加速器システム及び粒子線治療システム
【課題】
粒子線治療装置は、一般に前段加速器とシンクロトロンで構成される加速器システムと照射装置を設置した回転ガントリーで構成される。民間病院への普及に伴い、既存施設に隣接して粒子線治療システムを設置する際には、制限のある敷地面積に設置しなければならない。
【解決手段】
粒子線治療システムを構成要素である加速器システムにおいて、前段加速器をシンクロトロンの階下に設置し、加速器システムを設置する加速器室に隣接する壁面を利用して前段加速器から加速器室までビームを輸送する。これにより、敷地面積に対する加速器室の投影面積を削減可能となる。また、前段加速器からシンクロトロンまでビームを輸送する際の垂直輸送部には、ビーム輸送手段機器を架台に固定し、架台を壁面に据え付けることで、ビーム輸送手段機器の据え付け・調整作業を効率化できる。
粒子線治療装置は、一般に前段加速器とシンクロトロンで構成される加速器システムと照射装置を設置した回転ガントリーで構成される。民間病院への普及に伴い、既存施設に隣接して粒子線治療システムを設置する際には、制限のある敷地面積に設置しなければならない。
【解決手段】
粒子線治療システムを構成要素である加速器システムにおいて、前段加速器をシンクロトロンの階下に設置し、加速器システムを設置する加速器室に隣接する壁面を利用して前段加速器から加速器室までビームを輸送する。これにより、敷地面積に対する加速器室の投影面積を削減可能となる。また、前段加速器からシンクロトロンまでビームを輸送する際の垂直輸送部には、ビーム輸送手段機器を架台に固定し、架台を壁面に据え付けることで、ビーム輸送手段機器の据え付け・調整作業を効率化できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陽子や炭素等のイオンビームを加速する加速器システム及びその加速器システムによって加速したイオンビームを、患者の患部に照射して治療する粒子線治療システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
がん等の患者の患部に、陽子や炭素等のイオンビーム（以下、ビームという）を照射する治療方法（以下、粒子線治療という）が知られている。粒子線治療は、他のがん治療方法と比較して患者への肉体的負担が小さく、患者のＱｏＬ（Quality of Life）が高い治療方法として注目されている。
【０００３】
粒子線治療システムは一般に、患者に照射するビームを発生し所望のエネルギーまでビームを加速する加速器システム、患者にビームを照射する複数の照射装置および、加速器システムから照射装置までビームを輸送する複数のビーム輸送手段を備えている。最近の粒子線治療装置では、患者の患部に対して任意の角度からのビーム照射を可能とする回転ガントリーが適用されており、この回転ガントリーに照射装置が設置されている。また、粒子線治療システムに利用される加速器システムは一般に、主加速器であるシンクロトロンと、前段加速器である線形加速器から構成される。
【０００４】
粒子線治療では、医師の治療計画に基づき、患部形状に基づく照射角度とビーム照射野形状および照射線量が指定される。照射角度は照射装置が設置されている回転ガントリーを回転させることで調整する。ビーム照射野形状は、患部の深さ方向への照射領域の調整は加速器システムから供給するビームのエネルギーおよび、ボーラスと呼ばれる患部の深さ形状に合わせたビーム飛程調整具を用いて制御し、患部形状に合わせた照射領域の調整はコリメータにより制御する。ボーラス及びコリメータは、照射装置内に設置される。照射線量は照射装置内の線量モニタの積算値に基づき加速器システムから供給量を制御する。照射ベッドを移動することで照射位置を調整後、患者の患部と照射室の患部照射基準点（以下、アイソセンター）を固定し、ビームを照射する。線量モニタでの積算線量値が所定の線量に到達したら、加速器システムからのビーム供給を停止し、照射治療を完了する。
【０００５】
【非特許文献１】“LOMA LINDA MEDICAL ACCELERATOR PROJECT”,F.T. Cole, et al., Proceedings of IEEE Particle Accelerator Conference, 1989, pp737-741
【非特許文献２】“Accelerator Facility PATRO for Hadrontherapy at Hyogo Ion Beam Medical Center”,A.Itano, Proceedings of the 13th symposium on Accelerator Science and Technology, 2001, pp160-164
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
粒子線治療システムの民間病院への普及に伴い、施設の導入および運営において、経営的な視点が求められている。施設の導入に関しては既存の病院施設への併設が求められており、施設の運営に関しては高い治療スループットが求められる。
【０００７】
粒子線治療システムを既存の病院施設へ併設する際の課題として、治療システムを併設する際の敷地面積の制限が挙げられる。先に示したとおり、粒子線治療システムは、照射するためのビームを発生・加速するための加速器システムと、患者に照射治療する照射装置から構成されており、特に照射装置に関しては、患者の患部に対して任意の角度から照射が可能な回転ガントリーの適用が求められている。また、加速器システムで加速した高エネルギーのイオンビームを患者に照射するため、粒子線治療システムを設置する建物の遮蔽壁（特に加速器および照射室のそれぞれを囲む壁）を１〜２ｍ程度と厚くする必要があるため、敷地面積に対して機器の配置に利用可能な実効的な面積が制限される。
【０００８】
敷地面積が制限される一方で、経営的視点から、一つの加速器に対して複数の照射室を設けることで、治療スループットを上げることが求められている。粒子線治療を実施するにあたって、患者へのビーム照射前に照射装置に対する患部の位置決め作業が必要である。この位置決め作業に１５分〜２０分程度の時間が掛かるため、一つの照射室で照射治療を実施している間に他の照射室で位置決め作業を進めることで、効率的なビーム利用を実現する。
【０００９】
高い治療スループットを実現する方策として、複数の照射室を設ける他に、加速器システムから照射装置に供給するビーム強度を高める必要がある。シンクロトロンを用いた粒子線治療システムの場合、まずは、イオン源で発生したビームを前段加速器に入射する。前段加速器は、シンクロトロンが受け入れられる入射エネルギーまでビームを加速する。一般に前段加速器には線形加速器が適用される。前段加速器からシンクロトロンに入射されるビームのエネルギーは２〜７ＭｅＶであり、空間電荷効果によるビーム損失が生じやすいエネルギー領域である。そのため、ビーム強度を高めるためには、シンクロトロンに入射するビームエネルギーを可能な限り高めておき、空間電荷効果によるビーム損失を抑制する手段を講じるのがよい。
【００１０】
既存の病院施設と併設して粒子線治療システムを設置する場合や、狭い敷地面積に粒子線治療システムを設置する場合、加速器システムと回転ガントリーを含む照射装置の配置を敷地面積に対して効率的に利用する必要がある。
【００１１】
加速器システムとしては、線形加速器の長さが短く、線形加速器からシンクロトロンまでのビーム輸送距離は短い方が、敷地面積を小さくするという観点では良い。しかし、線形加速器の長さを短くすると、線形加速器から出力されるビームのエネルギーが低くなるため、線形加速器から出射されたビームをシンクロトロンに輸送するまでの間および、ビームをシンクロトロンへ入射した際に空間電荷効果によるビーム損失が発生しやすくなる。その結果、加速器システムから照射装置に供給するビーム電荷量（以下、ビーム強度）が低下してしまう。また、ビーム輸送距離を短くすると、線形加速器からシンクロトロンまでのビーム輸送効率を高め、運動量分散を抑えるための四極電磁石やデバンチャー等の機器配置が最適化しにくくなる。そのため、結果的にシンクロトロンへのビーム入射効率が低下し、強いては加速器システムから照射装置に供給できるビーム強度が低下してしまう。以上のことを考慮すると、線形加速器から供給されるビームのエネルギーをなるべく高く維持し、かつ、線形加速器からシンクロトロンまでのビーム輸送距離を必要十分な距離に確保することが必要となる。
【００１２】
また、加速器システムのビームライン上の機器設置精度は、一般に±０.２mm以下が求められているため、設置コストの面からはビームラインを可能な限り短くするか、合理的に設置精度が得られる手段を採用するのがよい。
【００１３】
非特許文献１に示されている陽子ビームを照射する粒子線治療システムでは、シンクロトロンの上面に２ＭｅＶの陽子ビームを出力する線形加速器を設置している。線形加速器から出射された陽子ビームは、シンクロトロンに対して垂直方向から入射されている。非特許文献１でシンクロトロンの上面に線形加速器を設置可能な理由として、線形加速器の出力ビームエネルギーが低く、線形加速器が小型であることが挙げられる。
【００１４】
しかし、非特許文献１に示されて粒子線治療システムには、三つの課題が挙げられる。まず、線形加速器から供給されるビームのエネルギーが２ＭｅＶと低いため、シンクロトロンでの加速制御時に生ずる空間電荷効果によりビーム損失が生じやすく、シンクロトロンから照射装置に供給可能な値までビーム強度を高めることが困難である点にある。次に、加速器システムの専有面積を狭くするために線形加速器をシンクロトロンの上面に配置したことで、シンクロトロンに対してビームを垂直方向からシングルターン入射制御を適用している点にある。つまり、非特許文献１の粒子線治療システムでは、シンクロトロンに対して水平方向から複数回に分けてビームを入射し、シンクロトロン内の蓄積電荷量を高めることが可能なマルチターン入射制御ができないため、シンクロトロンへの入射ビーム量が一般のシンクロトロンに対して相対的に低くなる。また、線形加速器をシンクロトロンの上面に配置しているため、メンテナンス性の課題がある。
【００１５】
非特許文献２には、炭素等の重イオンビームを照射する粒子線治療システムが記載されている。重イオンビームの場合、前段加速器もシンクロトロンも加速粒子の静止質量が陽子ビームと比較して重くなるため、粒子線治療システム自体が大きくなる傾向がある。現在、陽子ビームとともに炭素等の重イオンビームを用いた粒子線治療が脚光を浴びているが、重イオンビームを用いた粒子線治療システムは、加速器システムが大型なため、陽子ビームを用いた粒子線治療システムよりも広い敷地面積が必要となる。
【００１６】
本発明の目的は、粒子線治療システムにおける加速器システムの機器配置を効率化し、コンパクトかつメンテナンス性を向上した粒子線治療システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するため、本発明では、イオンビームを加速して出射する前段加速装置と、前段加速装置から出射されたイオンビームを加速する主加速装置と、前段加速装置からのイオンビームを主加速装置に輸送するビーム輸送装置とを有し、前段加速装置を主加速装置の下部に設置する構成を有する。
【００１８】
また、上記課題を解決するために、本発明では、イオンビームを加速して出射する前段加速装置と、前段加速装置から出射されたイオンビームを加速する主加速装置と、前段加速装置からのイオンビームを主加速装置に輸送するビーム輸送装置とを有し、前段加速装置と主加速装置を上下に配置し、ビーム輸送装置が、前段加速装置から出射されたイオンビームを、イオンビームの進行方向に対して垂直に偏向する第１偏向電磁石と、偏向されたイオンビームを、主加速装置を周回するイオンビームの周回軌道の平面と平行となる方向に偏向する第２偏向電磁石とを備える構成を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、コンパクト、かつメンテナンス性を向上させた粒子線治療システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２１】
本発明の一実施形態である陽子ビームを用いた粒子線治療システムを、図１，図２及び図３を用いて説明する。図１には、建屋内に設置した本実施例の粒子線治療システムの各機器の配置を示している。図１（ａ）に建屋上面図、図１（ｂ）に建屋断面図を示す。
【００２２】
粒子線治療システムを設置する建屋は、図１（ｂ）に示すように、主加速器室４１ａ，前段加速器室４１ｂ及び照射室４２を備える。粒子線治療システムでは、高エネルギーのイオンビームを使用するため、建物の遮蔽壁は１〜２ｍ程度の厚さを有する。照射室４２は、主加速器室４１ａ及び前段加速器室４１ｂに隣接して配置される。遮蔽機能を有する遮蔽壁４０によって、主加速器室４１ａ及び前段加速器室４１ｂと照射室４２とが隔てられる。前段加速器室４１ｂは、主加速器室４１ａの階下に配置される。主加速器室４１ａと前段加速器室４１ｂの間の床には開口部４３が設けられている。主加速器室４１ａの天井付近に搬送装置（例えば、天井クレーム）５０が設けられている。主加速器室４１の壁に固定される天井クレーン５０は、シンクロトロン１２を構成する各機器の据え付けおよびメンテナンスの際に、各機器を搬送するときに使用される。本実施例の天井クレーン５０は、主加速器室４１ａの壁に固定されるが、建屋の強度との関係で設置可能な場合には加速器室４１ａの天井に固定してもよい。
【００２３】
粒子線治療システムは、加速器システム１０，ビーム輸送系２１及び照射野形成装置（照射装置）３１を備える。ビーム輸送系２１が、加速器システム１０と照射装置３１を接続する。
【００２４】
加速器システム１０は、イオン源１１ａ，前段加速器１１，シンクロトロン（主加速装置）１２及びビーム輸送手段２０を備える。本実施例では、前段加速器１１は、線形加速器である。シンクロトロン１２は、ビームを加速する高周波加速空洞（図示せず），出射用デフレクタ（図示せず），偏向電磁石１３及び四極電磁石１４を有する。ビーム輸送手段２０が、前段加速器１１とシンクロトロン１２とを接続する。なお、ビーム輸送手段２０は、第１ビーム輸送手段２０ａ，第２ビーム輸送手段２０ｂ及び第３ビーム輸送手段２０ｃで構成される。第１ビーム輸送手段２０ａが、前段加速器１１に接続される。第３ビーム輸送手段２０ｃが、シンクロトロン１２に接続される。第２ビーム輸送手段２０ｂが、第１ビーム輸送手段２０ａと第３ビーム輸送手段２０ｃとを接続する。
【００２５】
照射装置３１は、回転ガントリー３０に取り付けられる。回転ガントリー３０内に治療ベッド３２が設置される。照射装置３１を設置する回転ガントリーの回転半径は、陽子ビームを照射する回転ガントリー３０の場合で５ｍ程度必要である。よって、敷地面積に対する加速器システム１０の床面積割合を相対的に小さくしたいという要望がある。また、加速器システムのビーム輸送平面（グランドラインからの高さ）と照射室の患部照射基準点（以下、アイソセンター）は同一平面とするのが良い。本実施例のように、３６０度回転する回転ガントリーを設置する場合には、主加速器室４１ａの床面よりも深く掘り下げた床面に回転ガントリー３０を設置するとよい。回転ガントリー３０のアイソセンターが、シンクロトロン１２を周回するビームの周回軌道と同一平面となるように配置し、主加速器室４１ａの下部に前段加速器室４１ｂを配置する。このような構成により、主加速器室４１ａの床面よりも深く掘り下げた部分（例えば、地下）に前段加速器１１を設置可能となり、地下を有効に活用することができる。
【００２６】
イオン源１１ａで生成された陽子は、前段加速器１１に入射され加速される。ビーム輸送手段２０は、前段加速器１１から出射されたビームをシンクロトロン１２に輸送する。シンクロトロン１２は、前段加速器１１から出射されたビームを更に加速する。周回するビームは、高周波加速空洞により目標のビームエネルギーまで加速された後、シンクロトロン１２から出射される。ビーム輸送系２１が、シンクロトロン１２から出射されたビームを照射装置３１に輸送する。照射装置３１は、入射したビームを照射対象の形状にあわせて形成し、形成したビームを照射対象に照射する。
【００２７】
本実施例では、加速器システム１０のうち、シンクロトロン１２は主加速器室４１ａに設置される。また、前段加速器１１は、シンクロトロン１２の階下に位置する前段加速器室４１ｂに設置される。第１ビーム輸送手段２０ａは主加速器室４１ａ内に設置され、ビーム輸送手段２０ｃは前段加速器室４１ｃ内に設置される。第２ビーム輸送手段２０ｂは、主加速器室４１ａ及び前段加速器室４１ｂと照射室４２を分ける遮蔽壁４０に沿って設置されている。つまり、第２ビーム輸送手段２０ｂは、開口部４３を通るように遮蔽壁４０に沿って固定され、一方が第１ビーム輸送手段２０ａに接続され、他方が第３ビーム輸送手段２０ｃに接続される。照射室４２には、照射装置３１が搭載された回転ガントリー３０と、治療ベッド３２が設置されている。図１（ｂ）に示したように、階を隔ててシンクロトロン１２と前段加速器１１を配置することで、敷地面積に対して投影される加速器室４１の面積はシンクロトロン１２が配置可能な面積があれば良く、加速器室を空間的に利用することで、敷地面積に制限がある既存病院への併設が可能となる。
【００２８】
本実施例では、前段加速器１１をシンクロトロン１２の階下に配置する。前段加速器１１をシンクロトロン１２の階上に設置し、ビームを輸送することも可能であるが、以下の点で本実施例が効果的である。つまり、本実施例では、シンクロトロン１２と天井クレーン５０との間に前段加速器１１やビーム輸送手段２０等の機器が配置されていないため、シンクロトロン１２を構成する機器の据え付けおよびメンテナンスの際に使用する天井クレーン５０の動作範囲に制限が生じない。このため、シンクロトロン１２やビーム輸送手段２０のメンテナンス性が向上する。
【００２９】
ビーム輸送手段２０の構成及びその取り付けについて、図２及び図３を用いて説明する。本実施例では、前段加速器１１をシンクロトロン１２の階下に設置し、ビーム輸送手段２０はコの字型に配置される。この際、前段加速器１１から出射されたビームを前段加速器１１の配置階からシンクロトロンの配置階に輸送する第２ビーム輸送手段（垂直輸送部）２０ｂは、図２に示すように、最下部に第１の偏向電磁石１３ａ、最上部に第２の偏向電磁石１３ｂが配置され、ビームの輸送効率を維持するための四極電磁石１４やステアリング電磁石（図示せず）、ビームプロファイルモニタ１５等の機器が配置される。第１の偏向電磁石１３ａは、前段加速器１１から出射されて第１ビーム輸送手段２０ａを通過してきたビームを、そのビームの進行方向に対して垂直に偏向する。偏向されたビームは、四極電磁石１４及びプロファイルモニタ１５を通過するように、ビームダクト２５内を輸送される。第２の偏向電磁石１３ｂは、第１の偏向電磁石１３ａによって偏向されたビームを、そのビームの進行方向に対して更に垂直に偏向する。偏向されたビームは、第３ビーム輸送手段２０ｃを通過して、シンクロトロン１２に入射される。つまり、第２の偏向電磁石１３ｂが、シンクロトロン１２を周回するビームの周回軌道の平面と平行となる方向に、ビームを偏向する。これにより、ビームを、シンクロトロン１２に対して水平方向から入射することが可能となる。なお、偏向電磁石１３ａは、必ずしもビームをビーム進行方向に対して垂直に偏向するものではなくてよく、下部に配置される前段加速器１１から出射されるビームを、上部に配置されるシンクロトロン１２へ輸送する第２ビーム輸送手段２０ｂ内を通過するように偏向するものであればよい。また、偏向電磁石１３ｂは、必ずしもビームをビーム進行方向に対して垂直に偏向するものでなくてよく、第２ビーム輸送手段２０ｂを通過してきたビームを、シンクロトロン１２に対して水平方向から入射するように偏向するものであればよい。
【００３０】
第２ビーム輸送手段２０ｂを構成する機器はビーム中心軌道に対する設置精度を±０.２mm以下の据え付け精度が求められる。そのため、これらのビーム輸送手段２０を構成する機器のうち壁面に対して垂直に直接据え付ける方法では、要求設置精度を出すことが容易でない。そのため、図２に示すように、第２ビーム輸送手段２０ｂを構成する機器を、要求精度に合わせて予め架台２２ａ及び２２ｂに据え付け・調整しておく。この架台２２ａ及び２２ｂを所望の精度で据え付けることで、垂直に輸送する第２ビーム輸送手段２０ｂを現地で容易に据え付け・調整することが可能となる。
【００３１】
本実施例では、図４に示すように、上下２つに分割して構成されるＬ字型の架台を用いる。上部に位置する架台２２ａには、プロファイルモニタ１５を固定する固定板２３ａが設けられる。固定板２３ａは、架台２２ａの各側面に対して垂直に配置され、固定板２３ａの上面にプロファイルモニタ１５を固定する。下部に位置する架台２２ｂには、四極電磁石１４を固定する固定板２３ｂ及び２３ｃが設けられる。固定板２３ｂ及び２３ｃは、架台２２ｂの各側面に対して垂直に配置され、固定板２３ｂ及び２３ｃの上に四極電磁石１４を固定する。固定板２３ａ，２３ｂ及び２３ｃにはそれぞれ貫通穴が設けられ、その貫通穴を通すようにビームダクトが設置される。図２及び図３に示すように、架台２２ａ及び２２ｂから伸びるアームを用いて第２ビーム輸送手段２０ｂを固定してもよい。また、固定板２３ａ，２３ｂ及び２３ｃの強度を確保するために補強材を設置しても良い。機器を設置する際には、機器に対して架台の各面からアームを伸ばして固定する方法（図示せず）や、架台の二つの面に棚状の固定板２３を設け、ビームダクトが通過する部分および設置する機器が干渉する部分を切り欠き、架台をたてた場合に固定板２３が平坦に固定する方法を採用することで、機器のアライメント調整を容易にし、経年変化による機器の位置ずれを抑制することができる。
【００３２】
上部の架台２２ａと下部の架台２２ｂの接合部は、位置合わせ部材（ピンやキー等）２４ａ及び２４ｂを設置可能な構成を有する。遮蔽壁４０に沿って架台２２ａ及び２２ｂを配置・固定する場合、まず、下部の架台２２ｂを開口部４３から挿入して遮蔽壁４０の側面に沿って設置し、位置合わせを行う。その後、上部の架台２２ａを開口部４３から挿入して下部の架台２２ｂの上に設置する。上部の架台２２ａと下部の架台２２ｂの接合部に位置合わせ部材２４ａ及び２４ｂを挿入して、架台の位置合わせをし、固定する。
【００３３】
前段加速器１１からシンクロトロン１２までのビーム輸送手段２０のうち、垂直にビームを輸送する第２ビーム輸送手段２０ｂの長さは、主加速器室４１ａの床厚や前段加速器１１の設置クリアランスから４〜５ｍ程度となる。４〜５ｍの架台を分割せずに一体型で垂直に設置する場合、設置時の取り回し領域が大きくなるため、垂直に設置された第２ビーム輸送手段２０ｂを設置する主加速器室４１ａの開口部４３を広くする必要があり、建物の強度に影響を及ぼしかねない。本実施例では、上下に分割された２つの架台２２ａ及び２２ｂをそれぞれ開口部４３から遮蔽壁４０に沿って設置し、架台２２ａ及び２２ｂを組み合わせることで第２ビーム輸送手段２０ｂを設置するため、主加速器室４１ａの開口部４３を狭く維持でき、建物の強度への影響を低く抑えることができる。
【００３４】
本実施例によれば、以下の効果を得ることができる。
【００３５】
本実施例を適用しない従来の粒子線治療システムを図５に示す。本実施例の図１（ａ）と比較すると、前段加速器１１とシンクロトロン１２を同一階に設置する際には、ビーム輸送効率を維持するための機器配置のため、前段加速器１１とシンクロトロン１２を接続するビーム輸送手段２０の長さがある程度必要になり、結果として敷地面積に対する加速器室４１ｃの投影面積が広くなってしまう。また、図５では、粒子線治療システムを模式的に示しているが、実際の前段加速器はさらに長い構成となる。一方、本実施例では、加速器システム１０の前段加速器１１とシンクロトロン１２を二階に分けて配置することで、加速器室の敷地面積に対する割合を下げることが可能となり、狭い敷地面積にも粒子線治療システムを設置することが可能となる。また、本実施例では、第２ビーム輸送手段２０ｂを床に対してほぼ垂直に、遮蔽壁４０に備え付ける構成としたため、従来よりも第２ビーム輸送手段２０ｂの分だけ、敷地面積を小さくすることができる。
【００３６】
本実施例によれば、加速器システム１０の前段加速器１１とシンクロトロン１２を二階に分けて配置することで粒子線治療システム全体に対する加速器室の敷地面積の割合を下げることができるため、同じ敷地面積の場合には、患者に粒子線を照射して治療する照射室をより多く設置することが可能となる。これにより、治療スループットを向上させることができる。
【００３７】
本実施例では、前段加速器１１を設置する階とシンクロトロン１２を設置する階とを分けて配置しているため、従来と同じ敷地面積に粒子線治療システムを設置する場合、前段加速器１１の設置面積を広く取ることができる。そのため、従来よりも大きな前段加速器１１を設置することができ、より高いエネルギーにまで前段加速器１１にてイオンビームを加速可能となる。前段加速器１１から出射されるイオンビームのエネルギーが高くなると、空間電荷効果によるビーム損失が低減され、結果としてビーム強度を高めることができる。
【００３８】
本実施例では、同一階に前段加速器１１とシンクロトロン１２を設置する際と同様に、シンクロトロン１２に対して水平方向（水平軸：Ｘ軸）からビーム入射が可能であるため、シンクロトロン１２に対して複数回に分けてビームを入射し、シンクロトロン内の蓄積電荷量を高めることが可能な多重回転入射（マルチターン入射制御）も可能となり、ビーム強度を高めることが可能である。
【００３９】
本実施例では、架台２２ａ及び２２ｂの各接合部にキーやピン等の位置合せ部材を設ける構成を有するため、ビーム輸送装置の位置あわせが容易となり、架台を分割した際にも設置精度を維持することができる。
【００４０】
本実施例では、Ｌ字型の架台を用いて第２ビーム輸送手段２０ｂを据え付けているため、第２ビーム輸送手段２０ｂに設置される各機器を主加速器室４１ａや前段加速器室４１ｂから確認することができる。そのため、第２ビーム輸送手段２０ｂの位置調整を容易に実施でき、また、定期点検時のメンテナンス性を維持できる。
【００４１】
本実施例では、Ｌ字型の架台２２を採用したが、コの字型などの架台（構造体）を用いてもよい。コの字型の架台の場合、第２ビーム輸送手段２０ｂに設置する機器を更に安定して固定することができる。
【００４２】
本実施例では、架台が上部の架台２２ａと下部の架台２２ｂの２つに分割して構成されているが、３つ以上に分割した構成であってもよい。複数に分割することで、主加速器室４１ａの開口部４３を更に狭く確保でき、建物の強度を高く維持できる。
【００４３】
本実施例では、前段加速器１１をシンクロトロン１２の階下に設置し、階下の前段加速器１１から階上のシンクロトロン１２までのビーム輸送手段２０は、シンクロトロン１２を設置する主加速器室４１ａの床面に貫通口４３を開け、主加速器室４１ａを囲む遮蔽壁面に沿って貫通口４３を通してビーム輸送機器を設置する。一般に粒子線治療システムの建屋内の機器配置は、ビーム輸送時の損失を低減し、機器アライメント費用を低減するため、加速器システムから照射装置までのビーム輸送経路を最短にする。そのため、加速器システムを設置する加速器室の脇に照射室が配置されることが多い。加速器室に隣接して配置する照射室４２に回転ガントリー３０を設置する場合、加速器室のフロアよりも低く掘り下げ、厚い遮蔽壁を構築する。そこで、シンクロトロン設置フロアの階下に前段加速器である線形加速器を設置し、この厚い遮蔽壁をビーム輸送壁面として利用する。このビーム輸送壁面に沿ってビーム輸送手段を設置することで、ビーム輸送手段の壁面強度を補強することなく設置が可能となる。
【００４４】
本実施例では、壁面強度の強い遮蔽壁４０に第２ビーム輸送手段２０ｂを支持しているため、重量の大きい機器が設置される第２ビーム輸送手段２０ｂを長く確保したとしても、確実に保持することができる。第２ビーム輸送手段２０ｂを長さを確保することによって、四極電磁石１４やデバンチャー等の配置を最適化することができ、結果として、ビーム輸送効率を高めることができる。
【００４５】
本実施例では、ビーム輸送壁面に沿って輸送機器を設置する際に、ビーム輸送機器を予め壁面に直接固定可能な架台に設置し、架台上で機器のアライメント調整を実施後、加速器室に隣接するビーム輸送壁面に架台を固定設置し、アライメント調整を実施する。前段加速器からシンクロトロンまでビームを輸送するビーム輸送手段に、このような架台を適用することで、据え付け調整期間を短縮することが可能となる。
【００４６】
本実施例によれば、ビーム輸送機器をベースモジュールに固定設置する際、複数の架台に分割して固定設置することで、架台をビーム輸送壁面に設置する際の作業性を高めることができる。
【実施例２】
【００４７】
以下に、本発明の第二の実施例である炭素ビームを用いた粒子線治療システムを図４を用いて説明する。図４は、建屋内に設置した本実施例の粒子線治療システムの各機器の配置を示している。
【００４８】
本実施例の粒子線治療システムは、以下の点で実施例１の粒子線治療システムと異なる構成を有する。炭素ビームを加速する加速器システムは、陽子ビームを加速する加速器システムと異なり、加速粒子の静止質量が重いため、同じ飛程のビームを加速しようとすると、加速器システム１０を構成する前段加速器１１およびシンクロトロン１２が大きくなり、陽子ビームと炭素ビームを併用利用する場合には、それぞれのビームを発生するイオン源１１ａ，１１ｂが必要となる。本実施例の粒子線治療システムの他の構成は、実施例１と同様である。
【００４９】
本実施例では、実施例１と同様にシンクロトロン１２の階下に前段加速器１１を設置し、加速器室の投影面積を狭くすることが可能となり、従来必要であった広い敷地面積を狭くできる。これ以外の効果は実施例１と同一である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態である陽子ビームを用いた粒子線治療システムの建屋内機器配置の部分を示す。
【図２】前段加速器からシンクロトロンへのビーム輸送手段における垂直輸送部の架台の構成を示す。
【図３】前段加速器からシンクロトロンへビームを輸送するビーム輸送手段の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態である炭素ビームを用いた粒子線治療システムの建屋内機器配置の部分を示す。
【図５】従来の陽子ビームを用いた建屋内機器配置例の部分を示す。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 加速器システム
１１ 前段加速器
１２ シンクロトロン
１３ 偏向電磁石
１４ 四極電磁石
１５ プロファイルモニタ
２０ ビーム輸送手段（ビーム輸送装置）
２０ａ 第１ビーム輸送手段（第１ビーム輸送装置）
２０ｂ 第２ビーム輸送手段（第２ビーム輸送装置）
２０ｃ 第３ビーム輸送手段（第３ビーム輸送装置）
２１ ビーム輸送系
２２ａ，２２ｂ 架台
２３ 固定板
２４ 位置合わせ部材
３０ 回転ガントリー
３１ 照射装置
３２ 治療ベッド
４０ 遮蔽壁
４１ａ 主加速器室
４１ｂ 前段加速器室
４２ 照射室
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陽子や炭素等のイオンビームを加速する加速器システム及びその加速器システムによって加速したイオンビームを、患者の患部に照射して治療する粒子線治療システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
がん等の患者の患部に、陽子や炭素等のイオンビーム（以下、ビームという）を照射する治療方法（以下、粒子線治療という）が知られている。粒子線治療は、他のがん治療方法と比較して患者への肉体的負担が小さく、患者のＱｏＬ（Quality of Life）が高い治療方法として注目されている。
【０００３】
粒子線治療システムは一般に、患者に照射するビームを発生し所望のエネルギーまでビームを加速する加速器システム、患者にビームを照射する複数の照射装置および、加速器システムから照射装置までビームを輸送する複数のビーム輸送手段を備えている。最近の粒子線治療装置では、患者の患部に対して任意の角度からのビーム照射を可能とする回転ガントリーが適用されており、この回転ガントリーに照射装置が設置されている。また、粒子線治療システムに利用される加速器システムは一般に、主加速器であるシンクロトロンと、前段加速器である線形加速器から構成される。
【０００４】
粒子線治療では、医師の治療計画に基づき、患部形状に基づく照射角度とビーム照射野形状および照射線量が指定される。照射角度は照射装置が設置されている回転ガントリーを回転させることで調整する。ビーム照射野形状は、患部の深さ方向への照射領域の調整は加速器システムから供給するビームのエネルギーおよび、ボーラスと呼ばれる患部の深さ形状に合わせたビーム飛程調整具を用いて制御し、患部形状に合わせた照射領域の調整はコリメータにより制御する。ボーラス及びコリメータは、照射装置内に設置される。照射線量は照射装置内の線量モニタの積算値に基づき加速器システムから供給量を制御する。照射ベッドを移動することで照射位置を調整後、患者の患部と照射室の患部照射基準点（以下、アイソセンター）を固定し、ビームを照射する。線量モニタでの積算線量値が所定の線量に到達したら、加速器システムからのビーム供給を停止し、照射治療を完了する。
【０００５】
【非特許文献１】“LOMA LINDA MEDICAL ACCELERATOR PROJECT”,F.T. Cole, et al., Proceedings of IEEE Particle Accelerator Conference, 1989, pp737-741
【非特許文献２】“Accelerator Facility PATRO for Hadrontherapy at Hyogo Ion Beam Medical Center”,A.Itano, Proceedings of the 13th symposium on Accelerator Science and Technology, 2001, pp160-164
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
粒子線治療システムの民間病院への普及に伴い、施設の導入および運営において、経営的な視点が求められている。施設の導入に関しては既存の病院施設への併設が求められており、施設の運営に関しては高い治療スループットが求められる。
【０００７】
粒子線治療システムを既存の病院施設へ併設する際の課題として、治療システムを併設する際の敷地面積の制限が挙げられる。先に示したとおり、粒子線治療システムは、照射するためのビームを発生・加速するための加速器システムと、患者に照射治療する照射装置から構成されており、特に照射装置に関しては、患者の患部に対して任意の角度から照射が可能な回転ガントリーの適用が求められている。また、加速器システムで加速した高エネルギーのイオンビームを患者に照射するため、粒子線治療システムを設置する建物の遮蔽壁（特に加速器および照射室のそれぞれを囲む壁）を１〜２ｍ程度と厚くする必要があるため、敷地面積に対して機器の配置に利用可能な実効的な面積が制限される。
【０００８】
敷地面積が制限される一方で、経営的視点から、一つの加速器に対して複数の照射室を設けることで、治療スループットを上げることが求められている。粒子線治療を実施するにあたって、患者へのビーム照射前に照射装置に対する患部の位置決め作業が必要である。この位置決め作業に１５分〜２０分程度の時間が掛かるため、一つの照射室で照射治療を実施している間に他の照射室で位置決め作業を進めることで、効率的なビーム利用を実現する。
【０００９】
高い治療スループットを実現する方策として、複数の照射室を設ける他に、加速器システムから照射装置に供給するビーム強度を高める必要がある。シンクロトロンを用いた粒子線治療システムの場合、まずは、イオン源で発生したビームを前段加速器に入射する。前段加速器は、シンクロトロンが受け入れられる入射エネルギーまでビームを加速する。一般に前段加速器には線形加速器が適用される。前段加速器からシンクロトロンに入射されるビームのエネルギーは２〜７ＭｅＶであり、空間電荷効果によるビーム損失が生じやすいエネルギー領域である。そのため、ビーム強度を高めるためには、シンクロトロンに入射するビームエネルギーを可能な限り高めておき、空間電荷効果によるビーム損失を抑制する手段を講じるのがよい。
【００１０】
既存の病院施設と併設して粒子線治療システムを設置する場合や、狭い敷地面積に粒子線治療システムを設置する場合、加速器システムと回転ガントリーを含む照射装置の配置を敷地面積に対して効率的に利用する必要がある。
【００１１】
加速器システムとしては、線形加速器の長さが短く、線形加速器からシンクロトロンまでのビーム輸送距離は短い方が、敷地面積を小さくするという観点では良い。しかし、線形加速器の長さを短くすると、線形加速器から出力されるビームのエネルギーが低くなるため、線形加速器から出射されたビームをシンクロトロンに輸送するまでの間および、ビームをシンクロトロンへ入射した際に空間電荷効果によるビーム損失が発生しやすくなる。その結果、加速器システムから照射装置に供給するビーム電荷量（以下、ビーム強度）が低下してしまう。また、ビーム輸送距離を短くすると、線形加速器からシンクロトロンまでのビーム輸送効率を高め、運動量分散を抑えるための四極電磁石やデバンチャー等の機器配置が最適化しにくくなる。そのため、結果的にシンクロトロンへのビーム入射効率が低下し、強いては加速器システムから照射装置に供給できるビーム強度が低下してしまう。以上のことを考慮すると、線形加速器から供給されるビームのエネルギーをなるべく高く維持し、かつ、線形加速器からシンクロトロンまでのビーム輸送距離を必要十分な距離に確保することが必要となる。
【００１２】
また、加速器システムのビームライン上の機器設置精度は、一般に±０.２mm以下が求められているため、設置コストの面からはビームラインを可能な限り短くするか、合理的に設置精度が得られる手段を採用するのがよい。
【００１３】
非特許文献１に示されている陽子ビームを照射する粒子線治療システムでは、シンクロトロンの上面に２ＭｅＶの陽子ビームを出力する線形加速器を設置している。線形加速器から出射された陽子ビームは、シンクロトロンに対して垂直方向から入射されている。非特許文献１でシンクロトロンの上面に線形加速器を設置可能な理由として、線形加速器の出力ビームエネルギーが低く、線形加速器が小型であることが挙げられる。
【００１４】
しかし、非特許文献１に示されて粒子線治療システムには、三つの課題が挙げられる。まず、線形加速器から供給されるビームのエネルギーが２ＭｅＶと低いため、シンクロトロンでの加速制御時に生ずる空間電荷効果によりビーム損失が生じやすく、シンクロトロンから照射装置に供給可能な値までビーム強度を高めることが困難である点にある。次に、加速器システムの専有面積を狭くするために線形加速器をシンクロトロンの上面に配置したことで、シンクロトロンに対してビームを垂直方向からシングルターン入射制御を適用している点にある。つまり、非特許文献１の粒子線治療システムでは、シンクロトロンに対して水平方向から複数回に分けてビームを入射し、シンクロトロン内の蓄積電荷量を高めることが可能なマルチターン入射制御ができないため、シンクロトロンへの入射ビーム量が一般のシンクロトロンに対して相対的に低くなる。また、線形加速器をシンクロトロンの上面に配置しているため、メンテナンス性の課題がある。
【００１５】
非特許文献２には、炭素等の重イオンビームを照射する粒子線治療システムが記載されている。重イオンビームの場合、前段加速器もシンクロトロンも加速粒子の静止質量が陽子ビームと比較して重くなるため、粒子線治療システム自体が大きくなる傾向がある。現在、陽子ビームとともに炭素等の重イオンビームを用いた粒子線治療が脚光を浴びているが、重イオンビームを用いた粒子線治療システムは、加速器システムが大型なため、陽子ビームを用いた粒子線治療システムよりも広い敷地面積が必要となる。
【００１６】
本発明の目的は、粒子線治療システムにおける加速器システムの機器配置を効率化し、コンパクトかつメンテナンス性を向上した粒子線治療システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するため、本発明では、イオンビームを加速して出射する前段加速装置と、前段加速装置から出射されたイオンビームを加速する主加速装置と、前段加速装置からのイオンビームを主加速装置に輸送するビーム輸送装置とを有し、前段加速装置を主加速装置の下部に設置する構成を有する。
【００１８】
また、上記課題を解決するために、本発明では、イオンビームを加速して出射する前段加速装置と、前段加速装置から出射されたイオンビームを加速する主加速装置と、前段加速装置からのイオンビームを主加速装置に輸送するビーム輸送装置とを有し、前段加速装置と主加速装置を上下に配置し、ビーム輸送装置が、前段加速装置から出射されたイオンビームを、イオンビームの進行方向に対して垂直に偏向する第１偏向電磁石と、偏向されたイオンビームを、主加速装置を周回するイオンビームの周回軌道の平面と平行となる方向に偏向する第２偏向電磁石とを備える構成を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、コンパクト、かつメンテナンス性を向上させた粒子線治療システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２１】
本発明の一実施形態である陽子ビームを用いた粒子線治療システムを、図１，図２及び図３を用いて説明する。図１には、建屋内に設置した本実施例の粒子線治療システムの各機器の配置を示している。図１（ａ）に建屋上面図、図１（ｂ）に建屋断面図を示す。
【００２２】
粒子線治療システムを設置する建屋は、図１（ｂ）に示すように、主加速器室４１ａ，前段加速器室４１ｂ及び照射室４２を備える。粒子線治療システムでは、高エネルギーのイオンビームを使用するため、建物の遮蔽壁は１〜２ｍ程度の厚さを有する。照射室４２は、主加速器室４１ａ及び前段加速器室４１ｂに隣接して配置される。遮蔽機能を有する遮蔽壁４０によって、主加速器室４１ａ及び前段加速器室４１ｂと照射室４２とが隔てられる。前段加速器室４１ｂは、主加速器室４１ａの階下に配置される。主加速器室４１ａと前段加速器室４１ｂの間の床には開口部４３が設けられている。主加速器室４１ａの天井付近に搬送装置（例えば、天井クレーム）５０が設けられている。主加速器室４１の壁に固定される天井クレーン５０は、シンクロトロン１２を構成する各機器の据え付けおよびメンテナンスの際に、各機器を搬送するときに使用される。本実施例の天井クレーン５０は、主加速器室４１ａの壁に固定されるが、建屋の強度との関係で設置可能な場合には加速器室４１ａの天井に固定してもよい。
【００２３】
粒子線治療システムは、加速器システム１０，ビーム輸送系２１及び照射野形成装置（照射装置）３１を備える。ビーム輸送系２１が、加速器システム１０と照射装置３１を接続する。
【００２４】
加速器システム１０は、イオン源１１ａ，前段加速器１１，シンクロトロン（主加速装置）１２及びビーム輸送手段２０を備える。本実施例では、前段加速器１１は、線形加速器である。シンクロトロン１２は、ビームを加速する高周波加速空洞（図示せず），出射用デフレクタ（図示せず），偏向電磁石１３及び四極電磁石１４を有する。ビーム輸送手段２０が、前段加速器１１とシンクロトロン１２とを接続する。なお、ビーム輸送手段２０は、第１ビーム輸送手段２０ａ，第２ビーム輸送手段２０ｂ及び第３ビーム輸送手段２０ｃで構成される。第１ビーム輸送手段２０ａが、前段加速器１１に接続される。第３ビーム輸送手段２０ｃが、シンクロトロン１２に接続される。第２ビーム輸送手段２０ｂが、第１ビーム輸送手段２０ａと第３ビーム輸送手段２０ｃとを接続する。
【００２５】
照射装置３１は、回転ガントリー３０に取り付けられる。回転ガントリー３０内に治療ベッド３２が設置される。照射装置３１を設置する回転ガントリーの回転半径は、陽子ビームを照射する回転ガントリー３０の場合で５ｍ程度必要である。よって、敷地面積に対する加速器システム１０の床面積割合を相対的に小さくしたいという要望がある。また、加速器システムのビーム輸送平面（グランドラインからの高さ）と照射室の患部照射基準点（以下、アイソセンター）は同一平面とするのが良い。本実施例のように、３６０度回転する回転ガントリーを設置する場合には、主加速器室４１ａの床面よりも深く掘り下げた床面に回転ガントリー３０を設置するとよい。回転ガントリー３０のアイソセンターが、シンクロトロン１２を周回するビームの周回軌道と同一平面となるように配置し、主加速器室４１ａの下部に前段加速器室４１ｂを配置する。このような構成により、主加速器室４１ａの床面よりも深く掘り下げた部分（例えば、地下）に前段加速器１１を設置可能となり、地下を有効に活用することができる。
【００２６】
イオン源１１ａで生成された陽子は、前段加速器１１に入射され加速される。ビーム輸送手段２０は、前段加速器１１から出射されたビームをシンクロトロン１２に輸送する。シンクロトロン１２は、前段加速器１１から出射されたビームを更に加速する。周回するビームは、高周波加速空洞により目標のビームエネルギーまで加速された後、シンクロトロン１２から出射される。ビーム輸送系２１が、シンクロトロン１２から出射されたビームを照射装置３１に輸送する。照射装置３１は、入射したビームを照射対象の形状にあわせて形成し、形成したビームを照射対象に照射する。
【００２７】
本実施例では、加速器システム１０のうち、シンクロトロン１２は主加速器室４１ａに設置される。また、前段加速器１１は、シンクロトロン１２の階下に位置する前段加速器室４１ｂに設置される。第１ビーム輸送手段２０ａは主加速器室４１ａ内に設置され、ビーム輸送手段２０ｃは前段加速器室４１ｃ内に設置される。第２ビーム輸送手段２０ｂは、主加速器室４１ａ及び前段加速器室４１ｂと照射室４２を分ける遮蔽壁４０に沿って設置されている。つまり、第２ビーム輸送手段２０ｂは、開口部４３を通るように遮蔽壁４０に沿って固定され、一方が第１ビーム輸送手段２０ａに接続され、他方が第３ビーム輸送手段２０ｃに接続される。照射室４２には、照射装置３１が搭載された回転ガントリー３０と、治療ベッド３２が設置されている。図１（ｂ）に示したように、階を隔ててシンクロトロン１２と前段加速器１１を配置することで、敷地面積に対して投影される加速器室４１の面積はシンクロトロン１２が配置可能な面積があれば良く、加速器室を空間的に利用することで、敷地面積に制限がある既存病院への併設が可能となる。
【００２８】
本実施例では、前段加速器１１をシンクロトロン１２の階下に配置する。前段加速器１１をシンクロトロン１２の階上に設置し、ビームを輸送することも可能であるが、以下の点で本実施例が効果的である。つまり、本実施例では、シンクロトロン１２と天井クレーン５０との間に前段加速器１１やビーム輸送手段２０等の機器が配置されていないため、シンクロトロン１２を構成する機器の据え付けおよびメンテナンスの際に使用する天井クレーン５０の動作範囲に制限が生じない。このため、シンクロトロン１２やビーム輸送手段２０のメンテナンス性が向上する。
【００２９】
ビーム輸送手段２０の構成及びその取り付けについて、図２及び図３を用いて説明する。本実施例では、前段加速器１１をシンクロトロン１２の階下に設置し、ビーム輸送手段２０はコの字型に配置される。この際、前段加速器１１から出射されたビームを前段加速器１１の配置階からシンクロトロンの配置階に輸送する第２ビーム輸送手段（垂直輸送部）２０ｂは、図２に示すように、最下部に第１の偏向電磁石１３ａ、最上部に第２の偏向電磁石１３ｂが配置され、ビームの輸送効率を維持するための四極電磁石１４やステアリング電磁石（図示せず）、ビームプロファイルモニタ１５等の機器が配置される。第１の偏向電磁石１３ａは、前段加速器１１から出射されて第１ビーム輸送手段２０ａを通過してきたビームを、そのビームの進行方向に対して垂直に偏向する。偏向されたビームは、四極電磁石１４及びプロファイルモニタ１５を通過するように、ビームダクト２５内を輸送される。第２の偏向電磁石１３ｂは、第１の偏向電磁石１３ａによって偏向されたビームを、そのビームの進行方向に対して更に垂直に偏向する。偏向されたビームは、第３ビーム輸送手段２０ｃを通過して、シンクロトロン１２に入射される。つまり、第２の偏向電磁石１３ｂが、シンクロトロン１２を周回するビームの周回軌道の平面と平行となる方向に、ビームを偏向する。これにより、ビームを、シンクロトロン１２に対して水平方向から入射することが可能となる。なお、偏向電磁石１３ａは、必ずしもビームをビーム進行方向に対して垂直に偏向するものではなくてよく、下部に配置される前段加速器１１から出射されるビームを、上部に配置されるシンクロトロン１２へ輸送する第２ビーム輸送手段２０ｂ内を通過するように偏向するものであればよい。また、偏向電磁石１３ｂは、必ずしもビームをビーム進行方向に対して垂直に偏向するものでなくてよく、第２ビーム輸送手段２０ｂを通過してきたビームを、シンクロトロン１２に対して水平方向から入射するように偏向するものであればよい。
【００３０】
第２ビーム輸送手段２０ｂを構成する機器はビーム中心軌道に対する設置精度を±０.２mm以下の据え付け精度が求められる。そのため、これらのビーム輸送手段２０を構成する機器のうち壁面に対して垂直に直接据え付ける方法では、要求設置精度を出すことが容易でない。そのため、図２に示すように、第２ビーム輸送手段２０ｂを構成する機器を、要求精度に合わせて予め架台２２ａ及び２２ｂに据え付け・調整しておく。この架台２２ａ及び２２ｂを所望の精度で据え付けることで、垂直に輸送する第２ビーム輸送手段２０ｂを現地で容易に据え付け・調整することが可能となる。
【００３１】
本実施例では、図４に示すように、上下２つに分割して構成されるＬ字型の架台を用いる。上部に位置する架台２２ａには、プロファイルモニタ１５を固定する固定板２３ａが設けられる。固定板２３ａは、架台２２ａの各側面に対して垂直に配置され、固定板２３ａの上面にプロファイルモニタ１５を固定する。下部に位置する架台２２ｂには、四極電磁石１４を固定する固定板２３ｂ及び２３ｃが設けられる。固定板２３ｂ及び２３ｃは、架台２２ｂの各側面に対して垂直に配置され、固定板２３ｂ及び２３ｃの上に四極電磁石１４を固定する。固定板２３ａ，２３ｂ及び２３ｃにはそれぞれ貫通穴が設けられ、その貫通穴を通すようにビームダクトが設置される。図２及び図３に示すように、架台２２ａ及び２２ｂから伸びるアームを用いて第２ビーム輸送手段２０ｂを固定してもよい。また、固定板２３ａ，２３ｂ及び２３ｃの強度を確保するために補強材を設置しても良い。機器を設置する際には、機器に対して架台の各面からアームを伸ばして固定する方法（図示せず）や、架台の二つの面に棚状の固定板２３を設け、ビームダクトが通過する部分および設置する機器が干渉する部分を切り欠き、架台をたてた場合に固定板２３が平坦に固定する方法を採用することで、機器のアライメント調整を容易にし、経年変化による機器の位置ずれを抑制することができる。
【００３２】
上部の架台２２ａと下部の架台２２ｂの接合部は、位置合わせ部材（ピンやキー等）２４ａ及び２４ｂを設置可能な構成を有する。遮蔽壁４０に沿って架台２２ａ及び２２ｂを配置・固定する場合、まず、下部の架台２２ｂを開口部４３から挿入して遮蔽壁４０の側面に沿って設置し、位置合わせを行う。その後、上部の架台２２ａを開口部４３から挿入して下部の架台２２ｂの上に設置する。上部の架台２２ａと下部の架台２２ｂの接合部に位置合わせ部材２４ａ及び２４ｂを挿入して、架台の位置合わせをし、固定する。
【００３３】
前段加速器１１からシンクロトロン１２までのビーム輸送手段２０のうち、垂直にビームを輸送する第２ビーム輸送手段２０ｂの長さは、主加速器室４１ａの床厚や前段加速器１１の設置クリアランスから４〜５ｍ程度となる。４〜５ｍの架台を分割せずに一体型で垂直に設置する場合、設置時の取り回し領域が大きくなるため、垂直に設置された第２ビーム輸送手段２０ｂを設置する主加速器室４１ａの開口部４３を広くする必要があり、建物の強度に影響を及ぼしかねない。本実施例では、上下に分割された２つの架台２２ａ及び２２ｂをそれぞれ開口部４３から遮蔽壁４０に沿って設置し、架台２２ａ及び２２ｂを組み合わせることで第２ビーム輸送手段２０ｂを設置するため、主加速器室４１ａの開口部４３を狭く維持でき、建物の強度への影響を低く抑えることができる。
【００３４】
本実施例によれば、以下の効果を得ることができる。
【００３５】
本実施例を適用しない従来の粒子線治療システムを図５に示す。本実施例の図１（ａ）と比較すると、前段加速器１１とシンクロトロン１２を同一階に設置する際には、ビーム輸送効率を維持するための機器配置のため、前段加速器１１とシンクロトロン１２を接続するビーム輸送手段２０の長さがある程度必要になり、結果として敷地面積に対する加速器室４１ｃの投影面積が広くなってしまう。また、図５では、粒子線治療システムを模式的に示しているが、実際の前段加速器はさらに長い構成となる。一方、本実施例では、加速器システム１０の前段加速器１１とシンクロトロン１２を二階に分けて配置することで、加速器室の敷地面積に対する割合を下げることが可能となり、狭い敷地面積にも粒子線治療システムを設置することが可能となる。また、本実施例では、第２ビーム輸送手段２０ｂを床に対してほぼ垂直に、遮蔽壁４０に備え付ける構成としたため、従来よりも第２ビーム輸送手段２０ｂの分だけ、敷地面積を小さくすることができる。
【００３６】
本実施例によれば、加速器システム１０の前段加速器１１とシンクロトロン１２を二階に分けて配置することで粒子線治療システム全体に対する加速器室の敷地面積の割合を下げることができるため、同じ敷地面積の場合には、患者に粒子線を照射して治療する照射室をより多く設置することが可能となる。これにより、治療スループットを向上させることができる。
【００３７】
本実施例では、前段加速器１１を設置する階とシンクロトロン１２を設置する階とを分けて配置しているため、従来と同じ敷地面積に粒子線治療システムを設置する場合、前段加速器１１の設置面積を広く取ることができる。そのため、従来よりも大きな前段加速器１１を設置することができ、より高いエネルギーにまで前段加速器１１にてイオンビームを加速可能となる。前段加速器１１から出射されるイオンビームのエネルギーが高くなると、空間電荷効果によるビーム損失が低減され、結果としてビーム強度を高めることができる。
【００３８】
本実施例では、同一階に前段加速器１１とシンクロトロン１２を設置する際と同様に、シンクロトロン１２に対して水平方向（水平軸：Ｘ軸）からビーム入射が可能であるため、シンクロトロン１２に対して複数回に分けてビームを入射し、シンクロトロン内の蓄積電荷量を高めることが可能な多重回転入射（マルチターン入射制御）も可能となり、ビーム強度を高めることが可能である。
【００３９】
本実施例では、架台２２ａ及び２２ｂの各接合部にキーやピン等の位置合せ部材を設ける構成を有するため、ビーム輸送装置の位置あわせが容易となり、架台を分割した際にも設置精度を維持することができる。
【００４０】
本実施例では、Ｌ字型の架台を用いて第２ビーム輸送手段２０ｂを据え付けているため、第２ビーム輸送手段２０ｂに設置される各機器を主加速器室４１ａや前段加速器室４１ｂから確認することができる。そのため、第２ビーム輸送手段２０ｂの位置調整を容易に実施でき、また、定期点検時のメンテナンス性を維持できる。
【００４１】
本実施例では、Ｌ字型の架台２２を採用したが、コの字型などの架台（構造体）を用いてもよい。コの字型の架台の場合、第２ビーム輸送手段２０ｂに設置する機器を更に安定して固定することができる。
【００４２】
本実施例では、架台が上部の架台２２ａと下部の架台２２ｂの２つに分割して構成されているが、３つ以上に分割した構成であってもよい。複数に分割することで、主加速器室４１ａの開口部４３を更に狭く確保でき、建物の強度を高く維持できる。
【００４３】
本実施例では、前段加速器１１をシンクロトロン１２の階下に設置し、階下の前段加速器１１から階上のシンクロトロン１２までのビーム輸送手段２０は、シンクロトロン１２を設置する主加速器室４１ａの床面に貫通口４３を開け、主加速器室４１ａを囲む遮蔽壁面に沿って貫通口４３を通してビーム輸送機器を設置する。一般に粒子線治療システムの建屋内の機器配置は、ビーム輸送時の損失を低減し、機器アライメント費用を低減するため、加速器システムから照射装置までのビーム輸送経路を最短にする。そのため、加速器システムを設置する加速器室の脇に照射室が配置されることが多い。加速器室に隣接して配置する照射室４２に回転ガントリー３０を設置する場合、加速器室のフロアよりも低く掘り下げ、厚い遮蔽壁を構築する。そこで、シンクロトロン設置フロアの階下に前段加速器である線形加速器を設置し、この厚い遮蔽壁をビーム輸送壁面として利用する。このビーム輸送壁面に沿ってビーム輸送手段を設置することで、ビーム輸送手段の壁面強度を補強することなく設置が可能となる。
【００４４】
本実施例では、壁面強度の強い遮蔽壁４０に第２ビーム輸送手段２０ｂを支持しているため、重量の大きい機器が設置される第２ビーム輸送手段２０ｂを長く確保したとしても、確実に保持することができる。第２ビーム輸送手段２０ｂを長さを確保することによって、四極電磁石１４やデバンチャー等の配置を最適化することができ、結果として、ビーム輸送効率を高めることができる。
【００４５】
本実施例では、ビーム輸送壁面に沿って輸送機器を設置する際に、ビーム輸送機器を予め壁面に直接固定可能な架台に設置し、架台上で機器のアライメント調整を実施後、加速器室に隣接するビーム輸送壁面に架台を固定設置し、アライメント調整を実施する。前段加速器からシンクロトロンまでビームを輸送するビーム輸送手段に、このような架台を適用することで、据え付け調整期間を短縮することが可能となる。
【００４６】
本実施例によれば、ビーム輸送機器をベースモジュールに固定設置する際、複数の架台に分割して固定設置することで、架台をビーム輸送壁面に設置する際の作業性を高めることができる。
【実施例２】
【００４７】
以下に、本発明の第二の実施例である炭素ビームを用いた粒子線治療システムを図４を用いて説明する。図４は、建屋内に設置した本実施例の粒子線治療システムの各機器の配置を示している。
【００４８】
本実施例の粒子線治療システムは、以下の点で実施例１の粒子線治療システムと異なる構成を有する。炭素ビームを加速する加速器システムは、陽子ビームを加速する加速器システムと異なり、加速粒子の静止質量が重いため、同じ飛程のビームを加速しようとすると、加速器システム１０を構成する前段加速器１１およびシンクロトロン１２が大きくなり、陽子ビームと炭素ビームを併用利用する場合には、それぞれのビームを発生するイオン源１１ａ，１１ｂが必要となる。本実施例の粒子線治療システムの他の構成は、実施例１と同様である。
【００４９】
本実施例では、実施例１と同様にシンクロトロン１２の階下に前段加速器１１を設置し、加速器室の投影面積を狭くすることが可能となり、従来必要であった広い敷地面積を狭くできる。これ以外の効果は実施例１と同一である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態である陽子ビームを用いた粒子線治療システムの建屋内機器配置の部分を示す。
【図２】前段加速器からシンクロトロンへのビーム輸送手段における垂直輸送部の架台の構成を示す。
【図３】前段加速器からシンクロトロンへビームを輸送するビーム輸送手段の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態である炭素ビームを用いた粒子線治療システムの建屋内機器配置の部分を示す。
【図５】従来の陽子ビームを用いた建屋内機器配置例の部分を示す。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 加速器システム
１１ 前段加速器
１２ シンクロトロン
１３ 偏向電磁石
１４ 四極電磁石
１５ プロファイルモニタ
２０ ビーム輸送手段（ビーム輸送装置）
２０ａ 第１ビーム輸送手段（第１ビーム輸送装置）
２０ｂ 第２ビーム輸送手段（第２ビーム輸送装置）
２０ｃ 第３ビーム輸送手段（第３ビーム輸送装置）
２１ ビーム輸送系
２２ａ，２２ｂ 架台
２３ 固定板
２４ 位置合わせ部材
３０ 回転ガントリー
３１ 照射装置
３２ 治療ベッド
４０ 遮蔽壁
４１ａ 主加速器室
４１ｂ 前段加速器室
４２ 照射室
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを加速して出射する前段加速装置と、
前記前段加速装置から出射された前記イオンビームを加速する主加速装置と、
前記前段加速装置からの前記イオンビームを前記主加速装置に輸送するビーム輸送装置とを有し、
前記前段加速装置を前記主加速装置の下部に設置することを特徴とする加速器システム。
【請求項２】
イオンビームを加速して出射する前段加速装置と、
前記前段加速装置から出射された前記イオンビームを加速する主加速装置と、
前記前段加速装置からの前記イオンビームを前記主加速装置に輸送するビーム輸送装置とを有し、
前記前段加速装置と前記主加速装置を上下に配置し、
前記ビーム輸送装置が、
前記前段加速装置から出射された前記イオンビームを、当該イオンビームの進行方向に対して垂直に偏向する第１偏向電磁石と、
前記偏向されたイオンビームを、前記主加速装置を周回する前記イオンビームの周回軌道の平面と平行となる方向に偏向する第２偏向電磁石とを備えることを特徴とする加速器システム。
【請求項３】
前記ビーム輸送装置が、
前記前段加速装置を配置する前段加速器室の壁面に沿って設置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速器システム。
【請求項４】
前記イオンビーム輸送手段を構成する機器を設置する架台を有し、
前記架台を前記壁面に固定することで、前記イオンビーム輸送手段を固定する構成であることを特徴とする請求項３に記載の加速器システム。
【請求項５】
前記ビーム輸送装置を設置する前記架台が、上下に複数に分割して構成されることを特徴とする請求項４に記載の加速器システム。
【請求項６】
複数に分割して構成される各架台の接合部に位置合せ部材を設置して、前記ビーム輸送装置の位置合せをすることを特徴とする請求項５に記載の加速器システム。
【請求項７】
前記前段加速装置内を進行する前記イオンビームが、前記前段加速装置を配置する前段加速器室と前記イオンビームを形成して前記照射対象に出射する照射装置を配置する照射室との間の遮蔽壁へ向かうように、前記前段加速装置を配置することを特徴とする加速器システム。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の加速器システムと、
前記加速器システムから出射された前記イオンビームを照射対象に合わせて形成し、形成した前記イオンビームを前記照射対象に照射する照射装置とを備えることを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項９】
イオンビームを加速して出射する前段加速装置と、
前記前段加速装置から出射された前記イオンビームを加速する主加速装置と、
前記前段加速装置からの前記イオンビームを前記主加速装置に輸送するビーム輸送装置と、
前記主加速装置から出射された前記イオンビームを照射対象に合わせて形成し、形成した前記イオンビームを前記照射対象に照射する照射装置とを有し、
前記前段加速装置が、前記主加速装置の階下に設置され、
前記ビーム輸送装置が、
前記前段加速装置から出射された前記イオンビームを、当該イオンビームの進行方向に対して垂直に偏向する第１偏向電磁石と、
前記偏向されたイオンビームを、前記主加速装置を周回する前記イオンビームの周回軌道の平面と平行となる方向に偏向する第２偏向電磁石とを有し、
前記主加速装置を構成する機器を搬送する搬送装置を備えることを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項１】
イオンビームを加速して出射する前段加速装置と、
前記前段加速装置から出射された前記イオンビームを加速する主加速装置と、
前記前段加速装置からの前記イオンビームを前記主加速装置に輸送するビーム輸送装置とを有し、
前記前段加速装置を前記主加速装置の下部に設置することを特徴とする加速器システム。
【請求項２】
イオンビームを加速して出射する前段加速装置と、
前記前段加速装置から出射された前記イオンビームを加速する主加速装置と、
前記前段加速装置からの前記イオンビームを前記主加速装置に輸送するビーム輸送装置とを有し、
前記前段加速装置と前記主加速装置を上下に配置し、
前記ビーム輸送装置が、
前記前段加速装置から出射された前記イオンビームを、当該イオンビームの進行方向に対して垂直に偏向する第１偏向電磁石と、
前記偏向されたイオンビームを、前記主加速装置を周回する前記イオンビームの周回軌道の平面と平行となる方向に偏向する第２偏向電磁石とを備えることを特徴とする加速器システム。
【請求項３】
前記ビーム輸送装置が、
前記前段加速装置を配置する前段加速器室の壁面に沿って設置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速器システム。
【請求項４】
前記イオンビーム輸送手段を構成する機器を設置する架台を有し、
前記架台を前記壁面に固定することで、前記イオンビーム輸送手段を固定する構成であることを特徴とする請求項３に記載の加速器システム。
【請求項５】
前記ビーム輸送装置を設置する前記架台が、上下に複数に分割して構成されることを特徴とする請求項４に記載の加速器システム。
【請求項６】
複数に分割して構成される各架台の接合部に位置合せ部材を設置して、前記ビーム輸送装置の位置合せをすることを特徴とする請求項５に記載の加速器システム。
【請求項７】
前記前段加速装置内を進行する前記イオンビームが、前記前段加速装置を配置する前段加速器室と前記イオンビームを形成して前記照射対象に出射する照射装置を配置する照射室との間の遮蔽壁へ向かうように、前記前段加速装置を配置することを特徴とする加速器システム。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の加速器システムと、
前記加速器システムから出射された前記イオンビームを照射対象に合わせて形成し、形成した前記イオンビームを前記照射対象に照射する照射装置とを備えることを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項９】
イオンビームを加速して出射する前段加速装置と、
前記前段加速装置から出射された前記イオンビームを加速する主加速装置と、
前記前段加速装置からの前記イオンビームを前記主加速装置に輸送するビーム輸送装置と、
前記主加速装置から出射された前記イオンビームを照射対象に合わせて形成し、形成した前記イオンビームを前記照射対象に照射する照射装置とを有し、
前記前段加速装置が、前記主加速装置の階下に設置され、
前記ビーム輸送装置が、
前記前段加速装置から出射された前記イオンビームを、当該イオンビームの進行方向に対して垂直に偏向する第１偏向電磁石と、
前記偏向されたイオンビームを、前記主加速装置を周回する前記イオンビームの周回軌道の平面と平行となる方向に偏向する第２偏向電磁石とを有し、
前記主加速装置を構成する機器を搬送する搬送装置を備えることを特徴とする粒子線治療システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２１７９３８（Ｐ２００９−２１７９３８Ａ）
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５７１５６（Ｐ２００８−５７１５６）
【出願日】平成２０年３月７日（２００８．３．７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月７日（２００８．３．７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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