JP2010148833A - 粒子線照射装置及び粒子線照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粒子ビームの径が小さい照射において、線量分布一様度の劣化を防止できる粒子線照射装置及び粒子線照射方法を提供することにある。
【解決手段】粒子線治療装置は、粒子線を標的領域に照射する粒子線照射装置５と、加速器２と、それらをつなぐ輸送系３とからなる。患部位置における患部サイズの高線量領域の形成する際に、患部サイズの高線量領域を複数の小サイズの高線量領域に分割して行う。エネルギー分布拡大装置部１５は、小サイズの高線量領域を形成する際に用いられ、小サイズの高線量領域に対して、さらに分割されたサイズの高量領域を形成する。レンジシフタ１６Ｂは、エネルギー分布拡大装置部１５による照射に際し、粒子線の飛程を変える。レンジシフタ１６Ｂにより飛程を変える毎にビーム照射して、複数回のビーム照射により小サイズの高量領域を形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、粒子線照射装置及び粒子線照射方法に係り、特に、リッジフィルタを用いて線量分布の中で線量の高い領域を形成するのに好適な粒子線照射装置及び粒子線照射方法に関する。

粒子線治療システムは、がん治療の有効な手段の一つであり、今後、盛んに用いられる見込みである。粒子線治療では、患者の患部（標的領域）の線量分布を均一あるいは予め決められた分布に制御することが求められている。

線量分布を均一等に制御する方法として、粒子ビームの進行方向に垂直な面（照射野）に、散乱体を用いて粒子ビームを広げる方法や、粒子ビーム半径の小さいビームを用いて照射野面を走査する方法がある。
粒子ビームの進行方向（深さ方向）の線量分布の形成には、粒子ビームが停止する直前にエネルギーの大部分を放出してブラッグカーブと呼ばれる線量分布を形成する特性と、そのブラッグカーブのピークであるブラッグピークの、深さ方向での位置は体内に入射する粒子ビームのエネルギーの大きさで制御できる特性を利用する。粒子線治療では、粒子ビームのエネルギーを適切に選択し、粒子ビームを患部近傍で停止させてエネルギーの大部分を患部のがん細胞に与えるようにしている。ここで、ブラッグピークの、深さ方向での幅は数mmである。通常、患部は深さ方向にそれ以上の厚みをもっている。このような患部において患部全体の深さ方向に渡って粒子線を効果的に照射するには、深さ方向で患部大に広がり一様度の高い高線量領域（ＳＯＢＰ；Spread Out Bragg Peak）を形成するように、粒子ビームのエネルギーと粒子ビームの照射量を制御する必要がある。

粒子ビームの進行方向（深さ方向）の線量分布の形成には、リッジフィルタやＲＭＷ（Range Modulation Wheel）を用いる方法、あるいは、加速器からのビームエネルギー種を変える方法で、ＳＯＢＰを形成することが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

ここで、非特許文献１記載のＳＯＢＰの形成法では、リッジフィルタやＲＭＷは、粒子ビームの照射で深さ方向にＳＯＢＰを１度に作ることができるが、患部形状が深さ方向に変化する患部では、患部以外に照射することになる。そのため、この方法では、形成するＳＯＢＰ幅の大きさに対応したリッジフィルタやＲＭＷを準備しておく必要があり、多数個を用意しておく必要がある。また、加速器からのビームエネルギーを変える方法では、患部形状に合わせて照射することが可能であるが、この方法では多数のエネルギー種を用意する必要がある。

また、リッジフィルタを用いる別の方法として、患部を積層に分割して照射する方法、すなわち、患部の分割に応じた幅の小さいＳＯＢＰ（患部大のＳＯＢＰと区別するために、以下、これを「線量分布幅の小さいＳＯＢＰ」若しくは「幅の小さいＳＯＢＰ」と称する）を複数個作り、それを合わせて、患部形状に合うＳＯＢＰを形成する方法が知られている（例えば、非特許文献２参照）。

非特許文献２記載の方法は、線量分布幅の小さいＳＯＢＰをつなぎ合わせて、患部大のＳＯＢＰを生成するので、ＳＯＢＰの長さに応じたリッジフィルタを用意する必要がなく、リッジフィルタの個数を低減することができる。また、この照射を行うための線量分布幅の小さいＳＯＢＰの形成には、複数個のブラッグピーク幅を拡大して、また、ピーク強度を調整したエネルギー分布拡大装置（リッジフィルタ等の深さ方向にエネルギーを拡大する装置の総称）を用いる。

W. T. Chu, B. A. Ludewigt and T. R. Renner, Rev. Sci. Instrum. 64, 2055-2122, 1993 B.Schaffner, et al. Med. Phys. 27 (4), 716-724, April 2000

しかしながら、エネルギー分布拡大装置は、粒子ビームの径が小さくなると、線量分布の形成の点から、エネルギー分布拡大装置の各段の幅を小さくする必要がある。すなわち、小さい径の粒子ビームに、エネルギー分布拡大装置を用いる場合、エネルギー分布拡大装置の、各段当たりの厚さや幅を小さくする必要がある。エネルギー分布拡大装置の段数が多いと、各段当たりの厚さや幅が更に小さくなり、加工性が低下する。加工性が悪いと所望の線量分布一様度から一様度が悪くなるという影響が出る。

本発明の目的は、粒子ビームの径が小さい照射において、線量分布一様度の劣化を防止できる粒子線照射装置及び粒子線照射方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、粒子線を標的領域に照射する粒子線照射装置と、加速器と、それらをつなぐ輸送系とからなり、患部位置における患部サイズの高線量領域の形成する際に、患部サイズの高線量領域を複数の小サイズの高線量領域に分割して行う粒子線治療装置であって、前記小サイズの高線量領域を形成する際に用いられ、前記小サイズの高線量領域に対して、さらに分割されたサイズの高線量領域を形成するエネルギー分布拡大手段と、前記エネルギー分布拡大装置による照射に際し、粒子線の飛程を変える飛程変更手段とを備え、前記飛程変更手段により飛程を変える毎にビーム照射して、複数回のビーム照射により前記小サイズの高線量領域を形成するようにしたものである。
かかる構成により、粒子ビームの径が小さい照射において、線量分布一様度の劣化を防止できるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記飛程変更手段は、レンジシフタである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記レンジシフタは、粒子線の異なる飛程に調整する複数個のレンジシフタと、これらのレンジフタを搭載する架台とから構成され、前記架台を移動することで、レンジシフタを交換するものである。

（４）上記（２）において、好ましくは、前記エネルギー分布拡大装置は、その段数とその幅を低減したエネルギー分布拡大装置である。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記エネルギー分布拡大装置は、階段状に構成されたリッジフィルタから構成され、前記リッジフィルタの最下段（最下段は加速したビームのままで何も物質を通過させない）から、その上に、高さHの段を高さがＮ・Ｈ（Ｎは整数）の段を１段以上積み重ねた構成であり、最上段の幅Ｗに対して、その下の段の幅を、順次広がるように構成し、前記飛程変更手段は、前記リッジフィルタの段の高さＨに相当する分の飛程（水等価厚さが同じである飛程）を変えて、複数回のビーム照射により前記小サイズの高線量領域を形成するようにしたものである。

（６）また、上記目的を達成するために、本発明は、加速器によって加速された粒子線を、粒子線照射装置により標的領域に照射し、患部位置における患部サイズの高線量領域の形成する際に、患部サイズの高線量領域を複数の小サイズの高線量領域に分割して行う粒子線治療方法であって、前記小サイズの高線量領域を形成する際に、前記小サイズの等線量領域に対して、さらに分割されたサイズの高線量領域を形成し、該分割されたサイズの高線量領域の照射に際し、粒子線の飛程を変え、粒子線の飛程を変える毎にビーム照射して、複数回のビーム照射により前記小サイズの高線量領域を形成するようにしたものである。
かかる方法により、粒子ビームの径が小さい照射において、線量分布一様度の劣化を防止できるものとなる。

本発明によれば、粒子ビームの径が小さい照射において、線量分布一様度の劣化を防止し得るものとなる。

以下、図１〜図５を用いて、本発明の第１の実施形態による粒子線照射装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による粒子線治療システムの構成について説明する。ここでは、粒子線照射装置として、陽子線治療システムを例にして説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による粒子線治療システムのシステム構成図である。

イオン源で発生したイオン（例えば、陽イオン（または炭素イオン））は、前段加速器（例えば直線加速器）1で加速される。前段加速器１から出射されたイオンビームは、加速器２に入射される。このイオンビームは、加速器２で、高周波加速空胴から印加される高周波電力によってエネルギーを与えられて加速される。

加速器２の内部を周回するイオンビームのエネルギーが設定されたエネルギーまでに高められた後、出射用の高周波印加装置から高周波がイオンビームに印加される。安定限界内で周回しているイオンビームは、高周波印加装置による高周波の印加によって安定限界外に移行し、出射用デフレクタを通って加速器２から出射される。イオンビームの出射の際には、加速器２に設けられた四極電磁石及び偏向電磁石等の電磁石に導かれる電流が設定値に保持され、安定限界もほぼ一定に保持されている。高周波印加装置への高周波電力の印加を停止することによって、加速器２からのイオンビームの出射が停止される。

加速器２から出射されたイオンビームは、ビーム輸送系３を経て陽子線照射装置５に達する。ビーム輸送系３の一部である逆Ｕ字部及び陽子線照射装置５は、回転可能なガントリー４に設置される。イオンビームを照射する対象である患者７は、患者カウチ８の上で陽子線照射装置５の下に位置決めされる。陽子線照射装置５の詳細構成については、図２を用いて後述する。

走査電磁石磁場制御システム１０は、陽子線照射装置５に備えられた走査電磁石に供給する電力を制御して、走査磁場を形成し、イオンビームを走査する。照射制御システム９は、陽子線照射装置５に備えられたリッジフィルタ等をイオンビームへの挿入を制御する。

次に、図２を用いて、本実施形態による粒子線治療システムに用いる粒子線照射装置の構成について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による粒子線治療システムに用いる粒子線照射装置の構成図である。

陽子線照射装置には、加速器側から陽子ビーム１１が入射する。陽子線照射装置は、ビームプロファイル等のモニタ１２と、陽子ビームの走査電磁石１３と、陽子ビーム径を広げる散乱体１４と、エネルギー分布拡大装置部１５と、レンジシフタ１６Ａ，１６Ｂと、線量モニタ１７と、ブロックコリメータ１８と、マルチリーフコリメータ１９と、制御装置２１と、エネルギー分布拡大装置駆動部２２と、レンジシフタ駆動部２４Ａ，２４Ｂとを備えている。符号２０は、患者に陽子ビームを当てる中心になるアイソセンタである。
散乱体１４は、陽子ビーム１１のビーム径を広げるために用いられる。ビーム半径が小さいとビーム利用効率が大きくなるが、ビーム位置精度が厳しくなる。逆に、ビーム半径が大きいとビーム利用効率が小さくなるが、ビーム位置精度は緩和される。ここでは、散乱体１４によって広げられたビーム半径としては、ペンシルビーム径より大きいものを用いる。

陽子ビームの進行方向に垂直な照射野へ照射する方法としては、走査電磁石１３を用いた、陽子ビームのスポット走査あるいはラスター走査、多重のワブラー走査、また、２重散乱体を用いる方法がある。

エネルギー分布拡大装置部１５は、線量分布幅の小さいＳＯＢＰをつなぎ合わせて、患部大のＳＯＢＰを生成するので、線量分布幅の小さいＳＯＢＰを形成するのに必要なリッジフィルタが備えられている。エネルギー分布拡大装置部１５は、幅の異なる小さいＳＯＢＰを形成するための複数のリッジフィルタを備えている。エネルギー分布拡大装置駆動部２２は、制御装置２１からの制御指令に基づいて、陽子ビーム中に挿入するエネルギー分布拡大装置の種類（異なる幅のＳＯＢＰを形成するためのリッジフィルタの種類）を交換する。

本実施形態では、２種類のレンジシフタ１６Ａ，１６Ｂを備えている。

レンジシフタ１６Ａは、線量分布幅の小さいＳＯＢＰを生成するエネルギー分布拡大装置で生成される線量分布幅の小さいＳＯＢＰの体表からの位置をシフトするのに用いられる。線量分布幅の小さいＳＯＢＰのシフト量が、６ｍｍ，１２ｍｍ，１８ｍｍ等である場合には、レンジシフタ１６Ａは、例えば、それぞれに応じた厚さの異なるレンジシフタ板から構成される。ただし、シフト量を６ｍｍ以外にしたい場合もあるため、レンジシフタ板の厚さは、２倍毎に厚さを増やしていくバイナリー方式を用い、例えば、１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍ、１６ｍｍ、３２ｍｍ、…を用いている。例えば、２ｍｍと４ｍｍのレンジシフタ板を用いると、６ｍｍとなり、４ｍｍと８ｍｍのレンジシフタ板を用いると、１２ｍｍとなる。

さらに、本実施形態では、線量分布幅の小さいＳＯＢＰを、さらに線量幅の小さいＳＯＢＰを重ね合わせて生成するようにしているため、この重ね合わせの際のシフト用に用いられる。重ね合わせの際のシフト量は、線量分布幅の小さいＳＯＢＰのシフト量（例えば、６ｍｍ）よりも小さな値であり、例えば、１ｍｍ，２ｍｍ等である。従って、レンジシフタ１６Ｂは、例えば、それぞれに応じた厚さの異なるレンジシフタ板から構成される。ただし、シフト量を１ｍｍ以外にしたい場合もあるため、レンジシフタ板の厚さは、２倍毎に厚さを増やしていくバイナリー方式を用いるようにする。

レンジシフタ駆動部２４Ａ，２４Ｂは、制御装置２１からの制御指令に基づいて、陽子ビーム中に挿入するレンジシフタ板を選択し、陽子ビーム中に挿入する。

次に、図３〜図５を用いて、本実施形態による粒子線照射装置のエネルギー分布拡大装置１５の構成及び動作について説明する。
最初に、図３を用いて、エネルギー分布拡大装置により形成されるＳＯＢＰについて説明する。

図３は、エネルギー分布拡大装置により形成されるＳＯＢＰの説明図である。

患部サイズのＳＯＢＰは、複数の小さいＳＯＢＰから構成される。小さいＳＯＢＰの生成には、エネルギー分布拡大装置１５にビームを照射して行なう。第１の小さいＳＯＢＰを生成した後、レンジシフタ１６Ａにより、体表からの位置をシフトして、第２の小さいＳＯＢＰを生成する。ここで、レンジシフタ１６Ａによるシフト量をＳＦ１とする。なお、図３には、ＳＦ１＝Ｈ２と記載しているが、Ｈ２については、後述する。

次に、図４及び図５を用いて、本実施形態による粒子線照射装置のエネルギー分布拡大装置１５の構成及び動作について説明する。なお、ここでは、従来のエネルギー分布拡大装置との相違がわかりやすいように、従来のエネルギー分布拡大装置の構成と対比して説明する。

図４は、比較例である従来のエネルギー分布拡大装置の構成及び機能説明図である。図５は、本発明の第１の実施形態による粒子線照射装置のエネルギー分布拡大装置の構成及び機能図である。

最初に、図４を用いて、従来のエネルギー分布拡大装置について説明する。

図４（ａ）に示すように、小さいＳＯＢＰを生成する際、例えば、図４（ｂ）に示すような６段のリッジフィルタを用いる。なお、最近用いられているリッジフィルタは、１０数段を有しているが、ここでは、説明の簡単のため、６段として説明する。

図４（ｂ）に示すように、６段のリッジフィルタの場合（最下段も１段と数える）、最下段の幅は最も広く、幅Ｗ２である。また、最上段の幅が最も狭く、幅Ｗ１である。

また、リッジフィルタの各段の高さをＨ１とすると、図示するリッジフィルタの高さＨ２は、５・Ｈ１となっている。

ここで、図４（ｂ）に示すように、ビームは各段のリッジフィルタを通過する際、最下段を通過するビームに対して、最上段を通過するビームは、高さ５・Ｈ１分のフィルタの影響を受ける。したがって、リッジフィルタの段数によって、ビームの飛程が異なる。図４（ａ）において、Ｐ１は、最下段により形成されるブラッグカーブを示している。Ｐ２は、下から２段目により形成されるブラッグカーブを示している。最下段のブラッグカーブのピークと、下から２段目のブラッグカーブのピークの位置は、図４（ａ）に示すように、ずれている。このずれは、リッジフィルタの１段分の高さＨ１による飛程のずれ（水等価厚さでの飛程）である。図４（ｂ）に示した６段のリッジフィルタを用いることで、図４（ａ）に示すように、互いにピーク位置のずれた６個のブラッグカーブＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６が得られる。これらの６個のブラッグカーブを合成すると、図４（ａ）に示す小さいＳＯＢＰを得ることができる。

ここで、図３に示したように、第１の小さいＳＯＢＰを生成した後、レンジシフタ１６Ａにより、体表からの位置をシフトして、第２の小さいＳＯＢＰを生成する際、レンジシフタ１６Ａによるシフト量をＳＦ１は、Ｈ２である。すなわち、図４（ｂ）に示した６段のリッジフィルタの全体の高さＨ２（＝５・Ｈ１）である。Ｈ２は水等価厚に換算した値であり、作成するリッジフィルタの材質により、その高さは異なる。

図４（ｃ）は、図４（ｂ）に示す６段のリッジフィルタを用いて、３回照射した場合に患部に照射される照射線量を示している。１回目の照射を行い、その後同じ状態で２回目の照射をすることで、患部への照射線量は２倍となる。また、その後同じ状態で３回目の照射をすることで、患部への照射線量は３倍となる。このように、複数回の照射を繰り返すリペイント照射により、患部に必要な線量を照射することができる。

次に、図５を用いて、本実施形態によるエネルギー分布拡大装置について説明する。

図５（ａ）に示すように、小さいＳＯＢＰを生成する際、例えば、図５（ｂ）に示すような２段のリッジフィルタを用いる。なお、図５（ａ）に示す小さいＳＯＢＰは、図４（ａ）に示す小さいＳＯＢＰと同じものである。

図５（ｂ）に示すように、２段のリッジフィルタの場合、最下段は、図４（ｂ）の場合と同じ（最下段は加速したビームのままで何も物質を通過させない）である。下から２段目のリッジフィルタの高さＨ３は、３・Ｈ１としている。

また、最下段の幅も最も広く、幅Ｗ２であり、この幅Ｗ２は、図４（ｂ）に示した６段のリッジフィルタの幅Ｗ２と同じである。また、下から２段目の幅Ｗ３は、図４（ｂ）に示す例で言うと、最上段、最上段から２段目、最上段から３段目の照射面の合計と同じ幅としている。２段目の上面から最下段の面までの高さＨ３は３・Ｈ１である。

ここで、図５（ｂ）に示すように、ビームは各段のリッジフィルタを通過する際、最下面を通過するビームに対して、下から２段目を通過するビームは、高さ３・Ｈ１分のフィルタの影響を受ける。したがって、リッジフィルタの段数によって、ビームの飛程が異なる。図５（ａ）において、Ｐ１１は、最下面により形成されるブラッグカーブを示している。Ｐ１２は、下から２段目により形成されるブラッグカーブを示している。最下段のブラッグカーブのピークＰ１１と、下から２段目のブラッグカーブのピークＰ１２の位置は、図５（ａ）に示すように、ずれている。このずれは、リッジフィルタの３段分の高さ３・Ｈ１による飛程のずれ（水等価厚に換算した値）である。

また、図５（ｂ）において、Ｐ２１は、飛程をＨ１分ずらしたときに、最下段により形成されるブラッグカーブを示し、Ｐ２２は、下から２段目により形成されるブラッグカーブを示している。飛程をＨ１ずらすには、図２に示したレンジシフタ１６Ｂを用いる。さらに、また、図５（ｂ）において、Ｐ３１は、飛程をさらにＨ１分ずらしたときに、最下段により形成されるブラッグカーブを示し、Ｐ３２は、下から２段目により形成されるブラッグカーブを示している。Ｐ１１，Ｐ１２のブラッグカーブに対して飛程を２・Ｈ１ずらすには、図２に示したレンジシフタ１６Ｂを用いる。

このように、図５（ｂ）に示した２段のリッジフィルタと、飛程を２種類変えられるレンジシフタを用いることで、図５（ａ）に示すように、互いにピーク位置のずれた６個のブラッグカーブＰ１１，Ｐ２１，Ｐ３１，Ｐ１２，Ｐ２２，Ｐ３２が得られる。これらの６個のブラッグカーブを合成すると、図５（ａ）に示す小さいＳＯＢＰを得ることができ、このとき得られる小さいＳＯＢＰは、図４（ｂ）に示した６段のリッジフィルタによる図４（ａ）に示した小さいＳＯＢＰと同じものとできる。

ここで、図３に示したように、第１の小さいＳＯＢＰを生成した後、レンジシフタ１６Ａにより、体表からの位置をシフトして、第２の小さいＳＯＢＰを生成する際、レンジシフタ１６Ａによるシフト量ＳＦ１は、Ｈ２である。すなわち、図４（ｂ）に示した６段のリッジフィルタの全体の高さＨ２（＝５・Ｈ１）である（水等価厚に換算した値である）。

レンジシフタ１６Ａとレンジシフタ１６Ｂのシフト量についてみると、レンジシフタ１６Ａのシフト量はＨ２（＝５・Ｈ１）であるの対して、レンジシフタ１６Ｂのシフト量は、Ｈ１，２・Ｈ１であり、レンジシフタ１６Ａのシフト量よりも小さくしている。

図５（ｃ）は、図５（ｂ）に示す２段のリッジフィルタを用いて、レンジシフタ１６Ｂにより２回シフトしながら、合計３回照射した場合に患部に照射されるエネルギーを示している。この照射により、図４（ｃ）に示した場合と同様に、患部に必要な照射線量を照射することができる。つまり、一つの照射面を複数回照射するリペイントの場合、1回当たりの照射の電荷量（線量）は従来と同じにでき、照射時間も同じにできる。

これは、照射量が図４の場合と同じ時、図４の例では１回分の照射量が６個に分割されるが、図５に示す本実施形態では２個に分割さるので、ブラッグカーブＰ１１，Ｐ１２の強度が、図４の３倍になっているからである。なお、シフト量を変えるには、レンジシフタ１６Ｂを挿入する代わりに、加速器エネルギーを変えることもできる。

図５に示した本実施形態のリッジフィルタは、最下面の上に、階段状に積層した構成とする。図５の例では、２段である。ただし、実際には階段状の構造は、ブロックからの削りだしによるため、一体的な構造である。ここで、段の高さをＨ１とするとき、その上に積層される段の高さは、Ｎ・Ｈ１とする。Ｎは整数であり、図５の例では、３である。また、本実施形態では、レンジシフタ１６Ｂを併用する。レンジシフタ１６Ｂは、小さいＳＯＢＰをシフトするときに用いるレンジシフタ１６Ａのシフト量５・Ｈ１よりも小さく、段の高さＨ１を用いて、Ｐ・Ｈ１とする。Ｐは正の整数であり、図５の例では、１，２である。

次に、図６を用いて、本実施形態による粒子線照射装置に用いるレンジシフタ１６Ｂの構成について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による粒子線照射装置に用いるレンジシフタの構成を示す平面図である。

架台１６ＢＦは、支持具１６Ｓによって３分割されている。分割された３つの領域のうち２つには、厚さの異なるレンジシフタ１６Ｂ１，１６Ｂ２が設置されている。残りの一つの領域は、レンジシフタは設置されてない素通しのブランク領域ＢＬＫである。例えば、レンジシフタ１６Ｂ１は、厚さＨ１であり、飛程をＨ１だけ変えられるレンジシフタである。レンジシフタ１６Ｂ２は、厚さ２・Ｈ１であり、飛程を２・Ｈ１だけ変えられるレンジシフタである。

ここで、レンジシフタ１６Ｂのブランク領域ＢＬＫを挿入し、図５（ｂ）に示したリッジフィルタにより、図５（ａ）のピークＰ１１，Ｐ１２を形成する。次に、架台１６ＢＦを回転することで、ビーム中にレンジシフタ１６Ｂの厚さＨ１のレンジシフタ１６Ｂ１を挿入し、図５（ｂ）に示したリッジフィルタにより、図５（ａ）のピークＰ２１，Ｐ２２を形成する。次に、ビーム中にレンジシフタ１６Ｂの厚さ２・Ｈ１のレンジシフタ１６Ｂ２を挿入し、図５（ｂ）に示したリッジフィルタにより、図５（ａ）のピークＰ３１，Ｐ３２を形成する。これにより、図５（ａ）に示した小さいＳＯＢＰを形成することができる。

ここで、支持具１６Ｓの幅を小さく押さえることで、交換に要する時間を短縮することができる。レンジシフタ１６Ｂ１，１６Ｂ２を通過するビームは、レンジシフタ内のどこを通過してもよいので、レンジシフタの交換時には、回転の助走をつけて、回転時間を更に短縮することもできる。レンジシフタの交換は、照射するスピルとスピルの間、あるいは、照射しているスピル中に、交換する。レンジシフタの交換は、架台の回転だけではなく、平行移動して交換することもできる。レンジシフタのセットは、複数個用意しておいて、その組み合わせでレンジシフタの厚さを決めるバイナリー方式を適用することもできる。

また、図２に示した例では、２種類のレンジシフタ１６Ａ，１６Ｂを示している。レンジシフタ１６Ａは、６・Ｈ１，１２・Ｈ1，１８・Ｈ1…のシフト量を有し、レンジシフタ１６Ｂは、Ｈ１，２・Ｈ１のシフト量を備える。従って、Ｈ１を基準としてバイナリー方式を用いて、Ｈ１，２・Ｈ１，６・Ｈ１，１２・Ｈ1，１８・Ｈ1…のシフト量を可能とすれば、レンジシフタ１６Ａとレンジシフタ１６Ｂを一体化することができる。

従来、リッジフィルタの段数が増えるほど、各段当たりの厚さや幅が更に小さくなり、加工性が低下する。加工性が悪いと所望の線量分布一様度から一様度が悪くなるという影響が出る。

それに対して、本実施形態では、従来よりも段数を少なくして、レンジシフタの併用により、従来と同等の小さいＳＯＢＰを形成することができる。従って、段数が少なくなった分、加工性が向上するため、所望の線量分布一様度を得ることができる。

次に、図７を用いて、本実施形態による粒子線照射装置におけるＳＯＢＰの形成時の動作について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態による粒子線照射装置におけるＳＯＢＰの形成時の動作を示すフローチャートである。

ステップ５０において、治療計画装置は、標的領域の位置、大きさをＸ線ＣＴ等で測定し、患者の標的領域の位置、大きさを決定する。

次に、ステップ５１において、粒子線照射装置の操作者は、用いるエネルギー分布拡大装置の種類を決定する。これから、小さいＳＯＢＰの幅が決まり、標的領域大のＳＯＢＰを積層に分割する分割数が決まる。次に、使用するエネルギー分布拡大装置の順番、小さいＳＯＢＰ毎に対応して照射する照射線量を決定する。次に、標的領域の体表からの深さ位置に合わせて、用いるビームエネルギー種と使用する順番を決定する。加速器で準備しているビームエネルギー種の中で、体表からのビームの到達位置に適合するものがない場合には、飛程調整用のレンジシフタで調節する。用いるレンジシフタを決定する。各積層の照射野の形状に合わせて、マルチリーフコリメータをセットする順番を決める。使用する各エネルギー分布拡大装置で小さいＳＯＢＰを生成するのに必要なレンジシフタを決定する。なお、以下の説明では、小さいＳＯＢＰを生成する際に照射するビームのエネルギーをレンジシフタで変える場合について説明するが、加速器のエネルギーを変えることでも達成できる。

次に、ステップ５２において、照射制御システム９は、上記の飛程調整用のレンジシフタをセットする。

更に、ステップ５３において、照射制御システム９は、上記で使用する順番を定めたエネルギー分布拡大装置をセットする。

次に、ステップ５４において、照射制御システム９は、上記で使用する順番を定めたビームエネルギー種をセットする。

さらに、ステップ５５において、照射制御システム９は、上記で定めたマルチリーフコリメータをセットする。

この条件で、次に、ステップ５６において、照射制御システム９は、小さいＳＯＢＰを生成するのに必要なレンジシフタをセットし、ステップ５７において、ビームを照射する。

そして、ステップ５８において、照射制御システム９は、小さいＳＯＢＰを生成するまで、ステップ５６からステップ５８を繰り返し、小さいＳＯＢＰを生成するのに必要なレンジシフタを交換してはセットし、これを行なう。

次に、ステップ５９において、照射制御システム９は、線量モニタ等のモニタで、線量を測定して、予め決めた照射線量に達しているかを判断する。達していない場合には、ステップ５6に戻り、満了になるまでリペイント照射を繰り返し行い、その層での線量が満了にする。

照射線量が満了すると、ステップ６０において、照射制御システム９は、エネルギー分布拡大装置を用いて照射位置を変更して小さいＳＯＢＰが形成するかを判断する。照射位置を変更して照射する場合には、ビームエネルギーを変更し、マルチリーフコリメータを変更して照射する、ステップ５４〜ステップ６０を繰り返す。

次に、ステップ６１において、照射制御システム９は、エネルギー分布拡大装置を交換して、次の照射をするかを判断する段階に進む。予め決めたエネルギー分布拡大装置の使用順番に従って、エネルギー分布拡大装置を交換して次の照射をする場合、エネルギー分布拡大装置をセットする。

以下、上記と同様のステップを繰り返す。予め決めたエネルギー分布拡大装置の使用順番に従って、次の照射をする必要がないと判断すると、ビーム照射は終了となる。これで、粒子線照射装置による標的領域大のＳＯＢＰの形成が終了となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、エネルギー分布拡大装置の段数が減り、各段当たりの厚さ、幅を大きくすることができ、加工性が向上する。このように、エネルギー分布拡大装置の段数を多くすることなく、エネルギー分布拡大装置を製作できるので、線量分布を悪化させることなく、所望の線量分布を得ることができる。

次に、図８及び図９を用いて、本発明の第２の実施形態による粒子線照射装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による粒子線治療システムの構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態による粒子線治療システムに用いる粒子線照射装置の構成は、図２に示したものと同様である。

図８は、比較例である従来のエネルギー分布拡大装置の構成及び機能説明図である。図９は、本発明の第１の実施形態による粒子線照射装置のエネルギー分布拡大装置の構成及び機能図である。

最初に、図８を用いて、従来のエネルギー分布拡大装置について説明する。なお、図８（ａ）と、図８（ｂ）は、図４（ａ）と、図４（ｂ）と同じものである。

図８（ｃ）は、図８（ｂ）に示す６段のリッジフィルタを用いて、２回照射した場合に患部に照射されるエネルギーを示している。１回目の照射を行い、その後同じ状態で２回目の照射をすることで、患部へのエネルギー照射量は２倍となる。このように、複数回の照射を繰り返すリペイント照射により、患部に必要なエネルギーを照射することができる。

次に、図９を用いて、本実施形態によるエネルギー分布拡大装置について説明する。

図９（ａ）に示すように、小さいＳＯＢＰを生成する際、例えば、図９（ｂ）に示すような２段のリッジフィルタを用いる。なお、図９（ａ）に示す小さいＳＯＢＰは、図８（ａ）に示す小さいＳＯＢＰと同じものである。

図９（ｂ）に示すように、３段のリッジフィルタの場合、最下段は図８（ｂ）の場合と同じ（最下段は加速したビームのままで何も物質を通過させない）である。下から２段目のリッジフィルタの高さＨ５は、２・Ｈ１としている。また、下から３段目（最上段）のリッジフィルタの高さは、２・Ｈ１としているため、下から２段目と３段目をあわせた高さＨ６は、４・Ｈ１となっている。

また、最下段の幅は最も広く、幅Ｗ２であり、この幅Ｗ２は、図８（ｂ）に示した６段のリッジフィルタの幅Ｗ２と同じである。また、下から３段目の幅Ｗ４は、図８（ｂ）に示す例で言うと、最上段と、最上段から２段目の照射面の合計と同じ幅としている。３段目の上面から最下段の面までの高さＨ７は、図８（ｂ）に示す例で言うと、下から５段目の高さに相当する。

ここで、図９（ｂ）に示すように、ビームは各段のリッジフィルタを通過する際、最下面を通過するビームに対して、下から２段目を通過するビームは、高さ２・Ｈ１分のフィルタの影響を受ける。また、下から３段目を通過するビームは、高さ４・Ｈ１分のフィルタの影響を受ける。したがって、リッジフィルタの段数によって、ビームの飛程が異なる。図９（ａ）において、Ｐ１１は、最下面により形成されるブラッグカーブを示している。Ｐ１２は、下から２段目により形成されるブラッグカーブを示している。Ｐ１３は、下から３段目により形成されるブラッグカーブを示している。最下面のブラッグカーブのピークＰ１１と、下から２段目を通過したブラッグカーブのピークＰ１２の位置は、図９（ａ）に示すように、ずれている。このずれは、リッジフィルタの２段分の高さ２・Ｈ１による飛程のずれである。下から３段目を通過したブラッグカーブのピークＰ１３の位置は、図９（ａ）に示すように、ずれている。このずれは、リッジフィルタの高さ４・Ｈ１による飛程のずれである。

また、図９（ｂ）において、Ｐ２１は、飛程をＨ１分ずらしたときに、最下段面により形成されるブラッグカーブを示し、Ｐ２２は、下から２段目により形成されるブラッグカーブを示し、Ｐ２３は、下から３段目により形成されるブラッグカーブを示している。飛程をＨ１ずらすには、図２に示したレンジシフタ１６Ｂを用いる。

このように、図９（ｂ）に示した３段のリッジフィルタと、飛程を１種類変えられるレンジシフタを用いることで、図９（ａ）に示すように、互いにピーク位置のずれた６個のブラッグカーブＰ１１，Ｐ２１，Ｐ１２，Ｐ２２，Ｐ１３，Ｐ２３が得られる。これらの６個のブラッグカーブを合成すると、図９（ａ）に示す小さいＳＯＢＰを得ることができ、このとき得られる小さいＳＯＢＰは、図８（ｂ）に示した６段のリッジフィルタによる図８（ａ）に示した小さいＳＯＢＰと同じものとできる。

ここで、図３に示したように、第１の小さいＳＯＢＰを生成した後、レンジシフタ１６Ａにより、体表からの位置をシフトして、第２の小さいＳＯＢＰを生成する際、レンジシフタ１６Ａによるシフト量ＳＦ１は、Ｈ２である。すなわち、図８（ｂ）に示した６段のリッジフィルタの全体の高さＨ２である。

レンジシフタ１６Ａとレンジシフタ１６Ｂのシフト量に着いてみると、レンジシフタ１６Ａのシフト量はＨ２（＝５・Ｈ１）であるの対して、レンジシフタ１６Ｂのシフト量は、Ｈ１であり、レンジシフタ１６Ａのシフト量よりも小さくしている。

図９（ｃ）は、図９（ｂ）に示す３段のリッジフィルタを用いて、レンジシフタ１６Ｂにより１回シフトしながら、合計２回照射した場合に患部に照射されるエネルギーを示している。この照射により、図８（ｃ）に示した場合と同様に、患部に必要な照射線量を照射することができる。つまり、一つの照射面を複数回照射するリペイントの場合、1回当たりの照射の電荷量（照射量）は従来と同じにでき、照射時間も同じにできる。

これは、照射量が図８の場合と同じ時、図８の例では１回分の照射量が６個に分割されるが、図９に示す本実施形態では３個に分割さるので、ブラッグカーブＰ１１，Ｐ１２、Ｐ１３の強度が、図８の２倍になっているからである。なお、シフト量を変えるには、レンジシフタ１６Ｂを挿入する代わりに、加速器エネルギーを変えることもできる。

図９に示した本実施形態のリッジフィルタは、最下面の上に、階段状に積層した構成とする。図９の例では、３段である。ただし、実際には階段状の構造は、ブロックからの削りだしによるため、一体的な構造である。ここで、段の高さをＨ１とするとき、その上に積層される段の高さは、Ｎ・Ｈ１とする。Ｎは整数であり、図９の例では、２である。また、本実施形態では、レンジシフタ１６Ｂを併用する。レンジシフタ１６Ｂは、小さいＳＯＢＰをシフトするときに用いるレンジシフタ１６Ａのシフト量５・Ｈ１よりも小さく、段の高さＨ１を用いて、Ｐ・Ｈ１とする。Ｐは正の整数であり、図９の例では、１である。

図６に示したレンジシフタ１６Ｂは、分割された３つの領域のうち２つには、厚さの異なるレンジシフタ１６Ｂ１，１６Ｂ２が設置されている。残りの一つの領域は、レンジシフタは設置されてない素通しのブランク領域ＢＬＫである。

それに対して、本実施形態で用いるレンジシフタ１６Ｂは、分割された２つの領域のうち１つには、厚さＨ１のレンジシフタが設置され、残りの一つの領域は、レンジシフタは設置されてない素通しのブランク領域を用いる。

ここで、レンジシフタ１６Ｂのブランク領域ＢＬＫを挿入し、図９（ｂ）に示したリッジフィルタにより、図９（ａ）のピークＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３を形成する。次に、架台を回転することで、厚さＨ１のレンジシフタを挿入し、図９（ｂ）に示したリッジフィルタにより、図９（ａ）のピークＰ２１，Ｐ２２，Ｐ２３を形成する。これにより、図９（ａ）に示した小さいＳＯＢＰを形成することができる。

また、図２に示した例では、２種類のレンジシフタ１６Ａ，１６Ｂを示している。レンジシフタ１６Ａは、６・Ｈ１，１２・Ｈ１，１８・Ｈ１…のシフト量を有し、レンジシフタ１６Ｂは、Ｈ１のシフト量を備える。従って、Ｈ１を基準としてバイナリー方式を用いて、Ｈ１，６・Ｈ１，１２・Ｈ１，１８・Ｈ１…のシフト量を可能とすれば、レンジシフタ１６Ａとレンジシフタ１６Ｂを一体化することができる。

従来、リッジフィルタの段数が増えるほど、各段当たりの厚さや幅が更に小さくなり、加工性が低下する。加工性が悪いと所望の線量分布一様度から一様度が悪くなるという影響が出る。

それに対して、本実施形態では、従来よりも段数を少なくして、レンジシフタの併用により、従来と同等の小さいＳＯＢＰを形成することができる。従って、段数が少なくなった分、加工性が向上するため、所望の線量分布一様度を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、エネルギー分布拡大装置の段数が減り、各段当たりの厚さ、幅を大きくすることができ、加工性が向上する。このように、エネルギー分布拡大装置の段数を多くすることなく、エネルギー分布拡大装置を製作できるので、線量分布を悪化させることなく、所望の線量分布を得ることができる。

なお、以上の説明は、従来のリッジフィルタの段数を６段とした場合に、同様な小さいＳＯＢＰを形成するための本実施形態のリッジフィルタの２つの構成についてであるが、他の段数についても、本発明は適用できる。例えば、従来のリッジフィルタの段数が２０段の場合、本実施形態の一例としては、最下面の上に、段の高さＨ１に対して、５・Ｈ１の高さを有する段を３段重ね、４段の階段構造のリッジフィルタとする。幅は、最上段の幅に対して、段階的に拡げる幅とする。そして、レンジシフタによって、シフト量Ｈ１で、４回シフトして、５回照射することで、２０段のリッジフィルタと同様の小さいＳＯＢＰを形成することができる。

また、第２の例としては、最下面の上に、段の高さＨ１に対して、４・Ｈ１の高さを有する段を４段重ね、５段の階段構造のリッジフィルタとする。幅は、最上段の幅に対して、段階的に拡げる幅とする。そして、レンジシフタによって、シフト量Ｈ１で、３回シフトして、４回照射することで、２０段のリッジフィルタと同様の小さいＳＯＢＰを形成することができる。

また、第３の例としては、最下面の上に、段の高さＨ１に対して、２・Ｈ１の高さを有する段を１０段重ね、１１段の階段構造のリッジフィルタとする。幅は、最上段の幅に対して、段階的に拡げる幅とする。そして、レンジシフタによって、シフト量Ｈ１で、１０回シフトして、１１回照射することで、２０段のリッジフィルタと同様の小さいＳＯＢＰを形成することができる。

また、エネルギー分布拡大装置の段数削減は、加工精度が保持できるまで低減するか、加工精度が保持できる範囲でビームのエネルギー種をどこまで削減するか、リペイント数から照射時間をどこまで削減するか等から決める。

さらに、以上の説明では、陽子ビームを用いた陽子線治療システムの照射装置を示したが、炭素、ヘリウム等の重粒子ビームを用いた粒子線治療システムの照射装置にも、本照射法は適用できるものである。

本発明の第１の実施形態による粒子線治療システムのシステム構成図である。 本発明の第１の実施形態による粒子線治療システムに用いる粒子線照射装置の構成図である。 エネルギー分布拡大装置により形成されるＳＯＢＰの説明図である。 比較例である従来のエネルギー分布拡大装置の構成及び機能説明図である。 本発明の第１の実施形態による粒子線照射装置のエネルギー分布拡大装置の構成及び機能図である。 本発明の第１の実施形態による粒子線照射装置に用いるレンジシフタの構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態による粒子線照射装置におけるＳＯＢＰの形成時の動作を示すフローチャートである。 比較例である従来のエネルギー分布拡大装置の構成及び機能説明図である。 本発明の第１の実施形態による粒子線照射装置のエネルギー分布拡大装置の構成及び機能図である。

符号の説明

１…前段加速器
２…加速器
３…輸送系
４…ガントリー
５…粒子線照射装置
７…患者
８…患者カウチ
９…照射制御システム
１０…走査電磁石磁場制御システム
１１…陽子ビーム
１２…モニタ
１３…走査電磁石
１４…散乱体
１５…エネルギー分布拡大装置部
１６Ａ，１６Ｂ…レンジシフタ
１７…線量モニタ
１８…ブロックコリメータ
１９…マルチリーフコリメータ
２０…アイソセンタ
２１…制御装置
２２…エネルギー分布拡大装置駆動部
２４Ａ，２４Ｂ…レンジシフタ駆動部

Claims (6)

1. 粒子線を標的領域に照射する粒子線照射装置と、加速器と、それらをつなぐ輸送系とからなり、患部位置における患部サイズの高線量領域の形成する際に、患部サイズの高線量領域を複数の小サイズの高線量領域に分割して行う粒子線治療装置であって、
   前記小サイズの高線量領域を形成する際に用いられ、前記小サイズの高線量領域に対して、さらに分割されたサイズの高線量領域を形成するエネルギー分布拡大手段と、
   前記エネルギー分布拡大装置による照射に際し、粒子線の飛程を変える飛程変更手段とを備え、
   前記飛程変更手段により飛程を変える毎にビーム照射して、複数回のビーム照射により前記小サイズの高線量領域を形成することを特徴とする粒子線治療装置。
2. 請求項１記載の粒子線治療装置において、
   前記飛程変更手段は、レンジシフタであることを特徴とする粒子線治療装置。
3. 請求項２記載の粒子線照射装置において、
   前記レンジシフタは、粒子線の異なる飛程に調整する複数個のレンジシフタと、これらのレンジフタを搭載する架台とから構成され、前記架台を移動することで、レンジシフタを交換することを特徴とする粒子線治療装置。
4. 請求項１記載の粒子線治療装置において、
   前記エネルギー分布拡大装置は、その段数とその幅を低減したエネルギー分布拡大装置であることを特徴とする照射装置からなる粒子線治療装置。
5. 請求項１記載の粒子線治療装置において、
   前記エネルギー分布拡大装置は、階段状に構成されたリッジフィルタから構成され、
   前記リッジフィルタは、段の高さHで、その上に、高さがＮ・Ｈ（Ｎは整数）の段を１段以上積み重ねた構成であり、
   最上段の幅Ｗに対して、その下の段の幅を、順次広がるように構成し、
   前記飛程変更手段は、前記リッジフィルタの段の高さＨに相当する分の飛程（水等価厚さが同じである飛程）を変えて、複数回のビーム照射により前記小サイズの高線量領域を形成することを特徴とする照射装置からなる粒子線治療装置。
6. 加速器によって加速された粒子線を、粒子線照射装置により標的領域に照射し、患部位置における患部サイズの高線量領域の形成する際に、患部サイズの高線量領域を複数の小サイズの高線量領域に分割して行う粒子線治療方法であって、
   前記小サイズの高線量領域を形成する際に、前記小サイズの高線量領域に対して、さらに分割されたサイズの高線量領域を形成し、
   該分割されたサイズの高線量領域の照射に際し、粒子線の飛程を変え、
   粒子線の飛程を変える毎にビーム照射して、複数回のビーム照射により前記小サイズの高線量領域を形成することを特徴とする粒子線治療方法。

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