(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線のビームを広げるための第１散乱体と、
該第１散乱体により広げられたビームの線量分布を調整するための第２散乱体と、
前記第１及び第２散乱体により形成されたビームの重心位置を測定するためのモニタと、
該モニタの測定値より算出された線量分布の重心位置が、目標位置に来るように、前記第２散乱体の位置を調整して、ビーム軸の変化や、ガントリの回転による第２散乱体の位置誤差を補償する手段と、
を備えたことを特徴とする荷電粒子線の線量分布調整機構。
【請求項２】
荷電粒子線のビームを広げるための第１散乱体と、
該第１散乱体により広げられたビームの線量分布を調整するための第２散乱体と、
前記第１及び第２散乱体により形成されたビームの重心位置を測定するためのモニタと、
前記測定したビームの重心位置が所定位置に無い場合に、その偏差をもとに前記第２散乱体を移動して、平坦な線量分布を得る手段と、
を備えたことを特徴とする荷電粒子線の線量分布調整機構。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の線量分布調整機構を備えたことを特徴とする荷電粒子線の照射装置。
【請求項４】
請求項３において、更に、
荷電粒子線のビーム輸送系に設けられたビーム位置検出器、及び、該ビーム位置検出器の出力に応じてビーム軸の位置を調整するための、該ビーム位置検出器の入側に設けられた、ビーム軸の位置を調整可能なステアリング電磁石あるいは偏向電磁石からなるステアリング手段を備えたビーム軸調整機構とを備えたことを特徴とする荷電粒子線の照射装置。
【請求項５】
前記ビーム軸調整機構及び線量分布調整機構による調整の少なくとも一方を、ビーム照射中にリアルタイムで行なうようにされていることを特徴とする請求項３又は４に記載の荷電粒子線の照射装置。
【請求項６】
前記ビーム軸調整機構及び線量分布調整機構による調整の少なくとも一方を、粒子線加速装置から出射される短パルスビームを用い、該パルスの出射タイミングに同期させて行うようにされていることを特徴とする請求項３又は４に記載の荷電粒子線の照射装置。
【請求項７】
前記ビーム軸調整機構によりビーム軸を所定の許容範囲に粗調整した後、前記線量分布調整機構により第２散乱体を移動して微調整するようにされていることを特徴とする請求項４に記載の荷電粒子線の照射装置。
【請求項８】
請求項３乃至７のいずれかに記載の照射装置を用いて、患部に荷電粒子線を照射するようにされていることを特徴とする粒子線治療装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子線の線量分布を調整するための荷電粒子線の線量分布調整機構、これを用いた荷電粒子線の照射装置、及び、該照射装置を用いて患部に荷電粒子線を照射するようにした粒子線治療装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
陽子等の粒子線を利用した癌等の治療システムとして、図１に示す如く、例えば、陽子を所定エネルギまで加速するサイクロトロンと、該サイクロトロンから照射された粒子ビームのエネルギを、必要に応じて、そのエネルギ分散を制限しながら変えるためのエネルギ分析装置（ＥＳＳ）とからなる粒子線加速装置１２、該粒子線加速装置１２から取出された粒子ビームの安定軌道を確保し、損失なく照射室へ輸送するためのビーム輸送装置（ＢＴＳ）１４、該ビーム輸送装置１４により輸送された粒子ビームを成形処理し、身体の病巣位置に的確に照射するための、粒子線の照射方向が可変とされた回転照射装置（ガントリ）３０、及び、粒子線の照射方向が固定された固定照射装置４０を含む治療装置１０と、照射治療を計画するための診断装置、治療計画システム及び治療具工作機械を含む付属装置４２と、加速器やビーム輸送機器へ電力を供給する直流電流電源を主体とした各種電源、電流導体（コイル）直接冷却用の純水冷却供給設備等を含む付帯設備装置４４を備えたものが知られている。
【０００３】
なお、粒子線加速装置１２としては、エネルギ分析装置が不要なシンクロトロンも知られている。
【０００４】
前記回転ガントリ３０は、例えば図２に示す如く、任意の角度から患者に粒子線３３を照射するためのもので、照射野、照射深さ等の照射要求条件を実現する照射ノズル３２と、その入口までビームを輸送するＢＴＳ１４の端末部（図示省略）と、該ＢＴＳ１４の端末に取付けた照射ノズル３２を回動するための構造体３６からなり、これに隣接して、患者の患部位置決め装置を含む治療用ベッド３４が設けられている。
【０００５】
このような治療装置による治療に際しては、細い粒子線ビームを、患部の大きさに合わせて最大３０ｃｍ角程度にまで広げる必要がある。
【０００６】
そこで、図３に示す如く、図示しない４重極電磁石（Ｑ磁石）により収束され、偏向電磁石１６、１８により偏向された荷電粒子線を、最終偏向電磁石１８の出側に設けた照射ノズル３２により広げて、均一な線量分布を得るようにしている。
【０００７】
平面方向の照射野を形成する代表的な方法としては、散乱体によってビームを広げる散乱体法と、電磁石を調整してビームを走査するビーム走査法があり、前者は、構造が簡単で要求される設置空間が狭い、照射野が時間変化せず時間軸方向の安定性が高い等の特徴を有し、後者は、側方の散乱が少なく（半影が小さく）、ビームの利用効率が高いという特徴を有する。
【０００８】
前記照射ノズル３２は、例えば、前者に属する二重散乱体方式の場合、図４に詳細に示す如く、透過厚さが可変の第１散乱体２０Ａと、該第１散乱体２０Ａにより広げられた粒子線ビームの線量分布を調整するための、中心部に散乱効果の高い鉛等の原子番号の大きい物質が配設された第２散乱体２０Ｂと、前記散乱体２０Ａ、２０Ｂにより形成された線量分布の重心位置を検出するためのモニタ（例えば平坦度モニタ）２０Ｄとを含んで構成される線量分布調整機構２０を備えている。
【０００９】
この二重散乱体方式では、粒子線ビームを第１散乱体２０Ａで散乱した後、第２散乱体２０Ｂに入射することにより、図５（Ａ）に示すような、ガウス分布を描くビームの線量分布の中心部分を外側に散乱させて、図５（Ｂ）に示す如く、分布の平坦化を図るものであり、第２散乱体２０Ｂの中心部には、散乱の効果が大きい物質を設置している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ビーム軸と第２散乱体軸のずれ、即ち、第２散乱体２０Ｂと入射するガウス分布を描くビームの中心部分にずれが生じると、図５（Ｃ）に示す如く、第２散乱体２０Ｂの中心部分で散乱されるビームと、周辺部のビームの強度分布のバランスが崩れ、線量分布の平坦度が損なわれる。従って、目標とする照射野に対して、ビーム軸と第２散乱体の位置関係を正確に調整する必要があった。この際、ビーム軸を調整するためには、高精度なビームモニタやガントリ３０内の電磁石を使用して、第２散乱体に入射するビーム軸を精度良く調整する機能が不可欠であった。更に、このビーム軸の調整には時間がかかり、治療中の調整が困難であるため、治療前に、必ず線量分布又はビーム軸位置を精密に測定して評価する必要もあった。
【００１１】
又、図２に示したような回転ガントリ３０を使用した治療の場合、ガントリ３０の内部に設置した電磁石と荷電粒子線の位置関係が、ガントリの回転角度によってガントリ３０のたわみや精度誤差等により変化するため、ガントリ回転方向にビーム位置／拡がりが対称となるようにガントリ３０に入射する荷電粒子線を調整するか、又は、ガントリの回転角度別にガントリ内部の電磁石を調整し、個別に条件を設定する必要があった。
【００１２】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、均一の線量分布を簡便に得ることを第１の課題とする。
【００１３】
本発明は、又、例えば治療照射中でも、リアルタイムで線量分布を調整可能とすることを第２の課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、荷電粒子線の線量分布調整機構において、荷電粒子線のビームを広げるための第１散乱体と、該第１散乱体により広げられたビームの線量分布を調整するための第２散乱体と、前記第１及び第２散乱体により形成されたビームの重心位置を測定するためのモニタと、該モニタの測定値より算出された線量分布の重心位置が、目標位置に来るように、前記第２散乱体の位置を調整して、ビーム軸の変化や、ガントリの回転による第２散乱体の位置誤差を補償する手段とを備えることにより、前記第１の課題を解決したものである。
【００１６】
本発明は、又、荷電粒子線の線量分布調整機構において、荷電粒子線のビームを広げるための第１散乱体と、該第１散乱体により広げられたビームの線量分布を調整するための第２散乱体と、前記第１及び第２散乱体により形成されたビームの重心位置を測定するためのモニタと、前記測定したビームの重心位置が所定位置に無い場合に、その偏差をもとに前記第２散乱体を移動して、平坦な線量分布を得る手段とを備えることにより、同様に前記課題を解決したものである。
【００１７】
本発明は、又、前記の線量分布調整機構を備えたことを特徴とする荷電粒子線の照射装置を提供するものである。
【００１８】
本発明は、前記の荷重粒子線の照射装置において、更に、荷電粒子線のビーム輸送系に設けられたビーム位置検出器、及び、該ビーム位置検出器の出力に応じてビーム軸の位置を調整するための、該ビーム位置検出器の入側に設けられた、ビーム軸の位置を調整可能なステアリング電磁石あるいは偏向電磁石からなるステアリング手段を備えたビーム軸調整機構を備えたものである。
【００１９】
又、前記ビーム軸調整機構及び線量分布調整機構による調整の少なくとも一方を、ビーム照射中にリアルタイムで行なうようにしたものである。
【００２０】
又、前記ビーム軸調整機構及び線量分布調整機構による調整の少なくとも一方を、粒子線加速装置から出射される短パルスビームを用い、該パルスの出射タイミングに同期させて行うようしたものである。
【００２１】
又、前記ビーム軸調整機構によりビーム軸を所定の許容範囲に粗調整した後、前記線量分布調整機構により第２散乱体を移動して微調整するようにしたものである。
【００２２】
本発明は、又、前記の照射装置を用いて、患部に荷電粒子線を照射するようにされた粒子線治療装置を提供するものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２５】
本実施形態は、図６に示すような、ビーム位置検出器（例えばビームプロファイルモニタ：ＢＰＭ）２６、及び、該ＢＰＭ２６の入側に設けられた、互いに直交する方向にビーム軌道を補正するためのＸ方向補正ステアリング電磁石２４Ｘ、Ｙ方向補正ステアリング電磁石２４Ｙからなるビーム軸調整装置２２を、図３に示した如く、回転ガントリ３０を含むビーム輸送系の照射ノズル入口を含む各所（図３では４個所）に直列に複数配置して、最終段の照射ノズル３２内に設けられる第２散乱体２０Ｂに入射するビーム軸の精度を保証する。ここで、直列に複数配置するのは、ビーム軸のずれがビーム輸送系の任意の箇所で生じる可能性があり、より確実にビーム軸のずれに対応するためである。更に、ビーム軸の時間的な変化や、ガントリの回転による第２散乱体２０Ｂの位置誤差を、線量分布のモニタ２０Ｄの測定結果をもとに、第２散乱体２０Ｂの位置を微調整することで調整し、平坦な線量分布を確保する。
【００２６】
なお、電磁石２４Ｘ、２４Ｙは、どちらか一方のみ設けられる場合もある。
【００２７】
又、ビーム軸調整装置２２において、ステアリング電磁石２４Ｘ、２４ＹとＢＰＭ２６の間には、ビーム軌道の方向を切り換えるための偏向電磁石や４重極電磁石等のその他の電磁石２７が挿入されることもある。
【００２８】
又、その他の電磁石２７が偏向電磁石である場合、ステアリング電磁石２４Ｘ又は２４Ｙの代りに、該偏向電磁石（２７）を使用することも可能である。あるいは、図３の偏向電磁石１８をステアリング電磁石として使用することも可能である。その場合は、該偏向電磁石（２７又は１８）の主コイルに補正用コイルを巻き足し、該補正用コイルの電流値を調整することができる。
【００２９】
前記照射ノズル３２が有する線量分布調整機構２０は、例えば、二重散乱体方式の場合、図７に詳細に示す如く、透過厚さが可変の第１散乱体２０Ａと、該第１散乱体２０Ａにより広げられた粒子線ビームの線量分布を調整するための、中心部に散乱効果の高い鉛等の原子番号の大きい物質が配設された第２散乱体２０Ｂと、該第２散乱体２０Ｂの位置を少なくとも２軸方向（Ｘ、Ｙ方向）に調整するための散乱体駆動機構２０Ｃと、前記散乱体２０Ａ、２０Ｂにより形成された（線量分布の）重心位置を検出するためのモニタ２０Ｄとを含んで構成されている。
【００３０】
ここでモニタ２０Ｄとしては、平坦度モニタやプロファイルモニタを使用することができる。
【００３１】
なお、患部における実際の線量分布は、例えば出願人が特開平１１−６４５３０で提案した、ドーズモニタを水中で移動しながら、各測定値をプロットする水ファントム型線量分布測定装置により測定することができる。
【００３２】
前記ＢＰＭ２６による測定値とステアリング電磁石２４Ｘ、２４Ｙあるいは前記偏向電磁石（２７又は１８）の補正コイルの電流値の間には、図８に示す如く比例関係があるため、現在のビーム位置と目標位置の差より、ステアリング電磁石２４Ｘ、２４Ｙあるいは前記偏向電磁石（２７又は１８）の補正コイルの電流値調整量を求めることが可能である。
【００３３】
又、第２散乱体２０Ｂの位置とモニタ２０Ｄの測定値より算出された線量分布の重心位置及び患部における線量分布の平坦度の間にも、図９に示すような比例関係が、Ｘ方向、Ｙ方向各々に対してある。従って、通常、線量分布平坦度は、専用の測定器を粒子線照射位置に設置しないと測定できないが、モニタ２０Ｄの測定値と線量分布平坦度の間の比例関係を利用して、モニタ２０Ｄの測定値が目標位置に来るように第２散乱体２０Ｂの位置を調整することで、平坦な線量分布を得ることができる。
【００３４】
具体的には、ＢＰＭ２６の測定結果をもとに、基準位置との差より、対応するステアリング電磁石２４Ｘ又は２４Ｙあるいは前記偏向電磁石（２７又は１８）の補正コイルの電流値の変化量を決定する。この処理を、上流側から順次実施することで、最下流（散乱体への入射位置）でのビーム軸が所定の許容範囲に収まるよう粗調整する。この処理は短時間で完了するため、ガントリ３０の回転に対しても迅速にビーム軸を保証することが可能である。ここで、上流側から下流側へ処理を順次実施するのは、ビーム軸のずれの効果が上流側から下流側へ伝搬されるため、ビーム軸のずれが下流側で大きくなりすぎないようにするためである。
【００３５】
その後、ビーム軸の時間的な変動や、第２散乱体２０Ｂの位置誤差に対しては、第１散乱体２０Ａ及び第２散乱体２０Ｂを挿入した状態で、モニタ２０Ｄにより線量分布の重心位置を測定し、重心位置がモニタ２０Ｄの中央に無い場合は、その偏差をもとに第２散乱体２０Ｂを移動してビーム軸位置を微調整し、平坦な線量分布を確保することができる。
【００３６】
前記ビーム軸及び第２散乱体２０Ｂの位置調整は、極めて短時間で実施可能であるため、治療照射中でもリアルタイムで線量分布を調整することが可能である。
【００３７】
この際、図１０に示す如く、短パルスビームを用いることで、調整中の線量を減少させ、少ない照射量で平坦な線量分布を確保することができる。
【００３８】
このようにして、本発明に係る処理を特に回転ガントリに対して実施することで、ガントリの任意角度に対して容易にビーム軸の精度を保証することができる。
【００３９】
なお、前記説明においては、本発明が、陽子線治療装置の回転ガントリに適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、陽子線以外の荷電粒子線を用いた治療装置や照射装置、あるいは、治療装置以外にも同様に適用できることは明らかである。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、均一な線量分布を簡便に得ることが可能となる。
【００４１】
特に、線量分布調整機構の第２散乱体位置の微調整機構と組合せて、ビーム軸の時間的な変化や第２散乱体の位置設定誤差を補償することで、簡便に均一な線量分布を得ることが可能となる。
【００４２】
更に、短時間の測定／調整で線量分布の平坦度が確保できるため、例えば治療照射中でも、リアルタイムで線量分布を調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用対象の一例である陽子線治療装置の全体構成を示すブロック図
【図２】前記陽子線治療装置の回転ガントリの一例を示す斜視図
【図３】本発明が適用された回転ガントリのビーム輸送系の実施形態を示す光路図
【図４】ビーム輸送系の最終段に設けられる照射ノズルの一例の構成を示す斜視図
【図５】従来の問題点を説明するための、ビーム軸と第２散乱体の軸のずれと最終的な線量分布の関係の例を示す線図
【図６】本発明に係るビーム軸調整装置の実施形態の構成を示す斜視図
【図７】同じく線量分布調整機構の概略を示す斜視図
【図８】図６に示したビーム軸調整装置におけるステアリング電磁石あるいは偏向電磁石補正コイルの電流値とビーム位置検出器測定値の関係の例を示す線図
【図９】図７に示した線量分布調整機構における線量分布の傾き及び平坦度モニタ測定値と第２散乱体位置の関係の例を示す線図
【図１０】短パルスビームによるビーム軸補正の概念図
【符号の説明】
１０…治療装置
１２…粒子線加速装置
１４…ビーム輸送装置（ＢＴＳ）
２０…線量分布調整機構
２０Ａ…第１散乱体
２０Ｂ…第２散乱体
２０Ｃ…散乱体駆動機構
２０Ｄ…モニタ
２２…ビーム軸調整装置
２４Ｘ…Ｘ方向補正ステアリング電磁石
２４Ｙ…Ｙ方向補正ステアリング電磁石
２６…ビーム位置検出器（ＢＰＭ）
２７…その他の電磁石（偏向電磁石）
３０…回転ガントリ
【図１】
0003748423.tif 000002
【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】
0003748423.tif 000008
【図８】
0003748423.tif 000009
【図９】
0003748423.tif 000010
【図１０】
0003748423.tif 000011