JP3423675B2 - 荷電粒子線照射装置、及び、これを用いた治療装置 - Google Patents
荷電粒子線照射装置、及び、これを用いた治療装置Info
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- JP3423675B2 JP3423675B2 JP2000212445A JP2000212445A JP3423675B2 JP 3423675 B2 JP3423675 B2 JP 3423675B2 JP 2000212445 A JP2000212445 A JP 2000212445A JP 2000212445 A JP2000212445 A JP 2000212445A JP 3423675 B2 JP3423675 B2 JP 3423675B2
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- G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
- G21K5/00—Irradiation devices
- G21K5/04—Irradiation devices with beam-forming means
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- 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
- A61N2005/1085—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy characterised by the type of particles applied to the patient
- A61N2005/1087—Ions; Protons
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Radiation-Therapy Devices (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、最終偏向電磁石の
入側に設けた走査（スキャニング）電磁石により、荷電
粒子線を走査して照射野を拡大するようにした荷電粒子
線照射装置、及び、これを用いた治療装置に関する。
入側に設けた走査（スキャニング）電磁石により、荷電
粒子線を走査して照射野を拡大するようにした荷電粒子
線照射装置、及び、これを用いた治療装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】陽子線を利用した癌治療装置として、図
１に示す如く、例えば、陽子を所定エネルギまで加速す
るサイクロトロン、及び、該サイクロトロンから照射さ
れた陽子ビームのエネルギを、必要に応じて、そのエネ
ルギ分散を制限しながら変えるためのエネルギ分析装置
（ＥＳＳ）からなる陽子線加速装置１２、該陽子線加速
装置１２から取出された陽子ビームの安定軌道を確保
し、損失なく照射室へ輸送するためのビーム輸送装置
（ＢＴＳ）１４、該ビーム輸送装置１４により輸送され
た陽子ビームを成形処理し、身体の病巣位置に的確に照
射するための、陽子線の照射方向が可変とされた回転照
射装置（ガントリ）３０、及び、陽子線の照射方向が固
定された固定照射装置４０を含む治療装置１０と、照射
治療を計画するための診断装置、治療計画システム及び
治療具工作機械を含む付属装置４２と、加速器やビーム
輸送機器へ電力を供給する直流電流電源を主体とした各
種電源、電流導体（コイル）直接冷却用の純水冷却供給
設備等からなる付帯設備装置４４を備えたものが知られ
ている。
１に示す如く、例えば、陽子を所定エネルギまで加速す
るサイクロトロン、及び、該サイクロトロンから照射さ
れた陽子ビームのエネルギを、必要に応じて、そのエネ
ルギ分散を制限しながら変えるためのエネルギ分析装置
（ＥＳＳ）からなる陽子線加速装置１２、該陽子線加速
装置１２から取出された陽子ビームの安定軌道を確保
し、損失なく照射室へ輸送するためのビーム輸送装置
（ＢＴＳ）１４、該ビーム輸送装置１４により輸送され
た陽子ビームを成形処理し、身体の病巣位置に的確に照
射するための、陽子線の照射方向が可変とされた回転照
射装置（ガントリ）３０、及び、陽子線の照射方向が固
定された固定照射装置４０を含む治療装置１０と、照射
治療を計画するための診断装置、治療計画システム及び
治療具工作機械を含む付属装置４２と、加速器やビーム
輸送機器へ電力を供給する直流電流電源を主体とした各
種電源、電流導体（コイル）直接冷却用の純水冷却供給
設備等からなる付帯設備装置４４を備えたものが知られ
ている。
【０００３】前記回転ガントリ３０は、任意の角度から
患者に陽子線３３を照射するためのもので、例えば図２
に示す如く、照射野、照射深さ等の照射要求条件を実現
する照射ノズル３２と、その入口までビームを輸送する
ＢＴＳ１４の端末部（図示省略）と、該ＢＴＳ１４の端
末に取付けた照射ノズル３２を回動するための構造体３
６からなり、これに隣接して、患者の患部位置決め装置
を含む治療用ベッド３４が設けられている。
患者に陽子線３３を照射するためのもので、例えば図２
に示す如く、照射野、照射深さ等の照射要求条件を実現
する照射ノズル３２と、その入口までビームを輸送する
ＢＴＳ１４の端末部（図示省略）と、該ＢＴＳ１４の端
末に取付けた照射ノズル３２を回動するための構造体３
６からなり、これに隣接して、患者の患部位置決め装置
を含む治療用ベッド３４が設けられている。
【０００４】このような治療装置による治療に際して
は、細い陽子線ビームを、患部の大きさに合わせて最大
３０ｃｍ角程度にまで広げる必要がある。
は、細い陽子線ビームを、患部の大きさに合わせて最大
３０ｃｍ角程度にまで広げる必要がある。
【０００５】しかしながら、散乱体法を利用したガント
リの場合、図３に示す如く、４重極電磁石（Ｑ磁石）１
６により収束され、偏向電磁石１８、２０により偏向さ
れた陽子線は、最終偏向電磁石２０の出側に設けられた
散乱体２２により散乱作用を受け、そこから照射部３５
（治療用ベッド３４）までの間で広げられる。従って、
陽子線が広がるために十分な直線距離Ｌが必要となり、
これがガントリ３０の直径を決めることになる。従っ
て、陽子線を３６０°全方向から照射するのに必要なガ
ントリの直径は１０ｍにも及び、装置と建物のコストが
莫大になり、陽子線治療装置が普及するための大きな妨
げとなっていた。
リの場合、図３に示す如く、４重極電磁石（Ｑ磁石）１
６により収束され、偏向電磁石１８、２０により偏向さ
れた陽子線は、最終偏向電磁石２０の出側に設けられた
散乱体２２により散乱作用を受け、そこから照射部３５
（治療用ベッド３４）までの間で広げられる。従って、
陽子線が広がるために十分な直線距離Ｌが必要となり、
これがガントリ３０の直径を決めることになる。従っ
て、陽子線を３６０°全方向から照射するのに必要なガ
ントリの直径は１０ｍにも及び、装置と建物のコストが
莫大になり、陽子線治療装置が普及するための大きな妨
げとなっていた。
【０００６】これを解決する手段として、図４に示す如
く、最終偏向電磁石２０の手前に配置した走査電磁石２
４で陽子線を走査するスキャニング法がある。このスキ
ャニング法では、最終偏向電磁石２０の手前に置かれた
走査電磁石２４で陽子線を走査するので、最終偏向電磁
石２０の入口から照射部３５までの距離全部が陽子線の
拡大に利用でき、ガントリの直径を大幅に縮小すること
ができる。
く、最終偏向電磁石２０の手前に配置した走査電磁石２
４で陽子線を走査するスキャニング法がある。このスキ
ャニング法では、最終偏向電磁石２０の手前に置かれた
走査電磁石２４で陽子線を走査するので、最終偏向電磁
石２０の入口から照射部３５までの距離全部が陽子線の
拡大に利用でき、ガントリの直径を大幅に縮小すること
ができる。
【０００７】しかしながら、最終偏向電磁石２０による
ビーム偏向があると、図５に示す如く、下流の収束点
が、電磁石２０の曲率中心と上流の走査位置とを結んだ
直線上になるので、走査点を最終偏向電磁石２０の入口
にしない限り、照射部３５では陽子線が、図６に示すよ
うな収束傾向、あるいは図７に示すような発散傾向とな
り、照射の深さによって照射面積が変わってしまい、患
部への均一な照射のために非常に重要な照射の深さによ
って照射面積が異ならない平行照射野が得られないとい
う問題点を有していた。
ビーム偏向があると、図５に示す如く、下流の収束点
が、電磁石２０の曲率中心と上流の走査位置とを結んだ
直線上になるので、走査点を最終偏向電磁石２０の入口
にしない限り、照射部３５では陽子線が、図６に示すよ
うな収束傾向、あるいは図７に示すような発散傾向とな
り、照射の深さによって照射面積が変わってしまい、患
部への均一な照射のために非常に重要な照射の深さによ
って照射面積が異ならない平行照射野が得られないとい
う問題点を有していた。
【０００８】従って従来は、例えばM.M.Kats,"Study o
f Gantry Optics for Protonand carbon ion Be
ams",Proceedings of the 6th European Particle
Accelerator Conference EPAC-98,Stockholm,Sweden,
June 22-26,1998,p.2365やE.Pedroni and H..Enge,"
Beam optics design of compact gantry for pr
oton therapy",Medical & Biological Engineering
& Computing,vol.33,1995,p.271-277に記載されてい
るように、最終偏向電磁石に面角や磁場勾配を設ける
等、その形状に特別な工夫を加えていた。
f Gantry Optics for Protonand carbon ion Be
ams",Proceedings of the 6th European Particle
Accelerator Conference EPAC-98,Stockholm,Sweden,
June 22-26,1998,p.2365やE.Pedroni and H..Enge,"
Beam optics design of compact gantry for pr
oton therapy",Medical & Biological Engineering
& Computing,vol.33,1995,p.271-277に記載されてい
るように、最終偏向電磁石に面角や磁場勾配を設ける
等、その形状に特別な工夫を加えていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】これらの方法は、偏向
電磁石の磁場が１．７−１．８テスラ以下の場合は有効
であるが、ガントリを更にコンパクトにするために、こ
れを２テスラ程度の高磁場にする場合には、磁極が飽和
するので、磁極形状による磁場分布の調整が容易でなく
なるという問題点を有していた。
電磁石の磁場が１．７−１．８テスラ以下の場合は有効
であるが、ガントリを更にコンパクトにするために、こ
れを２テスラ程度の高磁場にする場合には、磁極が飽和
するので、磁極形状による磁場分布の調整が容易でなく
なるという問題点を有していた。
【００１０】本発明は、前記従来の問題点を解決するべ
くなされたもので、最終偏向電磁石が高磁場である場合
にも、スキャニング照射により、照射の深さによって照
射面積が異ならない平行照射野を得ることを第１の課題
とする。
くなされたもので、最終偏向電磁石が高磁場である場合
にも、スキャニング照射により、照射の深さによって照
射面積が異ならない平行照射野を得ることを第１の課題
とする。
【００１１】本発明は、又、スキャニング方式の回転ガ
ントリを、更にコンパクト化することを第２の課題とす
る。
ントリを、更にコンパクト化することを第２の課題とす
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、最終偏向電磁
石の入側に設けた走査電磁石により、荷電粒子線を走査
して照射野を拡大するようにした荷電粒子線照射装置に
おいて、前記走査電磁石を複数設け、該複数の走査電磁
石によるキックの重ね合わせにより、前記最終偏向電磁
石の出側に、平行照射野が形成されるようにして、前記
第１の課題を解決したものである。又、前記複数の電磁
石を次式に従って、配置したものである。 ここで、ｎは電磁石の数、s1・・・snは各電磁石のビー
ム照射位置からの距離、a11(s)はビームの輸送行列の係
数、Ｘ´はビーム照射位置のビーム変位
石の入側に設けた走査電磁石により、荷電粒子線を走査
して照射野を拡大するようにした荷電粒子線照射装置に
おいて、前記走査電磁石を複数設け、該複数の走査電磁
石によるキックの重ね合わせにより、前記最終偏向電磁
石の出側に、平行照射野が形成されるようにして、前記
第１の課題を解決したものである。又、前記複数の電磁
石を次式に従って、配置したものである。 ここで、ｎは電磁石の数、s1・・・snは各電磁石のビー
ム照射位置からの距離、a11(s)はビームの輸送行列の係
数、Ｘ´はビーム照射位置のビーム変位
【００１３】又、前記複数の走査電磁石を、前記最終偏
向電磁石と、その入側の偏向電磁石の間に配置したもの
である。
向電磁石と、その入側の偏向電磁石の間に配置したもの
である。
【００１４】又、前記複数の走査電磁石を、前記入側の
偏向電磁石の上流に配置したものである。
偏向電磁石の上流に配置したものである。
【００１５】更に、前記複数の走査電磁石を、Ｘ方向、
Ｙ方向独立して、前記位置に配置したものである。
Ｙ方向独立して、前記位置に配置したものである。
【００１６】本発明は、又、前記荷電粒子線照射装置を
用いて、患部に荷電粒子線を照射するようにして、前記
第２の課題を解決したものである。
用いて、患部に荷電粒子線を照射するようにして、前記
第２の課題を解決したものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。
施形態を詳細に説明する。
【００１８】本実施形態は、図８に示す如く、最終偏向
電磁石２０とその入側の偏向電磁石１９の間に２台の走
査電磁石２４、２６を配置して、該２台の走査電磁石に
よるキックの重ね合わせにより、前記最終偏向電磁石２
０の出側に、図９に示すような平行照射野が形成される
ようにしたものである。図において、５０は、２台の走
査電磁石２４、２６を同期させて制御するための同期制
御装置である。
電磁石２０とその入側の偏向電磁石１９の間に２台の走
査電磁石２４、２６を配置して、該２台の走査電磁石に
よるキックの重ね合わせにより、前記最終偏向電磁石２
０の出側に、図９に示すような平行照射野が形成される
ようにしたものである。図において、５０は、２台の走
査電磁石２４、２６を同期させて制御するための同期制
御装置である。
【００１９】ここで、２台の走査電磁石２４、２６の位
置は、次のようにして決定する。
置は、次のようにして決定する。
【００２０】今、ビームの輸送行列を照射部３５の位置
（照射位置）から逆に計算する。照射位置（ｓ=0）のビ
ームの変位をＸ 0 、Ｘ 0 ′とすると、照射位置から距離ｓ
の点Ｓでの変位Ｘ（ｓ）、Ｘ´（ｓ）は、次式のとおり
表わされる。
（照射位置）から逆に計算する。照射位置（ｓ=0）のビ
ームの変位をＸ 0 、Ｘ 0 ′とすると、照射位置から距離ｓ
の点Ｓでの変位Ｘ（ｓ）、Ｘ´（ｓ）は、次式のとおり
表わされる。
【００２１】
【数１】
【００２２】この（１）式を逆に解くと、次式が得られ
る。
る。
【００２３】
【数２】
【００２４】Ｓ点において走査電磁石によるキックが与
えられたとすると、Ｘ（ｓ）＝０であり、次式のように
表わされる。
えられたとすると、Ｘ（ｓ）＝０であり、次式のように
表わされる。
【００２５】
【数３】
【００２６】ビームの進行を逆にすると、Ｘ′（ｓ）→
−Ｘ′（ｓ）であるので、（３）、（４）式は、以下の
ように書き表される。
−Ｘ′（ｓ）であるので、（３）、（４）式は、以下の
ように書き表される。
【００２７】
【数４】
【００２８】従って、ａ11（ｓ）＝０の位置でキックを
与えれば、Ｘ 0 ′＝０となり、走査電磁石でキックを受
けたビームは、最終偏向電磁石２０の下流で、必ず軸に
対して平行になる。しかし、走査電磁石が１台の場合、
ａ11（ｓ）＝０となる位置は、最終偏向電磁石入口の直
近となるため、走査電磁石を置くことはできない。
与えれば、Ｘ 0 ′＝０となり、走査電磁石でキックを受
けたビームは、最終偏向電磁石２０の下流で、必ず軸に
対して平行になる。しかし、走査電磁石が１台の場合、
ａ11（ｓ）＝０となる位置は、最終偏向電磁石入口の直
近となるため、走査電磁石を置くことはできない。
【００２９】そこで、本発明では、複数（ここでは２
台）の走査電磁石を用いて、その組合せで、最終偏向電
磁石の入口に置いた１台の走査電磁石と同じ作用を発揮
させる。即ち、２台の走査電磁石２４、２６を、照射位
置からの距離がｓ 1 、ｓ 2 の点Ｓ 1 、Ｓ 2 においた場合、
（５）、（６）式は２回のキックの重ね合わせとなっ
て、次式のように表わされる。
台）の走査電磁石を用いて、その組合せで、最終偏向電
磁石の入口に置いた１台の走査電磁石と同じ作用を発揮
させる。即ち、２台の走査電磁石２４、２６を、照射位
置からの距離がｓ 1 、ｓ 2 の点Ｓ 1 、Ｓ 2 においた場合、
（５）、（６）式は２回のキックの重ね合わせとなっ
て、次式のように表わされる。
【００３０】
【数５】
【００３１】この場合、Ｘ 0 ′＝０となるためには、次
式が満足されればよいことになる。
式が満足されればよいことになる。
【００３２】
【数６】
【００３３】即ち、点Ｓ 2 から最終偏向電磁石２０まで
の光学系が定まれば、それに応じて、それぞれの走査電
磁石について、（９）式で決められるキックを与えるこ
とにより、最終偏向電磁石下流でビームは必ず軸に対し
て平行になる。
の光学系が定まれば、それに応じて、それぞれの走査電
磁石について、（９）式で決められるキックを与えるこ
とにより、最終偏向電磁石下流でビームは必ず軸に対し
て平行になる。
【００３４】これにより、最終偏向電磁石の磁極を特別
な形状にすることなく、照射位置において、平行照射野
を実現することができる。
な形状にすることなく、照射位置において、平行照射野
を実現することができる。
【００３５】なお、前記説明においては、走査電磁石が
２台とされていたが、走査電磁石の数は２台に限定され
ず、３台以上であってもよい。
２台とされていたが、走査電磁石の数は２台に限定され
ず、３台以上であってもよい。
【００３６】特に、Ｘ方向、Ｙ方向独立の走査電磁石を
配する事により、Ｘ−Ｙ両方向の平行照射野が得られ
る。
配する事により、Ｘ−Ｙ両方向の平行照射野が得られ
る。
【００３７】又、走査電磁石の位置は、偏向電磁石１９
と２０の間には限定されず、偏向電磁石１８の上流でも
かまわない。
と２０の間には限定されず、偏向電磁石１８の上流でも
かまわない。
【００３８】又、前記説明においては、本発明が陽子線
治療装置の回転ガントリに適用されていたが、本発明の
適用対象はこれに限定されず、陽子線以外の荷電粒子線
を用いた治療装置や照射装置、あるいは、治療装置以外
にも同様に適用できることは明らかである。
治療装置の回転ガントリに適用されていたが、本発明の
適用対象はこれに限定されず、陽子線以外の荷電粒子線
を用いた治療装置や照射装置、あるいは、治療装置以外
にも同様に適用できることは明らかである。
【００３９】
【発明の効果】本発明によれば、最終偏向電磁石の磁極
を特別な形状にすることなく、照射位置において平行照
射野を実現することができる。本発明は、特に、ガント
リの更なるコンパクト化のために、最終偏向電磁石を２
テスラ程度の高磁場にする場合に、極めて有効である。
を特別な形状にすることなく、照射位置において平行照
射野を実現することができる。本発明は、特に、ガント
リの更なるコンパクト化のために、最終偏向電磁石を２
テスラ程度の高磁場にする場合に、極めて有効である。
【図１】本発明の適用対象の一例である陽子線治療装置
の全体構成を示すブロック図
の全体構成を示すブロック図
【図２】前記陽子線治療装置の回転ガントリの一例を示
す斜視図
す斜視図
【図３】前記回転ガントリにおける散乱体法による照射
野拡大例を示す光路図
野拡大例を示す光路図
【図４】同じくスキャニング法による照射野拡大例を示
す光路図
す光路図
【図５】同じくスキャニング法によるスキャニング位置
と収束点の関係の例を示す線図
と収束点の関係の例を示す線図
【図６】従来のスキャニング法により収束傾向となった
状態を示す光路図
状態を示す光路図
【図７】同じく発散傾向となった状態を示す光路図
【図８】本発明に係る陽子線照射装置の実施形態の構成
を示す光路図
を示す光路図
【図９】前記実施形態によって実現される平行照射野の
例を示す光路図
例を示す光路図
１０…治療装置
１６…４重極電磁石（Ｑ磁石）
１８…偏向電磁石
２０…最終偏向電磁石
２４、２６…走査電磁石
３０…回転ガントリ
３２…照射ノズル
３３…陽子線
３４…治療用ベッド
３５…照射部
５０…同期制御装置
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G21K 5/04
A61N 5/10
G21K 1/093
Claims (6)
- 【請求項１】最終偏向電磁石の入側に設けた走査電磁石
により、荷電粒子線を走査して照射野を拡大するように
した荷電粒子線照射装置において、 前記走査電磁石を複数設け、 該複数の走査電磁石によるキックの重ね合わせにより、
前記最終偏向電磁石の出側に、平行照射野が形成される
ようにしたことを特徴とする荷電粒子線照射装置。 - 【請求項２】前記複数の電磁石を、次式 （ここで、ｎは電磁石の数、s1・・・snは各電磁石のビ
ーム照射位置からの距離、a11(s)はビームの輸送行列の
係数、Ｘ´はビーム照射位置のビーム変位）に従って配
置したことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線照
射装置。 - 【請求項３】前記複数の走査電磁石を、前記最終偏向電
磁石と、その入側の偏向電磁石の間に配置したことを特
徴とする、請求項１又は２に記載の荷電粒子線照射装
置。 - 【請求項４】前記複数の走査電磁石を、前記最終偏向電
磁石の入側の偏向電磁石の上流に配置したことを特徴と
する、請求項１又は２に記載の荷電粒子線照射装置。 - 【請求項５】ビームをＸ方向に走査する複数の走査電磁
石を請求項３あるいは請求項４に記載の位置に配置し、
且つ、ビームをＹ方向に走査する複数の走査電磁石を請
求項３あるいは請求項４に記載の位置に配置し、Ｘ−Ｙ
両方向の平行照射野を得ることを特徴とする荷電粒子線
照射装置。 - 【請求項６】請求項１乃至５のいずれか一項に記載の荷
電粒子線照射装置を用いて、患部に荷電粒子線を照射す
るようにしたことを特徴とする治療装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000212445A JP3423675B2 (ja) | 2000-07-13 | 2000-07-13 | 荷電粒子線照射装置、及び、これを用いた治療装置 |
| US09/904,105 US20020033456A1 (en) | 2000-07-13 | 2001-07-13 | Charged-particle beam irradiator and therapy system employing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000212445A JP3423675B2 (ja) | 2000-07-13 | 2000-07-13 | 荷電粒子線照射装置、及び、これを用いた治療装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002022900A JP2002022900A (ja) | 2002-01-23 |
| JP3423675B2 true JP3423675B2 (ja) | 2003-07-07 |
Family
ID=18708368
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000212445A Expired - Fee Related JP3423675B2 (ja) | 2000-07-13 | 2000-07-13 | 荷電粒子線照射装置、及び、これを用いた治療装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20020033456A1 (ja) |
| JP (1) | JP3423675B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006064613A1 (ja) * | 2004-12-13 | 2006-06-22 | National Institute Of Radiological Sciences | 荷電粒子線照射装置および回転ガントリ |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP1041579A1 (en) * | 1999-04-01 | 2000-10-04 | GSI Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH | Gantry with an ion-optical system |
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