JP2022091238A - 粒子線加速装置、粒子線加速装置の運転方法、及び粒子線治療装置 - Google Patents

粒子線加速装置、粒子線加速装置の運転方法、及び粒子線治療装置 Download PDF

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Abstract

【課題】粒子線を所定の軌道に適正に保持して粒子線の誤照射リスクを低減できると共に、超電導磁石の復帰時間を短くすることができること。【解決手段】荷電粒子線を入射する入射装置２５と、荷電粒子線を所定の軌道３に誘導する偏向装置２１、集束・発散装置２２と、荷電粒子線を加速する高周波加速空洞２４と、荷電粒子線を出射する出射装置２６と、荷電粒子線を遮断する荷電粒子線遮断装置２７と、上記各装置等を制御する制御装置３０とを有し、荷電粒子線を周回させながら加速する超電導シンクロトロン１７であって、偏向装置及び集束・発散装置の少なくとも一方が超電導電磁石と、この超電導電磁石を遮断する超電導電磁石遮断装置とを備えてなり、制御装置は、超電導電磁石にクエンチ等の異常が発生した際に、荷電粒子線遮断装置と超電導電磁石遮断装置の起動順序を、少なくとも出射装置の運転状況に応じて変更するよう構成されたものである。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、超電導電磁石を備えた粒子線加速装置、及びその粒子線加速装置の運転方法、並びに上記粒子線加速装置にて加速された粒子線を用いる粒子線治療装置に関する。
近年、炭素イオン等の粒子線を、患者の病巣組織（例えば癌）に照射して治療を行う粒子線治療技術が注目されている。この粒子線治療技術によれば、正常組織にダメージを与えず、病巣組織のみをピンポイントで死滅させることができるため、手術や投薬治療等に比べて患者への負担が少なく、治療後の社会復帰の早期化も期待できる。
体内の深い位置にある癌細胞を治療するためには、粒子線を加速する必要がある。一般的に、粒子線を加速する粒子線加速装置は大きく二種類に分類される。ひとつは直線状に加速手段(高周波加速空洞)を配置する線形加速器、もうひとつは粒子線の軌道を曲げる偏向装置を概円形状に配置し、この円軌道の一部に加速手段(高周波加速空洞)を配置する円形加速器である。特に、炭素や陽子などの重い粒子では、粒子線生成直後の低エネルギ帯の加速には線形加速器を、高エネルギ帯の加速には円形加速器を用いる方式が一般的である。
上述のように粒子線を周回させながら加速する円形加速器は、粒子線の外形を制御する集束・発散装置（四極電磁石装置）、粒子線の軌道を曲げる偏向装置（二極電磁石装置）、及び粒子線の軌道のズレを補正するステアリング電磁石装置等を順次配列することで構成される。この円形加速器において、周回させる粒子の質量やエネルギが増大すると磁気剛性(磁場による曲げ難さ)が増大するために、粒子線の軌道半径が大きくなり、その結果、円形加速器を含む装置全体が大型化してしまう。装置が大型化すると建屋等付帯設備も大型化してしまい、都市部など設置範囲に制限がある場所では本装置を導入することが困難になる。
特開２０１９－１４１２４５号公報 特開２０１５－１５９０６０号公報 特開２０１７－３３９７８号公報
円形加速器の大型化を抑制するためには、偏向装置等が発生する磁場強度を大きくする必要がある。一般的な偏向装置では鉄心の磁気飽和の影響で１．５Ｔを超える磁場の発生が困難であるが、偏向装置に超電導技術を適用することで高磁場化が可能になり、円形加速器の小型化が可能になる。ところが、粒子線治療装置用の円形加速器の偏向装置等を構成する超電導電磁石にクエンチなどの異常が発生した場合には、粒子線が患者に誤照射されるリスクが発生する恐れがある。一方、この誤照射リスクを避けるために、超電導電磁石の遮断よりも粒子線の遮断を優先した場合には、超電導電磁石の復帰時間が長くなってしまう。
本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、粒子線を所定の軌道に適正に保持して粒子線の誤照射リスクを低減できると共に、装置構成部材の超電導磁石の復帰時間を短くすることができる粒子線加速装置、粒子線加速装置の運転方法、及び粒子線治療装置を提供することを目的とする。
本発明の実施形態における粒子線加速装置は、粒子線を入射する入射手段と、前記粒子線を所定の軌道に誘導する誘導手段と、前記粒子線を前記軌道上で加速する加速手段と、前記粒子線を出射する出射手段と、前記粒子線を前記軌道上で遮断する粒子線遮断手段と、前記入射手段、前記誘導手段、前記加速手段、前記出射手段及び前記粒子線遮断手段を制御する制御手段とを有し、前記粒子線を周回させながら加速する粒子線加速装置であって、前記誘導手段が超電導電磁石と、この超電導電磁石を遮断する超電導電磁石遮断手段とを備えてなり、前記制御手段は、前記超電導電磁石に異常が発生した際に、前記粒子線遮断手段と前記超電導電磁石遮断手段の起動順序を、少なくとも前記出射手段の運転状態に応じて変更するよう構成されたことを特徴とするものである。
また、本発明の実施形態における粒子線加速装置の運転方法は、粒子線を入射する入射手段と、前記粒子線を所定の軌道に誘導する誘導手段と、前記粒子線を前記軌道上で加速する加速手段と、前記粒子線を出射する出射手段と、前記粒子線を前記軌道上で遮断する粒子線遮断手段とを有し、前記粒子線を周回させながら加速する粒子線加速装置の運転方法であって、前記誘導手段が超電導電磁石と、この超電導電磁石を遮断する超電導電磁石遮断手段とを備えてなる場合、前記超電導電磁石に異常が発生した際には、前記粒子線遮断手段と前記超電導電磁石遮断手段の起動順序を、少なくとも前記出射手段の運転状態に応じて変更することを特徴とするものである。
更に、本発明の実施形態における粒子線治療装置は、前記実施形態に記載の粒子線加速装置と、この粒子線加速装置にて加速された粒子線を患者の患部に照射する粒子線照射装置とを有し、前記粒子線を用いて治療を行うものである。
本発明の実施形態によれば、粒子線を所定の軌道に適正に保持して粒子線の誤照射リスクを低減できると共に、装置構成部材の超電導磁石の復帰時間を短くすることができる。
一実施形態に係る粒子線治療装置としての荷電粒子線治療装置を示すブロック図。 図１における粒子線加速装置としての超電導シンクロトロンを示す平面図。 図２の偏向装置、集束・発散装置を構成する超電導電磁石装置を示す電気回路図。 図２の超電導シンクロトロンにおける制御系を示すブロック図。 図２における超電導シンクロトロンにおいて、超電導電磁石遮断装置と荷電粒子線遮断装置とが同時に起動した場合の超電導電磁石電流値と粒子線強度のそれぞれの変化を示すタイミングチャート。 図２における超電導シンクロトロンにおいて、荷電粒子線遮断装置による荷電粒子線の遮断完了後に超電導電磁石遮断装置が起動した場合の超電導電磁石電流値と粒子線強度のそれぞれの変化を示すタイミングチャート。 荷電粒子線遮断装置と超電導電磁石遮断装置とによる遮断手順を、(Ａ)の粒子線出射時と(Ｂ)の粒子線加速時、蓄積時等に区分けして示すフローチャート。
以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
図１は、一実施形態に係る粒子線治療装置としての荷電粒子線治療装置を示すブロック図である。この図１に示す荷電粒子線治療装置１０は荷電粒子、例えば負パイ中間子、陽子、ヘリウムイオン、炭素イオン、ネオンイオン、シリコンイオンまたはアルゴンイオンを治療照射用の荷電粒子線源とする装置である。そして、この荷電粒子線治療装置１０は、粒子線発生装置１１、粒子線加速装置１２、粒子線輸送装置１３及び粒子線照射装置１４を有し、被照射体としての患者の患部５に荷電粒子線１を照射するものである。
粒子線発生装置１１は、荷電粒子線１を発生する装置であり、例えば電磁場やレーザなどを用いて生成したイオン等を引き出す装置である。
粒子線加速装置１２は、荷電粒子線１を所定のエネルギに加速する装置であり、その一例として前段加速装置１５と後段加速装置１６との２段の加速装置を備えて構成される。前段加速装置１５としては、ドリフトチューブリニアックＤＴＬや高周波四重極型線形加速器ＲＦＱ等の線形加速器がある。また、後段加速装置１６としては、シンクロトロンやサイクロトロン等の円形加速器がある。
これらの粒子線加速装置１２は、荷電粒子線１の通過空間を真空気密に保持する真空ダクト（配管）、荷電粒子線１を電場によって加速する高周波加速空洞、荷電粒子線１を安定的に誘導する偏向装置（二極電磁石装置）及び集束・発散装置（四極電磁石装置）、並びにそれらの各装置等を制御する制御装置を有して構成される。
粒子線輸送装置１３は、粒子線加速装置１２にて加速された荷電粒子線１を粒子線照射装置１４へ輸送する装置であり、真空ダクト、偏向装置、集束・発散装置、及びそれらを制御する制御装置を有して構成される。
粒子線照射装置１４は、粒子線輸送装置１３の下流に設置されて、この粒子線輸送装置１３を通過した特定エネルギの荷電粒子線１を、患者の患部５に設定された照射点に正確に照射させるべく荷電粒子線１の軌道を調整し、更に、患部５における荷電粒子線１の照射位置及び照射線量を監視する。
さて、前述の粒子線加速装置１２の後段加速装置１６としての超電導シンクロトロン１７を図２に示す。この超電導シンクロトロン１７は、荷電粒子線１を周回させながら加速する装置であって、円環形状の真空ダクト２０の外径側に複数の偏向装置２１、複数の集束・発散装置２２、複数の六極電磁石装置２３、高周波加速空洞２４、入射装置２５、出射装置２６及び荷電粒子線遮断装置２７が配置され、更に制御装置３０を有して構成される。
真空ダクト２０は、荷電粒子線１の通過空間を真空気密に保持する配管であり、その軸線に、荷電粒子線１が通過する所定の軌道３が形成される。
偏向装置２１は、二極電磁石装置にて構成され、生成する磁場によって荷電粒子線１を所定の軌道３に沿って周回させる。また、集束・発散装置２２は、四極電磁石装置にて構成され、生成する磁場によって所定の軌道３上を周回する荷電粒子線１を集束または発散させる。従って、これらの偏向装置２１及び集束・発散装置２２は、荷電粒子線１を所定の軌道３に安定的に誘導する誘導手段として機能する。
高周波加速空洞２４は、高周波電圧の印加により生じた電場によって、真空ダクト２０内の所定の軌道３に沿って周回する荷電粒子線１を加速する加速手段として機能する。また、入射装置２５は、粒子線発生装置１１にて生成された荷電粒子線１を超電導シンクロトロン１７内に入射する入射手段として機能する。また、出射手段２６は、超電導シンクロトロン１７にて加速された荷電粒子線１を粒子線輸送装置１３へ出射する出射手段として機能する。
荷電粒子線遮断装置２７は、真空ダクト２０内の所定の軌道３上を周回する荷電粒子線１を緊急遮断する粒子線遮断手段として機能する。この荷電粒子線遮断装置２７による遮断は、具体的には、図示しないゲートが閉鎖されることによる荷電粒子線１の遮断や、図示しないバンプ電磁石が荷電粒子線１を廃棄軌道へ蹴り出すことによる荷電粒子線１の遮断などである。また、制御装置３０は、上述の各装置等２１、２２、２３、２４、２５、２６及び２７を制御する制御手段として機能する。
上述の偏向装置２１及び集束・発散装置２２は、一般には常電導電磁石を有して構成される。これに対し、本実施形態では、偏向装置２１及び集束・発散装置２２の少なくとも一方が、図３に示す超電導電磁石３２を備えた超電導電磁石装置３１にて構成される。この超電導電磁石装置３１は、超電導電磁石３２と励磁電源３３と遮断機３４とが直列接続され、保護抵抗３５が超電導電磁石３２に並列接続されて構成される。
超電導電磁石３２に異常、例えばクエンチが発生して、図示しないクエンチ検知器がクエンチ信号を出力することで遮断機３４が開動作する。この遮断機３４の開動作により超電導電磁石３２と保護抵抗３５とが直列接続されて閉回路が形成され、これにより、超電導電磁石３２に蓄積されたエネルギが保護抵抗３５で消費されて超電導電磁石３２が遮断される。従って、上述の遮断機３４及び保護抵抗３５は、超電導電磁石３２を遮断する超電導電磁石遮断手段として機能する超電導電磁石遮断装置２８を構成する。
ところで、超電導電磁石装置３１にて構成される偏向装置２１及び集束・発散装置２２の少なくとも一方では、超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生した場合に、荷電粒子線遮断装置２７（図２）と超電導電磁石遮断装置２８（図３）とが同時に起動して、荷電粒子線遮断装置２７により荷電粒子線１の遮断が開始され、超電導電磁石遮断装置２８によりクエンチ等が発生した超電導電磁石３２の遮断が開始されると、図５に示すように、荷電粒子線１の遮断が完了する前に、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２の電流値が変化(低下)して、遮断完了前の荷電粒子線１が所定の軌道３から外れてしまう可能性がある。
荷電粒子線１が所定の軌道３から大きく外れてしまう場合には、その荷電粒子線１は真空ダクト２０に衝突して損失される。これに対し、荷電粒子線１が所定の軌道３に対してわずかに外れた場合には、それらは患者位置まで到達し、粒子線照射装置１４により想定しない位置に誤照射される恐れがある。
そこで、図４に示すように、本実施形態の制御装置３０は、偏向装置２１及び集束・発散装置２２の少なくとも一方を構成する超電導電磁石装置３１の超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生して、クエンチ信号を受信した際に、荷電粒子線遮断装置２７と超電導電磁石遮断装置２８の起動順序を、少なくとも出射装置２６の運転状態（例えば出射装置２６、高周波加速空洞２４及び入射装置２５等の運転状態）に応じて変更するよう制御する。
具体的には、制御装置３０は、第１の遮断制御として、出射装置２６が動作して超電導シンクロトロン１７から荷電粒子線１が出射され取り出されているときに、超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生した際には、荷電粒子線遮断装置２７を起動させて荷電粒子線１を遮断させ、この荷電粒子線１の遮断完了後に超電導電磁石遮断装置２８を起動させて、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２を遮断するように制御する。これにより、図６に示すように、荷電粒子線１の遮断が開始されてから完了するまでの間に、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２の電流値が低下せず適正値に保持されるので、超電導シンクロトロン１７内で荷電粒子線１は、所定の軌道３から外れることなく遮断される。
ここで、図３に示す超電導電磁石装置３１の保護抵抗３５の抵抗値は、超電導電磁石遮断装置２８の遮断時定数Ｔａ（超電導電磁石３２の遮断が開始されてから完了するまでの時間）が、荷電粒子線遮断装置２７の遮断時定数Ｔｂ（荷電粒子線１の遮断が開始されてから完了するまでの時間）よりも長くなるように設定される。すなわち、超電導電磁石遮断装置２８の遮断時定数Ｔａは、超電導電磁石３２のクエンチ等発生時における発生電圧とコイル温度上昇との兼ね合いで保護抵抗３５の抵抗値を選択することで決定され、概ね１０秒以下に設定される。
一方、荷電粒子線遮断装置２７による荷電粒子線１の遮断が、ゲートの閉鎖やバンプ電磁石の蹴り出しによるため、荷電粒子線遮断装置２７の遮断時定数Ｔｂは概ね１００ｍｍ秒以下に設定される。従って、超電導電磁石遮断装置２８の遮断時定数Ｔａが荷電粒子線遮断装置２７の遮断時定数Ｔｂよりも長い、つまり、荷電粒子線遮断装置２７の遮断時定数Ｔｂが超電導電磁石遮断装置２８の遮断時定数Ｔａよりも十分に短く設定されることになるので、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２における大電圧の発生やコイル温度の上昇が極力抑制される。
また、制御装置３０は、第２の遮断制御として、出射装置２６の非動作時で入射装置２５により荷電粒子線１が超電導シンクロトロン１７に入射されていたり、高周波加速空洞２４により荷電粒子線１が加速されていたり、加速された荷電粒子線１が留められて蓄積されていたりするときに、超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生した際には、超電導電磁石遮断装置２８を荷電粒子線遮断装置２７と同時に起動させて、超電導電磁石遮断装置２８によるクエンチ等が発生した超電導電磁石３２の遮断と、荷電粒子線遮断装置２７による荷電粒子線１の遮断とを同時に実施する。
この場合には、図５に示すように、荷電粒子線１の遮断が完了する前にクエンチ等が発生した超電導電磁石３２の電流値が低下して、遮断完了前の荷電粒子線１が所定の軌道３から外れてしまう。そこで、超電導シンクロトロン１７から患者までの間、例えば粒子線輸送装置１３または粒子線照射装置１４にゲート等を設けて荷電粒子線１を遮断する。これにより、超電導シンクロトロン１７において所定の軌道３から外れた荷電粒子線１が、粒子線照射装置１４により想定されていない位置に誤照射される事態が回避される。
次に、上述の制御装置３０による荷電粒子線遮断装置２７と超電導電磁石遮断装置２８の遮断制御を、図７を参照して更に説明する。
図７(Ａ)に示すように、超電導シンクロトロン１７における出射装置２６の動作時に、偏向装置２１及び集束・発散装置２２の少なくとも一方を構成する超電導電磁石装置３１の超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生して（Ｓ１１）、制御装置３０がクエンチ検出器からクエンチ信号を受信したとき（Ｓ１２）、制御装置３０は、まず荷電粒子線遮断装置２７を起動させる（Ｓ１３）。
この荷電粒子線遮断装置２７により荷電粒子線１が遮断されて遮断が完了した時点で（Ｓ１４）、制御装置３０は、次に超電導電磁石遮断装置２８を起動させる（Ｓ１５）。超電導電磁石遮断装置２８が起動することで、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２の磁場が保護抵抗３５により減衰され（Ｓ１６）、磁場がゼロになった時点で超電導電磁石３２の遮断が完了する（Ｓ１７）。
図７(Ｂ)に示すように、超電導シンクロトロン１７における出射装置２６の非動作時、例えば入射装置２５による荷電粒子線１の入射時、高周波加速空洞２４による荷電粒子線１の加速時、または加速された荷電粒子線１の蓄積時に、偏向装置２１及び集束・発散装置２２の少なくとも一方を構成する超電導電磁石装置３１の超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生して（Ｓ２１）、制御装置３０がクエンチ検知器からクエンチ信号を受信したとき（Ｓ２２）、制御装置３０は、超電導電磁石遮断装置２８と荷電粒子線遮断装置２７とを同時に起動させる（Ｓ２３、Ｓ２４）。
超電導電磁石遮断装置２８が起動することで、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２の磁場が保護抵抗３５により減衰され（Ｓ２５）、磁場がゼロになった時点でこの超電導電磁石３２の遮断が完了する（Ｓ２６）。一方、荷電粒子線遮断装置２７の起動により荷電粒子線１が遮断されて、荷電粒子線１の遮断が完了する（Ｓ２７）。
以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）及び（２）を奏する。
（１）粒子線加速装置１２としての超電導シンクロトロン１７における偏向装置２１及び集束・発散装置２２の少なくとも一方の超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生した際には、制御装置３０は、荷電粒子線遮断装置２７と超電導電磁石遮断装置２８との起動順序を、少なくとも出射装置２６の運転状態に応じて変更している。制御装置３０は、例えば出射装置２６の動作時に超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生した際には、荷電粒子線遮断装置２７を起動して荷電粒子線１の遮断を完了した後に、超電導電磁石遮断装置２８を起動させる。これにより、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２の電流値が低下せず適性値にある状態で荷電粒子線１の遮断を完了させることができる。この結果、超電導シンクロトロン１７からの荷電粒子線１による粒子線照射装置１４での誤照射リスクを低減できる。
（２）出射装置２６の非動作時で入射装置２５または高周波加速空洞２４の動作時等に、偏向装置２１及び集束・発散装置２２の少なくとも一方を構成する超電導電磁石装置３１の超電導電磁石３２にクエンチ等の異常が発生した際には、制御装置３０は、超電導電磁石遮断装置２８を荷電粒子線遮断装置２７と同時に起動させる。これにより、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２が迅速に遮断されて、そのコイル温度の上昇や大電圧の発生が抑制されるので、クエンチ等が発生した超電導電磁石３２の再冷却時間を短縮でき、この超電導電磁石３２の復帰時間を短くすることができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この実施形態は、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、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。
１…荷電粒子線、３…軌道、５…患部、１０…荷電粒子線治療装置（粒子線治療装置）、１２…粒子線加速装置、１４…粒子線照射装置、２１…偏向装置（誘導手段）、２２…集束・発散装置（誘導手段）、２４…高周波加速空洞（加速手段）、２５…入射装置（入射手段）、２６…出射装置（出射手段）、２７…荷電粒子線遮断装置（粒子線遮断手段）、２８…超電導電磁石遮断装置（超電導電磁石遮断手段）、３０…制御装置（制御手段）、３１…超電導電磁石装置、３２…超電導電磁石、３４…遮断機、３５…保護抵抗、Ｔａ…超電導電磁石遮断装置の遮断時定数、Ｔｂ…荷電粒子線遮断装置の遮断時定数

Claims (4)

  1. 粒子線を入射する入射手段と、
    前記粒子線を所定の軌道に誘導する誘導手段と、
    前記粒子線を前記軌道上で加速する加速手段と、
    前記粒子線を出射する出射手段と、
    前記粒子線を前記軌道上で遮断する粒子線遮断手段と、
    前記入射手段、前記誘導手段、前記加速手段、前記出射手段及び前記粒子線遮断手段を制御する制御手段とを有し、前記粒子線を周回させながら加速する粒子線加速装置であって、
    前記誘導手段が超電導電磁石と、この超電導電磁石を遮断する超電導電磁石遮断手段とを備えてなり、
    前記制御手段は、前記超電導電磁石に異常が発生した際に、前記粒子線遮断手段と前記超電導電磁石遮断手段の起動順序を、少なくとも前記出射手段の運転状態に応じて変更するよう構成されたことを特徴とする粒子線加速装置。
  2. 前記制御手段は、出射手段の動作時に超電導電磁石に異常が発生した際には、粒子線遮断手段を起動して粒子線の遮断を完了した後に超電導磁石遮断手段を起動させ、前記出射手段の非動作時に前記超電導電磁石に異常が発生した際には、前記超電導電磁石遮断手段を前記粒子線遮断手段と同時に起動させるよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の粒子線加速装置。
  3. 粒子線を入射する入射手段と、
    前記粒子線を所定の軌道に誘導する誘導手段と、
    前記粒子線を前記軌道上で加速する加速手段と、
    前記粒子線を出射する出射手段と、
    前記粒子線を前記軌道上で遮断する粒子線遮断手段とを有し、前記粒子線を周回させながら加速する粒子線加速装置の運転方法であって、
    前記誘導手段が超電導電磁石と、この超電導電磁石を遮断する超電導電磁石遮断手段とを備えてなる場合、前記超電導電磁石に異常が発生した際には、前記粒子線遮断手段と前記超電導電磁石遮断手段の起動順序を、少なくとも前記出射手段の運転状態に応じて変更することを特徴とする粒子線加速装置の運転方法。
  4. 請求項１または２に記載の粒子線加速装置と、この粒子線加速装置にて加速された粒子線を患者の患部に照射する粒子線照射装置とを有し、前記粒子線を用いて治療を行う粒子線治療装置。
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