JP6830290B1 - 荷電粒子ビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子ビームを走査して照射標的をスポットごとに照射する荷電粒子ビーム照射装置を提供する。【解決手段】照射標的に荷電粒子ビームを出射する照射ノズルに設けられたコリメータ装置と、コリメータ制御部とを備え、コリメータ装置は、ベース部から延びる１つ以上のアーム状コリメータ１１０、１２０を備えたコリメータ機構１０２と、コリメータ機構を移動させる駆動機構１０１とを備え、アーム状コリメータは、前直な面において互いに独立に回転する１つ以上の可動リーフを備え、コリメータ制御部は、前記垂直な面において、前記アーム状コリメータが照射標的の辺縁部の形状に沿うように、コリメータ機構を移動させ且つ／又は前記可動リーフを回転させて、辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームをアーム状コリメータにより遮蔽する、荷電粒子ビーム照射装置。【選択図】図３

Description

本発明は、荷電粒子ビームを走査して照射標的を照射スポットごとに照射する（「スキャニング照射」という。）荷電粒子ビーム照射装置に関する。

従来より、高エネルギーに加速された荷電粒子ビーム（「粒子線」ともいう。）を癌などの悪性腫瘍に照射し、悪性腫瘍を治療する粒子線治療が行われている。陽子線や炭素線等の荷電粒子ビームを用いた粒子線治療では、近年、スキャニング照射という新たな照射法が注目され、実施する施設数も増加しつつある。従来の粒子線治療は、荷電粒子ビームを側方方向（照射スライス面方向）及び進行方向（奥行き（深さ）方向）に細いビームを様々な照射野形成器具（例えば、散乱体、リッジフィルタ、コリメータ、又は患者ボーラス）を用い、静的に拡大する拡大ビーム照射法が主流であった。しかし、スキャニング照射法では、そのような照射野形成器具を使用することなく、荷電粒子ビームを３次元に動的に制御して照射野を形成するため、照射標的への線量分布の向上が期待される。スキャニング照射法による粒子線治療において、荷電粒子ビームで病巣を走査するため、拡大したビームを病巣輪郭に合致させるためのマルチリーフコリメータは不要である。

特許文献１は、マルチリーフコリメータ自体を駆動させ、従来よりも少ないリーフ数で照射標的の辺縁部の線量分布の向上を行う方法を開示する。特許文献２は、４本の角柱状のコリメータにより、照射標的辺縁部を照射するビームのみを遮断し、線量分布の鋭さ（キレ）を向上させる装置を開示する。特許文献１に記載のマルチリーフコリメータは、照射標的の形状に応じて開口形状を変えることができ、患者それぞれの病巣の形状を再現できるものであるが、リーフ数に比例して駆動制御が複雑化する（図１２）。

非特許文献１は、スキャニング照射装置において、ビームが通過するビームに垂直な面において長方形状に組み立てられた４つのトリマーを独立に動作制御して、照射領域の辺縁部を切り取る装置を開示する。

特表２０１８−５３６５２２号公報 特表２０１６−５２６４５２号公報

"A dynamic collimation system for penumbra reduction in spot-scanning proton therapy: Proof of concept", Daniel E. Hyer, et al., Med. Phys. 41(9), 2014

スキャニング照射装置を用いた粒子線治療において、照射標的である病巣への線量集中性を高めつつ、照射標的外の正常組織への影響を可能な限り低減するために、照射標的の辺縁部における荷電粒子ビームの線量分布の鋭さ（ペナンブラ）を向上させることが求められている。

特許文献２や非特許文献１に記載のようにコリメータのリーフ数を減らして照射標的辺縁部の荷電粒子ビームを遮断する方法もあるが、照射標的の辺縁部の形状に合わせてリーフが作る形状を十分に（合うように）変化させることが難しく、とくに照射標的の形状が複雑になればなるほどその傾向が顕著となる。

このような事情に鑑み、本発明は、荷電粒子ビームを照射標的に出射する照射ノズルに設けられたコリメータ装置を備え、荷電粒子ビームを走査して照射標的を照射スポットごとに照射する荷電粒子ビーム照射装置を提供することを目的とする。

本発明には以下の態様〔１〕〜〔６〕が含まれる。
〔１〕
荷電粒子ビームを走査して照射標的を照射スポットごとに照射する荷電粒子ビーム照射装置（１０）であって、
照射標的に荷電粒子ビームを出射する照射ノズル（５０）に設けられたコリメータ装置（１００、２００、３００）と、
前記コリメータ装置を制御するコリメータ制御部と
を備え、
前記コリメータ装置は、
ベース部（１０６）から延びる１つ以上のアーム状コリメータ（１１０、１２０、２１０、２２０、３１０、３２０）を備えたコリメータ機構（１０２、２０２、３０２）と、
荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸方向）に垂直な面（ＹＺ面）において、前記コリメータ機構を移動させる駆動機構（１０１）と
を備え、
前記アーム状コリメータは、前記垂直な面（ＹＺ面）において互いに独立に回転する１つ以上の可動リーフを備え、
前記コリメータ制御部は、前記垂直な面（ＹＺ面）において、前記アーム状コリメータが照射標的の辺縁部の形状に沿うように、前記コリメータ機構を移動させ且つ／又は前記可動リーフを回転させて、前記辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを前記アーム状コリメータにより遮蔽する、前記荷電粒子ビーム照射装置。
〔２〕
前記１つ以上のアーム状コリメータは、前記ベース部から延びる少なくとも２つのアーム状コリメータ（１１０、１２０）であり、前記アーム状コリメータそれぞれは、互いに直列に接続された複数の前記可動リーフを備え、
前記コリメータ制御部は、前記アーム状コリメータが照射標的の辺縁部の形状に沿うように、前記コリメータ機構を移動させ且つ／又は前記可動リーフそれぞれを回転させて、前記辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを前記アーム状コリメータにより遮蔽する、〔１〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔３〕
少なくとも２つの前記コリメータ装置を備え、
前記コリメータ制御部は、前記コリメータ装置それぞれの前記アーム状コリメータが協働して照射標的の辺縁部の全体の形状に沿うように、前記コリメータ機構それぞれを移動させ且つ／又は前記可動リーフそれぞれを回転させて、前記辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを前記アーム状コリメータそれぞれにより遮蔽する、〔２〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔４〕
前記１つ以上のアーム状コリメータは、前記ベース部から延びる２つのアーム状コリメータ（２１０、２２０）であり、前記アーム状コリメータそれぞれは、１つの可動リーフを備え、
荷電粒子ビームが照射標的の辺縁部に照射されるとき、前記コリメータ制御部は、前記コリメータ機構を照射スポットの走査に追従して移動させて、前記辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを前記アーム状コリメータにより遮蔽する、〔１〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔５〕
荷電粒子ビームが照射標的に照射されるとき、前記コリメータ制御部は、前記コリメータ機構を照射スポットの走査に追従して移動させ且つ前記可動リーフを回転させて、前記辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを前記アーム状コリメータにより遮蔽する、〔４〕に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔６〕
前記アーム状コリメータは、前記ベース部に接続され、前記進行方向（Ｘ軸方向）に並んで配置された複数の前記可動リーフ（３１１〜３１３、３２１〜３２３）を備え、
前記可動リーフそれぞれは、少なくとも１つの関節部（３１５）を有し、前記関節部の周りで回転するよう構成されている、〔１〕〜〔５〕のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。

本発明の一実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置は、荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面において、アーム状コリメータが照射標的の辺縁部の形状に沿うように、コリメータ機構が移動され且つ／又は可動リーフが回転され、当該辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを当該アーム状コリメータにより遮蔽することにより、照射標的の辺縁部における線量分布の鋭さを向上させる。

第１実施形態の荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図である。 照射ノズルとスキャニング照射の概要図である。 コリメータ装置の概略構成図である。 アーム状コリメータの動作説明図である。 アーム状コリメータが照射標的の辺縁部に沿って形成されることの説明図である。 粒子線治療のフローチャートである。 荷電粒子ビーム照射治療開始後の制御フローチャートである。 第２実施形態におけるコリメータ装置の概略構成図である。 コリメータ装置により線量分布が遮蔽されることの説明図である。 コリメータ装置が荷電粒子ビームの走査に追従することの説明図である。 第３実施形態におけるコリメータ装置の概略構成図である。 従来技術のマルチリーフコリメータの概略構成図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態は、照射ノズルに設けられたコリメータ装置を備えた、荷電粒子ビームを走査して照射標的を照射スポットごとに照射する荷電粒子ビーム照射装置に関する。該コリメータ装置のコリメータ機構は、ベース部から延びる少なくとも１つのアーム状コリメータを備え、各アーム状コリメータは、互いに直列に接続された複数の可動リーフから構成される。アーム状コリメータの各可動リーフはそれぞれ、荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面において、互いに独立に回転する。これにより、アーム状コリメータは、照射標的の辺縁部の形状に沿うようにその形を変えることができる。これにより、スキャニング照射により照射標的の辺縁部に荷電粒子ビームを照射する際に、照射標的の外側に荷電粒子ビームがあたる（照射される）のが防止され、照射標的の辺縁部における荷電粒子ビームの線量分布の鋭さが向上する。なお、荷電粒子ビームの遮蔽ないし防止には、荷電粒子ビームの照射が完全に遮蔽ないし防止される場合に限らず、照射標的の外側の健康な部位への荷電粒子ビームによる悪影響が抑えられる程度に照射が低減される場合も含まれる。

＜荷電粒子ビーム照射装置１０＞
図１は、荷電粒子ビーム照射装置１０の概略構成図であり、図２は、照射ノズル５０及びスキャニング照射の概要図である。

荷電粒子ビーム照射装置１０は、加速器２０、荷電粒子ビーム輸送系３０、収束電磁石４０、及び照射ノズル５０を備える。また、荷電粒子ビーム照射装置１０は、治療計画装置６０、照射パターン変換装置７０、及び照射制御装置８０を備える。照射制御装置８０は、後述するコリメータ装置を制御するコリメータ制御部８２を含む。

加速器２０は、荷電粒子ビームを生成する装置であり、例えばシンクロトロン、サイクロトロン、又は線形加速器である。加速器２０で生成された荷電粒子ビームは、荷電粒子ビーム輸送系３０を通じて収束電磁石４０に導かれる。

荷電粒子ビーム輸送系３０には、１つ又は複数の荷電粒子ビーム調整手段３１、真空ダクト３２、振分電磁石３３、及び扇型真空ダクト３４などが含まれる。加速器２０、荷電粒子ビーム調整手段３１、及び振分電磁石３３は、真空ダクト３２で接続され、振分電磁石３３及び収束電磁石４０は扇型真空ダクト３４で接続されている。荷電粒子ビーム調整手段３１には、荷電粒子ビームのビーム形状及び／又は線量を調整するためのビームスリット、荷電粒子ビームの進行方向を調整するための電磁石、荷電粒子ビームのビーム形状を調整するための四極電磁石、並びに、荷電粒子ビームのビーム位置を微調整するためのステアリング電磁石などが、仕様に応じて適宜含まれる。

振分電磁石３３は、荷電粒子ビームを偏向角（φ）で連続的に偏向し、収束電磁石４０へ荷電粒子ビームを出射する。収束電磁石４０は、荷電粒子ビームの進行方向をＸ軸、収束電磁石４０が生成する磁場の方向をＺ軸、Ｘ軸及びＺ軸に直交する方向をＹ軸とすると、ＸＹ面においてＸ軸に対する偏向角（φ）の広い範囲から入射する荷電粒子ビームを、照射ノズル５０を通じて、照射角（θ）にてアイソセンター（Ｏ）に収束させる。振分電磁石３３及び収束電磁石４０は、参照により組み込まれる本出願人による先行特許（特許第6364141号、特許6387476号、又は特許6734610号）に記載のものであり、詳細な説明は省略する。

照射ノズル５０は、荷電粒子ビームを用いた治療等が行われる治療室内に位置し、照射標的に荷電粒子ビームを出射する。照射ノズル５０は、ＸＹ面において収束電磁石４０が生成する有効磁場領域の出射側の形状に沿うように連続的に移動する。有効磁場領域の出射側からアイソセンターに向かう荷電粒子ビームは照射ノズル５０内を通過し、照射ノズル５０により荷電粒子ビームの走査が行われる。

なお、照射角（θ）を変えることによる照射位置の調整と照射ノズル５０内の走査電磁石５２による荷電粒子ビームの走査による照射位置の調整の違いについて、限定されるものではないが、荷電粒子ビームの照射位置の比較的大きな調整は照射角θの変更により行われ、荷電粒子ビームの照射位置の比較的小さな調整（微調整）は走査電磁石５２による荷電粒子ビームの走査により行われると捉えることができる。いずれの場合でも、照射標的の奥行き（深さ）方向における照射位置の調整は、荷電粒子ビームのエネルギーを変えることで調整可能である。

照射ノズル５０は、走査電磁石５２、線量モニタ５４、位置モニタ５６、及びコリメータ装置１００を備える。なお、コリメータ装置１００は、位置モニタ５６の下流側（照射標的側）に備え付けた態様に限らず、走査電磁石５２と線量モニタ５４との間である上流側（収束電磁石４０側）に備え付けた態様であってもよい。また、荷電粒子ビームのエネルギーの調整は、照射ノズル５０にレンジシフターなどのエネルギー調整手段をさらに設けて調整するようにしてもよいし、加速器２０側で調整してもよいし、これら両方により調整してもよい。

走査電磁石５２は、流れる電流量や電流の向きを調整することで、照射ノズル５０から出射する荷電粒子ビームの進行方向を微調整し、荷電粒子ビームの照射位置を変更し、荷電粒子ビームをスキャン（走査）可能にする。

線量モニタ５４は、荷電粒子ビームを監視し、荷電粒子ビームの線量を計測する電離箱である。電離箱は、ガスで満たされた容器内に２極の電極を設置した放射線測定器である。電離箱内に荷電粒子などの電離放射線が入射すると、内部のガスが電子と陽イオンに電離され、電離箱内部の電極間には電圧が掛けられており、電離された電子と陽イオンはそれぞれ陽極と陰極に移動し、電流が発生する。この電流を測定することで荷電粒子ビームの線量を測定する。

位置モニタ５６は、通過する荷電粒子ビームの位置を測定し、照射標的における荷電粒子ビームの位置を測定する。コリメータ装置１００の詳細は後述する。

スキャニング照射では、照射標的を複数のスライス層（スライス面ともいう。）に区分し、各スライス面を複数の照射スポットに分割する。一般的に、照射スポットの数は、標準的な照射標的サイズ（数百ｃｍ^３）であっても、数万照射スポットに及ぶことがある。荷電粒子ビームは走査電磁石５２によって位置が調整され、照射スポットを１つずつ塗りつぶしていくように照射が行われる（図２（ｂ））。荷電粒子ビームの位置は位置モニタ５６によって測定され、各照射スポットへの線量は線量モニタ５４によって測定される。線量モニタ５４で測定した線量の値が照射スポットごとに医師等の医療従事者により予め設定されたプリセット値（目的の線量）に達した時点で（照射満了）、次の照射スポット位置へと荷電粒子ビームを移動する。１つのスライス面内の全ての照射スポットの照射が終了すると、一時的に荷電粒子ビームの照射を停止して次のスライス面（深さ方向）の照射準備へと移行する。このフローを繰り返すことで照射標的全体に荷電粒子ビームを照射し、最終的に照射標的の全ての照射スポットに目的の線量が照射されると、ビームの照射は完全に停止され、治療が終了する。

異なるスライス面へ照射を行う場合は荷電粒子ビームのエネルギーを変更する。エネルギーの変更は、加速器２０の出力を変えて荷電粒子ビームのエネルギーを変更したり、照射ノズル５０にレンジシフターなどのエネルギー調整手段を用いて変更できる。エネルギー変更のための設定が完了すると、次のスライス内の荷電粒子ビーム照射が開始される。このフローを繰り返すことで照射標的全体に照射を行い、最終的に照射標的の全ての照射スポットに設定された目的の線量が照射されると、荷電粒子ビームの照射は停止される。

治療計画装置６０は、医療従事者の入力に基づき、治療計画データを生成し、治療計画データを照射パターン変換装置７０に送る。治療計画データは、治療計画装置６０において、医療従事者が、治療室の治療台に固定された患者のＣＴ画像及び／又はＭＲＩ画像を基に腫瘍（照射標的）の範囲を指定し、腫瘍の形状を指定すること、照射する線量及び線量率等を指定することなどにより生成される。

治療計画データは、照射スポットごとの荷電粒子ビームの線量率及び線量、並びに照射スポット位置（座標）の情報を含む。治療計画データは、さらに、照射スポットごとの荷電粒子ビームのエネルギー及びビームサイズ、腫瘍（照射標的）の位置及び大きさ、腫瘍に対する荷電粒子ビームの照射範囲（照射方向など）の情報などを含むようにしてもよい。

ここで、治療計画データで扱われる情報は、患者のＣＴ画像情報やＭＲＩ画像情報等が基になっているため、そのままでは、例えば荷電粒子ビーム照射装置１０等による照射をすることはできない。そのため、治療計画データから照射制御データへの変換が必要となる。例えば、治療計画データでは照射標的に対し、所期の線量を与えるように各照射スポットの線量や線量率、エネルギー等の値が決定される。実際の照射においては、照射標的、すなわち、患者体内での線量を測定することはできないため、電離箱を用いた線量モニタ５４がその役割を果たす。線量モニタ５４は電離箱、電位計等の回路から構成される。電離箱を通過した荷電粒子ビームにより電離された電流は、回路により対応する周波数に変換され、パルス信号として出力され、線量モニタ５４はパルス信号をカウントすることとなる。従って、治療計画データの照射スポット毎の線量は、照射制御データにおいてはモニターユニット（ＭＵ）と呼ばれる、パルス信号のカウント値と線量を結びつけた放射線治療特有の単位で扱われる。

照射パターン変換装置７０は、治療計画装置６０から受け取った治療計画データに基づき、照射制御データを生成し、照射制御装置８０に送る。スキャニング照射法では、照射制御データにおける荷電粒子ビームの線量率、線量、及びエネルギーなどの各種パラメータは照射スポットごとに設定される。その際に、特願２０２０−１０４３９０号（この出願の内容は参照により組み込む。）に記載の発明のように、線量モニタ５４の測定値に対する補正を照射スポットごとに行うようにしてもよい。照射制御データには、加速器２０、荷電粒子ビーム輸送系３０、収束電磁石４０、及び照射ノズル５０の制御情報（例えば、加速器２０の電源電流値、荷電粒子ビーム輸送系３０及び収束電磁石４０の電流制御、照射ノズル５０の駆動制御、及びコリメータ装置１００の駆動制御など）等が含まれる。

照射制御装置８０は、照射パターン変換装置７０から受け取った照射制御データに基づき、加速器２０、荷電粒子ビーム輸送系３０、収束電磁石４０、及び照射ノズル５０を制御して、スキャニング照射による照射標的への荷電粒子ビーム照射を制御し、スキャニング照射法による荷電粒子ビームによる治療を実行する。また、照射制御装置８０は、照射ノズル５０のコリメータ装置１００を制御するコリメータ制御部８２を含む。

＜コリメータ装置１００＞
図３を用いて、本実施形態に係るコリメータ装置１００について説明する。図３は、照射ノズル５０に設けられたコリメータ装置１００を下流側から上流側に向かって見た図である。コリメータ装置１００は、ＹＺ面内における各スライス面の照射標的の辺縁部外にあたる（辺縁部からはみ出る）荷電粒子ビームを遮蔽するよう構成されている。

本実施形態において、照射ノズル５０に設けられたコリメータ装置１００は、第１のコリメータ装置１００ａと第２のコリメータ装置１００ｂを含む。なお、照射ノズル５０に１つのコリメータ装置１００だけを用いる構成であってもよいし、３つ以上のコリメータ装置１００を用いる構成であってもよい。

第１の及び第２のコリメータ装置１００ａ、１００ｂは、図３紙面に向かって見て、照射ノズル５０（及び／又は荷電粒子ビーム通過可能範囲）の中心Ｃに対して互いに点対称の位置に配置されている。第１及び第２のコリメータ装置１００ａ、１００ｂは、照射制御装置８０のコリメータ制御部８２により制御される。

第１のコリメータ装置１００ａは、図３紙面に向かって見て中心Ｃの周りの主に第１象限、第２象限、及び第３象限を通過する荷電粒子ビームを遮蔽するよう構成されている。第２のコリメータ装置１００ｂは、図３紙面に向かって見て中心Ｃの周りの主に第１象限、第３象限、及び第４象限を通過する荷電粒子ビームを遮蔽するよう構成されている。

なお、第１のコリメータ装置１００ａ及び第２のコリメータ装置１００ｂの配置はこれに限定されず、第１のコリメータ装置１００ａが第１象限に配置され、第２のコリメータ装置１００ｂが第３象限に配置される場合であってもよい。また、第１及び第２のコリメータ装置１００ａ、１００ｂが互いに中心Ｃに対して点対称に配置される場合に限らず、照射標的の辺縁部において荷電粒子ビームを遮蔽できるのであれば、配置位置は任意に調整される。

第１及び第２のコリメータ装置１００ａ、１００ｂはそれぞれ、駆動機構１０１及びコリメータ機構１０２を備える。

駆動機構１０１は、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸方向）に垂直なＹＺ面においてコリメータ機構１０２を移動させる。駆動機構１０１は、Ｚ軸方向に設けられたガイドに沿って移動する第１駆動部１０３と、Ｙ軸方向に設けられたガイドに沿って移動する第２駆動部１０４と、第１及び第２駆動部１０３、１０４とともに移動するガイドに沿ってＹＺ軸方向に移動する第３駆動部１０５とを備える。第１〜第３駆動部１０３〜１０５はそれぞれ、ガイドに沿って移動するためのモーター等のアクチュエータを備え、照射制御装置８０のコリメータ制御部８２により制御される。

コリメータ機構１０２は、第３駆動部１０５に接続され、ＹＺ面において第３駆動部１０５に対して回転及び／又は放射方向（半径方向）に移動するベース部１０６と、ベース部１０６の両サイドから延びるアーム状コリメータ１１０、１２０とを備える。アーム状コリメータ１１０、１２０はそれぞれ、互いに直列に接続された複数の可動リーフを備える。ベース部１０６の位置及びアーム状コリメータ１１０、１２０の各可動リーフの回転は、照射制御装置８０のコリメータ制御部８２により制御される。

ベース部１０６及びアーム状コリメータ１１０、１２０の各可動リーフは、荷電粒子ビームを遮蔽するのに十分な厚さを有する金属製（鉄、真鍮、鉛など）の部材である。限定されるものではないが、１つの可動リーフの厚さ（Ｘ軸方向）は、１ｃｍ〜１０ｃｍであり、側方方向（ＹＺ面）の幅（長手方向）は、１ｃｍ〜３ｃｍである。

なお、図３（ａ）では、アーム状コリメータ１１０、１２０それぞれに含まれる可動リーフの数は同じであり、第１及び第２のコリメータ装置１００ａ、１００ｂそれぞれに含まれる可動リーフの数も同じに描かれているがこれに限定されない。例えば、図３（ｂ）に示すように、アーム状コリメータ１１０、１２０に含まれる可動リーフの数は異なっていてもよいし、第１及び第２のコリメータ装置１００ａ、１００ｂそれぞれに含まれる可動リーフの数も異なっていてもよい。

図４は、ベース部１０６及びアーム状コリメータ１１０の可動リーフ１１１〜１１４を示す。ベース部１０６及び可動リーフ１１１〜１１４はそれぞれ、互いに直列に接続が保たれたままで、ＹＺ面において互いに独立に回転できるようモーター等のアクチュエータＭ１〜Ｍ４を備える。

図４（ｂ）及び（ｃ）は、可動リーフ１１１〜１１４はそれぞれ互いに独立に右回転又は左回転している例を示す。照射制御装置８０のコリメータ制御部８２は、各可動リーフ１１１〜１１４のアクチュエータＭ１〜Ｍ４をそれぞれ独立に制御して、可動リーフ１１０ａ〜１１０ｄがそれぞれ独立して回転され、アーム状コリメータの形状を所望の形へと変更できる。

このように、コリメータ装置１００は、照射制御装置８０のコリメータ制御部８２の制御に応じて、駆動機構１０１によりベース部１０６を所望の位置へ移動させ、さらに各可動リーフ１１０の向きを調整する。これにより、例えば図５に示すように、コリメータ装置１００は、コリメータ機構１０２のアーム状コリメータ１１０、１２０の各可動リーフを動かし、アーム状コリメータ１１０、１２０が協働して照射標的の辺縁部に沿う形になるよう調整する。

図６は、本実施形態における、スキャニング照射を行う荷電粒子ビーム照射装置１０を用いた、粒子線治療のフローチャートである。

まず、医師や検査技師等の医療従事者により、治療室の治療台に固定された患者のＣＴ画像及び／又はＭＲＩ画像が取得され、その情報が治療計画装置６０に送られる（ステップＳ１）。医療従事者により、治療計画装置６０において、ＣＴ画像及び／又はＭＲＩ画像を基に、腫瘍（照射標的）の範囲及び形状が指定され（ステップＳ２）、荷電粒子ビームの照射方向が指定される（ステップＳ３）。

治療計画装置６０において、医療従事者により手動で且つ／又は治療計画装置６０により自動で、スライス面ごとに照射標的の辺縁部が指定され（ステップＳ４）、各スライス面の照射スポット毎の荷電粒子ビームの照射条件（線量、位置、方向など）が指定される（ステップＳ５）。治療計画装置６０は、照射標的及びその辺縁部の情報並びに照射スポットごとの線量及び線量率等のデータを含む治療計画データを生成し、照射パターン変換装置７０に送る（ステップＳ６）。なお、ステップＳ２〜Ｓ５はこの順に限定されず、適宜変更してもよい。

照射パターン変換装置７０は、治療計画装置６０から受け取った治療計画データに基づき、照射制御データを生成し、照射制御装置８０に送る（ステップＳ７）。照射制御装置８０は、照射パターン変換装置７０から受け取った照射制御データに基づき、加速器２０、荷電粒子ビーム輸送系３０、収束電磁石４０、照射ノズル５０、及びコリメータ装置１００を制御して、スキャニング照射による照射標的への荷電粒子ビーム照射を制御して、照射標的への荷電粒子ビームの照射治療が開始される（ステップＳ８）。

図７は、照射制御装置８０による荷電粒子ビームの照射治療の開始後の制御フローチャートである。

照射制御装置８０は、荷電粒子ビームを照射する照射標的のｉ番目のスライス面（ｉは、１から総スライス面数の整数）を選択する（ステップＳ１１）。

照射制御装置８０のコリメータ制御部８２は、ｉ番目のスライス面における照射標的の辺縁部の情報（位置座標や形状の情報など）に基づき、ＹＺ面において、コリメータ装置１００のコリメータ機構１０２を照射標的の辺縁部に移動させ、当該辺縁部からはみ出る荷電粒子ビームを遮蔽できるように、コリメータ機構１０２のベース部１０６やアーム状コリメータ１１０、１２０の位置を調整し、アーム状コリメータ１１０、１２０の各可動リーフの向きを動かし、当該辺縁部の形に応じた形に調整する（ステップＳ１２）。なお、当該辺縁部は、ｉ番目のスライス面の照射標的の辺縁部全体であってもよいし、照射標的の辺縁部の一部であってもよい。

照射制御装置８０は、ｉ番目のスライス面における照射標的の当該辺縁部を含む範囲（照射標的全体の場合を含む）を走査しながら、その範囲内の照射スポットごとに荷電粒子ビームを照射する（ステップＳ１３）。当該範囲内の全ての照射スポットについて荷電粒子ビームの照射が終了するまでステップＳ１３を繰り返す（ステップＳ１４でＮｏ）。

当該範囲内の全ての照射スポットに対する荷電粒子ビームの照射が終了すると（ステップＳ１４でＹｅｓ）、照射制御装置８０は、荷電粒子ビームの照射を止め（ステップＳ１５）、ｉ番目のスライス面における照射標的全体の照射スポットについて荷電粒子ビームの照射が行われたか否か判定する（ステップＳ１６）。

ｉ番目のスライス面の全ての照射スポットに荷電粒子ビームの照射が行われていない場合（ステップＳ１６でＮｏ）、照射標的の別の部分の辺縁部に、コリメータ装置１００のコリメータ機構１０２を動かした上で、ステップＳ１２〜Ｓ１６が繰り返される。

ｉ番目のスライス面の照射標的全体の照射スポットに荷電粒子ビームの照射が行われた場合（ステップＳ１６でＹｅｓ）、照射制御装置８０は、全てのスライス面について荷電粒子ビームの照射が終了したか判定する（ステップＳ１７）。終了していない場合（ステップＳ１７でＮｏ）、ｉ＋１番めのスライス面が選択され（ステップＳ１１）、ステップＳ１２〜Ｓ１６の処理が行われる。全てのスライス面について処理が終了した場合（ステップＳ１７でＹｅｓ）、荷電粒子ビームの照射治療が終了する。

本実施形態に係る荷電粒子ビーム装置は、照射ノズル５０に１つ以上のコリメータ装置１００（１００ａ、１００ｂ）を備え、コリメータ装置１００のコリメータ機構１０２は、ベース部１０６から延びる少なくとも１つのアーム状コリメータ１１０（及び１２０）を備える。アーム状コリメータは、直列に接続され、互いに独立に動く複数の可動リーフを備え、荷電粒子ビームの進行方向に垂直なＸＹ面において各可動リーフがそれぞれ独立に動いて、照射標的の辺縁部の形状に沿ってアーム状コリメータ１１０（及び１２０）はその形を変化させる。これにより、スキャニング照射により照射標的の辺縁部に荷電粒子ビームを照射する際に、照射標的外に荷電粒子ビームが照射されるのを防止され、照射標的の辺縁部における荷電粒子ビームの線量分布の鋭さが向上する。

また、図１２に示すような従来のマルチリーフコリメータの構成では、照射標的全体をカバーする多数のリーフから構成され、荷電粒子ビームの進行方向に垂直な面にて各リーフそれぞれを独立に駆動制御する必要がある。この構成では、各リーフのサイズや重量は大きく、非常に大掛かりなコリメータ構成となる問題がある。しかしながら、本実施形態に係るコリメータ装置１００では、この従来技術の問題点を解決する。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置は、照射ノズル５０にコリメータ装置２００を備え、コリメータ装置２００は、第１のコリメータ装置２００ａ及び第２のコリメータ装置２００ｂからなる（図８）。

第１及び第２のコリメータ装置２００ａ、２００ｂそれぞれのコリメータ機構２０２は、ベース部１０６から延びるアーム状コリメータ２１０、２２０を備え、アーム状コリメータ２１０、２２０それぞれが１つの可動リーフを備える。なお、第１実施形態と同様の構成については適宜説明を省略する。また、第１実施形態と同様に、コリメータ装置２００は１つのコリメータ装置２００のみを備えるようにしてもよいし、３つ以上のコリメータ装置２００を備えるものであってもよい。

図８（ｂ）に示すように、コリメータ装置２００のコリメータ機構２０２のアーム状コリメータ２１０、２２０はそれぞれ、荷電粒子ビームの進行方向に垂直なＹＺ面において、アクチュエータＭ１、Ｍ２の駆動により、互いに独立に回転するよう構成される。図８では、アーム状コリメータ２１０、２２０間の角度がおよそ９０度である態様が示されているが、アーム状コリメータ２１０、２２０間の角度は、０〜３６０度の任意の角度に調整できる。

本実施形態では、コリメータ装置２００のコリメータ機構２０２が、照射標的の辺縁部における荷電粒子ビーム照射の走査（スキャン）に追従して動くよう構成される。コリメータ機構２０２は、荷電粒子ビーム照射の走査に追従して動けるように、アーム状コリメータ２１０、２２０を構成する可動リーフの数をできるだけ削減することで、コリメータ機構２０２の重量を低減し、比較的高速に行われる荷電粒子ビーム照射の走査に追従するよう構成される。

図９を用いて、本実施形態において、照射標的の辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームの遮蔽を説明する。

ＹＺ面において、照射標的の辺縁部（紙面向かって左上の方）を荷電粒子ビームで照射するとき、コリメータ装置２００ａが存在しない場合、荷電粒子ビームの広がり（線量分布の広がり）により、照射標的の辺縁部の外側にも荷電粒子ビームの分布の一部が当たることになる。

図９（ａ）では、コリメータ装置２００ａのコリメータ機構２０２が照射標的の辺縁部に配置され、該辺縁部の形状に沿って、可動リーフ間の角度が調整され（又は予め規定した角度のまま）、図９（ａ）右側に示すグラフに見られるように、該辺縁部から外側にあたる荷電粒子ビームを遮蔽する。

同様に、図９（ｂ）では、コリメータ装置２００ａのコリメータ機構２０２が照射標的の辺縁部に配置され、図９（ｂ）右側に示すグラフに見られるように、辺縁部から外側にあたる荷電粒子ビームを遮蔽する。また、図９（ｃ）では、コリメータ装置２００ｂのコリメータ機構２０２が照射標的の辺縁部に移動し、該辺縁部の形状に沿って可動リーフ間の角度を調整する（又は予め規定した角度のまま）ことで、図９（ｃ）右側に示すグラフに見られるように、該辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを遮蔽する。

図１０を用いて、本実施形態のコリメータ装置２００のコリメータ機構２０２が照射標的の辺縁部における荷電粒子ビームの走査に追従して動く構成について説明する。

照射制御装置８０のコリメータ制御部８２は、照射スポットごとに、荷電粒子ビームの照射位置の情報と照射標的の辺縁部の情報に基づき、照射標的の辺縁部が照射される場合に、当該照射スポットの位置（の近傍）にコリメータ装置２００のコリメータ機構２０２が移動し、辺縁部の形状に沿って可動リーフ２１０、２２０間の角度を調整する（又は調整せずに所定の角度を保ったままである）。このように、照射制御装置８０のコリメータ制御部８２は、荷電粒子ビームを照射標的の辺縁部を照射する場合に、その位置に追従して、コリメータ機構３０２も移動するよう制御する。

例えば、照射スポットの走査の開始が照射標的の辺縁部の場合、コリメータ装置２００のコリメータ機構２０２が当該照射スポットの位置に移動し、辺縁部の形状に沿って可動リーフ２１０、２２０間の角度が調整され（又は調整せずに所定の角度が保たれ）、辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを遮蔽する（図１０（ａ））。照射標的の辺縁部における荷電粒子ビーム照射の走査では、図１０（ｂ）及び（ｃ）に表すように、照射スポットの移動に追従して、コリメータ機構２０２も移動し、可動リーフ２１０、２２０間の角度も調整され、辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを遮蔽する。他方、荷電粒子ビームの照射スポットが照射標的の辺縁部ではないところでは、コリメータ機構２０２の追従は不要であるので、追従しない（図１０（ｄ））。なお、追従するように制御してもよい。また、荷電粒子ビームの照射スポットが照射標的の辺縁部にくると、コリメータ機構２０２の追従が行われる（図１０（ｅ））。また、第２のコリメータ装置２００ｂによって、辺縁部の遮蔽が行われる（図１０（ｆ））。なお、本実施形態では、可動リーフ２１０、２２０間の角度が変わるようにしてもよいし、当該角度が例えば９０度などで固定したものであってもよい。

以上のように、本実施形態に係る荷電粒子ビーム装置は、照射ノズル５０に１つ以上のコリメータ装置２００（２００ａ、２００ｂ）を備え、コリメータ装置２００のコリメータ機構２０２は、ベース部１０６から延びる少なくとも１つのアーム状コリメータ２１０（及び２２０）を備える。アーム状コリメータはそれぞれ、１つの可動リーフ（なお、複数の可動リーフを組み合わせて１つの可動リーフのように構成した場合も含まれる。）を備え、荷電粒子ビームの進行方向に垂直なＸＹ面において各可動リーフがそれぞれ独立に動いて、照射標的の辺縁部の形状に沿ってアーム状コリメータ２１０（及び／又は２２０）はその形を変化させる（なお、アーム状コリメータの形を変えずに遮蔽する場合を含む）。そして、少なくとも照射標的の辺縁部におけるスキャニング照射（照射スポットの走査）に追従して、コリメータ機構２０２が動く。よって、照射標的の辺縁部に荷電粒子ビームを照射する際に、照射標的外に荷電粒子ビームが照射されるのを防止され、照射標的の辺縁部における荷電粒子ビームの線量分布の鋭さが向上する。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置は、照射ノズル５０にコリメータ装置３００を備え、コリメータ装置３００のコリメータ機構３０２は、ベース部３０６と、ベース部３０６から延びるアーム状コリメータ３１０、３２０とを備える。アーム状コリメータ３１０、３２０は、複数の可動リーフを備えるが、第１実施形態と異なり、該複数の可動リーフは、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸方向）に並べて設けられる。また、各可動リーフは、あたかも人間の指でつくる開口を荷電粒子ビームが通過できるように、モータ等のアクチュエータが仕込まれた１つ以上の関節部３１５を備え、可動リーフがつくる開口の形状を荷電粒子ビームの進行方向においても変えることができる。

図１１（ａ）は、一つのコリメータ装置３００のコリメータ機構３０２を示し、その駆動機構（不図示）は第１及び第２実施形態と同様である。コリメータ機構３０２は、ベース部３０６と、ベース部３０６から延びるアーム状コリメータ３１０、３２０とを備える。アーム状コリメータの数は１つ以上であればよい。アーム状コリメータ３１０には、複数の可動リーフ３１１〜３１３を備え（図１１（ｂ））、各可動リーフ３１１〜３１３は、関節部３１５によりＹＺ面において、あたかも指のように折り曲げ可能に構成されている。なお、アーム状コリメータ３２０についても同様であり図示及び説明は省略する。

本実施形態では、Ｘ軸の方向の各可動リーフ（３１１〜３１３及び３２１〜３２３がそれぞれ独立に駆動し、図１１（ｃ）に示すように、例えば、荷電粒子ビームの入射側の可動リーフ３１１及び３２１が作る開口は大きく、可動リーフ３１２及び３２２が作る開口は小さく、荷電粒子ビームの出射側の可動リーフ３１３及び３２３が作る開口はさらに小さくなるように構成してもよい。このように、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸方向）の入射側の開口を出射側よりも大きくすることで、荷電粒子ビームの可動リーフ３１１及び３２１が作るコリメータ開口への入射する位置精度を抑えることができつつ、出射側の可動リーフ３１３及び３２３が作る開口から出る荷電粒子ビームの幅（ＹＺ面における）を低減できる。なお、可動リーフ３１３及び３２３が作る開口の幅（ＹＺ面における）は、荷電粒子ビームの線量分布（ＹＺ面における）の幅よりも小さくしておくとよい。

なお、第３実施形態に示す構成は、第１及び第２実施形態に係る構成に適用できる。すなわち、第１及び第２の実施形態において、各アーム状コリメータが、ベース部１０６に接続され、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸方向）に並んで配置された複数の可動リーフを備え、各可動リーフは少なくとも１つの関節部を有し、関節部の周りで回転できる構成にしてもよい。

上記で説明される寸法、材料、形状、構成要素の相対的な位置等は、本発明が適用される装置の構造又は様々な条件に応じて変更される。説明に用いた特定の用語及び実施形態に限定されることは意図しておらず、当業者であれば、他の同等の構成要素を使用することができ、上記実施形態は、本発明の趣旨又は範囲から逸脱しない限り、他の変形及び変更も可能である。また、本発明の一つの実施形態に関連して説明した特徴を、たとえ明確に前述していなくても、他の実施形態と組み合わせて用いることも可能である。

１０ 荷電粒子ビーム照射装置
２０ 加速器
３０ 荷電粒子ビーム輸送系
３１ 荷電粒子ビーム調整手段
３２ 真空ダクト
３３ 振分電磁石
３４ 扇型真空ダクト
４０ 収束電磁石
５０ 照射ノズル
５２ 走査電磁石
５４ 線量モニタ（第１の線量モニタ）
５６ 位置モニタ
６０ 治療計画装置
７０ 照射パターン変換装置
７２ 線量補正係数記憶部
７４ 線量モニタ出力補正係数記憶部
８０ 照射制御装置
８２ コリメータ制御部
１００、２００、３００ コリメータ装置
１０１ 駆動機構
１０２、２０２、３０２ コリメータ機構
１０３〜１０５ 駆動部
１０６、３０６ ベース部
１１０、１２０、２１０、２２０、３１０、３２０ アーム状コリメータ
１１１〜１１４、３１１〜３１３、３２１〜３２３ 可動リーフ
３１５ 関節部

Claims (6)

1. 荷電粒子ビームを走査して照射標的を照射スポットごとに照射する荷電粒子ビーム照射装置（１０）であって、
   照射標的に荷電粒子ビームを出射する照射ノズル（５０）に設けられたコリメータ装置（１００、３００）と、
   前記コリメータ装置を制御するコリメータ制御部と
   を備え、
   前記コリメータ装置は、
   ベース部（１０６）から延びる１つ以上のアーム状コリメータ（１１０、１２０、３１０、３２０）を備えたコリメータ機構（１０２、３０２）と、
   荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸方向）に垂直な面（ＹＺ面）において、前記コリメータ機構を移動させる駆動機構（１０１）と
   を備え、
   前記アーム状コリメータは、前記垂直な面（ＹＺ面）において互いに独立に回転する複数の可動リーフを備え、
   前記コリメータ制御部は、前記垂直な面（ＹＺ面）において、前記アーム状コリメータが照射標的の辺縁部の形状に沿うように、前記コリメータ機構を移動させ且つ／又は前記可動リーフを回転させて、前記辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを前記アーム状コリメータにより遮蔽する、前記荷電粒子ビーム照射装置。
2. 前記１つ以上のアーム状コリメータは、前記ベース部から延びる少なくとも２つのアーム状コリメータ（１１０、１２０）であり、前記アーム状コリメータそれぞれは、互いに直列に接続された複数の前記可動リーフを備え、
   前記コリメータ制御部は、前記アーム状コリメータが照射標的の辺縁部の形状に沿うように、前記コリメータ機構を移動させ且つ／又は前記可動リーフそれぞれを回転させて、前記辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを前記アーム状コリメータにより遮蔽する、請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
3. 少なくとも２つの前記コリメータ装置を備え、
   前記コリメータ制御部は、前記コリメータ装置それぞれの前記アーム状コリメータが協働して照射標的の辺縁部の全体の形状に沿うように、前記コリメータ機構それぞれを移動させ且つ／又は前記可動リーフそれぞれを回転させて、前記辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを前記アーム状コリメータそれぞれにより遮蔽する、請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
4. 荷電粒子ビームを走査して照射標的を照射スポットごとに照射する荷電粒子ビーム照射装置（１０）であって、
   照射標的に荷電粒子ビームを出射する照射ノズル（５０）に設けられたコリメータ装置（２００）と、
   前記コリメータ装置を制御するコリメータ制御部と
   を備え、
   前記コリメータ装置は、
   ベース部（１０６）から延びる２つのアーム状コリメータ（２１０、２２０）を備えたコリメータ機構（２０２）と、
   荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸方向）に垂直な面（ＹＺ面）において、前記コリメータ機構を移動させる駆動機構（１０１）と
   を備え、
   前記２つのアーム状コリメータはそれぞれ、前記垂直な面（ＹＺ面）において回転する１つの可動リーフを備え、
   前記コリメータ制御部は、前記垂直な面（ＹＺ面）において、前記アーム状コリメータが照射標的の辺縁部の形状に沿うように、前記コリメータ機構を移動させ且つ／又は前記可動リーフを回転させて、前記辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを前記アーム状コリメータにより遮蔽し、
   荷電粒子ビームが照射標的の辺縁部に照射されるとき、前記コリメータ制御部は、前記コリメータ機構を照射スポットの走査に追従して移動させて、前記辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを前記アーム状コリメータにより遮蔽する、前記荷電粒子ビーム照射装置。
5. 荷電粒子ビームが照射標的に照射されるとき、前記コリメータ制御部は、前記コリメータ機構を照射スポットの走査に追従して移動させ且つ前記可動リーフを回転させて、前記辺縁部の外側にあたる荷電粒子ビームを前記アーム状コリメータにより遮蔽する、請求項４に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
6. 前記アーム状コリメータは、前記ベース部に接続され、前記進行方向（Ｘ軸方向）に並んで配置された複数の前記可動リーフ（３１１〜３１３、３２１〜３２３）を備え、
   前記可動リーフそれぞれは、少なくとも１つの関節部（３１５）を有し、前記関節部の周りで回転するよう構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。

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