(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを偏向することで、アイソセンターへの荷電粒子ビームの照射角を連続的に変える収束電磁石と、
前記収束電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って連続的に移動する照射ノズルであって、前記収束電磁石から出射した荷電粒子ビームは前記照射ノズルを通り前記アイソセンターに照射される、前記照射ノズルと、
前記有効磁場領域の出射側の形状に沿うように設けられた給電レールと、
サポート部材を介して前記照射ノズルに固定された集電靴であって、前記給電レールに沿って摺動し、前記給電レールからの電力を前記照射ノズルに供給する前記集電靴と
を備えた荷電粒子ビーム照射装置であって、
前記集電靴の前記給電レールに接触する面は、前記給電レールと同じ曲げ半径又は前記給電レールの平均曲げ半径を有する、且つ／又は
前記集電靴は、前記給電レールの平坦な側面に接触しつつ、前記給電レールに沿って摺動する、前記荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項２】
前記収束電磁石、前記給電レール、及び前記集電靴はポートカバーに内包されているが、前記照射ノズルの全部又は一部は前記ポートカバー外に位置する、請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項３】
荷電粒子ビームを偏向することで、アイソセンターへの荷電粒子ビームの照射角を連続的に変える収束電磁石と、
前記収束電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って連続的に移動する照射ノズルであって、前記収束電磁石から出射した荷電粒子ビームは前記照射ノズルを通り前記アイソセンターに照射される、前記照射ノズルと、
前記有効磁場領域の出射側の形状に沿うように設けられた給電レールと、
サポート部材を介して前記照射ノズルに固定された集電靴であって、前記給電レールに沿って摺動し、前記給電レールからの電力を前記照射ノズルに供給する前記集電靴と
を備えた荷電粒子ビーム照射装置であって、
前記集電靴は複数の集電部からなり、
前記集電部それぞれの前記給電レールに接触する面は、前記給電レールと同じ曲げ半径又は前記給電レールの平均曲げ半径を有する、前記荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項４】
前記サポート部材と前記集電靴との間に付勢手段が設けられ、前記付勢手段により前記集電靴に一定の荷重がかかるように構成されている、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。
【請求項５】
前記有効磁場領域の出射側の形状に沿うように設けられた駆動レールと、
前記サポート部材を介して前記照射ノズルに固定され、前記照射ノズルが前記駆動レールに支持されながら前記駆動レールに沿って連続的に移動できるように構成された駆動部と
をさらに備え、
前記給電レールから前記集電靴を介して前記駆動部に電力が供給される、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。
【請求項６】
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軸とＺ軸の両方に直交する軸をＹ軸とし、
ＸＹ面において、
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で前記照射ノズルを通り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ｒ１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、２２半径ｒ２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）：
【数１】
0006775860.tif 000005
を満たす、請求項１〜５のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項７】
前記収束電磁石は、第１のコイル対及び第２のコイル対を備え、
前記第１のコイル対及び第２のコイル対は、荷電粒子ビームの経路を挟み且つＹ軸方向に並ぶように配置され、
前記第１のコイル対及び前記第２のコイル対は、生成する有効磁場領域の磁場の向きが互いに反対となるよう構成されている、請求項６に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項８】
荷電粒子ビームを生成する加速器からの荷電粒子ビームを、前記偏向起点Ｑにて１０度以上の偏向角φで偏向する振分電磁石をさらに備えた請求項６又は７に記載の荷電粒子ビーム照射装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビーム照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高エネルギーに加速された荷電粒子ビーム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。
【０００３】
粒子線治療では、加速器から取り出された細い荷電粒子ビームを走査電磁石により側方方向に走査し、さらに病巣をビーム進行方向の各層に区分して、三次元照射を可能とするスキャニング照射法が行われている。荷電粒子の加速器から取り出された荷電粒子ビームを治療室内の照射標的に輸送するために、振分電磁石や収束電磁石等を含むビーム輸送系が用いられ、ビーム輸送系は、照射標的側の末端に、走査電磁石やエネルギー変調手段を有する照射ノズルを備える。
【０００４】
特許文献１に記載の粒子線照射装置では、照射標的に対して連続的に照射角度を選択できる一方で、巨大な照射装置を回転させるための回転ガントリーが必要となる（特許文献１）。ここで、粒子線治療に用いる電磁石や照射装置等の機器は大電流を給電する必要があり、許容電流が大きいＣＶケーブル（架橋ポリエチレン絶縁ビニルシースケーブル）等の電力ケーブルが使用される。このようなケーブルは比較的太く作られており、太いケーブルは曲げ半径（曲率）が大きくなる。これら太いケーブルを数十〜数百本束ねて使用する場合には、ケーブルの収容スペースを広く取らなくてはならない問題がある。また、回転ガントリーは時計方向及び半時計方向に最大１８０度程度回転するものであるが、合わせてケーブル類も回転させる必要があり、回転によるケーブル同士の絡み合いや摩耗等の損傷の問題がある。
【０００５】
特許文献２には、回転ガントリーを使用せずに、任意の角度から荷電粒子ビームを標的に照射する荷電粒子ビーム照射装置が開示される。
【０００６】
従来の荷電粒子ビーム照射装置において、大電流が給電される照射ノズル等が移動する場合、図１０に示すように一般的には、通電状態のまま移動できるキャブタイヤケーブル等が用いられる。しかしながら、キャブタイヤケーブルなどのケーブルは被覆部分が非常に分厚いことから曲げ半径が大きくなり、装置全体が巨大化してしまう問題がある。また、このような大きく太いケーブル類が患者の視界に入る位置にありそれが動くのを治療中の患者が見てしまう場合には、患者に心理的な圧迫や不安を生じさせることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１３−５０５７５７号公報
【特許文献２】特許第６３８７４７６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記に鑑み、本発明は、照射ノズルを作動させるための比較的太い電力供給ケーブルを使用せずに、給電レールから照射ノズルに電力が供給されるよう構成された荷電粒子ビーム照射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】
【０００９】
本発明には以下の態様〔１〕〜〔９〕が含まれる。
〔１〕
荷電粒子ビームを偏向することで、アイソセンターへの荷電粒子ビームの照射角を連続的に変える収束電磁石と、
前記収束電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って連続的に移動する照射ノズルであって、前記収束電磁石から出射した荷電粒子ビームは前記照射ノズルを通り前記アイソセンターに照射される、前記照射ノズルと、
前記有効磁場領域の出射側の形状に沿うように設けられた給電レールと、
サポート部材を介して前記照射ノズルに固定された集電靴であって、前記給電レールに沿って摺動し、前記給電レールからの電力を前記照射ノズルに供給する前記集電靴と
を備えた荷電粒子ビーム照射装置。
〔２〕
前記収束電磁石、前記給電レール、及び前記集電靴はポートカバーに内包されているが、前記照射ノズルの全部又は一部は前記ポートカバー外に位置する、〔１〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔３〕
前記集電靴の前記給電レールに接触する面は、前記給電レールと同じ曲げ半径又は前記給電レールの平均曲げ半径を有する、〔１〕又は〔２〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔４〕
前記集電靴は複数の集電部からなり、
前記集電部それぞれの前記給電レールに接触する面は、前記給電レールと同じ曲げ半径又は前記給電レールの平均曲げ半径を有する、〔１〕又は〔２〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔５〕
前記サポート部材と前記集電靴との間に付勢手段が設けられ、前記付勢手段により前記集電靴に一定の荷重がかかるように構成されている、〔１〕〜〔４〕のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔６〕
前記有効磁場領域の出射側の形状に沿うように設けられた駆動レールと、
前記サポート部材を介して前記照射ノズルに固定され、前記照射ノズルが前記駆動レールに支持されながら前記駆動レールに沿って連続的に移動できるように構成された駆動部と
をさらに備え、
前記給電レールから前記集電靴を介して前記駆動部に電力が供給される、〔１〕〜〔５〕のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔７〕
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軸とＺ軸の両方に直交する軸をＹ軸とし、
ＸＹ面において、
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で前記照射ノズルを通り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ｒ１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ｒ２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）：
【数１】
0006775860.tif 000002
を満たす、〔１〕〜〔６〕のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔８〕
前記収束電磁石は、第１のコイル対及び第２のコイル対を備え、
前記第１のコイル対及び第２のコイル対は、荷電粒子ビームの経路を挟み且つＹ軸方向に並ぶように配置され、
前記第１のコイル対及び前記第２のコイル対は、生成する有効磁場領域の磁場の向きが互いに反対となるよう構成されている、〔７〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔９〕
荷電粒子ビームを生成する加速器からの荷電粒子ビームを、前記偏向起点Ｑにて１０度以上の偏向角φで偏向する振分電磁石をさらに備えた〔７〕又は〔８〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置では、照射ノズルを作動させるための比較的太い電力供給ケーブルを使用せずに、給電レールから照射ノズルへ電力が供給される構成のため、曲げ半径が大きく太いケーブルの収容スペースの問題や、ケーブルの取り扱いによるケーブルの損傷の問題等を解消ないし低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一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。
【図２】収束電磁石の概略構成図である。
【図３】有効磁場領域の形成を説明するための図である。
【図４】荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図である。
【図５】荷電粒子ビーム照射装置の照射ノズル側の正面図及び側面図である。
【図６】照射ノズルと給電システムの概略構成断面図である。
【図７】集電靴の接触面の形状を説明するための図である。
【図８】集電靴の複数の集電部の形状を説明するための図である。
【図９】荷電粒子ビーム照射装置の制御システムのブロック図である。
【図１０】従来技術の荷電粒子ビーム照射装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態は、収束電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って連続的に移動し、アイソセンターに荷電粒子ビーム（粒子線ともいう）を照射する照射ノズルと、前記照射ノズルに電力を供給する給電システムを備えた荷電粒子ビーム照射装置１０に関する。
【００１３】
＜荷電粒子ビーム照射装置１０＞
図１は、本発明の一実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置１０の概略構成図である。荷電粒子ビーム照射装置１０は、収束電磁石４０及び照射ノズル１００を備える。荷電粒子ビーム照射装置１０は、加速器２０及び荷電粒子ビーム輸送系３０をさらに備えていてもよい。照射ノズル１００は、患者を載せる治療台が備わった治療室内に配置される。
【００１４】
収束電磁石４０は真空容器に内包され、荷電粒子ビームが通過する収束電磁石４０の有効磁場領域は真空に保たれる。収束電磁石４０の真空容器（及び後述する駆動レールと給電レール）はポートカバー４８に内包されており、荷電粒子ビーム照射装置１０の使用時に、収束電磁石４０や後述する給電システム１２０が患者や医療スタッフから見えないようになっている。これにより、粒子線治療中の患者の心理的な圧迫や負担を低減するとともに、後述する給電レールに接触感電する事故などを防ぎ、安全性が担保される。なお、後述する照射ノズル１００の全部又は一部はポートカバー４８外に位置し、粒子線治療中の患者から見える位置にある。
【００１５】
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、荷電粒子ビーム輸送系３０を通じて収束電磁石４０に導かれる。
【００１６】
荷電粒子ビーム輸送系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、振分電磁石３３、及び扇型真空ダクト３４などが含まれる。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は扇型真空ダクト３４で接続されている。ＸＹ面（図２参照）における扇型真空ダクト３４の形状を扇型状にすることで、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、矩形状の真空ダクトと比べて小型化でき、設置スペースを低減できる。
【００１７】
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下流側の収束電磁石４０に導かれる。
【００１８】
荷電粒子ビーム調整手段３１には、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が、仕様に応じて適宜含まれる。
【００１９】
荷電粒子ビームの振分電磁石３３からアイソセンターＯ（患者の患部）までの経路は、後述する照射角θに応じて異なる。このことから、荷電粒子ビームが受ける光学的要素も照射角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照射角θに応じて変わることがある。これに対しては、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を照射角θごとに制御し、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。
【００２０】
振分電磁石３３は、荷電粒子ビームを後述する偏向角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。収束電磁石４０は、アイソセンターＯへ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、本願と同じ出願人による先行特許（特許６３６４１４１号、特許６３８７４７６号）の内容は参照により本願明細書に組み込まれるが、振分電磁石３３及び収束電磁石４０の例について以下に簡単に説明する。
【００２１】
図２（ａ）は、収束電磁石４０の概略構成図である。図２において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２〜３においては、照射ノズル１００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。
【００２２】
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。
【００２３】
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２（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。
【００２４】
図２（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（ポール）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。
【００２５】
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、製造コストや消費電力を低減できる。
【００２６】
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。
【００２７】
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１００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１００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１００を通じてアイソセンターＯに収束する。
【００２８】
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（不図示）。振分電磁石３３は、後述する電磁石制御部１４２が振分電磁石３３の磁場の強度及び向き（Ｚ軸方向）を制御することにより、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。
【００２９】
図３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についても同様であり、説明は省略する。
【００３０】
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ｒ１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。
【００３１】
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（いずれかの）点Ｐ１から入り、有効磁場領域４１ａ内で曲率半径ｒ２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ｒ２及び中心角（φ＋θ）の円弧上にある。
【００３２】
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。
【数２】
0006775860.tif 000003
【００３３】
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ｒ２は、式（５）で表される。
【数３】
0006775860.tif 000004
【００３４】
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ｒ１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ｒ２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。
【００３５】
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。
【００３６】
＜照射ノズル１００＞
荷電粒子ビーム照射装置１０の照射ノズル１００について説明する。
【００３７】
図４は、荷電粒子ビーム照射装置１０の下流側、即ち、振分電磁石３３、扇型真空ダクト３４、収束電磁石４０の有効磁場領域４１（４１ａ、４１ｂ）、及び照射ノズル１００を拡大した模式図である。
【００３８】
照射ノズル１００は、荷電粒子ビームを用いた治療等が行われる治療室内に位置し、ＸＹ面において有効磁場領域４１の出射側４３の形状（境界形状）に沿うように連続的に移動する。有効磁場領域４１の出射側４３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１００内を通過し、照射ノズル１００により荷電粒子ビームの進行方向などが微調整される。
【００３９】
照射ノズル１００は、走査電磁石１０１、ビームモニタ１０２、及びエネルギー変調手段１０３を備える。走査電磁石１０１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１００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１０２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１０３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１０３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。
【００４０】
＜給電システム１２０＞
図５〜図９を用いて照射ノズル１００への給電システム１２０について説明する。
【００４１】
図５（ａ）は、患者側から見た荷電粒子ビーム照射装置１０の正面図であり、図５（ｂ）はその側面図である。図６は、給電システム１２０、照射ノズル１００、及びポートカバー４８の断面を上から見た概要図である。
【００４２】
給電システム１２０は、照射ノズル１００に固定されたサポート部材１２１に設けられた駆動部１２２及び集電靴１２３と、照射ノズル１００を収束電磁石４０の有効磁場領域４１の出射側４３の形状に沿って移動させるための駆動レール１２４と、集電靴１２３を介して照射ノズル１００及び駆動部１２２に電力を供給する給電レール１２５とを含む。
【００４３】
給電レール１２５は、短絡や漏電を防止するために、ポートカバー４８内に絶縁部材１２６を介して固定されている。また、駆動レール１２４及び給電レール１２５の本数は図示した本数に限定されるものではなく、それぞれ１本以上設けられていればよい。
【００４４】
給電システム１２０において、駆動レール１２４及び給電レール１２５は、収束電磁石４０を内包する真空容器が内包されたポートカバー４８内に、ＸＹ面において収束電磁石４０の有効磁場領域４１の出射側４３の形状に沿うように設けられている。ここで、「有効磁場領域４１の出射側４３の形状に沿うように」とは、荷電粒子ビーム照射装置１０において使用されるいずれの照射角θにおいても、有効磁場領域４１の出射側４３からアイソセンターＯへ向かう荷電粒子ビームが照射ノズル１００内を通過できるように構成されていればよいが、好ましくは、ＸＹ面において駆動レール１２４及び給電レール１２５が有効磁場領域４１の出射側４３の形状と同じ又は相似するよう形成されている。ＸＹ面において給電レール１２５を有効磁場領域４１の出射側４３の形状と同じ又は相似するように形成することで、照射ノズル１００が駆動範囲内のどの位置にあるときにでも、集電靴１２３と給電レール１２５との間の接触抵抗の変化を抑えられ、安定した電力供給が得られる点で好ましい。
【００４５】
図６（ａ）は給電レール１２５が駆動レール１２４の内側に位置する態様を表し、図６（ｂ）は駆動レール１２４が給電レール１２５の内側に位置する態様を表す。本発明ではいずれの態様であってもよいが、図６（ｂ）に示す態様は、比較的重い照射ノズル１００が駆動部１２２の近くに位置されるため、照射ノズル１００の移動にともなうサポート部材１２１にかかるモーメントの影響を低減できる。
【００４６】
なお、図６では、ＸＺ面において給電レール１２５の断面は平ら状になっているが、集電靴１２３との接触性を向上するために、集電靴１２３側に湾曲していてもよい。また、図６（ｃ）に示すように、集電靴１２３が給電レール１２５の平坦な側面を挟むように構成してもよい。この構成により、平坦な集電靴１２３の面と平坦な給電レール１２５の側面との接触が高く維持されつつ、集電靴１２３は、給電レール１２５に沿って摺動できる。
【００４７】
駆動部１２２は、サポート部材１２１を介して照射ノズル１００に固定され、照射ノズル１００が駆動レール１２４に支持されながら駆動レール１２４に沿って連続的に移動できるように構成された駆動モーター及び駆動機構を備える。
【００４８】
収束電磁石４０の有効磁場領域４１の出射側４３から出た荷電粒子ビームは、直線的に進行する。そのため、有効磁場領域４１から出た荷電粒子ビームが照射ノズル１００の入射端（中心位置）に入射されることで、荷電粒子ビームの減衰が最も抑えられ、照射ノズル１００内における荷電粒子ビームの調整が容易となるように、照射ノズル１００を構成しておくとよい。そして、ＸＹ面において照射ノズル１００を有効磁場領域４１の出射側４３の形状に沿うように移動させることで、有効磁場領域４１から出た荷電粒子ビームが照射ノズル１００の入射端に入射するのは容易となり、荷電粒子ビームの減衰を避ける又は低減することができる。
【００４９】
集電靴１２３は、サポート部材１２１を介して照射ノズル１００に固定されており、給電レール１２５に沿って摺動（給電レール１２５に接触しながら移動できること）し、給電レール１２５からの電力を照射ノズル１００や駆動部１２２に供給する。照射ノズル１００が移動中又は停止中のいずれの場合であっても、集電靴１２３は給電レール１２５から電力の供給を安定的に受けることができる。給電レール１２５から集電靴１２３に供給される電力は、照射ノズル１００の走査電磁石１０１、ビームモニタ１０２、及びエネルギー変調手段１０３の作動や、駆動部１２２の作動に使用される。
【００５０】
ここで、図７に示すように、給電レール１２５に接する集電靴１２３の接触面１２３ａは、ＸＹ面（並びに／又はＸＺ面及び／若しくはＹＺ面）における給電レール１２５の曲げ半径と同じ（本発明において「同じ」には±１０％内で相違する場合も含まれる。）又は給電レール１２５の平均曲げ半径を有するように構成するとよい。例えば、ＸＹ面において、給電レール１２５が照射ノズル１００の駆動範囲内のどの部分においても同じ曲げ半径を有する場合には、集電靴１２３の接触面１２３ａを、給電レール１２５の曲げ半径と同じ曲げ半径を有するように構成するとよい。集電靴１２３と給電レール１２５との接触面積が小さいところ（例えば接点など）では接触抵抗が比較的大きくなり、それにともなう熱の発生も生じやすくなる。しかしながら、集電靴１２３の接触面１２３ａを給電レール１２５の曲げ半径と同じ曲げ半径を有するように構成することにより、接触抵抗による熱発生の影響を解消又は低減できる。
【００５１】
なお、集電靴１２３とサポート部材１２１との間に、集電靴１２３に一定の荷重をかけておける付勢手段（不図示）を設けるようにしてもよい。該付勢手段は、例えば板バネとコイルバネを二重構造としたもので、照射ノズル１００の移動にともない、給電レール１２５を摺動する集電靴１２３に一定の荷重がかかるようにするとよい。また、給電レール１２５と集電靴１２３との間の干渉を低減する付勢手段は、集電靴１２３に設けるのではなく、給電レール１２５側（例えば絶縁部材１２６とポートカバー４８の固定具との間）に設け、給電レール１２５を集電靴１２３側に一定の荷重で付勢し、給電レール１２５を摺動する集電靴１２３に一定の荷重がかかるようにしてもよい。ここで、一定の荷重とは、常に同じ荷重がかかっている場合に限定されず、給電レール１２５から集電靴１２３への電力供給が安定して行われる程度に荷重がかかっていることを意味する。
【００５２】
また、図８に示すように、集電靴１２３が複数の集電部１２３ｂからなるようにしてもよい。このとき、各集電部１２３ｂとサポート部材１２１との間に付勢手段１２３ｃを設けるようにしてもよい。これにより、給電レール１２５の曲げ半径が照射ノズル１００の駆動範囲内で完全に均一ではない場合であっても、集電靴１２３を柔軟に給電レール１２５の形状に沿うように給電レール１２５に安定的に接触させることができる。さらに、給電レール１２５に接触する各集電部１２３ｂの接触面が、給電レール１２５と同じ曲げ半径（又は給電レール１２５の平均曲げ半径）を有するように構成するとさらに好ましい。
【００５３】
図９は、照射ノズル１００、振分電磁石３３、収束電磁石４０、及び給電システム１２０の制御システム１４０に関するブロック図である。
【００５４】
制御システム１４０は、照射制御部１４１、電磁石制御部１４２、スキャニング制御部１４３、照射ノズル駆動制御部１４４、及び給電制御部１４５を含む。
【００５５】
照射制御部１４１は、荷電粒子ビームが照射される標的ごとに予め定められた処方線量を監視し、電磁石制御部１４２、スキャニング制御部１４３、及び照射ノズル駆動制御部１４４を制御する上位の制御部である。電磁石制御部１４２は、振分電磁石３３及び収束電磁石４０を制御して荷電粒子ビームの偏向角φ（及び照射角θ）を調整する。スキャニング制御部１４３は、照射ノズル１００の走査電磁石１０１を制御する指令を給電制御部１４５に送る。照射ノズル駆動制御部１４４は、駆動部１２２を制御して照射ノズル１００の移動を制御する指令を給電制御部１４５に送る。給電制御部１４５は、上位のスキャニング制御部１４３及び照射ノズル駆動制御部１４４からの指令に基づき、走査電磁石１０１及び駆動部１２２への給電を制御して、走査電磁石１０１及び駆動部１２２を作動する。
【００５６】
照射制御部１４１は、予め設定された、アイソセンターＯ（患部）に照射すべき荷電粒子ビームの方向（照射角θ）に応じて、電磁石制御部１４２及び照射ノズル駆動制御部１４４に指令を送る。指令を受けた電磁石制御部１４２は、振分電磁石３３（及び／又は収束電磁石４０）に流す電流を調整し、収束電磁石４０から出射される荷電粒子ビームの照射角θが予め設定された照射角となるように調整する。また、該指令を受けた照射ノズル駆動制御部１４４は、荷電粒子ビームの照射開始前に、駆動部１２２を駆動し、収束電磁石４０から出射される荷電粒子ビームが照射ノズル１００の入射端（中心）を通過するように、照射ノズル１００を移動させる。
【００５７】
患部に対し荷電粒子ビームを照射している間、照射制御部１４１は、照射ノズル１００のビームモニタ１０２からの情報（荷電粒子ビームの位置や幅、線量等の情報）を受けて、患部への荷電粒子ビームの照射が適切かどうかを判断し、フィードバック制御を行うようにしてもよい。例えば、ビームモニタ１０２からの情報に基づき荷電粒子ビームの方向（照射角θ）が患部に対して予め設定された方向と比べて適切でない場合は、電磁石制御部１４２（及び／又はスキャニング制御部１４３）を制御して、照射角θを微調整（及び／又は所定範囲内での荷電粒子ビームの走査電磁石１０１によるスキャンで微調整）する。また、荷電粒子ビームの照射量が患部に対して予め設定された値に対して適切ではない場合は、照射ノズル１００のエネルギー変調手段１０３及び／又は荷電粒子ビーム調整手段３１等により、患部にあたる荷電粒子ビームの照射量が調整されるようにしてもよい。
【００５８】
上記のとおり、本実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置１０では、照射ノズル１００のための比較的太い電力供給ケーブルは使用されず、給電レール１２５から照射ノズル１０に電力が供給される。そのため、曲げ半径が大きく太いケーブルの収容スペースや、取り扱いによるケーブルの損傷の問題は生じない。また、給電レール１２５はポートカバー４８内に設けられているため、粒子線治療を受ける患者からは視認できないことから、患者の心理的な圧迫や不安等の問題を解消ないし低減できる。また、集電靴１２３の接触面１２３ａの形状を、給電レール１２５の曲げ半径と同じ（本発明において「同じ」には±１０％内で相違する場合も含まれる。）曲げ半径を有するように構成することで、接触抵抗を低減し、熱の発生の問題を解消ないし低減でき、安定した電力供給が可能となる。また、集電靴１２３を複数の集電部１２３ｂからなるように構成することで、照射ノズル１００が移動する場合であっても、より一層給電レール１２５の形状に追随して接触を続け、安定した電力供給が可能となる。このとき、集電靴１２３（又は集電部１２３ｂ）とサポート部材１２１との間に付勢手段１２３ｃを設けておくとさらによい。
【００５９】
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、他の形態とともに用いることも可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１０  荷電粒子ビーム照射装置
２０  加速器
３０  荷電粒子ビーム輸送系
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
４１（４１ａ、４１ｂ）  有効磁場領域
４２  入射側
４３  出射側
４４（４４ａ、４４ｂ）コイル
４５  磁極
４６  ヨーク
４８  ポートカバー
１００  照射ノズル
１０１  走査電磁石
１０２  ビームモニタ
１０３  エネルギー変調手段
１２０  給電システム
１２１  サポート部材
１２２  駆動部
１２３  集電靴
１２４  駆動レール
１２５  給電レール
１２６  絶縁部材
１４０  制御システム
１４１  照射制御部
１４２  電磁石制御部
１４３  スキャニング制御部
１４４  照射ノズル駆動制御部
１４５  給電制御部
【要約】
【課題】
従来の荷電粒子ビーム照射装置では、照射ノズルへ給電するためのケーブルに起因する問題が存在する。
【解決手段】
本発明は、荷電粒子ビームを偏向することで、アイソセンターへの荷電粒子ビームの照射角を連続的に変える収束電磁石と、前記収束電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って連続的に移動する照射ノズルであって、前記収束電磁石から出射した荷電粒子ビームは前記照射ノズルを通り前記アイソセンターに照射される、前記照射ノズルと、前記有効磁場領域の出射側の形状に沿うように 設けられた給電レールと、サポート部材を介して前記照射ノズルに固定された集電靴であって、前記給電レールに沿って摺動し、前記給電レールからの電力を前記照射ノズルに供給する前記集電靴と
を備えた荷電粒子ビーム照射装置を提供する。
【選択図】図１【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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