JP4575756B2 - 荷電粒子照射野形成装置 - Google Patents

Description

この発明は、ブラッグピークを持つ荷電粒子ビームを被照射体に照射するための荷電粒子照射野形成装置に関するものであり、特に癌腫瘍の治療等に供するものである。

荷電粒子ビームを被照射体に照射した場合、被照射体には、それらのエネルギーによって決まる被照射体における特定の深さにピークを有する線量分布が形成される。この線量分布のピークをブラッグピークという。従来、一般に知られている荷電粒子照射野形成装置は、荷電粒子ビームのエネルギー分布を拡大し、ブラッグピークの被照射体における深さ方向の厚さを大きくするために、荷電粒子ビーム発生装置と荷電粒子ビームが照射される被照射体との間に、エネルギー分布を拡大する装置を備えている。

このエネルギー分布を拡大する装置として、リッジフィルタを使用したものがある。このリッジフィルタは、多数の楔形構造物を備え、この楔形構造物を、穴が開けられた荷電粒子ビームの通過領域よりも大きな面積の支持板に固定しており、この楔形構造物は階段状に形成されている。

ブラッグピークの線量カーブにおけるピーク強度は、荷電粒子ビームのエネルギーを一定とした場合、楔形構造物における荷電粒子ビームと垂直な面の面積によって決まり、深さ方向の位置は、荷電粒子ビームが通過する楔形構造物の厚さよって変化する。従って、リッジフィルタ通過後のエネルギー分布は、楔形構造物の各階段形状によって決まるものである。そこで、正確なエネルギー分布を得るためには、精密な階段形状の形成が求められ、楔形構造物の各階段形状は、例えば、フライス盤等の機械加工によって精密加工がなされる。

特許文献１では、楔形構造物の各階段形状の精密加工を不要とするために、異なる大きさの複数の異なる幅のスリット状穴が開けられた複数の板を荷電粒子ビームの進行方向に積層して、楔形構造物の各階段を形成することが記載されている。

特開平１０−３１４３２４号公報（第３頁、図１，２）

従来の機械加工によるリッジフィルタ、あるいは上記特許文献１に記載されたリッジフィルタでは、各症例の治療において必要とするブラッグピークの種類に対して、その種類の数だけのリッジフィルタを製作する必要があった。

また、製作後、荷電粒子ビームを照射して所望のエネルギー分布が得られない場合は何度もカット＆トライを繰り返すことになり、時間と材料を浪費していた。

また、それぞれの治療に応じて、リッジフィルタを取り替える手間や、取り替えるための装置を必要としていた。

この発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであり、各治療に共通に利用でき、製作までの時間と材料の浪費を抑制することができる荷電粒子照射野形成装置を提供することを目的とする。

この発明に係る第１の荷電粒子照射野形成装置は、加速器で加速された荷電粒子ビームを照射対象に照射するものであり、上記荷電粒子ビームによって形成されるブラッグピークの線量カーブのピーク形状を拡大する拡大ブラッグピーク形成器を備えた荷電粒子照射野形成装置において、
上記拡大ブラッグピーク形成器は、
上記荷電粒子ビームが通過する厚みを有する円板に、その中心近傍から周方向に周期的に扇状の穴が形成され、上記荷電粒子ビームの照射方向に、上記円板の中心を合わせて積層された同一形状の層板と、
上記円板の軸を中心として周方向に上記層板それぞれを独立に回転させるとともに回転量を調節する第１の回転機構と、
を備えたものである。

この発明に係る第２の荷電粒子照射野形成装置は、加速器で加速された荷電粒子ビームを照射対象に照射するものであり、上記荷電粒子ビームによって形成されるブラッグピークの線量カーブのピーク形状を拡大する拡大ブラッグピーク形成器を備えた荷電粒子照射野形成装置において、
上記拡大ブラッグピーク形成器は、
上記荷電粒子ビームが通過する厚みを有する円板に、その中心近傍から周方向に扇状の穴が形成され、上記荷電粒子ビームの照射方向に、上記円板の中心を合わせて積層された同一形状の層板と、
上記円板の軸を中心として周方向に上記層板それぞれを独立に回転させるとともに回転量を調節する第１の回転機構と、
上記積層された層板を、上記層板の中心を回転軸として回転する第２の回転機構と、
を備えたものである。

この発明に係る第１及び第２の荷電粒子照射野形成装置によれば、一つの拡大ブラッグピーク形成器を種々の症例の治療に共通に利用でき、かつ、製作までの時間と材料の浪費を抑制することができるようになる。

また、この発明に係る第１の荷電粒子照射野形成装置によれば、拡大ブラッグピーク形成器の外形の大きさが大きくならないようにすることができる。

また、この発明に係る第２の荷電粒子照射野形成装置によれば、ブラッグピークの線量曲線を周方向の位置において均一にすることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態１を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。

図１に示したように、拡大ブラッグピーク形成器は、並列に並ぶ同一の幅のスリット状穴５を有する層板２が複数枚、一様なエネルギーを有する加速器で加速された荷電粒子ビーム１の進行方向に積層され、上下方向の各層板２同士は、スリット状穴５の位置が相互に穴５の並ぶ一方向にずれるように配置されて、フィルタ要素６が繰り返しスリット状穴５の並ぶ一方向に形成されている。下記実施の形態２で説明するように、各層板２を独立に穴５の並ぶ方向に移動することができる移動機構を備えているので、スリット状穴５の位置のずれ量は、適宜調整できるように構成されている。また、各層板２には、アルミニウムあるいは黄銅等の材料が用いられている。また、拡大ブラッグピーク形成器に照射する荷電粒子ビーム１の領域は、各層板２が形成するフィルタ要素６の領域の範囲内にあり、照射対象の照射面積によって調整される。

図２は、この実施の形態１の拡大ブラッグピーク形成器を３層の層板とした場合及び３層に対応する従来のリッジフィルタについて示す断面図であり、（ａ）は機械加工で成形されたリッジフィルタ、（ｂ）は上記文献１の積層板によって形成されたリッジフィルタ、（ｃ）はこの実施の形態１の層板２によって形成された拡大ブラッグピーク形成器である。

図２に示したように、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にはそれぞれ繰り返し部分３が形成されており、（ａ）では、繰り返し部分３の階段形状が左右で面対称になっており、（ｂ）では、同一方向の階段形状が繰り返されており、（ｃ）では繰り返し部分３の左右で階段形状が上下反転しているが、この実施の形態１の拡大ブラッグピーク形成器（ｃ）は、従来のリッジフィルタ（ａ）及び（ｂ）と同様、荷電粒子ビーム１と垂直な面の面積及び、荷電粒子ビーム１が通過する３つの厚さを形成する部分を有する。

図３は、図２（ｃ）に示した拡大ブラッグピーク形成器によって形成される被照射体における深さ方向のブラッグピークの線量カーブ（図３（ａ））と、その相対的なピーク形状とエネルギー（図３（ｂ））とを示す図であり、図４は、繰り返し形成されたフィルタ要素６によって発生する、合成されたブラッグピークを示す図である。図３に示したブラッグピークの線量カーブ及び図４に示した合成されたブラッグピーク８の線量カーブは、従来のリッジフィルタで得られたものと同様のものが得られる。

この実施の形態１によれば、移動機構によりスリット状穴５の位置のずれ量は、適宜調整できるように構成されているので、荷電粒子ビーム１を照射しつつ、荷電粒子ビーム１と垂直な面の面積を変えて、所望のブラッグピークのピーク形状が得られるように調整し、一つの拡大ブラッグピーク形成器を種々の症例の治療に共通に利用できる。また、スリット状穴５の形状、層板２の積層枚数を変えることなく所望のブラッグピークのピーク形状が得られるように調整できるので、製作までの時間と材料の浪費を抑制することができるようになる。

実施の形態２．
図５は、この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態２を示す断面図である。

図５に示したように、この実施の形態２では、各層板２それぞれの位置を独立にスリット状穴５が並ぶ方向に所望の量だけずらすことができる位置調整機構４が設けられている。位置調整機構４は、雌ねじが形成された一方の支持枠４ａと、一方の支持枠４ａに設けられた雌ねじと螺合し、各層板２を個々に押す雄ねじ４ｂと、他方の支持枠を貫通し層板２に固定されたピン４ｄ及び、ピン４ｄに設けられたばね４ｃとを備え、例えば、エンコーダとステッピングモータとの組み合わせにより雄ねじ４ｂの回転をコンピュータで遠隔操作することにより各層板２それぞれの位置を所望の量だけスリット状穴５が並ぶ一方向にずらすものである。この位置調整機構４による各層板２の位置調整によって、荷電粒子ビーム１と垂直な面の面積を所望の量とすることができる。

この実施の形態２によれば、各層板２を独立に移動させることにより、各層板２によって形成されるスリット状穴５部における荷電粒子ビーム１と垂直な面の面積を自由に変えることができる。これによって、ブラッグピークの線量カーブにおけるピーク形状を調整することができる。

この位置調整機構４による調整により、各層板２の穴の形状、積層枚数を変えずに、所望の最適なブラッグピークの線量カーブを実現することができる。

また、何らかの原因でブラッグピークの線量カーブのずれが生じた場合、位置調整機構４により微調整し、ずれを修正することが容易にできるようになる。

実施の形態３．
図６は、この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態３を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。

上記実施の形態１及び２では、各層板２にスリット状穴５を並列に並べて設け、各層板２を相互にスリット状穴５が並ぶ一方向にずらすようにしたので、ずらした方向における拡大ブラッグピーク形成器の寸法が大きくなる。

この実施の形態３では、図６に示したように、円板状の各層板２に、扇形の穴５を円周方向に周期的に開けた構造とし、各層板２の中心を軸として上下に隣り合う層板２それぞれを独立に一方向に所望の調整すべき角度回転させて扇形の穴５の位置をずらし、階段状の形状を形成している。

この実施の形態３によれば、扇形の穴５の位置のずれ量は、適宜調整できるように構成されているので、各層板２扇形の穴５の形状、積層枚数を変えずに、荷電粒子ビーム１を照射しつつ、扇形の穴５部における階段形状の荷電粒子ビーム１と垂直な面の面積を変えて、所望のブラッグピークのピーク形状が得られるように調整することにより、一つの拡大ブラッグピーク形成器を種々の症例の治療に共通に利用でき、かつ、製作までの時間と材料の浪費を抑制することができるようになる。

また、各層板２を円板状とし、円板状の各層板２を円板状の各層板２の中心を軸として回転させているので、拡大ブラッグピーク形成器の外形の大きさが変化して大きくなることはない。

なお、拡大ブラッグピーク形成器に照射する荷電粒子ビーム１の領域は、円板状の各層板２の範囲内にあり、照射対象の照射面積によって調整される。

実施の形態４．
図７は、この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態４を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。

上記実施の形態３では、円板状の各層板２に、扇形の穴５を円周方向に周期的に開けた構造とした。このため、扇形の穴５があるところと扇形の穴５がないところの構造が反映されて、合成されたブラッグピークの縞模様が周方向に生じる場合があった。この縞模様は扇形の穴５のピッチを細かくすることによって無くすことができるが、加工に多大の時間を要することになる。

この実施の形態４では、図７に示したように、円板状の各層板２の一部に、扇形の穴５を開けた構造としたものである。

さらに、この実施の形態４では、各層板２の中心を軸として上下に隣り合う層板２それぞれを周の一方向に扇形の穴５が所望の角度ずれるように回転させて固定する。この実施の形態４拡大ブラッグピーク形成器は、回転して固定した各層板２全部を円板の中心を回転軸として回転させる図示していない第２の回転機構を有するものである。

拡大ブラッグピーク形成器に照射する荷電粒子ビーム１の領域は、円板状の各層板２の範囲内にあり、照射対象の照射面積によって調整される。

また、第２の回転機構は荷電粒子ビーム１の照射を妨げないように、回転中心軸から偏心した位置に設ける。

この実施の形態４によれば、扇形の穴５の位置のずれ量は、適宜調整できるように構成されているので、各層板２の扇形の穴５の形状、積層枚数を変えずに、荷電粒子ビーム１を照射しつつ、扇形の穴５部における荷電粒子ビーム１と垂直な面の面積を変えて、所望のブラッグピークのピーク形状が得られるように調整することにより、一つの拡大ブラッグピーク形成器を種々の症例の治療に共通に利用でき、かつ、製作までの時間と材料の浪費を抑制することができるようになる。

また、固定された円板を各層板２の中心を軸として回転させながら荷電粒子ビーム１の照射を行うようにしたので、合成されたブラッグピークの線量分布を周方向の位置において均一にすることができる。

また、この実施の形態４では、扇形の穴５を一つ設けたものを回転させる場合を示したが、扇形の穴５が複数個あるもの、あるいは、上記実施の形態３のように扇形の穴５が周方向に周期的に形成されているものを回転させてもよい。

実施の形態５．
図８は、この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態５を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。

この実施の形態５は、図８に示したように、上記実施の形態３における拡大ブラッグピーク形成器における層板２それぞれの扇形の穴５の位置がずれるように層板２それぞれを独立に回転させる第１の回転機構９の具体例を示すものである。

第１の回転機構９は、エンコーダとパルスモータとの組み合わせ部９ａ、パルスモータに連結され、層板２を回転させるギア部９ｂを備えている。

この実施の形態５によれば、各層板２を独立に回転させることにより、各層板２の扇形の穴５の位置を自由にずらして階段状の形状を形成し、荷電粒子ビーム１と垂直な面の面積を自由に変えることができる。これによって合成されたブラッグピークのピーク形状を調整することができる。

この第１の回転機構９による調整により、各層板２の扇形の穴５の形状、積層枚数を変えずに、所望の最適なブラッグピークの線量カーブを実現することができる。

また、何らかの原因でブラッグピークの線量カーブのずれが生じた場合、第１の回転機構９により微調整し、ずれを修正することが容易にできるようになる。

実施の形態６．
図９は、この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態６を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。

この実施の形態６は、図９に示したように、上記実施の形態４における拡大ブラッグピーク形成器における層板２を回転させる第１の回転機構９の具体例を示すものである。

この実施の形態６における第１の回転機構９は、上記実施の形態５と同様、エンコーダとパルスモータとの組み合わせ部９ａ、パルスモータに連結され、各層板２を独立に回転させるギア部９ｂを備えている。

また、この実施の形態６における第１の回転機構９のギア部９ｂは、拡大ブラッグピーク形成器の層板２の外周と接離できるように構成し、各層板２間の穴５の位置をずらす場合に接し、拡大ブラッグピーク形成器の固定された層板２が回転する場合に離れるようにしてもよく、また、拡大ブラッグピーク形成器の固定された層板２とともに回転するようにしてもよい。

図９における最上層の層板２に対して、２層目の層板２はθ１の位相差を持ち、３層目の層板２はθ２の位相差を持って、３層の層板２は同じ回転周波数ω０で回転する。

この実施の形態６によれば、各層板２を独立に回転させることにより、各層板２の扇形の穴５の位置を自由にずらして階段状の形状を形成し、荷電粒子ビーム１と垂直な面の面積を自由に変えることができる。これによって合成されたブラッグピークのピーク形状を調整することができる。

この第１の回転機構９による調整により、各層板２の穴の形状、積層枚数を変えずに、所望の最適なブラッグピークの線量カーブを実現することができる。

また、何らかの原因でブラッグピークの線量カーブのずれが生じた場合、回転機構９により微調整し、ずれを修正することが容易にできるようになる。

実施の形態７．
図１０は、この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態７を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。

この実施の形態７では、図１０（ｂ）に示したように、扇形の穴５は、円周方向の開き角度θが径方向の外側に向かうにつれて大きくなるように形成されている。

さらに、この実施の形態７では、各層板２の中心を軸として上下に隣り合う層板２それぞれを相互に一定の周方向に一定角度回転させてずらして固定し、固定された各層板２全体を円板の中心を回転軸として回転させるものである。

この実施の形態７によれば、扇形の穴５の位置のずれ量は、適宜調整できるように構成されているので、各層板２扇形の穴５の形状、積層枚数を変えずに、荷電粒子ビーム１を照射しつつ、荷電粒子ビーム１と垂直な面の面積を変えて、所望のブラッグピークのピーク形状が得られるように調整し、一つの拡大ブラッグピーク形成器を種々の症例の治療に共通に利用でき、かつ、製作までの時間と材料の浪費を抑制することができるようになる。

また、固定された円板を各層板２の中心を軸として回転させながら荷電粒子ビーム１の照射を行うようにしたので、合成されたブラッグピークの線量分布を周方向の位置において均一にすることができる。

また、扇形の穴５は、円周方向の開き具合θが径方向の外側に向かうにつれて大きくなるように形成されており、扇形の穴５における径方向でずれた面積の割合が変化しているので、回転軸と外径との間で荷電粒子ビーム１の中心を変化させることによって、所望のブラッグピークのピーク形状が得られるように調整することができ、各層板２の回転による扇形の穴５と合わせて、調整範囲が大きくなる。

また、この実施の形態７では、扇形の穴５を一つ設けたものを示したが、扇形の穴５が複数個あるもの、あるいは、上記実施の形態３のように扇形の穴５が周方向に周期的に形成されているものに適用してもよい。

実施の形態８．
図１１は、この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態８を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。

この実施の形態８は、図１１に示したように、上記実施の形態７における拡大ブラッグピーク形成器における層板２それぞれを独立に回転させる第１の回転機構９の具体例を示すものである。

この実施の形態８における第１の回転機構９は、上記実施の形態５と同様、エンコーダとパルスモータとの組み合わせ部９ａ、パルスモータに連結され、層板２を回転させるギア部９ｂを備えている。

また、この実施の形態８における第１の回転機構９のギア部９ｂは、拡大ブラッグピーク形成器の層板２の外周と接離できるように構成してもよく、固定された各層板２とともに回転するようにしてもよい。

図１１における最上層の層板２に対して、２層目の層板２はθ１の位相差を持ち、３層目の層板２はθ２の位相差を持って、３層の層板２は同じ回転周波数ω０で回転する。

この実施の形態８によれば、各層板２を独立に回転させることにより、各層板２の扇形の穴５の位置を自由にずらして階段状の形状を形成し、荷電粒子ビーム１と垂直な面の面積を自由に変えることができる。これによって合成されたブラッグピークのピーク形状を調整することができる。

この第１の回転機構９による調整により、各層板２の穴の形状、積層枚数を変えずに、所望の最適なブラッグピークの線量カーブを実現することができる。

また、何らかの原因でブラッグピークの線量カーブのずれが生じた場合、第１の回転機構９により微調整し、ずれを修正することが容易にできるようになる。

なお、上記実施の形態１ないし８において、各層板２の板厚を同一とすることにより、また、各層板２の材質を同一とすることにより、ブラッグピークの調整が容易になるよともに、製造コストが低減される。

この発明に係る荷電粒子照射野形成装置は、癌腫瘍の治療等に有効に利用することができる。

この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態１を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。 実施の形態１の拡大ブラッグピーク形成器を３層の層板とした場合及び３層に対応する従来のリッジフィルタについて示す断面図である。 図２（ｃ）に示した拡大ブラッグピーク形成器によって形成される被照射体における深さ方向のブラッグピークの線量カーブ（図３（ｂ））と、その相対的なピーク形状とエネルギー（図３（ａ））とを示す図である。 実施の形態１において、繰り返し形成されたフィルタ要素６によって発生する、合成されたブラッグピークを示す図である。 この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態２を示す断面図である。 この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態３を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。 この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態４を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。 この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態５を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。 この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態６を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。 この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態７を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。 この発明に係る荷電粒子照射野形成装置に用いられる拡大ブラッグピーク形成器の実施の形態８を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。

１ 荷電粒子ビーム、２ 層板、３ 繰り返し部分、４ 移動機構、４ａ 支持板、
４ｂ 雄ねじ、４ｃ ばね、４ｄ ピン、５ 穴、７ 合成されたブラッグピーク、
８ ブラッグピーク、９ 第１の回転機構、９ａ 組み合わせ部分、９ｂ ギア部。

Claims (6)

1. 加速器で加速された荷電粒子ビームを照射対象に照射するものであり、上記荷電粒子ビームによって形成されるブラッグピークの線量カーブのピーク形状を拡大する拡大ブラッグピーク形成器を備えた荷電粒子照射野形成装置において、
   上記拡大ブラッグピーク形成器は、
   上記荷電粒子ビームが通過する厚みを有する円板に、その中心近傍から周方向に周期的に扇状の穴が形成され、上記荷電粒子ビームの照射方向に、上記円板の中心を合わせて積層された同一形状の層板と、
   上記円板の軸を中心として周方向に上記層板それぞれを独立に回転させるとともに回転量を調節する第１の回転機構と、
   を備えたことを特徴とする荷電粒子照射野形成装置。
2. 上記積層された層板全体を、上記層板の中心を回転軸として回転する第２の回転機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子照射野形成装置。
3. 加速器で加速された荷電粒子ビームを照射対象に照射するものであり、上記荷電粒子ビームによって形成されるブラッグピークの線量カーブのピーク形状を拡大する拡大ブラッグピーク形成器を備えた荷電粒子照射野形成装置において、
   上記拡大ブラッグピーク形成器は、
   上記荷電粒子ビームが通過する厚みを有する円板に、その中心近傍から周方向に扇状の穴が形成され、上記荷電粒子ビームの照射方向に、上記円板の中心を合わせて積層された同一形状の層板と、
   上記円板の軸を中心として周方向に上記層板それぞれを独立に回転させるとともに回転量を調節する第１の回転機構と、
   上記積層された層板全体を、上記層板の中心を回転軸として回転する第２の回転機構と、
   を備えたことを特徴とする荷電粒子照射野形成装置。
4. 上記扇状の穴の周方向における開き角度が、径方向の外側に向かうにつれて大きくなっており、上記第２の回転機構の回転軸と上記荷電粒子ビームの中心軸との距離を相対的に可変とする機構が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の荷電粒子照射野形成装置。
5. 上記積層された同一形状の層板それぞれの厚さが同一であることを特徴とする請求項１または３のいずれかに記載の荷電粒子照射野形成装置。
6. 上記積層された同一形状の層板それぞれが同一材料であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の荷電粒子照射野形成装置。

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