JP2009022797A - 粒子線照射装置及び粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レンジシフターでの散乱による荷電粒子線のビーム径の増加を低減して、被照射体への空間的に精密な照射が可能な小さなビーム径の荷電粒子線を供給できるとともに、レンジシフターを患者から離れた位置に配置して、その移動音等による威圧感を無くすることができる粒子線照射装置及び粒子線治療装置を得る。
【解決手段】 荷電粒子線のエネルギーを低下させる可変レンジシフター４と、可変レンジシフター４で低下した荷電粒子線のエネルギーに応じて励磁量が制御されて、可変レンジシフター４での散乱による前記荷電粒子線の発散を収束させる４極電磁石６と、荷電粒子線のビーム軌道を変化させるスキャニング電磁石８とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、粒子加速器から供給される荷電粒子線を被照射体に照射する粒子線照射装置、及びその粒子線照射装置を用いた粒子線治療装置に関するものである。

従来の粒子線照射装置で被照射体内における荷電粒子線の飛程(レンジ)を変化させるレンジシフターを用いるものは、レンジシフターとの散乱による荷電粒子線のビーム径の変化を低減するために、レンジシフターを被照射体の近傍に配置し、さらに、レンジシフターのビーム進行方向上流に、ビーム散乱体である散乱体装置や４極電磁石を配置するか（例えば特許文献１参照）、又はビームコリメーターを配置していた（例えば特許文献２参照）。

特開２００１−２１２２５３号公報（段落００５３、図１） 特開２００１−５６２号公報（段落００２５、図７）

従来の粒子線照射装置は以上のように構成されているので、レンジシフターを被照射体の近傍に配置しなければなかったが、患者頭頚部への照射を行う治療装置の場合には、患者の肩等との空間干渉のためにレンジシフターを照射部位に十分近づける事ができず、荷電粒子線のビーム径を必要な値まで小さくできないという問題があった。
また、治療中に厚さを変更する必要のあるレンジシフターを患者の近傍に配置したため、レンジシフターを高速に駆動するときは特に、移動音等により患者に威圧感を与えるという問題があった。
また、被照射体におけるビーム径は、レンジシフターと被照射体内での散乱の寄与でほぼ決まるため、レンジシフターのビーム進行方向上流に配置した４極電磁石やビームコリメーターではビーム径を小さくすることはできず、従来の装置ではビーム径を大きくする方向に制御することのみが可能であった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、レンジシフターでの散乱による荷電粒子線のビーム径の増加を低減して、被照射体への空間的に精密な照射が可能な小さなビーム径の荷電粒子線を供給できるとともに、レンジシフターを患者から離れた位置に配置して、その移動音等による威圧感を無くすることができる粒子線照射装置及び粒子線治療装置を得ることを目的とする。

本発明に係る粒子線照射装置は、荷電粒子線のエネルギーを低下させる可変レンジシフターと、可変レンジシフターで低下した荷電粒子線のエネルギーに応じて励磁量が制御されて、可変レンジシフターでの散乱による荷電粒子線の発散を収束させる４極電磁石と、荷電粒子線のビーム軌道を変化させるスキャニング電磁石とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る粒子線照射装置によれば、被照射体でのビーム径を従来の方法より小さい値にすることができ、被照射体への空間的に精密な照射ができ、また、レンジシフターを被照射体から離れた場所に配置できる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１の粒子線照射装置及びこの粒子線照射装置と粒子加速器及びビーム輸送系とで構成される粒子線治療装置を図１に基づいて説明する。
図１において、粒子加速器１で発生した荷電粒子線は、ビーム輸送系２により、粒子線照射装置３に導かれ、まず、アクリル板を通過させることで荷電粒子線のエネルギーを低下させる可変レンジシフター４を通過する。この可変レンジシフター４と被照射体５との間に、可変レンジシフター４での散乱による荷電粒子線のビーム径の増加を低減させる４極電磁石６を配置している。そして、可変レンジシフター４と４極電磁石６の間には、荷電粒子線の発散角の増加を制限する固定開口径の固定ビームスリット７を配置し、４極電磁石６と被照射体５との間には、ビーム軌道を変更させるスキャニング電磁石８、ビーム線量モニター９、及びビーム位置モニター１０を配置している。
また、可変レンジシフター４のアクリル板の厚さ、並びに４極電磁石６及びスキャニング電磁石８の磁場強度は、照射制御装置１１で制御する。

次に粒子線照射装置の動作について説明する。
ビーム輸送系２により粒子加速器１から可変レンジシフター４に導かれた荷電粒子線は、可変レンジシフター４でアクリル板を通過して、エネルギーを低下させられる。可変レンジシフター４は、例えば、厚さの異なる複数枚のアクリル板で構成して、これらのアクリル板の組合せを変えたり、くさび形のアクリル板で構成して荷電粒子線が通過する位置を変更したりすることで、荷電粒子線が通過するアクリル板の厚さを変更できるようになっており、これにより粒子線のエネルギーをどの程度低下させるかを調整できる。

一方、可変レンジシフター４での散乱により、荷電粒子線のビーム径が増加する。固定ビームスリット７は、可変レンジシフター４での散乱による荷電粒子線の発散角の増加を制限するものである。発散角が大きな荷電粒子は固定ビームスリット７により除去されるので、固定ビームスリット７よりビーム進行方向下流の機器の放射化が防止される。

また、ビーム進行方向と直交する方向への被照射体５に対する照射は、可変レンジシフター４の厚さと４極電磁石６の励磁量を一定に保って、スキャニング電磁石８により荷電粒子線の進路を変更して行う。ビーム進行方向と直交する方向への照射が一旦完了すると、照射制御装置１１により可変レンジシフター４の厚さと４極電磁石の励磁を変更後、再度、スキャニング電磁石８による照射を行う。この操作を繰り返して、ビーム進行方向とそれと直交する方向への被照射体５に対する照射を行う。

ビーム線量モニター９は、被照射体５における荷電粒子線の照射位置を変更するタイミングを決めるために用い、ビーム位置モニター１０は、荷電粒子線を正しい位置に移動させるためにスキャニング電磁石８とともに用いる。これらの動作については従来の技術と同様である。

次に、４極電磁石による荷電粒子線のビーム径の増加の低減について説明する。
前述のように可変レンジシフター４を通過するときに荷電粒子線のビーム径が増加する。被照射体５を通過するときにも同様にビーム径の増加があるが、可変レンジシフター４と被照射体５が無い場合のビーム径をσ_０、可変レンジシフター４によるビーム径の増加をσ_ＲＳ、被照射体によるビーム径の増加をσ_τとすると、被照射体５におけるビーム径σは次の式で与えられる。

したがって、可変レンジシフター４のアクリル板の厚さや被照射体５における荷電粒子線の飛程が大きくなると、可変レンジシフター４よりビーム進行方向上流の機器で調整可能なσ_０のσへの相対的な寄与は小さくなるため、可変レンジシフター４より上流の機器を用いては被照射体５におけるビーム径を小さくすることはできなくなる。

可変レンジシフター４と被照射体５との間に荷電粒子線を収束させる機器が無い場合、被照射体５におけるビーム径は、可変レンジシフター４から被照射体５までの距離と可変レンジシフター４での散乱による発散角との積に比例して増加するので、σの増加を低減するためには、可変レンジシフター４を被照射体５に近づけることが避けられず、治療装置に適用した場合には、可変レンジシフター４の移動音により患者が威圧感を感じる等の問題となる。

そこで、可変レンジシフター４と被照射体５の間に配置した４極電磁石６を用いて、可変レンジシフター４での散乱による荷電粒子線の発散を収束させることによりσ_ＲＳを小さくする。この例では４連の４極電磁石を用いているが、これ以外の例えば３連などの４極電磁石を用いても良い。
なお、４極電磁石６の励磁量は、粒子加速器から供給される荷電粒子線のエネルギーと可変レンジシフター４の厚さにより決まる値に照射制御装置１１を用いて設定する。

この方法を用いれば、被照射体５でのビーム径を従来の方法より小さい値にすることができ、被照射体５への空間的に精密な照射ができる。また、可変レンジシフター４を被照射体５から離れた場所に配置できるので、治療装置における患者への威圧感の問題が無く、可変レンジシフター４を高速駆動して荷電粒子線のエネルギーを高速で変化させることが可能となる。

また、可変レンジシフター４の散乱の影響を小さく抑える事ができるので、可変レンジシフター４の最大厚を従来の方法より大きくして、レンジシフターによる荷電粒子線のエネルギー変更範囲を従来の方法より広げることができ、荷電粒子線を供給する粒子加速器の出射エネルギーの変更回数を減らすことが可能となる。

また、図２のように、ブラッグピークを広げるためリッジフィルター１２を追加して、可変レンジシフター４による拡大ブラッグピーク（ＳＯＢＰ：Ｓｐｒｅａｄ Ｏｕｔ Ｂｒａｇｇ Ｐｅａｋ）の形成を効率的に行えるようにすることがある。
本発明によれば、可変レンジシフター４と被照射体５の間に配置した４極電磁石６を用いて、可変レンジシフター４での散乱による荷電粒子線の発散を収束させることにより、図２のように、リッジフィルター１２をスキャニング電磁石８のビーム進行方向上流に配置することができる。
リッジフィルター１２をスキャニング電磁石８のビーム進行方向上流に配置することで、荷電粒子線がリッジフィルターの決まった領域を通過するようにできるので、リッジ構造によるブラッグピークの一様性低下を避けることができる。

また、可変レンジシフター４と被照射体５の間に配置した４極電磁石６を用いて、可変レンジシフター４での散乱による荷電粒子線の発散を収束させることにより、可変レンジシフター４による荷電粒子線のビーム径の増加を低減できるため、リッジフィルター１２での散乱による荷電粒子線のビーム径の増加に対する許容値が従来の装置より大きくなり、リッジフィルター１２のリッジの高さを選択する範囲が広がる。

実施の形態２．
可変レンジシフター４にアクリル板が挿入されていないときは、可変レンジシフター４での発散がなくなるが、このように可変レンジシフター４での発散角の変化が大きいとビーム径の制御が複雑になる。
この実施の形態２の粒子線照射装置及び粒子線治療装置は、図３に示すように、可変レンジシフター４のビーム進行方向上流に、例えばタングステンや鉛の薄膜からなる薄いビーム散乱体１３を設けて、可変レンジシフター４にアクリル板が挿入されていない場合にも、４極電磁石６に入射する荷電粒子線の発散角が大きくなるようにして、可変レンジシフター４のアクリル板の厚さの変化による発散角の変化の割合が相対的に小さくなるようにしたものである。
ビーム散乱体１３を設けたことにより、４極電磁石の励磁量が可変レンジシフター４の厚さに依存して大きく変化することが無くなり、照射制御を容易にすることができる。

実施の形態３．
実施の形態１では、荷電粒子線のエネルギーを低下させるために、ビーム進行方向上流の被照射体５から離れた位置に設けた可変レンジシフター４のみを用いる場合について述べたが、図４に示すように、被照射体５の近傍に固定レンジシフター１４を設けて、被照射体５に入射する荷電粒子線のエネルギーを４極電磁石６のビーム進行方向下流においても低下させるようにすることもできる。
荷電粒子線のエネルギーを、被照射体５の表面近傍で停止するような値まで可変レンジシフター４で低下させた場合、可変レンジシフター４を通過した荷電粒子線の運動量幅が非常に大きくなるため、色収差の影響で４極電磁石６のビーム収束力が弱まり、被照射体５における荷電粒子線のビーム径を小さくすることができない。

そこで、４極電磁石６のビーム進行方向上流の可変レンジシフター４では荷電粒子のエネルギー低下の変動幅の調整を行うものの、その調整の幅は色収差の影響で４極電磁石６のビーム収束力が弱まる影響が出ない範囲とする一方で、４極電磁石６のビーム進行方向下流の固定レンジシフター１４で、さらに荷電粒子のエネルギーを所定の値まで低下させる。なお、一回の照射単位の間では荷電粒子のエネルギー低下の変動幅の調整は可変レンジシフター４で行うので、固定レンジシフター１４は照射中には厚さを変化させる必要はない。異なる照射単位において、荷電粒子のエネルギー低下の幅が大きく異なるような場合に、固定レンジシフター１４の厚さの変更が必要になる。

この４極電磁石６のビーム進行方向上流の可変レンジシフター４に加えて、４極電磁石６のビーム進行方向下流の被照射体５の近傍に固定レンジシフター１４を配置する構成により、４極電磁石６に入射する荷電粒子線の運動量幅を制限して、色収差の問題を回避することで、被照射体５の内部から表面近傍まで小さなビーム径の荷電粒子線を照射することができる。

実施の形態４．
実施の形態３のように、４極電磁石６のビーム進行方向下流に固定レンジシフター１４を設ける代わりに、荷電粒子線のエミッタンスを小さくするビームスリットを設けて４極電磁石６の色収差による荷電粒子線のビーム径の増加の問題を解決することもできる。
図５は、この実施の形態４の粒子線照射装置及び粒子線治療装置の構成を示す図であって、図１の構成に対して、開口径が可変の可変ビームスリット１５を４極電磁石６のビーム進行方向上流に追加して、可変レンジシフター４での散乱による荷電粒子線の発散角の増加を制御するようにしたものである。可変ビームスリット１５の開口径は、可変レンジシフター４の厚さに依存して、照射制御装置１１により制御する。

荷電粒子線のエネルギーを、被照射体５の表面近傍で停止するような値まで可変レンジシフター４で低下させる場合に、可変ビームスリット１５により荷電粒子線のエミッタンスを小さくして、４極電磁石６の色収差による荷電粒子線のビーム径の増加を相殺させる。可変ビームスリット１５を用いることにより、実施の形態３に示した固定レンジシフター１４が不要になるので、治療装置における患者への威圧感をさらに小さくすることができる。

なお、可変ビームスリット１５により、被照射体５に到達する荷電粒子数は減少するが、荷電粒子線の一部が可変ビームスリット１５により除去されるのは、要求される照射粒子数が少ない被照射体５の表面付近を照射する場合であるので、荷電粒子数の減少は問題にならない。

この発明の実施の形態１の放射線照射装置及び粒子線治療装置を示す機器配置図である。 この発明の実施の形態１の放射線照射装置及び粒子線治療装置を示す機器配置図である。 この発明の実施の形態２の放射線照射装置及び粒子線治療装置を示す機器配置図である。 この発明の実施の形態３の放射線照射装置及び粒子線治療装置を示す機器配置図である。 この発明の実施の形態４の放射線照射装置及び粒子線治療装置を示す機器配置図である。

符号の説明

１ 粒子加速器
２ ビーム輸送系
３ 放射線照射装置
４ 可変レンジシフター
５ 被照射体
６ ４極電磁石
７ 固定ビームスリット
８ スキャニング電磁石
９ ビーム線量モニター
１０ ビーム位置モニター
１１ 照射制御装置
１２ リッジフィルター
１３ ビーム散乱体
１４ 固定レンジシフター
１５ 可変ビームスリット

Claims (5)

1. 荷電粒子線のエネルギーを低下させる可変レンジシフターと、
   前記可変レンジシフターで低下した前記荷電粒子線のエネルギーに応じて励磁量が制御されて、前記可変レンジシフターでの散乱による前記荷電粒子線の発散を収束させる４極電磁石と、
   前記荷電粒子線のビーム軌道を変化させるスキャニング電磁石とを備えた粒子線照射装置。
2. 前記スキャニング電磁石は、前記４極電磁石の励磁量を一定に保った状態で、前記荷電粒子線のビーム軌道を変化させることを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射装置。
3. 前記可変レンジシフターと前記４極電磁石の間に、前記荷電粒子線の発散角の増加を制限する固定開口径の固定ビームスリットを配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の粒子線照射装置。
4. 前記可変レンジシフターは、厚さの異なる複数枚のアクリル板で構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の粒子線照射装置。
5. 荷電粒子線を発生させる粒子加速器と、前記荷電粒子線を照射室まで輸送するビーム輸送系と、請求項１から４のいずれかに記載の粒子線照射装置を備えた粒子線治療装置。

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