JP4348470B2 - 粒子線照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、医療用の粒子線照射装置に関する。

近年、陽子や炭素イオン等の粒子線を照射する粒子線照射装置が癌の治療に用いられ、高い治療成績を挙げている。
粒子線照射装置では、図６に示すように、磁力線の方向が互いに直交するＸ方向の電磁石１０１、Ｙ方向の電磁石１０２からなる照射野形成電磁石１０３の中心に荷電粒子ビーム１０４を入射して、二台の電磁石の磁力を調整して荷電粒子ビーム１０４の進行方向を入射軸に対して偏向させることにより照射野を形成する。

照射野の形成方法には大別して、拡大照射野形成法と三次元スポットスキャニング法の２種がある。
拡大照射野形成法はＸ、Ｙ方向二台の電磁石に交流電流を流してビーム径が１ｃｍ程度の荷電粒子ビームを標的（癌）上に走査することにより、広い範囲に荷電粒子ビームを照射して拡大照射野を形成する方法である。荷電粒子ビームをタンタル、鉛等の散乱体に通過させて、荷電粒子のビーム径を拡大する方法が併用される場合もある。

拡大照射野形成法の一例として、非特許文献１には、照射野の半径の半分程度の散乱半径を有する小さなビーム径の荷電粒子ビームを、照射野形成電磁石によって標的上の半径が大きな第１の円軌道に沿って所定回数回転させ、次にこの荷電粒子ビームを第１の円軌道よりも半径が小さい第２の円軌道に沿って再度所定回数回転させる粒子線照射装置が紹介されている。

三次元スポットスキャニング法は、標的を三次元的に複数のスポットに分け、パルス状荷電粒子ビームをスポット毎に順次照射して行く方法である。荷電粒子ビームを照射する位置の制御は、Ｘ、Ｙ方向二台の電磁石と、加速器から出射される荷電粒子ビームのエネルギの強弱調整とによって行なわれる。
特許文献１には、三次元スポットスキャニング法の従来技術として、アルミニウムの棒片を複数組み合わせたリッジフィルタを用いて荷電粒子ビームの進行方向についてのブラッグピーク分布を拡大し、荷電粒子ビームの照射位置を位置モニタで確認しながらスポット毎に照射する三次元スポットスキャニング法が示されている。

更に特許文献１には、リッジフィルタを構成する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、且つ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いリッジフィルタを備える粒子線照射装置を用いた三次元スポットスキャニング法が示されている。
特開２００１−６１９７８号公報（段落０００８〜００１９、００４６〜００５６） Timothy R.Renner、"Wobbler Facility for biological experiments"、Medical Physics、１４巻、１９８７年、ｐ８２５−８３４

しかし、拡大照射野形成法と三次元スポットスキャニング法のいずれの方法でも、照射野のサイズは照射野形成電磁石の最大偏向角で決まってしまう。すなわち、照射野を形成することができる範囲は、互いに直交するＸ、Ｙ方向二台の電磁石が荷電粒子ビームを偏向させることができる最大角度の範囲内に限られてしまう。通常の粒子線照射装置ではＸ、Ｙ方向の最大偏向角は同一であるので、荷電粒子ビームを照射可能な範囲は正方形で囲まれる範囲に限定される。

このため、標的が照射野のサイズより大きいときは２回に分けて荷電粒子ビームを照射しなければならない。具体的には、１回目の照射が終わった後、患者の位置をずらして再度荷電粒子ビームを照射する。このとき、1回目と２回目の照射野の重複部分における放射線量に過不足が生じる場合がある。このように標的に照射される放射線量に過不足が生じると、治療成績が低下するという問題がある。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、照射野形成磁石の最大偏向角で決まる照射野サイズを実効的に大きくできる粒子線照射装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明では、加速器で加速された荷電粒子ビームを照射野形成電磁石により走査させながら照射野を形成する粒子線照射装置において、照射野形成電磁石を荷電粒子ビームの入射軸を中心として所定の角度に回動させ、荷電粒子ビームの照射対象の標的をリサージュ図形による照射野の範囲内に入れる回動手段を備え、照射野形成電磁石は、それぞれ、交流電流を流し、荷電粒子ビームを入射軸方向に直交するＸ方向に偏向させてリサージュ図形を描くように照射する第１の電磁石と、荷電粒子ビームを入射軸方向に直交し、かつ、Ｘ方向とは異なるＹ方向に偏向させてリサージュ図形を描くように照射する第２の電磁石とを有することを特徴とする構成とした。

本発明の粒子線照射装置は、荷電粒子ビームをその入射軸方向に対して直交し、かつ互いに方向が異なるＸ方向とＹ方向とに偏向させてリサージュ図形を描くように照射する照射野形成電磁石を備えているので、この照射野形成電磁石で荷電粒子ビームを走査させることにより四角形の照射野を形成することができる。さらに、照射野形成電磁石を所定の角度に回動させ、荷電粒子ビームの照射対象の標的をリサージュ図形による照射野の範囲内に入れる回動手段を備えているので、照射の標的である癌の最大長が四角形の一辺の長さを超える場合でも、照射野形成電磁石を回動させることにより、四角形の対角線の長さを利用して荷電粒子ビームを照射することが可能になる。
すなわち、照射野形成磁石の最大偏向角で決まる照射野サイズを実効的に大きくすることが可能になる結果、標的に対して粒子線を２回に分けて照射する必要がなくなり、照射野の重複による放射線量の過不足の発生を防止することができる。

また、本発明の粒子線照射装置は、照射野を拡大照射野形成法で形成する場合にも、三次元スポットスキャニング法で形成する場合にも使用できる。いずれの場合でも磁石の最大偏向角で決まる照射野サイズを実効的に大きくできるので、標的に対して粒子線を２回に分けて照射する必要がなくなり、照射野の重複による放射線量の過不足の発生を防止することができる。

本発明によれば、電磁石の最大偏向角で決まる照射野サイズを実効的に大きくできる粒子線照射装置を提供することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
第１の実施形態では、拡大照射野形成法により照射野を形成する場合を想定して説明する。図１は、本実施形態に係る粒子線照射装置１の構成を表す概念図である。

図１に示すように、本実施形態の粒子線照射装置１は、加速器(図示せず)からほぼ水平方向に出射されてきたＣ⁶⁺等の荷電粒子ビーム３を、垂直方向に偏向させて標的Ｔの方向へ導く偏向電磁石２０、荷電粒子ビーム３を標的Ｔに対して走査して照射野を形成するための第１の電磁石４と第２の電磁石５とを含む照射野形成電磁石２を備え、さらに、標的Ｔの形状に応じた照射野を形成するためのリッジフィルタ１５、レンジシフタ１６、コリメータ１７、ボーラス１８に加え、照射野形成電磁石２を所定の角度だけ回動させる回動手段６を含んで構成されている。

なお、本実施形態では図１において紙面に平行で、かつ、荷電粒子ビーム３の入射軸Ｄと直交する方向をＸ方向、紙面に垂直な方向をＹ方向として説明する。また、標的Ｔはベッドに横たえられた患者の癌に相当する。ベッドは、標的Ｔと荷電粒子ビーム３との位置を正確に合わせるために床に固定されている。また、加速器にはシンクロトロンやサイクロトロン等、公知の装置を用いることができる。

第１の電磁石４は荷電粒子ビーム３をＸ方向に偏向させ、第２の電磁石５は、荷電粒子ビーム３をＹ方向に偏向させる磁場を発生する。第１の電磁石４および第２の電磁石５は、交流電源（図示せず）に接続され、また、粒子線照射装置１全体を制御する制御装置（図示せず）によって制御されている。更に、第１の電磁石４と、第２の電磁石５とは連結されて回動手段６により所定の角度に回動される。

制御装置により制御された交流励磁電流を第１の電磁石４および第２の電磁石５に流して、荷電粒子ビーム３にＸ方向およびＹ方向に周期的に変化する磁場を与えることによって、荷電粒子ビーム３をＸ、Ｙ方向に走査させながら標的Ｔに向けて照射することができる。これにより、直径１ｃｍ程度の荷電粒子ビーム３を、より広い範囲に照射することが可能になる。

第２の電磁石５の下流にあるリッジフィルタ１５は、アルミ板等をリッジ（峰）状に切削加工した部材を複数枚組み合わせたものである。リッジフィルタ１５は、峰状のアルミ板等の厚み分布の違いを利用して荷電粒子ビーム３の飛程距離に分布を生じさせて、標的Ｔの深度方向に対して荷電粒子ビーム３のブラッグピークの分布を広げる機能を有する。

リッジフィルタ１５の下流にあるレンジシフタ１６は、厚さの異なる複数のエネルギ吸収板により標的Ｔ内部への到達深度を一様に短縮するものである。これにより、標的Tよりも深い所にある正常組織まで荷電粒子ビーム３が達することが防止される。
レンジシフタ１６の下流にあるコリメータ１７は、標的Ｔのレンジシフタ１６側から見た断面形状に対応した開口部を有する。これにより、荷電粒子ビーム３の一部を遮断して、標的Ｔの形状に適合した照射野を形成することができる。コリメータ１７に多葉コリメータ１２（図４参照）を用いれば、１つの装置で種々の形状の標的Ｔに対応することができる。あるいは、標的Ｔの形状毎にコリメータ１７を作製することもできる。

レンジシフタ１６の下流にあるボーラス１８は、標的Ｔの深さ方向の奥の部分の形状に倣った形状の凹部を有する装置である。これにより、荷電粒子ビーム３の標的Ｔ内部への到達深度を標的Ｔの奥の部分の形状に合わせることができ、標的Ｔの奥の部分で隣接する正常組織にまで荷電粒子ビーム３が照射されることを防止できる。
本実施形態では、コリメータ１７とボーラス１８は連結されて、回動モータ９により照射野形成電磁石２と同一の角度だけ回動させることができる構成となっている。

なお、リッジフィルタ１５、レンジシフタ１６、コリメータ１７、ボーラス１８の配列順序は本実施形態に限定されるものではない。第１の実施形態で、照射野形成電磁石２とコリメータ１７、ボーラス１８とは各々別のモータで回動させる構成として説明したが、一台のモータでリッジフィルタ１５、レンジシフタ１６も含めて回動させる構成とすることもできる。

また、タンタル、鉛等からなる散乱体１９を設けて、荷電粒子ビーム３を拡径することにより、さらに大きな一様照射野を形成することができる。散乱体１９は例えば、偏向電磁石２０と第１の電磁石４との間、あるいは第２の電磁石５の下流に設けることができる。散乱体１９の厚みを決定するときは、散乱体１９の厚みを増すと荷電粒子ビーム３が標的Ｔ内部に到達可能な最大深度（残飛程)が減少することを考慮することが好ましい。

本実施形態の回動手段６は、図２に示すように照射野形成電磁石２を構成する第１の電磁石４を保持するフレーム８の周囲に形成されたギヤ１０と、モータ７に接続されたギヤ１１とを噛合させて所定の角度だけ回動させる構造となっている。第１の電磁石４と第２の電磁石５は荷電粒子ビーム３を互いに直行する方向に偏向させるように連結され一体で回動されるので、発生させる磁場が直交する状態が維持される。なお、照射野形成電磁石２の回動角度の制御は、モータ７の回転数を検出して行なうこともできるし、別途センサを設けてパルスカウント等で回動角度を検出して行なうこともできる。

次に、本実施形態の粒子線照射装置１を用いて形成される、実効的に大きな照射野について説明する。
拡大照射法において、照射野形成電磁石２の最大偏向角を最大限に利用した照射野の形成は、例えば荷電粒子ビーム３を標的Ｔに対してリサージュ図形を描くように照射することで達成できる。リサージュ図形とは、互いに垂直な方向の単振動を合成した２次元運動が描く図形をいう。単振動は正弦波、余弦波、あるいは三角波によって発生させることができる。

一例として、図３に周波数の異なる正弦波の交流電流を第１の電磁石４と第２の電磁石５に流したとき得られるリサージュ図形を示す。図３から分かるように、リサージュ図形を描くようにして照射することにより、ほぼ正方形の照射野を形成することができる。なお図３は、ｔを時間として、第１の電磁石４にＸ=sin７t、第２の電磁石５にＹ=sin６tなる周波数の異なる交流電流を流したときに描かれるリサージュ図形である。

ここで、図４のように、破線で示したリサージュ図形による照射野１３より標的Ｔが大きい場合、照射野形成電磁石２を、回動手段６により所定の角度だけ回動させ、標的Ｔをリサージュ図形による照射野１３の範囲内に入れる。そして、コリメータ１７、ボーラス１８を設定することにより、標的Ｔの形状に適合した照射野を形成することができる。
これにより、実効的に大きな照射野を形成することができ、標的Ｔに対して荷電粒子ビーム３を２回に分けて照射する必要がなくなり、照射野の重複による放射線量の過不足の発生を防止することができる。

本実施形態では、照射野形成電磁石２を連続的に回転させる必要はなく、標的Ｔが照射野の範囲内に入るまで回動させれば足りる。回動可能な角度は３６０°であってもよいし、９０°であっても本発明の目的を達成することができる。従って、回動手段６に大きな出力のモータ等は不要である。また、第１の電磁石４、第２の電磁石５への配線も回転を前提に設計する必要は無いので、簡単な構造とすることができる。

次に、図５を参照して第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、三次元スポットスキャニング法で照射野を形成する場合について説明する。
図５にように、本実施形態に係る粒子線照射装置１は、偏向電磁石２０と、第１の電磁石４および電磁石５を有する照射野形成電磁石２と、レンジシフタ１６と、回動手段６とを含んで構成されている。各装置の機能は第１の実施形態と同じなので、説明は省略する。

本実施形態の三次元スポットスキャニング法では、照射野形成電磁石２により荷電粒子ビーム３の進行方向を偏向させ、予め設定されている標的Ｔの各スポット１４、１４、・・・に順次照射する。第１の電磁石４および第２の電磁石５の磁場を調整することにより荷電粒子ビーム３を偏向させて照射位置を調整し、照射位置の移動中は高速キッカー電磁石（図示せず）により荷電粒子ビーム３の照射は行なわない。

本実施形態における照射野形成電磁石２の最大偏向角は、互いに直交する第１の電磁石４および第２の電磁石５の最大偏向角により規定される。従って、三次元スポットスキャニング法で荷電粒子ビーム３を照射可能な範囲は、第１の電磁石４および第２の電磁石５の最大偏向角により規定される正方形で囲まれる範囲内に限られる。
ここで、荷電粒子ビーム３を照射可能な「正方形で囲まれる範囲」よりも標的Ｔの方が大きいときは、第１の実施形態と同様、照射野形成電磁石２を、回動手段６により所定の角度だけ回動させることにより、標的Ｔを荷電粒子ビーム３が照射可能な範囲内に入れる。これにより、実効的に大きな照射野を形成することができ、標的Ｔに対して荷電粒子ビーム３を２回に分けて照射する必要がなくなり、照射野の重複による放射線量の過不足の発生を防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。例えば、第１および第２の実施形態では、Ｘ方向とＹ方向とは直交するものとして説明したが、Ｘ方向とＹ方向との関係は直交する場合に限られず、荷電粒子ビーム３を異なる２方向成分を含んで偏向させて照射野を形成できる関係であればよい。従ってＸ方向とＹ方向との成す角度を例えば８０°にすることができる。

また、第２の実施形態では、レンジシフタのみを使用する場合を示したが、リッジフィルタを用いて標的Ｔの深度方向に対して荷電粒子ビーム３のブラッグピークの分布を広げることもできる。あるいは、散乱体１９により荷電粒子ビーム３のビーム径を拡径することもできる。

また、第１および第２の実施形態において、第１の電磁石４と第２の電磁石５が一体である場合を例に説明したが、第１の電磁石４と第２の電磁石５とにそれぞれ回動手段を設け、各々独自に回動可能とすることもできる。このようにすると、一つのモータの負荷を少なくするができる。この場合、二つの電磁石は制御装置により同時に回動させてもよいし、順次回動させてもよい。

第１の実施形態に係る粒子線照射装置の構成を表す概念図である。 実施形態に係る回動手段の斜視図である。 リサージュ図形の一例を表す図である。 リサージュ図形による照射野より標的の方が大きい場合を示す図である。 第２の実施形態に係る粒子線照射装置の構成を表す概念図である。 照射野形成電磁石の概念図である。

符号の説明

１ 粒子線照射装置
２ 照射野形成電磁石
３ 荷電粒子ビーム
４ 第１の電磁石
５ 第２の電磁石
６ 回動手段

Claims (3)

1. 加速器で加速された荷電粒子ビームを照射野形成電磁石により走査させながら照射野を形成する粒子線照射装置において、
   前記照射野形成電磁石を前記荷電粒子ビームの入射軸を中心として所定の角度に回動させ、前記荷電粒子ビームの照射対象の標的をリサージュ図形による照射野の範囲内に入れる回動手段を備え、
   前記照射野形成電磁石は、
   それぞれ、交流電流を流し、前記荷電粒子ビームを前記入射軸方向に直交するＸ方向に偏向させて前記リサージュ図形を描くように照射する第１の電磁石と、前記荷電粒子ビームを前記入射軸方向に直交し前記Ｘ方向とは異なるＹ方向に偏向させて前記リサージュ図形を描くように照射する第２の電磁石とを有する
   ことを特徴とする粒子線照射装置。
2. 前記第１の電磁石と前記第２の電磁石とにそれぞれ前記回動手段が設けられ、前記第１の電磁石と前記第２の電磁石とが各々独自に回動可能である
   ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射装置。
3. 拡大照射野形成法またはスポットスキャニング法で前記照射野を形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粒子線照射装置。

Images