JP2017086171A - 粒子線照射装置および粒子線照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度に所望の深さ方向の線量分布を形成できる粒子線照射装置および粒子線照射方法を提供すること。【解決手段】荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速された荷電粒子ビームを輸送し、照射対象まわりに回転することで照射対象への荷電粒子ビームの照射方向を複数の方向に設定可能である回転照射体と、並列した複数のリッジ状の構造体を有するフィルタであって輸送された荷電粒子ビームを通過させて荷電粒子ビームの運動量分散を拡げるフィルタを有し、照射対象における荷電粒子ビームの飛程を調整し、調整された飛程で設定された照射方向から照射対象に荷電粒子ビームを照射する飛程調整装置と、を備え、飛程調整装置は、荷電粒子ビームのビーム軸に直交する面上における基準方向に対する構造体の並列方向の角度を複数の角度に設定可能である角度設定部を備える。【選択図】図１

Description

本発明による実施形態は、粒子線照射装置および粒子線照射方法に関する。

従来から、粒子線照射装置は、粒子線が通過する面上において並列した複数のリッジ状すなわち三角形状の構造体を有する飛程調整装置を備えている。飛程調整装置は、照射対象における粒子線の到達深さが所望の幅を有するように、照射対象の深さ方向における粒子線の線量分布すなわちエネルギー分布を形成する。

粒子線が飛程調整装置を通過する位置に応じて、通過した粒子線の運動エネルギーは異なる。所望の厚さと当該厚さに応じた所望の領域とを有するように飛程調整装置を設計すれば、設計上は、飛程調整装置を通過した粒子線の運動エネルギーの分布を所望の分布にすることが可能である。

しかしながら、リッジ状の構造体の並列方向と直交する方向に揺らぎを有した状態で粒子線が飛程調整装置を通過する場合、粒子線が通過する飛程調整装置の厚さの平均値に、設計値からの差異が生じていた。厚さの平均値に設計値からの差異が生じることで、飛程調整装置内での粒子線のエネルギーロスにも、設計値からの差異が生じていた。これにより、飛程調整装置を通過した粒子線のエネルギー分布にも、設計上想定されるエネルギー分布からの差異が生じていた。

したがって、従来の粒子線照射装置においては、高精度に所望の深さ方向の線量分布（すなわち、深部線量分布）を形成することが困難であるといった問題があった。

特開平１０−３１４３２４号公報

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、高精度に所望の深さ方向の線量分布を形成できる粒子線照射装置および粒子線照射方法を提供することを目的とする。

本実施形態による粒子線照射装置は、
荷電粒子ビームを加速する加速器と、
加速された荷電粒子ビームを輸送し、照射対象まわりに回転することで前記照射対象への当該荷電粒子ビームの照射方向を複数の方向に設定可能である回転照射体と、
並列した複数のリッジ状の構造体を有するフィルタであって輸送された荷電粒子ビームを通過させて当該荷電粒子ビームの運動量分散を拡げるフィルタを有し、前記照射対象における前記荷電粒子ビームの飛程を調整し、調整された飛程で設定された照射方向から前記照射対象に前記荷電粒子ビームを照射する飛程調整装置と、を備え、
前記飛程調整装置は、
前記荷電粒子ビームのビーム軸に直交する面上における基準方向に対する前記構造体の並列方向の角度を複数の角度に設定可能である角度設定部を備える。

本実施形態による粒子線照射方法は、
荷電粒子ビームを加速する加速器と、
加速された荷電粒子ビームを輸送し、照射対象まわりに回転することで前記照射対象への当該荷電粒子ビームの照射方向を複数の方向に設定可能である回転照射体と、
並列した複数のリッジ状の構造体を有するフィルタであって輸送された荷電粒子ビームを通過させて当該荷電粒子ビームの運動量分散を拡げるフィルタを有し、前記照射対象における前記荷電粒子ビームの飛程を調整し、調整された飛程で設定された照射方向から前記照射対象に前記荷電粒子ビームを照射する飛程調整装置と、を備える粒子線照射装置を用いて、
前記荷電粒子ビームのビーム軸に直交する面上における基準方向に対する前記構造体の並列方向の角度を、設定可能な複数の角度のうち設定された照射方向に応じた角度に設定することを含む。

本発明によれば、高精度に所望の深さ方向の線量分布を形成できる。

第１の実施形態を示す粒子線照射装置の平面図である。 第１の実施形態の粒子線照射装置における飛程調整装置の正面図である。 図３Ａは、第１の実施形態において、垂直照射時における回転照射体を示す側面図であり、図３Ｂは、垂直照射時におけるビーム照射器を示す断面図である。 図４Ａは、第１の実施形態において、水平照射時における回転照射体を示す平面図であり、図４Ｂは、水平照射時におけるビーム照射器を示す断面図である。 第２の実施形態の粒子線照射装置における飛程調整装置の正面図である。 第２の実施形態を示す粒子線照射装置のブロック図である。 第３の実施形態を示す粒子線照射装置の平面図である。 第３の実施形態の粒子線照射装置における走査電磁石およびビーム照射器を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態として、離散的な複数の角度の中からフィルタ角度を選択できる粒子線照射装置について説明する。図１は、第１の実施形態を示す粒子線照射装置１の模式的な平面図である。

第１の実施形態の粒子線照射装置１は、例えば、粒子線癌治療等の粒子線を用いた患部の治療に用いることができる。図１に示すように、第１の実施形態の粒子線照射装置１は、円形加速器の一例であるシンクロトロン加速器２と、ビーム輸送系３と、ビーム照射器４とを備える。

（シンクロトロン加速器２）
シンクロトロン加速器２は、周回軌道に沿って荷電粒子ビームを周回させながら荷電粒子ビームを加速する。荷電粒子ビームを加速するための具体的な構成の一例として、シンクロトロン加速器２は、周回軌道上に、複数の偏向電磁石２１と、真空ダクト２２と、図示しない高周波加速空洞と、図示しない複数の四極電磁石とを備える。また、シンクロトロン加速器２は、入射器（図示せず）と出射器２３とを備える。

入射器は、不図示のイオン源によって発生された荷電粒子ビームを、シンクロトロン加速器２の内部に入射させる。荷電粒子ビームは、例えば、陽子や炭素イオンのビームであってもよい。偏向電磁石２１は、不図示の電源から入力された励磁電流に基づいて、周回軌道に荷電粒子ビームを偏向させるための磁場を発生させる。発生した磁場により、偏向電磁石２１は、周回軌道に沿って荷電粒子ビームを周回させる。四極電磁石は、不図示の電源から供給された励磁電流に基づいて、周回軌道において水平方向または垂直方向に荷電粒子ビームを収束または発散させるための磁場を発生させる。発生した磁場により、四極電磁石は、ベータトロン振動させながら安定的に荷電粒子ビームを周回させる。高周波加速空洞は、内部に高周波電界を発生させ、発生した高周波電界により、荷電粒子ビームを加速または減速させる。出射器２３は、ベータトロン振動における共鳴を用いて、ビーム輸送系３側に荷電粒子ビームを出射する（すなわち、取り出す）。

ビーム輸送系３は、ビーム照射器４側にシンクロトロン加速器２で加速された荷電粒子ビームを輸送する。加速された荷電粒子ビームを輸送するための具体的な構成の一例として、ビーム輸送系３は、偏向電磁石３１と四極電磁石３２とを備える。偏向電磁石３１は、不図示の電源から入力された励磁電流に基づいて、荷電粒子ビームを偏向させるための磁場を発生させ、発生した磁場により、ビーム輸送系３のビームラインに沿って荷電粒子ビームを輸送する。四極電磁石は、不図示の電源から供給された励磁電流に基づいて、ビーム輸送系３のビームラインにおいて水平方向または垂直方向に荷電粒子ビームを収束または発散させるための磁場を発生させ、発生した磁場により、安定的に荷電粒子ビームを輸送する。なお、偏向電磁石３１に荷電粒子ビームの収束・発散機能を持たせ、四極電磁石３２の数を低減、あるいは削減することも可能である。

（回転照射体３０）
ビーム輸送系３のうち、ビーム照射器４側の所定範囲の部分は、回転照射体３０を構成する。回転照射体３０は、照射対象５の中心を通る回転軸３０１回りに回転することで、照射対象５への荷電粒子ビームの照射方向を複数の方向に設定可能である。なお、照射対象５は、例えば、患者の患部である。回転照射体３０は、例えば、回転ガントリである。

より具体的には、回転照射体３０は、回転軸３０１と同心の円筒状の回転フレーム３３（図３Ｂ参照）を有しており、この回転フレーム３３は、回転照射体３０の他の構成部（偏向電磁石３１や四極電磁石３２）とともに回転軸３０１回りに回転する。回転フレーム３３の内周面には、ビーム照射器４が固定されている。回転フレーム３３の回転にともなってビーム照射器４が回転軸３０１回りに回転することで、ビーム照射器４による荷電粒子ビームの照射方向を複数の方向に設定できる。

（飛程調整装置４０）
ビーム照射器４は、回転照射体３０で設定された照射方向から照射対象５に、ビーム輸送系３で輸送された荷電粒子ビームを照射する。照射対象５における荷電粒子ビームの飛程を調整するため、ビーム照射器４は、飛程調整装置４０を備える。

図２は、第１の実施形態の粒子線照射装置１における飛程調整装置４０の正面図である。飛程調整装置４０は、ホルダ４００（図３Ｂ参照）内に、フィルタの一例であるリッジフィルタ４１と、フィルタ固定部４２とを備える。なお、図１では、ホルダ４００の図示を省略している。

図２に示すように、リッジフィルタ４１は、並列した複数の構造体４１１と、フィルタ基板４１２とを備える。各構造体４１１は、フィルタ基板４１２の表面上に、互いに並列した状態で配置されている。各構造体４１１は、構造体４１１の並列方向（以下、構造体並列方向ともいう）Ｄ１に直交する方向に延伸している。各構造体４１１を構造体並列方向Ｄ１に平行な線で切断した断面は、荷電粒子ビームの入射側に突出したリッジ状すなわち三角形状を有する（図３Ｂ参照）。リッジフィルタ４１は、ビーム輸送系３（すなわち、回転照射体３０）で輸送された荷電粒子ビームを通過させることで、荷電粒子ビームの運動量分散を拡げる。

リッジフィルタ４１で荷電粒子ビームの運動量分散を拡げることで、飛程調整装置４０は、照射対象５における荷電粒子ビームの飛程を調整する。飛程調整装置４０は、調整された飛程で、回転照射体３０で設定された照射方向から照射対象５に荷電粒子ビームを照射する。

図２に示すように、フィルタ基板４１２の外縁部４１２ａは、構造体４１１よりも外側に延出している。外縁部４１２ａは、平面視において正方形の枠状を有する。リッジフィルタ４１は、外縁部４１２ａの四隅に、第１の実施形態における角度設定部を構成するフィルタ側位置決め孔４１３を有する。各フィルタ側位置決め孔４１３は、フィルタ固定部４２へのリッジフィルタ４１の固定位置を決定する。各フィルタ側位置決め孔４１３は、ビーム軸６１（図３Ｂ参照）を中心とした所定半径の仮想円上に、周方向に等間隔を空けて配置されている。すなわち、各フィルタ側位置決め孔４１３は、ビーム軸６１を対称軸として４回回転対称な位置関係を有する。また、各フィルタ側位置決め孔４１３は、外縁部４１２ａを垂直に貫通している。フィルタ側位置決め孔４１３は、内周面に雌ねじを有していてもよい。

フィルタ固定部４２は、リッジフィルタ４１を固定可能な板状の部材である。フィルタ固定部４２は、ビーム軸６１に直交するようにホルダ４００内に設けられている。図２に示すように、フィルタ固定部４２は、フィルタ側位置決め孔４１３とともに角度設定部を構成する固定部側位置決め孔４２１と、開口４２２とを備える。固定部側位置決め孔４２１は、フィルタ側位置決め孔４１３とともにリッジフィルタ４１の固定位置を決定する。固定部側位置決め孔４２１は、フィルタ側位置決め孔４１３が配置された仮想円と同じ仮想円上に、周方向に等間隔を空けて２４個配置されている。すなわち、各固定部側位置決め孔４２１は、ビーム軸６１を対称軸として２４回回転対称な位置関係を有する。固定部側位置決め孔４２１は、内周面に雌ねじを有していてもよい。

いずれか４つの固定部側位置決め孔４２１に４つのフィルタ側位置決め孔４１３を重ね合わせることで、フィルタ固定部４２へのリッジフィルタ４１の固定位置が決められる。その状態で、不図示の４つの締結部材で重なり合ったホール４１３、４２１同士を締め付けることで、フィルタ固定部４２にリッジフィルタ４１を固定できる。

リッジフィルタ４１を固定することで、飛程調整装置４０内のビーム軸６１に直交するように仮定された平面（例えば、図２の紙面）上における基準方向Ｄ０に対する構造体並列方向Ｄ１の角度（以下、フィルタ角度ともいう）を設定できる。

基準方向Ｄ０に対して構造体並列方向Ｄ１が平行であるため、図２において実線で示すリッジフィルタ４１のフィルタ角度は０°である。一方、図２において二点鎖線で示すリッジフィルタ４１のフィルタ角度は４５°である。なお、図２における基準方向Ｄ０は、フィルタ固定部４２の横幅方向であるが、基準方向Ｄ０の態様は特に限定されず、例えば、フィルタ固定部４２の縦幅方向を基準方向Ｄ０としてもよい。

図２の実線および二点鎖線のリッジフィルタ４１に示すように、第１の実施形態では、フィルタ側位置決め孔４１３と重なり合う固定部側位置決め孔４２１を変更できることで、固定部側位置決め孔４２１の個数に応じた範囲で自由にフィルタ角度を変更できる。

フィルタ角度を変更できることで、後述するように、回転照射体３０の回転にともなう荷電粒子ビームの照射方向の変更にかかわらず、荷電粒子ビームのベータトロン振動の水平方向に直交するように構造体並列方向Ｄ１を調整できる。これにより、高精度に所望の深部線量分布を形成できる。

なお、固定部側位置決め孔４２１の個数は２４個に限定されず、２４個より多くても少なくてもよい。

開口４２２は、固定部側位置決め孔４２１の形成領域よりも内側に、フィルタ固定部４２を貫通するように円形に形成されている。構造体４１１は、開口４２２の内側に位置している。

（動作例）
次に、粒子線照射装置１の動作例すなわち粒子線照射方法の一例について説明する。

図３Ａは、第１の実施形態において、垂直方向すなわち鉛直方向から照射対象５に荷電粒子ビームを照射する垂直照射時における回転照射体３０を示す側面図である。なお、図３Ａでは、四極電磁石３２の図示を省略している。図３Ｂは、垂直照射時におけるビーム照射器４を示す断面図である。図３Ａおよび図３Ｂにおいて、Ｘ座標軸方向は、荷電粒子ビームのベータトロン振動の水平方向（以下、水平振動方向ともいう）を示す。また、図３Ａおよび図３Ｂにおいて、Ｙ座標軸方向は、ベータトロン振動の垂直方向（以下、垂直振動方向ともいう）を示し、Ｚ座標軸方向は、荷電粒子ビームの進行方向を示している。以下、水平振動方向をＸで表し、垂直振動方向をＹで表し、進行方向をＺで表す。

垂直照射時において、回転照射体３０は、そのビーム輸送経路と回転軸３０１とを含む平面が水平面に対して垂直となる。図３Ｂに示すように、垂直照射時においては、基準方向Ｄ０と構造体並列方向Ｄ１との間のフィルタ角度が平行、すなわち０°となる向きでフィルタ固定部４２にリッジフィルタ４１を固定する。

垂直照射時において、シンクロトロン加速器２から出射された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系３により、水平振動方向Ｘおよび垂直振動方向Ｙに振動しながら進行方向Ｚに進行し、ビーム照射器４に導かれる。なお、回転照射体３０のビーム輸送経路の形状および回転照射体３０の回転角度に起因して、垂直照射時における水平振動方向Ｘは、回転照射体３０内において一定である。一方、垂直振動方向Ｙおよび進行方向Ｚは、回転照射体３０の入射端と出射端との間で９０°異なる。

次いで、図３Ｂに示すように、ビーム照射器４において、荷電粒子ビーム６はリッジフィルタ４１を通過する。リッジフィルタ４１を通過するとき、荷電粒子ビーム６のエネルギーは、構造体４１１の厚みに応じた減衰量で減衰される。構造体４１１がリッジ状であることで、荷電粒子ビームの通過位置に応じて構造体４１１の厚みは異なる。構造体４１１の厚みが異なることで、通過位置に応じて構造体４１１による荷電粒子ビームのエネルギーの減衰量も異なる。これにより、荷電粒子ビームの運動量分散が拡げられ、照射対象５における荷電粒子ビームの飛程が調整される。

フィルタ角度が０°であることで、図３Ｂに示すように、垂直照射時における構造体並列方向Ｄ１は、リッジフィルタ４１に入射する荷電粒子ビームの水平振動方向Ｘに直交する。

ここで、シンクロトロン加速器２から出射される荷電粒子ビームは、その水平方向および垂直方向にエミッタンスといわれる位相空間上のばらつきを有する。エミッタンスは、荷電粒子ビームの位置および角度の揺らぎということもできる。通常、水平方向のエミッタンスと垂直方向のエミッタンスとは一致しない。特に、シンクロトロン加速器２のような円形加速器を最終段の加速器として用いる場合、水平振動方向と垂直振動方向とでは、エミッタンスが大きく異なる。具体的には、水平振動方向には、垂直振動方向と比べて荷電粒子ビームの出射位置や出射角度に揺らぎが生じやすい。

もし、垂直照射時におけるフィルタ角度が９０°である場合、構造体並列方向Ｄ１が水平振動方向に平行となる。この場合、水平振動方向の揺らぎが大きく、かつ、この大きな揺らぎが吸収され難いフィルタ角度の下でリッジフィルタ４１に荷電粒子ビームが入射することで、荷電粒子ビームが通過するリッジフィルタ４１の厚さの平均値に、設計値からの大きな差異が生じる。荷電粒子ビームが通過するリッジフィルタ４１の厚さの平均値に大きな差異が生じることで、リッジフィルタ４１での荷電粒子ビームのエネルギーの減衰量にも、設計値からの大きな差異が生じる。これにより、リッジフィルタ４１を通過した荷電粒子ビームのエネルギー分布にも、設計上想定されるエネルギー分布からの大きな差異が生じてしまう。これにより、照射位置において照射のムラや干渉縞が生じ、所望の深部線量分布を形成することが困難となる。

これに対して、第１の実施形態では、垂直照射時におけるフィルタ角度を０°に設定して、構造体並列方向Ｄ１を水平振動方向Ｘに直交させることで、水平振動方向Ｘの揺らぎが大きいといった揺らぎの方向性に、構造体並列方向Ｄ１を適合させることができる。これにより、荷粒子ビームが通過するリッジフィルタ４１の厚さの平均値と設計値との差異を十分に小さくして、リッジフィルタ４１を通過した荷電粒子ビームのエネルギー分布と設計上想定されるエネルギー分布との差異を十分に小さくすることができる。この結果、照射位置における照射のムラや干渉縞の発生を抑制して、高精度に所望の深部線量分布を形成できる。

次に、垂直照射を終了し、水平方向から照射対象５に荷電粒子ビームを照射する水平照射を行う。図４Ａは、第１の実施形態において、水平照射時における回転照射体３０を示す平面図である。なお、図４Ａでは、四極電磁石３２の図示を省略している。図４Ｂは、水平照射時におけるビーム照射器４を示す断面図である。

図４Ｂに示すように、水平照射時において、回転照射体３０は、垂直照射時の位置から回転軸３０１回りに９０°回転する。すなわち、水平照射時において、回転照射体３０は、そのビーム輸送経路と回転軸３０１とを含む平面が水平面に平行となる。

図４Ｂに示すように、水平照射時においては、基準方向Ｄ０と構造体並列方向Ｄ１との間のフィルタ角度を９０°に変更する。フィルタ角度の変更は、回転照射体３０の回転前および回転後のいずれに行ってもよい。

ここで、垂直照射時における位置から回転照射体３０が回転したことで、水平照射時においては、回転照射体３０の出射端における水平振動方向Ｘが、垂直照射時に対して９０°変化している。

このため、もし、フィルタ角度を垂直照射時の０°にしたまま荷電粒子ビームを照射する場合、構造体並列方向Ｄ１は、リッジフィルタ４１に入射する荷電粒子ビームの水平振動方向Ｘに平行となる。これにより、既述したように、照射位置において照射のムラや干渉縞が生じ、所望の深部線量分布を形成することが困難となる。

これに対して、第１の実施形態では、フィルタ角度を９０°に変更することで、水平照射時においても、垂直照射時と同様に、構造体並列方向Ｄ１を水平振動方向に直交するように調整することができる。これにより、回転照射体３０を９０°回転させた後においても、照射位置における照射のムラや干渉縞の発生を抑制し、高精度に所望の深部線量分布を形成できる。

９０°以外の回転角度で回転することで、回転照射体３０は、水平照射および垂直照射以外の照射方向を設定できる。水平照射および垂直照射以外の照射方向を設定する場合にも、回転照射体３０の回転角度に応じてフィルタ角度を変更することで、水平振動方向Ｘに直交するように構造体並列方向Ｄ１を調整できる。第１の実施形態において設定可能なフィルタ角度は、固定部側位置決め孔４２１の個数に制約された離散的なものである。しかし、回転照射体３０の回転角度に近いフィルタ角度を設定することで、構造体並列方向Ｄ１を水平振動方向Ｘに可及的に直交させることができる。したがって、回転照射体３０の回転角度にかかわらず、高精度に所望の深部線量分布を形成できる。

以上述べたように、第１の実施形態によれば、照射方向に応じたフィルタ角度を設定することで、照射方向の変化にともなう水平振動方向Ｘの変化にかかわらず、高精度に所望の深部線量分布を形成することができる。これにより、患部の粒子線治療を簡便かつ適切に行うことが可能となる。なお、本実施形態においては、水平振動方向Ｘと構造体並列方向Ｄ１が直交することが望ましい場合について一例としたが、構造体４１１の形状によっては他の角度条件が望ましい場合も考えられる。本発明の趣旨はフィルタ角度を照射に最適な角度に設定することにあり、水平振動方向Ｘと構造体並列方向Ｄ１のなすべき角度を一意に定めるものではない。これは他の実施形態においても同様である。

（変形例）
次に、第１の実施形態の変形例について説明する。本変形例において、既述の実施形態に対応する構成部については、同一の符号を用いて重複した説明を省略する。

本変形例の四極電磁石３２は、シンクロトロン加速器２からの荷電粒子ビームの出射点と照射対象５への荷電粒子ビームの照射点との間における荷電粒子ビームのベータトロン振動の位相差をπの整数倍に制御する。この位相差の制御は、四極電磁石３２に印加される励磁電流を制御する電源の制御部（図示せず）で行ってもよい。

ここで、荷電粒子ビームの取り出し量を安定させるには、既述したようにベータトロン振動の共鳴によって時間をかけて荷電粒子ビームを取り出すこと（すなわち、遅い取り出しを行うこと）が望ましい。しかし、その場合、シンクロトロン加速器２内のビーム状態の僅かな変化に応じてシンクロトロン加速器２から取り出される荷電粒子ビームの特性が変化し、主に、出射角度が変化した状態で荷電粒子ビームが取り出される。

この出射角度の不安定性すなわち揺らぎは、ビーム輸送系３においてもビーム位置の揺らぎと入れ替わりながら伝搬される。すなわち、ビーム輸送系３においては、荷電粒子ビームが進行するにしたがって、ビーム位置の揺らぎが大きく且つビーム角度の揺らぎが小さい状態と、ビーム位置の揺らぎが小さく且つビーム角度の揺らぎが大きい状態とが交互に現れる。

もし、照射点においてビーム位置の揺らぎが大きい場合、照射に好ましい荷電粒子ビームを得ることが困難である。

これに対して、本変形例では、出射点と照射点との間におけるベータトロン振動の位相差をπの整数倍にすることで、照射点におけるビーム位置の揺らぎを最小に制御できる。これにより、照射に好ましい荷電粒子ビームを得ることができる。

一方、ビーム位置の揺らぎが最小に制御されると、既述したように、照射点におけるビーム角度の揺らぎが最大となる。もし、フィルタ角度を調整できない場合、照射点におけるビーム角度の揺らぎが最大となることで、照射均一性を確保することが困難となる。

これに対して、本変形例では、既述のように構造体並列方向Ｄ１が水平振動方向Ｘに直交するようにフィルタ角度を調整できるので、ビーム角度の揺らぎの影響を低減できる。これにより、照射均一性を確保することが可能となる。

したがって、本変形例によれば、照射均一性を確保しつつ照射に好ましい荷電粒子ビームを得ることができる。これにより、図１の構成と比べてより高精度に所望の深部線量分布を形成することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として、遠隔制御で連続的な複数の角度の中からフィルタ角度を選択できる粒子線照射装置について説明する。なお、第２の実施形態において、既述の実施形態に対応する構成部については、同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図５は、第２の実施形態の粒子線照射装置１における飛程調整装置４０の正面図である。図６は、第２の実施形態を示す粒子線照射装置１のブロック図である。

図２に示したように、第１の実施形態の角度設定部は、フィルタ側位置決め孔４１３と固定部側位置決め孔４２１とを備えていた。これに対して、第２の実施形態の角度設定部は、図５に示すように、フィルタ回転駆動装置４３と、回転ガイドピン４１４と、回転ガイド溝４１５とを備える。

また、図６に示すように、第２の実施形態の粒子線照射装置１は、照射制御装置７と、制御部および判定部の一例であるフィルタ角度制御器８と、フィルタ角度検出器９とを備える。

照射制御装置７は、荷電粒子ビームの照射を制御するために、回転照射体３０の駆動部（図示せず）への回転駆動指令や、シンクロトロン加速器２への荷電粒子ビームの取り出しの指令などの各種の指令を出力する。回転照射体３０を回転させた場合に、照射制御装置７は、フィルタ角度制御器８に、回転照射体３０の回転角度に応じたフィルタ角度の変更を指示する角度指示値を出力する。角度指示値は、例えば、回転照射体３０の回転角度と同一角度を示すものである。

フィルタ角度制御器８は、角度指示値に応じた駆動信号をフィルタ回転駆動装置４３に出力する。これにより、フィルタ角度制御器８は、フィルタ回転駆動装置４３を遠隔制御できる。駆動信号は、例えば、モータ駆動パルスであってもよい。

フィルタ回転駆動装置４３は、リッジフィルタ４１（図５参照）に接続されている。フィルタ回転駆動装置４３は、駆動信号に応じた回転角度でビーム軸６１回り（すなわち、回転軸３０１回り）にリッジフィルタ４１を回転する。フィルタ回転駆動装置４３は、例えば、ステッピングモータと、ステッピングモータを駆動するドライブ回路とを備えていてもよい。

図５に示すように、回転ガイドピン４１４は、第１の実施形態で説明したフィルタ側位置決め孔４１３とほぼ同じ位置に計４つ配置されている。具体的には、各回転ガイドピン４１４は、フィルタ基板４１２の外縁部４１２ａの四隅において回転ガイド溝４１５側に突出している。

回転ガイド溝４１５は、ビーム軸６１を中心とした周方向に沿って形成されている。回転ガイド溝４１５は、周方向において円弧状の２つの溝部４１５ａ、４１５ｂに分割されている。各溝部４１５ａ、４１５ｂは、ビーム軸６１を中心とした約１８０°（１８０°未満）の角度範囲に亘って形成されている。各溝部４１５ａ、４１５ｂの内部には、回転ガイドピン４１４が２つずつ挿入されている。

リッジフィルタ４１が回転するとき、回転ガイドピン４１４は、回転ガイド溝４１５に沿って摺動することで、リッジフィルタ４１の回転をガイドする。各溝部４１５ａ、４１５ｂが広い角度範囲に亘って形成されていることで、駆動信号に応じたリッジフィルタ４１の連続的な回転が許容される。

フィルタ回転駆動装置４３でリッジフィルタ４１を回転し、回転ガイドピン４１４および回転ガイド溝４１５でリッジフィルタ４１の回転をガイドすることで、角度指示値に応じたフィルタ角度を設定できる。

第２の実施形態では、回転ガイド溝４１５の形状および形成範囲に起因して、複数の範囲としての広い角度範囲（例えば、０°〜約１８０°）の中から任意のフィルタ角度を設定できる。これにより、第１の実施形態よりも高精度に、回転照射体３０の回転角度と同一のフィルタ角度を設定して構造体並列方向Ｄ１を水平振動方向Ｘに直交させることができる。この結果、照射方向の変化にともなう水平振動方向Ｘの変化にかかわらず、第１の実施形態よりも高精度に所望の深部線量分布を形成することができる。

フィルタ角度検出器９は、設定されたフィルタ角度を検出し、検出結果を示す角度検出値をフィルタ角度制御器８に出力する。フィルタ角度検出器９は、例えば、近接センサを有していてもよい。

フィルタ角度制御器８は、設定されたフィルタ角度の適否を判定する。具体的には、フィルタ角度制御器８は、角度指示値と角度検出値とを比較して、両者の整合の有無を示す整合情報を照射制御装置７に出力する。

整合情報が角度指示値と角度検出値との整合を示す場合、照射制御装置７は、照射対象５に荷電粒子ビーム６を照射するように粒子線照射装置１を制御する。一方、整合情報が角度指示値と角度検出値との不整合を示す場合、照射制御装置７は、照射対象５に荷電粒子ビーム６を照射しないように粒子線照射装置１を制御する。例えば、照射制御装置７は、整合情報が角度指示値と角度検出値との不整合を示す場合には、イオン源に荷電粒子ビームを生成させないようにしてもよい。整合情報に基づいて荷電粒子ビームの照射の有無を制御することで、照射ムラ等の照射不良の発生を未然に回避できる。

以上述べたように、第２の実施形態によれば、遠隔操作によって簡便に第１の実施形態よりも高精度なフィルタ角度を設定できる。これにより、照射方向の変化にともなう水平振動方向Ｘの変化にかかわらず、簡便かつより高精度に所望の深部線量分布を形成することができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態として、荷電粒子ビームをスキャニング照射する粒子線照射装置について説明する。なお、第３の実施形態において、既述した実施形態に対応する構成部については、同一の符号を用いて重複した説明を省略する。図７は、第３の実施形態を示す粒子線照射装置１の平面図である。図８は、第３の実施形態の粒子線照射装置１における走査電磁石１１およびビーム照射器４を示す断面図である。

図７に示すように、第３の実施形態の粒子線照射装置１は、ビーム輸送系３に対する荷電粒子ビームの出射側であって飛程調整装置４０に対する荷電粒子ビームの入射側に、走査電磁石１１を備える。

走査電磁石１１は、不図示の電源から入力された励磁電流に基づいて磁場を発生させ、発生した磁場による電磁力を荷電粒子ビームに作用させる。荷電粒子ビームに電磁力を作用させることで、走査電磁石１１は、荷電粒子ビーム６を細く絞ることができるとともに、図８に示すように、照射対象５における荷電粒子ビーム６の照射位置を変更できる。

照射野拡大装置を用いて荷電粒子ビームを照射するワブラー照射と比べて、第３の実施形態のようなスキャニング照射の場合、荷電粒子ビームの利用効率を向上し、照射時間を短縮できる。一方、スキャニング照射の場合、回転照射体３０の回転にともなう水平振動方向Ｘの変化により、照射位置において照射のムラや干渉縞が生じ易い。

これに対して、第３の実施形態では、既述のように構造体並列方向Ｄ１が水平振動方向Ｘに直交するようにフィルタ角度を変更できるので、回転照射体３０の回転にかかわらず、照射位置における照射のムラや干渉縞を抑制できる。

したがって、第３の実施形態によれば、高精度に所望の深部線量分布を形成しつつ、荷電粒子ビームの利用効率の向上と照射時間の短縮とを図ることができる。

なお、第１〜第３の実施形態は、これらを適宜組み合わせてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 粒子線照射装置
２ シンクロトロン加速器
３０ 回転照射体
４０ 飛程調整装置
４１ リッジフィルタ
４１１ 構造体
４１３ フィルタ側位置決め孔
４２１ 固定部側位置決め孔

Claims (9)

1. 荷電粒子ビームを加速する加速器と、
   加速された荷電粒子ビームを輸送し、照射対象まわりに回転することで前記照射対象への当該荷電粒子ビームの照射方向を複数の方向に設定可能である回転照射体と、
   並列した複数のリッジ状の構造体を有するフィルタであって輸送された荷電粒子ビームを通過させて当該荷電粒子ビームの運動量分散を拡げるフィルタを有し、前記照射対象における前記荷電粒子ビームの飛程を調整し、調整された飛程で設定された照射方向から前記照射対象に前記荷電粒子ビームを照射する飛程調整装置と、を備え、
   前記飛程調整装置は、
   前記荷電粒子ビームのビーム軸に直交する面上における基準方向に対する前記構造体の並列方向の角度を複数の角度に設定可能である角度設定部を備える粒子線照射装置。
2. 前記角度設定部は、前記並列方向の角度を前記複数の角度のうち前記照射方向に応じた角度に設定する請求項１に記載の粒子線照射装置。
3. 前記角度設定部は、前記複数の角度として所定の角度範囲内における任意の角度を設定可能である請求項１または２に記載の粒子線照射装置。
4. 前記角度設定部を遠隔制御する制御部を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
5. 設定された前記並列方向の角度の適否を判定する判定部を備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
6. 前記飛程調整装置に対する前記荷電粒子ビームの入射側に配置され、電磁力によって前記荷電粒子ビームを偏向させることで前記照射対象における前記荷電粒子ビームの照射位置を変更可能である走査電磁石を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
7. 前記加速器は、円形加速器を備え、
   前記円形加速器は、ベータトロン振動の共鳴を用いてビーム輸送経路側に前記加速された荷電粒子ビームを出射する請求項１〜６のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
8. 前記円形加速器からの前記荷電粒子ビームの出射点と前記照射対象への前記荷電粒子ビームの照射点との間における前記荷電粒子ビームのベータトロン振動の位相差をπの整数倍に制御する電磁石を備える請求項７に記載の粒子線照射装置。
9. 荷電粒子ビームを加速する加速器と、
   加速された荷電粒子ビームを輸送し、照射対象まわりに回転することで前記照射対象への当該荷電粒子ビームの照射方向を複数の方向に設定可能である回転照射体と、
   並列した複数のリッジ状の構造体を有するフィルタであって輸送された荷電粒子ビームを通過させて当該荷電粒子ビームの運動量分散を拡げるフィルタを有し、前記照射対象における前記荷電粒子ビームの飛程を調整し、調整された飛程で設定された照射方向から前記照射対象に前記荷電粒子ビームを照射する飛程調整装置と、を備える粒子線照射装置を用いて、
   前記荷電粒子ビームのビーム軸に直交する面上における基準方向に対する前記構造体の並列方向の角度を、設定可能な複数の角度のうち設定された照射方向に応じた角度に設定することを含む粒子線照射方法。

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