(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器を含む荷電粒子ビーム発生装置と、前記荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームを照射対象部に照射する照射装置とを備え、
前記照射装置が、前記荷電粒子ビームを走査する荷電粒子ビーム走査装置と、前記荷電粒子ビーム走査装置で走査された前記荷電粒子ビームによって形成されるブラッグピークの深さ方向における幅を増大させるブラッグピーク拡大装置とを有し、
前記ブラッグピーク拡大装置が、前記荷電粒子ビームの進行方向に順次配置されて、その進行方向と交差する方向において一方向に延びる少なくとも１つの厚肉部をそれぞれ有する第１フィルタ部材及び第２フィルタ部材を備えており、
前記第１フィルタ部材及び前記第２フィルタ部材は、互いに前記厚肉部の延びている方向が異なるように配置されており、
前記第１フィルタ部材及び前記第２フィルタ部材は、それぞれ、前記厚肉部の間に位置した、前記厚肉部よりも肉厚が薄い薄肉部を有していることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項２】
前記第１フィルタ部材の前記厚肉部のその進行方向における厚みが前記第２フィルタ部材の前記厚肉部のその厚みと異なっている請求項１記載荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項３】
加速器を含む荷電粒子ビーム発生装置と、前記荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームを照射対象部に照射する照射装置とを備え、
前記照射装置が、前記荷電粒子ビームを走査する荷電粒子ビーム走査装置と、前記荷電粒子ビーム走査装置で走査された前記荷電粒子ビームによって形成されるブラッグピークの深さ方向における幅を増大させるブラッグピーク拡大装置とを有し、
前記ブラッグピーク拡大装置が、前記荷電粒子ビームの進行方向に順次配置されて、その進行方向と交差する方向において一方向に延びる少なくとも１つの厚肉部をそれぞれ有する第１フィルタ部材及び第２フィルタ部材を備えており、
前記第１フィルタ部材及び前記第２フィルタ部材は、互いに前記厚肉部の延びている方向が異なるように配置されており、
前記第１フィルタ部材及び前記第２フィルタ部材は前記厚肉部である複数の棒状部を有し、前記第１フィルタ部材及び前記第２フィルタ部材においてそれぞれの前記複数の棒状部が間隔をおいて配置されていることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項４】
前記複数の棒状部は材質の異なる複数の棒状部を含んでいる請求項３記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項５】
前記進行方向と交差する方向は前記進行方向と直交する方向である請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子ビーム照射装置に係り、特に加速器を有する荷電粒子ビーム照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加速器等の荷電粒子ビーム発生装置から出射される荷電粒子ビーム（以下、イオンビームという）は、細いビームである。照射対象部である癌腫瘍を一様に照射するためには、イオンビームは照射野形成装置によってビーム進行方向に垂直な面内で拡大（または走査）される。荷電粒子ビーム発生装置から出射されるイオンビームは一般的にエネルギーの揃ったビームである。この荷電粒子ビーム、特に陽子線及び重粒子線を照射対象部に照射した場合には、それらのエネルギーによって決まる特定の深さにピークを有する線量分布が形成される。この線量分布のピークをブラッグピークと呼ぶ。ブラッグピークの広がりは数mmと狭いので、照射野形成装置によってイオンビームを拡大して照射対象部を一様に照射する。
【０００３】
また、照射対象部にイオンビームを一様に照射するためには、エネルギーの異なる複数のイオンビームを、重みを変えてたし合わせるとよい。エネルギー分布を拡大する方法としては、例えば、レビュー  オブ  サイエンティフィック
(Review of Scientific Instruments)Ｖol.６４  Ｎo.８（１９９３年８月），２０５５頁〜２１２２頁に記載されているように、▲１▼加速器からのイオンビームのエネルギーを直接変える方法（エネルギースキャニング）、▲２▼イオンビームを、厚さに分布を有して回転している円盤状の板の一部を通過させる方法（レンジモジュレーティングプロペラ）、及び厚みに分布を有する楔形の構造物をイオンビームの通過領域に設置する方法（リッジフィルタ）が知られている。
【０００４】
エネルギースキャニングを利用したエネルギー分布拡大装置は、加速器の高周波加速空胴からイオンビームに加えるエネルギーの適切な制御、及びそのエネルギーを有するイオンビームの照射量の適切な制御によって、イオンビーム照射対象部に対する全照射のエネルギー分布を所望の分布にすることができる。また、レンジモジュレーティングプロペラ（またはリッジフィルタ）を用いたエネルギー分布拡大装置は、イオンビームが通過する部分における厚みの分布を予め所望の分布に設定しておくことによって、通過したイオンビームのエネルギー分布を所望の分布にすることができる。
【０００５】
更に、フィジィックス  アンド  メディカル  バイオロジ(Physics and Medical Biology)Ｖol.４４(１９９９年），２７６５頁〜２７７５頁には、照射対象部の広がりに比べて狭い範囲で、エネルギー分布をガウス分布に広げる方法が記載されている。
【０００６】
特開平１０−３１４３２４号公報は、状部になるほど幅が狭くなる多数の板材を重ねて構成したリッジフィルタを記載している。そのような構成によりリッジフィルタの製造が容易になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
照射対象部のビーム進行方向における厚さが厚いほど、照射対象へのイオンビームの照射に必要となるエネルギー分布は広がる。また、照射対象部のビーム進行方向における深さが浅いほど、ブラッグピークの広がりが狭くなり、イオンビームを照射対象部に一様に照射するためにエネルギー分布を密にする必要がある。いずれの場合も、前述のように、エネルギーと重みの異なるイオンビームを足し合わせる場合には、それらのイオンビームを多数発生させる必要がある。
【０００８】
特開平１０−３１４３２４号公報記載のリッジフィルタはイオンビームの進行方向に重ねる板材の数に相当するだけの、エネルギーが異なるイオンビーム成分を得ることができる。
【０００９】
本発明の目的は、簡単な構造で、形成されるブラッグピークの深さ方向における幅を増大できる荷電粒子ビーム照射装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明の特徴は、荷電粒子ビーム走査装置で走査された荷電粒子ビームによって形成されるブラッグピークの深さ方向における幅を増大させるブラッグピーク拡大装置が、荷電粒子ビームの進行方向に順次配置されて、その進行方向と交差する方向において少なくとも１つの厚肉部をそれぞれ有する第１フィルタ部材及び第２フィルタ部材を備えており、第１フィルタ部材及び第２フィルタ部材は、お互いの厚肉部の一部分が荷電粒子ビームの進行方向において交差するように配置されていることにある。
【００１１】
第１フィルタ部材及び第２フィルタ部材は、お互いの厚肉部の一部分が荷電粒子ビームの進行方向において交差するように配置されているため、簡単な構造で、複数の異なるエネルギーの荷電粒子ビーム成分を得ることができる。これらの荷電粒子ビーム成分を含む荷電粒子ビームの照射により体内に形成されるブラッグピークの深さ方向における幅をより増大できる。そのようなブラッグピークの幅の増大は、治療時間の短縮につながる。また、リッジフィルタを用いた場合には、リッジフィルタの製造が簡単になる。
【００１２】
好ましくは、第１フィルタ部材と、第１フィルタ部材の厚肉部のその進行方向における厚みと異なるその厚みを有する厚肉部を備えた第２フィルタ部材とを、お互いの厚肉部の一部分が荷電粒子ビームの進行方向において交差するように配置しても、上記した簡単な構造で、形成されるブラッグピークの深さ方向における幅を増大できる。特に、第１フィルタ部材と第２フィルタ部材におけるお互いの厚肉部のその進行方向における厚みが異なっており、第１フィルタ部材及び第２フィルタ部材は、お互いの厚肉部の一部分が荷電粒子ビームの進行方向において重なるように配置されているため、荷電粒子ビームの進行方向で重なっている厚肉部の数よりも多い数の、異なるエネルギーの荷電粒子ビーム成分を得ることができる。このため、荷電粒子ビームの進行方向に少ない部材を配置する単純な構成で、より多くの、エネルギーが異なる荷電粒子ビーム成分を得ることができ、ブラッグピークの深さ方向における幅をより増大できる。
【００１３】
好ましくは、荷電粒子ビーム偏向装置または荷電粒子ビーム拡大装置を用いて患部を深さ方向に複数の照射対象層に分けて照射対象層毎に荷電粒子ビームを照射する場合には、ブラッグピークの幅の増大は、照射対象層の厚みを増大でき、変更するエネルギー数を低減できる。
【００１４】
好ましくは、ブラッグピーク拡大装置が、複数のフィルタ要素を、それらのフィルタ要素に設けられるお互いの棒状部の向きが異なるように重ね合わせることによって、構成され、または複数のフィルタ要素を、それらのフィルタ要素に設けられるお互いの厚肉部の向きが異なるように重ね合わせることによって、構成される。このような構成は、ブラッグピーク拡大装置の構成を単純化する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の好適な一実施例である荷電粒子ビーム照射装置を、図１を用いて以下に説明する。本実施例の荷電粒子ビーム照射装置１は、荷電粒子ビーム発生装置２及び照射野形成装置１３を備える。荷電粒子ビーム発生装置２は、イオン源（図示せず）、前段加速器３及びシンクロトロン４を有する。イオン源で発生したイオン（例えば、陽イオン（または炭素イオン））は前段加速器（例えば直線加速器）３で加速される。前段加速器３から出射されたイオンビームはシンクロトロン４に入射される。このイオンビームは、シンクロトロン４で、高周波加速空胴５から印加される高周波電力によってエネルギーを与えられて加速される。シンクロトロン４内を周回するイオンビームのエネルギーが設定されたエネルギーまでに高められた後、出射用の高周波印加装置６から高周波がイオンビームに印加される。安定限界内で周回しているイオンビームは、この高周波の印加によって安定限界外に移行し、出射用デフレクタ２８を通ってシンクロトロン４から出射される。イオンビームの出射の際には、シンクロトロン４に設けられた四極電磁石７及び偏向電磁石８等の電磁石に導かれる電流が設定値に保持され、安定限界もほぼ一定に保持されている。高周波印加装置６への高周波電力の印加を停止することによって、シンクロトロン４からのイオンビームの出射が停止される。
【００１６】
シンクロトロン４から出射されたイオンビームは、ビーム輸送系９を経て照射野形成装置１３に達する。ビーム輸送系９の一部である逆Ｕ字部１０及び照射野形成装置１３は、回転可能なガントリー（図示せず）に設置される。逆Ｕ字部
１０は偏向電磁石１１，１２を有する。
【００１７】
照射野形成装置１３は、ケーシング２９内に、図２に示すように、一対の走査用電磁石１４，１５を有するビーム拡大装置１６，ブラッグピーク拡大装置１７、リッジフィルタ２４及びレンジシフタ２５を設置する。ビーム拡大装置１６，ブラッグピーク拡大装置１７，リッジフィルタ２４及びレンジシフタ２５は、この順序でイオンビームの進行方向において上流側から下流側に向かって配置されている。ビーム拡大装置１６は、図示していないが、走査用電磁石１５の下方に散乱体を備えている。散乱体は鉛またはタングステンで構成される。照射野形成装置１３は、イオンビームを照射する患者毎に作成されるコリメータ２６及びボーラス２７を取り付けられるようになっている。レンジシフタ２５はイオンビームの体内でのエネルギー分布を、体の深さ方向に移動させる機能を有する。ブラッグピーク拡大装置１７はリッジフィルタ２４の後段に配置してもよい。
【００１８】
ブラッグピーク拡大装置１７は、図３に模式的に示すように、一対のフィルタ要素１８，２１を有する。フィルタ要素１８は互いの間に孔部２０を形成する複数の棒状部１９を備える。フィルタ要素１８は複数の棒状部１９の間に間隙を形成した状態でそれらの棒状部１９の両端部を連結した構成を有する。換言すれば、フィルタ要素１８は一枚の板に複数の細長い貫通孔（孔部２０）を形成したものであるとも言える。フィルタ要素２１も、フィルタ要素１８と同様に、互いの間に孔部２３を形成する複数の棒状部２２を備え、各棒状部２２の両端部を連結した構成を有する。棒状部１９，２２は厚肉部である。棒状部１９，２２の水平方向の厚みはそれぞれ１mmであり、棒状部１９，２２はそれぞれ１mm間隔で配置される。棒状部１９，２２の縦断面の形状は長方形である。フィルタ要素１８はフィルタ要素２１の上に設置される。フィルタ要素１８とフィルタ要素２１は、棒状部１９と棒状部２２とが互いに異なる方向（互いに９０°ずれている方向）を向いて配置される。具体的には、本実施例では、フィルタ要素１８とフィルタ要素２１は、上から見て、棒状部１９と棒状部２２とが交差するように、すなわち直交するように配置される。フィルタ要素１８，２１の水平方向の形状は一辺が約２５cmの正方形である。
【００１９】
イオンビームを悪性腫瘍の患部に照射される患者３１は治療台３０上で照射野形成装置１３の下に位置決めされる。その際には、既にその患者用のコリメータ２６及びボーラス２７が、レンジシフタ２５の下方で照射野形成装置１３内に設置されている。患者の位置決めが終了した後、設定されたエネルギーを有するイオンビームが、前述したように荷電粒子ビーム発生装置２のシンクロトロン４から出射され、逆Ｕ字部１０を経て照射野形成装置１３に達する。電流が、電源装置３３からビーム拡大装置１６の各電磁石１４，１５に供給される。電磁石１４は水平面内のＸ軸方向にイオンビームの位置を移動させる。電磁石１５はその水平面内でＸ軸と直交するＹ軸方向にイオンビームの位置を移動させる。本実施例は走査用電磁石１４，１５を用いてイオンビームをその水平面内においてある半径で旋回するように移動させる。走査用電磁石１４，１５は、荷電粒子ビーム走査装置として機能する。旋回されたイオンビームは、前述した散乱体の機能によって、ビーム拡大装置１６へのイオンビームの入射方向に垂直な方向に拡大される。この拡大されたイオンビームがブラッグピーク拡大装置１７に達する。
【００２０】
ブラッグピーク拡大装置１７は、通過する一部のイオンビームのエネルギーを低減させる。すなわち、フィルタ要素１８の棒状部１９を通過したイオンビームはエネルギーを低減する。孔部２０を通過したイオンビームはエネルギーを低減しない。次のフィルタ要素２１では、棒状部２２を通過したイオンビームはエネルギーを減少する。孔部２３を通過したイオンビームはエネルギーを低減しない。このように棒状部はイオンビームのエネルギーを減衰させる。ブラッグピーク拡大装置１７を通過したイオンビームは、２つのフィルタ要素の棒状部が重なっている部分を通過した第１イオンビーム成分、どちらか一方のフィルタ要素の棒状部を通過した第２イオンビーム成分、及び２つのフィルタ要素の各孔部を通過した第３イオンビーム成分を含む。棒状部１９及び２２の厚みが同じであるため、ブラッグピーク拡大装置１７を通過したイオンビームは、図４に示すようにエネルギーが異なる３つのイオンビーム成分に分かれる。第１イオンビーム成分は、上下方向で棒状部１９，２０を通過するためエネルギーの低減幅が大きく、エネルギーが最も小さくなる。各イオンビーム成分のエネルギーは、第１イオンビーム成分，第２イオンビーム成分及び第３イオンビーム成分の順に大きくなる。ブラッグピーク拡大装置１７通過後のイオンビームを、直接、患者３１の患部に照射した場合における患者の体内での放射線量分布は、図５のようになる。すなわち、３つのイオンビーム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装置は、患者３１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。
【００２１】
ブラッグピーク拡大装置１７を通過したイオンビームはリッジフィルタ２４に達する。リッジフィルタ２４は、図６（Ａ）に示すように、縦断面が楔形状をした複数のフィルタ要素（楔形要素）２４Ａを並列に配置して構成される。フィルタ要素２４Ａは約１cmピッチで配置される。各フィルタ要素２４Ａの底面を除いた二面の表面には、図６（Ｂ）に示すように、多数の段部３４が形成される。リッジフィルタ２４を通過したイオンビームは、多数の段部３４を形成した複数のフィルタ要素２４Ａによってフィルタ要素２４Ａの透過した部分の厚みに応じたエネルギーの異なる多数のイオンビーム成分、すなわち段部３４の数だけエネルギーが異なるイオンビーム成分を含んでいる。このため、体内の深さ方向における異なる位置で段部３４の数だけブラッグピークを形成することができる。
【００２２】
ブラッグピーク拡大装置１７が設置されない従来の照射野形成装置では、リッジフィルタ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、リッジフィルタを通過したイオンビームは、２０数個のエネルギーが異なるイオンビーム成分を含んでいる。エネルギーに対するイオン数の分布は、イオンのエネルギーを決定する各段部が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、リッジフィルタを通過したイオンビームのエネルギー分布が決まる。ブラッグピーク拡大装置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を通過したイオンビームに対するエネルギー分布を、図６に示す。イオンビームが体内において到達する深さは、イオンビーム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イオンビームは深い位置まで到達し、エネルギーが小さいイオンビームほど到達する位置は浅くなる。図６のようにエネルギーが異なる７個のイオンビーム成分を含むイオンビームにおいては、このイオンビームを患者に照射した場合にはエネルギーに応じて各イオンビーム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。そのようなイオンビームを照射した場合の体内の総放射線量分布は、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ことによって、図８に示す線３５のようになる。すなわち、放射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る。図７における各細い線で示される放射線量の分布は、楔形要素の各段部を通過したイオンビーム成分に対する放射線量分布である。放射線量が一様になっている範囲が、患部に位置するように、例えばシンクロトロン４で出射するイオンビームのエネルギーを調節する。
【００２３】
リッジフィルタ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、リッジフィルタの製作は簡単になる。しかし、そのリッジフィルタを通過したイオンビームに含まれる、エネルギーの異なるイオンビーム成分の数が減り、各イオンビーム成分間のエネルギーの差が大きくなるため、患部内の深さ方向における放射線線量分布が図９に示すように波打つようになる。
【００２４】
次に、本実施例におけるリッジフィルタ２４の前段にブラッグピーク拡大装置１７を設置した場合における体内の放射線分布について説明する。イオンビームは、フィルタ要素１８からフィルタ要素２１に向かって進行する。ブラッグピーク拡大装置１７を通過したイオンビームは、前述したように、エネルギーが異なる３つのイオンビーム成分を含んでいる。このため、リッジフィルタ２４を通過したイオンビームの照射によって体内に形成される各ブラッグピークの幅が広くなる。本実施例は、ブラッグピーク拡大装置１７を設置しない従来の場合に比べて、リッジフィルタ２４の段部３４の数が２／３に低減されている。このため、リッジフィルタ２４の製造が簡単になり、リッジフィルタ２４の製造に要する時間も短縮できる。ブラッグピーク拡大装置１７の設置により体内に形成される各ブラッグピークの幅が広くなるため、段部３４の数の少ないリッジフィルタ２４を用いても、図８の線３５のように深さ方向における放射線量が一様になる。
【００２５】
リッジフィルタ２４を通過したイオンビームは、レンジシフタ２５を通り、更にコリメータ２６及びボーラス２７を通って患部３２に照射される。コリメータ２６は、コリメータ２６によって、治療台３０上に横たわっている患者３１の患部３２の水平方向における形状に合わせて、拡大されたイオンビームを切取る。ボーラス２７は、コリメータ２６によって切取られたイオンビームのエネルギーを、患者３１の体表面からの患部６の最大深さに合わせて調整する。本実施例においてイオンビームを照射した場合の体内の総放射線量は、図８の線３５のようになる。
【００２６】
本実施例は、ブラッグピーク拡大装置１７の設置によりブラッグピークの幅を広くすることができる。このため、リッジフィルタ２４によって形成される各ブラッグピークの幅が広くなり、体内に形成される総放射線量分布が一様になる。特に、本実施例は、フィルタ要素１８及びフィルタ要素２１を、お互いの棒状部の一部分がイオンビームの進行方向において重なるように、すなわち交差するように配置されているため、その進行方向で重なっている棒状部の数（２本）よりも多い数（３つ）の、異なるエネルギーのイオンビーム成分（図４参照）を得ることができる。これらのイオンビーム成分を含むイオンビームの患者３１への照射により体内に形成されるブラッグピークの深さ方向における幅をより増大できる。本実施例は、イオンビームの進行方向に少ない棒状部を配置する単純な構成で、より多くの、エネルギーが異なるイオンビーム成分を得ることができ、ブラッグピークの深さ方向における幅をより増大できる。
【００２７】
本実施例では、ブラッグピーク拡大装置１７は、複数のフィルタ要素におけるお互いの棒状部、すなわち厚肉部の向きを変えるだけで、簡単にエネルギーの異なる３つののイオンビーム成分を含むイオンビームを得ることができる。お互いの厚肉部が向きを変えて重ねられた状態で両者が重なっている位置がずれても、また、お互いの厚肉部の向きが多少ずれても、３つのイオンビーム成分の各エネルギーは変わらず、かつそれらのイオンビーム成分の割合もあまり変化しない。また、以下に示すブラッグピーク拡大装置の他の実施例を用いても、上記したブラッグピーク拡大装置１７の設置で得られる効果を得ることができる。
【００２８】
フィルタ要素１８，２１の棒状部１９，２２の縦断面の形状を、円または三角形にしてもよい。縦断面の形状が円である複数の棒状部を有する２つのフィルタ要素をそれぞれの棒状部が上から見て交差するように配置したブラッグピーク拡大装置を用いた場合には、そのブラッグピーク拡大装置を通過したイオンビームは図１０（Ａ）に示すようなエネルギーが異なるイオンビーム成分を含む。また、縦断面の形状が三角形である複数の棒状部を有する２つのフィルタ要素をそれぞれの棒状部が上から見て交差するように配置したブラッグピーク拡大装置を用いた場合には、そのブラッグピーク拡大装置を通過したイオンビームは図１０（Ｂ）に示すようなエネルギーが異なるイオンビーム成分を含む。
【００２９】
ブラッグピーク拡大装置の他の実施例を、図１１を用いて以下に説明する。このブラッグピーク拡大装置４０は、一対のフィルタ要素４１，４４を有する。フィルタ要素４１はフィルタ要素４４の上方に位置する。フィルタ要素４１は棒状部４２，４３を交互に配置してそれらを接合している。棒状部４２の縦断面形状は長方形であり、棒状部４２のイオンビームの進行方向における厚みが棒状部４３のその厚みよりも厚くなっている。棒状部４２は原子番号が小さい元素を含む材料で構成され、棒状部４３は原子番号が大きい元素を含む材料で構成される。フィルタ要素４４も、フィルタ要素４１と同じ構成を有する。フィルタ要素４１とフィルタ要素４４は、棒状部が互いに異なる方向を向くように（例えば、上から見て直交するように）配置される。イオンビームは上方よりフィルタ要素４１，４４を通過する。イオンビームは、２つのフィルタ要素を通過することによって、エネルギーが低減されると共に散乱される。一般に、原子番号が大きい元素を含む材料ほど、イオンビームの通過厚さが厚いほど、エネルギーの低減及び散乱の度合いが大きくなる。ブラッグピーク拡大装置４０において２種類の棒状部の厚さ及び構成する元素の原子番号を適切に選択することによって、ブラッグピーク拡大装置４０を通過したイオンビームのエネルギー分布を、図３に示すブラッグピーク拡大装置１７と同様なエネルギー分布に形成でき、しかもイオンビームの散乱度合いを一様にすることができる。
【００３０】
ブラッグピーク拡大装置の他の実施例を、図１２を用いて以下に説明する。本実施例のブラッグピーク拡大装置４５は上下方向に配置された一対のフィルタ要素４６，５１を有する。フィルタ要素４６は、下側に複数の棒状部４７を等間隔に並べて配置し、上側に複数の棒状部４９を等間隔に配置して構成される。図示されていないが、棒状部４７，４９の両端部は、フィルタ要素１８と同様に連結されている。棒状部４９は、棒状部４７の一部と重なるように水平方向にずらして配置される。棒状部４７相互間に孔部４８が形成され、棒状部４９相互間に孔部５０が形成される。孔部４８と孔部５０も水平方向にずれているが、それぞれの孔部は互いに連通している。棒状部４７，４９の縦断面形状は長方形である。フィルタ要素５１も、同様に、下側に複数の棒状部５２を等間隔に並べて配置し、上側に複数の棒状部５４を等間隔に配置して、棒状部５２，５４の両端部が連結して構成される。棒状部５４は、棒状部５２の一部と重なるように水平方向にずらして配置される。棒状部５２相互間に孔部５３が形成され、棒状部５４相互間に孔部５５が形成される。孔部５３と孔部５５も水平方向にずれているが、それぞれの孔部は互いに連通している。棒状部４７，４９の縦断面形状は正方形である。棒状部４７，４９の高さ方向の厚みは棒状部５２，５４のその厚みの２倍ある。ブラッグピーク拡大装置４５は、フィルタ要素４６の棒状部４７，４９をフィルタ要素５１の棒状部５２，５４と異なる方向を向くように配置し、フィルタ要素４６をフィルタ要素５１の上に設置している。ブラッグピーク拡大装置４５を通過したイオンビームは、４つの棒状部を全て通過したイオンビーム成分、及び棒状部を通過せず孔部５０、４８を通過したイオンビーム成分等の図１３に示すエネルギーが異なる７つのイオンビーム成分を含んでいる。７つのイオンビーム成分を含むため、ブラッグピーク拡大装置１７，４０よりも密なエネルギー分布を形成することができる。ブラッグピーク拡大装置４５は、入射エネルギーが低く、ブラッグピークが細い場合にも適用できる。
【００３１】
ブラッグピーク拡大装置の他の実施例を、図１４を用いて説明する。このブラッグピーク拡大装置５６はフィルタ要素５７，６０を有する。フィルタ要素５７は、形状的にはフィルタ要素４１と同じ形状を有する。フィルタ要素５７は、一枚の板に複数の溝部５９を形成することによって複数の凸部５８を形成している。凸部５８は厚肉部であり、各凸部は１つの方向に延びている。フィルタ要素６０も、１つの方向に延びている複数の凸部５８及び複数の溝部５９を有する。ブラッグピーク拡大装置５６はフィルタ要素５７の凸部５８とフィルタ要素６０の凸部５８とを異なる方向を向くように配置して、フィルタ要素５７をフィルタ要素６０の上に設置する。ブラッグピーク拡大装置５６もブラッグピーク拡大装置１７と同様にエネルギーの異なる３つのイオンビーム成分を発生させ、ブラッグピークの幅を増大させる。
【００３２】
なお、図２に示す照射野形成装置１３は、リッジフィルタを用いているが、リッジフィルタの替りにレンジモジュレーティングプロペラを使用してもよい。
【００３３】
本実施例において、ビーム拡大装置としてビーム拡大装置１６の構成のうち走査用電磁石１４，１５の替りに散乱体を配置したものを用いてもよい。すなわち、そのビーム拡大装置は、イオンビームの進行方向に対して二つの散乱体を直列に配置した構成を有する。二つの散乱体によって、ビーム拡大装置に入射したイオンビームはその進行方向と交差する方向に対して拡大される。
【００３４】
（実施例２）
本発明の他の実施例である荷電粒子ビーム照射装置を以下に説明する。本実施例の荷電粒子ビーム照射装置は、図１に示す荷電粒子ビーム照射装置１の照射野形成装置１３を図１５に示す照射野形成装置１３Ａに替えた構成を有する。本実施例の荷電粒子照射装置の他の構成は、荷電粒子ビーム照射装置１と同じである。照射野形成装置１３Ａは、ケーシング内に、図１５に示すように、一対の走査用電磁石１４，１５を有するビーム偏向装置６１，ブラッグピーク拡大装置１７を備える。電源装置３３が走査用電磁石１４，１５に接続される。本実施例における走査用電磁石１４，１５は、として機能する。ビーム偏向装置６１は、ビーム拡大装置１６のようにイオンビームを、ビーム偏向装置６１へのイオンビームの入射方向に対して垂直な方向に拡大することはできない。
【００３５】
シンクロトロン４から出射されたイオンビームはビーム輸送系９を経て照射野形成装置１３Ａに達する。シンクロトロン４は、実施例１と同様に、直径が患部３２に比べて小さいイオンビームを発生する。ビーム偏向装置６１は、電源装置３３から走査用電磁石１４，１５に電流を流すことによって、ビーム偏向装置１３Ａへのイオンビームの入射方向に対して垂直な方向に走査される。この走査によって、イオンビームを患部３２に対してスキャンさせることができる。偏向されたイオンビームはブラッグピーク拡大装置１７に導かれブラッグピーク拡大装置１７を通過する。ブラッグピーク拡大装置１７を通過したイオンビームは、実施例１と同様に、エネルギーの異なる３つのイオンビーム成分を含む。エネルギーの異なる３つのイオンビーム成分を含むイオンビームを患部３２に照射することによって、ブラッグピークの幅を増加できる。シンクロトロン４によってエネルギーの異なる複数のイオンビームを発生させることによって、深さ方向において患部３２を複数の領域に分割し、スキャニングによりそれぞれの分割した領域にイオンビームを照射することができる。
【００３６】
すなわち、ビーム偏向装置６１によるイオンビームの走査量は、予め設定された走査パターンデータに基づいて制御される。深さ方向におけるある照射対象層に対して、該当する走査パターンデータに基づいてイオンビームを走査してスキャンしながらイオンビームの照射を行う。その照射対象層への照射が終了した時点で、シンクロトロン４からのイオンビームの出射を停止し、浅い位置に存在する別の照射対象層へのイオンビームの照射を実施するための準備が行われる。すなわち、シンクロトロン４の設定パラメータが別のエネルギーのイオンビームを発生するように変更され、ビーム偏向装置６１に対する走査パターンデータもその別の照射対象層に対応したパターンデータに設定される。その後、シンクロトロン４から所定エネルギーのイオンビームを出射して、そのイオンビームを照射野形成装置１３Ａから患部３２の別の照射対象層に照射する。このような照射を繰返して患部３２の全体にイオンビームを照射する。
【００３７】
ブラッグピーク拡大装置１７を用いない場合に、シンクロトロン４から図１６に示すエネルギーの異なる４つのイオンビームを、図１６に示す照射量で照射対象層へ順次患部３２に照射した場合を考える。この場合には、患部３２全体に照射された全放射線量は、図１７の線６２のようになる。図１７の４本の細線は、各照射対象層に照射されたイオンビームによって形成されるブラッグピークを示している。線６２はこれらのブラッグピークを足し合わせた総放射線量分布である。ブラッグピークの細さに対して、ブラッグピーク同士の間隔が広いため、総放射線量分布が深さ方向に不均一になる。この問題を解決するために、シンクロトロン４によりエネルギーの異なるイオンビームの発生数を増大させて照射される総放射線量分布を一様にすることが考えられる。エネルギーの異なるイオンビームの数を増加させることは、深さ方向における照射対象層の数が増加し、イオンビームの照射時間が増大する。
【００３８】
これに対して、ブラッグピーク拡大装置１７を設置した本実施例では、患者
３１の患部３２に照射される、図１６に示すエネルギーが異なる４つのイオンビームは、それぞれ、図１８に示すエネルギーの異なる３つのイオンビーム成分を含む。このため、各エネルギーのイオンビームを照射することによって、それぞれのイオンビームで形成されるブラッグピークの幅が図１９に細線で示すように増大する。このため、それらのブラッグピークを足し合わせた総放射線量分布は、図１９の線６３で示すように患部３２の深さ方向において一様になる。
【００３９】
本実施例は、ブラッグピーク拡大装置の設置によりブラッグピークの幅を増大できるため、シンクロトロン４でエネルギーの異なるイオンビームの数を増大させることなく、患部３２の深さ方向における総放射線量分布をより一様にできる。ブラッグピークの幅を増大できるため、深さ方向に設定した照射対象層の厚みを厚くでき、患部３２の照射に要する時間を短縮できる。本実施例も、フィルタ要素１８，２１を設置しているため実施例１で得られる作用効果を得ることができる。
【００４０】
ブラッグピーク拡大装置１７の替りに、前述したブラッグピーク拡大装置４０，４５及び５６のいずれかを用いてもよい。特に、ブラッグピーク拡大装置４０を用いることによって、ブラッグピーク拡大装置をイオンビームが通過する際におけるイオンビームの散乱度合いを一様に調整することができる。このため、イオンビーム走査時におけるイオンビームの直径の制御が簡単に行える。
【００４１】
なお、本実施例では、深さの異なる照射対象層に対応したイオンビームエネルギーの変更を、荷電粒子ビーム発生装置のパラメータ変更により実施している。しかし、照射野形成装置１３Ａにレンジシフタを設け、レンジシフタの厚さを変更することによっても、イオンビームのエネルギーを変更できる。
【００４２】
（実施例３）
本発明の他の実施例である荷電粒子ビーム照射装置を以下に説明する。本実施例の荷電粒子ビーム照射装置は、図１に示す荷電粒子ビーム照射装置１の照射野形成装置１３を図２０に示す照射野形成装置１３Ｂに替えた構成を有する。本実施例の荷電粒子ビーム照射装置の他の構成は、荷電粒子ビーム照射装置１と同じである。照射野形成装置１３Ｂは、ビーム拡大装置１６及びブラッグピーク拡大装置６４を備え、コリメータ２６及びボーラス２７が設置可能になっている。実施例２の照射野形成装置１３Ａは、患部３２の深さ方向における各対象領域層内でイオンビームのスキャニングによる照射を行うことができる。本実施例に用いられる照射野形成装置１３Ｂは、それらの対象領域層毎にビーム拡大装置１６によって拡大されたイオンビームを照射する。
【００４３】
ブラッグピーク拡大装置６４は、図２１に示すように、下側に複数の棒状部６５を相互間に孔部６６を形成するように配置して構成されるフィルタ要素７５、上側に複数の棒状部６７を相互間に孔部６８を形成するように配置して構成されるフィルタ要素７４を設置している。棒状部６５及び６７は同じ方向を向いて配置されている。棒状部６７は、長手方向の全体にわたって、棒状部６５の上に一部分が重なるように設置される。棒状部６７の配列ピッチは棒状部６５のそれと同じである。このため、孔部６６の幅は孔部６８の幅に等しい。図示されていないが、各棒状部６５の両端部は連結され、各棒状部６７の両端部も連結されている。棒状部６７の高さ方向の肉厚は棒状部６５のそれの２倍ある。棒状部６７の一部分が前述のように棒状部６５の上に一部分が重なるように設置されるため、棒状部６５の上端に段部６９が形成され、棒状部６７の下端にも段部７０が形成される。段部７０は孔部６６の一部分に覆い被さっている。
【００４４】
ブラッグピーク拡大装置６４を通過したイオンビームは、図２２に示すようにエネルギーの異なる４つのイオンビーム成分を含んでいる。棒状部６５及び棒状部６７の両方を通過したイオンビーム成分は最もエネルギーが小さくなる。孔部６６及び６８の両方を通過したイオンビーム成分は最もエネルギーが高くなる。
【００４５】
ブラッグピーク拡大装置６４は、棒状部６５と棒状部６７との重なり部の幅によって形成されるブラッグピークの幅が異なる。すなわち、棒状部６５と棒状部６７との重なり部の幅が小さい場合には、図２３に示す線７１のように、ブラッグピークの幅は増大しない。棒状部６５と棒状部６７との重なり部の幅がある程度以上ある場合には、図２３に示す線７２のように、ブラッグピークの幅は増大する。本実施例に用いられるブラッグピーク拡大装置６４は、線７２に示すようなブラッグピークが形成されるように棒状部６５と棒状部６７とが互いに重なり合っている。
【００４６】
ブラッグピーク拡大装置６４を通過してエネルギーの異なる４つのイオンビーム成分を含むイオンビームは、コリメータ２６及びボーラス２７を通過して、患部３２の最も深い位置にある照射対象層に照射される。次に、シンクロトロン４の操作によってエネルギーを低くしたイオンビームをシンクロトロン４から出射する。このイオンビームは、照射野形成装置１３Ｂの作用によって、前回照射した照射対象層のすぐ上に位置する別の照射対象層に対して照射される。そのイオンビームもエネルギーの異なる４つのイオンビーム成分を含んでいる。このようにして、上側に位置する各照射対象層に対して、順次、イオンビームが照射される。本実施例は、深さ方向に患部３２を４つの照射対象層を設定し、それぞれの照射対象層に対してブラッグピーク拡大装置６４を通過したイオンビームの照射を行った。
【００４７】
本実施例は、フィルタ要素７４及びフィルタ要素７５を、お互いの棒状部の一部分がイオンビームの進行方向において重なるように配置されているため、その進行方向で重なっている棒状部の数（２本）よりも多い数（４つ）の、異なるエネルギーのイオンビーム成分（図２２参照）を得ることができる。これらのイオンビーム成分を含むイオンビームの患者３１への照射により体内に形成されるブラッグピークの深さ方向における幅をより増大できる。本実施例も、イオンビームの進行方向に少ない棒状部を配置する単純な構成で、より多くの、エネルギーが異なるイオンビーム成分を得ることができ、ブラッグピークの深さ方向における幅をより増大できる。
【００４８】
本実施例は、ブラッグピーク拡大装置を設置しているのでブラッグピークの幅が増大し、深さ方向における照射対象層の厚みを厚くできる。このため、患部３２に対する照射に要する時間を短縮できる。しかしながら、ブラッグピーク拡大装置６４は、棒状部６５と棒状部６７の重ね合わせ部の幅の調節が面倒である。
【００４９】
以上に述べた各実施例において、シンクロトロンの替りにサイクロトロンを用いることも可能である。ビーム拡大装置１６及びビーム偏向装置６１は、イオンビーム走査装置である。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、単純な構成で、荷電粒子ビームの照射により体内に形成されるブラッグピークの深さ方向における幅を増大できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である荷電粒子ビーム照射装置の構成図である。
【図２】図１の照射野形成装置の詳細構成図である。
【図３】図２のブラッグピーク拡大装置の斜視図である。
【図４】ブラッグピーク拡大装置通過後のイオンビームのエネルギー分布を示す説明図である。
【図５】ブラッグピーク拡大装置通過後のイオンビームによる照射に基づいた患部内の放射線量分布を示す説明図である。
【図６】リッジフィルタの構成を示し、(Ａ）はリッジフィルタの斜視図であり、(Ｂ）はリッジフィルタの縦断面の局部拡大図である。
【図７】リッジフィルタ通過後のイオンビームのエネルギー分布を示す説明図である。
【図８】リッジフィルタ通過後のイオンビームによる照射に基づいた患部内の放射線量分布を示す説明図である。
【図９】工作精度が悪いリッジフィルタ通過後のイオンビームによる照射に基づいた患部内の放射線量分布を示す説明図である。
【図１０】棒状部の縦断面形状が異なるリップフィルタを通過した後におけるイオンビームのエネルギー分布を示し、（Ａ）は縦断面形状が円である棒状部を有するリップフィルタに対するイオンビームのエネルギー分布を示す説明図であり、（Ｂ）は縦断面形状が三角形である棒状部を有するリップフィルタに対するイオンビームのエネルギー分布を示す説明図である。
【図１１】ブラッグピーク拡大装置の他の実施例の斜視図である。
【図１２】ブラッグピーク拡大装置の他の実施例の斜視図である。
【図１３】図１２のブラッグピーク拡大装置通過後におけるイオンビームのエネルギー分布を示す説明図である。
【図１４】ブラッグピーク拡大装置の他の実施例の斜視図である。
【図１５】本発明の他の実施例である荷電粒子ビーム照射装置における照射野形成装置の構成図である。
【図１６】他の実施例である荷電粒子ビーム照射装置のシンクロトロンから供給されるイオンビームのエネルギーと患部への照射量割合の関係を示す説明図である。
【図１７】ブラッグピーク拡大装置を設置しない場合における患部の放射線量分布を示す説明図である。
【図１８】ブラッグピーク拡大装置を設置した場合における、患部に照射されるイオンビームのエネルギー分布を示す説明図である。
【図１９】ブラッグピーク拡大装置を設置した場合における患部内の放射線量分布を示す説明図である。
【図２０】本発明の他の実施例である荷電粒子ビーム照射装置における照射野形成装置の構成図である。
【図２１】図２０のブラッグピーク拡大装置の縦断面図である。
【図２２】図２１のブラッグピーク拡大装置を通過したイオンビームのエネルギー分布を示す説明図である。
【図２３】ブラッグピーク拡大装置通過後のイオンビームを照射した際における患部内の放射線量分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１…荷電粒子ビーム照射装置、２…荷電粒子ビーム発生装置、４…シンクロトロン、１３，１３Ａ，１３Ｂ…照射野形成装置、１６…ビーム拡大装置、１７，４０，４５，５６，６４…ブラッグピーク拡大装置、１８，２１，４１，４４，４６，５１…フィルタ要素、１９，２２，４２，４３，４７，４９，５２，５４，６５，６７…棒状部、６１…ビーム偏向装置。
【図１】
0004072359.tif 000002
【図２】
0004072359.tif 000003
【図３】
0004072359.tif 000004
【図４】
0004072359.tif 000005
【図５】
0004072359.tif 000006
【図６】
0004072359.tif 000007
【図７】
0004072359.tif 000008
【図８】
0004072359.tif 000009
【図９】
0004072359.tif 000010
【図１０】
0004072359.tif 000011
【図１１】
0004072359.tif 000012
【図１２】
0004072359.tif 000013
【図１３】
0004072359.tif 000014
【図１４】
0004072359.tif 000015
【図１５】
0004072359.tif 000016
【図１６】
0004072359.tif 000017
【図１７】
0004072359.tif 000018
【図１８】
0004072359.tif 000019
【図１９】
0004072359.tif 000020
【図２０】
0004072359.tif 000021
【図２１】
0004072359.tif 000022
【図２２】
0004072359.tif 000023
【図２３】
0004072359.tif 000024