JPWO2012147149A1 - 粒子線エネルギー変更装置、それを備えた粒子線治療装置、および粒子線エネルギー変更方法 - Google Patents

Abstract

高速にエネルギーを変更でき、騒音が少ない粒子線エネルギー変更装置を提供する。粒子線のエネルギーを減衰させる減衰体の厚みを変化させることにより、通過する粒子線のエネルギーを変更する第一エネルギー変更器および第二エネルギー変更器が、粒子線が第一エネルギー変更器と第二エネルギー変更器とを通過するよう配置されるとともに、第一エネルギー変更器の減衰量の最大値を、第二エネルギー変更器の減衰量の最大値よりも小さく設定した。

Description

本発明は、粒子線を腫瘍など患部に照射して治療を行う粒子線治療装置における、粒子線を患部３次元形状に合わせて照射するためなどに用いる粒子線エネルギー変更装置に関する。

粒子線による治療法では、光速の約７０％まで加速された陽子や炭素線など、高エネルギーの粒子線が用いられる。これらの高エネルギーの粒子線は体内に照射された際に、以下の特徴を有する。第一に、照射された粒子線の殆どが粒子線エネルギーの約1.7乗に比例した深さ位置に停止する。第二に、照射された粒子線が体内で停止するまでに通過する経路に与えるエネルギー密度（線量と呼ばれる）は粒子線の停止位置で最大値を有する。粒子線が通過した経路に沿って形成した特有の深部線量分布曲線はブラッグカーブと呼ばれ、線量値が最大の位置はブラッグピークと呼ばれる。

３次元の粒子線照射システムは、このブラッグピークの位置を腫瘍の３次元形状に合わせて走査し、各走査位置におけるピーク線量を調整しながら、予め画像診断で決めた標的である腫瘍領域において、所定の３次元線量分布を形成するように工夫されている。粒子線の停止位置の走査は粒子線の照射方向にほぼ垂直な横方向（Ｘ、Ｙ方向）と、粒子線の照射方向である深さ方向（Ｚ方向）における走査がある。横方向における走査は患者を粒子線に対して移動させる方法と、電磁石などを使って粒子線の位置を移動させる方法があり、一般的には電磁石を用いる方法が用いられている。深さ方向の走査は粒子線エネルギーを変えるのが唯一の方法である。エネルギーを変える方法には、加速器で粒子線エネルギーを変える方法と、ビーム輸送系もしくは照射系に設置されたレンジシフタ（エネルギー変更と分析装置であるEnergy Selection Systemと呼ばれる装置を含む）と呼ばれるエネルギー変更装置を用いる２通りの方法がある。多く用いられているのは、レンジシフタを用いる方法である（例えば特許文献１、および特許文献２）。

特開平１１−４０８号公報 国際公開ＷＯ００／４９６２４号

特許文献１の図１（ａ）、（ｂ）や、特許文献２のＦｉｇ．５、Ｆｉｇ．６に記載された粒子線エネルギー変更装置であるレンジシフタでは、照射において必要なエネルギー変化量が大きい場合、エネルギー減衰させてエネルギー変更をもたらすためのレンジシフタ部材の厚みが必然的に大きくなる。そのため、出し入れ駆動されるレンジシフタ部材の質量も増加し、高速なエネルギー変更を難しくしていると同時に、動作した際の振動と騒音も大きくなる問題があった。本発明は、このような従来の粒子線エネルギー変更装置の問題点を解消する目的でなされ、高速動作が可能で、低騒音の粒子線エネルギー変更装置を提供することである。

本発明に係る粒子線エネルギー変更装置は、粒子線のエネルギーを減衰させる減衰体の厚みを変化させることにより、通過する粒子線のエネルギーを変更する第一エネルギー変更器および第二エネルギー変更器が、粒子線が第一エネルギー変更器と第二エネルギー変更器とを通過するよう配置されるとともに、第一エネルギー変更器の減衰量の最大値を、第二エネルギー変更器の減衰量の最大値よりも小さく設定したものである。

本発明の粒子線エネルギー変更装置は、低騒音かつ高速に粒子線のエネルギーを変更でき、粒子線治療装置に適用した場合、治療における全体の照射時間を短縮できる。

本発明の実施の形態１による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による粒子線エネルギー変更装置の動作を説明する線図である。 本発明の実施の形態１による粒子線エネルギー変更装置の別の動作を説明する線図である。 本発明の実施の形態２による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態５による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態５による粒子線エネルギー変更装置の周波数分離部の構成と動作を示す図である。 本発明の粒子線エネルギー変更装置を用いた実施の形態７による粒子線治療装置の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。図１において、１は粒子線加速器（図示せず）から得られる所定の粒子エネルギーを有する粒子線を示し、２は第一エネルギー変更器、３は第二エネルギー変更器、２１は第一エネルギー変更器２を制御する第一エネルギー変更制御器、３１は第二エネルギー変更器３を制御する第二エネルギー変更制御器を示す。また、１０は上記第一エネルギー変更制御器２及び第二エネルギー変更制御器３に指令を出すエネルギー変更置換制御器である。エネルギー変更置換制御器１０は、エネルギー変更指令部１２からの信号により、第一エネルギー変更制御器２１および第二エネルギー変更器３１に指令を出す。

第一エネルギー変更器２は、２枚の楔形のウェッジブロックから構成されており、２枚のウェッジブロックの相対位置を変更することによって、粒子線１が通過する位置の合計厚みが変化し、通過する粒子線のエネルギー減衰量を変更できる。第二エネルギー変更器３も第一エネルギー変更器２と同様な構成となっている。但し、第二エネルギー変更器３は、第一エネルギー変更器２より、ウェッジ板厚が大きく、その長さも大きいため、第一エネルギー変更器２に比べ、粒子線のエネルギーをより大きく変化させることが可能である。

第一エネルギー変更器２や第二エネルギー変更器３のウェッジはエアーシリンダーや油圧シリンダー、或いは電磁アクチュエーターと呼ばれる装置で駆動され、必要な位置に移動されて、通過する粒子線に所定のエネルギー減衰を与える。ただし、ウェッジを駆動させるには、他の手段を用いてもよい。また、第一エネルギー変更器２のウエッジの質量は第二エネルギー変更器３のウエッジの質量よりも小さい。したがって、第一エネルギー変更器２の厚みを変化させる速度の最大値は、第二エネルギー変更器３の厚みを変化させる速度の最大値よりも大きく、第一エネルギー変更器２の方が第二エネルギー変更器３よりも減衰量を高速に変化させることができる。

第一エネルギー変更器２、および第二エネルギー変更器３を通過した後の、エネルギーを変更された粒子線１１は、被照射体に向かう。図１では、粒子線が通過する順番が、まずエネルギー減衰量の最大値が小さい第一エネルギー変更器２を通過し、次にエネルギー減衰量の最大値が第一エネルギー変更器２よりも大きい第二エネルギー変更器３を通過する構成を示したが、通過させる順番は逆でも良い。

次に、本発明の実施の形態１による粒子線エネルギー変更装置の動作を、図１および図２を用いて説明する。図２（Ａ）は、第一エネルギー変更器２が粒子線に与えるエネルギーの減衰量Δｅ１、図２（Ｂ）は、第二エネルギー変更器３が粒子線に与えるエネルギーの減衰量Δｅ２、図２（Ｃ）は、第一エネルギー変更器２と第二エネルギー変更器３が粒子線に与えるエネルギーの減衰量の和Δｅ１＋Δｅ２、のそれぞれ時間変化を示す線図である。図２（Ｃ）には、破線で第一エネルギー変更器２の減衰量Δｅ１と第二エネルギー変更器３の減衰量Δｅ２も示している。

図示しない粒子線加速器などから得られるエネルギーＥ０の粒子線１が、まず、第一エネルギー変更器２を通過し、その後第二エネルギー変更器３を通過する。粒子線１が第二エネルギー変更器３を通過して受ける減衰量の合計Δｅ１＋Δｅ２は、通過した第一エネルギー変更器２と第二エネルギー変更器３の合計厚に比例する。通過した後の粒子線１１のエネルギーは（Ｅ０−Δｅ１−Δｅ２）となる。図２に示すように、時刻ｔ０において、第一エネルギー変更器２の減衰量がＥ１、第二エネルギー変更器３の減衰量がＥ２であったとする。この時、第二エネルギー変更器３を通過後の粒子線１１のエネルギーは（Ｅ０−Ｅ１−Ｅ２）となる。その後、エネルギー変更置換制御器１０の指令により、第一エネルギー変更制御器２１は第一エネルギー変更器２の減衰量を減少させながら、第二エネルギー変更制御器３１は第二エネルギー変更器３の減衰量を増加させる制御を行う。この間、時刻ｔ１まで、Δｅ１＋Δｅ２＝Ｅ１＋Ｅ２となるよう、すなわち、第一エネルギー変更器２の減衰量と第二エネルギー変更器３の減衰量失の和が常に一定となるように、第一エネルギー変更器２と第二エネルギー変更器３の厚みを変化させる制御を行う。このとき、時刻ｔ１において、第一エネルギー変更器２の減衰量が０となるように制御する。つまり、時刻ｔ０からｔ１の間に、第一エネルギー変更器２の減衰量を第二エネルギー変更器３の減衰量に置き換える置換制御を行う。

この状態にて、粒子線の照射が完了した際、エネルギー変更置換制御器１０が第一エネルギー変更制御器２１にエネルギー変更指令を出して、第一エネルギー変更器２のウェッジ位置を高速に移動させて、時刻ｔ２までの短い時間で所定の厚み変化をもたらす。これによって、第一エネルギー変更器２におけるエネルギー減衰量をδＥ１となるようにする。時刻ｔ２において、第一エネルギー変更器２と第二エネルギー変更器３を通過した粒子線１１はそのエネルギーが（Ｅ０−Ｅ１−Ｅ２−δＥ１）に減少する。そして、このエネルギーにて、粒子線１１が被照射体（図示せず）に所定粒子数だけ照射される。この照射期間は粒子線治療装置の場合で約1秒におよぶ場合がある。ここで、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、第二エネルギー変更器３の減衰量は変化しなくても、変化しても良い。いずれの場合においても、時刻ｔ２において、第一エネルギー変更器２の減衰量と第二エネルギー変更器３の減衰量の合計が、時刻ｔ１における減衰量の合計よりもδＥ１だけ大きくなっていれば良い。すなわち、粒子線のエネルギーを変更する制御時には、少なくとも減衰量を高速に変化することができる第一エネルギー変更器２の減衰量を変化させて粒子線のエネルギーを変更する制御を行うのである。

エネルギー（Ｅ０−Ｅ１−Ｅ２−δＥ１）の状態で照射が行われている間に、すなわち時刻ｔ２から時刻ｔ３の間に、エネルギー変更置換制御器１０は、第一エネルギー変更制御器２１と第二エネルギー変更制御器３１を制御して、第一エネルギー変更器２による減衰量Δｅ１を減らし、同時に第二エネルギー変更器３の減衰量Δｅ２を増加させる置換制御を行う。この置換制御の間、第一エネルギー変更器２と第二エネルギー変更器３による合計の減衰量がＥ１＋Ｅ２＋δＥ１となるように制御する。図２（Ａ）に示すように、時刻ｔ３において、第一エネルギー変更器２のエネルギー減衰量は０とならなくても良く、時刻ｔ３においてΔｅ１＋Δｅ２＝Ｅ１＋Ｅ２＋δＥ１となっていれば良い。

エネルギー（Ｅ０−Ｅ１−Ｅ２−δＥ１）における照射が完了し、エネルギー変更指令部１２からエネルギー変更の指令が出され、例えば、更にδＥ２だけ、ビームエネルギーを下げて、次の照射を行う。この際、先と同様に、第一エネルギー変更器２は高速に駆動されて、時刻ｔ４において第一エネルギー変更器２による減衰量がδＥ２だけ大きくなるようにする。ここで、時刻ｔ３において第一エネルギー変更器２の減衰量が０となっていなかった（例えばその時の減衰量をＥ３とする）ので、第一エネルギー変更器２の減衰量はδＥ２よりも大きい減衰量（δＥ２＋Ｅ３）となっている。第一エネルギー変更器２の減衰量の最大値が（δＥ２＋Ｅ３）よりも大きい必要があるが、上述のように、時刻ｔ３において、第一エネルギー変更器２のエネルギー減衰量は０となっていなくても良い。このようにして、時刻ｔ４において、粒子線のエネルギーは（Ｅ０−Ｅ１−Ｅ２−δＥ１−δＥ２）に変更されて、このエネルギーによる照射が直ちに開始できる。そして、先と同様に、このビームエネルギーにおいて、照射が行われている間に、第一エネルギー変更器２の減衰量を減らし、第二エネルギー変更器３の減衰量を大きくし、この間、粒子線のエネルギーは（Ｅ０−Ｅ１−Ｅ２−δＥ１−δＥ２）一定となるよう制御する。

図２で示すように、時刻ｔ５において置換制御が終了し、第二エネルギー変更器３の減衰量が（Ｅ１＋Ｅ２＋δＥ１＋δＥ２）になった後も、第二エネルギー変更器３による減衰のみで粒子線のエネルギーを（Ｅ０−Ｅ１−Ｅ２−δＥ１−δＥ２）として照射を続けても良い。このように、エネルギー一定で照射する時間以下の時間で第一エネルギー変更器２の減衰量の全てあるいは一部を第二エネルギー変更器３の減衰量に置換する制御を行う。その後、粒子線のエネルギーを変更するときは、まずエネルギー減衰量の最大値が小さく、高速に駆動できる第一エネルギー変更器２の減衰量を変更して粒子線のエネルギーを変更する。ただし、粒子線のエネルギーを変更するときに、第二エネルギー変更器３の減衰量は変化させなくても、変化させてもどちらでも良い。例えば、図２において、時刻ｔ２や時刻ｔ４でΔｅ１＋Δｅ２が、エネルギー変更後の所定の減衰量になっていれば良い。

図３は、エネルギー変更装置の、図２とは別の動作を示す図である。図３（Ａ）は、第一エネルギー変更器２が粒子線に与える減衰量Δｅ１、図３（Ｂ）は、第二エネルギー変更器３が粒子線に与える減衰量Δｅ２、図３（Ｃ）は、第一エネルギー変更器２と第二エネルギー変更器３が粒子線に与える減衰量の和Δｅ１＋Δｅ２、のそれぞれ時間変化を示す線図である。図２の動作では、粒子線エネルギー変更装置の減衰量を高速に減少させる、すなわち粒子線のエネルギーを高速に増加させることができなかった。図３に示すように、第一エネルギー変更器２の減衰量Δｅ１を、１回の変更について第一エネルギー変更器２の減衰量の最大値の半分以下の値で変更することで、粒子線のエネルギーを高速に増大／減少させることが可能となる。第一エネルギー変更器２の減衰量Δｅ１が最大値Ｅ１ｍａｘであった時刻ｔ０から時刻ｔ１の間に、第一エネルギー変更器の減衰量Δｅ１をＥ１ｍａｘから０．５Ｅ１ｍａｘに変化させる。その間、第二エネルギー変更器３の減衰量Δｅ２を、Δｅ１＋Δｅ２＝Ｅ１ｍａｘ＋Ｅ２となるよう増加させる。時刻ｔ１から時刻ｔ２の短い時間で第一エネルギー変更器の減衰量を０にまで下げることで、第一エネルギー変更器の減衰量Δｅ１と第二エネルギー変更器３の減衰量Δｅ２の合計値を０．５Ｅ１ｍａｘ＋Ｅ２に減少させることができ、粒子線のエネルギーを０．５Ｅ１ｍａｘだけ増加させることができる。

次に、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間に、第一エネルギー変更器２の減衰量を、０．５Ｅ１ｍａｘまで増加させる。その間、第二エネルギー変更器３の減衰量Δｅ２を、Δｅ１＋Δｅ２＝０．５Ｅ１ｍａｘ＋Ｅ２となるよう減少させる。時刻ｔ３から時刻ｔ４の短い時間で第一エネルギー変更器の損失をその最大値以下の、例えば０．９Ｅ１ｍａｘにまで上げることで、第一エネルギー変更器２の減衰量Δｅ１と第二エネルギー変更器３の減衰量Δｅ２の合計値を０．９Ｅ１ｍａｘ＋Ｅ２に増加させることができ、粒子線のエネルギーを０．４Ｅ１ｍａｘだけ減少させることができる。次に、時刻ｔ５までの間にΔｅ１＋Δｅ２＝０．９Ｅ１ｍａｘ＋Ｅ２を保持し、時刻ｔ５に第一エネルギー変更器２の減衰量が０．５Ｅ１ｍａｘとなるように、第一エネルギー変更器２および第二エネルギー変更器３の減衰量を制御する。

このように、第一エネルギー変更器２を第一エネルギー変更器２の減衰量の最大値の２分の１を中心にして変更することで、第一エネルギー変更器２の減衰量の最大値の２分の１を限度として、粒子線のエネルギーを高速に増大／減少させることが可能となる。すなわち、エネルギーを高速に変化させる開始時には、第一エネルギー変更器２が第一エネルギー変更器２の減衰量の最大値の２分の１の減衰量となっているのが望ましい。ただし、粒子線のエネルギー変更のパターンによっては、第一エネルギー変更器２の減衰量の変更を、その減衰量の最大値の２分の１を中心にして変更するのではなく、次のエネルギー変更の差分を考慮して、第一エネルギー変更器２の減衰量の変更量を決定しても良い。

以上のように、実施の形態１による粒子線エネルギー変更装置においては、第一エネルギー変更器２の減衰量の最大値を、第二エネルギー変更器３の減衰量の最大値よりも小さく設定したので、相対的に質量が大きく、高速移動に不向きな第二エネルギー変更器３は高速に動作しなくても、粒子線のエネルギーを高速に変更させて、粒子線を照射することが可能になる。これにより、質量が大きな第二エネルギー変更器３を高速に動作させる必要が無いため、機械的な高速移動が抑制されエネルギー変更を静かに行うことができ、しかも粒子線照射の総時間を短縮することができる。また、粒子線エネルギー変更装置を通過後の粒子線のエネルギーが一定となる制御時には、第一エネルギー変更器２の減衰量と第二エネルギー変更器３の減衰量との間で相互に減衰量を置換する置換制御を行うようにしたので、エネルギー変更時にはより高速にエネルギーを変更することができる。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。図４において、図１と同じ符号は同一または相当する部分を示す。図４において、偏向器２３は偏向器用電源２４で駆動される電磁石などで構成され、入射する粒子線１の進行方向を変える。偏向器２３により粒子線１の進行方向を変えることにより、楔形のウェッジブロックなど異なる厚み部を有するエネルギー減衰素子２２を通過する粒子線の位置が変わり、粒子線１に与えるエネルギー減衰量を変更する構成となっている。

本実施の形態２による粒子線ビームエネルギー変更装置は、その減衰量の変更についての基本動作は前述した実施の形態１による粒子線エネルギー変更装置と同じである。異なる点は、第一エネルギー変更器２が、偏向器２３、偏向器用電源２４、およびエネルギー減衰素子２２から構成されている点である。エネルギー変更指令部１２のエネルギー変更指令を受けて、偏向器用電源２４が偏向器２３の励磁量を変化させることにより、粒子線１の軌道を移動させ、エネルギー減衰素子２２における粒子線の通過位置を変更し、エネルギー減衰量を高速に変化させる。その後、エネルギー変更後の粒子線エネルギーによる粒子線照射が開始される。照射中では、第二エネルギー変更器３は第二エネルギー変更制御器３１に制御されて、その厚みが増加し、一方、第一エネルギー偏向制御器２１の指令にて、偏向器２３の励磁量を変化させることにより、粒子線１がエネルギー減衰素子２２のより薄い位置を通過するように制御される。このとき、エネルギー偏向置換制御器１０の指令により、第一エネルギー変更器２の減衰量と第二エネルギー変更器３の減衰量の合計が一定となるよう制御される。このようにして、エネルギー一定での照射中に、第一エネルギー変更器２による減衰量は第二エネルギー変更器３の減衰量に置換される。

本実施の形態２による新たな効果としては、第一エネルギー変更器２を、偏向器２３と、厚み勾配を有するエネルギー減衰素子２２により構成したため、機械的な移動が必要なく、電磁操作のみによって、高速に第一エネルギー変更器２のエネルギー減衰量を変化させることができる。その結果、より高速に粒子線のエネルギーを変更して、粒子線を照射することが可能である。第一エネルギー変更器２の高速な機械制御が不要になるため、騒音がさらに減少するとともに、信頼性が向上する。

実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。図５において、図１および図４と同じ符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態３は、実施の形態２に比較して、偏向器２３が粒子線の軌道を平行移動させるように構成されている点で異なる。すなわち、第一偏向器２３１に入射した粒子線１が進行方向を変更させられる。その後、粒子線の軌道は、第二偏向器２３２によって第一偏向器２３に入射する粒子線の進行方向と平行な軌道に戻される。偏向器用電源２４１は、第一エネルギー変更制御器２１からの指令に基づいて、エネルギー減衰素子２２の所定の厚みの部分を粒子線１が通過するように第一偏向器２３１および第二偏向器２３２を制御する。元の軌道に対して平行移動された粒子線がエネルギー変更素子２２を通過した後、第二エネルギー変更器３を通過する。その後、軌道修正用第一偏向器２３３および軌道修正用第二偏向器２３４で構成される軌道修正用偏向器２０により、偏向器２３とは逆の軌道修正を行い、軌道修正用偏向器２０から出射される粒子線１１の軌道を、第一エネルギー変更器２に入射する粒子線１の軌道の延長上の軌道に戻す。

本実施の形態３の新たな効果として、粒子線を常に、同じ角度に保ちながら、そのエネルギーのみを高速に変更することができるため、精度が高いエネルギー変更を行うことができる。また、粒子線エネルギー変更装置から出射される粒子線１１の軌道が変化しないため、照射精度の低下が防止できる。

尚、図５で図示されている実施の形態３において、第一エネルギー変更器２の構成メンバーであるエネルギー減衰素子２２および偏向器２３を、粒子線の輸送路中の粒子線の軌道と粒子線のエネルギーとの相関係数（粒子線加速器分野ではηと呼ばれる）が小さい位置に配置することが好ましい。このように配置することで、例え、第一エネルギー変更器２に入る粒子線１のエネルギーが若干変動したとしても、粒子線１の入射軌道は大きくずれることがなく、偏向器２３の制御だけによって移動後粒子線の位置が決まり、指令に対応した位置でエネルギー源衰素子２２に入射される。その結果、粒子線１のエネルギーが若干変動しても、第一エネルギー変更器２が予定通りに、粒子線１のエネルギーを変更することができる。よって、より精度の高いエネルギー変更が可能である。

実施の形態４．
図６は本発明の実施の形態４による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。図６において、図１、図４、および図５と同一符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態４は、エネルギー変更器の減衰体として水などの液体を用いた実施の形態である。第一エネルギー変更器２は、水などの液体を格納する容器２０１と、その容器の両側にある粒子線の出入り板２０２および２０３により構成されている。容器２０１と出入り板２０２および２０３で囲まれた領域が、水など粒子線を減衰させる液体で満たされている。ここで、容器２０１は、変形可能な材料で形成されている。液体厚調整器２０４が出入り板２０２と２０３の間隔を変化させることにより、粒子線が通過する領域の厚みを変化させて粒子線に与える減衰量を変更する。また、第二エネルギー変更器３も同様に、水などの液体を格納する容器３０１と、その容器の両側にある粒子線の出入り板３０２および３０３により構成され、液体厚調整器３０４が出入り板３０２と３０３の間隔を変化させる。

本実施の形態４によるエネルギー変更装置の、減衰量を変化させる動作は基本的に実施形態１と同じである。異なるところは、第一エネルギー変更器２および第二エネルギー変更器３における減衰量の変更は、ウェッジの移動ではなく、液体の厚みの変化によって得られる。第一エネルギー変更器２に対応する容器２０１の最大高さは第二エネルギー変更器３に対応する容器３０１の最大高さよりも低く、すなわち、第一エネルギー変更器２の減衰量の最大値は第二エネルギー変更器３の減衰量の最大値よりも小さく、第一エネルギー変更器２はより高速にその厚み変化が可能である。

本実施の形態４による新たな効果は、ウェッジ板よりも、小型にエネルギー変更器を構成できることである。上記では、出入り板２０２と２０３の間隔や、出入り板３０２と３０３の間隔を変化させることで、液体のエネルギー減衰体の厚みを変化させるようにした。この他、ゴムのように弾性のある容器に水などの液体を格納して、圧力を変化させることにより充填される液体の厚みを変化させて、粒子線が通過する部分の厚みを変化させるようにしても、上記と同じ効果が得られる。

実施の形態５．
図７は、この発明の実施の形態５による粒子線エネルギー変更装置を示すブロック図である。本実施の形態５は、第一エネルギー変更制御器２１および第二エネルギー変更制御器３１への指令値を作成する一実施の形態である。エネルギー変更指令部１２から、例えば粒子線１に与えるエネルギー減衰量の時間変化のデータがエネルギー変更置換制御器１００に送付される。エネルギー変更置換制御器１００は、周波数分離部１０１と指令値変換部１０２で構成されている。

図８に実施の形態５による、周波数分離部１０１のブロック図を示す。エネルギー変更指令部１２から送られてくるエネルギー減衰量目標値は、時系列に、時間に対応した目標減衰量が並べられたデータである。すなわち減衰量目標値は、例えば図８の左側に示したような時系列信号である。この減衰量目標値は、所定のエネルギーを一定時間連続して照射した後、エネルギーを変更して一定時間連続して照射する、という動作を繰り返して照射する例である。この減衰量目標値に対して、第一エネルギー変更器２と第二エネルギー変更器３の減衰量指令値を得るために、第一エネルギー変更器２と第二エネルギー変更器３の特性を考慮して以下のことを行う。

周波数分離部１０１の入力である図８の左側に示した減衰量目標値の信号を、フィルタを用いて第一エネルギー変更器２用と第二エネルギー変更器３用とに分離する。第一エネルギー変更器２は小型で高速であり、より高周波の応答特性を有するから、減衰量目標値の高周波成分を担当するようにする。第二エネルギー変更器３は大型でエネルギー変更幅大であり、より低周波の応答特性を有するから、低周波成分を担当するようにする、等である。図８は、減衰量目標値の信号を、フィルタを用いて分離することを示したものである。ここで、第一エネルギー変更器２と第二エネルギー変更器３との合計で得られる目標減衰量は、当初に計画されたものにならなければいけない。したがって、図８に示したように、ここで用いるフィルタは、相補的（Ｆ（ｓ）＋Ｇ（ｓ）＝１）なものを用いる。

図８におけるＦ（ｓ）は第二エネルギー変更器３用のフィルタでありローパスフィルタ１０３、Ｇ（ｓ）（＝１−Ｆ（ｓ））は第一エネルギー変更器２用のフィルタでありハイパスフィルタ１０４である。これらのフィルタで分離された減衰量目標値の信号が図８の右側に示す２つの信号である。またローパスフィルタ１０３のみを設けて、ハイパスフィルタを設けずに、演算器により入力信号である減衰量目標値の信号からローパスフィルタ１０３で分離した低周波成分の信号を差し引くことで高周波成分を得るようにしても良い。逆に、ハイパスフィルタのみを設けて、ローパスフィルタを設けずに、入力信号である減衰量目標値の信号からハイパスフィルタで分離した高周波成分の信号を差し引くことにより低周波成分を得るようにしても良い。

指令値変換部１０２では、それぞれのエネルギー変更器による減衰量がそれぞれの減衰量目標値の指令値になるように、それぞれのエネルギー変更器の駆動手段に対応した指令値として出力し、第一エネルギー変更器２および第二エネルギー変更器３を制御する。以上のように構成することで、エネルギー変更指令部１２から送られてくる減衰量目標値の時系列変化のデータから、自動的に第一エネルギー変更器２および第二エネルギー変更器３を制御するための信号を作成することができ、構成が簡単になる。

実施の形態６．
図９は本発明の粒子線エネルギー変更装置を用いた粒子線治療装置の構成を示すブロック図である。加速器５１から出射された粒子線１は、粒子線輸送系５２を通って粒子線エネルギー変更装置５０によりエネルギーを変更される。エネルギーを変更された粒子線１１は、粒子線照射装置５３により被照射体５５に照射される。ここで、被照射体５５は癌など人間の患部であり、加速器５１、粒子線エネルギー変更装置５０、粒子線照射装置５３などが治療計画装置５４からの指示により制御されて、患部の形状に合わせて３次元の領域に粒子線の線量分布を形成する。

被照射体５５に照射される粒子線のエネルギーを変えると、ブラッグピークの位置が変化することから、粒子線のエネルギーを変化させて被照射体５５に照射することにより、３次元の領域に計画した線量分布を形成することができる。このエネルギー変更は粒子線エネルギー変更装置５０のエネルギー変更動作で実現される。具体的に、実施の形態１から実施の形態５のいずれかの粒子線エネルギー変更装置を用いて、粒子線のエネルギーを変化させて、被照射体５５に照射する。本発明の粒子線エネルギー変更装置を用いることで、粒子線のエネルギーを低騒音で、高速に変化させることができるので、静かで照射時間が短い粒子線治療装置が得られる。

実施の形態７．
粒子線治療装置などでは、照射中に標的が呼吸運動などに伴って周期的に動く場合がある。その際、計画で照射予定されていた標的の所定位置に粒子線を正確に照射するには、計画したエネルギー値から少しずらし、補正したエネルギーの粒子線を照射する場合がある。また、呼吸運動は一定期間内では、周期的な再現がある。このため、粒子線のエネルギーを、この周期的な呼吸運動に同期して変調することで、粒子線を計画したとおりに所定の患部位置に照射することが可能になる。本実施の形態７では、実施の形態１から実施の形態５で説明した置換制御に加えて、相対的に動きが速い第一エネルギー変更器２に対して、上記周期的な運動に同期してエネルギーを補正するための減衰量の変化を重畳する制御を行う。これにより、患部に周期的な位置変動がある場合でも、精度よく粒子線を計画通りの位置に照射できる効果が得られる。

また、粒子線のエネルギー自身が予測可能な変動を有する場合がある。予測可能な変動の例として、例えば加速器から出射される粒子線エネルギーの周期的な変動がある。実施の形態１から実施の形態５で説明した置換制御に加えて、相対的に動きが速い第一エネルギー変更器２に対して、上記した予測可能なエネルギー変動を補正してエネルギー変動を減少させるように減衰量の変化を重畳する制御を行う。これにより、粒子線の予測可能なエネルギー変動に影響されることがなく、計画したとおりに粒子線を患部などに照射することが可能になる。その結果、より精度が高い照射ができる効果がある。

以上のように、粒子線エネルギーの補正が必要な場合、この補正を、より高速に減衰量の変更ができる第一エネルギー変更器２により行うことで、精度の高い照射が可能となる。

１：粒子線 ２：第一エネルギー変更器
３：第二エネルギー変更器
１０、１００：エネルギー変更置換制御器
１１：エネルギー変更後の粒子線 １２：エネルギー変更指令部
１０１：周波数分離部

本発明に係る粒子線エネルギー変更装置は、粒子線のエネルギーを減衰させる減衰体の厚みを変化させることにより、通過する粒子線のエネルギーを変更する第一エネルギー変更器および第二エネルギー変更器が、粒子線が第一エネルギー変更器と第二エネルギー変更器とを通過するよう配置されるとともに、第一エネルギー変更器の減衰量の最大値を、第二エネルギー変更器の減衰量の最大値よりも小さく設定した粒子線エネルギー変更装置において、粒子線のエネルギーを変更する制御時には少なくとも第一エネルギー変更器の減衰量を変化させて粒子線のエネルギーを変更する制御を行い、粒子線エネルギー変更装置を通過後の粒子線のエネルギーが一定となる制御時には、第一エネルギー変更器の減衰量を変化させるとともに、第二エネルギー変更器の減衰量を変化させて、第一エネルギー変更器の減衰量と第二エネルギー変更器の減衰量との合計の減衰量が変化しないように、第一エネルギー変更器の減衰量と第二エネルギー変更器の減衰量との間で相互に減衰量を置換する置換制御を行うようにしたものである。

本発明の実施の形態１による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による粒子線エネルギー変更装置の動作を説明する線図である。 本発明の実施の形態１による粒子線エネルギー変更装置の別の動作を説明する線図である。 本発明の実施の形態２による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態５による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態５による粒子線エネルギー変更装置の周波数分離部の構成と動作を示す図である。 本発明の粒子線エネルギー変更装置を用いた実施の形態６による粒子線治療装置の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。図１において、１は粒子線加速器（図示せず）から得られる所定の粒子エネルギーを有する粒子線を示し、２は第一エネルギー変更器、３は第二エネルギー変更器、２１は第一エネルギー変更器２を制御する第一エネルギー変更制御器、３１は第二エネルギー変更器３を制御する第二エネルギー変更制御器を示す。また、１０は上記第一エネルギー変更制御器２１及び第二エネルギー変更制御器３１に指令を出すエネルギー変更置換制御器である。エネルギー変更置換制御器１０は、エネルギー変更指令部１２からの信号により、第一エネルギー変更制御器２１および第二エネルギー変更制御器３１に指令を出す。

実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３による粒子線エネルギー変更装置の構成を示すブロック図である。図５において、図１および図４と同じ符号は同一または相当する部分を示す。本実施の形態３は、実施の形態２に比較して、偏向器２３が粒子線の軌道を平行移動させるように構成されている点で異なる。すなわち、第一偏向器２３１に入射した粒子線１が進行方向を変更させられる。その後、粒子線の軌道は、第二偏向器２３２によって偏向器２３に入射する粒子線の進行方向と平行な軌道に戻される。偏向器用電源２４１は、第一エネルギー変更制御器２１からの指令に基づいて、エネルギー減衰素子２２の所定の厚みの部分を粒子線１が通過するように第一偏向器２３１および第二偏向器２３２を制御する。元の軌道に対して平行移動された粒子線がエネルギー変更素子２２を通過した後、第二エネルギー変更器３を通過する。その後、軌道修正用第一偏向器２３３および軌道修正用第二偏向器２３４で構成される軌道修正用偏向器２０により、偏向器２３とは逆の軌道修正を行い、軌道修正用偏向器２０から出射される粒子線１１の軌道を、第一エネルギー変更器２に入射する粒子線１の軌道の延長上の軌道に戻す。

実施の形態７．
粒子線治療装置などでは、照射中に標的が呼吸運動などに伴って周期的に動く場合がある。その際、計画で照射予定されていた標的の所定位置に粒子線を正確に照射するには、計画したエネルギー値から少しずらし、補正したエネルギーの粒子線を照射する場合がある。また、呼吸運動は一定期間内では、周期的な再現がある。このため、粒子線のエネルギーを、この周期的な呼吸運動に同期して変調することで、粒子線を計画したとおりに所定の患部位置に照射することが可能になる。本実施の形態７では、実施の形態１から実施の形態５で説明した置換制御に加えて、相対的に動きが速い第一エネルギー変更器２に対して、上記周期的な運動に同期してエネルギーを補正するための減衰量の変化を重畳する制御を行う。これにより、患部に周期的な位置変動がある場合でも、精度よく粒子線を計画通りの位置に照射できる効果が得られる。

Claims (7)

1. 粒子線のエネルギーを減衰させる減衰体の厚みを変化させることにより、通過する粒子線のエネルギーを変更する第一エネルギー変更器および第二エネルギー変更器が、上記粒子線が上記第一エネルギー変更器と上記第二エネルギー変更器とを通過するよう配置されるとともに、上記第一エネルギー変更器の減衰量の最大値を、上記第二エネルギー変更器の減衰量の最大値よりも小さく設定したことを特徴とする粒子線エネルギー変更装置。
2. 上記第一エネルギー変更器の減衰量を変化させる速度の最大値は、上記第二エネルギー変更器の減衰量を変化させる速度の最大値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の粒子線エネルギー変更装置。
3. 上記粒子線のエネルギーを変更する制御時には少なくとも上記第一エネルギー変更器の減衰量を変化させて上記粒子線のエネルギーを変更する制御を行い、
   当該粒子線エネルギー変更装置を通過後の上記粒子線のエネルギーが一定となる制御時には、上記第一エネルギー変更器の減衰量を変化させるとともに、上記第二エネルギー変更器の減衰量を変化させて、上記第一エネルギー変更器の減衰量と上記第二エネルギー変更器の減衰量との合計の減衰量が変化しないように、上記第一エネルギー変更器の減衰量と上記第二エネルギー変更器の減衰量との間で相互に減衰量を置換する置換制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の粒子線エネルギー変更装置。
4. 上記粒子線に与える減衰量目標値は時系列減衰量目標値データで与えられ、
   上記時系列減衰量目標値データを周波数分離した二つのデータを基に、上記第一エネルギー変更器と上記第二エネルギー変更器の指令値を生成することを特徴とする請求項１に記載の粒子線エネルギー変更装置。
5. 上記粒子線のエネルギーの補正を、上記第一エネルギー変更器の減衰量を変更することにより行うことを特徴とする請求項１に記載の粒子線エネルギー変更装置。
6. 請求項１から請求項５いずれか１項に記載の粒子線エネルギー変更装置を備えたことを特徴とする粒子線治療装置。
7. 粒子線のエネルギーを減衰させる減衰体の厚みを変化させることにより、通過する粒子線のエネルギーを変化させる第一エネルギー変更器と、この第一エネルギー変更器の減衰量の最大値よりも減衰量の最大値が大きい第二エネルギー変更器とを用いて粒子線のエネルギーを変更する粒子線エネルギー変更方法であって、
   上記粒子線のエネルギーを変更する制御時には少なくとも上記第一エネルギー変更器の減衰量を変化させて上記粒子線のエネルギーを変更し、
   上記第一エネルギー変更器と上記第二エネルギー変更器とを通過後の上記粒子線のエネルギーが一定となる制御時には、上記第一エネルギー変更器の減衰量を変化させるとともに、上記第二エネルギー変更器の減衰量を変化させて、上記第一エネルギー変更器の減衰量と上記第二エネルギー変更器の減衰量との合計の減衰量が変化しないように、上記第一エネルギー変更器の減衰量と上記第二エネルギー変更器の減衰量との間で相互に減衰量を置換することを特徴とする粒子線エネルギー変更方法。

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