JP4629606B2

JP4629606B2 - 走査式照射ノズル装置、ビーム輸送チェンバ及び粒子線治療システム

Info

Publication number: JP4629606B2
Application number: JP2006098658A
Authority: JP
Inventors: 亮介品川; 賢一滝沢; 隆治青天目
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007268035A

Description

本発明は、走査式照射ノズル装置、ビーム輸送チェンバ及び粒子線治療システムに係わり、特に、陽子及び炭素イオン等の荷電粒子ビームを患部に照射して治療する粒子線治療システムに用いる走査式照射ノズル装置と、この走査式照射ノズル装置に用いられる荷電粒子ビームの散乱を抑制するためのビーム輸送チェンバ、及びその粒子線治療システムに関する。

癌などの患者の患部に陽子等の荷電粒子ビーム（イオンビーム）を照射する治療方法が知られている。この治療方法に用いる治療システム（粒子線治療システム）は、荷電粒子ビーム発生装置、ビーム輸送系及び回転式の照射装置を備え、回転式の照射装置は治療室に設置されかつ回転ガントリーに取り付けられた照射ノズル装置を有している。荷電粒子ビーム発生装置の加速器で加速された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系を経て治療室の照射装置に達し、照射ノズル装置から患者の患部に照射される。

照射ノズル装置は、荷電粒子ビーム発生装置からのイオンビームを、照射目標である患部の立体形状に合わせて照射する装置であり、その方式として、例えば特許文献１記載のように、２組の走査電磁石（ｘ方向走査電磁石及びｙ方向走査電磁石）を用いてイオンビームを直交する２方向に走査する方式が知られている。

特開平９−９９１０８号公報

粒子線治療システムに用いられる走査式照射ノズル装置は、患者の患部への照射位置精度を高めるために、荷電粒子ビームの散乱を極力抑え、ビームサイズを小さくする必要がある。このビームの散乱を抑えるために、高速の磁場変動に耐え得る非磁性であるセラミックス製のチャンバ本体を有するビーム輸送チェンバを用い、このチェンバ内に真空領域や空気よりも軽いヘリウムなどのガス領域を確保し、ビームを輸送することが提案されている（特願２００６−５１４７８号）。この走査式照射ノズル装置は、２組の走査電磁石は１組のｘ方向走査電磁石と１組のｙ方向走査電磁石を有し、ｙ方向走査電磁石は例えば上流側に配置され、ｘ方向走査電磁石は例えば下流側に配置されている。チェンバ本体は、２組の走査電磁石の配置に対応して、上流側チェンバセクションと下流側チェンバセクションとからなる２分割構造を有し、上流側チェンバセクションはｙ方向走査電磁石の間に配置され、下流側チェンバセクションはｘ方向走査電磁石の間に配置されている。

しかしながら、上記したビーム輸送チェンバにおいては、セラミックスは割れ物であるため、輸送時の衝撃や照射ノズル装置内への組み込み時にチェンバ本体が破損する恐れがあり、チャンバ本体の厚みを厚くして強度・剛性を持たせる必要がある。また、セラミックスは焼き物であるため、チェンバ本体の形状を自由に選択することができない。これらはセラミックス製チェンバ本体の外形を大きくし、単純な直管形状で製作しなければならないことを意味し、その大きさ及び形状に応じてビームを偏向する走査装置の磁極間隔や外形も大きくしなければならない。

走査式照射ノズル装置は、ビーム輸送チェンバ及び走査電磁石を鋼製のハウジング内に収納し、各走査電磁石はコイルと鉄心を備えている。このため、セラミックス製チェンバ本体の外形が大きくなり、走査電磁石の磁極間隔や外形が大きくなると、鋼製のハウジングや鉄心も大きくなり、走査式照射ノズル装置全体の外形が大きくなり、重量が増す。

上述したように、照射ノズル装置は回転式の照射装置に備えられているため、照射ノズル装置の外形が大きくなり、重量が増すと、それに伴って回転ガントリを含む照射装置全体の重量が増す。その結果、回転式照射装置の製作コストが増すばかりでなく、回転ガントリを回転させるための電気モータも高出力が必要となり、電源装置も大型化する。

また、上流側チェンバセクションと下流側チェンバセクションとを互いに接続するには金属フランジが必要となり、セラミックスと金属間を銀ロウ付けなどの特殊な方法で接着する必要がある。また、チェンバの寿命や破損による交換の際、チェンバ本体を引き抜く必要があるが、その際に金属フランジと走査電磁石の磁極が干渉し、メンテナンス性が悪い。

以上のように提案されている前述の走査式照射ノズル装置は、コンパクト化ができず、かつチェンバ破損時のメンテナンス性が悪いという問題があった。

本発明の第１の目的は、コンパクトな荷電粒子ビームの走査式照射ノズル装置、走査式照射ノズル装置をコンパクト化できるビーム輸送チェンバ、及びそのような走査式照射ノズル装置を備えた粒子線治療システムを提供することである。

本発明の第２の目的は、ビーム輸送チェンバのメンテナンス性が向上する荷電粒子ビームの走査式照射ノズル装置、メンテナンス性の良いビーム輸送チェンバ、及びそのような走査式照射ノズル装置を備えた粒子線治療システムを提供することである。

上記第1及び第２の目的を達成するため、本発明の走査式照射ノズル装置は、電粒子ビームを偏向するビーム走査装置と、前記荷電粒子ビームの散乱を抑制するための真空領域或いはガス領域を確保するビーム輸送チェンバとを備え、前記ビーム走査装置は、前記荷電粒子ビームを一方向に偏向する１対の第１ビーム走査電磁石と、前記第１ビーム走査電磁石の下流側に位置し、前記荷電粒子ビームを前記一方向に直交する方向に偏向する１対の第２ビーム走査電磁石とを有し、前記ビーム輸送チェンバは、前記第１ビーム走査電磁石の対の間に位置する第１チェンバセクションと、前記第２ビーム走査電磁石の対の間に位置する第２チェンバセクションとからなる２分割構造を有し、前記第１及び第２チェンバセクションのうち少なくとも前記第２チェンバセクションが前記荷電粒子ビームの進行方向上流側から下流側へと広がるラッパ形状を有し、前記第１チェンバセクションと前記第２チェンバセクションは、それぞれ、両者の連結端部に金属製の接続フランジを有し、前記接続フランジの前記第１ビーム走査電磁石の対が向かい合う方向の外形寸法を前記第１ビーム走査電磁石の磁極間隔よりも小さくして、前記第１チェンバセクションを前記第１ビーム走査電磁石の間から引き抜き可能とし、前記接続フランジの前記第２ビーム走査電磁石の対が向かい合う方向の外形寸法を前記第２ビーム走査電磁石の磁極間隔よりも小さくして、前記第２チェンバセクションを前記第２ビーム走査電磁石の間から引き抜き可能としたものとする。

また、上記第1及び第２の目的を達成するために、本発明は、荷電粒子ビームを偏向するビーム走査装置と、前記荷電粒子ビームの散乱を抑制するための真空領域或いはガス領域を確保するビーム輸送チェンバとを備え、前記ビーム走査装置は、前記荷電粒子ビームを一方向に偏向する１対の第１ビーム走査電磁石と、前記第１ビーム走査電磁石の下流側に位置し、前記荷電粒子ビームを前記一方向に直交する方向に偏向する１対の第２ビーム走査電磁石とを有し、前記ビーム輸送チェンバは、前記第１ビーム走査電磁石の対の間に位置する第１チェンバセクションと、前記第２ビーム走査電磁石の対の間に位置する第２チェンバセクションとからなる２分割構造を有し、前記第１チェンバセクションは、前記第１ビーム走査電磁石の偏向方向において、前記荷電粒子ビームの進行方向上流側から下流側へと広がるラッパ形状を有し、前記第２チェンバセクションは、前記第１ビーム走査電磁石の偏向方向と前記第２ビーム走査電磁石の偏向方向の両方向において、前記荷電粒子ビームの進行方向上流側から下流側へと広がるラッパ形状を有し、前記第１チェンバセクションと前記第２チェンバセクションは、それぞれ、両者の連結端部に金属製の接続フランジを有し、前記接続フランジの前記第１ビーム走査電磁石の対が向かい合う方向の外形寸法を前記第１ビーム走査電磁石の磁極間隔よりも小さくして、前記第１チェンバセクションを前記第１ビーム走査電磁石の間から引き抜き可能とし、前記接続フランジの前記第２ビーム走査電磁石の対が向かい合う方向の外形寸法を前記第２ビーム走査電磁石の磁極間隔よりも小さくして、前記第２チェンバセクションを前記第２ビーム走査電磁石の間から引き抜き可能としたものとする。

前記第１及び第２チェンバセクションは好ましくは樹脂製である。

このようにビーム輸送チェンバの少なくとも第２チェンバセクションをラッパ形状とすることにより、第２ビーム走査装置が位置する第２チェンバセクション部分の外形は第２ビーム走査装置によるビーム偏向幅が最大となる第２チェンバセクション部分の外形よりも小さくなり、それに応じて第２ビーム走査装置の磁極間隔や外形を小さくすることができるとともに、第２ビーム走査装置が位置する第２チェンバセクション部分の外形が小さくなることに伴って、第２チェンバセクションの上流側に位置する第１チェンバセクションの外径及び第１ビーム走査装置の磁極間隔や外形も小さくすることができ、ビーム輸送チェンバ及びそれを組み込んだ走査式照射ノズル装置をコンパクト化できる。
また、少なくとも第２チェンバセクションをラッパ形状し、接続フランジの第１ビーム走査電磁石の対が向かい合う方向の外形寸法を第１ビーム走査電磁石の磁極間隔よりも小さくして、第１チェンバセクションを第１ビーム走査電磁石の間から引き抜き可能とし、接続フランジの第２ビーム走査電磁石の対が向かい合う方向の外形寸法を第２ビーム走査電磁石の磁極間隔よりも小さくして、第２チェンバセクションを第２ビーム走査電磁石の間から引き抜き可能とすることにより、従来メンテナンス時に走査電磁石の分解が必要であった第１チェンバセクション側についても、第１チェンバセクションの接続フランジの外形寸法を第１ビーム走査電磁石の磁極間隔よりも小さくできるようになり、第１及び第２ビーム走査電磁石のいずれも分解することなく、第１及び第２チェンバセクションを引き抜くことができ、メンテナンス性が良い。
更に、第１及び第２チェンバセクションをセラミックスに代わる非磁性材として樹脂製とすることにより、第１及び第２チェンバセクションの強度・剛性を保ったまま第１及び第２チェンバセクションの厚みを薄くすることができ、第１及び第２ビーム走査装置の磁極間隙や外形を小さくでき、ビーム輸送チェンバ及びそれを組み込んだ走査式照射ノズル装置をコンパクト化できる。

また、第１及び第２チェンバセクションと金属製のフランジとの接合は樹脂と金属との接合となるため、セラミックス特有の銀ロウ付けなどの接着処理をする必要がなく、普通の接着剤を用いて接合可能であり、製作が容易で、安価となる。

また、上記第１及び第２の目的を達成するため、本発明のビーム輸送チェンバは上記構成を備え、本発明の粒子線治療システムは、回転ガントリを含む回転式照射装置に上記走査式照射ノズル装置を備える。

本発明の走査式照射ノズル装置は上記のようにコンパクトになるため、その重量が低減する。その結果、走査式照射ノズル装置が組み込まれる回転ガントリを含む回転式照射装置全体の重量を低減し、回転ガントリを回転させるための電気モータを小形化でき、その電源も小形化できる。

本発明によれば、ビーム輸送チェンバの少なくとも第２チェンバセクションをラッパ形状とすることにより、ビーム走査装置が位置する第２チェンバセクション部分の外形は第２ビーム走査装置によるビーム偏向幅が最大となる第２チェンバセクション部分の外形よりも小さくなり、それに応じて第２ビーム走査装置の磁極間隔や外形を小さくすることができるため、ビーム輸送チェンバ及びそれを組み込んだ走査式照射ノズル装置をコンパクト化できる。

また、本発明によれば、少なくとも第２チェンバセクションをラッパ形状とすることにより、接続フランジの外形寸法を関連するビーム走査電磁石の磁極間隔よりも小さくすることができ、第１及び第２ビーム走査電磁石のいずれも分解することなく、第１及び第２チェンバセクションを引き抜くことができ、メンテナンス性が良い。

また、本発明によれば、ビーム走査装置の磁極間内のスペースを確保し、ビーム偏向磁場を監視する検出子などを設置できる。

また、本発明によれば、第１及び第２チェンバセクションを樹脂製とすることにより、第１及び第２チェンバセクションの強度・剛性を保ったまま第１及び第２チェンバセクションの厚みを薄くすることができるため、ビーム輸送チェンバ及びそれを組み込んだ走査式照射ノズル装置をコンパクト化できる。

また、本発明によれば、第１及び第２チェンバセクションと金属製のフランジとの接合は樹脂と金属との接合となるため、セラミックス特有の銀ロウ付けなどの接着処理をする必要がなく、普通の接着剤を用いて接合可能であり、製作が容易で、安価となる。

また、本発明によれば、走査式照射ノズル装置の重量が低減するため、走査式照射ノズル装置が組み込まれる回転ガントリを含む回転式照射装置全体の重量を低減し、回転ガントリを回転させるための電気モータを小形化でき、その電源も小形化できる。

以下、本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態に係わる走査式照射ノズル装置の全体構成を示す図である。図１において、本実施の形態の走査式照射ノズル装置１は、ビーム走査装置２と、ビーム輸送チェンバ３と、検出器５ａ、５ｂ（図２参照）と、線量モニタ６と、ビーム位置モニタ７と、これらを収納する金属製（例えば鋼製）のハウジング８とを有している。荷電粒子ビーム１０は図１の右側よりビーム輸送チェンバ３へ進入し、ビーム輸送チェンバ３内の真空領域或いはヘリウムなどのガス領域を図示左方向に輸送され、照射ノズル装置１内にて走査された後、患者に照射される。

ビーム走査装置２は荷電粒子ビーム１０を偏向するための装置であり、荷電粒子ビーム１０を一方向（図２のｙ方向）に偏向する１対の第１ビーム走査電磁石２１と、荷電ビームを前記一方向に直交する方向（図２のｘ方向）に偏向する１対の第２ビーム走査電磁石２２とを有している。第１ビーム走査電磁石２１は第２ビーム走査電磁石２２よりも荷電粒子ビーム１０の進行方向上流側に位置している。

ビーム輸送チェンバ３は、荷電粒子ビーム１０の散乱を抑制するための真空領域や空気よりも軽いヘリウムなどのガス領域を確保するための装置であり、本実施の形態では、一例として、ビーム輸送チェンバ３内にはヘリウムのガス領域が形成されている。このビーム輸送チェンバ３は荷電粒子ビーム１０を輸送するチェンバ本体３０と、隔離窓３６とを有している。また、チェンバ本体３０は、第１及び第２ビーム走査電磁石２１，２２に対応して、第１ビーム走査電磁石２１が位置する第１チェンバセクション３１と、第２ビーム走査電磁石２２が位置する第２チェンバセクション３２とからなる２分割構造を有し、第１チェンバセクション３１は第１ビーム走査電磁石２１の対の間に位置し、第２チェンバセクション３２は第２ビーム走査電磁石２２の対の間に位置し、第１チェンバセクション３１は第２チェンバセクション３２よりも荷電粒子ビーム１０の進行方向上流側に位置している。

隔離窓３６はビーム輸送チェンバ３の下流側端部（チェンバ本体３０の下流側端部）に設置され、真空領域或いはヘリウムなどのガス領域と大気とを隔てている。本実施の形態では、ビーム輸送チェンバ３内にはヘリウムのガス領域が形成されているため、隔離窓３６はガス隔離窓であり、ビーム輸送チェンバ３の上流側端部（チェンバ本体３０の上流側端部）にも、ビーム輸送チェンバ３内のヘリウムガス領域とビーム輸送チェンバ３の上流側のビーム輸送ダクトとを隔てるガス隔離窓３７が設置されている。ビーム輸送チェンバ３内に真空領域が確保される場合は、隔離窓３６は真空隔離窓となり、ビーム輸送チェンバ３の上流側端部は、上流側のビーム輸送ダクトに直接接続される。

チェンバ本体３０の材質（第１及び第２チェンバセクション３１，３２の材質）は樹脂（非磁性材）であり、好ましくは、ＧＦＲＰ（ガラス繊維補強プラスチック：Glass Fiber Reinforced Plastic）、或いはＣＦＲＰ（炭素繊維補強プラスチック：Carbon Fiber Reinforced plastic）、或いはそれらの組み合わせ等、長繊維材料に樹脂を含浸させた繊維補強樹脂の成型品である。この成型品は、例えば、第１及び第２チェンバセクション３１，３２の内部空洞と同じ形状の金型或いは木型を用意し、この金型或いは木型の外周に樹脂を含浸させたガラス繊維或いは炭素繊維を巻き付けて成形するフィラメントワインディング法により作ることができる。第１及び第２チェンバセクション３１，３２の材質をＧＦＲＰとＣＦＲＰとの組み合わせとする場合、耐放射性のあるＣＦＲＰを内層とし、比較的安価なＧＦＲＰを外層とすることが好ましい。

また、ビーム輸送チェンバ３のチェンバ本体３０は、荷電粒子ビーム１０の進行方向上流側から下流側へと広がるラッパ形状を有している。

図２は、チェンバ本体３０のラッパ形状の詳細を示す図である。図２中、上段（ａ）は、上流側の第１ビーム走査電磁石２１による偏向方向に垂直な方向から見たチェンバ３の側面図であり、中段（ｂ）は、下流側の第２ビーム走査電磁石２２による偏向方向に垂直な方向から見たチェンバ３の側面図であり、下段（ｃ）は、上段及び中段の側面図におけるチェンバ３のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図、Ｄ−Ｄ断面図を示すものである。

チェンバ本体３０の第１チェンバセクション３１は、第１ビーム走査電磁石２１の偏向方向（図２のｙ方向）において、荷電粒子ビーム１０の進行方向上流側から下流側へと広がるラッパ形状を有し、第２チェンバセクション３２は、第１ビーム走査電磁石２１の偏向方向（図２のｙ方向）と第２ビーム走査電磁石２２の偏向方向（図２のｘ方向）の両方向において、荷電粒子ビーム１０の進行方向上流側から下流側へと広がるラッパ形状を有している。第１チェンバセクション３１の断面形状は、上流側端部付近においてほぼ正方形であり（Ａ−Ａ断面図）、下流に行くにしたがってｙ方向に横長となり（Ｂ−Ｂ断面図）、第２チェンバセクション３２の断面形状は、上流側端部付近においてほぼ横長であり（Ｃ−Ｃ断面図）、下流に行くにしたがって、ｙ方向に横長のままｘ方向及びｙ方向の長さが増大する（Ｄ−Ｄ断面図）。また、第１及び第２チェンバセクション３１，３２は、樹脂製で破損の可能性が少ないため、共に、特願２００６−５１４７８号にて提案されているセラミック製のチェンバに比べて肉厚が薄くなっている。

第１及び第２チェンバセクション３１，３２は、それぞれ、両端に接続フランジ３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂを有し、接続フランジ３３ａは第１チェンバセクション３１の上流側端部と隔離窓６とを連結し、接続フランジ３３ｂ，３４ａは第１チェンバセクション３１の下流側端部と第２チェンバセクション３２の上流側端部を連結し、接続フランジ３４ｂは第２チェンバセクション３２の下流側端部と隔離窓４とを連結している。接続フランジ３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂはアルミ合金製であり、樹脂製の第１及び第２チェンバセクション３１，３２の各端部と接着剤で接合され、かつ接続フランジ３３ｂ，３４ａ間、接続フランジ３３ａと隔離窓６間、接続フランジ３４ｂと隔離窓４間にはＯリングが装着され、ボルト締めにより締結されている。また、接続フランジ３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂは、第１及び第２チェンバセクション３１，３２の対応する端部の断面形状とほぼ相似の矩形形状から角部をカットした形状を有し、接続フランジ３３ｂ，３４ａの形状及び寸法は同じである。第１チェンバセクション３１の接続フランジ３３ｂのｘ方向の外形寸法ｗｘは第１ビーム走査電磁石２１の磁極間隔ｇｘよりも小さく（ｗｘ＜ｇｘ）、第２チェンバセクション３２の接続フランジ３４ａのｙ方向の外形寸法ｗｙは第２ビーム走査電磁石２２の磁極間隔ｇｙよりも小さく（ｗｙ＜ｇｙ）、メンテナンス時に、第１チェンバセクション３１を第１ビーム走査電磁石２１の磁極間から引き抜き、組み込み可能とし、第２チェンバセクション３２を第２ビーム走査電磁石２２の磁極間から引き抜き、挿入可能としている（後述）。

ビーム輸送チェンバ３の内部を真空領域或いはガス領域とするため、真空度試験においてヘリウムリーク量が１．３３×１０^−９［Ｐａ・ｍ^３／ｓ］以下となる真空度が規定されるように、接続フランジ３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂと第１及び第２チェンバセクション３１，３２の各端部との接合部、接続フランジ３３ａと隔離窓６との連結、接続フランジ３３ｂ，３４ａ同士の連結、接続フランジ３４ｂと隔離窓４との連結部における密封性が維持されている。また、図示はしないが、ビーム輸送チェンバ３には、真空度或いはガス純度の維持を目的とした供給口と排気口が備えられている。

図１に戻り、検出器５ａは第１ビーム走査電磁石２１の対の間に配置され、検出器５ｂは第２ビーム走査電磁石２２の対の間に配置され、検出器５ａ、５ｂは、それぞれ、第１及び第２ビーム走査電磁石２１，２２が発生する磁場を検出する。線量モニタ６は走査式照射ノズル装置１から出射される荷電粒子ビーム１０の線量を検出し、ビーム位置モニタ７は走査式照射ノズル装置１に入射される荷電粒子ビーム１０の位置を検出する。

次に、以上のように構成した本実施の形態の作用効果を特願２００６−５１４７８号にて提案されているビーム輸送チェンバと比較しつつ説明する。

図３は、特願２００６−５１４７８号にて提案されているセラミック製のチェンバ本体を備えたビーム輸送チェンバの形状を示す、図２と同様な図であり、図２に示したものに対応する部分には図２で用いた数字を１００番台に変えて示している。図３中、上段（ａ）は、上流側の第１ビーム走査電磁石１２１による偏向方向に垂直な方向から見たチェンバ１０３の側面図であり、中段（ｂ）は、下流側の第２ビーム走査電磁石１２２による偏向方向に垂直な方向から見たチェンバ１０３の側面図であり、下段（ｃ）は、上段及び中段の側面図におけるチェンバ１０３のＥ−Ｅ断面図、Ｆ−Ｆ断面図、Ｇ−Ｇ断面図、Ｈ−Ｈ断面図を示すものである。

提案されている上記のビーム輸送チェンバ１０３はセラミックス製のチェンバ本体１３０を有し、このセラミックス製チェンバ本体１３０は、本実施の形態のビーム輸送チェンバ３と同様、上流側チェンバセクション１３１と下流側チェンバセクション１３２とからなる２分割構造を有している。しかし、第１及び第２チェンバセクション１３１，１３２は、共に、単純な直管形状をしている。
＜効果１＞
ビーム輸送チェンバ１０３においては、チェンバ本体１３０の素材であるセラミックスは割れ物であるため、輸送時の衝撃や照射ノズル装置のハウジング内への組み込み時にチェンバ１０３（チェンバ本体１３０）が破損するおそれがあり、図３（ｃ）に示す如く、チェンバ本体１３０の厚みを厚くして強度・剛性を持たせる必要がある。また、セラミックスは焼き物であるため、チェンバ本体１３０の形状を自由に選択することができない。これらはセラミックス製チェンバ本体１３０の外形を大きくし、単純な直管形状で製作しなければならないことを意味し、その大きさ及び形状に応じてビームを偏向する走査装置（第１及び第２ビーム走査電磁石１２１，１２２）の磁極間隔ｇｃｘ，ｇｃｙや外形も大きくしなければならない。その結果、ビーム輸送チェンバ１０３及びそれを組み込んだ走査式照射ノズル装置をコンパクト化できない。

これに対し、本実施の形態のビーム輸送チェンバ３においては、チェンバ本体３０（第１及び第２チェンバセクション３１，３２）の材質は樹脂（好ましくはＧＦＲＰ，ＣＦＲＰ或いはそれらの組み合わせ）であるため、提案されているセラミック製チェンバ本体１３０のような破損のおそれが少なく、図２（ｃ）と図３（ｃ）との比較から分かるように、チェンバ本体３０の強度・剛性を保ったままセラミック製チェンバ本体１３０に比べ厚みが薄くすることができる。その結果、第１ビーム走査電磁石２１の磁極間隙ｇｘ及び第２ビーム走査電磁石２２の磁極間隔ｇｙや外形を小さくできる（ｇｘ＜ｇｃｘ、ｇｙ＜ｇｃｙ）。

また、チェンバ本体３０（第１及び第２チェンバセクション３１，３２）は樹脂製であるため、それらの形状を自由に選択することができ、チェンバ３はラッパ形状となっている。その結果、第２ビーム走査電磁石２２の磁極間隔ｇｙや外形を更に小さくすることができる。つまり、第２ビーム走査電磁石２２は荷電粒子ビームを偏向するために、第２チェンバセクション３２の長手方向中央よりも上流側に位置している。しかし、図３のチェンバ１０３では、第２チェンバセクション１３２は直管であるため、その直管の外形は、第２ビーム走査電磁石１２２によるビーム偏向幅が最大となるチェンバ本体部分（第２チェンバセクション１３２の下流側端部）の外形に合わせた寸法とせざるを得ず、第２ビーム走査電磁石１２２の磁極間隔ｇｃｙは、第２チェンバセクション１３２に対する設置位置に係わらず、ビーム偏向幅が最大となるチェンバ本体部分の外形よりも大きな寸法とする必要がある。これに対して、本実施の形態では、第２チェンバセクション３２がラッパ形状であるため、第２ビーム走査電磁石２２が位置するチェンバ本体部分の外形は第２ビーム走査電磁石２２によるビーム偏向幅が最大となるチェンバ本体部分の外形よりも小さくなり、それに応じて第２ビーム走査電磁石２２の磁極間隔ｇｙや外形を小さくすることができる。

以上のように第１ビーム走査電磁石２１の磁極間隙ｇｘ及び第２ビーム走査電磁石２２の磁極間隔ｇｙや外形を小さくできるため、ビーム輸送チェンバ３及びそれを組み込んだ走査式照射ノズル装置１をコンパクト化でき、その重量が低減する。その結果、走査式照射ノズル装置１の製作コストが低減すると共に、走査式照射ノズル装置１が組み込まれる回転ガントリを含む回転式照射装置全体の重量を低減し、回転ガントリを回転させるための電気モータを小形化でき、その電源も小形化できる。

また、第１及び第２ビーム走査電磁石２１，２２の磁極間隙ｇｘ，ｇｙを小さくできるため、第１及び第２ビーム走査電磁石２１，２２のコイル起磁力を低減でき、その電源を小形化できる。
＜効果２＞
図４は、メンテナンス時におけるビーム輸送チェンバの引き抜き、組み込み手順を本実施の形態のチェンバ３と提案されているセラミックチェンバ１０３とを比較して示す図であって、図４上側は本実施の形態のものを、図４下側は提案されているものを示す。

提案されているビーム輸送チェンバ１０３は、チェンバ本体１３０（第１及び第２チェンバセクション１３１，１３２）が直管形状であるため、第１チェンバセクション１３１の第１チェンバセクション１３２との連結端部における接続フランジ１３３ｂの外形寸法ｗｃｘは下流側の第２チェンバセクション１３２側の接続フランジ１３４ａの外形寸法に規制され、外径寸法ｗｃｘを第１ビーム走査電磁石１２１の磁極間隔ｇｃｘよりも小さくすることができない（ｗｃｘ＞ｇｃｘ）。

ビーム輸送チェンバは寿命が来たり、破損すると、新しいものと交換する必要があり、チェンバの交換の際は、第１及び第２チェンバセクション１３１，１３２を分離して引き抜き、新しいチェンバを組み込む必要がある。このようなチェンバの交換に際して、下流の第２チェンバセクション側については、接続フランジ１３４ａのｙ方向の外形寸法ｗｃｙが第２ビーム走査電磁石１３２の磁極間隔ｇｃｙより小さいため（ｗｃｙ＜ｇｃｙ）、第２チェンバセクション１３２はそのまま引き抜き、新しいものと交換することができる。しかし、第１チェンバセクション１３１側は、上記のように接続フランジ１３３ｂのｘ方向の外形寸法ｗｃｘが第１ビーム走査電磁石１２１の磁極間隔ｇｃｘよりも大きいため、第１チェンバセクション１３１ををそのまま引き抜くと、接続フランジ１３３ｂが走査電磁石１２１の磁極と干渉するため、図４下側に示すように、第１ビーム走査電磁石１２１を分解してから引き抜く必要がある。また、新しいチェンバセクションを組み込み後は、分解した第１ビーム走査電磁石１２１を元の状態に復元する必要がある。このためメンテナンス性が悪い。

これに対し、本実施の形態のビーム輸送チェンバ３は、チェンバ本体３０（第１及び第２チェンバセクション３１，３２）がラッパ形状であるため、第１チェンバセクション３１の接続フランジ３３ｂのｘ方向の外形寸法ｗｘは第１ビーム走査電磁石２１の磁極間隔ｇｘよりも小さく（ｗｘ＜ｇｘ）、第２チェンバセクション３２の接続フランジ３４ａのｙ方向の外形寸法ｗｙは第２ビーム走査電磁石２２の磁極間隔ｇｙよりも小さい（ｗｙ＜ｇｙ）。このため、第１及び第２チェンバセクション３１，３２のいずれの側も、図４上側に示すように、第１及び第２ビーム走査電磁石２１，２２を分解することなく、第１及び第２チェンバセクション３１，３２をそれぞれ第１及び第２ビーム走査電磁石２１，２２の磁極間から引き抜くことができる。このためメンテナンス性が良い。
＜効果３＞
提案されているビーム輸送チェンバにおいても、第１及び第２チェンバセクション１３１，１３２に設けられる接続フランジ１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂは金属製であり、第１及び第２チェンバセクション１３１，１３２と接続フランジ１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂとを接合するためには、セラミックスと金属間を銀ロウ付けなどの特殊な方法で接着する必要がある。このため製作し難く、かつコスト高となる。

これに対して、本実施の形態では、第１及び第２チェンバセクション３１，３２は樹脂製であるため、第１及び第２チェンバセクション３１，３２の各端部と接続フランジ３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂとの接合は、樹脂とアルミ合金（金属）との接合となるため、一般的な接着剤を用いて行うことができる。このため製作が容易であり、かつ安価となる。
＜効果４＞
本実施の形態のビーム輸送チェンバ３は、第１及び第２チェンバセクション３１，３２がラッパ形状であるため、第１及び第２ビーム走査電磁石２１，２２の磁極間内にスペースが確保され、ビーム偏向磁場を監視する検出器５ａ，５ｂを設置できる。

次に、本発明の走査式照射ノズル装置を用いて構成した粒子線治療システムの実施の形態を図５を用いて説明する。

図５において、本実施の形態の粒子線治療システムは、荷電粒子ビーム発生装置５１、ビーム輸送系５２及び回転式照射装置５３を備え、回転式照射装置５３は治療室に設置されかつ回転ガントリー（図示せず）に取り付けられた走査式照射ノズル装置５４を有している。

荷電粒子ビーム発生装置５１は、イオン源（図示せず）、前段加速器（例えば直線加速器）６１及びシンクロトロン６２を有し、イオン源で発生したイオン（例えば、陽子イオン（または炭素イオン））は前段加速器６１で加速され、前段加速器６１から出射されたイオンビームはシンクロトロン６２に入射される。このイオンビームは、シンクロトロン６２で加速され、設定されたエネルギーまでに高められた後、出射用デフレクタ６３から出射される。シンクロトロン６２から出射されたイオンビームは、ビーム輸送系５２を経て回転式照射装置５３の照射ノズル装置５４に達し、照射ノズル装置５４から治療台（ベッド）６４に乗っている患者６５の患部に照射される。

照射ノズル装置５４は、図１に示した本発明の照射ノズル装置１であり、照射ノズル装置１の先端には、患者コリメータを挿入設置するためのスノート６６が装着されている。

走査式照射ノズル装置１は、ビーム輸送チェンバ３及び走査電磁石２１，２２を鋼製のハウジング８内に収納し、各走査電磁石２１，２２はコイルと鉄心を備えている。このため、提案されているセラミックス製チェンバ１０３のように、チェンバ１０３の外形（チェンバ本体１３０の外形）が大きくなり、走査電磁石１２１，１２２の磁極間隔や外形が大きくなると、鋼製のハウジングや鉄心も大きくなり、走査式照射ノズル装置全体の外形が大きくなり、重量が増す。

照射ノズル装置は回転ガントリを含む回転式照射装置に備えられているため、照射ノズル装置の外形が大きくなり、重量が増すと、それに伴って回転ガントリを含む照射装置全体の重量が増し、その結果、回転式照射装置の製作コストが増すばかりでなく、回転ガントリを回転させるための電気モータも高出力が必要となり、その電源装置も大型化する。

これに対し、本実施の形態では、前述したように第１ビーム走査電磁石２１の磁極間隙ｇｘ及び第２ビーム走査電磁石２２の磁極間隔ｇｙや外形を小さくできるため、ビーム輸送チェンバ３及びそれを組み込んだ走査式照射ノズル装置１をコンパクト化でき、その重量が低減する。その結果、走査式照射ノズル装置１が組み込まれる回転ガントリを含む回転式照射装置５３全体の重量を低減し、回転ガントリを回転させるための電気モータを小形化でき、電源装置を小形化できる。

なお、以上の実施の形態では、ベストモードとして、ビーム輸送チェンバ３のチェンバ本体３０を樹脂製でかつラッパ形状としたが、チェンバ本体３０を樹脂製で直管形状としてもよく、この場合も、チェンバ本体３０を樹脂製としたことによるコンパクト化等の効果を得ることができる。また、セラミックスの成型技術が許容する場合は、逆に、チェンバ本体３０を従来通りのセラミックス製でラッパ形状としてもよく、この場合も、チェンバ本体３０をラッパ形状としたことによるコンパクト化、メンテナンス性向上等の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態では、ビーム輸送チェンバ３のチェンバ本体３０を２分割構造としたが、ビーム輸送チェンバ３の寿命が伸びて交換が不要である場合は、ビーム輸送チェンバ３のチェンバ本体３０を一体構造としてもよい。この場合でも、ビーム輸送チェンバ３のチェンバ本体３０を樹脂製かつ／又はラッパ形状とすることにより、コンパクト化等の効果を得ることができる。

更に、上記実施の形態では、第１及び第２チェンバセクション３１，３２の両方をラッパ形状としたが、下流側の第２チェンバセクション３２だけをラッパ形状にしてもよく、この場合でも、メンテナンス性向上の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態では、本発明をガン治療などの医療系粒子線治療システムに適用した場合について説明したが、その他、実験照射利用などのビーム輸送システムに適用してもよい。

また、上記実施の形態では、荷電粒子ビームの走査方式として、荷電粒子ビームを直交するに方向に走査する方式のビーム走査装置を有する走査式照射ノズル装置におけるビーム輸送チェンバに本発明を適用したが、２つの走査電磁石を用いて照射量が一様となるよう荷電粒子ビームを螺旋状に走査するウォブラー方式のビーム走査装置を有する走査式照射ノズル装置のビーム輸送チェンバに本発明を適用してもよい。

本発明の一実施の形態に係わる走査式照射ノズル装置の全体構成を示す図である。本発明の一実施の形態に係わるビーム輸送チェンバのチェンバ本体のラッパ形状の詳細を示す図であり、図中、上段（ａ）は、上流側の第１ビーム走査電磁石による偏向方向に垂直な方向から見たチェンバの側面図であり、中段（ｂ）は、下流側の第２ビーム走査電磁石による偏向方向に垂直な方向から見たチェンバの側面図であり、下段（ｃ）は、上段及び中段の側面図におけるチェンバのＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図、Ｄ−Ｄ断面図を示す。提案されているセラミック製チェンバ本体を備えるビーム輸送チェンバの形状を示す、図２と同様な図である。メンテナンス時におけるビーム輸送チェンバの引き抜き、組み込み手順を本実施の形態と提案されているセラミックチェンバとを比較して示す図であって、図４上側は本実施の形態のものを、図４下側は提案されているものを示す。本発明の走査式照射ノズル装置を用いて構成した粒子線治療システムの一実施の形態を示す図である。

符号の説明

１走査式照射ノズル装置
２ビーム走査装置
３ビーム輸送チェンバ
４隔離窓
５ａ，５ｂ検出器
６線量モニタ
７ビーム位置モニタ
８ハウジング
１０荷電粒子ビーム
２１第１ビーム走査電磁石
２２第２ビーム走査電磁石
３０チェンバ本体
３１第１チェンバセクション
３２第２チェンバセクション
３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ接続フランジ
５１荷電粒子ビーム発生装置
５２ビーム輸送系
５３回転式照射装置
５４走査式照射ノズル装置
６１前段加速器
６２シンクロトロン
６３出射用デフレクタ
６４治療台
６５患者
６６スノート

Claims

荷電粒子ビームを偏向するビーム走査装置と、前記荷電粒子ビームの散乱を抑制するための真空領域或いはガス領域を確保するビーム輸送チェンバとを備え、
前記ビーム走査装置は、前記荷電粒子ビームを一方向に偏向する１対の第１ビーム走査電磁石と、前記第１ビーム走査電磁石の下流側に位置し、前記荷電粒子ビームを前記一方向に直交する方向に偏向する１対の第２ビーム走査電磁石とを有し、
前記ビーム輸送チェンバは、前記第１ビーム走査電磁石の対の間に位置する第１チェンバセクションと、前記第２ビーム走査電磁石の対の間に位置する第２チェンバセクションとからなる２分割構造を有し、
前記第１及び第２チェンバセクションのうち少なくとも前記第２チェンバセクションが前記荷電粒子ビームの進行方向上流側から下流側へと広がるラッパ形状を有し、
前記第１チェンバセクションと前記第２チェンバセクションは、それぞれ、両者の連結端部に金属製の接続フランジを有し、
前記接続フランジの前記第１ビーム走査電磁石の対が向かい合う方向の外形寸法を前記第１ビーム走査電磁石の磁極間隔よりも小さくして、前記第１チェンバセクションを前記第１ビーム走査電磁石の間から引き抜き可能とし、
前記接続フランジの前記第２ビーム走査電磁石の対が向かい合う方向の外形寸法を前記第２ビーム走査電磁石の磁極間隔よりも小さくして、前記第２チェンバセクションを前記第２ビーム走査電磁石の間から引き抜き可能としたことを特徴とする走査式照射ノズル装置。
荷電粒子ビームを偏向するビーム走査装置と、前記荷電粒子ビームの散乱を抑制するための真空領域或いはガス領域を確保するビーム輸送チェンバとを備え、
前記ビーム走査装置は、前記荷電粒子ビームを一方向に偏向する１対の第１ビーム走査電磁石と、前記第１ビーム走査電磁石の下流側に位置し、前記荷電粒子ビームを前記一方向に直交する方向に偏向する１対の第２ビーム走査電磁石とを有し、
前記ビーム輸送チェンバは、前記第１ビーム走査電磁石の対の間に位置する第１チェンバセクションと、前記第２ビーム走査電磁石の対の間に位置する第２チェンバセクションとからなる２分割構造を有し、
前記第１チェンバセクションは、前記第１ビーム走査電磁石の偏向方向において、前記荷電粒子ビームの進行方向上流側から下流側へと広がるラッパ形状を有し、前記第２チェンバセクションは、前記第１ビーム走査電磁石の偏向方向と前記第２ビーム走査電磁石の偏向方向の両方向において、前記荷電粒子ビームの進行方向上流側から下流側へと広がるラッパ形状を有し、
前記第１チェンバセクションと前記第２チェンバセクションは、それぞれ、両者の連結端部に金属製の接続フランジを有し、
前記接続フランジの前記第１ビーム走査電磁石の対が向かい合う方向の外形寸法を前記第１ビーム走査電磁石の磁極間隔よりも小さくして、前記第１チェンバセクションを前記第１ビーム走査電磁石の間から引き抜き可能とし、
前記接続フランジの前記第２ビーム走査電磁石の対が向かい合う方向の外形寸法を前記第２ビーム走査電磁石の磁極間隔よりも小さくして、前記第２チェンバセクションを前記第２ビーム走査電磁石の間から引き抜き可能としたことを特徴とする走査式照射ノズル装置。
前記第１及び第２チェンバセクションは樹脂製であることを特徴とする請求項１又は２記載の走査式照射ノズル装置。
荷電粒子ビーム発生装置と、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、前記ビーム輸送系により輸送された荷電粒子ビームを照射対象に照射する回転式照射装置とを備え、前記回転式照射装置は請求項１〜３のいずれか１項記載の走査式照射ノズル装置を有することを特徴とする粒子線治療システム。
前記第１及び第２チェンバセクションの樹脂はＧＦＲＰ或いはＣＦＲＰで或いはＧＦＲＰとＣＦＲＰの組み合わせであることを特徴とする請求項３記載の走査式照射ノズル装置。
前記第１及び第２チェンバセクションは、ＧＦＲＰ或いはＣＦＲＰ或いはＧＦＲＰとＣＦＲＰの組み合わせのフィラメントワインディング成型品であることを特徴とする請求項１又は２記載の走査式照射ノズル装置。