JP5596586B2

JP5596586B2 - マルチリーフコリメータ、粒子線治療装置、および治療計画装置

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Publication number: JP5596586B2
Application number: JP2011021678A
Authority: JP
Inventors: 高明岩田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2030-08-17
Also published as: JP2012040349A

Description

本発明は、荷電粒子ビームを用いた粒子線治療装置において、照射野を形成するために用いられるマルチリーフコリメータ、当該マルチリーフコリメータを用いた粒子線治療装置、および当該粒子線治療装置の動作条件を定める治療計画装置に関する。

粒子線治療は、治療対象となる患部に荷電粒子ビームを照射して、患部組織を殺傷することにより治療を行うものであり、周辺組織にダメージを与えず、患部組織に十分な線量を与えるため、照射線量や照射範囲（以降、照射野と称する）を適切に制御できる粒子線治療装置が求められている。粒子線治療装置のうち、ワブラ電磁石等の走査電磁石を備えた照射ノズルを用いたいわゆるブロード照射型の粒子線治療装置では、照射ノズルで照射野を拡大させ、拡大させた照射野内に透過形状を変化させるマルチリーフコリメータを配置して、患部形状に応じた照射野を形成している。

マルチリーフコリメータは、リーフ板を厚み方向に積層したリーフ列を２列対向させるように配置し、各リーフ板が対向するリーフ板に対して接近または離間方向に駆動することにより、所定の透過形状を形成するものである。そのため、各リーフ板の物理的な位置を制御することにより、容易に照射野を形成することができる。しかし、リーフ板が直線駆動の場合、照射野の中心から離れた輪郭部分では、広がり方向に角度のついた荷電粒子ビームがリーフ板の端面の一部にあたり、荷電粒子ビームの線量が連続的に減衰するいわゆる半影帯が生じてしまう。そこで、ビームの広がりを考慮して、円弧や錐体の側面で分割した形状に形成したリーフを円軌道で駆動させる、いわゆる錐体状のマルチリーフコリメータが提案されている（例えば、特許文献１または２参照。）。

特開昭６０−０６３５００号公報（２頁右上、２頁右下〜３頁左上、第２図、第４図）特開昭６３−２２５１９９号公報（３頁右下〜４頁右上、７頁左下〜右下、第１図〜第３図、第１２図〜第１３図）特開平１０−２５５７０７号公報（段落０００９〜００２０、図１、図５）特開２００６−１６６９４７号公報（段落００１５〜００１６、図１）

しかしながら、上述した錐体状のマルチリーフコリメータは、点光源から広がっていくようなビームを想定したものである。あるいは、体積線源を想定した場合でも、方向によって広がり方が異なることを考慮したものではない。一方、荷電粒子ビームを扱う粒子線治療装置で照射野を拡大するには、特許文献３、４に示すように、加速器から供給された細いビームを走査するための電磁石が必要となる。しかも、ビーム軸に垂直な面内で、例えば、ｘ方向電磁石とｙ方向電磁石のように、２つの方向に対してそれぞれ電磁石が必要となるので、ｘ方向とｙ方向では広がり始める起点が異なることになる。したがって、上述したマルチリーフコリメータを粒子線治療装置に適用しても、ビームの広がり方とマルチリーフコリメータの透過形状が一致せず、半影が残ってしまうという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、半影の影響を受けずに、コントラストの高い照射野が形成できるマルチリーフコリメータおよび粒子線治療装置を得ることを目的とする。

本発明のマルチリーフコリメータは、加速された荷電粒子ビームのビーム軌道上に配置され、照射対象に適合するように前記荷電粒子ビームの照射野を制限若しくは成形するためのマルチリーフコリメータであって、複数のリーフ板の一端面を揃えて厚み方向に並べたリーフ列と、前記複数のリーフ板のそれぞれに対して、前記一端面を前記荷電粒子ビームのビーム軸に対して接近または離反方向に駆動させるリーフ板駆動機構と、を備え、前記複数のリーフ板のそれぞれは、方向により異なる２つの曲率半径を有する曲面を有し、前記２つの曲率半径のうち、一方の曲率半径の中心軸である第１の軸は前記ビーム軸上の第一基準点を通り、他方の曲率半径の中心軸である第２の軸は前記ビーム軸上で前記第一基準点から離れた第二基準点を通ることを特徴とする。

また、本発明の粒子線治療装置は、加速器から供給された粒子ビームを走査方向が異なる２つの電磁石で走査し、照射野を拡大するように照射する照射ノズルと、前記照射ノズルから照射された粒子ビーム中に配置された上述するマルチリーフコリメータと、を備え、前記マルチリーフコリメータは、前記第１の軸が前記２つの電磁石のうちの一方の電磁石の走査軸に一致するとともに、前記第２の軸が他方の電磁石の走査軸に一致するように配置されている、ことを特徴とする。

また、本発明の治療計画装置は、照射対象の画像データから３次元データを生成する３次元データ生成ユニットと、生成した３次元データに基づいて、照射条件を設定する照射条件設定ユニットと、設定した照射条件を基に、上記粒子線治療装置におけるマルチリーフコリメータのリーフ駆動を制御する制御データを生成する制御データ生成ユニットと、を備え、前記３次元データ生成ユニットは、前記３次元データを少なくとも前記第１の軸を中心とするビームの偏向角度と、前記第２の軸を中心とするビームの偏向角度とを用いて生成する、ことを特徴とする。

本発明のマルチリーフコリメータ、粒子線治療装置、および治療計画装置によれば、マルチリーフコリメータが透過形状を形成したときに輪郭となるリーフ板の面が、当該面近傍を通過する粒子ビームの広がる方向と一致するので、半影の影響を受けずに、コントラストの高い照射野を形成することができる

本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータを備えた粒子線治療装置の照射系の構成を説明するための図である。本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータを備えた粒子線治療装置の照射系の構成を説明するためのビームの中心に対して垂直な２つの方向から見た側面図である。本発明の実施の形態１に係る粒子線治療装置の照射系における荷電粒子ビームのビーム束の状態を説明するための図である。本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータおよびリーフ板の構成を説明するための全閉状態の図である。本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータおよびリーフ板の構成を説明するための所定形状の照射野を形成している状態の図である。本発明の実施の形態２に係る粒子線治療装置におけるビームの走査軌跡の例を示す図である。本発明の実施の形態２に係る粒子線治療装置におけるビームの走査軌跡の他の例を示す図である。本発明の実施の形態５に係る粒子線治療装置およびマルチリーフコリメータの構成を説明するための図である。医療行為のフローを説明するための図である。本発明の実施の形態６に係る治療計画装置の構成を説明するためのブロック図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータおよび粒子線治療装置の構成について説明する。図１〜図５は本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータおよび粒子線治療装置の構成について説明するためのもので、図１はマルチリーフコリメータを備えた粒子線治療装置の照射系の構成を示す図、図２は粒子線治療装置およびマルチリーフコリメータの構成を示すための図１における荷電粒子ビームの中心（ｚ方向）に対して垂直な方向から見た図であって、図２（ａ）はｙ方向から見た側面図、図２（ｂ）はｘ方向から見た側面図である。図３は粒子線照射装置の照射系におけるビームの線束の形状を説明するためのもので、図３（ａ）はビーム線束全体の外観を示す図、図３（ｂ）と図３（ｃ）は図３（ａ）における荷電粒子ビームの中心（ｚ方向）に対して垂直な方向から見た図であって、図３（ｂ）はｙ方向から見た側面図、図３（ｃ）はｘ方向から見た側面図である。また、図４と図５はマルチリーフコリメータおよびマルチルーフコリメータの主構成体であるリーフ板の構成を説明するための様々な方向から見た時の図である。

マルチリーフコリメータの構成の詳細な説明をする前提として、はじめに、マルチリーフコリメータを備えた粒子線治療装置の照射系について説明する。図１、図２に示すように、粒子線治療装置１０は、図示しない加速器から供給されたいわゆるペンシル状の荷電粒子ビームＢを円軌道に走査することにより、照射野を拡大する照射ノズルとして機能するワブラ電磁石１（上流１ａ、下流１ｂ）と、照射対象の厚さに応じて、ブラッグピークの幅を拡大させるためのリッジフィルタ２と、照射対象の深さ（照射深さ）に応じて、荷電粒子ビームＢのエネルギー（飛程）を変えるためのレンジシフタ３と、拡大した照射野を所定範囲に制限し、正常組織への余分な照射を防ぐためのブロックコリメータ４と、複数のリーフ板とリーフ板のそれぞれを駆動するリーフ駆動機構で構成され、照射野を患部形状に合わせるように制限するためのマルチリーフコリメータ５と、荷電粒子ビームＢの飛程を、照射対象の深さ形状に合わせるように制限するボーラス６と、を備えている。

次に、ワブラ法を用いた照射ノズルにより照射野を拡大させる照射系での動作及び原理について説明する。
図示しない加速器により加速され、輸送系を介して荷電粒子ビームＢは、直径数ｍｍ以下のいわゆるペンシルビームとして照射系へと導かれる。照射系に導かれたビームは、ワブラ電磁石１によって円軌道を描くように走査される。ワブラ電磁石１は、一般的に図に示すようにｘ方向用電磁石１ａとｙ方向用電磁石１ｂとを用意し、２つの電磁石を荷電粒子ビームＢの中心軸Ｘ_Ｂに沿って連なるように配置する。ここで、説明を明瞭にするため、ｘ方向及びｙ方向を定義する。さまざまな規格において、座標系が定義されているが、本明細書では以下に従う。荷電粒子ビームＢの進行方向をｚ軸の正方向とする。ｘ軸とｙ軸とは、ｚ軸に直交する軸であり、ｘ軸とｙ軸もお互いに直交する。そして、ｘｙｚ座標系は、右手座標系となるようにとる。図１、２の例では、上流ワブラ電磁石１ａはｘ方向、下流ワブラ電磁石１ｂはｙ方向にビーム走査する。２つの電磁石１ａ、１ｂの走査により、照射野はｘｙ方向（面方向）に広げられることになる。

照射野を拡大された荷電粒子ビームＢは、リッジフィルタ２を通過する。リッジフィルタは、例えば錐状体や断面が三角形の板を面内に多数並べたように形成され、照射野内を例えば多数の小領域に分割したとすると、小領域毎に異なる厚みを通過するビームが存在するようになっている。図では、理解しやすいように円錐が剣山のように並べられたように記載している。これにより、ブラッグピークの幅ＳＯＢＰ（Spread-Out Bragg Peak）が拡大される。すなわち、リッジフィルタ２により、照射野はｚ方向にも広げられたことになる。次に、照射野を拡大された荷電粒子ビームＢは、レンジシフタ３を通過する。レンジシフタ３は、荷電粒子ビームＢのエネルギーを変えるための装置である。レンジシフタ３によって、拡大された照射野を、所望の体内深さに照射することができる。次に、レンジシフタ３を通過したビームは、ブロックコリメータ４を通過する。ブロックコリメータ４は、通過孔ＰＨが設けられた金属ブロック等であり、照射野の平面方向（ｘｙ面）の広がりを制限する。予め照射範囲を制限すれば、正常組織への余分な照射を防ぐことができるためである。

次に、荷電粒子ビームは、マルチリーフコリメータ５を通過する。マルチリーフコリメータ５は後に詳細に説明するように、複数のリーフ板５_Ｌの位置により形成された透過形状ＰＳによって、照射野を患部形状に合わせ制限するためのものである。すなわち、照射野は、マルチリーフコリメータ５によってｘｙ方向への制限・成形がなされることになる。なお、マルチリーフコリメータ５には、少なくともリーフ板５_Ｌ（まとまりとしてリーフ群５_Ｇ）とリーフ駆動機構５_Ｄとを備えている。しかし、リーフ駆動機構５_Ｄはリーフの駆動軌道を表現できれば、そのもの自体の構成は重要ではない。また、リーフ駆動機構５_Ｄそのものを図で記載するとリーフ板５_Ｌの構成を示すのが困難となるので、上記図１、２および以降の図においては、簡略化のため、マルチリーフコリメータ５のうち、リーフ板５_Ｌあるいはリーフ板５_Ｌが集合したリーフ群５_Ｇ部分のみを抽出して記載している。

最後に、荷電粒子ビームＢは、ボーラス６を通過する。ボーラス６は、樹脂等で作られた制限器であり、患部の深さ形状である、例えば、患部のディスタル（Ｄｉｓｔａｌ）形状を補償するような形態に形成されている。ディスタル形状とは、最深部の凹凸形状のことをいう。ここで、照射野はエネルギーが制限（ｚ方向で成型）され、ディスタル形状と同じ形状を有するようになる。すなわち、照射野は、ボーラス６によってｚ方向への制限・成形がなされることになる。

粒子線治療装置の照射系の役割は、照射する照射野を患部に合わせて成形することである。その方法として本実施の形態１にかかる粒子線治療装置で採用するワブラ法では、ワブラ電磁石１のみで照射野を拡大している。この方法の具体的な例は、例えば、特許文献３に示した「スパイラル・ビーム走査による大面積均一照射法」であり、ワブラ法の中でもスパイラルワブラ法と呼ばれる。スパイラルワブラ法は、簡単に言えば、ビームをらせん状に走査して照射野を拡大するものであり、その照射野内での走査軌道（走査軌跡）を工夫することによって平坦度を確保している。なお、スパイラルワブラ法によるビームの走査軌道は、特許文献３の図１等に見ることができる。

一方、ワブラ法でも、一般的にワブラ法と称する場合には、単円ワブラ法を指す場合が多く、その場合、照射野の拡大において散乱体によって平坦度を確保している。したがって、同じワブラ法でも散乱体を用いているものと用いていないものがあり、ビームの方向性も散乱体の有無によって異なってくる。散乱体を用いた場合には、散乱体の全面においてビームの広がりが生じるため、ある点を通過するビームの照射方向に幅が生じる。一方、スパイラルワブラ法のように散乱体を用いず、走査電磁石のみでビームを広げる場合、ある点を通過するビームの照射方向は、主に走査電磁石からの位置によって決まるひとつの方向となる。

図３は、本実施の形態１に係る粒子線治療装置１０の照射系内での２連の走査電磁石１によるビームの広がり方（ビーム束Ｆ_Ｂの形状）を示した模式図である。スパイラルワブラ法では、ビームは図３に示したように広がり、点光源的とはならない。簡単のため、図３に示したビームの広がり方を「２連走査的な広がり」と呼ぶことにする。ビームが点光源ではなく、２連走査的な広がりをする場合には、それに適した制限器を設計する必要がある。

２連走査的な広がりについて、ここで少し詳しい説明を加える。
図３に示すように、ビームＢは上方より下方へ（ｚ方向）と照射されている。ビームＢは、もともとはペンシルビームと呼ばれる細い状態で供給される。ビーム軸Ｘ_Ｂ上には基準点ＣＰａと基準点ＣＰｂとを設定している。基準点ＣＰａは、上流のワブラ電磁石１ａ（厳密には、走査軸Ａ_ｓａ）が配置される場所と考えてよく、同様に、基準点ＣＰｂは、下流のワブラ電磁石１ｂ（厳密には、走査軸Ａ_ｓｂ）が配置される場所と考えてよい。

基準点ＣＰａに配置された上流のワブラ電磁石１ａは、基準点ＣＰａを基準としてビームを走査する。上流のワブラ電磁石１ａのビームの走査方向は、図３（ｂ）の面内（ｘｚ面）に走査する方向であり、ビーム軸Ｘ_Ｂ上の基準点ＣＰａを通り、ビーム軸Ｘ_Ｂに垂直な軸Ａ_ｓａが、上流ワブラ電磁石１ａの作用軸（走査軸）となる。また、基準点ＣＰｂに配置された下流のワブラ電磁石１ｂは、基準点ＣＰｂを基準としてビームを走査する。下流のワブラ電磁石１ｂのビームの走査方向は、図３（ｃ）の面内（ｙｚ面）に走査する方向であり、ビーム軸Ｘ_Ｂ上の基準点ＣＰｂを通り、ビーム軸Ｘ_Ｂおよび軸Ａ_ｓａに垂直な軸Ａ_ｓｂが、下流ワブラ電磁石１ｂの作用軸（走査軸）となる。つまり、上流ワブラ電磁石１ａの走査方向（ｘ）と、下流ワブラ電磁石１ｂの走査方向（ｙ）は、ビーム軸Ｘ_Ｂに垂直であり、下流ワブラ電磁石１ｂの走査方向（ｙ）と、上流ワブラ電磁石１ａの走査方向（ｘ）とは垂直となる。

さらに、上記ビーム束Ｆ_Ｂの形状について図３を用いて幾何学的に説明する。
図３（ｂ）に示すように、基準点ＣＰａを上端点とした鉛直（ｚ方向）な線分を引き、線分上の基準点ＣＰａ以外の位置に基準点ＣＰｂを設ける。基準点ＣＰａを中心に線分を±α度だけ回転させたときに線分が通過する扇形Ｆｓａを得る。この扇形Ｆｓａが、上流ワブラ電磁石１ａのみを用いたときの、ビームの広がりに相当する。つぎに、基準点ＣＰｂを通る基準軸Ａ_ｓｂにより、扇形Ｆｓａを上部分と下部分とに分ける。扇形Ｆｓａの下部分を、基準軸Ａ_ｓｂにより±β度だけ回転させたときに扇型Ｆｓａの下半分が通過する領域を得る。この領域は、図３（ｃ）において、扇型Ｆｓｂに見える領域であり、この領域が、ビームの広がり方（ビームが通過し得る領域：ビーム束Ｆ_Ｂ）を示したものである。つまり、２連走査的な広がりをもつビーム束Ｆ_Ｂの形状は、ｘ方向とｙ方向で曲率半径が異なる扇型となっている。

本発明の実施の形態にかかるマルチリーフコリメータ５は、上記のように走査方向の異なる２つの走査電磁石１ａ、１ｂにより照射野を拡大することで生ずるビームの２連走査的な広がりを持つビーム束Ｆ_Ｂの形状を考慮して、半影帯の影響を受けずに高コントラストな照射野を正確に形成するために構成したものである。すなわち、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータ５は、リーフ板５_Ｌのそれぞれが、当該リーフ板に対して厚み方向に隣接するリーフ板との実質的な対向面Ｐ_Ｌが、荷電粒子ビームＢのビーム軸Ｘ_Ｂ上で、基準点ＣＰａに設定された走査電磁石１ａの走査軸Ａ_ｓａを含む平面で形成され、各リーフ板５_Ｌは、ビーム軸Ｘ_Ｂ上の基準点ＣＰｂに設定されたビーム軸Ｘ_Ｂおよび走査軸Ａ_ｓａに垂直な走査電磁石１ｂの走査軸Ａ_ｓｂ、を中心とする円周軌道に沿って駆動するようにした。

以下、図４、５を用いて詳細に説明する。図４はマルチリーフコリメータおよびマルチリーフコリメータ内で駆動するリーフ板の構成を説明するための全閉状態のリーフの状態を示す図であり、図４（ａ）はマルチリーフコリメータのリーフ群全体の外観透過図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＰ方向からの上面透過図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＦ方向からの正面透過図、図４（ｄ）はマルチリーフコリメータの左半分部分のリーフ列の図４（ａ）のＳ方向からの側面透過図である。また、図５は所定形状の照射野を形成する状態を示す図であり、図５（ａ）はマルチリーフコリメータのリーフ群全体の外観図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＰ方向からの上面透過図、図５（ｃ）は図５（ａ）のＦ方向からの正面透過図、図５（ｄ）はマルチリーフコリメータの左半分部分のリーフ列の図５（ａ）のＳ方向からの側面透過図である。

図４、５に示すように、マルチリーフコリメータ５は、複数のリーフ板５_Ｌの一端面Ｅ_Ｌを揃えて厚み方向（ｘ方向）に並べたリーフ列を２列（５_ｃ１、５_ｃ２：まとめて５_ｃ）有し、リーフ列５_ｃ１と５_ｃ２を一端面Ｅ_Ｌどうしが対向するように配置したリーフ群５_Ｇと、リーフ板５_Ｌのそれぞれを、対向するリーフ板に対して接近または離反方向に駆動させる図示しないリーフ板駆動機構と、を備えており、各リーフ板５_Ｌの形状として、各リーフ板の板材としての主面の実質的な形状、つまり、隣接するリーフ板との対向面Ｐ_Ｌがｘ方向に荷電粒子ビームＢを拡大する走査電磁石１ａの走査軸Ａ_ｓａを含む平面で形成されている。つまり、板材としての主面が、走査電磁石１ａの走査軸Ａ_ｓａを含む２つの平面で形成され、リーフ板を照射方向と板厚方向を含む面で切断した切断面が荷電粒子ビームＢの照射方向の上流側から下流側へいくほど厚くなっている。

そして、各リーフ５_Ｌの駆動（ｙｚ面内方向）を、ｙ方向に荷電粒子ビームＢを拡大する下流電磁石１ｂの走査軸Ａ_ｓｂからの距離Ｒ_Ｓｂに対応する円周軌道Ｏ_Ｌとし、さらに、リーフ板５_Ｌの４つの端面のうち、一端面Ｅ_Ｌに隣接する入射側の端面Ｐ_Ｉの形状と出射側の端面Ｐ_Ｘの形状とをそれぞれ走査軸Ａ_ｓｂを中心とする円弧で形成する、つまり走査軸Ａｓｂを中心とするリングの一部のように形成することにより、円周軌道Ｏ_Ｌに沿ってリーフ板５_Ｌが駆動しても、荷電粒子ビームＢの照射方向に沿った深さ寸法が変化しないようにした。

これにより、リーフ板５_Ｌがどの位置に駆動したとしても、例えば、図５に示すように、透過形状ＰＳのｘ方向の輪郭を形成するリーフ板５_Ｌの端面Ｅ_Ｌは、端面Ｅ_Ｌ近傍を通過する荷電粒子ビームＢの照射方向と平行となり、半影が生ずることはない。また、透過形状ＰＳのｙ方向の輪郭を形成するリーフ板５_Ｌの対向面Ｐ_Ｌは、対向面Ｐ_Ｌ近傍を通過する荷電粒子ビームＢの照射方向と平行となり、半影が生ずることはない。つまり、マルチリーフコリメータ５が形成する透過形状ＰＳの輪郭部分で半影帯が生ずる部分はなく、患部形状に適した正確な照射野を形成することができる。

つまり、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータ５の各リーフ板５_Ｌの厚み方向の形状と駆動軌道Ｏ_Ｌが、荷電粒子ビームＢのビーム束Ｆ_Ｂの広がりと同じ形状になるようにすればよい。すなわち、２連の走査電磁石１ａ、１ｂの走査角をそれぞれ制限したときに、通りうる範囲である。さらに言えば、ビーム源からのビーム伝播距離がある範囲内のときの荷電粒子ビーム位置である。リーフ板５_Ｌを積層して得られるマルチリーフコリメータ５であるから、形成した透過形状ＰＳも荷電粒子ビームのビーム束Ｆ_Ｂの広がり形状である。またこれにより、透過形状ＰＳを形成する開口（輪郭）は、開口形状によらず、開口の壁面となるリーフ板５_Ｌの照射野の中心に向かう端面Ｅ_Ｌと、隣接するリーフ板との対向面Ｐ_Ｌが当該面の近傍を通過する荷電粒子ビームの照射方向と一致する。したがって、２連の走査電磁石１ａ、１ｂを用いるときに起きる半影問題を解決することができる。なお、平坦度を上げる目的で散乱体を用いて照射する場合は、上述した２連走査的な照射方向の分布に幅が生じる。そのため、本マルチリーフコリメータ５を適用した場合でも、一部の荷電粒子ビームがリーフ板の端面Ｅ_Ｌや対向面Ｐ_Ｌに当たることになり、散乱体を用いない場合と較べて、半影帯を抑制する効果は低下することになるが、従来の単なる錐体のマルチリーフコリメータよりは、半影帯を抑制する効果を得ることは可能である。

なお、上記実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータ５では、厚み方向の形状を上流側電磁石１ａの位置、駆動軌道Ｏ_Ｌを下流側電磁石１ｂの位置を基準に設定したが、これに限ることはなく、逆に設定してもよい。したがって、上流電磁石１ａがｘ方向、下流電磁石１ｂがｙ方向を走査するとしたが、逆でもよい。また、図では、各リーフ板５_Ｌの厚みを規定する対向面Ｐ_Ｌ間の角度が均等になるように描いているが、これに限られることはない。均等でなくとも上記半影帯を抑制する効果を得ることは可能である。そして、対向面に対して「実質的な」と表現したのは、厚み方向に積層する上で実質的に隣接するリーフと区別するための面であるという意味であり、例えば、対向面内に駆動用のレールを形成するための水や窪み等が形成されていても基準点ＣＰａに設定された走査電磁石１ａの走査軸Ａ_ｓａを含む平面で形成されたと解することである。また、リーフ列５_Ｃ１、５_Ｃ２のそれぞれのリーフ５_Ｌが１対１で対となっている状態を示しているが、対となる必要もない。また、リーフ列も２列である必要はなく、例えば、一列のみの場合でも、リーフ板の端面Ｅ_Ｌがビーム軸Ｘ_Ｂに対して最接近した時に、固定面に密着して、ビームＢを塞ぐようになっていればよい。また、さらに多数の列を有してもよい。

また、照射野を拡大する方法として走査軌跡が螺旋となるスパイラルワブラ法で説明したが、後の実施の形態で説明するように、その他のスパイラルワブラ法でもよく、さらにはスパイラルワブラ法に限定されることもない。また、照射ノズルとして機能する電磁石もワブラ電磁石１に限ることはなく、走査方向の異なる２つの電磁石により照射野を拡大する照射ノズルであればよい。

以上のように、本実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータ５によれば、走査電磁石１を用いて照射野を拡大するように照射された荷電粒子ビーム中Ｂに配置され、照射対象である患部形状に適合するように照射野を成型するためのマルチリーフコリメータ５であって、複数のリーフ板５_Ｌの一端面Ｅ_Ｌを揃えて厚み方向に並べたリーフ列５_Ｃと、リーフ板５_Ｌのそれぞれに対して、一端面Ｅ_Ｌを粒子ビームＢのビーム軸Ｘ_Ｂに対して、あるいは、対向するリーフ板に対して接近または離反方向に駆動させるリーフ板駆動機構５_Ｄと、を備え、リーフ板５_Ｌのそれぞれは、当該リーフ板に対して厚み方向（ｘ方向）に隣接するリーフ板との対向面Ｐ_Ｌが、荷電粒子ビームＢのビーム軸Ｘ_Ｂ上の第１の位置である基準点ＣＰａに設定されたビーム軸Ｘ_Ｂに垂直な第１の軸である走査軸Ａ_ｓａを含む平面Ｐ_Ｓａで形成され、リーフ板駆動機構５_Ｄは、ビーム軸Ｘ_Ｂ上の第２の位置である基準点ＣＰｂに設定されたビーム軸Ｘ_Ｂおよび第１の軸Ａ_ｓａに垂直な第２の軸である走査軸Ａ_ｓｂ、を中心とする円周軌道Ｏ_Ｌに沿ってリーフ板５_Ｌを駆動する、ように構成したので、荷電粒子ビームＢのビーム束Ｆ_Ｂの広がり方とマルチリーフコリメータ５の透過形状ＰＳの輪郭を形成する対向面Ｐ_Ｌや端面Ｅ_Ｌの方向が一致し、半影の影響を抑制して照射対象の形状に応じた正確な照射野を形成することができる。

さらに、リーフ板５_Ｌの主たる４つの端面のうち、一端面Ｅ_Ｌとの隣接面である荷電粒子ビームＢの入射側の端面Ｐ_Ｉと出射側の端面Ｐ_Ｘの形状を第２の軸である走査軸Ａｓｂを中心とする円弧状に形成するようにしたので、リーフ板５_Ｌを容易に円周軌道Ｏ_Ｌに沿って駆動することができる。また、リーフ板５_Ｌがどの駆動しても、荷電粒子ビームＢの照射方向に沿った深さ寸法が変化せず、荷電粒子ビームを遮蔽するための距離が一定となる。

また、本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置１０によれば、加速器から供給された荷電粒子ビームＢを走査方向が異なる２つの電磁石１ａ、１ｂで走査し、照射野を拡大するように照射する照射ノズルであるワブラ電磁石１と、照射ノズル１から照射された荷電粒子ビームＢ（のビーム束Ｆ_Ｂ）中に配置された上述したマルチリーフコリメータ５と、を備え、マルチリーフコリメータ５は、第１の軸が前記２つの電磁石のうちの一方の電磁石の走査軸（Ａ_ｓａまたはＡ_ｓｂ）に一致するとともに、第２の軸が他方の電磁石の走査軸（Ａ_ｓｂまたはＡ_ｓａ）に一致するように配置されている、ように構成したので、半影の影響を抑制して照射対象の形状に応じた正確な照射野で荷電粒子線を照射することができる。

実施の形態２．
実施の形態１においては、ビームをらせん状に走査するスパイラルワブラ法への適用について述べた。しかし、ビームの照射野内における走査軌道形状（走査軌跡）は本発明の技術的思想を限定するものではなく、他のビーム走査軌跡においても、２連走査的な広がりの場合は効果を発揮する。そこで、本実施の形態２では、代表的な他のビーム走査軌跡を有する照射系に本発明のマルチリーフコリメータを適用した場合について述べる。

はじめに、実施の形態１で用いたスパイラルワブラ法によるビーム走査軌跡について説明する。特許文献３に記載されているように、螺旋状の走査軌跡は、以下の３つの等式を含む式（１）によって与えられている。

ただし、時間ｔ＝０の時の半径をＲ_ｍｉｎ、時間ｔ＝Ｔの時の半径をＲ_ｍａｘ、走査回転数をＮとする。また、ｒ（ｔ）は半径方向の座標、θ（ｔ）は角度方向の座標であり、極座標系による表現である。

上記の式（１）によって与えられるビーム走査軌跡は、螺旋（スパイラル）形状をなし、円領域内にビームを走査して均一な線量分布を得るのに、有効な形状である。しかし、均一な線量分布を得るため、ビーム走査軌跡をスパイラルに限る必要はない。均一な線量分布を２つの電磁石の走査によって得るためのビーム走査軌跡は、いくつかの典型的なパターンに分類できると考えられる。

ワブラ法は、継続的にビームを走査して均一な線量分布を成形するものである。すなわち、ワブラ法におけるビーム走査軌跡は連続的かつ周期的なものが望ましい。そこで、ビーム軌道を極座標系で表し、ｒ（ｔ）とθ（ｔ）を連続周期的に変化させるパターンについて検討した。

＜典型的なパターンその１＞
一つ目のパターンでは、ｒ（ｔ）とθ（ｔ）を以下のように、各々、連続的かつ周期的に変化させる関数として定義する。
ｒ（ｔ）＝連続的かつ周期的な関数（周期Ｔ_１）
θ（ｔ）＝連続的かつ周期的な関数（周期Ｔ_２）
なお、このときｒ（ｔ）とθ（ｔ）の周期は、異なるものを用いてもよい。また、角度θは、３６０度で１周して０度とみなせることに注意する。つまり、３６０度と０度は連続している。ラジアンで表現すれば、２πは０とみなせる。

上記のようなパターンを実現する例としては、以下の３つの等式を含む式（２）に示すようなビーム走査軌跡があげられる。
ｒ（τ）＝ｒ_１＋ｒ_２sin（ω_ｒτ＋φ_ｒ）
θ（τ）＝ω_θτ ・・・（２）
τ＝τ（ｔ）
ただし、τ（ｔ）はパラメータ表示した上記式（２）のパラメータであり、時間の関数である。ω_ｒはｒ（ｔ）を決める角速度であり、ｒ（ｔ）の周期は２π／ω_ｒとなる。φ_ｒは初期位相である。ω_θはθ（ｔ）を決める角速度であり、θ（ｔ）の周期は２π／ω_θとなる。

式（２）により作成されたビーム走査軌跡ＳＴ１の例を図６に示す。図６は、ビーム軸に垂直な、ある平面における走査軌跡を示したもので、横軸がｘ、縦軸がｙとなり、ｘとｙをそれぞれ規格化したものである。なお、式（２）において、パラメータを、時間ｔとしなかったのは、描画速度を場所により変更できるようにしたためである。例えば、図６において、座標で（０，０）となるビーム軸中心部の近傍にはビーム走査が集中して密となるため、中心部に近い部分のように軌跡が集中する部分では走査速度を早くする等の工夫をして、均一な線量分布を得る。

＜典型的なパターンその２＞
２つ目のパターンでは、複数の描画パターンを定義する関数を組み合わせてビーム走査軌跡を形成する。例えば、大きな円を描く関数に、小さな円を描く関数を組み合わせる。その一例を以下の３つの等式を含む式（３）に示す。
ｘ（τ）＝ｒ_１cos（ω_１τ＋φ_１）＋ｒ_２cos（ω_２τ＋φ_２）
ｙ（τ）＝ｒ_１sin（ω_１τ＋φ_１）＋ｒ_２sin（ω_２τ＋φ_２）・・・（３）
τ＝τ（ｔ）
ただしｘ（τ）それぞれビーム走査軌跡のｘ座標、ｙ座標であり、直交座標系式である。数式（３）により作成されたビーム走査軌跡の例を図７に示す。図７も図６と同様にビーム軸に垂直な、ある平面における走査軌跡を示したもので、横軸がｘ、縦軸がｙとなり、ｘとｙをそれぞれ規格化したものである。

玩具で、内部に歯が形成された円形穴内に歯車状の円盤を設置し、円盤内の所定位置に設けられた小孔にペン先を差し込んで、円盤を円形穴に沿って転がせて、幾何学的模様を描く道具があったが、当該道具で作成される幾何学模様もこの部類に属する。なお、この道具で描かれる曲線はハイポトロコイド（内余擺線）と呼ばれ、幾何学的には、半径ｒの円が半径ｋｒの円周に内接しながら滑ることなく転がるとき、動円の中心から距離ｌｒにある定点が描く軌跡として定義される。また、多くの攪拌装置において、攪拌部の駆動パターンに採用されている。なお、パラメータ表示のパラメータを、時間tとしなかったの
は、前の例と同様、描画速度を場所により変更できるようにしたためである。

以上のように、ワブラ電磁石で連続的かつ周期的な模様（線描）を描かせる方法において、その模様はスパイラル（らせん）に限らない。しかし、散乱体を用いず、ビーム軌道を工夫することによって大面積の均一照射を実現する発想は「スパイラルワブラ法」に端を発していることから、実施の形態２に示したこれらの方法も広義のスパイラルワブラ法と呼ばれることがある。そして、これら広義のスパイラルワブラ法においても、やはりビームの広がりは点光源的ではなく、２連走査的である。

つまり、本実施の形態２における広義のスパイラルワブラ法を用いる照射系を有する粒子線治療装置においても、実施の形態１で示したマルチリーフコリメータを適用する事で、各リーフ板の厚み方向の形状と駆動軌道を、荷電粒子ビームＢのビーム束Ｆ_Ｂの広がりと同じ形状にできる。そのため、形成した透過形状ＳＰも荷電粒子ビームＢのビーム束Ｆ_Ｂの広がり形状となり、透過形状ＳＰを形成する開口部は、開口形状によらずその壁面となるリーフ板の照射野の中心に向かう端面と、隣接するリーフ板との対向面が荷電粒子ビームの照射方向と一致する。したがって、２連の走査電磁石を用いるときに起きる半影問題を解決することができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１および２においては、ワブラ法による照射の場合への適用について述べた。しかし、上述したように照射方法自体は本質的ではなく、本発明の技術思想を限定するものではない。粒子線治療装置においては、２連のスキャニング電磁石により荷電粒子ビームを走査して、照射対象に対して点描画的にスポット照射をするスポットスキャニング法が提案されている。スポットスキャニングの場合にも、ビームの広がり方は２連走査的である。したがって、スポットスキャニングにおいてマルチリーフコリメータを用いる場合は、上述した半影を抑制してコントラストの高い照射野を形成するという効果を発揮する。

実施の形態４．
実施の形態３においては、スポットスキャニング法への本発明の実施の形態に係るマルチリーフコリメータの適用について述べた。スポットスキャニングと同様に、２連のスキャニング電磁石によりビームを走査して、照射対象に対して一筆書き的にラスター照射をするラスタースキャニング法がある。ラスタースキャニングの場合にも、ビームの広がり方は２連走査的である。したがって、ラスタースキャニングにおいてマルチリーフコリメータを用いる場合は、本発明の上述した実施の形態にかかるマルチリーフコリメータ５は効果を発揮する。つまり、スポットスキャニングやラスタースキャニングなど、スキャニング法により照射野を拡大する場合でも、本発明の実施の形態にかかるマルチリーフコリメータ５を用いる場合は、上述した半影を抑制してコントラストの高い照射野を形成するという効果を発揮する。

実施の形態５．
粒子線治療装置においては、例えば、特許文献４に記載されているように、偏向電磁石の制御方法を工夫することによって、２つの走査電磁石のうち、一方を省略するものが提案されている。しかし、このような照射系の場合においても、軌道方向（ビーム軸の方向）を変えるための偏向電磁石が、省略された走査電磁石の代わりに荷電粒子ビームを走査するので、ビーム束は２連走査的な広がりをもつことになり、上述した実施の形態におけるマルチリーフコリメータが半影抑制に効果を発揮する。

図８は、実施の形態５における粒子線治療装置におけるマルチリーフコリメータを含む照射系部分を示すものである。図中、水平方向（ｘ方向）から供給された荷電粒子ビームＢは、偏向電磁石２０１ａにより、ビーム軸を垂直方向に偏向され、走査電磁石２０１ｂを経由した後、実施の形態１と同様に、リッジフィルタ２、レンジシフタ３、リングコリメータ４、マルチリーフコリメータ２０５、ボーラス６を経て、照射対象に向けて照射される。そして、本実施の形態５における粒子線治療装置２１０では、実施の形態１の粒子線治療装置１０における走査電磁石１ａの代わりに偏向電磁石２０１ａを設けたことと、マルチリーフコリメータ２０５のリーフ板の形状および軌道の設定基準が異なること以外は、実施の形態１と同様の構成となる。

図において、水平方向から供給された荷電粒子ビームＢは、偏向電磁石２０１ａの内部で、ビーム軸Ｐ_Ｘが弧を描きながらｚ方向に偏向されていく。このとき、通常の偏向電磁石の場合は、磁場が一定になるように制御するので、荷電粒子ビームＢのビーム束が広がることはないが、この偏向電磁石２１は磁場を周期的に変化させることにより、荷電粒子ビームＢをｘ方向に走査してビーム束をＰ_Ｅ１からＰ_Ｅ２にかけてｘ方向に広げることができる。つまり、偏向電磁石２０１ａが実施の形態１における上流の走査電磁石１ａの役割を担っていることになる。以降の部分は、基本的に実施の形態と同様であり、走査電磁石２０１ｂがｘ方向に広がったビーム束をさらにｙ方向に広げる。

このビームの広がり方は、あたかも図８の等価基準点Ｅ_Ａｓに上流の走査電磁石２０１ａの走査軸が存在し、ビーム軸Ｅ_Ｘに沿って上方から照射されたビームが（ｚ方向成分を含む）ｘ方向に走査され、Ｅ_Ｅ１からＥ_Ｅ２にかけてｘ方向に広がったものとみなすことができる。なお、偏向電磁石２０１ａ内では、ビームの進行に伴いビーム軸が徐々に偏向していくので、入口側のビーム軸と出口側のビーム軸（＝ビーム軸Ｅ_Ｘ）とが異なっており、走査軸Ｅ_ＡＳは偏向電磁石２０１ａ本体から外れた位置に存在することになる。しかし、マルチリーフコリメータ２０５に入射するビームの軸は、ビーム軸Ｅ_Ｘであるので、考え方としては、走査軸Ｅ_ＡＳの位置を規定する基準点ＣＰａは、マルチリーフコリメータ２０５に入射するビームのビーム軸上にあるとみなすことができ、走査軸Ｅ_ＡＳもマルチリーフコリメータ２０５に入射するビームのビーム軸に垂直であるとみなすことができる。したがって、このような一方の電磁石が偏向電磁石を兼ねる照射系においても、マルチリーフコリメータに入射するビームのビーム軸を基準に、ビームの広がり方から等価走査軸Ｅ_Ａｓを算出し、等価走査軸Ｅ_Ａｓと走査軸Ａ_ｓｂ（基準点ＣＰｂ）から、実施の形態１と同様にマルチリーフコリメータ２０５のリーフ板の形状と軌道を決定すればよい。

図８からわかるように、一方の走査電磁石を省略し、軌道を曲げる偏向電磁石２０１ａを省略した走査電磁石の代用にした照射系の場合、等価走査軸Ｅ_Ａｓを規定する（等価）基準点ＣＰａと基準点ＣＰｂとの間隔は、走査専用の電磁石（例えば実施の形態１の１ａ，１ｂ）で走査する通常の照射系に比べて広くなる。したがって、点光源的なビームの広がり方を仮定したマルチリーフコリメータでは、半影が生じる問題がより顕著に現れる。しかし、本発明の実施の形態５にかかるマルチリーフコリメータ２０５の各リーフ板の形状と軌道は、どのような透過形状を形成しても、透過形状の輪郭を形成する面がビームの広がりと同じ方向となるように設定している。したがって、片方の走査電磁石を省略した照射系の場合に顕著に生じる半影問題を容易に解決することができる。

以上のように、本実施の形態５にかかる粒子線治療装置２１０では、２つの方向ｘ、ｙの走査のうち、一方の走査（ｘまたはｙ）をビーム軸の方向を偏向する偏向電磁石２０１ａで行い、基準点ＣＰａ、ＣＰｂを設定するビーム軸をマルチリーフコリメータ２０５に入射するビームのビーム軸Ｅ_Ｘとし、マルチリーフコリメータ２０５の構成と配置を行うように構成したので、半影を抑制してコントラストの高い照射野を形成する事ができる。

実施の形態６．
上記各実施の形態１〜５においては、マルチリーフコリメータ及びマルチリーフコリメータを用いた照射系の構成やそのビーム軌道について説明した。本実施の形態６においては、本発明の上記各実施の形態にかかるマルチリーフコリメータや粒子線治療装置の動作条件を設定する治療計画装置について説明する。

ここで、治療計画装置について説明する前に、治療計画装置が実施する治療計画の前提となる医療行為について説明する。一般に医療行為は、いくつかのステージから構成されていると考えられる。図９は、この医療行為のステージ（フロー）を図式化するとともに、ステージごとに使用する装置を示したものである。図９に基づいて、医療のフローについて説明する。
具体的には、医療行為は大きく予防的診断ステージ（ＭＳ１）、診断ステージ（ＭＳ２）、治療計画ステージ（ＭＳ３）、治療ステージ（ＭＳ４）、およびリハビリ・経過観察ステージ（ＭＳ５）の各ステージから構成されているといえる。そして、特に、粒子線治療等においては、上記各ステージで使用する装置は、図９の右側のような装置である。例えば、診断ステージ（ＭＳ２）で使用する装置は、Ｘ線撮像装置、ＣＴ（Computed Tomography）、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）等であり、治療計画ステージ（ＭＳ３）で使用する装置が治療計画装置とよばれる装置である。そして、治療ステージ（ＭＳ４）で使用される装置が、放射線治療装置や粒子線治療装置である。

つぎに、各ステージについて説明する。
予防的診断ステージ（ＭＳ１）とは、発病の有無に拠らず、予防的に診断をする段階をいう。例えば、定期健康診断や人間ドックなどが該当し、癌に対しては、レントゲン等の透視画像による方法、ＰＥＴ（Positron Emission Tomography）、ＰＥＴ／ＣＴ等の断層撮影による方法、ならびに遺伝子検査（免疫検査）による方法などが知られている。

診断ステージ（ＭＳ２）とは、発病後に、治療を前提とした診断をする段階をいう。粒子線治療の場合、治療のためには患部の位置・形状の３次元情報が必要である。そのため、患部の３次元データが得られる各種ＣＴ，ＭＲＩ装置が用いられる。

治療計画ステージ（ＭＳ３）とは、前記診断の結果に基づいて、治療の計画を立てる段階をいう。粒子線治療の場合、当該ステージに、本実施の形態６にかかる治療計画装置によって治療計画を作成する。治療計画装置についての詳細な説明は、後述するとして、残りのステージについての説明を続ける。

治療ステージ（ＭＳ４）とは、前記治療計画の結果に基づいて、実際の治療を行う段階をいう。粒子線治療の場合、当該ステージには粒子線治療装置が用いられる。本発明の上記各実施の形態にかかるマルチリーフコリメータは、粒子線治療装置の照射系において照射野成形のために用いられる。なお、治療ステージは、１回の照射で終了する場合もあるが、通常はある期間をおいて複数回照射を行う。

リハビリ・経過観察ステージ（ＭＳ５）とは、文字通り、リハビリを行ったり、再発していないか経過観察を行ったりする段階をいう。癌の場合、当該ステージでの経過観察は、予防的診断ステージと同様に、レントゲン等の透視画像による方法、ＰＥＴ、ＰＥＴ／ＣＴ等の断層撮影による方法、ならびに遺伝子検査（免疫検査）による方法などが用いられる。

以上のように医療行為の中でも、治療計画は、診断ステージの後、治療ステージの前に行う一連の作業である。粒子線治療装置では、治療計画装置で求めた治療計画に基づいて荷電粒子ビームを照射するので、粒子線治療における治療計画装置は、概ね以下の役割を担うユニットを備えている。
役割Ａ：あらかじめ取得した照射対象の複数の画像情報から、３次元データを生成するユニット。
役割Ｂ：与えられた要件のもと、最適な照射条件（治療計画案）を生成するユニット。
役割Ｃ：最適化結果（治療計画案）に対して、最終的な線量分布を模擬し、表示するユニット。
すなわち、診断の結果を受けて、治療に必要な照射条件を設定する役割があり、さらに設定した条件を基に、粒子線治療装置等の制御データを生成する役割Ｄを担うユニットを有する。

上記役割を果たすため、治療計画装置には、具体的に以下のような機能を備えている。＜役割Ａ＞
機能ａ：診断ステージで得られた断層撮影画像から、３次元データを生成する機能。
機能ｂ：生成した３次元データを、３次元ＣＡＤのように様々な視点からの表示をする機能。
機能ｃ：生成した３次元データにおいて、患部と正常組織とを区別して記憶する機能。
＜役割Ｂ＞
機能ｄ：治療ステージで用いる粒子線治療装置のパラメータを設定し、照射を模擬する機能。
機能ｅ：当該装置のユーザが設定する要件下で、照射の最適化を行う機能。
＜役割Ｃ＞
機能ｆ：前記３次元データに重ね合わせて、最適化された照射結果を表示する機能。＜役割Ｄ＞
機能ｇ：前記最適化された照射を実現するための、マルチリーフコリメータ及びボーラスの形状を設定する機能。（ブロードビーム照射を想定した場合、多門照射を含む）
機能ｈ：前記最適化された照射を実現するための、ビームの照射軌道を設定する機能。（スキャニング照射を想定した場合）
機能ｉ：前記ビームの照射軌道を実現するための、粒子線治療装置の駆動コードを生成する機能。
＜その他＞
機能ｊ．当該装置で生成した各種データを保存する機能。
機能ｋ．過去に保存された各種データを読み込んで、過去の情報を再利用できる機能。

上記各機能を実現するための、治療計画装置のシステム構成について説明する。近年、治療計画装置のメーカが固有のハードウエアを設計製造することはほとんどなく、市販のＵｎｉｘ（登録商標）ワークステーション又はＰＣをベースとし、さらに周辺機器においても汎用の機器を用いることが多い。すなわち、治療計画装置のメーカは、専ら治療計画ソフトウエアを開発し、製造販売する。治療計画ソフトウエアでは、例えば、機能ａ〜機能ｋの各機能を実現するモジュールが、メインプログラムから呼び出されるサブプログラムとして用意される。治療計画装置のユーザは、機能ａ〜機能ｋへのフローを、必要に応じて省略したり要件を変えて再実行したりして、必要なモジュールを呼び出しながら治療計画を立案することができる。

つぎに、各機能あるいは各機能を実現するモジュールについて説明を進め、本発明の実施の形態にかかる治療計画装置について説明する。
機能ａ（モジュールａ）は、診断ステージで得られた一連の断層撮影画像から、３次元データを生成する。断層撮影画像を読込むとき、患者ＩＤ等患者の情報や、スキャン情報（スライス間隔、スライス厚、ＦＯＶ、断層撮影条件など）も対応して読込むようにするとよい。ここで３次元データとは、患部を含めた撮影対象を、治療計画装置内で仮想的かつ３次元的に再現するのに必要な情報を言う。一般には、治療計画装置内の仮想空間を定義し、前記仮想空間内に等間隔かつ格子状に点を配置し、断層撮影画像から求めたその点における材質情報を対応させる方法がとられる。本機能が必要な理由は、治療計画装置の最大の目的の１つが、治療を模擬することであり、そのためには、照射対象となる患部およびその周辺組織を再現する必要があるためである。

機能ｂ（モジュールｂ）は、生成した３次元データを、３次元ＣＡＤのように様々な視点からの表示をする。

機能ｃ（モジュールｃ）は、生成した３次元データにおいて、患部と正常組織とを区別して記憶する。例えば、断層撮影画像がＸ線ＣＴにより得られたものであるとする。この場合、機能ａで用いる「材質情報」は、Ｘ線の透過しやすさに相当する。すなわち、この断層撮影画像から仮想空間に再現する３次元モデルは、Ｘ線の透過度合いの異なる物質からなる３次元の物体の形状である。この「材質情報」、すなわちＸ線の透過しやすさは、治療計画装置の仮想空間上では例えば色彩や輝度を変えて表示する。さらにこの「材質情報」から、仮想空間に再現する３次元モデルのこの部分は骨に相当するとか、この部分は腫瘍に相当するということがわかり、患部と正常組織を区別する。患部と正常組織とを区別した結果は、治療計画装置の記憶装置（ハードディスク等）に記憶することができる。

機能ｄ（モジュールｄ）は、治療ステージで用いる粒子線治療装置のパラメータを設定し、照射を模擬する。粒子線治療装置のパラメータとは、粒子線治療装置の幾何学的な情報や、照射野に関する情報を意味する。幾何学的な情報は、アイソセンタ位置と寝台の位置などが含まれる。照射野に関する情報は、上述した「基準点ＣＰａと基準ＣＰｂの座標」などが含まれる。また、マルチリーフコリメータ５あるいは２０５（代表して以降５のみ表示）のリーフ板５_Ｌの幅（厚み）、リーフ板５_Ｌの枚数、リーフ板５_Ｌの移動距離（角度）等も、パラメータに含まれる。

機能ｅ（モジュールｅ）は、当該治療計画装置のユーザが設定する要件下で、照射の最適化を行う。

機能ｆ（モジュールｆ）は、前記３次元データに重ね合わせて、最適化された照射結果を表示する。

機能ｇ（モジュールｇ）は、前記最適化された照射を実現するための、マルチリーフコリメータ５及びボーラス６の形状を設定する。本機能は、ブロードビーム照射を想定した機能であり、多門照射の場合を含む。

機能ｈ（モジュールｈ）は、前記最適化された照射を実現するための、ビームの照射軌道を設定する。本機能は、スポットスキャンやラスタースキャンなどのスキャニングを想定した機能である。

機能ｉ（モジュールｉ）は、前記ビームの照射軌道を実現するための、粒子線治療装置の駆動コードを生成する。このとき、後述するように２連走査的な広がりに対応した座標系を採用すると、上記各実施の形態１〜５で示したマルチリーフコリメータ５に対して、求めた最適な照射計画に応じた開口形状（透過形状ＳＰ）を実現するような駆動コードを容易に生成することができる。

機能ｊ（モジュールｊ）は、当該装置で設定および生成した各種データを保存する。

機能ｋ（モジュールｋ）は、過去に保存された各種データを読み込んで、過去の情報を再利用できる。

＜２連走査的な広がりに対応した座標系＞
従来の治療計画装置において、上記機能ａおよびそれ以降の機能で使用する３次元データは、一般的に直交座標系（ｘｙｚ座標系）で表現されている。全体形状が従来の直方体のマルチリーフコリメータの場合、その配置やリーフの駆動方向も直交座標方向（例えば、ｘ方向やｙ方向）であるため、３次元データの直交座標系表現は都合がよい。患部の形状に合わせて開口部の形状を生成するための形状データが、リーフ駆動データと一致するためである。

一方、本発明によるマルチリーフコリメータ５の場合、リーフ板５_Ｌの駆動が曲線的なため、リーフ駆動のための指令値は、基準点を中心とした角度で与えるのが望ましい。すなわち、患部の形状に合わせて開口部の形状を生成するための形状データを、本発明の場合のリーフ駆動指令値と同じ形式の、基準点を中心とした角度を含むようにしたい。

そこで、本発明の実施の形態６にかかる治療計画装置は、特殊な座標系で患部３次元データを表示するようにする。
具体的には、以下の定義（Ｄ１）に示す特殊座標系である。
［ψ_ａ，ψ_ｂ，ｒ_ｂ］・・・・・（Ｄ１）
ただし、ψ_ａはビーム軸Ｘ_Ｂに垂直で基準点ＣＰａを通る基準軸（Ａｓａ）を中心とするビームの偏向角度であり、ψ_ｂはビーム軸Ｘ_Ｂと基準軸Ａｓａに垂直で基準点ＣＰｂを通る基準軸（Ａｓｂ）を中心とするビームの偏向角度であり、ｒｂは基準点ＣＰｂ（あるいは基準軸（Ａｓｂ））から当該照射ポイントまでの距離である。

３次元空間内の任意の点は、上記３つの情報によってユニークに表すことができる。ただし、走査電磁石１ａ、１ｂの配置に応じて、基準点ＣＰａ及び基準点ＣＰｂは決めておく必要はある。なお、ｒ_ｂの代わりに、基準点ＣＰａ（あるいは基準軸（Ａｓａ））からの当該照射ポイントまでビームが伝播した距離ｒ_ａ等を用いてもよい。

ここで、照射基準であるアイソセンタを、ｘｙｚ座標系の原点とし、基準点ＣＰａと基準点ＣＰｂそれぞれのｘｙｚ座標が、以下であったと仮定する。
基準点ＣＰａ：（０，０，−ｌ_ａ）
基準点ＣＰｂ：（０，０，−ｌ_ｂ）
そして、図１〜３で示したように、上流の走査電磁石１ａがｘ方向走査電磁石、下流の走査電磁石１ｂがｙ方向走査電磁石だと仮定する。このとき、ある点の座標が定義（Ｄ１）に示した特殊座標系で表した［ψ_ａ，ψ_ｂ，ｒ_ｂ］で与えられたとき、このある点のｘｙｚ座標は、それぞれ、以下の式（４）で表わされることになる。

ここで、式（４）中のRot_ｘ（ψ_ｂ）とRot_ｙ（ψ_ａ）を（Ｄ２）のように定義すれば、ある点のｘｙｚ座標は式（５）のように得られる。

逆に、ｘｙｚ座標系から特殊座標系を求める方法を、以下に示す。
ｌ_ｂは照射系に固有の与えられた値であるから、式（５）におけるｙとｚの関係から式（６）のようにψ_ｂを求めることができる。

また、ｌ_ａも照射系に固有の与えられた値であるから、さらに式（５）におけるｙとｚの関係から定義（Ｄ３）のように定義でき、
Λ：＝ｙ^２＋（ｚ＋ｌ_ｂ）^２＋（ｌ_ａ−ｌ_ｂ）・・・（Ｄ３）
＝（ｌ_ａ―ｌ_ｂ＋ｒ_ｂ）cosψ_ａ
式（５）におけるｚの関係と定義（Ｄ３）より、式（７）によりψ_ａが求められる。

最後に、式（８）により、ｒ_ｂを求めることができる。

上述した２連走査的なビームの広がりに対応した座標系［ψ_ａ，ψ_ｂ，ｒ_ｂ］を機能ａの段階から用いる、つまり、機能ａにおいて、あるいは機能ａを実行するための補助機能として、２連走査を想定した特殊な座標系への変換を行う座標変換機能を備えるようにした。

例えば、図１０は、本発明の実施の形態６にかかる治療計画装置の役割（ユニット）や機能（モジュール）の特徴的な部分をブロック図で表示したものである。図において、治療計画装置２０は、照射対象である患部の画像データから３次元データを生成する３次元データ生成ユニット２１と、生成した３次元データに基づいて、照射条件を設定する照射条件設定ユニット２２と、設定した照射条件を基に、粒子線治療装置の制御データを生成する制御データ生成ユニット２３とを備えている。なお、上述したように、これらのユニットやモジュールは、計算機内にソフトウエアによって形成されたものであるので、物理的にこのような部分が形成されていることを示すものではない。

そして、３次元データ生成ユニット２１は、機能ａとして画像データから患部や体形状などの３次元のデータを生成する３次元データ生成モジュール２１_Ｍ１と、生成した３次元データから２連走査を想定した定義（Ｄ１）で示す座標系［ψ_ａ，ψ_ｂ，ｒ_ｂ］のデータに変換する座標変換モジュール２１_Ｍ２と、変換したデータを基に機能ｂとして表示用データを生成する表示用データ生成モジュール２１_Ｍ３と、変換したデータを基に照射対象である患部と正常組織とを区別する照射対象分離モジュール２１_Ｍ４と、を備え、役割Ａとして、画像情報から定義（Ｄ１）で示す座標系による３次元データを生成する。

そして、照射条件生成ユニット２２は、定義（Ｄ１）で示す座標系による３次元データを基に、役割Ｂとして、機能ｄ，ｅにより、最適な照射条件を設定する。そして、制御データ生成ユニット２３は、機能ｇとして少なくとも、設定した照射条件に基づき、マルチリーフコリメータ５で形成する透過形状ＰＳを設定する透過形状設定モジュール２３_Ｍ１と、機能ｉとして、設定した透過形状に基づき、マルチリーフコリメータ５の各リーフ５Ｌの駆動コードを生成する駆動コード生成モジュール２３_Ｍ２と、を備え、役割Ｄとして、設定した照射条件に基づき、少なくともマルチリーフコリメータ５の制御データを定義（Ｄ１）で示す座標系により生成する。

これにより、３次元データ生成ユニット２１や照射条件設定ユニット２２において、照射位置を特定するための定義（Ｄ１）で示す座標系の３次元データを、少なくともビーム軸Ｘ_Ｂに垂直で基準点ＣＰａを通る基準軸（Ａｓａ）を中心とするビームの偏向角度と、ビーム軸Ｘ_Ｂと基準軸Ａｓａに垂直で基準点ＣＰｂを通る基準軸（Ａｓｂ）を中心とするビームの偏向角度を用いて規定することになる。そのため、制御データ生成ユニット２３において生成するマルチリーフコリメータ５の駆動コードが、照射条件設定ユニット２２で求めた最適な照射計画に応じた開口形状（透過形状ＳＰ）を実現するような駆動コードとなる。つまり、本発明の実施の形態６にかかる治療計画装置２０では、治療計画の役割を果たすための機能（モジュール）の中に、２連走査を想定した特殊な座標系へ変換する機能が用意され、その特殊な座標系で３次元データを規定するようにした。そのため、患部の形状に合わせて開口部の形状を生成するための形状データも、リーフ駆動指令値も、基準点を中心とした角度を含む同じ形式（一方の角度は、リーフ列５_Ｃ中の当該角度に近い対向面Ｐ_Ｌを有するリーフ板５_Ｌの選択となる）で表すことができる。したがって、２連走査的にビームが広がる照射系においてマルチリーフコリメータ５を最適に制御する駆動コードを容易に生成する事ができる。

そのため、本発明の実施の形態６にかかる治療計画装置２０では、粒子ビームが２連走査的な広がりを生じる照射系に対して、半影帯を抑制する事が可能な上述したマルチリーフコリメータ５、２０５を用いた粒子線治療装置に対し、患部の形状に合わせて開口部の形状を生成するためにリーフの駆動指令値を、治療計画装置２０内で入出力する３次元データをそのまま利用して生成することができる。

以上のように、本実施の形態６にかかる治療計画装置２０によれば、照射対象である患部の画像データから３次元データを生成する３次元データ生成ユニット２１と、生成した３次元データに基づいて、照射条件を設定する照射条件設定ユニット２２と、設定した照射条件を基に、粒子線治療装置の制御データのうち、少なくとも上記実施の形態１ないし５にかかるマルチリーフコリメータ５の制御データを生成する制御データ生成ユニット２３とを備え、３次元データ生成ユニット２１は、前記３次元データを、ビーム軸Ｘ_Ｂに垂直で基準点ＣＰａを通る基準軸Ａｓａを中心とするビームの偏向角度ψ_ａと、ビーム軸Ｘ_Ｂと基準軸Ａｓａに垂直で基準点ＣＰｂを通る基準軸（Ａｓｂ）を中心とするビームの偏向角度ψ_ｂと、基準軸ＡｓｂまたはＡｓｂ，あるいは基準点ＣＰａまたはＣＰｂからの距離ｒで規定する座標系で生成する、ように構成したので、患部の形状に合わせて開口部の形状を生成するためにリーフの駆動指令値を、治療計画装置２０内で入出力する３次元データをそのまま利用して生成することができる。つまり、制御データ生成ユニット２３では、前記制御データを２つの偏向角度ψ_ａとψ_ｂで規定できるので、粒子ビームが２連走査的な広がりを生じる照射系に対して、半影帯を抑制してコントラストの高い良好なビームで照射することができる粒子線治療装置に対し、コントラストが高く、精度の高い照射が可能となる。

１ワブラ電磁石（１ａ：ｘ方向（上流）走査電磁石、１ｂ：ｙ方向（下流）走査電磁石）、２リッジフィルタ、３レンジシフタ、４リングコリメータ、
５マルチリーフコリメータ（５_Ｌ：リーフ板、５_Ｇ：リーフ群、５_Ｄ：リーフ駆動部）、６ボーラス、１０粒子線治療装置。
２０治療計画装置、２１３次元データ生成ユニット、２２照射条件設定ユニット、２３制御データ生成ユニット。
Ａ_ｓａ上流走査電磁石の走査軸（第１の軸）（Ｅ_Ａｓ仮想軸）、Ａ_ｓｂ下流走査電磁石の走査軸（第２の軸）、ＣＰａ第１の基準点、ＣＰｂ第２の基準点、Ｅ_Ｌリーフ板の対向する一端面、Ｆ_Ｂ粒子ビームの線束（広がり）、ＯＬリーフ板の駆動軌道、Ｐ_Ｉリーフ板の（Ｅ_Ｌに隣接する）ビーム入射面側の端面、Ｐ_Ｌリーフ板の厚み方向の対向面、ＰＳ透過形状、Ｐ_Ｘリーフ板の（Ｅ_Ｌに隣接する）ビーム出射面側の端面、ＳＴ粒子ビームの走査軌跡、Ｘ_Ｂ粒子ビームのビーム軸（Ｅ_Ｘマルチリーフコリメータに入射するビームのビーム軸）
百位の数字は実施形態による変形例を示す。

Claims

加速された荷電粒子ビームのビーム軌道上に配置され、照射対象に適合するように前記荷電粒子ビームの照射野を制限若しくは成形するためのマルチリーフコリメータであって、
複数のリーフ板の一端面を揃えて厚み方向に並べたリーフ列と、
前記複数のリーフ板のそれぞれに対して、前記一端面を前記荷電粒子ビームのビーム軸に対して接近または離反方向に駆動させるリーフ板駆動機構と、を備え、
前記複数のリーフ板のそれぞれは、方向により異なる２つの曲率半径を有する曲面を有し、前記２つの曲率半径のうち、一方の曲率半径の中心軸である第１の軸は前記ビーム軸上の第一基準点を通り、他方の曲率半径の中心軸である第２の軸は前記ビーム軸上で前記第一基準点から離れた第二基準点を通ることを特徴とするマルチリーフコリメータ。
前記方向により異なる２つの曲率半径を有する曲面が、当該マルチリーフコリメータの底面部分に該当する端面であることを特徴とする、請求項１に記載のマルチリーフコリメータ
前記方向により異なる２つの曲率半径を有する曲面が、当該マルチリーフコリメータの上面部分に該当する端面であることを特徴とする、請求項１または２に記載のマルチリーフコリメータ。
加速された荷電粒子ビームのビーム軌道上に配置され、照射対象に適合するように前記荷電粒子ビームの照射野を制限若しくは成形するためのマルチリーフコリメータであって、
複数のリーフ板の一端面を揃えて厚み方向に並べたリーフ列と、
前記複数のリーフ板のそれぞれに対して、前記一端面を前記荷電粒子ビームのビーム軸に対して接近または離反方向に駆動させるリーフ板駆動機構と、を備え、
前記複数のリーフ板のそれぞれは、
第一基準点を含む第１の軸を中心とする異なる半径の２つの円弧と前記第１の軸に垂直な面内で前記第一基準点から延びる２本の直線とで囲まれる断面を、
前記ビーム軸上で前記第一基準点から離れた第二基準点を含み、前記第１の軸と方向が異なる第２の軸の周りに回転することにより生じるリングの一部分からなるように形成されていることを特徴とするマルチリーフコリメータ。
加速器から供給された粒子ビームを走査方向が異なる２つの電磁石で走査して照射する照射ノズルと、
前記照射ノズルから照射された粒子ビーム中に配置された請求項１ないし４のいずれか１項に記載のマルチリーフコリメータと、を備え、
前記マルチリーフコリメータは、前記第１の軸が前記２つの電磁石のうちの一方の電磁石の走査軸に一致するとともに、前記第２の軸が他方の電磁石の走査軸に一致するように配置されている、
ことを特徴とする粒子線治療装置。
前記照射ノズルは、スパイラルワブラ法により、照射野を拡大するように前記粒子ビームを照射することを特徴とする請求項５に記載の粒子線治療装置。
前記照射ノズルは、スキャニング法により、前記粒子ビームを照射することを特徴とする請求項５に記載の粒子線治療装置。
前記２つの方向の走査のうち、一方の走査をビーム軸の方向を偏向する偏向電磁石で行い、前記第一基準点および前記第二基準点を設定するビーム軸を前記マルチリーフコリメータに入射するビームのビーム軸としたことを特徴とする請求項５に記載の粒子線治療装置。
照射対象の画像データから３次元データを生成する３次元データ生成ユニットと、
生成した３次元データに基づいて、照射条件を設定する照射条件設定ユニットと、
設定した照射条件を基に、請求項５ないし８のいずれか１項に記載の粒子線治療装置におけるマルチリーフコリメータのリーフ駆動を制御する制御データを生成する制御データ生成ユニットと、を備え、
前記３次元データ生成ユニットは、前記３次元データを少なくとも前記第１の軸を中心とするビームの偏向角度と、前記第２の軸を中心とするビームの偏向角度とを用いて生成する、
ことを特徴とする治療計画装置。