JP4282198B2 - 粒子線照射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子加速器から出射される粒子線の照射装置において、特に粒子線治療装置に用いられる照射装置に関する。
【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。この方法は、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】
現在主として使用されている粒子線治療の照射方法は、ワブラ法や二重散乱体法などと呼ばれる２次元照射方法であるが、粒子線治療のさらに進んだ治療法として、スポットビームの照射位置を３次元的に走査することにより、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、一部実用化されている。
【０００４】
この３次元照射法として代表的なものが、３次元スポットスキャニング法や３次元ラスタ法と呼ばれるものである。一般にスポットスキャニング法は、照射スポットを明確に区切り、照射停止中に照射位置の走査を行うものであり、またラスタ法は、照射スポットの区切りが明確でないという違いがある。
【０００５】
これらの３次元照射方法によれば、照射領域を精度よ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爆を抑制することができる。
【０００６】
以下、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１１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１１において、１は治療ベッドであり、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、レンジシフタ７、制御計算機８から構成されている。
【０００８】
次に、図１１で示した３次元照射装置の各機器の構成と機能を説明する。
【０００９】
スキャニング磁石３ａ，３ｂは、スキャニング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】
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。このレンジシフタ７は、厚さの異なる複数のアクリル板から構成されており、これらアクリル板を適宜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ー、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。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距離をもって切替えられる。
【００１１】
単エネルギー粒子線ビームの体内深さ方向の線量分布は、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、レンジシフタによって切替えられる体内レンジの間隔距離に対応するように単エネルギーの粒子線ビームの体内レンジを拡大する。
【００１２】
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、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識別するためのものである。
【００１３】
制御計算機８は、これら各機器の設定を制御するものである。
【００１４】
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。
【００１５】
制御計算機８に保持された照射パターンテーブルには、スポット位置（Ｘi、Ｙi、Ｚ）、照射線量（Ｄi）が書込まれている。この照射パターンテーブルに基づきスポット照射が行われる。
【００１６】
最深スライスの位置（Ｚi）に応じて粒子線ビームの入射エネルギーとレンジシフタ７におけるアクリル板厚が選ばれる。
【００１７】
次に、最深スライスに対して、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において単エネルギー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エネルギー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（Ｄi）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。
【００１８】
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（Ｚi+1）の照射が行われる。これをスライス毎に順次繰り返すことで３次元的に照射を行う。
【００１９】
上述したように３次元照射において、照射パターンは患部形状および照射方向に応じて決められる。照射パターンの形成は治療計画と呼ばれ、たとえばＸ線ＣＴ撮影などの方法により患部を同定し、治療計画ソフトウェアを用いて執り行われる。この治療計画により各スポットにおける３次元照射位置（Ｘi、Ｙi、Ｚi）と照射線量（Ｄi）があらかじめテーブル化され、制御計算機８に取り込まれる。
【００２０】
制御計算機８では、３次元照射位置のうち、ビーム軸垂直方向位置（Ｘi、Ｙi）は磁石の電流値に、ビーム軸方向位置Ｚi、すなわち体内飛程はレンジシフタ厚に変換されて、各照射機器の制御を行う。
【００２１】
以上のように体内患部に対して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、精度よく患部の形状並びに大きさに合致させて照射を行うことが可能になる。
【００２２】
ところが、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。
照射ビームは、ビーム軸方向位置Ｚi制御のためのレンジシフタにより散乱されるため、患部内のスポット位置におけるビーム径がレンジシフタの厚さに依存して変化してしまう。たとえば、患部の深部に照射する場合は、薄いレンジシフタを使用するために散乱の影響が小さくビーム径の広がりも小さいのに対して、患部の浅部に照射する場合は、厚いレンジシフタを使用するためビーム径の広がりが大きくなってしまう。
【００２３】
しかし、現状の治療計画ソフトウェアは、簡単化のため、ビーム径は同一のものとして照射パターンを作成するように作られている。したがって、治療計画により形成された照射パターンにしたがって照射を行うと、計画したような一様性のある照射ができないという問題がある。また、ビーム径の変化を取り込んだ治療計画ソフトウェアの製作は、アルゴリズムが複雑なため、非常に困難である。
【００２４】
一方、前述したように３次元的に一様な照射線量分布を形成するためには、各スポットにおけるビーム径は同一であることが望ましいが、ビーム軸に垂直な面におけるスポット同士の間隔よりビーム径が小さくなると、この面内の照射線量分布には凹凸が生じ、もはや均一な分布とはならない。
【００２５】
この凹凸を避けるために、図１２に示すようにスポット間隔に応じて、ある程度のビーム径を持つスポットビームを照射することが行われる。しかしながら、ビーム径の大きいスポットビームを照射すると、照射領域境界における線量分布の切れが悪くなり、本来照射する必要のない領域の組織まで被爆させ、正常組織にダメージを与えてしまうことになる。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の３次元的照射方法では、レンジシフタによる散乱のため、患部内のスポット位置におけるビーム径がレンジシフタの厚さに依存して変化してしまい、計画したような一様性のある照射ができないという問題があった。
【００２７】
さらに、ビーム径の大きいスポットビームを照射するために、照射領域境界における線量分布の切れが悪くなり、本来照射する必要のない領域の組織まで被爆させ、正常組織にダメージを与えてしまうという問題があった。
【００２８】
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、患部内のスポット位置ごとにビーム径が調整できて照射領域にわたって一様化され、かつ、照射領域境界における線量の切れを良好にできる粒子線照射装置を提供することを目的とする。
【００２９】
【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粒子線照射装置を構成する。
【００３２】
請求項１に対応する発明は、粒子線スポットビームのエネルギーを複数に切替える機構と、前記粒子線の照射位置を切替える機構と、前記粒子線スポットビームのエネルギーと前記照射位置を被照射部位の形状並びに大きさに合致するように順次制御する制御計算機とを備えた３次元粒子線照射装置において、スポットビーム径を複数に切替え可能なビーム径調整機構と、前記エネルギー又は３次元照射位置のうちのビーム軸方向位置或いはエネルギー切替え機構の状態をパラメータの一つとして、スポットビーム径が同じになるように前記ビーム径調整機構を制御する機構とを設ける。
【００３３】
請求項２に対応する発明は、粒子線スポットビームのエネルギーを複数に切替える機構と、前記粒子線の照射位置を切替える機構と、前記粒子線スポットビームのエネルギーと前記照射位置を被照射部位の形状並びに大きさに合致するように順次制御する制御計算機とを備えた３次元粒子線照射装置において、スポットビーム径を複数に切替え可能なビーム径調整機構と、予め照射領域が複数のグループに分けられ、かつ照射領域境界近傍にあるスポット位置がグループの一つとして設定され、前記照射領域境界近傍にあるスポット位置を照射するスポットビームの径を照射領域中央部位置のスポットを照射するスポットビームの径と比較して小さくなるように前記ビーム径調整機構を制御する機構とを設ける。
【００３４】
請求項５に対応する発明は、請求項４に対応する発明の粒子線照射方法において、前記グループとして、照射領域境界近傍にあるスポット位置をグループの一つとして設定し、前記境界近傍スポットを照射するスポットビームの径を照射領域中央部位置のスポットと比較して小さくなるように制御して照射を行う。
【００３５】
請求項６に対応する発明は、粒子線スポットビームのエネルギーと位置を順次制御して被照射部位の形状並びに大きさに合致するように３次元照射を行う粒子線照射方法において、照射領域を複数のグループに分け、同一グループ内にあるスポットから順次照射を行う。
【００３６】
請求項３に対応する発明は、粒子線スポットビームのエネルギーを複数に切替える機構と、前記粒子線の照射位置を切替える機構と、前記粒子線スポットビームのエネルギーと前記照射位置を被照射部位の形状並びに大きさに合致するように順次制御する制御計算機と、スポットビーム径を複数に切替え可能なビーム径調整機構と、スラスト位置（Ｚ）を含む３次元照射位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と照射線量およびビーム径に関するデータからなり前記制御計算機に送られる照射パターンテーブルと、有する３次元粒子照射装置であって、前記照射パターンテーブルでは、スライス位置（Ｚ）毎に照射領域が照射領域境界近傍とその他の領域とにグループ分けされ、同一グループ内ではビーム径を同一としかつ照射領域境界近傍グループのビーム径に比べてその他の領域グループのビーム径が小さく設定されてなり、さらに前記照射領域境界近傍のグループから、その他の領域グループにスポット照射位置が移行するとビーム径が変更するように前記ビーム径調整機構を制御する機構を有する。
【００４６】
従って、上記のような発明によれば、ビーム径調整機構により、レンジシフタや体内における粒子線ビーム散乱の影響を除外し、３次元的な照射位置によらない同一なビーム径を簡単に得ることが可能になる。
【００４７】
ここで、ビーム径調整機構の制御は、レンジシフタ厚か、レンジシフタ厚を与えるビーム軸方向照射位置あるいはエネルギー値をパラメータとして演算され、とり行われる。
【００４８】
したがって、３次元的照射領域にわたって均一で精度よい照射が、簡単に行うことが可能になる。
【００４９】
また、３次元照射テーブルのパラメータとして、照射線量、３次元照射位置の他に、スポット径を含んでおり、照射スポットごとにスポット径を変更して照射することが可能になる。このため、たとえば、境界近傍のスポット位置のビーム径を中央部のスポット位置に比べて小さくすることができる。
【００５０】
よって、照射領域にわたって照射線量が均一、かつ、照射領域境界での照射線量の切れがよい照射が可能になり、正常組織への被爆を低減することができる。
【００５１】
【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。
【００５２】
図１は本発明の第１の実施の形態としてゴアを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次元照射装置を示す概略構成図で、従来例で示した図１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
【００５３】
図１において、１が治療ベッドであり、１０が３次元照射装置である。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６、レンジシフタ７、制御計算機８及び散乱体装置９から構成されている。
【００５４】
次に、図１で示した３次元照射装置の各機器の構成と機能を説明する。
【００５５】
上記スキャニング磁石３ａ，３ｂは、スキャニング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。ここで、スキャニング磁石３ａおよび３ｂは、それぞれビームをＸ方向に走査するＸ方向スキャニング磁石およびＹ方向に走査するＹ方向スキャニング磁石である。
【００５６】
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、厚さの異なる複数枚のアクリル板から構成されており、これらアクリル板の組合せによりレンジシフタを通過するビームエネルギー、すなわち体内レンジを段階的に変化させるものである。
【００５７】
上記リッジフィルタ６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ーの粒子線ビームの体内レンジを拡大するものである。
【００５８】
上記散乱体装置９は、金、鉛、アルミニウム等の金属膜、あるいはポリイミド等の有機膜からなり、複数枚の厚さの異なる有機膜で構成されている。この散乱体装置９は、その材質および厚さを変更することにより、スポットビームの体内位置におけるスポット径を調整できるものである。
【００５９】
上記制御計算機８は、これら各機器の設定を制御するものである。
【００６０】
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。
【００６１】
いま、図示しない治療計画計算機から制御計算機８に送られてくる照射パターンテーブルには、スポット位置（Ｘi、Ｙi、Ｚi）、照射線量（Ｄi）が書込まれているものとする。この照射パターンテーブルに基づきスポット照射が次のように行われる。
【００６２】
まず、最深スライスの位置（Ｚi）に応じて粒子線ビームの入射エネルギーとレンジシフタ７におけるアクリル板厚が選ばれる。このとき、同時に散乱体装置９の膜の設定が行われる。次に、最深スライスに対して、位置（Ｘi、Ｙi）［ｉ=１〜ｎ］が選ばれ、スキャニング磁石３ａ，３ｂにより、これら位置（Ｘi、Ｙi）に照射される。リッジフィルタ６によって、単エネルギーであった粒子線ビームは、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ー分布が拡大されている。
【００６３】
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（Ｄi）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と散乱体の膜設定が変更され、次のスライス（Ｚi+1）の照射が行われる。これをスライス毎に順次繰り返すことで３次元的に照射を行う。
【００６４】
この３次元照射では、スライス位置（Ｚi）と散乱体の膜設定の対応は、どのスライス位置（Ｚi）においてもビーム径が同じになるように、予備実験あるいは計算により予め決められている。
【００６５】
したがって、レンジシフタ７による散乱の影響および体内散乱の影響が取り除かれることになる。よって、ビーム径を同一のものとして照射パターンを作成された治療計画を用いても、計画通りに均一な照射が可能になる。つまり、がん細胞を効果的に死滅させ、正常細胞に対するダメージが低減され得る治療を行うことができるようになる。
【００６６】
この実施の形態では、散乱体の膜設定は、スライス位置（Ｚi）をパラメータとして行っているが、体内へ入射するスポットビームのエネルギー調節機構であるレンジシフタ７の厚さをパラメータとして行ってもよい。また、治療前の段階で、例えば制御計算機８が治療計画データを受信した段階で、散乱体の膜設定値を求め、照射パターンを記したデータテーブル内に予め書き込んでおいてもよい。
【００６７】
図２は本発明の第２の実施の形態として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１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
【００６８】
図２において、１が治療ベッドであり、１１が３次元照射装置である。３次元照射装置１１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、レンジシフタ７、制御計算機８および収束電磁石１２から構成されている。
【００６９】
次に、図２で示した３次元照射装置の各機器の構成と機能を説明する。
【００７０】
上記スキャニング磁石３ａ，３ｂは、スキャニング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。
【００７１】
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。
【００７２】
上記リッジフィルタ６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ーの粒子線ビームの体内レンジを拡大するものである。
【００７３】
上記収束電磁石１２は、コイル内の電流量を変更することにより磁束強度を変えることができ、スポットビームの体内位置におけるスポット径を調整することができる。
【００７４】
制御計算機８は、これら各機器の設定を制御するものである。
【００７５】
図２で示した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。
【００７６】
いま、図示しない治療計画計算機から制御計算機８に送られてくる照射パターンテーブルには、スポット位置（Ｘi、Ｙi、Ｚi）、照射線量（Ｄi）が書込まれているものとする。この照射パターンテーブルに基づきスポット照射が次のように行われる。
【００７７】
まず、最深スライスの位置（Ｚi）に応じて粒子線ビームの入射エネルギーとレンジシフタ７におけるアクリル板厚が選ばれる。このとき、同時に収束電磁石１２の電流値の設定が行われる。次に、最深スライスに対して、位置（Ｘi、Ｙi）［ｉ=１〜ｎ］が選ばれ、スキャニング磁石３ａ，３ｂによりこれら位置（Ｘi、Ｙi）に照射される。リッジフィルタ６によって、単エネルギーであった粒子線ビームは、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ー分布が拡大されている。
【００７８】
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（Ｄi）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と収束電磁石１２の電流値が変更され、次のスライス（Ｚi+1）の照射が行われる。これをスライス毎に順次繰り返すことで３次元的に照射を行う。
【００７９】
この３次元照射では、スライス位置（Ｚi）と電磁石の電流値の対応は、どのスライス位置（Ｚi）においてもビーム径が同じになるように、予備実験あるいは計算により予め決められている。
【００８０】
したがって、レンジシフタ７による散乱の影響および体内散乱の影響が取り除かれることになる。よって、ビーム径を同一のものとして照射パターンを作成された治療計画を用いても、計画通りに均一な照射が可能になる。つまり、がん細胞を効果的に死滅させ、正常細胞に対するダメージが低減されうる治療を行うことができるようになる。
【００８１】
この実施例では、収束電磁石１２の電流値設定は、スライス位置（Ｚi）をパラメータとして行っているが、体内へ入射するスポットビームのエネルギー調節機構であるレンジシフタ７の厚さをパラメータとして行ってもよい。また、治療前の段階で、例えば制御計算機が治療計画データを受信した段階で、電流設定値を求め、照射パターンを記したデータテーブル内に予め書き込んでおいてもよい。
【００８２】
図３は本発明の第３の実施の形態として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１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
【００８３】
図３において、１は治療ベッドであり、１３は３次元照射装置である。３次元照射装置１３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、制御計算機８および散乱体装置９から構成されている。
【００８４】
図３で示した３次元照射装置の各機器の構成と機能は、図１における第１の実施の形態と同様なので、ここではその説明を省略する。ただし、図３で示した３次元照射装置１３では、レンジシフタを備えておらず、スポットビームのエネルギーの変更は、照射装置１３の上流に配置された図示しない加速器、またはビーム輸送系にてとり行われる。
【００８５】
図３で示した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。
【００８６】
いま、図示しない治療計画計算機から制御計算機８に送られてくる照射パターンテーブルには、スポット位置（Ｘi、Ｙi、Ｚi）、照射線量（Ｄi）が書込まれているものとする。この照射パターンテーブルに基づきスポット照射が次のように行われる。
【００８７】
まず、最深スライスの位置（Ｚi）に応じて粒子線ビームのエネルギーが選ばれ、エネルギーが調整された粒子線ビームが３次元照射装置に導入される。このとき、同時に散乱体装置９の膜の設定が行われる。次に、最深スライスに対して、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。リッジフィルタ６によって、単エネルギーであった粒子線ビームは、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ー分布が拡大されている。
【００８８】
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（Ｄi）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、制御計算機８はエネルギー変更命令を加速器またはビーム輸送系の制御装置に送信してビームエネルギーが変更され、また散乱体装置９の膜設定が変更されて、次のスライス（Ｚi+1）の照射が行われる。これをスライス毎に順次繰り返すことで３次元的に照射を行う。
【００８９】
この３次元照射では、スライス位置（Ｚi）と散乱体装置９の膜設定の対応は、どのスライス位置（Ｚi）においてもビーム径が同じになるように、予備実験あるいは計算により予め決められている。
【００９０】
ここで示したビーム径調整は、ビーム輸送系においてビーム径を調整する場合よりも簡単かつ短時間にでき、かつ体内散乱の影響の除去も行うことが可能である。よって、患者を固定する時間が短くなって患者の負担が低減されるとともに、治療計画通りに均一な照射が可能になる。
【００９１】
この実施の形態では、散乱体装置９の膜設定は、スライス位置（Ｚi）をパラメータとして行っているが、体内へ入射するスポットビームのエネルギーをパラメータとして行ってもよい。また、治療前の段階で、例えば制御計算機８が治療計画データを受信した段階で、散乱体装置９の膜設定値を求め、照射パターンが書込まれたデータテーブル内に予め書込んでおいてもよい。
【００９２】
図４は本発明の第４の実施の形態として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１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
【００９３】
図４において、１４が治療ベッドであり、１５が３次元照射装置である。治療ベット１４は図示しない駆動機構によりスポットビームの体内照射位置をＸ方向およびＹ方向に移動可能になっている。３次元照射装置１５は、線量モニタ４、位置モニタ５、リッジフィルタ６、レンジシフタ７、制御計算機８および散乱体装置９から構成されている。
【００９４】
図４で示した３次元照射装置の各機器の構成と機能は、図１における第１の実施例と同様なので、ここではその説明を省略する。ただし、図４で示した３次元照射装置１５では、スキャニング磁石を備えておらず、スポットビームの体内照射位置の変更は、治療ベッド１４に取り付けた駆動機構を用いて変更される。
【００９５】
図４で示した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。
【００９６】
いま、図示しない治療計画計算機から制御計算機８に送られてくる照射パターンテーブルには、スポット位置（Ｘi、Ｙi、Ｚi）、照射線量（Ｄi）が書込まれているものとする。この照射パターンテーブルに基づきスポット照射が次のように行われる。
【００９７】
まず、最深スライスの位置（Ｚi）に応じて粒子線ビームの入射エネルギーとレンジシフタ７におけるアクリル板厚が選ばれる。このとき、同時に散乱体装置９の膜の設定が行われる。次に、最深スライスに対して、位置（Ｘi、Ｙi）［ｉ=１〜ｎ］が選ばれ、治療ベッド１４を図示しない駆動機構により移動させることにより、これらの位置（Ｘi、Ｙi）に照射される。３次元照射装置１５の入口で単エネルギー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エネルギー分布が拡大されている。
【００９８】
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（Ｄi）の照射を検出するとビームが停止され、治療ベッド１４の移動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と散乱体装置の膜設定が変更され、次のスライス（Ｚi+1）の照射が行われる。これをスライス毎に順次繰り返すことで３次元的に照射を行う。
【００９９】
この３次元照射では、スライス位置（Ｚi）と散乱体装置の膜設定の対応は、どのスライス位置（Ｚi）においてもビーム径が同じになるように、予備実験あるいは計算により予め決められている。
【０１００】
したがって、レンジシフタ７による散乱の影響および体内散乱の影響が取り除かれることになる。よって、ビーム径を同一のものとして照射パターンが作成された治療計画を用いても、計画通りに均一な照射が可能になる。つまり、がん細胞を効果的に死滅させ、正常細胞に対するダメージが低減され得る治療を行うことができる。
【０１０１】
この実施の形態では、散乱体装置９の膜設定は、スライス位置（Ｚi）をパラメータとして行っているが、体内へ入射するスポットビームのエネルギーをパラメータとして行ってもよい。また、治療前の段階で、例えば制御計算機が治療計画データを受信した段階で、散乱体装置の膜設定値を求め、照射パターンを記したデータテーブル内に予め書込んでおいてもよい。
【０１０２】
次に本発明の第５の実施の形態を説明するに、その装置構成は第１の実施の形態と同様なので、ここでは図１を用いて述べる。
【０１０３】
本実施の形態において、図示しない治療計画計算機から制御計算機８に送られてくる照射パターンテーブルには、スポット位置（Ｘi、Ｙi、Ｚi）、照射線量（Ｄi）、さらにビーム径（Ｒi）が書込まれている。ここで、スポット位置は、治療計画の段階で、図５で示すように各スライス毎、すなわちＺi毎に、照射領域境界近傍とその他の領域とにグループ分けされ、スポット位置がグループ毎に並べ替えられており、境界近傍のグループに入るスポットの径はその他のグループのスポットの径に比べて小さく設定されている。
【０１０４】
本発明において、以下の方法により３次元照射が次のように行われる。
【０１０５】
まず、最深スライスの位置（Ｚi）に応じて粒子線ビームの入射エネルギーとレンジシフタ７におけるアクリル板厚が選ばれる。このとき、照射パターンテーブルのビーム径（Ｒi）に対応して散乱体装置９の膜の設定が行われる。次に、最深スライス上における位置（Ｘi、Ｙi）のスポット照射が行われる。ここで、スポット位置（Ｘi、Ｙi）は、照射領域境界近傍と、照射領域中央面（以下その他の領域）とに分けられ、初めに照射領域境界近傍のグループに属するスポットから照射される。このグループにおいては、設定されるビーム径Ｒiは同一である。
【０１０６】
このグループのスポット照射が終わると、他のグループのスポット位置に移り、ビーム径Ｒiを変更した後照射が行われる。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と散乱体装置の膜設定が変更され、次のスライス（Ｚi+1）の照射が行われる。これをスライス毎に順次繰り返すことで３次元的に照射を行う。
【０１０７】
この実施の形態においては、照射領域近傍境界のスポットの径が、他の領域に比べて小さくなるように制御されている。したがって、図６に示すように、照射領域境界における照射線量の切れをよくすることができる。
【０１０８】
したがって、照射領域境界周辺に対する被爆を低減でき、正常細胞のダメージを抑制することができる。
【０１０９】
さらに、照射領域境界近傍に位置するスポット位置のグループから順次照射することにより、ビーム径Ｒiを変更する回数を少なくすることができ、散乱体装置９の膜変更に伴うデッドタイムを減少させることができる。
【０１１０】
したがって、治療時間が短縮でき、患者を治療ベッド、あるいは治療いすに長時間固定することに伴う苦痛を抑制することが可能になる。
【０１１１】
この実施の形態のように、照射パターンテーブルにビーム径をパラメータとして保持することにより、照射パターンの任意性を拡大でき、複雑な患部形状に対しても、均一かつ照射領域周辺の線量を低減する照射を実現することが可能になる。
【０１１２】
図６で示した照射領域は、患部中央部まで治療領域が存在する場合について示したが、患部によっては、中央部に正常細胞が存在する場合もある。このような場合には、照射領域周辺部の他に中央部の正常細胞との境界近傍についても、ビーム径の小さいビームを照射することにより正常細胞への被爆を低減することができる。
【０１１３】
この実施の形態では、ビーム径の調整を散乱体からなる調整機構により行っているが、その他収束電磁石からなるビーム径調整機構を配置して同様のビーム径を調整しながら照射を行うことにより、同様の効果を達成することが可能である。
【０１１４】
図７は本発明の第６の実施の形態として治療室に配置された粒子線照射装置の概略構成図で、従来例で示した図１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
【０１１５】
図７において、１は治療ベッドであり、１６は粒子線照射装置である。粒子線照射装置１６は、偏向磁石１７ａ，１７ｂ、線量モニタ４、位置モニタ５、レンジシフタ７、制御計算機８および散乱体装置９から構成されている。
【０１１６】
次に、図７で示した３次元照射装置の各機器の構成と機能を説明する。
【０１１７】
上記偏向磁石１７ａ，１７ｂは、スキャニング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）にビームを偏向する。
【０１１８】
ここで、偏向磁石１７ａおよび１７ｂは、それぞれビームをＸ方向に偏向するＸ方向偏向磁石およびＹ方向に偏向するＹ方向偏向磁石である。
【０１１９】
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。このレンジシフタ７は、厚さの異なる複数枚のアクリル板から構成されており、これらのアクリル板を適宜組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ー、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。
【０１２０】
上記散乱体装置９は、金、鉛、アルミニウム等の金属膜あるいはポリイミド等の有機膜からなり、複数枚の厚さの異なる有機膜で構成されている。この散乱体装置９における材質および厚さを変更することにより、スポットビームの体内位置におけるスポット径を調整することができる。
【０１２１】
上記制御計算機８は、これら各機器の設定を制御するものである。
【０１２２】
これらの各照射機器を用いて、以下の方法により粒子線照射が行われる。
【０１２３】
いま、制御計算機８には、患部の位置に応じたスポット位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）、患部形状に応じたビーム径（Ｒ）および照射線量（Ｄ）が書込まれているものとする。これらのパラメータに応じて、各機器の設定が次のように行われる。
【０１２４】
まず、ビーム軸方向位置（Ｚ）に応じて粒子線ビームの入射エネルギーとレンジシフタ７におけるアクリル板厚が選ばれる。また、スポット位置（Ｘ、Ｙ）に応じて偏向磁石１７ａ，１７ｂの設定が行われる。さらに、ビーム径（Ｒ）に応じて散乱体装置９の膜の設定が行われる。
【０１２５】
次に、ビームを照射し、予定線量（Ｄ）の照射を検出するとビームが停止され、治療を終了する。
【０１２６】
このように散乱体からなるビーム径調整装置を用いることにより、簡単にかつ精度よくビームサイズを患部形状に合わせることができ、小型（数センチ）の患部治療を複雑な制御系を使用せずに行うことが可能になる。
【０１２７】
なお、本実施の形態では、ビーム軸方向に照射領域の整形を行うリッジフィルタを用いていないが、整形の必要があればリッジフィルタを用いてもよい。
【０１２８】
また、粒子線照射装置に導入される粒子線エネルギーが、加速器側あるいはビーム輸送系で精度よく調整可能であれば、ビーム軸方向位置（Ｚ）の設定は、上流側で行ってもよく、その時はレンジシフタは不要である。
【０１２９】
さらに、スポット位置（Ｘ、Ｙ）の制御を偏向磁石を用いずに、駆動機構を備えた治療ベッドを用いてベットを移動させることで行ってもよい。
以上述べた実施の形態では、散乱体装置９を位置モニタ５とリッジフィルタ６の間に配置したが、他の場所に配置することも可能である。
【０１３０】
ところで、散乱体の膜による散乱の効果は、膜厚と患部からの距離の関数で表される。また、挿入する膜の材質により、異なる散乱の効果を示す。
【０１３１】
一般に、金属膜の場合にはエネルギー、すなわち飛程（レンジ）への影響を小さくできる上に、大きな散乱効果を得ることができる。
【０１３２】
本発明者等の炭素ビームにおける計算によると、例えば患部よりビーム上流４０ｃｍに置かれたレンジシフタに１０ｃｍのアクリル板が挿入したときと同様の散乱効果は、患部より５０ｃｍおよび２００ｃｍ上流に置いたときのそれぞれ０．２５ｃｍ、０．０２５ｃｍの厚さの鉛膜により得られる。他のアクリル厚に対しては、違う厚さの鉛膜を挿入することで対応することができる。
【０１３３】
また、有機膜については膜厚が薄くても丈夫であり、取り扱いし易いという利点がある。有機膜では金属膜と比較して散乱効果が小さいが、患部より遠い位置に配置することで効果的にすることができる。本発明者等の計算によると、患部より４０ｃｍ上流に置かれたレンジシフタに１０ｃｍのアクリル板が挿入したときと同等の散乱効果は、ビーム上流２００ｃｍの位置に置いた有機膜０．７ｃｍ厚により得ることができる。
【０１３４】
また、有機膜の取り扱いのしやすい点を生かして、有機膜表面に金属コーティングすることで、さらに散乱効果を高めることが可能である。
【０１３５】
図８は本発明の第７の実施の形態として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１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
【０１３６】
図８において、１が治療ベッドであり、１８が３次元照射装置である。３次元照射装置１８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、レンジシフタ７、制御計算機８および散乱体装置１９、２０、２１から構成されている。
【０１３７】
上記散乱体装置１９は、金属膜、あるいは有機膜からなり、複数枚の厚さの異なる有機膜で構成されている。また、散乱体装置２０、２１は、散乱体装置１９と同様に構成されている。
【０１３８】
この実施の形態では、散乱効果が膜の材質、厚さ以外に患部からの距離によって変化することを利用している。同じ構成の散乱体装置であっても、患部から遠い距離に置かれた散乱体装置１９によってビーム径は大きく拡大される。
【０１３９】
このように幾つかの散乱体装置を設け、その配置位置を変えることにより、ビーム径を拡大できる範囲を大きくすることができる。
【０１４０】
図９は本発明の第８の実施の形態におけるレンジシフタを示す概略構成図である。
【０１４１】
図９において、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ……は異なる厚さの例えばアクリル板、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ……は異なる厚さの例えば鉛からなる膜、３３は外容器、３４ａ，３４ｂ，３４ｃ……および３５ａ，３５ｂ，３５ｃ……はエアシリンダである。
【０１４２】
この実施の形態では、以下のようにしてビーム径の調整がされる。すなわち、制御計算機からの制御入力信号により、指定された1つ以上のアクリル板３１がエアシリンダ３４によりビーム軸上に挿入される。このとき、選択されるアクリル板の組合わせに対応して、鉛膜３２の組合わせが選ばれ、鉛膜がエアシリンダ３５によりビーム軸上に挿入される。
【０１４３】
この場合、鉛はアクリルと比較して散乱効果が大きく、したがって薄い膜厚にてアクリル板によるビーム径変化の影響を調整することができる。
【０１４４】
図９に示した実施の形態では、ビーム調整機構がレンジシフタと一体化されているため、照射装置を大型化することなく配置することが可能になる。また、アクリル板と鉛膜の挿入を同一の入力信号ラインにより制御できるため、ケーブル配線などを少なくすることができる。
【０１４５】
図１０は本発明の第９の実施形態におけるレンジシフタを示す概略構成図である。
【０１４６】
図１０において、４１ａ，４１ｂ，４１ｃ……は異なる厚さの例えばアクリル板、４３は外容器、４４ａ，４４ｂ，４４ｃ……はエアシリンダである。
【０１４７】
ここで、各アクリル板には例えば鉛からなる膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃ……のそれぞれが貼り付けられている。また、アクリル板に貼り付けられた鉛膜の厚さは、患部におけるビーム径が同一になるように選ばれている。
【０１４８】
この実施の形態では、以下のようにしてビーム径の調整がされる。すなわち、制御計算機からの制御入力信号により、指定された1つ以上のアクリル板４１がエアシリンダ４４によりビーム軸上に挿入される。このとき、アクリル板に取り付けられた鉛膜も同時にビーム軸上に挿入される。
【０１４９】
図１０に示した実施の形態では、鉛膜がアクリル板に貼り付けられており、鉛膜用のエアシリンダを必要としないため、低コスト化および省スペース化を図ることができる。また、鉛膜がアクリル板に連動して出し入れされるため、制御機構を単純化、低コスト化することができる。
【０１５０】
以上述べた本発明の実施の形態においては、スポットスキャニング法における3次元照射装置および３次元照射方法について示したが、ラスタスキャニング法、その他のスポットビームを用いた３次元照射装置および３次元照射方法についても、同様にして均一照射および照射領域周辺の線量を低減する照射を実現することが可能である。
【０１５１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ビーム径調整機構により３次元的照射領域にわたって均一で精度よい照射が、簡単に行うことが可能になる。
【０１５２】
また、照射スポットごとにスポット径を変更して照射することができ、照射領域にわたって照射線量が均一、かつ照射領域境界での照射線量の切れのよい照射が可能になり、正常組織への被爆を低減することができる。
【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】本発明の第２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３】本発明の第３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４】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５】本発明の第５の実施の形態における照射スポットのグループ分けの一例を示す図。
【図６】同実施の形態における３次元スポットスキャニング照射によるあるスライス中の照射線量分布を示す図。
【図７】本発明の第６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８】本発明の第７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９】本発明の第８の実施の形態におけるレンジシフタを示す概略構成図。
【図１０】本発明の第９の実施の形態におけるレンジシフタを示す概略構成図。
【図１１】従来の３次元スポットスキャニング法用の３次元照射装置を示す概略構成図。
【図１２】同装置における３次元スポットスキャニング照射によるあるスライス中の照射線量分布を示す図。
【符号の説明】
１、１４…治療ベッド
２、１０、１１、１３、１５、１８…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…リッジフィルタ
７…レンジシフタ
８…制御計算機
９、１９、２０、２１…散乱体装置
１２…収束電磁石
１６…粒子線照射装置
１７ａ，１７ｂ…偏向磁石
３１（３１ａ，３１ｂ…）、４１（４１ａ，４１ｂ…）…アクリル板
３２（３２ａ，３２ｂ…）、４２（４２ａ，４２ｂ…）…鉛膜
３３、４３…外容器
３４（３２ａ，３２ｂ…）、３５（３５ａ，３５ｂ…）、４４（４４ａ，４４ｂ…）…シリンダ

Claims (3)

1. 粒子線スポットビームのエネルギーを複数に切替える機構と、前記粒子線の照射位置を切替える機構と、前記粒子線スポットビームのエネルギーと前記照射位置を被照射部位の形状並びに大きさに合致するように順次制御する制御計算機とを備えた３次元粒子線照射装置において、
   スポットビーム径を複数に切替え可能なビーム径調整機構と、
   前記エネルギー又は３次元照射位置のうちのビーム軸方向位置或いはエネルギー切替え機構の状態をパラメータの一つとして、スポットビーム径が同じになるように前記ビーム径調整機構を制御する機構とを設けたことを特徴とする粒子線照射装置。
2. 粒子線スポットビームのエネルギーを複数に切替える機構と、前記粒子線の照射位置を切替える機構と、前記粒子線スポットビームのエネルギーと前記照射位置を被照射部位の形状並びに大きさに合致するように順次制御する制御計算機とを備えた３次元粒子線照射装置において、
   スポットビーム径を複数に切替え可能なビーム径調整機構と、
   予め照射領域が複数のグループに分けられ、かつ照射領域境界近傍にあるスポット位置がグループの一つとして設定され、前記照射領域境界近傍にあるスポット位置を照射するスポットビームの径を照射領域中央部位置のスポットを照射するスポットビームの径と比較して小さくなるように前記ビーム径調整機構を制御する機構とを設けたことを特徴とする粒子線照射装置。
3. 粒子線スポットビームのエネルギーを複数に切替える機構と、前記粒子線の照射位置を切替える機構と、前記粒子線スポットビームのエネルギーと前記照射位置を被照射部位の形状並びに大きさに合致するように順次制御する制御計算機と、スポットビーム径を複数に切替え可能なビーム径調整機構と、スラスト位置（Ｚ）を含む３次元照射位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と照射線量およびビーム径に関するデータからなり前記制御計算機に送られる照射パターンテーブルと、有する３次元粒子照射装置であって、
   前記照射パターンテーブルでは、スライス位置（Ｚ）毎に照射領域が照射領域境界近傍とその他の領域とにグループ分けされ、同一グループ内ではビーム径を同一としかつ照射領域境界近傍グループのビーム径に比べてその他の領域グループのビーム径が小さく設定されてなり、さらに
   前記照射領域境界近傍のグループから、その他の領域グループにスポット照射位置が移行するとビーム径が変更するように前記ビーム径調整機構を制御する機構を有することを特徴とする粒子線照射装置。

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