WO2013129194A1

WO2013129194A1 - 小型・軽量ガントリおよびこれを用いた粒子線治療装置

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Publication number: WO2013129194A1
Application number: PCT/JP2013/054068
Authority: WO
Inventors: 文章野田; 貴啓山田
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2013-09-06
Also published as: JP2013176490A; CN104105527A; US9084889B2; EP2821102A1; JP5872328B2; EP2821102A4; US20150083927A1; EP2821102B1; CN104105527B

Abstract

大照射野の形成が可能で、かつガントリの小型・軽量化に好適な機器構成、配置を提供する。ビーム軌道を偏向させる偏向電磁石（１０３）と、第一の方向である水平方向にビーム軌道を走査する第一走査電磁石である水平方向走査電磁石（３０１、３０２）と、第二の方向である垂直方向にビーム軌道を走査する第二走査電磁石である垂直方向走査電磁石（４０１）とを有するガントリにおいて、水平方向走査電磁石（３０１、３０２）を複数備え、水平方向走査電磁石（３０１、３０２）の位相差を１８０ｎ度±θとしたとき、θが９０度以下となるように配置され、偏向電磁石（１０３）が複数の水平方向走査電磁石（３０１、３０２）の間に配置されている。

Description

小型・軽量ガントリおよびこれを用いた粒子線治療装置

　本発明は大照射野の形成が可能で、かつ小型・軽量な粒子線治療用ガントリの実現に好適な機器構成・配置に関する。

　近年、がん治療法の一つとして、低侵襲で体に負担が少なく、治療後の生活の質が高く維持できる放射線治療が注目されている。その中でも、シンクロトロンやサイクロトロン、線形加速器等の加速器で加速した陽子や炭素などの荷電粒子ビームを用いた粒子線治療システムが、患部への優れた線量集中性のため有望視されている。

　前記加速器で加速したビームを患者に照射するにあたり、患部への線量集中性向上や重要臓器への照射線量低減を実現する手段として、任意方向から粒子線が照射可能な回転ガントリを用いた照射が効果的である。そのためには荷電粒子を偏向させる必要があるが、高エネルギーの陽子やヘリウム、炭素といったさらに重いイオンを所望の照射野サイズが得られるように偏向させるためには電磁石が大型化する傾向にある。また照射可能範囲の拡大に対する要求も強まる傾向にあり、さらなる電磁石の大型化につながる。そのため回転ガントリを用いて大きな照射野の形成が可能でかつガントリの小型化・軽量化の実現が望まれている。

特開２００４－１２１６５４号公報

"GANTRY STUDIES FOR THE PROPOSED HEAVY ION CANCER THERAPY FACILITY IN HEIDELBERG"，Proceedings of EPAC 2000, p2551-2553, Vienna, Austria

　照射野サイズを大きくする場合には、走査電磁石の巨大化やガントリの回転半径の増大を招く。非特許文献１には走査電磁石の巨大化を抑制しつつガントリの回転半径を小さくできる技術が開示されているが、一方で最終電磁石の巨大化は避けられない。

　本発明の目的は、電磁石の大型化を抑制しつつ大きな照射野の形成が可能なガントリを実現することにある。

　ビーム軌道を偏向させる偏向電磁石と、第一の方向にビーム軌道を走査する第一走査電磁石と、第二の方向にビーム軌道を走査する第二走査電磁石とを有するガントリにおいて、前記第一走査電磁石を複数備え、前記複数の第一走査電磁石は位相差を１８０ｎ度±θ（ｎは自然数）としたとき、θが９０度以下となる位置に配置され、前記偏向電磁石が前記複数の第一走査電磁石の間に配置されていることを特徴とする。

　本発明によれば、電磁石の大型化を抑制しつつ大きな照射野の形成が可能なガントリを実現できる。

ビームの振動について説明した図である。この発明の特徴を従来例と比較した図である。比較例１であるガントリの構成を示した図である。比較例２であるガントリの構成を示した図である。この発明の好適な一実施例（実施例１）であるガントリの構成を示した図である。この発明の好適な一実施例（実施例２）であるガントリの構成を示した図である。この発明の好適な一実施例（実施例３）であるガントリの構成を示した図である。粒子線治療システムを示した図である。走査電磁石間の位相差と軌道変位との関係を示した図である。走査電磁石間の位相差と軌道変位との関係を示した図である。

　図３にビームの軌道を走査して照射する比較例１の回転ガントリを示す。照射ガントリはビーム軌道を偏向させる偏向電磁石１０１、１０２、１０３、ビームを収束・発散させる四極電磁石２０１、ビームを水平方向に走査する水平方向走査電磁石３０１、垂直に走査する垂直方向走査電磁石４０１を備える。走査電磁石３０１、４０１は最終偏向電磁石１０３の下流側に配置し、患部に合わせてビームを走査（時間的に走査電磁石の励磁量を変化させてビームの照射位置を変化）する。この場合、高エネルギーの陽子や、ヘリウムや炭素といったさらに重いイオンの照射を行う場合や、照射野サイズ（ビームを走査可能な面積）を大きくするには、走査電磁石３０１、４０１の磁場強度を大きくする、もしくは走査電磁石と照射位置の距離を長くする必要がある。しかし、高速でビームを走査する走査電磁石で偏向角を大きくすることには限界がある。また走査電磁石と照射位置の距離を長くするとガントリの回転半径が大きくなる。

　これらの課題を解決する案として非特許文献１では走査電磁石３０１、４０１を最終偏向電磁石１０３の上流側に設置する例が記載されている。この文献に記載のガントリの機器配置を比較例２として図４に示す。この場合、走査電磁石３０１、４０１と照射点との距離が確保でき走査電磁石の偏向角度を小さくでき、またガントリの回転半径も小さくすることが可能である。しかし、一方で最終偏向電磁石１０３の上流でビームを走査するため、最終偏向電磁石１０３の領域でビームの軌道が変位する。すなわち偏向電磁石１０３は広い領域で磁場を発生させる必要があり、結果として電磁石が大型化することになる。以下、大きな照射野の形成が可能でかつ電磁石の大型化を抑制し、小型化・軽量なガントリの実現が可能な実施例について説明する。

　具体的な実施例の説明に入る前に、各実施例での照射野形成について図１、図２で説明する。まず一般論として四極電磁石（四極磁場成分を有する電磁石を含む）を含むビーム光学系において、ある１点でビームに中心軌道からずれるような磁場（偏向磁場）を与えた場合のビームの軌道変化について図１を用いて説明する。Ａ点でビームを偏向した場合、図１に示すようにビーム軌道はＢ点で最大変位となり、その後、変位は小さくなり、Ｃ点で一旦変位がゼロとなる。その後ビームの変位は再び逆方向に大きくなり、Ｄ点で変位の符号がＢ点と逆符号で最大となり、再びＥ点でゼロに戻る。このようにビームの変位量は振動することから、１周期を３６０度とした位相で表すことができる。

　次に図２を用いて粒子線治療の照射野を形成する場合について説明する。図４に示した回転ガントリの比較例２では照射点（患者の位置）が図１のＢ点近傍になるように光学系を設計する。すなわち図２（ａ）に示すように、Ａ点でビームを走査して、照射点で最大変位となるように光学系の設計を行う。一方、各実施例では図２（ｂ）に示すように同一方向（水平もしくは垂直方向）の走査電磁石を２台に分割し、２番目の走査電磁石をＣ点（Ａ点を基準として位相が１８０度の位置）に配置する。かつ２番目の走査電磁石（下流側走査電磁石）の偏向方向を１番目の走査電磁石（上流側走査電磁石）の偏向方向と逆方向とする。これによりビームの変位はＤ点で最大となり、その変位量は１番目の走査電磁石と２番目の走査電磁石による変位の重ね合わせで表される。

　各実施例によれば、照射点（Ｄ点近傍）におけるビームの変位は１番目の走査電磁石と２番目の走査電磁石による重ね合わせとなることから、照射点で同じ変位を得るために必要な１番目の走査電磁石の偏向量を小さくできる。これは１番目の走査電磁石と２番目の走査電磁石の間に設置される偏向電磁石部分でのビーム軌道変位を小さくできることを意味する。すなわち１番目の走査電磁石と２番目の走査電磁石の間に設置される偏向電磁石偏のサイズ・重量を小型・軽量化でき、小型・軽量なガントリの提供が可能となる。言い換えれば比較例と同じサイズの電磁石を用いた場合、比較例と比較して照射野サイズを大きくできる。

　以下、図５を用いて、本発明の第１の実施形態による粒子線治療用ガントリの構成について説明する。

　粒子線照射ガントリはビームをさせる偏向電磁石１０１～１０３と水平方向にビーム軌道を走査する水平方向走査電磁石３０１、３０２、垂直方向にビーム軌道を走査する垂直方向走査電磁石４０１ならびにそれぞれの電磁石を励磁する電源、制御系（図示せず）を備える。

　前記のとおり水平方向走査電磁石は２台で構成し、上流側水平方向走査電磁石３０１と下流側水平方向走査電磁石３０２間の位相差が１８０度となる位置に配置し、下流側水平方向走査電磁石３０２の偏向方向は上流側水平方向走査電磁石３０１の偏向方向とは逆方向とする。この場合、照射位置におけるビームの変位は走査電磁石３０１、３０２の重ね合わせとなる。また下流側走査電磁石３０２におけるビームの変位も小さくできることから下流側水平方向走査電磁石３０２の大型化も避けることができる。

　偏向電磁石１０３は水平方向走査電磁石３０１と３０２の間に配置する。照射位置での変位は前述のとおり走査電磁石３０１、３０２の重ね合わせとなることから、各々の走査電磁石３０１、３０２による変位量を調整することが可能で、１台の走査電磁石で構成した比較例２の１／２とした場合、上流側水平方向走査電磁石３０１の偏向角は半分程度に抑えることができる。これは偏向電磁石１０３領域における軌道変位が比較例の半分程度に抑制できることを意味し、偏向電磁石１０３の小型・軽量化が可能となる。すなわち必要な照射野サイズを確保しながら偏向電磁石の小型化・軽量化が図れる。

　言い換えれば比較例と同じ良磁場領域の偏向電磁石を用いた場合、照射野サイズを２倍程度拡げることが可能となる。

　上流側水平方向走査電磁石３０１と下流側水平方向走査電磁石３０２間の位相差は走査電磁石３０１、３０２間に配置する四極電磁石２０１、偏向電磁石１０３のエッジ角度もしくはｎ値もしくは二極、四極複合型であればその四極磁場成分強度等を調整すればよい。

　また、水平方向走査電磁石３０１と３０２は同一電源で直列励磁し、走査電磁石３０１と３０２で逆方向に励磁するため、コイルに流れる電流は逆向きになるように接続する。これにより走査電磁石電源１台で本発明の目的を達成でき、かつ電磁石間の同期も容易にとることができる。

　本実施例では水平方向のビーム走査の場合について説明したが、垂直方向であっても同様の効果を得ることができる。

　また本実施例では回転ガントリを対象として説明したが、固定ガントリであっても効果は同じである。

　以下、図６を用いて、本発明の第２の実施形態による粒子線治療用ガントリの構成について説明する。

　粒子線照射ガントリはビームをさせる偏向電磁石１０１～１０４と水平方向にビーム軌道を走査する水平方向走査電磁石３０１、３０２、垂直方向にビーム軌道を走査する垂直方向走査電磁石４０１ならびにそれぞれの電磁石を励磁する電源、制御系（図示せず）を備える。

　前記のとおり水平方向走査電磁石は２台で構成し、上流側水平方向走査電磁石３０１と下流側水平方向走査電磁石３０２間の位相差が１８０度となるように配置する。

　実施例２では実施例１で示した偏向電磁石１０３を複数台に分割する。ここでは２台の偏向電磁石１０３、１０４に分割した例を示す。前記偏向電磁石１０３は水平方向走査電磁石３０１と３０２の間に配置し、偏向電磁石１０４は水平方向走査電磁石３０２の下流側に配置する。このような配置とすることで実施例１と同様に必要な照射野サイズを確保しながら偏向電磁石の小型化・軽量化が図れるとともに最終偏向電磁石１０４出口から照射点の距離を短くでき、ガントリの回転半径を小さくできる。

　本実施例では水平方向のビーム走査の場合について説明したが、垂直方向であっても同様に本発明の効果を得ることができる。

　以下、図７を用いて、本発明の第３の実施形態による粒子線治療用ガントリの構成について説明する。

　粒子線照射ガントリはビームをさせる偏向電磁石１０１～１０４と水平方向にビーム軌道を走査する水平方向走査電磁石３０１、３０２、垂直方向走査電磁石４０１、４０２ならびにそれぞれの電磁石を励磁する電源、制御系（図示せず）を備える。

　水平方向走査電磁石ならびに垂直方向走査電磁石は各２台で構成し、上流側水平方向走査電磁石３０１と下流側水平方向走査電磁石３０２間の位相差、ならびに上流側垂直方向走査電磁石４０１と下流側垂直方向走査電磁石４０２間の位相差がそれぞれ１８０度となるように配置する。

　この際、下流側水平方向走査電磁石３０２と下流側垂直方向走査電磁石４０２は隣接させて配置することで下流側走査電磁石３０２、４０２位置でのビーム変位量が小さくでき、下流側走査電磁石の磁極幅、磁極間隔の大型化を抑制することが可能となる。

　走査電磁石間の位相差は走査電磁石間に配置する四極電磁石２０１、偏向電磁石１０３のエッジ角度もしくはｎ値もしくは二極、四極複合型であればその四極磁場成分強度等を調整すればよい。

　また、水平方向走査電磁石３０１と３０２、ならびに垂直方向走査電磁石４０１と４０２はそれぞれ同一電源で直列励磁し、走査電磁石３０１と３０２、４０１と４０２で逆方向にビームを偏向するため、コイルに流れる電流が逆向きになるように接続する。これにより走査電磁石電源は水平、垂直各１台で本発明の目的を達成でき、かつ電磁石間の同期も容易にとれる。

　以上説明した各実施例のガントリは、ビーム軌道を偏向させる偏向電磁石１０３と、第一の方向である水平方向にビーム軌道を走査する第一走査電磁石である水平方向走査電磁石３０１、３０２と、第二の方向である垂直方向にビーム軌道を走査する第二走査電磁石である垂直方向走査電磁石４０１とを有するガントリにおいて、水平方向走査電磁石３０１、３０２を複数備え、水平方向走査電磁石３０１、３０２の位相差が１８０度の自然数倍となるように配置され、偏向電磁石１０３が複数の水平方向走査電磁石３０１、３０２の間に配置されている。このような構成により、複数の第一走査電磁石によるビームの変位の重ね合わせを利用することで、磁石の大型化を抑制しつつ大きな照射野の形成が可能なガントリを実現できる。

　なお、ここでは第一の方向を水平方向、第二の方向を垂直方向として説明したが、これは逆でも同様の効果を得ることができる。第一の走査電磁石に加えて第二の走査電磁石をも複数備え、位相差が１８０度の自然数倍となる位置に配置され、偏向電磁石１０３が複数の第二走査電磁石の間に配置されるようにすると、磁石の大型化抑制効果や大きな照射野を得られる効果はさらに高まる。

　この際、ビーム軌道における下流側の第一走査電磁石、第二走査電磁石である水平方向走査電磁石３０２と垂直方向走査電磁石４０２とは隣接させればこれらの電磁石位置でのビーム変位量を小さくでき、大型化を抑制することができる。なおここで言う隣接とは、水平方向走査電磁石３０２と垂直方向走査電磁石４０２間に別の電磁石が存在しない配置を意味する。

　複数の第一の走査電磁石の間にある偏向電磁石１０３に加え、ビーム軌道における下流側の第一走査電磁石である水平走査電磁石３０２または垂直走査電磁石４０２のさらに下流に、第二の偏向電磁石である偏向電磁石１０４を備えると、偏向電磁石１０４から照射対象までの距離を短くすることができるためガントリの回転半径を小さくでき、ガントリの小型化が可能になる。

　各実施例で説明したガントリは、図８で示すようにビームを加速する加速器５００と、ビームを照射する照射装置７００と、加速器で加速されたビームを照射装置に輸送する輸送手段６００を有する粒子線治療装置における、輸送手段の一部として用いられるものである。各実施例のガントリを利用することで、粒子線治療装置全体としての小型化、価格低減効果も得られる。

　この粒子線治療装置の制御装置は、ビーム軌道における上流側の第一走査電磁石３０１、４０１と下流側の第一走査電磁石３０２、４０２の偏向方向を逆方向になるように制御可能なものである。この制御で第一走査電磁石ビームの変位を重ね合わせることができる。

　この粒子線治療装置の偏向電磁石１０３の上流側と下流側に配置された第一走査電磁石が、コイルに流れる電流が逆向きに流れるように同一の電源に接続されていれば、各走査電磁石に個別に電源を用意する必要がなくなる。また、電磁石間の同期も容易に取ることができるようになる。

　各実施例では、二つの走査電磁石３０１、３０２間の位相差を１８０度の自然数倍としたが、１８０度の自然数倍からある程度ずれている、すなわち位相差が１８０ｎ度±θとした場合にこのθが０度でなくとも同種の効果を得ることが可能である（ｎは自然数、θは０以上とする。）。この点につき、図９、図１０を用いて説明する。

　図９、図１０は、各実施例のガントリ走査電磁石間の位相差を１８０ｎ度±θとした場合のθと軌道変位ｘとの関係を示す図である。図９（ａ）はビームの振動を単振動モデルで単純化し、各位置Ａ～Ｄでのビーム位置ｘと各点での角度ｄｘ／ｄｓをｘ－ｄｘ／ｄｓ平面に図示したものである。各実施例は図９（ａ）に示すように上流側第一走査電磁石３０１と下流側第一走査電磁石３０２間の位相差を１８０度とした場合に相当する。この場合Ｄ点における軌道変位ｘの絶対値を大きくする効果が最も大きい。（ｂ）はＢ点の上流側であるθ＝４５度の位置に下流側走査電磁石３０２を配置した場合である。この場合、上流側走査電磁石３０１のみで偏向させた場合よりＤ′点における軌道変位はむしろ小さくなる。（ｃ）～（ｅ）ではＤ′点におけるビームの変位は上流側走査電磁石３０１のみで偏向させた場合より大きくなり、下流側走査電磁石３０２により上流側走査電磁石３０１とは逆方向に偏向させた効果を得ることができる。このように各実施例の効果は位相差１８０度に限定されるものではなく、上記θが一定の範囲内の場合に得られるものである。

　上記効果とθの範囲との関係を、図１０を用いて定量的に示す。実際のビームの振動は単純な単振動ではないが、ここでは単振動と仮定して説明する。

　上流側走査電磁石３０１と下流側走査電磁石３０２の偏向角の絶対値を同じ（ともにｒ）した場合、第一、第二の走査電磁石の合成した偏向角ｒ′は式（１）で示され、θの関数としてプロットすると図１０（ｂ）で示す形となる。

　すなわち下流側水平走査電磁石３０２を配置する位置は上流側水平走査電磁石３０１からの位相が１８０度±１２０度、すなわちθが１２０度以下であれば上記効果が得られる。ただしθが１２０度や１１０度の場合には、この効果はほんのわずかしか得られない。

　各実施例の、電磁石の大型化を抑制しつつ大きな照射野の形成が得られる効果を最大限得るためには、下流側の走査電磁石３０２による偏向の効果が１００％（ｒ′＝２.０ｒ）となるようにθを０とするのが望ましい。各磁石の設置の制約等の要因を考慮しつつも大きな偏向効果（９０％、ｒ′＝１.９ｒ程度）を得たい場合にはθを４５度以下とすれば良い。その他の制約が大きいが、偏向効果は最低限（５０％、ｒ′＝１.５ｒ程度）得たい場合には、θは９０度以下とする。偏向効果とその他制約とのバランスをとる場合には、偏向効果を７５％（ｒ′＝１.７５ｒ）程度に設定してθは６０度以下とするのが良い。

　なお上記では水平走査電磁石３０１と３０２の位相差１８０ｎ度±θについて説明したが、垂直方向電磁石４０１、４０２の位相差１８０ｎ度±θについても、θに関し同様な説明が成り立つのは明らかである。

　各実施例では走査電磁石３０１、３０２、４０１、４０２の位置について説明たが、これはビームの流れ方向に沿った方向において、各走査電磁石の中心位置を意味するものとして説明したものである。

　最後に本発明の説明のため、特許文献１と図５で示した実施例１との相違点を解説する。まずは特許文献１のガントリの概要について説明する。

　特許文献１には、水平方向走査電磁石で偏向されたビームが焦点を結ぶ位置（位相で１８０度下流側）に垂直方向電磁石を配置した例を比較対象とし、これに対する改善を提案する発明が開示されている。具体的には上流側から下流側に向かって、上流側水平走査電磁石、偏向電磁石、下流側水平走査電磁石、垂直走査電磁石の順かつ下流側水平走査電磁石の下流で焦点を結ぶように配置している。垂直走査電磁石は焦点に配置されている。この配置により、下流側水平走査電磁石の働きでビーム位置のずれを小さくでき、偏向電磁石を小型化できるとされている。下流側水平走査電磁石の下流で焦点を結ぶ必要があるため、上流側水平走査電磁石と下流側水平走査電磁石の位相差は９０度未満でなければならない。位相差が９０度以上であると偏向電磁石の小型化効果が得られないからである。

　一方、図５で示した本願の実施例１は、上流側水平走査電磁石３０１、偏向電磁石１０３、下流側水平走査電磁石３０２の順で並んでいるが、下流側水平走査電磁石３０２は焦点付近にあるのが望ましい。また、最低限（５０％、ｒ′＝１.５ｒ程度）の偏向効果を得るためには位相差を１８０ｎ度±θと表すとθは９０度以下とする必要がある。

　このように、特許文献１ではビーム位置のずれを小さくして変更電磁石を小型化することを目的としているため、θは９０度未満にする必要がある。これに対し、本願の各実施例はビーム変位の重ねあわせ効果を最低限利用するためにθを９０度以下にする必要がある。このように両者は走査電磁石の配置に着目している点で共通しているが、その思想や構成は異なる。

１０１～１０４　偏向電磁石
２０１　四極電磁石
３０１、３０２、４０１、４０２　走査電磁石
５００　加速器
６００　輸送手段
７００　照射装置

Claims

　ビーム軌道を偏向させる偏向電磁石と、第一の方向にビーム軌道を走査する第一走査電磁石と、第二の方向にビーム軌道を走査する第二走査電磁石とを有するガントリにおいて、
　前記第一走査電磁石を複数備え、前記複数の第一走査電磁石は位相差を１８０ｎ度±θ（ｎは自然数）としたとき、θが９０度以下となる位置に配置され、前記偏向電磁石が前記複数の第一走査電磁石の間に配置されていることを特徴とするガントリ。
　請求項１のガントリにおいて、
　前記第二走査電磁石を複数備え、前記複数の第二走査電磁石は位相差を１８０ｎ度±θ（ｎは自然数）としたとき、θが９０度以下となる位置に配置され、前記偏向電磁石が前記複数の第二走査電磁石の間に配置されていることを特徴とするガントリ。
　請求項２のガントリにおいて、
　前記ビーム軌道における下流側の前記第一走査電磁石と前記第二走査電磁石とが隣接していることを特徴とするガントリ。
　請求項１から３の何れかのガントリにおいて、
　前記ビーム軌道における下流側の前記第一走査電磁石のさらに下流に、第二の偏向電磁石を備えたことを特徴とするガントリ。
　請求項１から４の何れかのガントリにおいて、
　θが４５度以下であることを特徴とするガントリ。
　ビームを加速する加速器と、ビームを照射する照射装置と、前記加速器で加速されたビームを前記照射装置に輸送する輸送手段を有する粒子線治療装置において、
　前記輸送手段が、ビーム軌道を偏向させる偏向電磁石と、第一の方向にビーム軌道を走査する複数の第一走査電磁石と、第二の方向にビーム軌道を走査する第二走査電磁石とを有し、前記複数の第一走査電磁石の位相差を１８０ｎ度±θ（ｎは自然数）としたとき、θが９０度以下となる位置に配置され、前記偏向電磁石が前記複数の第一走査電磁石の間に配置されたガントリを備えることを特徴とする粒子線治療装置。
　請求項６の粒子線治療装置において、
　前記ビーム軌道における上流側の前記第一走査電磁石と下流側の前記第一走査電磁石の偏向方向を逆方向になるように制御する制御装置を備えたことを特徴とする粒子線治療装置。
　請求項６または７の粒子線治療装置において、
　前記偏向電磁石の上流側と下流側に配置された第一走査電磁石が、コイルに流れる電流が逆向きに流れるように同一の電源に接続されたことを特徴とする粒子線治療装置。