JP4679567B2 - 粒子線照射装置 - Google Patents

Description

この発明は、癌の治療などに使用される粒子線照射装置に関するものである。

この種の粒子線照射方法および粒子線照射装置に関する先行技術として、次の２つの論文が知られている。第１の論文は、１９９３年８月に発行された雑誌「レビユー オブ サイエンティフィック インスツルメンツ（Review of Scientific Instruments）」の６４（８）の２０５５から２０９６ページに掲載された、ダブリュー・ティ・チュー(W.T.Chu)他による「インスツルメンテイション フォー トリートメント オブ キャンサー ユージング プロトン アンド ライトーイオン ビームズ(Instrumentation for treatment of cancer using proton and light-ion beams)」と題する論文である。

第２の論文は、１９９５年１月に発行された雑誌「メディカル フィジックス(Medical Physics)」の２２（１）の３７−５３ページに掲載された、イー ペドロニ(E. Pedoroni)他による「ザ ２００−MeV プロトン ゼラフィ プロゼクト アット ザ ポール セララー インスティチュート：コンセプチュアル デザイン アンド プラクティカル リアライゼイション( The 200-MeV proton therapy project at the Paul SchrrerInstitute: Conceptual design and practical realization)」と題する論文である。

第１の論文には、各種の放射線ビームをペンシルビームと呼ばれる細い径のビームで人の体に照射した場合、その放射線ビームの体内における線量分布は図１に示すように変化することが紹介されている。図１に示すように、各種放射線の中、Ｘ線、ガンマ線などの質量の小さな放射線ビームは、体の表面に近い部分で相対線量が最大となり、体の表面からの深さが増加するとともにその相対線量は低下する。一方、陽子線、炭素線などの質量の大きな粒子線ビームは体の表面から深い部分でそれらのビームが止まる位置、すなわちその粒子線ビームの飛程の直前に相対線量がピーク値となる。このピーク値は、ブラッグピークＢＰ（Bragg Peak）と呼ばれる。

このブラッグピークＢＰを、人の臓器にできた腫瘍に照射して、癌の治療を行なうのが粒子線癌治療方法である。癌以外にも、体の深い部分を治療する場合にも用いることができる。腫瘍を含む被治療部位は、一般には照射目標と呼ばれる。ブラックピークＢＰの位置は、照射される粒子線ビームのエネルギーで決まり、エネルギーの高い粒子線ビームほどブラッグピークＢＰは深い位置にできる。粒子線治療では、粒子線ビームを照射すべき照射目標の全体に一様な線量分布とする必要があり、このブラッグピークＢＰを照射目標の全域に与えるために、粒子線の「照射野（照射フィールド）の拡大」が行なわれる。

この「照射野の拡大」は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３つの方向において実施される。粒子線ビームの照射方向をＺ軸の方向としたとき、「照射野の拡大」は、第１にこのＺ軸方向で行われる。この放射線ビームの照射方向における「照射野の拡大」は、通常深さ方向の照射野拡大と呼ばれる。第２の「照射野の拡大」は、Ｘ軸およびＹ軸方向において照射野拡大を行なうもので、深さの方向と直交する横方向において照射野拡大を行なうので、通常横方向の照射野拡大と呼ばれる。

深さ方向の照射野拡大は、粒子線ビームの照射方向におけるブラッグピークＢＰの幅が、照射目標の深さ方向における拡がりに比べて狭いために、粒子線ビームの照射方向におけるブラッグピークＢＰを、深さの方向に拡大するために行なわれる。一方、横方向の照射野拡大は、粒子線ビームの径が、その照射方向と直交する方向における照射目標の寸法よりも小さいために、ブラッグピークＢＰをその照射方向と直交する方向に拡大するために行なわれる。これらの深さ方向の照射野拡大と、横方向の照射野拡大の方法について、前述の各論文で紹介された方法を説明する。

まず横方向の照射野拡大には、パッシブな横方向照射野拡大法と、アクティブな横方向照射野拡大法がある。パッシブな横方向照射野拡大法は、粒子線照射装置の粒子線照射部において粒子線ビームを散乱体に照射することにより、粒子線ビームに横方向の拡がりを持たせ、その中心部分の一様な線量部分を切り取って、目標部位に照射する方法である。散乱体が一枚であると、一様な線量部分を充分に大きくすることができない場合には、２枚の散乱体を用いて一様な線量部分を拡大することもあり、これは二重散乱体法と呼ばれている。また、粒子線照射装置の粒子線照射部の上流部分に設けられる２台の偏向電磁石を用いて粒子線ビームを、ドーナツ状に走査させ、このドーナツ状に走査される粒子線ビームを散乱体に照射して、横方向照射野を拡大する方法もあり、これはワブラ法（Wobbler System）と呼ばれる。

アクティブな横方向照射野拡大法としては、粒子線照射装置の粒子線照射部の上流部分に設けられた偏向電磁石を用いて粒子線ビームをＸＹ面内で走査し、その粒子線ビームの照射位置を時間とともに移動させることにより、広い照射野を得る方法がある。この方法では、一様な線量分布は、細い径のペンシルビームの隣り合う照射スポットを適切に重ね合わせることにより得ることができる。ペンシルビームの走査方法として、時間に対して連続的に走査するラスター法、時間に対してステップ状に走査するスポット法がある。なお、この方法では、粒子線ビームは、通常ペンシルビームと呼ばれる細い径でそのまま目標部位に向けて照射されるが、薄い散乱体を用いてペンシルビームの径を少し拡大することもある。

次に深さ方向の照射野拡大について述べる。前述のように、粒子線ビームの照射方向におけるブラッグピークＢＰの幅は狭いが、このブラッグピークＢＰの照射方向における幅を拡大するのが深さ方向の照射野拡大である。この照射方向における幅を拡大したブラッグピークＢＰは、拡大ブラッグピークＳＯＢＰ（Spread-Out Bragg Peak）と呼ばれる。まず、深さ方向のパッシブな照射野拡大法として、リッジフィルタ（Ridge Filter）またはレンジモジュレータ（Range Modulater）と呼ばれる櫛型のエネルギー変調器を、粒子線ビームを横切るように挿入する方法がある。

リッジフィルタまたはレンジモジュレータは、いずれも粒子線ビームの照射方向において、エネルギー変調器の材料の厚さが変調されている。これらのリッジフィルタまたはレンジモジュールは、その変調された厚さに応じて粒子線ビームのエネルギーを減速し、エネルギーをその変調された厚さに応じて変化させ、結果として強さの変化する多種のエネルギーが混ざった粒子線ビームを照射目標に向けて照射する。エネルギーの強さに応じて粒子線ビームの飛程が変化するので、多種の飛程を持った粒子線ビームを照射目標に照射することができる。このようなパッシブな深さ方向の照射野拡大法では、照射方向において幅を拡大した拡大ブラッグピークＳＯＢＰを得ることができるが、横方向、すなわち粒子線ビームの照射方向と直交するＸ、Ｙ軸の方向では、拡大ブラッグピークＳＯＢＰの幅は一定であり、変化させることはできない。

深さ方向のパッシブな別の照射野拡大法として、ボーラス（Bolus）と呼ばれる補償器（Compensator）を用いる方法もある。一般に、患者の被治療部位は、患部臓器の深さ方向における最大深さ、すなわちＺ軸方向における患部臓器の最深部（患部臓器の深さ方向の境界）に位置しており、一般にこの被治療部位の深さは横方向（Ｘ、Ｙ軸方向）の依存性を有し、X軸、Ｙ軸方向に変化している。この深さ方向における被治療部位の変化形状は、ディスタル形状と呼ばれる。ボーラスＢＬは、図２に示すように、このディスタル形状の合わせて、各患者毎に加工されたエネルギー変調器であり、ポリエチレンまたはワックスを用いて作られる。このボーラスＢＬを用いることにより、Ｘ、Ｙ平面に一様な照射線量を照射しながら、しかもブラッグピークＢＰをディスタル形状に合わせることができる。

図２（ａ）は照射目標ＴＶと、ボーラスＢＬを示す。照射目標ＴＶは、最深層ＴＶｄを有し、この最深層ＴＶｄの形状がディスタル形状と呼ばれる。７本の矢印は、代表的な粒子線ビームを示す。図２（ｂ）では、照射目標ＴＶに対する代表的な７本の粒子線ビームの線量がａからｇで示される。ボーラスＢＬを用いることにより、最深層ＴＶｄにおける線量分布を平坦化できる。

深さ方向のアクティブな照射野拡大法としては、粒子線照射装置から照射される粒子線ビーム自体のエネルギーを、前述のエネルギー変調器を使用せずに制御する方法がある。この方法では、粒子線ビームのエネルギーは、粒子線を加速する加速器の加速エネルギーを変えることにより制御されるか、またはレンジシフタ（Range shifter）と呼ばれる器具を、粒子線ビームを横切るように挿入することにより、粒子線ビームのエネルギーを変化させる。またこれらの加速器の制御と、レンジシフタを併用する方法もある。

深さ方向のアクティブな照射野拡大法では、その粒子線ビームを所定の強さのエネルギーを持ったビームとして、照射目標の１つの照射層に一様な線量でそのブラッグピークＢＰを照射した後に、粒子線ビームのエネルギーを変化させて、照射目標ＴＶの次の照射層にブラッグピークＢＰを照射する。このような操作を複数回繰返し、複数の照射層に粒子線ビームのブラッグピークＢＰを照射することにより、ビーム照射方向に所望の幅を持った拡大ブラッグピークＳＯＢＰを得ることができる。この深さ方向のアクティブな照射野拡大法は、粒子線ビームをＸ、Ｙ軸方向に移動させずに一定の照射位置に固定した状態で、その粒子線ビームのエネルギーを変化させる方法である。

所望の幅を持った拡大ブラッグピークＳＯＢＰを得るためには、照射目標ＴＶの各照射層毎の線量を適正に調整することが必要であり、各層に与える線量を「層の重み付け」と呼ぶ。この「層の重み付け」はリッジフィルタまたはレンジモジュールと同じ手法で計算される。この深さ方向の線量分布と「層の重み付け」の例を図３に示す。図３において、縦軸は相対線量、横軸は体内の深さである。実線で示す曲線は計算値を示し、複数の小さな四角◇は実測値を示す。縦軸方向に延びる複数の直線が各照射層における重み付けを表わす。この例は、典型的な例であるが、「層の重み付け」は、最深部が最も高く、この最深部の重みを１００とすると、その手前の層の重みは、殆ど１０以下とされる。

さて、前述の深さ方向のアクティブな照射野拡大と、横方向のアクティブな照射野拡大とを組み合わせた粒子線ビームの照射方法が、スポットスキャニング照射法（Spot Scanning Technique）として、前記文献２の３９ページから４５ページに記載されている。このスポットスキャニング照射法は、アクティブな横方向の照射野拡大により、粒子線ビームをＸ、Ｙ平面で走査しながら、アクティブな深さ方向の照射野拡大により、粒子線ビームの照射線量を変化させる方法であり、ボーラスは使用されない。

また、前述の深さ方向のアクティブな照射野拡大法と、横方向のパッシブな照射野拡大法とを組み合わせた粒子線ビームの照射方法が積層原体照射法（three-dimensional irradiation system）として、前記第1の論文の２０９２ページの左欄下６行から同ページ右欄２行に記載されている。この積層原体照射法では、ボーラスも併用されている。

１９９３年８月に発行された雑誌「レビユー オブ サイエンティフィック インスツルメンツ（Review of Scientific Instruments）」の６４（８）の２０５５から２０９６ページに掲載された、ダブリュー・ティ・チュー(W.T.Chu)他による「インスツルメンテイション フォー トリートメント オブ キャンサー ユージング プロトン アンド ライトーイオン ビームズ(Instrumentation for treatment of cancer using proton and light-ion beams)」と題する論文 １９９５年１月に発行された雑誌「メディカル フィジックス(Medical Physics)」の２２（１）の３７−５３ページに掲載された、イー ペドロニ(E. Pedoroni)他による「ザ ２００−MeV プロトン ゼラフィ プロゼクト アット ザ ポール セララー インスティチュート：コンセプチュアル デザイン アンド プラクティカル リアライゼイション( The 200-MeV proton therapy project at the Paul SchrrerInstitute: Conceptual design and practical realization)」と題する論文

しかし、前記スポットスキャニング照射法では、それぞれの照射深さについて、そのＸ、Ｙ平面の各位置における粒子線ビームの照射線量を制御するので、それぞれの照射深さにおいて重み付けの高い部分と重み付けの低い部分が混在し、しかもそれぞれの照射深さにおいてその重み付けの高い部分と重み付けの低い部分が変化する。このため、制御が複雑となる不都合がある。

一方、前記積層原体照射法では、所定の照射線量が、パッシブな横方向の照射野拡大により、Ｘ、Ｙ平面の各位置に拡大され、またこのＸ、Ｙ平面における一様な照射線量をボーラスにより、照射目標の最深層において所定線量に揃えることができるので、制御が容易になる。

しかし、患者の呼吸または血流その他の生理現象によって、照射中に照射目標が変位する問題がある。この照射中における照射目標の変位に対して、前記スポットスキャニング照射法および積層原体照射法では、照射目標に正確な照射線量を照射するのが困難である。この照射目標の変位は、特に肺または肝臓などを治療するときに問題となり、各照射層に所望の線量分布を付与できない問題がある。この問題は、粒子線ビームが治療計画で定められた照射目標以外の部分に照射される危険を生じる。また、照射線量の重ね合わせがうまくいかずに、照射目標内の照射線量の一様性が確保できなくなる結果を生じる。このような問題のために、スポットスキャニング照射法および積層原体照射法が、肺または肝臓の癌の治療に使われた例は、極めて少ない。

この発明による粒子線照射装置は、粒子線ビームを発生する粒子線発生部と、この粒子線発生部で発生した前記粒子線ビームを輸送する粒子線輸送部と、この粒子線輸送部で輸送された前記粒子線ビームを照射目標に向けて照射する粒子線照射部と、前記粒子線ビームの照射方向に沿った深さ方向に前記粒子線ビームの照射野を拡大する深さ方向の照射野拡大手段と、前記粒子線ビームの照射方向と直交する横方向に前記粒子線ビームの照射野を拡大する横方向の照射野拡大手段とを備えた粒子線照射装置であって、前記深さ方向の照射野拡大手段が、前記粒子線ビームの照射方向に互いに異なる飛程の複数の照射層を重ね合わせるアクティブな深さ方向の照射野拡大手段とされ、前記粒子線照射装置は、さらに、前記粒子線ビームを横切るように配置され、前記照射目標の深さ方向の最深部に沿った形状を有するボーラスと、前記複数の照射層の中から選ばれた最深の照射層に前記粒子線ビームを複数回照射し、この複数回の粒子線ビームの照射により、前記最深の照射層に計画照射線量を与える制御手段と、前記照射目標の変位を検出する変位検出手段と、前記最深の照射層が変位したときにも、前記最深の照射層に前記計画照射線量が与えられるように、前記変位検出手段により検出された前記照射目標の変位に従って、前記粒子線ビームの照射線量を調整する調整手段とを備えたことを特徴とする。

この発明による粒子線照射装置では、深さ方向の照射野拡大手段が、粒子線ビームの照射方向に互いに異なる飛程の複数の照射層を重ね合わせるアクティブな深さ方向の照射野拡大手段とされ、前記粒子線照射装置は、さらに、前記粒子線ビームを横切るように配置され、前記照射目標の深さ方向の最深部に沿った形状を有するボーラスと、前記複数の照射層の中から選ばれた最深の照射層に前記粒子線ビームを複数回照射し、この複数回の粒子線ビームの照射により、前記最深の照射層に計画照射線量を与える制御手段と、前記照射目標の変位を検出する変位検出手段と、前記最深の照射層が変位したときにも、前記最深の照射層に前記計画照射線量が与えられるように、前記変位検出手段により検出された前記照射目標の変位に従って、前記粒子線ビームの照射線量を調整する調整手段と備えたので、比較的簡単な制御により、照射目標の深さ方向の最深の照射層に実質的に一様な照射線量を与えることができ、さらに複数の照射層の中から選ばれた最深の照射層に粒子線ビームを複数回照射するように構成したので、照射目標が変位しても、その最深の照射層について、より正確な照射線量を与えることができる。

以下この発明のいくつかの実施の形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
まず、この発明の実施の形態１について説明する。この実施の形態１では、この発明による粒子線照射装置の実施の形態１について説明し、併せてこの発明による粒子線照射方法の実施の形態１について説明する。
この実施の形態１は、アクティブな深さ方向の照射野拡大と、アクティブな横方向の照射野拡大とを組み合わせ、これに加えて、照射目標の深さ方向の最深部の形状を有するボーラスを使用し、また複数の照射層の中の最深層に対して、一回以上の再照射を行なうことを特徴とする。

まず粒子線照射装置の構成について説明する。図４は、この発明による粒子線照射方法の実施の形態１を実施するのに使用される粒子線照射装置の実施の形態１の全体構成を示す。この粒子線照射装置の実施の形態１は、図４に示すように、粒子線発生部１０と、粒子線輸送部２０と、３つの粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを備えている。放射線安全管理などの運用上の都合から粒子線発生部１０と、粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、遮蔽された個別の部屋に設置される。粒子線輸送部２０は、粒子線発生部１０と、各粒子線照射部３０A、３０Ｂ、３０Ｃとを連結する。粒子線輸送部２０は、粒子線発生部１０で発生した粒子線ビームを粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃのそれぞれに輸送する粒子線輸送路２１、２２、２３を有する。この粒子線輸送路２１、２２、２３は真空ダクトで構成される。粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、粒子線ビームＰＢを患者の目標部位ＴＶへ照射する。

粒子線発生部１０は、イオン源１１と加速器１２を有する。イオン源１１は、陽子線または炭素線などの質量の大きな粒子線を発生する。加速器１２は、イオン源１１で発生した粒子線を加速し、粒子線ビームＰＢを形成する。この粒子線ビームは、ペンシルビームとして、細い径を持って構成される。この加速器１２には、エネルギー設定制御器１３が電気的に接続される。このエネルギー設定制御器１３は、加速器１２にエネルギー制御信号ＥＳを供給し、加速器１２による粒子線ビームＰＢの加速エネルギーを設定し制御するもので、アクティブな深さ方向照射野拡大手段１５を構成する。このアクティブな深さ方向照射野拡大手段１５は、装置全体を制御する制御計算機により制御され、深さ方向に互いに異なる飛程の複数の照射層を重ね合わせる制御を行なう。複数の各照射層毎に、粒子線ビームの照射エネルギーを変化させ、粒子線ビームＰＢの照射方向、すなわちＺ軸方向に拡大ブラッグピークＳＯＢＰを形成する。

粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、それぞれ治療室１、治療室２、治療室３を構成する。３つの粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは互いに同じ構成を有し、それぞれ照射ノズル３１、治療台３２、および位置決め装置３３を有する。治療台３２は患者を仰臥位または座位の状態に保持するのに使用され、位置決め装置３３は、Ｘ線装置などにより患部臓器の位置を確認するのに使用される。照射ノズル３１は、粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃに輸送された粒子線ビームＰＢを治療台３２上の患者の照射目標ＴＶに向けて照射する。

図５は、実施の形態１における各粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃの照射ノズル３１の具体的構成を示す。この図５に示す照射ノズルは符号３１Ａで示される。図５に示す照射ノズル３１Ａは、粒子線ビームＰＢを横方向、すなわち粒子線ビームＰＢの照射方向と直交するX、Ｙ面で走査する偏向電磁石４１ａ、４１ｂ、粒子線ビームＰＢの照射位置をモニタするビーム位置モニタ４２ａ、４２ｂ、粒子線ビームＰＢの照射線量をモニタする線量モニタ４３、およびボーラス取付け台４４を有する。ボーラス取付け台４４には、ボーラス４５が取付けられる。

図５の矢印ＰＢは、粒子線ビームＰＢの照射方向を示す。偏向電磁石４１ａ、４１ｂは、照射方向の上流側に互いに隣接して配置されている。ビーム位置モニタ４２ａ、４２ｂは、照射方向に間隔をおいて配置され、このビーム位置モニタ４２ａ、４２ｂの間に、ビーム位置モニタ４２ｂの近くに線量モニタ４３が配置される。ボーラス取付け台４４は、最も患者に近い照射方向の下流側に配置される。

図５に示す偏向電磁石４１ａ、４１ｂは、粒子線ビームＰＢに対して、そのブラッグピークＢＰをその照射方向と直交する横方向に拡大する横方向のアクティブな照射野拡大手段４０を構成する。この横方向のアクティブな照射野拡大手段４０は、装置全体を制御する制御計算機により制御され、粒子線ビームＰＢの照射方向に直交する横方向、すなわちＸ軸、Ｙ軸方向に拡大ＳＯＢＰを形成する。具体的には、粒子線ビームＰＢをその横方向、すなわちＸＹ面で走査し、このＸＹ面で拡大ＳＯＢＰを形成する。

ボーラス取付け台４４に取付けられたボーラス４５は、照射目標ＴＶ、すなわち被治療部位の最深部のディスタル形状に沿った形状を有する。このボーラス４５は、各患者毎に加工されたエネルギー変調器であり、ポリエチレンまたはワックスを用いて作られる。このボーラス４５は、照射ノズル３１Aから患者の照射目標ＴＶに照射される粒子線ビームＰＢを横切るように配置され、このボーラス４５を用いることにより、照射目標ＴＶの最深層ＴＶｄおよびその手前の各照射層のそれぞれに対する照射線量をＸ、Ｙ平面で平坦化することができる。

実施の形態１の第１の特徴は、アクティブな深さ方向の照射野拡大手段１５と、アクティブな横方向の照射野拡大手段４０に、ボーラス４５を組み合わせたことである。アクティブな深さ方向の照射野拡大とアクティブな横方向の照射野拡大を組み合わせることはスポットスキャニング照射法として知られているが、この実施の形態１では、これにさらにボーラス４５を組み合わせて使用する。図３にも示したように、複数の照射層に対する層の重み付けは最深層ＴＶｄで最も高く、この最深層ＴＶｄの重み付けを１００とした場合、その手前の各照射層の重み付けは、５分の１以下である。この実施の形態１において、ボーラス４５を用いることにより、照射目標ＴＶの最深層ＴＶｄとその手前の各照射層のそれぞれに対する照射線量をＸ、Ｙ平面で平坦化できる。このため、アクティブな深さ方向の照射野拡大手段１５では、各照射層毎のそれぞれの照射線量は、各照射層毎には変化されるが、それぞれの照射層に対して、Ｘ、Ｙ平面の各位置における照射線量を実質的に一定にすることができ、制御の簡略化を図ることができる。アクティブな照射野拡大手段１５から加速器１２の与えられるエネルギー制御信号ＥＳは、各照射層毎には変化されるが、それぞれの照射層に対しては、実質的に一定値に保持され、その制御が簡単化される。

この実施の形態１による粒子線ビームの照射方法を、従来のスポットスキャニング照射法と対比して説明する。図６（ａ）、（ｂ）は実施の形態１による照射方法を示し、図７（ａ）（ｂ）は従来のスポットスキャニング照射法を示す。図６（ａ）および図７（ａ）は照射目標ＴＶの形状を示すもので、いずれも半球状の照射目標ＴＶを想定している。最深層ＴＶｄはこの半球状の照射目標ＴＶの表面部分である。図８は、図６（ａ）（ｂ）に示す照射目標ＴＶに対する照射で使用されるボーラス４５の形状を示す。

図６（ｂ）は実施の形態１による最深層ＴＶに対するＸ、Ｙ平面における粒子線ビームＰＢの分布を、また図７（ｂ）は従来のスポットスキャニング照射法による照射深さＤに対するＸ、Ｙ平面における粒子線ビームＰＢの分布をそれぞれ模式的に示す。図６（ｂ）および図７（ｂ）において、小さな複数の円Ｓは、粒子線ビームＰＢの径に対応する照射スポットを示す。実際は、これらの照射スポットＳは互いに隣接する照射スポットＳが互いに一部で重なり合うようにして走査されるが、図を簡単にするため、重ね合わせがない状態で示している。また、照射スポットＳの数も実際はもっと多いが、実際よりも数を少なくして示している。

図６（ｂ）および図７（ｂ）では、粒子線ビームＰＢに対する横方向のＸ軸がＸ−Ｘ線で、またそのＹ軸がＹ−Ｙ線でそれぞれ表わされる。Ｘ−Ｘ線に沿って１から１２の番地付けがされ、またＹ−Ｙ線に沿ってＡからＰの番地付けがされる。図６（ａ）に示す照射目標ＴＶの最深層ＴＶｄが、大きな円ＴＶｄで示されており、この円ＴＶｄの内部またはこの円ＴＶｄに一部が重なる複数の照射スポットＳが実線の小さな円Ｓとして示されている。これらの実線の小さな円Ｓは、照射目標ＴＶの最深層ＴＶｄに対応する粒子線ビームＰＢである。

図６（ｂ）では、照射スポットＳは、基本的には、番地Ａ１からＸ−Ｘ線に沿って走査され、番地Ａ１２から番地Ｂ１に移動し、最後の番地Ｐ１２まで走査されるが、最深層ＴＶｄに対しては、実線の小さな円で示す照射スポットＳだけが、互いに同じ照射線量を持って走査される。この最深層ＴＶｄに対する照射は、同じ照射線量を保持しながら、円ＴＶｄに該当する照射スポットＳを走査することで達成される。

従来のスポットスキャニング照射法では、ボーラス４５が使用されないので、同じ半球状の照射目標ＴＶに対する照射深さD（図７（ａ）参照）について、図７（ａ）（ｂ）に示すような、照射線量の異なる複数の環状の部分ＴＶ１からＴＶ４が想定され。この環状の部分ＴＶ１からＴＶ４について照射スポットＳを走査する場合、例えば番地Ｂ６、Ｂ７は最深層ＴＶｄに該当するので、高い照射線量とする必要であるが、例えば番地Ｃ６、Ｃ７は最深層ＴＶｄよりも浅いので、付与する照射線量は小さくする。番地Ｆの列では、番地Ｆ２、Ｆ１１が最深層ＴＶｄに該当するので、高い照射線量を付与するが、番地Ｆ３、Ｆ１０は最深層ＴＶｄの手前の浅い層であるので、照射線量を小さくする必要があり、また番地Ｆ４、Ｆ９は最深層ＴＶｄから見て、番地Ｆ３、F１０よりもさらに手前の浅い層であるので、さらに照射線量を小さくする必要がある。

このように、従来のスポットスキャニング照射法では、照射深さＤについてＸ、Ｙ平面を走査する中で、頻繁に照射線量を変える必要がある。この照射線量は、深さ方向の照射野拡大手段１５により、加速器１２においてビーム電流を変化させて行なうが、頻繁なビーム電流の変化を間違いなく行なうのは困難である。

アクティブな横方向の照射野拡大法として、粒子線ビームＰＢをステップ状の走査するスポット法を採用した場合、各照射スポットＳに付与する照射線量を照射時間によって制御する。この照射線量に対する制御装置は、各照射スポットＳに対応した計画線量の値を表形式で持っており、各照射スポットＳの粒子線ビームは、照射線量がその計画線量に達した時点で、一時停止される。このように照射線量を照射時間により制御することもできるが、照射線量を正確に制御するには、加速器１２が、照射スポットＳの計画線量に適したビーム電流を供給するようにした上で、そのビーム電流を正確に制御する必要がある。

このような加速器１２のビーム電流の制御において、従来のスポットスキャニング照射法では、図７（ｂ）の番地Ｆ２、Ｆ１１のような最深層ＴＶｄに該当する部分ではビーム電流を大きくし、番地Ｆ３、Ｆ１０および番地Ｆ４、Ｆ９ではビーム電流を順次小さくするが、加速器１２のビーム電流の調整は瞬時に実行できないため、ある照射深さＤについて、ビーム電流を変化させるには、照射時間を延長することが必要であり、制御を複雑にする問題がある。

これに対して、実施の形態１のように、アクティブな深さ方向の照射野拡大手段１５と、アクティブな横方向の照射野拡大手段４０に、ボーラス４５を組み合わせたものでは、最深層ＴＶｄとその手前の各照射層のそれぞれで、照射スポットＳに付与する照射線量は実質的に一定に保持することができ、各照射層のそれぞれについて、加速器１２のビーム電流を実質的に一定に保持できるので、制御の簡略化を図ることができる。

さて、実施の形態１では、第２の特徴として、さらに照射目標ＴＶの各照射層の中の最深層ＴＶｄに対し、粒子線ビームＰＢを一回以上再照射するように構成する。この最深層ＴＶｄに付与される照射線量は、他の照射層のそれに比べて５〜２０倍の大きさであるので、この最深層ＴＶｄに対する照射線量を正確にすることにより、全体の照射線量分布の精度を向上することができる。

実施の形態１では、図９に示す照射手順で粒子線ビームＰＢを照射する。この制御手順は、装置全体を制御する制御計算機の記憶装置に記憶される。図９では、縦欄に沿って、最深層ＴＶｄから第２層、第３層、・・・、第９層までの各照射層が配置され、その横欄には照射の順番が、１回目、２回目、・・・、５回目まで配置され、各照射層と各照射の順番との交点には、照射順序が１、２、３、・・・、１３と記載される。粒子線ビームＰＢの照射は、この照射順序１、２、３、・・・、１３の順に実行される。

この図９の照射手順では、１回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１の照射、および第２層から第９層のそれぞれに対する照射順序２、３、４、５、６、７、８、９の照射を含む。２回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１０の照射を含み、３回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１１の照射を含み、４回目、５回目の照射は、それぞれ最深層ＴＶｄに対する照射順序１２、１３の照射を含む。照射順序１０、１１、１２、１３の照射は、すべて最深層ＴＶｄに対する再照射である。

最深層ＴＶｄに対する照射順序１、１０、１１、１２、１３の５回の照射は、最深層ＴＶｄに対応する最も高い照射線量ＲＶ１の各１／５の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ１になるようにしている。第２層から第９層に対する照射線量ＲＶ２からＲＶ９は、照射線量ＲＶ１から順次低減される。図９では、最深層ＴＶｄに対する照射回数を５回とし、必要な照射線量ＲＶ１を５等分してＲＶ／５の照射線量で、５回の照射を行なっている。

図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、最深層ＴＶｄに対する照射回数を合計２回、すなわち再照射回数を１とした場合について、照射目標ＴＶの変位に伴なう照射線量の誤差の改善状況を示す線図である。

図１０（ａ）には、照射目標ＴＶが符号１０１で示され、この照射目標ＴＶが呼吸に伴ない軸軸２０６に沿って矢印Ｂ方向に変位するものとする。図１０（ｂ）には、１回目の最深層ＴＶｄに対する照射線量の分布が実線の曲線２０１で、また２回目の最深層ＴＶｄに対する照射線量の分布が点線の曲線２０２でそれぞれ示されている。図１０（ｃ）には、１回目の照射線量の分布２０１と、１回目と２回目の照射線量をプラスした合計の照射線量の分布が曲線２０３とが示される。

図１０（ｄ）には、最深層ＴＶｄに対する照射を単に１回だけで実行した場合の照射線量の分布が曲線２０５で示され、この曲線２０５と曲線２０３とが対比される。図１０（ｄ）の示すグレイ流域２０４は、照射目標ＴＶの変位により、曲線２０５では、曲線２０３よりも多くの照射線量が与えられた領域を示す。

このように、最深層ＴＶｄなどのある照射層に単に１回だけの照射を行なう場合には、照射目標ＴＶの変位に伴ない、領域２０４で過大な照射線量が付与される危険があるが、再照射により、複数回に分割し、等分した照射線量で照射を行なうことにより、このような過大な照射領域２０４が生じるのを改善できる。

なお、図１０の例では、説明を簡単にするため、線量分布の曲線２０１、２０２、２０３、２０５の両端部で１００％から０％まで線量が線形で低下する分布を使用した。実際には、線量分布の端部は、ガウス分布でコンボリューションされた関数の近いが、この説明は分布の具体的な数学的表現に依存するものではない。最深層ＴＶｄに対する照射回数をさらに増加することにより、線量分布はさらに改善できる。また、深さ方向についても、同様に複数回照射することにより、線量分布の改善を図ることができる。

アクティブな深さ方向の照射野拡大と、アクティブな横方向の照射野拡大とを組み合わせた従来のスポットスキャニング照射法ではボーラス４５を使用しないので、図７（ａ）（ｂ）に示すように、最深層ＴＶｄは、照射深さＤ（図７（ａ）参照）を変えた各照射層について、その外周部のみに存在する。このため、従来のスポットスキャニング照射法では、最深層ＴＶｄを再照射するには、多くの照射層について再照射が必要になり、また照射深さＤを変えた各照射層について、加速器１２のエネルギーを調整する必要があり、煩雑な制御が必要となる。

実施の形態１では、ボーラス４５を使用するので、最深層ＴＶｄは、図６（ｂ）に示すように、１つの層に集約することができ、この最深層ＴＶｄの照射の中では加速器１２のエネルギーの調整も不要であるので、最深層ＴＶｄの全体を、簡単に再照射することができる。

このように、実施の形態１によれば、患者の呼吸などの生理的な活動に基づいて変位する照射目標ＴＶに対しても、照射スポットＳの照射精度を保持しながら、照射時間が長くなるのを抑えることができる。

以上のように、実施の形態１において、最深層ＴＶｄに対する１回以上の再照射を行ない、照射回数を複数回に分割することにより、目標部位ＴＶの変位に伴なう照射線量の誤差を軽減することができる。
なお、ここで述べた線量分布、および重み付けの具体的数値は一例であり、この発明の効果はその具体的数値に依存するものではない。

実施の形態２．
次にこの発明の実施の形態２について説明する。この実施の形態２でも、この発明による粒子線照射装置の実施の形態２について説明し、併せてこの発明による粒子線照射方法の実施の形態２について説明する。
この実施の形態２は、アクティブな深さ方向の照射野拡大と、パッシブな横方向の照射野拡大とを組み合わせ、さらにボーラス４５を組み合わせて使用し、また照射目標の最深層ＴＶｄに対して、一回以上の再照射を行なうことを特徴とする。

この実施の形態２の粒子線照射装置では、実施の形態１による粒子線照射装置において、アクティブな横方向照射野拡大手段４０に代わって、パッシブな横方向の照射野拡大手段５０が用いられる。また、実施の形態２では、アクティブな深さ方向の照射野拡大手段１５に加えて、アクティブな深さ方向の照射野拡大手段６０が追加される。この実施の形態２の粒子線照射装置は、それ以外は実施の形態１と同じに構成される。

この実施の形態２の粒子線照射装置では、アクティブな深さ方向の照射野拡大手段１５、６０と、パッシブな横方向の照射野拡大手段５０とが組み合わされ、積層原体照射法が実行される。アクティブな深さ方向の照射野拡大手段１５、６０は、粒子線ビームＰＢの照射方向、すなわち深さ方向に互いに異なる飛程の複数の照射層を重ね合わせるようにして、深さ方向に拡大ブラッグピークＳＯＢＰを構成する。ボーラス４５は、実施の形態１と同様に、最深層ＴＶｄとその手前の各照射層のそれぞれに対する照射線量を実質的に一定にし、深さ方向の照射野拡大手段１５、６０の制御を簡略化する。

図１１は、この発明の実施の形態２の粒子線照射装置において使用される照射ノズル３１の構成を示す。この図１１の照射ノズルは符号３１Ｂで示される。図１１から明らかなように、この実施の形態２で使用される照射ノズル３１Ｂは、ワブラ偏向電磁石５１ａ、５１ｂ、散乱板５８、粒子線ビームＰＢの照射位置をモニタするビーム位置モニタ５２ａ、５２ｂ、粒子線ＰＢの照射線量をモニタする線量モニタ５３、ボーラス取付け台５４、レンジシフタ５６および可変コリメータ５７を有する。

ワブラ偏向電磁石５１ａ、５１ｂと散乱板５８は、パッシブな横方向の照射野拡大手段５０を構成する。ワブラ偏向電磁石５１ａ、５１ｂは、粒子線ビームＰＢをドーナツ状に走査し、このドーナツ状に走査した粒子線ビームＢＰを散乱体５８に照射し、照射野を横方向に、すなわちＸ、Ｙ平面で拡大する。

レンジシフタ５６は、アクティブな深さ方向の照射野拡大手段６０を構成する。このレンジシフタ５６は粒子線ビームＰＢを横切るように挿入され、それに供給される調整信号に応じて粒子線ビームＰＢのエネルギーを減速させ、深さ方向の照射野拡大を行なう。このアクティブな深さ方向の照射野拡大手段６０も装置全体を制御する制御計算機により制御される。実施の形態２では、加速器１２に対するエネルギー設定制御器１３によりアクティブな深さ方向の照射野拡大手段１５が構成され、またレンジシフタ５６によりアクティブな深さ方向の照射野拡大手段６０が構成される。これらを併用することにより、充分な深さ方向の照射野拡大を図ることができる。しかし、これらの一方を非使用とすることもできる。

可変コリメータ５７は、横方向の照射野を制限するためのものであり、遠隔制御により、矢印Ａ方向に移動し、横方向、すなわちＸ、Ｙ平面の照射野を調整する。この可変コリメータ５７には、例えば多葉コリメータを使用する。この可変コリメータ５７により横方向の照射野を調整することにより、３次元的な線量分布を作り出す。

図１１の矢印ＰＢは、粒子線ビームＰＢの照射方向を示す。ワブラ偏向電磁石５１ａ、５１ｂは、照射方向の上流側に互いに隣接して配置されている。散乱体５８は、偏向電磁石５１ｂとビーム位置モニタ５２ａとの間に配置される。ビーム位置モニタ５２ａ、５２ｂは、照射方向に間隔をおいて配置され、ビーム位置モニタ５２ａ、５２ｂの間に、ビーム位置モニタ５２ｂの近くに線量モニタ５３が配置される。ボーラス取付け台５４は、最も患者に近い照射方向の下流側に配置され、このボーラス取付け台５４にボーラス４５が取付けられる。レンジシフタ５６は、線量モニタ５３とビーム位置モニタ５２ａとの間に、線量モニタ５３の近くに配置される。また可変コリメータ５７は、ビーム位置モニタ５２ｂとボーラス取付け台５４との間に配置される。

この実施の形態２では、アクティブな深さ方向の照射野拡大手段１５、６０と、パッシブな横方向の照射野拡大手段５０とを組み合わせ、これにさらにボーラス４５を組み合わせる。ボーラス４５は、実施の形態１と同様に、最深層ＴＶｄとその手前の各照射層のそれぞれに対する照射線量を実質的に一定にし、深さ方向の照射野拡大手段１５、６０の制御を簡略化する。

実施の形態２では、照射目標ＴＶの深さ方向の最深層ＴＶｄとその手前の各照射層における照射線量の重ね合わせが、計画通りに制御されることが重要である。しかし、患者の呼吸、体内の血流などの生理的な活動に基づき患部臓器が動き、これに伴なって照射目標ＴＶも変位するので、照射線量の重ね合わせにも誤差が生じる可能性がある。例えば、呼吸に伴ない、肝臓の位置は主に体の長さの方向に周期的に変位するが、また体の厚みの方向にも周期的に変位する。

実施の形態２による粒子線の照射方法では、特定の照射層に対して、１回以上の最照射を行なう。特定の照射層として、最深層ＴＶｄを選択する。この最深層ＴＶｄに付与される照射線量は、他の照射層のそれに比べて５〜２０倍の大きさであるので、この最深層ＴＶｄに対する照射線量を正確にすることにより、全体の照射線量分布の精度を向上することができる。

実施の形態２では、実施の形態１と同様に図９に示す照射手順で最深層ＴＶｄに対して４回の再照射を行ない、その結果、図１０について説明したと同様に、最深層ＴＶｄに対して、より正確な照射線量を照射することができる。最深層ＴＶｄなどのある照射層に単に１回だけの照射を行なう場合には、照射目標ＴＶの変位に伴ない、領域２０４で過大な照射線量が付与される危険があるが、再照射により、複数回に分割し、等分した照射線量で照射を行なうことにより、このような過大な照射領域２０４が生じるのを改善できる。

以上のように、実施の形態２において、最深層ＴＶｄに対する１回以上の再照射を行ない、照射回数を複数回に分割することにより、目標部位ＴＶの変位に伴なう照射線量の誤差を軽減することができる。
なお、ここで述べた線量分布、および重み付けの具体的数値は一例であり、この発明の効果はその具体的数値に依存するものではない。

実施の形態２で使用したレンジシフタ５６によるアクティブな深さ方向の照射野拡大手段６０は、実施の形態１のアクティブな深さ方向の照射野拡大手段１５とともに、実施の形態１に使用することもできる。またこのアクティブな深さ方向の照射野拡大手段６０を実施の形態１に用いることにより、実施の形態１のアクティブな深さ方向の照射野拡大手段１５を省略することもできる。

実施の形態３．
次に、この発明による実施の形態３について説明する。この実施の形態３で使用する粒子線照射装置は、実施の形態１または実施の形態２で説明したものと同じものが使用され、実施の形態３では、その粒子線ビームの照射手順が変更される。

この実施の形態３では、図１２に示す照射手順で粒子線ビームＰＢを照射する。この図１２の制御手順も、装置全体を制御する制御計算機の記憶装置に記憶される。図１２では、縦欄に沿って、最深層ＴＶｄから第２層、第３層、・・・、第９層までの各照射層が配置され、その横欄には照射の順番が、１回目、２回目、・・・、５回目まで配置され、各照射層と各照射の順番との交点には、照射順序が１、２、３、・・・、１６と記載される。粒子線ビームＰＢは、照射順序１、２、３、・・・、１６の順に実行される。

この図１２の照射手順では、１回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１の照射、および第２層から第９層のそれぞれに対する照射順序２、３、４、５、６、７、８、９の照射を含む。２回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１０の照射、および第２層、第３層のそれぞれに対する照射順序１１、１２の照射を含む。３回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１３の照射、および第２層に対する照射順序１４の照射を含む。４回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１５の照射を含み、５回目の照射は最深層ＴＶｄに対する照射順序１６の照射を含む。
照射順序１０、１３、１５、１６の４つの照射は、すべて最深層ＴＶｄに対する再照射であり、照射順序１１、１４の２つの照射は第２層に対する再照射であり、また照射順序１２の照射は第３層に対する再照射である。

最深層ＴＶｄに対する照射順序１、１０、１３、１５、１６の合わせて５つの照射は、それぞれ最深層ＴＶｄに対応する最も高い照射線量ＲＶ１の１／５の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ１になるようにしている。第２層に対する照射順序２、１１、１４の合わせて３つの照射は、それぞれ第２層に必要な照射線量ＲＶ２の１／３の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ２になるようにしている。第３層に対する照射順序３、１２の照射は、それぞれ第３層に必要な照射線量ＲＶ３の１／２の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ３となるようにしている。第２層から第９層に対する照射線量ＲＶ２からＲＶ９は、最深層ＴＶｄに対する照射線量ＲV１から順次低減されるが、第２層、第３層に対する照射線量ＲＶ２、ＲＶ３は、第４層から第９層に対する照射線量に比べて高い。

このように実施の形態３では、最深層ＴＶｄと、これに続いて照射線量が高い第２層、第３層に対して、１回以上の再照射を行ない、呼吸などの生理的な活動によって照射目標ＴＶが変位した場合にも、これらの最深層ＴＶｄ、第２層、第３層に対する照射誤差を低減できる。

なお、実施の形態２は、アクティブな深さ方向の照射野拡大と、パッシブな横方向の照射野拡大とを組み合わせ、さらにボーラス４５を組み合わせているが、この実施の形態２においても、実施の形態３と同様に、最深層ＴＶｄ、第２層、および第３層に対して、１回以上の再照射を行なうようにすることもできる。

実施の形態４．
次に、この発明による実施の形態４について説明する。この実施の形態４で使用する粒子線照射装置は、実施の形態１または実施の形態２で説明したものと同じものが使用され、実施の形態４でも、その粒子線ビームの照射手順が変更される。

この実施の形態４では、図１３に示す照射手順で粒子線ビームＰＢを照射する。この制御手順も、装置全体を制御する制御計算機の記憶装置に記憶される。図１３では、縦欄に沿って、最深層ＴＶｄから第２層、第３層、・・・、第９層までの各照射層が配置され、その横欄には照射の順番が、１回目、２回目、・・・、５回目まで配置され、各照射層と各照射の順番との交点には、照射順序が１、２、３、・・・、１６と記載される。粒子線ビームＰＢは、この照射順序１、２、３、・・・、１６の順に実行される。

この図１３の照射手順では、１回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１の照射、および第２層から第９層のそれぞれに対する照射順序２、３、４、５、６、７、８、９の照射を含む。２回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１０の照射、および第２層、第３層のそれぞれに対する照射順序１４、１６の照射を含む。３回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１１の照射と、第２層に対する照射順序１５の照射を含む。４回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１２の照射を含み、また５回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１３の照射を含む。
照射順序１０、１１、１２、１３の照射は、すべて最深層ＴＶｄに対する再照射であり、照射順序１４、１５の照射は第２層に対する再照射であり、また照射順序１６の照射は第３層に対する再照射である。

最深層ＴＶｄに対する照射順序１、１０、１１、１２、１３の合わせて５回の照射は、それぞれ最深層ＴＶｄに対応する最も高い照射線量ＲＶ１の１／５の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ１になるようにしている。第２層に対する照射順序２、１４、１５の合わせて３回の照射は、それぞれ第２層に必要な照射線量ＲＶ２の１／３の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ２になるようにしている。第３層に対する照射順序３、１６の照射は、それぞれ第３層に必要な照射線量ＲＶ３の１／２の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ３となるようにしている。第２層から第９層に対する照射線量ＲＶ２からＲＶ９は、最深層ＴＶｄに対する照射線量ＲV１から順次低減されるが、第２層、第３層に対する照射線量ＲＶ２、ＲＶ３は、第４層から第９層に対する照射線量に比べて高い。

この実施の形態４では、最深層ＴＶｄに対する照射順序１０から１３の４回の再照射が完了した後に、第２層に対する照射順序１４、１５の２回の再照射を行ない、さらにその後で、第３層に対する照射順序１６の再照射を行なうことを特徴とする。この実施の形態４においても、最深層ＴＶｄと、それに続いて照射線量の高い第２層、第３層に対して、１回以上の再照射を行なうので、呼吸などの生理的な活動により照射目標ＴＶが変位しても、これらの照射線量の高い最深層ＴＶｄ、第２層、第３層に対する照射誤差を低減できる。

実施の形態５．
次に、この発明による実施の形態５について説明する。この実施の形態５で使用する粒子線照射装置は、実施の形態１または実施の形態２で説明したものと同じものが使用され、実施の形態５でも、その粒子線ビームの照射手順が変更される。

この実施の形態５では、図１４に示す照射手順で粒子線ビームＰＢを照射する。この制御手順も、装置全体を制御する制御計算機の記憶装置に記憶される。図１４では、縦欄に沿って、最深層ＴＶｄから第２層、第３層、・・・、第９層までの各照射層が配置され、その横欄には各照射層に対する重み付け（相対値）と、これに続き照射の順番が、１回目、２回目、・・・、１０回目まで配置され、各照射層と各照射の順番との交点には、照射順序が１、２、３、・・・、２４と記載される。粒子線ビームＰＢは、この照射順序１、２、３、・・・、２４の順に実行される。

この図１４の照射手順では、１回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１の照射、および第２層から第９層のそれぞれに対する照射順序２、３、４、５、６、７、８、９の照射を含む。２回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１０の照射、および第２層から第５層のそれぞれに対する照射順序１１、１２、１３、１４の照射を含む。３回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１５の照射と、第２層、第３層のそれぞれに対する照射順序１６、１７の照射を含む。４回目から１０回目の照射は、それぞれ最深層ＴＶｄに対する照射順序１８、１９、２０、２１、２２、２３および２４の照射である。
照射順序１０、１５、１８から２４の９回の照射は、すべて最深層ＴＶｄに対する再照射であり、照射順序１１、１６の２回の照射は第２層に対する再照射であり、照射順序１２、１７の２回の照射は第３層に対する再照射である。また、照射順序１３、１４の照射は、それぞれ第４層、第５層に対する再照射である。

最深層ＴＶｄに対する照射順序１、１０、１５、１８から２４の合わせて１０回の照射は、それぞれ最深層ＴＶｄに対応する最も高い照射線量ＲＶ１（重み付け１００）の１／１０の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ１になるようにしている。第２層に対する照射順序２、１１、１６の合わせて３回の照射は、それぞれ第２層に必要な照射線量ＲＶ２（重み付け３０）の１／３の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ２になるようにしている。第３層に対する照射順序３、１２、１７の照射は、それぞれ第３層に必要な照射線量ＲＶ３（重み付け２８）の１／２の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ３となるようにしている。第４層に対する照射順序４、１３の合わせて２回の照射は、それぞれ第４層に必要な照射線量ＲＶ４（重み付け２２）の１／２の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ４となるようにしている。第５層に対する照射順序５、１４の合わせて２回の照射は、それぞれ第５層に必要な照射線量ＲＶ５（重み付け２０）の１／２の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ５となるようにしている。

この実施の形態５では、最深層ＴＶｄおよび重み付け（相対値）が２０以上の第２層、第３層、第４層、第５層に対して、それぞれの重み付けに比例した回数の再照射を行なうことを特徴とする。この実施の形態５においても、呼吸などの生理的な活動により照射目標ＴＶが変位しても、これらの照射線量の高い最深層ＴＶｄ、第２層、第３層、第４層、第５層に対する照射誤差を低減できる。

実施の形態６．
次に、この発明による実施の形態６について説明する。この実施の形態６で使用する粒子線照射装置は、実施の形態１または実施の形態２で説明したものと同じものが使用され、実施の形態６でも、その粒子線ビームの照射手順が変更される。

この実施の形態６では、図１５に示す照射手順で粒子線ビームＰＢを照射する。この制御手順も、装置全体を制御する制御計算機の記憶装置に記憶される。図１５では、縦欄に沿って、最深層ＴＶｄから第２層、第３層、・・・、第９層までの各照射層が配置され、その横欄には各照射層に対する重み付け（相対値）と、これに続き照射の順番が、１回目、２回目、・・・、１０回目まで配置され、各照射層と各照射の順番との交点には、照射順序が１、２、３、・・・、２４と記載される。粒子線ビームＰＢは、この照射順序１、２、３、・・・、２４の順に実行される。

この図１５の照射手順では、１回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１の照射、および第２層から第９層のそれぞれに対する照射順序２、３、４、５、６、７、８、９の照射を含む。２回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１０の照射、第２層に対する照射順序１９の照射、第３層に対する照射順序２１の照射、第４層に対する照射順序２３の照射および第５層に対する第２４の照射を含む。３回目の照射は、最深層ＴＶｄに対する照射順序１１の照射と、第２層、第３層のそれぞれに対する照射順序２０、２２の照射を含む。４回目から１０回目の照射は、それぞれ最深層ＴＶｄに対する照射順序１２から２４の照射である。

照射順序１０から１８の９回の照射は、すべて最深層ＴＶｄに対する再照射であり、照射順序１９、２０の２回の照射は第２層に対する再照射であり、照射順序２１、２２の照射は第３層に対する再照射である。また、照射順序２３、２４の照射は、それぞれ第４層、第５層の対する再照射である。照射順序１０から１８の９回の最深層ＴＶｄに対する再照射が、再照射の最初にまとめて実行され、これに続いて第２層に対する照射順序１９、２０の再照射が実行される。その後、第３層、第４層、第５層に対する再照射が実行される。

最深層ＴＶｄに対する照射順序１、１０から１８の合わせて１０回の照射は、それぞれ最深層ＴＶｄに対応する最も高い照射線量ＲＶ１（重み付け１００）の１／１０の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ１になるようにしている。第２層に対する照射順序２、１９、２０の合わせて３回の照射は、それぞれ第２層に必要な照射線量ＲＶ２（重み付け３０）の１／３の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ２になるようにしている。第３層に対する照射順序３、２１、２２の合わせて３回の照射は、それぞれ第３層に必要な照射線量ＲＶ３（重み付け２８）の１／３の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ３となるようにしている。第４層に対する照射順序４、２３の合わせて２回の照射は、それぞれ第４層に必要な照射線量ＲＶ４（重み付け２２）の１／２の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ４となるようにしている。第５層に対する照射順序５、２４の合わせて２回の照射は、それぞれ第５層に必要な照射線量ＲＶ５（重み付け２０）の１／２の線量で行なわれ、合計の照射線量がＲＶ５となるようにしている。

この実施の形態６でも、最深層ＴＶｄおよび重み付け（相対値）が２０以上の第２層、第３層、第４層、第５層に対して、それぞれの重み付けに比例した回数の再照射を行なうことを特徴とする。この実施の形態６においても、呼吸などの生理的な活動により照射目標ＴＶが変位しても、これらの照射線量の高い最深層ＴＶｄ、第２層、第３層、第４層、第５層に対する照射誤差を低減できる。

実施の形態７．
次にこの発明の実施の形態７について説明する。この実施の形態７では、この発明による粒子線照射装置の実施の形態７と、この発明による粒子線照射方法の実施の形態７について説明する。
この実施の形態７は、患者の呼吸測定または照射目標の位置検出を行ない、これらの呼吸測定または照射目標の位置検出に基づき、患者の呼吸判定を行ない、粒子線ビームＰＢの照射の入り切りを制御する機能を付加したものである。

この実施の形態７では、図１６に示す実施の形態７の粒子線照射装置が使用される。この図１６に示す粒子線照射装置は、粒子線発生部１０、粒子線輸送部２０および粒子線照射部３０に加え、呼吸測定装置７１、照射目標位置検出装置７３、呼吸判定計算機７５、粒子線治療安全系７７を備えている。粒子線発生部１０および粒子線輸送部２０は、図４に示したものと同じである。粒子線照射部３０は、図４の粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを含み、その照射ノズル３１は、図５に示す実施の形態１で使用した照射ノズル３１Ａまたは図１１に示す実施の形態２で使用した照射ノズル３１Ｂが使用される。実施の形態７の粒子線照射方法では、実施の形態１から実施の形態６に述べた照射方法が使用され、加えて粒子線ビームＰＢが入り切り制御される。なお、図１６には、治療台３２上に患者７０が図示される。粒子線照射部３０は、患者７０の真上から粒子線ビームＰＢを照射する。

呼吸測定装置７１は、患者７０の呼吸を測定して呼吸信号ＢＳを出力するものであり、従来の粒子線治療装置またはＸ線ＣＴで使用されているものを使用することができる。この呼吸測定手段７１には、患者７０の腹部または胸部に発光ダイオード（ＬＥＤ）を取付け、この発光ダイオードの発光位置の変位により呼吸を測定する手段、反射装置を用いレーザ光線により体の変位を測定する手段、患者の腹部に伸縮型抵抗を取付けてその電気特性の変化を測定する手段、患者の７０の呼吸する息を直接計測する手段などを用いることができる。

照射目標位置検出装置７３は、患者７０内の照射目標ＴＶの位置を検出して呼吸信号ＢＳを出力するものである。この照射目標位置検出装置７３としては、Ｘ線源７３１、７３２と、これらに対応するＸ線画像取得装置７４１、７４２を使用する。Ｘ線源７３１、７３２は、患者７０内の照射目標ＴＶに向けてＸ線を照射し、Ｘ線画像取得装置７４１、７４２は、Ｘ線源７３１、７３２からのＸ線の画像を取得して、照射目標ＴＶの位置を検出する。Ｘ線画像取得装置７４１、７４２としては、例えばイメージインテンシファイアを用いたＸ線テレビ装置あるいはシンチレータ板をＣＣＤカメラで計測する手段などを使用する。照射目標ＴＶは、それに対応する要所に、予め金などの金属の小片をマーカとして埋め込む手法もあり、このマーカを用いることにより、照射目標ＴＶの位置の特定が容易になる。

呼吸測定手段７１および照射目標位置検出装置７３はともに、呼吸に伴なう照射目標ＴＶの変位を検出し、呼吸信号ＢＳを発生する。これらの呼吸信号ＢＳは、ともに呼吸判定計算機７５に入力される。この呼吸判定計算機７５は、その記憶手段内に記憶された呼気／吸気の相関関係に基づき、入力された呼吸信号ＢＳから呼吸周期の位相をリアルタイムで判定し、ステータス信号ＳＳを粒子線治療安全系７７に出力する。粒子線治療安全系７７は、ステータス信号ＳＳに基づき、制御信号ＣＳを粒子線発生部１０および粒子線輸送部２０に供給し、粒子線照射ノズル３１からの粒子線ビームＰＢの入り切りを行なう。

実施の形態７によれば、呼吸に同期して、実施の形態１から実施の形態６について説明した粒子線ビームＰＢを入り切り制御して、より安全度の高い高精度の粒子線照射を行なうことができる。なお、呼吸測定装置７１と照射目標位置検出手段７３は、それらのいずれか一方だけを使用することもできる。

実施の形態８．
次にこの発明の実施の形態８について説明する。この実施の形態８では、この発明による粒子線照射装置の実施の形態８と、この発明による粒子線照射方法の実施の形態８について説明する。
この実施の形態８は、患者の呼吸測定または照射目標の位置検出を行ない、これらの呼吸測定または照射目標の位置検出に基づき、患者の呼吸判定を行ない、粒子線ビームＰＢの照射の入り切りを制御する機能を付加したものである。この実施の形態８は、実施の形態７における粒子線治療安全系７７を、照射制御計算機８０に置き換え、呼吸信号ＢＳに基づいて、照射される粒子線ビームＰＢの照射線量を制御するようにしたものである。その他は実施の形態７と同じに構成される。

この実施の形態８では、図１７に示す実施の形態８の粒子線照射装置が使用される。この図１７に示す粒子線発生部１０および粒子線輸送部２０は、図４に示したものと同じである。粒子線照射部３０は、図４の粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを含む。この粒子線照射部３０は照射ノズル３１を有し、この照射ノズル３１には、図５に示す実施の形態１で使用した照射ノズル３１Ａおよび図１１に示す実施の形態２で使用した照射ノズル３１Ｂが使用される。この実施の形態８の粒子線照射方法は、実施の形態１から実施の形態６に述べた照射方法に加え、粒子線ビームＰＢの照射線量の制御を行なう。

この実施の形態８では、患者７０の呼吸位相と、それに対応した照射目標ＴＶの位置を計測し、それらの相関関係を呼吸判定計算機７５の記憶手段に記憶する。呼吸判定計算機７５は、呼吸測定装置７１および照射目標位置検出手段７３のいずれか一方または両方からの呼吸信号ＢＳを受け、リアルタイムで、この呼吸信号ＢＳに対応する照射目標ＴＶの位置を表わす位置信号ＰＳを出力する。

照射制御計算機８０は、呼吸判定計算機７５からの位置信号ＰＳに基づき、その位置信号ＰＳに対応する照射線量を表わす照射線量制御信号ＲＳを粒子線照射部３０へ供給する。粒子線照射部３０は、呼吸信号ＢＳに対応する位置信号ＰＳに基づき、照射目標ＴＶに対する照射線量を調整する。例えば、照射目標ＴＶが肝臓である場合、呼吸のある位相において肝臓が照射ノズル３１から１ｃｍ深い位置に変位したとすると、この深い位置において計画照射線量となるように、粒子線ビームＰＢの照射線量を調整する。照射制御計算機８０は、実施の形態１から実施の形態６について説明した装置全体を制御する制御計算機とすることもできる。

この実施の形態８では、呼吸に伴なう照射目標ＴＶの変位に対応して、実施の形態１から６について説明した粒子線ビームＰＢの照射線量を調整するので、より精度の高い照射を行なうことができる。なお、実施の形態８において、照射目標位置検出装置７３からの呼吸信号ＢＳを使用すれば、呼吸測定装置７１からの呼吸信号ＢＳに比べ、より直接的に照射目標ＴＶの位置を検出でき、より精度の高い照射を行なうことができる。

実施の形態９．
次にこの発明の実施の形態９について説明する。この実施の形態９では、この発明による粒子線照射装置の実施の形態９と、この発明による粒子線照射方法の実施の形態９について説明する。

患者７０の照射目標ＴＶは、患者７０の呼吸に伴なって変位するが、その変位は、主に一定の軸に沿った変位である。胸部および腹部の臓器については、横隔膜の動作によって、体の長さ方向に沿った変位が多い。図１８は、患者７０内の照射目標ＴＶが、体の長さ方向に沿って矢印Ｃ方向に変位する様子を示す。

粒子線ビームＰＢは通常は体の真上の位置から矢印Ｂ１のように照射されるが、粒子線ビームＰＢを患者７０の頭７０ｈの上方から斜めに矢印Ｂ２のように照射すれば、患者７０の呼吸に伴なう照射目標ＴＶの矢印Ｃ方向の変位を、粒子線ビームＰＢの照射方向、すなわち深さ方向と、それに直交する横方向とに分解することができ、呼吸に伴なう照射目標ＴＶに対する照射誤差を小さくできる。

実施の形態９は、これに着目して、実施の形態１から実施の形態６について説明した粒子線ビームＰＢを、体の長さの方向に対して斜めから照射する。この実施の形態９の粒子線照射装置では、図１９、２０に示す回転ガントリ９０と、治療台回転機構が併用される。

回転ガントリ９０は、大きな円筒型であり、水平軸線９１の周りに回転可能とされる。この回転ガントリ９０の内部に治療台３２が設置される。この治療台３２は、水平軸線９１と直交する垂直軸線９２の周りに、治療台回転機構により回転されるものとする。粒子線照射ノズル３１は、回転ガントリ９０の周面の照射点Ｐに設置される。

図１９は、水平軸線９１と体の長さ方向とが互いに平行となり、照射点Ｐから真下に矢印Ｂ１方向に粒子線ビームＰＢが照射される状態を示す。図２０では、回転ガントリ９０が、水平軸線９１の周りに、図１９から反時計方向にほぼ４５度回転し、また治療台３２が図１９から垂直軸線９２の周りで９０度回転した状態を示し、この図２０の状態では、粒子線ビームＰＢは、患者７０の頭７０ｈの上方から斜めに矢印Ｂ２に沿って照射される。

この実施の形態９の粒子線照射装置では、患者７０の頭７０ｈの上方から斜めに矢印Ｂ２に沿って粒子線ビームＰＢが照射されるので、患者７０の呼吸に伴なう照射目標ＴＶの矢印Ｃ方向の変位を、粒子線ビームＰＢの照射方向、すなわち深さ方向と、それに直交する横方向とに分解することができ、呼吸に伴なう照射目標ＴＶに対する照射誤差を小さくできる。

この発明による粒子線の照射装置は、例えば癌などの治療装置として利用される。

各種放射線の体内における線量分布を示す線図。 ボーラスによる照射エネルギーの変換を示す説明図。 粒子線ビームの体内における深さ方向の線量分布図。 この発明による粒子線照射装置の実施の形態１の全体構成図。 実施の形態１における照射ノズルの内部構成図。 実施の形態１による粒子線照射の説明図であり、図６（ａ）は照射目標を示す斜視図、図６（ｂ）はその照射スポットの走査説明図。 従来のスポットスキャニング照射法の説明図であり、図７（ａ）は照射目標を示す斜視図、図７（ｂ）はその照射スポットの走査説明図。 図６の粒子線照射で用いられるボーラスの断面図。 この発明による粒子線照射の実施の形態１における照射手順を示す図。 実施の形態１の照射手順の効果を示す線図。 この発明による粒子線照射装置の実施の形態２における照射ノズルの内部構成図。 この発明による粒子線照射装置の実施の形態３における照射手順を示す図。 この発明による粒子線照射装置の実施の形態４における照射手順を示す図。 この発明による粒子線照射装置の実施の形態５における照射手順を示す図。 この発明による粒子線照射装置の実施の形態６における照射手順を示す図。 この発明による粒子線照射装置の実施の形態７の構成図。 この発明による粒子線照射装置の実施の形態８の構成図。 この発明による粒子線照射装置の実施の形態９に関する粒子線ビームの照射方向の説明図。 この発明による粒子線照射装置の実施の形態９を示す斜視図。 この発明による粒子線照射装置の実施の形態９の回転状態を示す斜視図。

１０：粒子線発生部、１２：加速器、１５、６０：深さ方向の照射野拡大手段、
２０：粒子線輸送部、３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ：粒子線照射部、
３１、３１Ａ、３１Ｂ：照射ノズル、４０：横方向の照射野拡大手段、
ＴＶ：照射目標、ＴＶｄ：最深層、Ｓ：照射スポット、ＰＢ：粒子線ビーム、
４５：ボーラス、５０：横方向の照射野拡大手段、
７１：呼吸測定装置、７３：照射目標位置検出装置、７５：呼吸判定計算機、
７７：粒子線治療装置安全系、８０：照射制御計算機、９０：回転ガントリ。

Claims (7)

1. 粒子線ビームを発生する粒子線発生部と、
   この粒子線発生部で発生した前記粒子線ビームを輸送する粒子線輸送部と、
   この粒子線輸送部で輸送された前記粒子線ビームを照射目標に向けて照射する粒子線照射部と、
   前記粒子線ビームの照射方向に沿った深さ方向に前記粒子線ビームの照射野を拡大する深さ方向の照射野拡大手段と、
   前記粒子線ビームの照射方向と直交する横方向に前記粒子線ビームの照射野を拡大する横方向の照射野拡大手段とを備えた粒子線照射装置であって、
   前記深さ方向の照射野拡大手段が、前記粒子線ビームの照射方向に互いに異なる飛程の複数の照射層を重ね合わせるアクティブな深さ方向の照射野拡大手段とされ、
   前記粒子線照射装置は、さらに、
   前記粒子線ビームを横切るように配置され、前記照射目標の深さ方向の最深部に沿った形状を有するボーラスと、
   前記複数の照射層の中から選ばれた最深の照射層に前記粒子線ビームを複数回照射し、この複数回の粒子線ビームの照射により、前記最深の照射層に計画照射線量を与える制御手段と、
   前記照射目標の変位を検出する変位検出手段と、
   前記最深の照射層が変位したときにも、前記最深の照射層に前記計画照射線量が与えられるように、前記変位検出手段により検出された前記照射目標の変位に従って、前記粒子線ビームの照射線量を調整する調整手段とを備えた
   ことを特徴とする粒子線照射装置。
2. 請求項１記載の粒子線照射装置であって、前記アクティブな深さ方向の照射野拡大手段が、前記粒子線ビームを加速する加速器に結合され、その加速エネルギーを変化させることを特徴とする粒子線照射装置。
3. 請求項１記載の粒子線照射装置であって、前記アクティブな深さ方向の照射野拡大手段が、前記粒子線ビームを横切るように配置されたレンジシフタとされ、このレンジシフタは与えられる調整信号に応じて前記粒子線ビームのエネルギーを調整することを特徴とする粒子線照射装置。
4. 請求項１記載の粒子線照射装置であって、前記横方向の照射野拡大手段が、前記粒子線ビームの照射スポットを横方向に重ね合わせるアクティブな照射野拡大手段とされたことを特徴とする粒子線照射装置。
5. 請求項１記載の粒子線照射装置であって、前記横方向の照射野拡大手段が、パッシブな照射野拡大手段とされたことを特徴とする粒子線照射装置。
6. 請求項１記載の粒子線照射装置であって、さらに、前記粒子線ビームの照射を入り切りする入り切り手段を備え、前記照射目標の変位に応じて前記粒子線ビームを入り切りすることを特徴とする粒子線照射装置。
7. 請求項１記載の粒子線照射装置であって、前記粒子線照射部は粒子線ビームを照射する照射ノズルを有し、この照射ノズルが回転ガントリに搭載され、前記照射目標が主に所定の方向に沿って変位する場合に、前記粒子線ビームを前記所定の方向に関して斜めの方向から前記粒子線ビームを照射目標に向けて照射することを特徴とする粒子線照射装置。

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