JP2019136167A - Particle beam irradiation device - Google Patents

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裕介 坂本
Yusuke Sakamoto
裕介 坂本
啓 井上
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啓 井上
泰三 本田
Yasuzo Honda
泰三 本田
昌広 池田
Masahiro Ikeda
昌広 池田
和之 花川
Kazuyuki Hanakawa
和之 花川
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Abstract

To provide a particle beam irradiation device capable of expanding a Bragg peak width smoothly even when a Bragg peak is extremely thin and sharp, and forming uniform total dose distribution easily.SOLUTION: A particle beam irradiation device 50 includes an irradiation system 6 for irradiating an irradiation object 11 with a particle beam 10 transported from a particle beam generation and transport device 1. The irradiation system 6 includes a Bragg peak expansion filter 17 for decomposing the particle beam 10 into a plurality of particle beam components with different energies, and expanding the width in a depth direction of the Bragg peak in the irradiation object 11 by the decomposed particle beam components. The Bragg peak expansion filter 17 includes a first material part 18 having a thickness in a direction parallel to a beam axis 9, and a plurality of hole parts 19 disposed on a surface of the first material part 18 perpendicular to the beam axis 9, which penetrate in a direction parallel to the beam axis 9 or are recessed in a direction parallel to the beam axis 9.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本願は、粒子線(荷電粒子ビーム)を腫瘍等の患部に照射して粒子線治療を行う粒子線照射装置に関するものである。   The present application relates to a particle beam irradiation apparatus that performs particle beam therapy by irradiating an affected area such as a tumor with a particle beam (charged particle beam).

粒子線治療は、加速器等の機器を用いて陽子または炭素イオンなどの荷電粒子を数百メガ電子ボルト程度まで加速し、患者に照射することで体内の照射対象である腫瘍(患部)に線量を付与し、がんを治療する方法である。このとき腫瘍に対して、医師により指示される線量分布、すなわち目標分布にできるだけ近い線量分布を形成することが重要である。多くの場合、目標分布は、腫瘍内において線量が均一であり、かつ腫瘍外において腫瘍内よりも線量ができるだけ低くなるような分布である。   Particle beam therapy uses a device such as an accelerator to accelerate charged particles such as protons or carbon ions to several hundred mega-electron volts, and irradiates the patient with a dose to the tumor (affected area) that is the target of irradiation in the body. It is a method of giving and treating cancer. At this time, it is important to form a dose distribution instructed by the doctor, that is, a dose distribution as close as possible to the target distribution for the tumor. In many cases, the target distribution is such that the dose is uniform within the tumor and is as low as possible outside the tumor than inside the tumor.

一般的に、加速器で加速された粒子線を物体(人体含む)に照射した場合、物体内での三次元線量分布はある一点で線量最大ピークを持つという特性がある。この線量最大ピークをブラッグピークと呼ぶ。また、三次元空間において一点で線量最大ピークを持つ場合、そのピーク位置をその粒子線の「照射位置」として定義する。以上のようなピーク構造を持つ粒子線を用いて、三次元的に目標分布を形成するためには何らかの工夫が必要である。   In general, when an object (including a human body) is irradiated with a particle beam accelerated by an accelerator, the three-dimensional dose distribution in the object has a characteristic that has a maximum dose peak at one point. This maximum dose peak is called the Bragg peak. In addition, when there is a maximum dose peak at one point in the three-dimensional space, the peak position is defined as the “irradiation position” of the particle beam. In order to form the target distribution three-dimensionally using the particle beam having the peak structure as described above, some device is required.

粒子線照射装置における照射方法には、大きく分けて2つある。第一の照射方法は、粒子線を散乱体で散乱させて拡大し、拡大した粒子線を照射対象の形状に合わせて照射野を形成し、照射対象である患者の患部全体に対してビームを一斉に照射するブロード照射法である。第二の照射方法は、照射対象の形状に合わせるように、細いペンシル状のビームを走査電磁石により任意の位置に走査して照射する走査式照射法(スポットスキャニング法、ラスタースキャニング法等)である。また、いくつかあるブロード照射法の内、粒子線を回転磁場でX方向、Y方向同時に回転させて照射野を平坦化させるワブラー法では、X方向、Y方向の2台のワブラー電磁石で粒子線を円軌道に沿って高速に走査する。   There are roughly two types of irradiation methods in the particle beam irradiation apparatus. In the first irradiation method, a particle beam is scattered by a scatterer to be enlarged, an irradiation field is formed by matching the expanded particle beam with the shape of the irradiation target, and the beam is applied to the entire affected area of the patient who is the irradiation target. Broad irradiation method that irradiates all at once. The second irradiation method is a scanning irradiation method (spot scanning method, raster scanning method, etc.) in which a thin pencil beam is scanned to an arbitrary position by a scanning electromagnet so as to match the shape of the irradiation target. . Among the several broad irradiation methods, the wobbler method, in which the particle beam is simultaneously rotated in the X and Y directions by a rotating magnetic field to flatten the irradiation field, is generated by two wobbler electromagnets in the X and Y directions. Are scanned at high speed along a circular orbit.

ブロード照射法では、一般的に照射対象(患部)の厚みに応じて、ブラッグピークの幅を拡大するリッジフィルタが用いられる(例えば、特許文献1)。特許文献1には、従来のリッジフィルタの問題点が記載されている。   In the broad irradiation method, a ridge filter that expands the width of the Bragg peak according to the thickness of an irradiation target (affected part) is generally used (for example, Patent Document 1). Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 describes problems of the conventional ridge filter.

特開2003−255093号公報(0022段〜0023段、図9)Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-255093 (stage 0022 to stage 0023, FIG. 9)

複数の楔形要素を有するリッジフィルタの各楔形要素に20数段の段部が形成されている場合には、リッジフィルタを通過する段部の数に応じたエネルギーの異なる粒子線成分により、体内に線量が高くかつ一様な合計総量分布が得られる。しかし、各楔形要素の段部の数を減らした場合には、リッジフィルタの製作は容易になるものの、体内における深さ方向の合計総量分布が不均一になってしまうことが特許文献1に指摘されている。すなわち、従来の粒子線照射装置は、ブラッグピークが極めて細く鋭い場合には、ブラッグピーク幅を滑らかに拡大するために非常に精巧なリッジフィルタが必要だった。   When each wedge-shaped element of a ridge filter having a plurality of wedge-shaped elements has 20 or more steps, the particle beam components having different energies according to the number of steps passing through the ridge filter cause the body to enter the body. A high total dose distribution with high dose is obtained. However, when the number of step portions of each wedge-shaped element is reduced, it is pointed out in Patent Document 1 that although the ridge filter can be easily manufactured, the total amount distribution in the depth direction in the body becomes non-uniform. Has been. That is, in the conventional particle beam irradiation apparatus, when the Bragg peak is extremely thin and sharp, a very sophisticated ridge filter is required to smoothly expand the Bragg peak width.

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、ブラッグピークが極めて細く鋭い場合でも、ブラッグピーク幅を滑らかに拡大でき、均一な合計線量分布を容易に形成できる粒子線照射装置を提供することを目的とする。   The present application discloses a technique for solving the above-described problems, and even when the Bragg peak is extremely thin and sharp, it is possible to smoothly expand the Bragg peak width and easily form a uniform total dose distribution. It aims at providing a beam irradiation apparatus.

本願に開示される粒子線照射装置は、加速させた粒子線の発生及び輸送を行う粒子線発生輸送装置と、粒子線発生輸送装置から輸送された粒子線を照射対象に照射する照射系と、を備えている。照射系は、輸送された粒子線のビーム軸に対して垂直な二方向に粒子線を偏向させる走査装置と、粒子線をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解し、分解された粒子線成分により照射対象においてブラッグピークの深さ方向の幅を拡大するブラッグピーク拡大フィルタと、を備えている。ブラッグピーク拡大フィルタは、ビーム軸に平行な方向に厚みを有する第一材料部と、ビーム軸に垂直な第一材料部の面に複数配置され、ビーム軸に平行な方向に貫通している、又はビーム軸に平行な方向に窪んだ孔部と、を有する。   The particle beam irradiation apparatus disclosed in the present application includes a particle beam generation and transport apparatus that generates and transports accelerated particle beams, an irradiation system that irradiates the irradiation target with the particle beams transported from the particle beam generation and transport apparatus, and It has. The irradiation system consists of a scanning device that deflects the particle beam in two directions perpendicular to the beam axis of the transported particle beam, and decomposes the particle beam into a plurality of particle beam components having different energies. And a Bragg peak expansion filter that expands the width in the depth direction of the Bragg peak in the irradiation target. A plurality of Bragg peak expansion filters are arranged on the surface of the first material part having a thickness in a direction parallel to the beam axis and the first material part perpendicular to the beam axis, and penetrates in the direction parallel to the beam axis. Or a hole recessed in a direction parallel to the beam axis.

本願に開示される粒子線照射装置は、第一材料部の面に貫通している又は窪んだ孔部が複数配置されているブラッグピーク拡大フィルタを備えているので、ブラッグピークが極めて細く鋭い場合でも、ブラッグピーク幅を滑らかに拡大でき、均一な合計線量分布を容易に形成できる。   Since the particle beam irradiation apparatus disclosed in the present application includes the Bragg peak expansion filter in which a plurality of hole portions penetrating or recessed in the surface of the first material portion is provided, the Bragg peak is extremely thin and sharp. However, the Bragg peak width can be expanded smoothly and a uniform total dose distribution can be easily formed.

実施の形態1による粒子線照射装置の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a particle beam irradiation apparatus according to Embodiment 1. FIG. 図1のブラッグピーク拡大フィルタの第1例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the 1st example of the Bragg peak expansion filter of FIG. 図2のブラッグピーク拡大フィルタのビーム軸の上流側から見た正面図である。FIG. 3 is a front view of the Bragg peak widening filter of FIG. 図1のブラッグピーク拡大フィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。It is a figure explaining the energy component of the particle beam after passing the Bragg peak expansion filter of FIG. 第一比較例のリッジフィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を示す図である。It is a figure which shows the energy component of the particle beam after passing through the ridge filter of a 1st comparative example. 第一比較例の線量分布を示す図である。It is a figure which shows dose distribution of a 1st comparative example. 第二比較例の線量分布を示す図である。It is a figure which shows dose distribution of a 2nd comparative example. 図1の粒子線照射装置による粒子線のエネルギー頻度分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the energy frequency distribution of the particle beam by the particle beam irradiation apparatus of FIG. 図8の粒子線のエネルギー頻度分布に対応した線量分布を示す図である。It is a figure which shows dose distribution corresponding to the energy frequency distribution of the particle beam of FIG. 実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第2例を示す正面図である。6 is a front view showing a second example of the Bragg peak widening filter according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第3例を示す正面図である。6 is a front view showing a third example of the Bragg peak widening filter according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第4例を示す正面図である。6 is a front view showing a fourth example of the Bragg peak widening filter according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第5例を示す正面図である。6 is a front view showing a fifth example of the Bragg peak widening filter according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第6例を示す正面図である。6 is a front view showing a sixth example of the Bragg peak widening filter according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第7例を示す正面図である。10 is a front view showing a seventh example of the Bragg peak widening filter according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第8例を示す正面図である。10 is a front view showing an eighth example of a Bragg peak widening filter according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第9例を示す正面図である。10 is a front view showing a ninth example of the Bragg peak widening filter according to Embodiment 1. FIG. 図17におけるA−Aの断面図である。It is sectional drawing of AA in FIG. 図17のブラッグピーク拡大フィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。It is a figure explaining the energy component of the particle beam after passing the Bragg peak expansion filter of FIG. 実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第10例を示す正面図である。It is a front view which shows the 10th example of the Bragg peak expansion filter by Embodiment 1. 図20の第一のフィルタ要素を示す正面図である。It is a front view which shows the 1st filter element of FIG. 図20の第二のフィルタ要素を示す正面図である。It is a front view which shows the 2nd filter element of FIG. 図20の第三のフィルタ要素を示す正面図である。FIG. 21 is a front view showing a third filter element of FIG. 20. 図20のブラッグピーク拡大フィルタにおけるビーム軸の上流側から見た孔部の正面図である。FIG. 21 is a front view of a hole viewed from the upstream side of the beam axis in the Bragg peak widening filter of FIG. 20. 図20のブラッグピーク拡大フィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。It is a figure explaining the energy component of the particle beam after passing the Bragg peak expansion filter of FIG. 実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第11例を示す正面図である。It is a front view which shows the 11th example of the Bragg peak expansion filter by Embodiment 1. 図26の第一のフィルタ要素を示す正面図である。FIG. 27 is a front view showing the first filter element of FIG. 26. 図26の第二のフィルタ要素を示す正面図である。FIG. 27 is a front view showing a second filter element of FIG. 26. 図26の第三のフィルタ要素を示す正面図である。FIG. 27 is a front view showing a third filter element of FIG. 26. 図26の第四のフィルタ要素を示す正面図である。FIG. 27 is a front view showing a fourth filter element of FIG. 26. 図26のブラッグピーク拡大フィルタにおけるビーム軸の上流側から見た孔部の正面図である。FIG. 27 is a front view of a hole viewed from the upstream side of the beam axis in the Bragg peak widening filter of FIG. 26. 実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第12例を示す正面図である。It is a front view which shows the 12th example of the Bragg peak expansion filter by Embodiment 1. 実施の形態2による粒子線照射装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the particle beam irradiation apparatus by Embodiment 2. 図33の粒子線照射装置の動作を示すフロー図である。It is a flowchart which shows operation | movement of the particle beam irradiation apparatus of FIG. 比較例の粒子線照射装置による粒子線のエネルギー頻度分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the energy frequency distribution of the particle beam by the particle beam irradiation apparatus of a comparative example. 図35の粒子線のエネルギー頻度分布に対応した線量分布を示す図である。It is a figure which shows dose distribution corresponding to the energy frequency distribution of the particle beam of FIG. 図33の粒子線照射装置による粒子線のエネルギー頻度分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the energy frequency distribution of the particle beam by the particle beam irradiation apparatus of FIG. 図37の粒子線のエネルギー頻度分布に対応した線量分布を示す図である。It is a figure which shows dose distribution corresponding to the energy frequency distribution of the particle beam of FIG. 実施の形態3による粒子線照射装置の要部を説明する図である。It is a figure explaining the principal part of the particle beam irradiation apparatus by Embodiment 3. FIG. 図39の第一のフィルタ部の断面図である。It is sectional drawing of the 1st filter part of FIG. 図40の第一のフィルタ部通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。It is a figure explaining the energy component of the particle beam after passing the 1st filter part of FIG. 図39の第一のフィルタ部による線量分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of dose distribution by the 1st filter part of FIG. 図39の第二のフィルタ部の断面図である。It is sectional drawing of the 2nd filter part of FIG. 図39の第二のフィルタ部通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。It is a figure explaining the energy component of the particle beam after passing through the 2nd filter part of FIG. 図39の第二のフィルタ部による線量分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the dose distribution by the 2nd filter part of FIG. 実施の形態3による他の粒子線照射装置の要部を説明する図である。It is a figure explaining the principal part of the other particle beam irradiation apparatus by Embodiment 3. FIG. 図46の第三のフィルタ部の断面図である。It is sectional drawing of the 3rd filter part of FIG. 図46の第三のフィルタ部通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。It is a figure explaining the energy component of the particle beam after passing through the 3rd filter part of FIG. 図46の第三のフィルタ部による線量分布の例を示す図である。It is a figure which shows the example of dose distribution by the 3rd filter part of FIG.

実施の形態1.
図1は実施の形態1による粒子線照射装置の概略構成図である。図2は図1のブラッグピーク拡大フィルタの第1例を示す斜視図であり、図3は図2のブラッグピーク拡大フィルタのビーム軸の上流側から見た正面図である。図4は図1のブラッグピーク拡大フィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。実施の形態1の粒子線照射装置50は、ブロード照射法によるブロード照射を実行する例である。実施の形態1の粒子線照射装置50は、荷電粒子を必要なエネルギーまで加速して、加速された荷電粒子を粒子線10として発生させ、照射系6に輸送する粒子線発生輸送装置1と、粒子線10を患者13の照射対象11に照射野を形成するように照射する照射系6と、照射対象11に照射すべき粒子線10の予定線量値、走査装置2の走査速度情報などを記憶する記憶部3と、粒子線発生輸送装置1による粒子線10の出射開始および遮断と、走査装置2による粒子線10の走査とを制御する制御部4を備えている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a particle beam irradiation apparatus according to the first embodiment. 2 is a perspective view showing a first example of the Bragg peak widening filter of FIG. 1, and FIG. 3 is a front view of the Bragg peak widening filter of FIG. 2 viewed from the upstream side of the beam axis. FIG. 4 is a diagram for explaining the energy component of the particle beam after passing through the Bragg peak expansion filter of FIG. The particle beam irradiation apparatus 50 of Embodiment 1 is an example which performs broad irradiation by a broad irradiation method. The particle beam irradiation apparatus 50 according to the first embodiment accelerates charged particles to necessary energy, generates accelerated charged particles as particle beams 10, and transports them to the irradiation system 6. An irradiation system 6 that irradiates the irradiation target 11 of the patient 13 with the particle beam 10 so as to form an irradiation field, a scheduled dose value of the particle beam 10 to be irradiated to the irradiation target 11, and scanning speed information of the scanning device 2 are stored. And a control unit 4 that controls the start and block of emission of the particle beam 10 by the particle beam generation and transport device 1 and the scanning of the particle beam 10 by the scanning device 2.

照射系6は、粒子線発生輸送装置1により発生された粒子線10を粒子線が上流側から下流側に進行するビーム進行方向(ビーム軸方向)であるZ方向に対して垂直な二方向、すなわちXおよびY方向に偏向させて、粒子線10を例えば円形軌道を描くように走査するX方向走査装置23及びY方向走査装置24を有する走査装置2と、散乱体25と、ブラッグピーク拡大フィルタ17と、リッジフィルタ26と、レンジシフタ27と、粒子線10が照射対象11に照射される線量値を測定する線量モニタ5と、マルチリーフコリメータ28と、ボーラス(補償フィルタ)29を備えている。散乱体25は、鉛などで構成され、粒子線10を散乱させる。ブラッグピーク拡大フィルタ17は、粒子線10をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解し、分解された複数の粒子線成分により照射対象11においてブラッグピークを拡大する。リッジフィルタ26は、アルミニウムなどで構成され、照射対象11の厚さに応じて、粒子線10のブラッグピークの幅を拡大する。レンジシフタ27は、粒子線10のエネルギーを変更し、粒子線10の飛程を変更する。レンジシフタ27は、厚みの異なる複数の透過ユニット(図示せず)を有しており、透過ユニットを移動して透過ユニット合計厚みを変更することで、粒子線10のエネルギーを低減させて変更する。ビーム軸9は、X方向走査装置23及びY方向走査装置24により粒子線10が偏向されない場合の粒子線10が進行する軸である。また、ビーム軸9は、粒子線10を照射する際の基準であるアイソセンタ(図示せず)を通過する軸である。照射系6が回転ガントリに搭載された場合には、回転ガントリの回転軸と粒子線10のビーム軸9との交点がアイソセンタである。   The irradiation system 6 has two directions perpendicular to the Z direction, which is the beam traveling direction (beam axis direction) in which the particle beam travels from the upstream side to the downstream side of the particle beam 10 generated by the particle beam generating and transporting device 1. That is, a scanning device 2 having an X-direction scanning device 23 and a Y-direction scanning device 24 that deflects in the X and Y directions and scans the particle beam 10 in a circular orbit, for example, a scatterer 25, and a Bragg peak expansion filter 17, a ridge filter 26, a range shifter 27, a dose monitor 5 that measures a dose value irradiated to the irradiation object 11 by the particle beam 10, a multi-leaf collimator 28, and a bolus (compensation filter) 29. The scatterer 25 is made of lead or the like and scatters the particle beam 10. The Bragg peak expansion filter 17 decomposes the particle beam 10 into a plurality of particle beam components having different energies, and expands the Bragg peak in the irradiation target 11 by the plurality of decomposed particle beam components. The ridge filter 26 is made of aluminum or the like, and expands the width of the Bragg peak of the particle beam 10 according to the thickness of the irradiation target 11. The range shifter 27 changes the energy of the particle beam 10 and changes the range of the particle beam 10. The range shifter 27 has a plurality of transmission units (not shown) with different thicknesses, and changes the total thickness of the transmission units by moving the transmission units, thereby reducing the energy of the particle beam 10 and changing it. The beam axis 9 is an axis along which the particle beam 10 travels when the particle beam 10 is not deflected by the X direction scanning device 23 and the Y direction scanning device 24. The beam axis 9 is an axis that passes through an isocenter (not shown), which is a reference for irradiating the particle beam 10. When the irradiation system 6 is mounted on the rotating gantry, the intersection of the rotating axis of the rotating gantry and the beam axis 9 of the particle beam 10 is an isocenter.

マルチリーフコリメータ28は、複数のリーフ板からなるリーフ部とリーフ板のそれぞれを駆動するリーフ駆動機構で構成され、粒子線10のビーム軸9に垂直な照射野(平面形状)を照射対象11の形状に合わせるように調整する。ボーラス(補償フィルタ)29は、照射対象11の深さ形状(ディスタル形状)に合うように粒子線10のエネルギーを調整する。リッジフィルタ26は、例えば錐状体や断面が三角形の板を面方向に多数並べたような形状にされ、これにより、面方向における分割領域毎に異なる厚みを通過する粒子線10が存在するようになっている。図1では、理解しやすいように三角柱(楔形要素)が横向きに並べられたように記載している。ブラッグピーク拡大フィルタ17により分解されたエネルギーの異なる複数の粒子線成分がリッジフィルタ26を通過することにより、ブラッグピークが拡大され、所定の幅のSOBP(Spread−Out Bragg Peak)を有するようになる。すなわち、ブラッグピーク拡大フィルタ17及びリッジフィルタ26により、照射野はビーム軸方向(深さ方向)にも広げられたことになる。   The multi-leaf collimator 28 is configured by a leaf driving mechanism that drives each of a leaf portion composed of a plurality of leaf plates and a leaf plate, and irradiates an irradiation field (planar shape) perpendicular to the beam axis 9 of the particle beam 10 on the irradiation target 11. Adjust to fit the shape. The bolus (compensation filter) 29 adjusts the energy of the particle beam 10 so as to match the depth shape (distal shape) of the irradiation object 11. The ridge filter 26 is formed into a shape in which, for example, a large number of conical bodies and triangular plates having a triangular cross section are arranged in the plane direction, so that there are particle beams 10 that pass through different thicknesses for each divided region in the plane direction. It has become. In FIG. 1, for easy understanding, triangular prisms (wedge-shaped elements) are illustrated as being arranged sideways. When a plurality of particle beam components having different energies decomposed by the Bragg peak widening filter 17 pass through the ridge filter 26, the Bragg peak is widened to have an SOBP (Spread-Out Bragg Peak) having a predetermined width. . That is, the irradiation field is expanded in the beam axis direction (depth direction) by the Bragg peak expansion filter 17 and the ridge filter 26.

粒子線照射装置50の動作を説明する。まず、粒子線発生輸送装置1のパラメータを、粒子線10のエネルギーが、治療計画で計画されたエネルギー値に設定する。その後、粒子線10を発生させて照射を開始し、それと同時に線量モニタ5による粒子線10の線量測定を開始する。測定された粒子線10の線量である測定線量の値が、記憶部3に記憶された予定線量値に到達するまで粒子線10の照射を継続する。測定線量の値が記憶部3に記憶された予定線量値に到達した場合は、粒子線10の照射を終了する。   The operation of the particle beam irradiation apparatus 50 will be described. First, the energy of the particle beam 10 is set to the energy value planned in the treatment plan as the parameter of the particle beam generating and transporting apparatus 1. Thereafter, the particle beam 10 is generated and irradiation is started, and at the same time, dose measurement of the particle beam 10 by the dose monitor 5 is started. Irradiation of the particle beam 10 is continued until the measured dose value, which is the measured dose of the particle beam 10, reaches the planned dose value stored in the storage unit 3. When the measured dose value reaches the planned dose value stored in the storage unit 3, the irradiation of the particle beam 10 is terminated.

粒子線10のエネルギーを変更する際に、粒子線発生輸送装置1の加速器の種類がシンクロトロンである場合には、シンクロトロンの運転パターンを変化させることで粒子線のエネルギーを変更することが可能である。また、加速器の種類がサイクロトロンである場合には、粒子線輸送路の途中にエネルギー選択システム(ESS:Energy Selection System)を配置することで粒子線10のエネルギーを変更することが可能である。   When changing the energy of the particle beam 10, if the type of the accelerator of the particle beam generator / transporter 1 is a synchrotron, it is possible to change the energy of the particle beam by changing the operation pattern of the synchrotron It is. In addition, when the type of accelerator is a cyclotron, the energy of the particle beam 10 can be changed by arranging an energy selection system (ESS) in the middle of the particle beam transport path.

ブラッグピーク拡大フィルタ17について詳しく説明する。ブラッグピーク拡大フィルタ17は、図2に模式的に示すように、粒子線10の進行方向すなわちビーム軸方向と垂直な面を持ち、第一材料部18と、粒子線10のビーム軸方向と平行な方向に貫通する複数の孔部19から形成される。換言すれば、ブラッグピーク拡大フィルタ17は一枚の板に複数の小さな貫通孔が空いたものであるとも言える。また、第一材料部18の厚みは、粒子線10を完全に停止できる厚さよりは小さい。第一材料部18の厚さは、例えば材料がアルミニウムの場合の厚さが0.5mm、アクリル樹脂の場合の厚さが1mmである。図3に、ブラッグピーク拡大フィルタ17を粒子線10のビーム軸の上流側から見た図を示す。孔部19の形状は例えば円形であり、孔部19の配置は例えば正方格子状である。孔部19の中心と、隣接する孔部19の中心との距離(中心間距離)Lは例えば2mmである。また、孔部19の直径Dは例えば1.5mmである。このような構造は、NC(Numerical Control)加工により製作することができる。あるいは、フォトリソグラフィによっても製作することができる。   The Bragg peak expansion filter 17 will be described in detail. As schematically shown in FIG. 2, the Bragg peak expansion filter 17 has a plane perpendicular to the traveling direction of the particle beam 10, that is, the beam axis direction, and is parallel to the first material portion 18 and the beam axis direction of the particle beam 10. It is formed from a plurality of holes 19 penetrating in any direction. In other words, it can be said that the Bragg peak expansion filter 17 is a plate in which a plurality of small through holes are formed. Further, the thickness of the first material portion 18 is smaller than the thickness capable of completely stopping the particle beam 10. For example, the thickness of the first material portion 18 is 0.5 mm when the material is aluminum, and 1 mm when the material is acrylic resin. FIG. 3 shows a view of the Bragg peak widening filter 17 viewed from the upstream side of the beam axis of the particle beam 10. The shape of the hole 19 is, for example, a circle, and the arrangement of the hole 19 is, for example, a square lattice. The distance (center distance) L between the center of the hole 19 and the center of the adjacent hole 19 is, for example, 2 mm. Further, the diameter D of the hole 19 is, for example, 1.5 mm. Such a structure can be manufactured by NC (Numerical Control) processing. Alternatively, it can be manufactured by photolithography.

ブラッグピーク拡大フィルタ17は、通過する一部の粒子線10のエネルギーを低減させる。すなわち、ブラッグピーク拡大フィルタ17の第一材料部18を通過した粒子線10はエネルギーが低減され、孔部19を通過した粒子線10はエネルギーが低減されない。ブラッグピーク拡大フィルタ17を通過した粒子線10は、図4に示すようにエネルギーが異なる2つの粒子線成分に分かれ、2つの粒子線成分の重ね合わせによりブラッグピークの幅が大きくなる。このように、ブラッグピーク拡大フィルタ17は、患者13の体表面からの深さ方向においてブラッグピークの幅を増大させる機能を有する。図4において、横軸は粒子線のエネルギーであり、縦軸は粒子線の各エネルギー成分の頻度である。図4に示したエネルギーがE1のエネルギー成分30aは第一材料部18を通過した粒子線成分によるエネルギー成分であり、エネルギーがE2のエネルギー成分30bは孔部19を通過した粒子線成分によるエネルギー成分である。   The Bragg peak widening filter 17 reduces the energy of a part of the particle beam 10 that passes therethrough. That is, the energy of the particle beam 10 that has passed through the first material portion 18 of the Bragg peak expanding filter 17 is reduced, and the energy of the particle beam 10 that has passed through the hole 19 is not reduced. As shown in FIG. 4, the particle beam 10 that has passed through the Bragg peak expansion filter 17 is divided into two particle beam components having different energies, and the width of the Bragg peak is increased by superimposing the two particle beam components. As described above, the Bragg peak expansion filter 17 has a function of increasing the width of the Bragg peak in the depth direction from the body surface of the patient 13. In FIG. 4, the horizontal axis represents the energy of the particle beam, and the vertical axis represents the frequency of each energy component of the particle beam. The energy component 30a having the energy E1 shown in FIG. 4 is an energy component due to the particle beam component that has passed through the first material portion 18, and the energy component 30b having the energy E2 is the energy component due to the particle beam component having passed through the hole portion 19. It is.

ブラッグピーク拡大フィルタ17を通過することで、幅が増大されたブラッグピークの形状は、2つの粒子線成分の割合によって決まる。2つの粒子線成分の割合は、ブラッグピーク拡大フィルタ17の粒子線10が通過する範囲における第一材料部18と孔部19の面積の比、すなわち粒子線10のビーム軸の上流側から見た面積の比によって決まる。例えば図3に示すような孔部19の配置は、正方格子状の配置である。孔部19が直径Dの円であり、孔部19の中心が一辺の長さがLの正方形の頂点に存在するような配置(正方格子状の配置)をしている場合には、第一材料部18と孔部19の面積比Raは式(1)のように計算できる。
−π×D/4 : π×D/4 ・・・(1)
The shape of the Bragg peak whose width is increased by passing through the Bragg peak widening filter 17 is determined by the ratio of the two particle beam components. The ratio of the two particle beam components is the ratio of the area of the first material portion 18 and the hole portion 19 in the range through which the particle beam 10 of the Bragg peak expanding filter 17 passes, that is, viewed from the upstream side of the beam axis of the particle beam 10. Determined by area ratio. For example, the arrangement of the holes 19 as shown in FIG. 3 is a square lattice arrangement. If the hole 19 is a circle having a diameter D and the center of the hole 19 is located at the apex of a square having a side length L (square lattice-like arrangement), The area ratio Ra between the material portion 18 and the hole portion 19 can be calculated as shown in Expression (1).
L 2 -π × D 2/4 : π × D 2/4 ··· (1)

例えばL=2mm、D=1.5mmの場合、面積比Raは概ね5:4となる。孔部19の大きさおよび配置を変更することで、面積比Raはある程度自由に調節することができる。孔部19の面積が第一材料部18の面積に対してあまりに小さすぎる場合は、2つの粒子線成分のうち、エネルギーの低いほうの成分が支配的となり、ブラッグピークの形状もほとんどエネルギーの低いほうの成分によって決まる。この場合は、ブラッグピーク幅拡大の効果があまり得られない。具体的には、孔部19の面積は少なくとも、第一材料部18の面積の1/10以上であることが望ましい。そのために必要な条件は、式(1)を用いて式(2)と表すことができる。
D/L > 0.34 ・・・(2)
For example, when L = 2 mm and D = 1.5 mm, the area ratio Ra is approximately 5: 4. By changing the size and arrangement of the holes 19, the area ratio Ra can be freely adjusted to some extent. When the area of the hole portion 19 is too small with respect to the area of the first material portion 18, the lower energy component of the two particle beam components is dominant, and the Bragg peak shape is also almost low in energy. It depends on the component. In this case, the effect of expanding the Bragg peak width is not so much obtained. Specifically, the area of the hole portion 19 is desirably at least 1/10 or more of the area of the first material portion 18. The conditions necessary for this can be expressed as equation (2) using equation (1).
D / L> 0.34 (2)

ブラッグピーク拡大フィルタ17の作用を、比較例と比較しながら説明する。図5は第一比較例のリッジフィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を示す図であり、図6は第一比較例の線量分布を示す図である。図7は、第二比較例の線量分布を示す図である。図8は図1の粒子線照射装置による粒子線のエネルギー頻度分布の例を示す図であり、図9は図8の粒子線のエネルギー頻度分布に対応した線量分布を示す図である。図5、図8において、横軸は粒子線のエネルギーであり、縦軸は粒子線の各エネルギー成分の頻度である。図6、図7、図9において、横軸は深さ、すなわち照射対象11の内部におけるZ方向の位置(Z位置)であり、縦軸は粒子線の線量である。   The operation of the Bragg peak expansion filter 17 will be described in comparison with a comparative example. FIG. 5 is a diagram showing the energy component of the particle beam after passing through the ridge filter of the first comparative example, and FIG. 6 is a diagram showing the dose distribution of the first comparative example. FIG. 7 is a diagram showing the dose distribution of the second comparative example. 8 is a diagram showing an example of the energy frequency distribution of the particle beam by the particle beam irradiation apparatus of FIG. 1, and FIG. 9 is a diagram showing the dose distribution corresponding to the energy frequency distribution of the particle beam of FIG. 5 and 8, the horizontal axis represents the energy of the particle beam, and the vertical axis represents the frequency of each energy component of the particle beam. 6, 7, and 9, the horizontal axis is the depth, that is, the position in the Z direction (Z position) inside the irradiation object 11, and the vertical axis is the particle beam dose.

第一比較例は、ブラッグピーク拡大フィルタ17が配置されていない粒子線照射装置により、ブラッグピークを拡大する例である。ブラッグピーク拡大フィルタ17が配置されていない従来の粒子線照射装置では、リッジフィルタ26の各楔形要素の一面に例えば20数段の段部が形成されている。この場合には、リッジフィルタ26を通過した粒子線は、20数個のエネルギーが異なる粒子線成分を含んでいる。エネルギーに対する荷電粒子数の分布は、荷電粒子のエネルギーを決定する各段部の1つの楔形要素に占める割合によって決まる。このため、楔形要素の縦断面の形状によって、リッジフィルタ26を通過した粒子線のエネルギー分布が決まる。ブラッグピーク拡大フィルタ17が設置されない従来の照射野形成装置において、7個の段部を一面に形成した楔形要素を有するリッジフィルタ26を通過した粒子線の粒子線成分におけるエネルギー成分の分布を、図5に示した。   A 1st comparative example is an example which expands a Bragg peak with the particle beam irradiation apparatus in which the Bragg peak expansion filter 17 is not arrange | positioned. In the conventional particle beam irradiation apparatus in which the Bragg peak expanding filter 17 is not disposed, for example, 20 steps are formed on one surface of each wedge-shaped element of the ridge filter 26. In this case, the particle beam that has passed through the ridge filter 26 includes 20 or more particle beam components having different energies. The distribution of the number of charged particles with respect to energy is determined by the proportion of each step that determines the energy of the charged particles in one wedge-shaped element. For this reason, the energy distribution of the particle beam that has passed through the ridge filter 26 is determined by the shape of the longitudinal section of the wedge-shaped element. In the conventional irradiation field forming apparatus in which the Bragg peak expanding filter 17 is not installed, the distribution of energy components in the particle beam component of the particle beam that has passed through the ridge filter 26 having a wedge-shaped element having seven steps formed on one surface is shown in FIG. This is shown in FIG.

粒子線が体内において到達する深さは、粒子線が持っているエネルギーによって決まる。エネルギーが大きい粒子線は深い位置まで到達し、エネルギーが小さい粒子線ほど到達する位置は浅くなる。図5のようにエネルギーが異なる7個の粒子線成分を含む粒子線においては、この粒子線を患者13に照射した場合にはエネルギーに応じて各粒子線成分が体内で到達する異なる7つの各位置でブラッグピークが形成される。そのような粒子線を照射した場合の体内の合計線量分布32は、体内の深さ方向において、それらのブラッグピークが足し合わされる。図6では、ブラッグピークが異なる7つの線量分布31a、31b、31c、31d、31e、31f、31gを示した。7つの線量分布31a、31b、31c、31d、31e、31f、31gが足し合わされた合計線量分布32は、線量が高くかつ一様になっている範囲が深さ方向に広がっている。   The depth that the particle beam reaches in the body is determined by the energy that the particle beam has. A particle beam with high energy reaches a deep position, and a particle beam with low energy reaches a shallow position. In the case of a particle beam including seven particle beam components having different energies as shown in FIG. 5, when the particle beam is irradiated to the patient 13, each of the seven different particle beam components that reach the inside of the body according to the energy. A Bragg peak is formed at the position. The total dose distribution 32 in the body when irradiated with such a particle beam is obtained by adding the Bragg peaks in the depth direction of the body. FIG. 6 shows seven dose distributions 31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f, and 31g having different Bragg peaks. In the total dose distribution 32 in which the seven dose distributions 31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f, and 31g are added, the range in which the dose is high and uniform spreads in the depth direction.

リッジフィルタ26の楔形要素に形成される段部の数を減らして高さ方向における段部の間隔を粗く製作した場合を考える。第二比較例は、ブラッグピーク拡大フィルタ17が配置されておらず、かつ第一比較例のリッジフィルタ26よりも段部の数が少ないリッジフィルタ26を有する粒子線照射装置によりブラッグピークを拡大する例である。リッジフィルタ26の楔形要素に形成される段部の数を減らして高さ方向における段部の間隔を粗く製作した場合には、第一比較例のリッジフィルタ26に比べてリッジフィルタの製作は簡単になる。しかし、第二比較例のリッジフィルタ26を通過した粒子線に含まれる、エネルギーの異なる粒子線成分の数が減り、各粒子線成分間のエネルギーの差が大きくなる。このため、図7に示すように、照射対象11の内部の深さ方向における合計線量分布32が凹凸のある不均一な形状になる。図7では、ブラッグピークが異なる4つの線量分布31a、31c、31e、31gを示した。なお、図7では、図6における3つの線量分布31b、31d、31fが除かれている例を示した。   Consider a case in which the number of step portions formed on the wedge-shaped element of the ridge filter 26 is reduced and the step portion in the height direction is roughly formed. In the second comparative example, the Bragg peak expansion filter 17 is not disposed, and the Bragg peak is expanded by the particle beam irradiation apparatus having the ridge filter 26 having a smaller number of steps than the ridge filter 26 of the first comparative example. It is an example. When the number of step portions formed on the wedge-shaped element of the ridge filter 26 is reduced to make the gap between the step portions in the height direction rough, the ridge filter is easier to manufacture than the ridge filter 26 of the first comparative example. become. However, the number of particle beam components having different energies contained in the particle beam that has passed through the ridge filter 26 of the second comparative example is reduced, and the difference in energy between the particle beam components is increased. For this reason, as shown in FIG. 7, the total dose distribution 32 in the depth direction inside the irradiation object 11 has an uneven and uneven shape. In FIG. 7, four dose distributions 31a, 31c, 31e, and 31g having different Bragg peaks are shown. 7 shows an example in which the three dose distributions 31b, 31d, and 31f in FIG. 6 are removed.

次に、リッジフィルタ26の上流側にブラッグピーク拡大フィルタ17を設置した場合における体内の合計線量分布について説明する。ブラッグピーク拡大フィルタ17を通過した粒子線は、前述したように、エネルギーが異なる2つの粒子線成分を含んでいる。図8では、ブラッグピーク拡大フィルタ17の孔部19を通過し、リッジフィルタ26の楔形要素における4つの段部を通過した、4つのエネルギーがE1、E2、E3、E4のエネルギー成分と、ブラッグピーク拡大フィルタ17の第一材料部18を通過し、リッジフィルタ26の楔形要素における4つの段部を通過した、4つのエネルギーがE1a、E2a、E3a、E4aのエネルギー成分を示した。図9では、4つの線量分布33a、33b、33c、33dと、線量分布33a、33b、33c、33dを合わせた合計線量分布34を示した。線量分布33aは、エネルギーE1a、E1のエネルギー成分による線量分布である。同様に、線量分布33bはエネルギーE2a、E2のエネルギー成分による線量分布であり、線量分布33cはエネルギーE3a、E3のエネルギー成分による線量分布であり、線量分布33dはエネルギーE4a、E4のエネルギー成分による線量分布である。   Next, the total dose distribution in the body when the Bragg peak widening filter 17 is installed on the upstream side of the ridge filter 26 will be described. The particle beam that has passed through the Bragg peak expansion filter 17 includes two particle beam components having different energies, as described above. In FIG. 8, the four energies of E1, E2, E3, and E4 passing through the hole 19 of the Bragg peak expanding filter 17 and the four steps of the wedge-shaped element of the ridge filter 26 are represented by the Bragg peak. The four energies that passed through the first material portion 18 of the magnifying filter 17 and passed through the four steps of the wedge-shaped element of the ridge filter 26 showed the energy components E1a, E2a, E3a, and E4a. FIG. 9 shows a total dose distribution 34 that combines the four dose distributions 33a, 33b, 33c, and 33d and the dose distributions 33a, 33b, 33c, and 33d. The dose distribution 33a is a dose distribution based on energy components of the energy E1a and E1. Similarly, the dose distribution 33b is a dose distribution based on the energy components of the energy E2a and E2, the dose distribution 33c is a dose distribution based on the energy components of the energy E3a and E3, and the dose distribution 33d is a dose based on the energy components of the energy E4a and E4. Distribution.

ブラッグピーク拡大フィルタ17の下流に位置するリッジフィルタ26を通過した粒子線を照射することによって、図9に示したように、体内に形成される各ブラッグピークの幅が広くなる。実施の形態1の粒子線照射装置50は、ブラッグピーク拡大フィルタ17を設置しない従来の粒子線照射装置と比べ、リッジフィルタ26の段部の数および加工精度が同等の条件であっても、合計線量分布を均一にすることが容易になる。したがって、実施の形態1の粒子線照射装置50は、粒子線10をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解するブラッグピーク拡大フィルタ17を備えるので、ブラッグピークが極めて細く鋭い場合でも、体内に形成される各ブラッグピーク幅を滑らかに拡大でき、均一な合計線量分布を容易に形成できる。   By irradiating the particle beam that has passed through the ridge filter 26 located downstream of the Bragg peak expanding filter 17, the width of each Bragg peak formed in the body is widened as shown in FIG. Compared with the conventional particle beam irradiation apparatus in which the Bragg peak widening filter 17 is not installed, the particle beam irradiation apparatus 50 of the first embodiment is a total even if the number of steps of the ridge filter 26 and the processing accuracy are the same. It becomes easy to make the dose distribution uniform. Therefore, since the particle beam irradiation apparatus 50 according to the first embodiment includes the Bragg peak expansion filter 17 that decomposes the particle beam 10 into a plurality of particle beam components having different energies, the particle beam irradiation device 50 is formed in the body even when the Bragg peak is extremely thin and sharp. Each Bragg peak width can be smoothly expanded, and a uniform total dose distribution can be easily formed.

また、実施の形態1の粒子線照射装置50は、合計線量分布の均一度を保ったまま、リッジフィルタ26の段部の数を減らしたり、加工の要求精度を緩めることで、リッジフィルタ26の製造に要する時間を短縮できる。したがって、実施の形態1の粒子線照射装置50は、粒子線10をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解するブラッグピーク拡大フィルタ17を備えるので、段部の数の少ないリッジフィルタ26を用いても、体内に形成される各ブラッグピーク幅を滑らかに拡大でき、均一な合計線量分布を容易に形成できる。   In addition, the particle beam irradiation apparatus 50 according to the first embodiment reduces the number of steps of the ridge filter 26 while maintaining the uniformity of the total dose distribution, or relaxes the required processing accuracy. Manufacturing time can be shortened. Therefore, since the particle beam irradiation apparatus 50 according to the first embodiment includes the Bragg peak expansion filter 17 that decomposes the particle beam 10 into a plurality of particle beam components having different energies, the ridge filter 26 having a small number of steps is used. However, each Bragg peak width formed in the body can be smoothly expanded, and a uniform total dose distribution can be easily formed.

なお、図1ではブラッグピーク拡大フィルタ17をリッジフィルタ26の上流側に配置する例を示したが、ブラッグピーク拡大フィルタ17をリッジフィルタ26の下流側に配置しても構わない。   Although FIG. 1 shows an example in which the Bragg peak widening filter 17 is arranged on the upstream side of the ridge filter 26, the Bragg peak widening filter 17 may be arranged on the downstream side of the ridge filter 26.

ブラッグピーク拡大フィルタ17は、図2、図3に示した第1例の構成に限らず、他の構成であってもよい。ブラッグピーク拡大フィルタ17の孔部19の配置は、図10に示すように、六方格子状の配置であってもよい。図10は、実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第2例を示す正面図である。この場合、第一材料部18と孔部19の面積比Raは式(3)のように計算できる。
×√3/2−π×D/4 : π×D/4 ・・・(3)
The Bragg peak expansion filter 17 is not limited to the configuration of the first example illustrated in FIGS. 2 and 3, and may have other configurations. As shown in FIG. 10, the arrangement of the holes 19 of the Bragg peak expansion filter 17 may be a hexagonal lattice arrangement. FIG. 10 is a front view showing a second example of the Bragg peak widening filter according to the first embodiment. In this case, the area ratio Ra between the first material portion 18 and the hole portion 19 can be calculated as in Expression (3).
L 2 × √3 / 2-π × D 2/4: π × D 2/4 ··· (3)

六方格子状の配置は、正方格子状の配置のときと同様に孔部19の大きさと配置を変更することで面積比Raをある程度自由に調節することが可能である。正方格子状の配置のときと同様に、孔部19の面積が第一材料部18の面積に対してあまりに小さすぎる場合は、ブラッグピーク幅拡大の効果があまり得られない。孔部19の面積は少なくとも、第一材料部18の面積の1/10以上であることが望ましい。そのために必要な条件は、式(3)を用いて式(4)と表すことができる。
D/L > 0.316 ・・・(4)
In the hexagonal lattice arrangement, the area ratio Ra can be freely adjusted to some extent by changing the size and arrangement of the holes 19 in the same manner as the tetragonal lattice arrangement. As in the case of the square lattice arrangement, when the area of the hole 19 is too small with respect to the area of the first material portion 18, the effect of expanding the Bragg peak width is not obtained so much. The area of the hole 19 is preferably at least 1/10 of the area of the first material part 18. The condition necessary for this can be expressed as equation (4) using equation (3).
D / L> 0.316 (4)

また、孔部19の配置は、図11に示すように環状であってもよいし、図12に示すようにランダム配置であってもよい。図11は実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第3例を示す正面図であり、図12は実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第4例を示す正面図である。   Further, the holes 19 may be arranged in a ring shape as shown in FIG. 11 or in a random arrangement as shown in FIG. FIG. 11 is a front view showing a third example of the Bragg peak widening filter according to the first embodiment, and FIG. 12 is a front view showing a fourth example of the Bragg peak widening filter according to the first embodiment.

孔部19の形状は必ずしも円である必要はなく、例えば図13に示すように多角形であってもよい。また孔部19の大きさは必ずしも全て等しい必要はなく、例えば図14に示すように複数種類の異なる大きさの孔部を有する構造をしていてもよい。いずれの例においても、ブラッグピーク拡大フィルタ17を通過した粒子線10の2つのエネルギーを持つ粒子線成分の割合は、ブラッグピーク拡大フィルタ17を粒子線10が通過する範囲における第一材料部18と孔部19の、粒子線10のビーム軸の上流側から見た面積の比によって決まる。図13は実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第5例を示す正面図であり、図14は実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第6例を示す正面図である。   The shape of the hole 19 is not necessarily a circle, and may be a polygon as shown in FIG. 13, for example. Further, the sizes of the holes 19 are not necessarily equal to each other. For example, as shown in FIG. 14, a plurality of types of holes having different sizes may be used. In any example, the ratio of the particle beam component having two energies of the particle beam 10 that has passed through the Bragg peak expansion filter 17 is the same as that of the first material portion 18 in the range in which the particle beam 10 passes through the Bragg peak expansion filter 17. It is determined by the ratio of the area of the hole 19 viewed from the upstream side of the beam axis of the particle beam 10. FIG. 13 is a front view showing a fifth example of the Bragg peak widening filter according to the first embodiment, and FIG. 14 is a front view showing a sixth example of the Bragg peak widening filter according to the first embodiment.

以上の説明では、第1〜第6例のブラッグピーク拡大フィルタ17は空気中に配置され、孔部19には空気が存在していることを前提に記載している。しかし、照射系6の設計上、ブラッグピーク拡大フィルタ17は真空中に配置されても良く、その場合、孔部19を満たす要素は真空となる。また同様に、ブラッグピーク拡大フィルタ17はヘリウムガスを封入したガスチェンバー内に配置されても良く、その場合、孔部19を満たす要素はヘリウムとなる。   In the above description, the Bragg peak widening filter 17 of the first to sixth examples is described in the assumption that air is present in the hole 19 and air is present in the hole 19. However, due to the design of the irradiation system 6, the Bragg peak widening filter 17 may be disposed in a vacuum, and in that case, the element filling the hole 19 is a vacuum. Similarly, the Bragg peak widening filter 17 may be disposed in a gas chamber filled with helium gas. In this case, the element filling the hole 19 is helium.

さらに他の構成のブラッグピーク拡大フィルタ17であってもよい。図15は実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第7例を示す正面図であり、図16は実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第8例を示す正面図である。図15に示すように、第一材料部18の孔部19が、第一材料部18とは異なる材料から成る固体で満たされるように配置されても良い。すなわち、第7例のブラッグピーク拡大フィルタ17は、第一材料部18と、第一材料部18と異なる材料から成る第二材料部52から形成されている。第一材料部18の孔部19が完全に固体で満たされた場合には、孔部19という呼称は適切ではないので、第二材料部52を用いる。   Still another Bragg peak widening filter 17 may be used. 15 is a front view showing a seventh example of the Bragg peak widening filter according to the first embodiment, and FIG. 16 is a front view showing an eighth example of the Bragg peak widening filter according to the first embodiment. As shown in FIG. 15, the hole portion 19 of the first material portion 18 may be disposed so as to be filled with a solid made of a material different from that of the first material portion 18. That is, the Bragg peak widening filter 17 of the seventh example is formed of a first material portion 18 and a second material portion 52 made of a material different from the first material portion 18. When the hole 19 of the first material part 18 is completely filled with solid, the name of the hole 19 is not appropriate, and the second material part 52 is used.

第一材料部18と第二材料部52とで粒子線10に対するストッピング・パワー、すなわち低減力の異なる材料を用いることで、第一材料部18を通過した粒子線10と第二材料部52を通過した粒子線10とが異なるエネルギー低減を受けるため、第二材料部52が空洞である場合と同様の効果が得られる。また、第一材料部18と第二材料部52とで同じ材料を用い、厚さを変えることでもやはり同様の効果が得られる。図16に示すように、第一材料部18を一体の構造で製造することが不可能な形状であっても、第二材料部52を固体で満たすことにより、ブラッグピーク拡大フィルタ17を一体の構造物として形成することが可能になる。   By using materials having different stopping powers, that is, reducing powers for the particle beam 10 in the first material portion 18 and the second material portion 52, the particle beam 10 and the second material portion 52 that have passed through the first material portion 18 are used. Since the particle beam 10 that has passed through is subjected to energy reduction different from that of the particle beam 10, the same effect as in the case where the second material portion 52 is hollow can be obtained. The same effect can be obtained by using the same material for the first material portion 18 and the second material portion 52 and changing the thickness. As shown in FIG. 16, even if the first material portion 18 cannot be manufactured in an integral structure, the Bragg peak expanding filter 17 is integrated by filling the second material portion 52 with a solid. It can be formed as a structure.

ブラッグピーク拡大フィルタ17の孔部19の大きさは、ビーム軸方向に対して一定ではなく、図17に示すように、孔部19がテーパー形状をしていても良い。図17は、実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第9例を示す正面図である。図18は図17におけるA−Aの断面図であり、図19は図17のブラッグピーク拡大フィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。図18では、図17のA−Aで示した破線とビーム軸方向を含む平面にてブラッグピーク拡大フィルタ17を切断した断面図を示した。孔部19は、粒子線10が進行する方向(ビーム軸方向)の上流側の開口が広く、下流側の開口は狭くなっている。孔部19は、上流側開口59、テーパー形状の側面であるテーパー部57、下流側開口58を有している。粒子線10がビーム軸9に平行な方向からブラッグピーク拡大フィルタ17を通過する場合、下流側開口58を通過する粒子線10cはテーパー部57によるエネルギー低減を受けない。下流側開口58は、第一材料部18を貫通している底部ということもできる。図18では、粒子線10の軌跡を模式的に3つの粒子線10a、10b、10cとして記載した。第一材料部18を通過した粒子線10aはエネルギーを低減し比較的低いエネルギーを有し、孔部19の下流側開口58を通過した粒子線10cはエネルギーが低減されず、比較的高いエネルギーを有する。さらに、孔部19のテーパー形状に形成されたテーパー部57を通過した粒子線10bは、その中間のエネルギーを有する。   The size of the hole 19 of the Bragg peak expanding filter 17 is not constant with respect to the beam axis direction, and the hole 19 may be tapered as shown in FIG. FIG. 17 is a front view illustrating a ninth example of the Bragg peak widening filter according to the first embodiment. 18 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 17, and FIG. 19 is a diagram for explaining the energy component of the particle beam after passing through the Bragg peak expansion filter of FIG. FIG. 18 shows a cross-sectional view of the Bragg peak widening filter 17 cut along a plane including the broken line and the beam axis direction indicated by AA in FIG. The hole 19 has a wide opening on the upstream side in the direction in which the particle beam 10 travels (beam axis direction) and a narrow opening on the downstream side. The hole 19 has an upstream opening 59, a tapered portion 57 that is a tapered side surface, and a downstream opening 58. When the particle beam 10 passes through the Bragg peak widening filter 17 from a direction parallel to the beam axis 9, the particle beam 10 c passing through the downstream opening 58 is not subjected to energy reduction by the tapered portion 57. The downstream opening 58 can also be referred to as a bottom portion penetrating the first material portion 18. In FIG. 18, the locus of the particle beam 10 is schematically shown as three particle beams 10a, 10b, and 10c. The particle beam 10a that has passed through the first material portion 18 reduces energy and has a relatively low energy, and the particle beam 10c that has passed through the downstream opening 58 of the hole portion 19 does not reduce energy and has a relatively high energy. Have. Furthermore, the particle beam 10b that has passed through the tapered portion 57 formed in the tapered shape of the hole portion 19 has intermediate energy.

したがって、第9例のブラッグピーク拡大フィルタ17を通過した粒子線10は図19に示すように複数のエネルギーを有する粒子線成分によって構成される。図4に示したような、粒子線10のエネルギーの異なる粒子線成分が2つである場合に比べ、第9例のブラッグピーク拡大フィルタ17は、粒子線10を3つ以上のエネルギーの異なる粒子線成分に分解し、分解された複数の粒子線成分により照射対象11においてブラッグピークを拡大することができる。図19では、9個の異なるエネルギーE1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9に対応した粒子線成分による、9個のエネルギー成分の例を示した。図19において、横軸は粒子線のエネルギーであり、縦軸は粒子線の各エネルギー成分の頻度である。第9例のブラッグピーク拡大フィルタ17を備えた粒子線照射装置50は、3つ以上の粒子線成分によって形成される線量分布が2つの粒子線成分によって形成される線量分布よりも滑らかになるので、幅が拡大されたブラッグピークを有する線量分布のカーブ形状も滑らかになり、ブラッグピーク位置の異なる複数の線量分布を足し合わせることで、均一な合計線量分布の形成がより容易になる。   Therefore, the particle beam 10 that has passed through the Bragg peak widening filter 17 of the ninth example is composed of particle beam components having a plurality of energies as shown in FIG. Compared to the case where there are two particle beam components having different energy of the particle beam 10 as shown in FIG. 4, the Bragg peak expanding filter 17 of the ninth example uses the particle beam 10 as three or more particles having different energy. The Bragg peak can be expanded in the irradiation target 11 by decomposing into a line component and using the plurality of decomposed particle beam components. FIG. 19 shows an example of nine energy components by particle beam components corresponding to nine different energies E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7, E8, and E9. In FIG. 19, the horizontal axis represents the energy of the particle beam, and the vertical axis represents the frequency of each energy component of the particle beam. In the particle beam irradiation apparatus 50 provided with the Bragg peak expansion filter 17 of the ninth example, the dose distribution formed by three or more particle beam components is smoother than the dose distribution formed by two particle beam components. The curve shape of the dose distribution having the Bragg peak whose width has been expanded also becomes smooth, and the addition of a plurality of dose distributions having different Bragg peak positions makes it easier to form a uniform total dose distribution.

なお、テーパー形状の孔部19は、ビーム軸9の上流側の開口面積とビーム軸9の下流側の開口面積とが異なっていると表現することもできる。図17、図18に示した例は、上流側の開口面積が下流側の開口面積よりも大きい例である。また、テーパー形状の孔部19は、上流側の開口面積が下流側の開口面積よりも小さい場合でもよい。この場合もテーパー部57を通過した粒子線10は、通過したテーパー部57の厚さに応じてエネルギーが低減されるので、図17、図18に示した例と同様の効果が得られる。   The tapered hole portion 19 can also be expressed as the opening area on the upstream side of the beam axis 9 and the opening area on the downstream side of the beam axis 9 are different. The examples shown in FIGS. 17 and 18 are examples in which the upstream opening area is larger than the downstream opening area. The tapered hole portion 19 may have a case where the upstream opening area is smaller than the downstream opening area. Also in this case, since the energy of the particle beam 10 that has passed through the tapered portion 57 is reduced in accordance with the thickness of the tapered portion 57 that has passed through, the same effect as the example shown in FIGS. 17 and 18 can be obtained.

ブラッグピーク拡大フィルタ17は、複数のフィルタ要素によって構成されても良い。図20は、実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第10例を示す正面図である。図21、図22、図23は、それぞれ図20の第一のフィルタ要素、第二のフィルタ要素、第三のフィルタ要素を示す正面図である。図24は、図20のブラッグピーク拡大フィルタにおけるビーム軸の上流側から見た孔部の正面図であり、図25は図20のブラッグピーク拡大フィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。図25において、横軸は粒子線のエネルギーであり、縦軸は粒子線の各エネルギー成分の頻度である。図20では、3枚のフィルタ要素53a、53b、53cにより構成されるブラッグピーク拡大フィルタ17の例を示した。それぞれのフィルタ要素53a、53b、53cは、第一材料部18と異なる大きさの孔部19を有している。フィルタ要素53a、53b、53cは、第1例のブラッグピーク拡大フィルタ17と同様に、第一材料部18と、粒子線10のビーム軸方向と平行な方向に貫通する複数の孔部19から形成される。図21は、3枚のフィルタ要素53a、53b、53cを重ねたときに、孔部19の1つをビーム軸の上流側から見た図である。開口54a、54b、54cは、それぞれフィルタ要素53a、53b、53cの孔部19の開口である。   The Bragg peak expansion filter 17 may be configured by a plurality of filter elements. FIG. 20 is a front view showing a tenth example of the Bragg peak widening filter according to the first embodiment. 21, 22 and 23 are front views showing the first filter element, the second filter element and the third filter element of FIG. 20, respectively. FIG. 24 is a front view of the hole portion seen from the upstream side of the beam axis in the Bragg peak expansion filter of FIG. 20, and FIG. 25 is a diagram for explaining the energy component of the particle beam after passing through the Bragg peak expansion filter of FIG. It is. In FIG. 25, the horizontal axis represents the energy of the particle beam, and the vertical axis represents the frequency of each energy component of the particle beam. In FIG. 20, the example of the Bragg peak expansion filter 17 comprised by the three filter elements 53a, 53b, and 53c was shown. Each filter element 53 a, 53 b, 53 c has a hole 19 having a size different from that of the first material portion 18. The filter elements 53 a, 53 b, and 53 c are formed from the first material portion 18 and a plurality of holes 19 that penetrate in the direction parallel to the beam axis direction of the particle beam 10, similarly to the Bragg peak expansion filter 17 of the first example. Is done. FIG. 21 is a view of one of the holes 19 as viewed from the upstream side of the beam axis when three filter elements 53a, 53b, and 53c are stacked. The openings 54a, 54b, and 54c are openings of the hole portions 19 of the filter elements 53a, 53b, and 53c, respectively.

第10例のブラッグピーク拡大フィルタ17を通過した粒子線10のエネルギーの成分は、3枚のフィルタ要素53a、53b、53cの第一材料部18と、孔部19の開口54a、54b、54cの組合せにより、4つの領域55a、55b、55c、55dが形成される。領域55aは、粒子線10が3枚のフィルタ要素53a、53b、53cの第一材料部18を通過する領域である。領域55bは、粒子線10が3枚のフィルタ要素53a、53b、53cにおける2つの第一材料部18と、1つの孔部19を通過する領域である。図24では、領域55bは、粒子線10が2枚のフィルタ要素53b、53cにおける2つの第一材料部18と、フィルタ要素53aの孔部19の開口54aを通過する領域の例を示した。領域55cは、粒子線10が3枚のフィルタ要素53a、53b、53cにおける1つの第一材料部18と、2つの孔部19を通過する領域である。図24では、領域55cは、粒子線10が1枚のフィルタ要素53cにおける第一材料部18と、フィルタ要素53a、53bの孔部19の開口54a、54bを通過する領域の例を示した。領域55dは、粒子線10が3枚のフィルタ要素53a、53b、53cの孔部19の開口54a、54b、54cを通過する領域である。   The energy component of the particle beam 10 that has passed through the Bragg peak expansion filter 17 of the tenth example is the first material portion 18 of the three filter elements 53a, 53b, and 53c and the openings 54a, 54b, and 54c of the hole portion 19. Four regions 55a, 55b, 55c, and 55d are formed by the combination. The region 55a is a region where the particle beam 10 passes through the first material portion 18 of the three filter elements 53a, 53b, and 53c. The region 55b is a region through which the particle beam 10 passes through the two first material portions 18 and the one hole portion 19 in the three filter elements 53a, 53b, and 53c. In FIG. 24, the area | region 55b showed the example of the area | region through which the particle beam 10 passes through the two 1st material parts 18 in the two filter elements 53b and 53c, and the opening 54a of the hole 19 of the filter element 53a. The region 55c is a region through which the particle beam 10 passes through the first material portion 18 and the two holes 19 in the three filter elements 53a, 53b, and 53c. In FIG. 24, the area | region 55c showed the example of the area | region through which the particle beam 10 passes the 1st material part 18 in the filter element 53c of 1 sheet, and opening 54a, 54b of the hole 19 of filter element 53a, 53b. The region 55d is a region through which the particle beam 10 passes through the openings 54a, 54b, 54c of the hole 19 of the three filter elements 53a, 53b, 53c.

第10例のブラッグピーク拡大フィルタ17を通過した粒子線10は、通過した各領域55a、55b、55c、55dに対応して4つの異なるエネルギーE1、E2、E3、E4を有する粒子線成分に分解される。第10例のブラッグピーク拡大フィルタ17を通過した粒子線10のエネルギー成分の頻度分布は、例えば図25のようになる。第10例のブラッグピーク拡大フィルタ17のような構成でも、近似的に、図17に示したテーパー形状の孔部19を有する第9例のブラッグピーク拡大フィルタ17と同様に、幅が拡大されたブラッグピークを有する線量分布のカーブ形状を滑らかにする効果が得られる。   The particle beam 10 that has passed through the Bragg peak expansion filter 17 of the tenth example is decomposed into particle beam components having four different energies E1, E2, E3, and E4 corresponding to the regions 55a, 55b, 55c, and 55d that have passed therethrough. Is done. The frequency distribution of the energy component of the particle beam 10 that has passed through the Bragg peak expansion filter 17 of the tenth example is as shown in FIG. 25, for example. Even in the configuration of the Bragg peak widening filter 17 of the tenth example, the width is approximately expanded in the same manner as the Bragg peak widening filter 17 of the ninth example having the tapered hole portion 19 shown in FIG. The effect of smoothing the curve shape of the dose distribution having the Bragg peak can be obtained.

フィルタ要素の数を増やすことで、第10例のブラッグピーク拡大フィルタ17は、幅が拡大されたブラッグピークを有する線量分布のカーブ形状を更に滑らかにする効果が得られる。フィルタ要素の数が2つの場合は、2つの第一材料部18を通過する領域、1つの第一材料部18と1つの孔部19を通過する領域と、2つの孔部19を通過する領域が形成される。2つのフィルタ要素を備えた第10例のブラッグピーク拡大フィルタ17は、粒子線10を3つの異なるエネルギーE1、E2、E3を有する粒子線成分に分解することができる。したがって、複数のフィルタ要素を有する第10例のブラッグピーク拡大フィルタ17を備えた粒子線照射装置50は、3つ以上の粒子線成分によって線量分布を形成できるので、第1例のブラッグピーク拡大フィルタ17を用いた場合における、2つ粒子線成分によって形成される線量分布よりも滑らかになるので、幅が拡大されたブラッグピークを有する線量分布のカーブ形状も滑らかになる。そして、複数のフィルタ要素を有する第10例のブラッグピーク拡大フィルタ17を備えた粒子線照射装置50は、ブラッグピーク位置の異なる複数の線量分布を足し合わせることで、均一な合計線量分布の形成がより容易になる。図20に示した、3つのフィルタ要素53a、53b、53cを有する第10例のブラッグピーク拡大フィルタ17を備えた粒子線照射装置50は、4つの粒子線成分によって線量分布を形成できる。   By increasing the number of filter elements, the Bragg peak expansion filter 17 of the tenth example can obtain an effect of further smoothing the curve shape of the dose distribution having the Bragg peak whose width is expanded. When the number of filter elements is two, the region passing through the two first material portions 18, the region passing through the one first material portion 18 and the one hole portion 19, and the region passing through the two hole portions 19 Is formed. The Bragg peak widening filter 17 of the tenth example including two filter elements can decompose the particle beam 10 into particle beam components having three different energies E1, E2, and E3. Therefore, since the particle beam irradiation apparatus 50 including the Bragg peak widening filter 17 of the tenth example having a plurality of filter elements can form a dose distribution by three or more particle beam components, the Bragg peak widening filter of the first example 17 is smoother than the dose distribution formed by the two particle beam components, the curve shape of the dose distribution having a Bragg peak with an expanded width is also smooth. And the particle beam irradiation apparatus 50 provided with the Bragg peak expansion filter 17 of the tenth example having a plurality of filter elements can form a uniform total dose distribution by adding a plurality of dose distributions having different Bragg peak positions. It becomes easier. The particle beam irradiation apparatus 50 including the Bragg peak widening filter 17 of the tenth example having the three filter elements 53a, 53b, and 53c shown in FIG. 20 can form a dose distribution with four particle beam components.

複数のフィルタ要素からなるブラッグピーク拡大フィルタ17の他の例を、図26〜図31を用いて説明する。図26は、実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第11例を示す正面図である。図27、図28、図29、図30は、それぞれ図26の第一のフィルタ要素、第二のフィルタ要素、第三のフィルタ要素、第四のフィルタ要素を示す正面図である。図31は、図26のブラッグピーク拡大フィルタにおけるビーム軸の上流側から見た孔部の正面図である。図26では、4枚のフィルタ要素53a、53b、53c、53dにより構成され、それぞれのフィルタ要素53a、53b、53c、53dの孔部19の大きさが同じで、孔部19の配置が異なっている、ブラッグピーク拡大フィルタ17の例を示した。フィルタ要素53a、53b、53c、53dは、第1例のブラッグピーク拡大フィルタ17と同様に、第一材料部18と、粒子線10のビーム軸方向と平行な方向に貫通する複数の孔部19から形成される。図31は、4枚のフィルタ要素53a、53b、53c、53dを重ねたときに、孔部19の1つをビーム軸の上流側から見た図である。開口54a、54b、54c、54dは、それぞれフィルタ要素53a、53b、53c、54dの孔部19の開口である。   Another example of the Bragg peak widening filter 17 composed of a plurality of filter elements will be described with reference to FIGS. FIG. 26 is a front view showing an eleventh example of the Bragg peak widening filter according to the first embodiment. 27, 28, 29, and 30 are front views showing the first filter element, the second filter element, the third filter element, and the fourth filter element of FIG. 26, respectively. FIG. 31 is a front view of the hole viewed from the upstream side of the beam axis in the Bragg peak widening filter of FIG. In FIG. 26, four filter elements 53a, 53b, 53c, and 53d are configured, and the size of the hole 19 of each filter element 53a, 53b, 53c, and 53d is the same, and the arrangement of the holes 19 is different. An example of the Bragg peak expansion filter 17 is shown. The filter elements 53 a, 53 b, 53 c, and 53 d include the first material portion 18 and a plurality of hole portions 19 penetrating in a direction parallel to the beam axis direction of the particle beam 10, similarly to the Bragg peak expansion filter 17 of the first example. Formed from. FIG. 31 is a view of one of the holes 19 as viewed from the upstream side of the beam axis when the four filter elements 53a, 53b, 53c, and 53d are overlapped. The openings 54a, 54b, 54c, and 54d are openings of the hole portions 19 of the filter elements 53a, 53b, 53c, and 54d, respectively.

第11例のブラッグピーク拡大フィルタ17を通過した粒子線10のエネルギーの成分は、4枚のフィルタ要素53a、53b、53c、53dの第一材料部18と、孔部19の開口54a、54b、54c、54dの組合せにより、5つの領域56a、56b、56c、56d、56eが形成される。領域56aは、粒子線10が4枚のフィルタ要素53a、53b、53c、53dの第一材料部18を通過する領域である。領域56bは、粒子線10が4枚のフィルタ要素53a、53b、53c、53dにおける3つの第一材料部18と、1つの孔部19を通過する領域である。領域56cは、粒子線10が4枚のフィルタ要素53a、53b、53c、53dにおける2つの第一材料部18と、2つの孔部19を通過する領域である。領域56dは、粒子線10が4枚のフィルタ要素53a、53b、53c、53dにおける1つの第一材料部18と、3つの孔部19を通過する領域である。領域56eは、粒子線10が4枚のフィルタ要素53a、53b、53c、53dの孔部19を通過する領域である。   The energy component of the particle beam 10 that has passed through the Bragg peak widening filter 17 of the eleventh example includes the first material portion 18 of the four filter elements 53a, 53b, 53c, and 53d, and the openings 54a, 54b of the hole portion 19, Five regions 56a, 56b, 56c, 56d, and 56e are formed by the combination of 54c and 54d. The region 56a is a region where the particle beam 10 passes through the first material portions 18 of the four filter elements 53a, 53b, 53c, and 53d. The region 56b is a region through which the particle beam 10 passes through the three first material portions 18 and the one hole portion 19 in the four filter elements 53a, 53b, 53c, and 53d. The region 56c is a region where the particle beam 10 passes through the two first material portions 18 and the two hole portions 19 in the four filter elements 53a, 53b, 53c, and 53d. The region 56d is a region through which the particle beam 10 passes through one first material portion 18 and three hole portions 19 in the four filter elements 53a, 53b, 53c, and 53d. The region 56e is a region through which the particle beam 10 passes through the holes 19 of the four filter elements 53a, 53b, 53c, and 53d.

図31において実線円で表示した、ビーム軸9の上流側から見た最上流側のフィルタ要素53aの開口54aの内側を例に、領域56b、56c、56d、56eを説明する。領域56bは、フィルタ要素53aの開口54aと、3枚のフィルタ要素53b、53c、53dにおける3つの第一材料部18を粒子線10が通過する領域である。領域56cは、2つ存在する。第1の領域56cは、2枚のフィルタ要素53a、53bの2つの開口54a、54bと、2枚のフィルタ要素53c、53dの2つの第一材料部18を粒子線10が通過する領域である。第2の領域56cは、2枚のフィルタ要素53a、53dの2つの開口54a、54dと、2枚のフィルタ要素53b、53cの2つの第一材料部18を粒子線10が通過する領域である。領域56dは、2つ存在する。第1の領域56dは、3枚のフィルタ要素53a、53b、53cの3つの開口54a、54b、54cと、フィルタ要素53dの1つの第一材料部18を粒子線10が通過する領域である。第2の領域56dは、3枚のフィルタ要素53a、53c、53dの3つの開口54a、54c、54dと、フィルタ要素53bの1つの第一材料部18を通過する領域である。領域56eは、4枚のフィルタ要素53a、53b、53c、53dの4つの開口54a、54b、54c、54dを粒子線10が通過する領域である。   The regions 56b, 56c, 56d, and 56e will be described by taking the inside of the opening 54a of the filter element 53a on the most upstream side as viewed from the upstream side of the beam axis 9 indicated by a solid circle in FIG. 31 as an example. The region 56b is a region through which the particle beam 10 passes through the opening 54a of the filter element 53a and the three first material portions 18 in the three filter elements 53b, 53c, and 53d. There are two regions 56c. The first region 56c is a region through which the particle beam 10 passes through the two openings 54a and 54b of the two filter elements 53a and 53b and the two first material portions 18 of the two filter elements 53c and 53d. . The second region 56c is a region through which the particle beam 10 passes through the two openings 54a and 54d of the two filter elements 53a and 53d and the two first material portions 18 of the two filter elements 53b and 53c. . There are two regions 56d. The first region 56d is a region through which the particle beam 10 passes through the three openings 54a, 54b, 54c of the three filter elements 53a, 53b, 53c and one first material portion 18 of the filter element 53d. The second region 56d is a region that passes through the three openings 54a, 54c, 54d of the three filter elements 53a, 53c, 53d and one first material portion 18 of the filter element 53b. The region 56e is a region through which the particle beam 10 passes through the four openings 54a, 54b, 54c, 54d of the four filter elements 53a, 53b, 53c, 53d.

第11例のブラッグピーク拡大フィルタ17を通過した粒子線10は、通過した各領域56a、56b、56c、56d、56eに対応して5つの異なるエネルギーE1、E2、E3、E4、E5を有する粒子線成分に分解される。第11例のブラッグピーク拡大フィルタ17のような構成でも、近似的に、図17に示したテーパー形状の孔部19を有する第9例のブラッグピーク拡大フィルタ17と同様に、幅が拡大されたブラッグピークを有する線量分布のカーブ形状を滑らかにする効果が得られる。   The particle beam 10 that has passed through the Bragg peak widening filter 17 of the eleventh example has particles having five different energies E1, E2, E3, E4, and E5 corresponding to the regions 56a, 56b, 56c, 56d, and 56e that have passed therethrough. Decomposed into line components. Even in the configuration like the Bragg peak widening filter 17 of the eleventh example, the width is expanded in the same manner as the Bragg peak widening filter 17 of the ninth example having the tapered hole portion 19 shown in FIG. The effect of smoothing the curve shape of the dose distribution having the Bragg peak can be obtained.

フィルタ要素の数を増やすことで、第11例のブラッグピーク拡大フィルタ17は、幅が拡大されたブラッグピークを有する線量分布のカーブ形状を更に滑らかにする効果が得られる。フィルタ要素の数が2つの場合は、2つの第一材料部18を通過する領域、1つの第一材料部18と1つの孔部19を通過する領域と、2つの孔部19を通過する領域が形成される。2つのフィルタ要素を備えた第11例のブラッグピーク拡大フィルタ17は、粒子線10を3つの異なるエネルギーE1、E2、E3を有する粒子線成分に分解することができる。したがって、複数のフィルタ要素を有する第11例のブラッグピーク拡大フィルタ17を備えた粒子線照射装置50は、3つ以上の粒子線成分によって線量分布を形成できるので、第1例のブラッグピーク拡大フィルタ17を用いた場合における、2つ粒子線成分によって形成される線量分布よりも滑らかになるので、幅が拡大されたブラッグピークを有する線量分布のカーブ形状も滑らかになる。そして、複数のフィルタ要素を有する第11例のブラッグピーク拡大フィルタ17を備えた粒子線照射装置50は、ブラッグピーク位置の異なる複数の線量分布を足し合わせることで、均一な合計線量分布の形成がより容易になる。図26に示した、4つのフィルタ要素53a、53b、53c、53dを有する第11例のブラッグピーク拡大フィルタ17を備えた粒子線照射装置50は、5つの粒子線成分によって線量分布を形成できる。   By increasing the number of filter elements, the Bragg peak expansion filter 17 of the eleventh example can obtain an effect of further smoothing the curve shape of the dose distribution having the Bragg peak whose width is expanded. When the number of filter elements is two, the region passing through the two first material portions 18, the region passing through the one first material portion 18 and the one hole portion 19, and the region passing through the two hole portions 19 Is formed. The eleventh example Bragg peak widening filter 17 having two filter elements can decompose the particle beam 10 into particle beam components having three different energies E1, E2, and E3. Therefore, the particle beam irradiation apparatus 50 including the eleventh example Bragg peak widening filter 17 having a plurality of filter elements can form a dose distribution with three or more particle beam components, so the Bragg peak widening filter of the first example. 17 is smoother than the dose distribution formed by the two particle beam components, the curve shape of the dose distribution having a Bragg peak with an expanded width is also smooth. And the particle beam irradiation apparatus 50 provided with the Bragg peak expansion filter 17 of the eleventh example having a plurality of filter elements can form a uniform total dose distribution by adding a plurality of dose distributions having different Bragg peak positions. It becomes easier. The particle beam irradiation apparatus 50 including the eleventh example of the Bragg peak widening filter 17 having four filter elements 53a, 53b, 53c, and 53d shown in FIG. 26 can form a dose distribution with five particle beam components.

ブラッグピーク拡大フィルタ17は、三次元的に複数の空洞部を有する多孔質の立体構造であってもよい。図32は、実施の形態1によるブラッグピーク拡大フィルタの第12例を示す正面図である。図32では、アクリル製の直方体形状をしたブロックである第一材料部18に、球状の孔部19が複数箇所に形成された例を示した。第12例のブラッグピーク拡大フィルタ17を通過した粒子線10には、孔部19を通過せずに比較的大きなエネルギー低減を受けた成分も存在すれば、孔部19を通過することで比較的小さなエネルギー低減を受けた成分も存在する。また、通過する孔部19の大きさや個数も粒子線10の通過位置ごとに様々であるため、第12例のブラッグピーク拡大フィルタ17を通過した粒子線10のエネルギーの成分の頻度分布は連続的な幅を持つ。このため、第12例のブラッグピーク拡大フィルタ17は、第10例、第11例のブラッグピーク拡大フィルタ17と同様に、幅が拡大されたブラッグピーク有する線量分布のカーブ形状を滑らかにする効果が得られる。図32に示したような多孔質の立体構造による、第12例のブラッグピーク拡大フィルタ17は、例えば、積層造型(3Dプリンタ)により製作することができる。   The Bragg peak widening filter 17 may be a porous three-dimensional structure having a plurality of hollow portions three-dimensionally. FIG. 32 is a front view showing a twelfth example of the Bragg peak widening filter according to the first embodiment. FIG. 32 shows an example in which spherical hole portions 19 are formed at a plurality of locations in the first material portion 18 that is a block having an acrylic rectangular parallelepiped shape. In the particle beam 10 that has passed through the Bragg peak widening filter 17 of the twelfth example, if there is also a component that has undergone a relatively large energy reduction without passing through the hole 19, it is relatively Some components have undergone a small energy reduction. Further, since the size and the number of the holes 19 passing therethrough vary depending on the passage position of the particle beam 10, the frequency distribution of the energy component of the particle beam 10 that has passed through the Bragg peak expansion filter 17 of the twelfth example is continuous. With a wide width. For this reason, the Bragg peak widening filter 17 of the twelfth example has the effect of smoothing the curve shape of the dose distribution having the Bragg peak whose width is widened, like the Bragg peak widening filter 17 of the tenth and eleventh examples. can get. The Bragg peak widening filter 17 of the twelfth example having a porous three-dimensional structure as shown in FIG. 32 can be manufactured by, for example, a laminated molding (3D printer).

なお、第1例〜第6例、第9例のブラッグピーク拡大フィルタ17では、孔部19が貫通している例を示したが、貫通していなくてもビーム軸9に平行な方向に窪んだ孔部でもよい。後述する図47のようにビーム軸9の下流側が貫通していない底部60を有していてもよく、ビーム軸9の上流側が貫通しておらず、下流側が窪んでいてもよい。また、孔部19のビーム軸9に平行な方向の途中に肉薄部を設けて、ビーム軸9の上流側及び下流側が窪んでいてもよい。また、第10例、第11例のブラッグピーク拡大フィルタ17では、各フィルタ要素の孔部19が貫通している例を示したが、貫通していなくてもビーム軸9に平行な方向に窪んだ孔部でもよい。   In the Bragg peak widening filter 17 of the first to sixth examples and the ninth example, the example in which the hole 19 is penetrated is shown, but the hole 19 is recessed in a direction parallel to the beam axis 9 even if it is not penetrated. It may be a hole. 47, which will be described later, may have a bottom portion 60 that does not penetrate the downstream side of the beam axis 9, and the upstream side of the beam axis 9 may not penetrate and the downstream side may be recessed. Further, a thin portion may be provided in the middle of the hole 19 in the direction parallel to the beam axis 9, and the upstream side and the downstream side of the beam axis 9 may be recessed. Further, in the Bragg peak widening filter 17 of the tenth example and the eleventh example, the example in which the hole 19 of each filter element penetrates is shown, but even if it is not penetrated, it is recessed in the direction parallel to the beam axis 9. It may be a hole.

以上のように、実施の形態1の粒子線照射装置50は、加速させた粒子線10の発生及び輸送を行う粒子線発生輸送装置1と、粒子線発生輸送装置1から輸送された粒子線10を照射対象11に照射する照射系6と、を備えている。照射系6は、輸送された粒子線10のビーム軸9に対して垂直な二方向に粒子線10を偏向させる走査装置2と、粒子線10をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解し、分解された粒子線成分により照射対象11においてブラッグピークの深さ方向の幅を拡大するブラッグピーク拡大フィルタ17と、を備えている。ブラッグピーク拡大フィルタ17は、ビーム軸9に平行な方向に厚みを有する第一材料部18と、ビーム軸9に垂直な第一材料部18の面に複数配置され、ビーム軸9に平行な方向に貫通している、又はビーム軸9に平行な方向に窪んだ孔部19と、を有する。実施の形態1の粒子線照射装置50は、第一材料部18の面に貫通している又は窪んだ孔部19が複数配置されているブラッグピーク拡大フィルタ17を備えているので、ブラッグピークが極めて細く鋭い場合でも、ブラッグピーク幅を滑らかに拡大でき、均一な合計線量分布を容易に形成できる。   As described above, the particle beam irradiation apparatus 50 according to the first embodiment includes the particle beam generating / transporting apparatus 1 that generates and transports the accelerated particle beam 10, and the particle beam 10 transported from the particle beam generating / transporting apparatus 1. And an irradiation system 6 that irradiates the irradiation object 11 with the irradiation system 11. The irradiation system 6 decomposes the particle beam 10 into a plurality of particle beam components having different energies, and the scanning device 2 that deflects the particle beam 10 in two directions perpendicular to the beam axis 9 of the transported particle beam 10. A Bragg peak expansion filter 17 that expands the width in the depth direction of the Bragg peak in the irradiation object 11 by the decomposed particle beam component. A plurality of Bragg peak expansion filters 17 are arranged on the surfaces of the first material portion 18 having a thickness in the direction parallel to the beam axis 9 and the first material portion 18 perpendicular to the beam axis 9, and the direction parallel to the beam axis 9. And a hole 19 that is recessed in a direction parallel to the beam axis 9. The particle beam irradiation apparatus 50 according to the first embodiment includes the Bragg peak expansion filter 17 in which a plurality of hole portions 19 penetrating or recessed in the surface of the first material portion 18 are provided. Even when it is extremely thin and sharp, the Bragg peak width can be expanded smoothly, and a uniform total dose distribution can be easily formed.

実施の形態2.
実施の形態1に示したブラッグピーク拡大フィルタ17は、走査式照射法による走査式照射(スポットスキャニング照射、ラスタースキャニング照射等)においても使用することができる。図33は、実施の形態2による粒子線照射装置の概略構成図である。実施の形態2の粒子線照射装置50は、走査式照射法による走査式照射を実行する例である。実施の形態2の粒子線照射装置50は、荷電粒子を必要なエネルギーまで加速して、加速された荷電粒子を粒子線10として発生させ、走査装置2に輸送する粒子線発生輸送装置1と、粒子線発生輸送装置1により発生された粒子線10を粒子線が上流側から下流側に進行するビーム進行方向(ビーム軸方向)であるZ方向に対して垂直な二方向、すなわちXおよびY方向に偏向させて、患者腫瘍内、すなわち照射対象11の任意の位置(治療計画で計画された照射位置)に走査させる走査装置2を備えている。通常、粒子線発生輸送装置1は、荷電粒子を加速する加速器と加速器から走査装置2まで粒子線10を輸送するための輸送系を備えている。走査装置2は、粒子線10をX方向に偏向させるX方向走査装置21と、粒子線10をY方向に偏向させるY方向走査装置22を備えている。
Embodiment 2. FIG.
The Bragg peak expansion filter 17 shown in the first embodiment can also be used in scanning irradiation (spot scanning irradiation, raster scanning irradiation, etc.) by a scanning irradiation method. FIG. 33 is a schematic configuration diagram of the particle beam irradiation apparatus according to the second embodiment. The particle beam irradiation apparatus 50 according to the second embodiment is an example that performs scanning irradiation by a scanning irradiation method. A particle beam irradiation apparatus 50 according to the second embodiment accelerates charged particles to necessary energy, generates accelerated charged particles as particle beams 10, and transports them to the scanning apparatus 2. Two directions perpendicular to the Z direction, that is, the beam traveling direction (beam axis direction) in which the particle beam travels from the upstream side to the downstream side of the particle beam 10 generated by the particle beam generating and transporting apparatus 1, that is, the X and Y directions. And a scanning device 2 that scans an arbitrary position of the irradiation object 11 (irradiation position planned in the treatment plan) within the patient tumor. Usually, the particle beam generating and transporting apparatus 1 includes an accelerator for accelerating charged particles and a transport system for transporting the particle beam 10 from the accelerator to the scanning device 2. The scanning device 2 includes an X-direction scanning device 21 that deflects the particle beam 10 in the X direction and a Y-direction scanning device 22 that deflects the particle beam 10 in the Y direction.

粒子線発生輸送装置1は発生させる粒子線10のエネルギーを変更することが可能である。例えば粒子線発生輸送装置1がシンクロトロンである場合には、シンクロトロンの運転パラメータを変更することにより、異なるエネルギーの粒子線を発生させることができる。また、例えば粒子線発生輸送装置1がサイクロトロンである場合には、粒子線輸送経路上にエネルギー選択システム(ESS:Energy Selection System)を配置することで、異なるエネルギーの粒子線を発生させることができる。   The particle beam generating and transporting apparatus 1 can change the energy of the particle beam 10 to be generated. For example, when the particle beam generating and transporting apparatus 1 is a synchrotron, it is possible to generate particle beams having different energies by changing the operation parameters of the synchrotron. For example, when the particle beam generating / transporting apparatus 1 is a cyclotron, it is possible to generate particle beams having different energies by arranging an energy selection system (ESS) on the particle beam transport path. .

さらに、粒子線照射装置50は、照射対象11における各照射位置12の位置情報、各照射位置12に照射すべき粒子線10の予定線量値、走査装置2の走査速度情報などを記憶する記憶部3と、粒子線発生輸送装置1による粒子線10の出射開始および遮断と、走査装置2による粒子線10の走査とを制御する制御部4と、走査装置2で走査された粒子線10が照射対象11の各照射位置12に照射される線量値を測定する線量モニタ5を備えている。なお、記憶部3に記憶する各照射位置12の位置情報としては、例えば照射位置番号、各照射位置12のXY座標系における位置情報、および粒子線10を各照射位置12のX位置及びY位置に偏向させるための走査装置2の走査電磁石であるX方向走査装置21及びY方向走査装置22の励磁電流値、および各照射位置12のZ位置(Z方向の位置)に対応するエネルギーなどがある。   Further, the particle beam irradiation apparatus 50 stores the position information of each irradiation position 12 in the irradiation target 11, the scheduled dose value of the particle beam 10 to be irradiated to each irradiation position 12, the scanning speed information of the scanning apparatus 2, and the like. 3, the control unit 4 that controls the start and block of the emission of the particle beam 10 by the particle beam generation and transport device 1 and the scanning of the particle beam 10 by the scanning device 2, and the irradiation of the particle beam 10 scanned by the scanning device 2 The dose monitor 5 which measures the dose value irradiated to each irradiation position 12 of the object 11 is provided. In addition, as position information of each irradiation position 12 memorize | stored in the memory | storage part 3, as irradiation position number, the positional information in the XY coordinate system of each irradiation position 12, and the particle beam 10 are X position and Y position of each irradiation position 12, for example. There are excitation current values of the X-direction scanning device 21 and the Y-direction scanning device 22 which are scanning electromagnets of the scanning device 2 for deflecting the light to each other, and energy corresponding to the Z position (position in the Z direction) of each irradiation position 12. .

さらに、粒子線照射装置50は、粒子線10が走査されて通過する経路上の少なくとも一部に、ブラッグピーク拡大フィルタ17を有する。ブラッグピーク拡大フィルタ17は、例えば、図2に示すような、粒子線10のビーム軸9の方向と垂直な面、すなわちZ方向と垂直なXY平面を持ち、第一材料部18と、粒子線10のビーム軸9の方向と平行な方向に貫通する複数の孔部19から形成される。ブラッグピーク拡大フィルタ17は、図2に示した第1例のブラッグピーク拡大フィルタに限らず、実施の形態1にて例示した他の構成や、それらの組み合わせであってもよい。走査装置2、線量モニタ5、ブラッグピーク拡大フィルタ17は、粒子線10を照射対象11に照射野を形成して照射する照射系6である。   Further, the particle beam irradiation apparatus 50 includes a Bragg peak widening filter 17 at least at a part on a path through which the particle beam 10 is scanned and passed. The Bragg peak expansion filter 17 has, for example, a plane perpendicular to the direction of the beam axis 9 of the particle beam 10, that is, an XY plane perpendicular to the Z direction, as shown in FIG. It is formed from a plurality of holes 19 penetrating in a direction parallel to the direction of ten beam axes 9. The Bragg peak widening filter 17 is not limited to the Bragg peak widening filter of the first example shown in FIG. 2, but may be other configurations exemplified in the first embodiment or a combination thereof. The scanning device 2, the dose monitor 5, and the Bragg peak expansion filter 17 are an irradiation system 6 that irradiates the particle beam 10 with an irradiation field formed on the irradiation object 11.

実施の形態2の粒子線照射装置50による走査式照射の動作を、図34を用いて説明する。図34は、図33の粒子線照射装置の動作を示すフロー図である。ステップF01にて照射動作を開始する。まず、粒子線発生輸送装置1のパラメータを、粒子線10のエネルギーが照射する最初のエネルギーになるよう設定する(ステップF02)。また、走査装置2のパラメータを、粒子線10の照射位置12が最初のエネルギーに対応する最初の照射位置12となるよう設定する(ステップF03)。その後、粒子線10を発生させて照射を開始し、それと同時に線量モニタ5による粒子線10の線量測定を開始する(ステップF04)。ステップF05にて、測定された粒子線10の線量である測定線量の値が、記憶部3に記憶された予定線量値に到達するまで粒子線10の照射を継続する。測定線量の値が記憶部3に記憶された予定線量値に到達した場合は、ステップF06に進む。   The scanning irradiation operation by the particle beam irradiation apparatus 50 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 34 is a flowchart showing the operation of the particle beam irradiation apparatus of FIG. In step F01, the irradiation operation is started. First, the parameter of the particle beam generator / transporter 1 is set so that the energy of the particle beam 10 becomes the first energy to be irradiated (step F02). The parameters of the scanning device 2 are set so that the irradiation position 12 of the particle beam 10 becomes the first irradiation position 12 corresponding to the first energy (step F03). Thereafter, the particle beam 10 is generated and irradiation is started, and at the same time, dose measurement of the particle beam 10 by the dose monitor 5 is started (step F04). In step F05, the irradiation of the particle beam 10 is continued until the measured dose value, which is the measured dose of the particle beam 10, reaches the planned dose value stored in the storage unit 3. When the measured dose value reaches the planned dose value stored in the storage unit 3, the process proceeds to Step F06.

ステップF06にて、当該照射位置12が設定されたエネルギー内の最終照射位置かどうかを判定し、最終照射位置でないと判定された場合はステップF08に進み、最終照射位置であると判定された場合はステップF07に進む。ステップF08にて、走査装置2のパラメータを、粒子線10の照射位置12が記憶部3に記憶された次の照射位置12となるよう設定し、次の照射位置12に対する照射を継続し、次の照射位置12に対する測定を開始する。ステップF05にて、次の照射位置12に対する測定線量の値が、記憶部3に記憶された予定線量値に到達したら、再びステップF06による判定を行う。   In step F06, it is determined whether or not the irradiation position 12 is the final irradiation position within the set energy. If it is determined that the irradiation position is not the final irradiation position, the process proceeds to step F08, and if it is determined that the irradiation position is the final irradiation position Advances to step F07. In step F08, the parameters of the scanning device 2 are set so that the irradiation position 12 of the particle beam 10 becomes the next irradiation position 12 stored in the storage unit 3, the irradiation to the next irradiation position 12 is continued, and the next Measurement for the irradiation position 12 is started. When the measured dose value for the next irradiation position 12 reaches the planned dose value stored in the storage unit 3 in step F05, the determination in step F06 is performed again.

ステップF06にて、当該照射位置12が同エネルギー内の最終照射位置かどうかを判定し、最終照射位置であると判定された場合は、ステップF07にて粒子線10の照射を停止する。次に、当該エネルギーが計画された最終のエネルギーであるかどうかを判定する(ステップF09)。ステップF09にて、最終のエネルギーでないと判定された場合は、粒子線発生輸送装置1が発生させる粒子線10のエネルギーを次のエネルギーへと変更し(ステップF10)、再び、ステップF03からの一連のステップを繰り返す。ステップF09にて、最終のエネルギーであると判定された場合は、照射を終了する(ステップF11)。   In step F06, it is determined whether or not the irradiation position 12 is the final irradiation position within the same energy. If it is determined that the irradiation position is the final irradiation position, irradiation of the particle beam 10 is stopped in step F07. Next, it is determined whether or not the energy is the planned final energy (step F09). If it is determined in step F09 that the energy is not the final energy, the energy of the particle beam 10 generated by the particle beam generator / transporter 1 is changed to the next energy (step F10), and the series from step F03 is performed again. Repeat the steps. If it is determined in step F09 that the energy is the final energy, the irradiation is terminated (step F11).

次に、実施の形態2による走査式照射を実行する粒子線照射装置50の効果を説明する。図35は比較例の粒子線照射装置による粒子線のエネルギー頻度分布の例を示す図であり、図36は図35の粒子線のエネルギー頻度分布に対応した線量分布を示す図である。図37は図33の粒子線照射装置による粒子線のエネルギー頻度分布の例を示す図であり、図38は図37の粒子線のエネルギー頻度分布に対応した線量分布を示す図である。図35、図37において、横軸は粒子線のエネルギーであり、縦軸は粒子線の各エネルギー成分の頻度である。図36、図38において、横軸は深さ、すなわち照射対象の内部におけるZ方向の位置(Z位置)であり、縦軸は粒子線の線量である。図35は、ブラッグピーク拡大フィルタ17を使用しない場合における、粒子線照射装置により照射される粒子線のエネルギー頻度分布の例である。図36は、図35のエネルギー頻度分布に対応して、照射対象の内部におけるZ位置と線量の関係を示している。走査式照射においては本来、三次元の線量分布を考慮すべきであるが、ここでは簡単のためZ方向の一次元についてのみ説明する。また、走査式照射においては典型的には10から30段程度のエネルギー変更がなされるが、ここでは簡単のため、エネルギーE1、E2、E3、E4の4段のみを図に表記する。線量分布31a、31b、31c、31dは、それぞれエネルギーE1、E2、E3、E4のエネルギー成分による線量分布である。合計線量分布32は、線量分布31a、31b、31c、31dを合わせた合計線量分布である。   Next, effects of the particle beam irradiation apparatus 50 that performs scanning irradiation according to the second embodiment will be described. FIG. 35 is a diagram showing an example of the energy frequency distribution of the particle beam by the particle beam irradiation apparatus of the comparative example, and FIG. 36 is a diagram showing the dose distribution corresponding to the energy frequency distribution of the particle beam of FIG. FIG. 37 is a diagram showing an example of the energy frequency distribution of the particle beam by the particle beam irradiation apparatus of FIG. 33, and FIG. 38 is a diagram showing the dose distribution corresponding to the energy frequency distribution of the particle beam of FIG. 35 and 37, the horizontal axis represents the energy of the particle beam, and the vertical axis represents the frequency of each energy component of the particle beam. 36 and 38, the horizontal axis represents the depth, that is, the position in the Z direction (Z position) inside the irradiation target, and the vertical axis represents the dose of the particle beam. FIG. 35 is an example of the energy frequency distribution of the particle beam irradiated by the particle beam irradiation apparatus when the Bragg peak expansion filter 17 is not used. FIG. 36 shows the relationship between the Z position and the dose inside the irradiation target, corresponding to the energy frequency distribution of FIG. In scanning irradiation, a three-dimensional dose distribution should be considered originally, but only one dimension in the Z direction will be described here for simplicity. In scanning irradiation, typically, energy is changed by about 10 to 30 steps. Here, for simplicity, only four steps of energy E1, E2, E3, and E4 are shown in the drawing. Dose distributions 31a, 31b, 31c, and 31d are dose distributions due to energy components of energy E1, E2, E3, and E4, respectively. The total dose distribution 32 is a total dose distribution obtained by combining the dose distributions 31a, 31b, 31c, and 31d.

一般的に粒子線治療においては、照射対象11の内部の線量は均一であることが望ましいとされる。しかしながら、単一のエネルギーを有する粒子線10が照射されたときの深さ方向(Z方向)の線量分布は、急峻なブラッグピークを有するため、ブラッグピークのエネルギーの間隔によっては、各エネルギーの粒子線10が形成するブラッグピークを重ね合わせた合計線量分布を均一化するのが困難である可能性がある。この問題を解決する最も単純な手段はブラッグピークのエネルギーの間隔を密にすることである。しかしながら、ブラッグピークのエネルギーの間隔を密にすると、照射対象11の全域をカバーするために必要なエネルギーの段数が増え、したがってエネルギー変更の回数が増え、トータルの照射時間が長くなってしまうデメリットがある。また、エネルギーの段数が増え、照射位置12の個数も増えることによって、一つの照射位置12に対する予定線量値が平均的に小さくなり、照射線量の精密な制御が困難になるという問題も発生しうる。   In general, in particle beam therapy, it is desirable that the dose inside the irradiation object 11 be uniform. However, since the dose distribution in the depth direction (Z direction) when the particle beam 10 having a single energy is irradiated has a steep Bragg peak, depending on the energy interval of the Bragg peak, particles of each energy It may be difficult to make the total dose distribution overlaid with the Bragg peaks formed by the line 10 uniform. The simplest means to solve this problem is to close the energy spacing of the Bragg peaks. However, if the energy intervals of the Bragg peaks are made close, the number of energy steps necessary to cover the entire area of the irradiation object 11 increases, and therefore the number of energy changes increases, and the total irradiation time becomes longer. is there. In addition, since the number of energy stages increases and the number of irradiation positions 12 also increases, the planned dose value for one irradiation position 12 becomes smaller on average, and there is a problem that precise control of the irradiation dose becomes difficult. .

一方、ブラッグピーク拡大フィルタ17を使用した場合には、図37、図38に示すように、粒子線10のエネルギー成分の数が比較例に比べて2倍になり、合計線量分布が比較例に比べて均一にすることができる。図37は、ブラッグピーク拡大フィルタ17を使用した場合に、照射される粒子線10のエネルギーの頻度分布の例である。また、図38は、図37のエネルギー頻度分布に対応して、照射対象11の内部におけるZ位置と線量の関係を示している。ここでは、例として、第一材料部18と孔部19の面積比が1:1であるようなブラッグピーク拡大フィルタを想定する。粒子線10は、ブラッグピーク拡大フィルタ17を通過することで、第一材料部18を通過してエネルギーが低減した低減粒子線成分、すなわちエネルギーEa1、Ea2、Ea3、Ea4を有する各粒子線成分と、孔部19を通過してエネルギーが低減しない非低減粒子線成分、すなわちエネルギーE1、E2、E3、E4を有する各粒子線成分との、エネルギーの異なる2つの粒子線成分に分解されて照射対象11へと届く。   On the other hand, when the Bragg peak expansion filter 17 is used, as shown in FIGS. 37 and 38, the number of energy components of the particle beam 10 is doubled compared to the comparative example, and the total dose distribution is compared with the comparative example. It can be made uniform in comparison. FIG. 37 is an example of the frequency distribution of energy of the irradiated particle beam 10 when the Bragg peak widening filter 17 is used. FIG. 38 shows the relationship between the Z position and the dose in the irradiation object 11 corresponding to the energy frequency distribution of FIG. Here, as an example, a Bragg peak widening filter in which the area ratio of the first material portion 18 and the hole portion 19 is 1: 1 is assumed. The particle beam 10 passes through the Bragg peak widening filter 17, thereby passing through the first material portion 18, and the reduced particle beam component having reduced energy, that is, each particle beam component having energy Ea1, Ea2, Ea3, Ea4, and A non-reduced particle beam component that passes through the hole 19 and does not reduce energy, that is, each particle beam component having energy E1, E2, E3, E4, and is decomposed into two particle beam components having different energies To 11.

粒子線発生輸送装置1によって、4段のエネルギー変更を行った場合、それぞれのエネルギーの粒子線10は2つの粒子線成分に分かれる。このため、最終的に照射対象11へと届く粒子線10は、合計で8種類のエネルギーの粒子線成分を持つことになる。すなわち、図37に示すように、エネルギーEa1、E1、Ea2、E2、Ea3、E3、Ea4、E4を有する粒子線成分に分かれた粒子線10が照射対象11へ届く。粒子線発生輸送装置1によって発生する1段のエネルギーに対し、分解された低減粒子線成分、非低減粒子線成分によってそれぞれ形成される線量分布を合算した分布は、もとのブラッグピークと比べてピーク幅が拡大される。線量分布33aは、エネルギーEa1、E1を有する粒子線成分による線量分布である。同様に、線量分布33bはエネルギーEa2、E2を有する粒子線成分による線量分布であり、線量分布33cはエネルギーEa3、E3を有する粒子線成分による線量分布であり、線量分布33dはエネルギーEa4、E4を有する粒子線成分による線量分布である。合計線量分布34は、線量分布33a、33b、33c、33dを合わせた合計線量分布である。したがって、実施の形態2の粒子線照射装置50は、全ての段のエネルギーによる照射線量分布を合わせた合計線量分布34を均一化することが容易になる。   When the energy change in four stages is performed by the particle beam generator / transporter 1, the particle beam 10 of each energy is divided into two particle beam components. For this reason, the particle beam 10 finally reaching the irradiation target 11 has a total of eight types of energy particle beam components. That is, as shown in FIG. 37, the particle beam 10 divided into particle beam components having energy Ea1, E1, Ea2, E2, Ea3, E3, Ea4, and E4 reaches the irradiation object 11. The sum of the dose distributions formed by the decomposed reduced particle beam component and the non-reduced particle beam component for the one-stage energy generated by the particle beam generating and transporting apparatus 1 is compared with the original Bragg peak. The peak width is expanded. The dose distribution 33a is a dose distribution based on particle beam components having energies Ea1 and E1. Similarly, the dose distribution 33b is a dose distribution based on particle beam components having the energy Ea2 and E2, the dose distribution 33c is a dose distribution based on particle beam components having the energy Ea3 and E3, and the dose distribution 33d includes the energy Ea4 and E4. It is a dose distribution by the particle beam component. The total dose distribution 34 is a total dose distribution obtained by combining the dose distributions 33a, 33b, 33c, and 33d. Therefore, the particle beam irradiation apparatus 50 according to the second embodiment can easily make the total dose distribution 34 obtained by combining the irradiation dose distributions of all the stages of energy.

実施の形態3.
実施の形態1に示したブラッグピーク拡大フィルタ17は、実施の形態2と異なる、すなわちエネルギー変更を伴わない走査式照射に使用することもできる。図39は、実施の形態3による粒子線照射装置の要部を説明する図である。実施の形態3の粒子線照射装置50の構成要素は、ブラッグピーク拡大フィルタ17の形状を除いて、実施の形態2による粒子線照射装置50と同一である。このため、図39では、ブラッグピーク拡大フィルタ17、粒子線10と照射対象11aについてのみ図示し、それ以外の構成要素の記載を全て省略する。また、実施の形態3の粒子線照射装置50の動作についても、エネルギーの変更をしない点を除いて実施の形態2の粒子線照射装置50と同一であり、図34のフロー図においてエネルギーの数が1段である場合と同一であるため、省略する。
Embodiment 3 FIG.
The Bragg peak widening filter 17 shown in the first embodiment can be used for scanning irradiation that is different from that in the second embodiment, that is, without energy change. FIG. 39 is a diagram for explaining a main part of the particle beam irradiation apparatus according to the third embodiment. The constituent elements of the particle beam irradiation apparatus 50 according to the third embodiment are the same as those of the particle beam irradiation apparatus 50 according to the second embodiment except for the shape of the Bragg peak expansion filter 17. For this reason, in FIG. 39, only the Bragg peak expansion filter 17, the particle beam 10, and the irradiation target 11a are illustrated, and the description of other components is omitted. The operation of the particle beam irradiation apparatus 50 of the third embodiment is the same as that of the particle beam irradiation apparatus 50 of the second embodiment except that the energy is not changed. Is the same as in the case of one stage and is omitted.

図39に示す照射対象11aは、粒子線10のビーム軸9の方向に対して、範囲35a内にある深さ方向(Z方向)の厚みが、範囲35b内にある深さ方向(Z方向)の厚みよりも、大きい例である。実施の形態3の粒子線照射装置50は、ブラッグピーク拡大フィルタ17を有し、ブラッグピーク拡大フィルタ17の第一材料部18は、照射対象11aの厚みに基づき、異なる厚みを有する。範囲35aは破線37aから破線37bの範囲であり、範囲35bは破線37bから破線37cの範囲である。ブラッグピーク拡大フィルタ17は、範囲35aに対応したフィルタ部38aと、範囲35bに対応したフィルタ部38bを有する。フィルタ部38aの深さ方向(Z方向)の厚みは、フィルタ部38bの深さ方向(Z方向)の厚みよりも厚くなっている。実施の形態3のブラッグピーク拡大フィルタ17は、第一材料部18のビーム軸9に平行な方向の厚みが異なる複数の領域(フィルタ部38a、38b)を有し、それぞれの領域(フィルタ部38a、38b)における第一材料部18の厚みは、第一材料部18を通過して粒子線10が照射される照射対象11のビーム軸方向の厚みに基づいて決定されている。なお、図39において、体表面36も記載した。   The irradiation object 11a shown in FIG. 39 has a depth direction (Z direction) in the range 35a and a depth direction (Z direction) in the range 35b with respect to the direction of the beam axis 9 of the particle beam 10. This is an example that is larger than the thickness. The particle beam irradiation apparatus 50 of Embodiment 3 has the Bragg peak expansion filter 17, and the 1st material part 18 of the Bragg peak expansion filter 17 has different thickness based on the thickness of the irradiation object 11a. The range 35a is a range from the broken line 37a to the broken line 37b, and the range 35b is a range from the broken line 37b to the broken line 37c. The Bragg peak expanding filter 17 includes a filter unit 38a corresponding to the range 35a and a filter unit 38b corresponding to the range 35b. The thickness of the filter part 38a in the depth direction (Z direction) is larger than the thickness of the filter part 38b in the depth direction (Z direction). The Bragg peak widening filter 17 of Embodiment 3 has a plurality of regions (filter portions 38a and 38b) having different thicknesses in the direction parallel to the beam axis 9 of the first material portion 18, and each region (filter portion 38a). 38b), the thickness of the first material portion 18 is determined based on the thickness in the beam axis direction of the irradiation target 11 irradiated with the particle beam 10 through the first material portion 18. In FIG. 39, the body surface 36 is also shown.

図40〜図45を用いて、実施の形態3のブラッグピーク拡大フィルタ17を説明する。図40は、図39の第一のフィルタ部の断面図である。図41は図40の第一のフィルタ部通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図であり、図42は図39の第一のフィルタ部による線量分布の例を示す図である。図43は、図39の第二のフィルタ部の断面図である。図44は図39の第二のフィルタ部通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図であり、図45は図39の第二のフィルタ部による線量分布の例を示す図である。ブラッグピーク拡大フィルタ17は、第9例のブラッグピーク拡大フィルタ17(図17、図18参照)と同様に、テーパー形状の孔部19を有する。孔部19は、粒子線10が進行する方向(ビーム軸方向)の上流側の開口が広く、下流側の開口は狭くなっている。孔部19は、上流側開口59、テーパー形状の側面であるテーパー部57、下流側開口58を有している。すなわち、ブラッグピーク拡大フィルタ17は、上流側開口59と、テーパー形状の側面であるテーパー部57と、第一材料部18を貫通している底部である下流側開口58を有している。ブラッグピーク拡大フィルタ17は、厚みの異なる第一材料部18を有するフィルタ部38aとフィルタ部38bを備えている。図40ではフィルタ部38aの断面を示し、図43ではフィルタ部38bの断面を示した。図41、図44において、横軸は粒子線のエネルギーであり、縦軸は粒子線の各エネルギー成分の頻度である。図42、図45において、横軸は深さ、すなわち照射対象の内部におけるZ方向の位置(Z位置)であり、縦軸は粒子線の線量である。   The Bragg peak expansion filter 17 according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 40 to 45. 40 is a cross-sectional view of the first filter portion of FIG. 41 is a diagram for explaining the energy component of the particle beam after passing through the first filter unit of FIG. 40, and FIG. 42 is a diagram showing an example of a dose distribution by the first filter unit of FIG. 43 is a cross-sectional view of the second filter portion of FIG. 44 is a diagram for explaining the energy component of the particle beam after passing through the second filter unit of FIG. 39, and FIG. 45 is a diagram showing an example of a dose distribution by the second filter unit of FIG. The Bragg peak widening filter 17 has a tapered hole portion 19 in the same manner as the Bragg peak widening filter 17 of the ninth example (see FIGS. 17 and 18). The hole 19 has a wide opening on the upstream side in the direction in which the particle beam 10 travels (beam axis direction) and a narrow opening on the downstream side. The hole 19 has an upstream opening 59, a tapered portion 57 that is a tapered side surface, and a downstream opening 58. That is, the Bragg peak expansion filter 17 has an upstream opening 59, a tapered portion 57 that is a tapered side surface, and a downstream opening 58 that is a bottom portion penetrating the first material portion 18. The Bragg peak expansion filter 17 includes a filter part 38a and a filter part 38b having first material parts 18 having different thicknesses. 40 shows a cross section of the filter section 38a, and FIG. 43 shows a cross section of the filter section 38b. 41 and 44, the horizontal axis represents the energy of the particle beam, and the vertical axis represents the frequency of each energy component of the particle beam. 42 and 45, the horizontal axis represents the depth, that is, the position in the Z direction (Z position) inside the irradiation target, and the vertical axis represents the dose of the particle beam.

まず、フィルタ部38aを説明する。第一材料部18を通過した粒子線10aは、エネルギーが低減され比較的低いエネルギーを有する。孔部19を通過した粒子線10cは、エネルギーが低減されず、比較的高いエネルギーを有する。さらに、孔部19のテーパー部57を通過した粒子線10bは、テーパー部57の厚みに応じてその中間のエネルギーを有する。したがって、ブラッグピーク拡大フィルタ17を通過した粒子線10は図41に示すように複数のエネルギーを有する粒子線成分によって構成される。このとき、第一材料部18の厚みとテーパー部57の形状を適切に設計することで、複数のエネルギーを有する粒子線成分の頻度分布を調節し、全ての成分による線量分布を合計した合計線量分布39aが、図42のように範囲35aの照射対象11aの内部で均一になるようにすることが可能である。   First, the filter unit 38a will be described. The particle beam 10a that has passed through the first material portion 18 has a relatively low energy with reduced energy. The particle beam 10c that has passed through the hole 19 has a relatively high energy without being reduced in energy. Further, the particle beam 10 b that has passed through the tapered portion 57 of the hole portion 19 has intermediate energy depending on the thickness of the tapered portion 57. Therefore, the particle beam 10 that has passed through the Bragg peak expansion filter 17 is composed of particle beam components having a plurality of energies as shown in FIG. At this time, by appropriately designing the thickness of the first material portion 18 and the shape of the tapered portion 57, the frequency distribution of the particle beam components having a plurality of energies is adjusted, and the total dose obtained by summing up the dose distributions of all the components. The distribution 39a can be made uniform within the irradiation target 11a in the range 35a as shown in FIG.

エネルギー成分40aは、第一材料部18を通過したエネルギーEa1を有する粒子線10aにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分40gは、孔部19の下流側開口58を通過したエネルギーEa7を有する粒子線10cにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分40b、40c、40d、40e、40fは、それぞれ孔部19のテーパー部57を通過したエネルギーEa2、Ea3、Ea4、Ea5、Ea6を有する粒子線10bにおける粒子線成分のエネルギー成分である。例えば、エネルギー成分40bは、孔部19のテーパー部57における体表面36に遠い側、すなわちZ方向の浅い側を通過したエネルギーEa2を有する粒子線10bにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分40fは、孔部19のテーパー部57における体表面36に近い側、すなわちZ方向の深い側を通過したエネルギーEa6を有する粒子線10bにおける粒子線成分のエネルギー成分である。   The energy component 40 a is an energy component of the particle beam component in the particle beam 10 a having the energy Ea1 that has passed through the first material portion 18. The energy component 40g is an energy component of the particle beam component in the particle beam 10c having the energy Ea7 that has passed through the downstream opening 58 of the hole 19. The energy components 40b, 40c, 40d, 40e, and 40f are energy components of the particle beam component in the particle beam 10b having energy Ea2, Ea3, Ea4, Ea5, and Ea6 that have passed through the tapered portion 57 of the hole 19, respectively. For example, the energy component 40b is an energy component of the particle beam component in the particle beam 10b having energy Ea2 that has passed through the side farther from the body surface 36 in the tapered portion 57 of the hole portion 19, that is, the shallow side in the Z direction. The energy component 40f is an energy component of the particle beam component in the particle beam 10b having the energy Ea6 that has passed through the side closer to the body surface 36 in the tapered portion 57 of the hole portion 19, that is, the deep side in the Z direction.

次に、フィルタ部38bを説明する。ブラッグピーク拡大フィルタ17のフィルタ部38bを通過した粒子線10は、範囲35aのフィルタ部38aと同様に、図44のエネルギー成分41a〜41gに示すように複数のエネルギーを有する粒子線成分によって構成される。しかしフィルタ部38bの第一材料部18の厚みはフィルタ部38aの第一材料部18よりも小さいため、フィルタ部38bの第一材料部18を通過した粒子線10aの粒子線成分は、フィルタ部38aの第一材料部18を通過した粒子線10aの粒子線成分と比べ、高いエネルギーを有する。したがって、フィルタ部38bを通過した粒子線10の粒子線成分における、最大エネルギーと最小エネルギーの隔たりは、フィルタ部38aを通過した粒子線10の粒子線成分における、最大エネルギーと最小エネルギーの隔たりと比べて小さい。   Next, the filter unit 38b will be described. Similar to the filter unit 38a in the range 35a, the particle beam 10 that has passed through the filter unit 38b of the Bragg peak expansion filter 17 is configured by particle beam components having a plurality of energies as shown by energy components 41a to 41g in FIG. The However, since the thickness of the first material part 18 of the filter part 38b is smaller than the first material part 18 of the filter part 38a, the particle beam component of the particle beam 10a that has passed through the first material part 18 of the filter part 38b is the filter part. Compared with the particle beam component of the particle beam 10a that has passed through the first material portion 18 of 38a, it has higher energy. Therefore, the separation between the maximum energy and the minimum energy in the particle beam component of the particle beam 10 that has passed through the filter unit 38b is compared with the separation between the maximum energy and the minimum energy in the particle beam component of the particle beam 10 that has passed through the filter unit 38a. Small.

エネルギー成分41aは、第一材料部18を通過したエネルギーEb1を有する粒子線10aにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分41gは、孔部19の下流側開口58を通過したエネルギーEb7を有する粒子線10cにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分41b、41c、41d、41e、41fは、それぞれ孔部19のテーパー部57を通過したエネルギーEb2、Eb3、Eb4、Eb5、Eb6を有する粒子線10bにおける粒子線成分のエネルギー成分である。例えば、エネルギー成分41bは、孔部19のテーパー部57における体表面36に遠い側、すなわちZ方向の浅い側を通過したエネルギーEb2を有する粒子線10bにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分41fは、孔部19のテーパー部57における体表面36に近い側、すなわちZ方向の深い側を通過したエネルギーEb6を有する粒子線10bにおける粒子線成分のエネルギー成分である。なお、フィルタ部38aの孔部19の下流側開口58を通過した粒子線成分のエネルギー成分40gのエネルギーEa7と、フィルタ部38bの孔部19の下流側開口58を通過した粒子線成分のエネルギー成分41gのエネルギーEb7とは、エネルギー値は同じである。   The energy component 41a is an energy component of the particle beam component in the particle beam 10a having the energy Eb1 that has passed through the first material portion 18. The energy component 41g is an energy component of the particle beam component in the particle beam 10c having the energy Eb7 that has passed through the downstream side opening 58 of the hole 19. The energy components 41b, 41c, 41d, 41e, and 41f are energy components of the particle beam component in the particle beam 10b having the energy Eb2, Eb3, Eb4, Eb5, and Eb6 that have passed through the tapered portion 57 of the hole 19, respectively. For example, the energy component 41b is an energy component of the particle beam component in the particle beam 10b having the energy Eb2 that has passed through the side farther from the body surface 36 in the tapered portion 57 of the hole portion 19, that is, the shallow side in the Z direction. The energy component 41f is an energy component of the particle beam component in the particle beam 10b having the energy Eb6 that has passed through the side closer to the body surface 36 in the tapered portion 57 of the hole portion 19, that is, the deep side in the Z direction. Note that the energy Ea7 of the energy component 40g of the particle beam component that has passed through the downstream opening 58 of the hole 19 of the filter portion 38a and the energy component of the particle beam component that has passed through the downstream opening 58 of the hole 19 of the filter portion 38b. The energy value is the same as the energy Eb7 of 41 g.

フィルタ部38bにおいても、フィルタ部38aと同様に、第一材料部18の厚みとテーパー部57の形状を適切に設計することで、複数のエネルギーを有する粒子線成分の頻度分布を調節し、全ての成分による線量分布を合計した合計線量分布39bが、図45のように範囲35bの照射対象11aの内部で均一になるようにすることが可能である。ただし、線量が均一になる部分の、深さ方向の幅は、範囲35aと比べて小さくなる。   In the filter part 38b as well as the filter part 38a, by appropriately designing the thickness of the first material part 18 and the shape of the tapered part 57, the frequency distribution of the particle beam component having a plurality of energies is adjusted, The total dose distribution 39b obtained by summing up the dose distributions of the components can be made uniform within the irradiation target 11a in the range 35b as shown in FIG. However, the width in the depth direction of the portion where the dose becomes uniform is smaller than that in the range 35a.

このとき、範囲35aにおいては、範囲35bに比べ、深さ方向により広い範囲でエネルギー成分の分布が拡大し、照射対象11a内の単位体積当たりに付与されるエネルギーが減少することに注意しなければならない(作用1)。そのため、粒子線発生輸送装置1から発せられる粒子線10の量が同じであったとしても、範囲35aでは範囲35bに比べ、照射対象11aにおいて付与される線量は低くなる。したがって、照射対象11aの全域において三次元的に均一な線量分布を形成するために、前述した作用1を考慮して、範囲35a内にある照射位置12に対しては、範囲35b内にある照射位置12よりも高い予定線量値を設定する必要がある。以上のように、照射位置12によって第一材料部18の厚みが異なるブラッグピーク拡大フィルタ17を用い、第一材料部18の厚みと孔部19のテーパー部57の形状を適切に設計することで、深さ方向(Z方向)の厚みの異なる照射対象11aに対し、均一な線量分布を形成することが可能である。   At this time, in the range 35a, compared with the range 35b, it should be noted that the energy component distribution is expanded in a wider range in the depth direction, and the energy applied per unit volume in the irradiation target 11a is reduced. (Action 1). Therefore, even if the amount of the particle beam 10 emitted from the particle beam generator / transporter 1 is the same, the dose given to the irradiation object 11a is lower in the range 35a than in the range 35b. Therefore, in order to form a three-dimensional uniform dose distribution over the entire area of the irradiation target 11a, the irradiation position 12 within the range 35a is irradiated to the irradiation position 12 within the range 35b in consideration of the above-described action 1. It is necessary to set a planned dose value higher than that at position 12. As described above, by using the Bragg peak expanding filter 17 in which the thickness of the first material portion 18 varies depending on the irradiation position 12, the thickness of the first material portion 18 and the shape of the tapered portion 57 of the hole portion 19 are appropriately designed. It is possible to form a uniform dose distribution for the irradiation object 11a having different thicknesses in the depth direction (Z direction).

図39では、体表面36から照射対象11aの底面(粒子線10の照射方向の上流から見て遠い方の端)までの距離がX方向及びY方向の照射位置によらず一定である例を示した。次に、体表面36から底面までの距離が異なる照射対象11bに対応したブラッグピーク拡大フィルタ17について説明する。図46は実施の形態3による他の粒子線照射装置の要部を説明する図であり、図47は図46の第三のフィルタ部の断面図である。図48は図46の第三のフィルタ部通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図であり、図49は図46の第三のフィルタ部による線量分布の例を示す図である。図48において、横軸は粒子線のエネルギーであり、縦軸は粒子線の各エネルギー成分の頻度である。図49において、横軸は深さ、すなわち照射対象の内部におけるZ方向の位置(Z位置)であり、縦軸は粒子線の線量である。   In FIG. 39, an example in which the distance from the body surface 36 to the bottom surface of the irradiation target 11a (the far end as viewed from the upstream of the irradiation direction of the particle beam 10) is constant regardless of the irradiation position in the X direction and the Y direction. Indicated. Next, the Bragg peak expansion filter 17 corresponding to the irradiation target 11b having a different distance from the body surface 36 to the bottom surface will be described. FIG. 46 is a diagram for explaining a main part of another particle beam irradiation apparatus according to Embodiment 3, and FIG. 47 is a cross-sectional view of the third filter part of FIG. FIG. 48 is a diagram for explaining the energy component of the particle beam after passing through the third filter unit in FIG. 46, and FIG. 49 is a diagram showing an example of a dose distribution by the third filter unit in FIG. In FIG. 48, the horizontal axis represents the energy of the particle beam, and the vertical axis represents the frequency of each energy component of the particle beam. In FIG. 49, the horizontal axis represents the depth, that is, the position in the Z direction (Z position) inside the irradiation target, and the vertical axis represents the dose of the particle beam.

図46では、体表面36から照射対象11bの底面までの距離が、範囲35aに比べ範囲35bの方が短くなっている例である。すなわち、体表面36からの照射対象11bの底面の位置が、範囲35aに比べ範囲35bの方が近くなっている例である。図46に示したブラッグピーク拡大フィルタ17は、図39と同様に、厚みの異なる第一材料部18を有するフィルタ部38aとフィルタ部38cを備えている。フィルタ部38aは図39で説明したものと同じである。フィルタ部38cは、貫通しない孔部19を有する。フィルタ部38cは、図43に示したフィルタ部38bに対し、孔の無い構造体をさらに重ねた形状をしている。フィルタ部38cの孔部19は、上流側開口59と、テーパー形状の側面であるテーパー部57と、貫通しない底部60を有している。このような構成のブラッグピーク拡大フィルタ17を用いることで、図46の範囲35bを通過した粒子線10の粒子線成分が有する最大エネルギー(図48のエネルギーEc7参照)は、図39の範囲35bを通過した粒子線10の粒子線成分が有する最大エネルギー(図44のエネルギーEb7参照)よりも低いエネルギーとなる。そのため、図46の範囲35bにおいて形成される合計線量分布39cの均一領域の深い方の端は、図39の範囲35bにおいて形成される合計線量分布39bの深い方の端よりも浅い側となる。以上のようにすることで、図46の照射対象11bのように、体表面36から底面までの距離が異なる照射対象に対して、均一な線量分布を形成することが可能である。   In FIG. 46, the distance from the body surface 36 to the bottom surface of the irradiation target 11b is an example in which the range 35b is shorter than the range 35a. That is, in this example, the position of the bottom surface of the irradiation target 11b from the body surface 36 is closer to the range 35b than to the range 35a. The Bragg peak widening filter 17 shown in FIG. 46 includes a filter part 38a and a filter part 38c having first material parts 18 having different thicknesses as in FIG. The filter unit 38a is the same as that described with reference to FIG. The filter part 38c has the hole 19 which does not penetrate. The filter part 38c has a shape in which a structure without holes is further overlapped with the filter part 38b shown in FIG. The hole portion 19 of the filter portion 38c has an upstream opening 59, a tapered portion 57 that is a tapered side surface, and a bottom portion 60 that does not penetrate. By using the Bragg peak widening filter 17 having such a configuration, the maximum energy (see energy Ec7 in FIG. 48) of the particle beam component of the particle beam 10 that has passed through the range 35b in FIG. 46 is the range 35b in FIG. The energy is lower than the maximum energy (see energy Eb7 in FIG. 44) of the particle beam component of the particle beam 10 that has passed. Therefore, the deep end of the uniform region of the total dose distribution 39c formed in the range 35b of FIG. 46 is a shallower side than the deep end of the total dose distribution 39b formed in the range 35b of FIG. By doing so, it is possible to form a uniform dose distribution with respect to an irradiation target having a different distance from the body surface 36 to the bottom surface, like the irradiation target 11b of FIG.

ブラッグピーク拡大フィルタ17のフィルタ部38cを通過した粒子線10は、図39の範囲35bのフィルタ部38bと同様に、図48のエネルギー成分42a〜42gに示すような複数のエネルギーを有する粒子線成分によって構成される。エネルギー成分42aは、第一材料部18を通過したエネルギーEc1を有する粒子線10aにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分42gは、孔部19の底部60を通過したエネルギーEc7を有する粒子線10cにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分42b、42c、42d、42e、42fは、それぞれ孔部19のテーパー部57を通過したエネルギーEc2、Ec3、Ec4、Ec5、Ec6を有する粒子線10bにおける粒子線成分のエネルギー成分である。例えば、エネルギー成分42bは、孔部19のテーパー部57における体表面36に遠い側、すなわちZ方向の浅い側を通過したエネルギーEc2を有する粒子線10bにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分42fは、孔部19のテーパー部57における体表面36に近い側、すなわちZ方向の深い側を通過したエネルギーEc6を有する粒子線10bにおける粒子線成分のエネルギー成分である。なお、フィルタ部38bの厚みとフィルタ部38cの厚みとが同じ場合は、フィルタ部38cの第一材料部18を通過した粒子線成分のエネルギー成分42aのエネルギーEc1と、フィルタ部38bの第一材料部18を通過した粒子線成分のエネルギー成分41aのエネルギーEb1とは、エネルギー値は同じになる。   The particle beam 10 that has passed through the filter portion 38c of the Bragg peak expansion filter 17 has a plurality of energy components as shown by energy components 42a to 42g in FIG. 48, similarly to the filter portion 38b in the range 35b in FIG. Consists of. The energy component 42 a is an energy component of the particle beam component in the particle beam 10 a having the energy Ec1 that has passed through the first material portion 18. The energy component 42g is an energy component of the particle beam component in the particle beam 10c having the energy Ec7 that has passed through the bottom 60 of the hole 19. The energy components 42b, 42c, 42d, 42e, and 42f are the energy components of the particle beam component in the particle beam 10b having energy Ec2, Ec3, Ec4, Ec5, and Ec6 that have passed through the tapered portion 57 of the hole 19, respectively. For example, the energy component 42b is an energy component of the particle beam component in the particle beam 10b having the energy Ec2 that has passed through the side farther from the body surface 36 in the tapered portion 57 of the hole portion 19, that is, the shallow side in the Z direction. The energy component 42f is an energy component of the particle beam component in the particle beam 10b having the energy Ec6 that has passed through the side closer to the body surface 36 in the tapered portion 57 of the hole portion 19, that is, the deep side in the Z direction. In addition, when the thickness of the filter part 38b and the thickness of the filter part 38c are the same, energy Ec1 of the energy component 42a of the particle beam component which passed the 1st material part 18 of the filter part 38c, and the 1st material of the filter part 38b The energy value is the same as the energy Eb1 of the energy component 41a of the particle beam component that has passed through the portion 18.

実施の形態3の粒子線照射装置50は、テーパー形状の孔部19を有する第9例のブラッグピーク拡大フィルタ17と異なるブラッグピーク拡大フィルタ17、すなわち実施の形態1で説明した他の構成のブラッグピーク拡大フィルタ17を用いることができる。例えば、大きさの異なる孔部19を有する複数のフィルタ要素53a、53b、53cを積層した構成(第10例のブラッグピーク拡大フィルタ17)、位置の異なる孔部19を有する複数のフィルタ要素53a、53b、53c、53dを積層した構成(第11例のブラッグピーク拡大フィルタ17)、三次元的に孔部19を有する多孔質の構成(第12例のブラッグピーク拡大フィルタ17)、あるいはそれらの組み合わせを用いた構成のブラッグピーク拡大フィルタ17を用いることができる。これらの構成のブラッグピーク拡大フィルタ17を用いる場合でも、実施の形態3の粒子線照射装置50は、図39の照射対象11aのように、体表面36から底面までの距離が一定である照射対象に対して、均一な線量分布を形成することが可能である。また、これらの構成のブラッグピーク拡大フィルタ17を用いる場合でも、実施の形態3の粒子線照射装置50は、図46の照射対象11bのように、体表面36から底面までの距離が異なる照射対象に対して、均一な線量分布を形成することが可能である。   The particle beam irradiation apparatus 50 according to the third embodiment is different from the Bragg peak expansion filter 17 of the ninth example having the tapered hole portion 19, that is, the Bragg having the other configuration described in the first embodiment. A peak widening filter 17 can be used. For example, a configuration in which a plurality of filter elements 53a, 53b, 53c having hole portions 19 having different sizes are stacked (Bragg peak expansion filter 17 in the tenth example), a plurality of filter elements 53a having hole portions 19 having different positions, A structure in which 53b, 53c, and 53d are stacked (Bragg peak expansion filter 17 in the eleventh example), a porous structure having three-dimensional holes 19 (Bragg peak expansion filter 17 in the twelfth example), or a combination thereof Can be used. Even when the Bragg peak widening filter 17 having these configurations is used, the particle beam irradiation apparatus 50 according to the third embodiment is an irradiation target in which the distance from the body surface 36 to the bottom surface is constant like the irradiation target 11a in FIG. On the other hand, it is possible to form a uniform dose distribution. Even when the Bragg peak expansion filter 17 having these configurations is used, the particle beam irradiation apparatus 50 according to the third embodiment is different from the irradiation target 11b in FIG. 46 in that the distance from the body surface 36 to the bottom surface is different. On the other hand, it is possible to form a uniform dose distribution.

なお、矛盾のない範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。   It should be noted that the embodiments can be combined or the embodiments can be appropriately modified or omitted within a consistent range.

1…粒子線発生輸送装置、2…走査装置、6…照射系、9…ビーム軸、10、10a、10b、10c…粒子線、11、11a、11b…照射対象、12…照射位置、17…ブラッグピーク拡大フィルタ、18…第一材料部、19…孔部、38a、38b、38c…フィルタ部、50…粒子線照射装置、52…第二材料部、53a、53b、53c、53d…フィルタ要素、D…直径、L…距離(中心間距離)   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Particle beam generation transport apparatus, 2 ... Scanning device, 6 ... Irradiation system, 9 ... Beam axis, 10, 10a, 10b, 10c ... Particle beam, 11, 11a, 11b ... Irradiation object, 12 ... Irradiation position, 17 ... Bragg peak expansion filter, 18 ... first material part, 19 ... hole, 38a, 38b, 38c ... filter part, 50 ... particle beam irradiation device, 52 ... second material part, 53a, 53b, 53c, 53d ... filter element , D ... diameter, L ... distance (center-to-center distance)

Claims (13)

加速させた粒子線の発生及び輸送を行う粒子線発生輸送装置と、前記粒子線発生輸送装置から輸送された前記粒子線を照射対象に照射する照射系と、を備えた粒子線照射装置であって、
前記照射系は、輸送された前記粒子線のビーム軸に対して垂直な二方向に前記粒子線を偏向させる走査装置と、前記粒子線をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解し、分解された前記粒子線成分により前記照射対象においてブラッグピークの深さ方向の幅を拡大するブラッグピーク拡大フィルタと、を備え、
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、
前記ビーム軸に平行な方向に厚みを有する第一材料部と、
前記ビーム軸に垂直な前記第一材料部の面に複数配置され、前記ビーム軸に平行な方向に貫通している、又は前記ビーム軸に平行な方向に窪んだ孔部と、を有することを特徴とする粒子線照射装置。
A particle beam irradiation apparatus comprising: a particle beam generation and transport apparatus that generates and transports an accelerated particle beam; and an irradiation system that irradiates an irradiation target with the particle beam transported from the particle beam generation and transport apparatus. And
The irradiation system includes a scanning device that deflects the particle beam in two directions perpendicular to the beam axis of the transported particle beam, and decomposes the particle beam into a plurality of particle beam components having different energies. A Bragg peak expansion filter that expands the width in the depth direction of the Bragg peak in the irradiation object by the particle beam component,
The Bragg peak expansion filter is
A first material portion having a thickness in a direction parallel to the beam axis;
A plurality of holes disposed on the surface of the first material portion perpendicular to the beam axis, and penetrating in a direction parallel to the beam axis, or recessed in a direction parallel to the beam axis. A characteristic particle beam irradiation apparatus.
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、少なくとも一部に複数の前記孔部が正方格子状に配列されており、
前記正方格子状に配列された前記孔部は、それぞれの開口形状が大きさの等しい円であることを特徴とする請求項1記載の粒子線照射装置。
The Bragg peak expansion filter has a plurality of holes arranged in a square lattice at least in part,
2. The particle beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the hole portions arranged in a square lattice shape are circles having respective opening shapes having the same size.
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、少なくとも一部に複数の前記孔部が六方格子状に配列されており、
前記六方格子状に配列された前記孔部は、それぞれの開口形状が大きさの等しい円であることを特徴とする請求項1記載の粒子線照射装置。
The Bragg peak expansion filter has a plurality of holes arranged in a hexagonal lattice at least in part.
2. The particle beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the hole portions arranged in a hexagonal lattice shape are circles having the same opening shape.
前記ブラッグピーク拡大フィルタの前記孔部の直径は、最近接の前記孔部間の中心間距離の0.34倍よりも大きいことを特徴とする請求項2記載の粒子線照射装置。   3. The particle beam irradiation apparatus according to claim 2, wherein a diameter of the hole portion of the Bragg peak expanding filter is larger than 0.34 times a distance between centers of the closest hole portions. 前記ブラッグピーク拡大フィルタの前記孔部の直径は、最近接の前記孔部間の中心間距離の0.316倍よりも大きいことを特徴とする請求項3記載の粒子線照射装置。   4. The particle beam irradiation apparatus according to claim 3, wherein a diameter of the hole portion of the Bragg peak expansion filter is larger than 0.316 times a distance between the centers of the closest hole portions. 前記ブラッグピーク拡大フィルタの前記孔部は、前記ビーム軸の上流側の開口面積と前記ビーム軸の下流側の開口面積とが異なることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の粒子線照射装置。   The hole portion of the Bragg peak expansion filter has an opening area on the upstream side of the beam axis and an opening area on the downstream side of the beam axis, according to any one of claims 1 to 3. Particle beam irradiation equipment. 前記ブラッグピーク拡大フィルタは、
前記第一材料部の前記孔部に、前記第一材料部の材料と異なる材料から成る第二材料部が配置されており、
前記第一材料部の前記ビーム軸に平行な方向の厚みは、前記第二材料部の前記ビーム軸に平行な方向の厚みと等しいことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の粒子線照射装置。
The Bragg peak expansion filter is
A second material portion made of a material different from the material of the first material portion is disposed in the hole portion of the first material portion,
7. The thickness of the first material portion in a direction parallel to the beam axis is equal to the thickness of the second material portion in a direction parallel to the beam axis. The particle beam irradiation apparatus described.
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、
前記第一材料部の前記孔部に、前記第一材料部の材料と異なる材料から成る第二材料部が配置されており、
前記第一材料部の前記ビーム軸に平行な方向の厚みは、前記第二材料部の前記ビーム軸に平行な方向の厚みと異なることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の粒子線照射装置。
The Bragg peak expansion filter is
A second material portion made of a material different from the material of the first material portion is disposed in the hole portion of the first material portion,
7. The thickness of the first material portion in a direction parallel to the beam axis is different from a thickness of the second material portion in a direction parallel to the beam axis. The particle beam irradiation apparatus described.
加速させた粒子線の発生及び輸送を行う粒子線発生輸送装置と、前記粒子線発生輸送装置から輸送された前記粒子線を照射対象に照射する照射系と、を備えた粒子線照射装置であって、
前記照射系は、輸送された前記粒子線のビーム軸に対して垂直な二方向に前記粒子線を偏向させる走査装置と、前記粒子線をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解し、分解された前記粒子線成分により前記照射対象においてブラッグピークの深さ方向の幅を拡大するブラッグピーク拡大フィルタと、を備え、
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、前記ビーム軸に垂直な面を有する複数のフィルタ要素により構成されており、
それぞれの前記フィルタ要素は、
前記ビーム軸に平行な方向に厚みを有する第一材料部と、
前記ビーム軸に垂直な前記第一材料部の面に複数配置され、前記ビーム軸に平行な方向に貫通している孔部を有し、
それぞれの前記フィルタ要素は、前記孔部の配置又は前記ビーム軸に垂直な方向の大きさの少なくともいずれかが異なっていることを特徴とする粒子線照射装置。
A particle beam irradiation apparatus comprising: a particle beam generation and transport apparatus that generates and transports an accelerated particle beam; and an irradiation system that irradiates an irradiation target with the particle beam transported from the particle beam generation and transport apparatus. And
The irradiation system includes a scanning device that deflects the particle beam in two directions perpendicular to the beam axis of the transported particle beam, and decomposes the particle beam into a plurality of particle beam components having different energies. A Bragg peak expansion filter that expands the width in the depth direction of the Bragg peak in the irradiation object by the particle beam component,
The Bragg peak broadening filter is composed of a plurality of filter elements having a plane perpendicular to the beam axis,
Each said filter element is
A first material portion having a thickness in a direction parallel to the beam axis;
A plurality of holes disposed on the surface of the first material portion perpendicular to the beam axis, and penetrating in a direction parallel to the beam axis;
Each of the filter elements is different in at least one of the arrangement of the holes and the size in the direction perpendicular to the beam axis.
加速させた粒子線の発生及び輸送を行う粒子線発生輸送装置と、前記粒子線発生輸送装置から輸送された前記粒子線を照射対象に照射する照射系と、を備えた粒子線照射装置であって、
前記照射系は、輸送された前記粒子線のビーム軸に対して垂直な二方向に前記粒子線を偏向させる走査装置と、前記粒子線をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解し、分解された前記粒子線成分により前記照射対象においてブラッグピークの深さ方向の幅を拡大するブラッグピーク拡大フィルタと、を備え、
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、三次元的に複数の空洞部を有する多孔質の立体構造であることを特徴とする粒子線照射装置。
A particle beam irradiation apparatus comprising: a particle beam generation and transport apparatus that generates and transports an accelerated particle beam; and an irradiation system that irradiates an irradiation target with the particle beam transported from the particle beam generation and transport apparatus. And
The irradiation system includes a scanning device that deflects the particle beam in two directions perpendicular to the beam axis of the transported particle beam, and decomposes the particle beam into a plurality of particle beam components having different energies. A Bragg peak expansion filter that expands the width in the depth direction of the Bragg peak in the irradiation object by the particle beam component,
The particle beam irradiation apparatus, wherein the Bragg peak widening filter has a porous three-dimensional structure having a plurality of hollow portions three-dimensionally.
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、
前記第一材料部の前記ビーム軸に平行な方向の厚みが異なる複数の領域を有し、
それぞれの前記領域における前記第一材料部の厚みは、前記第一材料部を通過して前記粒子線が照射される前記照射対象の前記ビーム軸方向の厚みに基づいて決定されていることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の粒子線照射装置。
The Bragg peak expansion filter is
A plurality of regions having different thicknesses in a direction parallel to the beam axis of the first material portion;
The thickness of the first material portion in each of the regions is determined based on the thickness in the beam axis direction of the irradiation target irradiated with the particle beam through the first material portion. The particle beam irradiation apparatus according to any one of claims 1 to 9.
前記照射系の前記走査装置は、
前記粒子線発生輸送装置から輸送された前記粒子線のビーム軸に対して垂直な二方向に前記粒子線を偏向させて、前記照射対象の計画された照査位置に前記粒子線を走査することを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の粒子線照射装置。
The scanning device of the irradiation system comprises:
Deflecting the particle beam in two directions perpendicular to the beam axis of the particle beam transported from the particle beam generating and transporting apparatus, and scanning the particle beam at a planned verification position of the irradiation target; The particle beam irradiation apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein the particle beam irradiation apparatus is characterized.
前記照射系の前記走査装置は、
前記粒子線発生輸送装置から輸送された前記粒子線のビーム軸に対して垂直な二方向に前記粒子線を偏向させて、前記照射対象に円形軌道を描くように前記粒子線を走査することを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の粒子線照射装置。
The scanning device of the irradiation system comprises:
Deflecting the particle beam in two directions perpendicular to the beam axis of the particle beam transported from the particle beam generating and transporting apparatus, and scanning the particle beam so as to draw a circular trajectory on the irradiation target; The particle beam irradiation apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein the particle beam irradiation apparatus is characterized.
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