JPWO2016038731A1 - ビーム輸送系及び粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ビームサイズを不要に大きくすることなく、端部の粒子数の変化が緩やかな分布の荷電粒子ビームを輸送することを目的とする。ビーム輸送系(30)が備えたビーム整形装置(10)は、荷電粒子ビームの進行方向に垂直で、ビームの中心から急端部を通過する方向をｘ方向とし、ビームにおける荷電粒子のｘ方向の進行方向に対する傾きであるｘ角度成分(ｘ’)の分布幅を小さくする前段四極電磁石(3)と、前段四極電磁石(3)を通過したビームにおけるｘ角度成分(ｘ’)の粒子数分布の端部形状を緩やかにするペナンブラ拡大器(1)と、ペナンブラ拡大器(1)を通過したビームのｘ方向の位相空間分布におけるベータトロン位相を調整する後段四極電磁石(4)と、を備え、後段四極電磁石(4)は、ペナンブラ拡大器(1)からアイソセンタ(IC)へのベータトロン位相の位相進み角度を、９０度の奇数倍±４５度の範囲に調整することを特徴とする。

Description

本発明は、陽子や重粒子などの荷電粒子からなる荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系及び、輸送された荷電粒子ビームを物体、人体等の被照射体に照射する粒子線治療装置に関するものである。

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荷電粒子ビーム輸送系と、ビーム輸送系の下流側に設置され、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。

加速器であるシンクロトロンから共鳴出射を用いてビームを取り出す場合や、加速器であるサイクロトロンからビームを取り出し、ビーム輸送系にコリメータを設ける場合には、ビームの断面方向の粒子分布が例えば矩形のような端部で急激に荷電粒子数が減少する形状になる。スポットスキャニング照射方式やラスタースキャニング照射方式のように、ビームを走査して照射野を形成する場合、図２、図３に示すように、線量分布の端部で急激に荷電粒子数が減少する場合には、次のような問題が生じる。図２、図３はビーム位置ずれとロバスト性を説明する図である。図２は粒子線分布の端部が緩やかな場合であり、図３は粒子線分布の端部が急峻に変化する場合である。図２、図３において、横軸は照射対象におけるビームの走査方向Ｘであり、縦軸は線量（荷電粒子数）である。破線で示した線量分布８１、８６は、スポットスキャニング照射方式における１つの照射位置のものである。図３の線量分布８７、８８は、ビーム形状、ビーム照射位置が計画通りであり、ビーム照射位置ずれがない場合である。図３の線量分布８９、９０は、ビーム形状、ビーム照射位置が計画通りでなく、ビーム照射位置ずれが生じた場合である。図３の線量分布８７、８９は照射位置毎の線量分布であり、図３の線量分布８８、９０は照射野全体の積算された線量分布である。図３のように端部で急峻に変化する線量分布をもつビームを照射する場合、ビーム形状、ビーム照射位置のずれに対して、形成される照射野における線量分布９０の平坦度が大きく悪化する。

これに対して、図２に示しように、ガウス分布のような端部の荷電粒子数の変化が緩やかな分布の場合には、照射野における線量分布８５の平坦度を図３よりもよくすることが可能である。図２の線量分布８２、８３は、図３と同様にビーム形状、ビーム照射位置が計画通りであり、ビーム照射位置ずれがない場合である。図２の線量分布８４、８５は、図３と同様にビーム形状、ビーム照射位置が計画通りでなく、ビーム照射位置ずれが生じた場合である。図２の線量分布８２、８４は照射位置毎の線量分布であり、図２の線量分布８３、８５は照射野全体の積算された線量分布である。図２に示しように、ガウス分布のような端部の荷電粒子数の変化が緩やかな分布をもつビームを照射する場合、ビーム形状、ビーム照射位置のずれに対して、形成される照射野における線量分布８５の平坦度が図３の線量分布９０に比べてよくなる。

ビームを走査して照射野を形成する場合、線量分布の端部で急激に荷電粒子数が減少すると照射位置、ビーム形状の変化、照射位置のずれに対するロバスト性が失われ、線量分布の平坦な照射野の形成が困難になる。線量分布の端部で急激に荷電粒子数が減少する場合には、例えば、０．１ｍｍ以下の照射位置、ビームサイズの制御が必要になる。

特許文献１には、線量分布の端部で急激に荷電粒子数が減少する場合に相当する、Ｘ方向、Ｙ方向のエミッタンス楕円が非対称な荷電粒子分布を、Ｘ方向、Ｙ方向ともにガウス分布に変更する荷電粒子照射装置が記載されている。特許文献１の荷電粒子照射装置は、加速器から照射部に至るビーム輸送系に、４つの四極電磁石からなる上流側電磁石と、その下流に設けられた散乱体と、その下流に設けられた４つの四極電磁石からなる下流側電磁石を備えている。特許文献１の荷電粒子照射装置では、Ｘ、Ｙ方向のエミッタンス楕円において非対称なビームが上流側電磁石によりエミッタンス楕円の位置成分Ｘ、Ｙが同一にされ、散乱体によりＹ方向の角度成分を多重散乱により拡大してＸ、Ｙ方向のエミッタンスを同一にしている。その後、下流側電磁石によりＸ、Ｙ方向のエミッタンスを調整することにより、所望のビーム径に調整している。

特許第４６３９４０１号公報（００２０段、００４４段〜００４６段、図１、図７）

ガウス分布のように端部の粒子数の変化が緩やかな分布を得るために、特許文献１のような散乱体を用いて分布形状を変更する場合に、特許文献１では、分布を変更する散乱体に進入するビームの実空間形状を、小さいｙ方向のビームサイズが大きいｘ方向のビームサイズに同一にするように変更している。しかしながら、進入するビームの実空間形状を最適化していないので、エミッタンスの小さいなｘ方向の角度成分ｘ’を大きく拡大するには、散乱角の大きな散乱体を用いる必要があった。特許文献１では、エミッタンスを大きく拡大するので、例えば、高精度スキャニング照射に必要な５ｍｍ以下のようにサイズが小さく、分布の端部の荷電粒子数変化が緩やかなビームを照射することが困難であった。さらに、特許文献１では、エミッタンスの増大が非常に大きいため、散乱体から照射位置までの区間でのビーム輸送においてもビームサイズの増大も非常に大きくなるので、これを避けるために照射位置から離れた位置に散乱体を配置することが困難である。散乱体が照射位置から近い場合には、散乱体から生じる中性子による不要な被曝、機器設置スペースの確保のための装置サイズの増大が問題になる。

また、ビーム断面方向における一方のみの端部の荷電粒子数変化が急峻であり、照射位置における分布形状を通常の等方性散乱体により端部の粒子数の変化が緩やかにするように最適化しようとする場合には、特許文献１の方法では、散乱体通過後の角度方向の分布形状に対する通過前の分布形状を無視できるようにする必要があるため、散乱角の非常に大きな散乱体を用いる必要があり、分布を変化させる必要のない方向の分布も大きく増大させていた。

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、ビームサイズを不要に大きくすることなく、端部の粒子数の変化が緩やかな分布の荷電粒子ビームに整形するビーム整形装置を備えたビーム輸送系を得ることを第１の目的とする。また、照射位置から離れた位置に配置可能なビーム整形装置を備えたビーム輸送系を得ることを第２の目的とする。

本発明に係るビーム輸送系は、ビーム断面方向の端部において粒子数の変化が急峻な急端部を有する荷電粒子ビームの分布形状を緩やかに整形するビーム整形装置を備え、照射位置の基準であるアイソセンタを含むように位置決めされた照射対象へ荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系である。ビーム輸送系のビーム整形装置は、荷電粒子ビームの進行方向に垂直で、荷電粒子ビームの中心から急端部を通過する方向をｘ方向とし、荷電粒子ビームを構成する荷電粒子における進行方向に対する傾きを角度成分とし、荷電粒子ビームにおけるｘ方向の角度成分であるｘ角度成分の分布幅を小さくする前段四極電磁石と、前段四極電磁石を通過した荷電粒子ビームにおけるｘ角度成分の粒子数分布の端部形状を緩やかにするペナンブラ拡大器と、ペナンブラ拡大器を通過した荷電粒子ビームのｘ方向の位相空間分布におけるベータトロン位相を調整する後段四極電磁石と、を備え、後段四極電磁石は、ペナンブラ拡大器からアイソセンタへのベータトロン位相の位相進み角度を、９０度の奇数倍±４５度の範囲に調整することを特徴とする。

本発明に係るビーム輸送系は、ペナンブラ拡大器に入力される荷電粒子ビームのｘ方向の角度成分の分布幅を小さくした後に、ペナンブラ拡大器により端部形状を緩やかにし、アイソセンタへのベータトロン位相の位相進み角度を調整するので、ビームサイズを不要に大きくすることなく、端部の粒子数の変化が緩やかな分布の荷電粒子ビームを輸送することができる。

本発明の実施の形態１によるビーム輸送系を示す図である。 ビーム位置ずれとロバスト性を説明する図である。 ビーム位置ずれとロバスト性を説明する図である。 図１のビーム輸送系におけるビーム輸送の概念を説明する図である。 図１の後段四極電磁石によるベータトロン位相の変化を説明する図である。 ペナンブラ拡大器の通過前後における位相空間分布変化を説明する図である。 ペナンブラ拡大器の通過前後における位相空間分布変化を説明する図である。 図１のペナンブラ拡大器に入力されるビームのｘ方向における規格化位相空間分布を示す図である。 図８における実空間方向の粒子数分布を示す図である。 図８における角度方向の粒子数分布を示す図である。 図１のペナンブラ拡大器を通過したビームのｘ方向における規格化位相空間分布を示す図である。 図１１における実空間方向の粒子数分布を示す図である。 図１１における角度方向の粒子数分布を示す図である。 図１のアイソセンタにおけるｘ方向の規格化位相空間分布を示す図である。 図１４における実空間方向の粒子数分布を示す図である。 図１４における角度方向の粒子数分布を示す図である。 図１のペナンブラ拡大器に入力されるビームの実空間分布を示す図である。 図１のペナンブラ拡大器を通過したビームの実空間分布を示す図である。 図１のアイソセンタにおけるビームの実空間分布を示す図である。 本発明の実施の形態２によるビーム輸送系を示す図である。 図２０のビーム輸送系におけるビーム輸送のビーム幅を示す図である。 図２０のペナンブラ拡大器に入力されるビームのｙ方向における規格化位相空間分布を示す図である。 図２２における実空間方向の粒子数分布を示す図である。 図２２における角度方向の粒子数分布を示す図である。 図２０のペナンブラ拡大器を通過したビームのｙ方向における規格化位相空間分布を示す図である。 図２５における実空間方向の粒子数分布を示す図である。 図２５における角度方向の粒子数分布を示す図である。 図２０のアイソセンタにおけるｙ方向の規格化位相空間分布を示す図である。 図２８における実空間方向の粒子数分布を示す図である。 図２８における角度方向の粒子数分布を示す図である。 本発明の実施の形態３によるビーム輸送系を示す図である。 本発明の実施の形態４によるビーム輸送系を示す図である。 本発明の実施の形態５によるペナンブラ拡大器を示す図である。 図３３のペナンブラ拡大器における電場分布を示す図である。 本発明の実施の形態５による他のペナンブラ拡大器を示す図である。 図３５のペナンブラ拡大器における磁場分布を示す図である。 本発明の実施の形態６による粒子線治療装置の概略構成図である。 図３７の粒子線照射装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態７による粒子線治療装置の概略構成図である。

実施の形態１．
ここでは、ビームの断面方向（ビーム進行方向に対して垂直な方向）の粒子分布における一方向（ｘ方向）の端部は例えば矩形のように急激に荷電粒子数が減少する形状になっており、他方向（ｙ方向）の端部は荷電粒子数が緩やかに減少する形状になって場合を想定している。ビーム断面方向の端部において粒子数の変化が急峻な部分は、急端部である。図１は本発明の実施の形態１によるビーム輸送系を示す図である。図４は図１のビーム輸送系におけるビーム輸送の概念を説明する図であり、図５は図１の後段四極電磁石によるベータトロン位相の変化を説明する図である。図６、図７はペナンブラ拡大器の通過前後における位相空間分布変化を説明する図である。ビーム発生装置で発生及び加速された荷電粒子ビームを粒子線照射装置に輸送するビーム輸送系３０は、ビーム整形装置１０を備える。ビーム整形装置１０は、１ショットの荷電粒子ビームにおける線量分布の端部形状を緩やかにするペナンブラ拡大器１と、ペナンブラ拡大器１の上流側に配置された前段四極電磁石３と、ペナンブラ拡大器１の下流側に配置された後段四極電磁石４を備える。荷電粒子ビームは、ビーム輸送系のビーム経路９に沿ってビーム照射位置の基準であるアイソセンタＩＣに導かれる。ビーム輸送系３０は、アイソセンタＩＣを含むように位置決めされた照射対象へ荷電粒子ビームを輸送する。ペナンブラは、図２の線量分布８１のような荷電粒子ビームの線量分布（粒子数分布）における最大値の２０％から８０％までの幅であり、ペナンブラの値が大きいほど線量分布の端部形状が緩やかになっている。ペナンブラ拡大器１は、線量分布の端部形状が急峻で非常に小さなペナンブラの値を大きい値に拡大する。

前段四極電磁石３は少なくとも２つの四極電磁石２を備え、後段四極電磁石４は少なくとも２つの四極電磁石２を備える。ペナンブラ拡大器１は、例えば散乱体６である。散乱体６には、その厚さが０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度のアルミニウムを用いる。前段四極電磁石３は、１ショットの荷電粒子ビームにおける線量分布の端部形状、すなわち１ショットの荷電粒子ビームにおける端部の粒子数変化を緩やかにしたい方向の角度成分の分布を絞るためのものである。後段四極電磁石４は、散乱体６と散乱体６の下流にあるビーム照射位置であるアイソセンタＩＣとの間のベータトロン位相の進みを調整するものであり、例えば９０度の奇数倍になるようにするためのものである。角度成分は、位相空間分布におけるビームの進行方向ｓに対する傾きである。すなわち、ｘ方向の角度成分はｘ’（ｄｘ／ｄｓ）であり、ｙ方向の角度成分はｙ’（ｄｙ／ｄｓ）である。ｘ方向、ｙ方向はビームの進行方向ｓに垂直であり、ｘ方向、ｙ方向は互いに垂直である。

ビーム整形装置１０を用いたビーム輸送の概念を、図４を用いて説明する。１ショットの荷電粒子ビームにおける端部の粒子数変化を緩やかにしたい方向を、ｘとして説明する。図４の位相空間分布７２は、前段四極電磁石３により整形された位相空間分布、すなわち散乱体６の入口側の位相空間分布である。図４の位相空間分布７３は、散乱体６により整形された位相空間分布、すなわち散乱体６の出口側の位相空間分布である。図４の位相空間分布７４は、後段四極電磁石４によりベータトロン位相が調整された位相空間分布、すなわちアイソセンタＩＣにおける位相空間分布である。図４の３つの位相空間分布は、実空間成分ｘ、角度成分ｘ’ともに、規格化されており、ある値からの相対値で示してある。実空間成分ｘ、角度成分ｘ’は、適宜、単にｘ成分、ｘ’成分と呼ぶ。前段四極電磁石３を用いて、１ショットの荷電粒子ビームにおける線量分布の端部形状を緩やかにしたい方向の角度成分ｘ’の分布を、位相空間分布７２のように分布広がりである分布幅をできるだけ小さくなるように絞る。角度成分ｘ’の分布幅は、散乱体６の位置において四極電磁石２のパラメータ変更によって極小にすることが望ましい。

ペナンブラ拡大器１である散乱体６を用いて、角度成分ｘ’の分布を位相空間分布７３のように大きくする。散乱体６の下流の後段四極電磁石４を用いて、アイソセンタＩＣにおける位相空間分布の実空間方向ｘの分布に、散乱体６によって変化が緩やかになった角度成分ｘ’の分布が現れるようにベータトロン位相を制御する。図５は、図１の後段四極電磁石によるベータトロン位相の変化を説明する図である。位相空間分布９２は後段四極電磁石４の上流側（入口側）の位相空間分布の一例であり、位相空間分布９１は後段四極電磁石４の下流側（出口側）の位相空間分布の一例である。位相空間分布９１は、位相空間分布９２よりもΔφだけベータトロン位相が進んでいる。

後段四極電磁石４の四極電磁石２により、ベータトロン位相が調整されるとともに、位相空間分布におけるｘ方向の実空間成分であるビーム幅が所定の大きさに整形される。以上のように、ビーム整形装置１０を備えたビーム輸送系は、ビーム整形装置１０により照射位置（アイソセンタＩＣ）に端部の粒子数変化が緩やかな実空間分布を持つビームを供給することができる。なお、図４の位相空間分布７４は、位相空間分布７３のベータトロン位相を９０度の奇数倍に進めた例である。ベータトロン位相進みが０度や１８０度の場合は、実空間分布における端部の粒子数変化は急峻のままになっており、ベータトロン位相進みの角度が９０度や２７０度に近づくほど実空間分布における端部の粒子数変化が緩やかになる。ベータトロン位相進みの角度が９０度や２７０度の場合は、実空間分布における左右のペナンブラがほぼ均等で、かつ中央に平坦部のない形状にでき、すなわち実空間分布をガウス分布形状に近づけることができる。つまり、ベータトロン位相を９０度の奇数倍に進めた場合は、実空間分布における左右のペナンブラをほぼ均等で、かつ中央に平坦部のない形状にでき、すなわち実空間分布をガウス分布形状に近づけることができる。ベータトロン位相を進める角度は、基準角度を９０度とし、基準角度の奇数倍が最もよいが、９０度（基準角度）の奇数倍±４５度の範囲でもよい。

散乱体６への入力前に位相空間分布の角度成分ｘ’を極小化する理由を説明する。図６、図７は、ペナンブラ拡大器の通過前後における位相空間分布変化を説明する図である。図６は角度成分ｘ’が大きいビームを散乱体６に入力する場合であり、図７は角度成分ｘ’が小さいビームを散乱体６に入力する場合である。角度方向特性９３、９６は散乱体６に入力されるビームの角度方向特性であり、縦軸が角度成分ｘ’であり、横軸がビームの荷電粒子数ｃである。角度成分変化作用９４は、角度成分ｘ’を緩やかにする散乱体６の作用を表現したものであり、縦軸が角度成分ｘ’であり、横軸がビームの荷電粒子数ｃである。角度方向特性９５、９７は散乱体６を通過したビームの角度方向特性であり、縦軸が角度成分ｘ’であり、横軸がビームの荷電粒子数ｃである。図６では、角度方向特性９３の矩形分布に角度成分変化作用９４のガウス分布が畳み込まれて、ペナンブラのある分布である角度方向特性９５になることを示している。図７では、角度方向特性９６の矩形分布に角度成分変化作用９４のガウス分布が畳み込まれて、ペナンブラのある分布である角度方向特性９７になることを示している。なお、図６、７では、前述したような畳み込みを表現するために、＊を使用した。

散乱体６が０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度に薄い場合には、散乱体６を通過した分布、すなわち散乱後の分布は、散乱体６の角度成分変化作用９４を畳み込んだ結果となる。図７のように、散乱前の角度成分ｘ’の広がりが、散乱体６の角度成分変化作用９４よりも十分に小さい場合、散乱後の角度成分ｘ’の分布形状は角度成分変化作用９４による広がりが支配的となる。これに対して、図６のように、散乱前の角度成分ｘ’の広がりが角度成分変化作用９４よりも十分に大きい場合は、角度成分ｘ’の最大値及び最小値の部分が緩やかになるので、散乱前後の角度成分ｘ’の分布形状の変化割合は、図７に比べて小さい。本発明では、図４の位相空間分布７２のように、散乱前の角度成分ｘ’の広がりが散乱体６の角度成分変化作用９４よりも小さくすることで、散乱体６による角度成分ｘ’分布の変化を最大にすることができる。散乱体６に入力するビームの角度成分ｘ’を極小化することにより、散乱体６による角度方向分布の変化作用が小さいものでも十分なペナンブラ拡大効果が得られる。すなわち、十分なペナンブラ拡大効果を得ながら、散乱体６の厚さを薄くできる。散乱体６の厚さが薄いので、散乱体６によるビームエネルギーの変化（エネルギー低下）を最小限にすることができる。

特許分文献１の場合は、散乱体の直前でｘ方向及びｙ方向の実空間方向ビームサイズが一致するような位相空間分布にし、かつ散乱前の角度方向の分布形状に対して十分に大きな散乱作用を与えることで、散乱後の分布形状に対する散乱前の分布形状の影響をなくし、分布形状の方向依存性を打ち消している。すなわち、特許分文献１の場合は、散乱体の散乱作用が大きいものが必要であり、面積が広くかつ厚さが厚くなり、散乱体によるエネルギー低下が大きくなってしまう。特許分文献１の場合と異なり、本発明の実施の形態１のビーム整形装置１０は、散乱前の角度成分ｘ’の広がりが散乱体６の角度成分変化作用９４よりも小さくすることで、薄い散乱体であっても散乱体６による角度成分ｘ’分布の変化作用を十分に利用できる。本発明の実施の形態１のビーム整形装置１０は、特許分文献１の場合と異なり、散乱体６の厚さが薄いので、散乱体６によるビームエネルギーの変化（エネルギー低下）を最小限にすることができる。

１ショットの荷電粒子ビームにおける端部の粒子数変化を緩やかに変化させる必要の無い方向、例えばｙ方向について説明する。端部の粒子数変化を緩やかに変化させる必要の無いｙ方向は、端部において既に粒子数変化が緩やかになっているので、前述した処理は行わない。しかし、散乱体６によって角度成分ｘ’分布が広がるように、散乱体６によって角度成分ｙ’分布も広がるので、ｙ方向のビームサイズの増大を防ぎたい場合がある。この場合は、散乱体６の位置において角度方向の広がり、すなわち角度成分ｙ’が大きくなるように、位相分布を回転することで散乱体６通過前後のエミッタンス（位相空間分布における面積）の変化を小さくし、ビームサイズの増大を防ぐことができる。

次に、図１のビーム整形装置１０によるビームの位相空間分布と実空間分布の例を示す。これから示す分布例は、ペナンブラ拡大器１である散乱体６の入口及び出口と、アイソセンタにおける分布例である。ビーム整形装置１０によりｘ方向のみビーム形状の整形を行うので、ビームの位相空間分布は、ｘ方向のみ示す。図８は、図１のペナンブラ拡大器に入力されるビームのｘ方向における規格化位相空間分布である。図９は図８における実空間方向の粒子数分布を示す図であり、図１０は図８における角度方向の粒子数分布を示す図である。図１１は、図１のペナンブラ拡大器を通過したビームのｘ方向における規格化位相空間分布を示す図である。図１２は図１１における実空間方向の粒子数分布を示す図であり、図１３は図１１における角度方向の粒子数分布を示す図である。図１４は、図１のアイソセンタにおけるｘ方向の規格化位相空間分布を示す図である。図１５は図１４における実空間方向の粒子数分布を示す図であり、図１６は図１４における角度方向の粒子数分布を示す図である。図１７は図１のペナンブラ拡大器に入力されるビームの実空間分布を示す図であり、図１８は図１のペナンブラ拡大器を通過したビームの実空間分布を示す図である。図１９は、図１のアイソセンタにおけるビームの実空間分布を示す図である。図８〜図１９では、アイソセンタＩＣにおいて、ｘ方向のビームサイズとｙ方向のビームサイズとがほぼ等しくなる例を示した。

まず、図１７〜図１９を用いて、ビームサイズについて説明する。図１７〜図１９において、横軸はｘ方向の長さ（ｍｍ）であり、縦軸はｙ方向の長さ（ｍｍ）である。散乱体６の入口において、図１７の実空間分布２４のようにｘ方向の粒子分布がｙ方向の粒子分布よりも長くなっている。ｘ方向の粒子分布では、端部において粒子数変化が急峻になっている。ｙ方向の粒子分布では、端部において白黒が混在しており、粒子数変化が緩やかになっている。散乱体６の出口において、図１８の実空間分布２５のように、ｘ方向の粒子分布、ｙ方向の粒子分布のいずれにおいても、図１７の分布とほとんど変わらない。アイソセンタＩＣにおいて、前述したようにｘ方向の位相分布のベータトロン位相を９０度の奇数倍に進めたことにより、図１９の実空間分布２６のように、ｘ方向の粒子分布において粒子数変化が緩やかになっている。また、アイソセンタＩＣにおいて、図１９の実空間分布２６のように、ｙ方向の粒子分布においても粒子数変化が緩やかになっている。なお、ビームの実空間分布は、ビームの断面方向の粒子分布である。

図８、図１１、図１４において、横軸は規格化された実空間成分ｘであり、縦軸は規格化された角度成分ｘ’である。図９、図１２、図１５において、横軸は規格化された実空間成分ｘであり、縦軸は規格化された粒子数（ｃ／ｂｉｎ）である。ｂｉｎはビン幅であり、ここでは０．０４ｍｍである。図１０、図１３、図１６において、横軸は規格化された粒子数（ｃ／ｂｉｎ）であり、縦軸は規格化された角度成分ｘ’である。散乱体６の入口において、１ショットの荷電粒子ビームにおける線量分布の端部形状を緩やかにしたい方向の角度成分ｘ’の分布は、図８の位相空間分布１５のように、前段四極電磁石３により分布幅をできるだけ小さくなるように絞られる。角度成分ｘ’の分布幅は、例えば、散乱体６の位置において四極電磁石２のパラメータ変更によって極小にする。図９の実空間方向特性１６のように、位相空間分布１５の実空間成分ｘにおける端部の粒子数変化は急峻に変化しており、実空間成分ｘにおける中間部の粒子数は一定である。図１０の角度方向特性１７のように、位相空間分布１５の角度成分ｘ’における端部の粒子数変化は急峻に変化しており、角度成分ｘ’における中間部の粒子数は一定である。

散乱体６の出口において、１ショットの荷電粒子ビームにおける線量分布の端部形状を緩やかにしたい方向の角度成分ｘ’の分布は、図１１の位相空間分布１８のように、散乱体６により分布幅が広げられる。図１２の実空間方向特性１９は、図９の実空間方向特性１６と同様に、位相空間分布１８の実空間成分ｘにおける端部の粒子数変化は急峻に変化しており、実空間成分ｘにおける中間部の粒子数は一定である。図１３の角度方向特性２０は、散乱体６により中心（ｘ’＝０の位置）から端部まで粒子数が緩やかに変化している。散乱体６は、図１２、図１３に示すように、位相空間分布における角度成分ｘ’のみ粒子数分布を緩やかに変化させている。実施の形態１では、散乱体６の入口において、荷電粒子ビームの位相空間分布における角度成分ｘ’を図８のように十分に小さくしているので、散乱体６の出口において、荷電粒子ビームの位相空間分布における角度成分ｘ’は、図１３のように中間部において粒子数が一定になっている部分を無くすことができる。

アイソセンタＩＣにおいて、１ショットの荷電粒子ビームにおける線量分布の端部形状を緩やかにしたい方向の実空間成分ｘの分布は、図１４の位相空間分布２１のように、後段四極電磁石４によりベータトロン位相が９０度の奇数倍になるように調整され、実空間方向の端部において白黒が混在しており、粒子数変化が緩やかになっている。図１５の実空間方向特性２２は、後段四極電磁石４により図１３の角度方向特性２０の分布形状と同様に、中心（ｘ＝０の位置）から端部まで粒子数が緩やかに変化している。図１６の角度方向特性２３は、後段四極電磁石４により図１２の実空間方向特性１９の分布形状と同様に、位相空間分布２１における角度方向の端部における角度成分ｘ’の粒子数変化は急峻に変化しており、中間部における角度成分ｘ’の粒子数は一定である。

以上のように、実施の形態１のビーム輸送系３０は、ビーム断面方向の端部において粒子数の変化が急峻な急端部を有する荷電粒子ビームの分布形状を緩やかに整形するビーム整形装置１０を備え、照射位置の基準であるアイソセンタＩＣを含むように位置決めされた照射対象へ荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系である。実施の形態１のビーム輸送系３０のビーム整形装置１０は、荷電粒子ビームの進行方向（ｓ方向）に垂直で、荷電粒子ビームの中心から急端部を通過する方向をｘ方向とし、荷電粒子ビームを構成する荷電粒子における進行方向（ｓ方向）に対する傾きを角度成分とし、荷電粒子ビームにおけるｘ方向の角度成分ｘ’であるｘ角度成分ｘ’の分布幅を小さくする前段四極電磁石３と、前段四極電磁石３を通過した荷電粒子ビームにおけるｘ角度成分ｘ’の粒子数分布の端部形状を緩やかにするペナンブラ拡大器１と、ペナンブラ拡大器１を通過した荷電粒子ビームのｘ方向の位相空間分布におけるベータトロン位相を調整する後段四極電磁石４と、を備え、後段四極電磁石４は、ペナンブラ拡大器１からアイソセンタＩＣへのベータトロン位相の位相進み角度を、９０度の奇数倍±４５度の範囲に調整することを特徴とするので、すなわち、ペナンブラ拡大器１に入力される荷電粒子ビームのｘ方向の角度成分の分布幅を小さくした後に、ペナンブラ拡大器１により端部形状を緩やかにし、アイソセンタＩＣへのベータトロン位相の位相進み角度を調整するので、ビームサイズを不要に大きくすることなく、端部の粒子数の変化が緩やかな分布の照射野を形成することができる。

また、実施の形態１のビーム整形装置１０はビーム輸送系３０における配置位置に制限はなく、ビーム整形装置１０の配置位置の自由度が高い。したがって、実施の形態１のビーム輸送系３０は、アイソセンタＩＣに荷電粒子ビームを照射する粒子線照射装置よりも上流側にビーム整形装置１０を配置することができる。実施の形態１のビーム輸送系３０は、アイソセンタＩＣに荷電粒子ビームを照射する粒子線照射装置よりも上流側にビーム整形装置１０を配置することにより、特許文献１の装置と異なり、ビーム整形装置１０の装置サイズの増大化を伴わずに、散乱体６から生じる中性子による不要な被曝を防止することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、ビームの進行方向ｓに垂直なｘ方向、ｙ方向のうち、一方のｘ方向に対して、位相空間分布の角度成分ｘ’の広がりを最適化していた。実施の形態２では、散乱体６によるｙ方向の粒子分布の変化を最小にするために、散乱体６の設置位置においてｙ方向のビームサイズを絞る例を説明する。

図２０は本発明の実施の形態２によるビーム輸送系を示す図である。実施の形態２のビーム輸送系３０のビーム整形装置１０は、前段四極電磁石３が３つの四極電磁石２を備えた点で、図１のビーム輸送系３０のビーム整形装置１０とは異なる。前段四極電磁石３の２つの四極電磁石２が、実施の形態１と同様に位相空間分布の角度成分ｘ’をできるだけ小さくなるように絞るものであり、１つの四極電磁石２が位相空間分布の実空間成分ｙをできるだけ小さくなるように絞るものである。

ビームサイズの変化例を図２１に示す。図２１は、図２０のビーム輸送系におけるビーム輸送のビーム幅を示す図である。横軸はビームの進行方向ｓの長さ（ｍ）であり、縦軸はＲＭＳビーム幅（ｍｍ）である。ＲＭＳ（Root Mean Square）は、二乗平均平方根である。ビームサイズ特性２７はｘ方向のビームサイズの変化特性であり、ビームサイズ特性２８はｙ方向のビームサイズの変化特性である。図２１には、四極電磁石配置２９も示した。四極電磁石配置２９における四角形は四極電磁石２の配置位置を示しており、縦線７５の位置に散乱体６が配置される。四極電磁石配置２９における上側に配置された四角形はビームを収束させる四極電磁石であり、下側に配置された四角形はビームを発散させる四極電磁石である。例えば、前段四極電磁石３における左端のビームを収束させる四極電磁石２が、位相空間分布の実空間成分ｙをできるだけ小さくなるように絞る四極電磁石である。

図２１のビームサイズの変化例は、２５０ＭｅＶの陽子ビームに対して厚さ０．０１ｍｍのアルミニウムを散乱体６として用いた例である。実施の形態１と同様に、端部の粒子数の変化を緩やかにしたい方向はｘである。実施の形態２のビーム整形装置１０は、散乱体６の位置（縦線７５の位置）において、ｙ方向のビームサイズを絞っている。このようにすることで、実施の形態２のビーム整形装置１０は、散乱体６によるｙ方向の粒子分布（実方向空間成分）の変化を最小にすることができる。実施の形態２のビーム整形装置１０は、実施の形態１のビーム整形装置１０に比べて散乱体６の上流に配置された前段四極電磁石３に、四極電磁石２を１台追加することで、散乱体６の設置場所におけるｙ方向のビームサイズが小さくなるように調整するための自由度を確保している。実施の形態１のビーム整形装置１０において、２５０ＭｅＶの陽子ビームに対して厚さ０．０１ｍｍのアルミニウムを散乱体６として用いて、かつ四極電磁石配置２９の配置（一番左側の四極電磁石は除く）のように四極電磁石２を配置した場合には、実施の形態１のビーム輸送系３０におけるｘ方向のビームサイズ特性は、図２１におけるｘ方向のビームサイズ特性２７と同じなる。

次に、図２０のビーム整形装置１０によるビームの位相空間分布の例を示す。これから示す分布例は、ペナンブラ拡大器１である散乱体６の入口及び出口と、アイソセンタにおける分布例である。ｘ方向の位相空間分布は、実施の形態１で説明した図８〜図１６と同様であり、説明は繰り返さない。ｙ方向の位相空間分布を、図２２〜図３０に示す。図２２は、図２０のペナンブラ拡大器に入力されるビームのｙ方向における規格化位相空間分布である。図２３は図２２における実空間方向の粒子数分布を示す図であり、図２４は図２２における角度方向の粒子数分布を示す図である。図２５は、図２０のペナンブラ拡大器を通過したビームのｙ方向における規格化位相空間分布を示す図である。図２６は図２５における実空間方向の粒子数分布を示す図であり、図２７は図２５における角度方向の粒子数分布を示す図である。図２８は、図２０のアイソセンタにおけるｙ方向の規格化位相空間分布を示す図である。図２９は図２８における実空間方向の粒子数分布を示す図であり、図３０は図２８における角度方向の粒子数分布を示す図である。

図２２、図２５、図２８において、横軸は規格化された実空間成分ｙであり、縦軸は規格化された角度成分ｙ’である。図２３、図２６、図２９において、横軸は規格化された実空間成分ｙであり、縦軸は規格化された粒子数（ｃ／ｂｉｎ）である。図２４、図２７、図３０において、横軸は規格化された粒子数（ｃ／ｂｉｎ）であり、縦軸は規格化された角度成分ｙ’である。散乱体６の入口では、図２２の位相空間分布６１における実空間成分ｙ及び角度成分ｙ’が、端部において白黒が混在しており、粒子数変化が緩やかになっている。図２３のように、実空間方向特性６２は、中心（ｙ＝０の位置）から端部まで粒子数が緩やかに変化している。図２４のように、角度方向特性６３は、中心（ｙ’＝０の位置）から端部まで粒子数が緩やかに変化している。

散乱体６の出口では、図２５の位相空間分布６４における実空間成分ｙ及び角度成分ｙ’が、端部において白黒が混在しており、粒子数変化が緩やかになっている。図２６の実空間方向特性６５のように、中心（ｙ＝０の位置）から端部まで粒子数が緩やかに変化している。図２７の角度方向特性６６のように、中心（ｙ’＝０の位置）から端部まで粒子数が緩やかに変化している。散乱体６の出口における位相空間分布６４は、入口における位相空間分布６１とほとんど変わりがなく、散乱体６の影響がほとんどない。

アイソセンタＩＣでは、図２８の位相空間分布６７における実空間成分ｙ及び角度成分ｙ’が、端部において白黒が混在しており、粒子数変化が緩やかになっている。図２９のように、実空間方向特性６８は、中心（ｙ＝０の位置）から端部まで粒子数が緩やかに変化している。図２７のように、角度方向特性６９は、中心（ｙ’＝０の位置）から端部まで粒子数が緩やかに変化している。

実施の形態２のビーム輸送系３０は、ビーム整形装置１０の前段四極電磁石３において散乱体６の設置位置においてｙ方向のビームサイズ、すなわち位相空間分布の実空間成分ｙを小さくする四極電磁石２を備えるので、実施の形態１のビーム輸送系３０に比べて、散乱体６によるｙ方向の角度成分ｙ’の変化を小さくでき、最終的にアイソセンタＩＣにおけるｙ方向の実空間成分ｙの変化を小さくすることができる。

実施の形態３．
実施の形態３では、ビーム輸送系３０の下流側が回転ガントリ１２に搭載された例を示す。回転ガントリ１２は、荷電粒子ビームを照射する粒子線照射装置を、アイソセンタＩＣを中心にして回転させ、患者に対して任意の回転角度から荷電粒子ビームを照射できるように構成されている。図３１は、本発明の実施の形態３によるビーム輸送系を示す図である。アイソセンタＩＣは、回転ガントリ１２の回転軸と粒子線照射装置のビーム軸との交点である。図３１では、実施の形態１のビーム整形装置１０の例を記載したが、実施の形態２のビーム整形装置１０であってもよい。なお。図３１では、回転ガントリ１２においてビーム経路９を直角に曲げて記載した。

本発明のビーム整形装置１０は、ビーム輸送系３０の上流側に配置できるので、ビーム整形装置１０が配置されていないビーム輸送系３０の下流側を回転ガントリ１２に搭載することができる。実施の形態３のビーム輸送系３０は、下流側が回転ガントリ１２に搭載された場合にも、ビーム整形装置１０によってビームサイズを不要に大きくすることなく、端部の粒子数の変化が緩やかな分布の荷電粒子ビームを輸送することができる。

実施の形態４．
実施の形態４では、散乱体６からのベータトロン位相の進みΔφが９０度の奇数倍になる位置に、スクリーンモニタ、ワイヤグリッドモニタ等のビーム形状確認装置５が配置された例を示す。図３２において、Δφは９０＊（２ｎ−１）と記載した。ｎは自然数である。実施の形態４のビーム輸送系３０は、ビーム形状確認装置５を用いることで、端部の粒子数変化が緩やかな分布が形成できているかを確認することができる。実施の形態４のビーム輸送系３０は、ビーム形状確認装置５を用いてビーム形状を確認できるので、ビーム整形装置１０の調整が容易にでき、ビーム整形装置１０のメンテナンスが必要かどうかを容易に判断できる。

実施の形態５．
実施の形態５では、ペナンブラ拡大器１として、散乱体６の代わりに、二極電極７や二極電磁石８を適用する例を説明する。図３３は本発明の実施の形態５によるペナンブラ拡大器を示す図であり、図３４は図３３のペナンブラ拡大器における電場分布を示す図である。二極電極７は例えば平行平板電極であり、ビーム輸送系３０の真空ダクト１１の内部に配置される。図３４において、横軸は時間ｔであり、縦軸は電場Ｅである。電場特性７０は、電場Ｅが大きく変化する期間、すなわちキック角が大きい期間Ｔ１を短く、電場Ｅが小さい期間Ｔ２を長くする。このような二極電極７を電場Ｅがｘ方向になるように配置することで、ｘ方向における端部の粒子数変化が緩やかな分布を形成できる。図３３に示したように、二極電極７を電場Ｅがｙ方向になるように配置すると、ｙ方向における端部の粒子数変化が緩やかな分布を形成できる。二極電極７による電場Ｅの時間変化はアイソセンタＩＣで照射野を形成するためのビーム走査速度よりも十分速くする。具体的には１ＭＨｚ以上で電場Ｅを変化させる。

図３５は本発明の実施の形態５による他のペナンブラ拡大器を示す図であり、図３６は図３５のペナンブラ拡大器における磁場分布を示す図である。二極電磁石８はビーム輸送系３０の真空ダクト１１の外部に配置される。図３６において、横軸は時間ｔであり、縦軸は磁場Ｈである。磁場特性７１は、電場特性７０と同様に、磁場Ｈが大きく変化する期間、すなわちキック角が大きい期間Ｔ１を短く、磁場Ｈが小さい期間Ｔ２を長くする。図３５のように、二極電磁石８を磁場Ｈがｙ方向になるように配置することで、ｘ方向における端部の粒子数変化が緩やかな分布を形成できる。二極電磁石８を磁場Ｈがｘ方向になるように配置すると、ｙ方向における端部の粒子数変化が緩やかな分布を形成できる。二極電磁石８による磁場Ｈの時間変化は、二極電極７の電場Ｅと同様に、アイソセンタＩＣで照射野を形成するためのビーム走査速度よりも十分速くする。具体的には１ＭＨｚ以上で磁場Ｈを変化させる。

実施の形態５のペナンブラ拡大器１をビーム整形装置１０に用いることで、実施の形態２と同様に、必要な方向のみにおいて、端部の粒子数変化が緩やかな分布を形成できる。実施の形態５のビーム輸送系３０は、ビーム整形装置１０が二極電極７や二極電磁石８からなるペナンブラ拡大器１を備えるので、実施の形態２と同様に、実施の形態１のビーム輸送系３０に比べて、散乱体６によるｙ方向の実空間成分ｙの変化を小さくすることができる。

実施の形態６．
実施の形態６では、ビーム発生装置の加速器としてベータトロン共鳴を用いたビーム出射方式（遅い取り出し方式）を用いるシンクロトロンを用い、シンクロトロンの出射装置よりも下流のビーム輸送系３０に実施の形態１〜実施の形態５に示したビーム整形装置１０が設置された粒子線治療装置を説明する。

図３７は本発明による粒子線治療装置の概略構成図であり、図３８は本発明による粒子線照射装置の構成を示す図である。粒子線治療装置５１は、ビーム発生装置５２と、ビーム輸送系３０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、加速器であるシンクロトロン５４とを有する。粒子線照射装置５８ｂは、回転ガントリ１２に設置される。粒子線照射装置５８ａは、回転ガントリ１２を有しない治療室に設置される。ビーム輸送系３０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３０は、荷電粒子ビームが通過する真空ダクト１１と、荷電粒子ビームを偏向する複数の偏向電磁石５７と、ビーム整形装置１０と、ビーム輸送系３０の一部であって回転ガントリ１２に設置された複数の偏向電磁石５５と、図示しない複数の四極電磁石を備える。四極電磁石は、荷電粒子ビームを収束または発散させる。

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、入射装置４６からシンクロトロン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の出射装置４７から出射された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系３０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４５（図３８参照）に照射する。粒子線照射装置の符号は、総括的に５８を用い、区別して説明する場合に５８ａ、５８ｂを用いる。

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３１は、ビーム輸送系３０を経由し、粒子線照射装置５８へと導かれる。図３８において、粒子線照射装置５８は、荷電粒子ビーム３１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３１を走査するＸ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３と、位置モニタ３４と、線量モニタ３５と、線量データ変換器３６と、ビームデータ処理装置４１と、走査電磁石電源３７と、粒子線照射装置５８を制御する照射管理装置３８とを備える。照射管理装置３８は、照射制御計算機３９と照射制御装置４０とを備える。線量データ変換器３６は、トリガ生成部４２と、スポットカウンタ４３と、スポット間カウンタ４４とを備える。なお、荷電粒子ビーム３１の進行方向は−Ｚ方向である。

Ｘ方向走査電磁石３２は荷電粒子ビーム３１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３３は荷電粒子ビーム３１をＹ方向に走査する走査電磁石である。位置モニタ３４は、Ｘ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３で走査された荷電粒子ビーム３１が通過するビームにおける通過位置（重心位置）やサイズを演算するためのビーム情報を検出する。ビームデータ処理装置４１は、位置モニタ３４が検出した複数のアナログ信号（ビーム情報）からなるビーム情報に基づいて荷電粒子ビーム３１の通過位置（重心位置）やサイズを演算する。また、ビームデータ処理装置４１は、荷電粒子ビーム３１の位置異常やサイズ異常を示す異常検出信号を生成し、この異常検出信号を照射管理装置３８に出力する。

線量モニタ３５は、荷電粒子ビーム３１の線量を検出する。照射管理装置３８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４５における荷電粒子ビーム３１の照射位置を制御し、線量モニタ３５で測定され、線量データ変換器３６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３１を次の照射位置に移動する。走査電磁石電源３７は、照射管理装置３８から出力されたＸ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３への制御入力（指令）に基づいてＸ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３の設定電流を変化させる。

ここでは、粒子線照射装置５８のスキャニング照射方式を、荷電粒子ビーム３１の照射位置を変えるときに荷電粒子ビーム３１を停止させないラスタースキャニング照射方式であり、スポットスキャニング照射方式のようにビーム照射位置がスポット位置間を次々と移動していく方式とする。スポットカウンタ４３は、荷電粒子ビーム３１のビーム照射位置が停留している間の照射線量を計測するものである。スポット間カウンタ４４は、荷電粒子ビーム３１のビーム照射位置が移動している間の照射線量を計測するものである。トリガ生成部４２は、ビーム照射位置における荷電粒子ビーム３１の線量が目標照射線量に達した場合に、線量満了信号を生成するものである。

実施の形態６の粒子線治療装置５１は、荷電粒子ビーム３１を発生させ、シンクロトロン５４により所定のエネルギーまで加速するビーム発生装置５２と、ビーム発生装置５２により加速された荷電粒子ビーム３１を輸送するビーム輸送系３０と、ビーム輸送系３０で輸送された荷電粒子ビーム３１を照射対象４５に照射する粒子線照射装置５８とを備え、ビーム輸送系３０はビーム整形装置１０を備える。ビーム整形装置１０は、実施の形態１〜５に示したものである。実施の形態６の粒子線治療装置５１は、ビーム輸送系３０にビーム整形装置１０を備えるので、ビームサイズを不要に大きくすることなく、端部の粒子数の変化が緩やかな分布の荷電粒子ビームを照射対象に照射でき、照射対象に対して端部の粒子数の変化が緩やかな分布の照射野を形成することができる。

実施の形態６の粒子線治療装置５１は、ビーム整形装置１０を粒子線照射装置５８ａ、５８ｂよりも上流側に配置したので、特許文献１の治療装置と異なり、ペナンブラ拡大器１に散乱体６を用いても、ビーム整形装置１０の装置サイズの増大化を伴わずに、散乱体６から生じる中性子による不要な被曝を防止することができる。また、図３７のように、ビーム整形装置１０を複数の粒子線照射装置５８ａ、５８ｂへ分岐する偏向電磁石５７より上流側に配置することができる。このように、実施の形態６の粒子線治療装置５１は、ビーム整形装置１０を１つだけ配置するだけでよく、装置の増大化や複雑化を伴わずに複数の粒子線照射装置５８に、ビームサイズを不要に大きくすることなく、端部の粒子数の変化が緩やかな分布の荷電粒子ビームを輸送することができる。なお、図３７では、ビーム整形装置１０の後段四極電磁石４をペナンブラ拡大器１と下流側直近の偏向電磁石５７との間に配置した例を示したが、下流側直近の偏向電磁石５７と粒子線照射装置５８ａとの間に分散して配置してもよい。同様に、粒子線照射装置５８ｂへのビーム輸送の場合に、ビーム整形装置１０の後段四極電磁石４を下流側直近の偏向電磁石５７と粒子線照射装置５８ｂとの間に分散して配置してもよい。

実施の形態７．
実施の形態７では、ビーム発生装置５２の加速器としてサイクロトロンを用い、ビーム輸送系３０にエネルギー変更器としての散乱体と、ビームサイズを制限するためのコリメータと、実施の形態１〜実施の形態５に示したビーム整形装置１０が設置された粒子線治療装置を説明する。

図３９は、本発明の実施の形態７による粒子線治療装置の概略構成図である。実施の形態７の粒子線治療装置５１は、ビーム発生装置５２の加速器がサイクロトロン５９であり、サイクロトロン５９とビーム整形装置１０との間に散乱体１３及びコリメータ１４を備えた点で、実施の形態６の粒子線治療装置５１とは異なる。コリメータ１４は、散乱体１３の下流側に配置され、散乱体で広がったビームサイズを制限する。ビーム整形装置１０は、コリメータ１４でカットされ急峻となった端部の分布形状を整形する。コリメータ１４からのベータトロン位相の進みが９０度になる位置に、ペナンブラ拡大器１を配置する。このようにすることで、ペナンブラ拡大器１は、位相空間分布の角度成分ｘ’における端部の粒子数変化を緩やかにすることができる。

実施の形態７の粒子線治療装置５１は、実施の形態６の粒子線治療装置５１と同様の効果が得られる。

なお、実施の形態６、７では、スライスを変更する際に荷電粒子ビーム３１を停止し、同一スライス内を照射する際には荷電粒子ビーム３１を照射し続ける照射方法で説明したが、これに限定されることなく、照射スポット毎に荷電粒子ビーム３１の停止するスポットスキャニングや、ラスタースキャニング等の他の照射方法にも適用できる。また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１…ペナンブラ拡大器、３…前段四極電磁石、４…後段四極電磁石、
５…ビーム形状確認装置、６…散乱体、７…二極電極、８…二極電磁石、
１０…ビーム整形装置、１２…回転ガントリ、１３…散乱体、
１４…コリメータ、３０…ビーム輸送系、３１…荷電粒子ビーム、
４５…照射対象、５１…粒子線治療装置、５２…ビーム発生装置、
５４…シンクロトロン、５８、５８ａ、５８ｂ…粒子線照射装置、
５９…サイクロトロン、ＩＣ…アイソセンタ。

Claims (9)

1. ビーム断面方向の端部において粒子数の変化が急峻な急端部を有する荷電粒子ビームの分布形状を緩やかに整形するビーム整形装置を備え、照射位置の基準であるアイソセンタを含むように位置決めされた照射対象へ前記荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系であって、
   前記ビーム整形装置は、
   前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直で、前記荷電粒子ビームの中心から前記急端部を通過する方向をｘ方向とし、前記荷電粒子ビームを構成する荷電粒子における前記進行方向に対する傾きを角度成分とし、
   前記荷電粒子ビームにおける前記ｘ方向の角度成分であるｘ角度成分の分布幅を小さくする前段四極電磁石と、
   前記前段四極電磁石を通過した前記荷電粒子ビームにおける前記ｘ角度成分の粒子数分布の端部形状を緩やかにするペナンブラ拡大器と、
   前記ペナンブラ拡大器を通過した前記荷電粒子ビームの前記ｘ方向の位相空間分布におけるベータトロン位相を調整する後段四極電磁石と、を備え、
   前記後段四極電磁石は、前記ペナンブラ拡大器から前記アイソセンタへの前記ベータトロン位相の位相進み角度を、９０度の奇数倍±４５度の範囲に調整することを特徴とするビーム輸送系。
2. 前記前段四極電磁石は、
   前記荷電粒子ビームにおける前記ｘ角度成分の分布幅を小さくする、少なくとも２つの四極電磁石と、
   前記荷電粒子ビームの進行方向に垂直で、前記ｘ方向に垂直なｙ方向におけるビームサイズを小さくする四極電磁石と、を備えたことを特徴とする請求項１記載のビーム輸送系。
3. 前記ペナンブラ拡大器からのベータトロン位相の位相進み角度が９０度の奇数倍になる位置に、ビーム形状を確認するビーム形状確認装置を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のビーム輸送系。
4. 前記ペナンブラ拡大器は、厚さが０．１ｍｍ以下の散乱体であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のビーム輸送系。
5. 前記ペナンブラ拡大器は、二極電極を備え、
   前記二極電極は、周期的に変化する電場を発生し、
   前記電場は、
   変化の大きい期間が変化の小さい期間よりも短く、かつ周期が１ＭＨｚ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のビーム輸送系。
6. 前記ペナンブラ拡大器は、二極電磁石を備え、
   前記二極電磁石は、周期的に変化する磁場を発生し、
   前記磁場は、
   変化の大きい期間が変化の小さい期間よりも短く、かつ周期が１ＭＨｚ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のビーム輸送系。
7. 荷電粒子ビームを発生させ、シンクロトロンにより所定のエネルギーまで加速するビーム発生装置と、前記ビーム発生装置により加速された前記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前記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、
   前記ビーム輸送系は請求項１から６のいずれか１項に記載のビーム輸送系であることを特徴とする粒子線治療装置。
8. 荷電粒子ビームを発生させ、サイクロトロンにより所定のエネルギーまで加速するビーム発生装置と、前記ビーム発生装置により加速された前記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前記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、
   前記ビーム輸送系は、
   請求項１から６のいずれか１項に記載のビーム輸送系であり、
   前記サイクロトロンと前記ビーム整形装置との間に、前記荷電粒子ビームのエネルギーを変更する散乱体と、前記散乱体により広がったビームサイズを制限するコリメータとを有し、
   前記ビーム整形装置の前記ペナンブラ拡大器が、前記コリメータからのベータトロン位相の位相進み角度が９０度になる位置に配置されたことを特徴とする粒子線治療装置。
9. 前記粒子線照射装置を、前記アイソセンタを中心にして回転する回転ガントリを備え、
   前記ペナンブラ拡大器が前記回転ガントリよりも上流側に配置されたことを特徴とする請求項７または８に記載の粒子線治療装置。

Images