JP7440191B2 - 荷電粒子ビーム偏向装置および粒子線治療システム - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビーム偏向装置および粒子線治療システムに関し、特に、磁場によって荷電粒子ビームを偏向させる技術に関する。

陽子線や炭素イオン線等の荷電粒子ビームを患部に照射する粒子線治療が広く行われている。粒子線治療を行う粒子線治療システムでは、加速器によって必要なエネルギーを有するまで加速された荷電粒子に基づく荷電粒子ビームが、ビーム輸送装置によって照射ノズルまで輸送され、照射ノズルから患部に照射される。

粒子線治療では、荷電粒子ビームの照射位置を変更しながら患部に照射するスキャニング照射が行われることがある。スキャニング照射では、荷電粒子ビームのエネルギーを変更することで荷電粒子ビームの照射位置の深さが変更される。また、荷電粒子ビームを横切る方向の磁場を発生させて荷電粒子ビームを偏向させることで、深さ方向に垂直な面内における照射位置が変更される。そのため、加速器には、荷電粒子ビームのエネルギーを制御する装置が備えられ、照射ノズルには、荷電粒子ビームを横切る磁場を発生させる走査電磁石が備えられる。

以下の特許文献１には、二次元的に荷電粒子ビームを走査する走査電磁石が記載されている。この走査電磁石では、２系統のコイルによって磁場が制御され、荷電粒子ビームが偏向する。２系統のコイルのそれぞれは、各コイルに対して個別に設けられた電源に接続されている。

特開２０２０－４１９７１号公報

一般に、荷電粒子ビームを迅速に走査させようとする程、走査電磁石に印加する電圧および走査電磁石に流す電流は大きくなる。したがって、荷電粒子ビームの照射位置を迅速に変更し、荷電粒子ビームの応答性を良好にするためには、供給可能な電力が大きい電源が必要となる。近年では、比較的小さい建造物内に粒子線治療システムを設置する必要性が高まっており、粒子線治療システムに用いられる走査電磁石およびその周辺装置の構成を単純化し小型化することが望まれている。

本発明の目的は、荷電粒子ビームを偏向させる荷電粒子ビーム偏向装置の構成を単純化することである。

本発明は、荷電粒子ビームを偏向させる荷電粒子ビーム偏向装置であって、一端が共通に接続され、異なる方向の磁場を発生する第１コイルおよび第２コイルと、前記第１コイルと前記第２コイルとの共通接続端、前記第１コイルの他端および前記第２コイルの他端のそれぞれにおける電位をスイッチングする電磁石制御装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、荷電粒子ビームを偏向させる荷電粒子ビーム偏向装置の構成を単純化することができる。

粒子線治療システムの全体構成を示す図である。 照射ノズルおよびその周辺装置を示す図である。 走査電磁石の断面図である。 荷電粒子ビーム偏向装置の回路構成を示す図である。 走査電磁石の各コイルが発生する磁場と、荷電粒子ビームが偏向する方向を模式的に示す図である。 走査電磁石の各コイルが発生する磁場と、荷電粒子ビームが偏向する方向を模式的に示す図である。 電位Ｖ１～Ｖ３、端子間電圧Ｖ１－Ｖ２および端子間電圧Ｖ２－Ｖ３の関係を示す図である。 各電位状態に対応する各端子間電圧の値を（Ｖ１－Ｖ２）（Ｖ２―Ｖ３）平面に示した図である。 従来の電磁石制御装置の例を示す図である。 粒子線治療システムの全体構成を示す図である。 軌道補正電磁石の断面図である。

本発明の実施形態に係る粒子線治療システムが、各図面を参照しながら以下に説明される。複数の図面に示された同一の事項については同一の符号が付されており、説明の重複が避けられている。本明細書における「上」、「下」、「右」、「左」等の用語は、図面における方向を示す。これらの用語は説明の便宜上のものであり、各構成要素を配置する際の姿勢を限定するものではない。

図１には、本発明の第１実施形態に係る粒子線治療システム１の全体構成が示されている。粒子線治療システム１は、患者５１の患部に照射ノズル３０から放射線を照射するシステムである。粒子線治療システム１は、荷電粒子ビームを加速する加速器１０、加速された荷電粒子ビームを照射ノズル３０まで輸送するビーム輸送装置２０、患部に荷電粒子ビームを照射する照射ノズル３０、および治療台５０を備えている。

粒子線治療システム１は、さらに、全体制御装置４０、加速器・ビーム輸送系制御装置４１、照射ノズル制御装置４２およびディスプレイ４３を備えている。全体制御装置４０、加速器・ビーム輸送系制御装置４１および照射ノズル制御装置４２は、プロセッサによって構成されてよい。全体制御装置４０、加速器・ビーム輸送系制御装置４１および照射ノズル制御装置４２を構成するプロセッサは、粒子線治療システム１が備えるメモリに記憶されたプログラムや外部から読み込まれたプログラムを実行することで、制御対象の装置を制御する処理を実行する。ディスプレイ４３は、全体制御装置４０の制御に応じて、粒子線治療システム１の操作に必要な情報等を表示する。

加速器１０は、入射器１１とシンクロトロン加速器１２を備えている。加速器１０で光速の６割～７割程度まで加速され、取り出された荷電粒子ビームは、ビーム輸送装置２０に配置された偏向電磁石２１により真空中を偏向しながら照射ノズル３０まで輸送される。荷電粒子ビームは、照射ノズル３０で照射領域の形状に合致するように整形され、照射対象に照射される。照射対象は、例えば治療台５０に横たえられた患者５１の患部である。

次に、照射ノズル３０およびその周辺装置が図２を参照して説明される。図２には粒子線スキャニング用の照射ノズル３０の構成が示されている。照射ノズル３０では、荷電粒子ビーム９０の通過方向に対して垂直な二次元平面内に荷電粒子ビーム９０が走査される。走査電磁石６０によって走査された荷電粒子ビーム９０は、患部に照射される。

線量モニタ３１は、照射される荷電粒子ビーム９０の線量を演算するために、荷電粒子ビーム９０の通過によって生じた電子を収集するモニタである。線量モニタ３１の検出信号（電子を収集して得られたパルス信号）は線量モニタ制御装置３３に出力される。

線量モニタ制御装置３３および位置モニタ制御装置３４は、プロセッサによって構成されてよい。線量モニタ制御装置３３および位置モニタ制御装置３４を構成するプロセッサは、粒子線治療システム１が備えるメモリに記憶されたプログラムや外部から読み込まれたプログラムを実行することで、それぞれの制御対象の装置を制御する処理を実行する。線量モニタ制御装置３３は、線量モニタ３１から出力された検出信号に基づいて照射量を演算し、演算した照射量を照射ノズル制御装置４２に出力する。

位置モニタ３２は荷電粒子ビーム９０の照射位置（例えば重心の位置）を演算するために、荷電粒子ビーム９０の通過によって生じた電子を収集するためのモニタである。位置モニタ３２の検出信号（電子を収集して得られたパルス信号）は位置モニタ制御装置３４に出力される。

位置モニタ制御装置３４は、位置モニタ３２から出力された検出信号に基づいて照射線量をカウントし、演算したカウント値を照射ノズル制御装置４２に出力する。

照射ノズル制御装置４２は、位置モニタ制御装置３４から出力された信号に基づき荷電粒子ビーム９０の通過位置を求め、求めた通過位置のデータから照射位置および幅の演算を行い、荷電粒子ビーム９０の照射位置を確認する。さらには、照射ノズル制御装置４２は、線量モニタ制御装置３３から出力された検出信号に応じて荷電粒子ビーム９０の照射の制御を進行する。

図３には走査電磁石６０の断面図が示されている。走査電磁石６０は２層のコイル６１Ａおよび６１Ｂとヨーク６２を備えている。ヨーク６２は磁性体によって円筒状に形成されている。ヨーク６２は、円柱状の中空部を有するその他の形状を有してもよい。コイル６１Ｂはヨーク６２の内壁面に沿って形成され、コイル６１Ａはコイル６１Ｂの内側に形成されている。

コイル６１Ａおよび６１Ｂはコサインθ型の巻線構造を有している。すなわち、コイル６１Ａを形成する導体は、電流分布がｃｏｓθ１またはｃｏｓθ１に近似した値に比例するように配置されている。ただし、ヨーク６２の中空部の中心軸から見て右方向を０°とし、左方向を１８０°とし、反時計回り方向を正として方位角θ１が定義される。中心軸に方向を揃えて延びる複数の導線の区間をコイル６１Ａが含む場合は、左右において導線が密に配置され、上下において導線が疎に配置される。

コイル６１Ｂを形成する導体は、電流分布がｃｏｓθ２またはｃｏｓθ２に近似した値に比例するように配置されている。ただし、ヨーク６２の中空部の中心軸から見て上方向を０°とし、下方向を１８０°とし、反時計回り方向を正として方位角θ２が定義される。中心軸に方向を揃えて延びる複数の導線の区間をコイル６１Ｂが含む場合は、上下において導線が密に配置され、左右において導線が疎に配置される。

コイル６１Ａに励磁電流を流した場合にヨーク６２内に発生する磁場９２Ａと、コイル６１Ｂに励磁電流を流した場合にヨーク６２内に発生する磁場９２Ｂは中心軸の方向に対して垂直であり、これらの磁場は直交する。コイル６１Ａおよび６０Ｂのそれぞれに流れる励磁電流の大きさを調整することで、コイル６１Ａによる磁場９２Ａとコイル６１Ｂによる磁場９２Ｂのそれぞれの大きさが調整され、ヨーク６２内の合成磁場の方向が調整される。各コイルを形成する導体がコサインθ型の巻線構造を有していることで、各コイルから発生する磁場の横切り方向分布が一様になり、合成磁場の方向が高精度で制御される。ここで、磁場の横切り方向分布は、中心軸に垂直な面内において、磁場の方向に直交する方向に見たときの磁場の分布として定義される。

図４には、粒子線治療システム１に含まれる荷電粒子ビーム偏向装置２の回路構成が示されている。荷電粒子ビーム偏向装置２は、コイル６１Ａおよび６１Ｂと、コイル６１Ａおよび６１Ｂに流れる励磁電流を制御する電磁石制御装置７０を備えている。コイル６１Ａおよび６１Ｂは一端が共通に接続され、共通接続端Ｐ２と、コイル６１Ａおよび６１Ｂのそれぞれの他端Ｐ１およびＰ３が、電磁石制御装置７０に接続されている。

電磁石制御装置７０は、スイッチング回路７１、直流電源回路７２およびコントローラ７３を備えている。スイッチング回路７１は、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗを備えている。各スイッチングアームは、直列接続された上スイッチング素子７４Ｕおよび下スイッチング素子７４Ｌを備えている。図４に示されている例では、上スイッチング素子７４Ｕおよび下スイッチング素子７４Ｌのそれぞれにはバイポーラトランジスタが用いられている。この場合、上スイッチング素子７４Ｕのエミッタと下スイッチング素子７４Ｌのコレクタを接続することが直列接続として定義される。各スイッチング素子は、エミッタにカソードが接続され、コレクタにアノードが接続されたダイオードを備えている。各スイッチング素子には、バイポーラトランジスタの他、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）、サイリスタ等、その他の半導体素子が用いられてもよい。

スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗは並列接続されている。各スイッチングアームの上端は直流電源回路７２の正極端子に接続され、下端は直流電源回路７２の負極端子に接続されている。

スイッチングアームＡｖを構成する上スイッチング素子７４Ｕと下スイッチング素子７４Ｌとの直列接続点には、コイル６１Ａおよび６１Ｂの共通接続端Ｐ２が接続されている。スイッチングアームＡｕを構成する上スイッチング素子７４Ｕと下スイッチング素子７４Ｌとの直列接続点には、コイル６１Ａの上端Ｐ１（共通接続端とは反対側の一端）が接続されている。スイッチングアームＡｗを構成する上スイッチング素子７４Ｕと下スイッチング素子７４Ｌとの直列接続点には、コイル６１Ｂの下端Ｐ３（共通接続端とは反対側の一端）が接続されている。

すなわち、コイル６１Ａは、３つのスイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗのうちの１つであるスイッチングアームＡｕ（第１スイッチングアーム）の直列接続点と、別の１つであるスイッチングアームＡｖ（第２スイッチングアーム）の直列接続点との間に接続されている。コイル６１Ｂは、スイッチングアームＡｖの直列接続点と、３つのスイッチングアームＡｕ、Ａｖ、およびＡｗのうちの残りの１つであるスイッチングアームＡｗ（第３スイッチングアーム）の直列接続点との間に接続されている。

直流電源回路７２は、正極端子の電位をハイ電位Ｖ_Ｈ、負極端子の電位をロー電位Ｖ_Ｌとして、正極端子と負極端子から直流電圧を出力する。コントローラ７３は、上記の照射ノズル制御装置４２に含まれている。コントローラ７３は、各スイッチングアームが備える上スイッチング素子７４Ｕおよび下スイッチング素子７４Ｌのそれぞれをオンからオフ、あるいはオフからオンにしてスイッチングをする。

これによって、コイル６１Ａの上端Ｐ１、共通接続端Ｐ２およびコイル６１Ｂの下端Ｐ３の電位がハイ電位Ｖ_Ｈまたはロー電位Ｖ_Ｌにスイッチングされ、コイル６１Ａおよび６１Ｂのそれぞれの端子間電圧（端子間電位差）がスイッチングされる。このような端子間電圧のスイッチングによって、コイル６１Ａおよびコイル６１Ｂに流れる励磁電流が制御される。

図５には、走査電磁石６０のコイル６１Ａおよび６１Ｂが発生する磁場９２Ａおよび９２Ｂと、走査電磁石６０のコイル６１Ａおよび６１Ｂによって荷電粒子ビーム９０が偏向する方向が、模式的に示されている。中心軌道９１は磁場が発生していない場合の荷電粒子ビーム９０の軌道である。ｘ軸およびｙ軸は、中心軌道９１に垂直な面内におけるアイソセンターで直交する２軸である。アイソセンターは、荷電粒子ビーム９０が集中的に照射される点である。ｘ軸は水平方向に延び、ｙ軸は鉛直方向に延びている。

偏向量９３Ａおよび偏向量９３Ｂは、それぞれ、磁場９２Ａおよび９２Ｂによって荷電粒子ビーム９０が走査される方向への偏向量を示している。なお、磁場および偏向量はいずれもベクトル量である。磁場の大きさは、例えば、磁束密度（Ｗｂ／ｍ^２）、磁界（Ａ／ｍ）等で表されてよい。偏向量の大きさは、例えば、偏向した荷電粒子ビーム９０が中心軌道９１に対してなす角度として定義されてよい。

磁場９２Ａおよび９２Ｂを示す破線の矢印は、図４に示されているコイル６１Ａの上端から下端に向かって直流電流Ｉ１が流れ、コイル６１Ｂの上端から下端に向かって直流電流Ｉ２が流れた場合の向きを示している。偏向量９３Ａおよび９３Ｂを示す矢印は、図４に示されるコイル６１Ａの上端から下端に向かって直流電流Ｉ１が流れ、コイル６１Ｂの上端から下端に向かって直流電流Ｉ２が流れた場合に、荷電粒子ビーム９０が偏向される方向を示している。ｘ軸正方向を基準として、偏向量９３Ａの方位が１３５°となり、偏向量９３Ｂの方位が４５°となる姿勢で走査電磁石６０が配置されている。走査電磁石６０による総合的な走査方向は、偏向量９３Ａおよび９３Ｂをベクトル合成して得られる偏向量の方向となる。

図６には、中心軌道９１を軸として走査電磁石６０を図５に対して時計回りに９０°だけ回転させて配置した場合の各コイルが発生する磁場と、各コイルによって荷電粒子ビーム９０が偏向する方向が模式的に示されている。

頭部から胴体に向かう方向がｘ軸方向に一致する姿勢で、患者５１が治療台５０上に横たえられる場合、図５に示されている磁場９２Ａおよび９２Ｂが発生するように走査電磁石６０が設置されてよい。すなわち、偏向量９３Ａおよび偏向量９３Ｂの合成ベクトルがｙ軸方向を向く姿勢で走査電磁石６０が設置されてよい。

一方、患者５１が立位や座位の体位にある状態、すなわち、頭部から胴体に向かう方向がｙ軸方向に一致する姿勢で、荷電粒子ビーム９０を患者５１に照射する場合、図６に示されるように、偏向量９３Ａおよび偏向量９３Ｂの合成ベクトルがｘ軸方向を向く姿勢で走査電磁石６０が設置されてよい。

本発明の実施形態に係る電磁石制御装置７０によって実行される処理が図７および図８を参照して説明される。図７には、コイル６１Ａの上端Ｐ１の電位Ｖ１、共通接続端Ｐ２の電位Ｖ２、およびコイル６１Ｂの下端Ｐ３の電位Ｖ３と、コイル６１Ａの端子間電圧Ｖ１－Ｖ２およびコイル６１Ｂの端子間電圧Ｖ２－Ｖ３との関係が示されている。電位Ｖ１、Ｖ２およびＶ３のそれぞれは、ハイ電位Ｖ_Ｈまたはロー電位Ｖ_Ｌのいずれかとなり得る。電位Ｖ１、Ｖ２およびＶ３のそれぞれが、ハイ電位Ｖ_Ｈまたはロー電位Ｖ_Ｌのいずれかとなる電位状態として電位状態♯１～♯８がある。コイル６１Ａの端子間電圧Ｖ１－Ｖ２およびコイル６１Ｂの端子間電圧Ｖ２－Ｖ３は、Ｖ＝Ｖ_Ｈ－Ｖ_Ｌとして、＋Ｖ、０または－Ｖの値を取り得る。

電位状態♯１～♯８に対し、端子間電圧Ｖ１－Ｖ２は、それぞれ、０、０、＋Ｖ、＋Ｖ、－Ｖ、－Ｖ、０、０となる。また、電位状態♯１～♯８に対し、端子間電圧Ｖ２－Ｖ３は、それぞれ、０、＋Ｖ、－Ｖ、０、０、＋Ｖ、－Ｖ、０となる。

図８には、電位状態♯１～♯８に対応する端子間電圧Ｖ１－Ｖ２および端子間電圧Ｖ２－Ｖ３の値が、（Ｖ１－Ｖ２）（Ｖ２―Ｖ３）平面に示されている。電位状態♯１～♯８における端子間電圧Ｖ１－Ｖ２と端子間電圧Ｖ２－Ｖ３の値は、（Ｖ１－Ｖ２）（Ｖ２―Ｖ３）平面上に付された状態点Ｑ１～Ｑ６のうちいずかによって示される。電位状態♯１は点Ｑ１に対応しており、以下の説明において、この対応関係は（＃１，Ｑ１）のように表記される。

電位状態＃２～＃８についての対応関係は、それぞれ、（＃２，Ｑ２）、（＃３，Ｑ３）、（＃４，Ｑ４）、（＃５，Ｑ５）、（＃６，Ｑ６）、（＃７，Ｑ７）、（＃８，Ｑ１）と表記される。電磁石制御装置７０では、電位状態＃１～＃８のいずれかの電位状態から他の電位状態にスイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗの電位状態が時間経過と共に遷移する。これによって、点Ｑ４、点Ｑ２、点Ｑ６、点Ｑ５、点Ｑ７、点Ｑ３、点Ｑ４を順に結ぶ線で囲まれた過渡応答領域に応じた励磁電流が、コイル６１Ａおよび６１Ｂに流れる。すなわち、点Ｑ１～点Ｑ６のうちの２点間を結ぶ直線を、（Ｖ１－Ｖ２）軸および（Ｖ２―Ｖ３）軸にそれぞれ投影させたときの投影長に相当する電圧がスイッチングされ、コイル６１Ａおよび６１Ｂにそれぞれ印加される。コイル６１Ａおよび６１Ｂには、そのスイッチングに応じた過渡電流（応答電流）が励磁電流として流れる。

コントローラ７３は、電位状態＃１～＃８のうちいずれかの電位状態から、他の電位状態へと、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗの電位状態を時間経過と共に遷移させる。コントローラ７３は、電位状態が遷移するパターンと、各電位状態に滞留する時間を変化させることで、コイル６１Ａおよびコイル６１Ｂに流れる励磁電流を制御する。

例えば、（Ｖ１－Ｖ２）（Ｖ２―Ｖ３）平面上で電位状態を示す状態点が、点Ｑ１と点Ｑ４との間を交互に遷移する場合、コイル６１Ａの上端から下端に向けて直流電流Ｉ１が励磁電流として流れる。これによって、図５の偏向量９３Ａを示す矢印の方向に荷電粒子ビーム９０が偏向される。例えば、点Ｑ１と点Ｑ４との間を交互に状態点が遷移する遷移周期をＴとし、遷移周期Ｔのうちα・Ｔ時間だけ状態点を点Ｑ４に滞留させた場合、デューティ比αが大きい程、直流電流Ｉ１は大きい値となる。ただし、デューティ比αは０より大きい１未満の値である。したがって、デューティ比αが大きい程、コイル６１Ａが発する磁場が大きくなり、偏向量９３Ａが矢印方向に大きくなる。

点Ｑ１と点Ｑ４との間を交互に状態点を遷移させる場合、コントローラ７３は、電位状態♯１と電位状態＃４が交互に繰り返されるように、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗのスイッチングを行う。あるいは、コントローラ７３は、電位状態♯８と電位状態＃４が交互に繰り返されるように、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗのスイッチングを行ってもよい。

また、状態点が点Ｑ１と点Ｑ５との間を交互に遷移する場合、コイル６１Ａの下端から上端に向けて直流電流Ｉ１が励磁電流として流れる。これによって、図５の偏向量９３Ａの矢印の方向とは逆方向に荷電粒子ビーム９０が偏向される。例えば、点Ｑ１と点Ｑ５との間を交互に状態点が遷移する遷移周期をＴとし、遷移周期Ｔのうちα・Ｔ時間だけ状態点が点Ｑ５に滞留した場合、直流電流Ｉ１はデューティ比αが大きい程大きい値となる。したがって、デューティ比αが大きい程、コイル６１Ａが発する磁場が大きくなり、図５の偏向量９３Ａが矢印の反対方向に大きくなる。

点Ｑ１と点Ｑ５との間を交互に状態点を遷移させる場合、コントローラ７３は、電位状態♯１と電位状態＃５が交互に繰り返されるように、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗのスイッチングを行う。スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗを電位状態＃１にスイッチングする動作は、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗを電位状態＃８にスイッチングする動作に置き換えられてもよい。

同様の原理によって、状態点が点Ｑ１と点Ｑ２との間を交互に遷移する場合、図５の偏向量９３Ｂを示す矢印の方向に荷電粒子ビーム９０が偏向される。偏向量９３Ｂの大きさは、状態点が点Ｑ１および点Ｑ２のそれぞれに滞留する時間に応じて定まる。そして、状態点が点Ｑ１と点Ｑ７との間を交互に遷移する場合、図５の偏向量９３Ｂの矢印の方向とは逆方向に荷電粒子ビーム９０が偏向される。偏向量の大きさは、状態点が点Ｑ１および点Ｑ７のそれぞれに滞留する時間に応じて定まる。

点Ｑ１と点Ｑ２との間を交互に状態点を遷移させる場合、コントローラ７３は、電位状態♯１と電位状態＃２が交互に繰り返されるように、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗのスイッチングを行う。また、点Ｑ１と点Ｑ７との間を交互に状態点を遷移させる場合、コントローラ７３は、電位状態♯１と電位状態＃７が交互に繰り返されるように、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗのスイッチングを行う。スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗを電位状態＃１にスイッチングする動作は、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗを電位状態＃８にスイッチングする動作に置き換えられてもよい。

同様の原理によって、状態点が点Ｑ１と点Ｑ６との間を交互に遷移する場合、図５の偏向量９３Ａとは逆方向の偏向量、および偏向量９３Ｂの合成ベクトルの方向（ｘ軸正方向）に荷電粒子ビーム９０が偏向される。偏向量の大きさは、状態点が点Ｑ１および点Ｑ６のそれぞれに滞留する時間に応じて定まる。そして、状態点が点Ｑ１と点Ｑ３との間を交互に遷移する場合、図５の偏向量９３Ａ、および偏向量９３Ｂとは逆方向の偏向量の合成ベクトルの方向（ｘ軸負方向）に荷電粒子ビーム９０が偏向される。偏向量の大きさは、状態点が点Ｑ１および点Ｑ３のそれぞれに滞留する時間に応じて定まる。

点Ｑ１と点Ｑ６との間を交互に状態点を遷移させる場合、コントローラ７３は、電位状態♯１と電位状態＃６が交互に繰り返されるように、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗのスイッチングを行う。また、点Ｑ１と点Ｑ３との間を交互に状態点を遷移させる場合、コントローラ７３は、電位状態♯１と電位状態＃３が交互に繰り返されるように、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗのスイッチングを行う。なお、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗを電位状態＃１にスイッチングする動作は、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗを電位状態＃８にスイッチングする動作に置き換えられてもよい。

同様の原理によって、状態点が点Ｑ１、点Ｑ４および点Ｑ２のうちの１つから他の１つに遷移するという動作が繰り返される場合、図５の偏向量９３Ａおよび９３Ｂの合成ベクトルで示される方向に荷電粒子ビーム９０が偏向される。荷電粒子ビーム９０が偏向する向きおよび偏向量の大きさは、状態点が点Ｑ１、点Ｑ４および点Ｑ２のそれぞれに滞留する時間に応じて定まる。そして、状態点が点Ｑ１、点Ｑ５および点Ｑ７のうちの１つから他の１つに遷移するという動作が繰り返される場合、図５の偏向量９３Ａおよび９３Ｂの合成ベクトルで示される方向とは逆方向に荷電粒子ビーム９０が偏向される。荷電粒子ビーム９０が偏向する向きおよび偏向量の大きさは、状態点が点Ｑ１、点Ｑ５および点Ｑ７のそれぞれに滞留する時間に応じて定まる。

点Ｑ１、点Ｑ４および点Ｑ２のうちの１つから他の１つに状態点を遷移させる場合、コントローラ７３は、電位状態＃１、＃４および＃２のうちの１つから他の１つに電位状態が変化するように、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗのスイッチングを行う。また、点Ｑ１、点Ｑ５および点Ｑ７のうちの１つから他の１つに状態点を遷移させる場合、コントローラ７３は、電位状態＃１、＃５および＃７のうち１つから他の１つに電位状態が変化するように、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗのスイッチングを行う。スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗを電位状態＃１にスイッチングする動作は、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗを電位状態＃８にスイッチングする動作に置き換えられてもよい。

より一般的には、点Ｑ１～点Ｑ７のうちの１つから他の１つに状態点を遷移させ、状態点が各点に滞留する時間を調整することで、荷電粒子ビーム９０が偏向される向きと、偏向量の大きさが制御され得る。すなわち、コントローラ７３は、電位状態＃１～＃８のうちの１つから他の１つに電位状態が変化するように、スイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗのスイッチングを行うことで、荷電粒子ビーム９０が偏向される向きと、偏向量の大きさを制御する。

このように、本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置２は、一端が共通に接続され、異なる方向の磁場を発生する第１コイルおよび第２コイルとして、コイル６１Ａおよび６１Ｂを備えている。コイル６１Ａおよび６１Ｂは、荷電粒子ビームを走査する走査電磁石６０に含まれている。また、荷電粒子ビーム偏向装置２は、電磁石制御装置７０を備えている。電磁石制御装置７０は、コイル６１Ａおよび６１Ｂの共通接続端Ｐ２、コイル６１Ａの上端Ｐ１（第１コイルの他端）およびコイル６１Ｂの下端Ｐ３（第２コイルの他端）のそれぞれにおける電位をスイッチングする。

電磁石制御装置７０は、共通接続端Ｐ２、コイル６１Ａの上端Ｐ１およびコイル６１Ｂの下端Ｐ３のそれぞれにおける電位を、複数通りの電位状態＃１～＃８のうちいずれかに応じた電位に設定する。電磁石制御装置７０は、各電位状態に留まる時間を制御することで、コイル６１Ａおよび６１Ｂに流れる励磁電流を制御する。電位状態＃１～＃８は、共通接続端Ｐ２、コイル６１Ａの上端およびコイル６１Ｂの下端のそれぞれにおける電位が、ハイ電位Ｖ_Ｈまたはロー電位Ｖ_Ｌに個別に設定される状態である。

電磁石制御装置７０は、コイル６１Ａおよび６１Ｂが接続されたスイッチング回路７１と、コントローラ７３を備えている。スイッチング回路７１は、並列に接続された３つのスイッチングアームＡｕ、ＡｖおよびＡｗを備えている。各スイッチングアームは、直列接続された上スイッチング素子７４Ｕおよび下スイッチング素子７４Ｌを備えている。コントローラ７３は、各スイッチングアームのスイッチングによって、コイル６１Ａおよび６１Ｂの電位状態を、電位状態＃１～＃８のうちいずれかに設定する。コントローラ７３は、上記のように各スイッチングアームをスイッチングするためのプログラムを実行するプロセッサを含んでもよい。

この場合、プロセッサは、コントローラ７３が備える記憶デバイス（図示せず）に記憶されたプログラムを読み込み実行する。プロセッサは、ＣＰＵ（Central Procesing Unit）やメモリ、インターフェース等を備えたコンピュータや、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラム可能な演算デバイスであってよい。プロセッサが実行するプログラムは、外部に設けられたコンピュータからプロセッサに読み込まれ、プロセッサにインストールされてもよい。外部のコンピュータは、コントローラ７３に直接接続されたものでもよいし、インターネット等の通信回線に接続されたものでもよい。また、プロセッサが実行する処理の一部は、外部の１つまたは複数のコンピュータが実行してもよい。

図８に示されているように、（Ｖ１－Ｖ２）（Ｖ２－Ｖ３）平面では、第一象限および第三象限において、コイル６１Ａおよび６１Ｂに印加される電圧が制限される。すなわち、コイル６１ＡにＶ１－Ｖ２＝＋Ｖの電圧が印加された状態において、コイル６１ＢにＶ２－Ｖ３＝＋Ｖの電圧が印加されることはない。また、コイル６１ＡにＶ１－Ｖ２＝－Ｖの電圧が印加された状態において、コイル６１ＢにＶ２－Ｖ３＝－Ｖの電圧が印加されることない。これによって、以下に説明するように走査方向に対して走査速度にばらつきが生じる。

具体的には、図５に示される走査電磁石６０の配置の場合、ｘ軸方向と比較してｙ軸方向の走査速度が遅くなる。その理由は次の通りである。ｘ軸方向に荷電粒子ビーム９０を走査する場合、状態点は点Ｑ１と点Ｑ６との間を交互に遷移し、あるいは、点Ｑ１と点Ｑ３との間を交互に遷移する。したがって、ｘ軸方向に荷電粒子ビーム９０を走査する場合のコイル６１Ａおよび６１Ｂのそれぞれの端子間電圧の変化幅Ｄｘは、点Ｑ１と点Ｑ６との間の距離または点Ｑ１と点Ｑ３との間の距離を（Ｖ１―Ｖ２）軸および（Ｖ２－Ｖ３）軸に投影した値Ｖである。

一方、ｙ軸方向に荷電粒子ビーム９０を走査する場合、状態点は点Ｑ１、点Ｑ４および点Ｑ２のうちの１つから他の１つに遷移するという動作を繰り返す。あるいは、状態点は点Ｑ１、点Ｑ５および点Ｑ７のうちの１つから他の１つに遷移するという動作を繰り返す。したがって、ｙ軸方向に荷電粒子ビーム９０を走査する場合のコイル６１Ａおよび６１Ｂのそれぞれの端子間電圧の実効的な変化幅Ｄｙは、線分Ｑ４Ｑ２の中点と点Ｑ１との間の距離、または、線分Ｑ５Ｑ７の中点と点Ｑ１との間の距離を（Ｖ１―Ｖ２）軸および（Ｖ２－Ｖ３）軸に投影した値Ｖ／２である。

このように、ｙ軸方向に荷電粒子ビーム９０を走査する場合の各コイル６１Ａの端子間電圧の実効的な変化幅Ｄｙ＝Ｖ／２は、ｘ軸方向に荷電粒子ビーム９０を走査する場合の各コイルの端子間電圧の変化幅Ｄｘ＝Ｖよりも小さい。したがって、ｙ軸方向に荷電粒子ビーム９０を走査する場合には、各コイルに流れる励磁電流が変化する際の応答時間が、ｘ軸方向に荷電粒子ビーム９０を走査する場合に比べて長くなり、ｘ軸方向と比較してｙ軸方向の走査速度が遅くなる。

同様の理由によって、図６に示すように走査電磁石６０を配置した場合、ｙ軸方向に比べてｘ軸方向の走査速度が遅くなる。

一般に、走査速度が走査方向によって変化する粒子線治療システムを用いて、肺や肝臓等の患者の体内で動く標的に対して荷電粒子ビームを照射する場合、標的の動きの方向と走査速度が速い方向とが位置している程、線量分布の乱れが小さくなる。また、肺や肝臓等は、患者の頭尾方向に動くことが多い。

そのため、頭部から胴体に向かう方向がｘ軸方向に一致する姿勢で、患者５１が治療台５０上に横たえられる場合、図５に示すように走査電磁石６０を設定することで、標的の動きの方向と走査速度が速い方向とが揃えられる可能性が高い。一方、患者５１が立位や座位の体勢で照射する治療室の構成の場合、図６に示すように走査電磁石６０を設定することで、標的の動きの方向と走査速度が速い方向とが揃えられる可能性が高い。

したがって、患者の体位を設定する治療台等の患者設定機構は、荷電粒子ビームの走査速度が極大となるビーム走査方向と、患者における照射対象の組織（標的）の移動方向とが揃えられるように、患者の体位を設定するように構成されてよい。このように患者の体位が設定されることで、線量分布の乱れが小さくなる。

次に、本実施形態に係る粒子線治療システム１による効果が述べられる。従来の電磁石制御装置には、２つのコイル６１Ａおよび６１Ｂのそれぞれに対して、個別にスイッチング回路が設けられたものがあった。そのため、電磁石制御装置が大型化してしまう場合があった。

図９には、従来の荷電粒子ビーム偏向装置４の例が示されている。荷電粒子ビーム偏向装置４は、電磁石制御装置１００およびコイル６１Ａを備えている。電磁石制御装置１００は、スイッチング回路１０１、直流電源回路７２およびコントローラ１０３を備えている。スイッチング回路１０１は、スイッチングアームＡｐおよびＡｎを備えている。各スイッチングアームは、直列接続された上スイッチング素子７４Ｕおよび下スイッチング素子７４Ｌを備えている。スイッチングアームＡｐおよびＡｎは並列接続されている。各スイッチングアームの上端は直流電源回路７２の正極端子に接続され、下端は直流電源回路７２の負極端子に接続されている。

スイッチングアームＡｐを構成する上スイッチング素子７４Ｕと下スイッチング素子７４Ｌとの直列接続点には、コイル６１Ａの一端が接続されている。スイッチングアームＡｎを構成する上スイッチング素子７４Ｕと下スイッチング素子７４Ｌとの直列接続点には、コイル６１Ａの他端が接続されている。

コントローラ１０３は、各スイッチングアームが備える上スイッチング素子７４Ｕおよび下スイッチング素子７４Ｌのそれぞれをオンからオフ、あるいはオフからオンにしてスイッチングをする。これによって、コイル６１Ａの一端および他端の電位がハイ電位Ｖ_Ｈまたはロー電位Ｖ_Ｌにスイッチングされ、コイル６１Ａの端子間電圧（端子間電位差）がスイッチングされる。このような端子間電圧のスイッチングによって、コイル６１Ａに流れる励磁電流が制御される。ここでは、コイル６１Ａに流れる励磁電流を制御する電磁石制御装置１００が示されたが、コイル６１Ｂに対しても電磁石制御装置１００が用いられる。

本実施形態に係る電磁石制御装置７０では、コイル６１Ａおよび６１Ｂの一端が共通に接続され、共通接続端に１つのスイッチングアームＡｖが用いられる。したがって、スイッチング回路７１の構成が単純化され、電磁石制御装置７０の構成が単純化される。例えば、図９に示された従来の電磁石制御装置１００をコイル６１Ａおよび６１Ｂに対して用いた場合、４個のスイッチングアームが用いられるのに対し、本実施形態に係る電磁石制御装置７０では３個のスイッチングアームが用いられ、必要なスイッチング素子の個数が削減される。

図１０には、本発明の第２実施形態に係る粒子線治療システム３の全体構成が示されている。粒子線治療システム３は、図１に示された粒子線治療システム１における加速器１０とビーム輸送装置２０に、軌道補正電磁石８０を追加したものである。軌道補正電磁石８０は、荷電粒子ビーム９０が通過する経路の壁面等に、荷電粒子ビーム９０が衝突する頻度を低減するため、荷電粒子ビーム９０の軌道を補正する電磁石である。軌道補正電磁石８０は、入射器１１とシンクロトロン加速器１２との間、およびビーム輸送装置２０の入射部に設けられている。

図１１には、軌道補正電磁石８０の断面図が示されている。軌道補正電磁石８０は、中空部が四角柱状であるヨーク８３、ヨーク８３の４つの内壁面のそれぞれから内側に突出した磁極８２、および４つの磁極８２のそれぞれの周りに巻かれた導線によるコイル８１を備えている。ヨーク８３は、四角柱状の中空部を有するその他の形状を有してもよい。磁極８２およびヨーク８３は磁性材料で形成されている。対向する磁極８２に設けられたコイル８１は直列または並列に接続されており、２系統のコイル対８４Ａおよび８４Ｂが形成されている。２系統のコイル対８４Ａおよび８４Ｂのそれぞれには、個別に励磁電流が流れる。

コイル対８４Ａに励磁電流を流した場合に発生する磁場の向きと、コイル対８４Ｂに励磁電流を流した場合に発生する磁場の向きは直交し、これらの磁場がベクトル合成された磁場によって、荷電粒子ビーム９０が偏向する。コイル対８４Ａおよび８４Ｂに流れる励磁電流は、図４に示された電磁石制御装置７０によって制御されてよい。この場合、図４に示されるコイル６１Ａおよび６１Ｂが、それぞれ、コイル対８４Ａおよび８４Ｂに置き換えられる。

電磁石制御装置７０は、コイル対８４Ａおよび８４Ｂに流れる励磁電流を制御することで、軌道補正電磁石８０を通過する荷電粒子ビームを偏向させて、加速器１０の壁面やビーム輸送装置２０の壁面に荷電粒子が衝突する頻度を低減し、または０とする。

上記では、加速器１０およびビーム輸送装置２０の両者に軌道補正電磁石８０が設けられた実施形態が示された。軌道補正電磁石８０は、加速器１０およびビーム輸送装置２０のうちいずれか一方のみに設けられてもよい。

第２実施形態に係る粒子線治療システム３によれば、第１実施形態と同様の原理によっって、電磁石制御装置の構成が単純化される。

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、本発明には様々な変形例が含まれる。上記の各実施形態は本発明を分かり易く説明するためのものであり、本発明は、必ずしも説明した総ての構成を備えるものに限定されない。

また、ある実施形態の構成の一部が他の実施形態の構成に置き換えられてもよく、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成が加えられてもよい。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、または他の構成との置き換えがされてもよい。

また、第１実施形態における走査電磁石６０にはコサインθ型の電磁石が用いられたが、走査電磁石６０には、軌道補正電磁石８０と同様の４極型の電磁石が用いられてもよい。

また、走査電磁石６０および軌道補正電磁石８０は１台の電磁石で二次元的に荷電粒子ビーム９０を偏向する機能結合型電磁石として述べられたが、荷電粒子ビーム９０を一次元的に偏向する電磁石が２台用いられてもよい。この場合、これら２つの電磁石は、荷電粒子ビーム９０の軌道に沿って縦続に配置され、互いに直交する方向に荷電粒子ビーム９０を偏向させる。

また、加速器１０には、シンクロトロン加速器１２の他に、サイクロトロン加速器やシンクロサイクロトロン加速器等の様々な公知の加速器が用いられてよい。また、加速器１０で加速する荷電粒子は、陽子や炭素等の重粒子等であってよい。

１，３ 粒子線治療システム、２，４ 荷電粒子ビーム偏向装置、１０ 加速器、１１ 入射器、１２ シンクロトロン加速器、２０ ビーム輸送装置、２１ 偏向電磁石、３０ 照射ノズル、３１ 線量モニタ、３２ 位置モニタ、３３ 線量モニタ制御装置、３４ 位置モニタ制御装置、４０ 全体制御装置、４１ 加速器・ビーム輸送系制御装置、４２ 照射ノズル制御装置、５０ 治療台、５１ 患者、６０ 走査電磁石、６１Ａ，６１Ｂ，８１ コイル、６２，８３ ヨーク、７０，１００ 電磁石制御装置、７１，１０１ スイッチング回路、７２ 直流電源回路、７３，１０３ コントローラ、７４Ｕ 上スイッチング素子、７４Ｌ 下スイッチング素子、９０ 荷電粒子ビーム、９１ 中心軌道、９２Ａ，９２Ｂ 磁場、９３Ａ，９３Ｂ 偏向量、８０ 軌道補正電磁石、８２ 磁極、８４Ａ，８４Ｂ コイル対。

Claims (8)

1. 荷電粒子ビームを偏向させる荷電粒子ビーム偏向装置であって、
   一端が共通に接続され、異なる方向の磁場を発生する第１コイルおよび第２コイルと、
   前記第１コイルと前記第２コイルとの共通接続端、前記第１コイルの他端および前記第２コイルの他端のそれぞれにおける電位をスイッチングする電磁石制御装置と、
   を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム偏向装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム偏向装置であって、
   前記電磁石制御装置は、
   前記共通接続端、前記第１コイルの他端および前記第２コイルの他端のそれぞれにおける電位を、複数通りの電位状態のうちいずれかに応じた電位に設定し、各前記電位状態に留まる時間を制御することで、前記第１コイルおよび前記第２コイルに流れる電流を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム偏向装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の荷電粒子ビーム偏向装置であって、
   前記複数通りの電位状態は、
   前記共通接続端、前記第１コイルの他端および前記第２コイルの他端のそれぞれにおける電位が、ハイ電位またはロー電位に個別に設定される状態であることを特徴とする荷電粒子ビーム偏向装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の荷電粒子ビーム偏向装置であって、
   前記電磁石制御装置は、
   並列に接続された３つのスイッチングアームであって、直列接続された上スイッチング素子および下スイッチング素子を各スイッチングアームが備える３つのスイッチングアームを備え、
   前記第１コイルは、
   前記３つのスイッチングアームのうちの１つである第１スイッチングアームの直列接続点と、前記３つのスイッチングアームのうちの別の１つである、第２スイッチングアームの直列接続点との間に接続され、
   前記第２コイルは、
   前記第２スイッチングアームの直列接続点と、前記３つのスイッチングアームのうちの残りの１つである第３スイッチングアームの直列接続点との間に接続されていることを特徴とする荷電粒子ビーム偏向装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の荷電粒子ビーム偏向装置において、
   前記第１コイルおよび前記第２コイルは、
   前記荷電粒子ビームを走査する走査電磁石に含まれることを特徴とする荷電粒子ビーム偏向装置。
6. 請求項１または請求項２に記載の荷電粒子ビーム偏向装置において、
   前記第１コイルおよび前記第２コイルは、
   前記荷電粒子ビームの軌道を補正する軌道補正電磁石に含まれることを特徴とする荷電粒子ビーム偏向装置。
7. 加速器と、
   前記加速器から取り出された前記荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送装置と、
   前記ビーム輸送装置によって輸送された前記荷電粒子ビームを患者に照射する照射ノズルと、
   請求項１または請求項２に記載の荷電粒子ビーム偏向装置と、を備え、
   前記加速器、前記ビーム輸送装置および前記照射ノズルのうち少なくとも１つは、前記第１コイルおよび前記第２コイルを備えることを特徴とする粒子線治療システム。
8. 加速器と、
   前記加速器から取り出された前記荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送装置と、
   前記ビーム輸送装置によって輸送された前記荷電粒子ビームを患者に照射する照射ノズルと、
   患者の体位を設定する患者設定機構と、
   請求項１または請求項２に記載の荷電粒子ビーム偏向装置と、を備え、
   前記照射ノズルは、前記第１コイルおよび前記第２コイルを備え、
   前記電磁石制御装置は、
   前記第１コイルと前記第２コイルとの共通接続端、前記第１コイルの他端および前記第２コイルの他端のそれぞれにおける電位をスイッチングすることで、前記照射ノズルを通過する前記荷電粒子ビームを走査し、
   前記患者設定機構は、
   走査速度が極大となるビーム走査方向と、前記患者における照射対象の組織の移動方向とが揃えられるように、前記患者の体位を設定することを特徴とする粒子線治療システム。
   

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