JP2008226740A - Particle accelerator, its operation method, and particle beam irradiation therapy device - Google Patents
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Description
本発明は、粒子加速器およびその運転方法、ならびに粒子線照射治療装置に関する。 The present invention relates to a particle accelerator, an operation method thereof, and a particle beam irradiation treatment apparatus.
近年、粒子加速器は、高エネルギー物理学の研究分野だけでなく、医療、工業、農業等の広範囲の分野で利用されている。例えば、医療分野では、癌細胞組織の粒子線照射による治療、放射性同位元素の生成等に用いられている。また、工業分野では、材料への照射による特性の向上、さらに、農業分野では種子照射による品種改良などに利用されている。特に、医療分野での癌治療において、陽子および重イオン等の荷電粒子を所望のエネルギー状態に加速し照射する粒子線癌治療は、従来のＸ線等を用いた放射線療法では治療が困難であった癌に対する治療効果が高く、かつ粒子線の線量分布をがん患部に合わせて調整することにより患部周辺の正常細胞の障害を最小限に抑えられるなどの優れた性質を有している。そのため、荷電粒子を所望のエネルギーに加速する粒子加速器の研究・開発および運転が行われている。 In recent years, particle accelerators are used not only in research fields of high energy physics, but also in a wide range of fields such as medicine, industry, and agriculture. For example, in the medical field, it is used for treatment of cancer cell tissue by particle beam irradiation, generation of radioisotopes, and the like. Further, in the industrial field, it is used for improving characteristics by irradiating materials, and in the agricultural field, it is used for breed improvement by seed irradiation. In particular, in cancer treatment in the medical field, particle beam cancer treatment in which charged particles such as protons and heavy ions are accelerated and irradiated to a desired energy state is difficult to treat by conventional radiotherapy using X-rays or the like. It has excellent properties such as a high therapeutic effect on cancer and the ability to minimize the damage of normal cells around the affected area by adjusting the dose distribution of the particle beam according to the cancer affected area. For this reason, research, development and operation of particle accelerators that accelerate charged particles to a desired energy have been carried out.
この粒子加速器の一種であるシンクロトロンは、円状に並べられた電磁石、高周波加速空胴等に荷電粒子を入射し、軌道半径を一定に保ちながら荷電粒子を所定のエネルギーにまで加速し、ビームとして出射するものである。 A synchrotron, a type of particle accelerator, injects charged particles into circularly arranged electromagnets, high-frequency accelerating cavities, etc., and accelerates charged particles to a predetermined energy while keeping the orbit radius constant. Is emitted.
この粒子加速器において、イオン源で生成された荷電粒子は、粒子加速器の前段に配設された線形加速器により初段の加速が行われ、その後、シンクロトロンに入射される。入射された荷電粒子の運動は、シンクロトロン周回軌道上に設けられた偏向電磁石および四極電磁石等が発生する磁界により制御され、周回を繰り返す。周回軌道上を運動する荷電粒子は、シンクロトロン内に設けられた高周波加速空胴を通過する際に加速を受ける。加速に伴い電磁石の励磁量を増加させることで、粒子の軌道半径を一定に保つことができる。以上の手順を繰り返すことで荷電粒子を所望のエネルギーになるまで加速する。その後、加速された荷電粒子は、磁場一定の領域で粒子加速器から出射して粒子線ビームとして取り出される。取り出された粒子線ビームは、照射領域に導かれ、粒子線の照射による癌治療等の各種用途に利用される。 In this particle accelerator, charged particles generated by the ion source are accelerated at the first stage by a linear accelerator arranged at the front stage of the particle accelerator, and then enter the synchrotron. The motion of the incident charged particles is controlled by a magnetic field generated by a deflecting electromagnet and a quadrupole electromagnet provided on the synchrotron orbit and repeats the orbit. The charged particles moving on the orbit are subjected to acceleration when passing through a high-frequency acceleration cavity provided in the synchrotron. By increasing the amount of excitation of the electromagnet with acceleration, the particle orbit radius can be kept constant. By repeating the above procedure, the charged particles are accelerated to a desired energy. Thereafter, the accelerated charged particles are emitted from the particle accelerator in a constant magnetic field region and taken out as a particle beam. The extracted particle beam is guided to the irradiation region and used for various applications such as cancer treatment by irradiation of the particle beam.
従来、このような粒子加速器電磁石の運転パターンは、図５に示すように制御されている。すなわち、シンクロトロン内への荷電粒子の入射が完了すると加速が開始される。このとき、荷電粒子の軌道半径を一定に保つため、シンクロトロンを構成する電磁石等の磁場強度を図５に示すパターンで制御する。つまり、高周波加速空胴による加速と共に荷電粒子のエネルギー状態に合わせてシンクロトロンを構成する電磁石等の励磁量を上昇させて、荷電粒子の周回軌道を一定に保ち、目的のエネルギーに達した時点で荷電粒子に作用する磁場を一定にする（蓄積過程）。その後、加速された荷電粒子は、磁場一定の段階で粒子加速器から取り出される。このように、従来の粒子加速器の運転方法では、入射→加速→出射を１サイクルとする運転パターンが繰り返される（特許文献１等参照）。
しかしながら、この従来の粒子加速器およびその運転方法では、入射→加速→出射の１回の運転サイクルで取り出される荷電粒子ビームは、加速工程での励磁量に基づく一つのエネルギー状態のみを有することになる。すなわち、従来の粒子加速器では、入射した荷電粒子を所定のエネルギーに加速するための電磁石（偏向電磁石、四極電磁石、その他の電磁石）の磁場強度（励磁量）は、図５に示すような台形状のパターンとなるように運転されている。そのため、出射される荷電粒子ビームのエネルギーは、荷電粒子の加速に用いる電磁石の磁場強度（励磁量：図５に示す台形の高さ）に応じて一つの数値に決まってしまうことになる。異なるエネルギーを有する荷電粒子ビームを得るためには、荷電粒子の加速に用いる電磁石の磁場強度を変更して台形パターンの高さを変えればよい。 However, in this conventional particle accelerator and its operation method, the charged particle beam extracted in one operation cycle of incidence → acceleration → extraction has only one energy state based on the excitation amount in the acceleration process. . That is, in the conventional particle accelerator, the magnetic field strength (excitation amount) of an electromagnet (deflection electromagnet, quadrupole electromagnet, other electromagnet) for accelerating incident charged particles to a predetermined energy is trapezoidal as shown in FIG. It is driven to become the pattern of. Therefore, the energy of the emitted charged particle beam is determined to be one numerical value according to the magnetic field strength (excitation amount: trapezoidal height shown in FIG. 5) of the electromagnet used for acceleration of the charged particles. In order to obtain charged particle beams having different energies, the height of the trapezoid pattern may be changed by changing the magnetic field strength of the electromagnet used for acceleration of the charged particles.
しかし、前述のとおり、従来の粒子加速器の運転においては、１回の運転サイクルでは、出射される荷電粒子のビームエネルギーは一つに限定されてしまい、複数のエネルギーを持つ荷電粒子ビームを得ることはできないので、エネルギー変更のためには次の運転サイクルで磁場強度（台形パターンの高さ）を変えるしかない。したがって、異なるエネルギーの荷電粒子ビームを得るためには、少なくとも運転サイクルの１繰り返し周期分待つ必要があり、粒子加速器から出射する荷電粒子ビームのエネルギー量を複数回変える場合、上記の通り（エネルギー値の数）×（繰り返し周期）分の時間が最低限必要となる。これを、荷電粒子ビームを患部の腫瘍に照射してその治療を行う粒子線照射治療装置について考えてみると、患者に荷電粒子ビームが照射された場合、患者の体表から内部への荷電粒子ビームの到達深さは、荷電粒子ビームのエネルギー値によって決まる。体表からの深さ方向の腫瘍サイズに応じて、荷電粒子ビームのエネルギー値を変えて、荷電粒子ビームの到達深さを変える回数、すなわち、スライス数は、深さ方向の腫瘍サイズに依存するが、例えば、４０スライスを想定する。そして、粒子加速器の運転サイクルの繰り返し周期を３．３秒とすると、照射時間は最低でも４０×３．３＝１３２秒だけ要する。照射時間が長くなると患者への負担も増えるため、繰返し周期を待つことなく、連続して異なるエネルギー値の荷電粒子ビームを照射できれば、患者への負担を最小限にとどめることができる。 However, as described above, in the operation of the conventional particle accelerator, the beam energy of the emitted charged particles is limited to one in one operation cycle, and a charged particle beam having a plurality of energies is obtained. Therefore, the only way to change the energy is to change the magnetic field strength (the height of the trapezoid pattern) in the next operation cycle. Therefore, in order to obtain charged particle beams having different energies, it is necessary to wait for at least one repetition cycle of the operation cycle. When the energy amount of the charged particle beam emitted from the particle accelerator is changed a plurality of times, as described above (energy value) Number of times) × (repetition period). If we consider a particle beam irradiation treatment device that irradiates a tumor of the affected area with a charged particle beam and treats it, the charged particle beam from the patient's body surface to the inside when the patient is irradiated with the charged particle beam The reaching depth of the beam is determined by the energy value of the charged particle beam. Depending on the tumor size in the depth direction from the body surface, the number of times that the charged particle beam energy value is changed to change the arrival depth of the charged particle beam, that is, the number of slices depends on the tumor size in the depth direction. However, for example, 40 slices are assumed. If the repetition period of the operation cycle of the particle accelerator is 3.3 seconds, the irradiation time is at least 40 × 3.3 = 132 seconds. Since the burden on the patient increases as the irradiation time becomes longer, the burden on the patient can be minimized if irradiation with charged particle beams having different energy values can be performed continuously without waiting for the repetition period.
また、従来、照射する荷電粒子ビームのエネルギー量を変えるために、粒子加速器から取り出された荷電粒子ビームをバイナリフィルタと呼ばれる様々な厚みを持つＰＭＭＡ製の減速板を通してエネルギー値を調節していた。すなわち、バイナリフィルタをビームライン上に出し入れすることで、粒子のエネルギー値を調整している。ここで問題となるのが、フィルタの出し入れ時間、フィルタによるビーム散乱、フィルタ内での核反応による二次粒子の生成の問題である。すなわち、１回のバイナリフィルタの出し入れには数百ミリ秒を要する。したがって、この出し入れ時間が、スライス分必要である。例えば、４０スライス程度の照射を想定すると、バイナリフィルタの出し入れに要する時間だけで数十秒を要することになる。更にバイナリフィルタの出し入れの際には、ビームを止める必要もあり、そのための時間も要する。これは、照射時間の増加につながる。 Conventionally, in order to change the energy amount of the charged particle beam to be irradiated, the energy value of the charged particle beam taken out from the particle accelerator is adjusted through a PMMA speed reduction plate having various thicknesses called a binary filter. That is, the energy value of the particles is adjusted by putting a binary filter in and out of the beam line. The problem here is the problem of the generation time of the filter, the beam scattering by the filter, and the generation of secondary particles by the nuclear reaction in the filter. That is, it takes several hundred milliseconds to put in and out the binary filter once. Therefore, this time for taking in and out is necessary for the slice. For example, assuming irradiation of about 40 slices, it takes tens of seconds only for the time required to put in and out the binary filter. Furthermore, when the binary filter is put in and out, it is necessary to stop the beam, and it takes time to do so. This leads to an increase in irradiation time.
また、バイナリフィルタを入れることにより、荷電粒子ビームは散乱する。その散乱により、狙ったターゲット（腫瘍）より広い範囲にビームが広がり、正常組織にまで照射されてしまう恐れがある。さらに、粒子加速器から出射される荷電粒子ビーム（１次ビーム）はバイナリフィルタを通過する際、ある確率で原子核反応を起こし、陽子、中性子をはじめとした２次粒子を生成させる。これら２次粒子は散乱角が大きいことや、広いエネルギー分布を持つことから、ターゲット外に照射されてしまうことがある。これは、荷電粒子ビームの線量分布を悪化させる原因となる。すなわち、１次ビームの以外の荷電粒子が実際の患部外に照射されてしまう可能性が高くなるなどの弊害がある。 Moreover, a charged particle beam is scattered by inserting a binary filter. Due to the scattering, the beam may spread over a wider range than the target (tumor), and the normal tissue may be irradiated. Further, when the charged particle beam (primary beam) emitted from the particle accelerator passes through the binary filter, it undergoes a nuclear reaction with a certain probability to generate secondary particles such as protons and neutrons. Since these secondary particles have a large scattering angle and a wide energy distribution, they may be irradiated outside the target. This causes a deterioration in the dose distribution of the charged particle beam. That is, there is an adverse effect that charged particles other than the primary beam are more likely to be irradiated outside the affected area.
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、一回以上の運転サイクルで異なるエネルギー値を有する複数の荷電粒子ビームを出射可能とすることができ、必要な照射量を得るための運転時間が短縮され、利用効率の向上、荷電粒子ビームの照射コストの低減に有効な粒子加速器およびその運転方法、ならびにこの粒子加速器を備え、粒子加速器から出射される粒子線ビームを各種の照射用途に利用できる粒子線照射装置を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, it is possible to solve the above-described problems, enable a plurality of charged particle beams having different energy values to be emitted in one or more operation cycles, and an operation time for obtaining a necessary irradiation amount. A particle accelerator that is shortened and effective in improving the use efficiency and reducing the irradiation cost of a charged particle beam, its operating method, and a particle beam emitted from the particle accelerator can be used for various irradiation applications. An object is to provide a particle beam irradiation apparatus.
前記課題を解決するため、請求項１の発明は、荷電粒子をシンクロトロンに入射させる入射工程と、入射された荷電粒子を前記シンクロトロン内の周回軌道を周回させながら高周波加速空胴で所定のエネルギーまで加速または減速する加速または減速工程と、加速された荷電粒子を前記シンクロトロンから出射する出射工程とを行う粒子加速器の運転方法であって、前記入射工程の後、前記加速または減速工程と前記出射工程を行う取出しサイクルを複数回行い、各加速工程で荷電粒子を異なるエネルギーに加速し、当該加速または減速工程の取出しサイクルにおける出射工程で前記異なるエネルギーに加速された荷電粒子を出射することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of
この粒子加速器の運転方法では、入射工程の後、加速工程と出射工程を行う取出しサイクルを複数回行い、各加速工程で荷電粒子を異なるエネルギーに加速し、各加速工程の直後の出射工程で異なるエネルギーに加速された荷電粒子を出射可能とすることによって、各出射工程で、異なるエネルギーの荷電粒子ビームを取り出すことができる。 In this particle accelerator operation method, after the incident step, the extraction cycle for performing the acceleration step and the extraction step is performed a plurality of times, and the charged particles are accelerated to different energies in each acceleration step, and are different in the extraction step immediately after each acceleration step. By making it possible to emit charged particles accelerated by energy, charged particle beams having different energies can be extracted in each extraction step.
請求項２の発明は、前記取出しサイクルを、前段の取出しサイクルにおける加速工程によって加速された荷電粒子のエネルギーＥ１と、前記前段に続く次段の取出しサイクルにおける加速工程によって加速された荷電粒子のエネルギーＥ２とが、Ｅ１＜Ｅ２の関係となるように加速工程の制御を行うことを特徴とする。 The invention according to claim 2 is characterized in that the extraction cycle is performed by accelerating the charged particle energy E1 by the acceleration step in the previous extraction cycle and the charged particle energy accelerated by the acceleration step in the subsequent extraction cycle following the previous stage. The acceleration process is controlled so that E2 has a relationship of E1 <E2.
この粒子加速器の運転方法では、前段の取出しサイクルにおける加速工程によって加速された荷電粒子のエネルギーＥ１と、前記前段に続く次段の取出しサイクルにおける加速工程によって加速された荷電粒子のエネルギーＥ２とが、Ｅ１＜Ｅ２の関係となるようにすることによって、各出射工程で順を追ってエネルギー値が高い荷電粒子ビームを取り出すことができる。 In this particle accelerator operating method, the energy E1 of the charged particles accelerated by the acceleration process in the previous extraction cycle and the energy E2 of the charged particles accelerated by the acceleration process in the subsequent extraction cycle following the previous stage are: By satisfying the relationship of E1 <E2, a charged particle beam having a high energy value can be taken out in order in each emission step.
請求項３の発明は、前記取出しサイクルを、前段の取出しサイクルにおける減速工程によって加速された荷電粒子のエネルギーＥ１と、前記前段に続く次段の取出しサイクルにおける減速工程によって減速された荷電粒子のエネルギーＥ２とが、Ｅ１＞Ｅ２の関係となるように減速工程の制御を行うことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the energy of the charged particles accelerated by the decelerating process in the preceding extraction cycle and the energy of the charged particles decelerated by the decelerating process in the subsequent extraction cycle following the preceding stage are used for the extraction cycle. The deceleration process is controlled so that E2 has a relationship of E1> E2.
この粒子加速器の運転方法では、前段の取出しサイクルにおける加速工程によって加速された荷電粒子のエネルギーＥ１と、前記前段に続く次段の取出しサイクルにおける減速工程によって減速された荷電粒子のエネルギーＥ２とが、Ｅ１＞Ｅ２の関係となるようにすることによって、各出射工程で順を追ってエネルギー値が低い荷電粒子ビームを取り出すことができる。 In this particle accelerator operating method, the energy E1 of the charged particles accelerated by the acceleration process in the previous extraction cycle and the energy E2 of the charged particles decelerated by the deceleration process in the subsequent extraction cycle following the previous stage are: By satisfying the relationship of E1> E2, a charged particle beam having a low energy value can be taken out in order in each emission step.
請求項４の発明は、前記運転サイクルは、前段の取出しサイクルにおける加速工程によって加速された荷電粒子のエネルギーＥ１と、前記前段に続く次段の取出しサイクルにおける加速工程によって加速された荷電粒子のエネルギーＥ２とが、Ｅ１＜Ｅ２の関係となるように加速工程の制御を行うエネルギー上昇段階と、前記エネルギー上昇段階の後に、前段の取出しサイクルにおける加速工程によって加速された荷電粒子のエネルギーＥ１と、前記前段に続く次段の取出しサイクルにおける減速工程によって減速された荷電粒子のエネルギーＥ２とが、Ｅ１＞Ｅ２の関係となるように減速工程の制御を行うエネルギー降下段階とを含むことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the operation cycle includes the energy E1 of the charged particles accelerated by the acceleration process in the previous extraction cycle, and the energy of the charged particles accelerated by the acceleration process in the subsequent extraction cycle following the previous stage. E2 is an energy increase stage that controls the acceleration process so that E1 <E2, and after the energy increase stage, the energy E1 of the charged particles accelerated by the acceleration process in the previous extraction cycle, It includes an energy lowering stage for controlling the deceleration process so that the energy E2 of the charged particles decelerated in the deceleration process in the next extraction cycle following the preceding stage has a relationship of E1> E2.
この粒子加速器の運転方法では、エネルギー上昇段階で順を追ってエネルギー値が高い荷電粒子ビームを取り出すことができ、さらに、そのエネルギー上昇段階に続くエネルギー降下段階で順を追ってエネルギー値の低い荷電粒子ビームを取り出すことができる。 In this particle accelerator operation method, a charged particle beam having a high energy value can be taken out in order in the energy rising stage, and a charged particle beam having a low energy value in the energy falling stage following the energy rising stage. Can be taken out.
請求項５の発明は、荷電粒子をシンクロトロン内に入射させる粒子入射部と、入射された荷電粒子を前記シンクロトロン内の周回軌道を周回させながら高周波加速空胴で所定のエネルギーまで加速する加速部と、加速された荷電粒子を前記シンクロトロンから出射させる粒子出射部と、前記粒子入射部、前記加速部および前記粒子出射部の動作を制御するコントローラとを備える粒子加速器であって、前記コントローラは、前記粒子入射部による荷電粒子の入射を制御する入射制御手段と、前記加速部によって、前記シンクロトロン内での荷電粒子の加速を制御する加速制御手段と、前記粒子出射部によって、加速された荷電粒子の出射を制御する出射制御手段とを備え、前記加速制御手段と前記出射制御手段とは、荷電粒子の入射後、荷電粒子の加速と加速された荷電粒子の出射を行う取出しサイクルを複数回行い、各取出しサイクルにおいて、荷電粒子を異なるエネルギーに加速し、当該異なるエネルギーに加速された荷電粒子を出射可能とすることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a particle incident portion for causing charged particles to enter the synchrotron, and acceleration for accelerating the incident charged particles to a predetermined energy with a high-frequency acceleration cavity while orbiting the orbit in the synchrotron. A particle accelerator comprising: a unit; a particle emitting unit that emits accelerated charged particles from the synchrotron; and a controller that controls operations of the particle incident unit, the accelerating unit, and the particle emitting unit. Is accelerated by an incident control means for controlling the incidence of charged particles by the particle incident section, an acceleration control means for controlling the acceleration of charged particles in the synchrotron by the acceleration section, and the particle emitting section. And an emission control means for controlling the emission of the charged particles. The acceleration control means and the emission control means are configured to The extraction cycle for accelerating the child and emitting the accelerated charged particles is performed a plurality of times. In each extraction cycle, the charged particles are accelerated to different energies, and the charged particles accelerated to the different energies can be emitted. Features.
この粒子加速器では、粒子入射部による荷電粒子の入射を制御する入射制御手段と、加速部によって、シンクロトロン内での荷電粒子の加速を制御する加速制御手段と、粒子出射部によって、加速された荷電粒子の出射を制御する出射制御手段とを備えることによって、加速制御手段と出射制御手段とによって、荷電粒子の入射後、荷電粒子の加速と加速された荷電粒子の出射を行う取出しサイクルを複数回行い、各取出しサイクルにおいて、荷電粒子を異なるエネルギーに加速し、当該異なるエネルギーに加速された荷電粒子を出射して、各出射工程で、異なるエネルギーの荷電粒子ビームを取り出すことができる。 In this particle accelerator, it is accelerated by an incident control unit that controls the incidence of charged particles by the particle incident unit, an acceleration control unit that controls acceleration of charged particles in the synchrotron by the acceleration unit, and a particle emission unit. By providing the emission control means for controlling the emission of the charged particles, the acceleration control means and the emission control means allow a plurality of extraction cycles for accelerating the charged particles and emitting the accelerated charged particles after the charged particles are incident. In each extraction cycle, the charged particles are accelerated to different energies, the charged particles accelerated to the different energies are emitted, and charged particle beams of different energies can be extracted in each extraction step.
請求項６の発明の粒子線照射装置は、前記の粒子加速器と、当該粒子加速器から出射される荷電粒子を、粒子線ビームとして利用する照射部とを備えることを特徴とする。 A particle beam irradiation apparatus according to a sixth aspect of the invention includes the particle accelerator, and an irradiation unit that uses charged particles emitted from the particle accelerator as a particle beam.
この粒子線照射装置では、前記の粒子加速器と、当該粒子加速器から出射される荷電粒子を、粒子線ビームとして利用する照射部とを備えることによって、バイナリフィルタ等を用いずに、連続して異なるエネルギー値の荷電粒子ビームを照射できる。 In this particle beam irradiation apparatus, the particle accelerator and the irradiation unit that uses the charged particles emitted from the particle accelerator as a particle beam are continuously different without using a binary filter or the like. A charged particle beam having an energy value can be irradiated.
本発明の粒子加速器およびその運転方法によれば、荷電粒子を一度入射した後、エネルギー値が異なる複数の荷電粒子ビームを取り出すことができる。そのため、照射する荷電粒子ビームのエネルギーを変えるため、従来、用いていたバイナリフィルタが不要となる。さらに、バイナリフィルタが不要となることによって、フィルタによる荷電粒子の散乱に起因する問題、例えば、荷電粒子ビームの照射ターゲットからの広がりによる問題、陽子、中性子をはじめとする２次粒子の生成等の問題を解消できる。 According to the particle accelerator and the operation method thereof of the present invention, a plurality of charged particle beams having different energy values can be taken out after once entering charged particles. Therefore, since the energy of the charged particle beam to be irradiated is changed, a conventionally used binary filter becomes unnecessary. Furthermore, since the binary filter is not required, problems caused by scattering of charged particles by the filter, such as problems caused by the spread of the charged particle beam from the irradiation target, generation of secondary particles such as protons and neutrons, etc. The problem can be solved.
また、荷電粒子を一度入射した後、エネルギー値が異なる荷電粒子ビームを取り出すことができるため、従来の荷電粒子ビームの取り出しに際して、エネルギーの異なる荷電粒子ビームを得るために必要な時間に比べて大幅に短い時間でエネルギー値が異なる荷電粒子ビームを連続して取り出すことができる。そのため、所要の照射量を得るための運転時間が大幅に短縮できる。すなわち、一回の取出しサイクルで異なるエネルギー値を有する複数の荷電粒子ビームを出射することができ、必要な照射量を得るための運転時間が短縮され、利用効率の向上、荷電粒子ビームの照射コストの低減に有効である。 In addition, a charged particle beam with a different energy value can be extracted after entering the charged particle once. Therefore, when a conventional charged particle beam is extracted, the time required to obtain a charged particle beam with a different energy is greatly increased. It is possible to continuously extract charged particle beams having different energy values in a short time. Therefore, the operation time for obtaining a required irradiation amount can be greatly shortened. That is, a plurality of charged particle beams having different energy values can be emitted in one extraction cycle, the operation time for obtaining a necessary irradiation amount is shortened, the utilization efficiency is improved, and the charged particle beam irradiation cost is reduced. It is effective in reducing
本発明の粒子線照射装置は、粒子加速器から出射される粒子線ビームを各種の照射用途に利用できる。例えば、粒子線を癌組織に照射して治療を行う粒子線照射治療装置では、粒子線がん治療におけるスキャニング照射や三次元照射を行う場合に大変有効である。これらの照射では、がん腫瘍を幾つかの深さ方向の層（スライス）に分割して放射線の照射を行うが、各スライスの深さはビームのエネルギーにより決定されるため、ビームエネルギーを逐次変更する必要がある。ビームエネルギーが次々と変更可能であるため、１回の運転サイクル程度で照射を完了することも可能である。照射時間を最小限に止めて患者への負担を軽減できる。 The particle beam irradiation apparatus of the present invention can use the particle beam emitted from the particle accelerator for various irradiation applications. For example, a particle beam irradiation treatment apparatus that performs treatment by irradiating a cancer tissue with a particle beam is very effective in performing scanning irradiation or three-dimensional irradiation in particle beam cancer treatment. In these irradiations, the cancer tumor is divided into several layers (slices) in the depth direction and irradiated with radiation. The depth of each slice is determined by the energy of the beam. Need to change. Since the beam energy can be changed one after another, it is possible to complete the irradiation in about one operation cycle. The burden on the patient can be reduced by minimizing the irradiation time.
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る粒子線照射治療装置の構成を示す図であり、図２は、本実施形態に係る粒子加速器の運転方法を説明する図である。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a particle beam irradiation treatment apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating a method of operating a particle accelerator according to the present embodiment.
図１に示す粒子線照射治療装置１は、荷電粒子入射系２、粒子加速器３、ビーム輸送系４および照射部５を備える。
A particle beam
荷電粒子入射系２は、荷電粒子を生成するイオン源２Ａと、１次線形加速器２Ｂと、２次線形加速器２Ｃとを備え、ある程度のエネルギー（例えば、約６ＭｅＶ／ｎ：光速の約１１％）に加速された荷電粒子を粒子加速器３に供給するものである。また、イオン源２Ａと、１次線形加速器２Ｂと、２次線形加速器２Ｃと、粒子加速器３とは、高真空に保たれた入射ビーム路ＶＬ１で連絡されている。
The charged particle injection system 2 includes an
イオン源２Ａは、原子から電子を剥ぎ取ることでイオンを生成し、１次線形加速器２Ａにて加速可能な状態にするものである。イオン化される原子としては、例えば、陽子、ヘリウム、炭素、窒素、酸素、ネオン、シリコン、アルゴンなどを用いることができる。
The
１次線形加速器２Ｂは、イオン源２Ａから供給された荷電粒子を所定のエネルギーまで加速して、次の２次線形加速器２Ｃに供給するものであり、例えば、高周波の４極電場によって荷電粒子の加速と集束を行うＲＦＱライナックが用いられる。この１次線形加速器２Ｂによって、荷電粒子は、例えば、８００ｋｅＶ／ｎ(光速の約４％)程度に加速される。
The primary
線形加速器２Ｃは、線形加速器２Ｂによって加速された荷電粒子をさらに加速して、粒子加速器３の入射部２１に供給するものであり、例えば、アルバレライナックが用いられる。この２次線形加速器２Ｃによって、荷電粒子は、例えば、６ＭｅＶ／ｎ（光速の約１１％）程度に加速される。
The linear accelerator 2 </ b> C further accelerates the charged particles accelerated by the linear accelerator 2 </ b> B and supplies the charged particles to the incident portion 21 of the particle accelerator 3. For example, Alvara Linac is used. By this secondary
粒子加速器３は、シンクロトロン（入射部３１、加速部３２、出射部３３）、およびコントローラ３４を備え、荷電粒子入射系２の２次線形加速器２Ｃから供給された荷電粒子を、さらに加速するものである。
The particle accelerator 3 includes a synchrotron (an incident part 31, an acceleration part 32, and an emission part 33) and a
入射部３１は、静電インフレクタ３１Ａと、入射セプタム電磁石３１Ｂと、４個のバンプ電磁石３１Ｃとを備える。
この入射部３１において、静電インフレクタ３１Ａ、入射セプタム電磁石３１Ｂ、およびバンプ電磁石３１Ｃによって、荷電粒子入射系２から入射された荷電粒子は、その軌道を偏向され、周回軌道ＷＲに沿って円環状の加速部３２に導入される。
The incident portion 31 includes an
In the incident portion 31, the charged particles incident from the charged particle incident system 2 are deflected by the
加速部３２は、１２個の偏向電磁石３２Ａと、６個の収束四極電磁石３２Ｂと、７個の非収束電磁石３２Ｃと、高周波加速空胴３２Ｄとを、周回軌道ＷＲ上に円環状に配置して構成され、これらの偏向電磁石３２Ａと、収束四極電磁石３２Ｂと、非収束電磁石３２Ｃとによって発生する磁界によって、入射部３１から入射した荷電粒子を周回軌道ＷＲに沿って周回させるために、その運動方向を規制するものである。この加速部３２において、荷電粒子は、例えば、約８００ＭｅＶ／ｎ（光速の約８４％）のエネルギーまで加速される。
The accelerating unit 32 includes twelve deflecting
高周波加速空胴３２Ｄは、内部に設けられる加速ギャップ（図示せず）の間で発生する電界によって、周回軌道ＷＲ上を周回する荷電粒子を加速するものである。この高周波加速空胴３２Ｄにおいて、加速ギャップの間（図１に示す下から上）を通る荷電粒子は、上のギャップが負、下のギャップが正になる位相で高周波電界が印加され、これにより加速され、周回毎にエネルギーが増加していく。また、加速ギャップの間で発生する電界の位相を逆にすることによって、荷電粒子を減速することもできる。
このとき、偏向電磁石３２Ａ、収束四極電磁石３２Ｂおよび非収束電磁石３２Ｃは、高周波加速空胴３２Ｄにおける加速または減速に同期して、加速または減速された荷電粒子のエネルギーに応じて、荷電粒子が周回軌道ＷＲに沿った軌道を描くように磁場強度が制御される。
The high-
At this time, the deflecting
出射部３３は、静電デフレクタ３３Ａと、出射セプタム電磁石３３Ｂと、バンプ電磁石３３Ｃとで構成される。
この出射部３３において、静電デフレクタ３３Ａ、出射セプタム電磁石３３Ｂおよびバンプ電磁石３３Ｃによって、周回軌道ＷＲ上を周回する荷電粒子は、その軌道を変更されて加速部３２から出射して、荷電粒子ビームとしてビーム輸送系４に取り出される。
The
In the
ビーム輸送系４は、出射ビーム輸送路ＶＬ２上に配置された収束四極電磁石４１と、偏向電磁石４２とを備える。
このビーム輸送系４は、収束四極電磁石４１によって荷電粒子ビームの発散を抑制するとともに、偏向電磁石４２により荷電粒子ビームを所定の方向に偏向させ、ビーム輸送路ＶＬ２を通って、照射部５に荷電粒子ビームを導くものである。照射部５においては、荷電粒子ビームを、例えば、患者の患部に照射して癌治療を行うことができる。
The beam transport system 4 includes a converging
The beam transport system 4 suppresses the divergence of the charged particle beam by the converging
コントローラ３４は、荷電粒子入射系２（イオン源２Ａ、１次線形加速器２Ｂ、２次線形加速器２Ｃ）、粒子加速器３の入射部３１（静電インフレクタ３１Ａ、入射セプタム電磁石３１Ｂ、バンプ電磁石３１Ｃ）、加速部３２（偏向電磁石３２Ａ、収束四極電磁石３２Ｂ、非収束電磁石３２Ｃ、高周波加速空胴３２Ｄ）、出射部３３（静電デフレクタ３３Ａ、出射セプタム電磁石３３Ｂ、バンプ電磁石３３Ｃ）、ビーム輸送系４（収束四極電磁石４１、偏向電磁石４２）などを制御して、荷電粒子の生成、予備加速、粒子加速器３への入射、加速および荷電粒子ビームの出射、さらに、ビーム輸送系４を通った荷電粒子ビームの照射部５における照射を適正に行うものである。
The
なお、図１においては、１個の偏向電磁石３２Ａのみに制御信号線を接続した状態を図示し、他の偏向電磁石３２Ａ、収束四極電磁石３２Ｂ、非収束電磁石３２Ｃについては、コントローラ３４との制御信号線の接続を省略したが、実際は、これらの各電磁石についても、コントローラ３４と制御信号線によって接続され、コントローラ３４による磁場強度の励磁量および位相が制御されるものとする。
FIG. 1 shows a state in which the control signal line is connected to only one
このとき、粒子線照射治療装置１においては、入射ビーム路ＶＬ１、周回軌道ＷＲ、および出射ビーム輸送路ＶＬ２の随所に荷電粒子のモニタを配置して、荷電粒子の軌道およびエネルギーを測定し、コントローラ３４にその測定結果をフィードバックすることによって、前記制御が行われる。
At this time, in the particle beam
次に、この粒子線照射治療装置１における粒子加速器３の運転方法の第１実施形態について説明する。
この第１実施形態において、粒子加速器３は、図２に示すように、下記のＡ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｂ２、Ｃ２、Ｂ３、Ｃ３、Ｂ４、Ｃ４、Ｄの各工程を行うように運転される。
（１）荷電粒子入射系２から所定のエネルギーに前加速された荷電粒子が入射部３１によって周回軌道ＷＲに入射するビーム入射工程Ａ１
（２）ビーム入射段階Ａ１に続いて、加速部３２において荷電粒子を偏向電磁石３２Ａ、収束四極電磁石３２Ｂ、非収束電磁石３２Ｃによって周回軌道を制御しながら高周波加速空胴３２Ｄで加速してエネルギーＥ１に加速する加速工程Ｂ１
（３）エネルギーＥ１に加速された荷電粒子を出射部３３からビーム輸送系４に出射する出射工程Ｃ１
（４）さらに、加速部３２において、残りの荷電粒子を偏向電磁石３２Ａ、収束四極電磁石３２Ｂ、非収束電磁石３２Ｃによって周回軌道を制御しながら高周波加速空胴３２Ｄで加速してエネルギーＥ２に加速する加速工程Ｂ２
（５）エネルギーＥ２に加速された荷電粒子を出射部３３からビーム輸送系４に出射する出射工程Ｃ２
（６）加速部３２において、残りの荷電粒子を偏向電磁石３２Ａ、収束四極電磁石３２Ｂ、非収束電磁石３２Ｃによって周回軌道を制御しながら高周波加速空胴３２Ｄで加速してエネルギーＥ３に加速する加速工程Ｂ３
（７）エネルギーＥ３に加速された荷電粒子を出射部３３からビーム輸送系４に出射する出射工程Ｃ３
（８）加速部３２において、残りの荷電粒子を加速してエネルギーＥ４に加速する加速工程Ｂ４
（９）エネルギーＥ４に加速された荷電粒子を出射部３３からビーム輸送系４に出射する出射工程Ｃ４
（１０）粒子加速器３の入射部３１（静電インフレクタ３１Ａ、入射セプタム電磁石３１Ｂ、バンプ電磁石３１Ｃ）、加速部３２（偏向電磁石３２Ａ、収束四極電磁石３２Ｂ、非収束電磁石３２Ｃ、高周波加速空胴３２Ｄ）、出射部３３（静電デフレクタ３３Ａ、出射セプタム電磁石３３Ｂ、バンプ電磁石３３Ｃ）の各電磁石を減磁して初期状態に戻す工程Ｄ
Next, a first embodiment of the operation method of the particle accelerator 3 in the particle beam
In the first embodiment, as shown in FIG. 2, the particle accelerator 3 is operated to perform the following steps A1, B1, C1, B2, C2, B3, C3, B4, C4, and D. .
(1) A beam incident process A1 in which charged particles pre-accelerated to a predetermined energy from the charged particle incident system 2 are incident on the orbit WR by the incident portion 31.
(2) Following the beam incident stage A1, in the accelerating unit 32, the charged particles are accelerated by the high-
(3) Ejecting step C1 for emitting charged particles accelerated to energy E1 from the emitting
(4) Further, in the accelerating unit 32, the remaining charged particles are accelerated by the high
(5) Ejecting step C2 for emitting charged particles accelerated to energy E2 from the emitting
(6) In the accelerating unit 32, the remaining charged particles are accelerated by the high-
(7) Ejecting step C3 for emitting charged particles accelerated to energy E3 from the emitting
(8) Acceleration process B4 in which the remaining charged particles are accelerated to energy E4 in the acceleration unit 32
(9) Ejecting step C4 for emitting charged particles accelerated to energy E4 from the emitting
(10) Incident part 31 (
このように、本実施形態の運転方法においては、荷電粒子の入射の後、加速工程Ｂ１、出射工程Ｃ１、加速工程Ｂ２、出射工程Ｃ２、加速工程Ｂ３、出射工程Ｃ３、加速工程Ｂ４、および出射工程Ｃ４の順に、荷電粒子の加速および出射を繰り返すことによって、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４の各出射工程において、それぞれエネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３およびＥ４に加速された荷電粒子からなる荷電粒子ビームを取り出すことができる。 Thus, in the operation method of the present embodiment, after the charged particles are incident, the acceleration step B1, the emission step C1, the acceleration step B2, the emission step C2, the acceleration step B3, the emission step C3, the acceleration step B4, and the emission step. By repeating acceleration and extraction of charged particles in the order of step C4, a charged particle beam composed of charged particles accelerated to energy E1, E2, E3, and E4 in each of the extraction steps C1, C2, C3, and C4, respectively. It can be taken out.
このとき、コトローラ３４は、加速工程Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３およびＢ４の各工程において、高周波加速空胴３２Ｄの加速ギャップにおける電界、ならびに偏向電磁石３２Ａ、収束四極電磁石３２Ｂおよび非収束電磁石３２Ｃの磁場強度を制御して、エネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３およびＥ４をそれぞれ所望のエネルギー値にすることができる。また、コントローラ３４は、出射部３３の静電デフレクタ３３Ａ、出射セプタム電磁石３３Ｂ、バンプ電磁石３３Ｃの各電磁石を制御して、出射工程Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の各出射段階において、出射部３３から出射する荷電粒子の出射量を制御することができる。
At this time, the
また、図３は、粒子加速器３の運転方法の第２実施形態を示す図である。
この第２実施形態において、粒子加速器３は、図３に示すように、入射工程Ａ１に続き、加速工程Ｂ１、出射工程Ｃ１、加速工程Ｂ２、出射工程Ｃ２、加速工程Ｂ３、出射工程Ｃ３、加速工程Ｂ４、出射工程Ｃ４、加速工程Ｂ５、出射工程Ｃ５、加速工程Ｂ６、出射工程Ｃ６、加速工程Ｂ７、および出射工程Ｃ７からなるエネルギー増加段階を行い、次に、減速工程Ｆ１、出射工程Ｃ８、減速工程Ｆ２、出射工程Ｃ９、減速工程Ｆ３、出射工程Ｃ１０、減速工程Ｆ４、出射工程Ｃ１１、減速工程Ｆ５および出射工程Ｃ１２からなるエネルギー減少段階を行うように運転される。
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the operation method of the particle accelerator 3.
In the second embodiment, as shown in FIG. 3, the particle accelerator 3 includes an acceleration step B1, an emission step C1, an acceleration step B2, an emission step C2, an acceleration step B3, an emission step C3, an acceleration step following the incidence step A1. An energy increasing step consisting of step B4, emission step C4, acceleration step B5, emission step C5, acceleration step B6, emission step C6, acceleration step B7, and emission step C7 is performed, and then deceleration step F1, emission step C8, The engine is operated so as to perform an energy reduction step including a deceleration process F2, an extraction process C9, a deceleration process F3, an extraction process C10, a deceleration process F4, an extraction process C11, a deceleration process F5, and an extraction process C12.
この運転方法において、エネルギー増加段階では、前記の第１実施形態と同様に、加速工程Ｂ１、出射工程Ｃ１、加速工程Ｂ２、出射工程Ｃ２、加速工程Ｂ３、出射工程Ｃ３、加速工程Ｂ４、出射工程Ｃ４、加速工程Ｂ５、出射工程Ｃ５、加速工程Ｂ６、出射工程Ｃ６、加速工程Ｂ７、および出射工程Ｃ７の順に、荷電粒子の加速および出射を繰り返すことによって、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７の各出射工程において、それぞれエネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６、Ｅ７に加速された荷電粒子からなる荷電粒子ビームを取り出すことができる。 In this operation method, in the energy increase stage, as in the first embodiment, the acceleration process B1, the extraction process C1, the acceleration process B2, the extraction process C2, the acceleration process B3, the extraction process C3, the acceleration process B4, and the extraction process. C4, acceleration step B5, emission step C5, acceleration step B6, emission step C6, acceleration step B7, and emission step C7 are repeated in the order of acceleration and emission of charged particles to obtain C1, C2, C3, C4, C5, In each of the emission steps C6 and C7, a charged particle beam composed of charged particles accelerated to energy E1, E2, E3, E4, E5, E6, and E7 can be extracted.
また、エネルギー減少段階においては、下記のＦ１、Ｃ８、Ｆ２、Ｃ９、Ｆ３、Ｃ１０、Ｆ４、Ｃ１１、Ｆ５およびＣ１２の各工程を順を追って行うように運転される。
（１１）出射工程Ｃ７に続いて、加速部３２において荷電粒子を偏向電磁石３２Ａ、収束四極電磁石３２Ｂ、非収束電磁石３２Ｃによって周回軌道を制御しながら高周波加速空胴３２Ｄで減速してエネルギーＥ８に減速する減速工程Ｆ１
（１２）エネルギーＥ８に減速された荷電粒子を出射部３３からビーム輸送系４に出射する出射工程Ｃ８
（１３）さらに、加速部３２において、残りの荷電粒子を偏向電磁石３２Ａ、収束四極電磁石３２Ｂ、非収束電磁石３２Ｃによって周回軌道を制御しながら高周波加速空胴３２Ｄで減速してエネルギーＥ９に減速する減速工程Ｆ２
（１４）エネルギーＥ９に減速された荷電粒子を出射部３３からビーム輸送系４に出射する出射工程Ｃ９
（１５）加速部３２において、残りの荷電粒子を偏向電磁石３２Ａ、収束四極電磁石３２Ｂ、非収束電磁石３２Ｃによって周回軌道を制御しながら高周波加速空胴３２Ｄで減速してエネルギーＥ１０に減速する減速工程Ｆ３
（１６）エネルギーＥ１０に減速された荷電粒子を出射部３３からビーム輸送系４に出射する出射工程Ｃ１０
（１７）加速部３２において、残りの荷電粒子をエネルギーＥ１１に減速する減速工程Ｆ４
（１８）エネルギーＥ１１に減速された荷電粒子を出射部３３からビーム輸送系４に出射する出射工程Ｃ１１
（１９）加速部３２において、残りの荷電粒子をエネルギーＥ１２に減速する減速工程Ｆ４
（２０）エネルギーＥ１２に減速された荷電粒子を出射部３３からビーム輸送系４に出射する出射工程Ｃ１２
Further, in the energy reduction stage, the following steps F1, C8, F2, C9, F3, C10, F4, C11, F5 and C12 are operated in order.
(11) Subsequent to the emission step C7, in the acceleration unit 32, the charged particles are decelerated by the high-
(12) An emission step C8 for emitting charged particles decelerated to energy E8 from the
(13) Further, in the accelerating unit 32, the remaining charged particles are decelerated by the high-
(14) Output step C9 for emitting charged particles decelerated to energy E9 from the
(15) Deceleration step F3 in which the acceleration unit 32 decelerates the remaining charged particles to the energy E10 by decelerating with the high
(16) Ejecting step C10 for emitting charged particles decelerated to energy E10 from the emitting
(17) Deceleration process F4 in which the remaining charged particles are decelerated to energy E11 in the acceleration unit 32.
(18) Ejecting step C11 for emitting charged particles decelerated to energy E11 from the emitting
(19) Deceleration process F4 in which the remaining charged particles are decelerated to energy E12 in the acceleration unit 32.
(20) Output step C12 for emitting charged particles decelerated to energy E12 from the
このように、第２実施形態の運転方法においては、荷電粒子の入射の後、エネルギー増加段階において、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６およびＣ７の各出射工程において、それぞれエネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６およびＥ７に加速された荷電粒子からなる荷電粒子ビームを出射するとともに、次のエネルギー減少段階において、減速工程Ｆ１、出射工程Ｃ８、減速工程Ｆ２、出射工程Ｃ９、減速工程Ｆ３、出射工程Ｃ１０、減速工程Ｆ４、出射工程Ｃ１１、減速工程Ｆ４および出射工程Ｃ１２の順に、荷電粒子の減速および出射を行うことによって、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１０、Ｃ１１およびＣ１２の各出射工程において、それぞれエネルギーＥ８、Ｅ９、Ｅ１０、Ｅ１１、Ｅ１２の荷電粒子からなる荷電粒子ビームを取り出すことができる。 As described above, in the operation method of the second embodiment, after the charged particles are incident, in the energy increasing stage, in the emission steps of C1, C2, C3, C4, C5, C6, and C7, the energy E1, E2 respectively. , E3, E4, E5, E6, and E7, a charged particle beam made up of charged particles is emitted, and in the next energy reduction stage, a deceleration process F1, an extraction process C8, a deceleration process F2, an extraction process C9, and a deceleration In the respective emission steps C8, C9, C10, C11 and C12, the charged particles are decelerated and emitted in the order of step F3, emission step C10, deceleration step F4, emission step C11, deceleration step F4 and emission step C12. , Take a charged particle beam consisting of charged particles of energy E8, E9, E10, E11, E12, respectively. Succoth can.
このとき、コトローラ３４は、エネルギー増加段階における加速工程Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６およびＢ７の各工程において、高周波加速空胴３２Ｄの加速ギャップにおける電界、ならびに偏向電磁石３２Ａ、収束四極電磁石３２Ｂおよび非収束電磁石３２Ｃの磁場強度を制御して、エネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６およびＥ７をそれぞれ所望のエネルギー値にすることができる。そして、コントローラ３４は、エネルギー減少段階における減速工程Ｆ１、Ｆ２，Ｆ３、Ｆ４およびＦ５の各工程において、高周波加速空胴３２Ｄの加速ギャップにおける電界、ならびに偏向電磁石３２Ａ、収束四極電磁石３２Ｂおよび非収束電磁石３２Ｃの磁場強度を制御して、エネルギーＥ８、Ｅ９、Ｅ１０、Ｅ１１およびＥ１２をそれぞれ所望のエネルギー値にすることができる。また、コントローラ３４は、出射部３３の静電デフレクタ３３Ａ、出射セプタム電磁石３３Ｂ、バンプ電磁石３３Ｃの各電磁石を制御して、エネルギー増加段階におけるＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６およびＣ７の各出射工程、ならびにエネルギー減少段階におけるＣ８、Ｃ９、Ｃ１０、Ｃ１１およびＣ１２の各出射工程において、出射部３３から出射する荷電粒子の出射量を制御することができる。
At this time, the
前記の粒子加速器の運転方法についての第１実施形態においては、荷電粒子の入射の後、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４の各出射工程において、それぞれエネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３およびＥ４に加速された荷電粒子からなる荷電粒子ビームを取り出す方法について説明した。また、第２実施形態においては、荷電粒子の入射の後、エネルギー増加段階において、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６およびＣ７の各出射工程において、それぞれエネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６およびＥ７に加速された荷電粒子からなる荷電粒子ビームを取り出し、次のエネルギー減少段階において、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１０、Ｃ１１およびＣ１２の各出射工程において、それぞれエネルギーＥ８、Ｅ９、Ｅ１０、Ｅ１１、Ｅ１２の荷電粒子からなる荷電粒子ビームを取り出す方法について説明した。しかし、本発明の粒子加速器の運転方法は、これらの形態に限定されず、加速工程および出射工程、また、減速工程および出射工程を組み合わせることによって、所望のエネルギーに加速または減速された荷電粒子からなる荷電粒子ビームを出射部３３から取り出すことができる。
In the first embodiment of the operation method of the particle accelerator, the charged particles are accelerated to energies E1, E2, E3, and E4 in the emission steps of C1, C2, C3, and C4 after the incidence of charged particles, respectively. A method for extracting a charged particle beam made of particles has been described. In the second embodiment, after the incident of charged particles, in the energy increasing stage, in the emission steps of C1, C2, C3, C4, C5, C6, and C7, energy E1, E2, E3, E4, A charged particle beam composed of charged particles accelerated to E5, E6, and E7 is taken out, and energy E8, E9, E10, E11 is extracted in each of the emission steps C8, C9, C10, C11, and C12 in the next energy reduction stage. A method for extracting a charged particle beam made of E12 charged particles has been described. However, the operation method of the particle accelerator of the present invention is not limited to these forms, and from the charged particles accelerated or decelerated to a desired energy by combining the acceleration process and the extraction process, and the deceleration process and the extraction process. The charged particle beam can be extracted from the emitting
なお、前記の第１実施形態および第２実施形態においては、いわゆる遅い取出しによって、粒子加速器から荷電粒子ビームを取り出す方法について説明したが、本発明は、遅い取出しに限定されず、本発明が、いわゆる早い取出しや、ＲＦ−ＫＯ取り出しなど、どの取り出し方法にも適用可能であることはもちろんである。その早い取出しは、前記セプタム電磁石、バンプ電磁石等を、他の電磁石、例えば、キッカー電磁石等に変更することで行うことができる。 In the first embodiment and the second embodiment described above, the method of extracting the charged particle beam from the particle accelerator by so-called slow extraction has been described, but the present invention is not limited to the slow extraction, and the present invention is Of course, the present invention can be applied to any extraction method such as so-called quick extraction and RF-KO extraction. The quick removal can be performed by changing the septum electromagnet, the bump electromagnet, etc. to another electromagnet, for example, a kicker electromagnet.
次に、前記の第１実施形態に示す運転を行う粒子加速器３を備える粒子線照射治療装置１による癌細胞組織の粒子線照射治療について説明する。
図１に示す粒子線照射治療装置１においては、荷電粒子入射系２で生成および呼び加速された荷電粒子を粒子加速器３に入射して、前記運転方法によって、連続してエネルギー値の異なる荷電粒子に加速または減速して、粒子加速器３の出射部３３から、その荷電粒子からなる荷電粒子ビームを取り出し、ビーム輸送系４の収束四極電磁石４１および偏向電磁石４２によって荷電粒子ビームを照射部５に導き、照射部５に設けられた照射装置や回転ガントリ（図示せず）から、患者の癌細胞組織に荷電粒子ビームを照射して治療を行うものである。
Next, the particle beam irradiation treatment of cancer cell tissue by the particle beam
In the particle beam
この粒子線照射治療装置１の照射部５における荷電粒子ビームの照射治療について、前記の第１実施形態の粒子加速器の運転方法によって得られる荷電粒子ビームを用いる場合について説明する。ここで、説明を容易にするために、患者の体内に存在する癌細胞組織として、図４（ａ）に示す球状の癌細胞組織ＣＡに対する荷電粒子ビームの照射治療を例として説明する。図４（ａ）において、紙面上方に患者の体表面があるとする。
The case where the charged particle beam obtained by the operation method of the particle accelerator of the first embodiment is used as the charged particle beam irradiation treatment in the irradiation unit 5 of the particle beam
この粒子線照射治療装置１においては、粒子加速器３から、前記の第１実施形態の運転方法によって、エネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３およびＥ４の異なるエネルギーの荷電粒子ビームを連続的に取り出し、これをビーム輸送系４を通って、照射部５において患者の癌細胞組織に照射することができる。これによって、照射される荷電粒子ビームは、そのエネルギーに応じて患者の体表面からの到達深さが決定される。すなわち、エネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３およびＥ４に応じて、それぞれ図４（ｂ）に示すＺ方向の到達位置Ｚ１が決定される。一方、照射部５に設けたワブラー電磁石等によって、荷電粒子ビームの照射方向を偏向することによって、図４（ｃ）に示すＸ−Ｙ平面上の位置に荷電粒子ビームＱＢの到達位置を制御することができる。これによって、荷電粒子ビームＱＢの照射位置の座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）が決定される。また、エネルギーが一定の場合、例えば、エネルギーＥ１の荷電粒子ビームＱＢを照射する場合、粒子加速器３のコントローラ３４によって、出射部３３の静電デフレクタ３３Ａ、出射セプタム電磁石３３Ｂ、バンプ電磁石３３Ｃの各電磁石を制御して、出射段階Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の各出射段階において、出射部３３から出射する荷電粒子の出射量を制御することができる。これによって、Ｘ−Ｙ平面上の照射面積に応じた荷電粒子ビームの出射量を得ることができる。
In this particle beam
したがって、荷電粒子ビームＱＢは、エネルギーおよびＸ−Ｙ平面上の照射方向を制御することによって、荷電粒子ビームＱＢの照射位置の座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）を任意に変更することができ、これによって、立体形状（球状）の癌細胞組織ＱＢの全ての点にわたって、荷電粒子ビームＱＢを照射することが可能となる。また、コントローラ３４によって、荷電粒子ビームＱＢの出射量を制御することによって、各照射位置における荷電粒子ビームＱＢの照射量をも所望の値にすることができる。このように、荷電粒子ビームＱＢの照射位置の座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）を連続的に変えることによって、癌細胞組織ＣＡの全体にわたって荷電粒子ビームＱＢをスキャンニングすることができる。このような荷電粒子ビームＱＢのスキャンニングは、図４（ａ）に示す球状の癌細胞組織ＣＡに限られず、癌細胞組織の立体形状に合わせて荷電粒子ビームの照射位置を制御することができる。
Therefore, the charged particle beam QB can arbitrarily change the coordinates (X1, Y1, Z1) of the irradiation position of the charged particle beam QB by controlling the energy and the irradiation direction on the XY plane. By this, it becomes possible to irradiate the charged particle beam QB over all points of the three-dimensional (spherical) cancer cell tissue QB. Further, by controlling the emission amount of the charged particle beam QB by the
また、前記の第２実施形態の運転方法においては、粒子加速器３から取り出される荷電粒子ビームは、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６およびＣ７の各出射段階において、それぞれエネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６およびＥ７を有し、さらに、続いて、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１０、Ｃ１１およびＣ１２の各出射段階において、それぞれエネルギーＥ８、Ｅ９、Ｅ１０、Ｅ１１、Ｅ１２の荷電粒子ビームを取り出すことができる。そして、このように順を追って段階的に高いエネルギーで取り出される荷電粒子ビームを利用すれば、粒子線照射治療装置１の治療部５において、さらに、照射部位の制御の自由度が増し、癌細胞組織の立体形状に合わせて荷電粒子ビームの照射位置を制御することができる。すなわち、荷電粒子ビームの到達深さおよび照射位置を、照射部位の形状、大きさ、周辺部位への影響を考慮して調整することが可能となる。
In the operation method of the second embodiment, the charged particle beam extracted from the particle accelerator 3 is energized with energy E1, E2, and C1, C2, C3, C4, C5, C6, and C7, respectively. E3, E4, E5, E6, and E7, and subsequently, at each of the C8, C9, C10, C11, and C12 emission stages, the charged particle beams of energy E8, E9, E10, E11, and E12 are extracted, respectively. be able to. And if the charged particle beam taken out with high energy step by step in this way is utilized, in the treatment part 5 of the particle beam
以上のとおり、本発明の粒子加速器およびその運転方法では、荷電粒子を一度入射した後、エネルギー値が異なる複数の荷電粒子ビームを取り出すことができる。そのため、従来の運転方法では、異なるエネルギーの荷電粒子ビームを得るためには、少なくとも運転サイクルの１繰り返し周期分待つ必要があったが、次の運転サイクルを待つことなく、連続して異なるエネルギーの荷電粒子ビームを取り出すことができるため、照射に要する時間を短縮することができる。これは、粒子線照射治療装置においては、照射時間を短くして患者への負担を最小限に止めることができる。また、従来、照射する荷電粒子ビームのエネルギー量を変えるために、粒子加速器から取り出された荷電粒子ビームをバイナリフィルタと呼ばれる様々な厚みを持つＰＭＭＡ製の減速板を通してエネルギー値を調節していたが、連続して、所望のエネルギーを有する荷電粒子ビームを得ることができるため、このバイナリフィルタが不要となる。このバイナリフィルタが不要となることによって、照射時間を短縮することができるとともに、フィルタによる荷電粒子の散乱に起因する問題、例えば、荷電粒子ビームの照射ターゲットからの広がりによる問題、陽子、中性子をはじめとする２次粒子の生成等の問題を解消できる。 As described above, in the particle accelerator and the operation method thereof according to the present invention, a plurality of charged particle beams having different energy values can be taken out after once entering the charged particles. Therefore, in the conventional operation method, in order to obtain charged particle beams having different energies, it is necessary to wait for at least one repetition cycle of the operation cycle. Since the charged particle beam can be extracted, the time required for irradiation can be shortened. In the particle beam irradiation treatment apparatus, this can shorten the irradiation time and minimize the burden on the patient. Conventionally, in order to change the energy amount of the charged particle beam to be irradiated, the energy value of the charged particle beam extracted from the particle accelerator is adjusted through a PMMA deceleration plate called a binary filter having various thicknesses. Since the charged particle beam having the desired energy can be obtained continuously, this binary filter becomes unnecessary. By eliminating the need for this binary filter, the irradiation time can be shortened and problems caused by scattering of charged particles by the filter, such as problems caused by the spread of charged particle beams from the irradiation target, protons, neutrons, etc. It is possible to eliminate problems such as the generation of secondary particles.
１ 粒子線照射治療装置
２ 荷電粒子入射系
２Ａ イオン源
２Ｂ １次線形加速器
２Ｃ ２次線形加速器
３ 粒子加速器
３１ 入射部
３１Ａ 静電インフレクタ
３１Ｂ 入射セプタム電磁石
３１Ｃ バンプ電磁石
３２ 加速部
３２Ａ 偏向電磁石
３２Ｂ 収束四極電磁石
３２Ｃ 非収束電磁石
３２Ｄ 高周波加速空胴
３３ 出射部
３３Ａ 静電デフレクタ
３３Ｂ 出射セプタム電磁石
３３Ｃ バンプ電磁石
３４ コントローラ
４ ビーム輸送系
４１ 収束四極電磁石
４２ 偏向電磁石
５ 照射部
ＶＬ１ 入射ビーム路
ＷＲ 周回軌道
ＶＬ２ 出射ビーム輸送路
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記入射工程の後、前記加速または減速工程と前記出射工程を行う取出しサイクルを複数回行い、各加速工程で荷電粒子を異なるエネルギーに加速し、当該加速または減速工程の取出しサイクルにおける出射工程で前記異なるエネルギーに加速された荷電粒子を出射することを特徴とする粒子加速器の運転方法。 An incident step of causing charged particles to enter the synchrotron, and an acceleration or deceleration step of accelerating or decelerating the incident charged particles to a predetermined energy in a high-frequency acceleration cavity while orbiting the orbit in the synchrotron. A method of operating a particle accelerator that performs an emission step of emitting the charged particles from the synchrotron,
After the incident step, the extraction cycle for performing the acceleration or deceleration step and the extraction step is performed a plurality of times, the charged particles are accelerated to different energy in each acceleration step, and the extraction step in the extraction cycle of the acceleration or deceleration step A method of operating a particle accelerator, characterized by emitting charged particles accelerated to different energies.
前記コントローラは、前記粒子入射部による荷電粒子の入射を制御する入射制御手段と、前記加速部によって、前記シンクロトロン内での荷電粒子の加速を制御する加速制御手段と、前記粒子出射部によって、加速された荷電粒子の出射を制御する出射制御手段とを備え、前記加速制御手段と前記出射制御手段とは、荷電粒子の入射後、荷電粒子の加速と加速された荷電粒子の出射を行う取出しサイクルを複数回行い、各取出しサイクルにおいて、荷電粒子を異なるエネルギーに加速し、当該異なるエネルギーに加速された荷電粒子を出射可能とすることを特徴とする粒子加速器。 A particle incident part for injecting charged particles into the synchrotron, an acceleration part for accelerating the incident charged particles to a predetermined energy in a high-frequency acceleration cavity while orbiting the orbit in the synchrotron, and accelerated charge A particle accelerator comprising: a particle emitting unit that emits particles from the synchrotron; and a controller that controls operations of the particle incident unit, the acceleration unit, and the particle emitting unit;
The controller includes an incident control unit that controls incidence of charged particles by the particle incident unit, an acceleration control unit that controls acceleration of charged particles in the synchrotron by the acceleration unit, and the particle emission unit, An emission control means for controlling the emission of the accelerated charged particles, and the acceleration control means and the emission control means extract the charged particles and the accelerated charged particles after the charged particles are incident. A particle accelerator characterized by performing a plurality of cycles and accelerating charged particles to different energies in each extraction cycle so that the charged particles accelerated to the different energies can be emitted.
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