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JP7722698B2 - Charged particle beam irradiation device and charged particle beam therapy system - Google Patents
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JP7722698B2 - Charged particle beam irradiation device and charged particle beam therapy system - Google Patents

Charged particle beam irradiation device and charged particle beam therapy system

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JP7722698B2
JP7722698B2 JP2021183092A JP2021183092A JP7722698B2 JP 7722698 B2 JP7722698 B2 JP 7722698B2 JP 2021183092 A JP2021183092 A JP 2021183092A JP 2021183092 A JP2021183092 A JP 2021183092A JP 7722698 B2 JP7722698 B2 JP 7722698B2
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Description

本発明は、荷電粒子ビーム照射装置及び荷電粒子ビーム治療システムに関する。 The present invention relates to a charged particle beam irradiation device and a charged particle beam therapy system.

従来より、高エネルギーに加速された荷電粒子ビーム(「粒子線」ともいう。)を癌などの悪性腫瘍に照射し、悪性腫瘍を治療する粒子線治療が行われている。荷電粒子ビームを物体に照射すると、物体内の荷電粒子ビームの経路に沿って物体にエネルギー(線量)が付与される。物体内部の限られた領域(標的)に集中して線量を付与する場合、荷電粒子ビームが標的に重なるように、荷電粒子ビームを様々な方向から照射することで線量の集中性を高めることが行われる。 Particle beam therapy has traditionally been used to treat malignant tumors, such as cancer, by irradiating them with a beam of charged particles (also known as a "particle beam") accelerated to high energy. When an object is irradiated with a charged particle beam, energy (dose) is imparted to the object along the path of the charged particle beam within the object. When concentrating the dose on a limited area (target) within the object, the charged particle beam is irradiated from various directions so that it overlaps with the target, thereby increasing the concentration of the dose.

特許文献1は、広い角度範囲から入射する荷電粒子ビームを偏向し、アイソセンターに収束させる収束電磁石を備えた荷電粒子ビーム照射装置を開示する。
特許文献2は、治療室内のビーム経路で、独立した複数のビーム経路を選択することを開示している。
Patent Document 1 discloses a charged particle beam irradiation device equipped with a focusing electromagnet that deflects a charged particle beam incident from a wide angle range and focuses the beam at the isocenter.
Patent Document 2 discloses the selection of a plurality of independent beam paths within a treatment room.

特許6364141号Patent No. 6364141 特開2002-113118号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-113118

同一の治療室(特許文献1であれば、偏向起点Q以降の下流でビームが進行するエリア)内に、荷電粒子ビームを照射する複数のビーム経路が存在する荷電粒子ビーム照射装置においては、所定のビーム経路を通じて荷電粒子ビームの照射を行っているときに、万が一、意図しないビーム経路を通り荷電粒子ビームが進行し、患者に意図せず照射されてしまうおそれがある。 In a charged particle beam irradiation device in which multiple beam paths for irradiating a charged particle beam exist within the same treatment room (in the case of Patent Document 1, the area through which the beam travels downstream from the deflection origin Q), when irradiating a charged particle beam through a predetermined beam path, there is a risk that the charged particle beam may travel through an unintended beam path and be unintentionally irradiated onto the patient.

このような事情に鑑み、本発明は、そのような意図しない照射を防止する荷電粒子ビーム照射装置を提供することを目的とする。 In light of these circumstances, the present invention aims to provide a charged particle beam irradiation device that prevents such unintended irradiation.

本発明には以下の態様〔1〕~〔5〕が含まれる。
〔1〕
荷電粒子ビーム照射装置であって、
加速器(20)から射出された荷電粒子ビームを1つのアイソセンター(O)に輸送する複数のビーム経路を有するビーム輸送系(30)と、
前記複数のビーム経路のうちの第1ビーム経路上に配置され、前記第1ビーム経路を通過する荷電粒子ビームの進行をブロックする遮蔽体(110)と
を備え、
前記ビーム輸送系(30)は、
荷電粒子ビームを偏向させる振分電磁石(33)と、
前記振分電磁石よりも下流側に設置され、前記複数のビーム経路を通る又は前記複数のビーム経路のうちの1つのビーム経路を通る荷電粒子ビームを前記アイソセンターに収束させる収束電磁石(40)と
を備え、
前記第1ビーム経路は、前記振分電磁石が励磁されていないときに、荷電粒子ビームが前記振分電磁石を通過し、前記アイソセンターに照射されるビーム経路であり、
前記第1ビーム経路に荷電粒子ビームを通過させるときには、前記遮蔽体(110)は、当該荷電粒子ビームが通過できるように前記第1ビーム経路から退避する、前記荷電粒子ビーム照射装置。
〔2〕
前記遮蔽体は、前記振分電磁石よりも下流側であり、且つ前記収束電磁石の上流側に配置され、
前記第1ビーム経路は、前記振分電磁石の偏向起点Qと前記アイソセンターとを通る線上にある、〔1〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔3〕
荷電粒子ビーム照射装置であって、
加速器(20)から射出された荷電粒子ビームを1つのアイソセンター(O)に向けて輸送する複数のビーム経路を有するビーム輸送系(30)と、
照射ノズル(50)が移動するガイドレール(55)に沿って移動し、前記ガイドレールに沿った方向において前記照射ノズル(50)を挟むように配置された第1及び第2の遮蔽体(110a、110b)と
を備え、
前記ビーム輸送系は、
荷電粒子ビームを偏向させる振分電磁石(33)と、
前記振分電磁石よりも下流側に設置され、前記複数のビーム経路を通る荷電粒子ビームを前記アイソセンターに収束させる収束電磁石(40)と
を備え、
前記第1及び第2の遮蔽体は、前記照射ノズルに着脱自在に付着し、前記照射ノズルの移動に従い移動するが、前記ガイドレールの第1ビーム経路上の位置に来ると固定されるように構成されており、
前記第1ビーム経路は、前記振分電磁石が励磁されていないときに、荷電粒子ビームが前記振分電磁石及び前記収束電磁石を通過し、前記アイソセンターに照射されるビーム経路である、前記荷電粒子ビーム照射装置。
〔4〕
前記振分電磁石は、偏向起点Qにて1度以上の偏向角φで荷電粒子ビームを偏向させ、
前記収束電磁石は、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置されたコイル対を備え、
前記コイル対は、電流を入力すると、荷電粒子ビームの進行方向(X軸)に直交する方向(Z軸)に磁場が向いた有効磁場領域を生成するよう構成されており、ここで、X軸及びZ軸に直交する軸をY軸とし、
XY面において、
前記偏向起点QにてX軸に対する偏向角φで偏向し、前記有効磁場領域に入射した荷電粒子ビームは、前記有効磁場領域により偏向され、X軸に対する照射角θで前記アイソセンターに照射され、
前記有効磁場領域の荷電粒子ビームの出射側の境界上の任意の点P2は、前記アイソセンターから等距離rの位置にあり、
前記有効磁場領域の荷電粒子ビームの入射側の境界上の点P1と前記点P2は、半径r及び中心角(θ+φ)の円弧上にあり、
前記偏向起点Qと前記点P1との間の距離Rは、前記偏向起点Qと前記アイソセンターとの間の距離をLとすると、関係式(4):
を満たす、〔1〕~〔3〕のいずれか1項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔5〕
荷電粒子ビームを生成する加速器と、
前記加速器で生成された荷電粒子ビームを前記アイソセンターに照射する、〔1〕~〔4〕のいずれか1項に記載の荷電粒子ビーム照射装置と
を含む荷電粒子ビーム治療システム。
The present invention includes the following aspects [1] to [5].
[1]
A charged particle beam irradiation device,
a beam transport system (30) having a plurality of beam paths for transporting the charged particle beam emitted from the accelerator (20) to one isocenter (O);
a shield (110) disposed on a first beam path among the plurality of beam paths and configured to block travel of the charged particle beam passing through the first beam path;
The beam transport system (30)
a deflecting electromagnet (33) for deflecting the charged particle beam;
a focusing electromagnet (40) that is installed downstream of the sorting electromagnet and that focuses the charged particle beam that passes through the plurality of beam paths or one of the plurality of beam paths onto the isocenter,
the first beam path is a beam path through which the charged particle beam passes through the deflection electromagnets and is irradiated onto the isocenter when the deflection electromagnets are not excited;
When a charged particle beam is passed through the first beam path, the shield (110) is retracted from the first beam path to allow the charged particle beam to pass through.
[2]
the shield is disposed downstream of the dividing electromagnet and upstream of the converging electromagnet,
The charged particle beam irradiation device according to [1], wherein the first beam path is on a line passing through a deflection origin Q of the deflecting electromagnet and the isocenter.
[3]
A charged particle beam irradiation device,
a beam transport system (30) having a plurality of beam paths for transporting the charged particle beam emitted from the accelerator (20) toward one isocenter (O);
a first shield (110a), a second shield (110b) that moves along a guide rail (55) on which the irradiation nozzle (50) moves, and that is arranged to sandwich the irradiation nozzle (50) in a direction along the guide rail;
The beam transport system includes:
a deflecting electromagnet (33) for deflecting the charged particle beam;
a focusing electromagnet (40) that is installed downstream of the sorting electromagnet and that focuses the charged particle beam passing through the plurality of beam paths onto the isocenter,
the first and second shields are detachably attached to the irradiation nozzle, move in accordance with the movement of the irradiation nozzle, and are fixed when they reach a position on the first beam path of the guide rail;
the first beam path is a beam path through which the charged particle beam passes through the deflecting electromagnet and the focusing electromagnet and is irradiated onto the isocenter when the deflecting electromagnet is not excited.
[4]
the deflecting electromagnet deflects the charged particle beam at a deflection angle φ of 1 degree or more at a deflection starting point Q;
the focusing electromagnet includes a pair of coils arranged on either side of a path of the charged particle beam;
The coil pair is configured to generate an effective magnetic field region in which the magnetic field is oriented in a direction (Z axis) perpendicular to the traveling direction (X axis) of the charged particle beam when a current is input thereto, and the axis perpendicular to the X axis and the Z axis is defined as the Y axis,
In the XY plane,
the charged particle beam is deflected at a deflection angle φ with respect to the X-axis at the deflection origin Q and enters the effective magnetic field region, is deflected by the effective magnetic field region, and is irradiated onto the isocenter at an irradiation angle θ with respect to the X-axis;
An arbitrary point P2 on the boundary of the effective magnetic field region on the exit side of the charged particle beam is located at an equal distance r1 from the isocenter,
Point P1 on the boundary of the effective magnetic field region on the incident side of the charged particle beam and point P2 are on an arc of radius r2 and central angle (θ+φ),
When the distance between the deflection origin Q and the isocenter is L, the distance R between the deflection origin Q and the point P1 is expressed by the following relational expression (4):
The charged particle beam irradiation device according to any one of [1] to [3], which satisfies the above.
[5]
an accelerator that generates a charged particle beam;
and a charged particle beam irradiation device according to any one of [1] to [4], which irradiates the isocenter with a charged particle beam generated by the accelerator.

本発明の第1及び第2実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a charged particle beam irradiation device according to first and second embodiments of the present invention; 第1実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a charged particle beam irradiation device according to a first embodiment. 従来技術に関する説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram relating to the prior art. 第1実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a charged particle beam irradiation device according to a first embodiment. 第1実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a charged particle beam irradiation device according to a first embodiment. 第2実施形態に係る収束電磁石の概略構成図である。FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a converging electromagnet according to a second embodiment. 第2実施形態に係る有効磁場領域の形成を説明するための図である。10A and 10B are diagrams for explaining the formation of an effective magnetic field region according to the second embodiment. 第2実施形態に係る遮蔽機構の概略構成図である。FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a shielding mechanism according to a second embodiment. 第2実施形態に係る遮蔽体の動きを説明するための図である。10A and 10B are diagrams for explaining the movement of a shield according to the second embodiment. 第2実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置の照射制御のフローチャートである。10 is a flowchart of irradiation control of a charged particle beam irradiation apparatus according to a second embodiment. 第3実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図である。FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a charged particle beam irradiation device according to a third embodiment.

図1は、本発明に係る荷電粒子ビーム照射装置10の概略構成図である。図1の(a)は本発明の第1実施形態に係る図であり、偏向起点Q以降の下流でビームが進行するエリア内に、一つのアイソセンターOへ荷電粒子ビームを照射する独立した複数のビーム経路が存在する荷電粒子ビーム照射装置である。また、図1の(b)は本発明の第2実施形態に係る図であり、偏向起点Q以降の下流でビームが進行するエリア内に、一つのアイソセンターOへ荷電粒子ビームを照射する連続的な複数のビーム経路が存在する荷電粒子ビーム照射装置である。 Figure 1 is a schematic diagram of a charged particle beam irradiation system 10 according to the present invention. Figure 1(a) is a diagram of a first embodiment of the present invention, which is a charged particle beam irradiation system in which there are multiple independent beam paths that irradiate a charged particle beam to a single isocenter O within an area in which the beam travels downstream from the deflection origin Q. Figure 1(b) is a diagram of a second embodiment of the present invention, which is a charged particle beam irradiation system in which there are multiple continuous beam paths that irradiate a charged particle beam to a single isocenter O within an area in which the beam travels downstream from the deflection origin Q.

本発明の一実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置10は、加速器20から射出された荷電粒子ビームをアイソセンターOに向けて輸送する複数のビーム経路を有するビーム輸送系30と、ビーム輸送系30の複数のビーム経路のうちの第1ビーム経路上に配置され、第1ビーム経路を通過する荷電粒子ビームの進行をブロックする(遮蔽する)遮蔽機構100の遮蔽体110とを備える。第1ビーム経路上に荷電粒子ビームを通過させたいときには、遮蔽体110は、荷電粒子ビームが通過できるように第1ビーム経路上から移動(退避)する。第1ビーム経路は、振分電磁石33が励磁されていないときに、荷電粒子ビームが振分電磁石33(又は振分電磁石33及び収束電磁石40)を通過し、アイソセンターOに照射されるビーム経路である。すなわち、第1ビーム経路は、振分電磁石33の偏向起点QとアイソセンターOとを通る線上にある。 A charged particle beam irradiation device 10 according to one embodiment of the present invention includes a beam transport system 30 having multiple beam paths that transport a charged particle beam emitted from an accelerator 20 toward an isocenter O, and a shield 110 of a shielding mechanism 100 that is disposed on a first beam path among the multiple beam paths of the beam transport system 30 and blocks (shields) the charged particle beam from traveling through the first beam path. When it is desired to pass the charged particle beam through the first beam path, the shield 110 moves (retracts) from the first beam path to allow the charged particle beam to pass through. The first beam path is a beam path along which the charged particle beam passes through the distribution electromagnet 33 (or the distribution electromagnet 33 and the focusing electromagnet 40) and is irradiated at the isocenter O when the distribution electromagnet 33 is not excited. In other words, the first beam path is on a line passing through the deflection origin Q of the distribution electromagnet 33 and the isocenter O.

荷電粒子ビーム照射装置10は、収束電磁石40、照射ノズル50、及び制御装置60をさらに備える。また、本発明の一実施形態に係る荷電粒子ビーム治療システムは、加速器20及び荷電粒子ビーム照射装置10を含む。 The charged particle beam irradiation device 10 further includes a focusing electromagnet 40, an irradiation nozzle 50, and a control device 60. Furthermore, a charged particle beam therapy system according to one embodiment of the present invention includes an accelerator 20 and a charged particle beam irradiation device 10.

加速器20は、荷電粒子ビームを生成する装置であり、例えばシンクロトロン、サイクロトロン、又は線形加速器である。加速器20で生成された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系30を通じてアイソセンターOに収束される。 The accelerator 20 is a device that generates a charged particle beam, and is, for example, a synchrotron, cyclotron, or linear accelerator. The charged particle beam generated by the accelerator 20 is focused at the isocenter O via the beam transport system 30.

ビーム輸送系30には、荷電粒子ビームを偏向させる振分電磁石33と、振分電磁石33よりも下流側に設置され、複数のビーム経路のいずれかを通じて荷電粒子ビームをアイソセンターOに収束させる収束電磁石40とが含まれる。また、ビーム輸送系30には、1つ又は複数の荷電粒子ビーム調整手段31、真空ダクト32、扇型真空ダクト34、及び照射ノズル50がさらに含まれていてもよい。ビーム経路はすべて、真空ダクト32内、振分電磁石33内、及び収束電磁石40内の真空域を通り治療室大気中にあるアイソセンターOに至るものである。 The beam transport system 30 includes a deflecting electromagnet 33 that deflects the charged particle beam, and a focusing electromagnet 40 that is installed downstream of the deflecting electromagnet 33 and focuses the charged particle beam at the isocenter O through one of multiple beam paths. The beam transport system 30 may also include one or more charged particle beam adjustment means 31, a vacuum duct 32, a fan-shaped vacuum duct 34, and an irradiation nozzle 50. All beam paths pass through the vacuum regions in the vacuum duct 32, deflecting electromagnet 33, and focusing electromagnet 40 to reach the isocenter O, which is in the atmosphere of the treatment room.

制御装置60は、照射制御部62、遮蔽体駆動制御部64、及び遮蔽体位置検出部66などから構成される。制御装置60は、照射コンピューター(不図示)の送信する照射情報に従い、照射に関わる装置の制御を行う。遮蔽体駆動制御部64及び遮蔽体位置検出部66は、遮蔽体110を所定の配置位置に移動させ、制御装置60は、遮蔽体110の配置位置を監視し、荷電粒子ビームの出射をコントロールする。 The control device 60 is composed of an irradiation control unit 62, a shield drive control unit 64, and a shield position detection unit 66. The control device 60 controls devices related to irradiation in accordance with irradiation information sent from an irradiation computer (not shown). The shield drive control unit 64 and the shield position detection unit 66 move the shield 110 to a predetermined position, and the control device 60 monitors the position of the shield 110 and controls the emission of the charged particle beam.

本発明に関する第1実施形態について説明する。図2Aは治療室を2室持つ粒子線治療施設の概略図である。それぞれの治療室は、振分電磁石33(図中33A、33B)を起点とし、治療室内の1つのアイソセンターO(図中O-A、O-B)に収束する複数の独立したビーム経路を有している。なお、図1及び図2A~Cにおいて、符号の後ろの括弧内数字について、(0A)はゼロアンペアを意味し、(0)は0度方向からの荷電粒子ビームの照射の際に利用される電磁石等の要素に付され、(90)は90度方向からの荷電粒子ビームの照射の際に利用される電磁石等の要素に付され、(45)は45度方向からの荷電粒子ビームの照射の際に利用される電磁石等の要素に付されたものである。 A first embodiment of the present invention will be described. Figure 2A is a schematic diagram of a particle beam therapy facility with two treatment rooms. Each treatment room has multiple independent beam paths that originate from a distribution electromagnet 33 (33A, 33B in the figure) and converge at a single isocenter O (O-A, O-B in the figure) within the treatment room. Note that in Figures 1 and 2A-C, the numbers in parentheses following the symbols are as follows: (0A) means zero amperes, (0) is assigned to elements such as electromagnets used when irradiating a charged particle beam from the 0-degree direction, (90) is assigned to elements such as electromagnets used when irradiating a charged particle beam from the 90-degree direction, and (45) is assigned to elements such as electromagnets used when irradiating a charged particle beam from the 45-degree direction.

加速器20から出射し、輸送されてきた荷電粒子ビームは、偏向起点Q(図中Q-A、Q-B)で振分電磁石33(図中33A、33B)により2つの経路に振り分けられ、収束電磁石40により意図した照射角度から照射される。すなわち、偏向起点Q(図中Q-A、Q-B)でのビーム進行軸に対して0度、45度、及び90度方向からの照射経路に振り分けられる。例えば、治療室Bで照射角度が45度に選択された場合、振分電磁石33B及び収束電磁石40B(45)をはじめとした電磁石に、予め励磁電流値等の設定変更を行う。全ての設定が切り替わったところで荷電粒子ビームの照射が開始される。このとき、図2A中に示すビーム輸送系30の太矢印線のビーム経路が、設定経路220(意図した照射経路)である。なお、この場合、治療室Aは選択されていないため、照射経路には含まれない。 The charged particle beam extracted from the accelerator 20 and transported is divided into two paths by the distribution magnets 33 (33A and 33B in the figure) at the deflection origin Q (Q-A and Q-B in the figure), and is then irradiated at the intended irradiation angle by the focusing magnet 40. That is, the beam is divided into irradiation paths at 0, 45, and 90 degrees relative to the beam axis of travel at the deflection origin Q (Q-A and Q-B in the figure). For example, if a 45-degree irradiation angle is selected in treatment room B, the excitation current values and other settings for the distribution magnets 33B and focusing magnets 40B (45) are changed in advance. Once all settings are changed, charged particle beam irradiation begins. At this time, the beam path indicated by the thick arrows in the beam transport system 30 in Figure 2A is the set path 220 (intended irradiation path). In this case, treatment room A is not selected, so it is not included in the irradiation path.

図2Bを用いて、遮蔽体110を用いない場合に、振分電磁石33が意図せず機能しないときに生じる問題について説明する。例えば、45度あるいは90度からの照射角度が選択されたにも関わらず、すなわち振分電磁石33Bに励磁電流を0A(ゼロアンペア)以外の値で指示したにも関わらず、意図せずに振分電磁石33Bの励磁電流が0Aとなってしまった場合、振分電磁石33Bに入射する荷電粒子ビームは、振分電磁石33Bで偏向されず0度方向の照射経路を進行することになる。このとき、図2B中に示すビーム輸送系30の太矢印線で示す第1ビーム経路210を荷電粒子ビームが進行し、アイソセンターO-Bへの意図しない照射がなされてしまう。 Using Figure 2B, we will explain the problem that occurs when the deflection electromagnet 33 unintentionally malfunctions when the shield 110 is not used. For example, even if an irradiation angle of 45 degrees or 90 degrees is selected, that is, even if an excitation current other than 0 A (zero amperes) is specified for the deflection electromagnet 33B, if the excitation current for the deflection electromagnet 33B unintentionally becomes 0 A, the charged particle beam entering the deflection electromagnet 33B will not be deflected by the deflection electromagnet 33B and will travel along an irradiation path in the 0-degree direction. In this case, the charged particle beam will travel along the first beam path 210 indicated by the thick arrow line of the beam transport system 30 in Figure 2B, resulting in unintended irradiation of the isocenter O-B.

設定経路220が第1ビーム経路210と異なる場合に、荷電粒子ビームがアイソセンターOへ向けて射出される条件は、第1ビーム経路210に遮蔽体110が配置されていることである。一方、設定経路220が第1ビーム経路210と同じ経路となる場合にはビーム経路を開放すること、すなわち遮蔽体110が第1ビーム経路210から退避することが条件となる。遮蔽体110の位置は制御装置60が監視する。例えば、図2Cに示す例では、治療室Bにおいて45度からの照射角度が選択されたにもかかわらず振分電磁石33Bの励磁電流が0A(ゼロアンペア)と意図せずになってしまった場合であっても、第1ビーム経路210を進行する荷電粒子ビームを遮蔽体110Bが遮断して、アイソセンターO-Bに到達することを防止する。なお、治療室Aは選択されていないため、遮蔽体110Aの位置は治療室Bの照射条件に含まれても、含まれなくてもよい。 When the set path 220 is different from the first beam path 210, the condition for the charged particle beam to be emitted toward the isocenter O is that a shield 110 is placed in the first beam path 210. On the other hand, when the set path 220 is the same as the first beam path 210, the condition is that the beam path is opened, i.e., the shield 110 is retracted from the first beam path 210. The position of the shield 110 is monitored by the control device 60. For example, in the example shown in Figure 2C, even if an irradiation angle of 45 degrees is selected in treatment room B but the excitation current of the distribution electromagnet 33B is unintentionally set to 0 A (zero amperes), the shield 110B will block the charged particle beam traveling along the first beam path 210 and prevent it from reaching the isocenter O-B. Note that because treatment room A is not selected, the position of the shield 110A may or may not be included in the irradiation conditions for treatment room B.

なお、照射角度が0度に選択された場合、設定経路220(意図した照射経路)は第1ビーム経路210と同じ経路となる。この場合、図2Dに示すように、遮蔽体110Bは
設定経路220(第1ビーム経路210)から退避することで、アイソセンターO-Bへの照射が可能となる。
When the irradiation angle is selected to be 0 degrees, the set path 220 (intended irradiation path) is the same as the first beam path 210. In this case, as shown in Fig. 2D, the shield 110B can be retracted from the set path 220 (first beam path 210), thereby enabling irradiation to the isocenter O-B.

本発明に関する第2実施形態について説明する。荷電粒子ビーム照射装置10のビーム輸送系30は、振分電磁石33を起点とし、治療室内の1つのアイソセンターOに収束する複数の連続的なビーム経路を有している。振分電磁石33と収束電磁石40の少なくとも2つの偏向電磁石電源の励磁電流値を様々に組み合わせることによって所望の照射角度を選択できる。図3は、第2実施形態における振分電磁石33と収束電磁石40の概要図である。 A second embodiment of the present invention will now be described. The beam transport system 30 of the charged particle beam irradiation system 10 has multiple continuous beam paths that start at the deflection magnet 33 and converge at a single isocenter O within the treatment room. The desired irradiation angle can be selected by various combinations of the excitation current values of the power supplies for at least two bending electromagnets, the deflection magnet 33 and the focusing electromagnet 40. Figure 3 is a schematic diagram of the deflection magnet 33 and the focusing electromagnet 40 in the second embodiment.

ビーム輸送系30は、振分電磁石33及び収束電磁石40により生じる複数のビーム経路を含む。複数のビーム経路は、後述するように、振分電磁石33による荷電粒子ビームの偏向角φ及び収束電磁石40による荷電粒子ビームの照射角θに応じて異なる。 The beam transport system 30 includes multiple beam paths generated by the deflection electromagnet 33 and the focusing electromagnet 40. As described below, the multiple beam paths vary depending on the deflection angle φ of the charged particle beam generated by the deflection electromagnet 33 and the irradiation angle θ of the charged particle beam generated by the focusing electromagnet 40.

複数のビーム経路のうちの第1ビーム経路210は、振分電磁石33が意図せず励磁しない場合に、荷電粒子ビームがアイソセンターOに向けて自然に進行することとなるビーム経路である。より具体的には、第1ビーム経路210は、振分電磁石33が励磁されていない(機能していない)ときに、荷電粒子ビームが振分電磁石33及び収束電磁石40を通過し、アイソセンターOに照射されるビーム経路である。図4において、第1ビーム経路210とは、φ≠0度かつθ≠0度と設定されたにも関わらず、振分電磁石33が励磁されず、φ=0度かつθ=0度で荷電粒子ビームが進行した場合のビーム経路である。また、φ=0度かつθ=0度の設定経路220は、φ≠0度かつθ≠0度の場合の第1経路210と同じビーム経路となる。 Of the multiple beam paths, the first beam path 210 is the beam path along which the charged particle beam naturally travels toward the isocenter O when the distribution electromagnet 33 is unintentionally de-energized. More specifically, the first beam path 210 is the beam path along which the charged particle beam passes through the distribution electromagnet 33 and the focusing electromagnet 40 and is irradiated onto the isocenter O when the distribution electromagnet 33 is not energized (not functioning). In FIG. 4 , the first beam path 210 is the beam path when the distribution electromagnet 33 is not energized and the charged particle beam travels at φ = 0 degrees and θ = 0 degrees, despite the settings of φ ≠ 0 degrees and θ ≠ 0 degrees. Furthermore, the set path 220 for φ = 0 degrees and θ = 0 degrees is the same beam path as the first path 210 when φ ≠ 0 degrees and θ ≠ 0 degrees.

加速器20から荷電粒子ビームが、設定経路220を通りアイソセンターOへ向けて射出される条件は、第1ビーム経路210に遮蔽体が配置されることである。φ≠0度かつθ≠0度の照射が選択される場合では、常に第1ビーム経路210に遮蔽体110がビームを遮るように配置されている。一方、φ=0度かつθ=0度の照射が選択される場合では、設定経路220は第1ビーム経路210と同じ経路となるため、荷電粒子ビームが進行できるよう、設定経路220(第1ビーム経路210)から遮蔽体110が退避する。このとき、遮蔽体110の位置は、制御装置60により監視される。なお、遮蔽体110が所定の位置から外れると遮蔽体110のステータスは不定状態となり、即座にビームは遮断される。 The condition for the charged particle beam to be emitted from the accelerator 20 through the set path 220 toward the isocenter O is that a shield be placed in the first beam path 210. When irradiation with φ ≠ 0 degrees and θ ≠ 0 degrees is selected, the shield 110 is always placed in the first beam path 210 so as to block the beam. On the other hand, when irradiation with φ = 0 degrees and θ = 0 degrees is selected, the set path 220 is the same as the first beam path 210, so the shield 110 is retracted from the set path 220 (first beam path 210) to allow the charged particle beam to proceed. At this time, the position of the shield 110 is monitored by the control device 60. Note that if the shield 110 moves out of its predetermined position, the status of the shield 110 becomes indeterminate, and the beam is immediately blocked.

加速器20、荷電粒子ビーム調整手段31、及び振分電磁石33は、真空ダクト32で接続され、振分電磁石33及び収束電磁石40は図1に示される扇型真空ダクト34で接続されている。XY面における扇型真空ダクト34の形状を扇型状とすることで、1度以上、5度以上、又は10度以上の偏向角φで偏向された荷電粒子ビームであっても前記真空ダクト内を通過でき、矩形状のものと比べて小型化でき、設置スペースを低減できる。 The accelerator 20, charged particle beam adjusting means 31, and deflecting electromagnet 33 are connected by a vacuum duct 32, and the deflecting electromagnet 33 and focusing electromagnet 40 are connected by a fan-shaped vacuum duct 34 shown in Figure 1. By making the shape of the fan-shaped vacuum duct 34 fan-shaped in the XY plane, even charged particle beams deflected at a deflection angle φ of 1 degree or more, 5 degrees or more, or 10 degrees or more can pass through the vacuum duct, making it more compact than a rectangular duct and reducing installation space.

荷電粒子ビームは、上流側の加速器20で生成され、減衰を避ける(又は低減する)ために真空ダクト32、34内を進み、荷電粒子ビーム調整手段31による調整を受けながら、振分電磁石33及び収束電磁石40に導かれる。 The charged particle beam is generated in the upstream accelerator 20, travels through vacuum ducts 32 and 34 to avoid (or reduce) attenuation, and is guided to the focusing electromagnet 33 and focusing electromagnet 40 while being adjusted by the charged particle beam adjustment means 31.

荷電粒子ビーム調整手段31は、荷電粒子ビームのビーム形状及び/又は線量を調整するためのビームスリット、荷電粒子ビームの進行方向を調整するための電磁石、荷電粒子ビームのビーム形状を調整するための四極電磁石、並びに、荷電粒子ビームのビーム位置を微調整するためのステアリング電磁石などを、仕様に応じて適宜用いる。 The charged particle beam adjustment means 31 uses, as appropriate depending on the specifications, a beam slit for adjusting the beam shape and/or dose of the charged particle beam, an electromagnet for adjusting the direction of travel of the charged particle beam, a quadrupole electromagnet for adjusting the beam shape of the charged particle beam, and a steering electromagnet for fine-tuning the beam position of the charged particle beam.

ビーム輸送系30の複数のビーム経路は、振分電磁石33による偏向角φ及び収束電磁石40による照射角θに応じて異なる。荷電粒子ビームが受ける光学的要素も偏向角φ及び照射角θに応じて変わり、アイソセンターOでの荷電粒子ビームのビーム形状が偏向角φ及び照射角θに応じて変動することがある。この変動に対して、例えば、収束電磁石40よりも上流側に設けられた荷電粒子ビーム調整手段31を偏向角φ及び照射角θごとに調整し、アイソセンターOにおける荷電粒子ビームのビーム形状が適切になるように調整するようにしてもよい。 The multiple beam paths of the beam transport system 30 vary depending on the deflection angle φ of the deflecting electromagnet 33 and the illumination angle θ of the focusing electromagnet 40. The optical elements that the charged particle beam is subjected to also change depending on the deflection angle φ and illumination angle θ, and the beam shape of the charged particle beam at the isocenter O may vary depending on the deflection angle φ and illumination angle θ. To address this variation, for example, the charged particle beam adjustment means 31, which is provided upstream of the focusing electromagnet 40, may be adjusted for each deflection angle φ and illumination angle θ so that the beam shape of the charged particle beam at the isocenter O is appropriate.

振分電磁石33は、荷電粒子ビームを偏向角φで連続的に偏向し、収束電磁石40へ荷電粒子ビームを出射するよう構成されている。また、収束電磁石40は、アイソセンターOに向かう荷電粒子ビームの照射角θを連続的に変えるよう構成されている。ここで、本出願人による先行特許(特許6364141号、特許6387476号、及び特許6734610号)の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。振分電磁石33及び収束電磁石40の一例について以下に説明する。 The deflecting electromagnet 33 is configured to continuously deflect the charged particle beam at a deflection angle φ and emit the charged particle beam to the focusing electromagnet 40. The focusing electromagnet 40 is also configured to continuously change the irradiation angle θ of the charged particle beam toward the isocenter O. The contents of prior patents by the present applicant (Japanese Patent Nos. 6,364,141, 6,387,476, and 6,734,610) are incorporated herein by reference. An example of the deflecting electromagnet 33 and focusing electromagnet 40 is described below.

照射ノズル50は、荷電粒子ビームを用いた治療が行われる治療室内に位置し、XY面において収束電磁石40が生成する有効磁場領域の出射側の形状(境界形状)に沿ったガイドレール55(図8)に沿って、連続的に移動する。該有効磁場領域の出射側からアイソセンターOに向かう荷電粒子ビームは照射ノズル50内を通過し、照射ノズル50により荷電粒子ビームの進行方向、形状、及びエネルギーなどが微調整される。 The irradiation nozzle 50 is located inside the treatment room where treatment using the charged particle beam is performed, and moves continuously along a guide rail 55 (Figure 8) that follows the shape (boundary shape) of the exit side of the effective magnetic field region generated by the focusing electromagnet 40 in the XY plane. The charged particle beam traveling from the exit side of the effective magnetic field region toward the isocenter O passes through the irradiation nozzle 50, and the irradiation nozzle 50 fine-tunes the direction, shape, energy, etc. of the charged particle beam.

照射ノズル50は、走査電磁石(不図示)、ビームモニタ51、及びエネルギー変調手段(不図示)を備える。走査電磁石は、流れる電流量や電流の向きを調整することで、照射ノズル50から出射する荷電粒子ビームの進行方向を微調整し、比較的狭い範囲内で荷電粒子ビームをスキャン(走査)可能にする。ビームモニタ51は、荷電粒子ビームを監視し、線量モニタやビームの位置及び平坦度を計測する。エネルギー変調手段は、荷電粒子ビームのエネルギーを調整して荷電粒子ビームの患者内に到達する深さを調整する。エネルギー変調手段は、例えば、レンジモジュレータ、散乱体、リッジフィルタ、患者コリメータ、患者ボーラス、アプリケータ、又はこれらの組み合わせである。 The irradiation nozzle 50 is equipped with a scanning electromagnet (not shown), a beam monitor 51, and an energy modulation means (not shown). The scanning electromagnet adjusts the amount and direction of the current flowing to fine-tune the direction of the charged particle beam emitted from the irradiation nozzle 50, allowing the charged particle beam to be scanned within a relatively narrow range. The beam monitor 51 monitors the charged particle beam and measures the dose monitor and beam position and flatness. The energy modulation means adjusts the energy of the charged particle beam to adjust the depth to which the charged particle beam reaches within the patient. The energy modulation means is, for example, a range modulator, a scatterer, a ridge filter, a patient collimator, a patient bolus, an applicator, or a combination thereof.

図3(a)は、収束電磁石40の概略構成図である。偏向角φ及び収束角θごとに異なる複数のビーム経路も描かれている。ここで、荷電粒子ビームの進行方向をX軸、収束電磁石40が生成する磁場の方向をZ軸、X軸及びZ軸に直交する方向をY軸とする。収束電磁石40は、XY面において、X軸に対する偏向角φの広い範囲から入射する荷電粒子ビームを、アイソセンターOに収束させるよう構成されている。なお、図4においては、照射ノズル50は省略し、説明を簡単にするために、アイソセンターOをXYZ空間の原点とし、上流側(加速器側)をX軸の正の方向としている。 Figure 3(a) is a schematic diagram of the focusing electromagnet 40. It also depicts multiple beam paths that differ for each deflection angle φ and convergence angle θ. Here, the X-axis represents the direction of travel of the charged particle beam, the Z-axis represents the direction of the magnetic field generated by the focusing electromagnet 40, and the Y-axis represents the direction perpendicular to the X-axis and Z-axis. The focusing electromagnet 40 is configured to converge the charged particle beam, which is incident on the XY plane from a wide range of deflection angles φ relative to the X-axis, onto the isocenter O. Note that the irradiation nozzle 50 is omitted in Figure 4, and for simplicity, the isocenter O is taken as the origin of the XYZ space, with the upstream side (accelerator side) being the positive X-axis.

偏向角φの範囲は、-90度超~+90度未満の範囲にあり、プラス(+Y軸方向)の偏向角範囲とマイナス(-Y軸方向)の偏向角範囲は異なっていてもよい(非対称)。例えば、プラス側の最大偏向角(φ=φMAX)を10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、60度、70度、80度、及び85度のうちのいずれかとし、マイナス側の最大偏向角(φ=-φMAX)を-10度、-15度、-20度、-25度、-30度、-35度、-40度、-45度、-50度、-60度、-70度、-80度、及び-85度のうちのいずれかとしてもよい。 The deflection angle φ ranges from greater than -90 degrees to less than +90 degrees, and the positive (+Y-axis) deflection angle range and the negative (-Y-axis) deflection angle range may be different (asymmetric). For example, the maximum deflection angle on the positive side (φ = φMAX) may be 10 degrees, 15 degrees, 20 degrees, 25 degrees, 30 degrees, 35 degrees, 40 degrees, 45 degrees, 50 degrees, 60 degrees, 70 degrees, 80 degrees, or 85 degrees, and the maximum deflection angle on the negative side (φ = -φMAX) may be -10 degrees, -15 degrees, -20 degrees, -25 degrees, -30 degrees, -35 degrees, -40 degrees, -45 degrees, -50 degrees, -60 degrees, -70 degrees, -80 degrees, or -85 degrees.

収束電磁石40は、1組以上のコイル対を備え、該コイル対は、荷電粒子ビームの進行方向と荷電粒子ビームの偏向角φの広がり方向に直交する方向(図中Z軸方向)を向いた一様な磁場を生成し(有効磁場領域41a、41b)、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置されている。収束電磁石40の1組のコイル対が生成する有効磁場領域は、図3(a)に示すようにXY平面において三日月様の形状を有し、その詳細については後述する。なお、荷電粒子ビームが通過する、対向するコイル対間の隙間は(Z軸方向の距離)、XY面における荷電粒子ビームが広がる範囲に比べて十分に小さいため、ここでは荷電粒子ビームのZ軸方向の広がりについては考慮しない。 The focusing electromagnet 40 comprises one or more coil pairs, which generate a uniform magnetic field (effective magnetic field regions 41a, 41b) oriented in a direction perpendicular to the direction of travel of the charged particle beam and the direction of spread of the deflection angle φ of the charged particle beam (the Z-axis direction in the figure), and are arranged on either side of the path of the charged particle beam. The effective magnetic field region generated by one coil pair of the focusing electromagnet 40 has a crescent shape in the XY plane as shown in Figure 3(a), and details of this will be described later. Note that the gap between opposing coil pairs through which the charged particle beam passes (the distance in the Z-axis direction) is sufficiently small compared to the range of spread of the charged particle beam in the XY plane, so the spread of the charged particle beam in the Z-axis direction will not be considered here.

図3(b)は、収束電磁石40のA-A線断面図である。収束電磁石40は、好ましくは少なくとも二組のコイル対44a、44bを備える。コイル44a、44bの内部にはそれぞれ磁極45a、45bが組み込まれ、磁極45a、45bにはヨーク46が接続されている。収束電磁石40には電源装置(後述する電磁石制御部122)が接続されており、電源装置からコイル対44a、44bに電流(励磁電流)が供給されることで、収束電磁石40が励磁し、有効磁場領域41a、41b(総称して有効磁場領域41ともいう。)が形成される。 Figure 3(b) is a cross-sectional view of the focusing electromagnet 40 taken along line A-A. The focusing electromagnet 40 preferably comprises at least two coil pairs 44a, 44b. Magnetic poles 45a, 45b are incorporated within the coils 44a, 44b, respectively, and a yoke 46 is connected to the magnetic poles 45a, 45b. A power supply unit (electromagnet control unit 122, described below) is connected to the focusing electromagnet 40, and when a current (excitation current) is supplied from the power supply unit to the coil pairs 44a, 44b, the focusing electromagnet 40 is excited and effective magnetic field regions 41a, 41b (collectively referred to as effective magnetic field region 41) are formed.

なお、有効磁場領域41aの範囲と有効磁場領域41bの範囲は、異なっていてもよい(非対称)。例えば、プラス(+Y軸方向)の偏向角φの範囲とマイナス(-Y軸方向)の偏向角φの範囲が非対称であれば、それに応じて有効磁場領域41a、41bも非対称に形成することで、使用されない有効磁場領域を削減できる。 The range of effective magnetic field region 41a and the range of effective magnetic field region 41b may be different (asymmetric). For example, if the range of the positive (+Y-axis) deflection angle φ and the range of the negative (-Y-axis) deflection angle φ are asymmetric, the effective magnetic field regions 41a and 41b can be formed accordingly asymmetrically, thereby reducing the amount of unused effective magnetic field region.

振分電磁石33により偏向され、収束電磁石40に入射する荷電粒子ビームの偏向角φの範囲は、プラスの最大偏向角(φ=φmax)からマイナスの最大偏向角(φ=-φmax)の範囲であり、プラスの最大偏向角φmaxは、10度以上90度未満の角度であり、マイナスの最大偏向角-φmaxは、-90度超-10度以下の角度である。偏向角φ及び後述する照射角θは、XY面において、X軸に対する荷電粒子ビームの経路の角度である。 The deflection angle φ of the charged particle beam deflected by the deflection electromagnet 33 and incident on the focusing electromagnet 40 ranges from the maximum positive deflection angle (φ = φmax) to the maximum negative deflection angle (φ = -φmax). The maximum positive deflection angle φmax is an angle between 10 degrees and 90 degrees, and the maximum negative deflection angle -φmax is an angle between -90 degrees and -10 degrees. The deflection angle φ and the irradiation angle θ, described below, are the angles of the path of the charged particle beam relative to the X-axis on the XY plane.

プラスの偏向角範囲(φ=0超~φmax)で入射した荷電粒子ビームは、第1のコイル対44aの有効磁場領域41aにより偏向され、照射ノズル50を通りアイソセンターOに照射される。マイナスの偏向角範囲(φ=0未満~-φmax)で入射した荷電粒子ビームは、第2のコイル対44bの有効磁場領域41bにより偏向され、照射ノズル50を通りアイソセンターOに照射される。有効磁場領域41aと有効磁場領域41bの磁場の向きは互いに反対の方向である。なお、振分電磁石33から偏向角φ=0で収束電磁石40に入射する荷電粒子ビームは、有効磁場領域41a、41bのいずれか又は両領域41a、41bの間を通過し、照射ノズル50を通じてアイソセンターOに収束する。 A charged particle beam incident within the positive deflection angle range (φ=greater than 0 to φmax) is deflected by the effective magnetic field region 41a of the first coil pair 44a, passes through the irradiation nozzle 50, and is irradiated onto the isocenter O. A charged particle beam incident within the negative deflection angle range (φ=less than 0 to -φmax) is deflected by the effective magnetic field region 41b of the second coil pair 44b, passes through the irradiation nozzle 50, and is irradiated onto the isocenter O. The magnetic fields of the effective magnetic field region 41a and the effective magnetic field region 41b are oriented in opposite directions. A charged particle beam incident on the focusing electromagnet 40 from the deflection electromagnet 33 at a deflection angle φ=0 passes through either or both of the effective magnetic field regions 41a and 41b, and is converged onto the isocenter O via the irradiation nozzle 50.

収束電磁石40に入射する荷電粒子ビームの偏向角φは、振分電磁石33により制御される。振分電磁石33は、加速器(不図示)から供給される荷電粒子ビームの進行方向(図中X軸)に直交する方向(図中Z軸)を向いた磁場を生成し、通過する荷電粒子ビームを偏向する電磁石と、該磁場の強度及び向きを制御する制御部とを備える(いずれも不図示)。振分電磁石33は、磁場の強度及び向き(Z軸方向)を制御することで、XY面において荷電粒子ビームを偏向し、偏向起点Qにて偏向角φで偏向した荷電粒子ビームを収束電磁石40に出射する。ここで、偏向起点QとアイソセンターOはX軸上にある。 The deflection angle φ of the charged particle beam incident on the focusing electromagnet 40 is controlled by the deflection electromagnet 33. The deflection electromagnet 33 generates a magnetic field oriented in a direction (Z-axis in the figure) perpendicular to the direction of propagation (X-axis in the figure) of the charged particle beam supplied from the accelerator (not shown), and includes an electromagnet that deflects the passing charged particle beam, and a control unit that controls the strength and direction of the magnetic field (neither of which are shown). By controlling the strength and direction (Z-axis direction) of the magnetic field, the deflection electromagnet 33 deflects the charged particle beam in the XY plane, and emits the charged particle beam deflected at the deflection angle φ at the deflection origin Q to the focusing electromagnet 40. Here, the deflection origin Q and the isocenter O are on the X-axis.

図4を参照して、収束電磁石40の有効磁場領域41aを形成するための計算式について説明する。なお、本実施形態では、Z軸方向への荷電粒子ビームの偏向は考慮しないので、XY面における有効磁場領域の形成について説明する。収束電磁石40の有効磁場領域41aについて説明するが、有効磁場領域41bについても同じであるため、説明は省略する。 Referring to Figure 4, the calculation formula for forming the effective magnetic field region 41a of the focusing electromagnet 40 will be described. Note that in this embodiment, deflection of the charged particle beam in the Z-axis direction is not taken into consideration, so the formation of the effective magnetic field region in the XY plane will be described. We will now explain the effective magnetic field region 41a of the focusing electromagnet 40, but the same applies to the effective magnetic field region 41b, so a description will be omitted.

まず、収束電磁石40の荷電粒子ビームの出射側43の有効磁場領域41aの境界は、アイソセンターOから等距離rの位置にある範囲となるように決める。次に、収束電磁石40の荷電粒子ビームの入射側42の有効磁場領域41aの境界は、後述する関係式(1)~(5)に基づき、アイソセンターOから所定の距離Lの位置にある仮想上の偏向起点Qにて偏向角φで偏向し、入射する荷電粒子ビームが、アイソセンターOに収束するように決められる。ここで、仮想上の偏向起点Qは、振分電磁石33の中心で荷電粒子ビームが偏向角φのキックを極短距離の間に受けると仮定した点である。 First, the boundary of the effective magnetic field region 41a on the exit side 43 of the focusing electromagnet 40 for the charged particle beam is determined to be a range at an equal distance r1 from the isocenter O. Next, the boundary of the effective magnetic field region 41a on the entrance side 42 of the focusing electromagnet 40 for the charged particle beam is determined based on relational expressions (1) to (5) described below so that the incident charged particle beam is deflected by a deflection angle φ at an imaginary deflection origin Q located at a predetermined distance L from the isocenter O, and converges at the isocenter O. Here, the imaginary deflection origin Q is a point at the center of the deflecting electromagnet 33, where it is assumed that the charged particle beam receives a kick of the deflection angle φ over an extremely short distance.

偏向角φで輸送されてきた荷電粒子ビームは、入射側42の有効磁場領域41aの境界上の任意の点P1から入り、有効磁場領域41a内で曲率半径rの円運動を行い(このときの中心角は(φ+θ)となる。)、出射側43の有効磁場領域41aの境界上の点P2から出て、アイソセンターOに向けて照射される。つまり、点P1と点P2とは半径r及び中心角(φ+θ)の円弧上にある。 The charged particle beam transported at a deflection angle φ enters at an arbitrary point P1 on the boundary of the effective magnetic field region 41a on the entrance side 42, performs a circular motion with a radius of curvature r2 within the effective magnetic field region 41a (the central angle at this time is (φ+θ)), exits at a point P2 on the boundary of the effective magnetic field region 41a on the exit side 43, and is irradiated toward the isocenter O. In other words, points P1 and P2 are on an arc with a radius r2 and a central angle (φ+θ).

XY面においてアイソセンターOを原点とするXY座標系を想定する。出射側43の点P2とアイソセンターOとを結ぶ直線とX軸とがなす角度を照射角θとすると、入射側42の点P1の座標(x,y)、偏向角φ、及び点Qと点P1との間の距離Rは、以下の関係式(1)~(4)から求まる。
Assume an XY coordinate system with the isocenter O as the origin on the XY plane. If the angle between the X axis and a line connecting point P2 on the exit side 43 and isocenter O is defined as the irradiation angle θ, the coordinates (x, y) of point P1 on the entrance side 42, the deflection angle φ, and the distance R between point Q and point P1 can be calculated from the following relational expressions (1) to (4).

ここで、有効磁場領域41aには一様な磁束密度Bの磁場が生じており、荷電粒子ビームの運動量をp(およそ加速器に依存する)、電荷をqとすると、磁場中で偏向される荷電粒子ビームの曲率半径rは、式(5)で表される。
Here, a magnetic field with a uniform magnetic flux density B is generated in the effective magnetic field region 41 a, and if the momentum of the charged particle beam is p (which roughly depends on the accelerator) and the charge is q, the radius of curvature r2 of the charged particle beam deflected in the magnetic field is expressed by equation (5).

上記関係式(1)~(5)に基づき、収束電磁石40のコイル対44a及び磁極45aの形状及び配置を調整し、コイル対44aに流す電流を調整することで、有効磁場領域41aの境界の形状を調整できる。すなわち、出射側43の有効磁場領域41aの境界上の任意の点P2とアイソセンターOとの間の距離が等距離rとなるように境界を定め、有効磁場領域41aの磁束密度Bを調整して式(5)からrを決め、入射側42の有効磁場領域41aの境界上の点P1と偏向起点Qとの間の距離Rが式(4)の関係を有するように、入射側42の有効磁場領域41aの境界を定める。式(3)のφの極大値が、最大偏向角φmaxとなる。なお、限定されるものではないが、偏向起点Qを通過する荷電粒子ビームが収束電磁石40による偏向を受けなくともアイソセンターOに収束するように、偏向起点Q、収束電磁石40、及びアイソセンターOの配置を調整しておくと、装置構成をよりシンプルにできるため好ましい。 Based on the above relational expressions (1) to (5), the shape and arrangement of the coil pair 44a and the magnetic pole 45a of the converging electromagnet 40 can be adjusted, and the current flowing through the coil pair 44a can be adjusted to adjust the shape of the boundary of the effective magnetic field region 41a. That is, the boundary is determined so that the distance between any point P2 on the boundary of the effective magnetic field region 41a on the exit side 43 and the isocenter O is equal to r1 , the magnetic flux density B of the effective magnetic field region 41a is adjusted to determine r2 from expression (5), and the boundary of the effective magnetic field region 41a on the entrance side 42 is determined so that the distance R between point P1 on the boundary of the effective magnetic field region 41a on the entrance side 42 and the deflection starting point Q satisfies the relationship of expression (4). The maximum value of φ in expression (3) is the maximum deflection angle φmax. Although not limited to this, it is preferable to adjust the positions of the deflection starting point Q, the focusing electromagnet 40, and the isocenter O so that the charged particle beam passing through the deflection starting point Q converges at the isocenter O without being deflected by the focusing electromagnet 40, as this makes the device configuration simpler.

上記のようにして求まる収束電磁石40の有効磁場領域41a、41bの境界は、荷電粒子ビームをアイソセンターOに収束させるための理想的な形状である。なお実際には、この理想的な形状からのずれや磁場分布の不均一性があったとしても、収束電磁石40の励磁量(磁束密度B)を偏向角φごとに予め微調整し、その情報を電源装置(例えば照射制御部121)に記憶させておき、偏向角φと収束電磁石40の電流量とが連動するようにそれらを制御することで、荷電粒子ビームをアイソセンターOに合わせて偏向させることができる。また、事前に磁場分布の不均一性を予測できる場合には、収束電磁石40のコイル対44a、44b及び磁極45a、45bの形状及び配置を補正することで、荷電粒子ビームの軌道を微調整することも可能である。 The boundary between the effective magnetic field regions 41a, 41b of the focusing electromagnet 40 determined as described above is an ideal shape for focusing the charged particle beam at the isocenter O. Even if there is deviation from this ideal shape or non-uniformity in the magnetic field distribution, the excitation amount (magnetic flux density B) of the focusing electromagnet 40 can be fine-tuned in advance for each deflection angle φ, the information stored in a power supply unit (e.g., the irradiation control unit 121), and the deflection angle φ and the amount of current in the focusing electromagnet 40 can be controlled so as to be linked, thereby deflecting the charged particle beam to the isocenter O. Furthermore, if the non-uniformity in the magnetic field distribution can be predicted in advance, the trajectory of the charged particle beam can be fine-tuned by correcting the shape and arrangement of the coil pairs 44a, 44b and magnetic poles 45a, 45b of the focusing electromagnet 40.

制御装置60は、演算処理部や記憶部を備えたコンピュータであり、ハードウェアとソフトウェアとの協働により実現される機能部として、照射制御部62、遮蔽体駆動制御部64、及び遮蔽体位置検出部66を備える。照射制御部62は、加速器20、ビーム輸送系30の各要素(荷電粒子ビーム調整手段31、振分電磁石33、収束電磁石40、及び照射ノズル50)を制御する。遮蔽体駆動制御部64は、遮蔽機構100の遮蔽体110の移動を制御し、遮蔽体位置検出部66は、遮蔽体110の位置を判定する。照射制御部62、遮蔽体駆動制御部64、及び遮蔽体位置検出部66は、同じコンピュータとして構成されていてもよいし、それぞれ別のコンピュータとして構成されていてもよい。 The control device 60 is a computer equipped with an arithmetic processing unit and a memory unit, and includes an irradiation control unit 62, a shield drive control unit 64, and a shield position detection unit 66 as functional units realized through the cooperation of hardware and software. The irradiation control unit 62 controls the accelerator 20 and each element of the beam transport system 30 (charged particle beam adjustment means 31, distribution electromagnet 33, focusing electromagnet 40, and irradiation nozzle 50). The shield drive control unit 64 controls the movement of the shield 110 of the shielding mechanism 100, and the shield position detection unit 66 determines the position of the shield 110. The irradiation control unit 62, shield drive control unit 64, and shield position detection unit 66 may be configured as the same computer or as separate computers.

図5は、遮蔽機構100の概略構成図である。遮蔽機構100は、荷電粒子ビームの進行をブロックする遮蔽体110と、遮蔽体110に接続されたシャフト112と、シャフト112が通る開口が設けられた固定端113と、一方が固定部材113に接続され他方が可動端115に接続された付勢部材114と、可動端115に接続されたシャフト116を駆動する駆動機構117とを備える。 Figure 5 is a schematic diagram of the shielding mechanism 100. The shielding mechanism 100 includes a shield 110 that blocks the progression of the charged particle beam, a shaft 112 connected to the shield 110, a fixed end 113 with an opening through which the shaft 112 passes, a biasing member 114 connected to the fixed member 113 at one end and to a movable end 115 at the other end, and a drive mechanism 117 that drives the shaft 116 connected to the movable end 115.

遮蔽機構100の遮蔽体110はビーム輸送系30の真空域内に配置される。例えば、遮蔽体110は扇型真空ダクト34内に配置される。 The shield 110 of the shielding mechanism 100 is placed within the vacuum region of the beam transport system 30. For example, the shield 110 is placed within the fan-shaped vacuum duct 34.

遮蔽体110は、治療するために必要な最大エネルギーをもつ荷電粒子ビームをブロックできる材質で構成され、YZ面に対する荷電粒子ビームの広がりを十分に遮ることができる形状である。例えば、荷電粒子ビームのエネルギーは、患者の体深く(約30cmの水等価厚に相当する。)にある腫瘍まで侵入できる十分なエネルギーを有する。陽子線ならば230MeV、炭素線なら430MeV/u程度である。 The shield 110 is made of a material capable of blocking a charged particle beam with the maximum energy required for treatment, and is shaped to adequately block the spread of the charged particle beam in the YZ plane. For example, the energy of the charged particle beam is sufficient to penetrate to a tumor deep within the patient's body (equivalent to a water thickness of approximately 30 cm). This is approximately 230 MeV for proton beams and 430 MeV/u for carbon ions.

遮蔽体110の材質は、荷電粒子ビームが照射されても、遮蔽体110が配置されている真空域(例えば扇型真空ダクト34)内の真空度を悪化させることを低減でき、かつ荷電粒子ビームと遮蔽体110の核反応により生じる中性子線、γ線、及び二次荷電粒子などによって患者の被ばく影響を低減できる材質が望ましい。収束電磁石40を超伝導電磁石にする場合は、収束電磁石40の真空容器は数K(ケルビン)程度の極低温に保たれることから、遮蔽体110の材質表面からのガス放出速度が極めて低く、輻射率が低い材質(例えば材質中に酸素を含まない材質)が望ましい。遮蔽体110の材質の例は、電子密度の高い(水等価厚の大きい)無酸素銅やSUSなどである。 The material of the shield 110 is preferably one that can reduce deterioration of the vacuum level in the vacuum region in which the shield 110 is located (e.g., the sector-shaped vacuum duct 34) even when irradiated with a charged particle beam, and that can reduce the impact of radiation exposure on the patient from neutrons, gamma rays, and secondary charged particles generated by nuclear reactions between the charged particle beam and the shield 110. If the focusing electromagnet 40 is a superconducting electromagnet, the vacuum vessel of the focusing electromagnet 40 is maintained at an extremely low temperature of around several Kelvin (K). Therefore, the shield 110 should preferably be made of a material that has an extremely low rate of gas release from its surface and a low emissivity (e.g., a material that does not contain oxygen). Examples of materials for the shield 110 include oxygen-free copper and SUS, which have a high electron density (large water equivalent thickness).

遮蔽体110の形状は、荷電粒子ビームのビームサイズ、ビーム経路上の軌道誤差、及びビームエネルギーなどを考慮し、ビームサイズより大きくすることが望ましい。一方で、第1ビーム経路で荷電粒子ビームを照射する場合を除き、遮蔽体110は、第1ビーム経路に常時配置されることになるから、別のビーム経路を通る荷電粒子ビームの妨げるにならない程度の大きさにする。 The shape of the shield 110 is preferably larger than the beam size, taking into consideration the beam size of the charged particle beam, trajectory errors on the beam path, beam energy, etc. On the other hand, since the shield 110 will always be positioned on the first beam path except when a charged particle beam is irradiated on the first beam path, it should be large enough not to interfere with charged particle beams passing through other beam paths.

付勢部材114は、遮蔽体110に外力を加えていない状態では遮蔽体110が第1ビーム経路210上に配置されるようにシャフト112を付勢するものであり、例えばベローズや磁気シールである(図6(a))。駆動機構117は、例えばエアコンプレッサ及び圧縮シリンダなどを備える。駆動機構117は、遮蔽体駆動制御部64の制御信号を受けて、シャフト116を駆動し(引っ張り)、可動端115を動かして付勢部材114を引き伸ばし、シャフト112を移動させることで、遮蔽体110を移動させる。遮蔽体駆動制御部64は、駆動機構117による印加応力を除くことで、遮蔽体110は付勢部材114により動かされ、第1ビーム経路210上の挿入位置に戻る。 The biasing member 114, which may be, for example, a bellows or magnetic seal, biases the shaft 112 so that the shield 110 is positioned on the first beam path 210 when no external force is being applied to the shield 110 (Figure 6(a)). The drive mechanism 117 includes, for example, an air compressor and a compression cylinder. In response to a control signal from the shield drive control unit 64, the drive mechanism 117 drives (pulls) the shaft 116, moving the movable end 115 to stretch the biasing member 114 and move the shaft 112, thereby moving the shield 110. When the shield drive control unit 64 removes the stress applied by the drive mechanism 117, the shield 110 is moved by the biasing member 114 and returns to its insertion position on the first beam path 210.

遮蔽体位置検出部66は、遮蔽体駆動制御部64の駆動信号を受けて、且つ/又は、遮蔽体110に取り付けられたセンサからの信号を受けて、遮蔽体110が第1ビーム経路210上に位置するか否かを判定する。センサは接触・非接触式いずれでもよい。挿入退避位置の監視機構の一例として、遮蔽体110の挿入退避位置はリミットスイッチ(不図示)などで検知する。前記スイッチは、付勢部材114の伸縮をガイドするレール(不図示)上などに備えられており、可動端115が停止する位置(第1ビーム経路210上の挿入位置(IN)、第1ビーム経路210からの退避位置(OUT))に配置される。可動端115には位置検出バー(不図示)を備え、位置検出バーがINスイッチ、或いはOUTスイッチと接触することにより、遮蔽体110の位置を検出する。どちらのスイッチとも接触していない場合は、不定状態となる。 The shield position detection unit 66 receives a drive signal from the shield drive control unit 64 and/or a signal from a sensor attached to the shield 110 to determine whether the shield 110 is positioned on the first beam path 210. The sensor may be either contact or non-contact. As an example of a mechanism for monitoring the insertion/retraction position, the insertion/retraction position of the shield 110 is detected by a limit switch (not shown). The switch is provided on a rail (not shown) that guides the extension/retraction of the biasing member 114, and is positioned at the position where the movable end 115 stops (insertion position (IN) on the first beam path 210, retraction position (OUT) from the first beam path 210). The movable end 115 is equipped with a position detection bar (not shown), which detects the position of the shield 110 by contacting the IN switch or OUT switch. If the position detection bar is not in contact with either switch, the state becomes indeterminate.

図6を用いて、遮蔽体110の動きを説明する。図6(a)は、ビーム輸送系30の複数のビーム経路のうち、φ≠0度かつθ≠0度の設定経路220を通りアイソセンターOに照射される荷電粒子ビームを描く。このとき振分電磁石33及び収束電磁石40(有効磁場領域41a)は励磁されており、遮蔽体110は、駆動機構117による応力印加を受けず、第1ビーム経路210上に挿入される。 The movement of the shield 110 will be explained using Figure 6. Figure 6(a) depicts a charged particle beam that passes through a set path 220 of the multiple beam paths of the beam transport system 30, where φ ≠ 0 degrees and θ ≠ 0 degrees, and is irradiated at the isocenter O. At this time, the distribution electromagnet 33 and focusing electromagnet 40 (effective magnetic field region 41a) are excited, and the shield 110 is inserted onto the first beam path 210 without being subjected to stress by the drive mechanism 117.

図6(c)は、ビーム輸送系30の複数のビーム経路のうち、φ=0度かつθ=0度の設定経路220を通りアイソセンターOに照射される荷電粒子ビームを描く。このとき振分電磁石33及び収束電磁石40(有効磁場領域41a)は0Aであり、設定経路220は、振分電磁石33(より詳細には偏向起点Q)及び収束電磁石40を通り、アイソセンターOに照射されるビーム経路である。この場合、荷電粒子ビームが設定経路220(第1ビーム経路210)を通過できるように、遮蔽体110は、駆動機構117による応力印加を受け、設定経路220(第1ビーム経路210)上から退避する。 Figure 6(c) illustrates a charged particle beam that passes through a set path 220 of φ = 0 degrees and θ = 0 degrees, one of the multiple beam paths of the beam transport system 30, and is irradiated to the isocenter O. At this time, the deflection electromagnet 33 and the focusing electromagnet 40 (effective magnetic field region 41a) are at 0A, and the set path 220 is the beam path that passes through the deflection electromagnet 33 (more specifically, the deflection origin Q) and the focusing electromagnet 40 and is irradiated to the isocenter O. In this case, the shield 110 is subjected to stress by the driving mechanism 117 and retracts from the set path 220 (first beam path 210) so that the charged particle beam can pass through the set path 220 (first beam path 210).

第1ビーム経路210以外のビーム経路を通じて荷電粒子ビームをアイソセンターOに照射する場合、すなわち、φ≠0度かつθ≠0の設定経路220を通り荷電粒子ビームが照射される場合、遮蔽体110が第1ビーム経路210上に挿入されていることを遮蔽体位置検出部66により判定し、照射制御部62は、遮蔽体位置検出部66による判定結果を受けて、第1ビーム経路210以外のビーム経路を通じた荷電粒子ビームの照射を行う。他方、第1ビーム経路210を通じて荷電粒子ビームをアイソセンターOに照射する場合、すなわち、φ=0度かつθ=0の設定経路220を通り荷電粒子ビームが照射される場合、遮蔽体110が設定経路220(第1ビーム経路)から退避した位置に移動したことを遮蔽体位置検出部66により判定し、照射制御部62は、遮蔽体位置検出部66による判定結果を受けて、設定経路220(第1ビーム経路)を通じた荷電粒子ビームの照射を行う。 When a charged particle beam is irradiated to the isocenter O through a beam path other than the first beam path 210, that is, when the charged particle beam is irradiated through the set path 220 where φ ≠ 0 degrees and θ ≠ 0, the shield position detection unit 66 determines that the shield 110 is inserted on the first beam path 210, and the irradiation control unit 62, based on the determination result by the shield position detection unit 66, irradiates the charged particle beam through a beam path other than the first beam path 210. On the other hand, when the charged particle beam is irradiated to the isocenter O through the first beam path 210, that is, when the charged particle beam is irradiated through the set path 220 where φ = 0 degrees and θ = 0, the shield position detection unit 66 determines that the shield 110 has moved to a position retracted from the set path 220 (first beam path), and the irradiation control unit 62 receives the determination result from the shield position detection unit 66 and irradiates the charged particle beam through the set path 220 (first beam path).

このように、制御装置60の誤動作、制御不安定状態の発生などにより振分電磁石33が励磁されず、偏向起点Qにて荷電粒子ビームが意図した方向に偏向されない場合(偏向角φ=0度)であっても、遮蔽体110により荷電粒子ビームが第1ビーム経路210を通じてアイソセンターOに照射されることが防止される(図6(b))。 In this way, even if the deflection electromagnet 33 is not excited due to a malfunction of the control device 60 or the occurrence of an unstable control state, and the charged particle beam is not deflected in the intended direction at the deflection starting point Q (deflection angle φ = 0 degrees), the shield 110 prevents the charged particle beam from being irradiated onto the isocenter O through the first beam path 210 (Figure 6(b)).

なお、振分電磁石33が意図せず励磁しない場合(偏向角φ=0度)に限らず、振分電磁石33による偏向が意図した角度(照射角度)に届かない場合(偏向角φ<照射角度)に、そのビーム経路を通る荷電粒子ビームをブロックするように遮蔽体110の挿入位置を調整するようにしてもよい。また、遮蔽機構100が複数の遮蔽体110を備えるようにし、振分電磁石33及び収束電磁石40の一方又は両方が意図しない動作を行う確率が経験的に高いビーム経路を調べ、これらのビーム経路それぞれに遮蔽体110を配置する構成であってもよい。 In addition, not only when the deflection electromagnet 33 is not unintentionally excited (deflection angle φ = 0 degrees), but also when the deflection by the deflection electromagnet 33 does not reach the intended angle (irradiation angle) (deflection angle φ < irradiation angle), the insertion position of the shield 110 may be adjusted to block the charged particle beam passing through that beam path. Also, the shielding mechanism 100 may be configured to include multiple shields 110, and beam paths with an empirical high probability of unintended operation of one or both of the deflection electromagnet 33 and the focusing electromagnet 40 may be investigated, and a shield 110 may be placed on each of these beam paths.

図7は、荷電粒子ビームの照射制御のフローチャートである。照射制御部62は、荷電粒子ビームのエネルギー、荷電粒子ビームの設定経路220を指定する電磁石電源の励磁電流値、照射パターン、偏向角φ及び照射角度θなどの照射情報を別のコンピュータ(不図示)から受信する(ステップS1)。 Figure 7 is a flowchart of the charged particle beam irradiation control. The irradiation control unit 62 receives irradiation information such as the energy of the charged particle beam, the excitation current value of the electromagnet power supply that specifies the set path 220 of the charged particle beam, the irradiation pattern, the deflection angle φ, and the irradiation angle θ from another computer (not shown) (step S1).

照射制御部62は、荷電粒子ビームが指定された設定経路220を通りアイソセンターOに照射されるように、振分電磁石33及び収束電磁石40を含む電磁石群のそれぞれの電源(不図示)に励磁電流の設定値を送信する(ステップS2)。照射制御部62は、荷電粒子ビームが照射ノズル50を通りアイソセンターOに照射されるように、照射ノズル50を移動させる(ステップS3)。 The irradiation control unit 62 transmits excitation current setting values to the power supplies (not shown) of the electromagnet group including the distribution electromagnet 33 and the focusing electromagnet 40 so that the charged particle beam passes through the specified set path 220 and is irradiated onto the isocenter O (step S2). The irradiation control unit 62 moves the irradiation nozzle 50 so that the charged particle beam passes through the irradiation nozzle 50 and is irradiated onto the isocenter O (step S3).

照射制御部62は、指定された設定経路220がφ=0度かつθ=0度で進行するビーム経路、すなわち、第1ビーム経路210であるか判定する(ステップS4)。 The irradiation control unit 62 determines whether the specified set path 220 is a beam path that travels at φ = 0 degrees and θ = 0 degrees, i.e., the first beam path 210 (step S4).

指定された設定経路220が第1ビーム経路210である場合(ステップS4でYes)、すなわち振分電磁石33の励磁電流を0Aと設定した場合、照射制御部62は、遮蔽体駆動制御部64に、遮蔽体110が設定経路220(第1ビーム経路210)から退避させる指令を送り、これを受けて遮蔽体駆動制御部64は、遮蔽体110を設定経路220(第1ビーム経路210)から退避させる(ステップS5)。なお、遮蔽体110がすでに設定経路220(第1ビーム経路210)から退避した位置にある場合は、遮蔽体110の移動はない。遮蔽体位置検出部66は遮蔽体110が退避した位置にあることを検出し、その情報を照射制御部62に送る。 If the specified set path 220 is the first beam path 210 (Yes in step S4), that is, if the excitation current of the polarizing electromagnet 33 is set to 0 A, the irradiation control unit 62 sends a command to the shield drive control unit 64 to retract the shield 110 from the set path 220 (first beam path 210). In response to this command, the shield drive control unit 64 retracts the shield 110 from the set path 220 (first beam path 210) (step S5). Note that if the shield 110 is already in a position retracted from the set path 220 (first beam path 210), the shield 110 does not move. The shield position detection unit 66 detects that the shield 110 is in the retracted position and sends this information to the irradiation control unit 62.

指定された設定経路220が第1ビーム経路210ではない場合(ステップS4でNo)、照射制御部62は、遮蔽体駆動制御部64に、遮蔽体110が第1ビーム経路210上に挿入する指令を送り、これを受けて遮蔽体駆動制御部64は、遮蔽体110を第1ビーム経路210上に挿入する(ステップS6)。なお、遮蔽体110がすでに第1ビーム経路210上に挿入されている場合は、遮蔽体110の移動はない。遮蔽体位置検出部66は遮蔽体110が第1ビーム経路210上に位置することを検出し、その情報を照射制御部62に送る。 If the specified set path 220 is not the first beam path 210 (No in step S4), the irradiation control unit 62 sends a command to the shield drive control unit 64 to insert the shield 110 onto the first beam path 210, and in response, the shield drive control unit 64 inserts the shield 110 onto the first beam path 210 (step S6). Note that if the shield 110 is already inserted onto the first beam path 210, the shield 110 does not move. The shield position detection unit 66 detects that the shield 110 is located on the first beam path 210 and sends this information to the irradiation control unit 62.

照射制御部62は、遮蔽体位置検出部66からの情報に基づき、遮蔽体110が指定した位置にあると判定し、同様に、照射に関わる全ての装置が設定完了と判定すると、照射制御部62は加速器制御部63に荷電粒子ビーム出射要求を送信し、前記信号がトリガーとなり加速器制御部63の荷電粒子ビーム出射許可信号が立ち、荷電粒子ビームが出射され、アイソセンターOに荷電粒子ビームの照射が行われる(ステップS7)。 The irradiation control unit 62 determines that the shield 110 is in the specified position based on information from the shield position detection unit 66. Similarly, when it determines that the settings for all devices involved in irradiation have been completed, the irradiation control unit 62 sends a charged particle beam extraction request to the accelerator control unit 63. This signal triggers the accelerator control unit 63 to issue a charged particle beam extraction permission signal, causing the charged particle beam to be extracted and irradiating the isocenter O with the charged particle beam (step S7).

照射中は、遮蔽体位置検出部66が照射体110の配置位置を一定の時間間隔で照射制御部62に送信し、照射制御部62が前記位置を監視している(ステップS8)。遮蔽体110の配置位置に変化がなければ、そのまま照射は続行される(ステップS8でYes)。照射情報に基づき照射される線量が満了すれば(ステップ9)、照射完了となる。例えば、設定経路220が第1ビーム経路210のとき(φ=0度かつθ=0度)は、退避位置から動いた場合や、或いは、設定経路220が第1ビーム経路210でないとき(φ≠0度かつθ≠0度)は挿入位置から動いた場合、遮蔽体110は不定状態となる(ステップS8でNo)。不定状態が検出されるとインターロック制御(不図示)に通知され、加速器制御部63により直ちに荷電粒子ビームが遮断される(ステップS10)。 During irradiation, the shield position detection unit 66 transmits the position of the irradiator 110 to the irradiation control unit 62 at regular intervals, and the irradiation control unit 62 monitors this position (step S8). If the position of the shield 110 remains unchanged, irradiation continues (Yes in step S8). Irradiation is completed when the dose irradiated based on the irradiation information is reached (step 9). For example, if the shield 110 moves from its retracted position when the set path 220 is the first beam path 210 (φ = 0 degrees and θ = 0 degrees), or if the shield 110 moves from its inserted position when the set path 220 is not the first beam path 210 (φ ≠ 0 degrees and θ ≠ 0 degrees), the shield 110 enters an unstable state (No in step S8). If an unstable state is detected, an interlock control (not shown) is notified, and the accelerator control unit 63 immediately blocks the charged particle beam (step S10).

本実施形態の荷電粒子ビーム照射装置10は、荷電粒子ビームが第1ビーム経路210を通る場合以外は、遮蔽体110が第1ビーム経路上に常時位置しているため、第1ビーム経路を通じたアイソセンターOへの意図しない荷電粒子ビームの照射を防ぐことができる。ここで、第1ビーム経路210は、振分電磁石33が励磁しないときに、荷電粒子ビームが振分電磁石33及び/又は収束電磁石40を通過し、アイソセンターOに照射されるビーム経路である。好ましくは、第1ビーム経路210は、振分電磁石33が励磁しないときに、荷電粒子ビームが振分電磁石33及び/又は収束電磁石40を通過し、アイソセンターOに照射されるビーム経路である。また、遮蔽体110はビーム輸送系30の真空域内に設置でき、装置の大型化を低減できる。遮蔽体110が材質中に酸素を含まない材質(例えば無酸素銅)でできている場合は、遮蔽体110と荷電粒子ビームとの核反応により生じる二次粒子(二次荷電粒子、中性子、γ線、及び/又は光子)の生成による患者への被曝の影響や、遮蔽体110からのガスの発生による真空度の悪化を低減できる。 In the charged particle beam irradiation device 10 of this embodiment, the shield 110 is always positioned on the first beam path except when the charged particle beam passes through the first beam path 210, thereby preventing unintended irradiation of the isocenter O with the charged particle beam through the first beam path. Here, the first beam path 210 is a beam path through which the charged particle beam passes through the distribution electromagnet 33 and/or the focusing electromagnet 40 and is irradiated onto the isocenter O when the distribution electromagnet 33 is not excited. Preferably, the first beam path 210 is a beam path through which the charged particle beam passes through the distribution electromagnet 33 and/or the focusing electromagnet 40 and is irradiated onto the isocenter O when the distribution electromagnet 33 is not excited. Furthermore, the shield 110 can be installed within the vacuum region of the beam transport system 30, thereby reducing the size of the device. If the shield 110 is made of a material that does not contain oxygen (for example, oxygen-free copper), it is possible to reduce the effects of exposure to patients due to the generation of secondary particles (secondary charged particles, neutrons, gamma rays, and/or photons) caused by the nuclear reaction between the shield 110 and the charged particle beam, as well as the deterioration of the degree of vacuum due to gas generation from the shield 110.

本発明の別の実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置10では、複数の遮蔽体110(第1の遮蔽体110a、第2の遮蔽体110b)を備え、それらがビーム輸送系30の真空域中にあるのではなく、照射ノズル50が移動するガイドレール55に沿って移動可能に備え付けられたものである。ガイドレール55は、参照により組み込む特許6387476号に記載のように収束電磁石40の有効磁場領域41a、41bの出射側の形状に沿って設けられている。 A charged particle beam irradiation device 10 according to another embodiment of the present invention includes multiple shields 110 (first shield 110a, second shield 110b), which are not located in the vacuum region of the beam transport system 30 but are mounted movably along guide rails 55 along which the irradiation nozzle 50 moves. The guide rails 55 are arranged to follow the shape of the exit sides of the effective magnetic field regions 41a, 41b of the focusing electromagnet 40, as described in Japanese Patent No. 6,387,476, which is incorporated by reference.

図8は、本実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置10の第3実施例の概要図である。照射ノズル50が移動するガイドレール55に2つの遮蔽体110a、110bが備え付けられ、ガイドレール55に沿った方向において照射ノズル50を挟むように配置される。紙面に向かって上側を遮蔽体110aとし、下側を遮蔽体110bとする。 Figure 8 is a schematic diagram of a third embodiment of the charged particle beam irradiation device 10 according to this embodiment. Two shields 110a and 110b are attached to a guide rail 55 along which the irradiation nozzle 50 moves, and are arranged to sandwich the irradiation nozzle 50 in the direction along the guide rail 55. The upper side facing the page is designated as shield 110a, and the lower side is designated as shield 110b.

遮蔽体110a、110bはガイドレール55に沿って移動可能である。本実施形態では、遮蔽体110a、110bは、照射ノズル50に着脱自在に付着する手段(例えば磁石、電磁石、又は着脱自在な係合手段など)を備え、照射ノズル50の移動に従い遮蔽体110a、110bも移動する。しかし、遮蔽体110a又は遮蔽体110bがガイドレール55の第1ビーム経路210上の位置にくると、その位置においてラッチ固定され、その位置に留まるよう構成されている。なお、遮蔽体110a、110bがモーター等の駆動装置を備え、遮蔽体駆動制御部64の制御により、ガイドレール55に沿って自走するように構成してもよい。 Shields 110a and 110b are movable along guide rails 55. In this embodiment, shields 110a and 110b are equipped with means for detachably attaching to the irradiation nozzle 50 (e.g., magnets, electromagnets, or detachable engaging means), and shields 110a and 110b also move as the irradiation nozzle 50 moves. However, when shield 110a or shield 110b reaches a position on the first beam path 210 of guide rail 55, it is latched and fixed in that position, and remains in that position. Shields 110a and 110b may also be equipped with a drive device such as a motor, and configured to move autonomously along guide rails 55 under the control of the shield drive control unit 64.

荷電粒子ビームがφ=0度かつθ=0度の設定経路220(第1ビーム経路210)を通ってアイソセンターOに照射される場合(図8(a))、遮蔽体110a、110bは照射ノズル50の近傍に配置される。 When the charged particle beam is irradiated to the isocenter O through a set path 220 (first beam path 210) with φ = 0 degrees and θ = 0 degrees (Figure 8(a)), the shields 110a and 110b are positioned near the irradiation nozzle 50.

荷電粒子ビームが有効磁場領域41aを通る設定経路220を通ってアイソセンターOに照射される場合(図8(b))、遮蔽体110bは第1ビーム経路210上に配置されラッチ固定され、遮蔽体110aは照射ノズル50とともに移動する。有効磁場領域41aを通るビーム経路で荷電粒子ビームを照射する場合は、遮蔽体110bは第1ビーム経路210上に固定されたままである。 When the charged particle beam is irradiated to the isocenter O via a set path 220 passing through the effective magnetic field region 41a (Figure 8(b)), the shield 110b is positioned and latched onto the first beam path 210, and the shield 110a moves together with the irradiation nozzle 50. When the charged particle beam is irradiated via a beam path passing through the effective magnetic field region 41a, the shield 110b remains fixed onto the first beam path 210.

他方、荷電粒子ビームが有効磁場領域41bを通る設定経路220を通ってアイソセンターOに照射される場合(図8(c))、遮蔽体110aは第1ビーム経路210上に配置されラッチ固定され、遮蔽体110bは照射ノズル50とともに移動する。有効磁場領域41bを通るビーム経路で荷電粒子ビームを照射する場合は、遮蔽体110aが第1ビーム経路210上に固定されたままである。 On the other hand, when the charged particle beam is irradiated to the isocenter O via the set path 220 that passes through the effective magnetic field region 41b (Figure 8(c)), the shield 110a is positioned and latched onto the first beam path 210, and the shield 110b moves together with the irradiation nozzle 50. When the charged particle beam is irradiated via a beam path that passes through the effective magnetic field region 41b, the shield 110a remains fixed onto the first beam path 210.

このように、上記実施形態と同様に、本実施形態においても、φ=0度かつθ=0度以外の設定経路220(第1ビーム経路210以外のビーム経路)で荷電粒子ビームをアイソセンターOに照射するときに、振分電磁石33が意図せず励磁しないことがあっても、第1ビーム経路210上に遮蔽体110a又は遮蔽体110bが常に配置されているので、意図しない荷電粒子ビームの照射が防止される。 As in the above embodiment, in this embodiment, even if the deflection electromagnet 33 is unintentionally not excited when a charged particle beam is irradiated onto the isocenter O along a set path 220 (a beam path other than the first beam path 210) where φ=0 degrees and θ=0 degrees, unintentional irradiation of the charged particle beam is prevented because the shield 110a or 110b is always positioned on the first beam path 210.

上記で説明される寸法、材料、形状、構成要素の相対的な位置等は、本発明が適用される装置の構造又は様々な条件に応じて変更される。説明に用いた特定の用語及び実施形態に限定されることは意図しておらず、当業者であれば、他の同等の構成要素を使用することができ、上記実施形態は、本発明の趣旨又は範囲から逸脱しない限り、他の変形及び変更も可能である。また、本発明の一つの実施形態に関連して説明した特徴を、たとえ明確に前述していなくても、他の実施形態と組み合わせて用いることも可能である。 The dimensions, materials, shapes, relative positions of components, and the like described above may be changed depending on the structure of the device to which the present invention is applied or various conditions. It is not intended to be limited to the specific terms and embodiments used in the description; those skilled in the art will be able to use other equivalent components, and other modifications and variations of the above embodiments are possible without departing from the spirit or scope of the present invention. Furthermore, features described in connection with one embodiment of the present invention may also be used in combination with other embodiments, even if not explicitly stated above.

10 荷電粒子ビーム照射装置
20 加速器
30 ビーム輸送系
31 荷電粒子ビーム調整手段
32 真空ダクト
33 振分電磁石
34 扇型真空ダクト
40 収束電磁石
50 照射ノズル
55 ガイドレール
100 遮蔽機構
110(110A、110B) 遮蔽体
110a、110b 第1及び第2の遮蔽体
10 Charged particle beam irradiation device 20 Accelerator 30 Beam transport system 31 Charged particle beam adjustment means 32 Vacuum duct 33 Dividing electromagnet 34 Sector-shaped vacuum duct 40 Converging electromagnet 50 Irradiation nozzle 55 Guide rail 100 Shielding mechanism 110 (110A, 110B) Shields 110a, 110b First and second shields

Claims (5)

荷電粒子ビーム照射装置であって、
加速器(20)から射出された荷電粒子ビームを1つのアイソセンター(O)に輸送する複数のビーム経路を有するビーム輸送系(30)と、
前記複数のビーム経路のうちの第1ビーム経路上に配置され、前記第1ビーム経路を通過する荷電粒子ビームの進行をブロックする遮蔽体(110)と
を備え、
前記ビーム輸送系(30)は、
荷電粒子ビームを偏向させる振分電磁石(33)と、
前記振分電磁石よりも下流側に設置され、前記複数のビーム経路を通る又は前記複数のビーム経路のうちの1つのビーム経路を通る荷電粒子ビームを前記アイソセンターに収束させる収束電磁石(40)と
を備え、
前記第1ビーム経路は、前記振分電磁石が励磁されていないときに、荷電粒子ビームが前記振分電磁石を通過し、前記アイソセンターに照射されるビーム経路であり、
前記第1ビーム経路に荷電粒子ビームを通過させるときには、前記遮蔽体(110)は、当該荷電粒子ビームが通過できるように前記第1ビーム経路から退避する、前記荷電粒子ビーム照射装置。
A charged particle beam irradiation device,
a beam transport system (30) having a plurality of beam paths for transporting the charged particle beam emitted from the accelerator (20) to one isocenter (O);
a shield (110) disposed on a first beam path among the plurality of beam paths and configured to block travel of the charged particle beam passing through the first beam path;
The beam transport system (30)
a deflecting electromagnet (33) for deflecting the charged particle beam;
a focusing electromagnet (40) that is installed downstream of the sorting electromagnet and that focuses the charged particle beam that passes through the plurality of beam paths or one of the plurality of beam paths onto the isocenter,
the first beam path is a beam path through which the charged particle beam passes through the deflection electromagnets and is irradiated onto the isocenter when the deflection electromagnets are not excited;
When a charged particle beam is passed through the first beam path, the shield (110) is retracted from the first beam path to allow the charged particle beam to pass through.
前記遮蔽体は、前記振分電磁石よりも下流側であり、且つ前記収束電磁石の上流側に配置され、
前記第1ビーム経路は、前記振分電磁石の偏向起点Qと前記アイソセンターとを通る線上にある、請求項1に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
the shield is disposed downstream of the dividing electromagnet and upstream of the converging electromagnet,
2. The charged particle beam irradiation system according to claim 1, wherein the first beam path is on a line passing through a deflection origin Q of the deflecting electromagnet and the isocenter.
荷電粒子ビーム照射装置であって、
加速器(20)から射出された荷電粒子ビームを1つのアイソセンター(O)に向けて輸送する複数のビーム経路を有するビーム輸送系(30)と、
照射ノズル(50)が移動するガイドレール(55)に沿って移動し、前記ガイドレールに沿った方向において前記照射ノズル(50)を挟むように配置された第1及び第2の遮蔽体(110a、110b)と
を備え、
前記ビーム輸送系は、
荷電粒子ビームを偏向させる振分電磁石(33)と、
前記振分電磁石よりも下流側に設置され、前記複数のビーム経路を通る荷電粒子ビームを前記アイソセンターに収束させる収束電磁石(40)と
を備え、
前記第1及び第2の遮蔽体は、前記照射ノズルに着脱自在に付着し、前記照射ノズルの移動に従い移動するが、前記ガイドレールの第1ビーム経路上の位置に来ると固定されるように構成されており、
前記第1ビーム経路は、前記振分電磁石が励磁されていないときに、荷電粒子ビームが前記振分電磁石及び前記収束電磁石を通過し、前記アイソセンターに照射されるビーム経路である、前記荷電粒子ビーム照射装置。
A charged particle beam irradiation device,
a beam transport system (30) having a plurality of beam paths for transporting the charged particle beam emitted from the accelerator (20) toward one isocenter (O);
a first shield (110a), a second shield (110b) that moves along a guide rail (55) on which the irradiation nozzle (50) moves, and that is arranged to sandwich the irradiation nozzle (50) in a direction along the guide rail;
The beam transport system includes:
a deflecting electromagnet (33) for deflecting the charged particle beam;
a focusing electromagnet (40) that is installed downstream of the sorting electromagnet and that focuses the charged particle beam passing through the plurality of beam paths onto the isocenter,
the first and second shields are detachably attached to the irradiation nozzle, move in accordance with the movement of the irradiation nozzle, and are fixed when they reach a position on the first beam path of the guide rail;
the first beam path is a beam path through which the charged particle beam passes through the deflecting electromagnet and the focusing electromagnet and is irradiated onto the isocenter when the deflecting electromagnet is not excited.
前記振分電磁石は、偏向起点Qにて1度以上の偏向角φで荷電粒子ビームを偏向させ、
前記収束電磁石は、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置されたコイル対を備え、
前記コイル対は、電流を入力すると、荷電粒子ビームの進行方向(X軸)に直交する方向(Z軸)に磁場が向いた有効磁場領域を生成するよう構成されており、ここで、X軸及びZ軸に直交する軸をY軸とし、
XY面において、
前記偏向起点QにてX軸に対する偏向角φで偏向し、前記有効磁場領域に入射した荷電粒子ビームは、前記有効磁場領域により偏向され、X軸に対する照射角θで前記アイソセンターに照射され、
前記有効磁場領域の荷電粒子ビームの出射側の境界上の任意の点P2は、前記アイソセンターから等距離rの位置にあり、
前記有効磁場領域の荷電粒子ビームの入射側の境界上の点P1と前記点P2は、半径r及び中心角(θ+φ)の円弧上にあり、
前記偏向起点Qと前記点P1との間の距離Rは、前記偏向起点Qと前記アイソセンターとの間の距離をLとすると、関係式(4):
を満たす、請求項1~3のいずれか1項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
the deflecting electromagnet deflects the charged particle beam at a deflection angle φ of 1 degree or more at a deflection starting point Q;
the focusing electromagnet includes a pair of coils arranged on either side of a path of the charged particle beam;
The coil pair is configured to generate an effective magnetic field region in which the magnetic field is oriented in a direction (Z axis) perpendicular to the traveling direction (X axis) of the charged particle beam when a current is input thereto, and the axis perpendicular to the X axis and the Z axis is defined as the Y axis,
In the XY plane,
the charged particle beam is deflected at a deflection angle φ with respect to the X-axis at the deflection origin Q and enters the effective magnetic field region, is deflected by the effective magnetic field region, and is irradiated onto the isocenter at an irradiation angle θ with respect to the X-axis;
An arbitrary point P2 on the boundary of the effective magnetic field region on the exit side of the charged particle beam is located at an equal distance r1 from the isocenter,
Point P1 on the boundary of the effective magnetic field region on the incident side of the charged particle beam and point P2 are on an arc of radius r2 and central angle (θ+φ),
When the distance between the deflection origin Q and the isocenter is L, the distance R between the deflection origin Q and the point P1 is expressed by the following relational expression (4):
4. The charged particle beam irradiation device according to claim 1, wherein the above condition is satisfied.
荷電粒子ビームを生成する加速器と、
前記加速器で生成された荷電粒子ビームを前記アイソセンターに照射する、請求項1~4のいずれか1項に記載の荷電粒子ビーム照射装置と
を含む荷電粒子ビーム治療システム。

an accelerator that generates a charged particle beam;
and a charged particle beam irradiation device according to any one of claims 1 to 4, which irradiates the isocenter with the charged particle beam generated by the accelerator.

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