粒子線がん治療システム及び照射方法
【課題】 粒子線を利用するがん治療システムにおいて、照射野の飛程終端に均一な線量分布を形成する。
【解決手段】 本発明は、粒子線照射手段を有する粒子線がん治療システムに関する。前記粒子線照射手段は、粒子線が通過する位置によって失うエネルギーが異なる周期的な厚さ分布を有するリッジフィルタと、粒子線照射中に前記リッジフィルタの空間位置を、粒子線の進行方向に略直交する平面上で変化させる照射中位置変化手段を含むことを特徴とする。
【解決手段】 本発明は、粒子線照射手段を有する粒子線がん治療システムに関する。前記粒子線照射手段は、粒子線が通過する位置によって失うエネルギーが異なる周期的な厚さ分布を有するリッジフィルタと、粒子線照射中に前記リッジフィルタの空間位置を、粒子線の進行方向に略直交する平面上で変化させる照射中位置変化手段を含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線がん治療システム及び照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載される従来の粒子線がん治療システムは、山部分と谷部分を持つリッジフィルタを用いて、粒子線エネルギーに所定の分布を形成し、粒子線の被照射体における到達深さが所定の幅を持つようにして深さ方向の線量分布を形成している。
【特許文献１】特開平１１−２８５５４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の粒子線がん治療システムでは、粒子線に所定のエネルギー分布を持たせるための周期的な厚さ分布を有するリッジフィルタが備わる。リッジフィルタの位置によって、通過した粒子線の運動エネルギーは異なるものとなる。従って、リッジフィルタの厚さ分布と該厚さ分布を有する領域の大きさを所定のものにしておけば、リッジフィルタを通過後の粒子線のエネルギーは、全体的に見ると所定の分布を持つ。
【０００４】
粒子線がリッジフィルタを通過後、粒子線の持つ進行方向の角度分布によって粒子線が相互に充分混ざり合って被照射領域に到達する場合には、被照射領域の飛程終端に均一な照射線量分布を形成できる。粒子線が陽子線である場合は通常このような条件を満たす。しかし、粒子線が進行方向の角度分散の生じ難い粒子線である場合（例えば、炭素線である場合）は、リッジフィルタを通過後、粒子線は充分な散乱角を得られない。その場合、リッジフィルタの一番薄い場所を通過する粒子線は、リッジフィルタの被照射領域への直進方向による投影位置付近に集中してしまう。そうすると、照射領域の一番深い位置において、横方向線量分布にはリッジフィルタの厚さ分布の周期パターンに対応する不均一性が残ってしまうという問題が生じる。
【０００５】
本発明は、粒子線を利用するがん治療システムにおいて、照射野の飛程終端に均一な線量分布を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の目的を達成するためになされたものである。本発明に係る粒子線がん治療システムは、
粒子線照射手段を有する粒子線がん治療システムであって、
前記粒子線照射手段は、
粒子線が通過する位置によって失うエネルギーが異なる周期的な厚さ分布を有するリッジフィルタと、
粒子線照射中に前記リッジフィルタの空間位置を、粒子線の進行方向に略直交する平面上で変化させる照射中位置変化手段を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る粒子線がん治療システムでは、照射野の飛程終端において深さ方向に均一な線量分布を形成できる。また、照射中におけるリッジフィルタの位置移動も簡単な機構により実現できるため、治療の精度とスールプットを共に向上させことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療システムの粒子線照射手段の縦断面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療システムのリッジフィルタ１０の斜視図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療システムのリッジフィルタ１０の拡大断面図である。
【０００９】
図１において、粒子線発生装置（図示せず。）より得られる粒子線２は、透過ソースポイント４から被照射体２４へ照射される。粒子線２は、第１の拡大手段６により拡大され、更に第２の拡大手段８により拡大される。拡大された粒子線２は、リッジフィルタ１０を通過する。リッジフィルタ１０を通過した粒子線２は、コリメータ２２により所定の形に整形された上で、被照射体２４に照射される。
【００１０】
図２は、リッジフィルタの通常の構成例であるバーリッジフィルタの斜視図を示している。また、図３は、バーリッジフィルタにおける複数のリッジの断面形状の例を拡大して示している。図２及び３では後で説明するように、リッジフィルタ１０がリッジフィルタ１０の設置平面において粒子線照射中に回転軸３２により回転することを示している。
【００１１】
続いて、実施の形態１に係る粒子線がん治療システムの動作を説明する。まず、粒子線発生装置（図示せず。）から（例えば、炭素線イオンを発生するイオン源から）、粒子線（例えば、炭素線）が発生される。荷電粒子加速器などから構成される粒子線加速手段（図示せず。）によって、（例えば）炭素線が水中飛程20cm〜30ｃｍ程度に相当する運動エネルギーまで加速された後、電磁石等から構成されるビーム光学系を含む粒子線輸送手段（図示せず。）によって、粒子線照射手段に入射される。
【００１２】
粒子線照射手段に入射される粒子線２は、上述のように、例えば運動エネルギーが核子当り約数百ＭｅＶである炭素線である。粒子線照射手段に入射される粒子線２は、通常、断面サイズが１センチ未満である。このような粒子線により、腫瘍等を照射するには、粒子線の位置を移動させてスキャンする、若しくはビームサイズを拡大する必要がある。本発明に係る粒子線照射装置ではビームサイズを拡大する。
【００１３】
粒子線２は、鉛やタングステンなどの散乱体から構成される第１の拡大手段６に入射されて散乱体中の電子と原子によって散乱される。第１の拡大手段６の通過後は、粒子線２のほぼ前方集中だった進行方向が分散され、粒子線２は所定の角度分布を持つようになる。従って、被照射体２４の位置から見れば、粒子線２の断面サイズは、数センチ以上に拡大される。
【００１４】
上記の散乱体から構成された第１の拡大手段６のみでは、充分大きいビームサイズが得られない場合がある。そこで、偏向電磁石から構成された第２の拡大手段８により、粒子線ビームを更に広げる。この第２の拡大手段８は、磁場方向が相互に直交する２台の偏向電磁石から構成されればよい。なお、この２台の偏向電磁石は、それぞれ励磁電流パターンが同期するsinωtとcosωtの交流電源から励磁され、従ってこの第２の拡大手段８を通過した粒子線２は円を描くように偏向される。なお、このような拡大手段は既存の従来技術でありワブリング電磁石と称され、上記の円における半径はワブリング半径と称される。
【００１５】
上記第１の拡大手段６による粒子線断面の散乱半径と第２の拡大手段８によるワブリング半径を所定比率に調整すれば、被照射体２４において、照射領域の中心付近に横方向に略平坦な粒子線分布を形成できる。照射領域の中心から所定距離を隔てた粒子線分布の不均一領域は、コリメータ２２で除去される。このコリメータ２２は、粒子線２が透過しない厚さの銅で形成される複数の葉状板などで構成される。コリメータ２２の開口部が任意の２次元の形状を呈するように、葉状板の配置が制御される。この２次元形状が腫瘍の形状に合わせられれば、腫瘍の存在範囲に合せて照射野が形成される。
【００１６】
ところで、一般に粒子線はそのエネルギーによって人体内に入る深さ（飛程）が定まり、その飛程の終端近くでエネルギーを急激に放出して止まる。この現象はブラッグ・ピーク（Ｂｒａｇｇ Ｐｅａｋ）と呼ばれる。この現象を利用して体表面から相応の深さにある腫瘍細胞の殺傷が行われる。ところで、腫瘍は深さ方向に厚みを持つ。従って、粒子線を腫瘍（病巣）に一様に照射するためにはブラッグ・ピークが腫瘍の厚み方向に一様に拡げられる操作が必要になる。この一様に拡げられた線量はＳＯＢＰ（Ｓｐｅａｄ−Ｏｕｔ Ｂｒａｇｇ Ｐｅａｋ：拡大ブラッグ・ピーク）と称されている。
【００１７】
上記のように照射野の深さ方向の分布を形成するには、粒子線２のエネルギー分布を調節する必要がある。このために従来から用いられ、且つ、本発明でも用いる方法は、所定の厚さ分布を有するリッジフィルタ１０に粒子線２を通過させることである。リッジフィルタ１０は、粒子線のエネルギー分布を所定範囲において所定の厚さ分布に従って広げることができる。
【００１８】
つまり、粒子線２のリッジフィルタ１０における入射位置（図２参照）によって、通過後の粒子線のエネルギーが異なる。例えば、図１に示す第１の通過粒子線２６は、リッジフィルタ１０に複数備わる（バー）リッジ（山梁）のうちの一つのリッジの一番厚い部位を通過した粒子線である。第２の通過粒子線２８と第３の通過粒子線３０は、リッジフィルタ１０に複数備わる（バー）リッジのうちの二つのリッジの間の谷に相当する部位を通過した粒子線である。ここで、第１の通過粒子線２６の粒子線エネルギーは、第２及び第３の通過粒子線２８、３０よりも低くなり、被照射体２４における到達深さも浅くなる。一方、第２及び第３の通過粒子線２８、３０は、被照射体２４において最も深い位置に到達し得る。このように、被照射体２４の深さ方向において所定幅を有する照射野が形成される。この所定幅は、一般的にはリッジフィルタ１０の一番厚い部分と一番薄い部分の厚さの差によって決められることになる。つまり、夫々のリッジフィルタ１０は一般的に、固有のＳＯＢＰを形成することになる。なお、リッジフィルタによりブラッグ・ピークが（腫瘍の）厚み方向に拡げられる幅（即ち、ＳＯＢＰの幅）は、通常１〜２０ｃｍである。
【００１９】
第１の拡大手段６及び第２の拡大手段８に対して所定の設定パラメータを与えた上で、所定のＳＯＢＰを有するリッジフィルタ１０を組み合わせれば、被照射体２４において所望の３次元の線量領域が形成され得ることになる。
【００２０】
しかし、腫瘍照射のためには上記の３次元の線量領域内で線量分布を均一にする必要がある。上記３次元の線量領域内で線量分布を均一なものにするためには、リッジフィルタ１０を通過した粒子線のエネルギーが相応に混ぜ合わされなければならない。そのためには、例えば、上記の第２の通過粒子線２８と上記の第３の通過粒子線３０においては、リッジフィルタ１０通過後、被照射体２４の照射領域及び飛程に到達するまでに、リッジフィルタ１０と被照射体表面の間の空気、及び被照射体内における多次散乱によって、進行方向が相応に分散することが好ましい。
【００２１】
粒子線が陽子線である場合は、粒子線が比較的軽いため空気と被照射体とによって充分散乱され、粒子線は照射野において空間的に充分混合され得ることになる。しかし、粒子線が炭素線などの比較的重い粒子の粒子線である場合、散乱が生じ難いため粒子線の飛程終端では均一な照射線量分布とはならず、リッジフィルタ１０のリッジの山に相当する位置で線量の谷ができてしまう。つまり、飛程終端位置付近の線量分布には、図４（２）に示すような縞状の周期分布ができてしまう。
【００２２】
図４（２）は、核子当りの運動エネルギーが約４００ＭｅＶである炭素線を、位置が固定されたリッジフィルタ１０を介して照射した場合の、水中の照射野飛程終端部でのＹ方向の線量分布のモンテカルロシミュレーション結果を示す。図４に示すＹ方向というのは、リッジフィルタ１０のリッジ方向（Ｘ方向）と垂直な方向である。図４（２）に見られるＹ方向の線量分布の縞模様の周期は、シミュレーションで用いるリッジフィルタの観測深さ位置における投影像のリッジの周期と同じである。なお比較のために、図４（１）において、同じシミュレーション結果のＸ方向の線量分布を示す。
【００２３】
そこで、粒子線の飛程終端における不均一な照射線量分布を解消するために、本発明の実施の形態１では、図２及び図３に示すように、リッジフィルタ１０が、リッジフィルタ１０の設置平面において粒子線照射中に回転操作される。
【００２４】
上記の回転操作を実現するため次のような構成が取られている。リッジフィルタ１０は、ノックピン（図示せず。）と固定治具（図示せず。）によってリッジフィルタ取付けベース１２に搭載されている。リッジフィルタ取付けベース１２は、支持台１４により支持され、支持台１４外側に備わるモータ１８、及び該モータ１８とリッジフィルタ取付けベース１２とを繋ぐベルト１６により回転される。リッジフィルタ取り付けベース１２と支持台１４との間にはベアリング２０が挟持されている。
【００２５】
粒子線の照射中にリッジフィルタ１０の回転駆動手段であるモータ１８が回転され、ベルト１６を経て、リッジフィルタ取り付けベース１２が回転される。リッジフィルタ取付けベース１２に取り付けられたリッジフィルタ１０は、モータ１８の回転と共に照射中に回転し、これによりリッジフィルタ１０のリッジが様々な方向を向く。ここで、リッジフィルタ１０に入射する粒子線２を微細な部位に分けて考察してみると、微細な部位の粒子線の各々はリッジの谷から山まで様々なポジションを通過することになるから、粒子線の飛程終端では、より均一な線量分布が得られるようになる。従って、例えば図４（２）の線量分布シミュレーションで生じる縞状の分布が平均化されることになる。特に、リッジフィルタ１０の回転中心より離れた部位において平均化は顕著となる。
【００２６】
上記の回転の速度は、粒子線照射間に１回転以上数１０回転以下するようなものであればよい。粒子線照射時間は通常１〜１０分程度である。
【００２７】
以上の説明では、リッジフィルタ１０をその設置平面において回転させるとしたが、リッジフィルタ１０のリッジの山と谷の位置が入れ替わるように並進運動さるようにしても、粒子線飛程終端付近における線量分布の不均一が均され、より均一な線量分布が得られる。この場合の並進運動は、リッジフィルタ１０の厚さ分布周期構造の一周期内で往復するというものであればよい。つまり、照射過程において、リッジフィルタ１０のリッジの山谷との位置を変動させるようにすればよい。この並進運動の速度（周期）は、粒子線照射間に往復動作が少なくとも１回あるというようなものでよい。
【００２８】
本明細書におけるリッジフィルタは、一定の深さ拡大照射範囲（ＳＯＢＰ）を形成するものであるとしている。がん治療では、腫瘍の大きさに応じてＳＯＢＰが変更される必要があるが、その際、リッジフィルタ取付けベース１２に取り付けるリッジフィルタ１０を変更することによりＳＯＢＰが変更されることになればよい。また、リッジフィルタ１０を自動的に取り替えるリッジフィルタ変更機構を設けてもよい。
【００２９】
実施の形態１に係る粒子線がん治療システムでは、リッジフィルタとして図２や図３に示すようなバーリッジを有するようなリッジフィルタを採り上げたが、これに限定されるものではなく、ＳＯＢＰを形成できる周期的な厚さ分布を持つリッジフィルタ（例えば、コーンリッジフィルタ）を用いてもよい。また、第１の拡大手段６と第２の拡大手段８の配置位置は、入れ替えられてもよい。
【００３０】
なお本明細書では議論を単純にするため、リッジフィルタ通過粒子線の散乱による空間的広がりのみを考察の対象にしている。というのは、実際にはリッジフィルタ１０より上流側で粒子線自身の有限サイズと有限エミッタンス（粒子線の進む方向分布を表す量）によっても、粒子線が既に相応の範囲の入射角を持っていると想定されるからであり、この入射角も、例えば第２の通過粒子線２８と第３の通過粒子線３０の空間的範囲を広げることに寄与するからである。本発明の実効性を議論する際には、この有限エミッタンスの効果を散乱による効果に含めて考察することとする。
【００３１】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る粒子線がん治療システムの斜視図である。本発明の実施の形態２に係る粒子線がん治療システムは、本発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療システムと略同様のものである。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略する。
【００３２】
実施の形態２に係る粒子線がん治療システムでは、各々異なるＳＯＢＰを備える照射野を形成する複数のリッジフィルタ１０を被照射体に応じて容易に交換できるように、リッジフィルタ１０の格納機構が設けられている。図５に示すように、リッジフィルタ格納装置３４は円盤状の形状を有し、円盤の外延の近傍に複数のリッジフィルタ１０を格納している。夫々のリッジフィルタ１０のリッジ方向がリッジフィルタ格納装置３４の円盤の半径方向と直交するように、これらのリッジフィルタ１０が格納されている。各々のリッジフィルタ１０は、夫々個別のＳＯＢＰを備える照射野を形成する。
【００３３】
リッジフィルタ格納機構３４の中央部分はリッジフィルタ交換用モータ部３６上に搭載されている。このリッジフィルタ格納機構３４は、対応するリッジフィルタを粒子線の経路に移動させるようにリッジフィルタ交換用モータ部３６により回転される。また、リッジフィルタ格納機構３４とリッジフィルタ交換用モータ部３６は、リッジフィルタ移動装置３８により水平移動される。このリッジフィルタ移動装置３８は、例えばリニアモータから構成されればよい。
【００３４】
更に、リッジフィルタ格納機構３４、リッジフィルタ交換用モータ部３６、及びリッジフィルタ移動装置３８は、固定支持装置４０により支持されている。リッジフィルタ交換用モータ部３６及びリッジフィルタ移動装置３８の動作は、照射制御装置４６により制御される。
【００３５】
粒子線の照射中にはリッジフィルタ１０は、図５に示すように、所定の水平方向４４に移動される。移動する方向４４は、リッジフィルタ移動装置３８の移動する方向である。この方向４４は、照射中の粒子線の経路に設置されるリッジフィルタ１０の設置平面において、リッジフィルタ１０のリッジ方向と直交する方向であることが好ましい。
【００３６】
粒子線照射手段は実施の形態１と同様に、概略、図１に示すように構成される。但し、図１における点線枠Ａ内のリッジフィルタの交換機能に関わる部分は、図５に示すリッジフィルタ格納機構３４により置換されることになる。
【００３７】
続いて、実施の形態２に係る粒子線がん治療システムの動作を説明する。粒子線の照射を開始する前に、被照射体にて要求される照射野の深さ方向におけるＳＯＢＰに応じて、照射制御装置４６は、複数のリッジフィルタ１０のうちから所定のＳＯＢＰを備える照射野を形成するものを粒子線の経路に持ってくるようにする。このとき、照射制御装置４６は、リッジフィルタ交換用モータ部３６を回転させてリッジフィルタ格納機構３４を動かす。
【００３８】
リッジフィルタ格納装置３４の各々のリッジフィルタ１０は、粒子線の経路上においてリッジ方向が、リッジフィルタ移動装置３８の移動方向４４と直交することになるように（即ち、リッジフィルタ格納装置３４の円盤の半径方向と直交するように）、設置方向が決められている。なお、照射開始後は、リッジフィルタ交換用モータ部３６は停止している。
【００３９】
粒子線の照射が開始すると、まず、粒子線発生装置（図示せず。）から（例えば、炭素線イオンを発生するイオン源から）、粒子線（例えば、炭素線）が発生される。粒子線加速手段（図示せず。）によって、粒子線が所定の運動エネルギーまで加速された後、粒子線輸送手段（図示せず。）によって、粒子線照射手段に入射される。
【００４０】
粒子線照射手段に導かれた粒子線は、散乱体やワブリング電磁石などの拡大手段（第１の拡大手段６、第２の拡大手段８）によって断面サイズが拡大された後、図５に示すリッジフィルタ１０に入射される。
【００４１】
照射制御装置４６は、リッジフィルタ移動装置３８を作動し、粒子線の経路上にあるリッジフィルタ１０が粒子線を往復運動で横切ることになるようにする。往復運動は、リッジフィルタ１０の厚さ分布周期構造の一周期内で往復するというものであればよい。リッジフィルタ１０に入射する粒子線２を微細な部位に分けて考察してみると、微細な部位の粒子線の各々はリッジの谷から山まで様々なポジションを通過することになるから、粒子線の飛程終端では、より均一な線量分布が得られるようになる。
【００４２】
つまり、実施の形態２に係る粒子線がん治療システムのリッジフィルタ１０では、一方向にしか粒子線のエネルギーの混合は起こらないが、混合の方向がリッジと直交する方向即ち、リッジが周期的な厚さ分布を有する方向であるため、結局粒子線の全面に混合が生じることになる。従って、照射野の一番深い領域において、リッジフィルタ１０のリッジの並ぶ方向（リッジ方向と直交する方向）における不均一性が均され、より均一な線量分布が得られる。
【００４３】
なお、往復運動は、粒子線照射間に少なくとも１往復の半分を移動するというものであればよい。粒子線照射時間は通常１〜１０分程度であるから、数１０往復であるのが望ましい。
【００４４】
実施の形態２に係る粒子線がん治療システムでも、リッジフィルタとして図２や図３に示すようなバーリッジを有するようなリッジフィルタを採り上げたが、これに限定されるものではなく、ＳＯＢＰを形成できる周期的な厚さ分布を持つリッジフィルタ（例えば、コーンリッジフィルタ）を用いてもよい。
【００４５】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る粒子線がん治療システムの斜視図である。本発明の実施の形態３に係る粒子線がん治療システムは、本発明の実施の形態２に係る粒子線がん治療システムと略同様のものである。但し、本実施の形態３に係る粒子線がん治療システムでは、リッジフィルタ格納機構３４がリッジフィルタ１０を格納する仕組み、及び、リッジフィルタ格納機構３４の動作する仕組みが異なる。
【００４６】
リッジフィルタ格納機構３４は、実施の形態２と同様に円盤状の形状を有し、円盤の外延において、各々異なるＳＯＢＰを備える照射野を形成する複数のリッジフィルタ１０を格納している。ここで、リッジフィルタ１０の（バー）リッジがリッジフィルタ格納機構３４の円盤の中心に概ね向くように、それらリッジフィルタ１０が設置されている。
【００４７】
リッジフィルタ格納機構３４の中央部分は、リッジフィルタ交換・移動用モータ部３６２の上に搭載されている。このリッジフィルタ格納機構３４は、対応するリッジフィルタを粒子線の経路に移動させるようにリッジフィルタ交換・移動用モータ部３６２により回転される。この回転方向は図６において矢印４２で示されている。
【００４８】
また、粒子線の照射中にはリッジフィルタ１０は、図６に示すように、所定の方向４４に比較的小さく移動するように、リッジフィルタ交換・移動用モータ部３６２により回転される。この方向４４は、照射中の粒子線の経路に設置されるリッジフィルタ１０の設置平面において、リッジフィルタ１０のリッジ方向と略直交する方向であるのが好ましい。これらのリッジフィルタ交換・移動用モータ部３６２の回転の動作は、照射制御装置４６により制御される。
【００４９】
粒子線照射手段は実施の形態１と同様に、概略、図１に示すように構成される。但し、図１における点線枠Ａ内のリッジフィルタの交換機能に関わる部分は、図６に示すリッジフィルタ格納機構３４により置換されることになる。
【００５０】
続いて、実施の形態３に係る粒子線がん治療システムの動作を説明する。粒子線の照射を開始する前に、被照射体にて要求される照射野の深さ方向におけるＳＯＢＰに応じて、照射制御装置４６は、複数のリッジフィルタ１０のうちから所定のＳＯＢＰを備える照射野を形成するものを粒子線の経路に持ってくるようにする。このとき、照射制御装置４６は、リッジフィルタ交換・移動用モータ３６２を回転させてリッジフィルタ格納機構３４を動かす。
【００５１】
粒子線の照射が開始すると、まず、粒子線発生装置（図示せず。）から（例えば、炭素線イオンを発生するイオン源から）、粒子線（例えば、炭素線）が発生される。粒子線加速手段（図示せず。）によって、粒子線が所定の運動エネルギーまで加速された後、粒子線輸送手段（図示せず。）によって、粒子線照射手段に入射される。
【００５２】
粒子線照射手段に導かれた粒子線は、散乱体やワブリング電磁石などの拡大手段（第１の拡大手段６、第２の拡大手段８）によって断面サイズが拡大された後、図６に示すリッジフィルタ１０に入射される。
【００５３】
照射制御装置４６は、リッジフィルタ交換・移動用モータ部３６２を作動し、粒子線の経路上にあるリッジフィルタ１０が粒子線を往復運動（移動）で横切ることになるようにする。つまり、照射制御装置４６は、リッジフィルタ１０が設置された位置の近傍で、リッジフィルタ１０の（リッジフィルタ格納機構３４の円盤の回転角における）角度位置が小さい範囲内で変動するように、リッジフィルタ１０を含むリッジフィルタ格納機構３４を往復移動させる。往復運動（移動）は、リッジフィルタ１０の厚さ分布周期構造の一周期内で往復するというものであればよい。このようにすれば、リッジフィルタ１０に入射する粒子線２を微細な部位に分けて考察してみると、微細な部位の粒子線の各々はリッジの谷から山まで様々なポジションを通過することになるから、粒子線の飛程終端では、より均一な線量分布が得られるようになる。上述の往復移動は、一往復の半分だけ移動を行うスウィップ（一掃）移動であってもよい。
【００５４】
なお、往復運動（移動）は、粒子線照射間に少なくとも１往復の半分を移動するというものであればよい。粒子線照射時間は通常１〜１０分程度であるから、数十往復をするのが望ましい。
【００５５】
実施の形態３に係る粒子線がん治療システムのリッジフィルタ１０でも実施の形態２と同様に、一方向にしか粒子線のエネルギーの混合は起こらないが、混合の方向がリッジと直交する方向、即ち、リッジが周期的な厚さ分布を有する方向であるため、結局粒子線の全面に混合が生じることになる。
【００５６】
実施の形態２に比べると、実施の形態３に係る粒子線がん治療システムは、リッジフィルタを交換するための手段と、粒子線照射中にリッジフィルタを移動させる手段とを、一つのモータ部３６２とそのモータ部３６２を動かす照射制御装置４６とで構成している。従って全体のコストをより抑えることができる。
【００５７】
なお、実施の形態３に関する以上の説明では、リッジフィルタ格納機構３４を回転式のものとした。ここでリッジフィルタを、リニアモータ等で直進駆動されるレール上に直線状に、且つ、リッジ方向がレール直進方向と直交するように、設置すれば、同様の効果が得られる。つまり、照射制御装置とリニアモータなどの駆動手段を用いて、リッジフィルタを交換するための手段と、粒子線照射中にリッジフィルタを移動させる手段を構成すれば、粒子線の飛程終端にて均一な線量分布が得られることが期待できる。
【００５８】
実施の形態３に係る粒子線がん治療システムでも、リッジフィルタとして図２や図３に示すようなバーリッジを有するようなリッジフィルタを採り上げたが、これに限定されるものではなく、ＳＯＢＰを形成できる周期的な厚さ分布を持つリッジフィルタ（例えば、コーンリッジフィルタ）を用いてもよい。
【００５９】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態３に係る粒子線がん治療システムを利用して行う粒子線照射方法のフローチャートの例である。図６及び図７を用いて、本発明に係る粒子線照射方法の一例を以下に説明する。
【００６０】
（ステップ１） 粒子線加速手段から出射される粒子線ビームのエネルギーとビーム電流を選択し、設定する。
【００６１】
（ステップ２） 粒子線輸送手段における電磁石などのパラメータを設定する。
【００６２】
（ステップ３） 粒子線を患者に向けて照射する粒子線照射手段に備わるビーム拡大手段のパラメータなどを決定し、対応する拡大手段（第１の拡大手段６、第２の格段手段８）のパラメータをセットする。
【００６３】
（ステップ４） 粒子線ビームの飛程変調をもたらすＳＯＢＰ形成手段（リッジフィルタ）のパラメータを、必要とされる照射野のＳＯＢＰ幅に応じてセットし、対応するＳＯＢＰ形成手段であるリッジフィルタなどを選択し、粒子線の経路に設定する。
【００６４】
（ステップ５） 粒子線照射中における、リッジフィルタの空間位置変動パターンを照射制御装置に設定する。
【００６５】
（ステップ６） リッジフィルタを通過した粒子線を所定形状に整形するためのコリメータに関するパラメータをセットする。
【００６６】
（ステップ７） 被照射体である患者の位置の確認を行う。
【００６７】
（ステップ８） 線量モニタのプリセット値を治療計画などの結果に基づき設定する。
【００６８】
（ステップ９） 粒子線の照射を開始する。粒子線加速手段から粒子線ビームを出射させ、粒子線照射手段にビームを入射させる。
【００６９】
（ステップ１０） 照射制御装置４６において、上記ステップ５にて選択し設定したリッジフィルタの粒子線照射中の空間位置変動パターンに従って、リッジフィルタを所定方向の小範囲内で往復移動若しくは一掃（スウィップ）移動させる。移動はリッジフィルタの厚さ分布変動が存在する方向において行う。その結果、照射中に、リッジフィルタの各々のリッジが隣り合うリッジの位置まで移動できることになり、リッジの厚さ分布に起因する飛程終端における線量の不均一を低減できる。
【００７０】
（ステップ１１） 照射中に、線量モニタにて設定した線量が照射されたかどうかをチェックし、線量満了の場合、ステップ１２に移り、線量満了していない場合は、ステップ１０に移る。
【００７１】
（ステップ１２） 照射を終了させ、停止する。
【００７２】
なお、本実施の形態４では、所定のＳＯＢＰを備える照射野を形成するＳＯＢＰ形成手段（リッジフィルタ）の空間位置を、リッジの厚さ分布が周期的に変化する方向において、その厚さ分布周期の空間長さの半分以上移動させることが重要である。また、必要に応じて、ステップ９、ステップ１０及びステップ１１以外の上記ステップの入れ替えをしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療システムの粒子線照射手段の縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療システムのリッジフィルタの斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療システムのリッジフィルタの拡大断面図である。
【図４】核子当りの運動エネルギーが約４００ＭｅＶである炭素線を、位置が固定されたリッジフィルタを介して照射した場合の、水中の照射野飛程終端部でのＹ方向の線量分布のモンテカルロシミュレーション結果（図４（２））と、同じシミュレーション結果のＸ方向の線量分布（図４（１））である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る粒子線がん治療システムの斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る粒子線がん治療システムの斜視図である。
【図７】本発明に係る粒子線がん治療システムにおける粒子線照射方法のフローチャートの例である。
【符号の説明】
【００７４】
２ 粒子線、 ４ 透過ソースポイント、 ６ 第１の拡大手段、 ８ 第２の拡大手段、 １０ リッジフィルタ、 １２ リッジフィルタ取付けベース、 １４ 支持台、 １６ ベルト、 １８ モータ、 ２０ ベアリング、 ２２ コリメータ、２４ 被照射体、 ２６ 第１の通過粒子線、 ２８ 第２の通過粒子線、 ３０ 第３の通過粒子線、 ３２ 回転軸、 ３４ リッジフィルタ格納機構、 ３６ リッジフィルタ交換用モータ部、 ３６２ リッジフィルタ交換・移動用モータ部、 ３８ リッジフィルタ移動装置、 ４０ 固定支持装置、 ４６ 照射制御装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線がん治療システム及び照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載される従来の粒子線がん治療システムは、山部分と谷部分を持つリッジフィルタを用いて、粒子線エネルギーに所定の分布を形成し、粒子線の被照射体における到達深さが所定の幅を持つようにして深さ方向の線量分布を形成している。
【特許文献１】特開平１１−２８５５４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の粒子線がん治療システムでは、粒子線に所定のエネルギー分布を持たせるための周期的な厚さ分布を有するリッジフィルタが備わる。リッジフィルタの位置によって、通過した粒子線の運動エネルギーは異なるものとなる。従って、リッジフィルタの厚さ分布と該厚さ分布を有する領域の大きさを所定のものにしておけば、リッジフィルタを通過後の粒子線のエネルギーは、全体的に見ると所定の分布を持つ。
【０００４】
粒子線がリッジフィルタを通過後、粒子線の持つ進行方向の角度分布によって粒子線が相互に充分混ざり合って被照射領域に到達する場合には、被照射領域の飛程終端に均一な照射線量分布を形成できる。粒子線が陽子線である場合は通常このような条件を満たす。しかし、粒子線が進行方向の角度分散の生じ難い粒子線である場合（例えば、炭素線である場合）は、リッジフィルタを通過後、粒子線は充分な散乱角を得られない。その場合、リッジフィルタの一番薄い場所を通過する粒子線は、リッジフィルタの被照射領域への直進方向による投影位置付近に集中してしまう。そうすると、照射領域の一番深い位置において、横方向線量分布にはリッジフィルタの厚さ分布の周期パターンに対応する不均一性が残ってしまうという問題が生じる。
【０００５】
本発明は、粒子線を利用するがん治療システムにおいて、照射野の飛程終端に均一な線量分布を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の目的を達成するためになされたものである。本発明に係る粒子線がん治療システムは、
粒子線照射手段を有する粒子線がん治療システムであって、
前記粒子線照射手段は、
粒子線が通過する位置によって失うエネルギーが異なる周期的な厚さ分布を有するリッジフィルタと、
粒子線照射中に前記リッジフィルタの空間位置を、粒子線の進行方向に略直交する平面上で変化させる照射中位置変化手段を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る粒子線がん治療システムでは、照射野の飛程終端において深さ方向に均一な線量分布を形成できる。また、照射中におけるリッジフィルタの位置移動も簡単な機構により実現できるため、治療の精度とスールプットを共に向上させことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療システムの粒子線照射手段の縦断面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療システムのリッジフィルタ１０の斜視図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療システムのリッジフィルタ１０の拡大断面図である。
【０００９】
図１において、粒子線発生装置（図示せず。）より得られる粒子線２は、透過ソースポイント４から被照射体２４へ照射される。粒子線２は、第１の拡大手段６により拡大され、更に第２の拡大手段８により拡大される。拡大された粒子線２は、リッジフィルタ１０を通過する。リッジフィルタ１０を通過した粒子線２は、コリメータ２２により所定の形に整形された上で、被照射体２４に照射される。
【００１０】
図２は、リッジフィルタの通常の構成例であるバーリッジフィルタの斜視図を示している。また、図３は、バーリッジフィルタにおける複数のリッジの断面形状の例を拡大して示している。図２及び３では後で説明するように、リッジフィルタ１０がリッジフィルタ１０の設置平面において粒子線照射中に回転軸３２により回転することを示している。
【００１１】
続いて、実施の形態１に係る粒子線がん治療システムの動作を説明する。まず、粒子線発生装置（図示せず。）から（例えば、炭素線イオンを発生するイオン源から）、粒子線（例えば、炭素線）が発生される。荷電粒子加速器などから構成される粒子線加速手段（図示せず。）によって、（例えば）炭素線が水中飛程20cm〜30ｃｍ程度に相当する運動エネルギーまで加速された後、電磁石等から構成されるビーム光学系を含む粒子線輸送手段（図示せず。）によって、粒子線照射手段に入射される。
【００１２】
粒子線照射手段に入射される粒子線２は、上述のように、例えば運動エネルギーが核子当り約数百ＭｅＶである炭素線である。粒子線照射手段に入射される粒子線２は、通常、断面サイズが１センチ未満である。このような粒子線により、腫瘍等を照射するには、粒子線の位置を移動させてスキャンする、若しくはビームサイズを拡大する必要がある。本発明に係る粒子線照射装置ではビームサイズを拡大する。
【００１３】
粒子線２は、鉛やタングステンなどの散乱体から構成される第１の拡大手段６に入射されて散乱体中の電子と原子によって散乱される。第１の拡大手段６の通過後は、粒子線２のほぼ前方集中だった進行方向が分散され、粒子線２は所定の角度分布を持つようになる。従って、被照射体２４の位置から見れば、粒子線２の断面サイズは、数センチ以上に拡大される。
【００１４】
上記の散乱体から構成された第１の拡大手段６のみでは、充分大きいビームサイズが得られない場合がある。そこで、偏向電磁石から構成された第２の拡大手段８により、粒子線ビームを更に広げる。この第２の拡大手段８は、磁場方向が相互に直交する２台の偏向電磁石から構成されればよい。なお、この２台の偏向電磁石は、それぞれ励磁電流パターンが同期するsinωtとcosωtの交流電源から励磁され、従ってこの第２の拡大手段８を通過した粒子線２は円を描くように偏向される。なお、このような拡大手段は既存の従来技術でありワブリング電磁石と称され、上記の円における半径はワブリング半径と称される。
【００１５】
上記第１の拡大手段６による粒子線断面の散乱半径と第２の拡大手段８によるワブリング半径を所定比率に調整すれば、被照射体２４において、照射領域の中心付近に横方向に略平坦な粒子線分布を形成できる。照射領域の中心から所定距離を隔てた粒子線分布の不均一領域は、コリメータ２２で除去される。このコリメータ２２は、粒子線２が透過しない厚さの銅で形成される複数の葉状板などで構成される。コリメータ２２の開口部が任意の２次元の形状を呈するように、葉状板の配置が制御される。この２次元形状が腫瘍の形状に合わせられれば、腫瘍の存在範囲に合せて照射野が形成される。
【００１６】
ところで、一般に粒子線はそのエネルギーによって人体内に入る深さ（飛程）が定まり、その飛程の終端近くでエネルギーを急激に放出して止まる。この現象はブラッグ・ピーク（Ｂｒａｇｇ Ｐｅａｋ）と呼ばれる。この現象を利用して体表面から相応の深さにある腫瘍細胞の殺傷が行われる。ところで、腫瘍は深さ方向に厚みを持つ。従って、粒子線を腫瘍（病巣）に一様に照射するためにはブラッグ・ピークが腫瘍の厚み方向に一様に拡げられる操作が必要になる。この一様に拡げられた線量はＳＯＢＰ（Ｓｐｅａｄ−Ｏｕｔ Ｂｒａｇｇ Ｐｅａｋ：拡大ブラッグ・ピーク）と称されている。
【００１７】
上記のように照射野の深さ方向の分布を形成するには、粒子線２のエネルギー分布を調節する必要がある。このために従来から用いられ、且つ、本発明でも用いる方法は、所定の厚さ分布を有するリッジフィルタ１０に粒子線２を通過させることである。リッジフィルタ１０は、粒子線のエネルギー分布を所定範囲において所定の厚さ分布に従って広げることができる。
【００１８】
つまり、粒子線２のリッジフィルタ１０における入射位置（図２参照）によって、通過後の粒子線のエネルギーが異なる。例えば、図１に示す第１の通過粒子線２６は、リッジフィルタ１０に複数備わる（バー）リッジ（山梁）のうちの一つのリッジの一番厚い部位を通過した粒子線である。第２の通過粒子線２８と第３の通過粒子線３０は、リッジフィルタ１０に複数備わる（バー）リッジのうちの二つのリッジの間の谷に相当する部位を通過した粒子線である。ここで、第１の通過粒子線２６の粒子線エネルギーは、第２及び第３の通過粒子線２８、３０よりも低くなり、被照射体２４における到達深さも浅くなる。一方、第２及び第３の通過粒子線２８、３０は、被照射体２４において最も深い位置に到達し得る。このように、被照射体２４の深さ方向において所定幅を有する照射野が形成される。この所定幅は、一般的にはリッジフィルタ１０の一番厚い部分と一番薄い部分の厚さの差によって決められることになる。つまり、夫々のリッジフィルタ１０は一般的に、固有のＳＯＢＰを形成することになる。なお、リッジフィルタによりブラッグ・ピークが（腫瘍の）厚み方向に拡げられる幅（即ち、ＳＯＢＰの幅）は、通常１〜２０ｃｍである。
【００１９】
第１の拡大手段６及び第２の拡大手段８に対して所定の設定パラメータを与えた上で、所定のＳＯＢＰを有するリッジフィルタ１０を組み合わせれば、被照射体２４において所望の３次元の線量領域が形成され得ることになる。
【００２０】
しかし、腫瘍照射のためには上記の３次元の線量領域内で線量分布を均一にする必要がある。上記３次元の線量領域内で線量分布を均一なものにするためには、リッジフィルタ１０を通過した粒子線のエネルギーが相応に混ぜ合わされなければならない。そのためには、例えば、上記の第２の通過粒子線２８と上記の第３の通過粒子線３０においては、リッジフィルタ１０通過後、被照射体２４の照射領域及び飛程に到達するまでに、リッジフィルタ１０と被照射体表面の間の空気、及び被照射体内における多次散乱によって、進行方向が相応に分散することが好ましい。
【００２１】
粒子線が陽子線である場合は、粒子線が比較的軽いため空気と被照射体とによって充分散乱され、粒子線は照射野において空間的に充分混合され得ることになる。しかし、粒子線が炭素線などの比較的重い粒子の粒子線である場合、散乱が生じ難いため粒子線の飛程終端では均一な照射線量分布とはならず、リッジフィルタ１０のリッジの山に相当する位置で線量の谷ができてしまう。つまり、飛程終端位置付近の線量分布には、図４（２）に示すような縞状の周期分布ができてしまう。
【００２２】
図４（２）は、核子当りの運動エネルギーが約４００ＭｅＶである炭素線を、位置が固定されたリッジフィルタ１０を介して照射した場合の、水中の照射野飛程終端部でのＹ方向の線量分布のモンテカルロシミュレーション結果を示す。図４に示すＹ方向というのは、リッジフィルタ１０のリッジ方向（Ｘ方向）と垂直な方向である。図４（２）に見られるＹ方向の線量分布の縞模様の周期は、シミュレーションで用いるリッジフィルタの観測深さ位置における投影像のリッジの周期と同じである。なお比較のために、図４（１）において、同じシミュレーション結果のＸ方向の線量分布を示す。
【００２３】
そこで、粒子線の飛程終端における不均一な照射線量分布を解消するために、本発明の実施の形態１では、図２及び図３に示すように、リッジフィルタ１０が、リッジフィルタ１０の設置平面において粒子線照射中に回転操作される。
【００２４】
上記の回転操作を実現するため次のような構成が取られている。リッジフィルタ１０は、ノックピン（図示せず。）と固定治具（図示せず。）によってリッジフィルタ取付けベース１２に搭載されている。リッジフィルタ取付けベース１２は、支持台１４により支持され、支持台１４外側に備わるモータ１８、及び該モータ１８とリッジフィルタ取付けベース１２とを繋ぐベルト１６により回転される。リッジフィルタ取り付けベース１２と支持台１４との間にはベアリング２０が挟持されている。
【００２５】
粒子線の照射中にリッジフィルタ１０の回転駆動手段であるモータ１８が回転され、ベルト１６を経て、リッジフィルタ取り付けベース１２が回転される。リッジフィルタ取付けベース１２に取り付けられたリッジフィルタ１０は、モータ１８の回転と共に照射中に回転し、これによりリッジフィルタ１０のリッジが様々な方向を向く。ここで、リッジフィルタ１０に入射する粒子線２を微細な部位に分けて考察してみると、微細な部位の粒子線の各々はリッジの谷から山まで様々なポジションを通過することになるから、粒子線の飛程終端では、より均一な線量分布が得られるようになる。従って、例えば図４（２）の線量分布シミュレーションで生じる縞状の分布が平均化されることになる。特に、リッジフィルタ１０の回転中心より離れた部位において平均化は顕著となる。
【００２６】
上記の回転の速度は、粒子線照射間に１回転以上数１０回転以下するようなものであればよい。粒子線照射時間は通常１〜１０分程度である。
【００２７】
以上の説明では、リッジフィルタ１０をその設置平面において回転させるとしたが、リッジフィルタ１０のリッジの山と谷の位置が入れ替わるように並進運動さるようにしても、粒子線飛程終端付近における線量分布の不均一が均され、より均一な線量分布が得られる。この場合の並進運動は、リッジフィルタ１０の厚さ分布周期構造の一周期内で往復するというものであればよい。つまり、照射過程において、リッジフィルタ１０のリッジの山谷との位置を変動させるようにすればよい。この並進運動の速度（周期）は、粒子線照射間に往復動作が少なくとも１回あるというようなものでよい。
【００２８】
本明細書におけるリッジフィルタは、一定の深さ拡大照射範囲（ＳＯＢＰ）を形成するものであるとしている。がん治療では、腫瘍の大きさに応じてＳＯＢＰが変更される必要があるが、その際、リッジフィルタ取付けベース１２に取り付けるリッジフィルタ１０を変更することによりＳＯＢＰが変更されることになればよい。また、リッジフィルタ１０を自動的に取り替えるリッジフィルタ変更機構を設けてもよい。
【００２９】
実施の形態１に係る粒子線がん治療システムでは、リッジフィルタとして図２や図３に示すようなバーリッジを有するようなリッジフィルタを採り上げたが、これに限定されるものではなく、ＳＯＢＰを形成できる周期的な厚さ分布を持つリッジフィルタ（例えば、コーンリッジフィルタ）を用いてもよい。また、第１の拡大手段６と第２の拡大手段８の配置位置は、入れ替えられてもよい。
【００３０】
なお本明細書では議論を単純にするため、リッジフィルタ通過粒子線の散乱による空間的広がりのみを考察の対象にしている。というのは、実際にはリッジフィルタ１０より上流側で粒子線自身の有限サイズと有限エミッタンス（粒子線の進む方向分布を表す量）によっても、粒子線が既に相応の範囲の入射角を持っていると想定されるからであり、この入射角も、例えば第２の通過粒子線２８と第３の通過粒子線３０の空間的範囲を広げることに寄与するからである。本発明の実効性を議論する際には、この有限エミッタンスの効果を散乱による効果に含めて考察することとする。
【００３１】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る粒子線がん治療システムの斜視図である。本発明の実施の形態２に係る粒子線がん治療システムは、本発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療システムと略同様のものである。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略する。
【００３２】
実施の形態２に係る粒子線がん治療システムでは、各々異なるＳＯＢＰを備える照射野を形成する複数のリッジフィルタ１０を被照射体に応じて容易に交換できるように、リッジフィルタ１０の格納機構が設けられている。図５に示すように、リッジフィルタ格納装置３４は円盤状の形状を有し、円盤の外延の近傍に複数のリッジフィルタ１０を格納している。夫々のリッジフィルタ１０のリッジ方向がリッジフィルタ格納装置３４の円盤の半径方向と直交するように、これらのリッジフィルタ１０が格納されている。各々のリッジフィルタ１０は、夫々個別のＳＯＢＰを備える照射野を形成する。
【００３３】
リッジフィルタ格納機構３４の中央部分はリッジフィルタ交換用モータ部３６上に搭載されている。このリッジフィルタ格納機構３４は、対応するリッジフィルタを粒子線の経路に移動させるようにリッジフィルタ交換用モータ部３６により回転される。また、リッジフィルタ格納機構３４とリッジフィルタ交換用モータ部３６は、リッジフィルタ移動装置３８により水平移動される。このリッジフィルタ移動装置３８は、例えばリニアモータから構成されればよい。
【００３４】
更に、リッジフィルタ格納機構３４、リッジフィルタ交換用モータ部３６、及びリッジフィルタ移動装置３８は、固定支持装置４０により支持されている。リッジフィルタ交換用モータ部３６及びリッジフィルタ移動装置３８の動作は、照射制御装置４６により制御される。
【００３５】
粒子線の照射中にはリッジフィルタ１０は、図５に示すように、所定の水平方向４４に移動される。移動する方向４４は、リッジフィルタ移動装置３８の移動する方向である。この方向４４は、照射中の粒子線の経路に設置されるリッジフィルタ１０の設置平面において、リッジフィルタ１０のリッジ方向と直交する方向であることが好ましい。
【００３６】
粒子線照射手段は実施の形態１と同様に、概略、図１に示すように構成される。但し、図１における点線枠Ａ内のリッジフィルタの交換機能に関わる部分は、図５に示すリッジフィルタ格納機構３４により置換されることになる。
【００３７】
続いて、実施の形態２に係る粒子線がん治療システムの動作を説明する。粒子線の照射を開始する前に、被照射体にて要求される照射野の深さ方向におけるＳＯＢＰに応じて、照射制御装置４６は、複数のリッジフィルタ１０のうちから所定のＳＯＢＰを備える照射野を形成するものを粒子線の経路に持ってくるようにする。このとき、照射制御装置４６は、リッジフィルタ交換用モータ部３６を回転させてリッジフィルタ格納機構３４を動かす。
【００３８】
リッジフィルタ格納装置３４の各々のリッジフィルタ１０は、粒子線の経路上においてリッジ方向が、リッジフィルタ移動装置３８の移動方向４４と直交することになるように（即ち、リッジフィルタ格納装置３４の円盤の半径方向と直交するように）、設置方向が決められている。なお、照射開始後は、リッジフィルタ交換用モータ部３６は停止している。
【００３９】
粒子線の照射が開始すると、まず、粒子線発生装置（図示せず。）から（例えば、炭素線イオンを発生するイオン源から）、粒子線（例えば、炭素線）が発生される。粒子線加速手段（図示せず。）によって、粒子線が所定の運動エネルギーまで加速された後、粒子線輸送手段（図示せず。）によって、粒子線照射手段に入射される。
【００４０】
粒子線照射手段に導かれた粒子線は、散乱体やワブリング電磁石などの拡大手段（第１の拡大手段６、第２の拡大手段８）によって断面サイズが拡大された後、図５に示すリッジフィルタ１０に入射される。
【００４１】
照射制御装置４６は、リッジフィルタ移動装置３８を作動し、粒子線の経路上にあるリッジフィルタ１０が粒子線を往復運動で横切ることになるようにする。往復運動は、リッジフィルタ１０の厚さ分布周期構造の一周期内で往復するというものであればよい。リッジフィルタ１０に入射する粒子線２を微細な部位に分けて考察してみると、微細な部位の粒子線の各々はリッジの谷から山まで様々なポジションを通過することになるから、粒子線の飛程終端では、より均一な線量分布が得られるようになる。
【００４２】
つまり、実施の形態２に係る粒子線がん治療システムのリッジフィルタ１０では、一方向にしか粒子線のエネルギーの混合は起こらないが、混合の方向がリッジと直交する方向即ち、リッジが周期的な厚さ分布を有する方向であるため、結局粒子線の全面に混合が生じることになる。従って、照射野の一番深い領域において、リッジフィルタ１０のリッジの並ぶ方向（リッジ方向と直交する方向）における不均一性が均され、より均一な線量分布が得られる。
【００４３】
なお、往復運動は、粒子線照射間に少なくとも１往復の半分を移動するというものであればよい。粒子線照射時間は通常１〜１０分程度であるから、数１０往復であるのが望ましい。
【００４４】
実施の形態２に係る粒子線がん治療システムでも、リッジフィルタとして図２や図３に示すようなバーリッジを有するようなリッジフィルタを採り上げたが、これに限定されるものではなく、ＳＯＢＰを形成できる周期的な厚さ分布を持つリッジフィルタ（例えば、コーンリッジフィルタ）を用いてもよい。
【００４５】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る粒子線がん治療システムの斜視図である。本発明の実施の形態３に係る粒子線がん治療システムは、本発明の実施の形態２に係る粒子線がん治療システムと略同様のものである。但し、本実施の形態３に係る粒子線がん治療システムでは、リッジフィルタ格納機構３４がリッジフィルタ１０を格納する仕組み、及び、リッジフィルタ格納機構３４の動作する仕組みが異なる。
【００４６】
リッジフィルタ格納機構３４は、実施の形態２と同様に円盤状の形状を有し、円盤の外延において、各々異なるＳＯＢＰを備える照射野を形成する複数のリッジフィルタ１０を格納している。ここで、リッジフィルタ１０の（バー）リッジがリッジフィルタ格納機構３４の円盤の中心に概ね向くように、それらリッジフィルタ１０が設置されている。
【００４７】
リッジフィルタ格納機構３４の中央部分は、リッジフィルタ交換・移動用モータ部３６２の上に搭載されている。このリッジフィルタ格納機構３４は、対応するリッジフィルタを粒子線の経路に移動させるようにリッジフィルタ交換・移動用モータ部３６２により回転される。この回転方向は図６において矢印４２で示されている。
【００４８】
また、粒子線の照射中にはリッジフィルタ１０は、図６に示すように、所定の方向４４に比較的小さく移動するように、リッジフィルタ交換・移動用モータ部３６２により回転される。この方向４４は、照射中の粒子線の経路に設置されるリッジフィルタ１０の設置平面において、リッジフィルタ１０のリッジ方向と略直交する方向であるのが好ましい。これらのリッジフィルタ交換・移動用モータ部３６２の回転の動作は、照射制御装置４６により制御される。
【００４９】
粒子線照射手段は実施の形態１と同様に、概略、図１に示すように構成される。但し、図１における点線枠Ａ内のリッジフィルタの交換機能に関わる部分は、図６に示すリッジフィルタ格納機構３４により置換されることになる。
【００５０】
続いて、実施の形態３に係る粒子線がん治療システムの動作を説明する。粒子線の照射を開始する前に、被照射体にて要求される照射野の深さ方向におけるＳＯＢＰに応じて、照射制御装置４６は、複数のリッジフィルタ１０のうちから所定のＳＯＢＰを備える照射野を形成するものを粒子線の経路に持ってくるようにする。このとき、照射制御装置４６は、リッジフィルタ交換・移動用モータ３６２を回転させてリッジフィルタ格納機構３４を動かす。
【００５１】
粒子線の照射が開始すると、まず、粒子線発生装置（図示せず。）から（例えば、炭素線イオンを発生するイオン源から）、粒子線（例えば、炭素線）が発生される。粒子線加速手段（図示せず。）によって、粒子線が所定の運動エネルギーまで加速された後、粒子線輸送手段（図示せず。）によって、粒子線照射手段に入射される。
【００５２】
粒子線照射手段に導かれた粒子線は、散乱体やワブリング電磁石などの拡大手段（第１の拡大手段６、第２の拡大手段８）によって断面サイズが拡大された後、図６に示すリッジフィルタ１０に入射される。
【００５３】
照射制御装置４６は、リッジフィルタ交換・移動用モータ部３６２を作動し、粒子線の経路上にあるリッジフィルタ１０が粒子線を往復運動（移動）で横切ることになるようにする。つまり、照射制御装置４６は、リッジフィルタ１０が設置された位置の近傍で、リッジフィルタ１０の（リッジフィルタ格納機構３４の円盤の回転角における）角度位置が小さい範囲内で変動するように、リッジフィルタ１０を含むリッジフィルタ格納機構３４を往復移動させる。往復運動（移動）は、リッジフィルタ１０の厚さ分布周期構造の一周期内で往復するというものであればよい。このようにすれば、リッジフィルタ１０に入射する粒子線２を微細な部位に分けて考察してみると、微細な部位の粒子線の各々はリッジの谷から山まで様々なポジションを通過することになるから、粒子線の飛程終端では、より均一な線量分布が得られるようになる。上述の往復移動は、一往復の半分だけ移動を行うスウィップ（一掃）移動であってもよい。
【００５４】
なお、往復運動（移動）は、粒子線照射間に少なくとも１往復の半分を移動するというものであればよい。粒子線照射時間は通常１〜１０分程度であるから、数十往復をするのが望ましい。
【００５５】
実施の形態３に係る粒子線がん治療システムのリッジフィルタ１０でも実施の形態２と同様に、一方向にしか粒子線のエネルギーの混合は起こらないが、混合の方向がリッジと直交する方向、即ち、リッジが周期的な厚さ分布を有する方向であるため、結局粒子線の全面に混合が生じることになる。
【００５６】
実施の形態２に比べると、実施の形態３に係る粒子線がん治療システムは、リッジフィルタを交換するための手段と、粒子線照射中にリッジフィルタを移動させる手段とを、一つのモータ部３６２とそのモータ部３６２を動かす照射制御装置４６とで構成している。従って全体のコストをより抑えることができる。
【００５７】
なお、実施の形態３に関する以上の説明では、リッジフィルタ格納機構３４を回転式のものとした。ここでリッジフィルタを、リニアモータ等で直進駆動されるレール上に直線状に、且つ、リッジ方向がレール直進方向と直交するように、設置すれば、同様の効果が得られる。つまり、照射制御装置とリニアモータなどの駆動手段を用いて、リッジフィルタを交換するための手段と、粒子線照射中にリッジフィルタを移動させる手段を構成すれば、粒子線の飛程終端にて均一な線量分布が得られることが期待できる。
【００５８】
実施の形態３に係る粒子線がん治療システムでも、リッジフィルタとして図２や図３に示すようなバーリッジを有するようなリッジフィルタを採り上げたが、これに限定されるものではなく、ＳＯＢＰを形成できる周期的な厚さ分布を持つリッジフィルタ（例えば、コーンリッジフィルタ）を用いてもよい。
【００５９】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態３に係る粒子線がん治療システムを利用して行う粒子線照射方法のフローチャートの例である。図６及び図７を用いて、本発明に係る粒子線照射方法の一例を以下に説明する。
【００６０】
（ステップ１） 粒子線加速手段から出射される粒子線ビームのエネルギーとビーム電流を選択し、設定する。
【００６１】
（ステップ２） 粒子線輸送手段における電磁石などのパラメータを設定する。
【００６２】
（ステップ３） 粒子線を患者に向けて照射する粒子線照射手段に備わるビーム拡大手段のパラメータなどを決定し、対応する拡大手段（第１の拡大手段６、第２の格段手段８）のパラメータをセットする。
【００６３】
（ステップ４） 粒子線ビームの飛程変調をもたらすＳＯＢＰ形成手段（リッジフィルタ）のパラメータを、必要とされる照射野のＳＯＢＰ幅に応じてセットし、対応するＳＯＢＰ形成手段であるリッジフィルタなどを選択し、粒子線の経路に設定する。
【００６４】
（ステップ５） 粒子線照射中における、リッジフィルタの空間位置変動パターンを照射制御装置に設定する。
【００６５】
（ステップ６） リッジフィルタを通過した粒子線を所定形状に整形するためのコリメータに関するパラメータをセットする。
【００６６】
（ステップ７） 被照射体である患者の位置の確認を行う。
【００６７】
（ステップ８） 線量モニタのプリセット値を治療計画などの結果に基づき設定する。
【００６８】
（ステップ９） 粒子線の照射を開始する。粒子線加速手段から粒子線ビームを出射させ、粒子線照射手段にビームを入射させる。
【００６９】
（ステップ１０） 照射制御装置４６において、上記ステップ５にて選択し設定したリッジフィルタの粒子線照射中の空間位置変動パターンに従って、リッジフィルタを所定方向の小範囲内で往復移動若しくは一掃（スウィップ）移動させる。移動はリッジフィルタの厚さ分布変動が存在する方向において行う。その結果、照射中に、リッジフィルタの各々のリッジが隣り合うリッジの位置まで移動できることになり、リッジの厚さ分布に起因する飛程終端における線量の不均一を低減できる。
【００７０】
（ステップ１１） 照射中に、線量モニタにて設定した線量が照射されたかどうかをチェックし、線量満了の場合、ステップ１２に移り、線量満了していない場合は、ステップ１０に移る。
【００７１】
（ステップ１２） 照射を終了させ、停止する。
【００７２】
なお、本実施の形態４では、所定のＳＯＢＰを備える照射野を形成するＳＯＢＰ形成手段（リッジフィルタ）の空間位置を、リッジの厚さ分布が周期的に変化する方向において、その厚さ分布周期の空間長さの半分以上移動させることが重要である。また、必要に応じて、ステップ９、ステップ１０及びステップ１１以外の上記ステップの入れ替えをしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療システムの粒子線照射手段の縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療システムのリッジフィルタの斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療システムのリッジフィルタの拡大断面図である。
【図４】核子当りの運動エネルギーが約４００ＭｅＶである炭素線を、位置が固定されたリッジフィルタを介して照射した場合の、水中の照射野飛程終端部でのＹ方向の線量分布のモンテカルロシミュレーション結果（図４（２））と、同じシミュレーション結果のＸ方向の線量分布（図４（１））である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る粒子線がん治療システムの斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る粒子線がん治療システムの斜視図である。
【図７】本発明に係る粒子線がん治療システムにおける粒子線照射方法のフローチャートの例である。
【符号の説明】
【００７４】
２ 粒子線、 ４ 透過ソースポイント、 ６ 第１の拡大手段、 ８ 第２の拡大手段、 １０ リッジフィルタ、 １２ リッジフィルタ取付けベース、 １４ 支持台、 １６ ベルト、 １８ モータ、 ２０ ベアリング、 ２２ コリメータ、２４ 被照射体、 ２６ 第１の通過粒子線、 ２８ 第２の通過粒子線、 ３０ 第３の通過粒子線、 ３２ 回転軸、 ３４ リッジフィルタ格納機構、 ３６ リッジフィルタ交換用モータ部、 ３６２ リッジフィルタ交換・移動用モータ部、 ３８ リッジフィルタ移動装置、 ４０ 固定支持装置、 ４６ 照射制御装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子線照射手段を有する粒子線がん治療システムであって、
前記粒子線照射手段は、
粒子線が通過する位置によって失うエネルギーが異なる周期的な厚さ分布を有するリッジフィルタと、
粒子線照射中に前記リッジフィルタの空間位置を、粒子線の進行方向に略直交する平面上で変化させる照射中位置変化手段を含むことを特徴とする粒子線がん治療システム。
【請求項２】
前記照射中位置変化手段が、前記リッジフィルタを、リッジフィルタの設置平面内において、粒子線の進行方向の軸であってリッジフィルタの略中央を通る軸の周りで、回転動作させることを特徴とする請求項１に記載の粒子線がん治療システム。
【請求項３】
前記照射中位置変化手段が、前記リッジフィルタを、リッジフィルタの設置平面内において、リッジが周期的な厚さ分布を有する方向に略平行する方向に往復動作させることを特徴とする請求項１に記載の粒子線がん治療システム。
【請求項４】
円盤状の形状を有し、円盤の外延の近傍に複数のリッジフィルタを格納するリッジフィルタ格納手段と、
前記リッジフィルタ格納手段を回転させて、粒子線が通過するリッジフィルタを交換する交換手段を、更に有し、
前記リッジフィルタ格納手段は、夫々のリッジフィルタにおいてリッジが周期的な厚さ分布を有する方向が、リッジフィルタ格納手段の円盤の中心を向くように、各リッジフィルタを格納していることを特徴とする請求項３に記載の粒子線がん治療システム。
【請求項５】
前記照射中位置変化手段が、前記リッジフィルタを、リッジフィルタの設置平面内において、粒子線の進行方向の軸であってリッジフィルタの外を通る軸の周りで、所定の角度範囲内で往復動作させることを特徴とする請求項１に記載の粒子線がん治療システム。
【請求項６】
円盤状の形状を有し、円盤の外延に複数のリッジフィルタを格納しており、円盤の中心が上記軸と一致しているリッジフィルタ格納手段と、
前記リッジフィルタ格納手段を回転させて、粒子線が通過するリッジフィルタを交換する交換手段を、更に有し、
前記リッジフィルタ格納手段は、夫々のリッジフィルタにおいてリッジが周期的な厚さ分布を有する方向が、リッジフィルタ格納手段の円盤の中心を向く方向と略直交するように、リッジフィルタを格納していることを特徴とする請求項５に記載の粒子線がん治療システム。
【請求項７】
レールを有し、レールの上に複数のリッジフィルタを格納するリッジフィルタ格納手段と、
前記リッジフィルタ格納手段をレールに沿う方向に直進駆動させて、粒子線が通過するリッジフィルタを交換する交換手段を、更に有し、
前記リッジフィルタ格納手段は、夫々のリッジフィルタにおいてリッジが周期的な厚さ分布を有する方向が、レールに沿う方向に一致するように、リッジフィルタを格納していることを特徴とする請求項３に記載の粒子線がん治療システム。
【請求項８】
（１）粒子線ビームのＳＯＢＰ形成手段を選択し、選択されたＳＯＢＰ形成手段を粒子線の経路に配置させるステップ、
（２）粒子線ビームのＳＯＢＰ形成手段の粒子線照射中における空間位置の変化パターンを設定するステップ、
（３）線量モニタのプリセット値を設定するステップ、
（４）照射を開始するステップ、
（５）照射中に上記（２）のステップで設定したＳＯＢＰ形成手段の空間位置の変化パターンに従い、ＳＯＢＰ形成手段の空間位置を所定範囲内で変化させるステップ、
（６）照射中に線量モニタで線量モニタのプリセット値が満了されたかを確認し、満了でなければ上記（５）のステップに戻って繰り返し、満了であれば（７）のステップに進むステップ、及び、
（７）照射を停止するステップ
を備えることを特徴とする粒子線照射方法。
【請求項１】
粒子線照射手段を有する粒子線がん治療システムであって、
前記粒子線照射手段は、
粒子線が通過する位置によって失うエネルギーが異なる周期的な厚さ分布を有するリッジフィルタと、
粒子線照射中に前記リッジフィルタの空間位置を、粒子線の進行方向に略直交する平面上で変化させる照射中位置変化手段を含むことを特徴とする粒子線がん治療システム。
【請求項２】
前記照射中位置変化手段が、前記リッジフィルタを、リッジフィルタの設置平面内において、粒子線の進行方向の軸であってリッジフィルタの略中央を通る軸の周りで、回転動作させることを特徴とする請求項１に記載の粒子線がん治療システム。
【請求項３】
前記照射中位置変化手段が、前記リッジフィルタを、リッジフィルタの設置平面内において、リッジが周期的な厚さ分布を有する方向に略平行する方向に往復動作させることを特徴とする請求項１に記載の粒子線がん治療システム。
【請求項４】
円盤状の形状を有し、円盤の外延の近傍に複数のリッジフィルタを格納するリッジフィルタ格納手段と、
前記リッジフィルタ格納手段を回転させて、粒子線が通過するリッジフィルタを交換する交換手段を、更に有し、
前記リッジフィルタ格納手段は、夫々のリッジフィルタにおいてリッジが周期的な厚さ分布を有する方向が、リッジフィルタ格納手段の円盤の中心を向くように、各リッジフィルタを格納していることを特徴とする請求項３に記載の粒子線がん治療システム。
【請求項５】
前記照射中位置変化手段が、前記リッジフィルタを、リッジフィルタの設置平面内において、粒子線の進行方向の軸であってリッジフィルタの外を通る軸の周りで、所定の角度範囲内で往復動作させることを特徴とする請求項１に記載の粒子線がん治療システム。
【請求項６】
円盤状の形状を有し、円盤の外延に複数のリッジフィルタを格納しており、円盤の中心が上記軸と一致しているリッジフィルタ格納手段と、
前記リッジフィルタ格納手段を回転させて、粒子線が通過するリッジフィルタを交換する交換手段を、更に有し、
前記リッジフィルタ格納手段は、夫々のリッジフィルタにおいてリッジが周期的な厚さ分布を有する方向が、リッジフィルタ格納手段の円盤の中心を向く方向と略直交するように、リッジフィルタを格納していることを特徴とする請求項５に記載の粒子線がん治療システム。
【請求項７】
レールを有し、レールの上に複数のリッジフィルタを格納するリッジフィルタ格納手段と、
前記リッジフィルタ格納手段をレールに沿う方向に直進駆動させて、粒子線が通過するリッジフィルタを交換する交換手段を、更に有し、
前記リッジフィルタ格納手段は、夫々のリッジフィルタにおいてリッジが周期的な厚さ分布を有する方向が、レールに沿う方向に一致するように、リッジフィルタを格納していることを特徴とする請求項３に記載の粒子線がん治療システム。
【請求項８】
（１）粒子線ビームのＳＯＢＰ形成手段を選択し、選択されたＳＯＢＰ形成手段を粒子線の経路に配置させるステップ、
（２）粒子線ビームのＳＯＢＰ形成手段の粒子線照射中における空間位置の変化パターンを設定するステップ、
（３）線量モニタのプリセット値を設定するステップ、
（４）照射を開始するステップ、
（５）照射中に上記（２）のステップで設定したＳＯＢＰ形成手段の空間位置の変化パターンに従い、ＳＯＢＰ形成手段の空間位置を所定範囲内で変化させるステップ、
（６）照射中に線量モニタで線量モニタのプリセット値が満了されたかを確認し、満了でなければ上記（５）のステップに戻って繰り返し、満了であれば（７）のステップに進むステップ、及び、
（７）照射を停止するステップ
を備えることを特徴とする粒子線照射方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−７５２４５（Ｐ２００７−７５２４５Ａ）
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２６４９９３（Ｐ２００５−２６４９９３）
【出願日】平成１７年９月１３日（２００５．９．１３）
【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１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月１３日（２００５．９．１３）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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