(57)【要約】【課題】従来のコークスクリュー型輸送装置よりもビームの総偏向角度を抑制することができる回転輸送系を備えた粒子線治療装置を提供する。【解決手段】粒子線治療システム１００はビーム輸送系５００を備え、ビーム輸送系５００は固定輸送装置５１０と回転輸送系５２０からなり、回転輸送系５２０におけるビー見軌道は三個以上の平面内を移動し、複数の平面のうち荷電粒子ビームから見て最上流の平面における偏向部の偏向角度は９０度未満とする。【選択図】  図２
2015080594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の患部に荷電粒子ビームを照射する粒子線治療システムであって、
前記荷電粒子を加速し、荷電粒子ビームとして取り出す加速器と、
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を備え、
このビーム輸送系は、
前記照射点がその内部に存在する建屋に対して固定された固定輸送系と、
この固定輸送系の下流に接続された回転輸送系であって、前記建屋に対して回転自在に設置され、前記建屋に対して固定された前記照射点に対してその回転によって前記荷電粒子を照射する角度を回転自在に定める回転輸送系とを有し、
この回転輸送系は、前記荷電粒子ビームを偏向させる複数の偏向部と、この複数の偏向部間を接続し、前記荷電粒子ビームを直進させる複数の直線部とが、前記荷電粒子ビームの軌道上に設置されており、
前記回転輸送系内部において、前記複数の偏向部のうち、一つの偏向部とその直前の直線部と直後の直線部とから構成される平面を、少なくとも３つ以上有し、
前記少なくとも３つ以上の平面のうち、前記固定輸送系に最も近い平面に属する偏向部での前記荷電粒子ビームの総偏向角度が９０度未満である
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において、
前記少なくとも３つ以上の平面のうち、前記照射点に最も近い平面に属する直線部のうち、最も前記固定輸送系に近い直線部にビームプロファイル測定部を備えた
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に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記少なくとも３つ以上の平面の各々の交差箇所において、前記荷電粒子ビームの進行方向を軸とする回転作用である捻りを生じさせる
ことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項４】
請求項１に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記少なくとも３つ以上の平面のうち、前記照射点に最も近い平面と前記固定輸送系に最も近い平面を除く平面内において、ＸＹカップリングを生じさせる
ことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項５】
請求項１に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記少なくとも３つ以上の平面のうち、前記照射点に最も近い平面と前記固定輸送系に最も近い平面を除く平面内において、前記荷電粒子ビームにおける分散関数ηｘ，ηｙの何れもが０でない値をとる箇所を有する
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、陽子線または炭素イオン線等の重イオン線の照射によってがんなどの腫瘍を治療する粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
がん治療法の一つとして、患部に陽子あるいは炭素イオン等の重イオンのイオンビームを照射する粒子線治療が知られている。
陽子や炭素イオン等のイオンを高エネルギーで物質に入射すると、飛程の終端で多くのエネルギーを失う。粒子線治療では、この性質を利用し、がん細胞で多くのエネルギーを失うように、イオンビームを患者に照射する。すると、周囲の健康な組織への損傷を抑えつつ、がん細胞を破壊できる。粒子線治療ではイオンビームの空間的な広がりとエネルギーを調整し、患部の形状に合わせた線量分布を形成する。
【０００３】
イオンビームはイオン源で生成したイオンを加速器で加速することで得る。ビームは加速器から輸送装置を経て、照射装置に輸送される。照射装置は患部の形状に合わせた線量分布を形成する。
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一致させる散乱体照射法と、細く絞ったビームを電磁石で患部に沿って走査して患部に線量を付与するスキャニング照射法がある。
いずれの照射法においても、任意の方向からビームを患部へ照射可能とするために、回転ガントリーに照射装置とビームの輸送装置とを搭載することがある。
【０００４】
回転ガントリーに搭載可能な輸送装置の電磁石配置には、例えば、特許文献１に記載の一平面内にビーム軌道を収めるグースネック型と、特許文献２に記載の二つの平面でビーム軌道を形成するコークスクリュー型とがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１６６９４７号公報
【特許文献２】米国特許４，８１２，６５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような粒子線治療装置をさらに普及させるために、装置の小型化、低コスト化等が求められている。
【０００７】
しかし、特許文献１に記載したようなグースネック型輸送装置では、任意の方向からビームを照射可能とするための回転駆動機構が非常に大きくなり、設置面積が非常に大きく、装置の小型化が困難であるとの課題があった。
【０００８】
また、特許文献２に記載したようなコークスクリュー型輸送装置では、設置面積は特許文献１に記載したようなグースネック型に比べて小さくできるものの、ビームの総偏向角が大きく、偏向電磁石の員数の増大や偏向電磁石の大型化を招くとの課題がある。
更には、治療室の設置スペースが非常に狭くなるため、患者に圧迫感を与えてしまうとの課題があった。
【０００９】
本発明は、このような課題に対してなされたものであって、従来のコークスクリュー型輸送装置よりもビームの総偏向角度を抑制することができる回転輸送系を備えた粒子線治療装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
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、患者の患部に荷電粒子ビームを照射する粒子線治療システムであって、前記荷電粒子を加速し、荷電粒子ビームとして取り出す加速器と、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を備え、このビーム輸送系は、前記照射点がその内部に存在する建屋に対して固定された固定輸送系と、この固定輸送系の下流に接続された回転輸送系であって、前記建屋に対して回転自在に設置され、前記建屋に対して固定された前記照射点に対してその回転によって前記荷電粒子を照射する角度を回転自在に定める回転輸送系とを有し、この回転輸送系は、前記荷電粒子ビームを偏向させる複数の偏向部と、この複数の偏向部間を接続し、前記荷電粒子ビームを直進させる複数の直線部とが、前記荷電粒子ビームの軌道上に設置されており、前記回転輸送系内部において、前記複数の偏向部のうち、一つの偏向部とその直前の直線部と直後の直線部とから構成される平面を、少なくとも３つ以上有し、前記少なくとも３つ以上の平面のうち、前記固定輸送系に最も近い平面に属する偏向部での前記荷電粒子ビームの総偏向角度が９０度未満であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、従来のグースネック型輸送装置に比べて装置を小型化できるとともに、従来のコークスクリュー型輸送装置よりもビームの総偏向角度を抑制することができる。このため、従来よりも偏向電磁石の員数の低減や小型化が可能であるとともに、更には治療室の設置スペースを広くとることができ、患者に対する心理的負担を従来に比べて軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の粒子線治療システムの実施形態の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の粒子線治療システムの実施形態における回転輸送系の平面の概要を説明する概念図である。
【図３】図２のＡ方向からの矢視図である。
【図４】図２のＢ方向からの矢視図である。
【図５】図２のＣ方向からの矢視図である。
【図６】本発明の粒子線治療システムの実施形態におけるビームサイズのふるまいを示す図である。
【図７】本発明の粒子線治療システムの実施形態における分散関数のふるまいを示す図である。
【図８】本発明の粒子線治療システムの実施形態において、回転輸送系を構成する最上流の平面が水平となる場合の平面内の機器配置と回転輸送系のビーム軌道の射影位置関係を示す図である。
【図９】従来の粒子線治療システムに供えられた回転輸送系の構成を示す図である。
【図１０】従来の粒子線治療システムに供えられた回転輸送系におけるビームサイズのふるまいを示す図である。
【図１１】従来の粒子線治療システムに供えられた回転輸送系における分散関数のふるまいを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
本実施形態は、加速器としてシンクロトロンを用いた粒子線治療システムであり、粒子線として炭素イオンのビームを用いる場合について説明するが、もちろんこれに限定されない。図１には本実施形態の全体構成図を示す。
【００１４】
本実施形態の粒子線治療システム１００は、イオン源２００、入射器３００、シンクロトロン４００、ビーム輸送装置５００、回転ガントリー６００、照射装置７００とを備える。
イオン源２００にて治療用のビームとする炭素イオンを発生させ、入射器３００において核子当たり運動エネルギー７ＭｅＶ／ｕまで予備加速される。その後にシンクロトロン４００に予備加速したビームを入射し、その後治療に用いるエネルギーまで加速する。本実施形態の粒子線治療システム１００では、シンクロトロン４００で加速したビームの運動エネルギーは最大４４０ＭｅＶ／ｕである。また、４４０ＭｅＶ／ｕ以下の任意の指定された運動エネルギーのビームを取り出すことができる。
実際の治療時には、患者ごとに作成された治療計画に従って、シンクロトロン４００から取り出されるビームの運動エネルギーは決定される。
シンクロトロン４００から取り出されるビームは、取り出し用偏向電磁石４１０を通過して輸送装置５００に導入される。
【００１５】
輸送装置５００は、建屋に対して固定された固定輸送装置５１０と、回転軸６１０を軸として固定輸送装置５１０に対して回転可能に設けられた回転ガントリー６００とを備えている。この輸送装置５００では、固定輸送装置５１０と回転ガントリー６００に固定された回転輸送系５２０とが直列に接続されている。
回転輸送系５２０の終点は照射点５４０であり、治療時においては照射点５４０に患部が位置するように患者をベッドに固定している。この状態でビームを照射することで、治療計画によって定められた線量が患部に付与される。
輸送装置５００内のビーム経路５３０は、真空ポンプによって真空引きされている。経路５３０中には、ビームを偏向させる偏向部５５１、ビームを直進させる直線部で収束あるいは発散させる四極電磁石（不図示）、ビームの形状を測定するプロファイルモニタ６２８等が設置されている。
【００１６】
本システムはスキャニング照射法が可能な照射装置であるため、照射装置７００は、回転ガントリー６００内に設けられている。
この照射装置７００は、ビームの軌道に対して垂直な平面内の直交する二方向（以下、まとめて横方向と定義する）に独立にビームが走査させる二台の走査電磁石、ビームモニタ等を備えている。
【００１７】
本実施形態の回転輸送系５２０について、さらに詳細に説明する。
回転輸送系５２０は、回転ガントリー６００の内部に設置されており、回転軸６１０を軸とした回転ガントリー６００の回転とともに、照射点５４０へのビームの照射方向を変えられるよう回転可能に構成されている。回転輸送系５２０は三平面でビーム軌道を形成するビーム輸送装置である。
【００１８】
回転輸送系５２０内での様々な電磁石の配置を図２に示す。
本実施形態の回転輸送系６００は、６つの偏向部（ビームの上流側より６１１〜６１６）と７つの直線部（ビームの上流側より６２１〜６２７）よりなる。
６つの偏向部内には、それぞれ均一磁場を励起し、ビームを偏向させる偏向電磁石がそれぞれ１台ずつ設けられている。
偏向部６１１、偏向部６１４および偏向部６１５でのビーム軌道の偏向条件は、偏向角６０度・偏向半径２．２ｍである。
偏向部６１２および偏向部６１３での偏向条件は、偏向角４５度・偏向半径２．２ｍである。
偏向部６１６での偏向条件は、偏向角７５度・偏向半径２．７ｍである。
【００１９】
直線部６２１〜６２７では、ビームは直線の軌道に沿って移動する。この直線部６２１〜６２７には、ビーム軌道上にはビームの収束発散を行う四極電磁石（不図示）、ビームの横方向形状を測定するプロファイルモニタ（直線部６２４のみに示したプロファイルモニタ６２８等）等が設置されている。
直線部６２１〜６２７の長さは、それぞれ、１．５ｍ・３．５ｍ・２ｍ・１．５ｍ・２ｍ・２．３０６ｍ・３．６９４ｍである。
直線部６２１〜６２６それぞれには、上流側（直線部６２１側）から１台・４台・２台・１台・２台・２台の四極電磁石が設置されており、通過するビームサイズを真空ダクト内に抑えるとともに、照射点５４０におけるビームサイズと分散関数を後述の方法で調整している。
直線部５２７は、照射装置７００内を介して照射点５４０に接続されており、この直線部５２７には、スキャニング照射のためにビームを軌道に対して垂直な面内で走査するための走査電磁石が２台設置されている。
【００２０】
また、本実施形態の回転輸送系５２０は、その内部において、偏向部６１１〜６１６のうち、ある偏向部とその直前の直線部と直後の直線部とから構成される平面を、回転輸送系５２０内の軌道に三個描く。図２において、Ａ方向から見た図を図３に、Ｂ方向から見た図を図４に、Ｃ方向から見た図を図５にそれぞれ示す。
【００２１】
まず、図２乃至図５に示すように、一つ目の平面６３１は、固定輸送装置５１０との接続点５５０から直線部６２１と偏向部６１１を経て直線部６２２までの軌道で構成される。
【００２２】
次いで、偏向部６１１の下流にある直線部６２２から、偏向部６１２，直線部６２３，偏向部６１３，直線部６２４までのビーム軌道は、２つ目の平面６３２内にある。
具体的には、偏向部６１２とその直前の直線部６２２とその直後の直線部６２３とで構成される平面と、偏向部６１３とその直前の直線部６２３とその直後の直線部６２４とで構成される平面とは同一平面に存在するため、これらは一つの平面（平面６３２）となる。
【００２３】
更に、直線部６２４から、偏向部６１４，直線部６２５，偏向部６１５，直線部６２６，偏向部６１６，照射点５４０を含む直線部６２７までのビーム軌道は、平面６３１，６３２とは別の、３つ目の平面６３３内にある。
具体的には、偏向部６１４とその直前の直線部６２４とその直後の直線部６２５とで構成される平面、偏向部６１５とその直前の直線部６２５とその直後の直線部６２６とで構成される平面、偏向部６１６とその直前の直線部６２６とその直後の直線部６２７とで構成される平面の３つの平面は同一平面に存在するため、これらは一つの平面（平面６３３）となる。
【００２４】
第一番目の偏向部６１１がある平面６３１と、第二・第三番目の偏向部６１２・６１３がある平面６３２との成す角は０度より大きく、９０度である。
また、平面６３２と、第四〜第六偏向部６１４〜６１６がある平面６３３との成す角は３０度である。
回転ガントリー６００の回転軸６１０は直線部６２１内のビーム軌道を含み、平面６３１内にある。さらに照射点５４０は回転軸６１０上にあるため、照射点５４０は平面６３１と平面６３３との交線上に存在する。
平面６３１と平面６３３との交線と直線部６２７上のビーム軌道とは直交しており、結果、回転軸６１０と平面６３３が直交する。
よって回転ガントリー６００の回転角度によって照射点５４０への照射方向を制御できる。この配置によって、本実施形態においては第一の平面６３１が水平であるとき、最下流の直線部６２７は鉛直から１５度傾いた方向となる。
【００２５】
次に、本実施形態におけるビーム輸送の方法について述べる。
本実施形態で用いるスキャニング照射法を用いた粒子線治療装置においては、腫瘍外への線量を抑制するにはビームの進行方向に対して垂直な平面内でのビームサイズを小さく抑制することが有効である。
以下ではビームの進行方向に対して垂直な平面内の直交する二方向を選び、Ｘ，Ｙと座標軸を定義する。偏向電磁石中ではＸ方向を偏向面と平行とし、Ｙ方向を偏向面に垂直な方向とする。以上の定義に基づき、ビームサイズの調整に必要なビーム光学について述べる。
【００２６】
ビームを構成する個々の重粒子が偏向電磁石や四極電磁石や磁場のない真空ダクト内（以上をまとめて輸送機器と以下では述べる）を通過した際、通過後のビーム位置は輸送行列なる行列を用いて次式１のように表せる。
【００２７】
【数１】
2015080594.tif 000003
【００２８】
但し、数式１中のｘは設計軌道からのＸ方向の位置ずれ、ｘ’は軌道の傾きずれである。また、ｙおよびｙ’は設計軌道からのＹ方向の位置ずれと軌道の傾きである。さらに、δは基準運動量からのずれである。
【００２９】
この数式１で表される（ｘ，ｘ’，ｙ，ｙ’，δ）で定義される空間を位相空間と呼び、位相空間上の点を指定するベクトルとして位相空間ベクトルｘが定義できる。下付き添え字のｉは機器入射時のビームの状態を表し、下付き添え字のｆは機器出射時のビーム状態を表すこととする。
【００３０】
上述した数式１より、輸送機器に固有の輸送行列Ｒを入射時の位相空間ベクトルに掛けることによってビームがその機器を通過した後の位相空間ベクトルが求めることができる。すなわち輸送行列Ｒが収束・発散の効果をあらわす。
【００３１】
輸送行列Ｒの例として磁場のない直線部と偏向電磁石と四極電磁石の輸送行列をそれぞれＲＤ，ＲＢＭ，ＲＱＭと定義すると、その成分はそれぞれ次式２−４のように表すことができる。
【００３２】
【数２】
2015080594.tif 000004
【００３３】
【数３】
2015080594.tif 000005
【００３４】
【数４】
2015080594.tif 000006
ただし数式２―４中のＬは各輸送機器中のビームの設計軌道の長さであり、αは偏向電磁石の偏向角である。ｋは四極電磁石における収束力の強さを表す量であり、次式５のように定義される。
【００３５】
【数５】
2015080594.tif 000007
ｋが虚数になる場合も数式５は有効であり、計算の際は適宜三角関数を双曲線関数に置き換えればよい。
【００３６】
ここで、数式４中の四極電磁石の輸送行列の（２，１）成分と（３，４）成分に注目すると、ｋが実数の場合はＸ方向の輸送行列で負となり、Ｙ方向の輸送行列において正となる。逆にｋが純虚数の場合は正負が逆となる。
この成分が正の場合はビームを構成する各粒子は変位に比例して変位と同じ方向に力を受ける。そのため、ビーム全体としては発散の作用を受ける。一方負の場合はビームを構成する各粒子が変位とは逆向きに力を受けるので、ビーム全体としては収束の作用を受ける。
【００３７】
同様に、偏向電磁石においてはＸ方向に収束し、Ｙ方向は自由空間と同じく収束も発散もしない。
【００３８】
ところで、一般的に、イオンビームのビームサイズ等のパラメータを数学的に表すためには、ビーム位置と傾きの分散共分散行列Σ（Σ行列と以下では呼ぶ。）を用いる。このΣ行列の定義は次式６に示すとおりである。
【００３９】
【数６】
2015080594.tif 000008
Σ行列は実対称行列であり、各成分はビームを構成する粒子に関する位相空間上の位置の積の平均である。
例えば、Σ行列の（１，１）成分はＸ方向での軌道からのずれの分散であり、（２，２）成分はビームの発散角の分散である。また、（１，２）成分は（１，１）成分の軌道に沿った微分に比例する量であり、ビームサイズの位置変化を表す。ビームサイズは（１，１）成分の二乗根をとればビームの空間的な広がりを表すビームサイズとなる。Ｙ方向についても同様の議論が成立する。
【００４０】
輸送機器がΣ行列に与える効果も輸送行列Ｒによって表現でき、輸送機器に入射する点でのΣ行列をΣｉ、輸送機器から出射する点でのΣ行列をΣｆと書くと、両者は次式７によって結びつけられる。
【００４１】
【数７】
2015080594.tif 000009
但し、右上添え字のＴは転置行列を表す。輸送行列の行列式は１であるため、Σ行列の行列式は不変である。
【００４２】
通常の輸送系では、数式６において、空間的に直交する位相空間成分同士の共分散（１，３）（１，４）（２，３）（２，４）（３，１）（３，２）（４，１）（４，２）成分は０である。
しかし本実施形態では、偏向部６１１，６１２，６１４が、直前の直線部におけるＸ方向とＹ方向が互いに異なるように配置されている。従って、偏向部６１１，６１２，６１４の入射点において、ビーム進行方向を軸とする回転に伴う座標変換（以下、捻り作用と定義する）が必要となる。この座標変換は、次式８に示す輸送行列ＲＲＯＴとして表現することができる。
【００４３】
【数８】
2015080594.tif 000010
但し、数式８中のθは変換前後のＸ軸の成す角であり、捻り角と定義する。この捻り角は、変換前のＸ軸からＹ軸に向かう回転を正とする。
【００４４】
このような輸送行列があると、Σ行列の共分散項（１，３）（１，４）（２，３）（２，４）（３，１）（３，２）（４，１）（４，２）成分も０でない値をとりうる。このことをＸＹ結合がある状態と定義する。ＸＹ結合が生じているビームにおいては、ＸＹ面内におけるビームの空間的形状に傾きがあることになる。
【００４５】
また、数式８の（１，５）（２，５）（３，５）（４，５）成分が、数式６の運動量ずれδとの相関を表すパラメータに対応する。これらの成分は照射点において０にすることで、ビームサイズを小さくすることができる。特にこれらの成分と運動量分散である（５，５）成分の比を分散関数といい、それぞれηｘ，η’ｘ，ηｙ，η’ｙと表す。
分散関数の輸送による変換は数式７から導くことができ、次式９に表すような変換となる。
【００４６】
【数９】
2015080594.tif 000011
【００４７】
ここで、分散関数とその勾配が０の時は、数式９に記載するように、輸送行列の第５列の成分が０であるとき分散関数とその勾配が不変である。輸送行列の第５列の成分は偏向電磁石のみで値を持つので、イオンビームが直進している際に、直線部上のある点ですべての分散関数が０であるならば、その直線部上のあらゆる点で０となる特徴を有することが数式９からわかる。
また、数式３に示すように、イオンビームが、偏向電磁石を通過する際は、Ｘ方向の分散関数にある量が加算されるため、分散関数が０のビームが偏向電磁石に入射すると、出射点ではＸ方向の分散関数が０でない値となる。
逆に、直進するイオンビームの分散関数を０とするには、直前の偏向電磁石の入射点ではＸ方向に特定の値の分散関数を持たせることが必要となる。
イオンビームが直進する直線部において０でない分散関数がある場合は、四極電磁石の励磁量を調整することで直線部の出射点における分散関数を調整することができる。
【００４８】
以上をまとめると、回転輸送系５２０内では、四極電磁石の調整により、回転輸送系５２０での輸送行列を調整し、照射点におけるΣ行列を設計値に調整することになる。その際、Σ行列の対角成分以外の値を０とすることで、ビームサイズを極小に抑えることができることがわかる。
【００４９】
以上の条件を満たす、回転輸送装置５２０における本実施形態における分散関数とビームサイズの振る舞いを図６および図７に示す。
回転輸送装置５２０は、前述の通り全長３０．６７２ｍの軌道長があり、途中の偏向部６１１，６１２，６１４の入射点においてそれぞれ捻り作用が施される。
捻り角はそれぞれ、１５度，―９０度，−３０度である。
【００５０】
図６のグラフにおいて、横軸はビーム軌道の進行方向距離、縦軸はビームサイズである。Ｘ方向のサイズをひし形でプロットし、Ｙ方向を正立した四角形でプロットしている。図６中のＢＭは各偏向部中を通過する区間を示しており、点線矢印で示した位置が前述の捻り作用の発生する位置である。
【００５１】
同様に、図７に分散関数ηｘとηｙの振る舞いを示した。
図７に示すように、分散関数とその勾配が固定輸送装置５１０との接続点５５０において０である場合、最初に偏向部６１１でＸ方向に分散関数が生じる。
偏向部６１１を通過したイオンビームは偏向部６１２に向かうが、ここで、偏向部６１２におけるＸＹ座標系は、偏向部６１１に対して、捻り作用によって９０度回転した座標系となる。この偏向部６１２直前の捻り作用によって、ηｘとηｙが交換される。すなわち、偏向部６１２の入射直前でηｘが０となり、代わりにηｙが発生する。しかし、直後の偏向部６１２は、捻り作用が施された後の座標系においてイオンビームをＸ方向に関して偏向するため、偏向部６１２の入射直前では０であったηｘが、偏向部６１２を通過することによって０でない値を持つこととなる。したがって、この偏向部６１２の入射点から偏向部６１４の入射点に至る、平面６３２内ではηｘとηｙの両方が０でない値を持つ。すなわち、このａ部で示す範囲でＸＹカプリングが生じていることが分かる。
ここで、照射点５４０における分散関数を消すために、前述の分散関数の性質から最下流の平面６３３に入る偏向部６１４の入射点においてＹ方向の分散関数とその勾配（それぞれηｙとη’ｙ）を０としなくてはならない。偏向部６１４は、その下流直線部とその入射点との間である偏向部６１４内において捩り作用による座標変換があるため、座標変換の前後で式に示すような捻り角−３０度に対応する座標変換が分散関数に施される。その際の変換は次式１０に示す変換となる。
【００５２】
【数１０】
2015080594.tif 000012
【００５３】
このため、この変換によってηｙとη’ｙが０となるためには、次式１１に示す関係が必要である。
【００５４】
【数１１】
2015080594.tif 000013
【００５５】
なお、輸送系の四極電磁石の調整によってこの数式１１に示す条件を満足させるために、偏向部６１４の直前にビームサイズの測定が可能なプロファイルモニタ６２８を設置し、間接的に分散関数を測定できるようにすることで、調整者にとって調整のしやすい体系としている。
【００５６】
プロファイルモニタにおいて、分散関数を測定するには、シンクロトロン４００から出射されるビームの運動量を微小量変化させ、運動量変化によって生じるプロファイルモニタ上の位置変化を観測し、それら量の間の比例係数として分散関数を得る。この際に本実施例の回転輸送装置５２０では式１１で示される分散関数の関係を偏向部６１４の入射点において満たす必要がある。この調整を容易化するために、プロファイルモニタを偏向部６１４の上流の直線部６２４に設置し、さらにそのプロファイルモニタは平面６３３におけるＸ方向とＹ方向のプロファイルを測定できるように設置する。すなわち、直線部６２４のＸ方向とＹ方向に対して３０度傾けてプロファイルモニタを設置する。これにより、偏向部６１４の入射点において受ける捻りに伴う座標変換を施したあとの分散関数を直接測定できる。すると、このプロファイルモニタで測定されるηｙとその勾配を０となるように、上流の四極電磁石の励磁量を調整すればよい。
【００５７】
これに対し、従来のコークスクリュー型の回転輸送装置でのビーム輸送は以下のようになる。従来型のコークスクリュー型の回転輸送装置は、図９に示すように、本発明で定義されるような、偏向部のうち、ある偏向部とその直前の直線部と直後の直線部とから構成される平面を２つ有している。
具体的には、偏向部７１１とその直前の直線部７２１とその直後の直線部７２２とで構成される平面と、偏向部７１２とその直前の直線部７２２とその直後の直線部７２３とで構成される平面とは同一平目であり、これらの平面で１つ目の平面６４１を構成する。
また、偏向部７１３とその直前の直線部７２３とその直後の直線部７２４とで構成される平面と、偏向部７１４とその直前の直線部７２４とその直後の直線部７２５とで構成される平面と、偏向部７１５とその直前の直線部７２５とその直後の直線部７２６とで構成される平面と、偏向部７１６とその直前の直線部７２６とその直後の直線部７２７とで構成される平面とは同一平目であり、これらの平面で２つ目の平面６４２を構成し、計２つの平面を有するのみである。
更に、従来型のコークスクリュー型の回転輸送系では、２つある平面のうち、最も固定輸送装置５１０に近い平面である最初の平面６４１内で９０度ビームを偏向している。このため、ＸＹカプリングが生じない輸送系となる。そのために、設計や調整が簡単であるものの、照射点５４１が最上流の偏向部に近接することになる。
【００５８】
このような構成の従来型回転輸送装置７２０でビーム輸送する場合、横方向のビームサイズを図１０に、分散関数の振る舞いを図１１に示す。
【００５９】
従来型の回転輸送系７２０においても、平面６４１と平面６４２を切り替える偏向部７１３の入射点で捻り作用が働く。ここでの捻り角は９０度であるため、分散関数とその勾配は捻りの点において０とすることで、照射点５４１における分散関数を消去することができる。すると、従来型の回転輸送装置ではＹ方向の分散関数ηｙの生じる区間が存在せず、ＸＹカプリングが生じない。
【００６０】
本実施形態の回転輸送装置５２０を用いることで、照射点５４０の周囲の空間を広くとることができる。その原理について図８および図９を参照しつつ述べる。
図８は回転輸送系５２０を構成する最上流の平面６３１が水平となる場合の平面６３１内の機器配置と回転輸送系５２０のビーム軌道の射影位置５４２を示す図である。比較のために、従来のコークスクリュー型の回転輸送系のビーム軌道の射影位置５４３も図８に示す。
【００６１】
図８に示すように、本実施形態の回転輸送装置５１０では、最上流の偏向部の偏向角度を９０度未満とし、その下流において傾斜した平面内で偏向し、さらに下流において鉛直面内でビームを偏向することによって、照射点５４０を平面６３１上に配置し、かつ照射点５４０の周囲に約２ｍ四方の治療スペース８００を確保できていることがわかる。
【００６２】
一方、従来型のコークスクリュー型の回転輸送系は、図９に示すように、本発明で定義されるような、偏向部のうち、ある偏向部とその直前の直線部と直後の直線部とから構成される平面を２つ有している。
本実施形態で用いる偏向電磁石と同一構成の偏向半径の９０度偏向電磁石を用いて従来型のコークスクリュー型の回転輸送系を構成した場合は、図８に示すように、ビーム軌道が、射影位置５４３のようになり、白抜きの丸で示す位置５４１に照射点が配置される。
このように照射点が配置される場合、輸送系上の機器との干渉から、治療室の大きさが制限されるため、照射点５４１の周囲に約１ｍ四方程度の治療スペース８１０しか用意することができない。
【００６３】
このように、従来のコークスクリュー型回転輸送装置において治療スペースが広くとれないという課題に対して、本実施形態の回転輸送装置を用いればコークスクリュー型の利点である設置面積の小ささを保ちつつ治療スペースを広く確保することが可能である。
【００６４】
なお、本発明は上記の実施形態に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した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ない。
【００６５】
例えば、上述の実施形態では、偏向部のうち、ある偏向部とその直前の直線部と直後の直線部とから構成される平面が３つの場合について説明したが、３つより多い平面を有するものであってもよい。この場合、少なくとも３つ以上の平面の各々の交差箇所において、荷電粒子ビームの進行方向を軸とする回転作用である捻りを生じさせる、最も固定輸送装置に近い平面と最も照射点に近い平面よりひとつ前の平面以外のその他の平面内で、荷電粒子ビームの進行方向を軸とする回転作用である捻りを生じさせる、ＸＹカップリングを生じさせる、荷電粒子ビームにおける分散関数ηｘ，ηｙの何れもが０でない値をとる箇所を有するように構成することで、上述の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６６】
また、３つより多い平面を有する場合において、ビームプロファイルモニタは、照射点に最も近い平面に属する直線部のうち、最も固定輸送系に近い直線部に設置すれば、同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６７】
１００  陽子線治療システム
２００  イオン源
３００  入射器
４００  シンクロトロン
４１０  取り出し用偏向電磁石
５００  ビーム輸送装置
５１０  固定輸送装置
５２０  回転輸送装置
５４０〜５４１  照射点
６００  回転ガントリー
６１０  回転軸
６１１〜６１６  偏向部
６２１〜６２７  直線部
６２８  ビームプロファイルモニタ
６３１〜６３３  平面
７００  照射ノズル
８００  治療スペース
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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