方向及びx方向の両方に直交する方向をy方向と定義する。
図1は、粒子線ビーム照射治療システム100の概略構成図である。
粒子線ビーム照射治療システム100は、図1に示すように、主に、治療室200と、加速装置300と、で構成される。
加速装置300で加速された炭素イオン等の重粒子イオンεの群が、治療室200に導かれて患者Pの患部に照射される。
イオン生成部50で生成された重粒子イオンεが、加速器60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βとなって、輸送装置30を経由して治療室200まで導かれる。
図2は、第1実施形態に係る輸送装置30を含む治療室200の概略断面図である。
輸送装置30は、図2に示されるように、回転ガントリ20に載置されて支持される。
回転ガントリ20は、回転軸(円筒中心)Jが水平方向を向くように基礎24に設置された円筒形状の装置である。回転ガントリ20の内部空間が治療空間21を構成する。
治療空間21には、患者Pが回転軸J上に配置されるように治療台23が設置される。
輸送装置30の各所には、ビームβの進行方向または形状を制御する制御磁石装置31(31a〜31c)が配置される。
第1実施形態に係る輸送装置30は、ビームβの各バンチを偏向してビームβを走査させる走査磁石32が、制御磁石装置31よりもs方向下流側に配置される。
走査磁石32がバンチ単位でビームβを走査させることで、ビームβのxy平面による断面形状は、全体として患部の形状にまで拡大される。
これらの制御磁石装置31を便宜上、s方向上流側から順に第1制御磁石装置31a、第2制御磁石装置31b及び第3制御磁石装置31cと呼ぶ。
これらの制御磁石装置31はビームβをビーム輸送経路に沿って偏向し、その偏向角は全ての制御磁石装置31(31a〜31c)で同一としている。なお、以下の説明では一例として90度としている。
走査磁石32は、これら全ての制御磁石装置31(31a〜31c)よりもs方向下流側に配置されることになる。
なお、走査磁石32の下流側には、例えば、ビームβの性状を確認するビームモニタや、リッジフィルタなどのフィルタ類、ビーム窓等が適宜配置される。
この配置位置がビームβの軌道が回転ガントリ20の回転軸Jに平行になる箇所である結果、走査磁石の長辺が回転軸Jに平行になっていた。
つまり、略水平に配置されていた走査磁石32の長辺を1/4回転させて略鉛直に配置することで、回転軸Jに沿った方向の輸送装置30の占有長さを短くすることができる。
この場合、輸送装置30の回転半径を増加させずに、回転軸Jに沿った方向の輸送装置30の占有長さを短くすることができる。
従って、いずれにおいても、制御磁石装置31を支持する回転ガントリ20を小型化及び軽量化することができる。
また、口径が大きくなることで、第3制御磁石装置31cが大型になるとともに、内部の磁石間距離が離れ、磁場生成効率が低下していた。
さらに、第3制御磁石装置31cの口径を拡大させずにすむので、偏向角が同一の制御磁石装置31を複数ビーム輸送経路に設けた場合、同一製品点数が増え、生産効率を向上させることができる。
なお、制御磁石装置31の口径は、最も内層(真空ダクト70に近い位置)に対向して配置される磁石(対向する四極磁石または偏向磁石)の距離で規定される。
また、制御磁石装置31の偏向角を45度や30度などの90度を自然数で割った値の組み合わせで構成することで、第1制御磁石装置31a及び第2制御磁石装置31bと第3制御磁石装置31cとを同一製品にすることができ、生産効率を向上させることができる。
さらに、通常ビーム輸送経路は3つの屈曲部で構成されるため、偏向角を90度とすることで、同一製品で制御磁石装置31を統一し、かつ、最小の製品点数とすることが可能となるので、生産効率をさらに向上させることができる。
また、輸送装置30の短尺化によって、回転ガントリ20を小型化及び軽量化することができる。
さらに、制御磁石装置31(31a〜31c)を同一製品で統一することができるので、構造が簡素になり、生産効率を向上させることができる。
図3は、第2実施形態に係る輸送装置30が備える機能結合型磁石38(38a)のxy平面による概略断面図である。
四極磁石34は、ビームβの収束及び発散を制御する。つまり、四極磁石34は、ビームβのs方向に垂直な断面(xy平面による断面)の形状を制御する。
偏向磁石33は、真空ダクト70の屈曲部に配置され、偏向磁場を発生させてビームβを屈曲部の曲率に沿って偏向させる。
通常は、偏向磁石33は対向する2つの偏向用コイル33a,33bで構成されるが、2つ以外のコイルで構成してもよい。
以下、より具体的に機能結合型磁石38について説明する。
整形用励磁コイル341〜344が励磁されることで、真空ダクト70の内部ギャップに、四極磁場Bfが発生する。
四極磁石34は、s方向に沿って、例えば3セット配置されて1つの制御磁石装置31(例えば、第1制御磁石装置31a)を構成する。隣り合う四極磁石34を流れる直流電流を逆向きに流すことで、各四極磁石34に発生する四極磁場Bfを逆向きにさせる。
四極磁場Bfの向きを各四極磁石34で逆向きにすることで、ビームβの断面はx方向及びy方向に収束と発散とを繰り返して整形される。
また、一例として、4個の整形用励磁コイル341〜344から構成される四極磁石34を示したが、励磁コイルの数及び極数は4個以上であってもよい。
従来では、四極磁石34と偏向磁石33とを同心円上に配置せず、s方向の前後にずらして配置していた。
よって、制御磁石装置31が長尺化する結果、輸送装置30の長尺化を招いていた。
この結果、制御磁石装置31が短尺化され、第1実施形態の効果と同様に、輸送装置30のうち、回転ガントリ20で支持される部分の回転軸J方向の長さを短尺化することができる。
また、機能結合型磁石38は、ビームβの整形機能及び偏向機能を有していれば、励磁コイルを四極磁石34と偏向磁石33とに明確に区別して構成しなくてもよい。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
図4は、第3実施形態に係る輸送装置30の制御磁石装置31を構成する超電導コイルの群を展開した分解図である。
図4では、簡単のため、ビーム輸送経路を直線状に記載しているが、実際は、ビーム輸送経路が湾曲しているため、これに合わせて超電導コイルも湾曲している。
また、図5は、第3実施形態に係る輸送装置30のxy平面による概略断面図である。
つまり、四極磁石34、偏向磁石33または機能結合型磁石38(38b)、若しくはこれらの一部を超電導磁石で構成する。
しかし、ビーム輸送経路のうち制御磁石装置31の配置箇所の曲率半径を小さくすることで、この回転半径を小さくすることができる。
そこで、第3実施形態では、構成磁石33,34,38を超電導磁石で構成し、強い偏向磁場を発生させて、小さい曲率半径でビームβを偏向させる。
低温超電導体の場合、延性があるため、上述の曲面を容易に形成することができる。一方、高温超電導体の場合、高温で超電導状態に転移するため冷却負荷が軽減され、運転効率が向上する。
冷却媒体は、液体窒素や液体ヘリウム等の液体媒体、または冷凍機から供給される冷熱を構成磁石33,34,38まで熱伝導させる高純度アルミなどの固体媒体である。
よって、磁極35が空間を占有し、四極磁石34に対する偏向磁石33の配置を自由に設計することができない。
よって、構成磁石33,34を超電導磁石41で構成することで、これらをs方向の同一地点に同心円状に配置し、機能結合型磁石38(38b)にすることができる。
つまり、磁極を用いないことで、図5に示されるように、偏向磁石33を四極磁石34の外周に積層することができる。
通常、1つの制御磁石装置31(例えば、第1制御磁石装置31a)において、ビームβが収束−発散−収束、または発散−収束−発散となるように、3つの四極磁石34をs方向に沿って直列に配置する。
3つの四極磁石34を、以下、s方向上流側から順に、第1四極磁石34a、第2四極磁石34b及び第3四極磁石34cと呼ぶ。
また、制御磁石装置31の配置位置のずれを防止する観点からも、制御磁石装置31の部品点数を少なくすることが望ましい。
この結果、1つの2等分単位磁石42に含まれる第2四極磁石34bのs方向に沿った長さは、第1四極磁石34a及び第3四極磁石34cのs方向に沿った長さの半分になる。
なお、同一製品の2等分単位磁石42が鏡面対称に配置されるため、I−I断面がIV−IV断面と同一になる。
つまり、1種類の2等分単位磁石42を組み合わせて、全ての制御磁石装置31を構成することができることになる。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
つまり、輸送装置30を、回転軸J方向にも、回転半径方向にも、短尺化することができる。
また、単一の2等分単位磁石42を2つ組み合わせて1つの制御磁石装置31にすることで、制御磁石装置31を効率的に生産することができる。
図7(A),(B)は、第4実施形態に係る輸送装置30の走査磁石32の概略構成図である。
図7(A)は、ビームβをx方向に走査させるx方向走査磁石対(第1走査磁石対)44aの側面図を示す。
また、図7(B)は、x方向走査磁石対44a及びy方向走査磁石対(第2走査磁石対)44bの配置を示す分解図である。
なお、図7(B)では、通常複数組のコイルから構成されるx方向及びy方向の走査磁石対44(44a,44b)を、簡単のため、1組ずつのみ記載している。
x方向走査磁石対44aは、y方向に沿って真空ダクト70を挟んで対向して設けられ、y方向に走査磁場Bsを発生させて、ビームβをx方向に走査させる。
y方向走査磁石対44bは、x方向に沿って真空ダクト70を挟んで対向して設けられ、x方向に走査磁場Bsを発生させて、ビームβをy方向に走査させる。
磁場強度を高くするため、複数組の走査磁石対44が、同心円状に配置される。
よって、従来では、例えばx方向走査磁石対44aを上流側、y方向走査磁石対44bを下流側、のように、x方向走査磁石対44aとy方向走査磁石対44bとの位置を、s方向に前後にずらして直列配置されていた。
よって、x方向の走査磁場Bsを強める等してy方向に大きな照射野を確保すると、これに伴いy方向の磁場発生効率が低下する。
また、走査磁石32を最下流に配置した場合、y方向走査磁石対44bを大型にすることで、回転ガントリ20の回転による輸送装置30の回転半径が増加してしまうことがある。
そこで、第4実施形態では、配置を妨げる部分の磁極を削除し、x方向走査磁石対44aとy方向走査磁石対44bとをs方向の同一の位置に同心円状に配置する。
鞍型形状とは、コイルの対向する2つの円弧部を直線部で接続したいわゆるトラック形状において、円弧部分を湾曲して直線部と非同一平面上になる形状のことである。
また、この内側の走査磁石対44(例えば、x方向走査磁石対44a)の外側に、y方向走査磁石対44bのコイルを絶縁性を維持して積層させる。
なお、走査磁石対44の形状は、ビームβの進路を確保するものであれば、鞍型形状に限定されない。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
また、回転ガントリ20に支持された輸送装置30の回転半径の増加を抑制することができる。
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。
Claims (7)
- 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て前記粒子線ビームの進行方向または形状を制御する制御磁石装置と、
前記制御磁石装置よりもビーム進行方向下流側に配置されるとともに前記粒子線ビームの各バンチを偏向して前記粒子線ビームを走査させる走査磁石とを備え、
前記制御磁石装置は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偏向磁石、及び前記粒子線ビームを収束させる四極磁石で構成され、
前記偏向磁石及び前記四極磁石がビーム進行方向の同一地点に配置される機能結合型磁石であり、
前記制御磁石装置は複数設けられ、
前記制御磁石装置は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、その偏向する角度が、全ての前記制御磁石装置で同一であることを特徴とする粒子線ビーム輸送装置。 - 前記制御磁石装置は複数設けられ、
前記四極磁石または前記偏向磁石によって構成される前記制御磁石装置の口径が、少なくとも2つの前記制御磁石装置で同一である請求項1に記載の粒子線ビーム輸送装置。 - 前記走査磁石は、
前記粒子線ビームをビーム進行方向に垂直な第1方向に走査磁場を生成する第1走査磁石対と、
前記ビーム進行方向及び前記第1方向に垂直な第2方向に走査磁場を生成する第2走査磁石対と、を備え、
第1走査磁石対及び第2走査磁石対は、前記ビーム進行方向の同一地点に配置される請求項1に記載の粒子線ビーム輸送装置。 - 前記制御磁石装置は、超電導磁石を含む請求項1に記載の粒子線ビーム輸送装置。
- 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を備える回転ガントリ。
- 前記回転ガントリの内部空間が治療空間を構成し、
前記ビーム進行方向の最下流側に配置された前記制御磁石装置の前記ビーム進行方向の下流側を前記走査磁石ごと前記治療空間内に突出させた請求項5に記載の回転ガントリ。 - 請求項5又は請求項6のいずれか1項に記載の粒子線ビーム輸送装置を備える粒子線ビーム照射治療システム。
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