(57)【要約】【課題】  設置面積を低減し、なおかつ照射ビーム位置の変動を抑制することのできる粒子線治療システムを提供する。【解決手段】荷電粒子ビームを生成するシンクロトロン１０と、シンクロトロン１０から取り出された荷電粒子ビームを照射対象５１へ照射して照射野を形成する照射野形成装置４０と、照射野形成装置４０が設けられ、照射対象５１の周囲を回転可能な回転ガントリー３０と、照射対象５１の位置における荷電粒子ビームのディスパージョンを回転ガントリー３０の複数の回転角度において測定するディスパージョン測定装置４２ａ、４２ｂと、を備え、シンクロトロン１０から取り出された荷電粒子ビームの軌道中心と回転ガントリー３０の回転軸３３とが略同一直線上にあることを特徴とする【選択図】  図１
2018187308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを生成するシンクロトロンと、
前記シンクロトロンから取り出された荷電粒子ビームを前記照射対象へ照射して照射野を形成する照射野形成装置と、
前記照射野形成装置が設けられ、前記照射対象の周囲を回転可能な回転ガントリーと、
前記照射対象の位置における前記荷電粒子ビームのディスパージョンを前記回転ガントリーの複数の回転角度において測定するディスパージョン測定装置と、
を備え、
前記シンクロトロンから取り出された前記荷電粒子ビームの軌道中心と前記回転ガントリーの回転軸とが略同一直線上にあることを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項２】
請求項１に記載の粒子線治療システムであって、
前記回転ガントリーの回転軸の延長線上に、前記シンクロトロンから前記回転ガントリーまで前記荷電粒子ビームを直線的に輸送する高エネルギービーム輸送系が設けられることを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の粒子線治療システムであって、
前記照射対象の位置におけるディスパージョンを、四極磁場発生装置を用いて調整することを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項４】
請求項３に記載の粒子線治療システムであって、
前記照射対象の位置におけるディスパージョンを前記ビームの運動量が0.01%変化した場合の前記照射対象の位置における前記ビームの位置の変化量が0.5mm以下となる様な範囲に調整することを特徴とする粒子線治療システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線治療システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特許文献１がある。この公報には、「運動量分散関数とは運動量と位置との相関関数のことであり、加速器系２から出射される荷電粒子ビームには運動量と位置の相関があるため、ガントリー入口まで輸送する際にこの相関をなくすことが治療品質を確保するために重要である。上記ビーム輸送系３の役割は、荷電粒子ビームをガントリー５まで運ぶだけでなく、運動量分散関数をなくして輸送することにある。一般に加速器で運動量分散がｘ方向に発生している場合には、そのｘ方向の分散を打ち消すようなｘ方向偏向電磁石と四極電磁石の組み合わせが必要であり、また加速器からの取り出しでy方向に運動量分散が発生している場合には、そのｙ方向の分散を打ち消すようなｙ方向偏向電磁石と四極電磁石の組み合わせが必要であった。加速器からの出射方式には各種の方式があるが、中には、時間と運動量分布が強相関となる性質、すなわち、時間と共に中心運動量が大きく変化する傾向があるものがある。これは上述の加速器中の電磁石の磁場や高周波電力の周期的変動等に起因すると考えられ、実施の形態１〜５で説明したように、これらの加速器の運転周期に連動した周期的変動をビーム位置モニタ上で監視し、ビーム位置モニタの出力の動的変動を打ち消すように軌道補正を行うことで、これらの周期的変動、すなわち時間と運動量分布の強相関を解消することができる。」と記載されている。
【０００３】
また、この公報には「このように時間と運動量に強い相関がある場合には、モニタと動的ステアリング電磁石を組み合わせることで、従来の偏向電磁石と四極電磁石の組み合わせよりも、偏向電磁石を省略でき、小型且つ安価な装置によって運動量分散関数が０である輸送路を実現できる。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開２０１３／０６９３７９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の粒子線治療システムでは、シンクロトロン出口から回転ガントリー入口までのビーム輸送系（以下、高エネルギービーム輸送系と呼ぶ）に設置したステアリング電磁石の励磁量を、回転ガントリー入口におけるビーム軌道の変動を補正するよう周期的に制御するため、高エネルギービーム輸送系から偏向電磁石を省略した場合であっても回転ガントリー入口における運動量分散関数（以下、ディスパージョンと呼ぶ）を擬似的に０に補正し、照射ビーム位置の変動を抑制することが可能である。
【０００６】
一方で、特許文献１に記載の粒子線治療システムでは、回転ガントリー入口におけるビーム軌道の変動に周期的でない成分（例えばビーム照射の時間パターンに依存する成分）が含まれる場合に、回転ガントリー入口におけるディスパージョンを０に補正することができない。このため、特許文献１に記載の粒子線治療システムでは照射ビーム位置の変動を十分に抑制することが困難となる。
【０００７】
そこで本発明では、設置面積を低減し、なおかつ照射ビーム位置の変動を抑制することのできる粒子線治療システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する為に、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、荷電粒子ビームを生成するシンクロトロンと、前記シンクロトロンから取り出された前記荷電粒子ビームを前記照射対象へ照射して照射野を形成する照射野形成装置と、前記照射野形成装置が設けられ、前記照射対象の周囲を回転可能な回転ガントリーと、前記照射対象の位置における前記荷電粒子ビームのディスパージョンを前記回転ガントリーの複数の回転角度において測定するディスパージョン測定装置と、を備え、前記シンクロトロンから取り出された前記荷電粒子ビームの軌道中心と前記回転ガントリーの回転軸とが略同一直線上にあることを特徴とする粒子線治療システムである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、設置面積を低減し、なおかつ照射ビーム位置の変動を抑制することのできる粒子線治療システムを提供することができる。
【００１０】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１の粒子線治療システムの例
【図２】実施形態１の照射野形成装置４０の模式図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。
【００１３】
本実施形態では、設置面積を低減し、なおかつ照射ビーム位置の変動をシンクロトロンの複数の運転周期に渡って抑制することのできる粒子線治療システムの例を説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態による粒子線治療システムの例である。
【００１５】
本実施形態の粒子線治療システムは、入射器１よりシンクロトロン１０へ入射された荷電粒子ビーム（以下、ビームと呼ぶ）をシンクロトロン１０により所定の運動エネルギー（以下、運動エネルギーを単にエネルギーと呼ぶ）まで加速して高エネルギービーム輸送系２０へ取り出し、回転ガントリー３０及び回転ガントリー３０に搭載された照射野形成装置４０を経由して患者５０中の患部５１へ照射するものである。入射器２には、例えば、イオン源（図示せず）で生成したビームをシンクロトロン１０への入射に適したエネルギー（以下、入射エネルギーという）まで加速する線形加速器（ライナック）が用いられる。
【００１６】
入射器２から取り出された荷電粒子ビームは、低エネルギービーム輸送系２及び入射用インフレクタ１１を経由してシンクロトロン１０へ入射される。低エネルギービーム輸送系１は、ビームをシンクロトロン１０へ向けて偏向する偏向電磁石３や、ビームの形状をシンクロトロン１０への入射に適した形状に整える四極電磁石４などにより構成される。
【００１７】
シンクロトロン１０は、入射用インフレクタ１１と、偏向電磁石１２と、四極電磁石１３と、六極電磁石１４と、高周波加速空胴１５と、取り出し用高周波電圧印加装置１６と、取り出し用デフレクタ１７により構成される。
【００１８】
偏向電磁石１２はシンクロトロン１０中を周回するビーム（以下、周回ビームという）を偏向して所定の周回軌道（以下、周回ビーム軌道という）を形成する。周回ビームの進行方向に沿った方向を進行方向（ビームが進む方向を正）、進行方向に垂直で偏向電磁石１２の動径方向に沿った方向を水平方向（シンクロトロン外側方向を正）、進行方向および水平方向の両方に垂直な方向を垂直方向と呼ぶ（図面手前方向を正）。シンクロトロン１０の設計上の周回ビーム軌道を中心軌道と呼ぶ。周回ビーム粒子は中心軌道の周りを水平および垂直方向に振動しており、この振動をベータトロン振動という。また、シンクロトロン一周あたりのベータトロン振動の振動数をチューンという。四極電磁石１３は、周回ビームに収束あるいは発散の力を加えて周回ビームのチューンを周回ビームが安定となる値に保つ。高周波加速空胴１５は周回ビームに進行方向の高周波電圧（以下、加速電圧という）を印加して周回ビームを進行方向の所定の位相に捕獲し（以下、高周波捕獲という）、所定のエネルギーまで加速する。高周波捕獲された周回ビーム粒子の運動量は設計上の運動量（以下、中心運動量という）を中心として振動しており、この振動をシンクロトロン振動という。周回ビームを加速する間は、偏向電磁石１２の励磁量と四極電磁石１３の励磁量を周回ビームの運動量に比例して増加させるとともに加速電圧の周波数（以下、加速周波数という）を適切な値に制御し、周回ビーム軌道および周回ビームのチューンを一定に保つ。
【００１９】
周回ビームの加速が完了した後、シンクロトロン１０は四極電磁石１３の励磁量を変更して周回ビームの水平チューンを周回ビームが不安定となる値（以下、共鳴線という）に接近させるとともに、六極電磁石１４を励磁して周回ビームに中心軌道からの距離の二乗に比例する強度の磁場（以下、六極磁場という）を印加し、周回ビーム粒子の水平方向の位置と傾きにより定義される位相空間上に水平ベータトロン振動の安定限界（以下、セパラトリクスという）を形成する。取り出し用高周波電圧印加装置１６は周回ビームに水平チューンと同期する周波数の水平方向の高周波電圧を印加し、周回ビーム粒子の水平ベータトロン振動の振幅を増大させる。水平ベータトロン振動の振幅が増大してセパラトリクスを越えた周回ビーム粒子は水平ベータトロン振動の振幅を急激に増大させ、取り出し用デフレクタ１７に入射する。取り出し用デフレクタ１７は入射した周回ビーム粒子を水平方向に偏向し、シンクロトロン１０の外へ取り出す。本実施形態では、取り出し用デフレクタ１７にビームを水平方向に偏向するセプタム電磁石を用いている。また、ビームを垂直方向に偏向するランバートソン電磁石を取り出し用デフレクタとして用いることも可能である。また、取り出し用デフレクタ１７を複数台の電磁石あるいはビームを電界により偏向する静電デフレクタと電磁石の組み合わせにより構成することも可能である。静電デフレクタと組み合わせて取り出し用デフレクタ１７を構成する電磁石は一台であっても複数台であっても構わない。
【００２０】
シンクロトロン１０から取り出されたビーム（以下、取り出しビームという）は、高エネルギービーム輸送系２０、回転ガントリー３０、回転ガントリー３０上の照射野形成装置４０を経由した後に患部５１へ照射される。なお、図１に示すように、本実施例の粒子線治療システムは、シンクロトロン１０から取り出されたビームの軌道中心と回転ガントリー３０の回転軸とが略同一直線上にある。  高エネルギービーム輸送系２０は、取り出しビームに収束あるいは発散の力を加える磁場を生成する四極磁場発生装置である四極電磁石２１、取り出しビームの位置や形状を測定するビームプロファイルモニタ２２などにより構成され、高エネルギービーム輸送系２０の終端は回転ガントリー３０の入口に接続されている。高エネルギービーム輸送系２０の開始地点、即ちシンクロトロン１０の出口は取り出し用デフレクタ１７の出口、即ち四極電磁石２１が設置されている直線部の開始地点とし、取り出し用デフレクタ１７が複数台の電磁石により構成される場合は最下流の電磁石の出口地点を高エネルギービーム輸送系２０の開始地点とする。なお、高エネルギービーム輸送系２０中の座標系はシンクロトロン１０の座標系に準じ、ビーム進行方向に垂直な平面内でシンクロトロン１０の水平面と平行な方向が水平方向、偏向電磁石１２のギャップ方向と平行な方向が垂直方向となる。
【００２１】
回転ガントリー３０は、偏向電磁石３１、四極電磁石３２等により構成され、その終端部には照射野形成装置４０が搭載されている。回転ガントリー３０は、その全体が回転軸３３を軸として回転可能となっており、高エネルギービーム輸送系２０から入射したビームを複数の異なる方向から患部５１へ照射することができる。なお上述するように、本実施例の粒子線治療システムは、シンクロトロン１０から取り出されたビームの軌道中心と回転ガントリー３０の回転軸とが略同一直線上にあるため、回転軸３３の延長線上に高エネルギービーム輸送系２０が設けられている。したがって、本実施例の高エネルギービーム輸送系２０は、シンクロトロン１０から回転ガントリー３０まで取り出しビームを直線的に輸送する機器とも言ってよい。
【００２２】
続いて本実施例の粒子線治療システムの説明にあたり、文言の定義として、照射野形成装置４０中のビーム進行方向と患者５０のいる治療室の水平面がなす角をガントリー回転角と呼ぶことにする。また、複数の方向から照射されたビームが患部５１中で集まる点をアイソセンタと呼ぶ。回転ガントリー３０中の座標系は偏向電磁石３１の動径方向が水平方向、偏向電磁石３１のギャップ方向が垂直方向となる。
【００２３】
回転ガントリー３０中の座標系は回転ガントリー３０の回転に伴い回転し、ガントリー回転角が０度の場合、即ち偏向電磁石３１が高エネルギービーム輸送系２０の水平方向にビームを偏向する場合に高エネルギービーム輸送系２０の座標系と回転ガントリー３０の座標系が回転ガントリー３０の入口において一致する。また、本実施形態では高エネルギービーム輸送系２０中に偏向電磁石が設置されていない為、回転ガントリー３０の回転軸３３は出射用デフレクタ１７出口地点、即ちシンクロトロン１０の出口におけるビーム進行方向と略同一となる。
【００２４】
入射器１、低エネルギービーム輸送系２、シンクロトロン１０、高エネルギービーム輸送系２０、回転ガントリー３０の構成機器及びこれらの構成機器に電力を供給する電源（図示せず）は制御装置６０に接続されており、制御装置６０はこれらの機器の運転を制御する。また、制御装置は運転情報の入出力や運転状態の表示を行うための端末６１に接続されている。
【００２５】
図２は照射野形成装置４０の模式図である。照射野形成装置４０は、走査電磁石４１、ビームの位置、幅や形状を測定するビームプロファイルモニタ４２ａ、４２ｂ、ビームの照射量を測定する線量モニタ４３を主要機器として有し、照射野形成装置４０を構成する機器は制御装置６０に接続されている。照射野形成装置４０は、高エネルギービーム輸送系２０、回転ガントリー３０を経由して運ばれてきたビームを整形し、患部５１の形状に合わせた照射線量の分布（以下、照射野という）を形成する。本実施形態の粒子線治療システムは、ビームを走査電磁石４１により患部５１の形状に合わせて走査するスキャニング照射法を照射野の形成に用いる。また、照射野形成装置４０は、回転ガントリー３０に固定されているため、回転ガントリー３０を回転させることによって照射対象に対して任意の角度からビームを照射できるように構成されている。
【００２６】
スキャニング照射法では、患者５０の体内においてビームが到達する深さを、患者５０へ照射されるビームのエネルギーを変更することにより制御する。本実施形態では、患者５０へ照射されるビームのエネルギーを変更するためにシンクロトロン１０から取り出されるビームのエネルギーを変更する。
【００２７】
シンクロトロン１０は、周回ビームの取り出しが完了した後、偏向電磁石１２の励磁量、四極電磁石１３の励磁量、加速周波数をシンクロトロン１０へのビーム入射時の値に変更し、次のビーム入射に備える。シンクロトロン１０へビームを入射してから次にシンクロトロン１０へビームを入射するまでの期間をシンクロトロン１０の周期と呼ぶ。
【００２８】
本実施形態の粒子線治療システムは、あらかじめ治療計画装置（図示せず）が定めたビームの照射が完了するまで、ビームの加速、取り出し、照射を繰り返す。
【００２９】
本実施形態の粒子線治療システムにおいて、照射ビーム位置の変動を抑制する手法について説明する。
【００３０】
アイソセンタにおける水平、垂直方向のビーム位置は、シンクロトロン１０から取り出されるビームの中心運動量の時間変化に伴い変動する。このとき、運動量の変化量とビーム位置の変化量の間には比例関係がある事が知られており、両者の比例定数はディスパージョンと呼ばれる。運動量の変化量をΔｐ、ビームの中心運動量をｐ、ビーム位置の変化量をΔxとしたとき、ディスパージョンηは
【００３１】
【数１】
2018187308.tif 000003
【００３２】
と表される。なお、ディスパージョンはビーム進行方向の各地点において水平、垂直方向のそれぞれに対して定義される。
【００３３】
アイソセンタにおけるディスパージョンの値は高エネルギービーム輸送系２０、回転ガントリー３０の機器配置と四極電磁石２１、３２の励磁量に依存して変化する。アイソセンタにおけるディスパージョンが０となる場合にはビームの運動量の変動に伴う照射ビーム位置の変動も０となる為、四極電磁石２１、３２の励磁量をアイソセンタにおけるディスパージョンが０となる様調整することで照射ビーム位置の変動を抑制することが可能となる。本実施形態の粒子線治療システムでは、粒子線治療システムの試運転（以下、ビーム調整という）においてアイソセンタにおけるディスパージョンを測定及び四極電磁石２１、３２の励磁量の調整を行う。
【００３４】
ビーム調整においてアイソセンタにおけるディスパージョンを測定し、四極電磁石２１、３２の励磁量をアイソセンタにおけるディスパージョンが０となる様調整する手法について説明する。
【００３５】
調整者は、ガントリー回転角を０度に設定した後、ビーム照射中の機器の運転条件（電磁石励磁量や加速周波数）を調整対象とするエネルギーにおける設計値に設定する。この際、端末６１には調整対象のエネルギー、シンクロトロン１０のビーム取り出し中の加速周波数、ガントリー回転角を含む情報が表示されている。
【００３６】
次に、調整者はシンクロトロン１０を運転し、アイソセンタにおける照射ビームの位置をプロファイルモニタ４２ａ、４２ｂを用いて測定する。このとき、走査電磁石４１の励磁電流は０に設定しておく。照射野形成装置４０内には走査電磁石４１以外にビームを偏向する機器が設置されていないため、アイソセンタにおける水平ビーム位置ｘ０はプロファイルモニタ４２ａによる水平ビーム位置の測定結果ｘａ０、プロファイルモニタ４２ａからアイソセンタまでの距離ｓａ、プロファイルモニタ４２ｂによる水平ビーム位置の測定結果ｘｂ０、プロファイルモニタ４２ｂからアイソセンタまでの距離ｓｂを用いて
【００３７】
【数２】
2018187308.tif 000004
【００３８】
と表される。本実施形態では照射野形成装置４０中の二台のプロファイルモニタ４２ａ、４２ｂによるビーム位置の測定結果からアイソセンタにおけるビーム位置を算出しているが、ビーム調整期間中はアイソセンタ中に調整用のプロファイルモニタを設置し、アイソセンタにおけるビーム位置を直接測定しても良い。
【００３９】
アイソセンタにおけるビーム位置の測定が完了した後、調整者はシンクロトロン１０の加速周波数を設計値から変更し、シンクロトロン１０の周回ビームのエネルギー、即ちシンクロトロン１０から取り出されるビームの運動量を変更する。シンクロトロン１０の偏向電磁石１２の磁場強度に変化が無い場合、加速周波数の変更量Δｆと運動量の変化量Δｐの間には、
【００４０】
【数３】
2018187308.tif 000005
【００４１】
なる関係がある。ここで、pは周回ビーム粒子の運動量、ｆは加速周波数、γは周回ビーム粒子のローレンツファクタ、αはシンクロトロン１０のモーメンタムコンパクションファクタである。（数式３）によれば加速周波数の変更量と運動量の変化量は比例関係にある為、調整者は端末６１に表示された加速周波数の設定値から照射ビームの運動量の変化量を知ることができる。また、制御装置６０は加速周波数とシンクロトロン１０のパラメータから運動量の変化量Δｐ／ｐを計算して端末６１に表示しても良い。
【００４２】
調整者はシンクロトロン１０の加速周波数を変更した状態でアイソセンタにおける水平ビーム位置ｘ１を測定し、水平ビーム位置の変化量からガントリー回転角０度の場合のアイソセンタにおける水平ディスパージョンηｘ０を次式により求める。
【００４３】
【数４】
2018187308.tif 000006
【００４４】
ガントリー回転角０度の場合のアイソセンタにおける垂直ディスパージョンηｙ０は、水平ディスパージョンと同様にしてビーム位置の測定結果から求められる。調整者はガントリー回転角０度の場合の水平ディスパージョンηｘ０と垂直ディスパージョンηｙ０を計測時のガントリー回転角（０度）とともに記録する。
【００４５】
次に、調整者はガントリー回転角を９０度に変更して同様の測定を行い、ガントリー回転角０度の場合の水平ディスパージョンηｘ９０と垂直ディスパージョンηｙ９０を現在のガントリー回転角（９０度）とともに記録する。このように、本実施形態の粒子線治療システムは、シンクロトロン１０から取り出されるビームの運動量のずれを知る手段（本実施形態では加速周波数を表示する端末６１）とガントリー回転角を知る手段（本実施形態ではガントリー回転角を表示する端末６１）とアイソセンタにおけるビーム位置の測定手段（本実施例ではプロファイルモニタ４２ａ、４２ｂ）を備える為、アイソセンタにおけるディスパージョンをガントリー回転角と関連付けて記録することができる。言い換えれば、本実施形態のディスパージョン測定装置は、シンクロトロン１０から取り出されるビームの運動量のずれを知る手段とガントリー回転角を知る手段とアイソセンタにおけるビーム位置の測定手段により構成される。
【００４６】
シンクロトロン１０の出口における水平ディスパージョンをηｘｓ、垂直ディスパージョンをηｙｓ、ビーム進行方向の位置を変数とした水平ディスパージョンの変化率をηｘｓ’、垂直ディスパージョンの変化率をηｙｓ’とおく。ディスパージョンのビーム進行方向に沿った変化率をディスパージョンの勾配と呼ぶ。これらディスパージョンとその勾配はシンクロトロン１０の設計上の値を用いても良いし、高エネルギービーム輸送系２０中のビームプロファイルモニタ２２によるビーム位置の測定結果から導出しても良い。
【００４７】
高エネルギービーム輸送系２０の水平方向の輸送行列をＨｘ、垂直方向の輸送行列をＨｙ、回転ガントリー３０の水平方向の輸送行列をＧｘ、垂直方向の輸送行列をＧｙとしたとき、アイソセンタにおけるディスパージョンは次式により表される。
【００４８】
【数５】
2018187308.tif 000007
【００４９】
（数式５）右辺の添え字１は、計算結果となるベクトルの１行目がディスパージョンとなることを表している。ベクトルの２行目はディスパージョンの勾配となるが、本実施形態ではアイソセンタにおけるディスパージョンの勾配を調整の対象としていないため（数式５）中での表記を省略している。
【００５０】
回転ガントリー３０中で発生したディスパージョンについてはアイソセンタでその値が０となる、いわゆるアクロマートな条件となるよう回転ガントリー３０中の四極電磁石３２の励磁量が設定されているものとして、高エネルギービーム輸送系及び回転ガントリーの輸送行列は２行２列のものを考える。シンクロトロン１０から取り出されるビームのディスパージョンとその勾配は少なくとも水平方向について０でない値を持ち、高エネルギービーム輸送系２０中には偏向電磁石が設置されていないため、回転ガントリー３０の入口において水平ディスパージョンとその勾配が両方０となることはない。
【００５１】
一般的なアクロマート条件を満たす回転ガントリーでは、回転ガントリー入口におけるディスパージョンとその勾配が両方０である場合にアイソセンタにおけるディスパージョンとその勾配が０となることが保証される。一方で、本実施形態の粒子線治療システムでは回転ガントリー３０の入口においてディスパージョンとその勾配の両方が０となることが無い為、回転ガントリーをアクロマート条件としただけではアイソセンタにおけるディスパージョンを０とすることができない。
【００５２】
本実施形態では、回転ガントリー３０をアクロマート条件とすることに加えて、ガントリー回転角が０度の場合の輸送行列が次式を満たすように高エネルギービーム輸送系２０及び回転ガントリー３０上の四極電磁石２１、３２の励磁量を調整する。
【００５３】
【数６】
2018187308.tif 000008
【００５４】
ここで、HxCは調整後の高エネルギービーム輸送系２０の水平方向の輸送行列、GxCは調整後の回転ガントリー３０の水平方向の輸送行列を表す。（数式６）の右辺は、四極電磁石２１、３２の励磁量の調整による水平ディスパージョンの変化量を与える。（数式６）によれば水平ディスパージョンの変化量は水平ディスパージョンの測定結果の符合を反転させた値となる為、（数式６）を満たすように四極電磁石２１、３２の励磁量を調整することにより、ガントリー回転角が０度の場合のアイソセンタにおける水平ディスパージョンを０に補正することができる。同様にして、ガントリー回転角が０度の場合の垂直ディスパージョン及びガントリー回転角が９０度の場合の水平、垂直ディスパージョンについても０に補正することが可能である。また、各ディスパージョンについての（数式６）に相当する条件を同時に満たす様に四極電磁石２１、３２の励磁量を調節することにより、複数のガントリー回転角（０度、９０度）における水平、垂直ディスパージョンを同時に０に補正することが可能である。
【００５５】
すなわち、本実施例の粒子線治療システムは、加速器（シンクロトロン１０）から取り出されたビームのディスパージョンについて、回転ガントリー３０がアクロマートな条件を満たし、かつ高エネルギービーム輸送系２０と回転ガントリー３０との組み合わせた場合にアイソセンタにおけるディスパージョンが複数のガントリー回転角について０となる様にビームが通過する経路における磁場が制御されている。
【００５６】
本実施形態ではシンクロトロン１０からビームを水平方向に取り出すため、取り出し用デフレクタ出口における垂直ディスパージョンηｙｓとその勾配ηｙｓ’はシンクロトロン１０の垂直方向の対称性からともに０となる。この場合、（数式６）に加えて次式を満たすように四極電磁石２１、３２の励磁量を調整することで、複数のガントリー回転角（０度、９０度）における水平、垂直ディスパージョンが同時に０に補正される。
【００５７】
【数７】
2018187308.tif 000009
【００５８】
ここで、ＧｙＣは調整後の回転ガントリー３０の垂直方向の輸送行列を表す。
【００５９】
複数のガントリー回転角（０度、９０度）における水平、垂直ディスパージョンが同時に０に補正されている場合、任意のガントリー回転角についてアイソセンタにおける水平、垂直ディスパージョンが０に補正されることについて説明する。
【００６０】
ガントリー回転角が任意の値θである場合、アイソセンタにおける水平ディスパージョンηｘθは、回転ガントリー３０入口における回転ガントリー３０の座標系上の水平ディスパージョンηｘθGとその勾配ηｘθG’を用いて
【００６１】
【数８】
2018187308.tif 000010
【００６２】
と表される。ここで、回転ガントリー３０の座標系上の水平ディスパージョンηｘθGとその勾配ηｘθG’は、回転ガントリー３０の入口における高エネルギービーム輸送系２０の座標系上の水平ディスパージョンηｘHとその勾配ηｘH’、垂直ディスパージョンηｙHとその勾配ηｙH’及びガントリー回転角θを用いて
【００６３】
【数９】
2018187308.tif 000011
【００６４】
と表される。ここで、
【００６５】
【数１０】
2018187308.tif 000012
【００６６】
であるから、（数式６）、（数式８）、（数式９）より
【００６７】
【数１１】
2018187308.tif 000013
【００６８】
となることが示される。同様にしてアイソセンタにおける垂直ディスパージョンηｙθについても任意のガントリー回転角θについて０となることが示される。
【００６９】
このように、本実施形態の粒子線治療システムでは、複数のガントリー回転角についてアイソセンタにおけるディスパージョンを測定し、これらディスパージョンが０に補正されるよう高エネルギービーム輸送系２０中の四極電磁石２１及び回転ガントリー３０中の四極電磁石３２の励磁量を調整するため、高エネルギービーム輸送系２０に偏向電磁石を設置せずとも任意のガントリー回転角についてアイソセンタにおけるディスパージョンを０に補正することが可能となる。
【００７０】
これにより、本実施形態の粒子線治療システムでは、設置面積を低減し、なおかつ照射ビーム位置の変動を抑制することが可能となる。
【００７１】
本実施形態では、アイソセンタにおけるディスパージョンが０となる様に四極電磁石２１、３２の励磁量を調節するとしたが、実際には、アイソセンタにおけるディスパージョンをビームの運動量の変動に伴う照射ビーム位置の変動が照射野を形成する上での許容範囲内に収まるような範囲内に補正することで照射ビーム位置の変動を抑制する本実施形態の効果を得ることができる。シンクロトロン１０から取り出されるビームの中心運動量は一例として全幅で0.01%程度変動することが解析から判明している。スキャニング照射法における照射ビーム位置の変動幅の許容範囲は例えば0.5mmであるので、アイソセンタにおけるディスパージョンの絶対値はビームの運動量が0.01%変化する際のビーム位置の変化量が0.5mm以下となる様に補正されていれば良い。
【００７２】
また上述の実施例では、回転ガントリー３０が360度回転可能となっているいわゆるフルガントリーを採用したシステムを例としたが、これに限らず回転角度が360度未満の回転ガントリーを使った採用してもよい。
【００７３】
また上述の実施例では、照射野形成装置４０がスキャニング照射法を採用した例を中心に説明したが、この照射法のみを実行可能な粒子線治療システムに限らず本発明を適用してもよい。たとえば、照射野形成装置４０が散乱体照射法とスキャニング照射法とを切り替えて照射可能なように構成されている場合などでも本発明を適用することが可能である。
【００７４】
なお、上述の実施例で説明した粒子線治療システムは、本発明の一例であり、発明の目的を達する範囲において、機器の設置位置や個数、その他の粒子線治療システムの制御に要する機器を追加してよい。
【符号の説明】
【００７５】
１  入射器
２  低エネルギービーム輸送系
３  偏向電磁石
４  四極電磁石
１０  シンクロトロン
１１  入射用インフレクタ
１２  偏向電磁石
１３  四極電磁石
１４  六極電磁石
１５  高周波加速空胴
１６  取り出し用高周波電圧印加装置
１７  取り出し用デフレクタ
２０  高エネルギービーム輸送系
２１  四極電磁石
２２  ビームプロファイルモニタ
３０  回転ガントリー
３１  偏向電磁石
３２  四極電磁石
３３  回転軸
４０  照射野形成装置
４１  走査電磁石
４２ａ、４２ｂ  ビームプロファイルモニタ
４３  線量モニタ
５０  患者
５１  患部
６０  制御装置
６１  端末
【図１】
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【図２】
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