レーザー駆動粒子線照射装置およびレーザー駆動粒子線照射方法
【課題】レーザー駆動粒子線を用いた治療照射を可能にすると共に、レーザー駆動粒子線を患者の患部まで輸送する過程でレーザー駆動粒子線の強度低下を抑えつつ集束性を高めることができるレーザー駆動粒子線照射技術を提供すること。
【解決手段】ターゲット１０１にレーザーパルス光１０２を照射してレーザー駆動粒子線１０３を射出する粒子線発生装置１と、この射出されたレーザー駆動粒子線１０３を患者の患部９へと導く輸送路を形成し、レーザー駆動粒子線１０３を空間的に集束させるビーム集束装置２と、このレーザー駆動粒子線１０３のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択装置３と、レーザー駆動粒子線１０３を走査して患部９の照射位置を調節する照射ポート４と、各装置１〜４の動作制御を行う照射制御装置６とを備える。
【解決手段】ターゲット１０１にレーザーパルス光１０２を照射してレーザー駆動粒子線１０３を射出する粒子線発生装置１と、この射出されたレーザー駆動粒子線１０３を患者の患部９へと導く輸送路を形成し、レーザー駆動粒子線１０３を空間的に集束させるビーム集束装置２と、このレーザー駆動粒子線１０３のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択装置３と、レーザー駆動粒子線１０３を走査して患部９の照射位置を調節する照射ポート４と、各装置１〜４の動作制御を行う照射制御装置６とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を取り出し、このレーザー駆動粒子線を分析その他の目的に用いられる照射用粒子線とするレーザー駆動粒子線照射技術に係り、特に、レーザー駆動粒子線の空間分布やエネルギー分布を調節しながら被照射体まで輸送するレーザー駆動粒子線照射装置およびレーザー駆動粒子線照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シンクロトロンなどの加速器を用いて陽子や炭素などの荷電粒子を加速し、得られる加速器粒子ビームを患者の体内で停止させて癌細胞を死滅させる粒子線照射技術が提案されている（特許文献１参照）。かかる加速器駆動型の粒子線照射技術にあっては、大掛かりな加速器施設を必要とすることから、設置スペースやコストの点で普及が困難となっており、その運用は一部の施設に留まっているという実情がある。
【０００３】
このような実情に鑑み、近年、レーザー駆動陽子線照射技術が構想されている（特許文献２および特許文献３参照）。このレーザー駆動陽子線照射技術は、金属や高分子などの薄膜に高強度且つ極短パルスのレーザー光を照射して取り出される陽子線（以下、レーザー駆動陽子線）を用い、このレーザー駆動陽子線を例えば患者の癌患部に照射する、という考え方である。レーザー駆動陽子線を用いることで、加速器施設が不要となり装置のコンパクト化および低コスト化が図られ、陽子線を用いた治療その他の陽子線照射技術の普及が期待される。
【特許文献１】特開２００６−３４１０６９号公報
【特許文献２】特表２００７−５３１５５６号公報
【特許文献３】特開２００８−０２２９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザー駆動陽子線は、ターゲットから発散角を持って射出され空間的に広がっていくという特徴を有している。そのため、レーザー駆動陽子線を治療照射に用いる場合は、患部以外の正常組織の被ばく線量を抑えること、つまり、レーザー駆動陽子線を患部へ輸送する過程において集束させる操作が要求される。
【０００５】
また、レーザー駆動陽子線がターゲットから発散角を持って射出されることから、患者の患部に輸送される過程で強度が低下しやすい。このレーザー駆動陽子線の強度の低下は、レーザー駆動陽子線を治療照射に用いることができなくなるとか、照射時間の増大を招いて一定姿勢で位置決め固定される患者の負担を大きくすることにつながる。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、レーザー駆動粒子線を用いた治療照射を可能にすると共に、レーザー駆動粒子線を患者の患部まで輸送する過程でレーザー駆動粒子線の強度低下を抑えつつ集束性を高めることができるレーザー駆動粒子線照射装置およびレーザー駆動粒子線照射方法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】
【０００７】
上述した目的を達成するため、本発明に係るレーザー駆動粒子線照射装置では、ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を射出する粒子線発生装置と、この射出されたレーザー駆動粒子線を被照射体へと導く輸送路を形成し、レーザー駆動粒子線を空間的に集束させるビーム集束装置と、このレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択装置と、レーザー駆動粒子線を走査して被照射体の照射位置を調節する照射ポートと、各装置の動作制御を行う照射制御装置とを備え、前記ビーム集束装置は、レーザー駆動粒子線の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線を集束させることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係るレーザー駆動粒子線照射方法では、ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を取り出す粒子線生成工程と、レーザー駆動粒子線を空間的に集束させせるビーム集束工程と、被照射体に設定された照射位置の深度に応じてレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択工程と、被照射体におけるレーザー駆動粒子線の照射位置を調節する照射工程とを備え、前記ビーム集束工程では、レーザー駆動粒子線の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線を集束させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、レーザー駆動粒子線を用いた治療照射が可能になると共に、レーザー駆動粒子線を患者の患部まで輸送する過程でレーザー駆動粒子線の強度低下を抑えつつ集束性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係るレーザー駆動粒子線照射装置およびレーザー駆動粒子線照射方法の実施形態を、添付図面を参照して説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は本発明に係るレーザー駆動粒子線照射装置の第１実施形態を示す図である。本実施形態のレーザー駆動粒子線照射装置は、レーザー駆動陽子線を治療照射用の粒子線源とするレーザー駆動陽子線照射装置Ｕである。
【００１２】
レーザー駆動陽子線照射装置Ｕは、図１に示すように、陽子線発生装置１、ビーム集束装置２、エネルギー選択装置３、照射ポート４および照射制御装置６を備える。図１の符号９は患者の患部である。
【００１３】
[陽子線発生装置]
陽子線発生装置１は、金属或いは高分子等を材料とする薄膜状のターゲット１０１に高強度且つ極短波長のレーザーパルス光１０２を照射してレーザー駆動陽子線１０３を射出生成する。なお、この陽子線発生装置１は、レーザーパルス光１０２の照射軌道上に新たなターゲット１０１を常時供給可能に構成される。
【００１４】
[ビーム集束装置]
ビーム集束装置２は、レーザー駆動粒子線１０３を患者の患部９へと導く輸送路を形成し、陽子線発生装置１から発散角θを有して射出されたレーザー駆動陽子線１０３を集束させる。このビーム集束装置２は、四重極磁石２０１、ＱＭアクチュエータ２０２および角度コリメータ２０３を有する。
【００１５】
四重極磁石２０１は、レーザー駆動粒子線１０３の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線１０３の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線１０３を集束させる。
【００１６】
この四重極磁石２０１は、３台の永久磁石から成る四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃを有する。四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃは、レーザー駆動陽子線１０３に対してこれを集束させる磁場が多重に作用するように、レーザー駆動陽子線１０３の輸送路に沿って配置される。なお、四重極磁石の数は、レーザー駆動粒子線１０３の集束制御性等を考慮して適宜設定できる。以下、四重極磁石２０１により集束されたレーザー駆動陽子線を「陽子ビーム」と称す。
【００１７】
ＱＭアクチュエータ２０２は、照射制御装置６による駆動制御を受け、四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃのうち少なくとも１つをレーザー駆動粒子線１０３の輸送路に沿って移動させる。
【００１８】
角度コリメータ２０３は、陽子線発生装置１で生成したレーザー駆動陽子線１０３のうち四重極磁石２０１に入射する広角成分を遮蔽する。この角度コリメータ２０３は、陽子線発生装置１のターゲット１０１とこのターゲット１０１に最も近い四重極磁石２０１ａとの間に設けられ、四重極磁石２０１ａに形成されるレーザー駆動陽子線１０３の入射口の口径よりも小さい口径を有する。また、この角度コリメータ２０３は、アルミニウムなどの低放射化材料により構成される。
【００１９】
[エネルギー選択装置]
エネルギー選択装置３は、ビーム集束装置２の陽子ビーム出口側に設けられ、ビーム集束装置２で集束された連続エネルギー分布を持つ陽子ビーム１０４ａの中から特定エネルギー且つ特定エネルギー幅の陽子ビームを選択する。このエネルギー選択装置３は、エネルギー分離磁石３０１、エネルギー分離磁石電源３０２、エネルギーコリメータ３０３、ＥＣアクチュエータ３０４、エネルギー結合磁石３０５およびエネルギー結合磁石電源３０６を有する。
【００２０】
エネルギー分離磁石３０１は、励磁電流の印加を受けて方向および大きさが可変な磁場を形成し、この可変磁場により、ビーム集束装置２で集束された陽子ビーム１０４ａの軌道をその運動量に応じて偏向させると共にその陽子ビーム１０４ａの偏向量を調節する。このエネルギー分離磁石３０１は、２台のエネルギー分離磁石３０１ａ；３０１ｂにより構成される。
【００２１】
エネルギー分離磁石電源３０２は、照射制御装置６による出力制御を受け、所要の励磁電流をエネルギー分離磁石３０１に印加し、エネルギー分離磁石３０１により形成される磁場を変更する。このエネルギー分離磁石電源３０２は、エネルギー分離磁石３０１ａおよびエネルギー分離磁石３０１ｂのそれぞれに独立して接続されるエネルギー分離磁石電源３０２ａ；３０２ｂにより構成される。
【００２２】
エネルギーコリメータ３０３は、エネルギー分離磁石３０１により運動量の違いに応じて偏向し拡散した陽子ビーム１０４ｂの輸送路を遮断するように設けられ且つ上下移動可能に構成される２つのブロック３０３ａおよびブロック３０３ｂと、各ブロック３０３ａ；３０３ｂとにより形成され、特定軌道を持つ陽子ビーム１０４ｂの選択的通過を許容するスリットＳ１とを有する。
【００２３】
ＥＣアクチュエータ３０４は、照射制御装置６による駆動制御を受け、エネルギーコリメータ３０３を構成するブロック３０３ａ；３０３ｂを上下移動させる。例えば、ＥＣアクチュエータ３０４は、ブロック３０３ａ；３０３ｂにより形成されるスリットＳのスリット中心Ｃ１を保持したままスリットＳのサイズを拡大縮小させたり、或いは、このスリットＳのサイズを保持したままスリット中心Ｃ１を変位させるように、各ブロック３０３ａ；３０３ｂを上下移動させる。
【００２４】
エネルギー結合磁石３０５は、励磁電流の印加を受けて方向および大きさが可変な磁場を形成し、この可変磁場により、エネルギー分離磁石３０１を通過して運動量に応じて偏向し拡散した陽子ビーム１０４ｂの軌道を再び集束させる。このエネルギー結合磁石３０５は、２台のエネルギー結合磁石３０５ａ；３０５ｂにより構成される。
【００２５】
エネルギー結合磁石電源３０６は、照射制御装置６による出力制御を受け、所要の励磁電流をエネルギー結合磁石３０５に印加し、エネルギー分離磁石３０１により形成される磁場を変更する。このエネルギー結合磁石電源３０６は、エネルギー結合磁石３０５ａおよびエネルギー結合磁石３０５ｂのそれぞれに独立して接続されるエネルギー結合磁石電源３０６ａ；３０６ｂにより構成される。
【００２６】
なお、エネルギー分離磁石、エネルギー分離磁石電源、エネルギー結合磁石、エネルギー結合磁石電源の数は、陽子ビームの偏向および結合の制御性を考慮して適宜設定できる。
【００２７】
[照射ポート]
照射ポート４は、エネルギー選択装置３の陽子ビーム出口側に設けられ、エネルギー選択装置３を通過した特定エネルギーの陽子ビーム１０４ｃが患者の患部９に設定された照射点９０２に正しく入射するよう、陽子ビーム１０４ｃの軌道を調節する。また、患部９における陽子ビーム１０４ｃの照射位置および照射線量を監視する。この照射ポート４は、走査電磁石４０１、走査電磁石電源４０２、位置モニタ４０３、線量計４０４および線量計回路４０５を有する。
【００２８】
走査電磁石４０１は、励磁電流の制御を受け、陽子ビーム１０４ｃの水平方向の軌道調節を行う水平走査電磁石４０１ａと、陽子ビーム１０４ｃの垂直方向の軌道調節を行う垂直走査電磁石４０１ｂとを有する。走査電磁石電源４０２（４０２ａ、４０２ｂ）は、走査電磁石４０１（４０１ａ、４０１ｂ）に対して陽子線ビーム１０４ｃの走査に必要な電流を供給する。
【００２９】
位置モニタ４０３は、これを通過した陽子ビーム１０４ｃの位置すなわち患者の患部９における陽子ビームの入射位置の指標となる信号を出力し、照射制御装置６に送信する。なお、位置モニタ４０３としては、電離箱式などを用いることができる。
【００３０】
線量計４０４は、これを通過した陽子ビーム１０４ｃの強度或いは線量すなわち患者の患部９に照射された陽子ビームの強度ないし線量に応じた電気信号を出力する。なお、線量計４０４としては、電離箱式などを用いることができる。
【００３１】
線量計回路４０５は、線量計４０４から出力される電気信号を受信し、受け取った電気信号が予め設定された積算出力値に到達したとき、患者の患部９に設定された照射点９０２の線量満了を示す線量満了信号を照射制御装置６に送信する。
【００３２】
[照射制御装置]
照射制御装置６は、患者の治療照射をどのように行うかを示す照射パターンデータを記録可能に構成され、この照射パターンデータを参照してレーザー駆動陽子線照射装置Ｕの全体制御を行う。なお、照射パターンデータは、治療照射の事前に行われる治療計画にて作成される最適照射情報を元にして作成される。
【００３３】
図２はレーザー駆動陽子線照射装置Ｕが参照する照射パターンデータの内容例を示す図である。この照射パターンデータには、患者の患部９を仮想的に切り分けた照射スライス９０１ごとに設定された照射点９０２の位置指標となる基準位置からみた水平方向の相対位置００１および垂直方向の相対位置００２、照射スライス９０１の位置指標すなわち体内深度の指標となる体内飛程００３、体内におけるビーム停止幅の指標となるビーム停止幅００４、各照射点９０２に照射すべきビーム強度００５および設定線量００６から構成されるもので、陽子線発生装置１、ビーム集束装置２、エネルギー選択装置３および照射ポート４の動作制御に必要な情報が収められる。なお、ビーム停止幅は、陽子ビームのエネルギー幅に基づく体内飛程の差により生ずるものである。また、照射パターンデータの内容は適宜変更できる。
【００３４】
照射制御装置６は、ビーム集束制御部６０１、エネルギー選択制御部６０２および走査制御部６０３を有する。
【００３５】
ビーム集束制御部６０１は、ビーム集束装置２の四重極磁石２０１に入射し集束されるレーザー駆動粒子線１０３の焦点位置を調節すべく、四重極磁石２０１の位置を調節する。例えば、レーザー駆動粒子線１０３の焦点が患者の患部９に形成されるよう、四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃの相対位置を調節する。この四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃの位置調節は、エネルギー選択装置３にて選択される陽子ビームのエネルギーごとに定められた四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃの位置情報に基づき、ＱＭアクチュエータ２０２を駆動させることにより行う。
【００３６】
エネルギー選択制御部６０２は、エネルギー選択装置３に入射した陽子ビームのうち照射パターンデータ（図２参照）に示されるエネルギーを持つ陽子ビームを選別すべく、エネルギー分離磁石電源３０２の出力制御を行ってエネルギー分離磁石３０１に印加する励磁電流を調節し、もって陽子ビーム１０４ｂの偏向量を調節する。また、必要に応じて同装置３のエネルギーコリメータ３０３のスリット中心Ｃ１を位置調節してスリットＳ１を通過する陽子ビーム１０４ｃの軌道を選別する。そして、エネルギー分離磁石３０１により偏向し拡散した陽子ビームを集束させるため、同装置３のエネルギー結合磁石電源３０６の出力制御を行いってエネルギー結合磁石３０５に印加する励磁電流を調節する。
【００３７】
また、このエネルギー選択制御部６０２は、患者の患部９における陽子ビームのビーム停止幅を調節するため、ＥＣアクチュエータ３０４を操作してエネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１のサイズを調節する。すなわち、患者の患部９において所要のビーム停止幅を形成可能なエネルギー幅に存在する陽子ビームが選択的にエネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１を通過するよう、ブロック３０３ａおよびブロック３０３ｂを互いに反対方向に上下変位させる。なお、このブロック３０３ａ；３０３ｂの変位量は、照射パターンデータ（図２参照）に収められるビーム停止幅００４に基づき設定される。
【００３８】
走査制御部６０３は、所定の照射点９０２に対し陽子ビーム１０４ｃが入射するよう、走査電磁石電源４０２の出力を制御し、走査電磁石４０１に印加する励磁電流を調節する。
【００３９】
次に、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕの動作を説明する。
【００４０】
以下の動作用説明は、いわゆるスポットスキャニング照射法を用いて治療照射を行う例に基づくものである。スポットスキャニング照射法は、すでに加速器駆動型の粒子線照射技術にあっては確立されており、治療効果が高いことが確認されている照射方法である。
【００４１】
このスポットスキャニング照射法は、患者の患部を仮想的に３次元格子点、すなわち、照射スライスおよびその照射スライスに設定される照射点に切り分け、患部の深さ方向（陽子ビーム軸Ｄ２の方向）、患部の断面方向（陽子ビーム軸Ｄ２と交わる方向）の各方向に陽子ビームを走査する方法である。１つの照射点に照射された線量がその照射点に対する設定線量に到達したことを示す線量満了信号が生成されたタイミングで陽子ビームの照射を一旦停止させる。その後、陽子ビームを次の照射点ないし照射スライスへと走査して照射を再開する。この操作を繰り返すことにより患部全域の照射が行われる。
【００４２】
例えば、治療計画において、治療照射の開始点が最深の照射スライス９０１ａにおける照射点９０２ａであり、この照射スライス９０１ａが体内深度１５６ｍｍ、照射スライス９０１ａの位置で停止する陽子ビームのエネルギーが１５０ＭｅＶ、照射スライス９０１ａにおける陽子ビームのビーム停止幅が５ｍｍ、と策定されたと仮定する。この場合、治療計画（照射パターンデータ）に基づき、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕでは、照射制御装置６により各構成装置が次のように調節される。
【００４３】
エネルギー選択装置３について、エネルギー分離磁石３０１の励磁電流が調節されると共に必要に応じてエネルギーコリメータ３０３のスリット中心Ｃ１の位置が調節され、陽子ビームのエネルギーとして１５０ＭｅＶが選択される。
【００４４】
それと共に、同装置３におけるエネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１がサイズ調節され、ビーム停止幅５ｍｍを得るのに必要なエネルギー幅として、例えば陽子ビームのエネルギー幅１．８％が選択される。なお、エネルギー幅１．８％（運動量幅にして１％）は、エネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１のサイズを陽子ビーム１０４ｂの偏向距離Ｄ１（偏向を受けない状態の陽子ビーム軸Ｄ２から見た垂直方向の距離）の１％に調節することにより選択できる。そして、エネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１を通過して偏向し拡散している陽子ビームが集束するよう、エネルギー結合磁石３０５の励磁電流が調節される。
【００４５】
図３はレーザー駆動陽子線照射装置Ｕにて行われる陽子ビームのエネルギーおよびエネルギー幅の選択例を示したものであり、符号００７は選択した陽子線エネルギー（１５０ＭｅＶ）、符号００８はエネルギー幅（１．８％）である。また、図４はレーザー駆動陽子線照射装置Ｕにおいて陽子ビームのエネルギー（１５０ＭｅＶ）およびビーム停止幅（５ｍｍ）を選択したときのエネルギーコリメータ３０３の状態を模式的に示した図であり、符号００９は陽子ビームの強度、符号０１０は陽子ビーム軸Ｄ２（図１参照）を基準（０ｃｍ）としたときのエネルギーコリメータ３０３のスリット中心Ｃ１の位置（１１ｃｍ）、符号０１１はエネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１のサイズ（１．１ｍｍ）である。
【００４６】
このとき、エネルギー選択装置３による陽子ビームのエネルギー選択に応じて、ビーム集束装置２における四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃの位置が調節される。これにより、患者の患部９に到達するエネルギー１５０ＭｅＶ（エネルギー幅１．８％）の陽子ビームの必要な強度が確保される。
【００４７】
そして、照射ポート４における走査電磁石４０１の励磁電流が調節され、エネルギー１５０ＭｅＶ（エネルギー幅１．８％）の陽子ビームが照射点９０２ａに正しく入射するよう、陽子ビームの軌道調節が行われる。
【００４８】
以上のようにして、各構成装置が調節された後、照射制御装置６の制御を受けて、陽子線発生装置１から高強度且つ極短波長のレーザーパルス光１０２がターゲット１０１に向かって射出され、このターゲット１０１から発散角θを持つ連続エネルギーのレーザー駆動陽子線１０３が射出される。
【００４９】
陽子線発生装置１から射出されたレーザー駆動陽子線１０３は、先ず、ビーム集束装置２に案内される。このビーム集束装置２では、角度コリメータ２０３により陽子ビーム１０４の広角成分が四重極磁石２０１の構造体に入射しないよう遮蔽される。他方、四重極磁石２０１が形成する磁場に入射したレーザー駆動陽子線１０３は、その磁場を通過しながら次第に集束して陽子ビーム１０４ａとなる。
【００５０】
陽子ビーム１０４ａは、ビーム集束装置２による集束操作を受けた後、エネルギー選択装置３に案内される。このエネルギー選択装置３では、陽子ビーム１０４ａがエネルギー分離磁石３０１により形成される磁場に入射して運動量に応じて軌道が偏向される。偏向した陽子ビーム１０４ｂは、エネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１に向かって進み、このスリットＳ１を通過してエネルギー１５０ＭｅＶ（エネルギー幅１．８％）を持つ陽子ビーム１０４ｃとなる。そして、運動量の違いにより偏向し拡散していた陽子ビーム１０４ｃは、エネルギー結合磁石３０５により形成される磁場を通過しながら集束していく。
【００５１】
エネルギー選択装置３にてエネルギー選択を受けた陽子ビーム１０４ｃは、照射ポート４に案内される。照射ポート４では、陽子ビーム１０４ｃが走査電磁石４０１により形成される磁場に入射して水平方向および垂直方向の軌道が調節され、照射スライス９０１ａに設定された照射点９０２ａに向かって進み、照射点９０２ａの治療照射が行われる。
【００５２】
このとき、照射制御装置６により、位置モニタ４０３の出力信号に基づいて軌道調節された陽子ビーム１０４ｃが照射点９０２ａに正しく入射しているか否かが監視される。入射位置が正しくないと判定されたとき、照射制御装置６は、異常を報知すると共にレーザー駆動陽子線照射装置Ｕの作動をインターロックにて停止する。
【００５３】
この照射点９０２ａに対する陽子ビームの照射は、線量計回路４０５から線量満了信号が出力されるまで継続して行われる。線量満了信号が出力され照射制御装置６に入力されたときは、次の照射点９０２ｂの照射に移行する。すなわち、照射制御装置６により照射パターンデータが参照され、次の照射点９０２ｂに陽子ビームが入射するように走査電磁石４０１の励磁電流が調節され、再び照射制御装置６に線量満了信号が入力されるまで、照射点９０２ｂに対し陽子ビームの照射が継続して行われる。このような操作が順次繰り返されることで、照射スライス９０１ａに設定された全ての照射点９０２に対する照射が行われる。
【００５４】
照射スライス９０１ａの照射が完了したときは、次の照射スライス９０１ｂの照射に移行する。すなわち、照射制御装置６により照射パターンデータが参照され、照射スライス９０１ｂの位置で陽子ビームが停止するようにエネルギー選択装置３の調節が行われ、この照射スライス９０１ｂの各照射点（図示省略）に陽子ビームが入射するように照射ポート４の調節が行われる。このような操作が順次繰り返されていき、最浅の照射スライス９０１ｃの照射へと移行する。
【００５５】
ここで、治療計画において最浅の照射スライス９０１ｃが体内深度８０ｍｍ、照射スライス９０１ｃの位置で停止する陽子ビームのエネルギーが１００ＭｅＶ、と策定されたと仮定する。このとき、患者の患部９においてビーム停止幅５ｍｍを得るのに必要な陽子ビームのエネルギー幅は、エネルギー１５０ＭｅＶを選択した場合とは異なる。これは、陽子ビームの体内飛程すなわち陽子ビームの停止位置が、エネルギーと比例関係にないことによる。
【００５６】
そのため、陽子ビームのエネルギー１５０ＭｅＶを選択したときと同様のビーム停止幅約５ｍｍが得られるよう、エネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１は、陽子ビームのエネルギー１５０ＭｅＶを選択した場合と異なるサイズに調節される。なお、図５はレーザー駆動陽子線照射装置Ｕにおいて陽子ビームのエネルギー（１００ＭｅＶ）およびビーム停止幅（５ｍｍ）を選択したときのエネルギーコリメータの状態を示した図であり、符号０１３は陽子ビーム軸Ｄ２（図１参照）を基準（０ｃｍ）としたときのスリット中心Ｃ１の位置（１１ｃｍ）、符号０１４はスリットＳ１のサイズ（２．６ｍｍ）である。
【００５７】
ところで、図５は専らエネルギー分離磁石３０１の励磁電流制御を通じた陽子ビーム１０４ｂの偏向量調節により、陽子ビームのエネルギーを選択したときのエネルギーコリメータの状態を示したものである。したがって、エネルギーコリメータ３０３のスリット中心Ｃ１の位置（１１ｃｍ）は、陽子ビームのエネルギーとして１５０ＭｅＶを選択したときと同一である。
【００５８】
しかしながら、陽子ビームのエネルギーは、陽子ビーム１０４ｂの偏向量調節を伴うことなく或いはこの偏向量調節と共に、エネルギーコリメータ３０３のスリット中心Ｃ１の位置を調節することによっても選択できる。図６は陽子ビームのエネルギー選択方法の変更例を示す図であり、符号０１３´および０１４´の内容は符号０１３および０１４と同様である。図６に示すように、この方法により陽子ビームのエネルギー１００ＭｅＶを選択した場合は、エネルギー１５０ＭｅＶを選択した場合と比べ、スリット中心Ｃ１が上方に移動し且つビーム停止幅（５ｍｍ）が得られるようにスリットＳのサイズが拡大される。
【００５９】
次に、本発明に至った経緯ならびにレーザー駆動陽子線照射装置Ｕの作用を説明する。
【００６０】
レーザー駆動陽子線は、ターゲットから発散角を持って射出され空間的に広がっていくという特徴を有する。そのため、レーザー駆動陽子線を治療照射に用いる場合は、患部以外の正常組織の被ばく線量を抑えること、つまり、レーザー駆動陽子線を患部へ輸送する過程において集束させる操作が要求される。しかしながら、レーザー駆動陽子線を用いる場合、下記の理由により、従来から運用されている加速器駆動型の陽子線照射装置の主要構成は採用することはできない。
【００６１】
加速器駆動型の陽子線照射装置にあっては、加速器陽子ビームの体内飛程を調節するため、レンジシフタと呼ばれる装置が用いられる。このレンジシフタは、厚みの異なるアクリル板などを有して構成され、所要のエネルギーを持つ陽子ビームのみ通過させることで加速器陽子ビームの体内飛程を調節する。しかしながら、レーザー駆動陽子線は、発散角を持ってターゲットから射出されるため、正常部位の被ばく線量が増大するとともに照射点まで輸送される間に強度が著しく低下する。レンジシフタによる散乱が作用すれば、陽子線ビームが空間的にさらに広がることになり正常部位の被ばく線量が増大する。
【００６２】
また、加速器駆動型の陽子線照射装置にあっては、リッジフィルタと呼ばれる装置が用いられる。このリッジフィルタは、非常に小さいエネルギー幅（以下、単一エネルギー）を持つ加速器陽子ビームが体内にてブラッグピークと呼ばれる急峻な線量分布をスライス間隔に合致するようビーム停止幅を広げる働きをする。しかしながら、レーザー駆動陽子線は連続エネルギーである。このため、リッジフィルタによってビーム停止幅を広げることは全く無意味であり、反って、リッジフィルタによる散乱により陽子線ビームが空間的にさらに広がることになり正常患部の被爆が増大するという不利益の方が大きくなる。
【００６３】
陽子線照射による治療において、陽子線のエネルギーやエネルギー幅の選択はいずれも必要な操作である。レーザー駆動陽子線を用いる場合にあっては、この操作を陽子線の強度低下を抑えながら行なわなければならないのであるが、加速器駆動型の陽子線照射装置はそのような構成を備えていない。
【００６４】
そこで、本発明者は、レーザー駆動陽子線の空間的な広がりおよび強度低下を抑えつつそのエネルギーやエネルギー幅の調節が可能なレーザー駆動陽子線照射装置を構成し、レーザー駆動粒子線を用いた治療照射を現実的なものにした。
【００６５】
図７は本発明に係るレーザー駆動陽子線照射装置の他の形態を示す図であり、第１実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕの比較例である。なお、第１実施形態と同様の構成は、同一符号を付して説明を省略する。
【００６６】
他の形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´は、図７に示すように、エネルギー選択装置３´を備える。このエネルギー選択装置３´は、集束用コリメータ３０７´およびエネルギーコリメータ３０３´を有する。
【００６７】
エネルギー選択装置３´の集束用コリメータ３０７´は、陽子線発生装置１で生成したレーザー駆動陽子線１０３の進路を遮断するように配置され、レーザー駆動陽子線１０３の一部を通過させる開口Ｇ１´を有する。なお、この集束用コリメータ３０７´は、アルミニウムなどの低放射化材料により構成される。
【００６８】
エネルギー選択装置３´のエネルギーコリメータ３０３´は、エネルギー分離磁石３０１により運動量の違いに応じて偏向された陽子ビーム１０４ｂの進路を遮断するように設けられる２つのブロック３０３ａ´およびブロック３０３ｂ´と、このブロック３０３ａ´とブロック３０３ｂ´とで形成されるスリットＳ１´とを有する。
【００６９】
レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´にあっては、エネルギー分離磁石３０１の手前に集束用コリメータ３０７が設けられるため、レーザー駆動陽子線１０３はエネルギー選択装置３´に入射する前にその広角成分がビーム進路から取り除かれる。これにより、治療計画で定められた照射点９０２に限定した精度の高い照射が可能となり、正常組織における被ばく線量の低減が図られる。
【００７０】
また、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´のエネルギー選択装置３´では、陽子ビーム１０４ａがエネルギー分離磁石３０１により形成される磁場に入射して運動量に応じて軌道が偏向され、偏向した陽子ビーム１０４ｂがスリットＳ１´を通過し、特定のエネルギーを持つようになる。そして、陽子ビーム１０４ｃは、エネルギー結合磁石３０５により形成される磁場に入射し、運動量の違いによって偏向され拡散していた陽子ビーム１０４ｂが再び集束される。
【００７１】
このように、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´によると、加速器駆動型の粒子線装置で採用されるレンジシフタやリッジシフタを用いることなく、陽子ビームの体内飛程やビーム停止幅を定めることができる。したがって、レーザー駆動陽子線１０３に対してレンジシフタやリッジシフタによる散乱が作用せず、患部位置におけるビームの空間的広がりを抑制することが可能となって、正常患部の被爆を抑制することができる。
【００７２】
しかしながら、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´にあっては、陽子ビームの集束性を高めようとすればするほど、その集束用コリメータ３０７´の開口Ｇ１´を小さく設定する必要があり、この集束用コリメータ３０７´を通過して最終的に患者の患部９に到達する陽子ビームの強度が低下していく、という問題がある。
【００７３】
例えば、レーザー駆動陽子線１０３の発散角θが５°であって、患部９におけるビームサイズおよびビーム停止幅の設定上、ターゲット１０１におけるレーザー駆動粒子線１０３の発生点から見たエネルギー選択装置３´のスリットＳ１通過領域の見込み角が０．５°と設定されていたと仮定する。この場合、エネルギー選択装置３´に案内される陽子ビーム１０４ａの強度は、ターゲット１０１から射出された直後のレーザー駆動陽子線１０３の強度の１％程度以下となる。
【００７４】
さらに、通常の治療照射では、陽子ビームのエネルギー幅は２〜５％程度のものが用いられるため、エネルギー選択装置３´を経過した後の陽子ビーム１０４ｃの強度は一段と低下する。なお、照射するレーザーパルス光１０２の強度その他の条件にもよるが、例えば、患部９のサイズを１０ｃｃとすると、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´を用いて患部９に線量２Ｇｙを照射するには、経験的に１００分程度の時間を要する。この所要時間は、患者を位置決めした状態で保持する時間としては好ましいものではなく、集束性を高めることによる強度低下を抑えることが求められていた。これが、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´に関わる第一の課題であった。
【００７５】
加えて、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´にあっては、患部９の体内深度に応じて陽子ビームのエネルギーを１５０ＭｅＶから１００ＭｅＶまで変化させる場合、エネルギー１５０ＭｅＶに対してビーム停止幅５ｍｍを設定すると、上述したようにエネルギー１００ＭｅＶについてはビーム停止幅５ｍｍが得られず、例えば２ｍｍ程度となってしまう。
【００７６】
線量分布の平坦性を得る方法として、最も小さいビーム停止幅に併せて照射スライス間隔を設定することも考えられる。この方法によれば、線量分布の良好な平坦性を得ることができる。しかしながら、照射スライス間隔が小さくなると患部９の全域照射に必要となる照射スライスの数が増加し、照射時間（エネルギー選択装置３´の制御時間など）が増大して患者の身体的負担が大きくなる。
【００７７】
そこで、照射時間の増大を招くことなく線量分布の平坦性を確保する方法として、選択する陽子ビームのエネルギーごとに変化するビーム停止幅を治療計画時に考慮しておき、線量分布が平坦になるような照射スライス間隔を設定することも考えられる。しかし、照射スライスや照射点などの照射パターンデータは、一般にＣＴ（Computed Tomography）による撮影データ（通常、その位置は等間隔である。）に基づき設定できるところ、照射スライスを別途作成するとなれば、照射の最適化計算にかかる時間およびその最適化計算ないしレーザー駆動陽子線照射装置の開発コストの増大を招く。
【００７８】
すなわち、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´にあっては、照射スライス間隔を密にしたり照射の最適化計算を行ったりすることなく、線量分布の良好な平坦性を得ることが求められていた。これが、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´に関わる第二の課題であった。
【００７９】
そこで、本発明者は、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´を改良し、第１実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕの構成を採用するに至ったものである。
【００８０】
図８〜図１０はレーザー駆動陽子線照射装置Ｕの作用説明図である。
【００８１】
[陽子ビームの集束性と強度との両立]
本実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕでは、陽子線発生装置１で生成したレーザー駆動陽子線１０３はエネルギー集束装置３に設けられる四重極磁石２０１で形成される磁場を通過することで集束される。
【００８２】
図８はレーザー駆動陽子線照射装置Ｕを対象とした陽子ビーム１０４ａのビーム軌跡に関するシミュレーション結果を示す図である。横軸はビーム進行方向の距離であり、縦軸はビーム広がり方向の距離である。符号２０１ａ〜２０１ｃは、ビーム集束装置２における四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃの位置である。符号０１５は陽子ビームの水平方向のビーム軌跡であり、符号０１５は陽子ビームの垂直方向のビーム軌跡である。
【００８３】
図８に示すように、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕでは、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´に設けられる集束用コリメータ３０７´を用いることなく、すなわち、強度低下を抑えつつ、レーザー駆動陽子線１０３の集束性が良好に高められる。
【００８４】
ちなみに、レーザー駆動陽子線１０３は、その発散角θを５°、ターゲット１０１におけるレーザー駆動陽子線１０３の発生点から見たエネルギー選択装置３´のスリットＳ１通過領域の見込み角を０．５°とした場合、強度にして約３６％がエネルギー選択装置３に案内されることが確認された。これに対し、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´にあっては、上述したように、エネルギー選択装置３´に案内されるレーザー駆動陽子線１０３は１％程度以下である。したがって、レーザー駆動陽子線１０３を集束させる手段として四重極磁石２０１を採用することにより、集束用コリメータ３０７´を採用した場合と比較し強度にして約４０倍の陽子ビームを得ることができる。このように、レーザー駆動陽子線の集束性を高めるに際してその強度の低下を大きく抑えられる結果、例えば、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´では１００分を必要としていた治療照射が２、３分に短縮されるようになる。
【００８５】
[陽子ビームのエネルギーおよびエネルギー幅の選択と強度との両立]
レーザー駆動陽子線照射装置Ｕのビーム集束装置２を経過して集束された陽子ビーム１０４ａは、エネルギー選択装置３に案内される。エネルギー選択装置３では、陽子ビーム１０４ａがエネルギー分離磁石３０１が形成する磁場に入射して運動量に応じて軌道が偏向され、偏向して陽子ビーム１０４ｂがスリットＳ１´を通過することにより特定エネルギーの陽子ビーム１０４ｃとなる。そして、陽子ビーム１０４ｃは、エネルギー結合磁石３０５により形成される磁場を通過し、運動量の違いによって偏向され拡散していた陽子ビーム１０４ｂが結合される。
【００８６】
このように、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕによると、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´と同様に、加速器駆動型の粒子線装置で採用されるレンジシフタやリッジシフタを用いることなく、陽子ビームの体内飛程やビーム停止幅を定めることができる。
【００８７】
[線量分布の均一性]
レーザー駆動陽子線照射装置Ｕにあっては、照射スライス９０１が変更されるごとに、ビーム停止幅が一定となるよう、エネルギーコリメータ３０３を通過する陽子ビームのエネルギー幅が調節される。
【００８８】
すなわち、エネルギー選択装置３においてエネルギー分離磁石３０１の励磁電流が調節されて陽子ビームのエネルギーが選択されると、照射制御装置６により照射パターンデータが参照され、エネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１のサイズが治療計画で定められたビーム停止幅が得られるように拡大或いは縮小される。
【００８９】
そのため、ＣＴによる撮影データを用いて設定されるような等間隔の照射スライスであっても線量分布の良好な平坦性を得ることができる。つまり、照射スライス間隔を密にしたり照射の最適化計算を行ったりすることなく、線量分布の良好な平坦性を得ることができる。なお、図９はレーザー駆動陽子線照射装置Ｕにより形成される照射スライス上の線量分布の重ね合わせを示す図（シミュレーション結果）であり、横軸は体内深度（ｍｍ）、縦軸は照射線量（Ｇｙ）である。レーザー駆動陽子線照射装置Ｕによると、図９に示すように、体内深度１５６ｍｍ〜８０ｍｍの間で線量分布の良好な平坦性が得られる。
【００９０】
[安全性]
陽子線発生装置１から射出された発散角θを持つレーザー駆動陽子線１０３は、ビーム集束装置２に入射する前にその広角成分が遮蔽される。これにより、レーザー駆動陽子線１０３の発散軌道上に配置される四重極磁石２０１への陽子線入射が妨げられ、四重極磁石２０１の構成材料の放射化が防止される。また、最終的に患者の患部９まで到達する陽子ビーム１０４のうち、予め治療計画で定められた照射点９０２から逸脱する成分が除去され、正常組織の被ばく線量が低減される。
【００９１】
次に、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕの効果を説明する。
【００９２】
レーザー駆動陽子線照射装置Ｕにあっては、
(1) ターゲット１０１にレーザーパルス光１０２を照射してレーザー駆動粒子線１０３を射出する粒子線発生装置１と、この射出されたレーザー駆動粒子線１０３を患者の患部９へと導く輸送路を形成し、レーザー駆動粒子線１０３を空間的に集束させるビーム集束装置２と、このレーザー駆動粒子線１０３のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択装置３と、レーザー駆動粒子線１０３を走査して患部９の照射位置を調節する照射ポート４と、各装置１〜４の動作制御を行う照射制御装置６とを備える。このため、レーザー駆動陽子線を用いた治療照射が可能となる。つまり、加速器を不要として装置のコンパクト化および省スペース化に有利な陽子線の治療照射を実現できる。
【００９３】
また、ビーム集束装置２は、レーザー駆動粒子線１０３の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線１０３の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線１０３を集束させる。このため、レーザー駆動粒子線を患者の患部まで輸送する過程でレーザー駆動粒子線の強度低下を抑えつつ集束性を高めることができる。
【００９４】
(2) ビーム集束装置２は、陽子線発生装置１とエネルギー選択装置３との間に設けられる。このため、発散角θを有してターゲット１０１から射出されるレーザー駆動粒子線１０３は、空間的に集束された後にエネルギーおよびエネルギー幅の選択操作を受ける。この結果、ビーム集束装置２がエネルギー選択装置３の後段に設けられる構成と比較してレーザー駆動粒子線１０３の強度が大きいものとなり、(1)の効果が高められる。
【００９５】
(3) ビーム集束装置２は、永久磁石から成る四重極磁石２０１を有し、この四重極磁石２０１によりレーザー駆動粒子線１０３を集束させる磁場を形成する。このため、電磁石を用いて励磁電流調節を通じた磁場調節を行うことでレーザー駆動陽子線１０３の集束操作を行う構造を採用する場合と比較し、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕのコンパクト化や低コスト化が図られる。
【００９６】
(4) ビーム集束装置２の四重極磁石２０１は、レーザー駆動粒子線１０３の輸送路に沿って複数設けられ且つ少なくとも１つの四重極磁石１０３が移動可能に構成される。このため、レーザー駆動粒子線１０３の空間分布を調節することができる。その結果、患者の患部９に到達するレーザー駆動粒子線１０３の集束性および強度を高い状態で維持することができ、(1)の効果が高められる。
【００９７】
(5) エネルギー集束装置２は、四重極磁石２０１と陽子線発生装置１のターゲット１０１との間に設けられて四重極磁石２０１に入射するレーザー駆動粒子線１０１の広角成分を遮蔽する角度コリメータ２０３を有する。このため、患部９から外れた正常組織の被ばく線量が低減され、治療照射の安全性が向上する。
【００９８】
(6) エネルギー選択装置３は、レーザー駆動粒子線１０３の輸送路にレーザー駆動粒子線１０３が運動量に応じて偏向する磁場を形成し、特定の軌道を持つレーザー駆動粒子線１０３を選択して残りのレーザー駆動粒子線１０３をその輸送路から除去することにより、レーザー駆動粒子線１０３のエネルギーおよびエネルギー幅を選択する。このため、レーザー駆動粒子線１０３のエネルギーおよびエネルギー幅の選択操作に際してレーザー駆動粒子線１０３の分散が作用しない。その結果、レーザー駆動粒子線１０３の強度を高い状態で患部９まで輸送でき、(1)の効果が高められる。
【００９９】
(7) エネルギー選択装置３は、励磁電流の制御を受けて可変磁場を形成する電磁石を有するエネルギー分離磁石３０１と、この可変磁場により偏向を受けたレーザー駆動粒子線１０３の輸送路を遮断するように設けられ、特定の軌道を持つレーザー駆動粒子線１０３の選択的通過を許容するスリットＳ１を形成するエネルギーコリメータ３０３とを有する。このため、(6)の効果が確実且つ容易に得られるようになる。
【０１００】
(8) エネルギー選択装置３のエネルギーコリメータ３０３は、スリットＳ１のサイズが調節可能に構成される。このため、照射スライス間隔を密にしたり照射の最適化計算を行ったりすることなく、線量分布の良好な平坦性を得ることができ治療照射の精度が高められる。
【０１０１】
（第２実施形態）
図１０はレーザー駆動陽子線照射装置の第２実施形態を示す図である。本実施形態は、第１実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕに陽子ビームのエネルギー選択機能ならびに同装置Ｕのインターロックに関わる構成を追加した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は、符号に「Ａ」を付して説明する。
【０１０２】
本実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ａは、図１０に示すように、エネルギー分布集束装置５Ａおよびビーム強度監視装置７Ａを備える。また、レーザー駆動陽子線照射装置Ａの照射制御装置６Ａは、エネルギー分布集束制御部６０４Ａおよび高周波電源６０５Ａを有する。
【０１０３】
[エネルギー分布集束装置]
エネルギー分布集束装置５Ａは、図１０に示すように、陽子線発生装置１とエネルギー選択装置３との間に設けられる。このエネルギー分布集束装置５Ａは、レーザー駆動粒子線１０３の輸送路を形成し、この輸送路でレーザー駆動粒子線１０３のエネルギー分布を集束させて特定のエネルギーにピークを形成する。このエネルギー分布集束装置５Ａは、外側空洞５０１Ａと内側空洞５０２Ａとを有する位相回転空洞５００Ａを用いて構成される。
【０１０４】
図１１はレーザー駆動陽子線照射装置Ａの位相回転空洞５００Ａの拡大図である。
位相回転空洞５００Ａの外側空洞５０１Ａは、ビーム集束装置２を通過した陽子ビーム１０４ｄの輸送路外殻を成す。
【０１０５】
位相回転空洞５００Ａの内側空洞５０２Ａは、外側空洞５０１Ａの内部にて外側空洞５０１Ａの長手方向に沿って間隔を置いて複数配置され、高周波電源６０５Ａから高周波電圧が印加される。
【０１０６】
この内側空洞５０２Ａは、内側空洞間のギャップＧ２を通過する陽子ビーム１０４ｄに対して高周波電場を作用させ、陽子バンチ（陽子の時間的な離散状態）を構成している陽子群のうち、各ギャップＧ２に突入するタイミングと内側空洞５０２Ａに印加される高周波電圧の位相とが同期する陽子が持つエネルギーを中心として、陽子ビーム１０４ｄのエネルギー分布を集束させる。
【０１０７】
図１２はレーザー駆動陽子線照射装置Ａの位相回転空洞５００Ａを通過した陽子ビームのエネルギー分布を示した図（シミュレーション結果）であり、横軸は陽子のエネルギー、縦軸はレーザーパルス光１０２の１ショット当たりの陽子数である。図１２において、符号０１７は位相回転空洞５００Ａに高周波電場が印加されない状態における陽子ビームのエネルギー分布であり、符号０１８は位相回転空洞５００Ａに高周波電場が印加された状態における陽子ビームのエネルギー分布である。
【０１０８】
エネルギー分布集束装置５Ａは、ビーム集束装置２とエネルギー選択装置３との間に配置することが好ましい。その理由は、エネルギー分布集束装置５Ａで陽子ビームのエネルギー分布を集束させた後にエネルギー選択装置３でその陽子ビームのエネルギーを選択する方が、その逆の場合に比べて、患者の患部９に到達する陽子ビームの強度を高い状態で維持できるからである。すなわち、装置の配置は、図１０に示すように、陽子ビームの輸送路の上流側から順に、ビーム集束装置２→エネルギー分布集束装置５Ａ→エネルギー選択装置３→照射ポート４であることが陽子ビームの強度維持の観点から好ましい。
【０１０９】
[照射制御装置]
照射制御装置６Ａのエネルギー分布集束制御部６０４Ａは、位相回転空洞５００Ａを通過する陽子ビーム１０４ｄの持つエネルギーピークの位置を調節する。このエネルギーピークの位置調節は、照射パターンデータに収められる照射スライス位置に応じて定められた体内飛程００３（図２）に基づき、エネルギー分布集束装置５Ａの内部空洞５０２Ａに印加する高周波電圧の位相制御を通じて行う。
【０１１０】
この高周波電圧の位相制御は、次式（１）を満たす高周波電圧を高周波電源６０５Ａに印加することにより行う。
【数１】
【０１１１】
図１３はレーザー駆動陽子線照射装置Ａにて行われる陽子ビームのエネルギーピークの変更例（シミュレーション結果）を示したものであり、横軸および縦軸は図１２と同様である。図１３において、符号０１９ａ〜０１９ｃは、位相回転制御を通じて位置調節された異なるエネルギーピークである。
【０１１２】
また、照射制御装置６Ａは、ビーム強度監視装置７Ａから異常信号を受信したときは、レーザー駆動陽子線照射装置Ａの作動をインターロックにて停止させる。
【０１１３】
[ビーム強度監視装置]
ビーム強度監視装置７Ａは、１ショットあたりの陽子ビーム１０４ｃの強度を常時監視する。
【０１１４】
図１４はレーザー駆動陽子線照射装置Ａのビーム強度監視に関わる機能ブロック図であり、矢印は信号の流れを示したものである。
第１実施形態と同様、照射ポート４の線量計４０４は、これを通過した陽子ビーム１０４ｃの線量すなわち患者の患部９に照射された陽子ビームの線量に応じた電気信号を出力する。また、照射ポート４の線量計回路４０５は、線量計４０４から出力される電気信号を受信し、受け取った電気信号が予め設定される積算出力値に到達したとき、患者の患部９に設定された照射点９０２の線量満了を示す線量満了信号を照射制御装置６に送信する。
【０１１５】
ビーム強度監視装置７Ａは、線量計回路４０５から１ショットごとの陽子ビームの強度に応じた電気信号を受信し、受信した電気信号が示す陽子ビームの強度と照射パターンデータに示されるビーム強度００５とのマッチングを常時行う。線量計回路４０５から受信した強度が照射パターンデータに示されるビーム強度と所定値以上のズレがあるときは、照射制御装置６Ａに異常信号を送信する。
【０１１６】
ここで、照射パターンデータに収められるビーム強度００５は、エネルギー分布集束装置５Ａの高周波電場やエネルギー選択装置３のエネルギー分離磁石３０１などが全て正しく調節された状態でのビーム強度である。また、ビーム強度監視装置７Ａは、このビーム強度を判定基準として、レーザー駆動粒子線１０３が持つエネルギー分布に形成されるエネルギーピーク（図１６参照）を中心とした所定のエネルギー幅におけるビーム強度（ピーク強度）を正常／異常の判定対象とする。
【０１１７】
次に、レーザー駆動陽子線照射装置Ａの動作を説明する。
【０１１８】
照射パターンデータにおいて、体内飛程００３に対応するエネルギーが３０ＭｅＶ、ビーム停止幅００４に得るのに必要なエネルギー幅が５％であったと仮定する。
【０１１９】
この場合、照射制御装置６Ａのエネルギー分布集束制御部６０４Ａにより、陽子ビーム１０４ｄのエネルギー分布に３０ＭｅＶを中心としたエネルギーピークが形成されるよう、内側空洞５０２Ａに印加する高周波電圧が調節され、陽子ビーム１０４ｄが受ける高周波電場が調節される。
【０１２０】
そして、照射制御装置６Ａのエネルギー選択制御部６０２Ａにより、陽子ビーム１０４ｄのエネルギー分布から３０ＭｅＶを中心としたエネルギー幅５％が切り取られるよう、エネルギー分離磁石３０１やエネルギーコリメータ３０３のスリット中心Ｃ１の位置が調節される。
【０１２１】
各構成装置２；３；４；５Ａの調節が行われた後、陽子線発生装置１からレーザー駆動陽子線１０３が生成され、第１実施形態と同様の手順に従い、患者の患部９に設定された全ての照射スライス９０１に対する治療照射が行われる。患部９に照射される陽子ビーム１０４ｃの強度が正しくない場合、照射制御装置６Ａはビーム強度監視装置７Ａから異常信号を受信したタイミングでレーザー駆動陽子線照射装置Ａの作動停止を行う。なお、他の動作は第１実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕと同様である。
【０１２２】
次に、レーザー駆動陽子線照射装置Ａの作用を説明する。
【０１２３】
図１５および図１６は、レーザー駆動陽子線照射装置Ａの作用説明図である。
[陽子ビームのエネルギーおよびエネルギー幅の選択と強度との両立]
図１５はレーザー駆動陽子線照射装置Ａのエネルギー分布集束装置５Ａおよびエネルギー選択装置３を通過した陽子ビームのエネルギー分布を示す図である。図１５において、横軸は陽子のエネルギー、縦軸はレーザーパルス光１０２の１ショット当たりの陽子数である。また、符号０２０はエネルギー分布集束装置５Ａを通過した陽子ビームのエネルギー分布であり、符号０２１はエネルギー選択装置３を通過した陽子ビームのエネルギー分布である。
【０１２４】
レーザー駆動陽子線照射装置Ａにあっては、エネルギー分布集束装置５Ａの位相回転空洞５００Ａを通過する陽子ビーム１０４ｄのエネルギーは、内側空洞５０２ａ−内側空洞５０２Ａの空洞間ギャップＧ２およびその他のギャップを通過するタイミングと高周波電圧の位相とが同調するときのエネルギーを中心としてエネルギー的に集束された状態となる。例えば、図１５に示すように、陽子ビームのエネルギーは、３０ＭｅＶを中心として集束し、陽子ビーム１０４ｄに含まれる陽子のうち３０ＭｅＶのエネルギーを持つ陽子の割合が増加する。
【０１２５】
このため、図１５に示すように、３０ＭｅＶ（±５％）の陽子ビームがエネルギー選択装置３におけるエネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１を通過するように調節されていた場合、第１実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕと比較すると、そのスリットＳ１を通過する陽子ビームの強度が大きくなる。
【０１２６】
[安全性]
図１６はレーザー駆動陽子線照射装置Ａにおいてエネルギーの選択ずれが生じた異常時に得られる陽子ビームのエネルギー分布を示す図である。図１６において、縦軸および横軸ならびに符号の内容は、図１５と同様である。なお、エネルギーの選択ずれは、エネルギー分布集束装置５Ａの位相回転空洞５００Ａ或いはエネルギー選択装置３のエネルギーコリメータ３０３の構造不具合や、エネルギー分布集束制御部６０４Ａやエネルギー選択制御部６０２の制御不具合などにより生じ得る。
【０１２７】
エネルギーの選択ずれが生じた異常時に得られる陽子ビームのエネルギー分布は、図１６に示すように、エネルギーの選択が正常に行われたときに得られる陽子ビームのエネルギー分布と比較すると、大幅に低下する。これは、陽子ビームがエネルギー選択装置３におけるエネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１を通過する前に、エネルギー分布集束装置５ＡによってそのスリットＳ１を通過可能なエネルギー成分を持つ陽子が多くなるよう、エネルギー分布の集束が行われていることによる。ビーム強度監視装置７Ａは、このエネルギー分布集束装置５Ａを経てエネルギー分布の集束が行われた陽子ビームの強度に応じた電気信号を指標として異常判定を行うこととなる。
【０１２８】
このため、線量計４０４から出力されるビーム強度の変化を利用して、エネルギーの選択ずれを高い信頼性で判定することができる。すなわち、エネルギー選択装置３におけるエネルギー分離磁石３０１の励磁電流を監視したり、エネルギーコリメータ３０３のスリット中心Ｃ１の位置やスリットＳ１のサイズを監視するなどしてエネルギーの選択ずれを判定する一般的な方法に加え、陽子ビームの強度を指標としてエネルギーの選択ずれを判定できるようになる。
【０１２９】
なお、第１実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕにあっては、エネルギーの選択ずれが生じても、そのエネルギーのずれをビーム強度の変化に基づいて判定することは困難である。というのは、エネルギー分布集束装置５Ａによるエネルギー集束を受けない陽子ビームのエネルギー分布は、図１２（符号０１７）に示すように、平坦なエネルギー分布を持ち、多少エネルギーの選択ずれたとしても一定のエネルギー幅に入る陽子ビームの強度合算値は変化に乏しいためである。なお、陽子ビームの強度のわずかな変化を検出した場合でも異常信号を出力させることも考えられるが、その場合、エネルギー選択装置３により選択される陽子ビームのエネルギーは通常わずかに揺らいでいるため、インターロックが頻繁に作動するおそれがある。
【０１３０】
次に、レーザー駆動陽子線照射装置Ａの効果を説明する。
【０１３１】
レーザー駆動陽子線照射装置Ａにあっては、第１実施形態の(1)〜(8)の効果に加え、次の効果を得ることができる。
(9) 陽子ビームの輸送路を形成し、この輸送路で陽子ビームのエネルギー分布を集束させて特定のエネルギーにピークを形成するエネルギー分布集束装置５Ａを備える。このため、照射点９０２の体内深度に基づき設定されるエネルギーを持つ陽子ビームの強度が高められ、第１実施形態における(1)の効果が高められる。
【０１３２】
(10) エネルギー分布集束装置５Ａは、陽子ビームの輸送路を形成し、高周波電圧の印加を受けて、この輸送路において陽子バンチを構成する陽子群が加速を受ける状態と減速を受ける状態とが現れる高周波電場を形成することにより、陽子ビームのエネルギー分布を特定のエネルギーに向かって集束させる位相回転空洞５００Ａを有し、照射制御装置６Ａは、位相回転空洞５００Ａに印加する高周波電圧の位相および振幅を調節することにより、陽子ビームのエネルギー分布が持つエネルギーピークの位置を調節する。このため、陽子ビームの持つ電荷および時間的な離散状態を利用して、陽子ビームのエネルギー分布に所望のエネルギーピークを形成できるようになる。
【０１３３】
(11) エネルギー分布集束装置５Ａの位相回転空洞５００Ａは、陽子ビームの輸送路を形成する外側空洞５０１Ａと、この外側空洞５０１Ａの内部に間隔を置いて並置され且つ高周波電圧が印加される複数の内側空洞５０２Ａとを有し、内側空洞間５０２Ａのギャップに高周波電場を形成して、この外側空洞５０１Ａ内において陽子バンチを構成する陽子群のうち、そのギャップに突入するタイミングと内側空洞５０２Ａに印加される高周波電圧の位相とが同期する陽子が持つエネルギーを中心として、陽子ビームのエネルギー分布を集束させる。よって、(10)の効果を容易に且つ効果的に得ることができるようになる。
【０１３４】
(12) エネルギー分布集束装置５Ａによりエネルギー分布が集束され且つエネルギー選択装置３により特定のエネルギー幅が選択された陽子ビームの強度について、正常または異常を判定するビーム強度監視装置７Ａを備える。そして、照射制御装置６Ａは、ビーム強度監視装置７Ａにより異常が判定されたとき、患者の患部９に対する陽子ビームの照射を停止する。このため、照射される陽子ビームの強度を用いたインターロックが可能になり、治療照射に対する安全性がより高いものとなる。
【０１３５】
(13) ビーム強度監視装置７Ａは、レーザーパルス光１０２の１ショット当たりの陽子ビームの強度についてその正常／異常の判定を行う。その際、陽子ビームが持つエネルギー分布のピーク強度をその判定の基準とする。このため、陽子ビームの強度が所要値からズレた場合は、１ショット当たりの強度であっても、線量計４０４による計測にかかる陽子ビームの強度は大きく低下し、高い精度で陽子ビームの正常または異常を判定できる。したがって、１つの照射点に対する照射中であっても、インターロックを高い信頼性で作動でき、(12)の効果が高められる。
【０１３６】
（第３実施形態）
本実施形態は、第２実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ａにて実行される陽子ビームの高周波電場制御に関わる例である。
【０１３７】
レーザー駆動陽子線照射装置Ａ（図１０参照）の照射制御装置６Ａは、高周波電源６０５Ａの出力調節により、位相回転空洞５００Ａに対してパルス幅圧縮電圧を印加する。
【０１３８】
パルス幅圧縮電圧は、エネルギー分布集束装置５Ａを通過する陽子ビーム１０４ｄに含まれる陽子線のパルス幅が圧縮されるように調節された電圧である。以下、このパルス幅圧縮電圧について説明する。
【０１３９】
[パルス幅圧縮電圧]
陽子ビーム１０４ｂに含まれる陽子線に対してある速度
を中心とした位相回転を行う場合、その陽子線が位相回転される速度範囲は式（２）で表される。
【数２】
【０１４０】
【数３】
【０１４１】
【数４】
【０１４２】
【数５】
【０１４３】
照射制御装置６Ａは、位相回転空洞５００Ａに印加する電圧が所要のパルス幅圧縮電圧になるよう調節する際、高周波電源６０５Ａの出力に関わるフィードバック制御ならびに電圧値が所要値からずれた場合におけるインターロック停止制御を行う。位相回転空洞５００Ａに印加された電圧は、放電などによって不安定になりやすいためである。
【０１４４】
次に、本実施形態の陽子ビームの高周波電場制御の作用を説明する。
【０１４５】
[陽子ビームのパルス幅圧縮]
図１７は高周波電場制御の作用を示す図（シミュレーション結果）であり、（ａ）は位相回転空洞５００Ａに印加される電圧がパルス幅圧縮電圧（式（５）参照）を満たさない場合の陽子ビームのパルス幅を示す図、（ｂ）は位相回転空洞５００Ａに印加する電圧がパルス幅圧縮電圧を満たす場合の陽子ビームのパルス幅を示す図である。図１７（ａ）の符号０２２ａはパルス幅圧縮を受けない状態の陽子ビームのパルス幅であり、図１７（ｂ）の符号０２２ｂはパルス幅圧縮を受けた状態の陽子ビームのパルス幅である。なお、縦軸および横軸ならびに他の符号の内容は、図８と同様である。
【０１４６】
レーザー駆動陽子線照射装置Ａにあっては、陽子線発生装置１においてターゲット１０１から射出されるレーザー駆動陽子線１０３のパルス幅は一定のパルス幅を有している。このレーザー駆動陽子線１０３のパルス幅は、エネルギー選択装置３などを通過して患者の患部９に到達する際には広がってしまい、例えば、図１７（ａ）に示すように、パルス幅１ｎｓｅｃ以下であったものが数ｎｓｅｃまで広がってしまう。
【０１４７】
ところが、エネルギー分布集束装置５Ａの位相回転空洞５００Ａに印加する高周波電圧の振幅を上式（５）で表されるパルス幅圧縮電圧を満たすように調節すると、その位相回転空洞５００Ａを通過する陽子ビーム１０４ｄのパルス幅が圧縮され短くなる。例えば、陽子線発生装置１においてターゲット１０１から射出された１ｎｓｅｃ以下のパルス幅を持つレーザー駆動陽子線１０３は、エネルギー選択装置３などを通過して一旦２．１ｎｓｅｃまで広がった後パルス幅圧縮を受けて、図１７（ｂ）に示すように、患者の患部９に到達する時点では１ｎｓＥＣ以下まで小さくなる。なお、この陽子ビーム１０４ｄのパルス幅圧縮作用を定性的に説明すると、陽子ビーム１０４ｄに含まれる遅い陽子線は加速され且つ速い陽子線は減速されたため、といえる。なお、この理は、第２実施形態のエネルギー分布集束作用についても言える。
【０１４８】
このようなパルス幅圧縮作用によれば、レーザー駆動陽子線１０３のパルス幅を射出当初の大きさで維持しつつ長距離輸送が可能となる。以下に、陽子線を用いた治療照射におけるパルス幅圧縮作用の実益を説明する。
【０１４９】
粒子線を患者の患部９に照射したときにがん細胞等が死滅する効果は、直接作用と間接作用という２つの粒子−細胞の相互作用に大別される。直接作用は、粒子線により直接的にＤＮＡを損傷・破壊する相互作用である。一方、間接作用は、粒子線により体内で生成される電荷がＯＨラジカルに代表される活性粒子を生成し、この活性粒子との反応を通じてＤＮＡを損傷・破壊する相互作用である。
【０１５０】
一般に、治療照射に用いる粒子線の線種として炭素線のような重粒子線を用いた場合、直接作用が支配的であるが、陽子線のようなＬＥＴ（ｌｉｎｅａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ；線エネルギー付与）が低い粒子線では間接作用が支配的である。直接作用の方が癌細胞の致死効果が高く、また、酸素が欠乏した細胞のようにＯＨラジカルの生成が小さい場合でも癌細胞を破壊できるという特徴がある。
【０１５１】
パルス幅圧縮電圧は、陽子ビームのパルス幅を圧縮して、陽子線の高密度状態を形成する。このため、パルス幅圧縮電圧の作用させた陽子ビームにあっては、陽子線−細胞の相互作用に占める直接作用の割合が増加し、重粒子線の照射効果と類似した照射効果が期待される。また、短時間に集中的なエネルギーを付与することができることから、加熱作用に基づいた癌細胞ＤＮＡの損傷・破壊の効果を高めることが期待される。
【０１５２】
本実施形態の陽子ビームの高周波電場制御によれば、第１実施形態の(1)〜(8)の効果ならびに第２実施形態の(9)〜(13)の効果に加え、次の効果を得ることができる。
【０１５３】
(14) エネルギー分布集束装置５Ａの位相回転空洞５００Ａに印加する高周波電場として、式（５）を満たすパルス幅圧縮電圧が用いられる。このため、陽子ビームの密度を高めることができ重粒子線のような高ＬＥＴ化が可能となり、治療照射の効能が高められる。
【０１５４】
以上、本発明に係るレーザー駆動粒子線照射装置およびレーザー駆動粒子線照射方法を第１実施形態〜第３実施形態に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載の発明の要旨を逸脱しない限り設計の変更や追加等は許容される。
【０１５５】
例えば、各実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置は、ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動陽子線を取り出す陽子線発生装置を備えて構成する例を示したが、取り出す粒子線は陽子線に限られず、α線や炭素線などの荷電粒子であればよい。ただし、第３実施形態にあっては、式（２）〜（５）にて現れる電荷ｑ、速度ｖ０などの粒子線依存のパラメータは、パルス幅圧縮の対象とされる荷電粒子線に関するものが用いられる。
【０１５６】
レーザー駆動陽子線照射装置のビーム集束装置は、永久磁石から成る四重極磁石を用いて構成する例を示したが、６重極磁石或いはそれ以上の多重極磁石を用いて構成することもできる。
【０１５７】
レーザー駆動陽子線照射装置のエネルギー選択装置が担う陽子ビームを偏向させる機能は、アクロマート型磁石（図１８参照）の内部にエネルギーコリメータを設けた装置を用いて行うようにしてもよい。すなわち、（ｉ）荷電粒子を磁場に案内し、（ii）その荷電粒子を運動量の違いにより軌道分散させ、（iii）磁場内で軌道分散した段階で所要の荷電粒子（軌道）を選別し、（iv）荷電粒子が磁場から出る際或いは出た後にその軌道を再び集束させる、という操作を行える構成であればよい。
【０１５８】
レーザー駆動陽子線照射装置の照射制御装置において、ビーム集束制御部やエネルギー選択制御部は、照射パターンデータを参照してビーム集束装置の四重極磁石位置やエネルギー選択装置の励磁電流およびエネルギーコリメータのスリット位置を調節する例を示したが、照射スライスごとに予め用意された調節量に基づきこれらの調節を行うようにしてもよい。
【０１５９】
レーザー駆動粒子線照射装置の照射制御装置などに位相回転空洞に印加する電圧（式（１）参照）などの各種制御量を表示できる装置を備えるようにして、照射制御装置による制御を手動にて行い或いは補正できるようにしてもよい。
【０１６０】
要するに、ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を射出する粒子線発生装置と、この射出されたレーザー駆動粒子線を被照射体へと導く輸送路を形成し、レーザー駆動粒子線を空間的に集束させるビーム集束装置と、このレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択装置と、レーザー駆動粒子線を走査して被照射体の照射位置を調節する照射ポートと、各装置の動作制御を行う照射制御装置とを備え、ビーム集束装置は、レーザー駆動粒子線の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線を集束させるものであれば、レーザー駆動粒子線を用いた治療照射を可能にすると共に、レーザー駆動粒子線を患者の患部まで輸送する過程でレーザー駆動粒子線の強度低下を抑えつつ集束性を高めることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【０１６１】
【図１】本発明に係るレーザー駆動粒子線照射装置の第１実施形態を示す図。
【図２】図１のレーザー駆動粒子線照射装置が参照する照射パターンデータの内容例を示す図。
【図３】図１のレーザー駆動粒子線照射装置で行われる陽子ビームのエネルギーおよびエネルギー幅の選択例を示す図。
【図４】図１のレーザー駆動粒子線照射装置において陽子ビームのエネルギー（１５０ＭｅＶ）およびビーム停止幅（５ｍｍ）を選択したときのエネルギーコリメータの状態を示す図。
【図５】図１のレーザー駆動粒子線照射装置において陽子ビームのエネルギー（１００ＭｅＶ）およびエネルギー幅（５ｍｍ）を選択したときのエネルギーコリメータの状態を示す図。
【図６】図５に示す陽子ビームのエネルギー選択方法の変更例を示す図。
【図７】本発明に係るレーザー駆動粒子線照射装置の他の形態を示す図。
【図８】図１のレーザー駆動陽子線照射装置を対象とした陽子ビーム軌跡に関するシミュレーション結果を示す図。
【図９】図１のレーザー駆動粒子線照射装置により形成される照射スライス上の線量分布の重ね合わせを示す図。
【図１０】本発明に係るレーザー駆動陽子線照射装置の第２実施形態を示す図。
【図１１】図２のレーザー駆動粒子線照射装置における位相回転空洞の拡大図。
【図１２】図２の位相回転空洞を通過した陽子ビームのエネルギー分布を示す図（シミュレーション結果）。
【図１３】図２のレーザー駆動粒子線照射装置で行われる陽子ビームのエネルギーピークの変更例を示す図（シミュレーション結果）。
【図１４】図２のレーザー駆動粒子線照射装置のビーム強度監視に関わる機能ブロック図。
【図１５】図２のレーザー駆動粒子線照射装置におけるエネルギー分布集束装置およびエネルギー選択装置を通過した陽子ビームのエネルギー分布を示す図。
【図１６】図２のレーザー駆動粒子線照射装置において陽子ビームのエネルギー選択ずれが生じた異常時に得られる陽子ビームのエネルギー分布を示す図。
【図１７】第３実施形態の高周波電場制御の作用を示す図（シミュレーション結果）であり、（ａ）は位相回転空洞に印加される電圧がパルス幅圧縮電圧を満たさない場合の陽子ビームのパルス幅を示す図、（ｂ）は位相回転空洞に印加する電圧がパルス幅圧縮電圧を満たす場合の陽子ビームのパルス幅を示す図。
【図１８】アクロマート型磁石を用いた荷電粒子のエネルギーおよびエネルギー幅の選択例を示す図。
【符号の説明】
【０１６２】
１……陽子線発生装置， １０１……ターゲット， １０２……レーザーパルス光， １０３……レーザー駆動陽子線， １０４（１０４ａ〜１０４ｃ）……陽子ビーム， ２……ビーム集束装置， ２０１（２０１ａ〜２０１ｃ）……四重極磁石， ２０２……ＱＭアクチュエータ， ２０３……角度コリメータ， ３……エネルギー選択装置， ３０１(３０１ａ，３０１ｂ)……エネルギー分離磁石， ３０２（３０２ａ，３０２ｂ）……エネルギー分離磁石電源， ３０３……エネルギーコリメータ， ３０３ａ，３０３ｂ……ブロック， ３０４……ＥＣアクチュエータ， ３０５（３０５ａ，３０５ｂ）……エネルギー結合磁石， ３０６（３０６ａ，３０６ｂ）……エネルギー結合磁石電源， ３０７……集束用コリメータ， ４……照射ポート， ４０１……走査電磁石， ４０１ａ……水平走査電磁石， ４０１ｂ……垂直走査電磁石， ４０２（４０２ａ，４０２ｂ）……走査電磁石電源， ４０３……位置モニタ， ４０４……線量計， ４０５……線量計回路， ５……エネルギー分布集束装置， ５００……位相回転空洞， ５０１……外側空洞， ５０２（５０２ａ〜５０２ｎ）……内側空洞， ６……照射制御装置， ６０１……ビーム集束制御部， ６０２……エネルギー選択制御部， ６０３……走査制御部， ６０４……エネルギー分布集束制御部， ６０５……高周波電源， ７……ビーム強度監視装置， ９……患者の患部， ９０１（９０１ａ〜９０１ｃ）……照射スライス， ９０２（９０２ａ〜９０２ｃ）……照射点， ００１……照射位置を示す水平方向の相対位置， ００２……照射位置を示す垂直方向の相対位置， ００３……体内飛程， ００４……ビーム停止幅， ００５……陽子ビームの強度， ００６……陽子ビームの強度の設定値， ００７……選択した陽子線エネルギー， ００８……選択した陽子線エネルギーのエネルギー幅， ００９……陽子ビームの強度， ０１０、０１０´……エネルギーコリメータのスリット中心の位置， ０１１、０１１´……エネルギーコリメータのスリットサイズ， ０１３……エネルギーコリメータのスリット中心の位置， ０１４……エネルギーコリメータのスリットサイズ， ０１５……陽子ビームの水平方向のビームサイズの軌跡， ０１６……陽子ビームの垂直方向のビームサイズの軌跡， ０１７……位相回転空洞に高周波電場が印加されない状態における陽子ビームのエネルギー分布， ０１８……位相回転空洞に高周波電場が印加された状態における陽子ビームのエネルギー分布， ０１９ａ〜０１９ｃ……エネルギーピーク， ０２０……エネルギー分布集束装置を通過した陽子ビームのエネルギー分布， ０２１……エネルギー選択装置を通過した陽子ビームのエネルギー分布， ０２２ａ……パルス幅圧縮を受けない状態の陽子ビームのパルス幅， ０２２ｂ……パルス幅圧縮を受けた状態の陽子ビームのパルス幅， Ａ，Ｕ……レーザー駆動陽子線照射装置， Ｃ１……スリット中心， Ｄ１……偏向距離， Ｄ２……陽子ビーム軸， Ｇ１……集束用コリメータの開口， Ｇ２……空洞間ギャップ， Ｓ１……スリット， θ……発散角．
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を取り出し、このレーザー駆動粒子線を分析その他の目的に用いられる照射用粒子線とするレーザー駆動粒子線照射技術に係り、特に、レーザー駆動粒子線の空間分布やエネルギー分布を調節しながら被照射体まで輸送するレーザー駆動粒子線照射装置およびレーザー駆動粒子線照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シンクロトロンなどの加速器を用いて陽子や炭素などの荷電粒子を加速し、得られる加速器粒子ビームを患者の体内で停止させて癌細胞を死滅させる粒子線照射技術が提案されている（特許文献１参照）。かかる加速器駆動型の粒子線照射技術にあっては、大掛かりな加速器施設を必要とすることから、設置スペースやコストの点で普及が困難となっており、その運用は一部の施設に留まっているという実情がある。
【０００３】
このような実情に鑑み、近年、レーザー駆動陽子線照射技術が構想されている（特許文献２および特許文献３参照）。このレーザー駆動陽子線照射技術は、金属や高分子などの薄膜に高強度且つ極短パルスのレーザー光を照射して取り出される陽子線（以下、レーザー駆動陽子線）を用い、このレーザー駆動陽子線を例えば患者の癌患部に照射する、という考え方である。レーザー駆動陽子線を用いることで、加速器施設が不要となり装置のコンパクト化および低コスト化が図られ、陽子線を用いた治療その他の陽子線照射技術の普及が期待される。
【特許文献１】特開２００６−３４１０６９号公報
【特許文献２】特表２００７−５３１５５６号公報
【特許文献３】特開２００８−０２２９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザー駆動陽子線は、ターゲットから発散角を持って射出され空間的に広がっていくという特徴を有している。そのため、レーザー駆動陽子線を治療照射に用いる場合は、患部以外の正常組織の被ばく線量を抑えること、つまり、レーザー駆動陽子線を患部へ輸送する過程において集束させる操作が要求される。
【０００５】
また、レーザー駆動陽子線がターゲットから発散角を持って射出されることから、患者の患部に輸送される過程で強度が低下しやすい。このレーザー駆動陽子線の強度の低下は、レーザー駆動陽子線を治療照射に用いることができなくなるとか、照射時間の増大を招いて一定姿勢で位置決め固定される患者の負担を大きくすることにつながる。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、レーザー駆動粒子線を用いた治療照射を可能にすると共に、レーザー駆動粒子線を患者の患部まで輸送する過程でレーザー駆動粒子線の強度低下を抑えつつ集束性を高めることができるレーザー駆動粒子線照射装置およびレーザー駆動粒子線照射方法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】
【０００７】
上述した目的を達成するため、本発明に係るレーザー駆動粒子線照射装置では、ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を射出する粒子線発生装置と、この射出されたレーザー駆動粒子線を被照射体へと導く輸送路を形成し、レーザー駆動粒子線を空間的に集束させるビーム集束装置と、このレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択装置と、レーザー駆動粒子線を走査して被照射体の照射位置を調節する照射ポートと、各装置の動作制御を行う照射制御装置とを備え、前記ビーム集束装置は、レーザー駆動粒子線の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線を集束させることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係るレーザー駆動粒子線照射方法では、ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を取り出す粒子線生成工程と、レーザー駆動粒子線を空間的に集束させせるビーム集束工程と、被照射体に設定された照射位置の深度に応じてレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択工程と、被照射体におけるレーザー駆動粒子線の照射位置を調節する照射工程とを備え、前記ビーム集束工程では、レーザー駆動粒子線の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線を集束させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、レーザー駆動粒子線を用いた治療照射が可能になると共に、レーザー駆動粒子線を患者の患部まで輸送する過程でレーザー駆動粒子線の強度低下を抑えつつ集束性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係るレーザー駆動粒子線照射装置およびレーザー駆動粒子線照射方法の実施形態を、添付図面を参照して説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は本発明に係るレーザー駆動粒子線照射装置の第１実施形態を示す図である。本実施形態のレーザー駆動粒子線照射装置は、レーザー駆動陽子線を治療照射用の粒子線源とするレーザー駆動陽子線照射装置Ｕである。
【００１２】
レーザー駆動陽子線照射装置Ｕは、図１に示すように、陽子線発生装置１、ビーム集束装置２、エネルギー選択装置３、照射ポート４および照射制御装置６を備える。図１の符号９は患者の患部である。
【００１３】
[陽子線発生装置]
陽子線発生装置１は、金属或いは高分子等を材料とする薄膜状のターゲット１０１に高強度且つ極短波長のレーザーパルス光１０２を照射してレーザー駆動陽子線１０３を射出生成する。なお、この陽子線発生装置１は、レーザーパルス光１０２の照射軌道上に新たなターゲット１０１を常時供給可能に構成される。
【００１４】
[ビーム集束装置]
ビーム集束装置２は、レーザー駆動粒子線１０３を患者の患部９へと導く輸送路を形成し、陽子線発生装置１から発散角θを有して射出されたレーザー駆動陽子線１０３を集束させる。このビーム集束装置２は、四重極磁石２０１、ＱＭアクチュエータ２０２および角度コリメータ２０３を有する。
【００１５】
四重極磁石２０１は、レーザー駆動粒子線１０３の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線１０３の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線１０３を集束させる。
【００１６】
この四重極磁石２０１は、３台の永久磁石から成る四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃを有する。四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃは、レーザー駆動陽子線１０３に対してこれを集束させる磁場が多重に作用するように、レーザー駆動陽子線１０３の輸送路に沿って配置される。なお、四重極磁石の数は、レーザー駆動粒子線１０３の集束制御性等を考慮して適宜設定できる。以下、四重極磁石２０１により集束されたレーザー駆動陽子線を「陽子ビーム」と称す。
【００１７】
ＱＭアクチュエータ２０２は、照射制御装置６による駆動制御を受け、四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃのうち少なくとも１つをレーザー駆動粒子線１０３の輸送路に沿って移動させる。
【００１８】
角度コリメータ２０３は、陽子線発生装置１で生成したレーザー駆動陽子線１０３のうち四重極磁石２０１に入射する広角成分を遮蔽する。この角度コリメータ２０３は、陽子線発生装置１のターゲット１０１とこのターゲット１０１に最も近い四重極磁石２０１ａとの間に設けられ、四重極磁石２０１ａに形成されるレーザー駆動陽子線１０３の入射口の口径よりも小さい口径を有する。また、この角度コリメータ２０３は、アルミニウムなどの低放射化材料により構成される。
【００１９】
[エネルギー選択装置]
エネルギー選択装置３は、ビーム集束装置２の陽子ビーム出口側に設けられ、ビーム集束装置２で集束された連続エネルギー分布を持つ陽子ビーム１０４ａの中から特定エネルギー且つ特定エネルギー幅の陽子ビームを選択する。このエネルギー選択装置３は、エネルギー分離磁石３０１、エネルギー分離磁石電源３０２、エネルギーコリメータ３０３、ＥＣアクチュエータ３０４、エネルギー結合磁石３０５およびエネルギー結合磁石電源３０６を有する。
【００２０】
エネルギー分離磁石３０１は、励磁電流の印加を受けて方向および大きさが可変な磁場を形成し、この可変磁場により、ビーム集束装置２で集束された陽子ビーム１０４ａの軌道をその運動量に応じて偏向させると共にその陽子ビーム１０４ａの偏向量を調節する。このエネルギー分離磁石３０１は、２台のエネルギー分離磁石３０１ａ；３０１ｂにより構成される。
【００２１】
エネルギー分離磁石電源３０２は、照射制御装置６による出力制御を受け、所要の励磁電流をエネルギー分離磁石３０１に印加し、エネルギー分離磁石３０１により形成される磁場を変更する。このエネルギー分離磁石電源３０２は、エネルギー分離磁石３０１ａおよびエネルギー分離磁石３０１ｂのそれぞれに独立して接続されるエネルギー分離磁石電源３０２ａ；３０２ｂにより構成される。
【００２２】
エネルギーコリメータ３０３は、エネルギー分離磁石３０１により運動量の違いに応じて偏向し拡散した陽子ビーム１０４ｂの輸送路を遮断するように設けられ且つ上下移動可能に構成される２つのブロック３０３ａおよびブロック３０３ｂと、各ブロック３０３ａ；３０３ｂとにより形成され、特定軌道を持つ陽子ビーム１０４ｂの選択的通過を許容するスリットＳ１とを有する。
【００２３】
ＥＣアクチュエータ３０４は、照射制御装置６による駆動制御を受け、エネルギーコリメータ３０３を構成するブロック３０３ａ；３０３ｂを上下移動させる。例えば、ＥＣアクチュエータ３０４は、ブロック３０３ａ；３０３ｂにより形成されるスリットＳのスリット中心Ｃ１を保持したままスリットＳのサイズを拡大縮小させたり、或いは、このスリットＳのサイズを保持したままスリット中心Ｃ１を変位させるように、各ブロック３０３ａ；３０３ｂを上下移動させる。
【００２４】
エネルギー結合磁石３０５は、励磁電流の印加を受けて方向および大きさが可変な磁場を形成し、この可変磁場により、エネルギー分離磁石３０１を通過して運動量に応じて偏向し拡散した陽子ビーム１０４ｂの軌道を再び集束させる。このエネルギー結合磁石３０５は、２台のエネルギー結合磁石３０５ａ；３０５ｂにより構成される。
【００２５】
エネルギー結合磁石電源３０６は、照射制御装置６による出力制御を受け、所要の励磁電流をエネルギー結合磁石３０５に印加し、エネルギー分離磁石３０１により形成される磁場を変更する。このエネルギー結合磁石電源３０６は、エネルギー結合磁石３０５ａおよびエネルギー結合磁石３０５ｂのそれぞれに独立して接続されるエネルギー結合磁石電源３０６ａ；３０６ｂにより構成される。
【００２６】
なお、エネルギー分離磁石、エネルギー分離磁石電源、エネルギー結合磁石、エネルギー結合磁石電源の数は、陽子ビームの偏向および結合の制御性を考慮して適宜設定できる。
【００２７】
[照射ポート]
照射ポート４は、エネルギー選択装置３の陽子ビーム出口側に設けられ、エネルギー選択装置３を通過した特定エネルギーの陽子ビーム１０４ｃが患者の患部９に設定された照射点９０２に正しく入射するよう、陽子ビーム１０４ｃの軌道を調節する。また、患部９における陽子ビーム１０４ｃの照射位置および照射線量を監視する。この照射ポート４は、走査電磁石４０１、走査電磁石電源４０２、位置モニタ４０３、線量計４０４および線量計回路４０５を有する。
【００２８】
走査電磁石４０１は、励磁電流の制御を受け、陽子ビーム１０４ｃの水平方向の軌道調節を行う水平走査電磁石４０１ａと、陽子ビーム１０４ｃの垂直方向の軌道調節を行う垂直走査電磁石４０１ｂとを有する。走査電磁石電源４０２（４０２ａ、４０２ｂ）は、走査電磁石４０１（４０１ａ、４０１ｂ）に対して陽子線ビーム１０４ｃの走査に必要な電流を供給する。
【００２９】
位置モニタ４０３は、これを通過した陽子ビーム１０４ｃの位置すなわち患者の患部９における陽子ビームの入射位置の指標となる信号を出力し、照射制御装置６に送信する。なお、位置モニタ４０３としては、電離箱式などを用いることができる。
【００３０】
線量計４０４は、これを通過した陽子ビーム１０４ｃの強度或いは線量すなわち患者の患部９に照射された陽子ビームの強度ないし線量に応じた電気信号を出力する。なお、線量計４０４としては、電離箱式などを用いることができる。
【００３１】
線量計回路４０５は、線量計４０４から出力される電気信号を受信し、受け取った電気信号が予め設定された積算出力値に到達したとき、患者の患部９に設定された照射点９０２の線量満了を示す線量満了信号を照射制御装置６に送信する。
【００３２】
[照射制御装置]
照射制御装置６は、患者の治療照射をどのように行うかを示す照射パターンデータを記録可能に構成され、この照射パターンデータを参照してレーザー駆動陽子線照射装置Ｕの全体制御を行う。なお、照射パターンデータは、治療照射の事前に行われる治療計画にて作成される最適照射情報を元にして作成される。
【００３３】
図２はレーザー駆動陽子線照射装置Ｕが参照する照射パターンデータの内容例を示す図である。この照射パターンデータには、患者の患部９を仮想的に切り分けた照射スライス９０１ごとに設定された照射点９０２の位置指標となる基準位置からみた水平方向の相対位置００１および垂直方向の相対位置００２、照射スライス９０１の位置指標すなわち体内深度の指標となる体内飛程００３、体内におけるビーム停止幅の指標となるビーム停止幅００４、各照射点９０２に照射すべきビーム強度００５および設定線量００６から構成されるもので、陽子線発生装置１、ビーム集束装置２、エネルギー選択装置３および照射ポート４の動作制御に必要な情報が収められる。なお、ビーム停止幅は、陽子ビームのエネルギー幅に基づく体内飛程の差により生ずるものである。また、照射パターンデータの内容は適宜変更できる。
【００３４】
照射制御装置６は、ビーム集束制御部６０１、エネルギー選択制御部６０２および走査制御部６０３を有する。
【００３５】
ビーム集束制御部６０１は、ビーム集束装置２の四重極磁石２０１に入射し集束されるレーザー駆動粒子線１０３の焦点位置を調節すべく、四重極磁石２０１の位置を調節する。例えば、レーザー駆動粒子線１０３の焦点が患者の患部９に形成されるよう、四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃの相対位置を調節する。この四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃの位置調節は、エネルギー選択装置３にて選択される陽子ビームのエネルギーごとに定められた四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃの位置情報に基づき、ＱＭアクチュエータ２０２を駆動させることにより行う。
【００３６】
エネルギー選択制御部６０２は、エネルギー選択装置３に入射した陽子ビームのうち照射パターンデータ（図２参照）に示されるエネルギーを持つ陽子ビームを選別すべく、エネルギー分離磁石電源３０２の出力制御を行ってエネルギー分離磁石３０１に印加する励磁電流を調節し、もって陽子ビーム１０４ｂの偏向量を調節する。また、必要に応じて同装置３のエネルギーコリメータ３０３のスリット中心Ｃ１を位置調節してスリットＳ１を通過する陽子ビーム１０４ｃの軌道を選別する。そして、エネルギー分離磁石３０１により偏向し拡散した陽子ビームを集束させるため、同装置３のエネルギー結合磁石電源３０６の出力制御を行いってエネルギー結合磁石３０５に印加する励磁電流を調節する。
【００３７】
また、このエネルギー選択制御部６０２は、患者の患部９における陽子ビームのビーム停止幅を調節するため、ＥＣアクチュエータ３０４を操作してエネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１のサイズを調節する。すなわち、患者の患部９において所要のビーム停止幅を形成可能なエネルギー幅に存在する陽子ビームが選択的にエネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１を通過するよう、ブロック３０３ａおよびブロック３０３ｂを互いに反対方向に上下変位させる。なお、このブロック３０３ａ；３０３ｂの変位量は、照射パターンデータ（図２参照）に収められるビーム停止幅００４に基づき設定される。
【００３８】
走査制御部６０３は、所定の照射点９０２に対し陽子ビーム１０４ｃが入射するよう、走査電磁石電源４０２の出力を制御し、走査電磁石４０１に印加する励磁電流を調節する。
【００３９】
次に、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕの動作を説明する。
【００４０】
以下の動作用説明は、いわゆるスポットスキャニング照射法を用いて治療照射を行う例に基づくものである。スポットスキャニング照射法は、すでに加速器駆動型の粒子線照射技術にあっては確立されており、治療効果が高いことが確認されている照射方法である。
【００４１】
このスポットスキャニング照射法は、患者の患部を仮想的に３次元格子点、すなわち、照射スライスおよびその照射スライスに設定される照射点に切り分け、患部の深さ方向（陽子ビーム軸Ｄ２の方向）、患部の断面方向（陽子ビーム軸Ｄ２と交わる方向）の各方向に陽子ビームを走査する方法である。１つの照射点に照射された線量がその照射点に対する設定線量に到達したことを示す線量満了信号が生成されたタイミングで陽子ビームの照射を一旦停止させる。その後、陽子ビームを次の照射点ないし照射スライスへと走査して照射を再開する。この操作を繰り返すことにより患部全域の照射が行われる。
【００４２】
例えば、治療計画において、治療照射の開始点が最深の照射スライス９０１ａにおける照射点９０２ａであり、この照射スライス９０１ａが体内深度１５６ｍｍ、照射スライス９０１ａの位置で停止する陽子ビームのエネルギーが１５０ＭｅＶ、照射スライス９０１ａにおける陽子ビームのビーム停止幅が５ｍｍ、と策定されたと仮定する。この場合、治療計画（照射パターンデータ）に基づき、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕでは、照射制御装置６により各構成装置が次のように調節される。
【００４３】
エネルギー選択装置３について、エネルギー分離磁石３０１の励磁電流が調節されると共に必要に応じてエネルギーコリメータ３０３のスリット中心Ｃ１の位置が調節され、陽子ビームのエネルギーとして１５０ＭｅＶが選択される。
【００４４】
それと共に、同装置３におけるエネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１がサイズ調節され、ビーム停止幅５ｍｍを得るのに必要なエネルギー幅として、例えば陽子ビームのエネルギー幅１．８％が選択される。なお、エネルギー幅１．８％（運動量幅にして１％）は、エネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１のサイズを陽子ビーム１０４ｂの偏向距離Ｄ１（偏向を受けない状態の陽子ビーム軸Ｄ２から見た垂直方向の距離）の１％に調節することにより選択できる。そして、エネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１を通過して偏向し拡散している陽子ビームが集束するよう、エネルギー結合磁石３０５の励磁電流が調節される。
【００４５】
図３はレーザー駆動陽子線照射装置Ｕにて行われる陽子ビームのエネルギーおよびエネルギー幅の選択例を示したものであり、符号００７は選択した陽子線エネルギー（１５０ＭｅＶ）、符号００８はエネルギー幅（１．８％）である。また、図４はレーザー駆動陽子線照射装置Ｕにおいて陽子ビームのエネルギー（１５０ＭｅＶ）およびビーム停止幅（５ｍｍ）を選択したときのエネルギーコリメータ３０３の状態を模式的に示した図であり、符号００９は陽子ビームの強度、符号０１０は陽子ビーム軸Ｄ２（図１参照）を基準（０ｃｍ）としたときのエネルギーコリメータ３０３のスリット中心Ｃ１の位置（１１ｃｍ）、符号０１１はエネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１のサイズ（１．１ｍｍ）である。
【００４６】
このとき、エネルギー選択装置３による陽子ビームのエネルギー選択に応じて、ビーム集束装置２における四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃの位置が調節される。これにより、患者の患部９に到達するエネルギー１５０ＭｅＶ（エネルギー幅１．８％）の陽子ビームの必要な強度が確保される。
【００４７】
そして、照射ポート４における走査電磁石４０１の励磁電流が調節され、エネルギー１５０ＭｅＶ（エネルギー幅１．８％）の陽子ビームが照射点９０２ａに正しく入射するよう、陽子ビームの軌道調節が行われる。
【００４８】
以上のようにして、各構成装置が調節された後、照射制御装置６の制御を受けて、陽子線発生装置１から高強度且つ極短波長のレーザーパルス光１０２がターゲット１０１に向かって射出され、このターゲット１０１から発散角θを持つ連続エネルギーのレーザー駆動陽子線１０３が射出される。
【００４９】
陽子線発生装置１から射出されたレーザー駆動陽子線１０３は、先ず、ビーム集束装置２に案内される。このビーム集束装置２では、角度コリメータ２０３により陽子ビーム１０４の広角成分が四重極磁石２０１の構造体に入射しないよう遮蔽される。他方、四重極磁石２０１が形成する磁場に入射したレーザー駆動陽子線１０３は、その磁場を通過しながら次第に集束して陽子ビーム１０４ａとなる。
【００５０】
陽子ビーム１０４ａは、ビーム集束装置２による集束操作を受けた後、エネルギー選択装置３に案内される。このエネルギー選択装置３では、陽子ビーム１０４ａがエネルギー分離磁石３０１により形成される磁場に入射して運動量に応じて軌道が偏向される。偏向した陽子ビーム１０４ｂは、エネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１に向かって進み、このスリットＳ１を通過してエネルギー１５０ＭｅＶ（エネルギー幅１．８％）を持つ陽子ビーム１０４ｃとなる。そして、運動量の違いにより偏向し拡散していた陽子ビーム１０４ｃは、エネルギー結合磁石３０５により形成される磁場を通過しながら集束していく。
【００５１】
エネルギー選択装置３にてエネルギー選択を受けた陽子ビーム１０４ｃは、照射ポート４に案内される。照射ポート４では、陽子ビーム１０４ｃが走査電磁石４０１により形成される磁場に入射して水平方向および垂直方向の軌道が調節され、照射スライス９０１ａに設定された照射点９０２ａに向かって進み、照射点９０２ａの治療照射が行われる。
【００５２】
このとき、照射制御装置６により、位置モニタ４０３の出力信号に基づいて軌道調節された陽子ビーム１０４ｃが照射点９０２ａに正しく入射しているか否かが監視される。入射位置が正しくないと判定されたとき、照射制御装置６は、異常を報知すると共にレーザー駆動陽子線照射装置Ｕの作動をインターロックにて停止する。
【００５３】
この照射点９０２ａに対する陽子ビームの照射は、線量計回路４０５から線量満了信号が出力されるまで継続して行われる。線量満了信号が出力され照射制御装置６に入力されたときは、次の照射点９０２ｂの照射に移行する。すなわち、照射制御装置６により照射パターンデータが参照され、次の照射点９０２ｂに陽子ビームが入射するように走査電磁石４０１の励磁電流が調節され、再び照射制御装置６に線量満了信号が入力されるまで、照射点９０２ｂに対し陽子ビームの照射が継続して行われる。このような操作が順次繰り返されることで、照射スライス９０１ａに設定された全ての照射点９０２に対する照射が行われる。
【００５４】
照射スライス９０１ａの照射が完了したときは、次の照射スライス９０１ｂの照射に移行する。すなわち、照射制御装置６により照射パターンデータが参照され、照射スライス９０１ｂの位置で陽子ビームが停止するようにエネルギー選択装置３の調節が行われ、この照射スライス９０１ｂの各照射点（図示省略）に陽子ビームが入射するように照射ポート４の調節が行われる。このような操作が順次繰り返されていき、最浅の照射スライス９０１ｃの照射へと移行する。
【００５５】
ここで、治療計画において最浅の照射スライス９０１ｃが体内深度８０ｍｍ、照射スライス９０１ｃの位置で停止する陽子ビームのエネルギーが１００ＭｅＶ、と策定されたと仮定する。このとき、患者の患部９においてビーム停止幅５ｍｍを得るのに必要な陽子ビームのエネルギー幅は、エネルギー１５０ＭｅＶを選択した場合とは異なる。これは、陽子ビームの体内飛程すなわち陽子ビームの停止位置が、エネルギーと比例関係にないことによる。
【００５６】
そのため、陽子ビームのエネルギー１５０ＭｅＶを選択したときと同様のビーム停止幅約５ｍｍが得られるよう、エネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１は、陽子ビームのエネルギー１５０ＭｅＶを選択した場合と異なるサイズに調節される。なお、図５はレーザー駆動陽子線照射装置Ｕにおいて陽子ビームのエネルギー（１００ＭｅＶ）およびビーム停止幅（５ｍｍ）を選択したときのエネルギーコリメータの状態を示した図であり、符号０１３は陽子ビーム軸Ｄ２（図１参照）を基準（０ｃｍ）としたときのスリット中心Ｃ１の位置（１１ｃｍ）、符号０１４はスリットＳ１のサイズ（２．６ｍｍ）である。
【００５７】
ところで、図５は専らエネルギー分離磁石３０１の励磁電流制御を通じた陽子ビーム１０４ｂの偏向量調節により、陽子ビームのエネルギーを選択したときのエネルギーコリメータの状態を示したものである。したがって、エネルギーコリメータ３０３のスリット中心Ｃ１の位置（１１ｃｍ）は、陽子ビームのエネルギーとして１５０ＭｅＶを選択したときと同一である。
【００５８】
しかしながら、陽子ビームのエネルギーは、陽子ビーム１０４ｂの偏向量調節を伴うことなく或いはこの偏向量調節と共に、エネルギーコリメータ３０３のスリット中心Ｃ１の位置を調節することによっても選択できる。図６は陽子ビームのエネルギー選択方法の変更例を示す図であり、符号０１３´および０１４´の内容は符号０１３および０１４と同様である。図６に示すように、この方法により陽子ビームのエネルギー１００ＭｅＶを選択した場合は、エネルギー１５０ＭｅＶを選択した場合と比べ、スリット中心Ｃ１が上方に移動し且つビーム停止幅（５ｍｍ）が得られるようにスリットＳのサイズが拡大される。
【００５９】
次に、本発明に至った経緯ならびにレーザー駆動陽子線照射装置Ｕの作用を説明する。
【００６０】
レーザー駆動陽子線は、ターゲットから発散角を持って射出され空間的に広がっていくという特徴を有する。そのため、レーザー駆動陽子線を治療照射に用いる場合は、患部以外の正常組織の被ばく線量を抑えること、つまり、レーザー駆動陽子線を患部へ輸送する過程において集束させる操作が要求される。しかしながら、レーザー駆動陽子線を用いる場合、下記の理由により、従来から運用されている加速器駆動型の陽子線照射装置の主要構成は採用することはできない。
【００６１】
加速器駆動型の陽子線照射装置にあっては、加速器陽子ビームの体内飛程を調節するため、レンジシフタと呼ばれる装置が用いられる。このレンジシフタは、厚みの異なるアクリル板などを有して構成され、所要のエネルギーを持つ陽子ビームのみ通過させることで加速器陽子ビームの体内飛程を調節する。しかしながら、レーザー駆動陽子線は、発散角を持ってターゲットから射出されるため、正常部位の被ばく線量が増大するとともに照射点まで輸送される間に強度が著しく低下する。レンジシフタによる散乱が作用すれば、陽子線ビームが空間的にさらに広がることになり正常部位の被ばく線量が増大する。
【００６２】
また、加速器駆動型の陽子線照射装置にあっては、リッジフィルタと呼ばれる装置が用いられる。このリッジフィルタは、非常に小さいエネルギー幅（以下、単一エネルギー）を持つ加速器陽子ビームが体内にてブラッグピークと呼ばれる急峻な線量分布をスライス間隔に合致するようビーム停止幅を広げる働きをする。しかしながら、レーザー駆動陽子線は連続エネルギーである。このため、リッジフィルタによってビーム停止幅を広げることは全く無意味であり、反って、リッジフィルタによる散乱により陽子線ビームが空間的にさらに広がることになり正常患部の被爆が増大するという不利益の方が大きくなる。
【００６３】
陽子線照射による治療において、陽子線のエネルギーやエネルギー幅の選択はいずれも必要な操作である。レーザー駆動陽子線を用いる場合にあっては、この操作を陽子線の強度低下を抑えながら行なわなければならないのであるが、加速器駆動型の陽子線照射装置はそのような構成を備えていない。
【００６４】
そこで、本発明者は、レーザー駆動陽子線の空間的な広がりおよび強度低下を抑えつつそのエネルギーやエネルギー幅の調節が可能なレーザー駆動陽子線照射装置を構成し、レーザー駆動粒子線を用いた治療照射を現実的なものにした。
【００６５】
図７は本発明に係るレーザー駆動陽子線照射装置の他の形態を示す図であり、第１実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕの比較例である。なお、第１実施形態と同様の構成は、同一符号を付して説明を省略する。
【００６６】
他の形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´は、図７に示すように、エネルギー選択装置３´を備える。このエネルギー選択装置３´は、集束用コリメータ３０７´およびエネルギーコリメータ３０３´を有する。
【００６７】
エネルギー選択装置３´の集束用コリメータ３０７´は、陽子線発生装置１で生成したレーザー駆動陽子線１０３の進路を遮断するように配置され、レーザー駆動陽子線１０３の一部を通過させる開口Ｇ１´を有する。なお、この集束用コリメータ３０７´は、アルミニウムなどの低放射化材料により構成される。
【００６８】
エネルギー選択装置３´のエネルギーコリメータ３０３´は、エネルギー分離磁石３０１により運動量の違いに応じて偏向された陽子ビーム１０４ｂの進路を遮断するように設けられる２つのブロック３０３ａ´およびブロック３０３ｂ´と、このブロック３０３ａ´とブロック３０３ｂ´とで形成されるスリットＳ１´とを有する。
【００６９】
レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´にあっては、エネルギー分離磁石３０１の手前に集束用コリメータ３０７が設けられるため、レーザー駆動陽子線１０３はエネルギー選択装置３´に入射する前にその広角成分がビーム進路から取り除かれる。これにより、治療計画で定められた照射点９０２に限定した精度の高い照射が可能となり、正常組織における被ばく線量の低減が図られる。
【００７０】
また、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´のエネルギー選択装置３´では、陽子ビーム１０４ａがエネルギー分離磁石３０１により形成される磁場に入射して運動量に応じて軌道が偏向され、偏向した陽子ビーム１０４ｂがスリットＳ１´を通過し、特定のエネルギーを持つようになる。そして、陽子ビーム１０４ｃは、エネルギー結合磁石３０５により形成される磁場に入射し、運動量の違いによって偏向され拡散していた陽子ビーム１０４ｂが再び集束される。
【００７１】
このように、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´によると、加速器駆動型の粒子線装置で採用されるレンジシフタやリッジシフタを用いることなく、陽子ビームの体内飛程やビーム停止幅を定めることができる。したがって、レーザー駆動陽子線１０３に対してレンジシフタやリッジシフタによる散乱が作用せず、患部位置におけるビームの空間的広がりを抑制することが可能となって、正常患部の被爆を抑制することができる。
【００７２】
しかしながら、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´にあっては、陽子ビームの集束性を高めようとすればするほど、その集束用コリメータ３０７´の開口Ｇ１´を小さく設定する必要があり、この集束用コリメータ３０７´を通過して最終的に患者の患部９に到達する陽子ビームの強度が低下していく、という問題がある。
【００７３】
例えば、レーザー駆動陽子線１０３の発散角θが５°であって、患部９におけるビームサイズおよびビーム停止幅の設定上、ターゲット１０１におけるレーザー駆動粒子線１０３の発生点から見たエネルギー選択装置３´のスリットＳ１通過領域の見込み角が０．５°と設定されていたと仮定する。この場合、エネルギー選択装置３´に案内される陽子ビーム１０４ａの強度は、ターゲット１０１から射出された直後のレーザー駆動陽子線１０３の強度の１％程度以下となる。
【００７４】
さらに、通常の治療照射では、陽子ビームのエネルギー幅は２〜５％程度のものが用いられるため、エネルギー選択装置３´を経過した後の陽子ビーム１０４ｃの強度は一段と低下する。なお、照射するレーザーパルス光１０２の強度その他の条件にもよるが、例えば、患部９のサイズを１０ｃｃとすると、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´を用いて患部９に線量２Ｇｙを照射するには、経験的に１００分程度の時間を要する。この所要時間は、患者を位置決めした状態で保持する時間としては好ましいものではなく、集束性を高めることによる強度低下を抑えることが求められていた。これが、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´に関わる第一の課題であった。
【００７５】
加えて、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´にあっては、患部９の体内深度に応じて陽子ビームのエネルギーを１５０ＭｅＶから１００ＭｅＶまで変化させる場合、エネルギー１５０ＭｅＶに対してビーム停止幅５ｍｍを設定すると、上述したようにエネルギー１００ＭｅＶについてはビーム停止幅５ｍｍが得られず、例えば２ｍｍ程度となってしまう。
【００７６】
線量分布の平坦性を得る方法として、最も小さいビーム停止幅に併せて照射スライス間隔を設定することも考えられる。この方法によれば、線量分布の良好な平坦性を得ることができる。しかしながら、照射スライス間隔が小さくなると患部９の全域照射に必要となる照射スライスの数が増加し、照射時間（エネルギー選択装置３´の制御時間など）が増大して患者の身体的負担が大きくなる。
【００７７】
そこで、照射時間の増大を招くことなく線量分布の平坦性を確保する方法として、選択する陽子ビームのエネルギーごとに変化するビーム停止幅を治療計画時に考慮しておき、線量分布が平坦になるような照射スライス間隔を設定することも考えられる。しかし、照射スライスや照射点などの照射パターンデータは、一般にＣＴ（Computed Tomography）による撮影データ（通常、その位置は等間隔である。）に基づき設定できるところ、照射スライスを別途作成するとなれば、照射の最適化計算にかかる時間およびその最適化計算ないしレーザー駆動陽子線照射装置の開発コストの増大を招く。
【００７８】
すなわち、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´にあっては、照射スライス間隔を密にしたり照射の最適化計算を行ったりすることなく、線量分布の良好な平坦性を得ることが求められていた。これが、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´に関わる第二の課題であった。
【００７９】
そこで、本発明者は、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´を改良し、第１実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕの構成を採用するに至ったものである。
【００８０】
図８〜図１０はレーザー駆動陽子線照射装置Ｕの作用説明図である。
【００８１】
[陽子ビームの集束性と強度との両立]
本実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕでは、陽子線発生装置１で生成したレーザー駆動陽子線１０３はエネルギー集束装置３に設けられる四重極磁石２０１で形成される磁場を通過することで集束される。
【００８２】
図８はレーザー駆動陽子線照射装置Ｕを対象とした陽子ビーム１０４ａのビーム軌跡に関するシミュレーション結果を示す図である。横軸はビーム進行方向の距離であり、縦軸はビーム広がり方向の距離である。符号２０１ａ〜２０１ｃは、ビーム集束装置２における四重極磁石２０１ａ〜２０１ｃの位置である。符号０１５は陽子ビームの水平方向のビーム軌跡であり、符号０１５は陽子ビームの垂直方向のビーム軌跡である。
【００８３】
図８に示すように、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕでは、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´に設けられる集束用コリメータ３０７´を用いることなく、すなわち、強度低下を抑えつつ、レーザー駆動陽子線１０３の集束性が良好に高められる。
【００８４】
ちなみに、レーザー駆動陽子線１０３は、その発散角θを５°、ターゲット１０１におけるレーザー駆動陽子線１０３の発生点から見たエネルギー選択装置３´のスリットＳ１通過領域の見込み角を０．５°とした場合、強度にして約３６％がエネルギー選択装置３に案内されることが確認された。これに対し、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´にあっては、上述したように、エネルギー選択装置３´に案内されるレーザー駆動陽子線１０３は１％程度以下である。したがって、レーザー駆動陽子線１０３を集束させる手段として四重極磁石２０１を採用することにより、集束用コリメータ３０７´を採用した場合と比較し強度にして約４０倍の陽子ビームを得ることができる。このように、レーザー駆動陽子線の集束性を高めるに際してその強度の低下を大きく抑えられる結果、例えば、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´では１００分を必要としていた治療照射が２、３分に短縮されるようになる。
【００８５】
[陽子ビームのエネルギーおよびエネルギー幅の選択と強度との両立]
レーザー駆動陽子線照射装置Ｕのビーム集束装置２を経過して集束された陽子ビーム１０４ａは、エネルギー選択装置３に案内される。エネルギー選択装置３では、陽子ビーム１０４ａがエネルギー分離磁石３０１が形成する磁場に入射して運動量に応じて軌道が偏向され、偏向して陽子ビーム１０４ｂがスリットＳ１´を通過することにより特定エネルギーの陽子ビーム１０４ｃとなる。そして、陽子ビーム１０４ｃは、エネルギー結合磁石３０５により形成される磁場を通過し、運動量の違いによって偏向され拡散していた陽子ビーム１０４ｂが結合される。
【００８６】
このように、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕによると、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕ´と同様に、加速器駆動型の粒子線装置で採用されるレンジシフタやリッジシフタを用いることなく、陽子ビームの体内飛程やビーム停止幅を定めることができる。
【００８７】
[線量分布の均一性]
レーザー駆動陽子線照射装置Ｕにあっては、照射スライス９０１が変更されるごとに、ビーム停止幅が一定となるよう、エネルギーコリメータ３０３を通過する陽子ビームのエネルギー幅が調節される。
【００８８】
すなわち、エネルギー選択装置３においてエネルギー分離磁石３０１の励磁電流が調節されて陽子ビームのエネルギーが選択されると、照射制御装置６により照射パターンデータが参照され、エネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１のサイズが治療計画で定められたビーム停止幅が得られるように拡大或いは縮小される。
【００８９】
そのため、ＣＴによる撮影データを用いて設定されるような等間隔の照射スライスであっても線量分布の良好な平坦性を得ることができる。つまり、照射スライス間隔を密にしたり照射の最適化計算を行ったりすることなく、線量分布の良好な平坦性を得ることができる。なお、図９はレーザー駆動陽子線照射装置Ｕにより形成される照射スライス上の線量分布の重ね合わせを示す図（シミュレーション結果）であり、横軸は体内深度（ｍｍ）、縦軸は照射線量（Ｇｙ）である。レーザー駆動陽子線照射装置Ｕによると、図９に示すように、体内深度１５６ｍｍ〜８０ｍｍの間で線量分布の良好な平坦性が得られる。
【００９０】
[安全性]
陽子線発生装置１から射出された発散角θを持つレーザー駆動陽子線１０３は、ビーム集束装置２に入射する前にその広角成分が遮蔽される。これにより、レーザー駆動陽子線１０３の発散軌道上に配置される四重極磁石２０１への陽子線入射が妨げられ、四重極磁石２０１の構成材料の放射化が防止される。また、最終的に患者の患部９まで到達する陽子ビーム１０４のうち、予め治療計画で定められた照射点９０２から逸脱する成分が除去され、正常組織の被ばく線量が低減される。
【００９１】
次に、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕの効果を説明する。
【００９２】
レーザー駆動陽子線照射装置Ｕにあっては、
(1) ターゲット１０１にレーザーパルス光１０２を照射してレーザー駆動粒子線１０３を射出する粒子線発生装置１と、この射出されたレーザー駆動粒子線１０３を患者の患部９へと導く輸送路を形成し、レーザー駆動粒子線１０３を空間的に集束させるビーム集束装置２と、このレーザー駆動粒子線１０３のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択装置３と、レーザー駆動粒子線１０３を走査して患部９の照射位置を調節する照射ポート４と、各装置１〜４の動作制御を行う照射制御装置６とを備える。このため、レーザー駆動陽子線を用いた治療照射が可能となる。つまり、加速器を不要として装置のコンパクト化および省スペース化に有利な陽子線の治療照射を実現できる。
【００９３】
また、ビーム集束装置２は、レーザー駆動粒子線１０３の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線１０３の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線１０３を集束させる。このため、レーザー駆動粒子線を患者の患部まで輸送する過程でレーザー駆動粒子線の強度低下を抑えつつ集束性を高めることができる。
【００９４】
(2) ビーム集束装置２は、陽子線発生装置１とエネルギー選択装置３との間に設けられる。このため、発散角θを有してターゲット１０１から射出されるレーザー駆動粒子線１０３は、空間的に集束された後にエネルギーおよびエネルギー幅の選択操作を受ける。この結果、ビーム集束装置２がエネルギー選択装置３の後段に設けられる構成と比較してレーザー駆動粒子線１０３の強度が大きいものとなり、(1)の効果が高められる。
【００９５】
(3) ビーム集束装置２は、永久磁石から成る四重極磁石２０１を有し、この四重極磁石２０１によりレーザー駆動粒子線１０３を集束させる磁場を形成する。このため、電磁石を用いて励磁電流調節を通じた磁場調節を行うことでレーザー駆動陽子線１０３の集束操作を行う構造を採用する場合と比較し、レーザー駆動陽子線照射装置Ｕのコンパクト化や低コスト化が図られる。
【００９６】
(4) ビーム集束装置２の四重極磁石２０１は、レーザー駆動粒子線１０３の輸送路に沿って複数設けられ且つ少なくとも１つの四重極磁石１０３が移動可能に構成される。このため、レーザー駆動粒子線１０３の空間分布を調節することができる。その結果、患者の患部９に到達するレーザー駆動粒子線１０３の集束性および強度を高い状態で維持することができ、(1)の効果が高められる。
【００９７】
(5) エネルギー集束装置２は、四重極磁石２０１と陽子線発生装置１のターゲット１０１との間に設けられて四重極磁石２０１に入射するレーザー駆動粒子線１０１の広角成分を遮蔽する角度コリメータ２０３を有する。このため、患部９から外れた正常組織の被ばく線量が低減され、治療照射の安全性が向上する。
【００９８】
(6) エネルギー選択装置３は、レーザー駆動粒子線１０３の輸送路にレーザー駆動粒子線１０３が運動量に応じて偏向する磁場を形成し、特定の軌道を持つレーザー駆動粒子線１０３を選択して残りのレーザー駆動粒子線１０３をその輸送路から除去することにより、レーザー駆動粒子線１０３のエネルギーおよびエネルギー幅を選択する。このため、レーザー駆動粒子線１０３のエネルギーおよびエネルギー幅の選択操作に際してレーザー駆動粒子線１０３の分散が作用しない。その結果、レーザー駆動粒子線１０３の強度を高い状態で患部９まで輸送でき、(1)の効果が高められる。
【００９９】
(7) エネルギー選択装置３は、励磁電流の制御を受けて可変磁場を形成する電磁石を有するエネルギー分離磁石３０１と、この可変磁場により偏向を受けたレーザー駆動粒子線１０３の輸送路を遮断するように設けられ、特定の軌道を持つレーザー駆動粒子線１０３の選択的通過を許容するスリットＳ１を形成するエネルギーコリメータ３０３とを有する。このため、(6)の効果が確実且つ容易に得られるようになる。
【０１００】
(8) エネルギー選択装置３のエネルギーコリメータ３０３は、スリットＳ１のサイズが調節可能に構成される。このため、照射スライス間隔を密にしたり照射の最適化計算を行ったりすることなく、線量分布の良好な平坦性を得ることができ治療照射の精度が高められる。
【０１０１】
（第２実施形態）
図１０はレーザー駆動陽子線照射装置の第２実施形態を示す図である。本実施形態は、第１実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕに陽子ビームのエネルギー選択機能ならびに同装置Ｕのインターロックに関わる構成を追加した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は、符号に「Ａ」を付して説明する。
【０１０２】
本実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ａは、図１０に示すように、エネルギー分布集束装置５Ａおよびビーム強度監視装置７Ａを備える。また、レーザー駆動陽子線照射装置Ａの照射制御装置６Ａは、エネルギー分布集束制御部６０４Ａおよび高周波電源６０５Ａを有する。
【０１０３】
[エネルギー分布集束装置]
エネルギー分布集束装置５Ａは、図１０に示すように、陽子線発生装置１とエネルギー選択装置３との間に設けられる。このエネルギー分布集束装置５Ａは、レーザー駆動粒子線１０３の輸送路を形成し、この輸送路でレーザー駆動粒子線１０３のエネルギー分布を集束させて特定のエネルギーにピークを形成する。このエネルギー分布集束装置５Ａは、外側空洞５０１Ａと内側空洞５０２Ａとを有する位相回転空洞５００Ａを用いて構成される。
【０１０４】
図１１はレーザー駆動陽子線照射装置Ａの位相回転空洞５００Ａの拡大図である。
位相回転空洞５００Ａの外側空洞５０１Ａは、ビーム集束装置２を通過した陽子ビーム１０４ｄの輸送路外殻を成す。
【０１０５】
位相回転空洞５００Ａの内側空洞５０２Ａは、外側空洞５０１Ａの内部にて外側空洞５０１Ａの長手方向に沿って間隔を置いて複数配置され、高周波電源６０５Ａから高周波電圧が印加される。
【０１０６】
この内側空洞５０２Ａは、内側空洞間のギャップＧ２を通過する陽子ビーム１０４ｄに対して高周波電場を作用させ、陽子バンチ（陽子の時間的な離散状態）を構成している陽子群のうち、各ギャップＧ２に突入するタイミングと内側空洞５０２Ａに印加される高周波電圧の位相とが同期する陽子が持つエネルギーを中心として、陽子ビーム１０４ｄのエネルギー分布を集束させる。
【０１０７】
図１２はレーザー駆動陽子線照射装置Ａの位相回転空洞５００Ａを通過した陽子ビームのエネルギー分布を示した図（シミュレーション結果）であり、横軸は陽子のエネルギー、縦軸はレーザーパルス光１０２の１ショット当たりの陽子数である。図１２において、符号０１７は位相回転空洞５００Ａに高周波電場が印加されない状態における陽子ビームのエネルギー分布であり、符号０１８は位相回転空洞５００Ａに高周波電場が印加された状態における陽子ビームのエネルギー分布である。
【０１０８】
エネルギー分布集束装置５Ａは、ビーム集束装置２とエネルギー選択装置３との間に配置することが好ましい。その理由は、エネルギー分布集束装置５Ａで陽子ビームのエネルギー分布を集束させた後にエネルギー選択装置３でその陽子ビームのエネルギーを選択する方が、その逆の場合に比べて、患者の患部９に到達する陽子ビームの強度を高い状態で維持できるからである。すなわち、装置の配置は、図１０に示すように、陽子ビームの輸送路の上流側から順に、ビーム集束装置２→エネルギー分布集束装置５Ａ→エネルギー選択装置３→照射ポート４であることが陽子ビームの強度維持の観点から好ましい。
【０１０９】
[照射制御装置]
照射制御装置６Ａのエネルギー分布集束制御部６０４Ａは、位相回転空洞５００Ａを通過する陽子ビーム１０４ｄの持つエネルギーピークの位置を調節する。このエネルギーピークの位置調節は、照射パターンデータに収められる照射スライス位置に応じて定められた体内飛程００３（図２）に基づき、エネルギー分布集束装置５Ａの内部空洞５０２Ａに印加する高周波電圧の位相制御を通じて行う。
【０１１０】
この高周波電圧の位相制御は、次式（１）を満たす高周波電圧を高周波電源６０５Ａに印加することにより行う。
【数１】
【０１１１】
図１３はレーザー駆動陽子線照射装置Ａにて行われる陽子ビームのエネルギーピークの変更例（シミュレーション結果）を示したものであり、横軸および縦軸は図１２と同様である。図１３において、符号０１９ａ〜０１９ｃは、位相回転制御を通じて位置調節された異なるエネルギーピークである。
【０１１２】
また、照射制御装置６Ａは、ビーム強度監視装置７Ａから異常信号を受信したときは、レーザー駆動陽子線照射装置Ａの作動をインターロックにて停止させる。
【０１１３】
[ビーム強度監視装置]
ビーム強度監視装置７Ａは、１ショットあたりの陽子ビーム１０４ｃの強度を常時監視する。
【０１１４】
図１４はレーザー駆動陽子線照射装置Ａのビーム強度監視に関わる機能ブロック図であり、矢印は信号の流れを示したものである。
第１実施形態と同様、照射ポート４の線量計４０４は、これを通過した陽子ビーム１０４ｃの線量すなわち患者の患部９に照射された陽子ビームの線量に応じた電気信号を出力する。また、照射ポート４の線量計回路４０５は、線量計４０４から出力される電気信号を受信し、受け取った電気信号が予め設定される積算出力値に到達したとき、患者の患部９に設定された照射点９０２の線量満了を示す線量満了信号を照射制御装置６に送信する。
【０１１５】
ビーム強度監視装置７Ａは、線量計回路４０５から１ショットごとの陽子ビームの強度に応じた電気信号を受信し、受信した電気信号が示す陽子ビームの強度と照射パターンデータに示されるビーム強度００５とのマッチングを常時行う。線量計回路４０５から受信した強度が照射パターンデータに示されるビーム強度と所定値以上のズレがあるときは、照射制御装置６Ａに異常信号を送信する。
【０１１６】
ここで、照射パターンデータに収められるビーム強度００５は、エネルギー分布集束装置５Ａの高周波電場やエネルギー選択装置３のエネルギー分離磁石３０１などが全て正しく調節された状態でのビーム強度である。また、ビーム強度監視装置７Ａは、このビーム強度を判定基準として、レーザー駆動粒子線１０３が持つエネルギー分布に形成されるエネルギーピーク（図１６参照）を中心とした所定のエネルギー幅におけるビーム強度（ピーク強度）を正常／異常の判定対象とする。
【０１１７】
次に、レーザー駆動陽子線照射装置Ａの動作を説明する。
【０１１８】
照射パターンデータにおいて、体内飛程００３に対応するエネルギーが３０ＭｅＶ、ビーム停止幅００４に得るのに必要なエネルギー幅が５％であったと仮定する。
【０１１９】
この場合、照射制御装置６Ａのエネルギー分布集束制御部６０４Ａにより、陽子ビーム１０４ｄのエネルギー分布に３０ＭｅＶを中心としたエネルギーピークが形成されるよう、内側空洞５０２Ａに印加する高周波電圧が調節され、陽子ビーム１０４ｄが受ける高周波電場が調節される。
【０１２０】
そして、照射制御装置６Ａのエネルギー選択制御部６０２Ａにより、陽子ビーム１０４ｄのエネルギー分布から３０ＭｅＶを中心としたエネルギー幅５％が切り取られるよう、エネルギー分離磁石３０１やエネルギーコリメータ３０３のスリット中心Ｃ１の位置が調節される。
【０１２１】
各構成装置２；３；４；５Ａの調節が行われた後、陽子線発生装置１からレーザー駆動陽子線１０３が生成され、第１実施形態と同様の手順に従い、患者の患部９に設定された全ての照射スライス９０１に対する治療照射が行われる。患部９に照射される陽子ビーム１０４ｃの強度が正しくない場合、照射制御装置６Ａはビーム強度監視装置７Ａから異常信号を受信したタイミングでレーザー駆動陽子線照射装置Ａの作動停止を行う。なお、他の動作は第１実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕと同様である。
【０１２２】
次に、レーザー駆動陽子線照射装置Ａの作用を説明する。
【０１２３】
図１５および図１６は、レーザー駆動陽子線照射装置Ａの作用説明図である。
[陽子ビームのエネルギーおよびエネルギー幅の選択と強度との両立]
図１５はレーザー駆動陽子線照射装置Ａのエネルギー分布集束装置５Ａおよびエネルギー選択装置３を通過した陽子ビームのエネルギー分布を示す図である。図１５において、横軸は陽子のエネルギー、縦軸はレーザーパルス光１０２の１ショット当たりの陽子数である。また、符号０２０はエネルギー分布集束装置５Ａを通過した陽子ビームのエネルギー分布であり、符号０２１はエネルギー選択装置３を通過した陽子ビームのエネルギー分布である。
【０１２４】
レーザー駆動陽子線照射装置Ａにあっては、エネルギー分布集束装置５Ａの位相回転空洞５００Ａを通過する陽子ビーム１０４ｄのエネルギーは、内側空洞５０２ａ−内側空洞５０２Ａの空洞間ギャップＧ２およびその他のギャップを通過するタイミングと高周波電圧の位相とが同調するときのエネルギーを中心としてエネルギー的に集束された状態となる。例えば、図１５に示すように、陽子ビームのエネルギーは、３０ＭｅＶを中心として集束し、陽子ビーム１０４ｄに含まれる陽子のうち３０ＭｅＶのエネルギーを持つ陽子の割合が増加する。
【０１２５】
このため、図１５に示すように、３０ＭｅＶ（±５％）の陽子ビームがエネルギー選択装置３におけるエネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１を通過するように調節されていた場合、第１実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕと比較すると、そのスリットＳ１を通過する陽子ビームの強度が大きくなる。
【０１２６】
[安全性]
図１６はレーザー駆動陽子線照射装置Ａにおいてエネルギーの選択ずれが生じた異常時に得られる陽子ビームのエネルギー分布を示す図である。図１６において、縦軸および横軸ならびに符号の内容は、図１５と同様である。なお、エネルギーの選択ずれは、エネルギー分布集束装置５Ａの位相回転空洞５００Ａ或いはエネルギー選択装置３のエネルギーコリメータ３０３の構造不具合や、エネルギー分布集束制御部６０４Ａやエネルギー選択制御部６０２の制御不具合などにより生じ得る。
【０１２７】
エネルギーの選択ずれが生じた異常時に得られる陽子ビームのエネルギー分布は、図１６に示すように、エネルギーの選択が正常に行われたときに得られる陽子ビームのエネルギー分布と比較すると、大幅に低下する。これは、陽子ビームがエネルギー選択装置３におけるエネルギーコリメータ３０３のスリットＳ１を通過する前に、エネルギー分布集束装置５ＡによってそのスリットＳ１を通過可能なエネルギー成分を持つ陽子が多くなるよう、エネルギー分布の集束が行われていることによる。ビーム強度監視装置７Ａは、このエネルギー分布集束装置５Ａを経てエネルギー分布の集束が行われた陽子ビームの強度に応じた電気信号を指標として異常判定を行うこととなる。
【０１２８】
このため、線量計４０４から出力されるビーム強度の変化を利用して、エネルギーの選択ずれを高い信頼性で判定することができる。すなわち、エネルギー選択装置３におけるエネルギー分離磁石３０１の励磁電流を監視したり、エネルギーコリメータ３０３のスリット中心Ｃ１の位置やスリットＳ１のサイズを監視するなどしてエネルギーの選択ずれを判定する一般的な方法に加え、陽子ビームの強度を指標としてエネルギーの選択ずれを判定できるようになる。
【０１２９】
なお、第１実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ｕにあっては、エネルギーの選択ずれが生じても、そのエネルギーのずれをビーム強度の変化に基づいて判定することは困難である。というのは、エネルギー分布集束装置５Ａによるエネルギー集束を受けない陽子ビームのエネルギー分布は、図１２（符号０１７）に示すように、平坦なエネルギー分布を持ち、多少エネルギーの選択ずれたとしても一定のエネルギー幅に入る陽子ビームの強度合算値は変化に乏しいためである。なお、陽子ビームの強度のわずかな変化を検出した場合でも異常信号を出力させることも考えられるが、その場合、エネルギー選択装置３により選択される陽子ビームのエネルギーは通常わずかに揺らいでいるため、インターロックが頻繁に作動するおそれがある。
【０１３０】
次に、レーザー駆動陽子線照射装置Ａの効果を説明する。
【０１３１】
レーザー駆動陽子線照射装置Ａにあっては、第１実施形態の(1)〜(8)の効果に加え、次の効果を得ることができる。
(9) 陽子ビームの輸送路を形成し、この輸送路で陽子ビームのエネルギー分布を集束させて特定のエネルギーにピークを形成するエネルギー分布集束装置５Ａを備える。このため、照射点９０２の体内深度に基づき設定されるエネルギーを持つ陽子ビームの強度が高められ、第１実施形態における(1)の効果が高められる。
【０１３２】
(10) エネルギー分布集束装置５Ａは、陽子ビームの輸送路を形成し、高周波電圧の印加を受けて、この輸送路において陽子バンチを構成する陽子群が加速を受ける状態と減速を受ける状態とが現れる高周波電場を形成することにより、陽子ビームのエネルギー分布を特定のエネルギーに向かって集束させる位相回転空洞５００Ａを有し、照射制御装置６Ａは、位相回転空洞５００Ａに印加する高周波電圧の位相および振幅を調節することにより、陽子ビームのエネルギー分布が持つエネルギーピークの位置を調節する。このため、陽子ビームの持つ電荷および時間的な離散状態を利用して、陽子ビームのエネルギー分布に所望のエネルギーピークを形成できるようになる。
【０１３３】
(11) エネルギー分布集束装置５Ａの位相回転空洞５００Ａは、陽子ビームの輸送路を形成する外側空洞５０１Ａと、この外側空洞５０１Ａの内部に間隔を置いて並置され且つ高周波電圧が印加される複数の内側空洞５０２Ａとを有し、内側空洞間５０２Ａのギャップに高周波電場を形成して、この外側空洞５０１Ａ内において陽子バンチを構成する陽子群のうち、そのギャップに突入するタイミングと内側空洞５０２Ａに印加される高周波電圧の位相とが同期する陽子が持つエネルギーを中心として、陽子ビームのエネルギー分布を集束させる。よって、(10)の効果を容易に且つ効果的に得ることができるようになる。
【０１３４】
(12) エネルギー分布集束装置５Ａによりエネルギー分布が集束され且つエネルギー選択装置３により特定のエネルギー幅が選択された陽子ビームの強度について、正常または異常を判定するビーム強度監視装置７Ａを備える。そして、照射制御装置６Ａは、ビーム強度監視装置７Ａにより異常が判定されたとき、患者の患部９に対する陽子ビームの照射を停止する。このため、照射される陽子ビームの強度を用いたインターロックが可能になり、治療照射に対する安全性がより高いものとなる。
【０１３５】
(13) ビーム強度監視装置７Ａは、レーザーパルス光１０２の１ショット当たりの陽子ビームの強度についてその正常／異常の判定を行う。その際、陽子ビームが持つエネルギー分布のピーク強度をその判定の基準とする。このため、陽子ビームの強度が所要値からズレた場合は、１ショット当たりの強度であっても、線量計４０４による計測にかかる陽子ビームの強度は大きく低下し、高い精度で陽子ビームの正常または異常を判定できる。したがって、１つの照射点に対する照射中であっても、インターロックを高い信頼性で作動でき、(12)の効果が高められる。
【０１３６】
（第３実施形態）
本実施形態は、第２実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置Ａにて実行される陽子ビームの高周波電場制御に関わる例である。
【０１３７】
レーザー駆動陽子線照射装置Ａ（図１０参照）の照射制御装置６Ａは、高周波電源６０５Ａの出力調節により、位相回転空洞５００Ａに対してパルス幅圧縮電圧を印加する。
【０１３８】
パルス幅圧縮電圧は、エネルギー分布集束装置５Ａを通過する陽子ビーム１０４ｄに含まれる陽子線のパルス幅が圧縮されるように調節された電圧である。以下、このパルス幅圧縮電圧について説明する。
【０１３９】
[パルス幅圧縮電圧]
陽子ビーム１０４ｂに含まれる陽子線に対してある速度
を中心とした位相回転を行う場合、その陽子線が位相回転される速度範囲は式（２）で表される。
【数２】
【０１４０】
【数３】
【０１４１】
【数４】
【０１４２】
【数５】
【０１４３】
照射制御装置６Ａは、位相回転空洞５００Ａに印加する電圧が所要のパルス幅圧縮電圧になるよう調節する際、高周波電源６０５Ａの出力に関わるフィードバック制御ならびに電圧値が所要値からずれた場合におけるインターロック停止制御を行う。位相回転空洞５００Ａに印加された電圧は、放電などによって不安定になりやすいためである。
【０１４４】
次に、本実施形態の陽子ビームの高周波電場制御の作用を説明する。
【０１４５】
[陽子ビームのパルス幅圧縮]
図１７は高周波電場制御の作用を示す図（シミュレーション結果）であり、（ａ）は位相回転空洞５００Ａに印加される電圧がパルス幅圧縮電圧（式（５）参照）を満たさない場合の陽子ビームのパルス幅を示す図、（ｂ）は位相回転空洞５００Ａに印加する電圧がパルス幅圧縮電圧を満たす場合の陽子ビームのパルス幅を示す図である。図１７（ａ）の符号０２２ａはパルス幅圧縮を受けない状態の陽子ビームのパルス幅であり、図１７（ｂ）の符号０２２ｂはパルス幅圧縮を受けた状態の陽子ビームのパルス幅である。なお、縦軸および横軸ならびに他の符号の内容は、図８と同様である。
【０１４６】
レーザー駆動陽子線照射装置Ａにあっては、陽子線発生装置１においてターゲット１０１から射出されるレーザー駆動陽子線１０３のパルス幅は一定のパルス幅を有している。このレーザー駆動陽子線１０３のパルス幅は、エネルギー選択装置３などを通過して患者の患部９に到達する際には広がってしまい、例えば、図１７（ａ）に示すように、パルス幅１ｎｓｅｃ以下であったものが数ｎｓｅｃまで広がってしまう。
【０１４７】
ところが、エネルギー分布集束装置５Ａの位相回転空洞５００Ａに印加する高周波電圧の振幅を上式（５）で表されるパルス幅圧縮電圧を満たすように調節すると、その位相回転空洞５００Ａを通過する陽子ビーム１０４ｄのパルス幅が圧縮され短くなる。例えば、陽子線発生装置１においてターゲット１０１から射出された１ｎｓｅｃ以下のパルス幅を持つレーザー駆動陽子線１０３は、エネルギー選択装置３などを通過して一旦２．１ｎｓｅｃまで広がった後パルス幅圧縮を受けて、図１７（ｂ）に示すように、患者の患部９に到達する時点では１ｎｓＥＣ以下まで小さくなる。なお、この陽子ビーム１０４ｄのパルス幅圧縮作用を定性的に説明すると、陽子ビーム１０４ｄに含まれる遅い陽子線は加速され且つ速い陽子線は減速されたため、といえる。なお、この理は、第２実施形態のエネルギー分布集束作用についても言える。
【０１４８】
このようなパルス幅圧縮作用によれば、レーザー駆動陽子線１０３のパルス幅を射出当初の大きさで維持しつつ長距離輸送が可能となる。以下に、陽子線を用いた治療照射におけるパルス幅圧縮作用の実益を説明する。
【０１４９】
粒子線を患者の患部９に照射したときにがん細胞等が死滅する効果は、直接作用と間接作用という２つの粒子−細胞の相互作用に大別される。直接作用は、粒子線により直接的にＤＮＡを損傷・破壊する相互作用である。一方、間接作用は、粒子線により体内で生成される電荷がＯＨラジカルに代表される活性粒子を生成し、この活性粒子との反応を通じてＤＮＡを損傷・破壊する相互作用である。
【０１５０】
一般に、治療照射に用いる粒子線の線種として炭素線のような重粒子線を用いた場合、直接作用が支配的であるが、陽子線のようなＬＥＴ（ｌｉｎｅａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ；線エネルギー付与）が低い粒子線では間接作用が支配的である。直接作用の方が癌細胞の致死効果が高く、また、酸素が欠乏した細胞のようにＯＨラジカルの生成が小さい場合でも癌細胞を破壊できるという特徴がある。
【０１５１】
パルス幅圧縮電圧は、陽子ビームのパルス幅を圧縮して、陽子線の高密度状態を形成する。このため、パルス幅圧縮電圧の作用させた陽子ビームにあっては、陽子線−細胞の相互作用に占める直接作用の割合が増加し、重粒子線の照射効果と類似した照射効果が期待される。また、短時間に集中的なエネルギーを付与することができることから、加熱作用に基づいた癌細胞ＤＮＡの損傷・破壊の効果を高めることが期待される。
【０１５２】
本実施形態の陽子ビームの高周波電場制御によれば、第１実施形態の(1)〜(8)の効果ならびに第２実施形態の(9)〜(13)の効果に加え、次の効果を得ることができる。
【０１５３】
(14) エネルギー分布集束装置５Ａの位相回転空洞５００Ａに印加する高周波電場として、式（５）を満たすパルス幅圧縮電圧が用いられる。このため、陽子ビームの密度を高めることができ重粒子線のような高ＬＥＴ化が可能となり、治療照射の効能が高められる。
【０１５４】
以上、本発明に係るレーザー駆動粒子線照射装置およびレーザー駆動粒子線照射方法を第１実施形態〜第３実施形態に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載の発明の要旨を逸脱しない限り設計の変更や追加等は許容される。
【０１５５】
例えば、各実施形態のレーザー駆動陽子線照射装置は、ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動陽子線を取り出す陽子線発生装置を備えて構成する例を示したが、取り出す粒子線は陽子線に限られず、α線や炭素線などの荷電粒子であればよい。ただし、第３実施形態にあっては、式（２）〜（５）にて現れる電荷ｑ、速度ｖ０などの粒子線依存のパラメータは、パルス幅圧縮の対象とされる荷電粒子線に関するものが用いられる。
【０１５６】
レーザー駆動陽子線照射装置のビーム集束装置は、永久磁石から成る四重極磁石を用いて構成する例を示したが、６重極磁石或いはそれ以上の多重極磁石を用いて構成することもできる。
【０１５７】
レーザー駆動陽子線照射装置のエネルギー選択装置が担う陽子ビームを偏向させる機能は、アクロマート型磁石（図１８参照）の内部にエネルギーコリメータを設けた装置を用いて行うようにしてもよい。すなわち、（ｉ）荷電粒子を磁場に案内し、（ii）その荷電粒子を運動量の違いにより軌道分散させ、（iii）磁場内で軌道分散した段階で所要の荷電粒子（軌道）を選別し、（iv）荷電粒子が磁場から出る際或いは出た後にその軌道を再び集束させる、という操作を行える構成であればよい。
【０１５８】
レーザー駆動陽子線照射装置の照射制御装置において、ビーム集束制御部やエネルギー選択制御部は、照射パターンデータを参照してビーム集束装置の四重極磁石位置やエネルギー選択装置の励磁電流およびエネルギーコリメータのスリット位置を調節する例を示したが、照射スライスごとに予め用意された調節量に基づきこれらの調節を行うようにしてもよい。
【０１５９】
レーザー駆動粒子線照射装置の照射制御装置などに位相回転空洞に印加する電圧（式（１）参照）などの各種制御量を表示できる装置を備えるようにして、照射制御装置による制御を手動にて行い或いは補正できるようにしてもよい。
【０１６０】
要するに、ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を射出する粒子線発生装置と、この射出されたレーザー駆動粒子線を被照射体へと導く輸送路を形成し、レーザー駆動粒子線を空間的に集束させるビーム集束装置と、このレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択装置と、レーザー駆動粒子線を走査して被照射体の照射位置を調節する照射ポートと、各装置の動作制御を行う照射制御装置とを備え、ビーム集束装置は、レーザー駆動粒子線の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線を集束させるものであれば、レーザー駆動粒子線を用いた治療照射を可能にすると共に、レーザー駆動粒子線を患者の患部まで輸送する過程でレーザー駆動粒子線の強度低下を抑えつつ集束性を高めることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【０１６１】
【図１】本発明に係るレーザー駆動粒子線照射装置の第１実施形態を示す図。
【図２】図１のレーザー駆動粒子線照射装置が参照する照射パターンデータの内容例を示す図。
【図３】図１のレーザー駆動粒子線照射装置で行われる陽子ビームのエネルギーおよびエネルギー幅の選択例を示す図。
【図４】図１のレーザー駆動粒子線照射装置において陽子ビームのエネルギー（１５０ＭｅＶ）およびビーム停止幅（５ｍｍ）を選択したときのエネルギーコリメータの状態を示す図。
【図５】図１のレーザー駆動粒子線照射装置において陽子ビームのエネルギー（１００ＭｅＶ）およびエネルギー幅（５ｍｍ）を選択したときのエネルギーコリメータの状態を示す図。
【図６】図５に示す陽子ビームのエネルギー選択方法の変更例を示す図。
【図７】本発明に係るレーザー駆動粒子線照射装置の他の形態を示す図。
【図８】図１のレーザー駆動陽子線照射装置を対象とした陽子ビーム軌跡に関するシミュレーション結果を示す図。
【図９】図１のレーザー駆動粒子線照射装置により形成される照射スライス上の線量分布の重ね合わせを示す図。
【図１０】本発明に係るレーザー駆動陽子線照射装置の第２実施形態を示す図。
【図１１】図２のレーザー駆動粒子線照射装置における位相回転空洞の拡大図。
【図１２】図２の位相回転空洞を通過した陽子ビームのエネルギー分布を示す図（シミュレーション結果）。
【図１３】図２のレーザー駆動粒子線照射装置で行われる陽子ビームのエネルギーピークの変更例を示す図（シミュレーション結果）。
【図１４】図２のレーザー駆動粒子線照射装置のビーム強度監視に関わる機能ブロック図。
【図１５】図２のレーザー駆動粒子線照射装置におけるエネルギー分布集束装置およびエネルギー選択装置を通過した陽子ビームのエネルギー分布を示す図。
【図１６】図２のレーザー駆動粒子線照射装置において陽子ビームのエネルギー選択ずれが生じた異常時に得られる陽子ビームのエネルギー分布を示す図。
【図１７】第３実施形態の高周波電場制御の作用を示す図（シミュレーション結果）であり、（ａ）は位相回転空洞に印加される電圧がパルス幅圧縮電圧を満たさない場合の陽子ビームのパルス幅を示す図、（ｂ）は位相回転空洞に印加する電圧がパルス幅圧縮電圧を満たす場合の陽子ビームのパルス幅を示す図。
【図１８】アクロマート型磁石を用いた荷電粒子のエネルギーおよびエネルギー幅の選択例を示す図。
【符号の説明】
【０１６２】
１……陽子線発生装置， １０１……ターゲット， １０２……レーザーパルス光， １０３……レーザー駆動陽子線， １０４（１０４ａ〜１０４ｃ）……陽子ビーム， ２……ビーム集束装置， ２０１（２０１ａ〜２０１ｃ）……四重極磁石， ２０２……ＱＭアクチュエータ， ２０３……角度コリメータ， ３……エネルギー選択装置， ３０１(３０１ａ，３０１ｂ)……エネルギー分離磁石， ３０２（３０２ａ，３０２ｂ）……エネルギー分離磁石電源， ３０３……エネルギーコリメータ， ３０３ａ，３０３ｂ……ブロック， ３０４……ＥＣアクチュエータ， ３０５（３０５ａ，３０５ｂ）……エネルギー結合磁石， ３０６（３０６ａ，３０６ｂ）……エネルギー結合磁石電源， ３０７……集束用コリメータ， ４……照射ポート， ４０１……走査電磁石， ４０１ａ……水平走査電磁石， ４０１ｂ……垂直走査電磁石， ４０２（４０２ａ，４０２ｂ）……走査電磁石電源， ４０３……位置モニタ， ４０４……線量計， ４０５……線量計回路， ５……エネルギー分布集束装置， ５００……位相回転空洞， ５０１……外側空洞， ５０２（５０２ａ〜５０２ｎ）……内側空洞， ６……照射制御装置， ６０１……ビーム集束制御部， ６０２……エネルギー選択制御部， ６０３……走査制御部， ６０４……エネルギー分布集束制御部， ６０５……高周波電源， ７……ビーム強度監視装置， ９……患者の患部， ９０１（９０１ａ〜９０１ｃ）……照射スライス， ９０２（９０２ａ〜９０２ｃ）……照射点， ００１……照射位置を示す水平方向の相対位置， ００２……照射位置を示す垂直方向の相対位置， ００３……体内飛程， ００４……ビーム停止幅， ００５……陽子ビームの強度， ００６……陽子ビームの強度の設定値， ００７……選択した陽子線エネルギー， ００８……選択した陽子線エネルギーのエネルギー幅， ００９……陽子ビームの強度， ０１０、０１０´……エネルギーコリメータのスリット中心の位置， ０１１、０１１´……エネルギーコリメータのスリットサイズ， ０１３……エネルギーコリメータのスリット中心の位置， ０１４……エネルギーコリメータのスリットサイズ， ０１５……陽子ビームの水平方向のビームサイズの軌跡， ０１６……陽子ビームの垂直方向のビームサイズの軌跡， ０１７……位相回転空洞に高周波電場が印加されない状態における陽子ビームのエネルギー分布， ０１８……位相回転空洞に高周波電場が印加された状態における陽子ビームのエネルギー分布， ０１９ａ〜０１９ｃ……エネルギーピーク， ０２０……エネルギー分布集束装置を通過した陽子ビームのエネルギー分布， ０２１……エネルギー選択装置を通過した陽子ビームのエネルギー分布， ０２２ａ……パルス幅圧縮を受けない状態の陽子ビームのパルス幅， ０２２ｂ……パルス幅圧縮を受けた状態の陽子ビームのパルス幅， Ａ，Ｕ……レーザー駆動陽子線照射装置， Ｃ１……スリット中心， Ｄ１……偏向距離， Ｄ２……陽子ビーム軸， Ｇ１……集束用コリメータの開口， Ｇ２……空洞間ギャップ， Ｓ１……スリット， θ……発散角．
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を射出する粒子線発生装置と、この射出されたレーザー駆動粒子線を被照射体へと導く輸送路を形成し、レーザー駆動粒子線を空間的に集束させるビーム集束装置と、このレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択装置と、レーザー駆動粒子線を走査して被照射体の照射位置を調節する照射ポートと、各装置の動作制御を行う照射制御装置とを備え、
前記ビーム集束装置は、レーザー駆動粒子線の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線を集束させることを特徴とするレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項２】
前記ビーム集束装置は、粒子線発生装置とエネルギー選択装置との間に設けられることを特徴とする請求項１に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項３】
前記ビーム集束装置は、永久磁石から成る多重極磁石を有し、この多重極磁石により前記磁場を形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項４】
前記ビーム集束装置の多重極磁石は、レーザー駆動粒子線の輸送路に沿って複数設けられ且つ少なくとも１つの多重極磁石が移動可能に構成されることを特徴とする請求項３に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項５】
前記エネルギー集束装置は、多重極磁石と粒子線発生装置のターゲットとの間に設けられて多重極磁石に入射するレーザー駆動粒子線の広角成分を遮蔽する角度コリメータを有することを特徴とする請求項２ないし請求項４の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項６】
前記エネルギー選択装置は、レーザー駆動粒子線の輸送路にレーザー駆動粒子線が運動量に応じて偏向する磁場を形成し、特定の軌道を持つレーザー駆動粒子線を選択して残りのレーザー駆動粒子線をその輸送路から除去することにより、レーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択することを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項７】
前記エネルギー選択装置は、励磁電流の制御を受けて可変磁場を形成する電磁石と、この可変磁場により偏向を受けたレーザー駆動粒子線の輸送路を遮断するように設けられ、特定の軌道を持つレーザー駆動粒子線の選択的通過を許容するスリットを形成するエネルギーコリメータとを有することを特徴とする請求項６に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項８】
前記エネルギー選択装置のエネルギーコリメータは、スリットのサイズが調節可能に構成されることを特徴とする請求項７に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項９】
前記レーザー駆動粒子線の輸送路を形成し、この輸送路でレーザー駆動粒子線のエネルギー分布を集束させて特定のエネルギーにピークを形成するエネルギー分布集束装置を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項８の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項１０】
前記エネルギー分布集束装置は、レーザー駆動粒子線の輸送路を形成し、高周波電圧の印加を受けて、この輸送路で陽子バンチを構成する陽子群が加速を受ける状態と減速を受ける状態とが現れる高周波電場を形成することにより、レーザー駆動粒子線のエネルギー分布を特定のエネルギーに向かって集束させる位相回転空洞を有し、
前記照射制御装置は、位相回転空洞に印加する高周波電圧の位相を調節することにより、レーザー駆動粒子線のエネルギー分布が持つエネルギーピークの位置を調節することを特徴とする請求項９に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項１１】
前記エネルギー分布集束装置の位相回転空洞は、
レーザー駆動粒子線の輸送路を形成する外側空洞と、この外側空洞の内部に間隔を置いて並置され且つ高周波電圧が印加される複数の内側空洞とを有し、
内側空洞間のギャップに高周波電場を形成して、外側空洞内で陽子バンチを構成する陽子群のうち、そのギャップに突入するタイミングと内側空洞に印加される高周波電圧の位相とが同期する陽子が持つエネルギーを中心として、陽子ビームのエネルギー分布を集束させることを特徴とする請求項１０に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項１２】
【請求項１３】
前記エネルギー分布集束装置は、ビーム集束装置とエネルギー選択装置との間に設けられることを特徴とする請求項９ないし請求項１２の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項１４】
前記エネルギー分布集束装置によりエネルギー分布が集束され且つエネルギー選択装置により特定のエネルギー幅が選択されたレーザー駆動粒子線の強度について、正常または異常を判定するビーム強度監視装置を備え、
前記照射制御装置は、ビーム強度監視装置によりレーザー駆動粒子線の強度について異常が判定されたときは、被照射体に対するレーザー駆動粒子線の照射を停止することを特徴とする請求項９ないし請求項１３の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項１５】
前記ビーム強度監視装置は、レーザー駆動粒子線が持つエネルギー分布のピーク強度を前記判定の対象とし、レーザーパルス光の１ショット当たりのレーザー駆動粒子線の強度についてその判定を行うことを特徴とする請求項１４に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項１６】
ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を取り出す粒子線生成工程と、レーザー駆動粒子線を空間的に集束させせるビーム集束工程と、被照射体に設定された照射位置の深度に応じてレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択工程と、被照射体におけるレーザー駆動粒子線の照射位置を調節する照射工程とを備え、
前記ビーム集束工程では、レーザー駆動粒子線の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線を集束させることを特徴とするレーザー駆動粒子線照射方法。
【請求項１７】
前記ビーム集束工程では、前記磁場の調節を通じて、各工程において用いられるレーザー駆動粒子線の集束度合いを調節することを特徴とする請求項１６に記載のレーザー駆動粒子線照射方法。
【請求項１８】
前記エネルギー選択工程では、レーザー駆動粒子線の軌道上にレーザー駆動粒子線が運動量に応じて偏向する磁場を形成し、偏向したレーザー駆動粒子線をその軌道の違いにより弁別することでレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択することを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載のレーザー駆動粒子線照射方法。
【請求項１９】
前記レーザー駆動粒子線のエネルギー分布を集束させて特定のエネルギーにピークを形成するエネルギー分布集束工程を備えることを特徴とする請求項１６ないし請求項１８の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射方法。
【請求項２０】
前記レーザー駆動粒子線のパルス幅を縮小させるパルス幅圧縮工程を備えることを特徴とする請求項１６ないし請求項１９の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射方法。
【請求項２１】
【請求項２２】
前記エネルギー分布集束工程でエネルギー分布を集束させ且つエネルギー選択工程で特定のエネルギーおよびエネルギー幅を選択した後に、レーザー駆動粒子線の強度について正常または異常を判定し、異常を判定したときは、被照射体に対するレーザー駆動粒子線の照射を中止することを特徴とする請求項１９ないし請求項２１の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射方法。
【請求項２３】
前記レーザー駆動粒子線が持つエネルギー分布のピーク強度を前記判定の対象とし、レーザーパルス光の１ショット当たりのレーザー駆動粒子線の強度についてその判定を行うことを特徴とする請求項２２に記載のレーザー駆動粒子線照射方法。
【請求項１】
ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を射出する粒子線発生装置と、この射出されたレーザー駆動粒子線を被照射体へと導く輸送路を形成し、レーザー駆動粒子線を空間的に集束させるビーム集束装置と、このレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択装置と、レーザー駆動粒子線を走査して被照射体の照射位置を調節する照射ポートと、各装置の動作制御を行う照射制御装置とを備え、
前記ビーム集束装置は、レーザー駆動粒子線の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線を集束させることを特徴とするレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項２】
前記ビーム集束装置は、粒子線発生装置とエネルギー選択装置との間に設けられることを特徴とする請求項１に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項３】
前記ビーム集束装置は、永久磁石から成る多重極磁石を有し、この多重極磁石により前記磁場を形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項４】
前記ビーム集束装置の多重極磁石は、レーザー駆動粒子線の輸送路に沿って複数設けられ且つ少なくとも１つの多重極磁石が移動可能に構成されることを特徴とする請求項３に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項５】
前記エネルギー集束装置は、多重極磁石と粒子線発生装置のターゲットとの間に設けられて多重極磁石に入射するレーザー駆動粒子線の広角成分を遮蔽する角度コリメータを有することを特徴とする請求項２ないし請求項４の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項６】
前記エネルギー選択装置は、レーザー駆動粒子線の輸送路にレーザー駆動粒子線が運動量に応じて偏向する磁場を形成し、特定の軌道を持つレーザー駆動粒子線を選択して残りのレーザー駆動粒子線をその輸送路から除去することにより、レーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択することを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項７】
前記エネルギー選択装置は、励磁電流の制御を受けて可変磁場を形成する電磁石と、この可変磁場により偏向を受けたレーザー駆動粒子線の輸送路を遮断するように設けられ、特定の軌道を持つレーザー駆動粒子線の選択的通過を許容するスリットを形成するエネルギーコリメータとを有することを特徴とする請求項６に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項８】
前記エネルギー選択装置のエネルギーコリメータは、スリットのサイズが調節可能に構成されることを特徴とする請求項７に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項９】
前記レーザー駆動粒子線の輸送路を形成し、この輸送路でレーザー駆動粒子線のエネルギー分布を集束させて特定のエネルギーにピークを形成するエネルギー分布集束装置を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項８の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項１０】
前記エネルギー分布集束装置は、レーザー駆動粒子線の輸送路を形成し、高周波電圧の印加を受けて、この輸送路で陽子バンチを構成する陽子群が加速を受ける状態と減速を受ける状態とが現れる高周波電場を形成することにより、レーザー駆動粒子線のエネルギー分布を特定のエネルギーに向かって集束させる位相回転空洞を有し、
前記照射制御装置は、位相回転空洞に印加する高周波電圧の位相を調節することにより、レーザー駆動粒子線のエネルギー分布が持つエネルギーピークの位置を調節することを特徴とする請求項９に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項１１】
前記エネルギー分布集束装置の位相回転空洞は、
レーザー駆動粒子線の輸送路を形成する外側空洞と、この外側空洞の内部に間隔を置いて並置され且つ高周波電圧が印加される複数の内側空洞とを有し、
内側空洞間のギャップに高周波電場を形成して、外側空洞内で陽子バンチを構成する陽子群のうち、そのギャップに突入するタイミングと内側空洞に印加される高周波電圧の位相とが同期する陽子が持つエネルギーを中心として、陽子ビームのエネルギー分布を集束させることを特徴とする請求項１０に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項１２】
【請求項１３】
前記エネルギー分布集束装置は、ビーム集束装置とエネルギー選択装置との間に設けられることを特徴とする請求項９ないし請求項１２の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項１４】
前記エネルギー分布集束装置によりエネルギー分布が集束され且つエネルギー選択装置により特定のエネルギー幅が選択されたレーザー駆動粒子線の強度について、正常または異常を判定するビーム強度監視装置を備え、
前記照射制御装置は、ビーム強度監視装置によりレーザー駆動粒子線の強度について異常が判定されたときは、被照射体に対するレーザー駆動粒子線の照射を停止することを特徴とする請求項９ないし請求項１３の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項１５】
前記ビーム強度監視装置は、レーザー駆動粒子線が持つエネルギー分布のピーク強度を前記判定の対象とし、レーザーパルス光の１ショット当たりのレーザー駆動粒子線の強度についてその判定を行うことを特徴とする請求項１４に記載のレーザー駆動粒子線照射装置。
【請求項１６】
ターゲットにレーザーパルス光を照射してレーザー駆動粒子線を取り出す粒子線生成工程と、レーザー駆動粒子線を空間的に集束させせるビーム集束工程と、被照射体に設定された照射位置の深度に応じてレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択するエネルギー選択工程と、被照射体におけるレーザー駆動粒子線の照射位置を調節する照射工程とを備え、
前記ビーム集束工程では、レーザー駆動粒子線の軌道上に、軌道中心から遠ざかるレーザー駆動粒子線の発散成分を軌道中心へと戻す磁場を形成し、この磁場によりレーザー駆動粒子線を集束させることを特徴とするレーザー駆動粒子線照射方法。
【請求項１７】
前記ビーム集束工程では、前記磁場の調節を通じて、各工程において用いられるレーザー駆動粒子線の集束度合いを調節することを特徴とする請求項１６に記載のレーザー駆動粒子線照射方法。
【請求項１８】
前記エネルギー選択工程では、レーザー駆動粒子線の軌道上にレーザー駆動粒子線が運動量に応じて偏向する磁場を形成し、偏向したレーザー駆動粒子線をその軌道の違いにより弁別することでレーザー駆動粒子線のエネルギーおよびエネルギー幅を選択することを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載のレーザー駆動粒子線照射方法。
【請求項１９】
前記レーザー駆動粒子線のエネルギー分布を集束させて特定のエネルギーにピークを形成するエネルギー分布集束工程を備えることを特徴とする請求項１６ないし請求項１８の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射方法。
【請求項２０】
前記レーザー駆動粒子線のパルス幅を縮小させるパルス幅圧縮工程を備えることを特徴とする請求項１６ないし請求項１９の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射方法。
【請求項２１】
【請求項２２】
前記エネルギー分布集束工程でエネルギー分布を集束させ且つエネルギー選択工程で特定のエネルギーおよびエネルギー幅を選択した後に、レーザー駆動粒子線の強度について正常または異常を判定し、異常を判定したときは、被照射体に対するレーザー駆動粒子線の照射を中止することを特徴とする請求項１９ないし請求項２１の何れか１項に記載のレーザー駆動粒子線照射方法。
【請求項２３】
前記レーザー駆動粒子線が持つエネルギー分布のピーク強度を前記判定の対象とし、レーザーパルス光の１ショット当たりのレーザー駆動粒子線の強度についてその判定を行うことを特徴とする請求項２２に記載のレーザー駆動粒子線照射方法。
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１０−１２５０１２（Ｐ２０１０−１２５０１２Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０１６９５（Ｐ２００８−３０１６９５）
【出願日】平成２０年１１月２６日（２００８．１１．２６）
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２６日（２００８．１１．２６）
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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