WO2022123914A1 - 粒子線加速装置、粒子線加速装置の運転方法、及び粒子線治療装置 - Google Patents

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茂貴 高山
晋弥 松田
貴行 佐古
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Definitions

  • the embodiment of the present invention relates to a particle beam acceleration technique.
  • a particle beam therapy technique for irradiating a patient's lesion tissue for example, cancer with a carbon ion particle beam for treatment has attracted attention.
  • this particle beam therapy technique normal tissue is not damaged and only the lesion tissue can be killed pinpointly, so that the burden on the patient is less than that of surgery or medication, and rehabilitation after treatment is achieved. Can be expected to be accelerated.
  • particle beam accelerators that accelerate particle beams are roughly classified into two types.
  • One is a linear accelerator that arranges a high-frequency accelerating cavity in a straight line
  • the other is a circular accelerator that arranges a deflector that bends the orbit of a particle beam in a general circular shape and arranges a high-frequency accelerating cavity in a part of this circular orbit. ..
  • a method using a linear accelerator for accelerating the low energy band immediately after particle beam generation and using a circular accelerator for accelerating the high energy band is common.
  • the circular accelerator which accelerates while orbiting the particle beam, sequentially arranges a focusing / diverging device that controls the outer shape of the particle beam, a deflection device that bends the trajectory of the particle beam, and a steering electromagnet device that corrects the deviation of the trajectory of the particle beam. It is composed of things.
  • this circular accelerator when the mass or energy of the orbiting particle increases, the magnetic rigidity, that is, the bending difficulty due to the magnetic field increases, so that the orbital radius of the particle beam increases. As a result, the entire device including the circular accelerator becomes large. As the size of the equipment increases, the size of the ancillary equipment of the building also increases, making it difficult to install this equipment in places where the installation range is limited, such as in urban areas.
  • the problem to be solved by the present invention is that in a particle beam accelerator, the particle beam can be properly held in a predetermined orbit and the risk of erroneous irradiation of the particle beam can be reduced, and a superconducting magnet which is a component of the particle beam accelerator can be reduced. Is to shorten the recovery time of.
  • the block diagram which shows the charged particle beam therapy apparatus Top view showing a superconducting synchrotron. An electric circuit diagram showing a superconducting magnet device. The block diagram which shows the control system in a superconducting synchrotron. A timing chart showing changes in the superconducting magnet current value and particle beam intensity when the superconducting magnet blocking device and the charged particle beam blocking device are started at the same time. A timing chart showing changes in the superconducting magnet current value and particle beam intensity when the superconducting magnet blocking device is activated after the charging particle beam blocking device has completed blocking. The flowchart which shows the breaking procedure of the charged particle beam breaking device and the superconducting magnet breaking device at the time of emitting a particle beam. The flowchart which shows the breaking procedure of the charged particle beam breaking device and the superconducting magnet breaking device at the time of particle beam acceleration or accumulation.
  • the particle beam accelerating device includes an incident portion for incident on the particle beam, a guiding portion for guiding the particle beam to an orbit, and an accelerating portion for accelerating the particle beam orbiting the orbit. It controls an emitting unit that emits the particle beam, a particle beam blocking unit that blocks the particle beam in the orbit, and the incident unit, the guiding unit, the accelerating unit, the emitting unit, and the particle beam blocking unit.
  • the guide unit includes a control unit, and the induction unit has a superelectromagnetic magnet and a superelectromagnetic magnet blocking unit that blocks the superelectromagnetic magnet.
  • the control unit has a particle beam beam blocking unit when an abnormality occurs in the superelectromagnetic magnet.
  • the starting order of the section and the superconducting electromagnet blocking section is configured to be changed at least according to the operating state of the emitting section.
  • the charged particle beam therapy device 10 as the particle beam therapy device according to the present embodiment is a charged particle, for example, a negative pie intermediate, a proton, a helium ion, a carbon ion, a neon ion, a silicon ion, or a charged particle. It is a device that uses argon ions as a charged particle beam source for therapeutic irradiation.
  • the charged particle beam therapy device 10 includes a particle beam generator 11, a particle beam accelerator 12, a particle beam transport device 13, and a particle beam irradiation device 14.
  • the charged particle beam therapy device 10 irradiates the affected portion 5 of the patient as an irradiated object with the charged particle beam 1. Then, the affected portion 5 is treated using the charged particle beam 1.
  • the particle beam generator 11 is a device that generates a charged particle beam 1, and is, for example, a device that extracts ions or the like generated by using an electromagnetic field or a laser.
  • the particle beam accelerator 12 is a device that accelerates the charged particle beam 1 to a predetermined energy.
  • a configuration including a two-stage accelerator including a front-stage accelerator 15 and a rear-stage accelerator 16 is shown.
  • the pre-stage accelerator 15 there is a linear accelerator such as a drift tube linac DTL or a high frequency quadrupole linear accelerator RFQ.
  • the post-stage accelerator 16 there is a circular accelerator such as a synchrotron or a cyclotron.
  • These particle beam accelerators 12 stably provide a vacuum duct 20 (pipe) that keeps the passage space of the charged particle beam 1 in a vacuum airtight manner, a high frequency acceleration cavity 24 that accelerates the charged particle beam 1 by an electric field, and a charged particle beam 1. It is configured to have a deflection device 21 as a bipolar electric magnet device, a focusing / diverging device 22 as a quadrupole electric magnet device, and a control device 30 for controlling each of these devices.
  • the particle beam transport device 13 is a device that transports the charged particle beam 1 accelerated by the particle beam accelerator 12 to the particle beam irradiation device 14.
  • the particle beam transport device 13 includes a vacuum duct, a deflection device, a focusing / diverging device, and a control device for controlling these.
  • the particle beam irradiation device 14 is installed downstream of the particle beam transport device 13.
  • the particle beam irradiating device 14 accurately irradiates the irradiation point set in the affected area 5 of the patient with the charged particle beam 1 having a specific energy that has passed through the particle beam transporting device 13, so that the orbit 3 of the charged particle beam 1 is placed. After adjustment, the irradiation position and irradiation dose of the charged particle beam 1 in the affected area 5 are monitored.
  • FIG. 2 shows the superconducting synchrotron 17 as the post-stage accelerator 16 of the particle beam accelerator 12 described above.
  • the superconducting synchrotron 17 is a device that accelerates while orbiting the charged particle beam 1.
  • the superconducting synchrotron 17 is configured. Further, the superconducting synchrotron 17 has a control device 30.
  • the vacuum duct 20 is a pipe that keeps the passage space of the charged particle beam 1 in a vacuum airtight manner.
  • a predetermined orbit 3 through which the charged particle beam 1 passes is formed on the axis.
  • the deflection device 21 is composed of a bipolar electromagnet device, and causes a charged particle beam 1 to orbit along a predetermined orbit 3 by a generated magnetic field.
  • the focusing / diverging device 22 is composed of a quadrupole electromagnet device, and focuses or diverges a charged particle beam 1 orbiting on a predetermined orbit 3 by a generated magnetic field. Therefore, these deflection devices 21 and focusing / divergence devices 22 function as guiding units that stably guide the charged particle beam 1 to a predetermined orbital 3.
  • the high-frequency acceleration cavity 24 functions as an acceleration unit that accelerates a charged particle beam 1 orbiting along a predetermined orbit 3 in a vacuum duct 20 by an electric field generated by applying a high-frequency voltage.
  • the incident device 25 functions as an incident portion in which the charged particle beam 1 generated by the particle beam generator 11 is incident on the superconducting synchrotron 17.
  • the emission device 26 functions as an emission unit that emits the charged particle beam 1 accelerated by the superconducting synchrotron 17 to the particle beam transport device 13.
  • the charged particle beam blocking device 27 functions as a particle beam blocking unit that urgently blocks the charged particle beam 1 orbiting on a predetermined orbit 3 in the vacuum duct 20. Specifically, the blocking by the charged particle beam blocking device 27 is the blocking of the charged particle beam 1 due to the closure of a gate (not shown), or the bump electromagnet (not shown) kicking the charged particle beam 1 into the disposal orbit. This is the blocking of the charged particle beam 1 due to the above.
  • the control device 30 serves as a control unit for controlling the above-mentioned deflection device 21, focusing / divergence device 22, hexapole electromagnet device 23, high-frequency acceleration cavity 24, incident device 25, emission device 26, and charged particle beam blocking device 27. Function.
  • the above-mentioned deflection device 21 and focusing / diverging device 22 are generally configured to have a normal electromagnet.
  • at least one of the deflection device 21 and the focusing / diverging device 22 is composed of a superconducting magnet device 31 provided with the superconducting magnet 32 shown in FIG.
  • the superconducting magnet device 31 is configured such that the superconducting magnet 32, the excitation power supply 33, and the breaker 34 are connected in series, and the protection resistor 35 is connected in parallel to the superconducting magnet 32.
  • An abnormality for example, quenching occurs in the superconducting magnet 32, and the quenching detector (not shown) outputs a quenching signal to open the breaker 34.
  • the quenching detector (not shown) outputs a quenching signal to open the breaker 34.
  • the superconducting magnet 32 and the protection resistor 35 are connected in series to form a closed circuit.
  • the energy stored in the superconducting magnet 32 is consumed by the protection resistance 35, and the superconducting magnet 32 is cut off. Therefore, the above-mentioned breaker 34 and the protective resistor 35 constitute a superconducting magnet breaking device 28 that functions as a superconducting magnet breaking portion that cuts the superconducting magnet 32.
  • At least one of the deflection device 21 and the focusing / diverging device 22 composed of the superconducting magnet device 31 may have an abnormality such as quenching in the superconducting magnet 32.
  • the charged particle beam blocking device 27 (FIG. 2) and the superconducting magnet blocking device 28 (FIG. 3) are started at the same time, a problem occurs.
  • FIG. 5 it is assumed that the charged particle beam blocking device 27 starts blocking the charged particle beam 1, and at the same time, the superconducting magnet blocking device 28 starts blocking the superconducting magnet 32.
  • the current value of the superconducting magnet 32 in which quenching or the like is generated changes (decreases) before the cutoff of the charged particle beam 1 is completed, the charged particle beam 1 before the cutoff is completed deviates from the predetermined orbital 3. there is a possibility.
  • the charged particle beam 1 When the charged particle beam 1 deviates significantly from the predetermined orbital 3, the charged particle beam 1 collides with the vacuum duct 20 and is lost. On the other hand, when the charged particle beam 1 is slightly deviated from the predetermined orbital 3, they reach the position of the patient and the predetermined part of the patient, for example, which is not assumed by the particle beam irradiator 14. There is a risk of erroneous irradiation of areas that are out of the lesion tissue.
  • an abnormality such as quenching occurs in the superelectromagnetic magnet 32 of the superelectromagnetic magnet device 31 constituting at least one of the deflection device 21 and the focusing / diverging device 22.
  • the activation order of the charged particle beam blocking device 27 and the superelectromagnetic magnet blocking device 28 is set to at least the operating state of the emitting device 26, for example, the operating state of the emitting device 26, the high frequency acceleration cavity 24, the incident device 25, and the like. Change according to the state.
  • the control device 30 performs the first cutoff control.
  • the emitting device 26 may operate to emit the charged particle beam 1 from the superconducting synchrotron 17 and take it out.
  • the charged particle beam blocking device 27 is activated to block the charged particle beam 1.
  • the superconducting magnet blocking device 28 is activated to shut off the superconducting magnet 32 in which quenching or the like is generated.
  • the current value of the superconducting magnet 32 in which quenching or the like is generated does not decrease from the start to the completion of the cutoff of the charged particle beam 1, and is maintained at an appropriate value. Therefore, the charged particle beam 1 is cut off in the superconducting synchrotron 17 without the charged particle beam 1 deviating from the predetermined orbital 3.
  • the resistance value of the protection resistance 35 of the superconducting magnet device 31 is set so that the breaking time constant Ta of the superconducting magnet breaking device 28 is longer than the breaking time constant Tb of the charged particle beam breaking device 27. Will be done.
  • the cutoff time constant Ta is the time from the start to the completion of the cutoff of the superconducting magnet 32.
  • the cutoff time constant Tb is the time from the start to the completion of the cutoff of the charged particle beam 1.
  • the cutoff time constant Ta of the superconducting magnet breaking device 28 is determined by selecting the resistance value of the protection resistance 35 in consideration of the generated voltage at the time of quenching of the superconducting magnet 32 and the increase in the coil temperature. For example, it is set to about 10 seconds or less.
  • the blocking time constant Tb of the charged particle beam blocking device 27 is set to approximately 100 milliseconds or less.
  • the cutoff time constant Ta of the superelectric conductive magnet cutoff device 28 is longer than the cutoff time constant Tb of the charged particle beam cutoff device 27, that is, the cutoff time constant Tb of the charged particle beam cutoff device 27 is the cutoff time constant Tb of the superelectric conductive magnet cutoff device 28. It will be set sufficiently shorter than the cutoff time constant Ta. Therefore, the generation of a large voltage and the rise in the coil temperature in the superconducting magnet 32 in which quenching or the like is generated are suppressed as much as possible.
  • control device 30 performs the second cutoff control. For example, when the emitting device 26 is not operating, the charged particle beam 1 is incident on the superconducting synchrotron 17 by the incident device 25, the charged particle beam 1 is accelerated by the high frequency acceleration cavity 24, or the charged particle beam is accelerated. There are times when 1 is retained and accumulated. At this time, when an abnormality such as quenching occurs in the superconducting magnet 32, the superconducting magnet blocking device 28 is started at the same time as the charged particle beam blocking device 27. Then, the superconducting magnet 32 in which quenching or the like is generated by the superconducting magnet blocking device 28 is blocked, and the charged particle beam 1 is blocked by the charged particle beam blocking device 27 at the same time.
  • the current value of the superconducting magnet 32 in which quenching or the like is generated decreases, and the charged particle beam 1 before the cutoff is completed is predetermined. It deviates from the orbit 3 of. Therefore, between the superconducting synchrotron 17 and the patient, for example, a gate or the like is provided in the particle beam transport device 13 or the particle beam irradiation device 14 to block the charged particle beam 1.
  • the control device 30 performs the first cutoff control.
  • step S11 during the operation of the exit device 26 in the superconducting synchrotron 17, an abnormality such as quenching occurs in the superconducting magnet 32 of the superconducting magnet device 31 constituting at least one of the deflection device 21 and the focusing / diverging device 22.
  • the quench detector (not shown) detects an abnormality such as quenching of the superconducting magnet 32 and outputs a quench signal. Then, the control device 30 receives the quench signal from the quench detector.
  • control device 30 activates the charged particle beam blocking device 27 when the quench signal is received from the quench detector.
  • the charged particle beam blocking device 27 cuts off the charged particle beam 1.
  • the control device 30 waits until the cutoff of the charged particle beam 1 is completed.
  • the control device 30 performs the second cutoff control.
  • step S21 when the exit device 26 in the superconducting synchrotron 17 is not operating, an abnormality such as quenching occurs in the superconducting magnet 32 of the superconducting magnet device 31 constituting at least one of the deflection device 21 and the focusing / diverging device 22. ..
  • an abnormality such as quenching occurs in the superconducting magnet 32. ..
  • the quench detector (not shown) detects an abnormality such as quenching of the superconducting magnet 32 and outputs a quench signal. Then, the control device 30 receives the quench signal from the quench detector.
  • control device 30 simultaneously activates the superconducting magnet blocking device 28 and the charged particle beam blocking device 27 when the quench signal is received from the quench detector.
  • step S25 which follows step S23, the superconducting magnet blocking device 28 is activated, so that the magnetic field of the superconducting magnet 32 in which quenching or the like is generated is attenuated by the protection resistance 35.
  • step S27 following step S24 the charged particle beam 1 is blocked by the activation of the charged particle beam blocking device 27, and the blocking of the charged particle beam 1 is completed.
  • the control device 30 When an abnormality such as quenching occurs in at least one of the superconducting electromagnet 32 of the deflection device 21 and the focusing / diverging device 22 in the superconducting synchrotron 17 as the particle beam accelerator 12, the control device 30 is a charged particle beam blocking device 27.
  • the activation order of the superconducting electromagnet blocking device 28 and the superconducting electromagnet blocking device 28 is changed at least according to the operating state of the emitting device 26. For example, when an abnormality such as quenching occurs in the superconducting magnet 32 during the operation of the emitting device 26, the control device 30 activates the charged particle beam blocking device 27 to complete the blocking of the charged particle beam 1, and then the superconducting magnet.
  • the cutoff device 28 is activated.
  • the current value of the superconducting magnet 32 in which quenching or the like is generated does not decrease, and the cutoff of the charged particle beam 1 can be completed in a state where the current value is at an appropriate value.
  • the charged particle beam 1 emitted from the superconducting synchrotron 17 can reduce the risk of erroneous irradiation caused by the particle beam irradiation device 14.
  • the superconducting magnet 32 of the superconducting magnet device 31 constituting at least one of the deflection device 21 and the focusing / diverging device 22 is quenched or the like.
  • the control device 30 activates the superconducting electromagnet blocking device 28 at the same time as the charged particle beam blocking device 27.
  • the superconducting magnet 32 in which the quench or the like is generated is quickly shut off, and the increase in the coil temperature and the generation of the large voltage are suppressed. Therefore, the recooling time of the superconducting magnet 32 in which the quench or the like is generated can be shortened. The recovery time of the superconducting magnet 32 can be shortened.
  • the control device 30 of the above-described embodiment has hardware resources such as a CPU, ROM, RAM, and HDD, and when the CPU executes various programs, information processing by software is realized by using the hardware resources. It consists of a computer. Further, the operation method of the particle beam accelerator of the above-described embodiment is realized by causing a computer to execute various programs.
  • the control device 30 of the above-described embodiment is a control device in which processors such as a dedicated chip, FPGA (Field Programmable Gate Array), GPU (Graphics Processing Unit), or CPU (Central Processing Unit) are highly integrated, and a ROM.
  • processors such as a dedicated chip, FPGA (Field Programmable Gate Array), GPU (Graphics Processing Unit), or CPU (Central Processing Unit) are highly integrated, and a ROM.
  • Storage devices such as (Read Only Memory) or RAM (Random Access Memory), external storage devices such as HDD (Hard Disk Drive) or SSD (Solid State Drive), display devices such as displays, and mice or keyboards. It is equipped with an input device and a communication interface.
  • This control device 30 can be realized by a hardware configuration using a normal computer.
  • the program executed by the control device 30 of the above-described embodiment is provided by incorporating it into a ROM or the like in advance.
  • the program may be a computer-readable, non-transient storage medium such as a CD-ROM, CD-R, memory card, DVD, or flexible disk (FD) file in an installable or executable format. It may be stored and provided in.
  • control device 30 may be stored on a computer connected to a network such as the Internet, and may be downloaded and provided via the network. Further, the control device 30 can also be configured by connecting separate modules that independently exhibit the functions of the components to each other by a network or a dedicated line and combining them.

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Abstract

実施形態によれば、粒子線加速装置（１２）は、粒子線（１）を入射する入射部（２５）と、粒子線（１）を軌道（３）に誘導する誘導部（２１）と、軌道（３）上を周回する粒子線（１）を加速する加速部（２４）と、粒子線（１）を出射する出射部（２６）と、粒子線（１）を軌道（３）上で遮断する粒子線遮断部（２７）と、入射部（２５）、誘導部（２１）、加速部（２４）、出射部（２６）及び粒子線遮断部（２７）を制御する制御部（３０）と、を備え、誘導部（２１）は、超電導電磁石（３２）と超電導電磁石（３２）を遮断する超電導電磁石遮断部（２８）を有し、制御部（３０）は、超電導電磁石（３２）に異常が発生した場合に、粒子線遮断部（２７）と超電導電磁石遮断部（２８）の起動順序を、少なくとも出射部（２６）の運転状態に応じて変更するように構成されている。

Description

粒子線加速装置、粒子線加速装置の運転方法、及び粒子線治療装置
　本発明の実施形態は、粒子線加速技術に関する。
　近年、炭素イオンの粒子線を、患者の病巣組織、例えば癌に照射して治療を行う粒子線治療技術が注目されている。この粒子線治療技術によれば、正常組織にダメージを与えず、病巣組織のみをピンポイントで死滅させることができるため、手術または投薬治療に比べて患者への負担が少なく、治療後の社会復帰の早期化も期待できる。
　体内の深い位置にある癌細胞を治療するためには、粒子線を加速する必要がある。一般的に、粒子線を加速する粒子線加速装置は大きく二種類に分類される。ひとつは直線状に高周波加速空洞を配置する線形加速器、もうひとつは粒子線の軌道を曲げる偏向装置を概円形状に配置し、この円軌道の一部に高周波加速空洞を配置する円形加速器である。特に、炭素または陽子などの重い粒子では、粒子線生成直後の低エネルギ帯の加速には線形加速器を用い、高エネルギ帯の加速には円形加速器を用いる方式が一般的である。
　粒子線を周回させながら加速する円形加速器は、粒子線の外形を制御する集束・発散装置、粒子線の軌道を曲げる偏向装置、及び粒子線の軌道のズレを補正するステアリング電磁石装置を順次配列することで構成される。この円形加速器において、周回させる粒子の質量またはエネルギが増大すると磁気剛性、つまり磁場による曲げ難さが増大するために、粒子線の軌道半径が大きくなる。その結果、円形加速器を含む装置全体が大型化してしまう。装置が大型化すると建屋の付帯設備も大型化してしまい、都市部など設置範囲に制限がある場所では本装置を導入することが困難になる。
　円形加速器の大型化を抑制するためには、偏向装置が発生する磁場強度を大きくする必要がある。一般的な偏向装置では鉄心の磁気飽和の影響で１.５Ｔを超える磁場の発生が困難であるが、偏向装置に超電導技術を適用することで高磁場化が可能になり、円形加速器の小型化が可能になる。ところが、粒子線治療装置用の円形加速器の偏向装置を構成する超電導電磁石にクエンチなどの異常が発生した場合には、粒子線が患者に誤照射されるリスクが発生するおそれがある。一方、この誤照射リスクを避けるために、超電導電磁石の遮断よりも粒子線の遮断を優先した場合には、超電導電磁石の復帰時間が長くなってしまう。
特開２０１９－１４１２４５号公報 特開２０１５－１５９０６０号公報 特開２０１７－３３９７８号公報
　本発明が解決しようとする課題は、粒子線加速装置において、粒子線を所定の軌道に適正に保持して粒子線の誤照射リスクを低減できると共に、粒子線加速装置の構成部材である超電導電磁石の復帰時間を短くすることである。
荷電粒子線治療装置を示すブロック図。 超電導シンクロトロンを示す平面図。 超電導電磁石装置を示す電気回路図。 超電導シンクロトロンにおける制御系を示すブロック図。 超電導電磁石遮断装置と荷電粒子線遮断装置とが同時に起動した場合の超電導電磁石電流値と粒子線強度のそれぞれの変化を示すタイミングチャート。 荷電粒子線遮断装置による荷電粒子線の遮断完了後に超電導電磁石遮断装置が起動した場合の超電導電磁石電流値と粒子線強度のそれぞれの変化を示すタイミングチャート。 粒子線出射時の荷電粒子線遮断装置と超電導電磁石遮断装置の遮断手順を示すフローチャート。 粒子線加速時または蓄積時の荷電粒子線遮断装置と超電導電磁石遮断装置の遮断手順を示すフローチャート。
　本発明の実施形態に係る粒子線加速装置は、粒子線を入射する入射部と、前記粒子線を軌道に誘導する誘導部と、前記軌道上を周回する前記粒子線を加速する加速部と、前記粒子線を出射する出射部と、前記粒子線を前記軌道上で遮断する粒子線遮断部と、前記入射部、前記誘導部、前記加速部、前記出射部及び前記粒子線遮断部を制御する制御部と、を備え、前記誘導部は、超電導電磁石と前記超電導電磁石を遮断する超電導電磁石遮断部とを有し、前記制御部は、前記超電導電磁石に異常が発生した場合に、前記粒子線遮断部と前記超電導電磁石遮断部の起動順序を、少なくとも前記出射部の運転状態に応じて変更するように構成されている。
　以下、図面を参照しながら、粒子線加速装置、粒子線加速装置の運転方法、及び粒子線治療装置の実施形態について詳細に説明する。
　図１に示すように、本実施形態に係る粒子線治療装置としての荷電粒子線治療装置１０は、荷電粒子、例えば、負パイ中間子、陽子、ヘリウムイオン、炭素イオン、ネオンイオン、シリコンイオン、またはアルゴンイオンを治療照射用の荷電粒子線源とする装置である。この荷電粒子線治療装置１０は、粒子線発生装置１１、粒子線加速装置１２、粒子線輸送装置１３及び粒子線照射装置１４を備える。この荷電粒子線治療装置１０は、被照射体としての患者の患部５に荷電粒子線１を照射するものである。そして、この荷電粒子線１を用いて患部５の治療を行う。
　粒子線発生装置１１は、荷電粒子線１を発生する装置であり、例えば、電磁場またはレーザなどを用いて生成したイオン等を引き出す装置である。
　粒子線加速装置１２は、荷電粒子線１を所定のエネルギに加速する装置である。その一例として前段加速装置１５と後段加速装置１６との２段の加速装置を備えて構成されているものを示す。前段加速装置１５としては、ドリフトチューブリニアックＤＴＬまたは高周波四重極型線形加速器ＲＦＱ等の線形加速器がある。また、後段加速装置１６としては、シンクロトロンまたはサイクロトロン等の円形加速器がある。
　これらの粒子線加速装置１２は、荷電粒子線１の通過空間を真空気密に保持する真空ダクト２０（配管）、荷電粒子線１を電場によって加速する高周波加速空洞２４、荷電粒子線１を安定的に誘導する二極電磁石装置としての偏向装置２１、及び四極電磁石装置としての集束・発散装置２２、並びにこれらの各装置を制御する制御装置３０を有して構成される。
　粒子線輸送装置１３は、粒子線加速装置１２で加速された荷電粒子線１を粒子線照射装置１４へ輸送する装置である。この粒子線輸送装置１３は、真空ダクト、偏向装置、集束・発散装置、及びこれらを制御する制御装置を有して構成される。
　粒子線照射装置１４は、粒子線輸送装置１３の下流に設置される。粒子線照射装置１４は、この粒子線輸送装置１３を通過した特定エネルギの荷電粒子線１を、患者の患部５に設定された照射点に正確に照射させるべく、荷電粒子線１の軌道３を調整し、更に、患部５における荷電粒子線１の照射位置及び照射線量を監視する。
　前述の粒子線加速装置１２の後段加速装置１６としての超電導シンクロトロン１７を図２に示す。この超電導シンクロトロン１７は、荷電粒子線１を周回させながら加速する装置である。円環形状の真空ダクト２０の外径側に、複数の偏向装置２１、複数の集束・発散装置２２、複数の六極電磁石装置２３、高周波加速空洞２４、入射装置２５、出射装置２６及び荷電粒子線遮断装置２７が配置されることで、超電導シンクロトロン１７が構成されている。更に、超電導シンクロトロン１７は、制御装置３０を有している。
　真空ダクト２０は、荷電粒子線１の通過空間を真空気密に保持する配管である。その軸線に、荷電粒子線１が通過する所定の軌道３が形成される。
　偏向装置２１は、二極電磁石装置で構成され、生成する磁場によって荷電粒子線１を所定の軌道３に沿って周回させる。また、集束・発散装置２２は、四極電磁石装置で構成され、生成する磁場によって所定の軌道３上を周回する荷電粒子線１を集束または発散させる。従って、これらの偏向装置２１及び集束・発散装置２２は、荷電粒子線１を所定の軌道３に安定的に誘導する誘導部として機能する。
　高周波加速空洞２４は、高周波電圧の印加により生じた電場によって、真空ダクト２０内の所定の軌道３に沿って周回する荷電粒子線１を加速する加速部として機能する。また、入射装置２５は、粒子線発生装置１１で生成された荷電粒子線１を超電導シンクロトロン１７内に入射する入射部として機能する。また、出射装置２６は、超電導シンクロトロン１７で加速された荷電粒子線１を粒子線輸送装置１３へ出射する出射部として機能する。
　荷電粒子線遮断装置２７は、真空ダクト２０内の所定の軌道３上を周回する荷電粒子線１を緊急遮断する粒子線遮断部として機能する。この荷電粒子線遮断装置２７による遮断は、具体的には、図示しないゲートが閉鎖されることによる荷電粒子線１の遮断、または、図示しないバンプ電磁石が荷電粒子線１を廃棄軌道へ蹴り出すことによる荷電粒子線１の遮断などである。また、制御装置３０は、前述の偏向装置２１、集束・発散装置２２、六極電磁石装置２３、高周波加速空洞２４、入射装置２５、出射装置２６及び荷電粒子線遮断装置２７を制御する制御部として機能する。
　前述の偏向装置２１及び集束・発散装置２２は、一般には常電導電磁石を有して構成される。これに対し、本実施形態では、偏向装置２１及び集束・発散装置２２の少なくとも一方が、図３に示す超電導電磁石３２を備えた超電導電磁石装置３１で構成される。この超電導電磁石装置３１は、超電導電磁石３２と励磁電源３３と遮断機３４とが直列接続され、保護抵抗３５が超電導電磁石３２に並列接続されて構成される。
　超電導電磁石３２に異常、例えばクエンチが発生して、図示しないクエンチ検知器がクエンチ信号を出力することで遮断機３４が開動作する。この遮断機３４の開動作により超電導電磁石３２と保護抵抗３５とが直列接続されて閉回路が形成される。これにより、超電導電磁石３２に蓄積されたエネルギが、保護抵抗３５で消費されて、超電導電磁石３２が遮断される。従って、前述の遮断機３４及び保護抵抗３５は、超電導電磁石３２を遮断する超電導電磁石遮断部として機能する超電導電磁石遮断装置２８を構成する。
　ところで、超電導電磁石装置３１で構成される偏向装置２１及び集束・発散装置２２の少なくとも一方で、超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生してしまう場合がある。ここで、荷電粒子線遮断装置２７（図２）と超電導電磁石遮断装置２８（図３）とが同時に起動すると不具合が生じる。例えば、図５に示すように、荷電粒子線遮断装置２７により荷電粒子線１の遮断が開始され、同時に、超電導電磁石遮断装置２８により超電導電磁石３２の遮断が開始されるとする。ここで、荷電粒子線１の遮断が完了する前に、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２の電流値が変化（低下）すると、遮断完了前の荷電粒子線１が所定の軌道３から外れてしまう可能性がある。
　荷電粒子線１が所定の軌道３から大きく外れてしまう場合には、その荷電粒子線１は真空ダクト２０に衝突して損失される。これに対し、荷電粒子線１が所定の軌道３に対して僅かに外れた場合には、それらは患者の位置まで到達し、粒子線照射装置１４により想定していない患者の所定の部位、例えば病巣組織から外れた部位に誤照射されるおそれがある。
　そこで、図４に示すように、本実施形態の制御装置３０は、偏向装置２１及び集束・発散装置２２の少なくとも一方を構成する超電導電磁石装置３１の超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生して、クエンチ信号を受信した際に、荷電粒子線遮断装置２７と超電導電磁石遮断装置２８の起動順序を、少なくとも出射装置２６の運転状態、例えば出射装置２６、高周波加速空洞２４及び入射装置２５等の運転状態に応じて変更する。
　具体的には、制御装置３０は、第１遮断制御を行う。例えば、出射装置２６が動作して超電導シンクロトロン１７から荷電粒子線１が出射されて取り出されているときがある。このときに、超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生した際には、まず、荷電粒子線遮断装置２７を起動させて荷電粒子線１を遮断させる。そして、この荷電粒子線１の遮断完了後に、超電導電磁石遮断装置２８を起動させて、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２を遮断する。
　これにより、図６に示すように、荷電粒子線１の遮断が開始されてから完了するまでの間に、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２の電流値が低下せず、適正値に保持されるので、超電導シンクロトロン１７内で荷電粒子線１が所定の軌道３から外れることなく、荷電粒子線１が遮断される。
　図３に示すように、超電導電磁石装置３１の保護抵抗３５の抵抗値は、超電導電磁石遮断装置２８の遮断時定数Ｔａが、荷電粒子線遮断装置２７の遮断時定数Ｔｂよりも長くなるように設定される。ここで、遮断時定数Ｔａは、超電導電磁石３２の遮断が開始されてから完了するまでの時間である。遮断時定数Ｔｂは、荷電粒子線１の遮断が開始されてから完了するまでの時間である。
　すなわち、超電導電磁石遮断装置２８の遮断時定数Ｔａは、超電導電磁石３２のクエンチ等の発生時における発生電圧とコイル温度上昇との兼ね合いで保護抵抗３５の抵抗値を選択することで決定される。例えば、概ね１０秒以下に設定される。
　一方、荷電粒子線遮断装置２７による荷電粒子線１の遮断が、ゲートの閉鎖またはバンプ電磁石の蹴り出しによるため、荷電粒子線遮断装置２７の遮断時定数Ｔｂは、概ね１００ミリ秒以下に設定される。従って、超電導電磁石遮断装置２８の遮断時定数Ｔａが、荷電粒子線遮断装置２７の遮断時定数Ｔｂよりも長い、つまり、荷電粒子線遮断装置２７の遮断時定数Ｔｂが、超電導電磁石遮断装置２８の遮断時定数Ｔａよりも十分に短く設定されることになる。そのため、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２における大電圧の発生とコイル温度の上昇が極力抑制される。
　また、制御装置３０は、第２遮断制御を行う。例えば、出射装置２６の非動作時に、入射装置２５により荷電粒子線１が超電導シンクロトロン１７に入射されていたり、高周波加速空洞２４により荷電粒子線１が加速されていたり、加速された荷電粒子線１が留められて蓄積されているときがある。このときに、超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生した際には、超電導電磁石遮断装置２８を荷電粒子線遮断装置２７と同時に起動させる。そして、超電導電磁石遮断装置２８によるクエンチ等が発生した超電導電磁石３２の遮断と、荷電粒子線遮断装置２７による荷電粒子線１の遮断と、を同時に実行する。
　この場合には、図５に示すように、荷電粒子線１の遮断が完了する前に、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２の電流値が低下して、遮断完了前の荷電粒子線１が所定の軌道３から外れてしまう。そこで、超電導シンクロトロン１７から患者までの間、例えば、粒子線輸送装置１３または粒子線照射装置１４にゲート等を設けて荷電粒子線１を遮断する。これにより、超電導シンクロトロン１７において、所定の軌道３から外れた荷電粒子線１が、粒子線照射装置１４により想定されていない患者の所定の部位に誤照射される事態が回避される。
　次に、前述の制御装置３０による荷電粒子線遮断装置２７と超電導電磁石遮断装置２８の遮断制御を、図７から図８を参照して更に説明する。なお、荷電粒子線遮断装置２７と超電導電磁石遮断装置２８の動作によって受動的に生じる作用効果を含めて説明する。
　図７に示すように、制御装置３０は、第１遮断制御を行う。まず、ステップＳ１１において、超電導シンクロトロン１７における出射装置２６の動作時に、偏向装置２１及び集束・発散装置２２の少なくとも一方を構成する超電導電磁石装置３１の超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生する。
　次のステップＳ１２において、クエンチ検知器（図示略）が超電導電磁石３２のクエンチ等の異常を検出し、クエンチ信号を出力する。そして、制御装置３０は、クエンチ検知器からクエンチ信号を受信する。
　次のステップＳ１３において、制御装置３０は、クエンチ検知器からクエンチ信号を受信したときに、荷電粒子線遮断装置２７を起動させる。
　次のステップＳ１４において、荷電粒子線遮断装置２７は、荷電粒子線１の遮断を行う。制御装置３０は、荷電粒子線１の遮断が完了するまで待機する。
　次のステップＳ１５において、荷電粒子線遮断装置２７により荷電粒子線１が遮断され、その遮断が完了した時点で、制御装置３０は、超電導電磁石遮断装置２８を起動させる。
　次のステップＳ１６において、超電導電磁石遮断装置２８が起動することで、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２の磁場が保護抵抗３５により減衰される。
　次のステップＳ１７において、磁場がゼロになった時点で、超電導電磁石３２の遮断が完了する。
　図８に示すように、制御装置３０は、第２遮断制御を行う。まず、ステップＳ２１において、超電導シンクロトロン１７における出射装置２６の非動作時に、偏向装置２１及び集束・発散装置２２の少なくとも一方を構成する超電導電磁石装置３１の超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生する。例えば、入射装置２５による荷電粒子線１の入射時、高周波加速空洞２４による荷電粒子線１の加速時、または加速された荷電粒子線１の蓄積時に、超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生する。
　次のステップＳ２２において、クエンチ検知器（図示略）が超電導電磁石３２のクエンチ等の異常を検出し、クエンチ信号を出力する。そして、制御装置３０は、クエンチ検知器からクエンチ信号を受信する。
　次のステップＳ２３及びステップＳ２４において、制御装置３０は、クエンチ検知器からクエンチ信号を受信したときに、超電導電磁石遮断装置２８と荷電粒子線遮断装置２７とを同時に起動させる。
　ステップＳ２３の次に進むステップＳ２５において、超電導電磁石遮断装置２８が起動することで、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２の磁場が保護抵抗３５により減衰される。
　次のステップＳ２６において、磁場がゼロになった時点で、超電導電磁石３２の遮断が完了する。
　一方、ステップＳ２４の次に進むステップＳ２７において、荷電粒子線遮断装置２７の起動により荷電粒子線１が遮断されて、荷電粒子線１の遮断が完了する。
　以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果を奏する。
　粒子線加速装置１２としての超電導シンクロトロン１７における偏向装置２１及び集束・発散装置２２の少なくとも一方の超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生した際に、制御装置３０は、荷電粒子線遮断装置２７と超電導電磁石遮断装置２８との起動順序を、少なくとも出射装置２６の運転状態に応じて変更する。制御装置３０は、例えば、出射装置２６の動作時に超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生した場合に、荷電粒子線遮断装置２７を起動して荷電粒子線１の遮断を完了した後に、超電導電磁石遮断装置２８を起動させる。これにより、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２の電流値が低下せず、適性値にある状態で荷電粒子線１の遮断を完了させることができる。この結果、超電導シンクロトロン１７から出射される荷電粒子線１によって、粒子線照射装置１４で生じる誤照射のリスクを低減することができる。
　出射装置２６の非動作時であり、かつ入射装置２５または高周波加速空洞２４の動作時に、偏向装置２１及び集束・発散装置２２の少なくとも一方を構成する超電導電磁石装置３１の超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生した際に、制御装置３０は、超電導電磁石遮断装置２８を荷電粒子線遮断装置２７と同時に起動させる。これにより、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２が迅速に遮断されて、そのコイル温度の上昇と大電圧の発生が抑制されるので、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２の再冷却時間を短縮でき、この超電導電磁石３２の復帰時間を短くすることができる。
　前述の実施形態の制御装置３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤなどのハードウェア資源を有し、ＣＰＵが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。さらに、前述の実施形態の粒子線加速装置の運転方法は、各種プログラムをコンピュータに実行させることで実現される。
　前述の実施形態の制御装置３０は、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、またはＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）またはＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスまたはキーボードなどの入力装置と、通信インターフェースとを備える。この制御装置３０は、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。
　なお、前述の実施形態の制御装置３０で実行されるプログラムは、ＲＯＭなどに予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）などのコンピュータで読み取り可能な非一過性の記憶媒体に記憶されて提供するようにしても良い。
　また、この制御装置３０で実行されるプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしても良い。また、この制御装置３０は、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワークまたは専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。
　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。これら実施形態またはその変形は、発明の範囲と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 (4)

  1. 　粒子線を入射する入射部と、
    　前記粒子線を軌道に誘導する誘導部と、
    　前記軌道上を周回する前記粒子線を加速する加速部と、
    　前記粒子線を出射する出射部と、
    　前記粒子線を前記軌道上で遮断する粒子線遮断部と、
    　前記入射部、前記誘導部、前記加速部、前記出射部及び前記粒子線遮断部を制御する制御部と、
    　を備え、
    　前記誘導部は、超電導電磁石と前記超電導電磁石を遮断する超電導電磁石遮断部とを有し、
    　前記制御部は、前記超電導電磁石に異常が発生した場合に、前記粒子線遮断部と前記超電導電磁石遮断部の起動順序を、少なくとも前記出射部の運転状態に応じて変更するように構成されている、
    　粒子線加速装置。
  2. 　前記制御部は、
    　前記出射部の動作時に前記超電導電磁石に異常が発生した場合には、前記粒子線遮断部を起動して前記粒子線の遮断を完了した後に前記超電導電磁石遮断部を起動させ、
    　前記出射部の非動作時に前記超電導電磁石に異常が発生した場合には、前記超電導電磁石遮断部を前記粒子線遮断部と同時に起動させるように構成されている、
    　請求項１に記載の粒子線加速装置。
  3. 　粒子線を入射する入射部と、
    　前記粒子線を軌道に誘導する誘導部と、
    　前記軌道上を周回する前記粒子線を加速する加速部と、
    　前記粒子線を出射する出射部と、
    　前記粒子線を前記軌道上で遮断する粒子線遮断部と、
    　を備える粒子線加速装置の運転方法であって、
    　前記誘導部は、超電導電磁石と前記超電導電磁石を遮断する超電導電磁石遮断部とを有し、
    　前記超電導電磁石に異常が発生した場合に、前記粒子線遮断部と前記超電導電磁石遮断部の起動順序を、少なくとも前記出射部の運転状態に応じて変更する、
    　粒子線加速装置の運転方法。
  4. 　請求項１または請求項２に記載の粒子線加速装置と、
    　前記粒子線を用いて治療を行うために前記粒子線加速装置で加速された前記粒子線を患者の患部に照射する粒子線照射装置と、
    　を備える、
    　粒子線治療装置。
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