(57)【要約】【課題】  荷電粒子ビームの損失を低減した荷電粒子ビーム装置とその運転方法を提供する。【解決手段】  照射される荷電粒子ビームのエネルギー等の患者情報に基づき予め、演算装置１３１で各層の深さに応じて照射に適したビームエネルギーＥｉを求める。制御装置１３２は、周回する荷電粒子ビームをビームエネルギーＥｉまで加速するために、偏向電磁石１４６，４極電磁石１４５に電流を供給するように、高周波加速空胴１４７に電力を供給するように、加速器用電源装置１６５を制御する。本発明によれば、荷電粒子ビームの損失を少なくして、均一な照射野を形成することができる。【選択図】図１
2006026422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子加速器を備え、前記荷電粒子加速器によって供給される荷電粒子ビームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム装置において、
荷電粒子ビームの径を拡大する散乱体と、
前記荷電粒子ビームの出射および停止を切り替える出射切り替え手段と、
前記荷電粒子ビームの照射位置を設定する電磁石と、
前記荷電粒子ビームを停止中に前記電磁石を制御して前記照射位置を変更させる制御装置とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項２】
前記制御装置は拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて前記照射位置を変更することを特徴とする請求項１の荷電粒子ビーム装置。
【請求項３】
荷電粒子加速器を備え、前記荷電粒子加速器によって供給される荷電粒子ビームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム装置において、
荷電粒子ビームの径を拡大する散乱体と、
前記荷電粒子ビームの出射および停止を切り替える出射切り替え手段と、
前記荷電粒子ビームの照射位置を設定する電磁石と、
前記荷電粒子ビームを出射中に前記電磁石の磁場強度、もしくは、前記電磁石の磁場強度の変化範囲を略一定とし、前記荷電粒子ビーム出射を停止中に前記磁場強度および前記磁場強度の変化範囲を変更する制御装置とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項４】
前記制御装置は前記拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて前記磁場強度または前記変化範囲を変更することを特徴とする請求項３の荷電粒子ビーム装置。
【請求項５】
前記照射対象上の照射領域における目標照射量を定める目標照射量設定手段と、前記照射領域における荷電粒子ビームの照射量を測定するビーム量測定手段とを備え、前記出射切り替え手段は、前記目標照射量と前記照射量測定手段で測定された照射量との比較に基づいて前記荷電粒子ビームの出射および停止を切り替えることを特徴とする請求項１の荷電粒子ビーム装置。
【請求項６】
前記出射切り替え手段は、ベータトロン振動の周波数を含む高周波電磁界を前記荷電粒子ビームに加える高周波印加装置であることを特徴とする請求項１の荷電粒子ビーム装置。
【請求項７】
前記荷電粒子ビームのエネルギーを変化させるエネルギー変化手段を有することを特徴とする請求項１の荷電粒子ビーム装置。
【請求項８】
前記エネルギー変化手段は、前記荷電粒子ビームが前記荷電粒子加速器と前記照射対象との間に設けられたことを特徴とする請求項５の荷電粒子ビーム装置。
【請求項９】
荷電粒子加速器と、前記荷電粒子加速器から供給される荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置とを備える荷電粒子ビーム装置において、
前記荷電粒子加速器は、前記荷電粒子ビームの出射および停止を切り替える出射切り替え装置を有し、
前記照射装置は、前記荷電粒子ビームの径を拡大する散乱体と、
前記照射対象に設定された複数の照射領域のうちの１つに前記荷電粒子ビームを照射するために前記荷電粒子ビームの照射位置または照射範囲を設定する電磁石と、
異なる照射領域に荷電粒子ビームを照射するために前記荷電粒子ビームを停止中に前記電磁石を制御して前記照射位置または照射範囲を変更させる制御装置とを備え、前記制御装置は前記拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて前記照射位置または照射範囲を変更することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項１０】
荷電粒子加速器と、前記荷電粒子加速器から供給される荷電粒子ビームを前記照射対象に照射する照射装置と、前記荷電粒子加速器から出射した荷電粒子ビームを前記照射装置へ輸送する荷電粒子ビーム輸送系を備える荷電粒子ビーム装置において、
前記荷電粒子加速器は、前記荷電粒子ビームの出射および停止を切り替える出射切り替え手段を有し、前記荷電粒子ビーム輸送系は、ビームの輸送および停止を切り替える輸送切り替え装置を有し、前記照射装置は、前記荷電粒子ビームの径を拡大する散乱体と、前記照射対象に設定された複数の照射領域のうちの１つに前記荷電粒子ビームを照射するために前記荷電粒子ビームの照射位置または照射範囲を設定する電磁石と、該拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて前記照射位置または照射範囲を異なる照射領域に荷電粒子ビームを照射するために前記荷電粒子ビームを停止中に変更する制御装置とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項１１】
患者の動きを検出する動き検出手段を備え、前記制御装置は、前記動き検出で検出された患者の動きに基づいて、前記出射切り替え手段を制御するものであることを特徴とする請求項１または請求項５の荷電粒子ビーム装置。
【請求項１２】
荷電粒子加速器から供給された荷電粒子ビームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム装置の運転方法において、
前記荷電粒子ビームの径を拡大するステップと、
前記荷電粒子ビームの出射および停止を切り替えるステップと、
前記荷電粒子ビームを停止中に照射位置または照射範囲を変更するステップとを有することを特徴とする荷電粒子ビーム装置の運転方法。
【請求項１３】
前記照射位置または照射範囲を拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて設定するステップとを有することを特徴とする請求項１２の荷電粒子ビーム装置の運転方法。
【請求項１４】
前記荷電粒子ビームの出射および停止を切り替えるステップは、ベータトロン振動の周波数を含む高周波電磁界を荷電粒子ビームに印加するステップを含むことを特徴とする請求項１２の荷電粒子ビーム装置の運転方法。
【請求項１５】
荷電粒子加速器を備え、前記荷電粒子加速器によって供給される荷電粒子ビームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム装置において、
荷電粒子ビームの径を拡大する散乱体と、
前記荷電粒子ビームを出射するビーム出射手段と、
前記荷電粒子ビームの照射位置または照射範囲を設定する電磁石と、
前記荷電粒子加速器の入射運転，加速運転、または減速運転中に前記電磁石を制御して前記照射位置または照射範囲を変更させる制御装置とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項１６】
前記制御装置は拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて前記照射位置を変更することを特徴とする請求項１５の荷電粒子ビーム装置。
【請求項１７】
荷電粒子加速器と、前記荷電粒子加速器から供給される荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置とを備える荷電粒子ビーム装置において、
前記荷電粒子加速器は、前記荷電粒子ビームを周回軌道から出射軌道に移動させるキッカー電磁石を有し、
前記照射装置は、前記荷電粒子ビームの径を拡大する散乱体と、
前記照射対象に設定された複数の照射領域のうちの１つに前記荷電粒子ビームを照射するために前記荷電粒子ビームの照射位置または照射範囲を設定する電磁石と、異なる照射領域に荷電粒子ビームを照射するために前記荷電粒子加速器の入射運転，加速運転、または減速運転中に前記電磁石を制御して前記照射位置または照射範囲を変更させる制御装置とを備え、前記制御装置は前記拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて前記照射位置または照射範囲を変更することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項１８】
荷電粒子加速器から供給された荷電粒子ビームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム装置の運転方法において、
前記荷電粒子ビームの径を拡大するステップと、
前記荷電粒子加速器の入射運転，加速運転、または減速運転中に、照射位置または照射範囲を変更するステップとを有することを特徴とする荷電粒子ビーム装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビームを癌治療や患部の診断に利用する荷電粒子ビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の荷電粒子ビーム装置は、実公平５−４０４７９号公報に記載されている。この従来技術を図１７を用いて説明する。
【０００３】
図１７において、荷電粒子ビーム８２はｚ方向に進む。ｘ方向走査電磁石８０，ｙ方向走査電磁石８１に、位相差が９０°の正弦波電流を流すと、それぞれの電磁石に発生する磁場によって、荷電粒子ビームは円形に走査される。円形に走査される荷電粒子ビームを散乱体８３に当てると荷電粒子ビームの径は増大されるので、照射領域での線量分布は図３（ａ）のようになる。２ｒにわたる領域では照射線量は均一になるが、２ｒより外側になるほど照射線量は減少して不均一である。従って、不均一な照射領域をコリメータでカットし、照射線量の均一な照射領域のみを患部へ照射していた。
【０００４】
また、特開平７−２７５３８１号公報は、患部の形状に合わせて電磁石を制御することにより、照射範囲を任意の形状に成形することを記載する。
【０００５】
【特許文献１】実公平５−４０４７９号公報
【特許文献２】特開平７−２７５３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来技術では、不均一な照射領域をコリメータでカットしているので、荷電粒子ビームの損失が多い。また、広い照射野を得るためには、ビーム径を増加させる散乱体８３を厚くしなくてはならず、荷電粒子ビームエネルギーの損失が大きくなる問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、荷電粒子ビームの損失を低減した荷電粒子ビーム装置とその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の特徴は、散乱体が荷電粒子ビームの径を拡大し、出射切り替え手段が荷電粒子ビームの出射および停止を切り替え、電磁石が荷電粒子ビームの照射位置または照射範囲を設定し、制御装置が荷電粒子ビームを停止中に電磁石を制御して照射位置または照射範囲を変更させることにある。
【０００９】
この特徴によれば、出射切り替え手段が荷電粒子ビームの出射を停止している間に、制御装置が照射位置または照射範囲を変更させて荷電粒子ビーム照射対象に照射するので、照射対象には照射位置または照射範囲ごとに荷電粒子ビームが照射され、照射対象の全域を覆うように散乱体で拡大された荷電粒子ビームを拡大する場合に比べて、照射対象の回りにできる不均一な照射領域を小さくでき、荷電粒子ビームの損失を低減できる。また、散乱体を用いない場合に比べて、ビーム径が大きいので照射位置または照射範囲の変更回数が少なく、制御が簡単である。
【００１０】
また、本発明の他の特徴は、制御装置が拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて照射位置または照射範囲を変更することにあり、散乱体で拡大された荷電粒子ビームの照射線量は照射位置を中心として径方向にほぼガウス分布であるので、荷電粒子ビームが重なって照射線量が均一な照射領域をつくることができ、照射対象に均一に荷電粒子ビームを照射できる。
【００１１】
本発明の他の特徴は、目標照射量設定装置が照射対象の照射領域における目標照射量を定め、照射量測定装置が各照射領域における荷電粒子ビームの照射量を測定し、出射切り替え手段が目標照射量と照射量測定装置で測定された照射量とに基づいて荷電粒子ビームの出射および停止を切り替えることにある。
【００１２】
この特徴によれば、照射領域の照射量が目標照射量に達するまで出射切り替え手段が照射を継続させるので、荷電粒子ビームの強度が時間的に変化した場合でも、照射対象にビームの密度を一様に照射できる。
【００１３】
また、出射切り替え手段が、荷電粒子加速器を周回する前記荷電粒子ビームのベータトロン振動の周波数を含む高周波電磁界を前記荷電粒子ビームに加える高周波印加装置であれば、荷電粒子加速器を周回する荷電粒子ビームのベータトロン振動が共鳴状態であるときに、印加される高周波電磁界により荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅が増加して共鳴の安定限界を超え、荷電粒子ビームは荷電粒子加速器から出射される。このとき、荷電粒子ビームは一定に出射されるので、一様なビームの密度で荷電粒子ビームを照射対象に照射できる。
【００１４】
本発明の他の特徴は、エネルギー変化手段が荷電粒子ビームのエネルギーを変化させることにあり、照射停止中に荷電粒子ビームのエネルギーを変化させて、照射対象の照射領域を変更することができる。
【００１５】
本発明の他の特徴は、荷電粒子加速器が荷電粒子ビームの出射および停止を切り替える出射切り替え手段を有し、荷電粒子ビーム輸送系が荷電粒子ビームの輸送および停止を切り替える輸送切り替え装置とを有し、照射装置は、荷電粒子ビームを拡大する散乱体と、荷電粒子ビームの照射位置または照射範囲を設定する電磁石と、拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて照射位置または照射範囲を変更する制御装置を備えることにある。
【００１６】
この特徴によれば、出射切り替え手段が荷電粒子加速器を周回する荷電粒子ビームを照射装置へ出射し、かつ、輸送切り替え装置が荷電粒子ビームを照射装置へ輸送すれば、荷電粒子ビームは照射装置において照射対象に照射される。出射切り替え手段が荷電粒子加速器から照射装置への荷電粒子ビームの出射を停止、または、輸送切り替え装置が荷電粒子ビームを停止すれば、荷電粒子ビームの照射対象への照射も停止される。照射の切り替えが２つの切り替え手段によって行われるから、より安全性が高い。また、出射切り替え手段もしくは輸送切り替え装置がビームの出射を停止し、制御装置が散乱体で拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて次の照射位置または照射範囲を変更し、それぞれの位置で等しい線量を照射すると、散乱体で拡大された荷電粒子ビームの照射線量は照射位置を中心として径方向にほぼガウス分布であるので、荷電粒子ビームが重なって照射線量が均一な照射領域をつくることができ、照射対象に均一に荷電粒子ビームを照射できる。また、均一な照射領域の周りにできる不均一な照射領域を小さくできるので、荷電粒子ビームの損失を低減できる。また、散乱体を用いない場合に比べて、ビーム径が大きいので照射位置または照射範囲の変更回数が少なく、制御が簡単である。
【００１７】
また、本発明の他の特徴は、患者の動きを検出する動き検出手段を備え、制御装置が、動き検出で検出された患者の動きに基づいて、出射切り替え手段を制御することにあり、患者の呼吸，咳等に起因する体の動きを検知して、患部がほぼ静止している時に荷電粒子ビームを照射し、照射対象を精度良く照射することができる。
【００１８】
また、荷電粒子ビームによる癌治療では、照射対象の深さによって照射する荷電粒子ビームのエネルギーを変える必要がある。この場合、荷電粒子加速器を周回する荷電粒子ビームのエネルギーを加速段階で変更するか、照射装置の荷電粒子ビームが通過する所にグラファイトなどの板上の物質を置いて、出射された荷電粒子ビームのエネルギーを変えて照射する。
【００１９】
上記目的を達成する本発明の特徴は、散乱体が荷電粒子ビームの径を拡大し、ビーム出射手段が荷電粒子加速器から荷電粒子ビームを出射し、電磁石が荷電粒子ビームの照射位置または照射範囲を設定し、制御装置が荷電粒子加速器の入射運転，加速運転、または減速運転中に電磁石を制御して照射位置または照射範囲を変更させることにある。
【００２０】
この特徴によれば、ビーム出射手段が荷電粒子ビームを出射した後、荷電粒子加速器が減速運転，ビーム入射運転、または加速運転していてビームが出射されていない間に、制御装置が照射位置または照射範囲を変更させて荷電粒子ビーム照射対象に照射するので、照射対象には照射位置または照射範囲ごとに荷電粒子ビームが照射され、照射対象の全域を覆うように散乱体で拡大された荷電粒子ビームを拡大する場合に比べて、照射対象の回りにできる不均一な照射領域を小さくでき、荷電粒子ビームの損失を低減できる。また、散乱体を用いない場合に比べて、ビーム径が大きいので照射位置または照射範囲の変更回数が少なく、制御が簡単である。
【００２１】
上記目的を達成する本発明の特徴は、散乱体が荷電粒子ビームの径を拡大し、キッカー電磁石が荷電粒子ビームを周回軌道から出射軌道に移動させ、電磁石が荷電粒子ビームの照射位置または照射範囲を設定し、制御装置が拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて荷電粒子加速器の入射運転，加速運転、または減速運転中に電磁石を制御して照射位置または照射範囲を変更することにある。
【００２２】
この特徴によれば、キッカー電磁石が荷電粒子ビームを周回軌道から出射軌道に移動させて出射した後、荷電粒子加速器が減速運転，ビーム入射運転、または加速運転していてビームが出射されていない間に、制御装置が拡大された荷電粒子ビームの径に基づいて照射位置または照射範囲を変更させて荷電粒子ビーム照射対象に照射するので、照射対象には照射位置または照射範囲ごとに荷電粒子ビームが照射され、照射対象の全域を覆うように散乱体で拡大された荷電粒子ビームを拡大する場合に比べて、照射対象の回りにできる不均一な照射領域を小さくでき、荷電粒子ビームの損失を低減できる。また、散乱体を用いない場合に比べて、ビーム径が大きいので照射位置または照射範囲の変更回数が少なく、制御が簡単である。また、散乱体で拡大された荷電粒子ビームの照射線量は照射位置を中心として径方向にほぼガウス分布であるので、荷電粒子ビームが重なって照射線量が均一な照射領域をつくることができ、照射対象に均一に荷電粒子ビームを照射できる。
【００２３】
また、キッカー電磁石が励磁されると直ちに荷電粒子ビームは出射され、キッカー電磁石が励磁される時間はビームが周回軌道を１周する程度の時間であるから、加速器を周回する荷電粒子はこの時間ですべて出射される。その後、荷電粒子加速器が減速運転，ビーム入射運転、または加速運転している間に、照射位置または照射範囲が変更されるから、ビームが周回軌道を１周する程度の短い時間に出射されるビームを連続して利用することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、照射対象には照射位置または照射範囲ごとに荷電粒子ビームが照射されるので、照射対象の全域を覆うように散乱体で拡大された荷電粒子ビームを拡大する場合に比べて、照射対象の回りにできる不均一な照射領域を小さくでき、荷電粒子ビームの損失を低減できる。また、散乱体を用いない場合に比べて、ビーム径が大きいので照射位置または照射範囲の変更回数が少なく、制御が簡単である。
【００２５】
また、散乱体で拡大された荷電粒子ビームの照射線量は照射位置を中心として径方向にほぼガウス分布であるので、荷電粒子ビームが重なって照射線量が均一な照射領域をつくることができ、照射対象に均一に荷電粒子ビームを照射できる。
【００２６】
また、照射領域の照射量が目標照射量に達するまで出射切り替え手段が照射を継続させるので、荷電粒子ビームの強度が時間的に変化した場合でも、照射対象にビームの密度を一様に照射できる。
【００２７】
また、出射切り替え手段が荷電粒子ビームに高周波電磁界を印加することにより、荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅が増加して共鳴の安定限界を超え、荷電粒子ビームが荷電粒子加速器から出射されるので、荷電粒子ビームは一定に出射されて、一様なビームの密度で荷電粒子ビームを照射対象に照射できる。
【００２８】
また、照射の切り替えが、出射切り替え手段と輸送切り替え装置の２つの切り替え手段によって行われるから、より安全性が高い。
【００２９】
また、患者の呼吸，咳等に起因する体の動きを検知して、患部がほぼ静止している時に荷電粒子ビームを照射できるので、照射対象を精度良く照射することができる。
【００３０】
また、キッカー電磁石が励磁されると直ちに荷電粒子ビームは出射され、ビームが周回軌道を１周する程度の時間に、加速器を周回する荷電粒子はすべて出射されて、その後、照射位置または照射範囲が変更されるので、ビームが周回軌道を１周する程度の短い時間に出射されるビームを連続して利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を用いて、本発明に係る荷電粒子ビーム装置およびその運転方法の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００３２】
本発明の第１の実施例の荷電粒子ビーム装置を図１を用いて説明する。本実施例の荷電粒子ビーム装置は、前段加速器９８，シンクロトロン型の加速器１００，回転照射装置
１１０および制御装置群１４０から主に構成される。低エネルギーのイオンが前段加速器９８から加速器１００に入射され、加速器１００において加速された後、治療室１０１の回転照射装置１１０に出射されて、イオンビームが治療に用いられる。
【００３３】
加速器１００を構成する主な機器について説明する。加速器１００は、加速器１００を周回する荷電粒子ビームに高周波電磁界を印加して荷電粒子ビームのベータトロン振動を増加し、共鳴の安定限界を超えさせ、荷電粒子ビームのベータトロン振動を共鳴状態にして荷電粒子ビームを加速器から出射する加速器である。
【００３４】
加速器１００は、周回する荷電粒子ビームを曲げる偏向電磁石１４６，周回する荷電粒子ビームにエネルギーを与える高周波加速空胴１４７，周回する荷電粒子ビームに磁界を印加してベータトロン振動を共鳴状態にする４極電磁石１４５や多極電磁石１１、および周回する荷電粒子ビームに高周波を印加してベータトロン振動を増加する出射用高周波印加装置１２０を備えている。また、偏向電磁石１４６，４極電磁石１４５、および多極電磁石１１に電流を、そして、高周波加速空胴１４７に電力を供給する加速器用電源装置
１６５と、出射用高周波印加装置１２０に電力を供給する出射用高周波電源１６６を備える。
【００３５】
加速器１００から出射されて、輸送系１７１で治療室１０１に輸送されたビームは回転照射装置１１０で患者に照射される。
【００３６】
回転照射装置１１０を説明する。回転照射装置１１０は、加速器１００から出射された出射ビームを照射対象まで輸送するための４極電磁石１５０および偏向電磁石１５１、および４極電磁石１５０および偏向電磁石１５１に電流を供給する電源装置１７０を備える。
【００３７】
さらに、回転照射装置１１０は、照射ノズル１１１を備える。照射ノズル１１１には、照射位置をｘ方向およびｙ方向に動かすための電磁石２２０，２２１を備える。ここで、ｘ方向は偏向電磁石１５１の偏向面に平行な方向、ｙ方向は偏向電磁石１５１の偏向面に垂直な方向である。電磁石２２０，２２１には電流を供給する電源装置１６０が接続されている。電磁石２２０，２２１の下流には、ビーム径を増加させるための散乱体３００を設置する。また、散乱体３００のさらに下流には、ビームの照射線量分布を測定する線量モニタ３０１を設置している。また、患部の周囲の正常組織を傷めないように、照射対象である患者の直前には、コリメータ２２５を設置する。
【００３８】
図２（ｂ）に散乱体３００で拡大されたビーム強度分布３０２を示す。散乱体で広げられたビームは、ほぼガウス分布をしている。従って、加速器からビームの出射を停止した状態で、図２（ｂ）に示すように散乱体３００で拡大されたビームの径の半分程度ずらし、それぞれの位置で等しい線量を照射すると、それらの重畳により、ビームの照射中心位置以外の場所でも概略等しい照射線量３０３になる。従って、予め、治療計画で定めた照射線量を照射したことを線量モニタ３０１で確認した後、加速器からのビームを停止し、照射位置を移動して、加速器からビームを出射する手順を繰り返していくことにより患部を均一に照射できる。
【００３９】
一方、照射線量が不均一であるのは、２ｒの外側の領域である。しかし、照射線量が均一な照射領域２ｒを円形に荷電粒子ビームを走査して実現する場合に比べると、不均一な領域は小さい。従って、荷電粒子ビームの損失を少なくできる。また、散乱体３００で広げられたビームの径は、円形に荷電粒子ビームを走査する場合に比べて小さいから、散乱体３００の厚さも薄くできる。従って、荷電粒子ビームのエネルギー損失も低減できる。
【００４０】
図３に体内の深さとイオンビームの照射線量の関係の例を示す。図３の照射線量のピークをブラッグピークと呼ぶ。ブラッグピークの位置は、ビームエネルギーにより変化する。そこで、照射ノズル１１１では、図４に示すようにビームのエネルギーとエネルギー幅を調整するためのレンジシフタ２２２とリッジフィルタ２２３及び患部の深さ方向形状に従ってエネルギーを変化させる患者ボーラス２２４を設置する。リッジフィルタ２２３は、図４のｘ方向に、山と谷が繰り返す構造にする。この山の部分を通過した粒子は、エネルギーの減少が大きく、谷の部分を通過した粒子は、エネルギーの減少が少なく、山の部分の高さと谷の部分の高さに応じたエネルギー分布を持たせることができる。本実施例では、荷電粒子ビームのエネルギー幅が、患部の厚さが最も大きい位置に一致するリッジフィルタを使用する。
【００４１】
演算装置１３１は、制御装置１３２が患部への荷電粒子ビームの照射を制御するために必要なデータを求める装置である。
【００４２】
制御装置１３２は、前段加速器９８から加速器１００への荷電粒子ビームの出射，加速器１００を周回する荷電粒子ビームの加速，加速器１００から回転照射装置１１０への荷電粒子ビームの出射および回転照射装置１１０における荷電粒子ビームの輸送を制御するための装置である。加速器１００から回転照射装置１１０へ出射された荷電粒子ビームは照射対象に照射されるので、加速器１００からの出射を制御することは、患部への荷電粒子ビームの照射を制御することになる。
【００４３】
まず、演算装置１３１の役割について説明し、次に制御装置１３２による荷電粒子ビーム装置の運転方法を説明する。
【００４４】
演算装置１３１は、オペレーターから患部の形状，深さ，必要な照射線量Ｒ等の患部情報と散乱体３００の厚さや材料等の情報を入力される。演算装置１３１は、入力された患部情報と散乱体情報に基づいて、ビーム径，照射領域，ビームの水平方向の照射点，電磁石２２０，２２１に供給される電流の大きさ，患部に照射される荷電粒子ビームのエネルギー，必要な線量などを演算して求める。水平方向の照射点の間隔は、散乱体３００で拡大されたビームの径の半分程度以下にすることが望ましい。
【００４５】
演算装置１３１を図５に示す。演算装置１３１の照射領域形成部１３３は、入力された患部情報に基づいて、図６に示すように、患部を深さ方向の複数の層Ｌｉ（ｉ＝１，２…Ｎ）に分割する。エネルギー計算部１３４は、それぞれの層の深さに応じて照射に適したビームエネルギーＥｉを求める。
【００４６】
照射領域形成部１３３は、さらに、各層Ｌｉの形状に応じて、荷電粒子ビームを照射する複数の照射領域Ａi,j(ｉ＝１，２…Ｎ，ｊ＝１，２…Ｍ)，照射領域Ａi,j の中心点
Ｐi,j 、およびその座標（ｘij，ｙij）を定める。荷電粒子ビームの強度は空間的にガウス分布をしているので、演算装置１３１は、荷電粒子ビームの径に基づいて、照射領域
Ａi,j と隣接する照射領域とが重なって均一な照射線量の領域を作るように、各照射領域Ａi,j の中心点Ｐi,j を定める。各中心点Ｐi,j は、ビーム径の半分程度離れているようにする。
【００４７】
照射線量計算部１３５は、必要な照射線量Ｒに基づいて各中心点Ｐi,j の目標照射線量Ｒijを求める。
【００４８】
電磁石電流計算１３６は、中心点Ｐi,j と荷電粒子ビームの中心と合わせるために、電磁石２２０，２２１に供給される電流ＩＸij，ＩＹijを定める。
【００４９】
演算装置１３１は、各層ＬｉにおけるビームエネルギーＥｉ，各照射領域Ａi,j ，中心点Ｐi,j ，中心点Ｐi,j の座標（ｘij，ｙij），目標照射線量Ｒij，電流ＩＸij，ＩＹijを制御装置１３２に出力する。
【００５０】
本実施例の荷電粒子ビーム装置の運転方法を図７に示す。
【００５１】
（１）制御装置１３２は、加速器１００から回転照射装置１１０に出射される荷電粒子ビームを照射対象である患部まで輸送するために、４極電磁石１５０および偏向電磁石
１５１に電流を供給するように、電源装置１７０を制御する。
【００５２】
（２）制御装置１３２は、前段加速器９８が荷電粒子ビームを出射するように、前段加速器９８を制御する。
【００５３】
（３）制御装置１３２は、周回する荷電粒子ビームをエネルギーＥｉまで加速するために、偏向電磁石１４６，４極電磁石１４５に電流を供給するように、そして、高周波加速空胴１４７に電力を供給するように、加速器用電源装置１６５を制御する。
【００５４】
（４）周回する荷電粒子ビームがエネルギーＥｉまで加速されたら、制御装置１３２は、周回する荷電粒子ビームのベータトロン振動を共鳴状態にするために、４極電磁石145、および多極電磁石１１に電流を供給するように、加速器用電源装置１６５を制御する。
【００５５】
４極電磁石１４５、および多極電磁石１１に電流が供給されると、出射のための共鳴の安定限界が発生し、安定限界の外側に移動した周回荷電粒子ビームは、ベータトロン振動が共鳴状態になる。
【００５６】
（５）制御装置１３２は、荷電粒子ビームの中心と中心点Ｐi,j とを合わせるために、電磁石２２０，２２１に電流ＩＸij，ＩＹijを供給するように、電源装置１６０を制御する。
【００５７】
（６）制御装置１３２は、目標照射線量Ｒijと線量モニタ３０１で測定された中心点
Ｐi,j の照射線量を比較する。
【００５８】
（７）中心点Ｐi,j の照射線量が目標照射線量Ｒijに達していない場合は、制御装置
１３２は、加速器１００から回転照射装置１１０に出射を開始するために、出射用高周波印加装置１２０に電力を供給するように、出射用高周波電源１６６を制御する。
【００５９】
出射用高周波印加装置１２０に電力が供給されると、周回する荷電粒子ビームに高周波電磁界が印加され、周回する荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅が増加する。ベータトロン振動振幅が増加して、ベータトロン振動の共鳴の安定限界を超えると荷電粒子ビームは、加速器１００から回転照射装置１１０へ出射される。回転照射装置１１０において、荷電粒子ビームは照射領域Ａi,j に照射される。
【００６０】
（８）制御装置１３２は、目標照射線量Ｒijと線量モニタ３０１で測定された中心点
Ｐi,j の照射線量を比較する。中心点Ｐi,j の照射線量が目標照射線量Ｒijに達していない場合は出射を続ける。
【００６１】
（９）制御装置１３２は、中心点Ｐi,j の照射線量が目標照射線量Ｒijに達していれば出射を停止するように、出射用高周波電源１６６を制御する。そして次の照射領域
Ａi,j+1 の中心点Ｐi,j+1 に荷電粒子ビームの中心を合わせるように電源装置１６０を制御する。
【００６２】
（１０）照射領域Ａi,j の照射から照射領域Ａi,j+1 の照射へ移る際に、加速器１００を周回しているビームを利用できる場合は、（５）からの運転を行い、ビーム量，出射時間が不足する場合は、荷電粒子ビームを補給するために(２)からの運転を行う。
【００６３】
（１１）層Ｌｉの全ての照射領域Ａi,jで、照射線量が目標値に達したら、次の層Ｌi+1について、（１）からの運転を行い、層Ｌｉの場合と同様に全ての照射領域Ａi+1,j を照射する。
【００６４】
患部の全ての層Ｌｉを照射したら、荷電粒子ビーム装置の運転を終了する。
【００６５】
実施例によれば、患部の層ＬＩを均一な照射線量で照射できる。患部の層ＬＩの境界の外側にできる不均一な照射領域をコリメータ２２５で切り取るので、患部の形状に合った荷電粒子ビームの照射を行うことができる。また、切り取られる領域は、従来の円形に荷電粒子ビームを走査する場合に比べて小さいので、少ないビーム損失で治療照射を行える。また、荷電粒子ビームの照射位置設定を２台の電磁石で行っているが、患者ベッド112を移動できる構造とし、制御装置１３２から制御して照射位置を設定するようにしてもよい。
【００６６】
また、散乱体３００を使用しないと、照射される荷電粒子ビームの径は小さいので、均一な照射強度分布を得るためには照射位置間隔を極めて小さくとる必要が生じ、治療計画及び照射制御が極めて複雑になる。本実施例では、散乱体３００の使用により、荷電粒子ビームは、概略ガウス分布になるとともに、ビーム径を適切な大きさに増加できるため、照射位置間隔を極めて小さくとることなく、均一な照射線量分布を実現できる。
【００６７】
以上述べたように、本実施例の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビームの損失を低減して、均一な照射野を形成することができる。
【００６８】
また、本実施例によれば、照射目標が複雑な形状をしている場合にも、精度よく患部を照射できる。また、照射線量が目標に達するまで照射を継続するため、ビーム強度が時間的に変化した場合でも、患部にビームの密度を一様に照射できる。
【００６９】
本実施例では、加速器にシンクロトロンを使用したが、図８に示すように、加速器にサイクロトロン１７２を使用することもできる。サイクロトロン１７２からのビームの出射，停止は、制御装置１３２からの信号により偏向器１７５用の偏向器電源１７４を制御し、イオン源１７３からの荷電粒子ビームの供給と停止により行う。
【実施例２】
【００７０】
次に、本発明の第２の実施例を説明する。本実施例の機器構成は、第１の実施例と同様である。ただし、本実施例では、患部の各層Ｌｉの照射領域をｘ方向には分割せず、図９に示すように、ｙ方向にのみ分割する。すなわち、照射領域Ａi,j はｘ方向に広い。照射領域Ａi,j を照射するときは、電磁石２２０がつくる磁場の強度を変化させて、荷電粒子ビームをｘ方向に走査して照射する。
【００７１】
演算装置１３１は、荷電粒子ビームの径に基づいて、照射領域Ａi,j と隣接する照射領域とが重なって均一な照射線量の領域を作るように、各照射領域Ａi,j の中心点Ｐi,j を定める。各中心点Ｐi,j は、ビーム径の半分程度離れているようにする。
【００７２】
そして、演算装置１３１は、各照射領域Ａi,j のｘ方向の広がりに基づいて、電磁石
２２０の磁場強度を変化させる大きさΔＩＸijを求める。そして、実施例１の場合と同様に、各層ＬｉにおけるビームエネルギーＥｉ，各照射領域Ａi,jとその中心点Ｐi,j（ｘij,ｙij），目標照射線量Ｒij，電流ＩＸij，ＩＹijを求め、これらとΔＩＸij を制御装置１３２に出力する。
【００７３】
本実施例の荷電粒子ビーム装置の運転方法を図１０に示す。（７）以外は第１の実施例と同じである。
【００７４】
（７）で、制御装置１３２は、加速器１００から回転照射装置１１０に出射を開始するために、出射用高周波印加装置１２０に電力を供給するように、出射用高周波電源１６６を制御するとともに、荷電粒子ビームをｘ方向に走査して照射するために電磁石２２０の電流ＩＸij がΔＩＸij の範囲で変化するように、電源装置１６０を制御する。
【００７５】
本実施例では、照射領域Ａi,j を照射するときに、電磁石２２０がつくる磁場の強度を変化させて、荷電粒子ビームをｘ方向に走査して照射するが、電磁石２２１がつくる磁場の強度を変化させて、荷電粒子ビームをｙ方向に走査して照射するようにしてもよい。
【００７６】
本実施例によれば、第１の実施例と同様の効果が得られるとともに、ｙ方向（またはｘ方向）のみで荷電粒子ビームの出射と停止の切り替えが行われるので、第１の実施例よりも照射時間を短縮できる。
【実施例３】
【００７７】
次に、本発明の第３の実施例を説明する。本実施例では、図１と同じ構成の荷電粒子ビーム装置を用いるが、照射ノズル１１１の構成とその制御装置１３２が異なる。図１１に本実施例の照射ノズル１１１を示す。
【００７８】
本実施例では、散乱体３００を、第１の実施例よりも薄くする。散乱体３００で拡大された荷電粒子ビームの径は、第１の実施例の場合に比べて小さくなるので、照射領域
Ａi,j の数は増加する。一方、ビームの径の広がりは小さいので、実施例１で使用した患者コリメータを使用しない。また、同様に、実施例１に比べてビーム径が小さくなるため、第１の実施例で使用したリッジフィルタ及びボーラスを使用しない。
【００７９】
また、第１の実施例では、加速器１００において荷電粒子ビームのエネルギーをＥｉにしているが、本実施例では、制御装置１３２が加速器１００からのビーム出射を停止中にレンジシフタ２２２の厚さを変更することによって、荷電粒子ビームのエネルギーをＥｉにする。
【００８０】
本実施例の荷電粒子ビーム装置の運転方法を図１２に示す。（３）および（４）以外は第１の実施例と同じである。
【００８１】
（３）制御装置１３２は、各層のビームエネルギーＥｉよりも大きい定格エネルギーＥまで周回する荷電粒子ビームを加速するために、偏向電磁石１４６，４極電磁石１４５に電流を供給するように、そして、高周波加速空胴１４７に電力を供給するように、加速器用電源装置１６５を制御する。そして、定格エネルギーＥをビームをエネルギーＥｉまで低減するように、レンジシフタ２２２の厚さを調整する。
【００８２】
（４）周回する荷電粒子ビームがエネルギーＥまで加速されたら、制御装置１３２は、周回する荷電粒子ビームのベータトロン振動を共鳴状態にするために、４極電磁石１４５、および多極電磁石１１に電流を供給するように、加速器用電源装置１６５を制御する。
【００８３】
以上述べたように、本実施例の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビームの損失を少なくして、均一な照射野を形成することができる。また、患者毎のコリメータやボーラスを使用しないで患部を精度良く照射できる。
【００８４】
本実施例では、レンジシフタの厚さを一定にして照射深さ一定の状態で照射位置設定用の電磁石２２０，２２１の強度を繰り返し変更して照射し、ある深さの層を照射した後レンジシフタの厚さを変えて同様の手順を繰り返しているが、荷電粒子ビームの進行方向に平行に仮想的な層の分割を行い、電磁石２２０，２２１の強度を一定にした状態で、照射，停止その後レンジシフタの厚さを変更して照射手順を行い、ある層の照射を終えた後、電磁石２２０，２２１の強度を変更する方法でも同様の照射治療を行える。
【実施例４】
【００８５】
次に、本発明の第４の実施例を説明する。本実施例の機器構成を図１３に示す。機器構成が第１の実施例と異なる点は、患者の体の動きを検出する動き検出器２５０を設けている点と、荷電粒子ビームを照射装置へ輸送するビーム輸送系１７１に、荷電粒子ビームの輸送と停止を切り替える切り替え電磁石１７７とその電源１７６を設けていることで、その他の構成は、第１の実施例１と同一である。ただし、電源１７６は、故障して電流が流れないときは、ビームが患者に照射されないようにしておき、電流が正常に加えられたときのみ照射されるようにしておく。
【００８６】
動き検出器２５０は、体表面に設置した歪み検出装置でも良いし、あるいは、カメラで患者の動きを検出する装置でも良い。この動き検出器２５０からの信号により、患者の体の動きを検出し、体の動きが少ない時のみ、患者へビームを照射する信号を出射用高周波電源１６６とビーム輸送系の切り替え電磁石１７７の電源１７６に送る。前記信号がビーム照射可である時のみ、出射用高周波電源１６６から荷電粒子ビームに高周波を加え、さらに、電源１７６からビーム輸送系の切り替え電磁石１７７に電流を加えて荷電粒子ビームが回転照射装置１１０へ供給されるようにする。この時の運転方法を図１４に示す。運転方法の（７）および（９）以外は第１の実施例と同じである。
【００８７】
（７）では、中心点Ｐi,j の照射線量が目標照射線量Ｒijに達せず、かつ、動き検出器２５０からの信号で、患者が静止していると判断される場合は、制御装置１３２は、加速器１００から回転照射装置１１０に出射を開始するために、出射用高周波印加装置１２０に電力を供給するように、出射用高周波電源１６６を制御し、同時に、荷電粒子ビーム輸送系の切り替え電磁石１７７に電源１７６から電流を加える。ただし、動き検出器２５０からの信号で、患者が静止していないと判断される場合は、出射用高周波電源１６６と荷電粒子ビーム輸送系の切り替え電磁石１７７の電源を制御して、荷電粒子ビームの回転照射装置１１０への供給を停止する。
【００８８】
（９）では、制御装置１３２は、中心点Ｐi,j の照射線量が目標照射線量Ｒijに達していれば、出射を停止するように、出射用高周波電源１６６を制御するとともに、ビーム輸送系の切り替え電磁石１７７の電流を止めて、荷電粒子ビームの回転照射装置１１０への供給を停止する。そして次の照射領域Ａi,j+1 の中心点Ｐi,j+1 に荷電粒子ビームの中心を合わせるように電源装置１６０を制御する。
【００８９】
本実施例によれば、第１の実施例と同様の効果が得られるとともに、照射も切り替えが２つの切り替え手段によって行われるから、より安全性が高い。また、患部がほぼ静止している時に荷電粒子ビームを照射するので、照射対象を精度良く照射することができる。
【実施例５】
【００９０】
次に、本発明の第５の実施例を説明する。本実施例の機器構成を図１５に示す。機器構成が第１の実施例と異なる点は、加速器からのビーム出射にキッカー電磁石１２１を使う点である。患部の領域分けは実施例１と同様に図６のように行う。
【００９１】
キッカー電磁石１２１はキッカー電磁石の電源１６７からパルス励磁される。制御装置１３２からの信号により電源１６７からキッカー電磁石１２１にパルス電流を供給されると、キッカー電磁石１２１はビームが周回軌道を１周する程度の時間励磁されて、周回する荷電粒子ビームに磁場を与える。周回する荷電粒子ビームは、キッカー電磁石１２１から磁場を与えられると直ちに周回軌道から離れて輸送系１７１へ出射される。ビームが周回軌道を１周する程度の時間、ビームに磁場を与えるので、加速器を周回する荷電粒子はこの時間ですべて出射される。従って、キッカー電磁石１２１を１回パルス励磁すると、ビーム出射は終了する。本実施例は、ビームが周回軌道を１周する程度の短い時間に出射されるビームを、連続して利用する場合に適している。
【００９２】
本実施例での運転方法を図１６に示す。（１）で、制御装置１３２からの信号により、エネルギーＥｉの荷電粒子ビームを輸送できるように回転照射装置１１０の電磁石の励磁量を設定した後、（２）から（５）で、前段加速器９８からの加速器１００へのビーム入射，周回する荷電粒子ビームの加速、およびキッカー電磁石１２１を励磁しての出射を繰り返す。（６）で各部分領域Ａi,j について所定線量に達していないと判断される場合は、さらにビームの入射，加速、および出射を繰り返す。そして、（６）で部分領域Ａi,j について所定線量を照射した後、制御装置１３２からの信号により、（４）でビーム照射位置設定用電磁石２２０，２２１の電流ＩＸij，ＩＹijを変化させ、照射位置を変更する。そして、（７）で層Ｌｉの照射を終了したと判断される場合は、（８）で照射層を変えて全ての層を終了するまで、ビームの入射，加速，出射を繰り返す。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】第１の実施例である荷電粒子ビーム装置を示す図。
【図２】散乱体で拡大されたビーム強度分布３０２を示す図。
【図３】体内の深さとイオンビームの照射線量の関係の例を示す図。
【図４】実施例１の照射ノズル１１１を示す図。
【図５】演算装置１３１を示す図。
【図６】第１の実施例の患部の領域分けを示す図。
【図７】第１の実施例の運転の手順を示すフローチャートを示す図。
【図８】サイクロトロン１７２を使用した荷電粒子ビーム装置を示す図。
【図９】第２の実施例の患部の領域分けを示す図。
【図１０】第２の実施例の運転の手順を示すフローチャートを示す図。
【図１１】第３の実施例の照射ノズル１１１を示す図。
【図１２】第３の実施例の運転の手順を示すフローチャートを示す図。
【図１３】第４の実施例の荷電粒子ビーム装置を示す図。
【図１４】第４の実施例の荷電粒子ビーム装置の運転方法を示す図。
【図１５】第５の実施例の荷電粒子ビーム装置を示す図。
【図１６】第５の実施例の運転の手順を示すフローチャートを示す図。
【図１７】従来の荷電粒子ビーム装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００９４】
１１…多極電磁石、８０…ｘ方向走査電磁石、８１…ｙ方向走査電磁石、８２…荷電粒子ビーム、８３，３００…散乱体、９８…前段加速器、１００…加速器、１０１…治療室、１１０…回転照射装置、１１１…照射ノズル、１１２…患者ベッド、１２０…出射用高周波印加装置、１２１…キッカー電磁石、１３１…演算装置、１３２…制御装置、１４５，１５０…４極電磁石、１４６，１５１…偏向電磁石、１４７…高周波加速空胴、１６０，１７０…電源装置、１６５…加速器用電源装置、１６７，１７６…電源、１６６…出射用高周波電源、１７１…ビーム輸送系、１７２…サイクロトロン、１７３…イオン源、
１７４…偏向器電源、１７５…偏向器、１７８…切り替え電磁石、２２０，２２１…電磁石、２２２…レンジシフタ、２２３…リッジフィルタ、２２４…患者ボーラス、２２５…コリメータ、２５０…動き検出器、３０１…線量モニタ、３０２…拡大されたビーム強度分布、３０３…照射線量。
【図１】
2006026422.tif 000003
【図２】
2006026422.tif 000004
【図３】
2006026422.tif 000005
【図４】
2006026422.tif 000006
【図５】
2006026422.tif 000007
【図６】
2006026422.tif 000008
【図７】
2006026422.tif 000009
【図８】
2006026422.tif 000010
【図９】
2006026422.tif 000011
【図１０】
2006026422.tif 000012
【図１１】
2006026422.tif 000013
【図１２】
2006026422.tif 000014
【図１３】
2006026422.tif 000015
【図１４】
2006026422.tif 000016
【図１５】
2006026422.tif 000017
【図１６】
2006026422.tif 000018
【図１７】
2006026422.tif 000019