特開 2024-145916 荷電粒子ビーム照射システム、オフセット装置、制御方法

(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】P2024145916

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】荷電粒子ビーム照射システム、オフセット装置、制御方法

(51)【国際特許分類】

   G21K 5/04 20060101AFI20241004BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20241004BHJP

   G21K 1/093 20060101ALI20241004BHJP

   H05H 13/04 20060101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

G21K5/04 Z

A61N5/10 H

G21K5/04 A

G21K1/093 D

H05H13/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023058513

(22)【出願日】2023-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】518119249

【氏名又は名称】株式会社ビードットメディカル

(74)【代理人】

【識別番号】110002516

【氏名又は名称】弁理士法人白坂

(72)【発明者】

【氏名】皿谷 有一

(72)【発明者】

【氏名】益田 大志

(72)【発明者】

【氏名】竹下 英里

【テーマコード（参考）】

2G085

4C082

【Ｆターム（参考）】

2G085AA03

2G085AA11

2G085AA13

2G085BA14

2G085BA15

2G085BC04

2G085CA20

2G085EA07

4C082AA01

4C082AC04

4C082AE03

4C082AG12

(57)【要約】

【課題】荷電粒子ビーム照射装置にアイソセンタに荷電粒子ビームを向かわせる目的で配される電磁石の後に、四極電磁石を備えることなくアイソセンタにおいて荷電粒子ビームに分散関数の発生を抑制することができる荷電粒子ビーム照射システムを提供する。
【解決手段】加速器と、加速器から出射された荷電粒子ビーム荷電粒子ビームを偏向し得る電磁石と、アイソセンタに対して複数の方向から荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射装置と、電磁石により発生する分散関数がアイソセンタにおいて抑制されるように制御するオフセット部を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

加速器と、
前記加速器から出射された荷電粒子ビーム荷電粒子ビームを偏向し得る電磁石と、
アイソセンタに対して複数の方向から荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射装置と、
前記電磁石により発生する分散関数が前記アイソセンタにおいて抑制されるように制御するオフセット部を備える
荷電粒子ビーム照射システム。

【請求項2】

前記オフセット部は、
第１偏向電磁石と、
四極電磁石と、
第２偏向電磁石と、
前記電磁石により発生する分散関数が抑制されるように、前記オフセット部に入力される荷電粒子ビームに対して分散関数を発生させる制御部と、を備え、
前記第１偏向電磁石と、前記四極電磁石と、前記第２偏向電磁石とは、前記荷電粒子ビームの経路上に、この順に配列される
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射システム。

【請求項3】

前記荷電粒子ビーム照射装置は、前記電磁石として、前記荷電粒子ビームを鉛直方向で偏向し得る振分電磁石及び偏向電磁石を含み、
前記オフセット部の前記第１偏向電磁石及び前記第２偏向電磁石は、前記荷電粒子ビームを鉛直方向で偏向し得る
ことを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。

【請求項4】

前記荷電粒子ビーム照射装置は、前記荷電粒子ビームを偏向し得る偏向電磁石を含み、前記アイソセンタに対して荷電粒子ビームを照射する照射ノズルが回転する回転ガントリーであり、
前記オフセット部として、
前記荷電粒子ビームを鉛直方向で偏向し得る第１偏向電磁石及び第２偏向電磁石を備え、間に四極電磁石が挿入されている第１オフセット部と、
前記荷電粒子ビームを水平方向で偏向し得る第３偏向電磁石及び第４偏向電磁石を備え、間に四極電磁石が挿入されている第２オフセット部と、を備える
ことを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。

【請求項5】

前記制御部は、前記分散関数の値が０になるように前記オフセット部を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射システム。

【請求項6】

前記加速器から前記アイソセンタに至るまでの前記荷電粒子ビームが通過する経路において、前記電磁石以降に四極電磁石が配されていない
ことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム照射システム。

【請求項7】

加速器から出射した荷電粒子ビームの経路上に配されてアイソセンタにおける荷電粒子ビームの分散関数を抑制するためのオフセット装置であって、
第１偏向電磁石と、
四極電磁石と、
第２偏向電磁石と、
前記第２偏向電磁石を経由した荷電粒子ビームが振分電磁石と、偏向電磁石とを経由してアイソセンタに照射される荷電粒子ビームの分散関数を抑制するように、前記第２偏向電磁石により前記荷電粒子ビームに分散関数を発生させる制御部と、を備え、
前記第１偏向電磁石と、前記四極電磁石と、前記第２偏向電磁石とは、この順に配列される
オフセット装置。

【請求項8】

加速器と、前記加速器から出射された荷電粒子ビーム荷電粒子ビームを偏向し得る電磁石と、アイソセンタに対して複数の方向から荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射装置と、前記電磁石により発生する分散関数が前記アイソセンタにおいて抑制されるように制御するオフセット部を備える荷電粒子ビーム照射システムにおける前記オフセット部のコンピュータによる制御方法であって、
前記電磁石における偏向に関する偏向情報の入力を受け付ける受付ステップと、
前記偏向情報に基づいて、前記電磁石により発生する分散関数が前記アイソセンタにおいて抑制されるように制御する制御ステップと、
を含む制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、荷電粒子ビームがアイソセンタに到達した際の分散関数を抑制する荷電粒子ビーム照射システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、がん治療の一つとして、荷電粒子ビームを用いた粒子線治療が行われている。粒子線治療においては、病巣に対して、線量集中性を高めつつ、周囲の正常組織への影響を極力抑制するために、複数の方向から荷電粒子ビームを照射する手法が一般的である。このような照射装置として、患者の病巣を全方向から照射する回転ガントリーが知られている。

【0003】

加速器により生成された荷電粒子ビームは、荷電粒子ビームの進行方向を変更するための偏向電磁石や、荷電粒子ビームに対して収束や発散と言った作用を与える四極電磁石、荷電粒子ビームの進行方向を微調整するためのステアリング電磁石等を含む輸送路を通って、治療照射部である回転ガントリーに輸送される。回転ガントリーに輸送された荷電粒子ビームは、走査電磁石により走査され、病巣を荷電粒子ビームの進行方向に複数の層に区分して三次元的に治療照射が行われる。

【0004】

粒子線治療では、治療室内のアイソセンタにおいて、荷電粒子ビームの高い照射位置精度と、所望のビーム形状で安定した治療照射することが要求される。ところで、加速器から取り出された荷電粒子ビームは、アイソセンタに到達するまでに、ある分散関数を持つ。分散関数とは、荷電粒子ビームを構成する個々の荷電粒子の運動量のずれに起因する設計軌道からの位置ずれの相関を表す係数のことである。この分散関数は、荷電粒子ビームが偏向電磁石を通過することによって発生し、その結果、荷電粒子ビームの照射位置のアイソセンタからの位置ずれが発生したり、荷電粒子ビームの形状が所望の形状から崩れたりする。そのため、荷電粒子ビームの分散関数は、アイソセンタにおいて極力０にする必要があり、四極電磁石を用いることで、この分散関数を調整できることが一般に知られている。

【0005】

特許文献１には、荷電粒子ビームの照射装置として、固定された垂直方向の固定ポートを用いる例が開示されており、水平面から傾斜した面において偏向電磁石と四極電磁石とを設けて分散関数を調整する技術が開示されている。

【0006】

一方、回転ガントリーの場合、多方向からの荷電粒子ビームの照射を実現するために偏向電磁石を用いることにより実現している。回転ガントリーにおいて複数の偏向電磁石を設置して荷電粒子ビームの進行方向を調整している都合上、各偏向電磁石において荷電粒子ビームを偏向する方向に分散関数が発生する。よって、回転ガントリーにあっては、回転ガントリー内で荷電粒子ビームの分散関数を調整する。特許文献２には、回転ガントリーに複数の四極電磁石を設けることで、分散関数を調整する技術が開示されている。

【0007】

回転ガントリーを用いずに多方向から荷電粒子ビームを病巣に対して照射する手法としては、特許文献３に記載の技術がある。特許文献３では、荷電粒子ビームの輸送路の末端に偏向電磁石を設けることで多方向からの照射を実現しているが、当該偏向電磁石により垂直方向の分散関数が発生する。しかしながら、特許文献３において、この分散関数をアイソセンタにおいて０にする目的で四極電磁石を配することは照射装置の大型化を招くという問題がある。これは、特許文献２においても同様であり、四極電磁石を配したことで、回転ガントリーの肥大化を招いている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開第２０１５－００００９０号公報

【特許文献2】特許第２０１９－０８２３８９号公報

【特許文献3】特許第６３８７４７６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

そこで、本発明は上記問題に鑑みて成されたものであり、偏向電磁石により発生する分散関数を、荷電粒子ビーム照射装置の照射部に四極電磁石を配することなく調整できる荷電粒子ビーム照射システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記問題に対応するために、本発明の一態様に係る荷電粒子ビーム照射システムは、加速器と、加速器から出射された荷電粒子ビームを偏向し得る電磁石と、アイソセンタに対して複数の方向から荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射装置と、電磁石により発生する分散関数がアイソセンタにおいて抑制されるように制御するオフセット部を備える。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係る荷電粒子ビーム照射システムによれば、照射部に四極電磁石を備えることなく、照射部に設けられる偏向電磁石の影響による分散関数をアイソセンタにおいて抑制することができる。また、照射部に四極電磁石を設けないことで、照射部の肥大化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、実施の形態１に係る荷電粒子ビーム照射システムの構成例を示す模式図である。

【図2】図２は、オフセット部の構成例を示すブロック図である。

【図3】図３は、荷電粒子ビーム照射装置による荷電粒子ビームの照射の仕組みを説明する図である。

【図4】図４は、実施の形態１に係る荷電粒子ビーム照射システムの構成例の天面図である。

【図5】図５（ａ）は、オフセット部を用いない場合の分散関数の例を模式的に示し、図５（ｂ）は、オフセット部を用いた場合の分散関数の例を模式的に示している図である。

【図6】図６は、回転ガントリーを用いた場合の実施の形態２に係る荷電粒子ビーム照射システムの構成例である。

【図7】図７（ａ）、（ｂ）は、オフセット部の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本実施形態に係る荷電粒子ビーム照射システムについて、図面を参照しながら、詳細に説明する。

【0014】

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る荷電粒子ビーム照射システムの構成例を模式的に示すブロック図である。図１に示すように、実施の形態１に係る荷電粒子ビームを照射する照射装置が患者の周囲を回転はしないものの、病巣に対して多方向（およそ半円の範囲内）から照射可能である例を説明する。

【0015】

図１に示すように、荷電粒子ビーム照射システムは、加速器１と、オフセット部１００と、振分電磁石７０と、偏向電磁石８０を含む荷電粒子ビーム照射装置５０と、を備える。図１に示すように、荷電粒子ビーム照射システムにおいては、図示するように、加速器１、オフセット部１００、振分電磁石７０、荷電粒子ビーム照射装置５０が、この順に接続され、治療室３０内において、自動車両１０の治療台１５に載せられた患者の病巣（アイソセンタ）まで、加速器１から荷電粒子ビームが輸送されて照射される。本実施の形態１においては、荷電粒子ビームが加速器１からアイソセンタＯまで輸送される経路において、加速器１側を上流、アイソセンタ側を下流と呼称することがある。また、荷電粒子ビーム照射装置５０において荷電粒子ビームは、照射ノズル１１からアイソセンタに向けて照射されることとしてよい。

【0016】

加速器１は、荷電粒子を加速させて荷電粒子ビームを生成する機能を有する装置である。加速器１は、例えば、シンクロトロン、サイクロトロン、線形加速器などにより実現されてよいが、これらに限定するものではない。加速器１は、生成した荷電粒子ビームをオフセット部１００に伝達する。

【0017】

加速器１とオフセット部１００の間には、荷電粒子ビームを輸送する伝送路としての輸送路が設けられてもよい。この輸送路は、加速器１から取り出された荷電粒子ビームを、必要に応じて偏向させて、所望の位置、即ち、オフセット部１００の入射口まで伝達する。このような、輸送路には、必要に応じて、偏向電磁石や四極電磁石、ステアリング電磁石などが含まれてもよい。

【0018】

オフセット部１００は、照射装置において発生する分散関数を抑制するために設けられた装置であり、照射装置において発生する分散関数がアイソセンタにおいてなるべく０になるように、予め荷電粒子ビームに分散関数を故意に発生させるための装置である。前述したように、分散関数とは、荷電粒子ビームを構成する個々の荷電粒子の運動量のずれに起因する設計軌道からの位置ずれの相関を表す係数のことであり、偏向電磁石により荷電粒子ビームを偏向させると、所望の位置から位置ずれを起こし、その位置ずれの値を示すものである。この位置ずれは、当然ながら少なければ少ないほどよく、０であることが好ましい。したがって、分散関数を抑制するとは、分散関数の持つ値をなるべく０に近づける（即ち、アイソセンタを通る際の荷電粒子ビームのアイソセンタからの位置ずれを小さくする）ことを意味する。オフセット部１００には、加速器１からの荷電粒子ビームが、適宜必要に応じて輸送路を経由して、入射する。

【0019】

図２は、オフセット部１００の詳細構成例を示すブロック図である。図２に示すように、オフセット部１００は、第１偏向電磁石１０１と、四極電磁石１０２と、第２偏向電磁石１０３と、オフセット制御部１１０と、を備える。オフセット部１００においては、図２に示すように、加速器１からの荷電粒子ビームはオフセット部１００の第１偏向電磁石１０１に入射する。第１偏向電磁石１０１により偏向された荷電粒子ビームは、四極電磁石１０２により、調整される。そして、四極電磁石１０２により調整された荷電粒子ビームは、第２偏向電磁石１０３により再度偏向される。オフセット部１００において発生させる分散関数は、図２に示すように、オフセット部１００を制御可能なオフセット制御部１１０により、第１偏向電磁石１０１と、四極電磁石１０２と、第２偏向電磁石１０３は、制御される。オフセット制御部１１０は、四極電磁石１０２の励磁量を、振分電磁石７０及び偏向電磁石８０における偏向角及び照射角に基づいて計算し、四極電磁石１０２に励磁量を指示するコンピュータシステムであってよく、図示しないメモリ等に記憶されたプログラム等により当該処理を実行するものであってよいし、当該制御を実行する専用回路によって実現されるものであってもよい。また、更には、オフセット制御部１１０は、第１偏向電磁石１０１、第２偏向電磁石１０３も制御することとしてもよい。

【0020】

一般的に、荷電粒子ビームを輸送するにあたって、加速器から出力された荷電粒子ビームを第１の偏向電磁石と四極電磁石と第２の偏向電磁石とがこの順に配列された構成を挿入し、目的位置まで輸送することがある。この場合、上流側の偏向電磁石、即ち、第１の偏向電磁石において荷電粒子ビームが偏向されると分散関数及び勾配が発生する。ここで、四極電磁石の励磁量によっては、下流側の偏向電磁石、即ち、第２の偏向電磁石の通過後に０、即ち、ダブルアクロマートな条件にすることで、分散関数を発生させていない状態の荷電粒子ビームにして、輸送することができる。

【0021】

しかしながら、本実施形態に係るオフセット部１００にあっては、荷電粒子ビームが輸送される経路においてその下流側（後段）に振分電磁石７０及び偏向電磁石８０を備える。そのため、振分電磁石７０及び偏向電磁石８０において荷電粒子ビームを偏向させる場合に発生する分散関数を考慮する必要がある。即ち、オフセット部１００のオフセット部制御部は、オフセット部１００と振分電磁石７０、偏向電磁石８０全てを含んで、アクロマートな条件にする必要がある。

【0022】

具体的には、オフセット部１００を通過後の荷電粒子ビームの分散関数を敢えて０にしないようにし、振分電磁石７０の偏向起点Ｑにおいて分散関数が既に所定の値を持つように四極電磁石１０２の励磁量を調整する。即ち、オフセット制御部１１０は、振分電磁石７０及び偏向電磁石８０において、どの程度荷電粒子ビームを偏向させるかについての情報を予め取得し、取得した情報に基づいて、逆算することで、オフセット部１００通過後の荷電粒子ビームに発生させるべき分散関数の値となるように四極電磁石１０２の励磁量を制御する。

【0023】

当該制御にあっては、オフセット制御部１１０は、予め、振分電磁石７０及び偏向電磁石８０による偏向角及び照射角の複数の組み合わせそれぞれに対して、発生させるべき分散関数の値に応じた四極電磁石１０２の励磁量をシミュレーションにより計算し、制御テーブルとして各組み合わせを記憶して、制御することで、適宜、四極電磁石１０２の励磁量を制御することとしてもよい。また、あるいは、オフセット制御部１１０は、振分電磁石７０における偏向角及び偏向電磁石８０における照射角を入力して、四極電磁石１０２の励磁量を求めるための関数を保持し、当該関数から求まる励磁量を四極電磁石１０２に印加するよう制御することとしてもよい。また、あるいは、振分電磁石７０及び偏向電磁石８０における偏向角及び照射角の組み合わせと、それに対して望ましい四極電磁石１０２の励磁量との関係を学習した学習済みモデルを用い、当該学習済みモデルに対して、偏向角及び照射角を入力して、励磁量を得るように構成してもよい。なお、偏向起点Ｑ、振分電磁石７０における偏向角及び偏向電磁石８０における照射角の詳細については、後述する。

【0024】

オフセット部１００により、分散関数を発生させた荷電粒子ビームは、振分電磁石７０、偏向電磁石８０を経由して、アイソセンタに到達する。なお、荷電粒子ビームを直進させる場合には、オフセット部１００においては、第２偏向電磁石１０３から出力された時点で分散関数が発生しない（０になる）ように制御し、振分電磁石７０に入射する時点で分散関数のない荷電粒子ビームが入射する。

【0025】

ここで、図３を用いて、振分電磁石７０及び偏向電磁石８０による荷電粒子ビームの偏向の詳細について説明する。

【0026】

図３は、振分電磁石７０及び偏向電磁石８０についての詳細を説明するための図である。図３（ａ）は、荷電粒子ビーム照射システムの荷電粒子ビーム照射装置５０を側面から見た荷電粒子ビームの経路を模式的に示した模式図である。図３（ａ）に示すように、荷電粒子ビーム照射装置５０は、振分電磁石７０と、偏向電磁石８０を備える。荷電粒子ビーム照射装置５０の一部は、図１に示されるように、治療室３０内に露出するとともに、他の一部は、治療室３０の壁面内や地下に埋設される。同図１に示すように、荷電粒子ビーム照射装置５０の偏向電磁石は、一部が壁面内、地下に埋設されており、振分電磁石７０も治療室３０外に設けられている。

【0027】

図３（ａ）には偏向角φ及び収束角θごとに異なる複数のビーム経路の例を示している。ここで、荷電粒子ビームの進行方向をＸ軸、偏向電磁石８０が生成する磁場の方向をＺ軸、Ｘ軸及びＺ軸に直交する方向をＹ軸とする。偏向電磁石８０は、ＸＹ面において、Ｘ軸に対する偏向角φの広い範囲から入射する荷電粒子ビームを、アイソセンタＯに収束させるよう構成されている。つまり、荷電粒子ビームを振分電磁石及び偏向電磁石８０により偏向させない場合には、荷電粒子ビームは振分電磁石及び偏向電磁石８０を直進して通過し、アイソセンタに至る。なお、図３（ａ）においては、照射ノズル１１は省略し、説明を簡単にするために、アイソセンタＯをＸＹＺ空間の原点とし、上流側（加速器側、図３（ａ）の紙面左側）をＸ軸の正の方向としている。

【0028】

図３（ａ）に示すように、振分電磁石７０は、入射する荷電粒子ビームを必要に応じて偏向させる。振分電磁石７０は、入射する荷電粒子ビームを偏向させずに直進させる場合もある。

【0029】

偏向角φの範囲は、－９０度超～＋９０度未満の範囲にあり、プラス（＋Ｙ軸方向）の偏向角範囲とマイナス（－Ｙ軸方向）の偏向角範囲は異なっていてもよい（非対称）。例えば、プラス側の最大偏向角（φ＝φMAX）を１０度、１５度、２０度、２５度、３０度、３５度、４０度、４５度、５０度、６０度、７０度、８０度、及び８５度のうちのいずれかとし、マイナス側の最大偏向角（φ＝－φMAX）を－１０度、－１５度、－２０度、－２５度、－３０度、－３５度、－４０度、－４５度、－５０度、－６０度、－７０度、－８０度、及び－８５度のうちのいずれかとしてもよい。なお、偏向角φは、これらの角度に限定するものではない。荷電粒子ビームは、振分電磁石７０による偏向並びに偏向電磁石８０による偏向により、図３（ａ）にも示されるように、様々な軌道を描いて、アイソセンタに入射する。即ち、荷電粒子ビームは、荷電粒子ビーム照射装置５０により、複数の軌道のいずれかを通り、荷電粒子ビームを複数の方向からアイソセンタに照射することができる。なお、図３（ａ）においては振分電磁石７０において即座に所望の偏向角φで偏向する様子を示しているが、これは、図面の見やすさを考慮してのものであり、実際には、振分電磁石７０にあっては、荷電粒子ビームは、偏向起点Ｑにおいて、徐々に偏向を開始し、結果的に、Ｘ軸に対して、偏向角φで出射する点に留意されたい。

【0030】

偏向電磁石８０は、１組以上のコイル対を備え、該コイル対は、荷電粒子ビームの進行方向と荷電粒子ビームの偏向角φの広がり方向に直交する方向（図中Ｚ軸方向）を向いた一様な磁場を生成し（有効磁場領域８１ａ、８１ｂ）、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置されている。偏向電磁石８０の１組のコイル対が生成する有効磁場領域は、図３（ａ）に示すようにＸＹ平面において三日月状の形状を有し、その詳細については後述する。なお、荷電粒子ビームが通過する、対向するコイル対間の隙間は（Ｚ軸方向の距離）、ＸＹ面における荷電粒子ビームが広がる範囲に比べて十分に小さいため、ここでは荷電粒子ビームのＺ軸方向の広がりについては考慮しない。

【0031】

図３（ｂ）は、偏向電磁石８０のＡ－Ａ線断面図である。偏向電磁石８０は、好ましくは少なくとも二組のコイル対８４ａ、８４ｂを備える。コイル８４ａ、８４ｂの内部にはそれぞれ磁極８５ａ、８５ｂが組み込まれ、磁極８５ａ、８５ｂにはヨーク８６が接続されている。偏向電磁石８０には電源装置（不図示）が接続されており、電源装置からコイル対８４ａ、８４ｂに電流（励磁電流）が供給されることで、偏向電磁石８０が励磁し、有効磁場領域８１ａ、８１ｂ（総称して有効磁場領域８１ともいう。）が形成される。

【0032】

なお、有効磁場領域８１ａの範囲と有効磁場領域８１ｂの範囲は、異なっていてもよい（非対称）。例えば、プラス（＋Ｙ軸方向）の偏向角φの範囲とマイナス（－Ｙ軸方向）の偏向角φの範囲が非対称であれば、それに応じて有効磁場領域８１ａ、８１ｂも非対称に形成することで、使用されない有効磁場領域を削減できる。

【0033】

振分電磁石７０により偏向され、偏向電磁石８０に入射する荷電粒子ビームの偏向角φの範囲は、プラスの最大偏向角（φ＝φMAX）からマイナスの最大偏向角（φ＝－φMAX）の範囲であり、プラスの最大偏向角φMAXは、１０度以上９０度未満の角度であり、マイナスの最大偏向角－φMAXは、－９０度超－１０度以下の角度である。偏向角φ及び後述する照射角θは、ＸＹ面において、Ｘ軸に対する荷電粒子ビームの経路の角度である。

【0034】

プラスの偏向角範囲（φ＝０超～φMAX）で入射した荷電粒子ビームは、第１のコイル対８４ａの有効磁場領域８１ａにより偏向され、照射ノズル１１を通りアイソセンタＯに照射される。マイナスの偏向角範囲（φ＝０未満～－φMAX）で入射した荷電粒子ビームは、第２のコイル対８４ｂの有効磁場領域８１ｂにより偏向され、照射ノズル１１を通りアイソセンタＯに照射される。有効磁場領域８１ａと有効磁場領域８１ｂの磁場の向きは互いに反対の方向である。なお、振分電磁石７０から偏向角φ＝０で偏向電磁石８０に入射する荷電粒子ビームは、有効磁場領域８１ａ、８１ｂのいずれか又は両領域８１ａ、８１ｂの間を通過し、照射ノズル（不図示）を通じてアイソセンタＯに収束する。

【0035】

偏向電磁石８０に入射する荷電粒子ビームの偏向角φは、振分電磁石７０により制御される。振分電磁石７０は、加速器（不図示）から供給される荷電粒子ビームの進行方向（図中Ｘ軸）に直交する方向（図中Ｚ軸）を向いた磁場を生成し、通過する荷電粒子ビームを偏向する電磁石と、該磁場の強度及び向きを制御する制御部とを備える（いずれも不図示）。振分電磁石７０は、磁場の強度及び向き（Ｚ軸方向）を制御することで、ＸＹ面において荷電粒子ビームを偏向し、偏向起点Ｑにて偏向角φで偏向した荷電粒子ビームを偏向電磁石８０に出射する。ここで、偏向起点ＱとアイソセンタＯはＸ軸上（同一水平面上）にある。

【0036】

図３（ｃ）を参照して、偏向電磁石８０の有効磁場領域８１ａを形成するための計算式について説明する。なお、本実施形態では、Ｚ軸方向への荷電粒子ビームの偏向は考慮しないので、ＸＹ面における有効磁場領域の形成について説明する。偏向電磁石８０の有効磁場領域８１ａについて説明するが、有効磁場領域８１ｂについても同じであるため、説明は省略する。

【0037】

まず、偏向電磁石８０の荷電粒子ビームの出射側８３の有効磁場領域８１ａの境界は、アイソセンタＯから等距離ｒ１の位置にある範囲となるように決める。次に、偏向電磁石８０の荷電粒子ビームの入射側８２の有効磁場領域８１ａの境界は、後述する関係式（１）～（５）に基づき、アイソセンタＯから所定の距離Ｌの位置にある仮想上の偏向起点Ｑにて偏向角φで偏向し、入射する荷電粒子ビームが、アイソセンタＯに収束するように決められる。ここで、仮想上の偏向起点Ｑは、振分電磁石７０の中心で荷電粒子ビームが偏向角φのキックを極短距離の間に受けると仮定した点である。

【0038】

偏向角φで輸送されてきた荷電粒子ビームは、入射側８２の有効磁場領域８１ａの境界上の任意の点Ｐ１から入り、有効磁場領域８１ａ内で曲率半径ｒ２の円運動を行い（このときの中心角は（φ＋θ）となる。）、出射側８３の有効磁場領域８１ａの境界上の点Ｐ２から出て、アイソセンタＯに向けて照射される。つまり、点Ｐ１と点Ｐ２とは半径ｒ２及び中心角（φ＋θ）の円弧上にある。

【0039】

図３（ｃ）に示すように、ＸＹ面においてアイソセンタＯを原点とするＸＹ座標系を想定する。出射側８３の点Ｐ２とアイソセンタＯとを結ぶ直線とＸ軸とがなす角度を照射角θとすると、入射側８２の点Ｐ１の座標（ｘ，ｙ）、偏向角φ、及び点Ｑと点Ｐ１との間の距離Ｒは、以下の関係式（１）～（４）から求まる。

【0040】

【数1】

【0041】

ここで、有効磁場領域８１ａには一様な磁束密度Ｂの磁場が生じており、荷電粒子ビームの運動量をｐ（およそ加速器に依存する）、電荷をｑとすると、磁場中で偏向される荷電粒子ビームの曲率半径ｒ２は、式（５）で表される。

【0042】

【数2】

【0043】

上記関係式（１）～（５）に基づき、偏向電磁石８０のコイル対８４ａ及び磁極８５ａの形状及び配置を調整し、コイル対８４ａに流す電流を調整することで、有効磁場領域８１ａの境界の形状を調整できる。すなわち、出射側８３の有効磁場領域８１ａの境界上の任意の点Ｐ２とアイソセンタＯとの間の距離が等距離ｒ１となるように境界を定め、有効磁場領域８１ａの磁束密度Ｂを調整して式（５）からｒ２を決め、入射側８２の有効磁場領域８１ａの境界上の点Ｐ１と偏向起点Ｑとの間の距離Ｒが式（４）の関係を有するように、入射側８２の有効磁場領域８１ａの境界を定める。式（３）のφの極大値が、最大偏向角φMAXとなる。なお、限定されるものではないが、偏向起点Ｑを通過する荷電粒子ビームが偏向電磁石８０による偏向を受けなくともアイソセンタＯに収束するように、偏向起点Ｑ、偏向電磁石８０、及びアイソセンタＯの配置を調整しておくと、装置構成をよりシンプルにできるため好ましい。

【0044】

上記のようにして求まる偏向電磁石８０の有効磁場領域８１ａ、８１ｂの境界は、荷電粒子ビームをアイソセンタＯに収束させるための理想的な形状である。なお実際には、この理想的な形状からのずれや磁場分布の不均一性があったとしても、偏向電磁石８０の励磁量（磁束密度Ｂ）を偏向角φごとに予め微調整し、その情報を電源装置に記憶させておき、偏向角φと偏向電磁石８０の電流量とが連動するようにそれらを制御することで、荷電粒子ビームをアイソセンタＯに合わせて偏向させることができる。また、事前に磁場分布の不均一性を予測できる場合には、偏向電磁石８０のコイル対８４ａ、８４ｂ及び磁極８５ａ、８５ｂの形状及び配置を補正することで、荷電粒子ビームの軌道を微調整することも可能である。

【0045】

これにより、荷電粒子ビームを患部（アイソセンタＯ）に対して所望の角度で照射を行うことができる。

【0046】

図４は、荷電粒子ビーム照射システムを模式的に示す天面図である。図４に示すように、荷電粒子ビーム照射システムにおいては、少なくとも、オフセット部１００と、振分電磁石７０と、偏向電磁石８０とは、直線状に配される。即ち、振分電磁石７０及び偏向電磁石８０により偏向される荷電粒子ビームの偏向方向は、鉛直方向となる。なお、荷電粒子ビーム照射システムにおいて、加速器１は、オフセット部１００と、振分電磁石７０と、偏向電磁石８０と、直線状に配されてもよいし、配されなくてもよい。

【0047】

＜分散関数＞
図５を用いて、分散関数について説明する。図５（ａ）は、オフセット部１００がない場合の分散関数について説明する図であり、図５（ｂ）は、オフセット部１００がある場合の分散関数について説明する図である。

【0048】

図５（ａ）の上段は、オフセット部１００を設けていない荷電粒子ビーム照射システムの構成を示す略図であり、振分電磁石７０と、偏向電磁石８０と、これらを経由してアイソセンタに照射される荷電粒子ビームの軌道の一例を示している。ここで、図５（ａ）の下段は、荷電粒子ビームの分散関数の例を示しており、振分電磁石７０と偏向電磁石８０、アイソセンタとの対応関係の例を示している。図５（ａ）の下段の分散関数のグラフに示されるように、荷電粒子ビームにおいては、振分電磁石７０を経由して偏向されることで分散関数が発生する。また、同様に、振分電磁石７０により偏向された荷電粒子ビームは、偏向電磁石８０においても偏向され、アイソセンタＯに向かう。このとき、偏向電磁石８０により偏向されることで、荷電粒子ビームには、更に分散関数が発生する。その結果、図５（ａ）下段に図示するように、分散関数はアイソセンタにおいて０にならない、即ち、値を持つ可能性がある。分散関数が値を持つということは、加速器１から出射される荷電粒子ビームの運動量の変動により位置変動が生じる可能性があり、荷電粒子ビームが病巣に照射されない可能性がある。なお、図５（ａ）下段の分散関数は、鉛直方向における荷電粒子ビームの分散関数の値の変動を示している。

【0049】

一方で、図５（ｂ）の上段は、オフセット部１００を設けていない荷電粒子ビーム照射システムの構成を示す略図であり、オフセット部１００と、振分電磁石７０と、偏向電磁石８０と、これらを経由してアイソセンタに照射される荷電粒子ビームの軌道の一例を示している。また、図５（ｂ）の下段は、荷電粒子ビームの分散関数の例を示しており、振分電磁石７０と偏向電磁石８０、アイソセンタとの対応関係の例を示している。図５（ｂ）の下段の分散関数のグラフに示されるように、荷電粒子ビームにおいては、オフセット部１００に設けられている第１偏向電磁石１０１と第２偏向電磁石１０３とにより偏向されることで分散関数が発生する。

【0050】

図５（ｂ）の上段のオフセット部１００の後段において、振分電磁石７０及び偏向電磁石８０により荷電粒子ビームを偏向させてアイソセンタに向かわせる場合に、当然に分散関数が発生する。この分散関数は、振分電磁石７０及び偏向電磁石８０において荷電粒子ビームをどの程度偏向させるかによって、生じる値は異なるものの、予め、振分電磁石７０及び偏向電磁石８０の特性をシミュレートしておくことによって、算出することが可能である。そして、オフセット部１００においては、振分電磁石７０及び偏向電磁石８０において発生する分散関数がアイソセンタにおいて０になるように、予め分散関数を発生させておく。即ち、図５（ｂ）に示されるように、振分電磁石７０に入射するタイミングにおいて、荷電粒子ビームの分散関数は所定の値を持っている。このようにオフセット部１００において分散関数を持たせた荷電粒子ビームを出射し、振分電磁石７０に入射させることで、結果として、荷電粒子ビーム照射装置５０においてアイソセンタＯに照射される荷電粒子ビームの分散関数を抑制し、好適には０にすることができる。

【0051】

＜まとめ＞
本実施形態１に示したように、荷電粒子ビーム照射装置５０に配される振分電磁石７０や偏向電磁石８０を用いて荷電粒子ビームを偏向させた場合に発生する分散関数を、予め振分電磁石７０の前段に配したオフセット部１００において、故意に分散関数を発生させた荷電粒子ビームを生成し、振分電磁石７０に入射させることで、結果的に、アイソセンタＯにおける分散関数を０にすることができる。したがって、荷電粒子ビーム照射装置５０において、即ち、治療室３０内に、分散関数を０にするための四極電磁石を配することなく、アイソセンタＯに荷電粒子ビームを収束させる（アイソセンタＯにおいて荷電粒子ビームの分散関数を抑制し、好適には０にする）ことができる。したがって、四極電磁石を配さないことで、荷電粒子ビーム照射装置５０の肥大化を防止することができる。その結果、治療室３０をコンパクトにすることができる。

【0052】

＜実施の形態２＞
実施の形態２においては、荷電粒子ビームの照射装置が、患者の周囲を回動する回転ガントリーの場合について説明する。

【0053】

図６は、実施の形態２に係る荷電粒子ビーム照射システムの構成を模式的に示すブロック図である。図６に示すブロック図の、図１に示すブロック図からの変更点は、荷電粒子ビーム照射装置の相違にあり、それ以外の構成については、実施の形態１と同様である。図６に示すように、荷電粒子ビーム照射システムは、加速器１と、第１オフセット部１００ａと、第２オフセット部１００ｂと、回転ガントリー５００と、を備える。回転ガントリー５００は、本実施の形態２における荷電粒子ビーム照射装置に相当する。本実施の形態２において、回転ガントリー５００は、照射ノズル９１（照射部）が患者の周囲を回転することで、複数の方向から、アイソセンタに向けて荷電粒子ビームを照射することが可能となる。図６において、回転ガントリー５００に対して荷電粒子ビームが入射する入射経路６０１は、同時に、回転ガントリー５００の回転軸を示している。

【0054】

本実施の形態２においては、加速器１については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

【0055】

また、第１オフセット部１００ａも上記実施の形態１におけるオフセット部１００と同様であり、第１オフセット部１００ａは、第１偏向電磁石１０１ａと、四極電磁石１０２ａと、第２偏向電磁石１０３ａとからなり、荷電粒子ビームを鉛直方向で偏向させて、所望の分散関数を鉛直方向に発生させた荷電粒子ビームを出射する。

【0056】

第２オフセット部１００ｂは、第１オフセット部１００ａと同様に二つの偏向電磁石の間に四極電磁石を配した構成であり、第３偏向磁石１０１ｂと、四極電磁石１０２ｂと、第４偏向電磁石１０３ｂとが、この順に配された構成をしており、荷電粒子ビームの経路上に配される。ただし、第２オフセット部１００ｂは、第１オフセット部１００ａに対して、当該構成全体を９０度回転させた構成となっている。即ち、第１オフセット部１００ａが、荷電粒子ビームを鉛直方向に偏向させて、鉛直方向の分散関数を発生させるのに対して、第２オフセット部１００ｂは、荷電粒子ビームを水平方向に偏向させて、水平方向の分散関数を発生させる。即ち、第１オフセット部１００ａは垂直オフセット部と言い換えることができ、第２オフセット部１００ｂは、水平オフセット部と言い換えることもできる。これにより、回転ガントリー５００が、患者に対してどの向きに傾いていようとも、アイソセンタ０における分散関数を鉛直方向並びに水平方向の双方に対して抑制する（好適には０にする）よう調整することができる。

【0057】

この場合、第１オフセット部１００ａによる垂直方向の荷電粒子ビームの制御について、オフセット制御部１１０ａは、一例として、軸６０１を中心とし、例えば、水平方向を基準とした回転ガントリー５００の様々な回転角に対して、発生させるべき分散関数の値に応じた四極電磁石１０２ａの励磁量をシミュレーションにより計算し、制御テーブルとして組み合わせを記憶して、制御することで、適宜四極電磁石１０２ａの励磁量を制御することとしてよい。これにより、第１オフセット部１００ａは、鉛直方向の分散関数を制御することができる。また、あるいは、軸６０１の回転角と、それに対して望ましい四極電磁石１０２の励磁量との関係を学習した学習済みモデルを用い、当該学習済みモデルに対して、回転ガントリー５００の基準位置からの回転角を入力して、四極電磁石１０２ｂの励磁量を得るように構成してもよい。なお、ここでは、回転角を用いているが、これは、例えば、回転ガントリー５００の照射ノズル９１の座標値などによって代替されてもよい。

【0058】

同様に、第２オフセット部１００ｂによる垂直方向の荷電粒子ビームの制御について、オフセット制御部１１０ｂは、一例として、軸６０１を中心とし、例えば、鉛直方向（水平方向でもよい）を基準とした回転ガントリー５００の様々な回転角に対して、発生させるべき分散関数の値に応じた四極電磁石１０２ｂの励磁量をシミュレーションにより計算し、制御テーブルとして組み合わせを記憶して、制御することで、適宜四極電磁石１０２ａの励磁量を制御することとしてよい。これにより、第２オフセット部１００ｂは、水平方向の分散関数を制御することができる。また、あるいは、軸６０１の回転角と、それに対して望ましい四極電磁石１０２ｂの励磁量との関係を学習した学習済みモデルを用い、当該学習済みモデルに対して、回転ガントリー５００の基準位置からの回転角を入力して、四極電磁石１０２ｂの励磁量を得るように構成してもよい。なお、ここでは、回転角を用いているが、これは、例えば、回転ガントリー５００の照射ノズル９１の座標値などによって代替されてもよい。

【0059】

即ち、実施の形態２においては、オフセット部制御部（図示せず）は、第１オフセット部１００ａと第２オフセット部１００ｂとを制御する。オフセット制御部１１０ａ、１１０ｂは、回転ガントリー５００における回転軸６０１の回転角及び回転ガントリー５００に設けられる複数の偏向電磁石によって発生する分散関数について、鉛直方向成分と水平方向成分とが共にアイソセンタにおいて抑制される（好適には０となる）ように予め回転ガントリー５００に入射するタイミングで既に分散関数を発生させた荷電粒子ビームが入射するよう、第１オフセット部１００ａ及び第２オフセット部１００ｂの四極電磁石の励磁量を制御する。

【0060】

これによって、回転ガントリーを用いる場合でも照射ノズル９１に四極電磁石を配することなく、アイソセンタにおいて、分散関数を０にした荷電粒子ビームを照射することができる。

【0061】

＜まとめ＞
実施の形態２に示すように、偏向電磁石を含む回転ガントリーを照射装置とする荷電粒子ビーム照射システムにあっても、鉛直方向と水平方向とで偏向を行う２つのオフセット部を設けることで、実施の形態１と同様に、照射装置に四極電磁石を配することなく、アイソセンタにおいて荷電粒子ビームの分散関数を抑制し、好適には０にすることができる。したがって、照射装置の肥大化を抑制することができる。

【0062】

＜変形例＞
上記実施形態に示す荷電粒子ビーム照射システム及びオフセット部１００は、上記実施形態に示した態様に限定するものではない。適宜、当業者の知見内で変更することが可能である。以下、各種変形例について説明する。

【0063】

（１） 上位実施形態においては、オフセット部１００の基本構成として、四極電磁石が二つの偏向電磁石により挟まれる態様で構成される旨を説明したが、オフセット部１００の構成は、上記実施形態に示した態様に限定するものではない。

【0064】

オフセット部１００は、図７（ａ）に示すように、第２偏向電磁石１０３の後段（荷電粒子ビーム照射装置側）にも四極電磁石１０４、１０５を備える構成としてもよい。ここでは、二つの四極電磁石１０４、１０５を備える例を示しているが、四極電磁石の数は２つに限定するものではなく、１つであってもよいし、３つ以上あってもよい。

【0065】

四極電磁石１０４、１０５の輸送路における役目は、第２偏向電磁石１０３において分散関数を持たせた荷電粒子ビームが発散し、輸送中のロスが大きくなるのを抑制し、荷電粒子ビームを調整するために用いられる。

【0066】

なお、図７（ａ）においては、オフセット部１００を加速器１と振分電磁石７０との間に配するものとして示しているが、図７（ａ）に示す構成は、もちろん、上記実施の形態２におけるオフセット部１００ａ、１００ｂとして使用することもできることは言うまでもない。

【0067】

（２） 上記実施形態においては、オフセット部１００を一つ配した構成としている。これにより、荷電粒子ビームの高さ方向を調整し、荷電粒子ビーム照射装置に入射させることができる。一方で、荷電粒子ビームの高さを変更せず、かつ、オフセット部としての機能、即ち、アイソセンタにおける荷電粒子ビームの分散関数を０にするように、オフセット部１００から出射する荷電粒子ビームに分散関数を持たせたい場合もある。

【0068】

このような場合には、図７（ｂ）に示す構成のようにすることで、当該構成を実現することができる。

【0069】

即ち、第１オフセット部１００ａと同じ構成であって、荷電粒子ビームの進行方向において、第１オフセット部１００ａと対称になるように配した第２オフセット部１００ｃを設ける構成としてよい。第１オフセット部１００ａは、第１偏向電磁石１０１ａと、四極電磁石１０２ａと、第２偏向電磁石１０３ａとから成り、当該構成は、実施の形態１に示すオフセット部１００と同様である。

【0070】

一方、第２オフセット部１００ｃは、図７（ｂ）に示されるように、第１オフセット部１００ａと紙面中央で対称になるように構成されており、第２偏向電磁石１０３ａに対向するように、第１偏向電磁石１０１ｃ、四極電磁石１０２ｃ、第２偏向電磁石１０３ｃが設けられた構成となっている。

【0071】

オフセット部においては、二つの偏向電磁石を用いる関係上、どうしても入射時と出射時とで、荷電粒子ビームの上下方向（鉛直方向）の入射位置がずれることになるが、図７（ｂ）の構成であれば、荷電粒子ビームの上下方向のずれを生じることなく、かつ、アイソセンタＯにおいて、荷電粒子ビームの分散関数を０になるように制御することができる。なお、図７（ｂ）の場合、オフセット制御部は、第１オフセット部１００ａと第２オフセット部１００ｃとの双方の四極電磁石１０２ａ、１０２ｃの励磁量を制御する。

【0072】

（３） 上記実施の形態１、２において、オフセット部１００、１００ａ、１００ｂは、加速器１からアイソセンタまで荷電粒子ビームが輸送されるまでの経路において、オフセット部１００以降において、荷電粒子ビームが電磁石（振分電磁石、偏向電磁石等）により偏向されて、荷電粒子ビームに分散関数が発生する場合であって、偏向後にこの分散関数を調整するための四極電磁石を配さない、あるいは、配することができない、配するのが難しい場合に、当該電磁石の前の経路上に設けられる。そして、オフセット部１００、１００ａ、１００ｂは、加速器１から荷電粒子ビーム照射装置５０あるいは回転ガントリー５００まで荷電粒子ビームが輸送される経路の最終段（最も下流となる位置）に設けられることが好ましい。

【符号の説明】

【0073】

１ 加速器
１０ 移動車両
１１ 照射ノズル
３０ 治療室
１５ 治療台
５０ 荷電粒子ビーム照射装置
７０ 振分電磁石
８０ 偏向電磁石
１００ オフセット部
１０１ 第１偏向電磁石
１０２ 四極電磁石
１０３ 第２偏向電磁石
１０４ 四極電磁石
１０５ 四極電磁石
１１０ オフセット制御部
１００ａ 第１オフセット部
１０１ａ 第１偏向電磁石
１０２ａ 四極電磁石
１０３ａ 第２偏向電磁石
１００ｂ 第２オフセット部
１０１ｂ 第１偏向電磁石
１０２ｂ 四極電磁石
１０３ｂ 第２偏向電磁石
１００ｃ 第２オフセット部
１０１ｃ 第１偏向電磁石
１０２ｃ 四極電磁石
１０３ｃ 第２偏向電磁石
５００ 回転ガントリー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】