JPH05277197A

JPH05277197A - 荷電粒子治療装置

Info

Publication number: JPH05277197A
Application number: JP10620992A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Goto; 良洋後藤; Takayuki Nagaoka; 孝行長岡
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1993-10-26
Anticipated expiration: 2018-01-08
Also published as: JP3364501B2

Abstract

(57)【要約】【目的】荷電粒子を用いた治療装置において、荷電粒
子の患者での軌跡を制御して、病巣部への集中的な照射
を実現したい。【構成】患者を挟んで荷電粒子軌跡制御用の磁界をか
けて、病巣部へ荷電粒子を照射させる。この場合、磁界
は、荷電粒子毎、及びその軌跡毎に予め設定した磁界
（磁束）パターンに従って行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、荷電粒子を使った治療
装置、特に磁界制御を行う荷電粒子治療装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】放射線治療装置の放射線としては、Ｘ線
やγ線を使う例の他に、荷電粒子を使う例がある。Ｘ線
やγ線では、その線束制御に鉛等の材料を使ったコリメ
ータを使用する。線束制御は、線量の制御の他に線量の
進行方向の制御がある。一方、荷電粒子ではこうしたコ
リメータは使用できず、加速した荷電粒子を放出する開
口部を設けておき、この開口部から荷電粒子の進行方向
に、病巣部をおき、荷電粒子の照射を行う。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】荷電粒子による治療で
は、病巣部への正確な照射は容易でなく、病巣部以外の
正常組織への照射がなされることもあった。正確な照射
を行うためには、患者を搭載した寝台を動かす等の位置
決めと共に、患者自体を動かすこともあり、患者に負担
を強いていた。

【０００４】本発明の目的は、荷電粒子の線束制御を可
能にする荷電粒子治療装置を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、患者の病巣部
への照射用荷電粒子を放出する照射ヘッドと、患者内の
荷電粒子軌道を制御して病巣部への集中照射を行わせる
磁場印加手段と、より成る（請求項１）。

【０００６】更に本発明は、上記磁場印加手段は、患者
を搭載した治療台に、患者を挟み込むようにして取り付
けられている（請求項２）。

【０００７】更に本発明は、上記磁場印加手段は、照射
ヘッドを支持するガントリに、患者を挟み込むようにし
て取り付けられている（請求項３）。

【０００８】更に本発明は、上記磁場印加手段は、病巣
部の各照射部位に応じて、磁場印加の有無制御、磁場印
加の方向制御、印加磁場の強弱制御を行わせることとし
た（請求項４）。

【０００９】更に本発明は、上記磁場印加手段は、病巣
部への各照射部位に応じて、荷電粒子の患者内軌跡途中
の磁場を所定の磁束パターンに従って変更させることと
した（請求項５）。

【００１０】

【作用】本発明によれば、患者内を通る荷電粒子を磁場
によって強制的に軌道制御し、これにより、病巣部への
集中的な照射が可能になる（請求項１〜５）。

【００１１】更に本発明によれば、磁場印加手段は、治
療台又はガントリに、患者を挟み込むように、取り付け
られているために、荷電粒子による定位治療ができる
（請求項２、３）。

【００１２】更に本発明によれば、病巣部の各照射部位
に応じて、磁場の印加の有無制御、磁場印加の方向制
御、印加磁場の強弱制御を行うこととなり効果的な治療
が行える（請求項４）。

【００１３】更に本発明によれば、病巣部への各照射部
位に応じて、その患者内軌跡途中の磁場を所定の磁束パ
ターンに従って変更させることになり、この磁束パター
ンの形状により種々の治療部位に対する治療を達成でき
る（請求項５）。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の実施例図である。本実施例
は、治療用ガントリ１、治療台２、ガントリ１の先端に
取り付けた照射ヘッド３、磁場発生装置６より成り荷電
粒子による定位的治療を実現したものである。治療台２
の上には、患者４が搭載され、照射ヘッド３からの荷電
粒子７が病巣部５へ照射できるようになっている。治療
台２には、磁場発生装置６が固定的に取り付けてある。
治療台２には、垂直軸線９の周囲に２０゜程度の回転ピ
ッチで回転し、０゜、２０゜、４０゜、……の各位置で
静止する。ガントリ１は、治療台２の静止中に、水平軸
線８の周囲を回転する。回転には３６０゜回転（１回
転）、１８０゜回転（半回転）等があり、この回転中に
荷電粒子７を病巣部５へ照射する。この荷電粒子７は、
加速器から得られたものである。尚、ガントリ１の回転
は磁場発生装置７の存在を考慮して行われ、且つ、磁場
発生装置７が荷電粒子の進行に邪魔となる位置にあって
は、荷電粒子の放出を行わないようにすることが望まし
い。

【００１５】磁場発生装置６は、病巣部５を水平方向か
ら挟み込む位置に設けられており、荷電粒子７の軌道を
病巣部５に向くように、軌道制御を行う。

【００１６】ここで軌道制御を述べる。荷電粒子７に対
してその直角方向から、磁場発生装置６からの磁場をか
ければ、荷電粒子７は、ローレンツ力によって軌道の制
御がなされる。この時のローレンツ力Ｆは、

【数１】Ｆ＝ｑ（Ｖ×Ｂ）である。ｑは荷電粒子の電荷、Ｖは速度ベクトル、Ｂは
磁場による磁束密度である。ここで、荷電粒子のエネル
ギーが一定ならば、磁束密度Ｂの大きさと磁力線回りの
荷電粒子の軌道の回転半径ｒの積は一定になる。この時
の回転半径ｒは、

【数２】Ｆ＝ｑ（Ｖ×Ｂ）＝ｍＶ²／ｒより、

【数３】ｒ＝ｍＶ／（ｑＢ）となる。ここで、ｍは、荷電粒子の質量である。

【００１７】そこで、病巣部５に荷電粒子７を集束させ
るように、速度Ｖ、及び磁界Ｂを選ぶ。これによって、
病巣部５への荷電粒子の集束が可能となる。荷電粒子に
は、電子線や原子核がある。露出した病巣部に対して
は、種々の荷電粒子を使いうる。しかし、露出していな
い頭部内部の病巣部の治療には、その頭部内部の病巣部
への到達するだけのエネルギーが必要である。図２は、
Ｘ線（２００ｋＶ）、電子線（１６.４ＭｅＶ）、重水
素原子核（１９０ＭｅＶ）における人体組織内の深さと
その深部線量とを示す図である。この図から、浅い内部
では、電子線が使いうるが、深い内部では重水素原子核
の使用が好ましいことがわかる。病巣部の深さや治療目
的を考慮して荷電粒子の種類やエネルギーが選ばれる。

【００１８】図３は、図１のように定位的治療を実現す
る装置であるが、異なる点は、磁場発生装置６をガント
リ１に取り付け、治療台２の回転位置に関係なく、荷電
粒子７に対して一定の直角方向から磁場を印加するよう
にした実施例である。この実施例によれば、ガントリ１
が磁場発生装置６と一体化して患者４の周囲を回転でき
ることになり、治療の角度が種々取りうる効果を持つ。
図１の実施例では、磁場発生装置６の外形上の大きさに
もよるが、ガントリ１の回転の邪魔となり回転角度制御
する恐れがあるが、本実施例ではこのようなことはなく
なる。

【００１９】磁場発生装置６は、永久磁石、電磁石のい
ずれも有り得るが、電磁石の例を図４に示す。図４
（ａ）はワイズ型電磁石と呼ばれるものであり、コイル
１０Ａと１０Ｂとを対向させ、鉄心１１を磁路として使
ったものである。図４（ｂ）はワイズ型電磁石を改良し
たサイクロトロン型電磁石と呼ばれるもので、コイル１
０Ａと１０Ｂとを対向させると共に鉄心１１をその周囲
に配置するようにしたものである。例えば、一般的に用
いられる４ＭｅＶの電子線を直径３ｃｍの病巣部に閉じ
込めるには、１.０テスラの磁場を発生させればよい。
また、５ＭｅＶの電子では、１.２テスラの磁場を発生
させればよい。尚、電磁石の場合、超電導電磁石を使っ
てもよい。

【００２０】図１、図３の如き磁場発生装置による荷電
粒子の軌道制御は、磁場を制御することで行う。この磁
場制御は、病巣部の位置、及びその大きさ病巣部の周囲
の生体組織の状況（何がどのような大きさで等）、荷電
粒子の種類及びエネルギー、ガントリ角度（位置）、治
療台位置等で代表される各種のパラメータを考慮して、
病巣部へ荷電粒子が集中照射するように行う。かかる磁
場制御は磁束制御を行うことであり、磁束制御とはコイ
ルに与える電流制御によって実現する。以下では、磁場
制御とは、患者中での荷電粒子の空間的な軌道制御であ
る故、空間的な磁束パターンによる磁場制御と呼ぶ。

【００２１】図５は、磁場制御の一例を示す図である。
以下の内容による。（イ）、磁場印加の有無制御、
（ロ）、磁場極性の制御、（ハ）、磁場の大きさの制
御、この（イ）〜（ハ）の制御を、患者空間上での荷電
粒子の各軌跡対応に、予め定めた空間的な磁束パターン
によって行う。但し、荷電粒子の軌跡とは、ガントリ１
の角度（位置）によって定める。

【００２２】図５では、頭部の眼球部の奥に病巣部のあ
る例を示す。眼球部への荷電粒子の照射は避け、眼球部
の保護をはかりたい。かかる眼球部の奥にある病巣部を
治療するには、方向１０１、１０２、１０７、１０８か
らの荷電粒子は、そのまま照射させてもよいため、磁場
印加なしの制御を行う。方向１０３、１０４からの荷電
粒子は、そのまま軌道を曲げずに照射すると眼球部を通
ることになり、これを避けるため、磁場印加の制御を行
う。この時の印加方向（極性）は、紙面の裏側から表側
に向かう方向である。方向１０５、１０６からの荷電粒
子も軌道を曲げる必要があるが、方向１０３、１０４の
場合と逆方向に曲げる必要から、紙面の表側から裏側へ
向かう方向（極性）に磁場を印加する。尚、（ハ）の制
御を加えると更に精度のよい軌跡制御が達成できる。

【００２３】図５の如き荷電粒子軌跡を実現するには、
その制御内容（実際には空間的な時速パターンを与える
もの）を格納したメモリテーブルを用意しておけばよ
い。図１の装置への適用例である。メモリテーブルで、
ガントリ角度が荷電粒子の突入軌道を示し、治療台位置
が各静止位置を示す。図では、ガントリサンプルピッチ
角度をα゜、治療台の回転ピッチ角をθ゜とした。更
に、データは２ビット構成とし、００……磁場印加なし０１……磁場印加あり１０……磁場極性は正極１１……磁場極性は負極なる意味を持たせてある。従って、例えば、（２θ、３
α）では、データは“１０”であり、磁場極性は、正極
印加であることがわかる。ここで、正極、負極とは、互
いに反対極性であることを意味する。

【００２４】こうしたメモリテーブルを用意しておき、
ガントリ角度及び治療台位置とから対応するデータを読
み出して、磁場発生装置６による磁束制御を実現すれ
ば、荷電粒子の病巣部への照射が行われる。尚、図３に
も適用でき、（ハ）の磁場の大きさ制御のデータをも加
味することができる。

【００２５】図５は、軌道毎に磁場制御を（イ）〜
（ハ）に従って行う例としたが、各軌道の経路中で磁場
制御を行うと更によい。即ち、図５の例では、例えば方
向１０４に対してはある極性の一定の大きさの磁場を与
えているが、一定大きさではなく方向１０４の進行経路
に沿って種々の変化する磁場を与えるようにする。これ
によって、種々の軌道制御を、病巣部対応に行うことが
出来るようになる。これは、図６のメモリテーブルでみ
れば、２次元ではなく３次元的なメモリテーブルを設け
ることで実現できる。この観点の実施例を図７、図８に
よって説明する。

【００２６】図７は、深部に重要な臓器があり、この重
要な臓器の手順に病巣部が存在する如き事例の空間的な
磁場パターン（磁束パターン）による制御例を示す図で
ある。重要臓器の中心点を原点にし、図に示すような磁
界を与える。即ち、ｘ方向及びｙ方向について磁束密度
の等高線をほぼ扇状に与え、且つ各等高線での磁束密度
は、原点から距離ａの区間はＢ₁の大きさとし、距離ａ
から距離ｂまでの区間は、距離が大きくなるに従って小
さくするようにした。ここで、距離ａとは、重要臓器
の、原点からの幅よりも大きな距離である。距離ｂは、
患者の皮膚相当位置である。更に、距離ｃは重要臓器へ
の荷電粒子の侵入を阻止するための設定距離であり、こ
の距離ｃ近傍で荷電粒子の進行を阻止するようにした。
この阻止のために、０〜ａでは大きな磁束密度Ｂ₁をか
け、且つ距離ｃで急激に回転（内側へのらせん状回転運
動）するようにした。患部は、距離ｃよりも若干外側に
位置することが好ましい。

【００２７】以上の図７の磁界印加によれば、荷電粒子
は、等高線で定まる磁界の大きさに従った軌道を通って
患部に向かって入射してくる。そして、磁束密度Ｂ₁の
存在及び距離ｃまでの傾斜磁界により、荷電粒子は、距
離ｃ付近で進行が阻止され、重要臓器への侵入はなくな
る。図７の実施例を実現するには、図６と同様な観点で
テーブル化しておき、これを治療台の位置とがガントリ
の角度とで読み出して、電磁石の電流制御を行えばよ
い。但し、図６と異なり、電流の大小制御を行うことが
必要であり、その旨のデータ化が必要である。又、磁場
の制御で実現させたが、荷電粒子のエネルギー制御を加
味してもよい。

【００２８】図８は、病巣部の中心で磁場最大値を持つ
ように磁場分布を設定した例である。病巣中心を原点と
して、この原点での磁束密度Ｂ₂を最大とし、病巣部よ
り離れるに従って磁束密度が小さくなるように設定して
ある。このように磁場を設定すれば、荷電粒子は、点線
で示すように病巣部の中心へ、らせん運動をしながら集
束してゆく。

【００２９】図９は、荷電粒子の照射方向と磁束密度の
方向を垂直からわずかに（角度δ）だけずらした例であ
る。このようにすることで、荷電粒子の運動は、単一平
面内だけでなく、立体的になり、病巣部の広い範囲にわ
たって照射することができる。

【００３０】図１０は、磁場を荷電粒子線の方向に平行
にかけた実施例図である。磁場を荷電粒子線を取り巻く
ように平行にかけることによって、周囲に拡がる散乱線
を磁場によって閉じ込め正常組織への被害を少なくでき
る。この場合深さ方向の制御は荷電粒子線の物質との相
互作用の特性によって行う。即ち、図２によれば荷電粒
子線はＸ線等の電磁波と異なり、物質中ではある深さ
（これはエネルギーによる）に吸収線量のピークを持
ち、それ以上の深さでは、殆ど吸収線量が０になるとい
う特性が知られているが、この特性を用いて吸収線量の
ピークの深さに病巣部が来るように荷電粒子線のエネル
ギーを選択するのである。尚、荷電粒子線を取り巻くよ
うに平行に磁場をかけるための装置が、照射ヘッド３に
取り付けた磁場発生装置６Ａ及びこれに患者を挟んで対
向する磁場発生装置６Ｂである。磁場発生装置６Ａは、
照射ヘッド３から放出される荷電粒子７の通路を内部に
持つ、中空円筒形電磁石である。磁場発生装置６Ｂも、
中空円筒形電磁石である。この装置６Ａと６Ｂとによっ
て、荷電粒子７は、病巣部へ向くように閉じ込められ
る。

【００３１】図１１は、主となる磁場を荷電粒子線と平
行にかけ、更に荷電粒子線の上流側の磁場発生装置６Ａ
に対し下流側の磁場発生装置６Ｂの強度を強くすること
により、磁気ビンの原理を用いて荷電粒子線を患者体内
の病巣部で集束するようにした実施例である。逆に荷電
粒子線の上流側の磁場発生装置６Ａに対し下流側の磁場
発生装置６Ｂの強度を弱くすることにより、荷電粒子線
を拡げて広い範囲の患部を照射する事も可能である。こ
の様に磁場の強度を変えることによって照射野を電磁的
に変化させることが出来る。ここで磁気ビンとは、以下
の如きものである。図１１の如く、磁力線の方向に沿っ
て荷電粒子を進ませた場合、粒子は、磁場の強いところ
に近づくと遅くなり、粒子の角度と磁力線とがある関係
になると速度は零になり、粒子はひき返す。この粒子の
ひき返しは、一種の磁気的な鏡と見なすことができ、通
常、磁気鏡と呼ばれている。そこで、磁場発生装置６
Ａ、６Ｂの部分ですぼみ、６Ａと６Ｂとを結ぶ経路上で
周囲にふくらむような磁気鏡を作る（即ち、一種のビヤ
樽形磁場）と、粒子は磁力線に沿って進みながら周囲で
反射し、内部に保持される。この様な現象を磁気ビンと
呼ぶ（「詳解電磁気学演習」共立出版。後藤憲一著。
１９７０年発行）。

【００３２】図５、図７、図８、図９の如き磁場形成
は、図１、図３の如き対向磁場発生装置の１組だけによ
るものとしたが、水平軸線に沿って２組の対向磁場発生
装置を１８０゜間隔に設けても実現できる。更に、図
５、図７、図８、図９は種々の傾斜磁場を利用している
が、こうした特有の傾斜磁場を発生するような専用の磁
場発生装置を設けてもよい。更に、ガントリの回転、治
療台の移動を行わない治療装置にも本発明は適用でき
る。

【００３３】

【発明の効果】本発明により、磁場の作用で放射線の患
者体内での制御を行えるため、放射線が病巣部に安全に
投与でき高い治療効果が得られるようになる。特に、磁
場によって荷電粒子の軌道を積極的に制御して病巣部へ
の照射を集中的に行えるため、線量自体も大線量化が可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の荷電粒子治療装置の実施例図である。

【図２】本発明で扱う荷電粒子とＸ線との深部線量との
対比図である。

【図３】本発明の荷電粒子治療装置の他の実施例図であ
る。

【図４】本発明の磁場発生装置の実施例図である。

【図５】本発明の荷電粒子制御例を示す図である。

【図６】本発明の荷電粒子制御のための制御データを格
納したメモリテーブルを示す図である。

【図７】本発明の荷電粒子の他の制御例を示す図であ
る。

【図８】本発明の荷電粒子の他の制御例を示す図であ
る。

【図９】本発明の荷電粒子の他の制御例を示す図であ
る。

【図１０】本発明の荷電粒子治療装置の他の実施例図で
ある。

【図１１】本発明の荷電粒子の他の制御例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１治療用ガントリ２治療台３照射ヘッド４患者５病巣部６磁場発生装置７荷電粒子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】患者の病巣部への照射用荷電粒子を放出
する照射ヘッドと、患者内の荷電粒子軌道を制御して病
巣部への集中照射を行わせる磁場印加手段と、より成る
荷電粒子治療装置。
【請求項２】上記磁場印加手段は、患者を搭載した治
療台に、患者を挟み込むようにして取り付けられている
請求項１の荷電粒子治療装置。
【請求項３】上記磁場印加手段は、照射ヘッドを支持
するガントリに、患者を挟み込むようにして取り付けら
れている請求項１の荷電粒子治療装置。
【請求項４】上記磁場印加手段は、病巣部の各照射部
位に応じて、磁場印加の有無制御、磁場印加の方向制
御、印加磁場の強弱制御を行わせることとした請求項１
又は２又は３の荷電粒子治療装置。
【請求項５】上記磁場印加手段は、病巣部への各照射
部位に応じて、荷電粒子の患者内軌跡途中の磁場を所定
の磁束パターンに従って変更させることとした請求項１
又は２又は３又は４の荷電粒子治療装置。