JP6873465B2 - 電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射装置の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射装置の作動方法に関する。

従来、例えば放射線による治療においては、重粒子線や陽子線等の粒子線ビームを患者の体幹部の患部（照射対象内の被照射部）に照射する粒子線照射装置が用いられている。粒子線ビームは、媒質物質に与えるエネルギー付与が粒子の速度に反比例し、粒子が止まる瞬間に最大となるというブラッグピーク特性を有する。そこで、粒子線照射装置では、このブラッグピーク特性を利用して、患者の患部のみに選択的に大きなエネルギー付与を与え、患部のみをビーム照射で壊滅させる治療が行われる。この種の技術として、例えば下記特許文献１には、イオンビームを患者の患部に向けて照射する重粒子線治療装置が記載されている。

特開２０１６−１６２６９２号公報

上述したような装置では、粒子線ビームのエネルギーが数百ＭｅＶと非常に高く、大型のリングシンクロトロン加速器等が必要となることから、装置が巨大化してしまう。そこで近年、電子ビームを照射対象内の被照射部に照射する電子ビーム照射装置が開発されている。しかし、電子ビームはブラッグピーク特性を持たないため、電子ビームを用いたビーム照射では、患者の体幹部の患部のみに選択的に大きなエネルギー付与を与えることは困難である。

本発明は、照射対象内の被照射部に選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を電子ビームを用いて実現可能な電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射装置の作動方法を提供することを課題とする。

本発明に係る電子ビーム照射装置は、電子ビームを照射対象内の被照射部に照射する電子ビーム照射装置であって、エネルギーチャープを有する電子ビームを生成する電子ビーム源と、電子ビーム源で生成した電子ビームのエネルギーチャープを、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように調整するチャープ調整部と、を備える。

この電子ビーム照射装置では、生成した電子ビームのエネルギーチャープが、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように調整される。このようにエネルギーチャープが調整された電子ビームは、照射対象内の被照射部に至るまでの伝搬に伴って、自動的に徐々にパルス幅が圧縮されて電荷密度が高まっていく。これにより、電子ビームを用いたビーム照射にもかかわらず、照射対象において被照射部以外のエネルギー付与を抑える一方で被照射部のエネルギー付与を高めることが可能となる。すなわち、照射対象内の被照射部に選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を、電子ビームを用いて実現することが可能となる。

本発明に係る電子ビーム照射装置は、チャープ調整部で調整した電子ビームの各エネルギー成分の光路を調整して、当該電子ビームのパルス幅を圧縮する電子ビーム圧縮部を更に備えていてもよい。これにより、電子ビームのパルス幅の圧縮点を調整することができる。

本発明に係る電子ビーム照射装置は、照射対象内において電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を検知する検知部と、検知部の検知結果に応じて、電子ビーム圧縮部を制御するコントローラと、を更に備えていてもよい。本発明に係る電子ビーム照射装置では、コントローラは、検知部の検知結果に基づいて電子ビーム圧縮部の駆動信号をフィードバック制御し、電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を、被照射部を含む領域内において移動させてもよい。この場合、例えば、広い範囲に亘る被照射部に対し、効果的に電子ビームを照射できる。

本発明に係る電子ビーム照射装置では、電子ビーム源は、電子ビームを加速するレーザプラズマ電子加速器を含んでおり、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の前方に配置されるエネルギーチャープを有する電子ビームを生成し、チャープ調整部は、電子ビーム源で生成した電子ビームのエネルギーチャープを反転させる電子ビーム位相回転器であってもよい。このような構成により、照射対象内の被照射部に選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を電子ビームを用いて実現するという上記効果について、具体的に奏される。

本発明に係る電子ビーム照射装置の作動方法は、電子ビームを照射対象内の被照射部に照射する電子ビーム照射装置の作動方法であって、エネルギーチャープを有する電子ビームを、電子ビーム源により生成する電子ビーム生成ステップと、電子ビーム生成ステップで生成した電子ビームのエネルギーチャープを、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように、チャープ調整部により調整するチャープ調整ステップと、を備える。

この電子ビーム照射装置の作動方法においても、上記電子ビーム照射装置と同様に、電子ビームを用いたビーム照射にもかかわらず、照射対象において被照射部以外のエネルギー付与を抑える一方で被照射部のエネルギー付与を高めることが可能となる。すなわち、照射対象内の被照射部に選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を、電子ビームを用いて実現することが可能となる。

本発明に係る電子ビーム照射装置の作動方法は、電子ビーム圧縮部により、チャープ調整ステップで調整した電子ビームの各エネルギー成分の光路を調整して、当該電子ビームのパルス幅を圧縮する電子ビーム圧縮ステップを更に備えていてもよい。これにより、例えば電子ビームのパルス幅の圧縮点を調整することができる。

本発明に係る電子ビーム照射装置の作動方法は、照射対象内において電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を検知する検知ステップと、検知ステップの検知結果に応じて、電子ビーム圧縮部を制御する制御ステップと、を更に備えていてもよい。本発明に係る電子ビーム照射装置の作動方法において、制御ステップでは、検知ステップの検知結果に基づいて電子ビーム圧縮部の駆動信号をフィードバック制御し、電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を、被照射部を含む領域内において移動させてもよい。この場合、例えば、広い範囲に亘る被照射部に対し、効果的に電子ビームを照射できる。

本発明によれば、照射対象内の被照射部に選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を電子ビームを用いて実現できる電子ビーム照射装置及び電子ビーム照射装置の作動方法を提供することが可能となる。

一実施形態に係る電子ビーム照射装置を示す概略構成図である。 （ａ）は、電子ビーム位相回転器を示す概略図である。（ｂ）は、電子ビームコンプレッサを示す概略図である。 （ａ）は、チャープ電子ビーム源で生成した電子ビームのパルスを示す図である。（ｂ）は、電子ビーム位相回転器で反転した電子ビームのパルスを示す図である。（ｃ）は、電子ビームコンプレッサで圧縮した電子ビームのパルスを示す図である。（ｄ）は、患部の位置における電子ビームのパルスを示す図である。 電子ビームの線量付与分布を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、電子ビーム照射装置１００を示す概略構成図である。図１に示されるように、電子ビーム照射装置１００は、患者（照射対象）１０の体内の患部（被照射部）Ｔに対して電子ビームＥを照射する装置である。ここでの電子ビーム照射装置１００は、放射線によるがん治療に用いられるがん治療装置であり、患部Ｔは、患者１０の体幹深部に位置するがん細胞である。つまり、被照射部は、照射対象において深い位置（体幹部）に存在している。電子ビーム照射装置１００は、チャープ電子ビーム源１と、電子ビーム位相回転器２と、電子ビームコンプレッサ３と、ビーム圧縮点モニタ（検知部）４と、コントローラ５と、を備えている。

チャープ電子ビーム源１は、エネルギーチャープを有する電子ビームＥを生成して出射する電子ビーム源である。チャープ電子ビーム源１は、レーザプラズマ加速により電子ビームを加速するレーザプラズマ電子加速器を含む。レーザプラズマ電子加速器としては、例えば高強度レーザパルスを長距離伝播させる光導波路を、放電管中のガス放電によって形成する光導波路形成装置を備えたものを用いることができる。チャープ電子ビーム源１で生成した電子ビームＥは、レーザプラズマ電子加速器におけるプラズマ波の破砕によってエネルギースペクトルが拡がることで、エネルギーチャープを有する。

エネルギーチャープとは、電子ビームＥのエネルギー成分がビーム進行方向と強い相関のある状態であって、電子ビームＥのビーム進行方向の前方から後方にかけてエネルギー成分が徐々に変わっている状態を意味する。チャープ電子ビーム源１で生成した電子ビームＥは、具体的には、高いエネルギーの成分（電子）ほどビーム進行方向の前方に配置されるエネルギーチャープ（換言すると、低いエネルギーの成分（電子）ほどビーム進行方向の後方に配置されるエネルギーチャープ）を有する。

チャープ電子ビーム源１で生成した電子ビームＥは、数フェムト秒のパルス幅を有する。チャープ電子ビーム源１で生成した電子ビームＥは、患者１０を透過して患部Ｔへ到達可能なエネルギーを有する。ここでは、当該電子ビームＥは、数百ＭｅＶ以上のエネルギーを有し、具体的には２００ＭｅＶ以上のエネルギーを有する。

電子ビーム位相回転器２は、チャープ電子ビーム源１で生成した電子ビームＥを空間的に１８０°回転させ、電子ビームＥのエネルギーチャープを反転させるチャープ調整部である。電子ビーム位相回転器２は、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように（換言すると、低いエネルギー成分ほどビーム進行方向の前方に配置されるように）、当該電子ビームＥのエネルギーチャープを調整する。電子ビーム位相回転器２としては、例えば電子バンチストレッチャーを用いることができる。

図２（ａ）は、電子ビーム位相回転器２の一例を示す構成図である。図２（ａ）に示されるように、電子ビーム位相回転器２は、ダイポール磁石によって構成される磁場形成部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを含む。電子ビーム位相回転器２では、磁場形成部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの磁場により、電子が半円軌道を形成するように動く。このとき、エネルギーが高い電子は曲がりにくく、半径の大きい円の半円を描くように動き、飛行距離が長くなる。これに対して、エネルギーが低い電子は曲がりやすく、半径の小さい円の半円を描くように動き、飛行距離が短くなる。よって、電子ビーム位相回転器２から出射される電子ビームＥは、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるエネルギーチャープを有する。

図１に示されるように、電子ビームコンプレッサ３は、電子ビーム位相回転器２で調整した電子ビームＥのパルス幅を圧縮する電子ビーム圧縮部である。電子ビームコンプレッサ３は、電子ビーム位相回転器２で調整した電子ビームＥの各エネルギー成分の光路を調整して、当該電子ビームＥのパルス幅を圧縮する。電子ビームコンプレッサ３は、コントローラ５により制御されて、電子ビームＥのパルス幅が患部Ｔの位置で最も圧縮されるように当該電子ビームＥの各エネルギー成分の光路を調整する。電子ビームコンプレッサ３としては、例えば電子バンチコンプレッサを用いることができる。

図２（ｂ）は、電子ビームコンプレッサ３の一例を示す構成図である。図２（ｂ）に示されるように、電子ビームコンプレッサ３は、電磁石３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを含む。電子ビームコンプレッサ３では、電磁石３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの磁場により、電子が弧状の軌道を形成するように動く。このとき、エネルギーが高い電子は飛行距離が短くなるのに対して、エネルギーが低い電子は飛行距離が長くなる。よって、電子ビームコンプレッサ３は、電磁石３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの各駆動電流をコントローラ５により制御することで、電磁石３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの各磁場を制御する。これにより、電子ビームＥの各エネルギー成分の光路を調整し、図１に示されるように、電子ビームコンプレッサ３から患部Ｔまでの光路距離Ｌを、電子ビームＥのパルス幅が患部Ｔの位置で最も圧縮される距離とする。

ビーム圧縮点モニタ４は、患者１０の体内における電子ビームＥのパルス幅の圧縮点を検知する。圧縮点とは、電子ビームＥのパルス幅が最も圧縮される位置（距離）である。図示する例では、ビーム圧縮点モニタ４は、患者１０の周囲に３つ配置されている。ビーム圧縮点モニタ４は、電子ビームＥの圧縮点に関する情報（検知結果）をコントローラ５へ出力する。ビーム圧縮点モニタ４としては、特に限定されず、種々の公知のモニタを採用することができる。

コントローラ５は、例えば一以上のコンピュータ装置により構成される。コントローラ５は、プロセッサであるＣＰＵ（Central Processing Unit）、記録媒体であるＲＡＭ（Random Access Memory）又はＲＯＭ（Read Only Memory）等を含んで構成される。コントローラ５は、ＣＰＵ及びＲＡＭ等のハードウェア上にプログラム等を読み込ませることにより、各種の制御を実行する。コントローラ５は、ビーム圧縮点モニタ４の検知結果に応じて、電子ビームコンプレッサ３を制御する。コントローラ５は、ビーム圧縮点モニタ４から出力された電子ビームＥの圧縮点に関する情報に基づいて、電子ビームコンプレッサ３の電磁石３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの各駆動電流（駆動信号）をフィードバック制御する。これにより、電子ビームＥのパルス幅が患部Ｔの位置で最も圧縮されるように、患部Ｔまでの光路距離Ｌを調整する。ここでは、電子ビームＥの圧縮点を、患部Ｔを含む領域内において移動させる。

次に、電子ビーム照射装置１００による電子ビーム照射方法（電子ビーム照射装置１００の作動方法）について説明する。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、電子ビームＥのパルスを示す図である。図３では、左右幅がパルス幅を表し、上下幅が電荷密度を表す。図３では、エネルギー成分ごとに分けてパルスを示しており、濃いものほど高いエネルギー成分を示している。

まず、エネルギーチャープを有する電子ビームＥを、チャープ電子ビーム源１により生成する（電子ビーム生成ステップ）。生成した電子ビームＥは、図３（ａ）に示されるように、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の前方に配置されるエネルギーチャープを有する。

続いて、電子ビーム生成ステップで生成した電子ビームＥのエネルギーチャープを、電子ビーム位相回転器２により反転させる（チャープ調整ステップ）。これにより、図３（ｂ）に示されるように、電子ビームＥは、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるエネルギーチャープを有する。この状態では、電子ビームＥが伝搬する過程で前方の低エネルギー成分に後方の高エネルギー成分が追いつき、自動的に電子ビームＥのパルス幅が圧縮される。パルス幅が圧縮されると、電子ビームＥの電荷密度が高くなり、内部の電場が上昇する。

続いて、電子ビームコンプレッサ３により、電子ビームＥの各エネルギー成分の光路を調整して、図３（ｃ）に示されるように、当該電子ビームＥのパルス幅を電子ビームコンプレッサ３で圧縮する（電子ビーム圧縮ステップ）。このとき、ビーム圧縮点モニタ４により、患者１０の体内における電子ビームＥの圧縮点を検知する（検知ステップ）。コントローラ５により、ビーム圧縮点モニタ４の検知結果に応じて電子ビームコンプレッサ３を制御する（制御ステップ）。具体的には、コントローラ５により、ビーム圧縮点モニタ４の検知結果に基づいて、電子ビームコンプレッサ３の電磁石３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ（図２（ｂ）参照）の各駆動電流をフィードバック制御する。これにより、電子ビームＥの圧縮点を、患部Ｔを含む領域内において移動させる。具体的には、図３（ｄ）に示されるように、患者１０の体内の患部Ｔを含む領域内において、パルス幅が最も圧縮される箇所（照射箇所）が移動するようにして、電子ビームＥを照射する。本実施形態では、電子ビームＥのパルス幅を最も圧縮することとして、チャープ電子ビーム源１で生成後の電子ビームＥのパルス（図３（ａ）参照）と同じパルス幅で且つ同じ電荷密度に戻るように、電子ビームＥのパルス幅を圧縮させている。

以上、本実施形態では、チャープ電子ビーム源１により生成した電子ビームＥのエネルギーチャープが、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように電子ビーム位相回転器２により調整される。このようにエネルギーチャープが調整された電子ビームは、患者１０内の患部Ｔに至るまでの伝搬に伴って、自動的に徐々にパルス幅が圧縮されて電荷密度が高まっていく。これにより、電子ビームＥを用いたビーム照射にもかかわらず、患者１０において患部Ｔ以外のエネルギー付与（エネルギーデポジット）を抑える一方で患部Ｔのエネルギー付与を高めることが可能となる。

すなわち、本実施形態によれば、エネルギーチャープした電子ビームＥを制御し、電子ビームＥの伝搬中にそのパルス幅を徐々に圧縮し、患部Ｔでパルス幅が短くなるように調整して患部Ｔにおける電子ビームＥの電荷密度を高めることができる。患者１０の内部の局所的領域である患部Ｔのみに対して選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を、電子ビームＥを用いて実現することが可能となる。

図４は、電子ビームＥの線量付与分布を示すグラフである。図中の縦軸は、電子ビームＥの相対線量であり、図中の横軸は、患者１０の電子ビーム入射面からの深さである。図４に示されるように、患部Ｔに至るまでの深さ領域では、電子ビームＥの相対線量は低い状態で維持されているのに対して、患部Ｔの深さ位置で電子ビームＥの相対線量が急峻に高まっている。このように本実施形態では、電子ビームＥを用いるにもかかわらず、ハドロンビームのブラッグピーク特性と同様な照射を電子ビームで行うことが期待できる。

本実施形態は、電子ビームコンプレッサ３により、電子ビーム位相回転器２で調整した電子ビームＥの各エネルギー成分の光路を調整して、当該電子ビームＥのパルス幅を圧縮する。これにより、患部Ｔまでの光路距離Ｌを電子ビームＥの最大圧縮までの距離に調整できる、すなわち、電子ビームＥのパルス幅の圧縮点を調整できる。電子ビームＥのパルス幅を患部Ｔの位置で最も圧縮させることが可能となる。

本実施形態では、電子ビームＥのパルス幅が最も圧縮される位置を、患部Ｔを含む領域内において移動させる。これにより、例えば、一回の電子ビームＥの照射で、パルス幅が最も圧縮される箇所（照射箇所）が、広い範囲に亘る患部Ｔにおいて移動するようにして治療できる。広い範囲に亘る患部Ｔに対して効果的に電子ビームＥを照射できる。

本実施形態では、チャープ電子ビーム源１は、電子ビームＥを加速するレーザプラズマ電子加速器を含んでおり、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の前方に配置されるエネルギーチャープを有する電子ビームＥを生成する。そして、電子ビーム位相回転器２は、生成した当該電子ビームＥのエネルギーチャープを反転させる。このような構成により、患者１０の内部の患部Ｔに選択的に大きなエネルギー付与を与えるビーム照射を電子ビームＥを用いて実現するという上記効果を、具体的に奏することが可能となる。

なお、本実施形態では、レーザプラズマ電子加速器を利用するため、重粒子線加速器のような大型施設は不要であり、装置の小型化が可能となる。クリニックに導入できる規模で電子ビーム照射装置１００を実現できる。

［変形例］
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば上記及び図中の各数値には、設計上、計測上又は製造上等の誤差が含まれていてもよい。

上記実施形態は、電子ビームＥの光路上において電子ビーム位相回転器２と患者１０との間（好ましくは、患者１０の身体の前）に配置されたファントム（水セル）を更に備えていてもよい。このファントムは、電子ビームコンプレッサ３と同様に電子ビーム圧縮部として機能し、電子ビームＥの圧縮点が患者１０の体内の患部Ｔになるように調整できる。また、上記実施形態では、電子ビームＥを患者１０の体内の患部Ｔに照射したが、照射対象及び被照射部としては特に限定されるものではない。

１…チャープ電子ビーム源（電子ビーム源）、２…電子ビーム位相回転器（チャープ調整部）、３…電子ビームコンプレッサ（電子ビーム圧縮部）、４…ビーム圧縮点モニタ（検知部）、５…コントローラ、１０…患者（照射対象）、１００…電子ビーム照射装置、Ｅ…電子ビーム、Ｔ…患部（被照射部）。

Claims (5)

1. 電子ビームを照射対象内の被照射部に照射する電子ビーム照射装置であって、
   エネルギーチャープを有する前記電子ビームを生成する電子ビーム源と、
   前記電子ビーム源で生成した前記電子ビームの前記エネルギーチャープを、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように調整するチャープ調整部と、
   前記チャープ調整部で調整した前記電子ビームの各エネルギー成分の光路を調整して、当該電子ビームのパルス幅を圧縮する電子ビーム圧縮部と、
   前記照射対象内において前記電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を検知する検知部と、
   前記検知部の検知結果に応じて、前記電子ビーム圧縮部を制御するコントローラと、を備える、電子ビーム照射装置。
2. 前記コントローラは、前記検知部の検知結果に基づいて前記電子ビーム圧縮部の駆動信号をフィードバック制御し、前記電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を、前記被照射部を含む領域内において移動させる、請求項１に記載の電子ビーム照射装置。
3. 前記電子ビーム源は、前記電子ビームを加速するレーザプラズマ電子加速器を含んでおり、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の前方に配置される前記エネルギーチャープを有する前記電子ビームを生成し、
   前記チャープ調整部は、前記電子ビーム源で生成した前記電子ビームの前記エネルギーチャープを反転させる電子ビーム位相回転器である、請求項１又は２に記載の電子ビーム照射装置。
4. 電子ビームを照射対象内の被照射部に照射する電子ビーム照射装置の作動方法であって、
   エネルギーチャープを有する前記電子ビームを、電子ビーム源により生成する電子ビーム生成ステップと、
   前記電子ビーム生成ステップで生成した前記電子ビームの前記エネルギーチャープを、高いエネルギー成分ほどビーム進行方向の後方に配置されるように、チャープ調整部により調整するチャープ調整ステップと、
   電子ビーム圧縮部により、前記チャープ調整ステップで調整した前記電子ビームの各エネルギー成分の光路を調整して、当該電子ビームのパルス幅を圧縮する電子ビーム圧縮ステップと、
   前記照射対象内において前記電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を検知する検知ステップと、
   前記検知ステップの検知結果に応じて、前記電子ビーム圧縮部を制御する制御ステップと、を備える、電子ビーム照射装置の作動方法。
5. 前記制御ステップでは、前記検知ステップの検知結果に基づいて前記電子ビーム圧縮部の駆動信号をフィードバック制御し、前記電子ビームのパルス幅が最も圧縮される位置を前記被照射部を含む領域内において移動させる、請求項４に記載の電子ビーム照射装置の作動方法。

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