WO2012023205A1

WO2012023205A1 - 粒子線照射装置及び粒子線治療装置

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Publication number: WO2012023205A1
Application number: PCT/JP2010/064073
Authority: WO
Inventors: 雅片寄
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2010-08-20
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Publication date: 2012-02-23
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Abstract

　照射野及び照射位置精度の組み合わせ等の粒子線照射における複数のパラメータの組み合わせを可変にし、多様な照射バリエーションの照射を行うことができる粒子線照射装置を得ることを目的とする。　加速器（５４）により加速された荷電粒子ビーム（３）を照射対象（１１）に照射する粒子線照射装置（５８）であって、荷電粒子ビーム（３）を走査する走査電磁石（１、２）と、荷電粒子ビーム（３）のビーム軸方向における走査電磁石（１、２）と照射対象（１１）との距離を変更するように走査電磁石（１、２）を移動する走査電磁石移動装置（４）とを備えた。

Description

粒子線照射装置及び粒子線治療装置

　本発明は、粒子線を用いて癌等を治療する粒子線照射装置及び粒子線治療装置に関する。

　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ビーム輸送系と、ビーム輸送系の下流に設置され、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。粒子線照射装置には大きく、荷電粒子ビームを散乱体で散乱拡大し、拡大した荷電粒子ビームを照射対象の形状にあわせて照射野を形成するブロード照射方式と、照射対象の形状に合わせるように、細いペンシル状のビームを走査して照射野形成するスキャニング照射方式（スポットスキャニング、ラスタースキャニング等）とがある。

　ブロード照射方式は、コリメータやボーラスを用いて患部形状に合う照射野を形成する。患部形状に合う照射野を形成し、正常組織への不要な照射を防いでおり、最も汎用的に用いられている、優れた照射方式である。しかし、患者ごとにボーラスを製作したり、患部に合わせてコリメータを変形させたりする必要がある。

　一方、スキャニング照射方式は、コリメータやボーラスが不要といった自由度の高い照射方式である。しかし、患部以外の正常組織への照射を防ぐこれら部品を用いないため、ブロード照射方式以上に高いビーム照射位置精度が要求される。

　加速器から輸送されるビームの大きさは一般に数ｍｍ程度であり、それに対して荷電粒子ビームの照射範囲は、医療の場合には数十ｃｍ四方の大きさが必要である。細い荷電粒子ビームで広い照射野を得るために、上述したスキャニング照射方式が用いられる。

　特許文献１には、走査用電磁石の強度を従来のままで偏向面に平行な方向の照射範囲を拡大する回転ガントリを提供することを目的とし、以下の発明が開示されている。特許文献１の発明は、走査用電磁石の上流の偏向電磁石と照射野移動電磁石により、下流側のビーム位置を変更し、そのビーム位置ａ、ｂに走査用電磁石を移動して、照射可能な領域Ａを照射し、領域Ａの照射が終了したら、荷電粒子ビームが偏向電磁石の下流で他の位置ｂを通過するようにして、ビーム位置ｂに走査用電磁石を移動して、領域Ｂを照射することで、領域Ａ及び領域Ｂの両方の領域に照射範囲を拡大していた。

特開平８－２５７１４８号公報

　患部形状に応じて照射範囲（照射野）と照射位置精度は様々であるが、照射範囲が狭い場合は高い照射位置精度が要求され、照射範囲が広い場合は照射位置精度の要求が緩い場合がある。スポットスキャニング照射方式においては、一般的に、照射範囲は狭く高い照射位置精度を要求される場合は、サイズの小さい荷電粒子ビームを小さな間隔（スポット間隔）で照射し、照射範囲は広く照射位置精度の要求が緩い場合は、サイズの大きい荷電粒子ビームを、大きな間隔（スポット間隔）で照射する。

　荷電粒子ビームで形成する照射範囲の最大照射範囲は、走査用電磁石の励磁電源の最大電流による走査用電磁石の振り角で決まるので、特許文献１の回転ガントリを用いた照射方法では、領域Ａ、Ｂのそれぞれにおける最大照射範囲は、走査用電磁石と照射位置との距離で決まる。また、荷電粒子ビームの照射範囲における最大位置精度は、励磁電源の制御可能な最小電流による制御可能な最小の振り角で決まるので、特許文献１の回転ガントリを用いた照射方法では、領域Ａ、Ｂのそれぞれにおける最大位置精度は、走査用電磁石と照射位置との距離により、照射位置での照射位置精度が決まる。

　特許文献１の回転ガントリを用いた照射方法では、走査用電磁石の上流の偏向電磁石と照射野移動電磁石と走査用電磁石を移動させることで、照射範囲（照射野）を拡大することはできた。しかしながら、走査用電磁石の上流の偏向電磁石と照射野移動電磁石を用いなければならなかった。また、特許文献１の回転ガントリを用いた照射方法では、走査用電磁石と照射位置との距離が一定なので、制御可能な最小の振り角が一定であり、照射位置精度を上げるのは不可能だった。したがって、照射野及び照射位置精度を組み合わせた多様な照射バリエーションの照射を行うことができない問題があった。

　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、照射野及び照射位置精度の組み合わせ等の粒子線照射における複数のパラメータの組み合わせを可変にし、多様な照射バリエーションの照射を行うことができる粒子線照射装置を得ることを目的とする。

　加速器により加速された荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線照射装置であって、荷電粒子ビームを走査する走査電磁石と、荷電粒子ビームのビーム軸方向における走査電磁石と照射対象との距離を変更するように走査電磁石を移動する走査電磁石移動装置とを備えた。

　本発明に係る粒子線照射装置は、荷電粒子ビームのビーム軸方向における走査電磁石と照射対象との距離を変更するので、照射野及び照射位置精度の組み合わせ等の粒子線照射における複数のパラメータの組み合わせを可変にし、多様な照射バリエーションの照射を行うことができる。

本発明の粒子線治療装置の概略構成図である。本発明の実施の形態１による粒子線照射装置を示す構成図である。図２の走査電磁石の軸方向移動と照射野の広さの関係を示す図である。図２の走査電磁石の軸方向移動と照射位置誤差の関係を示す図である。実施の形態１による粒子線照射装置の照射を説明する図である。実施の形態１による粒子線照射装置の制御方法を示すフローチャートである。走査電磁石の磁極と荷電粒子ビームの関係を説明する図である。本発明の実施の形態２による走査電磁石を示す構成図である。図８の走査電磁石における磁極間隔が最大になった例である。本発明の実施の形態３による粒子線照射装置を示す構成図である。

実施の形態１．
　図１は本発明の粒子線治療装置の概略構成図である。粒子線治療装置５１は、ビーム発生装置５２と、ビーム輸送系５９と、粒子線照射装置５８ａ、５８ｂ（又は６０ａ、６０ｂ）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、シンクロトロン５４とを有する。粒子線照射装置５８ｂ（６０ｂ）は回転ガントリ（図示せず）に設置される。粒子線照射装置５８ａ（６０ａ）は回転ガントリを有しない治療室に設置される。ビーム輸送系５９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５９の一部は回転ガントリ（図示せず）に設置され、その部分には複数の偏向電磁石５５ａ、５５ｂ、５５ｃを有する。

　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３は、前段加速器５３で加速され、シンクロトロン５４に入射される。荷電粒子ビーム３は、所定のエネルギーまで加速される。シンクロトロン５４から出射された荷電粒子ビーム３は、ビーム輸送系５９を経て粒子線照射装置５８ａ（６０ａ）、５８ｂ（６０ｂ）に輸送される。粒子線照射装置５８ａ（６０ａ）、５８ｂ（６０ｂ）は荷電粒子ビーム３を照射対象１１（図２参照）に照射する。

　図２は本発明の実施の形態１による粒子線照射装置を示す構成図である。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３は、ビーム輸送系５９を経由し、粒子線照射装置５８へと導かれる。粒子線照射装置５８は、荷電粒子ビーム３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３を走査するＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２と、位置モニタ９と、線量モニタ５と、走査電磁石電源７と、Ｘ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２を移動する走査電磁石移動装置４と、線量データ変換器６と、位置データ変換器１０と、粒子線照射装置５８の照射系を制御する照射制御装置８とを備える。走査電磁石移動装置４は、モータ１２と、ボールねじ１３を有し、モータ１２が回転させるボールねじ１３によりＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２に固定された雌ねじ機構を介して、Ｘ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２は移動する。なお、Ｘ方向走査電磁石１、Ｙ方向走査電磁石２、位置モニタ９、線量モニタ５は照射系を構成する。荷電粒子ビーム３の進行方向はＺ方向である。

　Ｘ方向走査電磁石１は荷電粒子ビーム３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２は荷電粒子ビーム３をＹ方向に走査する走査電磁石である。位置モニタ９はＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２で走査された荷電粒子ビーム３が通過するビームにおけるビームピーク位置（通過位置）を検出する。線量モニタ５は荷電粒子ビーム３の線量を検出する。照射制御装置８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１１における荷電粒子ビーム３の照射位置を制御し、線量モニタ５で測定され、線量データ変換器６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３を停止する。走査電磁石電源７は照射制御装置８から出力されたＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２への制御入力（指令電流）に基づいてＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２の設定電流を変化させる。

　次に、走査電磁石の軸方向移動と照射野の広さの関係と、走査電磁石の軸方向移動と照射位置誤差の関係を説明する。図３は走査電磁石の軸方向移動と照射野の広さの関係を示す図である。スキャニング照射方式においては、照射対象１１を複数層の分割されたその複数層の１つの層（スライス）に荷電粒子ビーム３を２次元的に走査し照射野を形成する。照射野は、照射位置である照射対象１１の１つの層と走査電磁石との間のビーム軸方向の距離によって変化する。図３（ａ）は１つのスライスとＹ方向走査電磁石２との距離がＬ１の場合を示し、図３（ｂ）は当該スライスとＹ方向走査電磁石２との距離がＬ２の場合を示している。図３ではＬ１＜Ｌ２の場合である。ここで、距離Ｌ１、Ｌ２は荷電粒子ビーム３を走査する走査電磁石２の磁極の中心からの距離とする。図３（ａ）において、荷電粒子ビーム３を最大振り角αで走査した場合は、Ｙ方向の走査範囲２１の一端から他端までの長さである走査範囲長はＤ１となる。同様に、図３（ｂ）において、荷電粒子ビーム３を最大振り角αで走査した場合は、Ｙ方向の走査範囲２１の一端から他端までの長さである走査範囲長はＤ２となる。

　走査範囲長Ｄ１及び走査範囲長Ｄ２は、数式（１）及び数式（２）で表わされる。
　Ｄ１＝２×Ｌ１×ｔａｎα　　　・・・（１）
　Ｄ２＝２×Ｌ２×ｔａｎα　　　・・・（２）
　距離Ｌ１＜距離Ｌ２なので、走査範囲長Ｄ１＜走査範囲長Ｄ２となる。したがって、照射位置（照射対象１１の１つの層）と走査電磁石との間のビーム軸方向の距離を大きくする場合は、走査範囲２１を広くでき、走査範囲長を長くすることができる。また、照射位置と走査電磁石との間のビーム軸方向の距離を小さくする場合は、走査範囲２１を狭くでき、走査範囲長を短くすることができる。

　図４を用いて、走査電磁石の軸方向移動と照射位置誤差の関係を説明する。放射線や荷電粒子ビーム３に対してリスクの高い臓器が照射位置に隣接している場合には、照射位置精度が重要である。図４は走査電磁石の軸方向移動と照射位置誤差の関係を示す図である。照射位置誤差は、照射位置における荷電粒子ビーム３の位置精度で決まる移動幅であり、照射位置である照射対象１１の１つの層と走査電磁石との間のビーム軸方向の距離によって変化する。荷電粒子ビーム３の位置精度は、Ｘ方向走査電磁石１、Ｙ方向走査電磁石２の発生磁場精度により決まる。走査電磁石１、２の発生磁場精度により、荷電粒子ビーム３は、ある目標照射位置（目標振り角）に対して、振り角の精度Δθの範囲内で変化する。図４（ａ）は１つのスライスとＹ方向走査電磁石２との距離がＬ３の場合を示し、図３（ｂ）は当該スライスとＹ方向走査電磁石２との距離がＬ４の場合を示している。図４ではＬ４＜Ｌ３の場合である。ここで、距離Ｌ３、Ｌ４は荷電粒子ビーム３を走査する走査電磁石２の磁極の中心からの距離とする。図４（ａ）において、荷電粒子ビーム３の振り角の精度がΔθである場合は、照射位置誤差はΔＸ３となる。同様に、図４（ｂ）において、荷電粒子ビーム３の振り角の精度がΔθである場合は、照射位置誤差はΔＸ４となる。

　振り角の精度がΔθで、例えば振り角βと振り角β－Δθとにおける照射位置誤差ΔＸ３及び照射位置誤差ΔＸ４は、数式（３）及び数式（４）で表わされる。
　ΔＸ３＝Ｌ３×Ａ　　　・・・（３）
　ΔＸ４＝Ｌ４×Ａ　　　・・・（４）
　ここで、Ａ＝ｔａｎβ－ｔａｎ（β－Δθ）である。距離Ｌ４＜距離Ｌ３なので、照射位置誤差ΔＸ４＜照射位置誤差ΔＸ３となる。したがって、照射位置（照射対象１１の１つの層）と走査電磁石との間のビーム軸方向の距離を大きくする場合は、照射位置誤差が大きくなり、照射位置精度が悪くなる。一方、照射位置と走査電磁石との間のビーム軸方向の距離を小さくする場合は、照射位置誤差を小さくすることができ、照射位置精度を向上することができる。

　一般に、荷電粒子ビーム３の照射位置における照射スポット（以降、適宜、単にスポットと省略する）のサイズが小さいと、照射対象１１を隙間なく、所定の線量で照射するために、小さな間隔（スポット間隔）で照射し、各スポットに対する照射位置誤差要求が厳しくなる。ここで、照射スポットは照射線量を制御するために分割された照射単位である。例えば、スポットの直径が５ｍｍとき、照射位置誤差要求は０．５ｍｍ（一割）以下であるとする。いま、照射位置と走査電磁石のビーム軸方向の距離が５ｍのとき、照射位置誤差が１ｍｍであったとすれば、このままでは、スポット直径５ｍｍの場合の照射位置誤差要求０．５ｍｍ以下を実現できないが、当距離を２．５ｍ以下とすることで照射位置誤差０．５ｍｍ以下を実現できる。

　また、一般に、照射位置精度の要求の緩い場合は、スポットのサイズの大きい荷電粒子ビーム３を、大きな間隔（スポット間隔）で照射する。この場合は、照射位置と走査電磁石のビーム軸方向の距離を長くする。上述したように、照射位置と走査電磁石のビーム軸方向の距離を長くすると、走査範囲２１を広くでき、走査範囲長を長くすることができる。したがって、照射位置と走査電磁石のビーム軸方向の距離を長くすることで、スポットのサイズを大きくでき、広い照射野を形成できる。

　実施の形態１の粒子線照射装置５８は、走査電磁石移動装置４によりＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２と照射対象１１との距離を変更することで、照射対象１１に適した最大照射野及び照射位置精度を選択することができる。図５は実施の形態１による粒子線照射装置の照射を説明する図である。図５（ａ）～図５（ｃ）は、Ｘ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２と照射対象１１との距離が異なる３つの場合を示しており、図５（ａ）は距離が中間であり、図５（ｂ）は距離が図５（ａ）に比べて長い場合であり、図５（ｃ）は距離が図５（ａ）に比べて短い場合である。図において２１ａ、２１ｂ、２１ｃはそれぞれの場合の最大走査範囲であり、２２ａ、２２ｂ、２２ｃはそれぞれの場合のビームスポットを示している。

　照射対象１１が大きく、最大照射野を大きくしたい場合は、走査電磁石移動装置４により、Ｘ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２を、荷電粒子ビーム３のビーム軸の方向に、図５（ｂ）に示すように照射対象１１から離れる向きへ移動する。照射対象１１が小さい、または大きい場合であっても、照射位置誤差が小さくしたい場合は、走査電磁石移動装置４により、Ｘ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２を、荷電粒子ビーム３のビーム軸の方向に、図５（ｃ）に示すように照射対象１１に近づく向きへ、所定の照射位置精度を達成できる位置まで移動する。

　照射制御装置８は、治療計画装置で作成された治療計画データの照射位置精度、目標位置座標に基づいてＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２への制御入力（指令電流）を生成する。照射制御装置８は、所定の照射位置精度に対応するために、複数の変換テーブルや指令値生成多項式を有する。変換テーブルや指令値生成多項式は、制御入力を生成する制御入力生成部である。ここでは、変換テーブルを用いる場合を変換テーブル方式と呼び、指令値生成多項式を用いる場合を多項式方式と呼ぶ。

　変換テーブル方式について説明する。変換テーブルは、実際に照射をして得られた制御入力及び測定された照射位置座標との実データに基づいて、制御入力と照射位置座標をテーブルにしたものである。Ｘ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２の設定電流値は、荷電粒子ビーム３の目標位置座標からこの変換テーブルを用いて演算する。走査電磁石電源７に送る制御入力は、演算して求めた設定電流値を出力させる制御入力（指令）である。変換テーブルは、照射位置精度が異なるものを複数用意する。すなわち変換テーブルは、代表位置精度毎に複数用意する。指定された照射位置精度に一致するものがある場合は、その変換テーブルを使用し、指定された照射位置精度に一致するものがない場合は、前後の変換テーブルのデータを補完（線形補完等）して、照射制御装置８は制御入力を生成する。

　多項式方式について説明する。指令値生成多項式は、実際に照射した際のＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２の磁場の測定値及び測定された照射位置座標の多項式を、励磁電流と磁場とが１対１の関係を用いて変形し、荷電粒子ビーム３の目標位置座標と制御入力との関係を多項式で表わしたものである。例えば、制御入力Ｉｃ（Ｉｘ、Ｉｙ）は目標照射位置座標Ｐｔ＝（ｘｔ，ｙｔ）を入力として、数式（５）、（６）のように表わされる。
　Ｉｘ＝ｍ_０＋ｍ_１ｘｔ＋ｍ_２ｘｔ^２＋ｍ_３ｙｔ＋ｍ_４ｘｔｙｔ＋ｍ_５ｙｔ^２
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（５）
　Ｉｙ＝ｎ_０＋ｎ_１ｘｔ＋ｎ_２ｘｔ^２＋ｎ_３ｙｔ＋ｎ_４ｘｔｙｔ＋ｎ_５ｙｔ^２　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（６）
　ここで、ｍ_０～ｍ_５、ｎ_０～ｎ_５は、最小二乗法などにより求めたパラメータ定数である。この多項式方式では、ｘｔｙｔのような干渉項も考慮でき、変換テーブル方式よりも精度の高い制御入力Ｉｃを生成できる。したがって、多項式方式を適用することで、照射位置と走査電磁石との距離に依存する照射位置精度をさらに向上させることができる。

　多項式方式の場合も、照射位置と走査電磁石との距離に依存する照射位置精度毎に複数の指令値生成多項式を用意する。選ばれたそれぞれの照射位置精度は、代表位置精度である。指定された照射位置精度に一致するものがある場合は、その指令値生成多項式を使用し、指定された照射位置精度に一致するものがない場合は、前後の指令値生成多項式から生成したデータを補完（線形補完等）して、照射制御装置８は制御入力を生成する。

　次に粒子線照射装置５８の動作を図６のフローチャートを用いて説明する。図６は、実施の形態１による粒子線照射装置の制御方法を示すフローチャートである。粒子線照射装置５８は、治療計画装置で作成された治療計画データの照射位置精度に基づいて、使用する変換テーブルや指令値生成多項式などの制御入力生成部を選定する（ステップＳＴ１、制御入力生成部選定手順）。次に治療計画データの目標位置座標に基づいて、選定した制御入力生成部により制御入力Ｉｃ（Ｉｘ、Ｉｙ）を生成する（ステップＳＴ２、制御入力生成手順）。

　スポットスキャニング方式では治療する部位におけるあるスポットに対し、治療計画で定められた線量を照射対象１１に荷電粒子ビーム３により照射するので、まず、あるスポットに対する制御入力により走査電磁石１、２を励磁する（ステップＳＴ３）。具体的には、照射制御装置８は、あるスポットの位置に対応する制御入力を走査電磁石電源７に送り、走査電磁石電源７は、Ｘ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石１を制御入力にしたがって、制御入力で指定された励磁電流により走査電磁石１、２を励磁する。

　走査電磁石１、２の設定が完了したら、例えばＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２から設定完了の信号を受けて、荷電粒子ビーム３を粒子線照射装置５８に入射し、当該スポットに対して照射を開始する（ステップＳＴ４）。

　照射制御装置８は、当該スポットに治療計画通りの照射が行われたことを、線量モニタ５で検出した照射線量が満了したか（照射線量が計画線量に達したか）を判定する（ステップＳＴ５）。満了した場合は荷電粒子ビーム３を遮断する（ステップＳＴ６）。

　照射制御装置８は、次のスポットがあるかを判定し、次のスポットがある場合は、ステップＳＴ８に移り、次のスポットがない場合は照射を終了する（ステップＳＴ７）。ステップＳＴ８にて、次のスポットに対する制御入力により走査電磁石走査電磁石１、２を励磁する。ステップＳＴ３と同様に動作する。

　走査電磁石１、２の設定が完了したら、荷電粒子ビーム３の遮断を解除し、当該スポットに対して照射を開始する（ステップＳＴ９）。ステップＳＴ９の動作を行った後にステップＳＴ５に戻る。以上のように照射対象１１における複数層の１つの層（スライス）におけるスポットが終了するまで繰り返す。１つのスライスに対する照射が終了したら、荷電粒子ビーム３のエネルギーを変更し、ステップＳＴ３～ステップＳＴ９を実行し、他のスライスに対する照射を行う。

　実施の形態１の粒子線照射装置５８は、走査電磁石移動装置４によりＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２と照射対象１１との距離を変更することで、照射対象１１に適した最大照射野及び照射位置精度を選択することができる。実施の形態１の粒子線照射装置５８は、走査用電磁石と照射位置との距離がほぼ一定に固定され、照射位置での照射位置精度を自由に変更できなかった従来とは異なり、照射対象１１に応じて適切に照射位置精度を変更することができる。また、照射野及び照射位置精度の組み合わせを可変にし、多様な照射バリエーションの設定を行うことができる。

　実施の形態１の粒子線照射装置５８は、照射位置精度をあまり高める必要がなく、最大照射野を拡大したい場合に、許容可能な照射位置精度以内で走査電磁石移動装置４を動かし、Ｘ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２の励磁電流を設定する制御入力（指令電流）Ｉｃを生成する。この場合は、図５（ｂ）に示したように、ビームスポット２２ｂが大きくなるので、ビームスポットが小さい場合に比べて、照射対象１１に照射するスポット数が少なくなるので、トータルの照射時間を短くすることができる。

　粒子線照射装置において、荷電粒子ビーム３が大気中で散乱してビームサイズが大きくならないようにするために、照射対象１１の近くまで荷電粒子ビーム３が真空ダクト中を移動するようにする場合がある。この場合は、Ｘ方向走査電磁石１とＹ方向走査電磁石２の間に、真空ダクトのフランジなどの金属が在る場合が多く、従来の粒子線照射装置では、交番磁界による当該金属の発熱が懸念される。しかし、実施の形態１の粒子線照射装置５８によれば、Ｘ方向走査電磁石１とＹ方向走査電磁石２のビーム軸方向の間隔を自由に変えることができるので、発熱が懸念されるような磁場を発生する照射の際は、当該間隔を一時的に大きくし、発熱を防止することが可能である。

　一般に、粒子線照射装置を収める建屋は、鉄筋コンクリートで建てられ、経年的または地震などで、床や天井の高さが変わることがある。よって、変位の観測を定期的に行って、走査用電磁石と照射位置の距離を一定に保つよう、走査用電磁石のビーム軸方向の位置を補正する必要がある。実施の形態１の粒子線照射装置５８は、走査電磁石移動装置４により、当該位置補正を容易に行うことが可能となる。

　なお、走査電磁石移動装置４として、Ｘ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２に共通に使用する、すなわち同時にＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２を移動させる例で説明したが、それぞれが独立した走査電磁石移動装置４をもってもよい。走査電磁石移動装置４としては、図示例のモータ１２及びボールねじ１３の構成に限らず、適宜のものが採用可能である。

　Ｘ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２を独立に移動させる構成にすると、次のようになる。照射対象１１が大きく、最大照射野を大きくしたい場合は、走査電磁石移動装置４により、少なくともＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２の一方を、荷電粒子ビーム３のビーム軸の方向に、図５（ｂ）に示すように照射対象１１から離れる向きへ移動する。照射対象１１から離れる向きへ移動した走査電磁石の走査方向において、最大照射野が拡大する。また、照射対象１１が小さい、または大きい場合であっても、照射位置誤差が小さくしたい場合は、走査電磁石移動装置４により、少なくともＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２の一方を、荷電粒子ビーム３のビーム軸の方向に、図５（ｃ）に示すように照射対象１１に近づく向きへ、所定の照射位置精度を達成できる位置まで移動する。照射対象１１に近づく向きへ移動した走査電磁石の走査方向において、照射位置精度を高めることができる。

　以上のように実施の形態１の粒子線照射装置５８によれば、荷電粒子ビーム３を走査する走査電磁石１、２と、荷電粒子ビーム３のビーム軸方向における走査電磁石１、２と照射対象１１との距離を変更するように走査電磁石１、２を移動する走査電磁石移動装置４とを備えたので、荷電粒子ビームのビーム軸方向における走査電磁石と照射対象との距離を変更でき、照射野及び照射位置精度の組み合わせ等の粒子線照射における複数のパラメータの組み合わせを可変にし、多様な照射バリエーションの設定を行うことができる。

　実施の形態１の粒子線治療装置５１によれば、荷電粒子ビーム３を発生させ、この荷電粒子ビーム３を加速器５４で加速させるビーム発生装置５２と、加速器５４により加速された荷電粒子ビーム３を輸送するビーム輸送系５９と、ビーム輸送系５９で輸送された荷電粒子ビーム３を照射対象１１に照射する粒子線照射装置５８とを備え、粒子線照射装置５８は、荷電粒子ビーム３を走査する走査電磁石１、２と、荷電粒子ビーム３のビーム軸方向における走査電磁石１、２と照射対象１１との距離を変更するように走査電磁石１、２を移動する走査電磁石移動装置４とを備えたので、荷電粒子ビームのビーム軸方向における走査電磁石と照射対象との距離を変更でき、照射野及び照射位置精度の組み合わせ等の粒子線照射における複数のパラメータの組み合わせを可変にし、多様な照射バリエーションから選択でき、適切な粒子線治療を行うことができる。

実施の形態２．
　実施の形態１では、Ｘ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２の少なくとも一方を移動させる場合に、上流側の走査用電磁石１の最大振り角によって振られた荷電粒子ビーム３が、下流側の走査用電磁石２の磁極と干渉することが考えられる。実施の形態２では、Ｘ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２の少なくとも一方を移動させる場合でも、上流側の走査用電磁石１の最大振り角によって振られた荷電粒子ビーム３が、下流側の走査用電磁石２の磁極と干渉しないように磁極移動装置２９を備える。実施の形態１の照射装置とは、少なくとも下流側のＹ方向走査電磁石２に磁極移動装置２９が設置される点で異なる。

　図７は、走査電磁石の磁極と荷電粒子ビームの関係を説明する図である。荷電粒子ビーム３は、上流側のＸ方向走査電磁石１により振り角γでＸ方向に走査される。下流側のＹ方向走査電磁石２では、Ｙ方向走査電磁石２の磁極間隔ｇを通過する。荷電粒子ビーム３は、方向走査電磁石２の上端において、上端移動範囲ｄｂ１を通過し、方向走査電磁石２の下端において、下端移動範囲ｄｂ２を通過する。下端移動範囲ｄｂ２は上端移動範囲ｄｂ１より広くなるので、荷電粒子ビーム３がＹ方向走査電磁石２の磁極と干渉しないようにするためには、磁極間隔ｇは下端移動範囲ｄｂ２よりも広いことが必要である。磁極間隔ｇが下端移動範囲ｄｂ２よりも狭い場合は、荷電粒子ビーム３がＹ方向走査電磁石２の磁極と干渉する。

　図８は、本発明の実施の形態２による走査電磁石を示す構成図である。図８はＹ方向走査電磁石２と磁極移動装置２９の例である。Ｙ方向走査電磁石２は２つの固定ヨーク２８ａ、２８ｂと２つの可動鉄心２３ａ、２３ｂを有する。固定ヨーク２８ａ、２８ｂには移動ガイド２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄが設けられ、磁極移動装置２９により可動鉄心２３ａ、２３ｂは、移動ガイド２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄに支持されながら移動する。磁極移動装置２９は、２つの可動鉄心２３ａ、２３ｂをそれぞれ移動させる２つの移動部からなる。その移動部は、それぞれピニオン２７ａ（２７ｂ）と、モータ２６ａ（２６ｂ）と、ラック２４ａ（２４ｂ）を有する。ラック２４ａは可動鉄心２３ａに取り付けられ、ラック２４ｂは可動鉄心２３ｂａに取り付けられる。モータ２６ａに取り付けられたピニオン２７ａが回転することで、ラック２４ａが移動し、同様にモータ２６ｂに取り付けられたピニオン２７ｂが回転することで、ラック２４ｂが移動する。

　図８では可動鉄心２３ａと、可動鉄心２３ｂとの磁極間隔がｇ１である場合である。なお、Ｙ方向走査電磁石２のコイルは可動鉄心２３ａ、２３ｂのそれぞれの凸部３５ａ、３５ｂの周りに設置される。可動鉄心２３ａに設置されたコイルは可動鉄心２３ａと共に移動し、可動鉄心２３ｂに設置されたコイルは可動鉄心２３ｂと共に移動する。図９は走査電磁石における磁極間隔が最大になった例である。図９では、可動鉄心２３ａ、２３ｂがそれぞれ最大限度まで移動し、可動鉄心２３ａと、可動鉄心２３ｂとの磁極間隔がｇ２になっている。なお、ｇ１＜ｇ２である。

　実施の形態２の粒子線照射装置５８は、少なくとも下流側のＹ方向走査電磁石２に磁極移動装置２９が設置され、下流側のＹ方向走査電磁石２の磁極間隔ｇを変更できるので、Ｘ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２の少なくとも一方を移動させる場合にも、荷電粒子ビーム３が、下流側の走査用電磁石２の磁極と干渉しないようにできる。したがって、実施の形態２の粒子線照射装置５８は、Ｘ方向及びＹ方向の一方において、照射対象１１に適した最大照射野及び照射位置精度を選択することができる。Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれにおいて最大照射野及び照射位置精度を選択することができるので、実施の形態１に比べて、多様な照射バリエーションの設定を行うことができる。

実施の形態３．
　図１０は本発明の実施の形態３による粒子線照射装置を示す構成図である。実施の形態３の粒子線照射装置６０は、照射対象１１とＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２との距離を離散的に変更させる例である。図１０では、Ｘ方向走査電磁石及びＹ方向走査電磁石の走査電磁石対が２つある例を示している。粒子線照射装置６０は、実施の形態１の粒子線照射装置５８とは、Ｘ方向走査電磁石１ａ及びＹ方向走査電磁石２ａと、Ｘ方向走査電磁石１ｂ及びＹ方向走査電磁石２ｂと、２つの走査電磁石７ａ、７ｂと、２つの走査電磁石移動装置３０ａ、３０ｂを有する点で異なる。

　査電磁石移動装置３０ａは、Ｘ方向走査電磁石１ａ及びＹ方向走査電磁石２ａを固定する固定板３１ａと、固定板３１ａに接続されたラック３３ａと、モータ３２ａとピニオン３４ａを有する。電磁石移動装置３０ｂは、Ｘ方向走査電磁石１ｂ及びＹ方向走査電磁石２ｂを固定する固定板３１ｂと、固定板３１ｂに接続されたラック３３ｂと、モータ３２ｂとピニオン３４ｂを有する。モータ３２ａに取り付けられたピニオン３４ａが回転することで、ラック３３ａが移動し、同様にモータ３２ｂに取り付けられたピニオン３４ｂが回転することで、ラック３３ｂが移動する。走査電磁石移動装置３０ａ、３０ｂは、荷電粒子ビーム３を走査する位置から荷電粒子ビーム３を走査しない位置までの間を移動させる装置である。

　実施の形態３では、走査電磁石移動装置３０ａ、３０ｂにより照射対象１１とＸ方向走査電磁石１及びＹ方向走査電磁石２との距離を離散的に変更するので、この離散的な変更数に応じた制御入力生成部を用意すればよい。実施の形態３の粒子線照射装置６０は、実施の形態１の粒子線照射装置５８にくらべて、少ない数の制御入力生成部を用いるので、制御入力生成部を準備する作業量が少なくでき、粒子線照射装置の実運用を開始するまでの期間を短くすることができる。実施の形態３の粒子線照射装置６０は、実施の形態１の粒子線照射装置５８にくらべて多様性は少なくなるが、従来とは異なり、照射野及び照射位置精度の組み合わせ等の粒子線照射における複数のパラメータの組み合わせを可変にし、多様な照射バリエーションの設定を行うことができる。

　なお、スポットスキャニング方式を例に説明したが、ラスタースキャニングに適用できる。

　また、ブロード照射方式のワブラー電磁石にも適用することができる。ブロード照射方式に走査電磁石移動装置４や走査電磁石移動装置３０を適用することで、照射対象１１とワブラー電磁石との距離を変更して、照射野を大きくすることができる。スキャニング照射方式では、粒子線照射における複数のパラメータの組み合わせとして、照射野及び照射位置精度の組み合わせを可変にし、多様な照射バリエーションを行うことができるが、ブロード照射方式では、粒子線照射における複数のパラメータの組み合わせとして、照射野及びビームの平坦度の組み合わせを可変にし、多様な照射バリエーションを行うことができる。

１、１ａ、１ｂ…Ｘ方向走査電磁石、２、２ａ、２ｂ…Ｙ方向走査電磁石、３…荷電粒子ビーム、４…走査電磁石移動装置、８…照射制御装置、１１…照射対象、２３ａ、２３ｂ…可動鉄心、２９…磁極移動装置、３０ａ、３０ｂ…走査電磁石移動装置、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…ビーム輸送系、６０、６０ａ、６０ｂ…粒子線照射装置。

Claims

　加速器により加速された荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線照射装置であって、
前記荷電粒子ビームをビーム軸に垂直なＸ方向及びＹ方向に走査する走査電磁石と、
前記荷電粒子ビームのビーム軸方向における前記走査電磁石と前記照射対象との距離を変更するように前記走査電磁石を移動する走査電磁石移動装置と、を備えた粒子線照射装置。
　前記荷電粒子ビームの目標照射位置座標に基づいて前記走査電磁石を制御する照射制御装置を備え、
前記照射制御装置は、前記走査電磁石と前記照射対象との距離に基づいて、前記走査電磁石を制御する制御入力を生成することを特徴とする請求項１記載の粒子線照射装置。
　前記照射制御装置は、前記走査電磁石と前記照射対象との距離に基づく制御入力を生成する制御入力生成部を有することを特徴とする請求項２記載の粒子線照射装置。
　前記照射制御装置は、前記走査電磁石と前記照射対象との距離に基づく照射位置精度が異なる複数の前記制御入力生成部を有することを特徴とする請求項３記載の粒子線照射装置。
　前記制御入力生成部は、前記制御入力と前記制御入力に対応する前記目標照射位置座標とが関係付けられた変換テーブルであることを特徴とする請求項３または４に記載の粒子線照射装置。
　前記制御入力生成部は、前記制御入力と前記目標照射位置座標とが関係付けられた多項式であることを特徴とする請求項３または４に記載の粒子線照射装置。
　前記走査電磁石は、前記荷電粒子ビームをＸ方向及びＹ方向に走査する第１の走査電磁石と、
前記第１の走査電磁石の下流に配置され、前記荷電粒子ビームをＸ方向及びＹ方向に走査する第２の走査電磁石とを含み、

前記走査電磁石移動装置は、前記第１の走査電磁石を、前記荷電粒子ビームを走査する位置から前記荷電粒子ビームを走査しない位置までの間を移動させる走査電磁石移動装置と、
前記第２の走査電磁石を、前記荷電粒子ビームを走査する位置から前記荷電粒子ビームを走査しない位置までの間を移動させる走査電磁石移動装置とを含み、
前記第１の走査電磁石または前記第２の走査電磁石のいずれか一方により前記荷電粒子ビームは走査されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
　前記走査電磁石は、前記荷電粒子ビームをＸ方向に走査するＸ方向走査電磁石と、前記Ｘ方向走査電磁石の下流側に配置され、前記荷電粒子ビームをＹ方向に走査するＹ方向走査電磁石とを含み、
前記Ｙ方向走査電磁石は、磁極間隔が変更可能な可動鉄心を有し、
前記Ｙ方向走査電磁石の前記可動鉄心を移動する磁極移動装置を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
　前記第１の走査電磁石または前記第２の走査電磁石は、前記荷電粒子ビームをＸ方向に走査するＸ方向走査電磁石と、前記Ｘ方向走査電磁石の下流側に配置され、前記荷電粒子ビームをＹ方向に走査するＹ方向走査電磁石とを含み、
前記Ｙ方向走査電磁石は、磁極間隔が変更可能な可動鉄心を有し、
前記Ｙ方向走査電磁石の前記可動鉄心を移動する磁極移動装置を備えたことを特徴とする請求項７記載の粒子線照射装置。
　荷電粒子ビームを発生させ、この荷電粒子ビームを加速器で加速させるビーム発生装置と、前記加速器により加速された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、
前記粒子線照射装置は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の粒子線照射装置であることを特徴とする粒子線治療装置。