JP2009162770A - 重イオンガントリー用ビーム走査システム - Google Patents

Abstract

【課題】重イオン癌治療設備用のイオンビーム用走査マグネットシステムを提供する。
【解決手段】システムは、走査マグネット１−２、３−４と、この下流に位置する９０度ダイポール６、この下流にステイプル止めされたビーム診療板タイプ検知装置７から成る。９０度ダイポールは走査域に適応する開口を有し、ギャップの付いたヨークエレメントを包含して電界の均一性を増強する。走査マグネットは、約１．５度の最大曲げ角度、約２２ｍの曲率半径、約０．６ｍの路長を有し、１２０乃至１５０ｍｍのギャップ高とギャップ巾を有し、０．３ｍｍ迄の範囲の厚さで、２％までのシリコンとの合金製鋼板で作られた１個の接着されたヨークエレメントから成る。このヨークエレメントは、３００乃至４００ｍｍの範囲の巾、２００乃至２５０ｍｍの範囲の高さ、５００乃至６００ｍｍの範囲の長さを持つ。走査マグネットのコイル巻き数は、５０乃至７０の範囲とする。
【選択図】図１０

Description

本願発明はクレーム１の目的物による、重イオン癌治療設備に用いる重イオンガントリー(heavy ion gantry)用ビーム走査システムに関する。

米国特許4,870,287（特許文献１）の記載から、単一のプロトン源から、選択的に発生させて運ぶプロトンビームの、プロトンビーム治療システム、および、ステーション内の固定方向に保持されている患者に、異なる角度でプロトンビームを与える回転可能なガントリーを有する、複数の患者処理ステーションから一つを選ぶ加速装置が知られている。

更に、米国特許4,870,287から、コンピューター化された断層撮影走査のような新しい像技術が知られており、その走査は処理すべき位置の正確な場所を確認する走査技術を用いるものであるが、米国特許4,870,287には、走査マグネットを使って直接、かつ正確に治療ビームを、処理すべき位置の正確な所に移動したり、或いは曲げたりするヒントは示されていない。

H.エイコッフ等（H. Eickhoff et al.）の著書"ハイデルベルグにおける軽イオン癌治療用に提案された加速装置"(Proc. Of the IEEE Part. Acc. Conf.NY, 1999, p 2513-2515)（非特許文献１）から、 強度―制御されたラスター(raster)走査技術は、治療システムのイオンビームを動かし、あるいは曲げることが知られている。しかしながら、走査マグネットも規定されておらず、治療システム内のこれら走査マグネットの記載もない。

米国特許4,870,287号明細書

H.エイコッフ等（H. Eickhoff et al.）"ハイデルベルグにおける軽イオン癌治療用に提案された加速装置"(Proc. Of the IEEE Part. Acc. Conf.NY, 1999, p 2513-2515)

この様に、本発明の目的は、重イオン癌治療設備に使用する高エネルギー用走査マグネットを、規定し、与えることにある。特に、本発明の目的は、最後部の曲げマグネットの上流に位置する走査マグネットの組み合わせを提供するものである。

この目的は、独立クレーム１の主題目的物により達成される。より好ましい態様の形は、従属クレームに開示される。

本発明によれば、重イオンガントリー用走査システムは、最大約１．５度の曲げ角度（α）；約２２ｍの曲率半径；約０．６ｍの路長；および１２０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲のギャップ高さ(h)とギャップ巾(w)を有する重イオン癌治療システムに用いる高エネルギーイオンビーム用走査マグネットが与えられる。更に、各走査マグネット（１−２，３−４）は、０．３ｍｍまでの厚さの鋼板で、２％までのシリコンとの合金製の一個の接着されたヨーク(yoke) エレメントからなる。このヨークエレメントは、３００ｍｍ〜４００ｍｍの範囲の巾；２００ｍｍ〜２５０ｍｍの範囲の高さ；と５００〜６００ｍｍの範囲の長さを有する。各走査マグネット用コイルは、５０〜７０の範囲の巻き数を有する。更に、システムは、走査エアリアに適応する装置を持ち、ギャップの付いたヨークを包含している該走査マグネットの下流に位置する９０度ダイポールからなり、電界の均一性を増大する。更に付け加えると、システムは、該９０度曲げマグネットの下流にステープル止めされた、ビーム診断板タイプ検知器を含んでいる。

そのような走査システムは、少なくとも二個の走査マグネットが、水平および垂直ダイポールマグネットとして用いられるとき、ISO-板、またはISO-センターで、２００×２００ｍｍの走査エアリアの方向に、イオンビームをコントロールする利益がある。

より好ましい態様では、該走査マグネットは、後部の９０度曲げマグネットの上流の、重イオン癌治療システムのガントリシステム内に置かれる。この位置は、患者の処理位置用のスペースが、走査マグネットの容積によって、削られたり、限定されたりしない利益がある。ガントリの全半径内の範囲が最小限となり、ガントリ重量が減少される。該走査マグネットと、規定ギャップを持つ適当なヨークを有し、さらに該９０度曲げダイポールの下流の走査と平行な、適当な出口エッジを有する該９０度曲げダイポールとの組合せが可能である。

好ましくは、該走査マグネットのコイルは、５００〜６００Aの範囲の最大コイル電流が流れ得るように設計されている。そのような高コイル電流は、該コイルの５０から７０回転に供給され、約１．５度のイオンビームの最大曲げ角度が得られる。

そのようなコイルの熱損失を管理するため、走査マグネットは、複数の冷却チャネル、好ましくは少なくとも６個の冷却チャネル、および５ L/min〜１０ L/minの範囲の全冷却水供給によって水冷される。そのような水冷コイルは、水素または窒素冷却の超伝導コイルと比較して、患者を処理する間の作業の安全性が増大する利益がある。

更なる好ましい態様において、コイルは、超伝導でなく、１０KW〜１２KWの最大直流電力消費を必要とする、３０mΩ〜５０mΩの範囲のコイル抵抗を持つ。

該最大曲げ角度を保証する為、該走査マグネットの全コイルインダクタンスは３〜４ mHである。

コイルの全供給電圧は、それぞれの曲げ方向の最大コイル電流を維持するために、-３５０V〜-４００Vまたは+３５０V〜+４００Vの範囲が好ましい。

更なる好ましい態様において、該走査マグネットは一個の単一ヨーク部分から成る。このことは、走査システムの作業コストを最小にする簡単な構造、簡単な維持、ならびに組立―取り扱いにおける利益がある。

９０度ダイポールは、約±２×１０-^４の電界の均一性を与える。このような電界の均一性は、像エラーと楕円形ビームスポットをなくする。曲げダイポールのヨーク内のギャップは、２３×２３ｃｍのような大きな走査面積の均等度が、ガントリーのISOセンターにおける上記の限界内にあるという利益がある。
エッジ角を持つ９０度曲げダイポールの出口における飽和効果が生ずるので、ヨークの断面が局部的に増大する。更に、最大電界が１．８テスラに限定され、飽和効果を最小にする。

曲げダイポールの全重量は、約７２トンある。ヨークは、６個の部分に分かれており、それぞれの部分は４つの調節手段を持つ。

図１は、走査システムの概略図を示す。 図２Aから２Eは走査マグネトの配置の異なる形を示す。 図３は、出口エッジ角の機能としてのビーム角を示す。 図４は、出口エッジ角の機能としての走査角を示す。 図５は、全フラックス密度の横方向分布を示す。 図６は、静止状態下の縁取り域（fringing field）の減衰を示し、走査マグネットの１つのヨークエッジの場所を示す。 図７は、ヨークのエデイ(Eddy)電流によっておこる流動電流密度変化を示す。 図８は、走査域における計算によるビーム強度分布を示す。 図９は、ガントリシステムを貫通する特定イオンビーム通路を示す。 図１０は、本発明の態様による走査システムを示す。

図１０に示す、直交する、水平および垂直のダイポールマグネット１−２，および３−４から成るビーム走査システム５は、９０度ダイポールマグネット６の前にある。９０度ダイポールマグネット６の開口（２３×２３ｃｍ）とビーム走査システムは、ISO面に２０×２０ｃｍの走査域に計画されている。９０度ダイポールマグネット６の出口エッジ角は、強力に最終ビーム角を決定する。２１度の出口エッジ角θで、両横断面のビーム角度は小さく（≒２．５mrad）、両横断面とも等しい。

処理領域に対するビームラインは、図１に示すビーム走査システムとほぼ同じ装置を備えている。これらビーム走査機は、患者の位置の上流数メーターのところにある２個の固定した、直交に配置されたダイポールマグネットのセットの外にある。その違いは、ガントリーの場合、最後の走査ダイポールマグネットの下流（≒７ｍ）漂流スペースが、９０度曲げマグネットの大開口部で置き換えられているか、あるいは開口で満たされているという事実により生ずる。

ISO面の或る横断位置に達するために必要な操舵角は、イオン光学計算式から求めることが出来る。ダイポールのエッジ角の効果のため、計算される移動は、簡単な三角法評価とは、正確に一致しない。ビームを或る特定の位置に動かすに必要な、計算された走査角は、下記の表２に表記されている。エッジ角の効果のほかに、拡張されたフリンジング域が、ISO面のビーム位置およびビーム形状に影響がある。フリンジング域の影響は、コンピューターコードによる方法の、第３オーダーで調べることが出来る。

表の左欄は、一次近似によって得られる走査角を示す。中央の欄にはより高次の計算結果が含まれている。より高次の異常が、一次式モデルから２ｍｍまでのビーム位置の違いを生じていることを知ることが出来る。右欄は、逸脱効果を補償するために必要な走査角の、測定された違いが示されている。変移以外のより高次の像逸脱が、ビームを走査域のコーナーで楕円形にしているのかもしれない。この効果は、フリンジング域の管球容器の大きさに強く依存している。参照ガントリー光学的特性として使用されたマグネットセッテングに対しては、ダイポール浮遊域の管球容器のサイズを最小にすることが、一つの目標となった。

図１は走査形状の概略図を示す。走査されたビームは２０×２０ｃｍ²をカバーし、≒±0.85度の偏光角に相当する。ビーム位置相互間の代表的間隔の大きさは１―５ｍｍであるので、形状の精度は±0.25mmのオーダーとなると期待される。

活性な光学的エレメントのない場合の移動率を想定すると、ISO―面における水平（ｘ）ならびに垂直（ｙ）方向のビームの移動は、以下の式で表すことができる。
X = z₁ tan(a_x) および y = z₂ tang(a_y)

ここで、z₁はISO平面からの水平走査の距離(z₁ = 8.955m)、Z₂はISO平面からの垂直走査の距離(Z₂ =9.805m)であり、a_xおよびa_yは対応する走査角である。規定される走査マグネットは、ビームを最大磁気剛性6.6 Tm、コイル電流540 Aの時1.5°曲げられる。従って上記の等式は次のように書くことができる。
X = 8.955 m tan (1.5°/540 A^・I_x)、および y =9.805 m tan
(1.5°/540 A ^・I_y)

ここでI_x/_yは、瞬間的走査電流である。許容できるコイル電流公差の計算によると、0.1 mmの最大x、y移動が考えられる。対応する電流はI_y = 210 mAおよびI_x = 230 mAと計算することができる。

ダイポールエッジ角は、イオンビームの垂直焦点、および水平焦点ボケを生ずる。さらに、フリンジング域の影響が考えられるかもしれない。フリンジング域は、ISO面のビーム位置の走査角からの僅かな非一次依存をもたらす。この効果は、寧ろ小さく、ここでは、無視することが出来る。エッジ角の影響、特に出口における影響は、ISO面の或る走査角におけるビームの変移の減少をもたらす。例えば、ISO面におけるx＝0.1ｍおよびy＝0.1ｍの最大変移は、走査角a_y = 15.515 mrad = 0.889°およびa_x = 21.27 mrad = 1.219°に達する。純粋な漂流概算によれば、これらの角度は、a_y = 10.19 mrad = 0.584°およびa_x = 11.17 mrad = 0.64°となる。この様に、最大変位における公称電流からの許容できる偏りは、垂直面においては1.52倍、水平面においては1.9倍緩和される。

図２Ａ―２Ｃは、自明のように、走査マグネット１−２，および３−４のレイアウトの別の図を示す。図２Ｄは図２ＡのＸ方向からの図を示す。図２Ｅは走査マグネットのコイルの断面図を示す。

図３は、出口エッジ角の機能としてのビーム角を示したものである。エッジ角は、ビームが光学軸に関して最も小さい角度を有し、ほぼ平行する走査を与えるように選ばれる。図は、走査システムと組み合わされた９０度曲げマグネットに対し２１度のエッジ角では、ビーム角がほぼ等しく且つ小さい（平行走査）ことを示している。

図４は、別の出口エッジ角の機能としての最大走査角を示す。最大走査角は、エッジ焦点または、焦点はずれに大きく依存する。

図５は、全体流動密度の横方向の分布を示す。カーブは２箇所で、２電界密度での、横方向の流動密度について計算されたものである。

図６は、光学軸に沿った９０度ガントリーダイポールマグネットの静止状態フリンジ域減衰を示す。ヨークエッジの位置とスクリーニング板の位置が示されている。電界が急激に減少し、患者の範囲で法律的に許される限界以下に落ちることが示されている。

図７は、流動密度変化を示す。特に、電流を切った後のヨーク内の渦電流(Eddy current)の効果を示す。電流を切った後、９０度ダイポールマグネットの静的磁場は、一時的の処理に影響される。ヨーク内の渦電流は、時間依存の磁場を発生し、主および浮遊域を変形する。渦電流は、３秒までの局部減少を与える。そのため、人はビーム治療が始められる迄、待たなければならない。渦電流はランプ速度を増強し、流動密度を増大する。

図８は、計算されたビーム強度分布を示す。図８において、９つの枠は、各枠の５×５ミリメートル全体寸法を示す。

図９は、ガントリーシステムを貫通する特定イオンビーム路を示す。図９では、ISO面の一番遠い位置へのビーム走査の例を示す。

図１０は、本発明の態様による走査システム５を示す。図１０において、２個の走査マグネット１−２，および３−４、その内の１個がイオンビームの垂直偏光、他の１個が水平偏光用であることは自明である。該走査マグネットの下流に９０度曲げダイポール６が位置しており、走査されたイオンビームに適当な大開口と、電界の均一性を増大する、ギャップの付いたヨークエレメントが設けられる。ビーム診断板タイプ検知器７は、該９０度曲げマグネット５の下流にステープル留めされている。該９０度曲げマグネット５の入口エッジ角δは、出口エッジ角θとほぼ同様の、２１度の大きさを持っている。

Claims (9)

1. 約１．５度の最大曲げ角度（α）；約２２ｍの曲率半径；約０．６ｍの光路長；１２０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲のギャップ高さ（ｈ）とギャップ巾（ｗ）；０．３ｍｍまでの厚さの、２％までのシリコンを含むスチール合金板からなる一枚の接着されたヨークエレメントで、３００ｍｍ〜４００ｍｍの範囲の巾、２００ｍｍ〜２５０ｍｍの範囲の高さ、および５００ｍｍ〜６００ｍｍの範囲の長さのヨークエレメント；および５０〜７０の範囲の巻き数のコイル（５）を有する２つの走査マグネット（１−２；３−４）からなる、重イオンガントリー用走査システムであり、
   走査システム（１１）は更に、走査域に適合する開口と、電界の均一性を増大するギャップを有するヨークエレメントを有する、該走査マグネット（１−２；３−４）の下流に位置する９０度ダイポール（６）；および該９０度曲げマグネットの下流にステイプル留めされたビーム診断板タイプ検知器（７）から成る走査システム。
2. 該走査マグネット（１−２；３−４）が、最後部の曲げマグネット上流の重イオン癌治療システムのガントリーに位置していることを特徴とする請求の範囲１項記載のシステム。
3. 走査マグネット（１−２；３−４）のコイル（５）が、５００〜６００Aの範囲の最大コイル電流を許容するように設計されていることを特徴とする請求の範囲１項または２項記載のシステム。
4. 全コイル抵抗が３０ｍΩ〜５０ｍΩの範囲にある前記特許請求の範囲の何れか一項記載のシステム。
5. 全コイルインダクタンスが３mH〜４mHの範囲にあることを特徴とする前記特許請求の範囲の何れか一項記載のシステム。
6. 該走査マグネットの該コイル（５）に対する全供給電圧が-３５０V〜-４００Vまたは+３５０V〜+４００Vの範囲にあることを特徴とする前記特許請求の範囲の何れか一項記載のシステム。
7. 該走査マグネット（１−２；３−４）が複数の水冷室から成り、５ L/min〜１０ L/minの範囲の全冷却水供給量により水冷されることを特徴とする前記特許請求の範囲の何れか一項記載のシステム。
8. 該走査マグネット（１−２；３−４）の最大直流電力電圧が１０ＫＷ〜１２ＫＷであることを特徴とする特許請求の範囲の何れか一項記載のシステム。
9. 該走査マグネット（１−２；３−４）が一個の単独ヨークセグメントから成ることを特徴とする前記特許請求の範囲の何れか一項記載のシステム。

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