TWI459405B - A calorimeter, and a charged particle beam irradiation system with the downfalling device - Google Patents

A calorimeter, and a charged particle beam irradiation system with the downfalling device Download PDF

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TWI459405B TW101114378A TW101114378A TWI459405B TW I459405 B TWI459405 B TW I459405B TW 101114378 A TW101114378 A TW 101114378A TW 101114378 A TW101114378 A TW 101114378A TW I459405 B TWI459405 B TW I459405B
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Description

降能器，及具備該降能器之帶電粒子束照射系統
本發明係有關一種衰減帶電粒子束的能量之降能器以及具備該降能器之帶電粒子束照射系統。
對患者照射質子射束等帶電粒子束來進行癌治療之設備是廣為人知的。這種設備具備有：迴旋加速器(加速器)，加速由離子源生成之離子(帶電粒子)；傳輸管道，傳輸由迴旋加速器加速之帶電粒子；以及旋轉自如的照射裝置(旋轉機架)，從任意方向對患者照射帶電粒子束。
下述專利文獻1中記載的技術中公開有將射束吸收體(衰減材料)插入到射束管路(傳輸管道)來衰減射束能量之降能器。
〔先前技術文獻〕
〔專利文獻〕
專利文獻1：日本特開平01-286300號公報
習知之帶電粒子束照射系統中，根據被照射體的照射位置(深度)調整帶電粒子束的能量。帶電粒子束的能量調整中利用具有衰減材料之降能器。作為衰減材料的材質一般採用不易放射化且廉價的石墨。習知技術中，在由相 同材質構成之衰減材料中，藉由改變帶電粒子束透射之長度來調整衰減之能量的量。
並且，近年來，比通常更低能量的帶電粒子束的使用要求高漲。若為了增加能量衰減量而加厚衰減材料，則導致帶電粒子束的散射變大，能夠透射衰減材料之帶電粒子數(=透射率)減少。
本發明以解決上述課題為目的，其目的在於提供一種能夠緩和能量較低的帶電粒子束的透射率降低之降能器及具備該降能器之帶電粒子束照射系統。
本發明的降能器，其具備衰減入射之帶電粒子束的能量之複數個衰減構件；其特徵為：具有衰減之能量的量不同之複數個前述衰減構件，利用前述帶電粒子束的透射率高於作為衰減之能量的量較小的前述衰減構件之高能量側衰減構件之材質，構成作為衰減之能量的量較大的前述衰減構件之低能量側衰減構件。
本發明之降能器中，由於具備能量衰減量不同之複數個衰減構件，且由透射率高於能量衰減量較小的高能量側衰減構件之材質形成能量衰減量較大的低能量側衰減構件，因此能夠緩和低能量側的帶電粒子束的透射率降低。其結果，能夠在低能量區域(例如70MeV以下)，抑制透射衰減構件之帶電粒子數減少。能量衰減量較大時，與能量衰減量較小時相比，透射衰減構件之後的帶電粒子束的 能量變低。
並且，可以設為複數個衰減構件中只有衰減之能量的量最大之低能量側衰減構件由透射率較高之材質構成之結構。這樣，能夠只將能量衰減量最大之衰減構件設成透射率高於其他衰減構件者。
並且，低能量側衰減構件能夠利用鈹形成，高能量側衰減構件能夠利用石墨形成。這樣藉由採用鈹作為低能量側衰減構件，能夠在低能量區域增加透射衰減構件之帶電粒子數。
並且，本發明的帶電粒子束照射系統，其具備上述的降能器，且照射帶電粒子束；其特徵為：具備：加速器，加速導入於降能器之帶電粒子；以及照射裝置，照射藉由降能器衰減能量之帶電粒子束。
本發明之帶電粒子束照射系統具備有衰減入射之帶電粒子束的能量之降能器。該降能器中，由於具備能量衰減量不同之複數個衰減構件，且由透射率高於能量衰減量較小的高能量側衰減構件之材質形成能量衰減量較大的低能量側衰減構件，因此能夠提高低能量側的帶電粒子束的透射率。其結果，能夠在低能量區域中增加透射衰減構件之帶電粒子數。
根據本發明的降能器及具備該降能器之帶電粒子束照射系統，能夠緩和能量較低的帶電粒子束的透射率降低， 並能夠抑制透射低能量側衰減構件之帶電粒子數減少。
以下，參考附圖對本發明之降能器以及具備該降能器之帶電粒子束照射系統的較佳之實施形態進行說明。本實施形態中，針對將帶電粒子束照射系統設為粒子束治療系統之情況進行說明。
(帶電粒子束照射系統)
粒子束治療系統係例如應用於癌治療者，係對患者體內的腫瘤(照射目標物)照射質子射束(帶電粒子束)之裝置。
如第1圖所示般，粒子束治療系統1具備有：迴旋加速器(粒子加速器)2，使由離子源(未圖示)生成之離子(氫的陽離子)加速來生成質子射束；旋轉自如的旋轉機架(照射裝置)3，從任意方向對患者照射質子射束；及傳輸管道4，將由迴旋加速器2生成之質子射束(由迴旋加速器加速之帶電粒子射束)傳輸至旋轉機架3。
由迴旋加速器2加速之質子射束沿傳輸管道4偏轉，並傳輸於旋轉機架3。傳輸管道4中設置有用於偏轉質子射束的偏轉磁鐵。並且，傳輸管道4中設置有衰減帶電粒子的能量之降能器10(詳細內容後述)。
並且，傳輸管道4中，在降能器10的後段(下游)設置有ESS(能量選擇系統)30。該ESS30係從被傳輸過 來且具有預定能量分佈之質子射束選擇性地取出所希望的能量幅度的質子射束者。ESS30中，質子射束的能量幅度選擇為所希望的範圍。
旋轉機架3具備有患者躺臥之治療台和朝向患者照射質子射束之照射部。藉由降能器10衰減能量之帶電粒子束從照射部射出，照射於患者的對象部位。
(降能器)
第2圖係表示本發明的實施形態之降能器之概要圖。第2圖所示之降能器10係設置於質子射束B的路徑上(射束管路上)且衰減質子射束B的能量者。降能器10具備有衰減透射之質子射束B的能量之複數個衰減構件11A~11G。另外，當無需區分衰減構件11A~11G時，標記為衰減構件11。
降能器10中，沿一個方向按厚度依次配置有厚度相異之衰減構件11。本實施形態中，在與質子射束B的路徑交叉之方向X上，配置成厚度從衰減構件11A依次向衰減構件11G增加。另外，在此所說之厚度係帶電粒子束在透射方向上的長度。衰減構件11例如配置成射出質子射束B之出口側的端面對齊，且配置成相反的入口側的端面呈階梯形。另外，衰減構件11可按厚度依次配置。並且，出口側的端面可配置成呈階梯形，亦可為其他配置。
衰減構件11藉由支撐構件(未圖示)一體地支撐。並且，降能器10具備有對衰減構件11賦予驅動力之驅動 源(例如驅動馬達)、引導衰減構件11的移動之引導手段(例如導軌)等。並且，降能器10藉由在質子射束B的路徑上移動使質子射束B透射之衰減構件11來改變質子射束B的能量衰減量。降能器10以按照質子射束B透射之衰減構件11的厚度不同之減速度對質子射束B進行減速。質子射束B因動能減少而衰減。
在此，降能器10中，由質子射束B的透射率高於作為衰減之能量的量較小的衰減構件11之高能量側衰減構件之材質，形成作為衰減之能量的量較大的衰減構件11之低能量側衰減構件。換而言之，比高能量側衰減構件更在低能量側衰減構件採用原子序數較小之物質。這是因為由於衰減材料的原子序數越大質子射束B的散射大幅擴大，因此能夠透射之質子數減少。
本實施形態的降能器10中，只有衰減之能量的量最大之衰減構件11G是利用透射率高於其他衰減構件11A~11F之材質所形成。作為衰減構件11的材質例如可舉出碳(C)、鈹(Be)等。本實施形態中，最低能量側的衰減構件11G採用原子序數較小之穩定固體物質亦即鈹，其他衰減構件11A~11F採用碳(石墨)。
另外，低能量側的2個衰減構件11G、11F可採用透射率高於剩餘的衰減構件11A~11E之材質。並且，最低能量側的衰減構件11G亦可不採用透射率較高之材質。例如，低能量側的衰減構件11F可以採用透射率高於剩餘的衰減構件11A~11E之材質，並由相同材質形成最低能量 側的衰減構件11G和衰減構件11A~11D。
(降能器及粒子束治療系統的作用)
粒子束治療系統1中，質子射束B藉由迴旋加速器2加速，加速過的質子射束B(例如具有230MeV±數MeV的能量範圍)導入於降能器10。降能器10中，衰減構件11藉由驅動手段驅動並移動，在質子射束B的路徑上配置所希望的衰減構件11。並且，通過該衰減構件11之質子射束B藉由衰減構件11減速，而被衰減能量(例如200MeV±數十MeV)。
通過降能器10之質子射束B導入於ESS30。ESS30中選擇性地取出導入之質子射束B中所希望的能量範圍的質子射束B(例如200MeV±1MeV)。選擇能量幅度之質子射束B藉由傳輸管道4傳輸並導入於旋轉機架3，照射於被照射體。藉此，以到達被照射體內部的預定深度位置之方式照射質子射束B。當以到達被照射體內部的較深位置之方式照射質子射束B時，減少降能器10所致之衰減量，當以到達被照射體內部的較淺位置(例如體表附近)之方式照射質子射束B時，增大降能器10所致之衰減量。
依這種本實施形態的降能器及具備該降能器之粒子束治療系統，具備複數個衰減構件11，且能夠衰減入射於該些衰減構件11之質子射束B的能量。降能器10中，由於由透射率高於能量衰減量較小的高能量側衰減構件之材料 形成能量衰減量較大的低能量側衰減構件11G，因此能夠緩和低能量側的質子射束B的透射率降低。其結果，能夠在低能量區域抑制質子射束B的散射，且抑制能夠透射衰減構件11之質子數減少。
並且，由於複數個衰減構件11中只有衰減之能量的量最大之低能量側衰減構件11G由透射率較高且昂貴的鈹形成，因此能夠抑制製造成本增加，且抑制透射低能量側衰減構件11G之質子數減少。亦即，能夠抑制照射之質子數減少。藉此，能夠有效地向體表附近的較淺位置照射質子射束B，且能夠實現可靠性較高之粒子束治療系統1。
下述的表1係表示質子射束B的各能量下的透射率者。表1中的透射率為在ESS30的出口測定之值。此時的衰減構件的材質全部相同且使用石墨。
下述的表2係關於質子射束B的透射率表示基於衰減構件的材質之比較者。對質子射束B的能量為70[MeV]且射束束徑為5mm、2mm的情況進行計量。
(第2實施例)
接著，參考第3圖，對第2實施例之降能器10B進行說明。第3圖所示之降能器10B與第2圖所示之降能器10的不同點為1個衰減構件12A~12G中具有不同厚度。這樣，可設為在1個衰減構件12A~12G中具有複數個厚度之結構。
(第3實施例)
接著，參考第4圖，對第3實施例之降能器10C進行說明。如第4圖所示，降能器10C具有相互對置配置之1對衰減構件13、14。衰減構件11呈楔形，各自的傾斜面13a、14a彼此配置成相對。衰減構件13、14呈能夠向與質子射束B的行進方向交叉之X方向移動之結構。使衰減構件13、14向X方向移動，且改變質子射束B透射衰減構件13、14之長度，從而控制質子射束B的能量衰減量。另外，亦可設為向質子射束B的行進方向驅動衰減構件13、14中的任一方並調整衰減構件13、14的間隙來控制質子射束B的射束束徑之結構。
該衰減構件13、14具備有衰減之能量的量不同之複 數個衰減構件13A、13B、14A、14B。衰減之能量的量較大的低能量側衰減構件13B、14B，是利用質子射束B的透射率高於衰減之能量的量較小的高能量側衰減構件13A、14A之材質所形成。例如，只有使質子射束B的能量衰減至70[MeV]之部份採用透射率較高之材質(鈹)。
與上述實施形態的降能器10相同，在這種第3實施例的降能器10C中，亦能夠在低能量區域抑制質子射束B的散射，且抑制透射衰減構件13B、14B之質子數減少。
(第4實施例)
接著，參考第5圖，對第4實施例之降能器10D進行說明。第5圖為降能器的主視圖，係從質子射束B的行進方向表示者。第5圖所示之降能器10D具備厚度不同之複數個衰減構件15A、15B，複數個衰減構件15A、15B配置成旋渦狀。例如，複數個衰減構件15A、15B配置成中央側較薄，外側較厚。另外，可以將複數個衰減構件15A、15B配置成中央側較厚，外側較薄。
降能器10D的中央配置有與質子射束B的行進方向平行地延伸之旋轉軸16。該旋轉軸16呈能夠繞軸旋轉且能夠向與質子射束的行進方向交叉之方向移動之結構。藉由該旋轉軸16旋轉且向預定方向移動來在質子射束的路徑上配置所希望的衰減構件15A、15B。
在此，第4實施例的降能器10D中，亦是利用質子射束的透射率高於衰減之能量的量較小的高能量側衰減構件 15A之材質，來形成衰減之能量的量較大的低能量側衰減構件15B。與上述實施形態的降能器10相同，在這種第4實施例的降能器10D中，亦能夠在低能量區域抑制質子射束B的散射，且抑制透射衰減構件13B、14B之質子數減少。
以上，根據其實施形態對本發明進行了具體說明，但本發明並非限定於上述實施形態者。
並且，降能器10的配置不限定於迴旋加速器2的正後方，亦可為在設置於旋轉機架3之照射噴嘴中設置有降能器10之結構。
並且，加速器不限定於迴旋加速器2，亦可以為例如同步迴旋加速器等其他加速器。並且，帶電粒子束不限定於質子射束，可為碳射束(重粒子射束)等。
並且，低能量側衰減構件的材質不限定於鈹，亦可採用其他衰減材料。
並且，粒子束治療系統1可以不使用旋轉機架而固定照射。
1‧‧‧粒子束治療系統(帶電粒子束照射系統)
2‧‧‧迴旋加速器(粒子加速器)
3‧‧‧旋轉機架
4‧‧‧傳輸管道
10、10B、10C、10D‧‧‧降能器
11A~11F、12A~12F、13A、14A、15A‧‧‧高能量側衰減構件(衰減構件)
11G、12G、13B、14B、15B‧‧‧低能量側衰減構件(衰減構件)
B‧‧‧質子射束(帶電粒子束)
第1圖係本發明的實施形態之粒子束治療系統的配置圖。
第2圖係表示本發明的實施形態之降能器之概要圖。
第3圖係表示本發明的第2實施例之降能器之概要圖。
第4圖係表示本發明的第3實施例之降能器之概要圖。
第5圖係表示本發明的第4實施例之降能器之概要圖。
10‧‧‧降能器
B‧‧‧質子射束
11A~11F‧‧‧高能量側衰減構件
11G‧‧‧低能量側衰減構件
X‧‧‧與質子射束B的路徑交叉之方向

Claims (4)

  1. 一種降能器，其具備衰減入射之帶電粒子束的能量之複數個衰減構件；其特徵為：具有衰減之能量的量不同之複數個前述衰減構件；利用前述帶電粒子束的透射率高於作為衰減之能量的量較小的前述衰減構件之高能量側衰減構件之材質，構成作為衰減之能量的量較大的前述衰減構件之低能量側衰減構件。
  2. 如請求項1之降能器，其中，前述複數個衰減構件中只有衰減之能量的量最大的前述低能量側衰減構件，是利用前述透射率較高之材質構成。
  3. 如請求項1或2之降能器，其中，前述低能量側衰減構件是利用鈹形成，前述高能量側衰減構件是利用石墨形成。
  4. 一種帶電粒子束照射系統，其具備請求項1至3項中任一項之降能器，且照射前述帶電粒子束；其特徵為具備：加速器，加速導入於前述降能器之帶電粒子；以及照射裝置，照射藉由前述降能器衰減能量之前述帶電粒子束。
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