JP6256974B2

JP6256974B2 - 荷電粒子ビームシステム

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Description

本発明は、荷電粒子ビームシステムに係り、特に、陽子、ヘリウムイオン、または炭素イオンのイオンビームを用いるがん治療に好適な荷電粒子ビームシステムに関する。

陽子、ヘリウム、または炭素等のイオンビームを患者のがんの患部に照射し、がんを治療する荷電粒子ビーム照射システムは、イオン源、加速器、ビーム輸送系および回転ガントリーを備えており、回転ガントリーには、イオンビームを患者に照射する照射装置を備える。

イオン源で発生したイオンビームは、シンクロトロンおよびサイクロトロンなどの加速器を用いて所望のエネルギーまで加速された後、加速器からビーム輸送系に出射される。出射されたイオンビームは、ビーム輸送系により、回転ガントリーに設けられた照射装置に輸送される。回転ガントリーを回転させることによって、照射装置は、回転ガントリーの回転軸の周りで旋回され、治療台に載っている患者のがんの患部に対するイオンビームの照射方向に合わせられる。このため、照射装置に輸送されたイオンビームは、回転ガントリーにより設定された照射方向から、イオンビームの照射目標である患部の体表面からの深さ、および患部の形状に合わせて照射される。

照射装置を用いたイオンビームの照射方法は、散乱体法およびスキャニング法に大別できる。散乱体法では、イオンビームを散乱体で横方向に拡大し、ＳＯＢＰ（Spread Out of Bragg Peak）フィルタを使って、深さ方向に拡大して、照射目標である患部に照射する。スキャニング法では、患部の形状に合わせて、走査電磁石を用いてイオンビームを横方向に移動させ、深さ方向には、加速器でイオンビームのエネルギーを変化させてイオンビームを照射する（特開平１０−１１８２０４号公報および特開２００４−３５８２３７号公報参照）。

イオンビームを人体に照射した場合には、人体の深さ方向において、特開平１０−１１８２０４号公報の図３に示すような線量分布を示し、ブラッグピークで線量が最大になり、さらに、ブラッグピークを超える深さで線量分布が急激に減少する。イオンビームを用いたがん治療では、ブラッグピークで線量が最大になり、ブラッグピークを超える深さで線量が急激に減少する性質を利用している。

特開２０１０−３２４５１号公報は、１つの荷電粒子ビーム照射システムにおいて、種類が異なるイオンビーム、すなわち、陽子イオンビーム（陽子線）および炭素イオンビーム（炭素線）を切り換えて陽子イオンビームまたは炭素イオンビームを患者のがんの患部に対して照射することを記載している。特許第４６３２２７８号公報は、１つの荷電粒子ビーム照射システムにおいて、種類が異なるイオンビーム、すなわち、ヘリウムイオンビーム、炭素イオンビームおよび酸素イオンビームのいずれかを加速器であるシンクロトロン内に入射し、入射されたイオンビームをシンクロトロンで加速した後、患者のがんの患部に対して照射することを記載している。

H. Eickhoff et al., GSI Darmstadt, “TESTS OF A LIGHT-ION GANTRY SCECTION AS AN EXAMPLE OF PREPARATIONS FOR THE THERAPY FACILITY IN HEIDELBERG”, Proc. of EPAC 2002, Paris Franceは、特開２０１０−３２４５１号公報及び特許第４６３２２７８号公報と同様に、１つの荷電粒子ビーム照射システムにおいて、複数種類のイオンビームを切り替えて照射対象に照射することを記載している。

特開平１０−１１８２０４号公報特開２００４−３５８２３７号公報特許第４６３２２７８号公報

H. Eickhoff et al., GSI Darmstadt, "TESTS OF A LIGHT-ION GANTRY SCECTION AS AN EXAMPLE OF PREPARATIONS FOR THE THERAPY FACILITY IN HEIDELBERG", Proc. of EPAC 2002, Paris France

体内の深い位置にある治療目標（がんの患部）にイオンビームを照射するためには、イオンビームが照射目標に到達するように水中飛程を長くする必要があり、また、イオンビームのイオンの重さを増加させるほど、より高いエネルギーが必要になる。その結果、荷電粒子ビーム照射システムを構成する機器である加速器、ビーム輸送系、および回転ガントリーのそれぞれにおいて、使用する偏向電磁石の曲率半径を大きくしなければならない。これは、各機器のサイズの大型化につながり、結果的に、荷電粒子ビーム照射システムが大型化される。

種類が異なるイオンビームを切り換えて治療目標に照射する荷電粒子ビーム照射システムは、それらのイオンビームのうち最も重いイオンのビームを照射できるように構成され、最も重いイオンのビームの照射に合わせて、荷電粒子ビーム照射システムが大型化される。例えば、陽子イオンビームおよび炭素イオンビームを切り換えて照射できる荷電粒子ビーム照射システムでは、炭素イオンビームを照射できるようにしなければならないので、必然的に、そのシステムは大型化される。

一方、陽子イオンビームのような軽いイオンビームを用いる荷電粒子ビーム照射システムでは、加速器、ビーム輸送系、および回転ガントリーで使用する偏向電磁石の曲率半径が小さくなるため、加速器、ビーム輸送系、回転ガントリーおよび照射装置を小さくできる。これにより、軽いイオンビームを用いる荷電粒子ビーム照射システムは、炭素イオンビームのような重いイオンビームを用いる荷電粒子ビーム照射システムに比べて小型化できる。

しかし、発明者らの検討により、軽いイオンビームは照射装置による側方散乱が大きいために、軽いイオンビームを照射した場合には、体内のビームサイが増加する、あるいは、照射範囲の端部での線量低下幅（ペナンブラ）が大きくなり、照射目標への線量集中性および線量分布の制御性が低下する課題が生じることが分かった。

本発明の目的は、荷電粒子ビームシステムを小型化することができ、かつ、イオンビームの照射目標への照射集中性および照射線量分布の制御性を高めることができる荷電粒子ビームシステムを提供することにある。

（１）上記の目的を実現する本発明の荷電粒子ビームシステムは、重さが異なる複数種類のイオンビームを生成するイオン源、前記イオンビームを加速する加速器、前記加速器から取り出された前記イオンビームを輸送するビーム輸送系、イオンビームの患者への照射方向を設定するための回転ガントリーと、回転ガントリーに設置され、前記イオンビームの照射範囲を制御する手段を有する照射装置とこれらの加速器、ビーム輸送系、回転ガントリーおよび照射装置を制御する制御装置を備えている。

前記加速器は、前記複数種類のイオンビームを加速し、それぞれの最高エネルギーでの水中飛程が、イオン種ごとに異なる加速器で、回転ガントリーで定める照射方向の照射目標の水等価深さ（等価な減衰となると水深さ）と、各イオン種の最長水中飛程を比較し、照射目標の水等価深さが前記最長水中飛程以下になるイオン種を選択、イオン源、加速器、ビーム輸送装置、回転ガントリーを使って照射装置に輸送し、照射装置から目標に照射する。

（２）上記の目的を実現する本発明の荷電粒子ビームシステムは、重さが異なる複数種類のイオンビームを生成するイオン源、前記イオンビームを加速する加速器、前記加速器から取り出された前記イオンビームを輸送するビーム輸送系、イオンビームの患者への照射方向を設定するための回転ガントリーと、回転ガントリーに設置され、前記イオンビームの照射範囲を制御する手段を有する照射装置を備えている。

前記イオン源は、重さの異なる複数種類のイオンを生成するイオン源で、前記加速器は、前記複数種類のイオンを加速し、最も重いイオンを最高エネルギーへ加速後の水中飛程が、最も重いイオン以外の最高エネルギーへ加速後の水中飛程より短くなる加速器で、回転ガントリーで定める照射方向での照射目標の水等価深さが、最も重いイオンの最長水中飛程を越えると、前記複数イオンのうちの最も重いイオンを除いたイオンを選択し、照射目標の水等価深さが最も重いイオンの最長水中飛程以下の場合、最も重いイオンを含む前記複数種のイオンを選択し、イオン源、加速器、ビーム輸送装置、回転ガントリーを使って照射装置に輸送し、照射装置から体内に照射する。

（３）上記の目的を実現する本発明の荷電粒子ビームシステムは、重さが異なる複数種類のイオンビームを生成するイオン源、前記イオンビームを加速する加速器、前記加速器から取り出された前記イオンビームを輸送するビーム輸送系、患者への照射方向を設定するための回転ガントリーと、回転ガントリーに設置され、前記イオンビームの照射範囲を制御する手段を有する照射装置を備えている。

前記イオン源は、重さの異なる複数種類のイオンを生成するイオン源で、前記加速器は、前記複数種類のイオンを加速し、最も重いイオンを最高エネルギーへ加速後の水中飛程が、最も重いイオンより軽いイオンの最高エネルギーへ加速後の水中飛程より短くなる加速器で、回転ガントリーで定める照射方向での照射目標の水等価深さが、最も重いイオンの最長水中飛程を越えると、前記複数イオンのうちの最も重いイオンを除いたイオンを照射し、前期照射目標の水等価深さが最も重いイオンの最長水中飛程以下の場合、最も重いイオンを選択し、イオン源、加速器、ビーム輸送装置、回転ガントリーを使って照射装置に輸送し、照射装置から体内に照射する。

（４）上記の目的を実現する本発明の荷電粒子ビームシステムは、重さが異なる複数種類のイオンビームを生成するイオン源、前記イオンビームを加速する加速器、前記加速器から取り出された前記イオンビームを輸送するビーム輸送系、患者への照射方向を設定するための回転ガントリーと、回転ガントリーに設置され、前記イオンビームの照射範囲を制御する手段を有する照射装置を備えている。

前記イオン源は、重さの異なる複数種類のイオンを生成するイオン源で、前記加速器は、前複数種類のイオンをそれぞれ最高エネルギーへ加速後の水中飛程が、イオンの重さの増加とともに減少する加速器で、回転ガントリーで定める照射方向での照射目標の水等価深さが、最も重いイオンの最高エネルギーでの水中飛程を越えると、前記複数イオンのうちの最も重いイオンを除くイオンを照射し、前期照射目標の水等価深さが最も重いイオンの最高エネルギーでの水中飛程以下の場合、最も重いイオンを含む前記複数種に含まれるイオンを用い、イオン源、加速器、ビーム輸送装置、回転ガントリーを使って照射装置に輸送し、照射装置から体内に照射する。

（５）上記（１）（２）、（３）、（４）の荷電粒子ビームシステムにおいて、加速器、ビーム輸送系、ないし、照射装置に各イオン種のエネルギーを制御する手段を備え、
照射目標を深さ方向に複数層に分割し、前記制御装置は、照射目標の各層の水等価深さと、各イオン種の最長水中飛程を比較し、照射目標深さに対応する水中飛程が前記最長水中飛程以下になるイオン種を選択し、選択したイオン種のエネルギーを制御して、照射装置から目標に照射する。

（６）上記（１）、（２）、（３）、（４）の荷電粒子ビームシステムにおいて、照射装置に各種イオンを走査する走査電磁石を備える。目標内部を深さ方向および横方向に複数の要素に体積分割し、各体積分割要素の水等価深さと、各イオン種の最長水中飛程を比較し、各体積分割要素の水等価深さが最長水中飛程以下のイオン種を選択し、選択したイオン種を、水中飛程が各体積分割要素の水等価深さになるように加速し、各体積分割要素の横方向の照射位置を照射装置の走査電磁石で制御し、各体積要素に予め治療計画で定めた線量を照射する。

本発明によれば、荷電粒子ビームシステムを小型化することができ、かつ、照射目標への照射線量集中性を高め、かつ、照射目標における照射線量分布の制御性を高めることができる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の荷電粒子ビーム照射方法に適用される荷電粒子ビームシステムの構成図である。図１に示された照射装置の拡大構成図である。実施例１の荷電粒子ビーム照射方法における照射目標へのイオンビームの照射状態を示す説明図である。図３に示された照射目標における体積分割を示す説明図である。イオンビームが照射されたときにおける体内の深さ方向での相対線量分布の例を示す説明図である。イオンの体内飛程とイオンの核子あたりのエネルギーの関係を示す特性図である。イオンの体内飛程によるビームサイズの変化の例を示す説明図である。イオンの体内飛程とイオンの磁気剛性率の関係を示す特性図である。本発明の他の好適な実施例である実施例２の荷電粒子ビーム照射方法における照射目標へのイオンビームの照射状態を示す説明図である。本発明の他の好適な実施例である実施例３の荷電粒子ビーム照射方法に適用される荷電粒子ビームシステムの照射装置の構成図である。実施例３の荷電粒子ビーム照射方法においてイオンビームが照射される照射目標の層分割を示す説明図である。本発明の他の好適な実施例である実施例４の荷電粒子ビーム照射方法に適用される荷電粒子ビームシステムの構成図である。実施例４の荷電粒子ビーム照射方法における照射目標へのイオンビームの照射状態を示す説明図である。荷電粒子ビームシステムの他の実施例の構成図である。

発明者らは、荷電粒子ビームシステムを小型化することができ、かつ、イオンビームの照射目標への照射集中性および照射線量分布の制御性を高めることができるイオンビームの照射目標への照射について検討した。この検討結果を以下に説明する。

イオンビームを人体に照射すると、図５に示すような深さ方向の線量分布を示し、前述したように、ブラッグピークで線量が最大になる。体内において、ブラッグピークを示す深さを越えてイオンビームが到達できる深さが、飛程（線量がブラッグピークの５０％になる深さで定義）と呼ばれている。

水中でのイオンビームの飛程と患者の体表面での核子あたりの運動エネルギーの関係の例を図６に示す。例えば、陽子（Ｈ⁺）およびヘリウムイオン（Ｈｅ²⁺）は、同じ水中飛程を得るための核子あたりの運動エネルギーは同一である。しかし、ヘリウムイオンより重いイオン（例えば、炭素イオン（Ｃ⁶⁺））は、質量が大きくなるほど、水中飛程を増加させるために必要な運動エネルギーは高くなる。

一方、イオンビームは、照射装置から体内の照射目標に照射される過程において、照射装置内および体内のそれぞれの物質による側方散乱によりビームサイズが増加する。照射装置内でのイオンビームの側方散乱は、イオンビームのエネルギーが小さいほど大きい。一方、体内物質によるイオンビームの側方散乱は、水中飛程の増加とともに増加する。その結果、イオンビームのサイズの増加は、図７に示すように、体内の浅い位置で顕著となる。また、イオンビームのサイズの増加は、図７に示すように、イオンビームに含まれるイオンが重くなるほど小さくなる。

以上の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。

図１は、本発明の好適な一実施例である実施例１の荷電粒子ビーム照射方法を図１、図２及び図３を用いて説明する。本実施例の荷電粒子ビーム照射方法では、照射目標であるがんの患部に照射するイオンビームとして、陽子イオンビーム及びヘリウムイオンビームが用いられる。

本実施例の荷電粒子ビーム照射方法に用いられる荷電粒子ビームシステム５は、荷電粒子発生装置６、ビーム輸送系２１、回転ガントリー２７、照射装置３０および制御装置３３を備えている。荷電粒子発生装置６は、加速器としてシンクロトロン加速器１３を用いており、図１に示すように、シンクロトロン加速器１３以外に、水素分子のイオン源１（Ｈ⁺）、ヘリウムのイオン源２（Ｈｅ²⁺）、直線加速器２０、および直線加速器２０への水素分子イオンとヘリウムイオンの入射を切り替える切替電磁石３を備えている。

イオン源１に接続されてシャッター４Ａが設けられたビームダクト（ビーム経路）とイオン源２に接続されてシャッター４Ｂが設けられたビームダクトは、互いに合流した後、直線加速器２０に接続される。イオン源１に接続されたビームダクトとイオン源２に接続されたビームダクトの合流点に、切替電磁石３が配置される。荷電変換装置１２が、直線加速器２０とシンクロトロン加速器１３の間、具体的には、直線加速器２０と後述の入射器１１の間に配置されている。

シンクロトロン加速器１３は、環状のビームダクトに、イオンビームに高周波電圧を印加する高周波加速装置（加速空胴）１７、複数の偏向電磁石１８、複数の四極電磁石１９、出射用高周波電極１５および出射用デフレクター１６を設けており、これらの機器は図１に示すよう環状のビームダクトに沿って配置されている。シンクロトロン加速器１３は、直線加速器２０から出射されたイオンビームを環状のビームダクトに入射させる電磁石である入射器１１を備えている。

ビーム輸送系２１は、照射装置３０に達するビーム経路２２を有しており、このビーム経路２２に、シンクロトロン加速器１３から照射装置３０に向かって、複数の４極電磁石２３、偏向電磁石２４、複数の４極電磁石２５および偏向電磁石２６をこの順に配置して構成されている。ビーム輸送系２１のビーム経路２２の一部は、回転ガントリー２７に設置されており、偏向電磁石２４、複数の４極電磁石２５および偏向電磁石２６も回転ガントリー２７に設置されている。ビーム経路２２は、出射用デフレクター１６付近で、シンクロトロン加速器１３の環状のビームダクトに接続されている。

照射装置３０は、図２に示すように、２台の走査電磁石３２ａ，３２ｂ、および照射量を計測する照射量モニター５２ａ，５２ｂを備えている。照射量モニター５２ａ，５２ｂは、走査電磁石３２ａ，３２ｂの下流に配置される。照射装置３０は、回転ガントリー２７に取り付けられており、偏向電磁石２６の下流に配置される。患者２９が載る治療用ベッド２８が、照射装置３０に対向するように配置される。

治療用ベッド２８に載っている患者２９のがんの患部にイオンビーム１０を照射する場合には、イオンビーム１０の照射前に、回転ガントリー２７を、回転軸３５を中心に所定の角度だけ回転させ、照射装置３０のビーム軸が治療計画で設定された所定角度になるイオンビーム１０の照射方向に合わせられて照射装置３０のビーム軸が治療用ベッド２８上の患者２９のがんの患部に向けられる。

直線加速器２０は、水素分子イオンおよびヘリウムイオンのそれぞれを加速できるように構成されているが、イオンビーム１０の照射時には、２つのイオン源１および２のうち切替電磁石３により切り替えられた一方のイオン源（イオン源１またはイオン源２）から入射される水素分子イオンまたはヘリウムイオンを加速する。制御装置３３による切替電磁石３の切り替え制御によって、イオン源１および２の内の一方のイオン源から直線加速器２０にイオン（水素分子イオンまたはヘリウムイオン）の入射が制御される。直線加速器２０で加速された水素分子イオンまたはヘリウムイオンのビームは、直線加速器２０から出射されてシンクロトロン加速器１３の環状のビームダクトに入射される。直線加速器２０で水素分子イオンを加速した場合には、制御装置３３の制御により荷電変換装置１２を作動させ、荷電変換装置１２により、直線加速器２０から出射された水素分子イオンを陽子に変換する。このため、直線加速器２０から出射された水素分子イオンのビームが、荷電変換装置１２により陽子イオンビームになって入射器１１によりシンクロトロン加速器１３の環状ビームダクトに入射される。

この環状ダクトに入射されたイオンビーム１０は、高周波加速装置１７に印加する高周波電圧の周波数を高めることによって加速されて周回軌道である環状のビームダクト内を周回する。高周波電圧は、高周波加速装置１７に接続される高周波電源装置（図示せず）から印加される。高周波加速装置１７に印加する高周波電圧の周波数は、制御装置３３によって高周波電源装置を制御することによって高められる。環状ビームダクト内を周回するイオンビーム１０の加速時には、高周波加速装置１７に印加する高周波電圧の周波数を高めると共に、制御装置３３の制御により各偏向電磁石１８および各四極電磁石１９等の磁場強度を高めて、周回するイオンビーム１０のエネルギーを所定エネルギーまで加速する。加速されて周回するイオンビーム１０のエネルギーが加速終了時の最高エネルギー（前述の所定エネルギー）になったとき、制御装置３３の制御によって出射用高周波電極１５に出射用高周波電圧を印加することにより、環状ビームダクト内を周回するイオンビーム１０にこの出射用高周波電圧を印加する。イオンビーム１０に出射用高周波電圧が印加されると、このイオンビーム１０は、出射用デフレクター１６を通してビーム輸送系２１のビーム経路２２に出射される。イオンビーム１０は、ビーム経路２２を通って照射装置３０に入射され、さらに、照射装置３０から治療用ベッド２８上の患者２９のがんの患部に照射される。イオンビームが出射用デフレクター１６を通してビーム輸送系２１のビーム経路２２に出射されるときには、ビーム輸送系２１の各４極電磁石２３、偏向電磁石２４、各４極電磁石２５および偏向電磁石２６のそれぞれの磁場強度が、制御装置３３からの制御信号により、シンクロトロン加速器１３の環状ビームダクトを周回するイオンビーム１０の加速終了時における最高エネルギーになったとき調節される各偏向電磁石１８および各四極電磁石１９等の磁場強度と同じになるように、高められている。

本実施例の荷電粒子ビーム照射方法では、制御装置３３により走査電磁石３２ａ，３２ｂのそれぞれを制御してイオンビーム１０をスキャンさせ、がんの患部の分割されたある層に対してスポットごとにイオンビーム１０を照射する。患部へのスキャニングによるイオンビーム１０の照射は、例えば、特開２００４−３５８２３７号公報に記載されている照射方法で行われる。患部の深さ方向におけるイオンビーム１０の照射位置の変更は、高周波加速装置１７に印加する高周波電圧の周波数を変更してイオンビーム１０の加速エネルギーを変え、深さ方向におけるブラッグピークの位置を変えることによって行われる。患部の深さ方向におけるイオンビーム１０の照射位置の変更は、通常、深い位置から浅い位置に向かって行われる。

本実施例では、前述したように、陽子イオンビーム及びヘリウムイオンビームが用いられる。荷電粒子ビームシステム５を用いた陽子イオンビーム及びヘリウムイオンビームの患者２９のがんの患部（照射目標）への照射について説明する。

本実施例で治療する照射目標の最大水等価深さは３０ｃｍで、陽子イオンビームの最長水中飛程を３０ｃｍとし、ヘリウムイオンビームの最長水中飛程は４ｃｍとする。照射目標の水等価深さが４ｃｍ以下の場合は、ヘリウムイオンビームもしくは陽子イオンビームを用いて照射目標を照射する。照射目標の水等価深さが４ｃｍ以上３０ｃｍ以下の場合は、陽子イオンビームを照射装置３０から照射目標に向かって照射する。これにより、図７に示すように、水等価深さが４ｃｍ以下の場合に、イオンビームの側方散乱を抑えた照射が可能となる。

ヘリウムイオンビームを患部に向かって照射するときには、制御装置３３によりイオン源２を作動させ、制御装置３３によってシャッター４Ｂを開いて切替電磁石３を制御し、イオン源２で発生したヘリウムイオンを直線加速器２０に入射して加速する。このとき、シャッター４Ａは閉じている。直線加速器２０から出射されたヘリウムイオンビームは、入射器１１を通してシンクロトロン加速器１３の環状ダクトに入射される。ヘリウムイオンビームを直線加速器２０からシンクロトロン加速器１３の環状ダクトに入射するときには、荷電変換装置１２が作動されない。

ヘリウムイオンビームは、水中飛程４ｃｍを得るためには、この水中飛程を得る加速後の最高エネルギーである核子あたり６９ＭｅＶ（磁気剛性率２．４）まで加速する必要がある（図６及び図８参照）。磁気剛性率はイオンビームの周回軌道の半径と偏向磁場強度を掛けて得られる値である。図６及び図８は、イオンビームの水中飛程とその水中飛程を得るためのイオンビームのエネルギーおよび磁気剛性率を示している。

水中飛程４ｃｍのヘリウムイオンビームを得るためには、加速後の最高エネルギーである核子あたり６９ＭｅＶのヘリウムイオンビームが周回できるように、シンクロトロン加速器１３の各偏向電磁石１８および各四極電磁石１９の磁場強度を制御装置３３からの制御信号に基づいて高められ、このヘリウムイオンビームは、制御装置３３により高周波加速装置１７に印加する高周波電圧の周波数を高めることにより、ヘリウムイオンビームのエネルギーが核子あたり６９ＭｅＶまで高められる。照射する患部の位置に到達するために必要なエネルギーまで高められる。ビーム輸送系２１の各４極電磁石２３、偏向電磁石２４、各４極電磁石２５および偏向電磁石２６のそれぞれの磁場強度も、同様に、制御装置３３により前述したように制御される。核子あたり６９ＭｅＶのエネルギーを有するヘリウムイオンビームが、シンクロトロン加速器１３からビーム輸送系２１のビーム経路２２に出射され、照射装置３０から患部に照射される。ヘリウムイオンビームの照射により、ブラッグピークが患者２９の体表面から深さ方向において水等価深さ４ｃｍの位置に形成される。

陽子イオンビームを患部に向かって照射するときには、制御装置３３によりイオン源１を作動させ、制御装置３３によってシャッター４Ａを開いて切替電磁石３を制御し、イオン源１で発生した水素分子イオンを直線加速器２０に入射して加速する。このとき、シャッター４Ｂは閉じている。直線加速器２０から出射された水素分子イオンのビームは、前述のように、荷電変換装置１２で陽子イオンビームになって入射器１１を通してシンクロトロン加速器１３の環状ダクトに入射される。水素分子イオンのビームを直線加速器２０からシンクロトロン加速器１３の環状ダクトに入射するときには、前述のように、荷電変換装置１２が作動される。

陽子イオンビームは、水中飛程３０ｃｍを得るためには、この水中飛程を得る加速後の最高エネルギーであるおよそ２２０ＭｅＶ（磁気剛性率２．３）まで加速する必要がある（図６及び図８参照）。

水中飛程３０ｃｍの陽子イオンビームを得るためには、加速後の最高エネルギーである２２０ＭｅＶの陽子イオンビームが周回できるように、シンクロトロン加速器１３の各偏向電磁石１８および各四極電磁石１９の磁場強度を制御装置３３からの制御信号に基づいて高められ、この陽子イオンビームは、制御装置３３により高周波加速装置１７に印加する高周波電圧の周波数を高めることにより、陽子イオンビームのエネルギーがおよそ２２０ＭｅＶまで高められる。陽子イオンビームは、照射する患部の位置に到達するために必要なエネルギーまで高められる。ビーム輸送系２１の各４極電磁石２３、偏向電磁石２４、各４極電磁石２５および偏向電磁石２６のそれぞれの磁場強度も、同様に、制御装置３３により前述したように制御される。およそ２２０ＭｅＶのエネルギーを有する陽子イオンビームが、シンクロトロン加速器１３からビーム輸送系２１のビーム経路２２に出射され、照射装置３０から患部照射される。陽子イオンビームの照射により、ブラッグピークが患者２９の体表面から深さ方向において水等価深さ３０ｃｍの位置に形成される。

照射量モニター５２ａ，５２ｂは、走査電磁石３２ａ，３２ｂにより走査されて患部に照射されるヘリウムイオンビームまたは陽子イオンビームによる患部への照射量を逐次確認することができる。

走査電磁石３２ａ，３２ｂによるヘリウムイオンビームの走査およびヘリウムイオンビームの加速エネルギーの変更により、ヘリウムイオンビームによる患部の横方向への照射及び深さ方向への照射を行うことができる。また、走査電磁石３２ａ，３２ｂによる陽子イオンビームの走査および陽子イオンビームの加速エネルギーの変更により、陽子イオンビームによる患部の横方向への照射及び深さ方向への照射を行うことができる。

陽子イオンビームを最高エネルギーであるおよそ２２０ＭｅＶまで加速する磁気剛性率とヘリウムイオンビームを最高エネルギーである核子あたり６９ＭｅＶまで加速する磁気剛性率は略等しく、ヘリウムイオンビームで水中飛程３０ｃｍを得る磁気剛性率のおよそ１／２となる。

本実施例は、照射目標の水等価深さが３０ｃｍまで全てヘリウムイオンビームにより照射する場合（最大磁気剛性率４．５）にくらべ、シンクロトロン加速器１３およびビーム輸送系２１で使用する各偏向電磁石の曲率半径を抑えることができ、各偏向電磁石のサイズを小型化することができる。このため、荷電粒子ビームシステム５のサイズをおよそ１／２に小型化することができる、または、それらの偏向電磁石の磁場強度を１／２に抑えることができる。

図３は、ヘリウムイオンビームおよび陽子イオンビームを照射する患者２９の患部４０の一例を示している。荷電粒子ビームシステム５を用いた陽子イオンビーム及びヘリウムイオンビームの患者２９のがんの患部（照射目標）への照射について説明する。照射目標であるがんの患部４０は、治療計画装置９を用いた治療計画により、図４に示すように、仮想的に複数の体積要素４１に分割し、各体積要素４１にイオンビームを照射する方向、照射するイオンビームの種類、照射するイオンビームのエネルギー、および核イオンビームの照射量を定める。これらの情報は、治療計画情報として、治療計画装置９から制御装置３３にイオンビームの照射開始前に入力されて制御装置３３のメモリ（図示せず）に格納される。

本実施例では、図３に示すように、回転ガントリー２７の回転角度を制御装置３３により制御し、方向Ａおよび方向Ｂから患部４０に向かってイオンビームを照射する。方向Ａからのイオンビームの照射では、患部４０全体の水等価深さが患者２９の体表面から水中飛程４ｃｍ以下の３ｃｍであり、全ての体積要素４１にヘリウムイオンビームを照射する。ヘリウムイオンビームを各体積要素４１に適する水中飛程が得られる加速終了後のエネルギーまでシンクロトロン加速器１３により加速し、加速後にビーム輸送系２１のビーム経路２２に出射する。回転ガントリー２７を回転させて照射装置３０のビーム軸を方向Ａに事前に合わせておく。横方向のヘリウムイオンビームの照射位置は、照射装置３０の走査電磁石３２ａ，３２ｂによる走査により定め、計画した線量量のヘリウムイオンビームを体積要素４１に照射する。計画量のヘリウムイオンビームを照射したことを照射量モニター５２ａ，５２ｂで確認した後、ヘリウムイオンビームのその体積要素４１への照射を停止する。次に、照射する体積要素４１の水等価深さが同じ場合は、走査電磁石３２ａ，３２ｂの磁場強度を変更して次の体積要素４１にヘリウムイオンビーム照射する。体積要素４１の水等価深さが異なる場合は、ヘリウムイオンビームの加速エネルギーを、ヘリウムイオンビームの水中飛程がその水等価深さに適した値になるように、高周波加速装置１７を用いて変更し、横方向の照射位置を走査電磁石３２ａ，３２ｂの磁場で設定して該当する体積要素４１へのヘリウムイオンビームの照射を行う。このようなヘリウムイオンビームの照射を繰り返し行い、患部４０全体の体積要素４１に対してヘリウムイオンビームの所定量の照射を行う。

方向Ａからのヘリウムイオンビームの照射を終えた後、回転ガントリー２７の回転角度を変更して、照射装置３０のビーム軸を方向Ｂに合せる。方向Ｂからのイオンビームの照射では、図３に示すように、照射目標である患部４０は、水中飛程４ｃｍより深い位置にある。このため、方向Ｂからは、全体積要素４１に対して陽子イオンビームの照射を行う。各体積要素４１への陽子イオンビームの照射手順は、方向Ａからのヘリウムイオンビームを使って照射する場合と同じである。

本実施例では、方向Ａからのヘリウムイオンビームの照射およびＢ方向からの陽子イオンビームの照射と、イオンビームを分けて異なる方向からイオンビームを患部４０に照射しているため、患部４０の手前の健全な細胞に照射される放射線量が低減される。患部４０には、方向Ａからのヘリウムイオンビームの照射およびＢ方向からの陽子イオンビームの照射により、患部４０に対して所定量の線量が照射される。

本実施例では、患者２９の体表面から患部４０までの水等価深さが浅い方向（例えば、水等価深さ３ｃｍになる方向Ａ）からヘリウムイオンビームを照射し、患者２９の体表面から患部４０までの水等価深さが深い方向（例えば、水等価深さ１０ｃｍ以上になる方向Ｂ）から陽子イオンビームを照射しているので、偏向電磁石１８，２４および２６の小型化することができ、荷電粒子ビームシステム５のサイズを小型化することができる。

また、方向Ａから患部４０にヘリウムイオンビームを照射し、方向Ｂから患部４０に陽子イオンビームを照射しているので、ヘリウムイオンビームおよび陽子イオンビームのそれぞれのビームサイズの増加を抑制することができ、各イオンビームの患部４０への照射集中性を高めることができる。さらに、方向Ａから患部４０にヘリウムイオンビームを照射し、方向Ｂから患部４０に陽子イオンビームを照射することは、患部４０における照射線量分布の制御性を高めることができる。

本実施例では、イオン種が異なるイオンビームの変更を短時間で行うために、２台のイオン源を用いているが、１台のイオン源でイオン生成用気体を変更して重さの異なるイオンを別々に含む複数種類のイオンビームを生成し、それぞれのイオンビームを照射目標に照射することができる。

本発明の他の好適な実施例である実施例２の荷電粒子ビーム照射方法を説明する。本実施例の荷電粒子ビーム照射方法では、実施例１で用いた同じ荷電粒子ビームシステム５が用いられる。

図９は、ヘリウムイオンビームおよび陽子イオンビームを照射する患者２９の患部４０の一例を示している。荷電粒子ビームシステム５を用いた陽子イオンビーム及びヘリウムイオンビームの患者２９のがんの患部（照射目標）への照射について説明する。

照射目標である患部４０Ａは、方向Ａにおいては患者２９の体表面から水等価深さ２ｃｍ〜７ｃｍの間に位置しており、方向Ｂにおいては患者２９の体表面から水等価深さはヘリウムイオンビームの水中飛程４ｃｍよりも深い位置にある。実施例１と同様に、患部４０を複数の体積要素４１で分割して、照射装置３０のビーム軸を方向Ａに合わせて方向Ａからイオンビームの照射を行う場合には、体表面からの水等価深さが４ｃｍよりも浅い位置に存在する、患部４０の体積要素４１に対してはヘリウムイオンビームを照射し、体表面からの水等価深さが４ｃｍよりも深い位置に存在する、患部４０の体積要素４１に対しては陽子イオンビームを照射する。また、照射装置３０のビーム軸を方向Ｂに合わせて方向Ｂからイオンビームの照射を行う場合には、全ての体積要素４１が体表面からの水等価深さが１０ｃｍ以上の位置に存在するため、全ての体積要素４１に対して陽子イオンビームを照射する。

本実施例も、実施例１と同様に、方向ＡおよびＢのそれぞれからイオンビームを患部４０に照射するので、患部４０の手前の健全な細胞に照射される放射線量が低減される。患部４０には、方向Ａからのヘリウムイオンビームおよび陽子イオンビームの照射、およびＢ方向からの陽子イオンビームの照射により、患部４０に対して所定量の線量が照射される。
体積要素が水中飛程４ｃｍより深い位置では陽子を照射し、体積要素が水中飛程４ｃｍより浅い位置では、ヘリウムを照射する。

本実施例は、実施例１と同様に、患部４０への照射集中性および照射線量分布の制御性を高めることができる。特に、本実施例では、体表面からの深さが水等価深さ４ｃｍ以下の領域Ａに存在する全ての体積要素に対してヘリウムイオンビームを照射するが、水等価深さ４ｃｍを超える領域Ｂに存在する全ての体積要素に対して陽子イオンビームを照射している。このように、方向Ａからのイオンビームの照射において、ヘリウムイオンビームを照射する体積要素と陽子イオンビームを照射する体積要素を組み合わせることにより、さらに線量分布の制御性を高めることができる。また、領域Ａにビームサイズの小さなヘリウムイオンビームを照射し、領域Ｂに相対的にビームサイズが大きくなる陽子イオンビームを照射するので、照射目標への線量集中性を高めながら、短時間で照射を終えることができる。

本発明の他の好適な実施例である実施例３の荷電粒子ビーム照射方法を説明する。本実施例の荷電粒子ビーム照射方法では、実施例１で用いた荷電粒子ビームシステム５において照射装置３０を図１０に示す照射装置３０Ａに替えた荷電粒子ビームシステムが用いられる。本実施例で用いられる、照射装置３０Ａ以外における荷電粒子ビームシステムの構成は、荷電粒子ビームシステム５と同じである。

照射装置３０Ａには、走査電磁石３２ａ，３２ｂと照射量を計測する照射量モニター５２ａ，５２ｂと横方向の照射野範囲を定めるコリメータ５３を設置する。また、照射装置３０の下部には、照射目標の深さ方向の形状に基づいて水中飛程を補償する飛程補償器５４を設置する。そのほかの構成は、図１の構成と同じである。本実施例でも、陽子とヘリウムイオンを用い、陽子は水中飛程３０ｃｍのエネルギーまで、ヘリウムは水中飛程４ｃｍのエネルギーまで加速する。シンクロトロン加速器１３から出射したイオンビームは、ビーム輸送系２１により回転ガントリー２７に設置した照射装置３０に輸送する。

本実施例では、図１１に示すように患部４０を深さ方向に複数の層４２に分割する。飛程補償器による飛程の変化と合わせた各層の水等価深さが４ｃｍが以下の場合には、ヘリウムイオンビームを、４ｃｍを超える場合には陽子イオンビームを照射する。

本実施例では、加速器に直線加速器２０とシンクロトロン加速器１３を使用しているが、加速器を図１４に示すように、エネルギー一定で陽子（Ｈ⁺）イオンビームおよびヘリウム（Ｈｅ²⁺）イオンビームを出射するサイクロトロン加速器５５とし、イオンビームを通過させる金属製デグレーダ５６をビーム輸送系に設置し、このデグレーダの厚さを変化させてイオンビームのエネルギーの減衰量を制御することにより、他の実施例と同様のシステムを実現できる。

陽子とヘリウムイオンを切替える時には、図１４に示す切替電磁石３の極性を変更し、サイクロトロン加速器５５の偏向電磁石５７の磁場、高周波加速装置５８の共振周波数制御および印加高周波、出射用デフレクター５９へ加える電圧を変更、制御して加速、出射する。

本発明の他の好適な実施例である実施例４の荷電粒子ビーム照射方法を説明する。本実施例の荷電粒子ビーム照射方法では、図１２に示す荷電粒子ビームシステム５Ａが用いられる。

荷電粒子ビームシステム５Ａは、荷電粒子発生装置６Ａ、ビーム輸送系２１、回転ガントリー２７、照射装置３０および制御装置３３を備えている。荷電粒子発生装置６Ａは、シンクロトロン加速器１３以外に、ヘリウムイオン源２（Ｈｅ²⁺）、炭素イオン源７（Ｃ⁴⁺）、直線加速器２０，８、炭素イオン（Ｃ⁴⁺）を炭素イオンＣ⁶⁺に荷電変換する荷電変換装置１２Ｂ、および切替電磁石３を備えている。ヘリウムイオン源２は直線加速器２０に接続され、炭素イオン源７が直線加速器８に接続される。切替電磁石３は、直線加速器２０から出射されたヘリウムイオンビームと、直線加速器８から出射された炭素イオン（Ｃ⁶⁺）ビームのシンクロトロン加速器１３の環状ビームダクトへの入射を切り替える。シンクロトロン加速器１３、ビーム輸送系２１、回転ガントリー２７および照射装置３０のそれぞれの構成は、荷電粒子ビームシステム５と同じである。

直線加速器２０から出射されるヘリウムイオンビームおよび直線加速器８から出射される炭素イオン（Ｃ⁶⁺）ビームのいずれかが、切替電磁石３による切替えによってシンクロトロン加速器１３に入射される。シンクロトロン加速器１３に入射されたイオンビーム（ヘリウムイオンビームまたは炭素イオン（Ｃ⁶⁺）ビーム）は、実施例１と同様に加速されてビーム輸送系２１のビーム経路２２に出射される。出射されたイオンビームは、照射装置３０において走査電磁石３２ａ，３２ｂにより走査され、患部のそれぞれの所定の位置に照射される。

シンクロトロン加速器１３では、ヘリウムイオンビームおよび炭素イオンビームが、高周波加速装置１７により最高エネルギー２２０ＭｅＶ／核子（磁気剛性率４．５Ｔｍ）までそれぞれ加速される。これによりヘリウムイオンビームは最長水中飛程３０ｃｍ、炭素イオンビームは最長水中飛程が１０ｃｍとなる。

照射装置３０の照射量モニター５２ａ，５２ｂはヘリウムイオンビームおよび炭素イオンビームによるそれぞれの照射量を逐次確認する。ヘリウムイオンビーム（または炭素イオンビーム）は走査電磁石３２ａ、３２ｂにより照射目標の形状に従って、横方向に走査されて患部に照射される。患部の深さ方向には、ヘリウムイオンビーム（または炭素イオンビーム）の加速エネルギーを変更して、ブラッグピーク深さと各イオンビームの水中飛程を変更する。

本実施例では、患部４０Ｂは、患者２９の体内で図１３に示す位置にあり、３つの方向Ａ、Ｂ、Ｃからイオンビームを照射する。治療に先立ち、治療計画により、図４と同じように、患部４０Ｂを仮想的に微小な体積要素４１に分割する。

照射方向Ａからの照射では、患部４０Ｂ全体の水等価深さが１０ｃｍ以上であり、全体積要素４１にヘリウムイオンビームを照射する。各体積要素４１への照射に必要なヘリウムイオンビームのエネルギーとその照射量をあらかじめ治療計画で定めておく。予め治療計画で定めた角度に回転ガントリー２７を設定し、ヘリウムイオンビームを各体積要素４１の水等価深さに適する水中飛程を得るエネルギーまで加速する。横方向の照射位置は、照射装置３０の走査電磁石３２ａ，３２ｂで定め、計画した量のヘリウムイオンビームを照射する。計画量のヘリウムイオンビームを照射した後、ヘリウムイオンビームの照射を停止し、次に照射する体積要素４１の水等価深さが同じ場合は、走査電磁石３２ａ，３２ｂの強度を変更して照射し、体積要素４１の位置の水等価深さが異なる場合は、ヘリウムイオンビームの加速エネルギーを変更し、横方向の照射位置を走査電磁石３２ａ，３２ｂで設定して、照射を繰り返し行い、目標全体積への照射を行う。

方向Ｂからの照射では、体積要素の深さは、水等価深さ８ｃｍから１３ｃｍの範囲にあり、水等価深さ１０ｃｍから１３ｃｍの範囲では、ヘリウムイオンビームを使って照射する。水等価深さが８ｃｍから１０ｃｍの深さの体積要素４１は炭素を使って照射する。
方向Ｃの方向から照射する場合については、全ての体積要素４１の深さが１０ｃｍ以下であり、炭素イオンビームを使って照射する。

上記実施例では、水等価深さ深さが１０ｃｍ以下の場合、いずれの体積要素４１についても炭素イオンビームを照射するが、水等価深さが１０ｃｍ以下の場合にも、各体積要素４１をヘリウムイオンビームと炭素イオンビームそれぞれで照射することも可能である。これにより、高い線量集中性や線量分布制御性を得て、かつ、照射時間を抑えることが可能である。

本実施例では、加速器に直線加速器２０とシンクロトロン加速器１３を使用するが、加速器を図１４に示すように、サイクロトロン加速器５５、イオン源はヘリウムイオン源（Ｈｅ²⁺）と炭素イオン源（Ｃ⁶⁺）を使用して各イオンをエネルギー２２０ＭｅＶ／核子まで加速し、それぞれイオンビームを通過させる金属製デグレーダ５６をビーム輸送系２１に設置し、このデグレーダ５６の厚さを変化させてイオンビームのエネルギーの減衰量を制御することにより、他の実施例と同様のシステムを実現できる。

ヘリウムイオンビームと炭素イオンビームを切替える時には、図１４に示す切替電磁石
３の極性を変更し、サイクロトロン加速器５５の高周波加速装置５８の共振周波数、印加高周波を制御装置３３により制御して加速する。

本実施例では、ヘリウムイオンビームと炭素イオンビームと使って目標を照射するが、本実施例に加えて、陽子用のイオン源と陽子用の直線加速器を追加し、シンクロトロン加速器で２２０ＭｅＶまで加速し、ヘリウム、炭素に加えて陽子の照射を加えることにより、目標への線量集中性を高くしつつ、照射時間を短縮することが可能となる。

１：水素分子イオン源
２：ヘリウムイオン源
３：切替電磁石
５，５Ａ：荷電粒子ビームシステム
６，６Ａ：荷電粒子発生装置
７：炭素イオン源
８，２０：直線加速器
１２，１２Ｂ：荷電変換装置
１３：シンクロトロン加速器
１５：出射用高周波電極
１６：出射用デフレクター
１７：高周波加速装置
１８，２４，２６：偏向電磁石
１９，２３，２５：４極電磁石
２１：ビーム輸送系
２７：回転ガントリー
３０，３０Ａ：照射装置
３２ａ，３２ｂ：走査電磁石
３３：制御装置
５２ａ，５２ｂ：照射量モニター
５３：コリメータ
５４：飛程補償器
５５：サイクロトロン加速器
５６：デグレーダ

Claims

イオン源と、
前記イオン源で生成されるイオンを加速する加速器と、
前記加速器から出射されるイオンビームを輸送するビーム輸送系と、
前記イオンビームの照射目標への照射方向を設定する回転ガントリーと、
前記回転ガントリーに設置され、前記ビーム輸送系によって導かれる前記イオンビームを前記照射方向において前記照射目標に照射する照射装置と、および
制御装置とを備え、
前記イオン源が、お互いに重さの異なる複数種類のイオンを生成するイオン源であり、
前記制御装置が、前記照射装置のビーム軸を、前記イオンの種類ごとに異なる照射方向に合わせるように前記回転ガントリーを回転させる制御を行い、さらに、前記回転ガントリーの回転制御以外に、前記イオン源から入射される前記複数種類のイオンであって前記異なる照射方向で前記照射目標に照射される前記イオンの種類ごとの、加速後の最高エネルギーでの水中飛程が、前記種類ごとに異なるように、且つ前記異なる照射方向で異なっている前記照射目標の水等価深さに到達するように前記複数種類のイオンを加速する制御を前記加速器に対して実施する制御装置であることを特徴とする荷電粒子ビームシステム。
イオン源と、
前記イオン源で生成されるイオンを加速する加速器と、
前記加速器から出射されるイオンビームを輸送するビーム輸送系と、
前記イオンビームの照射目標への照射方向を設定する回転ガントリーと、
前記回転ガントリーに設置され、前記ビーム輸送系によって導かれる前記イオンビームを前記照射方向において前記照射目標に照射する照射装置と、および
制御装置とを備え、
前記イオン源が、お互いに重さの異なる複数種類のイオンを生成するイオン源であり、
前記制御装置が、前記照射装置のビーム軸を、前記イオンの種類ごとに異なる照射方向に合わせるように前記回転ガントリーを回転させる制御を行い、さらに、前記回転ガントリーの回転制御以外に、前記イオン源から入射される前記複数種類のイオンのうち最も重いイオンの、前記異なる照射方向のうち前記最も重いイオンに対する或る前記照射方向における加速後の最高エネルギーでの水中飛程が、前記最も重いイオン以外の他の前記イオンの、前記異なる照射方向のうち前記他のイオンに対する他の前記照射方向における最高エネルギーへの加速後での水中飛程よりも短くなるように、前記他の照射方向における前記照射目標の水等価深さが前記最も重いイオンの最長水中飛程を越えるとき、前記複数種類のイオンのうち前記最も重いイオン以外の前記他のイオンが前記照射目標に到達するように、且つ前記或る照射方向における前記照射目標の水等価深さが前記最も重いイオンの前記最長水中飛程以下のとき、前記最も重いイオンが前記照射目標に到達するように、前記複数種類のイオンを加速する制御を前記加速器に対して実施する制御装置であることを特徴とする荷電粒子ビームシステム。
イオン源と、
前記イオン源で生成されるイオンを加速する加速器と、
前記加速器から出射されるイオンビームを輸送するビーム輸送系と、
前記イオンビームの照射目標への照射方向を設定する回転ガントリーと、
前記回転ガントリーに設置され、前記ビーム輸送系によって導かれる前記イオンビームを前記照射方向において前記照射目標に照射する照射装置と、および
制御装置とを備え、
前記イオン源が、お互いに重さの異なる複数種類のイオンを生成するイオン源であり、
前記制御装置が、前記照射装置のビーム軸を、前記イオンの種類ごとに異なる照射方向に合わせるように前記回転ガントリーを回転させる制御を行い、さらに、前記回転ガントリーの回転制御以外に、前記イオン源から入射される前記複数種類のイオンのうち最も重いイオンの、前記異なる照射方向のうち前記最も重いイオンに対する或る前記照射方向における加速後の最高エネルギーでの水中飛程が、前記最も重いイオンよりも軽い前記イオンの、前記異なる照射方向のうち前記軽いイオンに対する他の前記照射方向における最高エネルギーへの加速後での水中飛程よりも短くなるように、前記他の照射方向における前記照射目標の水等価深さが前記最も重いイオンの最長水中飛程を越えるとき、前記複数種類のイオンのうち前記軽いイオンが前記照射目標に到達するように、且つ前記或る照射方向における前記照射目標の水等価深さが前記最も重いイオンの前記最長水中飛程以下のとき、前記最も重いイオンが前記照射目標に到達するように、前記複数種類のイオンを加速する制御を前記加速器に対して実施する制御装置であることを特徴とする荷電粒子ビームシステム。
イオン源と、
前記イオン源で生成されるイオンを加速する加速器と、
前記加速器から出射されるイオンビームを輸送するビーム輸送系と、
前記イオンビームの照射目標への照射方向を設定する回転ガントリーと、
前記回転ガントリーに設置され、前記ビーム輸送系によって導かれる前記イオンビームを前記照射方向において前記照射目標に照射する照射装置と、および
制御装置とを備え、
前記イオン源が、お互いに重さの異なる複数種類のイオンを生成するイオン源であり、
前記制御装置が、前記照射装置のビーム軸を、前記イオンの種類ごとに異なる照射方向に合わせるように前記回転ガントリーを回転させる制御を行い、さらに、前記回転ガントリーの回転制御以外に、前記イオン源から入射される前記複数種類のイオンのそれぞれの、前記異なる照射方向における加速後の最高エネルギーでの水中飛程が、イオンの重さの増加と共に減少するように、前記異なる照射方向のうち最も重いイオン以外の他の前記イオンに対する或る前記照射方向における前記照射目標の水等価深さが前記最も重いイオンの加速後の最高エネルギーでの水中飛程を越えるとき、前記他のイオンが前記照射目標に到達するように、且つ前記異なる照射方向のうち前記最も重いイオンに対する他の前記照射方向における前記照射目標の水等価深さが前記最も重いイオンの加速後の最高エネルギーでの水中飛程以下であるとき、前記最も重いイオンが前記照射目標に到達するように、前記複数種類のイオンを加速する制御を前記加速器に対して実施する制御装置であることを特徴とする荷電粒子ビームシステム。
前記制御装置は、前記照射目標を前記回転ガントリーで設定される前記異なる照射方向のそれぞれにおける深さ方向に分割して得られる複数層のそれぞれの水等価深さと前記イオンの種類ごとの最長水中飛程を比較し、前記照射目標における前記層の水等価深さに対応した水中飛程が前記最長水中飛程以下になる前記イオンの種類を選択し、前記選択した種類のイオンのエネルギーを制御してこのイオンを前記照射装置から前記照射目標に照射する制御装置である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
前記照射装置は、照射するイオンの前記照射装置のビーム軸に垂直な方向における照射位置および前記イオンの照射範囲を設定する走査電磁石を備え、
前記制御装置は、前記照射目標内で分割された複数の体積要素のそれぞれの、前記垂直な方向における照射位置および範囲に基づいて前記走査電磁石を制御し、前記回転ガントリーで設定される前記異なる照射方向のそれぞれにおける各体積要素の水等価深さと、前記イオンの種類ごとの最長水中飛程を比較し、各体積要素の水等価深さが前記最長水中飛程以下になる前記イオンの種類を選択し、この選択された種類のイオンを、各体積要素に照射するための水中飛程を得るエネルギーに加速し、前記体積要素ごとに予め定められる線量を照射する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
イオン源と、
前記イオン源で生成されるイオンを加速する加速器と、
前記加速器から出射されるイオンビームを輸送するビーム輸送系と、
前記イオンビームの照射目標への照射方向を設定する回転ガントリーと、
前記回転ガントリーに設置され、前記ビーム輸送系によって導かれる前記イオンビームを前記照射方向において前記照射目標に照射する照射装置と、および
制御装置とを備え、
前記イオン源が、お互いに重さの異なる複数種類のイオンを生成するイオン源であって、お互いに重さの異なる前記複数種類のイオンとして、第１イオンおよび前記第１イオンよりも重い第２イオンを生成するイオン源であり、
前記制御装置が、前記照射装置のビーム軸を、前記イオンの種類ごとに異なる照射方向に合わせるように前記回転ガントリーを回転させる制御を行い、さらに、前記回転ガントリーの回転制御以外に、前記第１イオンを含む第１イオンビームの、前記異なる照射方向のうちの第１照射方向における前記照射目標の水等価深さが前記第２イオンを含む第２イオンビームの設定水中飛程よりも大きいとき、前記第１イオンビームの水中飛程が前記第２イオンビームの前記設定水中飛程よりも大きくなって前記第１照射方向において前記第１イオンビームが前記照射目標に到達するように、前記加速器の高周波加速装置に印加する高周波電圧の周波数を制御して前記第１イオンビームを加速する第１制御、および前記第２イオンビームの、前記異なる照射方向のうちの第２照射方向における前記照射目標の水等価深さが前記第２イオンビームの前記設定水中飛程以下であるとき、前記第２イオンビームの水中飛程が前記第２イオンビームの前記設定水中飛程以下になって前記第２照射方向において前記第２イオンビームが前記照射目標に到達するように、前記高周波加速装置に印加する前記高周波電圧の周波数を制御して前記第２イオンビームを加速する第２制御をそれぞれ実施する制御装置であることを特徴とする荷電粒子ビームシステム。
前記制御装置が、前記照射目標の水等価深さが前記第２イオンビームの前記設定水中飛程よりも大きくなる第１照射方向から、前記第１イオンを含む第１イオンビームを前記照射目標に対して照射するとき、前記照射装置からの前記第１イオンビームの前記照射方向が前記第１照射方向に合うように前記回転ガントリーを回転させる第３制御、および前記照射目標の水等価深さが前記第２イオンビームの前記設定水中飛程以下になる第２照射方向から、前記第２イオンビームを前記照射目標に対して照射するとき、前記照射装置からの前記第２イオンビームの前記照射方向が前記第２照射方向に合うように前記回転ガントリーを回転させる第４制御のそれぞれをさらに行い、前記第１制御を前記第３制御の後に行い、および前記第２制御を前記第４制御の後に行う制御装置である請求項７に記載の荷電粒子ビームシステム。
前記制御装置が、前記第１照射方向において異なる深さで分割された、前記照射目標の複数の第１層のそれぞれに前記第１イオンビームを照射するとき、前記第１照射方向においてこれらの第１層のそれぞれに前記第１イオンビームが到達するように、前記第１制御において、前記高周波加速装置に印加する前記高周波電圧の周波数を制御して前記第１イオンビームを加速し、前記第２照射方向において異なる深さで分割された、前記照射目標の複数の第２層に前記第２イオンビームを照射するとき、前記第２照射方向においてこれらの第２層のそれぞれに前記第２イオンビームが到達するように、前記第２制御において、前記高周波加速装置に印加する前記高周波電圧の周波数を制御して前記第２イオンビームを加速する制御装置である請求項７または８に記載の荷電粒子ビームシステム。
前記照射装置に取り付けられ、前記第１イオンビームおよび第２イオンビームのそれぞれを前記照射装置のビーム軸に垂直な方向に走査する走査電磁石を備え、
前記制御装置が、さらに、前記第１イオンビームが到達する前記第１層内で前記第１イオンビームを前記ビーム軸に垂直な方向に走査するとき、前記第１イオンビームが到達する前記第１層内で前記第１イオンビームを走査するように前記走査電磁石を制御し、前記第２イオンビームが到達する前記第２層内で前記第２イオンビームを前記ビーム軸に垂直な方向に走査するとき、前記第２イオンビームが到達する前記第２層内で前記第２イオンビームを走査するように前記走査電磁石を制御する制御装置である請求項９に記載の荷電粒子ビームシステム。
前記第１イオンおよび前記第２イオンを生成する前記イオン源が、前記第１イオンを生成する第１イオン源および前記第２イオンを生成する第２イオン源を含んでいる請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
前記第１イオンおよび前記第２イオンのうち前記加速器に入射する一種のイオンを切り替える切替装置を備え、
前記制御装置が、前記切替装置を切り替える第５制御を実施する請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。