JP3698860B2 - 荷電粒子照射装置およびそのビーム制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、荷電粒子からなるビームを被照射体に照射する荷電粒子照射装置に関し、特に被照射体に照射される荷電粒子のエネルギを制御するフィルタ構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種、荷電粒子照射装置は、荷電粒子を患部全体に一度に照射したり、患部を複数の領域に分割し、荷電粒子を各々の患部に個別に照射したりして、がん治療等に適用されている。そして、この荷電粒子照射装置には、被照射体に照射される荷電粒子のエネルギを制御するための装置が必要であり、この種装置として、例えば「DEVELOPMENT OF 3-DIMENSIONAL IRRADIATION SYSTEM FOR HEAVY-ION RADIATION THERAPY (PROCEEDINGS OF THE 10TH SYMPOSIUM ON ACCELERATOR SDIENCE AND TECHNOLOGY, Octber 25-27, 1995, Hitachinaka, Japan, p.442-p.444)」や「重粒子線がん治療装置（三菱電機技法 Vol.69, No.2, 1995, p.40-p.44）」に記載されているようなウエッジフィルタ（あるいは高速レンジシフタ）やリッジフィルタが従来提案されている。
【０００３】
図１６は従来のウエッジフィルタの動作を説明する図である。
図において、１は加速器（図示せず）から取り出された荷電粒子のビーム、２は同じ勾配をもった一対の楔状フィルタ２ａ、２ａから構成されたウエッジフィルタである。このウエッジフィルタ２は、ビーム１の被照射体３への照射経路中に、ビーム１を遮るように配設されている。そして、このウエッジフィルタ２はＡＣサーボモータ等の駆動機構（図示せず）に取り付けられ、ビーム軸を中心として対称な位置を採るように、ビーム軸に対して直交する方向に直線往復運動できるようになっている。
このように構成されたウエッジフィルタ２は、一対のフィルタ２ａ、２ａがビーム軸方向に重なり合っている。この重なり合っている部分におけるビーム軸方向の厚みは同じ厚みとなっている。そして、一対のフィルタ２ａ、２ａをビーム軸に対して直交する方向に直線運動させることにより、この重なり合っている部分におけるビーム軸方向の厚みを任意に制御することができる。
そこで、ビーム１が有限な断面積をもっていても、このウエッジフィルタ２を通過する際に、すべての粒子が同じ厚みを通過することになる。そして、ウエッジフィルタ２を駆動することにより、粒子の通過する厚みは変化される。
【０００４】
図１７は水や人体等の被照射体に単一のエネルギをもった荷電粒子（特に陽子線や重粒子線）が照射された場合の被照射体の深さ方向における相対線量をプロットしたグラフであり、図において４ａは荷電粒子線のエネルギが高い場合を示し、４ｂは荷電粒子線のエネルギが低い場合を示している。
このように、荷電粒子を被照射体３に照射した場合、荷電粒子が到達する最深部付近に相対線量のピーク（ブラッグピーク）が現れる特徴的なカーブ（ブラッグカーブ）を示すことがわかる。そして、荷電粒子線のエネルギが高い程、該ブラッグピークの位置が深くなる。
【０００５】
図１８は従来のリッジフィルタの動作を説明する図である。
図において、６はリッジフィルタであり、このリッジフィルタ６はビーム軸に対して直角に揺動あるいは回転されるように構成され、ビーム１の一部のエネルギを吸収することでエネルギに幅を持たせ、幅の狭いブラッグピークを患部の深さ方向の大きさに広げるものである。そして、このリッジフィルタ６を通過したビーム１は、ブラッグカーブ７に示されるように、ビーム１の進行方向、即ち被照射体３の深さ方向の線量分布が平坦となる。
【０００６】
ここで、従来のウエッジフィルタ２やリッジフィルタ６を用いた荷電粒子照射装置の動作について説明する。
陽子線や重粒子線等のビーム１が被照射体３に照射されると、被照射体３内に付与される相対線量は図１７に示されるようなピークをもつ。そこで、ビーム１のエネルギを調節することにより、特定の深さの腫瘍等の組織に重点的に線量を付与することが可能となる。従来、Ｘ線等の放射線を被照射体３に照射した場合には、正常組織にまで放射線の影響を与えてしまうが、この陽子線や重粒子線等の放射線を被照射体３に照射した場合には、正常組織にまで放射線の影響を与えるようなことが極端に低減され、効果的な放射線治療の一つとされている。
ビーム１のエネルギを低くすれば、図１７に示されるように、ブラッグピークが浅い方向にシフトする。被照射体３の浅い部分に照射したい場合は、ビーム１のエネルギを加速器側で低くするか、被照射体３の厚みを疑似的に増加したのと同じ効果を生み出すように、その深さ相当の物質を挟むことで達成される。このことは、物質中を荷電粒子が通過するとエネルギを失うからであり、加速器側で調整するか、被照射体３近傍でエネルギを調整するかの違いである。
【０００７】
この後者の方法を利用したものが、図１６に示されるウエッジフィルタ２を用いた方法である。加速器から取り出されたビーム１は、被照射体３に向けられている。このビーム１のエネルギは一定であり、このまま被照射体３に照射すると、例えば２０ｃｍ深さに最大線量を付与するものとする。ここで、がん等の病巣等ターゲットとなる部位の深さが１５ｃｍとすると、一対のフィルタ２ａ、２ａをビーム中心軸方向に移動させることにより、ビーム１が通過するフィルタの厚みを増加させ、結果的にエネルギの減少を起こさせて、ブラッグピーク位置をターゲット位置にもって行くことができる。
また、ターゲットが被照射３の深さ方向に厚みがある場合には、一対のフィルタ２ａ、２ａをビーム中心軸方向に連続的に移動させることにより、ビーム１のエネルギを連続的に増加あるいは減少させ、ターゲット全体に照射させることができる。
【０００８】
また、同様な原理を利用したのが、図１８に示したリッジフィルタ６による方法である。このリッジフィルタ６はそれぞれ概略三角形の断面をもつ金属製の三角柱の集合体であり、ビーム方向に対する厚みの連続的な変化により、被照射体３での線量ピークの深さ方向に厚みを持たせるものである。そして、被照射体３の位置に拘わらず、ピーク深さの厚みが一様となるようにリッジフィルタ全体がビーム軸に対して揺動あるいは回転する。
なお、リッジフィルタ６は主にブラッグピークによる一定の厚みを形成するものであり、ウエッジフィルタ２はその一定の厚みのピークを深さ方向にシフトさせるために用いられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の荷電粒子照射装置のレンジフィルタの役割をするウエッジフィルタ２は以上のように構成されているので、ビーム軸に対して直交する方向に直線往復運動することになり、駆動装置への負担が大きかった。
そこで、速い速度での変化には限界があった。また、ビーム軸と直交する方向に移動するため、ビーム軸の直交方向の空間が必要となり、特に、この荷電粒子照射装置を含む照射系全体が回転ガントリと呼ばれている回転駆動体に取り付けられた場合には、この回転駆動体の構造物等と干渉するという問題があった。
また、従来の荷電粒子照射装置のリッジフィルタ６は、ブラッグピークの厚み毎に作られていたので、ブラッグピークの厚みを変える場合は勿論のこと、ビーム１のエネルギによっても、取り替える必要があり、その種類の数だけリッジフィルタ６を容易する必要があり、取り替える手間や、自動的に取り替えるための装置が必要となるという課題があった。
さらに、従来の荷電粒子照射装置は、ウエッジフィルタ２やリッジフィルタ６を組み合わせてビーム軸方向に配置する必要があり、ビーム軸方向にも空間を必要としていた。このことは、この荷電粒子照射装置を含む照射系全体が回転ガントリに取り付けられた場合には、回転ガントリの動径方向への拡大の影響を及ぼし、回転ガントリを含む荷電粒子照射装置の巨大化を招いてしまうという課題があった。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ビーム軸周りの必要空間の省スペース化を図り、各種フィルタの数を削減して、従来装置と同等の照射性能を有する荷電粒子照射装置およびそのビーム制御方法を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る荷電粒子照射装置は、荷電粒子を加速する加速器と、この加速器で加速されて取り出された荷電粒子のビームを輸送するビーム輸送系と、このビーム輸送系の終端に配置されてビームのエネルギを調節するエネルギ調節手段とを備えた荷電粒子照射装置において、上記エネルギ調節手段は、軸心方向の厚みが軸心周りに螺旋状に変わる螺旋状部を有する外形形状に成形された一対のフィルタと、この一対のフィルタをそれぞれの軸心を回転中心として独立して回転駆動する回転駆動装置とからなり、該一対のフィルタが、厚みの変わる螺旋状部の少なくとも一部が重なりあい、かつ、この螺旋状部の重なり部が上記ビームの通過領域に位置するように、それぞれの軸心方向をビームの中心軸方向と平行として該ビームの中心軸方向に前後して並設されているものである。
【００１２】
また、一対のフィルタは、それぞれの軸心が同軸的に位置して、ビームの中心軸方向に前後して並設されているものである。
【００１３】
また、一対のフィルタは、それぞれの軸心がビームの中心軸を挟んで両側に位置して、ビームの中心軸方向に前後して並設されているものである。
【００１４】
また、フィルタは、螺旋の勾配の異なる複数の螺旋状部が径方向に階段状に連設された外形形状に成形され、かつ、軸心位置がビームの中心軸に対して接離できるように構成されているものである。
【００１５】
また、フィルタは、螺旋状部が渦巻き状に形成された外形形状に成形され、かつ、軸心位置がビームの中心軸に対して接離できるように構成されているものである。
【００１６】
また、フィルタは、最小厚から最大厚まで同一の勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連接された外形形状に成形されているものである。
【００１７】
また、フィルタは、最小厚から最大厚を経て最小厚まで同一の勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連接された外形形状に成形されているものである。
【００１８】
また、フィルタは、最小厚から最大厚まで異なる勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連設された外形形状に成形されているものである。
【００１９】
また、スリットを有し、十分なビームの遮蔽厚を持つ金属板が、その主面を該ビームの中心軸と直交するように一対のフィルタの一方に取り付けられているものである。
【００２０】
また、開口部を有し、十分なビームの遮蔽厚を持つ少なくとも２枚の金属板が、それぞれの主面を該ビームの中心軸と直交するように重ね合わせて一対のフィルタの一方に軸心周りにそれぞれ回転可能に取り付けられているものである。
【００２１】
また、この発明の荷電粒子照射装置のビーム制御方法は、フィルタを断続的に回転させて該フィルタの回転角度位置を、該ビームが通過する螺旋状部の重なり部の厚みを変化させるよう制御し、該回転角度位置の保持時間を、該ビームの線量分布を調節するよう制御するものである。
【００２２】
また、この発明の荷電粒子照射装置のビーム制御方法は、フィルタの回転速度を時間的に一定速度から増減速制御し、該ビームが通過する螺旋状部の重なり部の厚みを急速変化させるようにしたものである。
【００２３】
また、この発明の荷電粒子照射装置のビーム制御方法は、フィルタを一定の回転速度で回転させながら、該フィルタの重なり厚が所定の回転角度に相当する螺旋状部の重なり厚の時、該ビームの発生源をＯＮ制御して該ビームを出射し、所定のビーム出射後に該ビームの発生源をＯＦＦ制御するようにしたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る荷電粒子照射装置を説明する図であり、図１の（ａ）はその配置図を、図１の（ｂ）はフィルタの展開図を示している。図において、図１６乃至図１８に示した従来の荷電粒子照射装置と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００２５】
図において、８は金属あるいは合成樹脂で作製されたフィルタであり、このフィルタ８は一端側の端面が軸心に対して直交する平面に形成され、他端側の端面が軸心から軸心と直交して径方向外方に延びる直線を、一端側の端面から平行に離反させつつ、軸心周りに一方向に回転させることにより得られる平面に形成され、全体として軸心方向の厚みが螺旋状に一定の勾配で変化する螺旋状部８ａを有する外形形状に成形されている。そして、２つのフィルタ８、８は軸心に対して直交する平面に形成された端面同士を相対して背中合わせにして、ビーム１の中心軸方向に同軸に並設されている。また、一対のフィルタ８、８は軸心がビーム１の中心軸からずれて位置し、ビーム１が螺旋状部８ａ、８ａの重なり部分を通過するようになっている。さらに、一対のフィルタ８、８はそれぞれ回転駆動装置１０により独立して回転軸９周りに回転駆動されるようになっている。ここで、一対のフィルタ８、８と回転駆動装置１０とからエネルギ調節手段を構成している。
【００２６】
つぎに、この実施の形態１の動作について説明する。
このように構成された一対のフィルタ８、８を円周方向に展開すれば、図１の（ｂ）に示されるように、一対の楔形フィルタがビーム１の中心軸に対して対称な位置関係を有してビーム１の中心軸方向に重なり合う従来のウエッジフィルタ２と等価の構成となる。そして、一対のフィルタ８、８を回転軸９周りに互いに逆方向に回転させると、一対の楔形フィルタがビーム１の中心軸に対して直交する方向に直線往復移動するように動作する。
そこで、回転駆動装置１０により一対のフィルタ８、８を回転軸９周りに回転駆動すれば、螺旋状部８ａ、８ａの重なり厚みが変化し、それに応じてフィルタ８、８を通過するビーム１のエネルギが減少され、被照射体３内でのブラッグピークの位置が深さ方向にシフトされる。また、同一の勾配を組み合わせているので、有限の径をもったビーム断面全体にわたって同じ厚みを経験する。
【００２７】
この実施の形態１によれば、軸心方向の厚みが螺旋状に一定の勾配で変化する螺旋状部８ａを有する外形形状に成形された一対のフィルタ８、８を同軸に背中合わせに配置しているので、一対のフィルタ８、８を回転させることにより、ビーム１の深さ方向の照射位置を変えることができ、従来のウエッジフィルタと同等の照射性能を得ることができる。
また、一対のフィルタ８、８をビーム１の中心軸に対して直交する方向に移動する必要がなく、ビーム１の中心軸に対して直交する方向の省スペース化が図られる。従って、この照射系全体を回転ガントリに取り付けても、回転ガントリの構造物との干渉を回避することができる。
また、一対のフィルタ８、８を回転軸９周りに回転駆動するので、駆動も滑らかとなり、駆動装置への負担が少なく、高速な回転が可能となる。そこで、ブラッグピークの位置を被照射体３の深さ方向に急速に変化させることができる。
【００２８】
なお、上記実施の形態１では、一対のフィルタ８、８を互いに逆方向に回転させるものとしているが、一対のフィルタ８、８は必ずしも逆方向に回転させる必要はなく、同一方向に回転させても、同様の効果が得られる。
【００２９】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図であり、図２の（ａ）はその配置図を、図２の（ｂ）はフィルタの回転角度と重なり厚との関係を、図２の（ｃ）はフィルタの回転角度と時間との関係を示している。図３はこの発明の実施の形態２に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法による被照射体に照射されるトータルの線量分布を示す図である。
【００３０】
この実施の形態２では、上記実施の形態１による荷電粒子照射装置に回転駆動装置１０を駆動制御する回転制御計算機１２を付加し、この回転制御計算機１２によりフィルタ８の回転角度位置を時間的に制御するようにしたものである。
つまり、この実施の形態２では、回転制御計算機１２により、時間的にフィルタ８の回転角度を設定し、図２の（ｃ）に示される関係に基づいて回転駆動装置１０を回転駆動している。これによって、螺旋状部８ａ、８ａの重なり厚を調整し、ビーム１のエネルギの吸収量を制御し、ブラッグカーブに現れるブラッグピークの位置とその強度を制御している。
【００３１】
ここで、そのビーム制御方法について説明する。
まず、ビーム１を被照射体に照射した時のブラッグカーブのデータおよび被照射体のターゲットの深さ位置のデータに基づいて、ブラッグピークがターゲットの最深部および最浅部に到達するフィルタ８ａ、８ｂの重なり厚ｔａ、ｔｂが算出される。
そして、図２の（ｂ）から、算出された重なり厚ｔａ、ｔｂに対応するフィルタの回転角度θａ、θｂが求められる。さらに、フィルタの回転角度θａ、θｂ間を等間隔に分割した複数の回転角度が選択される。ついで、フィルタ８ａ、８ｂが選択した各回転角度位置を採るように断続的に回転させて、即ちビーム１が通過する螺旋状部８ａ、８ａの重なり部の厚みをステップ状に変化させて、ビーム１を被照射体に照射させる。
そこで、ビーム１は螺旋状部８ａ、８ａの重なり部の厚みに応じてエネルギを吸収され、ブラッグピークの被照射体への到達位置がターゲットの最深部から最浅部側にシフトされる。この時、ターゲットに照射される全相対線量１５は、図３に示されるように、選択された各回転角度位置におけるフィルタを通過したビーム１による相対線量１６が積算されたもので、この相対線量１５が、ターゲットの深さ方向で一定となるように、選択した各回転角度位置の保持時間を制御することになる。
なお、選択した各回転角度位置の保持時間は予め演算処理されて、図２の（ｃ）に示されるフィルタの回転駆動条件が求められており、該回転駆動条件に基づいて回転駆動装置１０が回転制御計算機１２により駆動制御される。
【００３２】
このように、この実施の形態２によれば、一対のフィルタ８、８の回転角度位置を時間的に制御することにより、被放射体内の深さ方向の線量分布を調整でき、荷電粒子をターゲットの深さ方向に均一に照射することができるようになり、従来のリッジフィルタと同等の照射性能を得ることができる。これは、一対のフィルタ８、８を回転軸９周りに回転駆動しているので、フィルタの厚みを急速に変化させることができることから可能となる。
そして、従来の装置のように、ウェッジフィルタとリッジフィルタとを組み合わせることなく、同等の照射性能が得られるので、ビーム軸方向における省スペース化が図られ、この照射系全体を回転ガントリに取り付けても、回転ガントリを含む照射装置全体の巨大化を抑えることができる。
【００３３】
なお、上記実施の形態２では、荷電粒子をターゲットの深さ方向に均一なトータルの線量分布を得るものとしているが、フィルタの回転角度位置とその回転角度位置における保持時間とを制御すれば、相対線量の大きさが深さ方向で異なる線量分布をも得ることができる。
【００３４】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図であり、図４の（ａ）はその配置図を、図４の（ｂ）はフィルタの回転角度と重なり厚との関係を示している。
【００３５】
この実施の形態３では、まず回転制御計算機１２により回転駆動装置１０を駆動制御し、下流側のフィルタ８を回転角度θ２となるように回転させた後、その回転角度θ２を保持させる（回転駆動を停止させる）。ついで、回転制御計算機１２により回転駆動装置１０を駆動制御し、上流側のフィルタ８の回転角度θ１を時間的に変化させて、螺旋状部８ａ、８ａの重なり厚を変化させる。そこで、ビーム１は螺旋状部８ａ，８ａの重なり部の厚みに応じてエネルギが吸収され、ブラッグピークの被照射体への到達位置がシフトされる。
【００３６】
このように、この実施の形態３によれば、下流側のフィルタ８の回転を停止させ、上流側のフィルタ８の回転角度を制御しているので、一対のフィルタ８、８の螺旋状部８ａ、８ａの重なり厚の変化に任意のオフセットを持たせることができる。その結果、被照射体内の深さ方向の線量分布を全体的にフィルタのオフセット分だけ浅くする調整が可能となり、従来のウェッジフィルタの役割を兼ねることができる。
【００３７】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図であり、図５の（ａ）はその配置図を、図５の（ｂ）はフィルタの回転角度と重なり厚との関係を、図５の（ｃ）はフィルタの回転角度と時間との関係を、図５の（ｄ）は被照射体内の深さ方向に対する相対線量を表す図を示している。
【００３８】
この実施の形態４では、上記実施の形態２と同様に、荷電粒子照射装置に回転駆動装置１０を駆動制御する回転制御計算機１２を付加している。
そして、図５の（ｃ）に示される時間と回転角度との関係に基づいて、回転制御計算機１２により回転駆動装置１０を駆動し、一対のフィルタ８、８の回転速度を時間的に制御しながら、ビーム１を被照射体に照射させている。
この時、フィルタの重なり厚は、図５の（ｂ）に示されるように、フィルタの回転角度に応じて変化し、ビーム１は螺旋状部８ａ、８ａの重なり厚に応じてエネルギが吸収され、ブラッグピークの被照射体への到達位置が深さ方向にシフトされる。そして、このフィルタの回転速度を遅くすると、被照射体の到達位置における相対線量が増大し、フィルタの回転速度を速くすると、被照射体の到達位置における相対線量が減少する。
そこで、図５の（ｃ）に示される時間と回転角度との関係に基づいて、一対のフィルタ８、８の回転速度を時間的に制御すれば、図５の（ｄ）に示されるようなトータルの線量分布１７が得られる。
【００３９】
このように、この実施の形態４によれば、一対のフィルタ８、８の回転速度を時間的に制御することにより、被放射体内の深さ方向の線量分布を調整でき、従来のリッジフィルタと同等の照射性能を得ることができる。これは、一対のフィルタ８、８を回転軸９周りに回転駆動しているので、フィルタの厚みを急速に変化させることができることから可能となる。
そして、従来の装置のように、ウェッジフィルタとリッジフィルタとを組み合わせることなく、同等の照射性能が得られるので、ビーム軸方向における省スペース化が図られ、この照射系全体を回転ガントリに取り付けても、回転ガントリを含む照射装置全体の巨大化を抑えることができる。
【００４０】
なお、上記実施の形態４によれば、一対のフィルタ８、８を同じ量で反対方向に回転するものとしているが、フィルタ８、８を独立に、あるいは同じ方向に回転させても同様の効果を奏する。
【００４１】
実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図であり、図６の（ａ）はその配置図を、図６の（ｂ）はフィルタの回転角度と重なり厚との関係を、図６の（ｃ）はフィルタの回転角度とビームのＯＮ／ＯＦＦとの関係を、図６の（ｄ）は被照射体内の深さ方向に対する線量分布を表す図を示している。
図において、１８はシンクロトロンやサイクロトロン等の加速器本体、１９は照射系にあるフィルタ８、８までビーム１を輸送するビーム輸送系、２０はフィルタ８、８の回転に同期して信号を発生するタイミングシステム、２１は加速器本体１８を制御する加速器制御装置である。
【００４２】
この実施の形態５では、回転制御計算機１２が回転駆動装置１０を駆動制御し、一対のフィルタ８、８を互いに逆方向に一定の回転速度で回転させている。そして、タイミングシステム２０がフィルタ８、８が所定の回転角度となると、ビーム１が出力されるように、加速器制御装置２１にトリガ信号を発生する。加速器制御装置２１はタイミングシステム２０からのトリガ信号を入力すると、所定の時間イオン源あるいはビーム取り出し装置をＯＮさせる。そこで、ビーム１は図６の（ｃ）に示されるようにパルス状にフィルタ８、８側に出射される。この時、図６の（ｂ）に示される関係から、フィルタ８、８の回転角度に相当する螺旋状部８ａ、８ａの重なり厚となり、ビーム１はその重なり厚に応じてエネルギが吸収され、ブラッグピークの到達位置が深さ方向にシフトされる。その結果、図６の（ｄ）に示されるようなトータルの線量分布２２が得られる。
【００４３】
このように、この実施の形態５によれば、一対のフィルタ８、８の回転に同期させて加速器本体１８側のビームのＯＮ／ＯＦＦを制御しているので、被照射体内の深さ方向の線量分布を調整でき、従来のリッジフィルタと同等の照射性能を得ることができる。これは、一対のフィルタ８、８を回転軸９周りに回転駆動しているので、フィルタの厚みを急速に変化させることができることから可能となる。
そして、従来の装置のように、ウェッジフィルタとリッジフィルタとを組み合わせることなく、同等の照射性能が得られるので、ビーム軸方向における省スペース化が図られ、この照射系全体を回転ガントリに取り付けても、回転ガントリを含む照射装置全体の巨大化を抑えることができる。
【００４４】
実施の形態６．
図７はこの発明の実施の形態６に係る荷電粒子照射装置のフィルタ周りを示す配置図である。
この実施の形態６では、一対のフィルタ８、８は、それぞれの軸心がビーム１の中心軸を挟んで両側に位置し、かつ、螺旋状部８ａ、８ａの重なり部分をビーム１が通過するようになっている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４５】
この実施の形態６では、一対のフィルタ８、８の回転軸９、９が平行であるが、ビーム１の中心軸を挟んで両側に位置しているので、これらの回転軸９、９上の障害が緩和され、回転駆動系周りの配置の融通性が増し、設計自由度を増大させることができる。
なお、一対のフィルタ８、８の重なり部分を少なくし、両回転軸９、９上でのフィルタ８、８の重なりをなくすようにすれば、２つの回転駆動装置１０をビーム１の軸方向の一側に配置することも可能となり、設計自由度をより増大させることができる。
【００４６】
実施の形態７．
図８はこの発明の実施の形態７に係る荷電粒子照射装置のフィルタ周りを示す配置図、図９はこの発明の実施の形態７に係る荷電粒子照射装置に適用されるフィルタの構成を説明する図であり、図９の（ａ）はその斜視図を、図９の（ｂ）は断面図を示している。
図において、エネルギ調節手段としてのフィルタ２４は、軸心方向の厚みが螺旋状に一定の勾配で変化する螺旋状部２４ａと、この螺旋状部２４ａの内周側に軸心方向の厚みが螺旋状に螺旋状部２４ａの勾配より大きな一定の勾配で変化する螺旋状部２４ｂと、この螺旋状部２４ｂの内周側に軸心方向の厚みが螺旋状に螺旋状部２４ｂの勾配より大きな一定の勾配で変化する螺旋状部２４ｃとを有する外形形状に成形されている。そして、２つのフィルタ２４、２４が、背中合わせにして、ビーム１の中心軸方向に同軸に並設されている。また、フィルタ２４、２４はそれぞれ回転駆動装置１０により独立して回転軸９周りに回転駆動されるようになっている。さらに、フィルタ２４、２４は移動装置２３により軸心をビーム１の中心軸に対して接離する方向に移動可能になっており、ビーム１が両フィルタ２４、２４の同一勾配の螺旋状部の重なり部分を通過するようになっている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４７】
この実施の形態７では、移動装置２３により一対のフィルタ２４、２４をビーム１の中心軸に対して接離させることにより、ビーム１の通過領域に螺旋状部２４ａ、２４ａ同士の重なり部分、螺旋状部２４ｂ、２４ｂ同士の重なり部分、あるいは螺旋状部２４ｃ、２４ｃ同士の重なり部分を選択して位置させることができる。
そこで、一対のフィルタ２４、２４の回転速度を一定としても、移動装置２３により一対のフィルタ２４、２４をビーム１の中心軸に対して接離させることにより、ビーム１の深さ方向の掃引の速度を任意に変化させることができる。
【００４８】
実施の形態８．
図１０はこの発明の実施の形態８に係る荷電粒子照射装置に適用されるフィルタを示す斜視図である。
図において、エネルギ調節手段としてのフィルタ２５は、軸心方向の厚みが螺旋状に一定の勾配で変化する螺旋状部２５ａが軸心周りに渦巻き状に形成された外形形状に成形されている。他の構成は上記実施の形態７と同様に構成されている。即ち、２つのフィルタ２５、２５が、背中合わせにして、ビーム１の中心軸方向に同軸に並設されている。また、フィルタ２５、２５はそれぞれ回転駆動装置１０により独立して回転軸９周りに回転駆動されるようになっている。さらに、フィルタ２５、２５は移動装置２３により軸心をビーム１の中心軸に対して接離する方向に移動可能になっており、ビーム１が両フィルタ２５、２５の螺旋状部２５ａ、２５ａの重なり部分を通過するようになっている。
【００４９】
この実施の形態８では、一対のフィルタ２５、２５を回転させながら、ビーム１の通過領域に渦巻き状の螺旋状部２５ａ、２５ａの重なり部分がビーム１の通過領域に位置するように、移動装置２３により一対のフィルタ２５、２５をビーム１の中心軸に対して接離させている。
そこで、フィルタ２５の螺旋状部２５ａの勾配がゆるやかなものとなり、ブラッグピークの被照射体内の到達位置を高精度に制御することができる。
【００５０】
実施の形態９．
図１１はこの発明の実施の形態９に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図であり、図１１の（ａ）はフィルタの配置を示す平面図を、図１１の（ｂ）はフィルタの配置を示す側面図を、図１１の（ｃ）はフィルタを周方向に展開した展開図を示している。
図において、エネルギ調節手段としてのフィルタ２６は、軸心方向の厚みが最小厚から最大厚まで一定の勾配で螺旋状に変化する４つの螺旋状部２６ａが周方向に連設された外形形状に成形されている。そして、２つのフィルタ２６、２６が、背中合わせにして、ビーム１の中心軸方向に同軸に並設されている。また、フィルタ２６、２６はそれぞれ回転駆動装置１０により独立して回転軸９周りに回転駆動されるようになっている。さらに、ビーム１が両フィルタ２６、２６の螺旋状部２６ａ、２６ａの重なり部分を通過するようになっている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００５１】
この実施の形態９では、フィルタ２６、２６を１回転させる間に、フィルタの重なり部の厚み変化が４回繰り返される。
そこで、一対のフィルタ２６、２６の回転速度が遅い場合であっても、ビーム１が速い勾配変化を受けるようにすることができ、速い繰り返しで一定の範囲の被照射体内の深さを掃引することができる。
【００５２】
実施の形態１０．
図１２はこの発明の実施の形態１０に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図であり、図１２の（ａ）はフィルタの配置を示す平面図を、図１２の（ｂ）はフィルタの配置を示す側面図を、図１２の（ｃ）はフィルタを周方向に展開した展開図を示している。
図において、エネルギ調節手段としてのフィルタ２７は、軸心方向の厚みが最小厚から最大厚を経て最小厚まで一定の勾配で螺旋状に変化する２つの螺旋状部２７ａが周方向に連設された外形形状に成形されている。そして、２つのフィルタ２７、２７が、背中合わせにして、ビーム１の中心軸方向に同軸に並設されている。また、フィルタ２７、２７はそれぞれ回転駆動装置１０により独立して回転軸９周りに回転駆動されるようになっている。さらに、ビーム１が両フィルタ２７、２７の螺旋状部２７ａ、２７ａの重なり部分を通過するようになっている。
なお、他の構成は上記実施の形態９と同様に構成されている。
【００５３】
この実施の形態１０では、フィルタ２７、２７を１回転させる間に、フィルタの重なり部の厚み変化が４回繰り返される。
そこで、一対のフィルタ２７、２７の回転速度が遅い場合であっても、ビーム１が速い勾配変化を受けるようにすることができ、速い繰り返しで一定の範囲の被照射体内の深さを掃引することができる。さらに、被照射体内の深さを往復掃引することができる。
【００５４】
実施の形態１１．
図１３はこの発明の実施の形態１１に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図であり、図１３の（ａ）はフィルタの配置を示す平面図を、図１３の（ｂ）はフィルタの配置を示す側面図を、図１３の（ｃ）はフィルタを周方向に展開した展開図を示している。
図において、エネルギ調節手段としてのフィルタ２８は、軸心方向の厚みが最小厚から最大厚までそれぞれ異なる勾配で螺旋状に変化する２つの螺旋状部２８ａ、２８ｂが周方向に連設された外形形状に成形されている。そして、２つのフィルタ２８、２８が、背中合わせにして、ビーム１の中心軸方向に同軸に並設されている。また、フィルタ２８、２８はそれぞれ回転駆動装置１０により独立して回転軸９周りに回転駆動されるようになっている。さらに、ビーム１が両フィルタ２８、２８の同一の勾配の螺旋状部２８ａ、２８ａ同士、あるいは螺旋状部２８ｂ、２８ｂ同士の重なり部分を通過するようになっている。
なお、他の構成は上記実施の形態９と同様に構成されている。
【００５５】
この実施の形態１１では、フィルタ２８、２８を１回転させる間に、フィルタの厚みの勾配を変化させることができる。
そこで、一対のフィルタ２８、２８の回転角度範囲を制御することにより、ビーム１が同一のフィルタ構成で異なる勾配を受けるようにすることができ、被照射体内の深さで異なる速さでの掃引を行うことができる。
【００５６】
実施の形態１２．
図１４はこの発明の実施の形態１２に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図であり、図１４の（ａ）はその配置図を、図１４の（ｂ）はコリメータの斜視図を、図１４の（ｃ）はフィルタの回転角度と重なり厚との関係を、図１４の（ｄ）はフィルタの回転角度とビーム通過のＯＮ／ＯＦＦとの関係を、図１４の（ｅ）は被照射体内の深さ方向に対する線量分布を表す図を示している。
この実施の形態１２では、スリット２９ａ、２９ｂが設けられた十分なビームの遮蔽厚を有する鉛からなる円盤状の金属板を、その主面をビーム１の中心軸と直交するように、上流側のフィルタ８に一体に取り付けられて、円盤状のコリメータを構成している。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００５７】
この実施の形態１２では、一対のフィルタ８、８が回転されると、金属板２９も一緒に回転する。そして、金属板２９のスリット２９ａ、２９ｂがビーム１の通過領域に到達した時に、ビーム１が被照射体に照射される。即ち、ビーム１の被照射体への照射が、図１４の（ｄ）に示されるように、ＯＮ／ＯＦＦされる。そして、ビーム１は、ビーム１の被照射体への照射がＯＮの時のフィルタの回転角度に対応するフィルタの重なり厚に応じてエネルギを吸収されて被照射体に照射される。このフィルタの重なり厚は、図１４の（ｃ）に示されるように、フィルタの回転角度に比例して厚くなるので、照射されるビーム１のエネルギが変化され、図１４の（ｅ）に示されるトータルな線量分布が得られる。
従って、この実施の形態１２によれば、金属板２９のスリット２９ａ、２９ｂの開口を調整することにより、ビーム１の被照射体内での深さと強度の制御が可能となり、深さ方向の線量分布を制御することができる。
【００５８】
実施の形態１３．
図１５はこの発明の実施の形態１３に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図であり、図１５の（ａ）はその配置図を、図１５の（ｂ）はそのコリメータの構成図を示している。
この実施の形態１３では、それぞれの一部に半月状の開口部３０ａ、３１ａが設けられた十分なビームの遮蔽厚を有する鉛からなる２枚の金属板３０、３１を、それぞれの主面をビーム１の中心軸と直交するように重ね合わせ、上流側のフィルタ８に軸心周りに回転可能に取り付けられて、円盤状のコリメータを構成している。
なお、他の構成は上記実施の形態１２と同様に構成されている。
【００５９】
この実施の形態１３では、一対のフィルタ８、８が回転されると、一対の金属板３０、３１も一緒に回転する。そして、一対の金属板３０、３１の開口部３０ａ、３１ａの重なりにより構成される開口がビーム１の通過領域に到達した時に、ビーム１が被照射体に照射される。即ち、ビーム１の被照射体への照射が、ＯＮ／ＯＦＦされる。そして、ビーム１は、ビーム１の被照射体への照射がＯＮの時のフィルタの回転角度に対応するフィルタの重なり厚に応じてエネルギを吸収されて被照射体に照射される。
従って、この実施の形態１３によれば、一対の金属板３０、３１をそれぞれ任意の角度回転させることにより、開口部の範囲を任意に調整でき、ビーム１の被照射体内での深さと強度の制御が可能となり、深さ方向の線量分布を制御することができる。
なお、この実施の形態１３では、半月状の開口部３０ａ、３１ａを有する２枚の金属板３０、３１を重ね合わせてコリメータを構成するものとしているが、開口部の形状は半月状に限定されるものではなく、任意の形状でよい。また、金属板の枚数の２枚に限定されるものではなく、３枚以上の金属板を組み合わせてコリメータを構成してもよい。
【００６０】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００６１】
この発明によれば、荷電粒子を加速する加速器と、この加速器で加速されて取り出された荷電粒子のビームを輸送するビーム輸送系と、このビーム輸送系の終端に配置されてビームのエネルギを調節するエネルギ調節手段とを備えた荷電粒子照射装置において、上記エネルギ調節手段は、軸心方向の厚みが軸心周りに螺旋状に変わる螺旋状部を有する外形形状に成形された一対のフィルタと、この一対のフィルタをそれぞれの軸心を回転中心として独立して回転駆動する回転駆動装置とからなり、該一対のフィルタが、厚みの変わる螺旋状部の少なくとも一部が重なりあい、かつ、この螺旋状部の重なり部が上記ビームの通過領域に位置するように、それぞれの軸心方向をビームの中心軸方向と平行として該ビームの中心軸方向に前後して並設されているので、従来のウェッジフィルタおよびリッジフィルタと同等の照射性能が得られるとともに、ビームの中心軸に直交する方向の省スペース化が図られ、回転ガントリを含む装置全体の巨大化を抑えることができる荷電粒子照射装置が得られる。
【００６２】
また、一対のフィルタは、それぞれの軸心が同軸的に位置して、ビームの中心軸方向に前後して並設されているので、ビームの中心軸に直交する方向の省スペース化が図られる。
【００６３】
また、一対のフィルタは、それぞれの軸心がビームの中心軸を挟んで両側に位置して、ビームの中心軸方向に前後して並設されているので、回転駆動系周りの配置の融通性を増大させることができる。
【００６４】
また、フィルタは、螺旋の勾配の異なる複数の螺旋状部が径方向に階段状に連設された外形形状に成形され、かつ、軸心位置がビームの中心軸に対して接離できるように構成されているので、深さ方向の掃引速度を任意に変化させることができる。
【００６５】
また、フィルタは、螺旋状部が渦巻き状に形成された外形形状に成形され、かつ、軸心位置がビームの中心軸に対して接離できるように構成されているので、ブラッグピークの深さ方向の到達位置を高精度に制御することができる。
【００６６】
また、フィルタは、最小厚から最大厚まで同一の勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連接された外形形状に成形されているので、速い繰り返しで一定の範囲の被照射体内の深さを掃引することができる。
【００６７】
また、フィルタは、最小厚から最大厚を経て最小厚まで同一の勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連接された外形形状に成形されているので、速い繰り返しで一定の範囲の被照射体内の深さを掃引することができるとともに、被照射体内の深さを往復掃引することができる。
【００６８】
また、フィルタは、最小厚から最大厚まで異なる勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連設された外形形状に成形されているので、被照射体内の深さによって異なる速さで掃引することができる。
【００６９】
また、スリットを有し、十分なビームの遮蔽厚を持つ金属板が、その主面を該ビームの中心軸と直交するように一対のフィルタの一方に取り付けられているので、ビームの被照射体内での深さと強度を制御でき、深さ方向の線量分布を制御することができる。
【００７０】
また、開口部を有し、十分なビームの遮蔽厚を持つ少なくとも２枚の金属板が、それぞれの主面を該ビームの中心軸と直交するように重ね合わせて一対のフィルタの一方に軸心周りにそれぞれ回転可能に取り付けられているので、ビームの被照射体内での深さと強度を制御でき、深さ方向の線量分布を制御することができる。
【００７１】
また、この発明によれば、フィルタを断続的に回転させて該フィルタの回転角度位置を、該ビームが通過する螺旋状部の重なり部の厚みを変化させるよう制御し、該回転角度位置の保持時間を、該ビームの線量分布を調節するよう制御するようにしたので、装置の巨大化を抑えて、被照射体内の深さ方向の線量分布を簡易に調整できる荷電粒子照射装置のビーム照射方法が得られる。
【００７２】
また、この発明によれば、フィルタの回転速度を時間的に一定速度から増減速制御し、該ビームが通過する螺旋状部の重なり部の厚みを急速変化させるようにしたので、装置の巨大化を抑えて、被照射体内の深さ方向の線量分布を簡易に調整できる荷電粒子照射装置のビーム照射方法が得られる。
【００７３】
また、この発明によれば、フィルタを一定の回転速度で回転させながら、該フィルタの重なり厚が所定の回転角度に相当する螺旋状部の重なり厚の時、該ビームの発生源をＯＮ制御して該ビームを出射し、所定のビーム出射後に該ビームの発生源をＯＦＦ制御するようにしたので、装置の巨大化を抑えて、被照射体内の深さ方向の線量分布を簡易に調整できる荷電粒子照射装置のビーム照射方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る荷電粒子照射装置を説明する図である。
【図２】 この発明の実施の形態２に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図である。
【図３】 この発明の実施の形態２に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法による被照射体に照射されるトータルの線量分布を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態３に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図である。
【図５】 この発明の実施の形態４に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図である。
【図６】 この発明の実施の形態５に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図である。
【図７】 この発明の実施の形態６に係る荷電粒子照射装置のフィルタ周りを示す配置図である。
【図８】 この発明の実施の形態７に係る荷電粒子照射装置のフィルタ周りを示す配置図である。
【図９】 この発明の実施の形態７に係る荷電粒子照射装置に適用されるフィルタの構成を説明する図である。
【図１０】 この発明の実施の形態８に係る荷電粒子照射装置に適用されるフィルタを示す斜視図である。
【図１１】 この発明の実施の形態９に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図である。
【図１２】 この発明の実施の形態１０に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図である。
【図１３】 この発明の実施の形態１１に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図である。
【図１４】 この発明の実施の形態１２に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図である。
【図１５】 この発明の実施の形態１３に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図である。
【図１６】 従来のウェッジフィルタの動作を説明する図である。
【図１７】 被照射体に単一エネルギをもった荷電粒子が照射された場合の被照射体の深さ方向における相対線量を示すグラフである。
【図１８】 従来のリッジフィルタの動作を説明する図である。
【符号の説明】
１ ビーム、８、２４、２５、２６、２７、２８ フィルタ（エネルギ調節手段）、８ａ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａ、２８ｂ 螺旋状部、９ 回転軸（軸心）、１０ 回転駆動装置（エネルギ調節手段）、１８ 加速器本体（加速器）、１９ ビーム輸送系、２９、３０、３１ 金属板、２９ａ、２９ｂ スリット、３０ａ、３１ａ 開口部。
【発明の属する技術分野】
この発明は、荷電粒子からなるビームを被照射体に照射する荷電粒子照射装置に関し、特に被照射体に照射される荷電粒子のエネルギを制御するフィルタ構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種、荷電粒子照射装置は、荷電粒子を患部全体に一度に照射したり、患部を複数の領域に分割し、荷電粒子を各々の患部に個別に照射したりして、がん治療等に適用されている。そして、この荷電粒子照射装置には、被照射体に照射される荷電粒子のエネルギを制御するための装置が必要であり、この種装置として、例えば「DEVELOPMENT OF 3-DIMENSIONAL IRRADIATION SYSTEM FOR HEAVY-ION RADIATION THERAPY (PROCEEDINGS OF THE 10TH SYMPOSIUM ON ACCELERATOR SDIENCE AND TECHNOLOGY, Octber 25-27, 1995, Hitachinaka, Japan, p.442-p.444)」や「重粒子線がん治療装置（三菱電機技法 Vol.69, No.2, 1995, p.40-p.44）」に記載されているようなウエッジフィルタ（あるいは高速レンジシフタ）やリッジフィルタが従来提案されている。
【０００３】
図１６は従来のウエッジフィルタの動作を説明する図である。
図において、１は加速器（図示せず）から取り出された荷電粒子のビーム、２は同じ勾配をもった一対の楔状フィルタ２ａ、２ａから構成されたウエッジフィルタである。このウエッジフィルタ２は、ビーム１の被照射体３への照射経路中に、ビーム１を遮るように配設されている。そして、このウエッジフィルタ２はＡＣサーボモータ等の駆動機構（図示せず）に取り付けられ、ビーム軸を中心として対称な位置を採るように、ビーム軸に対して直交する方向に直線往復運動できるようになっている。
このように構成されたウエッジフィルタ２は、一対のフィルタ２ａ、２ａがビーム軸方向に重なり合っている。この重なり合っている部分におけるビーム軸方向の厚みは同じ厚みとなっている。そして、一対のフィルタ２ａ、２ａをビーム軸に対して直交する方向に直線運動させることにより、この重なり合っている部分におけるビーム軸方向の厚みを任意に制御することができる。
そこで、ビーム１が有限な断面積をもっていても、このウエッジフィルタ２を通過する際に、すべての粒子が同じ厚みを通過することになる。そして、ウエッジフィルタ２を駆動することにより、粒子の通過する厚みは変化される。
【０００４】
図１７は水や人体等の被照射体に単一のエネルギをもった荷電粒子（特に陽子線や重粒子線）が照射された場合の被照射体の深さ方向における相対線量をプロットしたグラフであり、図において４ａは荷電粒子線のエネルギが高い場合を示し、４ｂは荷電粒子線のエネルギが低い場合を示している。
このように、荷電粒子を被照射体３に照射した場合、荷電粒子が到達する最深部付近に相対線量のピーク（ブラッグピーク）が現れる特徴的なカーブ（ブラッグカーブ）を示すことがわかる。そして、荷電粒子線のエネルギが高い程、該ブラッグピークの位置が深くなる。
【０００５】
図１８は従来のリッジフィルタの動作を説明する図である。
図において、６はリッジフィルタであり、このリッジフィルタ６はビーム軸に対して直角に揺動あるいは回転されるように構成され、ビーム１の一部のエネルギを吸収することでエネルギに幅を持たせ、幅の狭いブラッグピークを患部の深さ方向の大きさに広げるものである。そして、このリッジフィルタ６を通過したビーム１は、ブラッグカーブ７に示されるように、ビーム１の進行方向、即ち被照射体３の深さ方向の線量分布が平坦となる。
【０００６】
ここで、従来のウエッジフィルタ２やリッジフィルタ６を用いた荷電粒子照射装置の動作について説明する。
陽子線や重粒子線等のビーム１が被照射体３に照射されると、被照射体３内に付与される相対線量は図１７に示されるようなピークをもつ。そこで、ビーム１のエネルギを調節することにより、特定の深さの腫瘍等の組織に重点的に線量を付与することが可能となる。従来、Ｘ線等の放射線を被照射体３に照射した場合には、正常組織にまで放射線の影響を与えてしまうが、この陽子線や重粒子線等の放射線を被照射体３に照射した場合には、正常組織にまで放射線の影響を与えるようなことが極端に低減され、効果的な放射線治療の一つとされている。
ビーム１のエネルギを低くすれば、図１７に示されるように、ブラッグピークが浅い方向にシフトする。被照射体３の浅い部分に照射したい場合は、ビーム１のエネルギを加速器側で低くするか、被照射体３の厚みを疑似的に増加したのと同じ効果を生み出すように、その深さ相当の物質を挟むことで達成される。このことは、物質中を荷電粒子が通過するとエネルギを失うからであり、加速器側で調整するか、被照射体３近傍でエネルギを調整するかの違いである。
【０００７】
この後者の方法を利用したものが、図１６に示されるウエッジフィルタ２を用いた方法である。加速器から取り出されたビーム１は、被照射体３に向けられている。このビーム１のエネルギは一定であり、このまま被照射体３に照射すると、例えば２０ｃｍ深さに最大線量を付与するものとする。ここで、がん等の病巣等ターゲットとなる部位の深さが１５ｃｍとすると、一対のフィルタ２ａ、２ａをビーム中心軸方向に移動させることにより、ビーム１が通過するフィルタの厚みを増加させ、結果的にエネルギの減少を起こさせて、ブラッグピーク位置をターゲット位置にもって行くことができる。
また、ターゲットが被照射３の深さ方向に厚みがある場合には、一対のフィルタ２ａ、２ａをビーム中心軸方向に連続的に移動させることにより、ビーム１のエネルギを連続的に増加あるいは減少させ、ターゲット全体に照射させることができる。
【０００８】
また、同様な原理を利用したのが、図１８に示したリッジフィルタ６による方法である。このリッジフィルタ６はそれぞれ概略三角形の断面をもつ金属製の三角柱の集合体であり、ビーム方向に対する厚みの連続的な変化により、被照射体３での線量ピークの深さ方向に厚みを持たせるものである。そして、被照射体３の位置に拘わらず、ピーク深さの厚みが一様となるようにリッジフィルタ全体がビーム軸に対して揺動あるいは回転する。
なお、リッジフィルタ６は主にブラッグピークによる一定の厚みを形成するものであり、ウエッジフィルタ２はその一定の厚みのピークを深さ方向にシフトさせるために用いられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の荷電粒子照射装置のレンジフィルタの役割をするウエッジフィルタ２は以上のように構成されているので、ビーム軸に対して直交する方向に直線往復運動することになり、駆動装置への負担が大きかった。
そこで、速い速度での変化には限界があった。また、ビーム軸と直交する方向に移動するため、ビーム軸の直交方向の空間が必要となり、特に、この荷電粒子照射装置を含む照射系全体が回転ガントリと呼ばれている回転駆動体に取り付けられた場合には、この回転駆動体の構造物等と干渉するという問題があった。
また、従来の荷電粒子照射装置のリッジフィルタ６は、ブラッグピークの厚み毎に作られていたので、ブラッグピークの厚みを変える場合は勿論のこと、ビーム１のエネルギによっても、取り替える必要があり、その種類の数だけリッジフィルタ６を容易する必要があり、取り替える手間や、自動的に取り替えるための装置が必要となるという課題があった。
さらに、従来の荷電粒子照射装置は、ウエッジフィルタ２やリッジフィルタ６を組み合わせてビーム軸方向に配置する必要があり、ビーム軸方向にも空間を必要としていた。このことは、この荷電粒子照射装置を含む照射系全体が回転ガントリに取り付けられた場合には、回転ガントリの動径方向への拡大の影響を及ぼし、回転ガントリを含む荷電粒子照射装置の巨大化を招いてしまうという課題があった。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ビーム軸周りの必要空間の省スペース化を図り、各種フィルタの数を削減して、従来装置と同等の照射性能を有する荷電粒子照射装置およびそのビーム制御方法を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る荷電粒子照射装置は、荷電粒子を加速する加速器と、この加速器で加速されて取り出された荷電粒子のビームを輸送するビーム輸送系と、このビーム輸送系の終端に配置されてビームのエネルギを調節するエネルギ調節手段とを備えた荷電粒子照射装置において、上記エネルギ調節手段は、軸心方向の厚みが軸心周りに螺旋状に変わる螺旋状部を有する外形形状に成形された一対のフィルタと、この一対のフィルタをそれぞれの軸心を回転中心として独立して回転駆動する回転駆動装置とからなり、該一対のフィルタが、厚みの変わる螺旋状部の少なくとも一部が重なりあい、かつ、この螺旋状部の重なり部が上記ビームの通過領域に位置するように、それぞれの軸心方向をビームの中心軸方向と平行として該ビームの中心軸方向に前後して並設されているものである。
【００１２】
また、一対のフィルタは、それぞれの軸心が同軸的に位置して、ビームの中心軸方向に前後して並設されているものである。
【００１３】
また、一対のフィルタは、それぞれの軸心がビームの中心軸を挟んで両側に位置して、ビームの中心軸方向に前後して並設されているものである。
【００１４】
また、フィルタは、螺旋の勾配の異なる複数の螺旋状部が径方向に階段状に連設された外形形状に成形され、かつ、軸心位置がビームの中心軸に対して接離できるように構成されているものである。
【００１５】
また、フィルタは、螺旋状部が渦巻き状に形成された外形形状に成形され、かつ、軸心位置がビームの中心軸に対して接離できるように構成されているものである。
【００１６】
また、フィルタは、最小厚から最大厚まで同一の勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連接された外形形状に成形されているものである。
【００１７】
また、フィルタは、最小厚から最大厚を経て最小厚まで同一の勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連接された外形形状に成形されているものである。
【００１８】
また、フィルタは、最小厚から最大厚まで異なる勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連設された外形形状に成形されているものである。
【００１９】
また、スリットを有し、十分なビームの遮蔽厚を持つ金属板が、その主面を該ビームの中心軸と直交するように一対のフィルタの一方に取り付けられているものである。
【００２０】
また、開口部を有し、十分なビームの遮蔽厚を持つ少なくとも２枚の金属板が、それぞれの主面を該ビームの中心軸と直交するように重ね合わせて一対のフィルタの一方に軸心周りにそれぞれ回転可能に取り付けられているものである。
【００２１】
また、この発明の荷電粒子照射装置のビーム制御方法は、フィルタを断続的に回転させて該フィルタの回転角度位置を、該ビームが通過する螺旋状部の重なり部の厚みを変化させるよう制御し、該回転角度位置の保持時間を、該ビームの線量分布を調節するよう制御するものである。
【００２２】
また、この発明の荷電粒子照射装置のビーム制御方法は、フィルタの回転速度を時間的に一定速度から増減速制御し、該ビームが通過する螺旋状部の重なり部の厚みを急速変化させるようにしたものである。
【００２３】
また、この発明の荷電粒子照射装置のビーム制御方法は、フィルタを一定の回転速度で回転させながら、該フィルタの重なり厚が所定の回転角度に相当する螺旋状部の重なり厚の時、該ビームの発生源をＯＮ制御して該ビームを出射し、所定のビーム出射後に該ビームの発生源をＯＦＦ制御するようにしたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る荷電粒子照射装置を説明する図であり、図１の（ａ）はその配置図を、図１の（ｂ）はフィルタの展開図を示している。図において、図１６乃至図１８に示した従来の荷電粒子照射装置と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００２５】
図において、８は金属あるいは合成樹脂で作製されたフィルタであり、このフィルタ８は一端側の端面が軸心に対して直交する平面に形成され、他端側の端面が軸心から軸心と直交して径方向外方に延びる直線を、一端側の端面から平行に離反させつつ、軸心周りに一方向に回転させることにより得られる平面に形成され、全体として軸心方向の厚みが螺旋状に一定の勾配で変化する螺旋状部８ａを有する外形形状に成形されている。そして、２つのフィルタ８、８は軸心に対して直交する平面に形成された端面同士を相対して背中合わせにして、ビーム１の中心軸方向に同軸に並設されている。また、一対のフィルタ８、８は軸心がビーム１の中心軸からずれて位置し、ビーム１が螺旋状部８ａ、８ａの重なり部分を通過するようになっている。さらに、一対のフィルタ８、８はそれぞれ回転駆動装置１０により独立して回転軸９周りに回転駆動されるようになっている。ここで、一対のフィルタ８、８と回転駆動装置１０とからエネルギ調節手段を構成している。
【００２６】
つぎに、この実施の形態１の動作について説明する。
このように構成された一対のフィルタ８、８を円周方向に展開すれば、図１の（ｂ）に示されるように、一対の楔形フィルタがビーム１の中心軸に対して対称な位置関係を有してビーム１の中心軸方向に重なり合う従来のウエッジフィルタ２と等価の構成となる。そして、一対のフィルタ８、８を回転軸９周りに互いに逆方向に回転させると、一対の楔形フィルタがビーム１の中心軸に対して直交する方向に直線往復移動するように動作する。
そこで、回転駆動装置１０により一対のフィルタ８、８を回転軸９周りに回転駆動すれば、螺旋状部８ａ、８ａの重なり厚みが変化し、それに応じてフィルタ８、８を通過するビーム１のエネルギが減少され、被照射体３内でのブラッグピークの位置が深さ方向にシフトされる。また、同一の勾配を組み合わせているので、有限の径をもったビーム断面全体にわたって同じ厚みを経験する。
【００２７】
この実施の形態１によれば、軸心方向の厚みが螺旋状に一定の勾配で変化する螺旋状部８ａを有する外形形状に成形された一対のフィルタ８、８を同軸に背中合わせに配置しているので、一対のフィルタ８、８を回転させることにより、ビーム１の深さ方向の照射位置を変えることができ、従来のウエッジフィルタと同等の照射性能を得ることができる。
また、一対のフィルタ８、８をビーム１の中心軸に対して直交する方向に移動する必要がなく、ビーム１の中心軸に対して直交する方向の省スペース化が図られる。従って、この照射系全体を回転ガントリに取り付けても、回転ガントリの構造物との干渉を回避することができる。
また、一対のフィルタ８、８を回転軸９周りに回転駆動するので、駆動も滑らかとなり、駆動装置への負担が少なく、高速な回転が可能となる。そこで、ブラッグピークの位置を被照射体３の深さ方向に急速に変化させることができる。
【００２８】
なお、上記実施の形態１では、一対のフィルタ８、８を互いに逆方向に回転させるものとしているが、一対のフィルタ８、８は必ずしも逆方向に回転させる必要はなく、同一方向に回転させても、同様の効果が得られる。
【００２９】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図であり、図２の（ａ）はその配置図を、図２の（ｂ）はフィルタの回転角度と重なり厚との関係を、図２の（ｃ）はフィルタの回転角度と時間との関係を示している。図３はこの発明の実施の形態２に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法による被照射体に照射されるトータルの線量分布を示す図である。
【００３０】
この実施の形態２では、上記実施の形態１による荷電粒子照射装置に回転駆動装置１０を駆動制御する回転制御計算機１２を付加し、この回転制御計算機１２によりフィルタ８の回転角度位置を時間的に制御するようにしたものである。
つまり、この実施の形態２では、回転制御計算機１２により、時間的にフィルタ８の回転角度を設定し、図２の（ｃ）に示される関係に基づいて回転駆動装置１０を回転駆動している。これによって、螺旋状部８ａ、８ａの重なり厚を調整し、ビーム１のエネルギの吸収量を制御し、ブラッグカーブに現れるブラッグピークの位置とその強度を制御している。
【００３１】
ここで、そのビーム制御方法について説明する。
まず、ビーム１を被照射体に照射した時のブラッグカーブのデータおよび被照射体のターゲットの深さ位置のデータに基づいて、ブラッグピークがターゲットの最深部および最浅部に到達するフィルタ８ａ、８ｂの重なり厚ｔａ、ｔｂが算出される。
そして、図２の（ｂ）から、算出された重なり厚ｔａ、ｔｂに対応するフィルタの回転角度θａ、θｂが求められる。さらに、フィルタの回転角度θａ、θｂ間を等間隔に分割した複数の回転角度が選択される。ついで、フィルタ８ａ、８ｂが選択した各回転角度位置を採るように断続的に回転させて、即ちビーム１が通過する螺旋状部８ａ、８ａの重なり部の厚みをステップ状に変化させて、ビーム１を被照射体に照射させる。
そこで、ビーム１は螺旋状部８ａ、８ａの重なり部の厚みに応じてエネルギを吸収され、ブラッグピークの被照射体への到達位置がターゲットの最深部から最浅部側にシフトされる。この時、ターゲットに照射される全相対線量１５は、図３に示されるように、選択された各回転角度位置におけるフィルタを通過したビーム１による相対線量１６が積算されたもので、この相対線量１５が、ターゲットの深さ方向で一定となるように、選択した各回転角度位置の保持時間を制御することになる。
なお、選択した各回転角度位置の保持時間は予め演算処理されて、図２の（ｃ）に示されるフィルタの回転駆動条件が求められており、該回転駆動条件に基づいて回転駆動装置１０が回転制御計算機１２により駆動制御される。
【００３２】
このように、この実施の形態２によれば、一対のフィルタ８、８の回転角度位置を時間的に制御することにより、被放射体内の深さ方向の線量分布を調整でき、荷電粒子をターゲットの深さ方向に均一に照射することができるようになり、従来のリッジフィルタと同等の照射性能を得ることができる。これは、一対のフィルタ８、８を回転軸９周りに回転駆動しているので、フィルタの厚みを急速に変化させることができることから可能となる。
そして、従来の装置のように、ウェッジフィルタとリッジフィルタとを組み合わせることなく、同等の照射性能が得られるので、ビーム軸方向における省スペース化が図られ、この照射系全体を回転ガントリに取り付けても、回転ガントリを含む照射装置全体の巨大化を抑えることができる。
【００３３】
なお、上記実施の形態２では、荷電粒子をターゲットの深さ方向に均一なトータルの線量分布を得るものとしているが、フィルタの回転角度位置とその回転角度位置における保持時間とを制御すれば、相対線量の大きさが深さ方向で異なる線量分布をも得ることができる。
【００３４】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図であり、図４の（ａ）はその配置図を、図４の（ｂ）はフィルタの回転角度と重なり厚との関係を示している。
【００３５】
この実施の形態３では、まず回転制御計算機１２により回転駆動装置１０を駆動制御し、下流側のフィルタ８を回転角度θ２となるように回転させた後、その回転角度θ２を保持させる（回転駆動を停止させる）。ついで、回転制御計算機１２により回転駆動装置１０を駆動制御し、上流側のフィルタ８の回転角度θ１を時間的に変化させて、螺旋状部８ａ、８ａの重なり厚を変化させる。そこで、ビーム１は螺旋状部８ａ，８ａの重なり部の厚みに応じてエネルギが吸収され、ブラッグピークの被照射体への到達位置がシフトされる。
【００３６】
このように、この実施の形態３によれば、下流側のフィルタ８の回転を停止させ、上流側のフィルタ８の回転角度を制御しているので、一対のフィルタ８、８の螺旋状部８ａ、８ａの重なり厚の変化に任意のオフセットを持たせることができる。その結果、被照射体内の深さ方向の線量分布を全体的にフィルタのオフセット分だけ浅くする調整が可能となり、従来のウェッジフィルタの役割を兼ねることができる。
【００３７】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図であり、図５の（ａ）はその配置図を、図５の（ｂ）はフィルタの回転角度と重なり厚との関係を、図５の（ｃ）はフィルタの回転角度と時間との関係を、図５の（ｄ）は被照射体内の深さ方向に対する相対線量を表す図を示している。
【００３８】
この実施の形態４では、上記実施の形態２と同様に、荷電粒子照射装置に回転駆動装置１０を駆動制御する回転制御計算機１２を付加している。
そして、図５の（ｃ）に示される時間と回転角度との関係に基づいて、回転制御計算機１２により回転駆動装置１０を駆動し、一対のフィルタ８、８の回転速度を時間的に制御しながら、ビーム１を被照射体に照射させている。
この時、フィルタの重なり厚は、図５の（ｂ）に示されるように、フィルタの回転角度に応じて変化し、ビーム１は螺旋状部８ａ、８ａの重なり厚に応じてエネルギが吸収され、ブラッグピークの被照射体への到達位置が深さ方向にシフトされる。そして、このフィルタの回転速度を遅くすると、被照射体の到達位置における相対線量が増大し、フィルタの回転速度を速くすると、被照射体の到達位置における相対線量が減少する。
そこで、図５の（ｃ）に示される時間と回転角度との関係に基づいて、一対のフィルタ８、８の回転速度を時間的に制御すれば、図５の（ｄ）に示されるようなトータルの線量分布１７が得られる。
【００３９】
このように、この実施の形態４によれば、一対のフィルタ８、８の回転速度を時間的に制御することにより、被放射体内の深さ方向の線量分布を調整でき、従来のリッジフィルタと同等の照射性能を得ることができる。これは、一対のフィルタ８、８を回転軸９周りに回転駆動しているので、フィルタの厚みを急速に変化させることができることから可能となる。
そして、従来の装置のように、ウェッジフィルタとリッジフィルタとを組み合わせることなく、同等の照射性能が得られるので、ビーム軸方向における省スペース化が図られ、この照射系全体を回転ガントリに取り付けても、回転ガントリを含む照射装置全体の巨大化を抑えることができる。
【００４０】
なお、上記実施の形態４によれば、一対のフィルタ８、８を同じ量で反対方向に回転するものとしているが、フィルタ８、８を独立に、あるいは同じ方向に回転させても同様の効果を奏する。
【００４１】
実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図であり、図６の（ａ）はその配置図を、図６の（ｂ）はフィルタの回転角度と重なり厚との関係を、図６の（ｃ）はフィルタの回転角度とビームのＯＮ／ＯＦＦとの関係を、図６の（ｄ）は被照射体内の深さ方向に対する線量分布を表す図を示している。
図において、１８はシンクロトロンやサイクロトロン等の加速器本体、１９は照射系にあるフィルタ８、８までビーム１を輸送するビーム輸送系、２０はフィルタ８、８の回転に同期して信号を発生するタイミングシステム、２１は加速器本体１８を制御する加速器制御装置である。
【００４２】
この実施の形態５では、回転制御計算機１２が回転駆動装置１０を駆動制御し、一対のフィルタ８、８を互いに逆方向に一定の回転速度で回転させている。そして、タイミングシステム２０がフィルタ８、８が所定の回転角度となると、ビーム１が出力されるように、加速器制御装置２１にトリガ信号を発生する。加速器制御装置２１はタイミングシステム２０からのトリガ信号を入力すると、所定の時間イオン源あるいはビーム取り出し装置をＯＮさせる。そこで、ビーム１は図６の（ｃ）に示されるようにパルス状にフィルタ８、８側に出射される。この時、図６の（ｂ）に示される関係から、フィルタ８、８の回転角度に相当する螺旋状部８ａ、８ａの重なり厚となり、ビーム１はその重なり厚に応じてエネルギが吸収され、ブラッグピークの到達位置が深さ方向にシフトされる。その結果、図６の（ｄ）に示されるようなトータルの線量分布２２が得られる。
【００４３】
このように、この実施の形態５によれば、一対のフィルタ８、８の回転に同期させて加速器本体１８側のビームのＯＮ／ＯＦＦを制御しているので、被照射体内の深さ方向の線量分布を調整でき、従来のリッジフィルタと同等の照射性能を得ることができる。これは、一対のフィルタ８、８を回転軸９周りに回転駆動しているので、フィルタの厚みを急速に変化させることができることから可能となる。
そして、従来の装置のように、ウェッジフィルタとリッジフィルタとを組み合わせることなく、同等の照射性能が得られるので、ビーム軸方向における省スペース化が図られ、この照射系全体を回転ガントリに取り付けても、回転ガントリを含む照射装置全体の巨大化を抑えることができる。
【００４４】
実施の形態６．
図７はこの発明の実施の形態６に係る荷電粒子照射装置のフィルタ周りを示す配置図である。
この実施の形態６では、一対のフィルタ８、８は、それぞれの軸心がビーム１の中心軸を挟んで両側に位置し、かつ、螺旋状部８ａ、８ａの重なり部分をビーム１が通過するようになっている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４５】
この実施の形態６では、一対のフィルタ８、８の回転軸９、９が平行であるが、ビーム１の中心軸を挟んで両側に位置しているので、これらの回転軸９、９上の障害が緩和され、回転駆動系周りの配置の融通性が増し、設計自由度を増大させることができる。
なお、一対のフィルタ８、８の重なり部分を少なくし、両回転軸９、９上でのフィルタ８、８の重なりをなくすようにすれば、２つの回転駆動装置１０をビーム１の軸方向の一側に配置することも可能となり、設計自由度をより増大させることができる。
【００４６】
実施の形態７．
図８はこの発明の実施の形態７に係る荷電粒子照射装置のフィルタ周りを示す配置図、図９はこの発明の実施の形態７に係る荷電粒子照射装置に適用されるフィルタの構成を説明する図であり、図９の（ａ）はその斜視図を、図９の（ｂ）は断面図を示している。
図において、エネルギ調節手段としてのフィルタ２４は、軸心方向の厚みが螺旋状に一定の勾配で変化する螺旋状部２４ａと、この螺旋状部２４ａの内周側に軸心方向の厚みが螺旋状に螺旋状部２４ａの勾配より大きな一定の勾配で変化する螺旋状部２４ｂと、この螺旋状部２４ｂの内周側に軸心方向の厚みが螺旋状に螺旋状部２４ｂの勾配より大きな一定の勾配で変化する螺旋状部２４ｃとを有する外形形状に成形されている。そして、２つのフィルタ２４、２４が、背中合わせにして、ビーム１の中心軸方向に同軸に並設されている。また、フィルタ２４、２４はそれぞれ回転駆動装置１０により独立して回転軸９周りに回転駆動されるようになっている。さらに、フィルタ２４、２４は移動装置２３により軸心をビーム１の中心軸に対して接離する方向に移動可能になっており、ビーム１が両フィルタ２４、２４の同一勾配の螺旋状部の重なり部分を通過するようになっている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４７】
この実施の形態７では、移動装置２３により一対のフィルタ２４、２４をビーム１の中心軸に対して接離させることにより、ビーム１の通過領域に螺旋状部２４ａ、２４ａ同士の重なり部分、螺旋状部２４ｂ、２４ｂ同士の重なり部分、あるいは螺旋状部２４ｃ、２４ｃ同士の重なり部分を選択して位置させることができる。
そこで、一対のフィルタ２４、２４の回転速度を一定としても、移動装置２３により一対のフィルタ２４、２４をビーム１の中心軸に対して接離させることにより、ビーム１の深さ方向の掃引の速度を任意に変化させることができる。
【００４８】
実施の形態８．
図１０はこの発明の実施の形態８に係る荷電粒子照射装置に適用されるフィルタを示す斜視図である。
図において、エネルギ調節手段としてのフィルタ２５は、軸心方向の厚みが螺旋状に一定の勾配で変化する螺旋状部２５ａが軸心周りに渦巻き状に形成された外形形状に成形されている。他の構成は上記実施の形態７と同様に構成されている。即ち、２つのフィルタ２５、２５が、背中合わせにして、ビーム１の中心軸方向に同軸に並設されている。また、フィルタ２５、２５はそれぞれ回転駆動装置１０により独立して回転軸９周りに回転駆動されるようになっている。さらに、フィルタ２５、２５は移動装置２３により軸心をビーム１の中心軸に対して接離する方向に移動可能になっており、ビーム１が両フィルタ２５、２５の螺旋状部２５ａ、２５ａの重なり部分を通過するようになっている。
【００４９】
この実施の形態８では、一対のフィルタ２５、２５を回転させながら、ビーム１の通過領域に渦巻き状の螺旋状部２５ａ、２５ａの重なり部分がビーム１の通過領域に位置するように、移動装置２３により一対のフィルタ２５、２５をビーム１の中心軸に対して接離させている。
そこで、フィルタ２５の螺旋状部２５ａの勾配がゆるやかなものとなり、ブラッグピークの被照射体内の到達位置を高精度に制御することができる。
【００５０】
実施の形態９．
図１１はこの発明の実施の形態９に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図であり、図１１の（ａ）はフィルタの配置を示す平面図を、図１１の（ｂ）はフィルタの配置を示す側面図を、図１１の（ｃ）はフィルタを周方向に展開した展開図を示している。
図において、エネルギ調節手段としてのフィルタ２６は、軸心方向の厚みが最小厚から最大厚まで一定の勾配で螺旋状に変化する４つの螺旋状部２６ａが周方向に連設された外形形状に成形されている。そして、２つのフィルタ２６、２６が、背中合わせにして、ビーム１の中心軸方向に同軸に並設されている。また、フィルタ２６、２６はそれぞれ回転駆動装置１０により独立して回転軸９周りに回転駆動されるようになっている。さらに、ビーム１が両フィルタ２６、２６の螺旋状部２６ａ、２６ａの重なり部分を通過するようになっている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００５１】
この実施の形態９では、フィルタ２６、２６を１回転させる間に、フィルタの重なり部の厚み変化が４回繰り返される。
そこで、一対のフィルタ２６、２６の回転速度が遅い場合であっても、ビーム１が速い勾配変化を受けるようにすることができ、速い繰り返しで一定の範囲の被照射体内の深さを掃引することができる。
【００５２】
実施の形態１０．
図１２はこの発明の実施の形態１０に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図であり、図１２の（ａ）はフィルタの配置を示す平面図を、図１２の（ｂ）はフィルタの配置を示す側面図を、図１２の（ｃ）はフィルタを周方向に展開した展開図を示している。
図において、エネルギ調節手段としてのフィルタ２７は、軸心方向の厚みが最小厚から最大厚を経て最小厚まで一定の勾配で螺旋状に変化する２つの螺旋状部２７ａが周方向に連設された外形形状に成形されている。そして、２つのフィルタ２７、２７が、背中合わせにして、ビーム１の中心軸方向に同軸に並設されている。また、フィルタ２７、２７はそれぞれ回転駆動装置１０により独立して回転軸９周りに回転駆動されるようになっている。さらに、ビーム１が両フィルタ２７、２７の螺旋状部２７ａ、２７ａの重なり部分を通過するようになっている。
なお、他の構成は上記実施の形態９と同様に構成されている。
【００５３】
この実施の形態１０では、フィルタ２７、２７を１回転させる間に、フィルタの重なり部の厚み変化が４回繰り返される。
そこで、一対のフィルタ２７、２７の回転速度が遅い場合であっても、ビーム１が速い勾配変化を受けるようにすることができ、速い繰り返しで一定の範囲の被照射体内の深さを掃引することができる。さらに、被照射体内の深さを往復掃引することができる。
【００５４】
実施の形態１１．
図１３はこの発明の実施の形態１１に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図であり、図１３の（ａ）はフィルタの配置を示す平面図を、図１３の（ｂ）はフィルタの配置を示す側面図を、図１３の（ｃ）はフィルタを周方向に展開した展開図を示している。
図において、エネルギ調節手段としてのフィルタ２８は、軸心方向の厚みが最小厚から最大厚までそれぞれ異なる勾配で螺旋状に変化する２つの螺旋状部２８ａ、２８ｂが周方向に連設された外形形状に成形されている。そして、２つのフィルタ２８、２８が、背中合わせにして、ビーム１の中心軸方向に同軸に並設されている。また、フィルタ２８、２８はそれぞれ回転駆動装置１０により独立して回転軸９周りに回転駆動されるようになっている。さらに、ビーム１が両フィルタ２８、２８の同一の勾配の螺旋状部２８ａ、２８ａ同士、あるいは螺旋状部２８ｂ、２８ｂ同士の重なり部分を通過するようになっている。
なお、他の構成は上記実施の形態９と同様に構成されている。
【００５５】
この実施の形態１１では、フィルタ２８、２８を１回転させる間に、フィルタの厚みの勾配を変化させることができる。
そこで、一対のフィルタ２８、２８の回転角度範囲を制御することにより、ビーム１が同一のフィルタ構成で異なる勾配を受けるようにすることができ、被照射体内の深さで異なる速さでの掃引を行うことができる。
【００５６】
実施の形態１２．
図１４はこの発明の実施の形態１２に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図であり、図１４の（ａ）はその配置図を、図１４の（ｂ）はコリメータの斜視図を、図１４の（ｃ）はフィルタの回転角度と重なり厚との関係を、図１４の（ｄ）はフィルタの回転角度とビーム通過のＯＮ／ＯＦＦとの関係を、図１４の（ｅ）は被照射体内の深さ方向に対する線量分布を表す図を示している。
この実施の形態１２では、スリット２９ａ、２９ｂが設けられた十分なビームの遮蔽厚を有する鉛からなる円盤状の金属板を、その主面をビーム１の中心軸と直交するように、上流側のフィルタ８に一体に取り付けられて、円盤状のコリメータを構成している。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００５７】
この実施の形態１２では、一対のフィルタ８、８が回転されると、金属板２９も一緒に回転する。そして、金属板２９のスリット２９ａ、２９ｂがビーム１の通過領域に到達した時に、ビーム１が被照射体に照射される。即ち、ビーム１の被照射体への照射が、図１４の（ｄ）に示されるように、ＯＮ／ＯＦＦされる。そして、ビーム１は、ビーム１の被照射体への照射がＯＮの時のフィルタの回転角度に対応するフィルタの重なり厚に応じてエネルギを吸収されて被照射体に照射される。このフィルタの重なり厚は、図１４の（ｃ）に示されるように、フィルタの回転角度に比例して厚くなるので、照射されるビーム１のエネルギが変化され、図１４の（ｅ）に示されるトータルな線量分布が得られる。
従って、この実施の形態１２によれば、金属板２９のスリット２９ａ、２９ｂの開口を調整することにより、ビーム１の被照射体内での深さと強度の制御が可能となり、深さ方向の線量分布を制御することができる。
【００５８】
実施の形態１３．
図１５はこの発明の実施の形態１３に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図であり、図１５の（ａ）はその配置図を、図１５の（ｂ）はそのコリメータの構成図を示している。
この実施の形態１３では、それぞれの一部に半月状の開口部３０ａ、３１ａが設けられた十分なビームの遮蔽厚を有する鉛からなる２枚の金属板３０、３１を、それぞれの主面をビーム１の中心軸と直交するように重ね合わせ、上流側のフィルタ８に軸心周りに回転可能に取り付けられて、円盤状のコリメータを構成している。
なお、他の構成は上記実施の形態１２と同様に構成されている。
【００５９】
この実施の形態１３では、一対のフィルタ８、８が回転されると、一対の金属板３０、３１も一緒に回転する。そして、一対の金属板３０、３１の開口部３０ａ、３１ａの重なりにより構成される開口がビーム１の通過領域に到達した時に、ビーム１が被照射体に照射される。即ち、ビーム１の被照射体への照射が、ＯＮ／ＯＦＦされる。そして、ビーム１は、ビーム１の被照射体への照射がＯＮの時のフィルタの回転角度に対応するフィルタの重なり厚に応じてエネルギを吸収されて被照射体に照射される。
従って、この実施の形態１３によれば、一対の金属板３０、３１をそれぞれ任意の角度回転させることにより、開口部の範囲を任意に調整でき、ビーム１の被照射体内での深さと強度の制御が可能となり、深さ方向の線量分布を制御することができる。
なお、この実施の形態１３では、半月状の開口部３０ａ、３１ａを有する２枚の金属板３０、３１を重ね合わせてコリメータを構成するものとしているが、開口部の形状は半月状に限定されるものではなく、任意の形状でよい。また、金属板の枚数の２枚に限定されるものではなく、３枚以上の金属板を組み合わせてコリメータを構成してもよい。
【００６０】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００６１】
この発明によれば、荷電粒子を加速する加速器と、この加速器で加速されて取り出された荷電粒子のビームを輸送するビーム輸送系と、このビーム輸送系の終端に配置されてビームのエネルギを調節するエネルギ調節手段とを備えた荷電粒子照射装置において、上記エネルギ調節手段は、軸心方向の厚みが軸心周りに螺旋状に変わる螺旋状部を有する外形形状に成形された一対のフィルタと、この一対のフィルタをそれぞれの軸心を回転中心として独立して回転駆動する回転駆動装置とからなり、該一対のフィルタが、厚みの変わる螺旋状部の少なくとも一部が重なりあい、かつ、この螺旋状部の重なり部が上記ビームの通過領域に位置するように、それぞれの軸心方向をビームの中心軸方向と平行として該ビームの中心軸方向に前後して並設されているので、従来のウェッジフィルタおよびリッジフィルタと同等の照射性能が得られるとともに、ビームの中心軸に直交する方向の省スペース化が図られ、回転ガントリを含む装置全体の巨大化を抑えることができる荷電粒子照射装置が得られる。
【００６２】
また、一対のフィルタは、それぞれの軸心が同軸的に位置して、ビームの中心軸方向に前後して並設されているので、ビームの中心軸に直交する方向の省スペース化が図られる。
【００６３】
また、一対のフィルタは、それぞれの軸心がビームの中心軸を挟んで両側に位置して、ビームの中心軸方向に前後して並設されているので、回転駆動系周りの配置の融通性を増大させることができる。
【００６４】
また、フィルタは、螺旋の勾配の異なる複数の螺旋状部が径方向に階段状に連設された外形形状に成形され、かつ、軸心位置がビームの中心軸に対して接離できるように構成されているので、深さ方向の掃引速度を任意に変化させることができる。
【００６５】
また、フィルタは、螺旋状部が渦巻き状に形成された外形形状に成形され、かつ、軸心位置がビームの中心軸に対して接離できるように構成されているので、ブラッグピークの深さ方向の到達位置を高精度に制御することができる。
【００６６】
また、フィルタは、最小厚から最大厚まで同一の勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連接された外形形状に成形されているので、速い繰り返しで一定の範囲の被照射体内の深さを掃引することができる。
【００６７】
また、フィルタは、最小厚から最大厚を経て最小厚まで同一の勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連接された外形形状に成形されているので、速い繰り返しで一定の範囲の被照射体内の深さを掃引することができるとともに、被照射体内の深さを往復掃引することができる。
【００６８】
また、フィルタは、最小厚から最大厚まで異なる勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連設された外形形状に成形されているので、被照射体内の深さによって異なる速さで掃引することができる。
【００６９】
また、スリットを有し、十分なビームの遮蔽厚を持つ金属板が、その主面を該ビームの中心軸と直交するように一対のフィルタの一方に取り付けられているので、ビームの被照射体内での深さと強度を制御でき、深さ方向の線量分布を制御することができる。
【００７０】
また、開口部を有し、十分なビームの遮蔽厚を持つ少なくとも２枚の金属板が、それぞれの主面を該ビームの中心軸と直交するように重ね合わせて一対のフィルタの一方に軸心周りにそれぞれ回転可能に取り付けられているので、ビームの被照射体内での深さと強度を制御でき、深さ方向の線量分布を制御することができる。
【００７１】
また、この発明によれば、フィルタを断続的に回転させて該フィルタの回転角度位置を、該ビームが通過する螺旋状部の重なり部の厚みを変化させるよう制御し、該回転角度位置の保持時間を、該ビームの線量分布を調節するよう制御するようにしたので、装置の巨大化を抑えて、被照射体内の深さ方向の線量分布を簡易に調整できる荷電粒子照射装置のビーム照射方法が得られる。
【００７２】
また、この発明によれば、フィルタの回転速度を時間的に一定速度から増減速制御し、該ビームが通過する螺旋状部の重なり部の厚みを急速変化させるようにしたので、装置の巨大化を抑えて、被照射体内の深さ方向の線量分布を簡易に調整できる荷電粒子照射装置のビーム照射方法が得られる。
【００７３】
また、この発明によれば、フィルタを一定の回転速度で回転させながら、該フィルタの重なり厚が所定の回転角度に相当する螺旋状部の重なり厚の時、該ビームの発生源をＯＮ制御して該ビームを出射し、所定のビーム出射後に該ビームの発生源をＯＦＦ制御するようにしたので、装置の巨大化を抑えて、被照射体内の深さ方向の線量分布を簡易に調整できる荷電粒子照射装置のビーム照射方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る荷電粒子照射装置を説明する図である。
【図２】 この発明の実施の形態２に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図である。
【図３】 この発明の実施の形態２に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法による被照射体に照射されるトータルの線量分布を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態３に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図である。
【図５】 この発明の実施の形態４に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図である。
【図６】 この発明の実施の形態５に係る荷電粒子照射装置のビーム制御方法を説明する図である。
【図７】 この発明の実施の形態６に係る荷電粒子照射装置のフィルタ周りを示す配置図である。
【図８】 この発明の実施の形態７に係る荷電粒子照射装置のフィルタ周りを示す配置図である。
【図９】 この発明の実施の形態７に係る荷電粒子照射装置に適用されるフィルタの構成を説明する図である。
【図１０】 この発明の実施の形態８に係る荷電粒子照射装置に適用されるフィルタを示す斜視図である。
【図１１】 この発明の実施の形態９に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図である。
【図１２】 この発明の実施の形態１０に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図である。
【図１３】 この発明の実施の形態１１に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図である。
【図１４】 この発明の実施の形態１２に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図である。
【図１５】 この発明の実施の形態１３に係る荷電粒子照射装置の構成を説明する図である。
【図１６】 従来のウェッジフィルタの動作を説明する図である。
【図１７】 被照射体に単一エネルギをもった荷電粒子が照射された場合の被照射体の深さ方向における相対線量を示すグラフである。
【図１８】 従来のリッジフィルタの動作を説明する図である。
【符号の説明】
１ ビーム、８、２４、２５、２６、２７、２８ フィルタ（エネルギ調節手段）、８ａ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａ、２８ｂ 螺旋状部、９ 回転軸（軸心）、１０ 回転駆動装置（エネルギ調節手段）、１８ 加速器本体（加速器）、１９ ビーム輸送系、２９、３０、３１ 金属板、２９ａ、２９ｂ スリット、３０ａ、３１ａ 開口部。
Claims (13)
- 荷電粒子を加速する加速器と、この加速器で加速されて取り出された荷電粒子のビームを輸送するビーム輸送系と、このビーム輸送系の終端に配置されてビームのエネルギを調節するエネルギ調節手段とを備えた荷電粒子照射装置において、
上記エネルギ調節手段は、軸心方向の厚みが軸心周りに螺旋状に変わる螺旋状部を有する外形形状に成形された一対のフィルタと、この一対のフィルタをそれぞれの軸心を回転中心として独立して回転駆動する回転駆動装置とからなり、該一対のフィルタが、厚みの変わる螺旋状部の少なくとも一部が重なりあい、かつ、この螺旋状部の重なり部が上記ビームの通過領域に位置するように、それぞれの軸心方向をビームの中心軸方向と平行として該ビームの中心軸方向に前後して並設されていることを特徴とする荷電粒子照射装置。 - 一対のフィルタは、それぞれの軸心が同軸的に位置して、ビームの中心軸方向に前後して並設されていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子照射装置。
- 一対のフィルタは、それぞれの軸心がビームの中心軸を挟んで両側に位置して、ビームの中心軸方向に前後して並設されていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子照射装置。
- フィルタは、螺旋の勾配の異なる複数の螺旋状部が径方向に階段状に連設された外形形状に成形され、かつ、軸心位置がビームの中心軸に対して接離できるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の荷電粒子照射装置。
- フィルタは、螺旋状部が渦巻き状に形成された外形形状に成形され、かつ、軸心位置がビームの中心軸に対して接離できるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の荷電粒子照射装置。
- フィルタは、最小厚から最大厚まで同一の勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連接された外形形状に成形されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の荷電粒子照射装置。
- フィルタは、最小厚から最大厚を経て最小厚まで同一の勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連接された外形形状に成形されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の荷電粒子照射装置。
- フィルタは、最小厚から最大厚まで異なる勾配で螺旋状に変化する複数の螺旋状部が周方向に連設された外形形状に成形されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の荷電粒子照射装置。
- スリットを有し、十分なビームの遮蔽厚を持つ金属板が、その主面を該ビームの中心軸と直交するように一対のフィルタの一方に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の荷電粒子照射装置。
- 開口部を有し、十分なビームの遮蔽厚を持つ少なくとも２枚の金属板が、それぞれの主面を該ビームの中心軸と直交するように重ね合わせて一対のフィルタの一方に軸心周りにそれぞれ回転可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の荷電粒子照射装置。
- 請求項１の荷電粒子照射装置のビーム制御方法であって、フィルタを断続的に回転させて該フィルタの回転角度位置を、該ビームが通過する螺旋状部の重なり部の厚みを変化させるよう制御し、該回転角度位置の保持時間を、該ビームの線量分布を調節するよう制御することを特徴とする荷電粒子照射装置のビーム制御方法。
- 請求項１の荷電粒子照射装置のビーム制御方法であって、フィルタの回転速度を時間的に一定速度から増減速制御し、該ビームが通過する螺旋状部の重なり部の厚みを急速変化させるようにしたことを特徴とする荷電粒子照射装置のビーム制御方法。
- 請求項１の荷電粒子照射装置のビーム制御方法であって、フィルタを一定の回転速度で回転させながら、該フィルタの重なり厚が所定の回転角度に相当する螺旋状部の重なり厚の時、該ビームの発生源をＯＮ制御して該ビームを出射し、所定のビーム出射後に該ビームの発生源をＯＦＦ制御するようにしたことを特徴とする荷電粒子照射装置のビーム制御方法。
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