JP4954351B2 - 粒子線照射システムおよび粒子線照射方法 - Google Patents
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Description
図1は本発明の実施の形態1による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。また、図2は本発明の粒子線照射システムが適用される粒子線治療装置のシステム全体の概要を示すブロック図である。図2において、6は粒子線の発生と加速を行う粒子線加速器、7は粒子線を輸送する粒子線輸送装置である。100は、粒子線輸送装置7から入力される粒子線1を走査して、標的5に走査された粒子線4として照射させる粒子線照射システムである。粒子線照射システム100が本発明の対象部分である。2は粒子線進行方向と垂直な方向の一方向であるX方向において、粒子線を走査し、X方向位置をステップごとに変化させるX方向走査装置である。同様に、3は粒子線進行方向およびX方向両方に垂直な方向であるY方向においてビーム位置を走査するY方向走査装置である。8は走査制御装置、9は治療計画装置である。治療計画装置9は走査制御装置8が必要とする走査制御のためのデータを演算により求めて走査制御装置8へデータを送る。
ΔIX2=N1/N2×ΔIX1
となる。そして、位置変化ΔXを同じ時間Δt1で実現しょうとする場合、X方向第一電源23に要求される電圧は、
V1=L1×ΔIX1/Δt1
となり、X方向第二電源25に要求される電圧は、
V2=L2×ΔIX2/Δt1
となる。電磁石のインダクタンスLは巻き数の自乗に比例するので、
V2/V1 = L2/L1 * ΔIX2/ΔIX1 = (N2/N1)*(N2/N1)*N1/N2=N2/N1
となる。鉄心が同じ場合、X方向第二偏向電磁石26のコイルに要する巻き数N2はずっと小さくてよいので、粒子線を同じ時間Δt1で同じ位置変化量ΔX移動させるのに、X方向第二偏向装置22を用いる場合、X方向第一偏向装置21を用いる場合に比べ、電源の電圧はずっと小さい電圧で良いことになる。逆に、X方向第一電源23とX方向第二電源25を同じ電圧とした場合、X方向第二偏向装置22によって粒子線を偏向させて移動させる方が、X方向第一偏向装置21によるよりも移動速度を速くできる。すなわち、短時間で走査できることになる。
粒子線エネルギー変更は、粒子線加速器で行っても良く、また、レンジシフタ、ESS(Energy Selection System)、など他のビームエネルギー変更手段を用いても良いのは言うまでもない。
尚、上記ではX方向走査装置2およびY方向走査装置3共に2つの偏向装置で構成した場合を説明したが、Y方向走査装置3は一つの偏向装置のみを備え、Y方向は置換制御を行わない走査を行う構成であっても良い。
V1= N1/N2 * V2=10 * V2
である。X方向第一偏向電磁石とX方向第二偏向電磁石で、同一の偏向変化量を得るには、磁束の変化量、すなわち巻き数に電流変化量を乗じたものが同じになれば良いので、
ΔIX2=10 *ΔIX1
である。
図5は、本発明の実施の形態2による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。図5において、12はビーム位置モニタを示す。本実施の形態2の構成と動作は、ビーム位置モニタ12の位置情報を走査制御装置8にフィードバックし、粒子線4の照射位置がずれないようにした以外は、前述した実施の形態1と同じである。
図6は本発明の実施の形態3による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態3による粒子線照射システムの構成と動作を、図6を用いて説明する。図6において、図1と同じ符号は同じまたは相当する部分、部品を示す。24は粒子線進行の主方向を偏向して標的に誘導するための偏向電磁石(例えば、複数ある各治療室へ粒子線を誘導する偏向電磁石、または粒子線を患者に向けて誘導するBending-Magnetなど)であり、同時に、X方向第一偏向電磁石でもある。26はX方向第二偏向電磁石である。34はY方向第一偏向電磁石、36はY方向第二偏向電磁石である。なお、図6には、走査制御装置を図示していないが、本実施の形態3においても実施の形態1や実施の形態2で説明した走査制御装置を備えている。
図7は本発明の実施の形態4による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。図7において、図1および図6と同じ符号は同じまたは相当する部分、部品を示す。本実施の形態4による構成が実施の形態3、すなわち図6の構成と異なるところは、Y方向第二偏向電磁石36が、X方向第一偏向電磁石を兼ねる、粒子線進行の主方向を偏向して標的に誘導するための偏向磁石24より上流に設置されていることである。なお、図7には、走査制御装置を図示していないが、本実施の形態4においても実施の形態1や実施の形態2で説明した走査制御装置を備えている。
図8は本発明の実施の形態5による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。図8において、図1および図7と同じ符号は同じまたは相当する部分、部品を示す。本実施の形態5による粒子線照射システムの構成が実施の形態4、すなわち図7の構成と異なるところは、粒子線照射システムが回転ガントリーとして構成されていることである。42は第二の回転ガントリー偏向電磁石で、粒子線1を所定偏向平面において、入射する粒子線の進行方向から一旦曲げて、第一の回転ガントリー偏向電磁石43に入射させ、第一の回転ガントリー偏向電磁石43は同じ偏向平面内おいて第二の回転ガントリー偏向電磁石42に入射する粒子線の進行方向と平行な方向に曲げる。その後、粒子線は、Y方向第二偏向電磁石36とX方向第二偏向電磁石26に入射され、回転ガントリーの最後の偏向電磁石24によって患者に向けて粒子線4を照射する。尚、偏向電磁石24はX方向第一偏向電磁石も兼ねる。34はY方向第一偏向電磁石を示す。そして、図8で示したすべての構成要素がガントリー回転軸41(ほぼ水平方向にある)の周りを回転できる同じ構造体に取り付けられている。この構造体と図8に示す構成要素を含む粒子線照射システムが回転ガントリーと称される。
図9は、本発明の実施の形態6による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。図9において、図1と同一符号は同一または相当する部分、または部品を示す。本実施の形態6では、粒子線1をX方向に偏向する偏向電磁石はX方向偏向電磁石240一つのみ設けている。X方向偏向電磁石240の励磁コイルは一つのみであるが、この一つの励磁コイルをX方向第一電源230とX方向第二電源250の2つの電源により駆動するようにしている。また、X方向偏向電磁石240は実施の形態1や2におけるX方向第一偏向電磁石24と同様、粒子線1を標的の最大幅まで偏向できる能力を有している。X方向第一電源230は大電流を出力することができるが、低電圧であり、X方向偏向電磁石240の励磁コイルのインダクタンスの値が大きいため電流を高速に変化させることができない電源、すなわち低電圧大電流電源である。また、X方向第二電源250は出力できる電流値は小さいが、高電圧が出力でき、X方向偏向電磁石240の励磁コイルのインダクタンスの値が大きくても電流を高速に変化できる高電圧小電流電源である。X方向偏向電磁石240の励磁コイルには、X方向第一電源230およびX方向第二電源250の両方の電源からの電流が重畳して流れるように構成されている。
図10は、本発明の実施の形態7による粒子線照射システムの構成を示すブロック図である。図10において、図1と同一符号は同一または相当する部分、部品を示す。本実施の形態7では、X方向走査装置2において、粒子線1をX方向に偏向させる電磁石はX方向偏向電磁石241一つのみ設けている。ただし、X方向偏向電磁石241は、同一の鉄心に第一励磁コイル242および第二励磁コイル243の2つの励磁コイルが巻かれたものとなっている。ここで、第一励磁コイル242は第二励磁コイル243よりもコイルの巻数が多く、大きなインダクタンスを有し、第二励磁コイル243のインダクタンスは小さい。第一励磁コイル242はX方向第一電源231により駆動され、第二励磁コイル243はX方向第二電源251により駆動される。
3:Y方向走査装置 4:走査された粒子線
5:標的 6:加速器
7:粒子線輸送装置 8:走査制御装置
9:治療計画装置 12:ビーム位置モニタ
21、210、211:X方向第一偏向装置
22、220、221:X方向第二偏向装置
23、230、231:X方向第一電源
24:X方向第一偏向電磁石 240、241:X方向偏向電磁石
242:第一励磁コイル 243:第二励磁コイル
25、250、251:X方向第二電源
26:X方向第二偏向電磁石 31:Y方向第二偏向装置
32:Y方向第一偏向装置 41:回転ガントリー回転軸
42:第二の回転ガントリー偏向電磁石
43:第一の回転ガントリー偏向電磁石2 81:走査制御演算部
82:ビーム位置移動制御演算部 83:ビーム位置停留制御演算部
84:X方向第一偏向装置制御部 85:X方向第二偏向装置制御部
100:粒子線照射システム
Claims (12)
- 入射される粒子線を少なくとも一方向に移動と停留とを繰り返して走査して標的に上記粒子線を照射する粒子線照射システムにおいて、上記粒子線を上記一方向に上記標的の最大幅まで移動可能とする最大偏向量を有する第一偏向装置と、上記粒子線を上記一方向に偏向する最大偏向量が上記第一偏向装置の最大偏向量よりも少ない第二偏向装置と、上記第一偏向装置と上記第二偏向装置を制御する走査制御装置とを備え、
この走査制御装置は、上記粒子線の移動時には少なくとも上記第二偏向装置の偏向量を増加させて上記粒子線を移動させる制御を行い、
上記粒子線の停留時には、上記第二偏向装置の偏向量を減少させるとともに、上記第一偏向装置の偏向量を変化させて、上記標的における上記粒子線の位置が停留するように、上記第二偏向装置の偏向を上記第一偏向装置の偏向に置換してゆく偏向置換制御を行うことを特徴とする粒子線照射システム。 - 走査制御装置は、粒子線の移動時に偏向量を増加させる第二偏向装置の偏向量変化速度が、上記粒子線の停留時に偏向量を変化させる第一偏向装置の偏向量変化速度よりも速くなるように制御することを特徴とする請求項1に記載の粒子線照射システム。
- 第一偏向装置は電磁石によって粒子線を偏向させることを特徴とする請求項1または2に記載の粒子線照射システム。
- 第二偏向装置は電磁石によって粒子線を偏向させることを特徴とする請求項3に記載の粒子線照射システム。
- 第二偏向装置は、電界によって粒子線を偏向させることを特徴とする請求項2に記載の粒子線照射システム。
- 走査された粒子線の位置情報を得るビーム位置モニタを備え、粒子線の停留時に、上記ビーム位置モニタからの情報により、第二偏向装置の偏向量を減少させる制御にフィードバック制御を付加することを特徴とする請求項1に記載の粒子線照射システム。
- 電磁石の励磁コイルとこの励磁コイルに電流を供給する第一電源とにより第一偏向装置を構成し、上記励磁コイルと上記励磁コイルに電流を供給する第二電源とにより第二偏向装置を構成したことを特徴とする請求項4に記載の粒子線照射システム。
- 電磁石が同一の鉄心に第一励磁コイルと第二励磁コイルとを備え、上記第一励磁コイルと上記第一励磁コイルに電流を供給する第一電源とにより第一偏向装置を構成し、上記第二励磁コイルと上記第二励磁コイルに電流を供給する第二電源とにより第二偏向装置を構成したことを特徴とする請求項4に記載の粒子線照射システム。
- 第二偏向装置は、粒子線進行の主方向を偏向して粒子線を標的に誘導するための偏向電磁石より上記粒子線の入射側に設置されたことを特徴とする請求項3に記載の粒子線照射システム。
- 粒子線照射システムは回転ガントリーの構成を有し、第二偏向装置は、上記回転ガントリーの粒子線進行主方向の最も下流側に位置する偏向電磁石より上記粒子線の入射側に設置されたことを特徴とする請求項3に記載の粒子線照射システム。
- 入射される粒子線を一方向に標的の最大幅まで移動可能となる最大偏向量を有する第一偏向装置と、上記粒子線を上記一方向に上記第一偏向装置の最大偏向量よりも最大偏向量が少ない第二偏向装置とにより、上記粒子線を上記一方向に移動と停留を繰り返して走査して標的に照射する粒子線照射方法であって、
上記粒子線の移動時には少なくとも上記第二偏向装置の偏向量を増加させて上記標的における上記粒子線を移動させ、
上記粒子線の停留時には、上記第二偏向装置の偏向量を減少させるとともに、上記第一偏向装置の偏向量を変化させて、上記第二偏向装置の偏向を上記第一偏向装置の偏向に徐々に置換することにより標的上での上記粒子線の位置を停留させることを特徴とする粒子線照射方法。 - 粒子線の移動時に偏向量を増加させる第二偏向装置の偏向量変化速度が、上記粒子線の停留時に偏向量を変化させる第一偏向装置の偏向量変化速度よりも速いことを特徴とする請求項11に記載の粒子線照射方法。
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