(57)【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走査する走査照射系を備え、前記荷電粒子ビームの照射方向を回転させる回転ガントリに搭載された粒子線照射装置であって、
前記粒子線照射装置は、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置を備え、
前記柱状照射野生成装置は、前記荷電粒子ビームのエネルギーを変更するエネルギー変更装置と、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大する深さ方向照射野拡大装置とを備え、
前記深さ方向照射野拡大装置は、
前記荷電粒子ビームが通過する位置を変えてエネルギーに幅を生じさせる複数のＲＭＷ装置と、前記ＲＭＷ装置を制御する照射野拡大制御装置と、前記ＲＭＷ装置を前記荷電粒子ビームが通過する位置または通過しない位置に移動する駆動装置と、を備え、
前記ＲＭＷ装置は、
軸方向の厚さが段階的に異なる複数の台が周方向に配置されたエネルギー吸収体を有し、前記複数の台を前記荷電粒子ビームが通過することによってエネルギーに幅を生じさせるＲＭＷと、
前記ＲＭＷを回転させる回転駆動装置と、を有し、
前記照射野拡大制御装置は、前記荷電粒子ビームが前記複数の台を通過するように制御することを特徴とする粒子線照射装置。
【請求項２】
加速器により加速された荷電粒子ビームを走査する走査照射系を備え、前記荷電粒子ビームの照射方向を回転させる回転ガントリに搭載された粒子線照射装置であって、
前記粒子線照射装置は、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置を備え、
前記柱状照射野生成装置は、前記荷電粒子ビームのエネルギーを変更するエネルギー変更装置と、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大する深さ方向照射野拡大装置とを備え、
前記深さ方向照射野拡大装置は、
前記荷電粒子ビームが通過する位置を変えてエネルギーに幅を生じさせる複数のＲＭＷ装置と、前記ＲＭＷ装置を制御する照射野拡大制御装置と、前記ＲＭＷ装置を前記荷電粒子
ビームが通過する位置または通過しない位置に移動する駆動装置と、を備え、
前記ＲＭＷ装置は、
軸方向の厚さが段階的に異なる複数の台が周方向に配置されたエネルギー吸収体を有し、前記複数の台を前記荷電粒子ビームが通過することによってエネルギーに幅を生じさせるＲＭＷと、
前記ＲＭＷを回転させる回転駆動装置と、を有し、
前記深さ方向照射野拡大装置は、更に前記ＲＭＷの回転角度を検出する角度センサを備え、
前記照射野拡大制御装置は、
前記ＲＭＷを回転し続けるように回転駆動装置を制御し、前記角度センサにより検出された前記回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームの出射開始と出射停止を制御して、前記荷電粒子ビームが前記複数の台を通過するようにすることを特徴とする粒子線照射装置。
【請求項３】
加速器により加速された荷電粒子ビームを走査する走査照射系を備え、前記荷電粒子ビームの照射方向を回転させる回転ガントリに搭載された粒子線照射装置であって、
前記粒子線照射装置は、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置を備え、
前記柱状照射野生成装置は、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大する深さ方向照射野拡大装置を備え、
前記荷電粒子ビームのエネルギーは前記加速器により変更され、
前記深さ方向照射野拡大装置は、
前記荷電粒子ビームが通過する位置を変えてエネルギーに幅を生じさせる複数のＲＭＷ装置と、前記ＲＭＷ装置を制御する照射野拡大制御装置と、前記ＲＭＷ装置を前記荷電粒子ビームが通過する位置または通過しない位置に移動する駆動装置と、を備え、
前記ＲＭＷ装置は、
軸方向の厚さが段階的に異なる複数の台が周方向に配置されたエネルギー吸収体を有し、前記複数の台を前記荷電粒子ビームが通過することによってエネルギーに幅を生じさせるＲＭＷと、
前記ＲＭＷを回転させる回転駆動装置と、を有し、
前記照射野拡大制御装置は、前記荷電粒子ビームが前記複数の台を通過するように制御することを特徴とする粒子線照射装置。
【請求項４】
加速器により加速された荷電粒子ビームを走査する走査照射系を備え、前記荷電粒子ビームの照射方向を回転させる回転ガントリに搭載された粒子線照射装置であって、
前記粒子線照射装置は、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置を備え、
前記柱状照射野生成装置は、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大する深さ方向照射野拡大装置を備え、
前記荷電粒子ビームのエネルギーは前記加速器により変更され、
前記深さ方向照射野拡大装置は、
前記荷電粒子ビームが通過する位置を変えてエネルギーに幅を生じさせる複数のＲＭＷ装置と、前記ＲＭＷ装置を制御する照射野拡大制御装置と、前記ＲＭＷ装置を前記荷電粒子ビームが通過する位置または通過しない位置に移動する駆動装置と、を備え、
前記ＲＭＷ装置は、
軸方向の厚さが段階的に異なる複数の台が周方向に配置されたエネルギー吸収体を有し、前記複数の台を前記荷電粒子ビームが通過することによってエネルギーに幅を生じさせるＲＭＷと、
前記ＲＭＷを回転させる回転駆動装置と、を有し、
前記深さ方向照射野拡大装置は、更に前記ＲＭＷの回転角度を検出する角度センサを備え、
前記照射野拡大制御装置は、
前記ＲＭＷを回転し続けるように回転駆動装置を制御し、前記角度センサにより検出された前記回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームの出射開始と出射停止を制御して、前記荷電粒子ビームが前記複数の台を通過するようにすることを特徴とする粒子線照射装置。
【請求項５】
荷電粒子ビームを発生させ、加速器により所定のエネルギーまで加速するイオンビーム発生装置と、前記イオンビーム発生装置により加速された荷電粒子ビームを輸送するイオンビーム輸送系と、前記イオン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、前記粒子線照射装置の照射方向を回転させる回転ガントリとを備え、
前記粒子線照射装置は、請求項１乃至４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。
【請求項６】
前記粒子線照射装置及び前記回転ガントリの動作条件を含む治療計画を作成する治療計画装置を備え、
前記治療計画装置は、
前記荷電粒子ビームが照射される照射対象のディスタル形状に応じて前記柱状の照射野を配置するとともに、前記照射対象の内側に前記柱状の照射野を敷き詰めて配置する照射野配置部と、
前記照射野配置部により前記柱状の照射野が敷き詰められた状態を初期状態として、前記照射対象への照射線量が所定の範囲に入るように前記柱状の照射野の配置を調整する最適化計算部とを有することを特徴とする請求項５記載の粒子線治療装置。
【請求項７】
前記照射野配置部は、前記照射対象のディスタル形状に応じて前記柱状の照射野を配置した後に、前記照射対象における前記柱状の照射野が配置されていない内側の形状に応じて前記柱状の照射野を配置することを特徴とした請求項６記載の粒子線治療装置。
【請求項８】
前記照射野配置部は、前記柱状の照射野における照射方向の幅であるＳＯＢＰの幅を複数使用することを特徴とする請求項６または７に記載の粒子線治療装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素等の重粒子線や陽子線に代表される荷電粒子線（以下「粒子線」という）を、癌等の患部に照射し治療を行う医療装置（以下「粒子線治療装置」）に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療装置に先行して開発された医療装置であるＸ線等放射線を用いて治療を行う医療装置においては、多方向から強度を調整した放射線を照射することにより患部を均等に高線量で治療し、周辺組織の被曝を軽減するものが提案されている。ここで、患部に対して多方向から照射することを、多門照射という。
【０００３】
多門照射にはいくつかの手法が提案されており、シーメンスを中心としたstep and shootを行うIMRT (Intensity-Modulated Radiotherapy、強度変調放射線治療)（非特許文献１、非特許文献２）及びELEKTAを中心としたIMAT（Intensity-Modulated Arc Therapy）（非特許文献３）などが挙げられる。
【０００４】
照射方向毎にＸ線の強度分布の空間パターンを変化させて患部だけに高い吸収線量を与えるコンペンセータを複数個備え、照射方向毎に自動でコンペンセータを変更して多門照射を行う放射線照射装置が特許文献１に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３７２１４号公報（図１７〜図２１）
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Chui CS, Spirou SV. Inverse planning algorithms for external beam radiation therapy. Med Dosim 2001;26(2):189-197
【非特許文献２】Keller-Reichenbecher MA, Bortfeld T, Levegrun S, et al. Intensity modulation with the "step and shoot" technique using a commercial MLC: a planning study. Multileaf collimator. Int J Radiat Oncol Biol Phys 1999;45(5):1315-1324.
【非特許文献３】Yu CX. Intensity-modulated arc therapy with dynamic multileaf collimation: an alternative to tomotherapy. Phys Med Biol. 1995;40(9):1435-1449.
【非特許文献４】強度変調放射線治療に関する緊急声明. JASTRO NEWSLETTER 2002;63(3):4-7.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
Ｘ線等放射線治療装置においてIMRTは、頭頸部や前立腺などについて数多くの臨床応用がなされ、優れた成績をあげている反面、過照射等の問題も指摘されている。非特許文献４によれば、IMRTは治療計画内容によっては、一回線量や総線量を意識して増加するかしないかにかわらず、結果的に過照射による正常組織の有害事象をもたらしたり、逆に保守的になり、過少線量照射による不十分な治療効果の危険性が生じたりすると警告している。
【０００８】
この過照射の原因のひとつは、照射自由度不足によるものと考えられる。非特許文献１乃至非特許文献４に示されたＸ線等放射線治療装置によるIMRTの最終的な照射野は、（１
）照射エネルギー、（２）照射角度、（３）マルチリーフコリメータ（以下「ＭＬＣ」）等による横方向の照射野制限および（４）照射線量（重み）をパラメータとして、複数の照射を重ね合わせることにより実現する。ここに、深さ方向の照射野制限器はない。
【０００９】
深さ方向の照射野制限器には、粒子線治療装置で使われるボーラスがあげられる。深さ方向における患部の変化形状は、ディスタル形状とよばれている。ボーラスは、このディスタル形状に合わせて加工されたエネルギー変調器であり、患者毎にポリエチレンまたはワックスを加工して作成する。ボーラスを備えた照射装置は、例えば特許文献１の図２１に示され、照射野の形状を患部のディスタル形状に合わせることができる。
【００１０】
しかし、粒子線治療装置において多門照射に１つのボーラスをそのまま適用することはできない。まず、IMRTの場合、複数の照射方向それぞれに対してボーラスを準備しなければならい。特許文献１の放射線照射装置はボーラスに相当するコンペンセータを自動で移動できるものの、ボーラスの加工の手間及び費用がかかる問題があった。また、IMATの場合はさらに難しく、刻一刻と変化する照射角度に応じてボーラスの形状を動的に変化させなければならない。現在、ボーラスではこの動的な形状変化を実現できない。
【００１１】
したがって、Ｘ線等放射線治療装置におけるIMRTの技術を、従来のワブラーシステムを有する粒子線治療装置にそのまま適用しようとすると、複数のボーラスを用いなければならない問題は同様に存在する。ボーラスを用いることなく深さ方向の照射野を制限する、すなわち照射自由度を上げることができないので、ボーラスを用いずに過照射問題を解決することはできなかった。
【００１２】
本発明は、これらの課題を解決することを目的としたものである。すなわち、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することを目的としたものである。より具体的には、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることにより、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
加速器により加速された荷電粒子ビームを走査する走査照射系を備え、荷電粒子ビームの照射方向を回転させる回転ガントリに搭載された粒子線照射装置である。粒子線照射装置は、荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置を備えた。柱状照射野生成装置は、荷電粒子ビームのエネルギーを変更するエネルギー変更装置と、荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大する深さ方向照射野拡大装置とを備え、深さ方向照射野拡大装置は、荷電粒子ビームが通過する位置を変えてエネルギーに幅を生じさせる複数のＲＭＷ装置と、ＲＭＷ装置を制御する照射野拡大制御装置と、ＲＭＷ装置を荷電粒子ビームが通過する位置または通過しない位置に移動する駆動装置と、を備える。ＲＭＷ装置は、軸方向の厚さが段階的に異なる複数の台が周方向に配置されたエネルギー吸収体を有し、複数の台を荷電粒子ビームが通過することによってエネルギーに幅を生じさせるＲＭＷと、ＲＭＷを回転させる回転駆動装置と、を有し、照射野拡大制御装置は、荷電粒子ビームが複数の台を通過するように制御する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る粒子線照射装置は、荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大した柱状の照射野を照射対象のディスタル形状に応じた深さに生成するように照射するので、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることにより、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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】図１のエネルギー変更装置を示す構成図である。
【図３】図１の深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。
【図４】本発明の粒子線照射装置において用いられる治療計画の作成方法を示すフローチャートである。
【図５】図４のステップＳＴ１を説明する図である。
【図６】本発明の治療計画の最適計算における初期状態を求める模式図である。
【図７】本発明の実施の形態２によるエネルギー変更装置を示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態３による深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。
【図９】本発明の実施の形態４による柱状照射野生成装置を示す構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態５によるＲＭＷを示す外観図である。
【図１１】本発明の実施の形態５による深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。
【図１２】本発明の実施の形態６による深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。
【図１３】本発明の実施の形態７による柱状照射野生成装置を示す構成図である。
【図１４】本発明の実施の形態８による粒子線照射装置を示す構成図である。
【図１５】本発明の実施の形態９による粒子線治療装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
本発明の特徴である柱状スキャニング照射でのIMRTを考える。通常のスポットスキャニングの考え方は、患部を３次元的にスポットにて、あたかも点描するかのごとく照射するものである。スポットスキャニングはこのように自由度の高い照射方法であるが、反面、患部全体を照射するのに要する時間が長い。IMRTは多門照射であるから、さらに照射時間がかかってしまう。そこで、スポットよりも深さ方向へブラッグピークＢＰ（Bragg Peak）を拡大し、柱状の照射野を生成する。
【００１７】
図１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。粒子線照射装置５８は、深さ方向へブラッグピークＢＰを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置４と、荷電粒子ビーム１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１を走査するＸ方向走査電磁石１０及びＹ方向走査電磁石１１と、位置モニタ１２ａ、１２ｂと、線量モニタ１３と、走査電磁石電源３２と、粒子線照射装置５８の照射系を制御する照射制御装置３３とを備える。Ｘ方向走査電磁石１０、Ｙ方向走査電磁石１１、走査電磁石電源３２は、荷電粒子ビーム１を走査する走査照射系３４である。なお、荷電粒子ビーム１の進行方向はＺ方向である。柱状照射野生成装置４は、荷電粒子ビームの進む方向に向かって手前から荷電粒子ビームのエネルギーを低下して所望のエネルギーに変更し、照射対象である患部４０におけるブラッグピークＢＰの深さ方向（Ｚ方向）の位置（飛程）を調整するエネルギー変更装置２と、荷電粒子ビーム１のエネルギーの幅を変更し、ブラッグピークＢＰを深さ方向へ拡大する深さ方向照射野拡大装置３とを有する。この患部４０の深さ方向、すなわち照射方向における幅を拡大したブラッグピークＢＰは、拡大ブラッグピークＳＯＢＰ（Spread-Out Bragg Peak）と呼ばれる。ここでは、拡大ブラッグピークＳＯＢＰの照射方向における幅をＳＯＢＰの幅と呼ぶ。
【００１８】
Ｘ方向走査電磁石１０は荷電粒子ビーム１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１１は荷電粒子ビーム１をＹ方向に走査する走査電磁石である。位置モニタ１２ａ、１２ｂはＸ方向走査電磁石１０及びＹ方向走査電磁石１１で走査された荷電粒子ビーム１が通過する通過位置を検出する。線量モニタ１３は荷電粒子ビーム１の線量を検出する。照射制御装置３３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、患部４０における柱状照射野やその照射位置を制御し、線量モニタ１３で測定された線量が目標線量に達すると荷電粒子ビームを停止する。走査電磁石電源３２は照射制御装置３３から出力されたＸ方向走査電磁石１０及びＹ方向走査電磁石１１への制御入力（指令）に基づいてＸ方向走査電磁石１０及びＹ方向走査電磁石１１の設定電流を変化させる。
【００１９】
図２はエネルギー変更装置を示す構成図である。図３は深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。エネルギー変更装置２は、幅方向（Ｘ方向）に厚さが階段状に変化するレンジシフタ９、レンジシフタ９を荷電粒子ビーム１が通過する位置を移動する上流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石５、６、上流側偏向電磁石対を励磁する第１の偏向電磁石
電源２０、レンジシフタ９を通過した荷電粒子ビーム１を元の軌道上に戻す下流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石７、８、下流側偏向電磁石対を励磁する第２の偏向電磁石電源２１、照射制御装置３３から入力されるエネルギー指令値に基づいて上流側偏向電磁石対による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、励磁電流値を第１の偏向電磁石電源２０に送信する変更制御装置２２を備える。変更制御装置２２は、第２の偏向電磁石電源２１も制御する。
【００２０】
荷電粒子ビーム１はビーム軸１４（Ｚ軸）上を上流側偏向電磁石対５、６に入射される。荷電粒子ビーム１の軌道は、図２の紙面の水平方向（Ｘ方向）に移動される。偏向電磁石５は軌道偏向用の偏向電磁石であり、偏向電磁石６は軌道平行用の偏向電磁石である。軌道変更用の偏向電磁石５は、入射された荷電粒子ビーム１の軌道をＺ軸に対して所定の角度θだけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石６は、軌道変更用の偏向電磁石５によりＺ軸に対して傾けられた軌道をＺ軸に対して平行する軌道に偏向する。レンジシフタ９の下流側では、軌道偏向用の偏向電磁石７と軌道平行用の偏向電磁石８により荷電粒子ビーム１はビーム軸１４（Ｚ軸）上に戻される。軌道変更用の偏向電磁石７は、荷電粒子ビーム１の軌道をＺ軸に対して（３６０度−所定の角度θ）だけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石８は、軌道変更用の偏向電磁石７によりＺ軸に対して傾けられた軌道をＺ軸上の軌道に偏向する。
【００２１】
エネルギー変更装置２の動作について説明する。エネルギー変更装置２に導入された荷電粒子ビーム１は、上流側偏向電磁石対５、６によりＺ軸からＸ方向に所定の距離離れたＺ軸に平行な軌道上を進む。そして、所定の厚さのレンジシフタ９の部分を荷電粒子ビーム１が通過することにより、エネルギーが厚さに比例する分だけ低下されて所望のエネルギーになる。このようにして所望のエネルギーに変更された荷電粒子ビーム１は、下流側偏向電磁石対７、８によりエネルギー変更装置２に入射されたときの元の軌道の延長線上に戻される。エネルギー変更装置２は、エネルギーに変更し飛程を変更する際にレンジシフタを駆動する駆動音が発生しないメリットがある。なお、下流側偏向電磁石対７、８により偏向される荷電粒子ビーム１の軌道は、ビーム軸１４上に戻る場合に限らず、ビーム軸１４に平行でビーム軸１４の方へ戻る場合、ビーム軸１４に平行でなくてもビーム軸１４の方へ戻るものでもよい。
【００２２】
図３は深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。深さ方向照射野拡大装置３は、幅方向（Ｘ方向）に異なった高さの概三角柱で構成され、すなわち異なる厚さ分布の山を複数有するように構成されたリッジフィルタ１９、リッジフィルタ１９を荷電粒子ビーム１が通過する位置を移動する上流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石１５、１６、上流側偏向電磁石対を励磁する第１の偏向電磁石電源２３、リッジフィルタ１９を通過した荷電粒子ビーム１を元の軌道上に戻す下流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石１７、１８、下流側偏向電磁石対を励磁する第２の偏向電磁石電源２４、照射制御装置３３から入力されるＳＯＢＰ指令値に基づいて上流側偏向電磁石対による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、励磁電流値を第１の偏向電磁石電源２３に送信する変更制御装置２５を備える。変更制御装置２５は、第２の偏向電磁石電源２４も制御する。
【００２３】
荷電粒子ビーム１はビーム軸１４（Ｚ軸）上を上流側偏向電磁石対１５、１６に入射される。荷電粒子ビーム１の軌道は、図３の紙面の水平方向（Ｘ方向）に移動される。偏向電磁石１５は軌道変更用の偏向電磁石であり、偏向電磁石１６は軌道平行用の偏向電磁石である。軌道変更用の偏向電磁石１５は、入射された荷電粒子ビーム１の軌道をＺ軸に対して所定の角度θだけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石１６は、軌道変更用の偏向電磁石１５によりＺ軸に対して傾けられた軌道をＺ軸に対して平行する軌道に偏向する。リッジフィルタ１９の下流側では、軌道偏向用の偏向電磁石１７と軌道平行用の偏向電磁石１８により荷電粒子ビーム１はビーム軸１４（Ｚ軸）上に戻される。軌道変更用の偏向電磁石１７は、荷電粒子ビーム１の軌道をＺ軸に対して（３６０度−所定の角度θ）だけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石１８は、軌道変更用の偏向電磁石１７によりＺ軸に対して傾けられた軌道をＺ軸上の軌道に偏向する。
【００２４】
深さ方向照射野拡大装置３の動作について説明する。深さ方向照射野拡大装置３に導入された荷電粒子ビーム１は、上流側偏向電磁石対１５、１６によりＺ軸からＸ方向に所定の距離離れたＺ軸に平行な軌道上を進む。そして、所定の厚さ分布を有するリッジフィルタ１９の部分を荷電粒子ビーム１が通過することにより、エネルギーが厚さに比例する分だけ低下され、結果として強さの変化する多種のエネルギーが混ざった粒子線ビームになる。荷電粒子ビーム１が通過するリッジフィルタ１９の山の高さに応じてＳＯＢＰの幅が変更できる。このようにして所望のＳＯＢＰの幅に変更された荷電粒子ビーム１は、下流側偏向電磁石対１７、１８により深さ方向照射野拡大装置３に入射されたときの元の軌道の延長線上に戻される。深さ方向照射野拡大装置３は、ＳＯＢＰの幅を変更する際にリッジフィルタを駆動する駆動音が発生しないメリットがある。なお、下流側偏向電磁石対１７、１８により偏向される荷電粒子ビーム１の軌道は、ビーム軸１４上に戻る場合に限らず、ビーム軸１４に平行でビーム軸１４の方へ戻る場合、ビーム軸１４に平行でなくてもビーム軸１４の方へ戻るものでもよい。
【００２５】
粒子線照射装置５８を回転ガントリに搭載することにより、粒子線照射装置５８の照射系が患者台の回り自由に回転でき、患部４０に対して多方向からの照射が可能となる。回転ガントリは粒子線照射装置５８の照射系を回転させ、照射方向を回転させる。すなわち、このことにより、多門照射を行える。また、粒子線照射装置５８におけるリッジフィルタ１９を用いてＸＹ方向よりもＺ方向に大きく照射野を拡大するようなものとしたことにより、患部４０に対して柱状の線量分布（図５参照）でビームを照射することができる。
【００２６】
次に、柱状スキャニング照射でIMRTを行う方法を説明する。図４は本発明の粒子線照射装置において用いられる治療計画の作成方法を示すフローチャートであり、図５は図４のステップＳＴ１を説明する図であり、図６は治療計画の最適計算における初期状態を求める模式図である。図５及び図６は、４門（９０度間隔）で照射する場合の例である。治療計画を作成する治療計画装置は、荷電粒子ビーム１が照射される患部（照射対象）４０のディスタル形状に応じて柱状の照射野を配置するとともに、患部（照射対象）４０の内側に柱状の照射野を敷き詰めて配置する照射野配置部と、照射野配置部により柱状の照射野が敷き詰められた状態を初期状態として、患部（照射対象）４０への照射線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野の配置を調整する最適化計算部を有する。治療計画には粒子線照射装置５８及び回転ガントリの動作条件を含み、治療計画に基づいて粒子線照射装置５８及び回転ガントリは一体的に動作する。
【００２７】
まず、図５に示すように柱状の照射野である柱状照射野４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄを、患部４０のディスタル形状に合わせて敷き詰めていく（ステップＳＴ１）。これをすべての門（照射方向）に対して行う。このとき、柱状の照射野が重なってしまってもよい。重なった部分に関しては、後ほど説明する。図５（ａ）は照射方向４３ａからの照射における患部４０のディスタル形状に合わせて柱状照射野４４ａを敷き詰めていく例であり、図５（ｂ）は照射方向が照射方向４３ｂの際の柱状照射野４４ｂを示し、図５（ｃ）は照射方向が照射方向４３ｃの際の柱状照射野４４ｃを示し、図５（ｄ）は照射方向が照射方向４３ｄの際の柱状照射野４４ｄを示す。すべての門（照射方向）で完了したときの照射野の配置例は図６（ａ）のようになる。
【００２８】
すべての門（照射方向）で完了したら、残りの照射対象の領域があるかを判定する（ステップＳＴ２）。残りの照射対象の領域がない場合はステップＳＴ５へ移る。残りの照射対象の領域がある場合は、残りの照射対象の領域に対して、残りの照射対象のディスタル
形状に合うよう、２周目の敷き詰め作業を行う（ステップＳＴ３）。図６（ｂ）に示すように、照射方向が照射方向４３ｃの場合は柱状照射野４５ｃを敷き詰めていく。このとき、２周目の柱状照射野は、１周目の柱状照射野とＳＯＢＰの幅を変えてもよい。すべての門（照射方向）で完了したときの照射野の配置例は図６（ｃ）のようになる。図６（ｃ）において、柱状照射野４５ａは照射方向が照射方向４３ａの場合であり、柱状照射野４５ｂは照射方向が照射方向４３ｂの場合であり、柱状照射野４５ｄは照射方向が照射方向４３ｄの場合である。
【００２９】
２周目におけるすべての門（照射方向）で完了したら、残りの照射対象の領域があるかを判定する（ステップＳＴ４）。残りの照射対象の領域がある場合は、ステップＳＴ３へ移り、柱状の照射野が患部すべてを覆うように繰り返す。残りの照射対象の領域がない場合はステップＳＴ５へ移る。
【００３０】
ステップＳＴ５では、柱状の照射野が敷き詰められた照射プランを初期値として最適化計算を行う。最適化計算が終了したら、評価関数により評価を行う（ステップＳＴ６）。評価関数の値が臨床的にみて許容できるものかを判定し、許容できないと判定した場合はステップＳＴ５に戻り、最適化計算を行う。評価関数の値が臨床的にみて許容できる範囲内にあれば終了する。
【００３１】
ステップＳＴ５及びＳＴ６に示した治療計画の最適化作業は、オーバードーズ（線量超過）を防ぐために、患部４０への照射線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野の配置を調整する。前述した柱状の照射野が重なっている部分は、オーバードーズ（線量超過）になってしまうので、最適化作業は柱状の照射野が重なっている部分を解消、あるいは少なくするように柱状の照射野の配置を変更する。
【００３２】
ステップＳＴ１〜ＳＴ４の作業は、治療計画装置の照射野配置部でまず行う。次に治療計画装置について説明する。治療計画装置については、医療安全のための放射線治療計画装置の運用マニュアル（熊谷孝三、日本放射線技師会出版会）が詳しい。治療計画装置には広範な役割があるが、簡単に言えば治療シミュレータである、といえる。また、治療計画装置の役割のひとつに最適化計算がある。ステップＳＴ５及びＳＴ６に示した治療計画の最適化作業は、治療計画装置の最適化計算部で行われる。最適化計算は、IMRTにおける逆方向治療計画（インバースプランニング）での最適なビーム強度の検索に使用される。
【００３３】
前記運用マニュアルによれば、最適化計算には、現在までに次のようなものが試されたとのことである。初期のIMRT最適化計算で使用されたフィルタ逆投影法、確率論的方法に分類される擬似的な焼きなまし、遺伝的アルゴリズム、ランダム検索技術と、現在多くの治療計画装置に実装されている決定論的方法に分類される勾配法である。
【００３４】
勾配法は、計算は高速であるが、局所的な最小（極小）に捕らえられると抜け出せない性質がある。しかし、現在では、勾配法が臨床IMRT治療計画を実施する多くの治療計画装置に採用されている。
【００３５】
勾配法において、求める最適とは異なる別の極小値に捕らえられてしまうことを防ぐには、他の遺伝的アルゴリズムやランダム検索技術と組み合わせて使うことも有効である。他には、最適化計算の初期値（解の候補として初めに与える値）が、求める最適解に近ければよいことが経験的にわかっている。
【００３６】
そこで、本発明では、ステップＳＴ１〜ＳＴ４で作成された照射プランを、最適化計算の初期値として使う。従来のIMRTに比べて、患部のディスタル形状に合うように深さ方向の照射自由度が高いため、ステップＳＴ１〜ＳＴ４で作成された照射プランは最適な照射
に十分近い。
【００３７】
最適化計算は、必ずある評価関数を最小にするような解を計算する。治療計画装置の場合、前記運用マニュアルに示されているように、物理的最適化の基準である評価関数は、以下のように示される。
【数１】
0005646312.tif 000002
ここでＤｍｉｎ、Ｄｍａｘは指定した線量制限である。ｕはＤｍｉｎに対する重み係数であり、ｗはＤｍａｘに対する重み係数である。ｂ（数式（１）では矢印付きで示したが、矢印なしで示す。以後、数式（１）関連の説明において同じ。）はビームレットの強度の関数であり、ｄｉ（ｂ）はビームレットの強度の関数ｂとしたボクセルｉの線量である。［ｘ］＋はｘ＞０ではｘ、それ以外では０となる。Ｎはボクセルの最大数である。
【００３８】
このように、治療計画装置において最適化計算を行うため、例えば初期値においては柱状の照射野が重なってオーバードーズ（線量超過）になっても、得られた治療計画においては、調整される。
【００３９】
以上のように構成することで、実施の形態１の治療計画装置によれば、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００４０】
柱状の線量分布でビームを照射することの効果について説明する。そもそも、１方向からの照射を前提とする従来の粒子線治療装置において、その照射系における線量分布形成は以下の方法による。ワブラー法を例に説明すると、ＸＹ方向へは、ワブラー電磁石と散乱体によって照射野を均一拡大し、患部のＸＹ平面断面形状（あるいはＸＹ平面に投影した形状等）に基づいてＭＬＣにより制限を行う。Ｚ方向へは、リッジフィルタによって照射野を均一拡大し、患部のディスタル形状（最深層形状）に合うようにボーラスにより制限を行う。
【００４１】
前述したように、粒子線治療装置における多門照射においては複数のボーラスを用いなければならないので、ボーラスの加工の手間及び費用がかかり、またボーラスを動的に形状変化できず、IMATには適用できなかった。もし、粒子線治療装置における多門照射において、ボーラスを用いなくてもボーラスのように患部のディスタル形状（最深層形状）に合うように照射野を制限することができれば、ボーラスの加工の手間及び費用の問題が解決でき、IMATへの適用が可能となり、IMRTの過照射問題、すなわち正常組織への不要な照射を格段に減らすことができる。そこで、柱状の線量分布でビームを照射する発明に至った。本発明における、柱状の線量分布でビームを照射することの最大の効果のひとつは、ボーラスを用いなくても患部４０のディスタル形状（最深層形状）に合うように照射野を制限することができ、正常組織への不要な照射を格段に減らすことができることである。
【００４２】
本発明における、柱状の線量分布でビームを照射することのもうひとつの最大の効果は、Ｘ線等放射線治療装置で用いられる強度変調をしなくても照射野を形成できることにある。ここで強度変調の原理は、簡単に言うと、弱い線量分布を有する照射野を多方向から照射し、重ね合わせにより、最終的により多くの線量が重なった箇所が治療効果を発揮する照射野として線量分布を得るというものである。
【００４３】
本発明において照射野の形成は、図６に示すように、柱状の線量を組み合わせて行うこ
とができる。ここで補足するが、本発明においても照射野を重ねて照射をしてもよい。患部の各部分に対してアンダードーズ（線量不足）になることとオーバードーズ（線量超過）になることは許されないが、臨床的に許容できる線量には幅がある。最終的な線量分布が患部の各部分に対して許容できるように、治療計画装置により照射計画を立てていく。従来のＸ線等放射線治療装置のように、最終的な照射野を患部のディスタル形状に合うように強度変調をしなくてよいので、治療計画装置による強度変調の最適化の計算が不要となり、すなわち、従来の治療計画に要する時間が長いという問題を解消することができる。また、柱状の線量分布でビームを照射することは、点状に照射することに比べて照射時間が短いというメリットがある。
【００４４】
実施の形態１の治療計画装置を用いた粒子線治療装置において多門照射ができるメリットは、いくつかあるが、主に以下の２点である。ひとつは、同じ患部に照射した場合、多門照射の方が粒子線の通過する体表面積が広いため、正常組織である体表面へのダメージを低減できることにある。もうひとつは、照射してはならない危険部位（脊髄、眼球等）への照射を回避できることにある。
【００４５】
以上のように実施の形態１の粒子線照射装置によれば、加速器により加速された荷電粒子ビーム１を走査する走査照射系３４を備え、荷電粒子ビーム１の照射方向を回転させる回転ガントリに搭載された粒子線照射装置５８であって、粒子線照射装置５８は、荷電粒子ビーム１のブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置４を備えたので、荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大した柱状の照射野を照射対象のディスタル形状に応じた深さに、この柱状の照射野を生成するように照射でき、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００４６】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２によるエネルギー変更装置を示す構成図である。実施の形態１のエネルギー変更装置２ａとは、複数の吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを用いて、荷電粒子ビーム１のエネルギーを低下して所望のエネルギーに変更し、照射対象である患部４０におけるブラッグピークＢＰの深さ方向（Ｚ方向）の位置（飛程）を調整する点で異なる。
【００４７】
エネルギー変更装置２ｂは、駆動装置２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄにより駆動される複数の吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを有する。吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄは厚さの異なる吸収体である。吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄそれぞれの組み合わせにより、吸収体の合計の厚さを変化させることができる。変更制御装置２２は、駆動装置２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄを制御し、それぞれの駆動装置に対応する吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを荷電粒子ビーム１が通過するように、或いは通過しないようにする。荷電粒子ビーム１は、通過する吸収体の合計の厚さに比例する分だけエネルギーが低下されて所望のエネルギーになる。
【００４８】
実施の形態２のエネルギー変更装置２ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の形態１と同様に、深さ方向へブラッグピークＢＰを拡大し、柱状の照射野を生成することができる。実施の形態２のエネルギー変更装置２ｂは、荷電粒子ビーム１を偏向させる必要がないので、実施の形態１のエネルギー変更装置２ａに比べて、偏向電磁石５乃至８を無くし、荷電粒子ビーム１の照射方向（Ｚ方向）における装置の長さＬ１を短くできる。装置の長さＬ１を短くできるので、エネルギー変更装置をコンパクトにすることができる。なお、図２における装置の長さＬ１は、偏向電磁石５の上流側端部から偏向電磁石８の下流側端部までの長さである。
【００４９】
実施の形態２のエネルギー変更装置２ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の形態１で示した治療計画装置が作成した治療計画に対応した治療計画に基づいて多門照射を実行できるので、実施の形態１と同様に、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００５０】
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３による深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。実施の形態１の深さ方向照射野拡大装置３ａとは、複数のリッジフィルタ２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを用いて、荷電粒子ビームのエネルギーを多種のエネルギーが混ざった状態にし、すなわち荷電粒子ビーム１のエネルギーの幅を変更し、ブラッグピークＢＰを深さ方向へ拡大する点で異なる。
【００５１】
深さ方向照射野拡大装置３ｂは、駆動装置２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄにより駆動される複数のリッジフィルタ２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを有する。リッジフィルタ２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄは厚さの異なるリッジフィルタである。リッジフィルタ２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄそれぞれの組み合わせにより、リッジフィルタの合計の厚さを変化させることができる。変更制御装置２５は、駆動装置２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄを制御し、それぞれの駆動装置に対応するリッジフィルタ２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを荷電粒子ビーム１が通過するように、或いは通過しないようにする。荷電粒子ビーム１は、通過するリッジフィルタの合計の厚さに比例する分だけエネルギーの幅が広げられ所望のＳＯＢＰの幅になる。
【００５２】
実施の形態３の深さ方向照射野拡大装置３ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の形態１と同様に、深さ方向へブラッグピークＢＰを拡大し、柱状の照射野を生成することができる。実施の形態３の深さ方向照射野拡大装置３ｂは、荷電粒子ビーム１を偏向させる必要がないので、実施の形態１の深さ方向照射野拡大装置３ａに比べて、偏向電磁石１５乃至１８を無くし、荷電粒子ビーム１の照射方向（Ｚ方向）における装置の長さＬ２を短くできる。装置の長さＬ２を短くできるので、深さ方向照射野拡大装置をコンパクトにすることができる。図３における装置の長さＬ２は、偏向電磁石１５の上流側端部から偏向電磁石１８の下流側端部までの長さである。
【００５３】
実施の形態３の深さ方向照射野拡大装置３ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の形態１で示した治療計画装置が作成した治療計画に対応した治療計画に基づいて多門照射を実行できるので、実施の形態１と同様に、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００５４】
実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４による柱状照射野生成装置を示す構成図である。実施の形態１の柱状照射野生成装置４ａとは、エネルギー変更装置２ａと深さ方向照射野拡大装置３ａを一体化した点で異なる。
【００５５】
柱状照射野生成装置４ｂは、２つのレンジシフタ９ａ、９ｂと、２つのリッジフィルタ１９ａ、１９ｂと、レンジシフタ９ａ、９ｂ及びリッジフィルタ１９ａ、１９ｂを荷電粒子ビーム１が通過する位置を移動する上流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石５、６、上流側偏向電磁石対を励磁する第１の偏向電磁石電源２０、レンジシフタ９ａ、９ｂ及びリッジフィルタ１９ａ、１９ｂを通過した荷電粒子ビーム１を元の軌道上に戻す下流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石７、８、下流側偏向電磁石対を励磁する第２の偏向電磁石電源２１、照射制御装置３３から入力されるエネルギー指令値に基づいて上流側偏向電
磁石対による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、励磁電流値を第１の偏向電磁石電源２０に送信する変更制御装置２２を備える。変更制御装置２２は、第２の偏向電磁石電源２１も制御する。各機器の動作は実施の形態１と同様なので繰り返さない。
【００５６】
レンジシフタ９ａ、９ｂは同じ形状、材料のものであり、リッジフィルタ１９ａ、１９ｂは、それぞれ異なった高さの概三角柱で構成された例である。リッジフィルタ１９ｂの概三角柱の高さはリッジフィルタ１９ａの概三角柱の高さよりも高いので、荷電粒子ビーム１のＳＯＢＰの幅は、リッジフィルタ１９ｂを通過した場合の方がリッジフィルタ１９ａを通過した場合より広くすることができる。
【００５７】
実施の形態４の柱状照射野生成装置４ｂは、荷電粒子ビーム１を２種類のＳＯＢＰの幅で所望のエネルギーに変更するので、２種類の注状照射野を所望の飛程にすることができる。レンジシフタ９ａ、９ｂとリッジフィルタ１９ａ、１９ｂに対してそれぞれに上流側偏向電磁石対と下流側偏向電磁石対を設けることがなく、上流側偏向電磁石対と下流側偏向電磁石対を１セットだけ設けているので、実施の形態１の柱状照射野生成装置４ａに比べて、荷電粒子ビーム１の照射方向（Ｚ方向）における装置の長さを短くできる。上流側偏向電磁石対と下流側偏向電磁石対を用いて２種類のＳＯＢＰの幅で所望のエネルギーに変更するので、ＳＯＢＰの幅と飛程を変更する際にレンジシフタやリッジフィルタを駆動する駆動音が発生しないメリットがある。なお、２種類よりもさらに多い多種類のＳＯＢＰの幅を揃えるには、その種類数に応じたレンジシフタ９とリッジフィルタ１９を配置すればよい。
【００５８】
実施の形態４の柱状照射野生成装置４ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の形態１で示した治療計画装置が作成した治療計画に対応した治療計画に基づいて多門照射を実行できので、実施の形態１と同様に、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００５９】
実施の形態５．
実施の形態１乃至４においては、照射野のＺ方向への拡大、すなわちＳＯＢＰは、リッジフィルタ１９、２８によって実現することを説明してきた。実施の形態５では、ＸＹ方向よりもＺ方向に大きく照射野を拡大するために、レンジモジュレーションホイールＲＭＷ(Range Modulation Wheel)を用いた場合の実施の形態について説明する。
【００６０】
ＲＭＷとは、照射系の装置、すなわち粒子線照射装置に用いられる装置であり、照射野をビーム進行方向に拡大しＳＯＢＰを生成するためのものである。ＲＭＷは、二重散乱体法やワブラー法などの、ビームの照射野を一旦広げ、コリメータやボーラスを用いて照射野を制限するブロードビーム照射法において用いられる場合がある。ＲＭＷを二重散乱体法で使われている例が、特開２００７−２２２４３３号公報に示されている。実施の形態５による本発明のＲＭＷについて、図１０及び図１１を用いて説明する。
【００６１】
図１０は本発明の実施の形態５によるＲＭＷを示す外観図であり、図１１は本発明の実施の形態５による深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。ＲＭＷ３５は、周方向に段階的に軸方向の厚みが増大しまたは減少する楔型形状となっているエネルギー吸収体（羽根）を複数枚配置した構成を有する。図１０の例では、３つの羽根３７ａ、３７ｂ、３７ｃを有する。それぞれの羽根３７ａ、３７ｂ、３７ｃは、６つの台３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ、３６ｆを有し、台３６ａから台３６ｆに向かって時計回りの周方向に段階的に軸方向の厚みが減少する形状になっている。ＲＭＷ３５を、台３６を用いて表現すれば、次のようになる。ＲＭＷ３５は、軸方向の厚さが段階的に異なる複数の台３６ａ〜３６ｆが周方向に配置されたエネルギー吸収体３７を有し、複数の台３６ａ〜３６ｆを荷電粒子ビーム１が通過することによってエネルギーに幅を生じさせる。羽根３７ａ、３７ｂ、３７ｃは、それぞれ角度範囲０°〜１２０°、１２０°〜２４０°、２４０°〜３６０°（０°）に配置される。６つの台３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ、３６ｆは、それぞれ２０°間隔の角度範囲に配置される。ＲＭＷ３５は、粒子線照射装置内のビーム経路に配置され、ビーム経路と垂直な面内で回転する。例えば、図１に示す走査照射系３４の上流に配置される。
【００６２】
ＲＭＷ３５によってＳＯＢＰが形成される原理を説明する。例えば、ＲＭＷ３５が回転している状態において、羽根の薄い部分（例えば台３６ｆ）を荷電粒子ビーム１が通過したときはビームエネルギーの減衰が少なく、ブラッグピークＢＰが体内深くに生じる。また、羽根の厚い部分（例えば台３６ａ）を荷電粒子ビーム１が通過したときは、ビームエネルギーが大きく減衰されてブラッグピークＢＰが患者の体表面近くの浅い部分で生じる。また、ＲＭＷ３５の回転（周回）により、ブラッグピークＢＰの位置の変動が周期的に行われる結果、時間積分で見ると、体表面近くの浅い部分から体内深くまで至る広く平坦な線量分布（ＳＯＢＰ）を得ることができる。
【００６３】
隣接する複数の台を選択して、選択された台のみ荷電粒子ビーム１を通過させるようにすることで、複数のＳＯＢＰの幅が形成できる。例えば台３６ｅ、３６ｆが選択された場合のＳＯＢＰの幅をＳＯＢＰ幅１とする。ＳＯＢＰ幅１と同様に、台３６ｄ〜３６ｆが選択された場合、台３６ｃ〜３６ｆが選択された場合、台３６ｂ〜３６ｆが選択された場合、台３６ａ〜３６ｆが選択された場合のそれぞれにおけるＳＯＢＰの幅を、ＳＯＢＰ幅２、ＳＯＢＰ幅３、ＳＯＢＰ幅４、ＳＯＢＰ幅５とする。図１０に示したＲＭＷ３５の例では、台３６ｆを必ず含むようにする場合において、５つのＳＯＢＰの幅が形成でき、これら複数のＳＯＢＰの幅から自由に変更することができる。
【００６４】
本発明に係るＲＭＷ３５は、従来のスポットよりも深さ方向へブラッグピークＢＰを拡大し、柱状照射野４４、４５（図６参照）を生成するために使用する。実施の形態５にかかわる粒子線照射装置は、図１に示す構成である。すなわち、荷電粒子ビーム１の上流側から、柱状照射野生成装置４、一組の走査電磁石１０、１１、位置モニタ１２ａ、１２ｂ及び線量モニタ１３を備え、照射制御装置３３によって制御される。ただし、柱状照射野生成装置４は、ＲＭＷ３５を備えた深さ方向照射野拡大装置３（３ｃ）である。
【００６５】
実施の形態５による柱状照射野生成装置４は、エネルギー変更装置２と深さ方向照射野拡大装置３（３ｃ）とを有する。深さ方向照射野拡大装置３ｃを、図１１を用いて説明する。深さ方向照射野拡大装置３ｃは、ＲＭＷ３５と、ＲＭＷ３５を回転させる回転軸６４と、回転軸６４を駆動するモータ（回転駆動装置）６２と、回転軸６４の回転角度を検出する角度センサ６１と、角度センサ６１により検出された回転角度に基づいて、荷電粒子ビーム１の出射開始と出射停止を制御する制御信号Ｓｉｇ１を照射制御装置３３に送信する照射野拡大制御装置６５を有する。荷電粒子ビーム１と干渉しない位置に配置されたモータ６２と回転軸６４とは、例えば、かさ歯車（連結装置）６３ａ、６３ｂにより連結される。照射野拡大制御装置６５は、モータ６２の回転を制御する。ここでは、ＲＭＷ３５が所定の一定速度で回転し続けるように制御する。ＲＭＷ３５と、回転軸６４と、モータ６２と、かさ歯車（連結装置）６３ａ、６３ｂと、角度センサ６１は、ＲＭＷ装置６６を構成する。ＲＭＷ装置６６は、荷電粒子ビーム１が通過するＲＭＷ３５の位置を変えてエネルギーに幅を生じさせる。照射野拡大制御装置６５は、荷電粒子ビーム１が複数の台３６ａ〜３６ｆを通過するように制御する。
【００６６】
深さ方向照射野拡大装置３ｃの動作について説明する。治療計画に指定された、ある柱状照射野４４におけるＳＯＢＰの幅が、例えば上記ＳＯＢＰ幅４の場合で説明する。ＳＯＢＰ幅４は、荷電粒子ビーム１が台３６ｂ〜３６ｆの位置に対応する角度を通過すること
により形成される。また、柱状照射野４４は治療計画に指定された線量が満了する（目標線量に達する）まで、当該柱状照射野４４において荷電粒子ビーム１が照射される。荷電粒子ビーム１は、当該柱状照射野４４の線量が満了するまで、台３６ａ〜３６ｆが設けられた羽根３７を少なくとも１回は通過する。ＲＭＷ３５は、モータ６２により回転方向６８に示す方向に回転するように制御されている。
【００６７】
柱状照射野４４に対する荷電粒子ビーム１の出射開始は、台３６ｂの該当角度２０°〜４０°のうち、出射開始角度である角度領域開始角度２０°（１４０°、２６０°）が角度センサ６１により検出されることに行われる。角度センサ６１により出射開始角度が検出されると、照射野拡大制御装置６５は制御信号Ｓｉｇ１を出力（例えば第１の電圧レベル）する。照射制御装置３３は制御信号Ｓｉｇ１を受けて、荷電粒子ビーム１を粒子線照射装置５８へ出射するように加速器の出射装置に出射開始指示を出す。加速器の出射装置は、出射開始指示を受けて荷電粒子ビーム１を粒子線照射装置５８へ出射する（ビーム出射手順）。次に、角度センサ６１により出射停止角度（１２０°、２４０°、３６０°（０°））が検出されると、照射野拡大制御装置６５は制御信号Ｓｉｇ１を停止（例えば第２の電圧レベルに変更する）する。照射制御装置３３は制御信号Ｓｉｇ１の停止を受けて、荷電粒子ビーム１を粒子線照射装置５８へ停止するように加速器の出射装置に出射停止指示を出す。加速器の出射装置は、出射停止指示を受けて荷電粒子ビーム１を粒子線照射装置５８へ出射するのを停止する（ビーム停止手順）。
【００６８】
次に線量モニタで線量満了が検出されるまで、次の羽根３７においても、ビーム出射手順とビーム停止手順を繰り返す。線量モニタで線量満了が検出さると、照射制御装置３３は線量満了を受けて、荷電粒子ビーム１を粒子線照射装置５８へ停止するように加速器の出射装置に出射停止指示を出す。加速器の出射装置は、出射停止指示を受けて荷電粒子ビーム１を粒子線照射装置５８へ出射するのを停止する（柱状照射野停止手順）。その後、次の柱状照射野を形成する手順に移行する。柱状照射野を形成する手順は、上記のビーム出射手順、ビーム停止手順、柱状照射野停止手順である。
【００６９】
実施の形態５の深さ方向照射野拡大装置３ｃを有する粒子線照射装置５８は、荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大した柱状の照射野を照射対象のディスタル形状に応じた深さに、この柱状の照射野を生成するように照射でき、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００７０】
ＲＭＷ３５には、リッジフィルタにはない有利な効果がある。図６に示したように、患部４０の形状に応じて、２周目の柱状照射野４５は１周目の柱状照射野４４とＳＯＢＰの幅を変える必要が生じる場合がある。リッジフィルタを用いてＳＯＢＰの幅を変える場合、図８や図９に示したように複数のリッジフィルタを準備する必要がある。一方、ＲＭＷの場合は、ＲＭＷ３５の回転角度に基づいて荷電粒子ビーム１の出射開始と出射停止を制御することによって、ＳＯＢＰの幅を自由に変えることができる。すなわち、上述したように、ＲＭＷ３５の回転とビーム出射のタイミングとを同期させることによって、一つのＲＭＷ３５で自由にＳＯＢＰの幅を制御できる。よって、複数のＳＯＢＰの幅を形成する場合には、柱状照射野生成装置４の構成を簡単なものにすることができる。
【００７１】
実施の形態６．
図１２は、本発明の実施の形態６による深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。実施の形態５の深さ方向照射野拡大装置３ｃとは、選択可能なＳＯＰＢの幅が異なる複数のＲＭＷ装置を有する点で異なる。図１２に示した深さ方向照射野拡大装置３ｄは、２つのＲＭＷ装置６６ａ、６６ｂを有する例である。ＲＭＷ装置６６ａのＲＭＷ３５ａは、ＲＭＷ装置６６ｂのＲＭＷ３５ｂよりも選択可能なＳＯＰＢの幅の数が多い例である。照射
野拡大制御装置６５は、ＲＭＷ装置６６ａ及びＲＭＷ装置６６ｂのいずれを使用するかを選択し、ＲＭＷ装置６６ａを駆動する駆動装置６７ａ及びＲＭＷ装置６６ｂを駆動する駆動装置６７ｂの制御も行う。照射野拡大制御装置６５は、ＲＭＷ装置６６ａの角度センサ６１の信号及びＲＭＷ装置６６ｂの角度センサ６１の信号を受けて、制御信号Ｓｉｇ１を出力しまたは停止する。
【００７２】
選択可能なＳＯＰＢの幅の数を多くするには、羽根３７の台３６の数を増やすことで実現できる。例えば、ＲＭＷ３５ａは、２つの羽根３７ａ、３７ｂを有し、それぞれの羽根３７ａ、３７ｂは９個の台３６ａ〜３６ｉを有する。この場合には、各羽根の角度範囲は１８０°であり、各台の角度範囲は実施の形態５と同様に２０°となる。なお、羽根３７が一つだけで、ＲＭＷ３５の台３６のそれぞれの厚さが全て異なるものでもよい。ＲＭＷ３５を適用する実施の形態においても、ＲＭＷ３５の台３６のそれぞれの厚さが全て異なるものにしてもよい。
【００７３】
実施の形態６の深さ方向照射野拡大装置３ｄは、選択可能なＳＯＰＢの幅が異なる複数のＲＭＷ装置６６ａ、６６ｂを有するので、実施の形態５の深さ方向照射野拡大装置３ｃよりも広い範囲のＳＯＰＢの幅を形成することができる。したがって、深さ方向照射野拡大装置３ｄを有する粒子線照射装置５８は、実施の形態５の粒子線照射装置５８よりも多くの種類の柱状照射野を形成するとともに照射でき、効率的に患部４０への多門照射を実行できる。
【００７４】
実施の形態７．
図１３は、本発明の実施の形態７による柱状照射野生成装置を示す構成図である。実施の形態５の深さ方向照射野拡大装置３ｃを有する柱状照射野生成装置４ａとは、エネルギー変更装置２（２ａ）と深さ方向照射野拡大装置３ｃを一体化した点で異なる。
【００７５】
柱状照射野生成装置４ｃは、２つのレンジシフタ９ａ、９ｂと、２つのＲＭＷ装置６６ａ、６６ｂと、レンジシフタ９ａ、９ｂ及びＲＭＷ装置６６ａ、６６ｂを荷電粒子ビーム１が通過する位置を移動する上流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石５、６、上流側偏向電磁石対を励磁する第１の偏向電磁石電源２０、レンジシフタ９ａ、９ｂ及びＲＭＷ装置６６ａ、６６ｂを通過した荷電粒子ビーム１を元の軌道上に戻す下流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石７、８、下流側偏向電磁石対を励磁する第２の偏向電磁石電源２１、照射制御装置３３から入力されるエネルギー指令値に基づいて上流側偏向電磁石対による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、励磁電流値を第１の偏向電磁石電源２０に送信する変更制御装置３０を備える。変更制御装置３０は、第２の偏向電磁石電源２１も制御する。また、変更制御装置３０は、実施の形態５の照射野拡大制御装置６５の機能も備えている。レンジシフタ９ａは、ＲＭＷ３５ａの回転軸６４ａからＲＭＷ３５ａの外周の範囲に位置するようにＲＭＷ装置６６ａの上流側に配置される。レンジシフタ９ｂは、ＲＭＷ３５ｂの回転軸６４ｂからＲＭＷ３５ｂの外周の範囲に位置するようにＲＭＷ装置６６ｂの上流側に配置される。各機器の動作は実施の形態１及び５と同様なので繰り返さない。
【００７６】
レンジシフタ９ａ、９ｂは同じ形状、材料のものであり、ＲＭＷ装置６６ａのＲＭＷ３５ａとＲＭＷ装置６６ｂのＲＭＷ３５ｂは、選択可能なＳＯＰＢの幅が異なる例である。ＲＭＷ装置６６ａのＲＭＷ３５ａは、実施の形態６で説明したようにＲＭＷ装置６６ｂのＲＭＷ３５ｂよりも選択可能なＳＯＰＢの幅の数が多くすることができる。
【００７７】
実施の形態７の柱状照射野生成装置４ｃは、選択可能なＳＯＰＢの幅が異なる複数のＲＭＷ装置６６ａ、６６ｂを有するので、実施の形態５の深さ方向照射野拡大装置３ｃよりも広い範囲のＳＯＰＢの幅を形成することができる。したがって、柱状照射野生成装置４ｃを有する粒子線照射装置５８は、実施の形態５の粒子線照射装置５８よりも多くの種類の柱状照射野を形成するとともに照射でき、効率的に患部４０への多門照射を実行できる。
【００７８】
実施の形態７の柱状照射野生成装置４ｃは、柱状照射野４４、４５を形成する際に荷電粒子ビーム１の出射と停止を繰り返さないように制御することもできる。この例の柱状照射野生成装置を、便宜上、上記で説明した柱状照射野生成装置４ｃと区別するために柱状照射野生成装置４ｄと呼ぶことにする。柱状照射野４４、４５を形成する際に荷電粒子ビーム１の出射と停止を繰り返さないようにすることで、呼吸同期照射に適した荷電粒子ビーム１の照射を行うことができる。例えば、ＲＭＷ３５ａの台３６の数は、実施の形態６で説明したもとと同様にし、ＲＭＷ３５ｂの台３６の数は、実施の形態５で説明したもとと同様にする。柱状照射野４４、４５を形成する際に、線量が満了するまで荷電粒子ビーム１をＲＭＷ３５ａまたはＲＭＷ３５ｂの台３６を通過するようにする。これによりＲＭＷ３５ａを荷電粒子ビーム１が通過する場合のＳＯＢＰの幅（ＳＯＢＰ幅ａ）は１種類であり、ＲＭＷ３５ｂを荷電粒子ビーム１が通過する場合のＳＯＢＰの幅（ＳＯＢＰ幅ｂ）は１種類である。しかもＳＯＢＰ幅ｂの方がＳＯＢＰ幅ａよりも広いものとすることができる。なお、必ず荷電粒子ビーム１の出射と停止を繰り返さないようにして、柱状照射野４４、４５を形成する場合は、変更制御装置３０は制御信号Ｓｉｇ１を生成する必要がないので、変更制御装置３０の構成を簡略化することができる。
【００７９】
実施の形態７の柱状照射野生成装置４ｄは、荷電粒子ビーム１を２種類のＳＯＢＰの幅で所望のエネルギーに変更するので、２種類の注状照射野を所望の飛程にすることができる。柱状照射野４４、４５を形成する際に荷電粒子ビーム１の出射と停止を繰り返さないようにすることで、呼吸同期照射に適した荷電粒子ビーム１の照射を行うことができる。なお、２種類よりもさらに多い多種類のＳＯＢＰの幅を揃えるには、その種類数に応じたレンジシフタ９とＲＭＷ装置６６を配置すればよい。
【００８０】
実施の形態７の柱状照射野生成装置４ｃ、４ｄは、レンジシフタ９ａ、９ｂとＲＭＷ装置６６ａ、６６ｂに対してそれぞれに上流側偏向電磁石対と下流側偏向電磁石対を設けることがなく、上流側偏向電磁石対と下流側偏向電磁石対を１セットだけ設けているので、実施の形態１の柱状照射野生成装置４ａに比べて、荷電粒子ビーム１の照射方向（Ｚ方向）における装置の長さを短くできる。
【００８１】
実施の形態７の柱状照射野生成装置４ｃ、４ｄを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の形態１で示した治療計画装置が作成した治療計画に対応した治療計画に基づいて多門照射を実行できので、実施の形態１と同様に、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００８２】
実施の形態８．
今まで、実施の形態１乃至７に示した粒子線照射装置は、柱状照射野生成装置４において荷電粒子ビーム１のエネルギーを変更する例で説明してきた。しかし、荷電粒子ビーム１のエネルギーの変更は、シンクロトロン５４のパラメータを変更することによっても実現できる。ここでは、シンクロトロン５４のパラメータと深さ方向照射野拡大装置３を組み合わせて、柱状照射野４４、４５を生成する例を説明する。図１４は、本発明の実施の形態８による粒子線照射装置を示す構成図である。実施の形態８の粒子線照射装置６０は、実施の形態１乃至７に示した粒子線照射装置とは、柱状照射野生成装置４にエネルギー変更装置２が設けられなくても、シンクロトロン５４にて荷電粒子ビーム１のエネルギーを変更して柱状照射野４４、４５を生成する点で異なる。
【００８３】
粒子線照射装置６０の柱状照射野生成装置４（４ｅ）は、深さ方向照射野拡大装置３を有する。深さ方向照射野拡大装置３は、上述した深さ方向照射野拡大装置３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄのいずれかである。照射制御装置３３は、柱状照射野４４、４５を形成する際に、治療計画にて計画された当該柱状照射野４４、４５の深さ方向の位置になるようにエネルギー指令値を加速器であるシンクロトロン５４に出力する。シンクロトロン５４はエネルギー指令値を受け、このエネルギー指令値に従って荷電粒子ビーム１のエネルギーを変更する。所定のエネルギーとなった荷電粒子ビーム１はイオンビーム輸送系５９を経て粒子線照射装置６０に入射する。柱状照射野生成装置４（４ｅ）にて、治療計画にて計画された所定のＳＯＢＰの幅になるように、荷電粒子ビーム１のエネルギーの幅を変更し、患部４０の所定の位置に所定の柱状照射野４４、４５を形成する。
【００８４】
実施の形態８の粒子線照射装置６０は、実施の形態１で示した治療計画装置が作成した治療計画に対応した治療計画に基づいて多門照射を実行できるので、実施の形態１と同様に、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。また、粒子線照射装置６０は、柱状照射野生成装置４（４ｅ）に適用された深さ方向照射野拡大装置３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの効果を奏する。
【００８５】
実施の形態９．
本発明の実施の形態９は、実施の形態１乃至８に示した粒子線照射装置を備えた粒子線治療装置である。図１５は本発明の実施の形態９における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、イオンビーム発生装置５２と、イオンビーム輸送系５９と、粒子線照射装置５８ａ、５８ｂ（６０ａ、６０ｂ）とを備える。イオンビーム発生装置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。イオンビーム輸送系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。イオンビーム輸送系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。
【００８６】
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、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から出射された荷電粒子ビームは、イオンビーム輸送系５９を経て粒子線照射装置５８ａ、５８ｂ（６０ａ、６０ｂ）に輸送される。粒子線照射装置５８ａ、５８ｂ（６０ａ、６０ｂ）は荷電粒子ビームを患者の患部（図示せず）に照射する。
【００８７】
実施の形態９の粒子線治療装置５１は、実施の形態１に示した治療計画装置で作成した治療計画に基づいて、粒子線照射装置５８（６０）を動作させ、荷電粒子ビームを患者の患部に照射するので、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることにより、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００８８】
実施の形態９の粒子線治療装置５１は、柱状の線量分布でビームを照射するので、点状に照射することに比べて照射時間が短いというメリットがある。また、多門照射ができるので、同じ患部に照射した場合、正常組織である体表面へのダメージを低減でき、照射してはならない危険部位（脊髄、眼球等）への照射を回避できる。
【００８９】
さらに、実施の形態９の粒子線治療装置５１においては、多門照射を遠隔で行えるメリットがある。遠隔多門照射とは、技師等が治療室に入って回転ガントリを操作する必要なく、治療室の外から遠隔で、患部への照射方向を多方向に変えて粒子線を照射することである。前述のように、本発明における粒子線治療装置においては、ＭＬＣやボーラスを必要としないシンプルな照射系となるため、ボーラスの交換作業及びＭＬＣの形状確認作業が不要となる。その結果、遠隔多門照射が行え、治療時間が大幅に縮まるといった効果が得られる。
【００９０】
なお、エネルギー変更装置２及び深さ方向照射野拡大装置３を有する柱状照射野生成装置４において、柱状照射野生成装置４は実施の形態２で示したエネルギー変更装置２ｂと実施の形態３で示した深さ方向照射野拡大装置３ｂを使用することもできる。
【００９１】
今まで、実施の形態５乃至７において、深さ方向照射野拡大装置は、ＲＭＷ３５を所定の一定速度で回転させ、選択された台のみ荷電粒子ビーム１を通過させるように荷電粒子ビーム１の出射と出射停止を繰り返して複数のＳＯＢＰの幅を形成する例で説明した。ＲＭＷ３５を用いて複数のＳＯＢＰの幅を形成する方法は、他にもある。例えば、台３６ｅ、３６ｆが選択されたＳＯＢＰの幅であるＳＯＢＰ幅１を形成する場合で説明する。モータ６２として、サーボモータやステッピングモータ等を使用する。荷電粒子ビーム１が台３６ｆを通過する位置にして、荷電粒子ビーム１の照射を開始する。一定時間経過後、モータ６２にて荷電粒子ビーム１が台３６ｅを通過する位置にする。一定時間経過後、荷電粒子ビーム１が台３６ｆを通過する位置にする。一定時間経過毎に台３６ｅ、３６ｆの位置を往復するように変更することで、ＳＯＢＰ幅１を形成できる。台３６ａ〜３６ｆが選択されたＳＯＢＰの幅であるＳＯＢＰ幅５を形成する場合は、一定時間経過毎に台３６ａ〜３６ｆの位置を往復するように変更するようにすればよい。また、一定時間経過毎に荷電粒子ビーム１を停止してから荷電粒子ビーム１が通過する台３６の位置を変更し、この変更後に、荷電粒子ビーム１を出射することを繰り返してもよい。荷電粒子ビーム１を停止せずに台３６ａ〜３６ｆの位置を往復するように変更する場合は、呼吸同期照射にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明に係る粒子線照射装置及び粒子線治療装置は、医療において好適に利用できる。特に過照射となってしまうIMRTの問題を解決でき、医療産業の発達に寄与するものである。
【符号の説明】
【００９３】
１…荷電粒子ビーム、２、２ａ、２ｂ…エネルギー変更装置、３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ…深さ方向照射野拡大装置、４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ…柱状照射野生成装置、５、６、７、８…偏向電磁石、９、９ａ、９ｂ…レンジシフタ、１４…ビーム軸、１５、１６、１７、１８…偏向電磁石、１９、１９ａ、１９ｂ…リッジフィルタ、２２…変更制御装置、２５…照射野拡大制御装置、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ…吸収体、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ…駆動装置、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ…リッジフィルタ、２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ…駆動装置、３０…変更制御装置、３４…走査照射系、３５…ＲＭＷ（レンジモジュレーションホイール）、３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ、３６ｆ…台、３７ａ、３７ｂ、３７ｃ…羽根（エネルギー吸収体）、４０…患部、４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ…柱状照射野、５２…イオンビーム発生装置、５４…シンクロトロン、５８、５８ａ、５８ｂ…粒子線照射装置、５９…イオンビーム輸送系、６０、６０ａ、６０ｂ…粒子線照射装置、６１…角度センサ、６２…モータ、６５…照射野拡大制御装置、６６、６６ａ、６６ｂ…ＲＭＷ装置、６７ａ、６７ｂ…駆動装置。
【図１】
0005646312.tif 000003
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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