TWI530310B - 射束輸送系統及粒子射線治療裝置 - Google Patents

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TWI530310B
TWI530310B TW102143410A TW102143410A TWI530310B TW I530310 B TWI530310 B TW I530310B TW 102143410 A TW102143410 A TW 102143410A TW 102143410 A TW102143410 A TW 102143410A TW I530310 B TWI530310 B TW I530310B
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花川和之
菅原賢悟
小田原周平
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三菱電機股份有限公司
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Description

射束輸送系統及粒子射線治療裝置
本發明係有關於用以輸送由質子(proton)或重粒子(heavy particle)所構成之帶電粒子射束(beam)之射束輸送系統，以及將所輸送之帶電粒子射束照射至物體、人體等被照射體之粒子射線治療裝置。
一般而言，粒子射線治療裝置係具備：射束產生裝置，用以產生帶電粒子射束；加速器，連接於射束產生裝置，用以將產生出之帶電粒子射束加速；帶電粒子射束輸送系統，用以將經加速達由加速器所設定之能量(energy)之後並予以射出之帶電粒子射束予以輸送；以及粒子射線照射裝置，係設置於射束輸送系統的下游側，用以將帶電粒子射束照射至照射對象。
一般而言，射束輸送系統係於加速器的射束軌道上的1點、以及射束照射位置(isocenter，等角點)設定二個基準點，以設計光學參數(parameter)。加速器的射束軌道上的1點係光學參數設計之起始點，而射束照射位置，尤其是為其中心之等角點則為光學參數設計的終 點。具體而言，射束輸送系統係將位於加速器與該射束輸送系統(高能量射束輸送裝置(HEBT系統))的共用點(起始點)之射束初始條件當作設計值，而計算該射束輸送系統的電磁鐵的強度，並將該強度設定於電磁鐵，從而以射束能夠到達照射位置之方式來運送射束。
當加速器為小型醫療用之同步加速器(synchrotron)時，即便同步加速器之初始值為理想值(設計值)，亦會由於同步加速器之電磁鐵類之未設想到的磁場(由於工作誤差等所產生之磁場)，導致即便是適當地配置六極電磁鐵亦不滿足Hardt之條件，分界線(separatrix)的射出枝會因能量而有不同。因此，會因能量值而導致在前述共用點之射束角度(斜率)及位置不同之現象(色像差)，且會因加速器的射束射出法而產生在照射位置之射束的位置偏動、或射束直徑變大之現象。
說明射束的角度(斜率)或位置不同之現象之色像差會產生之理由。第15圖係說明在相位空間之起點之射束的動作之圖，第16圖係說明射束軌道之圖。第15圖之橫軸為與射束軌道中心軸垂直之x方向的距離△X，縱軸為相對於△X的射束軌道中心軸之斜率△X’。第16圖之橫軸為往射束的行進方向延伸之s軸，縱軸為x方向之距離△X。於第16圖係顯示與射束軌道變更相關之偏向電磁鐵63與四極電磁鐵64之位置、起點S、終點T。第16圖之上側係顯示射束射出為理想狀態之情形，第16圖之下側則顯示射束射出為偏離理想狀態之情形。
在以往係假設於起點S之射束沒有偏動，並具有第16圖之橢圓62所示之設想相位空間分布之射束，來設計射束輸送系統之射束光學系統。然而，實際的射束係具有因時間而導致相位空間會以61a、61b、61c所示般地變化之相位空間分布。實際的射束係如第5圖所示電流值間斷地反覆呈現0與0以外之值，而在時間t1、t2、t3之射束的相位空間分布係不同。例如，射束的相位空間分布係在時間t1(溢出(spil)開始)時為相位空間分布61a，在時間t2(溢出中)時為相位空間分布61b，而在時間t3(溢出結束)為相位空間分布61c。
射束射出為理想狀態時，則如第16圖之上側所示，即便在起點S之相位空間之射束沒有偏動，而在在上游側卻如射束軌道65a、65b、65c之方式變動，惟在下游側藉由偏向電磁鐵63及四極電磁鐵64之激磁電流之調整，射束軌道會一致於射束軸(s軸)，而能夠以於終點T不會產生色像差之方式來進行調整。然而，在射束偏離理想狀態時，亦即在相位空間分布會隨時間而變動時，則入第16圖之下側所示，即便在下游側亦如射束軌道66a、66b、66c般變動，而會在屬於照射位置之終點T產生色像差。例如，射束軌道66a係對應於相位分布61a之軌道，射束軌道66b係對應於相位分布61b之軌道，而射束軌道66c係對應於相位分布61c之軌道。在射束射出偏離理想狀態時，由於在終點T產生色像差，故射束直徑擴大，射束位置(重心位置)會成為偏離射束軸(s)之位置。
在實際的射束輸送系統中，於起點S係有射束的相位空間分布的時間變動，在未考量該射束的相位空間分布的時間變動時，則如上述會於終點T產生色像差，因此為了在終點T使色像差為0，必須考量射束的相位空間分布的時間變動。
於專利文獻1中記載有為了容易地調整射束尺寸(beam size)，而實現射束尺寸調整的自動化之手法。專利文獻1之帶電粒子射束輸送裝置具備：感度計算裝置，依據由設置於加速器的出口到照射裝置之入口為止間的複數個輪廓監視器(profile monitor)所測定之射束尺寸與射束輪廓，而算出顯示相對於四極電磁鐵等射束收斂裝置的收斂力之射束尺寸的關係之感度矩陣，以及激磁電流修正量計算裝置，依據所設定之射束尺寸的調整目標值而使用感度矩陣來算射出束的收斂力；並依據由激磁電流修正量計算裝置所計算出之激磁電流來控制射束收斂裝置。專利文獻1之射束尺寸之調整方法於射束輸送之概略調整後，依據由輪廓監視器所測定之射束尺寸及射束輪廓而求出感度矩陣，並利用感度矩陣算出各射束收斂裝置的激磁電流，藉由該激磁電流來進行激磁各射束收斂裝置之調整，且反覆進行至射束尺寸充分地接近所期望之值。
(先前技術內容) (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2011-206237號公報(第0037至 0049段、第0057至0061段、第1、3圖)
專利文獻1之帶電粒子射束輸送裝置(相當於射束輸送系統)係以射束尺寸會充分地接近所期望之值之方式，使用由輪廓監視器所測定之射束尺寸之感度矩陣，算出各射束收斂裝置的激磁電流，並以該激磁電流反覆進行激磁各射束收斂裝置之調整，而藉此調整射束尺寸。然而，由於專利文獻1之帶電粒子射束輸送裝置並未考慮位於光學參數設計之起點及終點之色像差，故即便射束輸送裝置路徑上之輪廓監視器所測定之射束尺寸有達到所期望之值，亦無法使於照射位置之射束的色像差幾乎為0。再者，在經過小型化之同步加速器時，由於在上述之射束輸送系統的光學參數設計的起點難以使色像差成為0，故若將專利文獻1之射束尺寸的調整方法應用於經過小型化之同步加速器時，則會增加設數調整之反覆次數。就專利文獻1之射束尺寸之調整方法而言，雖可達成射束調整，但仍有無法使照射位置之射束的色像差幾乎成為0之問題。
在小型化之同步加速器之情形，於射束輸送系統的光學參數設計起點若欲使色像差成為0，則必須使用高性能之偏向電磁鐵、四極電磁鐵或六極電磁鐵，會有導致加速器及射束輸送系統之大型化及複雜化，而令加速器及射束輸送系統變得昂貴之問題。
本發明係為了解決上述課題而研創者，目的在於獲得一種射束輸送系統，係即便對於自小型化之同步加速器所射出之射束，亦能於射束的照射位置使射束的色像差幾乎為0。
本發明之射束輸送系統係具備：至少1個偏向電磁鐵，係偏向帶電粒子射束；至少2個四極電磁鐵，係使帶電粒子射束收斂或發散；至少1個射束輪廓監視器，係檢測帶電粒子射束的輪廓資料；射束解析裝置，係依據輪廓資料，計算射束輪廓監視器之射束位置的時間變動量或屬於射束直徑之射束時間變動關聯量；光學參數計算裝置，係計算射束輸送系統的光學參數；以及電磁鐵電源，係依據光學參數計算裝置所計算之光學參數，設定偏向電磁鐵及四極電磁鐵的激磁電流。本發明之射束輸送系統的光學參數計算裝置係依據射束時間變動關聯量，計算於在設定於加速器的射束軌道上之射束輸送系統的設計起點之帶電粒子射束的動量分散函數之起點動量分散函數，並計算以起點動量分散函數及檢測出輪廓資料時之照射位置之當初條件為初始條件之光學參數。
依據本發明之射束輸送系統，係依據根據射束時間變動關聯量之設計起點之帶電粒子射束的起點動量分散函數，以及以檢測出輪廓資料時之照射位置之當初條件為初始條件所計算出之光學參數，而設定偏向電磁鐵及四極電磁鐵的激磁電流，故即便是從小型化之同步加速 器射出之射束，亦能夠於射束的照射位置使射束的色像差幾乎為0。
1‧‧‧入射系統
2‧‧‧入射器
3‧‧‧加速器
4‧‧‧射束輸送系統
5a‧‧‧偏向電磁鐵
5b‧‧‧偏向電磁鐵
5c‧‧‧偏向電磁鐵
5d‧‧‧偏向電磁鐵
5e‧‧‧偏向電磁鐵
5f‧‧‧偏向電磁鐵
5g‧‧‧偏向電磁鐵
5h‧‧‧偏向電磁鐵
5i‧‧‧偏向電磁鐵
5j‧‧‧偏向電磁鐵
5k‧‧‧偏向電磁鐵
5l‧‧‧偏向電磁鐵
5m‧‧‧偏向電磁鐵
6a‧‧‧四極電磁鐵
6b‧‧‧四極電磁鐵
6c‧‧‧四極電磁鐵
6d‧‧‧四極電磁鐵
6e‧‧‧四極電磁鐵
6f‧‧‧四極電磁鐵
6g‧‧‧四極電磁鐵
6h‧‧‧四極電磁鐵
6i‧‧‧四極電磁鐵
6j‧‧‧四極電磁鐵
6k‧‧‧四極電磁鐵
6l‧‧‧四極電磁鐵
6m‧‧‧四極電磁鐵
6n‧‧‧四極電磁鐵
7‧‧‧偏向電磁鐵
7a‧‧‧偏向電磁鐵
7b‧‧‧偏向電磁鐵
7c‧‧‧偏向電磁鐵
8a‧‧‧四極電磁鐵
8b‧‧‧四極電磁鐵
8c‧‧‧四極電磁鐵
8d‧‧‧四極電磁鐵
8e‧‧‧四極電磁鐵
8f‧‧‧四極電磁鐵
8g‧‧‧四極電磁鐵
8h‧‧‧四極電磁鐵
9‧‧‧加速空洞
10‧‧‧x方向推壓電極
11‧‧‧射束輪廓監視器
11a‧‧‧射束輪廓監視器
11b‧‧‧射束輪廓監視器
12‧‧‧RF加速電源
13‧‧‧RF推壓電源
14‧‧‧射束解析裝置
15‧‧‧電磁鐵電源
16‧‧‧機器控制裝置
17‧‧‧光學參數計算裝置
20‧‧‧粒子射線治療裝置
21a‧‧‧射束軌道
21b‧‧‧射束軌道
21c‧‧‧射束軌道
22a‧‧‧射束軌道
22b‧‧‧射束軌道
22c‧‧‧射束軌道
31‧‧‧帶電粒子射束
32‧‧‧X方向掃描電磁鐵
33‧‧‧Y方向掃描電磁鐵
34‧‧‧位置監視器
35‧‧‧線量監視器
36‧‧‧線量資料變換器
37‧‧‧掃描電磁鐵電源
38‧‧‧照射管理裝置
39‧‧‧照射控制計算機
40‧‧‧照射控制裝置
41‧‧‧射束資料處理裝置
42‧‧‧觸發器產生部
43‧‧‧點計數器
44‧‧‧點間計數器
45‧‧‧照射對象
46a‧‧‧射束軌道
46b‧‧‧射束軌道
46c‧‧‧射束軌道
47a‧‧‧圓
47b‧‧‧圓
47c‧‧‧圓
47d‧‧‧圓
47e‧‧‧圓
47f‧‧‧圓
49a‧‧‧圓
49d‧‧‧圓
49e‧‧‧圓
49f‧‧‧圓
49g‧‧‧圓
58‧‧‧粒子射線照射裝置
61a‧‧‧相位空間分布
61b‧‧‧相位空間分布
61c‧‧‧相位空間分布
62‧‧‧橢圓
63‧‧‧偏向電磁鐵
64‧‧‧四極電磁鐵
65a‧‧‧射束軌道
65b‧‧‧射束軌道
65c‧‧‧射束軌道
66a‧‧‧射束軌道
66b‧‧‧射束軌道
66c‧‧‧射束軌道
S‧‧‧起點(設計起點)
T‧‧‧終點(照射位置)
η‧‧‧動量分散函數
η’‧‧‧動量分散函數
η x‧‧‧動量分散函數
η x’‧‧‧動量分散函數
η y‧‧‧動量分散函數
η y‧‧‧動量分散函數
第1圖係本發明之粒子射線治療裝置的概略構成圖。
第2圖係顯示第1圖之粒子射線治療裝置的構成之圖。
第3圖係顯示本發明實施形態1之射束輸送系統之修正前的射束軌道之圖。
第4圖係顯示本發明實施形態1之射束輸送系統之修正後之射束軌道之圖。
第5圖係說明由本發明實施形態1之射束輸送系統所射出之射束電流之圖。
第6圖係顯示本發明實施形態之射束輸送系統的起點之相位空間分布之圖。
第7圖係顯示本發明實施形態1之射束輸送系統的終點之修正前的相位空間分布之圖。
第8圖係顯示本發明實施形態1之射束輸送系統的終點之修正後的相位空間分布之圖。
第9圖係顯示本發明實施形態1之射束輸送系統的終點之修正前的射束點(beam spot)配置之圖。
第10圖係顯示本發明實施形態1之射束輸送系統的終點之修正後的射束點配置之圖。
第11圖係顯示本發明實施形態2之射束輸送系統之修正前的射束軌道及射束直徑之圖。
第12圖係顯示本發明實施形態2之射束輸送系統之修正後的射束軌道及射束直徑之圖。
第13圖係顯示本發明實施形態3之射束輸送系統之修正前的射束軌道之圖。
第14圖係顯示本發明實施形態3之射束輸送系統之修正後的射束軌道之圖。
第15圖係說明於相位空間之起點之射束的動作之圖。
第16圖係說明射束輸送系統之射束軌道之圖。
實施形態1
第1圖係本發明之粒子射線治療裝置的概略構成之圖，第2圖係顯示本發明之粒子射線治療裝置的構成之圖。粒子射線治療裝置20係具備入射系統1、加速器3、射束輸送系統4、以及粒子射線照射裝置58。入射系統1係具有入射器2、以及四極電磁鐵6a、6b。加速器3係具有複數個偏向電磁鐵5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h、5i、5j、5k、5l、5m、複數個四極電磁鐵6c、6d、6e、6f、6g、6h、6i、6j、6k、6l、6m、6n、加速空洞9、x方向推壓電極(kicker electrode)10、RF加速電源12、RF推壓電源(kicker power supply)13、以及機器控制裝置16。射束輸送系統4係具有：複數個偏向電磁鐵7a、7b、複數個四極電磁鐵8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h、射束輪廓監視器11a、11b、射束解析裝置14、電磁鐵電源15、以及光學參數計算裝置17。入射系統1及加速器3的四極電磁鐵的符 號係統括地使用6，而於加以區分以進行說明時則使用6a至6n。加速器3的偏向電磁鐵的符號係總括地使用5，而於加以區分以進行說明時則使用5a至5m。射束輸送系統4的偏向電磁鐵的符號係總括地使用7，而於加以區分以進行說明時則使用7a、7b。射束輸送系統4的四極電磁鐵的符號係總括地使用8，而於加以區分以進行說明時則使用8a至8h。射束輪廓監視器的偏向電磁鐵的符號係總括地使用11，而於加以區分以進行說明時則使用11a、11b。
偏向電磁鐵5、7係將帶電粒子射束偏向，四極電磁鐵6、8係使帶電粒子射束收斂或者發散。帶電粒子射束的射束座標系統係將帶電粒子射束的行進方向(s方向)之軸稱為s軸，將與s軸垂直且往屬於加速器3的旋繞軌道面的外側擴展之方向之x方向的軸稱為x軸，將與s軸及y軸垂直之y方向之軸稱為y軸。加速空洞9係對旋繞於加速器3內之帶電粒子射束進行加速。x方向推壓電極10係為了將帶電粒子射束射出至射束輸送系統4，而以電場從旋繞方向往外周側(x方向)進行推壓之電極。射束輪廓監視器11係檢測用以計算帶電粒子射束的射束位置及射樹的大小等之射束輪廓資料。射束輸送系統4係經由粒子線照射裝置58將帶電粒子射束輸送至照射位置。
屬於在入射器2之離子源產生之質子線等粒子線之帶電粒子射束係由入射器2的前段加速器予以加速，並由四極電磁鐵6a、6b使帶電粒子射束收斂或發散併入射至加速器3。於此，加速器3係以同步加速器為例來 進行說明。帶電粒子射束係被加速至預定的能量。帶電粒子射束係從設置於加速器3之偏向電磁鐵7a進入射束輸送系統4，並經由粒子射線照射裝置58而被輸送至照射位置T，而照射於屬於患者的照射對象45(參閱第2圖)之患部。粒子射束照射裝置58係以將帶電粒子射束形成為所期望之照射區域之方式，將射束擴大或將射束掃描而照射於照射對象45(參閱第2圖)。
於第2圖中，粒子射線照射裝置58係具備：X方向掃描電磁鐵32及Y方向掃描電磁鐵33，係使帶電粒子射束31往與帶電粒子射束31垂直之方向之X方向及Y方向進行掃描；位置監視器34；線量監視器35；線量資料變換器36；射束資料處理裝置41；掃描電磁鐵電源37；以及控制粒子射線照射裝置58之照射管理裝置38。照射管理裝置38係具備照射控制計算機39及照射控制裝置40。線量資料變換器36係具備觸發器(trigger)產生部42、點計數器(spot counter)43、以及點間計數器44。另外，於第2圖中，賀電粒子射束31的行進方向係-Z方向。另外，-Z方向雖為射束座標系統的s方向，惟第2圖之X方向、Y方向並不一定一致於射束座標系統的x方向、y方向。
X方向掃描電磁鐵32係將帶電粒子射束31往X方向掃描之掃描電磁鐵，Y方向掃描電磁鐵33係將帶電粒子射束31往Y方向掃描之電磁鐵。位置監視器34係檢測用以演算帶電粒子射束31所通過之射束中之通過位置(重心位置)及尺寸之射束資訊，該帶電粒子射束31係藉 由X方向掃描電磁鐵32及Y方向掃描電磁鐵33而進行掃描者。射束資料處理裝置41係依據由位置監視器34所檢測出之複數個類比(analog)信號(射束資訊)所構成之射束資訊，演算帶電粒子射束31的通過位置(重心位置)及尺寸。再者，射束資料處理裝置41係製作顯示帶電粒子射束31的位置異常及尺寸異常之異常檢測信號，並將該異常檢測信號輸出至照射管理裝置38。
線量監視器35係檢測帶電粒子射束31的線量。照射管理裝置38係依據未圖示之治療計畫裝置所製作之治療計畫資料，而控制照射對象45之帶電粒子射束31的照射位置，且在由線量監視器35所測定並由線量資料變換器36變換成數位資料(digital data)之線量達到目標線量時，將帶電粒子射束31移動至下一個照射位置。掃描電磁鐵電源37係依據從照射管理裝置38對於X方向掃描電磁鐵32及Y方向掃描電磁鐵33輸出之控制輸入(指令)，使X方向掃描電磁鐵32及Y方向掃描電磁鐵33的設定電流變化。
於此，以複合式掃描照射(hybrid scanning)方式(變更射束照射位置時(點)時不停止射束之方式)來說明粒子射線照射裝置58之掃描照射方式，具體而言，係以在改變帶電粒子射束31的照射位置時不停止帶電粒子射束31之光柵掃描(raster scanning)照射方式來進行，且以點掃描照射方式將射束照射位置在點位置間逐次的移動之方式。點計數器43係用以計測帶電粒子射束31的射束照射 位置停留之期間之照射線量。點間計數器44係用以計測帶電粒子射束31的射束照射位置在移動中之期間之照射線量。觸發器產生部42係在射束照射位置之帶電粒子射束31的線量達到目標照射線量時，製作線量達成信號。
顯示在以RF掃掠(sweep)法使帶電粒子射束31從加速器3射出時的射束輸送系統4。於第1圖之粒子射線治療裝置20的入射系統1、加速器(同步加速器)3、射束輸送系統4中，係以後述之步驟，而得到於照射位置T幾乎沒有色相差(射束不偏動)之光學系統。第3圖係顯示本發明實施形態1之射束輸送系統之修正前的射束軌道之圖。在第3圖中，係將從設計射束輸送系統4之光學系統之起點S至終點T(照射位置)以直線狀加以顯示。第3圖之橫軸於帶電粒子射束31的行進方向之s軸，縱軸為x方向之距離△X。第5圖係說明本發明實施形態1之射束輸送系統所射出之射束電流之圖。第6圖係顯示本發明實施形態1之於射束輸送系統的起點之相位空間分布之圖。第6圖之橫軸為與射束軌道中心軸垂直之x方向的距離△X，縱軸為相對於△X之射束軌道中心軸之斜率△X’。
如前述，實際的帶電粒子射束31之電流值係間斷地反覆於0及0以外之值，且在時間t1、t2、t3之帶電粒子射束31的相位空間分布係不相同。例如，帶電粒子射束31的相位空間分布23在時間t1(溢出開始)時為相位空間分布24a，在時間t2(溢出中)時為相位空間分布24b，在時間t3(溢出結束)時為相位空間分布24c。第3圖 之射束軌道21a係時間t1(溢出開始)時之射束軌道，為對應於相位空間分布24a之射束軌道。射束軌道21b係時間t2(溢出中)時之射束軌道，為對應於相位空間分布24b之射束軌道。射束軌道21c係時間t3(溢出結束)時之射束軌道，為對應於相位空間分布24c之射束軌道。
於步驟S1中，以光學參數計算裝置17算出同步加速器(加速器3)為理想狀態之光學參數。該光學參數係被輸出於機器控制裝置16，機器控制裝置16係依據光學參數計算各電磁鐵的電流值，並將電流值送至電磁鐵電源15。電磁鐵電源15係設定射束輸送系統4的電磁鐵(偏向電磁鐵7、四極電磁鐵8)的電流值。另外，電磁鐵電源15亦設定入射系統1及加速器3的電磁鐵(偏向電磁鐵5、6)。
於步驟S2中，藉由機器控制裝置16，對應於加速器3之光學參數之指令值傳送至RF加速器12及電磁鐵電源15，並按照該指令驅動各裝置(偏向電磁鐵5、四極電磁鐵6、加速空洞9)，使帶電粒子射束31加速並射出。另外，於此由於為RF掃掠法，故在射出時係適當的掃掠RF加速電源12之RF頻率，惟並不使RF推壓電源13驅動。在第1圖中雖記載有x方向推壓電極10、RF推壓電源13，惟在RF掃掠法中不會使用該等構件，故可從加速器3中刪除。
於步驟S3中，由射束輪廓監視器11a、11b取得從加速器3射出之帶電粒子射束31在各時間之輪廓資 料，並以射束解析裝置14解析射束位置。輪廓資料取得時間為從射出開始至射出結束之時間，為第5圖之t1至t3為止之時間。
於步驟S4中，依據輪廓資料的位置變動資訊算出以式(1)、式(2)所顯示之動量分散函數η a、η b。p係動量，△p係於成為基準之時間t0之與動量之動量差分，△x係於成為基準之時間t0之與x方向之位置之位置差分。另外，下標字a係顯示射束輪廓監視器11a之數值，下標字b係顯示射束輪廓監視器11b之數值。
△xa=ηa．△p/p △xa'=ηa．△p/p…(1)
△xb=ηb．△p/p △xb'=ηb.△p/p…(2)
於步驟S5中，係算出起點S之動量分散函數(η x,η x’)、(η y,η y’)及光學參數，並輸出至機器控制裝置16。射束輪廓監視器11a、11b之動量分散函數係分別以式(3)、式(4)來顯示。另外，右邊之下標字i係顯示顯示輸入，亦即顯示起點S。式(3)、式(4)中，Ma、Mb係從起點S至射束輪廓監視器11a、11b為止之射束輸送矩陣，並以式(5)、式(6)顯示。
由光學參數計算裝置17藉由式(3)、式(4)算出點S的動量分散化函數(η x,η x’)、(η y,η y’)。例如，算出會成為第6圖之相位空間分布23之動量分散化函數(η x,η x’)、(η y,η y’)。由式(7)算出在於終點T之照射位置之動量分散函數會成為(0,0)(條件1)之光學參數，並輸出至光學參數計算裝置17。該條件1係由射束輪廓監視器11檢測出輪廓資料時之照射位置(終點T)之當初條件。
於步驟S6中，再度由機器控制裝置16將依據成為條件1之光學參數而來之電流值轉送至電磁鐵電源15，並對各電磁鐵設定預定的電流。
在各電磁鐵被設定有步驟S6之電流值時，如第4、9、10圖所示，在照射位置(終點T)射束不會偏動，而如第7、8圖所示色像差幾乎成為0(實質上為0)。第4圖係顯示本發明實施形態1之射束輸送系統之修正後之射束軌道。第7圖係顯示本發明實施形態1之射束輸送系統的終點之修正前的相位空間分布之圖，第8圖係顯示本發明實施形態1之射束輸送系統的終點之修正後相位空間分布之圖。第9圖係顯示本發明實施形態1之射束輸送系統的終點之修正前射束點配置之圖，第10圖係顯示本發明實施形態1之射束輸送系統之修正後的射束點配置之圖。
第4圖之射束軌道22a係時間t1(溢出開始)時的修正後的射束軌道，為將第3圖之射束軌道21a予以修正過之射束軌道。射束軌道22b係時間t2(溢出中)時的修正後的射束軌道，為將第3圖之射束軌道21b予以修正過之射束軌道。射束軌道22c係時間t3(溢出結束)時的修正後的射束軌道，為將第3圖之射束軌道21c予以修正過之射束軌道。另外，第4圖之射束軌道22b係在修正後亦與第3圖之射束軌道21b相同，坐落在s軸上。
第7圖、第8圖之橫軸係與射束軌道中心軸垂直之x方向之距離△X，縱軸為相對於△X之射束軌道中心軸之斜率△X’。第9圖、第10圖之橫軸為前述射束座標系統之x軸，縱軸為射束座標系統之y軸。如第7圖所示，射束輸送系統4的終點T之修正前的相位空間分布係像為空間分布25，時間t1(溢出開始)時為相位空間分布26a，時間t2(溢出中)時係相位空間分布26b，時間t3(溢出結束)時係相位空間分布26c。如第8圖所示，射束輸送系統4之終點T之修正後之相位空間分布為相位空間分布27，時間t1(溢出開始)時為相位空間分布28a，時間t2(溢出中)時為相位空間分布28b，時間t3(溢出結束)時為相位空間分布26c。在第8圖中，雖為了便於理解而以相位空間分布28a、28b、28c有稍加偏離之方式來記載，惟色像差係幾乎為0(實質為0)。在色像差幾乎為0(實質為0)時，相位空間上之射束位置係無關於時間而為一定者。如此，實施形態1之射束輸送系統4之修正前的相位空間分布25之色像差雖較大，惟修正後之相位空間分布27係色像差幾乎為0(實質為0)。
修正前的相位空間分布25之△X為-4.2mm至4.1mm，而修正後之相位空間分布27之△X為-2.0mm至2.0mm。如第3圖所示，在修正前係於終點T有射束軌道之變動，而射束尺寸係偏離計畫值而擴展。另外，射束尺寸雖與像位分布中之△X的下限到上限之範圍值不同，惟△X的範圍值愈大則射束尺寸就愈大。如第4圖所 示，修正後之射束軌道在射束輪廓監視器11b之設置位置以後係射束軌道22a、22b、22c皆坐落於s軸上。由於終點T之修正後之射束軌道不會變動，故終點T之射束尺寸係成為符合計畫之射束尺寸，亦即終點T之射束尺寸並未偏離計畫值而變大。
使用第9圖、第10圖針對掃描照射之點配置與均勻照射之線量分布進行說明。為使帶電粒子射束31的點配置能便於觀看，係於第9圖、第10圖追加虛線之格子。虛線之格子的角係經過計畫之點位置。如第9圖所示，在存有x方向之色像差之修正前的時，有擴展之射束的重心(第9圖、第10圖之各圓的圓心)係於x方向之位置偏離。相對於此，如第10圖所示，在沒有x方向之色像差之修正後時，有擴展之射束的重心係與虛線之格子的角一致，x方向之位置係符合計畫。在點位置偏離計畫時，即便欲以均勻照射之方式進行照射，亦由於照射線量係相對於所計畫之照射點會不同，故在實際的線量分布上會產生起伏。實施形態1之射束輸送系統4係可使於終點T之色像差幾乎為0(實質為0)，而可使掃描照射之點位置符合計畫。
實施形態1之射束輸送系統4係於不使粒子射線照射裝置58動作之照射位置(終點T)，亦即於等角點中，可使帶電粒子射束31的色像差幾乎為0，而可令掃描照射的點位置符合計畫。帶電粒子射束31雖以藉由粒子射線照射裝置58形成寬廣之照射區域之方式來進行掃描，惟由於即便在經過掃描之照射位置中射束的色像差並非0， 亦只要射束的照射位置落在容許範圍內即可進行高精密度之粒子線治療，故亦可為會落在照射位置的容許範圍之非0之色像差。因此，經上述方式設計之實施形態1之射束輸送系統4係於帶電粒子射束31的照射位置中可使射束的色像差幾乎為0(實質為0)，而可使掃描照射的點位置高精密度地符合計畫。
實施形態1之射束輸送系統4即便在小型化之同步加速器時時，即便是未使用高性能之偏向電磁鐵、四極電磁鐵或六極電磁鐵而使在射束輸送系統4的光學參數設計的起點S色像差為0，亦能夠於帶電粒子射束31的照射位置使射束的色像差幾乎為0(實質為0)。因此，實施形態1之射束輸送系統4即便在小型化之同步加速器時，亦不會招致加速器及射束輸送系統之大型化及複雜化，而可抑制加速器及射束輸送系統顯著地變得昂貴。
實施形態1所示之射束輸送系統4之設計方法係於在理想的磁場條件設定之射束輸送系統中，使用由射束輪廓監視器11所檢測出之輪廓資料來測定射束輸送系統4之途中之射束位置，並藉由計算於射束輪廓監視器11之射束位置的時間變動量之射束時間變動關聯量，算射出束共用點(起點S)之屬於初始條件的一部分之x方向動量分散函數η x、η x’及y方向動量分散函數η y、η y’作為起點動量分散函數，並使檢測出輪廓資料時之照射位置(終點T)之於當初條件之前述條件1與起點動量分散函數作為初始條件，而設定射束輸送系統4之新的光學參數。 藉由應用本設計方法，在設置現場之調整變得容易，且與以往之必須進行數次調整時不同，與以往時相比可將射束輸送系統的調整時間縮短。
針對射束輸送系統4之偏向電磁鐵7及四極電磁鐵8的台數進行說明。在照射位置(終點T)欲使帶電粒子射束31不會往x方向偏動時，係配置1台以上往x方向偏向之偏向電磁鐵7，並在該偏向電磁鐵7之上游配置2台以上控制x方向之收斂發散之四極電磁鐵8。在第3圖、第4圖中，偏向電磁鐵7b與四極電磁鐵8a、8b為所需最小限度之偏向電磁鐵7及四極電磁鐵8。再者，於照射位置(終點T)欲使帶電粒子射束31不會往y方向偏動時，係配置1台以上往y方向偏向之偏向電磁鐵7，並在該偏向電磁鐵7之上游配置2台以上控制y方向之收斂發散之四極電磁鐵8。
在第1圖、第3圖、第4圖中，於射束輸送系統4中，雖未記載往y方向偏向之偏向電磁鐵7，惟只要例如配置在比偏向電磁鐵7b更靠下游側，並將該往y方向偏向之偏向電磁鐵7的上游之2台四極電磁鐵8設為控制y方向之收斂發散之四極電磁鐵即可。在第1圖之例中，由於係將旋繞中之帶電粒子射束31往x方向偏動而導入至射束輸送系統4，故在起點S之y方向之色像差可藉由配置於加速器3之偏向電磁鐵5及四極電磁鐵6而充分的縮小。因此，於起點S之y方向的色像差較大時，只要在照射位置(終點T)配置使帶電粒子射束31不會往y方向 偏動之y方向用偏向電磁鐵7及四極電磁鐵8即可。
如上述，依據實施形態1之射束輸送系統4，係具備：至少1個偏向電磁鐵7，係使帶電粒子射束31偏向；至少2個四極電磁鐵8，係使帶電粒子射束31收斂或發散；至少1個射束輪廓監視器11，係檢測帶電粒子射束31的輪廓資料；射束解析裝置14，係依據輪廓資料，計算於射束輪廓監視器11之射束位置的時間變動量或射束直徑之射束時間變動關聯量；光學參數計算裝置17，係計算射束輸送系統4的光學參數；以及電磁鐵電源15，係依據光學參數計算裝置17所計算之光學參數，設定偏向電磁鐵7及四極電磁鐵8的激磁電流。實施形態1之射束輸送系統4之光學參數計算裝置17之特徵在於，依據射束時間變動關聯量，計算於在設定於加速器3的射束軌道上之射束輸送系統4的設計起點(起點S)之帶電粒子射束31的動量分散函數η、η’之起點動量分散函數，並計算以起點動量分散函數及檢測出輪廓資料時之照射位置(終點T)之當初條件為初始條件之光學參數，因此即便是從小型化之同步加速器射出之射束，亦可於射束的照射位置(終點T)使射束的色像差幾乎為0。
依據實施形態1之粒子射線治療裝置20，係具備：加速器3，係加速帶電粒子射束30；射束輸送系統4，係將從加速器3射出之帶電粒子射束31輸送至照射位置(終點T)；以及粒子射線照射裝置58，係配置於射束輸送系統4的下游側，以將帶電粒子射束31形成為所期望 之照射區域之方式，將帶電粒子射束31照射至照射對象45。依據實施形態1之粒子射線治療裝置20，射束輸送系統4係具備：至少1個偏向電磁鐵7，係偏向帶電粒子射束31；至少2個四極電磁鐵8，係使帶電粒子射束31收斂或發散；至少1個射束輪廓監視器11，係檢測帶電粒子射束31的輪廓資料；射束解析裝置14，係依據輪廓資料，計算射束輪廓監視器11之射束位置的時間變動量或屬於射束直徑之射束時間變動關聯量；光學參數計算裝置17，係計算射束輸送系統4的光學參數；以及電磁鐵電源15，係依據光學參數計算裝置17所計算之光學參數，設定偏向電磁鐵7及四極電磁鐵8的激磁電流。依據實施形態1之粒子射線治療裝置20，光學參數計算裝置17之特徵在於，依據射束時間變動關聯量，計算屬於在設定於加速器3的射束軌道上之射束輸送系統4的設計起點(起點S)之帶電粒子射束31的動量分散函數η、η’之起點動量分散函數，並計算以起點動量分散函數及檢測出輪廓資料時之照射位置(終點T)之當初條件為初始條件之光學參數，因此即便是從小型化之同步加速器射出之射束，亦可於射束的照射位置(終點T)使射束的色像差幾乎為0，而可更精密度地控制射束的照射位置(終點T)。
實施形態2
在實施形態1中，係說明了以RF掃掠法使帶電粒子射束31從加速器3射束射出時的射束輸送系統4。在實施形態2中，係說明以RF敲除(RF knockout)法使帶電粒子射 束31從加速器3射束射出時之射束輸送系統4。於第1圖之粒子射線治療裝置20的入射系統1、加速器(同步加速器)3、射束輸送系統4中，係以後述之步驟，而得到於照射位置T幾乎沒有色像差(射束不偏動)，且射束直徑不會變大之光學系統。RF敲除法係於同步加速器射出點，於某個時刻使各種能量之粒子混合存在之射出方法。因此RF敲除法係在設計射束輸送系統4的光學系統之起點S之動量分散函數(η x,η x’)、(η y,η y’)，及特維斯(twiss)參數(α x,β x)、(α y,β y)為不明瞭之狀態下，使射束輸送。因此，如第11圖所示可觀測到於照射位置(終點T)因色像差而造成射束直徑變大。藉由實施形態2之設計方法來修正上述時，則入第12圖所示，可於照射位置(終點T)得到較小直徑之射束。
第11圖係顯示本發明實施形態2之射束輸送系統之修正前之射束軌道及射束直徑之圖，第12圖顯示本發明實施形態2之射束輸送系統之修正後之射束軌道及射束直徑之圖。在第11圖、第12圖之上側係將設計射束輸送系統4之光學系統之起點S至終點(照射位置)T以直線狀來顯示。第11圖、第12圖之下側係示意性地以圓來顯示相對於從上側拉出之虛線所示之s軸上的位置之射束直徑。第11圖的射束軌道46a，係式(1)、式(2)之△p/p>0時之射束軌道。第11圖的射束軌道46b，係式(1)、式(2)之△p/p=0時之射束軌道，第11圖的射束軌道46c，係式(1)、式(2)之△p/p<0時之射束軌道。起點S之射束 直徑係符號47a所示之圓的直徑，終點T之射束直徑係符號47g所示之圓的直徑。在從起點S至終點T之間，係以符號47b、47c、47d、47e、47f之圓的直徑來顯示5個射束直徑。
與第11圖同樣地，第12圖的射束軌道48a，係式(1)、式(2)之△p/p>0時之射束軌道。第12圖的射束軌道48b，係式(1)、式(2)之△p/p=0時之射束軌道，第12圖的射束軌道48c，係式(1)、式(2)之△p/p<0時之射束軌道。起點S之射束直徑係符號49a所示之圓的直徑，終點T之射束直徑係符號49g所示之圓的直徑。在從起點S至終點T之間，係以符號49b、49c、49d、49e、49f之圓的直徑來顯示5個射束直徑。
於步驟S11中，由光學參數計算裝置17來算出同步加速器(加速器3)為理想狀態時的光學參數。該光學參數係輸出至機器控制裝置16，機器控制裝置16係依據光學參數計算各電磁鐵的電流值，並將電流值傳送給電磁鐵電源15。電磁鐵電源15係設定射束輸送系統4的電磁鐵(偏向電磁鐵7、四極電磁鐵8)的電流。另外，電磁鐵電源15亦設定輸入系統1與加速器3的電磁鐵(偏向電磁鐵5、四極電磁鐵6)。
於步驟S12中，藉由機器控制裝置16將對應於加速器3之光學參數之指令值傳送至RF加速電源12及電磁鐵電源，並按照該等指令值驅動各裝置(偏向電磁鐵、四極電磁鐵6、加速空洞9、x方向推壓電極)，而使 帶電粒子射束31加速並射出。另外，由於在此係RF敲除法，因此，射出時RF加速電源12的RF頻率不會變化，而藉由使RF敲除電源13驅動並增加橫方向(x方向)之發射率(emittance)，而使帶電粒子射束31射出。另外，發射率係相當於射束在相位空間上之面積。
於步驟S13中，由射束輪廓監視器11a、11b取得從加速器3射出之帶電粒子射束31的在各時間之輪廓資料，並由射束解析裝置14解析射束直徑。輪廓資料的取得時間係從射出開始至射出結束為止之時間，且為第5圖之時間t1至t3之時間。在RF敲除法中，具有某動量範圍之帶電粒子射束31亦同時從加速器3射出。因此，射束直徑係使用式(11)、式(12)、式(13)來計算。
一般而言，藉由以式(11)之矩陣所顯示之輸送矩陣M來輸送射束時，射束的特維斯參數α、β、γ會以式(12)之方式被輸送。再者，被輸送之部分之射束直徑r係以式(13)來顯示。式(12)的右邊之特維斯參數α、β、γ為以輸送行列M來輸送前之參數，式(12)的左邊之特維斯參數α、β、γ則為以輸送矩陣M來輸送後之參數。式(12)之特維斯參數的輸送矩陣Mt的各要素係使用式(11)之輸送矩陣M之要素m11、m12、m13、m21、m22、m23來加以記載。於式(13)中，rx為x方向之射束直徑，ε x係x方向之發射率，β x係x方向之特維斯參數β，η x係x方向之動量分散函數。
於步驟S14中，求出於射束輪廓監視器11a、11b之帶電粒子的光學式。於射束輪廓監視器11a之帶電粒子的光學式係以式(14)、式(17)、式(20)顯示。於射束輪廓監視器11b之帶電粒子的光學式係以式(23)、式(26)、式(29)來顯示。首先，針對於射束輪廓監視器11a之帶電粒子的光學式進行說明。另外，以下所示之式之下標字i係顯示輸入，亦即起點S。以下所示之下標字a係顯示屬於射束輪廓監視器11a之數值，下標字b係顯示屬於射束輪廓監視器11b之數值。下標字x係顯示該變數屬於x方向之值。以下參照圖面說明本發明之實施形態。
式(14)係顯示起點S之特維斯參數α x、 β x、γ x係分別藉由特維斯參數之輸送矩陣Mta以α xa、β xa、γ xa之方式被輸送。特維斯參數的輸送矩陣Mta係式(14)之附加有下標字a之矩陣。在使用使四極電磁鐵6及四極電磁鐵8之激磁變化之輸送矩陣Ma1、Ma2時，亦即使用特維斯參數的輸送矩陣Mta1、Mta2時，x方向之射束的特維斯參數α x、β x、γ x係以式(15)、式(16)之方式被輸送。輸送矩陣Mta1、Mta2係呈現與輸送矩陣Mta同樣之形態。另外，下標字a1係顯示於由輸送矩陣Ma1及輸送矩陣Mta1輸送時之射束輪廓監視器11a之數值，下標字a2係顯示於由輸送矩陣Ma2及輸送矩陣Mta2輸送時之射束輪廓監視器11a之數值。
在射束輪廓監視器11a之輸送矩陣具有與式(11)同樣之各要素時，射束的特維斯參數α、β、γ係以式(14)之方式被輸送。射束輪廓監視器11a之x方向之射束直徑rxa係以式(17)之方式被輸送。β xa係射束輪廓監視器11a之x方向之特維斯參數β，η xa係射束輪廓監視 器11a之x方向之動量分散函數。如式(20)所示，x方向之動量分散函數η xa之起點S之x方向之動量分散函數η x藉由輸送矩陣Ma而輸送為η xa者。
使用使四極電磁鐵6及四極電磁鐵8的激磁變化之輸送矩陣Ma1時，與式(17)同樣地，能以式(18)來顯示射束輪廓監視器11a之x方向的射束直徑rxa1。再者，使用使四極電磁鐵6及四極電磁鐵8的激磁變化之輸送矩陣Ma2時，則與式(17)同樣地，能以式(19)來顯示射束輪廓監視器11a之x方向的射束直徑rxa2。β xa1係以輸送矩陣Mta1所輸送之射束輪廓監視器11a之x方向的特維斯參數β，而η xa1係以輸送矩陣Ma1所輸送之射束輪廓監視器11a之x方向的動量分散函數。β xa2係以輸送矩陣Mta2所輸送之射束輪廓監視器11a之x方向的特維斯參數β，而η xa2係以輸送矩陣Ma2所輸送之射束輪廓監視器11a之x方向的動量分散函數。
式(20)係顯示起點S之x方向的動量分散函數η x及其相對於s方向之斜率之η x’，分別由輸送矩陣Ma而輸送為η xa、η xa’。在使用使四極電磁鐵6及四極電 磁鐵8的激磁變化之輸送矩陣Ma1、Ma2時，係以式(21)、式(22)之方式輸送x方向的動量分散函數η x與相對於s方向之斜率之η x’。
接著，針對射束輪廓監視器11b之帶電粒子的光學式進行說明。射束輪廓監視器11b之帶電粒子的光學式亦與射束輪廓監視器11a之帶電粒子的光學式相同。
式(23)係顯示起點S之x方向特維斯參數α x、β x、γ x係分別由輸送矩陣Mtb而被輸送為α xb、β xb、 γ xb。在使用使四極電磁鐵6及四極電磁鐵8的激磁變化之輸送矩陣Ma1、Ma2時，亦即在使用特維斯參數之輸送矩陣Mtb1、Mtb2時，則x方向之特維斯參數α x、β x、γ x係以式(24)、式(25)之方式被輸送。另外，輸送矩陣Mtb係式(23)之附加有下標字b之矩陣。下標字b1係表示由輸送矩陣Mb1及輸送矩陣Mtb1所輸送時的射束輪廓監視器11b之數值，且下標字b2係表示由輸送矩陣Mb2及輸送矩陣Mtb2所輸送時的射束輪廓監視器11b之數值。
在射束輪廓監視器11b之輸送矩陣Mb具有與式(11)相同之各要素時，射束的特維斯參數α、β、γ係以式(23)之方式被輸送。射束輪廓監視器11b之x方向的射束直徑rxb係顯示如式(26)。β xb係射束輪廓監視器11b之x方向的特維斯參數β，而η xb係射束輪廓監視器11b之x方向的動量分散函數。x方向之動量分散函數η xb係如式(29)所示，起點S之x方向的動量分散函數η x係由輸送矩陣Mb而被輸送為η xb。
在使用使四極電磁鐵6及四極電磁鐵8的激磁變化之輸送矩陣Mb1時，與式(26)同樣地，能以式(27)來顯示射束輪廓監視器11b之x方向的射束直徑rxb1。再者，使用使四極電磁鐵6及四極電磁鐵8的激磁變化之輸送矩陣Mb2時，則與式(26)同樣地，能以式(28)來顯示射束輪廓監視器11b之x方向的射束直徑rxb2。β xb1係以輸送矩陣Mtb1所輸送之射束輪廓監視器11b之x方向的特維斯參數β，而η xb1係以輸送矩陣Ma1所輸送之射束輪廓監視器11b之x方向的動量分散函數。β xb2係以輸送矩陣Mtb2所輸送之射束輪廓監視器11b之x方向的特維斯參數β，而η xb2係以輸送矩陣Mb2所輸送之射束輪廓監視器11b之x方向的動量分散函數。
式(29)係顯示起點S之x方向的動量分散函數η x及其相對於s方向之斜率之η x’，分別由輸送矩陣Mb而輸送為η xb、η xb’。在使用使四極電磁鐵6及四極電磁鐵8的激磁變化之輸送矩陣Mb1、Mb2時，係以式(30)、式(31)之方式輸送x方向的動量分散函數η x與相對於s方向之斜率之η x’。
於步驟S14中，依據上述所示之射束輪廓監視器11a、11b之帶電粒子之光學式及式(32)，來算出起點S之特維斯參數(α xi,β xi,γ xi)動量分散函數(η xi,η xi’)。藉由該等初始條件，終點T之射束直徑不會變大，亦即，藉由光學參數計算裝置17，而算出在由射束輪廓監視器11檢測出之輪廓資料時之照射位置(終點T)中，會與射束直徑相同的光學條件(條件2)之光學參數。將滿足該條件2之光學參數輸出至光學參數計算裝置17。
βiγi-αi 2=1…(32)
於步驟S15中，機器控制裝置16再度對電磁鐵電源15轉送依據屬於條件2之光學參數而來之電流 值，並對各電磁鐵設定預定的電流。
在對各電磁鐵設定了步驟S15之電流值時，則如第11圖、第12圖所示在照射位置(終點T)之射束直徑會變小。在並未將終點T之色像差修正成幾乎為0之狀態中，則在比射束輪廓監視器11b更靠下游側射束直徑亦如圓47d、47f、47g所示比起點S的射束直徑(圓47a)更大。然而，在將終點T之色像差修正為幾乎為0之後，在比射束輪廓監視器11b更靠下游側，射束直徑係如圓49d至49g所示幾乎與起點S的射束直徑(圓49a)大致相同，而在照射位置(終點T)之射束直徑係變得比修正前更小。
實施形態2之射束輸送系統4係於射束的照射位置(終點T)可使射束的色像差幾乎為0，而在藉由RF敲除法將帶電粒子從加速器3射出時，可抑制因色像差所導致之射束直徑變大，而可在照射位置(終點T)得到較小直徑之射束。
實施形態2之射束輸送系統4即便是在小型化之同步加速器之情形，亦可不使用高性能之偏向電磁鐵、四極電磁鐵或六極電磁鐵而使於射束輸送系統4之光學參數設計的起點S之色像差為0，即可在帶電粒子射束31的照射位置使射束的色像差幾乎為0(實質為0)。因此，實施形態2之射束輸送系統4即便是在小型化之同步加速器時，亦不會招致加速器極射束輸送系統的大型化或複雜化，而可抑制加速器及射束輸送系統變得極為昂貴。
實施形態2所示之射束輸送系統4之設計方 法，係在藉由以RF敲除法使電粒子射束從加速器3予以射束射出時之理想的磁場條件而加以設定過之射束輸送系統中，藉由使用以射束輪廓監視器11所檢測出之輪廓資料來測定射束輸送系統4之途中之射束的大小(射束直徑)，而算出屬於射束共用點(起點S)之初始條件的一部份之x方向動量分散函數η x、η x’及y方向動量分散函數η y、η y’做為起點動量分散函數，並將屬於檢測出之輪廓資料時之照射位置(終點T)之當初條件之前述條件2與起點動量分散函數作為初始條件，而設定射束輸送系統4的新的光學參數。藉由應用此設計方法，即便在設置現場調整亦變得容易，且與以往般必須進行數次調整時不同，可比以往更加縮短射束輸送系統的調整時間。
在照射位置(終點T)使帶電粒子射束31之x方向之色像差幾乎為0，並抑制射束尺寸增大時，係配置1台以上往x方向偏向之偏向電磁鐵7，且在該偏向電磁鐵7的上游配置2台以上控制x方向的收斂發散之四極電磁鐵8。在第11圖、第12圖中，偏向電磁鐵7b及四極電磁鐵8a、8b係所需最小限度之偏向電磁鐵7及四極電磁鐵8。再者，在照射位置(終點T)使帶電粒子射束31之y方向之色像差幾乎為0，並抑制射束尺寸增大時，係配置1台以上往y方向偏向之偏向電磁鐵7，且在該偏向電磁鐵7的上游配置2台以上控制y方向的收斂發散之四極電磁鐵8。
在第1圖、第11圖、第12圖中，於射束輸送系統4中雖未記載往y方向偏向之偏向電磁鐵7，惟只 要配置於例如比偏向電磁鐵7b更靠下游測，並將該往y方向偏向之偏向電磁鐵7的上游之2台四極電磁鐵8設為控制往y方向之收斂發散之四極電磁鐵即可。在第1圖之例中，由於將旋繞中之帶電粒子射束31往x方向移動而導入至射束輸送系統4，故可藉由配置於加速器3之偏向電磁鐵5及四極電磁鐵6而使起點S之y方向色像差充分的縮小。因此，在起點S之y方向的色像差較大時，只需配置在照射位置(終點T)使帶電粒子射束31之y方向的色像差幾乎為0，並抑制射束尺寸增大之y方向用的偏向電磁鐵7及四極電磁鐵8即可。
實施形態3
在實施形態1及實施形態2中，係在照射位置(終點T)使帶電粒子射束31之x方向之色像差幾乎為0。在實施形態3中，則說明即便在照射位置並未使帶電粒子射束31之x方向之色像差幾乎為0，在照射位置(終點T)之帶電粒子射束31亦不會往x方向移動之射束輸送系統4。第13圖係顯示本發明實施形態3之射束輸送系統之修正前的射束軌道之圖，第14圖係顯示本發明實施形態3之射束輸送系統之修正後之射束軌道之圖。第13圖係以偏向電磁鐵5n、7c之方式傾斜配置第4圖之偏向電磁鐵5g、7a，並追加控制(steering)電磁鐵18a、18b。第14圖係以偏向電磁鐵5n、7c之方式傾斜配置第5圖之偏向電磁鐵5g、7a，並追加操控電磁鐵18a、18b。另外，在第13圖、第14圖中，係以虛線顯示偏向電磁鐵5g、7a。在第13圖、第14圖中 傾斜配置之偏向電磁鐵5n、7c係顯示產生有偏離設置時之配置之電磁鐵誤差。
在於偏向電磁鐵5n、7c存在有配置誤差時，即便是應用了實施形態1之射束輸送系統4的設計方法或實施形態2之射束輸送系統4之設計方法之射束輸送系統4，亦會如第11圖之射束軌道29a所示，在照射位置(終點T)帶電粒子射束31射往偏離之位置。在實施型態3中，係可藉由追加操控電磁鐵18a、18b，而修正射束輸送系統4的偏向電磁鐵的配置誤差，俾能達到如第14圖之射束軌道29b，從而能夠將照射位置(終點T)之射束位置正確的定位於不會使粒子射線照射裝置58動作之照射位置(等角點)。此時，可在照射位置(終點T)使帶電粒子射束31之x方向的色像差幾乎為0。另外，射束軌道29c係在虛線所示之偏向電磁鐵5g、7a之情形之修正前的射束軌道。射束軌道29d係在虛線所示之偏向電磁鐵5g、7a之情形之修正後之射束軌道。
即便在射束輸送系統4的偏向電磁鐵5n、7c存在有配置誤差，亦能夠達成第14圖之射束軌道29b，此係顯示著，即便於偏向電磁鐵5n、7c並未有配置誤差，而在照射位置(終點T)即便帶電粒子射束31之x方向之色像差有若干較大之情形，亦能夠在照射位置使帶電粒子射束31不會往x方向移動。因此，實施形態3之射束輸送系統4即便在照射位置(終點T)並未使帶電粒子射束31之x方向之色像差幾乎為0，亦可在照射位置(終點T)使帶電粒 子射束31不會往x方向移動，故對於難以調整在照射位置(終點T)之帶電粒子射束31之x方向之色像差時係為有效。
另外，應用實施形態3之射束輸送系統4之粒子射線治療裝置20係於第1圖中將操縱電磁鐵18a、18b追加至第11圖、第12圖所示之位置。
另外，本發明係在其發明之範圍內，可組合各實施形態，或將各實施形態予以適當變形、省略。
1‧‧‧入射系統
2‧‧‧入射器
3‧‧‧加速器
4‧‧‧射束輸送系統
5a‧‧‧偏向電磁鐵
5b‧‧‧偏向電磁鐵
5c‧‧‧偏向電磁鐵
5d‧‧‧偏向電磁鐵
5e‧‧‧偏向電磁鐵
5f‧‧‧偏向電磁鐵
5g‧‧‧偏向電磁鐵
5h‧‧‧偏向電磁鐵
5i‧‧‧偏向電磁鐵
5j‧‧‧偏向電磁鐵
5k‧‧‧偏向電磁鐵
5l‧‧‧偏向電磁鐵
5m‧‧‧偏向電磁鐵
6a‧‧‧四極電磁
6b‧‧‧四極電磁
6c‧‧‧四極電磁
6d‧‧‧四極電磁
6e‧‧‧四極電磁
6f‧‧‧四極電磁
6g‧‧‧四極電磁鐵
6h‧‧‧四極電磁鐵
6i‧‧‧四極電磁鐵
6j‧‧‧四極電磁鐵
6k‧‧‧四極電磁鐵
6l‧‧‧四極電磁鐵
6m‧‧‧四極電磁鐵
6n‧‧‧四極電磁鐵
7‧‧‧偏向電磁鐵
7a‧‧‧偏向電磁鐵
7b‧‧‧偏向電磁鐵
7c‧‧‧偏向電磁鐵
8a‧‧‧四極電磁鐵
8b‧‧‧四極電磁鐵
8c‧‧‧四極電磁鐵
8d‧‧‧四極電磁鐵
8e‧‧‧四極電磁鐵
8f‧‧‧四極電磁鐵
8g‧‧‧四極電磁鐵
8h‧‧‧四極電磁鐵
9‧‧‧加速空洞
10‧‧‧x方向推壓電極
11‧‧‧射束輪廓監視器
11a‧‧‧射束輪廓監視器
11b‧‧‧射束輪廓監視器
12‧‧‧RF加速電源
13‧‧‧RF推壓電源
14‧‧‧射束解析裝置
15‧‧‧電磁鐵電源
16‧‧‧機器控制裝置
17‧‧‧光學參數計算裝置
20‧‧‧粒子射線治療裝置
58‧‧‧粒子射線照射裝置
S‧‧‧起點(設計起點)
T‧‧‧終點(照射位置)

Claims (14)

  1. 一種射束輸送系統，係將從加速器射出之帶電粒子射束輸送至照射位置者，包括：至少1個偏向電磁鐵，係使前述帶電粒子射束偏向；至少2個四極電磁鐵，係使前述帶電粒子射束收斂或發散；至少1個射束輪廓監視器，係檢測前述帶電粒子射束的輪廓資料；射束解析裝置，係依據前述輪廓資料，計算於前述射束輪廓監視器之射束位置的時間變動量或射束直徑之射束時間變動關聯量；光學參數計算裝置，係計算前述射束輸送系統的光學參數；以及電磁鐵電源，係依據前述光學參數計算裝置所計算之前述光學參數，設定前述偏向電磁鐵及前述四極電磁鐵的激磁電流；前述光學參數計算裝置係依據前述射束時間變動關聯量，計算起點動量分散函數，其中，前述起點動量分散函數係於在設定於前述加速器的射束軌道上之前述射束輸送系統的設計起點之前述帶電粒子射束的動量分散函數；並且計算前述光學參數，其中，前述光學參數係以前述起點動量分散函數及檢測出前述輪廓資料時之 前述照射位置之當初條件為初始條件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之射束輸送系統，其中，前述加速器係同步加速器；在藉由供應至設置於前述加速器的加速空洞之高頻電力予以掃掠，而將前述帶電粒子射束從前述加速器予以射出時，前述射束解析裝置係計算前述射束輪廓監視器之前述射束位置的時間變動量，作為前述射束時間變動關聯量。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之射束輸送系統，其中，前述當初條件係包含以下條件：前述照射位置之於前述帶電粒子射束的動量分散函數之終點動量分散函數為0。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之射束輸送系統，其中，前述加速器係同步加速器；在對設置於前述加速器之推壓電極供應高頻電力，使位於前述帶電粒子射束的旋繞面上且與前述帶電粒子射束的行進方向垂直之方向的發射率變大，而藉此使前述帶電粒子射束從前述加速器射出時，前述射束解析裝置係計算前述射束輪廓監視器之前述射束直徑，作為前述射束時間變動關聯量。
  5. 如申請專利範圍第1項或第4項所述之射束輸送系統，其中，前述當初條件係包含有前述照射位置之前述帶電粒子射束的前述射束直徑的設計條件。
  6. 如申請專利範圍第1、2、4項中任一項所述之射束輸送系統，更包括：操控電磁鐵，係修正前述偏向電磁鐵的配置誤差。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之射束輸送系統，更包括：操控電磁鐵，係修正前述偏向電磁鐵的配置誤差。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之射束輸送系統，更包括：操控電磁鐵，係修正前述偏向電磁鐵的配置誤差。
  9. 一種粒子射線治療裝置，係包括：加速器，係加速帶電粒子射束；射束輸送系統，係將從前述加速器射出之前述帶電粒子射束輸送至照射位置；以及粒子射線照射裝置，係配置於前述射束輸送系統的下游測，並以將前述帶電粒子射束形成所期望之照射區之方式，對照射對象進行照射；其中，前述射束輸送系統係申請專利範圍第1、2、4項所述之射束輸送系統。
  10. 一種粒子射線治療裝置，係包括：加速器，係加速帶電粒子射束；射束輸送系統，係將從前述加速器射出之前述帶電粒子射束輸送至照射位置；以及粒子射線照射裝置，係配置於前述射束輸送系統的下游測，並以將前述帶電粒子射束形成所期望之照射區之方式，對照射對象進行照射；其中，前述射束輸送系統係申請專利範圍第3項所述之 射束輸送系統。
  11. 一種粒子射線治療裝置，係包括：加速器，係加速帶電粒子射束；射束輸送系統，係將從前述加速器射出之前述帶電粒子射束輸送至照射位置；以及粒子射線照射裝置，係配置於前述射束輸送系統的下游測，並以將前述帶電粒子射束形成所期望之照射區之方式，對照射對象進行照射；其中，前述射束輸送系統係申請專利範圍第5項所述之射束輸送系統。
  12. 一種粒子射線治療裝置，係包括：加速器，係加速帶電粒子射束；射束輸送系統，係將從前述加速器射出之前述帶電粒子射束輸送至照射位置；以及粒子射線照射裝置，係配置於前述射束輸送系統的下游測，並以將前述帶電粒子射束形成所期望之照射區之方式，對照射對象進行照射；其中，前述射束輸送系統係申請專利範圍第6項所述之射束輸送系統。
  13. 一種粒子射線治療裝置，係包括：加速器，係加速帶電粒子射束；射束輸送系統，係將從前述加速器射出之前述帶電粒子射束輸送至照射位置；以及粒子射線照射裝置，係配置於前述射束輸送系統 的下游測，並以將前述帶電粒子射束形成所期望之照射區之方式，對照射對象進行照射；其中，前述射束輸送系統係申請專利範圍第7項所述之射束輸送系統。
  14. 一種粒子射線治療裝置，係包括：加速器，係加速帶電粒子射束；射束輸送系統，係將從前述加速器射出之前述帶電粒子射束輸送至照射位置；以及粒子射線照射裝置，係配置於前述射束輸送系統的下游測，並以將前述帶電粒子射束形成所期望之照射區之方式，對照射對象進行照射；其中，前述射束輸送系統係申請專利範圍第8項所述之射束輸送系統。
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