射束輸送系統(tǒng)及粒子射線治療裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及輸送由質(zhì)子、重粒子等帶電粒子構(gòu)成的帶電粒子射束的射束輸送系 統(tǒng)、W及將所輸送的帶電粒子射束照射到物體、人體等被照射體的粒子射線治療裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 一般而言，粒子射線治療裝置包括：產(chǎn)生帶電粒子射束的射束產(chǎn)生裝置；與射束 產(chǎn)生裝置相連，對(duì)產(chǎn)生的帶電粒子射束進(jìn)行加速的加速器；對(duì)加速至由加速器所設(shè)定的能 量后出射的帶電粒子射束進(jìn)行輸送的帶電粒子射束輸送系統(tǒng)；W及設(shè)置于射束輸送系統(tǒng)的 下游側(cè)，用于將帶電粒子射束照射至照射對(duì)象的粒子射線照射裝置。
[0003] 一般射束輸送系統(tǒng)設(shè)定有加速器的射束軌道上的一點(diǎn)和射束照射位置（等中屯、）運(yùn)兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，來設(shè)計(jì)光學(xué)參數(shù)。加速器的射束軌道上的一點(diǎn)成為光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，射 束照射位置、尤其是作為其中屯、的等中屯、成為光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)的終點(diǎn)。具體而言，射束輸送系 統(tǒng)將加速器和該射束輸送系統(tǒng)（高能射束輸送系統(tǒng)（肥BT系統(tǒng)））的交匯點(diǎn)（起點(diǎn)）的射束 初始條件作為設(shè)計(jì)值，來計(jì)算該射束輸送系統(tǒng)的電磁鐵的強(qiáng)度，對(duì)電磁鐵設(shè)定該強(qiáng)度（勵(lì) 磁電流），來傳輸射束，W使得射束到達(dá)照射位置。
[0004] 在加速器是小型醫(yī)療用的同步加速器的情況下，即使同步加速器的初始值是理想 值（設(shè)計(jì)值），由于同步加速器的電磁鐵類的未設(shè)想到的磁場(chǎng)（因工作誤差等而產(chǎn)生的磁 場(chǎng)），因此即使適當(dāng)?shù)嘏渲昧鶚O電磁鐵也不滿足Har化的條件，分界線的出射分支因能量的 不同而不同。因此，存在因能量值不同而導(dǎo)致所述交匯點(diǎn)的射束的角度（斜率）、位置不同 的現(xiàn)象（色差），且由于加速器的射束出射法的不同，從而會(huì)發(fā)生照射位置的射束的位置發(fā) 生變動(dòng)、或射束直徑變大的現(xiàn)象。 陽0化]對(duì)發(fā)生射束的角度（斜率）、位置不同的現(xiàn)象即色差的理由進(jìn)行說明。圖15是說 明相位空間中的起點(diǎn)的射束移動(dòng)的圖，圖16是說明射束軌道的圖。圖15的橫軸是與射束軌 道中屯、軸垂直的X方向的距離ΔΧ，縱軸是相對(duì)于ΔΧ的射束軌道中屯、軸的斜率ΔΧ'。圖 16的橫軸是向射束的前進(jìn)方向延伸的S軸，縱軸是X方向的距離ΔX。圖16中示出與射束 軌道變更相關(guān)的偏轉(zhuǎn)電磁鐵63和四極電磁鐵64的位置、起點(diǎn)S、終點(diǎn)T。圖16的上側(cè)示出 射束出射為理想狀態(tài)的情況，圖16的下側(cè)示出射束出射偏離理想狀態(tài)的情況。
[0006]W往，假設(shè)為起點(diǎn)S的射束沒有移動(dòng)、是具有圖16的楠圓62所示的假設(shè)相位空間 分布的射束，來設(shè)計(jì)射束輸送系統(tǒng)的射束光學(xué)系統(tǒng)。然而，實(shí)際的射束具有根據(jù)時(shí)間的不 同，相位空間分布W61a、6化、61c的方式變化的相位空間分布60。對(duì)于實(shí)際的射束，如圖5 所示那樣間斷的電流值在零和零W外的值之間反復(fù)，時(shí)刻tl、t2、t3處射束的相位空間分 布不同。例如，射束的相位空間分布在時(shí)刻tl(溢出（spill)開始）的情況下為相位空間 分布61曰，在時(shí)刻t2(溢出中央）的情況下為相位空間分布6化，在時(shí)刻t3(溢出結(jié)束）的 情況下為相位空間分布61c。
[0007] 在射束出射為理想狀態(tài)的情況下，如圖16的上側(cè)所示，即使起點(diǎn)S的相位空間中 的射束沒有移動(dòng)，在上游側(cè)W射束軌道65a、65b、65c的方式變動(dòng)，但在下游側(cè)通過偏轉(zhuǎn)電 磁鐵63和四極電磁鐵64的勵(lì)磁電流的調(diào)整，從而能調(diào)整為射束軌道與射束軸（s軸）相一 致，且在終點(diǎn)T不會(huì)產(chǎn)生色差。然而，在射束出射偏離理想狀態(tài)的情況下，即、相位空間分布 隨時(shí)間變動(dòng)的情況下，如圖16的下側(cè)所示，在下游側(cè)也W射束軌道66a、66b、66c的方式變 動(dòng)，在照射位置即終點(diǎn)T會(huì)產(chǎn)生色差。例如，射束軌道66a是與相位空間分布61a相對(duì)應(yīng)的 軌道，射束軌道6化是與相位空間分布6化相對(duì)應(yīng)的軌道，射束軌道66c是與相位空間分布 61c相對(duì)應(yīng)的軌道。在射束出射偏離理想狀態(tài)的情況下，在終點(diǎn)T會(huì)產(chǎn)生色差，因此射束直 徑擴(kuò)散，射束位置（重屯、位置）成為偏離射束軸（S軸）的位置。
[0008] 在實(shí)際的射束輸送系統(tǒng)中，具有起點(diǎn)S的射束的相位空間分布的時(shí)間變動(dòng)，在不 考慮該射束的相位空間分布的時(shí)間變動(dòng)的情況下，如上所述會(huì)在終點(diǎn)T產(chǎn)生色差，因此為 了使終點(diǎn)T的色差為零，需要考慮起點(diǎn)S的射束的相位空間分布的時(shí)間變動(dòng)。
[0009] 專利文獻(xiàn)1中記載了如下方法：為了使射束尺寸的調(diào)整變得容易而實(shí)現(xiàn)射束尺寸 調(diào)整的自動(dòng)化。專利文獻(xiàn)1的帶電粒子射束的輸送裝置包括：靈敏度計(jì)算裝置，該靈敏度 計(jì)算裝置基于設(shè)置于從加速器的出口到照射裝置的入口之間的多個(gè)分布監(jiān)視器所測(cè)定到 的射束尺寸和射束分布，來計(jì)算出表示射束尺寸相對(duì)于四極電磁鐵等射束聚集裝置的聚集 力的關(guān)系的靈敏度矩陣；W及勵(lì)磁電流校正量計(jì)算裝置，該勵(lì)磁電流校正量計(jì)算裝置利用 靈敏度矩陣根據(jù)所設(shè)定的射束尺寸的調(diào)整目標(biāo)值計(jì)算出射束的聚集力，利用勵(lì)磁電流校正 量計(jì)算裝置計(jì)算得到的勵(lì)磁電流來控制射束聚集裝置。專利文獻(xiàn)1的射束尺寸的調(diào)整方法 中，在射束輸送的粗調(diào)整后根據(jù)分布監(jiān)視器測(cè)定得到的射束尺寸和射束分布求出靈敏度矩 陣，并利用靈敏度矩陣計(jì)算各射束聚集裝置的勵(lì)磁電流，利用該勵(lì)磁電流進(jìn)行對(duì)各射束聚 集裝置進(jìn)行勵(lì)磁的調(diào)整，反復(fù)進(jìn)行上述處理直至射束尺寸充分接近所期望的值。 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn) 專利文獻(xiàn)
[0010] 專利文獻(xiàn)1 :日本專利特開2011-206237號(hào)公報(bào)（0037段~0049段、0057段~ 0061段、圖1、圖3)

【發(fā)明內(nèi)容】
發(fā)明所要解決的技術(shù)問題
[0011] 專利文獻(xiàn)1的帶電粒子射束輸送裝置（相當(dāng)于射束輸送系統(tǒng)）中，利用由分布監(jiān) 視器測(cè)定到的射束尺寸的靈敏度矩陣來計(jì)算各射束聚集裝置的勵(lì)磁電流，反復(fù)進(jìn)行利用該 勵(lì)磁電流對(duì)各射束聚集裝置進(jìn)行勵(lì)磁的調(diào)整，由此進(jìn)行射束尺寸的調(diào)整，使得射束尺寸充 分接近所期望的值。然而，專利文獻(xiàn)1的帶電粒子射束輸送裝置未考慮光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)的起 點(diǎn)及終點(diǎn)的色差，因此即使射束輸送路徑上的分布監(jiān)視器所測(cè)定到的射束尺寸能成為所期 望的值，也無法使照射位置的射束的色差基本成為零。此外，在進(jìn)行了小型化的同步加速器 的情況下，如上所述難W使射束輸送系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)的色差成為零，因此，若將 專利文獻(xiàn)1的射束尺寸的調(diào)整方法應(yīng)用于進(jìn)行了小型化的同步加速器，則反復(fù)進(jìn)行射束調(diào) 整的次數(shù)會(huì)增加。專利文獻(xiàn)1的射束尺寸的調(diào)整方法中，即使能完成射束調(diào)整，也仍舊存在 無法使照射位置的射束的色差基本成為零的問題。
[0012] 在小型化的同步加速器的情況下，若要使射束輸送系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)的 色差成為零，則需要使用高性能的偏轉(zhuǎn)電磁鐵、四極電磁鐵、六極電磁鐵，存在導(dǎo)致加速器、 射束輸送系統(tǒng)的大型化、復(fù)雜化，使加速器、射束輸送系統(tǒng)變得昂貴的問題。
[0013] 本發(fā)明是為了解決上述問題而完成的，其目的在于獲得一種射束輸送系統(tǒng)，該射 束輸送系統(tǒng)中，即使是從小型化的同步加速器出射的射束，也能使射束的照射位置的射束 的色差基本成為零。 解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)手段
[0014] 本發(fā)明所設(shè)及的射束輸送系統(tǒng)包括：偏轉(zhuǎn)帶電粒子射束的至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)電磁鐵； 使帶電粒子射束聚集或發(fā)散的至少2個(gè)四極電磁鐵；檢測(cè)帶電粒子射束的分布數(shù)據(jù)的至少 一個(gè)射束分布監(jiān)視器；基于分布數(shù)據(jù)來計(jì)算射束分布監(jiān)視器中的射束位置的時(shí)間變動(dòng)量或 射束直徑即射束時(shí)間變動(dòng)關(guān)聯(lián)量的射束解析裝置；計(jì)算射束輸送系的光學(xué)參數(shù)的光學(xué)參數(shù) 計(jì)算裝置；W及基于光學(xué)參數(shù)計(jì)算裝置計(jì)算得到的光學(xué)參數(shù)設(shè)定偏轉(zhuǎn)電磁鐵和四極電磁鐵 的勵(lì)磁電流的電磁鐵電源。本發(fā)明所設(shè)及的射束輸送系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)計(jì)算裝置的特征在 于，基于射束時(shí)間變動(dòng)關(guān)聯(lián)量計(jì)算設(shè)定于加速器的射束軌道上的射束輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起點(diǎn) 的帶電粒子射束的運(yùn)動(dòng)量分散函數(shù)即起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)量分散函數(shù)，并計(jì)算將起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)量分散函數(shù) 和檢測(cè)到分布數(shù)據(jù)時(shí)的照射位置的開始條件作為初始條件的光學(xué)參數(shù)。 發(fā)明效果
[0015] 根據(jù)本發(fā)明所設(shè)及的射束輸送系統(tǒng)，將基于射束時(shí)間變動(dòng)關(guān)聯(lián)量的設(shè)計(jì)起點(diǎn)的帶 電粒子射束的起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)量分散函數(shù)和檢測(cè)到分布數(shù)據(jù)時(shí)的照射位置的開始條件作為初始 條件來計(jì)算得到光學(xué)參數(shù)，并基于該光學(xué)參數(shù)設(shè)定偏轉(zhuǎn)電磁鐵及四極電磁鐵的勵(lì)磁電流， 因此即使是從小型化的同步加速器射出的射束，也能使射束的照射位置的射束的色差基本 成為零。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明的粒子射線治療裝置的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)圖。 圖2是表示圖1的粒子射線照射裝置的結(jié)構(gòu)的圖。 圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的射束輸送系統(tǒng)中的校正前的射束軌道的圖。 圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的射束輸送系統(tǒng)中的校正后的射束軌道的圖。 圖5是說明出射到本發(fā)明的實(shí)施方式1的射束輸送系統(tǒng)的射束電流的圖。 圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的射束輸送系統(tǒng)的起點(diǎn)的相位空間分布的圖。 圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的射束輸送系統(tǒng)的終點(diǎn)的校正前的相位空間分布的 圖。 圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的射束輸送系統(tǒng)的終點(diǎn)的校正后的相位空間分布的 圖。 圖9是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的射束輸送系統(tǒng)的終點(diǎn)的校正前的射束點(diǎn)配置的圖。 圖10是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的射束輸送系統(tǒng)的終點(diǎn)的校正后的射束點(diǎn)配置的圖。 圖11是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的射束輸送系統(tǒng)中的校正前的射束軌道及射束直徑 的圖。 圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的射束輸送系統(tǒng)中的校正后的射束軌道及射束直徑 的圖。 圖13是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的射束輸送系統(tǒng)中的校正前的射束軌道的圖。 圖14是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的射束輸送系統(tǒng)中的校正后的射束軌道的圖。 圖15是說明相位空間中的起點(diǎn)的射束的移動(dòng)的圖。 圖16是說明射束輸送系統(tǒng)中的射束軌道的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 實(shí)施方式1. 圖1是本發(fā)明的粒子射線治療裝置的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)圖，圖2是表示本發(fā)明的粒子射線照射 裝置的結(jié)構(gòu)的圖。粒子射線治療裝置20包括入射系統(tǒng)1、加速器3、射束輸送系統(tǒng)4及粒子 射線照射裝置58。入射系統(tǒng)1具有入射器2和四極電磁鐵6a、6b。加速器3包括多個(gè)偏 轉(zhuǎn)電磁鐵 5日、化、5c、5d、5e、5f、5g、化、5i、5j、5k、51、5m、多個(gè)四極電磁鐵6c、6d、6e、6f、6g、 6h、6i、6j、化、61、6m、6n、加速腔9、x方向踢電極化ickelect;rode)10、RF加速電源12、RF 踢電源化ickpowersource) 13、及設(shè)備控制裝置16。射束輸送系統(tǒng)4具有多個(gè)偏轉(zhuǎn)電磁