JP7465697B2

JP7465697B2 - 荷電粒子の照射制御装置

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Publication number: JP7465697B2
Application number: JP2020053252A
Authority: JP
Inventors: 弘満酒井
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2024-04-11
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: US11545328B2; TW202143278A; JP2021151401A; KR20210119300A; TWI811649B; CN113450940B; US20210304999A1; CN113450940A

Description

本開示は、荷電粒子の照射制御装置に関する。

特許文献１では、ターゲットに対して荷電粒子を照射する際に、ターゲット面の照射面上で荷電粒子のビームを周回移動させることが示されている。具体的には、特許文献１には、荷電粒子のビームの径をターゲットの直径の略１／２とすること、荷電粒子のビームの中心の周回軌道をターゲットの中心を中心としたターゲット直径の略１／４を半径とした円形軌道とすることが記載されている。

特開２０１１－２３７３０１号公報

近年、荷電粒子のビームに係るビーム電流を増加することが求められている。しかしながら、特許文献１記載の方法では、ターゲットへの入熱の分布に偏りがあるため局所的にターゲットが高い熱負荷を受ける可能性があり、ビーム電流の増加が難しいと考えられる。

本開示は、ターゲットへの入熱に係る熱密度をより均一にすることが可能な技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示の一形態に係る荷電粒子の照射制御装置は、荷電粒子線の照射を受けて中性子を発生する物質からなるターゲットに対して、当該荷電粒子の照射制御を行う照射制御装置において、前記荷電粒子を偏向させる偏向手段と、前記ターゲットの照射面上で前記荷電粒子のビームを移動させることで、前記ビームによってできる熱密度の山が前記照射面の中央と端部との間で複数形成されるように、前記偏向手段を制御する制御手段と、を有する。

上記の荷電粒子の照射制御装置によれば、ターゲットの照射面上で荷電粒子のビームを移動させることで、ビームによってできる熱密度の山が照射面の中央と端部との間で複数形成される。その結果、照射面に対するビーム照射の合算によるターゲットへの入熱に係る熱密度をより均一にすることができる。

前記制御手段は、前記偏向手段を制御して、前記荷電粒子のビームの直径を前記ターゲットの半径より小さくする態様とすることができる。

ビームの直径がターゲットの半径より小さい場合、ビームによる照射領域をより細かく調整することができる。したがって、長時間の照射の合算によるターゲットへの入熱に係る熱密度をより均一にすることができる。

前記制御手段は、前記偏向手段を制御して、前記照射面の中央側と端部側とで、前記ビームの移動速度または同一の照射領域への照射回数を変化させる態様とすることができる。

ビームの移動速度および同一の照射領域への照射回数はターゲットへの入熱に係る熱密度に影響する。したがって、ビームの移動速度または同一の照射領域への照射回数を変化させることによって、ターゲットへの入熱に係る熱密度がより均一になるように調整することができる。

本開示によれば、ターゲットへの入熱に係る熱密度をより均一にすることが可能な技術が提供される。

図１は、一実施形態に係る荷電粒子の照射制御装置を備える中性子発生装置の構成を示す図である。図２は、一実施形態に係る荷電粒子の照射制御装置の構成を示す図である。図３は、ターゲットの照射面に対する荷電粒子の照射制御方法の一例を示す図である。図４は、ターゲットの照射面に対する荷電粒子による入熱の分布について説明する図である。図５は、ターゲットの照射面に対する荷電粒子による入熱の分布について説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本開示を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本開示の一実施形態に係る荷電粒子の照射制御装置を備える中性子発生装置の構成を示す図であり、図２は、本発明の実施形態に係る荷電粒子の照射制御装置の構成を示す図である。また、図３は、ターゲットの照射面に対する荷電粒子の照射制御方法を示す図である。

図１に示す中性子発生装置１は、例えば、ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron Neutron Capture Therapy）等の中性子捕捉療法を用いたがん治療などを行うために用いられる装置である。

中性子発生装置１は、サイクロトロン１０等の加速器を備える。加速器は、陽子などの荷電粒子を加速して、粒子線を作り出す。サイクロトロン１０は、例えば、ビーム径４０ｍｍ、６０ｋｗ（＝３０ＭｅＶ×２ｍＡ）の陽子線を生成する能力を有している。

サイクロトロン１０から取り出された陽子、重陽子等のイオン（以下、荷電粒子という。）Ｐのビーム（荷電粒子線）は、例えば、水平型ステアリング１２、４方向スリット１４、水平垂直型ステアリング１６、マグネット１８，１９，２０、９０度偏向電磁石２２、マグネット２４、水平垂直型ステアリング２６、マグネット２８、４方向スリット３０、ＣＴモニタ３２、照射制御装置１００、ビームダクト３４を順次に通過し、中性子発生部３６に導かれる。

水平型ステアリング１２、水平垂直型ステアリング１６，２６は、例えば電磁石を用いて荷電粒子Ｐのビーム軸調整を行うものである。同様に、マグネット１８，１９，２０，２４，２８は、例えば電磁石を用いて荷電粒子Ｐのビーム軸調整を行うものである。４方向スリット１４，３０は、端のビームを切ることにより、荷電粒子Ｐのビーム整形を行うものである。９０度偏向電磁石２２は、荷電粒子Ｐの進行方向を９０度偏向するものである。ＣＴモニタ３２は、荷電粒子Ｐのビーム電流値をモニタするためのものである。

中性子発生部３６は、図２に示すように、荷電粒子Ｐが照射面３８ａに照射されて、中性子ｎを出射面３８ｂから発生するターゲット３８を有する。ターゲット３８は、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）等の荷電粒子Ｐの照射によって中性子を発生する物質からなり、外周部がターゲット固定部３９にボルト等で固定される。ビーム照射面側においてターゲット固定部３９によって固定されていない領域（ターゲット固定部３９によって覆われていない内周側の領域）が荷電粒子Ｐの照射面３８ａとなり得る。照射面３８ａにおけるビーム照射の有効直径Ｄｔは、例えば、直径２２０ｍｍとされる。中性子発生部３６で発生させた中性子ｎは、患者に照射されることとなる。

また、９０度偏向電磁石２２には切替部４０が設けられており、切替部４０によって荷電粒子Ｐを正規の軌道から外してビームダンプ４２に導くことが可能になっている。ビームダンプ４２は、治療前などにおいて荷電粒子Ｐの出力確認を行うものである。

次に、図２及び図３を参照して、本実施形態に係る荷電粒子の照射制御装置１００及び照射制御方法について説明する。照射制御装置１００は、ターゲット３８に対して荷電粒子Ｐの照射制御を行う装置であり、Ｘ方向偏向部１１０と、Ｙ方向偏向部１２０と、制御部１３０（制御手段）とを備える。Ｘ方向偏向部１１０およびＹ方向偏向部１２０は、荷電粒子Ｐを偏向させる偏向手段として機能する。

Ｘ方向偏向部１１０は、例えば電磁石を備え、入射する荷電粒子ＰをＸ方向に偏向させて出射する。同様に、Ｙ方向偏向部１２０は、例えば電磁石を備え、入射する荷電粒子ＰをＹ方向に偏向させて出射する。Ｘ方向偏向部１１０及びＹ方向偏向部１２０は、制御部１３０によって制御される。

制御部１３０は、荷電粒子ＰのビームＢｐの径を調整する。一例として、図３に示すように、制御部１３０は、荷電粒子ＰのビームＢｐの直径Ｄｐを、ターゲット３８の照射面３８ａ上で、ターゲット３８の有効直径（最小外形幅）Ｄｔ＝２２０ｍｍの略１／２以下に調整する。一例として、直径Ｄｐを２２０×３／８＝８２．５ｍｍ（半径を４１．２５ｍｍ）とする。

また、制御部１３０は、Ｘ方向偏向部１１０及びＹ方向偏向部１２０を制御して、ターゲット３８の照射面３８ａ上で、荷電粒子ＰのビームＢｐの中心Ｏｐが、照射面３８ａの中心Ｏを軌道中心Ｏ_Ｌとし、所定の半径の円形の軌道を描くように、荷電粒子ＰのビームＢｐを周回移動させる。これにより、ビームＢｐは、ターゲット３８の照射面３８ａにおいて、照射面３８ａの中心Ｏを中心とした円環状の領域を照射することになる。また、制御部１３０は、荷電粒子ＰのビームＢｐの中心Ｏｐが、照射面３８ａの中心Ｏを軌道中心Ｏ_Ｌとした互いに異なる半径の複数の円形軌道を描くように、荷電粒子ＰのビームＢｐを複数回周回移動させる。この際に、制御部１３０は、ビームＢｐの中心Ｏｐが描く複数の周回軌道同士が多重円を形成するように、周回軌道の径Ｒ（後述のＲ_Ｌ１，Ｒ_Ｌ２，…）を決定する。

例えば、図３に示す例では、制御部１３０は、荷電粒子ＰのビームＢｐについて、まず、中心Ｏｐを円形状の周回軌道Ｌ１に沿って周回させる。周回軌道Ｌ１の軌道中心Ｏ_Ｌ、半径Ｒ_Ｌ１は、それぞれ、ターゲット３８の照射面３８ａの中心Ｏ、照射面３８ａの有効直径Ｄｔ＝２２０ｍｍの略５／１６の６８．７５ｍｍに設定されている。このような条件で、荷電粒子ＰのビームＢｐの中心Ｏｐを周回軌道Ｌ１に沿って周回させる。

次に、制御部１３０は、荷電粒子ＰのビームＢｐについて、中心Ｏｐを円形状の周回軌道Ｌ２に沿って周回させる。周回軌道Ｌ２の軌道中心Ｏ_Ｌ、半径Ｒ_Ｌ２は、それぞれ、ターゲット３８の照射面３８ａの中心Ｏ、照射面３８ａの有効直径Ｄｔ＝２２０ｍｍの略３／１６の４１．２５ｍｍに設定されている。このような条件で、荷電粒子ＰのビームＢｐの中心Ｏｐを周回軌道Ｌ２に沿って周回させる。

次に、制御部１３０は、荷電粒子ＰのビームＢｐについて、中心Ｏｐを円形状の周回軌道Ｌ３に沿って周回させる。周回軌道Ｌ３の軌道中心Ｏ_Ｌ、半径Ｒ_Ｌ３は、それぞれ、ターゲット３８の中心Ｏ、ターゲット３８の有効直径Ｄｔ＝２２０ｍｍの略１／１６の１３．７５ｍｍに設定されている。このような条件で、周回軌道Ｌ３に沿って周回させる。

上記のように、互いに異なる半径の周回軌道でビームＢｐの中心Ｏｐを周回させながら、荷電粒子ＰのビームＢｐを照射することで、ターゲット３８の照射面３８ａに対する入熱に係る熱密度をターゲット３８表面の場所によらず略均一とすることができる。なお、本実施形態において「略均一」とは、ターゲット３８の照射面３８ａ上での熱密度のばらつきに関して、最大値に対する極小値の割合が５０％以下であることをいう。熱密度のばらつきについて、最大値に対する極小値の割合が３０％以下であると、より均一であるといえる。

この点について、図４および図５を参照しながら説明する。図４は、ターゲット３８の照射面３８ａの中心Ｏを通る直径方向で見たときの各位置での入熱量の分布を示したものである。横軸は、ターゲット３８の中心を０として、有効直径Ｄｔ＝２２０ｍｍの外縁を＋１１０ｍｍ、－１１０ｍｍとして示している。また、図４では、横軸の有効直径を１６σ（半径８σ）とし、照射面３８ａの中心Ｏを０とした－８σ～＋８σとして示している。図４に示す例では、σ＝１３．７５ｍｍとなり、ターゲット３８の外縁に相当する＋１１０ｍｍ，－１１０ｍｍが、それぞれ＋８σ，－８σに相当する。また、図４では、縦軸は熱密度を示している。

荷電粒子ＰのビームＢｐは、その中央付近（中心Ｏｐ付近）と周縁部分とで、ターゲット３８に対する入熱量が異なっている。具体的には、ビームＢｐの入熱に係るターゲット３８の照射面３８ａでの熱密度は、その中心からの径に応じた正規分布となると推定される。このような場合、ビームＢｐの中央付近に対応する領域と、ビームＢｐの端部に対応する領域との間で、ビームＢｐによる熱密度に偏りが生じる。荷電粒子のビームＢｐの直径を大きくすると、中心部分の熱密度も大きくなる。ただし、ビームＢｐはターゲット３８の照射面３８ａ上に照射されるように照射範囲が調整されることから、ビームＢｐの直径を大きくすると、ビームＢｐのＯｐでは、ビームＢｐの周縁と比べて入熱量が非常に大きくなり、熱応力等が生じ得る。

これに対して、図４に示すように、中心Ｏｐに係るＬ１～Ｌ３の３つの周回軌道に沿って、ある程度直径Ｄｐが小さくされているビームＢｐを用いてターゲット３８の照射面３８ａを照射した場合、周回軌道Ｌ１～Ｌ３それぞれに沿って中心Ｏｐが周回するようにビームＢｐを照射した際の一度の熱密度は正規分布を示す。一方、周回軌道Ｌ１～Ｌ３の３回の周回によるターゲット３８の照射面３８ａへのビームＢｐの照射の合算による入熱量Ｔは、３回の周回それぞれにおけるターゲット３８の照射面３８ａへの入熱量の合算となるため、図４に示すように略平坦となる。このように、一度のターゲット３８の照射面３８ａへの荷電粒子ＰのビームＢｐの照射と比べて、ビームＢｐの直径Ｄｐを小さくして、中心Ｏｐが互いに異なる経路を辿るようにビームＢｐを複数回照射することで、ターゲット３８に対して入熱量を場所によらず平坦とすることができる。また、入熱量を平坦とすることができると、ターゲット３８の各位置で中性子を均等に生成することができると共に、応力の発生等も抑制することができる。

図５は、従来の荷電粒子Ｐのビームの照射方法によるターゲット３８へ入熱する熱密度と、本実施形態による荷電粒子Ｐのビームの照射方法によるターゲット３８へ入熱する熱密度と、の違いを模式的に示したものである。横軸はターゲット３８の照射面３８ａの半径であり、ターゲット３８の中心Ｏを０と想定したものである。

荷電粒子Ｐのビームによるターゲット３８への熱密度は、ビームの中心からの距離に応じた正規分布となると推定される。このとき、荷電粒子Ｐのビームの直径を大きくすると、中心部分の熱密度も大きくなる。例えば、図５では、ターゲットの照射面３８ａにおける中心から半径５５ｍｍの位置を中心位置とし、ビーム直径を５０ｍｍとした場合のビームのビーム形状Ａの例を示している。この場合、ターゲットの照射面３８ａにおける中心から半径８０ｍｍ付近では、ピーク位置（ターゲットの照射面３８ａにおける中心から半径５５ｍｍ）と比べて熱密度が１／１０以下となり、荷電粒子Ｐのビームが十分に到達していないことが分かる。この場合、ターゲット３８の外周部分には、荷電粒子Ｐのビームが十分に照射されないため当該位置では中性子の生成が十分に行われない。同様に、ターゲットの照射面３８ａにおける中心から半径３０ｍｍ付近では、ピーク位置（ターゲットの照射面３８ａにおける中心から半径５５ｍｍ）と比べて熱密度が１／１０以下となり、荷電粒子Ｐのビームが十分に到達していないことが分かる。この場合、ターゲット３８の中央部分についても、荷電粒子Ｐのビームが十分に照射されないため当該位置では中性子の生成が十分に行われない。

これに対して、図５に示すビーム形状Ｂのように、ターゲット３８の照射面３８ａの中央（０ｍｍ）から周縁（１１０ｍｍ）にかけてできるだけ均等になるように荷電粒子Ｐのビームが照射できるようになると、ターゲット３８の位置によらず熱密度を均一にすることができる。したがって、特定位置での熱密度が大きくならなくても全体としての入熱量を大きくすることができる。

熱密度を均一にする方法として、本実施形態では、荷電粒子ＰのビームＢｐの径および照射経路を制御することで、ビームによってできる熱密度の山（ピーク）が、ターゲット３８（の照射面３８ａ）の中央と端部との間で向けて複数形成される。この結果、図４に示すように、ターゲット３８の位置に応じた熱密度の差（合算結果の差）を小さくすることができる。

以上のように、上記の荷電粒子の照射制御装置１００によれば、ターゲット３８の照射面３８ａ上で荷電粒子ＰのビームＢｐを複数回周回させることで、ビームＢｐによってできる熱密度の山が照射面の中央から端部へ向けて複数形成される。その結果、複数回の照射の合算によるターゲットへの入熱に係る熱密度をより均一にすることができる。

従来から、ターゲット３８の照射面３８ａにおいてビームＢｐの中心が円軌道を描くように周回移動させることが検討されていた。しかしながら、ビームＢｐをターゲット３８上に照射する（ターゲット３８外に照射しない）ようにビームＢｐの直径Ｄｐを大きくすると、ビームＢｐの中心と周縁との間での熱密度の差がある程度大きくなるため、さらなる検討が求められていた。ターゲット３８の場所に応じてビームＢｐ照射による入熱の際の熱密度に大きな偏りが出ると、ターゲット３８の温度上昇の偏り、熱応力の発生等の影響を受けて、ターゲット３８が破損することが考えられる。そのため、ビーム電流を大きくすることが難しいという問題があった。

これに対して、上記の照射制御装置１００では、ターゲット３８の照射面３８ａ上でビームＢｐを複数回周回させることによって、ビームＢｐによってできる熱密度の山を照射面の中央から端部へ向けて複数形成させる。この結果、ターゲット３８の照射面３８ａ上の各位置に照射される荷電粒子のビームによる熱密度の分布をより均一にすることができる。この結果、従来の構成と比較してターゲット３８の周縁に近い部分まで荷電粒子ＰのビームＢｐを照射することができ、ターゲット３８の有効利用ができる。また、このように、照射面３８ａ上の各位置における熱密度の差が小さくなると、応力によるターゲット３８の変形も防がれるため、ビーム電流を大きくした状態でもターゲット３８の破損等を防ぎながら荷電粒子ＰのビームＢｐを照射することができる。したがって、中性子の発生量も増やすことができ、例えば、中性子捕捉療法では、中性子の照射時間を短くすることも期待できる。

なお、上記実施形態では、「複数回周回」させることで、ビームによってできる熱密度の山を、ターゲット３８の中央から径方向に沿って端部へ向けて複数形成している。しかしながら、複数回の「周回」に限定されるものではない。一例として、ビームＢｐの経路（ビームＢｐの中心Ｏｐの経路）をらせん状とした場合でも、ビームＢｐによってできる熱密度の山を、ターゲット３８の中央と端部との間で複数形成することができる。すなわち、荷電粒子の照射制御装置１００によれば、ターゲット３８の照射面３８ａ上で荷電粒子ＰのビームＢｐを移動させて、ビームＢｐによってできる熱密度の山を照射面の中央と端部との間で複数形成することによって、複数回の照射の合算によるターゲットへの入熱に係る熱密度をより均一にすることができる。上記実施形態は、その一例として、ビームＢｐの中心Ｏｐによる、ターゲット３８の照射面３８ａの中心Ｏを軌道中心Ｏ_Ｌとした「周回軌道」を複数設けることで、ターゲットへの入熱に係る熱密度を均一にすることができるものを示したものである。

制御手段としての制御部１３０は、偏向手段を制御して、荷電粒子のビームの直径Ｄｐがターゲット３８の照射面３８ａの半径より小さくする態様とすることができる。この場合、荷電粒子ＰのビームＢｐによる照射領域をより細かく調整することができ、その結果、各位置でのビームＢｐによる入熱に係る熱密度をより細かく調整することができる。すなわち、ターゲット３８の照射面３８ａ上における熱密度がより均一となるように、ビームＢｐの照射経路（例えば、周回軌道の径等を含む）を設定することができる。したがって、複数回の照射の合算によるターゲットへの入熱に係る熱密度をより均一にすることができる。

荷電粒子ＰのビームＢｐのビームの直径Ｄｐによって、ビームＢｐの中心Ｏｐによる周回軌道の数、周回軌道間の距離等は適宜変更される。すなわち、ターゲットへの入熱に係る熱密度が略均一となるように、ビームの直径Ｄｐ等に基づいてビームＢｐの軌道（ビームＢｐの中心Ｏｐが移動する経路）を設定することができる。

なお、制御手段としての制御部１３０は、偏向手段を制御して、ターゲット３８の中心と端部との間で、ビームＢｐの回転速度（照射面３８ａに対するビームＢｐの移動速度）を変化させてもよい。ビームＢｐが特定の位置を照射した時間の長さによって、当該ビームＢｐによる入熱の熱密度は変化し得る。換言すると、ターゲット３８に対するビームＢｐの回転速度（移動速度）はターゲット３８への入熱に係る熱密度に影響する。したがって、ビームの回転速度を変化させることによって、ターゲットへの入熱に係る熱密度がより均一になるように調整することができる。

例えば、上記実施形態の例では、ビームＢｐの周回軌道Ｌ１～Ｌ３によってそれぞれ周回軌道Ｌ１～Ｌ３を周回する際のビームの回転速度を変化させることが考えられる。図３に示すように、ターゲット３８上で周回軌道Ｌ１～Ｌ３に沿ってビームＢｐを周回させる場合、軌道に沿ったビームＢｐの移動速度を揃えることで、熱密度をより均一にすることができると考えられる。したがって、より長い周回軌道Ｌ１に沿ってビームＢｐを照射する場合の１周の所要時間を、周回軌道が短い周回軌道Ｌ２，Ｌ３に沿ってビームＢｐを照射する場合の１周の所要時間よりも長くすることで、熱密度をより均一にすることができる。

なお、照射面３８ａでのビームＢｐの回転速度（周回軌道に沿ってビームＢｐが周回する際の１周あたりの所要時間）が同じである場合、各周回軌道での回転数を変化させた場合でも熱密度をより均一にすることができる。例えば、周回軌道Ｌ１に沿ったビームＢｐの周回を１回とするのに対して、周回軌道Ｌ３に沿ったビームＢｐの周回を３回とする。この場合、周回軌道Ｌ３に沿った周回においては周回軌道Ｌ１に沿った周回と比較して、照射面３８ａに対するビームＢｐの移動速度が速い場合であっても、ビームＢｐが同一の照射領域を複数回照射することにより、照射面に対するビーム照射の合算によるターゲットへの入熱に係る熱密度をより均一とすることができる。このように、ビームＢｐの移動速度、または、同一の照射領域へのビームＢｐの照射回数を変化させることで、入熱に係る熱密度を調整してもよい。

なお、本開示は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態では、荷電粒子のビームを円形状に拡大したが、円形状以外の様々な形状であってもよい。また、本実施形態では、荷電粒子の周回移動の軌道を円形状としたが、円形軌道以外の様々な周回軌道が適用可能である。

また、ターゲット３８としてはベリリウム（Ｂｅ）に限定されず、タンタル（Ｔａ）、リチウム（Ｌｉ）などを用いることもできる。この場合にも、本発明の荷電粒子の照射制御装置は効果を奏する。また、ターゲット３８の形状についても、円形に限定されず適宜変更することができる。

１…中性子発生装置、１０…サイクロトロン、３６…中性子発生部、３８…ターゲット、１００…照射制御装置、１１０…Ｘ方向偏向部、１２０…Ｙ方向偏向部、１３０…制御部。

Claims

荷電粒子線の照射を受けて中性子を発生する物質からなるターゲットに対して、当該荷電粒子の照射制御を行う照射制御装置において、
前記荷電粒子を偏向させる偏向手段と、
前記ターゲットの照射面上で前記荷電粒子のビームを移動させることで、前記照射面の中心を通り直径方向に延びる基準線を設定した場合、前記基準線を通過する前記ビームの経路の一つ分によってできる熱密度の山が前記照射面の前記基準線における中央と端部との間で複数形成されるように、前記偏向手段を制御する制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記偏向手段を制御して、前記照射面の中央側と端部側とで、前記ビームの移動速度または同一の照射領域への照射回数を変化させる、荷電粒子の照射制御装置。
前記制御手段は、前記偏向手段を制御して、前記荷電粒子のビームの直径を前記照射面の半径より小さくする、請求項１に記載の荷電粒子の照射制御装置。