TWI480891B - A calorimeter and a charged particle irradiation system provided with the derrick - Google Patents

A calorimeter and a charged particle irradiation system provided with the derrick Download PDF

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TWI480891B TW101101104A TW101101104A TWI480891B TW I480891 B TWI480891 B TW I480891B TW 101101104 A TW101101104 A TW 101101104A TW 101101104 A TW101101104 A TW 101101104A TW I480891 B TWI480891 B TW I480891B
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Description

降能器及具備該降能器之帶電粒子照射系統
本發明係有關一種使帶電粒子的能量衰減之降能器及具備該降能器之帶電粒子照射系統。
已知有對患者照射質子射束等帶電粒子進行癌治療之設備。這種設備具備有：迴旋加速器，加速藉由離子源生成之離子(帶電粒子)；傳輸線，傳輸由迴旋加速器加速之帶電粒子；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。
下述專利文獻1所述之粒子束照射裝置係藉由利用射程移位器衰減由同步加速器(加速器)加速之帶電粒子射束的能量來控制到達被照射體的內部之帶電粒子射束的深度位置。該射程移位器係以階梯狀地厚度不同的方式形成，在構成階梯狀之各段中的任一段的位置上使帶電粒子射束通過，藉此控制深度方向的位置。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2006-34582號公報
專利文獻1所述之技術中，藉由向1軸向驅動射程移位器，變更帶電粒子射束通過之位置，改變能量的衰減量。如專利文獻1所述之同步加速器為能夠變更加速之帶電粒子的能量之結構，但是迴旋加速器本身很難調整取出之帶電粒子的能量。迴旋加速器中，調整取出之帶電粒子的能量時，需改變藉由設置於迴旋加速器內之電磁鐵產生之磁場的大小。然而，若改變磁場的大小，如不精確地進行迴旋加速器內的其他設備(例如向D形電極供給之電流的頻率)的調整則無法取出所希望的能量的帶電粒子，因此存在非常費事且花費時間，並無法實現之類的問題。
並且，若要將上述之向1軸向驅動之方式應用於衰減由迴旋加速器加速之帶電粒子之裝置，則射程移位器向1軸向變長，導致裝置的大型化。因此，要求能夠謀求裝置的小型化之降能器。
本發明以解決上述課題為目的，提供一種能夠謀求裝置的小型化之降能器及具備該降能器之帶電粒子照射系統。
本發明為具備有使射入之帶電粒子的能量衰減之衰減部之降能器，其特徵為，具備：將與帶電粒子的前進方向交叉之面內的二維座標系中交叉之2軸的方向作為第1軸向及第2軸向，且厚度按照二維座標系的位置而階梯性或連續性不同的衰減部；及在第1軸向及第2軸向並進驅動該衰減部之驅動手段。
本發明之降能器中，厚度階梯性或連續性不同的衰減部係在與帶電粒子的前進方向交叉之面上二維配置。並且，降能器為具備在二維座標系中交叉之第1軸向及第2軸向並進驅動衰減部之驅動手段之結構，因此能夠利用厚度不同的部份被二維配置之衰減部，與使衰減部驅動於1個軸向之方式相比能夠縮小衰減部的最大外形。藉此能夠謀求裝置的小型化。並且，藉由同時使衰減部移動於2軸向，能夠縮短移動時間，並縮短能量衰減量的調整時間。
在此，將二維座標系中正交之2軸的方向作為第1軸向及第2軸向，衰減部為由厚度不同的複數個塊構成之集成體，集成體係具備以厚度沿第1軸向依次不同的方式配置有複數個塊之塊列，該塊列為以在鄰接之列彼此間厚度在反方向依次不同的方式配置有前述複數個塊之結構為較佳。藉此，由於複數個塊係以厚度依次不同的方式配置，因此能夠藉由縮短衰減部的移動距離來縮短能量衰減量的調整時間。
並且，本發明的帶電粒子照射系統，其特徵為，具備上述降能器且照射帶電粒子。並且，本發明的帶電粒子照射系統具備降能器且照射帶電粒子，其特徵為，具備：加速器，配置於降能器的前段，加速帶電粒子；能量選擇部，配置於降能器的後段，選擇性地取出通過降能器之帶電粒子中所希望的能量幅度的帶電粒子；及照射裝置，配置於能量選擇部的後段，照射藉由能量選擇部取出之前述所希望的能量幅度的帶電粒子。
本發明之帶電粒子照射系統具備有厚度階梯性或連續性不同的衰減部二維配置在與帶電粒子的前進方向交叉之面上之降能器。並且，降能器為具備在二維座標系中交叉之第1軸向及第2軸向並進驅動衰減部之驅動手段之結構，因此與使衰減部驅動於1個軸向之方式相比，能夠縮小衰減部的最大外形。藉此能夠謀求裝置的小型化。並且，藉由同時使衰減部移動於2軸向，能夠縮短移動時間，並縮短能量衰減量的調整時間。
並且，本發明係具備有使射入之帶電粒子的能量衰減之衰減部之降能器，其特徵為，具備：衰減部，厚度係按照與帶電粒子的前進方向交叉之面內的二維座標系的位置而階梯性不同；及驅動手段，使該衰減部繞著在前進方向延伸之旋轉軸旋轉驅動，並在以旋轉軸作為軸心之圓周的徑向驅動。
本發明之降能器中，厚度階梯性不同的衰減部二維配置在與帶電粒子的前進方向交叉之面上。並且，降能器為具備驅動手段之結構，其中，驅動手段係使衰減部繞著在帶電粒子的前進方向延伸之旋轉軸旋轉驅動，並且在以旋轉軸作為軸心的圓周的徑向進行驅動，因此能夠利用厚度不同的部份被二維配置之衰減部，與使衰減部驅動於1個軸向之方式相比，能夠縮小衰減部的最大外形。藉此能夠謀求裝置的小型化。
在此，衰減部為由厚度不同的複數個塊構成之集成體，該集成體係具備以厚度沿圓周的周向依次不同的方式配置有複數個塊之塊列，該塊列適合配置成以旋轉軸作為軸心之螺旋狀，並徑向形成有複數列之結構。藉此，複數個塊係以厚度依次不同的方式配置，因此能夠藉由縮短衰減部的移動距離來縮短能量衰減量的調整時間。
並且，本發明的帶電粒子照射系統，其特徵為，具備上述降能器，且照射帶電粒子。並且，本發明的帶電粒子照射系統為具備降能器，且照射帶電粒子，其特徵為，具備：加速器，配置於降能器的前段，加速帶電粒子；能量選擇部，配置於降能器的後段，選擇性地取出在通過降能器之帶電粒子中所希望的能量幅度的帶電粒子；及照射裝置，配置於能量選擇部的後段，照射由能量選擇部取出之所希望的能量幅度的帶電粒子。
本發明之帶電粒子照射系統具備有厚度階梯性不同的衰減部二維配置在與帶電粒子的前進方向交叉之面上之降能器。並且，降能器為具備驅動手段之結構，該驅動手段係繞著在帶電粒子的前進方向延伸之旋轉軸旋轉驅動，並且以旋轉軸作為軸心的圓周的徑向驅動，因此與使衰減部驅動於1個軸向之方式相比，能夠縮小衰減部的最大外形。藉此能夠謀求裝置的小型化。
根據本發明，能夠提供一種藉由二維配置衰減部謀求小型化之降能器及具備該降能器之帶電粒子照射系統。
以下，參考附圖對本發明之降能器及具備該降能器之帶電粒子照射系統的較佳的實施方式進行說明。本實施方式中，對將帶電粒子照射系統設為粒子束治療系統之情況進行說明。
(帶電粒子照射系統)
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)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(氫陰離子)加速之後藉由從陰離子剝離電子生成質子射束；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；及傳輸線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，其路徑沿傳輸線4變更，並傳輸於旋轉機架3。傳輸線4中設置有用於變更質子射束的路徑之偏轉磁鐵。並且，傳輸線4中設置有使帶電粒子的能量衰減之降能器10(詳細內容後述)。
並且，傳輸線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係從被傳輸過來之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在所希望的範圍。
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能量被衰減之帶電粒子從照射部射出，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方式之降能器之概要圖。第2圖中係由質子射束B的前進方向來顯示降能器10。第2圖所示之降能器10係設置於質子射束B的路徑上，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材料塊11。作為衰減材料塊11的材質例如可舉出碳(C)、鈹(Be)等。
在此，複數個衰減材料塊11具有互不相同之厚度，且二維配置在與質子射束B交叉之面內。該二維配置之複數個衰減材料塊11係例如在第1軸向X(圖示左右方向)上配置有9個，在第2軸向Y(圖示上下方向)上配置有9個。由這些複數個衰減材料塊11構成之集成體係形成按照具有正交之第1軸向X及第2軸向Y之二維座標系的位置而厚度不同的衰減部12。另外，第1軸向X及第2軸向Y只要相互交叉即可，亦可不正交。
並且，複數個衰減材料塊11係形成厚度以沿第1軸向X依次不同的方式(參考第4圖)排列之塊群(塊列)13。本實施方式的衰減部12中，在第1軸向X上排列之塊群13係在第2軸向Y上形成有複數列。並且，在第2軸向Y鄰接之塊群13係以厚度相互向反方向減少(或者增加)之方式配置有衰減材料塊11。
衰減材料塊11的各位置係能夠利用二維座標系(x，y)來表示。例如，將第3圖所示之左上的衰減材料塊11作為基準(x，y)=(1，1)，向第1軸向X每移動1個時表示為(2，1)、(3，1)、……、(9，1)，從基準(1，1)向第2軸向Y每移動1個時表示為(1，2)、(1，3)、……、(1，9)。本實施方式的衰減部12中衰減材料塊11分別配置成每當以座標(1，1)、(2，1)、……、(9，1)、(9，2)、(8，2)、……、(1，2)、(1，3)、……、(9，9)方式移動時厚度依次減少。另外，可以以厚度依次增加之方式配置衰減材料塊11，也可以以厚度不規則地增加或者減少之方式配置衰減材料塊11。所謂厚度依次改變係指厚度以一定的變化量增加或者減少。
並且，從正面觀察(從質子射束的前進方向觀察)時，本實施方式的衰減材料塊11呈正方形。並且，從正面觀察時，作為衰減材料塊11的集成體之衰減部12亦呈正方形。另外，從正面觀察時的衰減材料塊11及衰減部12的形狀可為其他形狀(三角形、梯形、菱形、圓形等)。
(驅動機構)
如第2圖所示般，降能器10具備有在第1軸向X及第2軸向Y並進驅動衰減部之驅動機構(驅動手段)40。該驅動機構40具備有：固定用框架41，用以固定衰減部；一對的第1直線導軌42，從第1軸向X的兩側支撐該固定用框架41；滾珠螺桿43，用以在第2軸向Y驅動第1直線導軌42；驅動馬達44，用以旋轉驅動該滾珠螺桿43；驅動用框架45，與該驅動馬達44及滾珠螺桿43一同被驅動；一對的第2直線導軌46，從第2軸向Y的兩側支撐該驅動用框架45；滾珠螺桿47，用以在第1軸向X驅動第2直線導軌46；驅動馬達48，用以旋轉驅動該滾珠螺桿47；及基座框架49，用以固定該驅動馬達48及滾珠螺桿47。
固定用框架41例如為矩形的框體，從外面側固定複數個衰減材料塊11者。第1直線導軌42係在第2軸向Y延伸，從第1軸向X的兩側支撐著固定用框架41。並且，第1直線導軌42上連結有插通滾珠螺桿43之螺母43a。並且，驅動馬達44的旋轉軸上連結有一對的對滾珠螺桿43的其中一方。
驅動用框架45例如為矩形的框體，支撐著一對的滾珠螺桿43及驅動馬達44。一對的滾珠螺桿43係被固定在驅動用框架45的第2軸向Y上延伸之框架部份而在第2軸向Y延伸。第2直線導軌46係在第1軸向X延伸，並從第2軸向Y的兩側支撐著驅動用框架45。並且，第2直線導軌46上連結有插通滾珠螺桿47之螺母47a。並且，驅動馬達48的旋轉軸上連結有一對的滾珠螺桿47的其中一方。
基座框架49例如為矩形的框體，支撐著一對的滾珠螺桿47及驅動馬達48。一對的滾珠螺桿47係被固定在基座框架49的第1軸向X上延伸之框架部份而在第1軸向X延伸。
(驅動機構的控制部)
降能器10具備有控制驅動機構40的動作之控制部(未圖示)。驅動機構40的控制部例如組裝於控制粒子束治療系統1的動作之質子束治療裝置控制終端機(未圖示)。該質子束治療裝置控制終端機係藉由：進行運算處理之CPU、成為存儲部之ROM及RAM、輸入信號電路、輸出信號電路、及電源電路等所構成。
在驅動機構40的控制部電性連接有驅動馬達44、48。驅動馬達44、48係根據來自控制部的指令信號作動。驅動馬達48係在第1軸向X驅動驅動用框架45。驅動馬達44係在第2軸向Y驅動固定用框架41。亦即，驅動用框架45係藉由驅動馬達48及滾珠螺桿47在第1軸向X驅動，固定用框架41係藉由固定於驅動用框架45之驅動馬達44及滾珠螺桿43在第2軸向Y驅動。藉此，支撐於固定用框架41之衰減部(複數個衰減材料塊11)12會在第1軸向X及第2軸向Y並進驅動。
(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會藉由迴旋加速器2加速，加速之質子射束B(例如具有230MeV±數MeV的能量範圍)會被導入於降能器10。降能器10中，衰減部12會藉由驅動機構40在第1軸向X及第2軸向Y並進驅動，質子射束B的路徑上配置有所希望的衰減材料塊11。並且，通過該衰減材料塊11之質子射束B會藉由衰減材料塊11減速，而能量衰減(例如200MeV±十幾MeV)。在此，通過衰減材料塊11之質子射束B係在通過衰減材料塊11時能量幅度稍微擴大。
通過降能器10之質子射束B係被導入於ESS30。ESS30中選擇性地取出導入於質子射束B中所希望的能量範圍的質子射束B(例如200MeV±1MeV)。能量幅度被選擇之質子射束B係藉由傳輸線4傳輸並導入於旋轉機架3，照射於被照射體。藉此，以到達被照射體的內部的預定深度位置之方式照射質子射束B。
若根據這樣的本實施方式的降能器及具備該降能器之粒子束治療系統，則厚度階梯性或連續性(直線性、曲綫性)不同的衰減部會二維配置在與帶電粒子的前進方向交叉之面內。並且，由於降能器為具備在二維座標系中交叉之第1軸向及第2軸向上並進驅動衰減部之驅動手段之結構，因此與使衰減部驅動於1個軸向之方式相比，能夠縮小衰減部的最大外形。藉此能夠謀求裝置的小型化。並且，藉由同時使衰減部移動於2軸向，能夠縮短移動時間，並縮短能量衰減量的調整時間。
並且，本實施方式的降能器10的衰減部12中具備以厚度沿第1軸向依次不同的方式配置有複數個衰減材料塊11之塊群13，該塊群13係在第2軸向Y上形成有複數列，在第2軸向Y鄰接之塊群13彼此以厚度向反方向減少之方式配置。例如，奇數列的塊群13中，每當向圖示右方向移動時厚度減少，且偶數列的塊群13中，每當向圖示左方向移動時厚度減少，以這種方式配置有衰減材料塊11。如此，由於複數個衰減材料塊11以厚度依次不同的方式配置，因此能夠較短地抑制衰減部12的移動距離，並能夠縮短能量衰減量的調整時間。
並且，本實施方式的粒子束治療系統中，迴旋加速器2與ESS30之間配置有降能器10，因此藉由通過降能器10從質子射束B藉由ESS30來選擇性地取出具有所希望的能量幅度之質子射束B。質子射束B係在通過降能器10時能量幅度擴大，但之後藉由ESS30來選擇性地取出所希望的能量範圍的質子射束B，因此能夠高精確度地調整傳輸於旋轉機架3之質子射束B的能量幅度。另外，降能器10可設置於ESS30的後段。
以上，基於其實施方式具體說明了本發明，但本發明不限定於上述實施方式。第3圖係表示衰減材料塊的排列方向之概要圖。上述實施方式中，如第3圖(a)的箭頭A1所示般，以衰減材料塊11的厚度減少之方式構成衰減部12，但也可以厚度沿其他方向減少之方式配置衰減材料塊11。例如也可以為以厚度向如第3圖(a)的箭頭A2所示之傾斜方向依次減少或者增加之方式配置衰減材料塊11之結構。並且，如第3圖(b)的箭頭A3所示般，可以為以將衰減部12的中央作為基點迴旋並以厚度依次減少或者增加之方式按螺旋狀配置衰減材料塊11之結構。
第4圖係表示衰減部的厚度方向的形狀之概要圖。上述實施方式中，如第4圖(a)所示般，以厚度階梯性改變之方式構成衰減部12，但如第4圖(b)所示般，也可設為例如厚度根據第1軸向X的位置直線性(連續性)改變之衰減部12。並且，也可以設為厚度曲綫性改變之衰減部。例如厚度的增減率亦可不是一定。
並且，上述衰減部12係由複數個衰減材料塊11的集成體形成，也可以為一體形成且以厚度根據位置而不同的方式形成之衰減部12。並且，例如也可以為在第1軸向X上延伸之每一部位一體地形成之衰減部12。
並且，降能器10亦可為：在具備有使射入之帶電粒子的能量衰減之衰減部之降能器中，具備：厚度按照與帶電粒子的前進方向交叉之面內的二維座標系的位置而階梯性不同的衰減部、及使衰減部繞著在前進方向延伸之旋轉軸旋轉驅動，並且在以旋轉軸作為軸心之圓周的徑向驅動之驅動手段之結構。藉此，與使衰減部驅動於1個軸向之方式相比，能夠縮小衰減部的最大外形，且能夠謀求裝置的小型化。此時，能夠構成藉由使旋轉軸移動於預定方向來使衰減部移動於徑向之驅動手段。
在此，衰減部12為由厚度不同的複數個衰減材料塊11構成之集成體，該集成體具備以厚度沿圓周的周向依次不同的方式配置有複數個衰減材料塊11之塊列，該塊列為配置成以旋轉軸作為軸心之螺旋狀且徑向形成有複數列之結構為較佳。藉此，複數個衰減材料塊11以厚度依次不同的方式配置，因此能夠藉由縮短衰減部12的移動距離來縮短能量衰減量的調整時間。並且，也可構成具備這種降能器之帶電粒子照射系統。
並且，帶電粒子不限定於利用氫之質子束，也可為其他帶電粒子(例如利用碳之重粒子束)。
並且，加速器不限定於迴旋加速器，也可以為其他加速器(例如同步迴旋加速器或同步加速器)。
並且，降能器不限定於配置於迴旋加速器與ESS之間之結構，也可以配置於其他部位(例如設置於旋轉機架之照射噴嘴的內部等)。
另外，帶電粒子照射系統可為不具備能量選擇部之結構。帶電粒子照射系統只要為具備降能器，並可藉由該降能器照射能量被衰減之帶電粒子之結構即可。
1‧‧‧粒子束治療系統(帶電粒子照射系統)
2‧‧‧迴旋加速器(粒子加速器)
3‧‧‧旋轉機架
4‧‧‧傳輸線
10‧‧‧降能器
11‧‧‧衰減材料塊
12‧‧‧衰減部
13‧‧‧塊群(塊列)
30‧‧‧ESS(能量選擇部)
40‧‧‧驅動機構(驅動手段)
第1圖係本發明的實施方式之粒子束治療系統的配置圖。
第2圖係表示本發明的實施方式之降能器之概要圖。
第3圖係表示衰減材料塊的排列方向之概要圖。
第4圖係表示衰減部的厚度方向的形狀之側視圖。
10．．．降能器
40．．．驅動機構
48．．．驅動馬達
47a．．．螺母
47．．．滾珠螺桿
46．．．第2直線導軌
12．．．衰減部
11．．．衰減材料塊
45．．．驅動用框架
44．．．驅動馬達
43a．．．螺母
49．．．基座框架
43．．．滾珠螺桿
42．．．第1直線導軌
41．．．固定用框架
X．．．第1軸向
Y．．．第2軸向

Claims (8)

  1. 一種降能器，其具備使射入之帶電粒子的能量衰減之衰減部，其特徵為，具備：衰減部，將與帶電粒子的前進方向交叉之面內的二維座標系中交叉之2軸的方向作為第1軸向及第2軸向，且厚度按照前述二維座標系的位置而階梯性或連續性不同；及驅動手段，在前述第1軸向及前述第2軸向並進驅動前述衰減部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之降能器，其中，將前述二維座標系中正交之2軸的方向作為前述第1軸向及前述第2軸向，前述衰減部為由厚度不同的複數個塊構成之集成體，前述集成體係具備以厚度沿前述第1軸向依次不同的方式配置有複數個前述塊之塊列，前述塊列係以在鄰接之列彼此間厚度在反方向依次不同的方式配置有前述複數個塊。
  3. 一種帶電粒子照射系統，其具備如申請專利範圍第1或2項所述之降能器，且照射前述帶電粒子。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之帶電粒子照射系統，其中，更具備：加速器，配置於前述降能器的前段，加速前述帶電粒子；能量選擇部，配置於前述降能器的後段，選擇性地取 出通過前述降能器之前述帶電粒子中所希望的能量幅度的帶電粒子；及照射裝置，配置於前述能量選擇部的後段，照射藉由前述能量選擇部取出之前述所希望的能量幅度的帶電粒子。
  5. 一種降能器，其具備使射入之帶電粒子的能量衰減之衰減部，，其特徵為，具備：衰減部，厚度按照與帶電粒子的前進方向交叉之面內的二維座標系的位置而階梯性不同；及驅動手段，使前述衰減部繞著在前進方向延伸之旋轉軸旋轉驅動，並且在以前述旋轉軸作為軸心之圓周的徑向進行驅動。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之降能器，其中，前述衰減部為由厚度不同的複數個塊構成之集成體，前述集成體係具備以厚度沿前述圓周的周向依次不同的方式配置有複數個前述塊之塊列，前述塊列配置成以前述旋轉軸作為軸心之螺旋狀，並沿前述徑向形成有複數列。
  7. 一種帶電粒子照射系統，其具備申請專利範圍第5或6項所述之降能器，且照射前述帶電粒子。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之帶電粒子照射系統，其中，更具備：加速器，配置於前述降能器的前段，加速前述帶電粒子； 能量選擇部，配置於前述降能器的後段，選擇性地取出通過前述降能器之前述帶電粒子中所希望的能量幅度的帶電粒子；及照射裝置，配置於前述能量選擇部的後段，照射藉由前述能量選擇部取出之前述所希望的能量幅度的帶電粒子。
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