JP2019180654A - 収束電磁石及び荷電粒子ビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い角度範囲から入射する荷電粒子ビームを偏向し、アイソセンターに収束させる収束電磁石を提供する。【解決手段】本発明は、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た収束電磁石であって、コイル対は、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、入射した荷電粒子ビームは、有効磁場領域により偏向され、Ｘ軸に対する照射角θでアイソセンターに照射され、有効磁場領域の出射側の境界上の任意の点Ｐ２は、アイソセンターから等距離ｒ１の位置にあり、有効磁場領域の入射側の境界上の点Ｐ１と点Ｐ２は、半径ｒ２及び中心角θ＋φの円弧上にあり、偏向起点Ｑと点Ｐ１との間の距離Ｒは、偏向起点Ｑとアイソセンターとの間の距離をＬとすると、関係式（４）を満たす、収束電磁石を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、収束電磁石及び収束電磁石を用いた荷電粒子ビーム照射装置に関する。

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。

荷電粒子ビームを物体に照射すると、物体内の荷電粒子ビームの経路に沿って物体にエネルギー（線量）が付与される。物体内部の限られた領域（標的）に集中して線量を付与する場合、荷電粒子ビームが標的に重なるように、荷電粒子ビームを様々な方向から照射することで線量の集中性を高めることが行われる。

粒子線治療の分野において、正常な組織の被ばくを抑えつつ、体内の標的に多くの線量を付与するために、複数の方向から荷電粒子ビームを照射する方法が一般的である。複数の方向から標的に荷電粒子ビームを照射する装置として、治療室に複数の固定照射ポートを設け、荷電粒子ビームの特性を変化させる機器を複数の固定照射ポートで共用する装置が知られている（特許文献１）。また、標的自体を回転させることで、１つの固定照射ポートから出射された荷電粒子ビームを複数の方向から標的に照射する装置（特許文献２）や、荷電粒子ビームの輸送装置全体を回転させる回転照射装置（特許文献３）も知られている。

特開２００２−１１３１１８号公報 特開昭６０−２０４３９号公報 特許第２８３６４４６号

特許文献１に記載の方法は、標的に荷電粒子ビームを照射する方向の数が、固定照射ポートの数と同じであり、荷電粒子ビームを標的に照射する方向（照射角）は、連続的ではない。また、照射方向の数だけ荷電粒子ビームの輸送ラインも必要となり、製造コストや設置スペースの面でも問題がある。特許文献２に記載の方法では、患者を回転させることで標的に様々な方向から荷電粒子ビームを照射するものであるため、回転する患者への負荷が大きく、回転に起因する腫瘍（標的）の変形が起こりやすい問題がある。特許文献３に記載の方法では、標的に対して荷電粒子ビームを連続的に照射できる一方で、荷電粒子ビームの輸送ライン及び照射ポートを一体的に回転させるための巨大な機構が必要となり、そのような機構を製造するコストや設置するスペースの面でも問題がある。

このような事情に鑑み、本発明は、広い角度範囲から入射する荷電粒子ビームを偏向しアイソセンターに収束させる収束電磁石、及びそれを用い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。

本発明には以下の態様〔１〕〜〔１１〕が含まれる。
〔１〕
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た収束電磁石であって、
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ｒ_１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ｒ_２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）：
を満たす、前記収束電磁石。
〔２〕
前記収束電磁石は、前記コイル対を二組以上備え、
前記二組以上のコイル対は、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、
前記二組以上のコイル対のうち第１のコイル対及び第２のコイル対に電流切替器が接続されており、
前記電流切替器は、電流を前記第１のコイル対及び前記第２のコイル対のいずれか１つに供給するよう構成され、
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、〔１〕に記載の収束電磁石。
〔３〕
前記偏向起点Ｑと前記アイソセンターはＸ軸上にある、〔１〕又は〔２〕に記載の収束電磁石。
〔４〕
荷電粒子ビームを生成する加速器と、
前記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装置と
〔１〕〜〔３〕のいずれか１項に記載の収束電磁石と、
前記収束電磁石に電流を供給し励磁するための電源装置と、
を有する荷電粒子ビーム照射装置。
〔５〕
前記振分電磁石装置と前記収束電磁石とを接続する真空ダクト
をさらに有し、
前記真空ダクトは、ＸＹ面において扇型形状をしており、前記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るよう構成されている、〔４〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔６〕
Ｘ軸のまわりに回転角ωで前記収束電磁石を回転させる駆動装置、
をさらに有し、
前記回転角ωと前記照射角θの任意の組み合わせの範囲から、荷電粒子ビームをアイソセンターに照射するよう構成されている〔４〕又は〔５〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔７〕
前記収束電磁石は、前記荷電粒子ビーム照射装置が設置される照射室の床面に対して前記収束電磁石の長手方向を傾斜して配置できるように構成されている、〔４〕〜〔６〕のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔８〕
前記振分電磁石装置の上流側に設けられ、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をさらに有する〔４〕〜〔７〕のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔９〕
荷電粒子ビームのビーム形状を照射角θごとに調整するために、前記四極電磁石の励磁電流は、照射角θごとに制御される、〔８〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔１０〕
前記振分電磁石装置の上流側に設けられたステアリング電磁石装置と、
前記収束電磁石の前記出射側に設けられたビームモニタ装置と
をさらに有し、
前記ビームモニタ装置からの荷電粒子ビームのビーム位置の情報から、前記振分電磁石装置、前記収束電磁石、及び前記ステアリング電磁石のうちの少なくとも１つの励磁電流をフィードバック制御する、〔４〕〜〔９〕のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔１１〕
前記アイソセンターにある標的を挟むように設けられた画像撮影装置をさらに有し、
前記画像撮影装置は、前記標的に荷電粒子ビームを照射する前又は照射中に、前記標的の画像情報を生成するよう構成されている、〔４〕〜〔１０〕のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。

本発明の一実施形態に係る収束電磁石は、荷電粒子ビームを標的に照射する方向（照射角θ）を連続的にできる。収束電磁石は、広い角度範囲（例えば±１０度〜±９０度未満）から荷電粒子ビームが入射されてきたとしても、荷電粒子ビームを標的に収束できる。収束電磁石１０を用いることで、標的（患者）を動かす必要もなく、患者への負荷及び移動にともなう標的の変形を防止又は低減できる。また、収束電磁石１０では、荷電粒子ビームが偏向角φに応じて、標的に収束するような照射角θが決まるように有効磁場領域１５が形成されるため、該収束電磁石を物理的に動かすための巨大な機構を必要とせず、その分だけ製造コストや設置スペースの問題を低減できる。

一実施形態に係る収束電磁石の概略構成図である。 一実施形態に係る有効磁場領域の形成を説明するための図である。 一実施形態に係る電源装置の概略構成図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態は、広い角度範囲から入射する荷電粒子ビームを偏向し、アイソセンターに収束させる収束電磁石１０に関する。

図１（ａ）は、本実施形態に係る収束電磁石１０の概略構成図である。荷電粒子ビームの進行方向をＸ軸、収束電磁石１０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１０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。

ここで、本実施形態では図２に示すようにアイソセンター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が、これに限定されない。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４５度とし、マイナス側の最大偏向角（φ＝−φmax）を−３０度とするなどしてもよい。

収束電磁石１０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１５ａ、１５ｂ）、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１０の１組のコイル対が生成する有効磁場領域は、図１（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。

図１（ｂ）は、収束電磁石１０のＡ−Ａ線断面図である。本実施形態では、収束電磁石１０は、好ましくは少なくとも二組のコイル対１１ａ、１１ｂを備える。コイル１１ａ、１１ｂの内部にはそれぞれ磁極１２ａ、１２ｂが組み込まれ、磁極１２ａ、１２ｂにはヨーク１３が接続されている。収束電磁石１０には後述する電源装置（図３）が接続されている。電源装置からコイル対１１ａ、１１ｂに電流（励磁電流ともいう。）が供給されることで、収束電磁石１０が励磁し、有効磁場領域１５ａ、１５ｂが形成される。なお、有効磁場領域１５ａの範囲と有効磁場領域１５ｂ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）の偏向角範囲とマイナス（−Ｙ軸方向）の偏向角範囲が非対称であれば、それに応じて有効磁場領域１５ａ、１５ｂ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低減できる。

振分電磁石装置２０により偏向され、収束電磁石１０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。

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１１ａの有効磁場領域１５ａにより偏向され、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１１ｂの有効磁場領域１５ｂにより偏向され、アイソセンターＯに照射される。有効磁場領域１５ａと有効磁場領域１５ｂの磁場の向きは互いに反対方向である。なお、振分電磁石装置２０から偏向角φ＝０で収束電磁石１０に入射する荷電粒子ビームは、有効磁場領域１５ａ、１５ｂのいずれか又は両領域１５ａ、１５ｂの間を通過し、アイソセンターＯに収束する。

収束電磁石１０に入射する荷電粒子ビームの偏向角φは、振分電磁石装置２０により制御される。振分電磁石装置２０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）。振分電磁石装置２０は、磁場の強度及び向き（Ｚ軸方向）を制御することで、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１０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。

加速器と振分電磁石装置２０との間及び振分電磁石装置２０と収束電磁石１０との間には真空ダクト（不図示）が設けられ、荷電粒子ビームは、その中を輸送されることで、途中で大きく減衰しない。

図２を参照して、収束電磁石１０の有効磁場領域１５ａを形成するための計算式について説明する。なお、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１０の有効磁場領域１５ａについて説明するが、有効磁場領域１５ｂについても同じであるため、説明は省略する。

まず、収束電磁石１０の荷電粒子ビームの出射側１７の有効磁場領域１５ａの境界は、アイソセンターＯから等距離ｒ_１の位置にある範囲となるように決める。次に、収束電磁石１０の荷電粒子ビームの入射側１６の有効磁場領域１５ａ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、振分電磁石装置２０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。

偏向角φで輸送されてきた荷電粒子ビームは、入射側１６の有効磁場領域１５ａの境界上の任意の点Ｐ１から入り、有効磁場領域１５ａ内で曲率半径ｒ_２の円運動を行い（このときの中心角は（φ＋θ）となる。）、出射側１７の有効磁場領域１５ａの境界上の点Ｐ２から出て、アイソセンターＯに照射される。つまり、点Ｐ１と点Ｐ２とは半径ｒ_２及び中心角（φ＋θ）の円弧上にある。

ＸＹ面内でアイソセンターＯを原点とするＸＹ座標系を想定する。出射側１７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１６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。

ここで、有効磁場領域１５ａ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ｒ_２は、式（５）で表される。

上記関係式（１）〜（５）に基づき、収束電磁石１０のコイル対１１ａ及び磁極１２ａの形状及び配置を調整し、コイル対１１ａに流す電流を調整することで、有効磁場領域１５ａの境界の形状を調整できる。すなわち、出射側１７の有効磁場領域１５ａ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ｒ_１となるように境界を定め、有効磁場領域１５ａの磁束密度Ｂを調整して式（５）からｒ_２を決め、入射側１６の有効磁場領域１５ａ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１６の有効磁場領域１５ａ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１０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１０、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。

上記のようにして求まる収束電磁石１０の有効磁場領域１５ａ、１５ｂ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１０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（不図示）に記憶させておき、偏向角φと収束電磁石１０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１０のコイル対１１ａ及び磁極１２ａ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。

図３は、収束電磁石１０に電流を供給する電源装置３０の概略構成図である。電源装置３０は、収束電磁石１０のコイル対１１ａ、１１ｂの電流供給端であるブスバー１８ａ、１８ｂに接続された電流切替器３１と、電源切替器３１を通じてコイル１１ａ、１１ｂに電流を流す電源３２と、電流切替器３１及び電源３２を制御する照射角制御部３３とを備える。

荷電粒子ビームは基本的にコイル対１１ａ、１１ｂのいずれか一方を通過するものであるため、電源装置３０は、電源３２からコイル対１１ａ、１１ｂに供給する電流（励磁電流）を電流切替器３１により切り替え、荷電粒子ビームが通過するコイル対１１ａ、１１ｂのいずれかに電流を流すように構成されている。

電流切替器３１及び電源３２は、照射角制御部３３により制御される。荷電粒子ビームのエネルギー及び／又は振分電磁石装置２０による荷電粒子ビームの偏向角φに応じて、照射角制御部３３は、電源３２を制御することでコイル対１１ａ、１１ｂに流す電流を制御し、電流切替器３１を制御することで電流を供給すべきコイル対１１ａ、１１ｂを切り替える。照射角制御部３３が電流切替器３１によりコイル対１１ａ、１１ｂに流す電流を切り替えることで、電源３２に同時に接続されるコイル対の数が減り、減った分のコイル対の分だけインダクタンスと抵抗を低減できることから、電源３２の電源容量を小さくできる。

照射角制御部３３は、振分電磁石装置２０による荷電粒子ビームの偏向方向（偏向角φ）と同期制御するようにしてもよい。また、照射角制御部３３は、振分電磁石装置２０から周期的に荷電粒子ビームの偏向角φについての情報を入力し、それに基づき電流切替器３１及び電源３２を制御するようにしてもよい。なお、偏向角φに応じた荷電粒子ビームのエネルギー及び励磁量（コイル対１１ａ、１１ｂごとの電流値）を予め求め、照射角制御部３３に偏向角φに関連付けて記憶させておき、照射角制御部３３は、それを参照することで、偏向角φに応じて励磁量を制御するようにしてもよい。

なお、コイル１１ａ、１１ｂに流す電流量がコイル対１１ａ、１１ｂの両方で等しくてよい場合、すなわち偏向角φごとに励磁量を変えない場合には、コイル対１１ａとコイル対１１ｂとを互いに直列に接続し、一つの電源３２により両方のコイル対１１ａ、１１ｂに電流を流すようにしてもよい。この場合、電源装置３０は、電流切替器３１を備えていなくてもよい。

本実施形態に係る収束電磁石１０は、荷電粒子ビームを標的（アイソセンターＯ）に照射する方向（照射角θ）を連続的にできる。収束電磁石１０は、広い角度範囲（例えば±１０度〜９０度未満）から荷電粒子ビームが入射されてきたとしても、荷電粒子ビームを標的に収束できる。収束電磁石１０を用いることで、標的（患者）を動かす必要もなく、患者を動かす従来技術に比べて、患者への負荷及び移動にともなう標的の変形を防止又は低減できる。また、収束電磁石１０では、荷電粒子ビームが偏向角φに応じて、標的に収束するような照射角θが決まるように有効磁場領域が形成されるため、該収束電磁石を物理的に動かすための巨大な機構を必要とせず、その分だけ製造コストや設置スペースの問題を低減できる。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態は、第１実施形態に係る収束電磁石１０を用いた荷電粒子ビーム照射装置１００に関する。

図４（ａ）は、本実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置１００の概略構成図であり、図４（ｂ）は荷電粒子ビーム照射装置１００の上流側の加速器４０から下流側の収束電磁石１０までの概略斜視図である。荷電粒子ビーム照射装置１００は、収束電磁石１０、振分電磁石装置２０、電源装置３０、及び加速器４０を有する。また、荷電粒子ビーム照射装置１００は、ビームスリット装置５０、四極電磁石装置５２、ステアリング電磁石装置５４、及びビームモニタ装置６０のうちの少なくとも１つ以上をさらに有するようにしてもよい。

加速器４０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４０で生成された荷電粒子ビームは、内部が真空に保たれた真空ダクト７０中を通じて振分電磁石装置２０に導かれる。荷電粒子ビーム照射装置１００がビームスリット装置５０、四極電磁石装置５２、及びステアリング電磁石装置５４を有する場合は、加速器４０、ビームスリット装置５０、四極電磁石装置５２、ステアリング電磁石装置５４、及び振分電磁石装置２０それぞれの間は真空ダクト７０で接続される。

ビームスリット装置５０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スリットと、スリット幅を制御する制御部を備える。該制御部は、後述するように、ビームモニタ装置６０からの情報を基にスリット幅を制御し、ビーム形状及び／又は線量を調整するようにしてもよい。

四極電磁石装置５２は、荷電粒子ビームのビーム形状を調整するための１つ以上の四極電磁石と、四極電磁石に流す電流を制御し、ビーム形状の調整量を制御する制御部とを備える。該制御部は、後述するように、ビームモニタ装置６０からの情報を基に四極電磁石に流す電流量を制御し、ビーム形状を調整するようにしてもよい。例えば、四極電磁石装置５２は、Ｙ軸方向のビーム形状を調整するための四極電磁石と、Ｚ軸方向のビーム形状を調整するための四極電磁石との２つの四極電磁石を少なくとも備える。

ステアリング電磁石装置５４は、荷電粒子ビームのビーム位置を微調整するための１つ以上の電磁石と、該電磁石に流す電流を制御し、荷電粒子ビームのビーム位置を制御する制御部を備える。該制御部は、ビームモニタ装置６０からの情報を基に、電磁石に流す電流を制御し、ビーム位置を調整するようにしてもよい。

荷電粒子ビームの振分電磁石２０からアイソセンターＯまでの経路は、照射角θに応じて異なることから、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１０よりも上流側に設けられた四極電磁石装置５２は、四極電磁石を励磁する電流を照射角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。また、荷電粒子ビームのビーム形状の調整は、ビームスリット装置５０により行うようにしてもよい。この場合も同様に、ビームスリット装置５０のスリット幅を照射角θごとに制御するようにするとよい。

高い照射精度を維持するためには、アイソセンターＯに照射される荷電粒子ビームの照射角θを正確に制御することが好ましい。しかし、荷電粒子ビーム照射装置１００の各種機器のアライメントエラーや、各種電磁石の磁場の誤差により、照射角θの精度が低下する可能性がある。そこで、収束電磁石１０の出射側１７に、荷電粒子ビームの位置を監視するビームモニタ装置６０を設け、ビームモニタ装置６０から荷電粒子ビームのビーム位置及びビーム形状（ビーム幅など）の情報を、ビームスリット装置５０、四極電磁石装置５２、ステアリング電磁石装置５４、振分電磁石装置２０、及び収束電磁石１０の電源装置３０の照射角制御部３３のうちの１つ以上に出力し、それぞれがフィードバック制御を行うようにするとよい。

例えば、ビームモニタ装置６０からの情報を入力すると、ビームスリット装置５０はスリット幅を制御して荷電粒子ビームのビーム形状を調整し、四極電磁石装置５２は四極電磁石に流す励磁電流を制御して荷電粒子ビームのビーム形状を調整し、ステアリング電磁石装置５４は電磁石に流す励磁電流を制御して荷電粒子ビームのビーム位置を調整し、振分電磁石装置２０は電磁石に流す励磁電流を制御して出射する荷電粒子ビームの偏向角φを調整し、又は照射角制御部３３はアイソセンターＯに照射する荷電粒子ビームの照射角θを調整する。

ビームモニタ装置６０を用いたフィードバック制御により、アイソセンターＯに対する照射精度をより向上できる。なお、フィードバックする情報（ビーム位置及びビーム形状）と、ビームスリット装置５０、四極電磁石装置５２、ステアリング電磁石装置５４、振分電磁石装置２０、及び照射角制御部３３それぞれの調整量との間の関係を予め調べておき、各装置に予め記憶させておくとよい。

荷電粒子ビーム照射装置１００において、振分電磁石装置２０と収束電磁石１０との間には、荷電粒子ビームを輸送するための真空ダクト７２が設けられる。真空ダクト７２は、振分電磁石装置２０の最大偏向角φの範囲をカバーする扇型状（ＸＹ面）の真空ダクトである。ＸＹ面における真空ダクト７２の形状を扇型状とすることで、矩形状のものと比べて小型化でき、設置スペースを低減できる。

真空ダクト７２は、図５に示すように振分電磁石装置２０の出射口に接続された筒状の真空ダクトであってもよい。この構造により、真空ダクトのさらなる小型化及び設置スペースの低減が可能となる。この場合、駆動機構（不図示）が、振分電磁石装置２０の偏向角φに連動して、ＸＹ面においてプラスの最大偏向角（φmax）からマイナスの最大偏向角（−φmax）の範囲で真空ダクト７２を移動させるようにしてもよい。

図６は、荷電粒子ビーム照射装置１００を患者に対する粒子線治療に用いた使用概略図である。荷電粒子ビーム照射装置１００が設置される粒子線治療を行う照射室において、収束電磁石１０を、収束電磁石１０の長手方向を照射室の床面に対して傾斜させて配置することにより、装置の設置に必要な天井高さを低く抑えることができる。この場合、加速器４０からの荷電粒子ビームの進行方向とアイソセンターＯとは一直線上にはないので、振分電磁石装置２０における荷電粒子ビームの偏向起点ＱとアイソセンターＯとを結ぶ線をＸ軸とすると、図２で説明したように関係式（１）〜（５）を基に有効磁場領域１５ａ、１５ｂを形成できる。

〔第３実施形態〕
本発明の第３実施形態は、１組のコイル対１１ａを備えた収束電磁石２００を用いた荷電粒子ビーム照射装置３００に関する。

図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る収束電磁石２００は、第１実施形態の収束電磁石１０のうちコイル対１１ａ、磁極１２ａ、及びヨーク１３を備えたものである。収束電磁石２００は、第１実施形態の収束電磁石１０に比べて、コイル対１１ｂ及び磁極１２ｂの分だけ電磁石を構成するヨーク１３の体積を低減でき、収束電磁石２００の重量も軽くできる。

図示していないが、荷電粒子ビーム照射装置３００は、第２実施形態と同様に、振分電磁石装置２０、電源装置３０、及び加速器４０を有し、さらに、収束電磁石２００をアイソセンターＯを通るＸ軸のまわりに回転させる駆動装置２２０を有する。収束電磁石２００と振分電磁石２０は真空ダクト２４０を通じて接続されている。また、荷電粒子ビーム照射装置３００は、図示していないが、ビームスリット装置５０、四極電磁石装置５２、ステアリング電磁石装置５４、及びビームモニタ装置６０のうちの少なくとも１つ以上をさらに有するようにしてもよい。

図８に示すように、荷電粒子ビーム照射装置３００では、駆動装置２２０が収束電磁石２００をＸ軸のまわりで回転させることで、任意の立体角（Ｘ軸周りの回転角ωとＸＹ平面の照射角θとの組み合わせ）の範囲からアイソセンターＯに荷電粒子ビームを照射できる。このように、荷電粒子ビーム照射装置３００は、患者を動かすことなく、あたかもガンマナイフ機構のような立体的な多方向照射による粒子線治療を可能にする。

〔第４実施形態〕
本発明の第４実施形態は、第２実施形態の荷電粒子ビーム照射装置１００（又は第３実施形態の荷電粒子ビーム照射装置３００）にさらに、体内の標的を見るための画像撮影装置４２０を設けた荷電粒子ビーム照射装置４００に関する。

図９に示すように、Ｘ線又は磁気共鳴技術を用いた画像撮影装置４２０を患者の近くに配置することで、荷電粒子ビームの照射前または照射中に、患者内部の標的（悪性腫瘍）の形状を確認できる。荷電粒子ビームの照射前に、画像撮影装置４２０を用いて体内の標的の形状を確認できれば、照射する荷電粒子ビームを標的の位置により精度良くアライメントすることも可能となる。また、画像撮影装置４２０で撮影した画像情報を基に、時間とともに変化する標的の形状に合わせて、事前に計画された照射領域の形状（荷電粒子ビームの形状）を微調整することも可能となる。また、標的は荷電粒子ビームの照射中にも移動したり変形したりする場合があるが、そのような場合でも荷電粒子ビームの照射中に画像撮影装置４２０を用いて標的の画像情報を取得し、該情報を基に、手動で又は第２実施形態で述べたフィードバック制御により荷電粒子ビームの形状を調整することで、照射精度をより向上できる。

上記実施形態で説明される寸法、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、他の実施形態とともに用いることも可能である。

１０、２００ 収束電磁石
１１ａ、１１ｂ コイル対
１２ａ、１２ｂ 磁極
１３ ヨーク
１５ａ、１５ｂ 有効磁場領域
１６ 荷電粒子ビームの入射側
１７ 荷電粒子ビームの出射側
１８ ブスバー
２０ 振分電磁石装置
３０ 電源装置
３１ 電流切替器
３２ 電源
３３ 照射角制御部
４０ 加速器
５０ ビームスリット装置
５２ 四極電磁石装置
５４ ステアリング電磁石装置
６０ ビームモニタ装置
７０、７２ 真空ダクト
１００、３００、４００ 荷電粒子ビーム照射装置
２２０ 駆動装置
４２０ 画像撮影装置

Claims (11)

1. 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た収束電磁石であって、
   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ｒ_１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ｒ_２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）：
   を満たす、前記収束電磁石。
2. 前記収束電磁石は、前記コイル対を二組以上備え、
   前記二組以上のコイル対は、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、
   前記二組以上のコイル対のうち第１のコイル対及び第２のコイル対に電流切替器が接続されており、
   前記電流切替器は、電流を前記第１のコイル対及び前記第２のコイル対のいずれか１つに供給するよう構成され、
   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１に記載の収束電磁石。
3. 前記偏向起点Ｑと前記アイソセンターはＸ軸上にある、請求項１又は２に記載の収束電磁石。
4. 荷電粒子ビームを生成する加速器と、
   前記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装置と
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の収束電磁石と、
   前記収束電磁石に電流を供給し励磁するための電源装置と、
   を有する荷電粒子ビーム照射装置。
5. 前記振分電磁石装置と前記収束電磁石とを接続する真空ダクト
   をさらに有し、
   前記真空ダクトは、ＸＹ面において扇型形状をしており、前記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るよう構成されている、請求項４に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
6. Ｘ軸のまわりに回転角ωで前記収束電磁石を回転させる駆動装置、
   をさらに有し、
   前記回転角ωと前記照射角θの任意の組み合わせの範囲から、荷電粒子ビームをアイソセンターに照射するよう構成されている請求項４又は５に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
7. 前記収束電磁石は、前記荷電粒子ビーム照射装置が設置される照射室の床面に対して前記収束電磁石の長手方向を傾斜して配置できるように構成されている、請求項４〜６のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
8. 前記振分電磁石装置の上流側に設けられ、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をさらに有する請求項４〜７のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
9. 荷電粒子ビームのビーム形状を照射角θごとに調整するために、前記四極電磁石の励磁電流は、照射角θごとに制御される、請求項８に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
10. 前記振分電磁石装置の上流側に設けられたステアリング電磁石装置と、
    前記収束電磁石の前記出射側に設けられたビームモニタ装置と
    をさらに有し、
    前記ビームモニタ装置からの荷電粒子ビームのビーム位置の情報から、前記振分電磁石装置、前記収束電磁石、及び前記ステアリング電磁石のうちの少なくとも１つの励磁電流をフィードバック制御する、請求項４〜９のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
11. 前記アイソセンターにある標的を挟むように設けられた画像撮影装置をさらに有し、
    前記画像撮影装置は、前記標的に荷電粒子ビームを照射する前又は照射中に、前記標的の画像情報を生成するよう構成されている、請求項４〜１０のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。