JP2007071676A - 荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
より少ない数のビームエネルギー調整手段（ＲＭＷ）で、種々の照射条件において深部方向における所望の線量分布を得ることを課題とする。
【解決手段】
荷電粒子ビームを加速する加速装置４と、回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なっているビームエネルギー調整装置４０を有し、加速装置４から出射されてビームエネルギー調整装置４０を通過した荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置
１６と、ビームエネルギー調整装置４０の回転角度に基づいて、荷電粒子ビームを出射している間で加速装置４から出射する荷電粒子ビームの出射量を制御する制御装置９０を備えることによって、上記課題を解決することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法に係り、特に、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に適用するのに好適な荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法に関する。

癌の治療方法として、荷電粒子ビームである陽子または炭素イオン等の荷電粒子ビーム（イオンビーム）を患者の患部に照射する方法が知られている。イオンビーム照射システムは、イオンビーム発生装置，ビーム輸送系、及び照射装置を備える。イオンビーム発生装置は、周回軌道に沿って周回するイオンビームを所望のエネルギーまで加速させる。目標のエネルギーまで加速されたイオンビームは、ビーム輸送系を経て照射装置に輸送され、照射装置から出射される。

イオンビーム発生装置は、円形加速器であるシンクロトロン又はサイクロトロンを有する。特許文献１には、イオンビーム発生手段として、イオンビームを周回軌道に沿って周回させる手段、共鳴の安定限界内においてイオンビームのベータトロン振動振幅を増大させる高周波印加装置、及びイオンビームを周回軌道から取り出す出射用デフレを備えたシンクロトロンを記載している。高周波印加装置は、シンクロトロンにて目標エネルギーまで加速されたイオンビームを、シンクロトロンからビーム輸送系へ出射させる際に、シンクロトロン内を安定に周回するイオンビームに、高周波磁場又は高周波電場を印加し、イオンビームのベータトロン振動振幅を増加させる。ベータトロン振動振幅が増加したイオンビームは、安定限界外に移動され、シンクロトロンからビーム輸送系へ出射される。

粒子線治療システムにおいて、照射装置から出射されたイオンビームは、患者の体内に照射される。イオンビームは、イオンビームが停止するに至ったときにエネルギーの大部分を放出する（ブラックピークを形成する）という物理的特性を有する。体内でブラックピークが形成される位置は、イオンビームのエネルギーに依存する。

通常、患部は、患者の体表面からの深さ方向（すなわち、ビームの進行方向）にある程度の厚みをもっている。このような深さ方向において、患部の厚み全域にわたってイオンビームを照射するには、深さ方向にある程度広く一様な拡大ブラッグピーク((Spread-OutBragg Peak) 以下、ＳＯＢＰという。）を形成するように、ビームエネルギーを制御しなければならない。

このような観点から、レンジモジュレーションホイール(Range Modulation Wheel 、以下、ＲＭＷという。）を照射装置に設置した荷電粒子ビーム照射システムが提唱されている（非特許文献１）。ＲＭＷは、段階的に軸方向の厚みが増大、又は減少する縦断面が楔型形状となっている翼を周方向に複数枚配置した構成を有する。ＲＭＷは、照射装置内のビーム経路に設けられ、ビーム経路と垂直な面内で回転する。荷電粒子ビームが回転するＲＭＷを通過することによって患者体内でのブラッグピーク位置が周期的に変動する。この結果、時間積分で見ると、体表面近くから体内深くまでに至る比較的広いＳＯＢＰを得ることができる。

特許文献２には、イオン源に供給する電流を変えることで陽子ビームの強度を調整する技術が記載されている。つまり、特許文献２は、サイクロトロンにおいて、所望のビーム強度を得るために、実際に出射されたビームの強度を測定し、その測定結果を用いて、イオン源に供給する電流を制御している。

また、特許文献３は、エネルギーを吸収するために、軸心方向の厚みが軸心周りに螺旋状に変化する螺旋状部を有する一対のフィルタを用いた荷電粒子ビーム照射装置を記載している。それらのフィルタは、ビーム経路に互いに重なり合い、反対方向に一定の速度で回転している。フィルタの回転角度にあわせてイオンビームの発生源をＯＮ／ＯＦＦすることによって、ビームが通過する螺旋上部の重なり部の厚みを制御し、照射対象内におけるビームの到達深さをシフトさせている。これにより、照射対象の深さ方向の線量分布を調整することができる。

特許第２５９６２９２号公報 特表２００４−５２９４８３号公報 特開平１１−４０８号公報 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）のページ２０７７、図３０（REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME 64 NUMBER 8 (AUGUST 1993) P2077 FIG.30）

ビームエネルギー調整装置の構成は、入射するイオンビームのエネルギーに対応して、楔形形状のエネルギー吸収体の形状が最適化されている。患者によって患部の体表面からの深さ、及び患部の大きさ等が異なるため、医療機関は、イオンビームのエネルギーごとに最適化されたビームエネルギー調整装置（ＲＭＷ）を荷電粒子ビーム照射システムに設置する必要があった。さらに、ビームエネルギー調整装置は、イオンビームの照射野径、及びイオンビームの飛程によっても異なる形状を有して最適化されている。

本発明者らは、多様なビームエネルギーのイオンビームに対して、より少ない数のビームエネルギー調整装置で対応すべく、検討を行った。その結果、あるエネルギーを想定して形状を最適化されたビームエネルギー調整装置に対して、異なるエネルギーを有するイオンビームを入射した場合の体内の深さ方向の線量分布において、一様度が悪化することを見い出した。

本発明の目的は、多様なビームエネルギーのイオンビームを照射する荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法において、準備すべきエネルギー調整装置の個数をさらに低減しても、所望の線量分布が形成可能な荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法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、荷電粒子ビームを加速する加速装置と、回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なっているビームエネルギー調整装置を有し、加速装置から出射されてビームエネルギー調整装置を通過した荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置と、ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、荷電粒子ビームを出射している間で加速装置から出射する荷電粒子ビームの出射量を制御する制御装置とを備えたことにある。

あるビームエネルギーを想定して構成されたビームエネルギー調整装置に、そのビームエネルギーと異なるエネルギーを有するイオンビームを入射した場合であっても、制御装置がビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、加速装置から出射する荷電粒子ビームの出射量を制御するため、体内の深さ方向におけるＳＯＢＰ幅内の線量分布をより一様にすることができる。これにより、準備すべきビームエネルギー調整装置の個数を減らすことができる。

本発明によれば、多様なビームエネルギーのイオンビームを照射する荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法において、準備すべきビームエネルギー調整装置の個数を減らすことができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。

（実施形態１）
本発明の好適な一実施形態の荷電粒子ビーム照射システムである粒子線治療装置を図１、及び図２を用いて説明する。本実施形態の粒子線治療装置は、イオンビーム発生装置１，ビーム輸送系２、及び照射野形成装置（イオンビーム照射装置）１６、及び制御システム７１（図２）を備えている。ビーム輸送系２は、イオンビーム発生装置１と照射野形成装置１６とを連絡する。制御システム７１は、照射制御装置７０を含んでおり、治療計画装置７７は、記憶装置９４に接続される。

イオンビーム発生装置１は、イオン源（図示せず），前段加速装置３，シンクロトロン４、及びビーム出射用高周波印加装置５を有する。前段加速装置３が、イオン源、及びシンクロトロン４に接続される。シンクロトロン４は、ビーム加速装置である高周波加速空胴６，高周波印加電極（高周波印加装置）７，出射用デフレクタ１１，四極電磁石１２、及び偏向電磁石１３を有する。イオンビームの周回軌道に配置された高周波加速空胴６は、後述の高周波電源８とは別の、高周波電力を印加する高周波電源（図示せず）に接続されている。高周波印加電極７が、ビーム出射用の高周波供給装置５に接続される。高周波供給装置５は、高周波電源８，開閉装置（開閉スイッチ）９，１０及び信号合成装置９２を有する。信号合成装置９２は、開閉スイッチ１０を介して高周波電源８に接続される。他方で、信号合成装置９２は、開閉スイッチ９を介して高周波印加電極７に接続される。出射用デフレクタ１１が、ビーム輸送系２に接続される。

ビーム輸送系２は、四極電磁石１４、及び偏向電磁石１５を備える。逆Ｕ字状のビーム経路１７、及び照射野形成装置１６が、回転ガントリー（図示せず）に設置される。ビーム輸送系２は、ビーム経路１７に接続される。ビーム経路１７は、ビーム進行方向の上流側から四極電磁石１８，偏向電磁石１９、及び偏向電磁石２０を備える。ビーム経路１７が、治療室内に配置された照射野形成装置１６に接続される。

照射野形成装置１６の内部構造を図２を用いて説明する。照射野形成装置１６は、ケーシング２５を有する。ケーシング２５は、回転ガントリーに取り付けられる。ケーシング２５の内部には、イオンビーム進行方向の上流側より順次、ビームプロファイルモニタ
２６，線量モニタ（第１の線量検出手段）２７，レンジモジュレーションホイール（以下、ＲＭＷ）装置２８，第２散乱体装置２９，飛程調整装置（例えば、レンジシフタ）３０，線量モニタ（第２の線量検出手段）３１，平坦度モニタ３２，ブロックコリメータ３３，患者コリメータ３４、及びボーラス３５をビーム経路（ビーム軸）ｍ上に配置している。

ビームプロファイルモニタ２６及び線量モニタ２７は、支持テーブル３９上に設けられている。ビームプロファイルモニタ２６は、ビーム輸送系２を経てビーム経路１７から照射野形成装置１６に入射されたイオンビームがビーム軸ｍ上に位置しているかを確認するモニタである。線量モニタ２７は、照射野形成装置１６に入射されたイオンビームの線量を検出するモニタである。

ＲＭＷ装置２８は、ＲＭＷ（ビームエネルギー分布調整装置）４０，ＲＭＷ保持部材
５０、及びモータ４２を有する。ＲＭＷ４０は、ケーシング２５の内面に取り付けられた保持部材５０によって保持されている。保持部材５０は、ビーム軸ｍの方向に対向する保持部５０Ａ，５０Ｂを有す。保持部５０Ａ，５０Ｂには、それぞれ回転軸４８，４９が回転可能に支持されている。ＲＭＷ４０は、保持部５０Ａ，５０Ｂの間に挿入され、ＲＭＷ４０の回転軸４３が回転軸４８，４９に連結するように支持される。このような構成であるため、ＲＭＷ４０は、保持部５０Ａ，５０Ｂ間で抜き差しされることによって交換可能となっている。交換作業は、オペレータが行ってよい。保持部５０Ａ，５０Ｂは、ビーム経路ｍをさえぎらない位置に設置される。保持部材５０Ａの上部には、角度計５１が設けられている。角度計５１は、回転軸４８（すなわちＲＭＷ４０）の回転角度（回転位相）を検出する。保持部５０Ｂは、回転軸４９を有する。回転軸４９は、保持部５０Ｃに保持されるモータ４２に連結される。モータ４２は、ＲＭＷ４０を回転駆動させるためのモータである。

ＲＭＷ４０の詳細構造を図３に示す。ＲＭＷ４０は、回転軸４３、この回転軸４３と同心円に配置された円筒部材４４、及び回転軸４３に取り付けられＲＭＷ４０の半径方向に伸びた複数の翼（本実施形態では３枚）４５を有している。これらの翼４５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４４側が回転軸４３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４４の内周面に取り付けられている。また、ＲＭＷ４０の周方向における翼４５と翼４５の間には、それぞれ開口４６が形成されている。すなわち、１つのＲＭＷ４０には３枚の翼４５の相互間に形成された開口４６が３つ存在する。ＲＭＷ４０は、第１散乱体（図示せず）が一体的に取り付けられている。例えば、第１散乱体は、ＲＭＷ４０のイオンビームが当たる位置全体に張り巡らせた構造である。本実施形態では、ＲＭＷ４０と第１散乱体とを一体的に設けているが、第１散乱体装置とＲＭＷ装置２８は別個に独立して設けてもよい。また、ＲＭＷ装置２８は、ＲＭＷ４０の厚さ分布（平面領域部分の厚み）の大きい部分と小さい部分の散乱量の違いを補償するための補償器を取り付けてもよい。

各翼４５は、ＲＭＷ４０の周方向において階段状に配置された複数の平面領域４７（すなわち平面領域４７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、ビーム軸ｍの方向におけるＲＭＷ４０の底面から各平面領域４７までの各厚みが異なっている（ＲＭＷ４０の底面から各平面領域４７までのレベルが異なる）。１つの平面領域４７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４５は、周方向において翼４５の両側に位置する開口４６からビーム軸ｍの方向における最も厚みの厚い翼頂部４５Ａに位置する平面領域４７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４７は、回転軸４３から円筒部材４４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。

第２散乱体装置２９は、複数の第２散乱体５５，回転テーブル５６及びモータ５７を有している。モータ５７は、ケーシング２５内面に取り付けられる支持部材５８に設置されている。複数の第２散乱体５５は、回転テーブル５６上に周方向に並んで設置されており、回転テーブル５６がモータ５７により回転されると所定の第２散乱体５５がビーム軸ｍ上に配置されるようになっている。

飛程調整装置３０は、厚みの異なる複数（本実施の形態では４個）の吸収体６０、及び吸収体操作装置６１を有する。例えば、圧縮空気で移動される吸収体操作装置６１は、各吸収体６０ごとに設けられる。吸収体操作装置６１は、吸収体駆動装置６２によって移動される。飛程調整装置３０は、患部Ｋの最大深さに基づいてイオンビームの到達深度を調整する。

線量モニタ３１及び平坦度モニタ３２は、支持テーブル６４上に設けられている。線量モニタ３１は、ＲＭＷ装置２８，第２散乱体装置２９及び飛程調整装置３０を通過したイオンビームの線量を検出するモニタである。平坦度モニタ３２は、ＲＭＷ４０（正確にはＲＭＷ４０に設けた散乱体）及び第２散乱体５５によって散乱されたイオンビームのビーム軸ｍと垂直な方向における平坦度（線量の一様性）を確認するモニタである。

ブロックコリメータ３３は、ビーム軸ｍと垂直な平面上のイオンビームの照射野形状を粗く整形する開口を有し、その開口の外部のインビームを遮蔽するものである。患者コリメータ３４は、イオンビームを患部２２の患部Ｋ（例えば癌や腫瘍の発生部位）の形状に合わせてさらに精度良く整形する開口を有する。ボーラス３５は、ビーム軸ｍに垂直な平面上の各位置における飛程を、照射目標である患部Ｋの深さ形状に合わせて調整するものである。

中央制御装置９５は、ＣＰＵ９６、及びＣＰＵ９６に接続されるメモリ９７を有する。ＣＰＵ９６は、記憶装置９４及び照射制御装置７０の統括制御部７８に接続される。

制御システム７１（図２）は、照射制御装置７０，ＲＭＷ角度検出制御装置６３，駆動制御装置６６、及び駆動制御装置６７を有する。照射制御装置７０は、ＲＭＷ制御部７２（演算手段を含む；第１の制御手段），ビーム出射量制御部（ビーム出射量制御装置）
９０，照射制御部７３（第２の制御手段），機器駆動制御部７４、及びメモリ７５を有する。メモリ７５は、ＲＭＷ制御部７２，ビーム出射量制御装置９０，照射制御部７３、及び機器駆動制御部７４のそれぞれに接続される。ＲＭＷ制御部７２は、ＲＭＷ角度検出制御装置６３、及びモータ４２に接続される。ビーム出射量制御装置９０は、信号合成装置９２（図１）、及び開閉スイッチ９（図１）に接続される。ＲＭＷ角度検出制御装置６３は、角度計５１に接続される。照射制御部７３は、モータ５７，吸収体操作装置６１、及びインターロック装置７６（図１）に接続される。機器駆動制御部７４は、駆動制御装置６６、及び駆動制御装置６７に接続される。駆動制御装置６６は、モータ５７に接続される。駆動制御装置６７は、吸収体操作装置６１に接続される。

本実施形態では、制御システム７１が照射制御装置７０，ＲＭＷ角度検出制御装置６３及び駆動制御装置６６，６７を備えている。しかし、制御システム７１が照射制御装置
７０，ＲＭＷ角度検出制御装置６３及び駆動制御装置６６，６７の各機能を有するように構成してもよい。

メモリ７５に記憶される情報について説明する。メモリ７５は、図７，図８、及び図９に示す情報を記憶する。

メモリ７５は、図７で示すように、照射野径，飛程，ビームエネルギー，第１散乱体
（以下、ＳＣ１）幅，レンジシフタ厚，ＲＭＷ種類，第２散乱体（以下、ＳＳＣ）種類、及びビーム出射パターンの情報を記憶する。そのビームエネルギーは、シンクロトロン４による加速終了時におけるイオンビームのエネルギーであり、シンクロトロン４から出射されたイオンビームのエネルギーである。図７によれば、照射野径，ビームエネルギー、及び飛程が決まっていれば、図７に示す情報を用いて、それらに対応したＳＣ１幅，RMW種類，ＳＳＣ種類、及びビーム出射パターンを求めることができ、飛程に対応したレンジシフタ厚を求めることができる。具体的には、照射野径が２０cm，ビームエネルギー100ＭｅＶ、及び飛程が４０mmの場合、レンジシフタ厚５０mm，ＳＳＣ種類１−１，ＲＭＷ種類が１−ＡでＳＣ厚２mmの第１散乱体を有するＲＭＷ、ビーム出射パターンが１−Ａ−Ｉとなる。照射野径，ビームエネルギー、及び飛程に対応した、ＳＣ１幅，レンジシフタ厚，ＲＭＷ種類，ＳＳＣ種類、及びビーム出射パターンの情報は、予め計算及び実験等によって求められる。なお、照射野径，ビームエネルギー及び飛程は、患者に対する治療計画時に決定された治療計画情報である。

また、メモリ７５は、図８で示すように、ＳＯＢＰ幅とＲＭＷ４０の種類に対応した、ビームを出射するＲＭＷ４０の回転角度及びイオンビームを停止するＲＭＷ４０の回転角度の情報(ビーム出射・停止制御角度情報)を記憶する。つまり、図８によれば、ＳＯＢＰ幅とＲＭＷ４０の種類が決まれば、ＲＭＷ４０のどの領域（回転角度）で、ビームを出射及び停止させるかという情報（ビーム出射・停止制御角度情報）を求めることができる。具体的には、ＳＯＢＰ幅が１cm、選択されたＲＭＷが１−Ａの場合、ＲＭＷ４０の回転角度が１０.０度，１３０.０度，２５０.０ 度の時にビームを停止し、ＲＭＷ４０の回転角度が１１０.０度，２３０.０度，３５０.０ 度の時にビームを出射する。ＳＯＢＰ幅と
ＲＭＷ４０の種類に対応した、ビームを出射するＲＭＷ４０の回転角度及びイオンビームを停止するＲＭＷ４０の回転角度についても、予め計算及び実験等により求められる。

メモリ７５は、図９で示すように、ＲＭＷの回転角度の設定値とビーム出射パターンとの関係を示す情報を有する。つまり、図９によれば、ビーム出射パターンが決まっていれば、ＲＭＷの回転角度に対応するイオンビームの出射量（シンクロトロンから出射するイオンビームの出射量）を求めることができる。具体的には、照射野径及びビームエネルギーによって定まるビーム出射パターンが１−Ａ−Ｉの場合、ＲＭＷの回転角度の設定値が０度のときにビーム出射量の設定値が１００％、２度のときに９０％、３度のときに800％、４度のときに７０％…となる。ＲＭＷの回転角度とビーム出射パターンとの関係は、予め計算及び実験等によって求められている。なお、メモリ７５に記憶されている図９の情報の一例として本実施形態では、ＲＭＷの回転角度１°毎にイオンビーム出射量が設定されているものとしたが、角度ステップは１°に限定されるものではなく、線量分布の調整に必要なビーム出射量の調整精度に基づいて決定されるべき値である。

医師は、患者情報（患部の位置及びサイズ，イオンビームの照射方向、及び最大照射深さ）を治療計画装置７７に入力する。治療計画装置７７は、治療計画ソフトを用い、入力された患部の位置、及びサイズ等に基づいて、治療計画情報であるビームエネルギー，イオンビームの飛程，ＳＯＢＰ幅、及び照射野径を算出する。これらの治療計画情報は、記憶装置９４に記憶される。中央制御装置９５のＣＰＵ９６は、記憶装置９４からそれらの治療計画情報を読み取って、メモリ９７に記憶させると共に、照射制御装置７０の統括制御部７８を介してメモリ７５に記憶される。

統括制御部７８は、メモリに記憶された治療計画情報（ビームエネルギー，イオンビームの飛程，ＳＯＢＰ幅、及び照射野径）、及びメモリ７５に記憶される図７に示す情報に基づいて、吸収体６０の厚み（レンジシフタ厚），ＲＭＷ４０の種類（ＳＣ１厚を含む），第２散乱体５５の種類（ＳＳＣ種類），ビーム出射パターン等の照射条件を選択する。選択された照射条件、すなわち、ＳＣ１幅，レンジシフタ厚，ＲＭＷ種類，ＳＳＣ種類、及びビーム出射パターンの情報は、メモリ７５に記憶される。

選択されたこれらの照射条件は、治療の準備を行っている治療室の制御室内に設置された表示装置(図示せず)に表示される。放射線技師は、その表示画面を確認し、表示されたＲＭＷ４０を、照射野形成装置１６内に設置する。モータ４２の回転軸４９がＲＭＷ４０の回転軸４９と連結される。

統括制御部７８は、メモリ７５から読み出された第２散乱体の種類（ＳＳＣ種類）の情報、及び吸収体６０の厚み情報（レンジシフタ厚の情報）を機器駆動装置７４に出力する。機器駆動制御部７４は、入力された第２散乱体５５の種類に対応する第２散乱体識別信号を駆動制御装置６６に出力する。駆動制御装置６６は、その第２散乱体識別信号に基づいてモータ５７を駆動させて回転テーブル５６を回転させ、選択された第２散乱体５５をビーム軸ｍ上に配置する。

駆動制御装置６７は、機器駆動制御部７４から入力したレンジシフタ厚情報に基づいて、吸収体駆動装置６２を介して吸収体操作装置６１操作し、該当する吸収体６０をビーム軸ｍ上の位置まで移動させる。

駆動制御装置６６，６７は、第２散乱体装置２９、及び飛程調整装置３０のそれぞれの機器状態情報を、照射制御部７３に送信する。照射制御部７３は、総括制御部７８で選定された第２散乱体の種類、及び吸収体の厚み情報をメモリ７５から読み出し、上記機器状態情報と比較する。各機器状態情報が、選定されるべき第２散乱体の種類、及び吸収体の厚み情報と一致しない場合、照射制御部７３は、インターロック装置７６にインターロック信号を送信する。インターロック装置７６は、開閉スイッチ１０を開き、イオンビームをシンクロトロン４から出射しないようにインターロックをかける。それらの情報が一致する場合は、インターロック装置７６の機能により、開閉スイッチ１０は閉じたままである。

患者２２が横たわっている治療台（ベッド）２１が移動され、患部Ｋがビーム軸ｍの延長線上に位置するように位置決めされる。中央制御装置９５からの制御信号を入力した加速器・輸送系制御装置（図示せず）は、シンクロトロン４，ビーム輸送系２等の電磁石を励磁する。このようにイオンビーム出射の準備が完了した後、統括制御部７８は、ＲＭＷ制御部７２にＲＭＷ回転制御信号を出力する。ＲＭＷ制御部７２が、その制御信号に基づいて回転指令を出力することによって、モータ４２が駆動する。このため、ＲＭＷ４０が図４に示す矢印方向に回転する。医師は、前述の制御室内の操作盤から治療開始信号を中央制御装置９５のＣＰＵ９６に出力する。治療開始信号を入力したＣＰＵ９６は、イオン源（図示せず）を起動させる。イオン源で発生したイオン（例えば、陽子（または炭素イオン））は、前段加速装置（線形加速器）３に出射される。

シンクロトロン４は、前段加速装置３から入射したイオンビーム（荷電粒子ビーム、又は粒子線）を更に加速する。この加速は、高周波電源から、高周波加速空胴６に高周波を印加することによって行われる。周回するイオンビームは、目標のビームエネルギーまで加速された後、高周波印加電極７から高周波が印加されることによって、シンクロトロン４から出射される。

シンクロトロン４から出射されたイオンビームは、出射用デフレクタ１１，ビーム輸送系２、及びビーム経路１７を経て照射野形成装置１６に到達する。更に、イオンビームは、照射野形成装置１６内をビーム軸ｍに沿って進行し、患部Ｋに照射される。具体的には、イオンビームは、ビームプロファイルモニタ２６，参照モニタ２７,ＲＭＷ２０,ＲＭＷ２０に設けられた第１散乱体，第２散乱体５５等のビーム軸ｍ上に配置された器具を通過する。イオンビームは、第１散乱体によりビーム軸ｍと直交する方向にビームサイズが拡大される。第２散乱体５５によってその直交方向において線量分布が平坦化される。吸収体６０は、イオンビームの体内における飛程を調整する。

イオンビームの線量が、線量モニタ３１によって検出され、平坦度モニタ３２でビーム軸ｍと直交する方向に垂直な方向におけるイオンビームの線量分布の平坦度が確認される。患者コリメータ３４の開口より外側に位置するイオンビームは、患者コリメータで除外される。患者コリメータ３４の開口を通過したイオンビームがボーラス３５を通過する。ボーラス３５を通過したイオンビームは、患部領域に集中した高線量領域を形成しつつ、患部Ｋに出射される。線量モニタ２７，３１で測定される線量が目標線量値に達すると、照射制御部７３はビーム出射停止信号を出力して開閉スイッチ９を開く。これによりシンクロトロン４からのイオンビームの出射が停止され、患者２２に対するイオンビームの照射が終了する。

本実施形態の粒子線治療装置は、ＲＭＷ４０の回転角度に基づいてシンクロトロン４からのイオンビームの出射、及び停止を制御することで、単一のＲＭＷ４０で複数のSOBP幅を形成できる。本実施形態のこの機能を含むビーム出射量制御装置９０による制御について、以下、詳細に説明する。

統括制御部７８は、治療計画情報である照射野径，飛程，ビームエネルギー、及びSOBP幅を、ビーム出射量制御装置９０に入力する。ビーム出射量制御装置９０は、照射野径，飛程、及びビームエネルギーに基づいて、メモリ７５に記憶された図７の情報からＲＭＷ種類の情報（例えば、１−Ａ）及びビーム出射パターンの情報（例えば、１−Ａ−Ｉ）を選択して入力する。更に、ビーム出射量制御装置９０は、ＳＯＢＰ幅情報（例えば、SOBP１cm）、及びＲＭＷ種類の情報（例えば、１−Ａ）に基づいてメモリ７５に記憶された図８の情報からイオンビームの出射を開始（ＯＮ）するＲＭＷ４０の回転角度設定値（以下、ＯＮ設定値という。）、及びその出射を停止（ＯＦＦ）する回転角度設定値（以下、
ＯＦＦ設定値という。）を、出射パターン情報（例えば、１−Ａ−Ｉ）に基づいてメモリ７５に記載された図９の情報から回転角度に対応したビーム出射量設定値（例えば、100％，９０％，８０％，…）を選択して入力する。

まず、ビーム出射量制御装置９０によるイオンビームの出射開始，出射停止制御（ＯＮ，ＯＦＦ制御）について説明する。角度計５１は、回転している回転軸４８の回転角度
（回転位相）を検出し、その回転角度検出信号(以下、回転角度測定値という。)をＲＭＷ角度検出制御装置６３に出力する。ＲＭＷ角度検出制御装置６３は、入力された検出信号からＲＭＷ４０の回転角度を求め、その回転角度情報をビーム出射量制御装置９０に出力する。ビーム出射量制御装置９０は、入力した回転角度計測値がＯＮ設定値になったとき、ビーム出射開始信号を出力して開閉スイッチ９を閉じる。開閉スイッチ１０は、すでに閉じられており、開閉スイッチ９が閉じられることによって、高周波電源８が高周波印加電極７に電気的に接続される。つまり、高周波電源８からの高周波信号が、開閉スイッチ９，１０を経て高周波印加電極７に印加される。これにより、シンクロトロン４において、安定限界内で周回しているイオンビームは、安定限界外に移行し、出射用デフレクタ
１１を通ってシンクロトロン４から出射される。また、回転角度計測値がＯＦＦ設定値になったとき、ビーム出射量制御装置９０は、ビーム出射停止信号を出力して、開閉スイッチ９を開く。これにより、高周波印加電極７への高周波信号の印加が停止され、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。

患者２２の体内に形成されるＳＯＢＰ幅は、イオンビームの出射開始（ビーム出射開始信号の出力）、及びイオンビームの出射停止（ビーム出射停止信号の出力）を行うＲＭＷ４０のそれぞれの回転角度の違いによって異なる。以下に、イオンビームの出射開始、及び出射停止を行うＲＭＷ４０の各回転角度の違いによる、形成されるＳＯＢＰ幅の違いを、図４，図５、及び図６を用いて説明する。

図４はＲＭＷ４０の平面図であり、３つのイオンビームの照射条件ａ，ｂ，ｃを例として示している。図５は、これらビーム照射条件ａ，ｂ，ｃを時系列で示している。また、図６はこれらビーム照射条件ａ，ｂ，ｃによって得られる線量分布を示している。

すなわち、イオンビームがＲＭＷ４０の開口部４６を通過したときにはビームエネルギーは減衰することなく通過するためブラッグピークが体内深くに生じる。ＲＭＷ４０の翼４５の厚みが比較的薄い平面領域４７を通過したときはビームエネルギーが若干減衰されてブラッグピークが体内略中央部にて生じる。また、ＲＭＷ４０の翼４５の厚みが比較的厚い部分の平面領域４７を通過したときはビームエネルギーが大きく減衰されてブラッグピークが体表面近くの浅い部分で生じる。したがって、図４に示す照射条件ａのように
ＲＭＷ４０の周方向全領域において常にイオンビームが照射される場合には、ＲＭＷ４０の回転により上記のようなブラッグピーク位置の変動が周期的に行われる結果、時間積分で見ると、図６に示す線量分布ａのように体表面近くから体内深くまでに至る広いSOBP幅が得られる。

一方、図４に示す照射条件ｂのように、各翼４５の厚みが比較的厚い部分の平面領域
４７（翼頂部４５Ａ付近）ではイオンビームの照射を停止し、その他の周方向領域にビームが照射される場合には、ビームエネルギーが大きく減衰され体表面近くの浅い部分にブラッグピークが形成されなくなるため、図６に示す線量分布ｂのように線量分布ａよりも狭いＳＯＢＰ幅が得られる。

他方、図４に示す照射条件ｃように、開口４６及び各翼４５の厚みが比較的薄い部分の、平面領域４７にてイオンビームを照射し、その他の周方向領域ではビームの照射を停止する場合には、ビームエネルギーの減衰量が少なく体内深くにて生じるブラッグピーク分布のみとなるため、図６に示す線量分布ｃのように線量分布ｂよりもさらに狭いＳＯＢＰ幅が得られる。本実施形態の粒子線治療装置では、以上のようにＲＭＷ４０の回転角度に応じてイオンビームの出射の出射，停止の制御を行うことにより、単一のＲＭＷ４０で複数の異なるＳＯＢＰ幅を形成できる。

次に、ビーム進行方向（深さ方向）の線量分布の一様性を調整するために、シンクロトロン４から出射するイオンビーム出射量を、イオンビームを出射している間、すなわちイオンビームの出射期間内で調整する制御について、以下に説明する。

ビーム出射量制御装置９０は、入力した各回転角度測定値が図９に示す各回転角度設定値に達したとき、各回転角度設定値に対応した各ビーム出射量設定値に基づいて、シンクロトロン４から出射するイオンビームの出射量を制御する。すなわち、ビーム出射量制御装置９０は、図１０に示すように、各ビーム出射量設定値に基づいた振幅変調信号（イオンビーム出射量制御信号、図１０（ｏ））を生成し、信号合成装置９２に振幅変調波信号を出力する。また、高周波電源８から出力された搬送波である高周波信号（図１０(ｐ)）は、開閉スイッチ１０を介して信号合成装置９２に入力される。信号合成装置９２は、高周波信号と振幅変調信号を合成して、振幅を変調した出射用高周波信号（図１０（ｑ））を出力する。この出射用高周波信号は、時間的に連続して振幅が変化する高周波信号であり、開閉スイッチ９を介して高周波印加電極７に印加される。実際に高周波印加電極７に供給される出射用高周波信号、前述した開閉スイッチ９のＯＮ，ＯＦＦにより図１０(ｒ)のようになる。安定限界内で周回しているイオンビームは、印加される出射用高周波信号の振幅によって安定限界外に移行される量（イオンビーム強度）が変化する。図１０(ｓ)は、シンクロトロン４から出射されたイオンビームの強度の変化を示している。具体的には、出射用高周波信号の振幅が大きいと、シンクロトロン４からのイオンビームの出射量は多くなり（ビーム強度大）、その高周波信号の振幅が小さいと、シンクロトロン４からの出射されるイオンビームの出射量は少なくなる（ビーム強度小）。図１０の（ｕ）は、ビーム出射ＯＮ／ＯＦＦ信号、すなわち、前述の開閉スイッチ９を閉，開する電圧が設定電圧まで上昇するビーム出射開始信号、電圧が設定電圧より減少するビーム出射停止信号を示している。

図１１、及び図１２は、イオンビーム出射量をＲＭＷ４０の回転角度に基づいて調整することによって、あるエネルギーを想定して形状を最適化されたＲＭＷ４０に対して、異なるエネルギーを有するイオンビームを出射した場合であっても、体内の深さ方向での線量分布が一様になるように調整可能であることを示す一例である。図１２は、エネルギーＥ１を想定して形状が最適化されたＲＭＷ４０に対して、エネルギーＥ１よりも低いエネルギーＥ２を有するイオンビームを出射した場合の体内の深さ方向での線量分布を示す。図１２において、ｄは、エネルギーＥ２のイオンビームを、ＲＭＷ４０の回転角度に対して常に一定の出射量で照射した場合（図１１（ａ））の線量分布であり、ｅは、図９の情報に基づいてイオンビームを出射した場合（図１１（ｂ））の線量分布である。図１１
（ｂ）は、ＲＭＷ４０の開口４６及び各翼４５の厚みが比較的薄い平面領域４７にてイオンビーム（エネルギーＥ２）の出射量を少なくし、その他の領域では１００％のビーム出射量で照射することを示す。開口部４６、及び翼４５の厚みが比較的薄い平面領域４７を通過するイオンビーム量が少なくなるため、体内深くにて生じるブラッグピークの線量が少なくなり、翼４５の厚みが比較的厚い部分での平面領域４７を通過するイオンビーム量は相対的に増加し、体表面近くの浅い部分で生じるブラッグピークの線量が相対的に大きくなる。この結果、ｄのように傾いた線量分布が、ｅのように体内の深い部分での線量が低下し、体表面近くの浅い部分での線量が相対的に増加することにより線量分布の一様度が改善される。

図１３、及び図１４は、イオンビーム出射量をＲＭＷ４０の回転角度に基づいて調整することで、体内の深さ方向での線量分布が一様になるように調整可能であることを示す他の例である。図１４は、エネルギーＥ１を想定して形状を最適化されたＲＭＷ４０に対して、エネルギーＥ１よりも高いエネルギーＥ３を有するイオンビームを出射した場合の体内の深さ方向での線量分布を示す。イオンビームのエネルギーＥ３がエネルギーＥ１よりも高いため、ＲＭＷ４０の回転角度に対して常に一定のビーム出射量で照射した場合（図１３（ａ））の線量分布は、図１４のｆに示すように体内の深い部分に照射される線量が低く、体表面近くの浅い部分に照射される線量が高くなる。この場合には図１３（ｂ）に示すように、翼４５の厚みが比較的厚い部分での平面領域４７にてイオンビームの出射量を少なくし、その他の周方向領域では通常のビーム出射量で照射すことにより、体表面近くの浅い部分で生じるブラッグピークの線量が少なくなり、体内深くにて生じるブラッグピークの線量が相対的に増加し、図１４のｇのように深さ方向における線量分布の一様度が改善される。

ＲＭＷ４０は、回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なる構成を有するため、ＲＭＷ４０の回転角度に基づいてイオンビームの出射量を制御することは、実質的にRMW４０の軸方向の厚みに基づいてイオンビームの出射量を制御することに等しい。ビーム出射量制御装置９０が、ＲＭＷ角度検出制御装置６３から入力される角度情報に基づいて、ＲＭＷ４０の軸方向の厚みを求める。ビーム出射量制御装置９０は、ビーム軸ｍ上に、軸方向の厚みが異なる別の平面領域４７がくるときにイオンビームの出射量を変えるように制御することも可能であり、また、イオンビームが一つの平面領域４７を通過する間に、イオンビームの出射量を変えるように制御することも可能である。

本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）本実施形態は、回転方向に沿って厚みが異なる構成を有するＲＭＷ４０の回転角度に基づいて、シンクロトロン４から出射するイオンビームの出射量を制御するため、あるエネルギーを想定して形状を最適化されたＲＭＷ４０に対して、異なるエネルギーを有するイオンビームを入射した場合であっても、該当するＳＯＢＰ幅において一様な線量分布を得ることができる。このため、本実施形態の粒子線治療装置において準備すべきＲＭＷの個数をさらに低減することができる。ＲＭＷの個数の低減は、ＲＭＷの交換頻度の低減につながり、更には一年あたりに治療できる患者数の増加をもたらす。また、ＲＭＷの個数が減ることによって、医療機関はＲＭＷの保管スペースを低減することができる。

ＲＭＷ必要数低減について図１５を用いて具体的に説明する。図１５に示す立方体の数が、必要となるＲＭＷ数である。ＲＭＷ４０を用いた従来の粒子線治療装置は、入射するビームエネルギー，ＳＯＢＰ幅，照射野サイズに対応した１２７個のＲＭＷが必要であった（図１５（ａ））。前述のように、回転しているＲＭＷの回転角度に基づいてイオンビームの出射開始及び出射停止することによって、１個のＲＭＷ４０で複数のＳＯＢＰ幅を実現できる。このため、準備すべきＲＭＷ４０が、ビームエネルギー及びＳＯＢＰ幅に対応した２４個まで著しく減少する（図１５（ｂ））。本実施形態は、さらにＲＭＷの回転角度に基づいてイオンビームの出射量を制御するため、一つのＲＭＷで異なるビームエネルギーに対し、該当するＳＯＢＰ幅で一様な線量分布を形成することが可能となる。このため、ＲＭＷの必要数を前述の２４個から６個に更に低減できる（図１５（ｃ））。
（２）本実施形態は、照射制御装置７０のメモリ（記憶装置）７５に記憶された情報に基づいて、加速装置から出射するイオンビームの出射量を制御しているため、制御が簡略化され、装置構成を簡素化することが可能となる。
（３）本実施形態では、イオンビームのエネルギーを調整する手段（ビームエネルギー調整手段）は、軸方向の厚みが回転方向において厚みが異なる構成を有するＲＭＷを用いているため、段を通過するビーム量により線量一様度をコントロールすることができる。すなわち、段のある位置を通過するビーム量が変化しても、段全体を通過するビーム量が変化しなければ、線量一様度には影響を及ぼさない。
（４）本実施形態では、高周波印加装置に供給する高周波信号の振幅を変調することによってイオンビームの出射量を調整している。そのため、現在稼動しているイオンビーム発生装置に、振幅変調信号を出力するビーム出射量制御装置、及びビーム出射用高周波信号と振幅変調信号を合成し、振幅を変調した出射用高周波信号を高周波印加装置に出力する信号混合装置を設けることで、本発明の効果を達成できる荷電粒子ビーム照射システムを提供することができるため、複雑な装置構成を用いることなく、体内の深さ方向におけるＳＯＢＰ幅内の線量分布をより一様にすることができる。

開閉スイッチ９を設置せずに信号合成装置９２に振幅変調信号を供給して高周波信号と合成してもよい。これによって、シンクロトロン４からのイオンビームの出射量を制御することができる。このため、上記した作用効果が生じ、ＲＭＷ４０の必要個数を１２７個よりも低減できる。しかしながら、その個数は６個よりも多くなる。

本実施形態では、定められた回転角度毎（本実施形態では、１°毎）のビーム出射量情報をメモリ７５が記憶し、ビーム出射量制御装置９０が、その情報に基づいて振幅変調信号を信号合成装置９２に常に出力している。しかし、メモリ７５に記憶する情報は、各照射パターンに対して、ビーム出射量を変える回転角度とそのビーム出射量の情報としてもよい。この場合、ビーム出射量制御装置９０は、ビームの出射量を変える回転角度になったときにのみ、信号合成装置９２に対して振幅変調信号を出力する。信号合成装置９２は、振幅変調信号を入力すると、メモリ（図示せず）に記憶された振幅変調信号を更新し、更新された振幅変調信号と高周波電源８からの高周波信号を合成して出射用高周波信号を生成する。信号合成装置９２は、メモリの振幅変調信号が更新されない限り、最新の出射用高周波信号を出力する。上述の方法では、ビーム出射量制御装置９０は、ビーム出射量に変化がある場合にのみ振幅変調信号を出力するため、振幅変調信号の出力頻度を低減でき、さらに精度良いビームの出射が可能となる。

また、本実施形態では、ビーム進行方向のＳＯＢＰ幅における線量分布が一様となるように、シンクロトロン４から出射するイオンビームの出射量を調整する制御について説明した。しかし、ビームの進行方向に対して所望の線量分布、例えば、図１２のｄに示すような体表面近くの浅い部分での線量が低く、体内の深い部分での線量が高い線量分布、図１４のｆに示すような体表面近くの浅い部分での線量が高く、体内の深い部分での線量が低い線量分布、及びＳＯＢＰ幅内の一部分での線量を低くなる線量分布を、医師が望む場合であっても、図１０（ｏ）に示す振幅変調信号の形状を変えることで実現することができる。これにより、荷電粒子ビームの照射の自由度が増す。

本実施例では、角度計５１で検出した回転軸４８の回転角度に基づいて、ＲＭＷ４０の回転角度を求めている。しかし、ＲＭＷ４０の回転開始からの時間を計測し、その時間情報に基づいてＲＭＷ４０の回転角度を求めることも可能である。

一人の患者２２の患部Ｋに対して荷電粒子ビームを照射する場合、ある方向（以下、第１照射方向という。）から患者２２の患部Ｋに対して目標線量値の半分の線量を照射し
（以下、第１照射という。）、第１照射が終了した後、第１照射方向と異なる方向（以下、第２照射方向という。）から残り半分の線量を患部Ｋに照射(以下、第２照射という。)する照射方法（多門照射）を採用することがある。第１照射方向における患者２２の患部Ｋの体表面からの深さ位置が、第２照射方向における体表面からの深さ位置と異なる場合、第１照射と第２照射とでビームエネルギーが異なる。例えば、第１照射でビームエネルギー２５０ＭｅＶの荷電粒子ビームを照射し、第２照射でビームエネルギー２００ＭｅＶの荷電粒子ビームを照射する場合、従来は、エネルギー調整装置を交換して照射していた。エネルギー調整装置の交換作業は、患者を長時間ベッドに拘束する要因となり、患者にとって大きな負担である。本実施形態によれば、エネルギー調整装置を交換する必要がなくなるため、患者に与える苦痛を低減できる。

（実施形態２）
以下に、本発明の他の実施形態の荷電粒子ビーム照射システムである粒子線治療装置を、図１６を用いて説明する。

本実施形態の陽子線治療装置は、実施形態１の陽子線治療装置において照射制御装置
７０のビーム出射量制御装置９０をビーム出射量制御装置９０Ａに替えた構成を有する。また、開閉スイッチ９を削除し、信号合成装置９２を高周波印加電極７に直接接続している。本実施形態では、開閉スイッチ９を用いないでイオンビームの出射、及び停止を制御する。

ビーム出射量制御装置９０Ａは、ビーム出射ＯＮ／ＯＦＦ信号（図１６（ｕ））と振幅変調信号（図１６（ｏ））が合成された制御信号を信号合成装置９２に出力する。信号合成装置９２は、高周波信号（図１６（ｐ））とその制御信号を合成して、ビーム出射開始信号及びビーム出射停止信号を含んで振幅を変調した出射用高周波信号（図１６（ｒ））を出力する。この出射用高周波信号が高周波印加電極７により、イオンビームに印加されることにより、シンクロトロン４から出射されるイオンビームの強度は、図１６（ｓ）、及び図１７（ｂ）に示すように変化する。このイオンビーム強度の変化は、実施形態１でも同じである。

本実施形態は、ビーム出射ＯＮ／ＯＦＦ信号を含む制御信号を信号合成装置９２に入力されることによって、前述の実施形態と同様に、ＯＮ設定値でイオンビームの出射を開始し、ＯＦＦ設定値でイオンビームの出射を停止し、所定のＳＯＢＰ幅を得ることができる。本実施形態もイオンビームの出射量を制御することができ、図１８のｉ，ｊのように、深さ方向で線量分布を均一にすることができる。図１８において、ｈはＲＭＷ４０の回転角度に対して常に一定のイオンビーム出射量で照射した場合の線量分布であり、ｉはRMW４０の回転角度に基づいて、開口４６及び各翼４５の厚みが比較的薄い部分での平面領域４７にてイオンビームの出射量を少なくしその他の周方向領域は通常のビーム出射量で照射した場合の線量分布であり、ｊは、その回転角度に基づいて、開口４６及び各翼４５の厚みが比較的薄い部分での平面領域４７にてイオンビームの出射量を少なくしその他の周方向領域では通常のビーム出射量で照射し、かつ翼４５の厚い部分の平面領域４７がビーム軸を通過する間、イオンビームの出射を停止して照射した場合の線量分布である。

本実施形態も実施形態１で生じた効果（１）〜（４）を得ることができる。

（実施形態３）
以下に、本発明の他の実施形態の荷電粒子ビーム照射システムである粒子線治療装置を、図１９を参照して説明する。本実施形態の粒子線治療装置は、実施形態１の粒子線治療装置において、信号合成装置９２が開閉スイッチ９１に置き換えられた構成を有する。また、本実施形態では、メモリ７５Ｂは、図７，図８及び図２０に示す情報を記憶する。

メモリ７５Ｂは、図２０に示すように、ＲＭＷ４０の回転角度設定値とビーム出射パターンとの関係を示す情報を記憶する。つまり、図２０によれば、ビームの出射パターンが決まっていれば、ＲＭＷ４０の回転角度に対応するイオンビーム出射量を求めることができる。実施形態１では、シンクロトロン４から出射するイオンビームの出射量をアナログ的（０％〜１００％）に制御した。本実施形態の粒子線治療装置は、ＲＭＷ４０の回転角度に基づいてシンクロトロン４から出射するイオンビームの出射量を０％、及び１００％で制御する（図２０の「１」がビーム出射量１００％を、「０」がビーム出射量０％を示す）。これにより、あるエネルギーを想定して形状を最適化されたＲＭＷ４０に対して、異なるエネルギーを有するイオンビームを出射した場合であっても、体内に形成される
ＳＯＢＰ幅においてビームの進行方向の線量分布を均一化できる。本実施形態でのこの機能を含むビーム出射量制御装置９０Ｂによる制御について、以下、詳細に説明する。

総括制御部７８は、治療計画情報をビーム出射量制御装置９０Ｂに出力する。ビーム出射量制御装置９０Ｂは、照射野径，飛程、及びビームエネルギーに基づいて、メモリ75Ｂに記憶される図７の情報からＲＭＷ種類の情報（例えば、１−Ｂ）、及びビーム出射パターンの情報（例えば、１−Ｂ−Ｉ）を選択して入力する。さらに、ビーム出射量制御装置９０Ｂは、ＳＯＢＰ幅情報、及びＲＭＷ種類の情報からＯＮ設定値、及びＯＦＦ設定値を、出射パターン情報（１−Ｂ−Ｉ）に基づいてメモリ７５Ｂに記憶された図２０の情報から回転角度に対応したビーム出射量設定値（０％、及び１００％）をそれぞれ選択して入力する。

ビーム出射量制御装置９０Ｂは、入力した各回転角度情報値に対応したビーム出射量設定値に基づいて、シンクロトロン４からのイオンビームの出射量を制御する。すなわち、ビーム出射量制御装置９０Ｂは、メモリ７５Ｂから入力したビームの出射量設定値に基づいたイオンビーム出射量制御信号を生成し、開閉スイッチ９１に出力する。開閉スイッチ９１は、ビーム出射量１００％に対応するビーム出射量制御信号を入力すると閉じ、ビーム出射量０％に対応するビーム出射量制御信号を入力すると開く。高周波電源８から出力された高周波信号は、開閉スイッチ１０を介して開閉スイッチ９１に入力される。本実施形態の場合、図２１に示すように、細かいパルス状のイオビーム出射停止期間が複数回現れるようなビーム出射量となる。

あるエネルギーＥ１を想定して形状が最適化されたＲＭＷ４０に対して、エネルギー
Ｅ１よりも低いエネルギーＥ２を有するイオンビームを出射した場合、ＲＭＷ４０の回転角度に対して開口４６及び各翼４５の厚みが比較的薄い部分での平面領域４７にて細かいパルス状のイオンビームの出射停止期間を複数回設け、その他の周方向領域は１００％のビーム出射量で照射する。これにより、ＳＯＢＰ幅に対して体内の深さ方向での線量分布が均一化される。また、あるエネルギーＥ１を想定して形状が最適化されたＲＭＷ４０に対して、エネルギーＥ１よりも高いエネルギーＥ３を有するイオンビームを出射した場合、ＲＭＷ４０の回転角度に対して翼４５の厚みが比較的厚い部分での平面領域４７にてイオンビームの出射停止期間を複数回設け、その他の周方向では通常のビーム出射量で照射することにより、体内の深さ方向での線量分布が均一化される。

本実施形態も実施形態１で生じた効果（１）〜（３）を得ることができ、更に以下の効果を得ることができる。
（５）本実施形態では、イオンビーム出射量を０％と１００％で制御して、イオンビームをシンクロトロンから出射しているため、装置が簡略化される。

（実施形態４）
本発明の他の実施形態である荷電粒子ビーム照射システム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２２に示すように、実施形態１のイオンビーム発生装置１を、イオンビーム発生装置１Ａに置き替え、ビーム輸送系２にエネルギー変更装置８２を付加した構成を有する。

イオンビーム発生装置１は、イオン源８０（本実施形態では、フィラメント型のイオン源とする），サイクロトロン４Ａ、及びビーム加速装置８１を有する。イオン源８０が、サイクロトロン４Ａに接続される。エネルギー変更装置８２は、イオンビームを通過させてエネルギーを損失させる板状の複数のエネルギー吸収体（ディグレーダ）（図示せず）、エネルギーの低くなったイオンビームを偏向する偏向電磁石（図示せず）、偏向電磁石通過後のイオンビームの一部分を切り出すアパーチャ（図示せず）、及びイオンビームのビーム輸送系２下流側への輸送をシャットアウトするビームシャッタ（図示せず）を備える。

本実施形態におけるビーム出射量制御装置９０Ｃによる制御について、以下に説明する。

ビーム出射量制御装置９０Ｃは、入力されたＲＭＷ４０の回転角度計測値がＯＮ設定値になったときに、イオン源電源装置８６にビーム出射開始信号を出力する。イオン源電源装置８６は、イオン源８０に電流を供給してプラズマを発生させてイオンビームを生成する。イオン源８０で生成されたイオンビームは、サイクロトロン４Ａに出射される。サイクロトロン４Ａは、入射したイオンビームを加速する。この加速は、ビーム加速装置８１によって行われる。周回するイオンビームは、目標のビームエネルギーまで加速された後、出射用デフレクタ１１を通ってサイクロトロン４Ａから出射される。また、回転角度計測値がＯＦＦ設定値になったときに、ビーム出射量制御装置９０Ｃは、ビーム出射停止信号をイオン源電源装置８６に出力する。これにより、イオン源８０に供給する電流が停止され、サイクロトロン４Ａへのイオンビームの出射が停止される。このような制御により、１個のＲＭＷ４０で複数のＳＯＢＰ幅を形成できる。

次に、ＳＯＢＰ幅に対してビームの進行方向の線量分布の一様性を調整するために、サイクロトロン４Ａから出射するイオンビーム出射量を調整する制御について、以下に説明する。

ビーム出射量制御装置９０Ｃは、入力した各回転角度測定値に対応した各ビーム出射量設定値（例えば、１００％，９０％，８０％，…）に基づいて、サイクロトロン４Ａから出射するイオンビームの出射量を制御する。すなわち、ＲＭＷ４０の回転角度がビーム出射角度となったら、ビーム出射量制御装置９０Ｃは、メモリ７５から入力したイオンビームの出射量設定値に基づいてビーム出射量制御信号をイオン源電源装置８６に出力する。イオン源電源装置８６は、イオン源８０にアーク電流を供給してプラズマを生成する。本実施形態では、ＲＭＷ４０の回転角度に基づいてイオン源８０で生成するプラズマの量を調整して生成するイオン量を調整し、サイクロトロン４Ａから出射するイオンビームの出射量を制御する。つまり、ビーム出射量制御装置９０Ｃが、ＲＭＷ４０の回転角度に基づいて、イオン源電源装置８６を制御してイオンビームの出射量を制御する。これにより、体内でのビームの進行方向の線量分布を均一化できる。イオンビーム出射量とイオン源
８０に供給するアーク電流値との関係は予め求められ、メモリ７５に記憶されている。

線量モニタ３１から入力した線量が目標線量値に達すると、照射制御部７３は、ビーム出射停止信号をイオン源電源装置８６に出力する。これにより、イオン源８０へ供給する電流が停止され、サイクロトロン４Ａからイオンビームの出射が停止され、患者２２への照射が終了する。

本実施形態も、実施形態１で生じた効果（１）〜（４）を得ることができる。

本実施形態では、イオン源８０のフィラメントに供給するアーク電流量を調整してイオン生成量を調整し、イオン源８０から取り出すイオンビームの出射量を調整する。これにより、サイクロトロン４Ａからのイオンビームの出射量を制御している。しかし、イオン源８０に設けられたビーム引き出し電極に印加する電圧を調整することで、イオン源８０から取り出すイオンビーム量を調整することも可能である。

本実施形態では、イオン源８０をフィラメント型としたが、例えばＥＣＲ型のイオン源でも、供給するマイクロ波の強度を調節することで、同じく引き出されるビーム量を調節することができる。

本実施形態では、メモリ７５Ｃに記憶する回転角度に対応したビーム出射量設定値は、実施形態１と同様、０〜１００％とした。しかし、実施形態３のように、０％及び１００％で示すビーム出射量設定値としてもよい。この方法によると、予め求めておく必要のあるイオンビーム出射量とイオン源８０に供給するアーク電流値との関係が簡略になり、イオン源電源装置８６、及び照射制御装置７０の構成の簡素化が可能となる。

本実施形態では、イオン源８０への電流の供給及び供給停止によって、サイクロトロン４Ａから出射するイオンビームの出射、及び出射停止を制御した。しかし、エネルギー変更装置８２のビームシャッタを開閉することによって、照射野形成装置１６へのイオンビームの入射を制御し、イオンビームの出射、及び出射停止を制御してもよい。この場合、照射制御装置７０の照射制御部７３、又はインターロック装置７６からディグレーダ制御装置８７にビーム出射開始信号又はビーム出射停止信号を送信し、ディグレーダ制御装置８７がその信号に応じてエネルギー変更装置８２のビームシャッタの開閉を制御することにより、ビームの出射、及び出射停止を制御する。また、特に図示はしないが、偏向電磁石１５への電源供給の制御により、イオンビームの経路を変更させて、照射野形成装置
１６へのイオンビームの入射を制御してもよい。

本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置の全体概略構成を表す図である。 本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置に備えられる照射野形成装置の構成を表す縦断面図、及び制御システムのプロック構成図である。 ＲＭＷの斜視図である。 ＲＭＷの平面図であり、３種類のイオンビームの照射条件を示した図である。 図４に示す３種類のビーム照射条件を時系列で示した図である。 図４に示す３種類のビーム照射条件により得られる線量分布を示す図である。 記憶装置に記憶された照射条件情報を示す表である。 記憶装置に記憶されたＳＯＢＰ幅条件情報を示す表である。 記憶装置に記憶されたビーム出射量条件情報を示す表である。 本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置を表す構成図、及びビームの出射量を制御するために出力される信号を表す概略図である。 イオンビーム出射量とＲＭＷ角度との関係をそれぞれ示す図である。(ａ)ＲＭＷの回転角度に対して常に一定のイオンビーム出射量で照射した場合のビーム電流の時間変化、（ｂ）ＲＭＷの回転角度に応じてイオンビーム出射量を制御した場合のビーム電流の時間変化。 ビーム進行方向（深部方向）の線量分布を示す図である。 イオンビーム出射量とＲＭＷ回転角度との関係を示す図である。（ａ） ＲＭＷの回転角度に対して常に一定のイオンビーム出射量で照射した場合のビーム電流の時間変化、（ｂ）ＲＭＷの回転角度に応じてイオンビーム出射量を制御した場合のビーム電流の時間変化。 入射ビームエネルギーを高くした場合の、ビーム進行方向（深部方向）の線量分布を示す図である。 ＲＭＷの必要数の概略を表す図である。（ａ）従来の照射法で必要となるＲＭＷ数を表す概略図。（ｂ）ビームを出射及び停止してＳＯＢＰ幅を制御する場合に必要となるＲＭＷ数を示す概略図。（ｃ）本発明を用いた場合に必要となるＲＭＷ数を表す概略図。 本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置を示す構成図、及びビームの出射量を制御するために出力される信号を表す概略図である。 イオンビーム出射量とＲＭＷ回転角度との関係を示す図である。（ａ） ＲＭＷの回転角度に対して常に一定のイオンビーム出射量で照射した場合のビーム電流の時間変化、(ｂ)ＲＭＷの回転角度に応じてイオンビーム出射量の制御，ＳＯＢＰ幅を調整した場合のビーム電流の時間変化。 ビーム進行方向（深部方向）の線量分布を示す図である。 本発明の他の実施形態に用いる粒子線治療装置の全体概略構成を表す図である。 記憶装置に記憶されたビーム出射量条件情報を示した表である。 ビームの出射・停止によりビーム出射量を制御した場合のイオンビーム出射量とＲＭＷ回転角度との関係をそれぞれ示す図である。 本発明の他の実施形態の粒子線治療装置の全体概略構成を表す図である。

符号の説明

１，１Ａ…イオンビーム発生装置、４…シンクロトロン（円形加速装置）、４Ａ…サイクロトロン（円形加速装置）、５…ビーム出射用の高周波供給装置、７…高周波印加電極、８…高周波電源、９，１０，９１…開閉装置（開閉スイッチ）、１６…照射野形成装置（イオンビーム照射装置）、２８…レンジモジュレーションホイール装置（ＲＭＷ装置，ブラッグピーク幅形成手段）、４０…ＲＭＷ、５１…角度計、７２…ＲＭＷ制御部、７３…照射制御部、７５…メモリ（記憶装置）、８０…イオン源、９０，９０Ａ，９０Ｂ，
９０Ｃ…ビーム出射量制御装置、９２…信号合成装置（信号合成回路）。

Claims (27)

1. 荷電粒子ビームを加速する加速装置と、
   回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なっているビームエネルギー調整装置を有し、前記加速装置から出射されて前記ビームエネルギー調整装置を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置と、
   前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記加速装置から出射する前記荷電粒子ビームの出射量を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
2. 前記ビームエネルギー調整装置の回転角度を検出する角度検出器を備え、
   前記制御装置は、
   前記角度検出器で検出された前記回転角度に基づいて、前記加速装置から出射する前記荷電粒子ビームの出射量を制御することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
3. 荷電粒子ビームを生成するイオン源と、
   前記イオン源から出射される荷電粒子ビームを加速する加速装置と、
   回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なっているビームエネルギー調整装置を有し、前記加速装置から出射されて前記ビームエネルギー調整装置を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置と、
   前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記イオン源から出射する前記荷電粒子ビームの出射量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
4. 前記制御装置は、
   前記回転角度に基づいて、前記イオン源で生成する荷電粒子ビームの生成量を制御することで、前記荷電粒子ビームの出射量を制御することを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
5. 前記ビームエネルギー調整装置の回転角度を検出する角度検出器を備え、
   前記制御装置は、
   前記角度検出器で検出された前記回転角度に基づいて、前記イオン源から出射する前記荷電粒子ビームの出射量を制御することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
6. 前記ビームエネルギー調整装置の複数の回転角度にそれぞれ対応した、前記加速装置から出射する荷電粒子ビームの複数の出射量設定値を記憶する記憶装置を備え、
   前記制御装置は、前記回転角度を用いて前記記憶装置から選択された前記出射量設定値に基づいて、前記荷電粒子ビームの出射量を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
7. 前記ビームエネルギー調整装置の複数の回転角度にそれぞれ対応した、前記イオン源から出射する前記荷電粒子ビームの複数の出射量設定値を記憶する記憶装置を備え、
   前記制御装置は、前記回転角度を用いて前記記憶装置から選択された前記出射量設定値に基づいて、前記荷電粒子ビームの出射量を制御することを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
8. 出射用の高周波印加装置を有し、荷電粒子ビームを加速する加速装置と、
   回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なっているビームエネルギー調整装置を有し、前記加速装置から出射されて、前記ビームエネルギー調整装置を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置と、
   前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記高周波印加装置に供給する高周波信号の振幅を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
9. 前記ビームエネルギー調整装置の回転角度を検出する角度検出器を備え、
   前記制御装置は、
   前記角度検出器で検出された前記回転角度に基づいて、前記高周波信号の振幅を制御することを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
10. 前記ビームエネルギー調整装置は、前記軸方向の厚みが回転方向において複数の階段構造により変化していることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置
11. 前記ビームエネルギー調整装置は、前記軸方向の厚みが回転方向において異なっている翼を有することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
12. 荷電粒子ビームを加速する加速装置と、
    回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なっているビームエネルギー調整装置を有し、前記加速装置から出射されて前記ビームエネルギー調整装置を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置と、
    前記軸方向の厚みに基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記加速装置から出射する前記荷電粒子ビームの出射量を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
13. 荷電粒子ビームを生成するイオン源と、
    前記イオン源から出射される荷電粒子ビームを加速する加速装置と、
    回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なっているビームエネルギー調整装置を有し、前記加速装置から出射されて前記ビームエネルギー調整装置を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置と、
    前記軸方向の厚みに基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記イオン源から出射する前記荷電粒子ビームの出射量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
14. 出射用の高周波印加装置を有し、荷電粒子ビームを加速する加速装置と、
    回転され、回転方向の厚みが軸方向において異なっているビームエネルギー調整装置を有し、前記加速装置から出射されて、前記ビームエネルギー調整装置を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置と、
    前記軸方向の厚みに基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記高周波印加装置に供給する高周波信号の振幅を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
15. 前記制御装置は、
    前記エネルギー調整装置の厚みを、前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて求めることを特徴とする請求項１２ないし請求項１４のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
16. 荷電粒子ビームを加速する加速装置と、
    回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なっているビームエネルギー調整装置を有し、前記加速装置から出射されて前記ビームエネルギー調整装置を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置と、
    あるエネルギーを想定して形状が最適化された前記エネルギー調整装置に対して、前記エネルギーと異なるエネルギーを有する前記荷電粒子ビームを前記エネルギー調整装置に入射する場合、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記加速装置から出射する前記荷電粒子ビームの出射量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
17. 前記制御装置は、
    前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームを出射及び停止させることで前記荷電粒子ビームを出射する期間を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
18. 荷電粒子ビームを加速する加速装置と、
    回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なっているビームエネルギー調整装置を有し、前記加速装置から出射されて前記ビームエネルギー調整装置を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置と、
    前記加速装置を周回する荷電粒子ビームの出射開始信号，出射停止信号、及び前記加速装置から出射する前記荷電粒子ビームの出射量を制御する制御信号を、前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて出力する制御装置とを備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
19. 前記制御装置は、
    あるエネルギーを想定して形状が最適化された前記エネルギー調整装置に対して、前記エネルギーよりも低いエネルギーの荷電粒子ビームを通過させる際は、前記翼の厚みが薄い領域でのイオンビームの出射量を、その他の領域よりも少なく制御することを特徴とする請求項１１に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
20. 前記制御装置は、
    あるエネルギーを想定して形状が最適化された前記エネルギー調整装置に対して、前記エネルギーよりも高いエネルギーの荷電粒子ビームを通過させる際は、前記翼エネルギー調整装置の前記各翼の厚みが厚い平面領域でのイオンビームの出射量を、前記各翼の厚みが薄い平面領域よりも少なく制御することを特徴とする請求項１１に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
21. 荷電粒子ビームを加速装置で加速し、
    軸方向の厚みが回転方向において異なっている、回転しているビームエネルギー調整装置に、前記加速装置から出射した前記荷電粒子ビームを通過させる荷電粒子ビームの出射方法において、
    前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記加速装置から出射する前記荷電粒子ビームの出射量を制御することを特徴とする荷電粒子ビームの出射方法。
22. 荷電粒子ビームを加速装置で加速し、
    軸方向の厚みが回転方向において異なっている、回転しているビームエネルギー調整装置に、前記加速装置から出射した前記荷電粒子ビームを通過させる荷電粒子ビームの出射方法において、
    前記ビームエネルギー調整装置の回転時間に基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記加速装置から出射する前記荷電粒子ビームの出射量を制御することを特徴とする荷電粒子ビームの出射方法。
23. 荷電粒子ビームを加速装置で加速し、
    ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で荷電粒子ビームに印加する高周波信号の振幅を調整し、
    前記加速装置から前記荷電粒子ビームを出射するために前記荷電粒子ビームに振幅が調整された前記高周波信号を印加し、
    前記出射した荷電粒子ビームを、軸方向の厚みが回転方向において異なっている、回転しているビームエネルギー調整装置に通過させることを特徴とする荷電粒子ビームの出射方法。
24. 荷電粒子ビームを生成し、
    前記生成された荷電粒子ビームを加速し、
    軸方向の厚みが回転方向において異なっている、回転しているビームエネルギー調整装置に前記荷電粒子ビームを通過させ、
    前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記イオン源から出射する前記荷電粒子ビームの出射量を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム出射方法。
25. 前記ビームエネルギー調整装置の複数の回転角度にそれぞれ対応した荷電粒子ビームの出射量設定値に基づいて、前記加速装置から前記荷電粒子ビームを出射することを特徴とする請求項２１に記載の荷電粒子ビーム出射方法。
26. 前記ビームエネルギー調整装置の複数の回転角度にそれぞれ対応した荷電粒子ビームの出射量設定値に基づいて、前記荷電粒子ビームを生成することを特徴とする請求項２４に記載の荷電粒子ビーム出射方法。
27. 前記加速装置から出射する前記荷電粒子ビームの出射量は、ビームの出射及び停止で制御することを特徴とする請求項２１，請求項２２、及び請求項２５のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射方法。
    
    

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