WO2023238643A1 - 粒子線ビーム制御システムおよび粒子線ビーム制御方法 - Google Patents

粒子線ビーム制御システムおよび粒子線ビーム制御方法 Download PDF

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WO2023238643A1
WO2023238643A1 PCT/JP2023/018913 JP2023018913W WO2023238643A1 WO 2023238643 A1 WO2023238643 A1 WO 2023238643A1 JP 2023018913 W JP2023018913 W JP 2023018913W WO 2023238643 A1 WO2023238643 A1 WO 2023238643A1
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WO
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particle beam
electromagnet
correction value
scanning
electromagnets
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PCT/JP2023/018913
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敦吏 宮内
暢一 角谷
勝詞 塙
伸哉 福島
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株式会社 東芝
東芝エネルギーシステムズ株式会社
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
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    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/08—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means
    • G21K1/087—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means by electrical means
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
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    • G21K5/00—Irradiation devices
    • G21K5/04—Irradiation devices with beam-forming means

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to particle beam control technology.
  • a scanning irradiation method in which the irradiation field in a cross section perpendicular to the axis of the particle beam is filled with the particle beam.
  • the affected area can be irradiated with a particle beam three-dimensionally and precisely without using a collimator or a bolus.
  • by deflecting the particle beam in two directions using two scanning electromagnets with different magnetic field directions it is possible to irradiate the particle beam two-dimensionally.
  • scanning electromagnets with different directions of magnetic fields are integrated, there is an advantage that the magnetic field can be efficiently generated and the distance from the scanning electromagnet to the irradiation position can be shortened.
  • the particle beam can be accurately irradiated onto the irradiation surface. For example, it is also possible to irradiate the particle beam so that the irradiation field forms a precise square. However, if the horizontal and vertical magnetic fields are not exactly orthogonal, the particle beam will be deflected obliquely, causing the particle beam to rotate or be distorted relative to the irradiation surface. Furthermore, since the magnetic field of a scanning electromagnet is distorted near the magnetic pole, the particle beam that passes through it cannot be irradiated to an accurate position.
  • the horizontal and vertical magnetic fields are not orthogonal, it is difficult to disassemble the scanning electromagnet and perform correction and reassembly.
  • aligning the scanning electromagnet it is necessary to remove peripheral equipment, which is very time-consuming.
  • the rotation of the particle beam irradiation surface can be corrected by rotating the entire scanning electromagnet around its axis, but the distortion of the particle beam irradiation surface can be corrected by remanufacturing the scanning electromagnet, and this distortion can be corrected as much as possible. It takes a lot of effort and time to get rid of it.
  • Patent No. 6602732 Japanese Patent Application Publication No. 2014-103974 Patent No. 6613466
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a particle beam control technique that can simplify the work of adjusting the deviation of the irradiation position of the particle beam.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing a particle beam control system.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a control computer.
  • 5 is a flowchart showing particle beam correction processing.
  • 5 is a flowchart showing particle beam irradiation start processing.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an electromagnet structure of Modification 1.
  • FIG. 3 is a plan view showing an electromagnetic structure according to modification 1;
  • FIG. 7 is a side view showing an electromagnet structure of Modification 1.
  • FIG. 7 is a side view showing an electromagnet structure of Modification 2.
  • a particle beam control system scans a particle beam in two-dimensional directions, and includes two scanning electromagnets that deflect the particle beam in different directions, and a power supply to each of the scanning electromagnets.
  • a position monitor section that detects the position of the particle beam; and a control computer that controls the scanning electromagnet; Based on the position, calculate the center of gravity position which is the actual irradiation position of the particle beam, calculate the amount of deviation between the spot position which is the designed irradiation position of the scanning electromagnet and the center of gravity position,
  • a correction value for correcting the center of gravity position to the spot position is calculated based on the amount of deviation, the correction value is stored in a storage unit, and the power source is adjusted based on the correction value stored in the storage unit.
  • the current value which is a design standard when supplying power to the scanning electromagnet, is corrected.
  • Embodiments of the present invention provide a particle beam control technique that can simplify the work of adjusting the deviation of the particle beam irradiation position.
  • Reference numeral 1 in FIG. 1 is the particle beam control system of this embodiment.
  • This particle beam control system 1 is a so-called particle beam therapy device that highly accelerates charged particles such as carbon or protons and irradiates a patient's focal tissue (cancer) with a controlled particle beam P to perform treatment. be.
  • Radiotherapy using such a particle beam P is also called heavy ion beam cancer therapy.
  • carbon ions are targeted at the cancerous focus, damaging the cancerous focus while minimizing damage to normal cells.
  • particle beams are defined as radiation heavier than electrons, and include proton beams, heavy ion beams, etc.
  • heavy ion beams are defined as those heavier than helium atoms.
  • Cancer treatment using heavy ion beams has a higher ability to kill cancer lesions than conventional cancer treatments using X-rays, gamma rays, and proton beams, and the radiation dose is weaker on the surface of the patient's body. It has the characteristic that the radiation dose peaks at the cancer focus. Therefore, the number of irradiations and side effects can be reduced, and the treatment period can be further shortened.
  • the particle beam P passes through the patient's body, it loses kinetic energy and its speed decreases, and it also encounters resistance that is approximately inversely proportional to the square of the speed, and when the speed decreases to a certain point, it suddenly stops. .
  • the stopping point of this particle beam P is called a Bragg peak, and high energy is emitted.
  • the affected area T which is the irradiation target, is virtually divided into three-dimensional lattice shapes (lattice points), and three-dimensional An embodiment using a scanning irradiation method that performs a scan will be exemplified.
  • the center of gravity position the actual irradiation position of the particle beam P on the affected area T
  • the designed irradiation position of the particle beam P in the particle beam control system 1 will be referred to as the spot position.” to be called.
  • the center of gravity position is adjusted to match the spot position.
  • the particle beam control system 1 includes a beam generator 2, a beam accelerator 3, a beam scanning section 4, scanning electromagnets 5 and 6, a dose monitor section 7, a position monitor section 8, and a ridge filter 9. It includes a range shifter 10 and a control computer 11.
  • the beam generator 2 generates charged particles such as carbon ions or protons.
  • the beam accelerator 3 accelerates the charged particles generated by the beam generator 2 using a predetermined accelerator.
  • the charged particles are accelerated by the beam accelerator 3 until they have the energy to reach deep into the affected area T, and become a particle beam P and proceed.
  • the beam accelerator 3 controls emission of the particle beam P on or off based on a control signal output from the control computer 11.
  • the beam scanning unit 4 supplies power to the scanning electromagnets 5 and 6 and controls the scanning electromagnets 5 and 6.
  • the scanning electromagnets 5 and 6 can deflect the particle beam P in the X direction and the Y direction when the direction in which the particle beam P travels is the Z direction. That is, the scanning electromagnets 5 and 6 scan the particle beam P two-dimensionally on the slice plane of the affected area T.
  • two scanning electromagnets 5 and 6 that scan the particle beam P in two-dimensional directions and deflect the particle beam P in different directions are provided.
  • one scanning electromagnet 5, 6 is a pair of two electromagnets (deflection coils), and the particle beam P passes between these electromagnets.
  • the two scanning electromagnets 5 and 6 include a pair of X electromagnets 5A and 5B that deflect the particle beam P in the X direction, and a pair of Y electromagnets 6A and 6B that deflect the particle beam P in the Y direction. Consists of.
  • the X electromagnets 5A, 5B and the Y electromagnets 6A, 6B are provided at the same position in the Z direction, which is the traveling direction of the particle beam P. In this way, the scanning electromagnets 5 and 6 can be made smaller.
  • the scanning electromagnets 5, 6 of this embodiment have shorter dimensions in the Z direction. be able to.
  • the X electromagnets 5A, 5B and the Y electromagnets 6A, 6B are integrated, maintenance by disassembling the scanning electromagnets 5, 6 cannot be easily performed. Further, it becomes difficult to finely adjust the mutual positions of the X electromagnets 5A, 5B and the Y electromagnets 6A, 6B.
  • the beam scanning unit 4 controls the respective excitation currents of the power supplied to the X electromagnets 5A, 5B and the Y electromagnets 6A, 6B (FIG. 2).
  • the dose monitor unit 7 is for monitoring the dose irradiated to the affected area T of the patient, which is the irradiation target. Note that information indicating the dose of the particle beam P detected by the dose monitor section 7 is input to the control computer 11.
  • the position monitor unit 8 detects the position of the particle beam P in the X direction and the Y direction.
  • the position monitor unit 8 is for detecting the position of the particle beam P scanned during particle beam therapy and detecting whether there is a deviation from a preset position. Note that information indicating the position of the particle beam P detected by the position monitor section 8 is input to the control computer 11.
  • the ridge filter 9 is provided to widen the Bragg peak of the dose in the depth direction inside the patient's body.
  • the range shifter 10 controls the irradiation position of the affected area T in the Z direction.
  • This range shifter 10 is composed of, for example, a plurality of acrylic plates each having a different thickness. By combining these acrylic plates, the energy of the particle beam P passing through the range shifter 10, that is, the range within the body, can be changed in stages.
  • the range shifter 10 can generate a Bragg peak at a set position in the Z direction of the affected area T. Note that the range shifter 10 is controlled by a control computer 11.
  • the control computer 11 is for controlling the entire particle beam control system 1. For example, the control computer 11 measures the irradiation dose for each grid point of the affected area T, confirms the soundness of the irradiation position for each spot, controls whether the beam accelerator 3 is turned on or off, and so on. Furthermore, the control computer 11 instructs the beam scanning section 4 regarding scanning, controls the combination of acrylic plates with respect to the range shifter 10, and so on.
  • the beam scanning unit 4 supplies power to each of the scanning electromagnets 5 and 6.
  • the beam scanning unit 4 includes an X power source 12 that supplies power to a pair of X electromagnets 5A and 5B, and a Y power source 13 that supplies power to a pair of Y electromagnets 6A and 6B.
  • the X electromagnets 5A and 5B adjust the trajectory of charged particles incident on the formed magnetic field in the X direction (horizontal direction).
  • the Y electromagnets 6A and 6B adjust the trajectory in the Y direction (perpendicular direction) to the trajectory of the charged particles that have entered the formed magnetic field.
  • the control computer 11 includes an input section 14 , an output section 15 , a communication section 16 , a control section 17 , and a storage section 18 .
  • the control computer 11 includes hardware such as a CPU (Central Processing Unit), GPU (Graphics Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), HDD (Hard Disk Drive), and SSD (Solid State Drive). It is composed of a computer that has resources, and a CPU executes various programs, thereby realizing information processing by software using hardware resources. Furthermore, the particle beam control method of this embodiment is realized by causing a computer to execute various programs.
  • a CPU Central Processing Unit
  • GPU Graphics Processing Unit
  • ROM Read Only Memory
  • RAM Random Access Memory
  • HDD Hard Disk Drive
  • SSD Solid State Drive
  • control computer 11 does not necessarily need to be provided in one computer.
  • one control computer 11 may be realized by multiple computers connected to each other via a network.
  • Predetermined information is input into the input unit 14 according to the operation of the user using the control computer 11.
  • the input unit 14 includes input devices such as a mouse, a keyboard, and a touch panel. That is, predetermined information is input to the input unit 14 in response to operations on these input devices.
  • the output unit 15 outputs predetermined information.
  • the control computer 11 includes a device that displays images, such as a display that outputs predetermined information. That is, the output unit 15 controls the image displayed on the display. Note that the display may be separate from the computer main body, or may be integrated.
  • control computer 11 may control images displayed on displays provided by other computers connected via the network.
  • the output unit 15 included in another computer may control the output of the predetermined information.
  • the communication unit 16 communicates with other computers via a predetermined communication line.
  • the control computer 11 and other computers may be connected to each other via a LAN (Local Area Network), a WAN (Wide Area Network), a mobile communication network, or the Internet.
  • LAN Local Area Network
  • WAN Wide Area Network
  • mobile communication network or the Internet.
  • the control unit 17 controls the scanning electromagnets 5 and 6.
  • the control section 17 also includes a center of gravity position calculation section 19 and a correction value calculation section 20. These are realized by the CPU executing programs stored in the memory or HDD.
  • the storage unit 18 stores various information necessary for the control unit 17 to control the scanning electromagnets 5 and 6.
  • the storage unit 18 also includes a magnet information storage unit 21 and a correction value storage unit 22.
  • the storage unit 18 cumulatively stores the dose profile of the particle beam P. This dose profile is sent to the output unit 15 slice by slice. Then, the dose profile for each slice is displayed on the display screen in a manner that is visible to the user.
  • the control unit 17 sets the current value to be passed through each of the scanning electromagnets 5 and 6. For example, the control unit 17 sets the current value of the power output by each of the X power source 12 and the Y power source 13 according to the set irradiation pattern.
  • the X power supply 12 and the Y power supply 13 output excitation currents along the irradiation pattern to the X electromagnets 5A, 5B and the Y electromagnets 6A, 6B.
  • the control unit 17 sets the irradiation information (X, Y, Ix, Iy, En) of the theoretically designed spot position.
  • X and Y are spot positions (coordinates) in the case of a theoretical particle trajectory.
  • Ix and Iy are current setting values of the X power supply 12 and the Y power supply 13, respectively.
  • En is the beam energy value.
  • the control unit 17 controls the current value of the power output by each of the X power source 12 and the Y power source 13 based on the current setting value of the irradiation information. By controlling these current values, the particle beam P is deflected in the X direction and the Y direction, and scans the affected area T two-dimensionally.
  • the position monitor unit 8 detects the position of the particle beam P when it is two-dimensionally deflected. This position is expressed by coordinates in the X direction and the Y direction, which are orthogonal to each other.
  • the center of gravity position calculation unit 19 calculates the center of gravity position, which is the actual irradiation position of the particle beam P, based on the position of the particle beam P detected (actually measured) by the position monitor unit 8. This calculated center of gravity position is input to the correction value calculation section 20.
  • the correction value calculation unit 20 calculates the amount of deviation between the spot position, which is the designed irradiation position of the scanning electromagnets 5 and 6, and the center of gravity position. Furthermore, the correction value calculation unit 20 calculates a correction value for correcting the center of gravity position to the spot position based on the amount of deviation between the spot position and the center of gravity position. For example, the correction value calculation unit 20 calculates a correction value for the current setting value (Ix, Iy) of the irradiation information. Based on this correction value, the center of gravity position is corrected (adjusted) to match the spot position.
  • the calculated correction value differs depending on the ion species used in the particle beam P and the beam energy value (En). For example, when the ion species of the particle beam P is switched, a correction value is calculated depending on the beam energy value of this ion species.
  • a correction value for correcting the current value is calculated from the difference in the amount of deviation between the theoretical spot position and the actual spot position (center of gravity position) so that it becomes the theoretical spot position (X, Y). be done.
  • This correction value is stored in the correction value storage section 22.
  • the correction value is stored in the correction value storage unit 22 in advance before starting the particle beam therapy using the particle beam P.
  • the actual irradiation position of the particle beam P can be adjusted in advance, and the particle beam P can be accurately irradiated from the start of particle beam therapy.
  • correction value storage unit 22 stores correction information indicating the correction value calculated by the correction value calculation unit 20 in association with the ion species and the beam energy value.
  • the correction value storage unit 22 stores a plurality of correction values corresponding to each of the plurality of ion species used in the particle beam P, and a plurality of correction values corresponding to each of the plurality of beam energy values used in the particle beam P. At least one of the correction value and the correction value is stored. Then, the control unit 17 selects a corresponding correction value based on at least one of the ion species and the beam energy value used when performing particle beam therapy. In this way, the correction value can be switched depending on the state of the particle beam P, such as the ion species or the beam energy value, and the particle beam P can be appropriately adjusted.
  • the magnet information storage unit 21 stores magnet information indicating the actual arrangement of the scanning electromagnets 5 and 6.
  • the magnet information storage unit 21 stores the spot positions in the theoretically designed particle trajectories of the X electromagnets 5A, 5B and the Y electromagnets 6A, 6B.
  • the spot position at this time can correspond to any irradiation shape.
  • the magnet information storage unit 21 stores a reference spot position such that the irradiation shape is square.
  • a reference current value is also stored.
  • the magnet information storage unit 21 also stores spot positions specific to the arrangement of the X electromagnets 5A, 5B and the Y electromagnets 6A, 6B.
  • the irradiation pattern is obtained by adding a correction value to the irradiation information (current setting value) of the center of gravity position calculated by the correction value calculation unit 20.
  • the spot position of the sampled particle beam P may be shifted.
  • the correction information stored in the correction value storage section 22 may be updated with the correction value (correction information) newly calculated by the correction value calculation section 20.
  • the irradiation information set in the treatment plan is corrected using the correction information stored in the correction value storage section 22.
  • the control unit 17 controls the current value of the power supplied to the scanning electromagnets 5 and 6 based on the corrected irradiation information. In this way, even if the installation positions of the scanning electromagnets 5 and 6 are shifted, the current value can be automatically corrected. Then, the particle beam P comes to be irradiated to the assumed irradiation position. Therefore, the irradiation position of the particle beam P can be constantly corrected, or the time required for positioning the scanning electromagnets 5 and 6 can be reduced.
  • the irradiation position of the particle beam P can be adjusted.
  • control computer 11 can display spot positions related to magnetic field correction.
  • the display (output section 15) of the control computer 11 serves as a spot position display section.
  • irradiation information indicating the deviation between the theoretical spot position stored in the magnet information storage unit 21 and the center of gravity position can be displayed on the display.
  • the user can check the theoretical spot position and the corrected center of gravity position.
  • the amount of deviation, ion species, and beam energy value after correction can also be displayed on the display.
  • the "amount of deviation" in this embodiment includes information such as rotation or distortion of the magnetic fields generated by the scanning electromagnets 5 and 6. Further, the correction of the amount of deviation is to correct the current values of the scanning electromagnets 5 and 6, which are set at the time of treatment planning, at the time of actual particle beam treatment.
  • the user confirms the spot position based on the design theory as a reference. Further, the user similarly confirms the spot position from the theoretical design irradiation information and the center of gravity position which is the actual spot position after correction. In this way, the user can check whether the scanning electromagnets 5 and 6 are misaligned before irradiating the patient. Furthermore, by checking the corrected irradiation information in advance, it is possible to irradiate the particle beam P to an assumed irradiation position. Then, the position of the particle beam P can be constantly corrected. Furthermore, the time required for positioning the scanning electromagnets 5 and 6 can be reduced.
  • the control computer 11 displays information indicating at least one of the center of gravity position, spot position, deviation amount, and correction value before or after correction on the screen of the display (output unit 15). In this way, the user can check the amount of shift in the center of gravity. Note that ion species, beam energy, etc. may also be displayed.
  • step S1 before starting particle beam therapy using the particle beam P, for example, when constructing the particle beam control system 1 or during regular maintenance, the two scanning electromagnets 5 and 6 are aligned. It will be done.
  • the user aligns the two scanning electromagnets 5 and 6.
  • the control unit 17 acquires magnet information indicating the actual arrangement of the scanning electromagnets 5 and 6 based on the information input by the user to the input unit 14 or the information received by the communication unit 16. .
  • This magnet information is stored in the magnet information storage section 21. Note that the magnet information includes design information of the scanning electromagnets 5 and 6.
  • control unit 17 sets the ion species and beam energy value used for the particle beam P based on the information input by the user to the input unit 14 or the information received by the communication unit 16.
  • the control unit 17 determines the design for supplying power from the beam scanning unit 4 to the scanning electromagnets 5 and 6 based on the information input by the user to the input unit 14 or the information received by the communication unit 16.
  • the settings are made.
  • the control unit 17 controls the beam generator 2, the beam accelerator 3, the beam scanning unit 4, and the scanning electromagnets 5 and 6, and performs test firing of the particle beam P.
  • the position monitor unit 8 detects the irradiation position of the particle beam P in the X direction and the Y direction. Information indicating the irradiation position of the particle beam P is input to the control unit 17.
  • the center of gravity position calculation unit 19 calculates the center of gravity position, which is the actual irradiation position of the particle beam P, based on the position of the particle beam P detected by the position monitor unit 8.
  • the correction value calculation unit 20 calculates the amount of deviation between the spot position, which is the designed irradiation position of the scanning electromagnets 5 and 6, and the center of gravity position.
  • the correction value calculation unit 20 calculates a correction value for correcting the center of gravity position to the spot position based on the amount of deviation between the spot position and the center of gravity position.
  • the correction value includes an X correction value that corrects the X reference current value, and a Y correction value that corrects the Y reference current value.
  • control unit 17 displays information indicating at least one of the center of gravity position, spot position, deviation amount, and correction value before or after correction on the screen of the display (output unit 15).
  • control unit 17 stores the calculated correction value in the correction value storage unit 22. Then, the correction process ends.
  • step S3 to step S10 are repeated while switching the ion species and beam energy values respectively. That is, a plurality of correction values corresponding to each of the ion species and the beam energy value are stored in the correction value storage section 22.
  • step S1 the process from step S1 is redone.
  • step S11 when starting particle beam therapy using the particle beam P, the control unit 17 controls the particle beam therapy based on the information input by the user to the input unit 14 or the information received by the communication unit 16.
  • the ion species and beam energy value used for the beam P are set.
  • the control section 17 reads out the correction value stored in the correction value storage section 22.
  • the control unit 17 selects a correction value corresponding to the set ion species and beam energy value from among the plurality of correction values stored in the correction value storage unit 22.
  • the control unit 17 corrects the reference current value based on the correction value stored in the correction value storage unit 22. For example, the control unit 17 corrects the X reference current value using the X correction value, and corrects the Y reference current value using the Y correction value.
  • control unit 17 controls the beam generator 2, the beam accelerator 3, the beam scanning unit 4, and the scanning electromagnets 5 and 6, and starts irradiation with the particle beam P. Then, the irradiation start process ends.
  • the amount of deviation between the spot position and the center of gravity position may be calculated. Then, a new correction value may be calculated and the existing correction value may be updated.
  • the particle beam control system 1 (FIG. 1) of Modification 1 includes an electromagnet structure 30.
  • This electromagnet structure 30 includes scanning electromagnets 5 and 6, a first cylindrical member 31, a second cylindrical member 32, and a third cylindrical member 33.
  • the electromagnetic structure 30 constitutes a part of the transport path of the particle beam P (FIG. 1) of the particle beam control system 1.
  • the first cylindrical member 31, the second cylindrical member 32, and the third cylindrical member 33 are members each having a cylindrical shape (hollow shape) and whose inner diameter (aperture) is constant along the axis C of the cylinder. be. Note that when the first cylindrical member 31, the second cylindrical member 32, and the third cylindrical member 33 extend linearly, the axis C of the cylinder and the Z direction are the same.
  • the first cylindrical member 31, the second cylindrical member 32, and the third cylindrical member 33 are provided concentrically (coaxially) around a passage region R through which the particle beam P passes.
  • the first cylindrical member 31 is a vacuum duct whose interior is evacuated.
  • Y electromagnets 6A and 6B are arranged on the outer peripheral surface of this first cylindrical member 31.
  • the second cylindrical member 32 is provided to cover the outside of the first cylindrical member 31.
  • X electromagnets 5A and 5B are arranged on the outer peripheral surface of this second cylindrical member 32.
  • the third cylindrical member 33 is provided to cover the outside of the second cylindrical member 32.
  • This third cylindrical member 33 serves as a cover that constitutes the outer periphery of the electromagnet structure 30.
  • each of the pair of X electromagnets 5A and 5B is composed of a plurality of coils 50.
  • each of the pair of Y electromagnets 6A and 6B is composed of a plurality of coils 60. Note that in these drawings, illustration of the third cylindrical member 33 is omitted to aid understanding.
  • the X electromagnets 5A, 5B and the Y electromagnets 6A, 6B are arranged concentrically (coaxially) and partially overlap each other in the circumferential direction (X direction and Y direction). In this way, the X electromagnets 5A, 5B and the Y electromagnets 6A, 6B can be arranged together in a compact manner.
  • the electromagnetic structure 40 of Modification 2 has a shape in which the inner diameter (diameter) continuously increases along the traveling direction (axis C) of the particle beam P.
  • the electromagnetic structure 40 has a shape whose diameter increases from the incident side (upstream side) of the particle beam P toward the exit side (downstream side).
  • the shape in which the inner diameter of the electromagnetic structure 40 widens corresponds to the deflection of the particle beam P, and is the same shape as the tip of a trumpet of a musical instrument.
  • the inner diameter of the electromagnetic structure 40 may have a shape that increases linearly from the incident side of the particle beam P toward the exit side.
  • the inner diameters (apertures) of the first cylindrical member 31, the second cylindrical member 32, and the third cylindrical member 33 also vary continuously according to the traveling direction of the particle beam P. It has a larger shape.
  • the X electromagnets 5A and 5B provided on the outer peripheral surface of the second cylindrical member 32 have a shape that increases as the diameter of the second cylindrical member 32 increases.
  • the Y electromagnets 6A and 6B provided on the outer peripheral surface of the first cylindrical member 31 also have a shape that increases as the diameter of the first cylindrical member 31 increases.
  • the inner diameter of the electromagnet structure 40 is smaller on the incident side of the electromagnet structure 40 before the particle beam P is scanned.
  • the inner diameter of the electromagnet structure 40 increases along the beam trajectory. In this way, it becomes possible to bring the coils 50 and 60 (see FIGS. 5 to 7) close to the particle beam P without causing the particle beam P to collide with the inner peripheral surface of the electromagnet structure 40, A wide irradiation field of the particle beam P can be secured. In other words, even if the swing width of the deflection of the particle beam P is increased, the particle beam P can be prevented from interfering with the electromagnet structure 40.
  • the X electromagnets 5A, 5B and the Y electromagnets 6A, 6B may constitute at least one electromagnet unit (not shown), and a plurality of these electromagnet units may be arranged side by side in the Z direction. Furthermore, the inner diameter of each electromagnet unit may increase along the direction of travel. In this way, the irradiation field of the particle beam P can be widened while suppressing the increase in size of the entire device (enlargement of the aperture over the entire length), which is constituted by a plurality of electromagnet units.
  • the aforementioned control computer 11 includes a control device, a storage device, an output device, an input device, and a communication interface.
  • the control device includes a highly integrated processor such as a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphics Processing Unit), an FPGA (Field Programmable Gate Array), or a dedicated chip.
  • Storage devices include ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), HDD (Hard Disk Drive), SSD (Solid State Drive), and the like.
  • Output devices include display panels, head-mounted displays, projectors, printers, and the like. Input devices include a mouse, keyboard, touch panel, etc.
  • This control computer 11 can be realized with a hardware configuration using a normal computer.
  • the program executed by the control computer 11 described above is provided by being pre-installed in a ROM or the like. Additionally or alternatively, the program is provided as an installable or executable file stored on a non-transitory computer readable storage medium.
  • This storage medium includes a CD-ROM, a CD-R, a memory card, a DVD, a flexible disk (FD), and the like.
  • control computer 11 may be stored in a computer connected to a network such as the Internet, and may be provided by being downloaded via the network. Further, the control computer 11 can also be configured by combining separate modules that independently perform the functions of the constituent elements by interconnecting them via a network or a dedicated line.

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Abstract

実施形態によれば、粒子線ビーム制御システム（１）は、スキャニング電磁石（５，６）を制御する制御コンピュータ（１１）と、を備え、制御コンピュータ（１１）は、位置モニタ部（８）で検出された粒子線ビーム（Ｐ）の位置に基づいて、粒子線ビーム（Ｐ）の実際の照射位置である重心位置を算出し、スキャニング電磁石（５，６）の設計上の照射位置であるスポット位置と重心位置とのずれ量を算出し、ずれ量に基づいて、重心位置をスポット位置に補正するための補正値を算出し、補正値を記憶部（１８）に記憶し、記憶部（１８）に記憶された補正値に基づいて、電源（１２，１３）からスキャニング電磁石（５，６）に電力を供給するときの設計上の基準となっている電流値を補正する、ように構成されている。

Description

粒子線ビーム制御システムおよび粒子線ビーム制御方法
　本発明の実施形態は、粒子線ビーム制御技術に関する。
　粒子線治療装置において、粒子線ビームの軸に対する垂直断面内の照射野を粒子線ビームで塗り潰すスキャニング照射法が知られている。この方法では、コリメータとボーラスを用いずに、立体的かつ精確に、患部に粒子線ビームを照射することができる。例えば、磁場の向きが互いに異なる２つのスキャニング電磁石で２方向に粒子線ビームを偏向することで、２次元的に粒子線ビームを照射させることができる。この磁場の向きが異なるスキャニング電磁石を一体化した場合、磁場を効率良く発生させ、スキャニング電磁石から照射位置の距離を短くすることができる利点がある。しかし、水平方向と垂直方向の磁場が正確に直交されるように、スキャニング電磁石を正確に配置することが難しい。
　水平方向と垂直方向の磁場が正確に直交しているときには、照射面に対して、正確に粒子線ビームを照射することができる。例えば、照射野が正確な正方形を成すように、粒子線ビームを照射することも可能である。しかし、水平方向と垂直方向の磁場が正確に直交していないと、粒子線ビームが斜めに偏向されてしまい、粒子線ビームが照射面に対して回転したり歪んだりしてしまう。また、スキャニング電磁石は、磁極近傍で磁場が歪むため、そこを通る粒子線ビームも正確な位置に照射することができない。
　粒子線ビームの位置合わせ後に、水平方向と垂直方向の磁場が直交していないことが発覚した場合、スキャニング電磁石を分解して修正と再組立を行うのは困難である。例えば、スキャニング電磁石の位置合わせをする際、周辺機器を取り外す必要があるため、非常に手間がかかる。また、粒子線ビームの照射面の回転は、スキャニング電磁石全体を軸回りに回転させることで補正できるが、粒子線ビームの照射面の歪みは、スキャニング電磁石を再製作するしかなく、この歪みを極力無くすのに、かなりの労力と時間が必要となる。そこで、スキャニング電磁石を分解せずに、設計上の要求通りに粒子線ビームが照射されるように補正する必要がある。特に、製作精度と据付精度の観点から生じてしまう、粒子線ビームの照射位置のずれを調整する作業を極力少なくしたいという要望がある。
特許第６６０２７３２号公報 特開２０１４－１０３９７４号公報 特許第６６１３４６６号公報
　本発明が解決しようとする課題は、粒子線ビームの照射位置のずれを調整する作業の簡素化が図れる粒子線ビーム制御技術を提供することである。
粒子線ビーム制御システムを示す構成図。 制御コンピュータを示すブロック図。 粒子線ビームの補正処理を示すフローチャート。 粒子線ビームの照射開始処理を示すフローチャート。 変形例１の電磁石構造体を示す断面図。 変形例１の電磁石構造体を示す平面図。 変形例１の電磁石構造体を示す側面図。 変形例２の電磁石構造体を示す側面図。
　本発明の実施形態に係る粒子線ビーム制御システムは、粒子線ビームを２次元方向に走査し、かつ前記粒子線ビームを偏向させる方向がそれぞれ異なる２つのスキャニング電磁石と、それぞれの前記スキャニング電磁石に電力を供給する電源と、前記粒子線ビームの位置を検出する位置モニタ部と、前記スキャニング電磁石を制御する制御コンピュータと、を備え、前記制御コンピュータは、前記位置モニタ部で検出された前記粒子線ビームの位置に基づいて、前記粒子線ビームの実際の照射位置である重心位置を算出し、前記スキャニング電磁石の設計上の前記照射位置であるスポット位置と前記重心位置とのずれ量を算出し、前記ずれ量に基づいて、前記重心位置を前記スポット位置に補正するための補正値を算出し、前記補正値を記憶部に記憶し、前記記憶部に記憶された前記補正値に基づいて、前記電源から前記スキャニング電磁石に電力を供給するときの設計上の基準となっている電流値を補正する、ように構成されている。
　本発明の実施形態により、粒子線ビームの照射位置のずれを調整する作業の簡素化が図れる粒子線ビーム制御技術が提供される。
　以下、図面を参照しながら、粒子線ビーム制御システムおよび粒子線ビーム制御方法の実施形態について詳細に説明する。
　図１の符号１は、本実施形態の粒子線ビーム制御システムである。この粒子線ビーム制御システム１は、炭素または陽子などの荷電粒子を高加速し、制御された粒子線ビームＰを患者の病巣組織（がん）に照射して治療を行う所謂粒子線治療装置である。
　このような粒子線ビームＰを用いた放射線治療は、重粒子線がん治療などとも称される。この治療方法は、がん病巣を炭素イオンがピンポイントで狙い撃ちし、がん病巣にダメージを与えながら、正常細胞へのダメージを最小限に抑えることが可能とされる。なお、粒子線とは、放射線のなかでも電子より重いものと定義され、陽子線、重粒子線などが含まれる。このうち重粒子線は、ヘリウム原子より重いものと定義される。
　重粒子線を用いるがん治療では、従来のＸ線、ガンマ線、陽子線を用いたがん治療と比較してがん病巣を殺傷する能力が高く、患者の体の表面では放射線量が弱く、がん病巣において放射線量がピークになる特性を有している。そのため、照射回数と副作用を少なくすることができ、治療期間をより短くすることができる。
　例えば、粒子線ビームＰは、患者の体内を通過する際に運動エネルギーを失って速度が低下するとともに、速度の二乗にほぼ反比例する抵抗を受け、或る一定の速度まで低下すると急激に停止する。この粒子線ビームＰの停止点はブラッグピークと呼ばれ、高エネルギーが放出される。このブラッグピークが患者の病巣組織の位置に合わせられることにより、正常組織のダメージを抑えつつ、病巣組織のみを死滅させることができる。
　特に、照射対象である患部Ｔを３次元格子状（格子点）に仮想的に切り分けて、Ｘ方向（横方向）とＹ方向（縦方向）とＺ方向（深さ方向）に、３次元的な走査を行うスキャニング照射法を用いる実施形態を例示する。
　なお、以下の説明において、患部Ｔにおける粒子線ビームＰの実際の照射位置を「重心位置」と称し、粒子線ビーム制御システム１の設計上の粒子線ビームＰの照射位置を「スポット位置」と称する。粒子線ビーム制御システム１の構築時または定期的なメンテナンス時に、重心位置がスポット位置と一致するように調整される。
　図１に示すように、粒子線ビーム制御システム１は、ビーム発生装置２とビーム加速装置３とビーム走査部４とスキャニング電磁石５，６と線量モニタ部７と位置モニタ部８とリッジフィルタ９とレンジシフタ１０と制御コンピュータ１１とを備える。
　ビーム発生装置２は、炭素イオンまたは陽子などの荷電粒子を発生させるものである。
　ビーム加速装置３は、ビーム発生装置２で発生させた荷電粒子を所定の加速器によって加速するものである。ここで、荷電粒子は、ビーム加速装置３により患部Ｔの奥深くまで到達するエネルギーを有するまで加速され、粒子線ビームＰとなって進行する。なお、ビーム加速装置３は、制御コンピュータ１１から出力される制御信号に基づいて、粒子線ビームＰの出射のオンまたはオフの制御を行っている。
　ビーム走査部４は、スキャニング電磁石５，６に電力を供給し、これらスキャニング電磁石５，６を制御する。スキャニング電磁石５，６は、粒子線ビームＰが進行する方向をＺ方向とした場合に、この粒子線ビームＰをＸ方向およびＹ方向に偏向させることができる。つまり、スキャニング電磁石５，６は、粒子線ビームＰを患部Ｔのスライス面上で２次元的に走査するものである。
　本実施形態では、粒子線ビームＰを２次元方向に走査し、かつ粒子線ビームＰを偏向させる方向がそれぞれ異なる２つのスキャニング電磁石５，６が設けられている。ここで、１つのスキャニング電磁石５，６は、２つの電磁石（偏向コイル）で一対を成すものであり、これらの電磁石の間を粒子線ビームＰが通過する。
　例えば、２つのスキャニング電磁石５，６は、粒子線ビームＰをＸ方向に偏向させる一対のＸ用電磁石５Ａ，５Ｂと、粒子線ビームＰをＹ方向に偏向させる一対のＹ用電磁石６Ａ，６Ｂとから成る。ここで、Ｘ用電磁石５Ａ，５ＢとＹ用電磁石６Ａ，６Ｂが、粒子線ビームＰの進行方向であるＺ方向において同一位置に設けられている。このようにすれば、スキャニング電磁石５，６の小型化を図ることができる。例えば、従来のように、Ｘ用電磁石５Ａ，５ＢとＹ用電磁石６Ａ，６ＢをＺ方向に並べた場合と比較して、本実施形態のスキャニング電磁石５，６では、Ｚ方向の寸法を短くすることができる。ただし、Ｘ用電磁石５Ａ，５ＢとＹ用電磁石６Ａ，６Ｂが一体化されるため、スキャニング電磁石５，６を分解するメンテナンスが容易に行えなくなる。また、Ｘ用電磁石５Ａ，５ＢとＹ用電磁石６Ａ，６Ｂの互いの位置の微調整も行い難くなる。
　ビーム走査部４は、Ｘ用電磁石５Ａ，５ＢとＹ用電磁石６Ａ，６Ｂに供給される電力のそれぞれの励磁電流を制御している（図２）。
　線量モニタ部７は、照射対象である患者の患部Ｔに照射する線量をモニタするためのものである。なお、線量モニタ部７が検出した粒子線ビームＰの線量を示す情報は、制御コンピュータ１１に入力される。
　位置モニタ部８は、粒子線ビームＰのＸ方向とＹ方向の位置を検出する。例えば、位置モニタ部８は、粒子線治療中に走査された粒子線ビームＰの位置を検出し、予め設定された位置からずれがあったか否かを検出するためのものである。なお、位置モニタ部８が検出した粒子線ビームＰの位置を示す情報は、制御コンピュータ１１に入力される。
　リッジフィルタ９は、患者の体内の深さ方向における線量のブラッグピークを拡げるために設けられている。
　レンジシフタ１０は、患部ＴのＺ方向の照射位置を制御する。このレンジシフタ１０は、例えば、厚さがそれぞれ異なる複数のアクリル板から構成されている。これらアクリル板を組み合わせることによって、レンジシフタ１０を通過する粒子線ビームＰのエネルギー、即ち体内飛程を段階的に変化させることができる。レンジシフタ１０によって、患部ＴのＺ方向の設定された位置にブラッグピークを生じさせることができる。なお、レンジシフタ１０は、制御コンピュータ１１により制御される。
　なお、レンジシフタ１０の替わりに、ビーム加速装置３からの出射されるときの粒子線ビームＰのエネルギーを変えることで、体内飛程を変更することも可能である。
　制御コンピュータ１１は、粒子線ビーム制御システム１全体の制御を行うためのものである。例えば、制御コンピュータ１１は、患部Ｔの格子点ごとの照射線量の測定、スポットごとの照射位置の健全性確認、ビーム加速装置３に対する出射のオンまたはオフの制御などを行っている。さらに、制御コンピュータ１１は、ビーム走査部４に対する走査に関する指示、レンジシフタ１０に対するアクリル板の組み合わせの制御などを行っている。
　次に、制御コンピュータ１１によるビーム走査部４およびスキャニング電磁石５，６の制御の態様について、図２を参照して説明する。なお、この図２では、ビーム走査部４、スキャニング電磁石５，６、位置モニタ部８、制御コンピュータ１１以外の機器の図示が省略されている。
　ビーム走査部４は、それぞれのスキャニング電磁石５，６に電力を供給する。例えば、ビーム走査部４は、一対のＸ用電磁石５Ａ，５Ｂに電力を供給するＸ用電源１２と、一対のＹ用電磁石６Ａ，６Ｂに電力を供給するＹ用電源１３と、を備える。
　Ｘ用電磁石５Ａ，５Ｂは、形成された磁場に入射した荷電粒子の軌道に対して、Ｘ方向（水平方向）にその軌道を調整する。Ｙ用電磁石６Ａ，６Ｂは、形成された磁場に入射した荷電粒子の軌道に対して、Ｙ方向（垂直方向）にその軌道を調整する。
　制御コンピュータ１１は、入力部１４と出力部１５と通信部１６と制御部１７と記憶部１８とを備える。
　制御コンピュータ１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）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、本実施形態の粒子線ビーム制御方法は、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。
　なお、制御コンピュータ１１の各構成は、必ずしも１つのコンピュータに設ける必要はない。例えば、１つの制御コンピュータ１１が、ネットワークで互いに接続された複数のコンピュータで実現されても良い。
　入力部１４には、制御コンピュータ１１を使用するユーザーの操作に応じて所定の情報が入力される。この入力部１４には、マウス、キーボード、タッチパネルなどの入力装置が含まれる。つまり、これら入力装置の操作に応じて所定の情報が入力部１４に入力される。
　出力部１５は、所定の情報の出力を行う。制御コンピュータ１１には、所定の情報の出力を行うディスプレイなどの画像の表示を行う装置が含まれる。つまり、出力部１５は、ディスプレイに表示される画像の制御を行う。なお、ディスプレイはコンピュータ本体と別体でも良いし、一体でも良い。
　追加的または代替的に、制御コンピュータ１１は、ネットワークを介して接続される他のコンピュータが備えるディスプレイに表示される画像の制御を行っても良い。その場合には、他のコンピュータが備える出力部１５が、所定の情報の出力の制御を行っても良い。
　通信部１６は、所定の通信回線を介して他のコンピュータと通信を行う。例えば、制御コンピュータ１１と他のコンピュータがＬＡＮ(Local Area Network)、ＷＡＮ（Wide Area Network）、携帯通信網、またはインターネットを介して互いに接続されても良い。
　制御部１７は、スキャニング電磁石５，６の制御を行う。また、この制御部１７は、重心位置算出部１９と補正値算出部２０とを備える。これらは、メモリまたはＨＤＤに記憶されたプログラムがＣＰＵによって実行されることで実現される。
　記憶部１８は、制御部１７がスキャニング電磁石５，６の制御を行うときに必要な各種情報を記憶する。また、記憶部１８は、磁石情報記憶部２１と補正値記憶部２２とを備える。
　例えば、記憶部１８は、粒子線ビームＰの線量プロファイルが累積的に記憶される。この線量プロファイルは、スライス単位で出力部１５に送られる。そして、ディスプレイの画面によりユーザーが視認可能な態様で、スライス単位の線量プロファイルが表示される。
　制御部１７は、それぞれのスキャニング電磁石５，６に流す電流値を設定する。例えば、制御部１７は、設定された照射パターンに従って、Ｘ用電源１２とＹ用電源１３とのそれぞれが出力する電力の電流値を設定する。Ｘ用電源１２とＹ用電源１３は、Ｘ用電磁石５Ａ，５ＢとＹ用電磁石６Ａ，６Ｂに対し、照射パターンに沿った励磁電流を出力する。
　制御部１７は、設計理論上のスポット位置の照射情報（Ｘ，Ｙ，Ｉｘ，Ｉｙ，Ｅｎ）を設定する。ここで、Ｘ，Ｙは、理論的な粒子軌道の場合のスポット位置（座標）である。Ｉｘ，Ｉｙは、Ｘ用電源１２とＹ用電源１３のそれぞれの電流設定値である。Ｅｎは、ビームエネルギー値である。
　制御部１７は、照射情報の電流設定値に基づいて、Ｘ用電源１２とＹ用電源１３のそれぞれが出力する電力の電流値を制御する。これらの電流値の制御により、粒子線ビームＰがＸ方向とＹ方向に偏向され、２次元的に患部Ｔを走査する。
　位置モニタ部８は、２次元的に偏向されたときの粒子線ビームＰの位置を検出する。この位置は、互いに直交するＸ方向とＹ方向の座標で表される。
　重心位置算出部１９は、位置モニタ部８で検出（実測）された粒子線ビームＰの位置に基づいて、粒子線ビームＰの実際の照射位置である重心位置を算出する。この算出された重心位置は、補正値算出部２０に入力される。
　補正値算出部２０は、スキャニング電磁石５，６の設計上の照射位置であるスポット位置と重心位置とのずれ量を算出する。さらに、補正値算出部２０は、スポット位置と重心位置とのずれ量に基づいて、重心位置をスポット位置に補正するための補正値を算出する。例えば、補正値算出部２０は、照射情報の電流設定値（Ｉｘ，Ｉｙ）に対して補正値を算出する。この補正値に基づいて、重心位置がスポット位置と一致するように補正（調整）される。
　なお、算出される補正値は、粒子線ビームＰに用いられるイオン種とビームエネルギー値（Ｅｎ）によって、それぞれ異なる。例えば、粒子線ビームＰのイオン種が切り替わったとき、このイオン種のビームエネルギー値に依存する形で補正値が算出される。
　例えば、電流設定値（Ｉｘ，Ｉｙ）に対応する理論的な粒子軌道でのスポット位置（Ｘ，Ｙ）が設定されているとする。ここで、重心位置算出部１９により算出された実際のスポット位置（重心位置）が、理想的なスポット位置からずれて（Ｘ’，Ｙ’）となったとする。この場合に、（Ｉ’ｘ（Ｘ，Ｙ，Ｘ’，Ｙ’，Ｉｘ，Ｉｙ，Ｅｎ），Ｉ’ｙ（Ｘ，Ｙ，Ｘ’，Ｙ’，Ｉｘ，Ｉｙ，Ｅｎ））となる電流値の関数が求められる。この関数に基づいて、理論的なスポット位置と実際のスポット位置（重心位置）のずれ量の差から、理論的なスポット位置（Ｘ，Ｙ）になるよう、電流値を補正する補正値が算出される。この補正値は、補正値記憶部２２に記憶される。
　つまり、補正値記憶部２２には、粒子線ビームＰを用いた粒子線治療を開始する前に、予め補正値が記憶されている。このようにすれば、予め粒子線ビームＰの実際の照射位置を調整しておくことができ、粒子線治療の開始時点から粒子線ビームＰを正確に照射することができる。
　また、補正値記憶部２２は、補正値算出部２０で算出された補正値を示す補正情報を、イオン種とビームエネルギー値に紐づけて記憶している。
　例えば、補正値記憶部２２には、粒子線ビームＰに用いられる複数のイオン種のそれぞれ対応する複数の補正値と、粒子線ビームＰに用いられる複数のビームエネルギー値のそれぞれに対応する複数の補正値との少なくとも一方が記憶されている。そして、制御部１７は、粒子線治療を行うときに用いられるイオン種とビームエネルギー値との少なくとも一方に基づいて、これに対応する補正値を選択する。このようにすれば、イオン種またはビームエネルギー値などの粒子線ビームＰの状態に応じて補正値を切り替えることができ、粒子線ビームＰの適切な調整を行うことができる。
　磁石情報記憶部２１は、スキャニング電磁石５，６の実際の配置の態様を示す磁石情報を記憶する。例えば、磁石情報記憶部２１は、Ｘ用電磁石５Ａ，５ＢとＹ用電磁石６Ａ，６Ｂの設計理論上の粒子軌道におけるスポット位置を記憶する。このときのスポット位置は、任意の照射形状に対応することができる。例えば、照射形状が正方形の照射パターンがあるときに、磁石情報記憶部２１は、照射形状が正方形となるような基準となるスポット位置を記憶している。この基準となるスポット位置に対応して、基準となっている電流値も記憶されている。また、磁石情報記憶部２１は、Ｘ用電磁石５Ａ，５ＢとＹ用電磁石６Ａ，６Ｂの配置形態に特有のスポット位置を記憶する。
　また、照射パターンは、補正値算出部２０で算出した重心位置の照射情報（電流設定値）に補正値を加えたものとなる。
　さらに、粒子線ビーム制御システム１の構築時または定期的なメンテナンス時に、試射した粒子線ビームＰのスポット位置がずれている場合がある。その場合には、補正値算出部２０で新たに算出された補正値（補正情報）で、補正値記憶部２２に記憶されている補正情報が更新されても良い。
　例えば、粒子線ビームＰを用いた粒子線治療を開始する前に、２つのスキャニング電磁石５，６の位置合わせが行われ、この位置合わせのときにスポット位置がずれている場合に、補正値が算出される。このようにすれば、スキャニング電磁石５，６の位置合わせのときに、既に補正値記憶部２２に記憶された補正値を更新することができる。
　粒子線治療時には、治療計画に設定された照射情報が、補正値記憶部２２に記憶されている補正情報で補正される。例えば、制御部１７は、補正された照射情報に基づいて、スキャニング電磁石５，６に供給される電力の電流値を制御する。このようにすれば、スキャニング電磁石５，６の据付位置がずれている場合でも、電流値を自動で補正することができる。そして、想定した照射位置に粒子線ビームＰが照射されるようになる。このことから、粒子線ビームＰの照射位置を常に補正すること、または、スキャニング電磁石５，６の位置合わせにかかる時間を抑えることができる。
　このようにすれば、スキャニング電磁石５，６を分解し難い場合でも、粒子線ビームＰの照射位置の調整を行うことができる。
　また、制御コンピュータ１１は、磁場補正に係るスポット位置を表示することができる。本実施形態では、制御コンピュータ１１のディスプレイ（出力部１５）がスポット位置表示部となっている。
　例えば、磁石情報記憶部２１に記憶されている理論上のスポット位置と重心位置とのずれを示す照射情報をディスプレイに表示させることができる。ユーザーは、理論上のスポット位置と、補正された後の重心位置をチェックすることができる。その他にも補正した際のずれ量、イオン種、ビームエネルギー値についてもディスプレイに表示させることができる。
　なお、本実施形態の「ずれ量」には、スキャニング電磁石５，６が発生させる磁場の回転または歪みなどの情報が含まれる。また、ずれ量の補正は、治療計画時に設定されたスキャニング電磁石５，６の電流値を、実際の粒子線治療時に補正することである。
　ユーザーは、基準となる設計理論上のスポット位置を確認する。さらに、ユーザーは、設計理論上の照射情報からスポット位置と、補正後の実際のスポット位置である重心位置とを同様に確認する。このようにすれば、ユーザーは、患者に照射する前に、スキャニング電磁石５，６がずれているかを否か確認することができる。また、補正された照射情報を予め確認することで、想定した照射位置に粒子線ビームＰを照射することができる。そして、粒子線ビームＰの位置を常に補正することができる。さらに、スキャニング電磁石５，６の位置合わせにかかる時間を抑えることができる。
　制御コンピュータ１１は、補正前または補正後の重心位置、スポット位置、ずれ量、補正値のうちの少なくともいずれかを示す情報をディスプレイ（出力部１５）の画面に表示する。このようにすれば、重心位置のずれ量などをユーザーが確認することができる。なお、イオン種、ビームエネルギーなどが表示されても良い。
　次に、粒子線ビームＰの補正処理について図３のフローチャートを用いて説明する。なお、前述の図面を参照する場合がある。以下のステップは、補正処理に含まれる少なくとも一部の処理であり、他のステップが補正処理に含まれていても良い。
　まず、ステップＳ１において、粒子線ビームＰを用いた粒子線治療を開始する前、例えば、粒子線ビーム制御システム１の構築時または定期的なメンテナンス時に、２つのスキャニング電磁石５，６の位置合わせが行われる。ここで、ユーザー（作業者）が、２つのスキャニング電磁石５，６の位置合わせを行う。
　次のステップＳ２において、制御部１７は、ユーザーが入力部１４に入力した情報または通信部１６で受信した情報に基づいて、スキャニング電磁石５，６の実際の配置の態様を示す磁石情報を取得する。この磁石情報は、磁石情報記憶部２１に記憶される。なお、磁石情報には、スキャニング電磁石５，６の設計上の情報が含まれる。
　次のステップＳ３において、制御部１７は、ユーザーが入力部１４に入力した情報または通信部１６で受信した情報に基づいて、粒子線ビームＰに用いられるイオン種とビームエネルギー値の設定を行う。
　次のステップＳ４において、制御部１７は、ユーザーが入力部１４に入力した情報または通信部１６で受信した情報に基づいて、ビーム走査部４からスキャニング電磁石５，６に電力を供給するときの設計上の基準となっている基準電流値の設定を行う。例えば、Ｘ用電源１２からＸ用電磁石５Ａ，５Ｂに電力を供給するときのＸ用基準電流値と、Ｙ用電源１３からＹ用電磁石６Ａ，６Ｂに電力を供給するときのＹ用基準電流値との設定が行われる。
　次のステップＳ５において、制御部１７は、ビーム発生装置２とビーム加速装置３とビーム走査部４とスキャニング電磁石５，６を制御し、粒子線ビームＰの試射を行う。ここで、位置モニタ部８は、粒子線ビームＰのＸ方向とＹ方向の照射位置を検出する。この粒子線ビームＰの照射位置を示す情報は、制御部１７に入力される。
　次のステップＳ６において、重心位置算出部１９は、位置モニタ部８で検出された粒子線ビームＰの位置に基づいて、粒子線ビームＰの実際の照射位置である重心位置を算出する。
　次のステップＳ７において、補正値算出部２０は、スキャニング電磁石５，６の設計上の照射位置であるスポット位置と重心位置とのずれ量を算出する。
　次のステップＳ８において、補正値算出部２０は、スポット位置と重心位置とのずれ量に基づいて、重心位置をスポット位置に補正するための補正値を算出する。なお、補正値は、Ｘ用基準電流値を補正するＸ用補正値と、Ｙ用基準電流値を補正するＹ用補正値と、を含む。
　次のステップＳ９において、制御部１７は、補正前または補正後の重心位置、スポット位置、ずれ量、補正値のうちの少なくともいずれかを示す情報をディスプレイ（出力部１５）の画面に表示する。
　次のステップＳ１０において、制御部１７は、算出した補正値を補正値記憶部２２に記憶する。そして、補正処理が終了する。
　なお、複数のイオン種と複数のビームエネルギー値がある場合には、イオン種とビームエネルギー値をそれぞれ切り替えながら、ステップＳ３からステップＳ１０の処理を繰り返す。つまり、イオン種とビームエネルギー値とのそれぞれに対応する複数の補正値が補正値記憶部２２に記憶される。
　また、ユーザーは、スポット位置と重心位置のずれ量が大きい場合に、スキャニング電磁石５，６の位置合わせを再度行うようにしても良い。この場合は、ステップＳ１からの処理をやり直す。
　次に、粒子線ビームＰの照射開始処理について図４のフローチャートを用いて説明する。なお、前述の図面を参照する場合がある。以下のステップは、照射開始処理に含まれる少なくとも一部の処理であり、他のステップが照射開始処理に含まれていても良い。
　まず、ステップＳ１１において、粒子線ビームＰを用いた粒子線治療を開始するときに、制御部１７は、ユーザーが入力部１４に入力した情報または通信部１６で受信した情報に基づいて、粒子線ビームＰに用いられるイオン種とビームエネルギー値の設定を行う。
　次のステップＳ１２において、制御部１７は、補正値記憶部２２に記憶された補正値を読み出す。例えば、制御部１７は、補正値記憶部２２に記憶されている複数の補正値のうち、設定されたイオン種とビームエネルギー値に対応する補正値を選択する。
　次のステップＳ１３において、制御部１７は、補正値記憶部２２に記憶された補正値に基づいて、基準電流値の補正を行う。例えば、制御部１７は、Ｘ用補正値でＸ用基準電流値を補正するとともに、Ｙ用補正値でＹ用基準電流値を補正する。
　次のステップＳ１４において、制御部１７は、ビーム発生装置２とビーム加速装置３とビーム走査部４とスキャニング電磁石５，６を制御し、粒子線ビームＰの照射を開始する。そして、照射開始処理が終了する。
　なお、粒子線治療中であっても、スポット位置と重心位置とのずれ量の算出が行われても良い。そして、新たな補正値が算出され、既存の補正値が更新されても良い。
　なお、前述のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。
　次に、変形例１について図５から図７を用いて説明する。なお、前述した構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
　図５に示すように、変形例１の粒子線ビーム制御システム１（図１）は、電磁石構造体３０を備える。この電磁石構造体３０は、スキャニング電磁石５，６と第１円筒部材３１と第２円筒部材３２と第３円筒部材３３とを備える。電磁石構造体３０は、粒子線ビーム制御システム１の粒子線ビームＰ（図１）の輸送経路の一部を構成する。
　第１円筒部材３１と第２円筒部材３２と第３円筒部材３３は、それぞれが円筒形状（中空形状）を成し、内径（口径）が円筒の軸Ｃに沿って一定となっている部材である。なお、第１円筒部材３１と第２円筒部材３２と第３円筒部材３３が直線状に延びる場合には、円筒の軸ＣとＺ方向が同一である。第１円筒部材３１と第２円筒部材３２と第３円筒部材３３とは、粒子線ビームＰが通過する通過領域Ｒを中心として同心円状（同軸）に設けられている。
　第１円筒部材３１は、内部が真空にされた真空ダクトである。この第１円筒部材３１の外周面にＹ用電磁石６Ａ，６Ｂが配置されている。
　第２円筒部材３２は、第１円筒部材３１の外側を覆うように設けられている。この第２円筒部材３２の外周面にＸ用電磁石５Ａ，５Ｂが配置されている。
　第３円筒部材３３は、第２円筒部材３２の外側を覆うように設けられている。この第３円筒部材３３は、電磁石構造体３０の外周を構成するカバーとなっている。
　図６から図７に示すように、一対のＸ用電磁石５Ａ，５Ｂは、それぞれが複数のコイル５０で構成されている。同様に、一対のＹ用電磁石６Ａ，６Ｂも、それぞれが複数のコイル６０で構成されている。なお、これらの図面では、理解を助けるために、第３円筒部材３３の図示が省略されている。
　変形例１では、Ｘ用電磁石５Ａ，５ＢとＹ用電磁石６Ａ，６Ｂが、同心円状（同軸）に配置され、周方向（Ｘ方向およびＹ方向）において互いの一部が重なっている。このようにすれば、Ｘ用電磁石５Ａ，５ＢとＹ用電磁石６Ａ，６Ｂをコンパクトにまとめて配置することができる。
　次に、変形例２について図８を用いて説明する。なお、前述した構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
　変形例２の電磁石構造体４０は、粒子線ビームＰの進行方向（軸Ｃ）に従って内径（直径）が連続的に大きくなる形状となっている。言い換えれば、この電磁石構造体４０は、粒子線ビームＰの入射側（上流側）から出射側（下流側）に向かうに連れて直径が広がる形状となっている。
　図８の例では、電磁石構造体４０の内径の広がる形状は、粒子線ビームＰの偏向に対応する形状であって、楽器のラッパの先端と同じ形状となっている。なお、電磁石構造体４０の内径は、粒子線ビームＰの入射側から出射側に向かうに連れて線形的に増加する形状でも良い。
　なお、第１円筒部材３１と第２円筒部材３２と第３円筒部材３３（図５から図７参照）のそれぞれの内径（口径）についても、粒子線ビームＰの進行方向に従って内径が連続的に大きくなる形状となっている。
　第２円筒部材３２の外周面に設けられているＸ用電磁石５Ａ，５Ｂは、第２円筒部材３２の直径が大きくなるに連れて拡大される形状となっている。なお、第１円筒部材３１の外周面に設けられているＹ用電磁石６Ａ，６Ｂも、第１円筒部材３１の直径が大きくなるに連れて拡大される形状となっている。
　変形例２では、粒子線ビームＰが走査される前である電磁石構造体４０の入射側において、電磁石構造体４０の内径は小さくなっている。粒子線ビームＰが走査されて広がった状態となる出射側では、ビーム軌道に沿って電磁石構造体４０の内径が大きくなっている。このようにすれば、電磁石構造体４０の内周面に粒子線ビームＰに衝突させることなく、粒子線ビームＰにコイル５０，６０（図５から図７参照）を近接させることが可能となり、粒子線ビームＰの照射野を広く確保することができる。つまり、粒子線ビームＰの偏向の揺れ幅を大きくしても、粒子線ビームＰが電磁石構造体４０に干渉しないようにできる。
　なお、Ｘ用電磁石５Ａ，５ＢとＹ用電磁石６Ａ，６Ｂで少なくとも１つの電磁石ユニット（図示略）が構成され、これら複数の電磁石ユニットがＺ方向に並んで配置されるものでも良い。さらに、それぞれの電磁石ユニットの内径が進行方向に従って大きくなるものでも良い。このようにすれば、複数の電磁石ユニットで構成される装置全体の大型化（全長に亘る口径の拡大）を抑制しつつ、粒子線ビームＰの照射野を広くすることができる。
　前述の制御コンピュータ１１は、制御デバイスと記憶デバイスと出力デバイスと入力デバイスと通信インターフェースとを備える。ここで、制御デバイスは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、専用のチップなどの高集積化させたプロセッサを含む。記憶デバイスは、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）などを含む。出力デバイスは、ディスプレイパネル、ヘッドマウントディスプレイ、プロジェクタ、プリンタなどを含む。入力デバイスは、マウス、キーボード、タッチパネルなどを含む。この制御コンピュータ１１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、前述の制御コンピュータ１１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。追加的または代替的に、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として、コンピュータで読み取り可能な非一時的な記憶媒体に記憶されて提供される。この記憶媒体は、ＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）などを含む。
　また、この制御コンピュータ１１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、この制御コンピュータ１１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回線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。
　以上説明した実施形態によれば、Ｘ用電源１２およびＹ用電源１３からスキャニング電磁石５，６に電力を供給するときの設計上の基準となっている電流値を補正することにより、粒子線ビームＰの照射位置のずれを調整する作業の簡素化が図れる。
　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。なお、単数で表現されたものは、必ずしも１つのものだけに限定することを意図しておらず、単数で表現されたものが複数のものでもよい。

Claims (9)

  1. 　粒子線ビームを２次元方向に走査し、かつ前記粒子線ビームを偏向させる方向がそれぞれ異なる２つのスキャニング電磁石と、
    　それぞれの前記スキャニング電磁石に電力を供給する電源と、
    　前記粒子線ビームの位置を検出する位置モニタ部と、
    　前記スキャニング電磁石を制御する制御コンピュータと、
    　を備え、
    　前記制御コンピュータは、
    　前記位置モニタ部で検出された前記粒子線ビームの位置に基づいて、前記粒子線ビームの実際の照射位置である重心位置を算出し、
    　前記スキャニング電磁石の設計上の前記照射位置であるスポット位置と前記重心位置とのずれ量を算出し、
    　前記ずれ量に基づいて、前記重心位置を前記スポット位置に補正するための補正値を算出し、
    　前記補正値を記憶部に記憶し、
    　前記記憶部に記憶された前記補正値に基づいて、前記電源から前記スキャニング電磁石に電力を供給するときの設計上の基準となっている電流値を補正する、
    　ように構成されている、
    　粒子線ビーム制御システム。
  2. 　前記記憶部には、前記粒子線ビームを用いた粒子線治療を開始する前に、予め前記補正値が記憶されている、
    　請求項１に記載の粒子線ビーム制御システム。
  3. 　２つの前記スキャニング電磁石は、前記粒子線ビームをＸ方向に偏向させるＸ用電磁石と、前記粒子線ビームをＹ方向に偏向させるＹ用電磁石と、を含み、
    　前記Ｘ用電磁石と前記Ｙ用電磁石が、前記粒子線ビームの進行方向であるＺ方向において同一位置に設けられている、
    　請求項１または請求項２に記載の粒子線ビーム制御システム。
  4. 　前記Ｘ用電磁石と前記Ｙ用電磁石が、同心円状に配置され、周方向において互いの一部が重なっている、
    　請求項３に記載の粒子線ビーム制御システム。
  5. 　前記Ｘ用電磁石と前記Ｙ用電磁石で少なくとも１つの電磁石ユニットが構成され、
    　少なくとも１つの前記電磁石ユニットは、前記進行方向に従って内径が大きくなる形状となっている、
    　請求項３に記載の粒子線ビーム制御システム。
  6. 　前記記憶部には、前記粒子線ビームに用いられる複数のイオン種のそれぞれ対応する複数の前記補正値と、前記粒子線ビームに用いられる複数のビームエネルギー値のそれぞれに対応する複数の前記補正値との少なくとも一方が記憶されており、
    　前記制御コンピュータは、粒子線治療を行うときに用いられる前記イオン種と前記ビームエネルギー値との少なくとも一方に基づいて、これに対応する前記補正値を選択する、
    　請求項１または請求項２に記載の粒子線ビーム制御システム。
  7. 　前記粒子線ビームを用いた粒子線治療を開始する前に、２つの前記スキャニング電磁石の位置合わせが行われ、この位置合わせに基づいて、前記補正値が算出される、
    　請求項１または請求項２に記載の粒子線ビーム制御システム。
  8. 　前記制御コンピュータは、補正前または補正後の前記重心位置、前記スポット位置、前記ずれ量、前記補正値のうちの少なくともいずれかを示す情報を表示する、
    　請求項１または請求項２に記載の粒子線ビーム制御システム。
  9. 　粒子線ビームを２次元方向に走査し、かつ前記粒子線ビームを偏向させる方向がそれぞれ異なる２つのスキャニング電磁石と、
    　それぞれの前記スキャニング電磁石に電力を供給する電源と、
    　前記粒子線ビームの位置を検出する位置モニタ部と、
    　前記スキャニング電磁石を制御する制御コンピュータと、
    　を用いて行う方法であり、
    　前記制御コンピュータが、前記位置モニタ部で検出された前記粒子線ビームの位置に基づいて、前記粒子線ビームの実際の照射位置である重心位置を算出し、
    　前記制御コンピュータが、前記スキャニング電磁石の設計上の前記照射位置であるスポット位置と前記重心位置とのずれ量を算出し、
    　前記制御コンピュータが、前記ずれ量に基づいて、前記重心位置を前記スポット位置に補正するための補正値を算出し、
    　前記制御コンピュータが、前記補正値を記憶部に記憶し、
    　前記制御コンピュータが、前記記憶部に記憶された前記補正値に基づいて、前記電源から前記スキャニング電磁石に電力を供給するときの設計上の基準となっている電流値を補正する、
    　粒子線ビーム制御方法。
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