粒子線治療装置
【課題】本発明の目的は、小型かつ調整容易なビーム輸送装置を備える粒子線治療装置を提供することにある。
【解決手段】粒子線治療装置１００はシンクロトロン３００と固定ビーム輸送装置４００と回転ガントリー５００と照射装置５２０を備え、固定ビーム輸送装置４００に偏向電磁石４３０が設置され、固定ビーム輸送装置４００は偏向電磁石４３０によって分割された二つの直線部４１０，４２０を持つ。上流の第一直線部４１０には３台の四極電磁石４４１〜４４３とプロファイルモニタ４５１、下流の第二直線部４２０には４台の四極電磁石４４４〜４４７と２台のプロファイルモニタ４５２，４５３、２台のステアリング電磁石４６３，４６４が設置され、これらの電磁石の励磁量を調整しビームのＴwissパラメータと分散関数を回転ガントリー５００との接続点５３０においてビームの進行方向を軸とした回転に対して不変となるように調整する。
【解決手段】粒子線治療装置１００はシンクロトロン３００と固定ビーム輸送装置４００と回転ガントリー５００と照射装置５２０を備え、固定ビーム輸送装置４００に偏向電磁石４３０が設置され、固定ビーム輸送装置４００は偏向電磁石４３０によって分割された二つの直線部４１０，４２０を持つ。上流の第一直線部４１０には３台の四極電磁石４４１〜４４３とプロファイルモニタ４５１、下流の第二直線部４２０には４台の四極電磁石４４４〜４４７と２台のプロファイルモニタ４５２，４５３、２台のステアリング電磁石４６３，４６４が設置され、これらの電磁石の励磁量を調整しビームのＴwissパラメータと分散関数を回転ガントリー５００との接続点５３０においてビームの進行方向を軸とした回転に対して不変となるように調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は陽子線または炭素イオン線等の重イオン線の照射によって、がんなどの腫瘍を治療する粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
がん治療法の一つとして、患部に陽子あるいは炭素イオン等のイオンビームを照射する粒子線治療が知られている。陽子や炭素イオン等のイオンを高エネルギーで物質に入射すると、飛程の終端で多くのエネルギーを失う。粒子線治療では、この性質を利用し、がん細胞で多くのエネルギーを失うように、イオンビームを患者に照射する。すると、周囲の健康な組織に損傷を与えることなく、がん細胞を破壊できる。粒子線治療ではイオンビームの空間的な広がりとエネルギーを調整し、患部の形状に合わせた線量分布を形成する。
【０００３】
粒子線治療に用いる粒子線治療装置は、イオン源、イオン源で発生したイオンを加速する加速器、加速器から出射したイオンビームを輸送するビーム輸送装置、所望の線量分布で患部にビームを照射する照射装置からなる。
【０００４】
粒子線治療装置で用いられる加速器には、シンクロトロンやサイクロトロン等が挙げられる。どちらの加速器も入射したイオンを所定のエネルギーまで加速し、イオンビームとして出射する機能は共通である。
【０００５】
加速器から出射されたイオンビームはビーム輸送装置によって照射装置まで輸送される。ビーム輸送装置にはイオンビームの進行方向を大きく変える偏向電磁石と、ビームの進行方向を微調整するステアリング電磁石，イオンビームに収束，発散の作用を与える四極電磁石が備えられており、これらの電磁石の励磁量を適切に調整することで照射装置に適切なサイズ，位置のビームが輸送される。
【０００６】
患部に複数方向からビームを照射するために、回転ガントリーに、ビーム輸送装置と照射装置を設置することもある。回転ガントリーを持つ粒子線治療装置のビーム輸送装置は回転ガントリーに設置される回転ビーム輸送装置と、建屋に設置・固定される固定ビーム輸送装置に大別できる。
【０００７】
ビーム輸送装置では「Ｔwissパラメータ」と「分散関数」と呼ばれるビームの光学的パラメータを調整する。調整するＴwissパラメータは、ビームの進行方向に対して垂直な平面内の互いに直交する二方向に対して、それぞれαとβの二種がある。通常は、水平方向をｘ、鉛直方向をｙとしてαｘ，βｘ，αｙ，βｙが調整パラメータとして選ばれる。βはビームの空間的な分布の大きさを表すパラメータであり、αはビームの進行方向に対するβの変化率を表わしている。分散関数はビームを構成する各イオン粒子のエネルギーのバラつきと、位置及び軌道の傾きの相関を示す指標である。通常の輸送系では水平方向の分散関数を調整する。それぞれηｘ，η′ｘと表わす。分散関数ηｘ，η′ｘはともに０の状態で偏向電磁石を通過すると発生する。また、特定の分散関数の値で偏向電磁石を通過すると、通過後ともに０になる性質がある。また、ηｘ，η′ｘがともに０となった状態で四極電磁石とドリフトスペースからなる直線状のビーム輸送装置に入射すると、その直線状ビーム輸送装置の至る所でηｘ，η′ｘは０のままである。一般に、照射装置ではビームの空間的広がりを小さくする必要がある。分散関数はその絶対値が大きいほどビームの広がりが大きくなるため、照射装置ではビームサイズを小さくする際には分散関数ηｘ，η′ｘを０にしたうえでさらにβを小さくし、αを０にする。また、ビームを損失なく照射点まで輸送するには、ビーム輸送装置内にある偏向電磁石や四極電磁石等の通過時に、その電磁石の磁極ギャップよりもビームサイズを小さくする必要がある。
【０００８】
回転ガントリーに照射装置が設置されている場合は、照射方向の変更時に電磁石の再励磁が不要となるように、全ての照射角度で同一の四極電磁石の励磁量でビームを輸送する。より具体的には、回転ガントリーに設置された回転ビーム輸送装置と建屋に固定された固定ビーム輸送装置の境界でビームのＴwissパラメータが水平と鉛直で同一の値を持つように四極電磁石を調整している。すると、照射方向によらず、照射点でのＴwissパラメータが一定となる。
【０００９】
さらに、ビーム輸送装置ではビームを照射する位置とビーム軌道の勾配を調整する必要もある。ビーム位置と軌道の勾配はビーム輸送装置内のステアリング電磁石と呼ばれる電磁石で調整する。水平方向の位置をｘ、軌道勾配をｘ′、鉛直方向位置をｙ、軌道勾配をｙ′と表わす。これら４つのパラメータを調整するために、水平ステアリング電磁石と垂直ステアリング電磁石がそれぞれ２台以上必要である。
【００１０】
また、ビーム輸送装置にはビームの照射制御のために高速キッカが設置されることがある。高速キッカは立ち上がりの早い電磁石が用いられる。高速キッカが磁場を励起すると、キックを受けたビームが軌道を外れ、下流のビームダンパに衝突する。これによってビームの照射と停止の制御を行う。このときは、キッカとダンパの間に、数ｍ程度の距離をとる必要がある。この体系でビームの輸送経路を短くする手法として特許文献１が挙げられる。
【００１１】
照射装置では、患部形状に合わせたイオンビームの照射野を形成する。照射野形成では、患部深さ方向を照射するイオンビームのエネルギーにより制御し、患部形状に合わせたビーム形状をコリメータなどで形成することで実現する。照射装置での照射野形成の方法には、散乱体によって、輸送装置から輸送されたビームを広げる散乱体照射法と、輸送された細いビームを走査電磁石によって患部形状に合わせて走査するスキャニング照射法がある。
【００１２】
散乱体照射法では、イオンビームを患部形状に広げる散乱体と、体表面からの患部深さに合わせてイオンビームの飛程を制御する飛程変調手段が照射装置に備えられている。散乱体照射法の一例として、回転型飛程変調装置を用いた方法を説明する。この方法では、照射装置内に、ビームの進行方向と平行な軸を回転軸として回転するプロペラの形状をした飛程変調装置と、密度の異なる金属を同心円状に組み合わせた第二散乱体がビームの経路の上流から設置されている。回転型飛程変調装置は、ビームの照射中に常に回転している。また、回転型飛程変調装置は回転の周方向に対して、厚みが変化している。そのため、回転型飛程変調装置をビームが通過するタイミングによって、ビームが失うエネルギーを制御し、ひいてはイオンビームの飛程を制御できる。この原理を用いて、加速器からのイオンビームの出射タイミングを制御し、照射する患部の形状に合わせたビームエネルギーの分散を形成できる。
【００１３】
スキャニング照射法の一例として、スポットスキャニング照射法の説明をする。スキャニング照射法の照射装置にはビームを走査する走査電磁石が２台備えられている。患部ののみにビームが照射されるように、これらの走査電磁石で照射装置内にビームをビームの進行方向に対して垂直な平面内で走査する。また、患部形状に一致した照射野を形成するために、加速器から出射されるビームのエネルギーを変更するか、あるいはビーム輸送装置に配置されたエネルギー吸収体の厚みを変えることで、照射装置に輸送されるビームのエネルギーを変更する。すると、ビームのエネルギーによってブラッグピークの位置が変わり、患部形状に合わせた照射野を形成できる。これら照射法のより詳細な説明は非特許文献１に詳しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００９−２７９０４５号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Alfred Smith他「The M. D. Anderson proton therapy system」Medical Physics 36(9)，２００９年９月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
従来の粒子線治療装置でのビーム輸送装置では前述の通り、αｘ，βｘ，αｙ，βｙ，ηｘ，η′ｘの６パラメータが四極電磁石で調整する。また、ビーム位置と軌道勾配ｘ，ｘ′，ｙ，ｙ′の４パラメータをステアリング電磁石によって調整する。よって、ビーム輸送装置には少なくとも１台の偏向電磁石と６台の四極電磁石、水平軌道調整用と鉛直軌道調整用についてそれぞれ２台のステアリング電磁石が必要である。電磁石で各パラメータを限られた励磁電流で調整するには電磁石の下流に続くビーム軌道長を長くとる必要があり、小型のビーム輸送装置を実現するには電磁石電源容量の増強が必須であり、コスト高となっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明における粒子線治療装置では固定ビーム輸送装置に１台の偏向電磁石を持ち、その偏向電磁石によって分割された二つの直線部をもつ。この偏向電磁石よりも荷電粒子ビームのビーム進行方向の上流側に位置する第１の直線状ビーム輸送装置には、３台の四極電磁石を配置し、偏向電磁石よりも荷電粒子ビームの進行方向の下流側に位置する第２の直線状ビーム輸送装置には、４台の四極電磁石を配置する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、従来よりも輸送経路の短いビーム輸送装置を実現することができ、小型の粒子線治療装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態の粒子線治療装置の全体構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の粒子線治療装置の全体構成図である。
【図３】本発明の第３の実施形態の粒子線治療装置の全体構成図である。
【図４】本発明の第４の実施形態の粒子線治療装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しつつ本発明の第１の実施形態を説明する。
【００２１】
本発明の第一の実施形態を図１に示す。図１は本実施形態の粒子線治療装置１００の全体構成である。粒子線治療装置１００は前段加速器２００，シンクロトロン３００，ビーム輸送装置，回転ガントリー５００から構成される。
【００２２】
ビーム輸送装置は、粒子線治療装置１００の建屋に固定された固定ビーム輸送装置４００と、この固定ビーム輸送装置４００に接続されて回転可能な構成を有する回転ビーム輸送装置５１０を有する。荷電粒子ビーム（以下、ビーム）の進行方向に対して上流側に固定ビーム輸送装置４００が位置し、下流側に回転ビーム輸送装置５１０が位置する。回転ガントリー５００には回転ビーム輸送装置５１０と照射装置５２０が接続されている。回転ビーム輸送装置５１０と固定ビーム輸送装置４００は接続点５３０で接続されている。回転ガントリー５００は接続点５３０を中心に固定ビーム輸送装置４００の第二直線部４２０の回転軸の方向５４０を軸として回転する。回転ガントリー５００を回転させることで、照射点５５０にある患部へのビームの照射方向を調節できる。また、シンクロトロン３００，固定ビーム輸送装置４００，回転ビーム輸送装置５１０に設置された各機器には電源６００が接続されており、電源６００は制御装置７００を通して調整者用端末８００からの指令に基づき制御される。電源６００は、出射用高周波電源６１０，偏向電磁石電源６２０，四極電磁石電源６３０，ステアリング電磁石電源６４０，高速キッカ電源６５０，出射用セプタム電磁石６６０を備える。調整者用端末８００からの指令信号に基づいて、制御装置７００は、電源６００を制御してシンクロトロン３００，回転ビーム輸送装置４００，回転ビーム輸送装置５１０を構成する各機器を制御する。
【００２３】
本粒子線治療装置では、ライナックである前段加速器２００で予備加速したビームをシンクロトロン３００で指定したエネルギーまで加速する。加速されたビームは出射用セプタム電磁石３１０を通して固定ビーム輸送装置４００に出射される。固定ビーム輸送装置４００によって、ビームは接続点５３０まで輸送され、その後回転ビーム輸送装置５１０に入る。最終的にビームは照射装置５２０を通過し、照射点５５０に、所望のビームサイズとビーム位置で輸送される。
【００２４】
シンクロトロン３００にはビームの入射時に用いる入射用セプタム電磁石３２０，ビーム軌道を偏向する偏向電磁石３３０，ビームを加速する高周波加速空胴３４０，ビームを安定に周回させるための四極電磁石３５０，ビームの出射時に安定領域を狭めるために励磁する六極電磁石３６０、周回するビームを安定領域外に蹴りだす出射用高周波電極３７０、出射ビームを固定ビーム輸送装置４００に導く出射用セプタム電磁石３１０が設置されている。加速中にビームはシンクロトロン３００の内部を周回している。ビームが周回する周波数に一致させた高周波電場が高周波加速空胴３４０内に励起されている。ビームがシンクロトロン３００内部を周回すると高周波電場によって、ビームは加速される。加速中に、ビーム軌道が一定となるように、ビームのエネルギーに合わせてシンクロトロン３００の偏向電磁石３３０の磁場を増加させる。また、ビームが加速するにつれ、シンクロトロン３００を周回する時間も短くなるので、高周波加速空胴３４０内に励起する高周波電場の周波数も上げていく。指定したエネルギーまでビームが加速されると、高周波加速空胴３４０内に励起する高周波電場の周波数と偏向電磁石３３０の磁場を一定に保つ。
その状態から、六極電磁石３６０を励磁し、出射用高周波電極３７０に高周波電場を励起する。六極電磁石３６０が励磁されると、ビームを構成する粒子の水平方向の位置と勾配変位によっては、シンクロトロン３００内を安定に周回せず、出射用セプタム電磁石３１０の位置に達する。安定に周回する粒子も、出射用高周波電極３７０に発生する高周波電場からのキックによって、時間経過とともに水平方向の位置と勾配変位が大きくなり、安定に周回できなくなり、出射用セプタム電磁石３１０に達する。この方法でシンクロトロン３００からビームが取り出すと、電力を供給する出射用高周波電源６１０のＯＮ／ＯＦＦ制御によってビームの出射と停止を制御できる。
【００２５】
固定ビーム輸送装置４００には偏向電磁石４３０が１台設置されている。この偏向電磁石４３０によって、固定ビーム輸送装置４００は二つの直線状ビーム輸送装置に分割される。固定ビーム輸送装置４００は、偏向電磁石４３０よりもビーム進行方向の上流側に位置する第１の直線状ビーム輸送装置（第一直線部）４１０と、偏向電磁石４３０よりもビーム進行方向の下流側に位置する第２の直線状ビーム輸送装置（第二直線部）４２０を備える。第一直線部４１０は、一方が出射用セプタム電磁石３１０に接続され、他方が第二直線部４２０に接続される。第二直線部４２０は、一方が第一直線部４１０に接続され、他方が回転ビーム輸送装置５１０に接続される。第一直線部４１０には３台の四極電磁石４４１〜４４３、１台のプロファイルモニタ４５１、２台のステアリング電磁石４６１，４６２，高速キッカ４７０が配置されている。第一直線部４１０のビーム軌道上に、ビーム進行方向の上流側から順に、ステアリング電磁石４６１，四極電磁石４４１，四極電磁石４４２，ステアリング電磁石４６２，高速キッカ電磁石４７０，四極電磁石４４３，プロファイルモニタ４５１が配置される。第二直線部４２０には４台の四極電磁石４４４〜４４７、２台のプロファイルモニタ４５２，４５３、１台のステアリング電磁石４６３が配置されている。第二直線部４２０のビーム軌道上に、ビーム進行方向の上流側から順に、ステアリング電磁石４６３，四極電磁石４４４，四極電磁石４４５，四極電磁石４４７，四極電磁石４４６，プロファイルモニタ４５３，プロファイルモニタ４５２が配置される。偏向電磁石４３０にはダンパ４８０が設置されており、高速キッカ４７０によってキックされたビームはダンパ４８０に衝突し、遮断される。
【００２６】
偏向電磁石４３０は偏向電磁石電源６２０から電流を供給される。同様に各四極電磁石４４１〜４４７，ステアリング電磁石４６１〜４６３，高速キッカ４７０はそれぞれ四極電磁石電源６３０，ステアリング電磁石電源６４０，高速キッカ電源６５０から電流を供給される。これらの電源６１０，６２０，６３０，６４０は制御装置７００によって出力電流を制御される。それぞれの電磁石の励磁電流は調整者用端末８００を通した調整者の指示によって個別に設定できる。
【００２７】
プロファイルモニタ４５１〜４５３はマルチワイヤドリフトチェンバーを用いたビームの位置とビームのサイズを測定する荷電粒子ビーム計測装置である。プロファイルモニタ４５１〜４５３は通過するビームの水平方向と垂直方向の分布を測定できる。プロファイルモニタ４５１〜４５３の出力信号はプロファイルモニタ信号処理装置７１０によって処理され、ビームサイズとビームの位置が計算される。その後、制御装置７００を通して調整者用端末８００にビームサイズとビーム位置の結果を表示する。
【００２８】
ステアリング電磁石４６１〜４６３は鉛直方向と水平方向に独立に磁場を励起することができる。そのため各電磁石１台で水平方向と鉛直方向に独立にビームを偏向できる。
【００２９】
回転ビーム輸送装置５１０には偏向電磁石３台と四極電磁石６台が設置されており、各電磁石は固定ビーム輸送装置４００に設置された電磁石と同様に電源（図示せず）から励磁電流を供給される。また、回転ビーム輸送装置５１０にはプロファイルモニタ（図示せず）が設置されており、固定ビーム輸送装置４００のプロファイルモニタ４５１〜４５３同様、ビームサイズを測定できる。
【００３０】
本実施例の照射装置５２０は、スキャニング照射法に対応した照射装置であり、ビームを走査するためのスキャニング電磁石（図示せず）とプロファイルモニタ（図示せず）が設置されている。次に、固定ビーム輸送装置４００に設置された四極電磁石４４１〜４４７とステアリング電磁石４６１〜４６３の励磁量の調整手法を説明する。
【００３１】
固定ビーム輸送装置４００の調整によって、接続点５３０においてビームの進行方向を回転ガントリー５００の回転軸に一致させ、かつビームのＴwissパラメータをそれぞれ予め定めた目標値（例えばαｘ＝αｙ＝０，βｘ＝βｙ＝６ｍ）に一致させる。
【００３２】
まず、出射用セプタム電磁石３１０から出射されるビームのパラメータを測定する。ＴwissパラメータとエミッタンスはＱスキャン法と呼ばれる手法で測定する。第一直線部４１０のステアリング電磁石４６１，４６２の励磁量を調整し、ビームの中心軌道が偏向電磁石４３０の設計軌道と一致させる。次に、四極電磁石４４１〜４４３を所定の励磁量の範囲で変化させ、プロファイルモニタ４５１でのビームサイズ変化を測定する。各四極電磁石４４１〜４４３の励磁量とプロファイルモニタ４５１でのビームサイズの振る舞いから、出射用セプタム電磁石３１０でのＴwissパラメータとエミッタンスを測定できる。分散関数の測定はシンクロトロン３００から出射されるビームのエネルギーを微小に変化させ、そのエネルギー変化に応じたプロファイルモニタ４５１での位置の変化から測定できる。ここでも、第一直線部４１０の各四極電磁石４４１〜４４３の励磁量を所定の範囲で変化させ、プロファイルモニタでのビーム位置を測定する。そのエネルギー変化に伴う位置の変化の振る舞いから、出射用セプタム電磁石３１０での分散関数を求めることができる。
【００３３】
以上の測定から偏向電磁石４３０の出口、すなわち第二直線部４２０において分散関数ηｘ，η′ｘをともに０にし、かつ偏向電磁石４３０をビームの損失なく通過できる四極電磁石の励磁量を求めることができる。さらに、固定ビーム輸送装置４００のステアリング電磁石４６２，４６３で第二直線部４２０に設置された２台のプロファイルモニタ４５２，４５３の測定結果から回転ガントリー５００の回転軸の方向５４０とビームの進行方向が一致させる。また、Ｔwissパラメータの測定結果から、接続点５３０でのＴwissパラメータを目標値に一致させる第二直線部４２０の四極電磁石５６０の励磁量を求めることができる。以上の手順によって、固定ビーム輸送装置４００の四極電磁石４４１〜４４７とステアリング電磁石４６１〜４６３の調整が完了する。
【００３４】
本実施形態のビーム輸送装置ではステアリング電磁石４６２および４６３の間には四極電磁石４４３と偏向電磁石４３０が配置されている。四極電磁石４４３はビームに対し水平方向に発散、鉛直方向に収束の作用をする電磁石であり、偏向電磁石４３０はその磁極端面がビームの進行方向に対して垂直から一定の角度をつけられている。すると、偏向電磁石４３０はビームの水平方向に対して収束・発散の作用をせず、鉛直方向に対して収束作用を与える。ステアリング電磁石４６２と４６３の間に収束・発散の作用がある機器を本実施形態のように配置し、ステアリング電磁石４６３以降の四極電磁石の配置を本実施形態で示した配置にすることで、ステアリング電磁石４６２および４６３の単位偏向量あたりの接続点５３０での軌道変位と勾配変位で作るベクトルが互いに直交する。これにより、補正できる軌道ずれの範囲を広くとることができる。すなわち、本実施形態で示したような短いビーム輸送装置少ない電流値でビーム位置の調整が可能とすることができる。
【００３５】
回転ビーム輸送装置５１０には偏向電磁石３台と四極電磁石６台が設置されており、回転ビーム輸送装置５１０中の四極電磁石の励磁量を適切に定めることで照射点５５０でのαｘ，αｙをともに０にし、分散関数ηｘ，η′ｘも０とし、βｘ，βｙを所定の値にすることができる。接続点５３０でＴwissパラメータとビーム軌道を調整できれば、照射点５５０でのビームのＴwissパラメータと分散関数は回転ガントリー５００の回転角に依らず一定とでき、患部への照射方向を変えてビームを照射する際も固定ビーム輸送装置４００の四極電磁石４４１〜４４７と回転ビーム輸送装置５１０の四極電磁石５６０の励磁量を変化させずに、同じビーム条件で患部に照射することができる。
【００３６】
これにより、複数方向から患部に照射する際に、照射方向の切り替え時間を短く保ったまま、より設置面積の小さい粒子線治療装置が実現できる。
【００３７】
（第２の実施形態）
以下、図面を参照しつつ本発明の第２の実施形態を説明する。ここでは第１の実施形態と異なる箇所のみ説明する。図２は本実施形態の粒子線治療装置１００の全体構成である。第２の実施形態では第１の実施形態におけるビーム輸送装置の下流の第二直線部４２０にステアリング電磁石４６４が設置されている。本実施例の第二直線部４２０には、ビーム軌道に沿ってビーム進行方向の上流側から順に、ステアリング電磁石４６３，四極電磁石４４４，四極電磁石４４５，ステアリング電磁石４６４，四極電磁石４４７，四極電磁石４４６，プロファイルモニタ４５３，プロファイルモニタ４５２が配置される。本実施例のステアリング電磁石４６４は、四極電磁石４４５と四極電磁石４４６の間に配置される。
【００３８】
本実施形態では接続点５３０でのビーム軌道の調整はステアリング電磁石４６２〜４６４で実施する。ステアリング電磁石４６２と４６３の間には２台の四極電磁石４４４と４４５が設置されており、第１の実施形態で説明したような、ステアリング電磁石での単位偏向量当たりに接続点５３０で生じるビーム位置変位と勾配変位からなるベクトルがほぼ直交する関係となっている。さらに、ステアリング電磁石４６２とステアリング電磁石４６３の間には第１の実施例と同様四極電磁石と偏向電磁石があるため、四極電磁石の励磁量によっては、ステアリング電磁石４６２もビーム軌道の調整に加えることでさらに調整可能なビーム軌道変位を広げることができる。
【００３９】
（第３の実施形態）
以下、図面を参照しつつ本発明の第３の実施形態を説明する。ここでは第２の実施形態と異なる箇所のみ説明する。図３は本実施形態の粒子線治療装置１００の全体構成である。第２の実施形態での機器配置と比べ四極電磁石４４７とステアリング電磁石４６４の位置が交換されている。つまり、本実施例の第二直線部４２０には、ビーム軌道に沿ってビーム進行方向の上流側から順に、ステアリング電磁石４６３，四極電磁石４４４，四極電磁石４４５，四極電磁石４４７，ステアリング電磁石４６４，四極電磁石４４６，プロファイルモニタ４５３，プロファイルモニタ４５２が配置される。この配置でも、第１の実施例と第２の実施例で述べた効果が得られ、少ないステアリング電磁石励磁量で広い範囲でのビーム軌道調整が可能となる。
【００４０】
（第４の実施形態）
以下、図面を参照しつつ本発明の第４の実施形態を説明する。ここでは第１の実施形態と異なる箇所のみ説明する。本発明の第４の実施形態を図４に示す。図４は本実施形態の粒子線治療装置の機器構成である。本装置は前段加速器２００，シンクロトロン３００，固定ビーム輸送装置４００，二つの回転ガントリー５０１〜５０２から構成される。回転ガントリー５０１及び５０２にはそれぞれ、ビームを照射対象に照射する照射装置が備えられる。
【００４１】
固定ビーム輸送装置４００には、選択されたいずれか一つの照射装置にビームを輸送するための偏向電磁石（コース切替電磁石）４３１，４３２が設置されている。この偏向電磁石４３１，４３２によって、固定ビーム輸送装置４００は四つの第一直線部４１１，第二直線部４１２，第三直線部４２１，第四直線部４２２に分割されている。偏向電磁石４３１が、出射用セプタム電磁石３１０に最も近く、ビーム進行方向の最も上流側に配置されるコース切替電磁石である。第一直線部４１１が、この偏向電磁石４３１と出射用セプタム電磁石３１０の間に位置する第１の直線状ビーム輸送装置である。一方が回転ビーム輸送装置５３１に接続されて他方が偏向電磁石４３１に接続される第三直線部４２１、及び一方が回転輸送装置５３２に接続されて他方が偏向電磁石４３２に接続される第四直線部４２２が第２の直線状ビーム輸送装置である。
【００４２】
偏向電磁石４３１，４３２の励磁状態によってビームが輸送される照射装置が異なる。偏向電磁石４３１が励磁されている場合は、偏向電磁石４３１でビームは偏向されて第三直線部４２１を通過して照射点５５１へ輸送される。一方、偏向電磁石４３１が励磁されていない場合は、ビームは第二直線部４１２へ輸送される。この場合、偏向電磁石４３２が励磁されており、第二直線部４１２に輸送されたビームは、この偏向電磁石４３２で偏向され第四直線部４２２を通過して照射点５５２へ輸送される。
【００４３】
第一の直線部４１１には３台の四極電磁石４４０，１台のプロファイルモニタ４５０、２台のステアリング電磁石４６０，高速キッカ４７０が配置されている。第二の直線部４１２には３台の四極電磁石４４０，１台のプロファイルモニタ４５０，２台のステアリング電磁石４６０が配置されている。第三の直線部４２１と第四の直線部４２２の機器配置は同一であり、それぞれ４台の四極電磁石４４０，２台のプロファイルモニタ４５０，２台のステアリング電磁石４６０が配置されている。
【００４４】
第１の実施形態と同様の手法により、固定ビーム輸送装置４００の四極電磁石４４０とステアリング電磁石４６０の調整によって、接続点５３１，５３２においてビームの進行方向を回転ガントリー５０１，５０２の回転軸５４１，５４２に一致させ、分散関数ηｘ，η′ｘを０にし、かつビームのＴwissパラメータをそれぞれ予め定めた目標値（例えばαｘ＝αｙ＝０，βｘ＝βｙ＝６ｍ）に一致させる。この調整により回転ガントリー５０１，５０２の回転角に依らず、ビームパラメータが不変となる。
【００４５】
これにより、設置面積の小さい粒子線治療装置が実現できる。
【符号の説明】
【００４６】
１００ 粒子線治療装置
２００ 前段加速器
３００ シンクロトロン
３１０ 出射用セプタム電磁石
３２０ 入射用セプタム電磁石
３３０，４３０〜４３２ 偏向電磁石
３４０ 高周波加速空胴
３５０，４４０〜４４７，５６０ 四極電磁石
３６０ 六極電磁石
３７０ 出射用高周波電極
４００ 固定ビーム輸送装置
４１０，４１１ 第一直線部
４１２，４２０ 第二直線部
４２１ 第三直線部
４２２ 第四直線部
４５０〜４５３ プロファイルモニタ
４６０〜４６４ ステアリング電磁石
４７０ 高速キッカ
４８０ ダンパ
５００〜５０２ 回転ガントリー
５１０ 回転ビーム輸送装置
５２０ 照射装置
５３０〜５３２ 接続点
５４０〜５４２ 回転軸
５５０〜５５２ 照射点
６００ 電源
６１０ 出射用高周波電源
６２０ 偏向電磁石電源
６３０ 四極電磁石電源
６４０ ステアリング電磁石電源
６５０ 高速キッカ電源
７００ 制御装置
７１０ プロファイルモニタ信号処理装置
８００ 調整者用端末
【技術分野】
【０００１】
本発明は陽子線または炭素イオン線等の重イオン線の照射によって、がんなどの腫瘍を治療する粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
がん治療法の一つとして、患部に陽子あるいは炭素イオン等のイオンビームを照射する粒子線治療が知られている。陽子や炭素イオン等のイオンを高エネルギーで物質に入射すると、飛程の終端で多くのエネルギーを失う。粒子線治療では、この性質を利用し、がん細胞で多くのエネルギーを失うように、イオンビームを患者に照射する。すると、周囲の健康な組織に損傷を与えることなく、がん細胞を破壊できる。粒子線治療ではイオンビームの空間的な広がりとエネルギーを調整し、患部の形状に合わせた線量分布を形成する。
【０００３】
粒子線治療に用いる粒子線治療装置は、イオン源、イオン源で発生したイオンを加速する加速器、加速器から出射したイオンビームを輸送するビーム輸送装置、所望の線量分布で患部にビームを照射する照射装置からなる。
【０００４】
粒子線治療装置で用いられる加速器には、シンクロトロンやサイクロトロン等が挙げられる。どちらの加速器も入射したイオンを所定のエネルギーまで加速し、イオンビームとして出射する機能は共通である。
【０００５】
加速器から出射されたイオンビームはビーム輸送装置によって照射装置まで輸送される。ビーム輸送装置にはイオンビームの進行方向を大きく変える偏向電磁石と、ビームの進行方向を微調整するステアリング電磁石，イオンビームに収束，発散の作用を与える四極電磁石が備えられており、これらの電磁石の励磁量を適切に調整することで照射装置に適切なサイズ，位置のビームが輸送される。
【０００６】
患部に複数方向からビームを照射するために、回転ガントリーに、ビーム輸送装置と照射装置を設置することもある。回転ガントリーを持つ粒子線治療装置のビーム輸送装置は回転ガントリーに設置される回転ビーム輸送装置と、建屋に設置・固定される固定ビーム輸送装置に大別できる。
【０００７】
ビーム輸送装置では「Ｔwissパラメータ」と「分散関数」と呼ばれるビームの光学的パラメータを調整する。調整するＴwissパラメータは、ビームの進行方向に対して垂直な平面内の互いに直交する二方向に対して、それぞれαとβの二種がある。通常は、水平方向をｘ、鉛直方向をｙとしてαｘ，βｘ，αｙ，βｙが調整パラメータとして選ばれる。βはビームの空間的な分布の大きさを表すパラメータであり、αはビームの進行方向に対するβの変化率を表わしている。分散関数はビームを構成する各イオン粒子のエネルギーのバラつきと、位置及び軌道の傾きの相関を示す指標である。通常の輸送系では水平方向の分散関数を調整する。それぞれηｘ，η′ｘと表わす。分散関数ηｘ，η′ｘはともに０の状態で偏向電磁石を通過すると発生する。また、特定の分散関数の値で偏向電磁石を通過すると、通過後ともに０になる性質がある。また、ηｘ，η′ｘがともに０となった状態で四極電磁石とドリフトスペースからなる直線状のビーム輸送装置に入射すると、その直線状ビーム輸送装置の至る所でηｘ，η′ｘは０のままである。一般に、照射装置ではビームの空間的広がりを小さくする必要がある。分散関数はその絶対値が大きいほどビームの広がりが大きくなるため、照射装置ではビームサイズを小さくする際には分散関数ηｘ，η′ｘを０にしたうえでさらにβを小さくし、αを０にする。また、ビームを損失なく照射点まで輸送するには、ビーム輸送装置内にある偏向電磁石や四極電磁石等の通過時に、その電磁石の磁極ギャップよりもビームサイズを小さくする必要がある。
【０００８】
回転ガントリーに照射装置が設置されている場合は、照射方向の変更時に電磁石の再励磁が不要となるように、全ての照射角度で同一の四極電磁石の励磁量でビームを輸送する。より具体的には、回転ガントリーに設置された回転ビーム輸送装置と建屋に固定された固定ビーム輸送装置の境界でビームのＴwissパラメータが水平と鉛直で同一の値を持つように四極電磁石を調整している。すると、照射方向によらず、照射点でのＴwissパラメータが一定となる。
【０００９】
さらに、ビーム輸送装置ではビームを照射する位置とビーム軌道の勾配を調整する必要もある。ビーム位置と軌道の勾配はビーム輸送装置内のステアリング電磁石と呼ばれる電磁石で調整する。水平方向の位置をｘ、軌道勾配をｘ′、鉛直方向位置をｙ、軌道勾配をｙ′と表わす。これら４つのパラメータを調整するために、水平ステアリング電磁石と垂直ステアリング電磁石がそれぞれ２台以上必要である。
【００１０】
また、ビーム輸送装置にはビームの照射制御のために高速キッカが設置されることがある。高速キッカは立ち上がりの早い電磁石が用いられる。高速キッカが磁場を励起すると、キックを受けたビームが軌道を外れ、下流のビームダンパに衝突する。これによってビームの照射と停止の制御を行う。このときは、キッカとダンパの間に、数ｍ程度の距離をとる必要がある。この体系でビームの輸送経路を短くする手法として特許文献１が挙げられる。
【００１１】
照射装置では、患部形状に合わせたイオンビームの照射野を形成する。照射野形成では、患部深さ方向を照射するイオンビームのエネルギーにより制御し、患部形状に合わせたビーム形状をコリメータなどで形成することで実現する。照射装置での照射野形成の方法には、散乱体によって、輸送装置から輸送されたビームを広げる散乱体照射法と、輸送された細いビームを走査電磁石によって患部形状に合わせて走査するスキャニング照射法がある。
【００１２】
散乱体照射法では、イオンビームを患部形状に広げる散乱体と、体表面からの患部深さに合わせてイオンビームの飛程を制御する飛程変調手段が照射装置に備えられている。散乱体照射法の一例として、回転型飛程変調装置を用いた方法を説明する。この方法では、照射装置内に、ビームの進行方向と平行な軸を回転軸として回転するプロペラの形状をした飛程変調装置と、密度の異なる金属を同心円状に組み合わせた第二散乱体がビームの経路の上流から設置されている。回転型飛程変調装置は、ビームの照射中に常に回転している。また、回転型飛程変調装置は回転の周方向に対して、厚みが変化している。そのため、回転型飛程変調装置をビームが通過するタイミングによって、ビームが失うエネルギーを制御し、ひいてはイオンビームの飛程を制御できる。この原理を用いて、加速器からのイオンビームの出射タイミングを制御し、照射する患部の形状に合わせたビームエネルギーの分散を形成できる。
【００１３】
スキャニング照射法の一例として、スポットスキャニング照射法の説明をする。スキャニング照射法の照射装置にはビームを走査する走査電磁石が２台備えられている。患部ののみにビームが照射されるように、これらの走査電磁石で照射装置内にビームをビームの進行方向に対して垂直な平面内で走査する。また、患部形状に一致した照射野を形成するために、加速器から出射されるビームのエネルギーを変更するか、あるいはビーム輸送装置に配置されたエネルギー吸収体の厚みを変えることで、照射装置に輸送されるビームのエネルギーを変更する。すると、ビームのエネルギーによってブラッグピークの位置が変わり、患部形状に合わせた照射野を形成できる。これら照射法のより詳細な説明は非特許文献１に詳しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００９−２７９０４５号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Alfred Smith他「The M. D. Anderson proton therapy system」Medical Physics 36(9)，２００９年９月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
従来の粒子線治療装置でのビーム輸送装置では前述の通り、αｘ，βｘ，αｙ，βｙ，ηｘ，η′ｘの６パラメータが四極電磁石で調整する。また、ビーム位置と軌道勾配ｘ，ｘ′，ｙ，ｙ′の４パラメータをステアリング電磁石によって調整する。よって、ビーム輸送装置には少なくとも１台の偏向電磁石と６台の四極電磁石、水平軌道調整用と鉛直軌道調整用についてそれぞれ２台のステアリング電磁石が必要である。電磁石で各パラメータを限られた励磁電流で調整するには電磁石の下流に続くビーム軌道長を長くとる必要があり、小型のビーム輸送装置を実現するには電磁石電源容量の増強が必須であり、コスト高となっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明における粒子線治療装置では固定ビーム輸送装置に１台の偏向電磁石を持ち、その偏向電磁石によって分割された二つの直線部をもつ。この偏向電磁石よりも荷電粒子ビームのビーム進行方向の上流側に位置する第１の直線状ビーム輸送装置には、３台の四極電磁石を配置し、偏向電磁石よりも荷電粒子ビームの進行方向の下流側に位置する第２の直線状ビーム輸送装置には、４台の四極電磁石を配置する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、従来よりも輸送経路の短いビーム輸送装置を実現することができ、小型の粒子線治療装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態の粒子線治療装置の全体構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の粒子線治療装置の全体構成図である。
【図３】本発明の第３の実施形態の粒子線治療装置の全体構成図である。
【図４】本発明の第４の実施形態の粒子線治療装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しつつ本発明の第１の実施形態を説明する。
【００２１】
本発明の第一の実施形態を図１に示す。図１は本実施形態の粒子線治療装置１００の全体構成である。粒子線治療装置１００は前段加速器２００，シンクロトロン３００，ビーム輸送装置，回転ガントリー５００から構成される。
【００２２】
ビーム輸送装置は、粒子線治療装置１００の建屋に固定された固定ビーム輸送装置４００と、この固定ビーム輸送装置４００に接続されて回転可能な構成を有する回転ビーム輸送装置５１０を有する。荷電粒子ビーム（以下、ビーム）の進行方向に対して上流側に固定ビーム輸送装置４００が位置し、下流側に回転ビーム輸送装置５１０が位置する。回転ガントリー５００には回転ビーム輸送装置５１０と照射装置５２０が接続されている。回転ビーム輸送装置５１０と固定ビーム輸送装置４００は接続点５３０で接続されている。回転ガントリー５００は接続点５３０を中心に固定ビーム輸送装置４００の第二直線部４２０の回転軸の方向５４０を軸として回転する。回転ガントリー５００を回転させることで、照射点５５０にある患部へのビームの照射方向を調節できる。また、シンクロトロン３００，固定ビーム輸送装置４００，回転ビーム輸送装置５１０に設置された各機器には電源６００が接続されており、電源６００は制御装置７００を通して調整者用端末８００からの指令に基づき制御される。電源６００は、出射用高周波電源６１０，偏向電磁石電源６２０，四極電磁石電源６３０，ステアリング電磁石電源６４０，高速キッカ電源６５０，出射用セプタム電磁石６６０を備える。調整者用端末８００からの指令信号に基づいて、制御装置７００は、電源６００を制御してシンクロトロン３００，回転ビーム輸送装置４００，回転ビーム輸送装置５１０を構成する各機器を制御する。
【００２３】
本粒子線治療装置では、ライナックである前段加速器２００で予備加速したビームをシンクロトロン３００で指定したエネルギーまで加速する。加速されたビームは出射用セプタム電磁石３１０を通して固定ビーム輸送装置４００に出射される。固定ビーム輸送装置４００によって、ビームは接続点５３０まで輸送され、その後回転ビーム輸送装置５１０に入る。最終的にビームは照射装置５２０を通過し、照射点５５０に、所望のビームサイズとビーム位置で輸送される。
【００２４】
シンクロトロン３００にはビームの入射時に用いる入射用セプタム電磁石３２０，ビーム軌道を偏向する偏向電磁石３３０，ビームを加速する高周波加速空胴３４０，ビームを安定に周回させるための四極電磁石３５０，ビームの出射時に安定領域を狭めるために励磁する六極電磁石３６０、周回するビームを安定領域外に蹴りだす出射用高周波電極３７０、出射ビームを固定ビーム輸送装置４００に導く出射用セプタム電磁石３１０が設置されている。加速中にビームはシンクロトロン３００の内部を周回している。ビームが周回する周波数に一致させた高周波電場が高周波加速空胴３４０内に励起されている。ビームがシンクロトロン３００内部を周回すると高周波電場によって、ビームは加速される。加速中に、ビーム軌道が一定となるように、ビームのエネルギーに合わせてシンクロトロン３００の偏向電磁石３３０の磁場を増加させる。また、ビームが加速するにつれ、シンクロトロン３００を周回する時間も短くなるので、高周波加速空胴３４０内に励起する高周波電場の周波数も上げていく。指定したエネルギーまでビームが加速されると、高周波加速空胴３４０内に励起する高周波電場の周波数と偏向電磁石３３０の磁場を一定に保つ。
その状態から、六極電磁石３６０を励磁し、出射用高周波電極３７０に高周波電場を励起する。六極電磁石３６０が励磁されると、ビームを構成する粒子の水平方向の位置と勾配変位によっては、シンクロトロン３００内を安定に周回せず、出射用セプタム電磁石３１０の位置に達する。安定に周回する粒子も、出射用高周波電極３７０に発生する高周波電場からのキックによって、時間経過とともに水平方向の位置と勾配変位が大きくなり、安定に周回できなくなり、出射用セプタム電磁石３１０に達する。この方法でシンクロトロン３００からビームが取り出すと、電力を供給する出射用高周波電源６１０のＯＮ／ＯＦＦ制御によってビームの出射と停止を制御できる。
【００２５】
固定ビーム輸送装置４００には偏向電磁石４３０が１台設置されている。この偏向電磁石４３０によって、固定ビーム輸送装置４００は二つの直線状ビーム輸送装置に分割される。固定ビーム輸送装置４００は、偏向電磁石４３０よりもビーム進行方向の上流側に位置する第１の直線状ビーム輸送装置（第一直線部）４１０と、偏向電磁石４３０よりもビーム進行方向の下流側に位置する第２の直線状ビーム輸送装置（第二直線部）４２０を備える。第一直線部４１０は、一方が出射用セプタム電磁石３１０に接続され、他方が第二直線部４２０に接続される。第二直線部４２０は、一方が第一直線部４１０に接続され、他方が回転ビーム輸送装置５１０に接続される。第一直線部４１０には３台の四極電磁石４４１〜４４３、１台のプロファイルモニタ４５１、２台のステアリング電磁石４６１，４６２，高速キッカ４７０が配置されている。第一直線部４１０のビーム軌道上に、ビーム進行方向の上流側から順に、ステアリング電磁石４６１，四極電磁石４４１，四極電磁石４４２，ステアリング電磁石４６２，高速キッカ電磁石４７０，四極電磁石４４３，プロファイルモニタ４５１が配置される。第二直線部４２０には４台の四極電磁石４４４〜４４７、２台のプロファイルモニタ４５２，４５３、１台のステアリング電磁石４６３が配置されている。第二直線部４２０のビーム軌道上に、ビーム進行方向の上流側から順に、ステアリング電磁石４６３，四極電磁石４４４，四極電磁石４４５，四極電磁石４４７，四極電磁石４４６，プロファイルモニタ４５３，プロファイルモニタ４５２が配置される。偏向電磁石４３０にはダンパ４８０が設置されており、高速キッカ４７０によってキックされたビームはダンパ４８０に衝突し、遮断される。
【００２６】
偏向電磁石４３０は偏向電磁石電源６２０から電流を供給される。同様に各四極電磁石４４１〜４４７，ステアリング電磁石４６１〜４６３，高速キッカ４７０はそれぞれ四極電磁石電源６３０，ステアリング電磁石電源６４０，高速キッカ電源６５０から電流を供給される。これらの電源６１０，６２０，６３０，６４０は制御装置７００によって出力電流を制御される。それぞれの電磁石の励磁電流は調整者用端末８００を通した調整者の指示によって個別に設定できる。
【００２７】
プロファイルモニタ４５１〜４５３はマルチワイヤドリフトチェンバーを用いたビームの位置とビームのサイズを測定する荷電粒子ビーム計測装置である。プロファイルモニタ４５１〜４５３は通過するビームの水平方向と垂直方向の分布を測定できる。プロファイルモニタ４５１〜４５３の出力信号はプロファイルモニタ信号処理装置７１０によって処理され、ビームサイズとビームの位置が計算される。その後、制御装置７００を通して調整者用端末８００にビームサイズとビーム位置の結果を表示する。
【００２８】
ステアリング電磁石４６１〜４６３は鉛直方向と水平方向に独立に磁場を励起することができる。そのため各電磁石１台で水平方向と鉛直方向に独立にビームを偏向できる。
【００２９】
回転ビーム輸送装置５１０には偏向電磁石３台と四極電磁石６台が設置されており、各電磁石は固定ビーム輸送装置４００に設置された電磁石と同様に電源（図示せず）から励磁電流を供給される。また、回転ビーム輸送装置５１０にはプロファイルモニタ（図示せず）が設置されており、固定ビーム輸送装置４００のプロファイルモニタ４５１〜４５３同様、ビームサイズを測定できる。
【００３０】
本実施例の照射装置５２０は、スキャニング照射法に対応した照射装置であり、ビームを走査するためのスキャニング電磁石（図示せず）とプロファイルモニタ（図示せず）が設置されている。次に、固定ビーム輸送装置４００に設置された四極電磁石４４１〜４４７とステアリング電磁石４６１〜４６３の励磁量の調整手法を説明する。
【００３１】
固定ビーム輸送装置４００の調整によって、接続点５３０においてビームの進行方向を回転ガントリー５００の回転軸に一致させ、かつビームのＴwissパラメータをそれぞれ予め定めた目標値（例えばαｘ＝αｙ＝０，βｘ＝βｙ＝６ｍ）に一致させる。
【００３２】
まず、出射用セプタム電磁石３１０から出射されるビームのパラメータを測定する。ＴwissパラメータとエミッタンスはＱスキャン法と呼ばれる手法で測定する。第一直線部４１０のステアリング電磁石４６１，４６２の励磁量を調整し、ビームの中心軌道が偏向電磁石４３０の設計軌道と一致させる。次に、四極電磁石４４１〜４４３を所定の励磁量の範囲で変化させ、プロファイルモニタ４５１でのビームサイズ変化を測定する。各四極電磁石４４１〜４４３の励磁量とプロファイルモニタ４５１でのビームサイズの振る舞いから、出射用セプタム電磁石３１０でのＴwissパラメータとエミッタンスを測定できる。分散関数の測定はシンクロトロン３００から出射されるビームのエネルギーを微小に変化させ、そのエネルギー変化に応じたプロファイルモニタ４５１での位置の変化から測定できる。ここでも、第一直線部４１０の各四極電磁石４４１〜４４３の励磁量を所定の範囲で変化させ、プロファイルモニタでのビーム位置を測定する。そのエネルギー変化に伴う位置の変化の振る舞いから、出射用セプタム電磁石３１０での分散関数を求めることができる。
【００３３】
以上の測定から偏向電磁石４３０の出口、すなわち第二直線部４２０において分散関数ηｘ，η′ｘをともに０にし、かつ偏向電磁石４３０をビームの損失なく通過できる四極電磁石の励磁量を求めることができる。さらに、固定ビーム輸送装置４００のステアリング電磁石４６２，４６３で第二直線部４２０に設置された２台のプロファイルモニタ４５２，４５３の測定結果から回転ガントリー５００の回転軸の方向５４０とビームの進行方向が一致させる。また、Ｔwissパラメータの測定結果から、接続点５３０でのＴwissパラメータを目標値に一致させる第二直線部４２０の四極電磁石５６０の励磁量を求めることができる。以上の手順によって、固定ビーム輸送装置４００の四極電磁石４４１〜４４７とステアリング電磁石４６１〜４６３の調整が完了する。
【００３４】
本実施形態のビーム輸送装置ではステアリング電磁石４６２および４６３の間には四極電磁石４４３と偏向電磁石４３０が配置されている。四極電磁石４４３はビームに対し水平方向に発散、鉛直方向に収束の作用をする電磁石であり、偏向電磁石４３０はその磁極端面がビームの進行方向に対して垂直から一定の角度をつけられている。すると、偏向電磁石４３０はビームの水平方向に対して収束・発散の作用をせず、鉛直方向に対して収束作用を与える。ステアリング電磁石４６２と４６３の間に収束・発散の作用がある機器を本実施形態のように配置し、ステアリング電磁石４６３以降の四極電磁石の配置を本実施形態で示した配置にすることで、ステアリング電磁石４６２および４６３の単位偏向量あたりの接続点５３０での軌道変位と勾配変位で作るベクトルが互いに直交する。これにより、補正できる軌道ずれの範囲を広くとることができる。すなわち、本実施形態で示したような短いビーム輸送装置少ない電流値でビーム位置の調整が可能とすることができる。
【００３５】
回転ビーム輸送装置５１０には偏向電磁石３台と四極電磁石６台が設置されており、回転ビーム輸送装置５１０中の四極電磁石の励磁量を適切に定めることで照射点５５０でのαｘ，αｙをともに０にし、分散関数ηｘ，η′ｘも０とし、βｘ，βｙを所定の値にすることができる。接続点５３０でＴwissパラメータとビーム軌道を調整できれば、照射点５５０でのビームのＴwissパラメータと分散関数は回転ガントリー５００の回転角に依らず一定とでき、患部への照射方向を変えてビームを照射する際も固定ビーム輸送装置４００の四極電磁石４４１〜４４７と回転ビーム輸送装置５１０の四極電磁石５６０の励磁量を変化させずに、同じビーム条件で患部に照射することができる。
【００３６】
これにより、複数方向から患部に照射する際に、照射方向の切り替え時間を短く保ったまま、より設置面積の小さい粒子線治療装置が実現できる。
【００３７】
（第２の実施形態）
以下、図面を参照しつつ本発明の第２の実施形態を説明する。ここでは第１の実施形態と異なる箇所のみ説明する。図２は本実施形態の粒子線治療装置１００の全体構成である。第２の実施形態では第１の実施形態におけるビーム輸送装置の下流の第二直線部４２０にステアリング電磁石４６４が設置されている。本実施例の第二直線部４２０には、ビーム軌道に沿ってビーム進行方向の上流側から順に、ステアリング電磁石４６３，四極電磁石４４４，四極電磁石４４５，ステアリング電磁石４６４，四極電磁石４４７，四極電磁石４４６，プロファイルモニタ４５３，プロファイルモニタ４５２が配置される。本実施例のステアリング電磁石４６４は、四極電磁石４４５と四極電磁石４４６の間に配置される。
【００３８】
本実施形態では接続点５３０でのビーム軌道の調整はステアリング電磁石４６２〜４６４で実施する。ステアリング電磁石４６２と４６３の間には２台の四極電磁石４４４と４４５が設置されており、第１の実施形態で説明したような、ステアリング電磁石での単位偏向量当たりに接続点５３０で生じるビーム位置変位と勾配変位からなるベクトルがほぼ直交する関係となっている。さらに、ステアリング電磁石４６２とステアリング電磁石４６３の間には第１の実施例と同様四極電磁石と偏向電磁石があるため、四極電磁石の励磁量によっては、ステアリング電磁石４６２もビーム軌道の調整に加えることでさらに調整可能なビーム軌道変位を広げることができる。
【００３９】
（第３の実施形態）
以下、図面を参照しつつ本発明の第３の実施形態を説明する。ここでは第２の実施形態と異なる箇所のみ説明する。図３は本実施形態の粒子線治療装置１００の全体構成である。第２の実施形態での機器配置と比べ四極電磁石４４７とステアリング電磁石４６４の位置が交換されている。つまり、本実施例の第二直線部４２０には、ビーム軌道に沿ってビーム進行方向の上流側から順に、ステアリング電磁石４６３，四極電磁石４４４，四極電磁石４４５，四極電磁石４４７，ステアリング電磁石４６４，四極電磁石４４６，プロファイルモニタ４５３，プロファイルモニタ４５２が配置される。この配置でも、第１の実施例と第２の実施例で述べた効果が得られ、少ないステアリング電磁石励磁量で広い範囲でのビーム軌道調整が可能となる。
【００４０】
（第４の実施形態）
以下、図面を参照しつつ本発明の第４の実施形態を説明する。ここでは第１の実施形態と異なる箇所のみ説明する。本発明の第４の実施形態を図４に示す。図４は本実施形態の粒子線治療装置の機器構成である。本装置は前段加速器２００，シンクロトロン３００，固定ビーム輸送装置４００，二つの回転ガントリー５０１〜５０２から構成される。回転ガントリー５０１及び５０２にはそれぞれ、ビームを照射対象に照射する照射装置が備えられる。
【００４１】
固定ビーム輸送装置４００には、選択されたいずれか一つの照射装置にビームを輸送するための偏向電磁石（コース切替電磁石）４３１，４３２が設置されている。この偏向電磁石４３１，４３２によって、固定ビーム輸送装置４００は四つの第一直線部４１１，第二直線部４１２，第三直線部４２１，第四直線部４２２に分割されている。偏向電磁石４３１が、出射用セプタム電磁石３１０に最も近く、ビーム進行方向の最も上流側に配置されるコース切替電磁石である。第一直線部４１１が、この偏向電磁石４３１と出射用セプタム電磁石３１０の間に位置する第１の直線状ビーム輸送装置である。一方が回転ビーム輸送装置５３１に接続されて他方が偏向電磁石４３１に接続される第三直線部４２１、及び一方が回転輸送装置５３２に接続されて他方が偏向電磁石４３２に接続される第四直線部４２２が第２の直線状ビーム輸送装置である。
【００４２】
偏向電磁石４３１，４３２の励磁状態によってビームが輸送される照射装置が異なる。偏向電磁石４３１が励磁されている場合は、偏向電磁石４３１でビームは偏向されて第三直線部４２１を通過して照射点５５１へ輸送される。一方、偏向電磁石４３１が励磁されていない場合は、ビームは第二直線部４１２へ輸送される。この場合、偏向電磁石４３２が励磁されており、第二直線部４１２に輸送されたビームは、この偏向電磁石４３２で偏向され第四直線部４２２を通過して照射点５５２へ輸送される。
【００４３】
第一の直線部４１１には３台の四極電磁石４４０，１台のプロファイルモニタ４５０、２台のステアリング電磁石４６０，高速キッカ４７０が配置されている。第二の直線部４１２には３台の四極電磁石４４０，１台のプロファイルモニタ４５０，２台のステアリング電磁石４６０が配置されている。第三の直線部４２１と第四の直線部４２２の機器配置は同一であり、それぞれ４台の四極電磁石４４０，２台のプロファイルモニタ４５０，２台のステアリング電磁石４６０が配置されている。
【００４４】
第１の実施形態と同様の手法により、固定ビーム輸送装置４００の四極電磁石４４０とステアリング電磁石４６０の調整によって、接続点５３１，５３２においてビームの進行方向を回転ガントリー５０１，５０２の回転軸５４１，５４２に一致させ、分散関数ηｘ，η′ｘを０にし、かつビームのＴwissパラメータをそれぞれ予め定めた目標値（例えばαｘ＝αｙ＝０，βｘ＝βｙ＝６ｍ）に一致させる。この調整により回転ガントリー５０１，５０２の回転角に依らず、ビームパラメータが不変となる。
【００４５】
これにより、設置面積の小さい粒子線治療装置が実現できる。
【符号の説明】
【００４６】
１００ 粒子線治療装置
２００ 前段加速器
３００ シンクロトロン
３１０ 出射用セプタム電磁石
３２０ 入射用セプタム電磁石
３３０，４３０〜４３２ 偏向電磁石
３４０ 高周波加速空胴
３５０，４４０〜４４７，５６０ 四極電磁石
３６０ 六極電磁石
３７０ 出射用高周波電極
４００ 固定ビーム輸送装置
４１０，４１１ 第一直線部
４１２，４２０ 第二直線部
４２１ 第三直線部
４２２ 第四直線部
４５０〜４５３ プロファイルモニタ
４６０〜４６４ ステアリング電磁石
４７０ 高速キッカ
４８０ ダンパ
５００〜５０２ 回転ガントリー
５１０ 回転ビーム輸送装置
５２０ 照射装置
５３０〜５３２ 接続点
５４０〜５４２ 回転軸
５５０〜５５２ 照射点
６００ 電源
６１０ 出射用高周波電源
６２０ 偏向電磁石電源
６３０ 四極電磁石電源
６４０ ステアリング電磁石電源
６５０ 高速キッカ電源
７００ 制御装置
７１０ プロファイルモニタ信号処理装置
８００ 調整者用端末
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速する加速器と、
前記荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、
前記加速器から出射された前記荷電粒子ビームを前記照射装置まで輸送するビーム輸送装置を備え、
前記加速器は前記荷電粒子ビームを取り出す際に前記荷電粒子ビームを前記ビーム輸送装置に導く出射用ビーム偏向装置を備え、
前記ビーム輸送装置は建屋に対して固定された固定ビーム輸送装置と、前記固定ビーム輸送装置に接続され、前記荷電粒子ビームを照射する照射方向に応じて回転する回転ビーム輸送装置を有し、
前記固定ビーム輸送装置は前記荷電粒子ビームを偏向する偏向電磁石と、前記偏向電磁石よりもビーム進行方向の上流側に位置する第１の直線状ビーム輸送装置に配置される３台の四極電磁石と、前記偏向電磁石よりも前記ビーム進行方向の下流側に位置する第２の直線状ビーム輸送装置に配置される４台の四極電磁石を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項２】
請求項１に記載の粒子線治療装置において、
当該第１の直線状ビーム輸送装置は前記加速器の前記出射用ビーム偏向装置に接続され、
当該第２の直線状ビーム輸送装置は前記回転ビーム輸送装置に接続され、
当該第１及び第２の直線状ビーム輸送装置は、前記荷電粒子ビームの位置と広がりを計測する荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項３】
請求項２に記載の粒子線治療装置において、
前記第１の直線状ビーム輸送装置に配置される前記３台の四極電磁石のうち２台の四極電磁石は極性が互いに異なる四極電磁石であり、
前記第２の直線状ビーム輸送装置に配置される前記４台の四極電磁石のうち少なくとも２台の四極電磁石は極性が互いに異なる四極電磁石であることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項４】
請求項３に記載の粒子線治療装置において、
前記第１の直線状ビーム輸送装置には、２台の前記四極電磁石の下流側に少なくとも１台の前記荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項５】
請求項３に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置には、２台の前記四極電磁石の下流側に少なくとも２台の前記荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項６】
請求項４に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置には、２台の前記四極電磁石の下流側に少なくとも２台の前記荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項７】
請求項５に記載の粒子線治療装置において、
前記固定ビーム輸送装置には、ビーム軌道を調整するためのビーム軌道補正用電磁石を少なくとも２台備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項８】
請求項７に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置には、ビーム軌道補正用電磁石を少なくとも１台備え、
当該ビーム軌道補正用電磁石は前記下流の直線状ビーム輸送装置が備える少なくとも２台の前記荷電粒子ビーム計測装置の上流に備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項９】
請求項８に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置に２台の前記ビーム軌道補正用電磁石を備えていることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１０】
荷電粒子ビームを加速する加速器と、
前記荷電粒子ビームを照射対象に出射する複数の照射装置と、
前記加速器から出射された前記荷電粒子ビームをいずれか一つの前記照射装置まで輸送するビーム輸送装置を備え、
前記加速器は前記荷電粒子ビームを取り出す際に、前記荷電粒子ビームを前記ビーム輸送装置に導く出射用ビーム偏向装置を備え、
前記ビーム輸送装置は建屋に対して固定された固定ビーム輸送装置と、前記荷電粒子ビームを照射する照射方向に応じて回転する複数の回転ビーム輸送装置を有し、
前記固定ビーム輸送装置は、選択されたいずれか一つの前記照射装置に前記荷電粒子ビームを輸送するための複数のコース切替電磁石と、最も上流側に位置する前記コース切替電磁石と前記出射用ビーム偏向装置の間に形成される第１の直線状ビーム輸送装置と、前記第１の直線状ビーム輸送装置よりもビーム進行方向の下流側に形成され、いずれか一つの前記回転ビーム輸送装置に接続される第２の直線状ビーム輸送装置を有し、
前記第１の直線ビーム輸送装置は３台の四極電磁石を有し、
前記第２の直線ビーム輸送装置は４台の四極電磁石を有することを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の粒子線治療装置において、
前記第１及び第２の直線状ビーム輸送装置は、前記荷電粒子ビームの位置と広がりを計測する荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の粒子線治療装置において、
前記直線状ビーム輸送装置には極性が互いに異なる四極電磁石２台を含む少なくとも２台の四極電磁石を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の粒子線治療装置において、
前記第１の直線状ビーム輸送装置に配置される前記３台の四極電磁石のうち２台の四極電磁石は互いに極性が異なる四極電磁石であり、
前記第１の直線状ビーム輸送装置に配置される２台の前記四極電磁石の下流側に少なくとも１台の前記荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１４】
請求項１１に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置に配置される前記４台の四極電磁石の少なくとも２台の四極電磁石は互いに極性が異なる四極電磁石であり、
前記第２の直線状ビーム輸送装置に配置される２台の前記四極電磁石の下流側に少なくとも２台の前記荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置には、２台の前記四極電磁石の下流側に少なくとも２台の前記荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１６】
請求項１４に記載の粒子線治療装置において、
前記ビーム輸送装置には、ビーム軌道を調整するためのビーム軌道補正用電磁石を少なくとも２台備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置には、ビーム軌道補正用電磁石を少なくとも１台備え、
当該ビーム軌道補正用電磁石は前記第２の直線状ビーム輸送装置が備える少なくとも２台の前記荷電粒子ビーム計測装置の上流に備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置に２台の前記ビーム軌道補正用電磁石を備えていることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速する加速器と、
前記荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、
前記加速器から出射された前記荷電粒子ビームを前記照射装置まで輸送するビーム輸送装置を備え、
前記加速器は前記荷電粒子ビームを取り出す際に前記荷電粒子ビームを前記ビーム輸送装置に導く出射用ビーム偏向装置を備え、
前記ビーム輸送装置は建屋に対して固定された固定ビーム輸送装置と、前記固定ビーム輸送装置に接続され、前記荷電粒子ビームを照射する照射方向に応じて回転する回転ビーム輸送装置を有し、
前記固定ビーム輸送装置は前記荷電粒子ビームを偏向する偏向電磁石と、前記偏向電磁石よりもビーム進行方向の上流側に位置する第１の直線状ビーム輸送装置に配置される３台の四極電磁石と、前記偏向電磁石よりも前記ビーム進行方向の下流側に位置する第２の直線状ビーム輸送装置に配置される４台の四極電磁石を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項２】
請求項１に記載の粒子線治療装置において、
当該第１の直線状ビーム輸送装置は前記加速器の前記出射用ビーム偏向装置に接続され、
当該第２の直線状ビーム輸送装置は前記回転ビーム輸送装置に接続され、
当該第１及び第２の直線状ビーム輸送装置は、前記荷電粒子ビームの位置と広がりを計測する荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項３】
請求項２に記載の粒子線治療装置において、
前記第１の直線状ビーム輸送装置に配置される前記３台の四極電磁石のうち２台の四極電磁石は極性が互いに異なる四極電磁石であり、
前記第２の直線状ビーム輸送装置に配置される前記４台の四極電磁石のうち少なくとも２台の四極電磁石は極性が互いに異なる四極電磁石であることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項４】
請求項３に記載の粒子線治療装置において、
前記第１の直線状ビーム輸送装置には、２台の前記四極電磁石の下流側に少なくとも１台の前記荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項５】
請求項３に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置には、２台の前記四極電磁石の下流側に少なくとも２台の前記荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項６】
請求項４に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置には、２台の前記四極電磁石の下流側に少なくとも２台の前記荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項７】
請求項５に記載の粒子線治療装置において、
前記固定ビーム輸送装置には、ビーム軌道を調整するためのビーム軌道補正用電磁石を少なくとも２台備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項８】
請求項７に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置には、ビーム軌道補正用電磁石を少なくとも１台備え、
当該ビーム軌道補正用電磁石は前記下流の直線状ビーム輸送装置が備える少なくとも２台の前記荷電粒子ビーム計測装置の上流に備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項９】
請求項８に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置に２台の前記ビーム軌道補正用電磁石を備えていることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１０】
荷電粒子ビームを加速する加速器と、
前記荷電粒子ビームを照射対象に出射する複数の照射装置と、
前記加速器から出射された前記荷電粒子ビームをいずれか一つの前記照射装置まで輸送するビーム輸送装置を備え、
前記加速器は前記荷電粒子ビームを取り出す際に、前記荷電粒子ビームを前記ビーム輸送装置に導く出射用ビーム偏向装置を備え、
前記ビーム輸送装置は建屋に対して固定された固定ビーム輸送装置と、前記荷電粒子ビームを照射する照射方向に応じて回転する複数の回転ビーム輸送装置を有し、
前記固定ビーム輸送装置は、選択されたいずれか一つの前記照射装置に前記荷電粒子ビームを輸送するための複数のコース切替電磁石と、最も上流側に位置する前記コース切替電磁石と前記出射用ビーム偏向装置の間に形成される第１の直線状ビーム輸送装置と、前記第１の直線状ビーム輸送装置よりもビーム進行方向の下流側に形成され、いずれか一つの前記回転ビーム輸送装置に接続される第２の直線状ビーム輸送装置を有し、
前記第１の直線ビーム輸送装置は３台の四極電磁石を有し、
前記第２の直線ビーム輸送装置は４台の四極電磁石を有することを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の粒子線治療装置において、
前記第１及び第２の直線状ビーム輸送装置は、前記荷電粒子ビームの位置と広がりを計測する荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の粒子線治療装置において、
前記直線状ビーム輸送装置には極性が互いに異なる四極電磁石２台を含む少なくとも２台の四極電磁石を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の粒子線治療装置において、
前記第１の直線状ビーム輸送装置に配置される前記３台の四極電磁石のうち２台の四極電磁石は互いに極性が異なる四極電磁石であり、
前記第１の直線状ビーム輸送装置に配置される２台の前記四極電磁石の下流側に少なくとも１台の前記荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１４】
請求項１１に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置に配置される前記４台の四極電磁石の少なくとも２台の四極電磁石は互いに極性が異なる四極電磁石であり、
前記第２の直線状ビーム輸送装置に配置される２台の前記四極電磁石の下流側に少なくとも２台の前記荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置には、２台の前記四極電磁石の下流側に少なくとも２台の前記荷電粒子ビーム計測装置を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１６】
請求項１４に記載の粒子線治療装置において、
前記ビーム輸送装置には、ビーム軌道を調整するためのビーム軌道補正用電磁石を少なくとも２台備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置には、ビーム軌道補正用電磁石を少なくとも１台備え、
当該ビーム軌道補正用電磁石は前記第２の直線状ビーム輸送装置が備える少なくとも２台の前記荷電粒子ビーム計測装置の上流に備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の粒子線治療装置において、
前記第２の直線状ビーム輸送装置に２台の前記ビーム軌道補正用電磁石を備えていることを特徴とする粒子線治療装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２５０９１０（Ｐ２０１１−２５０９１０Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２５４４１（Ｐ２０１０−１２５４４１）
【出願日】平成２２年６月１日（２０１０．６．１）
【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２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１日（２０１０．６．１）
【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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