JP7570934B2

JP7570934B2 - Rotating Gantry and Particle Therapy System

Info

Publication number: JP7570934B2
Application number: JP2021005493A
Authority: JP
Inventors: 風太郎えび名; 真澄梅澤
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2024-10-22
Anticipated expiration: 2041-01-18
Also published as: WO2022153582A1; JP2022110228A

Description

本発明は、回転ガントリおよび粒子線治療システムに関し、特に、超伝導偏向電磁石を用いた回転ガントリおよび粒子線治療システムに関する。 The present invention relates to a rotating gantry and a particle beam therapy system, and in particular to a rotating gantry and a particle beam therapy system that use superconducting bending magnets.

荷電粒子ビームを患者に照射する粒子線治療システムが広く用いられている。粒子線治療システムには、荷電粒子ビームの照射位置および照射方向を調整するための回転ガントリを備えるものがある。回転ガントリは、加速器によって加速された荷電粒子ビームを適切な向きに偏向する機器を、患者の回りで回転させるものである。 Particle therapy systems that irradiate patients with a charged particle beam are widely used. Some particle therapy systems are equipped with a rotating gantry to adjust the irradiation position and direction of the charged particle beam. The rotating gantry is a device that rotates around the patient to deflect the charged particle beam accelerated by an accelerator to the appropriate direction.

荷電粒子ビームを偏向する機器としては、荷電粒子ビームが通過する領域に磁界を発生する偏向電磁石が用いられる。回転ガントリには、複数の偏向電磁石が円弧を描くように縦続配置され、各偏向電磁石が所定の角度で荷電粒子ビームを偏向する。以下の特許文献１および２には、複数の偏向電磁石が用いられた回転ガントリが記載されている。これらの特許文献に記載された回転ガントリでは、複数の偏向電磁石のうち一部に超伝導偏向電磁石が用いられている。超伝導偏向電磁石が用いられることで、回転ガントリが小型となる。 The equipment used to deflect the charged particle beam uses a bending electromagnet that generates a magnetic field in the area through which the charged particle beam passes. In the rotating gantry, multiple bending electromagnets are arranged in tandem to describe an arc, and each bending electromagnet deflects the charged particle beam at a predetermined angle. The following Patent Documents 1 and 2 describe rotating gantries that use multiple bending electromagnets. In the rotating gantries described in these patent documents, some of the multiple bending electromagnets are superconducting bending electromagnets. The use of superconducting bending electromagnets makes it possible to make the rotating gantry compact.

特開２０１９－３４１０８号公報JP 2019-34108 A 特開２００７－２６０２２２号公報JP 2007-260222 A

回転ガントリでは、ハウジングの奥深い位置等、整備が行い難い位置に偏向電磁石が配置される場合がある。一般に、超伝導偏向電磁石の方が、常伝導偏向電磁石に比べて整備の頻度が高い。したがって、回転ガントリに超伝導偏向電磁石を用いた場合には、整備のために費やされる労力が大きくなってしまうことがある。また、超伝導偏向電磁石は、常伝導偏向電磁石よりも構造が複雑であるという問題もある。 In a rotating gantry, bending electromagnets may be placed in locations that are difficult to maintain, such as deep inside the housing. In general, superconducting bending electromagnets require more frequent maintenance than normal conducting bending electromagnets. Therefore, when superconducting bending electromagnets are used in a rotating gantry, the labor required for maintenance can be large. Another problem is that superconducting bending electromagnets have a more complex structure than normal conducting bending electromagnets.

本発明の目的は、複数の超伝導偏向電磁石を用いる回転ガントリを小型化すると共に、構造を単純化することである。 The objective of the present invention is to miniaturize a rotating gantry that uses multiple superconducting bending magnets and to simplify its structure.

本発明に係る回転ガントリは、荷電粒子ビームの照射対象の周りを回転自在な構造物と、前記構造物に固定され、前記構造物の回転軸の方向に沿って入射した前記荷電粒子ビームを、前記回転軸から離れる方向に偏向する常伝導偏向電磁石と、前記構造物に固定され、前記常伝導偏向電磁石を通過した前記荷電粒子ビームを、前記回転軸に向かう方向に偏向する超伝導偏向電磁石グループと、を備え、前記超伝導偏向電磁石グループは、縦続配置された複数の超伝導偏向電磁石を含み、複数の前記超伝導偏向電磁石の偏向角が同一であり、前記構造物は、内部空間が筒形状を有するハウジングを含み、前記常伝導偏向電磁石は前記ハウジングの内側に配置され、前記超伝導偏向電磁石グループは、前記ハウジングの外側に配置されていることを特徴とする。また、本発明に係る回転ガントリは、荷電粒子ビームの照射対象の周りを回転自在な構造物と、前記構造物に固定され、前記構造物の回転軸の方向に沿って入射した前記荷電粒子ビームを、前記回転軸から離れる方向に偏向する１つまたは複数の常伝導偏向電磁石と、前記構造物に固定され、前記常伝導偏向電磁石を通過した前記荷電粒子ビームを、前記回転軸に対して垂直であり、前記回転軸に向かう方向に偏向する超伝導偏向電磁石グループと、を備え、前記超伝導偏向電磁石グループは、縦続配置された複数の超伝導偏向電磁石を含み、複数の前記超伝導偏向電磁石の偏向角が同一であり、各前記超伝導偏向電磁石の偏向角は、９０°を自然数Ｎによって除した値であり、前記超伝導偏向電磁石グループは、ＭをＮ以下の自然数として、Ｎ＋Ｍ個の前記超伝導偏向電磁石を含み、Ｎ個の前記超伝導偏向電磁石は、前記超伝導偏向電磁石グループにおける最下流側に配置されており、前記常伝導偏向電磁石の偏向角は、９０°のＭ／Ｎ倍であることを特徴とする。 The rotating gantry of the present invention comprises a structure that can freely rotate around a target to be irradiated with a charged particle beam, a normal conducting bending electromagnet fixed to the structure and deflecting the charged particle beam incident along the direction of the rotation axis of the structure in a direction away from the rotation axis, and a superconducting bending electromagnet group fixed to the structure and deflecting the charged particle beam that has passed through the normal conducting bending electromagnet in a direction toward the rotation axis, wherein the superconducting bending electromagnet group includes a plurality of superconducting bending electromagnets arranged in cascade, the deflection angles of the plurality of superconducting bending electromagnets being the same, the structure includes a housing having a cylindrical internal space, the normal conducting bending electromagnet is arranged inside the housing, and the superconducting bending electromagnet group is arranged outside the housing. A rotating gantry according to the present invention includes a structure that can freely rotate around an irradiation target of a charged particle beam, one or more normal conducting bending electromagnets that are fixed to the structure and that deflect the charged particle beam incident along the direction of a rotation axis of the structure in a direction away from the rotation axis, and a group of superconducting bending electromagnets that are fixed to the structure and that deflect the charged particle beam that has passed through the normal conducting bending electromagnets in a direction perpendicular to the rotation axis and toward the rotation axis, and the group of superconducting bending electromagnets The loop includes a plurality of superconducting bending electromagnets arranged in cascade, the bending angles of the plurality of superconducting bending electromagnets are the same, the bending angle of each of the superconducting bending electromagnets is a value obtained by dividing 90° by a natural number N, the superconducting bending electromagnet group includes N+M of the superconducting bending electromagnets, where M is a natural number less than N, the N of the superconducting bending electromagnets are arranged on the most downstream side in the superconducting bending electromagnet group, and the bending angle of the normal-conducting bending electromagnet is M/N times 90°.

本発明によれば、複数の超伝導偏向電磁石を用いる回転ガントリを小型化すると共に、構造を単純化することができる。 The present invention makes it possible to miniaturize a rotating gantry that uses multiple superconducting bending electromagnets and simplify its structure.

回転ガントリを模式的に示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic diagram of a rotating gantry. 粒子線治療システムを模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a particle beam therapy system.

各図を参照して本発明の実施形態に係る回転ガントリおよび粒子線治療システムが説明される。複数の図面に示されている同一の構成要素については同一の符号が付され、説明が簡略化される。また、本明細書における「円筒」等の形状を表す用語は、幾何学的に厳密に定義された形状のみを示すものではない。本明細書における形状を表す用語は、構成要素の機能を確保できる範囲で変形が加えられた形状をも示す。 The rotating gantry and particle beam therapy system according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the various figures. Identical components shown in multiple drawings are given the same reference numerals to simplify the description. Furthermore, terms describing shapes such as "cylinder" in this specification do not only refer to shapes that are strictly defined geometrically. Terms describing shapes in this specification also refer to shapes that have been modified to the extent that the functionality of the components can be ensured.

図１には、本発明の第１実施形態に係る回転ガントリ１が模式的に示されている。回転ガントリ１は、入口２０に入射された荷電粒子ビームを電磁石により偏向および整形し、患者１０の患部１１へ照射する。回転ガントリ１は、回転軸２７を中心として患者１０の周りを回転自在となっている。これによって、患者１０に対して複数の異なる方向から荷電粒子ビームが照射され得る。 Figure 1 shows a schematic diagram of a rotating gantry 1 according to a first embodiment of the present invention. The rotating gantry 1 deflects and shapes the charged particle beam incident on the entrance 20 using electromagnets, and irradiates the beam onto the affected area 11 of the patient 10. The rotating gantry 1 is capable of freely rotating around the patient 10, centering on a rotation axis 27. This allows the patient 10 to be irradiated with the charged particle beam from a number of different directions.

回転ガントリ１は、常伝導偏向電磁石２１、超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅ、複数の四極電磁石２３ａ、複数の四極電磁石２３ｂ、軌道補正電磁石２４ａ、２４ｂ、照射ノズル２５、ハウジング２６および回転ガントリ支持部３１を備えている。荷電粒子ビームを導く各機器、すなわち、常伝導偏向電磁石２１、超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅ、各四極電磁石２３ａ、各四極電磁石２３ｂ、軌道補正電磁石２４ａ、２４ｂおよび照射ノズル２５は、ハウジング２６に固定されている。 The rotating gantry 1 includes a normal conducting deflection electromagnet 21, superconducting deflection electromagnets 22a to 22e, multiple quadrupole electromagnets 23a, multiple quadrupole electromagnets 23b, trajectory correction electromagnets 24a, 24b, an irradiation nozzle 25, a housing 26, and a rotating gantry support 31. Each device that guides the charged particle beam, i.e., the normal conducting deflection electromagnet 21, the superconducting deflection electromagnets 22a to 22e, each quadrupole electromagnet 23a, each quadrupole electromagnet 23b, trajectory correction electromagnets 24a, 24b, and the irradiation nozzle 25, is fixed to the housing 26.

ハウジング２６は、回転軸２７を中心軸とする円筒状の構造物である。ハウジング２６は、内部空間が筒形状となっているその他の形状を有する構造物であってもよい。また、ハウジング２６は、円筒状の構造物を中心軸に平行な平面で切断して形成されるアーチ状の構造物であってもよい。さらに、ハウジング２６に代えて、各機器を患者１０の周りで回転させる骨組みからなる構造物、あるいは、そのような骨組みを含む構造物が用いられてもよい。 The housing 26 is a cylindrical structure with the rotation shaft 27 as its central axis. The housing 26 may be a structure having another shape in which the internal space is cylindrical. The housing 26 may also be an arch-shaped structure formed by cutting a cylindrical structure along a plane parallel to the central axis. Furthermore, instead of the housing 26, a structure consisting of a framework that rotates each device around the patient 10, or a structure including such a framework, may be used.

回転ガントリ１は、床面上に回転ガントリ支持部３１によって支持されている。ハウジング２６は回転ガントリ支持部３１に支持された状態で、ハウジング２６に固定された各機器と共に回転軸２７の周りを回転する。ハウジング２６が回転自在な角度範囲は、３６０°であってもよいし、３６０°未満であってもよい。ハウジング２６が回転自在な角度範囲を、患者１０の上方における１８０°の範囲としてハーフガントリが構成されてもよい。 The rotating gantry 1 is supported on the floor by a rotating gantry support 31. While supported by the rotating gantry support 31, the housing 26 rotates around a rotation axis 27 together with each device fixed to the housing 26. The angular range in which the housing 26 can rotate freely may be 360° or may be less than 360°. A half gantry may be configured such that the angular range in which the housing 26 can rotate freely is a range of 180° above the patient 10.

常伝導偏向電磁石２１、軌道補正電磁石２４ａ、複数の四極電磁石２３ａ、超伝導偏向電磁石２２ａ、２２ｂ、軌道補正電磁石２４ｂ、複数の四極電磁石２３ｂ、超伝導偏向電磁石２２ｃ～２２ｅおよび照射ノズル２５が、この順序で入口から下流側に向かって縦続配置されている。また、常伝導偏向電磁石２１から照射ノズル２５に至るこれらの機器は、回転軸２７を含む仮想的な平面１００上に配置されている。 The normal conducting deflection electromagnet 21, the trajectory correction electromagnet 24a, the multiple quadrupole electromagnets 23a, the superconducting deflection electromagnets 22a and 22b, the trajectory correction electromagnet 24b, the multiple quadrupole electromagnets 23b, the superconducting deflection electromagnets 22c to 22e, and the irradiation nozzle 25 are arranged in tandem in this order from the inlet toward the downstream side. In addition, these devices from the normal conducting deflection electromagnet 21 to the irradiation nozzle 25 are arranged on an imaginary plane 100 that includes the rotation axis 27.

常伝導偏向電磁石２１、軌道補正電磁石２４ａ、複数の四極電磁石２３ａのうちの一部の四極電磁石および照射ノズル２５は、ハウジング２６の内側に固定されている。複数の四極電磁石２３ａのうちの残りの一部の四極電磁石、超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅ、軌道補正電磁石２４ｂおよび複数の四極電磁石２３ｂは、ハウジング２６の外側に固定されている。 The normal conducting deflection electromagnet 21, the trajectory correction electromagnet 24a, some of the quadrupole electromagnets 23a, and the irradiation nozzle 25 are fixed inside the housing 26. The remaining some of the quadrupole electromagnets 23a, the superconducting deflection electromagnets 22a to 22e, the trajectory correction electromagnet 24b, and the multiple quadrupole electromagnets 23b are fixed outside the housing 26.

常伝導偏向電磁石２１は、回転軸２７から離れる方向に反れた形状を有している。軌道補正電磁石２４ａおよび複数の四極電磁石２３ａは直線状に配置されている。超伝導偏向電磁石２２ａおよび２２ｂのそれぞれは、回転軸２７に向かって曲がる円弧状に形成されており、超伝導偏向電磁石２２ａおよび２２ｂは、回転軸２７に向かって曲がる円弧状に配置されている。軌道補正電磁石２４ｂおよび複数の四極電磁石２３ｂは直線状に配置されている。超伝導偏向電磁石２２ｃ～２２ｅのそれぞれは回転軸２７に向かって曲がる円弧状に形成されており、超伝導偏向電磁石２２ｃ～２２ｅは回転軸２７に向かって曲がる円弧状に配置されている。 The normal-conducting deflection electromagnet 21 has a shape that is curved in a direction away from the rotation axis 27. The trajectory correction electromagnet 24a and the multiple quadrupole electromagnets 23a are arranged in a straight line. The superconducting deflection electromagnets 22a and 22b are each formed in an arc shape that curves toward the rotation axis 27, and the superconducting deflection electromagnets 22a and 22b are arranged in an arc shape that curves toward the rotation axis 27. The trajectory correction electromagnet 24b and the multiple quadrupole electromagnets 23b are arranged in a straight line. The superconducting deflection electromagnets 22c to 22e are each formed in an arc shape that curves toward the rotation axis 27, and the superconducting deflection electromagnets 22c to 22e are arranged in an arc shape that curves toward the rotation axis 27.

各機器の機能の概要が説明される。常伝導偏向電磁石２１および超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅは、回転ガントリ１の入口２０へ回転軸２７に沿った方向に輸送された荷電粒子ビームを偏向する。常伝導偏向電磁石２１および超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅは、回転軸２７に垂直な方向から患部１１へ荷電粒子ビームを照射することを可能とする。各四極電磁石２３ａおよび２３ｂは、進行方向に垂直な平面内における荷電粒子ビームの形状を調整する。軌道補正電磁石２４ａおよび２４ｂは、荷電粒子ビームを偏向し、回転ガントリ１内で輸送される荷電粒子ビームの軌道を補正する。照射ノズル２５は、患部１１に向けて荷電粒子ビームを照射する。 The function of each device will be outlined. The normal conducting deflection electromagnet 21 and the superconducting deflection electromagnets 22a to 22e deflect the charged particle beam transported to the entrance 20 of the rotating gantry 1 in a direction along the rotation axis 27. The normal conducting deflection electromagnet 21 and the superconducting deflection electromagnets 22a to 22e enable the charged particle beam to be irradiated to the affected area 11 from a direction perpendicular to the rotation axis 27. The quadrupole electromagnets 23a and 23b adjust the shape of the charged particle beam in a plane perpendicular to the direction of travel. The trajectory correction electromagnets 24a and 24b deflect the charged particle beam and correct the trajectory of the charged particle beam transported within the rotating gantry 1. The irradiation nozzle 25 irradiates the charged particle beam toward the affected area 11.

各機器の動作が説明される。常伝導偏向電磁石２１は、入口２０に入射された荷電粒子ビームを、回転軸２７から離れる方向に偏向し、軌道補正電磁石２４ａに入射する。軌道補正電磁石２４ａは、荷電粒子ビームを平面方向あるいは垂直方向に偏向し、回転ガントリ１内で輸送される荷電粒子ビームの軌道を補正し、四極電磁石２３ａに入射する。ここで、平面方向は軌道補正電磁石２４ａに対する荷電粒子ビームの入射方向に垂直であり、かつ、平面１００に平行な方向である。垂直方向は、入射方向および平面方向のいずれにも垂直な方向である。 The operation of each device will be explained. The normal conducting deflection electromagnet 21 deflects the charged particle beam incident on the inlet 20 in a direction away from the rotation axis 27, and makes the beam incident on the trajectory correction electromagnet 24a. The trajectory correction electromagnet 24a deflects the charged particle beam in a planar direction or a vertical direction, corrects the trajectory of the charged particle beam transported within the rotating gantry 1, and makes the beam incident on the quadrupole electromagnet 23a. Here, the planar direction is perpendicular to the direction in which the charged particle beam is incident on the trajectory correction electromagnet 24a, and is parallel to the plane 100. The vertical direction is perpendicular to both the incident direction and the planar direction.

各四極電磁石２３ａは、荷電粒子ビームに収束の力あるいは発散の力を印加し、進行方向に垂直な平面内における荷電粒子ビームの形状を調整する。 Each quadrupole electromagnet 23a applies a converging or diverging force to the charged particle beam, adjusting the shape of the charged particle beam in a plane perpendicular to the direction of travel.

超伝導偏向電磁石２２ａおよび２２ｂは、各四極電磁石２３ａを通過した荷電粒子ビームを回転軸２７に向かう方向に偏向し、軌道補正電磁石２４ｂに入射する。軌道補正電磁石２４ｂは荷電粒子ビームを平面方向あるいは垂直方向に偏向し、回転ガントリ１内で輸送される荷電粒子ビームの軌道を補正し、四極電磁石２３ｂに入射する。 The superconducting deflection electromagnets 22a and 22b deflect the charged particle beam that has passed through each quadrupole electromagnet 23a in a direction toward the rotation axis 27, and the charged particle beam is incident on the trajectory correction electromagnet 24b. The trajectory correction electromagnet 24b deflects the charged particle beam in a planar or vertical direction, correcting the trajectory of the charged particle beam transported within the rotating gantry 1, and the charged particle beam is incident on the quadrupole electromagnet 23b.

各四極電磁石２３ｂは、荷電粒子ビームに収束の力あるいは発散の力を印加し、進行方向に垂直な平面内における荷電粒子ビームの形状を調整する。 Each quadrupole electromagnet 23b applies a converging or diverging force to the charged particle beam, adjusting the shape of the charged particle beam in a plane perpendicular to the direction of travel.

超伝導偏向電磁石２２ｃおよび２２ｄは、各四極電磁石２３ｂを通過した荷電粒子ビームを回転軸２７に向かう方向に偏向し、照射ノズル２５に入射する。照射ノズル２５は、荷電粒子ビームを患部１１の形状に合わせて走査し、患部１１の治療に適した線量の分布、すなわち照射野を形成する。 The superconducting deflection electromagnets 22c and 22d deflect the charged particle beam that has passed through each quadrupole electromagnet 23b in a direction toward the rotation axis 27, and cause it to enter the irradiation nozzle 25. The irradiation nozzle 25 scans the charged particle beam in accordance with the shape of the affected area 11, forming a dose distribution, i.e., an irradiation field, suitable for treating the affected area 11.

照射ノズル２５には２つの走査電磁石４０ａおよび４０ｂが搭載されている。走査電磁石４０ａおよび４０ｂは、治療計画装置（図示省略）が定める位置へ向けて荷電粒子ビームを偏向する。荷電粒子ビームが患部１１内で到達する進行方向の位置は、回転ガントリ１へ輸送される荷電粒子ビームのエネルギーを調整することにより制御される。 The irradiation nozzle 25 is equipped with two scanning magnets 40a and 40b. The scanning magnets 40a and 40b deflect the charged particle beam toward a position determined by a treatment planning device (not shown). The position in the traveling direction at which the charged particle beam reaches the affected area 11 is controlled by adjusting the energy of the charged particle beam transported to the rotating gantry 1.

このように、本実施形態に係る回転ガントリ１は、荷電粒子ビームの照射対象としての患者１０の周りを回転自在なハウジング２６を備えている。回転ガントリ１は、ハウジング２６の回転軸２７の方向に沿って入射した荷電粒子ビームを回転軸２７から離れる方向に偏向する常伝導偏向電磁石２１を備えている。回転ガントリ１は、さらに、常伝導偏向電磁石２１および複数の四極電磁石２３ａを通過した荷電粒子ビームを、回転軸２７に向かう方向に偏向する超伝導偏向電磁石グループとして、超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅを備えている。超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅの偏向角は同一である。 Thus, the rotating gantry 1 according to this embodiment includes a housing 26 that can rotate around the patient 10 as the target of irradiation with the charged particle beam. The rotating gantry 1 includes a normal conducting deflection electromagnet 21 that deflects the charged particle beam incident along the direction of the rotation axis 27 of the housing 26 in a direction away from the rotation axis 27. The rotating gantry 1 further includes superconducting deflection electromagnets 22a to 22e as a superconducting deflection electromagnet group that deflects the charged particle beam that has passed through the normal conducting deflection electromagnet 21 and the multiple quadrupole electromagnets 23a in a direction toward the rotation axis 27. The deflection angles of the superconducting deflection electromagnets 22a to 22e are the same.

超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅは、超伝導偏向電磁石２２ｂと超伝導偏向電磁石２２ｃとの間に、軌道補正電磁石２４ｂおよび複数の四極電磁石２３ｂを介在させた上で、縦続配置されている。すなわち、上流側の１つの超伝導偏向電磁石を通過した荷電粒子ビームが、下流側の１つの超伝導偏向電磁石を通過するように複数の超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅが配置されている。 The superconducting deflection electromagnets 22a to 22e are arranged in cascade between the superconducting deflection electromagnets 22b and 22c, with the trajectory correction electromagnet 24b and multiple quadrupole electromagnets 23b interposed between them. In other words, the multiple superconducting deflection electromagnets 22a to 22e are arranged so that the charged particle beam that has passed through one superconducting deflection electromagnet on the upstream side passes through one superconducting deflection electromagnet on the downstream side.

常伝導偏向電磁石２１および超伝導偏向電磁石グループの機能は、以下のようにも表現される。常伝導偏向電磁石２１は、自らから見て回転軸２７から離れる側に荷電粒子ビームの軌跡の曲率中心が位置するように、荷電粒子ビームを偏向する。超伝導偏向電磁石グループを構成する複数の超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅは、自ら見て回転軸２７側に、荷電粒子ビームの軌跡の曲率中心が位置するように、荷電粒子ビームを偏向する。 The functions of the normal conducting bending electromagnet 21 and the superconducting bending electromagnet group can also be expressed as follows. The normal conducting bending electromagnet 21 deflects the charged particle beam so that the center of curvature of the trajectory of the charged particle beam is located on the side away from the rotation axis 27 when viewed from the normal conducting bending electromagnet 21. The multiple superconducting bending electromagnets 22a to 22e that make up the superconducting bending electromagnet group deflect the charged particle beam so that the center of curvature of the trajectory of the charged particle beam is located on the side of the rotation axis 27 when viewed from the normal conducting bending electromagnet 21.

具体的に、本実施形態における常伝導偏向電磁石２１は、６０°の偏向角で回転軸２７から離れる方向に荷電粒子ビームを偏向する。超伝導偏向電磁石２２ａおよび２２ｂのそれぞれは、３０°の偏向角で荷電粒子ビームを回転軸２７に向かう方向に偏向し、超伝導偏向電磁石２２ａおよび２２ｂは、合計６０°の偏向角で回転軸２７に向かう方向に荷電粒子ビームを偏向する。超伝導偏向電磁石２２ａおよび２２ｂを通過した荷電粒子ビームの進行方向は、回転軸２７に沿った方向となる。 Specifically, in this embodiment, the normal conducting deflection electromagnet 21 deflects the charged particle beam in a direction away from the rotation axis 27 at a deflection angle of 60°. Each of the superconducting deflection electromagnets 22a and 22b deflects the charged particle beam in a direction toward the rotation axis 27 at a deflection angle of 30°, and the superconducting deflection electromagnets 22a and 22b deflect the charged particle beam in a direction toward the rotation axis 27 at a total deflection angle of 60°. The traveling direction of the charged particle beam that has passed through the superconducting deflection electromagnets 22a and 22b is along the rotation axis 27.

超伝導偏向電磁石２２ｃ～２２ｅのそれぞれは、３０°の偏向角で回転軸２７に向かう方向に荷電粒子ビームを偏向し、超伝導偏向電磁石２２ｃ～２２ｅは、照射ノズル２５の入射位置に向けて、合計９０°の偏向角で荷電粒子ビームを偏向する。 Each of the superconducting deflection electromagnets 22c to 22e deflects the charged particle beam toward the rotation axis 27 at a deflection angle of 30°, and the superconducting deflection electromagnets 22c to 22e deflect the charged particle beam toward the entrance position of the irradiation nozzle 25 at a total deflection angle of 90°.

このように、超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅは、同一の角度で荷電粒子ビームを偏向する。したがって、超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅに同一の構造を持たせることができ、回転ガントリ１の構成が単純化される。さらに、超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅに用いられる部品が共通化され、回転ガントリ１の設計コストおよび製造コストが低減される。 In this way, the superconducting deflection electromagnets 22a to 22e deflect the charged particle beam at the same angle. Therefore, the superconducting deflection electromagnets 22a to 22e can have the same structure, simplifying the configuration of the rotating gantry 1. Furthermore, the parts used in the superconducting deflection electromagnets 22a to 22e are standardized, reducing the design and manufacturing costs of the rotating gantry 1.

上記では、５個の超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅが用いられた例が示されたが、超伝導偏向電磁石の数は任意である。各超伝導偏向電磁石の偏向角は、９０°を自然数Ｎで除した値であってよい。また、超伝導偏向電磁石グループは、Ｎ＋Ｍ個の超伝導偏向電磁石を含んでよい。ただし、Ｍは、Ｎ以下の自然数である。この場合、常伝導偏向電磁石２１の偏向角は、９０°のＭ／Ｎ倍である。すなわち、常伝導偏向電磁石２１の偏向角は、１つの超伝導偏向電磁石の偏向角の自然数Ｍ倍である。本実施形態に係る回転ガントリ１では、自然数Ｎは３であり、自然数Ｍは２である。 In the above, an example is shown in which five superconducting bending electromagnets 22a to 22e are used, but the number of superconducting bending electromagnets is arbitrary. The bending angle of each superconducting bending electromagnet may be a value obtained by dividing 90° by the natural number N. Furthermore, a superconducting bending electromagnet group may include N+M superconducting bending electromagnets, where M is a natural number less than or equal to N. In this case, the bending angle of the normal-conducting bending electromagnet 21 is M/N times 90°. In other words, the bending angle of the normal-conducting bending electromagnet 21 is the bending angle of one superconducting bending electromagnet M times the natural number. In the rotating gantry 1 according to this embodiment, the natural number N is 3, and the natural number M is 2.

このような構成では、常伝導偏向電磁石２１およびＭ個の超伝偏向導電磁石によって、回転軸２７から外側に離れた位置で、荷電粒子ビームの進行方向が回転軸２７に沿った方向に向けられる。そして、Ｎ個の超伝導偏向電磁石が、回転軸２７に向かう方向に９０°の偏向角で荷電粒子ビームを偏向する。荷電粒子ビームの軌跡が一旦ハウジング２６の外側に向かった後、回転軸２７側に戻るように各偏向電磁石が配置される。そのため、回転ガントリ１の回転軸２７に沿った方向の長さが抑制される。このような回転ガントリの型は、一般にコークスクリュー型と称される。 In this configuration, the normal conducting deflection electromagnet 21 and M superconducting deflection conductive magnets direct the charged particle beam along the rotation axis 27 at a position away from the outside of the rotation axis 27. Then, N superconducting deflection electromagnets deflect the charged particle beam at a deflection angle of 90° toward the rotation axis 27. Each deflection electromagnet is positioned so that the trajectory of the charged particle beam once heads toward the outside of the housing 26 and then returns to the rotation axis 27. This reduces the length of the rotating gantry 1 along the rotation axis 27. This type of rotating gantry is generally called a corkscrew type.

また、超伝導偏向電磁石グループは、偏向角の合計が９０°である最下流側の１つまたは複数の超伝導偏向電磁石を含んでもよい。さらに、偏向角の合計が９０°である最下流側の１つまたは複数の超伝導偏向電磁石の上流側に、回転軸２７に沿って直線状に配置された複数の電磁石（軌道補正電磁石、四極電磁石等）が配置されてもよい。 The superconducting deflection electromagnet group may also include one or more superconducting deflection electromagnets on the most downstream side, with a total deflection angle of 90°. Furthermore, a number of electromagnets (trajectory correction electromagnets, quadrupole electromagnets, etc.) may be arranged in a line along the rotation axis 27 upstream of the one or more superconducting deflection electromagnets on the most downstream side, with a total deflection angle of 90°.

具体的に、超伝導偏向電磁石グループは、偏向角の合計が９０°である最下流側の複数の超伝導偏向電磁石として、超伝導偏向電磁石２２ｃ～２２ｅを備えている。その上流側には、軌道補正電磁石２４ｂおよび複数の四極電磁石２３ｂが直線状に配置されている。このような構成では、直線状に配置された軌道補正電磁石２４ｂおよび複数の四極電磁石２３ｂが、回転ガントリ１の半径方向の大きさを増大させないという利点がある。 Specifically, the superconducting deflection electromagnet group includes superconducting deflection electromagnets 22c to 22e as the most downstream superconducting deflection electromagnets with a total deflection angle of 90°. Upstream of them, trajectory correction electromagnet 24b and multiple quadrupole electromagnets 23b are arranged in a line. This configuration has the advantage that the linearly arranged trajectory correction electromagnet 24b and multiple quadrupole electromagnets 23b do not increase the radial size of the rotating gantry 1.

回転ガントリ１の半径は、回転軸２７から荷電粒子ビームの軌道までの距離の最大値に基づいて定まる。回転軸２７から荷電粒子ビームの軌道までの距離の最大値は、照射ノズル２５の入射位置に向けて荷電粒子ビームを９０°偏向させるために設置される複数の偏向電磁石による偏向半径と、照射ノズル２５の長さによって定まる。ここで、偏向半径は、荷電粒子ビームが描く軌跡の曲率半径である。 The radius of the rotating gantry 1 is determined based on the maximum distance from the rotation axis 27 to the trajectory of the charged particle beam. The maximum distance from the rotation axis 27 to the trajectory of the charged particle beam is determined by the deflection radius of multiple deflection electromagnets installed to deflect the charged particle beam 90° toward the entrance position of the irradiation nozzle 25, and the length of the irradiation nozzle 25. Here, the deflection radius is the radius of curvature of the trajectory traced by the charged particle beam.

回転ガントリ１では、照射ノズル２５の入射位置に向けて荷電粒子ビームを９０°偏向するために超伝導偏向電磁石２２ｃ～２２ｅが用いられる。仮に荷電粒子ビームを同一の偏向角だけ偏向するとした場合、超伝導偏向電磁石の方が、常伝導偏向電磁石に比べて、荷電粒子ビームの軌跡の曲率半径を小さくすることが容易である。そのため、常伝導偏向電磁石のみが用いられる場合に比べて、回転ガントリ１の半径を小さくすることが容易である。 In the rotating gantry 1, superconducting deflection electromagnets 22c to 22e are used to deflect the charged particle beam by 90° toward the entrance position of the irradiation nozzle 25. If the charged particle beam is deflected by the same deflection angle, it is easier to reduce the radius of curvature of the trajectory of the charged particle beam with a superconducting deflection electromagnet than with a normal-conducting deflection electromagnet. Therefore, it is easier to reduce the radius of the rotating gantry 1 than when only normal-conducting deflection electromagnets are used.

また、回転ガントリ１では、回転軸２７から離れる方向に荷電粒子ビームを偏向する常伝導偏向電磁石２１の下流側に、軌道補正電磁石２４ａおよび複数の四極電磁石２３ａが直線状に配置されている。そして、複数の四極電磁石２３ａの下流側に、回転軸２７に向かう方向に荷電粒子ビームを偏向する超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅが配置されている。これによって、超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅは、常伝導偏向電磁石２１に比べて、回転軸２７からより離れた位置に配置されている。 In addition, in the rotating gantry 1, trajectory correction electromagnet 24a and multiple quadrupole electromagnets 23a are arranged in a straight line downstream of normal conducting deflection electromagnet 21, which deflects the charged particle beam in a direction away from the rotation axis 27. Then, superconducting deflection electromagnets 22a to 22e, which deflect the charged particle beam in a direction toward the rotation axis 27, are arranged downstream of the multiple quadrupole electromagnets 23a. As a result, superconducting deflection electromagnets 22a to 22e are arranged at positions farther away from the rotation axis 27 than normal conducting deflection electromagnet 21.

一般に、超伝導偏向電磁石は、常伝導偏向電磁石に比べて軽量である。したがって、回転軸２７から離れた位置に常伝導偏向電磁石を配置する場合に比べて、回転軸２７の周りに作用するモーメント力が小さくなり、ハウジング２６に求められる剛性が低減される。これによって、ハウジング２６が軽量化され、ひいては回転ガントリ１が軽量化される。 In general, superconducting bending electromagnets are lighter than normal bending electromagnets. Therefore, compared to when a normal bending electromagnet is placed at a position away from the rotation axis 27, the moment force acting around the rotation axis 27 is smaller, and the rigidity required for the housing 26 is reduced. This reduces the weight of the housing 26, and therefore the weight of the rotating gantry 1.

また、軌道補正電磁石２４ｂおよび複数の四極電磁石２３ｂは、回転軸２７の方向に沿った直線区間２８上に配置されている。直線区間２８の長さは回転ガントリ１の半径に影響しない。本実施形態に係る回転ガントリ１では、直線区間２８に四極電磁石２３ｂおよび軌道補正電磁石２４ｂを配置することで、回転ガントリ１の半径の増大が抑えられる。 In addition, the trajectory correction electromagnet 24b and the multiple quadrupole electromagnets 23b are arranged on a straight section 28 that is aligned with the direction of the rotation axis 27. The length of the straight section 28 does not affect the radius of the rotating gantry 1. In the rotating gantry 1 according to this embodiment, the quadrupole electromagnets 23b and the trajectory correction electromagnets 24b are arranged on the straight section 28, thereby preventing an increase in the radius of the rotating gantry 1.

さらに、本実施形態の回転ガントリ１によれば、以下に説明するように整備に要される労力が低減される。一般に、超伝導偏向電磁石ではコイルを冷却する必要がある。例えば、NbTi製の超電導コイルが用いられる場合には、コイルの温度は１０Ｋ以下とされる。これに対し常伝導偏向電磁石では、温度を低下させる必要がない。そのため、超伝導偏向電磁石は、常伝導偏向電磁石に比べて整備に労力が要される。 Furthermore, according to the rotating gantry 1 of this embodiment, the labor required for maintenance is reduced, as described below. Generally, in a superconducting bending electromagnet, the coil needs to be cooled. For example, when a superconducting coil made of NbTi is used, the coil temperature is set to 10 K or less. In contrast, in a normal-conducting bending electromagnet, there is no need to lower the temperature. Therefore, superconducting bending electromagnets require more labor for maintenance than normal-conducting bending electromagnets.

本実施形態に係る回転ガントリ１では、超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅがハウジング２６の外側に配置されている。そのため、超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅのいずれかの整備に取り組む際に、ハウジング２６を開放する作業が不要である。一方、常伝導偏向電磁石２１は、ハウジング２６の内側に配置されているものの、超伝導偏向電磁石２２ａ～２２ｅに比べて整備の頻度が低い。したがって、本実施形態の回転ガントリ１によれば、整備に要される労力が軽減される。 In the rotating gantry 1 according to this embodiment, the superconducting deflection electromagnets 22a to 22e are arranged outside the housing 26. Therefore, when performing maintenance on any of the superconducting deflection electromagnets 22a to 22e, there is no need to open the housing 26. On the other hand, although the normal-conducting deflection electromagnet 21 is arranged inside the housing 26, it is maintained less frequently than the superconducting deflection electromagnets 22a to 22e. Therefore, the rotating gantry 1 according to this embodiment reduces the labor required for maintenance.

上記では、常伝導偏向電磁石２１から照射ノズル２５に至る各機器が、仮想的な平面１００上に配置された例が示されたが、各機器は、必ずしも平面１００上に配置されていなくてもよい。荷電粒子ビームの軌跡が、平面１００に交わるように各機器が配置されてもよい。 In the above, an example is shown in which each piece of equipment from the normal conducting deflection electromagnet 21 to the irradiation nozzle 25 is arranged on a virtual plane 100, but each piece of equipment does not necessarily have to be arranged on the plane 100. Each piece of equipment may be arranged so that the trajectory of the charged particle beam intersects with the plane 100.

また、上記では、コークスクリュー型の回転ガントリ１が示された。本発明は、アーチ状の構造物の周方向に沿って照射ノズルが移動するガントリ等、その他の構造のガントリに用いられてもよい。この場合においても、常伝導偏向電磁石から照射ノズルに至る各機器が、照射ノズルと一体的に回転する。各超伝導偏向電磁石は、常伝導偏向電磁石よりも外側を回転する。ハウジングが形成される場合、各超伝導偏向電磁石はハウジングの外側に配置され、常伝導偏向電磁石はハウジングの内側に配置されてよい。 The above describes a corkscrew-type rotating gantry 1. The present invention may also be used in gantries of other structures, such as a gantry in which the irradiation nozzle moves along the circumferential direction of an arch-shaped structure. In this case, each device from the normal conducting deflection electromagnet to the irradiation nozzle rotates integrally with the irradiation nozzle. Each superconducting deflection electromagnet rotates outside the normal conducting deflection electromagnet. When a housing is formed, each superconducting deflection electromagnet may be arranged outside the housing, and the normal conducting deflection electromagnet may be arranged inside the housing.

図２には、本発明の第２実施形態に係る粒子線治療システム２が模式的に示されている。粒子線治療システム２は、加速器５１、ビーム輸送系５２、回転ガントリ１および制御装置５３を備えている。加速器５１は、シンクロトロンやサイクロトロン等であってよい。 Figure 2 shows a schematic diagram of a particle therapy system 2 according to a second embodiment of the present invention. The particle therapy system 2 includes an accelerator 51, a beam transport system 52, a rotating gantry 1, and a control device 53. The accelerator 51 may be a synchrotron, a cyclotron, or the like.

制御装置５３は、治療計画装置（図示省略）が作成した治療計画に基づいて加速器５１、ビーム輸送系５２および回転ガントリ１を制御する。加速器５１は、患部１１を治療するのに必要なエネルギーを有する状態となるまで荷電粒子ビームを加速する。加速された荷電粒子ビームは加速器５１から取り出される。ビーム輸送系５２は、加速器５１から取り出された荷電粒子ビームを回転ガントリ１の入口へ輸送する。回転ガントリ１は、上記のように荷電粒子ビームの向き、形状等を調整し、荷電粒子ビームを患部１１へ照射する。 The control device 53 controls the accelerator 51, the beam transport system 52, and the rotating gantry 1 based on a treatment plan created by a treatment planning device (not shown). The accelerator 51 accelerates the charged particle beam until it has the energy required to treat the affected area 11. The accelerated charged particle beam is extracted from the accelerator 51. The beam transport system 52 transports the charged particle beam extracted from the accelerator 51 to the entrance of the rotating gantry 1. The rotating gantry 1 adjusts the direction, shape, etc. of the charged particle beam as described above, and irradiates the charged particle beam to the affected area 11.

回転ガントリ１は、常伝導偏向電磁石のみが用いられた従来の回転ガントリに比べて小型である。したがって、回転ガントリ１が用いられた粒子線治療システム２もまた、従来の回転ガントリが用いられた場合に比べて小型となる。これによって、粒子線治療システム２の設置面積が狭くなり、粒子線治療システム２が収められる建屋のコストが低減される。また、上記のように回転ガントリ１の整備は容易である。そのため、粒子線治療システム２の整備に要する時間が短縮される。 The rotating gantry 1 is smaller than a conventional rotating gantry that uses only normal conducting bending electromagnets. Therefore, the particle therapy system 2 in which the rotating gantry 1 is used is also smaller than when a conventional rotating gantry is used. This reduces the installation area of the particle therapy system 2, and reduces the cost of the building in which the particle therapy system 2 is housed. In addition, as described above, maintenance of the rotating gantry 1 is easy. Therefore, the time required for maintenance of the particle therapy system 2 is reduced.

１回転ガントリ、１０患者、１１患部、２１常伝導偏向電磁石、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ超伝導偏向電磁石、２３ａ，２３ｂ四極電磁石、２４ａ，２４ｂ軌道補正電磁石、２５照射ノズル、２６ハウジング、２７回転軸、２８直線区間、３１回転ガントリ支持部、４０ａ，４０ｂ走査電磁石、５１加速器、５２ビーム輸送系、５３制御装置。 1 rotating gantry, 10 patient, 11 affected area, 21 normal conducting deflection magnet, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e superconducting deflection magnet, 23a, 23b quadrupole magnet, 24a, 24b trajectory correction magnet, 25 irradiation nozzle, 26 housing, 27 rotating shaft, 28 straight section, 31 rotating gantry support, 40a, 40b scanning magnet, 51 accelerator, 52 beam transport system, 53 control device.

Claims

a structure that can freely rotate around a target to be irradiated with the charged particle beam;
a normal conducting deflection electromagnet fixed to the structure and configured to deflect the charged particle beam incident along the direction of the rotation axis of the structure in a direction away from the rotation axis;
a superconducting bending electromagnet group fixed to the structure and configured to deflect the charged particle beam that has passed through the normal conducting bending electromagnet in a direction toward the rotation axis,
The superconducting bending electromagnet group includes:
A plurality of superconducting bending electromagnets arranged in cascade,
The deflection angles of the plurality of superconducting bending electromagnets are the same,
The structure includes a housing having an internal space with a cylindrical shape,
the normal conducting bending electromagnet is disposed inside the housing ,
A rotating gantry, wherein the superconducting bending electromagnet group is disposed outside the housing.

2. The rotating gantry of claim 1,
The deflection angle of each of the superconducting deflection electromagnets is a value obtained by dividing 90° by a natural number N,
The superconducting bending electromagnet group includes:
the superconducting deflection electromagnets being a number N+M, where M is a natural number equal to or less than N, and the charged particle beam passing through the normal conducting deflection electromagnets is deflected in a direction perpendicular to the rotation axis and toward the rotation axis;
the N superconducting bending electromagnets are disposed on the most downstream side in the superconducting bending electromagnet group,
A rotating gantry, wherein the deflection angle of the normal conducting bending electromagnet is M/N times 90°.

3. The rotating gantry according to claim 2 ,
a rotating gantry comprising a plurality of electromagnets arranged linearly along the rotation axis upstream of the N superconducting bending electromagnets located at the most downstream side in the superconducting bending electromagnet group, and through which the charged particle beam passes.

2. The rotating gantry of claim 1,
The superconducting bending electromagnet group includes one or more superconducting bending electromagnets on the most downstream side, the sum of which is a bending angle of 90°,
A rotating gantry comprising a plurality of electromagnets arranged in a line along the rotation axis, upstream of the one or more superconducting bending electromagnets on the most downstream side, the sum of which has a deflection angle of 90°, and through which the charged particle beam passes.

A rotating gantry according to any one of claims 1 to 4 ,
an accelerator for accelerating the charged particle beam;
a beam transport system that transports the charged particle beam extracted from the accelerator to the rotating gantry;
A particle beam therapy system comprising: