粒子線ビーム照射装置およびレンジシフタ
【課題】粒子線ビームを被照射体に照射する場合に、被照射領域の深さ方向のサイズが大きい場合も、深さ方向の位置に対してビームサイズの変化を小さくする。
【解決手段】粒子線ビーム照射装置に、粒子線ビームのエネルギーを減衰させる板の集合体であって、ｉを１以上ｎ以下の連続する自然数としたときに単位板厚ｔと２の（ｉ−１）乗との積ｔ×（ｉ−１）２で表される厚さの板２０〜２９の群と、ｔ×（ｎ−１）２で表される厚さの２枚の板３０と、を持つレンジシフタ２０を備える。それぞれの板２０〜３０は、粒子線ビームの進行方向３４に垂直に設けられ、それぞれ独立して粒子線ビームの行路を遮る位置に移動可能に設けられている。
【解決手段】粒子線ビーム照射装置に、粒子線ビームのエネルギーを減衰させる板の集合体であって、ｉを１以上ｎ以下の連続する自然数としたときに単位板厚ｔと２の（ｉ−１）乗との積ｔ×（ｉ−１）２で表される厚さの板２０〜２９の群と、ｔ×（ｎ−１）２で表される厚さの２枚の板３０と、を持つレンジシフタ２０を備える。それぞれの板２０〜３０は、粒子線ビームの進行方向３４に垂直に設けられ、それぞれ独立して粒子線ビームの行路を遮る位置に移動可能に設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被照射体に粒子線ビームを照射する粒子線ビーム照射装置およびそれに用いるレンジシフタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、日本国における死因の第１位であるがんを治療する方法として、炭素などの重粒子ビームや陽子ビームを用いた粒子線治療法が注目されている。この方法は、高い治療効果や、少ない副作用、身体的負担が小さいことなどの優れた特徴を持つ。この方法では、加速器から出射された粒子線ビームをがん細胞に照射することで、正常細胞に与える影響を小さくしながら、がん細胞を死滅させることができる。
【０００３】
この治療方法で現在使用されている粒子線照射方法は、拡大ビーム法と呼ばれる方法である。拡大ビーム法では、粒子線ビームをワブラー法あるいは二重散乱体法と呼ばれる方法によりビーム径を患部サイズ以上に拡大し、照射を行う。そして、マルチリーフコリメータと呼ばれる多数のリーフ（葉）からなる鉄製コリメータにより制限することにより、照射領域を患部形状に合致させる。また、ビーム進行方向（ビーム軸方向）にはリッジフィルタと呼ばれるビーム飛程拡大装置によりビーム停止位置分布を拡大し、ボーラスと呼ばれるポリエチレン製のビーム飛程整形装置によってビーム停止位置を深さ方向での患部形状（外郭）に合致させて照射する。
【０００４】
しかし、拡大ビーム法では、照射領域を３次元的に患部形状に合致させることが厳密にはできない。このため、患部周りの正常細胞への影響を小さくするには限界がある。
【０００５】
そこで、粒子線治療の新しい照射法として、体内患部を深さ方向に分割し、これら分割されたスライス毎に照射野を定義して照射を行う積層原体法が開発されている（たとえば非特許文献１参照）。深さ方向の照射位置の変更は、複数の板で構成されるレンジシフタの挿入板厚を調整することで行われる。レンジシフタの挿入厚を変化させる毎にマルチリーフコリメータの開口形状を変化させることで、模擬的に３次元照射野を形成する。この方法を用いれば、従来の２次元的照射方法と比較して、正常細胞への被曝を抑制することができる。
【０００６】
レンジシフタを用いて深さ方向の照射位置を変更する方法は、加速器で出射エネルギーを調整して深さ方向の照射位置を変更する方法と比べて簡便で、再現性の高い方法である。また、レンジシフタを構成する板の厚さの合計値が最小厚と２のｎ乗との積で構成されるバイナリ型レンジシフタは、少ない板の枚数で大きな範囲の厚さを、最小厚を単位として確保できる点で優れている。
【０００７】
しかし、このレンジシフタを用いる方法では次のような問題があることがわれわれのシミュレーション計算で明らかになった。レンジシフタを通過したビームは、レンジシフタの板により散乱の影響を受ける。このため、レンジシフタの挿入厚に対応する患部位置におけるビームサイズが異なってしまう。また、患部におけるビームサイズは、レンジシフタの挿入厚の他、レンジシフタを構成する板と患部の距離によっても影響を受ける。このため、レンジシフタの挿入厚を一定の間隔で増加させても、板の配置関係によってビームサイズが大きく変化する挿入厚が存在する。
【０００８】
レンジシフタの散乱効果は、粒子線の種類によって異なり、陽子線など原子数の少ない場合に特に大きくなる。また、ビームエネルギーが低い場合、すなわち、患部の位置が体内の浅い位置の場合にも影響が大きくなる。
【０００９】
積層原体照射法においてビームを拡大する方法には、たとえばワブラー法と呼ばれる方法がある。この方法では、ビーム軌道は円形を描き、軌道半径Ａと、照射野径Ｒ、ビームサイズσの関係を次式とする。
【数１】
【００１０】
照射野径Ｒに対して、この関係が成り立つよう散乱体の厚さを選択してビームサイズσが調整される。そして、この関係式が成り立てば照射野での線量分布の平坦度が確保できることが知られている。
【００１１】
しかし、深さ方向の位置を変更するためにレンジシフタの厚さを変更すると、レンジシフタによりビームサイズが変化してしまう。したがって、特に深さ方向の患部サイズが大きい場合には平坦度が確保できなくなる。
【００１２】
また、他のビームを拡大する方法として、螺旋ワブラー法と呼ばれる方法がある。この方法では、次式により、ビーム軌道は螺旋軌道を描き、一様な分布を形成する。
【数２】
【００１３】
ここで、αはＸ電磁石とＹ電磁石の位相差で通常（π／２）だけずらして与える。ワブラー周波数は２πω、振幅周波数は１／Ｔであり、たとえばワブラー周波数は５９Ｈｚ、振幅周波数は１／Ｔ＝２３Ｈｚである。ワブラー最大軌道半径Ａは、照射野半径Ｒ、ビームサイズσを用いて、次式のように設定すれば一様な線量分布が得られることが知られている。
【００１４】
Ａ＝Ｒ＋２σ （３）
ここでもビームサイズσは、散乱体の厚さを選択することで調整する（たとえば特許文献１参照）。
【００１５】
しかし、螺旋ワブラー法の場合も同様に、深さ方向の位置を変更するためにレンジシフタの厚さを変更すると、レンジシフタによりビームサイズが変化してしまう。したがって、特に深さ方向の患部サイズが大きい場合には平坦度が確保できなくなる。
【００１６】
粒子線治療のさらに進んだ照射法として、スキャニング照射法と呼ばれる方法が研究されている。この方法では、治療部位を仮想的に３次元格子点に切り分け照射を行う。このような３次元照射方法では、形状コリメータやボーラスを用いることなく、ビーム軸方向についても精度よく患部に合わせることが可能になり、積層原体照射法よりもさらに正常細胞への被曝を抑制することができる。
【００１７】
このスキャニング照射法においても、レンジシフタを用いて深さ方向の照射位置を変更する場合は、レンジシフタの挿入厚によりビームサイズが変化してしまう。非特許文献２には、深さ方向の位置によってビームサイズが異なっても平坦な分布が得られる治療計画の最適化方法が記載されている。しかし、ビームサイズがレンジシフタの板の組み合わせで大きく変化するならば、治療計画においてこの変化をレンジシフタ厚の連続関数ではなく、レンジシフタの板の組み合わせに対するパラメータテーブルとして与える必要があり、治療計画が複雑なものになってしまう。
【００１８】
また、スキャニング照射法では、マルチリーフコリメータで照射野を制限しないため、ビームサイズが大きくなると、照射野領域の境界部分の線量の切れが悪くなる。線量分布の切れを示す指標にペナンブラという値があり、これは平坦な領域の線量の９０％から１０％になるまでの距離で定義される。このペナンブラはビームサイズの１．５〜２．０倍であり、ペナンブラを小さくして正常組織への被爆量を低下させるにはビームサイズの拡大を抑制する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００５−１０３２５５号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】Hiroshi Asakura, et. al., "Treatment planning for the layer-stacking irradiation system for three-dimensional conformal heavy-ion radiotherapy", Med. Phys., 29(12), ２００２年１２月
【非特許文献２】古川 卓司、外、「３次元スキャニング照射装置の設計検討」、放射線医学総合研究所、ＨＩＭＡＣレポート、ＨＩＭＡＣ−１２４、２００７年４月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
積層原体照射法あるいはスキャニング照射法においてレンジシフタを用いて深さ方向の照射野を変更する場合、レンジシフタの挿入厚によってビームサイズが変化してしまう。このため、照射野における平坦度を十分に確保できなくなる場合がある。平坦度が確保できなければ線量不足の領域が発生し、十分な治療効果が得られなくなる可能性がある。
【００２２】
また、ビームサイズの増加は、照射野の境界における線量の切れの悪化をもたらす。このため、患部の外側の正常組織への被曝量が大きくなり、副作用をもたらすリスクが増加する。
【００２３】
そこで、本発明は、粒子線ビームを被照射体に照射する場合に、被照射領域の深さ方向のサイズが大きい場合も、深さ方向の位置に対してビームサイズの変化を小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上述の目的を達成するため、本発明は、被照射体に粒子線ビームを照射する粒子線ビーム照射装置において、前記粒子線ビームを発生する粒子線発生器と、前記粒子線ビームのエネルギーを減衰させる板の集合体であって、ｉを１以上ｎ以下の連続する自然数としたときに単位板厚ｔと２の（ｉ−１）乗との積ｔ×（ｉ−１）２で表される厚さの板群と、ｔ×（ｎ−１）２で表される厚さの２枚の板と、を含み、それぞれの板が独立して前記粒子線ビームの行路を遮る位置に移動可能に設けられたレンジシフタと、を有することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明は、被照射体に粒子線ビームを照射する粒子線ビーム照射装置のレンジシフタにおいて、前記粒子線ビームのエネルギーを減衰させる板の集合体であって、ｉを１以上ｎ以下の連続する自然数としたときに単位板厚ｔと２の（ｉ−１）乗との積ｔ×（ｉ−１）２で表される厚さの板群と、ｔ×（ｎ−１）２で表される厚さの２枚の板と、を含み、それぞれの板が独立して前記粒子線ビームの行路を遮る位置に移動可能に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、粒子線ビームを被照射体に照射する場合に、被照射領域の深さ方向のサイズが大きい場合も、深さ方向の位置に対してビームサイズの変化を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る粒子線ビーム照射装置の一実施の形態におけるレンジシフタの側面図である。
【図２】本発明に係る粒子線ビーム照射装置の一実施の形態における斜視図である。
【図３】本発明に係る粒子線ビーム照射装置の一実施の形態における積層原体照射のフローチャートである。
【図４】本発明に係る粒子線ビーム照射装置の一実施の形態における最大板厚の２枚の板を一枚の板に置き換え、患部内のビーム停止位置を調整したときの挿入厚とビームサイズの関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係る粒子線ビーム照射装置の一実施の形態における患部内のビーム停止位置を調整したときの挿入厚とビームサイズの関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る粒子線ビーム照射装置の一実施の形態の対照例における患部内のビーム停止位置を調整したときの挿入厚とビームサイズの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明に係る粒子線ビーム照射装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２９】
図２は、本発明に係る粒子線ビーム照射装置の一実施の形態における斜視図である。
【００３０】
本実施の形態の粒子線ビーム照射装置２は、積層原体照射法によって、治療用ベッドあるいは治療用椅子に乗った患者の患部１に粒子線ビーム１３を照射する装置である。なお照射対象は、人間に限定されるものではない。
【００３１】
この粒子線ビーム照射装置２は、粒子線発生器１４、スキャニング磁石３、散乱体４、線量モニタ５、位置モニタ６、リッジフィルタ７、レンジシフタ２０、マルチリーフコリメータ９、ボーラス１０、スキャニング磁石用電源１１、および、照射機器制御器１２を有している。粒子線発生器１４は、粒子線ビーム１３を発生させる。粒子線ビーム１３とは、炭素などの重粒子ビームや陽子ビームである。散乱体４の厚さは、患部１におけるビームサイズが照射野サイズＲに対して式１に従うビームサイズになるように設定する。
【００３２】
スキャニング磁石３は、スキャニング磁石３に入射した粒子線ビーム１３を走査する。粒子線ビーム１３の走査は、スキャニング磁石用電源１１の出力電流を制御することで行われる。
【００３３】
図１は、本実施の形態におけるレンジシフタの側面図である。
【００３４】
レンジシフタ２０は、粒子線ビーム１３のエネルギーを減衰させる１１枚の複数の板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０を有している。これらの板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０は、粒子線ビーム１３の入社方向３４に垂直な方向に広がっている。これらの板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０は、たとえばアクリル板である。
【００３５】
患部１は、たとえば１辺が最大１５ｃｍ程度の領域である。そこで、それぞれの板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０は、たとえば２０ｃｍ四方の板とする。
【００３６】
レンジシフタ２０の板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０は、ｉを１以上ｎ以下の連続する自然数としたときに、単位板厚をｔと２の（ｉ−１）乗との積ｔ×（ｉ−１）２で表される厚さを持つ板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９の群と、ｔ×（ｎ−１）２で表される厚さの２枚の板３０とからなる。
【００３７】
単位板厚ｔはたとえば０．２ｍｍであり、自然数ｎは９である。すなわち、レンジシフタ２０は、板厚が０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．６ｍｍ、３．２ｍｍ、６．４ｍｍ、１２．８ｍｍ、２５．６ｍｍ、５１．２ｍｍの板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９の群と、５１．２ｍｍの２枚の板３０とを備えている。つまり、このレンジシフタ２０は、単位板厚が０．２ｍｍのバイナリ型のレンジシフタに、最大板厚の板２９と同じ厚さの板３０を２枚追加したものである。これらの全ての板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０が挿入されたときの厚さは、２０４．８ｍｍとなる。各板の厚さは、要求される体内ビーム停止位置精度（通常０．２ｍｍ）の範囲内の誤差を持っていてもよい。
【００３８】
このレンジシフタ２０において、患部１に近いほど、板厚が薄くなるように並べられている。これは、照射すべき患部１の深さが浅いほど、照射深さの精度を高めるため、照射深さが浅い場合に対応する薄い板厚の板ほど患部１の近くに配置するためである。また、レンジシフタ２０の板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０の最大厚は、板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０をすべて挿入したときの厚さ２０４．６ｍｍに最小厚０．２ｍｍを加えた量の１／４以下になる。
【００３９】
それぞれの板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０には、腕３１が結合されている。それぞれの腕３１は、それぞれを独立して移動させる駆動機構３２に取り付けられている。駆動機構３２は、腕３１を介して、それぞれの板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０を粒子線ビーム１３の行路を遮る位置に移動させる。
【００４０】
レンジシフタ２０の板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０、腕３１および駆動機構３２は、たとえば筐体３３の内部に収納されている。図１は、全ての板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０が、粒子線ビーム１３の行路を遮る位置に移動した状態を示している。
【００４１】
レンジシフタ２０は、患部１内のビーム軸方向の位置（Ｚ）を制御する。つまり、レンジシフタ２０は、複数の厚さの板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０の組み合わせることによりレンジシフタ２０を通過する粒子線ビーム１３のエネルギー、すなわち体内飛程を、患部１のスライス面に合わせて段階的に変化させることができる。レンジシフタ２０における体内飛程の制御は、一般的には一定間隔をもって切り替えられる。
【００４２】
リッジフィルタ７は、単エネルギーの粒子線ビーム１３の非常にシャープな体内深さ方向のピーク線量（ブラッグピークと呼ばれる）を、レンジシフタ２０によって切り替えられる体内飛程の間隔に対応するように拡大する。積層原体照射用のリッジフィルタ７は、アルミニウム製の棒片が複数並べられて形成されている。これらアルミニウム製の棒片は、ほぼ二等辺三角形の断面形状を持ち、ビームの経路長の違いによって粒子線ビーム１３のビームエネルギーが変化するようになっている。
【００４３】
線量モニタ５は、照射する線量を測定するためのものであり、容器内にて粒子線の電離作用により生じた電荷を平行電極で収集する電離箱や、容器内に配置された二次電子放出膜から放出される二次電子を計測するＳＥＭ装置などが用いられる。位置モニタ６は、スキャニング磁石３により走査されたビーム位置が正しい位置にあるかどうかを識別するためのものであり、線量モニタと同様の構成を持ち、収集電極が例えば短冊状に分割されたもの、あるいは容器内に複数のワイヤからなる収集電極を用いたものなどが使用される。
【００４４】
マルチリーフコリメータ９は、たとえば５ｍｍの厚さの鉄製板を多数組み合わせて形成され、各鉄製板は駆動機構により独立に粒子線ビーム１３の断面内に位置が変更できるようになっている。そして、これら各各鉄製板で形成する開口形状を患部１の形状に合わせることで、患部１の外側に粒子線ビーム１３が照射されるのを防止する。ボーラス１０は、照射領域の深い側外郭形状を患部形状に合致させる。ボーラス１０は、たとえばアクリルのブロックを、患部１の形状に合致するよう機械的に切削されて製作される。
【００４５】
図３は、本実施の形態における積層原体照射のフローチャートである。
【００４６】
この粒子線ビーム照射装置を用いて、次のように積層原体照射が行われる。まず、患部１の粒子線ビーム１３の進行方向の深い側の外郭形状に合わせてあらかじめ加工されたボーラス１０を、マルチリーフコリメータ９のボーラス取り付け部に取り付ける（Ｓ１）。続いて、患部１を粒子線ビーム１３のビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、最深スライスの位置、すなわち、粒子線発生器１４から粒子線ビーム１３の進行方向で最も遠い照射領域の位置、に応じて粒子線ビーム１３の入射エネルギーとレンジシフタ２０のアクリル板厚とが選定される。このとき、散乱体４の厚さは、最深スライスの位置でビームサイズが約２．５ｃｍになるよう、別途実施した測定の結果をもとに選択される（Ｓ２）。
【００４７】
次に、粒子線ビーム１３の進行方向から見たときの患部、つまりビーム軸断面に射影された患部、を内接する円の半径よりやや大きい円の半径を照射野半径Ｒとして選び、式３にもとづいて患部位置のビーム最大軌道半径Ａを決定する。これらの照射野半径Ｒおよび最大軌道半径Ａに基づいて、式２のようにビーム軌道が走査できるようスキャニング電磁石電源１１の電流波形が設定され、また、マルチリーフコリメータ９は最深スライスの患部形状に合致するよう駆動機構により開口形状が調整される（Ｓ３）。
【００４８】
その後、粒子線発生器１４からのビーム出射が開始される（Ｓ４）。スキャニング磁石３を通過する際に単エネルギーであった粒子線ビーム１３は、リッジフィルタ７によって、体内飛程分布がスライス幅に対応するようエネルギー分布が拡大される。このスライスにおける照射線量は、線量モニタ４により監視され、予定線量の照射が検出される（Ｓ５）と、粒子線発生器１４からのビーム出射が停止される（Ｓ６）。
【００４９】
ビーム出射が停止された状態で、レンジシフタ２０におけるアクリル厚が変更される。このとき、同時に次のスライスの患部１の形状に合致するようマルチリーフコリメータ９の開口形状は調整される。レンジシフタ２０およびマルチリーフコリメータ９の設定が完了すると、次の照射が開始される。これをスライス毎に順次繰り返すことで積層的な照射を行う。最終スライスまで照射が完了したら（Ｓ７）、この積層原体照射を終了する。
【００５０】
図４は、本実施の形態における最大板厚の２枚の板を一枚の板に置き換え、患部内のビーム停止位置を調整したときの挿入厚とビームサイズの関係を示すグラフである。つまり、このグラフは、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．６ｍｍ、３．２ｍｍ、６．４ｍｍ、１２．８ｍｍ、２５．６ｍｍ、５１．２ｍｍおよび１０２．４ｍｍの板を用いた場合の関係である。また、このグラフは、粒子線ビーム１３をビームエネルギー２９０ＭｅＶ／核子の炭素線ビームとした場合について、シミュレーション計算により求めた結果である。
【００５１】
図４から、挿入厚とともにビームサイズが大きくなり、挿入厚が１０２．４ｍｍの位置でビームサイズが大きく変化していることがわかる。挿入厚が１０２．４ｍｍ以下では、最大厚である１０２．４ｍｍの板を使用せずにビーム停止位置を調整しているため、挿入厚の変化に対するビームサイズの変化が小さい。しかし、挿入厚が１０２．４ｍｍを超えるときには、患部から最も遠い位置にある最大厚１０２．４ｍｍの板が挿入されるため、患部位置のビームサイズが強く影響を受けるためである。
【００５２】
このため、特にレンジシフタ２０の板を１０２．４ｍｍ以上挿入したときのビーム停止位置においては、ビームサイズσと最大軌道半径Ａの関係が（３）式の条件からずれてしまう。したがって、このビーム停止位置では、線量分布の平坦性が確保できなくなる。
【００５３】
図５は、本実施の形態における患部内のビーム停止位置を調整したときの挿入厚とビームサイズの関係を示すグラフである。つまり、このグラフは、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．６ｍｍ、３．２ｍｍ、６．４ｍｍ、１２．８ｍｍ、２５．６ｍｍ、５１．２ｍｍの板群および２枚の５１．２ｍｍの板を用いた場合の関係である。また、このグラフは、粒子線ビーム１３をビームエネルギー２９０ＭｅＶ／核子の炭素線ビームとした場合について、シミュレーション計算により求めた結果である。
【００５４】
図５を図４と比較すると、本実施の形態では、挿入厚が１０２．４ｍｍの位置におけるビームサイズの変化量が小さいことがわかる。また、挿入厚が１０２．４ｍｍ以上では、図４に示したレンジシフタの場合より、ビームサイズが小さくなることがわかる。
【００５５】
このため、特にレンジシフタを１０２．４ｍｍ以上挿入したときのビーム停止位置における、ビームサイズσと最大軌道半径Ａの関係の（３）式の条件からのずれは、図４に示したレンジシフタの場合より小さくなる。なお、本実施の形態のレンジシフタ２０を用いることで、線量分布の平坦性が確保できる照射野サイズの範囲が大幅に広がることが、別途行った線量分布シミュレーションにより確認された。
【００５６】
本実施の形態では、バイナリ型のレンジシフタに最大板厚の板を２枚追加している。つまり、全ての板でバイナリ型のレンジシフタとなる場合の最大の板厚の板を２枚の同じ厚さの板とすることによって、全ての板を挿入したときの板厚を同じにしたまま、板の挿入厚に対するビームサイズの急激な変化を抑制することができる。このため、深さ方向の患部１のサイズが大きい場合も、深さ方向の位置に対してビームサイズの変化を小さくできる。
【００５７】
また、レンジシフタ２０の板の枚数および厚さは、ここで示した例に限定されない。たとえば、レンジシフタ２０の板の組み合わせとして、０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、４．０ｍｍ、８．０ｍｍ、１６．０ｍｍ、３２．０ｍｍ、６４．０ｍｍ、６４．０ｍｍ、６４．０ｍｍとしてもよい。
【００５８】
一般的に入手可能なアクリル板の厚さは、最小０．２ｍｍ、厚さの間隔は０．１ｍｍである。よって、一般的に入手可能なアクリル板で構成するとして、レンジシフタの板の組み合わせが、０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、４．０ｍｍ、８．０ｍｍ、１６．０ｍｍ、３２．０ｍｍ、６４．０ｍｍ、６４．０ｍｍ、６４．０ｍｍであってもよい。
【００５９】
さらに、レンジシフタ２０は、バイナリ型の板群よりも厚さが小さい板を備えてもよい。微調用として最小厚の板を複数追加したような場合、たとえば、レンジシフタ２０の板の組み合わせが、０．２ｍｍ、０．２ｍｍ、０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、４．０ｍｍ、８．０ｍｍ、１６．０ｍｍ、３２．０ｍｍ、６４．０ｍｍ、６４．０ｍｍ、６４．０ｍｍであってもよい。
【００６０】
本実施の形態では、レンジシフタの板は、板厚が小さいものほど、患部の近くに配置している。図６は、本実施の形態とは逆に板厚が大きいものほど患部の近くに配置した場合（対照例）のビームサー図のグラフを示している。この場合、板の配置関係により、挿入厚が大きくなってもビームサイズが小さくなるところが生じる。粒子線治療では一般に、深い位置でビームサイズが小さく、浅い位置ほどビームサイズが大きいことを想定して治療計画を立てるため、このような依存関係は好ましくない。すなわち、レンジシフタの板は、板厚が小さいものほど、患部近くに配置することが適している。
【００６１】
ここでは、レンジシフタ２０を積層原体照射法の照射装置を用いて説明した。しかし、このレンジシフタ２０は、まったく同じ構成を持ってスキャニング照射法の照射装置（スキャニング照射装置）に用いることができる。スキャニング照射装置では、散乱体やマルチリーフコリメータ、ボーラスなどの拡大ビーム法の機器が不要である。スキャニング照射法は拡大ビーム法と異なり、細いビームを３次元的に走査しながら照射を行うので、レンジシフタ２０における散乱の影響度はさらに大きくなる。また、スキャニング照射法ではマルチリーフコリメータで照射野を限定するわけでないので、ビームサイズのずれが抑制されれば、照射領域の境界の線量の切れが悪くなるのを抑制することができる。さらに、ビームサイズをレンジシフタの挿入厚の関数として近似できるようになり、治療計画における最適化コードを簡素化することができる。
【００６２】
このように本実施の形態のレンジシフタを用いることにより、照射野線量分布の平坦度が良好になり、また、照射野領域の境界の線量の切れがよくなる。これらのため、副作用が少なく治療効果の高い粒子線ビーム照射装置を提供することができる。
【００６３】
なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。たとえば上述の実施の形態では、螺旋ワブラー法の装置を例として示しているが、ワブラー法の装置にも適用できる。ワブラー法の装置も電磁石電源の電流パターンおよび電磁石の磁場パターンが異なるのみで基本構成は同様である。また、レンジシフタの粒子線ビームのエネルギーを減衰させる板の枚数は１１枚より多くても、少なくてもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１…患部、２…粒子線ビーム照射装置、３…スキャニング磁石、４…散乱体、５…線量モニタ、６…位置モニタ、７…リッジフィルタ、９…マルチリーフコリメータ、１０…ボーラス、１１…スキャニング磁石用電源、１２…照射機器制御器、１３…粒子線ビーム、１４…粒子線発生器、２０…レンジシフタ、２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０…板、３１…腕、３２…駆動機構、３３…筐体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被照射体に粒子線ビームを照射する粒子線ビーム照射装置およびそれに用いるレンジシフタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、日本国における死因の第１位であるがんを治療する方法として、炭素などの重粒子ビームや陽子ビームを用いた粒子線治療法が注目されている。この方法は、高い治療効果や、少ない副作用、身体的負担が小さいことなどの優れた特徴を持つ。この方法では、加速器から出射された粒子線ビームをがん細胞に照射することで、正常細胞に与える影響を小さくしながら、がん細胞を死滅させることができる。
【０００３】
この治療方法で現在使用されている粒子線照射方法は、拡大ビーム法と呼ばれる方法である。拡大ビーム法では、粒子線ビームをワブラー法あるいは二重散乱体法と呼ばれる方法によりビーム径を患部サイズ以上に拡大し、照射を行う。そして、マルチリーフコリメータと呼ばれる多数のリーフ（葉）からなる鉄製コリメータにより制限することにより、照射領域を患部形状に合致させる。また、ビーム進行方向（ビーム軸方向）にはリッジフィルタと呼ばれるビーム飛程拡大装置によりビーム停止位置分布を拡大し、ボーラスと呼ばれるポリエチレン製のビーム飛程整形装置によってビーム停止位置を深さ方向での患部形状（外郭）に合致させて照射する。
【０００４】
しかし、拡大ビーム法では、照射領域を３次元的に患部形状に合致させることが厳密にはできない。このため、患部周りの正常細胞への影響を小さくするには限界がある。
【０００５】
そこで、粒子線治療の新しい照射法として、体内患部を深さ方向に分割し、これら分割されたスライス毎に照射野を定義して照射を行う積層原体法が開発されている（たとえば非特許文献１参照）。深さ方向の照射位置の変更は、複数の板で構成されるレンジシフタの挿入板厚を調整することで行われる。レンジシフタの挿入厚を変化させる毎にマルチリーフコリメータの開口形状を変化させることで、模擬的に３次元照射野を形成する。この方法を用いれば、従来の２次元的照射方法と比較して、正常細胞への被曝を抑制することができる。
【０００６】
レンジシフタを用いて深さ方向の照射位置を変更する方法は、加速器で出射エネルギーを調整して深さ方向の照射位置を変更する方法と比べて簡便で、再現性の高い方法である。また、レンジシフタを構成する板の厚さの合計値が最小厚と２のｎ乗との積で構成されるバイナリ型レンジシフタは、少ない板の枚数で大きな範囲の厚さを、最小厚を単位として確保できる点で優れている。
【０００７】
しかし、このレンジシフタを用いる方法では次のような問題があることがわれわれのシミュレーション計算で明らかになった。レンジシフタを通過したビームは、レンジシフタの板により散乱の影響を受ける。このため、レンジシフタの挿入厚に対応する患部位置におけるビームサイズが異なってしまう。また、患部におけるビームサイズは、レンジシフタの挿入厚の他、レンジシフタを構成する板と患部の距離によっても影響を受ける。このため、レンジシフタの挿入厚を一定の間隔で増加させても、板の配置関係によってビームサイズが大きく変化する挿入厚が存在する。
【０００８】
レンジシフタの散乱効果は、粒子線の種類によって異なり、陽子線など原子数の少ない場合に特に大きくなる。また、ビームエネルギーが低い場合、すなわち、患部の位置が体内の浅い位置の場合にも影響が大きくなる。
【０００９】
積層原体照射法においてビームを拡大する方法には、たとえばワブラー法と呼ばれる方法がある。この方法では、ビーム軌道は円形を描き、軌道半径Ａと、照射野径Ｒ、ビームサイズσの関係を次式とする。
【数１】
【００１０】
照射野径Ｒに対して、この関係が成り立つよう散乱体の厚さを選択してビームサイズσが調整される。そして、この関係式が成り立てば照射野での線量分布の平坦度が確保できることが知られている。
【００１１】
しかし、深さ方向の位置を変更するためにレンジシフタの厚さを変更すると、レンジシフタによりビームサイズが変化してしまう。したがって、特に深さ方向の患部サイズが大きい場合には平坦度が確保できなくなる。
【００１２】
また、他のビームを拡大する方法として、螺旋ワブラー法と呼ばれる方法がある。この方法では、次式により、ビーム軌道は螺旋軌道を描き、一様な分布を形成する。
【数２】
【００１３】
ここで、αはＸ電磁石とＹ電磁石の位相差で通常（π／２）だけずらして与える。ワブラー周波数は２πω、振幅周波数は１／Ｔであり、たとえばワブラー周波数は５９Ｈｚ、振幅周波数は１／Ｔ＝２３Ｈｚである。ワブラー最大軌道半径Ａは、照射野半径Ｒ、ビームサイズσを用いて、次式のように設定すれば一様な線量分布が得られることが知られている。
【００１４】
Ａ＝Ｒ＋２σ （３）
ここでもビームサイズσは、散乱体の厚さを選択することで調整する（たとえば特許文献１参照）。
【００１５】
しかし、螺旋ワブラー法の場合も同様に、深さ方向の位置を変更するためにレンジシフタの厚さを変更すると、レンジシフタによりビームサイズが変化してしまう。したがって、特に深さ方向の患部サイズが大きい場合には平坦度が確保できなくなる。
【００１６】
粒子線治療のさらに進んだ照射法として、スキャニング照射法と呼ばれる方法が研究されている。この方法では、治療部位を仮想的に３次元格子点に切り分け照射を行う。このような３次元照射方法では、形状コリメータやボーラスを用いることなく、ビーム軸方向についても精度よく患部に合わせることが可能になり、積層原体照射法よりもさらに正常細胞への被曝を抑制することができる。
【００１７】
このスキャニング照射法においても、レンジシフタを用いて深さ方向の照射位置を変更する場合は、レンジシフタの挿入厚によりビームサイズが変化してしまう。非特許文献２には、深さ方向の位置によってビームサイズが異なっても平坦な分布が得られる治療計画の最適化方法が記載されている。しかし、ビームサイズがレンジシフタの板の組み合わせで大きく変化するならば、治療計画においてこの変化をレンジシフタ厚の連続関数ではなく、レンジシフタの板の組み合わせに対するパラメータテーブルとして与える必要があり、治療計画が複雑なものになってしまう。
【００１８】
また、スキャニング照射法では、マルチリーフコリメータで照射野を制限しないため、ビームサイズが大きくなると、照射野領域の境界部分の線量の切れが悪くなる。線量分布の切れを示す指標にペナンブラという値があり、これは平坦な領域の線量の９０％から１０％になるまでの距離で定義される。このペナンブラはビームサイズの１．５〜２．０倍であり、ペナンブラを小さくして正常組織への被爆量を低下させるにはビームサイズの拡大を抑制する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００５−１０３２５５号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】Hiroshi Asakura, et. al., "Treatment planning for the layer-stacking irradiation system for three-dimensional conformal heavy-ion radiotherapy", Med. Phys., 29(12), ２００２年１２月
【非特許文献２】古川 卓司、外、「３次元スキャニング照射装置の設計検討」、放射線医学総合研究所、ＨＩＭＡＣレポート、ＨＩＭＡＣ−１２４、２００７年４月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
積層原体照射法あるいはスキャニング照射法においてレンジシフタを用いて深さ方向の照射野を変更する場合、レンジシフタの挿入厚によってビームサイズが変化してしまう。このため、照射野における平坦度を十分に確保できなくなる場合がある。平坦度が確保できなければ線量不足の領域が発生し、十分な治療効果が得られなくなる可能性がある。
【００２２】
また、ビームサイズの増加は、照射野の境界における線量の切れの悪化をもたらす。このため、患部の外側の正常組織への被曝量が大きくなり、副作用をもたらすリスクが増加する。
【００２３】
そこで、本発明は、粒子線ビームを被照射体に照射する場合に、被照射領域の深さ方向のサイズが大きい場合も、深さ方向の位置に対してビームサイズの変化を小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上述の目的を達成するため、本発明は、被照射体に粒子線ビームを照射する粒子線ビーム照射装置において、前記粒子線ビームを発生する粒子線発生器と、前記粒子線ビームのエネルギーを減衰させる板の集合体であって、ｉを１以上ｎ以下の連続する自然数としたときに単位板厚ｔと２の（ｉ−１）乗との積ｔ×（ｉ−１）２で表される厚さの板群と、ｔ×（ｎ−１）２で表される厚さの２枚の板と、を含み、それぞれの板が独立して前記粒子線ビームの行路を遮る位置に移動可能に設けられたレンジシフタと、を有することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明は、被照射体に粒子線ビームを照射する粒子線ビーム照射装置のレンジシフタにおいて、前記粒子線ビームのエネルギーを減衰させる板の集合体であって、ｉを１以上ｎ以下の連続する自然数としたときに単位板厚ｔと２の（ｉ−１）乗との積ｔ×（ｉ−１）２で表される厚さの板群と、ｔ×（ｎ−１）２で表される厚さの２枚の板と、を含み、それぞれの板が独立して前記粒子線ビームの行路を遮る位置に移動可能に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、粒子線ビームを被照射体に照射する場合に、被照射領域の深さ方向のサイズが大きい場合も、深さ方向の位置に対してビームサイズの変化を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る粒子線ビーム照射装置の一実施の形態におけるレンジシフタの側面図である。
【図２】本発明に係る粒子線ビーム照射装置の一実施の形態における斜視図である。
【図３】本発明に係る粒子線ビーム照射装置の一実施の形態における積層原体照射のフローチャートである。
【図４】本発明に係る粒子線ビーム照射装置の一実施の形態における最大板厚の２枚の板を一枚の板に置き換え、患部内のビーム停止位置を調整したときの挿入厚とビームサイズの関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係る粒子線ビーム照射装置の一実施の形態における患部内のビーム停止位置を調整したときの挿入厚とビームサイズの関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る粒子線ビーム照射装置の一実施の形態の対照例における患部内のビーム停止位置を調整したときの挿入厚とビームサイズの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明に係る粒子線ビーム照射装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２９】
図２は、本発明に係る粒子線ビーム照射装置の一実施の形態における斜視図である。
【００３０】
本実施の形態の粒子線ビーム照射装置２は、積層原体照射法によって、治療用ベッドあるいは治療用椅子に乗った患者の患部１に粒子線ビーム１３を照射する装置である。なお照射対象は、人間に限定されるものではない。
【００３１】
この粒子線ビーム照射装置２は、粒子線発生器１４、スキャニング磁石３、散乱体４、線量モニタ５、位置モニタ６、リッジフィルタ７、レンジシフタ２０、マルチリーフコリメータ９、ボーラス１０、スキャニング磁石用電源１１、および、照射機器制御器１２を有している。粒子線発生器１４は、粒子線ビーム１３を発生させる。粒子線ビーム１３とは、炭素などの重粒子ビームや陽子ビームである。散乱体４の厚さは、患部１におけるビームサイズが照射野サイズＲに対して式１に従うビームサイズになるように設定する。
【００３２】
スキャニング磁石３は、スキャニング磁石３に入射した粒子線ビーム１３を走査する。粒子線ビーム１３の走査は、スキャニング磁石用電源１１の出力電流を制御することで行われる。
【００３３】
図１は、本実施の形態におけるレンジシフタの側面図である。
【００３４】
レンジシフタ２０は、粒子線ビーム１３のエネルギーを減衰させる１１枚の複数の板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０を有している。これらの板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０は、粒子線ビーム１３の入社方向３４に垂直な方向に広がっている。これらの板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０は、たとえばアクリル板である。
【００３５】
患部１は、たとえば１辺が最大１５ｃｍ程度の領域である。そこで、それぞれの板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０は、たとえば２０ｃｍ四方の板とする。
【００３６】
レンジシフタ２０の板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０は、ｉを１以上ｎ以下の連続する自然数としたときに、単位板厚をｔと２の（ｉ−１）乗との積ｔ×（ｉ−１）２で表される厚さを持つ板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９の群と、ｔ×（ｎ−１）２で表される厚さの２枚の板３０とからなる。
【００３７】
単位板厚ｔはたとえば０．２ｍｍであり、自然数ｎは９である。すなわち、レンジシフタ２０は、板厚が０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．６ｍｍ、３．２ｍｍ、６．４ｍｍ、１２．８ｍｍ、２５．６ｍｍ、５１．２ｍｍの板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９の群と、５１．２ｍｍの２枚の板３０とを備えている。つまり、このレンジシフタ２０は、単位板厚が０．２ｍｍのバイナリ型のレンジシフタに、最大板厚の板２９と同じ厚さの板３０を２枚追加したものである。これらの全ての板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０が挿入されたときの厚さは、２０４．８ｍｍとなる。各板の厚さは、要求される体内ビーム停止位置精度（通常０．２ｍｍ）の範囲内の誤差を持っていてもよい。
【００３８】
このレンジシフタ２０において、患部１に近いほど、板厚が薄くなるように並べられている。これは、照射すべき患部１の深さが浅いほど、照射深さの精度を高めるため、照射深さが浅い場合に対応する薄い板厚の板ほど患部１の近くに配置するためである。また、レンジシフタ２０の板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０の最大厚は、板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０をすべて挿入したときの厚さ２０４．６ｍｍに最小厚０．２ｍｍを加えた量の１／４以下になる。
【００３９】
それぞれの板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０には、腕３１が結合されている。それぞれの腕３１は、それぞれを独立して移動させる駆動機構３２に取り付けられている。駆動機構３２は、腕３１を介して、それぞれの板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０を粒子線ビーム１３の行路を遮る位置に移動させる。
【００４０】
レンジシフタ２０の板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０、腕３１および駆動機構３２は、たとえば筐体３３の内部に収納されている。図１は、全ての板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０が、粒子線ビーム１３の行路を遮る位置に移動した状態を示している。
【００４１】
レンジシフタ２０は、患部１内のビーム軸方向の位置（Ｚ）を制御する。つまり、レンジシフタ２０は、複数の厚さの板２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０の組み合わせることによりレンジシフタ２０を通過する粒子線ビーム１３のエネルギー、すなわち体内飛程を、患部１のスライス面に合わせて段階的に変化させることができる。レンジシフタ２０における体内飛程の制御は、一般的には一定間隔をもって切り替えられる。
【００４２】
リッジフィルタ７は、単エネルギーの粒子線ビーム１３の非常にシャープな体内深さ方向のピーク線量（ブラッグピークと呼ばれる）を、レンジシフタ２０によって切り替えられる体内飛程の間隔に対応するように拡大する。積層原体照射用のリッジフィルタ７は、アルミニウム製の棒片が複数並べられて形成されている。これらアルミニウム製の棒片は、ほぼ二等辺三角形の断面形状を持ち、ビームの経路長の違いによって粒子線ビーム１３のビームエネルギーが変化するようになっている。
【００４３】
線量モニタ５は、照射する線量を測定するためのものであり、容器内にて粒子線の電離作用により生じた電荷を平行電極で収集する電離箱や、容器内に配置された二次電子放出膜から放出される二次電子を計測するＳＥＭ装置などが用いられる。位置モニタ６は、スキャニング磁石３により走査されたビーム位置が正しい位置にあるかどうかを識別するためのものであり、線量モニタと同様の構成を持ち、収集電極が例えば短冊状に分割されたもの、あるいは容器内に複数のワイヤからなる収集電極を用いたものなどが使用される。
【００４４】
マルチリーフコリメータ９は、たとえば５ｍｍの厚さの鉄製板を多数組み合わせて形成され、各鉄製板は駆動機構により独立に粒子線ビーム１３の断面内に位置が変更できるようになっている。そして、これら各各鉄製板で形成する開口形状を患部１の形状に合わせることで、患部１の外側に粒子線ビーム１３が照射されるのを防止する。ボーラス１０は、照射領域の深い側外郭形状を患部形状に合致させる。ボーラス１０は、たとえばアクリルのブロックを、患部１の形状に合致するよう機械的に切削されて製作される。
【００４５】
図３は、本実施の形態における積層原体照射のフローチャートである。
【００４６】
この粒子線ビーム照射装置を用いて、次のように積層原体照射が行われる。まず、患部１の粒子線ビーム１３の進行方向の深い側の外郭形状に合わせてあらかじめ加工されたボーラス１０を、マルチリーフコリメータ９のボーラス取り付け部に取り付ける（Ｓ１）。続いて、患部１を粒子線ビーム１３のビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、最深スライスの位置、すなわち、粒子線発生器１４から粒子線ビーム１３の進行方向で最も遠い照射領域の位置、に応じて粒子線ビーム１３の入射エネルギーとレンジシフタ２０のアクリル板厚とが選定される。このとき、散乱体４の厚さは、最深スライスの位置でビームサイズが約２．５ｃｍになるよう、別途実施した測定の結果をもとに選択される（Ｓ２）。
【００４７】
次に、粒子線ビーム１３の進行方向から見たときの患部、つまりビーム軸断面に射影された患部、を内接する円の半径よりやや大きい円の半径を照射野半径Ｒとして選び、式３にもとづいて患部位置のビーム最大軌道半径Ａを決定する。これらの照射野半径Ｒおよび最大軌道半径Ａに基づいて、式２のようにビーム軌道が走査できるようスキャニング電磁石電源１１の電流波形が設定され、また、マルチリーフコリメータ９は最深スライスの患部形状に合致するよう駆動機構により開口形状が調整される（Ｓ３）。
【００４８】
その後、粒子線発生器１４からのビーム出射が開始される（Ｓ４）。スキャニング磁石３を通過する際に単エネルギーであった粒子線ビーム１３は、リッジフィルタ７によって、体内飛程分布がスライス幅に対応するようエネルギー分布が拡大される。このスライスにおける照射線量は、線量モニタ４により監視され、予定線量の照射が検出される（Ｓ５）と、粒子線発生器１４からのビーム出射が停止される（Ｓ６）。
【００４９】
ビーム出射が停止された状態で、レンジシフタ２０におけるアクリル厚が変更される。このとき、同時に次のスライスの患部１の形状に合致するようマルチリーフコリメータ９の開口形状は調整される。レンジシフタ２０およびマルチリーフコリメータ９の設定が完了すると、次の照射が開始される。これをスライス毎に順次繰り返すことで積層的な照射を行う。最終スライスまで照射が完了したら（Ｓ７）、この積層原体照射を終了する。
【００５０】
図４は、本実施の形態における最大板厚の２枚の板を一枚の板に置き換え、患部内のビーム停止位置を調整したときの挿入厚とビームサイズの関係を示すグラフである。つまり、このグラフは、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．６ｍｍ、３．２ｍｍ、６．４ｍｍ、１２．８ｍｍ、２５．６ｍｍ、５１．２ｍｍおよび１０２．４ｍｍの板を用いた場合の関係である。また、このグラフは、粒子線ビーム１３をビームエネルギー２９０ＭｅＶ／核子の炭素線ビームとした場合について、シミュレーション計算により求めた結果である。
【００５１】
図４から、挿入厚とともにビームサイズが大きくなり、挿入厚が１０２．４ｍｍの位置でビームサイズが大きく変化していることがわかる。挿入厚が１０２．４ｍｍ以下では、最大厚である１０２．４ｍｍの板を使用せずにビーム停止位置を調整しているため、挿入厚の変化に対するビームサイズの変化が小さい。しかし、挿入厚が１０２．４ｍｍを超えるときには、患部から最も遠い位置にある最大厚１０２．４ｍｍの板が挿入されるため、患部位置のビームサイズが強く影響を受けるためである。
【００５２】
このため、特にレンジシフタ２０の板を１０２．４ｍｍ以上挿入したときのビーム停止位置においては、ビームサイズσと最大軌道半径Ａの関係が（３）式の条件からずれてしまう。したがって、このビーム停止位置では、線量分布の平坦性が確保できなくなる。
【００５３】
図５は、本実施の形態における患部内のビーム停止位置を調整したときの挿入厚とビームサイズの関係を示すグラフである。つまり、このグラフは、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．６ｍｍ、３．２ｍｍ、６．４ｍｍ、１２．８ｍｍ、２５．６ｍｍ、５１．２ｍｍの板群および２枚の５１．２ｍｍの板を用いた場合の関係である。また、このグラフは、粒子線ビーム１３をビームエネルギー２９０ＭｅＶ／核子の炭素線ビームとした場合について、シミュレーション計算により求めた結果である。
【００５４】
図５を図４と比較すると、本実施の形態では、挿入厚が１０２．４ｍｍの位置におけるビームサイズの変化量が小さいことがわかる。また、挿入厚が１０２．４ｍｍ以上では、図４に示したレンジシフタの場合より、ビームサイズが小さくなることがわかる。
【００５５】
このため、特にレンジシフタを１０２．４ｍｍ以上挿入したときのビーム停止位置における、ビームサイズσと最大軌道半径Ａの関係の（３）式の条件からのずれは、図４に示したレンジシフタの場合より小さくなる。なお、本実施の形態のレンジシフタ２０を用いることで、線量分布の平坦性が確保できる照射野サイズの範囲が大幅に広がることが、別途行った線量分布シミュレーションにより確認された。
【００５６】
本実施の形態では、バイナリ型のレンジシフタに最大板厚の板を２枚追加している。つまり、全ての板でバイナリ型のレンジシフタとなる場合の最大の板厚の板を２枚の同じ厚さの板とすることによって、全ての板を挿入したときの板厚を同じにしたまま、板の挿入厚に対するビームサイズの急激な変化を抑制することができる。このため、深さ方向の患部１のサイズが大きい場合も、深さ方向の位置に対してビームサイズの変化を小さくできる。
【００５７】
また、レンジシフタ２０の板の枚数および厚さは、ここで示した例に限定されない。たとえば、レンジシフタ２０の板の組み合わせとして、０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、４．０ｍｍ、８．０ｍｍ、１６．０ｍｍ、３２．０ｍｍ、６４．０ｍｍ、６４．０ｍｍ、６４．０ｍｍとしてもよい。
【００５８】
一般的に入手可能なアクリル板の厚さは、最小０．２ｍｍ、厚さの間隔は０．１ｍｍである。よって、一般的に入手可能なアクリル板で構成するとして、レンジシフタの板の組み合わせが、０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、４．０ｍｍ、８．０ｍｍ、１６．０ｍｍ、３２．０ｍｍ、６４．０ｍｍ、６４．０ｍｍ、６４．０ｍｍであってもよい。
【００５９】
さらに、レンジシフタ２０は、バイナリ型の板群よりも厚さが小さい板を備えてもよい。微調用として最小厚の板を複数追加したような場合、たとえば、レンジシフタ２０の板の組み合わせが、０．２ｍｍ、０．２ｍｍ、０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、４．０ｍｍ、８．０ｍｍ、１６．０ｍｍ、３２．０ｍｍ、６４．０ｍｍ、６４．０ｍｍ、６４．０ｍｍであってもよい。
【００６０】
本実施の形態では、レンジシフタの板は、板厚が小さいものほど、患部の近くに配置している。図６は、本実施の形態とは逆に板厚が大きいものほど患部の近くに配置した場合（対照例）のビームサー図のグラフを示している。この場合、板の配置関係により、挿入厚が大きくなってもビームサイズが小さくなるところが生じる。粒子線治療では一般に、深い位置でビームサイズが小さく、浅い位置ほどビームサイズが大きいことを想定して治療計画を立てるため、このような依存関係は好ましくない。すなわち、レンジシフタの板は、板厚が小さいものほど、患部近くに配置することが適している。
【００６１】
ここでは、レンジシフタ２０を積層原体照射法の照射装置を用いて説明した。しかし、このレンジシフタ２０は、まったく同じ構成を持ってスキャニング照射法の照射装置（スキャニング照射装置）に用いることができる。スキャニング照射装置では、散乱体やマルチリーフコリメータ、ボーラスなどの拡大ビーム法の機器が不要である。スキャニング照射法は拡大ビーム法と異なり、細いビームを３次元的に走査しながら照射を行うので、レンジシフタ２０における散乱の影響度はさらに大きくなる。また、スキャニング照射法ではマルチリーフコリメータで照射野を限定するわけでないので、ビームサイズのずれが抑制されれば、照射領域の境界の線量の切れが悪くなるのを抑制することができる。さらに、ビームサイズをレンジシフタの挿入厚の関数として近似できるようになり、治療計画における最適化コードを簡素化することができる。
【００６２】
このように本実施の形態のレンジシフタを用いることにより、照射野線量分布の平坦度が良好になり、また、照射野領域の境界の線量の切れがよくなる。これらのため、副作用が少なく治療効果の高い粒子線ビーム照射装置を提供することができる。
【００６３】
なお、この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。たとえば上述の実施の形態では、螺旋ワブラー法の装置を例として示しているが、ワブラー法の装置にも適用できる。ワブラー法の装置も電磁石電源の電流パターンおよび電磁石の磁場パターンが異なるのみで基本構成は同様である。また、レンジシフタの粒子線ビームのエネルギーを減衰させる板の枚数は１１枚より多くても、少なくてもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１…患部、２…粒子線ビーム照射装置、３…スキャニング磁石、４…散乱体、５…線量モニタ、６…位置モニタ、７…リッジフィルタ、９…マルチリーフコリメータ、１０…ボーラス、１１…スキャニング磁石用電源、１２…照射機器制御器、１３…粒子線ビーム、１４…粒子線発生器、２０…レンジシフタ、２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０…板、３１…腕、３２…駆動機構、３３…筐体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被照射体に粒子線ビームを照射する粒子線ビーム照射装置において、
前記粒子線ビームを発生する粒子線発生器と、
前記粒子線ビームのエネルギーを減衰させる板の集合体であって、ｉを１以上ｎ以下の連続する自然数としたときに単位板厚ｔと２の（ｉ−１）乗との積ｔ×（ｉ−１）２で表される厚さの板群と、ｔ×（ｎ−１）２で表される厚さの２枚の板と、を含み、それぞれの板が独立して前記粒子線ビームの行路を遮る位置に移動可能に設けられたレンジシフタと、
を有することを特徴とする粒子線ビーム照射装置。
【請求項２】
前記レンジシフタの板は、板厚が小さいものほど、前記被照射体の近くに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項３】
前記レンジシフタのそれぞれの板を独立して前記粒子線ビームの行路に移動させる駆動機構、
を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項４】
前記粒子線ビームの軌道を変化させる電磁石、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項５】
前記粒子線ビームを拡大する散乱体と、
前記散乱体で拡大された前記粒子線ビームの行路を制限するマルチリーフコリメータと、
前記マルチリーフコリメータを通過した前記粒子線ビームの前記被照射体への進入深さを制限するボーラスと、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項６】
被照射体に粒子線ビームを照射する粒子線ビーム照射装置のレンジシフタにおいて、
前記粒子線ビームのエネルギーを減衰させる板の集合体であって、ｉを１以上ｎ以下の連続する自然数としたときに単位板厚ｔと２の（ｉ−１）乗との積ｔ×（ｉ−１）２で表される厚さの板群と、ｔ×（ｎ−１）２で表される厚さの２枚の板と、を含み、それぞれの板が独立して前記粒子線ビームの行路を遮る位置に移動可能に設けられていることを特徴とするレンジシフタ。
【請求項１】
被照射体に粒子線ビームを照射する粒子線ビーム照射装置において、
前記粒子線ビームを発生する粒子線発生器と、
前記粒子線ビームのエネルギーを減衰させる板の集合体であって、ｉを１以上ｎ以下の連続する自然数としたときに単位板厚ｔと２の（ｉ−１）乗との積ｔ×（ｉ−１）２で表される厚さの板群と、ｔ×（ｎ−１）２で表される厚さの２枚の板と、を含み、それぞれの板が独立して前記粒子線ビームの行路を遮る位置に移動可能に設けられたレンジシフタと、
を有することを特徴とする粒子線ビーム照射装置。
【請求項２】
前記レンジシフタの板は、板厚が小さいものほど、前記被照射体の近くに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項３】
前記レンジシフタのそれぞれの板を独立して前記粒子線ビームの行路に移動させる駆動機構、
を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項４】
前記粒子線ビームの軌道を変化させる電磁石、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項５】
前記粒子線ビームを拡大する散乱体と、
前記散乱体で拡大された前記粒子線ビームの行路を制限するマルチリーフコリメータと、
前記マルチリーフコリメータを通過した前記粒子線ビームの前記被照射体への進入深さを制限するボーラスと、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項６】
被照射体に粒子線ビームを照射する粒子線ビーム照射装置のレンジシフタにおいて、
前記粒子線ビームのエネルギーを減衰させる板の集合体であって、ｉを１以上ｎ以下の連続する自然数としたときに単位板厚ｔと２の（ｉ−１）乗との積ｔ×（ｉ−１）２で表される厚さの板群と、ｔ×（ｎ−１）２で表される厚さの２枚の板と、を含み、それぞれの板が独立して前記粒子線ビームの行路を遮る位置に移動可能に設けられていることを特徴とするレンジシフタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１８７９００（Ｐ２０１０−１８７９００Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３５１１１（Ｐ２００９−３５１１１）
【出願日】平成２１年２月１８日（２００９．２．１８）
【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９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１８日（２００９．２．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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