特開 2024-63609 粒子線治療装置及びその運転方法

(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】P2024063609

(43)【公開日】2024-05-13

(54)【発明の名称】粒子線治療装置及びその運転方法

(51)【国際特許分類】

   H05H 13/04 20060101AFI20240502BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20240502BHJP

【ＦＩ】

H05H13/04 Q

H05H13/04 D

H05H13/04 E

A61N5/10 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022171696

(22)【出願日】2022-10-26

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大崎 一哉

(72)【発明者】

【氏名】川崎 泰介

(72)【発明者】

【氏名】高山 茂貴

(72)【発明者】

【氏名】安田 浩昌

(72)【発明者】

【氏名】佐古 貴行

【テーマコード（参考）】

2G085

4C082

【Ｆターム（参考）】

2G085AA13

2G085BA01

2G085BA08

2G085BA13

2G085BA14

2G085BA15

2G085CA22

2G085EA07

4C082AA01

4C082AC05

4C082AE01

(57)【要約】

【課題】ダクトとの衝突によるビームの損失を抑制して、リング型加速装置の蓄積粒子数を増加できること。
【解決手段】ビーム１の周回軌道に設置されてビーム１の加速と減速を行なう高周波空洞１８と、前記周回軌道に設置されてビームのチューンを調整するチューン調整装置１６と、前記周回軌道に設置されてビームの進行方向を変えるビーム偏向装置１７と、を備えたリング型加速装置１２を有する粒子線治療装置１０において、リング型加速装置が、ビーム１の水平方向と垂直方向の運動に相関を付与する電磁場を生成する結合ポテンシャル生成装置２１を、前記周回軌道に更に備えて構成されたものである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ビームの周回軌道に設置されてビームの加速と減速を行う高周波空洞と、
前記周回軌道に設置されてビームのチューンを調整するチューン調整装置と、
前記周回軌道に設置されてビームの進行方向を変えるビーム偏向装置と、を備えたリング型加速装置を有する粒子線治療装置において、
前記リング型加速装置が、ビームの水平方向と垂直方向の運動に相関を付与する電磁場を生成する結合ポテンシャル生成装置を、前記周回軌道に更に備えて構成されたことを特徴とする粒子線治療装置。

【請求項2】

前記結合ポテンシャル生成装置は、ビームの水平方向と垂直方向のエミッタンスが同程度になったタイミングで、磁場強度を０Ｔにするよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。

【請求項3】

前記チューン調整装置は、ビームの水平方向のチューンν_xと垂直方向のチューンν_yが、ｎ×ν_x－ｍ×ν_y＝ｋ(ｎ、ｍ、ｋは整数)を満たすように、ビームのチューンを調整するよう構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の粒子線治療装置。

【請求項4】

請求項１に記載の粒子線治療装置において、前記結合ポテンシャル生成装置は、ビームの水平方向と垂直方向のエミッタンスが同程度になったタイミングで、磁場強度を０Ｔにして停止することを特徴とする粒子線治療装置の運転方法。

【請求項5】

前記チューン調整装置は、ビームの水平方向のチューンνxと垂直方向のチューンνyが、ｎ×νx－ｍ×νy＝ｋ(ｎ、ｍ、ｋは整数)を満たすように、ビームのチューンを調整することを特徴とする請求項４に記載の粒子線治療装置の運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、リング型加速装置を有する粒子線治療装置及びその運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

図３に示すように、粒子線治療装置１００はビーム１０１の生成と初期のビーム１０１の加速を実施する入射器１１１と、この入射器１１１からビーム１０１を入射してビーム１０１の加減速を実施するリング型加速装置１１２と、このリング型加速装置１１２から出射したビーム１０１を輸送するビーム輸送系１１３と、ビーム輸送系１１３からのビーム１０１を患者に照射する治療室１１４と、を有して構成される。

【0003】

リング型加速装置１１２は、その蓄積粒子数ががん治療患者のスループットに比例するため、蓄積粒子数が多いほどよい。従って、リング型加速装置１１２の蓄積粒子数を増やすため、ビーム１０１は入射器１１１からリング型加速装置１１２へ複数回入射される。この入射方法は多重入射(多重周回入射)と呼ばれる。この多重周回入射は、水平方向にビーム軌道を膨らませながらビーム１０１を入射するため、リング型加速装置１１２では、ビーム１０１の水平方向のエミッタンスが垂直方向に比べて非常に大きくなることが知られている。

【0004】

上述のリング型加速装置１１２は、ビーム１０１の周回軌道にビーム入射調整装置１１５、複数のチューン調整装置１１６、複数のビーム偏向装置１１７、高周波空洞１１８、ビーム出射調整装置１１９及び色収差調整装置１２０が設置されて構成される。ビーム入射調整装置１１５に入射器１１１が接続され、ビーム出射調整装置１１９にビーム輸送系１１３が接続される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００８－１１２６９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

粒子線治療装置１００におけるリング型加速装置１１２の蓄積粒子数は、がん治療患者のスループットに比例するため、蓄積粒子数が多いことが重要である。リング型加速装置１１２では、水平方向に膨らむバンプ軌道を生成してビーム１０１を多重周回入射するため、ビーム１０１の垂直方向に比べてビーム１０１の水平方向のビームサイズが大きくなり、ビーム１０１のエミッタンスも垂直方向に比べて水平方向が大きくなる。従って、ビーム１０１の実空間密度は垂直方向が高くなり、その結果、空間電荷効果の影響は垂直方向のビーム１０１に顕著に表れる。

【0007】

特に、リング型加速装置１１２への入射直後における低エネルギのビーム１０１では空間電荷効果の影響が大きいため、垂直方向のビーム１０１のチューンの広がり(チューンスプレッド)が大きくなり、垂直方向のビーム１０１がチューンダイアグラムの共鳴線に接触してしまう。すると、垂直方向のビーム１０１の振幅が増大してこのビーム１０１がダクトと衝突することで、リング型加速装置１１２の蓄積粒子数が減少する課題があった。

【0008】

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、ダクトとの衝突によるビームの損失を抑制して、リング型加速装置の蓄積粒子数を増加させることができる粒子線治療装置及びその運転方法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】

【0009】

本発明の実施形態における粒子線治療装置は、ビームの周回軌道に設置されてビームの加速と減速を行う高周波空洞と、前記周回軌道に設置されてビームのチューンを調整するチューン調整装置と、前記周回軌道に設置されてビームの進行方向を変えるビーム偏向装置と、を備えたリング型加速装置を有する粒子線治療装置において、前記リング型加速装置が、ビームの水平方向と垂直方向の運動に相関を付与する電磁場を生成する結合ポテンシャル生成装置を、前記周回軌道に更に備えて構成されたことを特徴とするものである。
また、本発明の実施形態における粒子線治療装置の運転方法は、上記粒子線治療装置において、前記結合ポテンシャル生成装置は、ビームの水平方向と垂直方向のエミッタンスが同程度になったタイミングで、磁場強度を０Ｔにして停止することを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施形態によれば、ダクトとの衝突によるビームの損失を抑制して、リング型加速装置の蓄積粒子数を増加させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態に係る粒子線治療装置及びその運転方法を概略的に示す構成図。

【図2】第２実施形態に係る粒子線治療装置及びその運転方法を概略的に示す構成図。

【図3】従来の粒子線治療装置を概略的に示す構成図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１）
図１は、第１実施形態に係る粒子線治療装置及びその運転方法を概略的に示す構成図である。この図１に示す粒子線治療装置１０は、陽子等の荷電粒子のビーム１を患者の患部に照射して治療を施すものであり、入射器１１、リング型加速装置１２、ビーム輸送系１３及び治療室１４を有して構成される。

【0013】

入射器１１は、ビーム１の生成と初期のビーム１の加速を実施するものであり、リング型加速装置１２のビーム入射調整装置１５（後述）に接続される。リング型加速装置１２は、入射器１１からのビーム１をビーム入射調整装置１５により入射してビーム１の加速と減速を実施する。ビーム輸送系１３は、リング型加速装置１２のビーム出射調整装置１９（後述）に接続され、このビーム出射調整装置１９から出射されたビーム１を輸送する。治療室１４は、ビーム輸送系１３に接続されて、このビーム輸送系１３からのビーム１を患者の患部に照射する。

【0014】

上述のようにビーム１の加速と減速を行なうリング型加速装置１２は、ビーム１が周回する周回軌道にビーム入射調整装置１５、複数のチューン調整装置１６、複数のビーム偏向装置１７、高周波空洞１８、ビーム出射調整装置１９、色収差調整装置２０、及び結合ポテンシャル生成装置２１が設置されて構成される。

【0015】

ビーム入射調整装置１５は、ビーム１を偏向して入射するための電磁場生成装置（不図示）と、入射したビーム１と周回軌道を既に周回しているビーム１とを合流させるためのバンプ軌道を生成する電磁場生成装置（不図示）とを有する。このビーム入射調整装置１５は、水平方向に膨らむバンプ軌道を生成して、このバンプ軌道に入射器１１からのビーム１を多重入射（多重周回入射）させる。このため、結合ポテンシャル生成装置２１が存在しない場合、リング型加速装置１２の周回軌道を周回するビーム１は、垂直方向に比べて水平方向のビームサイズが大きくなり、従って、ビーム１のエミッタンスも垂直方向に比べて水平方向が大きくなる。

【0016】

チューン調整装置１６は、リング型加速装置１２の周回軌道における１周当たりの粒子(ビーム１)の振動数であるチューンを調整する。チューン調整装置１６では、電磁場により生成される線形力でビーム１の収束発散が実施される。例えば、チューン調整装置１６は４重極電磁石等が用いられる。この４重極電磁石の磁場強度は、ビーム１のエネルギが増加すると強まり、ビーム１のエネルギが減少すると弱まる。

【0017】

ビーム偏向装置１７は、ビーム１の進行方向を変更するものであり、一様磁場を生成する電磁石等が用いられる。この一様磁場の磁場強度は、ビーム１のエネルギが増加すると強まり、ビーム１のエネルギが減少すると弱まる。

【0018】

高周波空洞１８は、ＲＦ（高周波）磁場や静磁場を用いて、ビーム１を治療に必要なエネルギになるまで加速し、または減速する。ＲＦ電場を用いる場合、高周波空洞１８に印加されるＲＦ周波数は、ビーム１のエネルギが増加すると高くなり、ビーム１のエネルギが減少すると低くなる。

【0019】

色収差調整装置２０は、ビーム１のエネルギの広がりによるチューンの広がりを抑えるための磁場を生成する。この色収差調整装置２０は６重極電磁石等が用いられる。６重極電磁石の磁場強度はビーム１のエネルギが増加すると強まり、ビーム１のエネルギが減少すると弱まる。

【0020】

ビーム出射調整装置１９は、共鳴によりビーム１の振幅を増大させるための４重極電磁石または６重極電磁石等の多重極電磁石と、出射させるビーム１のバンプ軌道を生成するための電磁場生成装置と、を有して構成される。

【0021】

結合ポテンシャル生成装置２１は、ビーム１の水平方向と垂直方向のそれぞれの運動を独立させないで、これらの両方向（水平方向、垂直方向）の運動に相関を付与する電磁場を生成する。このように、結合ポテンシャル生成装置２１によりビーム１の水平方向と垂直方向の運動に相関が付与されることで、ビーム１の水平方向と垂直方向のそれぞれのエミッタンスの比率は、これらのエミッタンスが同程度になるように調整される。

【0022】

なお、結合ポテンシャル生成装置２１は、空間電荷効果が顕著に表れるビームエネルギの低い領域（例えばビーム１のリング型加速装置１２への入射直後）に運用されることが特に有効である。

【0023】

また、結合ポテンシャル生成装置２１は、ビーム１の水平方向と垂直方向のそれぞれのエミッタンスが同程度になったタイミングで磁場強度を０Ｔとして、停止するよう構成されるものが有効である。これにより、ビーム１の水平方向と垂直方向のそれぞれのエミッタンスの比率は、結合ポテンシャル生成装置２１が停止（磁場強度０Ｔ）したときの一定の値に保持される。

【0024】

上述の結合ポテンシャル生成装置２１は、具体的には、ソレノイド電磁石、４重極電磁石、６重極電磁石等の多重極電磁石が用いられる。この多重極電磁石は、ビーム１の水平方向と垂直方向の運動に相関を付与するために、必要に応じて回転位相が調整される。また、図１では、結合ポテンシャル生成装置２１がチューン調整装置１６の間に設置されているが、この結合ポテンシャル生成装置２１の設置箇所は、リング型加速装置１２において他の機器と干渉しない位置であれば限定されるものではない。

【0025】

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）～（３）を奏する。
（１）リング型加速装置１２が備えた結合ポテンシャル生成装置２１により、周回軌道を周回するビーム１には、水平方向と垂直方向のビーム１の運動に相関が付与されて、ビーム１の水平方向と垂直方向のそれぞれのエミッタンスの比率が、これらの両エミッタンスが同程度になるように調整される。このため、ビーム１の垂直方向の実空間密度が水平方向の実空間密度と同程度になるまで低下して、空間電荷効果の影響がビーム１の垂直方向に表れることを抑制でき、従って、ビーム１の垂直方向のチューンスプレッドを狭めることができる。この結果、垂直方向のビーム１とチューンダイアグラムの共鳴線との接触を回避できるので、垂直方向のビーム１の振幅が増大してこのビーム１がダクトに衝突することによるビーム１の損失を抑制でき、リング型加速装置１２の蓄積粒子数を増加させることができる。

【0026】

（２）結合ポテンシャル生成装置２１が、空間電荷効果が顕著に表れるビームエネルギの低い領域、例えばビーム１のリング型加速装置１２への入射直後に運用されることで、ビームエネルギが低い領域においても、ビーム１の垂直方向のチューンスプレッドを大幅に縮小することができる。この結果、垂直方向のビーム１をチューンダイアグラムの共鳴線から大きく離すことができるので、垂直方向のビーム１がダクトに衝突することによるビーム１の損失を効率的に抑制でき、リング型加速装置１２の蓄積粒子数を増加させることができる。

【0027】

（３）結合ポテンシャル生成装置２１は、ビーム１の水平方向と垂直方向のそれぞれのエミッタンスが同程度になったタイミングで磁場強度を０Ｔとして停止するよう構成されてもよい。この場合には、ビーム１の水平方向と垂直方向のそれぞれのエミッタンスの比率が、結合ポテンシャル生成装置２１を停止したときの一定の値に保持される。これにより、垂直方向または水平方向のビーム１とチューンダイアグラムの共鳴線との距離は最大になる条件に保持される。この結果、ビーム１がダクトに衝突することによるビーム１の損失を最小に抑制できるので、リング型加速装置１２の蓄積粒子数を増加させることができる。

【0028】

［Ｂ］第２実施形態（図２）
図２は、第２実施形態に係る粒子線治療装置及びその運転方法を概略的に示す構成図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0029】

本第２実施形態の粒子線治療装置２５が第１実施形態と異なる点は、リング型加速装置２６を構成するチューン調整装置２７の構成にある。つまり、チューン調整装置２７は、ビーム１の水平方向のチューンνｘと垂直方向のチューンνｙとが、水平方向のビーム１と垂直方向のビーム１のそれぞれの運動に相関をより強く付与するための下記式(１)、即ち
ｎ×ν_ｘ－ｍ×ν_ｙ＝ｋ（ｎ、ｍ、ｋは整数）…………（１）
を満たすように、ビーム１のチューンを調整するよう構成された点である。

【0030】

（ｎ、ｍ）の組み合せは、一例として、結合ポテンシャル生成装置２１にソレノイド電磁石または４重極電磁石が用いられる場合には（１、１）となり、結合ポテンシャル生成装置２１に６重極電磁石が用いられる場合には（２、１）または（１、２）となり、結合ポテンシャル生成装置２１に８重極電磁石が用いられる場合には（１、３）、（２、２）または（３、１）となる。また、ｋは、整数から±０．０２程度ずれていてもよい。

【0031】

以上のように構成されことから、本第２実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）～（３）と同様な効果を奏するほか、次の効果（４）を奏する。

【0032】

（４）チューン調整装置２７は、ビーム１の水平方向と垂直方向のそれぞれの運動に相関を強く付与するための式（１）を満たすように、ビーム１の水平方向のチューンν_ｘと垂直方向のチューンν_ｙを調整するよう構成されている。このため、結合ポテンシャル生成装置２１は、ビーム１の水平方向と垂直方向のそれぞれのエミッタンスの比率を、これらの両エミッタンスが同程度になるように調整する際に、その調整を短時間に実施することができる。この結果、垂直方向のビーム１とチューンダイアグラムの共鳴線との接触を短時間に回避できるので、垂直方向のビーム１がダクトに衝突することによるビーム１の損失を短時間に抑制でき、従って、リング型加速装置２６の蓄積粒子数をより一層増加させることができる。

【0033】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができ、また、それらの置き換えや変更、組み合わせは、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0034】

１…ビーム、１０…粒子線治療装置、１２…リング型加速装置、１６…チューン調整装置、１７…ビーム偏向装置、１８…高周波空洞、２１…結合ポテンシャル生成装置、２５…粒子線治療装置、２６…リング型加速装置、２７…チューン調整装置、ν_ｘ、ν_ｙ…チューン

【図1】

【図2】

【図3】