特許 7293042 荷電粒子ビーム照射装置および荷電粒子ビーム照射方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-09

(45)【発行日】2023-06-19

(54)【発明の名称】荷電粒子ビーム照射装置および荷電粒子ビーム照射方法

(51)【国際特許分類】

   G21K 1/093 20060101AFI20230612BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20230612BHJP

   G21K 5/04 20060101ALI20230612BHJP

【ＦＩ】

G21K1/093 S

A61N5/10 H

A61N5/10 J

G21K5/04 A

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2019150424

(22)【出願日】2019-08-20

(65)【公開番号】P2021032611

(43)【公開日】2021-03-01

【審査請求日】2022-02-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【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】高山 茂貴

(72)【発明者】

【氏名】折笠 朝文

(72)【発明者】

【氏名】小林 孝幸

(72)【発明者】

【氏名】吉行 健

【審査官】小林 幹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０８３３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２６０２２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１９９２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－００９３８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平４－３２８２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１５４９３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－１５０８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５６８２４１２（ＵＳ，Ａ）

【文献】韓国登録特許第１９７４４２５（ＫＲ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ２１Ｋ １／００－３／００

Ｇ２１Ｋ ５／００－７／００

Ａ６１Ｎ ５／００－５／１０

Ｈ０５Ｈ ３／００ー１５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷電粒子ビームの進行方向に直交する直交方向に前記荷電粒子ビームを偏向させる磁場を発生させる走査電磁石のコイルと、
前記コイルを支持し、外部が真空状態ではなく、かつ内部の空気が吸引されることで前記内部が真空状態にされて前記荷電粒子ビームが通過する筒状を成す特定構造体と、
を備え、
前記特定構造体は、円筒形状を成す複数の部材で構成されており、前記複数の部材が、合成樹脂または非磁性材料で形成され、かつ前記荷電粒子ビームの通過空間を中心軸として同心円状を成すように配置されている、
荷電粒子ビーム照射装置。

【請求項2】

前記特定構造体の前記コイルが配置される部分に設けられ、前記コイルを冷却する冷却媒体が流れる流路を備える、
請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射装置。

【請求項3】

前記コイルが前記流路を流れる前記冷却媒体に含浸される、
請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射装置。

【請求項4】

前記特定構造体は、
前記進行方向に直交する第１直交方向に前記荷電粒子ビームを偏向させる磁場を発生させる第１走査電磁石の第１コイルが外面に配置される第１構造部材と、
前記第１構造部材の外側に配置され、前記進行方向および前記第１直交方向に直交する第２直交方向に前記荷電粒子ビームを偏向させる磁場を発生させる第２走査電磁石の第２コイルが外面に配置される第２構造部材と、
を備える、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。

【請求項5】

少なくとも２つの前記第１コイルが前記第１構造部材を挟んで前記第１直交方向に並んで配置され、
少なくとも２つの前記第２コイルが前記第２構造部材を挟んで前記第２直交方向に並んで配置され、
前記第２構造部材が前記第２直交方向に沿って互いに離れるように分割可能となっている、
請求項４に記載の荷電粒子ビーム照射装置。

【請求項6】

前記第１構造部材の前記第１コイルが配置される部分に設けられ、前記第１コイルを冷却する冷却媒体が流れる第１流路と、
前記第２構造部材の前記第２コイルが配置される部分に設けられ、前記第２コイルを冷却する冷却媒体が流れる第２流路と、
を備える、
請求項４または請求項５に記載の荷電粒子ビーム照射装置。

【請求項7】

前記第１構造部材と前記第２構造部材との間に設けられ、前記第１コイルが配置される空間を確保するスペーサ部材を備える、
請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。

【請求項8】

前記特定構造体の内面がシームレス面となっている、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。

【請求項9】

前記特定構造体は、前記進行方向に従って内径が大きくなる形状となっている、
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。

【請求項10】

前記コイルは、リッツ線を巻き回して形成されたものである、
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。

【請求項11】

走査電磁石のコイルにより荷電粒子ビームの進行方向に直交する直交方向に前記荷電粒子ビームを偏向させる磁場を発生させるステップと、
前記コイルを支持し、外部が真空状態ではなく、かつ筒状を成す特定構造体の内部の空気が吸引されることで前記内部が真空状態にされて前記荷電粒子ビームが通過するステップと、
を含み、
前記特定構造体は、円筒形状を成す複数の部材で構成されており、前記複数の部材が、合成樹脂または非磁性材料で形成され、かつ前記荷電粒子ビームの通過空間を中心軸として同心円状を成すように配置されている、
荷電粒子ビーム照射方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、荷電粒子ビーム照射装置および荷電粒子ビーム照射方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、患者の癌などの患部に重粒子線などの荷電粒子ビームを照射する治療方法がある。この治療方法では、ビーム発生装置で生成した荷電粒子ビームを、ビーム加速装置で加速するとともにビーム輸送装置により治療室まで輸送する。そして、治療室にてビーム照射装置から患部に向けて荷電粒子ビームを照射する。荷電粒子ビームは、空気との散乱で失われてしまうため、患者の直前まで内部が真空状態に維持された真空ダクトを用いて輸送される。この荷電粒子ビームの照射方法の１つとして、細く絞ったスポットビームを照射目標である患部の立体形状に合わせて３次元的に塗り潰すように照射するスキャニング法がある。このスキャニング法の場合、荷電粒子ビームの進行方向に対する照射位置は、ビームエネルギーの調整で制御される。また、荷電粒子ビームの進行方向に対する垂直な面内の照射位置は、走査電磁石で荷電粒子ビームを偏向することで制御される。走査電磁石は、水平方向の制御用の走査電磁石と垂直方向の制御用の走査電磁石との２組で構成される。それぞれの電磁石は、直列または並列に配置され、荷電粒子ビームを進行方向に直交する２方向に走査する技術が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－１９６１４０号公報

【文献】特開２０１８－２０１６３号公報

【文献】特開２０１６－８３３４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

様々な部位および大きさの異なる患部に照射するため、照射可能な領域（照射野）は広く確保することが望ましい。この照射野を広く確保するためには、走査電磁石のコイルを荷電粒子ビームに近接させて磁場強度を上げることが望ましい。しかしながら、走査電磁石のコイルを荷電粒子ビームに近接させるために、走査電磁石のコイルの口径を小さくすると、真空ダクトと干渉してしまうおそれがある。また、走査電磁石のコイルと真空ダクトとの干渉を防ぐために、患者に近接する側の真空ダクトを排除または短くしてしまうと、荷電粒子ビームが空気と散乱し、出力が低下または失われるおそれがある。

【0005】

本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、荷電粒子ビームの空気による散乱を抑制しつつ、照射野を広く確保することができる荷電粒子ビーム照射技術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】

【0006】

本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置は、荷電粒子ビームの進行方向に直交する直交方向に前記荷電粒子ビームを偏向させる磁場を発生させる走査電磁石のコイルと、前記コイルを支持し、外部が真空状態ではなく、かつ内部の空気が吸引されることで前記内部が真空状態にされて前記荷電粒子ビームが通過する筒状を成す特定構造体と、を備え、前記特定構造体は、円筒形状を成す複数の部材で構成されており、前記複数の部材が、合成樹脂または非磁性材料で形成され、かつ前記荷電粒子ビームの通過空間を中心軸として同心円状を成すように配置されている。

【発明の効果】

【0007】

本発明の実施形態により、荷電粒子ビームの空気による散乱を抑制しつつ、照射野を広く確保することができる荷電粒子ビーム照射技術が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態の荷電粒子ビーム照射装置の構成を示す概念図。

【図2】特定構造体を示す断面図。

【図3】第２構造部材および第３構造部材を分割した状態を示す断面図。

【図4】第１コイルを示す平面図。

【図5】第１コイルを示す側面図。

【図6】第１コイルおよび第２コイルを示す平面図。

【図7】第１コイルおよび第２コイルを示す側面図。

【図8】冷却媒体循環装置の構成を示す概念図。

【図9】荷電粒子ビーム照射方法を示すフローチャート。

【図10】変形例の特定構造体を示す平面図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しながら、荷電粒子ビーム照射装置および荷電粒子ビーム照射方法の実施形態について詳細に説明する。

【0010】

図１の符号１は、本実施形態の荷電粒子ビーム照射装置である。この荷電粒子ビーム照射装置１は、荷電粒子、例えば、負パイ中間子、陽子、ヘリウムイオン、炭素イオン、ネオンイオン、シリコンイオン、またはアルゴンイオンを粒子ビーム源とする照射装置（照射システム）である。荷電粒子ビーム照射装置１は、例えば、荷電粒子ビームＢを患者の患部Ｐに照射して治療を行う治療装置として用いられる。患部Ｐとは、例えば、がんなどの病巣組織である。

【0011】

特に、炭素イオンなどの重粒子を用いた治療技術は、重粒子線がん治療技術などとも称される。がん病巣（患部Ｐ）を炭素イオンがピンポイントで狙い撃ちし、がん病巣にダメージを与えながら、正常細胞へのダメージを最小限に抑えることが可能とされる。なお、粒子線とは、放射線のなかでも電子より重いものと定義され、陽子線、重粒子線などが含まれる。このうち重粒子線は、ヘリウム原子より重いものと定義される。重粒子線を用いるがん治療では、従来のエックス線、ガンマ線、陽子線を用いたがん治療と比較して、患者の体の表面では放射線量が弱く、がん病巣において放射線量がピークになる特性を有している。そのため、照射回数と副作用を少なくすることができ、治療期間をより短くすることができる。

【0012】

このような治療装置には、患者が配置される治療室を構成する回転ガントリを備えるものがある。患者を固定した状態で、回転ガントリを回転させることで、患者に対して粒子線の照射方向を変更することができる。

【0013】

図１に示すように、本実施形態の荷電粒子ビーム照射装置１は、ビーム発生装置２とビーム加速装置３とビーム輸送装置４とビーム走査装置５と真空ダクト６と真空ポンプ７と位置モニタ８と線量モニタ９と制御装置１０と電源１１とを備える。

【0014】

ビーム発生装置２は、荷電粒子ビームＢを発生させる装置である。ビーム発生装置２としては、例えば、電磁波またはレーザーなどを用いて生成したイオンを引き出す装置などがある。

【0015】

ビーム加速装置３は、荷電粒子ビームＢを所定のエネルギーに加速する装置である。このビーム加速装置３は、例えば、前段加速装置と後段加速装置の２段で構成される。前段加速装置として線形加速器（ドリフトチューブリニアックＤＴＬまたは高周波四重極型線形加速器ＲＦＱ）、後段加速装置としてシンクロトロンまたはサイクロトロンで構成されるものがある。

【0016】

このビーム加速装置３は、荷電粒子ビームＢを電場によって加速する高周波加速空洞、ビームを安定的に誘導する偏向装置（二極電磁石）、ビーム集束・発散装置（四極電磁石）、ビーム軌道補正装置（ステアリング電磁石）などで構成される。なお、ビーム加速装置３は、真空ダクト６を構成する筒状の配管の一部を含んでも良い。

【0017】

ビーム輸送装置４は、ビーム加速装置３にて加速された荷電粒子ビームＢを被照射物である患者の患部Ｐに向けて輸送する装置である。偏向装置、ビーム集束・発散装置、ビーム軌道補正装置で構成される。なお、ビーム輸送装置４は、真空ダクト６を構成する筒状の配管の一部を含んでも良い。

【0018】

ビーム走査装置５は、ビーム輸送装置４の下流に設けられる。このビーム走査装置５は、ビーム輸送装置４を通過し、特定のエネルギーを有する荷電粒子ビームＢが、患者の患部Ｐの設定された照射野Ｆに正しく入射するように、荷電粒子ビームＢの軌道を調整する。さらに、患部Ｐにおける荷電粒子ビームＢの照射位置および照射線量を監視する。

【0019】

真空ダクト６は、複数の筒状の配管が一体的に接続され、その内部が真空状態に維持され、荷電粒子ビームＢの通過経路となる装置である。真空ダクト６の内部空間に荷電粒子ビームＢを通過させることで、荷電粒子ビームＢと空気との散乱によるビームロスを抑制している。この真空ダクト６は、ビーム発生装置２からビーム走査装置５まで続いている。

【0020】

真空ポンプ７は、真空ダクト６の内部の空気を吸引する。そして、真空ダクト６の内部が真空状態に保持される。

【0021】

ビーム走査装置５の荷電粒子ビームＢの出口側には、位置モニタ８および線量モニタ９が設けられている。位置モニタ８は、ビーム走査装置５を通過して患部Ｐに向かって出力される荷電粒子ビームＢの位置を検出する。そして、患部Ｐにおける荷電粒子ビームＢの入射位置の指標となる指標信号を出力する。線量モニタ９は、ビーム走査装置５を通過して患部Ｐに向かって出力される荷電粒子ビームＢの強度または線量を検出し、これに応じた電気信号を出力する。

【0022】

制御装置１０は、荷電粒子ビーム照射装置１を制御する。主に、ビーム発生装置２とビーム加速装置３とビーム輸送装置４とビーム走査装置５とを制御する。例えば、位置モニタ８および線量モニタ９の検出信号に基づいて、ビーム走査装置５を制御し、荷電粒子ビームＢの軌道を調整する制御を行う。

【0023】

電源１１は、ビーム発生装置２とビーム加速装置３とビーム輸送装置４とビーム走査装置５とに電力を供給する。なお、その他の機器に電力を供給しても良い。

【0024】

ビーム走査装置５には、荷電粒子ビームＢの入口側の端部に真空ダクト６が接続される。そして、ビーム走査装置５の内部には、この真空ダクト６を構成する部材とは別部材であって、ビーム走査装置５と一体的に設けられた真空部１２が設けられている。この真空部１２に荷電粒子ビームＢの通過空間Ｔ（図２参照）が形成されている。

【0025】

なお、真空ポンプ７により真空ダクト６の内部の空気が吸引されることで、真空部１２も真空状態に保持される。ビーム走査装置５において、荷電粒子ビームＢの出口側の端部は、ポリイミドの膜で塞がれている。この膜により荷電粒子ビームＢを通過可能な状態で真空部１２を真空状態に保持できる。

【0026】

次に、ビーム走査装置５について図２から図８を用いて詳細に説明する。なお、図２から図８において、荷電粒子ビームＢの進行方向をＺ軸方向とし、荷電粒子ビームＢの進行方向に直交する第１直交方向をＸ軸方向（水平方向）とし、荷電粒子ビームＢの進行方向および第１直交方向の双方に直交する第２直交方向をＹ軸方向（垂直方向）として説明する。

【0027】

図２に示すように、ビーム走査装置５は、荷電粒子ビームＢをＸ軸方向に偏向させる磁場を発生させる第１走査電磁石１３と、荷電粒子ビームＢをＹ軸方向に偏向させる磁場を発生させる第２走査電磁石１４とを備える。

【0028】

ビーム走査装置５が固定的に配置される場合には、第１走査電磁石１３が水平走査電磁石と称されるとともに、第２走査電磁石１４が垂直走査電磁石と称されることがある。なお、ビーム走査装置５が回転ガントリに配置される場合には、回転ガントリの回転とともにビーム走査装置５の向きが変わるため、Ｘ軸方向と水平方向、または、Ｙ軸方向と垂直方向が必ずしも一致しないことがある。

【0029】

第１走査電磁石１３は、励磁電流値を制御することで荷電粒子ビームＢの第１直交方向（Ｘ軸方向）の軌道調整を行う複数の第１コイル１５を備える。これらの第１コイル１５は、第１直交方向に荷電粒子ビームＢを偏向させる磁場を発生させる。

【0030】

第２走査電磁石１４は、励磁電流値を制御することで荷電粒子ビームＢの第２直交方向（Ｙ軸方向）の軌道調整を行う複数の第２コイル１６を備える。これらの第２コイル１６は、第２直交方向に荷電粒子ビームＢを偏向させる磁場を発生させる。

【0031】

なお、電源１１（図１参照）は、第１走査電磁石１３が備える第１コイル１５と、第２走査電磁石１４が備える第２コイル１６に対して、荷電粒子ビームＢの走査に必要な励磁電流を供給する。

【0032】

図２に示すように、ビーム走査装置５は、コイル１５，１６を支持し、かつ内部が真空状態にされて荷電粒子ビームＢが通過する円筒形状を成す特定構造体１７を備える。

【0033】

特定構造体１７は、最も内側に配置される第１構造部材１８と、この第１構造部材１８の外側に配置される第２構造部材１９と、この第２構造部材１９の外側に配置される第３構造部材２０とを備える。

【0034】

第１走査電磁石１３の第１コイル１５は、第１構造部材１８の外面に配置される。また、第２走査電磁石１４の第２コイル１６は、第２構造部材１９の外面に配置される。なお、第３構造部材２０は、特定構造体１７の外殻を形成している。

【0035】

さらに、特定構造体１７は、第１構造部材１８と第２構造部材１９との間に設けられ、第１コイル１５が配置される空間を確保する第１スペーサ部材２１と、第２構造部材１９と第３構造部材２０との間に設けられ、第２コイル１６が配置される空間を確保する第２スペーサ部材２２とを備える。

【0036】

特定構造体１７を構成するこれらの部材１８～２２は、それぞれが円筒形状（中空形状）を成すように形成されている。また、荷電粒子ビームＢの通過空間Ｔを中心軸Ｃとして同心円状（同軸）を成すように配置されている。

【0037】

これらの部材１８～２２は、合成樹脂または非磁性材料で形成されている。本実施形態では、渦電流が生じない材料、例えば、非磁性金属、ＦＲＰ（Fiber-Reinforced Plastic）などが用いられている。このようにすれば、特定構造体１７に渦電流が生じないようになり、渦電流による影響を荷電粒子ビームＢに与えずに済む。

【0038】

第１構造部材１８の内部には真空部１２が設けられている。この真空部１２に荷電粒子ビームＢの通過空間Ｔが確保される。なお、第１構造部材１８は、一体成形により形成された部材となっている。つまり、第１構造部材１８の全体に亘って接続部分および組み合わせ部分などが無いように製造される。

【0039】

この第１構造部材１８（特定構造体１７）における真空部１２を形成する内面全体は、継ぎ目のない所謂シームレス面となっている。つまり、第１構造部材１８の内周面は、その周方向および長手方向（荷電粒子ビームＢの進行方向）の全体に亘って一体的な平滑面となっている。このようにすれば、特定構造体１７の内部の真空部１２の気密性を高めて真空状態にすることができる。

【0040】

なお、第１構造部材１８の内周面は、一体的であれば良く、その内周面に、凸部、凹部、または段部があっても良い。また、第１スペーサ部材２１についても、一体的に形成された部材であっても良い。さらに、第１構造部材１８と第１スペーサ部材２１とが一体的に形成されても良い。

【0041】

第１走査電磁石１３は、第１構造部材１８の上方側（図２の紙面上側）に配置される３つの第１コイル１５のグループと、第１構造部材１８の下方側（図２の紙面下側）に配置される３つの第１コイル１５のグループとを備える。これら第１コイル１５のグループが上下一対を成している。つまり、第１コイル１５のグループ同士が第１構造部材１８を挟んで第１直交方向（Ｙ軸方向）に並んで配置されている。

【0042】

第２走査電磁石１４は、第２構造部材１９の右方側（図２の紙面右側）に配置される３つの第２コイル１６のグループと、第２構造部材１９の左方側（図２の紙面左側）に配置される３つの第２コイル１６のグループとを備える。これら第２コイル１６のグループが左右一対を成している。つまり、第２コイル１６のグループ同士が第２構造部材１９を挟んで第２直交方向（Ｘ軸方向）に並んで配置されている。

【0043】

図３に示すように、第２構造部材１９と第２スペーサ部材２２と第３構造部材２０とが、第２直交方向（Ｘ軸方向）に沿って互いに離れるように分割可能となっている。このようにすれば、特定構造体１７およびコイル１５，１６の組み立て作業または分解作業が行い易くなる。例えば、第１構造部材１８の外周側から第１コイル１５などを設置する作業が行い易くなる。従って、簡便に走査電磁石１３，１４の組み立て可能となり、製作性が向上する。

【0044】

本実施形態では、第２構造部材１９と第２スペーサ部材２２と第３構造部材２０とのそれぞれが、第２直交方向における中央部を境界として、２つに分割可能となっている。つまり、第２構造部材１９と第２スペーサ部材２２と第３構造部材２０とのそれぞれが、第１直交方向に平行な分割面を有する。なお、第２構造部材１９と第２スペーサ部材２２と第３構造部材２０とのぞれぞれは、分割されたもの同士を樹脂（接着剤）などで接着した構造となっている。また、第１構造部材１８は、第２構造部材１９のような分割面を有していない構造となっている。

【0045】

図４および図５に示すように、平面視において、最も小型の第１コイル１５の周囲を、中型の第１コイル１５が囲み、さらにその周囲を大型の第１コイル１５が囲んでいる。これらの３つで１グループを成す第１コイル１５は、第１構造部材１８の外面に沿って設けられた鞍型形状を成している。それぞれの第１コイル１５に励磁電流を流すことにより、Ｘ軸方向に荷電粒子ビームＢを偏向させるための磁場を発生させることができる。

【0046】

図６および図７に示すように、側面視において、最も小型の第２コイル１６の周囲を、中型の第２コイル１６が囲み、さらにその周囲を大型の第２コイル１６が囲んでいる。これらの３つで１グループを成す第２コイル１６は、第２構造部材１９の外面に沿って設けられた鞍型形状を成している。それぞれの第２コイル１６に励磁電流を流すことにより、Ｙ軸方向に荷電粒子ビームＢを偏向させるための磁場を発生させることができる。

【0047】

第１走査電磁石１３の第１コイル１５のグループと、第２走査電磁石１４の第２コイル１６のグループとが、特定構造体１７の長手方向において同じ位置に配置される。このようにすれば、特定構造体１７の長手方向に短寸なビーム走査装置５を形成することができる。つまり、第１コイル１５と第２コイル１６とを特定構造体１７を用いてコンパクトに配置することができる。

【0048】

ビーム走査装置５では、様々な部位および大きさの異なる患部Ｐに照射するため、照射野Ｆは広く確保することが望ましい。この照射野Ｆを広くするためには、それぞれのコイル１５，１６を荷電粒子ビームＢに近接させ、磁場強度を上げることが望ましい。一方、従来技術では、接近させ過ぎると真空ダクト６とコイル１５，１６を支持する部材とが干渉してしまう。

【0049】

本実施形態では、走査電磁石１３，１４の内径側に位置している特定構造体１７の内面がシームレスとなっているため、その内径側を真空状態にすることが可能となっている。また、ビーム走査装置５の内部の真空ダクト６を排し、ビーム走査装置５と真空部１２とを一体化することで、コイル１５，１６を荷電粒子ビームＢの通過空間Ｔに近接させることができる。さらに、真空部１２が患部Ｐの近傍まで設けられるため、荷電粒子ビームＢと空気との散乱によるビームロスを抑制することが可能となる。

【0050】

次に、コイル１５，１６の冷却態様について詳述する。図２に示すように、特定構造体１７の内部には、第１コイル１５を冷却する冷却媒体Ｍが流れる第１流路２３と、第２コイル１６を冷却する冷却媒体Ｍが流れる第２流路２４とが形成されている。

【0051】

第１流路２３および第２流路２４は、トンネル形状を成している。第１コイル１５および第２コイル１６は、環状を成す部材であるため、これらのコイル１５，１６に沿って流路２３，２４が設けられている。なお、第１流路２３および第２流路２４の少なくとも一部は、特定構造体１７の長手方向に沿って延びている。

【0052】

第１流路２３は、特定構造体１７における第１コイル１５が配置される部分に設けられている。つまり、第１流路２３の内部に第１コイル１５が配置されている。第１構造部材１８の外面および第２構造部材１９の内面には、第１流路２３を構成する凹部（溝）が形成されている。

【0053】

第１スペーサ部材２１には、第１流路２３を構成するスリットが形成されている。このようにすれば、第１構造部材１８と第２構造部材１９との間に第１コイルが配置される空間（第１流路２３）を確保することができる。また、第１流路２３の内部に第１コイル１５を配置させた状態で支持することができる。

【0054】

第２流路２４は、特定構造体１７における第２コイル１６が配置される部分に設けられている。つまり、第２流路２４の内部に第２コイル１６が配置されている。第２構造部材１９の外面および第３構造部材２０の内面には、第２流路２４を構成する凹部（溝）が形成されている。

【0055】

第２スペーサ部材２２には、第２流路２４を構成するスリットが形成されている。このようにすれば、第２構造部材１９と第３構造部材２０との間に第２コイルが配置される空間（第２流路２４）を確保することができる。また、第２流路２４の内部に第２コイル１６を配置させた状態で支持することができる。

【0056】

本実施形態では、流路２３，２４が特定構造体１７のコイルが配置される部分に設けられるため、コイル１５，１６を荷電粒子ビームＢの通過空間Ｔに近接させた状態でコイル１５，１６を冷却することができる。また、第１走査電磁石１３と第２走査電磁石１４と冷却媒体Ｍが流れる流路２３，２４とをコンパクトに配置することができる。

【0057】

図８に示すように、ビーム走査装置５は、流路２３，２４に冷却媒体Ｍを循環させるための冷却媒体循環装置としてのチラー２５を備える。冷却媒体Ｍは、流路２３，２４の一方の端部から導入され、他方の端部から排出される。

【0058】

特定構造体１７における荷電粒子ビームＢの出口側の端部には、流路２３，２４に冷却媒体Ｍを導入させるための導入用フランジ２６が取り付けられる。特定構造体１７における荷電粒子ビームＢの入口側の端部には、流路２３，２４から冷却媒体Ｍを排出させるための排出用フランジ２７が取り付けられる。

【0059】

チラー２５から導出される冷却媒体Ｍは、ストレーナー２８を介して導入用フランジ２６から流路２３，２４に導入される。そして、流路２３，２４から排出用フランジ２７を介して排出された冷却媒体Ｍが再びチラー２５に戻る。この冷却媒体Ｍの循環によりコイル１５，１６が冷却される。

【0060】

本実施形態では、冷却媒体Ｍとして水を例示する。なお、冷却媒体Ｍは、その他の液体または気体であっても良い。第１構造部材１８（特定構造体１７）における真空部１２を形成する内面全体は、継ぎ目のない所謂シームレス面となっているため、真空部１２が真空状態になっても、真空部１２に冷却媒体Ｍが漏れ出すことがない。

【0061】

また、コイル１５，１６が流路２３，２４を流れる冷却媒体Ｍに含浸される。このようにすれば、コイル１５，１６が冷却媒体Ｍに直接接触されるため、コイル１５，１６を効率的に冷却させることができる。

【0062】

本実施形態のコイル１５，１６は、リッツ線を巻き回して形成されたものである。なお、リッツ線とは、エナメルなどの絶縁材で絶縁された細い導体を複数本撚り合わせて構成された線材である。このようにすれば、コイル１５，１６に渦電流が生じ難くなり、渦電流による影響を荷電粒子ビームＢに与えないようにできる。また、コイル１５，１６の表面積を増大させることができるため、コイル１５，１６が冷却媒体Ｍに含浸されたときに、冷却効率を向上させることができる。

【0063】

従来、加速器用磁石に用いられるコイルには、一般にホローコンダクターと呼ばれる一辺が数ミリ程度の矩形断面で中空の導体が用いられている。このホローコンダクターの中心部には、冷却水を通水することが可能となっている。このホローコンダクターを用いた場合には、荷電粒子ビームＢを走査するためにホローコンダクターに流れる電流値を変化させると、自身が発生した磁場によってホローコンダクター内に渦電流が発生し、磁場が乱れてしまう。

【0064】

本実施形態では、コイル１５，１６の線材としてリッツ線を用いることにより、細い導体（素線）内を流れる渦電流のループが小さくなるため、磁場が乱れてしまうことがなく、磁場精度が向上する。

【0065】

なお、ホローコンダクターのような冷却配管の周囲にリッツ線を配置した場合を仮定すると、細い素線と冷却配管とが接触された部分のみから熱伝導が成される。ここで、巻きほぐれなどに起因して、素線と冷却配管との間に接触が不十分な箇所があった場合に、異常な温度上昇を引き起こし、焼損のリスクが発生する。そこで、本実施形態では、特定構造体１７の内部に設けられる流路２３，２４に冷却媒体Ｍを流し、リッツ線のコイル１５，１６を冷却媒体Ｍに浸漬させることで、全ての素線を冷却媒体Ｍに接触させることができる。このようにすれば、冷却不備を抑制できる。なお、リッツ線を樹脂に含浸させて、その外表面に冷却媒体Ｍを接触させる間接冷却としても良い。

【0066】

次に、荷電粒子ビーム照射装置１が実行する荷電粒子ビーム照射方法について図９のフローチャートを用いて説明する。この荷電粒子ビーム照射装置１の動作によって受動的に生じる作用を含めて説明する。なお、前述の図１から図８を適宜参照する。

【0067】

図９に示すように、まず、ステップＳ１１において、制御装置１０は、真空ダクト制御処理を実行する。ここで、制御装置１０は、真空ポンプ７を制御して真空ダクト６の内部を真空状態に保持する。なお、特定構造体１７の真空部１２の内部も真空状態に保持される。

【0068】

次のステップＳ１２において、制御装置１０は、ビーム発生制御処理を実行する。ここで、制御装置１０は、ビーム発生装置２を制御して荷電粒子ビームＢを発生させる。発生した荷電粒子ビームＢは、真空ダクト６に沿って移動される。

【0069】

次のステップＳ１３において、制御装置１０は、ビーム加速制御処理を実行する。ここで、制御装置１０は、ビーム加速装置３を制御して荷電粒子ビームＢを所定のエネルギーに加速する。

【0070】

次のステップＳ１４において、制御装置１０は、ビーム輸送制御処理を実行する。ここで、制御装置１０は、ビーム輸送装置４を制御して荷電粒子ビームＢを患者の患部Ｐまで輸送する。

【0071】

次のステップＳ１５において、制御装置１０は、ビーム走査制御処理を実行する。ここで、制御装置１０は、ビーム走査装置５を制御して荷電粒子ビームＢの軌道を調整する。この制御装置１０は、走査電磁石１３，１４のコイル１５，１６により磁場を発生させる。

【0072】

そして、特定構造体１７の真空部１２の内部を荷電粒子ビームＢが通過するときに、コイル１５，１６により生じる磁場によって、荷電粒子ビームＢが第１直交方向または第２直交方向に偏向される。このように、荷電粒子ビームＢの軌道が制御されることで、荷電粒子ビームＢが患者の患部Ｐの設定された照射野Ｆに正しく入射するようになる。

【0073】

本実施形態の制御装置１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤなどのハードウェア資源を有し、ＣＰＵが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。さらに、本実施形態の荷電粒子ビーム照射方法は、プログラムをコンピュータに実行させることで実現される。

【0074】

なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。

【0075】

次に、変形例の特定構造体１７Ａについて説明する。図１０に示すように、変形例の第１構造部材１８Ａは、荷電粒子ビームＢの進行方向（Ｚ軸方向）に従って直径が連続的に大きくなる形状となっている。なお、第１構造部材１８Ａの真空部１２の内径（口径）についても、荷電粒子ビームＢの進行方向（Ｚ軸方向）に従って直径が連続的に大きくなっている。第１構造部材１８Ａの外面に沿って設けられる第１走査電磁石１３Ａの第１コイル１５Ａは、第１構造部材１８Ａの直径が大きくなるに連れて拡大される形状となっている。

【0076】

なお、図示は省略するが、変形例の第２構造部材１９についても、荷電粒子ビームＢの進行方向（Ｚ軸方向）に従って直径が連続的に大きくなる形状となっている。第２コイル１６についても、第２構造部材１９の直径が大きくなるに連れて拡大される形状となっている。

【0077】

変形例では、荷電粒子ビームＢが走査される前である特定構造体１７Ａの上流側において内径は小さくなっている。荷電粒子ビームＢが走査されて広がった状態となる下流側では、ビーム軌道に沿って内径が大きくなっている。このようにすれば、特定構造体１７Ａの内面に荷電粒子ビームＢに衝突させることなく、コイル１５Ａを近接させることが可能となり、照射野Ｆを広く確保することができる。つまり、荷電粒子ビームＢの偏向の揺れ幅を大きくしても、荷電粒子ビームＢが特定構造体１７Ａに干渉しないようにできる。

【0078】

なお、本実施形態では、第１走査電磁石１３の第１コイル１５を第１構造部材１８の外面に配置し、第２走査電磁石１４の第２コイル１６を第２構造部材１９の外面に配置しているが、その他の態様であっても良い。例えば、第２走査電磁石１４の第２コイル１６を第１構造部材１８の外面に配置し、第１走査電磁石１３の第１コイル１５を第２構造部材１９の外面に配置しても良い。

【0079】

なお、本実施形態において、第１走査電磁石１３または第２走査電磁石１４の外側にヨークを設けても良い。ヨークを設けることにより、荷電粒子ビームＢに強い磁場を作用させられるとともに、外部に磁場が漏れるのを抑制することができる。

【0080】

なお、本実施形態では、３つの第１コイル１５のグループが上下一対を成し、３つの第２コイル１６のグループが左右一対を成している。つまり、コイル１５，１６が３つずつ１グループを成しているが、その他の態様であっても良い。例えば、１つずつ、２つずつ、４つずつ、またはそれ以上の個数で１グループを成すようにコイル１５，１６を設けても良い。

【0081】

なお、本実施形態では、コイル１５，１６が、冷却媒体Ｍが流れる流路２３，２４に設けられているが、その他の態様であっても良い。例えば、コイル１５，１６が配置される部分と冷却媒体Ｍが流れる流路２３，２４とを別個に設けても良い。

【0082】

以上説明した実施形態によれば、コイルを支持し、かつ内部が真空状態にされて荷電粒子ビームが通過する筒状を成す特定構造体を備えることにより、荷電粒子ビームの空気による散乱を抑制しつつ、照射野を広く確保することができる。

【0083】

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る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

【符号の説明】

【0084】

１…荷電粒子ビーム照射装置、２…ビーム発生装置、３…ビーム加速装置、４…ビーム輸送装置、５…ビーム走査装置、６…真空ダクト、７…真空ポンプ、８…位置モニタ、９…線量モニタ、１０…制御装置、１１…電源、１２…真空部、１３（１３Ａ）…第１走査電磁石、１４…第２走査電磁石、１５（１５Ａ）…第１コイル、１６…第２コイル、１７（１７Ａ）…特定構造体、１８（１８Ａ）…第１構造部材、１９…第２構造部材、２０…第３構造部材、２１…第１スペーサ部材、２２…第２スペーサ部材、２３…第１流路、２４…第２流路、２５…チラー、２６…導入用フランジ、２７…排出用フランジ、２８…ストレーナー、Ｂ…荷電粒子ビーム、Ｃ…中心軸、Ｆ…照射野、Ｍ…冷却媒体、Ｐ…患部、Ｔ…通過空間。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】