(57)【要約】【課題】ブラッグピークが極めて細く鋭い場合でも、ブラッグピーク幅を滑らかに拡大でき、均一な合計線量分布を容易に形成できる粒子線照射装置を提供することを目的とする。【解決手段】粒子線照射装置５０は、粒子線発生輸送装置１から輸送された粒子線１０を照射対象１１に照射する照射系６を備えている。照射系６は、粒子線１０をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解し、分解された粒子線成分により照射対象１１においてブラッグピークの深さ方向の幅を拡大するブラッグピーク拡大フィルタ１７と、を備えている。ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、ビーム軸９に平行な方向に厚みを有する第一材料部１８と、ビーム軸９に垂直な第一材料部１８の面に複数配置され、ビーム軸９に平行な方向に貫通している、又はビーム軸９に平行な方向に窪んだ孔部１９と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速させた粒子線の発生及び輸送を行う粒子線発生輸送装置と、前記粒子線発生輸送装置から輸送された前記粒子線を照射対象に照射する照射系と、を備えた粒子線照射装置であって、
前記照射系は、輸送された前記粒子線のビーム軸に対して垂直な二方向に前記粒子線を偏向させる走査装置と、前記粒子線をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解し、分解された前記粒子線成分により前記照射対象においてブラッグピークの深さ方向の幅を拡大するブラッグピーク拡大フィルタと、を備え、
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、
前記ビーム軸に平行な方向に厚みを有する第一材料部と、
前記ビーム軸に垂直な前記第一材料部の面に複数配置され、前記ビーム軸に平行な方向に貫通している、又は前記ビーム軸に平行な方向に窪んだ孔部と、を有することを特徴とする粒子線照射装置。
【請求項２】
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、少なくとも一部に複数の前記孔部が正方格子状に配列されており、
前記正方格子状に配列された前記孔部は、それぞれの開口形状が大きさの等しい円であることを特徴とする請求項１記載の粒子線照射装置。
【請求項３】
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、少なくとも一部に複数の前記孔部が六方格子状に配列されており、
前記六方格子状に配列された前記孔部は、それぞれの開口形状が大きさの等しい円であることを特徴とする請求項１記載の粒子線照射装置。
【請求項４】
前記ブラッグピーク拡大フィルタの前記孔部の直径は、最近接の前記孔部間の中心間距離の０．３４倍よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の粒子線照射装置。
【請求項５】
前記ブラッグピーク拡大フィルタの前記孔部の直径は、最近接の前記孔部間の中心間距離の０．３１６倍よりも大きいことを特徴とする請求項３記載の粒子線照射装置。
【請求項６】
前記ブラッグピーク拡大フィルタの前記孔部は、前記ビーム軸の上流側の開口面積と前記ビーム軸の下流側の開口面積とが異なることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
【請求項７】
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、
前記第一材料部の前記孔部に、前記第一材料部の材料と異なる材料から成る第二材料部が配置されており、
前記第一材料部の前記ビーム軸に平行な方向の厚みは、前記第二材料部の前記ビーム軸に平行な方向の厚みと等しいことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
【請求項８】
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、
前記第一材料部の前記孔部に、前記第一材料部の材料と異なる材料から成る第二材料部が配置されており、
前記第一材料部の前記ビーム軸に平行な方向の厚みは、前記第二材料部の前記ビーム軸に平行な方向の厚みと異なることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
【請求項９】
加速させた粒子線の発生及び輸送を行う粒子線発生輸送装置と、前記粒子線発生輸送装置から輸送された前記粒子線を照射対象に照射する照射系と、を備えた粒子線照射装置であって、
前記照射系は、輸送された前記粒子線のビーム軸に対して垂直な二方向に前記粒子線を偏向させる走査装置と、前記粒子線をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解し、分解された前記粒子線成分により前記照射対象においてブラッグピークの深さ方向の幅を拡大するブラッグピーク拡大フィルタと、を備え、
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、前記ビーム軸に垂直な面を有する複数のフィルタ要素により構成されており、
それぞれの前記フィルタ要素は、
前記ビーム軸に平行な方向に厚みを有する第一材料部と、
前記ビーム軸に垂直な前記第一材料部の面に複数配置され、前記ビーム軸に平行な方向に貫通している孔部を有し、
それぞれの前記フィルタ要素は、前記孔部の配置又は前記ビーム軸に垂直な方向の大きさの少なくともいずれかが異なっていることを特徴とする粒子線照射装置。
【請求項１０】
加速させた粒子線の発生及び輸送を行う粒子線発生輸送装置と、前記粒子線発生輸送装置から輸送された前記粒子線を照射対象に照射する照射系と、を備えた粒子線照射装置であって、
前記照射系は、輸送された前記粒子線のビーム軸に対して垂直な二方向に前記粒子線を偏向させる走査装置と、前記粒子線をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解し、分解された前記粒子線成分により前記照射対象においてブラッグピークの深さ方向の幅を拡大するブラッグピーク拡大フィルタと、を備え、
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、三次元的に複数の空洞部を有する多孔質の立体構造であることを特徴とする粒子線照射装置。
【請求項１１】
前記ブラッグピーク拡大フィルタは、
前記第一材料部の前記ビーム軸に平行な方向の厚みが異なる複数の領域を有し、
それぞれの前記領域における前記第一材料部の厚みは、前記第一材料部を通過して前記粒子線が照射される前記照射対象の前記ビーム軸方向の厚みに基づいて決定されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
【請求項１２】
前記照射系の前記走査装置は、
前記粒子線発生輸送装置から輸送された前記粒子線のビーム軸に対して垂直な二方向に前記粒子線を偏向させて、前記照射対象の計画された照査位置に前記粒子線を走査することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
【請求項１３】
前記照射系の前記走査装置は、
前記粒子線発生輸送装置から輸送された前記粒子線のビーム軸に対して垂直な二方向に前記粒子線を偏向させて、前記照射対象に円形軌道を描くように前記粒子線を走査することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、粒子線（荷電粒子ビーム）を腫瘍等の患部に照射して粒子線治療を行う粒子線照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療は、加速器等の機器を用いて陽子または炭素イオンなどの荷電粒子を数百メガ電子ボルト程度まで加速し、患者に照射することで体内の照射対象である腫瘍（患部）に線量を付与し、がんを治療する方法である。このとき腫瘍に対して、医師により指示される線量分布、すなわち目標分布にできるだけ近い線量分布を形成することが重要である。多くの場合、目標分布は、腫瘍内において線量が均一であり、かつ腫瘍外において腫瘍内よりも線量ができるだけ低くなるような分布である。
【０００３】
一般的に、加速器で加速された粒子線を物体（人体含む）に照射した場合、物体内での三次元線量分布はある一点で線量最大ピークを持つという特性がある。この線量最大ピークをブラッグピークと呼ぶ。また、三次元空間において一点で線量最大ピークを持つ場合、そのピーク位置をその粒子線の「照射位置」として定義する。以上のようなピーク構造を持つ粒子線を用いて、三次元的に目標分布を形成するためには何らかの工夫が必要である。
【０００４】
粒子線照射装置における照射方法には、大きく分けて２つある。第一の照射方法は、粒子線を散乱体で散乱させて拡大し、拡大した粒子線を照射対象の形状に合わせて照射野を形成し、照射対象である患者の患部全体に対してビームを一斉に照射するブロード照射法である。第二の照射方法は、照射対象の形状に合わせるように、細いペンシル状のビームを走査電磁石により任意の位置に走査して照射する走査式照射法（スポットスキャニング法、ラスタースキャニング法等）である。また、いくつかあるブロード照射法の内、粒子線を回転磁場でＸ方向、Ｙ方向同時に回転させて照射野を平坦化させるワブラー法では、Ｘ方向、Ｙ方向の２台のワブラー電磁石で粒子線を円軌道に沿って高速に走査する。
【０００５】
ブロード照射法では、一般的に照射対象（患部）の厚みに応じて、ブラッグピークの幅を拡大するリッジフィルタが用いられる（例えば、特許文献１）。特許文献１には、従来のリッジフィルタの問題点が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２５５０９３号公報（００２２段〜００２３段、図９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
複数の楔形要素を有するリッジフィルタの各楔形要素に２０数段の段部が形成されている場合には、リッジフィルタを通過する段部の数に応じたエネルギーの異なる粒子線成分により、体内に線量が高くかつ一様な合計総量分布が得られる。しかし、各楔形要素の段部の数を減らした場合には、リッジフィルタの製作は容易になるものの、体内における深さ方向の合計総量分布が不均一になってしまうことが特許文献１に指摘されている。すなわち、従来の粒子線照射装置は、ブラッグピークが極めて細く鋭い場合には、ブラッグピーク幅を滑らかに拡大するために非常に精巧なリッジフィルタが必要だった。
【０００８】
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、ブラッグピークが極めて細く鋭い場合でも、ブラッグピーク幅を滑らかに拡大でき、均一な合計線量分布を容易に形成できる粒子線照射装置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】
【０００９】
本願に開示される粒子線照射装置は、加速させた粒子線の発生及び輸送を行う粒子線発生輸送装置と、粒子線発生輸送装置から輸送された粒子線を照射対象に照射する照射系と、を備えている。照射系は、輸送された粒子線のビーム軸に対して垂直な二方向に粒子線を偏向させる走査装置と、粒子線をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解し、分解された粒子線成分により照射対象においてブラッグピークの深さ方向の幅を拡大するブラッグピーク拡大フィルタと、を備えている。ブラッグピーク拡大フィルタは、ビーム軸に平行な方向に厚みを有する第一材料部と、ビーム軸に垂直な第一材料部の面に複数配置され、ビーム軸に平行な方向に貫通している、又はビーム軸に平行な方向に窪んだ孔部と、を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本願に開示される粒子線照射装置は、第一材料部の面に貫通している又は窪んだ孔部が複数配置されているブラッグピーク拡大フィルタを備えているので、ブラッグピークが極めて細く鋭い場合でも、ブラッグピーク幅を滑らかに拡大でき、均一な合計線量分布を容易に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１による粒子線照射装置の概略構成図である。
【図２】図１のブラッグピーク拡大フィルタの第１例を示す斜視図である。
【図３】図２のブラッグピーク拡大フィルタのビーム軸の上流側から見た正面図である。
【図４】図１のブラッグピーク拡大フィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。
【図５】第一比較例のリッジフィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を示す図である。
【図６】第一比較例の線量分布を示す図である。
【図７】第二比較例の線量分布を示す図である。
【図８】図１の粒子線照射装置による粒子線のエネルギー頻度分布の例を示す図である。
【図９】図８の粒子線のエネルギー頻度分布に対応した線量分布を示す図である。
【図１０】実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第２例を示す正面図である。
【図１１】実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第３例を示す正面図である。
【図１２】実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第４例を示す正面図である。
【図１３】実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第５例を示す正面図である。
【図１４】実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第６例を示す正面図である。
【図１５】実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第７例を示す正面図である。
【図１６】実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第８例を示す正面図である。
【図１７】実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第９例を示す正面図である。
【図１８】図１７におけるＡ−Ａの断面図である。
【図１９】図１７のブラッグピーク拡大フィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。
【図２０】実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第１０例を示す正面図である。
【図２１】図２０の第一のフィルタ要素を示す正面図である。
【図２２】図２０の第二のフィルタ要素を示す正面図である。
【図２３】図２０の第三のフィルタ要素を示す正面図である。
【図２４】図２０のブラッグピーク拡大フィルタにおけるビーム軸の上流側から見た孔部の正面図である。
【図２５】図２０のブラッグピーク拡大フィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。
【図２６】実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第１１例を示す正面図である。
【図２７】図２６の第一のフィルタ要素を示す正面図である。
【図２８】図２６の第二のフィルタ要素を示す正面図である。
【図２９】図２６の第三のフィルタ要素を示す正面図である。
【図３０】図２６の第四のフィルタ要素を示す正面図である。
【図３１】図２６のブラッグピーク拡大フィルタにおけるビーム軸の上流側から見た孔部の正面図である。
【図３２】実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第１２例を示す正面図である。
【図３３】実施の形態２による粒子線照射装置の概略構成図である。
【図３４】図３３の粒子線照射装置の動作を示すフロー図である。
【図３５】比較例の粒子線照射装置による粒子線のエネルギー頻度分布の例を示す図である。
【図３６】図３５の粒子線のエネルギー頻度分布に対応した線量分布を示す図である。
【図３７】図３３の粒子線照射装置による粒子線のエネルギー頻度分布の例を示す図である。
【図３８】図３７の粒子線のエネルギー頻度分布に対応した線量分布を示す図である。
【図３９】実施の形態３による粒子線照射装置の要部を説明する図である。
【図４０】図３９の第一のフィルタ部の断面図である。
【図４１】図４０の第一のフィルタ部通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。
【図４２】図３９の第一のフィルタ部による線量分布の例を示す図である。
【図４３】図３９の第二のフィルタ部の断面図である。
【図４４】図３９の第二のフィルタ部通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。
【図４５】図３９の第二のフィルタ部による線量分布の例を示す図である。
【図４６】実施の形態３による他の粒子線照射装置の要部を説明する図である。
【図４７】図４６の第三のフィルタ部の断面図である。
【図４８】図４６の第三のフィルタ部通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。
【図４９】図４６の第三のフィルタ部による線量分布の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は実施の形態１による粒子線照射装置の概略構成図である。図２は図１のブラッグピーク拡大フィルタの第１例を示す斜視図であり、図３は図２のブラッグピーク拡大フィルタのビーム軸の上流側から見た正面図である。図４は図１のブラッグピーク拡大フィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。実施の形態１の粒子線照射装置５０は、ブロード照射法によるブロード照射を実行する例である。実施の形態１の粒子線照射装置５０は、荷電粒子を必要なエネルギーまで加速して、加速された荷電粒子を粒子線１０として発生させ、照射系６に輸送する粒子線発生輸送装置１と、粒子線１０を患者１３の照射対象１１に照射野を形成するように照射する照射系６と、照射対象１１に照射すべき粒子線１０の予定線量値、走査装置２の走査速度情報などを記憶する記憶部３と、粒子線発生輸送装置１による粒子線１０の出射開始および遮断と、走査装置２による粒子線１０の走査とを制御する制御部４を備えている。
【００１３】
照射系６は、粒子線発生輸送装置１により発生された粒子線１０を粒子線が上流側から下流側に進行するビーム進行方向（ビーム軸方向）であるＺ方向に対して垂直な二方向、すなわちＸおよびＹ方向に偏向させて、粒子線１０を例えば円形軌道を描くように走査するＸ方向走査装置２３及びＹ方向走査装置２４を有する走査装置２と、散乱体２５と、ブラッグピーク拡大フィルタ１７と、リッジフィルタ２６と、レンジシフタ２７と、粒子線１０が照射対象１１に照射される線量値を測定する線量モニタ５と、マルチリーフコリメータ２８と、ボーラス（補償フィルタ）２９を備えている。散乱体２５は、鉛などで構成され、粒子線１０を散乱させる。ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、粒子線１０をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解し、分解された複数の粒子線成分により照射対象１１においてブラッグピークを拡大する。リッジフィルタ２６は、アルミニウムなどで構成され、照射対象１１の厚さに応じて、粒子線１０のブラッグピークの幅を拡大する。レンジシフタ２７は、粒子線１０のエネルギーを変更し、粒子線１０の飛程を変更する。レンジシフタ２７は、厚みの異なる複数の透過ユニット（図示せず）を有しており、透過ユニットを移動して透過ユニット合計厚みを変更することで、粒子線１０のエネルギーを低減させて変更する。ビーム軸９は、Ｘ方向走査装置２３及びＹ方向走査装置２４により粒子線１０が偏向されない場合の粒子線１０が進行する軸である。また、ビーム軸９は、粒子線１０を照射する際の基準であるアイソセンタ（図示せず）を通過する軸である。照射系６が回転ガントリに搭載された場合には、回転ガントリの回転軸と粒子線１０のビーム軸９との交点がアイソセンタである。
【００１４】
マルチリーフコリメータ２８は、複数のリーフ板からなるリーフ部とリーフ板のそれぞれを駆動するリーフ駆動機構で構成され、粒子線１０のビーム軸９に垂直な照射野（平面形状）を照射対象１１の形状に合わせるように調整する。ボーラス（補償フィルタ）２９は、照射対象１１の深さ形状（ディスタル形状）に合うように粒子線１０のエネルギーを調整する。リッジフィルタ２６は、例えば錐状体や断面が三角形の板を面方向に多数並べたような形状にされ、これにより、面方向における分割領域毎に異なる厚みを通過する粒子線１０が存在するようになっている。図１では、理解しやすいように三角柱（楔形要素）が横向きに並べられたように記載している。ブラッグピーク拡大フィルタ１７により分解されたエネルギーの異なる複数の粒子線成分がリッジフィルタ２６を通過することにより、ブラッグピークが拡大され、所定の幅のＳＯＢＰ（Ｓｐｒｅａｄ−Ｏｕｔ  Ｂｒａｇｇ  Ｐｅａｋ）を有するようになる。すなわち、ブラッグピーク拡大フィルタ１７及びリッジフィルタ２６により、照射野はビーム軸方向（深さ方向）にも広げられたことになる。
【００１５】
粒子線照射装置５０の動作を説明する。まず、粒子線発生輸送装置１のパラメータを、粒子線１０のエネルギーが、治療計画で計画されたエネルギー値に設定する。その後、粒子線１０を発生させて照射を開始し、それと同時に線量モニタ５による粒子線１０の線量測定を開始する。測定された粒子線１０の線量である測定線量の値が、記憶部３に記憶された予定線量値に到達するまで粒子線１０の照射を継続する。測定線量の値が記憶部３に記憶された予定線量値に到達した場合は、粒子線１０の照射を終了する。
【００１６】
粒子線１０のエネルギーを変更する際に、粒子線発生輸送装置１の加速器の種類がシンクロトロンである場合には、シンクロトロンの運転パターンを変化させることで粒子線のエネルギーを変更することが可能である。また、加速器の種類がサイクロトロンである場合には、粒子線輸送路の途中にエネルギー選択システム（ＥＳＳ：Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）を配置することで粒子線１０のエネルギーを変更することが可能である。
【００１７】
ブラッグピーク拡大フィルタ１７について詳しく説明する。ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、図２に模式的に示すように、粒子線１０の進行方向すなわちビーム軸方向と垂直な面を持ち、第一材料部１８と、粒子線１０のビーム軸方向と平行な方向に貫通する複数の孔部１９から形成される。換言すれば、ブラッグピーク拡大フィルタ１７は一枚の板に複数の小さな貫通孔が空いたものであるとも言える。また、第一材料部１８の厚みは、粒子線１０を完全に停止できる厚さよりは小さい。第一材料部１８の厚さは、例えば材料がアルミニウムの場合の厚さが０．５ｍｍ、アクリル樹脂の場合の厚さが１ｍｍである。図３に、ブラッグピーク拡大フィルタ１７を粒子線１０のビーム軸の上流側から見た図を示す。孔部１９の形状は例えば円形であり、孔部１９の配置は例えば正方格子状である。孔部１９の中心と、隣接する孔部１９の中心との距離（中心間距離）Ｌは例えば２ｍｍである。また、孔部１９の直径Ｄは例えば１．５ｍｍである。このような構造は、ＮＣ（Numerical Control）加工により製作することができる。あるいは、フォトリソグラフィによっても製作することができる。
【００１８】
ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、通過する一部の粒子線１０のエネルギーを低減させる。すなわち、ブラッグピーク拡大フィルタ１７の第一材料部１８を通過した粒子線１０はエネルギーが低減され、孔部１９を通過した粒子線１０はエネルギーが低減されない。ブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過した粒子線１０は、図４に示すようにエネルギーが異なる２つの粒子線成分に分かれ、２つの粒子線成分の重ね合わせによりブラッグピークの幅が大きくなる。このように、ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、患者１３の体表面からの深さ方向においてブラッグピークの幅を増大させる機能を有する。図４において、横軸は粒子線のエネルギーであり、縦軸は粒子線の各エネルギー成分の頻度である。図４に示したエネルギーがＥ１のエネルギー成分３０ａは第一材料部１８を通過した粒子線成分によるエネルギー成分であり、エネルギーがＥ２のエネルギー成分３０ｂは孔部１９を通過した粒子線成分によるエネルギー成分である。
【００１９】
ブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過することで、幅が増大されたブラッグピークの形状は、２つの粒子線成分の割合によって決まる。２つの粒子線成分の割合は、ブラッグピーク拡大フィルタ１７の粒子線１０が通過する範囲における第一材料部１８と孔部１９の面積の比、すなわち粒子線１０のビーム軸の上流側から見た面積の比によって決まる。例えば図３に示すような孔部１９の配置は、正方格子状の配置である。孔部１９が直径Ｄの円であり、孔部１９の中心が一辺の長さがＬの正方形の頂点に存在するような配置（正方格子状の配置）をしている場合には、第一材料部１８と孔部１９の面積比Ｒａは式（１）のように計算できる。
Ｌ２−π×Ｄ２／４  ：  π×Ｄ２／４      ・・・（１）
【００２０】
例えばＬ＝２ｍｍ、Ｄ＝１．５ｍｍの場合、面積比Ｒａは概ね５：４となる。孔部１９の大きさおよび配置を変更することで、面積比Ｒａはある程度自由に調節することができる。孔部１９の面積が第一材料部１８の面積に対してあまりに小さすぎる場合は、２つの粒子線成分のうち、エネルギーの低いほうの成分が支配的となり、ブラッグピークの形状もほとんどエネルギーの低いほうの成分によって決まる。この場合は、ブラッグピーク幅拡大の効果があまり得られない。具体的には、孔部１９の面積は少なくとも、第一材料部１８の面積の１／１０以上であることが望ましい。そのために必要な条件は、式（１）を用いて式（２）と表すことができる。
Ｄ／Ｌ  ＞  ０．３４      ・・・（２）
【００２１】
ブラッグピーク拡大フィルタ１７の作用を、比較例と比較しながら説明する。図５は第一比較例のリッジフィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を示す図であり、図６は第一比較例の線量分布を示す図である。図７は、第二比較例の線量分布を示す図である。図８は図１の粒子線照射装置による粒子線のエネルギー頻度分布の例を示す図であり、図９は図８の粒子線のエネルギー頻度分布に対応した線量分布を示す図である。図５、図８において、横軸は粒子線のエネルギーであり、縦軸は粒子線の各エネルギー成分の頻度である。図６、図７、図９において、横軸は深さ、すなわち照射対象１１の内部におけるＺ方向の位置（Ｚ位置）であり、縦軸は粒子線の線量である。
【００２２】
第一比較例は、ブラッグピーク拡大フィルタ１７が配置されていない粒子線照射装置により、ブラッグピークを拡大する例である。ブラッグピーク拡大フィルタ１７が配置されていない従来の粒子線照射装置では、リッジフィルタ２６の各楔形要素の一面に例えば２０数段の段部が形成されている。この場合には、リッジフィルタ２６を通過した粒子線は、２０数個のエネルギーが異なる粒子線成分を含んでいる。エネルギーに対する荷電粒子数の分布は、荷電粒子のエネルギーを決定する各段部の１つの楔形要素に占める割合によって決まる。このため、楔形要素の縦断面の形状によって、リッジフィルタ２６を通過した粒子線のエネルギー分布が決まる。ブラッグピーク拡大フィルタ１７が設置されない従来の照射野形成装置において、７個の段部を一面に形成した楔形要素を有するリッジフィルタ２６を通過した粒子線の粒子線成分におけるエネルギー成分の分布を、図５に示した。
【００２３】
粒子線が体内において到達する深さは、粒子線が持っているエネルギーによって決まる。エネルギーが大きい粒子線は深い位置まで到達し、エネルギーが小さい粒子線ほど到達する位置は浅くなる。図５のようにエネルギーが異なる７個の粒子線成分を含む粒子線においては、この粒子線を患者１３に照射した場合にはエネルギーに応じて各粒子線成分が体内で到達する異なる７つの各位置でブラッグピークが形成される。そのような粒子線を照射した場合の体内の合計線量分布３２は、体内の深さ方向において、それらのブラッグピークが足し合わされる。図６では、ブラッグピークが異なる７つの線量分布３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆ、３１ｇを示した。７つの線量分布３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆ、３１ｇが足し合わされた合計線量分布３２は、線量が高くかつ一様になっている範囲が深さ方向に広がっている。
【００２４】
リッジフィルタ２６の楔形要素に形成される段部の数を減らして高さ方向における段部の間隔を粗く製作した場合を考える。第二比較例は、ブラッグピーク拡大フィルタ１７が配置されておらず、かつ第一比較例のリッジフィルタ２６よりも段部の数が少ないリッジフィルタ２６を有する粒子線照射装置によりブラッグピークを拡大する例である。リッジフィルタ２６の楔形要素に形成される段部の数を減らして高さ方向における段部の間隔を粗く製作した場合には、第一比較例のリッジフィルタ２６に比べてリッジフィルタの製作は簡単になる。しかし、第二比較例のリッジフィルタ２６を通過した粒子線に含まれる、エネルギーの異なる粒子線成分の数が減り、各粒子線成分間のエネルギーの差が大きくなる。このため、図７に示すように、照射対象１１の内部の深さ方向における合計線量分布３２が凹凸のある不均一な形状になる。図７では、ブラッグピークが異なる４つの線量分布３１ａ、３１ｃ、３１ｅ、３１ｇを示した。なお、図７では、図６における３つの線量分布３１ｂ、３１ｄ、３１ｆが除かれている例を示した。
【００２５】
次に、リッジフィルタ２６の上流側にブラッグピーク拡大フィルタ１７を設置した場合における体内の合計線量分布について説明する。ブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過した粒子線は、前述したように、エネルギーが異なる２つの粒子線成分を含んでいる。図８では、ブラッグピーク拡大フィルタ１７の孔部１９を通過し、リッジフィルタ２６の楔形要素における４つの段部を通過した、４つのエネルギーがＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４のエネルギー成分と、ブラッグピーク拡大フィルタ１７の第一材料部１８を通過し、リッジフィルタ２６の楔形要素における４つの段部を通過した、４つのエネルギーがＥ１ａ、Ｅ２ａ、Ｅ３ａ、Ｅ４ａのエネルギー成分を示した。図９では、４つの線量分布３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄと、線量分布３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄを合わせた合計線量分布３４を示した。線量分布３３ａは、エネルギーＥ１ａ、Ｅ１のエネルギー成分による線量分布である。同様に、線量分布３３ｂはエネルギーＥ２ａ、Ｅ２のエネルギー成分による線量分布であり、線量分布３３ｃはエネルギーＥ３ａ、Ｅ３のエネルギー成分による線量分布であり、線量分布３３ｄはエネルギーＥ４ａ、Ｅ４のエネルギー成分による線量分布である。
【００２６】
ブラッグピーク拡大フィルタ１７の下流に位置するリッジフィルタ２６を通過した粒子線を照射することによって、図９に示したように、体内に形成される各ブラッグピークの幅が広くなる。実施の形態１の粒子線照射装置５０は、ブラッグピーク拡大フィルタ１７を設置しない従来の粒子線照射装置と比べ、リッジフィルタ２６の段部の数および加工精度が同等の条件であっても、合計線量分布を均一にすることが容易になる。したがって、実施の形態１の粒子線照射装置５０は、粒子線１０をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解するブラッグピーク拡大フィルタ１７を備えるので、ブラッグピークが極めて細く鋭い場合でも、体内に形成される各ブラッグピーク幅を滑らかに拡大でき、均一な合計線量分布を容易に形成できる。
【００２７】
また、実施の形態１の粒子線照射装置５０は、合計線量分布の均一度を保ったまま、リッジフィルタ２６の段部の数を減らしたり、加工の要求精度を緩めることで、リッジフィルタ２６の製造に要する時間を短縮できる。したがって、実施の形態１の粒子線照射装置５０は、粒子線１０をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解するブラッグピーク拡大フィルタ１７を備えるので、段部の数の少ないリッジフィルタ２６を用いても、体内に形成される各ブラッグピーク幅を滑らかに拡大でき、均一な合計線量分布を容易に形成できる。
【００２８】
なお、図１ではブラッグピーク拡大フィルタ１７をリッジフィルタ２６の上流側に配置する例を示したが、ブラッグピーク拡大フィルタ１７をリッジフィルタ２６の下流側に配置しても構わない。
【００２９】
ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、図２、図３に示した第１例の構成に限らず、他の構成であってもよい。ブラッグピーク拡大フィルタ１７の孔部１９の配置は、図１０に示すように、六方格子状の配置であってもよい。図１０は、実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第２例を示す正面図である。この場合、第一材料部１８と孔部１９の面積比Ｒａは式（３）のように計算できる。
Ｌ２×√３／２−π×Ｄ２／４  ：  π×Ｄ２／４      ・・・（３）
【００３０】
六方格子状の配置は、正方格子状の配置のときと同様に孔部１９の大きさと配置を変更することで面積比Ｒａをある程度自由に調節することが可能である。正方格子状の配置のときと同様に、孔部１９の面積が第一材料部１８の面積に対してあまりに小さすぎる場合は、ブラッグピーク幅拡大の効果があまり得られない。孔部１９の面積は少なくとも、第一材料部１８の面積の１／１０以上であることが望ましい。そのために必要な条件は、式（３）を用いて式（４）と表すことができる。
Ｄ／Ｌ  ＞  ０．３１６      ・・・（４）
【００３１】
また、孔部１９の配置は、図１１に示すように環状であってもよいし、図１２に示すようにランダム配置であってもよい。図１１は実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第３例を示す正面図であり、図１２は実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第４例を示す正面図である。
【００３２】
孔部１９の形状は必ずしも円である必要はなく、例えば図１３に示すように多角形であってもよい。また孔部１９の大きさは必ずしも全て等しい必要はなく、例えば図１４に示すように複数種類の異なる大きさの孔部を有する構造をしていてもよい。いずれの例においても、ブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過した粒子線１０の２つのエネルギーを持つ粒子線成分の割合は、ブラッグピーク拡大フィルタ１７を粒子線１０が通過する範囲における第一材料部１８と孔部１９の、粒子線１０のビーム軸の上流側から見た面積の比によって決まる。図１３は実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第５例を示す正面図であり、図１４は実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第６例を示す正面図である。
【００３３】
以上の説明では、第１〜第６例のブラッグピーク拡大フィルタ１７は空気中に配置され、孔部１９には空気が存在していることを前提に記載している。しかし、照射系６の設計上、ブラッグピーク拡大フィルタ１７は真空中に配置されても良く、その場合、孔部１９を満たす要素は真空となる。また同様に、ブラッグピーク拡大フィルタ１７はヘリウムガスを封入したガスチェンバー内に配置されても良く、その場合、孔部１９を満たす要素はヘリウムとなる。
【００３４】
さらに他の構成のブラッグピーク拡大フィルタ１７であってもよい。図１５は実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第７例を示す正面図であり、図１６は実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第８例を示す正面図である。図１５に示すように、第一材料部１８の孔部１９が、第一材料部１８とは異なる材料から成る固体で満たされるように配置されても良い。すなわち、第７例のブラッグピーク拡大フィルタ１７は、第一材料部１８と、第一材料部１８と異なる材料から成る第二材料部５２から形成されている。第一材料部１８の孔部１９が完全に固体で満たされた場合には、孔部１９という呼称は適切ではないので、第二材料部５２を用いる。
【００３５】
第一材料部１８と第二材料部５２とで粒子線１０に対するストッピング・パワー、すなわち低減力の異なる材料を用いることで、第一材料部１８を通過した粒子線１０と第二材料部５２を通過した粒子線１０とが異なるエネルギー低減を受けるため、第二材料部５２が空洞である場合と同様の効果が得られる。また、第一材料部１８と第二材料部５２とで同じ材料を用い、厚さを変えることでもやはり同様の効果が得られる。図１６に示すように、第一材料部１８を一体の構造で製造することが不可能な形状であっても、第二材料部５２を固体で満たすことにより、ブラッグピーク拡大フィルタ１７を一体の構造物として形成することが可能になる。
【００３６】
ブラッグピーク拡大フィルタ１７の孔部１９の大きさは、ビーム軸方向に対して一定ではなく、図１７に示すように、孔部１９がテーパー形状をしていても良い。図１７は、実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第９例を示す正面図である。図１８は図１７におけるＡ−Ａの断面図であり、図１９は図１７のブラッグピーク拡大フィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。図１８では、図１７のＡ−Ａで示した破線とビーム軸方向を含む平面にてブラッグピーク拡大フィルタ１７を切断した断面図を示した。孔部１９は、粒子線１０が進行する方向（ビーム軸方向）の上流側の開口が広く、下流側の開口は狭くなっている。孔部１９は、上流側開口５９、テーパー形状の側面であるテーパー部５７、下流側開口５８を有している。粒子線１０がビーム軸９に平行な方向からブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過する場合、下流側開口５８を通過する粒子線１０ｃはテーパー部５７によるエネルギー低減を受けない。下流側開口５８は、第一材料部１８を貫通している底部ということもできる。図１８では、粒子線１０の軌跡を模式的に３つの粒子線１０ａ、１０ｂ、１０ｃとして記載した。第一材料部１８を通過した粒子線１０ａはエネルギーを低減し比較的低いエネルギーを有し、孔部１９の下流側開口５８を通過した粒子線１０ｃはエネルギーが低減されず、比較的高いエネルギーを有する。さらに、孔部１９のテーパー形状に形成されたテーパー部５７を通過した粒子線１０ｂは、その中間のエネルギーを有する。
【００３７】
したがって、第９例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過した粒子線１０は図１９に示すように複数のエネルギーを有する粒子線成分によって構成される。図４に示したような、粒子線１０のエネルギーの異なる粒子線成分が２つである場合に比べ、第９例のブラッグピーク拡大フィルタ１７は、粒子線１０を３つ以上のエネルギーの異なる粒子線成分に分解し、分解された複数の粒子線成分により照射対象１１においてブラッグピークを拡大することができる。図１９では、９個の異なるエネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６、Ｅ７、Ｅ８、Ｅ９に対応した粒子線成分による、９個のエネルギー成分の例を示した。図１９において、横軸は粒子線のエネルギーであり、縦軸は粒子線の各エネルギー成分の頻度である。第９例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を備えた粒子線照射装置５０は、３つ以上の粒子線成分によって形成される線量分布が２つの粒子線成分によって形成される線量分布よりも滑らかになるので、幅が拡大されたブラッグピークを有する線量分布のカーブ形状も滑らかになり、ブラッグピーク位置の異なる複数の線量分布を足し合わせることで、均一な合計線量分布の形成がより容易になる。
【００３８】
なお、テーパー形状の孔部１９は、ビーム軸９の上流側の開口面積とビーム軸９の下流側の開口面積とが異なっていると表現することもできる。図１７、図１８に示した例は、上流側の開口面積が下流側の開口面積よりも大きい例である。また、テーパー形状の孔部１９は、上流側の開口面積が下流側の開口面積よりも小さい場合でもよい。この場合もテーパー部５７を通過した粒子線１０は、通過したテーパー部５７の厚さに応じてエネルギーが低減されるので、図１７、図１８に示した例と同様の効果が得られる。
【００３９】
ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、複数のフィルタ要素によって構成されても良い。図２０は、実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第１０例を示す正面図である。図２１、図２２、図２３は、それぞれ図２０の第一のフィルタ要素、第二のフィルタ要素、第三のフィルタ要素を示す正面図である。図２４は、図２０のブラッグピーク拡大フィルタにおけるビーム軸の上流側から見た孔部の正面図であり、図２５は図２０のブラッグピーク拡大フィルタ通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図である。図２５において、横軸は粒子線のエネルギーであり、縦軸は粒子線の各エネルギー成分の頻度である。図２０では、３枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃにより構成されるブラッグピーク拡大フィルタ１７の例を示した。それぞれのフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃは、第一材料部１８と異なる大きさの孔部１９を有している。フィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃは、第１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７と同様に、第一材料部１８と、粒子線１０のビーム軸方向と平行な方向に貫通する複数の孔部１９から形成される。図２１は、３枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃを重ねたときに、孔部１９の１つをビーム軸の上流側から見た図である。開口５４ａ、５４ｂ、５４ｃは、それぞれフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃの孔部１９の開口である。
【００４０】
第１０例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過した粒子線１０のエネルギーの成分は、３枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃの第一材料部１８と、孔部１９の開口５４ａ、５４ｂ、５４ｃの組合せにより、４つの領域５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄが形成される。領域５５ａは、粒子線１０が３枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃの第一材料部１８を通過する領域である。領域５５ｂは、粒子線１０が３枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃにおける２つの第一材料部１８と、１つの孔部１９を通過する領域である。図２４では、領域５５ｂは、粒子線１０が２枚のフィルタ要素５３ｂ、５３ｃにおける２つの第一材料部１８と、フィルタ要素５３ａの孔部１９の開口５４ａを通過する領域の例を示した。領域５５ｃは、粒子線１０が３枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃにおける１つの第一材料部１８と、２つの孔部１９を通過する領域である。図２４では、領域５５ｃは、粒子線１０が１枚のフィルタ要素５３ｃにおける第一材料部１８と、フィルタ要素５３ａ、５３ｂの孔部１９の開口５４ａ、５４ｂを通過する領域の例を示した。領域５５ｄは、粒子線１０が３枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃの孔部１９の開口５４ａ、５４ｂ、５４ｃを通過する領域である。
【００４１】
第１０例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過した粒子線１０は、通過した各領域５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄに対応して４つの異なるエネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４を有する粒子線成分に分解される。第１０例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過した粒子線１０のエネルギー成分の頻度分布は、例えば図２５のようになる。第１０例のブラッグピーク拡大フィルタ１７のような構成でも、近似的に、図１７に示したテーパー形状の孔部１９を有する第９例のブラッグピーク拡大フィルタ１７と同様に、幅が拡大されたブラッグピークを有する線量分布のカーブ形状を滑らかにする効果が得られる。
【００４２】
フィルタ要素の数を増やすことで、第１０例のブラッグピーク拡大フィルタ１７は、幅が拡大されたブラッグピークを有する線量分布のカーブ形状を更に滑らかにする効果が得られる。フィルタ要素の数が２つの場合は、２つの第一材料部１８を通過する領域、１つの第一材料部１８と１つの孔部１９を通過する領域と、２つの孔部１９を通過する領域が形成される。２つのフィルタ要素を備えた第１０例のブラッグピーク拡大フィルタ１７は、粒子線１０を３つの異なるエネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３を有する粒子線成分に分解することができる。したがって、複数のフィルタ要素を有する第１０例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を備えた粒子線照射装置５０は、３つ以上の粒子線成分によって線量分布を形成できるので、第１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を用いた場合における、２つ粒子線成分によって形成される線量分布よりも滑らかになるので、幅が拡大されたブラッグピークを有する線量分布のカーブ形状も滑らかになる。そして、複数のフィルタ要素を有する第１０例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を備えた粒子線照射装置５０は、ブラッグピーク位置の異なる複数の線量分布を足し合わせることで、均一な合計線量分布の形成がより容易になる。図２０に示した、３つのフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃを有する第１０例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を備えた粒子線照射装置５０は、４つの粒子線成分によって線量分布を形成できる。
【００４３】
複数のフィルタ要素からなるブラッグピーク拡大フィルタ１７の他の例を、図２６〜図３１を用いて説明する。図２６は、実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第１１例を示す正面図である。図２７、図２８、図２９、図３０は、それぞれ図２６の第一のフィルタ要素、第二のフィルタ要素、第三のフィルタ要素、第四のフィルタ要素を示す正面図である。図３１は、図２６のブラッグピーク拡大フィルタにおけるビーム軸の上流側から見た孔部の正面図である。図２６では、４枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄにより構成され、それぞれのフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄの孔部１９の大きさが同じで、孔部１９の配置が異なっている、ブラッグピーク拡大フィルタ１７の例を示した。フィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄは、第１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７と同様に、第一材料部１８と、粒子線１０のビーム軸方向と平行な方向に貫通する複数の孔部１９から形成される。図３１は、４枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄを重ねたときに、孔部１９の１つをビーム軸の上流側から見た図である。開口５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄは、それぞれフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５４ｄの孔部１９の開口である。
【００４４】
第１１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過した粒子線１０のエネルギーの成分は、４枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄの第一材料部１８と、孔部１９の開口５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄの組合せにより、５つの領域５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅが形成される。領域５６ａは、粒子線１０が４枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄの第一材料部１８を通過する領域である。領域５６ｂは、粒子線１０が４枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄにおける３つの第一材料部１８と、１つの孔部１９を通過する領域である。領域５６ｃは、粒子線１０が４枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄにおける２つの第一材料部１８と、２つの孔部１９を通過する領域である。領域５６ｄは、粒子線１０が４枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄにおける１つの第一材料部１８と、３つの孔部１９を通過する領域である。領域５６ｅは、粒子線１０が４枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄの孔部１９を通過する領域である。
【００４５】
図３１において実線円で表示した、ビーム軸９の上流側から見た最上流側のフィルタ要素５３ａの開口５４ａの内側を例に、領域５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅを説明する。領域５６ｂは、フィルタ要素５３ａの開口５４ａと、３枚のフィルタ要素５３ｂ、５３ｃ、５３ｄにおける３つの第一材料部１８を粒子線１０が通過する領域である。領域５６ｃは、２つ存在する。第１の領域５６ｃは、２枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂの２つの開口５４ａ、５４ｂと、２枚のフィルタ要素５３ｃ、５３ｄの２つの第一材料部１８を粒子線１０が通過する領域である。第２の領域５６ｃは、２枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｄの２つの開口５４ａ、５４ｄと、２枚のフィルタ要素５３ｂ、５３ｃの２つの第一材料部１８を粒子線１０が通過する領域である。領域５６ｄは、２つ存在する。第１の領域５６ｄは、３枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃの３つの開口５４ａ、５４ｂ、５４ｃと、フィルタ要素５３ｄの１つの第一材料部１８を粒子線１０が通過する領域である。第２の領域５６ｄは、３枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｃ、５３ｄの３つの開口５４ａ、５４ｃ、５４ｄと、フィルタ要素５３ｂの１つの第一材料部１８を通過する領域である。領域５６ｅは、４枚のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄの４つの開口５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄを粒子線１０が通過する領域である。
【００４６】
第１１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過した粒子線１０は、通過した各領域５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅに対応して５つの異なるエネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５を有する粒子線成分に分解される。第１１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７のような構成でも、近似的に、図１７に示したテーパー形状の孔部１９を有する第９例のブラッグピーク拡大フィルタ１７と同様に、幅が拡大されたブラッグピークを有する線量分布のカーブ形状を滑らかにする効果が得られる。
【００４７】
フィルタ要素の数を増やすことで、第１１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７は、幅が拡大されたブラッグピークを有する線量分布のカーブ形状を更に滑らかにする効果が得られる。フィルタ要素の数が２つの場合は、２つの第一材料部１８を通過する領域、１つの第一材料部１８と１つの孔部１９を通過する領域と、２つの孔部１９を通過する領域が形成される。２つのフィルタ要素を備えた第１１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７は、粒子線１０を３つの異なるエネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３を有する粒子線成分に分解することができる。したがって、複数のフィルタ要素を有する第１１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を備えた粒子線照射装置５０は、３つ以上の粒子線成分によって線量分布を形成できるので、第１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を用いた場合における、２つ粒子線成分によって形成される線量分布よりも滑らかになるので、幅が拡大されたブラッグピークを有する線量分布のカーブ形状も滑らかになる。そして、複数のフィルタ要素を有する第１１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を備えた粒子線照射装置５０は、ブラッグピーク位置の異なる複数の線量分布を足し合わせることで、均一な合計線量分布の形成がより容易になる。図２６に示した、４つのフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄを有する第１１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を備えた粒子線照射装置５０は、５つの粒子線成分によって線量分布を形成できる。
【００４８】
ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、三次元的に複数の空洞部を有する多孔質の立体構造であってもよい。図３２は、実施の形態１によるブラッグピーク拡大フィルタの第１２例を示す正面図である。図３２では、アクリル製の直方体形状をしたブロックである第一材料部１８に、球状の孔部１９が複数箇所に形成された例を示した。第１２例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過した粒子線１０には、孔部１９を通過せずに比較的大きなエネルギー低減を受けた成分も存在すれば、孔部１９を通過することで比較的小さなエネルギー低減を受けた成分も存在する。また、通過する孔部１９の大きさや個数も粒子線１０の通過位置ごとに様々であるため、第１２例のブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過した粒子線１０のエネルギーの成分の頻度分布は連続的な幅を持つ。このため、第１２例のブラッグピーク拡大フィルタ１７は、第１０例、第１１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７と同様に、幅が拡大されたブラッグピーク有する線量分布のカーブ形状を滑らかにする効果が得られる。図３２に示したような多孔質の立体構造による、第１２例のブラッグピーク拡大フィルタ１７は、例えば、積層造型（３Ｄプリンタ）により製作することができる。
【００４９】
なお、第１例〜第６例、第９例のブラッグピーク拡大フィルタ１７では、孔部１９が貫通している例を示したが、貫通していなくてもビーム軸９に平行な方向に窪んだ孔部でもよい。後述する図４７のようにビーム軸９の下流側が貫通していない底部６０を有していてもよく、ビーム軸９の上流側が貫通しておらず、下流側が窪んでいてもよい。また、孔部１９のビーム軸９に平行な方向の途中に肉薄部を設けて、ビーム軸９の上流側及び下流側が窪んでいてもよい。また、第１０例、第１１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７では、各フィルタ要素の孔部１９が貫通している例を示したが、貫通していなくてもビーム軸９に平行な方向に窪んだ孔部でもよい。
【００５０】
以上のように、実施の形態１の粒子線照射装置５０は、加速させた粒子線１０の発生及び輸送を行う粒子線発生輸送装置１と、粒子線発生輸送装置１から輸送された粒子線１０を照射対象１１に照射する照射系６と、を備えている。照射系６は、輸送された粒子線１０のビーム軸９に対して垂直な二方向に粒子線１０を偏向させる走査装置２と、粒子線１０をエネルギーの異なる複数の粒子線成分に分解し、分解された粒子線成分により照射対象１１においてブラッグピークの深さ方向の幅を拡大するブラッグピーク拡大フィルタ１７と、を備えている。ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、ビーム軸９に平行な方向に厚みを有する第一材料部１８と、ビーム軸９に垂直な第一材料部１８の面に複数配置され、ビーム軸９に平行な方向に貫通している、又はビーム軸９に平行な方向に窪んだ孔部１９と、を有する。実施の形態１の粒子線照射装置５０は、第一材料部１８の面に貫通している又は窪んだ孔部１９が複数配置されているブラッグピーク拡大フィルタ１７を備えているので、ブラッグピークが極めて細く鋭い場合でも、ブラッグピーク幅を滑らかに拡大でき、均一な合計線量分布を容易に形成できる。
【００５１】
実施の形態２．
実施の形態１に示したブラッグピーク拡大フィルタ１７は、走査式照射法による走査式照射（スポットスキャニング照射、ラスタースキャニング照射等）においても使用することができる。図３３は、実施の形態２による粒子線照射装置の概略構成図である。実施の形態２の粒子線照射装置５０は、走査式照射法による走査式照射を実行する例である。実施の形態２の粒子線照射装置５０は、荷電粒子を必要なエネルギーまで加速して、加速された荷電粒子を粒子線１０として発生させ、走査装置２に輸送する粒子線発生輸送装置１と、粒子線発生輸送装置１により発生された粒子線１０を粒子線が上流側から下流側に進行するビーム進行方向（ビーム軸方向）であるＺ方向に対して垂直な二方向、すなわちＸおよびＹ方向に偏向させて、患者腫瘍内、すなわち照射対象１１の任意の位置（治療計画で計画された照射位置）に走査させる走査装置２を備えている。通常、粒子線発生輸送装置１は、荷電粒子を加速する加速器と加速器から走査装置２まで粒子線１０を輸送するための輸送系を備えている。走査装置２は、粒子線１０をＸ方向に偏向させるＸ方向走査装置２１と、粒子線１０をＹ方向に偏向させるＹ方向走査装置２２を備えている。
【００５２】
粒子線発生輸送装置１は発生させる粒子線１０のエネルギーを変更することが可能である。例えば粒子線発生輸送装置１がシンクロトロンである場合には、シンクロトロンの運転パラメータを変更することにより、異なるエネルギーの粒子線を発生させることができる。また、例えば粒子線発生輸送装置１がサイクロトロンである場合には、粒子線輸送経路上にエネルギー選択システム（ＥＳＳ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）を配置することで、異なるエネルギーの粒子線を発生させることができる。
【００５３】
さらに、粒子線照射装置５０は、照射対象１１における各照射位置１２の位置情報、各照射位置１２に照射すべき粒子線１０の予定線量値、走査装置２の走査速度情報などを記憶する記憶部３と、粒子線発生輸送装置１による粒子線１０の出射開始および遮断と、走査装置２による粒子線１０の走査とを制御する制御部４と、走査装置２で走査された粒子線１０が照射対象１１の各照射位置１２に照射される線量値を測定する線量モニタ５を備えている。なお、記憶部３に記憶する各照射位置１２の位置情報としては、例えば照射位置番号、各照射位置１２のＸＹ座標系における位置情報、および粒子線１０を各照射位置１２のＸ位置及びＹ位置に偏向させるための走査装置２の走査電磁石であるＸ方向走査装置２１及びＹ方向走査装置２２の励磁電流値、および各照射位置１２のＺ位置（Ｚ方向の位置）に対応するエネルギーなどがある。
【００５４】
さらに、粒子線照射装置５０は、粒子線１０が走査されて通過する経路上の少なくとも一部に、ブラッグピーク拡大フィルタ１７を有する。ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、例えば、図２に示すような、粒子線１０のビーム軸９の方向と垂直な面、すなわちＺ方向と垂直なＸＹ平面を持ち、第一材料部１８と、粒子線１０のビーム軸９の方向と平行な方向に貫通する複数の孔部１９から形成される。ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、図２に示した第１例のブラッグピーク拡大フィルタに限らず、実施の形態１にて例示した他の構成や、それらの組み合わせであってもよい。走査装置２、線量モニタ５、ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、粒子線１０を照射対象１１に照射野を形成して照射する照射系６である。
【００５５】
実施の形態２の粒子線照射装置５０による走査式照射の動作を、図３４を用いて説明する。図３４は、図３３の粒子線照射装置の動作を示すフロー図である。ステップＦ０１にて照射動作を開始する。まず、粒子線発生輸送装置１のパラメータを、粒子線１０のエネルギーが照射する最初のエネルギーになるよう設定する（ステップＦ０２）。また、走査装置２のパラメータを、粒子線１０の照射位置１２が最初のエネルギーに対応する最初の照射位置１２となるよう設定する（ステップＦ０３）。その後、粒子線１０を発生させて照射を開始し、それと同時に線量モニタ５による粒子線１０の線量測定を開始する（ステップＦ０４）。ステップＦ０５にて、測定された粒子線１０の線量である測定線量の値が、記憶部３に記憶された予定線量値に到達するまで粒子線１０の照射を継続する。測定線量の値が記憶部３に記憶された予定線量値に到達した場合は、ステップＦ０６に進む。
【００５６】
ステップＦ０６にて、当該照射位置１２が設定されたエネルギー内の最終照射位置かどうかを判定し、最終照射位置でないと判定された場合はステップＦ０８に進み、最終照射位置であると判定された場合はステップＦ０７に進む。ステップＦ０８にて、走査装置２のパラメータを、粒子線１０の照射位置１２が記憶部３に記憶された次の照射位置１２となるよう設定し、次の照射位置１２に対する照射を継続し、次の照射位置１２に対する測定を開始する。ステップＦ０５にて、次の照射位置１２に対する測定線量の値が、記憶部３に記憶された予定線量値に到達したら、再びステップＦ０６による判定を行う。
【００５７】
ステップＦ０６にて、当該照射位置１２が同エネルギー内の最終照射位置かどうかを判定し、最終照射位置であると判定された場合は、ステップＦ０７にて粒子線１０の照射を停止する。次に、当該エネルギーが計画された最終のエネルギーであるかどうかを判定する（ステップＦ０９）。ステップＦ０９にて、最終のエネルギーでないと判定された場合は、粒子線発生輸送装置１が発生させる粒子線１０のエネルギーを次のエネルギーへと変更し（ステップＦ１０）、再び、ステップＦ０３からの一連のステップを繰り返す。ステップＦ０９にて、最終のエネルギーであると判定された場合は、照射を終了する（ステップＦ１１）。
【００５８】
次に、実施の形態２による走査式照射を実行する粒子線照射装置５０の効果を説明する。図３５は比較例の粒子線照射装置による粒子線のエネルギー頻度分布の例を示す図であり、図３６は図３５の粒子線のエネルギー頻度分布に対応した線量分布を示す図である。図３７は図３３の粒子線照射装置による粒子線のエネルギー頻度分布の例を示す図であり、図３８は図３７の粒子線のエネルギー頻度分布に対応した線量分布を示す図である。図３５、図３７において、横軸は粒子線のエネルギーであり、縦軸は粒子線の各エネルギー成分の頻度である。図３６、図３８において、横軸は深さ、すなわち照射対象の内部におけるＺ方向の位置（Ｚ位置）であり、縦軸は粒子線の線量である。図３５は、ブラッグピーク拡大フィルタ１７を使用しない場合における、粒子線照射装置により照射される粒子線のエネルギー頻度分布の例である。図３６は、図３５のエネルギー頻度分布に対応して、照射対象の内部におけるＺ位置と線量の関係を示している。走査式照射においては本来、三次元の線量分布を考慮すべきであるが、ここでは簡単のためＺ方向の一次元についてのみ説明する。また、走査式照射においては典型的には１０から３０段程度のエネルギー変更がなされるが、ここでは簡単のため、エネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４の４段のみを図に表記する。線量分布３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、それぞれエネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４のエネルギー成分による線量分布である。合計線量分布３２は、線量分布３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを合わせた合計線量分布である。
【００５９】
一般的に粒子線治療においては、照射対象１１の内部の線量は均一であることが望ましいとされる。しかしながら、単一のエネルギーを有する粒子線１０が照射されたときの深さ方向（Ｚ方向）の線量分布は、急峻なブラッグピークを有するため、ブラッグピークのエネルギーの間隔によっては、各エネルギーの粒子線１０が形成するブラッグピークを重ね合わせた合計線量分布を均一化するのが困難である可能性がある。この問題を解決する最も単純な手段はブラッグピークのエネルギーの間隔を密にすることである。しかしながら、ブラッグピークのエネルギーの間隔を密にすると、照射対象１１の全域をカバーするために必要なエネルギーの段数が増え、したがってエネルギー変更の回数が増え、トータルの照射時間が長くなってしまうデメリットがある。また、エネルギーの段数が増え、照射位置１２の個数も増えることによって、一つの照射位置１２に対する予定線量値が平均的に小さくなり、照射線量の精密な制御が困難になるという問題も発生しうる。
【００６０】
一方、ブラッグピーク拡大フィルタ１７を使用した場合には、図３７、図３８に示すように、粒子線１０のエネルギー成分の数が比較例に比べて２倍になり、合計線量分布が比較例に比べて均一にすることができる。図３７は、ブラッグピーク拡大フィルタ１７を使用した場合に、照射される粒子線１０のエネルギーの頻度分布の例である。また、図３８は、図３７のエネルギー頻度分布に対応して、照射対象１１の内部におけるＺ位置と線量の関係を示している。ここでは、例として、第一材料部１８と孔部１９の面積比が１：１であるようなブラッグピーク拡大フィルタを想定する。粒子線１０は、ブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過することで、第一材料部１８を通過してエネルギーが低減した低減粒子線成分、すなわちエネルギーＥａ１、Ｅａ２、Ｅａ３、Ｅａ４を有する各粒子線成分と、孔部１９を通過してエネルギーが低減しない非低減粒子線成分、すなわちエネルギーＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４を有する各粒子線成分との、エネルギーの異なる２つの粒子線成分に分解されて照射対象１１へと届く。
【００６１】
粒子線発生輸送装置１によって、４段のエネルギー変更を行った場合、それぞれのエネルギーの粒子線１０は２つの粒子線成分に分かれる。このため、最終的に照射対象１１へと届く粒子線１０は、合計で８種類のエネルギーの粒子線成分を持つことになる。すなわち、図３７に示すように、エネルギーＥａ１、Ｅ１、Ｅａ２、Ｅ２、Ｅａ３、Ｅ３、Ｅａ４、Ｅ４を有する粒子線成分に分かれた粒子線１０が照射対象１１へ届く。粒子線発生輸送装置１によって発生する１段のエネルギーに対し、分解された低減粒子線成分、非低減粒子線成分によってそれぞれ形成される線量分布を合算した分布は、もとのブラッグピークと比べてピーク幅が拡大される。線量分布３３ａは、エネルギーＥａ１、Ｅ１を有する粒子線成分による線量分布である。同様に、線量分布３３ｂはエネルギーＥａ２、Ｅ２を有する粒子線成分による線量分布であり、線量分布３３ｃはエネルギーＥａ３、Ｅ３を有する粒子線成分による線量分布であり、線量分布３３ｄはエネルギーＥａ４、Ｅ４を有する粒子線成分による線量分布である。合計線量分布３４は、線量分布３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄを合わせた合計線量分布である。したがって、実施の形態２の粒子線照射装置５０は、全ての段のエネルギーによる照射線量分布を合わせた合計線量分布３４を均一化することが容易になる。
【００６２】
実施の形態３．
実施の形態１に示したブラッグピーク拡大フィルタ１７は、実施の形態２と異なる、すなわちエネルギー変更を伴わない走査式照射に使用することもできる。図３９は、実施の形態３による粒子線照射装置の要部を説明する図である。実施の形態３の粒子線照射装置５０の構成要素は、ブラッグピーク拡大フィルタ１７の形状を除いて、実施の形態２による粒子線照射装置５０と同一である。このため、図３９では、ブラッグピーク拡大フィルタ１７、粒子線１０と照射対象１１ａについてのみ図示し、それ以外の構成要素の記載を全て省略する。また、実施の形態３の粒子線照射装置５０の動作についても、エネルギーの変更をしない点を除いて実施の形態２の粒子線照射装置５０と同一であり、図３４のフロー図においてエネルギーの数が１段である場合と同一であるため、省略する。
【００６３】
図３９に示す照射対象１１ａは、粒子線１０のビーム軸９の方向に対して、範囲３５ａ内にある深さ方向（Ｚ方向）の厚みが、範囲３５ｂ内にある深さ方向（Ｚ方向）の厚みよりも、大きい例である。実施の形態３の粒子線照射装置５０は、ブラッグピーク拡大フィルタ１７を有し、ブラッグピーク拡大フィルタ１７の第一材料部１８は、照射対象１１ａの厚みに基づき、異なる厚みを有する。範囲３５ａは破線３７ａから破線３７ｂの範囲であり、範囲３５ｂは破線３７ｂから破線３７ｃの範囲である。ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、範囲３５ａに対応したフィルタ部３８ａと、範囲３５ｂに対応したフィルタ部３８ｂを有する。フィルタ部３８ａの深さ方向（Ｚ方向）の厚みは、フィルタ部３８ｂの深さ方向（Ｚ方向）の厚みよりも厚くなっている。実施の形態３のブラッグピーク拡大フィルタ１７は、第一材料部１８のビーム軸９に平行な方向の厚みが異なる複数の領域（フィルタ部３８ａ、３８ｂ）を有し、それぞれの領域（フィルタ部３８ａ、３８ｂ）における第一材料部１８の厚みは、第一材料部１８を通過して粒子線１０が照射される照射対象１１のビーム軸方向の厚みに基づいて決定されている。なお、図３９において、体表面３６も記載した。
【００６４】
図４０〜図４５を用いて、実施の形態３のブラッグピーク拡大フィルタ１７を説明する。図４０は、図３９の第一のフィルタ部の断面図である。図４１は図４０の第一のフィルタ部通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図であり、図４２は図３９の第一のフィルタ部による線量分布の例を示す図である。図４３は、図３９の第二のフィルタ部の断面図である。図４４は図３９の第二のフィルタ部通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図であり、図４５は図３９の第二のフィルタ部による線量分布の例を示す図である。ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、第９例のブラッグピーク拡大フィルタ１７（図１７、図１８参照）と同様に、テーパー形状の孔部１９を有する。孔部１９は、粒子線１０が進行する方向（ビーム軸方向）の上流側の開口が広く、下流側の開口は狭くなっている。孔部１９は、上流側開口５９、テーパー形状の側面であるテーパー部５７、下流側開口５８を有している。すなわち、ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、上流側開口５９と、テーパー形状の側面であるテーパー部５７と、第一材料部１８を貫通している底部である下流側開口５８を有している。ブラッグピーク拡大フィルタ１７は、厚みの異なる第一材料部１８を有するフィルタ部３８ａとフィルタ部３８ｂを備えている。図４０ではフィルタ部３８ａの断面を示し、図４３ではフィルタ部３８ｂの断面を示した。図４１、図４４において、横軸は粒子線のエネルギーであり、縦軸は粒子線の各エネルギー成分の頻度である。図４２、図４５において、横軸は深さ、すなわち照射対象の内部におけるＺ方向の位置（Ｚ位置）であり、縦軸は粒子線の線量である。
【００６５】
まず、フィルタ部３８ａを説明する。第一材料部１８を通過した粒子線１０ａは、エネルギーが低減され比較的低いエネルギーを有する。孔部１９を通過した粒子線１０ｃは、エネルギーが低減されず、比較的高いエネルギーを有する。さらに、孔部１９のテーパー部５７を通過した粒子線１０ｂは、テーパー部５７の厚みに応じてその中間のエネルギーを有する。したがって、ブラッグピーク拡大フィルタ１７を通過した粒子線１０は図４１に示すように複数のエネルギーを有する粒子線成分によって構成される。このとき、第一材料部１８の厚みとテーパー部５７の形状を適切に設計することで、複数のエネルギーを有する粒子線成分の頻度分布を調節し、全ての成分による線量分布を合計した合計線量分布３９ａが、図４２のように範囲３５ａの照射対象１１ａの内部で均一になるようにすることが可能である。
【００６６】
エネルギー成分４０ａは、第一材料部１８を通過したエネルギーＥａ１を有する粒子線１０ａにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分４０ｇは、孔部１９の下流側開口５８を通過したエネルギーＥａ７を有する粒子線１０ｃにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆは、それぞれ孔部１９のテーパー部５７を通過したエネルギーＥａ２、Ｅａ３、Ｅａ４、Ｅａ５、Ｅａ６を有する粒子線１０ｂにおける粒子線成分のエネルギー成分である。例えば、エネルギー成分４０ｂは、孔部１９のテーパー部５７における体表面３６に遠い側、すなわちＺ方向の浅い側を通過したエネルギーＥａ２を有する粒子線１０ｂにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分４０ｆは、孔部１９のテーパー部５７における体表面３６に近い側、すなわちＺ方向の深い側を通過したエネルギーＥａ６を有する粒子線１０ｂにおける粒子線成分のエネルギー成分である。
【００６７】
次に、フィルタ部３８ｂを説明する。ブラッグピーク拡大フィルタ１７のフィルタ部３８ｂを通過した粒子線１０は、範囲３５ａのフィルタ部３８ａと同様に、図４４のエネルギー成分４１ａ〜４１ｇに示すように複数のエネルギーを有する粒子線成分によって構成される。しかしフィルタ部３８ｂの第一材料部１８の厚みはフィルタ部３８ａの第一材料部１８よりも小さいため、フィルタ部３８ｂの第一材料部１８を通過した粒子線１０ａの粒子線成分は、フィルタ部３８ａの第一材料部１８を通過した粒子線１０ａの粒子線成分と比べ、高いエネルギーを有する。したがって、フィルタ部３８ｂを通過した粒子線１０の粒子線成分における、最大エネルギーと最小エネルギーの隔たりは、フィルタ部３８ａを通過した粒子線１０の粒子線成分における、最大エネルギーと最小エネルギーの隔たりと比べて小さい。
【００６８】
エネルギー成分４１ａは、第一材料部１８を通過したエネルギーＥｂ１を有する粒子線１０ａにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分４１ｇは、孔部１９の下流側開口５８を通過したエネルギーＥｂ７を有する粒子線１０ｃにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ、４１ｆは、それぞれ孔部１９のテーパー部５７を通過したエネルギーＥｂ２、Ｅｂ３、Ｅｂ４、Ｅｂ５、Ｅｂ６を有する粒子線１０ｂにおける粒子線成分のエネルギー成分である。例えば、エネルギー成分４１ｂは、孔部１９のテーパー部５７における体表面３６に遠い側、すなわちＺ方向の浅い側を通過したエネルギーＥｂ２を有する粒子線１０ｂにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分４１ｆは、孔部１９のテーパー部５７における体表面３６に近い側、すなわちＺ方向の深い側を通過したエネルギーＥｂ６を有する粒子線１０ｂにおける粒子線成分のエネルギー成分である。なお、フィルタ部３８ａの孔部１９の下流側開口５８を通過した粒子線成分のエネルギー成分４０ｇのエネルギーＥａ７と、フィルタ部３８ｂの孔部１９の下流側開口５８を通過した粒子線成分のエネルギー成分４１ｇのエネルギーＥｂ７とは、エネルギー値は同じである。
【００６９】
フィルタ部３８ｂにおいても、フィルタ部３８ａと同様に、第一材料部１８の厚みとテーパー部５７の形状を適切に設計することで、複数のエネルギーを有する粒子線成分の頻度分布を調節し、全ての成分による線量分布を合計した合計線量分布３９ｂが、図４５のように範囲３５ｂの照射対象１１ａの内部で均一になるようにすることが可能である。ただし、線量が均一になる部分の、深さ方向の幅は、範囲３５ａと比べて小さくなる。
【００７０】
このとき、範囲３５ａにおいては、範囲３５ｂに比べ、深さ方向により広い範囲でエネルギー成分の分布が拡大し、照射対象１１ａ内の単位体積当たりに付与されるエネルギーが減少することに注意しなければならない（作用１）。そのため、粒子線発生輸送装置１から発せられる粒子線１０の量が同じであったとしても、範囲３５ａでは範囲３５ｂに比べ、照射対象１１ａにおいて付与される線量は低くなる。したがって、照射対象１１ａの全域において三次元的に均一な線量分布を形成するために、前述した作用１を考慮して、範囲３５ａ内にある照射位置１２に対しては、範囲３５ｂ内にある照射位置１２よりも高い予定線量値を設定する必要がある。以上のように、照射位置１２によって第一材料部１８の厚みが異なるブラッグピーク拡大フィルタ１７を用い、第一材料部１８の厚みと孔部１９のテーパー部５７の形状を適切に設計することで、深さ方向（Ｚ方向）の厚みの異なる照射対象１１ａに対し、均一な線量分布を形成することが可能である。
【００７１】
図３９では、体表面３６から照射対象１１ａの底面（粒子線１０の照射方向の上流から見て遠い方の端）までの距離がＸ方向及びＹ方向の照射位置によらず一定である例を示した。次に、体表面３６から底面までの距離が異なる照射対象１１ｂに対応したブラッグピーク拡大フィルタ１７について説明する。図４６は実施の形態３による他の粒子線照射装置の要部を説明する図であり、図４７は図４６の第三のフィルタ部の断面図である。図４８は図４６の第三のフィルタ部通過後の粒子線のエネルギー成分を説明する図であり、図４９は図４６の第三のフィルタ部による線量分布の例を示す図である。図４８において、横軸は粒子線のエネルギーであり、縦軸は粒子線の各エネルギー成分の頻度である。図４９において、横軸は深さ、すなわち照射対象の内部におけるＺ方向の位置（Ｚ位置）であり、縦軸は粒子線の線量である。
【００７２】
図４６では、体表面３６から照射対象１１ｂの底面までの距離が、範囲３５ａに比べ範囲３５ｂの方が短くなっている例である。すなわち、体表面３６からの照射対象１１ｂの底面の位置が、範囲３５ａに比べ範囲３５ｂの方が近くなっている例である。図４６に示したブラッグピーク拡大フィルタ１７は、図３９と同様に、厚みの異なる第一材料部１８を有するフィルタ部３８ａとフィルタ部３８ｃを備えている。フィルタ部３８ａは図３９で説明したものと同じである。フィルタ部３８ｃは、貫通しない孔部１９を有する。フィルタ部３８ｃは、図４３に示したフィルタ部３８ｂに対し、孔の無い構造体をさらに重ねた形状をしている。フィルタ部３８ｃの孔部１９は、上流側開口５９と、テーパー形状の側面であるテーパー部５７と、貫通しない底部６０を有している。このような構成のブラッグピーク拡大フィルタ１７を用いることで、図４６の範囲３５ｂを通過した粒子線１０の粒子線成分が有する最大エネルギー（図４８のエネルギーＥｃ７参照）は、図３９の範囲３５ｂを通過した粒子線１０の粒子線成分が有する最大エネルギー（図４４のエネルギーＥｂ７参照）よりも低いエネルギーとなる。そのため、図４６の範囲３５ｂにおいて形成される合計線量分布３９ｃの均一領域の深い方の端は、図３９の範囲３５ｂにおいて形成される合計線量分布３９ｂの深い方の端よりも浅い側となる。以上のようにすることで、図４６の照射対象１１ｂのように、体表面３６から底面までの距離が異なる照射対象に対して、均一な線量分布を形成することが可能である。
【００７３】
ブラッグピーク拡大フィルタ１７のフィルタ部３８ｃを通過した粒子線１０は、図３９の範囲３５ｂのフィルタ部３８ｂと同様に、図４８のエネルギー成分４２ａ〜４２ｇに示すような複数のエネルギーを有する粒子線成分によって構成される。エネルギー成分４２ａは、第一材料部１８を通過したエネルギーＥｃ１を有する粒子線１０ａにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分４２ｇは、孔部１９の底部６０を通過したエネルギーＥｃ７を有する粒子線１０ｃにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆは、それぞれ孔部１９のテーパー部５７を通過したエネルギーＥｃ２、Ｅｃ３、Ｅｃ４、Ｅｃ５、Ｅｃ６を有する粒子線１０ｂにおける粒子線成分のエネルギー成分である。例えば、エネルギー成分４２ｂは、孔部１９のテーパー部５７における体表面３６に遠い側、すなわちＺ方向の浅い側を通過したエネルギーＥｃ２を有する粒子線１０ｂにおける粒子線成分のエネルギー成分である。エネルギー成分４２ｆは、孔部１９のテーパー部５７における体表面３６に近い側、すなわちＺ方向の深い側を通過したエネルギーＥｃ６を有する粒子線１０ｂにおける粒子線成分のエネルギー成分である。なお、フィルタ部３８ｂの厚みとフィルタ部３８ｃの厚みとが同じ場合は、フィルタ部３８ｃの第一材料部１８を通過した粒子線成分のエネルギー成分４２ａのエネルギーＥｃ１と、フィルタ部３８ｂの第一材料部１８を通過した粒子線成分のエネルギー成分４１ａのエネルギーＥｂ１とは、エネルギー値は同じになる。
【００７４】
実施の形態３の粒子線照射装置５０は、テーパー形状の孔部１９を有する第９例のブラッグピーク拡大フィルタ１７と異なるブラッグピーク拡大フィルタ１７、すなわち実施の形態１で説明した他の構成のブラッグピーク拡大フィルタ１７を用いることができる。例えば、大きさの異なる孔部１９を有する複数のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃを積層した構成（第１０例のブラッグピーク拡大フィルタ１７）、位置の異なる孔部１９を有する複数のフィルタ要素５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄを積層した構成（第１１例のブラッグピーク拡大フィルタ１７）、三次元的に孔部１９を有する多孔質の構成（第１２例のブラッグピーク拡大フィルタ１７）、あるいはそれらの組み合わせを用いた構成のブラッグピーク拡大フィルタ１７を用いることができる。これらの構成のブラッグピーク拡大フィルタ１７を用いる場合でも、実施の形態３の粒子線照射装置５０は、図３９の照射対象１１ａのように、体表面３６から底面までの距離が一定である照射対象に対して、均一な線量分布を形成することが可能である。また、これらの構成のブラッグピーク拡大フィルタ１７を用いる場合でも、実施の形態３の粒子線照射装置５０は、図４６の照射対象１１ｂのように、体表面３６から底面までの距離が異なる照射対象に対して、均一な線量分布を形成することが可能である。
【００７５】
なお、矛盾のない範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１…粒子線発生輸送装置、２…走査装置、６…照射系、９…ビーム軸、１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…粒子線、１１、１１ａ、１１ｂ…照射対象、１２…照射位置、１７…ブラッグピーク拡大フィルタ、１８…第一材料部、１９…孔部、３８ａ、３８ｂ、３８ｃ…フィルタ部、５０…粒子線照射装置、５２…第二材料部、５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ…フィルタ要素、Ｄ…直径、Ｌ…距離（中心間距離）
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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