TWI450279B - A calorimeter and a charged particle irradiation system provided with the derrick - Google Patents

Description

降能器及具備該降能器之帶電粒子照射系統

本發明係有關一種使帶電粒子的能量衰減之降能器及具備該降能器之帶電粒子照射系統。

已知對患者照射質子射束等帶電粒子來進行癌症治療之設備。該類設備具備有：迴旋加速器，使由離子源生成之帶電粒子加速；傳輸線，傳輸由迴旋加速器加速之帶電粒子；及旋轉自如的照射裝置(旋轉機架)，從任意方向對患者照射帶電粒子。

在下述專利文獻1所述之技術中，使帶電粒子射束的能量衰減之一對衰減材料形成為呈楔形，楔形衰減材料的斜面之間配置成相互對向。該一對衰減材料被設為可向一軸向進退移動之結構以便相互靠近、分開，藉由調節帶電粒子射束所通過之衰減材料的厚度來調節能量的衰減量。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特表平8-511978號公報

然而，在專利文獻1所述之技術中，為了減少帶電粒子射束的能量的衰減量，而想要縮短帶電粒子射束所通過 之衰減材料的長度來使衰減材料之間分開，則在帶電粒子射束所通過之路徑上，衰減材料的斜面之間的間隔會變大。若斜面之間的間隔變大，則存在如下問題，即帶電粒子射束在空間中通過之路徑變長，且帶電粒子在空氣中散發，其結果，導致射束束徑變大。

本發明以解決以上問題為目的，其目的在於提供一種可調節帶電粒子的能量的衰減量，並且可調節帶電粒子射束的射束束徑擴大(射束散射)之降能器及具備該降能器之帶電粒子照射系統。

本發明提供一種具備使入射之帶電粒子的能量衰減之衰減材料之降能器，其具備：衰減材料，依帶電粒子的入射位置使能量以不同衰減量衰減；能量調整用驅動手段，為了改變帶電粒子的入射位置，向第1軸線方向驅動衰減材料；及射束束徑調整用驅動手段，為了調節帶電粒子的射束束徑，向與第1軸線方向不同之第2軸線方向驅動衰減材料。

在本發明之降能器中，藉由能量調整用驅動手段向第1軸向驅動使帶電粒子的能量衰減之衰減材料，藉此能夠改變帶電粒子相對於衰減材料之入射位置，並調節帶電粒子的衰減量。而且，降能器具備向與第1軸線方向不同之第2軸線方向驅動衰減材料之射束束徑調整用驅動手段，可藉由改變衰減材料的位置來調節通過衰減材料之後的帶 電粒子的路徑長度，因此能夠調節帶電粒子射束的射束束徑擴大。

另外，降能器進一步具備：第2衰減材料，在帶電粒子的前進方向上配置於衰減材料的上游側或下游側，依帶電粒子的入射位置使能量以不同衰減量衰減；及第2能量調整用驅動手段，為了改變帶電粒子的入射位置，向第1軸線方向驅動第2衰減材料為較佳。藉此，除了衰減材料之外，還具備第2衰減材料，設為向第2軸線方向僅驅動衰減材料之結構，來縮小衰減材料與第2衰減材料的間隙，藉此能够調節帶電粒子射束的射束束徑擴大。

並且，衰減材料在帶電粒子的前進方向上配置於比第2衰減材料更靠上游側為較佳。藉此，當縮小衰減材料與第2衰減材料的間隙時，只要向第2軸線方向僅驅動上游測的衰減材料即可，無需改變下游側的第2衰減材料的射束路徑上的位置。

並且，本發明提供一種具備上述降能器且照射帶電粒子之帶電粒子照射系統，其具備：加速器，使導入至降能器之帶電粒子加速；及照射裝置，照射藉由降能器而使能量被衰減之帶電粒子。

本發明之帶電粒子照射系統具備有使入射之帶電粒子的能量衰減之降能器。在該降能器中，藉由能量調整用驅動手段向第1軸向驅動使帶電粒子的能量衰減之衰減材料，藉此能夠改變帶電粒子相對於衰減材料之入射位置，並調節帶電粒子的衰減量。而且，降能器具備向與第1軸線 方向不同之第2軸線方向驅動衰減材料之射束束徑調整用驅動手段，可藉由改變衰減材料的位置來調節通過衰減材料之後的帶電粒子的路徑長度，因此能夠調節帶電粒子射束的射束束徑擴大。而且，能夠照射藉由降能器而使能量被衰減之帶電粒子，並可依帶電粒子的能量來調整被照射體中之照射深度。

依本發明，能夠提供一種可調節帶電粒子的能量的衰減量，並且可調節帶電粒子射束的射束束徑擴大之降能器及具備該降能器之帶電粒子照射系統。

以下，參考附圖對本發明之降能器及具備該降能器之帶電粒子照射系統的較佳實施方式進行說明。本實施方式中，對將帶電粒子照射系統作為粒子束治療系統之情況進行說明。

(帶電粒子照射系統)

粒子束治療系統係例如應用於癌症治療者，係對患者體內的腫瘤(照射目標物)照射質子射束(帶電粒子)之裝置。

如第1圖所示般，粒子束治療系統1具備有：迴旋加速器(粒子加速器)2，使由離子源(未圖示)生成之氫 的陰離子加速之後將電子剝離作為質子射束取出；旋轉自如的旋轉機架(照射裝置)3，從任意方向對患者照射質子射束；及傳輸線4，將由迴旋加速器2加速之質子射束傳輸至旋轉機架3。

由迴旋加速器2加速之質子射束係路徑會沿著傳輸線4改變，並傳輸至旋轉機架3。傳輸線4中設置有用於改變質子射束的路徑之偏轉磁鐵。並且，傳輸線4中設置有使帶電粒子的能量衰減之降能器10(以下進行詳述)。

旋轉機架3具備有供患者躺臥之治療台及對患者照射質子射束之照射部。藉由降能器10能量被衰減之帶電粒子從照射部射出，並照射於患者的對象部位。

(降能器)

第2圖係表示本發明的實施方式之降能器之概要圖。第2圖所示之降能器10設置於質子射束的路徑上，係使質子射束的能量衰減者。降能器10具備有使透射之質子射束的能量衰減之一對衰減材料(第1衰減材料、第2衰減材料)11、12。

(第1衰減材料)

衰減材料11係相當於申請專利範圍所述之衰減材料者。在質子射束B的前進方向上，衰減材料11配置於比衰減材料12更靠上游側(降能器10的入口側)。衰減材料11呈楔形，具有相對於質子射束B呈正交之面亦即入 射面11a、及相對於質子射束B傾斜地配置且射出質子射束B之傾斜面11b。衰減材料11成為在與質子射束B交叉之方向上具有不同厚度之結構。另外，衰減材料11亦可為非楔形之形狀。入射面11a可以為相對於質子射束B呈傾斜之面。並且，射出側的面可以配置成與質子射束B正交。

衰減材料11例如由碳(C)或鈹(Be)等製作。衰減材料11係依質子射束B向衰減材料11的入射位置使質子射束B的能量以不同衰減量衰減者。質子射束B依透射之衰減材料11的厚度以不同減速度減速，從而運動能量減少。另外，衰減材料11可由不同之複數個材質製作，而不是由單一材質製作。亦可為藉由依入射位置使不同材質透射來改變能量衰減量之結構。

(第2衰減材料)

衰減材料12係相當於申請專利範圍所述之第2衰減材料者。在質子射束B的前進方向上，衰減材料12配置於比衰減材料11更靠下游側(降能器10的出口13側)。衰減材料12呈楔形，具有與降能器10的出口13側對置且與質子射束B正交之面亦即射出面12a、及相對於質子射束B傾斜地配置且入射質子射束B之入射面12b。衰減材料12成為在與質子射束B交叉之方向上具有不同厚度之結構。另外，衰減材料12亦可為非楔形之形狀。射出面12a可以為相對於質子射束B呈傾斜之面。並且，入 射側的面可以配置成與質子射束B正交。

衰減材料12例如由碳(C)或鈹(Be)等製作。衰減材料12係依質子射束B向衰減材料12的入射位置使質子射束B的能量以不同衰減量衰減者。質子射束B依透射之衰減材料12的厚度以不同減速度減速，從而運動能量減少。另外，衰減材料12可由不同之複數個材質製作，而不是由單一材質製作。亦可為藉由依入射位置使不同材質透射來改變能量衰減量之結構。

而且，一對衰減材料11、12配置成雙方的傾斜面11b、12b彼此對置，且入射面11a及射出面12a呈平行。另外，一對衰減材料11、12的傾斜面11b、12b可以平行地配置，亦可以不同角度配置。並且，衰減材料11、12為相同的形狀為較佳，但亦可為互不相同之形狀。並且，除了衰減材料11、12之外，還可以為進一步具備其他衰減材料之結構。

(第1衰減材料的驅動)

在此，衰減材料11成為可向第1軸向X和第2軸向Y移動之結構，其中，第1軸向為調節質子射束B的能量衰減量之方向，第2軸向為調節質子射束B的射束束徑的大小(射束的寬度)之方向。降能器10具備有：能量調整用驅動手段，為了改變質子射束B向衰減材料11的入射位置而向第1軸向X驅動衰減材料11；及射束束徑調整用驅動手段，為了調節質子射束B的射束束徑而向第2 軸向Y驅動衰減材料11。亦即，衰減材料11成為可向第1軸向X和第2軸向Y的2軸向驅動之結構。

(第2衰減材料的驅動)

並且，衰減材料12成為可向調節質子射束B的能量衰減量之第1軸向X移動之結構。降能器10具備有為了改變質子射束B向衰減材料12的入射位置而向第1軸向X驅動衰減材料12之能量調整用驅動手段。亦即，衰減材料12成為可向第1軸向X的1軸向驅動之結構。

(衰減材料驅動控制部)

第3圖係表示進行衰減材料的驅動控制之控制部之區塊圖。降能器10具備有控制部20、驅動馬達22A、22B、23A、能量調整用驅動軸24A、24B及射束束徑調整用驅動軸25A°

控制部20例如組裝於控制粒子束治療系統1的動作之質子束治療裝置控制終端。該質子束治療裝置終端由進行運算處理之CPU、成為記憶部之ROM及RAM、輸入信號電路、輸出信號電路及電源電路等構成。

驅動馬達22A、22B、23A為根據來自控制部20的指令信號工作之電動馬達。驅動馬達22A對向第1軸向X延伸之能量調整用驅動軸24A提供驅動力。藉此，支承於能量調整用驅動軸24A之支承部向第1軸向X移動，並使衰減材料11向第1軸向X移動。驅動馬達22B對向第 1軸向X延伸之能量調整用驅動軸24B提供驅動力。藉此，支承於能量調整用驅動軸24B之支承部向第1軸向X移動，並使衰減材料12向第1軸向X移動。

驅動馬達23A對向第2軸向X延伸之射束束徑調整用驅動軸25A提供驅動力。驅動馬達23A及射束束徑調整用驅動軸25A固定在設置於能量調整用驅動軸24A之支承部，而向第1軸線方向X移動。而且，支承於射束束徑調整用驅動軸25A之支承部利用基於驅動馬達23A之驅動力而向第2軸向Y移動，並使衰減材料11向第2軸向Y移動。

而且，驅動馬達22A及能量調整用驅動軸24A作為向第1軸線方向X驅動衰減材料11之能量調整用驅動部發揮作用。驅動馬達22B及能量調整用驅動軸24A作為向第1軸線方向X驅動衰減材料12之能量調整用驅動部發揮作用。另外，能量調整用驅動軸24A及能量調整用驅動軸24B可以為同一驅動軸。

另外，驅動馬達23A及射束束徑調整用驅動軸25A作為向第2軸線方向Y驅動衰減材料11之射束束徑調整用驅動手段發揮作用。另外，可以利用液壓缸等其他驅動手段來代替驅動馬達。並且，可以為具備其他導向軌道等來代替驅動軸24A、24B、25A之結構。

(降能器及粒子束治療系統的作用)

粒子束治療系統1中，藉由迴旋加速器2質子射束被 加速，加速之質子射束導入至降能器10中。導入至降能器10中之質子射束依次通過衰減材料12、衰減材料11。質子射束通過衰減材料12及衰減材料11而被減速且能量以預定的衰減量減速。並且，就質子射束B而言，射束束徑依一對衰減材料11、12的間隔而擴大，並且射束束徑依衰減材料12的射出面12a與出口13的距離而擴大。

藉由降能器10能量被衰減之質子射束B由傳輸線4傳輸，並導入至旋轉機架3中。導入至旋轉機架3中之質子射束B照射於患者的對象部位。而且，依質子射束B的能量，調整從患者的體表的照射深度。

第2圖(b)中，示出驅動衰減材料11、12之狀態。在第2圖(b)所示之狀態中，衰減材料11、12配置成在第1軸向X及第2軸向Y上相互分開。在降能器10中，能夠使衰減材料11向第1軸向X移動並向第2軸向Y移動。並且，在降能器10中，能夠向第1軸向X移動衰減材料12。

在第2圖(b)所示之狀態中，與第2圖(a)所示之狀態相比，質子射束B的前進方向上之衰減材料11、12之間的間隔被擴展。並且，在第2圖(b)所示之狀態中，與第2圖(a)所示之狀態相比，以通過衰減材料11、12的內部之質子射束B的長度變短之方式配置衰減材料11、12。藉由通過降能器10，質子射束B的能量例如從235MeV衰減至230MeV。

依這種本實施方式的降能器及具備該降能器之粒子束 治療系統，具備複數個衰減材料11、12，能夠使入射至這些衰減材料11、12之質子射束B的能量衰減。在降能器10中，能夠向第1軸向X及第2軸向Y驅動衰減材料11，因此可調節能量衰減量，並且能夠藉由調節衰減材料11、12之間的間隙來調節射束束徑擴大。亦即，能夠藉由使衰減材料11、12之間的間隙變窄來抑制質子在衰減材料11與衰減材料12之間的空間中散發，並調節質子射束B的射束束徑擴大。並且，當需要照射射束束徑較大之質子射束B時，能夠藉由擴展衰減材料11、12之間的間隙來積極增大射束束徑。

並且，在本實施方式的降能器10中，能夠藉由使下游側的衰減材料12與降能器的出口13的距離設為恆定，來使射束束徑在射出面12a與出口13之間的空間內恆定地擴大。藉由以射束束徑擴大成為最小限度之方式預先設定射出面12a與出口13之間的距離，藉此能夠藉由向Y方向僅調整衰減材料11來調節射束束徑擴大。另外，若使衰減材料12向Y方向活動，並使衰減材料12以靠近出口13之方式移動，則衰減材料11與衰減材料12的距離會變長，因此還需要使衰減材料11向Y方向移動。

以上，依本發明的實施方式對本發明進行了具體說明，但本發明不限定於上述實施方式。第4圖及第5圖係表示變形例之降能器的配置之概要圖，第6圖係表示變形例之衰減材料之概要圖。

如第4圖(a)所示般，降能器10可以設為如下結構 ，亦即可藉由使衰減材料(第2衰減材料)12向第2軸向Y移動來調節射束束徑。藉此，使衰減材料11、12兩者向第2軸向Y移動，從而能夠改變衰減材料11、12之間的間隔來調節射束束徑擴大。

並且，如第4圖(b)所示般，可以使與衰減材料11、12的質子射束B正交之面彼此對置配置。

並且，如第5圖所示般，降能器10可以設為沿傾斜面(第3軸向Z)可移動衰減材料之結構。藉此，能夠藉由使衰減材料向第3軸向Z移動來調節能量衰減量，並且可調節用於使衰減材料11、12的間隙成恆定的射束束徑擴大。如第5圖所示般，可以使一對衰減材料11、12相對於質子射束B的前進方向傾斜(Z方向)驅動，亦可以向Z方向僅驅動衰減材料11、12的其中一方。

並且，衰減材料的形狀並不限定於楔形，例如第6圖所示般，亦可以設為具有台階落差面來代替傾斜面之形狀。若為具有階梯狀的台階落差面之結構，則以質子射束B與射出面正交之方式配置衰減材料，並使衰減材料11向Y方向移動，藉此能夠調節射束束徑擴大。並且，上述降能器10中，設為具備衰減材料11、12之結構，但亦可為僅具備衰減材料11之結構。並且，上述實施方式中，成為向Y方向驅動上游側的衰減材料11，而不向Y方向驅動下游側的衰減材料12之結構，但亦可設為不向Y方向驅動上游側的衰減材料，而向Y方向僅驅動下游側的衰減材料之結構。當為這種結構時，向Y方向驅動之衰減材料 相當於申請專利範圍所示之衰減材料，配置於上游側且不向Y方向驅動之衰減材料相當於申請專利範圍所示之第2衰減材料。

並且，降能器可以設為如下結構，亦即能夠使衰減材料圍繞向射束B的前進方向延伸之預定軸旋轉移動，並且可向射束B的前進方向移動衰減材料。這時，將衰減材料形成為在旋轉方向上厚度不同。藉此，能夠藉由使衰減材料圍繞預定軸旋轉來調節能量衰減量，並且能夠藉由使衰減材料向射束B的前進方向移動來調節射束束徑擴大。

並且，降能器10的配置並不限定於迴旋加速器2的正後面，亦可為在設置於旋轉機架3之照射噴嘴中設置降能器10之結構。

並且，加速器並不限定於迴旋加速器2，例如可以為同步迴旋加速器等其他加速器。

接著，參考第7圖對衰減材料11、12的驅動機構的一實施例進行說明。使衰減材料11向X方向及Y方向移動之驅動機構(能量調整用驅動手段、射束束徑調整用驅動手段)具備有向X方向延伸之第1導軌31、被第1導軌31引導而向X方向移動之第1載物台32、安裝於第1載物台32而向Y方向延伸之第2導軌33、及被第2導軌33引導而向Y方向移動之第2載物台34。衰減材料11安裝於第2載物台34。

作為使第1載物台32沿第1導軌31移動之機構及使第2載物台34沿第2導軌33移動之機構，能夠使用已知 螺杆、輥輪、線性馬達等。

而且，第1載物台32向X方向移動，從而第2載物台34及衰減材料11向X方向移動。第2載物台34向Y方向移動，從而衰減材料11向Y方向移動。藉此，能夠使衰減材料11向X方向及Y方向移動。

同樣地，使衰減材料12向X方向及Y方向移動之驅動機構(能量調整用驅動手段、射束束徑調整用驅動手段)具備有向X方向延伸之第1導軌41、被第1導軌41引導而向X方向移動之第1載物台42、安裝於第1載物台42而向Y方向延伸之第2導軌43、及被第2導軌43引導而向Y方向移動之第2載物台44。衰減材料12安裝於第2載物台44。

作為使第1載物台42沿第1導軌41移動之機構及使第2載物台44沿第2導軌43移動之機構，能夠使用已知螺杆、輥輪、線性馬達等。

而且，第1載物台42向X方向移動，從而第2載物台44及衰減材料12向X方向移動。第2載物台44向Y方向移動，從而衰減材料12向Y方向移動。藉此，能夠使衰減材料12向X方向及Y方向移動。

〔產業上可利用性〕

本發明的降能器及具備該降能器之帶電粒子照射系統可調節帶電粒子的能量的衰減量，並且能夠調節帶電粒子射束的射束束徑擴大。

1‧‧‧粒子束治療系統(帶電粒子照射系統)

2‧‧‧迴旋加速器(粒子加速器)

3‧‧‧旋轉機架

4‧‧‧傳輸線

10‧‧‧降能器

11‧‧‧衰減材料

11a‧‧‧入射面

11b‧‧‧傾斜面

12‧‧‧衰減材料(第2衰減材料)

12a‧‧‧射出面

12b‧‧‧射出面

13‧‧‧降能器的出口

20‧‧‧衰減材料驅動控制部

22A、22B‧‧‧驅動馬達(能量調整用驅動手段)

23A‧‧‧驅動馬達(射束束徑調整用驅動手段)

24A、24B‧‧‧能量調整用驅動軸(能量調整用驅動手段)

25A‧‧‧射束束徑調整用驅動軸(射束束徑調整用驅動控制手段)

31‧‧‧第1導軌

32‧‧‧第1載物台

33‧‧‧第2導軌

34‧‧‧第2載物台

41‧‧‧第1導軌

42‧‧‧第1載物台

43‧‧‧第2導軌

44‧‧‧第2載物台

第1圖係本發明的實施方式之粒子束治療系統的配置圖。

第2圖係表示本發明的實施方式之降能器之概要圖。

第3圖係表示進行衰減材料的驅動控制之控制部之區塊圖。

第4圖係表示變形例之降能器的衰減材料的配置之概要圖。

第5圖係表示變形例之降能器的衰減材料的配置之概要圖。

第6圖係表示變形例之衰減材料之概要圖。

第7圖係表示衰減材料的驅動機構的實施例之概要圖。

10‧‧‧降能器

11‧‧‧衰減材料

11a‧‧‧入射面

11b‧‧‧傾斜面

12‧‧‧衰減材料(第2衰減材料)

12a‧‧‧射出面

12b‧‧‧射出面

13‧‧‧降能器的出口

Claims (4)

1. 一種降能器，其具備使入射之帶電粒子的能量衰減之衰減材料，其特徵為，具備：前述衰減材料，依前述帶電粒子的入射位置使能量以不同衰減量衰減；能量調整用驅動手段，為了改變前述帶電粒子的前述入射位置，向第1軸線方向驅動前述衰減材料；及射束束徑調整用驅動手段，為了調節前述帶電粒子的射束束徑，向與前述第1軸線方向不同之第2軸線方向驅動前述衰減材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之降能器，其中，進一步具備：第2衰減材料，在前述帶電粒子的前進方向上配置於前述衰減材料的上游側或下游側，依前述帶電粒子的入射位置使能量以不同衰減量衰減；及第2能量調整用驅動手段，為了改變前述帶電粒子的前述入射位置，向第1軸線方向驅動前述第2衰減材料。
3. 如申請專利範圍第2項所述之降能器，其中，前述衰減材料在前述帶電粒子的前進方向上配置於比前述第2衰減材料更靠上游側。
4. 一種帶電粒子照射系統，其具備如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之降能器且照射前述帶電粒子，其特徵為，具備：加速器，使導入至前述降能器之前述帶電粒子加速； 及照射裝置，照射藉由前述降能器而使能量被衰減之前述帶電粒子。