粒子線治療装置
【課題】本発明の目的は、ガントリー回転によるＳＯＢＰの一様度悪化を抑制できる粒子線治療装置を提供することにある。
【解決手段】荷電粒子ビーム発生装置２から出射された荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射野形成装置１３は、ＲＭＷ装置２０を備える。ＲＭＷ装置２０のＲＭＷ２１は、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交する平面内を移動可能である。ガントリー角度が変わりＲＭＷ２１へのビーム入射形状が変わったときには、テーブル２５をビーム進行方向と直交する平面内で制御機構により移動させ、ＲＭＷ２１のビーム入射位置を変え、ＲＭＷ２１へのビーム入射形状が変わらないようにする。
【解決手段】荷電粒子ビーム発生装置２から出射された荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射野形成装置１３は、ＲＭＷ装置２０を備える。ＲＭＷ装置２０のＲＭＷ２１は、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交する平面内を移動可能である。ガントリー角度が変わりＲＭＷ２１へのビーム入射形状が変わったときには、テーブル２５をビーム進行方向と直交する平面内で制御機構により移動させ、ＲＭＷ２１のビーム入射位置を変え、ＲＭＷ２１へのビーム入射形状が変わらないようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線治療装置に係り、特に、陽子や炭素イオン等のイオンビーム（荷電粒子ビーム）を患部(がん病巣)に照射して治療するに好適な粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の粒子線治療装置は、イオンビーム発生装置、イオンビーム輸送系及び照射野形成装置を備える。照射野形成装置は、回転ガントリーに設置されている。イオンビーム発生装置は、加速器としてシンクロトロン(またはサイクロトロン)を含んでいる。シンクロトロンで設定エネルギーまで加速されたイオンビームは、イオンビーム輸送系を経て照射野形成装置に達する。そのイオンビームは、照射野形成装置から患者のがんの患部に照射される。
【０００３】
照射野形成装置は、イオンビーム発生装置からのイオンビームを、照射目標である患部の立体形状に合わせて整形し、照射野を形成するとともに、照射野内の照射線量を調整する装置である。一般的に、患部は３次元的な形状を持っているため、照射野形成装置はイオンビームを進行方向（以下、単に「深さ方向」と称する）とビーム進行方向に対して直交する平面（以下、単に、「横方向」と称する）内に一様にビームを広げる必要がある。
【０００４】
横方向にビームを広げる方法としては、二重散乱体法が知られている（例えば、特許文献１の図１１及び非特許文献１の図３９参照）。二重散乱体法は、第一散乱体及び第二散乱体の二種類の散乱体を使用して、横方向に照射線量分布が一様でかつその方向に広げられたイオンビームを得るものである。二重散乱体法が適用された照射野形成装置は、第一散乱体及び第二散乱体を有し、第一散乱体を第二散乱体よりも上流に配置している。イオンビームは第一散乱体における散乱により正規分布状に広げられ、その後第二散乱体における散乱により横方向に一様な照射線量分布が形成される。このように、照射線量分布が一様化されたイオンビームは、照射野形成装置内に設置されたコリメータを通過して患部に照射される。
【０００５】
二重散乱体法を用いた照射野形成装置では、深さ方向に一様な照射線量分布（ＳＯＢＰ：Spread Out Bragg Peak）を形成するためにブラッグピーク拡大装置（ＳＯＢＰ装置）が用いられる。ＳＯＢＰ装置としては、リッジフィルタを用いたもの（例えば、非特許文献１の２０７８頁図３１及び２０８４頁図４１参照）及びレンジモジュレーションホイール（ＲＭＷ：Range Modulation Wheel）を用いたもの（[情1]例えば、非特許文献１の２０７７ページ図３０参照）が知られている。
【０００６】
ＲＭＷは、照射野形成装置内でイオンビームの経路に回転可能に設置される。ＲＭＷは回転軸から径方向に伸びる複数の翼（ブレード）を有し、翼の単部を円筒部材で連結している。円筒部材は、回転軸と同心円になっている。各翼は、周方向に階段状の段構造を複数有している。イオンビームは回転しているＲＭＷを通過する際、翼の段差部分を通過し、通過する段差の厚みに応じてエネルギーを失う。翼は厚みの異なる段を複数有しているため、イオンビームはＲＭＷ通過後、様々なエネルギー成分を持つことになり、時間積分で見るとそれらが重ね合わされることになり、結果として深さ方向に一様な照射線量分布（ＳＯＢＰ）が形成される。
【０００７】
ＲＭＷを用いて深さ方向に一様な線量分布を作る場合、ＲＭＷの段差のうちで、ある特定の段差にのみビームを当てることによってＳＯＢＰの幅を調節することができる。例えば、ＲＭＷを回転させ、イオンビームを当てる際に、ＲＭＷを構成する複数の段のうち、いくつかの厚い段にはビームを当てず、その他の段にのみビームを当てると、全ての段にビームを当てた場合と比べるとＳＯＢＰの幅が短くなる。前者は後者と比較して厚い段を通過したビーム、つまりＲＭＷ通過時に、よりエネルギーを失い飛程が短くなるビームが含まれない。そのため、後者と比較しＳＯＢＰを形成する様々なエネルギーを持つビームのうちでＳＯＢＰの浅い側に寄与するエネルギー成分が含まれない。その結果、ＲＭＷの全ての段にビームを当てた場合と比較してＳＯＢＰ幅が短くなる。以上の制御はＲＭＷの回転角度を監視し、ある特定の角度範囲のみでイオンビームをＯＮ／ＯＦＦさせることにより実現される。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−６９６８３号公報
【非特許文献１】レビュー オブ サイエンティフィック インスツルメンツ６４巻８号（１９９３年８月）の第２０７４〜２０８６頁(REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME 64 NUMBER 8 (AUGUST 1993) P2079-2083)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、回転ガントリーに設置された照射野形成装置は、任意の角度で患者へビームを照射することができる。ガントリーが回転した場合、照射野形成装置から見るとビーム輸送系の光学系がガントリーの回転に応じて回転することになり、結果として照射野形成装置に入射するビームの形状がガントリー角度に応じて回転することになる。ガントリー回転角度に応じて照射野形成装置へのビーム入射形状が回転すると、ＲＭＷへの入射ビーム形状もガントリー回転角度に応じて回転することになる。ＲＭＷへ入射するビームの形状が楕円形状の場合、ガントリー角度に応じてビーム形状が回転すると、ＲＭＷへビームが入射する時、ビーム形状の長径方向がＲＭＷの径方向と略一致する場合と、長径方向がＲＭＷの周方向と略一致する場合がある。両者ではＲＭＷの周方向に占めるビームサイズが異なることになるため、ビームが当たるＲＭＷの段の範囲が変わる。そのため、ビームをＯＮ／ＯＦＦしてＳＯＢＰ幅を調整する制御をする場合に、両者とも同じタイミングでＯＮ／ＯＦＦを実施しても、ビームＯＮ又はビームＯＦＦ時でビームが当たる段の範囲が異なるため、ガントリー角度によってＳＯＢＰの一様度が悪化する。
【００１０】
上記の問題を解決するための方法として、ガントリー入射前のビーム形状をビーム中心軸に対して略対称にすることが考えられる。この場合、ガントリーが回転しても、ビーム軸に対して略対称な形状が回転するので、ＲＭＷへ入射するビーム形状は変わらない。ただし、イオンビーム発生装置及びビーム輸送系の制約からガントリー入射前のビーム形状を円形にすることは難しい。ガントリー入射前にガントリー回転角度と同じ角度だけ反対方向にビームを回転させるような光学系（例えば複数の四極電磁石の組み合わせ）を設置する方法も考えられるが、複数の四極電磁石を設置することはスペースの制約から困難である。ガントリー回転角度に応じてビームのＯＮ／ＯＦＦタイミングを変える方法も考えられるが、全てのガントリー角度及び、全てのＳＯＢＰ幅についてこのような調整をすることは現実的でない。
【００１１】
ＲＭＷの径を大きくし、ＲＭＷを構成する段の周方向の幅がビームの空間的大きさと比較して充分大きくすれば、ＲＭＷへの入射ビーム形状の違いは大きな問題にならない。しかし、実際の治療では患部の位置や形状に応じて、イオンビームのエネルギーや照射野の大きさを変更する必要があり、それらに応じてＲＭＷを交換する必要があるため、持ち運び及び交換が簡単なコンパクトなＲＭＷへのニーズが高い。径の大きなＲＭＷは交換を困難にし、治療人数のスループットが下がる。
【００１２】
本発明の目的は、ガントリー回転によるＳＯＢＰの一様度悪化を抑制できる粒子線治療装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）上記目的を達成するために、荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを患部に照射する荷電粒子ビーム照射装置とを有し、前記荷電粒子ビーム照射装置は、前記荷電粒子ビームが通過する回転可能なレンジモジュレーションホイールを備えるレンジモジュレーションホイール回転装置を有する粒子線治療装置であって、前記レンジモジュレーションホイールは、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交する平面内を移動可能である。
かかる構成により、ガントリー回転によるＳＯＢＰの一様度悪化を抑制し得るものとなる。
【００１４】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記荷電粒子ビーム発生装置は、患部に対する荷電粒子ビームの照射角を変える回転ガントリを備え、前記荷電粒子ビーム照射装置は、前記回転ガントリーの角度が変わっても前記レンジモジュレーションホイールへのビーム入射形状が変わらないように、前記レンジモジュレーションホイールの荷電粒子ビーム通過位置を、前記回転ガントリの角度に応じて変える制御手段を備えるようにしたものである。
【００１５】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記制御手段は、前記レンジモジュレーションホイールの回転位置に応じて、前記荷電粒子ビーム発生装置から発生する荷電粒子ビームのＯＮ／ＯＦＦを制御するようにしたものである。
【００１６】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記制御手段は、前記レンジモジュレーションホイールの回転中心と前記前記荷電粒子ビームの通過位置の距離をＹ１とするとき、前記回転ガントリの角度がθ変化した際に、前記レンジモジュレーションホイールを、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交するＸ−Ｙ平面内で、Ｘ軸方向に−Ｙ１・ｓｉｎθ移動し、Ｙ軸方向に−Ｙ１−Ｙ１・ｃｏｓθ移動するように、前記レンジモジュレーションホイールの位置を制御するようにしたものである。
【００１７】
（５）上記（４）において、好ましくは、前記レンジモジュレーションホイール回転装置は、前記レンジモジュレーションホイールを回転駆動する第1の駆動源と、前記レンジモジュレーションホイールを移動する第２の駆動源とを備え、前記制御手段は、前記第２の駆動源を制御して、前記レンジモジュレーションホイールの位置を制御するようにしたものである。
【００１８】
（６）上記（５）において、好ましくは、前記第２の駆動源は、前記レンジモジュレーションホイールを、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交するＸ−Ｙ平面内で、Ｘ軸方向に駆動する第１のモータと、Ｙ軸方向に駆動する第２のモータとから構成されるものである。
【００１９】
（７）上記（５）において、好ましくは、前記第２の駆動源は、前記レンジモジュレーションホイールを、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交するＸ−Ｙ平面内で、荷電粒子ビーム通過位置を中心にして回転するモータから構成されるものである。
【００２０】
（８）上記（３）において、好ましくは、前記レンジモジュレーションホイールは、回転中心から半径方向に延びるとともに、周方向において階段状に配置され、前記荷電粒子ビームの通過厚みが異なる複数の平面領域を備え、前記荷電粒子ビームは、前記レンジモジュレーションホイールの前記平面領域を通過する部分において、楕円形状の断面形状を備え、前記制御手段は、前記回転ガントリの角度を変えた場合にも、前記荷電粒子ビームの長径方向と前記レンジモジュレーションホイールの径方向の位置関係が変わらないように、前記レンジモジュレーションホイールの荷電粒子ビーム通過位置を変えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ガントリー回転によるＳＯＢＰの一様度悪化を抑制できるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図１〜図６を用いて、本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による粒子線治療装置の全体構成について説明する。
図１は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の全体構成を示すシステム構成図である。
【００２３】
本実施形態の粒子線治療装置１は、荷電粒子ビーム発生装置２と、荷電粒子ビーム照射装置である照射野形成装置（荷電粒子ビーム照射装置）１３を備える。荷電粒子ビーム発生装置２は、イオン源（図示せず）、前段加速器３及びシンクロトロン４を有する。イオン源で発生したイオン（例えば、陽子、または炭素イオン）は、前段加速器（例えば直線加速器）３で加速される。前段加速器３から出射されたイオンビーム（荷電粒子ビーム）はシンクロトロン４に入射される。このイオンビームは、シンクロトロン４で、高周波加速空胴５から印加される高周波電力によってエネルギーを与えられて加速される。シンクロトロン４内を周回するイオンビームのエネルギーが設定されたエネルギーまでに高められた後、出射用の高周波印加装置６から高周波が周回しているイオンビームに印加される。安定限界内で周回しているイオンビームは、この高周波の印加によって安定限界外に移行し、出射用デフレクタ７を通ってシンクロトロン４から出射される。イオンビームの出射の際には、シンクロトロン４に設けられた四極電磁石８及び偏向電磁石９等の電磁石に導かれる電流が設定値に保持され、安定限界もほぼ一定に保持されている。高周波印加装置６への高周波電力の印加を停止することによって、シンクロトロン４からのイオンビームの出射が停止される。
【００２４】
シンクロトロン４から出射されたイオンビームは、イオンビーム輸送系１０を経て照射野形成装置１３に達する。イオンビーム輸送系１０の一部である逆Ｕ字部１１及び照射野形成装置１３は、回転可能な回転ガントリー１７に設置される。照射野形成装置１３から治療台（ベッド）１４に乗っている患者１５の患部に照射される。
【００２５】
治療計画装置１００は、患部の位置や大きさに基づいて、治療計画を策定する。治療計画には、イオンビームの照射方向，照射量等の情報が含まれる。治療計画の情報は、照射制御装置１１０に送出される。照射制御装置１１０は、治療計画に基づいて、粒子線治療装置１１０の各部を制御する。具体的には、イオンビームの照射方向の情報に基づいて、照射制御装置１１０は、回転駆動装置１２０を用いて、回転ガントリー１７を回転させ、イオンビームの照射方向を変える。回転ガントリー１７の回転角度は、例えば、０度〜３６０度[情2]である。また、照射量の情報に基づいて、照射制御装置１１０は、出射用デフレクタ７のオン・オフを制御する。
【００２６】
さらに、本実施形態においては、照射制御装置１１０は、回転ガントリー１７の回転角度、照射野形成装置１３の内部のＲＭＷ装置（レンジモジュレーションホイール回転装置）のイオンビームが当たる位置を制御している。なお、[情3]ＲＭＷ装置（レンジモジュレーションホイール回転装置）の詳細構成については、図２以降を用いて後述する。また、照射制御装置１１０は、ＲＭＷ装置（レンジモジュレーションホイール回転装置）の回転角度に同期して、出射用デフレクタ７のオン・オフを制御する。
【００２７】
次に、図２を用いて、本実施形態による粒子線治療装置１に用いられる照射野形成装置１３の構成について説明する。
図２は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置に用いられる照射野形成装置の構成を示す縦断面図である。
【００２８】
照射野形成装置１３は、回転ガントリーに取り付けられるケーシング１６を有する。ケーシング１６内には、照射野形成装置１３の軸方向Ｚ（イオンビーム進行方向）の上流側より、第一散乱体装置１８、ＲＭＷ装置（レンジモジュレーションホイール回転装置）２０、第二散乱体装置４１、飛程調整装置（例えばレンジシフタ）４５、ブロックコリメータ(第一コリメータ）５０、ボーラス５６及び患者コリメータ（第二コリメータ）５７を順次配置している。
【００２９】
第一散乱体１８は、イオンビーム進行方向に直交する方向にイオンビームを広げる装置であり、支持部材１９によりケーシング１６に設置される。第一散乱体１８は、一般にイオンビームを散乱させる能力が高い鉛やタングステン等の原子番号の大きい物質によって構成される材料が用いられる。第一散乱体１８は、照射野形成装置１３のビーム通過経路１７に配置される。
【００３０】
第二散乱体装置４１は、第一散乱体１８によりビーム進行方向と直交する方向に略正規分布状に広げられたイオンビームを、その方向で一様な分布にするためのものである。第二散乱体４１は、ケーシング１６に固定された第二散乱体テーブル４２に設置され、照射野形成装置１３のビーム通過経路１７に配置される。
【００３１】
飛程調整装置４５は、治療を受ける患者体内におけるイオンビームの飛程を調整する機能を有し、複数の吸収体をビームラインに挿入、排出する機能を有する。ブロックコリメータ５０及び患者コリメータ５７は、横方向の不要なイオンビームをコリメートする役割を持ち、ボーラス５６は患者の患部の形状に合うようにイオンビームの飛程を調整する機能を有する。
【００３２】
ＲＭＷ装置（レンジモジュレーションホイール回転装置）２０は、ＲＭＷ２１，ボールネジ２２，タイミングベルト２３，モータ２４，テーブル２５，テーブル２６，ボールネジ２７，回転軸２９を備えており、これらの詳細構成については、図４を用いて後述する。
【００３３】
次に、図３〜図６を用いて、本実施形態による粒子線治療装置１の照射野形成装置１３に用いられるＲＭＷ装置２０の構成について説明する。
図３は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置のＲＭＷの構成を示す斜視図である。図４及び図５は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置の構成を示す平面図である。図４は、第１の位置状態を示し、図５は、第２の位置状態を示している。図６は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置の動作説明図である。
【００３４】
図２に示したＲＭＷ装置２０は、ＲＭＷ（レンジモジュレーションホイール）２１を有する。
【００３５】
図３に示すように、ＲＭＷ２１は、回転軸２９及び円筒部材３０が同心円に配置された構造である。回転軸２９に取り付けられた複数（本実施形態では３枚）の翼３１が、ＲＭＷ２１の径方向に伸びている。これらの翼３１の外側の端部は、円筒部材３０に取り付けられている。翼３１の周方向における幅は、円筒部材３０側の端部で回転軸２９側の端部よりも広くなっている。ＲＭＷ２１の周方向における翼３１間には、それぞれ開口３２（本実施形態では三箇所）が形成される。それらの開口３２は、円筒部材３０側の端部での周方向における幅が回転軸２９側の端部でのそれよりも広くなっている。各翼３１は、ＲＭＷ２１の周方向において階段状に配置された複数の平面領域３３（本実施形態では３３Ａ、３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄの４段）を有しており、イオンビーム軸Ｚの方向におけるＲＭＷ２１の底面から各平面領域３３までの各厚みが異なっている（ＲＭＷ２１の底面から各平面領域３３までのレベルが異なる）。１つの平面領域３３の部分の厚みを、平面領域部分の厚みという。すなわち、翼３１は、周方向で翼３１の両側に位置する開口３２から、イオンビーム軸Ｚの方向において最も厚みの厚い翼頂部３３Ａに向かって、各平面領域部分の厚みが増加している。平面領域３３は、例えば階段において足を乗せる平面に相当する。各平面領域３３は、回転軸２９から円筒部材３０に向かって延びている。各平面領域３３のＲＭＷ２１の周方向における幅も、回転軸２９側の端部よりも円筒部材３０側の端部で広くなっている。１つのＲＭＷ２１において、３枚の翼３１の相互間に位置する開口３２は、３つ存在する。イオンビーム照射中にＲＭＷ２１を回転させることにより、ＲＭＷ２１中の通過する段差に応じてイオンビームはエネルギーを失い、結果として、イオンビームは患部で様々なエネルギー成分を持つことになり、それらが時間的に重ねあわされ深さ方向に均一な線量分布（ＳＯＢＰ）が形成される。
【００３６】
次に、図４を用いて、ＲＭＷ装置２０の詳細構成について説明する。図４は、第１の位置状態を示している。
【００３７】
ＲＭＷ２１は、回転軸２９、タイミングベルト２３、モータ２４により、矢印Ｒ１方向に、イオンビーム照射中に回転される。ＲＭＷ２１、回転軸２９、タイミングベルト２３、モータ２４は、テーブル２５に設置される。テーブル２５は、モータＭ１によって回転されるボールネジ２２によって、Ｙ方向に移動できる構造となっている。また、ボールネジ２２はテーブル２６に設置され、テーブル２６は、モータＭ２によって回転されるボールネジ２７によって、Ｘ方向に移動可能な構造となっている。ボールネジ２７は、照射野形成装置１３のケーシング１６に固定される。この構造によりＲＭＷ２１は、ビーム進行方向と直交する平面（Ｘ−Ｙ平面）内で移動することが可能となり、ＲＭＷ２１のビーム通過位置３５Ａを変えることができる。
【００３８】
ここで、図４に示すように、あるガントリー角度でイオンビームを照射したときのビーム形状３５が、Ｘ−Ｙ平面上で縦方向が横方向に比較して大きい形状だとする。この場合、ビーム形状３５の長径方向は、ＲＭＷ２１の径方向と略一致する。ここで、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、ＲＭＷ２１の開口部３２、段３３Ｄにビームを照射し、段３３Ｃ、段３３Ｂ、段３３ＡでビームをＯＦＦする照射を実施する。
【００３９】
この時、図６（Ｂ）に示すビームＯＮ／ＯＦＦ信号が照射制御装置１１０により生成され、荷電粒子ビーム発生装置２のディフレクタ７に送られる。荷電粒子ビーム発生装置２は、ビームＯＮ／ＯＦＦ信号８０のビームＯＮのタイミングにイオンビームを発生し、ビームＯＦＦのタイミングではイオンビームを発生しない。同時に、ＲＭＷ装置２０は、ＲＭＷ２１の回転角を検出し、ＲＭＷ２１の回転位置がビームＯＮ／ＯＦＦ信号と同期しているかを確認するインターロック（図示せず）を持つ。モータ２４は、回転角度を検出する回転角検出装置（例えば、レゾルバ）を備えている。図６（Ｃ）に示すビーム形状８２は、ＲＭＷ２１へ入射するビームを、ある時間間隔でサンプリングした時のビーム形状を示している。ビーム形状８１は、ビーム形状８２の時間積分を示している。
【００４０】
次に同じ照射を、ガントリー角度を変えて実施する。ガントリーを回転すると、照射野形成装置から見たガントリーへのビーム入射形状が回転することになるため、ガントリーが１２０度回転するとＲＭＷ２１へ入射するビーム形状も図４のビーム３６に示すように１２０度回転する。このとき、ビーム形状３６の長径方向はＲＭＷ２１の径方向と合わず、ＲＭＷ２１の周方向に占めるビームサイズがビーム形状３５と比較して大きくなる。
【００４１】
ここで、図６（Ｄ）に示すビーム形状８６は、ＲＭＷ２１へ入射するビームを、ある時間間隔でサンプリングした時のビーム形状を示している。ビーム形状８５は、ビーム形状８６の時間積分を示している。ビーム形状８５は、ビーム形状８６と比較して、ＲＭＷ２１のより広い段の範囲にビームが照射される。そのためビーム形状８１により生成されるＳＯＢＰと比較してビーム形状８５により生成されるＳＯＢＰは一様度が悪化する。
【００４２】
そこで、本実施形態では、ガントリー角度を変えた場合には、図５に示すように、テーブル２６及びテーブル２７を移動させ、ビーム形状３６の長径方向をＲＭＷの径方向に合わせ、ＲＭＷ２１の周方向に占めるビームサイズをガントリー回転前と一致させる。テーブルを移動することによりＲＭＷ２１へ入射するビームの形状がガントリー回転前と同じになるため、得られるＳＯＢＰの一様度は悪化しない。
【００４３】
テーブル２６及びテーブル２７の位置はガントリー角度に応じてあらかじめ決められており、照射制御装置１１０により制御されて、ガントリー角度に応じて移動する。例えば、図４に示す状態が、ガントリー角度が０度の状態とする。このとき、（Ｘ−Ｙ平面）におけるＲＭＷ２１のビーム通過位置３５Ａを、（０，０）とする。ビーム通過位置３５Ａと、ＲＭＷ２１の回転中心の間の距離をＹ１とすると、ＲＭＷ２１の回転中心の位置は、（０，−Ｙ１）である。
【００４４】
一方、ガントリー角度をθ（図５の例では、１２０度）変えた場合でも、ビーム通過位置３５Ａは、（０，０）と変わらない。そのとき、ＲＭＷ２１の回転中心の位置（Ｘ２，Ｙ２）は、（−Ｙ１・ｓｉｎθ，−Ｙ１・ｃｏｓθ）となる。すなわち、ガントリー角度をθ変えた場合の、テーブル２６及びテーブル２７の移動量は、（０−Ｙ１・ｓｉｎθ，−Ｙ１−Ｙ１・ｃｏｓθ）である。
【００４５】
なお、ＲＭＷ２１の回転中心の位置（Ｘ２，Ｙ２）に対して、ビーム通過位置３５Ａから点対称の位置３５Ｂにおいても、ビーム形状３６の長径方向をＲＭＷの径方向に合わせることができる。すなわち、ガントリー角度を１２０度変えた場合には、ガントリー角度を仮想的に３００度（１２０度＋１８０度）変えた場合（若しくは、−６０度変えた場合）に相当する位置でも、ビーム形状３６の長径方向をＲＭＷの径方向に合わせることができる。この場合、ガントリー角度をθ変えた場合の、ＲＭＷ２１の回転中心の位置（Ｘ２，Ｙ２）は、（−Ｙ１・ｓｉｎ（θ＋１８０），−Ｙ１・ｃｏｓ（θ＋１８０））であり、テーブル２６及びテーブル２７の移動量は、（０−Ｙ１・ｓｉｎ（θ＋１８０），−Ｙ１−Ｙ１・ｃｏｓ（θ＋１８０））である。この例では、ビーム通過位置３５Ａとした場合に比べて、Ｙ方向の移動量は半減できるが、Ｘ方向の移動量が倍になる。ガントリー角度が、０度〜３６０度[情4]である。変わる場合には、−９０度〜９０度の範囲で変わる場合と想定して、ＲＭＷ２１の位置を移動することができる。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態によれば、ガントリー角度に応じてＲＭＷ２１へのビーム入射形状が変わっても、ＲＭＷ２１のビーム通過位置を任意に変えることが可能であるため、ガントリー角度によらずＲＭＷ２１への入射ビーム形状を一定にすることができ、ガントリー角度によるＳＯＢＰの一様度悪化を抑制することができる。そのため、治療の質を向上することができる。
【００４７】
次に、図７を用いて、本発明の第２の実施形態による粒子線治療装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による粒子線治療装置の全体構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態による粒子線治療装置に用いられる照射野形成装置の構成は、図２に示したものと同様である。
【００４８】
図７は、本発明の第２の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置のＲＭＷの構成を示す斜視図である。
【００４９】
本実施形態の粒子線治療装置は、図１，図２に示した粒子線治療装置１とは、ＲＭＷ装置の構成が異なっている。
【００５０】
ＲＭＷ２１Ａは、被駆動ギア３７、駆動ギア３８によりビーム中心３５Ａを中心として回転可能なテーブル２５の上に搭載される。被駆動ギア３７、駆動ギア３８は架台３９に設置され、架台３９はケーシング１６に設置される。ガントリーの回転に応じて、モータＭ３によりギア３７，３８を介してテーブル２５を矢印Ｒ２の方向に回転させることにより、ＲＭＷ２１へのビーム入射形状をガントリー角度に関わらず一定に保つことが可能になる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態によれば、ガントリー角度に応じてＲＭＷ２１へのビーム入射形状が変わっても、ＲＭＷ２１Ａのビーム通過位置を任意に変えることが可能であるため、ガントリー角度によらずＲＭＷ２１Ａへの入射ビーム形状を一定にすることができ、ガントリー角度によるＳＯＢＰの一様度悪化を抑制することができる。そのため、治療の質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の全体構成を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置に用いられる照射野形成装置の構成を示す縦断面図である。
【図３】本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置のＲＭＷの構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置の構成を示す平面図である。
【図５】本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置の構成を示す平面図である。
【図６】図６は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置の動作説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置のＲＭＷの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…粒子線治療装置
２…荷電粒子ビーム発生装置
３…前段加速器
４…シンクロトロン
５…高周波加速空洞
６…高周波印加装置
７…出射用デフレクタ
８…四極電磁石
９…偏向電磁石
１０…イオンビーム輸送系
１１…逆Ｕ字部
１３…照射野形成装置
１４…治療台
１５…患者
１６…ケーシング
１７…ビーム経路
１８…第一散乱体
１９…第一散乱体支持部材
２０…ＲＭＷ装置、２１…ＲＭＷ
２２，２７…ボールネジ
２３…タイミングベルト
２４，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３…モータ
２５，２６…テーブル
２９…回転軸
３０…円筒部材
３１…翼
３２…開口部
３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ…ＲＭＷの段
３５…ビーム形状
３５Ａ…ビーム通過位置
３６…ビーム形状
３７…被駆動ギア
３８…駆動ギア
３９…架台
４１…第二散乱体
４２…第二散乱体テーブル
４５…飛程調整装置
５０…第一ブロックコリメータ
５６…患者ボーラス
５７…患者コリメータ
５９…患部
１００…治療計画装置
１１０…照射制御装置
１２０…回転駆動装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線治療装置に係り、特に、陽子や炭素イオン等のイオンビーム（荷電粒子ビーム）を患部(がん病巣)に照射して治療するに好適な粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の粒子線治療装置は、イオンビーム発生装置、イオンビーム輸送系及び照射野形成装置を備える。照射野形成装置は、回転ガントリーに設置されている。イオンビーム発生装置は、加速器としてシンクロトロン(またはサイクロトロン)を含んでいる。シンクロトロンで設定エネルギーまで加速されたイオンビームは、イオンビーム輸送系を経て照射野形成装置に達する。そのイオンビームは、照射野形成装置から患者のがんの患部に照射される。
【０００３】
照射野形成装置は、イオンビーム発生装置からのイオンビームを、照射目標である患部の立体形状に合わせて整形し、照射野を形成するとともに、照射野内の照射線量を調整する装置である。一般的に、患部は３次元的な形状を持っているため、照射野形成装置はイオンビームを進行方向（以下、単に「深さ方向」と称する）とビーム進行方向に対して直交する平面（以下、単に、「横方向」と称する）内に一様にビームを広げる必要がある。
【０００４】
横方向にビームを広げる方法としては、二重散乱体法が知られている（例えば、特許文献１の図１１及び非特許文献１の図３９参照）。二重散乱体法は、第一散乱体及び第二散乱体の二種類の散乱体を使用して、横方向に照射線量分布が一様でかつその方向に広げられたイオンビームを得るものである。二重散乱体法が適用された照射野形成装置は、第一散乱体及び第二散乱体を有し、第一散乱体を第二散乱体よりも上流に配置している。イオンビームは第一散乱体における散乱により正規分布状に広げられ、その後第二散乱体における散乱により横方向に一様な照射線量分布が形成される。このように、照射線量分布が一様化されたイオンビームは、照射野形成装置内に設置されたコリメータを通過して患部に照射される。
【０００５】
二重散乱体法を用いた照射野形成装置では、深さ方向に一様な照射線量分布（ＳＯＢＰ：Spread Out Bragg Peak）を形成するためにブラッグピーク拡大装置（ＳＯＢＰ装置）が用いられる。ＳＯＢＰ装置としては、リッジフィルタを用いたもの（例えば、非特許文献１の２０７８頁図３１及び２０８４頁図４１参照）及びレンジモジュレーションホイール（ＲＭＷ：Range Modulation Wheel）を用いたもの（[情1]例えば、非特許文献１の２０７７ページ図３０参照）が知られている。
【０００６】
ＲＭＷは、照射野形成装置内でイオンビームの経路に回転可能に設置される。ＲＭＷは回転軸から径方向に伸びる複数の翼（ブレード）を有し、翼の単部を円筒部材で連結している。円筒部材は、回転軸と同心円になっている。各翼は、周方向に階段状の段構造を複数有している。イオンビームは回転しているＲＭＷを通過する際、翼の段差部分を通過し、通過する段差の厚みに応じてエネルギーを失う。翼は厚みの異なる段を複数有しているため、イオンビームはＲＭＷ通過後、様々なエネルギー成分を持つことになり、時間積分で見るとそれらが重ね合わされることになり、結果として深さ方向に一様な照射線量分布（ＳＯＢＰ）が形成される。
【０００７】
ＲＭＷを用いて深さ方向に一様な線量分布を作る場合、ＲＭＷの段差のうちで、ある特定の段差にのみビームを当てることによってＳＯＢＰの幅を調節することができる。例えば、ＲＭＷを回転させ、イオンビームを当てる際に、ＲＭＷを構成する複数の段のうち、いくつかの厚い段にはビームを当てず、その他の段にのみビームを当てると、全ての段にビームを当てた場合と比べるとＳＯＢＰの幅が短くなる。前者は後者と比較して厚い段を通過したビーム、つまりＲＭＷ通過時に、よりエネルギーを失い飛程が短くなるビームが含まれない。そのため、後者と比較しＳＯＢＰを形成する様々なエネルギーを持つビームのうちでＳＯＢＰの浅い側に寄与するエネルギー成分が含まれない。その結果、ＲＭＷの全ての段にビームを当てた場合と比較してＳＯＢＰ幅が短くなる。以上の制御はＲＭＷの回転角度を監視し、ある特定の角度範囲のみでイオンビームをＯＮ／ＯＦＦさせることにより実現される。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−６９６８３号公報
【非特許文献１】レビュー オブ サイエンティフィック インスツルメンツ６４巻８号（１９９３年８月）の第２０７４〜２０８６頁(REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME 64 NUMBER 8 (AUGUST 1993) P2079-2083)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、回転ガントリーに設置された照射野形成装置は、任意の角度で患者へビームを照射することができる。ガントリーが回転した場合、照射野形成装置から見るとビーム輸送系の光学系がガントリーの回転に応じて回転することになり、結果として照射野形成装置に入射するビームの形状がガントリー角度に応じて回転することになる。ガントリー回転角度に応じて照射野形成装置へのビーム入射形状が回転すると、ＲＭＷへの入射ビーム形状もガントリー回転角度に応じて回転することになる。ＲＭＷへ入射するビームの形状が楕円形状の場合、ガントリー角度に応じてビーム形状が回転すると、ＲＭＷへビームが入射する時、ビーム形状の長径方向がＲＭＷの径方向と略一致する場合と、長径方向がＲＭＷの周方向と略一致する場合がある。両者ではＲＭＷの周方向に占めるビームサイズが異なることになるため、ビームが当たるＲＭＷの段の範囲が変わる。そのため、ビームをＯＮ／ＯＦＦしてＳＯＢＰ幅を調整する制御をする場合に、両者とも同じタイミングでＯＮ／ＯＦＦを実施しても、ビームＯＮ又はビームＯＦＦ時でビームが当たる段の範囲が異なるため、ガントリー角度によってＳＯＢＰの一様度が悪化する。
【００１０】
上記の問題を解決するための方法として、ガントリー入射前のビーム形状をビーム中心軸に対して略対称にすることが考えられる。この場合、ガントリーが回転しても、ビーム軸に対して略対称な形状が回転するので、ＲＭＷへ入射するビーム形状は変わらない。ただし、イオンビーム発生装置及びビーム輸送系の制約からガントリー入射前のビーム形状を円形にすることは難しい。ガントリー入射前にガントリー回転角度と同じ角度だけ反対方向にビームを回転させるような光学系（例えば複数の四極電磁石の組み合わせ）を設置する方法も考えられるが、複数の四極電磁石を設置することはスペースの制約から困難である。ガントリー回転角度に応じてビームのＯＮ／ＯＦＦタイミングを変える方法も考えられるが、全てのガントリー角度及び、全てのＳＯＢＰ幅についてこのような調整をすることは現実的でない。
【００１１】
ＲＭＷの径を大きくし、ＲＭＷを構成する段の周方向の幅がビームの空間的大きさと比較して充分大きくすれば、ＲＭＷへの入射ビーム形状の違いは大きな問題にならない。しかし、実際の治療では患部の位置や形状に応じて、イオンビームのエネルギーや照射野の大きさを変更する必要があり、それらに応じてＲＭＷを交換する必要があるため、持ち運び及び交換が簡単なコンパクトなＲＭＷへのニーズが高い。径の大きなＲＭＷは交換を困難にし、治療人数のスループットが下がる。
【００１２】
本発明の目的は、ガントリー回転によるＳＯＢＰの一様度悪化を抑制できる粒子線治療装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）上記目的を達成するために、荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを患部に照射する荷電粒子ビーム照射装置とを有し、前記荷電粒子ビーム照射装置は、前記荷電粒子ビームが通過する回転可能なレンジモジュレーションホイールを備えるレンジモジュレーションホイール回転装置を有する粒子線治療装置であって、前記レンジモジュレーションホイールは、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交する平面内を移動可能である。
かかる構成により、ガントリー回転によるＳＯＢＰの一様度悪化を抑制し得るものとなる。
【００１４】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記荷電粒子ビーム発生装置は、患部に対する荷電粒子ビームの照射角を変える回転ガントリを備え、前記荷電粒子ビーム照射装置は、前記回転ガントリーの角度が変わっても前記レンジモジュレーションホイールへのビーム入射形状が変わらないように、前記レンジモジュレーションホイールの荷電粒子ビーム通過位置を、前記回転ガントリの角度に応じて変える制御手段を備えるようにしたものである。
【００１５】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記制御手段は、前記レンジモジュレーションホイールの回転位置に応じて、前記荷電粒子ビーム発生装置から発生する荷電粒子ビームのＯＮ／ＯＦＦを制御するようにしたものである。
【００１６】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記制御手段は、前記レンジモジュレーションホイールの回転中心と前記前記荷電粒子ビームの通過位置の距離をＹ１とするとき、前記回転ガントリの角度がθ変化した際に、前記レンジモジュレーションホイールを、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交するＸ−Ｙ平面内で、Ｘ軸方向に−Ｙ１・ｓｉｎθ移動し、Ｙ軸方向に−Ｙ１−Ｙ１・ｃｏｓθ移動するように、前記レンジモジュレーションホイールの位置を制御するようにしたものである。
【００１７】
（５）上記（４）において、好ましくは、前記レンジモジュレーションホイール回転装置は、前記レンジモジュレーションホイールを回転駆動する第1の駆動源と、前記レンジモジュレーションホイールを移動する第２の駆動源とを備え、前記制御手段は、前記第２の駆動源を制御して、前記レンジモジュレーションホイールの位置を制御するようにしたものである。
【００１８】
（６）上記（５）において、好ましくは、前記第２の駆動源は、前記レンジモジュレーションホイールを、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交するＸ−Ｙ平面内で、Ｘ軸方向に駆動する第１のモータと、Ｙ軸方向に駆動する第２のモータとから構成されるものである。
【００１９】
（７）上記（５）において、好ましくは、前記第２の駆動源は、前記レンジモジュレーションホイールを、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交するＸ−Ｙ平面内で、荷電粒子ビーム通過位置を中心にして回転するモータから構成されるものである。
【００２０】
（８）上記（３）において、好ましくは、前記レンジモジュレーションホイールは、回転中心から半径方向に延びるとともに、周方向において階段状に配置され、前記荷電粒子ビームの通過厚みが異なる複数の平面領域を備え、前記荷電粒子ビームは、前記レンジモジュレーションホイールの前記平面領域を通過する部分において、楕円形状の断面形状を備え、前記制御手段は、前記回転ガントリの角度を変えた場合にも、前記荷電粒子ビームの長径方向と前記レンジモジュレーションホイールの径方向の位置関係が変わらないように、前記レンジモジュレーションホイールの荷電粒子ビーム通過位置を変えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ガントリー回転によるＳＯＢＰの一様度悪化を抑制できるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図１〜図６を用いて、本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による粒子線治療装置の全体構成について説明する。
図１は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の全体構成を示すシステム構成図である。
【００２３】
本実施形態の粒子線治療装置１は、荷電粒子ビーム発生装置２と、荷電粒子ビーム照射装置である照射野形成装置（荷電粒子ビーム照射装置）１３を備える。荷電粒子ビーム発生装置２は、イオン源（図示せず）、前段加速器３及びシンクロトロン４を有する。イオン源で発生したイオン（例えば、陽子、または炭素イオン）は、前段加速器（例えば直線加速器）３で加速される。前段加速器３から出射されたイオンビーム（荷電粒子ビーム）はシンクロトロン４に入射される。このイオンビームは、シンクロトロン４で、高周波加速空胴５から印加される高周波電力によってエネルギーを与えられて加速される。シンクロトロン４内を周回するイオンビームのエネルギーが設定されたエネルギーまでに高められた後、出射用の高周波印加装置６から高周波が周回しているイオンビームに印加される。安定限界内で周回しているイオンビームは、この高周波の印加によって安定限界外に移行し、出射用デフレクタ７を通ってシンクロトロン４から出射される。イオンビームの出射の際には、シンクロトロン４に設けられた四極電磁石８及び偏向電磁石９等の電磁石に導かれる電流が設定値に保持され、安定限界もほぼ一定に保持されている。高周波印加装置６への高周波電力の印加を停止することによって、シンクロトロン４からのイオンビームの出射が停止される。
【００２４】
シンクロトロン４から出射されたイオンビームは、イオンビーム輸送系１０を経て照射野形成装置１３に達する。イオンビーム輸送系１０の一部である逆Ｕ字部１１及び照射野形成装置１３は、回転可能な回転ガントリー１７に設置される。照射野形成装置１３から治療台（ベッド）１４に乗っている患者１５の患部に照射される。
【００２５】
治療計画装置１００は、患部の位置や大きさに基づいて、治療計画を策定する。治療計画には、イオンビームの照射方向，照射量等の情報が含まれる。治療計画の情報は、照射制御装置１１０に送出される。照射制御装置１１０は、治療計画に基づいて、粒子線治療装置１１０の各部を制御する。具体的には、イオンビームの照射方向の情報に基づいて、照射制御装置１１０は、回転駆動装置１２０を用いて、回転ガントリー１７を回転させ、イオンビームの照射方向を変える。回転ガントリー１７の回転角度は、例えば、０度〜３６０度[情2]である。また、照射量の情報に基づいて、照射制御装置１１０は、出射用デフレクタ７のオン・オフを制御する。
【００２６】
さらに、本実施形態においては、照射制御装置１１０は、回転ガントリー１７の回転角度、照射野形成装置１３の内部のＲＭＷ装置（レンジモジュレーションホイール回転装置）のイオンビームが当たる位置を制御している。なお、[情3]ＲＭＷ装置（レンジモジュレーションホイール回転装置）の詳細構成については、図２以降を用いて後述する。また、照射制御装置１１０は、ＲＭＷ装置（レンジモジュレーションホイール回転装置）の回転角度に同期して、出射用デフレクタ７のオン・オフを制御する。
【００２７】
次に、図２を用いて、本実施形態による粒子線治療装置１に用いられる照射野形成装置１３の構成について説明する。
図２は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置に用いられる照射野形成装置の構成を示す縦断面図である。
【００２８】
照射野形成装置１３は、回転ガントリーに取り付けられるケーシング１６を有する。ケーシング１６内には、照射野形成装置１３の軸方向Ｚ（イオンビーム進行方向）の上流側より、第一散乱体装置１８、ＲＭＷ装置（レンジモジュレーションホイール回転装置）２０、第二散乱体装置４１、飛程調整装置（例えばレンジシフタ）４５、ブロックコリメータ(第一コリメータ）５０、ボーラス５６及び患者コリメータ（第二コリメータ）５７を順次配置している。
【００２９】
第一散乱体１８は、イオンビーム進行方向に直交する方向にイオンビームを広げる装置であり、支持部材１９によりケーシング１６に設置される。第一散乱体１８は、一般にイオンビームを散乱させる能力が高い鉛やタングステン等の原子番号の大きい物質によって構成される材料が用いられる。第一散乱体１８は、照射野形成装置１３のビーム通過経路１７に配置される。
【００３０】
第二散乱体装置４１は、第一散乱体１８によりビーム進行方向と直交する方向に略正規分布状に広げられたイオンビームを、その方向で一様な分布にするためのものである。第二散乱体４１は、ケーシング１６に固定された第二散乱体テーブル４２に設置され、照射野形成装置１３のビーム通過経路１７に配置される。
【００３１】
飛程調整装置４５は、治療を受ける患者体内におけるイオンビームの飛程を調整する機能を有し、複数の吸収体をビームラインに挿入、排出する機能を有する。ブロックコリメータ５０及び患者コリメータ５７は、横方向の不要なイオンビームをコリメートする役割を持ち、ボーラス５６は患者の患部の形状に合うようにイオンビームの飛程を調整する機能を有する。
【００３２】
ＲＭＷ装置（レンジモジュレーションホイール回転装置）２０は、ＲＭＷ２１，ボールネジ２２，タイミングベルト２３，モータ２４，テーブル２５，テーブル２６，ボールネジ２７，回転軸２９を備えており、これらの詳細構成については、図４を用いて後述する。
【００３３】
次に、図３〜図６を用いて、本実施形態による粒子線治療装置１の照射野形成装置１３に用いられるＲＭＷ装置２０の構成について説明する。
図３は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置のＲＭＷの構成を示す斜視図である。図４及び図５は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置の構成を示す平面図である。図４は、第１の位置状態を示し、図５は、第２の位置状態を示している。図６は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置の動作説明図である。
【００３４】
図２に示したＲＭＷ装置２０は、ＲＭＷ（レンジモジュレーションホイール）２１を有する。
【００３５】
図３に示すように、ＲＭＷ２１は、回転軸２９及び円筒部材３０が同心円に配置された構造である。回転軸２９に取り付けられた複数（本実施形態では３枚）の翼３１が、ＲＭＷ２１の径方向に伸びている。これらの翼３１の外側の端部は、円筒部材３０に取り付けられている。翼３１の周方向における幅は、円筒部材３０側の端部で回転軸２９側の端部よりも広くなっている。ＲＭＷ２１の周方向における翼３１間には、それぞれ開口３２（本実施形態では三箇所）が形成される。それらの開口３２は、円筒部材３０側の端部での周方向における幅が回転軸２９側の端部でのそれよりも広くなっている。各翼３１は、ＲＭＷ２１の周方向において階段状に配置された複数の平面領域３３（本実施形態では３３Ａ、３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄの４段）を有しており、イオンビーム軸Ｚの方向におけるＲＭＷ２１の底面から各平面領域３３までの各厚みが異なっている（ＲＭＷ２１の底面から各平面領域３３までのレベルが異なる）。１つの平面領域３３の部分の厚みを、平面領域部分の厚みという。すなわち、翼３１は、周方向で翼３１の両側に位置する開口３２から、イオンビーム軸Ｚの方向において最も厚みの厚い翼頂部３３Ａに向かって、各平面領域部分の厚みが増加している。平面領域３３は、例えば階段において足を乗せる平面に相当する。各平面領域３３は、回転軸２９から円筒部材３０に向かって延びている。各平面領域３３のＲＭＷ２１の周方向における幅も、回転軸２９側の端部よりも円筒部材３０側の端部で広くなっている。１つのＲＭＷ２１において、３枚の翼３１の相互間に位置する開口３２は、３つ存在する。イオンビーム照射中にＲＭＷ２１を回転させることにより、ＲＭＷ２１中の通過する段差に応じてイオンビームはエネルギーを失い、結果として、イオンビームは患部で様々なエネルギー成分を持つことになり、それらが時間的に重ねあわされ深さ方向に均一な線量分布（ＳＯＢＰ）が形成される。
【００３６】
次に、図４を用いて、ＲＭＷ装置２０の詳細構成について説明する。図４は、第１の位置状態を示している。
【００３７】
ＲＭＷ２１は、回転軸２９、タイミングベルト２３、モータ２４により、矢印Ｒ１方向に、イオンビーム照射中に回転される。ＲＭＷ２１、回転軸２９、タイミングベルト２３、モータ２４は、テーブル２５に設置される。テーブル２５は、モータＭ１によって回転されるボールネジ２２によって、Ｙ方向に移動できる構造となっている。また、ボールネジ２２はテーブル２６に設置され、テーブル２６は、モータＭ２によって回転されるボールネジ２７によって、Ｘ方向に移動可能な構造となっている。ボールネジ２７は、照射野形成装置１３のケーシング１６に固定される。この構造によりＲＭＷ２１は、ビーム進行方向と直交する平面（Ｘ−Ｙ平面）内で移動することが可能となり、ＲＭＷ２１のビーム通過位置３５Ａを変えることができる。
【００３８】
ここで、図４に示すように、あるガントリー角度でイオンビームを照射したときのビーム形状３５が、Ｘ−Ｙ平面上で縦方向が横方向に比較して大きい形状だとする。この場合、ビーム形状３５の長径方向は、ＲＭＷ２１の径方向と略一致する。ここで、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、ＲＭＷ２１の開口部３２、段３３Ｄにビームを照射し、段３３Ｃ、段３３Ｂ、段３３ＡでビームをＯＦＦする照射を実施する。
【００３９】
この時、図６（Ｂ）に示すビームＯＮ／ＯＦＦ信号が照射制御装置１１０により生成され、荷電粒子ビーム発生装置２のディフレクタ７に送られる。荷電粒子ビーム発生装置２は、ビームＯＮ／ＯＦＦ信号８０のビームＯＮのタイミングにイオンビームを発生し、ビームＯＦＦのタイミングではイオンビームを発生しない。同時に、ＲＭＷ装置２０は、ＲＭＷ２１の回転角を検出し、ＲＭＷ２１の回転位置がビームＯＮ／ＯＦＦ信号と同期しているかを確認するインターロック（図示せず）を持つ。モータ２４は、回転角度を検出する回転角検出装置（例えば、レゾルバ）を備えている。図６（Ｃ）に示すビーム形状８２は、ＲＭＷ２１へ入射するビームを、ある時間間隔でサンプリングした時のビーム形状を示している。ビーム形状８１は、ビーム形状８２の時間積分を示している。
【００４０】
次に同じ照射を、ガントリー角度を変えて実施する。ガントリーを回転すると、照射野形成装置から見たガントリーへのビーム入射形状が回転することになるため、ガントリーが１２０度回転するとＲＭＷ２１へ入射するビーム形状も図４のビーム３６に示すように１２０度回転する。このとき、ビーム形状３６の長径方向はＲＭＷ２１の径方向と合わず、ＲＭＷ２１の周方向に占めるビームサイズがビーム形状３５と比較して大きくなる。
【００４１】
ここで、図６（Ｄ）に示すビーム形状８６は、ＲＭＷ２１へ入射するビームを、ある時間間隔でサンプリングした時のビーム形状を示している。ビーム形状８５は、ビーム形状８６の時間積分を示している。ビーム形状８５は、ビーム形状８６と比較して、ＲＭＷ２１のより広い段の範囲にビームが照射される。そのためビーム形状８１により生成されるＳＯＢＰと比較してビーム形状８５により生成されるＳＯＢＰは一様度が悪化する。
【００４２】
そこで、本実施形態では、ガントリー角度を変えた場合には、図５に示すように、テーブル２６及びテーブル２７を移動させ、ビーム形状３６の長径方向をＲＭＷの径方向に合わせ、ＲＭＷ２１の周方向に占めるビームサイズをガントリー回転前と一致させる。テーブルを移動することによりＲＭＷ２１へ入射するビームの形状がガントリー回転前と同じになるため、得られるＳＯＢＰの一様度は悪化しない。
【００４３】
テーブル２６及びテーブル２７の位置はガントリー角度に応じてあらかじめ決められており、照射制御装置１１０により制御されて、ガントリー角度に応じて移動する。例えば、図４に示す状態が、ガントリー角度が０度の状態とする。このとき、（Ｘ−Ｙ平面）におけるＲＭＷ２１のビーム通過位置３５Ａを、（０，０）とする。ビーム通過位置３５Ａと、ＲＭＷ２１の回転中心の間の距離をＹ１とすると、ＲＭＷ２１の回転中心の位置は、（０，−Ｙ１）である。
【００４４】
一方、ガントリー角度をθ（図５の例では、１２０度）変えた場合でも、ビーム通過位置３５Ａは、（０，０）と変わらない。そのとき、ＲＭＷ２１の回転中心の位置（Ｘ２，Ｙ２）は、（−Ｙ１・ｓｉｎθ，−Ｙ１・ｃｏｓθ）となる。すなわち、ガントリー角度をθ変えた場合の、テーブル２６及びテーブル２７の移動量は、（０−Ｙ１・ｓｉｎθ，−Ｙ１−Ｙ１・ｃｏｓθ）である。
【００４５】
なお、ＲＭＷ２１の回転中心の位置（Ｘ２，Ｙ２）に対して、ビーム通過位置３５Ａから点対称の位置３５Ｂにおいても、ビーム形状３６の長径方向をＲＭＷの径方向に合わせることができる。すなわち、ガントリー角度を１２０度変えた場合には、ガントリー角度を仮想的に３００度（１２０度＋１８０度）変えた場合（若しくは、−６０度変えた場合）に相当する位置でも、ビーム形状３６の長径方向をＲＭＷの径方向に合わせることができる。この場合、ガントリー角度をθ変えた場合の、ＲＭＷ２１の回転中心の位置（Ｘ２，Ｙ２）は、（−Ｙ１・ｓｉｎ（θ＋１８０），−Ｙ１・ｃｏｓ（θ＋１８０））であり、テーブル２６及びテーブル２７の移動量は、（０−Ｙ１・ｓｉｎ（θ＋１８０），−Ｙ１−Ｙ１・ｃｏｓ（θ＋１８０））である。この例では、ビーム通過位置３５Ａとした場合に比べて、Ｙ方向の移動量は半減できるが、Ｘ方向の移動量が倍になる。ガントリー角度が、０度〜３６０度[情4]である。変わる場合には、−９０度〜９０度の範囲で変わる場合と想定して、ＲＭＷ２１の位置を移動することができる。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態によれば、ガントリー角度に応じてＲＭＷ２１へのビーム入射形状が変わっても、ＲＭＷ２１のビーム通過位置を任意に変えることが可能であるため、ガントリー角度によらずＲＭＷ２１への入射ビーム形状を一定にすることができ、ガントリー角度によるＳＯＢＰの一様度悪化を抑制することができる。そのため、治療の質を向上することができる。
【００４７】
次に、図７を用いて、本発明の第２の実施形態による粒子線治療装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による粒子線治療装置の全体構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態による粒子線治療装置に用いられる照射野形成装置の構成は、図２に示したものと同様である。
【００４８】
図７は、本発明の第２の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置のＲＭＷの構成を示す斜視図である。
【００４９】
本実施形態の粒子線治療装置は、図１，図２に示した粒子線治療装置１とは、ＲＭＷ装置の構成が異なっている。
【００５０】
ＲＭＷ２１Ａは、被駆動ギア３７、駆動ギア３８によりビーム中心３５Ａを中心として回転可能なテーブル２５の上に搭載される。被駆動ギア３７、駆動ギア３８は架台３９に設置され、架台３９はケーシング１６に設置される。ガントリーの回転に応じて、モータＭ３によりギア３７，３８を介してテーブル２５を矢印Ｒ２の方向に回転させることにより、ＲＭＷ２１へのビーム入射形状をガントリー角度に関わらず一定に保つことが可能になる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態によれば、ガントリー角度に応じてＲＭＷ２１へのビーム入射形状が変わっても、ＲＭＷ２１Ａのビーム通過位置を任意に変えることが可能であるため、ガントリー角度によらずＲＭＷ２１Ａへの入射ビーム形状を一定にすることができ、ガントリー角度によるＳＯＢＰの一様度悪化を抑制することができる。そのため、治療の質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の全体構成を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置に用いられる照射野形成装置の構成を示す縦断面図である。
【図３】本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置のＲＭＷの構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置の構成を示す平面図である。
【図５】本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置の構成を示す平面図である。
【図６】図６は、本発明の第1の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置の動作説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による粒子線治療装置の照射野形成装置に用いられるＲＭＷ装置のＲＭＷの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…粒子線治療装置
２…荷電粒子ビーム発生装置
３…前段加速器
４…シンクロトロン
５…高周波加速空洞
６…高周波印加装置
７…出射用デフレクタ
８…四極電磁石
９…偏向電磁石
１０…イオンビーム輸送系
１１…逆Ｕ字部
１３…照射野形成装置
１４…治療台
１５…患者
１６…ケーシング
１７…ビーム経路
１８…第一散乱体
１９…第一散乱体支持部材
２０…ＲＭＷ装置、２１…ＲＭＷ
２２，２７…ボールネジ
２３…タイミングベルト
２４，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３…モータ
２５，２６…テーブル
２９…回転軸
３０…円筒部材
３１…翼
３２…開口部
３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ…ＲＭＷの段
３５…ビーム形状
３５Ａ…ビーム通過位置
３６…ビーム形状
３７…被駆動ギア
３８…駆動ギア
３９…架台
４１…第二散乱体
４２…第二散乱体テーブル
４５…飛程調整装置
５０…第一ブロックコリメータ
５６…患者ボーラス
５７…患者コリメータ
５９…患部
１００…治療計画装置
１１０…照射制御装置
１２０…回転駆動装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、
前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを患部に照射する荷電粒子ビーム照射装置とを有し、
前記荷電粒子ビーム照射装置は、前記荷電粒子ビームが通過する回転可能なレンジモジュレーションホイールを備えるレンジモジュレーションホイール回転装置を有する粒子線治療装置であって、
前記レンジモジュレーションホイールは、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交する平面内を移動可能であることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項２】
請求項１記載の粒子線治療装置において、
前記荷電粒子ビーム発生装置は、患部に対する荷電粒子ビームの照射角を変える回転ガントリを備え、
前記荷電粒子ビーム照射装置は、前記回転ガントリーの角度が変わっても前記レンジモジュレーションホイールへのビーム入射形状が変わらないように、前記レンジモジュレーションホイールの荷電粒子ビーム通過位置を、前記回転ガントリの角度に応じて変える制御手段を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項３】
請求項２記載の粒子線治療装置において、
前記制御手段は、前記レンジモジュレーションホイールの回転位置に応じて、前記荷電粒子ビーム発生装置から発生する荷電粒子ビームのＯＮ／ＯＦＦを制御することを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項４】
請求項３記載の粒子線治療装置において、
前記制御手段は、前記レンジモジュレーションホイールの回転中心と前記前記荷電粒子ビームの通過位置の距離をＹ１とするとき、前記回転ガントリの角度がθ変化した際に、前記レンジモジュレーションホイールを、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交するＸ−Ｙ平面内で、Ｘ軸方向に−Ｙ１・ｓｉｎθ移動し、Ｙ軸方向に−Ｙ１−Ｙ１・ｃｏｓθ移動するように、前記レンジモジュレーションホイールの位置を制御することを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項５】
請求項４記載の粒子線治療装置において、
前記レンジモジュレーションホイール回転装置は、前記レンジモジュレーションホイールを回転駆動する第1の駆動源と、
前記レンジモジュレーションホイールを移動する第２の駆動源とを備え、
前記制御手段は、前記第２の駆動源を制御して、前記レンジモジュレーションホイールの位置を制御することを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項６】
請求項５記載の粒子線治療装置において、
前記第２の駆動源は、前記レンジモジュレーションホイールを、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交するＸ−Ｙ平面内で、Ｘ軸方向に駆動する第１のモータと、Ｙ軸方向に駆動する第２のモータとから構成されることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項７】
請求項５記載の粒子線治療装置において、
前記第２の駆動源は、前記レンジモジュレーションホイールを、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交するＸ−Ｙ平面内で、荷電粒子ビーム通過位置を中心にして回転するモータから構成されることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項８】
請求項３記載の粒子線治療装置において、
前記レンジモジュレーションホイールは、回転中心から半径方向に延びるとともに、周方向において階段状に配置され、前記荷電粒子ビームの通過厚みが異なる複数の平面領域を備え、
前記荷電粒子ビームは、前記レンジモジュレーションホイールの前記平面領域を通過する部分において、楕円形状の断面形状を備え、
前記制御手段は、前記回転ガントリの角度を変えた場合にも、前記荷電粒子ビームの長径方向と前記レンジモジュレーションホイールの径方向の位置関係が変わらないように、前記レンジモジュレーションホイールの荷電粒子ビーム通過位置を変えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１】
荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、
前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを患部に照射する荷電粒子ビーム照射装置とを有し、
前記荷電粒子ビーム照射装置は、前記荷電粒子ビームが通過する回転可能なレンジモジュレーションホイールを備えるレンジモジュレーションホイール回転装置を有する粒子線治療装置であって、
前記レンジモジュレーションホイールは、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交する平面内を移動可能であることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項２】
請求項１記載の粒子線治療装置において、
前記荷電粒子ビーム発生装置は、患部に対する荷電粒子ビームの照射角を変える回転ガントリを備え、
前記荷電粒子ビーム照射装置は、前記回転ガントリーの角度が変わっても前記レンジモジュレーションホイールへのビーム入射形状が変わらないように、前記レンジモジュレーションホイールの荷電粒子ビーム通過位置を、前記回転ガントリの角度に応じて変える制御手段を備えることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項３】
請求項２記載の粒子線治療装置において、
前記制御手段は、前記レンジモジュレーションホイールの回転位置に応じて、前記荷電粒子ビーム発生装置から発生する荷電粒子ビームのＯＮ／ＯＦＦを制御することを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項４】
請求項３記載の粒子線治療装置において、
前記制御手段は、前記レンジモジュレーションホイールの回転中心と前記前記荷電粒子ビームの通過位置の距離をＹ１とするとき、前記回転ガントリの角度がθ変化した際に、前記レンジモジュレーションホイールを、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交するＸ−Ｙ平面内で、Ｘ軸方向に−Ｙ１・ｓｉｎθ移動し、Ｙ軸方向に−Ｙ１−Ｙ１・ｃｏｓθ移動するように、前記レンジモジュレーションホイールの位置を制御することを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項５】
請求項４記載の粒子線治療装置において、
前記レンジモジュレーションホイール回転装置は、前記レンジモジュレーションホイールを回転駆動する第1の駆動源と、
前記レンジモジュレーションホイールを移動する第２の駆動源とを備え、
前記制御手段は、前記第２の駆動源を制御して、前記レンジモジュレーションホイールの位置を制御することを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項６】
請求項５記載の粒子線治療装置において、
前記第２の駆動源は、前記レンジモジュレーションホイールを、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交するＸ−Ｙ平面内で、Ｘ軸方向に駆動する第１のモータと、Ｙ軸方向に駆動する第２のモータとから構成されることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項７】
請求項５記載の粒子線治療装置において、
前記第２の駆動源は、前記レンジモジュレーションホイールを、荷電粒子ビーム進行方向に対して直交するＸ−Ｙ平面内で、荷電粒子ビーム通過位置を中心にして回転するモータから構成されることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項８】
請求項３記載の粒子線治療装置において、
前記レンジモジュレーションホイールは、回転中心から半径方向に延びるとともに、周方向において階段状に配置され、前記荷電粒子ビームの通過厚みが異なる複数の平面領域を備え、
前記荷電粒子ビームは、前記レンジモジュレーションホイールの前記平面領域を通過する部分において、楕円形状の断面形状を備え、
前記制御手段は、前記回転ガントリの角度を変えた場合にも、前記荷電粒子ビームの長径方向と前記レンジモジュレーションホイールの径方向の位置関係が変わらないように、前記レンジモジュレーションホイールの荷電粒子ビーム通過位置を変えることを特徴とする粒子線治療装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２２０６４７（Ｐ２０１０−２２０６４７Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６８０３３（Ｐ２００９−６８０３３）
【出願日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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