(57)【要約】【課題】設置面積を従来に比べて低減することが可能な荷電粒子ビーム供給用のビーム輸送系とそれを備えた粒子線治療装置を提供する。【解決手段】加速器から出射された荷電粒子ビームを、加速器出口１０１からアイソセンタ１０４まで輸送する固定ビーム輸送系１０５および回転ガントリビーム輸送系１０６から成るものであって、加速器出口１０１からアイソセンタ１０４に至る輸送経路上に四重極電磁石が６台以上７台以下設置されており、そのうち固定ビーム輸送系１０５に２台以上４台以下、回転ガントリビーム輸送系１０６に３台以上５台以下設置されている。【選択図】  図１
2019082389.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を、加速器ビーム出射点からアイソセンタまで輸送する固定ビーム輸送系および回転ガントリから成るビーム輸送系であって、
前記加速器ビーム出射点からアイソセンタに至る輸送経路上に四重極電磁石が６台以上７台以下設置されており、そのうち前記固定ビーム輸送系に２台以上４台以下、前記回転ガントリに３台以上５台以下設置される
ことを特徴とするビーム輸送系。
【請求項２】
請求項１に記載のビーム輸送系において、
前記ビーム輸送系は、前記加速器において前記荷電粒子ビームを周回させる双極電磁石の動径方向で定義される水平方向および前記水平方向に対して直交する面で定義される垂直方向の前記荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅が前記アイソセンタにおいて前記回転ガントリの回転に対して不変であり、かつ前記水平方向の分散関数および前記垂直方向の分散関数が共に０である
ことを特徴とするビーム輸送系。
【請求項３】
請求項１に記載のビーム輸送系において、
前記四重極電磁石は、前記固定ビーム輸送系に２台、前記回転ガントリに４台設置される
ことを特徴とするビーム輸送系。
【請求項４】
請求項１に記載のビーム輸送系において、
前記回転ガントリに設置される全ての偏向電磁石の後段側に前記四重極電磁石が１台以上設置される
ことを特徴とするビーム輸送系。
【請求項５】
請求項１に記載のビーム輸送系において、
前記回転ガントリが単一平面上で構成される
ことを特徴とするビーム輸送系。
【請求項６】
請求項１に記載のビーム輸送系において、
前記回転ガントリに設置される全ての偏向電磁石の偏向角の絶対値の総和が２７０度である
ことを特徴とするビーム輸送系。
【請求項７】
請求項６に記載のビーム輸送系において、
前記偏向電磁石の偏向角の絶対値が全て等しい
ことを特徴とするビーム輸送系。
【請求項８】
請求項７に記載のビーム輸送系において、
前記偏向電磁石の磁極端面の角度が全て等しい
ことを特徴とするビーム輸送系。
【請求項９】
請求項８に記載のビーム輸送系において、
全ての前記偏向電磁石を一台の偏向電磁石電源で駆動する
ことを特徴とするビーム輸送系。
【請求項１０】
患者の患部に荷電粒子ビームを照射する粒子線治療装置であって、
前記荷電粒子ビームを生成する加速器と、
前記荷電粒子ビームを照射点まで輸送するビーム輸送系として、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のビーム輸送系と、を備える
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、特に、荷電粒子ビームを供給するビーム輸送系とそれを備えた粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水平および垂直面内に異なるエミッタンスを有するイオンビームを輸送するためのガントリのイオン光学設計の一例として、非特許文献１には、ガントリ回転角度から独立してガントリ出口でビームスポットを作るイオン光学的制約が解析的に導出されることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】M. Pavlovic, “A design of a rotating gantry for non-symmetric ion-therapy beams”, Nucl. Instr. Meth. In Phys. Res. A 438 (1999), p548-559
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
がん治療法の一つである粒子線治療は、陽子や炭素イオンなどの荷電粒子ビームを患部に照射する。
【０００５】
粒子線治療に用いる粒子線治療装置では、荷電粒子ビームのエネルギーや空間的な広がりを調整し、患部形状に合わせた線量分布を形成する。粒子線治療装置には加速器とビーム輸送系、照射装置が含まれる。
【０００６】
加速器は、治療に用いるエネルギーまで荷電粒子ビームを加速する装置であり、粒子線治療に用いられるものとして、シンクロトロンやサイクロトロン、シンクロサイクロトロンなどが挙げられる。
【０００７】
ビーム輸送系は、輸送系中に設置した四重極電磁石を用いて粒子ビームのベータトロン振動振幅と呼ばれる粒子ビームの空間的な広がりを表すパラメータを調整しながら粒子ビームを治療室中のアイソセンタと呼ばれる標的位置まで輸送する。
【０００８】
このビーム輸送系では、ベータトロン振動振幅を調整することで粒子ビームがその内部を通過する真空ダクト内壁に衝突するのを防いでいる。
【０００９】
照射装置は輸送されたビームが患部形状に合わせた線量分布となるように形成する装置である。線量分布の形成方法には、ビームを散乱体に当ててビーム形状を患部形状に合わせる散乱体照射法と、細く絞ったビームを電磁石を用いて患部形状に合わせて走査するスキャニング照射法とがある。
【００１０】
ビーム輸送系にビームをある角度だけ偏向する偏向電磁石が含まれる場合、粒子ビームの運動量に依存してビーム軌道が中心軌道からずれる色収差が生じる。
【００１１】
一般に加速器から出射される粒子ビームは運動量に分散を持つため、ビーム輸送系中に色収差が存在する場合、運動量分散に依存した軌道位置変動が生じる。従って、アイソセンタにおけるビーム照射位置精度を担保するためには、色収差の係数である分散関数をアイソセンタにおいて０にする必要がある。分散関数の調整は、ベータトロン振動振幅の調整と同様に、輸送系中に設置した四重極電磁石によって調整される。
【００１２】
また、粒子線治療装置には、粒子ビームを任意の角度から照射するための回転ガントリと呼ばれるビーム輸送系を備えるものがある。回転ガントリを備える場合、任意の回転角度で、ベータトロン振動振幅が不変かつ分散関数を０にする必要がある。非特許文献１では、任意の回転角度でアイソセンタにおけるベータトロン振動振幅が不変かつ分散関数が０となるビーム輸送系の例が示されている。
【００１３】
粒子線治療装置はその設置面積を低減することにより、狭隘な施設への設置が可能になる。
【００１４】
ここで、粒子線治療装置の設置面積は、その大半が加速器およびビーム輸送系によって占有される。このため、加速器およびビーム輸送系の占有面積を低減することで、粒子線治療装置の設置面積を低減することができる。
【００１５】
特にビーム輸送系が回転ガントリを含む場合、設置する四重極電磁石の員数によって、回転ガントリの軸長および回転半径の長さが決まる。このように四重極電磁石の員数は、粒子線治療装置の設置面積に影響を与える。
【００１６】
回転ガントリを備える粒子線治療装置において、任意のガントリ回転角でベータトロン振動振幅が不変かつ分散関数を０という条件を満たすためには、加速器の回転角が０度および９０度の場合について、偏向電磁石の動径方向で定義される水平方向のベータトロン振動振幅βｘおよび偏向電磁石のギャップ方向で定義される垂直方向のベータトロン振動振幅βｙが回転に対して不変であり、かつ水平方向の分散関数ηｘ、および垂直方向の分散関数ηｙを０とする必要がある。
【００１７】
以上の０度における４個のパラメータと９０度における４個のパラメータ、合計８個のパラメータを各々の目標値に設定するためには、ビーム輸送系中に少なくとも８台の四重極電磁石が必要であり、これが最低限の員数であると考えられていたこと、また制御に余裕を持たせるためにこれ以上の員数低減を図ることを発想する余地がないと考えられていた。このような四重極電磁石の員数の制限により、ビーム輸送系側の設置面積の低減が制限されていた。
【００１８】
本発明は、設置面積を従来に比べて低減することが可能な荷電粒子ビーム供給用のビーム輸送系とそれを備えた粒子線治療装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、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、加速器から出射された荷電粒子ビームを、加速器ビーム出射点からアイソセンタまで輸送する固定ビーム輸送系および回転ガントリから成るビーム輸送系であって、前記加速器ビーム出射点からアイソセンタに至る輸送経路上に四重極電磁石が６台以上７台以下設置されており、そのうち前記固定ビーム輸送系に２台以上４台以下、前記回転ガントリに３台以上５台以下設置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、設置面積を従来に比べて低減することができ、それに伴い低コスト化を図ることができる。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】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態のビーム輸送系の全体構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のビーム輸送系における回転ガントリの回転角度が０度の場合のパラメータβｘおよびβｙの光学計算結果である。
【図３】本発明の第１の実施形態のビーム輸送系における回転ガントリの回転角度が０度の場合のパラメータηｘおよびηｙの光学計算結果である。
【図４】本発明の第１の実施形態のビーム輸送系における回転ガントリの回転角度が９０度の場合のパラメータβｘおよびβｙの光学計算結果である。
【図５】本発明の第１の実施形態のビーム輸送系における回転ガントリの回転角度が９０度の場合のパラメータηｘおよびηｙの光学計算結果である。
【図６】本発明の第２の実施形態のビーム輸送系の全体構成図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の粒子線治療装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に本発明のビーム輸送系および粒子線治療装置の実施形態を、図面を用いて説明する。
【００２３】
＜第１の実施形態＞  
本発明のビーム輸送系および粒子線治療装置の第１の実施形態について図１乃至図５を用いて説明する。
【００２４】
最初に、ビーム輸送系の概略について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態によるビーム輸送系の概略の例を示す図である。
【００２５】
図１に示す本実施形態のビーム輸送系は、加速器から出射された荷電粒子ビームを加速器出口１０１からアイソセンタ１０４まで輸送する装置であり、加速器出口１０１を起点にガントリ入口１０２に至る固定ビーム輸送系１０５と、ガントリ入口１０２を起点にアイソセンタ１０４に至る回転ガントリビーム輸送系１０６とから成る。本実施形態のビーム輸送系は、単一平面上で構成される。
【００２６】
固定ビーム輸送系１０５には、２台の固定ビーム輸送系四重極電磁石１０７Ａ，１０７Ｂが含まれる。
【００２７】
回転ガントリビーム輸送系１０６には、３台の偏向電磁石１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃと４台の回転ガントリ四重極電磁石１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃ，１０８Ｄとが含まれる。
【００２８】
４台の回転ガントリ四重極電磁石のうち３台（回転ガントリ四重極電磁石１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃ）は、１台目の偏向電磁石１０９Ａと２台目の偏向電磁石１０９Ｂとの間に配置され、残りの１台（回転ガントリ四重極電磁石１０８Ｄ）は３台目の偏向電磁石１０９Ｃの後段側（アイソセンタ１０４に近い側）に配置されている。
【００２９】
回転ガントリビーム輸送系１０６に設置されている偏向電磁石１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃの偏向角は全て９０度であり、その偏向角の絶対値の総和が２７０度となっている。偏向電磁石１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃの磁極面端部の角度は、全て１６度である。
【００３０】
加速器出口１０１から出射された荷電粒子ビームは、固定ビーム輸送系１０５および回転ガントリビーム輸送系１０６内の真空ダクト１１０の内部を通過し、固定ビーム輸送系四重極電磁石１０７Ａ，１０７Ｂおよび回転ガントリ四重極電磁石１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃ，１０８Ｄから発生する四重極磁場よる集束・発散作用、偏向電磁石１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃから発生する二極磁場による偏向作用を受けながら、アイソセンタ１０４に供給される。
【００３１】
固定ビーム輸送系四重極電磁石１０７Ａは、四重極電磁石電源１１１Ａから供給される電流により励磁される。固定ビーム輸送系四重極電磁石１０７Ｂは、四重極電磁石電源１１１Ｂから供給される電流により固定ビーム輸送系四重極電磁石１０７Ａに対して独立して励磁される。
【００３２】
４台の回転ガントリ四重極電磁石１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃ，１０８Ｄは、各々独立した四重極電磁石電源１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄから供給される電流によりそれぞれ独立して励磁される。
【００３３】
これら固定ビーム輸送系四重極電磁石１０７Ａ，１０７Ｂおよび回転ガントリ四重極電磁石１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃ，１０８Ｄの励磁量は、Ｋ値と呼ばれる磁場勾配をビームの磁気剛性率で割った値により表すことができる。
【００３４】
偏向電磁石１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃも同様に偏向電磁石電源１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃから供給される電流により各々独立して励磁される。
【００３５】
四重極電磁石電源１１１Ａ，１１１Ｂ，１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄおよび偏向電磁石電源１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃは、制御装置１１４により各電磁石へ供給する電流が制御される。
【００３６】
ここで、加速器中の双極電磁石の中心平面に含まれビームの進行方向に直交する方向で定義される水平方向をｘ方向、ビームの進行方向と水平方向が張る面に対して直交する方向で定義される垂直方向をｙ方向と定義する。このときｘ方向、ｙ方向、ビーム進行方向は左手系を成している。
【００３７】
回転ガントリビーム輸送系１０６は回転軸１１６を中心に回転する。ガントリ回転角は、加速器出口１０１からアイソセンタ１０４を見たときに、時計回りの方向を正方向とする。
【００３８】
偏向電磁石１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃでは、更に、偏向電磁石１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃのうち加速器出口１０１から数えて１台目の偏向電磁石１０９Ａの磁極間に発生する二極磁場の正負と向きが、加速器中の双極電磁石の磁極間に発生する二極磁場の正負と向きが一致する場合を、ガントリ回転角が０度であると定義する。
【００３９】
以下、本実施形態のビーム輸送系を用いて、任意のガントリ回転角で、荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅βがアイソセンタ１０４において回転ガントリビーム輸送系１０６の回転に対して不変となり、かつ水平方向の分散関数ηｘおよび垂直方向の分散関数ηｙが共に０となることを示す。
【００４０】
ビーム輸送系中のビーム挙動はＴｗｉｓｓパラメータと分散関数を用いて記述される。Ｔｗｉｓｓパラメータとは、ｘおよびｙ方向の座標とｘ方向およびｙ方向の運動量で表される位相空間上でビームを表現した際に、ビームの位相空間上の分布を特徴づけるパラメータ群のことを指し、ベータトロン振動振幅であるβと、βのビーム進行方向に対する傾きαを含む。ｘ方向およびｙ方向のＴｗｉｓｓパラメータは、式（１）で定義される。
【００４１】
【数１】
2019082389.tif 000003
【００４２】
式（１）中、Ａｘはｘ方向のビーム径、εｘはｘ方向のエミッタンス、ｓはビーム進行方向の座標である。Ａｙはｙ方向のビーム径、εｙはｙ方向のエミッタンスである。
【００４３】
分散関数は、ビームの中心運動量ｐと運動量広がりΔｐの比である運動量分散Δｐ／ｐと、運動量分散に比例して生じるビーム軸ずれとの比例係数である。ｘ方向の分散関数ηｘとその傾きηｘ’およびｙ方向の分散関数ηｙとその傾きηｙ’は、式（２）で定義される。
【００４４】
【数２】
2019082389.tif 000004
【００４５】
式（２）中、Δｘは運動量分散Δｐ／ｐに起因するｘ方向のビーム軸ずれ、Δｙ運動量分散Δｐ／ｐに起因するはｙ方向のビーム軸ずれである。
【００４６】
ここで、ある進行方向位置から別の進行方向位置における位相空間上のビーム分布の変化は、転送行列と呼ばれる行列によって記述される。転送行列は、式（３）に示すように６×６の正方行列で表される。
【００４７】
【数３】
2019082389.tif 000005
【００４８】
特に、ビーム輸送系が単一平面上で構成される場合、転送行列は式（４）のように表される。
【００４９】
【数４】
2019082389.tif 000006
【００５０】
また、Ｔｗｉｓｓパラメータ（β１，α１，γ１）の進行方向位置での変化も転送行列の成分を用いて記述される。終点の進行方向位置におけるＴｗｉｓｓパラメータ（β２，α２，γ２）は、起点におけるＴｗｉｓｓパラメータと起点・終点間の転送行列の各成分を用いて式（５）のように表される。
【００５１】
【数５】
2019082389.tif 000007
【００５２】
更に、分散関数についても同様に転送行列の成分を用いて、式（６）のように表される。
【００５３】
【数６】
2019082389.tif 000008
【００５４】
ドリフトスペース、偏向電磁石、四重極電磁電磁石、ビーム軸周りの回転を表す転送行列はそれぞれ式（７），式（８），式（９），式（１０）のように表される。
【００５５】
【数７】
2019082389.tif 000009
【００５６】
【数８】
2019082389.tif 000010
【００５７】
【数９】
2019082389.tif 000011
【００５８】
【数１０】
2019082389.tif 000012
【００５９】
ここで、式（７），式（８），式（９），式（１０）中、Ｌはビーム進行方向の長さ、γｒは相対論的因子、θは偏向角、φはビーム軸周りの回転角を表す。特に四重極電磁石の転送行列の各成分は、Ｋ値の関数となっている。Ｋ値の定義を式（１１）に示す。
【００６０】
【数１１】
2019082389.tif 000013
【００６１】
式（１１）中、Ｂρはビームの磁気剛性率、∂Ｂｙ／∂ｘは四重極電磁石の磁場勾配である。ビーム輸送系中に四重極電磁石が含まれる場合、回転ガントリを備えるビーム輸送系全体の転送行列は、式（５），式（６），式（７），式（８）の積で表される。この行列計算の結果、ビーム輸送系全体の転送行列の各成分は以下説明する要にＫ値の関数となる。
【００６２】
四重極電磁石がｎ個存在し、それぞれのＫ値がｋｎと表されるとすると、転送行列の各成分はｋ１からｋｎの関数となる。本実施形態のビーム輸送系は６台の四重極電磁石を含むため、ビーム輸送系全体の転送行列の各成分は、ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４，ｋ５，ｋ６の関数となる。
【００６３】
回転ガントリ角度がφ度の場合の本実施形態のビーム輸送系全体の転送行列Ｍ（φ）は、固定ビーム輸送系１０５の転送行列であるＭＦと回転ガントリビーム輸送系１０６の転送行列であるＭＧと式（１０）に示したビーム軸周りの回転を表す行列ＭＲＴ（φ）を用いて、式（１２）で表される。
【００６４】
【数１２】
2019082389.tif 000014
【００６５】
固定ビーム輸送系１０５と回転ガントリビーム輸送系１０６はそれぞれ単一平面上にあるため、その転送行列は式（１３）のように表される。
【００６６】
【数１３】
2019082389.tif 000015
【００６７】
任意のガントリ回転角でアイソセンタ１０４におけるベータトロン振動振幅が不変かつ分散関数を０となるためには、ガントリの回転角が０度および９０度の場合に、アイソセンタ１０４におけるβｘおよびβｙの値が、回転角が０度と９０度の場合でそれぞれ等しく、かつ回転角が０度と９０度の場合でアイソセンタ１０４におけるηｘおよびηｙの値がどちらも０である必要がある。
【００６８】
ここで、回転角が０度および９０度の場合のビーム輸送系全体の転送行列は、式（１２）中のφをそれぞれ０度および９０度とすることで得られ、式（１４）のようになる。
【００６９】
【数１４】
2019082389.tif 000016
【００７０】
従って、この条件は式（５），式（６）中で式（１４）を用いて式（１５）として表される。
【００７１】
【数１５】
2019082389.tif 000017
【００７２】
ただし、加速器出口１０１におけるｘ方向およびｙ方向のＴｗｉｓｓパラメータをそれぞれβｘ０，αｘ０，γｘ０，βｙ０，αｙ０，γｙ０、ｘ方向およびｙ方向の分散関数をηｘ，ηｘ’，ηｙ，ηｙ’とし、アイソセンタ１０４におけるβｘ，βｙをそれぞれβｘ２，βｙ２と表した。
【００７３】
ビームの中心軌道が単一平面上に含まれ、その平面上から逸脱する方向にビームが偏向されない場合、平面に直交する方向の分散関数ηとその傾きη’は０となる。
【００７４】
従って、本実施形態においてガントリ回転角が０度の場合、ηｙ，ηｙ’は０となり、式（１５）の第四項目は自動的に満たされる。
【００７５】
さらに式（１５）に示された条件を、固定ビーム輸送系１０５と回転ガントリビーム輸送系１０６の転送行列の各成分を用いて整理すると、式（１６）が得られる。
【００７６】
【数１６】
2019082389.tif 000018
【００７７】
ただし、式（１６）中、βｘ１，αｘ１，βｙ１，αｙ１，ηｘ１，ηｘ１’はそれぞれガントリ入口１０２におけるｘ方向およびｙ方向のＴｗｉｓｓパラメータ、ｘ方向の分散関数およびその傾きである。
【００７８】
ここで、式（１６）の各項目左辺をそれぞれ関数ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５，ｆ６と表し、ｋ１，ｋ２を固定ビーム輸送系四重極電磁石１０７Ａ，１０７ＢのそれぞれのＫ値、ｋ３，ｋ４，ｋ５，ｋ６を回転ガントリ四重極電磁石１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃ，１０８ＤのそれぞれのＫ値とする。
【００７９】
このように定義すると、βｘ１，αｘ１，βｙ１，αｙ１，ηｘ１，ηｘ１’はガントリ入口１０２における値であるから、固定ビーム輸送系四重極電磁石１０７Ａ，１０７Ｂの各ｋ値によって値が決まるため、ｋ１，ｋ２の関数となる。ｍＧ１１，ｍＧ１２，ｍＧ１３，ｍＧ１４は回転ガントリビーム輸送系１０６の転送行列の成分であるため、ｋ３，ｋ４，ｋ５，ｋ６の関数となる。
【００８０】
これより、ｆ１，ｆ２，ｆ３はｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４，ｋ５，ｋ６の関数、ｆ４，ｆ５，ｆ６はｋ３，ｋ４，ｋ５，ｋ６の関数となる。これらをまとめると、式（１７）のように表せる。
【００８１】
【数１７】
2019082389.tif 000019
【００８２】
これより式（１６）を解くには、式（１８）に示すように、関数ｆ１からｆ６に至る６つの関数が０となるような方程式をｋ１からｋ６について解析的および数値的に解けばよいことになる。
【００８３】
【数１８】
2019082389.tif 000020
【００８４】
式（１８）では、方程式の数と変数の数がともに６であるため、ｋ１からｋ６の値を求めることができる。
【００８５】
これより、６台の四重極電磁石を備えるビーム輸送系において、式（１８）をｋ１からｋ６について解析的または数値的に解くことで、アイソセンタ１０４におけるβｘおよびβｙの値が回転角０度と９０度の場合でそれぞれ等しく、かつ回転角０度と９０度の場合でアイソセンタ１０４におけるηｘおよびηｙの値がどちらも０となるようなＫ値の組を求めることができる。
【００８６】
ただし、式（１６）や式（１７）の第四項目，第五項目，第六項目に示すように、ｆ４，ｆ５，ｆ６は回転ガントリ四重極電磁石１０８のＫ値のみの関数であるため、これらに関する３つの方程式を解くためには３つのＫ値の組が必要であり、回転ガントリビーム輸送系１０６に四重極電磁石が少なくとも３台設置する必要がある。
【００８７】
また、式（１６）や式（１７）の第一項目における加速器出口１０１におけるｘ方向およびｙ方向の分散関数ηｘ１，ηｘ１’は、固定ビーム輸送系１０５側だけで決定されるパラメータであることから、この２つのパラメータを個々に制御する必要がある。このため、固定ビーム輸送系１０５側に四重極電磁石を少なくとも２台設置する必要がある。
【００８８】
さらに、式（１６）や式（１７）の第二項目，第三項目は、固定ビーム輸送系１０５側と回転ガントリビーム輸送系１０６側とのいずれでも良いが、好適には、残り１台の四重極電磁石は回転ガントリビーム輸送系１０６側に設置することで、アイソセンタ１０４により近い側でのビーム径の増大を抑えるとともに、真空ダクト１１０内壁へのビーム衝突をより確実に避けることができる。
【００８９】
なお、図１に示すように、回転ガントリビーム輸送系１０６側に設置する四重極電磁石については、少なくとも１台以上を最後の偏向電磁石１０９Ｃの後に設置することが望ましい。
【００９０】
以上の方法で求めたｋ１からｋ６の組み合わせを用いた、転送行列による光学計算の結果を図２，図３，図４，図５に示す。
【００９１】
図２は、ガントリ回転角０度の場合のβｘとβｙの計算結果であり、横軸が加速器出口１０１を原点としたビーム進行方向の位置、縦軸がβを示す。図３は、ガントリ回転角０度の場合のηｘとηｙの計算結果であり、横軸が加速器出口１０１を原点としたビーム進行方向の位置、縦軸がηを示す。図４は、ガントリ回転角９０度の場合のβｘとβｙの計算結果であり、横軸が加速器出口１０１を原点としたビーム進行方向の位置、縦軸がβを示す。図５は、ガントリ回転角９０度の場合のηｘとηｙの計算結果であり、横軸が加速器出口１０１を原点としたビーム進行方向の位置、縦軸がηを示す。図２乃至図５中、実線がｘ方向の値、破線がｙ方向の値を示す。
【００９２】
更に、加速器出口１０１におけるＴｗｉｓｓパラメータは、βｘ０が３．０ｍ、αｘ０が０．４、βｙ０が２ｍ、αｙ０が−０．１、ｘ方向およびｙ方向の分散関数とその傾きをηｘが２ｍ、ηｘ’が０．１５、ηｙが０ｍ、ηｙ’が０であるとした。
【００９３】
図２乃至図５に示した計算結果より、回転角が０度および９０度の場合、βｘとβｙはともに２．５ｍとなり、またηｘとηｙともに０．０ｍとなった。ビームのｘ方向エミッタンスとｙ方向エミッタンスが例えば３πｍｍ・ｍｒａｄである場合、アイソセンタ１０４におけるビーム径はｘ方向、ｙ方向ともに２．７ｍｍとなり、スキャニング照射法に好適なビーム径を得ることができる。
【００９４】
以上、６台の四重極電磁石を備えたビーム輸送系において、任意のガントリ回転角でベータトロン振動振幅が不変かつ分散関数を０という条件を満たすことが示され、従来は少なくとも８台必要と考えられていた四重極電磁石が６台でも問題ないことが本発明者らによって初めて明らかとなった。
【００９５】
なお、偏向電磁石１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃの各々の偏向角が９０度、偏向角の絶対値の総和が２７０度の場合、また磁極端部の角度が全て同じ場合について説明したが、偏向電磁石１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃの偏向角および磁極端部の角度は、必ずしもそれらの値に限るものではなく、別の偏向角および磁極端部角度を適用した場合でも、任意のガントリ回転角でベータトロン振動振幅が不変かつ分散関数を０という条件を満たすようなＫ値の組み合わせが存在するため、適宜変更することができる。
【００９６】
また、６台中残り１台の四重極電磁石は回転ガントリビーム輸送系１０６側に設置する場合に限られず、固定ビーム輸送系１０５側に設置することができる。この場合も、回転ガントリビーム輸送系１０６系に設ける四重極電磁石のうち、少なくとも１台を最下流側の偏向電磁石１０９Ｃの下流側に設置することが望ましい。
【００９７】
更に、ビーム輸送系に設置する四重極電磁石は６台である場合に限られず、７台設置することができる。この場合、例えばηｙが加速器出口１０１において０でないなど調整に必要なパラメータが１つ多い場合であっても、式（１５）を満たすｋ値の組み合わせを求めることができる。
【００９８】
より具体的には、固定ビーム輸送系１０５に２台、かつ回転ガントリビーム輸送系１０６に５台、固定ビーム輸送系１０５に３台、かつ回転ガントリビーム輸送系１０６に４台、固定ビーム輸送系１０５に４台、かつ回転ガントリビーム輸送系１０６に３台、設置することができる。これらの場合も、回転ガントリビーム輸送系１０６系に設ける四重極電磁石のうち、少なくとも１台を最下流側の偏向電磁石１０９Ｃの下流側に設置することが望ましい。
【００９９】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【０１００】
上述した本発明の第１の実施形態のビーム輸送系は、加速器から出射された荷電粒子ビームを、加速器出口１０１からアイソセンタ１０４まで輸送する固定ビーム輸送系１０５および回転ガントリビーム輸送系１０６から成るものであって、加速器出口１０１からアイソセンタ１０４に至る輸送経路上に四重極電磁石が６台以上７台以下設置されており、そのうち固定ビーム輸送系１０５に２台以上４台以下、回転ガントリビーム輸送系１０６に３台以上５台以下設置されている。
【０１０１】
このような構成により、従来は８台が必要とされていた四重極電磁石の員数を低減できるため、ビーム輸送系の摂津面積の低減を図ることができる。また、員数を低減できるため、制御を簡易化することができるとともに、低コスト化を図ることができる。
【０１０２】
また、ビーム輸送系は、加速器において荷電粒子ビームを周回させる双極電磁石の動径方向で定義される水平方向および水平方向に対して直交する面で定義される垂直方向の荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅βがアイソセンタ１０４において回転ガントリビーム輸送系１０６の回転に対して不変であり、かつ水平方向の分散関数ηｘおよび垂直方向の分散関数ηｙが共に０であるため、アイソセンタ１０４におけるビームの精度を犠牲にせずにガントリの光学設計を成立させることができ、ビームの照射精度を高精度とすることができる。
【０１０３】
更に、固定ビーム輸送系１０５に四重極電磁石が２台、回転ガントリビーム輸送系１０６に四重極電磁石が４台設置されることで、最低限必要な員数の四重極電磁石が配置されることになり、設置面積の更なる低減化、制御の容易化、低コスト化が可能となる。
【０１０４】
また、回転ガントリビーム輸送系１０６に設置される全ての偏向電磁石１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃの後段側に回転ガントリ四重極電磁石１０８Ｄが１台以上設置されることにより、アイソセンタ１０４におけるビームの精度を犠牲にせずにガントリの光学設計を成立させることができ、ビームの照射精度を高精度とすることができる。
【０１０５】
更に、ビーム輸送系が単一平面上で構成されることで、四重極電磁石の員数低減をより確実に図ることができる。
【０１０６】
また、回転ガントリビーム輸送系１０６に設置される全ての偏向電磁石１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃの偏向角の絶対値の総和が２７０度であることにより、単一平面上における回転ガントリのサイズの小型化を図ることができ、ビーム輸送系の小型化をより確実に達成することができる。
【０１０７】
更に、偏向電磁石１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃの偏向角の絶対値が全て等しいことや磁極端面の角度が全て等しいことで、制御が複雑となることを抑制しつつ、四重極電磁石の員数低減をより確実に図ることができる。
【０１０８】
＜第２の実施形態＞  
以下、本発明の好適な第２の実施形態のビーム輸送系について図６を用いて説明する。図６に本実施形態のビーム輸送系の全体図を示す。
【０１０９】
第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下の実施形態においても同様とする。
【０１１０】
図６に示すように、本実施形態のビーム輸送系においては、回転ガントリビーム輸送系１０６Ａに設けられている偏向電磁石６０１の全ての偏向角が９０度、かつ磁極面端部の角度が等しいものとなっている。偏向電磁石６０１中の電磁石の設計が共通のため、同じ電流値によって励磁することで、偏向電磁石６０１は等しい二極磁場を発生することができる。
【０１１１】
従って、偏向電磁石６０１の全ての電磁石に対し直列に電流を供給することで、偏向電磁石６０１を励磁する偏向電磁石電源として共通の偏向電磁石電源６０２を用いる。
【０１１２】
その他の構成・動作は前述した第１の実施形態のビーム輸送系と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。
【０１１３】
本発明の第２の実施形態のビーム輸送系においても、前述した第１の実施形態のビーム輸送系とほぼ同様な効果が得られる。
【０１１４】
また、本実施形態のビーム輸送系では、共通の偏向電磁石電源６０２を用いることで、個別の電磁石電源を用いた場合よりも低コストのビーム輸送系を実現することができる。
【０１１５】
＜第３の実施形態＞  
以下、本発明の好適な第３の実施形態の粒子線治療装置について図７を用いて説明する。図７はビーム輸送系を備える粒子線治療装置の全体図である。
【０１１６】
図７に示す粒子線治療装置１０００は、アイソセンタ１０４に配置される患者の患部に荷電粒子ビームを照射する装置であって、荷電粒子ビームを生成する加速器と、荷電粒子ビームを照射点まで輸送するビーム輸送系として、第１の実施形態のビーム輸送系または第２の実施形態のビーム輸送系と、を備えている。
【０１１７】
加速器としてのライナック７０１、およびシンクロトロン７０２により治療に好適なエネルギーまで加速された荷電粒子ビームは加速器出口１０１から出射され、固定ビーム輸送系１０５、回転ガントリビーム輸送系１０６を経てアイソセンタ１０４へと供給される。
【０１１８】
なお本実施形態中のライナック７０１とシンクロトロン７０２は、サイクロトロン、シンクロサイクロトロンなど別の加速器であってもよい。
【０１１９】
本発明の第３の実施形態の粒子線治療装置では、ビーム輸送系の設置面積が従来より小型化されたために、粒子線治療装置も小型化され、また制御が容易化され、低コスト化が図られたものとなる。
【０１２０】
＜その他＞  
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１２１】
１０１…加速器出口（加速器ビーム出射点）
１０２…ガントリ入口
１０３…照射装置
１０４…アイソセンタ
１０５…固定ビーム輸送系
１０６…回転ガントリビーム輸送系（回転ガントリ）
１０７Ａ，１０７Ｂ…固定ビーム輸送系四重極電磁石
１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃ，１０８Ｄ…回転ガントリ四重極電磁石
１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃ…偏向電磁石
１１０…真空ダクト
１１１Ａ，１１１Ｂ…四重極電磁石電源
１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄ…四重極電磁石電源
１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃ…偏向電磁石電源
１１４…制御装置
１１６…回転軸
６０１…偏向電磁石
６０２…偏向電磁石電源
７０１…ライナック
７０２…シンクロトロン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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