(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子線の進行距離と線量との関係を表すブラッグ曲線を用いて前記粒子線が透過する透過部の高さと幅とを調整し、透過後の前記線量が前記進行距離の所定の範囲において所望の値で一様なＳＯＢＰを実現するリッジフィルタの設計方法であって、
モンテカルロ計算により、前記粒子線の第１のブラッグ曲線を取得するステップと、
前記第１のブラッグ曲線をｎ回（ｎ：自然数）平行移動することにより、ｎ本の第２のブラッグ曲線を取得するステップと、
前記ＳＯＢＰの前記所望の値と、前記第１のブラッグ曲線と、前記第２のブラッグ曲線とに基づいて前記第１のブラッグ曲線と前記第２のブラッグ曲線の各々とにかける重みを計算するステップであって、前記重みをかけた前記第１のブラッグ曲線と前記第２のブラッグ曲線の各々とを重ね合わせると、前記所望の値の前記ＳＯＢＰが得られるよう重みを計算するステップと、
前記重みに基づいて前記透過部の幅を決定するステップと、
からなる、リッジフィルタ設計方法。
【請求項２】
前記重みに基づいてモンテカルロ計算を行い、前記ＳＯＢＰの理論値を計算するステップと、
前記理論値と、前記所望の値との差を計算するステップと、
前記差と、前記第１のブラッグ曲線と、前記第２のブラッグ曲線とに基づいて前記差を補正するための前記第１のブラッグ曲線と前記第２のブラッグ曲線の各々とにかける補正重みを計算するステップであって、前記補正重みをかけた前記第１のブラッグ曲線と前記第２のブラッグ曲線の各々とを、さらに前記重みをかけた前記第１のブラッグ曲線と前記第２のブラッグ曲線の各々とに重ね合わせると、前記差に相当する前記線量が最も小さくなるよう前記補正重みを計算するステップと、をさらに含み、
前記決定するステップは、さらに前記補正重みに基づいて前記透過部の幅を決定する、請求項１に記載のリッジフィルタ設計方法。
【請求項３】
前記重みに基づいてモンテカルロ計算を行い、前記ＳＯＢＰの理論値を計算するステップと、
前記所望の値と、前記理論値との差を計算するステップと、
前記所望の値に前記差を加えた値と、前記第１のブラッグ曲線と、前記第２のブラッグ曲線とに基づいて、前記重みを修正した修正重みを計算するステップであって、前記修正重みをかけた前記第１のブラッグ曲線と前記第２のブラッグ曲線の各々とを重ね合わせると、前記所望の値の前記ＳＯＢＰが得られるよう重みを計算するステップと、をさらに含み、
前記決定するステップは、前記修正重みに基づいて前記透過部の幅を修正する、請求項１に記載のリッジフィルタ設計方法。
【請求項４】
前記重みと前記補正重みとに基づいて得られるＳＯＢＰの値と、前記ＳＯＢＰの前記所望の値との誤差を計算するステップと、
前記誤差が所定の許容範囲を超えている位置を選択するステップと、をさらに含み、
選択された前記位置の誤差を小さくするように、前記重みを計算するステップと前記補正重みを計算するステップとを再度実行する、請求項２に記載のリッジフィルタ設計方法。
【請求項５】
前記リッジフィルタは、前記粒子線の入射方向に平行な高さと前記粒子線の入射方向に垂直な幅とを有する前記透過部を備えたリッジフィルタである、請求項１〜４のいずれかに記載のリッジフィルタ設計方法。
【請求項６】
前記リッジフィルタは、前記入射方向と平行な軸を中心として回転する、少なくとも１つの前記透過部を備えた回転形リッジフィルタであり、前記透過部の幅は、前記透過部の回転方向の幅を変化させることによって調整される、請求項５に記載のリッジフィルタ設計方法。
【請求項７】
前記回転形リッジフィルタは複数の前記透過部を有し、前記複数の透過部の各々は、それぞれ異なる高さを有する、請求項６に記載のリッジフィルタ設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過する粒子線の線量を変化させてターゲット内に所定の線量分布を作るリッジフィルタの設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
癌を治療する方法の１つに、粒子線を癌の腫瘍に照射する治療方法がある。この治療方法は、癌腫瘍へ粒子線を照射することにより癌細胞を死滅させるものである。図１３は、粒子線１０を照射される腫瘍１３０の例を示す。粒子線１０は以下のように照射される。腫瘍１３０は粒子線１０に垂直な平面上にある程度の広がりを持つので、粒子線１０は、コリメータ１３２および補正用媒質１３４によりその広がりに応じて整形される。腫瘍１３０以外の正常な組織へ粒子線１０を照射しないようにするためである。腫瘍１３０は深さ方向にも厚みＤを持つので、その厚みＤの部分に線量が所望の値で一様な粒子線１０を照射する必要がある。
【０００３】
深さ方向の所定の範囲で線量が一様な粒子線１０は、複数の異なるエネルギーを持つ粒子線から得られる。例えば、図２の（ｂ）は、水ターゲットに入射した粒子線の線量分布（ブラッグ曲線）を示すところ、線量が一様な領域ＳＯＢＰ（Spread-Out Bragg Peak）は、ブラッグ曲線２２、２４’’のそれぞれを重ね合わせることにより得られる。ブラッグ曲線２２、２４’’のそれぞれは、図２の（ａ）におけるブラッグ曲線２２、２４に重みをかけたものである。
【０００４】
このようなＳＯＢＰを得るための複数の異なるエネルギーを持つ粒子線は、リッジフィルタを用いて生成される。リッジフィルタは、入射したあるエネルギーを持つ粒子線を、それぞれ重みをかけた複数の単色エネルギーの粒子線に変換するフィルタである。すなわちリッジフィルタは、ブラッグ曲線２２で表されるエネルギーの粒子線を受け、ブラッグ曲線２４’’によって表される複数の単色エネルギーの粒子線に変換する。これらの粒子線が重ね合わされることにより、リッジフィルタから出力された粒子線は、照射対象（ターゲット）に対してブラッグ曲線２６で表されるＳＯＢＰを持つ粒子線を形成する。図３は、リッジフィルタの例を示す。リッジフィルタの入射面３０からの階段の高さｈに応じて、粒子線は異なるエネルギーを持つ複数の粒子線に変換される。すなわち、階段の高さｈが小さいほどリッジフィルタ内で減衰する量が小さいので、深い位置まで到達できるエネルギーを持つ粒子線が透過される。よって、階段の高さｈは図２のグラフにおける横軸方向のブラッグ曲線の位置を規定する。さらに階段の幅ｗを調整して通過する粒子数を制御することにより、線量レベルを調整することができる。よって、階段の幅ｗは、図２のグラフにおける縦軸方向のブラッグ曲線の重みに相当する。換言すれば、この階段の幅ｗは粒子束に相当する。
【０００５】
粒子線の進行距離に関して所望の距離で、かつ所望の線量値で一様なＳＯＢＰを得るために、適切な階段の高さｈおよび幅ｗを持つリッジフィルタを設計する必要がある。従来のリッジフィルタの設計手順は、例えば「MONTE CARLO SIMULATION OF A PROTONTHERAPY SYSTEM FOR THE CALCULATION OF THE DOSE DISTRIBUTION IN A PATIENT」TERA, 95, No.4, pp25 (1995)に記載されている。図１４は、従来のリッジフィルタの設計フローを示す。（１）まず目標とするＳＯＢＰ幅を決定する。（２）異なるエネルギーの複数のブラッグ曲線（図２のブラッグ曲線２４）を、モンテカルロ計算により求める（ステップＳ１４２）。（３）目標とするＳＯＢＰ上の評価点と、その位置での目標値に対して、全てのブラッグ曲線の重みｘを、式Ａｘ＝ｂから決定する（ステップＳ１４４）。ここで、行列Ａには各ブラッグ曲線２４上のサンプル値を格納している。その１行目は最大エネルギーの値、第２行は２番目のエネルギーの値等であり、ｂは目標値である。（４）求めた重みｘに基づいてリッジフィルタの階段の幅ｗを決定する（ステップＳ１４６）。このとき、階段の高さの差（階段の各ステップの高さ）は一定である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上の（２）で述べたように、従来は多数回モンテカルロ計算を行い、エネルギーの異なる複数のブラッグ曲線２４（図２（ａ））を得なければならなかった。一般にモンテカルロ計算には時間がかかるため、これでは設計を迅速に行うことができない。
【０００７】
さらに、従来の方法では目標とするＳＯＢＰ上の評価点の位置によっては、平坦度のよいＳＯＢＰが得られないという問題がある。例えば、評価点は飛び飛びの位置を採用するため評価点間のＳＯＢＰ値の挙動が考慮されず、したがって評価点以外の点で目標値との差が大きくなる場合がある。特に最大エネルギーのブラッグ曲線のピークが評価点として採用されない場合には重みの影響が大きく、ＳＯＢＰグラフの右端に突起が出ることがある（後述する図５の横軸２８５ｍｍ付近の値）。
【０００８】
一旦作成したリッジフィルタを使って理論上の値を計算したとき、理論値と実際に必要な値とが一致しない場合は適当な補償方法がなく、再度設計を行わなければならなかった。または実測値に基づいた複数のブラッグ曲線を得て、それに基づいてリッジフィルタを設計する必要があった。
【０００９】
本発明の目的は、均一なＳＯＢＰを実現するリッジフィルタを迅速に設計する方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のリッジフィルタの設計方法は、粒子線の進行距離と線量との関係を表すブラッグ曲線を用いて前記粒子線が透過する透過部の高さと幅とを調整し、透過後の前記線量が前記進行距離の所定の範囲において所望の値で一様なＳＯＢＰを実現するリッジフィルタの設計方法であって、モンテカルロ計算により、前記粒子線の第１のブラッグ曲線を取得するステップと、前記第１のブラッグ曲線をｎ回（ｎ：自然数）平行移動することにより、ｎ本の第２のブラッグ曲線を取得するステップと、前記ＳＯＢＰの前記所望の値と、前記第１のブラッグ曲線と、前記第２のブラッグ曲線とに基づいて前記第１のブラッグ曲線と前記第２のブラッグ曲線の各々とにかける重みを計算するステップであって、前記重みをかけた前記第１のブラッグ曲線と前記第２のブラッグ曲線の各々とを重ね合わせると、前記所望の値の前記ＳＯＢＰが得られるよう重みを計算するステップと、前記重みに基づいて前記透過部の幅を決定するステップと、からなる、リッジフィルタ設計方法であり、これにより上記目的が達成される。
【００１１】
前記リッジフィルタ設計方法は、前記重みに基づいてモンテカルロ計算を行い、前記ＳＯＢＰの理論値を計算するステップと、前記理論値と、前記所望の値との差を計算するステップと、前記差と、前記第１のブラッグ曲線と、前記第２のブラッグ曲線とに基づいて前記差を補正するための前記第１のブラッグ曲線と前記第２のブラッグ曲線の各々とにかける補正重みを計算するステップであって、前記補正重みをかけた前記第１のブラッグ曲線と前記第２のブラッグ曲線の各々とを、さらに前記重みをかけた前記第１のブラッグ曲線と前記第２のブラッグ曲線の各々とに重ね合わせると、前記差に相当する前記線量が最も小さくなるよう前記補正重みを計算するステップと、をさらに含み、前記決定するステップは、さらに前記補正重みに基づいて前記透過部の幅を決定してもよい。
【００１２】
前記リッジフィルタ設計方法は、前記重みに基づいてモンテカルロ計算を行い、前記ＳＯＢＰの理論値を計算するステップと、前記所望の値と、前記理論値との差を計算するステップと、前記所望の値に前記差を加えた値と、前記第１のブラッグ曲線と、前記第２のブラッグ曲線とに基づいて、前記重みを修正した修正重みを計算するステップであって、前記修正重みをかけた前記第１のブラッグ曲線と前記第２のブラッグ曲線の各々とを重ね合わせると、前記所望の値の前記ＳＯＢＰが得られるよう重みを計算するステップと、をさらに含み、前記決定するステップは、前記修正重みに基づいて前記透過部の幅を修正してもよい。
【００１３】
前記リッジフィルタ設計方法は、前記重みと前記補正重みとに基づいて得られるＳＯＢＰの値と、前記ＳＯＢＰの前記所望の値との誤差を計算するステップと、前記誤差が所定の許容範囲を超えている位置を選択するステップと、をさらに含み、選択された前記位置の誤差を小さくするように、前記重みを計算するステップと前記補正重みを計算するステップとを再度実行してもよい。
【００１４】
前記リッジフィルタは、前記粒子線の入射方向に平行な高さと前記粒子線の入射方向に垂直な幅とを有する前記透過部を備えたリッジフィルタであってもよい。
【００１５】
前記リッジフィルタは、前記入射方向と平行な軸を中心として回転する、少なくとも１つの前記透過部を備えた回転形リッジフィルタであり、前記透過部の幅は、前記透過部の回転方向の幅を変化させることによって調整されてもよい。
【００１６】
前記回転形リッジフィルタは複数の前記透過部を有し、前記複数の透過部の各々は、それぞれ異なる高さを有していてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下では、本発明により設計されるリッジフィルタを利用する装置の説明をした後、そのリッジフィルタを設計するための手順を説明する。本明細書において粒子線とは、例えば陽子線である。また、粒子線を照射する対象は深さ方向に厚みＤを持つ腫瘍１３０（図１３）とする。なお「深さ方向」とは粒子線が照射され、進行する方向をいう。
【００１８】
図１は、リッジフィルタを用いたワブラー法による粒子線照射装置１の模式図である（「Instrumentation for treatment of cancer using proton and light-iron beams」Rev.  Sci. Instrum. Vol. 64  No.8  pp.2055-2091 (1993)）。粒子線照射装置１は、腫瘍１３０（図１３）の形状に応じて粒子線１０を照射する領域（深さ方向も含む）を調整し、必要な線量の粒子線１０を腫瘍１３０（図１３）に照射する装置である。粒子線照射装置１は、１対の水平方向揺動用電磁石１１と、１対の垂直方向揺動用電磁石１２と、粒子のエネルギーを変えるためのレンジシフタ１３と、リッジフィルタ１４と、照射ボリューム１６とを含む。粒子線源（図示せず）から放射された粒子線１０は、１対の水平方向揺動用電磁石１１と、１対の垂直方向揺動用電磁石１２とを用いて揺動され、照射面積が広げられる。揺動された粒子線１０はレンジシフタ１３を通り、粒子線１０のエネルギーが適当な量だけ小さくされる。その後、粒子線１０はリッジフィルタ１４に入射する。リッジフィルタ１４は、透過した媒質の長さに応じて粒子線のエネルギーが減衰することを利用して、入射した粒子線をそれぞれ重みをかけた複数の単色エネルギーの粒子線に変換するフィルタである。リッジフィルタ１４から出力された粒子線は、照射対象（ターゲット）に対してＳＯＢＰ（Spread-Out Bragg Peak）を持つ粒子線を形成する。ＳＯＢＰとは粒子線進行距離の所定の範囲で線量が一様な領域であり、例えば、ブラッグ曲線２６（図２（ａ））で表される。図３は、リッジフィルタの例を示す。リッジフィルタ１４は、入射面からの高さｈが異なる、複数の段差のある透過部を持つものが多く利用されている。リッジフィルタ１４の入射面３０からの階段の高さｈに応じて、粒子線は、異なるエネルギーを持つ複数の粒子線に変換される。すなわち、階段の高さｈが小さいほどリッジフィルタでの減衰量が小さいので、深い位置まで到達可能なエネルギーを持つ粒子線が透過される。さらに階段の幅ｗを調整して通過する粒子数を制御することにより、線量レベルを調整することができる。したがってこの階段の幅ｗは、各粒子線に対してかける重みであるといえる。重みをかけることにより粒子線（図２の（ｂ）のブラッグ曲線２４’’）を得ることができる。なお、リッジフィルタ１４の透過部において、各エネルギーの粒子線が出射する部分の形状は任意であるが、本実施の形態では長方形である。リッジフィルタ１４の階段は、最終的に得られたブラッグ曲線２４’’（図２）の間隔（例えば、ピークの間隔）が狭くなれば、滑らかになる。間隔が狭いことは、すなわちエネルギーレベルが近接するブラッグ曲線２４’’（図２）を利用することを意味し、よって隣り合う階段の高さの差ｄが小さくなるためである。リッジフィルタ１４から出力された粒子線１０が、揺動され広がった粒子束１５として示されている。なお、以下の説明では、揺動され広がった粒子束１５についても粒子線１０として言及する。
【００１９】
粒子線１０は、続いて照射ボリューム１６によって適切な範囲に絞られ、腫瘍１３０（図１３）に照射される。照射ボリューム１６により調整されるのは、図１に示す座標系ではＸＹ平面内の照射領域である。ｚ軸方向、すなわち腫瘍１３０（図１３）の深さ方向に照射すべき量は、リッジフィルタ１４によって既に調整されている。すなわち腫瘍１３０（図１３）の厚み方向に一様かつ所望の線量のＳＯＢＰが形成されるよう、粒子線の照射量はリッジフィルタ１４によって既に調整されている。
【００２０】
先に述べたように、リッジフィルタ１４（図１）の入射面からの透過部の高さｈと階段の幅ｗとにより透過する粒子線の線量が決定されるので、それらを調整することにより、ＳＯＢＰを形成することができる。以下、より具体的に説明する。まず、図２の（ａ）は、水ターゲットに入射した粒子線１０（図１）の水の深さに対する線量分布を示す。粒子線の進行距離と線量との関係（線量分布）を表す曲線は、一般に「ブラッグ曲線」と呼ばれる。複数のブラッグ曲線に適当な重みをかけて重ね合わせると、所定の範囲（図２の場合は約１００ｍｍ〜３００ｍｍ）で線量が一様な領域、すなわちＳＯＢＰを持つブラッグ曲線２６を得ることができる。ＳＯＢＰが腫瘍１３０（図１３）の厚みＤに一致するよう、ブラッグ曲線２６により表される粒子線を照射することで、厚みＤの部分の線量を所望の値で一様にできる。図３を参照してこのようなＳＯＢＰを形成するためのリッジフィルタ１４をさらに説明する。リッジフィルタ１４は、図の奥行き方向に同じ断面を有している。粒子線のエネルギーは透過した媒質の長さに応じて減衰するので、リッジフィルタ１４の入射面３０からの透過部の高さｈによって、異なるエネルギーの粒子線１０を複数同時に得ることができる。線量レベルの差は、透過部の各階段の幅ｗに差異があるために生じる。換言すれば、リッジフィルタ１４は、透過部の各階段の幅ｗを変化させることにより粒子の透過面積を変化させ、透過する粒子数を制御する。これによりブラッグ曲線の線量レベル（図２の縦軸方向のレベル）を調整できる。例えば、各階段の幅ｗを２倍にして透過部の面積を２倍にすると、透過する粒子数も２倍になり、ブラッグ曲線は図２の縦軸の正方向に平行移動する。したがってリッジフィルタ１４の階段の幅ｗは、ブラッグ曲線２２、２４を平行移動させる因子である。この因子は、以下、ブラッグ曲線にかける「重み」としても言及される。なお各階段の高さの差ｄの大きさは特に限定されないが、より小さい方が深さ方向（図２の横軸方向）に密接した複数のブラッグ曲線を得ることができ、より容易にかつ均一なＳＯＢＰを得ることができる。
【００２１】
続いて、リッジフィルタの入射面３０（図３）からの階段の高さｈと階段の幅ｗを決定するための手順を説明する。本発明では、ＳＯＢＰを持つブラッグ曲線２６（図２）（以下、「ＳＯＢＰブラッグ曲線２６」という）を得るために行っていた全てのブラッグ曲線についてのモンテカルロ計算を、最大のエネルギーを持つ粒子線について１回だけ行う。すなわち本発明では、モンテカルロ計算により求めるのはブラッグ曲線２２（図２の（ａ））のみである。続いて、ブラッグ曲線２２（図２）を平行移動することによりブラッグ曲線２４’が取得される。ブラッグ曲線２４’が、ＳＯＢＰブラッグ曲線２６（図２）を得るために必要な別のエネルギーのブラッグ曲線となる。平行移動は、図２の横軸方向に行う。このように、すべてのブラッグ曲線の取得に時間のかかるモンテカルロ計算を採用しないことで、リッジフィルタの設計に要する計算時間を短縮することができる。
【００２２】
以下、その手順をより詳しく説明する。図４は、本実施の形態によるリッジフィルタの設計フローを示す。まず初めに、最大エネルギーのブラッグ曲線２２（図２）をモンテカルロ計算により求める（ステップＳ４０）。モンテカルロ計算は周知の計算手法であるのでその説明は省略する。次に、得られたブラッグ曲線２２（図２）をｎ回（ｎ：自然数）平行移動して、ｎ本のブラッグ曲線２４（図２）を得る（ステップＳ４１）。このステップではブラッグ曲線２２（図２）の平行移動をするのみであるから、ｎ本のブラッグ曲線を得るためにモンテカルロ計算を行うよりは短時間ですむ。
【００２３】
次に、各ブラッグ曲線２２、２４’（図２）へかける重みを計算する（ステップＳ４２）。ここで「重み」は、各ブラッグ曲線２２、２４’に（図２）その重みをかけて重ね合わせると、ＳＯＢＰの必要な線量レベルと所望の位置での所望の長さが得られるよう求められる。重みは以下のようにして求める。まず、各ブラッグ曲線２２、２４’（図２）を複数個の点（例えば、各ブラッグ曲線についてｍ個ずつ）でサンプリングする。次に所望のＳＯＢＰを有するＳＯＢＰブラッグ曲線２６（図２）も複数個（ｍ個）の点でサンプリングする。この点は以下、「評価点」として言及される。評価点の位置は任意であるが、各ブラッグ曲線２２、２４’（図２）およびＳＯＢＰブラッグ曲線２６（図２）のｋ番目の評価点は、いずれも横軸方向の同じ位置ｐkにおける各ブラッグ曲線２２、２４’（図２）およびＳＯＢＰブラッグ曲線２６（図２）上の点が採用される。ＳＯＢＰブラッグ曲線２６（図２）のＳＯＢＰの位置以外の位置では、線量レベルを低くする方が好ましい。その位置は腫瘍１３０（図１３）ではない正常な組織がある位置であり、そのような組織に照射される粒子線レベルはより低い方がよいからである。なお、所望のＳＯＢＰを得ることだけを考える場合には、ＳＯＢＰブラッグ曲線２６（図２）の所望のＳＯＢＰ位置ですべてのサンプリングを行えばよい。続いて得られたサンプル値を利用して、ブラッグ曲線２２、２４’（図２）のサンプル値を成分に持つｍ×（ｎ＋１）行列Ａと、重みを表す（ｎ＋１）×１重みベクトルｘと、ＳＯＢＰブラッグ曲線２６（図２）上のｍ×１サンプル値列ベクトルｂとを作る。ブラッグ曲線２２および２４’は計（ｎ＋１）本であるので、成分も（ｎ＋１）行、または列だけ必要となる。これらの行列とベクトルの間には、
Ａｘ＝ｂ・・・（１）
の関係が成り立つ。重みベクトルｘの各成分の値は、例えば、逐次代入法または最適化手法を利用して求められる。なお、これらの手法は周知であるので詳細な説明は省略する。ここで、行列Ａの第１列はブラッグ曲線２２（図２）、第２列はブラッグ曲線２２、２４’（図２）中で２番目のエネルギーを持つブラッグ曲線、・・・（ｎ＋１）列目は（ｎ＋１）番目のエネルギーを持つブラッグ曲線を表す。この結果、重みベクトルｘの第ｋ行（ｋ：１〜ｎ＋１の自然数）はブラッグ曲線２２、２４’（図２）のうちｋ番目のエネルギーを持つブラッグ曲線の重みとなる。以上のようにして重みが計算される。
【００２４】
求めた重みとブラッグ曲線２２、２４’（図２）とから、実際にＳＯＢＰを持つブラッグ曲線を計算する。図５は、本発明の手法により得た重みから計算したＳＯＢＰブラッグ曲線のグラフを示す。図２では、横軸は粒子線の進行距離（ｍｍ）、縦軸はＳＯＢＰが得られているか否かの観点から、線量の最大レベルで正規化している。図５によれば、ＳＯＢＰが約１４０ｍｍ〜２９０ｍｍの長さ得られていることがわかる。粒子線のエネルギーは２３０ＭｅＶ、ブラッグ曲線のサンプリング間隔は２．５ｍｍである。なお「粒子線の進行距離」とは、先に「水の深さ」として言及した、粒子線照射装置１（図１）から照射された粒子線が進んだ距離である。
【００２５】
重みが求められると、リッジフィルタの階段の幅ｗを決定することができる（ステップＳ４３）。例えば、あるエネルギーのブラッグ曲線に対する重みが０．２である場合を考える。平行移動して得られたブラッグ曲線が、リッジフィルタの幅ｗ1のときに実現されるとすると、重みをかけた後のブラッグ曲線は、リッジフィルタの幅０．２×ｗ1のときに実現される。これは、幅を０．２倍にして面積を０．２倍にすることにより、リッジフィルタを通過する粒子線１０（図３）の粒子数を０．２倍したことを意味する。このようにしてリッジフィルタの階段の幅ｗを決定できる。リッジフィルタの入射面３０（図３）からの階段の高さｈは、ブラッグ曲線２２、２４（図２）の位置に基づいて決定すればよいが、例えば、図２の横軸方向への平行移動の移動量により決定してもよい。この場合は、最大エネルギーのブラッグ曲線２２（図２）を与える入射面３０（図３）からの階段の高さｈ1が得られれば、他のブラッグ曲線２４（図２）を与える入射面３０（図３）からの階段の高さｈkも容易に得ることができる。なお、幅ｗ1と階段の高さｈ1は、粒子数および減衰量を考慮して周知の手法により容易に得ることができるので、その説明は省略する。
【００２６】
このようにして得られた階段の幅ｗおよび入射面３０（図３）からの高さｈを用いることによって、リッジフィルタ１４（図３）を設計することができる。この結果、全てのブラッグ曲線についてモンテカルロ計算をしなくとも、ＳＯＢＰを得るためのリッジフィルタを得ることができる。
【００２７】
続いて、以上のようにして求めたＳＯＢＰ計算結果の評価を行い、より一層精度の高いＳＯＢＰを求めるための方法を説明する。本方法では、求めた重みに基づいて設計されたリッジフィルタを、ある粒子線が透過するとしたときのＳＯＢＰの理論値ｂ’を計算する（ステップＳ４４の「はい」に分岐）。すなわち、得られた幅ｗおよび高さｈをもつリッジフィルタにある粒子線を通過させたときの、ＳＯＢＰの理論上の値ｂ’をモンテカルロ計算により計算する（ステップＳ４５）。このモンテカルロ計算は、得られたリッジフィルタと透過させる粒子線のエネルギーとに基づいて行われる計算である。図６は、ＳＯＢＰブラッグ曲線の理論値のグラフを示す。縦軸および横軸等の説明は図５と同じである。この理論値のグラフは、ブラッグ曲線の平行移動により求めたグラフ（図５）と比較して、一様なレベルのＳＯＢＰが得られていないことがわかる。その理由は、エネルギーの低い粒子線はエネルギーの高い粒子線よりも比較的散乱が大きいことが知られているが、ブラッグ曲線の平行移動によって取得された低エネルギー粒子線のブラッグ曲線では粒子線の散乱が考慮されていないからである。これは、実際のブラッグ曲線は、平行移動して得られたブラッグ曲線よりも線量が小さいことを意味する。したがって、より一層精度よく一様なＳＯＢＰを得るためには、エネルギーが低い粒子線の散乱をも考慮して重みを計算し、リッジフィルタを設計しなければならない。よって、上で得られた重みを用いてモンテカルロ計算を行い、ＳＯＢＰの理論値ｂ’と所望のＳＯＢＰ値ｂとの差を補償する必要がある。
【００２８】
再び図４を参照して、得られたＳＯＢＰの理論値ｂ’と、ＳＯＢＰの所望の値ｂとの差を計算し（ステップＳ４６）、その差を最も小さくする（補償する）ための補正重みを計算する（ステップＳ４７）。すなわち「補正重み」は、その補正重みをかけた各ブラッグ曲線２２、２４’（図２）を、前に得られた、重みをかけた各ブラッグ曲線２２、２４’（図２）にさらに重ね合わせて、その差に相当する線量を最も小さくするよう求められる。具体的には、補正重みは以下のようにして求める。前に述べた行列Ａと、補正重みを表す（ｎ＋１）×１補正重みベクトルΔｘと、ＳＯＢＰの理論値ｂ’とＳＯＢＰの所望の値ｂとの差を表す、ｍ×１差分サンプル値列ベクトルΔｂとを用ると、
ＡΔｘ＝Δｂ・・・（２）
が成り立ち、式（１）と同様の周知の計算手法により補正重みベクトルΔｘを求められる。評価点の位置に関しては先の説明と同様に、ｋ番目の評価点は、いずれも同じ位置ｐkにおける各ブラッグ曲線およびＳＯＢＰブラッグ曲線上の点が採用される。
【００２９】
式（２）から得られた補正重みΔｘをブラッグ曲線２２、２４’（図２）に加重し、モンテカルロ計算により既に得ている、重みｘをかけたブラッグ曲線にさらに重ね合わせると、その差を補正したＳＯＢＰブラッグ曲線を得ることができる。図７は、先に求めた重みと補正重みとに基づいてモンテカルロ計算で求めたＳＯＢＰブラッグ曲線を示す。補正重みを加える前のＳＯＢＰブラッグ曲線（図６）と比較して、より平坦かつ十分均一なＳＯＢＰブラッグ曲線を得ることができる。したがって、この重みおよび補正重みとをかけたブラッグ曲線２２、２４’それぞれの形状は、ブラッグ曲線２４’’ （図２の（ｂ））の形状にほぼ一致する。このようにして各ブラッグ曲線に対する重みと補正重みとが求められたので、補正重みをさらに考慮してリッジフィルタの階段の幅ｗを決定することができる（図４のステップＳ４３）。
【００３０】
以上、実施の形態１を説明した。本実施の形態によれば、迅速に均一なＳＯＢＰを与えるリッジフィルタを設計することができる。また本実施の形態によれば、理論値と実測値が違う場合であっても、補正重みを用いて実測値と理論値を十分等しくできるので、精度のよいリッジフィルタを設計できる。この場合でも、モンテカルロ計算を２回行うだけで十分な精度のＳＯＢＰを得ることができる。
【００３１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、所望のＳＯＢＰレベルｂを得るための他の方法を説明する。実施の形態１では、ＳＯＢＰの理論値ｂ’と所望のＳＯＢＰ値ｂとの差をΔｂとして、Ａ△ｘ＝△ｂから補正重みを決定した。本実施の形態では、所望のＳＯＢＰ値ｂからのＳＯＢＰの理論値ｂ’の差を所望のＳＯＢＰ値ｂに加え、その値を得られるような重みを求める。これは、所望のＳＯＢＰ値ｂを求めようとして生じた差を、あらかじめ所望のＳＯＢＰ値ｂに加えておいて重みを求めることを意味する。このようにして求めた重みによれば、当初から誤差のない所望のＳＯＢＰ値を実現できる。
【００３２】
図８は、本実施の形態によるリッジフィルタの設計フローを示す。ステップＳ８０〜Ｓ８６のそれぞれは、図４のステップＳ４０〜Ｓ４６のそれぞれに対応するので、その説明は省略する。なおステップＳ８６では、所望のＳＯＢＰ値ｂからのＳＯＢＰの理論値ｂ’の差Δｂが計算されている。ステップＳ８７では、この差Δｂを本来の所望のＳＯＢＰ値ｂに加算し、その値を用いて、既に求めた重みｘを修正した修正重みｘ’を求める。すなわち、修正重みｘ’は
Ａｘ’＝ｂ＋Δｂ・・・（３）
を満たすベクトルとして与えられる。これは、所望のＳＯＢＰ値ｂを求めようとして重みｘを求めても、モンテカルロ計算を行って得られた理論値ｂ’は所望のＳＯＢＰ値ｂからΔｂだけ差が生じていたことに基づく。すなわち、所望のＳＯＢＰ値ｂにあらかじめΔｂを加えた値を実現するような修正重みｘ’を求めると、その修正重みｘ’に基づいて計算した理論値は、ｂ＋ΔｂよりもΔｂだけ小さい、もとの所望のＳＯＢＰ値ｂになる。なお、ｘ’を求める手法は、実施の形態１で簡単に述べたような逐次代入法または最適化手法を用いればよい。このようにして得られた修正重みｘ’を新たな重みとすると、この重みは、すでに求めた重みｘに代わるものである。よって、この重みｘ’を各ブラッグ曲線２２、２４’（図２の（ａ））に加重すると、各ブラッグ曲線２２、２４’’（図２の（ｂ））を得ることができ、それらを重ね合わせることによりＳＯＢＰブラッグ曲線（図２（ｂ））を得ることができる。
【００３３】
このようにして各ブラッグ曲線に対する新たな重みが求められたので、その重みに基づいて、既に求めていたリッジフィルタの階段の幅ｗを修正することができる（図８のステップＳ８３）。その手順は実施の形態１で既に説明したので、説明は省略する。
【００３４】
以上、実施の形態２を説明した。本実施の形態によれば、迅速に均一なＳＯＢＰを与えるリッジフィルタを設計することができる。
【００３５】
（実施の形態３）
本実施の形態は、より均一な所望のＳＯＢＰを得るための方法を説明する。すなわち、所望のＳＯＢＰを得る過程で、ＳＯＢＰの右端にピークが生じる場合がある（図５の２８５ｍｍ付近におけるＳＯＢＰブラッグ曲線を参照）。これは、サンプリングした評価位置が連続的でなく離散的であることに起因する。図２の（ｂ）を参照してより具体的に説明する。ブラッグ曲線２２は、評価点として通常採用されるピーク以外の位置、例えば、ピークから少しずれた水の深さ３００ｍｍの位置でもある線量値を持つ。この位置では、他のブラッグ曲線２４’’も何らかの線量値を持つ。このような位置では各ブラッグ曲線にかけられた重みの影響が大きく出ているので、重ね合わされたブラッグ曲線のその位置の線量値の和が所望のＳＯＢＰのレベルよりも大きくなる場合がある。この最大値が突出した形でＳＯＢＰの右端に出現する（シフトする）。これがＳＯＢＰの右端に生じるピークである。これはすなわち複数のブラッグカーブを重ね合わせた結果、ピーク位置が評価点の位置と一致していないことを意味する。計算の都合上、評価点が離散的になることは避けられないが、このような最大値を与える位置が評価点として採用されない場合には、ＳＯＢＰの均一度が悪化する。
【００３６】
そこで、このようなピークが生じたと判断する場合には、新しく生じた突起の位置をＳＯＢＰブラッグ曲線２６上の評価点の１つとして採用し、重みの計算を再度行う。ＳＯＢＰの突起部分だけでなく、別の評価点間の誤差を計算してその誤差が大きい点をさらに探してもよい。この誤差を定量的に判断する方法として、本実施の形態では、ある一定の許容誤差範囲を設け、その範囲を超える場合にはその位置の誤差が大きいと判断する。許容誤差範囲は、例えば所望のＳＯＢＰレベルｂの±０．２％などのように設定できる。したがって一般的には、得られたＳＯＢＰと、所望のＳＯＢＰレベルｂとの誤差を計算し、その誤差が許容誤差範囲を超えている位置を選択して新たな評価位置とし、その位置で再び重みを計算すればよい。それにより、選択された新たな評価位置における誤差を小さくできる。図９は、再度計算した重みに基づいて得られたＳＯＢＰブラッグ曲線を示す。突起が生じていた位置（図５の２８５ｍｍ付近）にはピークはなく、より均一なＳＯＢＰブラッグ曲線が得られていることがわかる。これは、設計したリッジフィルタが高精度であることを意味する。
【００３７】
以上、本発明によるリッジフィルタの設計手順を説明した。続いて、実施の形態１〜３において設計されるリッジフィルタの具体的な例を説明する。以下では、長方形でない、扇形の回転型リッジフィルタを用いても、上述の実施の形態がそのまま適用できることを説明する。
【００３８】
図１０は、回転型リッジフィルタ１００を示す。回転型リッジフィルタ１００は、粒子線の入射方向と平行な軸を中心に回転して、粒子線が回転する透過部１０２を透過する際にエネルギーを変化させ、複数の異なるエネルギーを持つ粒子線に変換するフィルタである。回転型リッジフィルタ１００は、複数の扇形の透過部１０２がねじ等の固定具１０４で固定されている。複数の扇形の透過部１０２は積み重ねられ、階段状の透過部を形成している。この構成は、これまでの説明のリッジフィルタ透過部と同様である。回転型リッジフィルタ１００では、透過部１０２の交換により弧の幅ｗ（階段の幅ｗ）を変えることができる。上で述べたように階段の幅ｗを変化させると粒子の透過面積が変化するので、階段の幅ｗを変化させることは、所定のエネルギーを持つブラッグ曲線にかける重みを自由に変化させられることをあらわす。すなわち、回転型リッジフィルタも実施の形態１〜３で求めた重みを反映して設計できる。例えば、あるエネルギーのブラッグ曲線に対する重みが０．２である場合を考える。透過する粒子数を０．２倍にするためには、扇形の弧の幅ｗを０．２倍にすればよい。
【００３９】
なお、階段の幅ｗは、透過部１０２の交換のみならず回転方向にずらしてもよい。例えば回転方向に透過部１０２の幅を狭くするようずらすと、回転方向と逆側の透過部１０２は幅が広くなる。したがってこの場合には、粒子線は、リッジフィルタ１００の回転方向に幅を狭く調整した領域にのみ粒子線が透過するよう照射する必要がある。
【００４０】
続いて、回転型リッジフィルタ１００（図１０）とは別の回転型リッジフィルタについて説明する。上で説明したように、この回転型リッジフィルタも上述の実施の形態はそのまま適用できる。
【００４１】
図１１の（ａ）は、回転型リッジフィルタ１１０を示す。回転型リッジフィルタ１１０は、回転型リッジフィルタ１００（図１０）とは異なるのは、４つの透過部１１２、１１４、１１６、１１８から構成されている点である。各透過部内の階段の高さは一定であるが、４種類の階段の高さは異なる。プロペラが回転することによって、４枚の透過部１１２、１１４、１１６、１１８を持つリッジフィルタ、すなわち４種類の高さを持つリッジフィルタを等価的に実現できる。リッジフィルタは切削で製作するので、各透過部の製作段階では階段を切削する工程を減らすことができ、階段の高さが高いとより容易に製作できる。図１２は、４つの透過部をもつ回転型リッジフィルタ１２０のより具体的な外観を示す。直線の矢印が指す方向が粒子線が入射する方向である。回転型リッジフィルタ１２０は、粒子線の入射方向に垂直な平面内で回転する。
【００４２】
図１１の（ｂ）は、透過部１１２および１１４の断面図を示す。粒子線の入射面からの高さｈは、透過部１１２と透過部１１４とでは異なることがわかる。より一般的には、回転型リッジフィルタがそれぞれ高さが異なるｎ種類の透過部を備えていれば、等価的にｎ段の階段を持つリッジフィルタとして扱うことができるので、上述した効果を得ることができる。なお各階段の高さの差ｄはどの透過部で同じであってもよいし、必要に応じて異ならせてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、迅速にＳＯＢＰを与えるリッジフィルタを設計することができる。さらに本発明によれば、理論値と実測値が違う場合であっても、補正重みを用いて、またはあらかじめその差を考慮して実測値を理論値に近づけることができるので、精度のよいリッジフィルタを設計できる。
【００４４】
さらに本発明によれば、均一なＳＯＢＰを得ることができるので、精度のよいリッジフィルタを設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  リッジフィルタを用いたワブラー法による粒子線照射装置１の模式図である。
【図２】  水ターゲットに入射した粒子線１０（図１）の水の深さに対する線量分布を示す図である。（ａ）はモンテカルロ計算によるブラッグ曲線２２および２４と、本発明による平行移動したブラッグ曲線２４’と、ＳＯＢＰブラッグ曲線２６とを示すグラフである。（ｂ）は重みをかけたブラッグ曲線２２および２４’’と、ＳＯＢＰブラッグ曲線２６とを示すグラフである。
【図３】  リッジフィルタの例を示す図である。
【図４】  実施の形態１によるリッジフィルタの設計フローを示す。
【図５】  本発明の手法により得た重みから計算したＳＯＢＰブラッグ曲線のグラフである。
【図６】  ＳＯＢＰブラッグ曲線の理論値のグラフである。
【図７】  重みと補正重みとに基づいてモンテカルロ計算したＳＯＢＰブラッグ曲線を示す図である。
【図８】  実施の形態２によるリッジフィルタの設計フローを示す図である。
【図９】  再度計算した重みに基づいて得られたＳＯＢＰブラッグ曲線を示す図である。
【図１０】  回転型リッジフィルタを示す図である。
【図１１】  （ａ）は、回転型リッジフィルタ１１０を示す図である。（ｂ）は、透過部１１２および１１４の断面図を示す図である。
【図１２】  ４つの透過部をもつ回転型リッジフィルタのより具体的な外観を示す。
【図１３】  粒子線を照射される腫瘍の例を示す図である。
【図１４】  従来のリッジフィルタの設計フローを示す図である。
【符号の説明】
１  粒子線照射装置、１０  粒子線、１１  １対の水平方向揺動用電磁石、１２  １対の垂直方向揺動用電磁石、１３  レンジシフタ、１４  リッジフィルタ、１６  照射ボリューム
【図１】
0003689610.tif 000002
【図２】
0003689610.tif 000003
【図３】
0003689610.tif 000004
【図４】
0003689610.tif 000005
【図５】
0003689610.tif 000006
【図６】
0003689610.tif 000007
【図７】
0003689610.tif 000008
【図８】
0003689610.tif 000009
【図９】
0003689610.tif 000010
【図１０】
0003689610.tif 000011
【図１１】
0003689610.tif 000012
【図１２】
0003689610.tif 000013
【図１３】
0003689610.tif 000014
【図１４】
0003689610.tif 000015