JP4742328B2 - シンクロトロン加速器の制御方法、シンクロトロン加速器、並びに、シンクロトロン加速器を制御するためのコンピュータプログラム及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、シンクロトロン加速器の制御方法、シンクロトロン加速器、並びに、シンクロトロン加速器を制御するためのコンピュータプログラム及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に関する。特に、様々な影響を受けて変化するビーム輸送系内でのビームのずれを、簡易な設備により補正するのに好適な、シンクロトロン加速器の制御方法、シンクロトロン加速器、並びに、シンクロトロン加速器を制御するためのコンピュータプログラム及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に関する。

従来、図１に示される如く、がん治療等のための粒子線照射システム１０において、シンクロトロン加速器１２から照射装置１４に供給される荷電粒子ビーム（以下、ビームと称する）２の軸に、ビーム輸送系２０の各構成要素の形状又は寸法公差等により、若干のずれが生じる。このために、ビーム輸送系２０内に設置されている多数のステアリング電磁石２２、四極電磁石２４、及び、ビームモニタ（ビーム位置モニタ）２６、２８とを用いてビーム軸を補正していた。例えば、特許文献１には、ビームの通過位置を検出する第１ビーム位置モニタ及び第２ビーム位置モニタと、第１ステアリング電磁石及び第２ステアリング電磁石とを設けた粒子線照射システムが記載されている。

特開２００３−２８２３００号公報（段落［０００８］、図１等）

しかしながら、ビームは一旦補正しても時間と共にずれが発生するので、その度に補正する必要がある。特に、特許文献１に記載の粒子線照射システム１０のように、ビーム輸送系２０における多数のステアリング電磁石２２やビームモニタ２６によりシンクロトロン加速器１２から出射されたビームを補正する方法では、補正に多数の電磁石の調整が必要となるので調整方法も複雑となり、維持管理の手間やコストが増えるといった問題があった。

又、粒子線照射システム１０では、多数の電磁石を時間的に変化させてシステムを運転するが、これらの磁場を完全に再現するように制御することは実質上不可能である。例えば、時間的に変化する磁場を１０^−５台で測定し、かつフィードバックなどの制御を多数の電磁石に対して行うのは現実的でない。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、様々な影響を受けて変化するビーム輸送系内でのビームのずれを、簡易な設備により補正することを課題とする。

本発明は、荷電粒子ビームを出射するシンクロトロン加速器の制御方法であって、前記荷電粒子ビームの加速器軌道上のシンクロビーム軸と前記加速器からの出射ビーム取り出し位置において直交する平面と、前記シンクロビーム軸及び前記出射ビームの軸を含む平面との交線がなす軸方向における出射ビームのずれを検出し、該検出された出射ビームの軸方向のずれに基づき、前記加速器内に設けられた電磁石により前記出射ビームの軸方向のずれを補正することで、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、荷電粒子ビームを出射するシンクロトロン加速器であって、前記荷電粒子ビームの加速器軌道上のシンクロビーム軸と前記加速器からの出射ビーム取り出し位置において直交する平面と、前記シンクロビーム軸及び前記出射ビームの軸を含む平面との交線がなす軸方向における出射ビームのずれを検出するビーム検出手段と、前記加速器内に設けられた電磁石と、前記ビーム検出手段により検出された出射ビームの軸方向のずれに基づき、前記電磁石により前記出射ビームの軸方向のずれを補正する手段と、を備えたことで、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、シンクロトロン加速器から出射される荷電粒子ビームを制御するためのコンピュータプログラムであって、前記荷電粒子ビームの加速器軌道上のシンクロビーム軸と前記加速器からの出射ビーム取り出し位置において直交する平面と、前記シンクロビーム軸及び前記出射ビームの軸を含む平面との交線がなす軸方向における出射ビームのずれを得るステップと、該出射ビームの軸方向のずれに基づき、前記加速器内に設けられた電磁石により前記出射ビームの軸方向のずれを補正するステップと、を含むことで、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、前記コンピュータプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を提供するものである。

前記調整を、前記加速器内に設けられた四極電磁石により行うことができる。

又、前記電磁石は四極電磁石とすることができる。

又、前記出射ビームの軸方向のずれをビームプロファイルモニタにより検出することができる。

本発明によれば、加速器のベータトロン振動数を補正することにより、出射ビームのずれを補正するようにしたので、一旦ビームを補正しておくと、その後ビームのずれが発生した場合に、ビーム輸送系内のステアリング電磁石等が無くても、加速器内の電磁石の調整のみで元の補正後の状態に復元することができるので、維持管理の手間やコストの軽減を図ることができる。

又、ビーム輸送系内のステアリング電磁石等が不要になり、簡易な設備によりビームを補正することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図２は、本発明に係る実施形態の粒子線照射システムを示す構成図である。

図２に示される如く、粒子線照射システム３０は、ビーム２を加速して出射するシンクロトロン加速器（以下、加速器と称する）４０と、該加速器４０から出射されたビーム２を輸送するビーム輸送系５０と、該ビーム輸送系５０を経たビーム２を患者（照射対象）４の腫瘍部６に照射する照射装置５２と、ビーム２の位置を制御するビーム制御装置６０等から構成されるビーム制御システム７０とを備えている。

前記加速器４０は、ビーム２を加速する高周波加速空洞４２と、ビーム２を偏向する偏向電磁石４４と、ビーム２を収束・発散させる四極電磁石４６とを備え、ビーム２の荷電粒子を加速器４０軌道上のシンクロビーム軸Ａ１で加速させ、出射ビーム軸Ａ２方向に出射させるようになっている。前記四極電磁石４６は、図３に示される如く、シンクロビーム軸Ａ１に向いた鉄芯等に巻かれたコイル４８を有し、シンクロビーム軸Ａ１に対して対向した磁極同士が、Ｘ軸及びＺ軸に対してほぼ４５°になるように設置されている。ここで、Ｘは加速器４０のビーム軌道面上においてシンクロビーム軸Ａ１に対して垂直方向の座標、Ｚは鉛直方向の座標である。

前記ビーム輸送系５０は、加速器４０から出射されたビーム２のビーム中心位置等のビーム位置から出射ビームのずれを検出するビームモニタ５４を備えている。なお、図１に示したステアリング電磁石２２及びその下流に対になってあるビームモニタ２６は設置されていない。

前記ビームモニタ５４は、オンラインモニタリング可能な準非破壊型ビームプロファイルモニタで、図４に例示される如く、内部にワイヤ５２Ａがほぼ等間隔に張られ、ビーム２を構成する荷電粒子の位置を検出するマルチワイヤ比例計数管である。

前記ビーム制御装置６０は、図２に示した如く、ビームモニタ５４により検出されたビーム位置の情報に基づき、加速器４０内に設けた四極電磁石４６により、ビーム輸送系５０におけるビーム２のずれを補正するようになっている。具体的には、四極電磁石電源６２を介して、四極電磁石４６のコイル４８に流す電磁石電流を変えて、電磁石間隙の磁場（ビームが通るところの磁場）を制御するようになっている。

又、ビーム制御装置６０は、コンピュータのＣＰＵ６０Ａと制御用のプログラム等を保持するメモリ６０Ｂと、記憶媒体６０Ｃとを備えている。

本実施形態のビーム制御システム７０は、前記ビームモニタ５４と、ビーム制御装置６０と、四極電磁石電源６２と、四極電磁石４６とを備え、簡易にビームのずれを補正するようになっている。

図５は、前記シンクロビーム軸Ａ１、出射ビーム軸Ａ２方向等の位置関係を示した図である。本発明では、ビーム２の加速器４０軌道上のシンクロビーム軸Ａ１と、加速器４０からの出射ビーム取り出し位置Ｃにおいて直交する平面Ｐ１と、前記出射ビームの軸Ａ２と出射ビーム取り出し位置Ｃにおけるシンクロビーム軸Ａ１とを含む平面Ｐ２との交線がなす軸Ａ３方向のベータトロン振動数を、シンクロビーム軸Ａ１上で調整することにより、出射ビームの軸Ａ２方向のずれを補正するようになっている。軸Ａ３は、出射ビーム取り出し位置ＣにおけるＸ軸である。

なお、図５では、シンクロビーム軸Ａ１全体が平面Ｐ２に含まれているが、本発明は、これに限定されず、出射ビーム取り出し位置Ｃで交差する以外は、シンクロビーム軸Ａ１が平面Ｐ２に含まれない場合も含む。

次に、図６に基づき、前記ビーム制御システム７０におけるビームのずれの補正方法について説明する。

まず、ビームモニタ５４により加速器４０から出射されたビーム２のビーム位置、例えばビーム２の中心位置を検出し、ビーム位置情報とする。そして、このビーム位置情報をビーム制御装置６０に送る。

次に、ビーム制御装置６０において、検出したビーム位置情報に基づき、四極電磁石４６により前記軸Ａ３方向のベータトロン振動数を調整するための操作量を算出する。ここで、粒子線照射システム３０におけるビームのエネルギー情報や、ビーム輸送系５０が複数ある場合のビームコース情報や、ビーム輸送系５０におけるビームモニタ５４の設置位置での光学系等の影響も加味して、ＣＰＵ６０Ａにおいて、前記操作量が算出される。

この算出された操作量に基づき、ビーム位置が所望の値になるように、四極電磁石４６の各コイル４８に流す電磁石電流を、四極電磁石電源６２を介して制御し、加速器４０のベータトロン振動数を調整し、ビーム輸送系５０内でのビーム位置を補正する。

ここで、図７に示される如く、ベータトロン振動数ΔＱ_Ｘとビーム出射角ΔＸ’とは相関があるので、ベータトロン振動数を調整することで、ビーム位置を補正できる。ここで、Ｘ’は、ｄＸ／ｄｓで、ビーム軌道の傾きを表わし、ｓは基準点からビームの軌道方向に沿った長さである。

次に、本発明の原理について説明する。

従来は、ビーム位置のずれの原因が不明であったため、図１に示した如く、患者４の腫瘍部６におけるアイソセンタ（照射中心位置）でのビーム位置が変化しないように、ビーム輸送系２０内にステアリング電磁石２２を多数設置し、補正を行っていた。

しかし、本発明者らは、鋭意研究の結果、加速器１２、４０内でのベータトロン振動数の微妙な変化が、ビーム輸送系２０、５０におけるビーム位置のずれに大きく影響を及ぼしていることを見出した。

一般的に、電磁石は、温度変化やヒステリシスなどの影響によって、同じ電流値であっても異なる磁場を発生させてしまう。この磁場の微小変化が、ベータトロン振動数の微小変化をもたらす。特に、シンクロトロン加速器からの遅い取り出し法（ビームのパルス幅が広いビーム制御）において、ビーム２の出射角がベータトロン振動数の微小変化の影響を大きく受けてしまう。

具体的には、図７に示した如く、ビーム出射角ΔＸ’は、ベータトロン振動数ΔＱ_Ｘに依存し、図８に示される如く、ベータトロン振動数の微小変化によって、図８中矢印Ａで示すように荷電粒子群がずれ、ビーム２の出射角度が変化してしまう。これにより、図２に示した如く、ビーム輸送系５０内や腫瘍部６のアイソセンタでのビーム位置が変化してしまう。ここで、図８中のＥＳＤｇａｐとは、加速器４０の出射口付近に設けられた静電デフレクタの電極間隙であり、おおよそ１３ｍｍである。

そして、加速器４０内の四極電磁石４６は、通常、荷電粒子ビームに対するレンズ用として使用されるが、四極電磁石４６内の各コイル４８を流れる電流の量やバランスを変化させ、ベータトロン振動を調整することで、ビーム輸送系５０内のビーム位置のずれを補正できることを見出した。

以上の原理により、粒子線照射システム３０を構成したので、従来の粒子線照射システム１０は、図１に示した如く、多数のステアリング電磁石２２や、ビームモニタ２６を有していたが、本発明に係る実施形態の粒子線照射システム３０は、図２に示した如く、ビーム輸送系５０におけるステアリング電磁石と、これと対になったビームモニタ２６とが不要となり、ビームモニタ５４を備えたビーム制御システム７０によりビーム位置を補正することができる。

又、多数のステアリング電磁石等が不要になったので、粒子線照射システム３０を小型化することができる。又、多数のステアリング電磁石等の制御対象が減ったため、制御がしやすく、しかも、安定した制御を図ることができる。

なお、本実施形態のように四極電磁石４６の他に多極電磁石等といった加速器４０内に設けられた電磁石により、ビーム位置を補正してもよい。

又、ビームモニタ５４として、マルチワイヤ比例計数管の他に、ビーム軌道上に出入れ可能な蛍光スクリーンに発生した蛍光をＣＣＤカメラでモニタする装置でもよい。

従来の粒子線照射システムを示す構成図 本発明に係る実施形態の粒子線照射システムを示す構成図 前記粒子線照射システムの加速器の四極電磁石を示す断面図 前記粒子線照射システムのビームモニタの例を示す斜視図 前記加速器における軌道上の軸、出射ビームの軸等の関係を示す図 前記実施形態のビーム制御システムの構成を示す説明図 本発明の原理を説明するための、ビーム出射角のベータトロン振動数依存性を示す線図 同じく位相空間上での取り出しビームを示すプロット図

符号の説明

２…荷電粒子ビーム
３０…粒子線照射システム
４０…加速器
４４、４６…電磁石
５４…ビームモニタ
６０…ビーム制御装置
６０Ａ…ＣＰＵ（コンピュータ）
６０Ｂ…メモリ（プログラム）
６０Ｃ…記憶媒体
６２…四極電磁石電源
７０…ビーム制御システム
Ａ１…シンクロビーム軸
Ａ２…出射ビーム軸
Ａ３…軸
Ｃ…出射ビーム取り出し位置
Ｐ１、Ｐ２…平面

Claims (7)

1. 荷電粒子ビームを出射するシンクロトロン加速器の制御方法であって、
   前記荷電粒子ビームの加速器軌道上のシンクロビーム軸と前記加速器からの出射ビーム取り出し位置において直交する平面と、前記シンクロビーム軸及び前記出射ビームの軸を含む平面との交線がなす軸方向における出射ビームのずれを検出し、
   該検出された出射ビームの軸方向のずれに基づき、前記加速器内に設けられた電磁石により前記出射ビームの軸方向のずれを補正することを特徴とするシンクロトロン加速器の制御方法。
2. 前記調整を、前記加速器内に設けられた四極電磁石により行うことを特徴とする請求項１に記載のシンクロトロン加速器の制御方法。
3. 荷電粒子ビームを出射するシンクロトロン加速器であって、
   前記荷電粒子ビームの加速器軌道上のシンクロビーム軸と前記加速器からの出射ビーム取り出し位置において直交する平面と、前記シンクロビーム軸及び前記出射ビームの軸を含む平面との交線がなす軸方向における出射ビームのずれを検出するビーム検出手段と、
   前記加速器内に設けられた電磁石と、
   前記ビーム検出手段により検出された出射ビームの軸方向のずれに基づき、前記電磁石により前記出射ビームの軸方向のずれを補正する手段と、
   を備えたことを特徴とするシンクロトロン加速器。
4. 前記電磁石が四極電磁石であることを特徴とする請求項３に記載のシンクロトロン加速器。
5. 前記ビーム検出手段がビームプロファイルモニタであることを特徴とする請求項３又は４に記載のシンクロトロン加速器。
6. シンクロトロン加速器から出射される荷電粒子ビームを制御するためのコンピュータプログラムであって、
   前記荷電粒子ビームの加速器軌道上のシンクロビーム軸と前記加速器からの出射ビーム取り出し位置において直交する平面と、前記シンクロビーム軸及び前記出射ビームの軸を含む平面との交線がなす軸方向における出射ビームのずれを得るステップと、
   該出射ビームの軸方向のずれに基づき、前記加速器内に設けられた電磁石により前記出射ビームの軸方向のずれを補正するステップと、
   を含むことを特徴とするシンクロトロン加速器を制御するためのコンピュータプログラム。
7. 前記請求項６に記載のコンピュータプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。

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