專利名稱：帶電粒子束加速器、粒子束照射醫(yī)療系統(tǒng)及其運行方法
技術領域：
本發(fā)明涉及從離子源射入低能量束流、射出在回旋軌道上進行加速的高能量束流的帶電粒子束加速器和使用上述加速器的粒子束照射醫(yī)療系統(tǒng)及其運行方法。
背景技術：
過去，用同步加速器等圓形加速器使帶電粒子回旋加速，用束流輸送系統(tǒng)輸送從該回旋軌道中取出的束流，供照射所希望的對象的物理實驗、或醫(yī)療使用。關于這時從上述圓形加速器取出束的方法，可使用向回旋束流提供高頻電場以加大電子回旋(betatron)振動的振幅、并使其超出穩(wěn)定界限之外而射出的方法，利用該高頻電場的接通/斷開來實施射出開始、停止。
關于上述內(nèi)容，例如在專利文獻1中記載了向束流提供高頻電磁場并加大電子回旋的振動振幅而射出的方法，但沒有關于RFKO的實用性頻率控制的記載。
另外在專利文獻2中描述了下述的內(nèi)容，它使用上述專利文獻1所述的射出方法來照射任意的點位，然后阻止射出并設定束流偏轉裝置，使得束流射入下一個的點位，反復用該射出方法進行射出，這樣進行照射。
另外在非專利文獻1中描述了一種方法，它以上述專利文獻1所述的方式為基礎，具有靈活的射出束流的時間結構，能以高速實現(xiàn)束流射出及停止。
還在非專利文獻2中更詳細地描述了上述非專利文獻1所述的方法。
還在非專利文獻3中詳細地描述了設備的控制方法。
〔專利文獻1〕專利第2596292號公報
〔專利文獻2〕專利第2833602號公報〔非專利文獻1〕“PROGRESS OF RF-KNOCKOUT EXTRACTION FORION THERAPY”，歐洲加速器會議(EPAC)論文集(2002)，pp2739-2741〔非專利文獻2〕“Fast beam cut-off method in RF-knockout extractionfor spot-scanning”，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 489(2002)59-67〔非專利文獻3〕“Advanced RF-KO slow-extraction method for thereduction of spill ripple”，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A492(2002)253-26
發(fā)明內(nèi)容但是，在描述上述專利文獻1、2的實用化的上述非專利文獻1～3中，為了產(chǎn)生高頻電場，必須使用三臺函數(shù)發(fā)生器，作為用于束流的射出及停止的設備控制，必須控制該三臺函數(shù)發(fā)生器和高頻加速裝置(在文獻中稱為longitudinal RF-field)，控制系統(tǒng)很復雜。所以，問題在于價格高，且對于醫(yī)療設備來說最重要的可靠性方面也存在問題。
另外，由于同步加速器要求以各種能量射出束流、或束流強度，而這些都有不同的束流參數(shù)，因此對于所有的條件必須對上述控制進行優(yōu)化，為了進行裝置建設及調(diào)整時的參數(shù)調(diào)整優(yōu)化要花費很長時間，其結果提高了裝置的成本。
另外，雖然在上述非專利文獻1～3中不存在用使用高穩(wěn)定度的電磁鐵電源而產(chǎn)生的問題，但問題是，若為了降低成本而降低電源穩(wěn)定度，則由于電源變動使穩(wěn)定區(qū)域的界限也變動，因此即使全部停止射出裝置，但因電源變動也會在這之從后射出束流。
本發(fā)明是為了解決上述問題而提出來的，提供一種簡化束流射出控制且可靠性高并能減少構成設備的臺數(shù)、允許電磁鐵電源有較寬的波動范圍等而得以降低成本的帶電粒子束加速器、使用該加速器的粒子束照射醫(yī)療系統(tǒng)及其運行方法。

發(fā)明內(nèi)容
在有關本發(fā)明的帶電粒子束加速器中，設置使帶電粒子束加速、同時沿著回旋軌道回旋的單元；在共振的穩(wěn)定界限的外側使上述帶電粒子的電子回旋振動處于共振狀態(tài)的單元；加大上述共振的穩(wěn)定界限內(nèi)的帶電粒子束的電子回旋振動振幅的單元；以及改變上述共振的穩(wěn)定界限的單元，以上述回旋束流不超過上述共振的穩(wěn)定界限的范圍的頻帶運轉控制加大上述電子回旋振動振幅的單元，同時以束流射出所需的時間運轉控制改變上述共振的穩(wěn)定界限的單元，以射出上述帶電粒子束。
有關本發(fā)明的帶電粒子束加速器，其射出束流時的控制對象少，能連續(xù)射出束流，同時能夠簡單地控制射出束流的射出/停止，使裝置小型化。另外即使電磁鐵電源的波動很大，也能避免在不需要的時間內(nèi)射出束流，能提高可靠性，降低成本。


圖1是本發(fā)明實施方式1～7、9～15的帶電粒子束加速器和粒子束照射系統(tǒng)的示意圖。
圖2是接收加速中的帶電粒子束的說明圖。
圖3是接收加速中的帶電粒子束的說明圖。
圖4是本發(fā)明實施方式1～15的射出束流的說明圖。
圖5是平行掃描方式的照射裝置的示意圖。
圖6是本發(fā)明實施方式1、3～15的帶電粒子束加速器的運行模式的示意圖。
圖7是本發(fā)明實施方式1～15的粒子束照射系統(tǒng)的同步加速器運行模式的示意圖。
圖8是本發(fā)明實施方式2的運行模式的示意圖。
圖9是本發(fā)明實施方式2的運行模式的示意圖。
圖10是本發(fā)明實施方式2的運行模式的示意圖。
圖11是本發(fā)明實施方式3的屏蔽電磁鐵的運行模式的示意圖。
圖12是本發(fā)明實施方式5的使用高頻加速裝置時的運行模式的示意圖。
圖13是本發(fā)明實施方式5的高頻加速裝置的電場波形的示意圖。
圖14是本發(fā)明實施方式6的射出方法的說明圖。
圖15是本發(fā)明實施方式7的射出方法的說明圖。
圖16是表示本發(fā)明實施方式5的高頻加速系統(tǒng)的方框圖。
圖17是本發(fā)明實施方式8的用束流輸送系統(tǒng)照射停止的示意圖。
圖18是本發(fā)明實施方式8的用束流輸送系統(tǒng)控制照射停止的運行模式的示意圖。
圖19是本發(fā)明實施方式9的考慮電源波動時的分界面的說明圖。
圖20是點掃描照射裝置的示意圖。
標號說明4主偏轉電磁鐵5主四極電磁鐵
6高頻加速裝置7六極電磁鐵8高頻發(fā)生裝置(RFKO設備)9射出四極電磁鐵17 照射裝置18 屏蔽電磁鐵20 偏轉電磁鐵31 位移檢測器200 加速器(加速系統(tǒng))300 束流輸送系統(tǒng)400 照射系統(tǒng)具體實施方式
實施方式1以下，根據(jù)附圖來說明本發(fā)明實施方式1。
圖1是表示將帶電粒子束加速器和粒子束照射醫(yī)療系統(tǒng)進行組合的狀態(tài)下的粒子束照射系統(tǒng)圖。在圖中，帶電粒子束加速器200由射入切割板(septum)3、主偏轉電磁鐵4、主四極電磁鐵5、高頻加速裝置6、六極電磁鐵7以及是高頻發(fā)生裝置的RFKO設備8、射出四極電磁鐵9、射出切割板10組成。該帶電粒子束加速器200在該前段設置低能量束流的射入系統(tǒng)100。該射入系統(tǒng)由離子源1、線性加速器2組成。另外，利用設置在醫(yī)療室的照射系統(tǒng)400的照射裝置17，通過束流輸送系統(tǒng)300，向照射對象體、例如患者的腹部照射從帶電粒子束加速器200的射出切割板10中射出的射出束流。上述束流輸送系統(tǒng)300設置偏轉電磁鐵20、束流監(jiān)視器15、屏蔽電磁鐵18、束流擋板19(damper)、照射路徑偏轉電磁鐵16。另外在有的情況下，上述照射路徑偏轉電磁鐵16不包含在束流輸送系統(tǒng)300中，而是包含在照射系統(tǒng)400中。
在上述照射系統(tǒng)中還設置照射對象體的位移檢測器31。
接著，說明該實施方式1的帶電粒子束加速器200的動作。
由離子源1產(chǎn)生粒子束即離子束流，用直線加速器2將其加速到帶電粒子束加速器即同步加速器所需的射入能量。通過射入切割板3射入的離子束利用主偏轉電磁鐵4的作用而進行回旋運動，利用主四極電磁鐵5的作用而受到聚焦力，不擴展束流的大小而一直回旋。在該實施方式中，是采用配置四組由一臺主偏轉電磁鐵4和一臺主四極電磁鐵5組成的組合體的結構。一般，為了在水平及垂直方向上使束流聚焦，使用極性不同的兩種四極電磁鐵，但在該實施方式1中，由于主偏轉電磁鐵4在半徑方向上磁場強度發(fā)生變化，或者具有棱角，因此作用具有在垂直方向上都給予聚焦力的功能的偏轉電磁鐵4，通過這樣主四極電磁鐵5采用一種。偏轉電磁鐵4在原理上在偏轉的同時，還在水平方向上給予聚焦力。
射入的束流雖然用高頻加速裝置6加速，但主偏轉電磁鐵4和主四極電磁鐵5也隨著束流能量(運動量)的增加而加強磁場，以便不改變回旋軌道。加速之后，主偏轉電磁鐵4和主四極電磁鐵5的磁場強度為恒定，不管高頻加速裝置6是處于斷開狀態(tài)、還是處于接通狀態(tài)，都以不進行加減速的相位運行。由此，加速后的束流以恒定的能量一直回旋。
接著，在描述射出束流之前，簡單地說明粒子(離子)一個一個的動作情況。粒子通過由根據(jù)主偏轉電磁鐵4和主四極電磁鐵5決定的聚焦力的作用，從而邊振動邊繞中心軌道回旋。這稱為電子回旋振動。若該振動頻率的小數(shù)點以下的尾數(shù)為零、1/2、1/3(或1-1/3)，則因電磁鐵的誤差磁場而使其處于共振狀態(tài)，電子回旋振動振幅將增大，最終與真空室等碰撞而消亡。各個共振稱為一次共振、1/2(兩次)共振、1/3(三次)共振。尾數(shù)即使為1/4、1/5...時，雖也因誤差磁場產(chǎn)生共振，但一般應注意的是到1/3為止。在電子回旋振動頻率遠離該共振的情況下，若用相位空間坐標(水平x、垂直y的坐標和前進方向的傾斜度x′、y′)來看粒子一個一個地運動，則在如圖2所示的橢圓中移動。在電子回旋振動頻率為例如n.25的情況下(n為整數(shù))，最大振幅的粒子每回旋一次就在圖2的橢圓最外周上移動一次，回旋四周之后就回到原位。振幅小的粒子是這樣運動，它回旋四周就回到與圖2的橢圓相似形狀的小的橢圓上的原位。若描畫由初始相位不同的各式各樣的粒子組成的束流的軌跡，則全部填滿圖2的橢圓內(nèi)。該橢圓的大小不變。
接著說明射出束流。通過改變主四極電磁鐵5的磁場，從而使水平方向的電子回旋振動接近1/3共振，同時一般對六極電磁鐵7進行勵磁，使得容易形成共振狀態(tài)。不增加電子回旋振動的振幅能穩(wěn)定地回旋的區(qū)域稱為接收區(qū)域，但由于六極磁場的非線性，接收區(qū)域為如圖3所示的三角形(稱為分界面，其最外周稱為共振的穩(wěn)定界限或穩(wěn)定區(qū)域界限)，從這里射出的粒子沿分枝部分向外側前進(每回旋一次就移動3根分枝)，超過射出切割板10的粒子用射出切割板10向外側偏轉，在同步加速器200的外部取出。
在上述專利文獻、非專利文獻中使用的方法是，使分界面恒定，利用高頻電場加大電子回旋振動振幅，使粒子移動到分界面的外側。產(chǎn)生該高頻電場的裝置相當于利用該實施方式1的圖1中的RFKO(高頻擊出(knockout))設備8。
以上，說明了現(xiàn)有的射出方法，接著說明該實施方式1的射出方法。圖1的射出四極電磁鐵9是以高速改變磁場的電磁鐵，可以考慮采用只由繞組構成的型式或?qū)㈣F氧體磁心、或硅鋼片等薄鋼片層疊而成的電磁鐵等各式各樣的型式。能達到最高速的類型最好只用繞組構成。即只要是四極電磁場發(fā)生裝置即可。若對該射出四極電磁鐵9進行勵磁，則更接近共振條件，先前的分界面變小。若用圖4說明，則通過將射出四極電磁鐵勵磁(接通)，分界面變小，取出從分界面中散出的粒子(圖4(a))。然后，斷開射出四極電磁鐵9，就成了圖4(b)的狀態(tài)，在分界面邊界附近就不存在回旋束流。所以，在該狀態(tài)下即使再次接通射出四極電磁鐵9，也不能取出束流。因此對回旋束流施加高頻發(fā)生裝置(RFKO設備)8產(chǎn)生的高頻磁場，使其擴散來填滿該空間。然后，如接通射出四極電磁鐵9，就能夠與先前一樣取出束流。
由于高頻電場只使用于擴散束流，因此只要一臺射出用的高頻發(fā)生裝置8即可。但是，電子回旋振動頻率因粒子不同而不同，還因振幅不同而不同，因此只以單一頻率不能取出的束流增多，所以希望比過去更適用的FM調(diào)制的高頻。調(diào)制幅度選擇利用該信號不射出束流且分界面中心附近的束流也擴散出去的值。另外，與過去相同，對振幅調(diào)制也有效。該RFKO設備8即使以高頻磁場也能得到同樣的效果。
射出束流通過束流輸送系統(tǒng)300引向治療室，通過照射裝置17向患者30照射。照射裝置17由向適當?shù)牟课徽丈涫饔玫膾呙桦姶盆F、劑量監(jiān)視器、束流位置監(jiān)視器、改變束流能量的量程轉換器(range shifter)等構成。
這里，說明使用照射裝置17的點位掃描照射的一個例子。圖5描述照射裝置17內(nèi)部的一部分。利用使束流位置平行移動的平行掃描電磁鐵21，能夠使束流位置設定在半徑方向的任意位置。通過使該平行掃描電磁鐵21以相同的角度旋轉，能夠使束流位置設定在二維的任意位置。若取平均的話，則能形成每一角度的點位數(shù)為3、旋轉角在50步左右均勻的劑量分布。束流的深度方向的控制是通過改變量程轉換器22的厚度來進行。在該三個變更中最化時間的是電磁鐵21的旋轉約為500ms。電磁鐵21的磁場變化為數(shù)十ms，量程轉換器的轉換時間約為30ms。因此，作為照射步驟，是反復半徑方向移動→量程轉換器轉換→半徑方向移動，在深度方向上的所有照射都結束的時刻，旋轉電磁鐵21，用同樣的步驟反復照射。每一點位的照射時間為數(shù)ms到數(shù)十ms，完成能照射任意點位的準備，并從同步加速器200中射出束流進行照射。由于全部點位數(shù)在數(shù)千點以上，因此在照射準備完成之后，要求盡可能快地從同步加速器200中射出束流。
運行模式的一個例子如圖6所示。在完成能照射規(guī)定點位的準備之后(a)，從總控制系統(tǒng)中輸出射出開始信號(b)，接受該信號使射出四極電磁鐵9產(chǎn)生磁場(d)。然后，從同步加速器200中射出束流(e)，用點位掃描照射裝置17內(nèi)的劑量監(jiān)視器開始劑量測量，在達到規(guī)定劑量的時刻，發(fā)出劑量滿了信號(c)。射出四極電磁鐵9接受劑量滿了信號(c)后，就停止產(chǎn)生磁場。然后，用RFKO設備8產(chǎn)生高頻電場(f)，使回旋束流擴散到分界面內(nèi)的界限附近，并停止產(chǎn)生高頻電場。同時，在點位掃描照射裝置17中，進入準備下一次點位照射，完成該準備之后，與上述的一樣，按照上述照射裝置17的照射時間反復同樣的動作。
例如在向患者30照射中，對如肺或肝臟這樣的因呼吸而起伏很大的內(nèi)臟，通過采用在呼氣中起伏較穩(wěn)定的狀態(tài)時進行照射的方法，能夠減少對正常組織的照射。因此有效的方法是，例如，對相當于照射位置的腹部位置的位移使用能用遠程檢測的呼吸位移檢測器31來檢測因呼吸引起的變動，當該信號水平到達預先設定的范圍內(nèi)時就照射。圖6的可照射信號是該信號水平達到預先設定的范圍內(nèi)時發(fā)出的信號，一般是1秒到2秒左右的長信號，但在圖6中，畫得很短，以便能明白與其它信號間的關系。射出四極電磁鐵9只在該照射信號接通、發(fā)出射出開始信號時產(chǎn)生磁場。
因呼吸而引起的腹部運動，與內(nèi)臟的位置關系當然預先可用MRI或CT進行測量。
接著，用圖7來說明同步加速器200的運行模式的例子。其中，在平行掃描方式的情況下，考慮掃描回轉的時間進行減速，最初加速的開始在呼吸信號為最大附近進行。在例如患部基本上不動的情況下，或即使在動也能忽視該運動而進行照射的情況下，向規(guī)定點位照射與患部變動無關的加速粒子，在無加速粒子的時刻，使電磁鐵4、5的磁場或高頻加速裝置6的加速電場下降到射入時的值(減速)，進行再射入及加速，持續(xù)照射。
與上不同的是，在隨著患部的運動進行照射的情況下，如圖7(b)所示，加速后到減速為止的平頂(flat top)的時間變長?；疾窟M行與呼吸近似同步的運動，但-次呼吸的周期通常為大致12秒左右，在該期間，患部的穩(wěn)定時間為1秒至2秒左右(圖7中穩(wěn)定時間畫得很長)。另外，點位掃描照射中，在同步加速器200中的加速粒子數(shù)能比在一次呼吸能照射的粒子數(shù)要多，有的情況下能應付2～3次呼吸以上。所以，加速后，對患部的變動在能照射的時刻開始點位照射，若患部的變動加大就停止，等到在下次呼吸患部穩(wěn)定了之后，再開始點位照射。然后，在回旋束流達到預先設定的強度以下的時刻，減速并進行再射入及加速，以同樣的條件再開始點位照射。
本方式不僅在醫(yī)療領域，在物理實驗領域中也很有效。在物理實驗中加速粒子碰到目標，會檢測出從那里產(chǎn)生的二次、三次粒子，但若一次使很多的加速粒子碰撞，則產(chǎn)生檢測器飽和的問題，因此束流只能一點點地取出。所以，在本方式中一點點地取出，只要弄清該取出的時間，就能高效地進行測量。
這樣，該實施方式1的帶電粒子束加速器具有的效果是，對于射出束流所需的控制設備少，且容易控制。
實施方式2接著說明實施方式2。在上述實施方式1中，如圖6(d)(f)所示，運行射出四極電磁鐵9時，要斷開高頻發(fā)生裝置(RFKO設備)8，但如圖8(f)所示，如連續(xù)運行產(chǎn)生從頻率f1變到f2的FM調(diào)制信號的高頻發(fā)生裝置8，也能得到同樣的效果。另外如圖9(f)(g)所示，若與現(xiàn)有的例子一樣使用兩臺該高頻發(fā)生裝置8，使用將FM調(diào)制的相位錯位的方法，則能進行更有效的取出。進一步，如圖10(f)所示，如使用產(chǎn)生含有從f1到f2的頻率的信號的高頻發(fā)生裝置8，也能得到同樣的效果。這里，從頻率f1到f2，是從電子回旋振動振幅為零的回旋帶電粒子到振幅大的回旋帶電粒子為止加大其振幅、但是不超過共振的穩(wěn)定區(qū)域界限的頻帶。
在上述實施方式1的圖6(f)中描畫了高頻發(fā)生裝置8的運行時間，在圖8到圖10中描畫了輸出信號的頻率或頻率分量。
還有，這些信號的振幅隨著時間漸漸地加大，由于共振的穩(wěn)定界限附近的束流密度接近恒定，所以很有效。該振幅調(diào)制包含兩種情況，一種是在FM調(diào)制周期內(nèi)調(diào)制，另一種取出全部加速粒子為止的時間內(nèi)調(diào)制，但也有的情況下只有后者。
還有，如上述圖8到圖10(d)所示的射出四極磁場波形與上述實施方式1所示的圖6(d)的波形不同，但在本實施方式2中，射出四極電磁鐵9的電源是采用反饋控制方式，使得取出束流強度為恒定。取出束流強度用例如設置在同步加速器與照射裝置之間的束流監(jiān)視器測量，或用設置在照射裝置內(nèi)的束流監(jiān)視器測量。
在該實施方式2中，利用FM調(diào)制信號的相位與射出四極電磁鐵9的運行時間間的關系，雖有可能改變?nèi)〕鍪鲝姸?，但由于減少了控制時間的設備數(shù)量，因此效果是能更容易地進行系統(tǒng)的運行控制。
還有，在圖8、圖9、圖10中，是與可照射信號無關，連續(xù)運行高頻發(fā)生裝置8，但即使只在發(fā)出可照射信號的期間連續(xù)運行高頻發(fā)生裝置8時，也能得到同樣的效果。
實施方式3接著說明實施方式3。因主偏轉電磁鐵4、主四極電磁鐵5的電磁鐵電源、或RFKO設備8電源的干擾等，為了使得在上述圖6所示的射出開始信號(b)與劑量滿了信號(c)之間以外的時間段，即使有束流射出也不輸送到點位掃描照射裝置17，因此更有效的方式是，將只在射出開始信號(b)與劑量滿了信號(c)之間產(chǎn)生磁場的屏蔽電磁鐵18設置在如圖1所示的束流輸送系統(tǒng)300中。該屏蔽電磁鐵18的運行模式如圖11(g)所示。在該情況下，束流輸送系統(tǒng)300的偏轉電磁鐵20的偏轉角定為較小，在屏蔽電磁鐵18處于斷開狀態(tài)時，使束流偏離中心軌道碰撞束流擋板19。屏蔽電磁鐵18處于接通狀態(tài)時，通過中心軌道引入點位掃描照射裝置17。還考慮一種方法，就是取代偏轉電磁鐵20的偏轉角較小的情形，將作為偏轉電磁鐵20之的轉向(steering)電磁鐵設置在緊靠屏蔽電磁鐵18的旁邊，一直接通轉向電磁鐵，只要屏蔽電磁鐵18斷開，使束流就碰撞擋板，在屏蔽電磁鐵18處于接通狀態(tài)時，引入點位掃描照射裝置17?；蛘呦喾?，采用在屏蔽電磁鐵18處于接通狀態(tài)時、束流碰撞束流擋板19的方法，也能得到同樣的效果。另外，在該情況下，在射出開始信號(b)與劑量滿了信號(c)之間以外的時間段中，必須接通屏蔽電磁鐵18。當然，該屏蔽電磁鐵18不是必須的設備。在這樣的實施方式3中，在不必要的時間段中不射出束流。
實施方式4接著說明實施方式4。上述實施方式1的圖6(d)所示的射出四極電磁鐵的磁場波形為三角形，但不只限于該波形。還有以下的方式也很有效，即用設置在束流輸送系統(tǒng)300的束流監(jiān)視器15測量射出束流強度，對射出四極電磁鐵電源的輸出進行反饋控制，使得該測量值成為預先設定的值。在該情況下，若將分界面的大小變得過大，則在射出切割板10的入口的束流的傾斜度就變大，其結果，由于在照射位置束流不到規(guī)定位置，因此設定射出四極電磁鐵電源輸出的上限的方式更有效。根據(jù)這樣的實施方式4，則射出束流的時間結構的均勻性更好。
實施方式5接著說明實施方式5。在上述實施方式中，沒有涉及有關照射動作中的高頻加速裝置6的運行及控制，但也有一種方法是，與高頻發(fā)生裝置(RFKO設備)8的運行同步，運行高頻加速裝置6。采用該方法的理由是，尖峰信號產(chǎn)生較少，從時間上說能取出一樣的束流。該情況的運行模式如圖12所示。如前所述回旋粒子的電子回旋振動頻率不是全部相同的，而具有一定寬度。在高頻加速裝置6中，若高頻電場產(chǎn)生在束流前進方向，則一會兒加速回旋粒子，一會兒減速回旋粒子，開始能量振動(同步(Synchrotron)振動)。在該情況下，由于中心相位為零，所以平均能量為恒定。同步加速器一般具有有限的色品(chromaticity)ξ(色差)，能量(運動量p)不同的粒子的電子回旋振動頻率υ不同。然后，在運動量寬度Δp與電子回旋振動頻率寬度Δυ之間有Δυ/υ＝ξΔp/p的關系。所以，由于一個粒子有各式各樣的電子回旋振動，因此增加了變?yōu)楣舱駹顟B(tài)的機會，通過與FM調(diào)制的RFKO設備8的高頻電場的組合，能夠?qū)崿F(xiàn)更有效的束流擴散。
還有，由于同步加速器振動的Δp的最大值由高頻加速裝置6的電場強度決定，因此電場強度設定在粒子不超出到分界面外的值。
接著說明高頻加速系統(tǒng)的實施例。通常，在粒子束同步加速器中，必須使電磁鐵電源正確地與高頻加速電源的加速運行模式同步，且加速電源的模式復雜地變化。因此，實用的方法是，將模式存儲在存儲器中，依次輸出存儲器，用高頻放大器進行放大。模式通過束流試驗等進行最優(yōu)化。還可考慮對在該高頻信號發(fā)生器添加圖12所示的運行模式的方法，但在如圖16所示的分離功能的系統(tǒng)中也能得到同樣的效果。模式發(fā)生器41相當于上述的高頻信號發(fā)生器，取出束流時使用的是函數(shù)發(fā)生器42。模式發(fā)生器在加速后停止輸出。一般由于以整個控制系統(tǒng)送出的時鐘來進行存儲器輸出，因此如用加速后停止時鐘的控制方式即可。函數(shù)發(fā)生器用圖12(e)的時間例1所示的運行模式進行運行，根據(jù)現(xiàn)有的技術完全沒有問題。能夠采用單一頻率輸出、AM及FM調(diào)制等各式各樣的運行方法。
有關使高頻加速裝置6的電場強度發(fā)生變化的實施例示于圖13(e)(f)中，如圖13(e)(f)所示電場漸漸地增強的情況較有效。是由于若反復突然增強的情形，則運動量寬度漸漸地加大，有可能改變射出束流的質(zhì)量。另外，在如圖12、13所示的例中，高頻加速裝置6的運行時間寬度比RFKO設備8的運行時間寬度要長，但不只限于此。通過采用該實施方式5，由于利用高頻加速裝置攪亂穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的束流，因此得到良好的均勻性，能得到更好的射出束流的時間結構的均勻性。
實施方式6接著說明實施方式6。上述的實施方式5的圖12(f)的加速裝置運行時間例2是在射出束流中實施高頻加速裝置6的運行的例子。圖14是用稱為施泰因巴哈圖來顯示實施方式1中說明的圖4的束流射出的說明圖，在非專利文獻2中也使用。根據(jù)該圖14可知，由于即使在初始狀態(tài)的射出四極電磁鐵處于斷開、RFKO設備處于斷開的狀態(tài)，若高頻加速裝置接通時，則各個粒子的Δp/p就改變，因此在圖的左右邊界的范圍內(nèi)移動，所以位于穩(wěn)定區(qū)域邊界附近的粒子不會擴散到非穩(wěn)定區(qū)域中。所以，有的情況下，若是圖12(e)所示的加速裝置運行時間例1，則因運行參數(shù)的不同，束流擴散時射出的束流就擴散到外面。如包括屏蔽電磁鐵18，則沒有問題，但最好是采用不發(fā)生這樣的事情的方法。由于圖12(f)的加速裝置運行時間例2是束流射出中處于接通狀態(tài)的方法，因此不發(fā)生這樣的問題。在這樣的實施方式6中，由于左右攪亂圖14的粒子坐標，因此使粒子密度分布均勻，能期待射出束流的時間結構更平坦的效果，同時在不需要的時間段中不射出束流。
實施方式7接著說明實施方式7。加速器的色品通過調(diào)整六極電磁鐵，能以接近零的值來運行。在該情況下，圖15所示的施泰因巴哈圖中的穩(wěn)定界限與Δp/p無關，大致上為恒定。所以，其效果在于能消除上述實施方式6所述的問題。另外，通過高頻發(fā)生裝置8進行的穩(wěn)定界限附近的束流擴散與高頻加速裝置6的接通/斷開無關，變得更容易，能有效地取出束流。
實施方式8接著說明在實施方式8的束流輸送系統(tǒng)300中控制照射停止的方法。在要求射出四極電磁鐵9產(chǎn)生強磁場的情況下，電磁鐵9的電感加大，很難進行高速控制，結果是，可認為有的情況下從收到劑量滿了信號開始到束流射出停止的時間不符合規(guī)格。在這樣的情況下，如圖17的整個系統(tǒng)圖所示，如在束流輸送系統(tǒng)300中配置高速的脈沖電磁鐵(照射束流控制電磁鐵25)，則能高速停止的照射。運行模式的例子示于圖18(f)(g)。該照射束流控制電磁鐵25的作用基本上與實施方式3所示的屏蔽電磁鐵18相同，可以也同時具有屏蔽電磁鐵18的效果。由于照射束流控制電磁鐵25需要以微秒或數(shù)十微秒數(shù)量級(order)的快速磁場上升(或下降)，因此采用具有使用鐵氧體磁心等的高頻響應特性的電磁鐵?？刂瓢l(fā)出劑量滿了信號(c)后射出的束流，使其碰撞束流擋板19。
另外，射出束流雖比射出開始信號稍微慢一點射出，但如照射束流控制電磁鐵25的接通時間比射出開始信號慢的話，則能夠與該接通時間一致進行照射。
RFK0設備8或高頻加速裝置6的運行方法與上述實施方式1相同。在這樣的實施方式8中能夠快速進行照射停止，且在不需要的時間段內(nèi)向點位掃描照射裝置17不輸送束流。
實施方式9該實施方式9說明考慮同步加速器200的主偏轉電磁鐵4或主四極電磁鐵5的電磁鐵電源的波動的情況的實施例。同步加速器的主四極電磁鐵電源或主偏轉電磁鐵電源的輸出變動(波動)將改變分界面的大小。例如，圖19的網(wǎng)格部分(a)～(b)發(fā)生周期地變動。該周期一般為數(shù)ms到10ms左右。因此，在束流擴散到整個分界面的情況下，如這時是分界面為最小的時候，則沒有問題，如不是為最小的情況下，在隨后接近最小的時候?qū)l(fā)生束流射出，變成在希望的時間段以外進行射出。
作為避免該情況的方法，是考慮因波動而產(chǎn)生的分界面的變動，來決定RFKO設備8的高頻的FM調(diào)制寬度或高頻加速裝置6的電場強度。也就是說，使束流擴散限于因波動使分界面成為最小的邊界以內(nèi)。
在現(xiàn)有的例子中，由于使用極高穩(wěn)定度的電源，可認為不出現(xiàn)這樣的問題，但根據(jù)該實施方式9，則由于能適合穩(wěn)定度較差的電源，因此對低成本的裝置是有效的。
實施方式10接著說明實施方式10。在到這里為止說明的實施方式1～9中表示了使用射出四極電磁鐵9作為縮小分界面的方式的例子，但用高頻加速裝置6也能得到同樣的效果。上述的圖14的橫軸為運動量，但由于對束流進行加速時涂有顏色的部分整體向右側移動，因此就射出擴散到邊界線外的束流。若停止束流加速，并進行減速，則束流返回到原來的位置，停止射出。加大電子加速振動振幅的方法與上述的實施方式相同。加速能通過改變頻率(通常是增加)來實施。另外，根據(jù)同步加速器200的不同的參數(shù)，通過減速也能達到這樣的狀態(tài)。這樣，通過用高頻加速裝置6適當?shù)乜刂祁l率，從而能得到與射出四極電磁鐵9同樣的效果，同時能夠不用射出四極電磁鐵9，來達到低成本。
實施方式11接著說明實施方式11的粒子束照射醫(yī)療系統(tǒng)的運行方法。
關于同步加速器的運行模式，在上述實施方式1中，是在回旋束流達到預先設定的強度以下時刻進行減速，但例如照射對象為人體的情況下，對于在一次呼吸中的照射完成后的回旋束流強度在下次呼吸周期中的可照射時間來說，不能對應長時間的情況下，若轉移到減速及再次射入及加速的模式，則能得到減少時間損失的效果。轉移到減速及再次射入及加速的模式的條件，雖認為有各式各樣的情況，但能舉出例如，束流強度只能照射預先測量的可照射時間的平均值一半以下的點位等情況。通過采用這樣的運行方法，從而能減少時間損失，能縮短全部照射時間。
實施方式12接著說明實施方式12。在用上述實施方式1的圖5說明的平行掃描方式的點位掃描照射中，由于每個旋轉角照射后的平行掃描電磁鐵21的旋轉需要0.5秒左右的時間，因此若根據(jù)該旋轉驅(qū)動的時間實施同步加速器200的減速、射入、加速的模式，則能夠進行時間損失少的照射。進而，若根據(jù)吸氣的時間進行該旋轉驅(qū)動，則能進行時間損失更少的照射，能夠縮短全部照射時間。
實施方式13接著說明實施方式13。在上述實施方式12中舉出了平行掃描方式作為例子，但用一般的點位掃描方式也能得到同樣的效果。圖20表示該原理圖。使用偏轉方向相差90度的兩臺掃描電磁鐵，用照射到二維的任意位置的方式，深度方向與用平行掃描方式說明的方式相同。在該方式的情況下，是一般對于任意的量程轉換器的厚度照射二維平面所有的點位，然后改變量程轉換器的厚度，反復同樣的照射。RFKO設備8或高頻加速裝置6的高頻電磁場的時間或運行模式等與平行掃描方式的適用例相同。
這樣，該實施方式13能適用于其它的點位掃描照射方式。
實施方式14在上述的實施方式中，每個點位的照射(射出)是連續(xù)的，但不只限于此。由于各個點位所需的劑量不同，因此例如反復下述的過程，即交替運行RFKO設備8和射出四極電磁鐵9，以便射出給于最少點位的劑量的照射時間以下的脈沖束流，對某個點位照射必要的劑量之后，至少停止RFKO設備8和射出四極電磁鐵9中的一個，在完成了下次點位照射的準備之后，再次運行兩個裝置，照射必要的劑量。束流射出期間的時間為利用RFKO設備8擴散束流所需的時間。另外，高頻加速裝置6的使用也具有與上述實施方式5相同的效果。
根據(jù)該實施方式14，能使控制更容易，由于能在照射與照射之間停止所有的與照射相關的設備，因此具有能完全停止射出束流的效果。
實施方式15在上述實施方式中描述了適用于掃描照射方式的情況，但也能適用于一般的寬束方式。寬束方式是指使用散射體或擺動電磁鐵擴散束流、使用準直器(collimator)或團塊(bolus)減少患部以外部位的照射的方式。
在能向患部進行照射的時刻，交替運行射出四極電磁鐵9和RFKO設備8，斷斷續(xù)續(xù)地射出束流，若得到來自照射控制系統(tǒng)的停止指令，就至少停止射出四極電磁鐵9和RFKO設備8中的一個的運行，來停止射出束流。與上述實施方式一樣使用高頻加速裝置6也很有效，基本上能適用與上述實施方式相同的運行方式。
照射劑量誤差要求與點位照射的情況同等程度的值，但在寬束照射的情況下，由于與點位照射不同，最好是全部照射時間的百分數(shù)即可，因此例如，在發(fā)出照射停止信號后的1ms左右，能停止射出束流的話就沒有問題。若在該情況下的射出四極電磁鐵9的每一次射出的輸出時間為1ms左右，則能夠應對只用射出四極電磁鐵9的接通/斷開的控制。在射出四極電磁鐵9的輸出時間長的情況下，只要使用束流輸送系統(tǒng)300的照射控制偏轉電磁鐵6或屏蔽電磁鐵18即可，由于1ms左右的電磁場的變化沒有問題，因此能適應廉價的裝置。關于輸出時間的長短，由于若太長，則加大穩(wěn)定區(qū)域的縮小寬度，增加了射出束流的傾斜度的變化，因此在輸出時間變長的情況下，將其設定在能允許的值。
這樣在該實施方式15中，能得到與點位掃描照射方式同樣的效果，具有能夠只在必要的時間段中射出束流、以廉價的裝置結構來實現(xiàn)的效果。
工業(yè)上的實用性本發(fā)明實施方式1～15可用于關于癌等惡性腫瘤的治療的醫(yī)療用帶電粒子照射系統(tǒng)、利用帶電粒子束照射進行的殺菌及消毒、或金屬材料等的特性改善、甚至的物理實驗等。
權利要求
1.一種帶電粒子束加速器，其特征在于，是帶電粒子束加速器，在所述帶電粒子束加速器中，設置使帶電粒子束加速、同時沿著回旋軌道回旋的單元；在共振的穩(wěn)定界限的外側使所述帶電粒子的電子回旋振動處于共振狀態(tài)的單元；加大所述共振的穩(wěn)定界限內(nèi)的帶電粒子束的電子回旋振動振幅的單元；以及改變所述共振的穩(wěn)定界限的單元，以所述回旋束流不超過所述共振的穩(wěn)定界限的范圍的頻帶運轉控制加大所述電子回旋振動振幅的單元，同時以束流射出所需的時間運轉控制改變所述共振的穩(wěn)定界限的單元，以射出所述帶電粒子束。
2.如權利要求1所述的帶電粒子束加速器，其特征在于，交替運轉控制加大所述共振的穩(wěn)定界限內(nèi)的帶電粒子束的電子回旋振動振幅的單元和改變所述共振的穩(wěn)定界限的單元，或反復運轉這兩個單元中的一個單元，然后再進行交替運轉控制，以射出所述帶電粒子束。
3.如權利要求1所述的帶電粒子束加速器，其特征在于，使帶電粒子束加速、同時沿著回旋軌道回旋的單元是高頻加速裝置、偏向電磁鐵和四極電磁鐵，在共振的穩(wěn)定界限的外側使電子回旋振動處于共振狀態(tài)的單元是六極電磁鐵，加大所述共振的穩(wěn)定界限內(nèi)的帶電粒子束的電子回旋振動振幅的單元是RFKO設備，改變所述共振的穩(wěn)定界限的單元是四極電磁場發(fā)生裝置，通過控制所述四極電磁鐵和六極電磁鐵，從而形成射出所述帶電粒子束時的所述共振的穩(wěn)定界限，同時運轉控制加大所述共振的穩(wěn)定界限內(nèi)的帶電粒子束的電子回旋振動振幅的單元和改變所述共振的穩(wěn)定界限的單元。
4.如權利要求3所述的帶電粒子束加速器，其特征在于，利用改變所述共振的穩(wěn)定界限的單元，縮小所述共振的穩(wěn)定界限，并開始射出束流，在所述共振的穩(wěn)定界限達到規(guī)定縮小寬度之后就停止進一步的縮小，通過這樣從而停止射出所述束流，利用加大所述穩(wěn)定界限內(nèi)的帶電粒子束的電子回旋振動振幅的單元，使所述電子回旋振動振幅加大到所述共振的穩(wěn)定界限內(nèi)的邊界附近。
5.如權利要求3所述的帶電粒子束加速器，其特征在于，縮小所述共振的穩(wěn)定界限，并開始射出束流，在射出規(guī)定束流量之后就停止縮小動作，通過這樣從而停止射出所述束流。
6.如權利要求4所述的帶電粒子束加速器，其特征在于，所述射出束流的等待狀態(tài)的所述共振的穩(wěn)定界限設定為即使因構成所述帶電粒子束加速器的電磁鐵的電源波動而變動縮小也不射出束流的區(qū)域。
7.如權利要求3所述的帶電粒子束加速器，其特征在于，改變所述共振的穩(wěn)定界限的單元是四極空心繞組、或具備有高頻響應特性的磁性鐵心的四極電磁鐵中的任何一種。
8.如權利要求1所述的帶電粒子束加速器，其特征在于，改變所述共振的穩(wěn)定界限的單元是利用高頻加速裝置對所述帶電粒子束進行加速或減速的單元。
9.如權利要求1所述的帶電粒子束加速器，其特征在于，改變所述共振的穩(wěn)定界限的單元是使用構成使所述帶電粒子束進行加速、沿著回旋軌道進行回旋的單元的高頻加速裝置對所述帶電粒子束進行加速或減速的單元。
10.一種粒子束照射醫(yī)療系統(tǒng)，其特征在于，是粒子束照射醫(yī)療系統(tǒng)，在所述粒子束醫(yī)療照射系統(tǒng)中，包括帶電粒子束加速器和向治療室輸送所述帶電粒子束加速器射出的帶電粒子束的束流輸送系統(tǒng)，所述帶電粒子束加速器使用權項1至9中所述的任何一種帶電粒子束加速器。
11.如權利要求10所述的粒子束照射醫(yī)療系統(tǒng)，其特征在于，在所述醫(yī)療室設置照射裝置，根據(jù)所述照射裝置的照射時間，從所述帶電粒子束加速器射出束流。
12.如權利要求11所述的粒子束照射醫(yī)療系統(tǒng)，其特征在于，在所述治療室設置檢測照射對象物的照射位置變化的位移檢測器，在所述位移檢測器檢測的信號在預先設定的電平范圍內(nèi)時，利用照射裝置進行束流照射。
13.如權利要求11所述的粒子束照射醫(yī)療系統(tǒng)，其特征在于，在所述束流輸送系統(tǒng)設置帶電粒子束的偏轉裝置，在所希望的時間以外，利用所述偏轉裝置阻止向所述照射裝置輸送所述帶電粒子束。
14.如權利要求11所述的粒子束照射醫(yī)療系統(tǒng)，其特征在于，在所述束流輸送系統(tǒng)中設置在利用所述照射裝置進行的使束流照射達到規(guī)定劑量時、以高速截斷所述帶電粒子束用的偏轉裝置，所述偏轉裝置由空心繞組或具備有高頻響應特性的磁性鐵心的電磁鐵中的任何一種構成。
15.一種粒子束照射醫(yī)療系統(tǒng)的運行方法，其特征在于，是如權利要求11所述的粒子束照射醫(yī)療系統(tǒng)的運行方法，利用所述照射裝置照射規(guī)定時間之后，在所述帶電粒子束加速器的回旋束流的強度只能在下一次照射中照射不到預定時間的情況下，使所述帶電粒子束加速器轉移減速、射入、加速模式。
全文摘要
過去，當利用同步加速器進行束流加速時，由于高頻電場發(fā)生要使用三臺函數(shù)發(fā)生器和高頻加速裝置來進行控制，因此控制系統(tǒng)存在的問題是復雜、價格高且可靠性低。問題還有，對于要求以各種能量的束流射出或束流強度的條件，為了優(yōu)化控制，需要很長時間控制，且需要穩(wěn)定度高的電磁鐵電源。本發(fā)明是以解決上述問題為目的，提供一種簡化束流射出控制、高可靠性、構成設備數(shù)量少、而且不需要穩(wěn)定度高的電磁鐵電源的帶電粒子束加速器和使用該加速器的粒子束照射醫(yī)療系統(tǒng)。
文檔編號H05H13/02GK1697587SQ20051006729
公開日2005年11月16日 申請日期2005年4月19日 優(yōu)先權日2004年4月19日
發(fā)明者中西哲也, 吉田克久, 池田昌広 申請人:三菱電機株式會社