(57)【要約】【課題】患者体軸周りの複数の方向から照射可能な粒子線治療装置およびその偏向装置のコスト低減を図る。【解決手段】偏向装置は上流から第１偏向電磁石３と第２偏向電磁石４と第３偏向電磁石（スプリット式トンネル型電磁石）５とを配置する。第３電磁石装置５はトンネル形状の電磁石を間隙部１５を設けて患者体軸方向に連設するように構成される。トンネル形状は患者体軸が貫通可能な空洞部１６を有する。間隙部１５はスプリットを形成する。制御装置４０が適切な偏向装置３〜５の励磁電流量を指令すると、粒子線ビーム１は偏向電磁石３,４により略平行にオフセットされ、第３偏向電磁石５による磁場空間において、円軌道を描きながら、患部に照射される。これにより患者体軸周りの複数の方向から照射が可能となる。偏向装置は、患者２と同じ程度の高さに固定して据え付けられ、空間的な移動を伴わない。これによりコスト低減を図ることができる。【選択図】図１
2012011038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線ビームを患者の患部に照射する粒子線治療装置の偏向装置であって、
入射した荷電粒子線ビームを、一の方向へビームを曲げて位置をずらすように偏向する第１電磁石装置と、
この第１電磁石装置より下流側に設けられ、前記第１電磁石装置で偏向された荷電粒子線ビームを、前記一の方向と逆の方向へ位置をずらすように偏向する第２電磁石装置と、
この第２電磁石装置より下流側に設けられ、患者体軸が貫通可能なトンネル形状の電磁石を間隙部を設けて患者体軸方向に連設して構成されるスプリット式の第３電磁石装置と、
患者体軸を中心とした任意の角度から照射できるよう前記第１電磁石装置、第２電磁石装置、第３電磁石装置の励磁量を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする偏向装置。
【請求項２】
請求項１記載の偏向装置において、
前記第２電磁石装置は、ビーム基軸から離れるに従って拡幅する断面形状を有する
ことを特徴とする偏向装置。
【請求項３】
請求項１記載の偏向装置において、
前記第１電磁石装置および第２電磁石装置は、それぞれ間隙部を有し、
前記第１電磁石装置の間隙部と前記第２電磁石装置の間隙部と前記第３電磁石装置の間隙部とに介挿され、その内部においてビームが通過する真空容器を
備えることを特徴とする偏向装置。
【請求項４】
請求項３記載の偏向装置において、
前記真空容器は、患者体軸が貫通可能な略半円形の貫通孔を設ける
ことを特徴とする偏向装置。
【請求項５】
請求項３記載の偏向装置において、
前記第１電磁石装置および第２電磁石装置は、ビーム基軸に対し対称に偏向可能であり、
前記真空容器は、患者体軸が貫通可能な円形の貫通孔を設ける
ことを特徴とする偏向装置。
【請求項６】
請求項３記載の偏向装置において、
ビームモニタと、
このビームモニタを患者体軸周りに移動可能にするビームモニタ移動機構と、
を更に備えることを特徴とする偏向装置。
【請求項７】
請求項６記載の偏向装置において、
前記ビームモニタは、シンチレータである
ことを特徴とする偏向装置。
【請求項８】
請求項１記載の偏向装置において、
前記第１電磁石装置より上流側に設けられ、荷電粒子線ビームを走査するスキャニング電磁石
を更に備えることを特徴とする偏向装置。
【請求項９】
請求項１記載の偏向装置において、
前記荷電粒子線ビームの荷電粒子は、陽子より重い重粒子である
ことを特徴とする偏向装置。
【請求項１０】
前記請求項１〜９のいずれか１項記載の偏向装置を備える
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、患者体軸周りの複数の方向から照射可能な粒子線治療装置の偏向装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療においては、患部に必要な照射量の粒子線を照射する際、複数の方向から患部に向かって照射を行うことにより、照射が必要でない健全組織の照射密度を軽減する、いわゆる多方向照射が一般に行われている。
【０００３】
従来、この多方向照射を実現する装置には、照射系のビームラインごと、患者の体軸周りに回転させる回転ガントリを用いるものがある（例えば、特許文献１参照）。また、偏向磁石装置を患者の体軸に対して半径方向に動かす、あるいは半径方向に長い磁極をもつ偏向磁石を利用して、一旦半径方向に大きくビームを逸らせ、患者の方向に向かわせることで患者への照射角度を変えるものがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−４７２８７号公報
【特許文献２】特開平６−２１４１００号公報（図９、図１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のように、多くの粒子線治療装置の照射系では、多方向照射を行うために、照射系のビームラインごと、患者の体軸周りに回転させる回転ガントリが用いられてきた。しかし回転ガントリは、その回転アーム内に複数の鉄心磁極付き偏向電磁石等の重量物を有する為、重力によるたわみが生じる。このたわみにより、粒子線の方向はわずかに変化する。一方、粒子線治療では、極めて高精度な照射が要求されるため、このたわみによる粒子軌道の誤差を極力小さくすることが求められる。そこで、このたわみによる悪影響を極力少なくするには、回転ガントリの支持部材を高剛性なものにせざるを得ない。またアームの回転角によって、重力の作用する方向が異なってくるため、その曲げ剛性を確保すべき方向は多方向に及ぶ。そのため、極めて剛性の高い支持部材を多数用いることになって重量が増し、その結果軸受けや土台に掛かる荷重も増すことになる。これにより軸受けや土台の高剛性化が必要になって、全体の物量と重量はさらに増加する。これが回転ガントリを有する粒子線治療装置を高コストなものにしている要因である。
【０００６】
また回転ガントリは、アームの最大半径の部分を３６０度納めるような円筒形または円筒の籠状のものとなり、その空間に占める体積は非常に大きく、これを施設内に収めるために巨大な建屋が必要となる。その結果、施設全体の建設費の増大を招く。これらが、粒子線治療装置の施設建設を高コストなものとしている大きな要因であり、これまで、粒子線治療装置を普及させていく上での障害となっていた。
【０００７】
このように、特許文献１記載の回転ガントリを有する粒子線治療装置はコストに係る課題があった。
【０００８】
一方、特許文献２の図７〜１８には、回転ガントリを用いないで、ビームの照射方向をある程度変えることのできる粒子線治療装置が開示されている。通常、粒子線治療を行う場合、患者を水平なベッドの上に寝かせ、水平に寝かせた患者の体軸の直交方向からビームを照射する。このとき特許文献２の図７では、水平方向からビームを照射する場合には、患者と同じ高さからビームを照射し、患者に対して垂直方向、即ち患者の上部側からビームを照射する場合には、患者の上部の方向に偏向用の電磁石を移動する。その場合、重量物である偏向電磁石を上部に移動するためには、頑丈な支持構造物や移動させる機構が必要となり、また、非常に高い天井高さの建屋が必要となる。
【０００９】
また特許文献２の図９では、磁極が極めて長い固定式の電磁石を用いて照射方向を切り替える粒子線治療装置も提案されている。しかしこれらにおいても、高い天井高さの建屋が必要になる。また、極めて長い磁極の電磁石を作成することは大幅なコスト増となる。
【００１０】
このように、特許文献２記載の粒子線治療装置は、回転ガントリを有する粒子線治療装置と同様に、コストに係る課題があった。
【００１１】
さらに、特許文献２記載の粒子線治療装置のような機構の場合、偏向電磁石を固定する位置、偏向電磁石を動かせる範囲、偏向電磁石の長い磁極がカバーできる範囲の制約により、ビームを照射できる角度に制約が生じ、必ずしも任意の角度から照射できるという訳ではない。
【００１２】
本発明の目的は、コスト低減を図りつつ、患者体軸周りの複数の方向から照射可能な粒子線治療装置およびその偏向装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、荷電粒子線ビームを患者の患部に照射する粒子線治療装置の偏向装置であって、この偏向装置は、入射した荷電粒子線ビームを、一の方向へビームを曲げて位置をずらすように偏向する第１電磁石装置と、この第１電磁石装置より下流側に設けられ、前記第１電磁石装置で偏向された荷電粒子線ビームを、前記一の方向と逆の方向へ位置をずらすように偏向する第２電磁石装置と、この第２電磁石装置より下流側に設けられ、患者体軸が貫通可能なトンネル形状の電磁石を間隙部を設けて患者体軸方向に連設して構成されるスプリット式の第３電磁石装置と、患者体軸を中心とした任意の角度から照射できるよう前記第１電磁石装置、第２電磁石装置、第３電磁石装置の励磁量を制御する制御手段と、を備える。
【００１４】
本発明においては、偏向装置の第１〜３電磁石装置が荷電粒子線ビームを偏向することにより、患者体軸周りの複数の方向から照射が可能となる。
【００１５】
偏向装置の第１〜３電磁石装置は、患者と同じ程度の高さに固定して据え付けられ、空間的な移動を伴わない。これにより、回転ガントリや重量物である偏向電磁石を移動させる機構やこれらに付随する構成（高剛性フレーム等）が不要になる為、粒子線治療装置自体のコスト低減を図ることができる。
【００１６】
さらに、第３偏向電磁石により発生する患者体軸方向の磁場空間にて患者への照射がおこなわれる。これにより、患部直前において荷電粒子線ビームは非常に小さな円軌道を描き、患部への集中的な照射ができるとともに、健全組織への不必要な照射が軽減できる。
【００１７】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記第２電磁石装置は、ビーム基軸から離れるに従って拡幅する断面形状を有する。
【００１８】
これにより、エネルギー分散に起因する荷電粒子線ビームのズレを抑制し、より正確な照射ができる。
【００１９】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記第１電磁石装置および第２電磁石装置は、それぞれ間隙部を有し、偏向装置は、前記第１電磁石装置の間隙部と前記第２電磁石装置の間隙部と前記第３電磁石装置の間隙部とに介挿され、その内部においてビームが通過する真空容器を備える。
【００２０】
これにより、荷電粒子線ビーム１が大気中の分子に衝突して散乱されるのを避けることができる。
【００２１】
（４）上記（３）において、前記真空容器は、患者体軸が貫通可能な略半円形の貫通孔を設ける。
【００２２】
この貫通孔が、第３電磁石装置の患者体軸が貫通可能なトンネル形状と対応して配置されることにより、照射室が形成される。
【００２３】
（５）上記（３）において、前記第１電磁石装置および第２電磁石装置は、ビーム基軸に対し対称に偏向可能であり、前記真空容器は、患者体軸が貫通可能な円形の貫通孔を設ける。
【００２４】
これにより、患者体軸を中心とした３６０度照射を行うことができる。
【００２５】
（６）上記（３）において、偏向装置は、ビームモニタと、このビームモニタを患者体軸周りに移動可能にするビームモニタ移動機構と、を更に備える。
【００２６】
（７）上記（６）において、前記ビームモニタは、シンチレータである。
【００２７】
（８）上記（１）において、偏向装置は、前記第１電磁石装置より上流側に設けられ、荷電粒子線ビームを走査するスキャニング電磁石を更に備える。
【００２８】
（９）上記（１）において、前記荷電粒子線ビームの荷電粒子は、陽子より重い重粒子である。
【００２９】
（１０）本発明において、粒子線治療装置は上記（１）〜（９）の偏向装置を備える。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、スプリット式トンネル型電磁石（第３電磁石装置）による荷電粒子線ビームの偏向により、患者体軸周りの複数の方向から照射が可能となる。
【００３１】
偏向装置の第１〜３電磁石装置は、患者と同じ程度の高さに固定して据え付けられ、空間的な移動を伴わない。これにより、回転ガントリや重量物である偏向電磁石を移動させる機構やこれらに付随する構成（高剛性フレーム等）が不要になる為、粒子線治療装置自体のコスト低減を図ることができる。
【００３２】
さらに、偏向装置が空間的な移動を伴わないことにより、建屋の小型化（通常の病院の治療室程の天井高さ）を図ることができ、施設建設に係るコスト低減を図ることができる。
【００３３】
したがって、全体のコスト低減を図り、粒子線治療装置の普及に貢献できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１実施形態の偏向装置の概略構成を示す図である。
【図２】第１偏向電磁石３および第２偏向電磁石４の詳細構成図である。
【図３】特徴的構成であるスプリット式トンネル型電磁石（第３偏向電磁石）５の詳細構成図である。
【図４】真空容器３０の詳細構成図である。
【図５】一般的な照射効果について説明する図である。
【図６】第１実施形態の照射効果について説明する図である。
【図７】第２実施形態の偏向装置の概略構成を示す図である。
【図８】第１実施形態のエネルギー分散に係る課題を説明する図である。
【図９】第１実施形態のエネルギー分散に係る課題を更に説明する図である。
【図１０】第２実施形態におけるエネルギー分散に起因するビームズレの抑制効果を説明する図である。
【図１１】第２実施形態におけるエネルギー分散に起因するビームズレの抑制効果を更に説明する図である。
【図１２】第３実施形態の偏向装置の概略構成を示す図である。
【図１３】真空容器３０Ｂの詳細構成図である。
【図１４】第３実施形態特有の偏向装置の動作を説明する図である。
【図１５】一般的な重粒子照射にかかる課題を説明する図である。
【図１６】第４実施形態の飛散低減効果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
<第１実施形態>
以下、本発明の第１実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００３６】
〜構成〜
本実施形態の粒子線治療装置の基本構成および基本動作について説明する。なお基本構成に付き図示を省略する。イオン源にて発生した荷電粒子ビームは、低エネルギービーム輸送装置を通過して主加速器であるシンクロトロンに入射され、このシンクロトロンで治療に必要とされるエネルギーまで加速される。シンクロトロンから出射された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系を経て照射装置に達し、照射装置から出射される。本実施形態の偏向装置は、照射装置から出射された荷電粒子線ビーム１を偏向し、患者２の患部に照射する。
【００３７】
図１は、本実施形態の偏向装置の概略構成を示す図である。本実施形態の偏向装置において、上流側からスキャニング電磁石６ａ，６ｂと、第１偏向電磁石３と、第２偏向電磁石４と、第３偏向電磁石５とが配置されている。
【００３８】
図２は、第１偏向電磁石３および第２偏向電磁石４の詳細構成図であり、ビーム軸方向からみた断面図である。第１偏向電磁石３、第２偏向電磁石４は、鉄心ヨーク付きの２極電磁石が好適である。第１偏向電磁石３および第２偏向電磁石４は患者体軸方向（と平行な方向）の磁場を発生する。また、荷電粒子線ビーム１の軌道を含む平面に対応するようにそれぞれ、間隙部１３，１４が設けられている。
【００３９】
図３は、本実施形態の特徴的構成であるスプリット式トンネル型電磁石（第３偏向電磁石）５の詳細構成図であり、ビーム軸方向からみた断面図である。第３偏向電磁石５は、空芯の超電導電磁石が好適であり、ドーナツ状のクライオスタット８内に納められた超電導コイル９ａによる１対の電磁石を患者体軸方向に連設して構成し、それらの間には、間隙部１５を設けている。第３偏向電磁石５は、患者体軸方向の磁場を発生する。２つの超電導電磁石の間には強力な電磁吸引力が作用するため、支持部材１２がこれらを支持する。
【００４０】
電磁石のドーナツ形状は、トンネル形状やトーラス形状と呼ぶことができ、患者体軸が貫通可能な空洞部１６を有する。間隙部１５は、第３偏向電磁石５のスプリットを形成する。これら形状的特徴により、第３偏向電磁石５は、スプリット式トンネル型電磁石やダブルドーナツ型電磁石と呼ばれる。
【００４１】
空洞１６には移動ベッド１７に安置された患者２が配置され、これにより照射室１８が形成される。
【００４２】
クライオスタット８内には、主磁場を生成する主コイルである超電導コイル９ａの他に、主磁場と逆向きの磁場を生成して漏洩磁場を低減するシールドコイル９ｂが収められている。シールドコイル９ｂにより漏洩磁場を低減した電磁石はアクティブシールド型と呼ばれ、ＭＲＩ装置などにも用いられている。
【００４３】
ここで、患者体軸とは、患者２の頭から足へ通る中心軸をいう。更に本明細書では、治療時に患者２が粒子線治療装置内の移動ベッド１７に安置された際に、患者体軸が形成する軸線も患者体軸とよぶ。
【００４４】
偏向電磁石３〜５は、それぞれ電源４３〜４５から供給される励磁電流により励磁される。制御装置４０は、それぞれの励磁電流量を制御する（図１参照）。
【００４５】
第１偏向電磁石３の間隙部１３と第２偏向電磁石４の間隙部１４と第３偏向電磁石５の間隙部１５には、真空容器３０が介挿される（図１〜３参照）。図４は、真空容器３０の詳細構成図である。真空容器３０は、荷電粒子線ビーム１が大気中の分子に衝突して散乱されるのを避けるため、照射室１８の直前まで、ビーム経路を真空に保つ。荷電粒子線ビーム１は偏向電磁石３〜５により偏向されるため、真空容器３０は、患者の体軸方向から見て、複数のビーム軌道をすべて覆うような幅広の形状となる。一方、間隙部１３〜１５に介挿されるように、真空容器３０は、ビーム軸方向からみて幅の狭い形状となる（図２〜３参照）。
【００４６】
なお、この真空容器３０の幅は、後述するように荷電粒子線ビームを患者体軸方向にスキャンする範囲の大きさに応じて設計する。真空容器３０の幅を広くすれば、それだけ患者体軸方向の広い範囲に荷電粒子線ビーム１をスキャンできる。しかし偏向電磁石３〜５の磁極間（間隙部１３〜１５）が広げられるため、同じ強さの磁場を得るためには、その分高い起磁力（通常、巻き線の巻き数と通電電流の積で表される）が必要になる。一方、患者体軸方向へのスキャンには、移動ベッド１７を動かし、患者２の位置を患者体軸方向に移動させる方法を採ることも可能であるから、必ずしも真空容器３０の幅を大きく広げる必要はない。
【００４７】
真空容器３０は、空洞部１７（照射室１８）に対応する位置に、患者体軸が貫通可能な略半円形の貫通孔３１を設ける。貫通孔３１を形成する曲面には、空気の流入を遮断しかつ高エネルギーの荷電粒子線ビーム１を透過させる薄い膜（図示せず）が貼られ、開口部３２が形成される。
【００４８】
真空容器３０の開口部３２外側（大気側）付近には、モニタ系３３が設置される。モニタ系３３は、ビーム強度や位置・形状を測定するビームモニタと位置決め用の検出器から成る。従来は電離式の位置検出器の性能を持たせたプロファイルモニタが用いられてきたが、本発明では照射室に強磁場が印加されるため、電離式の位置検出器を用いることができない。しかしシンチレータを用いた検出器が開発されており、位置検出できるファイバシンチレータも存在する。これらは位置検出を目的とする場合、従来のマルチアノード型などの光電子増倍管を用いる必要はなく、CCDなどのカメラやセンサを用いることができ、これらは磁場中でも使用できる。
【００４９】
真空容器３０は、貫通孔３１の周状に沿ってモニタ系３３を患者体軸周りに移動可能にするモニタ移動機構３４を設ける。モニタ移動機構３３は、貫通孔３１の周状に沿って設けてられたレールとモータを有する。また、貫通孔３１の周状に沿って動くアームでもよい。これにより、開口部３２の任意の位置から大気に出射された荷電粒子線ビーム１を捉え、その位置をモニタできる。
【００５０】
スキャニング電磁石６ａ，６ｂ（図１参照）について説明する。粒子線治療では、患部の広がりに応じて荷電粒子線ビームを照射する必要がある一方、患部以外の健全組織にはできるだけ荷電粒子線ビームを照射しないことが求められる。従来の装置では、患者の手前でウォブラ電磁石と呼ぶもので一旦ビームを広げ、患部の形状に合わせて荷電粒子線ビームを透過させるボーラスと呼ばれる器具に通すことで、この要件を満足させていた。しかし近年、より進んだ方法として、ペンシルビームと呼ぶ細い荷電粒子線ビームを、患部に沿ってスキャンしていくスポットスキャニング方式が開発され、用いられるようになってきた。
【００５１】
本実施形態においては、患者の手前にウォブラ電磁石やボーラスを設置する必要のないスポットスキャニング方式が好適である。スキャニング磁石６ａ，６ｂは、荷電粒子線ビームを微小に偏向させ、患者に到達する荷電粒子線ビームの位置を移動させる。スキャニング磁石６ａ，６ｂは偏向電磁石３〜５の上流に配置され、スキャニング磁石６ａ，６ｂにより偏向された荷電粒子線ビームは患者に照射されるまで長い距離を飛行する。これにより、スキャニング磁石６ａ，６ｂは僅かな偏向角で大きなスキャン幅を得ることができる。そのためスキャニング磁石６ａ，６ｂは偏向電磁石３〜５と比較して小型化することができる。その結果、スキャニング磁石６ａ，６ｂのインダクタンスは小さく、高速なスキャニングが可能になる。
【００５２】
スキャニング磁石６ａは、偏向電磁石３〜５と同様に患者体軸方向の磁場を発生し、患者周方向にスキャンする。スキャニング磁石６ｂは、上下方向の磁場を発生し、患者体軸方向にスキャンする。これにより、患者周方向と患者体軸方向に広がりをもつ患部の照射部位を隈なく照射できる。なお、深さ方向（患者体軸からみて半径方向）のスキャンは、荷電粒子線ビームの加速度エネルギーを変え、後述するブラッグピークの位置を調整することにより行う。これにより３次元的な患部の広がりを正確に捉えて照射できる。
【００５３】
なお、スキャニング電磁石６ａ，６ｂと同様の軌道の偏向は、偏向電磁石３〜５の励磁量を変化させることでも可能であるが、これらの電磁石は大型であるためにインダクタンスが大きく、励磁量を高速に変化させるには高い電源電圧が必要となり、好適ではない。
【００５４】
〜動作〜
本実施形態の偏向装置の動作について図１を用いて説明する。
【００５５】
制御装置４０が無励磁状態（電源４３〜４５の励磁電流量がゼロ）になる様に制御すると、偏向電磁石３〜５は磁場を発生せず、荷電粒子線ビーム１は偏向されず、患者２の図示右側から照射される。本明細書では、このときのビーム軸をビーム基軸５０とよぶ。患者体軸を中心とした照射角度は０度となる。このときの粒子線ビーム１を軌道５１とする。
【００５６】
制御装置４０が電源４３にある励磁電流量を指令すると、第１偏向電磁石３は図示表面から裏面方向へ磁場を発生する。粒子線ビーム１は図示上方へ偏向される。一方、制御装置４０は電源４４に同量でマイナスの励磁電流量を指令し、第２偏向電磁石４は図示裏面から表面方向へ磁場を発生する。第１偏向電磁石３により偏向された粒子線ビーム１は図示下方へ偏向される。
【００５７】
これにより、粒子線ビーム１が励磁電流量に応じたオフセット量５６だけビーム基軸５０から上方にオフセットされる。なお、本実施形態では、説明の単純化のためビーム基軸５０と略平行にオフセットされるが、必ずしも平行である必要はない。
【００５８】
制御装置４０は電源４５に励磁電流量を指令すると、第３偏向電磁石５は図示裏面から表面方向へ磁場を発生する。オフセットされた粒子線ビーム１は図示下方へ偏向される。このとき、制御装置４０は、偏向された荷電粒子線ビーム１が患者２の患部に照射するように、励磁電流量を演算する。
【００５９】
偏向電磁石３〜５に供給される励磁電流量と照射角度の関係について更に説明する。
【００６０】
制御装置４０が低励磁状態（電源４３〜４４の励磁電流量が第１所定量）になる様に制御したときの粒子線ビーム１を軌道５２とする。更に、制御装置４０が電源４５の励磁電流量が第２所定量になる様に制御すると、粒子線ビーム１は第３偏向電磁石により偏向され、患者２の図示上側から照射される。このとき照射角度は９０度となる。
【００６１】
制御装置４０が高励磁状態（電源４３〜４４の励磁電流量が第１所定量より多い第３所定量）になる様に制御したときの粒子線ビーム１を軌道５３とする。更に、制御装置４０が電源４５の励磁電流量が第２所定量より多い第４所定量になる様に制御すると、粒子線ビーム１は第３偏向電磁石により更に偏向され、患者２の図示左側から照射される。このとき照射角度は１８０度となる。
【００６２】
上記説明では、無励磁状態時には照射角度０度になり、低励磁状態時には照射角度９０度になり、高励磁状態時には照射角度１８０度になる旨を説明したが、励磁電流量を連続的に変化することにより、照射角度も連続的に変化する。これにより、粒子線治療装置は患者体軸周りの任意の方向から照射可能となる。
【００６３】
なお、患者体軸方向については、移動ベッド１７ごと患者２を移動して、照射位置を調整する。
【００６４】
〜効果１〜
動作の説明で述べたとおり、本実施形態の粒子線治療装置は患者体軸周りの任意の方向から照射可能となる。本実施形態では更に下記の効果を有する。
【００６５】
まず、コスト低減の効果について説明する。
【００６６】
偏向装置の偏向電磁石３〜５は、患者２と同じ程度の高さに固定して据え付けられ、空間的な移動を伴わない。これにより、回転ガントリや重量物である偏向電磁石を移動させる機構やこれらに付随する構成（高剛性フレーム等）が不要になる為、粒子線治療装置自体のコスト低減を図ることができる。
【００６７】
さらに、偏向装置が空間的な移動を伴わないことにより、建屋の小型化（通常の病院の治療室程の天井高さ）を図ることができ、施設建設に係るコスト低減を図ることができる。
【００６８】
また、偏向電磁石３〜５の小型化により、さらにコスト低減を図ることができる。第１偏向電磁石３、第２偏向電磁石４、第３偏向電磁石５に必要となる磁束密度の大きさと偏向半径を計算する。粒子線として陽子を想定し、最大エネルギーを250MeVとする。相対論を考慮した陽子のエネルギーEと運動量pの関係式
【００６９】
【数１】
2012011038.tif 000003
【００７０】
から、相対論的な運動量pは
【００７１】
【数２】
2012011038.tif 000004
【００７２】
と書ける。ここで、mpは陽子の静止質量で
【００７３】
【数３】
2012011038.tif 000005
【００７４】
cは光の速度で
【００７５】
【数４】
2012011038.tif 000006
【００７６】
である。
陽子のエネルギーEは、運動エネルギーKと静止エネルギーmpc2の和である。陽子の運動エネルギーKは陽子の電荷qと加速電圧Vの積で表現される。したがって、250MeVの陽子のエネルギーは
【００７７】
【数５】
2012011038.tif 000007
【００７８】
と計算される。数式２に数式３〜数式５の値を代入すると、250MeVの陽子の運動量pは
【００７９】
【数６】
2012011038.tif 000008
【００８０】
である。
磁束密度B=2[T]中の250MeVの陽子の偏向半径Rは、
【００８１】
【数７】
2012011038.tif 000009
【００８２】
と計算される。また磁束密度B=4[T]中の250MeVの陽子の偏向半径Rは、同様にR=0.61[m]と計算される。図１の人間の大きさから、第１偏向電磁石３、第２偏向電磁石５における偏向半径を1.22[m]程度とすればよく、その場合、式７から2[T]の磁場が必要である。また第３偏向電磁石５の偏向半径は0.61[m]程度とすれば良く、その場合4[T]の磁場が必要である。これらの磁場は超電導コイルを用いることで実現可能である。
【００８３】
〜効果２〜
本実施形態では更に照射効果集中に係る効果を有する。
【００８４】
図５は、一般的な照射効果について説明する図である。
【００８５】
従来の一般的な照射は無磁場空間にておこなわれる。図５（ａ）に示すように、無磁場空間において、荷電粒子線ビーム１は体表面２３から体内２４の深部へと入射していく。荷電粒子は、体表面２３に入射してから体組織を構成する原子と衝突し、徐々にエネルギーを失う。しかし体表面付近では高いエネルギーを保持しているため、体組織の原子との非弾性散乱の断面積は相対的に小さく、この領域で失うエネルギーは少ない。これは体組織側から見れば照射によるダメージが少ないことを意味する。しかし体内の深部に侵入していくにつれ、荷電粒子のエネルギーは徐々に低下していく。荷電粒子のエネルギーがある程度小さくなると、体組織を構成する原子との非弾性散乱の断面積は急激に大きくなる。その段階では、体組織側から見た照射によるダメージ、即ち照射効果が急激に増加するようになる。その後、さらにエネルギーを失って荷電粒子が停止すると照射効果はゼロになる。
【００８６】
図５（ｂ）は粒子の体表面２３からの侵入深さ２５に対する照射効果２６の大きさの変化を示す。このように照射効果はある所でピーク２７を形成し、このピーク２７をブラッグピークと呼ぶ。粒子線治療では、このブラッグピークが患部の位置に合致するように粒子のエネルギーを調整する。
【００８７】
図５(ａ)に示すように、無磁場空間においては、荷電粒子線ビーム１の軌道は直線軌道になる。また、図５(ｂ)に示すように、ブラッグピークは深部方向にある程度の幅２８を持つ。このピーク幅２８はより小さい方が、より患部領域に集中的な照射ができるようになり望ましい。例えば、内臓の表皮にできる扁平上皮癌の治療においては、患部領域が深部方向に狭く、より集中的な照射が求められる。
【００８８】
図６は、本実施形態の照射効果について説明する図である。
【００８９】
本実施形態の照射は、第３偏向電磁石５により発生する患者体軸方向の磁場空間にておこなわれる。図６（ａ）に示すように、磁場空間において、円軌道を形成しながら荷電粒子線ビーム１は体表面２３から体内２４の深部へと入射していく。体表面２３に入射した荷電粒子は徐々にエネルギーを失うため、数式７が示すように円軌道の半径が縮小していく。このため、エネルギーを完全に失う直前では、非常に小さな円軌道を描くようになる。このため、ある侵入深さ２５において照射効果の集中が起こる。
【００９０】
図６（ｂ）は本実施形態の照射効果２６を示す。照射効果の集中により、ピーク幅２８が狭く非常に鋭いブラッグピーク２７が形成される。
【００９１】
これにより、患部への集中的な照射ができるとともに、健全組織への不必要な照射が軽減できる。
【００９２】
〜効果３〜
前述のように、深さ方向のスキャンは、荷電粒子線ビームの加速度エネルギーを変え、ブラッグピークの位置を調整することにより行う。しかし、磁場空間にておこなわれる照射では、荷電粒子線ビームの加速度エネルギーを変えると偏向半径が変化するため、照射角度も変化してしまう。その結果、正確な照射が難しくなる可能性もある。
【００９３】
本実施形態の制御装置４０は、加速度エネルギーの変化に応じて、偏向電磁石３〜５の適切な励磁量を演算する。これにより、荷電粒子線ビームは適切な偏向半径の円軌道を描き、より正確な照射ができる。
【００９４】
<第２実施形態>
図７は、第２実施形態の偏向装置の概略構成を示す図である。第１実施形態の第２偏向電磁石４は、略矩形の断面形状を有するのに対し、第２実施形態の第２偏向電磁石４Ａは、ビーム基軸５０から離れるに従って拡幅する断面形状を有する。その他の構成は、第１実施形態と同じである。
【００９５】
図８は第１実施形態のエネルギー分散に係る課題を説明する図である。
【００９６】
前述のように、ブラッグピークの位置を調整して、深さ方向のスキャンをおこなうように、適切な荷電粒子線ビームの加速度エネルギーを設定する。このとき、照射装置から出射される荷電粒子線ビームの加速度エネルギーが一定であることを前提とする。しかし、実際には加速度エネルギーは高エネルギーから低エネルギーまで僅かながら分散している。
【００９７】
高エネルギーの荷電粒子線ビームは、磁場の影響を受けにくく、偏向角度が小さくなる。一方、低エネルギーの荷電粒子線ビームは、磁場の影響を受けやすく、偏向角度が大きくなる。この傾向は、高磁場なほど顕著になる。
【００９８】
平均的な加速度エネルギーの荷電粒子線ビームの軌道を、平均エネルギー軌道２０ａとし、低エネルギーの荷電粒子線ビームの軌道を低エネルギー軌道２０ｂとし、高エネルギーの荷電粒子線ビームの軌道を高エネルギー軌道２０ｃとし、図示する。
【００９９】
前述のように、荷電粒子線ビーム１は、第１偏向電磁石３により所定の偏向角度だけ偏向され、第２偏向電磁石４により所定の偏向角度だけ逆方向に偏向され、ビーム基軸５０からオフセットされる（図１参照）。このとき、低エネルギー軌道２０ｂのオフセット量は平均エネルギー軌道２０ａのオフセット量より多く、高エネルギー軌道２０ｃのオフセット量は平均エネルギー軌道２０ａのオフセット量より少なくなる。
【０１００】
図９は第１実施形態のエネルギー分散に係る課題を更に説明する図である。第３偏向電磁石５により照射角度は１８０度にて照射することを想定する。荷電粒子線ビーム１は、仮想円軌道開始面２２から偏向を開始し、体表面２３付近に照射する。
【０１０１】
一般に加速度エネルギーが大きくなるほど偏向半径は大きくなる。したがって、低エネルギー軌道２０ｂの偏向半径は平均エネルギー軌道２０ａの偏向半径より小さく、高エネルギー軌道２０ｃの偏向半径は平均エネルギー軌道２０ａの偏向半径より大きくなる。
【０１０２】
低エネルギー軌道２０ｂは、オフセット量が多く、偏向半径が小さいため、照射位置において上方にズレが生じてしまう。高エネルギー軌道２０ｃは、オフセット量が小さく、偏向半径が大きいため、照射位置において下方にズレが生じてしまう。このようにエネルギー分散に起因して、荷電粒子線ビームにズレが生じ、正確な照射が難しくなる可能性もある。
【０１０３】
なお、図８および図９では説明の便宜のため、エネルギー分散によるビームズレを、実際に起きるズレよりも拡大して描いている。
【０１０４】
図１０は本実施形態におけるエネルギー分散に起因するビームズレの抑制効果を説明する図である。説明の便宜の為、本実施形態の平均エネルギー軌道２０ａと第１実施形態の平均エネルギー軌道２０ａとは変わらないものとする。
【０１０５】
第２偏向電磁石４Ａは、ビーム基軸５０から離れるに従って拡幅する断面形状を有する。これにより、荷電粒子線ビームの経路によって、磁場領域の経路長が異なる。
【０１０６】
低エネルギー軌道２０ｂにおいて、第１偏向電磁石３による偏向角度が大きく、荷電粒子線ビームはビーム基軸５０からより離れた位置で第２偏向電磁石４に入射する。これにより、第２偏向電磁石４における磁場領域の経路長が長くなり、第２偏向電磁石４による偏向角度は更に大きくなる。
【０１０７】
高エネルギー軌道２０ｃにおいて、第１偏向電磁石３による偏向角度が小さく、荷電粒子線ビームはビーム基軸５０により近い位置で第２偏向電磁石４に入射する。これにより、第２偏向電磁石４における磁場領域の経路長が短くなり、第２偏向電磁石４による偏向角度は更に小さくなる。
【０１０８】
その結果、第２偏向電磁石４を出射した荷電粒子線ビームは、第１焦点２１ａにおいて集束する。
【０１０９】
図１１は本実施形態におけるエネルギー分散に起因するビームズレの抑制効果を更に説明する図である。第３偏向電磁石５により照射角度は１８０度にて照射することを想定する。
【０１１０】
第１焦点２１ａより下流の仮想円軌道開始面２２において、低エネルギー軌道２０ｂのオフセット量は平均エネルギー軌道２０ａのオフセット量より少なく、高エネルギー軌道２０ｃのオフセット量は平均エネルギー軌道２０ａのオフセット量より多くなる。一方、低エネルギー軌道２０ｂの偏向半径は平均エネルギー軌道２０ａの偏向半径より小さく、高エネルギー軌道２０ｃの偏向半径は平均エネルギー軌道２０ａの偏向半径より大きくなる。
【０１１１】
その結果、第３偏向電磁石５により偏向された荷電粒子線ビームは、体表面２３付近の第２焦点２１ｂにおいて集束する。
【０１１２】
これにより、エネルギー分散に起因する荷電粒子線ビームのズレを抑制し、より正確な照射ができる。
【０１１３】
<第３実施形態>
図１２は、第３実施形態の偏向装置の概略構成を示す図である。第１実施形態の第１偏向電磁石３および第２偏向電磁石４は、ビーム基軸５０より上方にて磁場を発生するのに対し、第３実施形態の第１偏向電磁石３Ｂおよび第２偏向電磁石４Ｂは、ビーム基軸５０に対し上下対称な領域に磁場を発生する。また、第１実施形態の真空容器３０は、略半円形の貫通孔３１を設けているのに対し、第３実施形態の真空容器３０Ｂは、患者体軸が貫通可能な略円形の貫通孔３１Ｂを設けている。また、真空容器３０Ｂは、患者の体軸方向から見て、ビーム基軸５０に対し上下対称なビーム軌道をすべて覆うような更に幅広の形状となる。図１３は、真空容器３０Ｂの詳細構成図である。その他の構成は、第１実施形態と同じである。
【０１１４】
制御装置４０が、第１実施形態と同じような制御をおこなうと、無励磁状態時には軌道５１の照射角度は０度になり、低励磁状態時には軌道５２の照射角度は９０度になり、高励磁状態時には軌道５３の照射角度１８０度になる。制御装置４０が励磁電流量を連続的に変えることにより、照射角度も０度〜１８０度の範囲で連続的に変化する。
【０１１５】
図１４は、本実施形態特有の偏向装置の動作を説明する図である。
【０１１６】
制御装置４０は、偏向電磁石３〜５第１実施形態と逆向きの磁場を発生するように、励磁電流を制御する。すなわち、第１偏向電磁石３は図示裏面から表面方向へ磁場を発生し、第２偏向電磁石４は図示表面から裏面方向へ磁場を発生し、第３偏向電磁石５は図示表面から裏面方向へ磁場を発生する。
【０１１７】
無励磁状態時には第１実施形態と同じように軌道５１の照射角度は０度（３６０度）になる。一方、低励磁状態時には軌道５４の照射角度は２７０度になり、高励磁状態時には軌道５３の照射角度１８０度になる。制御装置４０が励磁電流量を連続的に変えることにより、照射角度も１８０度〜３６０度の範囲で連続的に変化する。
【０１１８】
第１実施形態において３６０度照射を行う場合、患者２を仰向け状態からうつぶせ状態に移動させる手間があった。本実施形態においては、患者２を移動することなく、３６０度照射を行うことができる。
【０１１９】
なお、第３実施形態の変形例として、第２偏向電磁石４Ｂの断面形状をビーム基軸５０から離れるに従って拡幅（第２実施形態参照）
してもよい。
【０１２０】
<第４実施形態>
第１〜３実施形態においては、粒子線が陽子線であることを前提としたが、重粒子線でもよい。近年、粒子線治療では、これまでの陽子だけでなく炭素等の重粒子が用いられるようになってきた。
【０１２１】
図１５は、一般的な重粒子照射にかかる課題を説明する図である。従来の一般的な照射は無磁場空間にておこなわれる。重粒子の高エネルギー原子核は、直線軌道を描いて体内に入射し、体内組織を構成する元素の原子核と衝突して、幾つかの軽元素の原子核２９ａ,２９ｂに分裂する可能性がある。その際、この分裂核２９ａ,２９ｂが飛散する可能性がある。
【０１２２】
図１６は、本実施形態の飛散低減効果を説明する図である。本実施形態の照射は、第３偏向電磁石５により発生する患者体軸方向の磁場空間にておこなわれる。磁場空間において、重粒子の高エネルギー原子核は、円軌道を描いて体内に入射する。このとき、体内組織を構成する元素の原子核と衝突して、幾つかの軽元素の原子核２９ａ,２９ｂに分裂した場合でも、分裂核２８ａ,２８ｂは、強磁場に巻きつく。これにより飛散を低減できる
【符号の説明】
【０１２３】
１ 粒子ビーム
２ 患者
３ 第１偏向電磁石
４ 第２偏向電磁石
５ 第３偏向電磁石
６aスキャニング磁石（周方向）
６bスキャニング磁石（患者体軸方向）
８ クライオスタット
９ａ超電導コイル
９ｂ シールドコイル
１２  支持部材
１３  間隙部（第１偏向電磁石）
１４  間隙部（第２偏向電磁石）
１５  間隙部（第３偏向電磁石）
１６  空洞部（第３偏向電磁石）
１７  移動ベッド
１８  照射室
２０ａ 平均エネルギー軌道
２０ｂ 低エネルギー軌道
２０ｃ 高エネルギー軌道
２１ａ 第１焦点
２１ｂ 第２焦点
２２ 円軌道開始面
２３ 体表面
２４ 体内
２５ 侵入深さ
２６ 照射効果
２７ ブラッグピーク
２８  ピーク幅
２９ａ，２９ｂ  分裂核
３０  真空容器
３１  貫通孔
３２  開口部
３３  モニタ系
３４  モニタ移動機構
４０  制御装置
４３〜４５  電源
５０  ビーム基軸
５１  軌道（無励磁）
５２  軌道（低励磁）
５３  軌道（高励磁）
５４  軌道（低励磁）
５５  軌道（高励磁）
５６  オフセット量
【図１】
2012011038.tif 000010
【図２】
2012011038.tif 000011
【図３】
2012011038.tif 000012
【図４】
2012011038.tif 000013
【図５】
2012011038.tif 000014
【図６】
2012011038.tif 000015
【図７】
2012011038.tif 000016
【図８】
2012011038.tif 000017
【図９】
2012011038.tif 000018
【図１０】
2012011038.tif 000019
【図１１】
2012011038.tif 000020
【図１２】
2012011038.tif 000021
【図１３】
2012011038.tif 000022
【図１４】
2012011038.tif 000023
【図１５】
2012011038.tif 000024
【図１６】
2012011038.tif 000025