マルチリーフコリメータ及び粒子線治療装置
【課題】ブロード照射と高分解能の照射を両立するためのマルチリーフコリメータを得ることを目的とする。
【解決手段】端面１Ｌｅ、１Ｒｅが互いに対向するように配置したリーフ対１を厚みｔＬ方向に複数並べたリーフ対群２と、リーフ対群２のリーフ板のそれぞれを、対向するリーフ板に対して接近または離反方向に駆動させるリーフ板駆動機構４と、リーフ対群２を厚みｔＬ方向に駆動するリーフ対群駆動機構５と、を備え、複数のリーフ対１のうち少なくとも１つのリーフ対１（ｗ）では、リーフ板どうしを接近方向に駆動させたときに、粒子ビームの照射方向から見てそれぞれのリーフ板の先端が相互に重なるように、それぞれのリーフ板の対向する端面が厚みｔＬ方向から見て段差状をなし、かつ、少なくとも一方のリーフ板には、段差状をなす端面のうち、他方のリーフ板に向かって最先端となる端面に切欠き部が形成されている。
【解決手段】端面１Ｌｅ、１Ｒｅが互いに対向するように配置したリーフ対１を厚みｔＬ方向に複数並べたリーフ対群２と、リーフ対群２のリーフ板のそれぞれを、対向するリーフ板に対して接近または離反方向に駆動させるリーフ板駆動機構４と、リーフ対群２を厚みｔＬ方向に駆動するリーフ対群駆動機構５と、を備え、複数のリーフ対１のうち少なくとも１つのリーフ対１（ｗ）では、リーフ板どうしを接近方向に駆動させたときに、粒子ビームの照射方向から見てそれぞれのリーフ板の先端が相互に重なるように、それぞれのリーフ板の対向する端面が厚みｔＬ方向から見て段差状をなし、かつ、少なくとも一方のリーフ板には、段差状をなす端面のうち、他方のリーフ板に向かって最先端となる端面に切欠き部が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線治療装置において照射野を形成するために用いられるマルチリーフコリメータ、および当該マルチリーフコリメータを用いた粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療は、治療対象となる患部に荷電粒子ビームを照射して、患部組織を殺傷することにより治療を行うものであり、周辺組織にダメージを与えず、患部組織に十分な線量を与えるため、照射線量や照射範囲（以降、照射野と称する）の制御が重要である。粒子線治療装置において、照射野を形成する方法は、２つに大別される。スキャニング電磁石等によって小さな照射領域を走査して段階的に照射野を形成するスキャニング照射型とよばれるものと、ワブラ電磁石、散乱体、レンジモジュレータ等により構成される照射ノズルを用いて所定の領域内を一気に照射するブロード照射型とよばれるものとである。
【０００３】
スキャニング照射型は、スキャニング電磁石の制御により照射野を直接形成するので、分解能が高く、患部形状を忠実に再現することができる。しかし、加速器から供給される荷電粒子ビームの状況に合わせて、スキャニング電磁石を高度に制御する必要があり、高い照射精度を実現するためには、複雑な制御が必要である。一方、ブロード照射型の場合、照射ノズルは、荷電粒子ビームの照射野を所定範囲に広げておけばよく、照射ノズルの下流に設けたマルチリーフコリメータの各リーフの物理的な位置により形成された透過形状により、容易に照射野を形成することができる（例えば、特許文献１ないし５参照。）。そのため、現状では、取り扱いの容易なブロード照射法を採用している施設が多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−７３４０４号公報（段落００１１〜００１４、図２）
【特許文献２】特開２００４−７３４０６号公報（段落００１６〜００１７、図２）
【特許文献３】特表２００５−５０９５００号公報（段落００４８〜００５６、図５、図６）
【特許文献４】特開２００１−２９４８９号公報（段落００２９〜００３０、図３）
【特許文献５】特開２００８−６８０９２号公報（段落００１９、図１）
【特許文献６】特開昭６０−０６３５００号公報（図２）
【特許文献７】特開昭６３−２２５１９９号公報（図１７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ブロード照射法の場合、照射野を形成するマルチリーフコリメータの各リーフの厚みで分解能が決まってしまう。そのため、既存のブロード照射方式の粒子線治療装置において、スキャニング照射型のような高分解能の照射を実現することは困難であった。一方、粒子線治療の歴史は浅く、照射野の分解能と治療成績との関係については、必ずしも明らかではないが、分解能を向上させることにより、治療成績の向上が期待できる場合がある。しかし、粒子線治療装置は大掛かりなものであり、既存のブロード照射方式の設備をスキャニング照射方式の設備に改造することは困難である。そのため、既存のブロード照射方式を採用している施設において、分解能を高めて粒子線治療をおこなうことは困難であった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、既存のブロード照射方式の照射設備を用いて、ブロード照射と高分解能の照射を両立するためのマルチリーフコリメータおよび当該マルチリーフコリメータを用いた粒子線治療装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のマルチリーフコリメータは、照射野を拡大するように照射された粒子ビーム中に配置され、照射野を形成するためのマルチリーフコリメータであって、２枚のリーフ板のそれぞれの端面が互いに対向するように配置したリーフ対を、前記リーフ板の厚み方向に複数並べたリーフ対群と、前記リーフ対群のリーフ板のそれぞれを、対向するリーフ板に対して接近または離反方向に駆動させるリーフ板駆動機構と、前記リーフ対群を前記リーフ板の厚み方向に駆動するリーフ対群駆動機構と、を備え、前記複数のリーフ対のうち少なくとも１つのリーフ対では、リーフ板どうしを前記接近方向に駆動させたときに、前記粒子ビームの照射方向から見てそれぞれのリーフ板の先端が相互に重なるように、それぞれのリーフ板の対向する端面が前記厚み方向から見て段差状をなし、かつ、少なくとも一方のリーフ板には、前記段差状をなす端面のうち、他方のリーフ板に向かって最先端となる端面に切欠き部が形成されている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のマルチリーフコリメータによれば、接近させたときにそれぞれのリーフ板の先端が相互に重なるように段差状をなし、かつ、少なくとも一方のリーフ板の最先端となる端面に切欠き部を設けるように構成したので、通常のブロード照射に加え、切欠き部を通してリーフ板の板厚みよりも細いスポット状のビームを形成できるので、既存のブロード照射方式の照射設備を用いて、ブロード照射を行うことができるのはもちろんのこと、スポット状のビームによる高分解能の照射を実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータのリーフ板の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータにおいて、スポット状のビームを形成する際のリーフの位置を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータを用いてスポット状のビームにより高分解能の照射を行う様子を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータにおいて、ブロード照射のための照射野を形成する際のリーフの位置を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータを用いてブロード照射を行う様子を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータを用いてブロード照射を行った際の照射野の輪郭の状態を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係るマルチリーフコリメータのリーフ板の構成を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係るマルチリーフコリメータにおいて、スポット状のビームを形成する際のリーフの位置を説明するための図である。
【図９】ブロード照射において従来のマルチリーフコリメータで照射野を形成した際に現れる半影体について説明するための図である。
【図１０】２方向の走査電磁石の走査により、照射野を拡大させたときの粒子ビームの形状について説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態４に係るマルチリーフコリメータの基本形状を説明するための図である。
【図１２】本発明の実施の形態４に係るマルチリーフコリメータの基本形状とブロード照射時のリーフの位置を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態３および４に係るマルチリーフコリメータのリーフの形状および、スポット状のビームを形成する際のリーフの位置を説明するための図である。
【図１４】本発明の実施の形態５に係る粒子線治療装置の構成を説明するための機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータの構成について説明する。図１〜図６は本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータの構成について説明するためのもので、図１はマルチリーフコリメータを構成するリーフ板の構成を示す図であり、図１（ａ）は外観図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＰ方向からの上面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＳ方向からの側面図、図１（ｄ）は図１（ｂ）のＡ領域の拡大図、図１（ｅ）は図１（ａ）のＢ領域の拡大図である。図２はマルチリーフコリメータで、高分解能の照射を実施するときの、リーフ位置を説明するための図であり、図２（ａ）はマルチリーフコリメータ全体（各リーフの駆動機構や制御機構等は図示せず）の外観図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＰ方向からの上面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＳ方向からの側面図、図２（ｄ）は図２（ｂ）のＡ領域の拡大図である。図３はマルチリーフコリメータで、高分解能の照射を実施するときの、照射像を説明するための図である。
【００１１】
また、図４はマルチリーフコリメータで、通常のブロード照射を実施するときの、リーフ位置を説明するための図であり、図４（ａ）はマルチリーフコリメータ全体の外観図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＰ方向からの上面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＳ方向からの側面図である。また、図５はマルチリーフコリメータで、ブロード照射を実施するときの、照射像を説明するための図である。さらに、図６は、従来のマルチリーフコリメータで照射野を形成した時の輪郭と本実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータで照射野を形成した時の輪郭を比較するための図である。
【００１２】
ここで、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータの特徴的な構成を説明する前に、図３と図４を用いて、従来のマルチリーフコリメータと同様の部分、つまり、ブロード照射法で使用する場合の構成について説明する。
【００１３】
ブロード照射法は、簡単に言えば荷電粒子ビームの照射野を一旦広げる方法である。具体的には、散乱体もしくはワブラ電磁石、またはこれらの組合せによってビームの照射野をｘｙ方向に広げるものである。このとき、レンジシフタ―等により、荷電粒子ビームの運動エネルギーの分布も広げている。このようにして、所定の幅の運動エネルギー分布を有し、照射野を拡大されて照射された荷電粒子ビームは、制限器により患部形状に合わせて所定の照射形状に成形される。
【００１４】
その制限器のひとつがマルチリーフコリメータ３である。マルチリーフコリメータ３は、所定厚みを有する鉛等の金属板のリーフ１を厚み方向（ｙ方向）に垂直な面内（ｘｚ面）に並べて対（１Ｌと１Ｒ）となし、各リーフ対１を厚み方向（ｙ方向）に平行に重ねてリーフ対群２として入射面Ａｓを形成したものである。リーフ対群２のリーフ板１のそれぞれを、対向するリーフ板に対して接近方向または離反方向に駆動させる図示しないリーフ板駆動機構４を備え、各リーフ対１を互いに離間方向や接近方向（ｘ方向）に移動（スライド）させて端部１Ｌｅ、１Ｒｅを所定位置に移動させることにより、マルチリーフコリメータ内に、それぞれ厚み方向に隣接したリーフ端部１Ｌｅ、１Ｒｅの集合形状２Ｌeと２Ｒｅで透過形状ＥＦを形成する。これにより、図示しない照射ノズルから拡散状態で照射された荷電粒子ビームは、マルチリーフコリメータ２を透過する際に、透過形状ＥＦに応じた照射野に制限され、患部に対して、ビームに垂直な平面（ｘｙ平面）において、透過形状ＥＦに応じた照射形状ＩＩＢで照射することができる。
【００１５】
一方、荷電粒子ビームの深さ方向（ｚ方向）についての調整は、もう一つの制限器である図示しないボーラスを用いる。ボーラスは、患者毎に患部のディスタル形状に合わせて樹脂を加工して製作し、マルチリーフコリメータの下流（マルチリーフコリメータと患部との間）に設置される。つまり、マルチリーフコリメータを通り、ｘｙ平面の形状（照射野）を規定された荷電粒子ビームは、ボーラスを通過することにより、患部のディスタル形状に合わせた強度分布（ｚ方向）をつけられ（エネルギー変調され）、患部に照射される。
【００１６】
一方、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータ２では、上記のようにブロード照射における照射野を形成するための従来と同様の構成に加え、以下のような特徴を有する。
【００１７】
図１に示すように、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータ２では、各リーフ１において、それぞれ厚み方向（ｙ方向）に垂直な面内（ｚｘ面）に並び対となるリーフ（１Ｌと１Ｒ）の対向する端部１Ｌｅ、１Ｒｅに、荷電粒子ビームの透過方向（照射方向：ｚ方向）にそって突き抜ける切欠き部１ＬｅＮ、１ＲｅＮを設けている。さらに、対となるリーフ１Ｌ、１Ｒの先端部１Ｌｓ、１Ｒｓは、スライドして近接したときに、ビームの照射方向であるｚ方向で、少なくとも切欠き部１ＬｅＮ、１ＲｅＮを塞ぐように、互いにオーバーラップする段差状をなし、対向する端部１Ｒｅ、１Ｌｅが自身の端部１Ｌｅ、１Ｒｅより手前に接近した時に、それぞれのリーフの先端部１Ｌｓ、１Ｒｓが照射方向から見て相互に重なるようになっている。さらに、リーフ対群２全体をリーフ板１の厚み方向に駆動する図示しないリーフ対群駆動機構５を備えている。
【００１８】
そして、図１（ｄ）に示すように、リーフ１Ｌにおいて、対向する端部１Ｒｅが、切欠き部１ＬｅＮと端部１Ｌｅの間に位置するとき、あるいは、リーフ１Ｒにおいて、対向する端部１Ｌｅが、切欠き部１ＲｅＮと端部１Ｒｅの間に位置するとき、対向する切欠き部１ＲｅＮと１ＬｅＮ部を輪郭とする荷電粒子ビームの透過孔ＴＨが形成される。このとき、形成される透過孔ＴＨの径ＤＨは、リーフ１Ｌと１Ｒとの距離、厳密には対向する切欠き部１ＲｅＮと１ＬｅＮ部の距離により自在に調整でき、しかもリーフの厚みｔＬよりも小さくすることができる。
【００１９】
このとき、先端部１Ｌｓ、１Ｒｓは、段差状をなすようにしたので、対向する端部１Ｒｅが、切欠き部１ＬｅＮよりも手前に位置するようにしたとき、あるいは、リーフ１Ｒにおいて、対向する端部１Ｌｅが、切欠き部１ＲｅＮよりも手前に位置するようにしたとき、リーフ１Ｌまたは１Ｒを通過しようとする荷電粒子ビームの進路（ｚ方向）を他方のリーフ板の先端部分１Ｌｓまたは１Ｒｓのいずれかにより遮ることができるので、荷電粒子ビームは切欠き部から漏れず、遮断することができる。したがって、段差状の先端部１Ｌｓ、１Ｒｓの長さ（リーフ駆動方向における噛み合い深さ）は対向するリーフの切欠き部の切欠き深さ以上であればよい。
【００２０】
したがって、図２に示すように、ｎ組のリーフ１（１）〜１（ｎ）のうち、１組のリーフ１（ｗ）については、図１に示すように、貫通孔ＴＨが形成されるようにリーフ１Ｌ（ｗ）と１Ｒ（ｗ）の位置を調整する。そして、１組のリーフ１（ｗ）を除いて、他のリーフは閉じるように、つまり、段差状の先端部１Ｌｓ、１Ｒｓにより、途中を遮断されて貫通孔ＴＨではなく、閉塞孔ＣＨとなるようにする。これにより、マルチリーフコリメータ２を透過した荷電粒子ビームは、図３に示すように、１組のリーフ１（ｗ）の透過孔ＴＨ部分のみを透過し、スポット状の照射形状ＩＩＰとなって、患部に照射される。
【００２１】
ここで、透過孔ＴＨの位置をｘｙ平面内で移動するようにマルチリーフコリメータ３を駆動すれば、スポット状の照射形状ＩＩＰの位置を照射対象の形状ＳＴに応じて移動させ、所望の照射形状を形成する。このとき、ｘ方向はリーフ板駆動機構４により、リーフ１（ｗ）をｘ方向に移動させて調整し、ｙ方向はリーフ対群駆動機構５により、マルチリーフコリメータ３全体をｙ方向に移動させて調整する。つまり、透過孔ＴＨに応じて形成されたスポット状の照射形状ＩＩＰをつなぎ合わせて照射対象の形状ＳＴを形成するものであり、スキャニング照射における走査に相当する。しかし、スキャニング照射ではビームのスポット径の下限値が、加速器から供給された荷電粒子ビームのビーム径により制限されるのに対し、本実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータによれば、供給される荷電粒子ビームのビーム径に関わらず、透過孔ＴＨの形状により、自在に調整する事ができる。さらに、加速器から供給される荷電粒子ビームの軌道がずれた場合、スキャニング照射では、軌道のずれを補償するようにスキャニング電磁石等の動作を制御する必要があるが、本実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータによれば、供給される荷電粒子ビームの軌道が乱れても、透過孔ＴＨの位置さえ患部に合わせて制御できていれば、正確にスポット位置を制御することができる。
【００２２】
なお、従来の端部が平坦なマルチリーフコリメータをｘｙ方向の制限器とした場合に形成される照射野の輪郭形状を図６（ａ）に示すようにＩＩＢＰとすると、本実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータでブロード照射を行った場合に形成される照射野の輪郭形状は、図６（ｂ）のＩＩＢに示すように、照射野の境界部の形状に切欠き部の形状ＳＮが表れる。しかし、その違いは、元々照射対象の形状ＳＴに対する照射野の分解能よりも小さなものであり、問題はない。ただし、照射面積を同一にするために、例えば、切欠き部による透過で面積が広がる分を補償するように、リーフの離間距離を従来のマルチリーフコリメータにおける設定値ＤｅＰよりも小さな調整値ＤｅＩに調整するようにしてもよい。
【００２３】
なお、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータ３においては、切欠き部からの荷電粒子ビームの漏れを解消するために段差状をなす先端部１Ｌｓ、１Ｒｓにより、従来のブロード照射を実施した場合でも、図４、図５に示すように荷電粒子ビームを透過させないように閉じたリーフ対からの漏れ線量を低減できる。したがって、従来のブロード照射を実施する場合も、むしろ、従来のマルチリーフコリメータを用いた時よりも、計画通りの線量で患部に粒子線照射を実施できるようになる。
【００２４】
なお、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータ３においては、先端部１Ｌｓ、１Ｒｓの段差形状を矩形で形成した例を示したが、これに限られることはない。例えばノコ刃状や、波状で段差をつけてもよい。また、切欠き部は、透過孔を対称形に形成するためには両側のリーフ板に形成することが望ましいが、少なくとも一方のリーフ板に形成していればスポット状のビームを形成することはできる。
【００２５】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置によれば、照射野を拡大するように照射された粒子ビーム中に配置され、照射野を形成するためのマルチリーフコリメータ３であって、２枚のリーフ板１Ｌ、１Ｒのそれぞれの端面１Ｌｅ、１Ｒｅが互いに対向するように配置したリーフ対１を、リーフ板の厚みｔＬ方向に複数並べたリーフ対群２と、リーフ対群２のリーフ板１Ｌ，１Ｒのそれぞれを、対向するリーフ板に対して接近または離反方向（ｘ方向）に駆動させるリーフ板駆動機構４と、リーフ対群２をリーフ板１Ｌ，１Ｒの厚みｔＬ方向（ｙ方向）に駆動するリーフ対群駆動機構５と、を備え、複数のリーフ対１のうち少なくとも１つのリーフ対１（ｗ）では、リーフ板１Ｒ（ｗ）、１Ｌ（ｗ）どうしを接近方向に駆動させたときに、粒子ビームの照射方向から見てそれぞれのリーフ板の先端１Ｌｓ、１Ｒｓが相互に重なるように、それぞれのリーフ板の対向する端面が厚みｔＬ方向から見て段差状をなし、かつ、少なくとも一方のリーフ板（例えば１Ｒ（ｗ））には、段差状をなす端面のうち、他方のリーフ板に向かって最先端となる端面（例えば１Ｒｅ）に切欠き部（例えば１ＲｅＮ）が形成されているように構成したので、通常のブロード照射が出来るのはもちろんのこと、リーフ１Ｒにおいて、対向する端部１Ｌｅが、切欠き部１ＲｅＮと端部１Ｒｅの間に位置するとき、対向する切欠き部１ＲｅＮと１ＬｅＮ部を輪郭とする荷電粒子ビームの透過孔ＴＨが形成される。そして他のリーフ対を閉じるようにすれば、透過孔ＴＨによってリーフ板の厚みよりも径が小さなスポット状のビームを形成する事が出来る。したがって、リーフ板駆動機構４と、リーフ対群駆動機構５とにより、スポット状のビームを必要な位置に移動させることによって、リーフ板１の板厚みｔＬよりも分解能の高い照射形状で照射ができる。つまり、照射装置を大掛かりに改造することなく、１つの照射装置で、ブロード照射と高分解能な照射を実現することができる。
【００２６】
とくに切欠き部（例えば１ＬｅＮ）が、他方のリーフ板（例えば１Ｌｅ）にも形成されているようにしたので、透過孔ＴＨを対称形に形成できる。
【００２７】
また、上記スポット状のビーム位置は、各リーフの物理的な位置で決まるので、加速器から供給される荷電粒子ビームの状態が変動したり、ヒステリシス等の影響でワブラ電磁石で走査された荷電粒子ビームの形状が変動したりしても、正確で分解能の高い照射を行える。
【００２８】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２にかかるマルチリーフコリメータについて説明する。本実施の形態２にかかるマルチリーフコリメータは、実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータに対して、リーフの最先端の端面に形成した切欠き部の形状を変化させたものである。他の構成については実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータと同様であるので説明を省略する。
【００２９】
図７と図８は、本発明の実施の形態２にかかるマルチリーフコリメータの構成を説明するためのもので、図７はマルチリーフコリメータを構成する複数のリーフのうち、１枚のリーフの構成を示す図であり、図７（ａ）は外観図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＰ方向からの上面図、図７（ｃ）は図７（ａ）のＳ方向からの側面図、図７（ｄ）は図７（ｂ）のＡ領域の拡大図である。そして図８は、リーフ先端どうしを近接させたときに形成される透過孔の形状を説明するためのマルチリーフコリメータを構成する複数のリーフのうち、一対のリーフの構成を示す図であり、図８（ａ）は外観図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＰ方向からの上面図、図８（ｃ）は図８（ａ）のＳ方向からの側面図、図８（ｄ）は図８（ｂ）のＡ領域の拡大図であり、リーフ先端の切欠き部の形状とその組合せによる透過孔の形状を示すものである。
【００３０】
図において、各リーフ２１は、それぞれ厚み方向（ｙ方向）に垂直な面内（ｚｘ面）に並び対となるリーフ（２１Ｌと２１Ｒ）の対向する端部２１Ｌｅ、２１Ｒｅに、荷電粒子ビームの照射方向（ｚ方向）にそって頂角Ａｖが直角の三角形をなす切欠き部２１ＬｅＮ、２１ＲｅＮを設けている。そのため、図７（ｄ）に示すように、リーフ２１Ｌにおいて、対向する端部２１Ｒｅが、切欠き部２１ＬｅＮと端部２１Ｌｅの間に位置するとき、あるいは、リーフ２１Ｒにおいて、対向する端部２１Ｌｅが、切欠き部２１ＲｅＮと端部２１Ｒｅの間に位置するとき、対向する切欠き部２１ＲｅＮと２１ＬｅＮ部を輪郭とする正方形の透過孔ＴＨが形成される。この場合でも、形成される透過孔ＴＨの径ＤＨは、対向する切欠き部２１ＲｅＮと２１ＬｅＮ部の距離により自在に調整できるが、さらに、リーフ厚み方向（ｙ方向）の径ＤＨｙとリーフスライド方向（ｘ方向）の径ＤＨｘの比が、径ＤＨ、つまり開口度によらず、常に１で正方形となる。したがって、いわゆる透過孔が開口度によって扁平することがないので、方向性がなく照射形状を形成するのに優れている。
【００３１】
なお、上記実施の形態２においては、頂角Ａｖを直角にした例を示したが、直角に限定されることはない。その場合、透過項の形状はいわゆるひし形となり、径ＤＨｙと径ＤＨｘの比は１ではないが、開口度によらず常に一定となる。また、対となるリーフのうち、一方の先端部には切欠きを設けないようにしてもよく、その場合も相似形の三角形を形成する事ができる。
【００３２】
また、上記のように一つのリーフ対により縦横比を変えずに径の異なる透過孔を形成する場合は、切欠き部を頂角から直線で延びるように形成する必要があり、透過項の形状は多角形となる。一方、リーフ毎に予め形成する透過項の径を定めるようにすれば、数種の径の円形のビームを実現する事もできる。例えば、リーフ対１（１）〜１（ｎ）のそれぞれで、異なる径の半円の切欠き部を形成するようにすれば、透過孔を形成するリーフ対を選択する事により、円形で径の異なるビーム形状を実現する事ができる。
【００３３】
また、切欠き部は、必ずしも、リーフ厚み方向の中央部になくてもよく、厚み方向に一方に偏って形成したような場合でも同様の効果を発揮する。
【００３４】
以上のように、本発明の実施の形態２にかかるマルチリーフコリメータ２３によれば、切欠き部２１ＬｅＮ、２１ＲｅＮの照射方向から見た形状が三角形であるように構成したので、端部２１Ｌｅ，２１Ｒｅ同士の距離を調整してスポット状のビームのビーム径を変化させても透過孔ＴＨの縦横比が変化せず、相似形のビームを形成することができる。
【００３５】
とくに、三角形は端面２１Ｌｅまたは２１Ｒｅを底辺とする直角２等辺三角形であるように構成したので、端部２１Ｌｅ，２１Ｒｅ同士の距離を調整してスポット状のビームのビーム径を変化させても透過孔ＴＨが正方形で、縦横比が１対１のビームを形成することができる。
【００３６】
あるいは、切欠き部が複数のリーフ対の互いに対向する端面に形成されているとともに、形成されている切欠き部の大きさがリーフ対によって異なるように構成すれば、スポット状のビームを形成するリーフ対を選択することで任意の形状でしかも所望のビーム径で照射することができる。
【００３７】
したがって、ビーム径をどのように絞ってもビームの断面の形状が変化せず、すなわち相似形で正確なビームを照射できる。つまり、スキャニング方式よりも径が小さく、かつ形状の整ったビームを照射することができる。
【００３８】
実施の形態３．
上記実施の形態１および２においては、マルチリーフコリメータの形状が直方体のものとして説明を行った。すなわち、実施の形態１及び２で用いた図１〜８においては、マルチリーフコリメータが閉じた状態での形状（以下「全体形状」という。）が直方体となるものとして説明を行った。たしかに、粒子線等の線源が、平行に照射されると仮定した場合にはマルチリーフコリメータの全体形状が直方体でも十分に効果が発揮される。しかし、マルチリーフコリメータの全体形状自体は本発明の技術思想を限定するものではなく、直方体以外の形状でも効果を発揮する。そこで、本実施の形態３においては、全体形状が直方体以外のものについて説明する。
【００３９】
全体形状が、直方体以外であるマルチリーフコリメータの先行技術としては、特許文献６と７が挙げられる。特許文献６は、速中性子線による照射治療において照射野の絞り込みによる線量低下の防止と半影部の発生を少なくした速中性子線治療用可変コリメータの発明に関するものである。半影部が発生する課題を解消するため、従来から錐体分割型コリメータが提案されているが、特許文献６ではさらに体積線源を仮定し、錐体である全体形状を決定するための原点の位置を従来のものよりも離れた位置に設定することを提案している（図２）。また、特許文献７は、放射線照射装置特に医療を目的とする装置の照射野を限定するコリメータの構造の発明に関するものである。特許文献７においても、点光源的な線源を仮定しており、錐体状のマルチリーフコリメータを提案している（図１７）。
【００４０】
いずれの先行技術文献（特許文献６及び７）においても、点光源的な線源を仮定している。ここで、どのような場合に点光源的になるかについて説明する。粒子線治療装置において、照射野を形成する方法は、２つに大別されることを述べた。ビームを電磁石で走査して照射野を形成するスキャニング法と、ビームを一旦広げて照射野を形成するブロード照射法である。ブロード照射法のもっとも簡単な方法は、ビームを散乱体にあててビームを広げる散乱体法である。散乱体を２段に用いる「二重散乱体法」なども提案されている。散乱体法においては、ビームが点光源的に広がるため、特許文献６又は７のコリメータが有効となる。なお、ブロード照射法には、散乱体法の他に、ワブラ電磁石でビームを走査させた後、ワブラ電磁石の下流に設置された散乱体にて走査したビームを広げるワブラ法がある。
【００４１】
以上のように、従来から点光源的な線源の場合、全体形状が直方体の場合に生じる半影部の技術的課題に対して、全体形状が錐体のものが提案されている。このような錐体マルチリーフコリメータにおいても、通常のブロード照射とスポット照射との２つのモードを実現するために、本発明の考え方を適用することができる。
【００４２】
図１３は、本実施の形態３におけるマルチリーフコリメータにおける１対のリーフの構造を示した図である。なお、図１３については、後述する実施の形態４における説明では、リーフの軌道とリーフ対群全体の軌道の半径が異なることについて説明している（その詳細については、実施の形態４で説明する。）が、ここでは、その違いは考慮せず、全体形状が錐体状の場合のリーフ形状の説明として図１３を使用する。
【００４３】
リーフの対向する端部３１Ｌｅ、３１Ｒｅに、荷電粒子ビームの放射方向（ｚ方向）にそって切欠き部３１ＬｅＮ、３１ＲｅＮを設けているのは、実施の形態１又は２と同様である。さらに、対となるリーフの先端部３１Ｌｓ、３１Ｒｓは、スライドして近接したときに、ビームの放射方向であるｚ方向で、少なくとも相手の切欠き部３１ＲｅＮ、３１ＬｅＮを塞ぐように、互いにオーバーラップする段差状をなし、対向する端部が自身の端部より手前に接近した時に、それぞれのリーフの先端部が放射方向から見て相互に重なるようになっているのも、実施の形態１又は２と同様である。さらに、図示しないリーフ対群全体をリーフ板の厚み方向に駆動する図示しないリーフ対群駆動機構５を備えていることも同様である。
【００４４】
以上のように、点光源的な広がりをする線源に対して、全体形状が錐体のマルチリーフコリメータを用いる場合においても、本発明のマルチリーフコリメータによれば、接近させたときにそれぞれのリーフ板の先端が相互に重なるように段差状をなし、かつ、少なくとも一方のリーフ板の最先端となる端面に切欠き部を設けるように構成したので、通常のブロード照射に加え、切欠き部を通してリーフ板の板厚みよりも細いスポット状のビームを形成できるので、既存のブロード照射方式の照射設備を用いて、ブロード照射を行うことができるのはもちろんのこと、スポット状のビームによる高分解能の照射を実現することもできる。
【００４５】
実施の形態４．
本実施の形態４にかかるマルチリーフコリメータは、照射野を拡大するように照射されたビームの形状に応じて、リーフのスライド軌跡やリーフ対群の移動軌跡を調整したものである。具体的には、照射野を拡大するために使用する走査方向が異なる２つの電磁石の位置に対応して、リーフのスライドの回転半径とリーフ対群の移動軌跡の回転半径を定めたものである。
【００４６】
本実施の形態４にかかるマルチリーフコリメータの構成の説明に先立ち、マルチリーフコリメータを通過する荷電粒子ビームの形状について説明する。
粒子線治療装置においてその照射法は、背景技術にて説明したように、ブロード照射法とスキャニング照射法に大別されるが、いずれの場合においても、荷電粒子ビームは偏向方向の異なる２つの電磁石（例えば、ｘ方向用とｙ方向用の２つ）を用いて照射エリアを広げている。例えば、ブロード照射法で用いるワブラ法では、荷電粒子ビームを円軌道に走査し、散乱体を用いてビームを広げている。このとき、理想的には、ｘ方向用とｙ方向用の電磁石は、患部から等距離の同じ位置に配置したい。しかし、現実的には、２つの電磁石を患部から等距離に配置することはできない。
【００４７】
この状況に由来する問題について、図を用いて説明する。
図９と図１０は、２つの電磁石によって照射エリアを広げる場合にマルチリーフコリメータを通ったときの荷電粒子ビームの形状（線束としての形状）およびビーム形状に影響される照射野の状況を説明するためのもので、図９（ａ１）は２つの電磁石６と７の配置と荷電粒子ビームのｘｚ平面での広がり形状、図９（ａ２）は、２つの電磁石６と７の配置と荷電粒子ビームのｙｚ平面での広がり形状、図９（ｂ）は各リーフが直線的にスライドする従来のマルチリーフコリメータの外観、図９（ｃ）はマルチリーフコリメータを通過した照射野の状態を示す図である。また、図１０は２つの電磁石により拡大される荷電粒子ビームの形状をそれぞれの電磁石との関係で示したもので、図１０（ａ）は線束の全体を示す斜視図、図１０（ｂ）は線束のｘｚ面内での形状を示す図、図１０（ｃ）は線束のｙｚ面内での形状を示す図である。
【００４８】
図９に示すように、例えば２つの電磁石６、７を患部Ｔｇから無限遠に配置すれば、荷電粒子ビームの線束Ｆｒは、電磁石６、７により拡大されたとしても、ほぼ平行ビームの状態で患部に到達する。しかし、実際には、電磁石６、７と患部Ｔｇとの距離は、たかだが数ｍなので、ビーム（線束）形状は、扇型に広がる拡散ビームとなる。この場合でも、患部のうち、アイソセンタＩＣ近傍の線束Ｆｒの中央部に位置する部分では問題ないが、周縁部では、リーフの一部の影となる半影帯ＺＰが生じる。
【００４９】
また、ｘ方向用の電磁石６とｙ方向用の電磁石７の位置が異なるため、ｘ方向、ｙ方向ともに、同じ大きさの領域に拡大したとしても、図１０に示すように、線束の形状は、ｘｚ面内とｙｚ面内では異なったものとなる。そのため、照射された荷電粒子ビームが、同じ距離進んだ場合に到達可能なエリアは異なったものとなる。さらに詳しく説明すると、ｘｚ面内、つまりｘ方向の広がりは、電磁石６の走査軸Ｓａ６を中心として広がり、ｙｚ面内、つまりｙ方向の広がりは、電磁石７の走査軸Ｓａ７を中心として広がっている。別の言い方をすれば、線束の形状は、ｘ方向とｙ方向で極率半径が異なる扇型となっている。
【００５０】
上記のような線束の形状を考慮し、半影の影響を受けずに、照射野を正確に形成するために本実施の形態４にかかるマルチリーフコリメータを製作した。図１１〜図１３は本発明の実施の形態４にかかるマルチリーフコリメータの構成について説明するためのもので、図１１はマルチリーフコリメータ全体の半影の影響を解消するための基本的な構成を説明するための図であり、図１１（ａ）は斜視透視図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＰ方向からの上面透視図、図１１（ｃ）は図１１（ａ）のＳ方向からの側面透視図、図１１（ｄ）は図１１（ａ）のＦ方向からの正面透視図である。図１２も図１１と同様に半影の影響を解消するための基本構成を説明するためのもので、ブロード照射で照射野を形成する際のリーフ位置を説明するための図であり、図１２（ａ）は斜視透視図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＰ方向からの上面透視図、図１２（ｃ）は図１２（ａ）のＳ方向からの側面透視図、図１２（ｄ）は図１２（ａ）のＦ方向からの正面透視図である。また、図１３は、マルチリーフコリメータを構成する複数のリーフのうち、一対のリーフの具体的な構成を示す図であり、図１３（ａ）は外観図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＰ方向からの上面図、図１３（ｃ）は図１３（ａ）のＳ方向からの側面図、図１３（ｄ）は図１３（ａ）のＦ方向からの正面図である。
【００５１】
図１１、１２に示すように、マルチリーフコリメータ３２の基本的な形状ＦＢ３２として、各リーフのスライド（ｘ方向）をｘ方向にビームを拡大する電磁石６からの距離に対応する半径ＲＳａ６の円周軌道とし、各リーフの厚み方向の形状をｙ方向にビームを拡大する電磁石７からの距離に対応する半径ＲＳａ７の扇型を分割した形状（上流側から下流側へいくほど厚くなる）とした。これにより、図１２に示すように透過形状を形成すると、半影帯ＺＰを形成することなく、患部に所望の照射野を形成することができる。
【００５２】
上記のように、ｘ方向用電磁石６、ｙ方向用電磁石７からの距離に応じた曲率で基本構成ＦＢ３２を備えた上で、さらに、図１３に示すように各リーフ３１Ｌ、３１Ｒの端部３１Ｌｅ、３１Ｒｅに切欠き部３１ＬｅＮ、３１ＲｅＮを設けたので、リーフの幅より径の小さなビームを形成できるとともに、半影の影響がなく、周囲とのコントラストの高い良好なビームが得られる。さらに、閉じた時にオーバーラップできる段差状の先端部３１Ｌｓ、３１Ｒｓを設けたので、ビームの漏えいも防止できる。
【００５３】
以上のように、本実施の形態４にかかるマルチリーフコリメータ３３によれば、リーフ板駆動機構３４は、粒子ビームの中心軸上で当該中心軸に垂直な第１の軸を中心とする第１の円周軌道に沿ってリーフ板３１を駆動し、リーフ対群駆動機構３５は、粒子ビームの中心軸上で当該中心軸に垂直な第２の軸を中心とする第２の円周軌道に沿ってリーフ対群３２を駆動するように構成したので、半影体の影響を受けずにコントラストの高い良好なビームが得られる。
【００５４】
とくに、リーフ板３１の第１の円周軌道に垂直な断面の形状が、第２の軸を中心とする扇型になっているので、リーフ板の厚み方向に隣接するリーフ板間での粒子線ビームの漏れがなく、良好なビームを形成できる。
【００５５】
実施の形態５．
本実施の形態５にかかる粒子線治療装置は、上記各実施の形態にかかるマルチリーフコリメータを備えたものである。図１４は本実施の形態５にかかる粒子線治療装置の構成を説明するためのブロック図である。図において、照射計画部１０９は、粒子線治療装置１００と独立した装置であり、患部への適切な治療計画を生成する治療計画装置１０９ａと、各種データを保持し、生成した治療計画に従って、具体的な照射角度や照射形状等のデータを出力するサーバ１０９ｂとを備えている。そして、本実施の形態５にかかる粒子線治療装置の照射制御部１０８では、照射計画指示部１０９から出力された照射角度（ビーム軌道）や照射形状に基づいて生成された照射データに従い、統括制御部１０８ａを中心に照射制御を行う。そして、本実施の形態５においては、通常のブロード照射と、リーフに設けた切欠き部により形成した透過孔ＴＨによるスポット照射の２つのモードのうち、選択したモードに従い、マルチリーフコリメータ３や照射ノズル１０６、加速器１０７等の制御方法を切替えるモード制御部１０８ｂを備えている。
【００５６】
そして、通常のブロード照射が選択されたときは、モード制御部１０８ｂは統括制御部１０８ａから出力された制御信号をそのままリーフ制御部１０８ｃおよび粒子線制御部１０８ｄに出力する。この場合、マルチリーフコリメータ３は、複数のリーフ板１を用いて、照射野ＥＦを形成するように各リーフ板１の位置が制御される。そして、照射ノズル１０６は散乱体のほか、上述したワブラ電磁石６、７を備えており、電磁石６、７の動作を制御して、加速器１０７から供給された荷電粒子ビームの線束Ｆｒを拡大し、マルチリーフコリメータ３の入射面Ａｓ、または照射野をカバーできるようにする。
【００５７】
一方、スポット照射が選択されたときは、モード制御部１０８ｂは統括制御部１０８ａから制御信号を受けると、受けた制御信号をスポット照射に適したデータに変換してから、リーフ制御部１０８ｃおよび粒子線制御部１０８ｄに出力する。これにより、実施の形態１で説明したように、ｎ組のリーフ１（１）〜１（ｎ）のうち、１組のリーフ１（ｗ）については、貫通孔ＴＨが形成されるようにリーフ１Ｌ（ｗ）と１Ｒ（ｗ）の位置が調整されるとともに、他のリーフは閉じられるので、リーフ１（ｗ）の透過孔ＴＨ部分のみを透過したスポット状の照射形状ＩＩＰが患部に照射される。そして、照射対象の形状ＳＴに応じて、スポット状の照射形状ＩＩＰの位置を移動することにより、リーフの厚みよりも分解能が高く、所望の照射形状で患部を照射することができる。
【００５８】
このとき、貫通孔を形成するリーフの位置は特に高精度に制御する必要があるので、貫通孔の大きさを正確に計測できるセンサーを別途設けた場合は、モード制御部１０８ｂは、別途設けたセンサーの出力に従って貫通孔ＴＨを形成するリーフ（上記例では１Ｌ（ｗ）と１Ｒ（ｗ））の位置を制御するようにしてもよい。あるいは、切欠き部の形状をリーフによって異なるようにした例では、貫通孔を形成するリーフを必要とするビーム系に応じて切替えるように制御してもよい。
【００５９】
以上のように、本実施の形態５にかかる粒子線治療装置１００によれば、加速器から供給された粒子ビームを、照射野を拡大するように照射する照射ノズル１０６（例えば、ワブラ電磁石６、７および散乱体、レンジシフタ等）と、照射ノズル１０６から照射された粒子ビーム中に配置された上記各実施の形態にかかるマルチリーフコリメータ３と、マルチリーフコリメータ３の動作を制御するマルチリーフコリメータ動作制御部１０８ｃと、を備えるようにしたので、ブロード照射またはスポット照射の両方を実現することができる。
【００６０】
とくに、加速器から供給された粒子ビームを走査方向が異なる２つの電磁石６、７で走査し、照射野を拡大するように照射するワブラ電磁石と、ワブラ電磁石から照射された粒子ビーム中に配置された実施の形態４に記載のマルチリーフコリメータ３３と、を備え、マルチリーフコリメータ３３は、第１の軸が２つの電磁石のうちの一方の電磁石の走査軸Ｓａ６に一致するとともに、第２の軸が他方の電磁石の走査軸Ｓａ７に一致するように配置されたので、ブロード照射またはスポット照射の両方を実現することができるとともに、半影体の影響を受けず、コントラストが高いビームで照射ができる。
【符号の説明】
【００６１】
１ リーフ対、 １Ｌｓ，１Ｒｓ：先端、 １Ｌｅ，１Ｒｅ 最先端の端面、 １ＬｅＮ，１ＲｅＮ 切欠き部、 ２ リーフ対群、 ３ マルチリーフコリメータ、 ４ リーフ板駆動部、 ５ リーフ対群駆動部、 ６、７ ワブラ電磁石、
１００ 粒子線治療装置、 １０６ 照射ノズル、 １０７ 加速器、 １０８ｃ リーフ動作制御部、
Ａｓ 入射面、 Ｆｒ 線束、 Ｓａ６ 走査軸（第１の軸）、 Ｓａ７ 走査軸（第２の軸）
十位の数字は実施形態による変形例を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線治療装置において照射野を形成するために用いられるマルチリーフコリメータ、および当該マルチリーフコリメータを用いた粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療は、治療対象となる患部に荷電粒子ビームを照射して、患部組織を殺傷することにより治療を行うものであり、周辺組織にダメージを与えず、患部組織に十分な線量を与えるため、照射線量や照射範囲（以降、照射野と称する）の制御が重要である。粒子線治療装置において、照射野を形成する方法は、２つに大別される。スキャニング電磁石等によって小さな照射領域を走査して段階的に照射野を形成するスキャニング照射型とよばれるものと、ワブラ電磁石、散乱体、レンジモジュレータ等により構成される照射ノズルを用いて所定の領域内を一気に照射するブロード照射型とよばれるものとである。
【０００３】
スキャニング照射型は、スキャニング電磁石の制御により照射野を直接形成するので、分解能が高く、患部形状を忠実に再現することができる。しかし、加速器から供給される荷電粒子ビームの状況に合わせて、スキャニング電磁石を高度に制御する必要があり、高い照射精度を実現するためには、複雑な制御が必要である。一方、ブロード照射型の場合、照射ノズルは、荷電粒子ビームの照射野を所定範囲に広げておけばよく、照射ノズルの下流に設けたマルチリーフコリメータの各リーフの物理的な位置により形成された透過形状により、容易に照射野を形成することができる（例えば、特許文献１ないし５参照。）。そのため、現状では、取り扱いの容易なブロード照射法を採用している施設が多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−７３４０４号公報（段落００１１〜００１４、図２）
【特許文献２】特開２００４−７３４０６号公報（段落００１６〜００１７、図２）
【特許文献３】特表２００５−５０９５００号公報（段落００４８〜００５６、図５、図６）
【特許文献４】特開２００１−２９４８９号公報（段落００２９〜００３０、図３）
【特許文献５】特開２００８−６８０９２号公報（段落００１９、図１）
【特許文献６】特開昭６０−０６３５００号公報（図２）
【特許文献７】特開昭６３−２２５１９９号公報（図１７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ブロード照射法の場合、照射野を形成するマルチリーフコリメータの各リーフの厚みで分解能が決まってしまう。そのため、既存のブロード照射方式の粒子線治療装置において、スキャニング照射型のような高分解能の照射を実現することは困難であった。一方、粒子線治療の歴史は浅く、照射野の分解能と治療成績との関係については、必ずしも明らかではないが、分解能を向上させることにより、治療成績の向上が期待できる場合がある。しかし、粒子線治療装置は大掛かりなものであり、既存のブロード照射方式の設備をスキャニング照射方式の設備に改造することは困難である。そのため、既存のブロード照射方式を採用している施設において、分解能を高めて粒子線治療をおこなうことは困難であった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、既存のブロード照射方式の照射設備を用いて、ブロード照射と高分解能の照射を両立するためのマルチリーフコリメータおよび当該マルチリーフコリメータを用いた粒子線治療装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のマルチリーフコリメータは、照射野を拡大するように照射された粒子ビーム中に配置され、照射野を形成するためのマルチリーフコリメータであって、２枚のリーフ板のそれぞれの端面が互いに対向するように配置したリーフ対を、前記リーフ板の厚み方向に複数並べたリーフ対群と、前記リーフ対群のリーフ板のそれぞれを、対向するリーフ板に対して接近または離反方向に駆動させるリーフ板駆動機構と、前記リーフ対群を前記リーフ板の厚み方向に駆動するリーフ対群駆動機構と、を備え、前記複数のリーフ対のうち少なくとも１つのリーフ対では、リーフ板どうしを前記接近方向に駆動させたときに、前記粒子ビームの照射方向から見てそれぞれのリーフ板の先端が相互に重なるように、それぞれのリーフ板の対向する端面が前記厚み方向から見て段差状をなし、かつ、少なくとも一方のリーフ板には、前記段差状をなす端面のうち、他方のリーフ板に向かって最先端となる端面に切欠き部が形成されている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のマルチリーフコリメータによれば、接近させたときにそれぞれのリーフ板の先端が相互に重なるように段差状をなし、かつ、少なくとも一方のリーフ板の最先端となる端面に切欠き部を設けるように構成したので、通常のブロード照射に加え、切欠き部を通してリーフ板の板厚みよりも細いスポット状のビームを形成できるので、既存のブロード照射方式の照射設備を用いて、ブロード照射を行うことができるのはもちろんのこと、スポット状のビームによる高分解能の照射を実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータのリーフ板の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータにおいて、スポット状のビームを形成する際のリーフの位置を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータを用いてスポット状のビームにより高分解能の照射を行う様子を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータにおいて、ブロード照射のための照射野を形成する際のリーフの位置を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータを用いてブロード照射を行う様子を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係るマルチリーフコリメータを用いてブロード照射を行った際の照射野の輪郭の状態を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係るマルチリーフコリメータのリーフ板の構成を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係るマルチリーフコリメータにおいて、スポット状のビームを形成する際のリーフの位置を説明するための図である。
【図９】ブロード照射において従来のマルチリーフコリメータで照射野を形成した際に現れる半影体について説明するための図である。
【図１０】２方向の走査電磁石の走査により、照射野を拡大させたときの粒子ビームの形状について説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態４に係るマルチリーフコリメータの基本形状を説明するための図である。
【図１２】本発明の実施の形態４に係るマルチリーフコリメータの基本形状とブロード照射時のリーフの位置を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態３および４に係るマルチリーフコリメータのリーフの形状および、スポット状のビームを形成する際のリーフの位置を説明するための図である。
【図１４】本発明の実施の形態５に係る粒子線治療装置の構成を説明するための機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータの構成について説明する。図１〜図６は本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータの構成について説明するためのもので、図１はマルチリーフコリメータを構成するリーフ板の構成を示す図であり、図１（ａ）は外観図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＰ方向からの上面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＳ方向からの側面図、図１（ｄ）は図１（ｂ）のＡ領域の拡大図、図１（ｅ）は図１（ａ）のＢ領域の拡大図である。図２はマルチリーフコリメータで、高分解能の照射を実施するときの、リーフ位置を説明するための図であり、図２（ａ）はマルチリーフコリメータ全体（各リーフの駆動機構や制御機構等は図示せず）の外観図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＰ方向からの上面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＳ方向からの側面図、図２（ｄ）は図２（ｂ）のＡ領域の拡大図である。図３はマルチリーフコリメータで、高分解能の照射を実施するときの、照射像を説明するための図である。
【００１１】
また、図４はマルチリーフコリメータで、通常のブロード照射を実施するときの、リーフ位置を説明するための図であり、図４（ａ）はマルチリーフコリメータ全体の外観図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＰ方向からの上面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＳ方向からの側面図である。また、図５はマルチリーフコリメータで、ブロード照射を実施するときの、照射像を説明するための図である。さらに、図６は、従来のマルチリーフコリメータで照射野を形成した時の輪郭と本実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータで照射野を形成した時の輪郭を比較するための図である。
【００１２】
ここで、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータの特徴的な構成を説明する前に、図３と図４を用いて、従来のマルチリーフコリメータと同様の部分、つまり、ブロード照射法で使用する場合の構成について説明する。
【００１３】
ブロード照射法は、簡単に言えば荷電粒子ビームの照射野を一旦広げる方法である。具体的には、散乱体もしくはワブラ電磁石、またはこれらの組合せによってビームの照射野をｘｙ方向に広げるものである。このとき、レンジシフタ―等により、荷電粒子ビームの運動エネルギーの分布も広げている。このようにして、所定の幅の運動エネルギー分布を有し、照射野を拡大されて照射された荷電粒子ビームは、制限器により患部形状に合わせて所定の照射形状に成形される。
【００１４】
その制限器のひとつがマルチリーフコリメータ３である。マルチリーフコリメータ３は、所定厚みを有する鉛等の金属板のリーフ１を厚み方向（ｙ方向）に垂直な面内（ｘｚ面）に並べて対（１Ｌと１Ｒ）となし、各リーフ対１を厚み方向（ｙ方向）に平行に重ねてリーフ対群２として入射面Ａｓを形成したものである。リーフ対群２のリーフ板１のそれぞれを、対向するリーフ板に対して接近方向または離反方向に駆動させる図示しないリーフ板駆動機構４を備え、各リーフ対１を互いに離間方向や接近方向（ｘ方向）に移動（スライド）させて端部１Ｌｅ、１Ｒｅを所定位置に移動させることにより、マルチリーフコリメータ内に、それぞれ厚み方向に隣接したリーフ端部１Ｌｅ、１Ｒｅの集合形状２Ｌeと２Ｒｅで透過形状ＥＦを形成する。これにより、図示しない照射ノズルから拡散状態で照射された荷電粒子ビームは、マルチリーフコリメータ２を透過する際に、透過形状ＥＦに応じた照射野に制限され、患部に対して、ビームに垂直な平面（ｘｙ平面）において、透過形状ＥＦに応じた照射形状ＩＩＢで照射することができる。
【００１５】
一方、荷電粒子ビームの深さ方向（ｚ方向）についての調整は、もう一つの制限器である図示しないボーラスを用いる。ボーラスは、患者毎に患部のディスタル形状に合わせて樹脂を加工して製作し、マルチリーフコリメータの下流（マルチリーフコリメータと患部との間）に設置される。つまり、マルチリーフコリメータを通り、ｘｙ平面の形状（照射野）を規定された荷電粒子ビームは、ボーラスを通過することにより、患部のディスタル形状に合わせた強度分布（ｚ方向）をつけられ（エネルギー変調され）、患部に照射される。
【００１６】
一方、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータ２では、上記のようにブロード照射における照射野を形成するための従来と同様の構成に加え、以下のような特徴を有する。
【００１７】
図１に示すように、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータ２では、各リーフ１において、それぞれ厚み方向（ｙ方向）に垂直な面内（ｚｘ面）に並び対となるリーフ（１Ｌと１Ｒ）の対向する端部１Ｌｅ、１Ｒｅに、荷電粒子ビームの透過方向（照射方向：ｚ方向）にそって突き抜ける切欠き部１ＬｅＮ、１ＲｅＮを設けている。さらに、対となるリーフ１Ｌ、１Ｒの先端部１Ｌｓ、１Ｒｓは、スライドして近接したときに、ビームの照射方向であるｚ方向で、少なくとも切欠き部１ＬｅＮ、１ＲｅＮを塞ぐように、互いにオーバーラップする段差状をなし、対向する端部１Ｒｅ、１Ｌｅが自身の端部１Ｌｅ、１Ｒｅより手前に接近した時に、それぞれのリーフの先端部１Ｌｓ、１Ｒｓが照射方向から見て相互に重なるようになっている。さらに、リーフ対群２全体をリーフ板１の厚み方向に駆動する図示しないリーフ対群駆動機構５を備えている。
【００１８】
そして、図１（ｄ）に示すように、リーフ１Ｌにおいて、対向する端部１Ｒｅが、切欠き部１ＬｅＮと端部１Ｌｅの間に位置するとき、あるいは、リーフ１Ｒにおいて、対向する端部１Ｌｅが、切欠き部１ＲｅＮと端部１Ｒｅの間に位置するとき、対向する切欠き部１ＲｅＮと１ＬｅＮ部を輪郭とする荷電粒子ビームの透過孔ＴＨが形成される。このとき、形成される透過孔ＴＨの径ＤＨは、リーフ１Ｌと１Ｒとの距離、厳密には対向する切欠き部１ＲｅＮと１ＬｅＮ部の距離により自在に調整でき、しかもリーフの厚みｔＬよりも小さくすることができる。
【００１９】
このとき、先端部１Ｌｓ、１Ｒｓは、段差状をなすようにしたので、対向する端部１Ｒｅが、切欠き部１ＬｅＮよりも手前に位置するようにしたとき、あるいは、リーフ１Ｒにおいて、対向する端部１Ｌｅが、切欠き部１ＲｅＮよりも手前に位置するようにしたとき、リーフ１Ｌまたは１Ｒを通過しようとする荷電粒子ビームの進路（ｚ方向）を他方のリーフ板の先端部分１Ｌｓまたは１Ｒｓのいずれかにより遮ることができるので、荷電粒子ビームは切欠き部から漏れず、遮断することができる。したがって、段差状の先端部１Ｌｓ、１Ｒｓの長さ（リーフ駆動方向における噛み合い深さ）は対向するリーフの切欠き部の切欠き深さ以上であればよい。
【００２０】
したがって、図２に示すように、ｎ組のリーフ１（１）〜１（ｎ）のうち、１組のリーフ１（ｗ）については、図１に示すように、貫通孔ＴＨが形成されるようにリーフ１Ｌ（ｗ）と１Ｒ（ｗ）の位置を調整する。そして、１組のリーフ１（ｗ）を除いて、他のリーフは閉じるように、つまり、段差状の先端部１Ｌｓ、１Ｒｓにより、途中を遮断されて貫通孔ＴＨではなく、閉塞孔ＣＨとなるようにする。これにより、マルチリーフコリメータ２を透過した荷電粒子ビームは、図３に示すように、１組のリーフ１（ｗ）の透過孔ＴＨ部分のみを透過し、スポット状の照射形状ＩＩＰとなって、患部に照射される。
【００２１】
ここで、透過孔ＴＨの位置をｘｙ平面内で移動するようにマルチリーフコリメータ３を駆動すれば、スポット状の照射形状ＩＩＰの位置を照射対象の形状ＳＴに応じて移動させ、所望の照射形状を形成する。このとき、ｘ方向はリーフ板駆動機構４により、リーフ１（ｗ）をｘ方向に移動させて調整し、ｙ方向はリーフ対群駆動機構５により、マルチリーフコリメータ３全体をｙ方向に移動させて調整する。つまり、透過孔ＴＨに応じて形成されたスポット状の照射形状ＩＩＰをつなぎ合わせて照射対象の形状ＳＴを形成するものであり、スキャニング照射における走査に相当する。しかし、スキャニング照射ではビームのスポット径の下限値が、加速器から供給された荷電粒子ビームのビーム径により制限されるのに対し、本実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータによれば、供給される荷電粒子ビームのビーム径に関わらず、透過孔ＴＨの形状により、自在に調整する事ができる。さらに、加速器から供給される荷電粒子ビームの軌道がずれた場合、スキャニング照射では、軌道のずれを補償するようにスキャニング電磁石等の動作を制御する必要があるが、本実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータによれば、供給される荷電粒子ビームの軌道が乱れても、透過孔ＴＨの位置さえ患部に合わせて制御できていれば、正確にスポット位置を制御することができる。
【００２２】
なお、従来の端部が平坦なマルチリーフコリメータをｘｙ方向の制限器とした場合に形成される照射野の輪郭形状を図６（ａ）に示すようにＩＩＢＰとすると、本実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータでブロード照射を行った場合に形成される照射野の輪郭形状は、図６（ｂ）のＩＩＢに示すように、照射野の境界部の形状に切欠き部の形状ＳＮが表れる。しかし、その違いは、元々照射対象の形状ＳＴに対する照射野の分解能よりも小さなものであり、問題はない。ただし、照射面積を同一にするために、例えば、切欠き部による透過で面積が広がる分を補償するように、リーフの離間距離を従来のマルチリーフコリメータにおける設定値ＤｅＰよりも小さな調整値ＤｅＩに調整するようにしてもよい。
【００２３】
なお、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータ３においては、切欠き部からの荷電粒子ビームの漏れを解消するために段差状をなす先端部１Ｌｓ、１Ｒｓにより、従来のブロード照射を実施した場合でも、図４、図５に示すように荷電粒子ビームを透過させないように閉じたリーフ対からの漏れ線量を低減できる。したがって、従来のブロード照射を実施する場合も、むしろ、従来のマルチリーフコリメータを用いた時よりも、計画通りの線量で患部に粒子線照射を実施できるようになる。
【００２４】
なお、本発明の実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータ３においては、先端部１Ｌｓ、１Ｒｓの段差形状を矩形で形成した例を示したが、これに限られることはない。例えばノコ刃状や、波状で段差をつけてもよい。また、切欠き部は、透過孔を対称形に形成するためには両側のリーフ板に形成することが望ましいが、少なくとも一方のリーフ板に形成していればスポット状のビームを形成することはできる。
【００２５】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置によれば、照射野を拡大するように照射された粒子ビーム中に配置され、照射野を形成するためのマルチリーフコリメータ３であって、２枚のリーフ板１Ｌ、１Ｒのそれぞれの端面１Ｌｅ、１Ｒｅが互いに対向するように配置したリーフ対１を、リーフ板の厚みｔＬ方向に複数並べたリーフ対群２と、リーフ対群２のリーフ板１Ｌ，１Ｒのそれぞれを、対向するリーフ板に対して接近または離反方向（ｘ方向）に駆動させるリーフ板駆動機構４と、リーフ対群２をリーフ板１Ｌ，１Ｒの厚みｔＬ方向（ｙ方向）に駆動するリーフ対群駆動機構５と、を備え、複数のリーフ対１のうち少なくとも１つのリーフ対１（ｗ）では、リーフ板１Ｒ（ｗ）、１Ｌ（ｗ）どうしを接近方向に駆動させたときに、粒子ビームの照射方向から見てそれぞれのリーフ板の先端１Ｌｓ、１Ｒｓが相互に重なるように、それぞれのリーフ板の対向する端面が厚みｔＬ方向から見て段差状をなし、かつ、少なくとも一方のリーフ板（例えば１Ｒ（ｗ））には、段差状をなす端面のうち、他方のリーフ板に向かって最先端となる端面（例えば１Ｒｅ）に切欠き部（例えば１ＲｅＮ）が形成されているように構成したので、通常のブロード照射が出来るのはもちろんのこと、リーフ１Ｒにおいて、対向する端部１Ｌｅが、切欠き部１ＲｅＮと端部１Ｒｅの間に位置するとき、対向する切欠き部１ＲｅＮと１ＬｅＮ部を輪郭とする荷電粒子ビームの透過孔ＴＨが形成される。そして他のリーフ対を閉じるようにすれば、透過孔ＴＨによってリーフ板の厚みよりも径が小さなスポット状のビームを形成する事が出来る。したがって、リーフ板駆動機構４と、リーフ対群駆動機構５とにより、スポット状のビームを必要な位置に移動させることによって、リーフ板１の板厚みｔＬよりも分解能の高い照射形状で照射ができる。つまり、照射装置を大掛かりに改造することなく、１つの照射装置で、ブロード照射と高分解能な照射を実現することができる。
【００２６】
とくに切欠き部（例えば１ＬｅＮ）が、他方のリーフ板（例えば１Ｌｅ）にも形成されているようにしたので、透過孔ＴＨを対称形に形成できる。
【００２７】
また、上記スポット状のビーム位置は、各リーフの物理的な位置で決まるので、加速器から供給される荷電粒子ビームの状態が変動したり、ヒステリシス等の影響でワブラ電磁石で走査された荷電粒子ビームの形状が変動したりしても、正確で分解能の高い照射を行える。
【００２８】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２にかかるマルチリーフコリメータについて説明する。本実施の形態２にかかるマルチリーフコリメータは、実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータに対して、リーフの最先端の端面に形成した切欠き部の形状を変化させたものである。他の構成については実施の形態１にかかるマルチリーフコリメータと同様であるので説明を省略する。
【００２９】
図７と図８は、本発明の実施の形態２にかかるマルチリーフコリメータの構成を説明するためのもので、図７はマルチリーフコリメータを構成する複数のリーフのうち、１枚のリーフの構成を示す図であり、図７（ａ）は外観図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＰ方向からの上面図、図７（ｃ）は図７（ａ）のＳ方向からの側面図、図７（ｄ）は図７（ｂ）のＡ領域の拡大図である。そして図８は、リーフ先端どうしを近接させたときに形成される透過孔の形状を説明するためのマルチリーフコリメータを構成する複数のリーフのうち、一対のリーフの構成を示す図であり、図８（ａ）は外観図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＰ方向からの上面図、図８（ｃ）は図８（ａ）のＳ方向からの側面図、図８（ｄ）は図８（ｂ）のＡ領域の拡大図であり、リーフ先端の切欠き部の形状とその組合せによる透過孔の形状を示すものである。
【００３０】
図において、各リーフ２１は、それぞれ厚み方向（ｙ方向）に垂直な面内（ｚｘ面）に並び対となるリーフ（２１Ｌと２１Ｒ）の対向する端部２１Ｌｅ、２１Ｒｅに、荷電粒子ビームの照射方向（ｚ方向）にそって頂角Ａｖが直角の三角形をなす切欠き部２１ＬｅＮ、２１ＲｅＮを設けている。そのため、図７（ｄ）に示すように、リーフ２１Ｌにおいて、対向する端部２１Ｒｅが、切欠き部２１ＬｅＮと端部２１Ｌｅの間に位置するとき、あるいは、リーフ２１Ｒにおいて、対向する端部２１Ｌｅが、切欠き部２１ＲｅＮと端部２１Ｒｅの間に位置するとき、対向する切欠き部２１ＲｅＮと２１ＬｅＮ部を輪郭とする正方形の透過孔ＴＨが形成される。この場合でも、形成される透過孔ＴＨの径ＤＨは、対向する切欠き部２１ＲｅＮと２１ＬｅＮ部の距離により自在に調整できるが、さらに、リーフ厚み方向（ｙ方向）の径ＤＨｙとリーフスライド方向（ｘ方向）の径ＤＨｘの比が、径ＤＨ、つまり開口度によらず、常に１で正方形となる。したがって、いわゆる透過孔が開口度によって扁平することがないので、方向性がなく照射形状を形成するのに優れている。
【００３１】
なお、上記実施の形態２においては、頂角Ａｖを直角にした例を示したが、直角に限定されることはない。その場合、透過項の形状はいわゆるひし形となり、径ＤＨｙと径ＤＨｘの比は１ではないが、開口度によらず常に一定となる。また、対となるリーフのうち、一方の先端部には切欠きを設けないようにしてもよく、その場合も相似形の三角形を形成する事ができる。
【００３２】
また、上記のように一つのリーフ対により縦横比を変えずに径の異なる透過孔を形成する場合は、切欠き部を頂角から直線で延びるように形成する必要があり、透過項の形状は多角形となる。一方、リーフ毎に予め形成する透過項の径を定めるようにすれば、数種の径の円形のビームを実現する事もできる。例えば、リーフ対１（１）〜１（ｎ）のそれぞれで、異なる径の半円の切欠き部を形成するようにすれば、透過孔を形成するリーフ対を選択する事により、円形で径の異なるビーム形状を実現する事ができる。
【００３３】
また、切欠き部は、必ずしも、リーフ厚み方向の中央部になくてもよく、厚み方向に一方に偏って形成したような場合でも同様の効果を発揮する。
【００３４】
以上のように、本発明の実施の形態２にかかるマルチリーフコリメータ２３によれば、切欠き部２１ＬｅＮ、２１ＲｅＮの照射方向から見た形状が三角形であるように構成したので、端部２１Ｌｅ，２１Ｒｅ同士の距離を調整してスポット状のビームのビーム径を変化させても透過孔ＴＨの縦横比が変化せず、相似形のビームを形成することができる。
【００３５】
とくに、三角形は端面２１Ｌｅまたは２１Ｒｅを底辺とする直角２等辺三角形であるように構成したので、端部２１Ｌｅ，２１Ｒｅ同士の距離を調整してスポット状のビームのビーム径を変化させても透過孔ＴＨが正方形で、縦横比が１対１のビームを形成することができる。
【００３６】
あるいは、切欠き部が複数のリーフ対の互いに対向する端面に形成されているとともに、形成されている切欠き部の大きさがリーフ対によって異なるように構成すれば、スポット状のビームを形成するリーフ対を選択することで任意の形状でしかも所望のビーム径で照射することができる。
【００３７】
したがって、ビーム径をどのように絞ってもビームの断面の形状が変化せず、すなわち相似形で正確なビームを照射できる。つまり、スキャニング方式よりも径が小さく、かつ形状の整ったビームを照射することができる。
【００３８】
実施の形態３．
上記実施の形態１および２においては、マルチリーフコリメータの形状が直方体のものとして説明を行った。すなわち、実施の形態１及び２で用いた図１〜８においては、マルチリーフコリメータが閉じた状態での形状（以下「全体形状」という。）が直方体となるものとして説明を行った。たしかに、粒子線等の線源が、平行に照射されると仮定した場合にはマルチリーフコリメータの全体形状が直方体でも十分に効果が発揮される。しかし、マルチリーフコリメータの全体形状自体は本発明の技術思想を限定するものではなく、直方体以外の形状でも効果を発揮する。そこで、本実施の形態３においては、全体形状が直方体以外のものについて説明する。
【００３９】
全体形状が、直方体以外であるマルチリーフコリメータの先行技術としては、特許文献６と７が挙げられる。特許文献６は、速中性子線による照射治療において照射野の絞り込みによる線量低下の防止と半影部の発生を少なくした速中性子線治療用可変コリメータの発明に関するものである。半影部が発生する課題を解消するため、従来から錐体分割型コリメータが提案されているが、特許文献６ではさらに体積線源を仮定し、錐体である全体形状を決定するための原点の位置を従来のものよりも離れた位置に設定することを提案している（図２）。また、特許文献７は、放射線照射装置特に医療を目的とする装置の照射野を限定するコリメータの構造の発明に関するものである。特許文献７においても、点光源的な線源を仮定しており、錐体状のマルチリーフコリメータを提案している（図１７）。
【００４０】
いずれの先行技術文献（特許文献６及び７）においても、点光源的な線源を仮定している。ここで、どのような場合に点光源的になるかについて説明する。粒子線治療装置において、照射野を形成する方法は、２つに大別されることを述べた。ビームを電磁石で走査して照射野を形成するスキャニング法と、ビームを一旦広げて照射野を形成するブロード照射法である。ブロード照射法のもっとも簡単な方法は、ビームを散乱体にあててビームを広げる散乱体法である。散乱体を２段に用いる「二重散乱体法」なども提案されている。散乱体法においては、ビームが点光源的に広がるため、特許文献６又は７のコリメータが有効となる。なお、ブロード照射法には、散乱体法の他に、ワブラ電磁石でビームを走査させた後、ワブラ電磁石の下流に設置された散乱体にて走査したビームを広げるワブラ法がある。
【００４１】
以上のように、従来から点光源的な線源の場合、全体形状が直方体の場合に生じる半影部の技術的課題に対して、全体形状が錐体のものが提案されている。このような錐体マルチリーフコリメータにおいても、通常のブロード照射とスポット照射との２つのモードを実現するために、本発明の考え方を適用することができる。
【００４２】
図１３は、本実施の形態３におけるマルチリーフコリメータにおける１対のリーフの構造を示した図である。なお、図１３については、後述する実施の形態４における説明では、リーフの軌道とリーフ対群全体の軌道の半径が異なることについて説明している（その詳細については、実施の形態４で説明する。）が、ここでは、その違いは考慮せず、全体形状が錐体状の場合のリーフ形状の説明として図１３を使用する。
【００４３】
リーフの対向する端部３１Ｌｅ、３１Ｒｅに、荷電粒子ビームの放射方向（ｚ方向）にそって切欠き部３１ＬｅＮ、３１ＲｅＮを設けているのは、実施の形態１又は２と同様である。さらに、対となるリーフの先端部３１Ｌｓ、３１Ｒｓは、スライドして近接したときに、ビームの放射方向であるｚ方向で、少なくとも相手の切欠き部３１ＲｅＮ、３１ＬｅＮを塞ぐように、互いにオーバーラップする段差状をなし、対向する端部が自身の端部より手前に接近した時に、それぞれのリーフの先端部が放射方向から見て相互に重なるようになっているのも、実施の形態１又は２と同様である。さらに、図示しないリーフ対群全体をリーフ板の厚み方向に駆動する図示しないリーフ対群駆動機構５を備えていることも同様である。
【００４４】
以上のように、点光源的な広がりをする線源に対して、全体形状が錐体のマルチリーフコリメータを用いる場合においても、本発明のマルチリーフコリメータによれば、接近させたときにそれぞれのリーフ板の先端が相互に重なるように段差状をなし、かつ、少なくとも一方のリーフ板の最先端となる端面に切欠き部を設けるように構成したので、通常のブロード照射に加え、切欠き部を通してリーフ板の板厚みよりも細いスポット状のビームを形成できるので、既存のブロード照射方式の照射設備を用いて、ブロード照射を行うことができるのはもちろんのこと、スポット状のビームによる高分解能の照射を実現することもできる。
【００４５】
実施の形態４．
本実施の形態４にかかるマルチリーフコリメータは、照射野を拡大するように照射されたビームの形状に応じて、リーフのスライド軌跡やリーフ対群の移動軌跡を調整したものである。具体的には、照射野を拡大するために使用する走査方向が異なる２つの電磁石の位置に対応して、リーフのスライドの回転半径とリーフ対群の移動軌跡の回転半径を定めたものである。
【００４６】
本実施の形態４にかかるマルチリーフコリメータの構成の説明に先立ち、マルチリーフコリメータを通過する荷電粒子ビームの形状について説明する。
粒子線治療装置においてその照射法は、背景技術にて説明したように、ブロード照射法とスキャニング照射法に大別されるが、いずれの場合においても、荷電粒子ビームは偏向方向の異なる２つの電磁石（例えば、ｘ方向用とｙ方向用の２つ）を用いて照射エリアを広げている。例えば、ブロード照射法で用いるワブラ法では、荷電粒子ビームを円軌道に走査し、散乱体を用いてビームを広げている。このとき、理想的には、ｘ方向用とｙ方向用の電磁石は、患部から等距離の同じ位置に配置したい。しかし、現実的には、２つの電磁石を患部から等距離に配置することはできない。
【００４７】
この状況に由来する問題について、図を用いて説明する。
図９と図１０は、２つの電磁石によって照射エリアを広げる場合にマルチリーフコリメータを通ったときの荷電粒子ビームの形状（線束としての形状）およびビーム形状に影響される照射野の状況を説明するためのもので、図９（ａ１）は２つの電磁石６と７の配置と荷電粒子ビームのｘｚ平面での広がり形状、図９（ａ２）は、２つの電磁石６と７の配置と荷電粒子ビームのｙｚ平面での広がり形状、図９（ｂ）は各リーフが直線的にスライドする従来のマルチリーフコリメータの外観、図９（ｃ）はマルチリーフコリメータを通過した照射野の状態を示す図である。また、図１０は２つの電磁石により拡大される荷電粒子ビームの形状をそれぞれの電磁石との関係で示したもので、図１０（ａ）は線束の全体を示す斜視図、図１０（ｂ）は線束のｘｚ面内での形状を示す図、図１０（ｃ）は線束のｙｚ面内での形状を示す図である。
【００４８】
図９に示すように、例えば２つの電磁石６、７を患部Ｔｇから無限遠に配置すれば、荷電粒子ビームの線束Ｆｒは、電磁石６、７により拡大されたとしても、ほぼ平行ビームの状態で患部に到達する。しかし、実際には、電磁石６、７と患部Ｔｇとの距離は、たかだが数ｍなので、ビーム（線束）形状は、扇型に広がる拡散ビームとなる。この場合でも、患部のうち、アイソセンタＩＣ近傍の線束Ｆｒの中央部に位置する部分では問題ないが、周縁部では、リーフの一部の影となる半影帯ＺＰが生じる。
【００４９】
また、ｘ方向用の電磁石６とｙ方向用の電磁石７の位置が異なるため、ｘ方向、ｙ方向ともに、同じ大きさの領域に拡大したとしても、図１０に示すように、線束の形状は、ｘｚ面内とｙｚ面内では異なったものとなる。そのため、照射された荷電粒子ビームが、同じ距離進んだ場合に到達可能なエリアは異なったものとなる。さらに詳しく説明すると、ｘｚ面内、つまりｘ方向の広がりは、電磁石６の走査軸Ｓａ６を中心として広がり、ｙｚ面内、つまりｙ方向の広がりは、電磁石７の走査軸Ｓａ７を中心として広がっている。別の言い方をすれば、線束の形状は、ｘ方向とｙ方向で極率半径が異なる扇型となっている。
【００５０】
上記のような線束の形状を考慮し、半影の影響を受けずに、照射野を正確に形成するために本実施の形態４にかかるマルチリーフコリメータを製作した。図１１〜図１３は本発明の実施の形態４にかかるマルチリーフコリメータの構成について説明するためのもので、図１１はマルチリーフコリメータ全体の半影の影響を解消するための基本的な構成を説明するための図であり、図１１（ａ）は斜視透視図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＰ方向からの上面透視図、図１１（ｃ）は図１１（ａ）のＳ方向からの側面透視図、図１１（ｄ）は図１１（ａ）のＦ方向からの正面透視図である。図１２も図１１と同様に半影の影響を解消するための基本構成を説明するためのもので、ブロード照射で照射野を形成する際のリーフ位置を説明するための図であり、図１２（ａ）は斜視透視図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＰ方向からの上面透視図、図１２（ｃ）は図１２（ａ）のＳ方向からの側面透視図、図１２（ｄ）は図１２（ａ）のＦ方向からの正面透視図である。また、図１３は、マルチリーフコリメータを構成する複数のリーフのうち、一対のリーフの具体的な構成を示す図であり、図１３（ａ）は外観図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＰ方向からの上面図、図１３（ｃ）は図１３（ａ）のＳ方向からの側面図、図１３（ｄ）は図１３（ａ）のＦ方向からの正面図である。
【００５１】
図１１、１２に示すように、マルチリーフコリメータ３２の基本的な形状ＦＢ３２として、各リーフのスライド（ｘ方向）をｘ方向にビームを拡大する電磁石６からの距離に対応する半径ＲＳａ６の円周軌道とし、各リーフの厚み方向の形状をｙ方向にビームを拡大する電磁石７からの距離に対応する半径ＲＳａ７の扇型を分割した形状（上流側から下流側へいくほど厚くなる）とした。これにより、図１２に示すように透過形状を形成すると、半影帯ＺＰを形成することなく、患部に所望の照射野を形成することができる。
【００５２】
上記のように、ｘ方向用電磁石６、ｙ方向用電磁石７からの距離に応じた曲率で基本構成ＦＢ３２を備えた上で、さらに、図１３に示すように各リーフ３１Ｌ、３１Ｒの端部３１Ｌｅ、３１Ｒｅに切欠き部３１ＬｅＮ、３１ＲｅＮを設けたので、リーフの幅より径の小さなビームを形成できるとともに、半影の影響がなく、周囲とのコントラストの高い良好なビームが得られる。さらに、閉じた時にオーバーラップできる段差状の先端部３１Ｌｓ、３１Ｒｓを設けたので、ビームの漏えいも防止できる。
【００５３】
以上のように、本実施の形態４にかかるマルチリーフコリメータ３３によれば、リーフ板駆動機構３４は、粒子ビームの中心軸上で当該中心軸に垂直な第１の軸を中心とする第１の円周軌道に沿ってリーフ板３１を駆動し、リーフ対群駆動機構３５は、粒子ビームの中心軸上で当該中心軸に垂直な第２の軸を中心とする第２の円周軌道に沿ってリーフ対群３２を駆動するように構成したので、半影体の影響を受けずにコントラストの高い良好なビームが得られる。
【００５４】
とくに、リーフ板３１の第１の円周軌道に垂直な断面の形状が、第２の軸を中心とする扇型になっているので、リーフ板の厚み方向に隣接するリーフ板間での粒子線ビームの漏れがなく、良好なビームを形成できる。
【００５５】
実施の形態５．
本実施の形態５にかかる粒子線治療装置は、上記各実施の形態にかかるマルチリーフコリメータを備えたものである。図１４は本実施の形態５にかかる粒子線治療装置の構成を説明するためのブロック図である。図において、照射計画部１０９は、粒子線治療装置１００と独立した装置であり、患部への適切な治療計画を生成する治療計画装置１０９ａと、各種データを保持し、生成した治療計画に従って、具体的な照射角度や照射形状等のデータを出力するサーバ１０９ｂとを備えている。そして、本実施の形態５にかかる粒子線治療装置の照射制御部１０８では、照射計画指示部１０９から出力された照射角度（ビーム軌道）や照射形状に基づいて生成された照射データに従い、統括制御部１０８ａを中心に照射制御を行う。そして、本実施の形態５においては、通常のブロード照射と、リーフに設けた切欠き部により形成した透過孔ＴＨによるスポット照射の２つのモードのうち、選択したモードに従い、マルチリーフコリメータ３や照射ノズル１０６、加速器１０７等の制御方法を切替えるモード制御部１０８ｂを備えている。
【００５６】
そして、通常のブロード照射が選択されたときは、モード制御部１０８ｂは統括制御部１０８ａから出力された制御信号をそのままリーフ制御部１０８ｃおよび粒子線制御部１０８ｄに出力する。この場合、マルチリーフコリメータ３は、複数のリーフ板１を用いて、照射野ＥＦを形成するように各リーフ板１の位置が制御される。そして、照射ノズル１０６は散乱体のほか、上述したワブラ電磁石６、７を備えており、電磁石６、７の動作を制御して、加速器１０７から供給された荷電粒子ビームの線束Ｆｒを拡大し、マルチリーフコリメータ３の入射面Ａｓ、または照射野をカバーできるようにする。
【００５７】
一方、スポット照射が選択されたときは、モード制御部１０８ｂは統括制御部１０８ａから制御信号を受けると、受けた制御信号をスポット照射に適したデータに変換してから、リーフ制御部１０８ｃおよび粒子線制御部１０８ｄに出力する。これにより、実施の形態１で説明したように、ｎ組のリーフ１（１）〜１（ｎ）のうち、１組のリーフ１（ｗ）については、貫通孔ＴＨが形成されるようにリーフ１Ｌ（ｗ）と１Ｒ（ｗ）の位置が調整されるとともに、他のリーフは閉じられるので、リーフ１（ｗ）の透過孔ＴＨ部分のみを透過したスポット状の照射形状ＩＩＰが患部に照射される。そして、照射対象の形状ＳＴに応じて、スポット状の照射形状ＩＩＰの位置を移動することにより、リーフの厚みよりも分解能が高く、所望の照射形状で患部を照射することができる。
【００５８】
このとき、貫通孔を形成するリーフの位置は特に高精度に制御する必要があるので、貫通孔の大きさを正確に計測できるセンサーを別途設けた場合は、モード制御部１０８ｂは、別途設けたセンサーの出力に従って貫通孔ＴＨを形成するリーフ（上記例では１Ｌ（ｗ）と１Ｒ（ｗ））の位置を制御するようにしてもよい。あるいは、切欠き部の形状をリーフによって異なるようにした例では、貫通孔を形成するリーフを必要とするビーム系に応じて切替えるように制御してもよい。
【００５９】
以上のように、本実施の形態５にかかる粒子線治療装置１００によれば、加速器から供給された粒子ビームを、照射野を拡大するように照射する照射ノズル１０６（例えば、ワブラ電磁石６、７および散乱体、レンジシフタ等）と、照射ノズル１０６から照射された粒子ビーム中に配置された上記各実施の形態にかかるマルチリーフコリメータ３と、マルチリーフコリメータ３の動作を制御するマルチリーフコリメータ動作制御部１０８ｃと、を備えるようにしたので、ブロード照射またはスポット照射の両方を実現することができる。
【００６０】
とくに、加速器から供給された粒子ビームを走査方向が異なる２つの電磁石６、７で走査し、照射野を拡大するように照射するワブラ電磁石と、ワブラ電磁石から照射された粒子ビーム中に配置された実施の形態４に記載のマルチリーフコリメータ３３と、を備え、マルチリーフコリメータ３３は、第１の軸が２つの電磁石のうちの一方の電磁石の走査軸Ｓａ６に一致するとともに、第２の軸が他方の電磁石の走査軸Ｓａ７に一致するように配置されたので、ブロード照射またはスポット照射の両方を実現することができるとともに、半影体の影響を受けず、コントラストが高いビームで照射ができる。
【符号の説明】
【００６１】
１ リーフ対、 １Ｌｓ，１Ｒｓ：先端、 １Ｌｅ，１Ｒｅ 最先端の端面、 １ＬｅＮ，１ＲｅＮ 切欠き部、 ２ リーフ対群、 ３ マルチリーフコリメータ、 ４ リーフ板駆動部、 ５ リーフ対群駆動部、 ６、７ ワブラ電磁石、
１００ 粒子線治療装置、 １０６ 照射ノズル、 １０７ 加速器、 １０８ｃ リーフ動作制御部、
Ａｓ 入射面、 Ｆｒ 線束、 Ｓａ６ 走査軸（第１の軸）、 Ｓａ７ 走査軸（第２の軸）
十位の数字は実施形態による変形例を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射野を拡大するように照射された粒子ビーム中に配置され、照射野を形成するためのマルチリーフコリメータであって、
２枚のリーフ板のそれぞれの端面が互いに対向するように配置したリーフ対を、前記リーフ板の厚み方向に複数並べたリーフ対群と、
前記リーフ対群のリーフ板のそれぞれを、対向するリーフ板に対して接近または離反方向に駆動させるリーフ板駆動機構と、
前記リーフ対群を前記リーフ板の厚み方向に駆動するリーフ対群駆動機構と、を備え、
前記複数のリーフ対のうち少なくとも１つのリーフ対では、
リーフ板どうしを前記接近方向に駆動させたときに、前記粒子ビームの照射方向から見てそれぞれのリーフ板の先端が相互に重なるように、それぞれのリーフ板の対向する端面が前記厚み方向から見て段差状をなし、
かつ、少なくとも一方のリーフ板には、前記段差状をなす端面のうち、他方のリーフ板に向かって最先端となる端面に切欠き部が形成されている、
ことを特徴とするマルチリーフコリメータ。
【請求項２】
前記切欠き部が、他方のリーフ板にも形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマルチリーフコリメータ。
【請求項３】
前記切欠き部の前記照射方向から見た形状が三角形であることを特徴とする請求項１または２に記載のマルチリーフコリメータ。
【請求項４】
前記三角形は前記端面を底辺とする直角２等辺三角形であることを特徴とする請求項３に記載のマルチリーフコリメータ。
【請求項５】
前記切欠き部が前記複数のリーフ対のうち、２つ以上のリーフ対のリーフ板に形成されているとともに、形成されている切欠き部の大きさがリーフ対によって異なっていることを特徴とする請求項１または２に記載のマルチリーフコリメータ。
【請求項６】
前記リーフ板駆動機構は、前記粒子ビームの中心軸上で、当該中心軸に垂直な第１の軸を中心とする第１の円周軌道に沿って前記リーフ板を駆動し、
前記リーフ対群駆動機構は、前記中心軸上で、当該中心軸に垂直な第２の軸を中心とする第２の円周軌道に沿って前記リーフ対群を駆動する、
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のマルチリーフコリメータ。
【請求項７】
前記リーフ板の前記第１の円周軌道に垂直な断面の形状が、前記第２の軸を中心とする扇型になっていることを特徴とする請求項６に記載のマルチリーフコリメータ。
【請求項８】
加速器から供給された粒子ビームを、照射野を拡大するように照射する照射ノズルと、
前記照射ノズルから照射された粒子ビーム中に配置された請求項１ないし７のいずれか１項に記載のマルチリーフコリメータと、
前記マルチリーフコリメータの動作を制御するマルチリーフコリメータ動作制御部と、
を備えたことを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項９】
加速器から供給された粒子ビームを走査方向が異なる２つの電磁石で走査し、照射野を拡大するように照射するワブラ電磁石と、
前記ワブラ電磁石から照射された粒子ビーム中に配置された請求項６または７に記載のマルチリーフコリメータと、を備え、
前記マルチリーフコリメータは、前記第１の軸が前記２つの電磁石のうちの一方の電磁石の走査軸に一致するとともに、前記第２の軸が他方の電磁石の走査軸に一致するように配置されている、
ことを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１】
照射野を拡大するように照射された粒子ビーム中に配置され、照射野を形成するためのマルチリーフコリメータであって、
２枚のリーフ板のそれぞれの端面が互いに対向するように配置したリーフ対を、前記リーフ板の厚み方向に複数並べたリーフ対群と、
前記リーフ対群のリーフ板のそれぞれを、対向するリーフ板に対して接近または離反方向に駆動させるリーフ板駆動機構と、
前記リーフ対群を前記リーフ板の厚み方向に駆動するリーフ対群駆動機構と、を備え、
前記複数のリーフ対のうち少なくとも１つのリーフ対では、
リーフ板どうしを前記接近方向に駆動させたときに、前記粒子ビームの照射方向から見てそれぞれのリーフ板の先端が相互に重なるように、それぞれのリーフ板の対向する端面が前記厚み方向から見て段差状をなし、
かつ、少なくとも一方のリーフ板には、前記段差状をなす端面のうち、他方のリーフ板に向かって最先端となる端面に切欠き部が形成されている、
ことを特徴とするマルチリーフコリメータ。
【請求項２】
前記切欠き部が、他方のリーフ板にも形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマルチリーフコリメータ。
【請求項３】
前記切欠き部の前記照射方向から見た形状が三角形であることを特徴とする請求項１または２に記載のマルチリーフコリメータ。
【請求項４】
前記三角形は前記端面を底辺とする直角２等辺三角形であることを特徴とする請求項３に記載のマルチリーフコリメータ。
【請求項５】
前記切欠き部が前記複数のリーフ対のうち、２つ以上のリーフ対のリーフ板に形成されているとともに、形成されている切欠き部の大きさがリーフ対によって異なっていることを特徴とする請求項１または２に記載のマルチリーフコリメータ。
【請求項６】
前記リーフ板駆動機構は、前記粒子ビームの中心軸上で、当該中心軸に垂直な第１の軸を中心とする第１の円周軌道に沿って前記リーフ板を駆動し、
前記リーフ対群駆動機構は、前記中心軸上で、当該中心軸に垂直な第２の軸を中心とする第２の円周軌道に沿って前記リーフ対群を駆動する、
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のマルチリーフコリメータ。
【請求項７】
前記リーフ板の前記第１の円周軌道に垂直な断面の形状が、前記第２の軸を中心とする扇型になっていることを特徴とする請求項６に記載のマルチリーフコリメータ。
【請求項８】
加速器から供給された粒子ビームを、照射野を拡大するように照射する照射ノズルと、
前記照射ノズルから照射された粒子ビーム中に配置された請求項１ないし７のいずれか１項に記載のマルチリーフコリメータと、
前記マルチリーフコリメータの動作を制御するマルチリーフコリメータ動作制御部と、
を備えたことを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項９】
加速器から供給された粒子ビームを走査方向が異なる２つの電磁石で走査し、照射野を拡大するように照射するワブラ電磁石と、
前記ワブラ電磁石から照射された粒子ビーム中に配置された請求項６または７に記載のマルチリーフコリメータと、を備え、
前記マルチリーフコリメータは、前記第１の軸が前記２つの電磁石のうちの一方の電磁石の走査軸に一致するとともに、前記第２の軸が他方の電磁石の走査軸に一致するように配置されている、
ことを特徴とする粒子線治療装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−２３３（Ｐ２０１２−２３３Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３７２４４（Ｐ２０１０−１３７２４４）
【出願日】平成２２年６月１６日（２０１０．６．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１６日（２０１０．６．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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