JP2010117257A - Energy distribution formation device and particle beam irradiation system equipped with the device - Google Patents

Energy distribution formation device and particle beam irradiation system equipped with the device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an energy distribution formation device which can accurately form an extended Bragg curve with a broad SOBP (spread out Bragg peak) width, can be easily manufactured and makes it possible to curb manufacturing costs in a particle beam irradiation system. <P>SOLUTION: Rods 1 as first energy absorbers and columns 3 as second energy absorbers are laid out on a virtual plane 25a of a ridge filter 25. The rods 1 have stairways whose thickness varies stepwise in the X direction and are laid out in parallel with each other at prescribed intervals X0 in the X direction. The columns 3 are laid out discretely and periodically in the X and Y directions, respectively. The columns 3, which are provided in place of the stairways of the rods 1 where the area ratio in a prescribed area of the virtual plane 25a is lower than a prescribed ratio in its design, can form lower energy components than those of a particle beam formed by the stairways of the rods 1 which have the maximum thickness. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、粒子線に所定のエネルギー分布を形成するためのエネルギー分布形成装置及びこれを備えた粒子線照射システムに関する。   The present invention relates to an energy distribution forming apparatus for forming a predetermined energy distribution in a particle beam and a particle beam irradiation system including the same.

粒子線を用いて主に癌を治療する粒子線照射システムにおいて、その粒子線照射手段には、粒子線に所定のエネルギー分布を形成するためのエネルギー分布形成装置であるリッジフィルタが備えられている。従来のリッジフィルタは、一般に、粒子線照射方向に対してほぼ垂直な平面(以下仮想平面と呼ぶ)上に、エネルギー吸収体である複数の棒状体が周期的に配置されたものを言う(図11参照)。なお、エネルギー吸収体とは、粒子線エネルギーを一部吸収して低エネルギー化し、また、一部の粒子を吸収して粒子線強度を低減化するものである。すなわち、リッジフィルタは、複数の棒状体と、棒状体の配置されていない空間とで構成されたものである。   In a particle beam irradiation system that mainly treats cancer using particle beams, the particle beam irradiation means includes a ridge filter that is an energy distribution forming device for forming a predetermined energy distribution in the particle beam. . A conventional ridge filter generally refers to a structure in which a plurality of rod-shaped bodies as energy absorbers are periodically arranged on a plane (hereinafter referred to as a virtual plane) substantially perpendicular to the particle beam irradiation direction (see FIG. 11). In addition, an energy absorber absorbs part of particle beam energy to reduce energy, and absorbs part of particles to reduce particle beam intensity. That is, the ridge filter is composed of a plurality of rod-shaped bodies and a space where the rod-shaped bodies are not arranged.

以下では、粒子線照射方向の中心となる方向をZ方向、このZ方向の長さを「厚さ」とし、また、前記Z方向に直交し、且つ互いに直交する2方向をそれぞれX方向、Y方向とする。従来のリッジフィルタは、Y方向に伸びた長さ数センチから数十センチの複数本の棒状体が、X方向に所定の間隔を置いて互いに平行に配置されたもので構成されている。また、各棒状体は、その厚さがX方向に段階的に変化する階段形状になるように設計されているため、粒子線がリッジフィルタを透過する位置のX座標によって透過後の粒子線の運動エネルギーは異なるものとなる。   In the following, the direction that becomes the center of the particle beam irradiation direction is the Z direction, the length in the Z direction is “thickness”, and the two directions orthogonal to the Z direction and orthogonal to each other are the X direction and Y direction, respectively. The direction. A conventional ridge filter is composed of a plurality of rod-shaped bodies extending in the Y direction and having a length of several centimeters to several tens of centimeters arranged in parallel with each other at a predetermined interval in the X direction. In addition, each rod-like body is designed to have a staircase shape whose thickness changes stepwise in the X direction. Therefore, the particle beam after transmission is determined by the X coordinate of the position where the particle beam passes through the ridge filter. Kinetic energy will be different.

先行例として、特許文献1に、リッジフィルタを構成する複数の棒状体の各々について、その厚さがX方向に段階的に変化し、Y方向には各段がそのまま連続している例が示されている。このようなリッジフィルタによれば、複数の棒状体の配置、階段状棒状体の各段の厚さとそのX方向の幅によりリッジフィルタ透過後の粒子線のエネルギー分布を調整し、被照射部に対して所定の線量分布を形成することができる。また、特許文献2では、各棒状体は、その厚さがX方向には一定でY方向に階段状に変化し、Y方向に所定の長さを有する階段状棒状体である。リッジフィルタは、この階段状棒状体を複数、Y方向に一列に繰り返して配置するとともに、この複数の階段状棒状体からなる列をX方向に所定の間隔で周期的に配置して構成されている。
特許第3689610号 特開2000−202048号公報
As a prior example, Patent Document 1 shows an example in which the thickness of each of a plurality of rod-shaped bodies constituting a ridge filter changes stepwise in the X direction, and each step continues in the Y direction. Has been. According to such a ridge filter, the energy distribution of the particle beam after passing through the ridge filter is adjusted by the arrangement of a plurality of rod-like bodies, the thickness of each step of the step-like rod-like body and the width in the X direction, and On the other hand, a predetermined dose distribution can be formed. Further, in Patent Document 2, each rod-like body is a step-like rod-like body having a constant thickness in the X direction and a stepwise change in the Y direction, and having a predetermined length in the Y direction. The ridge filter is configured by repeatedly arranging a plurality of stepped bar-like bodies in a line in the Y direction, and periodically arranging rows of the plurality of stepped bar-like bodies at a predetermined interval in the X direction. Yes.
Japanese Patent No. 3689610 JP 2000-202048 A

粒子線は、所定幅のエミッタンスを有しているので、リッジフィルタを透過後、粒子線の持つ進行方向の角度分布によって、棒状体を透過しなかった粒子線、及び棒状体の異なる厚さを有する部分を透過してきた粒子線が相互に十分に混ざり合い、被照射部に到達する。また、この混合効果により、被照射部位置の粒子線において所定のエネルギー分布が形成される。このエネルギー分布を有する粒子線の照射により、被照射部の3次元領域にわたり所定の均一な線量分布が形成される。この被照射部内のZ方向における線量分布は、拡大ブラッグカーブ(Spread・Out・Bragg・Peak:SOBP)と呼ばれる。   Since the particle beam has an emittance with a predetermined width, the particle beam that did not pass through the rod-like body and the different thickness of the rod-like body after passing through the ridge filter, due to the angular distribution in the traveling direction of the particle beam. The particle beams that have permeated through the part are sufficiently mixed with each other and reach the irradiated part. Further, due to this mixing effect, a predetermined energy distribution is formed in the particle beam at the irradiated portion position. By irradiation with the particle beam having this energy distribution, a predetermined uniform dose distribution is formed over the three-dimensional region of the irradiated portion. The dose distribution in the Z direction in the irradiated part is called an enlarged Bragg curve (Spread / Out / Bragg / Peak: SOBP).

ここで、拡大ブラッグカーブについて図12を用いて説明する。図において、横軸は照射部位の深さ、縦軸は粒子線の照射による照射部位の吸収線量を示す。図中、100で示す曲線は拡大ブラッグカーブ、101はエネルギー吸収体を通る前の、またはリッジフィルタの棒状体の配置されていない部分を透過してきた粒子線によるブラッグカーブであり、照射部位の吸収線量の深さ依存性を示している。また、102、103は、エネルギー吸収体を構成する棒状体の異なる厚さの階段部分をそれぞれ透過してきた粒子線によるブラッグカーブである。   Here, the enlarged Bragg curve will be described with reference to FIG. In the figure, the horizontal axis represents the depth of the irradiated site, and the vertical axis represents the absorbed dose at the irradiated site due to the irradiation of the particle beam. In the figure, a curve indicated by 100 is an enlarged Bragg curve, and 101 is a Bragg curve by a particle beam before passing through the energy absorber or through a portion where the rod-shaped body of the ridge filter is not disposed, and absorption at the irradiated site. Depth dependence of dose is shown. Reference numerals 102 and 103 denote Bragg curves formed by particle beams that have passed through stepped portions having different thicknesses of the rod-shaped body constituting the energy absorber.

図12では、棒状体の異なる厚さの階段部分をそれぞれ透過し、低エネルギー側にシフトした粒子線による多数のブラッグカーブ(図中A)が示されている。棒状体のうち、より厚さの大きい部分を粒子線が透過すると、透過後の粒子線によるブラッグカーブのピーク(ブラッグピークと呼ぶ)の位置はより浅い側にシフトする。すなわち、図12において、最も深い位置にブラッグピークを有するブラッグカーブ102は、棒状体の最小厚さの階段部分を透過したときの粒子線によるブラッグカーブ、2番目に深い位置にブラッグピークを有するブラッグカーブ103は、棒状体の2番目に厚さの小さい階段部分を透過したときの粒子線によるブラッグカーブである。   FIG. 12 shows a large number of Bragg curves (A in the figure) by particle beams that pass through the stepped portions of different thicknesses of the rod-like body and are shifted to the low energy side. When the particle beam passes through a thicker portion of the rod-like body, the position of the Bragg curve peak (referred to as the Bragg peak) by the particle beam after transmission is shifted to a shallower side. That is, in FIG. 12, a Bragg curve 102 having a Bragg peak at the deepest position is a Bragg curve caused by a particle beam when passing through a stepped portion having the minimum thickness of the rod-shaped body, and a Bragg curve having a Bragg peak at the second deepest position. A curve 103 is a Bragg curve by a particle beam when passing through a step portion having the second smallest thickness of the rod-shaped body.

次に、各ブラッグピークの高さについて説明する。ブラッグカーブ101のピーク高さに対して、棒状体を透過してきた粒子線によるブラッグカーブのピークの高さは小さいものになる。これは、粒子線の照射領域内で、棒状体の所定の透過厚に対応した階段部分の面積比率が、透過厚が0の部分すなわち棒状体が配置されていない部分の面積比率に比べて著しく小さいことに起因する。   Next, the height of each Bragg peak will be described. With respect to the peak height of the Bragg curve 101, the peak height of the Bragg curve due to the particle beam that has passed through the rod-shaped body is small. This is because the area ratio of the staircase portion corresponding to the predetermined permeation thickness of the rod-shaped body in the irradiation region of the particle beam is significantly larger than the area ratio of the portion where the transmission thickness is 0, that is, the portion where the rod-shaped body is not disposed. Due to the smallness.

拡大ブラッグカーブ100は、棒状体の異なる厚さの階段部分をそれぞれ透過してきた粒子線及び棒状体が配置されていない部分を透過してきた粒子線によるそれぞれのブラッグカーブを重ね合わせることにより実現する。図示するSOBP幅は、患部のZ方向の広がりに対応して決められる。このSOBP幅の存在により、患部の深さによらず、患部に対して均一に粒子線を照射することが可能となる。   The enlarged Bragg curve 100 is realized by superimposing the particle beams transmitted through the stepped portions having different thicknesses of the rod-shaped body and the Bragg curves formed by the particle beams transmitted through the portion where the rod-shaped body is not disposed. The illustrated SOBP width is determined in accordance with the extent of the affected area in the Z direction. Due to the presence of this SOBP width, it becomes possible to uniformly irradiate the affected part with the particle beam regardless of the depth of the affected part.

拡大ブラッグカーブ100のように平坦なピーク部位を実現するためには、基本的には浅い位置にそのピークを有するブラッグピークの高さは低く、深い位置にそのピークを有するブラッグピークの高さは高くして重ね合わせると良い。これはブラッグカーブがピーク位置よりも浅い位置に一定の高さを有する裾野部を有し、これが重ね合わせの際に重畳されることに起因する。ただし、微調整のための例外はある。図12では、ブラッグカーブ102のピーク高さが、これより浅い位置にピークを有するブラッグカーブ103のピーク高さよりも小さくなっており、これは上記例外に該当する。ブラッグピークの高さをより低くするためには、そのブラッグピークに対応する厚さの棒状体部分の面積比率をより小さくすればよい。   In order to realize a flat peak portion like the enlarged Bragg curve 100, the height of the Bragg peak having the peak at a shallow position is basically low, and the height of the Bragg peak having the peak at a deep position is It is better to stack it up. This is because the Bragg curve has a skirt portion having a certain height at a position shallower than the peak position, and this is superposed at the time of superposition. There are exceptions for fine-tuning. In FIG. 12, the peak height of the Bragg curve 102 is smaller than the peak height of the Bragg curve 103 having a peak at a shallower position, which corresponds to the above exception. In order to lower the height of the Bragg peak, the area ratio of the rod-shaped body portion having a thickness corresponding to the Bragg peak may be made smaller.

このように、リッジフィルタは、SOBP幅が患部の厚さと等しくなるように各階段部分の厚さとそのX方向幅、及び各棒状体の間隔等が設定され、これにより各厚さに対応する部分の面積比率が決定される。一般に、患部(腫瘍)の厚さは12cm以下のものが多いが、それ以上のものもある。通常、腫瘍の厚さが大きくなると患部の最深部の深さは大きくなり、必要なSOBP幅が大きくなるため、リッジフィルタの最大厚さも大きくなる。また、上記の通り、平坦なSOBP分布を形成するためには、各棒状体の厚さが大きい部分ほどX方向の幅を小さくして面積比率を小さくする必要がある。   As described above, the ridge filter is set such that the thickness of each step portion and the width in the X direction, the interval between the rod-like bodies, and the like are set so that the SOBP width is equal to the thickness of the affected part. The area ratio is determined. In general, the thickness of the affected part (tumor) is often 12 cm or less, but there are also more than that. Usually, when the thickness of the tumor increases, the deepest depth of the affected area increases and the required SOBP width increases, so that the maximum thickness of the ridge filter also increases. Further, as described above, in order to form a flat SOBP distribution, it is necessary to reduce the width in the X direction and reduce the area ratio as the thickness of each rod-shaped body increases.

棒状体をアルミニウム製にした従来のリッジフィルタでは、例えばSOBP幅を15cmと設定した場合、リッジフィルタの最大厚さは約7cm、その厚さを有する階段部分のX方向幅は数10μm〜0.1mmとなり、これを実現するためには非常に高い加工精度が要求される。同様に、特許文献1に記載の従来のリッジフィルタを製作する際には、SOBP幅が大きくなるに従ってより高い精度の加工が必要となる。ここで、加工精度が低い場合には、拡大ブラッグカーブのSOBP幅が設計値通りにならない、またはSOBP幅内の線量の均一性が劣化するという問題が発生する。一方、高い精度で加工する場合は、加工装置、加工工程等の点で製作コストが高くなるという問題がある。また、引用文献2に記載のエネルギー分布形成装置においては、複雑な構造体を2次元平面内に大量に配置する必要があるため、リッジフィルタの製作コストが高くなる。   In the conventional ridge filter in which the rod-shaped body is made of aluminum, for example, when the SOBP width is set to 15 cm, the maximum thickness of the ridge filter is about 7 cm, and the width in the X direction of the staircase portion having the thickness is several tens of μm to 0.00 mm. In order to realize this, extremely high machining accuracy is required. Similarly, when the conventional ridge filter described in Patent Document 1 is manufactured, processing with higher accuracy is required as the SOBP width increases. Here, when the processing accuracy is low, there arises a problem that the SOBP width of the enlarged Bragg curve does not match the design value, or the uniformity of the dose within the SOBP width deteriorates. On the other hand, when processing with high accuracy, there is a problem that the manufacturing cost is high in terms of processing equipment, processing steps, and the like. Further, in the energy distribution forming apparatus described in the cited document 2, since it is necessary to arrange a large number of complicated structures in a two-dimensional plane, the manufacturing cost of the ridge filter increases.

本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、粒子線照射システムにおいて、SOBP幅の大きな拡大ブラッグカーブを精度良く形成でき、且つ製作が容易で製作コストを抑えることが可能なエネルギー分布形成装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and in a particle beam irradiation system, an enlarged Bragg curve having a large SOBP width can be formed with high accuracy, and can be easily manufactured to reduce the manufacturing cost. An object is to provide a possible energy distribution forming device.

また、上記エネルギー分布形成装置を備えた高精度な粒子線照射システムを提供することを目的とする。   Moreover, it aims at providing the highly accurate particle beam irradiation system provided with the said energy distribution formation apparatus.

本発明に係るエネルギー分布形成装置は、粒子線照射方向をZ方向、Z方向に直交し、且つ互いに直交する二方向をそれぞれX方向、Y方向とし、Z方向の長さを厚さとするとき、Z方向に垂直な平面に沿って配置された第一エネルギー吸収体と第二エネルギー吸収体とを備え、第一エネルギー吸収体は、その厚さがX方向に段階的に変化する階段部分を有するとともに、各階段部分の厚さ一定の領域である平坦部が、その厚さを保持したままY方向に伸びた複数の棒状体からなり、複数の棒状体はX方向に所定の間隔X0で互いに平行に配置され、第二エネルギー吸収体は、第一エネルギー吸収体の最大厚さAを有する階段部分による粒子線のエネルギー吸収量よりも大きいエネルギー吸収量となる所定の厚さBを有する複数の構造体からなり、複数の構造体はX方向及びY方向それぞれにおいて離散的かつ周期的に配置され、且つZ方向において第一エネルギー吸収体と重ならない配置となっているものである。   In the energy distribution forming apparatus according to the present invention, when the particle beam irradiation direction is perpendicular to the Z direction, the Z direction, and the two directions perpendicular to each other are the X direction and the Y direction, respectively, and the length in the Z direction is the thickness, A first energy absorber and a second energy absorber are disposed along a plane perpendicular to the Z direction, and the first energy absorber has a step portion whose thickness changes stepwise in the X direction. In addition, the flat portion, which is a constant thickness region of each staircase portion, is composed of a plurality of rod-shaped bodies extending in the Y direction while maintaining the thickness, and the plurality of rod-shaped bodies are mutually connected at a predetermined interval X0 in the X direction. The second energy absorber is arranged in parallel, and the second energy absorber has a plurality of thicknesses B having a predetermined thickness B that is larger than the energy absorption amount of the particle beam by the step portion having the maximum thickness A of the first energy absorber. From the structure Thus, the plurality of structures are arranged discretely and periodically in the X direction and the Y direction, respectively, and do not overlap the first energy absorber in the Z direction.

また、本発明に係る粒子線照射システムは、粒子線発生手段と、粒子線発生手段から発生した粒子線を加速する粒子線加速手段と、この粒子線加速手段により加速された粒子線を所定の位置に導く粒子線輸送手段と、所定の位置に設置されたエネルギー分布形成装置を含む粒子線照射手段とを備えたものである。   The particle beam irradiation system according to the present invention includes a particle beam generating unit, a particle beam accelerating unit that accelerates a particle beam generated from the particle beam generating unit, and a particle beam accelerated by the particle beam accelerating unit. The apparatus includes a particle beam transport unit that leads to a position, and a particle beam irradiation unit that includes an energy distribution forming device installed at a predetermined position.

本発明に係るエネルギー分布形成装置によれば、SOBP幅の大きな拡大ブラッグカーブを精度良く形成することができ、製作が容易で製作コストを抑えることが可能である。   According to the energy distribution forming apparatus of the present invention, an enlarged Bragg curve having a large SOBP width can be formed with high accuracy, and manufacturing is easy and manufacturing cost can be reduced.

実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1について図面に基づいて説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る粒子線照射システムの粒子線照射手段を示す部分についての粒子線照射の中心軸方向を含む平面での断面図である。また、図2は、本発明の実施の形態1に係る粒子線照射システムに用いられるエネルギー分布形成装置を示す斜視図及び部分拡大断面図である。なお、図中、同一部分または相当部分には同一符号を付している。
Embodiment 1 FIG.
Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view on a plane including the central axis direction of particle beam irradiation for a portion showing particle beam irradiation means of the particle beam irradiation system according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a perspective view and a partially enlarged sectional view showing an energy distribution forming apparatus used in the particle beam irradiation system according to Embodiment 1 of the present invention. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.

本実施の形態1に係る粒子線照射システムは、イオン源等の粒子線発生手段(図示せず)と、粒子線発生手段から発生した粒子線を加速する粒子線加速器等の粒子線加速手段(図示せず)と、この粒子線加速手段により加速された粒子線を所定の位置に導く粒子線輸送手段(図示せず)と、前記所定の位置に設置され、エネルギー分布形成装置であるリッジフィルタを含む粒子線照射手段とを備えたものである。   The particle beam irradiation system according to the first embodiment includes a particle beam generating means (not shown) such as an ion source, and a particle beam accelerating means such as a particle beam accelerator for accelerating the particle beam generated from the particle beam generating means ( A particle beam transporting means (not shown) for guiding the particle beam accelerated by the particle beam accelerating means to a predetermined position, and a ridge filter which is installed at the predetermined position and is an energy distribution forming device And a particle beam irradiation means.

本実施の形態1における粒子線照射システムの粒子線照射手段について、図1を用いて説明する。図1において、20は粒子線照射手段であり、21は粒子線輸送手段により導かれ粒子線照射手段20に入射した粒子線ビームである。また、40は粒子線照射システムにより治療を受ける患者であり、治療の際には治療台(図示せず)に固定されている。41は、粒子線照射手段20によって調整された粒子線ビーム21が照射される被照射部である患者40の患部(腫瘍部)、42の矢印は、患部41がZ方向に最も広がった部分の厚さ、すなわち患部の最大厚さを示している。   The particle beam irradiation means of the particle beam irradiation system in the first embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 1, reference numeral 20 denotes a particle beam irradiation unit, and reference numeral 21 denotes a particle beam beam guided by the particle beam transport unit and incident on the particle beam irradiation unit 20. Reference numeral 40 denotes a patient who receives treatment by the particle beam irradiation system, and is fixed to a treatment table (not shown) at the time of treatment. Reference numeral 41 denotes an affected part (tumor part) of a patient 40 which is an irradiated part to which the particle beam 21 adjusted by the particle beam irradiation means 20 is irradiated, and an arrow 42 indicates a part where the affected part 41 is most spread in the Z direction. It shows the thickness, that is, the maximum thickness of the affected area.

以下、粒子線照射手段20の構成要素について、粒子線ビーム21の通過する順に説明する。22は、通常2台の偏向電磁石で構成され、それぞれの偏向方向が互いに直交するように配置されたワブラ電磁石である。ワブラ電磁石22は、これら2台の偏向電磁石により入射した粒子線ビーム21の偏向角度を制御し、粒子線ビーム21を所定軌道で走査させるものである。23は、ワブラ電磁石22の下流側に配置され、さらに下流側の所定距離をおいた平面上で粒子線ビーム21を散乱させる散乱体である。これらのワブラ電磁石22と散乱体23を含む照射野形成手段は、粒子線ビーム21の照射野をXY方向に拡大させるものである。24は、散乱体23の下流側に配置され、粒子線ビーム21の線量を測定し、線量管理を行う線量モニタである。ただし、線量モニタ24の設置場所は特にこの位置に限定されるものではない。   Hereinafter, the components of the particle beam irradiation means 20 will be described in the order in which the particle beam 21 passes. Reference numeral 22 denotes a wobbler electromagnet which is normally composed of two deflection electromagnets and is arranged so that the respective deflection directions are orthogonal to each other. The wobbler electromagnet 22 controls the deflection angle of the particle beam 21 incident by these two deflecting electromagnets, and scans the particle beam 21 in a predetermined orbit. Reference numeral 23 denotes a scatterer that is disposed on the downstream side of the wobbler electromagnet 22 and that scatters the particle beam 21 on a plane with a predetermined distance further downstream. The irradiation field forming means including these wobbler electromagnet 22 and scatterer 23 expands the irradiation field of the particle beam 21 in the XY direction. A dose monitor 24 is disposed downstream of the scatterer 23 and measures the dose of the particle beam 21 to perform dose management. However, the installation location of the dose monitor 24 is not particularly limited to this position.

また、25は、ワブラ電磁石22及び散乱体23の下流側に配置され、粒子線ビーム21のエネルギーを一部吸収して低エネルギー化するエネルギー吸収体を備えたリッジフィルタである。リッジフィルタ25は、ワブラ電磁石22と散乱体23によりその照射野がXY方向に拡大された粒子線ビーム21のZ方向のエネルギー幅を大きくし、リッジフィルタ25を透過後の粒子線ビーム21によるブラッグカーブを、そのピーク部で所定のSOBP幅を有する拡大ブラッグカーブとするものである。図1に示すリッジフィルタ25において、1は第一エネルギー吸収体である棒状体、3は第二エネルギー吸収体である構造体、5は棒状体1及び構造体3が固定されたベース板である。なお、図1では、リッジフィルタ25の構成を分かりやすくするために、粒子線21のビーム幅に対して棒状体1及び構造体3の大きさを実際より大きく描いてある。   Reference numeral 25 denotes a ridge filter that is disposed on the downstream side of the wobbler electromagnet 22 and the scatterer 23 and includes an energy absorber that partially absorbs the energy of the particle beam 21 and reduces the energy. The ridge filter 25 increases the energy width in the Z direction of the particle beam 21 whose irradiation field is expanded in the XY directions by the wobbler electromagnet 22 and the scatterer 23, and the Bragg by the particle beam 21 after passing through the ridge filter 25. The curve is an enlarged Bragg curve having a predetermined SOBP width at the peak portion. In the ridge filter 25 shown in FIG. 1, 1 is a rod-shaped body that is a first energy absorber, 3 is a structure that is a second energy absorber, and 5 is a base plate to which the rod-shaped body 1 and the structure 3 are fixed. . In FIG. 1, in order to make the configuration of the ridge filter 25 easy to understand, the size of the rod-like body 1 and the structure 3 is drawn larger than the actual size with respect to the beam width of the particle beam 21.

26は、リッジフィルタ25の下流側に配置され、断面形状が略三角形をした二枚の板からなるエネルギー吸収体を備えたレンジシフタである。レンジシフタ26の二枚の板は、両者のZ方向の合計厚が位置によらず一定となるように配置されている。また、両者の合計厚は、Z方向に直交する面内で相対的に、互いに反対方向に平行移動させることにより可変となっている。レンジシフタ26は、粒子線ビーム21の最大ビームエネルギーを調節するものである。   A range shifter 26 includes an energy absorber that is arranged on the downstream side of the ridge filter 25 and includes two plates having a substantially triangular cross-sectional shape. The two plates of the range shifter 26 are arranged such that the total thickness in the Z direction is constant regardless of the position. In addition, the total thickness of the two can be varied by translating relatively in opposite directions relative to each other in a plane orthogonal to the Z direction. The range shifter 26 adjusts the maximum beam energy of the particle beam 21.

また、27は、レンジシフタ26の下流側に配置され、粒子線ビーム21の照射野を所定形状に絞るコリメータである。コリメータ27は、通常、コリメータリーフと呼ばれる金属板を複数枚組み合わせて構成され、その中央部に粒子線ビーム21が通過するリーフ開口部を有している。28は、コリメータ27の下流側に配置され、リッジフィルタ25と同様のエネルギー吸収体で構成されたエネルギーコンペンセータである。エネルギーコンペンセータ28は、照射方向に対応してその厚さを二次元的に変化させることにより、粒子線ビーム21の停止位置を調整するものである。   Reference numeral 27 denotes a collimator that is arranged on the downstream side of the range shifter 26 and narrows the irradiation field of the particle beam 21 into a predetermined shape. The collimator 27 is usually configured by combining a plurality of metal plates called collimator leaves, and has a leaf opening through which the particle beam 21 passes at the center. Reference numeral 28 denotes an energy compensator that is arranged on the downstream side of the collimator 27 and is composed of an energy absorber similar to the ridge filter 25. The energy compensator 28 adjusts the stop position of the particle beam 21 by changing its thickness two-dimensionally corresponding to the irradiation direction.

次に、本実施の形態1に係る粒子線照射手段20の動作について説明する。粒子線照射手段20に入射した粒子線ビーム21は、ワブラ電磁石22により所定軌道、例えば円軌道を描くように走査され、患者40の患部41において例えばドーナツ状の照射野を形成する。さらに、散乱体23を通過することによってビームサイズが拡大され、患部41における照射野は例えばドーナツ状から、その範囲内で粒子線強度が平坦な円形になる。ワブラ電磁石22及び散乱体23の半径及び厚さ等は、患部41に応じて適宜選択される。   Next, the operation of the particle beam irradiation unit 20 according to the first embodiment will be described. The particle beam 21 incident on the particle beam irradiation means 20 is scanned by a wobbler electromagnet 22 so as to draw a predetermined trajectory, for example, a circular trajectory, and forms, for example, a donut-shaped irradiation field in the affected area 41 of the patient 40. Furthermore, the beam size is expanded by passing through the scatterer 23, and the irradiation field in the affected area 41 is, for example, from a donut shape to a circular shape having a flat particle beam intensity within that range. The radius, thickness, and the like of the wobbler electromagnet 22 and the scatterer 23 are appropriately selected according to the affected part 41.

散乱体23を通過した時点では、粒子線ビーム21はそのエネルギー幅が小さいため、患部41内での粒子線停止位置(照射深さ)の広がりも小さく、例えば数mm程度の範囲内に集中している。この状態ではZ方向にそれ以上の広がりを有する患部41に対しては照射できない領域が生じる。そこで、散乱体23を通過後の粒子線ビーム21は、リッジフィルタ25を透過することにより、患部41内での粒子線停止位置がZ方向に広げられ、そのSOBP幅が患部の最大厚さ42と等しくなるように調整される。この調整の際には、レンジシフタ26、コリメータ27及びエネルギーコンペンセータ28を透過することによるエネルギー損失も考慮される。   Since the particle beam 21 has a small energy width at the time of passing through the scatterer 23, the spread of the particle beam stop position (irradiation depth) in the affected area 41 is also small, for example, concentrated within a range of about several mm. ing. In this state, there is a region that cannot be irradiated to the affected part 41 having a further spread in the Z direction. Therefore, the particle beam 21 after passing through the scatterer 23 is transmitted through the ridge filter 25, so that the particle beam stop position in the affected area 41 is expanded in the Z direction, and the SOBP width is the maximum thickness 42 of the affected area. Is adjusted to be equal to In this adjustment, energy loss due to transmission through the range shifter 26, the collimator 27, and the energy compensator 28 is also taken into consideration.

次に、粒子線ビーム21は、レンジシフタ26を透過することにより、患部41の最も深い位置に基づいてその最大ビームエネルギーが調節される。レンジシフタ26を透過後の粒子線ビーム21の照射野は、コリメータ27によって、照射方向からみた患部41の最大領域の形状と同じ形状に整形され、患部41以外の正常領域に粒子線ビーム21が照射されないように調整される。   Next, the particle beam 21 passes through the range shifter 26, so that the maximum beam energy is adjusted based on the deepest position of the affected part 41. The irradiation field of the particle beam 21 after passing through the range shifter 26 is shaped by the collimator 27 into the same shape as that of the maximum area of the affected area 41 when viewed from the irradiation direction, and the normal area other than the affected area 41 is irradiated with the particle beam 21. It is adjusted not to be.

さらに、粒子線ビーム21は、照射方向に応じて厚さが異なるエネルギーコンペンセータ28を透過することにより、Z方向での粒子線停止位置が、各粒子線の発散角に起因する照射方向ごとに患部41の最も深い点を結んで形成される曲面に沿うように調整される。粒子線ビーム21の停止位置すなわち侵入深さを浅くしたい部分は、エネルギーコンペンセータ28の厚さを大きくすればよい。このエネルギーコンペンセータ28により、粒子線ビーム21が患部41を突き抜けて正常組織まで及ぶことを防止している。このようにして調整された粒子線ビーム21は、患者40の体表から入射し、被照射部である患部(腫瘍部)41に照射される。   Further, the particle beam 21 passes through an energy compensator 28 having different thicknesses depending on the irradiation direction, so that the particle beam stop position in the Z direction is affected in each irradiation direction due to the divergence angle of each particle beam. 41 is adjusted along a curved surface formed by connecting the deepest points. The thickness of the energy compensator 28 may be increased at the stop position of the particle beam 21, that is, the portion where the penetration depth is desired to be reduced. The energy compensator 28 prevents the particle beam 21 from penetrating the affected area 41 and reaching the normal tissue. The particle beam 21 adjusted in this way is incident from the body surface of the patient 40 and is irradiated to an affected part (tumor part) 41 which is an irradiated part.

次に、エネルギー分布形成装置であるリッジフィルタ25について、図2を用いて説明する。図2において、25aはZ方向に垂直な仮想平面である。前述のように、リッジフィルタ25は、粒子線ビーム21によるブラッグカーブを、そのピーク部で所定のSOBP幅を有する拡大ブラッグカーブとするための装置であり、SOBP幅は通常、患部の最大厚さ42に設定される。本実施の形態1におけるリッジフィルタ25は、Z方向に垂直な仮想平面25a上に沿って配置された第一エネルギー吸収体と第二エネルギー吸収体を備えたものである。   Next, the ridge filter 25 which is an energy distribution forming device will be described with reference to FIG. In FIG. 2, 25a is a virtual plane perpendicular to the Z direction. As described above, the ridge filter 25 is a device for converting the Bragg curve by the particle beam 21 into an enlarged Bragg curve having a predetermined SOBP width at the peak portion, and the SOBP width is usually the maximum thickness of the affected area. 42. The ridge filter 25 according to the first embodiment includes a first energy absorber and a second energy absorber disposed along a virtual plane 25a perpendicular to the Z direction.

第一エネルギー吸収体は、その厚さがX方向に段階的に変化する階段部分を有するとともに、各階段部分の厚さ一定の領域である平坦部が、その厚さを保持したままY方向に伸びた複数の棒状体1からなる。この第一エネルギー吸収体を構成する複数の棒状体1は、X方向に所定の間隔X0で互いに平行に配置されている。   The first energy absorber has a staircase portion whose thickness changes stepwise in the X direction, and a flat portion, which is a constant thickness region of each staircase portion, maintains the thickness in the Y direction. It consists of a plurality of elongated rods 1. The plurality of rod-like bodies 1 constituting the first energy absorber are arranged in parallel with each other at a predetermined interval X0 in the X direction.

第二エネルギー吸収体は、X方向及びY方向それぞれにおいて離散的かつ周期的に配置された複数の構造体からなる。本実施の形態1では、構造体の形態として、円柱状の柱状体3を用いている。これらの柱状体3と棒状体1は、図2(a)に示すように、同じベース板5に固定されることにより同一平面上に配置され、Z方向において重ならない配置となっている。   The second energy absorber is composed of a plurality of structures arranged discretely and periodically in each of the X direction and the Y direction. In the first embodiment, the columnar body 3 is used as the structure. As shown in FIG. 2A, the columnar body 3 and the rod-shaped body 1 are arranged on the same plane by being fixed to the same base plate 5, and are arranged so as not to overlap in the Z direction.

リッジフィルタ25には、棒状体1の各階段部分、柱状体3、及びこれらが配置されていない部分(以下、これらを「リッジフィルタ25各部」と呼ぶ)がある。棒状体1と柱状体3の構成材料が同じである場合、リッジフィルタ25各部の同一XY平面上の所定エリア内における面積比率は、リッジフィルタ各部の厚さに依存する。通常、この厚さの大きい部分ほど面積比率が小さくなる。   The ridge filter 25 includes each step portion of the rod-like body 1, the columnar body 3, and a portion where these are not disposed (hereinafter, referred to as “each portion of the ridge filter 25”). When the constituent materials of the rod-like body 1 and the columnar body 3 are the same, the area ratio of each part of the ridge filter 25 in a predetermined area on the same XY plane depends on the thickness of each part of the ridge filter. Usually, the area ratio decreases as the thickness increases.

本実施の形態1における柱状体3は、棒状体1の最大厚さAを有する階段部分による粒子線のエネルギー吸収量よりも大きいエネルギー吸収量となる所定の厚さBを有している(厚さA、Bについては図6を参照のこと)。また、この所定の厚さBは、第ニエネルギー吸収体の最小厚さである。これにより、柱状体3は、棒状体1の最大厚さAを有する階段部分により形成される粒子線のエネルギー成分よりも、さらに低いエネルギー成分を形成することができる。   The columnar body 3 in the present first embodiment has a predetermined thickness B that is an energy absorption amount larger than the energy absorption amount of the particle beam by the step portion having the maximum thickness A of the rod-shaped body 1 (thickness). (See FIG. 6 for A and B). The predetermined thickness B is the minimum thickness of the second energy absorber. Thereby, the columnar body 3 can form an energy component lower than the energy component of the particle beam formed by the stepped portion having the maximum thickness A of the rod-shaped body 1.

棒状体1と柱状体3の構成材料が同じである場合、柱状体3の最小厚さBは、棒状体1の最大厚さAよりも大きいものとなる。ただし、柱状体3の構成材料を棒状体1よりも密度の高い材料とすることにより、柱状体3の厚さを小さくすることができる。棒状体1の密度をm1、柱状体3の密度をm2としたとき、柱状体3の最小厚さBは、棒状体1の最大厚さAにm1/m2を乗じて得られる値である最大実効厚よりも大きく設定すればよい。これにより、例えば柱状体3の材料をアルミニウムから銅に変えると、約半分の厚さにすることができる。その結果、柱状体3に入射した粒子線ビーム21が途中で柱状体3の側面から出てしまう確率が小さくなるため、リッジフィルタ25の設計が容易になり、精度の高いリッジフィルタが得られる。   When the constituent materials of the rod-shaped body 1 and the columnar body 3 are the same, the minimum thickness B of the columnar body 3 is larger than the maximum thickness A of the rod-shaped body 1. However, the thickness of the columnar body 3 can be reduced by making the constituent material of the columnar body 3 a material having a higher density than the rod-shaped body 1. When the density of the rod-shaped body 1 is m1 and the density of the columnar body 3 is m2, the minimum thickness B of the columnar body 3 is the maximum value obtained by multiplying the maximum thickness A of the rod-shaped body 1 by m1 / m2. What is necessary is just to set larger than effective thickness. Thus, for example, when the material of the columnar body 3 is changed from aluminum to copper, the thickness can be reduced to about half. As a result, since the probability that the particle beam 21 incident on the columnar body 3 exits from the side surface of the columnar body 3 in the middle is reduced, the ridge filter 25 can be easily designed, and a highly accurate ridge filter can be obtained.

棒状体1と柱状体3の材料としては、アルミニウム(Al)または銅(Cu)等を用いることができるが、材料は特に限定されるものではなく、他の金属あるいは合金を用いてもよい。また、ベース板5には、エネルギー吸収効果の小さい、薄いアルミニウム板またはプラスチック板を用いることができる。   Aluminum (Al), copper (Cu), or the like can be used as the material for the rod-like body 1 and the columnar body 3, but the material is not particularly limited, and other metals or alloys may be used. The base plate 5 can be a thin aluminum plate or plastic plate having a small energy absorption effect.

なお、上述のように、リッジフィルタ25に到達した粒子線21は、既にワブラ電磁石22と散乱体23によってある程度拡大されており、リッジフィルタ25が配置されている仮想平面25a上での粒子線21の照射野サイズに比べて、各棒状体1のX方向の間隔X0は、十分に小さい値(例えば照射野100mmに対してX0は10mm以下)に設定されている。これにより、仮想平面25a上の所定エリア(図示せず)内におけるリッジフィルタ25各部の面積比率は、リッジフィルタ25全体における各部の面積比率とほぼ等しくなる。従って、粒子線21は、リッジフィルタ25全面に配置された、異なる厚さを有する部分をほぼ均等に透過することができる。   As described above, the particle beam 21 that has reached the ridge filter 25 has already been enlarged to some extent by the wobbler magnet 22 and the scatterer 23, and the particle beam 21 on the virtual plane 25a on which the ridge filter 25 is disposed. The X-direction interval X0 of each rod-like body 1 is set to a sufficiently small value (for example, X0 is 10 mm or less for an irradiation field of 100 mm). Thereby, the area ratio of each part of the ridge filter 25 in a predetermined area (not shown) on the virtual plane 25a becomes substantially equal to the area ratio of each part in the entire ridge filter 25. Therefore, the particle beam 21 can transmit substantially uniformly through the portions having different thicknesses disposed on the entire surface of the ridge filter 25.

本実施の形態1における柱状体3は、仮想平面25a上の所定エリア内における面積比率が、所定比率よりも設計上小さくなる棒状体1の階段部分に代えて設けられたものであり、この階段部分により形成される粒子線のエネルギー成分に相当するエネルギー成分を形成する。すなわち、棒状体1において、その幅が小さいために高い加工精度が要求される階段部分を、離散的な構造体である柱状体3に置き換えることで、その加工幅を大きくしたものである。これにより高精度の加工は必要でなくなる。なお、ここでいう所定比率とは、棒状体1の材料強度と棒状体1を製造する際の装置の加工精度によって適宜決定されるものである。   The columnar body 3 according to the first embodiment is provided in place of the staircase portion of the rod-shaped body 1 whose area ratio in a predetermined area on the virtual plane 25a is smaller than the predetermined ratio in design. An energy component corresponding to the energy component of the particle beam formed by the portion is formed. That is, in the rod-like body 1, the processing width is increased by replacing the stepped portion, which requires high machining accuracy because of its small width, with the columnar body 3 that is a discrete structure. This eliminates the need for high-precision processing. The predetermined ratio here is appropriately determined depending on the material strength of the rod-shaped body 1 and the processing accuracy of the apparatus when the rod-shaped body 1 is manufactured.

第二エネルギー吸収体を構成する構造体の一つの形態である柱状体3は、第一エネルギー吸収体である棒状体1のどの階段部分を柱状体3に置き換えるのかによって、1種類又は複数種類の異なる厚さの柱状体で構成される。図2において、31(31a、31b、31c)は第一の厚さを有する柱状体、32(32a、32b、32c)は第二の厚さを有する柱状体、33(33a、33b、33c)は第三の厚さを有する柱状体である。図2に示す例では、柱状体3は、異なる厚さの3種類の柱状体31、32、33を、Y方向にそれぞれ複数本含んでいる。   The columnar body 3 which is one form of the structure constituting the second energy absorber is one or more types depending on which step portion of the rod-shaped body 1 which is the first energy absorber is replaced with the columnar body 3. Consists of columnar bodies of different thickness. In FIG. 2, 31 (31a, 31b, 31c) is a columnar body having a first thickness, 32 (32a, 32b, 32c) is a columnar body having a second thickness, and 33 (33a, 33b, 33c). Is a columnar body having a third thickness. In the example illustrated in FIG. 2, the columnar body 3 includes a plurality of three types of columnar bodies 31, 32, and 33 having different thicknesses in the Y direction.

3種類の柱状体31、32、33は、それぞれの種類ごとに、Y方向に所定の間隔ΔY31、ΔY32、ΔY33で、Y方向に平行な一直線上に配置されている。また、Y方向に周期的に配置された柱状体3a、3b、3cは、X方向において、隣り合う棒状体1の間に配置されている。なお、ΔY31、ΔY32、ΔY33は必ずしも同一値でなくてもよく、その場合はY方向の所定範囲内に配置される3種類の柱状体31、32、33の本数は同一でなくなる。また、3種類の柱状体31、32、33は、必ずしもその全てがY方向と平行な一直線上に配置されていなくてもよく、隣り合う棒状体1の間で、それぞれのX方向の相対位置関係は任意であってよい。このような配置例について、図3(a)(b)に示す。 The three types of columnar bodies 31 , 32 , 33 are arranged on a straight line parallel to the Y direction at predetermined intervals ΔY 31 , ΔY 32 , ΔY 33 in the Y direction for each type. Further, the columnar bodies 3a, 3b, 3c periodically arranged in the Y direction are arranged between the adjacent rod-like bodies 1 in the X direction. Note that ΔY 31 , ΔY 32 , and ΔY 33 do not necessarily have the same value. In this case, the number of the three types of columnar bodies 31, 32, and 33 arranged in a predetermined range in the Y direction is not the same. Further, all of the three types of columnar bodies 31, 32, 33 may not necessarily be arranged on a straight line parallel to the Y direction, and the relative positions in the X direction between the adjacent rod-shaped bodies 1. The relationship may be arbitrary. Such an arrangement example is shown in FIGS.

図3は、粒子線照射方向上流側から見たリッジフィルタ25の第二エネルギー吸収体の一部を含む部分の平面図である。厚さの異なる3種類の柱状体31、32、33は、それぞれの種類ごとに、X方向及びY方向に周期的に配置されている。図3(a)では、3種類の柱状体31、32、33がそれぞれ異なるX方向の位置(X座標)において、Y方向にほぼ同じ間隔ΔY31、ΔY32、ΔY33で配置された例を示している。また、図3(b)では、3種類の柱状体31、32、33がそれぞれ異なるX座標において、Y方向にそれぞれ異なる間隔ΔY31、ΔY32、ΔY33で配置された例を示している。 FIG. 3 is a plan view of a portion including a part of the second energy absorber of the ridge filter 25 as viewed from the upstream side in the particle beam irradiation direction. Three types of columnar bodies 31, 32, and 33 having different thicknesses are periodically arranged in the X direction and the Y direction for each type. In FIG. 3A, an example in which three types of columnar bodies 31 , 32 , and 33 are arranged at substantially the same intervals ΔY 31 , ΔY 32 , and ΔY 33 in the Y direction at different X-direction positions (X coordinates). Show. FIG. 3B shows an example in which three types of columnar bodies 31 , 32 and 33 are arranged at different intervals ΔY 31 , ΔY 32 and ΔY 33 in the Y direction at different X coordinates.

次に、第二エネルギー吸収体のY方向の間隔ΔYの算出方法について図4及び図5を用いて説明する。図4は、第二エネルギー吸収体である柱状体3を透過した粒子線による、照射平面上での線量分布の広がりを模式的に示したものである。ここで示す柱状体A〜Dは、柱状体3の中から、同一厚さのもので隣り合っているものをX、Y方向からそれぞれ2個選択したものである。AとB、CとDはそれぞれY方向に沿って、AとD、BとCはそれぞれX方向に沿って配置されているものとする。また、41aは、患部の照射平面を示している。   Next, the calculation method of the space | interval (DELTA) Y of the Y direction of a 2nd energy absorber is demonstrated using FIG.4 and FIG.5. FIG. 4 schematically shows the spread of the dose distribution on the irradiation plane by the particle beam transmitted through the columnar body 3 as the second energy absorber. The columnar bodies A to D shown here are obtained by selecting two adjacent ones having the same thickness from the columnar bodies 3 in the X and Y directions. Assume that A and B, C and D are arranged along the Y direction, and A and D, and B and C are arranged along the X direction, respectively. Moreover, 41a has shown the irradiation plane of the affected part.

本実施の形態1では、柱状体3の同一厚さを有する部分のY方向の間隔ΔYは、棒状体1のX方向の間隔X0、またはX0より小さい間隔に設定される。なお、図4では、柱状体3のY方向の間隔ΔYはX0と同じ値に設定され、X方向の間隔もX0に設定されている。ここで、棒状体1のX方向の間隔X0は、従来の設計方法により、棒状体1の各階段部分を透過後の粒子線ビーム、及びエネルギー吸収体を透過しないでリッジフィルタ25を通過した粒子線ビームのいずれについても、照射平面41a上で均一な分布が形成されるように決められている。従って、残された検討項目は、柱状体3を透過後、その厚さに対応したエネルギーの粒子線ビームが、照射平面41a上で均一な分布を形成するかどうかということである。以下ではこの点について検討する。   In the first embodiment, the interval ΔY in the Y direction of the portion having the same thickness of the columnar body 3 is set to the interval X0 in the X direction of the rod-shaped body 1 or an interval smaller than X0. In FIG. 4, the interval ΔY in the Y direction of the columnar bodies 3 is set to the same value as X0, and the interval in the X direction is also set to X0. Here, the distance X0 in the X direction of the rod-shaped body 1 is determined by the conventional design method, and the particle beam that has passed through each step portion of the rod-shaped body 1 and the particles that have passed through the ridge filter 25 without passing through the energy absorber. Any of the line beams is determined so that a uniform distribution is formed on the irradiation plane 41a. Therefore, the remaining examination item is whether or not the particle beam of energy corresponding to the thickness of the columnar body 3 forms a uniform distribution on the irradiation plane 41a after passing through the columnar body 3. This will be discussed below.

リッジフィルタ25に入射する粒子線ビームは所定の発散角を有しているため、リッジフィルタ25の位置でX方向に間隔X0で吸収体を配置した場合、これを透過後の粒子線の線量分布の中心点は、照射平面41aではX0よりも大きな値であるX1の間隔で位置することになる。この時の拡大率をαとすると、X1はα×X0となる。このことはY方向についても同様である。よって、各柱状体A〜Dを粒子線の発散角に従って所定の照射平面41aに投影したときのY方向の間隔をY1、各柱状体A〜Dを透過後の照射平面41aにおける粒子線ビームの中心位置を図4に示すa〜dとすると、ΔYをX0と等しくした場合、Y1はX方向と同じX1となり、abcdを結ぶ線は正方形となる。なお、拡大率αは、設計計算もしくは実測により求めることができる。   Since the particle beam incident on the ridge filter 25 has a predetermined divergence angle, when an absorber is arranged at the position of the ridge filter 25 in the X direction at an interval X0, the dose distribution of the particle beam after passing through the absorber. Are located at an interval of X1, which is a value larger than X0 on the irradiation plane 41a. If the enlargement factor at this time is α, X1 is α × X0. The same applies to the Y direction. Therefore, when each columnar body A to D is projected onto the predetermined irradiation plane 41a according to the divergence angle of the particle beam, the interval in the Y direction is Y1, and the particle beam beam on the irradiation plane 41a after passing through each columnar body A to D is Assuming that the center position is a to d shown in FIG. 4, when ΔY is made equal to X0, Y1 becomes X1 which is the same as the X direction, and the line connecting abcd becomes a square. The enlargement ratio α can be obtained by design calculation or actual measurement.

次に、柱状体3を透過した粒子線ビームの柱状体3からの粒子線の散乱による1/e発散角をθ_1/e、柱状体3が配置された平面と照射平面41aとの距離をLとしたとき、柱状体3を透過した粒子線の1/e発散角(θ_1/e)とLの積である散乱半径R1に対するY1(=X1)の比が1.7または1.7より小さい値を有するように、X0が設定される。なお、粒子線の1/e発散角とは、粒子線照射方向を軸とし、これに直交する面上における粒子数の角度分布をガウス分布として粒子数が1/2.718になる角度である。この1/e発散角は、粒子線の挙動をシミュレーションする設計計算、もしくはリッジフィルタ25各部を透過後の各部の厚さに対応した粒子線分布を実測することにより求めることができる。なお、通常、距離Lに対して各エネルギー吸収体の厚さは十分に小さいので、エネルギー吸収体の厚さの違いによる効果は無視することができる。   Next, the 1 / e divergence angle due to scattering of the particle beam from the columnar body 3 of the particle beam transmitted through the columnar body 3 is θ_1 / e, and the distance between the plane on which the columnar body 3 is arranged and the irradiation plane 41a is L. , The ratio of Y1 (= X1) to the scattering radius R1, which is the product of the 1 / e divergence angle (θ_1 / e) of the particle beam transmitted through the columnar body 3 and L, is less than 1.7 or 1.7. X0 is set to have a value. The 1 / e divergence angle of the particle beam is an angle at which the particle number is 1 / 2.718 with the particle beam irradiation direction as an axis and the angular distribution of the number of particles on a plane orthogonal to the direction as a Gaussian distribution. . This 1 / e divergence angle can be obtained by design calculation for simulating the behavior of the particle beam, or by actually measuring the particle beam distribution corresponding to the thickness of each part after passing through each part of the ridge filter 25. Normally, the thickness of each energy absorber is sufficiently small with respect to the distance L, so the effect due to the difference in the thickness of the energy absorber can be ignored.

既に説明した通り、以下の式1が成り立つ。
R1=θ_1/e×L (式1)
照射平面41aにおいて、柱状体A、Bの投影位置a、bの中間点M2における柱状体A、Bを通過した粒子線の寄与、すなわち散乱粒子数の合計T2は、照射平面41aにおける粒子線の散乱半径R1と、照射平面41aにおける配置ピッチX0の投影された長さX1から、式2によって見積もることができる。また、図4では、ΔYはX0と等しいと設定したので、柱状体A、Bの照射平面41aにおける投影間の距離をX1と置くことができる。
T2=2×exp(−(0.5×X1/R1)) (式2)
As already explained, the following formula 1 is established.
R1 = θ_1 / e × L (Formula 1)
In the irradiation plane 41a, the contribution of the particle beam that has passed through the columnar bodies A and B at the midpoint M2 between the projection positions a and b of the columnar bodies A and B, that is, the total number T2 of scattered particles is the sum of the particle beams in the irradiation plane 41a. From the scattering radius R1 and the projected length X1 of the arrangement pitch X0 on the irradiation plane 41a, it can be estimated by Equation 2. In FIG. 4, since ΔY is set equal to X0, the distance between projections on the irradiation plane 41a of the columnar bodies A and B can be set to X1.
T2 = 2 × exp (− (0.5 × X1 / R1) 2 ) (Formula 2)

次に、柱状体A、B、C、Dの投影位置a、b、c、dの中間点M4における散乱粒子数の合計T4を求める。ここではΔYはX0と同じ値に設定しているため、柱状体A、B、C、Dの照射平面41aにおける投影は正方形を成す。従って、各柱状体A、B、C、Dそれぞれの投影位置a、b、c、dから中間点M4までの距離は(0.5×1.414×X1)となり、中間点M4における散乱粒子数の合計T4は、式3によって見積もることができる。
T4=4×exp(−(0.5×1.414×X1/R1)) (式3)
Next, the total number T4 of scattering particles at the intermediate point M4 between the projection positions a, b, c, and d of the columnar bodies A, B, C, and D is obtained. Here, since ΔY is set to the same value as X0, the projections of the columnar bodies A, B, C, and D on the irradiation plane 41a form a square. Therefore, the distances from the projection positions a, b, c, d of the respective columnar bodies A, B, C, D to the intermediate point M4 are (0.5 × 1.414 × X1), and the scattering particles at the intermediate point M4 The total number T4 can be estimated by Equation 3.
T4 = 4 × exp (− (0.5 × 1.414 × X1 / R1) 2 ) (Formula 3)

図5は、上記の式2と式3を、X1/R1の関数としてプロットしたものである。図5において、縦軸は中間点M2とM4における散乱粒子数の合計T2、T4の相対値を示し、横軸はX1/R1を示している。また、縦軸の値が1のとき、それぞれの柱状体A、B、C、Dの投影位置における散乱粒子線数は等しいことを示している。   FIG. 5 is a plot of Equation 2 and Equation 3 above as a function of X1 / R1. In FIG. 5, the vertical axis indicates the relative value of the total number of scattered particles T2 and T4 at the intermediate points M2 and M4, and the horizontal axis indicates X1 / R1. Further, when the value of the vertical axis is 1, it indicates that the numbers of scattered particle beams at the projection positions of the respective columnar bodies A, B, C, and D are equal.

図5に示すように、中間点M2とM4における散乱粒子数の合計T2、T4は、X1/R1とともに変化する。X1/R1=1.665(=2×√ln(2)、以下では約1.7とする)付近では、柱状体A、B、C、Dを通過した粒子線の中間点M4における寄与の合計が、それぞれの柱状体A、B、C、Dの照射平面31aの投影位置における粒子線の寄与と等しくなる。すなわち、照射平面41aにおいて、各柱状体A、B、C、Dからの散乱粒子線の寄与を合成して得られる分布がほぼ平坦になる。厳密には、ガウス分布の広がりの範囲内に含まれるすべての柱状体3からの寄与を合計すると均一度は更に改善される。   As shown in FIG. 5, the total number T2 and T4 of the scattering particles at the intermediate points M2 and M4 change with X1 / R1. In the vicinity of X1 / R1 = 1.665 (= 2 × √ln (2), hereinafter referred to as about 1.7), the contribution of the particle beam that has passed through the columnar bodies A, B, C, and D at the midpoint M4 The total is equal to the contribution of the particle beam at the projection position of the irradiation plane 31a of each columnar body A, B, C, D. That is, on the irradiation plane 41a, the distribution obtained by synthesizing the contributions of the scattered particle beams from the columnar bodies A, B, C, and D becomes substantially flat. Strictly speaking, when the contributions from all the columnar bodies 3 included in the extent of the Gaussian distribution are summed, the uniformity is further improved.

次に、X1が1.7×R1より小さい(X1/R1<1.7)場合については、図5からは縦軸の値が1よりも大きくなり、均一性が劣化するように思われる。しかし、先に述べたとおり、厳密には、ガウス分布の広がりの範囲内に含まれるすべての柱状体3からの寄与を合計する必要がある。X1が1.7×R1より小さくなる場合は、この他の柱状体3からの寄与が大きくなるため均一性は保たれる。   Next, in the case where X1 is smaller than 1.7 × R1 (X1 / R1 <1.7), the value on the vertical axis becomes larger than 1 from FIG. 5, and the uniformity seems to deteriorate. However, as described above, strictly speaking, it is necessary to sum up the contributions from all the columnar bodies 3 included in the range of the spread of the Gaussian distribution. When X1 is smaller than 1.7 × R1, the contribution from the other columnar bodies 3 is increased, so that uniformity is maintained.

同様に、X、Y方向のうち、片方の間隔を1.7×R1と等しくし、他方の間隔をそれよりも小さくしても均一性は保たれることになる。すなわち、柱状体3のX方向、Y方向の間隔をそれぞれX0、ΔYとし、これを照射平面41a上に投影したときの間隔をそれぞれX1、Y1とすれば、X1、Y1それぞれについて1.7×R1と等しいか、またはそれよりも小さく決定することにより、柱状体3を透過した粒子線の照射平面41a上での均一性は担保される。   Similarly, even if one of the X and Y directions has an interval equal to 1.7 × R1, and the other interval is smaller than that, uniformity is maintained. That is, if the intervals in the X and Y directions of the columnar body 3 are X0 and ΔY, respectively, and the intervals when projected onto the irradiation plane 41a are X1 and Y1, respectively, 1.7 × for each of X1 and Y1. By determining it to be equal to or smaller than R1, the uniformity of the particle beam transmitted through the columnar body 3 on the irradiation plane 41a is ensured.

ところで、吸収体の厚さが大きくなるに従ってその吸収体内での散乱の程度は大きくなり、その結果、1/e発散角も大きくなる。今、棒状体1のX方向の間隔X0は、棒状体1の各階段部分を透過した粒子線が、照射平面41a上で隣り合う棒状体1の対応する階段部分を透過した粒子線と十分に重なり合い均一な分布を構成するように選定されているものとした。棒状体1よりも厚さの大きい柱状体3を透過した粒子線の場合は、そのガウス分布の1/e発散角は棒状体1を透過した粒子線の場合の1/e発散角よりも大きくなるので、柱状体3がX0よりも大きな間隔で配列されていても、柱状体3を透過した粒子線の照射平面41a上での均一性は担保されることになる。   By the way, as the thickness of the absorber increases, the degree of scattering in the absorber increases, and as a result, the 1 / e divergence angle also increases. Now, the interval X0 in the X direction of the rod-shaped body 1 is sufficiently different from the particle beam transmitted through each stepped portion of the rod-shaped body 1 through the corresponding stepped portion of the adjacent rod-shaped body 1 on the irradiation plane 41a. It was selected so as to constitute an overlapping and uniform distribution. In the case of a particle beam transmitted through a columnar body 3 having a thickness greater than that of the rod-shaped body 1, the 1 / e divergence angle of the Gaussian distribution is larger than the 1 / e divergence angle in the case of a particle beam transmitted through the rod-shaped body 1. Therefore, even if the columnar bodies 3 are arranged at intervals larger than X0, the uniformity of the particle beam transmitted through the columnar bodies 3 on the irradiation plane 41a is ensured.

従って、柱状体3を間隔X0で配置すれば、X1が約1.7×R1と等しい(X1/R1=1.7)か、それよりも小さくなる(X1/R1<1.7)という条件は担保されているものと考えられる。このことはX、Y方向に共通であり、Y方向については柱状体3の間隔を任意に設定できるので、Y方向の柱状体3の間隔ΔYをX0と等しいか、それよりも小さくすれば照射平面41a上で粒子線の均一性は保たれることになる。   Therefore, if the columnar bodies 3 are arranged at the interval X0, the condition that X1 is equal to about 1.7 × R1 (X1 / R1 = 1.7) or smaller (X1 / R1 <1.7). Are considered secured. This is common to the X and Y directions, and the interval between the columnar bodies 3 can be arbitrarily set in the Y direction. Therefore, if the interval ΔY between the columnar bodies 3 in the Y direction is equal to or smaller than X0, irradiation is performed. The uniformity of the particle beam is maintained on the plane 41a.

以下に、リッジフィルタ25を透過後の粒子線が所定のエネルギー分布となるように、リッジフィルタ25各部の厚さ及び面積比率を決定する際の手順について、ステップ1〜ステップ5に従って説明する。なお、所定のエネルギー分布とは、そのエネルギー分布の粒子線で照射したとき、患部41の最深部から最浅部に至る領域で患部41の吸収線量が均一になるようなエネルギー分布をいう。   Hereinafter, a procedure for determining the thickness and area ratio of each part of the ridge filter 25 so that the particle beam after passing through the ridge filter 25 has a predetermined energy distribution will be described according to Step 1 to Step 5. The predetermined energy distribution refers to an energy distribution in which the absorbed dose of the affected area 41 is uniform in a region from the deepest part to the shallowest part of the affected part 41 when irradiated with the particle beam of the energy distribution.

まず、第1のステップとして、リッジフィルタ25に入射する粒子線のエネルギーと、これに対応するブラッグカーブを決定する。これらは、あらかじめ設計計算、または実測により把握することが可能である。   First, as a first step, the energy of the particle beam incident on the ridge filter 25 and a Bragg curve corresponding to the energy are determined. These can be grasped beforehand by design calculation or actual measurement.

次に、第2のステップとして、リッジフィルタ25透過後の粒子線に対して、必要なSOBP幅を設定する。ここでは、患者40の患部41のZ方向(深さ方向)の広がりを予め計測評価し、最浅部と最深部のそれぞれの深さから必要なSOBP幅、すなわち患部の最大厚さ42を求める(図1参照)。   Next, as a second step, a necessary SOBP width is set for the particle beam that has passed through the ridge filter 25. Here, the spread in the Z direction (depth direction) of the affected area 41 of the patient 40 is measured and evaluated in advance, and the required SOBP width, that is, the maximum thickness 42 of the affected area is obtained from the depths of the shallowest part and the deepest part. (See FIG. 1).

第3のステップでは、必要なSOBP幅を得るための合成用の複数のブラッグカーブg(z)とその割合S(j=1〜m)を決定する。この作業に用いられる複数のブラッグカーブからなるライブラリは、予め記憶装置に記憶されている。このライブラリのブラッグカーブをf(z)(1≦i≦nの整数)とする。ここで、zは患部41の粒子線照射方向に対する深さを表す。このブラッグカーブf(z)は、リッジフィルタ25入射前の粒子線が、共通の面積で厚さtのエネルギー吸収体に入射した時に、この吸収体を透過した粒子線によるブラッグカーブであるとする。これはシミュレーションによる計算、または実測で求めることが可能である。厚さt=Δt×(i−1)とすれば、f(z)は厚さ0の吸収体を透過した粒子線によるブラッグカーブで、iが増えるごとにΔtずつ厚い吸収体を透過した粒子線によるブラッグカーブを表すものとなる。 In the third step, a plurality of composite Bragg curves g j (z) and their ratios S j (j = 1 to m ) for obtaining a necessary SOBP width are determined. A library made up of a plurality of Bragg curves used for this work is stored in advance in a storage device. Let the Bragg curve of this library be f i (z) (an integer satisfying 1 ≦ i ≦ n). Here, z represents the depth of the affected part 41 with respect to the particle beam irradiation direction. This Bragg curve f i (z) is a Bragg curve formed by a particle beam transmitted through the absorber when the particle beam before entering the ridge filter 25 is incident on an energy absorber having a common area and a thickness t i. And This can be determined by simulation or actual measurement. If the thickness t i = Δt × (i−1), f 1 (z) is a Bragg curve by a particle beam that has passed through a zero-thickness absorber, and passes through a thick absorber by Δt as i increases. It represents the Bragg curve by the particle beam.

また、第2のステップで求めたSOBP幅の最浅部、最深部それぞれの深さをDmin、Dmaxとすると、ライブラリ中のブラッグカーブからDmin、Dmaxそれぞれの位置にピークを有するブラッグカーブをそれぞれf(z)(i=min、max)とする。なお、minは通常1に等しいので以下ではmin=1とする。ピーク位置の一致するブラッグカーブが存在しなかった場合はシミュレーション計算で補充するか、近隣番号のブラッグカーブの内挿または外挿により補間する。または、近隣番号のブラッグカーブを用い、ピーク位置を単純にシフトさせて近似してもよい。 Also, assuming that the depths of the shallowest part and the deepest part of the SOBP width obtained in the second step are Dmin and Dmax , Bragg having peaks at positions Dmin and Dmax from the Bragg curve in the library. Let the curves be f i (z) (i = min, max), respectively. Note that min is usually equal to 1, so that min = 1 in the following. If there is no Bragg curve with the matching peak position, it is supplemented by simulation calculation, or interpolation is performed by interpolating or extrapolating the Bragg curve of the neighboring number. Alternatively, approximation may be performed by simply shifting the peak position using a Bragg curve of a neighboring number.

拡大ブラッグカーブF(z)は、Wを荷重係数として以下の式4で表される。
F(z)=W・f(z)+W・f(z)+W・f(z)
+・・・W・f(z)+・・・+Wmax・fmax(z) (式4)
ここで、W(i=1〜max)は、F(z)のSOBP幅に該当するzの範囲内(すなわちDmin≦z≦Dmax)で、F(z)のばらつきが予め設定された値よりも小さくなるように決定される。この作業はコンピュータを利用することにより容易に実施できる。
Spread out Bragg curve F (z) is expressed by equation 4 below W i as a load factor.
F (z) = W 1 · f 1 (z) + W 2 · f 2 (z) + W 3 · f 3 (z)
+ ... W i · f i (z) + ··· + W max · f max (z) (Formula 4)
Here, W i (i = 1 to max) is within a range of z corresponding to the SOBP width of F (z) (that is, D min ≦ z ≦ D max ), and variation of F (z) is preset. It is determined to be smaller than the above value. This operation can be easily performed by using a computer.

なお、F(z)のばらつきが小さくならない場合は、より細かな吸収体厚の差(Δt’<Δt)に対応したブラッグカーブf’(z)(i=1〜n’(>n))を準備し、f(z)に替えてf’(z)を用いて同様の作業を実行する。このf’(z)はf(z)と同様にシミュレーション計算または実測により求めることができるが、近隣のf(z)の内挿または外挿、またはピーク位置の単純シフト近似により求めることもできる。 When the variation in F (z) does not become small, the Bragg curve f ′ i (z) (i = 1 to n ′ (> n) corresponding to a finer absorber thickness difference (Δt ′ <Δt). ) was prepared, and to perform the same operation using instead of f i (z) f 'i (z). This f ′ i (z) can be obtained by simulation calculation or actual measurement in the same manner as f i (z), but is obtained by interpolation or extrapolation of neighboring f i (z) or simple shift approximation of peak positions. You can also

この作業において、拡大ブラッグカーブの合成に使用するブラッグカーブの数は、リッジフィルタ25に配置するエネルギー吸収体の厚さの種類の数に等しくなるので、合成に使用するブラッグカーブの数は小さい方がよい。従って、Wとf(z)のピーク高さの積が、他に比べてその寄与が小さいものはこれを省いて、SOBP範囲内でのF(z)のばらつきを再計算することもある。このようにして最終的に残ったf(z)、t、及びW(iは不連続となることもある)を連続番号で再付番したものをそれぞれg(z)、H、及びS(j=1〜m;m≦n)とする。なお、図12に示した各ブラッグカーブは、S×g(z)に相当するものである。 In this work, the number of Bragg curves used for synthesizing the enlarged Bragg curve is equal to the number of types of thicknesses of the energy absorbers arranged in the ridge filter 25, so that the number of Bragg curves used for synthesis is smaller. Is good. Therefore, the product of the peak heights of W i and f i (z) whose contribution is smaller than others may be omitted, and the variation of F (z) within the SOBP range may be recalculated. is there. In this way, the final remaining f i (z), t i , and W i (i may be discontinuous) are renumbered with sequential numbers, respectively, g j (z), H j, and S j; and (j = 1~m m ≦ n) . Each Bragg curve shown in FIG. 12 is equivalent to S j × g j (z) .

さらに、第4のステップでは、第3のステップで決定されたブラッグカーブ群g(z)、これらそれぞれに対応する吸収体厚さH、及び荷重係数S(j=1〜m;m≦n)から、リッジフィルタ25を構成する吸収体の厚さHと面積比率Sを選択する。このとき、原則として面積比率の大きいものは棒状体1の形で吸収体とし、面積比率の小さいものはX、Y方向共に離散的な柱状体3とする。なお、面積比率の大小の判断基準は、想定する加工装置の加工精度等を考慮してあらかじめ設定しておく。 Further, in the fourth step, the Bragg curve group g j (z) determined in the third step, the absorber thickness H j corresponding to each of them, and the load coefficient S j (j = 1 to m; m ≦ n), the thickness H j of the absorber constituting the ridge filter 25 and the area ratio S j are selected. At this time, as a general rule, those having a large area ratio are absorbers in the form of rod-shaped bodies 1, and those having a small area ratio are discrete columnar bodies 3 in both the X and Y directions. It should be noted that the criteria for determining the size of the area ratio is set in advance in consideration of the machining accuracy of the assumed machining apparatus.

最後に、第5のステップとして、リッジフィルタ25各部の厚さHと面積比率Sを決定した後、その構成を踏まえてリッジフィルタ25を透過後の粒子線の拡大ブラッグカーブを計算し、所定のSOBP幅が実現されているかどうかを確認する。なお、この時のX、Y方向の配置の周期は、予め計算等で把握できている粒子線の広がり角等から決定することができる。SOBP幅に誤差があった場合、与えられた吸収体条件を修正しながら、繰り返し計算により最終条件を決定する。 Finally, as a fifth step, after determining the thickness H j and the area ratio S j of each part of the ridge filter 25, the enlarged Bragg curve of the particle beam after passing through the ridge filter 25 is calculated based on the configuration, It is confirmed whether or not a predetermined SOBP width is realized. Note that the arrangement period in the X and Y directions at this time can be determined from the divergence angle of the particle beam, which can be grasped in advance by calculation or the like. When there is an error in the SOBP width, the final condition is determined by iterative calculation while correcting the given absorber condition.

次に、上記第4のステップにおける具体的な作業について、本実施の形態1におけるリッジフィルタ25を例に挙げて説明する。図6は、本実施の形態1におけるリッジフィルタ25のXZ平面における部分拡大断面図であり、棒状体1は、その厚さがX方向において段階的に変化する7段の階段部分を有している。図において、11は1段目の階段部分、12は2段目の階段部分、・・・、16は6段目の階段部分、17は7段目の階段部分を示している。また、図中、H、X(i=1〜7)は、それぞれi段目の階段部分の厚さと、X方向の幅を示している(図ではi=2、3、7の場合について示している)。さらに、棒状体1と交互に配置された柱状体31、32、33の厚さをそれぞれH31、H32、H33とする(図では柱状体33のみを示している)。 Next, a specific operation in the fourth step will be described using the ridge filter 25 in the first embodiment as an example. FIG. 6 is a partially enlarged cross-sectional view in the XZ plane of the ridge filter 25 according to the first embodiment, and the rod-like body 1 has seven step portions whose thickness changes stepwise in the X direction. Yes. In the figure, 11 is the first step, 12 is the second step,..., 16 is the sixth step, and 17 is the seventh step. In the figure, H i and X i (i = 1 to 7) respectively indicate the thickness of the i-th step and the width in the X direction (in the case of i = 2, 3, and 7). Shows). Further, the thicknesses of the columnar bodies 31 , 32 , and 33 arranged alternately with the rod-shaped body 1 are H 31 , H 32 , and H 33 (only the columnar body 33 is shown in the figure).

本実施の形態1におけるリッジフィルタ25は、厚さゼロの部分と、棒状体1の1〜7段目の階段部分、及び柱状体31、32、33の合計11種類の異なる厚さ部分を有していることから、11本のブラッグカーブに対応して選択されたものである。11本のブラッグカーブのうち、特に荷重係数(面積比率)Sの小さい3本のブラッグカーブに対応する部分を柱状体31、32、33として実現し、その他の7本のブラッグカーブに対応する部分を棒状体1の7段の階段部分11、12・・17として実現している。さらに残り1本のブラッグカーブは、図12に示すようなブラッグカーブ101であり、リッジフィルタ25の厚さゼロの部分に対応するものである。 The ridge filter 25 according to the first embodiment has a total of 11 different thickness portions including a zero-thickness portion, the first to seventh step portions of the rod-like body 1, and the columnar bodies 31, 32, and 33. Therefore, it is selected corresponding to 11 Bragg curves. Of the 11 Bragg curves, the portions corresponding to the three Bragg curves having a particularly small load coefficient (area ratio) Sj are realized as the columnar bodies 31, 32, and 33, and the other seven Bragg curves are supported. The portion is realized as seven steps 11, 12... 17 of the rod-shaped body 1. Further, the remaining one Bragg curve is a Bragg curve 101 as shown in FIG. 12 and corresponds to the zero-thickness portion of the ridge filter 25.

ここで、図2(a)に示すように、粒子線21の照射方向からみて、仮想平面25a上において、周期的に配置されたエネルギー吸収体の一周期分の占める面積はX0×Y0である。この面積(X0×Y0)の中で、棒状体1の厚さHを有するi段目の階段部分の占める面積ΔSは、次の式5で表すことができる(ただしiは1〜6)。
ΔS=(X−Xi+1)×Y0 (式5)
また、厚さHを有する7段目の階段部分17の占める仮想平面25aの面積ΔSは、次の式6で表すことができる。
ΔS=X×Y0 (式6)
さらに、柱状体31、32、33のXY平面での断面形状において、構成物質の詰まった部分の面積をそれぞれΔS31、ΔS32、ΔS33とする。
Here, as shown in FIG. 2A, the area occupied by one period of the energy absorbers periodically arranged on the virtual plane 25a when viewed from the irradiation direction of the particle beam 21 is X0 × Y0. . In this area (X0 × Y0), the area ΔS i occupied by the step portion of the i-th stage having the thickness H i of the rod-like body 1 can be expressed by the following equation (5) (where i is 1 to 6): ).
ΔS i = (X i −X i + 1 ) × Y 0 (Formula 5)
Further, the area ΔS 7 of the virtual plane 25a occupied by the seventh stepped portion 17 having the thickness H 7 can be expressed by the following Expression 6.
ΔS 7 = X 7 × Y0 (Equation 6)
Further, in the cross-sectional shapes of the columnar bodies 31, 32, and 33 on the XY plane, the areas of the portions clogged with the constituent materials are denoted by ΔS 31 , ΔS 32 , and ΔS 33 , respectively.

柱状体31、32、33のY方向の間隔をそれぞれΔY31、ΔY32、ΔY33とすると、上記面積(X0×Y0)の中でY方向に配列された柱状体31の占める全面積はΔS31×(Y0/ΔY31)で示され、同様に、Y方向に配列された柱状体32の占める全面積はΔS32×(Y0/ΔY32)、Y方向に配列された柱状体33の占める全面積はΔS33×(Y0/ΔY33)で示される。なお、以下の説明においてはΔY31、ΔY32、ΔY33はすべて等しいΔYとすると、Y方向に沿って一列に配置できる同じ高さの柱状体の本数Nyは、Ny=Y0÷ΔYで求められる。 Assuming that the intervals in the Y direction of the columnar bodies 31, 32 , 33 are ΔY31 , ΔY32, ΔY33, the total area occupied by the columnar bodies 31 arranged in the Y direction in the area (X0 × Y0) is ΔS. 31 is indicated by × (Y0 / ΔY 31), likewise, the total area occupied by the columnar body 32 arranged in the Y direction ΔS 32 × (Y0 / ΔY 32 ), occupied by columnar body 33 arranged in the Y direction The total area is indicated by ΔS 33 × (Y 0 / ΔY 33 ). In the following description, assuming that ΔY 31, ΔY 32 , and ΔY 33 are all equal ΔY, the number Ny of columnar bodies having the same height that can be arranged in a line along the Y direction is obtained by Ny = Y0 ÷ ΔY. .

図6に示すように、ベース板5の厚みを除いて考えた場合、リッジフィルタ25には厚さがゼロの部分がある。その部分が占める面積をΔSとすると、リッジフィルタ25の仮想平面25a上において、一周期分の占める面積について次の式7が得られる。
X0×Y0= ΔS
+ΔS+ΔS+ΔS
+ΔS+ΔS+ΔS+ΔS
+Ny×(ΔS31+ΔS32+ΔS33) (式7)
As shown in FIG. 6, when considering the thickness of the base plate 5, the ridge filter 25 has a portion where the thickness is zero. Assuming that the area occupied by this portion is ΔS 0 , the following expression 7 is obtained for the area occupied by one period on the virtual plane 25 a of the ridge filter 25.
X0 × Y0 = ΔS 0
+ ΔS 1 + ΔS 2 + ΔS 3
+ ΔS 4 + ΔS 5 + ΔS 6 + ΔS 7
+ Ny × (ΔS 31 + ΔS 32 + ΔS 33 ) (Formula 7)

式7から、リッジフィルタ25の異なる厚さを有する各部の面積比率は、例えば7段目の階段部分17の場合はΔS/(X0×Y0)であり、柱状体31の場合は(Ny×ΔS31)/(X0×Y0)である。また、前述のように、各ブラッグカーブに対応する厚さを有する各部の占める面積ΔSの面積比率は、11本のブラッグカーブそれぞれの荷重係数率Wと等しいことから、リッジフィルタ25の一周期分において各部の占める面積ΔSをそれぞれ決定することができる。 From Equation 7, the area ratio of each portion having a different thickness of the ridge filter 25, for example, in the case of the 7th stage of the stepped portion 17 is ΔS 7 / (X0 × Y0) , in the case of columnar body 31 (Ny × ΔS 31 ) / (X 0 × Y 0). In addition, as described above, the area ratio of the area ΔS i occupied by each part having a thickness corresponding to each Bragg curve is equal to the load coefficient rate W j of each of the 11 Bragg curves. The area ΔS i occupied by each part in the period can be respectively determined.

なお、患部の最大厚さ42の範囲に渡って均一なSOBP分布を得るためには、リッジフィルタ25を透過後のビームエネルギーEが最も大きい部分、すなわちリッジフィルタ25の厚さゼロの部分の面積ΔSに対応するブラッグカーブの荷重係数率Wを最大とする必要があり、その面積比率は通常全体の30%程度となる。また、ビームエネルギーEが小さくなる部分、すなわちリッジフィルタ25において厚さが大きい柱状体31、32、33に対応するブラッグカーブの荷重係数率Wは小さいため、柱状体31、32、33の占める面積比率は小さくなり、全体の数パーセント以下となる。 In order to obtain a uniform SOBP distribution over the range of the maximum thickness 42 of the affected area, the portion having the largest beam energy E j after passing through the ridge filter 25, that is, the portion of the ridge filter 25 where the thickness is zero is shown. It is necessary to maximize the load coefficient rate W j of the Bragg curve corresponding to the area ΔS 0 , and the area ratio is usually about 30% of the whole. Further, since the load coefficient rate W j of the Bragg curve corresponding to the columnar bodies 31, 32, 33 having a large thickness in the portion where the beam energy E j is small, that is, the ridge filter 25 is small, the columnar bodies 31, 32, 33 The occupied area ratio becomes small, and it becomes several percent or less of the whole.

以上のように、第4のステップでは、第3のステップで決定された11本のブラッグカーブのそれぞれに対応する厚さHを有する吸収体として、棒状体1の7段の階段部分11、12・・17と柱状体31〜33を選択し、それぞれの面積比率として、第3のステップにおいて拡大ブラッグカーブを合成した際の荷重係数率Wを用いることにより、リッジフィルタ25各部の設計を行うものである。また、第5のステップにおける確認作業で、SOBP幅に誤差があった場合、各階段部分のX方向の幅Xや柱状体31〜33の直径を微調整することにより、SOBP幅を修正することができる。 As described above, in the fourth step, as the absorbent body having the thickness H j corresponding to each of the eleven Bragg curves determined in the third step, the seven-step staircase portion 11 of the rod-shaped body 1 is provided. 12 and 17 and the columnar bodies 31 to 33 are selected, and the load coefficient ratio W j when the enlarged Bragg curve is synthesized in the third step is used as the respective area ratios, thereby designing each part of the ridge filter 25. Is what you do. Further, in the confirmation work in the fifth step, when there is an error in SOBP width, by finely adjusting the diameter of the X-direction width X i and columnar body 31 to 33 of each step portion, modifies the SOBP width be able to.

以下に、本実施の形態1におけるリッジフィルタ25において、棒状体1の所定の階段部分を複数の柱状体3に置き換えることによる効果について具体的に説明する。棒状体1の階段部分はY方向に連続しているのに対し、複数の柱状体3はY方向に離散的に配置されることを特徴とする。リッジフィルタ25において均一なSOBP分布を得るためには、前述のように、最小厚さ部分の面積ΔSは最大となり、厚さHが大きくなるに従って面積ΔSは次第に小さくなる。このため、リッジフィルタ25の棒状体1の断面形状は、通常、図6に示すような山形になる。 Hereinafter, in the ridge filter 25 according to the first embodiment, an effect obtained by replacing a predetermined stepped portion of the rod-shaped body 1 with a plurality of columnar bodies 3 will be specifically described. While the staircase portion of the rod-shaped body 1 is continuous in the Y direction, the plurality of columnar bodies 3 are discretely arranged in the Y direction. In order to obtain a uniform SOBP distribution in the ridge filter 25, as described above, the area ΔS 0 of the minimum thickness portion is maximized, and the area ΔS j gradually decreases as the thickness H j increases. For this reason, the cross-sectional shape of the rod-shaped body 1 of the ridge filter 25 is usually a mountain shape as shown in FIG.

また、必要なSOBP幅が大きい場合には、必要な段数(厚さの種類の数)が増加し、厚さの大きい部分が占める面積が非常に小さくなる。図11に示す従来のリッジフィルタ50のようにエネルギー吸収体が棒状体1のみで構成されている場合、その階段部分のX方向幅ΔX(ΔX=X−Xj+1)は0.1mm以下となることがあり、高い加工精度が要求されていた。 In addition, when the required SOBP width is large, the number of necessary steps (the number of types of thickness) increases, and the area occupied by the thick portion becomes very small. When the energy absorber is composed only of the rod-like body 1 as in the conventional ridge filter 50 shown in FIG. 11, the X-direction width ΔX j (ΔX j = X j −X j + 1 ) of the staircase portion is 0.1 mm. In some cases, high processing accuracy was required.

そこで、本実施の形態1では、棒状体1のj段目の階段部分の面積ΔSが所定比率より設計上小さくなる場合、または棒状体1の一段として形成した場合にそのX方向幅ΔXが所定値(例えば0.1mm〜1mm)より設計上小さくなる場合に、その階段部分を加工の容易な複数の柱状体3に置き換えるようにしたものである。 Therefore, in the first embodiment, when the area ΔS j of the j-th step portion of the rod-like body 1 is smaller than the predetermined ratio by design, or when the rod-like body 1 is formed as one step, its X-direction width ΔX j Is designed to be smaller than a predetermined value (for example, 0.1 mm to 1 mm), the staircase portion is replaced with a plurality of columnar bodies 3 that can be easily processed.

柱状体3を円柱とした場合、その直径Rの値は、同じ面積を棒状体1の一段の階段部分として形成した場合のX方向幅ΔXに比べ、γ倍大きくなる。γは以下の式8〜12から求められる。
ΔX×Y0=Ny×πR (式8)
柱状体3のY方向の間隔ΔYを、棒状体1のX方向の間隔X0と等しくした場合、Ny=Y0/X0となり、式8は以下の式9のようになる。
If the columnar body 3 has a cylindrical, the value of the diameter R is, compared to the same area in the X-direction width [Delta] X j in the case of forming a stage of the staircase portion of the rod-shaped body 1, gamma fold increase. γ is determined from the following equations 8-12.
ΔX j × Y0 = Ny × πR 2 (Formula 8)
When the interval ΔY in the Y direction of the columnar body 3 is made equal to the interval X0 in the X direction of the rod-like body 1, Ny = Y0 / X0, and Expression 8 is expressed as Expression 9 below.

ΔX×Y0=(Y0/X0)×πR
ΔX=πR/X0 (式9)
R=(X0×ΔX/3.14)1/2 (式10)
γ=R/ΔX
=(X0/3.14/ΔX)1/2 (式11)
ここで、X0=10mm、ΔX=0.1mmと仮定すると、
γ=(10/3.14/0.1)1/2
=5.6 (式12)
ΔX j × Y0 = (Y0 / X0) × πR 2
ΔX j = πR 2 / X0 (Formula 9)
R = (X0 × ΔX j /3.14) 1/2 (Formula 10)
γ = R / ΔX j
= (X0 / 3.14 / ΔX j ) 1/2 (Formula 11)
Here, assuming that X0 = 10 mm and ΔX j = 0.1 mm,
γ = (10 / 3.14 / 0.1) 1/2
= 5.6 (Formula 12)

このように、棒状体1においてX方向幅ΔX=0.1mmの階段部分を柱状体3に置き換えた場合、必要な柱状体3の直径は、ΔXの約5.6倍大きくなる。このため、SOBP幅が大きいリッジフィルタ25を作成する場合、棒状体1のみから構成されるリッジフィルタ50を作成する場合に比べて高い加工精度を要求されることなく、SOBP幅の大きな拡大ブラッグカーブを精度良く形成することができる。 Thus, when the stepped portion of the X-direction width [Delta] X j = 0.1 mm in the rod-shaped body 1 was replaced by a columnar body 3, the diameter of the columnar body 3 necessary, be about 5.6 times larger than [Delta] X j. For this reason, when the ridge filter 25 having a large SOBP width is produced, an enlarged Bragg curve having a large SOBP width is required without requiring high processing accuracy compared to the case of producing a ridge filter 50 composed only of the rod-like body 1. Can be formed with high accuracy.

なお、柱状体3のXY方向における外形寸法は、通常数mm以下となるため、柱状体3に入射した粒子線21は、柱状体3を完全に透過する前にある確率で柱状体3の側面(周面)から外に出てしまう。このため、実際に柱状体3を透過する粒子線21の割合は、柱状体3のXY平面での面積比率で決まる割合より小さくなる。この割合を例えばモンテカルロコード等を用いて予め計算し、その結果をリッジフィルタ25各部の面積比率を決定する際の計算に反映させることが望ましい。   In addition, since the external dimensions in the XY direction of the columnar body 3 are usually several mm or less, the particle beam 21 incident on the columnar body 3 has a certain probability before the columnar body 3 completely transmits the side surface of the columnar body 3. (Outside) will go out. For this reason, the ratio of the particle beam 21 that actually permeates the columnar body 3 is smaller than the ratio determined by the area ratio of the columnar body 3 on the XY plane. It is desirable to calculate this ratio in advance using, for example, a Monte Carlo code or the like, and to reflect the result in the calculation when determining the area ratio of each part of the ridge filter 25.

また、棒状体1のXZ方向における断面形状は、通常、略三角形となるが、必ずしも左右対称でなくてもよく、片側にのみ階段構造を有していてもよい。また、図7(a)に示す棒状体1aのように、一方の斜面が7段の階段部分11〜17を有し、他方の斜面が5段の階段部分11、12、14、16、17を有するように設計してもよい。   In addition, the cross-sectional shape of the rod-like body 1 in the XZ direction is generally a triangle, but it does not necessarily have left-right symmetry and may have a staircase structure only on one side. Moreover, like the rod-shaped body 1a shown to Fig.7 (a), one slope has the seven-step staircase parts 11-17, and the other slope has the five-step staircase parts 11, 12, 14, 16, 17 It may be designed to have

また、柱状体3は、仮想平面25aの所定エリア内における面積比率が所定比率よりも設計上小さくなる棒状体1の階段部分に代えて設けられるが、その階段部分は、最大厚さの階段部分であるとは限らない。例えば、図7(b)に示す棒状体1bのように、下から3段目の階段部分13のX方向幅(ΔX=X−X)が非常に小さく、高い加工精度が要求される場合、この階段部分13を、これと同じエネルギー成分を形成する柱状体3に置き換えることができる。また、本実施の形態1では、柱状体31、32、33のXY平面における断面形状を円形としたが、楕円形、三角形、四角形、長方形等、任意の形状であってよい。 The columnar body 3 is provided in place of the staircase portion of the rod-shaped body 1 whose area ratio in the predetermined area of the virtual plane 25a is smaller than the predetermined ratio in design, and the staircase portion is a staircase portion having the maximum thickness. Not necessarily. For example, as in the rod-shaped body 1b shown in FIG. 7B, the X-direction width (ΔX 3 = X 3 −X 4 ) of the third stepped portion 13 from the bottom is very small, and high machining accuracy is required. In this case, the staircase portion 13 can be replaced with a columnar body 3 that forms the same energy component. In the first embodiment, the cross-sectional shape of the columnar bodies 31, 32, and 33 in the XY plane is circular, but may be any shape such as an ellipse, a triangle, a quadrangle, and a rectangle.

さらに、棒状体1と柱状体3を同一平面上に配置せず、Z方向座標を変えて別々の平面上に配置してもよい。具体的には、2枚のベース板5を用い、棒状体1及び柱状体3をそれぞれ異なるベース板5上に形成する。ベース板5を2枚用いることによる粒子線のエネルギー損失や散乱を小さくするために、枠状ベース板5b(図11参照)を用いてもよい。このように、棒状体1と柱状体3とを異なるベース板5に配置することにより、それぞれを複数種類用意し、組み合わせを変えて用いることができるため、汎用性の高いリッジフィルタ25となる。   Furthermore, the rod-shaped body 1 and the columnar body 3 may be disposed on different planes by changing the Z-direction coordinates without being disposed on the same plane. Specifically, using two base plates 5, the rod-like body 1 and the columnar body 3 are formed on different base plates 5. In order to reduce the energy loss and scattering of the particle beam due to the use of two base plates 5, a frame-shaped base plate 5b (see FIG. 11) may be used. Thus, by arranging the rod-shaped body 1 and the columnar body 3 on different base plates 5, a plurality of types of them can be prepared and used in different combinations, so that the ridge filter 25 with high versatility is obtained.

なお、二つの平面上に分離して配置した場合、リッジフィルタ25各部の面積比率は、厳密にはどちらかの平面上に粒子線21の広がりを考慮して投影したもので考えることになる。しかし、この二平面を非常に大きく離さない限り、面積比率の計算上、同一平面上にある場合と同様の取り扱いをしても大きな問題にはならない。従って、上述のように、粒子線21の広がりが吸収体厚さの面積比率に与える影響は無視してよい。   In the case where the ridge filter 25 is arranged separately on two planes, the area ratio of each part of the ridge filter 25 is strictly considered to be projected on one of the planes in consideration of the spread of the particle beam 21. However, as long as these two planes are not separated greatly, even if they are handled in the same manner as when they are on the same plane, there is no big problem in calculating the area ratio. Therefore, as described above, the influence of the spread of the particle beam 21 on the area ratio of the absorber thickness may be ignored.

以上のように、本実施の形態1によれば、棒状体1のみから構成される従来のリッジフィルタ50(図11)を作成する場合に比べて高い加工精度を要求されることなく、製作が容易で加工時間も短縮され、製作コストを抑えることが可能である。さらに、本実施の形態1によるリッジフィルタ25を含む粒子線照射手段20を備えた粒子線照射システムは、高精度なエネルギー分布を形成することが可能なものとなる。   As described above, according to the first embodiment, the manufacturing can be performed without requiring high processing accuracy compared to the case of forming the conventional ridge filter 50 (FIG. 11) composed only of the rod-like body 1. It is easy and the processing time is shortened, and the manufacturing cost can be reduced. Furthermore, the particle beam irradiation system provided with the particle beam irradiation means 20 including the ridge filter 25 according to the first embodiment can form a highly accurate energy distribution.

実施の形態2.
上記実施の形態1では、リッジフィルタ25の第二エネルギー吸収体を構成する柱状体3が円柱であり、厚さの異なる3種類の柱状体31、32、33が、Y方向に所定の間隔を置いて離散的に配置された例について説明した。本実施の形態2では、第二エネルギー吸収体の他の構成例について図8〜10を用いて説明する。なお、図中、同一部分または相当部分には同一符号を付している。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the columnar body 3 constituting the second energy absorber of the ridge filter 25 is a cylinder, and three types of columnar bodies 31, 32, and 33 having different thicknesses have a predetermined interval in the Y direction. An example in which they are placed discretely has been described. In the second embodiment, another configuration example of the second energy absorber will be described with reference to FIGS. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.

本実施の形態2に係る第二エネルギー吸収体は、異なる厚さの複数種類の構造体を一つの構造体として一体的に形成し、これをX方向及びY方向それぞれにおいて離散的かつ周期的に配置したものである。このような構造体の形態として、図8及び図9では、その厚さがY方向に段階的に変化する階段状構造体を示している。また、図10では、階段状構造体に含まれる他の形態として、その厚さがZ方向に直交するすべての方向に段階的に変化するピラミッド状構造体を示している。   In the second energy absorber according to the second embodiment, a plurality of types of structures having different thicknesses are integrally formed as one structure, which is discretely and periodically in each of the X direction and the Y direction. It is arranged. As a form of such a structure, FIGS. 8 and 9 show a step-like structure whose thickness changes stepwise in the Y direction. FIG. 10 shows a pyramid-like structure whose thickness changes stepwise in all directions orthogonal to the Z direction as another form included in the step-like structure.

図8に示すリッジフィルタ250は、第二エネルギー吸収体の第一の厚さを有する部分31d、第二の厚さを有する部分32d、第三の厚さを有する部分33dが、階段状の構造体3dとして一体的にまとめられている。構造体3dは、棒状体1と同じベース板5上に配置されている。   The ridge filter 250 shown in FIG. 8 includes a second energy absorber 31d having a first thickness, a second thickness 32d, and a third thickness 33d having a stepped structure. The body 3d is integrated together. The structural body 3d is disposed on the same base plate 5 as the rod-shaped body 1.

図9に示すリッジフィルタ251は、第二エネルギー吸収体の第一の厚さを有する部分31e、第二の厚さを有する部分32e、第三の厚さを有する部分33eが、階段状の構造体3eとして一体的にまとめられる。また、Y方向に並べられた複数の構造体3eはその底面部分で互いに接続され、その両端は枠状ベース板5bに支持されている。なお、このような枠状ベース板5bを用いることにより、粒子線の最大エネルギーを大きくすることができ、また、粒子線の散乱を小さくすることができる。   The ridge filter 251 shown in FIG. 9 has a step-like structure in which a portion 31e having a first thickness, a portion 32e having a second thickness, and a portion 33e having a third thickness of the second energy absorber. The body 3e is integrated together. The plurality of structures 3e arranged in the Y direction are connected to each other at the bottom portion, and both ends thereof are supported by the frame-shaped base plate 5b. Note that by using such a frame-shaped base plate 5b, the maximum energy of the particle beam can be increased, and the scattering of the particle beam can be reduced.

また、図10に示すリッジフィルタ252は、第二エネルギー吸収体の第一の厚さを有する部分31f、第二の厚さを有する部分32f、第三の厚さを有する部分33fを入れ子にしたピラミッド状の構造体3fとして一体的にまとめられている。   Further, the ridge filter 252 shown in FIG. 10 includes a portion 31f having the first thickness, a portion 32f having the second thickness, and a portion 33f having the third thickness of the second energy absorber. The pyramid-like structures 3f are integrated together.

図8〜図10に示す例では、いずれの場合も第二エネルギー吸収体である構造体3d、3e、3fの配置数を少なくすることが出来るため、配置の手間が省け、また、その設置に際しての安定性も向上する。さらに、図10に示す構造体3fの場合は特に、構造体の側面から漏れ出てしまう粒子線の割合を減らすことができる。そのため、リッジフィルタの設計が容易になる。また、いずれの例でも、構造体3d、3e、3fを構成する材料を、棒状体1を構成する材料よりも密度の高い材料とすることで、構造体3d、3e、3f全体の高さを小さくすることができる。これにより、上記効果のいずれも、さらに改善される。   In the examples shown in FIGS. 8 to 10, in any case, the number of arrangements of the structures 3d, 3e, and 3f, which are the second energy absorbers, can be reduced. This also improves the stability. Furthermore, especially in the case of the structure 3f shown in FIG. 10, the ratio of the particle beam which leaks from the side surface of the structure can be reduced. This facilitates the design of the ridge filter. In any example, the material constituting the structures 3d, 3e, and 3f is made of a material having a higher density than the material constituting the rod-like body 1, so that the overall height of the structures 3d, 3e, and 3f can be reduced. Can be small. Thereby, all of the above effects are further improved.

以上のように、本実施の形態2によれば、上記実施の形態1と同様の効果に加え、設置安定性が向上し、リッジフィルタの設計及び製作がさらに容易になる。また、上記実施の形態1及び実施の形態2によるエネルギー分布形成装置を採用した本発明に係る粒子線照射システムによれば、深さ方向に対して広がりのある被照射部(患部)に対して、より均一な線量で粒子線照射を行うことができる。   As described above, according to the second embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment, the installation stability is improved, and the design and manufacture of the ridge filter is further facilitated. In addition, according to the particle beam irradiation system according to the present invention that employs the energy distribution forming apparatus according to the first embodiment and the second embodiment, the irradiated portion (affected portion) having a spread in the depth direction is used. The particle beam irradiation can be performed with a more uniform dose.

本発明に係るエネルギー分布形成装置及びこれを用いた粒子線照射システムは、粒子線がん治療装置として利用することができる。   The energy distribution forming device and the particle beam irradiation system using the same according to the present invention can be used as a particle beam cancer treatment device.

本発明の実施の形態1に係る粒子線照射システムの粒子線照射手段を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the particle beam irradiation means of the particle beam irradiation system which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るエネルギー分布形成装置を示す斜視図及び部分拡大断面図である。It is the perspective view and partial expanded sectional view which show the energy distribution formation apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るエネルギー分布形成装置における第二エネルギー吸収体の他の配置例を示す平面図である。It is a top view which shows the other example of arrangement | positioning of the 2nd energy absorber in the energy distribution formation apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るエネルギー分布形成装置の第二エネルギー吸収体を透過した粒子線による照射平面上での線量分布の広がりを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the breadth of dose distribution on the irradiation plane by the particle beam which permeate | transmitted the 2nd energy absorber of the energy distribution formation apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るエネルギー分布形成装置の中間点M2とM4における散乱粒子数合計とX1/R1の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between X1 / R1 and the total number of scattering particles in the intermediate points M2 and M4 of the energy distribution formation apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るエネルギー分布形成装置の部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the energy distribution formation apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るエネルギー分布形成装置の他の構成を示す部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view which shows the other structure of the energy distribution formation apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2に係るエネルギー分布形成装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the energy distribution formation apparatus which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係るエネルギー分布形成装置の他の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the other structure of the energy distribution formation apparatus which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係るエネルギー分布形成装置の他の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the other structure of the energy distribution formation apparatus which concerns on Embodiment 2 of this invention. 従来のエネルギー分布形成装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the conventional energy distribution formation apparatus. 拡大ブラッグカーブの合成について説明する図である。It is a figure explaining composition of an expansion Bragg curve.

符号の説明Explanation of symbols

1、1a、1b 第一エネルギー吸収体(棒状体)、
3、3a、3b、3c 第二エネルギー吸収体(柱状体)、
3d、3e、3f 第二エネルギー吸収体(構造体)、
5 ベース板、5b 枠状ベース板、
20 粒子線照射手段、21 粒子線ビーム、22 ワブラ電磁石、23 散乱体、
24 線量モニタ、25 リッジフィルタ、25a 仮想平面、26 レンジシフタ、
27 コリメータ、28 エネルギーコンペンセータ、
31、31a、31b、31c 第一の厚さを有する柱状体、
31d、31e、31f 第一の厚さを有する部分、
32、32a、32b、32c 第二の厚さを有する柱状体、
32d、32e、32f 第二の厚さを有する部分、
33、33a、33b、33c 第三の厚さを有する柱状体、
33d、33e、33f 第三の厚さを有する部分、
40 患者、41 患部(腫瘍部)、41a 照射平面、42 患部の最大厚さ、
50 従来のリッジフィルタ、
100 拡大ブラッグカーブ、101、102、103 ブラッグカーブ、
250、251、252 リッジフィルタ。
1, 1a, 1b first energy absorber (rod-like body),
3, 3a, 3b, 3c second energy absorber (columnar body),
3d, 3e, 3f second energy absorber (structure),
5 Base plate, 5b Frame-shaped base plate,
20 particle beam irradiation means, 21 particle beam, 22 wobbler electromagnet, 23 scatterer,
24 dose monitor, 25 ridge filter, 25a virtual plane, 26 range shifter,
27 collimator, 28 energy compensator,
31, 31a, 31b, 31c A columnar body having a first thickness,
31d, 31e, 31f portions having a first thickness,
32, 32a, 32b, 32c a columnar body having a second thickness;
32d, 32e, 32f portions having a second thickness,
33, 33a, 33b, 33c a columnar body having a third thickness,
33d, 33e, 33f portions having a third thickness,
40 patients, 41 affected area (tumor area), 41a irradiation plane, 42 maximum thickness of affected area,
50 Conventional ridge filter,
100 Enlarged Bragg curve, 101, 102, 103 Bragg curve,
250, 251, 252 Ridge filter.

Claims (14)

粒子線照射方向をZ方向、前記Z方向に直交し、且つ互いに直交する二方向をそれぞれX方向、Y方向とし、前記Z方向の長さを厚さとするとき、
前記Z方向に垂直な平面に沿って配置された第一エネルギー吸収体と第二エネルギー吸収体とを備え、
前記第一エネルギー吸収体は、その厚さが前記X方向に段階的に変化する階段部分を有するとともに、前記各階段部分の厚さ一定の領域である平坦部が、その厚さを保持したまま前記Y方向に伸びた複数の棒状体からなり、前記複数の棒状体は前記X方向に所定の間隔X0で互いに平行に配置され、
前記第二エネルギー吸収体は、前記第一エネルギー吸収体の最大厚さAを有する前記階段部分による粒子線のエネルギー吸収量よりも大きいエネルギー吸収量となる所定の厚さBを有する複数の構造体からなり、前記複数の構造体は前記X方向及び前記Y方向それぞれにおいて離散的かつ周期的に配置され、且つ前記Z方向において前記第一エネルギー吸収体と重ならない配置となっていることを特徴とするエネルギー分布形成装置。
When the particle beam irradiation direction is the Z direction, the two directions orthogonal to the Z direction and the two directions orthogonal to each other are the X direction and the Y direction, respectively, and the length in the Z direction is the thickness,
A first energy absorber and a second energy absorber disposed along a plane perpendicular to the Z direction,
The first energy absorber has a step portion whose thickness changes stepwise in the X direction, and a flat portion that is a constant thickness region of each step portion maintains the thickness. A plurality of rod-shaped bodies extending in the Y direction, and the plurality of rod-shaped bodies are arranged in parallel to each other at a predetermined interval X0 in the X direction;
The second energy absorber has a plurality of structures having a predetermined thickness B that provides an energy absorption amount larger than the energy absorption amount of the particle beam by the stepped portion having the maximum thickness A of the first energy absorber. The plurality of structures are arranged discretely and periodically in each of the X direction and the Y direction, and are arranged so as not to overlap the first energy absorber in the Z direction. Energy distribution forming device.
前記棒状体と前記構造体は同一平面上に配置され、前記構造体は、前記X方向において、隣り合う前記棒状体の間に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のエネルギー分布形成装置。   2. The energy distribution according to claim 1, wherein the rod-shaped body and the structure are disposed on the same plane, and the structure is disposed between the rod-shaped bodies adjacent to each other in the X direction. Forming equipment. 前記棒状体と前記構造体は異なる平面上に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のエネルギー分布形成装置。   The energy distribution forming apparatus according to claim 1, wherein the rod-like body and the structure are arranged on different planes. 前記構造体は、前記X方向に前記所定の間隔X0で配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のエネルギー分布形成装置。   The energy distribution forming device according to any one of claims 1 to 3, wherein the structures are arranged in the X direction at the predetermined interval X0. 前記棒状体の密度をm1、前記構造体の密度をm2とするとき、前記構造体の所定の厚さBは、前記棒状体の最大厚さAにm1/m2を乗じて得られる値である最大実効厚よりも大きいものであることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のエネルギー分布形成装置。   When the density of the rod-shaped body is m1 and the density of the structure is m2, the predetermined thickness B of the structure is a value obtained by multiplying the maximum thickness A of the rod-shaped body by m1 / m2. The energy distribution forming apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the energy distribution forming apparatus is larger than a maximum effective thickness. 前記所定の厚さBは、前記構造体の最小厚さであることを特徴とする請求項5に記載のエネルギー分布形成装置。   6. The energy distribution forming apparatus according to claim 5, wherein the predetermined thickness B is a minimum thickness of the structure. 前記構造体は、同一厚さの柱状体であることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のエネルギー分布形成装置。   The said structure is a columnar body of the same thickness, The energy distribution formation apparatus of any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. 前記構造体は、異なる厚さの複数種類の柱状体を含み、前記複数種類の柱状体がそれぞれの種類ごとに、前記X方向及び前記Y方向に周期的に配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のエネルギー分布形成装置。   The structure includes a plurality of types of columnar bodies having different thicknesses, and the plurality of types of columnar bodies are periodically arranged in the X direction and the Y direction for each type. The energy distribution formation apparatus of any one of Claims 1-6. 前記構造体は、その厚さが前記Y方向に段階的に変化する階段状構造体であることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のエネルギー分布形成装置。   The energy distribution forming device according to any one of claims 1 to 6, wherein the structure is a step-like structure whose thickness changes stepwise in the Y direction. 前記階段状構造体は、その厚さが前記Z方向に直交するすべての方向に段階的に変化するピラミッド状構造体であることを特徴とする請求項9に記載のエネルギー分布形成装置   The energy distribution forming device according to claim 9, wherein the step-like structure is a pyramid-like structure whose thickness changes stepwise in all directions orthogonal to the Z direction. 前記棒状体と前記構造体を前記Z方向に垂直な同一平面上に粒子線に沿って投影したとき、前記同一平面上の粒子線照射野を含む所定の範囲における投影された前記構造体の同一厚さを有する部分の面積比率は、前記範囲における投影された前記棒状体の各階段部分の面積比率よりも小さいことを特徴とする請求項7〜請求項10のいずれか1項に記載のエネルギー分布形成装置。   When the rod-like body and the structure are projected along a particle beam on the same plane perpendicular to the Z direction, the same structure projected in a predetermined range including the particle beam irradiation field on the same plane 11. The energy according to claim 7, wherein an area ratio of a portion having a thickness is smaller than an area ratio of each stepped portion of the rod-shaped body projected in the range. Distribution forming device. 前記複数の構造体の同一厚さを有する部分は、前記Y方向に前記間隔X0または前記間隔X0より小さい間隔で配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載のエネルギー分布形成装置。   The part having the same thickness of the plurality of structures is arranged in the Y direction at the interval X0 or at an interval smaller than the interval X0. An energy distribution forming device according to claim 1. 前記複数の構造体の同一厚さを有する部分の前記Y方向の間隔は、前記Y方向の間隔を粒子線の発散角に従って所定の照射平面に投影したときの間隔をY1とし、前記構造体が配置された平面と前記照射平面との距離をLとしたとき、前記構造体を透過した粒子線の1/e発散角(粒子数と粒子線照射方向に直交する面上における粒子数の角度分布をガウス分布として粒子数が1/2.718になる角度)とLの積である散乱半径R1に対する前記Y1の比が、1.7または1.7より小さい値を有するように決定されたものであることを特徴とする請求項12に記載のエネルギー分布形成装置。   The interval in the Y direction of the portions having the same thickness of the plurality of structures is Y1 when the interval in the Y direction is projected onto a predetermined irradiation plane according to the divergence angle of the particle beam. When the distance between the arranged plane and the irradiation plane is L, the 1 / e divergence angle of the particle beam transmitted through the structure (the angular distribution of the particle number on the plane orthogonal to the particle number and the particle beam irradiation direction) The ratio of Y1 to the scattering radius R1, which is the product of L and Gaussian distribution and the number of particles is 1 / 2.718) and L, is determined to have a value smaller than 1.7 or 1.7 The energy distribution forming device according to claim 12, wherein: 粒子線発生手段と、前記粒子線発生手段から発生した粒子線を加速する粒子線加速手段と、この粒子線加速手段により加速された粒子線を所定の位置に導く粒子線輸送手段と、前記所定の位置に設置された請求項1〜請求項13のいずれか一項に記載のエネルギー分布形成装置を含む粒子線照射手段とを備えた粒子線照射システム。   Particle beam generating means, particle beam accelerating means for accelerating the particle beam generated from the particle beam generating means, particle beam transport means for guiding the particle beam accelerated by the particle beam accelerating means to a predetermined position, and the predetermined beam The particle beam irradiation system provided with the particle beam irradiation means containing the energy distribution formation apparatus as described in any one of Claims 1-13 installed in the position of.
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