JP3643371B1

JP3643371B1 - 粒子線照射装置及び照射野形成装置の調整方法

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Publication number: JP3643371B1
Application number: JP2003411344A
Authority: JP
Inventors: 正樹柳澤; 秋山　　浩; 浩二松田; 寿隆藤巻
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: US20050167616A1; US7049613B2; US7154107B2; JP2005168695A; DE602004011736D1; DE602004011736T2; US20050127306A1; EP1541194B1; EP1541194A1

Abstract

【課題】半影を小さくし、且つ、ビーム進行方向に直交する方向における線量分布をより均一にする。
【解決手段】粒子線治療装置１は、荷電粒子ビーム発生装置２及び照射野形成装置１５を備える。荷電粒子ビーム発生装置２からのイオンビームは照射野形成装置１５より患者６１の患部６２に照射される。散乱補償体３４とＲＭＷ２４とは一体的に結合してビーム進行方向上流側に設けられ、これら散乱補償体３４及びＲＭＷ２４はビーム軸ｍに沿って移動される。散乱補償体３４及びＲＭＷ２４の移動は散乱体装置１８へ入射されるイオンビームのビームサイズを調整し、その結果、散乱体装置１８でのイオンビームの散乱度合いの変化が調整される。これらにより、半影が小さくなり、且つ、患部内におけるビーム進行方向に直交する方向における線量分布がより均一にされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、粒子線照射装置に係り、特に、陽子及び炭素イオン等の荷電粒子ビームを患部に照射して治療する粒子線治療装置，荷電粒子ビームを材料に照射する材料照射装置，食品に荷電粒子ビームを照射する食品照射装置、及び荷電粒子ビームを利用したラジオアイソトープ製造装置に適用するのに好適な粒子線照射装置に関する。

従来の粒子線治療装置は、荷電粒子ビーム発生装置，ビーム輸送系及び回転式の照射装置を備える。荷電粒子ビーム発生装置は、加速器としてシンクロトロン（またはサイクロトロン）を含んでいる。シンクロトロンで設定エネルギーまで加速された荷電粒子ビーム（以下、イオンビームという）は、ビーム輸送系（以下、第１ビーム輸送系という）を経て照射装置に達する。回転式の照射装置は、照射装置ビーム輸送系（以下、第２ビーム輸送系という），照射野形成装置、及び第２ビーム輸送系及び照射野形成装置を一体で回転させる回転装置（回転ガントリー）を有する。イオンビームは第２ビーム輸送系を通って照射野形成装置から患者の癌の患部に照射される。

照射野形成装置は、荷電粒子ビーム発生装置からのイオンビームを、照射目標である患部の立体形状に合わせて整形し照射野を形成するとともに、照射野内の照射線量を調整する装置である。このように所望の照射線量を照射対象形状に合わせて照射する方法として、散乱体を通過した後のイオンビームの照射線量分布がほぼ正規分布になることを利用し、イオンビームの軸方向に距離をおいて配置した２種類の散乱体を用いて照射線量を一様化する二重散乱体法が知られている（例えば、非特許文献１の２０８１頁図３６参照）。また、他の照射方式として、２つの走査用電磁石を用いてイオンビームの照射線量を一様化するウォブラー方式（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）や、スキャニング方式（例えば特許文献３参照。）が知られている。

これらの照射方法では、患者の患部の深さ方向（イオンビームの照射方向）においてイオンビームの照射量を一様にするため、ブラックピーク拡大装置（ＳＯＢＰ装置）を用いる。ＳＯＢＰ装置は、イオンビーム進行方向に垂直な平面上に厚さの異なる領域を有する構成となっており、それぞれの厚さをイオンビームが通過することによりイオンビームが複数のエネルギー成分を持ち、各厚さ部分の面積を決めることで、イオンビームの各エネルギー成分の重みが決まる。それら複数のエネルギー成分の重ね合せにより線量分布を調整し、イオンビーム進行方向に一様性の高い線量分布を形成するものである。このＳＯＢＰ装置としては、リッジフィルタ（非特許文献１の２０７８頁図３１及び2084頁図４１参照）及びレンジモジュレーションホイール（非特許文献１の２０７７頁図３０参照）等がある。

これらのＳＯＢＰ装置は上述したようにイオンビーム進行方向に垂直な平面上に厚さの異なる領域を有する構成となっているため、ＳＯＢＰ装置におけるイオンビームの散乱量はイオンビームが通過する領域によって異なる。したがって、その散乱の影響を抑えるために、ＳＯＢＰ装置を照射野形成装置内においてビーム進行方向の極力下流側に配置するか、又は上流側に配置する場合には、ＳＯＢＰ装置における部位ごとのイオンビームの散乱量の差を補償するための散乱補償装置を設けることが、従来より行われている。

レビューオブサイエンティフィックインスツルメンツ６４巻８号（１９９３年８月）の第２０７４〜２０８６頁(REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME ６４ NUMBER ８（AUGUST １９９３）Ｐ２０７４−２０８６）

特開平１０−２１１２９２号公報

特開２０００−２０２０４７号公報

特開平１０−１９９７００号公報

しかしながら、上記従来技術では以下のような課題が存在する。
すなわち、ＳＯＢＰ装置をビーム進行方向の下流側に配置した場合には、照射位置（患部）までの有効線源距離が短くなり、照射線量分布の照射対象外へのにじみ（半影）が大きくなり、またビームサイズが大きくなっていることから、装置自体が大型化する。一方、上流側に配置した場合には、半影は小さくできるものの、イオンビームの入射エネルギーの変化や、下流側に配置されるイオンビームの飛程を変える飛程調整装置におけるイオンビームの通過部分の厚みの変化等に対する影響量が大きくなり、ビーム進行方向に直交する方向における線量分布の均一度を高く保持するのが困難であった。

本発明の目的は、半影を小さくでき、且つ、ビーム進行方向に直交する方向における線量分布をより均一にできる粒子線照射装置を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、ブラッグピーク拡大装置における荷電粒子ビームの散乱量を補償する散乱補償装置がブラッグピーク拡大装置に設けられ、これらブラッグピーク拡大装置及び散乱補償装置が、散乱体装置及び飛程調整装置の上流側で、荷電粒子ビームの進行方向において移動可能に照射野形成装置に設置され、荷電粒子ビームの入射エネルギー又は必要到達深度に基づいてブラッグピーク拡大装置及び散乱補償装置の移動量を制御する制御手段を設けていることにある。すなわち、ブラッグピーク拡大装置に散乱補償装置を設け、ブラッグピーク拡大装置及び散乱補償装置を散乱体装置及び飛程調整装置の上流側に設置することにより、ブラッグピーク拡大装置及び散乱補償装置をビーム進行方向の上流側に配置することができ、これにより半影を小さくすることができる。さらに、ブラッグピーク拡大装置及び散乱補償装置がビーム進行方向において移動できるため、荷電粒子ビームの入射エネルギー又は必要到達深度に基づいてそれらの移動量を制御して最適な位置に調整することにより、荷電粒子ビームの照射目標位置でのビーム進行方向に直交する方向における線量分布をより均一にすることができる。

本発明によれば、半影を小さくでき、且つ、荷電粒子ビームの照射目標位置でのビーム進行方向に直交する方向における線量分布をより均一にすることができる。

（実施形態１）
本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置を、図１を用いて説明する。本実施形態の粒子線治療装置１は、荷電粒子ビーム発生装置２及び照射野形成装置１５を備える。荷電粒子ビーム発生装置２は、イオン源（図示せず），前段加速器３及びシンクロトロン４を有する。イオン源で発生したイオン（例えば、陽子イオン（または炭素イオン））は前段加速器（例えば直線加速器）３で加速される。前段加速器３から出射されたイオンビームはシンクロトロン４に入射される。このイオンビームは、シンクロトロン４で、高周波加速空胴５から印加される高周波電力によってエネルギーを与えられて加速される。シンクロトロン４内を周回するイオンビームのエネルギーが設定されたエネルギーまでに高められた後、出射用の高周波印加装置６から高周波がイオンビームに印加される。安定限界内で周回しているイオンビームは、この高周波の印加によって安定限界外に移行し、出射用デフレクタ１３を通ってシンクロトロン４から出射される。イオンビームの出射の際には、シンクロトロン４に設けられた四極電磁石７及び偏向電磁石８等の電磁石に導かれる電流が設定値に保持され、安定限界もほぼ一定に保持されている。高周波印加装置６への高周波電力の印加を停止することによって、シンクロトロン４からのイオンビームの出射が停止される。

シンクロトロン４から出射されたイオンビームは、ビーム輸送系９を経て照射装置である照射野形成装置１５に達する。ビーム輸送系９の一部である逆Ｕ字部１０及び照射野形成装置１５は、回転可能なガントリー（図示せず）に設置される。逆Ｕ字部１０は偏向電磁石１１，１２を有する。イオンビームは、照射野形成装置１５から治療台（ベッド）５９に乗っている患者６１の患部６２（図２）に照射される。

本実施形態に用いられる照射野形成装置１５の詳細構成を図２に基づいて説明する。照射野形成装置１５は、二重散乱体方式の照射野形成装置である。照射野形成装置１５は、逆Ｕ字部１０に取り付けられるケーシング１６を有し、ケーシング１６内に、イオンビーム進行方向（ビーム軸ｍ方向）の上流側より順次、レンジモジュレーションホイール（以下、ＲＭＷという）装置（ブラッグピーク拡大装置）１７，散乱体装置１８，飛程調整装置１９，ボーラス２０、及びコリメータ２１を配置する。

ＲＭＷ装置１７は、ＲＭＷ２４，ＲＭＷ２４を回転駆動するモータ２５、及びＲＭＷ２４とモータ２５を支持するＲＭＷ支持部材２６を有する。ＲＭＷ２４の詳細構造を図３に示す。この図３に示すように、ＲＭＷ２４は、回転軸２７，回転軸２７と同心円に配置された円筒部材２８、及び回転軸２７に取り付けられＲＭＷ２４の半径方向に伸びた複数の翼（本実施形態では３枚、翼部）２９を有している。これらの翼２９はその周方向における幅が径方向外側に行くほど広くなるように（すなわち円筒部材２８側が回転軸２７側よりも広くなるように）形成されており、径方向外側の端部は円筒部材２８の内周面に取り付けられている。また、ＲＭＷ２４の周方向における翼２９，２９の間には、それぞれ開口３０が形成されている。すなわち、１つのＲＭＷ２４には３枚の翼２９の相互間に形成された開口３０が３つ存在する。これら開口３０も周方向における幅が径方向外側に行くほど広くなるように形成されている。

上記各翼２９は、ＲＭＷ２４の周方向において階段状に配置された複数の平面領域３１（すなわち平面領域３１は、例えば階段において足を乗せる平面に相当する。）を有しており、ビーム進行方向におけるＲＭＷ２４の底面から各平面領域３１までの各厚みが異なっている（ＲＭＷ２４の底面から各平面領域３１までのレベルが異なる）。ここでは、１つの平面領域３１の部分におけるその厚みを、平面領域部分の厚みという。すなわち、翼２９は、周方向において翼２９の両側に位置する開口３０からビーム進行方向における最も厚みの厚い翼頂部２９Ａに位置する平面領域３１に向かって各平面領域部分の厚みが増加するように形成されている。各平面領域３１は回転軸２７から円筒部材２８に向かって延びており、その周方向における幅も径方向外側に行くほど広くなっている。

以上のようなＲＭＷ２４の構成により、ＲＭＷ２４を通過したイオンビームは、通過する平面領域部分の厚みに応じて複数のエネルギー成分を有し、ＳＯＢＰが拡大されてビーム進行方向（すなわち患者６１の患部６２の深さ方向）における照射線量を一様にする。

図２に戻り、ＲＭＷ２４のビーム進行方向上流側（ＲＭＷ２４の底面側）には散乱補償体（散乱補償装置）３４が一体的に結合して設けられている。図４はこの散乱補償体３４の概略構造を示すＲＭＷ２４の翼２９の断面図（図３中IV-IV断面に相当）である（なお、図３では散乱補償体３４は図示省略している）。図４に示すように、散乱補償体３４は翼２９の平面領域部分の厚みに応じてビーム進行方向における厚さが段階的に変わるように形成されており、翼２９の最も厚みの厚い翼頂部２９Ａに対応する領域では最も厚みが薄く（すなわち厚さ０）、開口３０の領域に対応する領域では最も厚みが厚くなっている。この散乱補償体３４は、比較的散乱強度の大きい（すなわち比較的比重の重い）材料によって構成されており、ＲＭＷ２４におけるイオンビームの散乱量を補償する機能を有する。すなわち、本実施形態のように、ＲＭＷ２４をビーム進行方向における上流側に配置した場合、ＲＭＷ２４のビーム進行方向における厚さ分布（平面領域部分の厚み）の違いによって生じるイオンビームの散乱量の差異により、照射目標でのビーム進行方向に直交する方向における線量分布の均一性が低下するが、上述したように散乱補償体３４がＲＭＷ２４の各平面領域部分の厚みの大小関係と反対の厚みを有する構成となっていることから、各平面領域部分におけるビームの散乱量が一様化され、上記不具合は解消される（実際には、下流側の散乱体装置１８，飛程調整装置１９による散乱を考慮した上で、照射目標でのビーム進行方向に直交する方向における線量分布が均一となるように各平面領域部分における散乱量が調整される）。なお、本実施形態では、散乱補償体３４とＲＭＷ２４とがイオンビームのビームサイズを拡大する第１散乱体としての役目も果たしている。したがって、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４を通過したイオンビームは、ブラッグピークを拡大されると共に、散乱によりビーム進行方向と直交する方向に広げられる。

図２に戻り、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４はＲＭＷ支持部材２６によって回転可能に支持され、またこれら散乱補償体３４及びＲＭＷ２４を回転駆動するモータ２５はその下方において同様にＲＭＷ支持部材２６によって支持されている。このＲＭＷ支持部材２６は、ネジ孔（図示せず）を有する支持部材３７に取り付けられる。支持部材３７はネジ孔を通るボールネジ３８と噛合っている。ボールネジ３８の上端部は回転可能にケーシング１６に取り付けられ、下端部はケーシング１６に取り付けられる交流サーボモータ（駆動装置）３９に連結される。エンコーダ４０は交流サーボモータ３９の回転軸に連結される。なお、交流サーボモータの替りにステップモータや直流サーボモータを用いてもよい。交流サーボモータ３９及びボールネジ３８は、ＲＭＷ装置１７をビーム進行方向に移動するリニアアクチュエータを構成する。

散乱体装置１８は、散乱体１８Ａ及びこの散乱体１８Ａをケーシング１６から支持する支持部材１８Ｂを備えている。散乱体１８Ａは、例えば散乱強度が異なる材料で構成された二重リング構造となっており、径方向内側ほど散乱強度が大きく、径方向外側ほど散乱強度が小さくなるように構成されている。すなわち、入射されるイオンビームの径方向内側部分については大きく散乱し、径方向外側部分については小さく散乱する。これにより、第１散乱体としての散乱補償体３４及びＲＭＷ２４によりビーム進行方向と直交する方向における線量分布が正規分布状となるように広げられたイオンビームを、その径方向内側部分については大きく散乱すると共に径方向外側部分については小さく散乱することにより、ビーム中央部付近（ビーム軸ｍ付近）における線量分布を減少させ周縁部付近の線量を増大させて、ビーム進行方向と直交する方向における線量分布が一様となるように調整する。

飛程調整装置１９はイオンビームの飛程を調整するものであり、図５にその構造を示す。この図５に示すように、圧縮空気シリンダ４６、及び圧縮空気シリンダ４６内に設置されたピストン（図示せず）に連結されるピストンロッド４７を有する複数の吸収体操作装置４５を有する。これらの吸収体操作装置４５は支持枠４４に設置される。飛程調整装置１９は、ビーム進行方向（ビーム軸ｍ方向）における厚みが異なる吸収体４８Ａ〜４８Ｆを有する。これらの吸収体は、個々の吸収体操作装置４５に一個ずつ取り付けられる。各吸収体は、炭化水素等の原子番号の小さい物質を含む樹脂で構成される。電磁弁５２を有する圧縮空気配管５１が、各吸収体操作装置４５の圧縮空気シリンダ４６にそれぞれ接続される。各圧縮空気配管５１は圧縮空気供給装置（図示せず）に接続される。また、飛程調整装置１９の各吸収体操作装置４５は、それぞれリミットスイッチを備える。吸収体操作装置４５のリミットスイッチは、該当する吸収体が、その設定位置に達したことを検出する。なお、飛程調整装置として、対向して配置された２枚の楔板を有し、各楔板を移動させて重なり部の厚みを連続的に変化させる装置を用いてもよい。

図２に戻り、ボーラス２０は、治療患者６１の患部６２（例えば癌や腫瘍の発生部位）の最大深さに合わせてイオンビームの到達深度を調整するものであり、ビーム進行方向に直交する平面上の各位置における飛程を、照射目標である患部６２の深さ形状に合わせて調整するものである。コリメータ２１は、イオンビームをビーム進行方向と直交する平面方向に整形して照射野を患者６１の患部６２の形状に合わせてコリメートするためのものである。

本実施形態の粒子線治療装置は、照射制御装置（制御装置）５４及び駆動制御装置５６，５７を含む制御システム６０を備える。照射制御装置５４のメモリ５５は、図６に示す照射条件情報を記憶する。照射条件情報の項目は、患部６２の深さ方向の位置（必要到達深度），散乱補償体３４及びＲＭＷ２４の種類，照射野形成装置１５への入射エネルギー，飛程調整装置１９におけるイオンビームが通過する吸収体の厚さ（飛程調整装置厚さ）、及び散乱補償体３４とＲＭＷ２４のビーム進行方向におけるアイソセンタ（照射中心）からの距離（Ｚ軸位置）である。治療計画情報である必要到達深度及び入射エネルギーの各情報と、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４の種類，飛程調整装置厚さ、及び散乱補償体３４とＲＭＷ２４のＺ軸位置との関係は、予め、計算あるいは実験により求めておく。治療計画装置５３は、治療する患者６１に対する治療計画情報（照射野サイズ，イオンビームの入射方向，その入射方向における飛程，入射エネルギー等）を記憶している。なお、照射制御装置５４，駆動制御装置５６，５７、及びメモリ５５を個々に設けずに、制御システム６０が照射制御装置５４，駆動制御装置５６，５７、及びメモリ５５の各機能を発揮するように構成してもよい。

散乱補償体３４及びＲＭＷ２４は、図６のＩＤ１〜９に示すように複数種類準備されている。ＩＤ１〜９は散乱補償体３４及びＲＭＷ２４を一体として他のものと区別するためのＮo.である。各散乱補償体３４及びＲＭＷ２４は、例えば、ＲＭＷ２４の高さ，平面領域３１の幅及び高さ，散乱補償体３４の高さ、及び散乱補償体３４の平面領域の幅及び高さ等が異なっている。散乱補償体３４及びＲＭＷ２４は、照射野形成装置１５への入射エネルギー，必要到達深度、及び要求されるＳＯＢＰ幅等に応じて選択され、ＲＭＷ支持部材２６に予め取り付けられる。なお、ＳＯＢＰ幅はイオンビームの進行方向における患部６２の長さに応じて定まる。

照射野形成装置１５に対する患者６１の位置決め前に、照射制御装置５４は、治療計画装置５３から患者６１に対する治療計画情報（飛程（必要到達深度）、入射エネルギー等）を入力し、メモリ５５に記憶させる。これらの治療計画情報は、イオンビームの照射条件を現している。照射制御装置５４は、このメモリ５５に記憶された治療計画情報に基づき、照射条件情報より散乱補償体３４及びＲＭＷ２４の種類と、飛程調整装置厚さを選定する。また、照射制御装置５４は、選定した散乱補償体３４及びＲＭＷ２４の種類，飛程調整装置厚さ情報を基に、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４のＺ軸位置も選定する。照射制御装置５４は、駆動制御装置５６に対して、駆動指令信号と共に選定した吸収体の厚み情報を出力する。駆動制御装置５６は、選定された吸収体の厚み情報に基づいて、その厚みになる吸収体（一枚または複数枚）を飛程調整装置１９内の吸収体４８Ａ〜４８Ｆの中から選定する。例えば、吸収体４８Ｅの厚みが吸収体厚み情報と一致した場合には吸収体４８Ｅが選定される。駆動制御装置５６は、吸収体４８Ｅを操作するそれぞれの吸収体操作装置４５に接続された各圧縮空気配管５１の電磁弁５２を開く。該当する吸収体操作装置４５のシリンダ４６内に圧縮空気が供給され、吸収体４８Ｅはピストンロッド４７の移動により上記設定位置まで押し出される。残りの吸収体はイオンビームの通過位置から離れた場所に位置している。該当する吸収体が設定位置に達したとき、該当する各リミットスイッチの作動によって発生する各位置信号が駆動制御装置５６に伝えられる。駆動制御装置５６は、照射制御装置５４に対して吸収体の移動完了情報を出力する。

一方、照射制御装置５４は、駆動制御装置５７に対して、駆動指令信号と共に、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４のＺ軸位置情報を出力する。駆動制御装置５７は、Ｚ軸位置情報に基づいて交流サーボモータ３９を回転させて、支持部材３７を所定の位置まで移動させる。これに伴って、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４はＺ軸位置情報に対応した位置まで移動される。駆動制御装置５７は、支持部材３７がその位置に達したことをエンコーダ４０の検出信号で確認した場合には、照射制御装置５４に対して散乱補償体３４及びＲＭＷ２４の移動完了情報を出力する。

これらの準備が完了した後、治療台５９を移動して患者６１の患部６２の中心を照射野形成装置１５のアイソセンタと一致させ、治療開始となる。オペレータは、操作盤（図示せず）から治療開始信号を入力する。その治療開始信号を取り込んだ加速器制御装置（図示せず）の作用によって、所望のエネルギーにまで加速されたイオンビームがシンクロトロン４から出射される。

イオンビームは、照射野形成装置１５に達し、照射野形成装置１５内でビーム軸ｍに沿って進行する。すなわち、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４でビーム進行方向における放射線量の分布の平坦化が図られる（ＳＯＢＰが拡大される）と共に、これら散乱補償体３４及びＲＭＷ２４の第１散乱体としての機能によりビーム進行方向と直交する方向に対して円錐状に拡大される。その後、散乱体装置１８の散乱体１８Ａを通過してビーム進行方向に直交する方向における線量分布を平坦化され、飛程調整装置１９の各吸収体を通過してエネルギーを減少されて、イオンビームの体内における飛程が調整される。飛程調整装置１９を通過したイオンビームはボーラス２０を通過し、その飛程をビーム進行方向における患部６２の形状に合わせて調整される。その後、イオンビームは、コリメータ２１を通過することによりビーム進行方向に直交する方向におけるビーム形状が患部６２の形状となるようにコリメートされ、治療する患部領域に集中した高線量領域を形成しつつ、患部６２に照射される。

以上のような構成である本実施形態によれば、以下のような作用が得られる。
ＲＭＷ装置１７（すなわち第１散乱体としての散乱補償体３４及びＲＭＷ２４）におけるイオンビームの散乱量と散乱体装置１８における散乱量のバランスが取れている場合、図７（Ａ）に示すように、照射目標でのビーム進行方向に直交する方向における線量分布は均一となり、患部領域に集中した高線量領域を形成することができる。ここで、一般に荷電粒子ビームは入射エネルギーが高いと物質を通過する際の散乱量が小さく、入射エネルギーが低いと散乱量が大きくなる特徴がある。このため、図７（Ａ）に示すように散乱のバランスが取れている状態からイオンビームの入射エネルギーを変更した場合には、散乱のバランスが崩れてビーム進行方向に直交する方向における線量分布が乱れる。例えばイオンビームの入射エネルギーを低くした場合、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４における散乱量と散乱体装置１８における散乱量が共に大きくなるため、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４が移動しない従来例では散乱のバランスが崩れ、図７（Ｂ）に示すように照射目標での線量分布はビーム中央部付近が周縁部に比べて大きくなる。このとき、本実施形態では、例えば図６に示すように、入射エネルギーが２５０ＭｅＶから２００ＭｅＶに低下する場合には、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４の種類をＩＤ１からＩＤ３に変えた上で、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４のＺ軸位置が３０６０ｍｍから３０７２ｍｍとなるようにビーム進行方向上流側に移動させる（飛程調整装置厚さを０とした場合）。これにより、散乱体装置１８の散乱体１８Ａに入射されるビームサイズが拡大され、散乱強度の小さい径方向外側領域へのビーム照射量を増大することができる。その結果、ビーム中央部付近における線量が減少されると共に周縁部付近の線量が増大され、図７（Ｃ）に示すようにビーム進行方向と直交する方向における線量分布を均一にすることができる。一方、散乱のバランスが取れている状態からイオンビームの入射エネルギーを高くした場合、ビーム中央付近の線量が周縁部に比べて小さい凹形の線量分布となる。したがって、本実施形態では散乱補償体３４及びＲＭＷ２４をビーム進行方向下流側に移動させ、散乱体装置１８の散乱体１８Ａに入射されるビームサイズを縮小することにより、散乱強度の大きい径方向内側領域へのビーム照射量を増大する。その結果、ビーム中央部付近における線量が増加されると共に周縁部付近の線量が減少されて、ビーム進行方向と直交する方向における線量分布を均一にすることができる。

また、飛程調整装置１９の吸収体４８Ａ〜４８Ｆによってもイオンビームは散乱される。このため、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４，散乱体装置１８、及び飛程調整装置１９での散乱のバランスが取れている状態から、飛程調整装置１９におけるビーム進路上の吸収体の厚さ（飛程調整装置厚さ）が変更された場合にも、散乱のバランスが崩れてビーム進行方向に直交する方向における線量分布が乱れる。例えば、飛程調整装置厚さを大きくした場合、飛程調整装置１９におけるイオンビームの散乱量が大きくなるため、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４が移動しない従来例では散乱のバランスが崩れ、図７（Ｂ）に示すように照射目標でのビーム進行方向に直交する方向における線量分布はビーム中央部付近が周縁部に比べて大きな分布となる。このとき、本実施形態では、例えば図６の入射エネルギーが２５０ＭｅＶの場合で見ると、飛程調整装置厚さが０ｃｍから６．０ｃｍに増大する場合には、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４のＺ軸位置が３０６０ｍｍから３１２０ｍｍとなるようにビーム進行方向上流側に移動させる。これにより、散乱体装置１８の散乱体１８Ａに入射されるビームサイズが拡大され、散乱強度の小さい径方向外側領域へのビーム照射量が増大される。その結果、ビーム中央部付近における線量が減少されると共に周縁部付近の線量が増大され、図７（Ｃ）に示すようにビーム進行方向と直交する方向における線量分布を均一にすることができる。一方、散乱のバランスが取れている状態から飛程調整装置厚さを小さくした場合、ビーム中央部付近の線量が周縁部に比べて小さい凹形の線量分布となる。したがって、本実施形態では散乱補償体３４及びＲＭＷ２４をビーム進行方向下流側に移動させ、散乱体装置１８の散乱体１８Ａに入射されるビームサイズを縮小して散乱強度の大きい径方向内側領域へのビーム照射量を増大することにより、ビーム中央部付近における線量を増加させると共に周縁部付近の線量を減少させて、ビーム進行方向と直交する方向における線量分布を均一にすることができる。

以上のように、本実施形態によれば、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４をビーム進行方向に移動して入射エネルギー及び飛程調整装置厚さに基づく設定位置に配置することにより、イオンビームの散乱補償体３４及びＲＭＷ２４，散乱体装置１８、及び飛程調整装置１９における散乱量のバランスを調整し、照射目標でのビーム進行方向と直交する方向における線量分布をより均一にすることができる。

また本実施形態では、散乱補償体３４をＲＭＷ２４に一体的に設けることにより、ＲＭＷ装置１７をビーム進行方向上流側に配置することを可能としている。すなわち、ＲＭＷ装置１７をビーム進行方向の下流側に配置した場合には、照射位置である患部６２までの有効線源距離が短くなり、線量分布の照射対象外へのにじみ（半影）が大きくなるというデメリットがあるのに対し、本実施形態ではＲＭＷ装置１７をビーム進行方向上流側に配置することにより、半影を小さくすることができる。

またこのように散乱補償体３４をＲＭＷ２４に一体的に設けることにより、別体として設ける場合に比べ、散乱強度の高い散乱補償体３４とＲＭＷ２４との距離を短くすることができ、その結果、ＲＭＷ２４のサイズを小さくすることが可能である。さらに散乱補償体３４をＲＭＷ２４に一体的に設けることにより、個別に駆動源を設けて別々に駆動する場合に比べ、交流サーボモータ３９等の駆動源の数（リニアアクチュエータの数）を減らすことができる。

（実施形態２）
本発明の他の実施の形態である実施形態２の粒子線治療装置を、以下に説明する。本実施形態の粒子線治療装置は、図１に示す粒子線治療装置１において、照射野形成装置１５及び制御システム６０を図８に示す照射野形成装置１５Ａ及び制御システム６０Ａに替えた構成を有する。本実施形態の照射野形成装置１５Ａは、ＲＭＷ装置１７に加え、散乱体装置１８及び飛程調整装置１９をビーム進行方向に移動可能な構成となっている。すなわち、散乱体装置１８の支持部材１８Ｂは、ボールネジ６５と噛合うネジ孔（図示せず）を有する支持部材６６、及び貫通孔（図示せず）を有する支持部材６７に取り付けられる。ボールネジ６５の上端部はケーシング１６に回転可能に取り付けられ、下端部はケーシング１６に取り付けられる交流サーボモータ６８に連結される。エンコーダ６９は交流サーボモータ６８の回転軸に連結される。支持部材６７は、ケーシング１６に設置されるリニアガイド７０に移動可能に取り付けられる。交流サーボモータ６８，ボールネジ６５及びリニアガイド７０は、散乱体装置１８をビーム進行方向に移動するリニアアクチュエータを構成する。

また、飛程調整装置１９は、ネジ孔（図示せず）を有する支持部材７１に取り付けられる。支持部材７１はネジ孔を通るボールネジ７２と噛合っている。ボールネジ７２の上端部は回転可能にケーシング１６に取り付けられ、下端部はケーシング１６に取り付けられる交流サーボモータ７３に連結される。エンコーダ７４は交流サーボモータ７３の回転軸に連結される。交流サーボモータ７３及びボールネジ７２は、飛程調整装置１９をビーム進行方向に移動するリニアアクチュエータを構成する。

本実施形態の制御システム６０Ａにおいて、照射制御装置５４のメモリ５５は、図６に示す照射条件情報項目に加えて、散乱体装置１８及び飛程調整装置１９のビーム進行方向におけるアイソセンタ（照射中心）からの距離（Ｚ軸位置）を記憶する。治療計画情報である必要到達深度及び入射エネルギーの各情報と、これら散乱体装置１８及び飛程調整装置１９のＺ軸位置との関係は、予め、計算および実験により求めておく。照射制御装置５４は、治療計画装置５３からの治療計画情報に基づいて照射条件情報より散乱補償体３４及びＲＭＷ２４の種類と、飛程調整装置厚さを選定する。また、照射制御装置５４は、選定した散乱補償体３４及びＲＭＷ２４の種類と、飛程調整装置厚さ情報を基に、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４のＺ軸位置に加え、散乱体装置１８及び飛程調整装置１９のＺ軸位置も選定する。

また本実施形態の制御システム６０Ａは、駆動制御装置５６，５７に加え、駆動制御装置７５，７６を有する。照射制御装置５４は、駆動制御装置７５に対して、駆動指令信号と共に散乱体装置１８のＺ軸位置情報を出力する。駆動制御装置７５は、散乱体装置１８のＺ軸位置情報に基づいて交流サーボモータ６８を回転させて、支持部材６６を所定の位置まで移動させる。これに伴って、散乱体装置１８はＺ軸位置情報に対応した位置まで移動される。駆動制御装置７５は、支持部材６６がその位置に達したことをエンコーダ６９の検出信号で確認した場合には、照射制御装置５４に対して散乱体装置１８の移動完了情報を出力する。一方、照射制御装置５４は、駆動制御装置７６に対して、駆動指令信号と共に飛程調整装置１９のＺ軸位置情報を出力する。駆動制御装置７６は、飛程調整装置１９のＺ軸位置情報に基づいて交流サーボモータ７３を回転させて、支持部材７１を所定の位置まで移動させる。これに伴って、飛程調整装置１９はＺ軸位置情報に対応した位置まで移動される。駆動制御装置７６は、支持部材７１がその位置に達したことをエンコーダ７４の検出信号で確認した場合には、照射制御装置５４に対して飛程調整装置１９の移動完了情報を出力する。

以上のような構成である本実施形態によれば、実施形態１と同様にビーム進行方向に直交する方向において均一な線量分布を得ることができると共に、照射野形成装置の有効線源距離を調整することが可能である。すなわち、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４のみを移動させる実施形態１においては、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４を移動した際に照射野形成装置の有効線源距離が変化するため、併せて治療台５９を動かし位置合せを行うと共に、ボーラス２０等の交換を行う必要がある。本実施形態では、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４を移動する際に、散乱体装置１８及び飛程調整装置１９についてもビーム進行方向に移動させ、それぞれを所定の位置に配置することによって、有効線源距離を一定に調整することができる。これにより、治療台５９の位置合せやボーラス２０等の交換の手間を省くことができ、その結果、治療時間の長時間化を抑制することができる。

また本実施形態においては、このように有効線源距離を調整可能であるので、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４，散乱体装置１８及び飛程調整装置１９のそれぞれを所定の位置に配置することによって、実施形態１に比べて有効線源距離を長く調整することができる。これにより、実施形態１と同様にビーム進行方向に直交する方向において均一な線量分布を得ることができると共に、照射線量分布の照射対象外へのにじみ（半影）をさらに小さくすることができる。

また本実施の形態においては、上記と反対に有効線源距離を短く調整することも可能である。前述した実施形態１では、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４をビーム進行方向に移動することにより、図７（Ｂ）に示すような不均一な線量分布を図７（Ｃ）に示すように均一な線量分布とすることができるが、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４と散乱体装置１８との距離が大きくなった分、図７（Ａ）に示す元の線量分布に比べて散乱によりビーム進行方向に直交する方向にビームサイズが拡大される。本実施の形態によれば、散乱補償体３４及びＲＭＷ２４，散乱体装置１８及び飛程調整装置１９のそれぞれを所定の位置に配置することによって、実施形態１と同様にビーム進行方向に直交する方向において均一な線量分布を得ることができると共に、照射対象でのビームサイズを最適なサイズに調整することが可能である。したがって、イオンビームの利用効率をさらに高め、照射線量率を増加させることができる。

以上に述べた各実施形態は、シンクロトロンを含む粒子線治療装置を対象としているが、各実施形態における照射野形成装置は、サイクロトロンを含む粒子線治療装置に対しても適用可能である。

また以上に述べた各実施形態は、ブラッグピーク拡大装置としてＲＭＷを用いているが、ＲＭＷの代わりにリッジフィルタを用いることも可能である。この場合においても、各実施形態と同様の効果を得ることができる。

また以上に述べた各実施形態は、荷電粒子ビーム発生装置及び照射野形成装置を有する荷電粒子ビームを材料に照射する材料照射装置，食品に荷電粒子ビームを照射する食品照射装置、及び荷電粒子ビームを利用したラジオアイソトープ製造装置に適用することができる。

本発明の好適な一実施形態である実施形態１の粒子線治療装置の構成図である。図１の照射野形成装置の縦断面図である。ＲＭＷの構造を示す斜視図である。図３のIV−IV断面における断面図である。図２における飛程調整装置の縦断面図である。図２における照射制御装置のメモリに記憶される照射条件情報である。照射目標でのビーム進行方向と直交する方向における線量分布を示しており、（Ａ）は散乱量のバランスがとれている状態、（Ｂ）は入射エネルギーの低下、又は飛程調整装置厚さが増大することにより散乱量のバランスが崩れた状態、（Ｃ）は散乱補償体及びＲＭＷをビーム進行方向に移動させることにより線量分布を均一にした状態を示す説明図である。本発明の他の実施形態である実施形態２の粒子線治療装置の照射野形成装置の縦断面図である。

符号の説明

２荷電粒子ビーム発生装置
１５照射野形成装置
１７ＲＭＷ装置（ブラッグピーク拡大装置）
１８散乱体装置
１９飛程調整装置
２４ＲＭＷ（レンジモジュレーションホイール）
２９翼（翼部）
３４散乱補償体（散乱補償装置）
３９，６８，７３交流サーボモータ（駆動装置）
５４照射制御装置（制御装置）
５７，７５，７６駆動制御装置

Claims

荷電粒子ビーム発生装置と、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射野形成装置とを備え、
前記照射野形成装置は、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大するブラッグピーク拡大装置、前記ブラッグピーク拡大装置に設けられ、前記ブラッグピーク拡大装置における前記荷電粒子ビームの散乱量を補償する散乱補償装置、前記荷電粒子ビームが通過する散乱体装置、及び前記荷電粒子ビームの飛程を変える飛程調整装置を有し、
前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置が、前記散乱体装置及び飛程調整装置の上流側で前記荷電粒子ビームの進行方向において移動可能に設置され、
前記荷電粒子ビームの入射エネルギーに基づいて前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置の移動量を制御する制御手段を設けたことを特徴とする粒子線照射装置。
荷電粒子ビーム発生装置と、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射野形成装置とを備え、
前記照射野形成装置は、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大するブラッグピーク拡大装置、前記ブラッグピーク拡大装置に設けられ、前記ブラッグピーク拡大装置における前記荷電粒子ビームの散乱量を補償する散乱補償装置、前記荷電粒子ビームが通過する散乱体装置、及び前記荷電粒子ビームの飛程を変える飛程調整装置を有し、
前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置が、前記散乱体装置及び飛程調整装置の上流側で、前記荷電粒子ビームの進行方向において移動可能に設置され、
前記荷電粒子ビームの必要到達深度に基づいて前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置の移動量を制御する制御手段を設けたことを特徴とする粒子線照射装置。
前記制御手段は、前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置を前記進行方向に移動させる駆動装置と、前記駆動装置を制御し、前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置の移動量を制御する駆動制御装置とを備えた請求項１又は請求項２記載の粒子線照射装置。
前記散乱体装置を前記進行方向に移動させる駆動装置と、前記駆動装置を制御し、前記散乱体装置の移動量を制御する駆動制御装置とを備えた請求項１又は請求項２記載の粒子線照射装置。
前記飛程調整装置を前記進行方向に移動させる駆動装置と、前記駆動装置を制御し、前記飛程調整装置の移動量を制御する駆動制御装置とを備えた請求項１又は請求項２記載の粒子線照射装置。
前記ブラッグピーク拡大装置と前記散乱補償装置が結合されており、前記制御手段は、結合された前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置を前記進行方向に移動させる駆動装置と、前記駆動装置を制御し、前記結合されたブラッグピーク拡大装置及び散乱補償装置の移動量を制御する駆動制御装置とを備えた請求項１又は請求項２記載の粒子線照射装置。
前記ブラッグピーク拡大装置は、前記荷電粒子ビームの進路上に回転可能に支持され、前記荷電粒子ビームの進行方向における厚みが階段状に異なる翼部を有するレンジモジュレーションホイールであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の粒子線治療装置。
荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射野形成装置において、
前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大するブラッグピーク拡大装置、及び前記ブラッグピーク拡大装置に設けられ、前記ブラッグピーク拡大装置における前記荷電粒子ビームの散乱量を補償する散乱補償装置、前記荷電粒子ビームが通過する散乱体装置、及び前記荷電粒子ビームの飛程を変える飛程調整装置を有し、
前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置が、前記散乱体装置及び飛程調整装置の上流側で、前記荷電粒子ビームの進行方向において移動可能に設置され、
前記荷電粒子ビームの入射エネルギーに基づいて前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置の移動量を制御する制御手段を設けたことを特徴とする照射野形成装置。
荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射野形成装置において、
前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大するブラッグピーク拡大装置、及び前記ブラッグピーク拡大装置に設けられ、前記ブラッグピーク拡大装置における前記荷電粒子ビームの散乱量を補償する散乱補償装置、前記荷電粒子ビームが通過する散乱体装置、及び前記荷電粒子ビームの飛程を変える飛程調整装置を有し、
前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置が、前記散乱体装置及び飛程調整装置の上流側で、前記荷電粒子ビームの進行方向において移動可能に設置され、
前記荷電粒子ビームの必要到達深度に基づいて前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置の移動量を制御する制御手段を設けたことを特徴とする照射野形成装置。
荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大するブラッグピーク拡大装置，前記ブラッグピーク拡大装置に設けられ、前記ブラッグピーク拡大装置における前記荷電粒子ビームの散乱量を補償する散乱補償装置、前記荷電粒子ビームが通過する散乱体装置、及び前記荷電粒子ビームの飛程を変える飛程調整装置を有し、前記荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射野形成装置の調整方法であって、
前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置を前記散乱体装置及び飛程調整装置の上流側で、前記荷電粒子ビームの進行方向において移動可能に設置し、
前記荷電粒子ビームを出射する前に、前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置を、前記荷電粒子ビームの入射エネルギーに基づいて前記荷電粒子ビームの進行方向に移動させて所定の位置にそれぞれ位置させることを特徴とする照射野形成装置の調整方法。
荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大するブラッグピーク拡大装置，前記ブラッグピーク拡大装置に設けられ、前記ブラッグピーク拡大装置における前記荷電粒子ビームの散乱量を補償する散乱補償装置、前記荷電粒子ビームが通過する散乱体装置、及び前記荷電粒子ビームの飛程を変える飛程調整装置を有し、前記荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射野形成装置の調整方法であって、
前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置を前記散乱体装置及び飛程調整装置の上流側で、前記荷電粒子ビームの進行方向において移動可能に設置し、
前記荷電粒子ビームを出射する前に、前記ブラッグピーク拡大装置及び前記散乱補償装置を、前記荷電粒子ビームの必要到達深度に基づいて前記荷電粒子ビームの進行方向に移動させて所定の位置にそれぞれ位置させることを特徴とする照射野形成装置の調整方法。
前記散乱体装置及び前記飛程調整装置の少なくとも１つを前記進行方向に移動させる請求項１０又は請求項１１記載の照射野形成装置の調整方法。