WO2022079993A1 - 荷電粒子線の入射装置及びその入射方法 - Google Patents

Abstract

異なる複数の核種を併用して荷電粒子線を照射する際に、各々の核種の粒子数及びエネルギを最適化させて前段加速し、主加速器に入射させる技術を提供する。　荷電粒子線の入射装置（１０）は、第１核種イオン（３１）を発生させる第１イオン源（１１）と、発生した第１核種イオン３１を線形加速させて第１荷電粒子線（４１）にする第１線形加速器（２１）と、第２核種イオン（３２）を発生させる第２イオン源（１２）と、発生した第２核種イオン（３２）を線形加速させて第２荷電粒子線（４２）にする第２線形加速器（２２）と、第１荷電粒子線（４１）及び第２荷電粒子線（４２）のいずれか一方を主加速器（２０）のインフレクタ（２５）に入射させる切替電磁石（１５）と、を備えている。

Description

荷電粒子線の入射装置及びその入射方法

　本発明の実施形態は、荷電粒子線を前段加速し主加速器に入射させる技術に関する。

　放射線による癌治療法の一つである粒子線治療は、水素の原子核である陽子や炭素イオン等の重粒子を加速器で光速の約７０％まで加速し腫瘍に集中照射する。この粒子線治療は、治療に伴う痛みが無く、他の放射線治療と比較して副作用が少ないため、治療と社会生活を両立して生活の質（ＱｏＬ：Quality of Life）を維持することができる最先端の治療法として注目されている。

　そして、粒子線照射による治療効果の向上を目的として、核種の異なる荷電粒子線を併用して腫瘍に照射させることが検討されている。具体的には、陽子線と重粒子線の併用、二種類以上の重粒子線（炭素、ヘリウム、酸素、ネオン等）の併用が検討されている。

特開２０１５－０８４８８６号公報

　しかし、核種の異なる荷電粒子線を併用して照射を行う場合、次のような課題が存在した。炭素線と陽子線を併用して照射する場合、同一の吸収線量を得るのに必要な粒子数は、炭素に対し陽子は一桁以上多くなる。このために、炭素線用の線形加速器を共用して陽子線の前段加速を行う場合、荷電粒子線に含まれる陽子の粒子数が不十分となる。また線形加速器を共用することで、炭素と陽子が同じエネルギで円形加速器（シンクロトロン）に入射すると、空間電荷効果により、陽子線の蓄積粒子数が少なくなってしまう。

　本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、異なる複数の核種を併用して荷電粒子線を照射する際に、各々の核種の粒子数及びエネルギを最適化させて前段加速し、主加速器に入射させる技術を提供することを目的とする。

本発明の第１実施形態に係る荷電粒子線の入射装置が採用された加速器システムの全体構成図。 第２実施形態に係る荷電粒子線の入射装置を示す構成図。 実施形態に係る荷電粒子線の入射方法を説明するフローチャート。

（第１実施形態）
　以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る荷電粒子線の入射装置１０ａ（１０）が採用された加速器システム４０の全体構成図である。このように加速器システム４０は、大きく入射装置１０、主加速器２０及びビーム輸送系３０に分類される。

　このように入射装置１０ａは、第１核種イオン３１を発生させる第１イオン源１１と、発生した第１核種イオン３１を線形加速させて第１荷電粒子線４１にする第１線形加速器２１と、第２核種イオン３２を発生させる第２イオン源１２と、発生した第２核種イオン３２を線形加速させて第２荷電粒子線４２にする第２線形加速器２２と、第１荷電粒子線４１及び第２荷電粒子線４２のいずれか一方を主加速器２０のインフレクタ２５に入射させる切替電磁石１５と、を備える。

　第１実施形態において、第１核種イオン３１は陽子（水素）で、第２核種イオン３２は重粒子（水素より重い核種の多価イオン）である。この重粒子としては、炭素、ヘリウム、酸素、ネオン等が挙げられる。電子が全て剥ぎ取られたフル・ストリップ状態の炭素イオン¹²Ｃ⁶⁺は、荷電質量比は１／２となる。なお、上述したヘリウムイオン⁴Ｈｅ²⁺、酸素イオン¹⁶Ｏ⁸⁺、ネオンイオン²⁰Ｎｅ¹⁰⁺もフル・ストリップ状態では同様に荷電質量比は１／２となる。

　第１イオン源１１及び第２イオン源１２は、ＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance)イオン源、ＰＩＧ(Penning Ionization Gauge)イオン源といった高周波（マイクロ波を含む）照射型の他に、レーザ照射型のイオン源等が挙げられる。しかし、これらに限定されることはなく、第１核種イオン３１及び第２核種イオン３２を効率的に生成することができるものであれば、適宜採用される。

　ＥＣＲイオン源では、電子サイクロトロン共鳴現象を利用し、中性原子を電離してプラズマ状態にする。ＥＣＲイオン源に、原料ガスを導入し、外部からマイクロ波を加えると、電離生成した電子が磁場によって閉じ込められ、この高エネルギの電子が、さらにイオンや原子に衝突して電子をはじき出すことを繰り返し、多価イオンを生成する。

　陽子を発生させる第１イオン源１１では、原料として水素ガスを導入し水素原子核（陽子）¹Ｈ⁺を生成させる。この陽子¹Ｈ⁺は、質量数Ａが１で価数Ｚが１であるために荷電質量比は１である。なお、陽子線として水素分子イオンＨ₂ ⁺が採用される場合は、質量数Ａが２で価数Ｚが１であるために荷電質量比は１／２である。炭素の重粒子を発生させる第２イオン源１２では、原料のメタンガス（ＣＨ₄）を真空チャンバ内でプラズマ化して、炭素イオン¹²Ｃ⁴⁺を生成させる。この炭素イオン¹²Ｃ⁴⁺は、質量数Ａが１２で価数Ｚが４であるために荷電質量比は１／３である。

　このように荷電質量比は、炭素が１／３に対して陽子は１である。このことを利用して第１荷電粒子線（陽子線）を線形加速する第１線形加速器２１は、第２荷電粒子線（炭素線）を線形加速する第２線形加速器２２よりも小型化できる。さらに第１線形加速器２１及び第２線形加速器２２がそれぞれ別々であることにより、炭素線よりも陽子線の粒子数を多くすることや核子あたりのエネルギを高めることができる。これにより、炭素線の照射と陽子線の照射とによる単位時間当たり吸収線量を互いに等しくすることができる。

　線形加速器２１，２２は、高周波四重極（ＲＦＱ：Radio Frequency Quadrupole）線形加速器２１ａ，２２ａと、ドリフトチューブ線形加速器（ＤＴＬ：drift tube linac）２１ｂ，２２ｂと、から構成され、核種イオン３１，３２を加速して荷電粒子線４１，４２として出力する。

　ＲＦＱ２１ａ，２２ａは、イオン源１１，１２の下流側に接続され、高周波により四重極の電場を形成する４枚の電極（図示略）を備えている。ＲＦＱ線形加速器２１ａ，２２ａは、イオン源１１，１２からの核種イオン３１，３２に対し、四重極の電場により加速と収束とを同時に行う。

　ＤＴＬ２１ｂ，２２ｂは、ＲＦＱ２１ａ，２２ａの後段に接続され、高周波により中心軸に沿う電場を形成する電極（図示略）と、中心軸に沿って各々離れて配置されたドリフトチューブ（図示略）と、を備えている。ＤＴＬ２１ｂ，２２ｂは、電場が中心軸に平行な進行方向に向かう期間において、荷電粒子線４１，４２を加速させ、電場が進行方向とは逆に向かう期間において、荷電粒子線４１，４２をドリフトチューブの中に通過させることにより、荷電粒子線４１，４２を段階的に加速させる。このように線形加速器２１，２２は、イオン源１１，１２から入射した核種イオン３１，３２を所定のエネルギを持つ荷電粒子線４１，４２に加速して出射する。

　非励磁設定された切替電磁石１５は、第１荷電粒子線４１をそのまま直進させて、主加速器２０のインフレクタ２５に入射させる。励磁設定された切替電磁石１５は、第２荷電粒子線４２を電磁力により曲げてインフレクタ２５に入射させる。なお、このインフレクタ２５は、陽子の第１荷電粒子線４１のエネルギが、炭素の第２荷電粒子線４２のそれに対して２倍程度であれば、仕様を変更することなく適用できる。

　ところで、イオン源１１，１２から発生する核種イオン３１，３２は、エネルギがばらついていたり目的外の不純物イオンが混入したりしている。このため、仕様通りの所定のエネルギを持つ核種イオン３１，３２のみを選別して線形加速器２１，２２に入射させる必要がある。

　そこで入射装置１０ａは、さらに、発生した第１核種イオン３１を電磁力により曲げて第１線形加速器２１に入射させる第１選別電磁石５１と、発生した第２核種イオン３２を電磁力により曲げて第２線形加速器２２に入射させる第２選別電磁石５２と、を備えている。予め定められた設定値に励磁された選別電磁石５１，５２を通過させることにより、所定のエネルギを持つ核種イオン３１，３２とは異なる目的外のイオンを排除することができる。

　さらに入射装置１０ａは、第１線形加速器２１から出射した第１荷電粒子線４１を電磁力により曲げて主加速器２０のインフレクタ２５に入射させる偏向電磁石１６を有している。これにより、第１荷電粒子線４１に含まれる目的外のイオンを除去することができる。

　さらに入射装置１０ａにおいて、第２線形加速器２２の出射側には、第２荷電粒子線４２の核種イオンの内殻電子を剥ぎ取るストリッパ１７が配置されている。なお、図示を省略しているが、このストリッパ１７は、第１線形加速器２１の出射側に配置される場合もある。

　第２イオン源１２で生成される炭素イオン¹²Ｃ⁴⁺は、最外殻電子のみが剥ぎ取られたものであるが、ストリッパ１７を通過することで内殻電子も剥ぎ取られる。その結果、全ての電子が剥ぎ取られたフル・ストリップ状態の炭素イオン¹²Ｃ⁶⁺に変換され、荷電質量比は１／３から１／２に変化し、第２荷電粒子線４２の加速性が向上する。

　第１制御部３５は、切替電磁石１５及び偏向電磁石１６のうちいずれか一つのみを励磁設定し、その他を非励磁設定する。これにより、励磁設定により円弧軌道をとる荷電粒子線のみが、主加速器２０のインフレクタ２５に入射される。

　切替電磁石１５が非励磁設定され偏向電磁石１６が励磁設定される場合は、第２荷電粒子線４２はインフレクタ２５に入射されることはなく、第１荷電粒子線４１のみがインフレクタ２５に入射される。また、切替電磁石１５が励磁設定され偏向電磁石１６が非励磁設定される場合は、第１荷電粒子線４１はインフレクタ２５に入射されることはなく、第２荷電粒子線４２のみがインフレクタ２５に入射される。さらに励磁設定された切替電磁石１５は、第２荷電粒子線４２に含まれる目的外のイオンを除去する機能を持つ。

　なお実施形態において、第１核種イオン３１は陽子で第２核種イオン３２は重粒子である場合を示したが、それぞれ核種が逆である場合もあるし、両方とも核種が互いに異なる重粒子である場合もある。

　主加速器２０は、シンクロトロン等の円形加速器が採用されるが特に限定されない。このシンクロトロン２０は、入射装置１０から入射した荷電粒子線４１，４２を高周波電力により加速させる高周波加速空洞２７と、周回する荷電粒子を曲げる磁場を発生させる複数の偏向電磁石２８と、周回する荷電粒子を発散・収束させて周回軌道内に押留める磁場を発生させる複数の四極電磁石２９と、シンクロトロン２０を周回する荷電粒子をビーム輸送系３０に出射させるデフレクタ２６と、から構成されている。

　このような構成に基づき、入射装置１０から出射された低エネルギの第１荷電粒子線４１又は第２荷電粒子線４２は、インフレクタ２５に入射された後、シンクロトロン２０を周回する。そして、光速の７０～８０％まで加速され所定の高エネルギに到達したところで、デフレクタ２６により周回軌道から進行方向を変更させてビーム輸送系３０に取り出される。

　なおビーム輸送系３０にも、直進する荷電粒子を軌道内に押留めるための四極電磁石２９と、荷電粒子の軌道を曲げるための偏向電磁石２８と、が設けられている。そして、このビーム輸送系３０の先には、荷電粒子線５５を照射することにより患者５６の腫瘍を治療する照射装置５０が接続されている。なおこの照射装置５０は例示であって、ビーム輸送系３０の先に接続される施設は特に限定されない。

（第２実施形態）
　次に図２を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図２は第２実施形態に係る荷電粒子線の入射装置１０ｂ（１０）を示す構成図である。なお、図２において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

　このように第２実施形態に係る入射装置１０ｂは、第１実施形態における第１イオン源１１と、第１線形加速器２１と、第２イオン源１２と、第２線形加速器２２と、切替電磁石１５との構成に加え、さらに第３核種イオン３３を発生させる第３イオン源１３と、発生した第３核種イオン３３を電磁力により曲げてさらに第２選別電磁石５２を直進通過させ第２線形加速器２２に入射させる第３選別電磁石５３と、を備えている。

　さらに入射装置１０ｂは、発生した第４核種イオン３４を電磁力により曲げてさらに第３選別電磁石５３及び第２選別電磁石５２を直進通過させ第２線形加速器２２に入射させる第４選別電磁石５４と、を備えている。このように、第２実施形態ではイオン源を増設していくことができる。

　第２制御部３６は、複数ある選別電磁石５２，５３，５４のうちいずれか一つのみを励磁設定し、その他を非励磁設定する。これにより、励磁設定された選別電磁石に接続されるイオン源からのみ核種イオンを加速軌道にのせることができる。

　さらに入射装置１０ｂには、同一の粒子線軌道の上に配置されている複数の選別電磁石５２，５３，５４の励磁状態に基づいてインターロック信号を発動する機構３７が設けられている。これら選別電磁石５２，５３，５４で形成される磁場は、それぞれが担当する核種イオン３２，３３，３４が軌道を通過するのに適した磁束密度に設定されている。

　インターロック機構３７は、選別電磁石５２，５３，５４の各々において計測された磁束密度を取得し、入射予定の核種イオンに予め設定されている範囲を外れる場合は、インターロック信号を発動して主加速器２０への荷電粒子線の供給を停止させる。

　異なる核種イオンを短時間で切り替えて荷電粒子線を連続照射する要請がある。第２実施形態では、荷電粒子線４２の直線軌道上に複数の選別電磁石５２，５３，５４を配置し、複数のイオン源１２，１３，１４がそれぞれに接続される。このような構成をとることで、ワンセットの線形加速器で、複数の重粒子イオンを切り替えて荷電粒子線として連続照射できる。

　また重粒子として例示した、炭素、ヘリウム、酸素、ネオンについては、主加速器２０に入射する直前のフル・ストリップ状態で、荷電質量比が１／２であることはすでに述べた。フル・ストリップ状態のこれら核種については、全て同一の荷電質量比をもつため、荷電粒子線に目的外イオンが混入していることを検知するのは困難である。

　一方において、イオン源１１，１２，１３，１４から発生した直後は、荷電質量比はそれぞれ、炭素イオン¹²Ｃ⁴⁺で１／３、ヘリウムイオン⁴Ｈｅ²⁺で１／２、酸素イオン¹⁶Ｏ⁵⁺で５／１６となるため、選別電磁石５２，５３，５４の励磁設定が理想的になされている限り、荷電粒子線に目的外イオンが混入することはない。

　そこで、選別電磁石５２，５３，５４で計測された磁束密度が予め定められた範囲を外れる場合は、荷電粒子線に目的外イオンが混入している可能性があるとしてインターロック信号を発動することとした。治療計画と異なる核種が患者に照射されることは、治療の性格上、絶対に避けなければならない事象であるからである。

　図３のフローチャートに基づいて実施形態に係る荷電粒子線の入射方法を説明する（適宜、図１及び図２参照）。まず、第１イオン源１１において第１核種イオン３１を発生させる（Ｓ１１）。そして、この発生した第１核種イオン３１を第１線形加速器２１で線形加速させて第１荷電粒子線４１にする（Ｓ１２）。

　次に第２イオン源１２において第２核種イオン３２を発生させる（Ｓ１３）。そして、この発生した第２核種イオン３２を第２線形加速器２２で線形加速させて第２荷電粒子線４２にする（Ｓ１４）。

　次に切替電磁石１５の設定により（Ｓ１５）、第１荷電粒子線４１及び第２荷電粒子線４２のいずれか一方を主加速器２０のインフレクタ２５に入射させる（Ｓ１６）。このとき切替電磁石１５を、非励磁に設定すると第１荷電粒子線４１が入射され（Ｓ１６ａ）、励磁に設定すると第２荷電粒子線４１が入射される（Ｓ１６ｂ）。

　なお、上述した（Ｓ１１）から（Ｓ１６）の全工程において、インターロック機構３７は、選別電磁石５２，５３，５４の各々における励磁状態の判定を行っている（Ｓ１７）。そして、この励磁状態が異常と判定されたときは、ただちにインターロック信号が発動され荷電粒子線の入射がストップする（ＥＮＤ）。

　そして選別電磁石５２，５３，５４の各々における励磁状態の正常判定が続くうちは、荷電粒子線４１，４２がビーム輸送系３０を通過し、照射装置５０における照射が終了するまで、（Ｓ１１）から（Ｓ１７）までの工程が連続する（Ｓ１９，Ｎｏ，Ｙｅｓ、ＥＮＤ）。

　以上述べた少なくともひとつの実施形態の荷電粒子線の入射装置によれば、別々の線形加速器を用いることにより、異なる複数の核種を併用して荷電粒子線を照射する際に、各々の粒子数及びエネルギを最適化させて前段加速し、主加速器に入射させることが可能となる。

　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (8)

1. 　第１核種イオンを発生させる第１イオン源と、
   　発生した前記第１核種イオンを線形加速させて第１荷電粒子線にする第１線形加速器と、
   　第２核種イオンを発生させる第２イオン源と、
   　発生した前記第２核種イオンを線形加速させて第２荷電粒子線にする第２線形加速器と、
   　前記第１荷電粒子線及び前記第２荷電粒子線のいずれか一方を主加速器のインフレクタに入射させる切替電磁石と、を備える荷電粒子線の入射装置。
2. 　請求項１に記載の荷電粒子線の入射装置において、
   　発生した前記第１核種イオンを電磁力により曲げて前記第１線形加速器に入射させる第１選別電磁石と、
   　発生した前記第２核種イオンを電磁力により曲げて前記第２線形加速器に入射させる第２選別電磁石と、を備える荷電粒子線の入射装置。
3. 　請求項２に記載の荷電粒子線の入射装置において、
   　第３核種イオンを発生させる第３イオン源と、
   　発生した前記第３核種イオンを電磁力により曲げて、さらに前記第１選別電磁石又は前記第２選別電磁石を直進通過させ、前記第１線形加速器又は前記第２線形加速器に入射させる第３選別電磁石と、を備える荷電粒子線の入射装置。
4. 　請求項３に記載の荷電粒子線の入射装置において、
   　同一の粒子線軌道の上に配置されている複数の前記選別電磁石の励磁状態に基づいてインターロック信号が発動される荷電粒子線の入射装置。
5. 　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の荷電粒子線の入射装置において、
   　前記第１線形加速器から出射した前記第１荷電粒子線を電磁力により曲げて前記インフレクタに入射させる偏向電磁石を有し、
   　前記切替電磁石は、前記第２線形加速器から出射した前記第２荷電粒子線を電磁力により曲げて前記インフレクタに入射させる荷電粒子線の入射装置。
6. 　請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の荷電粒子線の入射装置において、
   　前記第１線形加速器及び前記第２線形加速器の少なくとも一方の出射側には、核種イオンの内殻電子を剥ぎ取るストリッパが配置されている荷電粒子線の入射装置。
7. 　請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の荷電粒子線の入射装置において、
   　前記第１核種イオン及び前記第２核種イオンのいずれか一方は水素イオンで他方は水素より重い核種の多価イオンである荷電粒子線の入射装置。
8. 　第１イオン源において第１核種イオンを発生させる工程と、
   　発生した前記第１核種イオンを第１線形加速器で線形加速させて第１荷電粒子線にする工程と、
   　第２イオン源において第２核種イオンを発生させる工程と、
   　発生した前記第２核種イオンを第２線形加速器で線形加速させて第２荷電粒子線にする工程と、
   　切替電磁石の設定により前記第１荷電粒子線及び前記第２荷電粒子線のいずれか一方を主加速器のインフレクタに入射させる工程と、を含む荷電粒子線の入射方法。

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