特開 2023-84781 円形加速器および粒子線治療システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023084781

(43)【公開日】2023-06-20

(54)【発明の名称】円形加速器および粒子線治療システム

(51)【国際特許分類】

   H05H 13/00 20060101AFI20230613BHJP

   H05H 7/10 20060101ALI20230613BHJP

   H05H 7/04 20060101ALI20230613BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20230613BHJP

【ＦＩ】

H05H13/00

H05H7/10

H05H7/04

A61N5/10 H

A61N5/10 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021199071

(22)【出願日】2021-12-08

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】弁理士法人開知

(72)【発明者】

【氏名】えび名 風太郎

(72)【発明者】

【氏名】野村 拓也

【テーマコード（参考）】

2G085

4C082

【Ｆターム（参考）】

2G085AA11

2G085BA13

2G085BA14

2G085BC01

2G085BC15

2G085CA16

2G085CA20

2G085CA21

2G085CA27

2G085EA07

4C082AA01

4C082AC04

4C082AE01

4C082AG12

4C082AP01

(57)【要約】

【課題】大電流かつ高品質なビームを照射することが可能であり、なおかつ低コストな円形加速器および粒子線治療システムを提供する。
【解決手段】磁場中を周回する荷電粒子のビームを、ビームのエネルギーごとの閉軌道が偏心するように加速する円形加速器であって、異なるエネルギーのビームを閉軌道から取り出すビーム取り出し口と、ビーム取り出し口から取り出されたビームを偏向する第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２と、取り出されたビームのエネルギーに応じて、第一偏向電磁石および第二偏向電磁石の励磁量を制御する制御部４０ａを備え、制御部４０ａは、取り出されたビームのエネルギーが円形加速器１の設計上の最大エネルギーの場合、第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２のいずれも励磁してビームを偏向する。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁場中を周回する荷電粒子のビームを、前記ビームのエネルギーごとの閉軌道が偏心するように加速する円形加速器であって、
異なるエネルギーのビームを前記閉軌道から取り出すビーム取り出し口と、
前記ビーム取り出し口から取り出された前記ビームを偏向する第一偏向電磁石および第二偏向電磁石と、
前記取り出されたビームのエネルギーに応じて、前記第一偏向電磁石および前記第二偏向電磁石の励磁量を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記取り出されたビームのエネルギーが前記円形加速器の設計上の最大エネルギーの場合、前記第一偏向電磁石および前記第二偏向電磁石のいずれも励磁して前記ビームを偏向する
ことを特徴とする円形加速器。

【請求項2】

請求項１に記載の円形加速器において、
前記制御部は、
前記取り出されたビームのエネルギーが前記円形加速器の設計上の最小エネルギーの場合、前記第一偏向電磁石および前記第二偏向電磁石のいずれも励磁して前記ビームを偏向する
ことを特徴とする円形加速器。

【請求項3】

請求項１に記載の円形加速器において、
前記第二偏向電磁石の出口における各エネルギーのビーム軌道が、前記ビームのエネルギーが設計上の最大値である場合の設計軌道に一致するよう前記第一偏向電磁石および前記第二偏向電磁石が発生する磁場の強度が制御される
ことを特徴とする円形加速器。

【請求項4】

請求項１に記載の円形加速器において、
前記第一偏向電磁石を励磁する第一電源、および前記第二偏向電磁石を励磁する第二電源は、前記第一偏向電磁石、あるいは前記第二偏向電磁石を構成するコイルを流れる電流の向きを切り替えることができる両極性の電源により構成される
ことを特徴とする円形加速器。

【請求項5】

請求項４に記載の円形加速器において、
前記第二偏向電磁石の出口における各エネルギーのビーム軌道が、前記ビームのエネルギーが設計上の最小値よりも大きく、かつ設計上の最大値よりも小さい場合の設計軌道に一致するよう前記第一偏向電磁石および前記第二偏向電磁石が発生する磁場の強度が制御される
ことを特徴とする円形加速器。

【請求項6】

請求項１に記載の円形加速器において、
前記第二偏向電磁石の上流側に設置され、一台以上の四極電磁石を更に備えた
ことを特徴とする円形加速器。

【請求項7】

請求項６に記載の円形加速器において、
前記四極電磁石は、前記第一偏向電磁石の下流側に設置された
ことを特徴とする円形加速器。

【請求項8】

請求項６に記載の円形加速器において、
前記四極電磁石が発生する磁場の強度が、前記ビームのエネルギーごとに異なる値に設定される
ことを特徴とする円形加速器。

【請求項9】

請求項１乃至８のいずれか１項に記載の円形加速器を備えたことを特徴とする粒子線治療システム。

【請求項10】

請求項１乃至８のいずれか１項に記載の円形加速器と、
前記円形加速器から取り出された前記ビームを輸送するビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系で輸送された前記ビームを照射する照射装置と、を備え、
前記ビーム輸送系は、通過する前記ビームの位置および傾きを計測するビーム検出器を備え、
前記制御部は、前記ビームの位置および傾きから求めたビーム軌道が設計上のビーム軌道となるように、前記第一偏向電磁石および前記第二偏向電磁石の励磁量を制御する
ことを特徴とする粒子線治療システム。

【請求項11】

磁場中を周回する荷電粒子のビームを、前記ビームのエネルギーごとの閉軌道が偏心するように加速する円形加速器と、
前記円形加速器で加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系で輸送された荷電粒子ビームを照射する照射装置と、を備え、
前記円形加速器は、
前記円形加速器の前記閉軌道から異なるエネルギーの前記ビームを取り出すビーム取り出し口の下流側に、前記ビーム取り出し口から取り出された前記ビームを偏向する第一偏向電磁石および第二偏向電磁石と、
前記取り出されたビームのエネルギーに応じて、前記第一偏向電磁石および前記第二偏向電磁石の励磁量を制御する制御部と、を有する軌道制御装置を有しており、
前記第一偏向電磁石の径が、前記ビーム輸送系を構成する偏向電磁石の径より大きい
ことを特徴とする粒子線治療システム。

【請求項12】

請求項１１に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記第二偏向電磁石の径が、前記第一偏向電磁石の径より小さい
ことを特徴とする粒子線治療システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、粒子線を加速する円形加速器および粒子線治療システムに関する。

【背景技術】

【0002】

主磁場中での高周波を印加することにより、軌道半径を増加させながら荷電粒子ビームを加速する円形加速器において、荷電粒子ビームの円形加速器からの出射を高精度に制御する技術の一例として、特許文献１には、主磁場中で高周波を印加することにより、軌道半径を増加させながら荷電粒子ビームを加速する円形加速器において、加速に用いる高周波とは周波数の異なる高周波を荷電粒子ビームに印加することにより、荷電粒子ビームを出射する、ことが記載されている。

【0003】

粒子加速器の調整時間の短縮と運転パラメータファイルの種類が少なく、レンジシフタの移動音およびエネルギー変更時間を大幅に低減できるとともに、粒子加速器の機器変動によるシステム停止の頻度が低く、荷電粒子ビームのエネルギーや強度の変動が小さな粒子線治療装置の一例として、特許文献２には、荷電粒子ビームが透過する方向の厚みがビーム透過方向に直交する一方向で異なり、透過する荷電粒子ビームのエネルギーを厚みに比例する分だけ低下するレンジシフタと、荷電粒子ビームをレンジシフタの厚みの異なる部分に透過するためにレンジシフタの上流側で荷電粒子ビームの軌道を厚みが変化する方向に平行移動させる上流側偏向電磁石対と、レンジシフタを透過した荷電粒子ビームの軌道を上流側偏向電磁石対に入射したときの軌道の延長線上に平行移動させる下流側偏向電磁石対と、レンジシフタを透過することにより荷電粒子ビームのエネルギーが所望の値までに低下する軌道を荷電粒子ビームが進むように上流側偏向電磁石対および下流側偏向電磁石対を制御する変更制御装置とを備えるエネルギー変更装置を具備する、ことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１３３７４５号公報

【特許文献2】特許第４１１５４６８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

シンクロトロンやサイクロトロンなどの加速器により荷電粒子ビーム（以下、単にビームという）を加速し、この加速したビームをがんなどの病変へ照射する粒子線治療が行われている。

【0006】

粒子線治療に用いられる加速器の一種として、例えば特許文献１に記載されたような加速器がある。特許文献１に記載の円形加速器では、静磁場中で運動エネルギー（以下、単にエネルギー）の異なるビーム粒子が形成する円状の閉軌道（以下、中心軌道と呼ぶ）を、加速器からのビームの取り出し口へ向けて偏心する様に配置し、異なるエネルギーのビームを同一のビーム取り出し口から加速器の外部へ取り出す。

【0007】

特許文献１に記載の円形加速器では、加速器中を周回するビーム（以下、周回ビームと呼ぶ）を所望のエネルギーまで加速した後、周回ビームにビーム進行方向および磁極ギャップ方向（以下、鉛直方向）に対して垂直な方向（以下、水平方向）の高周波電圧を印加する。高周波電圧を印加されたビーム粒子は、中心軌道を中心とした振動（以下、ベータトロン振動）の水平方向の振幅が徐々に増大し、中心軌道の周囲に形成されたピーラ磁場およびリジェネレータ磁場と呼ばれるベータトロン振動の共鳴を発生させるための磁場分布に接触する。ピーラ磁場およびリジェネレータ磁場に接触したビーム粒子は、水平方向のベータトロン振動の振幅が急激に増大し、取り出し用のセプタムコイルへ入射する。セプタムコイルはビームを円形加速器の外周方向へ偏向する。偏向されたビームは円形加速器の外部である高エネルギービーム輸送系へと取り出される。

【0008】

したがって、特許文献１に記載の円形加速器は、静磁場中でビームを加速する円形加速器でありながら、円形加速器から取り出されるビームのエネルギーを所定の範囲（例えば７０ＭｅＶから２３０ＭｅＶの範囲）で切り替えることが可能である。

【0009】

一方、特許文献１に記載の円形加速器では、セプタムコイルが円形加速器の磁極内の限られた空間に設置されることからセプタムコイルが発生する磁場（セプタム磁場）の強度が制限される。セプタムコイルはエネルギーが異なるビームの軌道を円形加速器の取り出し口で揃える機能を有する為、特許文献１に記載の円形加速器ではセプタム磁場の不足により円形加速器から取り出されるビームの軌道がエネルギーの変化に伴い変化する可能性がある。

【0010】

ここで、高エネルギービーム輸送系を構成する偏向電磁石や四極電磁石といった機器は、高エネルギービーム輸送系を通過する全てのエネルギーのビーム軌道を内包する様に製作する必要がある。

【0011】

この為、特許文献１に記載の円形加速器では取り出しビーム軌道の変化に対応する為に高エネルギービーム輸送系の構成機器が大型化し、高エネルギービーム輸送系および円形加速器とビーム輸送系により構成される加速器システムの設置面積やコストが増大する恐れがあることから、改善の余地がある。

【0012】

特許文献２に記載のエネルギー変更装置は、ビーム軌道に垂直な平面内の場所によって厚さの異なるエネルギー吸収体（レンジシフタ）、レンジシフタよりも上流側に設置した二台の偏向電磁石、更にはレンジシフタよりも下流側に設置した二台の偏向電磁石により構成される。

【0013】

この特許文献２に記載のエネルギー変更装置では、加速器から取り出されたビームを上流側の偏向電磁石により偏向することでビームがレンジシフタへ入射する位置、即ちレンジシフタの厚さを制御し、レンジシフタを通過した後のビームのエネルギーを所望の値に変更する。レンジシフタを通過したビームは下流側の偏向電磁石により偏向され、エネルギー変更装置へ入射する前のビーム軌道の延長上に揃えられる。これにより、特許文献２に記載のエネルギー変更装置はビームの軌道を変化させることなくビームのエネルギーを所望の値に調整できるため、サイクロトロンなどの静磁場型の加速器から取り出されたビームのエネルギーを調整し、粒子線治療などの用途に供することができる。

【0014】

一方で、特許文献２に記載のエネルギー変更装置はエネルギーの変更にレンジシフタを用いるため、ビームとレンジシフタとの散乱によりエネルギー変更後のビームの空間的な広がり（ビームサイズ）が拡大する恐れがある。

【0015】

近年、粒子線治療においては患部を細径のビームにより三次元的に走査するスキャニング照射法が普及しており、スキャニング照射法で高精度な線量分布を形成する上ではビームサイズの拡大は極力抑えられていることが望ましい。

【0016】

そのため、特許文献２に記載のエネルギー変更装置を用いることにではビームがレンジシフタを通過する際にビーム粒子のエネルギーの広がり（以下、運動量分散）が拡大し、高エネルギービーム輸送系の通過効率が低下して実効的なビーム電流が減少する恐れがあることから、その技術をそのまま適用することは困難であり、改善が求められる。

【0017】

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は大電流かつ高品質なビームを照射することが可能であり、なおかつ低コストな円形加速器および粒子線治療システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0018】

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、磁場中を周回する荷電粒子のビームを、前記ビームのエネルギーごとの閉軌道が偏心するように加速する円形加速器であって、異なるエネルギーのビームを前記閉軌道から取り出すビーム取り出し口と、前記ビーム取り出し口から取り出された前記ビームを偏向する第一偏向電磁石および第二偏向電磁石と、前記取り出されたビームのエネルギーに応じて、前記第一偏向電磁石および前記第二偏向電磁石の励磁量を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記取り出されたビームのエネルギーが前記円形加速器の設計上の最大エネルギーの場合、前記第一偏向電磁石および前記第二偏向電磁石のいずれも励磁して前記ビームを偏向することを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、大電流かつ高品質なビームを照射することが可能であり、なおかつ低コストな円形加速器および粒子線治療システムを提供することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施形態１である円形加速器を用いた粒子線治療システムの構成を表す模式図。

【図2】実施形態１である円形加速器の構成を表す模式図。

【図3】本発明の実施形態２である円形加速器の構成を表す模式図。

【図4】本発明の実施形態３である円形加速器の構成を表す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下に本発明の円形加速器および粒子線治療システムの実施形態を、図面を用いて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。

【0022】

＜実施形態１＞
本発明の円形加速器および粒子線治療システムの実施形態１について図１および図２を用いて説明する。

【0023】

最初に、円形加速器を含めた粒子線治療システムの全体構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態１である円形加速器を用いた粒子線治療システムの構成を表す模式図である。

【0024】

図１に示す本実施形態の粒子線治療システム１００は、磁場中を周回する荷電粒子のビームを加速して取り出す円形加速器１、円形加速器１で加速された荷電粒子ビームを輸送する高エネルギービーム輸送系３０、高エネルギービーム輸送系３０で輸送された荷電粒子ビームを照射する照射ノズル５３、制御装置４０等を備えている。

【0025】

粒子線治療システム１００では、円形加速器１から取り出されたビームを高エネルギービーム輸送系３０により輸送し、患者５１の患部５２へと照射することでがん等の病変の治療を行う。

【0026】

高エネルギービーム輸送系３０の後段は回転ガントリー５０となっており、回転ガントリー５０は患者５１の周囲を回転することで複数の異なる方向からのビーム照射を可能とする。

【0027】

回転ガントリー５０の最下流の直線部には円形加速器１からのビームを患部５２の形状に合わせて成型する照射ノズル５３が設けられている。

【0028】

高エネルギービーム輸送系３０および回転ガントリー５０を構成する電磁石等の機器は円形加速器１と同様、制御装置４０に接続されている。

【0029】

粒子線治療では、ビームが患者５１の体内を進む距離（以下、飛程という）が患者５１へ照射されるビームのエネルギーにより制御される。

【0030】

制御装置４０は、患者５１ごとにあらかじめ作成されたビームの照射位置と照射量の情報（以下、治療計画）に基づいて円形加速器１を制御し、円形加速器１から取り出されるビームのエネルギーを患部５２の深さに応じた値に調節する。制御装置４０は第一偏向電磁石２１、第二偏向電磁石２２、高エネルギービーム輸送系３０、回転ガントリー５０を治療計画に基づいて制御し、円形加速器１から取り出されたビームは患部５２へと照射される。

【0031】

次いで、円形加速器の構成について図２を用いて説明する。図２に本実施例の円形加速器１の概要、特には円形加速器１の本体１０の外部に備えられたビーム軌道調整装置の模式図を示す。

【0032】

図２に示すように、円形加速器１は磁極１１、コイル１２、取り出し磁場発生装置１３、ヨーク１４を備えており、ヨーク１４にはビームの取り出し口１５が形成されている。コイル１２に所定の電流を流すと磁極１１間にはビームを円形加速器１内で周回させるための磁場（以下、主磁場という）が発生し、軌道平面上に円状の周回ビーム軌道１６が形成される。周回ビーム軌道１６の半径はビーム粒子の運動エネルギー（以下、単にエネルギー）が高いほど大きくなる。

【0033】

本実施例の円形加速器１では、ビームのエネルギーごとの閉軌道が偏心している。より具体的には、周回ビーム軌道１６の中心はエネルギーが高くなるほど取り出し磁場発生装置１３から離れており、取り出し磁場発生装置１３の近傍にはエネルギーの異なる周回ビーム軌道１６が狭い領域に集まる軌道集約領域１７が形成される。円形加速器１は軌道集約領域１７を形成することで、エネルギーの異なるビームを主磁場の強度を変更することなく共通の取り出し口１５から取り出すことが可能である。

【0034】

取り出し磁場発生装置１３は、取り出し磁場発生装置１３へ入射したビームを偏向し、ビームを取り出し口１５へと導く。取り出し磁場発生装置１３は、例えばビーム軌道に沿って形成したセプタムコイルで構成される。セプタムコイルはコイルに流れる電流を変更することで、ビームを偏向する向きや量をエネルギーに応じて調節することが可能な構成である。なお、本実施形態では取り出し磁場発生装置１３をセプタムコイルで構成する例を説明したが、セプタムコイルの替わりに、鉄等の磁性体で構成された磁場補正構造部材（以下、マグネッティックチャネルと呼ぶ）をビーム軌道に沿って配置する構成としてもよい。マグネティックチャネルは励磁用の電源が不要である反面、発生する磁場はビームのエネルギーに依らず一定となる。なお、セプタムコイルおよびマグネッティックチャネルの両方を配置して取り出し磁場発生装置１３を構成してもよい。

【0035】

円形加速器１の取り出し口１５の下流側には、第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２が設置されている。本実施例の軌道制御装置１８は、第一偏向電磁石２１、第二偏向電磁石２２、電源２３，２４および制御部４０ａ（好適には制御装置４０の一部）を備える。第一偏向電磁石２１が電源２３に接続され、第二偏向電磁石２２が電源２４に接続される。制御部４０ａが電源２３を制御することで、第一偏向電磁石２１に励磁する励磁電流を制御する。また、制御部４０ａが電源２４を制御することで、第二偏向電磁石２２に励磁する励磁電流を制御する。

【0036】

第一偏向電磁石２１はビームを磁極１１の中心から離れる方向、即ち円形加速器１の外周方向に偏向し、第二偏向電磁石２２はビームを磁極１１の中心へ接近する方向、即ち円形加速器１の内周方向へ偏向する。

【0037】

本実施形態では、第一偏向電磁石２１の径は、図１に示すように、第二偏向電磁石２２の径や、高エネルギービーム輸送系３０を構成する偏向電磁石５０ａ，５０ｂ，５０ｃの径より大きいものとなっている。

【0038】

また、第二偏向電磁石２２は、図１に示すように、第一偏向電磁石２１の径より小さいものの、高エネルギービーム輸送系３０を構成する偏向電磁石５０ａ，５０ｂ，５０ｃの径より大きいものとなっている。なお、第二偏向電磁石２２の径は、第一偏向電磁石２１の径より小さく、また偏向電磁石５０ａ，５０ｂ，５０ｃの径より大きい必要はなく、第一偏向電磁石２１の径と同じ、あるいは偏向電磁石５０ａ，５０ｂ，５０ｃの径と同じであってもよい。第二偏向電磁石２２の径が、第一偏向電磁石２１、あるいは偏向電磁石５０ａ，５０ｂ，５０ｃの径と同じ場合、それらと仕様が共通化されるため、第二偏向電磁石を専用の仕様の偏向電磁石として製造する必要が無く、低コスト化を図ることができる。

【0039】

また、偏向電磁石の内側に配置される真空ダクト（図示の都合上省略）の径は、偏向電磁石の径と同じ傾向となる。例えば、第一偏向電磁石２１が設置される部分の真空ダクトの径は、第二偏向電磁石２２が設置される部分の真空ダクトの径や、偏向電磁石５０ａ，５０ｂ，５０ｃが設置される部分の真空ダクトの径より大きいものとなっている。

【0040】

第二偏向電磁石２２の下流側にはビームを照射対象まで輸送する高エネルギービーム輸送系３０が形成されており、高エネルギービーム輸送系３０における第二偏向電磁石２２の直後の直線部にはビーム進行方向に垂直な平面内におけるビームの位置と形状を測定するプロファイルモニタ３１，３２が設置されている。なお、このビームの位置および傾きを測定するプロファイルモニタの設置場所は、高エネルギービーム輸送系３０内に限定されず、他の箇所、例えば軌道制御装置１８内に設けることができる。

【0041】

第一偏向電磁石２１は電源２３に、第二偏向電磁石２２は電源２４に接続されている。電源２３、電源２４、円形加速器１、プロファイルモニタ３１は制御装置４０に接続されている。

【0042】

本実施形態の円形加速器１で大電流かつ高品質なビームを照射することが可能であり、なおかつ低コストな加速器システムを提供するための手法について説明する。

【0043】

本実施形態の円形加速器１は主磁場の強度を変更することなくエネルギーの異なるビームを共通の取り出し１５から取り出すことが可能である。しかしながら、取り出し口１５におけるビームの軌道は取り出し口１５を通過可能な範囲でエネルギーごとに異なっている可能性がある。

【0044】

この取り出し口１５におけるビーム軌道ずれの原因は、例えば取り出し磁場発生装置１３を構成するセプタムコイルが十分な強度の磁場を発生させることができないことや、マグネティックチャネルが発生する磁場がエネルギーに依らず一定であることにある。セプタムコイルの磁場強度がどの程度不足するかは円形加速器１の設計に依存するが、円形加速器１の小型化を目的として高い強度の主磁場（例えば２．５Ｔ程度）を発生させる場合セプタムコイルの磁場強度の不足が課題となる。

【0045】

また、取り出し磁場発生装置１３をマグネティックチャネルにより構成する場合、円形加速器１の設計に依らず取り出し口１５におけるビーム軌道はエネルギーに応じて変化する。

【0046】

取り出し口１５の直後に高エネルギービーム輸送系を接続する場合、高エネルギービーム輸送系３０の構成機器、例えば偏向電磁石５０ａ，５０ｂ，５０ｃや四極電磁石等の電磁石、プロファイルモニタ３１，３２の様な測定機器は内部を全てのエネルギーのビームが通過できるよう大型の設計とする必要がある。これにより、従来の円形加速器を用いた加速器システムでは高エネルギービーム輸送系の設置面積や製作コストが増大する恐れがあった。

【0047】

そこで、本実施形態の円形加速器１では、取り出し口１５の下流側に第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２を設置し、第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２の励磁量を、エネルギーの異なるビームの軌道が第二偏向電磁石２２よりも下流側で一致する様に制御する。これにより、本実施形態の円形加速器１では高エネルギービーム輸送系３０におけるビーム通過領域の拡大を防止し、高エネルギービーム輸送系３０を構成する機器のサイズを抑えることを実現することができる。

【0048】

なお、電磁石の励磁量とは電磁石が発生する磁場の強度を表し、一般には電磁石を構成するコイルを流れる電流に比例する。第一偏向電磁石２１のコイルを流れる電流は電源２３により制御され、第二偏向電磁石２２のコイルを流れる電流は電源２４により制御される。

【0049】

次に、第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２を用いて高エネルギービーム輸送系３０においてエネルギーの異なるビームの軌道を一致させる手法について説明する。

【0050】

円形加速器１の内部にはビームを円形加速器１の内周側へと偏向するような磁場が発生していることから、取り出し口１５においてはエネルギーが高いビームの軌道ほど外周側に位置しており、エネルギー毎に軌道が異なる。

【0051】

図２では、軌道２５は円形加速器１から取り出される最大のエネルギー（以下、最高エネルギー）における設計上のビーム軌道（以下、設計軌道）を表し、軌道２６は最高エネルギーよりも低いエネルギーにおけるビーム軌道の例を表す。このように円形加速器１から取り出されるビームの軌道はエネルギー毎に異なることから、第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２により発生させる偏向磁場の強度は、円形加速器１から取り出されるビームのエネルギーに応じて制御される必要があり、第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２がビームを偏向する量がビームのエネルギーごとに異なったものとする必要がある。

【0052】

そのうえで、制御装置４０の制御部４０ａでは、取り出されたビームのエネルギーが円形加速器１の設計上の最大エネルギーの場合、第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２のいずれも励磁してビームを偏向するものとする。この際、好適には、取り出されたビームのエネルギーが円形加速器１の設計上の最小エネルギーの場合、第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２のいずれも励磁してビームを偏向するものとすることが望ましい。

【0053】

ここでは、第一偏向電磁石２１はビームを外周方向へ、第二偏向電磁石２２はビームを内周方向へ偏向し、第二偏向電磁石２２の出口における各エネルギーのビーム軌道２６が、ビームのエネルギーが設計上の最大値である場合の設計軌道２５に一致するよう第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２が発生する磁場の強度を制御するものとする。

【0054】

最高エネルギーにおける第一偏向電磁石２１の励磁量の設計値と第二偏向電磁石２２の励磁量の設計値とは共に０ではなく、最高エネルギーにおける設計軌道２５は第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２により曲げられている。本実施形態の円形加速器１では、最高エネルギーよりも低いエネルギーのビームの軌道２６を最高エネルギーにおける設計軌道２５よりも大きく曲げることで、高エネルギービーム輸送系３０内でのこれらビーム軌道を最高エネルギーにおける設計軌道２５に一致させる。

【0055】

第一偏向電磁石２１の励磁量と第二偏向電磁石２２の励磁量とは、円形加速器１を粒子線治療などのビーム照射に供する前に行われる調整運転（以下、ビーム調整）において決定される。

【0056】

最高エネルギーよりも低いエネルギーにおけるビーム軌道２６を調整する場合、制御装置４０は円形加速器１から取り出されるビームのエネルギーが目標の値となる様に円形加速器１を制御する。

【0057】

また、制御装置４０は電源２３，２４を制御し、第一偏向電磁石２１、第二偏向電磁石２２の励磁量を、調整するエネルギーにおける設計値に設定する。第一偏向電磁石２１、第二偏向電磁石２２の励磁量の設計値は、計算機を用いたビーム軌道の解析などによりあらかじめ導出される。

【0058】

高エネルギービーム輸送系３０におけるビームの位置と傾きは、プロファイルモニタ３１，３２を用いて測定される。円形加速器１が発生する磁場は磁極１１の製作誤差などにより設計値からのずれを持つため、高エネルギービーム輸送系３０におけるビームの位置と傾きは初期状態では完全には設計値と一致しないことがある。

【0059】

そこで、本実施形態の円形加速器１では、プロファイルモニタ３１，３２によりビーム位置およびビームの傾きを測定して設計値からのずれを計測し、ビーム位置と傾きとが設計値と一致する様に第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２の励磁量を調節する。

【0060】

なお、取り出し口１５でのビーム軌道が内周側、もしくは外周側にずれていることは、この高エネルギービーム輸送系３０におけるプロファイルモニタ３１，３２の測定により求めることができる。具体的には、高エネルギービーム輸送系３０でのビームの位置および傾きを求めることで、取り出し口１５におけるビーム軌道が設計軌道２５よりも内周側、もしくは外周側にずれているかを判断できることになる。

【0061】

第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２の励磁量の変更量と高エネルギービーム輸送系３０におけるビームの位置、傾きの変化量は線形の関係にある為、第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２の励磁量の調整量はビーム位置、傾きの測定結果から容易に求められる。第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２の励磁量の変更量はビーム位置、傾きの測定結果に基づいて制御装置４０が導出しても良いし、ビームの位置、傾きの測定結果から円形加速器１の調整者が別途計算して制御装置４０へ入力しても良い。

【0062】

第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２の励磁量の調整後は高エネルギービーム輸送系３０におけるビームの位置と傾きを再度測定し、ビーム軌道が最高エネルギーにおける設計軌道２５に一致していることを確認する。この段階でビーム軌道と最高エネルギーにおける設計軌道２５との間に許容できないずれがある場合、同様の手順で第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２の励磁量を再度調整する。励磁量の調整結果は制御装置４０に保管され、実際に円形加速器１によるビーム照射を行う際はこの調整結果に基づいて第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２が励磁される。

【0063】

次に、本実施形態の円形加速器１において最高エネルギーにおけるビーム軌道を調整する手法について説明する。

【0064】

本実施形態では、高エネルギービーム輸送系３０内での各エネルギーにおけるビーム軌道２６を最高エネルギーにおける設計軌道２５に一致するよう調節するが、最高エネルギーのビーム軌道自体についても磁場誤差等の影響により設計軌道２５からのずれを生じることが予想されるため、その他のエネルギーと同様に最高エネルギーについてもビーム軌道の調整を行う必要がある。

【0065】

取り出し口１５における最高エネルギーのビーム軌道が設計軌道２５よりも内周側に位置している場合、第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２の励磁量を設計値よりも高い値に設定することでビーム軌道を外周側へ偏向し、最高エネルギーにおけるビーム軌道を設計軌道２５に一致させることができる。

【0066】

逆に、取り出し口１５における最高エネルギーのビーム軌道が設計軌道２５よりも外周側に位置している場合、第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２の励磁量を設計値よりも低い値に設定することで最高エネルギーにおけるビーム軌道を設計軌道２５に一致させることができる。

【0067】

次に、本実施形態の効果について説明する。

【0068】

上述した本発明の実施形態１の粒子線治療システム１００における円形加速器１は、磁場中を周回する荷電粒子のビームを、ビームのエネルギーごとの閉軌道が偏心するように加速する円形加速器であって、異なるエネルギーのビームを閉軌道から取り出すビーム取り出し口と、ビーム取り出し口から取り出されたビームを偏向する第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２と、取り出されたビームのエネルギーに応じて、第一偏向電磁石および第二偏向電磁石の励磁量を制御する制御部４０ａを備え、制御部４０ａは、取り出されたビームのエネルギーが円形加速器１の設計上の最大エネルギーの場合、第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２のいずれも励磁してビームを偏向するものとなっている。また、第一偏向電磁石２１の径が、高エネルギービーム輸送系３０を構成する偏向電磁石５０ａ，５０ｂ，５０ｃの径より大きくなるように構成してもよい。

【0069】

このように、本実施形態の円形加速器１では、最高エネルギーにおける設計軌道２５に対して第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２の励磁量の設計値が０でない値に設定されている為、取り出し口１５における最高エネルギーのビーム軌道が設計値よりも外周側にある場合であっても最高エネルギーのビーム軌道を設計値に一致させることが可能である。これにより、本実施形態の円形加速器１では高エネルギービーム輸送系３０におけるビーム軌道を効率的に補正し、高エネルギービーム輸送系３０を構成する機器の拡大を防止して加速器システムの製作コストを抑えることができる。

【0070】

また、本実施形態の円形加速器１はエネルギーの異なるビームの閉軌道が偏心して配置されることから、エネルギーの異なるビームを共通の取り出し口１５から取り出すことが可能である。これにより、円形加速器１は照射ビームのエネルギーを変更する際に高エネルギービーム輸送系中にエネルギー吸収体を設置する必要がない為、エネルギー吸収体との散乱による照射ビームサイズの増大を防止し、質の高いビームを照射することができる。更に、円形加速器１では取り出されるビームのエネルギーを変更する為に円形加速器１の主磁場の強度を変更する必要がない為、円形加速器１から連続的にビームを取り出すことが可能であり、高いビーム電流を得ることが可能である。特に、患者５１へ照射されるビームのサイズの拡大を抑え、患部５２をビームにより三次元的に走査するスキャニング照射法において高精度な照射を行うことができる。その上、本実施形態の円形加速器１はビームのエネルギーに依らず大電流のビームを照射することができるため、粒子線治療では治療を従来に比べて短時間に終了させることができ、患者の負担をより軽減することが可能である。

【0071】

本実施形態の円形加速器１では、最高エネルギーの設計軌道２５が第一偏向電磁石２１、第二偏向電磁石２２により曲げられている、即ち、最高エネルギーに対応するこれら偏向電磁石の励磁量の設計値が０でない値となっている。この特徴により、円形加速器１は最高エネルギーにおけるビーム調整前のビーム軌道が設計軌道２５よりも外周側に位置する場合であっても最高エネルギーにおけるビーム軌道を補正し、高エネルギービーム輸送系３０におけるビーム通過領域の拡大を抑えることが可能である。

【0072】

本実施形態の粒子線治療システム１００によれば、大電流かつ高品質なビームを照射することが可能でありなおかつ低コストな加速器システムを提供することができる。

【0073】

また、第二偏向電磁石２２の径が、第一偏向電磁石２１の径より小さいため、その製造コストの低減を図ることができる。

【0074】

更に、第二偏向電磁石２２の出口における各エネルギーのビーム軌道２６が、ビームのエネルギーが設計上の最大値である場合の設計軌道２５に一致するよう第一偏向電磁石２１および第二偏向電磁石２２が発生する磁場の強度が制御されることで、高エネルギービーム輸送系におけるビームの通過領域を低減し、加速器システムのコストを低減することが可能である。

【0075】

本実施形態の円形加速器１は、磁場中を周回する荷電粒子のビームを、ビームのエネルギーごとの閉軌道が偏心するように加速させ、加速したビームを閉軌道から取り出して取り出し口１５へ導く。取り出し口１５から取り出された後のビーム軌道は当該ビームのエネルギーに応じて異なる軌道となるが、本実施形態のように、円形加速器１の取り出し口１５の下流側かつ高エネルギービーム輸送系３０の上流側の位置に、複数の偏向電磁石を設置し、これらの偏向電磁石の励磁量をビームのエネルギーに応じて制御することで、ビーム軌道を高エネルギービーム輸送系３０内で略一致させることができるようになる。そのため、粒子線治療システムを小型化することができる。特に、取り出し磁場発生装置１３をマグネティックチャネルで構成する場合、マグネティックチャネルで生成される磁場が一定であるため、取り出し口１５から取り出された後のビーム軌道は当該ビームのエネルギーに応じて大きく異なる軌道となり、粒子線治療システムをより小型化する効果を得ることができる。

【0076】

なお、本実施形態１や後述する実施形態２，３では、軌道制御装置１８，１８Ａ，１８Ｂを構成する偏向電磁石が２台（第一偏向電磁石および第二偏向電磁石）の場合について説明しているが、円形加速器の本体の出口側と高エネルギービーム輸送系との間に設けられる軌道制御装置に設置される偏向電磁石の台数は２台以上でもよく、特に限定されない。

【0077】

＜実施形態２＞
本発明の実施形態２の円形加速器および粒子線治療システムについて図３を用いて説明する。図３は本実施形態の円形加速器１Ａの模式図を示す。

【0078】

図３に示す本実施形態の円形加速器１Ａは、基本的には実施形態１に記載の円形加速器１と同様の構成を有するが、実施例の軌道制御装置１８Ａは、第一偏向電磁石６１、第二偏向電磁石６２、電源６３，６４および制御部４０ａ１（好適には制御装置４０Ａの一部）を備え、第一偏向電磁石６１および第二偏向電磁石６２がビームを円形加速器１Ａの外周方向と内周方向の両方に偏向する点が実施形態１とは異なっている。

【0079】

第一偏向電磁石６１を励磁する電源６３および第二偏向電磁石６２を励磁する電源６４は、ビームを両方向へと偏向する為に、第一偏向電磁石６１、あるいは第二偏向電磁石６２を構成するコイルを流れる電流の向きを切り替えることが可能な両極性の電源となっている。

【0080】

次いで、第一偏向電磁石６１および第二偏向電磁石６２を用いて、エネルギーの異なるビームの軌道を高エネルギービーム輸送系３０において一致させる手法について説明する。

【0081】

本実施形態では、第二偏向電磁石６２の出口における各エネルギーのビーム軌道が、ビームのエネルギーが設計上の最小値よりも大きく、かつ設計上の最大値よりも小さい場合の設計軌道６５に一致するよう第一偏向電磁石６１および第二偏向電磁石６２が発生する磁場の強度が制御される。

【0082】

例えば、円形加速器１から取り出される最小のエネルギー（以下、最低エネルギー）と最高エネルギーとの間に基準となるエネルギー（基準エネルギー）を定め、高エネルギービーム輸送系３０における各エネルギーのビーム軌道が基準エネルギーにおける設計軌道６５と一致する様に、第一偏向電磁石６１および第二偏向電磁石６２の励磁量を制御する。

【0083】

このとき、第一偏向電磁石６１は最低エネルギーのビーム（軌道６６）を外周方向へ偏向し、最高エネルギーのビーム（軌道６７）を内周方向へと偏向する。第二偏向電磁石６２は最低エネルギーのビームを内周方向へ偏向し、最高エネルギーのビームを外周方向へと偏向する。

【0084】

ビーム調整において高エネルギービーム輸送系３０中のプロファイルモニタ３１，３２を用いて第一偏向電磁石６１および第二偏向電磁石６２の励磁量を調節する手順については実施形態１と同様である。

【0085】

その他の構成・動作は前述した実施形態１の円形加速器１および粒子線治療システムと略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

【0086】

本発明の実施形態２の円形加速器１Ａおよび粒子線治療システムでは、第一偏向電磁石６１および第二偏向電磁石６２がビームを偏向する方向が最低エネルギーと最高エネルギーで異なっている為、実施形態１と同様に高エネルギービーム輸送系３０におけるビーム軌道を効率的に補正することができる。例えば、最高エネルギーにおける調整前のビーム軌道６７が最高エネルギーにおける設計軌道６５よりも外周側にある場合、第一偏向電磁石６１および第二偏向電磁石６２の励磁量を設計値よりも弱めることでビーム軌道６７を設計軌道６５に一致させることができる。

【0087】

また、第一偏向電磁石６１を励磁する電源６３、および第二偏向電磁石６２を励磁する電源６４は、第一偏向電磁石６１、あるいは第二偏向電磁石６２を構成するコイルを流れる電流の向きを切り替えることができる両極性の電源により構成されることにより、偏向電磁石の磁場強度をより低減することができる。

【0088】

更に、第二偏向電磁石６２の出口における各エネルギーのビーム軌道が、ビームのエネルギーが設計上の最小値よりも大きく、かつ設計上の最大値よりも小さい場合の設計軌道６５に一致するよう第一偏向電磁石６１および第二偏向電磁石６２が発生する磁場の強度が制御されることで、本実施形態の円形加速器１Ａでは最低エネルギーのビーム軌道６６を基準エネルギーにおける設計軌道６５の位置まで偏向するだけでよく、ビームを最高エネルギーにおける設計軌道６５の位置まで偏向する必要のある実施形態１に比べて第一偏向電磁石６１および第二偏向電磁石６２の励磁量の最大値を低減することができる。逆に、これら偏向電磁石の励磁量の最大値が実施形態１と等しい値となった場合でも、本実施形態では第一偏向電磁石６１および第二偏向電磁石６２の進行方向の長さ（以下、磁極長）を短縮し、加速器システムを小型化できる。

【0089】

＜実施形態３＞
本発明の実施形態３の円形加速器および粒子線治療システムについて図４を用いて説明する。図４は本実施形態の円形加速器１Ｂの模式図である。

【0090】

図４に示す本実施形態の円形加速器１Ｂは、基本的には実施形態１に記載の円形加速器１と同様の構成を有するが、実施例の軌道制御装置１８Ｂは、第一偏向電磁石２１、第二偏向電磁石２２、四極電磁石７１、電源２３，２４，７２および制御部４０ａ２（好適には制御装置４０Ｂの一部）を備え、第一偏向電磁石２１の下流側、かつ第二偏向電磁石２２の上流側に四極電磁石７１が設置される点が実施形態１とは異なっている。

【0091】

四極電磁石７１は電源７２に接続されており、電源７２は制御装置４０に接続されている。第一偏向電磁石２１や第二偏向電磁石２２Ｂと同様、四極電磁石７１の励磁量は電源７２を介して制御装置４０により制御される。

【0092】

本実施形態の円形加速器１Ｂでは、軌道制御装置１８Ｂが四極電磁石７１を備え、通過するビームを水平方向および垂直方向に収束する構成とした。円形加速器１から取り出されたビームは、水平方向および垂直方向に徐々に拡大するが、本実施形態のように四極電磁石７１を設置することで、四極電磁石７１よりも下流側でのビームサイズの拡大を抑制できる。これにより、ビームが第二偏向電磁石２２や真空ダクト等の構造物と衝突することによるビーム損失を防ぐことができる。また、本実施形態の円形加速器１Ｂは、第一偏向電磁石２１の下流側、かつ第二偏向電磁石２２の上流側に四極電磁石７１を備える構成であるため、四極電磁石７１を用いて第一偏向電磁石２１通過した後のビームを水平方向あるいは垂直方向に収束でき、第二偏向電磁石２２Ｂにおけるビームサイズの拡大が抑制され、第二偏向電磁石２２Ｂをさらに小型化でき、第二偏向電磁石２２Ｂの製作コストを低減することができる。

【0093】

また、本実施形態の円形加速器１Ｂでは四極電磁石７１の励磁量、すなわち発生する磁場の強度をビームのエネルギーに応じて調節する。

【0094】

その他の構成・動作は前述した実施形態１の円形加速器１および粒子線治療システムと略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

【0095】

本発明の実施形態３の円形加速器１Ｂおよび粒子線治療システムにおいても、前述した実施形態１の円形加速器１および粒子線治療システムとほぼ同様な効果が得られる。

【0096】

本実施形態の円形加速器１Ｂでは、第二偏向電磁石２２Ｂの上流側に四極電磁石７１を備えたことにより、高エネルギービーム輸送系３０におけるビームサイズのエネルギー依存性を低減することができ、高エネルギービーム輸送系３０以降のビーム調整を簡略化することが可能となる。

【0097】

本実施形態の円形加速器１Ｂでは、第一偏向電磁石２１の下流側に四極電磁石７１を設置する構成であるため、円形加速器１の本体１０から出てきたビームを第一偏向電磁石２１で速やかにキックしてビーム軌道を偏向することが担保されるとともに、第二偏向電磁石２２の径が大きくなることを抑制することができる。

【0098】

本実施形態の円形加速器１Ｂは、四極電磁石７１が発生する磁場の強度が、ビームのエネルギーごとに異なる値に設定されることにより、ビームサイズの拡大抑制の効果をより確実に得ることができる。

【0099】

本実施形態の円形加速器１Ｂでは、第一偏向電磁石２１と第二偏向電磁石２２Ｂとの間に一台の四極電磁石を設置する構成を例に説明したが、当該領域に設置する四極電磁石は二台以上であってもよい。第一偏向電磁石２１と第二偏向電磁石２２Ｂとの間に複数の四極電磁石を設置する場合、第二偏向電磁石２２Ｂの出口におけるビームサイズを四極電磁石を一台だけ設置する場合よりもさらに小さく抑えることが可能である。

【0100】

また、本実施形態では、第一偏向電磁石２１の下流側に四極電磁石７１を設置する例を説明したが、四極電磁石７１を設置する場所はこれに限られず、第一偏向電磁石２１の上流側に１台以上設置する構成としてもよい。

【0101】

更に、本実施形態の四極電磁石７１は、実施形態２にも適用可能である。つまり、実施形態２の軌道制御装置が第二偏向電磁石６２の上流側に一台以上の四極電磁石を備える構成としてもよい。さらに、好適には、実施形態２の第一偏向電磁石６１の下流側に１台以上の四極電磁石を設置してもよい。

【0102】

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

【0103】

また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

【符号の説明】

【0104】

１，１Ａ，１Ｂ…円形加速器
１０…本体
１１…磁極
１２…コイル
１３…取り出し磁場発生装置
１４…ヨーク
１５…取り出し口
１６…周回ビーム軌道
１７…軌道集約領域
１８，１８Ａ，１８Ｂ…軌道制御装置
２１，６１…第一偏向電磁石
２２，６２，２２Ｂ…第二偏向電磁石
２３，２４，６３，６４…電源
２５，６５…設計軌道
２６，６６，６７…ビーム軌道
３０…高エネルギービーム輸送系
３１，３２…プロファイルモニタ
４０，４０Ａ，４０Ｂ…制御装置
４０ａ，４０ａ１，４０ａ２…制御部
５０…回転ガントリー
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ…偏向電磁石
５１…患者
５２…患部
５３…照射ノズル
７１…四極電磁石
７２…電源
１００…粒子線治療システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】