JP5914130B2

JP5914130B2 - シンクロトロンおよび粒子線治療装置

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Inventors: 文章野田; 貴啓山田; 平本　和夫; 和夫平本
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Description

本発明はシンクロトロンの小型化に好適な機器の配置とそれを用いたシンクロトロン、及び当該シンクロトロンを用いた粒子線治療システムに関する。

近年の高齢化社会を反映し、がん治療法の一つとして、体に負担が少なく、治療後の生活の質が高く維持できる放射線治療が注目されている。その中でも、シンクロトロンで加速した陽子や炭素などの荷電粒子ビームを用いた粒子線治療システムが、患部への優れた線量集中性のため特に有望視されている。粒子線治療システムはシンクロトロンにビームを供給する入射器と荷電粒子ビームを光速近くまで加速するシンクロトロンと、シンクロトロンから取り出した荷電粒子ビームを患部の位置や形状に合わせて患者に照射する照射装置を備える。粒子線治療システムの普及を進めるうえでこれらの装置の小型化・低コスト化が望まれている。

前記シンクロトロンからビームを取り出す方法の一つに遅い取り出し法（共鳴取り出し法）と呼ばれる取り出し方法がある。遅い取り出し法を用いれば、荷電粒子ビームがシンクロトロンを１周する間にすべてのビームを取り出す速い取り出し法と異なり、複数周にわたってゆっくりと荷電粒子ビームを取り出すことができる。取り出したビームは粒子線治療や物理学実験で主に利用される。

図４に従来のシンクロトロンの１番目の例を示す。シンクロトロン２００は前段加速器１０１で事前に加速されたビームを入射するための入射用偏向装置２０１（ＳＭ，ＥＳＩ），入射したビームを偏向して周回させるための偏向電磁石２０２（ＢＭ），ビームを安定に周回させ、かつビームサイズの増大を防ぐため、水平方向にビームを収束させる収束用四極電磁石２０３（ＱＦ），水平方向にビームを発散させる発散用四極電磁石２０４（ＱＤ），ビームを加速・減速する高周波加速空胴２０５（ＲＦ−Cavity），遅い取り出しを行う際にビーム振動（ベータトロン振動）の安定限界を形成するための共鳴励起用多極電磁石２０６（ＳＸＦｒ，ＳＸＤｒ；図４中には１台のみ記載），ビーム振動振幅を増大させ安定限界を超えさせるための出射用高周波装置２０７（ＲＦ−ＫＯ），加速・減速したビームを照射装置に導くためにビーム軌道を偏向しシンクロトロンからビームを取り出すための第１出射用偏向器２０８（ＥＳＤ），第２出射用偏向器２０９（ＳＭ１）を備える。

このシンクロトロンから遅い取り出し方法でビームを取り出す際、共鳴励起用多極電磁石２０６により共鳴を励起し、安定周回限界（セパラトリックス）を形成し、出射用高周波装置２０７によりビームの振幅を増大させ前記安定周回限界の外側にビームを導く。安定周回限界の外側に導かれたビームはさらに振幅を増し、第１出射用偏向器２０８に入る。第１出射用偏向器２０８に入った出射ビームは周回ビームから遠ざける方向に偏向される。第１出射用偏向器２０８で偏向された荷電粒子ビームは、下流の発散用四極電磁石２０４によって、さらに水平方向外側に偏向される。発散用四極電磁石２０４で水平方向外側に偏向された荷電粒子ビームは偏向電磁石２０２を通過し、下流の収束用四極電磁石２０３で一旦水平方向内側に偏向され、第２出射用偏向器２０９でさらに水平方向外側に偏向され、出射される。

特開平１０−１６２９９９号公報

"DESIGN OF SYNCHROTRON AT NIRS FOR CARBON THERAPY FACILITY"，Proceedings of APAC 2004, p420-422, Gyeongju, Korea "A NOVEL PROTON AND LIGHT ION SYNCHROTRON FOR PARTICLETHERAPY"，Proceedings of EPAC 2006, p2305-2307 Edinburgh, Scotland "LATTICE DESIGN OF A CARBON-ION SYNCHROTRON FOR CANCERTHERAPY"，Proceedings of EPAC 2008, p1803-1805, Genoa, Italy

図４〜図６に非特許文献１〜３に記載のシンクロトロンの主要機器配置を示す。図４はすでに従来技術として説明したとおりである。図４に記載のシンクロトロンに限らず、図５，図６いずれのシンクロトロンも第１出射用偏向器２０８（非特許文献１，３ではＥＳＤ、非特許文献２ではＳＳ２と記載）と第２出射用偏向器２０９（非特許文献１，３ではＳＭ１、非特許文献２ではＳＳ４と記載）の間に、ビームサイズの増大を防ぐために収束用四極電磁石２０３，発散用四極電磁石２０４を複数台配置している。これらの場合、機器数が多いことからシンクロトロンの小型化に限界があった。また第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９の間に配置された収束用四極電磁石２０３によって出射ビームが水平方向内側に蹴り戻される（周回ビーム側に偏向される）ため、それを補うために第１出射用偏向器２０８の偏向角を大きくする必要がある。第１出射用偏向器２０８はビームロスを低減するため静電デフレクタ（electrostatic deflector（ＥＳＤ），非特許文献２ではelectrostatic extraction septumと記載）と呼ばれる装置が使用される。静電デフレクタの単位長さ当たりの偏向角を大きくするには電界強度を上げる必要がある。しかし、電界強度は放電を避けるため限界があるそのため、高エネルギーの陽子やヘリウム以上の荷電粒子ビームをシンクロトロンから取り出す際には、必要な偏向角を得るため周長方向に長い静電デフレクタが必要となり、シンクロトロンの小型化を妨げる要因であった。これらの課題を解決する発明として特許文献１では図７に示すように第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９の間に設置する偏向電磁石の入口側，出口側に発散用四極電磁石２０４を設置する例が記載されている。この場合、四極電磁石の台数が増えるため、小型化に限界があった。本特許文献には偏向電磁石を分割して中央に収束用四極電磁石２０３を設置し、分割した偏向電磁石の上流側電磁石の入口側と下流側電磁石の出口側に発散用四極電磁石２０４を設置する例が記載されているが、この場合も機器数が増加するため小型化には不利であった。本発明の目的はビームサイズの増大を抑制しつつ、四極電磁石の台数を削減し、かつ出射用偏向機器の長さ方向寸法を短くすることによりシンクロトロンを小型化することにある。また、当該シンクロトロンを用いた粒子線治療システムを提供することにある。

本発明の特徴は、第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９の間に複数台の偏向電磁石２０２と１台の第１の四極電磁石２０４を配置し、前記１台の四極電磁石２０４は前記複数台の偏向電磁石間に配置し、第１出射用偏向器２０８の入口側（上流側）第２の四極電磁石２０３を配置し、第２出射用偏向器２０９の出口側（下流側）に第２の四極電磁石２０３を配置したことにある。

本発明によれば、第１出射用偏向器２０８，第２出射用偏向器２０９間に複数台の偏向電磁石を設置し、その偏向電磁石間に四極電磁石を１台設置するとともに、第１出射用偏向器２０８の入口側、第２出射用偏向器２０９の出口側に四極電磁石を配置することで、ビームサイズの増大を抑えながら、第１出射用偏向器２０８，第２出射用偏向器２０９間の四極電磁石の台数を削減できる。これにより機器設置スペースを削減できる。

また、第１出射用偏向器２０８，第２出射用偏向器２０９間に配置した複数台の偏向電磁石間に配置する１台の四極電磁石を発散用四極電磁石、第１出射用偏向器２０８の入口側、第２出射用偏向器２０９の出口側に配置する四極電磁石を収束用四極電磁石とすることで、出射ビームを水平方向外側に偏向する作用を付加でき、かつ第１出射用偏向器２０８によって偏向された出射ビームが四極電磁石によって周回ビーム側に蹴り戻される作用がないため、第１出射用偏向器２０８の蹴り角を小さくできるとともに、第２出射用偏向器２０９への入射角を大きくできる。すなわち四極電磁石の削減と第１出射用偏向器２０８，第２出射用偏向器２０９の小型化が図れ、結果としてシンクロトロンの小型化が実現できる。

この発明の好適な一実施形態である実施例１のシンクロトロンの構成を示した図である。この発明の他の一実施形態である実施例２のシンクロトロンの構成を示した図である。この発明の他の一実施形態である実施例３のシンクロトロンの構成を示した図である。従来技術の第１の例であるシンクロトロンの構成を示した図である。従来技術の第２の例であるシンクロトロンの構成を示した図である。従来技術の第３の例であるシンクロトロンの構成を示した図である。従来技術の第４の例であるシンクロトロンの構成を示した図である。

本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。

以下、図１を用いて、本発明の第１の実施形態によるシンクロトロンの構成について説明する。

粒子線治療システムは、入射に適したエネルギーまで荷電粒子ビーム（以下、ビーム）を加速する前段加速器と加速したビームを輸送する輸送系から構成されるビーム入射系１００と、入射されたビームを所望のエネルギーまで加速するシンクロトロン２００と、加速後、取り出したビームを照射対象までは輸送し、照射対象に照射（出射）するビーム輸送系・照射系３００と、制御装置と、中央制御装置４００を備える。制御装置は、ビーム入射系１００，シンクロトロン２００，ビーム輸送系・照射系３００を制御する制御系（入射系制御装置１１０，シンクロトロン制御装置２１０，ビーム輸送系・照射系制御装置３１０）である。入射系制御装置１１０は、ビーム入射系電源１００ａを介してビーム入射系１００を制御する。シンクロトロン制御装置２１０は、シンクロトロン電源２０１ａ〜２０９ａを介してシンクロトロン２００を制御する。ビーム輸送系・照射系制御装置３１０は、ビーム輸送系・照射系電源３００ａを介してビーム輸送系・照射系３００を制御する。中央制御装置４００は、粒子線治療システム全体を制御する機能を有する。

シンクロトロン２００は、ビームを入射する入射用偏向装置２０１、入射したビームを偏向する偏向電磁石２０２、ビームを収束させる収束用四極電磁石２０３，ビームを発散させる発散用四極電磁石２０４、ビームを加速・減速する高周波加速空胴２０５、ビーム振動（ベータトロン振動）の安定限界（セパラトリックス）を形成するための共鳴励起用多極電磁石２０６、ビーム振動振幅を増大させ安定限界を超えさせるための出射用高周波装置２０７、ビーム軌道を偏向しシンクロトロンからビームを取り出すための第１出射用偏向器２０８，第２出射用偏向器２０９を備える。

シンクロトロンから遅い取り出し方法でビームを取り出す方法の一つとして拡散共鳴取り出しという方法がある。拡散共鳴取り出しでは、共鳴励起用多極電磁石２０６により共鳴を励起し、安定周回限界（セパラトリックス）を形成し、出射用高周波装置２０７によりビームの振幅を増大させ前記安定周回限界の外側にビームを導く。安定周回限界の外側に導かれたビームはさらに振幅を増し、第１出射用偏向器２０８に入る。第１出射用偏向器２０８は周回ビームと出射ビームを切り分ける作用を持つため、できるだけセプタム厚を薄くし、ビームロスを低減する必要がある。そのため本実施例１では第１出射用偏向器２０８として静電デフレクタを用いる。本実施例では、少ない偏向角で効果的に第２出射用偏向器２０９の入口で周回ビームと出射ビームのセパレーションを確保できるように、第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９との間に２台の偏向電磁石２０２と１台の発散用四極電磁石２０４（第１の四極電磁石）を配置する。この発散用四極電磁石２０４は周回ビームのビームサイズを抑えるため、前記２台の偏向電磁石２０２の間に設置するとともに、収束用四極電磁石２０３を第１出射用偏向器２０８の上流側と第２出射用偏向器２０９の下流側（周回ビームの軌道上）に設置する。

本実施例では、第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９の間に複数台の偏向電磁石２０２を設置し、この偏向電磁石２０２のうち、いずれか２つの偏向電磁石２０２の間に四極電磁石２０４を１台設置するとともに、第１出射用偏向器２０８の上流側に四極電磁石２０３（第２の四極電磁石）を配置（つまり、シンクロトロン内を周回するビームの進行方向の上流側から順番に第２の四極電磁石２０３，第１出射用偏向器２０８を配置）し、第２出射用偏向器２０９の下流側に四極電磁石２０３（第３の四極電磁石）を配置（つまり、シンクロトロン内を周回するビームの進行方向の上流側から順番に第２出射用偏向器２０９，第３の四極電磁石２０３を配置）している。このような構成にすることによって、ビームサイズの増大を抑えながら、第１出射用偏向器２０８，第２出射用偏向器２０９間の四極電磁石の台数を削減できる。これにより機器設置スペースを削減できる。

本実施例では、第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９間に配置した複数台の偏向電磁石２０２の間に配置する１台の四極電磁石を発散用四極電磁石２０４として、第１出射用偏向器２０８の上流側に配置する四極電磁石を収束用四極電磁石２０３とし、第２出射用偏向器２０９の下流側に配置する四極電磁石を収束用四極電磁石２０３とする。このような構成にすることによって、出射ビームを水平方向外側に偏向する作用を付加でき、かつ第１出射用偏向器２０８によって偏向された出射ビームが四極電磁石によって周回ビーム側に蹴り戻される作用がないため、第１出射用偏向器２０８の蹴り角を小さくできるとともに、第２出射用偏向器２０９への入射角を大きくできる。すなわち四極電磁石の削減と第１出射用偏向器２０８，第２出射用偏向器２０９の小型化が図れ、結果としてシンクロトロンの小型化を実現することができる。

本実施例では収束用四極電磁石２０３（第１出射用偏向器２０８の上流側に配置）−発散用四極電磁石２０４（第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９の間に配置）の間隔と発散用四極電磁石２０４（第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９の間に配置）−収束用四極電磁石２０３（第２出射用偏向器２０９の下流側に配置）の間隔を同じにすることができる。この間隔に大きな違いがある場合、一般的に四極電磁石間隔の長い領域でビームサイズが大きくなる。本実施例の場合、この四極電磁石間隔を同じにすることで、ビームサイズの増大を抑えながら、第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９間に設置する四極電磁石の台数を削減でき、設置場所を削減できる。また第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９間に設置する四極電磁石を発散用四極電磁石２０４とすることで、出射ビームを水平方向外側に偏向する作用を付加できるとともに、第１出射用偏向器２０８によって偏向された出射ビームが四極電磁石によって周回ビーム側に蹴り戻される作用がないため、第１出射用偏向器２０８の蹴り角を小さくできるとともに、第２出射用偏向器２０９への入射角を大きくできる。

以上により、四極電磁石の削減と第１出射用偏向器２０８，第２出射用偏向器２０９の小型化が図れ、結果としてシンクロトロンの小型化が実現できる。

本実施例では遅い取り出し方法として、拡散共鳴取り出し法を用いた例を示したが、他にもセパラトリックスの大きさを変化させて取り出す方法，ベータトロンコアと呼ばれる装置を用いる方法（非特許文献３参照），散乱体にビームを当てることでビームを偏向させる方法等があるが、これらは第１出射用偏向器２０８にビームを導くための手段であって、どの方法であっても本発明は同様の効果を得ることができる。

また本実施例では収束用四極電磁石２０３（第１出射用偏向器２０８の上流側に配置）−発散用四極電磁石２０４（第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９の間に配置）の間隔と発散用四極電磁石２０４（第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９の間に配置）−収束用四極電磁石２０３（第２出射用偏向器２０９の下流側に配置）の間隔を同じとしたが、完全に一致させる必要はなく、ビームサイズの増大が許容できる範囲で異なってもよい。

以下、図２を用いて、本発明の第２の実施形態によるシンクロトロンの構成について説明する。

本実施例のシンクロトロンは、実施例１のシンクロトロンにおいて、第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９との間に設置された偏向電磁石２０２、第１の四極電磁石２０４及び偏向電磁石２０２を、３台の偏向電磁石２０２と１台の発散用四極電磁石２０４（第１の四極電磁石）に置き換えた構成を有する。つまり、本実施例では第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９との間に３台の偏向電磁石２０２と１台の発散用四極電磁石２０４を配置する。周回ビームのビームサイズの増大を抑えるため、この発散用四極電磁石２０４は、前記３台の偏向電磁石のうち、シンクロトロン内を周回するビームの進行方向の上流側から１台目の偏向電磁石と２台目の偏向電磁石の間に設置するとともに、第１出射用偏向器２０８の上流側に四極電磁石２０３（第２の四極電磁石）を配置（つまり、シンクロトロン内を周回するビームの進行方向の上流側から順番に第２の四極電磁石２０３，第１出射用偏向器２０８を配置）し、第２出射用偏向器２０９の下流側に四極電磁石２０３（第３の四極電磁石）を配置（つまり、シンクロトロン内を周回するビームの進行方向の上流側から順番に第２出射用偏向器２０９，第３の四極電磁石２０３を配置）する構成を備える。

本実施例では、前記３台の偏向電磁石２０２の１台目の入口側（上流側）（もしくは、３台目の出口側（下流側））に発散用四極電磁石を配置した場合と比較して、収束用四極電磁石２０３（第１出射用偏向器２０８の上流側に配置）−発散用四極電磁石２０４（第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９の間に配置）の間隔と発散用四極電磁石２０４（第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９の間に配置）−収束用四極電磁石２０３（第２出射用偏向器２０９の下流側に配置）の間隔の違いを小さくできる。これによりビームサイズの増大を抑えながら、第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９間に設置する四極電磁石の台数を削減でき、設置場所を削減できる。また第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９間に設置する四極電磁石を発散用四極電磁石２０４としたことで、出射ビームを外側に偏向する作用を付加できるとともに、第１出射用偏向器２０８によって偏向された出射ビームが四極電磁石によって周回ビーム側に蹴り戻される作用がないため、第１出射用偏向器２０８の蹴り角を小さくできるとともに、第２出射用偏向器２０９への入射角を大きくできる。

以上の効果により、四極電磁石の削減と第１出射用偏向器２０８，第２出射用偏向器２０９の小型化が図れ、結果としてシンクロトロンの小型化が実現できる。

本実施例では第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９との間に配置する１台の発散用四極電磁石２０４を前記３台の偏向電磁石２０２の１台目と２台目の間に配置したが、前記３台の偏向電磁石の２台目と３台目の間に配置してもよい。

以下、図３を用いて、本発明の第３の実施形態によるシンクロトロンの構成について説明する。

本実施例のシンクロトロンは、実施例１のシンクロトロンにおいて、第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９との間に設置された偏向電磁石２０２、第１の四極電磁石２０４及び偏向電磁石２０２を、偏向電磁石と発散用四極電磁石の機能を結合した機能結合型変更電磁石（ｎインデックス付き電磁石）２０２ＣＢに置き換えた構成を有する。

本実施例では、機能結合型変更電磁石２０２ＣＢの発散用四極機能により、出射ビームを外側に偏向する作用を不可できるとともに、第１出射用偏向器２０７によって偏向された出射ビームが四極電磁石によって周回ビーム側に蹴り戻される作用がないため、第１出射用偏向器２０８の蹴り角を小さくできるとともに、第２出射用偏向器２０９への入射角を大きくできる。

以上の効果により、四極電磁石の更なる削減と第１出射用偏向器２０８、第２出射用偏向器２０９の小型化が図れ、結果としてシンクロトロンの小型化が実現できる。

本実施例では、第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９の間に機能結合型偏向電磁石２０２ＣＢを配置している。この機能結合型偏向電磁石２０２ＣＢの代わりに、例えば、第１出射用偏向器２０８と第２出射用偏向器２０９の間に機能結合型偏向電磁石と偏向電磁石を配置しても良い。このような変形例においても、実施例３と同様の効果を得ることができる。

１００ビーム入射系
１００ａビーム入射系機器電源
１１０ビーム入射系制御装置
２００シンクロトロン
２０１入射用偏向装置
２０１ａ入射用偏向装置用電源
２０２偏向電磁石
２０２ａ偏向電磁石用電源
２０２ＣＢ機能結合型偏向電磁石
２０２ＣＢａ機能結合型偏向電磁石用電源
２０３収束用四極電磁石
２０３ａ収束用四極電磁石用電源
２０４発散用四極電磁石
２０４ａ発散用四極電磁石用電源
２０５高周波加速空胴
２０５ａ高周波加速空胴用電源
２０６共鳴励起用多極電磁石
２０６ａ共鳴励起用多極電磁石用電源
２０７出射用高周波装置
２０７ａ出射用高周波装置用電源
２０８第１出射用偏向器
２０８ａ第１出射用偏向器用電源
２０９第２出射用偏向器
２０９ａ第２出射用偏向器用電源
２１０シンクロトロン制御装置
３００ビーム輸送系・照射系
３００ａビーム輸送・照射機器電源
３１０ビーム輸送系・照射系制御装置
４００中央制御装置

Claims

周回する荷電粒子ビームを加速・減速するシンクロトロンであって、
前記シンクロトロンは、加速又は減速した前記荷電粒子ビームを取り出すための第１出射用偏向器及び第２出射用偏向器を備え、
前記第１出射用偏向器と前記第２出射用偏向器の間に複数の偏向電磁石と１台の第１の四極電磁石を有し、
当該四極電磁石は前記複数のいずれかの偏向電磁石の間に設置され、
前記荷電粒子ビームの周回軌道上であって、前記第１出射用偏向器よりもビーム進行方向の上流側に配置される第２の四極電磁石と、
前記荷電粒子ビームの周回軌道上であって、前記第２出射用偏向器よりもビーム進行方向の下流側に配置される第３の四極電磁石を備え、
前記第１の四極電磁石を発散用四極電磁石とし、
前記第２の四極電磁石及び前記第３の四極電磁石を収束用四極電磁石としたことを特徴とするシンクロトロン。
前記第１出射用偏向器と前記第２出射用偏向器の間に配置される複数の偏向電磁石が、第１偏向電磁石と第２偏向電磁石であり、前記ビーム進行方向の上流側から順に、前記第
１偏向電磁石、前記第１の四極電磁石、前記第２偏向電磁石を配置することを特徴とする請求項１に記載のシンクロトロン。
前記第１出射用偏向器と前記第２出射用偏向器の間に配置される複数の偏向電磁石が、第１偏向電磁石、第２偏向電磁石及び第３偏向電磁石であり、前記ビーム進行方向の上流側から順に、前記第１偏向電磁石、前記第１の四極電磁石、前記第２偏向電磁石、第３偏向電磁石を配置することを特徴とする請求項１に記載のシンクロトロン。
前記第１出射用偏向器と前記第２出射用偏向器の間に配置される複数の偏向電磁石が、第１偏向電磁石、第２偏向電磁石及び第３偏向電磁石であり、前記ビーム進行方向の上流側から順に、前記第１偏向電磁石、前記第２偏向電磁石、前記第１の四極電磁石、第３偏向電磁石を配置することを特徴とする請求項１に記載のシンクロトロン。
前記第１出射用偏向器と前記第２出射用偏向器の間に設置された前記偏向電磁石及び前記第１の四極電磁石のかわりに、偏向電磁石及び発散用四極電磁石の機能をあわせもつ機能結合型偏向電磁石を設置したことを特徴とする請求項１に記載のシンクロトロン。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシンクロトロンと、
前記シンクロトロンから出射された前記荷電粒子ビームを照射対象まで輸送し、前記照射対象に出射するビーム輸送系・照射系を備えることを特徴とする粒子線治療システム。