JPH10118204A - 荷電粒子ビーム装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】荷電粒子ビームの損失を低減した荷電粒子ビー
ム装置とその運転方法を提供する。 【解決手段】患部形状等の情報に基づき予め、演算装置
１３１でビームの水平方向の照射点と必要な線量を定め
ておく。水平方向の照射点の間隔は、散乱体３００で広
げたビームの径の半分程度以下にすることが望ましい。
照射位置設定用の電磁石220,２２１の電源装置１６０を
制御装置１３２で制御する。 【効果】荷電粒子ビームの損失を少なくして、均一な照
射野を形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子ビームを
癌治療や患部の診断に利用する荷電粒子ビーム装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の荷電粒子ビーム装置は、実公平5
−40479 号公報に記載されている。この従来技術を図１
７を用いて説明する。

【０００３】図１７において、荷電粒子ビーム８２はｚ
方向に進む。ｘ方向走査電磁石８０，ｙ方向走査電磁石
８１に、位相差が９０°の正弦波電流を流すと、それぞ
れの電磁石に発生する磁場によって、荷電粒子ビームは
円形に走査される。円形に走査される荷電粒子ビームを
散乱体８３に当てると荷電粒子ビームの径は増大される
ので、照射領域での線量分布は図３（ａ）のようにな
る。２ｒにわたる領域では照射線量は均一になるが、２
ｒより外側になるほど照射線量は減少して不均一であ
る。従って、不均一な照射領域をコリメータでカット
し、照射線量の均一な照射領域のみを患部へ照射してい
た。

【０００４】また、特開平7−275381 号公報は、患部の
形状に合わせて電磁石を制御することにより、照射範囲
を任意の形状に成形することを記載する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術で
は、不均一な照射領域をコリメータでカットしているの
で、荷電粒子ビームの損失が多い。また、広い照射野を
得るためには、ビーム径を増加させる散乱体８３を厚く
しなくてはならず、荷電粒子ビームエネルギーの損失が
大きくなる問題がある。

【０００６】本発明の目的は、荷電粒子ビームの損失を
低減した荷電粒子ビーム装置とその運転方法を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の特徴は、散乱体が荷電粒子ビームの径を拡大し、出
射切り替え手段が荷電粒子ビームの出射および停止を切
り替え、電磁石が荷電粒子ビームの照射位置または照射
範囲を設定し、制御装置が荷電粒子ビームを停止中に電
磁石を制御して照射位置または照射範囲を変更させるこ
とにある。

【０００８】この特徴によれば、出射切り替え手段が荷
電粒子ビームの出射を停止している間に、制御装置が照
射位置または照射範囲を変更させて荷電粒子ビーム照射
対象に照射するので、照射対象には照射位置または照射
範囲ごとに荷電粒子ビームが照射され、照射対象の全域
を覆うように散乱体で拡大された荷電粒子ビームを拡大
さする場合に比べて、照射対象の回りにできる不均一な
照射領域を小さくでき、荷電粒子ビームの損失を低減で
きる。また、散乱体を用いない場合に比べて、ビーム径
が大きいので照射位置または照射範囲の変更回数が少な
く、制御が簡単である。

【０００９】また、本発明の他の特徴は、制御装置が拡
大された荷電粒子ビームの径に基づいて照射位置または
照射範囲を変更することにあり、散乱体で拡大された荷
電粒子ビームの照射線量は照射位置を中心として径方向
にほぼガウス分布であるので、荷電粒子ビームが重なっ
て照射線量が均一な照射領域をつくることができ、照射
対象に均一に荷電粒子ビームを照射できる。

【００１０】本発明の他の特徴は、目標照射量設定装置
が照射対象の照射領域における目標照射量を定め、照射
量測定装置が各照射領域における荷電粒子ビームの照射
量を測定し、出射切り替え手段が目標照射量と照射量測
定装置で測定された照射量とに基づいて荷電粒子ビーム
の出射および停止を切り替えることにある。

【００１１】この特徴によれば、照射領域の照射量が目
標照射量に達するまで出射切り替え手段が照射を継続さ
せるので、荷電粒子ビームの強度が時間的に変化した場
合でも、照射対象にビームの密度を一様に照射できる。

【００１２】また、出射切り替え手段が、荷電粒子加速
器を周回する前記荷電粒子ビームのベータトロン振動の
周波数を含む高周波電磁界を前記荷電粒子ビームに加え
る高周波印加装置であれば、荷電粒子加速器を周回する
荷電粒子ビームのベータトロン振動が共鳴状態であると
きに、印加される高周波電磁界により荷電粒子ビームの
ベータトロン振動振幅が増加して共鳴の安定限界を超
え、荷電粒子ビームは荷電粒子加速器から出射される。
このとき、荷電粒子ビームは一定に出射されるので、一
様なビームの密度で荷電粒子ビームを照射対象に照射で
きる。

【００１３】本発明の他の特徴は、ネルギー変化手段が
荷電粒子ビームのエネルギーを変化させることにあり、
照射停止中に荷電粒子ビームのエネルギーを変化させ
て、照射対象の照射領域を変更することができる。

【００１４】本発明の他の特徴は、荷電粒子加速器が荷
電粒子ビームの出射および停止を切り替える出射切り替
え手段を有し、荷電粒子ビーム輸送系が荷電粒子ビーム
の輸送および停止を切り替える輸送切り替え装置とを有
し、照射装置は、荷電粒子ビームを拡大する散乱体と、
荷電粒子ビームの照射位置または照射範囲を設定する電
磁石と、拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて照射
位置または照射範囲を変更する制御装置を備えることに
ある。

【００１５】この特徴によれば、出射切り替え手段が荷
電粒子加速器を周回する荷電粒子ビームを照射装置へ出
射し、かつ、輸送切り替え装置が荷電粒子ビームを照射
装置へ輸送すれば、荷電粒子ビームは照射装置において
照射対象に照射される。出射切り替え手段が荷電粒子加
速器から照射装置への荷電粒子ビームの出射を停止、ま
たは、輸送切り替え装置が荷電粒子ビームを停止すれ
ば、荷電粒子ビームの照射対象への照射も停止される。
照射の切り替えが２つの切り替え手段によって行われる
から、より安全性が高い。また、出射切り替え手段もし
くは輸送切り替え装置がビームの出射を停止し、制御装
置が散乱体で拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて
次の照射位置または照射範囲を変更し、それぞれの位置
で等しい線量を照射すると、散乱体で拡大された荷電粒
子ビームの照射線量は照射位置を中心として径方向にほ
ぼガウス分布であるので、荷電粒子ビームが重なって照
射線量が均一な照射領域をつくることができ、照射対象
に均一に荷電粒子ビームを照射できる。また、均一な照
射領域の周りにできる不均一な照射領域を小さくできる
ので、荷電粒子ビームの損失を低減できる。また、散乱
体を用いない場合に比べて、ビーム径が大きいので照射
位置または照射範囲の変更回数が少なく、制御が簡単で
ある。

【００１６】また、本発明の他の特徴は、患者の動きを
検出する動き検出手段を備え、制御装置が、動き検出で
検出された患者の動きに基づいて、出射切り替え手段を
制御することにあり、患者の呼吸，咳等に起因する体の
動きを検知して、患部がほぼ静止している時に荷電粒子
ビームを照射し、照射対象を精度良く照射することがで
きる。

【００１７】また、荷電粒子ビームによる癌治療では、
照射対象の深さによって照射する荷電粒子ビームのエネ
ルギーを変える必要がある。この場合、荷電粒子加速器
を周回する荷電粒子ビームのエネルギーを加速段階で変
更するか、照射装置の荷電粒子ビームが通過する所にグ
ラファイトなどの板上の物質を置いて、出射された荷電
粒子ビームのエネルギーを変えて照射する。

【００１８】上記目的を達成する本発明の特徴は、散乱
体が荷電粒子ビームの径を拡大し、ビーム出射手段が荷
電粒子加速器から荷電粒子ビームを出射し、電磁石が荷
電粒子ビームの照射位置または照射範囲を設定し、制御
装置が荷電粒子加速器の入射運転，加速運転、または減
速運転中に電磁石を制御して照射位置または照射範囲を
変更させることにある。

【００１９】この特徴によれば、ビーム出射手段が荷電
粒子ビームを出射した後、荷電粒子加速器が減速運転，
ビーム入射運転、または加速運転していてビームが出射
されていない間に、制御装置が照射位置または照射範囲
を変更させて荷電粒子ビーム照射対象に照射するので、
照射対象には照射位置または照射範囲ごとに荷電粒子ビ
ームが照射され、照射対象の全域を覆うように散乱体で
拡大された荷電粒子ビームを拡大する場合に比べて、照
射対象の回りにできる不均一な照射領域を小さくでき、
荷電粒子ビームの損失を低減できる。また、散乱体を用
いない場合に比べて、ビーム径が大きいので照射位置ま
たは照射範囲の変更回数が少なく、制御が簡単である。

【００２０】上記目的を達成する本発明の特徴は、散乱
体が荷電粒子ビームの径を拡大し、キッカー電磁石が荷
電粒子ビームを周回軌道から出射軌道に移動させ、電磁
石が荷電粒子ビームの照射位置または照射範囲を設定
し、制御装置が拡大された荷電粒子ビームの径に基づい
て荷電粒子加速器の入射運転，加速運転、または減速運
転中に電磁石を制御して照射位置または照射範囲を変更
することにある。

【００２１】この特徴によれば、キッカー電磁石が荷電
粒子ビームを周回軌道から出射軌道に移動させて出射し
た後、荷電粒子加速器が減速運転，ビーム入射運転、ま
たは加速運転していてビームが出射されていない間に、
制御装置が拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて照
射位置または照射範囲を変更させて荷電粒子ビーム照射
対象に照射するので、照射対象には照射位置または照射
範囲ごとに荷電粒子ビームが照射され、照射対象の全域
を覆うように散乱体で拡大された荷電粒子ビームを拡大
する場合に比べて、照射対象の回りにできる不均一な照
射領域を小さくでき、荷電粒子ビームの損失を低減でき
る。また、散乱体を用いない場合に比べて、ビーム径が
大きいので照射位置または照射範囲の変更回数が少な
く、制御が簡単である。また、散乱体で拡大された荷電
粒子ビームの照射線量は照射位置を中心として径方向に
ほぼガウス分布であるので、荷電粒子ビームが重なって
照射線量が均一な照射領域をつくることができ、照射対
象に均一に荷電粒子ビームを照射できる。

【００２２】また、キッカー電磁石が励磁されると直ち
に荷電粒子ビームは出射され、キッカー電磁石が励磁さ
れる時間はビームが周回軌道を１周する程度の時間であ
るから、加速器を周回する荷電粒子はこの時間ですべて
出射される。その後、荷電粒子加速器が減速運転，ビー
ム入射運転、または加速運転している間に、照射位置ま
たは照射範囲が変更されるから、ビームが周回軌道を１
周する程度の短い時間に出射されるビームを連続して利
用することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】

（実施例１）本発明の第１の実施例の荷電粒子ビーム装
置を図１を用いて説明する。本実施例の荷電粒子ビーム
装置は、前段加速器９８，シンクロトロン型の加速器１
００，回転照射装置１１０および制御装置群１４０から
主に構成される。低エネルギーのイオンが前段加速器９
８から加速器１００に入射され、加速器１００において
加速された後、治療室１０１の回転照射装置１１０に出
射されて、イオンビームが治療に用いられる。

【００２４】加速器１００を構成する主な機器について
説明する。加速器１００は、加速器１００を周回する荷
電粒子ビームに高周波電磁界を印加して荷電粒子ビーム
のベータトロン振動を増加し、共鳴の安定限界を超えさ
せ、荷電粒子ビームのベータトロン振動を共鳴状態にし
て荷電粒子ビームを加速器から出射する加速器である。

【００２５】加速器１００は、周回する荷電粒子ビーム
を曲げる偏向電磁石１４６，周回する荷電粒子ビームに
エネルギーを与える高周波加速空胴１４７，周回する荷
電粒子ビームに磁界を印加してベータトロン振動を共鳴
状態にする４極電磁石１４５や多極電磁石１１、および
周回する荷電粒子ビームに高周波を印加してベータトロ
ン振動を増加する出射用高周波印加装置１２０を備えて
いる。また、偏向電磁石１４６，４極電磁石１４５、お
よび多極電磁石１１に電流を、そして、高周波加速空胴
１４７に電力を供給する加速器用電源装置１６５と、出
射用高周波印加装置１２０に電力を供給する出射用高周
波電源１６６を備える。

【００２６】加速器１００から出射されて、輸送系１７
１で治療室１０１に輸送されたビームは回転照射装置１
１０で患者に照射される。

【００２７】回転照射装置１１０を説明する。回転照射
装置１１０は、加速器１００から出射された出射ビーム
を照射対象まで輸送するための４極電磁石１５０および
偏向電磁石１５１、および４極電磁石１５０および偏向
電磁石１５１に電流を供給する電源装置１７０を備え
る。

【００２８】さらに、回転照射装置１１０は、照射ノズ
ル１１１を備える。照射ノズル111には、照射位置をｘ
方向およびｙ方向に動かすための電磁石２２０，２２１
を備える。ここで、ｘ方向は偏向電磁石１５１の偏向面
に平行な方向、ｙ方向は偏向電磁石１５１の偏向面に垂
直な方向である。電磁石２２０，２２１には電流を供給
する電源装置１６０が接続されている。電磁石２２０，
２２１の下流には、ビーム径を増加させるための散乱体
３００を設置する。また、散乱体３００のさらに下流に
は、ビームの照射線量分布を測定する線量モニタ３０１
を設置している。また、患部の周囲の正常組織を傷めな
いように、照射対象である患者の直前には、コリメータ
２２５を設置する。

【００２９】図２（ｂ）に散乱体３００で拡大されたビ
ーム強度分布３０２を示す。散乱体で広げられたビーム
は、ほぼガウス分布をしている。従って、加速器からビ
ームの出射を停止した状態で、図２（ｂ）に示すように
散乱体３００で拡大されたビームの径の半分程度ずら
し、それぞれの位置で等しい線量を照射すると、それら
の重畳により、ビームの照射中心位置以外の場所でも概
略等しい照射線量３０３になる。従って、予め、治療計
画で定めた照射線量を照射したことを線量モニタ３０１
で確認した後、加速器からのビームを停止し、照射位置
を移動して、加速器からビームを出射する手順を繰り返
していくことにより患部を均一に照射できる。

【００３０】一方、照射線量が不均一であるのは、２ｒ
の外側の領域である。しかし、照射線量が均一な照射領
域２ｒを円形に荷電粒子ビームを走査して実現する場合
に比べると、不均一な領域は小さい。従って、荷電粒子
ビームの損失を少なくできる。また、散乱体３００で広
げられたビームの径は、円形に荷電粒子ビームを走査す
る場合に比べて小さいから、散乱体３００の厚さも薄く
できる。従って、荷電粒子ビームのエネルギー損失も低
減できる。

【００３１】図３に体内の深さとイオンビームの照射線
量の関係の例を示す。図３の照射線量のピークをブラッ
グピークと呼ぶ。ブラッグピークの位置は、ビームエネ
ルギーにより変化する。そこで、照射ノズル１１１で
は、図４に示すようにビームのエネルギーとエネルギー
幅を調整するためのレンジシフタ２２２とリッジフィル
タ２２３及び患部の深さ方向形状に従ってエネルギーを
変化させる患者ボーラス２２４を設置する。リッジフィ
ルタ２２３は、図４のｘ方向に、山と谷が繰り返す構造
にする。この山の部分を通過した粒子は、エネルギーの
減少が大きく、谷の部分を通過した粒子は、エネルギー
の減少が少なく、山の部分の高さと谷の部分の高さに応
じたエネルギー分布を持たせることができる。本実施例
では、荷電粒子ビームのエネルギー幅が、患部の厚さが
最も大きい位置に一致するリッジフィルタを使用する。

【００３２】演算装置１３１は、制御装置１３２が患部
への荷電粒子ビームの照射を制御するために必要なデー
タを求める装置である。

【００３３】制御装置１３２は、前段加速器９８から加
速器１００への荷電粒子ビームの出射，加速器１００を
周回する荷電粒子ビームの加速，加速器１００から回転
照射装置１１０への荷電粒子ビームの出射および回転照
射装置１１０における荷電粒子ビームの輸送を制御する
ための装置である。加速器１００から回転照射装置１１
０へ出射された荷電粒子ビームは照射対象に照射される
ので、加速器１００からの出射を制御することは、患部
への荷電粒子ビームの照射を制御することになる。

【００３４】まず、演算装置１３１の役割について説明
し、次に制御装置１３２による荷電粒子ビーム装置の運
転方法を説明する。

【００３５】演算装置１３１は、オペレーターから患部
の形状，深さ，必要な照射線量Ｒ等の患部情報と散乱体
３００の厚さや材料等の情報を入力される。演算装置１
３１は、入力された患部情報と散乱体情報に基づいて、
ビーム径，照射領域，ビームの水平方向の照射点，電磁
石２２０，２２１に供給される電流の大きさ，患部に照
射される荷電粒子ビームのエネルギー，必要な線量など
を演算して求める。水平方向の照射点の間隔は、散乱体
３００で拡大されたビームの径の半分程度以下にするこ
とが望ましい。

【００３６】演算装置１３１を図５に示す。演算装置１
３１の照射領域形成部１３３は、入力された患部情報に
基づいて、図６に示すように、患部を深さ方向の複数の
層Ｌｉ（ｉ＝１，２…Ｎ）に分割する。エネルギー計算
部１３４は、それぞれの層の深さに応じて照射に適した
ビームエネルギーＥｉを求める。

【００３７】照射領域形成部１３３は、さらに、各層Ｌ
ｉの形状に応じて、荷電粒子ビームを照射する複数の照
射領域Ａi,j(ｉ＝１，２…Ｎ，ｊ＝１，２…Ｍ），照射
領域Ａi,j の中心点Ｐi,j 、およびその座標（ｘij，ｙ
ij）を定める。荷電粒子ビームの強度は空間的にガウス
分布をしているので、演算装置１３１は、荷電粒子ビー
ムの径に基づいて、照射領域Ａi,j と隣接する照射領域
とが重なって均一な照射線量の領域を作るように、各照
射領域Ａi,j の中心点Ｐi,j を定める。各中心点Ｐi,j
は、ビーム径の半分程度離れているようにする。

【００３８】照射線量計算部１３５は、必要な照射線量
Ｒに基づいて各中心点Ｐi,j の目標照射線量Ｒijを求め
る。

【００３９】電磁石電流計算１３６は、中心点Ｐi,j と
荷電粒子ビームの中心と合わせるために、電磁石２２
０，２２１に供給される電流ＩXij,ＩYijを定める。

【００４０】演算装置１３１は、各層Ｌｉにおけるビー
ムエネルギーＥｉ，各照射領域Ａi,j ，中心点Ｐi,j ，
中心点Ｐi,j の座標（ｘij，ｙij），目標照射線量Ｒi
j，電流ＩＸij，ＩＹijを制御装置１３２に出力する。

【００４１】本実施例の荷電粒子ビーム装置の運転方法
を図７に示す。

【００４２】（１）制御装置１３２は、加速器１００か
ら回転照射装置１１０に出射される荷電粒子ビームを照
射対象である患部まで輸送するために、４極電磁石１５
０および偏向電磁石１５１に電流を供給するように、電
源装置１７０を制御する。

【００４３】（２）制御装置１３２は、前段加速器９８
が荷電粒子ビームを出射するように、前段加速器９８を
制御する。

【００４４】（３）制御装置１３２は、周回する荷電粒
子ビームをエネルギーＥｉまで加速するために、偏向電
磁石１４６，４極電磁石１４５に電流を供給するよう
に、そして、高周波加速空胴１４７に電力を供給するよ
うに、加速器用電源装置１６５を制御する。

【００４５】（４）周回する荷電粒子ビームがエネルギ
ーＥｉまで加速されたら、制御装置１３２は、周回する
荷電粒子ビームのベータトロン振動を共鳴状態にするた
めに、４極電磁石１４５、および多極電磁石１１に電流
を供給するように、加速器用電源装置１６５を制御す
る。

【００４６】４極電磁石１４５、および多極電磁石１１
に電流が供給されると、出射のための共鳴の安定限界が
発生し、安定限界の外側に移動した周回荷電粒子ビーム
は、ベータトロン振動が共鳴状態になる。

【００４７】（５）制御装置１３２は、荷電粒子ビーム
の中心と中心点Ｐi,j とを合わせるために、電磁石２２
０，２２１に電流ＩＸij，ＩＹijを供給するように、電
源装置１６０を制御する。

【００４８】（６）制御装置１３２は、目標照射線量Ｒ
ijと線量モニタ３０１で測定された中心点Ｐi,j の照射
線量を比較する。

【００４９】（７）中心点Ｐi,j の照射線量が目標照射
線量Ｒijに達していない場合は、制御装置１３２は、加
速器１００から回転照射装置１１０に出射を開始するた
めに、出射用高周波印加装置１２０に電力を供給するよ
うに、出射用高周波電源１６６を制御する。

【００５０】出射用高周波印加装置１２０に電力が供給
されると、周回する荷電粒子ビームに高周波電磁界が印
加され、周回する荷電粒子ビームのベータトロン振動振
幅が増加する。ベータトロン振動振幅が増加して、ベー
タトロン振動の共鳴の安定限界を超えると荷電粒子ビー
ムは、加速器１００から回転照射装置１１０へ出射され
る。回転照射装置１１０において、荷電粒子ビームは照
射領域Ａi,j に照射される。

【００５１】（８）制御装置１３２は、目標照射線量Ｒ
ijと線量モニタ３０１で測定された中心点Ｐi,j の照射
線量を比較する。中心点Ｐi,j の照射線量が目標照射線
量Ｒijに達していない場合は出射を続ける。

【００５２】（９）制御装置１３２は、中心点Ｐi,j の
照射線量が目標照射線量Ｒijに達していれば出射を停止
するように、出射用高周波電源１６６を制御する。そし
て次の照射領域Ａi,j+1 の中心点Ｐi,j+1 に荷電粒子ビ
ームの中心を合わせるように電源装置１６０を制御す
る。

【００５３】（１０）照射領域Ａi,j の照射から照射領
域Ａi,j+1 の照射へ移る際に、加速器１００を周回して
いるビームを利用できる場合は、（５）からの運転を行
い、ビーム量，出射時間が不足する場合は、荷電粒子ビ
ームを補給するために(２)からの運転を行う。

【００５４】（１１）層Ｌｉの全ての照射領域Ａi,j
で、照射線量が目標値に達したら、次の層Ｌi+1 につい
て、（１）からの運転を行い、層Ｌｉの場合と同様に全
ての照射領域Ａi+1,jを照射する。

【００５５】患部の全ての層Ｌｉを照射したら、荷電粒
子ビーム装置の運転を終了する。

【００５６】実施例によれば、患部の層ＬＩを均一な照
射線量で照射できる。患部の層ＬＩの境界の外側にでき
る不均一な照射領域をコリメータ２２５で切り取るの
で、患部の形状に合った荷電粒子ビームの照射を行うこ
とができる。また、切り取られる領域は、従来の円形に
荷電粒子ビームを走査する場合に比べて小さいので、少
ないビーム損失で治療照射を行える。また、荷電粒子ビ
ームの照射位置設定を２台の電磁石で行っているが、患
者ベッド１１２を移動できる構造とし、制御装置１３２
から制御して照射位置を設定するようにしてもよい。

【００５７】また、散乱体３００を使用しないと、照射
される荷電粒子ビームの径は小さいので、均一な照射強
度分布を得るためには照射位置間隔を極めて小さくとる
必要が生じ、治療計画及び照射制御が極めて複雑にな
る。本実施例では、散乱体300の使用により、荷電粒子
ビームは、概略ガウス分布になるとともに、ビーム径を
適切な大きさに増加できるため、照射位置間隔を極めて
小さくとることなく、均一な照射線量分布を実現でき
る。

【００５８】以上述べたように、本実施例の荷電粒子ビ
ーム装置は、荷電粒子ビームの損失を低減して、均一な
照射野を形成することができる。

【００５９】また、本実施例によれば、照射目標が複雑
な形状をしている場合にも、精度よく患部を照射でき
る。また、照射線量が目標に達するまで照射を継続する
ため、ビーム強度が時間的に変化した場合でも、患部に
ビームの密度を一様に照射できる。

【００６０】本実施例では、加速器にシンクロトロンを
使用したが、図８に示すように、加速器にサイクロトロ
ン１７２を使用することもできる。サイクロトロン１７
２からのビームの出射，停止は、制御装置１３２からの
信号により偏向器１７５用の偏向器電源１７４を制御
し、イオン源１７３からの荷電粒子ビームの供給と停止
により行う。

【００６１】（実施例２）次に、本発明の第２の実施例
を説明する。本実施例の機器構成は、第１の実施例と同
様である。ただし、本実施例では、患部の各層Ｌｉの照
射領域をｘ方向には分割せず、図９に示すように、ｙ方
向にのみ分割する。すなわち、照射領域Ａi,j はｘ方向
に広い。照射領域Ａi,j を照射するときは、電磁石２２
０がつくる磁場の強度を変化させて、荷電粒子ビームを
ｘ方向に走査して照射する。

【００６２】演算装置１３１は、荷電粒子ビームの径に
基づいて、照射領域Ａi,j と隣接する照射領域とが重な
って均一な照射線量の領域を作るように、各照射領域Ａ
i,jの中心点Ｐi,j を定める。各中心点Ｐi,j は、ビー
ム径の半分程度離れているようにする。

【００６３】そして、演算装置１３１は、各照射領域Ａ
i,j のｘ方向の広がりに基づいて、電磁石２２０の磁場
強度を変化させる大きさΔＩＸijを求める。そして、実
施例１の場合と同様に、各層Ｌｉにおけるビームエネル
ギーＥｉ，各照射領域Ａi,jとその中心点Ｐi,j（ｘij,
ｙij），目標照射線量Ｒij，電流ＩＸij，ＩＹijを求
め、これらとΔＩＸij を制御装置１３２に出力する。

【００６４】本実施例の荷電粒子ビーム装置の運転方法
を図１０に示す。（７）以外は第１の実施例と同じであ
る。

【００６５】（７）で、制御装置１３２は、加速器１０
０から回転照射装置１１０に出射を開始するために、出
射用高周波印加装置１２０に電力を供給するように、出
射用高周波電源１６６を制御するとともに、荷電粒子ビ
ームをｘ方向に走査して照射するために電磁石２２０の
電流ＩＸij がΔＩＸij の範囲で変化するように、電源
装置１６０を制御する。

【００６６】本実施例では、照射領域Ａi,j を照射する
ときに、電磁石２２０がつくる磁場の強度を変化させ
て、荷電粒子ビームをｘ方向に走査して照射するが、電
磁石２２１がつくる磁場の強度を変化させて、荷電粒子
ビームをｙ方向に走査して照射するようにしてもよい。

【００６７】本実施例によれば、第１の実施例と同様の
効果が得られるとともに、ｙ方向（またはｘ方向）のみ
で荷電粒子ビームの出射と停止の切り替えが行われるの
で、第１の実施例よりも照射時間を短縮できる。

【００６８】（実施例３）次に、本発明の第３の実施例
を説明する。本実施例では、図１と同じ構成の荷電粒子
ビーム装置を用いるが、照射ノズル１１１の構成とその
制御装置１３２が異なる。図１１に本実施例の照射ノズ
ル１１１を示す。

【００６９】本実施例では、散乱体３００を、第１の実
施例よりも薄くする。散乱体３００で拡大された荷電粒
子ビームの径は、第１の実施例の場合に比べて小さくな
るので、照射領域Ａi,j の数は増加する。一方、ビーム
の径の広がりは小さいので、実施例１で使用した患者コ
リメータを使用しない。また、同様に、実施例１に比べ
てビーム径が小さくなるため、第１の実施例で使用した
リッジフィルタ及びボーラスを使用しない。

【００７０】また、第１の実施例では、加速器１００に
おいて荷電粒子ビームのエネルギーをＥｉにしている
が、本実施例では、制御装置１３２が加速器１００から
のビーム出射を停止中にレンジシフタ２２２の厚さを変
更することによって、荷電粒子ビームのエネルギーをＥ
ｉにする。

【００７１】本実施例の荷電粒子ビーム装置の運転方法
を図１２に示す。（３）および(４)以外は第１の実施例
と同じである。

【００７２】（３）制御装置１３２は、各層のビームエ
ネルギーＥｉよりも大きい定格エネルギーＥまで周回す
る荷電粒子ビームを加速するために、偏向電磁石１４
６，４極電磁石１４５に電流を供給するように、そし
て、高周波加速空胴１４７に電力を供給するように、加
速器用電源装置１６５を制御する。そして、定格エネル
ギーＥをビームをエネルギーＥｉまで低減するように、
レンジシフタ２２２の厚さを調整する。

【００７３】（４）周回する荷電粒子ビームがエネルギ
ーＥまで加速されたら、制御装置132は、周回する荷電
粒子ビームのベータトロン振動を共鳴状態にするため
に、４極電磁石１４５、および多極電磁石１１に電流を
供給するように、加速器用電源装置１６５を制御する。

【００７４】以上述べたように、本実施例の荷電粒子ビ
ーム装置は、荷電粒子ビームの損失を少なくして、均一
な照射野を形成することができる。また、患者毎のコリ
メータやボーラスを使用しないで患部を精度良く照射で
きる。

【００７５】本実施例では、レンジシフタの厚さを一定
にして照射深さ一定の状態で照射位置設定用の電磁石２
２０，２２１の強度を繰り返し変更して照射し、ある深
さの層を照射した後レンジシフタの厚さを変えて同様の
手順を繰り返しているが、荷電粒子ビームの進行方向に
平行に仮想的な層の分割を行い、電磁石２２０，221の
強度を一定にした状態で、照射，停止その後レンジシフ
タの厚さを変更して照射手順を行い、ある層の照射を終
えた後、電磁石２２０，２２１の強度を変更する方法で
も同様の照射治療を行える。

【００７６】（実施例４）次に、本発明の第４の実施例
を説明する。本実施例の機器構成を図１３に示す。機器
構成が第１の実施例と異なる点は、患者の体の動きを検
出する動き検出器２５０を設けている点と、荷電粒子ビ
ームを照射装置へ輸送するビーム輸送系１７１に、荷電
粒子ビームの輸送と停止を切り替える切り替え電磁石１
７７とその電源１７６を設けていることで、その他の構
成は、第１の実施例１と同一である。ただし、電源１７
６は、故障して電流が流れないときは、ビームが患者に
照射されないようにしておき、電流が正常に加えられた
ときのみ照射されるようにしておく。

【００７７】動き検出器２５０は、体表面に設置した歪
み検出装置でも良いし、あるいは、カメラで患者の動き
を検出する装置でも良い。この動き検出器２５０からの
信号により、患者の体の動きを検出し、体の動きが少な
い時のみ、患者へビームを照射する信号を出射用高周波
電源１６６とビーム輸送系の切り替え電磁石１７７の電
源１７６に送る。前記信号がビーム照射可である時の
み、出射用高周波電源１６６から荷電粒子ビームに高周
波を加え、さらに、電源１７６からビーム輸送系の切り
替え電磁石１７７に電流を加えて荷電粒子ビームが回転
照射装置１１０へ供給されるようにする。この時の運転
方法を図１４に示す。運転方法の（７）および（９）以
外は第１の実施例と同じである。

【００７８】（７）では、中心点Ｐi,j の照射線量が目
標照射線量Ｒijに達せず、かつ、動き検出器２５０から
の信号で、患者が静止していると判断される場合は、制
御装置１３２は、加速器１００から回転照射装置１１０
に出射を開始するために、出射用高周波印加装置１２０
に電力を供給するように、出射用高周波電源１６６を制
御し、同時に、荷電粒子ビーム輸送系の切り替え電磁石
１７７に電源１７６から電流を加える。ただし、動き検
出器２５０からの信号で、患者が静止していないと判断
される場合は、出射用高周波電源１６６と荷電粒子ビー
ム輸送系の切り替え電磁石１７７の電源を制御して、荷
電粒子ビームの回転照射装置１１０への供給を停止す
る。

【００７９】（９）では、制御装置１３２は、中心点Ｐ
i,j の照射線量が目標照射線量Ｒijに達していれば、出
射を停止するように、出射用高周波電源１６６を制御す
るとともに、ビーム輸送系の切り替え電磁石１７７の電
流を止めて、荷電粒子ビームの回転照射装置１１０への
供給を停止する。そして次の照射領域Ａi,j+1 の中心点
Ｐi,j+1 に荷電粒子ビームの中心を合わせるように電源
装置１６０を制御する。

【００８０】本実施例によれば、第１の実施例と同様の
効果が得られるとともに、照射も切り替えが２つの切り
替え手段によって行われるから、より安全性が高い。ま
た、患部がほぼ静止している時に荷電粒子ビームを照射
するので、照射対象を精度良く照射することができる。

【００８１】（実施例５）次に、本発明の第５の実施例
を説明する。本実施例の機器構成を図１５に示す。機器
構成が第１の実施例と異なる点は、加速器からのビーム
出射にキッカー電磁石１２１を使う点である。患部の領
域分けは実施例１と同様に図６のように行う。

【００８２】キッカー電磁石１２１はキッカー電磁石の
電源１６７からパルス励磁される。制御装置１３２から
の信号により電源１６７からキッカー電磁石１２１にパ
ルス電流を供給されると、キッカー電磁石１２１はビー
ムが周回軌道を１周する程度の時間励磁されて、周回す
る荷電粒子ビームに磁場を与える。周回する荷電粒子ビ
ームは、キッカー電磁石１２１から磁場を与えられると
直ちに周回軌道から離れて輸送系１７１へ出射される。
ビームが周回軌道を１周する程度の時間，ビームに磁場
を与えるので、加速器を周回する荷電粒子はこの時間で
すべて出射される。従って、キッカー電磁石１２１を１
回パルス励磁すると、ビーム出射は終了する。本実施例
は、ビームが周回軌道を１周する程度の短い時間に出射
されるビームを、連続して利用する場合に適している。

【００８３】本実施例での運転方法を図１６に示す。
（１）で、制御装置１３２からの信号により、エネルギ
ーＥｉの荷電粒子ビームを輸送できるように回転照射装
置110の電磁石の励磁量を設定した後、（２）から
（５）で、前段加速器９８からの加速器１００へのビー
ム入射，周回する荷電粒子ビームの加速、およびキッカ
ー電磁石１２１を励磁しての出射を繰り返す。（６）で
各部分領域Ａi,j について所定線量に達していないと判
断される場合は、さらにビームの入射，加速、および出
射を繰り返す。そして、（６）で部分領域Ａi,j につい
て所定線量を照射した後、制御装置１３２からの信号に
より、（４）でビーム照射位置設定用電磁石２２０，２
２１の電流ＩＸij，ＩＹijを変化させ、照射位置を変更
する。そして、（７）で層Ｌｉの照射を終了したと判断
される場合は、（８）で照射層を変えて全ての層を終了
するまで、ビームの入射，加速，出射を繰り返す。

【００８４】

【発明の効果】本発明によれば、照射対象には照射位置
または照射範囲ごとに荷電粒子ビームが照射されるの
で、照射対象の全域を覆うように散乱体で拡大された荷
電粒子ビームを拡大する場合に比べて、照射対象の回り
にできる不均一な照射領域を小さくでき、荷電粒子ビー
ムの損失を低減できる。また、散乱体を用いない場合に
比べて、ビーム径が大きいので照射位置または照射範囲
の変更回数が少なく、制御が簡単である。

【００８５】また、散乱体で拡大された荷電粒子ビーム
の照射線量は照射位置を中心として径方向にほぼガウス
分布であるので、荷電粒子ビームが重なって照射線量が
均一な照射領域をつくることができ、照射対象に均一に
荷電粒子ビームを照射できる。

【００８６】また、照射領域の照射量が目標照射量に達
するまで出射切り替え手段が照射を継続させるので、荷
電粒子ビームの強度が時間的に変化した場合でも、照射
対象にビームの密度を一様に照射できる。

【００８７】また、出射切り替え手段が荷電粒子ビーム
に高周波電磁界を印加することにより、荷電粒子ビーム
のベータトロン振動振幅が増加して共鳴の安定限界を超
え、荷電粒子ビームが荷電粒子加速器から出射されるの
で、荷電粒子ビームは一定に出射されて、一様なビーム
の密度で荷電粒子ビームを照射対象に照射できる。

【００８８】また、照射の切り替えが、出射切り替え手
段と輸送切り替え装置の２つの切り替え手段によって行
われるから、より安全性が高い。

【００８９】また、患者の呼吸，咳等に起因する体の動
きを検知して、患部がほぼ静止している時に荷電粒子ビ
ームを照射できるので、照射対象を精度良く照射するこ
とができる。

【００９０】また、キッカー電磁石が励磁されると直ち
に荷電粒子ビームは出射され、ビームが周回軌道を１周
する程度の時間に、加速器を周回する荷電粒子はすべて
出射されて、その後、照射位置または照射範囲が変更さ
れるので、ビームが周回軌道を１周する程度の短い時間
に出射されるビームを連続して利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例である荷電粒子ビーム装置を示す
図。

【図２】散乱体で拡大されたビーム強度分布３０２を示
す図。

【図３】体内の深さとイオンビームの照射線量の関係の
例を示す図。

【図４】実施例１の照射ノズル１１１を示す図。

【図５】演算装置１３１を示す図。

【図６】第１の実施例の患部の領域分けを示す図。

【図７】第１の実施例の運転の手順を示すフローチャー
トを示す図。

【図８】サイクロトロン１７２を使用した荷電粒子ビー
ム装置を示す図。

【図９】第２の実施例の患部の領域分けを示す図。

【図１０】第２の実施例の運転の手順を示すフローチャ
ートを示す図。

【図１１】第３の実施例の照射ノズル１１１を示す図。

【図１２】第３の実施例の運転の手順を示すフローチャ
ートを示す図。

【図１３】第４の実施例の荷電粒子ビーム装置を示す図
である。

【図１４】第４の実施例の荷電粒子ビーム装置の運転方
法を示す図である。

【図１５】第５の実施例の荷電粒子ビーム装置を示す図
である。

【図１６】第５の実施例の運転の手順を示すフローチャ
ートを示す図。

【図１７】従来の荷電粒子ビーム装置の概略構成図。

【符号の説明】

１１…多極電磁石、８０…ｘ方向走査電磁石、８１…ｙ
方向走査電磁石、８２…荷電粒子ビーム、８３，３００
…散乱体、９８…前段加速器、１００…加速器、１０１
…治療室、１１０…回転照射装置、１１１…照射ノズ
ル、１１２…患者ベッド、１２０…出射用高周波印加装
置、１２１…キッカー電磁石、１３１…演算装置、１３
２…制御装置、１４５，１５０…４極電磁石、１４６，
１５１…偏向電磁石、１４７…高周波加速空胴、１６
０，１７０…電源装置、１６５…加速器用電源装置、１
６７，１７６…電源、１６６…出射用高周波電源、１７
１…ビーム輸送系、１７２…サイクロトロン、１７３…
イオン源、１７４…偏向器電源、１７５…偏向器、１７
８…切り替え電磁石、２２０，２２１…電磁石、２２２
…レンジシフタ、２２３…リッジフィルタ、２２４…患
者ボーラス、２２５…コリメータ、２５０…動き検出
器、３０１…線量モニタ、３０２…拡大されたビーム強
度分布、３０３…照射線量。

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】荷電粒子加速器を備え、前記荷電粒子加速
   器によって供給される荷電粒子ビームを照射対象に照射
   する荷電粒子ビーム装置において、 荷電粒子ビームの径を拡大する散乱体と、 前記荷電粒子ビームの出射および停止を切り替える出射
   切り替え手段と、 前記荷電粒子ビームの照射位置を設定する電磁石と、 前記荷電粒子ビームを停止中に前記電磁石を制御して前
   記照射位置を変更させる制御装置とを備えることを特徴
   とする荷電粒子ビーム装置。
2. 【請求項２】前記制御装置は拡大された荷電粒子ビーム
   の径に基づいて前記照射位置を変更することを特徴とす
   る請求項２の荷電粒子ビーム装置。
3. 【請求項３】荷電粒子加速器を備え、前記荷電粒子加速
   器によって供給される荷電粒子ビームを照射対象に照射
   する荷電粒子ビーム装置において、 荷電粒子ビームの径を拡大する散乱体と、 前記荷電粒子ビームの出射および停止を切り替える出射
   切り替え手段と、 前記荷電粒子ビームの照射位置を設定する電磁石と、 前記荷電粒子ビームを出射中に前記電磁石の磁場強度、
   もしくは、前記電磁石の磁場強度の変化範囲を略一定と
   し、前記荷電粒子ビーム出射を停止中に前記磁場強度お
   よび前記磁場強度の変化範囲を変更する制御装置とを備
   えることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
4. 【請求項４】前記制御装置は前記拡大された荷電粒子ビ
   ームの径に基づいて前記磁場強度または前記変化範囲を
   変更することを特徴とする請求項３の荷電粒子ビーム装
   置。
5. 【請求項５】前記照射対象上の照射領域における目標照
   射量を定める目標照射量設定手段と、前記照射領域にお
   ける荷電粒子ビームの照射量を測定するビーム量測定手
   段とを備え、前記出射切り替え手段は、前記目標照射量
   と前記照射量測定手段で測定された照射量との比較に基
   づいて前記荷電粒子ビームの出射および停止を切り替え
   ることを特徴とする請求項１の荷電粒子ビーム装置。
6. 【請求項６】前記出射切り替え手段は、ベータトロン振
   動の周波数を含む高周波電磁界を前記荷電粒子ビームに
   加える高周波印加装置であることを特徴とする請求項１
   の荷電粒子ビーム装置。
7. 【請求項７】前記荷電粒子ビームのエネルギーを変化さ
   せるエネルギー変化手段を有することを特徴とする請求
   項１の荷電粒子ビーム装置。
8. 【請求項８】前記エネルギー変化手段は、前記荷電粒子
   ビームが前記荷電粒子加速器と前記照射対象との間に設
   けられたことを特徴とする請求項５の荷電粒子ビーム装
   置。
9. 【請求項９】荷電粒子加速器と、前記荷電粒子加速器か
   ら供給される荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射
   装置とを備える荷電粒子ビーム装置において、 前記荷電粒子加速器は、前記荷電粒子ビームの出射およ
   び停止を切り替える出射切り替え装置を有し、 前記照射装置は、前記荷電粒子ビームの径を拡大する散
   乱体と、 前記照射対象に設定された複数の照射領域のうちの１つ
   に前記荷電粒子ビームを照射するために前記荷電粒子ビ
   ームの照射位置または照射範囲を設定する電磁石と、 異なる照射領域に荷電粒子ビームを照射するために前記
   荷電粒子ビームを停止中に前記電磁石を制御して前記照
   射位置または照射範囲を変更させる制御装置とを備え、
   前記制御装置は前記拡大された荷電粒子ビームの径に基
   づいて前記照射位置または照射範囲を変更することを特
   徴とする荷電粒子ビーム装置。
10. 【請求項１０】荷電粒子加速器と、前記荷電粒子加速器
    から供給される荷電粒子ビームを前記照射対象に照射す
    る照射装置と、前記荷電粒子加速器から出射した荷電粒
    子ビームを前記照射装置へ輸送する荷電粒子ビーム輸送
    系を備える荷電粒子ビーム装置において、 前記荷電粒子加速器は、前記荷電粒子ビームの出射およ
    び停止を切り替える出射切り替え手段を有し、前記荷電
    粒子ビーム輸送系は、ビームの輸送および停止を切り替
    える輸送切り替え装置を有し、前記照射装置は、前記荷
    電粒子ビームの径を拡大する散乱体と、前記照射対象に
    設定された複数の照射領域のうちの１つに前記荷電粒子
    ビームを照射するために前記荷電粒子ビームの照射位置
    または照射範囲を設定する電磁石と、該拡大された荷電
    粒子ビームの径に基づいて前記照射位置または照射範囲
    を異なる照射領域に荷電粒子ビームを照射するために前
    記荷電粒子ビームを停止中に変更する制御装置とを備え
    ることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
11. 【請求項１１】患者の動きを検出する動き検出手段を備
    え、前記制御装置は、前記動き検出で検出された患者の
    動きに基づいて、前記出射切り替え手段を制御するもの
    であることを特徴とする請求項１または請求項５の荷電
    粒子ビーム装置。
12. 【請求項１２】荷電粒子加速器から供給された荷電粒子
    ビームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム装置の運転
    方法において、 前記荷電粒子ビームの径を拡大するステップと、 前記荷電粒子ビームの出射および停止を切り替えるステ
    ップと、 前記荷電粒子ビームを停止中に照射位置または照射範囲
    を変更するステップとを有することを特徴とする荷電粒
    子ビーム装置の運転方法。
13. 【請求項１３】前記照射位置または照射範囲を拡大され
    た荷電粒子ビームの径に基づいて設定するステップとを
    有することを特徴とする請求項１２の荷電粒子ビーム装
    置の運転方法。
14. 【請求項１４】前記荷電粒子ビームの出射および停止を
    切り替えるステップは、ベータトロン振動の周波数を含
    む高周波電磁界を荷電粒子ビームに印加するステップを
    含むことを特徴とする請求項１２の荷電粒子ビーム装置
    の運転方法。
15. 【請求項１５】荷電粒子加速器を備え、前記荷電粒子加
    速器によって供給される荷電粒子ビームを照射対象に照
    射する荷電粒子ビーム装置において、 荷電粒子ビームの径を拡大する散乱体と、 前記荷電粒子ビームを出射するビーム出射手段と、 前記荷電粒子ビームの照射位置または照射範囲を設定す
    る電磁石と、 前記荷電粒子加速器の入射運転，加速運転、または減速
    運転中に前記電磁石を制御して前記照射位置または照射
    範囲を変更させる制御装置とを備えることを特徴とする
    荷電粒子ビーム装置。
16. 【請求項１６】前記制御装置は拡大された荷電粒子ビー
    ムの径に基づいて前記照射位置を変更することを特徴と
    する請求項１５の荷電粒子ビーム装置。
17. 【請求項１７】荷電粒子加速器と、前記荷電粒子加速器
    から供給される荷電粒子ビームを照射対象に照射する照
    射装置とを備える荷電粒子ビーム装置において、 前記荷電粒子加速器は、前記荷電粒子ビームを周回軌道
    から出射軌道に移動させるキッカー電磁石を有し、 前記照射装置は、前記荷電粒子ビームの径を拡大する散
    乱体と、 前記照射対象に設定された複数の照射領域のうちの１つ
    に前記荷電粒子ビームを照射するために前記荷電粒子ビ
    ームの照射位置または照射範囲を設定する電磁石と、異
    なる照射領域に荷電粒子ビームを照射するために前記荷
    電粒子加速器の入射運転，加速運転、または減速運転中
    に前記電磁石を制御して前記照射位置または照射範囲を
    変更させる制御装置とを備え、前記制御装置は前記拡大
    された荷電粒子ビームの径に基づいて前記照射位置また
    は照射範囲を変更することを特徴とする荷電粒子ビーム
    装置。
18. 【請求項１８】荷電粒子加速器から供給された荷電粒子
    ビームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム装置の運転
    方法において、 前記荷電粒子ビームの径を拡大するステップと、 前記荷電粒子加速器の入射運転，加速運転、または減速
    運転中に、照射位置または照射範囲を変更するステップ
    とを有することを特徴とする荷電粒子ビーム装置の運転
    方法。