(57)【要約】  加速器から遅い取り出しで出射したときに発生するエミッタンスの違いを荷電粒子ビーム輸送系で吸収し、アイソセンタで回転依存性の少ないビームサイズを実現することを目的とする。  本発明の荷電粒子ビーム輸送系(59)は、その固定輸送部(61)が、回転ガントリのガントリ回転軸（15）の周りを回転する回転偏向部(60)の入口における荷電粒子ビーム(31)の位相空間分布の位相が、第１の位相進み及び第２の位相進みの平均値に基づいた演算を基に決定された位相となるようにしたことを特徴とする。第１の位相進みは、ガントリ角度がガントリ基準角度である場合に、位相空間分布における位相が回転偏向部（60）の入口からアイソセンタ（IC）まで進む変化分であり、第２の位相進みは、ガントリ角度がガントリ基準角度から９０°回転した角度である場合の上記変化分である。
2013175600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器から出射された荷電粒子ビームが、前記加速器の出射位置における前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内で、前記加速器の周回軌道面内の方向をｘ方向、前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内で前記ｘ方向と直交する方向をｙ方向とした場合、ｘ方向のエミッタンスとｙ方向のエミッタンスが異なる荷電粒子ビームであり、アイソセンタを中心に回転可能な回転ガントリに搭載された粒子線照射装置に前記荷電粒子ビームを輸送する荷電粒子ビーム輸送系であって、
前記回転ガントリに搭載されると共に、前記回転ガントリのガントリ回転軸の周りを回転する回転偏向部と、前記加速器から前記回転偏向部までの固定輸送部と、を備え、
前記回転偏向部は複数の偏向電磁石を有し、
前記ガントリ回転軸方向から見た場合において、前記粒子線照射装置のビーム中心線と、前記回転偏向部の入口における前記荷電粒子ビームの前記ｙ方向の軸との角度をガントリ角度とし、
前記加速器の出射位置における前記ｘ方向のエミッタンスと前記ｙ方向のエミッタンスとが分離されてそれぞれのエミッタンスが保たれるように前記荷電粒子ビームが輸送される前記回転ガントリの角度をガントリ基準角度とし、
前記ガントリ角度が前記ガントリ基準角度である場合に、前記荷電粒子ビームの位相空間分布における位相が前記回転偏向部の入口から前記アイソセンタまで進む変化分を第１の位相進みとし、
前記ガントリ角度が前記ガントリ基準角度から９０°回転した角度である場合に、前記荷電粒子ビームの前記位相空間分布における位相が前記回転偏向部の入口から前記アイソセンタまで進む変化分を第２の位相進みとし、
前記固定輸送部は、前記回転偏向部の入口における前記荷電粒子ビームの前記位相空間分布の位相が、前記第１の位相進み及び前記第２の位相進みの平均値に基づいた演算を基に決定された位相となるようにしたことを特徴とする荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項２】
前記固定輸送部は、前記回転偏向部の入口における前記荷電粒子ビームの前記位相空間分布の位相が、前記第１の位相進みを１８０°の位相進みで基準化した位相進みと前記第２の位相進みを１８０°の位相進みで基準化した位相進みとの平均値に基づいた位相となるようにしたことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項３】
前記固定輸送部は、前記回転偏向部の入口における前記荷電粒子ビームの前記位相空間分布の位相が、前記第１の位相進みを１８０°の位相進みで基準化した位相進みと前記第２の位相進みを１８０°の位相進みで基準化した位相進みとの平均値を負にした位相となるようにしたことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項４】
前記回転偏向部は、当該回転偏向部における前記ｘ方向及び前記ｙ方向のツイスパラメータが、入口及び出口において合うようにされたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項５】
前記回転偏向部は、当該回転偏向部の入口及び出口において、前記ｘ方向のツイスパラメータβxと前記ｙ方向のツイスパラメータβyとが合うようにされ、かつ前記ｘ方向のツイスパラメータαxと前記ｙ方向のツイスパラメータαyとが合うようにされたことを特徴とする請求項４項記載の荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項６】
加速器から出射された荷電粒子ビームが、前記加速器の出射位置における前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内で、前記加速器の周回軌道面内の方向をｘ方向、前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内で前記ｘ方向と直交する方向をｙ方向とした場合、ｘ方向のエミッタンスとｙ方向のエミッタンスが異なる荷電粒子ビームであり、アイソセンタを中心に回転可能な回転ガントリに搭載された粒子線照射装置に前記荷電粒子ビームを輸送する荷電粒子ビーム輸送系であって、
前記回転ガントリに搭載されると共に、前記回転ガントリのガントリ回転軸の周りを回転する回転偏向部と、前記加速器から前記回転偏向部までの固定輸送部と、を備え、
前記回転偏向部は複数の偏向電磁石を有し、
前記固定輸送部は、前記回転偏向部の入口において、前記荷電粒子ビームの前記ｘ方向における位相空間分布が、所定の選択マトリクスを用いて算出された線状分布で近似できる分布であり、
前記選択マトリクスは、
前記回転偏向部の入口及び出口において、前記ｙ方向及び前記ｘ方向の運動量分散関数が０であり、かつ前記運動量分散関数における前記ｘ方向及び前記ｙ方向に垂直な前記荷電粒子ビームの進行方向の傾きが０である場合における前記回転偏向部の入口から前記アイソセンタまでの輸送行列の一部であって、
前記回転偏向部の入口における前記荷電粒子ビームを構成する荷電粒子の位置（ｘ1、ｙ1）及びこの位置における前記荷電粒子ビームの進行方向の傾き（ｘ’1、ｙ’1）を、前記アイソセンタにおける前記荷電粒子の位置（ｘ2、ｙ2）及びこの位置における前記荷電粒子ビームの進行方向の傾き（ｘ’2、ｙ’2）に結び付ける輸送行列の成分ｍ11、ｍ12、ｍ33、ｍ34を有し、
前記アイソセンタにおける前記ｙ方向のビームサイズをσyとし、
ｍ11ｘ0＋ｍ12ｘ’0＝σyを第１式とし、
ｍ33ｘ0＋ｍ34ｘ’0＝σyを第２式とし、
前記線状分布の一方の端点（ｘ0、ｘ’0）と他方の端点（−ｘ0、−ｘ’0）は、前記第１式及び前記第２式から算出されたことを特徴とする荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項７】
前記回転偏向部は、当該回転偏向部における前記ｘ方向及び前記ｙ方向のツイスパラメータが、入口及び出口において合うようにされたことを特徴とする請求項６項記載の荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項８】
前記回転偏向部は、当該回転偏向部の入口及び出口において、前記ｘ方向のツイスパラメータβxと前記ｙ方向のツイスパラメータβyとが合うようにされたことを特徴とする請求項７項記載の荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項９】
荷電粒子ビームを発生させ、この荷電粒子ビームを加速器で加速させるビーム発生装置と、
前記加速器により加速された荷電粒子ビームが、前記加速器の出射位置における前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内で、前記加速器の周回軌道面内の方向をｘ方向、前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内で前記ｘ方向と直交する方向をｙ方向とした場合、ｘ方向のエミッタンスとｙ方向のエミッタンスが異なる荷電粒子ビームであり、この荷電粒子ビームを輸送する荷電粒子ビーム輸送系と、
前記荷電粒子ビーム輸送系で輸送された荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線照射装置と、
前記粒子線照射装置を搭載し、アイソセンタを中心に回転可能な回転ガントリと、を備え、
前記荷電粒子ビーム輸送系は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム輸送系であることを特徴とする粒子線治療装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陽子や重粒子などの荷電粒子からなる荷電粒子ビームを輸送する荷電粒子ビーム輸送系及び、輸送された荷電粒子ビームを物体、人体等の被照射体に照射する粒子線治療装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に粒子線治療装置は、荷電粒子ビームを発生するビーム発生装置と、ビーム発生装置につながれ、発生した荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速器で設定されたエネルギーまで加速された後に出射される荷電粒子ビームを輸送する荷電粒子ビーム輸送系と、ビーム輸送系の下流に設置され、荷電粒子ビームを照射対象に照射するための粒子線照射装置とを備える。【０００３】
一般に、荷電粒子ビーム輸送系における荷電粒子ビーム中の荷電粒子の運動は、ビームの進行方向をｓ方向、ｓ方向に対して垂直であり、かつ加速器の偏向方向であるｘ方向、ｓ方向及びｘ方向に垂直なｙ方向の座標系に基づいて記述される。ここで、荷電粒子ビーム輸送系におけるビーム中の荷電粒子の分布は均一ではなく、加速器であるシンクロトロンの遅い取り出し方式の場合は、一般にｙ方向にはガウス分布を示すが、ｘ方向については非ガウス分布となっており、ビームの位相空間上の面積に相当するエミッタンスは、ｘ方向、ｙ方向で非対称になる。なお、遅い取り出し方式は、長期間に渡って少しずつ荷電粒子ビームを取り出す方式である。【０００４】
また、個々の荷電粒子の運動に注目すると、その進行方向は個々に異なり、かつ、経時的に変化しており、ビーム全体ではベータトロン振動と呼ばれる一定周期の振動をしている。位相空間上における荷電粒子のビーム楕円の角度や幅は四極電磁石等によって変えることはできるが、この場合でもエミッタンス(楕円の面積)は一定に保たれる。一般に、荷電粒子ビーム輸送系おいては、ｘ方向とｙ方向ではエミッタンスが非対称になっており、四極電磁石等によってもこの差を打ち消すことはできない。【０００５】
上記のようにエミッタンスが非対称であることにより、粒子線治療の治療計画を立案するとき、患部に照射される線量の均一性を確保することが困難になる。すなわち、患部でｘ方向の荷電粒子が非ガウス分布であることは治療計画立案を複雑にし、また許容範囲内ではあるが、実際に照射される線量の不均一を生じる原因になる。また、患部に集中的に粒子線を照射しつつ、正常組織の被爆量を最小限にするには、患部の周囲に粒子線照射装置を旋回させる回転ガントリを用いることが好ましい。しかし、エミッタンスの非対称性があると、回転ガントリの回転角度によりビームの患部におけるスポット形状が変化することになり、これも治療計画の立案を困難にする原因となる。【０００６】
特許文献１には、エミッタンスを対称化することを目的として、スキュー４極電磁石やソレノイド電磁石であるエミッタンス調整手段を備えた荷電粒子ビーム輸送系が示されている。特許文献２には、荷電粒子ビームの輸送系に散乱体とこの散乱体の下流側に設けられた複数の四極電磁石からなる下流側電磁石を備えた荷電粒子線照射装置が示されている。この散乱体及び下流側電磁石により、エミッタンスの対称化を図り、かつ、ｘ方向及びｙ方向の荷電粒子の分布をガウス分布化することを図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２６５０００号公報（０００５段乃至０００９段、図１）
【特許文献２】特開２００６−３５１３３９号公報（００１１段乃至００１３段、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来は、患者の患部におけるビームのスポット形状が、回転ガントリの回転角度により変化することを防止するために、回転ガントリの偏向電磁石に入力される前に、エミッタンスの対称化を図るエミッタンス調整手段や散乱体及び下流側電磁石を荷電粒子ビーム輸送系に設けていた。従来の荷電粒子ビーム輸送系はエミッタンス調整手段や、散乱体及び下流側電磁石を追加していたので、荷電粒子ビーム輸送系が大型化する問題があった。【０００９】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、加速器から遅い取り出しで出射したときに発生するエミッタンスの違いを荷電粒子ビーム輸送系で吸収し、アイソセンタで回転依存性の少ないビームサイズを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る荷電粒子ビーム輸送系は、加速器から出射された荷電粒子ビームが、加速器の出射位置における荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内で、加速器の周回軌道面内の方向をｘ方向、荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内でｘ方向と直交する方向をｙ方向とした場合、ｘ方向のエミッタンスとｙ方向のエミッタンスが異なる荷電粒子ビームであり、アイソセンタを中心に回転可能な回転ガントリに搭載された粒子線照射装置に荷電粒子ビームを輸送する荷電粒子ビーム輸送系であって、回転ガントリに搭載されると共に、回転ガントリのガントリ回転軸の周りを回転する回転偏向部と、加速器から回転偏向部までの固定輸送部と、を備え、回転偏向部は複数の偏向電磁石を有する。本発明に係る荷電粒子ビーム輸送系によれば、ガントリ回転軸方向から見た場合において、粒子線照射装置のビーム中心線と、回転偏向部の入口における荷電粒子ビームのｙ方向の軸との角度をガントリ角度とし、加速器の出射位置におけるｘ方向のエミッタンスとｙ方向のエミッタンスとが分離されてそれぞれのエミッタンスが保たれるように荷電粒子ビームが輸送される回転ガントリの角度をガントリ基準角度とし、ガントリ角度がガントリ基準角度である場合に、荷電粒子ビームの位相空間分布における位相が回転偏向部の入口からアイソセンタまで進む変化分を第１の位相進みとし、ガントリ角度がガントリ基準角度から９０°回転した角度である場合に、荷電粒子ビームの位相空間分布における位相が回転偏向部の入口からアイソセンタまで進む変化分を第２の位相進みとし、固定輸送部は、回転偏向部の入口における荷電粒子ビームの位相空間分布の位相が、第１の位相進み及び第２の位相進みの平均値に基づいた演算を基に決定された位相となるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る荷電粒子ビーム輸送系によれば、固定輸送部が、回転偏向部の入口における荷電粒子ビームの位相空間分布を、その位相が第１の位相進み及び第２の位相進みの平均値に基づいた演算を基に決定された位相である等の所定の位相空間分布となるようにしたので、荷電粒子ビーム輸送系の回転偏向部の入り口にて、遅い取り出しの特徴であるｘ方向エミッタンスが非常に小さいようなビームに対しても、アイソセンタで回転依存性の少ないビームサイズを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による粒子線治療装置の概略構成図である。
【図２】図１の粒子線照射装置の構成を示す図である。
【図３】本発明による荷電粒子ビーム輸送系の回転偏向部の構成を示す図である。
【図４】図３の回転偏向部を左側から見た側面図である。
【図５】本発明の実施の形態１による回転偏向部からアイソセンタにおける荷電粒子のベータトロン関数を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１による回転偏向部からアイソセンタにおける荷電粒子の運動量分散関数を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１による回転偏向部の入口における荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１による回転偏向部の角度が０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１による回転偏向部の角度が３０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１による回転偏向部の角度が６０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態１による回転偏向部の角度が９０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態１による回転偏向部の角度が１２０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態１による回転偏向部の角度が１５０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態１による回転偏向部の角度が１８０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態１による回転偏向部の角度が２１０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態１による回転偏向部の角度とアイソセンタにおけるビームサイズの関係を示す図である。
【図１７】本発明による荷電粒子ビーム輸送系の固定輸送部のｘ方向の荷電粒子の位相空間分布を説明する図である。
【図１８】本発明の実施の形態２による回転偏向部からアイソセンタにおける荷電粒子のベータトロン関数を示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態２による回転偏向部からアイソセンタにおける荷電粒子の運動量分散関数を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態２による回転偏向部の入口における荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図２１】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図２２】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が３０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図２３】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が６０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図２４】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が９０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図２５】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が１２０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図２６】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が１５０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図２７】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が１８０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図２８】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が２１０°の場合におけるアイソセンタでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。
【図２９】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度とアイソセンタにおけるビームサイズの関係を示す図である。
【図３０】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が０°の場合におけるビームサイズを示す図である。
【図３１】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が０°の場合におけるｘ方向ビームサイズを示す図である。
【図３２】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が０°の場合におけるｙ方向ビームサイズを示す図である。
【図３３】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が３０°の場合におけるビームサイズを示す図である。
【図３４】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が６０°の場合におけるビームサイズを示す図である。
【図３５】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が９０°の場合におけるビームサイズを示す図である。
【図３６】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が１２０°の場合におけるビームサイズを示す図である。
【図３７】本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が１５０°の場合におけるビームサイズを示す図である。
【図３８】位相演算の概念を説明する規格化位相空間の図である。
【図３９】位相演算の概念を説明する規格化位相空間の図である。
【図４０】位相演算の概念を説明する規格化位相空間の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は本発明による粒子線治療装置の概略構成図であり、図２は本発明による粒子線照射装置の構成を示す図である。図３は本発明による荷電粒子ビーム輸送系の回転偏向部の構成を示す図であり、図４は図３の回転偏向部を左側から見た側面図である。図１において、粒子線治療装置５１は、ビーム発生装置５２と、荷電粒子ビーム輸送系５９と、粒子線照射装置５８ａ、５８ｂとを備える。ビーム発生装置５２は、イオン源（図示せず）と、前段加速器５３と、加速器５４とを有する。粒子線照射装置５８ｂは回転ガントリ（図示せず）に設置される。粒子線照射装置５８ａは回転ガントリを有しない治療室に設置される。
【００１４】
荷電粒子ビーム輸送系５９の役割は加速器５４と粒子線照射装置５８ａ、５８ｂの連絡にある。加速器５４と粒子線照射装置５８ａ、５８ｂとは真空ダクト５７を介して接続され、荷電粒子ビームは真空ダクト５７を通過する。荷電粒子ビーム輸送系５９の一部は回転ガントリ（図示せず）に設置され、回転ガントリに設置される回転偏向部６０は、複数の偏向電磁石１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、及び複数の四極電磁石１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを有する。回転偏向部６０は、回転ガントリの回転に伴い回転する。荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０以外の部分である固定輸送部６１は、複数の偏向電磁石４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄ、４８ｅ、４８ｆ、４８ｇ、４８ｈ、４８ｉ、及び複数の四極電磁石４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄ、４９ｅ、４９ｆ、４９ｇ、４９ｈ、４９ｉ、４９ｊを有する。固定輸送部６１の偏向電磁石の符号は、総括的に４８を用い、区別して説明する場合に４８ａ乃至４８ｉを用いる。固定輸送部６１の四極電磁石の符号は、総括的に４９を用い、区別して説明する場合に４９ａ乃至４９ｊを用いる。回転偏向部６０の偏向電磁石の符号は、総括的に１０を用い、区別して説明する場合に１０ａ、１０ｂ、１０ｃを用いる。
【００１５】
イオン源で発生した陽子線等の粒子線である荷電粒子ビームは、前段加速器５３で加速され、入射装置４６から加速器５４に入射される。ここでは、加速器５４は、シンクロトロンを例に説明する。荷電粒子ビームは、所定のエネルギーまで加速される。加速器５４の出射装置４７から出射された荷電粒子ビームは、荷電粒子ビーム輸送系５９を経て粒子線照射装置５８ａ、５８ｂに輸送される。粒子線照射装置５８ａ、５８ｂは荷電粒子ビームを照射対象４５（図２参照）に照射する。粒子線照射装置の符号は、総括的に５８を用い、区別して説明する場合に５８ａ、５８ｂを用いる。加速器５４から出射された荷電粒子ビーム３１は、加速器５４の出射位置における荷電粒子ビーム３１の進行方向（ｓ方向）に垂直な面内で、加速器５４の周回軌道面内の方向をｘ方向、荷電粒子ビーム３１の進行方向に垂直な面内でｘ方向と直交する方向をｙ方向とした場合、ｘ方向のエミッタンスが小さく、ｙ方向のエミッタンスが大きな荷電粒子ビームとなっている。加速器５４の出射位置における荷電粒子ビーム３１のビーム座標系は、ビーム座標系７３である。荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０の入口における荷電粒子ビーム３１のビーム座標系は、ビーム座標系７４である。なお、ビーム座標系のｓ方向の軸をｓ軸、ビーム座標系のｘ方向の軸をｘ軸、ビーム座標系のｙ方向の軸をｙ軸と呼ぶことにする。
【００１６】
ビーム発生装置５２で発生され、所定のエネルギーまで加速された荷電粒子ビーム３１は、荷電粒子ビーム輸送系５９を経由し、粒子線照射装置５８へと導かれる。図２において、粒子線照射装置５８は、荷電粒子ビーム３１に垂直な方向であるＸ向及びＹ方向に荷電粒子ビーム３１を走査するＸ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３と、位置モニタ３４と、線量モニタ３５と、線量データ変換器３６と、ビームデータ処理装置４１と、走査電磁石電源３７と、粒子線照射装置５８を制御する照射管理装置３８とを備える。照射管理装置３８は、照射制御計算機３９と照射制御装置４０とを備える。線量データ変換器３６は、トリガ生成部４２と、スポットカウンタ４３と、スポット間カウンタ４４とを備える。なお、荷電粒子ビーム３１の進行方向は−Ｚ方向である。
【００１７】
Ｘ方向走査電磁石３２は荷電粒子ビーム３１をＸ方向に走査する走査電磁石であり、Ｙ方向走査電磁石３３は荷電粒子ビーム３１をＹ方向に走査する走査電磁石である。位置モニタ３４は、Ｘ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３で走査された荷電粒子ビーム３１が通過するビームにおける通過位置（重心位置）やサイズを演算するためのビーム情報を検出する。ビームデータ処理装置４１は、位置モニタ３４が検出した複数のアナログ信号（ビーム情報）からなるビーム情報に基づいて荷電粒子ビーム３１の通過位置（重心位置）やサイズを演算する。また、ビームデータ処理装置４１は、荷電粒子ビーム３１の位置異常やサイズ異常を示す異常検出信号を生成し、この異常検出信号を照射管理装置３８に出力する。
【００１８】
線量モニタ３５は、荷電粒子ビーム３１の線量を検出する。照射管理装置３８は、図示しない治療計画装置で作成された治療計画データに基づいて、照射対象４５における荷電粒子ビーム３１の照射位置を制御し、線量モニタ３５で測定され、線量データ変換器３６でデジタルデータに変換された線量が目標線量に達すると荷電粒子ビーム３１を停止する。走査電磁石電源３７は、照射管理装置３８から出力されたＸ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３への制御入力（指令）に基づいてＸ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３の設定電流を変化させる。
【００１９】
ここでは、粒子線照射装置５８のスキャニング照射方式を、ハイブリッドスキャニング照射方式（ビーム照射位置（スポット）を変更する場合にビームを停止しない方式）、具体的には、荷電粒子ビーム３１の照射位置を変えるときに荷電粒子ビーム３１を停止させないラスタースキャニング照射方式のように行い、スポットスキャニング照射方式のようにビーム照射位置がスポット位置間を次々と移動していく方式として説明する。スポットカウンタ４３は、荷電粒子ビーム３１のビーム照射位置が停留している間の照射線量を計測するものである。スポット間カウンタ４４は、荷電粒子ビーム３１のビーム照射位置が移動している間の照射線量を計測するものである。トリガ生成部４２は、ビーム照射位置における荷電粒子ビーム３１の線量が目標照射線量に達した場合に、線量満了信号を生成するものである。
【００２０】
図３は、ガントリ回転軸１５の周りを回転する回転角度（以降、適宜、ガントリ角度とも称する。）が０°と１８０°における荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０を示している。実線で示したものは回転角度が０°の場合であり、破線で示したものは回転角度が１８０°の場合である。破線で示したものに対する符号は、実線のものと区別するために異なるものを付した。回転偏向部６０において、荷電粒子ビーム３１は次に示す順に各電磁石を通過して粒子線照射装置５８に至る。荷電粒子ビーム３１の電磁石通過順は、偏向電磁石１０ａ、四極電磁石１１ａ、１１ｂ、偏向電磁石１０ｂ、四極電磁石１１ｃ、１１ｄ、偏向電磁石１０ｃである。回転角度が１８０°における回転偏向部６０において、荷電粒子ビーム３１は次に示す順に各電磁石を通過して粒子線照射装置６８（図３及び図４）に至る。図３及び図４における粒子線照射装置の符号は、回転角度を区別するために、５８とは異なる符号も用いた。回転角度が９０°、１８０°、２７０°における粒子線照射装置の符号は、それぞれ６７、６８、６９である。荷電粒子ビーム３１の電磁石通過順は、偏向電磁石２２ａ、四極電磁石２３ａ、２３ｂ、偏向電磁石２２ｂ、四極電磁石２３ｃ、２３ｄ、偏向電磁石２２ｃである。アイソセンタＩＣは、回転偏向部６０が回転したときの荷電粒子ビーム３１のビーム中心線１４がそれぞれ交わる点である。回転角度が０°、９０°、１８０°、２７０°における粒子線照射装置を通過した荷電粒子ビームのビーム座標系は、それぞれ、ビーム座標系７５、ビーム座標系７７、ビーム座標系７６、ビーム座標系７８である。
【００２１】
ここで、ガントリ角度の基準を考える。ガントリ回転軸１５の周りを回転する回転角度であるガントリ角度は、粒子線照射装置５８における荷電粒子ビーム３１のビーム中心線１４と、回転偏向部６０の入口における荷電粒子ビーム３１のビーム座標系７４におけるｙ方向の軸との角度と定義する。ビーム中心線１４と回転偏向部６０の入口における荷電粒子ビーム３１のｙ方向の軸（ｙ軸）とが重なる場合のガントリ角度をガントリ基準角度とする。ガントリ角度がガントリ基準角度の場合は、加速器５４の出射位置におけるｘ方向のエミッタンスとｙ方向のエミッタンスとが分離されてそれぞれのエミッタンスが保たれるように荷電粒子ビーム３１が荷電粒子ビーム輸送系５９で輸送されることになる。ガントリ基準角度は、任意のガントリ角度で構わないが、ここでは、０°とする。
【００２２】
図４は、図３の回転偏向部を左側から見た側面図であるが、回転角度が９０°と２７０°の場合も追加したものである。ビーム中心線１６は、回転角度０°の粒子線照射装置５８と回転角度１８０°の粒子線照射装置６８を通過するビーム中心線１４を９０°回転したものであり、回転角度９０°の粒子線照射装置６７と回転角度２７０°の粒子線照射装置６９を通過する荷電粒子ビーム３１のビーム中心線である。図４において、回転角度０°の偏向電磁石１０ａ、１０ｃは、回転角度が９０°、２７０°の場合に、その符号を変えている。回転角度が９０°の場合は偏向電磁石２０ａ、２０ｃであり、回転角度が２７０°の場合は偏向電磁石２４ａ、２４ｃである。
【００２３】
荷電粒子ビーム輸送系５９のビーム設計とは、偏向電磁石や四極電磁石の磁石配列と、それぞれの四極電磁石の強度を調整することであり、下記式（１）に示す輸送行列を決定することにある。
【００２４】
【数１】
2013175600.tif 000003
【００２５】
荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０及び固定輸送部６１のビーム設計も、荷電粒子ビーム輸送系５９のビーム設計と同様である。荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０を例に説明する。輸送行列は、入口の３次元座標とその運動量と出口の３次元座標と運動量の関係を示すものである。右辺の（ｘ1、ｙ1、ｘ’1、ｙ’1、ｔ1、ｐt1）は、回転ガントリ入口における荷電粒子の位置（ｘ1、ｙ1）と、ｓ方向の傾き（ｘ’1、ｙ’1）と、時間ｔ1と、荷電粒子の運動量ｐt1である。左辺の（ｘ2、ｙ2、ｘ’2、ｙ’2、ｔ2、ｐt2）は、回転偏向部６０の出口における荷電粒子の位置（ｘ2、ｙ2）と、ｓ方向の傾き（ｘ’2、ｙ’2）と、時間ｔ2と、荷電粒子の運動量ｐt2である。プライム‘は、ｓによる微分、すなわちｄ／ｄｓを表す。
【００２６】
荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０のビーム設計は、少ない磁石数やパラメータで上記輸送行列を決定することが課題であり、従来では、上記輸送行列を変形して、ベータトロン関数β、運動量分散関数ηという概念が用いられてきた。運動量分散関数ηは、Δｐｔ／ｐｔである。本発明では、運動量分散関数ηに関しては、従来法と同様に、回転偏向部６０の入口において、ηx＝０、η’x＝０、ηy＝０、η’y＝０となるビームが来ることを想定し、回転偏向部６０の出口でηx＝０、η’x＝０、ηy＝０、η’y＝０を満たすように設計する。この制約を課すことによって、回転偏向部６０のビーム設計としては、下記式（２）のみを考えれば良い。
【００２７】
【数２】
2013175600.tif 000004
【００２８】
式（２）では、時間ｔ1、ｔ2、及び荷電粒子の運動量ｐt1、ｐt2を使用しないので、ガントリの回転に伴って回転偏向部６０が回転しても、回転偏向部６０の出口において、運動量の差によるビームサイズの変化や、ビームサイズの変化率の差が発生しない。
【００２９】
次に、ガントリ角度が０°（または１８０°）のときと９０°（または２７０°）の時に着目する。回転偏向部６０の偏向電磁石が、垂直もしくは水平のみの偏向電磁石から構成される場合には、式（２）は式（３）のようになり、ｘ方向とｙ方向のカップリングがなくなる。
【００３０】
【数３】
2013175600.tif 000005
【００３１】
さらに、回転偏向部６０の入口において、ビームの位相空間上の特徴量であるベータトロン関数β、αをｘ方向とｙ方向で一致させることで、すなわち、βx＝βy、αx＝αyとすることで、ベータトロン関数βの差によるビームサイズの回転依存性はなくなる。なお、ｓに対するβの関数をベータトロン関数と呼ぶ。
【００３２】
実施の形態１の回転偏向部６０のビーム設計において、回転偏向部６０の入口及び出口の条件を下記のようにする。
回転偏向部６０の入口の条件は、βx＝βy、αx＝αy、ηx＝０、η’x＝０、ηy＝０、η’y＝０である。
回転偏向部６０の出口の条件は、βx＝βy、αx＝αy、ηx＝０、η’x＝０、ηy＝０、η’y＝０である。
【００３３】
回転偏向部６０の入口及び出口の条件を上記のようにすることで、すなわち、できる限り簡易化することで、少ない調整パラメータで回転偏向部６０のビーム設計を行うことができる。式（３）における調整パラメータは、ｍ11、ｍ12、ｍ21、ｍ22、ｍ33、ｍ34、ｍ43、ｍ44である。
【００３４】
図３の回転偏向部６０のベータトロン関数βと運動量分散関数ηを図５及び図６に示す。図５は、本発明の実施の形態１による回転偏向部からアイソセンタＩＣにおける荷電粒子のベータトロン関数を示す図である。横軸はｓ方向の距離であり、縦軸はベータトロン関数βである。なお、図５においてベータトロン関数αは記載していない。図５（ａ）はｘ方向のベータトロン関数βであり、図５（ｂ）はｙ方向のベータトロン関数βである。図６は、本発明の実施の形態１による回転偏向部からアイソセンタＩＣにおける荷電粒子の運動量分散関数を示す図である。横軸はｓ方向の距離であり、縦軸は運動量分散関数ηである。図６（ａ）はｘ方向の運動量分散関数ηであり、図５（ｂ）はｙ方向の運動量分散関数ηである。図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）、図６（ｂ）のそれぞれにおいて、回転偏向部６０の入口は、ｓ＝０ｍであり、回転偏向部６０の出口は、左端のｓ＝１４ｍ付近である。実施の形態１の例では、４個の四極電磁石１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄにより、荷電粒子ビーム３１が回転偏向部６０を通過して、アイソセンタＩＣのビーム特性が良好となる輸送行列を実現している。
【００３５】
スキャニング照射方式ではない従来照射法であれば、アイソセンタＩＣにおけるｘ方向とｙ方向のビームサイズは異なっていても、実際の照射では、散乱体やワブラー電磁石によってビームサイズは広がり、回転偏向部の出口において元々のビームサイズの大きさによらない程度に荷電粒子が散乱させて照射するため、ビームサイズの違いは問題にならなかった。しかしながら、スキャニング照射方式では、出来る限り小さいビームサイズが要求されるため、散乱はなるべく少ないことが望まれる。散乱があまり期待できない場合には、加速器５４や荷電粒子ビーム輸送系５９のビーム設計として、ｘ方向とｙ方向のビームサイズはそろっており、かつ、ｘ方向とｙ方向のビームサイズは回転ガントリの角度依存性がないことが望まれる。
【００３６】
ｘ方向ビームサイズσx及びｙ方向ビームサイズσyは、一般に式（４）のように表される。εx、εyは、それぞれｘ方向のエミッタンス及びｙ方向のエミッタンスである。エミッタンスεx、εyは、位相空間上における面積である。ｘ方向の位相空間は、図７（ａ）に示すように表され、横軸をｘ方向の距離ｘとし、縦軸をｘ方向の傾きｘ’として表された空間である。同様に、ｙ向の位相空間は、図７（ｂ）に示すように表され、横軸をｙ方向の距離ｙとし、縦軸をｙ方向の傾きｙ’として表された空間である。
【００３７】
【数４】
2013175600.tif 000006
【００３８】
ベータトロン関数βx、βyは、回転ガントリのビーム設計によって変えることのできる量（輸送行列に依存する量）である。これに対して、エミッタンスεx、εyは、加速器５４の出射によって決まる量であり、荷電粒子ビーム輸送系５９にて荷電粒子の輸送中に散乱体などが存在しない場合には、一定である。また、エミッタンスεx、εyは、加速器５４からの取り出しメカニズムに依存し、加速器５４から遅い取り出しで出射した場合は、エミッタンスεx、εyは異なる値になる。エミッタンスεxとエミッタンスεyを比べると、エミッタンスεyのほうが遥かに大きく、エミッタンスεyはエミッタンスεxの２乃至１０倍以上になる。本発明では、このエミッタンスεx、εyの違いによるビームサイズの違いを、荷電粒子ビーム輸送系５９のビーム設計で極力無くすようにした。
【００３９】
回転偏向部６０に散乱体と四極電磁石を組み合わせた構成が存在したり、回転偏向部６０の四極電磁石が少なくても回転ガントリの回転角度ごとに各四極電磁石の強度を変更したりすれば、ビームサイズの違いを極力無くことは可能である。しかし、四極電磁石の強度を変えずとも回転角度ごとのビームサイズの違いが無いようにすることで、回転偏向部６０を安価に実現できることは重要である。このような荷電粒子ビーム輸送系５９のビーム設計方法は、既存の施設においても適用でき、既存の施設においても荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０を実現できることが望ましい。式（３）から、ｘ、ｘ’を対象にした２×２の輸送行列と、ｙ、ｙ’を対象にした２×２の輸送行列に分けて、荷電粒子ビーム輸送系５９のビーム設計を実行できることが分かる。
【００４０】
次に、エミッタンスが小さいことによる影響について議論する。荷電粒子ビーム３１を加速器５４から遅く取り出すビーム取り出し方式（遅いビームビーム取り出し方式）は、加速器５４を周回する荷電粒子ビーム３１を、加速器５４の外周側（ｘ方向）に移動させて、荷電粒子ビーム３１の外周側のみを取り出すようにして、周回する荷電粒子ビーム３１を長期間に渡って少しずつ加速器５４から荷電粒子ビーム輸送系５９に出射するものである。図７は、本発明の実施の形態１による回転偏向部の入口における荷電粒子の位相空間分布を示す図である。図７（ａ）はｘ方向の位相空間分布であり、図７（ｂ）はｙ方向の位相空間分布である。回転偏向部６０の入口でのｘ方向の位相空間分布は、加速器５４からの出射固有の特性より、ｘ方向の分布は制限されており、楕円というよりは線に近い分布となっている。これに対して、ｙ方向の位相空間分布は、ｙ方向に制限されることがないため楕円となっている。位相空間上の面積がエミッタンスであるから、ｘ方向とｙ方向では大きな違いがある。
【００４１】
本発明の実施の形態１による荷電粒子ビーム輸送系５９のビーム設計は、荷電粒子ビーム３１が回転偏向部６０を通過し、アイソセンタＩＣのビーム特性が良好となる回転偏向部６０のビーム設計と、アイソセンタＩＣで回転依存性の少ないビームサイズを実現するための回転偏向部６０に入力する荷電粒子の位相空間分布を実現する固定輸送部６１のビーム設計とに分かれている。固定輸送部６１のビーム設計の際に、アイソセンタＩＣで回転依存性の少ないビームサイズを実現するための回転偏向部６０に入力する荷電粒子の位相空間分布を決定する。
【００４２】
回転偏向部６０に入力する荷電粒子の位相空間分布を決定する際に、ｘ方向の位相空間分布は線と近似し、ｙ方向の位相空間分布は楕円と近似する。ｘ方向の位相空間分布は線で近似するので、面積ではなく位相が重要である。回転偏向部６０の入口におけるｘ方向の位相空間分布の位相は、回転ガントリの位相関係に注目して決定する。具体的には、回転偏向部６０の入口におけるｘ方向の位相空間分布の位相φixは、ガントリ角度が９０°異なる２つのガントリ角度θ１、θ２のそれぞれの回転偏向部６０の入口から出口までの位相進み（フェイズアドバンス）の平均値に基づいた演算を基に決定された位相であり、例えばガントリ角度０°及び９０°の入口から出口までの位相進み（フェイズアドバンス）の小数部のそれぞれを平均した平均値にマイナス（−）を付けたものである。
【００４３】
図３に示した回転偏向部６０の電磁石配列であり、図５及び図６に示したベータトロン関数及び運動量分散関数となるような各電磁石の強度となるように回転偏向部６０の輸送行列を用いて回転偏向部６０が設計された場合を考える。ガントリ角度が０°の場合（図４の実線で記載した回転偏向部６０の配置）の場合の位相進みφ１は、１．３８２（４９７．５２°）であり、回転偏向部６０の出口では４９７．５２°回転している。ガントリ角度が９０°の場合（図４の偏向電磁石２０ａ、２０ｃ、粒子線照射装置６７で記載した回転偏向部６０の配置）の場合の位相進みφ２は、０．５２２であり、回転偏向部６０の出口では９３．９６°回転している。ガントリ角度が１８０°における荷電粒子ビーム３１の位相空間分布は、ガントリ角度が０°における荷電粒子ビーム３１の位相空間分布と理論上一致する。ガントリ角度３６０°は一周であり、１８０°の２倍であるから、一周分は無視して、すなわち１８０°の位相進みで基準化して、位相進みφ１は、４９７．５２°−３６０°＝１３７．５２°とする。
【００４４】
ガントリ角度の変化により、ｘ方向のビームサイズが変化しないようにするために、位相進みφ２である９３．９６°と、位相進みφ１である１３７．５２°の中間の値（平均値）である１１４．４６５°を利用する。すなわち、回転偏向部６０の入口におけるｘ方向の位相空間分布の位相を、−１１４．４６５°にしておけば、回転偏向部６０の出口やアイソセンタＩＣにおいて、図８及び図１１のように、回転偏向部６０のガントリ角度、すなわち回転ガントリの設置角度が０°の場合でも、９０°の場合でもどちらでもほぼ同じビームサイズが実現できる。平均値にマイナス（−）を付ける理由は、後述する。
【００４５】
Ｘ方向走査電磁石３２やＹ方向走査電磁石３３で荷電粒子ビーム３１を走査しない場合は、アイソセンタＩＣおけるビームサイズは、回転偏向部６０の出口におけるビームサイズとほぼ等しい。また、Ｘ方向走査電磁石３２やＹ方向走査電磁石３３で荷電粒子ビーム３１を走査する場合は、荷電粒子ビーム３１を走査しない場合に比べて、アイソセンタＩＣおけるビームサイズは、多少変化するが、この場合であっても、アイソセンタＩＣおけるビームサイズは、回転偏向部６０の出口におけるビームサイズとほぼ等しい。
【００４６】
図８乃至図１５は、本発明の実施の形態１による回転偏向部の角度がそれぞれ０°、３０°、６０°、９０°、１２０°、１５０°、１８０°、２１０°の場合におけるアイソセンタＩＣでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。各図の（ａ）はｘ方向の位相空間分布であり、各図の（ｂ）はｙ方向の位相空間分布である。各図の（ａ）において、横軸はｘ方向の距離ｘであり、縦軸はｘ方向の傾きｘ’である。各図の（ｂ）において、横軸はｙ方向の距離ｙであり、縦軸はｙ方向の傾きｙ’である。図中のｒｍｓは、二乗平均平方根（ｒｏｏｔ  ｍｅａｎ  ｓｑｕａｒｅ）の意味である。図中に示したビームサイズ（ｒｍｓ）は、標準偏差σに相当する大きさである。ビームサイズ（ｒｍｓ）をビームサイズ１σと呼ぶことにする。
【００４７】
回転偏向部６０の角度が０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図８に示すように、それぞれ１．２９ｍｍ及び１．２９ｍｍである。回転偏向部の角度が３０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図９に示すように、それぞれ１．３０ｍｍ及び１．３０ｍｍである。回転偏向部の角度が６０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図１０に示すように、それぞれ１．３０ｍｍ及び１．３０ｍｍである。回転偏向部の角度が９０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図１１に示すように、それぞれ１．３０ｍｍ及び１．３０ｍｍである。
【００４８】
回転偏向部の角度が１２０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図１２に示すように、それぞれ１．２９ｍｍ及び１．３０ｍｍである。回転偏向部の角度が１５０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図１３に示すように、それぞれ１．２９ｍｍ及び１．２９ｍｍである。回転偏向部の角度が１８０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図１４に示すように、それぞれ１．２９ｍｍ及び１．３０ｍｍである。回転偏向部の角度が２１０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図１５に示すように、それぞれ１．３０ｍｍ及び１．３０ｍｍである。
【００４９】
図８乃至図１５に示すように、ｘ方向及びｙ方向の位相空間分布の形状や位相は異なるが、ｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、ほぼ等しくなっている。位相進みφ１及びφ２の平均値にマイナス（−）を付ける理由を説明する。回転偏向部６０の入口における位相の選択は重要である。入口における位相の選び方が悪いと、出口における位相空間上でビームの位相空間分布が鉛直方向となってしまうため、ビームサイズが小さくなりすぎて所望のビームサイズにすることができず、望ましくない。位相進みφ１及びφ２の平均値にマイナス（−）を付けると、回転偏向部６０の出口（アイソセンタ）でガントリの位相進み分がキャンセルされるからである。回転ガントリでは位相が入口から出口まで進むため、入口では位相が進む前の状態が望ましい。例えば、回転ガントリで６０°進むとすると、−６０°に設定しておけば、回転偏向部６０の出口（アイソセンタ）で回転偏向部６０中の位相進み分がキャンセルされることになる。
【００５０】
図１６は、本発明の実施の形態１による回転偏向部の角度とアイソセンタＩＣにおけるビームサイズの関係を示す図である。横軸は回転偏向部６０のガントリ角度θであり、縦軸は標準偏差σの３倍に相当する大きさであるビームサイズ３σである。実線で示した特性７１はｘ方向特性であり、破線で示した特性７２はｙ方向特性である。実施の形態１の回転偏向部６０を上記のようにすることで、回転偏向部６０の回転角度、すなわち回転ガントリの回転角度に依存せずに、ほぼ一定のビームサイズを実現できる。
【００５１】
実施の形態１の荷電粒子ビーム輸送系５９は、従来の設計における回転偏向部６０の入口の条件である、βx＝βy、αx＝αy、ηx＝０、η’x＝０、ηy＝０、η’y＝０に加えて、入口におけるｘ方向の位相空間分布の位相φixを追加した入口の条件を用いて実現する。回転偏向部６０の入口におけるｘ方向の位相空間分布の位相φixは、ガントリ角度が９０°異なる２つのガントリ角度θ１、θ２のそれぞれの回転偏向部６０の入口から出口までの位相進み（フェイズアドバンス）の小数部のそれぞれを平均した平均値にマイナス（−）を付けたものである。回転偏向部６０の入口におけるｘ方向の位相空間分布の位相φixを設計した所定値にするために、例えば、荷電粒子ビーム輸送系５９の固定輸送部６１に四極電磁石を追加するか、もしくは四極電磁石の位置をずらす、もしくは励磁量の設定値を変更する。
【００５２】
次に、本発明による荷電粒子ビーム輸送系５９の固定輸送部６１のビーム設計について説明する。荷電粒子ビーム輸送系５９の固定輸送部６１は、次の３つの条件を満たすように設計する。条件１は、荷電粒子ビーム３１が固定輸送部６１を通過することである。条件２は、運動量分散関数η及びｙ方向の荷電粒子の位相空間分布が従来の条件を満たすことである。条件３は、固定輸送部６１の入口におけるｘ方向の荷電粒子の位相空間分布が、アイソセンタＩＣで回転依存性の少ないビームサイズを実現するための回転偏向部６０に入力する所定の位相空間分布になることである。実施の形態１の荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０における所定の位相空間分布は、前述した回転偏向部６０の入口におけるｘ方向の位相空間分布の位相φixであり、ガントリ角度が９０°異なる２つのガントリ角度θ１、θ２のそれぞれの回転偏向部６０の入口から出口までの位相進み（フェイズアドバンス）から半整数部を引き算した小数部のそれぞれを平均した平均値にマイナス（−）を付けたものである。
【００５３】
ビーム物理では一般に、横軸をｘ、縦軸をｘ’とした位相空間上の粒子の運動を考える。ビームの進行とともに位相空間上の粒子分布はベータトロン関数（β（ｓ））にあわせて伸縮しつつ、位相進み（フェイズアドバンス）にあわせて回転する。βが同じ場合、ビームサイズを左右するのは粒子分布の位相である。位相のみに注目するために、ベータトロン関数による変形を規格化した規格化位相空間を考える。この規格化位相空間では、ｘの取りうる範囲は±１であり、ｘ’の取りうる範囲は±１である。
【００５４】
この規格化位相空間では大きさは変化せず、ビームは輸送されるごとに反時計周りに回転を行う。例えば、回転ガントリが０°のときのｘ方向位相進み（フェイズアドバンス）をν0＝２．９とし、回転ガントリが９０°のときのｘ方向の位相進み（フェイズアドバンス）をν90＝０．８とする。図３８〜図４０を用いて、位相演算の概念を説明する。
【００５５】
図３８は、回転ガントリ入り口の位相を０．１５として、回転ガントリが０°のときのｘ方向位相進みが、ν0＝２．９へと進んだ場合の規格化位相空間である。図３９は、回転ガントリ入り口の位相を０．１５として、回転ガントリが９０°のときのｘ方向位相進みが、ν90＝０．８へと進んだ場合の規格化位相空間である。図４０は、回転ガントリ入り口の位相を０．１５として、ｘ方向位相進みがν0＝２．９である場合とｘ方向位相進みがν90＝０．８である場合とを比較するための図である。図３８〜図４０において、位相線１０１は回転ガントリ入口の位相であり、位相線１０２は回転ガントリが０°のときのアイソセンタＩＣの位相であり、位相線１０３は回転ガントリが９０°のときのアイソセンタＩＣの位相である。
【００５６】
回転ガントリ入り口の位相は、−（２．９＋０．８）／２＝−１．８５として計算した。位相は、半周回しても同じため、回転ガントリ入り口の位相は、−１．８５±ｎ／２＝０．１５±ｍ／２とすることができる。なお、ｎ、ｍは自然数である。したがって、以下の式に変形できる。
−（２．９＋０．８）／２＝−０．８５＝０．１５−２／２
これは、２．９の小数部０．９と０．８の小数部０．８の平均値を用いた場合と結果が同じということを示している。
【００５７】
次に、半整数部について考える。２．９の半整数部を除いた部分は、０．４である。０．８の半整数部を除いた部分は、０．３である。この場合も上記と同様に、下記の式がなりたち、結果は同じである。
−（０．４＋０．３）／２＝−０．３５＝０．１５−１／２
角度で表現すると、５４°±１８０°を反時計周りにした角度である。
【００５８】
ガントリ角度が０°のときと９０°のときで、ほぼアイソセンタＩＣのｘ方向の広がり（図３８〜図４０では投影長さ）がほぼ同一にできている。０°と９０°の間の角度では、ｘ方向とｙ方向の結合があるため単純ではないが、ほぼこの間にはいるため、ビームサイズはガントリ角度に依存せず一定化可能になる。
【００５９】
上述した条件１は当然なので、条件２及び３を具体的に説明する。図１７は、本発明の荷電粒子ビーム輸送系のｘ方向の荷電粒子の位相空間分布を説明する図である。図１７（ａ）は固定輸送部６１の出口においてｘ方向の位相空間分布がｘ方向位相分布９８になった例であり、図１７（ｂ）は固定輸送部６１の出口においてｘ方向の位相空間分布がｘ方向位相分布９９になった例である。ｘ方向位相分布９７は、加速器５４の出口における位相空間分布である。ｘ方向位相分布９８、９９は、固定輸送部６１の出口、すなわち回転偏向部６０の入口における位相空間分布である。ｘ方向位相分布９７、９８、９９は、線状分布として示す。ｘ方向位相分布９７の端点ｐ１の座標は（ｘ1、ｘ’1）であり、ｘ方向位相分布９７の端点ｐ２の座標は（−ｘ1、−ｘ’1）である。位相Ψ1はｘ方向位相分布９７における位相であり、位相Ψ2はｘ方向位相分布９８やｘ方向位相分布９９における位相である。
【００６０】
ｘ方向位相分布９８、９９は、いずれも回転偏向部６０の入口における端点ｐ１が端点ｐ１１（ｘ2、ｘ’2）になり、回転偏向部６０の入口における端点ｐ２が端点ｐ１２（−ｘ2、−ｘ’2）になったものである。ｘ方向位相分布９８とｘ方向位相分布９９との違いは、端点ｐ１１が存在する位相空間上の象限が逆になっていることである。
【００６１】
条件２は、回転偏向部６０の入口でβy、αy、ηx、η’x、ηy、η’yが従来どおりの条件を満たすことであり、すなわち、ηx、η’x、ηy、η’yが全て０にあり、βy、αyがアイソセンタＩＣにおけるビーム条件を満たす値にすることである。この条件２を拘束条件１と呼ぶことにする。
【００６２】
条件３は、固定輸送部６１の出口（回転偏向部６０の入口）において、端点ｐ１１（ｘ2、ｘ’2）及び端点ｐ１２（−ｘ2、−ｘ’2）を有するｘ方向位相分布９８やｘ方向位相分布９９となるように輸送行列Ｍを決定することである。この条件３を拘束条件２と呼ぶことにする。輸送行列Ｍは、荷電粒子ビーム輸送系５９の固定輸送部６１の入口及び出口のツイスパラメータと、位相進み（フェイズアドバンス）の関数なので、ツイスパラメータを用いて条件を表現すると式（５）のようになる。なお、ツイス（ｔｗｉｓｓ）パラメータは、ベータトロン関数β、αをパラメータとする場合の呼び方である。
【００６３】
【数５】
2013175600.tif 000007
ここで、式（５）の計数Ａ1、Ｂ1、Ｃ1は式（６）のように表される。
【００６４】
【数６】
2013175600.tif 000008
【００６５】
ただし、β1、α1は固定輸送部６１の入口のツイスパラメータであり、β2、α2は固定輸送部６１の出口のツイスパラメータであり、ΔΨは固定輸送部６１の入口から出口の位相進み（フェイズアドバンス）であり、Ψ2−Ψ1に相当する。ｘ1、ｘ’1は加速器５４の出射設計で決まるものであり、ｘ2、ｘ’2はビームサイズが角度依存しないようにする場合の回転ガントリ（回転偏向部６０）の設計で決まる。
【００６６】
本発明の実施の形態１による荷電粒子ビーム輸送系５９では、回転偏向部６０の入口において、ｘ方向の位相空間分布の位相φixをガントリ角度が９０°異なる２つのガントリ角度θ１、θ２のそれぞれの回転偏向部６０の入口から出口までの位相進み（フェイズアドバンス）の小数部のそれぞれを平均した平均値にマイナス（−）を付けたものとなるようにする。すなわち、端点ｐ１１（ｘ2、ｘ’2）及び端点ｐ１２（−ｘ2、−ｘ’2）を有するｘ方向位相分布９８（または９９）の位相は、ガントリ角度が９０°異なる２つのガントリ角度θ１、θ２のそれぞれの回転偏向部６０の入口から出口までの位相進み（フェイズアドバンス）の小数部のそれぞれを平均した平均値にマイナス（−）を付けた位相φixとなるようにする。ｘ方向位相分布９８（または９９）の位相Ψ2は、上記位相φixとなる。
【００６７】
条件１乃至３を満たす荷電粒子ビーム輸送系５９の固定輸送部６１の設計フローは以下の通りである。
ステップＳ１：従来どおり、ツイスパラメータを条件に用いて四極電磁石４９の配置及び極性を決める。ここでは、四極電磁石４９の配置を自由度に加えると，後の工程が長くなりすぎるので、四極電磁石４９のベースを作る。こうすることで後の工程を短くすることができる。
【００６８】
ステップＳ２：固定輸送部６１の出口（回転偏向部６０の入口）におけるｘ方向の位相空間分布に接するように任意の楕円を書き、ツイスパラメータを計算する。楕円の位相Ψ2も計算しておく。固定輸送部６１の出口（回転偏向部６０の入口）のビーム分布が重要なため、出口を基準にする。
【００６９】
ステップＳ３：式（５）を用いて固定輸送部６１の入口のツイスパラメータを計算する。このとき、ΔΨは任意の値を仮定し、入口の位相Ψ1はΨ2とΔΨから計算する。ツイスパラメータから荷電粒子ビーム３１が固定輸送部６１を通過できることを知るためには、ステップＳ２及び３を繰り返して，入口のツイスパラメータに対応する楕円(エミッタンスは当然出口の値)が入口のビーム分布を包含するようにする。毎回トラッキングを行い、ビームサイズを確認する場合はこの限りではない。
【００７０】
ステップＳ４：固定輸送部６１の入口と出口におけるツイスパラメータおよび拘束条件２を満たすように固定輸送部６１を設計する。なお、従来の設計方法は、このステップＳ４の実行に相当する。
【００７１】
ステップＳ５：ステップＳ４で適切な解が見つかるまでステップＳ２乃至ステップＳ４を繰り返す。解がない場合は、ステップＳ１に戻り、四極電磁石４９の配置や極性変更を行う。
【００７２】
なお、このように設計した設計結果が、従来の設計条件を満たしていることを確認する。この確認をすることにより、荷電粒子ビーム輸送系５９の設置後の調整作業をスムーズに行うことができる。また、ステップＳ１で決めた四極電磁石４９の配置及び極性を遵守する場合も、荷電粒子ビーム輸送系５９の設置後の調整作業をスムーズに行うことができる。
【００７３】
実施の形態１の荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０は、３つの偏向電磁石１０ａ、１０ｂ、１０ｃと４つの四極電磁石１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの電磁石の強度を変更することなく、従来の設計における入口の条件に入口におけるｘ方向の位相空間分布の位相φixを追加した新たな入口の条件を適用することで、荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０の入口にてエミッタンスの非対称が存在しても、アイソセンタＩＣで回転依存性の少ないビームサイズを実現することができる。
【００７４】
以上のように実施の形態１による荷電粒子ビーム輸送系５９によれば、加速器５４から出射された荷電粒子ビーム３１が、加速器５４の出射位置における荷電粒子ビーム３１の進行方向に垂直な面内で、加速器の周回軌道面内の方向をｘ方向、荷電粒子ビーム３１の進行方向に垂直な面内でｘ方向と直交する方向をｙ方向とした場合、ｘ方向のエミッタンスとｙ方向のエミッタンスが異なる荷電粒子ビームであり、アイソセンタＩＣを中心に回転可能な回転ガントリに搭載された粒子線照射装置５８に荷電粒子ビーム３１を輸送する荷電粒子ビーム輸送系５９であって、回転ガントリに搭載されると共に、回転ガントリのガントリ回転軸１５の周りを回転する回転偏向部６０と、加速器５４から回転偏向部６０までの固定輸送部６１と、を備え、回転偏向部６０は複数の偏向電磁石１０を有する。実施の形態１による荷電粒子ビーム輸送系５９によれば、ガントリ回転軸方向から見た場合において、粒子線照射装置５８のビーム中心線１４と、回転偏向部６０の入口における荷電粒子ビーム３１のｙ方向の軸との角度をガントリ角度とし、加速器５４の出射位置におけるｘ方向のエミッタンスとｙ方向のエミッタンスとが分離されてそれぞれのエミッタンスが保たれるように荷電粒子ビーム３１が輸送される回転ガントリの角度をガントリ基準角度とし、ガントリ角度がガントリ基準角度である場合に、荷電粒子ビーム３１の位相空間分布における位相が回転偏向部６０の入口からアイソセンタＩＣまで進む変化分を第１の位相進みとし、ガントリ角度がガントリ基準角度から９０°回転した角度である場合に、荷電粒子ビーム３１の位相空間分布における位相が回転偏向部６０の入口からアイソセンタＩＣまで進む変化分を第２の位相進みとし、固定輸送部６１は、回転偏向部６０の入口における荷電粒子ビーム３１の位相空間分布の位相が、第１の位相進み及び第２の位相進みの平均値に基づいた演算を基に決定された位相となるようにしたことを特徴とするので、固定輸送部６１が、回転偏向部６０の入口におけるｘ方向の位相空間分布の位相φixを所定の位相にでき、すなわち、回転偏向部６０の入口における荷電粒子ビーム３１の位相空間分布を、その位相が第１の位相進み及び第２の位相進みの平均値に基づいた演算を基に決定された位相である等の所定の位相空間分布にでき、荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０の入り口にて、遅い取り出しの特徴であるｘ方向エミッタンスが非常に小さいようなビームに対しても、アイソセンタＩＣで回転依存性の少ないビームサイズを実現することができる。
【００７５】
以上のように実施の形態１による粒子線治療装置５１によれば、荷電粒子ビーム３１を発生させ、この荷電粒子ビーム３１を加速器５４で加速させるビーム発生装置５２と、加速器５４により加速された荷電粒子ビーム３１が、加速器５４の出射位置における荷電粒子ビーム３１の進行方向に垂直な面内で、加速器５４の周回軌道面内の方向をｘ方向、荷電粒子ビーム３１の進行方向に垂直な面内でｘ方向と直交する方向をｙ方向とした場合、ｘ方向のエミッタンスとｙ方向のエミッタンスが異なる荷電粒子ビームであり、この荷電粒子ビーム３１を輸送する荷電粒子ビーム輸送系５９と、荷電粒子ビーム輸送系５９で輸送された荷電粒子ビーム３１を照射対象４５に照射する粒子線照射装置５８と、粒子線照射装置を搭載し、アイソセンタを中心に回転可能な回転ガントリと、を備え、荷電粒子ビーム輸送系５９は、回転ガントリに搭載されると共に、回転ガントリのガントリ回転軸１５の周りを回転する回転偏向部６０と、加速器５４から回転偏向部６０までの固定輸送部６１と、を備え、回転偏向部６０は複数の偏向電磁石１０を有し、ガントリ回転軸方向から見た場合において、粒子線照射装置５８のビーム中心線１４と、回転偏向部６０の入口における荷電粒子ビーム３１のｙ方向の軸との角度をガントリ角度とし、加速器５４の出射位置におけるｘ方向のエミッタンスとｙ方向のエミッタンスとが分離されてそれぞれのエミッタンスが保たれるように荷電粒子ビーム３１が輸送される回転ガントリの角度をガントリ基準角度とし、ガントリ角度がガントリ基準角度である場合に、荷電粒子ビーム３１の位相空間分布における位相が回転偏向部６０の入口からアイソセンタＩＣまで進む変化分を第１の位相進みとし、ガントリ角度がガントリ基準角度から９０°回転した角度である場合に、荷電粒子ビーム３１の位相空間分布における位相が回転偏向部６０の入口からアイソセンタＩＣまで進む変化分を第２の位相進みとし、固定輸送部６１は、回転偏向部６０の入口における荷電粒子ビーム３１の位相空間分布の位相が、第１の位相進み及び第２の位相進みの平均値に基づいた演算を基に決定された位相となるようにしたことを特徴とするので、固定輸送部６１が、回転偏向部６０の入口におけるｘ方向の位相空間分布の位相φixを所定の位相にでき、すなわち、回転偏向部６０の入口における荷電粒子ビーム３１の位相空間分布を、その位相が第１の位相進み及び第２の位相進みの平均値に基づいた演算を基に決定された位相である等の所定の位相空間分布にでき、荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０の入り口にて、遅い取り出しの特徴であるｘ方向エミッタンスが非常に小さいようなビームに対しても、アイソセンタＩＣで回転依存性の少ないビームサイズを実現することができる。
【００７６】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２による荷電粒子ビーム輸送系５９について説明する。実施の形態２では、ｘ方向の位相空間分布を、端点を有する線状分布と近似し、式（３）の輸送行列の一部を取り出したマトリクスを用いて計算した端点を有する線状分布を、荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０の入口で実現するように、荷電粒子ビーム輸送系５９の固定輸送部６１を構成する。このように、回転偏向部６０の入口における荷電粒子ビーム３１のｘ方向の位相空間分布を制御することで、加速器５４から遅い取り出しで出射したときに発生するエミッタンスの違いを荷電粒子ビーム輸送系５９で吸収し、アイソセンタＩＣで回転依存性の少ないビームサイズを実現することができる。
【００７７】
本発明の実施の形態２による荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０のビーム設計について説明する。実施の形態１で説明したように、運動量分散関数ηに関しては、従来法と同様に、回転偏向部６０の入口において、ηx＝０、η’x＝０、ηy＝０、η’y＝０となるビームが来ることを想定し、回転偏向部６０の出口でηx＝０、η’x＝０、ηy＝０、η’y＝０を満たすように設計する。さらに、ガントリ角度が０°（または１８０°）のときと９０°（または２７０°）の時に着目する。回転偏向部６０の偏向電磁石が、固定輸送部６１の偏向電磁石の平行面および垂直面内で偏向する偏向電磁石のみで構成される場合には、実施の形態１と同様に、ｘ方向とｙ方向のカップリングがない、式（３）のような輸送行列が得られる。
【００７８】
回転偏向部６０の入口及び出口の条件において、実施の形態１とは異なり、αx＝αyの制約は設けない。すなわち、実施の形態２の回転偏向部６０のビーム設計において、回転偏向部６０の入口及び出口の条件を下記のようにする。
回転偏向部６０の入口の条件は、βx＝βy、ηx＝０、η’x＝０、ηy＝０、η’y＝０である。
回転偏向部６０の出口の条件は、ηx＝０、η’x＝０、ηy＝０、η’y＝０である。
【００７９】
回転偏向部６０の入口及び出口の条件を上記のようにすることで、すなわち、できる限り簡易化することで、少ない調整パラメータで回転偏向部６０のビーム設計を行うことができる。式（３）における調整パラメータは、ｍ11、ｍ12、ｍ21、ｍ22、ｍ33、ｍ34、ｍ43、ｍ44である。
【００８０】
本発明の実施の形態２による回転偏向部６０（図３参照）のベータトロン関数βと運動量分散関数ηを図１８及び図１９に示す。図１８は、本発明の実施の形態２による回転偏向部からアイソセンタＩＣにおける荷電粒子のベータトロン関数を示す図である。横軸はｓ方向の距離であり、縦軸はベータトロン関数βである。なお、図１８においてベータトロン関数αは記載していない。図１８（ａ）はｘ方向のベータトロン関数βであり、図１８（ｂ）はｙ方向のベータトロン関数βである。図１９は、本発明の実施の形態２による回転偏向部からアイソセンタＩＣにおける荷電粒子の運動量分散関数を示す図である。横軸はｓ方向の距離であり、縦軸は運動量分散関数ηである。図１９（ａ）はｘ方向の運動量分散関数ηであり、図１９（ｂ）はｙ方向の運動量分散関数ηである。図１８（ａ）、図１８（ｂ）、図１９（ａ）、図１９（ｂ）のそれぞれにおいて、回転偏向部６０の入口は、ｓ＝０ｍであり、回転偏向部６０の出口は、左端のｓ＝１４ｍ付近である。実施の形態２の例では、４個の四極電磁石１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄにより、アイソセンタＩＣのビーム特性が良好となる輸送行列を実現している。
【００８１】
本発明の実施の形態２による回転偏向部６０の電磁石配列が、図３に示した回転偏向部６０の電磁石配列であり、図１８及び図１９に示したベータトロン関数及び運動量分散関数となるような各電磁石の強度の場合に、回転偏向部６０の輸送行列を用いて回転偏向部６０のビーム設計を行う例を考える。この場合の回転ガントリの輸送行列の一部を選択して取り出す。式（３）の輸送行列の一部を取り出したマトリクスは、式（７）である。輸送行列の一部を選択して取り出したマトリクスを、選択マトリクスと呼ぶことにする。
【００８２】
【数７】
2013175600.tif 000009
【００８３】
式（７）のマトリクスおけるｍ11、ｍ12、ｍ33、ｍ34のそれぞれは、アイソセンタＩＣにおけるｘ方向のビームサイズ、とｙ方向のビームサイズと、回転ガントリ入口、すなわち回転偏向部６０の入口の位相空間上の分布を関連つける量である。この量を基に、回転ガントリ入口におけるｘ方向の理想的な位相空間上の線状分布を、以下のように決定する。
【００８４】
位相空間上の線状ビームを特徴つける量は、位相空間上の端点の座標（ｘ、ｘ’）である。そこで、端点の座標（ｘ、ｘ’）を未知数として、式（７）の輸送行列を用いて、式（８）の連立方程式を導出する。
【００８５】
【数８】
2013175600.tif 000010
【００８６】
式（８）の意味を説明する。ガントリ角度を０°又は１８０°にした場合と、ガントリ角度を９０°又は２７０°にした場合とで、同じビームサイズが実現するための式になっている。上記２つの角度でほぼ同じビームサイズを実現できる光学系（荷電粒子ビーム輸送系５９）を実現すると、上記２つの角度の間の角度では問題にならない程度の差しか発生しない。
【００８７】
式（８）を説いて得られた端点の座標（ｘ、ｘ’）を一端とし、この端点の座標（ｘ、ｘ’）の原点を中心にした点対称である座標、すなわち（−ｘ、−ｘ’）を他端に持つ位相空間上の線状分布を、ガントリ入口（回転偏向部６０の入口）で実現すれば、従来の設定方法で設計された回転偏向部６０を通過すことで、アイソセンタＩＣにおいて、ビームサイズの回転依存性がなくなる。
【００８８】
上記の手順で得られた実施の形態２による回転偏向部６０の入口における荷電粒子の位相空間分布は、図２０のようになる。また、実施の形態２による回転偏向部６０のアイソセンタＩＣでの荷電粒子の位相空間分布は、図２１乃至図２８のようになる。
【００８９】
図２１乃至図２８は、本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度がそれぞれ０°、３０°、６０°、９０°、１２０°、１５０°、１８０°、２１０°の場合におけるアイソセンタＩＣでの荷電粒子の位相空間分布を示す図である。各図の（ａ）はｘ方向の位相空間分布であり、各図の（ｂ）はｙ方向の位相空間分布である。各図の（ａ）において、横軸はｘ方向の距離ｘであり、縦軸はｘ方向の傾きｘ’である。各図の（ｂ）において、横軸はｙ方向の距離ｙであり、縦軸はｙ方向の傾きｙ’である。図中に示したビームサイズ（ｒｍｓ）は、実施の形態１で説明したビームサイズ１σである。
【００９０】
回転偏向部６０の角度が０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図２１に示すように、それぞれ１．２９ｍｍ及び１．２９ｍｍである。回転偏向部の角度が３０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図２２に示すように、それぞれ１．３０ｍｍ及び１．２９ｍｍである。回転偏向部の角度が６０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図２３に示すように、それぞれ１．３０ｍｍ及び１．３０ｍｍである。回転偏向部の角度が９０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図２４に示すように、それぞれ１．３０ｍｍ及び１．３０ｍｍである。
【００９１】
回転偏向部の角度が１２０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図２５に示すように、それぞれ１．２９ｍｍ及び１．３０ｍｍである。回転偏向部の角度が１５０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図２６に示すように、それぞれ１．２９ｍｍ及び１．３０ｍｍである。回転偏向部の角度が１８０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図２７に示すように、それぞれ１．２９ｍｍ及び１．２９ｍｍである。回転偏向部の角度が２１０°の場合のｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、図２８に示すように、それぞれ１．３０ｍｍ及び１．２９ｍｍである。
【００９２】
図２１乃至図２８に示すように、ｘ方向及びｙ方向の位相空間分布の形状や位相は異なるが、ｘ方向及びｙ方向のビームサイズ１σは、ほぼ等しくなっている。図２９は、本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度とアイソセンタＩＣにおけるビームサイズの関係を示す図である。横軸は回転偏向部６０のガントリ角度θであり、縦軸は標準偏差σの３倍に相当する大きさであるビームサイズ３σである。実線で示した特性８１はｘ方向特性であり、破線で示した特性８２はｙ方向特性である。実施の形態２の回転偏向部６０を上記のようにすることで、回転偏向部６０の回転角度、すなわち回転ガントリの回転角度に依存せずに、ほぼ一定のビームサイズを実現できる。
【００９３】
実施の形態２の荷電粒子ビーム輸送系５９の固定輸送部６１は、固定輸送部６１の出口を回転偏向部６０の入口の条件である、βx＝βy、ηx＝０、η’x＝０、ηy＝０、η’y＝０に加えて、上述した式（８）を説いて得られた端点の座標（ｘ、ｘ’）を一端とし、この端点の座標（ｘ、ｘ’）の原点を中心にした点対称である座標、すなわち（−ｘ、−ｘ’）を他端に持つ位相空間上の線状分布を用いて実現する。
【００９４】
固定輸送部６１の設計フローは、実施の形態１で説明した設計フローと同じである。ただし、実施の形態２では、実施の形態１とは異なり、拘束条件においてβx＝βy、αx＝αyの制約条件は設定されない。
【００９５】
図３０と図３３乃至図３７は、本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度がそれぞれ０°、３０°、６０°、９０°、１２０°、１５０°の場合における回転偏向部の入口からアイソセンタにおける荷電粒子のビームサイズの関係を示す図である。横軸はｓ方向の距離であり、縦軸はビームサイズ３σである。各図において、区間Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５は、それぞれ偏向電磁石１０ａ、１０ｂ、１０ｃを通過する区間であり、区間Ｓ２は四極電磁石１１ａ、１１ｂが配置された区間であり、区間Ｓ４は四極電磁石１１ｃ、１１ｄが配置された区間である。区間Ｓ６は、偏向電磁石１０ｃの出口、すなわち回転偏向部６０の出口からアイソセンタＩＣまでの区間である。
【００９６】
図３１は本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が０°の場合におけるｘ方向ビームサイズを示す図であり、図３２は本発明の実施の形態２による回転偏向部の角度が０°の場合におけるｙ方向ビームサイズを示す図である。ｘ方向特性８３は、ｘ方向の位相空間分布を図２０（ａ）の線状分布としてシミュレーションして得られた結果である。ｙ方向特性８４は、ｙ方向の位相空間分布を図２０（ｂ）の楕円分布としてシミュレーションして得られた結果である。ｘ方向特性８５は、ｘ方向のツイスパラメータを用いてシミュレーションして得られた結果である。ｙ方向特性８６は、ｙ方向のツイスパラメータを用いてシミュレーションして得られた結果である。図３１では、ｘ方向特性８３とｘ方向特性８５はあまり一致しない。これは、ｘ方向の位相空間分布を楕円分布と近似すると、正確なビームサイズが得られないことを示している。図３２では、ｙ方向特性８４とｙ方向特性８６はよく一致している。区間Ｓ１ではずれているが、そのずれは小さく無視でる程度である。
【００９７】
実施の形態２の荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０は、３つの偏向電磁石１０ａ、１０ｂ、１０ｃと４つの四極電磁石１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの電磁石の強度を変更することなく、従来の設計における入口の条件から、βx＝βy、αx＝αyの制約条件を外し、所定のｘ方向の位相空間分布を追加することで、アイソセンタＩＣにおいて、ビームサイズの回転依存性がなくなる。所定のｘ方向の位相空間分布は、式（８）を説いて得られた端点の座標（ｘ、ｘ’）を一端とし、この端点の座標（ｘ、ｘ’）の原点を中心にした点対称である座標、すなわち（−ｘ、−ｘ’）を他端に持つ位相空間上の線状分布である。所定のｘ方向の位相空間分布は、荷電粒子ビーム輸送系５９の固定輸送部６１における四極電磁石を追加するか、もしくは四極電磁石の位置をずらした上で、励磁量を再最適化し、回転偏向部６０の入口で必要な粒子分布を実現する。実施の形態２の荷電粒子ビーム輸送系５９は、実施の形態１に比べて、拘束条件が少なく、課題を達成できるため、調整要素を少なくし、さらなるコンパクト化が図れる。
【００９８】
実施の形態２の荷電粒子ビーム輸送系５９は、回転偏向部６０の入口におけるｘ方向の位相空間分布を、上記に示した所定のｘ方向の位相空間分布にしたので、荷電粒子ビーム輸送系５９の回転偏向部６０の入り口にてエミッタンスの非対称が存在しても、アイソセンタＩＣで回転依存性の少ないビームサイズを実現することができる。
【符号の説明】
【００９９】
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…偏向電磁石、１４…ビーム中心線、１５…ガントリ回転軸、３１…荷電粒子ビーム、４５…照射対象、５１…粒子線治療装置、５４…加速器、５８、５８ａ、５８ｂ…粒子線照射装置、５９…荷電粒子ビーム輸送系、６０…回転偏向部、６１…固定輸送部、βx、βy、αx、αy…ツイスパラメータ、ＩＣ…アイソセンタ。
【図１】
2013175600.tif 000011
【図２】
2013175600.tif 000012
【図３】
2013175600.tif 000013
【図４】
2013175600.tif 000014
【図５】
2013175600.tif 000015
【図６】
2013175600.tif 000016
【図７】
2013175600.tif 000017
【図８】
2013175600.tif 000018
【図９】
2013175600.tif 000019
【図１０】
2013175600.tif 000020
【図１１】
2013175600.tif 000021
【図１２】
2013175600.tif 000022
【図１３】
2013175600.tif 000023
【図１４】
2013175600.tif 000024
【図１５】
2013175600.tif 000025
【図１６】
2013175600.tif 000026
【図１７】
2013175600.tif 000027
【図１８】
2013175600.tif 000028
【図１９】
2013175600.tif 000029
【図２０】
2013175600.tif 000030
【図２１】
2013175600.tif 000031
【図２２】
2013175600.tif 000032
【図２３】
2013175600.tif 000033
【図２４】
2013175600.tif 000034
【図２５】
2013175600.tif 000035
【図２６】
2013175600.tif 000036
【図２７】
2013175600.tif 000037
【図２８】
2013175600.tif 000038
【図２９】
2013175600.tif 000039
【図３０】
2013175600.tif 000040
【図３１】
2013175600.tif 000041
【図３２】
2013175600.tif 000042
【図３３】
2013175600.tif 000043
【図３４】
2013175600.tif 000044
【図３５】
2013175600.tif 000045
【図３６】
2013175600.tif 000046
【図３７】
2013175600.tif 000047
【図３８】
2013175600.tif 000048
【図３９】
2013175600.tif 000049
【図４０】
2013175600.tif 000050
【手続補正書】
【提出日】平成26年6月30日(2014.6.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器から出射された荷電粒子ビームが、前記加速器の出射位置における前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内で、前記加速器の周回軌道面内の方向をｘ方向、前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内で前記ｘ方向と直交する方向をｙ方向とした場合、前記ｘ方向のエミッタンスと前記ｙ方向のエミッタンスが異なる荷電粒子ビームであり、アイソセンタを中心に回転可能な回転ガントリに搭載された粒子線照射装置に前記荷電粒子ビームを輸送する荷電粒子ビーム輸送系であって、
前記回転ガントリに搭載されると共に、前記回転ガントリのガントリ回転軸の周りを回転する回転偏向部と、前記加速器から前記回転偏向部までの固定輸送部と、を備え、
前記回転偏向部は複数の偏向電磁石を有し、
前記固定輸送部は複数の四極電磁石を有し、
前記ガントリ回転軸方向から見た場合において、前記粒子線照射装置のビーム中心線と、前記回転偏向部の入口における前記荷電粒子ビームの前記ｙ方向の軸との角度をガントリ角度とし、
前記加速器の出射位置における前記ｘ方向のエミッタンスと前記ｙ方向のエミッタンスとが分離されてそれぞれのエミッタンスが保たれるように前記荷電粒子ビームが輸送される前記回転ガントリの角度をガントリ基準角度とし、
前記ガントリ角度が前記ガントリ基準角度である場合に、前記荷電粒子ビームの位相空間分布における位相が前記回転偏向部の入口から前記アイソセンタまで進む変化分を第１の位相進みとし、
前記ガントリ角度が前記ガントリ基準角度から９０°回転した角度である場合に、前記荷電粒子ビームの前記位相空間分布における位相が前記回転偏向部の入口から前記アイソセンタまで進む変化分を第２の位相進みとし、
前記固定輸送部は、前記四極電磁石の励磁量を制御することにより、前記回転偏向部の入口における前記荷電粒子ビームの前記位相空間分布の位相が、前記第１の位相進み及び前記第２の位相進みの平均値に基づいた演算を基に決定された位相となるようにしたことを特徴とする荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項２】
前記固定輸送部は、前記回転偏向部の入口における前記荷電粒子ビームの前記位相空間分布の位相が、前記第１の位相進みを１８０°の位相進みで基準化した位相進みと前記第
２の位相進みを１８０°の位相進みで基準化した位相進みとの平均値に基づいた位相となるようにしたことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項３】
前記固定輸送部は、前記回転偏向部の入口における前記荷電粒子ビームの前記位相空間分布の位相が、前記第１の位相進みを１８０°の位相進みで基準化した位相進みと前記第２の位相進みを１８０°の位相進みで基準化した位相進みとの平均値を負にした位相となるようにしたことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項４】
前記回転偏向部は、当該回転偏向部における前記ｘ方向及び前記ｙ方向のツイスパラメータが、入口及び出口において合うようにされたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項５】
前記回転偏向部は、当該回転偏向部の入口及び出口において、前記ｘ方向のツイスパラメータβxと前記ｙ方向のツイスパラメータβyとが合うようにされ、かつ前記ｘ方向のツイスパラメータαxと前記ｙ方向のツイスパラメータαyとが合うようにされたことを特徴とする請求項４項記載の荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項６】
加速器から出射された荷電粒子ビームが、前記加速器の出射位置における前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内で、前記加速器の周回軌道面内の方向をｘ方向、前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内で前記ｘ方向と直交する方向をｙ方向とした場合、前記ｘ方向のエミッタンスと前記ｙ方向のエミッタンスが異なる荷電粒子ビームであり、アイソセンタを中心に回転可能な回転ガントリに搭載された粒子線照射装置に前記荷電粒子ビームを輸送する荷電粒子ビーム輸送系であって、
前記回転ガントリに搭載されると共に、前記回転ガントリのガントリ回転軸の周りを回転する回転偏向部と、前記加速器から前記回転偏向部までの固定輸送部と、を備え、
前記回転偏向部は複数の偏向電磁石を有し、
前記固定輸送部は複数の四極電磁石を有し、
前記固定輸送部は、前記四極電磁石の励磁量を制御することにより、前記回転偏向部の入口において、前記荷電粒子ビームの前記ｘ方向における位相空間分布を決定し、
当該位相空間分布が、所定の選択マトリクスを用いて算出された線状分布で近似できる分布であり、
前記選択マトリクスは、
前記回転偏向部の入口及び出口において、前記ｙ方向及び前記ｘ方向の運動量分散関数が０であり、かつ前記運動量分散関数における前記ｘ方向及び前記ｙ方向に垂直な前記荷電粒子ビームの進行方向の傾きが０である場合における前記回転偏向部の入口から前記アイソセンタまでの輸送行列の一部であって、
前記回転偏向部の入口における前記荷電粒子ビームを構成する荷電粒子の位置（ｘ1、ｙ1）及びこの位置における前記荷電粒子ビームの進行方向の傾き（ｘ’1、ｙ’1）を、前記アイソセンタにおける前記荷電粒子の位置（ｘ2、ｙ2）及びこの位置における前記荷電粒子ビームの進行方向の傾き（ｘ’2、ｙ’2）に結び付ける輸送行列の成分ｍ11、ｍ12、ｍ33、ｍ34を有し、
前記アイソセンタにおける前記ｙ方向のビームサイズをσyとし、
ｍ11ｘ0＋ｍ12ｘ’0＝σyを第１式とし、
ｍ33ｘ0＋ｍ34ｘ’0＝σyを第２式とし、
前記線状分布の一方の端点（ｘ0、ｘ’0）と他方の端点（−ｘ0、−ｘ’0）は、前記第１式及び前記第２式から算出されたことを特徴とする荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項７】
前記回転偏向部は、当該回転偏向部における前記ｘ方向及び前記ｙ方向のツイスパラメータが、入口及び出口において合うようにされたことを特徴とする請求項６項記載の荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項８】
前記回転偏向部は、当該回転偏向部の入口及び出口において、前記ｘ方向のツイスパラメータβxと前記ｙ方向のツイスパラメータβyとが合うようにされたことを特徴とする請求項７項記載の荷電粒子ビーム輸送系。
【請求項９】
荷電粒子ビームを発生させ、この荷電粒子ビームを加速器で加速させるビーム発生装置と、
前記加速器により加速された荷電粒子ビームが、前記加速器の出射位置における前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内で、前記加速器の周回軌道面内の方向をｘ方向、前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内で前記ｘ方向と直交する方向をｙ方向とした場合、前記ｘ方向のエミッタンスと前記ｙ方向のエミッタンスが異なる荷電粒子ビームであり、この荷電粒子ビームを輸送する荷電粒子ビーム輸送系と、
前記荷電粒子ビーム輸送系で輸送された荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線照射装置と、
前記粒子線照射装置を搭載し、アイソセンタを中心に回転可能な回転ガントリと、を備え、
前記荷電粒子ビーム輸送系は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム輸送系であることを特徴とする粒子線治療装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明に係る荷電粒子ビーム輸送系は、加速器から出射された荷電粒子ビームが、加速器の出射位置における荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内で、加速器の周回軌道面内の方向をｘ方向、荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面内でｘ方向と直交する方向をｙ方向とした場合、ｘ方向のエミッタンスとｙ方向のエミッタンスが異なる荷電粒子ビームであり、アイソセンタを中心に回転可能な回転ガントリに搭載された粒子線照射装置に荷電粒子ビームを輸送する荷電粒子ビーム輸送系であって、回転ガントリに搭載されると共に、回転ガントリのガントリ回転軸の周りを回転する回転偏向部と、加速器から回転偏向部までの固定輸送部と、を備え、回転偏向部は複数の偏向電磁石を有し、固定輸送部は複数の四極電磁石を有する。本発明に係る荷電粒子ビーム輸送系によれば、ガントリ回転軸方向から見た場合において、粒子線照射装置のビーム中心線と、回転偏向部の入口における荷電粒子ビームのｙ方向の軸との角度をガントリ角度とし、加速器の出射位置におけるｘ方向のエミッタンスとｙ方向のエミッタンスとが分離されてそれぞれのエミッタンスが保たれるように荷電粒子ビームが輸送される回転ガントリの角度をガントリ基準角度とし、ガントリ角度がガントリ基準角度である場合に、荷電粒子ビームの位相空間分布における位相が回転偏向部の入口からアイソセンタまで進む変化分を第１の位相進みとし、ガントリ角度がガントリ基準角度から９０°回転した角度である場合に、荷電粒子ビームの位相空間分布における位相が回転偏向部の入口からアイソセンタまで進む変化分を第２の位相進みとし、固定輸送部は、四極電磁石の励磁量を制御することにより、回転偏向部の入口における荷電粒子ビームの位相空間分布の位相が、第１の位相進み及び第２の位相進みの平均値に基づいた演算を基に決定された位相となるようにしたことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
さらに、回転偏向部６０の入口において、ビームの位相空間上の特徴量であるベータトロン関数β、αをｘ方向とｙ方向で一致させることで、すなわち、βx＝βy、αx＝αyとすることで、ベータトロン関数βの差によるビームサイズの回転依存性はなくなる。なお、ｓに対するβ、αの関数をベータトロン関数と呼ぶ。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
図３の回転偏向部６０のベータトロン関数βと運動量分散関数ηを図５及び図６に示す。図５は、本発明の実施の形態１による回転偏向部からアイソセンタＩＣにおける荷電粒子のベータトロン関数を示す図である。横軸はｓ方向の距離であり、縦軸はベータトロン関数βである。なお、図５においてベータトロン関数αは記載していない。図５（ａ）はｘ方向のベータトロン関数βであり、図５（ｂ）はｙ方向のベータトロン関数βである。図６は、本発明の実施の形態１による回転偏向部からアイソセンタＩＣにおける荷電粒子の運動量分散関数を示す図である。横軸はｓ方向の距離であり、縦軸は運動量分散関数ηである。図６（ａ）はｘ方向の運動量分散関数ηであり、図６（ｂ）はｙ方向の運動量分散関数ηである。図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）、図６（ｂ）のそれぞれにおいて、回転偏向部６０の入口は、ｓ＝０ｍであり、回転偏向部６０の出口は、右端のｓ＝１４ｍ付近である。実施の形態１の例では、４個の四極電磁石１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄにより、荷電粒子ビーム３１が回転偏向部６０を通過して、アイソセンタＩＣのビーム特性が良好となる輸送行列を実現している。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
次に、エミッタンスが小さいことによる影響について議論する。荷電粒子ビーム３１を加速器５４から遅く取り出すビーム取り出し方式（遅いビーム取り出し方式）は、加速器５４を周回する荷電粒子ビーム３１を、加速器５４の外周側（ｘ方向）に移動させて、荷電粒子ビーム３１の外周側のみを取り出すようにして、周回する荷電粒子ビーム３１を長期間に渡って少しずつ加速器５４から荷電粒子ビーム輸送系５９に出射するものである。図７は、本発明の実施の形態１による回転偏向部の入口における荷電粒子の位相空間分布を示す図である。図７（ａ）はｘ方向の位相空間分布であり、図７（ｂ）はｙ方向の位相空間分布である。回転偏向部６０の入口でのｘ方向の位相空間分布は、加速器５４からの出射固有の特性より、ｘ方向の分布は制限されており、楕円というよりは線に近い分布となっている。これに対して、ｙ方向の位相空間分布は、ｙ方向に制限されることがないため楕円となっている。位相空間上の面積がエミッタンスであるから、ｘ方向とｙ方向では大きな違いがある。
【国際調査報告】
2013175600.tif 000051
2013175600.tif 000052
2013175600.tif 000053
2013175600.tif 000054