(57)【要約】  走査電磁石と位置モニタの位置が相対的に変化する場合であっても、ビーム照射位置を正確に計算し、高精度なビーム照射を実行することを目的とする。荷電粒子ビーム（２）の通過位置を検出する位置モニタ（９）と、所定の基準点から位置モニタ（９）までの距離（Ｄ）を算出し、照射対象（２５）におけるビーム照射位置（Ｐ）を計算し、ビーム（２）の照射を制御する照射制御装置（２３）と、を備える。照射制御装置（２３）は、位置モニタ（９）により検出されたビーム位置（Ｐｍ）と、照射対象（２５）の照射面（３１）から、走査電磁石（５ｘ、５ｙ）におけるビーム（２）の走査起点（１ｘ、１ｙ）までの走査起点距離情報と、前記算出した距離（Ｄ）に基づいて計算された照射面（３１）から位置モニタ（９）までの位置モニタ距離情報と、に基づいて、照射位置（Ｐ）を計算する位置計算装置（３０）を有する。
2012120615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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方向に走査する走査電磁石と、
前記走査電磁石に対して前記ビーム軸方向における相対位置が所望の位置に変更可能に配置され、前記荷電粒子ビームの通過位置を検出する位置モニタと、
前記位置モニタのビーム軸方向における位置情報から、所定の基準点から当該位置モニタのビーム軸方向における距離を算出し、前記位置モニタの検出信号及び前記算出した距離に基づいて前記照射対象におけるビーム照射位置を計算し、前記荷電粒子ビームの照射を制御する照射制御装置と、を備え、
前記照射制御装置は、
前記位置モニタにより検出されたビーム位置と、
前記照射対象の照射面から、前記走査電磁石における前記荷電粒子ビームの走査起点までの走査起点距離情報と、
前記算出した距離に基づいて計算された前記照射面から前記位置モニタまでの位置モニタ距離情報と、に基づいて、前記照射面におけるビーム照射位置を計算する位置計算装置を有することを特徴とする粒子線照射装置。
【請求項２】
前記位置計算装置は、
前記走査電磁石により走査された前記荷電粒子ビームの軌跡と前記ビーム軸との角度である走査角度θと、前記走査電磁石の基準点から前記走査起点までの距離ｄｈとの特性である走査起点位置特性を保存するメモリを有し、
前記位置モニタにより検出されたビーム位置及び前記照射対象の照射面から前記走査起点の候補である走査起点候補Ｓｎまでの走査起点距離候補情報ｈ１ｎに基づいて前記走査角度θの候補である走査角度候補θｎを計算する走査角度計算ステップを実行し、
前記走査角度候補θｎ及び前記走査起点位置特性に基づいて計算された前記距離ｄｈの候補である距離ｄｈｎを含む更新された更新走査起点距離候補情報ｈ１ｎ＋１を計算する走査起点距離計算ステップを実行し、
前記更新走査起点距離候補情報ｈ１ｎ＋１に基づいて前記走査角度計算ステップを実行して計算された走査角度候補θｎ＋１と前記走査角度候補θｎとの走査角度差が所定の値以下になるまで、前記走査角度計算ステップ及び前記走査角度計算ステップを繰り返し、
前記走査角度差が前記所定の値以下になった場合の前記更新走査起点距離候補情報ｈ１ｎ＋１を、前記照射対象の照射面から、前記走査電磁石における前記荷電粒子ビームの走査起点までの走査起点距離情報として、前記照射面におけるビーム照射位置を計算することを特徴とする請求項１記載の粒子線照射装置。
【請求項３】
前記位置計算装置は、
予め測定された前記走査電磁石の走査起点の位置座標と、前記位置モニタにより検出された前記ビーム位置の座標とを通過する直線を表す特性式を計算し、
前記特性式に基づいて、前記照射面におけるビーム照射位置を計算することを特徴とする請求項１または２に記載の粒子線照射装置。
【請求項４】
前記走査電磁石の走査起点の位置座標は、
前記荷電粒子ビームが前記走査電磁石に入射する入射軸と前記ビーム軸との角度である傾斜角度に基づいて計算されることを特徴とする請求項３記載の粒子線照射装置。
【請求項５】
前記位置モニタの上流側であって、前記走査電磁石に対して前記ビーム軸方向における相対位置が一定であるように配置され、前記荷電粒子ビームの通過位置を検出する上流側位置モニタを備え、
前記位置計算装置は、
前記上流側位置モニタにより検出された第１のビーム位置及び前記位置モニタにより検出された第２のビーム位置と、
前記照射対象の照射面から、前記走査電磁石における前記荷電粒子ビームの走査起点までの前記走査起点距離情報と、
前記照射対象の照射面から、前記上流側位置モニタまでの上流側位置モニタ距離情報と、前記算出した距離に基づいて計算された前記照射面から前記位置モニタまでの前記位置モニタ距離情報と、に基づいて、前記照射面におけるビーム照射位置を計算することを特徴とする請求項１記載の粒子線照射装置。
【請求項６】
前記走査電磁石と前記位置モニタとの前記ビーム軸方向における相対位置を変更する駆動装置を備え、
前記位置モニタは、前記荷電粒子ビームが輸送される真空領域を確保する真空ダクトから前記荷電粒子ビームを前記照射対象に向けて取り出すビーム取出し窓の下流側に配置されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
【請求項７】
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６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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療装置における照射方法には、大きく分けて、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合わせて照射野を形成し、照射対象である患者の患部全体に対してビームを一斉に照射するブロード照射法と、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電磁石により走査して照射する走査式照射法（スポットスキャニング法、ラスタースキャニング法等）とがある。【０００３】
近年、複雑な形状の患部を治療するため、ビーム成形の自由度に対する要求が大きくなってきた。このような患部の例として脳腫瘍が挙げられる。脳腫瘍は、ビームを照射してはいけない重要部位に周囲を囲まれているため、患部形状が複雑である。ブロード照射法は、このような患部の治療に適さない。なぜなら、ブロード照射法はビームを３次元方向に広げてから不必要な部分を、コリメータやボーラスを用いて患部形状に合わせて照射野を形成する。ブロード照射法は、複雑な形状の患部を治療する場合、一回の照射では複雑な形状の照射野を形成することは困難である。このため、様々な方向からの照射を重ね合わせる方法を用いなければならないからである。また、様々な方向からの照射を重ね合わせるので、正確に重ね合わせることが困難であり、ビーム照射量にムラが生じることがある。また、ビームは一定の広がりを持っているため、重ね合わせた場所に近い位置にある正常組織に余分なビームを投与してしまうという恐れもある。【０００４】
一方、走査式照射法は患部を３次元空間で小さなスポットに分割し、それぞれにビームを必要な量にて照射することで患部全体の形状に合わせて照射野を成形するため、原理的にはスポットの選択によりどのような患部形状にも対応可能であり、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法である。また、スポットごとに照射するビームの量を調節できるため、様々な方向からの照射を重ね合わせた場合でも、重ね合わせる部分のビーム量を少なくしたりできる。しかし、患部以外の正常組織への照射を防ぐコリメータやボーラスを用いないため、照射位置に対して高い精度が求められる。すなわち、ブロード照射法以上に高いビーム照射位置精度が要求される。【０００５】
特許文献１には、高いビーム照射位置精度が要求される走査式照射法を用いた粒子線治療装置において、ビームの散乱を生じる障害物をできるだけビームの下流側に置くことにより、ビームサイズを小さくする発明が開示されている。特許文献１の発明は、荷電粒子ビームを走査するビーム走査装置とこのビーム走査装置よりも下流側にビーム取出し窓が設けられた第１のダクトを有し、この第１のダクト内部を通過させて荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置と、第２のダクトを有し、加速器から出射された荷電粒子ビームを第２のダクトの内部を通過させて照射装置に輸送するビーム輸送装置とを備えており、荷電粒子ビームの位置を測定するビーム位置モニタ（以降、単に位置モニタとする。）が、保持部材を介してビーム取出し窓に取り付けられ、第１のダクト内部の真空領域と第２のダクト内部の真空領域が連通している。【０００６】
第１のダクトをビーム軸方向に伸縮させるダクト伸縮手段と駆動手段により、ビーム取出し窓の近傍で下流に設けられる位置モニタをダクトのビーム軸方向への移動と共に移動させることで、患者とビーム取出し窓とのエアギャップを不必要に大きくなることを抑え、ビームサイズを小さくするようにしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許４３９３５８１号公報（００１４段、００２７段〜００２９段、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
走査式照射法で、高い照射位置精度を得るためには、高精度な照射位置の制御に加え、高精度な照射位置の測定が必要である。なぜなら、照射位置が測定できなければ治療精度の保証ができないし、照射位置が測定できれば実際の照射位置の設定値からのずれを補正して再び照射したりするなど、照射位置を照射制御にフィードバックすることもできるからである。【０００９】
一般に、治療に必要な線量を複数回に分けて粒子線ビームの照射を行うので、照射の度に、粒子線治療装置の機器である走査電磁石及び位置モニタと、患者の患部との位置は精度よく合わせる必要がある。通常の粒子線治療装置では、走査電磁石と位置モニタとの位置は固定されている。しかし、特許文献１の粒子線治療装置では、照射の度に患者の患部と位置モニタとの位置を動かす、すなわち走査電磁石と位置モニタとの位置を動かすので、照射の度に患者の患部と位置モニタとの位置が変化し、かつ走査電磁石と位置モニタとの位置も変化する。このように、照射の度に走査電磁石、位置モニタ、患者の患部それぞれの相対位置が変わってしまうと、照射位置を高精度で計算するために特別な計算方法が必要になる。【００１０】
特許文献１の発明は、小さなビームサイズで患者の患部に照射するために、粒子線照射装置の先端部分であるスノート部に位置モニタが設置され、位置モニタを含むスノート部をダクト伸縮手段と駆動手段により、患者にできるだけ接近させ、患者とビーム取出し窓とのエアギャップを不必要に大きくなることを抑えていた。しかしながら、特許文献１の発明には、患部におけるビームの照射位置を高精度に計算する計算方法は開示されていない。患部と位置モニタとの位置関係が変わる、すなわち走査電磁石と位置モニタの位置が相対的に変化するにも関わらず、患部におけるビームの照射位置を高精度に計算しない場合は、高い照射位置精度で照射することができない問題があった。【００１１】
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、走査電磁石と位置モニタの位置が相対的に変化する場合であっても、ビーム照射位置を正確に計算することにより、高精度にビーム照射ができる粒子線照射装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
荷電粒子ビームをビーム軸に垂直な方向に走査する走査電磁石と、走査電磁石に対してビーム軸方向における相対位置が所望の位置に変更可能に配置され、荷電粒子ビームの通過位置を検出する位置モニタと、位置モニタのビーム軸方向における位置情報から、所定の基準点から当該位置モニタのビーム軸方向における距離を算出し、位置モニタの検出信号及び前記算出した距離に基づいて照射対象におけるビーム照射位置を計算し、荷電粒子ビームの照射を制御する照射制御装置と、を備える。照射制御装置は、位置モニタにより検出されたビーム位置と、照射対象の照射面から、走査電磁石における荷電粒子ビームの走査起点までの走査起点距離情報と、前記算出した距離に基づいて計算された照射面から位置モニタまでの位置モニタ距離情報と、に基づいて、照射面におけるビーム照射位置を計算する位置計算装置を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る粒子線照射装置によれば、位置モニタにより検出されたビーム位置と、走査起点距離情報と、位置モニタ距離情報と、に基づいてビーム照射位置を計算するので、ので、走査電磁石と位置モニタの位置が相対的に変化する場合であっても、ビーム照射位置を正確に計算することにより、高精度にビーム照射ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の粒子線治療装置の概略構成図である。
【図２】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３】図２の位置計算装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態１による位置計算方法を説明する図である。
【図５】図４の走査起点を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１による位置計算方法の効果を説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態２による位置計算方法を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態３による位置計算方法に用いる走査起点位置特性を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態３による位置計算方法を説明する図である。
【図１０】本発明の実施の形態４による位置計算方法の走査起点を説明する図である。
【図１１】本発明の実施の形態４による位置計算方法を説明する図である。
【図１２】本発明の実施の形態４による位置計算方法の特性線を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、シンクロトロンである円形加速器（以降、単に加速器と称する）５４とを有する。粒子線照射装置５８ｂ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の役割は加速器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。
【００１６】
イオン源で発生した陽子線、炭素線（重粒子線）等の粒子線である荷電粒子ビーム２は、前段加速器５３で加速され、加速器５４に入射される。荷電粒子ビーム２は、所定のエネルギーまで加速される。加速器５４で高周波数の電界で加速し磁石で曲げながら、光速の約７０〜８０％まで加速される。加速器５４から出射された荷電粒子ビーム２は、ビーム輸送系５９を経て粒子線照射装置５８ａ、５８ｂに輸送される。ビーム輸送系５９は、十分にエネルギーが与えられた荷電粒子ビーム２を、真空ダクトにより作られた通路を、電磁石で必要に応じて軌道を変え、指定された治療室の粒子線照射装置５８ａ、５８ｂへと導く。粒子線照射装置５８ａ、５８ｂは、照射対象２５（図２参照）である患者２４の患部の大きさや深さに応じて照射野を成形し、荷電粒子ビーム２を照射対象２５に照射する。
【００１７】
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２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、ビーム輸送系５９から真空領域を確保する連通した真空ダクト４及び真空ダクト６と、荷電粒子ビーム２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２を走査するＸ方向走査電磁石５ｘ及びＹ方向走査電磁石５ｙと、上流側の位置モニタ３と、荷電粒子ビーム２を取出すビーム取出し窓７と、線量モニタ８と、下流側の位置モニタ９と、走査電磁石電源２１と、真空ダクト６をビーム軸方向に移動するダクト駆動装置１２と、真空ダクト４及び真空ダクト６を伸縮させるダクト伸縮器１１と、位置モニタ９のＺ方向の位置（基準点からの距離）を検出する距離センサ２２と、線量データ変換器１９と、位置データ変換器２０と、粒子線照射装置５８の照射系機器を制御する照射制御装置２３と、を備える。荷電粒子ビーム２は、図に記載した中心軸２７に沿うように照射され、Ｘ方向走査電磁石５ｘ及びＹ方向走査電磁石５ｙで何も制御しなければ、最終的にはアイソセンタ（照射基準点）２６に向かうように調整される。なお、荷電粒子ビーム２の進行方向はＺ方向である。
【００１８】
Ｘ方向走査電磁石５ｘは荷電粒子ビーム２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５ｙは荷電粒子ビーム２をＹ方向に走査する走査電磁石である。位置モニタ３、９は、Ｘ方向走査電磁石５ｘ及びＹ方向走査電磁石５ｙで走査された荷電粒子ビーム２が通過するビームにおける重心やビームピーク位置（通過位置）を検出する。線量モニタ８は荷電粒子ビーム２の線量を検出する。走査電磁石電源２１は照射制御装置２３から出力されたＸ方向走査電磁石５ｘ及びＹ方向走査電磁石５ｙへの制御入力（指令電流）に基づいてＸ方向走査電磁石５ｘ及びＹ方向走査電磁石５ｙの設定電流を変化させる。
【００１９】
照射制御装置２３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２５における荷電粒子ビーム２の照射位置を制御し、線量モニタ８で測定され、線量データ変換器１９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２を停止する。すなわち、照射制御装置２３は、照射対象２５における照射スポット及び照射線量を制御する。照射スポットは、Ｚ方向に分割した層であり、荷電粒子ビーム２の運動エネルギーに応じた層であるスライスと、各スライスにおけるＸＹ方向の小領域に分割される。照射制御装置２３は、照射対象２５に対して運動エネルギーに応じた層であるスライス毎に荷電粒子ビーム２を走査する。
【００２０】
ダクト駆動装置１２は、モータ１５と、ボールねじ１６を有し、モータ１５が回転させるボールねじ１６により真空ダクト６に固定された雌ねじ機構を介して、真空ダクト６を移動させる。ダクト伸縮器１１は、真空ダクト４及び真空ダクト６を接続し、一体となった真空ダクト４及び真空ダクト６を伸縮させる。ダクト伸縮器１１は、例えばベローズである。１７ａ、１７ｂはガイド棒であり、ガイド棒の一端は真空ダクト６に固定され、他端は真空ダクト４に固定された支持板１３を貫通している。ガイド棒１７ａ、１７ｂは、支持板１３に設置されたベアリング１４ａ、１４ｂにより保持される。ダクト駆動装置１２が真空ダクト６を移動させる際に、ベアリング１４ａ、１４ｂによりダクト伸縮器１１のＺ方向の移動が滑らかに行われ、真空ダクト６は滑らかに移動する。線量モニタ８及び位置モニタ９は、保持部材１０により真空ダクト６の先端部に保持される。真空ダクト６は、２つのダクトをフランジ１８ａ、１８ｂにより接続された例である。ダクト駆動装置１２は、走査電磁石５ｘ、５ｙと位置モニタ９とのビーム軸方向（中心軸２７の方向）における相対位置を変更する駆動装置である。
【００２１】
照射制御装置２３は、照射対象２５における荷電粒子ビーム２の照射位置を計算する位置計算装置３０を有する。図３は、実施の形態１による位置計算装置３０の構成を示すブロック図である。位置計算装置３０は、電流電圧変換器（Ｉ／Ｖ変換器）１０７と、アナログデジタル変換器（ＡＤ変換器）１０８と、信号処理装置１０５と、を有する。図２に示した距離センサ２２は、ダクト駆動装置１２のモータ１５の回転を検出するエンコーダである。距離センサ２２からの電流信号ｓｉｇ１は、Ｉ／Ｖ変換器１０７を通過しで電圧に変換され、ＡＤ変換器１０８でアナログ信号からデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換されたｓｉｇｈｚ信号は信号処理装置１０５に入力される。
【００２２】
位置モニタ３、９は、例えば粒子線を電離するガスの中に垂直のワイヤー群を張った多線式比例計数管で構成される。位置モニタ９上でのビームの位置情報である電流信号ｓｉｇ２は、Ｉ／Ｖ変換器１０２を通過しで電圧に変換され、増幅器１０３で増幅され、ＡＤ変換器１０４でアナログ信号からデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換されたｓｉｇＰｍ信号は信号処理装置１０５に入力される。Ｉ／Ｖ変換器１０２、増幅器１０３、ＡＤ変換器１０４は、位置データ変換器２０を構成する。位置モニタ３で検出する電流信号は、図示しない他の位置データ変換器を通してデジタル信号に変換される。
【００２３】
信号処理装置１０５は、位置モニタ上でのビーム位置Ｐｍ（Ｘｐｍ，Ｙｐｍ）を、例えば荷電粒子ビーム２の重心やビームピーク位置などを計算して導出する。位置モニタ９のＺ軸方向の情報、例えばＸ方向走査電磁石５ｘからの距離ｈｚ１やＹ方向走査電磁石５ｙからの距離ｈｚ２（図５参照）は、距離センサ２２により検出した信号により計算する。信号処理装置１０５は、位置モニタ９のＺ軸方向の情報、ビーム位置Ｐｍ（Ｘｐｍ，Ｙｐｍ）、後述する基準点（例えば、皮膚表面３４）から位置モニタ９ｂまでの距離Ｄや荷電粒子ビーム２のエネルギー等から演算することにより、患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）に変換される。
【００２４】
次に、患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算する方法を説明する。図４は本発明の実施の形態１による位置計算方法を説明する図であり、図５は走査起点を示す図である。前述したように、荷電粒子ビーム２はＸ方向走査電磁石５ｘ及びＹ方向走査電磁石５ｙにより走査される。荷電粒子ビーム２は、走査電磁石５ｘ（５ｙ）を通過する際に走査電磁石５ｘ（５ｙ）が発生する磁場により徐々に偏向される。走査電磁石５ｘ（５ｙ）から出る際の出射方向は、走査電磁石５ｘ（５ｙ）に入る際の入射方向とは異なる方向になる。患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算するために、荷電粒子ビーム２は走査電磁石５ｘ（５ｙ）の一点で方向を変え、走査されると考えることにする。Ｘ方向走査電磁石５ｘにおいて、荷電粒子ビーム２が方向を変える前記一点を走査起点１ｘとする。同様に、Ｙ方向走査電磁石５ｙにおいて、荷電粒子ビーム２が方向を変える前記一点を走査起点１ｙとする。例えば、走査起点１ｘは、Ｘ方向走査電磁石５ｘにおけるＺ方向の中心点とする。同様に、走査起点１ｙは、Ｙ方向走査電磁石５ｙにおけるＺ方向の中心点とする。
【００２５】
図２に示した粒子線照射装置５８は、Ｘ方向走査電磁石５ｘが上流側に配置され、Ｙ方向走査電磁石５ｙがＸ方向走査電磁石５ｘの下流側に配置した例である。図５に示すように走査起点１ｘは走査起点１ｙの上流側に位置する。図５（ａ）は、走査電磁石５ｘ、５ｙをＹ方向から見た模式図である。図５（ｂ）は、走査電磁石５ｘ、５ｙをＸ方向から見た模式図である。荷電粒子ビーム２は、走査起点１ｘで走査され荷電粒子ビーム２ａや荷電粒子ビーム２ｂのようにＸ方向に走査される。また、荷電粒子ビーム２は、走査起点１ｙで走査され荷電粒子ビーム２ｃや荷電粒子ビーム２ｄのようにＹ方向に走査される。
【００２６】
図４を用いて、実施の形態１による位置計算方法を詳しく説明する。図４は、Ｘ方向走査電磁石５ｘにより荷電粒子ビーム２を走査する例である。走査起点１で走査された荷電粒子ビーム２は、軌跡３２のように位置モニタ９ｂを通過し、患者２４の患部（照射対象２５）に照射される。３４は患者２４の皮膚表面であり、３１はあるスライスを通過する照射面である。皮膚表面３４から照射面３１までの長さＬは、患者２４の照射される荷電粒子ビーム２のエネルギーに応じて侵入する荷電粒子ビーム２の飛程Ｌに相当する。飛程Ｌは、皮膚表面３４から荷電粒子ビーム２のブラッグピークＢＰ（Bragg Peak）までの長さに相当する。皮膚表面３４から位置モニタ９ｂまでの距離Ｄは、患者を位置決め作業の際に測定する。例えば、Ｘ線撮像装置によって患部の位置と位置モニタ９ｂを観察し、その画像から測長する。位置決め作業は、Ｘ線撮像装置によって患部の位置を観察しながら、治療計画の段階で定めた方向から粒子線が患部に照射されるように患者２４を固定した治療台の姿勢調整（角度調整）を行い、照射中心であるアイソセンタを基準位置として、患部の位置や姿勢を計画値に合わせる作業である。
【００２７】
ここで、位置モニタ９は、破線で示した位置モニタ９ａの位置から実線で示した位置モニタ９ｂに変化したものとする。このとき、患部の照射面３１から位置モニタ９の距離（位置モニタ距離情報）はｈ２ａからｈ２ｂに変化する。荷電粒子ビーム２は、位置モニタ９ａ上の測定点であるビーム位置Ｐｍを通過し、患部の照射面３１におけるビーム照射位置Ｐに到達する。Ｘ方向の位置座標を計算するので、図３における点、すなわち走査起点１ｘ、ビーム位置Ｐｍ、ビーム照射位置Ｐは、Ｙ座標を省略し、Ｘ座標及びＺ座標で表すことにする。走査起点１ｘをＸＺ座標系の原点（０，０）とする。ＸＺ座標系において、ビーム位置Ｐｍ、ビーム照射位置Ｐは、それぞれ（Ｘｐｍ，Ｚｐｍ）、（Ｘｐ，Ｚｐ）とする。走査起点１ｘ（０，０）を通る中心軸２７とビーム位置Ｐｍ（Ｘｐｍ，Ｚｐｍ）までのＸ方向の長さをｘｂとし、中心軸２７とビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｚｐ）までのＸ方向の長さをｘ３とする。中心軸２７と軌跡３２との角度（後述する走査角度）をθとし、走査起点１ｘから照射面３１までの距離（走査起点距離情報）をｈ１すると、長さｘ３、ｘｂは式（１）及び式（２）のように表すことができる。
ｘ３＝ｈ１・ｔａｎθ                  ・・・（１）
ｘｂ＝（ｈ１−ｈ２ｂ）・ｔａｎθ      ・・・（２）
【００２８】
式（１）から求まるｔａｎθを式（２）に代入して、式（３）を得る。
ｘ３＝ｈ１・ｘｂ／（ｈ１−ｈ２ｂ）    ・・・（３）
なお、中心軸２７とビーム照射位置ＰまでのＹ方向の長さも、式（３）と同様な式により計算することができる。
【００２９】
前述したように、患部の照射面３１から位置モニタ９の距離はｈ２ａからｈ２ｂに変化したにも関わらず、位置モニタ９の照射される距離情報が使えない場合は、初期状態の位置モニタ９の距離、すなわち位置モニタ９ａの距離ｈ２ａを用いて計算することになる。図６を用いて、本発明の実施の形態１による位置計算方法の効果を説明する。位置モニタ９が位置モニタ９ａの距離ｈ２ａにあるとして上記と同様に計算する。この場合、荷電粒子ビーム２の軌跡３２は、仮想軌跡３３であると誤認識されることになる。位置モニタ９ａの仮想ビーム位置をＰｍｆ（Ｘｐｍｆ，Ｚｐｍｆ）とし、仮想計算ビーム照射位置をＰｆ（Ｘｐｆ，Ｚｐｆ）とする。中心軸２７と仮想軌跡３２との角度をαとすると、中心軸２７と仮想ビーム照射位置ＰｆまでのＸ方向の長さｘｆは、式（３）を求めた方法と同様に、式（４）のように表現できる。
ｘｆ＝ｈ１・ｘｂ／（ｈ１−ｈ２ａ）    ・・・（４）
【００３０】
ここで、実施の形態１の位置計算方法の効果をｘ３とｘｆとの比により考える。ｘｆとｘ３の比ｘ３／ｘｆを式（３）及び式（４）を用いて計算すると式（５）のようになる。
ｘ３／ｘｆ＝（ｈ１−ｈ２ａ）／（ｈ１−ｈ２ｂ）    ・・・（５）
【００３１】
典型的な粒子線治療装置における距離ｈ１、ｈ２ａは３０００ｍｍ、６００ｍｍである。距離ｈ２ｂが３００ｍｍの場合、すなわちダクト駆動装置１２により真空ダクト６を患者２４に対して３００ｍｍ近づけた場合は、式（５）を計算すると０．８９となる。実施の形態１の位置計算方法は、走査電磁石と位置モニタの位置が相対的に変化した情報を反映できるので、走査電磁石と位置モニタの位置が相対的に変化した情報を反映できない方法に比べて、患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐの計算精度が１０％以上改善できる。
【００３２】
実施の形態１の位置計算方法は、走査電磁石と位置モニタの位置が相対的に変化した情報を反映できるので、ビーム照射位置を正確に計算することができる。したがって、この位置計算方法を適用した粒子線照射装置及び粒子線治療装置は、照射対象２５である患者２４の患部に荷電粒子ビーム２を高精度にビーム照射ができる。脳腫瘍などの高い照射位置精度を要求される患部の治療が可能になる。
【００３３】
走査式照射法において、ブロード照射法以上に高いビーム照射位置精度が要求されることは、前述した。ここで、高いビーム照射位置精度が要求される理由を詳しく述べる。荷電粒子ビームを３次元空間に平坦に広げるブロード照射法では照射位置が多少ずれても３次元空間に広がったビームの淵以外は適切に照射することができる。しかし、走査式方法では照射位置がずれると目的のスポットにビームを照射できないばかりでなく目的以外のスポットに誤ってビームを照射してしまうからである。目的のスポットに位置する癌細胞にビームを照射できなければ、治療の効果が落ちる。また、誤ってビームを照射してしまうスポットが、粒子線を当ててはいけない重要部位である場合もある。走査式照射法では、ブロード式照射法と比べて単位時間当たり照射体積当たりの粒子線の照射量が多いため、ブロード式照射法よりも大きな問題になる。また照射位置がずれると、スポットごとに照射ビーム量を調節するという走査式照射法の利点が活かされない。このような理由のため、繰り返すが照射位置に対して高い精度が求められる。
【００３４】
位置計算装置３０の信号処理装置１０５は、ＣＰＵやメモリを備え、上記の位置計算方法をソフトウエアにより実行する。信号処理装置１０５は、距離センサ２２からの電流信号ｓｉｇ１をデジタル信号に変換したｓｉｇｈｚ信号に基づいて、Ｘ方向走査電磁石５ｘの基準（例えば、図５に示すような電磁石の鉄心下部）から位置モニタ９までの距離ｈｚ１やＹ方向走査電磁石５ｙの基準（例えば、図５に示すような電磁石の鉄心下部）から位置モニタ９までの距離ｈｚ２を計算する。信号処理装置１０５は、メモリに保存されているＸ方向走査電磁石５ｘの基準から走査起点１ｘまでの距離ｄｈ１やＹ方向走査電磁石５ｙの基準から走査起点１ｙまでの距離ｄｈ２を用いて以下の計算を行う。
【００３５】
信号処理装置１０５は、照射する荷電粒子ビーム２のエネルギー情報と照射対象２５のスライス情報に基づいて飛程Ｌを計算する。信号処理装置１０５は、距離ｈｚ１、距離ｄｈ１、飛程Ｌ、位置モニタ９から皮膚表面３４までの距離Ｄから、走査起点１ｘから照射面３１までの距離ｈ１及び位置モニタ９から照射面３１までの距離ｈ２ｂを、式（６）及び（７）により計算する。また、信号処理装置１０５は、走査起点１ｙから照射面３１までの距離ｈ１ｙも同様に、距離ｈｚ２、距離ｄｈ２、飛程Ｌ、距離Ｄから式（８）により計算する。なお、ここでは、走査起点１ｙは、Ｘ方向走査電磁石５ｘによる影響は考えず、中心軸２７上にあるとする。
ｈ１＝ｈｚ１＋ｄｈ１＋Ｄ＋Ｌ        ・・・（６）
ｈ２ｂ＝Ｄ＋Ｌ                      ・・・（７）
ｈ１ｙ＝ｈｚ２＋ｄｈ２＋Ｄ＋Ｌ      ・・・（８）
【００３６】
信号処理装置１０５は、位置センサ９からの電流信号ｓｉｇ２（ｓｉｇ２ｘ、ｓｉｇ２ｙ）をデジタル信号に変換したｓｉｇＰｍ信号（ｓｉｇＰｍｘ、ｓｉｇＰｍｙ）に基づいて、ビーム位置Ｐｍ（Ｘｐｍ，Ｙｐｍ）を計算する。中心軸２７からビーム位置Ｐｍまでの長さを計算し、ｘｂとｙｂを得る。長さｘｂは図４に示したものであり、中心軸２７からビーム位置ＰｍまでのＸ方向の長さである。長さｙｂは中心軸２７からビーム位置ＰｍまでのＹ方向の長さである。信号処理装置１０５は、式（３）を用いて中心軸２７とビーム照射位置ＰまでのＸ方向の長さｘ３を計算する。同様にＹ方向の長さｙ３を、式（９）を用いて計算する。
ｙ３＝ｈ１ｙ・ｙｂ／（ｈ１ｙ−ｈ２ｂ）    ・・・（９）
【００３７】
位置モニタ３は、図２に図示しない移動装置により荷電粒子ビーム２が通過しない位置にすることができるようになっている。実施の形態１の粒子線照射装置５８は、荷電粒子ビーム２を照射する際に、１つの位置モニタ９のみで荷電粒子ビーム２の通過位置であるビーム位置Ｐｍ（Ｘｐｍ，Ｙｐｍ）を測定するので、荷電粒子ビーム２の散乱を生じる障害物を最小限にし、かつ荷電粒子ビーム２の散乱を生じる障害物となるビーム取出し窓７、線量モニタ８、位置モニタ９を下流に置くことができる。したがって、荷電粒子ビーム２のビームサイズを小さくすることができる。さらに、実施の形態１の位置計算方法を適用することで、小さなビームサイズの荷電粒子ビーム２を、照射対象２５である患者２４の患部に高精度にビーム照射ができる。
【００３８】
ビーム照射位置を正確に計算できる利点は、他にもある。例えば、ある順番の照射スポットの位置を上記計算方法により計算した結果、治療計画における目標照射スポットの位置からずれていた場合であっても、計算によって求めた位置の照射スポットの線量値を読みだし、その位置に対する線量値に達したら元々計画されていた照射スポットに走査することができる。この際、照射制御装置２３は、照射予定位置と実際の照射位置の差を計算し、Ｘ方向走査電磁石５ｘ及びＹ方向走査電磁石５ｙへの制御入力（指令電流）を補正して走査電磁石電源２１に送ることで、荷電粒子ビーム２のエネルギーが同一であるスライスにおいて、計画された目標位置に対して荷電粒子ビーム２を計画された目標線量にて照射することができる。このようにすることで、ずれた場所のスポットにおいて目標線量で管理し、荷電粒子ビーム２の照射を中止することなく、患部への照射を継続することができる。
【００３９】
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２をビーム軸２７に垂直な方向に走査する走査電磁石５ｘ、５ｙと、走査電磁石５ｘ、５ｙに対してビーム軸方向における相対位置が所望の位置に変更可能に配置され、荷電粒子ビーム２の通過位置を検出する位置モニタ９と、位置モニタ９のビーム軸方向における位置情報から、所定の基準点から当該位置モニタ９のビーム軸方向における距離Ｄを算出し、位置モニタ９の検出信号及び前記算出した距離Ｄに基づいて照射対象２５におけるビーム照射位置を計算し、荷電粒子ビーム２の照射を制御する照射制御装置２３と、を備え、照射制御装置２３は、位置モニタ９により検出されたビーム位置Ｐｍと、照射対象２５の照射面３１から、走査電磁石５ｘ、５ｙにおける荷電粒子ビーム２の走査起点１ｘ、１ｙまでの走査起点距離情報と、前記算出した距離Ｄに基づいて計算された照射面３１から位置モニタ９までの位置モニタ距離情報と、に基づいて、照射面３１におけるビーム照射位置Ｐを計算する位置計算装置３０を有するので、走査電磁石５ｘ、５ｙと位置モニタ９の位置が相対的に変化する場合であっても、ビーム照射位置Ｐを正確に計算することにより、高精度にビーム照射ができる。
【００４０】
また、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２を発生させ、この荷電粒子ビーム２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２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２を照射対象２５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２をビーム軸２７に垂直な方向に走査する走査電磁石５ｘ、５ｙと、走査電磁石５ｘ、５ｙに対してビーム軸方向における相対位置が所望の位置に変更可能に配置され、荷電粒子ビーム２の通過位置を検出する位置モニタ９と、位置モニタ９のビーム軸方向における位置情報から、所定の基準点から当該位置モニタ９のビーム軸方向における距離Ｄを算出し、位置モニタ９の検出信号及び前記算出した距離Ｄに基づいて照射対象２５におけるビーム照射位置を計算し、荷電粒子ビーム２の照射を制御する照射制御装置２３と、を備え、照射制御装置２３は、位置モニタ９により検出されたビーム位置Ｐｍと、照射対象２５の照射面３１から、走査電磁石５ｘ、５ｙにおける荷電粒子ビーム２の走査起点１ｘ、１ｙまでの走査起点距離情報と、前記算出した距離Ｄに基づいて計算された照射面３１から位置モニタ９までの位置モニタ距離情報と、に基づいて、照射面３１におけるビーム照射位置Ｐを計算する位置計算装置３０を有するので、走査電磁石５ｘ、５ｙと位置モニタ９の位置が相対的に変化する場合であっても、ビーム照射位置Ｐを正確に計算することにより、高精度にビーム照射ができる。
【００４１】
実施の形態２．
実施の形態１では、一つの位置モニタ９での測定結果のみ用いて患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算する場合について述べたが、位置モニタ３の測定結果と位置モニタ９の測定結果から走査角度（偏向角度）θの情報を得ることで、位置計算結果を補正することができるようになり、患者２４の患部でのビーム照射位置計算精度をさらに上げることができる。走査角度θは、走査電磁石５ｘ（５ｙ）により走査された荷電粒子ビーム２の軌跡３２とビーム軸（中心軸２７）との角度である。
【００４２】
図７は、本発明の実施の形態２による位置計算方法を説明する図である。図７は、Ｘ方向走査電磁石５ｘにより荷電粒子ビーム２を走査する例である。荷電粒子ビーム２は、走査起点４２ｘで走査され、位置モニタ３上のビーム位置Ｐｍ１と位置モニタ９上のビーム位置Ｐｍ２を通過し、患部の照射面３１におけるビーム照射位置Ｐに到達する。図７は、実施の形態１の位置計算方法を説明した図４に比べて、患部の照射面３１から位置モニタ３の距離ｈ３と、走査起点１ｘ（０，０）を通る中心軸２７とビーム位置Ｐｍ１（Ｘｐｍ１，Ｙｐｍ１）までのＸ方向の長さをｘ１とが追加されている。中心軸２７とビーム位置Ｐｍ２（Ｘｐｍ２，Ｙｐｍ２）までのＸ方向の長さをｘ２とする。ｔａｎθは式（１０）ように表すことができる。
ｔａｎθ＝（ｘ２−ｘ１）／（ｈ３−ｈ２）      ・・・（１０）
【００４３】
また、中心軸２７とビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｚｐ）までのＸ方向の長さをｘ３は、式（１１）ように表すことができる。式（１１）に式（１０）に代入して、式（１２）を得る。
ｘ３＝ｘ１＋ｈ３・ｔａｎθ                          ・・・（１１）
ｘ３＝ｘ１＋ｈ３・（ｘ２−ｘ１）／（ｈ３−ｈ２）    ・・・（１２）
【００４４】
ｈ２は式（７）におけるｈ２ｂと同じなので、飛程Ｌ、位置モニタ９から皮膚表面３４までの距離Ｄからｈ２を計算することができる。位置モニタ３は真空ダクト６（位置モニタ９）が移動しても、粒子線照射装置５８における位置は変化しない。距離ｈ３は、装置固有の情報である位置モニタ３のＺ軸方向の情報、例えばＸ方向走査電磁石５ｘから位置モニタ３までの距離ｈｚ３やＹ方向走査電磁石５ｙから位置モニタ３までの距離ｈｚ４を利用して、式（１３）又は式（１４）により計算する。
ｈ３＝（ｈｚ１−ｈｚ３）＋Ｄ＋Ｌ        ・・・（１３）
ｈ３＝（ｈｚ２−ｈｚ４）＋Ｄ＋Ｌ        ・・・（１４）
【００４５】
位置計算装置３０の信号処理装置１０５は、実施の形態１と同様に、距離センサ２２からの電流信号ｓｉｇ１をデジタル信号に変換したｓｉｇｈｚ信号に基づいて、Ｘ方向走査電磁石５ｘの基準から位置モニタ９までの距離ｈｚ１やＹ方向走査電磁石５ｙの基準から位置モニタ９までの距離ｈｚ２を計算する。信号処理装置１０５は、式（７）及び式（１３）、または式（７）及び式（１４）により、距離ｈ２、ｈ３を計算する。
【００４６】
信号処理装置１０５は、位置センサ９からの電流信号ｓｉｇ２（ｓｉｇ２ｘ，ｓｉｇ２ｙ）をデジタル信号に変換したｓｉｇＰｍ信号（ｓｉｇＰｍｘ，ｓｉｇＰｍｙ）に基づいて、ビーム位置Ｐｍ２（Ｘｐｍ２，Ｙｐｍ２）を計算する。同様に位置センサ３からの電流信号ｓｉｇ３（ｓｉｇ３ｘ，ｓｉｇ３ｙ）をデジタル信号に変換したｓｉｇＰｍ３信号（ｓｉｇＰｍ３ｘ，ｓｉｇＰｍ３ｙ）に基づいて、ビーム位置Ｐｍ１（Ｘｐｍ１，Ｙｐｍ１）を計算する。信号処理装置１０５は、中心軸２７からビーム位置Ｐｍ１までの長さを計算し、ｘ１とｙ１を得る。また、中心軸２７からビーム位置Ｐｍ２までの長さを計算し、ｘ２とｙ２を得る。なお、ｙ１、ｙ２は、それぞれ中心軸２７からビーム位置Ｐｍ１までのＹ方向の長さであり、中心軸２７からビーム位置Ｐｍ２までのＹ方向の長さである。
【００４７】
実施の形態２の位置計算方法は、走査角度θの情報を得ることができ、これを利用して患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算するので、実施の形態１の位置計算方法に比べて高精度にビーム照射位置Ｐを計算できる。実施の形態１では、Ｘ方向走査電磁石５ｘの走査起点１ｘ及びＹ方向走査電磁石５ｙの走査起点１ｙは常に一定であるとして計算していた。このため走査角度θは、ビーム位置Ｐｍ２（Ｘｐｍ２，Ｙｐｍ２）と走査起点１ｘや走査起点１ｙとを結ぶ線と、走査起点１ｘ及び走査起点１ｙを通る中心軸２７との角度を用いた。これに対して、実施の形態２では、二つの位置モニタ３、９を用いて走査角度θを正確に得ることができる。したがって、仮に図７に示した走査起点４２ｘや走査起点４２ｙ（Ｙ方向走査電磁石５ｙの走査起点）が想定した点とは異なっていたとしても、患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を高精度に計算することができる。実施の形態２の位置計算方法は、実施形態１よりも高精度に患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算できるので、実施の形態２の位置計算方法を適用した粒子線照射装置５１及び粒子線治療装置５１は、実施の形態１よりも高精度にビーム照射ができる。
【００４８】
なお、実施の形態２の位置計算方法は、後述する実施の形態３に示す走査角度によって走査起点が変化する場合や、実施の形態４に示す走査電磁石５ｘ、５ｙに対して荷電粒子ビーム２が入射する角度によって走査起点が変化する場合や、他の理由により走査起点が変化する場合にも適用することができる。
【００４９】
実施の形態３．
実施の形態１では、Ｘ方向走査電磁石５ｘの走査起点１ｘ及びＹ方向走査電磁石５ｙの走査起点１ｙは常に一定であるとして計算する場合について述べたが、厳密には走査起点は走査起点での走査角度によって変化する。実施の形態３では、各走査角度での走査起点の位置や走査されたビームの軌跡のデータに基づいて、患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算する。これにより、さらに計算精度をさらに上げることができる。
【００５０】
実施の形態３の位置計算方法は、治療において荷電粒子ビーム２を照射する際に、一つの位置モニタ９のみを用いて患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算する。そこで、二つの位置モニタ３、９を用いて、実験により各走査角度での走査起点の位置や走査されたビームの軌跡のデータを取得し、図８に示すような走査電磁石５（５ｘ、５ｙ）の基準から走査起点１（１ｘ、１ｙ）までの距離ｄｈと走査角度θとの特性を求める。
【００５１】
図７を参照して、ある走査角度θにて荷電粒子ビーム２を照射する場合を説明する。二つの位置モニタ３、９を用いることで、式（１０）に示したように、走査角度θを計算することができる。ｈ１はｘ３／ｔａｎθであるから、このｈ１を式（６）に代入して、変形すると、ｄｈ１は式（１５）のように表すころができる。
ｄｈ１＝ｘ３／ｔａｎθ−Ｄ−Ｌ−ｈｚ１        ・・・（１５）
【００５２】
実験により各走査角度θとＸ方向走査電磁石５ｘの基準から走査起点１ｘまでの距離ｄｈ１との関係を多項式で表す。同様に、実験により各走査角度θとＹ方向走査電磁石５ｙの基準から走査起点１ｙまでの距離ｄｈ２との関係を多項式で表す。距離ｄｈと走査角度θとの特性は、例えば図８のようになる。図８は、本発明の実施の形態３による位置計算方法に用いる走査起点位置特性を示す図である。横軸は走査角度θであり、縦軸は走査電磁石５の基準から走査起点１までの距離ｄｈである。特性線３５は、上記の多項式で得られる数値をプロットしたものである。
【００５３】
図９を用いて、実施の形態３の位置計算方法を説明する。図９は、本発明の実施の形態３による位置計算方法を説明する図である。図９において走査起点４１ｘは真の走査起点である。走査電磁石５ｘの基準から走査起点４１ｘまでの距離ｄｈは、走査電磁石５ｘの鉄心３６の下部から距離である。荷電粒子ビーム２は、走査角度θで走査起点４１ｘから位置モニタ９のビーム位置Ｐｍ（Ｘｐｍ，Ｚｐｍ）を通過し、患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｚｐ）に到達する。同様に、走査電磁石５ｙの基準から走査起点４１ｙ（Ｙ方向走査電磁石５ｙにおける真の走査起点）までの距離ｄｈは、走査電磁石５ｙの鉄心３６の下部から距離とする。荷電粒子ビーム２は、走査角度θで走査起点４１ｙから位置モニタ９のビーム位置Ｐｍ（Ｙｐｍ，Ｚｐｍ）を通過し、患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｙｐ，Ｚｐ）に到達する。
【００５４】
実施の形態３では、荷電粒子ビーム２は、走査起点の候補である走査起点候補Ｓｎ（Ｘｓ，Ｚｓｎ）からビーム位置Ｐｍ（Ｘｐｍ，Ｚｐｍ）を通過し、ビーム照射位置の候補であるビーム照射位置候補Ｐｎ（Ｘｐｎ，Ｚｐ）に到達するとして、特性線３５を用いて走査角度の候補である走査角度候補θｎを更新しながら、走査角度候補θｎが収束するまで計算をする。ここで、ｎは整数であり、ｎ番目のデータであることを示す。走査電磁石５の基準から走査起点候補Ｓｎまでの距離をｄｈｎとし、走査起点候補Ｓｎから照射面３１までの距離（走査起点距離候補情報）をｈ１ｎとする。Ｙ方向についても同様に考える。荷電粒子ビーム２は、走査起点候補Ｓｎ（Ｙｓ，Ｚｓｎ）からビーム位置Ｐｍ（Ｙｐｍ，Ｚｐｍ）を通過し、ビーム照射位置候補Ｐｎ（Ｙｐｎ，Ｚｐ）に到達するとして、特性線３５を用いて走査角度候補θｎを更新しながら、走査角度候補θｎが収束するまで計算をする。
【００５５】
走査起点候補Ｓｎは、例えば、実施の形態１で示した走査起点１ｘや、走査電磁石５の基準（ｄｈｎ＝０）を用いることができる。まず、第１のステップ（ステップＳ１、走査角度計算ステップ）として、中心軸２７からビーム位置Ｐｍまでの長さｘ２とｈ１ｎから、走査角度候補θｎを計算する。走査角度候補θｎをは式（１６）で表すことができる。
θｎ＝ｔａｎ−１（ｘ２／（ｈ１ｎ−ｈ２））        ・・・（１６）
【００５６】
次に第２のステップ（ステップＳ２）として、走査角度候補θｎの候補で特性３５を用いて、距離ｄｈｎを計算する。第３ステップ（ステップＳ３、走査起点距離計算ステップ）として、ｈ１ｎを更新することで、式（１７）を得る。ｈ１ｎ＋１は、更新走査起点距離候補情報である。
ｈ１ｎ＋１＝ｄｈｎ＋ｈｚ１＋Ｄ＋Ｌ                ・・・（１７）
なお、図９に示したｄ１は、ｈｚ１、Ｄ、及びＬの合計（ｈｚ１＋Ｄ＋Ｌ）である。
【００５７】
第４ステップ（ステップＳ４）として、ｈ１ｎ＋１を式（１６）のｈ１ｎに代入し、走査角度候補θｎを更新し、走査角度θｎ＋１を得る。第５ステップ（ステップＳ５）として、θｎ＋１−θｎの絶対値Ｅを計算し、絶対値Ｅが所定の値δ以下になったかどうかを判定する。絶対値Ｅが所定の値δ以下になった場合は、θｎ＋１を計算した際のｈ１ｎ＋１を走査起点４１ｘから患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐまでの距離ｈ１とする。絶対値Ｅが所定の値δ以下になっていない場合は、第２ステップから第５ステップまで繰り返す。
【００５８】
実施の形態３の位置計算方法は、位置計算装置３０の信号処理装置１０５により実行する。中心軸２７からビーム照射位置ＰのＸ方向の長さｘ３について説明したが、Ｙ方向の長さｙ３も同様に計算することができる。信号処理装置１０５のメモリに、各走査角度θとＸ方向走査電磁石５ｘの基準から走査起点１ｘまでの距離ｄｈ１との走査起点位置特性を表す多項式、及び各走査角度θとＹ方向走査電磁石５ｙの基準から走査起点１ｙまでの距離ｄｈ２との走査起点位置特性を表す多項式を保存する。信号処理装置１０５は、実施の形態３の位置計算方法を実行する際に、メモリに保存された多項式を用いて距離ｄｈｎを計算する。
【００５９】
実施の形態３の位置計算方法は、各走査角度θとＸ方向走査電磁石５ｘの基準から走査起点１ｘまでの距離ｄｈ１との関係（走査起点位置特性）及び各走査角度θとＹ方向走査電磁石５ｙの基準から走査起点１ｙまでの距離ｄｈ２との関係（走査起点位置特性）を予め求めておき、走査起点位置特性を用いて走査角度θが収束するまで距離ｄｈと走査角度θの計算を繰り返すので、走査角度によって走査起点が変化することを反映することができ、実施の形態１よりも患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）を高精度に計算することができる。実施の形態３の位置計算方法は、実施形態１よりも高精度に患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算できるので、実施の形態３の位置計算方法を適用した粒子線照射装置５１及び粒子線治療装置５１は、実施の形態１よりも高精度にビーム照射ができる。
【００６０】
実施の形態３の位置計算方法は、一つの位置モニタ９を用いて患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を高精度に計算することができるので、実施の形態３の位置計算方法を適用した粒子線照射装置５１及び粒子線治療装置５１は、荷電粒子ビーム２の散乱を生じる障害物を最小限にし、かつ荷電粒子ビーム２の散乱を生じる障害物となるビーム取出し窓７、線量モニタ８、位置モニタ９を下流に置くことができる。したがって、荷電粒子ビーム２のビームサイズを小さくすることができる。
【００６１】
なお、実施の形態３の位置計算方法は、実施の形態２の位置計算方法における位置モニタ３の情報の代わりに、信号処理装置３０内の情報を用いたものということもできる。実施の形態２の位置計算方法を用いることでも、走査角度によって走査起点が変化することを反映することができ、実施の形態１よりも患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）を高精度に計算することができる。
【００６２】
実施の形態４．
実施の形態１では、荷電粒子ビーム２が走査電磁石５の上流から走査電磁石５に対して垂直にビームが入射する場合について述べたが、厳密にはある程度の傾きを持って入射する場合もある。実施の形態４では、走査電磁石５に対する荷電粒子ビーム２の入射する角度の傾きを考慮して患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算する。これにより、さらに計算精度をさらに上げることができる。
【００６３】
図１０乃至図１２を用いて、実施の形態４の位置計算方法を説明する。図１０は、本発明の実施の形態４による位置計算方法の走査起点を説明する図である。図１１は本発明の実施の形態４による位置計算方法を説明する図であり、図１２は本発明の実施の形態４による位置計算方法の特性線を説明する図である。図１０に示すように、荷電粒子ビーム２は偏向電磁石５５ｃから角度γだけ傾いて走査電磁石５の鉄心３６に入射する場合がある。例えば、粒子線治療装置の設置場所の建屋形状や建屋構造によっては、角度γだけ傾けて荷電粒子ビーム２を走査電磁石５に入射させざるを得ない場合もあるからである。Ｘ方向走査電磁石５ｘにおける鉄心３６に入射する角度γをγｘとし、Ｙ方向走査電磁石５ｙにおける鉄心３６に入射する角度γをγｙとする。荷電粒子ビーム２が中心軸２７を通る場合の走査起点Ｓａ（Ｘｓａ，Ｙｓａ，Ｚｓａ）から、ずれた位置に実際の走査起点Ｓｂがある例である。この場合、荷電粒子ビーム２は、入射ビーム３７のように走査電磁石５に入射し、走査起点Ｓｂ（Ｘｓｂ，Ｙｓｂ，Ｚｓｂ）から偏向ビーム３８のように走査され、患者２４の患部へ照射される。
【００６４】
実施の形態４の位置計算方法は、治療において荷電粒子ビーム２を照射する際に、一つの位置モニタ９のみを用いて患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算する。そこで、位置モニタ３を用いて、走査起点Ｓｂの座標を実験により求めておく。図１０に示すように、位置モニタ３と偏向電磁石５５ｃまでの長さｈｇ１は装置特有の値であり既知である。粒子線照査装置５８の中心軸２７が位置モニタ３を通過する点をＰｍ４とする。走査電磁石５を制御せずに荷電粒子ビーム２を照射し、位置モニタ３を通過する点をＰｍ３（Ｘｐｍ３，Ｙｐｍ３，Ｚｐｍ３）とする。Ｘ方向走査電磁石５ｘにおける角度γｘは、｜Ｘｐｍ３｜（Ｘｐｍ３の絶対値）を用いて、式（１８）のように表すことができる。
γｘ＝ｔａｎ−１（｜Ｘｐｍ３｜／ｈｇ１）        ・・・（１８）
同様に、Ｙ方向走査電磁石５ｙにおける中心軸２７と入射ビーム３７との角度γｙも、｜Ｙｐｍ３｜（Ｙｐｍ３の絶対値）を用いて、式（１９）のように表すことができる。
γｙ＝ｔａｎ−１（｜Ｙｐｍ３｜／ｈｇ１）        ・・・（１９）
【００６５】
説明を簡単にするために、走査起点Ｓａを走査電磁石におけるＺ方向の中心点とする。走査起点Ｓａから偏向電磁石５５ｃまでの長さｈｇ２は装置特有の値であり既知である。なお、Ｘ方向走査電磁石５ｘにおける走査起点Ｓａと、Ｙ方向走査電磁石５ｙにおける走査起点Ｓａは、実際には異なるので、Ｘ方向走査電磁石５ｘにおける長さｈｇ２とＹ方向走査電磁石５ｙにおける長さｈｇ２も異なるが、以下の説明では同じ符号を用いて説明する。Ｘｓｂはｈｇ２・ｔａｎγｘとして計算でき、Ｙｓｂはｈｇ２・ｔａｎγｙとして計算できる。
【００６６】
図１１に示すように、荷電粒子ビーム２は、走査起点Ｓｂから位置モニタ９上の点Ｑを通過し、患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐｂに到達する。図１１はＸ方向走査電磁石５ｘにおける中心軸２７からＸ方向の長さｘ３を計算する例であり、各点の座標は、Ｙ座標を省略し、Ｘ座標及びＺ座標を表示した。中心軸２７を通過する走査起点Ｓａを原点（Ｘｓａ，Ｚｓａ）＝（０，０）とし、ＳａからＳｂ方向はＸの正方向であり、Ｓａから位置モニタ９方向はＺの正方向である。荷電粒子ビーム２が通過する軌跡３２ｅは直線であり、この軌跡３２ｅ上に３つの点、すなわち走査起点Ｓｂ（Ｘｓｂ，Ｚｓｂ）、位置モニタ９におけるビーム位置Ｑ（Ｘｑ，Ｚｑ）及びビーム照射位置Ｐｂ（Ｘｐｂ，Ｚｐｂ）は存在する。
【００６７】
まず、第１のステップ（ステップＳ１１）として、走査起点Ｓｂ（Ｘｓｂ，Ｚｓｂ）及びビーム位置Ｑ（Ｘｑ，Ｚｑ）からＳｂ及びＱを通過する直線である特性線３９を求める。図１２は特性線３９を示した図である。この特性線３９は式（２０）のように表すことができる。
ａｘ＋ｂｚ＋１＝０        ・・・（２０）
なお、ａ、ｂは定数である。この定数ａ、ｂは式（２０）にＳｂ、ＱのＸ座標、Ｚ座標ごとに代入し、式（２１）の行列式から計算することができる。定数ａ、ｂは、式（２２）のように逆行列を用いて表すことができる。
【００６８】
【数１】
2012120615.tif 000003
【００６９】
第２のステップ（ステップＳ１２）として、式（２０）に走査起点Ｓｂから照射面３１までの距離ｈ１に相当する｜Ｚｐｂ｜（座標Ｚｐｂの絶対値）の座標Ｚｐｂを代入し、座標Ｘｐｂを計算する。実施の形態４の位置計算方法では、中心軸２７からビーム照射位置ＰｂのＸ方向の長さｘ３を計算することなく、ビーム照射位置ＰｂのＸ座標（−ｘ３）を直接計算できる。なお、ビーム照射位置ＰｂのＸ方向の長さｘ３を用いてＸｐｂを表現すると、図１２の例では、Ｘｐｂは負なので、Ｘｐｂ＝−ｘ３となる。
【００７０】
実施の形態４の位置計算方法は、位置計算装置３０の信号処理装置１０５により実行する。Ｘ方向走査電磁石５ｘにおける中心軸２７からビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）のＸ座標、すなわちＰｂのＸ座標であるＸｐｂについて説明したが、Ｙ方向走査電磁石５ｙにおける中心軸２７からビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）のＹ座標も同様に計算することができる。信号処理装置１０５のメモリに、荷電粒子ビーム２のエネルギーＥｂ、実験により求めたエネルギーＥｂ毎の走査起点Ｓｂの座標及び特性線３９を表す多項式を保存する。信号処理装置１０５は、実施の形態３の位置計算方法を実行する際に、メモリに保存された多項式を用いてビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算する。なお、荷電粒子ビーム２のエネルギーＥｂによって偏向電磁石５５ｃの出口での角度γは異なるので、エネルギーＥｂに応じて多項式の定数ａ、ｂも変わる。照射する荷電粒子ビーム２のエネルギーＥｂに応じて、そのエネルギーＥｂに対応する多項式の定数ａ、ｂが選択された多項式を用いてビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算する。
【００７１】
実施の形態４の位置計算方法は、Ｘ方向走査電磁石５ｘ及びＹ方向走査電磁石５ｙのそれぞれにおける走査起点Ｓｂ（Ｘｓｂ，Ｙｓｂ，Ｚｓｂ）と位置モニタ９のビーム位置Ｑ（Ｘｑ，Ｙｑ，Ｚｑ）とから求めた特性線３９を表す多項式からビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算するので、走査電磁石５ｘ、５ｙに対して荷電粒子ビーム２が傾斜して入射する場合であっても、実施の形態１よりも患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を高精度に計算することができる。実施の形態４の位置計算方法は、実施形態１よりも高精度に患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算できるので、実施の形態４の位置計算方法を適用した粒子線照射装置５１及び粒子線治療装置５１は、実施の形態１よりも高精度にビーム照射ができる。
【００７２】
実施の形態４の位置計算方法は、一つの位置モニタ９を用いて患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を高精度に計算することができるので、実施の形態４の位置計算方法を適用した粒子線照射装置５８及び粒子線治療装置５１は、荷電粒子ビーム２の散乱を生じる障害物を最小限にし、かつ荷電粒子ビーム２の散乱を生じる障害物となるビーム取出し窓７、線量モニタ８、位置モニタ９を下流に置くことができる。したがって、荷電粒子ビーム２のビームサイズを小さくすることができる。
【００７３】
なお、実施の形態４の位置計算方法は、Ｘ方向走査電磁石５ｘの走査起点１ｘ及びＹ方向走査電磁石５ｙの走査起点１ｙはＺ座標が一定であるとして計算する例で説明したが、実施の形態３の位置計算方法と組み合わせることができる。実施の形態３の位置計算方法と組み合わせることにより、走査電磁石５ｘ、５ｙに対する荷電粒子ビーム２の入射する角度の傾きと、走査角度に伴う走査起点の移動を考慮することができ、さらに高精度に患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算できる。したがって、この２つを考慮した位置計算方法を適用した粒子線照射装置５８及び粒子線治療装置５１は、さらに高精度にビーム照射ができる。
【００７４】
また、実施の形態４の位置計算方法は、実施の形態２の位置計算方法における位置モニタ３の情報の代わりに、信号処理装置３０内の情報を用いたものということもできる。実施の形態２の位置計算方法を用いることでも、走査電磁石５ｘ、５ｙに対して荷電粒子ビーム２が入射する角度によって走査起点が変化することを反映することができ、実施の形態１よりも患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）を高精度に計算することができる。
【００７５】
なお、実施の形態１において、距離センサ２２を、ダクト駆動装置１２のモータ１５の回転を検出するエンコーダとして説明したが、真空ダクト６の位置に合わせて抵抗値が変わるように接続された可変抵抗に流れる電流計であってもよい。この距離センサ２２は、実施の形態２乃至４にも適用できる。
【００７６】
なお、実施の形態１乃至４では、位置モニタ９が移動することにより、走査電磁石と位置モニタの位置が相対的に変化する例で説明したが、これに限らず走査電磁石が移動することにより、走査電磁石と位置モニタの位置が相対的に変化する場合にも適用できる。また、実施の形態１乃至４では、照射スポット毎に荷電粒子ビーム１の停止するスポットスキャニングの例で説明したが、これに限定されることなく、スライスを変更する際に荷電粒子ビーム１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１を照射し続ける照射方法や、ラスタースキャニング等の他の走査式照射法にも適用できる。
【符号の説明】
【００７７】
１ｘ、１ｙ…走査起点、２…荷電粒子ビーム、３…位置モニタ、５、５ｘ、５ｙ…走査電磁石、６…真空ダクト、７…ビーム取出し窓、９…位置モニタ、２３…照射制御装置、２５…照射対象、２７…中心軸（ビーム軸）、３０…位置計算装置、３１…照射面、４１ｘ…走査起点、３５…特性線（走査起点位置特性）、５１…粒子線治療装置、５４…加速器、５８、５８ａ、５８ｂ…粒子線照射装置、５９…ビーム輸送系、Ｄ…基準点（皮膚表面）から位置モニタまでの距離、Ｓａ、Ｓｂ…走査起点、Ｐｍ、Ｐｍ１、Ｐｍ２…ビーム位置、Ｐ…ビーム照射位置、θ…走査角度、θｎ、θｎ＋１…走査角度候補、Ｓｎ…走査起点候補、ｈ１ｎ…走査起点距離候補情報、ｈ１ｎ＋１…更新走査起点距離候補情報。
【図１】
2012120615.tif 000004
【図２】
2012120615.tif 000005
【図３】
2012120615.tif 000006
【図４】
2012120615.tif 000007
【図５】
2012120615.tif 000008
【図６】
2012120615.tif 000009
【図７】
2012120615.tif 000010
【図８】
2012120615.tif 000011
【図９】
2012120615.tif 000012
【図１０】
2012120615.tif 000013
【図１１】
2012120615.tif 000014
【図１２】
2012120615.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月15日(2013.3.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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方向に走査する走査電磁石と、
前記走査電磁石に対して前記ビーム軸方向における相対位置が所望の位置に変更可能に配置され、前記荷電粒子ビームの通過位置を検出する位置モニタと、
前記照射対象に照射する際に確定された前記位置モニタのビーム軸方向における位置情報から、前記照射対象の照射面から当該位置モニタのビーム軸方向における距離である位置モニタ距離情報を算出し、前記位置モニタの検出信号及び前記算出した位置モニタ距離情報に基づいて前記照射対象におけるビーム照射位置を計算し、前記荷電粒子ビームの照射を制御する照射制御装置と、を備え、
前記照射制御装置は、
前記位置モニタにより検出されたビーム位置と、
前記照射対象の照射面から、前記走査電磁石における前記荷電粒子ビームの走査起点までの走査起点距離情報と、
前記位置モニタ距離情報と、に基づいて、前記ビーム軸と前記照射面との交点からの距離に基づいて表現する前記照射面におけるビーム照射位置を計算する位置計算装置を有することを特徴とする粒子線照射装置。
【請求項２】
前記位置計算装置は、
前記走査電磁石により走査された前記荷電粒子ビームの軌跡と前記ビーム軸との角度である走査角度θと、前記走査電磁石における任意に定めた基準点から前記走査起点までの距離ｄｈとの特性である走査起点位置特性を保存するメモリを有し、
前記位置モニタにより検出されたビーム位置及び前記照射対象の照射面から前記走査起点の候補である走査起点候補Ｓｎまでの走査起点距離候補情報ｈ１ｎに基づいて前記走査角度θの候補である走査角度候補θｎを計算する走査角度計算ステップを実行し、
前記走査角度候補θｎ及び前記走査起点位置特性に基づいて計算された前記距離ｄｈの候補である距離ｄｈｎを含む更新された更新走査起点距離候補情報ｈ１ｎ＋１を計算する走査起点距離計算ステップを実行し、
前記更新走査起点距離候補情報ｈ１ｎ＋１に基づいて前記走査角度計算ステップを実行して計算された走査角度候補θｎ＋１と前記走査角度候補θｎとの走査角度差が所定の値以下になるまで、前記走査角度計算ステップ及び前記走査起点距離計算ステップを繰り返し、
前記走査角度差が前記所定の値以下になった場合の前記更新走査起点距離候補情報ｈ１ｎ＋１を、前記照射対象の照射面から、前記走査電磁石における前記荷電粒子ビームの走査起点までの走査起点距離情報として、前記ビーム軸と前記照射面との交点からの距離に基づいて表現する前記照射面におけるビーム照射位置を計算することを特徴とする請求項１記載の粒子線照射装置。
【請求項３】
前記位置計算装置は、
予め測定された前記走査電磁石の走査起点の位置座標と、前記位置モニタにより検出された前記ビーム位置の座標とを通過する直線を表す特性式を計算し、
前記特性式に基づいて、前記照射面におけるビーム照射位置を計算することを特徴とする請求項１または２に記載の粒子線照射装置。
【請求項４】
前記走査電磁石の走査起点の位置座標は、
前記荷電粒子ビームが前記走査電磁石に入射する入射軸と前記ビーム軸との角度である傾斜角度に基づいて計算されることを特徴とする請求項３記載の粒子線照射装置。
【請求項５】
前記位置モニタの上流側であって、前記走査電磁石に対して前記ビーム軸方向における相対位置が一定であるように配置され、前記荷電粒子ビームの通過位置を検出する上流側位置モニタを備え、
前記位置計算装置は、
前記上流側位置モニタにより検出された第１のビーム位置及び前記位置モニタにより検出された第２のビーム位置と、
前記照射対象の照射面から、前記走査電磁石における前記荷電粒子ビームの走査起点までの前記走査起点距離情報と、
前記照射対象の照射面から、前記上流側位置モニタまでの上流側位置モニタ距離情報と、
前記位置モニタ距離情報と、に基づいて、前記ビーム軸と前記照射面との交点からの距離に基づいて表現する前記照射面におけるビーム照射位置を計算することを特徴とする請求項１記載の粒子線照射装置。
【請求項６】
前記走査電磁石と前記位置モニタとの前記ビーム軸方向における相対位置を変更する駆動装置を備え、
前記位置モニタは、前記荷電粒子ビームが輸送される真空領域を確保する真空ダクトから前記荷電粒子ビームを前記照射対象に向けて取り出すビーム取出し窓の下流側に配置されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
【請求項７】
前記ビーム軸方向の任意に定めた基準点から前記位置モニタの前記ビーム軸方向の距離を検出する距離センサを有し、
前記位置計算装置は、前記距離センサにより検出された検出信号から計算される前記位置モニタのビーム軸方向における位置情報と、前記任意に定めた基準点から前記照射対象の照射面までの距離と、に基づいて、前記位置モニタ距離情報を計算す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。
【請求項８】
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７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。 
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
荷電粒子ビームをビーム軸に垂直な方向に走査する走査電磁石と、走査電磁石に対してビーム軸方向における相対位置が所望の位置に変更可能に配置され、荷電粒子ビームの通過位置を検出する位置モニタと、照射対象に照射する際に確定された位置モニタのビーム軸方向における位置情報から、照射対象の照射面から当該位置モニタのビーム軸方向における距離である位置モニタ距離情報を算出し、位置モニタの検出信号及び前記算出した位置モニタ距離情報に基づいて照射対象におけるビーム照射位置を計算し、荷電粒子ビームの照射を制御する照射制御装置と、を備える。照射制御装置は、位置モニタにより検出されたビーム位置と、照射対象の照射面から、走査電磁石における荷電粒子ビームの走査起点までの走査起点距離情報と、位置モニタ距離情報と、に基づいて、ビーム軸と照射面との交点からの距離に基づいて表現する照射面におけるビーム照射位置を計算する位置計算装置を有する。 
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
図４を用いて、実施の形態１による位置計算方法を詳しく説明する。図４は、Ｘ方向走査電磁石５ｘにより荷電粒子ビーム２を走査する例である。走査起点１ｘで走査された荷電粒子ビーム２は、軌跡３２のように位置モニタ９ｂを通過し、患者２４の患部（照射対象２５）に照射される。３４は患者２４の皮膚表面であり、３１はあるスライスを通過する照射面である。皮膚表面３４から照射面３１までの長さＬは、患者２４の照射される荷電粒子ビーム２のエネルギーに応じて侵入する荷電粒子ビーム２の飛程Ｌに相当する。飛程Ｌは、皮膚表面３４から荷電粒子ビーム２のブラッグピークＢＰ（Bragg Peak）までの長さに相当する。皮膚表面３４から位置モニタ９ｂまでの距離Ｄは、患者を位置決め作業の際に測定する。例えば、Ｘ線撮像装置によって患部の位置と位置モニタ９ｂを観察し、その画像から測長する。位置決め作業は、Ｘ線撮像装置によって患部の位置を観察しながら、治療計画の段階で定めた方向から粒子線が患部に照射されるように患者２４を固定した治療台の姿勢調整（角度調整）を行い、照射中心であるアイソセンタを基準位置として、患部の位置や姿勢を計画値に合わせる作業である。 
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
ここで、位置モニタ９は、破線で示した位置モニタ９ａの位置から実線で示した位置モニタ９ｂに変化したものとする。このとき、患部の照射面３１から位置モニタ９の距離（位置モニタ距離情報）はｈ２ａからｈ２ｂに変化する。荷電粒子ビーム２は、位置モニタ９ｂ上の測定点であるビーム位置Ｐｍを通過し、患部の照射面３１におけるビーム照射位置Ｐに到達する。Ｘ方向の位置座標を計算するので、図４における点、すなわち走査起点１ｘ、ビーム位置Ｐｍ、ビーム照射位置Ｐは、Ｙ座標を省略し、Ｘ座標及びＺ座標で表すことにする。走査起点１ｘをＸＺ座標系の原点（０，０）とする。ＸＺ座標系において、ビーム位置Ｐｍ、ビーム照射位置Ｐは、それぞれ（Ｘｐｍ，Ｚｐｍ）、（Ｘｐ，Ｚｐ）とする。走査起点１ｘ（０，０）を通る中心軸２７とビーム位置Ｐｍ（Ｘｐｍ，Ｚｐｍ）までのＸ方向の長さをｘｂとし、中心軸２７とビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｚｐ）までのＸ方向の長さをｘ３とする。中心軸２７と軌跡３２との角度（後述する走査角度）をθとし、走査起点１ｘから照射面３１までの距離（走査起点距離情報）をｈ１すると、長さｘ３、ｘｂは式（１）及び式（２）のように表すことができる。
ｘ３＝ｈ１・ｔａｎθ                  ・・・（１）
ｘｂ＝（ｈ１−ｈ２ｂ）・ｔａｎθ      ・・・（２） 
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
前述したように、患部の照射面３１から位置モニタ９の距離はｈ２ａからｈ２ｂに変化したにも関わらず、位置モニタ９の照射される距離情報が使えない場合は、初期状態の位置モニタ９の距離、すなわち位置モニタ９ａの距離ｈ２ａを用いて計算することになる。図６を用いて、本発明の実施の形態１による位置計算方法の効果を説明する。位置モニタ９が位置モニタ９ａの距離ｈ２ａにあるとして上記と同様に計算する。この場合、荷電粒子ビーム２の軌跡３２は、仮想軌跡３３であると誤認識されることになる。位置モニタ９ａの仮想ビーム位置をＰｍｆ（Ｘｐｍｆ，Ｚｐｍｆ）とし、仮想計算ビーム照射位置をＰｆ（Ｘｐｆ，Ｚｐｆ）とする。中心軸２７と仮想軌跡３３との角度をαとすると、中心軸２７と仮想ビーム照射位置ＰｆまでのＸ方向の長さｘｆは、式（３）を求めた方法と同様に、式（４）のように表現できる。
ｘｆ＝ｈ１・ｘｂ／（ｈ１−ｈ２ａ）    ・・・（４） 
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
走査式照射法において、ブロード照射法以上に高いビーム照射位置精度が要求されることは、前述した。ここで、高いビーム照射位置精度が要求される理由を詳しく述べる。荷電粒子ビームを３次元空間に平坦に広げるブロード照射法では照射位置が多少ずれても３次元空間に広がったビームの縁以外は適切に照射することができる。しかし、走査式方法では照射位置がずれると目的のスポットにビームを照射できないばかりでなく目的以外のスポットに誤ってビームを照射してしまうからである。目的のスポットに位置する癌細胞にビームを照射できなければ、治療の効果が落ちる。また、誤ってビームを照射してしまうスポットが、粒子線を当ててはいけない重要部位である場合もある。走査式照射法では、ブロード式照射法と比べて単位時間当たり照射体積当たりの粒子線の照射量が多いため、ブロード式照射法よりも大きな問題になる。また照射位置がずれると、スポットごとに照射ビーム量を調節するという走査式照射法の利点が活かされない。このような理由のため、繰り返すが照射位置に対して高い精度が求められる。 
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
信号処理装置１０５は、位置モニタ９からの電流信号ｓｉｇ２（ｓｉｇ２ｘ、ｓｉｇ２ｙ）をデジタル信号に変換したｓｉｇＰｍ信号（ｓｉｇＰｍｘ、ｓｉｇＰｍｙ）に基づいて、ビーム位置Ｐｍ（Ｘｐｍ，Ｙｐｍ）を計算する。中心軸２７からビーム位置Ｐｍまでの長さを計算し、ｘｂとｙｂを得る。長さｘｂは図４に示したものであり、中心軸２７からビーム位置ＰｍまでのＸ方向の長さである。長さｙｂは中心軸２７からビーム位置ＰｍまでのＹ方向の長さである。信号処理装置１０５は、式（３）を用いて中心軸２７とビーム照射位置ＰまでのＸ方向の長さｘ３を計算する。同様にＹ方向の長さｙ３を、式（９）を用いて計算する。
ｙ３＝ｈ１ｙ・ｙｂ／（ｈ１ｙ−ｈ２ｂ）    ・・・（９） 
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
図７は、本発明の実施の形態２による位置計算方法を説明する図である。図７は、Ｘ方向走査電磁石５ｘにより荷電粒子ビーム２を走査する例である。荷電粒子ビーム２は、走査起点４２ｘで走査され、位置モニタ３上のビーム位置Ｐｍ１と位置モニタ９上のビーム位置Ｐｍ２を通過し、患部の照射面３１におけるビーム照射位置Ｐに到達する。図７は、実施の形態１の位置計算方法を説明した図４に比べて、患部の照射面３１から位置モニタ３の距離ｈ３と、走査起点１ｘ（０，０）を通る中心軸２７とビーム位置Ｐｍ１（Ｘｐｍ１，Ｙｐｍ１）までのＸ方向の長さのｘ１とが追加されている。中心軸２７とビーム位置Ｐｍ２（Ｘｐｍ２，Ｙｐｍ２）までのＸ方向の長さをｘ２とする。ｔａｎθは式（１０）ように表すことができる。
ｔａｎθ＝（ｘ２−ｘ１）／（ｈ３−ｈ２）      ・・・（１０） 
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
また、中心軸２７とビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｚｐ）までのＸ方向の長さのｘ３は、式（１１）ように表すことができる。式（１１）に式（１０）を代入して、式（１２）を得る。
ｘ３＝ｘ１＋ｈ３・ｔａｎθ                          ・・・（１１）
ｘ３＝ｘ１＋ｈ３・（ｘ２−ｘ１）／（ｈ３−ｈ２）    ・・・（１２） 
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
信号処理装置１０５は、位置モニタ９からの電流信号ｓｉｇ２（ｓｉｇ２ｘ，ｓｉｇ２ｙ）をデジタル信号に変換したｓｉｇＰｍ信号（ｓｉｇＰｍｘ，ｓｉｇＰｍｙ）に基づいて、ビーム位置Ｐｍ２（Ｘｐｍ２，Ｙｐｍ２）を計算する。同様に位置モニタ３からの電流信号ｓｉｇ３（ｓｉｇ３ｘ，ｓｉｇ３ｙ）をデジタル信号に変換したｓｉｇＰｍ３信号（ｓｉｇＰｍ３ｘ，ｓｉｇＰｍ３ｙ）に基づいて、ビーム位置Ｐｍ１（Ｘｐｍ１，Ｙｐｍ１）を計算する。信号処理装置１０５は、中心軸２７からビーム位置Ｐｍ１までの長さを計算し、ｘ１とｙ１を得る。また、中心軸２７からビーム位置Ｐｍ２までの長さを計算し、ｘ２とｙ２を得る。なお、ｙ１、ｙ２は、それぞれ中心軸２７からビーム位置Ｐｍ１までのＹ方向の長さであり、中心軸２７からビーム位置Ｐｍ２までのＹ方向の長さである。 
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
実施の形態２の位置計算方法は、走査角度θの情報を得ることができ、これを利用して患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算するので、実施の形態１の位置計算方法に比べて高精度にビーム照射位置Ｐを計算できる。実施の形態１では、Ｘ方向走査電磁石５ｘの走査起点１ｘ及びＹ方向走査電磁石５ｙの走査起点１ｙは常に一定であるとして計算していた。このため走査角度θは、ビーム位置Ｐｍ２（Ｘｐｍ２，Ｙｐｍ２）と走査起点１ｘや走査起点１ｙとを結ぶ線と、走査起点１ｘ及び走査起点１ｙを通る中心軸２７との角度を用いた。これに対して、実施の形態２では、二つの位置モニタ３、９を用いて走査角度θを正確に得ることができる。したがって、仮に図７に示した走査起点４２ｘや走査起点４２ｙ（Ｙ方向走査電磁石５ｙの走査起点）が想定した点とは異なっていたとしても、患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を高精度に計算することができる。実施の形態２の位置計算方法は、実施形態１よりも高精度に患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算できるので、実施の形態２の位置計算方法を適用した粒子線照射装置５８及び粒子線治療装置５１は、実施の形態１よりも高精度にビーム照射ができる。 
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
実施の形態３の位置計算方法は、治療において荷電粒子ビーム２を照射する際に、一つの位置モニタ９のみを用いて患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算する。そこで、二つの位置モニタ３、９を用いて、実験により各走査角度での走査起点の位置や走査されたビームの軌跡のデータを取得し、図８に示すような走査電磁石５（適宜、５ｘ、５ｙを区別せず、単に５を使用する）の基準から走査起点１（１ｘ、１ｙ）までの距離ｄｈと走査角度θとの特性を求める。 
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
図７を参照して、ある走査角度θにて荷電粒子ビーム２を照射する場合を説明する。二つの位置モニタ３、９を用いることで、式（１０）に示したように、走査角度θを計算することができる。ｈ１はｘ３／ｔａｎθであるから、このｈ１を式（６）に代入して、変形すると、ｄｈ１は式（１５）のように表すことができる。
ｄｈ１＝ｘ３／ｔａｎθ−Ｄ−Ｌ−ｈｚ１        ・・・（１５） 
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
走査起点候補Ｓｎは、例えば、実施の形態１で示した走査起点１ｘや、走査電磁石５の基準（ｄｈｎ＝０）を用いることができる。まず、第１のステップ（ステップＳ１、走査角度計算ステップ）として、中心軸２７からビーム位置Ｐｍまでの長さｘ２とｈ１ｎから、走査角度候補θｎを計算する。走査角度候補θｎは式（１６）で表すことができる。
θｎ＝ｔａｎ−１（ｘ２／（ｈ１ｎ−ｈ２））        ・・・（１６） 
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
次に第２のステップ（ステップＳ２）として、走査角度候補θｎの候補で特性線３５を用いて、距離ｄｈｎを計算する。第３ステップ（ステップＳ３、走査起点距離計算ステップ）として、ｈ１ｎを更新することで、式（１７）を得る。ｈ１ｎ＋１は、更新走査起点距離候補情報である。
ｈ１ｎ＋１＝ｄｈｎ＋ｈｚ１＋Ｄ＋Ｌ                ・・・（１７）
なお、図９に示したｄ１は、ｈｚ１、Ｄ、及びＬの合計（ｈｚ１＋Ｄ＋Ｌ）である。 
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
実施の形態３の位置計算方法は、各走査角度θとＸ方向走査電磁石５ｘの基準から走査起点１ｘまでの距離ｄｈ１との関係（走査起点位置特性）及び各走査角度θとＹ方向走査電磁石５ｙの基準から走査起点１ｙまでの距離ｄｈ２との関係（走査起点位置特性）を予め求めておき、走査起点位置特性を用いて走査角度θが収束するまで距離ｄｈと走査角度θの計算を繰り返すので、走査角度によって走査起点が変化することを反映することができ、実施の形態１よりも患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）を高精度に計算することができる。実施の形態３の位置計算方法は、実施形態１よりも高精度に患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算できるので、実施の形態３の位置計算方法を適用した粒子線照射装置５８及び粒子線治療装置５１は、実施の形態１よりも高精度にビーム照射ができる。 
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】
実施の形態３の位置計算方法は、一つの位置モニタ９を用いて患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を高精度に計算することができるので、実施の形態３の位置計算方法を適用した粒子線照射装置５８及び粒子線治療装置５１は、荷電粒子ビーム２の散乱を生じる障害物を最小限にし、かつ荷電粒子ビーム２の散乱を生じる障害物となるビーム取出し窓７、線量モニタ８、位置モニタ９を下流に置くことができる。したがって、荷電粒子ビーム２のビームサイズを小さくすることができる。 
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
なお、実施の形態３の位置計算方法は、実施の形態２の位置計算方法における位置モニタ３の情報の代わりに、信号処理装置１０５内の情報を用いたものということもできる。実施の形態２の位置計算方法を用いることでも、走査角度によって走査起点が変化することを反映することができ、実施の形態１よりも患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）を高精度に計算することができる。 
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
実施の形態４の位置計算方法は、治療において荷電粒子ビーム２を照射する際に、一つの位置モニタ９のみを用いて患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算する。そこで、位置モニタ３を用いて、走査起点Ｓｂの座標を実験により求めておく。図１０に示すように、位置モニタ３と偏向電磁石５５ｃまでの長さｈｇ１は装置特有の値であり既知である。粒子線照射装置５８の中心軸２７が位置モニタ３を通過する点をＰｍ４とする。走査電磁石５を制御せずに荷電粒子ビーム２を照射し、位置モニタ３を通過する点をＰｍ３（Ｘｐｍ３，Ｙｐｍ３，Ｚｐｍ３）とする。Ｘ方向走査電磁石５ｘにおける角度γｘは、｜Ｘｐｍ３｜（Ｘｐｍ３の絶対値）を用いて、式（１８）のように表すことができる。
γｘ＝ｔａｎ−１（｜Ｘｐｍ３｜／ｈｇ１）        ・・・（１８）
同様に、Ｙ方向走査電磁石５ｙにおける中心軸２７と入射ビーム３７との角度γｙも、｜Ｙｐｍ３｜（Ｙｐｍ３の絶対値）を用いて、式（１９）のように表すことができる。
γｙ＝ｔａｎ−１（｜Ｙｐｍ３｜／ｈｇ１）        ・・・（１９） 
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
実施の形態４の位置計算方法は、位置計算装置３０の信号処理装置１０５により実行する。Ｘ方向走査電磁石５ｘにおける中心軸２７からビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）のＸ座標、すなわちＰｂのＸ座標であるＸｐｂについて説明したが、Ｙ方向走査電磁石５ｙにおける中心軸２７からビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）のＹ座標も同様に計算することができる。信号処理装置１０５のメモリに、荷電粒子ビーム２のエネルギーＥｂ、実験により求めたエネルギーＥｂ毎の走査起点Ｓｂの座標及び特性線３９を表す多項式を保存する。信号処理装置１０５は、実施の形態４の位置計算方法を実行する際に、メモリに保存された多項式を用いてビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算する。なお、荷電粒子ビーム２のエネルギーＥｂによって偏向電磁石５５ｃの出口での角度γは異なるので、エネルギーＥｂに応じて多項式の定数ａ、ｂも変わる。照射する荷電粒子ビーム２のエネルギーＥｂに応じて、そのエネルギーＥｂに対応する多項式の定数ａ、ｂが選択された多項式を用いてビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算する。 
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７１】
実施の形態４の位置計算方法は、Ｘ方向走査電磁石５ｘ及びＹ方向走査電磁石５ｙのそれぞれにおける走査起点Ｓｂ（Ｘｓｂ，Ｙｓｂ，Ｚｓｂ）と位置モニタ９のビーム位置Ｑ（Ｘｑ，Ｙｑ，Ｚｑ）とから求めた特性線３９を表す多項式からビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算するので、走査電磁石５ｘ、５ｙに対して荷電粒子ビーム２が傾斜して入射する場合であっても、実施の形態１よりも患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を高精度に計算することができる。実施の形態４の位置計算方法は、実施形態１よりも高精度に患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を計算できるので、実施の形態４の位置計算方法を適用した粒子線照射装置５８及び粒子線治療装置５１は、実施の形態１よりも高精度にビーム照射ができる。 
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７４】
また、実施の形態４の位置計算方法は、実施の形態２の位置計算方法における位置モニタ３の情報の代わりに、位置計算装置３０内の情報を用いたものということもできる。実施の形態２の位置計算方法を用いることでも、走査電磁石５ｘ、５ｙに対して荷電粒子ビーム２が入射する角度によって走査起点が変化することを反映することができ、実施の形態１よりも患者２４の患部へのビーム照射位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）を高精度に計算することができる。 
【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
なお、実施の形態１乃至４では、位置モニタ９が移動することにより、走査電磁石と位置モニタの位置が相対的に変化する例で説明したが、これに限らず走査電磁石が移動することにより、走査電磁石と位置モニタの位置が相対的に変化する場合にも適用できる。また、実施の形態１乃至４では、照射スポット毎に荷電粒子ビーム２の停止するスポットスキャニングの例で説明したが、これに限定されることなく、スライスを変更する際に荷電粒子ビーム２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２を照射し続ける照射方法や、ラスタースキャニング等の他の走査式照射法にも適用できる。
【国際調査報告】
2012120615.tif 000016
2012120615.tif 000017
2012120615.tif 000018
2012120615.tif 000019