JPH04197273A

JPH04197273A - 陽子線を用いた治療装置

Info

Publication number: JPH04197273A
Application number: JP32568590A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Inada; 稲田　哲雄; Sadayoshi Fukumoto; 福本　貞義; Akira Maruhashi; 晃丸橋; Yoshihisa Takada; 義久高田; Yoshinori Hayakawa; 吉則早川; Junichiro Tada; 多田　順一郎
Original assignee: University of Tsukuba NUC
Current assignee: University of Tsukuba NUC
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1992-07-16
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: JPH0732806B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、陽子線を用いた治療装置に関し、陽子線を、
例えば癌病巣に正確に一致させて大線量を集中させる陽
子線治療装置に関する。特に、陽子線エネルギー減速と
散乱とを同時に行い、また、線量ピーク幅を拡大する金
属製フィルタを散乱に寄与せしめて、適切な形状の照射
野を形成させる機能を有機的に結合させたシステムであ
る。

（従来技術）放射線による癌の治療には、Ｘ線、ガンマ線および電子
線が使用されており、また最近では中性子線も導入され
てきた。これらは線形加速器やベータトロンなどの小形
電子加速器により発生する電子線やＸ線を照射するシス
テムであり、多数病院に設置されてきた。またガンマ線
を用いたものの大部分け、コバルト６０線源を格納する
遠隔照射治療装置と各種の放射性核種を使用する小線源
照射治療装置であり、普及している。これらの放射線治
療装置は以下のような利点を有している。

（ａ）手術にて摘出不能な癌症例の治療が可能である。

（ｂ）化学療法や温熱療法との併用で効果を高めること
が可能である。

（ｃ）治療に成功すれば、組織の欠損や機能障害が軽減
であるので患者の社会復帰が容易である。

（発明が解決しようとする課題）上述したような従来の放射線治療装置では、電子線を除
けば、体内での到達飛程の概念があてはまらず、はぼ指
数的に減弱する。また電子線においてもその統計的変動
や散乱が大きいために体内飛程は明瞭ではない。

よって、これらの従来の放射線の照射野形成においては
、３次元的照射野の形成制御が困難であり、いわゆる原
体照射野法によって近似的に病巣への線量集中が画られ
てさた。

しかし、一般に癌病巣の形状は不定形かつ複雑であり、
癌病巣はしばしば重要臓器内に、またはそれらに近接し
た位置に存在する。よって従来の放射線では正常組織に
障害を与えずに癌病巣全体に十分に治癒線量を与えるこ
とは困難であり、このことが放射線治療後の再発を招く
という欠点があった。

本発明の目的は、周辺臓器など正常組織に与える線量を
可及的に軽減し、不定形な例えば癌病巣に十分に大きな
線量を選択的に集中するために、陽子線の体内飛程を癌
病巣最大深に一致させ、陽子線線量ピーク幅を病巣厚に
一致させ、また、収束、輸送された陽子線束を拡大し病
巣全体を一様線量強度で蔽い、病巣線量を積算表示して
、所要の予定線量にて照射停止を行わせる信号を発生し
、しかもこのような制御を自動化して、陽子線による癌
治療を容易に行える陽子線を用いた治療装置を提供する
ことにある。

（課題を解決するための手段）本発明の陽子線を用いた治療装置は、個々の治療に必要
なエネルギー、強度及び準定常的もしくはパルス状の時
間構造を有する陽子線を生成する陽子線加速手段と、前記加速された陽子を輸送する輸送手段と、前記加速さ
れた陽子線を複数の方向に振り分ける振り分け手段と、前記複数の方向に振り分けられた陽子線を所定の治療室
に導く手段と、前記治療室に設けられ、前記治療室に導かれた陽子線を
制御して、所定の部位に照射する照射制御手段と、を具備することを特徴とする。

ところで、前記陽子線加速手段は、陽子または負水素イ
オンを生成するイオン源と、前記陽子または負水素イオンを予備加速する予備加速手
段と、前記予備加速された陽子または水素を所要のエネルギー
まで加速する主加速手段と、を有するしていることが好ましい。

また、前記照射制御手段は垂直上下方向または水平方向
より前記陽子線を前記所定の部位に照射してもよい。

更に、前記照射制御手段は、前記陽子線を大照射野に拡
大する散乱手段と、前記所定の部位の最大深に合致する体内飛程をもつエネ
ルギーに前記陽子線を調整するエネル・ギー減速手段と
、前記部位の最大厚に合致する幅に、前記陽子線の線量ビ
ーク幅を拡げる３次元的照射野形成手段と、陽子線の前記部位に与える所要線量を監視するためのモ
ニタ手段と、前記モニタ手段のモニタ値を積算し、その積算値がプリ
セット値に達すると照射停止信号を発生して、前記陽子
線の線量制御を行う制御手段とを具備していることが好
ましい。

本発明の装置を以下により詳しく説明する。本発明の装
置は陽子加速器とビーム輸送系を具備する。陽子加速器
とビーム輸送系は、水素分子より陽子または負水素イオ
ンを生成させるイオン源、予備加速を行う入射器へ入射
するための加速を行う前段加速部、入射器、入射器によ
り予備加速された陽子線を主加速器に導く中エネルギ−
ビーム輸送系、かん治療に必要とされるエネルギーに陽
子を加速する主加速器、陽子線を治療室に導く振り分け
電磁石を含むビーム輸送系及びこれらの機器の制御部よ
り構成される。

入射器には、タンデム静電加速器または直線加速器を使
用し、タンデム静電加速器には負水素イオンを、直線加
速器には陽子または負水素イオンを入射する。タンデム
静電加速器と陽子を入射する直線加速器は、陽子を予備
加速して主加速器に入射し、負水素イオンを入射する直
線加速器は負水素イオンを予備加速して荷電変換方式に
より主加速器に入射する。

主加速器はシンクロトロンで、入射された陽子を予備加
速のエネルギーから病巣の位置と形状に対応したエネル
ギーまで高周波加速を行った後、陽子を主加速器からビ
ーム輸送系に取り出す。

陽子ビームの取り出しに関しては、共鳴を利用しである
時間内は準定常的にビームを取り出す遅い取り出しと、
陽子が主加速器を一周する時間内に取り比す速い取り出
しのいずれかを選択でき、いずれの方法により取り出さ
れた陽子ビームも同一の振り分け電磁石とビーム輸送系
により、１または２以上の治療室の水平方向または垂直
上下方向のいずれかの照射制御装置に導かれる。

加速器による陽子の加速は照射制御装置よりの信号によ
り行い、加速器及びビーム輸送系の制御は安全確保のイ
ンターロックシステムと電算機により行う。

照射制御装置の原理的構成は、３次元的照射野形成部と
線量監視部から成る。

３次元的照射野形成部は、エネルギー減速器と、エネル
ギー減速器上部に設けられた重金属板と、線量ピーク幅
拡大フィルタとを有する。

エネルギー減速器は、２枚の楔状エネルギー吸収物質の
重なり合う部分の厚さを変化させて所要のエネルギー吸
収を行わせるものである。そして、遠隔的に１ｍＩＩ以
内の精度で１分以内に所要の厚さに制御可能である。

収束ビームの拡大のために、光照射ミラー上部に重金属
板の一次散乱体か装着され、その下方のリングストッパ
と共に散乱機能を強化する。

線量ピーク幅拡大フィルタは、厚さに傾斜かあるエネル
ギー吸収金属体であり、入射する鋭い線量ビーク部エネ
ルギーを順次変化させて累積的に所要の幅の平坦な線量
ビークとする。拡大幅１ｃｍより１５ｃｍまで１ｃｍス
テップで１５組を用意し、これを４×４の方形に１６枠
をもつ移動台に装置し、遠隔的に選択する。なおそのう
ち１枠はブランクとし、もとの線量ビークによる照射を
可能とする。

線量監視部は、主、副一対の透過形平行平板電極をもつ
モニタ電離箱と、その出力電流の増幅器、積算表示器お
よび線量プリセット器を有する。線量監視部は積算値が
予定線量に達すると照射停止信号を発生し、陽子線照射
を停止させるもので、操作・制御は電算機によって行う
ようにしたものである。

（作　用）上記のように構成した本発明による陽子線を用いた治療
装置によれば、陽子を加速して患者の病巣部位を照射で
きる。陽子線は体内に入射しても従来のＸ線、ガンマ線
のように指数関数的にエネルギーが減少せず、所定の深
さに線量ピークを有する線量分布を得ることが可能であ
る。また、その線量分布を容易に調整可能であり、陽子
線の飛程調整かできる。

従って、癌のように不定形でかつ複雑な形状であっても
、陽子線の線量分布を調整することにより、所定の部位
に照射可能である。そのため、正常な組織に障害を与え
ずに、治療することかできる。

また、本発明の照射制御手段の具体的構成によれば、照
射制御手段を治療室内に垂直上方向、垂直下方向、水平
方向に固定的に設置している。このようにすると、陽子
線の線量分布を変更するための種々の部材の調整か容易
となり、この容易性のために、安全て適切な治療を実現
できる。

このように本発明の照射制御手段によると、周辺臓器な
ど正常ａ織に与える線量を可及的に軽減できる。また、
不定形な例えば癌病巣に十分に大きな線量を選択的に集
中するために、陽子線の体内飛程を癌病巣最大深に一致
させ、陽子線線量ピーク幅を病巣部に一致させ、また、
収束、輸送された陽子線束を拡大し病巣全体を一様線量
強度で蔽うことが可能となる。更に、病巣線量を積算表
示して、所要の予定線量にて照射停止を行わせる信号を
発生するので、陽子線による癌治療を容易に行える。し
かも、このような制御を自動化できる。

（実施例）以下図面を参照して、本発明の陽子線照射装置の一実施
例を説明する。

陽子加速器１０、ビーム輸送系１２、中エネルギ−ビー
ム輸送系１６の構成を第１図と第２図に示す。第２図は
、第１図のビーム輸送系１２の■−ｎ方向から見た図で
ある。陽子加速器１０は６角形のシンクロトロンからな
り、高周波加速部１４を有している。シンクロトロンを
６角形にすると、例えば４角形のものに比べて高性能の
強集束型の設計か容易となり、且つ直線部が増えること
により多様なビームの取り出しが可能となる。

ビーム輸送系１２は、垂直上方向ビーム輸送系１８、垂
直下方向ビーム輸送系２０と水平方向ビーム輸送系２８
とを具備している。

陽子を深部の病巣に到達させて治療を行うには、所要の
ビーム強度の陽子を所要のエネルギーまで加速しなけれ
ばならない。例えば体内の３２ｃｍの深さに陽子を到達
させるには、２３０　ＭｅＶのエネルギーが必要となる
。このようなエネルギーまで陽子を加速する本実施例に
於ける手順を以下に説明する。

先ず水素分子のイオン源から負水素イオンを生成させ、
生成した負水素イオンを静電的に５゜ｋｅＶまで加速し
て、予備加速を行うために入射器２２に入射する。入射
器２２としてターミナル電圧２　、５ＭＶのタンデム静
電加速器を使用する。タンデム静電加速器を使用すると
、エネルギー幅を低減できるメイットかある。負水素イ
オンは２．５ＭｅＶまで加速されて、ターミナルで炭素
薄膜により陽子に変換され、５　ＭｅＶまで加速される
。陽子は中エネルギ−ビーム輸送系１６により陽子加速
器（主加速器）１０に導かれる。

主加速器１０は超周期６の強集束型シンクロトロンで、
その主要パラメーターを第１表に示す。

陽子は一周約３５ｍの軌道上を周回し、高周波加速部を
通過する毎に加速され、約０．５秒の後に２３０　Ｍｅ
Ｖに達する。所要のエネルギーに達した陽子は、シンク
ロトロン１０から取り出されてビーム輸送系１２により
治療室に導かれる。

陽子線のエネルギーは、病巣の深さに対応したものでな
ければならない。シンクロトロン１０ては加速の途中で
任意のエネルギーでの取り出しが可能であるけれども、
第一段階としては、エネルギー切り替えの確実性と迅速
性を考慮して、陽子線のエネルギーを１２０ＭｅＶ　、
１８０ＭｅＶ、２３０　ＭｅＶの３段階とする。これが
達成された後に任意のエネルギーでの取り出しが行なわ
れる。

一般にシンクロトロン１０により、設計エネルギーを達
成することは、現在の技術で確実となりたが、ビーム強
度の目標である２０ナノアンペア（ｎＡ）を達成するに
は設計段階に於ける慎重な配慮と完成後の入念な調整が
必要である。ビーム損失の多くは、シンクロトン１０へ
の入射時、シンクロトロン１０に於ける加速開始時、及
びシンクロトロン１０からの陽子の取り出しの際に起こ
る。

入射器２２のビーム強度があまり高くないので、シンク
ロトロン１０へは陽子の多数回入射を行ってシンクロト
ロン１０のビーム強度を確保する。

なお入射器２２として、負水素イオンを入射する８　Ｍ
ｅＶ以上の直線加速器を使用すれば、炭素薄膜による負
水素イオンの陽子への変換を利用して、高効率でビーム
強度制御の容易なシンクロトロン１０への陽子入射がで
きる。

加速開始時のビーム損失は軌道補正磁石を予め準備して
、これらを含めたシンクロトロン１０の調整により対応
する。シンクロトロン１０からの取り出しに於けるビー
ム損失は、残留放射能の増加をもたらし、最も注意を要
するものである。

ビーム取り出しの方式は、取り出し効率の高い半整数共
鳴による遅い取り出しと、立ち上がりの速いキツカーに
よる速い取り出しのいずれかが選択できる。従って、遅
い取り出しによりビーム走査による照射野形成も可能と
なる。

速いビーム取り出し効率は理論上１００９ｏか可能とな
り、超音波による体内に於ける陽子線の到達位置の計＃
１を可能とすると共に、病巣器官の運動に同期して陽子
加速を開始するかまたは予め加速した陽子ビームをシン
クロトロン１０に蓄積し、病巣器官の運動に同期して陽
子ビームを取り出すことにより、正常組織の被ばく線量
を低減した照射が可能となる。

加速器による陽子ビームの加速は、照射制御装置に設け
られたモニタ電離箱（第３図の参照符号８６）よりの信
号により行う。遅い取り出しによる陽子ビームも、速い
取り出しによる陽子ビームも、同一のビーム輸送系１２
に取り出される。２治療室のうち、第１治療室２４には
垂直上下方向ビーム輸送系１８．２０と水平方向ビーム
輸送系２８、他の第２治療室２６には垂直上下方向ビー
ム輸送系１８．２０から陽子ビームが供給される。

垂直上下方向と水平方向の選択は振り分け電磁石３０に
よる。

ビーム輸送系１２に於いては、所要の照射制御装置に陽
子ビームを導くに要する電磁石（例えば第３図の９０度
偏向電磁石）以外の電磁石（例えば第１図の参照符号６
２．６４で示される電磁石）の電源は安全確保の目的で
断とする。この手順の条件は他の一般的条件と共に全シ
ステムの運転制御盤（図示せず）に格納されたインター
ロックシステムに組み込まれている。加速器１０および
ビーム輸送系１２の運転条件の設定は前記運転制御盤に
設けられた電算機により行う。

照射制御装置３４の具体的な詳細構成を第３図に示す。

図示の照射制御装置３４は、第一治療室２４に上下垂直
および水平の３組の照射制御装置を設置した場合におい
て、垂直上方向ビーム輸送系１８からのビームを制御す
る上垂直の装置についての詳細な構成を示した。垂直下
方向ビーム輸送系２０のビームと水平方向ビーム輸送系
２８のビームを制御する他の２組についても同様の構成
となる。この他の２組は参照符号７０．７２により示さ
れている。

各照射制御装置の中心軸に病巣を一致させるように、中
央の治療台３６上に患者３８を固定する。

その位置の確認は同軸上にＸ線管３９およびイメージイ
ンテンシファイア（Ｉ、Ｉ、）４０を移動させて行う。

陽子線の照射野形成は、細束陽子線を走査用電磁石４２
て走査し、また、−次散乱体４４により拡大し、リング
ストッパ４６にて、照射位置にほぼ均一強度の２０Ｘ２
０ｃｍ以上の分布を形成することによりなされる。患者
表面の照射野形状のビームの広がりの確認は光照射野ミ
ラー８０によりなされる。

ビーム軸方向の飛程調整は、エネルギー微調器４８によ
って所要の体内飛程に対応するエネルギーに減弱させ、
線量ピーク幅が病巣厚に合致するようにリッヂフィルタ
５０を選択して、その幅を拡大する。また、患者体表面
および病巣の形状、体内の不均値病巣の深度に対応させ
て陽子線のエネルギー調整を行うためにポーラス８２が
設けられている。ポーラス８２の厚みは各位置によって
変化していて、その各位置を介して陽子線を通過させる
ことにより、陽子線のエネルギを吸収する。

病巣形状に一致するようにブロックコリメータ５２の形
状および最終コリメータ５４の形状を調整する。

リッジフィルタ５０とエネルギー微調器４８との間には
モニタ電離箱９０が設けられている。このモニタ電離箱
９０は、線量監視部の一部として機能し、その出力電流
に対応した量の積算値が予定線量に対応したプリセット
値を越えると、照射停止信号が発生され、陽子線照射が
停止される。

これらの制御は電算機（図示せず）によりなされる。

なお、陽子線の照射を行わない治療室の安全確保のため
にシャッター機構８４と遮蔽ブロック８６が設けられて
いる。

また、この照射装置に設けられた上記各エレメントの配
置状態、条件等は患者３８の状態によって調整される。

手動によってもこの調整は可能であるが、患者のデータ
に基づき電算機により自動的に調整する方が好ましい。

このような照射装置によれば、上下垂直および水平の３
組の照射制御装置は固定されているので、操作が簡単で
あり、確実な治療ができると共に、メインテナンスが容
易である。

また、走査用電磁石４２、−次散乱体４４、リングスト
ッパ４６等の各エレメントか照射装置にほぼ固定的に組
み込まれているので、調整が簡単であり、装置の安全性
が高く、従って正確な治療か達成される。

第４図は、飛程が水中的２５ｃＩｎに鋭いピークを有す
る陽子線線量分布と、その鋭い線量ビークの幅を拡大し
、飛程を調整した例を示す。このような飛程調整によっ
ても、拡大線量ピークの形状および縦軸の線量強度が、
極端にエネルギーを減弱した場合をのぞけば、はぼ一定
であった。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明によれば患者の
病巣に合致して、陽子線の線量分布形状を調整すること
が可能である。この装置による病巣の陽子線線量率は毎
分２−３０ｙであり、通常の１回の照射時間は１分以内
であるので、治療の実施は容易であり、患者の苦痛もな
い。

また、安全確実な治療を達成することができる。

第−表　２３０　ＭｅＶ陽子シンクロトロン主要パラメ
ータシンクロトロン格子全周長　　　　　　　　　　　３４．９３９　　ｍ平均
直径　　　　　　　　　　１１．１２Ｌ　　ｍ超周期　
　　　　　　　　　　６構造　　　　　　　　　　　　ＤＯＦＢ直線部長さ　　
　　　　　　　３ｍ偏向電磁石曲率半径　　　　　１．５５　　ｍ偏向電磁
石長さ　　　　　　　１．６２３　ｍ入射ビームエネルギー　　　　　　　　　５　ＭｅＶβ−Ｖ　／　
ＣＤ、１０２８２Ｂ運動量　　　　　　　　　　　０．３２３５３６　Ｔｔ
ａ規格化ｅａｉｔｔａｎｃｅ　　（水平）　　　３０　
ｗ　ｗ　、５ｒａｄ（実効１０回入射）規格化ｅ＋ｇｉｔｔａｎｃｅ　　（垂直）　　　１，５
　ｙｒ　ｍ＋ｗ　、ｍｒａｄ磁場偏向磁場（５ＭｅＶ　）　　　　０．２（１８７３３Ｔ
（１２０ＭｅＶ　）　　　　１．０５３３９４　Ｔ（２
３０ＭｅＶ　　）　　　　　　　１．４９７９５５　　
Ｔ立ち上かり　　　　　２．６　Ｔ／ｓｅｃ偏向電磁石
偏向角　　　　　　６０　　度ギャップ　　　　　　　
６．５　ｃｍ磁極幅　　　　　　　３０　　ａｍ端縁角　　　　　　　３０　　度Ｑ磁石ａｐｅｒｔｕｒｅ　　　　　　　　ｌ　ｌ　、　
６ｃｍ長さ　　　　　　　　　　２０　　ａｎＱ磁場（
Ｆ　）　　　　　　　　　　５．９４８３０８　Ｔ／ａ
（Ｄ　）　　　　　　　　　　１．１４１５５９　Ｔ／
ａ＋軌道 ν（水平）１．８ ν（垂直）　　　　　　　　　　１．８５β（水平）　
　　　　　　　　　１．８３５７−８．４３９１直線部
中央　　　　　２．Ｈ７１ β（垂直）　　　　　　　　　　　１．８８３８−６．
９５５４直線部中央　　　　　２Ｊ２５４分散（最大）２．６（直線部中央）２．■ ７　（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）　　　　　　　１．５８
０５８３入射時最大ビーム幅（水平）ｂｅｔａｔｒｏｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　±　４・３　ロ分散　　　　　　　　　　　上０
゜８　ｃｍＣＯＤ　　　　　　　　　　　±３Ｇ合計　　　　　　　　　　　上８゜１　ｃｍ入射時最大
ビーム幅（垂直）ｂｅｔａｔｒｏｎ　　　　　　　　　　上１゜０　ｃｍ
ＣＯＤ　　　　　　　　　　　上１゜７　ｃｍ合計　　
　　　　　　　　　上２゜７　ｃｍ加速高周波周波数（５−２３０Ｍｅｎ）　　　０．８８２２９３−
５．１１２２９９　Ｍｔ（ｚ安定位相（５−２３０ＭｅＶ）　　２０−３０度電圧（
５−２３０Ｍｅｎ）　　　　４５０−３００　Ｖ周期速い（遅い）取り出し　　　　ｌ（０，５））Ｉｚ以上

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る陽子線を用いた治療装置の平面
図、第２図は、第１図の装置のうち振り分け電磁石より下流
のビーム輸送系の■−■線がら見た図、第３図は、本発
明の治療装置に用いられている照射制御装置の垂直上方
部分の構成図、第４図は、本装置により照射された水中
約２５備に鋭い線量ピークを示す加速陽子線と、各飛程
に減速されかつ線量ピーク幅を拡大された陽子線との水
中における相対線量分布を示す図である。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）個々の治療に必要なエネルギー、強度及び準定常
的もしくはパルス状の時間構造を有する陽子線を生成す
る陽子線加速手段と、前記加速された陽子を輸送する輸送手段と、前記加速さ
れた陽子線を複数の方向に振り分ける振り分け手段と、前記複数の方向に振り分けられた陽子線を所定の治療室
に導く手段と、前記治療室に設けられ、前記治療室に導かれた陽子線を
制御して、所定の部位に照射する照射制御手段と、を具備することを特徴とする陽子線を用いた治療装置。
（２）前記陽子線加速手段が、陽子または負水素イオンを生成するイオン源と、前記陽
子または負水素イオンを予備加速する予備加速手段と、前記予備加速された陽子または水素を所要のエネルギー
まで加速する主加速手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
（３）前記照射制御手段が、垂直上下方向または水平方
向より前記陽子線を前記所定の部位に照射することを特
徴とする請求項１に記載の装置。
（４）前記照射制御手段が、前記陽子線を大照射野に拡大する散乱手段と、前記所定
の部位の最大深に合致する体内飛程をもつエネルギーに
前記陽子線を調整するエネルギー減速手段と、前記部位の最大厚に合致する幅に、前記陽子線の線量ピ
ーク幅を拡げる３次元的照射野形成手段と、陽子線の前記部位に与える所要線量を監視するためのモ
ニタ手段と、前記モニタ手段のモニタ値を積算し、その積算値がプリ
セット値に達すると照射停止信号を発生して、前記陽子
線の線量制御を行う制御手段と、を具備することを特徴
とする請求項１に記載の装置