JP4177528B2 - 粒子線照射装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子線加速器から３次元照射される粒子線照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、日本における死亡原因の約３分の１を占めるがんの治療方法として、陽子や重粒子を用いた粒子線治療法が注目されている。この治療法は、加速器から出射された陽子ビーム、あるいは重粒子ビームをがん細胞に照射することで、正常細胞にほとんど影響を与えることなく、がん細胞のみを死滅させることができる。
【０００３】
現在使用されている粒子線治療の方法は、２次元ワブラ法や二重散乱体法などと呼ばれる方法である。これら２次元的照射方法では、ビーム軸に対して垂直な方向についてはコリメータを用いることにより、照射領域を制限することができるが、ビーム軸方向については精度よく患部に合わせて照射領域を制限できないという問題がある。
【０００４】
そこで、粒子線治療のさらに進んだ治療法として、体内患部を３次元的に照射することにより、より高精度にがん細胞の狙い撃ちを行う方法が提案されている。この３次元照射法として代表的なものが、治療部位を仮想的に３次元格子点に切り分け照射を行う治療法であり、３次元スポットスキャニング法と呼ばれる。
【０００５】
この３次元スポットスキャニング法のような３次元照射方法を行うことにより、ビーム軸方向についても精度良く患部に合わせることが可能になり、従来の２次元的照射方法と比較して正常患部への被曝を抑制することができる。
【０００６】
ここで、上記３次元スポットスキャニング法によりがん治療を行うための３次元照射装置について図面を用いて説明する。
【０００７】
図１４は、治療室に配置された３次元スポットスキャニング用の３次元照射装置の概略構成図である。図中、１は治療ベットであり、２は３次元照射装置である。この３次元照射装置２は、スキャニング磁石３ａ，３ｂ、線量モニタ４、位置モニタ５、リッジフィルタ６及びレンジシフタ７から構成されている。
【０００８】
次に図１４で示した３次元照射装置の各機器の機能を説明する。
【０００９】
上記スキャニング磁石３ａ，３ｂは、この磁石に入射したスポットビームを体内患部内のビーム軸に対して垂直面上の点（Ｘ，Ｙ）に走査する。
【００１０】
上記レンジシフタ７は、体内の患部内のビーム軸方向の位置（Ｚ）を制御するものである。このレンジシフタ７は複数の厚さのアクリル板から構成され、これらのアクリル板を組み合わせることにより、レンジシフタ７を通過するビームエネルギ、即ち体内レンジを段階的に変化させることができる。また、レンジシフタ７における体内レンジの制御は、一般的には一定間隔をもって切替えられる。
【００１１】
単エネルギ粒子線ビームの体内深さ方向の線量分布は、図１５に示すように体内レンジ近傍に非常にシャープなピーク（以下ブラッグピークと呼ぶ）分布を持つため、リッジフィルタ６を用いて、レンジシフタ７によって切替えられる体内レンジの間隔に対応するように、単エネルギの粒子線ビームの体内レンジを拡大する。
【００１２】
ここで、３次元照射用のリッジフィルタ６は、図１６に示すようにアルミニウムからなる棒片が複数並べられた形状に構成されている。各棒片は二等辺三角形の形状を持ち、ビーム軸方向の厚みがビームの垂直方向に対して一定の割合で変化するようになっている。なお、実際には棒片の機械加工のし易さから、細かな階段状に加工して二等辺三角形状に形成される。
【００１３】
このリッジフィルタ６でブラッグピークが拡大された１スライス当りの線量分布を図１７に示す。
【００１４】
上記線量モニタ４は、体内に照射する線量を測定するためのものであり、また位置モニタ５はスキャニング磁石３ａ，３ｂにより走査されたビーム位置が正しい位置にあるかどうかを確認するためのものである。
【００１５】
これらの各照射機器を用いて、以下の方法により３次元照射が行われる。
【００１６】
まず、患部をビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、最深スライスの位置に応じて粒子線ビームの入射エネルギとレンジシフタ６におけるアクリル板厚が選ばれる。
【００１７】
次に最深スライスにおける患部形状に応じて粒子線ビームの入射エネルギとレンジシフタ６における患部形状に応じてスポットビームを照射する点数ｎと位置（Ｘｉ，Ｙｉ）［ｉ＝１〜ｎ］が選ばれ、スキャニング磁石３ａ，３ｂによりこれらの位置（Ｘｉ，Ｙｉ）に照射される。
【００１８】
これらのスキャニング磁石３ａ，３ｂにおいて、単エネルギであった粒子線ビームはリッジフィルタ６によって体内レンジ分布がスライス幅に対応するようにエネルギ分布が拡大されている。このスライス上の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）の照射線量は線量モニタ４により監視され、予定線量の照射を検出するとビームが停止され、スキャニング磁石３ａ，３ｂによって照射位置が同じスライス上の次の位置（Ｘｉ＋１，Ｙｉ＋１）に変更される。このスライス内の点の照射がすべて終了すると、レンジシフタ７におけるアクリル厚が変更され、次のスライス照射が行われる。これをスライス毎に順次繰返すことで３次元的に照射を行う。
【００１９】
以上のように体内の患部に対して３次元的に照射を行うことにより、従来の２次元的照射方法と比較して、精度良く患部に合致させて照射を行うことが可能となる。
【００２０】
しかし、３次元スポットスキャニング法のような３次元的照射方法では、以下のような問題があった。
【００２１】
図１６に示したようなリッジフィルタ６では、ブラッグピークの拡大を体内深さ方向に一定値で重み付けして行い、図１７に示すように各スライス毎に見れば拡大されたブラッグピークは線量が一定になっている。しかし、これらを全スライスにわたって加え合せたとき、図１８に示すようにギザギザの照射線量分布となってしまう。これはブラッグピークに対して体内の浅い側の線量がなだらかになっており、より深い側のスライス照射の影響を受けるためである。
【００２２】
ここでは、３次元スポットスキャニング法による照射例を示したが、このよう問題はリッジフィルタを用いて３次元的に照射を行う方法、例えば３次元ワブラ方や３次元二重散乱体法においても、同様の問題が生じる。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のリッジフィルタを用いた３次元的照射方法では、全照射領域にわたって加え合せた体内深さ方向の照射線量分布の一様性が得られないという問題があった。
【００２４】
本発明は上記のような事情に鑑みなされたもので、全照射領域にわたって加え合わせた体内深さ方向の照射線量に対して、一様性を高くすることができる粒子線照射装置を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により粒子線照射方法とその装置並びに照射線治療装置を構成する。
【００２６】
請求項１に対応する発明は、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒状の形状関数が前記ブラッグピークを深さ方向に非対称に重み付けして拡大するように構成される。
【００２７】
請求項２に対応する発明は、粒子線ビームを走査するための走査磁石と、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた３次元照射の粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒状の形状関数が前記ブラッグピークを深さ方向に非対称に重み付けして拡大するように構成される。
【００２８】
請求項３に対応する発明は、粒子線ビームを２次元的に拡大するための散乱体と、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた３次元照射の粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒状の形状関数が前記ブラッグピークを深さ方向に非対称に重み付けして拡大するように構成される。
【００３２】
請求項４に対応する発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに対応する発明の粒子線照射装置において、前記重み付けとして、重みの最大になる体内位置をＺｍ、重みの最大値の半分になる体内位置のうち浅い側をＺｆ、深い側をＺｅとするとき、｜Ｚｅ−Ｚｍ｜＜｜Ｚｆ−Ｚｍ｜で表される重み付けとする。
【００３３】
請求項５に対応する発明は、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒片の形状関数が厚さ最小の位置から最大の位置までに変曲点を持ち、しかも厚さ最小の位置から変曲点までの距離が厚さ最大の位置から変曲点までの距離よりも小さくなるように構成されたものである。
【００３４】
請求項６に対応する発明は、粒子線ビームを走査するための走査磁石と、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた３次元照射の粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒片の形状関数が厚さ最小の位置から最大の位置までに変曲点を持ち、しかも厚さ最小の位置から変曲点までの距離が厚さ最大の位置から変曲点までの距離よりも小さくなるように構成されたものである。
【００３５】
請求項７に対応する発明は、粒子線ビームを２次元的に拡大するための散乱体と、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた３次元照射の粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒片の形状関数が厚さ最小の位置から最大の位置までに変曲点を持ち、しかも厚さ最小の位置から変曲点までの距離が厚さ最大の位置から変曲点までの距離よりも小さくなるように構成されたものである。
【００３６】
請求項８に対応する発明は、請求項１乃至請求項７のいずれかに対応する発明の粒子線照射装置において、前記粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構として、レンジシフタを用いる。
【００４２】
従って、上記のような発明によれば、各スライスにおける拡大されたブラッグピークは、なだらかな形状を持つ分布となり、これらを加え合せることで得られる全照射線量は、深さ方向に一様性の高い分布を得ることができる。
【００４３】
また、リッジフィルタによって与えられるブラッグピークの深さ方向の重み付けにおいて、ブラッグピークよりも体内深い側の重み付けは、体内浅い側よりも拡大を小さくすることができる。したがって、各スライスを加え合せて得られる全照射線量は、深さ方向に一様性が高い上に、照射領域の最深部において切れのよい照射線量分布を与えることが可能になる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００４５】
図１は本発明の第１の実施の形態を示す治療室に配置された３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置の概略構成図で、従来例で示した図１４と同一機器については同一符号を付して示す。
【００４６】
図１において、１は治療ベットであり、１０は３次元照射装置である。この３次元照射装置１０は、スキャニング磁石３ａ，３ｂ、線量モニタ４、位置モニタ５、リッジフィルタ１１及びレンジシフタ７から構成されている。
【００４７】
次に図１で示した３次元照射装置の各機器の機能を説明する。
【００４８】
上記スキャニング磁石３ａ，３ｂは、この磁石に入射したスポットビームＢを体内患部内のビーム軸に対して垂直面上の点（Ｘ，Ｙ）に走査するもので、スキャニング磁石３ａはビームをＸ方向に走査し、スキャニング磁石３ｂはＹ方向に走査する。
【００４９】
上記レンジシフタ７は、体内患部内のビーム軸方向の位置（Ｚ）を制御するものである。このレンジシフタ７は複数の厚さのアクリル板から構成され、これらのアクリル板を組み合わせることにより、レンジシフタ７を通過するビームエネルギ、即ち体内レンジを段階的に変化させることができる。
【００５０】
上記リッジフィルタ１１は、レンジシフタ７によって切替えられる体内レンジの間隔に対応するように単エネルギの粒子線ビームの体内レンジを拡大するものである。
【００５１】
図２は３次元照射用のリッジフィルタ１１の形状を示すものである。図に示したリッジフィルタは、アルミニウムからなる棒片が複数並べられて構成されている。ここでは、リッジフィルタの形状を表すために、次の座標系を用いて説明する。
【００５２】
図において、棒片の並ぶ方向をＸ軸、棒片の厚さ方向をＺ軸にとる座標系を用い、棒片の厚さが最初になる位置をＸｓ、厚さが最大になる位置をＸｌとする。
【００５３】
図で示した例では、厚さがゼロ（Ｚ＝０）になる位置がＸ＝Ｘｓである。ここで、位置Ｘの関数として表される厚さ関数Ｚ（Ｘ）は、位置さＸｓからＸｌの間に変曲点Ｘｐを持っている。さらに、位置Ｘｓ、Ｘｌと変曲点Ｘｐの間には、
｜Ｘｐ−Ｘｓ｜＜｜Ｘｌ−Ｘｐ｜
の関係がある。ここで、変曲点とは、厚さ関数Ｚ（Ｘ）のＸによる微分式に対して、
ｄ２Ｚ／ｄＸ２＝０
にて定義される位置である。
【００５４】
これらの各照射機器を用いて、以下の方法により３次元照射が行われる。
【００５５】
まず、患部をビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、最深スライスの位置に応じて粒子線ビームの入射エネルギとレンジシフタ７におけるアクリル板厚が選ばれる。
【００５６】
次に最深スライスにおける患部形状に応じてスポットビームを照射する点数ｎと位置（Ｘｉ，Ｙｉ）［ｉ＝１〜ｎ］が選ばれ、スキャニング磁石３ａ，３ｂによりこれらの位置（Ｘｉ，Ｙｉ）に照射される。スキャニング磁石３ａ，３ｂ通過時点では、単エネルギであった粒子線ビームＢは、リッジフィルタ１１によって、体内レンジ分布がスライス幅に対応するようにエネルギ分布が拡大されている。このスライス上の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）の照射線量は線量モニタ４により監視され、予定線量の照射を検出するとビームが停止され、スキャニング磁石３ａ，３ｂによって照射位置が同じスライス上の次の位置（Ｘｉ＋１，Ｙｉ＋１）に変更される。このスライス内の点の照射がすべて終了すると、レンジシフタ７におけるアクリル厚が変更され、次のスライス照射が行われる。これをスライス毎に順次繰返すことで３次元的に照射を行う。
【００５７】
図３は本実施の形態のリッジフィルタ１１を用いてブラッグピークが拡大されるときのブラッグピークの重み付け関数と、１スライスに対してブラッグピークが拡大された線量の深さ方向分布である。このときの重み付けは、重みが最大になる位置Ｚｍ（重みの最大になる位置が複数ある場合はそれらの平均位置）に対して、浅い側の重み付けと深い側の重み付けが非対称の分布を持つ。図３の場合、重みの最大値の半分になる体内位置のうち、浅い側をＺｆ、深い側をＺｅとするとき、
｜Ｚｅ−Ｚｍ｜＜｜Ｚｆ−Ｚｍ｜
となっている。
【００５８】
ここで、ブラッグピークが拡大された１スライス当りの線量分布は、図３に示すように滑らかであり、且つブラッグピークより浅い側に比べて深い側は切れのよい形状となる。
【００５９】
図４は、図３で示した１スライス当りのブラッグピークを拡大した線量分布を加算して得られる全線量の深さ方向線量分布である。
【００６０】
図から分るように、照射領域において、一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい深さ方向線量分布が得られる。
【００６１】
従って、上記のような構成の３次元照射装置を用いることにより、患部に対して照射精度が向上し、且つ患部最深部の切れがよいことから、正常組織に対して被曝の少ない照射を行うことができる。
【００６２】
図５は本発明の第２の実施の形態を示す治療室に配置された３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置の概略構成図で、従来例で示した図１４と同一機器については同一符号を付して示す。
【００６３】
図５において、１は治療ベッドであり、１２は３次元照射装置である。この３次元照射装置１２は散乱体１３、ワブラ磁石１４ａ，１４ｂ、線量モニタ４、位置モニタ５、リッジフィルタ１１、レンジシフタ７及び多葉コリメータ１５から構成される。
【００６４】
次に図５に示した３次元照射装置の各機器の機能を説明する。
【００６５】
上記散乱体１３は入射するスポットビームＢのビーム幅を、散乱体内部における散乱現象により拡大する働きをするものである。
【００６６】
上記ワブラ磁石１４ａ，１４ｂは散乱体１３により拡大されたビームを体内患部内のビーム軸に対して垂直面上の点（Ｘ，Ｙ）に走査するもので、ワブラ磁石１４ａは、ビームをＸ方向に走査し、ワブラ磁石１４ｂはＹ方向に走査する。このＸ方向ワブラ磁石１４ａ及びＹ方向ワブラ磁石１４ｂは、これらを流れる電流値が同じ周波数でサイン関数に従って変動するが、Ｘ方向ワブラ磁石及びＹ方向ワブラ磁石の電流の位相は９０度ずれた状態に保持される。
【００６７】
例えば、これらの周波数がともに３１Ｈｚであり、電流の位相が９０度ずれているためにワブラ磁石から出射されるビームは、３１Ｈｚで円形に回転するビームとなる。これを例えば１秒間にわたり、積分したビーム形状はビーム軸中心に対して円板状に拡大した形状となる。
【００６８】
なお、ここでは散乱体１３により拡大されたビームをワブラ磁石１４ａ，１４ｂにより走査しているが、これらの順番を入れ替え、ワブラ磁石１４ａ，１４ｂで走査したスポットビームを散乱体１３にて拡大しても同様の形状のビームが得られる。
【００６９】
上記レンジシフタ７は、複数の厚さのアクリル板から構成されており、これらアクリル板を組合せることによりレンジシフタを通過するビームエネルギ、すなわち体内レンジを段階的に変化させることができる。
【００７０】
多葉コリメータ１５は、複数の鉄製板から構成され、ビーム軸を挟んで両側からこれら鉄板を入れその位置により、円板状に拡大されたビームを任意の形状になるように制限するものである。多葉コリメータ１５を通過するビーム形状は、患者の患部の形状に合うように多葉コリメータ１５が変形される。この多葉コリメータ１５の変形は、レンジシフタ７のアクリル板厚、つまり体内レンジ毎に行い、照射領域を患部形状に合わせる。
【００７１】
第２の実施の形態で用いられる３次元照射用のリッジフィルタの形状は、図２に示すように第１の実施の形態と同様である。
【００７２】
これらの各照射機器を用いて、以下の方法により３次元照射が行われる。
【００７３】
まず、患部をビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、最深スライスの位置に応じて粒子線ビームの入射エネルギとレンジシフタ７におけるアクリル板厚が選ばれる。
【００７４】
次に、最深スライスにおける患部形状に応じて多葉コリメータ１５が変形される。散乱体１３とワブラ磁石１４ａ，１４ｂにより、スポットビームは円形に拡大されるが、さらに多葉コリメータ１５によりこのスライスにおける患部形状に合致したビームに変形され、患部に照射される。
【００７５】
ワブラ磁石１４ａ，１４ｂにおいて、単エネルギであった粒子線ビームはリッジフィルタ１１によって、体内レンジ分布がスライス幅に対応するようにエネルギ分布が拡大される。
【００７６】
また、体内への照射線量は線量モニタ４により監視され、予定線量の照射を検出するとビームが停止され、レンジシフタ７におけるアクリル厚が変更され、次のスライス照射が行われる。これを順次繰返しながら３次元的に照射を行う。
【００７７】
上記第２の実施の形態で示した３次元照射装置により得られる深さ方向の線量分布は、第１の実施の形態で示したものと同様の線量分布となる。つまり、１スライスに対してブラッグピークが拡大された線量の深さ方向分布は、図３に示すように滑らかであり、且つブラッグピークより浅い側に比べて深い側は切れのよい形状となる。これらを全スライスに対して加算して得られる全線量に対する深さ方向の線量分布は、照射領域において一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい分布となる。
【００７８】
従って、上記のような構成の３次元照射装置を用いることにより、患部に対して精度よく、且つ患部最深部の切れがよくなることから、正常組織に対して被曝の少ない照射を行うことができる。
【００７９】
図６は本発明の第３の実施の形態を示す治療室に配置された３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置の概略構成図で、従来例で示した図１４と同一機器については同一符号を付して示す。
【００８０】
図６において、１は治療ベットであり、１６は３次元照射装置である。この３次元照射装置１６は、二重散乱体１７、線量モニタ４、位置モニタ５、リッジフィルタ１１、レンジシフタ７及び多葉コリメータ１５から構成されている。
【００８１】
次に図６で示した３次元照射装置の各機器の機能を説明する。
【００８２】
上記二重散乱体１７は、散乱体に入射するスポットビームＢのビーム幅を散乱体内部における散乱現象により拡大する働きをするものである。ここでは散乱体を二重に配置し、一重の場合よりもさらにビーム径を拡大することができ、第２の実施の形態におけるワブラ磁石と同等の働きをさせることが可能になる。
【００８３】
上記レンジシフタ７は、複数のアクリル板から構成され、これらのアクリル板を組み合わせることにより、レンジシフタ７を通過するビームエネルギ、即ち体内レンジを段階的に変化させるものである。
【００８４】
上記多葉コリメータ１５は、複数の鉄製板から構成され、ビーム軸を挟んで両側からこれら鉄板を入れその位置により、円板状に拡大されたビームを任意の形状になるように制限するものである。
【００８５】
第３の実施の形態で用いられる３次元照射用のリッジフィルタの形状は、図２に示すように第１の実施の形態と同様である。
【００８６】
これらの各照射機器を用いて、以下の方法により３次元照射が行われる。
【００８７】
まず、患部をビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、最深スライスの位置に応じて粒子線ビームの入射エネルギとレンジシフタ７におけるアクリル板厚が選ばれる。
【００８８】
次に、最深スライスにおける患部形状に応じて多葉コリメータ１５が変形される。二重散乱体１７によりスポットビームは円形に拡大されるが、さらに多葉コリメータ１５によりこのスライスにおける患部形状に合致したビームに変形されて患部に照射される。二重散乱体１７において単エネルギであった粒子線ビームは、リッジフィルタ１１によって、体内レンジ分布がスライス幅に対応するようにエネルギ分布が拡大されている。
【００８９】
また、体内への照射線量は線量モニタ４により監視され、予定線量の照射を検出するとビームが停止され、レンジシフタ７におけるアクリル厚が変更され、次のスライス照射が行われる。これを順次繰返すことで３次元的に照射を行う。
【００９０】
上記第３の実施の形態で示した３次元照射装置において得られるところの線量分布は、第１の実施の形態で示したものと同様の線量分布となる。つまり、１スライスに対してブラッグピークが拡大された線量の深さ方向分布は、図３に示すように滑らかであり、且つブラッグピークより浅い側に比べて深い側は切れのよい形状となる。これらを全スライスに対して加え合せることで得られる全線量に対する深さ方向の線量分布は、照射領域において一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい分布となる。
【００９１】
従って、上記のような構成の３次元照射装置を用いることにより、患部に対して精度よく、且つ患部最深部の切れがよくなることから、正常組織に対して被曝の少ない照射を行うことができる。
【００９２】
前述した第１の実施の形態乃至第３の実施の形態では、図２に示すような形状のリッジフィルタを使用した例について説明したが、図７に示すような形状のリッジフィルタを使用してもよい。
【００９３】
図７においては、厚さが最小になる位置Ｘｓから位置Ｘｒまでがｄ２Ｚ／ｄＸ２＝０、つまり傾きが一定になっている。この場合、傾きが一定になっている範囲の中心位置をＸｐと考える。図７のリッジフィルタを用いたとき、重み付け関数は図８に示すように重みが最大になるところでは、ある深さ範囲重みが一定であり、それより深い側では重み付けがゼロになり、浅い側では緩やかに減少している。つまり、重みの最大値の半分になる体内位置のうち、浅い側をＺｆ、深い側をＺｅとするとき、
｜Ｚｅ−Ｚｍ｜＜｜Ｚｆ−Ｚｍ｜
を満たしている。このような場合であっても、全スライスについて加算することで得られる全線量に対する深さ方向線量分布は、照射領域において一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい分布となる。
【００９４】
前述した第１の実施の形態乃至第３の実施の形態において、リッジフィルタの形状に対して変曲点を、厚さ関数Ｚ（Ｘ）のＸによる微分式に対して
ｄ２Ｚ／ｄＸ２＝０
にて定義した。しかし、現実には機械加工のし易さから、棒片は細かな階段状に加工して製作され、上述の定義付けができないことがある。
【００９５】
そこで、そのような場合には、厚さ関数Ｚ（Ｘ）の代わりに、階段状に加工した段の中心を（ｘｉ，ｚｉ）とし、Δｚ（ｉ）＝［ｚ（ｉ）−ｚ（ｉ−１）］、Δｘ（ｉ）＝［ｘ（ｉ）−ｘ（ｉ−１）］とする。そして、［Δｚ（ｉ＋１）／Δｘ（ｉ＋１）−Δｚ（ｉ）／Δｘ（ｉ）］／Δｘ（ｉ）がゼロになる位置ｘｉを変曲点Ｘｐと定義する。ゼロになる位置が２つ以上ある場合は、これらの平均位置を変曲点Ｘｐと定義する。ゼロになる位置がない場合は、［Δｚ（ｉ＋１）／Δｘ（ｉ＋１）−Δｚ（ｉ）／Δｘ（ｉ）］／Δｘ（ｉ）をｉについて順に計算していったときに符号が変化する位置ｘｉを変曲点Ｘｐと定義する。
【００９６】
リッジフィルタの形状は、図２、図７で示した形状以外に、上述にて定義付けされた形状に当てはまる限り、任意の形状をとることができる。
【００９７】
また、前述した第１の実施の形態乃至第３の実施の形態では、それぞれスポットスキャニング法、ワブラ法、二重散乱法による３次元照射方法について示したが、その他の方法においても３次元的照射方法であれば、同様に実施できるものである。
【００９８】
図９は本発明の第４の実施の形態を示す治療室に配置された３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置を用いた粒子線治療装置の概略構成図で、図１と同一機器については同一符号を付して示す。
【００９９】
図９において、２０が治療室、２１は粒子線加速リング（図示せず）から治療室２０にビームを輸送するための粒子線輸送装置、１は治療室２０内に配置された治療ベット、２２は３次元照射装置である。
【０１００】
ここで、粒子線輸送装置２１は、例えば２つの偏向磁石２３，２４、２つの３連収束磁石２５，２６から構成されている。また、３次元照射装置２２は、スキャニング磁石３ａ，３ｂ、線量モニタ４、位置モニタ５、レンジシフタ７から構成されている。
【０１０１】
この第４の実施の形態では、図２の形状を持つリッジフィルタ１１が粒子線輸送装置２１の偏向磁石２４と３連収束磁石２６間に配置されている。
【０１０２】
本実施の形態において、３次元照射装置の各機器及びその機能については第１の実施の形態と同様なので、その説明を省略する。
【０１０３】
この実施の形態において、リッジフィルタ１１は粒子線輸送装置２１に配置されている。このときの利点は以下の通りである。
【０１０４】
リッジフィルタ１１は、スポットビームＢを形成する粒子線が、リッジフィルタを通過する場所によってリッジフィルタ材であるアルミを通過する厚さが異なることにより、通過ビームのエネルギ分布を広げる働きをする。
【０１０５】
リッジフィルタと患部が非常に近い場合、患部に照射されるビームのエネルギはそのままリッジフィルタの形状を患部に射影され、患部には縞状の体内レンジ分布となる。例えば、リッジフィルタの棒片の隙間からもれたビームの縞模様がそのまま患部に映し出されることになる。
【０１０６】
これはリッジフィルタと患部がある程度距離を離せば、リッジフィルタによる像は空間的に一様化され、問題はなくなるが、逆に距離を離し過ぎると、リッジフィルタにおける散乱の影響により患部に照射されるビームの径が拡大されて、ビーム軸と垂直方向に対する照射線量の切れが悪化してしまう。
【０１０７】
従って、リッジフィルタの配置位置は、最適化される必要があるが、他の照射機器、例えばレンジシフタとの干渉により配置位置が制限される場合が多い。
【０１０８】
ところが、図９に示すようにリッジフィルタ１１を粒子線輸送装置２１内に配置した場合、リッジフィルタと患部の距離を十分大きく保つことが可能となり、且つリッジフィルタにて散乱されたビームは、収束磁石により収束されるので、患部に照射されるビームの幅の拡大を抑制することが可能になる。
【０１０９】
さらに、本実施の形態では、リッジフィルタ１１を構成する棒片が位置ＸｓからＸｌの間に変曲点Ｘｐを持ち、さらに位置Ｘｓ，Ｘｌと変曲点Ｘｐの間には、
｜Ｘｐ−Ｘｓ｜＜｜Ｘｌ−Ｘｐ｜
の関係となっている。
【０１１０】
従って、１スライスに対してブラッグピークが拡大された線量の深さ方向分布は、図３に示すように滑らかであり、且つブラッグピークより浅い側は切れのよい形状となる。これらを全スライスに加算して得られる全線量に対する深さ方向の線量分布は照射領域において一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい分布となる。
【０１１１】
従って、上記のように構成された３次元照射装置を用いた粒子線治療装置によれば、一様性が高く、且つビーム軸に対して垂直方向の線量の切れがよくなると共に、患部最深部の切れがよい照射が可能になることから、正常組織に対して被曝の少ない照射を行うことができる。
【０１１２】
上記第４の実施の形態では、リッジフィルタ１１が粒子線輸送装置２１の偏向磁石２３と３連収束磁石２５との間に配置された例を示したが、粒子線輸送装置２１内の最も治療室側の収束磁石よりも加速器側であれば、任意の位置に配置することが可能である。
【０１１３】
図１０は本発明の第５の実施の形態を示す治療室に配置された３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置を用いた粒子線治療装置の概略構成図で、図１及び図９で示した機器と同一機器については同一符号を付して示す。
【０１１４】
図１０において、２０が治療室、２７は粒子線加速リング（図示せず）から治療室２０にビームを輸送するための粒子線輸送装置、１は治療室２０内に配置された治療ベット、２２は３次元照射装置である。
【０１１５】
粒子線輸送装置２７は、例えば２つの偏向磁石２３，２４、２つの３連収束磁石２５，２６から構成されている。また、３次元照射装置２２は、スキャニング磁石３ａ，３ｂ、線量モニタ４、位置モニタ５、レンジシフタ７から構成されている。
【０１１６】
本実施の形態において、３次元照射装置２２及び粒子線輸送装置の各機器及びその機能については、第１の実施の形態及び第４の実施の形態と同様なので、その説明を省略する。
【０１１７】
この実施の形態では、粒子線輸送装置２７の偏向磁石２４と３連収束磁石２６の間にアルミニウム製の非平行板からなるエネルギ分布拡大板２８を配置するものである。
【０１１８】
図１１はエネルギ分布拡大板２８の形状を表す図である。図１１において、ａは板の断面が例えば二等辺三角形の形状をしており、エネルギ分布拡大板を通過した粒子線ビームは、エネルギ分布拡大板２８を通過する位置によりエネルギの損失を変えることができる。
【０１１９】
エネルギ分布拡大板２８の直後では、ビーム断面上の位置により粒子エネルギが異なるが、３連収束磁石２６により収束されて患部に到達するときには、粒子エネルギはビーム断面内で一様化され、リッジフィルタと同様にエネルギ分布を生じさせることが可能になる。
【０１２０】
エネルギ分布拡大板２８の形状を表す図１１のｂはａに比べて内側に湾曲した形状を持つ。このとき、板厚の薄い領域を通過した粒子数の方が、板厚の厚い領域を通過した粒子数よりも多くなり、通過後のエネルギ分布、つまり体内でのレンジ分布は、図３で示した重み付けにより拡大したものと同等にすることができる。
【０１２１】
この実施の形態において、エネルギ分布拡大板２８はリッジフィルタと比較して簡単な形状をしているので、リッジフィルタよりも低コストにてリッジフィルタと同様の働きを行わせることが可能になる。また、エネルギ分布拡大板２８は３連収束磁石２６よりも加速器側に配置されているので、エネルギ分布拡大板２８により散乱された粒子線ビームは、３連収束磁石２６により収束されるので、患部に照射されるビームの径の拡大を抑制することが可能になる。
【０１２２】
また、エネルギ分布拡大板２８の形状を調整することにより、１スライスに対してブラッグピークの拡大された線量の深さ方向分布が滑らかであり、且つブラッグピークより浅い側に比べて深い側は切れのよい形状とすることができる。これを全スライスに加算して得られる全線量に対する深さ方向の線量分布は、照射領域において一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい分布となる。
【０１２３】
従って、上記のように構成された３次元照射装置を用いた粒子線治療装置によれば、患部最深部の切れがよい照射が可能になり、正常組織に対して被曝の少ない照射を行うことができる。
【０１２４】
上記第５の実施の形態では、エネルギ分布拡大板２８が、粒子線輸送装置２７の偏向磁石２４と３連収束磁石２６との間に配置された例を示したが、粒子線輸送装置２７内の最も治療室側の収束磁石よりも加速器側であれば、任意の位置に配置することが可能である。
【０１２５】
図１２は本発明の第６の実施の形態を示す治療室に配置された３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置を用いた粒子線治療装置の概略構成図で、図１及び図９と同一機器については同一符号を付して示す。
【０１２６】
図１２において、２０が治療室、２９は粒子線加速リング（図示せず）から治療室２０にビームを輸送するための粒子線輸送装置、１は治療室内に配置された治療ベット、２２は３次元照射装置である。
【０１２７】
ここで、粒子線輸送装置２９は、例えば２つの偏向磁石２３，２４、２つの３連収束磁石２５，２６から構成されている。また、３次元照射装置２２は、スキャニング磁石３、線量モニタ４、位置モニタ５、レンジシフタ７から構成されている。
【０１２８】
本実施の形態において、３次元照射装置２２及び粒子線輸送装置の各機器及びその機能については、第１の実施の形態及び第４の実施の形態と同様なので、その説明を省略する。
【０１２９】
この実施の形態では、アルミニウム製非平行板からなるエネルギ分布拡大板３０が粒子線輸送装置２９の２つの偏向磁石２３と２４との間に配置されている。
【０１３０】
図１３はエネルギ分布拡大板３０の形状を表す図である。図１３において示したエネルギ分布拡大板３０の形状は、いずれも加速器側に配置された偏向磁石２３においてビームの偏向する方向として定義される側の板厚が、ビーム中心軸の板厚よりも厚くなっている。
【０１３１】
図１３に示したエネルギ分布拡大板３０は、次のような機能を有している。
【０１３２】
偏向磁石２３に入射した粒子線は、ビーム自体が持つ小さなエネルギ広がりにより、偏向磁石２３から出射されるとき偏向方向に位置広がりを形成する。つまり、エネルギ（運動量）が大きい粒子は、偏向磁石２３内にてより内側の軌道を通り、逆にエネルギ（運動量）が小さい粒子は、偏向磁石２３にてより内側の軌道を通ることになる。このとき、加速器側に配置された偏向磁石２３においてビームが偏向する方向として定義される側には、よりエネルギの低い粒子が到達する。このエネルギの低い粒子は図１３で示したエネルギ分布拡大板３０の板厚の大きい領域を通過して多くのエネルギを損失し、さらにエネルギが低下することになる。
【０１３３】
図１３で示したエネルギ分布拡大板を使用することにより、板厚の薄い領域を通過した粒子数の方が、板厚の厚い領域を通過した粒子数よりも多くなる。つまり、エネルギによって分離されたビーム中の粒子を選別してエネルギの減衰を行うことが可能となり、より効果的に必要なエネルギ分布を持つビームを生成することができる。
【０１３４】
本実施の形態において、エネルギ分布拡大板３０はリッジフィルタと比較して簡単な形状をしているので、リッジフィルタよりも低コストにてリッジフィルタと同様の働きを行わせることが可能になる。従って、より低コストにて、１スライスに対してブラッグピークの拡大された線量の深さ方向分布が滑らかであり、且つブラッグピークより浅い側に比べて深い側は切れのよい形状とすることができる。これらを全スライスに加算して得られる全線量に対する深さ方向線量分布は、照射領域において一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい分布となる。
【０１３５】
従って、上記のように構成された３次元照射装置を用いた粒子線治療装置によれば、低コストで、ビーム軸に対して垂直方向の線量の切れがよい照射が可能になり、正常組織に対して被曝の少ない照射を行うことができる。
【０１３６】
上述した第４の実施の形態乃至第６の実施の形態では、スポットスキャニング方による３次元照射方について述べたが、３次元ワグラ法や３次元二重散乱体法など、他の３次元照射方法においても前述同様に適用することが可能である。
【０１３７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、１スライスに対してブラッグピークが拡大された線量の深さ方向分布は滑らかで、且つブラッグピークより浅い側に比べて深い側は切れのよい形状となり、これらを全スライスに加算して得られる全線量に対する深さ方向線量分布は、照射領域において一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい分布となるので、患部に対して精度よく、且つ患部最深部の切れがよくなることから、正常組織に対して被曝の少ない照射を行うことができる粒子線ビーム照射方法及びその装置並びに粒子線治療装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置の概略構成図。
【図２】同実施の形態における３次元照射用リッジフィルタの形状を示す図。
【図３】同実施の形態における一スライス照射における深さ方向線量分布と、重み付け関数を表す図。
【図４】同実施の形態における全スラスト照射に対して加算した深さ方向線量分布を表す図。、
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す３次元ワブラ法用の３次元照射装置の概略構成図。
【図６】本発明の第３の実施の形態を示す３次元二重散乱体法用の３次元照射装置の概略構成図。
【図７】本発明の他のリッジフィルタの形状を示す図。
【図８】図７のリッジフィルタによる重み付け関数を示す図。
【図９】本発明の第４の実施の形態を示す３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置の概略構成図。
【図１０】本発明の第５の実施の形態を示すスポットスキャニング法用の３次元照射装置の概略構成図。
【図１１】同実施の形態におけるエネルギ分布拡大板の形状を示す図。
【図１２】本発明の第６の実施の形態を示すスポットスキャニング法用の３次元照射装置の概略構成図。
【図１３】同実施の形態におけるエネルギ分布拡大板の形状を示す図。
【図１４】従来例における３次元スポットスキャニング法用の三次元照射装置。
【図１５】単エネルギ粒子線ビームの体内深さ方向線量分布を表す図。
【図１６】従来例における３次元照射用リッジフィルタの形状を示す図。
【図１７】従来例における１スライス照射における深さ方向線量分布と重み付け関数を表す図。
【図１８】従来例における全スライス照射に対して加算された深さ方向線量分布を表す図。
【符号の説明】
１……治療ベッド
２，１０，１６，２２……３次元照射装置
３ａ，３ｂ……スキャニング磁石
４……線量モニタ
５……位置モニタ
６，１１……リッジフィルタ
７……レンジシフタ
１３……散乱体
１４……ワブラ磁石
１５……多葉コリメータ
１７……二重散乱体
２０……治療室
２１，２７，２９……粒子線輸送装置
２３，２４……偏向磁石
２５，２６……３連収束磁石
２８，３０……エネルギ分布拡大板
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子線加速器から３次元照射される粒子線照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、日本における死亡原因の約３分の１を占めるがんの治療方法として、陽子や重粒子を用いた粒子線治療法が注目されている。この治療法は、加速器から出射された陽子ビーム、あるいは重粒子ビームをがん細胞に照射することで、正常細胞にほとんど影響を与えることなく、がん細胞のみを死滅させることができる。
【０００３】
現在使用されている粒子線治療の方法は、２次元ワブラ法や二重散乱体法などと呼ばれる方法である。これら２次元的照射方法では、ビーム軸に対して垂直な方向についてはコリメータを用いることにより、照射領域を制限することができるが、ビーム軸方向については精度よく患部に合わせて照射領域を制限できないという問題がある。
【０００４】
そこで、粒子線治療のさらに進んだ治療法として、体内患部を３次元的に照射することにより、より高精度にがん細胞の狙い撃ちを行う方法が提案されている。この３次元照射法として代表的なものが、治療部位を仮想的に３次元格子点に切り分け照射を行う治療法であり、３次元スポットスキャニング法と呼ばれる。
【０００５】
この３次元スポットスキャニング法のような３次元照射方法を行うことにより、ビーム軸方向についても精度良く患部に合わせることが可能になり、従来の２次元的照射方法と比較して正常患部への被曝を抑制することができる。
【０００６】
ここで、上記３次元スポットスキャニング法によりがん治療を行うための３次元照射装置について図面を用いて説明する。
【０００７】
図１４は、治療室に配置された３次元スポットスキャニング用の３次元照射装置の概略構成図である。図中、１は治療ベットであり、２は３次元照射装置である。この３次元照射装置２は、スキャニング磁石３ａ，３ｂ、線量モニタ４、位置モニタ５、リッジフィルタ６及びレンジシフタ７から構成されている。
【０００８】
次に図１４で示した３次元照射装置の各機器の機能を説明する。
【０００９】
上記スキャニング磁石３ａ，３ｂは、この磁石に入射したスポットビームを体内患部内のビーム軸に対して垂直面上の点（Ｘ，Ｙ）に走査する。
【００１０】
上記レンジシフタ７は、体内の患部内のビーム軸方向の位置（Ｚ）を制御するものである。このレンジシフタ７は複数の厚さのアクリル板から構成され、これらのアクリル板を組み合わせることにより、レンジシフタ７を通過するビームエネルギ、即ち体内レンジを段階的に変化させることができる。また、レンジシフタ７における体内レンジの制御は、一般的には一定間隔をもって切替えられる。
【００１１】
単エネルギ粒子線ビームの体内深さ方向の線量分布は、図１５に示すように体内レンジ近傍に非常にシャープなピーク（以下ブラッグピークと呼ぶ）分布を持つため、リッジフィルタ６を用いて、レンジシフタ７によって切替えられる体内レンジの間隔に対応するように、単エネルギの粒子線ビームの体内レンジを拡大する。
【００１２】
ここで、３次元照射用のリッジフィルタ６は、図１６に示すようにアルミニウムからなる棒片が複数並べられた形状に構成されている。各棒片は二等辺三角形の形状を持ち、ビーム軸方向の厚みがビームの垂直方向に対して一定の割合で変化するようになっている。なお、実際には棒片の機械加工のし易さから、細かな階段状に加工して二等辺三角形状に形成される。
【００１３】
このリッジフィルタ６でブラッグピークが拡大された１スライス当りの線量分布を図１７に示す。
【００１４】
上記線量モニタ４は、体内に照射する線量を測定するためのものであり、また位置モニタ５はスキャニング磁石３ａ，３ｂにより走査されたビーム位置が正しい位置にあるかどうかを確認するためのものである。
【００１５】
これらの各照射機器を用いて、以下の方法により３次元照射が行われる。
【００１６】
まず、患部をビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、最深スライスの位置に応じて粒子線ビームの入射エネルギとレンジシフタ６におけるアクリル板厚が選ばれる。
【００１７】
次に最深スライスにおける患部形状に応じて粒子線ビームの入射エネルギとレンジシフタ６における患部形状に応じてスポットビームを照射する点数ｎと位置（Ｘｉ，Ｙｉ）［ｉ＝１〜ｎ］が選ばれ、スキャニング磁石３ａ，３ｂによりこれらの位置（Ｘｉ，Ｙｉ）に照射される。
【００１８】
これらのスキャニング磁石３ａ，３ｂにおいて、単エネルギであった粒子線ビームはリッジフィルタ６によって体内レンジ分布がスライス幅に対応するようにエネルギ分布が拡大されている。このスライス上の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）の照射線量は線量モニタ４により監視され、予定線量の照射を検出するとビームが停止され、スキャニング磁石３ａ，３ｂによって照射位置が同じスライス上の次の位置（Ｘｉ＋１，Ｙｉ＋１）に変更される。このスライス内の点の照射がすべて終了すると、レンジシフタ７におけるアクリル厚が変更され、次のスライス照射が行われる。これをスライス毎に順次繰返すことで３次元的に照射を行う。
【００１９】
以上のように体内の患部に対して３次元的に照射を行うことにより、従来の２次元的照射方法と比較して、精度良く患部に合致させて照射を行うことが可能となる。
【００２０】
しかし、３次元スポットスキャニング法のような３次元的照射方法では、以下のような問題があった。
【００２１】
図１６に示したようなリッジフィルタ６では、ブラッグピークの拡大を体内深さ方向に一定値で重み付けして行い、図１７に示すように各スライス毎に見れば拡大されたブラッグピークは線量が一定になっている。しかし、これらを全スライスにわたって加え合せたとき、図１８に示すようにギザギザの照射線量分布となってしまう。これはブラッグピークに対して体内の浅い側の線量がなだらかになっており、より深い側のスライス照射の影響を受けるためである。
【００２２】
ここでは、３次元スポットスキャニング法による照射例を示したが、このよう問題はリッジフィルタを用いて３次元的に照射を行う方法、例えば３次元ワブラ方や３次元二重散乱体法においても、同様の問題が生じる。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のリッジフィルタを用いた３次元的照射方法では、全照射領域にわたって加え合せた体内深さ方向の照射線量分布の一様性が得られないという問題があった。
【００２４】
本発明は上記のような事情に鑑みなされたもので、全照射領域にわたって加え合わせた体内深さ方向の照射線量に対して、一様性を高くすることができる粒子線照射装置を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により粒子線照射方法とその装置並びに照射線治療装置を構成する。
【００２６】
請求項１に対応する発明は、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒状の形状関数が前記ブラッグピークを深さ方向に非対称に重み付けして拡大するように構成される。
【００２７】
請求項２に対応する発明は、粒子線ビームを走査するための走査磁石と、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた３次元照射の粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒状の形状関数が前記ブラッグピークを深さ方向に非対称に重み付けして拡大するように構成される。
【００２８】
請求項３に対応する発明は、粒子線ビームを２次元的に拡大するための散乱体と、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた３次元照射の粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒状の形状関数が前記ブラッグピークを深さ方向に非対称に重み付けして拡大するように構成される。
【００３２】
請求項４に対応する発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに対応する発明の粒子線照射装置において、前記重み付けとして、重みの最大になる体内位置をＺｍ、重みの最大値の半分になる体内位置のうち浅い側をＺｆ、深い側をＺｅとするとき、｜Ｚｅ−Ｚｍ｜＜｜Ｚｆ−Ｚｍ｜で表される重み付けとする。
【００３３】
請求項５に対応する発明は、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒片の形状関数が厚さ最小の位置から最大の位置までに変曲点を持ち、しかも厚さ最小の位置から変曲点までの距離が厚さ最大の位置から変曲点までの距離よりも小さくなるように構成されたものである。
【００３４】
請求項６に対応する発明は、粒子線ビームを走査するための走査磁石と、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた３次元照射の粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒片の形状関数が厚さ最小の位置から最大の位置までに変曲点を持ち、しかも厚さ最小の位置から変曲点までの距離が厚さ最大の位置から変曲点までの距離よりも小さくなるように構成されたものである。
【００３５】
請求項７に対応する発明は、粒子線ビームを２次元的に拡大するための散乱体と、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた３次元照射の粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒片の形状関数が厚さ最小の位置から最大の位置までに変曲点を持ち、しかも厚さ最小の位置から変曲点までの距離が厚さ最大の位置から変曲点までの距離よりも小さくなるように構成されたものである。
【００３６】
請求項８に対応する発明は、請求項１乃至請求項７のいずれかに対応する発明の粒子線照射装置において、前記粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構として、レンジシフタを用いる。
【００４２】
従って、上記のような発明によれば、各スライスにおける拡大されたブラッグピークは、なだらかな形状を持つ分布となり、これらを加え合せることで得られる全照射線量は、深さ方向に一様性の高い分布を得ることができる。
【００４３】
また、リッジフィルタによって与えられるブラッグピークの深さ方向の重み付けにおいて、ブラッグピークよりも体内深い側の重み付けは、体内浅い側よりも拡大を小さくすることができる。したがって、各スライスを加え合せて得られる全照射線量は、深さ方向に一様性が高い上に、照射領域の最深部において切れのよい照射線量分布を与えることが可能になる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００４５】
図１は本発明の第１の実施の形態を示す治療室に配置された３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置の概略構成図で、従来例で示した図１４と同一機器については同一符号を付して示す。
【００４６】
図１において、１は治療ベットであり、１０は３次元照射装置である。この３次元照射装置１０は、スキャニング磁石３ａ，３ｂ、線量モニタ４、位置モニタ５、リッジフィルタ１１及びレンジシフタ７から構成されている。
【００４７】
次に図１で示した３次元照射装置の各機器の機能を説明する。
【００４８】
上記スキャニング磁石３ａ，３ｂは、この磁石に入射したスポットビームＢを体内患部内のビーム軸に対して垂直面上の点（Ｘ，Ｙ）に走査するもので、スキャニング磁石３ａはビームをＸ方向に走査し、スキャニング磁石３ｂはＹ方向に走査する。
【００４９】
上記レンジシフタ７は、体内患部内のビーム軸方向の位置（Ｚ）を制御するものである。このレンジシフタ７は複数の厚さのアクリル板から構成され、これらのアクリル板を組み合わせることにより、レンジシフタ７を通過するビームエネルギ、即ち体内レンジを段階的に変化させることができる。
【００５０】
上記リッジフィルタ１１は、レンジシフタ７によって切替えられる体内レンジの間隔に対応するように単エネルギの粒子線ビームの体内レンジを拡大するものである。
【００５１】
図２は３次元照射用のリッジフィルタ１１の形状を示すものである。図に示したリッジフィルタは、アルミニウムからなる棒片が複数並べられて構成されている。ここでは、リッジフィルタの形状を表すために、次の座標系を用いて説明する。
【００５２】
図において、棒片の並ぶ方向をＸ軸、棒片の厚さ方向をＺ軸にとる座標系を用い、棒片の厚さが最初になる位置をＸｓ、厚さが最大になる位置をＸｌとする。
【００５３】
図で示した例では、厚さがゼロ（Ｚ＝０）になる位置がＸ＝Ｘｓである。ここで、位置Ｘの関数として表される厚さ関数Ｚ（Ｘ）は、位置さＸｓからＸｌの間に変曲点Ｘｐを持っている。さらに、位置Ｘｓ、Ｘｌと変曲点Ｘｐの間には、
｜Ｘｐ−Ｘｓ｜＜｜Ｘｌ−Ｘｐ｜
の関係がある。ここで、変曲点とは、厚さ関数Ｚ（Ｘ）のＸによる微分式に対して、
ｄ２Ｚ／ｄＸ２＝０
にて定義される位置である。
【００５４】
これらの各照射機器を用いて、以下の方法により３次元照射が行われる。
【００５５】
まず、患部をビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、最深スライスの位置に応じて粒子線ビームの入射エネルギとレンジシフタ７におけるアクリル板厚が選ばれる。
【００５６】
次に最深スライスにおける患部形状に応じてスポットビームを照射する点数ｎと位置（Ｘｉ，Ｙｉ）［ｉ＝１〜ｎ］が選ばれ、スキャニング磁石３ａ，３ｂによりこれらの位置（Ｘｉ，Ｙｉ）に照射される。スキャニング磁石３ａ，３ｂ通過時点では、単エネルギであった粒子線ビームＢは、リッジフィルタ１１によって、体内レンジ分布がスライス幅に対応するようにエネルギ分布が拡大されている。このスライス上の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）の照射線量は線量モニタ４により監視され、予定線量の照射を検出するとビームが停止され、スキャニング磁石３ａ，３ｂによって照射位置が同じスライス上の次の位置（Ｘｉ＋１，Ｙｉ＋１）に変更される。このスライス内の点の照射がすべて終了すると、レンジシフタ７におけるアクリル厚が変更され、次のスライス照射が行われる。これをスライス毎に順次繰返すことで３次元的に照射を行う。
【００５７】
図３は本実施の形態のリッジフィルタ１１を用いてブラッグピークが拡大されるときのブラッグピークの重み付け関数と、１スライスに対してブラッグピークが拡大された線量の深さ方向分布である。このときの重み付けは、重みが最大になる位置Ｚｍ（重みの最大になる位置が複数ある場合はそれらの平均位置）に対して、浅い側の重み付けと深い側の重み付けが非対称の分布を持つ。図３の場合、重みの最大値の半分になる体内位置のうち、浅い側をＺｆ、深い側をＺｅとするとき、
｜Ｚｅ−Ｚｍ｜＜｜Ｚｆ−Ｚｍ｜
となっている。
【００５８】
ここで、ブラッグピークが拡大された１スライス当りの線量分布は、図３に示すように滑らかであり、且つブラッグピークより浅い側に比べて深い側は切れのよい形状となる。
【００５９】
図４は、図３で示した１スライス当りのブラッグピークを拡大した線量分布を加算して得られる全線量の深さ方向線量分布である。
【００６０】
図から分るように、照射領域において、一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい深さ方向線量分布が得られる。
【００６１】
従って、上記のような構成の３次元照射装置を用いることにより、患部に対して照射精度が向上し、且つ患部最深部の切れがよいことから、正常組織に対して被曝の少ない照射を行うことができる。
【００６２】
図５は本発明の第２の実施の形態を示す治療室に配置された３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置の概略構成図で、従来例で示した図１４と同一機器については同一符号を付して示す。
【００６３】
図５において、１は治療ベッドであり、１２は３次元照射装置である。この３次元照射装置１２は散乱体１３、ワブラ磁石１４ａ，１４ｂ、線量モニタ４、位置モニタ５、リッジフィルタ１１、レンジシフタ７及び多葉コリメータ１５から構成される。
【００６４】
次に図５に示した３次元照射装置の各機器の機能を説明する。
【００６５】
上記散乱体１３は入射するスポットビームＢのビーム幅を、散乱体内部における散乱現象により拡大する働きをするものである。
【００６６】
上記ワブラ磁石１４ａ，１４ｂは散乱体１３により拡大されたビームを体内患部内のビーム軸に対して垂直面上の点（Ｘ，Ｙ）に走査するもので、ワブラ磁石１４ａは、ビームをＸ方向に走査し、ワブラ磁石１４ｂはＹ方向に走査する。このＸ方向ワブラ磁石１４ａ及びＹ方向ワブラ磁石１４ｂは、これらを流れる電流値が同じ周波数でサイン関数に従って変動するが、Ｘ方向ワブラ磁石及びＹ方向ワブラ磁石の電流の位相は９０度ずれた状態に保持される。
【００６７】
例えば、これらの周波数がともに３１Ｈｚであり、電流の位相が９０度ずれているためにワブラ磁石から出射されるビームは、３１Ｈｚで円形に回転するビームとなる。これを例えば１秒間にわたり、積分したビーム形状はビーム軸中心に対して円板状に拡大した形状となる。
【００６８】
なお、ここでは散乱体１３により拡大されたビームをワブラ磁石１４ａ，１４ｂにより走査しているが、これらの順番を入れ替え、ワブラ磁石１４ａ，１４ｂで走査したスポットビームを散乱体１３にて拡大しても同様の形状のビームが得られる。
【００６９】
上記レンジシフタ７は、複数の厚さのアクリル板から構成されており、これらアクリル板を組合せることによりレンジシフタを通過するビームエネルギ、すなわち体内レンジを段階的に変化させることができる。
【００７０】
多葉コリメータ１５は、複数の鉄製板から構成され、ビーム軸を挟んで両側からこれら鉄板を入れその位置により、円板状に拡大されたビームを任意の形状になるように制限するものである。多葉コリメータ１５を通過するビーム形状は、患者の患部の形状に合うように多葉コリメータ１５が変形される。この多葉コリメータ１５の変形は、レンジシフタ７のアクリル板厚、つまり体内レンジ毎に行い、照射領域を患部形状に合わせる。
【００７１】
第２の実施の形態で用いられる３次元照射用のリッジフィルタの形状は、図２に示すように第１の実施の形態と同様である。
【００７２】
これらの各照射機器を用いて、以下の方法により３次元照射が行われる。
【００７３】
まず、患部をビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、最深スライスの位置に応じて粒子線ビームの入射エネルギとレンジシフタ７におけるアクリル板厚が選ばれる。
【００７４】
次に、最深スライスにおける患部形状に応じて多葉コリメータ１５が変形される。散乱体１３とワブラ磁石１４ａ，１４ｂにより、スポットビームは円形に拡大されるが、さらに多葉コリメータ１５によりこのスライスにおける患部形状に合致したビームに変形され、患部に照射される。
【００７５】
ワブラ磁石１４ａ，１４ｂにおいて、単エネルギであった粒子線ビームはリッジフィルタ１１によって、体内レンジ分布がスライス幅に対応するようにエネルギ分布が拡大される。
【００７６】
また、体内への照射線量は線量モニタ４により監視され、予定線量の照射を検出するとビームが停止され、レンジシフタ７におけるアクリル厚が変更され、次のスライス照射が行われる。これを順次繰返しながら３次元的に照射を行う。
【００７７】
上記第２の実施の形態で示した３次元照射装置により得られる深さ方向の線量分布は、第１の実施の形態で示したものと同様の線量分布となる。つまり、１スライスに対してブラッグピークが拡大された線量の深さ方向分布は、図３に示すように滑らかであり、且つブラッグピークより浅い側に比べて深い側は切れのよい形状となる。これらを全スライスに対して加算して得られる全線量に対する深さ方向の線量分布は、照射領域において一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい分布となる。
【００７８】
従って、上記のような構成の３次元照射装置を用いることにより、患部に対して精度よく、且つ患部最深部の切れがよくなることから、正常組織に対して被曝の少ない照射を行うことができる。
【００７９】
図６は本発明の第３の実施の形態を示す治療室に配置された３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置の概略構成図で、従来例で示した図１４と同一機器については同一符号を付して示す。
【００８０】
図６において、１は治療ベットであり、１６は３次元照射装置である。この３次元照射装置１６は、二重散乱体１７、線量モニタ４、位置モニタ５、リッジフィルタ１１、レンジシフタ７及び多葉コリメータ１５から構成されている。
【００８１】
次に図６で示した３次元照射装置の各機器の機能を説明する。
【００８２】
上記二重散乱体１７は、散乱体に入射するスポットビームＢのビーム幅を散乱体内部における散乱現象により拡大する働きをするものである。ここでは散乱体を二重に配置し、一重の場合よりもさらにビーム径を拡大することができ、第２の実施の形態におけるワブラ磁石と同等の働きをさせることが可能になる。
【００８３】
上記レンジシフタ７は、複数のアクリル板から構成され、これらのアクリル板を組み合わせることにより、レンジシフタ７を通過するビームエネルギ、即ち体内レンジを段階的に変化させるものである。
【００８４】
上記多葉コリメータ１５は、複数の鉄製板から構成され、ビーム軸を挟んで両側からこれら鉄板を入れその位置により、円板状に拡大されたビームを任意の形状になるように制限するものである。
【００８５】
第３の実施の形態で用いられる３次元照射用のリッジフィルタの形状は、図２に示すように第１の実施の形態と同様である。
【００８６】
これらの各照射機器を用いて、以下の方法により３次元照射が行われる。
【００８７】
まず、患部をビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、最深スライスの位置に応じて粒子線ビームの入射エネルギとレンジシフタ７におけるアクリル板厚が選ばれる。
【００８８】
次に、最深スライスにおける患部形状に応じて多葉コリメータ１５が変形される。二重散乱体１７によりスポットビームは円形に拡大されるが、さらに多葉コリメータ１５によりこのスライスにおける患部形状に合致したビームに変形されて患部に照射される。二重散乱体１７において単エネルギであった粒子線ビームは、リッジフィルタ１１によって、体内レンジ分布がスライス幅に対応するようにエネルギ分布が拡大されている。
【００８９】
また、体内への照射線量は線量モニタ４により監視され、予定線量の照射を検出するとビームが停止され、レンジシフタ７におけるアクリル厚が変更され、次のスライス照射が行われる。これを順次繰返すことで３次元的に照射を行う。
【００９０】
上記第３の実施の形態で示した３次元照射装置において得られるところの線量分布は、第１の実施の形態で示したものと同様の線量分布となる。つまり、１スライスに対してブラッグピークが拡大された線量の深さ方向分布は、図３に示すように滑らかであり、且つブラッグピークより浅い側に比べて深い側は切れのよい形状となる。これらを全スライスに対して加え合せることで得られる全線量に対する深さ方向の線量分布は、照射領域において一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい分布となる。
【００９１】
従って、上記のような構成の３次元照射装置を用いることにより、患部に対して精度よく、且つ患部最深部の切れがよくなることから、正常組織に対して被曝の少ない照射を行うことができる。
【００９２】
前述した第１の実施の形態乃至第３の実施の形態では、図２に示すような形状のリッジフィルタを使用した例について説明したが、図７に示すような形状のリッジフィルタを使用してもよい。
【００９３】
図７においては、厚さが最小になる位置Ｘｓから位置Ｘｒまでがｄ２Ｚ／ｄＸ２＝０、つまり傾きが一定になっている。この場合、傾きが一定になっている範囲の中心位置をＸｐと考える。図７のリッジフィルタを用いたとき、重み付け関数は図８に示すように重みが最大になるところでは、ある深さ範囲重みが一定であり、それより深い側では重み付けがゼロになり、浅い側では緩やかに減少している。つまり、重みの最大値の半分になる体内位置のうち、浅い側をＺｆ、深い側をＺｅとするとき、
｜Ｚｅ−Ｚｍ｜＜｜Ｚｆ−Ｚｍ｜
を満たしている。このような場合であっても、全スライスについて加算することで得られる全線量に対する深さ方向線量分布は、照射領域において一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい分布となる。
【００９４】
前述した第１の実施の形態乃至第３の実施の形態において、リッジフィルタの形状に対して変曲点を、厚さ関数Ｚ（Ｘ）のＸによる微分式に対して
ｄ２Ｚ／ｄＸ２＝０
にて定義した。しかし、現実には機械加工のし易さから、棒片は細かな階段状に加工して製作され、上述の定義付けができないことがある。
【００９５】
そこで、そのような場合には、厚さ関数Ｚ（Ｘ）の代わりに、階段状に加工した段の中心を（ｘｉ，ｚｉ）とし、Δｚ（ｉ）＝［ｚ（ｉ）−ｚ（ｉ−１）］、Δｘ（ｉ）＝［ｘ（ｉ）−ｘ（ｉ−１）］とする。そして、［Δｚ（ｉ＋１）／Δｘ（ｉ＋１）−Δｚ（ｉ）／Δｘ（ｉ）］／Δｘ（ｉ）がゼロになる位置ｘｉを変曲点Ｘｐと定義する。ゼロになる位置が２つ以上ある場合は、これらの平均位置を変曲点Ｘｐと定義する。ゼロになる位置がない場合は、［Δｚ（ｉ＋１）／Δｘ（ｉ＋１）−Δｚ（ｉ）／Δｘ（ｉ）］／Δｘ（ｉ）をｉについて順に計算していったときに符号が変化する位置ｘｉを変曲点Ｘｐと定義する。
【００９６】
リッジフィルタの形状は、図２、図７で示した形状以外に、上述にて定義付けされた形状に当てはまる限り、任意の形状をとることができる。
【００９７】
また、前述した第１の実施の形態乃至第３の実施の形態では、それぞれスポットスキャニング法、ワブラ法、二重散乱法による３次元照射方法について示したが、その他の方法においても３次元的照射方法であれば、同様に実施できるものである。
【００９８】
図９は本発明の第４の実施の形態を示す治療室に配置された３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置を用いた粒子線治療装置の概略構成図で、図１と同一機器については同一符号を付して示す。
【００９９】
図９において、２０が治療室、２１は粒子線加速リング（図示せず）から治療室２０にビームを輸送するための粒子線輸送装置、１は治療室２０内に配置された治療ベット、２２は３次元照射装置である。
【０１００】
ここで、粒子線輸送装置２１は、例えば２つの偏向磁石２３，２４、２つの３連収束磁石２５，２６から構成されている。また、３次元照射装置２２は、スキャニング磁石３ａ，３ｂ、線量モニタ４、位置モニタ５、レンジシフタ７から構成されている。
【０１０１】
この第４の実施の形態では、図２の形状を持つリッジフィルタ１１が粒子線輸送装置２１の偏向磁石２４と３連収束磁石２６間に配置されている。
【０１０２】
本実施の形態において、３次元照射装置の各機器及びその機能については第１の実施の形態と同様なので、その説明を省略する。
【０１０３】
この実施の形態において、リッジフィルタ１１は粒子線輸送装置２１に配置されている。このときの利点は以下の通りである。
【０１０４】
リッジフィルタ１１は、スポットビームＢを形成する粒子線が、リッジフィルタを通過する場所によってリッジフィルタ材であるアルミを通過する厚さが異なることにより、通過ビームのエネルギ分布を広げる働きをする。
【０１０５】
リッジフィルタと患部が非常に近い場合、患部に照射されるビームのエネルギはそのままリッジフィルタの形状を患部に射影され、患部には縞状の体内レンジ分布となる。例えば、リッジフィルタの棒片の隙間からもれたビームの縞模様がそのまま患部に映し出されることになる。
【０１０６】
これはリッジフィルタと患部がある程度距離を離せば、リッジフィルタによる像は空間的に一様化され、問題はなくなるが、逆に距離を離し過ぎると、リッジフィルタにおける散乱の影響により患部に照射されるビームの径が拡大されて、ビーム軸と垂直方向に対する照射線量の切れが悪化してしまう。
【０１０７】
従って、リッジフィルタの配置位置は、最適化される必要があるが、他の照射機器、例えばレンジシフタとの干渉により配置位置が制限される場合が多い。
【０１０８】
ところが、図９に示すようにリッジフィルタ１１を粒子線輸送装置２１内に配置した場合、リッジフィルタと患部の距離を十分大きく保つことが可能となり、且つリッジフィルタにて散乱されたビームは、収束磁石により収束されるので、患部に照射されるビームの幅の拡大を抑制することが可能になる。
【０１０９】
さらに、本実施の形態では、リッジフィルタ１１を構成する棒片が位置ＸｓからＸｌの間に変曲点Ｘｐを持ち、さらに位置Ｘｓ，Ｘｌと変曲点Ｘｐの間には、
｜Ｘｐ−Ｘｓ｜＜｜Ｘｌ−Ｘｐ｜
の関係となっている。
【０１１０】
従って、１スライスに対してブラッグピークが拡大された線量の深さ方向分布は、図３に示すように滑らかであり、且つブラッグピークより浅い側は切れのよい形状となる。これらを全スライスに加算して得られる全線量に対する深さ方向の線量分布は照射領域において一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい分布となる。
【０１１１】
従って、上記のように構成された３次元照射装置を用いた粒子線治療装置によれば、一様性が高く、且つビーム軸に対して垂直方向の線量の切れがよくなると共に、患部最深部の切れがよい照射が可能になることから、正常組織に対して被曝の少ない照射を行うことができる。
【０１１２】
上記第４の実施の形態では、リッジフィルタ１１が粒子線輸送装置２１の偏向磁石２３と３連収束磁石２５との間に配置された例を示したが、粒子線輸送装置２１内の最も治療室側の収束磁石よりも加速器側であれば、任意の位置に配置することが可能である。
【０１１３】
図１０は本発明の第５の実施の形態を示す治療室に配置された３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置を用いた粒子線治療装置の概略構成図で、図１及び図９で示した機器と同一機器については同一符号を付して示す。
【０１１４】
図１０において、２０が治療室、２７は粒子線加速リング（図示せず）から治療室２０にビームを輸送するための粒子線輸送装置、１は治療室２０内に配置された治療ベット、２２は３次元照射装置である。
【０１１５】
粒子線輸送装置２７は、例えば２つの偏向磁石２３，２４、２つの３連収束磁石２５，２６から構成されている。また、３次元照射装置２２は、スキャニング磁石３ａ，３ｂ、線量モニタ４、位置モニタ５、レンジシフタ７から構成されている。
【０１１６】
本実施の形態において、３次元照射装置２２及び粒子線輸送装置の各機器及びその機能については、第１の実施の形態及び第４の実施の形態と同様なので、その説明を省略する。
【０１１７】
この実施の形態では、粒子線輸送装置２７の偏向磁石２４と３連収束磁石２６の間にアルミニウム製の非平行板からなるエネルギ分布拡大板２８を配置するものである。
【０１１８】
図１１はエネルギ分布拡大板２８の形状を表す図である。図１１において、ａは板の断面が例えば二等辺三角形の形状をしており、エネルギ分布拡大板を通過した粒子線ビームは、エネルギ分布拡大板２８を通過する位置によりエネルギの損失を変えることができる。
【０１１９】
エネルギ分布拡大板２８の直後では、ビーム断面上の位置により粒子エネルギが異なるが、３連収束磁石２６により収束されて患部に到達するときには、粒子エネルギはビーム断面内で一様化され、リッジフィルタと同様にエネルギ分布を生じさせることが可能になる。
【０１２０】
エネルギ分布拡大板２８の形状を表す図１１のｂはａに比べて内側に湾曲した形状を持つ。このとき、板厚の薄い領域を通過した粒子数の方が、板厚の厚い領域を通過した粒子数よりも多くなり、通過後のエネルギ分布、つまり体内でのレンジ分布は、図３で示した重み付けにより拡大したものと同等にすることができる。
【０１２１】
この実施の形態において、エネルギ分布拡大板２８はリッジフィルタと比較して簡単な形状をしているので、リッジフィルタよりも低コストにてリッジフィルタと同様の働きを行わせることが可能になる。また、エネルギ分布拡大板２８は３連収束磁石２６よりも加速器側に配置されているので、エネルギ分布拡大板２８により散乱された粒子線ビームは、３連収束磁石２６により収束されるので、患部に照射されるビームの径の拡大を抑制することが可能になる。
【０１２２】
また、エネルギ分布拡大板２８の形状を調整することにより、１スライスに対してブラッグピークの拡大された線量の深さ方向分布が滑らかであり、且つブラッグピークより浅い側に比べて深い側は切れのよい形状とすることができる。これを全スライスに加算して得られる全線量に対する深さ方向の線量分布は、照射領域において一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい分布となる。
【０１２３】
従って、上記のように構成された３次元照射装置を用いた粒子線治療装置によれば、患部最深部の切れがよい照射が可能になり、正常組織に対して被曝の少ない照射を行うことができる。
【０１２４】
上記第５の実施の形態では、エネルギ分布拡大板２８が、粒子線輸送装置２７の偏向磁石２４と３連収束磁石２６との間に配置された例を示したが、粒子線輸送装置２７内の最も治療室側の収束磁石よりも加速器側であれば、任意の位置に配置することが可能である。
【０１２５】
図１２は本発明の第６の実施の形態を示す治療室に配置された３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置を用いた粒子線治療装置の概略構成図で、図１及び図９と同一機器については同一符号を付して示す。
【０１２６】
図１２において、２０が治療室、２９は粒子線加速リング（図示せず）から治療室２０にビームを輸送するための粒子線輸送装置、１は治療室内に配置された治療ベット、２２は３次元照射装置である。
【０１２７】
ここで、粒子線輸送装置２９は、例えば２つの偏向磁石２３，２４、２つの３連収束磁石２５，２６から構成されている。また、３次元照射装置２２は、スキャニング磁石３、線量モニタ４、位置モニタ５、レンジシフタ７から構成されている。
【０１２８】
本実施の形態において、３次元照射装置２２及び粒子線輸送装置の各機器及びその機能については、第１の実施の形態及び第４の実施の形態と同様なので、その説明を省略する。
【０１２９】
この実施の形態では、アルミニウム製非平行板からなるエネルギ分布拡大板３０が粒子線輸送装置２９の２つの偏向磁石２３と２４との間に配置されている。
【０１３０】
図１３はエネルギ分布拡大板３０の形状を表す図である。図１３において示したエネルギ分布拡大板３０の形状は、いずれも加速器側に配置された偏向磁石２３においてビームの偏向する方向として定義される側の板厚が、ビーム中心軸の板厚よりも厚くなっている。
【０１３１】
図１３に示したエネルギ分布拡大板３０は、次のような機能を有している。
【０１３２】
偏向磁石２３に入射した粒子線は、ビーム自体が持つ小さなエネルギ広がりにより、偏向磁石２３から出射されるとき偏向方向に位置広がりを形成する。つまり、エネルギ（運動量）が大きい粒子は、偏向磁石２３内にてより内側の軌道を通り、逆にエネルギ（運動量）が小さい粒子は、偏向磁石２３にてより内側の軌道を通ることになる。このとき、加速器側に配置された偏向磁石２３においてビームが偏向する方向として定義される側には、よりエネルギの低い粒子が到達する。このエネルギの低い粒子は図１３で示したエネルギ分布拡大板３０の板厚の大きい領域を通過して多くのエネルギを損失し、さらにエネルギが低下することになる。
【０１３３】
図１３で示したエネルギ分布拡大板を使用することにより、板厚の薄い領域を通過した粒子数の方が、板厚の厚い領域を通過した粒子数よりも多くなる。つまり、エネルギによって分離されたビーム中の粒子を選別してエネルギの減衰を行うことが可能となり、より効果的に必要なエネルギ分布を持つビームを生成することができる。
【０１３４】
本実施の形態において、エネルギ分布拡大板３０はリッジフィルタと比較して簡単な形状をしているので、リッジフィルタよりも低コストにてリッジフィルタと同様の働きを行わせることが可能になる。従って、より低コストにて、１スライスに対してブラッグピークの拡大された線量の深さ方向分布が滑らかであり、且つブラッグピークより浅い側に比べて深い側は切れのよい形状とすることができる。これらを全スライスに加算して得られる全線量に対する深さ方向線量分布は、照射領域において一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい分布となる。
【０１３５】
従って、上記のように構成された３次元照射装置を用いた粒子線治療装置によれば、低コストで、ビーム軸に対して垂直方向の線量の切れがよい照射が可能になり、正常組織に対して被曝の少ない照射を行うことができる。
【０１３６】
上述した第４の実施の形態乃至第６の実施の形態では、スポットスキャニング方による３次元照射方について述べたが、３次元ワグラ法や３次元二重散乱体法など、他の３次元照射方法においても前述同様に適用することが可能である。
【０１３７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、１スライスに対してブラッグピークが拡大された線量の深さ方向分布は滑らかで、且つブラッグピークより浅い側に比べて深い側は切れのよい形状となり、これらを全スライスに加算して得られる全線量に対する深さ方向線量分布は、照射領域において一様性が高く、且つ照射領域の最深部の切れのよい分布となるので、患部に対して精度よく、且つ患部最深部の切れがよくなることから、正常組織に対して被曝の少ない照射を行うことができる粒子線ビーム照射方法及びその装置並びに粒子線治療装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置の概略構成図。
【図２】同実施の形態における３次元照射用リッジフィルタの形状を示す図。
【図３】同実施の形態における一スライス照射における深さ方向線量分布と、重み付け関数を表す図。
【図４】同実施の形態における全スラスト照射に対して加算した深さ方向線量分布を表す図。、
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す３次元ワブラ法用の３次元照射装置の概略構成図。
【図６】本発明の第３の実施の形態を示す３次元二重散乱体法用の３次元照射装置の概略構成図。
【図７】本発明の他のリッジフィルタの形状を示す図。
【図８】図７のリッジフィルタによる重み付け関数を示す図。
【図９】本発明の第４の実施の形態を示す３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置の概略構成図。
【図１０】本発明の第５の実施の形態を示すスポットスキャニング法用の３次元照射装置の概略構成図。
【図１１】同実施の形態におけるエネルギ分布拡大板の形状を示す図。
【図１２】本発明の第６の実施の形態を示すスポットスキャニング法用の３次元照射装置の概略構成図。
【図１３】同実施の形態におけるエネルギ分布拡大板の形状を示す図。
【図１４】従来例における３次元スポットスキャニング法用の三次元照射装置。
【図１５】単エネルギ粒子線ビームの体内深さ方向線量分布を表す図。
【図１６】従来例における３次元照射用リッジフィルタの形状を示す図。
【図１７】従来例における１スライス照射における深さ方向線量分布と重み付け関数を表す図。
【図１８】従来例における全スライス照射に対して加算された深さ方向線量分布を表す図。
【符号の説明】
１……治療ベッド
２，１０，１６，２２……３次元照射装置
３ａ，３ｂ……スキャニング磁石
４……線量モニタ
５……位置モニタ
６，１１……リッジフィルタ
７……レンジシフタ
１３……散乱体
１４……ワブラ磁石
１５……多葉コリメータ
１７……二重散乱体
２０……治療室
２１，２７，２９……粒子線輸送装置
２３，２４……偏向磁石
２５，２６……３連収束磁石
２８，３０……エネルギ分布拡大板
Claims (8)
- 粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた粒子線照射装置において、
前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒状の形状関数が前記ブラッグピークを深さ方向に非対称に重み付けして拡大するように構成されたことを特徴とする粒子線照射装置。 - 粒子線ビームを走査するための走査磁石と、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた３次元照射の粒子線照射装置において、
前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒状の形状関数が前記ブラッグピークを深さ方向に非対称に重み付けして拡大するように構成されたことを特徴とする粒子線照射装置。 - 粒子線ビームを２次元的に拡大するための散乱体と、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた３次元照射の粒子線照射装置において、
前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒状の形状関数が前記ブラッグピークを深さ方向に非対称に重み付けして拡大するように構成されたことを特徴とする粒子線照射装置。 - 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の粒子線照射装置において、前記重み付けとして、重みの最大になる体内位置をＺｍ、重みの最大値の半分になる体内位置のうち浅い側をＺｆ、深い側をＺｅとするとき、
｜Ｚｅ−Ｚｍ｜＜｜Ｚｆ−Ｚｍ｜
で表される重み付けとしたことを特徴とする粒子線照射装置。 - 粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒片の形状関数が厚さ最小の位置から最大の位置までに変曲点を持ち、しかも厚さ最小の位置から変曲点までの距離が厚さ最大の位置から変曲点までの距離よりも小さくなるように構成されたことを特徴とする粒子線照射装置。
- 粒子線ビームを走査するための走査磁石と、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた３次元照射の粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒片の形状関数が厚さ最小の位置から最大の位置までに変曲点を持ち、しかも厚さ最小の位置から変曲点までの距離が厚さ最大の位置から変曲点までの距離よりも小さくなるように構成されたことを特徴とする粒子線照射装置。
- 粒子線ビームを２次元的に拡大するための散乱体と、粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構と、各エネルギに対して体内の深さ方向に形成される粒子線ビームの線量分布におけるブラッグピークを拡大するためのリッジフィルタとを備えた３次元照射の粒子線照射装置において、前記リッジフィルタは、複数の棒片が並設され、且つ各棒片の形状関数が厚さ最小の位置から最大の位置までに変曲点を持ち、しかも厚さ最小の位置から変曲点までの距離が厚さ最大の位置から変曲点までの距離よりも小さくなるように構成されたことを特徴とする粒子線照射装置。
- 請求項１乃至請求項７のいずれかの項に記載の粒子線照射装置において、前記粒子線ビームのエネルギを複数に切替える機構として、レンジシフタを用いたことを特徴とする粒子線照射装置。
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