带电粒子的照射控制装置的制作方法

1.本技术主张基于2020年3月24日申请的日本专利申请第2020
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053252号的优先权。该日本技术的全部内容通过参考援用于本说明书中。
2.本发明涉及一种带电粒子的照射控制装置。


背景技术：

3.在专利文献1中示出如下内容：当对靶照射带电粒子时，使带电粒子束在靶表面的照射面上环绕移动。具体而言，在专利文献1中记载有如下内容：将带电粒子束的直径设为靶直径的大致1/2；及将带电粒子束中心的环绕轨道设为以靶中心为中心、以靶直径的大致1/4为半径的圆形轨道。
4.专利文献1：日本特开2011
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237301号公报
5.近年来，要求增加与带电粒子束有关的射束电流。然而，在专利文献1记载的方法中，由于对靶的热输入的分布不均匀，因此靶可能局部受到高的热负荷，认为难以增加射束电流。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种可以使得与对靶的热输入有关的热密度更均匀的技术。
7.为了实现上述目的，本发明的一方式所涉及的带电粒子的照射控制装置，其对包含受到带电粒子束的照射而产生中子的物质的靶进行该带电粒子的照射控制，所述照射控制装置具有：偏转机构，使所述带电粒子偏转；及控制机构，控制所述偏转机构，以使通过使所述带电粒子束在所述靶的照射面上移动，在所述照射面的中央与端部之间形成多个由所述射束生成的热密度的峰。
8.根据上述带电粒子的照射控制装置，通过使带电粒子束在靶的照射面上移动，在照射面的中央与端部之间形成多个由射束生成的热密度的峰。其结果，能够使基于对照射面的照射射束的合计的与对靶的热输入有关的热密度更均匀。
9.所述控制机构能够设为如下方式：控制所述偏转机构，以使所述带电粒子束的直径小于所述靶的半径。
10.在射束的直径小于靶的半径的情况下，能够更精细地调整射束的照射区域。从而，能够使基于长时间照射的合计的与对靶的热输入有关的热密度更均匀。
11.所述控制机构能够设为如下方式：控制所述偏转机构，以在所述照射面的中央侧和端部侧改变所述射束的移动速度或对同一照射区域的照射次数。
12.射束的移动速度及对同一照射区域的照射次数影响到与对靶的热输入有关的热密度。从而，通过改变射束的移动速度或对同一照射区域的照射次数，与对靶的热输入有关的热密度能够调整为更均匀。
13.发明效果
14.根据本发明，提供一种可以使得与对靶的热输入有关的热密度更均匀的技术。
附图说明
15.图1是表示具备一实施方式所涉及的带电粒子的照射控制装置的中子产生装置的结构的图。
16.图2是表示一实施方式所涉及的带电粒子的照射控制装置的结构的图。
17.图3是表示对靶的照射面的带电粒子的照射控制方法的一例的图。
18.图4是关于对靶的照射面的基于带电粒子的热输入分布进行说明的图。
19.图5是关于对靶的照射面的基于带电粒子的热输入分布进行说明的图。
20.图中：1
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中子产生装置，10
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回旋加速器，36
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中子产生部，38
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靶，100
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照射控制装置，110
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x方向偏转部，120
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y方向偏转部，130
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控制部。
具体实施方式
21.以下，参考附图，对用于实施本发明的方式进行详细说明。另外，在附图说明中，对相同的要件标注相同的符号，并省略重复说明。
22.图1是表示具备本发明的一实施方式所涉及的带电粒子的照射控制装置的中子产生装置的结构的图，图2是表示本发明的实施方式所涉及的带电粒子的照射控制装置的结构的图。并且，图3是表示对靶的照射面的带电粒子的照射控制方法的图。
23.图1所示的中子产生装置1例如是用于使用硼中子俘获疗法(bnct：boron neutron capture therapy)等中子俘获疗法进行癌症治疗等的装置。
24.中子产生装置1具备回旋加速器10等加速器。加速器使质子等带电粒子加速而制作粒子束。回旋加速器10具有例如生成射束直径为40mm、60kw(＝30me v
×
2ma)的质子束的能力。
25.从回旋加速器10取出的质子、氘核等离子(以下，称为带电粒子。)p的射束(带电粒子束)例如依次穿过水平型转向器12、4向切割器14、水平垂直型转向器16、磁体18、19、20、90度偏转电磁体22、磁体24、水平垂直型转向器26、磁体28、4向切割器30、ct监视器32、照射控制装置100、射束通道34，并被引导至中子产生部36。
26.水平型转向器12、水平垂直型转向器16、26例如使用电磁体进行带电粒子p的射束轴调整。同样地，磁体18、19、20、24、28例如使用电磁体进行带电粒子p的射束轴调整。4向切割器14、30通过切割端部的射束而进行带电粒子p的射束整形。90度偏转电磁体22使带电粒子p的行进方向偏转90度。ct监视器32用于监控带电粒子p的射束电流值。
27.如图2所示，中子产生部36具有靶38，该靶38因带电粒子p照射到照射面38a而从射出面38b产生中子n。靶38例如由通过照射铍(be)等带电粒子p而产生中子的物质组成，外周部由螺栓等固定于靶固定部39。在射束照射面侧未被靶固定部39固定的区域(未被靶固定部39覆盖的内周侧区域)可以成为带电粒子p的照射面38a。照射面38a上的射束照射的有效直径dt例如为直径220mm。在中子产生部36中产生的中子n照射于患者。
28.并且，在90度偏转电磁体22上设置有切换部40，可以通过切换部40使带电粒子p从标准轨道脱离，并将其引导至射束收集器42。射束收集器42在治疗之前等，确认带电粒子p的输出。
29.接着，参考图2及图3，对本实施方式所涉及的带电粒子的照射控制装置100及照射控制方法进行说明。照射控制装置100是对靶38进行带电粒子p的照射控制的装置，并具备x方向偏转部110、y方向偏转部120及控制部130(控制机构)。x方向偏转部110及y方向偏转部120作为使带电粒子p偏转的偏转机构发挥功能。
30.x方向偏转部110具备例如电磁体，使入射的带电粒子p向x方向偏转并射出。同样地，y方向偏转部120具备例如电磁体，使入射的带电粒子p向y方向偏转并射出。x方向偏转部110及y方向偏转部120由控制部130控制。
31.控制部130调整带电粒子p的射束bp的直径。作为一例，如图3所示，控制部130将带电粒子p的射束bp的直径dp调整为在靶38的照射面38a上靶38的有效直径(最小外形宽度)dt＝220mm的大致1/2以下。作为一例，将直径dp设为220
×
3/8＝82.5mm(将半径设为41.25mm)。
32.并且，控制部130控制x方向偏转部110及y方向偏转部120，以使带电粒子p的射束bp在靶38的照射面38a上环绕移动，以使带电粒子p的射束bp的中心op以照射面38a的中心o为轨道中心o
l
描绘规定半径的圆形轨道。由此，射束bp在靶38的照射面38a上，照射以照射面38a的中心o为中心的圆环状区域。并且，控制部130使带电粒子p的射束bp环绕移动多次，以使带电粒子p的射束bp的中心op描绘以照射面38a的中心o为轨道中心o
l
的彼此不同半径的多个圆形轨道。此时，控制部130确定环绕轨道的半径r(后述r
l1、
r
l2、
……
)，以使射束bp的中心op描绘的多个环绕轨道彼此形成多重圆。
33.例如，在图3所示例中，控制部130首先使带电粒子p的射束bp的中心op沿着圆形环绕轨道l1环绕。环绕轨道l1的轨道中心o
l
、半径r
l1
分别被设定为靶38的照射面38a的中心o、照射面38a的有效直径dt＝220mm的大致5/16的68.75mm。在这种条件下，使带电粒子p的射束bp的中心op沿着环绕轨道l1环绕。
34.接着，控制部130使带电粒子p的射束bp的中心op沿着圆形环绕轨道l2环绕。环绕轨道l2的轨道中心o
l
、半径r
l2
分别被设定为靶38的照射面38a的中心o、照射面38a的有效直径dt＝220mm的大致3/16的41.25mm。在这种条件下，使带电粒子p的射束bp的中心op沿着环绕轨道l2环绕。
35.接着，控制部130使带电粒子p的射束bp的中心op沿着圆形环绕轨道l3环绕。环绕轨道l3的轨道中心o
l
、半径r
l3
分别被设定为靶38的中心o、靶38的有效直径dt＝220mm的大致1/16的13.75mm。在这种条件下，使带电粒子p的射束bp的中心op沿着环绕轨道l3环绕。
36.如上所述，通过一边使射束bp的中心op在彼此不同半径的环绕轨道上环绕，一边照射带电粒子p的射束bp，能够使得与对靶38的照射面38a的热输入有关的热密度大致均匀，而不取决于靶38表面的位置。另外，在本实施方式中，“大致均匀”是指，关于靶38的照射面38a上的热密度的偏差，极小值相对于最大值的比例为50％以下。关于热密度的偏差，若极小值相对于最大值的比例为30％以下，则可以说更均匀。
37.关于这一点，参考图4及图5进行说明。图4示出在穿过靶38的照射面38a的中心o的直径方向上观察时各位置上的热输入量的分布。横轴以靶38的中心为0，将有效直径dt＝220mm的外缘表示为 110mm、
‑
110mm。并且，在图4中，将横轴的有效直径设为16σ(半径8σ)，表示为以照射面38a的中心o为0的
‑
8σ～ 8σ。在图4所示例中，σ＝13.75mm，相当于靶38的外缘的 110mm，
‑
110mm分别相当于 8σ，
‑
8σ。并且，图4中纵轴表示热密度。
38.带电粒子p的射束bp在其中央附近(中心op附近)和周缘部分，对靶38的热输入量不同。具体而言，推定为与射束bp的热输入有关的靶38的照射面38a上的热密度成为与从其中心起的直径对应的正态分布。在这种情况下，在与射束bp的中央附近对应的区域和与射束bp的端部对应的区域之间，在基于射束bp的热密度上产生偏差。若增大带电粒子束bp的直径，则中心部分的热密度也变大。然而，由于射束bp的照射范围被调整为照射于靶38的照射面38a上，因此若增大射束bp的直径，则射束bp的中心op上的热输入量比射束bp的周缘明显变大，可能产生热应力等。
39.相对于此，如图4所示，在使用直径dp减小一定程度的射束bp沿着与中心op有关的l1～l3这3个环绕轨道照射靶38的照射面38a的情况下，以中心op分别沿着环绕轨道l1～l3环绕的方式照射射束bp时的一次热密度呈现正态分布。另一方面，环绕轨道l1～l3这3次环绕的基于对靶38的照射面38a照射射束bp的合计的热输入量t是3次环绕各自的对靶38的照射面38a的热输入量的合计，因此如图4所示大致变得平坦。如此，与带电粒子p的射束bp对靶38的照射面38a照射一次相比，通过减小射束bp的直径dp以中心op顺着彼此不同的路径照射多次射束bp，能够使对靶38的热输入量平坦，而不取决于位置。并且，若能够使热输入量平坦，则在靶38的各位置上能够均匀地生成中子，并且也能够抑制产生应力等。
40.图5是示意性地示出通过以往的带电粒子p的射束照射方法对靶38进行热输入的热密度与通过本实施方式的带电粒子p的射束照射方法对靶38进行热输入的热密度的差异。横轴是靶38的照射面38a的半径，将靶38的中心o假定为0。
41.推定为带电粒子p的射束对靶38的热密度成为与从射束中心起的距离对应的正态分布。此时，若增大带电粒子p的射束直径，则中心部分的热密度也变大。例如，图5中示出从靶的照射面38a上的中心将半径55mm的位置设为中心位置且将射束直径设为50mm时的射束的射束形状a的示例。在该情况下，可知从靶的照射面38a上的中心在半径80mm的附近，与峰值位置(从靶的照射面38a上的中心，半径为55mm)相比热密度成为1/10以下，带电粒子p的射束未充分到达。在该情况下，在靶38的外周部分，由于未充分照射带电粒子p的射束，因此在该位置上未充分进行中子的生成。同样地，可知在靶的照射面38a上的从中心起半径30mm的附近，与峰值位置(靶的照射面38a上的从中心，半径为55mm)相比热密度成为1/10以下，带电粒子p的射束未充分到达。在该情况下，关于靶38的中央部分，由于未充分照射带电粒子p的射束，因此在该位置上也未充分进行中子的生成。
42.相对于此，如图5所示的射束形状b，若能够从靶38的照射面38a的中央(0mm)到周缘(110mm)以尽可能均匀的方式照射带电粒子p的射束，则能够使热密度均匀，而不取决于靶38的位置。从而，即使特定位置上的热密度不变大，也能够增大总热输入量。
43.作为使热密度均匀的方法，在本实施方式中，通过控制带电粒子p的射束bp的直径及照射路径，在靶38(的照射面38a)的中央与端部之间形成多个由射束生成的热密度的峰(峰值)。其结果，如图4所示，能够减小与靶38的位置对应的热密度的差异(合计结果的差异)。
44.如上所述，根据上述带电粒子的照射控制装置100，通过使带电粒子p的射束bp在靶38的照射面38a上环绕多次，从照射面的中央朝向端部形成多个由射束bp生成的热密度的峰。其结果，能够使基于多次照射的合计的与对靶的热输入有关的热密度更均匀。
45.以往，对于在靶38的照射面38a上使射束bp的中心以描绘圆轨道的方式环绕移动
进行了研究。然而，若以将射束bp照射到靶38上(不照射靶38的外部)的方式增大射束bp的直径dp，则射束bp的中心与周缘之间的热密度的差异增大一定程度，因此要求进一步的研究。可以认为若根据靶38的位置在通过照射射束bp而产生热输入时的热密度上产生大的偏差，则靶38受到靶38的温度上升的偏差、热应力的产生等影响而破损。因此，存在难以增大射束电流的问题。
46.相对于此，在上述照射控制装置100中，通过使射束bp在靶38的照射面38a上环绕多次，使由射束bp生成的热密度的峰从照射面的中央朝向端部形成多个。其结果，能够使基于照射到靶38的照射面38a上的各位置的带电粒子束的热密度的分布更均匀。其结果，与现有结构相比，能够将带电粒子p的射束bp照射至接近靶38周缘的部分，能够有效利用靶38。并且，如此若照射面38a上的各位置上的热密度的差异变小，则也可以防止由应力引起的靶38的变形，因此即使在增大了射束电流的状态下，也能够一边防止靶38破损等，一边照射带电粒子p的射束bp。从而，也能够增加中子的产生量，例如在中子俘获疗法中也能够期待缩短中子照射时间。
47.另外，在上述实施方式中，通过进行“环绕多次”，从靶38的中央沿着径向朝向端部形成有多个由射束生成的热密度的峰。然而，并不限定于多次“环绕”。作为一例，即使在使射束bp的路径(射束bp的中心op的路径)呈螺旋状的情况下，也能够在靶38的中央与端部之间形成多个由射束bp生成的热密度的峰。即，根据带电粒子的照射控制装置100，使带电粒子p的射束bp在靶38的照射面38a上移动，以在照射面的中央与端部之间形成多个由射束bp生成的热密度的峰，由此能够使基于多次照射的合计的与对靶的热输入有关的热密度更均匀。上述实施方式作为其一例而示出如下内容：通过设置多个基于射束bp的中心op的以靶38的照射面38a的中心o为轨道中心o
l
的“环绕轨道”，能够使得与对靶的热输入有关的热密度均匀。
48.作为控制机构的控制部130能够设为如下方式：控制偏转机构，以使带电粒子束的直径dp小于靶38的照射面38a的半径。在该情况下，能够更精细地调整基于带电粒子p的射束bp的照射区域，其结果，能够更精细地调整各位置上的与基于射束bp的热输入有关的热密度。即，能够将射束bp的照射路径(例如，包括环绕轨道的半径等)设定为使靶38的照射面38a上的热密度更均匀。从而，能够使基于多次照射的合计的与对靶的热输入有关的热密度更均匀。
49.根据带电粒子p的射束bp的射束直径dp，适当地变更射束bp的中心op的环绕轨道的数量、环绕轨道之间的距离等。即，为了使与对靶的热输入有关的热密度大致均匀，能够根据射束直径dp等设定射束bp的轨道(射束bp的中心op移动的路径)。
50.另外，作为控制机构的控制部130可以控制偏转机构，以在靶38的中心与端部之间改变射束bp的转速(射束bp相对于照射面38a的移动速度)。根据射束bp照射到特定位置的时间长度，基于该射束bp的热输入的热密度可能改变。换言之，射束bp相对于靶38的转速(移动速度)影响到与对靶38的热输入有关的热密度。从而，通过改变射束的转速，与对靶的热输入有关的热密度能够调整为更均匀。
51.例如在上述实施方式的示例中，可以认为根据射束bp的环绕轨道l1～l3改变分别环绕环绕轨道l1～l3时的射束的转速。如图3所示，在使射束bp在靶38上沿着环绕轨道l1～l3环绕的情况下，可以认为通过使沿着轨道的射束bp的移动速度一致，能够使热密度更均
匀。从而，通过使沿着更长的环绕轨道l1照射射束bp时的1圈所需时间比沿着环绕轨道短的环绕轨道l2、l3照射射束bp时的1圈所需时间长，能够使热密度更均匀。
52.另外，在照射面38a上的射束bp的转速(射束bp沿着环绕轨道环绕时的每1圈所需时间)相同的情况下，即使改变了各环绕轨道上的转速的情况下，也能够使热密度更均匀。例如，相对于将沿着环绕轨道l1的射束bp的环绕设为1次，将沿着环绕轨道l3的射束bp的环绕设为3次。在该情况下，在沿着环绕轨道l3的环绕中，与沿着环绕轨道l1的环绕相比，即使在射束bp相对于照射面38a的移动速度快的情况下，由于射束bp照射多次同一照射区域，因此也能够使基于对照射面的照射射束的合计的与对靶的热输入有关的热密度更均匀。如此，通过改变射束bp的移动速度、或者射束bp对同一照射区域的照射次数，可以调整与热输入有关的热密度。
53.另外，本发明并不限定于上述本实施方式，而可以进行各种变形。
54.例如，在本实施方式中，将带电粒子束放大为圆形，但是也可以是除了圆形以外的各种形状。并且，在本实施方式中，将带电粒子的环绕移动的轨道设为圆形，但是也可以适用除了圆形轨道以外的各种环绕轨道。
55.并且，作为靶38，并不限定于铍(be)，也能够使用钽(ta)、锂(li)等。在该情况下，本发明的带电粒子的照射控制装置也有效。并且，关于靶38的形状，并不限定于圆形，也能够适当地进行变更。