(57)【要約】【課題】粒子線照射システムにおいてＳＯＢＰ幅の大きな拡大ブラッグカーブを精度良く形成でき製作が容易で製作コストを抑えることが可能なエネルギー分布形成装置を得る。【解決手段】リッジフィルタ２５の仮想平面２５ａ上に、第一エネルギー吸収体である棒状体１と第二エネルギー吸収体である柱状体３を配置した。棒状体１は、その厚さがＸ方向に段階的に変化する階段部分を有するもので、複数の棒状体１はＸ方向に所定の間隔Ｘ0で互いに平行に配置されている。複数の柱状体３は、Ｘ方向及びＹ方向それぞれにおいて離散的かつ周期的に配置されている。柱状体３は、仮想平面２５ａの所定エリア内における面積比率が、所定比率よりも設計上小さくなる棒状体１の階段部分に代えて設けられたもので、棒状体１の最大厚さを有する階段部分により形成される粒子線のエネルギー成分よりも、さらに低いエネルギー成分を形成することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子線照射方向をＺ方向、前記Ｚ方向に直交し、且つ互いに直交する二方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とし、前記Ｚ方向の長さを厚さとするとき、
前記Ｚ方向に垂直な平面に沿って配置された第一エネルギー吸収体と第二エネルギー吸収体とを備え、
前記第一エネルギー吸収体は、その厚さが前記Ｘ方向に段階的に変化する階段部分を有するとともに、前記各階段部分の厚さ一定の領域である平坦部が、その厚さを保持したまま前記Ｙ方向に伸びた複数の棒状体からなり、前記複数の棒状体は前記Ｘ方向に所定の間隔Ｘ0で互いに平行に配置され、
前記第二エネルギー吸収体は、前記第一エネルギー吸収体の最大厚さＡを有する前記階段部分による粒子線のエネルギー吸収量よりも大きいエネルギー吸収量となる所定の厚さＢを有する複数の構造体からなり、前記複数の構造体は前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向それぞれにおいて離散的かつ周期的に配置され、且つ前記Ｚ方向において前記第一エネルギー吸収体と重ならない配置となっていることを特徴とするエネルギー分布形成装置。
【請求項２】
前記棒状体と前記構造体は同一平面上に配置され、前記構造体は、前記Ｘ方向において、隣り合う前記棒状体の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー分布形成装置。
【請求項３】
前記棒状体と前記構造体は異なる平面上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー分布形成装置。
【請求項４】
前記構造体は、前記Ｘ方向に前記所定の間隔Ｘ0で配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のエネルギー分布形成装置。
【請求項５】
前記棒状体の密度をｍ１、前記構造体の密度をｍ２とするとき、前記構造体の所定の厚さＢは、前記棒状体の最大厚さＡにｍ１/ｍ２を乗じて得られる値である最大実効厚よりも大きいものであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のエネルギー分布形成装置。
【請求項６】
前記所定の厚さＢは、前記構造体の最小厚さであることを特徴とする請求項５に記載のエネルギー分布形成装置。
【請求項７】
前記構造体は、同一厚さの柱状体であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のエネルギー分布形成装置。
【請求項８】
前記構造体は、異なる厚さの複数種類の柱状体を含み、前記複数種類の柱状体がそれぞれの種類ごとに、前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向に周期的に配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のエネルギー分布形成装置。
【請求項９】
前記構造体は、その厚さが前記Ｙ方向に段階的に変化する階段状構造体であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のエネルギー分布形成装置。
【請求項１０】
前記階段状構造体は、その厚さが前記Ｚ方向に直交するすべての方向に段階的に変化するピラミッド状構造体であることを特徴とする請求項９に記載のエネルギー分布形成装置
【請求項１１】
前記棒状体と前記構造体を前記Ｚ方向に垂直な同一平面上に粒子線に沿って投影したとき、前記同一平面上の粒子線照射野を含む所定の範囲における投影された前記構造体の同一厚さを有する部分の面積比率は、前記範囲における投影された前記棒状体の各階段部分の面積比率よりも小さいことを特徴とする請求項７〜請求項１０のいずれか１項に記載のエネルギー分布形成装置。
【請求項１２】
前記複数の構造体の同一厚さを有する部分は、前記Ｙ方向に前記間隔Ｘ0または前記間隔Ｘ0より小さい間隔で配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載のエネルギー分布形成装置。
【請求項１３】
前記複数の構造体の同一厚さを有する部分の前記Ｙ方向の間隔は、前記Ｙ方向の間隔を粒子線の発散角に従って所定の照射平面に投影したときの間隔をＹ１とし、前記構造体が配置された平面と前記照射平面との距離をＬとしたとき、前記構造体を透過した粒子線の１／ｅ発散角（粒子数と粒子線照射方向に直交する面上における粒子数の角度分布をガウス分布として粒子数が１/２．７１８になる角度）とＬの積である散乱半径Ｒ１に対する前記Ｙ１の比が、１．７または１．７より小さい値を有するように決定されたものであることを特徴とする請求項１２に記載のエネルギー分布形成装置。
【請求項１４】
粒子線発生手段と、前記粒子線発生手段から発生した粒子線を加速する粒子線加速手段と、この粒子線加速手段により加速された粒子線を所定の位置に導く粒子線輸送手段と、前記所定の位置に設置された請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載のエネルギー分布形成装置を含む粒子線照射手段とを備えた粒子線照射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線に所定のエネルギー分布を形成するためのエネルギー分布形成装置及びこれを備えた粒子線照射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線を用いて主に癌を治療する粒子線照射システムにおいて、その粒子線照射手段には、粒子線に所定のエネルギー分布を形成するためのエネルギー分布形成装置であるリッジフィルタが備えられている。従来のリッジフィルタは、一般に、粒子線照射方向に対してほぼ垂直な平面（以下仮想平面と呼ぶ）上に、エネルギー吸収体である複数の棒状体が周期的に配置されたものを言う（図１１参照)。なお、エネルギー吸収体とは、粒子線エネルギーを一部吸収して低エネルギー化し、また、一部の粒子を吸収して粒子線強度を低減化するものである。すなわち、リッジフィルタは、複数の棒状体と、棒状体の配置されていない空間とで構成されたものである。
【０００３】
以下では、粒子線照射方向の中心となる方向をＺ方向、このＺ方向の長さを「厚さ」とし、また、前記Ｚ方向に直交し、且つ互いに直交する２方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とする。従来のリッジフィルタは、Ｙ方向に伸びた長さ数センチから数十センチの複数本の棒状体が、Ｘ方向に所定の間隔を置いて互いに平行に配置されたもので構成されている。また、各棒状体は、その厚さがＸ方向に段階的に変化する階段形状になるように設計されているため、粒子線がリッジフィルタを透過する位置のＸ座標によって透過後の粒子線の運動エネルギーは異なるものとなる。
【０００４】
先行例として、特許文献１に、リッジフィルタを構成する複数の棒状体の各々について、その厚さがＸ方向に段階的に変化し、Ｙ方向には各段がそのまま連続している例が示されている。このようなリッジフィルタによれば、複数の棒状体の配置、階段状棒状体の各段の厚さとそのＸ方向の幅によりリッジフィルタ透過後の粒子線のエネルギー分布を調整し、被照射部に対して所定の線量分布を形成することができる。また、特許文献２では、各棒状体は、その厚さがＸ方向には一定でＹ方向に階段状に変化し、Ｙ方向に所定の長さを有する階段状棒状体である。リッジフィルタは、この階段状棒状体を複数、Ｙ方向に一列に繰り返して配置するとともに、この複数の階段状棒状体からなる列をＸ方向に所定の間隔で周期的に配置して構成されている。
【特許文献１】特許第３６８９６１０号
【特許文献２】特開２０００−２０２０４８号公報
【０００５】
粒子線は、所定幅のエミッタンスを有しているので、リッジフィルタを透過後、粒子線の持つ進行方向の角度分布によって、棒状体を透過しなかった粒子線、及び棒状体の異なる厚さを有する部分を透過してきた粒子線が相互に十分に混ざり合い、被照射部に到達する。また、この混合効果により、被照射部位置の粒子線において所定のエネルギー分布が形成される。このエネルギー分布を有する粒子線の照射により、被照射部の３次元領域にわたり所定の均一な線量分布が形成される。この被照射部内のＺ方向における線量分布は、拡大ブラッグカーブ（Ｓｐｒｅａｄ・Ｏｕｔ・Ｂｒａｇｇ・Ｐｅａｋ：ＳＯＢＰ）と呼ばれる。
【０００６】
ここで、拡大ブラッグカーブについて図１２を用いて説明する。図において、横軸は照射部位の深さ、縦軸は粒子線の照射による照射部位の吸収線量を示す。図中、１００で示す曲線は拡大ブラッグカーブ、１０１はエネルギー吸収体を通る前の、またはリッジフィルタの棒状体の配置されていない部分を透過してきた粒子線によるブラッグカーブであり、照射部位の吸収線量の深さ依存性を示している。また、１０２、１０３は、エネルギー吸収体を構成する棒状体の異なる厚さの階段部分をそれぞれ透過してきた粒子線によるブラッグカーブである。
【０００７】
図１２では、棒状体の異なる厚さの階段部分をそれぞれ透過し、低エネルギー側にシフトした粒子線による多数のブラッグカーブ（図中Ａ）が示されている。棒状体のうち、より厚さの大きい部分を粒子線が透過すると、透過後の粒子線によるブラッグカーブのピーク（ブラッグピークと呼ぶ）の位置はより浅い側にシフトする。すなわち、図１２において、最も深い位置にブラッグピークを有するブラッグカーブ１０２は、棒状体の最小厚さの階段部分を透過したときの粒子線によるブラッグカーブ、２番目に深い位置にブラッグピークを有するブラッグカーブ１０３は、棒状体の２番目に厚さの小さい階段部分を透過したときの粒子線によるブラッグカーブである。
【０００８】
次に、各ブラッグピークの高さについて説明する。ブラッグカーブ１０１のピーク高さに対して、棒状体を透過してきた粒子線によるブラッグカーブのピークの高さは小さいものになる。これは、粒子線の照射領域内で、棒状体の所定の透過厚に対応した階段部分の面積比率が、透過厚が０の部分すなわち棒状体が配置されていない部分の面積比率に比べて著しく小さいことに起因する。
【０００９】
拡大ブラッグカーブ１００は、棒状体の異なる厚さの階段部分をそれぞれ透過してきた粒子線及び棒状体が配置されていない部分を透過してきた粒子線によるそれぞれのブラッグカーブを重ね合わせることにより実現する。図示するＳＯＢＰ幅は、患部のＺ方向の広がりに対応して決められる。このＳＯＢＰ幅の存在により、患部の深さによらず、患部に対して均一に粒子線を照射することが可能となる。
【００１０】
拡大ブラッグカーブ１００のように平坦なピーク部位を実現するためには、基本的には浅い位置にそのピークを有するブラッグピークの高さは低く、深い位置にそのピークを有するブラッグピークの高さは高くして重ね合わせると良い。これはブラッグカーブがピーク位置よりも浅い位置に一定の高さを有する裾野部を有し、これが重ね合わせの際に重畳されることに起因する。ただし、微調整のための例外はある。図１２では、ブラッグカーブ１０２のピーク高さが、これより浅い位置にピークを有するブラッグカーブ１０３のピーク高さよりも小さくなっており、これは上記例外に該当する。ブラッグピークの高さをより低くするためには、そのブラッグピークに対応する厚さの棒状体部分の面積比率をより小さくすればよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このように、リッジフィルタは、ＳＯＢＰ幅が患部の厚さと等しくなるように各階段部分の厚さとそのＸ方向幅、及び各棒状体の間隔等が設定され、これにより各厚さに対応する部分の面積比率が決定される。一般に、患部（腫瘍）の厚さは１２ｃｍ以下のものが多いが、それ以上のものもある。通常、腫瘍の厚さが大きくなると患部の最深部の深さは大きくなり、必要なＳＯＢＰ幅が大きくなるため、リッジフィルタの最大厚さも大きくなる。また、上記の通り、平坦なＳＯＢＰ分布を形成するためには、各棒状体の厚さが大きい部分ほどＸ方向の幅を小さくして面積比率を小さくする必要がある。
【００１２】
棒状体をアルミニウム製にした従来のリッジフィルタでは、例えばＳＯＢＰ幅を１５ｃｍと設定した場合、リッジフィルタの最大厚さは約７ｃｍ、その厚さを有する階段部分のＸ方向幅は数１０μｍ〜０．１ｍｍとなり、これを実現するためには非常に高い加工精度が要求される。同様に、特許文献１に記載の従来のリッジフィルタを製作する際には、ＳＯＢＰ幅が大きくなるに従ってより高い精度の加工が必要となる。ここで、加工精度が低い場合には、拡大ブラッグカーブのＳＯＢＰ幅が設計値通りにならない、またはＳＯＢＰ幅内の線量の均一性が劣化するという問題が発生する。一方、高い精度で加工する場合は、加工装置、加工工程等の点で製作コストが高くなるという問題がある。また、引用文献２に記載のエネルギー分布形成装置においては、複雑な構造体を２次元平面内に大量に配置する必要があるため、リッジフィルタの製作コストが高くなる。
【００１３】
本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、粒子線照射システムにおいて、ＳＯＢＰ幅の大きな拡大ブラッグカーブを精度良く形成でき、且つ製作が容易で製作コストを抑えることが可能なエネルギー分布形成装置を提供することを目的とする。
【００１４】
また、上記エネルギー分布形成装置を備えた高精度な粒子線照射システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係るエネルギー分布形成装置は、粒子線照射方向をＺ方向、Ｚ方向に直交し、且つ互いに直交する二方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とし、Ｚ方向の長さを厚さとするとき、Ｚ方向に垂直な平面に沿って配置された第一エネルギー吸収体と第二エネルギー吸収体とを備え、第一エネルギー吸収体は、その厚さがＸ方向に段階的に変化する階段部分を有するとともに、各階段部分の厚さ一定の領域である平坦部が、その厚さを保持したままＹ方向に伸びた複数の棒状体からなり、複数の棒状体はＸ方向に所定の間隔Ｘ0で互いに平行に配置され、第二エネルギー吸収体は、第一エネルギー吸収体の最大厚さＡを有する階段部分による粒子線のエネルギー吸収量よりも大きいエネルギー吸収量となる所定の厚さＢを有する複数の構造体からなり、複数の構造体はＸ方向及びＹ方向それぞれにおいて離散的かつ周期的に配置され、且つＺ方向において第一エネルギー吸収体と重ならない配置となっているものである。
【００１６】
また、本発明に係る粒子線照射システムは、粒子線発生手段と、粒子線発生手段から発生した粒子線を加速する粒子線加速手段と、この粒子線加速手段により加速された粒子線を所定の位置に導く粒子線輸送手段と、所定の位置に設置されたエネルギー分布形成装置を含む粒子線照射手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るエネルギー分布形成装置によれば、ＳＯＢＰ幅の大きな拡大ブラッグカーブを精度良く形成することができ、製作が容易で製作コストを抑えることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る粒子線照射システムの粒子線照射手段を示す部分についての粒子線照射の中心軸方向を含む平面での断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１に係る粒子線照射システムに用いられるエネルギー分布形成装置を示す斜視図及び部分拡大断面図である。なお、図中、同一部分または相当部分には同一符号を付している。
【００１９】
本実施の形態１に係る粒子線照射システムは、イオン源等の粒子線発生手段（図示せず）と、粒子線発生手段から発生した粒子線を加速する粒子線加速器等の粒子線加速手段（図示せず）と、この粒子線加速手段により加速された粒子線を所定の位置に導く粒子線輸送手段(図示せず)と、前記所定の位置に設置され、エネルギー分布形成装置であるリッジフィルタを含む粒子線照射手段とを備えたものである。
【００２０】
本実施の形態１における粒子線照射システムの粒子線照射手段について、図１を用いて説明する。図１において、２０は粒子線照射手段であり、２１は粒子線輸送手段により導かれ粒子線照射手段２０に入射した粒子線ビームである。また、４０は粒子線照射システムにより治療を受ける患者であり、治療の際には治療台（図示せず）に固定されている。４１は、粒子線照射手段２０によって調整された粒子線ビーム２１が照射される被照射部である患者４０の患部（腫瘍部）、４２の矢印は、患部４１がＺ方向に最も広がった部分の厚さ、すなわち患部の最大厚さを示している。
【００２１】
以下、粒子線照射手段２０の構成要素について、粒子線ビーム２１の通過する順に説明する。２２は、通常２台の偏向電磁石で構成され、それぞれの偏向方向が互いに直交するように配置されたワブラ電磁石である。ワブラ電磁石２２は、これら２台の偏向電磁石により入射した粒子線ビーム２１の偏向角度を制御し、粒子線ビーム２１を所定軌道で走査させるものである。２３は、ワブラ電磁石２２の下流側に配置され、さらに下流側の所定距離をおいた平面上で粒子線ビーム２１を散乱させる散乱体である。これらのワブラ電磁石２２と散乱体２３を含む照射野形成手段は、粒子線ビーム２１の照射野をＸＹ方向に拡大させるものである。２４は、散乱体２３の下流側に配置され、粒子線ビーム２１の線量を測定し、線量管理を行う線量モニタである。ただし、線量モニタ２４の設置場所は特にこの位置に限定されるものではない。
【００２２】
また、２５は、ワブラ電磁石２２及び散乱体２３の下流側に配置され、粒子線ビーム２１のエネルギーを一部吸収して低エネルギー化するエネルギー吸収体を備えたリッジフィルタである。リッジフィルタ２５は、ワブラ電磁石２２と散乱体２３によりその照射野がＸＹ方向に拡大された粒子線ビーム２１のＺ方向のエネルギー幅を大きくし、リッジフィルタ２５を透過後の粒子線ビーム２１によるブラッグカーブを、そのピーク部で所定のＳＯＢＰ幅を有する拡大ブラッグカーブとするものである。図１に示すリッジフィルタ２５において、１は第一エネルギー吸収体である棒状体、３は第二エネルギー吸収体である構造体、５は棒状体１及び構造体３が固定されたベース板である。なお、図１では、リッジフィルタ２５の構成を分かりやすくするために、粒子線２１のビーム幅に対して棒状体１及び構造体３の大きさを実際より大きく描いてある。
【００２３】
２６は、リッジフィルタ２５の下流側に配置され、断面形状が略三角形をした二枚の板からなるエネルギー吸収体を備えたレンジシフタである。レンジシフタ２６の二枚の板は、両者のＺ方向の合計厚が位置によらず一定となるように配置されている。また、両者の合計厚は、Ｚ方向に直交する面内で相対的に、互いに反対方向に平行移動させることにより可変となっている。レンジシフタ２６は、粒子線ビーム２１の最大ビームエネルギーを調節するものである。
【００２４】
また、２７は、レンジシフタ２６の下流側に配置され、粒子線ビーム２１の照射野を所定形状に絞るコリメータである。コリメータ２７は、通常、コリメータリーフと呼ばれる金属板を複数枚組み合わせて構成され、その中央部に粒子線ビーム２１が通過するリーフ開口部を有している。２８は、コリメータ２７の下流側に配置され、リッジフィルタ２５と同様のエネルギー吸収体で構成されたエネルギーコンペンセータである。エネルギーコンペンセータ２８は、照射方向に対応してその厚さを二次元的に変化させることにより、粒子線ビーム２１の停止位置を調整するものである。
【００２５】
次に、本実施の形態１に係る粒子線照射手段２０の動作について説明する。粒子線照射手段２０に入射した粒子線ビーム２１は、ワブラ電磁石２２により所定軌道、例えば円軌道を描くように走査され、患者４０の患部４１において例えばドーナツ状の照射野を形成する。さらに、散乱体２３を通過することによってビームサイズが拡大され、患部４１における照射野は例えばドーナツ状から、その範囲内で粒子線強度が平坦な円形になる。ワブラ電磁石２２及び散乱体２３の半径及び厚さ等は、患部４１に応じて適宜選択される。
【００２６】
散乱体２３を通過した時点では、粒子線ビーム２１はそのエネルギー幅が小さいため、患部４１内での粒子線停止位置（照射深さ）の広がりも小さく、例えば数ｍｍ程度の範囲内に集中している。この状態ではＺ方向にそれ以上の広がりを有する患部４１に対しては照射できない領域が生じる。そこで、散乱体２３を通過後の粒子線ビーム２１は、リッジフィルタ２５を透過することにより、患部４１内での粒子線停止位置がＺ方向に広げられ、そのＳＯＢＰ幅が患部の最大厚さ４２と等しくなるように調整される。この調整の際には、レンジシフタ２６、コリメータ２７及びエネルギーコンペンセータ２８を透過することによるエネルギー損失も考慮される。
【００２７】
次に、粒子線ビーム２１は、レンジシフタ２６を透過することにより、患部４１の最も深い位置に基づいてその最大ビームエネルギーが調節される。レンジシフタ２６を透過後の粒子線ビーム２１の照射野は、コリメータ２７によって、照射方向からみた患部４１の最大領域の形状と同じ形状に整形され、患部４１以外の正常領域に粒子線ビーム２１が照射されないように調整される。
【００２８】
さらに、粒子線ビーム２１は、照射方向に応じて厚さが異なるエネルギーコンペンセータ２８を透過することにより、Ｚ方向での粒子線停止位置が、各粒子線の発散角に起因する照射方向ごとに患部４１の最も深い点を結んで形成される曲面に沿うように調整される。粒子線ビーム２１の停止位置すなわち侵入深さを浅くしたい部分は、エネルギーコンペンセータ２８の厚さを大きくすればよい。このエネルギーコンペンセータ２８により、粒子線ビーム２１が患部４１を突き抜けて正常組織まで及ぶことを防止している。このようにして調整された粒子線ビーム２１は、患者４０の体表から入射し、被照射部である患部（腫瘍部）４１に照射される。
【００２９】
次に、エネルギー分布形成装置であるリッジフィルタ２５について、図２を用いて説明する。図２において、２５ａはＺ方向に垂直な仮想平面である。前述のように、リッジフィルタ２５は、粒子線ビーム２１によるブラッグカーブを、そのピーク部で所定のＳＯＢＰ幅を有する拡大ブラッグカーブとするための装置であり、ＳＯＢＰ幅は通常、患部の最大厚さ４２に設定される。本実施の形態１におけるリッジフィルタ２５は、Ｚ方向に垂直な仮想平面２５ａ上に沿って配置された第一エネルギー吸収体と第二エネルギー吸収体を備えたものである。
【００３０】
第一エネルギー吸収体は、その厚さがＸ方向に段階的に変化する階段部分を有するとともに、各階段部分の厚さ一定の領域である平坦部が、その厚さを保持したままＹ方向に伸びた複数の棒状体１からなる。この第一エネルギー吸収体を構成する複数の棒状体１は、Ｘ方向に所定の間隔Ｘ0で互いに平行に配置されている。
【００３１】
第二エネルギー吸収体は、Ｘ方向及びＹ方向それぞれにおいて離散的かつ周期的に配置された複数の構造体からなる。本実施の形態１では、構造体の形態として、円柱状の柱状体３を用いている。これらの柱状体３と棒状体１は、図２（ａ）に示すように、同じベース板５に固定されることにより同一平面上に配置され、Ｚ方向において重ならない配置となっている。
【００３２】
リッジフィルタ２５には、棒状体１の各階段部分、柱状体３、及びこれらが配置されていない部分（以下、これらを「リッジフィルタ２５各部」と呼ぶ）がある。棒状体１と柱状体３の構成材料が同じである場合、リッジフィルタ２５各部の同一ＸＹ平面上の所定エリア内における面積比率は、リッジフィルタ各部の厚さに依存する。通常、この厚さの大きい部分ほど面積比率が小さくなる。
【００３３】
本実施の形態１における柱状体３は、棒状体１の最大厚さＡを有する階段部分による粒子線のエネルギー吸収量よりも大きいエネルギー吸収量となる所定の厚さＢを有している（厚さＡ、Ｂについては図６を参照のこと）。また、この所定の厚さＢは、第ニエネルギー吸収体の最小厚さである。これにより、柱状体３は、棒状体１の最大厚さＡを有する階段部分により形成される粒子線のエネルギー成分よりも、さらに低いエネルギー成分を形成することができる。
【００３４】
棒状体１と柱状体３の構成材料が同じである場合、柱状体３の最小厚さＢは、棒状体１の最大厚さＡよりも大きいものとなる。ただし、柱状体３の構成材料を棒状体１よりも密度の高い材料とすることにより、柱状体３の厚さを小さくすることができる。棒状体１の密度をｍ１、柱状体３の密度をｍ２としたとき、柱状体３の最小厚さＢは、棒状体１の最大厚さＡにｍ１/ｍ２を乗じて得られる値である最大実効厚よりも大きく設定すればよい。これにより、例えば柱状体３の材料をアルミニウムから銅に変えると、約半分の厚さにすることができる。その結果、柱状体３に入射した粒子線ビーム２１が途中で柱状体３の側面から出てしまう確率が小さくなるため、リッジフィルタ２５の設計が容易になり、精度の高いリッジフィルタが得られる。
【００３５】
棒状体１と柱状体３の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）等を用いることができるが、材料は特に限定されるものではなく、他の金属あるいは合金を用いてもよい。また、ベース板５には、エネルギー吸収効果の小さい、薄いアルミニウム板またはプラスチック板を用いることができる。
【００３６】
なお、上述のように、リッジフィルタ２５に到達した粒子線２１は、既にワブラ電磁石２２と散乱体２３によってある程度拡大されており、リッジフィルタ２５が配置されている仮想平面２５ａ上での粒子線２１の照射野サイズに比べて、各棒状体１のＸ方向の間隔Ｘ0は、十分に小さい値（例えば照射野１００ｍｍに対してＸ0は１０ｍｍ以下）に設定されている。これにより、仮想平面２５ａ上の所定エリア（図示せず）内におけるリッジフィルタ２５各部の面積比率は、リッジフィルタ２５全体における各部の面積比率とほぼ等しくなる。従って、粒子線２１は、リッジフィルタ２５全面に配置された、異なる厚さを有する部分をほぼ均等に透過することができる。
【００３７】
本実施の形態１における柱状体３は、仮想平面２５ａ上の所定エリア内における面積比率が、所定比率よりも設計上小さくなる棒状体１の階段部分に代えて設けられたものであり、この階段部分により形成される粒子線のエネルギー成分に相当するエネルギー成分を形成する。すなわち、棒状体１において、その幅が小さいために高い加工精度が要求される階段部分を、離散的な構造体である柱状体３に置き換えることで、その加工幅を大きくしたものである。これにより高精度の加工は必要でなくなる。なお、ここでいう所定比率とは、棒状体１の材料強度と棒状体１を製造する際の装置の加工精度によって適宜決定されるものである。
【００３８】
第二エネルギー吸収体を構成する構造体の一つの形態である柱状体３は、第一エネルギー吸収体である棒状体１のどの階段部分を柱状体３に置き換えるのかによって、１種類又は複数種類の異なる厚さの柱状体で構成される。図２において、３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）は第一の厚さを有する柱状体、３２（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）は第二の厚さを有する柱状体、３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ）は第三の厚さを有する柱状体である。図２に示す例では、柱状体３は、異なる厚さの３種類の柱状体３１、３２、３３を、Ｙ方向にそれぞれ複数本含んでいる。
【００３９】
３種類の柱状体３１、３２、３３は、それぞれの種類ごとに、Ｙ方向に所定の間隔ΔＹ３１、ΔＹ３２、ΔＹ３３で、Ｙ方向に平行な一直線上に配置されている。また、Ｙ方向に周期的に配置された柱状体３ａ、３ｂ、３ｃは、Ｘ方向において、隣り合う棒状体１の間に配置されている。なお、ΔＹ３１、ΔＹ３２、ΔＹ３３は必ずしも同一値でなくてもよく、その場合はＹ方向の所定範囲内に配置される３種類の柱状体３１、３２、３３の本数は同一でなくなる。また、３種類の柱状体３１、３２、３３は、必ずしもその全てがＹ方向と平行な一直線上に配置されていなくてもよく、隣り合う棒状体１の間で、それぞれのＸ方向の相対位置関係は任意であってよい。このような配置例について、図３（ａ）（ｂ）に示す。
【００４０】
図３は、粒子線照射方向上流側から見たリッジフィルタ２５の第二エネルギー吸収体の一部を含む部分の平面図である。厚さの異なる３種類の柱状体３１、３２、３３は、それぞれの種類ごとに、Ｘ方向及びＹ方向に周期的に配置されている。図３（ａ）では、３種類の柱状体３１、３２、３３がそれぞれ異なるＸ方向の位置（Ｘ座標）において、Ｙ方向にほぼ同じ間隔ΔＹ３１、ΔＹ３２、ΔＹ３３で配置された例を示している。また、図３（ｂ）では、３種類の柱状体３１、３２、３３がそれぞれ異なるＸ座標において、Ｙ方向にそれぞれ異なる間隔ΔＹ３１、ΔＹ３２、ΔＹ３３で配置された例を示している。
【００４１】
次に、第二エネルギー吸収体のＹ方向の間隔ΔＹの算出方法について図４及び図５を用いて説明する。図４は、第二エネルギー吸収体である柱状体３を透過した粒子線による、照射平面上での線量分布の広がりを模式的に示したものである。ここで示す柱状体Ａ〜Ｄは、柱状体３の中から、同一厚さのもので隣り合っているものをＸ、Ｙ方向からそれぞれ２個選択したものである。ＡとＢ、ＣとＤはそれぞれＹ方向に沿って、ＡとＤ、ＢとＣはそれぞれＸ方向に沿って配置されているものとする。また、４１ａは、患部の照射平面を示している。
【００４２】
本実施の形態１では、柱状体３の同一厚さを有する部分のＹ方向の間隔ΔＹは、棒状体１のＸ方向の間隔Ｘ0、またはＸ0より小さい間隔に設定される。なお、図４では、柱状体３のＹ方向の間隔ΔＹはＸ0と同じ値に設定され、Ｘ方向の間隔もＸ0に設定されている。ここで、棒状体１のＸ方向の間隔Ｘ0は、従来の設計方法により、棒状体１の各階段部分を透過後の粒子線ビーム、及びエネルギー吸収体を透過しないでリッジフィルタ２５を通過した粒子線ビームのいずれについても、照射平面４１ａ上で均一な分布が形成されるように決められている。従って、残された検討項目は、柱状体３を透過後、その厚さに対応したエネルギーの粒子線ビームが、照射平面４１ａ上で均一な分布を形成するかどうかということである。以下ではこの点について検討する。
【００４３】
リッジフィルタ２５に入射する粒子線ビームは所定の発散角を有しているため、リッジフィルタ２５の位置でＸ方向に間隔Ｘ0で吸収体を配置した場合、これを透過後の粒子線の線量分布の中心点は、照射平面４１ａではＸ0よりも大きな値であるＸ１の間隔で位置することになる。この時の拡大率をαとすると、Ｘ１はα×Ｘ0となる。このことはＹ方向についても同様である。よって、各柱状体Ａ〜Ｄを粒子線の発散角に従って所定の照射平面４１ａに投影したときのＹ方向の間隔をＹ１、各柱状体Ａ〜Ｄを透過後の照射平面４１ａにおける粒子線ビームの中心位置を図４に示すａ〜ｄとすると、ΔＹをＸ0と等しくした場合、Ｙ１はＸ方向と同じＸ１となり、ａｂｃｄを結ぶ線は正方形となる。なお、拡大率αは、設計計算もしくは実測により求めることができる。
【００４４】
次に、柱状体３を透過した粒子線ビームの柱状体３からの粒子線の散乱による１／ｅ発散角をθ_1/e、柱状体３が配置された平面と照射平面４１ａとの距離をＬとしたとき、柱状体３を透過した粒子線の１／ｅ発散角（θ_1/e）とＬの積である散乱半径Ｒ１に対するＹ１（＝Ｘ１）の比が１.７または１.７より小さい値を有するように、Ｘ0が設定される。なお、粒子線の１／ｅ発散角とは、粒子線照射方向を軸とし、これに直交する面上における粒子数の角度分布をガウス分布として粒子数が１/２.７１８になる角度である。この１／ｅ発散角は、粒子線の挙動をシミュレーションする設計計算、もしくはリッジフィルタ２５各部を透過後の各部の厚さに対応した粒子線分布を実測することにより求めることができる。なお、通常、距離Ｌに対して各エネルギー吸収体の厚さは十分に小さいので、エネルギー吸収体の厚さの違いによる効果は無視することができる。
【００４５】
既に説明した通り、以下の式１が成り立つ。
Ｒ１＝θ_1/e×Ｌ                          （式１）
照射平面４１ａにおいて、柱状体Ａ、Ｂの投影位置ａ、ｂの中間点Ｍ２における柱状体Ａ、Ｂを通過した粒子線の寄与、すなわち散乱粒子数の合計Ｔ２は、照射平面４１ａにおける粒子線の散乱半径Ｒ１と、照射平面４１ａにおける配置ピッチＸ0の投影された長さＸ１から、式２によって見積もることができる。また、図４では、ΔＹはＸ0と等しいと設定したので、柱状体Ａ、Ｂの照射平面４１ａにおける投影間の距離をＸ1と置くことができる。
Ｔ２＝２×ｅｘｐ(−(０.５×Ｘ１／Ｒ１)２)        （式２）
【００４６】
次に、柱状体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの投影位置ａ、ｂ、ｃ、ｄの中間点Ｍ４における散乱粒子数の合計Ｔ４を求める。ここではΔＹはＸ0と同じ値に設定しているため、柱状体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの照射平面４１ａにおける投影は正方形を成す。従って、各柱状体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄそれぞれの投影位置a、ｂ、ｃ、ｄから中間点Ｍ４までの距離は（０.５×１.４１４×Ｘ１）となり、中間点Ｍ４における散乱粒子数の合計Ｔ４は、式３によって見積もることができる。
Ｔ４＝４×ｅｘｐ(−(０.５×１.４１４×Ｘ１／Ｒ１)２)        （式３）
【００４７】
図５は、上記の式２と式３を、Ｘ１／Ｒ１の関数としてプロットしたものである。図５において、縦軸は中間点Ｍ２とＭ４における散乱粒子数の合計Ｔ２、Ｔ４の相対値を示し、横軸はＸ1／Ｒ1を示している。また、縦軸の値が１のとき、それぞれの柱状体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの投影位置における散乱粒子線数は等しいことを示している。
【００４８】
図５に示すように、中間点Ｍ２とＭ４における散乱粒子数の合計Ｔ２、Ｔ４は、Ｘ１／Ｒ１とともに変化する。Ｘ１／Ｒ１＝１.６６５（＝２×√ｌｎ（２）、以下では約１.７とする）付近では、柱状体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを通過した粒子線の中間点Ｍ４における寄与の合計が、それぞれの柱状体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの照射平面３１ａの投影位置における粒子線の寄与と等しくなる。すなわち、照射平面４１ａにおいて、各柱状体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄからの散乱粒子線の寄与を合成して得られる分布がほぼ平坦になる。厳密には、ガウス分布の広がりの範囲内に含まれるすべての柱状体３からの寄与を合計すると均一度は更に改善される。
【００４９】
次に、Ｘ１が１.７×Ｒ１より小さい（Ｘ１／Ｒ１＜１.７）場合については、図５からは縦軸の値が１よりも大きくなり、均一性が劣化するように思われる。しかし、先に述べたとおり、厳密には、ガウス分布の広がりの範囲内に含まれるすべての柱状体３からの寄与を合計する必要がある。Ｘ１が１.７×Ｒ１より小さくなる場合は、この他の柱状体３からの寄与が大きくなるため均一性は保たれる。
【００５０】
同様に、Ｘ、Ｙ方向のうち、片方の間隔を１.７×Ｒ１と等しくし、他方の間隔をそれよりも小さくしても均一性は保たれることになる。すなわち、柱状体３のＸ方向、Ｙ方向の間隔をそれぞれＸ0、ΔＹとし、これを照射平面４１ａ上に投影したときの間隔をそれぞれＸ１、Ｙ１とすれば、Ｘ１、Ｙ１それぞれについて１.７×Ｒ１と等しいか、またはそれよりも小さく決定することにより、柱状体３を透過した粒子線の照射平面４１ａ上での均一性は担保される。
【００５１】
ところで、吸収体の厚さが大きくなるに従ってその吸収体内での散乱の程度は大きくなり、その結果、１／ｅ発散角も大きくなる。今、棒状体１のＸ方向の間隔Ｘ0は、棒状体１の各階段部分を透過した粒子線が、照射平面４１ａ上で隣り合う棒状体１の対応する階段部分を透過した粒子線と十分に重なり合い均一な分布を構成するように選定されているものとした。棒状体１よりも厚さの大きい柱状体３を透過した粒子線の場合は、そのガウス分布の１／ｅ発散角は棒状体１を透過した粒子線の場合の１／ｅ発散角よりも大きくなるので、柱状体３がＸ0よりも大きな間隔で配列されていても、柱状体３を透過した粒子線の照射平面４１ａ上での均一性は担保されることになる。
【００５２】
従って、柱状体３を間隔Ｘ0で配置すれば、Ｘ１が約１．７×Ｒ１と等しい（Ｘ１／Ｒ１＝１.７）か、それよりも小さくなる（Ｘ１／Ｒ１＜１．７）という条件は担保されているものと考えられる。このことはＸ、Ｙ方向に共通であり、Ｙ方向については柱状体３の間隔を任意に設定できるので、Ｙ方向の柱状体３の間隔ΔＹをＸ0と等しいか、それよりも小さくすれば照射平面４１ａ上で粒子線の均一性は保たれることになる。
【００５３】
以下に、リッジフィルタ２５を透過後の粒子線が所定のエネルギー分布となるように、リッジフィルタ２５各部の厚さ及び面積比率を決定する際の手順について、ステップ１〜ステップ５に従って説明する。なお、所定のエネルギー分布とは、そのエネルギー分布の粒子線で照射したとき、患部４１の最深部から最浅部に至る領域で患部４１の吸収線量が均一になるようなエネルギー分布をいう。
【００５４】
まず、第１のステップとして、リッジフィルタ２５に入射する粒子線のエネルギーと、これに対応するブラッグカーブを決定する。これらは、あらかじめ設計計算、または実測により把握することが可能である。
【００５５】
次に、第２のステップとして、リッジフィルタ２５透過後の粒子線に対して、必要なＳＯＢＰ幅を設定する。ここでは、患者４０の患部４１のＺ方向（深さ方向）の広がりを予め計測評価し、最浅部と最深部のそれぞれの深さから必要なＳＯＢＰ幅、すなわち患部の最大厚さ４２を求める（図１参照）。
【００５６】
第３のステップでは、必要なＳＯＢＰ幅を得るための合成用の複数のブラッグカーブｇｊ（ｚ）とその割合Ｓｊ（ｊ＝１〜ｍ）を決定する。この作業に用いられる複数のブラッグカーブからなるライブラリは、予め記憶装置に記憶されている。このライブラリのブラッグカーブをｆｉ（ｚ）（１≦ｉ≦ｎの整数）とする。ここで、ｚは患部４１の粒子線照射方向に対する深さを表す。このブラッグカーブｆｉ（ｚ）は、リッジフィルタ２５入射前の粒子線が、共通の面積で厚さｔｉのエネルギー吸収体に入射した時に、この吸収体を透過した粒子線によるブラッグカーブであるとする。これはシミュレーションによる計算、または実測で求めることが可能である。厚さｔｉ＝Δｔ×（ｉ−１）とすれば、ｆ１（ｚ）は厚さ０の吸収体を透過した粒子線によるブラッグカーブで、ｉが増えるごとにΔｔずつ厚い吸収体を透過した粒子線によるブラッグカーブを表すものとなる。
【００５７】
また、第２のステップで求めたＳＯＢＰ幅の最浅部、最深部それぞれの深さをＤｍｉｎ、Ｄｍａｘとすると、ライブラリ中のブラッグカーブからＤｍｉｎ、Ｄｍａｘそれぞれの位置にピークを有するブラッグカーブをそれぞれｆｉ（ｚ）(ｉ＝ｍｉｎ、ｍａｘ）とする。なお、ｍｉｎは通常１に等しいので以下ではｍｉｎ＝１とする。ピーク位置の一致するブラッグカーブが存在しなかった場合はシミュレーション計算で補充するか、近隣番号のブラッグカーブの内挿または外挿により補間する。または、近隣番号のブラッグカーブを用い、ピーク位置を単純にシフトさせて近似してもよい。
【００５８】
拡大ブラッグカーブＦ（ｚ）は、Ｗｉを荷重係数として以下の式４で表される。
Ｆ（ｚ）＝Ｗ１・ｆ１（ｚ）＋Ｗ２・ｆ２（ｚ）＋Ｗ３・ｆ３（ｚ）
＋・・・Ｗｉ・ｆｉ（ｚ）＋・・・＋Ｗｍａｘ・ｆｍａｘ（ｚ）    （式４）
ここで、Ｗｉ（ｉ＝１〜ｍａｘ）は、Ｆ（ｚ）のＳＯＢＰ幅に該当するｚの範囲内(すなわちＤｍｉｎ≦ｚ≦Ｄｍａｘ)で、Ｆ（ｚ）のばらつきが予め設定された値よりも小さくなるように決定される。この作業はコンピュータを利用することにより容易に実施できる。
【００５９】
なお、Ｆ（ｚ）のばらつきが小さくならない場合は、より細かな吸収体厚の差（Δｔ’＜Δｔ）に対応したブラッグカーブｆ’ｉ（ｚ）（ｉ＝１〜ｎ’(＞ｎ）)を準備し、ｆｉ（ｚ）に替えてｆ’ｉ（ｚ）を用いて同様の作業を実行する。このｆ’ｉ（ｚ）はｆｉ（ｚ）と同様にシミュレーション計算または実測により求めることができるが、近隣のｆｉ（ｚ）の内挿または外挿、またはピーク位置の単純シフト近似により求めることもできる。
【００６０】
この作業において、拡大ブラッグカーブの合成に使用するブラッグカーブの数は、リッジフィルタ２５に配置するエネルギー吸収体の厚さの種類の数に等しくなるので、合成に使用するブラッグカーブの数は小さい方がよい。従って、Ｗｉとｆｉ（ｚ）のピーク高さの積が、他に比べてその寄与が小さいものはこれを省いて、ＳＯＢＰ範囲内でのＦ（ｚ）のばらつきを再計算することもある。このようにして最終的に残ったｆｉ（ｚ）、ｔｉ、及びＷｉ（ｉは不連続となることもある）を連続番号で再付番したものをそれぞれｇｊ（ｚ）、Ｈｊ、及びＳｊ（ｊ＝１〜ｍ；ｍ≦ｎ）とする。なお、図１２に示した各ブラッグカーブは、Ｓｊ×ｇｊ（ｚ）に相当するものである。
【００６１】
さらに、第４のステップでは、第３のステップで決定されたブラッグカーブ群ｇｊ（ｚ）、これらそれぞれに対応する吸収体厚さＨｊ、及び荷重係数Ｓｊ（ｊ＝１〜ｍ；ｍ≦ｎ）から、リッジフィルタ２５を構成する吸収体の厚さＨｊと面積比率Ｓｊを選択する。このとき、原則として面積比率の大きいものは棒状体１の形で吸収体とし、面積比率の小さいものはＸ、Ｙ方向共に離散的な柱状体３とする。なお、面積比率の大小の判断基準は、想定する加工装置の加工精度等を考慮してあらかじめ設定しておく。
【００６２】
最後に、第５のステップとして、リッジフィルタ２５各部の厚さＨｊと面積比率Ｓｊを決定した後、その構成を踏まえてリッジフィルタ２５を透過後の粒子線の拡大ブラッグカーブを計算し、所定のＳＯＢＰ幅が実現されているかどうかを確認する。なお、この時のＸ、Ｙ方向の配置の周期は、予め計算等で把握できている粒子線の広がり角等から決定することができる。ＳＯＢＰ幅に誤差があった場合、与えられた吸収体条件を修正しながら、繰り返し計算により最終条件を決定する。
【００６３】
次に、上記第４のステップにおける具体的な作業について、本実施の形態１におけるリッジフィルタ２５を例に挙げて説明する。図６は、本実施の形態１におけるリッジフィルタ２５のＸＺ平面における部分拡大断面図であり、棒状体１は、その厚さがＸ方向において段階的に変化する７段の階段部分を有している。図において、１１は１段目の階段部分、１２は２段目の階段部分、・・・、１６は６段目の階段部分、１７は７段目の階段部分を示している。また、図中、Ｈｉ、Ｘｉ(ｉ＝１〜７)は、それぞれｉ段目の階段部分の厚さと、Ｘ方向の幅を示している（図ではｉ＝２、３、７の場合について示している)。さらに、棒状体１と交互に配置された柱状体３１、３２、３３の厚さをそれぞれＨ３１、Ｈ３２、Ｈ３３とする（図では柱状体３３のみを示している）。
【００６４】
本実施の形態１におけるリッジフィルタ２５は、厚さゼロの部分と、棒状体１の１〜７段目の階段部分、及び柱状体３１、３２、３３の合計１１種類の異なる厚さ部分を有していることから、１１本のブラッグカーブに対応して選択されたものである。１１本のブラッグカーブのうち、特に荷重係数（面積比率）Ｓｊの小さい３本のブラッグカーブに対応する部分を柱状体３１、３２、３３として実現し、その他の７本のブラッグカーブに対応する部分を棒状体１の７段の階段部分１１、１２・・１７として実現している。さらに残り１本のブラッグカーブは、図１２に示すようなブラッグカーブ１０１であり、リッジフィルタ２５の厚さゼロの部分に対応するものである。
【００６５】
ここで、図２（ａ）に示すように、粒子線２１の照射方向からみて、仮想平面２５ａ上において、周期的に配置されたエネルギー吸収体の一周期分の占める面積はＸ0×Ｙ0である。この面積（Ｘ0×Ｙ0）の中で、棒状体１の厚さＨｉを有するｉ段目の階段部分の占める面積ΔＳｉは、次の式５で表すことができる（ただしｉは１〜６）。
ΔＳｉ＝（Ｘｉ−Ｘｉ＋１）×Ｙ0            （式５）
また、厚さＨ７を有する７段目の階段部分１７の占める仮想平面２５ａの面積ΔＳ７は、次の式６で表すことができる。
ΔＳ７＝Ｘ７×Ｙ0                        （式６）
さらに、柱状体３１、３２、３３のＸＹ平面での断面形状において、構成物質の詰まった部分の面積をそれぞれΔＳ３１、ΔＳ３２、ΔＳ３３とする。
【００６６】
柱状体３１、３２、３３のＹ方向の間隔をそれぞれΔＹ３１、ΔＹ３２、ΔＹ３３とすると、上記面積（Ｘ0×Ｙ0）の中でＹ方向に配列された柱状体３１の占める全面積はΔＳ３１×（Ｙ0／ΔＹ３１）で示され、同様に、Ｙ方向に配列された柱状体３２の占める全面積はΔＳ３２×（Ｙ0／ΔＹ３２）、Ｙ方向に配列された柱状体３３の占める全面積はΔＳ３３×（Ｙ0／ΔＹ３３）で示される。なお、以下の説明においてはΔＹ３１、ΔＹ３２、ΔＹ３３はすべて等しいΔＹとすると、Ｙ方向に沿って一列に配置できる同じ高さの柱状体の本数Ｎyは、Ｎy＝Ｙ0÷ΔＹで求められる。
【００６７】
図６に示すように、ベース板５の厚みを除いて考えた場合、リッジフィルタ２５には厚さがゼロの部分がある。その部分が占める面積をΔＳ０とすると、リッジフィルタ２５の仮想平面２５ａ上において、一周期分の占める面積について次の式７が得られる。
Ｘ0×Ｙ0＝  ΔＳ０
＋ΔＳ１＋ΔＳ２＋ΔＳ３
＋ΔＳ４＋ΔＳ５＋ΔＳ６＋ΔＳ７
＋Ｎｙ×(ΔＳ３１＋ΔＳ３２＋ΔＳ３３)        （式７）
【００６８】
式７から、リッジフィルタ２５の異なる厚さを有する各部の面積比率は、例えば７段目の階段部分１７の場合はΔＳ７／（Ｘ0×Ｙ0）であり、柱状体３１の場合は（Ｎｙ×ΔＳ３１）／（Ｘ0×Ｙ0）である。また、前述のように、各ブラッグカーブに対応する厚さを有する各部の占める面積ΔＳｉの面積比率は、１１本のブラッグカーブそれぞれの荷重係数率Ｗｊと等しいことから、リッジフィルタ２５の一周期分において各部の占める面積ΔＳｉをそれぞれ決定することができる。
【００６９】
なお、患部の最大厚さ４２の範囲に渡って均一なＳＯＢＰ分布を得るためには、リッジフィルタ２５を透過後のビームエネルギーＥｊが最も大きい部分、すなわちリッジフィルタ２５の厚さゼロの部分の面積ΔＳ０に対応するブラッグカーブの荷重係数率Ｗｊを最大とする必要があり、その面積比率は通常全体の３０％程度となる。また、ビームエネルギーＥｊが小さくなる部分、すなわちリッジフィルタ２５において厚さが大きい柱状体３１、３２、３３に対応するブラッグカーブの荷重係数率Ｗｊは小さいため、柱状体３１、３２、３３の占める面積比率は小さくなり、全体の数パーセント以下となる。
【００７０】
以上のように、第４のステップでは、第３のステップで決定された１１本のブラッグカーブのそれぞれに対応する厚さＨｊを有する吸収体として、棒状体１の７段の階段部分１１、１２・・１７と柱状体３１〜３３を選択し、それぞれの面積比率として、第３のステップにおいて拡大ブラッグカーブを合成した際の荷重係数率Ｗｊを用いることにより、リッジフィルタ２５各部の設計を行うものである。また、第５のステップにおける確認作業で、ＳＯＢＰ幅に誤差があった場合、各階段部分のＸ方向の幅Ｘｉや柱状体３１〜３３の直径を微調整することにより、ＳＯＢＰ幅を修正することができる。
【００７１】
以下に、本実施の形態１におけるリッジフィルタ２５において、棒状体１の所定の階段部分を複数の柱状体３に置き換えることによる効果について具体的に説明する。棒状体１の階段部分はＹ方向に連続しているのに対し、複数の柱状体３はＹ方向に離散的に配置されることを特徴とする。リッジフィルタ２５において均一なＳＯＢＰ分布を得るためには、前述のように、最小厚さ部分の面積ΔＳ０は最大となり、厚さＨｊが大きくなるに従って面積ΔＳｊは次第に小さくなる。このため、リッジフィルタ２５の棒状体１の断面形状は、通常、図６に示すような山形になる。
【００７２】
また、必要なＳＯＢＰ幅が大きい場合には、必要な段数（厚さの種類の数）が増加し、厚さの大きい部分が占める面積が非常に小さくなる。図１１に示す従来のリッジフィルタ５０のようにエネルギー吸収体が棒状体１のみで構成されている場合、その階段部分のＸ方向幅ΔＸｊ（ΔＸｊ＝Ｘｊ−Ｘｊ＋１）は０.１ｍｍ以下となることがあり、高い加工精度が要求されていた。
【００７３】
そこで、本実施の形態１では、棒状体１のｊ段目の階段部分の面積ΔＳｊが所定比率より設計上小さくなる場合、または棒状体１の一段として形成した場合にそのＸ方向幅ΔＸｊが所定値（例えば０.１ｍｍ〜１ｍｍ）より設計上小さくなる場合に、その階段部分を加工の容易な複数の柱状体３に置き換えるようにしたものである。
【００７４】
柱状体３を円柱とした場合、その直径Ｒの値は、同じ面積を棒状体１の一段の階段部分として形成した場合のＸ方向幅ΔＸｊに比べ、γ倍大きくなる。γは以下の式８〜１２から求められる。
ΔＸｊ×Ｙ0＝Ｎy×πＲ２            （式８）
柱状体３のＹ方向の間隔ΔＹを、棒状体１のＸ方向の間隔Ｘ0と等しくした場合、Ｎy＝Ｙ0／Ｘ0となり、式８は以下の式９のようになる。
【００７５】
ΔＸｊ×Ｙ0＝（Ｙ0／Ｘ0）×πＲ２
ΔＸｊ＝πＲ２／Ｘ0                  （式９）
Ｒ＝（Ｘ0×ΔＸｊ／３.１４）１／２    （式１０）
γ＝Ｒ／ΔＸｊ
＝（Ｘ0／３.１４／ΔＸｊ)１／２      （式１１）
ここで、Ｘ0＝１０ｍｍ、ΔＸｊ＝０.１ｍｍと仮定すると、
γ＝(１０／３.１４／０.１)１／２
＝５.６                            （式１２）
【００７６】
このように、棒状体１においてＸ方向幅ΔＸｊ＝０.１ｍｍの階段部分を柱状体３に置き換えた場合、必要な柱状体３の直径は、ΔＸｊの約５.６倍大きくなる。このため、ＳＯＢＰ幅が大きいリッジフィルタ２５を作成する場合、棒状体１のみから構成されるリッジフィルタ５０を作成する場合に比べて高い加工精度を要求されることなく、ＳＯＢＰ幅の大きな拡大ブラッグカーブを精度良く形成することができる。
【００７７】
なお、柱状体３のＸＹ方向における外形寸法は、通常数ｍｍ以下となるため、柱状体３に入射した粒子線２１は、柱状体３を完全に透過する前にある確率で柱状体３の側面（周面）から外に出てしまう。このため、実際に柱状体３を透過する粒子線２１の割合は、柱状体３のＸＹ平面での面積比率で決まる割合より小さくなる。この割合を例えばモンテカルロコード等を用いて予め計算し、その結果をリッジフィルタ２５各部の面積比率を決定する際の計算に反映させることが望ましい。
【００７８】
また、棒状体１のＸＺ方向における断面形状は、通常、略三角形となるが、必ずしも左右対称でなくてもよく、片側にのみ階段構造を有していてもよい。また、図７（ａ）に示す棒状体１ａのように、一方の斜面が７段の階段部分１１〜１７を有し、他方の斜面が５段の階段部分１１、１２、１４、１６、１７を有するように設計してもよい。
【００７９】
また、柱状体３は、仮想平面２５ａの所定エリア内における面積比率が所定比率よりも設計上小さくなる棒状体１の階段部分に代えて設けられるが、その階段部分は、最大厚さの階段部分であるとは限らない。例えば、図７（ｂ）に示す棒状体１ｂのように、下から３段目の階段部分１３のＸ方向幅（ΔＸ３＝Ｘ３−Ｘ４）が非常に小さく、高い加工精度が要求される場合、この階段部分１３を、これと同じエネルギー成分を形成する柱状体３に置き換えることができる。また、本実施の形態１では、柱状体３１、３２、３３のＸＹ平面における断面形状を円形としたが、楕円形、三角形、四角形、長方形等、任意の形状であってよい。
【００８０】
さらに、棒状体１と柱状体３を同一平面上に配置せず、Ｚ方向座標を変えて別々の平面上に配置してもよい。具体的には、２枚のベース板５を用い、棒状体１及び柱状体３をそれぞれ異なるベース板５上に形成する。ベース板５を２枚用いることによる粒子線のエネルギー損失や散乱を小さくするために、枠状ベース板５ｂ（図１１参照）を用いてもよい。このように、棒状体１と柱状体３とを異なるベース板５に配置することにより、それぞれを複数種類用意し、組み合わせを変えて用いることができるため、汎用性の高いリッジフィルタ２５となる。
【００８１】
なお、二つの平面上に分離して配置した場合、リッジフィルタ２５各部の面積比率は、厳密にはどちらかの平面上に粒子線２１の広がりを考慮して投影したもので考えることになる。しかし、この二平面を非常に大きく離さない限り、面積比率の計算上、同一平面上にある場合と同様の取り扱いをしても大きな問題にはならない。従って、上述のように、粒子線２１の広がりが吸収体厚さの面積比率に与える影響は無視してよい。
【００８２】
以上のように、本実施の形態１によれば、棒状体１のみから構成される従来のリッジフィルタ５０（図１１）を作成する場合に比べて高い加工精度を要求されることなく、製作が容易で加工時間も短縮され、製作コストを抑えることが可能である。さらに、本実施の形態１によるリッジフィルタ２５を含む粒子線照射手段２０を備えた粒子線照射システムは、高精度なエネルギー分布を形成することが可能なものとなる。
【００８３】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、リッジフィルタ２５の第二エネルギー吸収体を構成する柱状体３が円柱であり、厚さの異なる３種類の柱状体３１、３２、３３が、Ｙ方向に所定の間隔を置いて離散的に配置された例について説明した。本実施の形態２では、第二エネルギー吸収体の他の構成例について図８〜１０を用いて説明する。なお、図中、同一部分または相当部分には同一符号を付している。
【００８４】
本実施の形態２に係る第二エネルギー吸収体は、異なる厚さの複数種類の構造体を一つの構造体として一体的に形成し、これをＸ方向及びＹ方向それぞれにおいて離散的かつ周期的に配置したものである。このような構造体の形態として、図８及び図９では、その厚さがＹ方向に段階的に変化する階段状構造体を示している。また、図１０では、階段状構造体に含まれる他の形態として、その厚さがＺ方向に直交するすべての方向に段階的に変化するピラミッド状構造体を示している。
【００８５】
図８に示すリッジフィルタ２５０は、第二エネルギー吸収体の第一の厚さを有する部分３１ｄ、第二の厚さを有する部分３２ｄ、第三の厚さを有する部分３３ｄが、階段状の構造体３ｄとして一体的にまとめられている。構造体３ｄは、棒状体１と同じベース板５上に配置されている。
【００８６】
図９に示すリッジフィルタ２５１は、第二エネルギー吸収体の第一の厚さを有する部分３１ｅ、第二の厚さを有する部分３２ｅ、第三の厚さを有する部分３３ｅが、階段状の構造体３ｅとして一体的にまとめられる。また、Ｙ方向に並べられた複数の構造体３ｅはその底面部分で互いに接続され、その両端は枠状ベース板５ｂに支持されている。なお、このような枠状ベース板５ｂを用いることにより、粒子線の最大エネルギーを大きくすることができ、また、粒子線の散乱を小さくすることができる。
【００８７】
また、図１０に示すリッジフィルタ２５２は、第二エネルギー吸収体の第一の厚さを有する部分３１ｆ、第二の厚さを有する部分３２ｆ、第三の厚さを有する部分３３ｆを入れ子にしたピラミッド状の構造体３ｆとして一体的にまとめられている。
【００８８】
図８〜図１０に示す例では、いずれの場合も第二エネルギー吸収体である構造体３ｄ、３ｅ、３ｆの配置数を少なくすることが出来るため、配置の手間が省け、また、その設置に際しての安定性も向上する。さらに、図１０に示す構造体３ｆの場合は特に、構造体の側面から漏れ出てしまう粒子線の割合を減らすことができる。そのため、リッジフィルタの設計が容易になる。また、いずれの例でも、構造体３ｄ、３ｅ、３ｆを構成する材料を、棒状体１を構成する材料よりも密度の高い材料とすることで、構造体３ｄ、３ｅ、３ｆ全体の高さを小さくすることができる。これにより、上記効果のいずれも、さらに改善される。
【００８９】
以上のように、本実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、設置安定性が向上し、リッジフィルタの設計及び製作がさらに容易になる。また、上記実施の形態１及び実施の形態２によるエネルギー分布形成装置を採用した本発明に係る粒子線照射システムによれば、深さ方向に対して広がりのある被照射部（患部）に対して、より均一な線量で粒子線照射を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明に係るエネルギー分布形成装置及びこれを用いた粒子線照射システムは、粒子線がん治療装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る粒子線照射システムの粒子線照射手段を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るエネルギー分布形成装置を示す斜視図及び部分拡大断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るエネルギー分布形成装置における第二エネルギー吸収体の他の配置例を示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るエネルギー分布形成装置の第二エネルギー吸収体を透過した粒子線による照射平面上での線量分布の広がりを示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るエネルギー分布形成装置の中間点Ｍ２とＭ４における散乱粒子数合計とＸ1／Ｒ1の関係を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係るエネルギー分布形成装置の部分拡大断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係るエネルギー分布形成装置の他の構成を示す部分拡大断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係るエネルギー分布形成装置の構成を示す斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係るエネルギー分布形成装置の他の構成を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係るエネルギー分布形成装置の他の構成を示す斜視図である。
【図１１】従来のエネルギー分布形成装置を示す斜視図である。
【図１２】拡大ブラッグカーブの合成について説明する図である。
【符号の説明】
【００９２】
１、１ａ、１ｂ  第一エネルギー吸収体（棒状体）、
３、３ａ、３ｂ、３ｃ  第二エネルギー吸収体（柱状体）、
３ｄ、３ｅ、３ｆ  第二エネルギー吸収体（構造体）、
５  ベース板、５ｂ  枠状ベース板、
２０  粒子線照射手段、２１  粒子線ビーム、２２  ワブラ電磁石、２３  散乱体、
２４  線量モニタ、２５  リッジフィルタ、２５ａ  仮想平面、２６  レンジシフタ、
２７  コリメータ、２８  エネルギーコンペンセータ、
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ  第一の厚さを有する柱状体、
３１ｄ、３１ｅ、３１ｆ  第一の厚さを有する部分、
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ  第二の厚さを有する柱状体、
３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ  第二の厚さを有する部分、
３３、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ  第三の厚さを有する柱状体、
３３ｄ、３３ｅ、３３ｆ  第三の厚さを有する部分、
４０  患者、４１  患部（腫瘍部）、４１ａ  照射平面、４２  患部の最大厚さ、
５０  従来のリッジフィルタ、
１００  拡大ブラッグカーブ、１０１、１０２、１０３  ブラッグカーブ、
２５０、２５１、２５２  リッジフィルタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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