JP5774118B2

JP5774118B2 - 粒子線照射装置及び粒子線治療装置

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Publication number: JP5774118B2
Application number: JP2013541554A
Authority: JP
Inventors: 昌広池田; 原田　久; 久原田; 和之花川; 利宏大谷; 雅片寄; 泰三本田; 由希子山田; 越虎蒲
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-11-03
Also published as: EP2774653A1; JPWO2013065163A1; TWI483753B; CN104023791A; EP2774653A4; CN104023791B; US20140228615A1; WO2013065163A1; US9101763B2; TW201318662A; EP2774653B1

Description

本発明は、粒子線を用いて癌等を治療する粒子線照射装置及び粒子線治療装置に関する。

一般に粒子線治療装置は、荷電粒子ビームを発生するビーム発生装置と、ビーム発生装置につながれ、発生した荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速器で設定されたエネルギーまで加速された後に出射される荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、ビーム輸送系の下流に設置され、荷電粒子ビームを照射対象に照射するための粒子線照射装置とを備える。粒子線照射装置には大別すると、荷電粒子ビームを散乱体で散乱拡大し、拡大した荷電粒子ビームを照射対象の形状にあわせて照射野を形成するブロード照射方式と、照射対象の形状に合わせるように、細いペンシル状のビームを走査して照射野形成するスキャニング照射方式（スポットスキャニング、ラスタースキャニング等）とがある。

ブロード照射方式は、コリメータやボーラスを用いて患部形状に合う照射野を形成する。患部形状に合う照射野を形成し、正常組織への不要な照射を防いでおり、最も汎用的に用いられている、優れた照射方式である。しかし、患者ごとにボーラスを製作したり、患部に合わせてコリメータを変形させたりする必要がある。

一方、スキャニング照射方式は、コリメータやボーラスが不要といった自由度の高い照射方式である。しかし、患部以外の正常組織への照射を防ぐこれら部品を用いないため、ブロード照射方式以上に高いビーム照射位置精度が要求される。

近年、複雑な形状の患部を治療するため、ビーム成形の自由度に対する要求が大きくなってきた。頭頚部は眼球、視神経、脊髄、脳など重要臓器が多く、スキャニング照射方式を適用したいとの要求がある。頭頚部の場合は胴体部分と違い、体のサイズが小さいため、患部までの深さが比較的浅く、必要なビームのエネルギーも低いものとなる。荷電粒子ビームのエネルギーとビームサイズの関係を図１７に示す。横軸は荷電粒子ビームのビームエネルギーＥ（ＭｅＶ）であり、縦軸は荷電粒子ビームのビームサイズＳ（ｍｍ）である。ビームサイズは標準偏差計算のように計算される。図１７のビームサイズＳは、水中におけるアイソセンタでのビームサイズである。特性９２は水散乱による物理限界となるビームサイズであり、特性９１は従来の粒子線照射装置のビーム取出し窓から放出された荷電粒子ビームが空気中を通過し、患者の体に入る場合のビームサイズである。放射線の人体内部の照射特性は、水中における放射線の照射特性と同等であり、水中における照射特性が検討される。

例えば、１５０ＭｅＶの陽子線の場合、ビーム取出し窓や位置モニタ、空気などのロスを無視すると１６ｃｍ程度の飛程があり、頭頚部の場合はこれよりも少ない飛程であることが多い。つまり、症例を考えた場合には図１７の１５０ＭｅＶよりも低いエネルギーで小さなビームサイズが必要であるにも関わらず、従来技術の場合には１５０ＭｅＶより低いエネルギーでは、水に入るまでのビーム取出し窓や位置モニタ、空気による散乱（角）の寄与が大きいため、非常に大きなビームサイズとなってしまう。ビームサイズを小さくするための方法として、荷電粒子ビームを散乱させる物質と被照射体（患部）との距離を小さくするという方法が考えられる。

特許文献１には、高いビーム照射位置精度が要求されるスキャニング照射方式を用いた粒子線治療装置において、ビームの散乱を生じる障害物をできるだけビームの下流側に置くことにより、ビームサイズを小さくする発明が開示されている。特許文献１の発明は、荷電粒子ビームを走査するビーム走査装置とこのビーム走査装置よりも下流側にビーム取出し窓が設けられた第１のダクトを有し、この第１のダクト内部を通過させて荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置と、第２のダクトを有し、加速器から出射された荷電粒子ビームを第２のダクトの内部を通過させて照射装置に輸送するビーム輸送装置とを備えており、荷電粒子ビームの位置を測定するビーム位置モニタ（以降、単に位置モニタとする。）が、保持部材を介してビーム取出し窓に取り付けられ、第１のダクト内部の真空領域と第２のダクト内部の真空領域が連通している。

第１のダクトは２つのダクトからなり、この２つのダクトをベローズにより密封接合していた。第１のダクトをビーム軸方向に伸縮させるダクト伸縮手段と駆動手段により、ベローズを伸縮させ、ビーム取出し窓の近傍で下流に設けられる位置モニタをダクトのビーム軸方向へ移動させることで、患者とビーム取出し窓とのエアギャップを不必要に大きくなることを抑え、ビームサイズを小さくするようにしていた。

特許４３９３５８１号公報（００１４段、００２７段〜００２９段、図２）

特許文献１の粒子線治療装置は、ビーム取出し窓を患者に近づけるために、第１のダクトである２つのダクトを伸縮可能に密封接合したベローズを用いていた。ベローズの内面側を真空に保持するための真空ベローズは、図１８に示すように、内部の真空状態を保持しながら、伸縮動作を長期間実行する場合には、可動範囲が制限されてしまう。ベローズ９５は最縮小状態を示しており、その長さはＬ２である。また、ベローズ９４は最伸長状態を示しており、その長さはＬ１である。長さＬ３は長さＬ１と長さＬ２の差であり、この長さＬ３が可能ストローク長である。可能ストローク長Ｌ３は、最大長Ｌ１の１／３程度であり、ストローク長を長くしようとすると真空ベローズの全長が長くなる。

患者台に載せられた患者の患部を位置決めするには、患者のビーム軸方向の移動長は最低限３７０ｍｍ程度必要となる。真空ベローズを伸縮させてビーム取出し窓及び位置モニタを移動させる場合には、可能ストローク長Ｌ３は３７０ｍｍ以上必要となる。ビーム取出し窓及び位置モニタは、患者のビーム軸方向の移動長ばかりでなく、患部を位置決めするために用いるＸ線管及びＸ線撮像装置の配置位置との位置関係によりさらに患者から退避させる必要がある。照射ノズル先端部（位置モニタが取り付けられた部分等の先端部）を体表面ぎりぎりまで移動させる場合、アイソセンタから４０ｍｍであり、最退避長を６５０ｍｍとすると６１０ｍｍの可能ストローク長が必要となる。また、スキャニング照射方式では、荷電粒子ビームの走査範囲は下流にいくほど広くなるので、真空ベローズの口径を大きくする必要がある。大口径で長い真空ベローズの製造は困難である。

特許文献１の粒子線治療装置は、荷電粒子ビームが真空中を通過するに真空通過長を可変にして、患部に照射するビームサイズをできるだけ小さくしようとしているが、真空ベローズを設けることで装置が複雑になっていた。また、可能ストローク長を十分に長くできない場合には、ビーム取出し窓及び位置モニタを十分に患者に近づけることができず、結果として、頭頚部の治療に必要な低エネルギーでは、患部に照射するビームサイズが十分に小さくできない可能性があった。

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あり、荷電粒子ビームが低エネルギーであっても小さなビームサイズで照射対象に照射できる粒子線照射装置を得ることを目的とする。

本発明に係る粒子線照射装置は、荷電粒子ビームが通過する真空領域を形成する真空ダクトと、真空ダクトの下流側に設けられ、荷電粒子ビームが真空領域から放出される非金属の窓板を有する真空窓と、荷電粒子ビームをビーム軸に垂直な方向に走査する走査電磁石と、真空窓の下流側に設けられ、荷電粒子ビームの通過位置及びビームサイズを検出する位置モニタを有するモニタ装置と、真空窓を覆い、下流側にモニタ装置が配置された低散乱ガス充填室と、荷電粒子ビームの照射を制御する照射管理装置と、低散乱ガス充填室に対して低散乱ガスの供給及び放出を実行する低散乱ガス装置と、を備える。低散乱ガス充填室は、モニタ装置と真空窓とのビーム軸方向における相対位置が所望の位置に変更可能に配置され、荷電粒子ビームが照射される際に、空気よりも散乱が小さい低散乱ガスが充填され、低散乱ガス装置は、低散乱ガス充填室に低散乱ガスを供給するガス供給部と、低散乱ガス充填室のガス圧力の変動に応じて容積を変動させる容積変動吸収部と、低散乱ガス充填室から低散乱ガスを放出するガス放出部と、を有することを特徴とする。

本発明に係る粒子線照射装置によれば、モニタ装置と真空窓とのビーム軸方向における相対位置が所望の位置に変更可能に配置され、空気よりも散乱が小さい低散乱ガスが充填された低散乱ガス充填室を荷電粒子ビームが通過するので、低エネルギーであっても小さなビームサイズで照射対象に荷電粒子ビームを照射できる。

本発明の実施の形態１による粒子線照射装置を示す構成図である。本発明の粒子線治療装置の概略構成図である。図１の照射系機器の退避状態を説明する図である。図１の照射系機器の照射状態を説明する図である。実施の形態１の低散乱ガスの供給及び排出構成を説明する図である。図１の真空窓の構造を示す図である。図６のＡ１−Ａ１断面を示す図である。図１のモニタ装置を示す図である。図８のＡ２−Ａ２断面を示す図である。図９の左上部の拡大図である。図１のモニタ装置の取り付け方法を説明する図である。図１１のＡ３−Ａ３断面を示す図である。本発明のビームサイズ特性を示す図である。実施の形態２の低散乱ガスの供給及び排出構成を説明する図である。実施の形態３のビームサイズ異常判定処理を説明する図である。実施の形態３の他のビームサイズ異常判定処理を説明する図である。荷電粒子ビームのエネルギーとビームサイズの関係を説明する図である。真空ベローズの問題を説明する図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による粒子線照射装置を示す構成図である。図２は本発明の粒子線治療装置の概略構成図である。図２において、粒子線治療装置５１は、ビーム発生装置５２と、ビーム輸送系５９と、粒子線照射装置５８ａ、５８ｂとを備える。ビーム発生装置５２は、イオン源（図示せず）と、前段加速器５３と、シンクロトロン５４とを有する。粒子線照射装置５８ｂは回転ガントリ（図示せず）に設置される。粒子線照射装置５８ａは回転ガントリを有しない治療室に設置される。ビーム輸送系５９の役割はシンクロトロン５４と粒子線照射装置５８ａ、５８ｂの連絡にある。ビーム輸送系５９の一部は回転ガントリ（図示せず）に設置され、その部分には複数の偏向電磁石５５ａ、５５ｂ、５５ｃを有する。

イオン源で発生した陽子線等の粒子線である荷電粒子ビームは、前段加速器５３で加速され、加速器であるシンクロトロン５４に入射される。荷電粒子ビームは、所定のエネルギーまで加速される。シンクロトロン５４から出射された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系５９を経て粒子線照射装置５８ａ、５８ｂに輸送される。粒子線照射装置５８ａ、５８ｂは荷電粒子ビームを照射対象２５（図１参照）に照射する。

ビーム発生装置５２で発生され、所定のエネルギーまで加速された荷電粒子ビーム１は、ビーム輸送系５９を経由し、粒子線照射装置５８へと導かれる。図１において、粒子線照射装置５８は、ビーム輸送系５９から真空領域を形成すると共に連通した上部真空ダクト６及び下部真空ダクト７と、荷電粒子ビーム１が真空領域から放出される真空窓８と、荷電粒子ビーム１に垂直な方向であるＸ方向及びＹ方向に荷電粒子ビーム１を走査するＸ方向走査電磁石２及びＹ方向走査電磁石３と、線量モニタ４と、位置モニタ５と、上部シール２９と、モニタ保持部９と、上部シール２９とモニタ保持部９とを移動可能に接続する蛇腹１０と、モニタ保持部９の外周に配置された延伸部２３と、モニタ保持部９をビーム軸方向に駆動するモニタ保持部駆動装置８０と、線量データ変換器１６と、位置データ変換器１７と、ビームデータ処理装置１８と、走査電磁石電源１９と、粒子線照射装置５８を制御する照射管理装置２０とを備える。照射管理装置２０は、照射制御計算機２１と照射制御装置２２とを備える。荷電粒子ビーム１は、図に記載した中心軸２７に沿うように照射され、Ｘ方向走査電磁石２及びＹ方向走査電磁石３で何も制御しなければ、最終的にはアイソセンタ（照射基準点）２６に向かうように調整される。荷電粒子ビーム１は、患者台２８に搭載された患者２４の照射対象２５である患部に照射される。なお、荷電粒子ビーム１の進行方向は−Ｚ方向である。

Ｘ方向走査電磁石２は荷電粒子ビーム１をＸ方向に走査する走査電磁石であり、Ｙ方向走査電磁石３は荷電粒子ビーム１をＹ方向に走査する走査電磁石である。位置モニタ５は、Ｘ方向走査電磁石２及びＹ方向走査電磁石３で走査された荷電粒子ビーム１が通過するビームにおける通過位置（重心位置）やサイズを検出する。線量モニタ４は、荷電粒子ビーム１の線量を検出する。照射管理装置２０は、図示しない治療計画装置で作成された治療計画データに基づいて、照射対象２５における荷電粒子ビーム１の照射位置を制御し、線量モニタ４で測定され、線量データ変換器１６でデジタルデータに変換された線量が目標線量に達すると荷電粒子ビーム１を停止する。走査電磁石電源１９は、照射管理装置２０から出力されたＸ方向走査電磁石２及びＹ方向走査電磁石３への制御入力（指令）に基づいてＸ方向走査電磁石２及びＹ方向走査電磁石３の設定電流を変化させる。

モニタ保持部駆動装置８０は、延伸部２３に固定されたラック１１と、ラック１１に噛み合うピニオン１２と、ピニオン１２を回転させるモータ１３と、延伸部２３に固定されたガイドレール１４と、ガイドレール１４に挿入されたガイドブッシュ１５とを備える。ピニオン１２は上部真空ダクト６及び下部真空ダクト７に対して所定の位置関係になるように粒子線照射装置５８の設置箇所に固定されている。モータ１３により回転されるピニオン１２と、ピニオン１２の回転によりＺ軸方向に移動するラック１１によりモニタ保持部９を移動させる。線量モニタ４及び位置モニタ５をまとめてモニタ装置６７と呼ぶことにする。モニタ装置６７はモニタ保持部９の先端部に固定される。モニタ装置６７とモニタ保持部９の固定方法は後述する。上部シール２９、蛇腹１０、モニタ保持部９及びモニタ装置６７により、低散乱ガス充填室３９が構成される。低散乱ガス充填室３９には、ヘリウムガス等の低散乱ガスが充填される。低散乱ガス充填室３９は、モニタ装置６７と真空窓８とのビーム軸方向における相対位置が所望の位置に変更可能に配置される。モニタ保持部駆動装置８０は、真空領域を形成する上部真空ダクト６、下部真空ダクト７及び真空窓８とモニタ装置６７とのビーム軸方向（Ｚ方向）における相対位置を変更すると共に、蛇腹１０が伸縮することにより低散乱ガス充填室３９の容積を変更する駆動装置である。上部真空ダクト６、下部真空ダクト７、真空窓８、低散乱ガス充填室３９、モニタ装置６７、Ｘ方向走査電磁石２、Ｙ方向走査電磁石３をまとめて照射系機器３０と呼ぶことにする。

位置モニタ５は、例えば荷電粒子により電離するガスの中に垂直のワイヤー群を張った多線式比例計数管で構成される。位置モニタ５上でのビームの位置情報である電流信号は、アナログデータｓｉｇａである。アナログデータｓｉｇａは、位置データ変換器１７に入力される。位置データ変換器１７において、ビームの通過位置情報である電流信号は、Ｉ／Ｖ変換器を通過して電圧に変換され、増幅器で増幅され、ＡＤ変換器でアナログ信号からデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換されたデジタルデータｓｉｇｄはビームデータ処理装置１８に入力される。Ｉ／Ｖ変換器、増幅器、ＡＤ変換器は、位置データ変換器１７を構成する。線量モニタ４は、例えば粒子線を電離する空気の中に平行平板の電極を設けた電離箱で構成される。

図３は照射系機器の退避状態を説明する図であり、図４は照射系機器の照射状態を説明する図である。照射系機器３０が回転ガントリフレーム３１に設置されている例である。図３のように、退避状態ではモニタ装置６７が真空窓８に近づき、患者２４からモニタ装置６７が遠ざけられる。この退避状態にて患者２４は患者台２８に搭載され、患部の位置決め作業が行われる。患部の位置決め作業が終了した後に、モニタ保持部駆動装置８０によりモニタ保持部９が駆動され、モニタ装置６７を患者２４にできるだけ接近させる。モニタ装置６７を患者２４にできるだけ接近させた状態は、図４に示し、さらに図３の破線で示した。線量モニタ１０４、位置モニタ１０５は、それぞれ患者２４にできるだけ接近させた状態の線量モニタ、位置モニタである。

実施の形態１の粒子線照射装置５８は、上部真空ダクト６、下部真空ダクト７、真空窓８を固定したままで、モニタ装置６７と患者２４との移動距離を十分に確保することができる。低散乱ガス充填室３９に空気よりも散乱が小さい低散乱ガスを充填することで、低散乱ガス充填室３９内を通過する荷電粒子ビーム１のビームサイズを小さくすることができる。

次に、低散乱ガスの供給及び排出構成、通過の際の散乱を小さくした真空窓８の構造、低散乱ガス充填室３９の蓋に相当するモニタ装置６７の構造について説明する。図５は実施の形態１の低散乱ガスの供給及び排出構成を説明する図である。低散乱ガス装置４０は、低散乱ガス充填室３９に対して低散乱ガスの供給及び放出を実行する。低散乱ガス装置４０は、ガス供給部４１と、容積変動吸収部４２と、ガス放出部４３とを有する。低散乱ガスはガス供給部４１から低散乱ガス充填室３９に供給される。低散乱ガス充填室３９の低散乱ガスの圧力の変動は容積変動吸収部４２及びガス放出部４３により所定の圧力範囲になるように調整される。

ガス供給部４１は、低散乱ガスが充填されたガスボンベ３３、供給ガス圧力を調整するレギュレータ３４、低散乱ガス充填室３９に供給するガス流量を調整する流量調整弁３５、配管３２からなる。ガス供給部４１の配管３２は、例えば上部シール２９に接続される。容積変動吸収部４２は、調整チャンバー３６と配管３２からなる。容積変動吸収部４２は、低散乱ガス充填室３９のガス圧力に応じて、低散乱ガス充填室３９から調整チャンバー３６に低散乱ガスが移動する。低散乱ガス充填室３９のガス圧力が低下すると、調整チャンバー３６内の低散乱ガスが低散乱ガス充填室３９に流入する。容積変動吸収部４２は、低散乱ガス充填室のガス圧力の変動に応じて容積を変動させることにより、低散乱ガス充填室３９の低散乱ガスの圧力の変動を調整する。ガス放出部４３は、油３８が注入された油容器３７と配管３２からなる。低散乱ガス充填室３９に低散乱ガスが供給され、調整チャンバー３６で変動吸収可能な圧力を超えて低散乱ガス充填室３９のガス圧が上昇すると、ガス放出部４３の配管３２から低散乱ガスが油内に放出される。油内に放出された低散乱ガスは油容器３７の開放口から外部に放出される。低散乱ガスは流量調整弁３５により一定流量流すので、油容器３７の開放口からは一定流量放出されることになる。

図６は真空窓の構造を示す図であり、図７は図６のＡ１−Ａ１断面を示す図である。真空窓８は、窓板４７を取り付けフランジ４８及び窓押さえフランジ４６にて押圧して固定される。図６、図７に示した真空窓８は円形の例である。窓板４７は、例えば厚さ２００μｍのポリイミドの板である。金属の取り付けフランジ４８及び金属の窓押さえフランジ４６は、貫通孔が形成されている。窓板４７は、取り付けフランジ４８の貫通孔を覆うように配置される。窓押さえフランジ４６は、窓板４７の外周部に重ねて配置され、ボルト４９により取り付けフランジ４８に固定される。真空窓８は金属の下部真空ダクト７にボルト４９により固定される。以上のような真空窓８により、真空領域の真空度を確保すると共に、窓板４７による荷電粒子ビーム１の散乱を極力抑えることができる。

図８はモニタ装置を示す図である。図９は図８のＡ２−Ａ２断面を示す図であり、図１０は図９の左上部の拡大図である。図８乃至１０に示したモニタ装置６７は円形の例である。図８乃至１０に示したモニタ装置６７は、線量モニタ４の電極部と位置モニタ５の電極部を重ねて配置したモニタ電極部７６を、貫通孔を有する上フレーム７０と貫通孔を有する下フレーム７５の間に配置した例である。モニタ電極部７６は外周側に例えば８つの絶縁カラー７４が配置される。上フレーム７０のボルト孔と絶縁カラー７４の貫通孔にボルト４９が挿入され、下フレーム７５の雌ねじ部にボルト４９がねじ込まれて、上フレーム７０、下フレーム７５及びモニタ電極部７６は一体となる。

低散乱ガス充填室３９の内面側に配置される上フレーム７０には、窓板７１が固定される。上フレーム７０の貫通孔を覆うように窓板７１が配置される。窓板押さえフレーム７２を窓板７１の外周部に重ねて配置し、ねじ７３で上フレーム７０の内周側に窓板７１及び窓板押さえフレーム７２を固定する。窓板７１は、例えば、厚さ１００μｍの薄い雲母板（マイラー膜）である。窓板７１は、低散乱ガス充填室３９の内側に位置する面側に配置され、低散乱ガスが下流側へ通過することを防止している。

モニタ保持部９とモニタ装置６７との接続方法を説明する。図１１はモニタ装置の取り付け方法を説明する図であり、図１２は図１１のＡ３−Ａ３断面を示す図である。図１１はモニタ装置６７を荷電粒子ビーム１の照射方向における上流側から下流側を見た図である。モニタ装置６７の上フレーム７０の外周側にシール材７８、モニタ保持部９、シール材７９、押圧器具７７を配置する。２つの押圧器具７７の端部をボルト４９とナット５０で締め込むことにより、モニタ装置６７に押圧して接続するので、モニタ保持部９とモニタ装置６７との接続は気密性を持たせることがきる。モニタ保持部９とモニタ装置６７との接続は気密性が高いので、上部シール２９、蛇腹１０、モニタ保持部９及びモニタ装置６７により構成された低散乱ガス充填室３９は、低散乱ガスを充填するのに十分な気密性を備えることができる。

図１３は本発明のビームサイズ特性を示す図である。横軸は荷電粒子ビームのビームエネルギーＥ（ＭｅＶ）であり、縦軸は荷電粒子ビームのビームサイズＳ（ｍｍ）である。
ビームサイズＳは標準偏差計算のように計算される。図１３のビームサイズＳは、水中におけるアイソセンタでのビームサイズである。特性９３は、低散乱ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）ガスを使用し、低散乱ガス充填室３９にヘリウムガスを充填した場合である。図１３の特性は、真空窓８とアイソセンタ２６との距離は７７０ｍｍ、モニタ装置６７の上面と水面との距離は１１０ｍｍ、真空窓８の窓板４７の厚さは２００μｍの例である。荷電粒子ビーム１のエネルギーを変更して、水中でのブラッグピーク位置を変更する際に、真空窓８とアイソセンタ２６との距離が７７０ｍｍ、モニタ装置６７の上面と水面との距離が１１０ｍｍとなるように、水面及びモニタ装置６７を移動している。荷電粒子ビーム１のエネルギーが変更されると、低散乱ガス充填室３９のＺ軸方向の長さが変わるようにしている。比較のために、特性９１及び特性９２を追記した。特性９２は水散乱による物理限界となるビームサイズであり、特性９１は従来の粒子線照射装置のビーム取出し窓から放出された荷電粒子ビームが空気中を通過し、患者の体に入る場合のビームサイズである。

低散乱ガス充填室３９にヘリウムガスを充填し、モニタ装置６７の上面と水面との距離が１１０ｍｍとすることにより、ビームエネルギーが７０ＭｅＶから２３５ＭｅＶの間でビームサイズを水散乱による物理限界となるビームサイズに近づけることができる。本発明の特性９３は、７０ＭｅＶから２３５ＭｅＶの間で、従来のビームサイズの特性９１に比べて、ビームサイズを非常に小さくすることができる。従来のビームサイズが大きくなってしまう低エネルギー範囲（１５０ＭｅＶ以下）では、本発明の特性９３は、従来の特性９１とは異なり、ビームエネルギーを低下させてもビームサイズを小さくすることができる。本発明の特性９３は、７０ＭｅＶ程度では、ビームエネルギーを低下させてもビームサイズは下がらなくなるが、従来に比べて顕著に小さなビームサイズが得られる。本発明の特性９３は、ビームエネルギーが７０ＭｅＶから２３５ＭｅＶの間で、物理限界の特性９２に近づけることができる。

実施の形態１の粒子線照射装置５８は、荷電粒子ビーム１が真空中を通過する真空通過長を固定し、真空窓８を覆い、低散乱ガスが充填された低散乱ガス充填室３９を備え、低散乱ガス充填室３９の先端部分に位置するモニタ装置６７を患者にできるだけ近づけるので、荷電粒子ビーム１が低エネルギーであっても小さなビームサイズで照射対象２５に照射することができる。また、粒子線照射装置５８は、荷電粒子ビーム１が真空中を通過する真空通過長を固定するので、従来のように真空ベローズを用いて真空通過長を可変にする必要がなく、照射系機器３０を簡便な構成にすることができる。照射系機器３０は簡便な構成なので、モニタ装置６７の移動距離、すなわちモニタ保持部９の移動距離の設計を、真空ベローズの制約条件にとらわれることなく、自由に行うことができる。

低散乱ガス充填室３９は、低散乱ガスが充填されればよいので、内部を真空にするような気密設定にする必要がなく、プラスティック等の樹脂材料で形成したものでも構わない。蛇腹１０もプラスティック等の樹脂材料で形成したものや、布に樹脂を塗布したものを用いても構わない。

線量モニタ４と位置モニタ５をモニタ装置６７として一体化したので、線量モニタ４と位置モニタ５を個別にして重ねた場合に比べて、モニタ装置６７のビーム照射方向（Ｚ方向）の長さを小さくできる。線量モニタ４と位置モニタ５を一体化したモニタ装置６７は、ビーム照射方向（Ｚ方向）の長さが小さいので、軽量化でき、荷電粒子ビーム１を散乱させる原因物を極力薄くすることができる。

以上のように実施の形態１の粒子線照射装置５８は、荷電粒子ビーム１が通過する真空領域を形成する真空ダクト６、７と、真空ダクト６、７の下流側に設けられ、荷電粒子ビーム１が真空領域から放出される真空窓８と、荷電粒子ビーム１をビーム軸に垂直な方向に走査する走査電磁石２、３と、荷電粒子ビーム１の通過位置及びビームサイズを検出する位置モニタ５を有するモニタ装置６７と、真空窓８を覆い、下流側にモニタ装置６７が配置された低散乱ガス充填室３９と、荷電粒子ビーム１の照射を制御する照射管理装置２０と、を備え、低散乱ガス充填室３９は、モニタ装置６７と真空窓８とのビーム軸方向における相対位置が所望の位置に変更可能に配置され、荷電粒子ビーム１が照射される際に、空気よりも散乱が小さい低散乱ガスが充填されるので、モニタ装置と真空窓とのビーム軸方向における相対位置が所望の位置に変更可能に配置され、空気よりも散乱が小さい低散乱ガスが充填された低散乱ガス充填室を荷電粒子ビームが通過でき、荷電粒子ビーム１が低エネルギーであっても小さなビームサイズで照射対象２５に照射することができる。

実施の形態１の粒子線治療装置は、荷電粒子ビーム１を発生させ、この荷電粒子ビーム１を加速器５４で加速させるビーム発生装置５２と、加速器５４により加速された荷電粒子ビーム１を輸送するビーム輸送系５９と、ビーム輸送系５９で輸送された荷電粒子ビーム１を照射対象２５に照射する粒子線照射装置５８とを備え、粒子線照射装置５８は、荷電粒子ビーム１が通過する真空領域を形成する真空ダクト６、７と、真空ダクト６、７の下流側に設けられ、荷電粒子ビーム１が真空領域から放出される真空窓８と、荷電粒子ビーム１をビーム軸に垂直な方向に走査する走査電磁石２、３と、荷電粒子ビーム１の通過位置及びビームサイズを検出する位置モニタ５を有するモニタ装置６７と、真空窓８を覆い、下流側にモニタ装置６７が配置された低散乱ガス充填室３９と、荷電粒子ビーム１の照射を制御する照射管理装置２０と、を備え、低散乱ガス充填室３９は、モニタ装置６７と真空窓８とのビーム軸方向における相対位置が所望の位置に変更可能に配置され、荷電粒子ビーム１が照射される際に、空気よりも散乱が小さい低散乱ガスが充填されるので、モニタ装置と真空窓とのビーム軸方向における相対位置が所望の位置に変更可能に配置され、空気よりも散乱が小さい低散乱ガスが充填された低散乱ガス充填室を荷電粒子ビームが通過でき、荷電粒子ビーム１が低エネルギーであっても小さなビームサイズで照射対象２５に照射することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、低散乱ガス充填室３９における低散乱ガスの排出構成として、油３８が注入された油容器３７と配管３２からなるガス放出部４３の例を説明した。実施の形態２では、ガス放出部４３からモニタ装置６７の患者側に放出する例を説明する。

図１４は、実施の形態２の低散乱ガスの供給及び排出構成を説明する図である。図５のガス放出部４３とは、油３８が注入された油容器３７が存在せず、配管３２をモニタ装置６７のビーム照射方向（Ｚ方向）に配置し、低散乱ガス充填室３９の低散乱ガスをモニタ装置６７の患者側に流すようにした点で異なる。配管３２の先端部から低散乱ガスの放出ガス４５が患者側に放出される。放出された低散乱ガスは、モニタ装置６７と患者２４との間に流入するので、モニタ装置６７と患者２４との間が空気の場合に比べて、低散乱ガスの濃度が高くなり、モニタ装置６７と患者２４との間で荷電粒子ビーム１のビームサイズが大きくなる散乱を低減することができる。したがって、実施の形態２の粒子線照射装置５８は、実施の形態１よりも小さなビームサイズにすることができる。

実施の形態３．
実施の形態３では、低散乱ガス充填室３９の低散乱ガスの濃度に異常が生じた場合に、低散乱ガス充填室３９の異常を検出する機能を備えた粒子線照射装置５８の例を説明する。低散乱ガス充填室３９に異常が発生すると、低散乱ガス充填室３９の低散乱ガスの濃度が低下し荷電粒子ビーム１のビームサイズが大きくなるので、これを利用して低散乱ガス充填室３９に異常を検出する。図１５は、実施の形態３のビームサイズ異常判定処理を説明する図である。ビームサイズ異常判定処理は、ビームデータ処理装置１８にて行われる。ビームデータ処理装置１８は、位置モニタ５により検出された荷電粒子ビーム１の通過位置情報に基づいてビームサイズを判定する。

ビームデータ処理装置１８は、ビームサイズＳを計算するビームサイズ計算部６１と、照射対象２５に照射する荷電粒子ビーム１の計画された目標ビームサイズＳ_０を記憶するビームサイズ記憶器６４と、目標ビームサイズＳ_０に対する異常判定の判定しきい値Ｂを記憶する判定しきい値記憶器６５と、ビームサイズＳと目標ビームサイズＳ_０とを比較してビームサイズＳと目標ビームサイズＳ_０との差であるサイズ差ｓｉｇｂを出力する比較部６２と、サイズ差ｓｉｇｂが判定しきい値Ｂの範囲内にあるか否かを判定する異常判定部６３とを備える。

ビームデータ処理装置１８は、異常判定部６３にてビームサイズＳの異常を検出すると、すなわちサイズ差ｓｉｇｂが判定しきい値Ｂの範囲内にない場合は、異常通知信号ｓｉｇｅを照射管理装置２０に送信する。照射管理装置２０は、異常通知信号ｓｉｇｅを受けると、例えば、緊急停止処理であるインターロック処理を行い、荷電粒子ビーム１の照射を停止する。

以上のように、実施の形態３の粒子線照射装置５８は、低散乱ガス充填室３９に異常が発生した場合に、荷電粒子ビーム１のビームサイズＳの異常を検出して、緊急停止処理であるインターロック処理を行い、荷電粒子ビーム１の照射を停止することができる。

なお、照射管理装置２０がビームデータ処理装置１８から異常通知信号ｓｉｇｅを受信して、緊急停止処理であるインターロック処理を行う例を説明したが、ビームデータ処理装置１８が複数の異常レベルに応じた異常通知信号ｓｉｇｅを送信し、照射管理装置２０が異常通知信号ｓｉｇｅのレベルに応じて、ガス供給部４１のガス供給量を調整するようにしても構わない。

例えば、ビームデータ処理装置１８が２つの異常通知信号ｓｉｇｅ１及びｓｉｇｅ２を生成する場合を説明する。図１６は、実施の形態３の他のビームサイズ異常判定処理を説明する図である。この場合は、判定しきい値記憶器６５に２つのしきい値Ｂ１、Ｂ２が記憶される。ここで、Ｂ１＜Ｂ２とする。異常判定部６３はサイズ差ｓｉｇｂが判定しきい値Ｂ２の範囲内にない場合は、異常通知信号ｓｉｇｅ２を照射管理装置２０に送信する。異常判定部６３は、サイズ差ｓｉｇｂが判定しきい値Ｂ２の範囲内にあるが判定しきい値Ｂ１の範囲内にない場合は、異常通知信号ｓｉｇｅ１を照射管理装置２０に送信する。照射管理装置２０は、異常通知信号ｓｉｇｅ２を受けると、緊急停止処理であるインターロック処理を行い、荷電粒子ビーム１の照射を停止する。また、照射管理装置２０は、異常通知信号ｓｉｇｅ１を受けると、ガス供給部４１のガス供給量を調整するようにガス供給部４１に制御信号を送信する。

なお、異常通知信号ｓｉｇｅのレベルをさらに細かく設定することで、ガス供給部４１のガス供給量を細かく調整することができる。

今まで真空ベローズを使用しない例で説明したが、短い距離の移動を可能にする真空ベローズと低散乱ガス充填室を併用しても構わない。

１…荷電粒子ビーム、２…Ｘ方向走査電磁石、３…Ｙ方向走査電磁石、５…位置モニタ、６…上部真空ダクト、７…下部真空ダクト、８…真空窓、９…モニタ保持部、１０…蛇腹、１８…ビームデータ処理装置、２０…照射管理装置、２５…照射対象、２９…上部シール、３２…配管、３７…油容器、３８…油、３９…低散乱ガス充填室、４０…低散乱ガス装置、４１…ガス供給部、４２…容積変動吸収部、４３…ガス放出部、６１…ビームサイズ計算部、６３…異常判定部、６７…モニタ装置、７１…窓板、５１…粒子線治療装置、５２…ビーム発生装置、５４…シンクロトロン（加速器）、５８、５８ａ、５８ｂ…粒子線照射装置、５９…ビーム輸送系、ｓｉｇｅ、ｓｉｇｅ１、ｓｉｇｅ２…異常通知信号、Ｓ…ビームサイズ、Ｓ_０…目標ビームサイズ、Ｂ、Ｂ１、Ｂ２…判定しきい値。

Claims

加速器により加速された荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線照射装置であって、
前記荷電粒子ビームが通過する真空領域を形成する真空ダクトと、
前記真空ダクトの下流側に設けられ、前記荷電粒子ビームが前記真空領域から放出される非金属の窓板を有する真空窓と、
前記荷電粒子ビームをビーム軸に垂直な方向に走査する走査電磁石と、
前記真空窓の下流側に設けられ、前記荷電粒子ビームの通過位置及びビームサイズを検出する位置モニタを有するモニタ装置と、
前記真空窓を覆い、下流側に前記モニタ装置が配置された低散乱ガス充填室と、
前記荷電粒子ビームの照射を制御する照射管理装置と、
前記低散乱ガス充填室に対して低散乱ガスの供給及び放出を実行する低散乱ガス装置と、を備え、
前記低散乱ガス充填室は、
前記モニタ装置と前記真空窓との前記ビーム軸方向における相対位置が所望の位置に変更可能に配置され、
前記荷電粒子ビームが照射される際に、空気よりも散乱が小さい前記低散乱ガスが充填され、
前記低散乱ガス装置は、
前記低散乱ガス充填室に前記低散乱ガスを供給するガス供給部と、
前記低散乱ガス充填室のガス圧力の変動に応じて容積を変動させる容積変動吸収部と、
前記低散乱ガス充填室から低散乱ガスを放出するガス放出部と、を有することを特徴とする粒子線照射装置。
前記低散乱ガス充填室は、下流側に配置された前記モニタ装置と、前記モニタ装置を保持するモニタ保持部と、前記真空ダクトの外周に配置された上部シールと、前記上部シールと前記モニタ保持部とを移動可能に接続する蛇腹と、を備え、前記モニタ装置は前記低散乱ガス充填室における下流側の蓋になっていることを特徴する請求項１記載の粒子線照射装置。
前記モニタ装置は、前記低散乱ガスが下流側へ通過することを防止する窓板を有することを特徴とする請求項１または２に記載の粒子線照射装置。
前記ガス放出部は、油が注入された油容器と、前記低散乱ガス充填室と前記油容器とを接続する配管と、を有することを特徴とする請求項１記載の粒子線照射装置。
前記ガス放出部は、前記低散乱ガス充填室から前記モニタ装置の下流側に前記低散乱ガスを放出する配管を有することを特徴とする請求項１記載の粒子線照射装置。
前記位置モニタにより検出された前記荷電粒子ビームの通過位置情報に基づいて前記ビームサイズを判定するビームデータ処理装置を備え、
前記ビームデータ処理装置は、
前記通過位置情報に基づいて前記ビームサイズを計算するビームサイズ計算部と、
前記荷電粒子ビームの計画された目標ビームサイズと前記ビームサイズ計算部により計算されたビームサイズとの差が判定しきい値の範囲内に無い場合に、異常通知信号を前記照射管理装置に送信する異常判定部と、を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
荷電粒子ビームを発生させ、この荷電粒子ビームを加速器で加速させるビーム発生装置と、前記加速器により加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、前記ビーム輸送系で輸送された荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線照射装置とを備え、
前記粒子線照射装置は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の粒子線照射装置であることを特徴とする粒子線治療装置。