粒子線治療装置
【課題】必要なビームエネルギー変更回数が多い場合でも、偏向電磁石を大きくすることなく、高速にビームエネルギーを変更できる粒子線治療装置を提供する。
【解決手段】ビームエネルギー減衰部を備えたビームエネルギー変更部を複数設け、ビームが複数のビームエネルギー変更部を順次通過するようにビームを偏向し、一つのビームエネルギー変更部をビームが通過している間に、他のビームエネルギー変更部のビームエネルギー減衰量を変更するようにした。
【解決手段】ビームエネルギー減衰部を備えたビームエネルギー変更部を複数設け、ビームが複数のビームエネルギー変更部を順次通過するようにビームを偏向し、一つのビームエネルギー変更部をビームが通過している間に、他のビームエネルギー変更部のビームエネルギー減衰量を変更するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線ビームを腫瘍など患部に照射して治療を行う粒子線治療装置、特に、粒子線ビームを患部３次元形状に合わせて照射する３次元照射の粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線による治療法では、光速の約70%まで加速された陽子や炭素線など、高エネルギ
ーの粒子線ビームが用いられる。これらの高エネルギーの粒子線ビームは体内に照射された際に、以下の特徴を有する。第一に、照射された粒子線ビームの殆どが粒子線ビームエネルギーの約1.7乗に比例した深さ位置に停止する。第二に、照射された粒子線が体内で
停止するまでに通過する経路に与えるエネルギー密度（線量と呼ばれる）は粒子線の停止位置で最大値を有する。通過した経路に沿って形成した特有の深部線量分布曲線はブラッグカーブと呼ばれる。線量値が最大の位置はブラッグピークと呼ばれる。
【０００３】
粒子線ビームの３次元照射装置は、このブラッグピークの位置を腫瘍の３次元形状に合わせて走査し、各走査位置におけるピーク線量を調整しながら、予め画像診断で決めた標的である腫瘍領域において、所定の３次元線量分布を形成するように工夫されている。粒子線ビームの停止位置の走査は粒子線ビームの照射方向にほぼ垂直な横方向（Ｘ、Ｙ方向）と、粒子線ビームの照射方向である深さ方向（Ｚ方向）における走査がある。横方向における走査は患者位置を粒子線ビームに対して移動させる方法と、電磁石など使って粒子線ビームの位置を移動させる方法があり、一般的には電磁石を用いる方法が用いられている。深さ方向の走査は粒子線ビームエネルギーを変えるのが唯一の方法である。エネルギーを変える方法には、加速器で粒子線ビームエネルギーを変える方法と、粒子線ビームが通過する経路にエネルギー減衰体を挿入して、減衰体の減衰量を変化させる方法がある。このような減衰体の減衰量を変化させてビームエネルギーを変更する方法は、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている。
【０００４】
実際の粒子線治療装置におけるビームエネルギーの変更回数は、標的サイズと用いる粒子線の種類、最大エネルギーに依存するが、多い時は照射中に１００回程度ビームエネルギーを変更する必要がある。したがって、ビームエネルギー変更の高速化は、治療時間短縮と精度向上に繋がる。特許文献１の図２には、高速にビームエネルギーを変更するビームエネルギー変更装置が開示されている。この従来技術では、２組計４台の偏向電磁石を用いて、ビームエネルギー変更装置に入射されたビームを一度入射方向から偏向させ、ある位置に到達した粒子線ビームを再び反対方向へ曲げて、粒子線ビームの進行方向が入射ビームの入射方向の延長線にほぼ平行する軌道に乗せる。この平行軌道に沿って所定距離を進行した粒子線を再び粒子線ビームの入射方向の延長線上に戻すように粒子線ビームを曲げる。平行軌道の部分に厚みが異なる部分を有するレンジシフタ（エネルギー減衰体）を配置しておき、４台の電磁石のパラメータを変えることにより、平行軌道部がレンジシフタの異なる厚み部分となるようにして、入射粒子線ビームのエネルギーを変える。ビームエネルギーが変更された粒子線ビームは粒子線照射装置へ輸送される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１１５４６８号公報（段落番号０００８−００１３、図２）
【特許文献２】特開平１０−１９９７００号公報（段落番号００４６、図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の図２に記載された方法では、特許文献２の図６に記載された機械的にレンジシフタを移動させる方法より非常に高速に粒子線ビームエネルギーを変えることができる。但し、必要なビームエネルギーの変更回数が多い場合、レンジシフタの寸法が大きくなり粒子線ビームを大きな角度まで偏向させる必要があるため、偏向電磁石が大きくなる。本発明の目的は、必要なビームエネルギー変更回数が多い場合でも、偏向電磁石を大きくすることなく、高速にビームエネルギーを変更できる粒子線治療装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記のような課題を解決するために、本発明は以下の構成を用いる。すなわち、本発明に係る粒子線治療装置は、入射する粒子線ビームのエネルギーを変えるビームエネルギー変更部と、このビームエネルギー変更部を制御するための指令を出力するビームエネルギー変更制御部と、ビームエネルギー変更部を出射した粒子線ビームを被照射体に照射する照射部と、被照射体に照射する粒子線ビームのエネルギーと位置とを制御するための指令を出力する照射制御部とを備えた粒子線治療装置において、ビームエネルギー変更部は、入射する粒子線ビームを複数の装置内ビーム軌道に順次偏向する偏向電磁石と、複数の装置内ビーム軌道のそれぞれの装置内ビーム軌道上にそれぞれ配置された可変エネルギー減衰部と、それぞれの可変エネルギー減衰部を通過した粒子線ビームが照射部において同一の軌道となるよう偏向する偏向電磁石とを備え、ビームエネルギー変更制御部は、照射制御部からの指令に基づき、可変エネルギー減衰部のうち一つの可変エネルギー減衰部を粒子線ビームが通過している間に、他の少なくとも一つの可変エネルギー減衰部のエネルギー減衰量を変更するように制御するように構成したものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の粒子線治療装置にあっては、必要なビームエネルギー変更回数（必要なビームエネルギーの数）が多い場合でも、高速にエネルギー変更ができるとともに、ビームエネルギー変更のための偏向電磁石の偏向量を大きくする必要がない。従って、ビームエネルギー変更部及びこれを具備した粒子線治療装置の小型化と低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１によるビームエネルギー変更部の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態全てに共通する粒子線治療装置のシステム概要を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態全てに共通する粒子線治療装置の照射部を示す概念図である。
【図４】本発明の実施の形態２によるビームエネルギー変更部の概略構成図である。
【図５】本発明の実施の形態３によるビームエネルギー変更部の概略構成図である。
【図６】本発明の実施の形態３による可変エネルギー減衰体を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態４によるビームエネルギー変更部の概略構成図である。
【図８】本発明の実施の形態５によるビームエネルギー変更部の概略構成図である。
【図９】本発明の実施の形態６によるビームエネルギー変更部の概略構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態７によるビームエネルギー変更部の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１による粒子線治療装置の構成と動作を、図１、図２および図３を用いて説明する。図２は本発明の実施の形態全てに共通する粒子線治療装置のシステム概要を示すブロック図である。図２において、１Ｓは粒子線ビームを所定エネルギーまで加
速する粒子線加速器、２Ｓは電磁石等からなる粒子線を輸送する粒子線輸送部、３Ｓは粒子線加速器の後に設置されるビームエネルギー変更部、４Ｓはビームエネルギー変更部を制御するための指令を出すビームエネルギー変更制御部である。５Ｓは粒子線ビームを被照射体（患部）に照射する照射部であり、走査磁石、ビームモニタ（図示せず）等を含む。６Ｓは粒子線を治療計画装置（図示せず）の指示に従って、照射部５Ｓを制御し、またビームエネルギー変更制御部に指令を出して、患部に照射する粒子線ビームを制御する照射制御部である。１はビームエネルギー変更部３Ｓに入射する入射粒子線ビームを、８はビームエネルギー変更部３Ｓから出射されるエネルギー変更後の粒子線ビームを示す。尚、図２では、粒子線輸送部２Ｓ、ビームエネルギー変更部３Ｓ、照射部５Ｓを別のブロックで表記したが、例えば、共通の電磁石を有するなど、各々の構成部分が他の部、あるいは他の部の一部を兼ねる場合もある。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態１によるビームエネルギー変更部３Ｓの概略構成を示す図である。図１において、図２と同様に、１は入射粒子線ビーム（以後の説明では“粒子線ビーム”を略して“ビーム”と記載することもある。）、８はエネルギー変更後の粒子線ビームを示す。２１はエネルギー変更部の第一偏向電磁石、２２は第二偏向電磁石、３１は第三偏向電磁石、３２は第四偏向電磁石である。１１と１２は入射粒子線ビーム１の軌道の延長線、または延長線に沿う粒子線ビーム軌道を示す。１３は第一偏向電磁石２１により曲げられた粒子線ビームの軌道を示す。４は形状可変容器からなる第一の可変エネルギー減衰部、５は同じく形状可変容器からなる第二の可変エネルギー減衰部である。４１は形状可変容器のビーム入射面、４２はビーム出射面を示す。４３は形状可変容器を示し、例えばベローズ（蛇腹）のように形状が変わることができる部材で側面が形成されている。４４は形状可変容器４３に接続した管であり、管４４を経由して形状可変容器４３に例えば水など、粒子線ビームエネルギーを減衰させる（吸収する）流体を出し入れする。例えば、形状可変容器４３に注入する水の量や水圧を変えることによって、ベローズで形成された形状可変容器４３の側面が変形し、ビーム入射面４１とビーム出射面４２間に格納された水の厚みが変化する。同様に、５１、５２は第二の可変エネルギー減衰部５のビーム入射面とビーム出射面を示す。５４は形状可変容器５３に例えば水などの流体を出し入れする管を示す。第二の可変エネルギー減衰部５は第一の可変エネルギー減衰部４と同様な仕組みによって動作する。
【００１２】
図１において、１４は第二の可変エネルギー減衰部５を通過する粒子線ビームと軌道（以下の説明では、エネルギー変更部内ビーム軌道または装置内ビーム軌道と呼ぶこととする）を示す。場合によって、以下の説明では、１１、１２を第一装置内ビーム軌道、１４を第二装置内ビーム軌道と呼ぶ。ΔＸは第一装置内ビーム軌道１２と第二装置内ビーム軌道１４の間の距離を示す。ΔＸは第一の可変エネルギー減衰部４と、第二の可変エネルギー減衰部５がお互いに干渉しないように設置できる距離にしている。ΔＸは第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５の、ビーム軌道と垂直な方向の寸法に依存する。第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５の寸法が大きいほど、ΔＸを大きくする必要がある。第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５のビームが通過する部分の断面寸法は、可変エネルギー減衰部４または５を通過した後のビームサイズよりも若干大きくする必要がある。
【００１３】
図３は粒子線治療装置の照射部５Ｓおよび被照射部を示す概念図である。図３において、８は図１におけるエネルギー変更後の粒子線ビームであり、２０１と２０２はエネルギー変更後の粒子線ビーム８を走査して患部に照射するスキャン機構である。スキャン機構部は例えば偏向電磁石により構成される。また、９は患者体表面、１０は被照射部である標的領域（腫瘍部、患部）である。１０１、１０２、１０３はそれぞれのビームエネルギーに対応した患部における照射スライスの例を示す。つまり、スライス１０３を照射するビームのエネルギーはスライス１０２を照射するビームのエネルギーより若干高い。ビームのエネルギーを変えることにより患部１０の各深さ領域に粒子線ビームのブラッグピーク位置を移動させ、走査磁石２０１と２０２を用いて粒子線ビームを横方向に走査し、３次元照射を行うことができる。
【００１４】
次に、本発明の実施の形態１による粒子線治療装置の動作を説明する。まず、治療計画装置（図示せず）によって、患部１０を照射するために必要な最大ビームエネルギーＥ０が決定される。同時に、図３の１０１〜１０３に示すような、患部１０の異なる深さ位置を照射するために必要なビームエネルギーEi, i=1,2,3,…nが決定される。また、患部１
０の各位置に照射するための横方向位置(Xi,Yi)も決定される。更に、各位置に対する照
射線量値も予め決定される。これらを含む計画情報は照射制御部６Ｓに送られる。
【００１５】
ここで、まずこれから照射する位置に必要なビームエネルギーＥ１に対応して、ビームエネルギー変更制御部４Ｓは照射制御部６Ｓの指令に従い、ビームエネルギー変更部３Ｓのパラメータ設定を行う。具体的には、ビームエネルギー変更制御部４Ｓはビームエネルギー変更部３Ｓにある第一偏向電磁石２１、第二偏向電磁石２２、第三偏向電磁石３１、第四偏向電磁石３２のそれぞれの励磁電流値を予め決めておいた第一装置内ビーム軌道１１、１２（または第二装置内ビーム軌道１３、１４）に対応する値に設定する。図１で示した例では第一装置内ビーム軌道１１、１２に対応した設定は、ビームを偏向させない設定であるから、すべての偏向電磁石の励磁電流はゼロとなる。同時に、第一の可変エネルギー減衰部４の厚みをＴ１に設定する。Ｔ１は必要エネルギー減衰量(Ｅ０−Ｅ１)に相当する値である。ここで、Ｅ０はビームエネルギー変更部に入射する入射粒子線ビームのエネルギーである。
【００１６】
第一の可変エネルギー減衰部４の厚み設定は具体的に、例えば管４４を経由して、形状可変容器４３内に満たしてある水の圧力を調整して、面４１と面４２間の距離を変えることで実現できる。そして、第一の可変エネルギー減衰部４の厚みＴ１の設定と上記すべての偏向電磁石の設定が完了し、ビームエネルギー変更制御部４Ｓは設定完了信号を照射制御部６Ｓに返す。また、同時に、照射制御部６Ｓは照射部５Ｓを含む他のすべての電磁石などの機器もエネルギーＥ１に対応した状態に制御する。
【００１７】
照射制御部６Ｓからの指令により、粒子線加速器１Ｓは粒子線を、必要とする最大ビームエネルギーＥ０まで加速する。その粒子線ビームが粒子線輸送部２Ｓにより、所定の下流機器まで輸送される。そしてビームエネルギーがＥ０である入射粒子線ビーム１がビームエネルギー変更部３Ｓに入射される。
【００１８】
上記設定では、入射粒子線ビーム１が第一装置内ビーム軌道１１、１２を通るように設定していたので、入射粒子線ビーム１は偏向を受けずに直進し、第一の可変エネルギー減衰部４を通過し、エネルギー変更後の粒子線ビーム８のビームエネルギーはＥ１となる。そして、ビームエネルギーＥ１を有するエネルギー変更後の粒子線ビーム８は照射部５Ｓに入射される。そして、エネルギー変更後の粒子線ビーム８は走査電磁石２０１、２０２によって計画した位置(X1,Y1)に照射され、その深さ位置Z1はビームエネルギーＥ１に対
応した位置になる。また、普通、治療計画では、同じビームエネルギーを必要とする照射位置をまとめて照射するように照射順を決めることができる。このため、図３に示すスライス１０３が例えばＥ１に対応したスライスとすれば、このビームエネルギーＥ１で走査磁石２０１、２０２を用いてスライス１０３内のすべての照射予定位置にビームを照射することができる。この１スライスの照射時間はビーム電流強度、腫瘍全体に照射する処方線量とスライスの深さ位置に依存するが、凡そ数百msecである。
【００１９】
入射粒子線ビーム１を第一装置内ビーム軌道１１、１２に誘導して、第一の可変エネルギー減衰部４を通過させてＥ１に対応したスライス１０３への照射開始直後に、照射制御
部６Ｓはビームエネルギー変更制御部４Ｓに指令を出し、次に照射するスライス１０２におけるビームエネルギーＥ２に対応したエネルギー減衰量となるよう第二の可変ビームエネルギー減衰部５を制御する。そして、Ｅ１に対応しているスライス１０３の照射が終了した際、照射制御部６Ｓは次のビームエネルギーＥ２に対応する設定（エネルギー変更部３Ｓおよび照射部５Ｓを含むすべての設定必要機器の設定）が完了していることを確認したら、直ちにビームエネルギー変更制御部４Ｓによって、偏向電磁石２１、２２、３１、３２を粒子線ビームが第二装置内ビーム軌道１３、１４を通るように予め決めた値に励磁し、入射粒子線ビーム１を第二装置内ビーム軌道に誘導する。粒子線ビームはビームエネルギーＥ２に対応した厚みＴ２、すなわちエネルギー減衰量が（Ｅ０−Ｅ２）となるよう設定された第二の可変エネルギー減衰部５を通過し、ビームエネルギーＥ２を持つエネルギー変更後の粒子線ビーム８となる。そして、エネルギー変更後の粒子線ビーム８は粒子線走査磁石２０１、２０２によって、Ｅ２に対応したスライス１０２の患部領域を照射する。
【００２０】
ここで、上記動作において、偏向電磁石２１、２２、３１、３２の励磁完了と同時に、次に照射するスライス１０１におけるビームのエネルギーＥ３に対応した厚みＴ３を再び第一の可変エネルギー減衰部４に設定する。厚みの変更に要する時間（以下では厚み変更時間とよぶ）は普通変更後の厚みＴ３と変更前の厚みＴ２との差に比例するが、スライス１０２に照射している間にこの変更が行われるので、厚み変更時間が総照射時間に及ぼす影響を少なくできる。例えば、厚み変更時間がスライス１０２の照射時間より短い場合、総照射時間は全く厚み変更時間に影響されないことになる。また、偏向電磁石２１、２２、３１、３２の励磁状態を“ゼロ励磁”状態から“励磁”状態にする切替時間は、図１の軌道間距離ΔＸに比例し、ΔＸが20ｍｍとした場合、極普通の電磁石でも10msec以下である。つまり、本発明の装置を用いれば、ビームエネルギーをmsecオーダで高速に変更可能である。
【００２１】
スライス１０２の照射が終了した後、直ちに第一可変エネルギー減衰部の厚み変更完了を確認し、偏向電磁石２１、２２、３１、３２の励磁をゼロに戻し、ビームエネルギーＥ３に対応した次のスライス１０１の照射を開始できる。
【００２２】
上記で述べたように、入射粒子線ビーム１を第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５に交互に誘導し、第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５のエネルギー減衰量を交互に次のビームエネルギーに対応した減衰量に変更して、必要なビームエネルギーＥ１、Ｅ２………Ｅｎに対応した照射を高速に実現できる。
【００２３】
本発明によれば、２台の可変エネルギー減衰部を交互に使用することにより、また、２台の可変エネルギー減衰部への粒子線ビームの切替は４台の電磁石の励磁と非励磁によって行うことで、数百段階のビームエネルギー変更も高速に行うことが可能である。また、それぞれの可変エネルギー減衰部のエネルギー減衰量の変更動作は１スライスの照射に必要な時間より短い時間内で完成すればよいので、エネルギー減衰量の変更のための厚み変更時の騒音と機械振動は無視できる程度にできる。
【００２４】
また、本発明によれば、照射するスライス数が多い場合でも、必要なビームの偏向量ΔＸは小さい値のままでよい。ビーム１のサイズを仮に5mmとした場合、本発明では偏向電
磁石に要求する偏向量ΔＸは上記２台の可変エネルギー減衰部４と５の断面サイズ（いれずも5mmより大きくする必要がある）によって決まり、余裕を持って、ΔＸ＝20mmとすれ
ば十分である。これに対して、特許文献１の図２によれば、偏向電磁石２１、２２、３１、３２による偏向量はスライス数nとした場合、n×ΔＸが必要となる。例えば、n=10の場合、必要なビーム偏向量は約200mmとなる。これは、偏向電磁石そのものを大きくする必要があるだけでなく、かかる電磁石電源の容量も大きくなる。特に、炭素線などの比較的重い粒子線の場合では、本発明の効果がより顕著である。
【００２５】
本発明は必要なビームエネルギー変更回数が多い場合でも、エネルギー変更を高速に行えると同時に、偏向電磁石の偏向量を大きくすることなく、ビームエネルギー変更部の小型化と低コスト化が実現できる効果がある。
【００２６】
実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２によるビームエネルギー変更部３Ｓの構成図である。実施の形態１では、第一、第二、第三、第四の偏向電磁石の励磁量がすべてゼロのときに第一装置内ビーム軌道が形成される場合を説明したが、図４に示すように、第一装置内ビーム軌道１１、１５も偏向させて、すなわち第二装置内ビーム軌道１３、１４と逆方向に偏向させて第一装置内ビーム軌道を形成するようにしてもよい。このように、第一装置内ビーム軌道と第二装置内ビーム軌道を逆方向に偏向させて形成すれば、偏向電磁石２１、２２、３１、３２の励磁電流が図１のものよりもさらに少なくなり、偏向電磁石の寸法も小型になる。
【００２７】
また、図４では、第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５を装置内ビーム軌道のビーム進行方向においてずれた位置に配置している。すなわち、第一装置内ビーム軌道１５と第二装置内ビーム軌道１４を含む平面に垂直で、第一可変エネルギー減衰部４を通過する第一装置内ビーム軌道１５あるいは第二可変エネルギー減衰部を通過する第二装置内ビーム軌道１４を含む平面への、第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５の投影像が重ならないように、第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５とを配置している。第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５とをこのようにずらして配置することにより、図１で示したものよりも、第一装置内ビーム軌道１５と第二装置内ビーム軌道１４の間隔ΔＸをさらに小さくできるため、さらに偏向電磁石２１、２２、３１、３２を小型化できる。
【００２８】
この、２つの可変エネルギー減衰部をずらして配置する構成は、本実施の形態２においてのみならず、本発明の他の実施の形態においても適用できるのは言うまでもない。
【００２９】
実施の形態３．
実施の形態１および２では、可変エネルギー減衰部として、形状可変の容器に水を満たして、水の充填量を調節制御して、水の厚みを変える例を説明したが、これに限ることなく、可変エネルギー減衰部に、別形態の可変エネルギー減衰体を用いても良い。図５および図６はこの例を示す実施の形態である。図５において、４０が第一の可変エネルギー減衰部、５０が第二の可変エネルギー減衰部であり、図６（ａ）、（ｂ）は図５における可変エネルギー減衰部の粒子線エネルギー減衰体を図５の横方向から見た図、すなわち側面図である。可変エネルギー減衰部４０および５０は、例えば図６（ａ）のように厚みがくさび状に変化する形状、あるいは図６（ｂ）のように厚みが階段状に変化する形状の粒子線エネルギー減衰体と、この粒子線エネルギー減衰体を移動させる駆動機構を備えている。粒子線エネルギー減衰体を移動させる方向は、粒子線エネルギー減衰体の厚みが変化する方向である。図５では厚みが変化する方向を図５の紙面に垂直な方向、すなわち第一装置内ビーム軌道１５と第二装置内ビーム軌道１４とを含む平面に垂直な方向になるよう可変エネルギー減衰部４０および５０を設置している。
【００３０】
図６（ｃ）は、粒子線エネルギー減衰体のさらに別の設置方向を説明する図である。図６（ｃ）は、可変エネルギー減衰部の位置で図５の上方から、すなわちビームの進行方向から見た図であり、第一装置内ビーム軌道１５、第二装置内ビーム軌道１４、第一の可変エネルギー減衰部４０、第二の可変エネルギー減衰部５０の位置関係を示している。第一
装置内ビーム軌道１５と第二装置内ビーム軌道１４とを含む平面Ａと所定の角度θを持って粒子線エネルギー減衰体を設置してもよい。このように、エネルギー減衰体を設置する方向は、必ずしも第一装置内ビーム軌道１５と第二装置内ビーム軌道１４とを含む平面Ａに垂直な方向でなくても、第一の可変エネルギー減衰部４０の粒子線エネルギー減衰体と第二の可変エネルギー減衰部５０の粒子線エネルギー減衰体が移動してもお互いに干渉しない向きに設置すれば良い。
【００３１】
実施の形態１、２、３では、可変エネルギー減衰部を第二偏向電磁石２２と第三偏向電磁石３１の間に設置した例を示したが、これに限ることはなく、第一偏向電磁石２１と第四偏向電磁石３２の間であれば、どこに設置しても、上述した効果が得られる。但し、図１、図４および図５で示したように第二偏向電磁石と第三偏向電磁石の間に可変エネルギー減衰部を設置した方が、装置全体構成が簡単にできる効果がある。
【００３２】
また、実施の形態１、２、３では、図１、図４および図５に示したように、第一装置内ビーム軌道と第二装置内ビーム軌道とは、互いに略平行する部分を有する。しかし、このような構成に限ることはなく、後述の実施の形態５で説明するように、複数の装置内ビーム軌道が、それぞれの装置内ビーム軌道に設けられた可変エネルギー減衰部が互いに干渉しない距離だけ離れていれば、必ずしも平行する部分を有していなくても良い。但し、複数の装置内ビーム軌道が、互いに略平行する部分を有する場合、この位置に可変エネルギー減衰部を設置すれば、複数の可変エネルギー減衰部を互いに平行に設置できるため、可変エネルギー減衰部を設置しやすく、装置の補修も容易にできる効果がある。
【００３３】
実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４によるビームエネルギー変更部３Ｓの構成図である。図７において、図１と同一符号は同じまたは相当する部分を示す。実施の形態１、２、３では、装置内ビーム軌道を２個としたが、この実施の形態４では、第三の装置内ビーム軌道１６を設け、装置内ビーム軌道を３個にしている。それに応じて、第三の可変エネルギー減衰部６を追加している。
【００３４】
本実施の形態４では、可変エネルギー減衰部が計３個になったので、照射中において、３個の可変エネルギー減衰部を順番に用いながら、それぞれの厚みを次とその次に照射するビームエネルギーに対応した値にすることが可能である。このため、各可変エネルギー減衰部はその変更動作を２スライス分の照射時間内で終了できればよいことになる。従って、実施の形態１などに比べ、更に短いスライス照射時間に対応できるようになる。または、同じスライス照射時間の場合、可変エネルギー減衰部が２個のものに比べ、可変エネルギー減衰部の動作速度が遅くても良いため、さらに騒音や機械振動を少なくできる。
【００３５】
また、装置内ビーム軌道は４以上であっても良く、装置内ビーム軌道は２以上、すなわち複数であれば、本発明の効果を奏するのは言うまでもない。
【００３６】
実施の形態５．
図８は本発明の実施形態５によるビームエネルギー変更部３Ｓの構成図である。図８において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示す。実施の形態１〜４では、２組計４台の偏向電磁石を用いたが、本実施の形態５では、３台の電磁石を用いている。入射側のビーム偏向には偏向電磁石２１および２２の２台の偏向電磁石を用いているが、出射側のビーム偏向には偏向電磁石３２１の１台のみを用いている。それに応じて、３個の装置内ビーム軌道は互いに平行する部分が無い。
【００３７】
本実施の形態５によれば、必要な偏向電磁石の台数が３台で足りるので、電源台数は削減できる。従って、実施の形態１〜４に比べ、装置構成を簡単にできる効果がある。また
、粒子線治療では、粒子線ビーム輸送部、照射部などで既にある偏向電磁石を図８の３つある偏向電磁石のうちの１個または２個に置き換えることが可能な場合がある。つまり、既存のビームラインにある偏向電磁石を用いて、本発明によるビームエネルギー変更部３Ｓを構築できる効果がある。これによって、装置の小型化と低コスト化が実現できる効果がある。
【００３８】
実施の形態６．
図９は本発明の実施の形態６によるビームエネルギー変更部３Ｓの構成図である。本実施の形態６は、粒子線治療装置で使われる真上から患者に向かって照射できる垂直ビーム照射ラインと、360度回転して複数方向から患者にビームを照射できる回転ガントリー照
射装置に本発明を適用した実施の形態である。図９において、図１と同一符号は同一あるいは相当する部分を示す。３０１は追加した偏向電磁石である。３０２はビーム収束と偏向電磁石を含むビーム輸送電磁石を示す。２１０はビームを曲げる偏向電磁石の役目と２個の装置内ビーム軌道を形成する第一偏向電磁石の役目を担う偏向電磁石である。３１および３２は、それぞれ図１などの第三偏向電磁石３１および第四偏向電磁石３２と同じ、ビーム軌道をエネルギー変更後の粒子線ビーム８の軌道に戻すための偏向電磁石である。
【００３９】
ビームエネルギー変更制御部４Ｓによって、偏向電磁石２１０、および第三偏向電磁石３１、第四偏向電磁石３２はそれぞれにある２つの励磁状態の間で移り変わり、入射粒子線ビーム１を異なる２つの装置内ビーム軌道に進行させて、最終的に可変エネルギー減衰部４または５の何れかを通過したエネルギー変更後の粒子線ビーム８となる。エネルギー変更後の粒子線ビーム８は走査電磁石２０１と２０２によって、被照射体３００に照射される。
【００４０】
本実施の形態の粒子線治療装置を用いれば、あまりスペースが無い垂直照射ビームライン、または回転照射装置のノズル内に、高速にビームエネルギーを変更するビームエネルギー変更部を設けることができる。また、可変エネルギー減衰部４と５を被照射体から比較的近くに設置できるので、可変エネルギー減衰部４または５を通過した粒子ビームの角度分散によるビームサイズ拡大による被照射部への影響を少なくできる。よって、高い精度の粒子線治療装置が得られる効果がある。
【００４１】
実施の形態７．
図１０は本発明の実施の形態７によるビームエネルギー変更部３Ｓの構成図である。図１０において、図１と同一符号は同じまたは同等の部分を示す。本実施の形態では、第三偏向電磁石３１の前に、第一と第二装置内ビーム軌道にあわせて、粒子線ビームサイズを制限するため、所定寸法の穴が開いたコリメータ部材３３を追加し、また、第四偏向電磁石３２の後に、粒子線ビームのサイズを制限する、所定寸法の穴が開いたコリメータ部材３４を追加したことである。穴の形状は、通常円形にする。
【００４２】
本実施の形態７による粒子線治療装置の動作は、実施の形態１による粒子線治療装置とほぼ同じである。但し、コリメータ部材３３を追加したことにより、可変エネルギー減衰部４または５を通過して、幾分発散角が増大した粒子線ビームのうち、ビーム周辺部にある発散角の大きい成分をカットできる効果がある。よって、照射部に輸送される粒子線ビームは小さいサイズを維持しながら、ビームエネルギーの変更が可能となる。また、コリメータ３４を追加したことによって、エネルギー変更後の粒子線ビーム８のサイズ増大を防げることに加えて、周辺部により多く存在するエネルギー分散の大きい部分をカットできるため、可変エネルギー減衰部４または５を通過したことにより増大したエネルギー分散も減らせることができる。従って、粒子ビーム８が被照射体に照射されるまで、そのビームサイズの増大が抑えられ、照射部にある電磁石などの小型化に貢献できる効果がある。
【００４３】
なお、本実施の形態７では、コリメータ部材３３およびコリメータ部材３４の二つのコリメータ部材を設けた例を説明したが、いずれか一方のみのコリメータ部材を設けるだけでも良く、可変エネルギー減衰部から照射部までの間の粒子線ビームが通過する位置に、所定寸法の穴が開いたコリメータ部材を設けることで、上記効果があるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４４】
１ 入射粒子線ビーム
４、４０、５、５０ 可変エネルギー減衰部
８ エネルギー変更後の粒子線ビーム
１１、１２、１３、１４、１５、１６ 装置内ビーム軌道
２１、２２、３１、３２、２１０ 偏向磁石
３３、３４ コリメータ部材
３Ｓ ビームエネルギー変更部
４Ｓ ビームエネルギー変更制御部
５Ｓ 照射部
６Ｓ 照射制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線ビームを腫瘍など患部に照射して治療を行う粒子線治療装置、特に、粒子線ビームを患部３次元形状に合わせて照射する３次元照射の粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線による治療法では、光速の約70%まで加速された陽子や炭素線など、高エネルギ
ーの粒子線ビームが用いられる。これらの高エネルギーの粒子線ビームは体内に照射された際に、以下の特徴を有する。第一に、照射された粒子線ビームの殆どが粒子線ビームエネルギーの約1.7乗に比例した深さ位置に停止する。第二に、照射された粒子線が体内で
停止するまでに通過する経路に与えるエネルギー密度（線量と呼ばれる）は粒子線の停止位置で最大値を有する。通過した経路に沿って形成した特有の深部線量分布曲線はブラッグカーブと呼ばれる。線量値が最大の位置はブラッグピークと呼ばれる。
【０００３】
粒子線ビームの３次元照射装置は、このブラッグピークの位置を腫瘍の３次元形状に合わせて走査し、各走査位置におけるピーク線量を調整しながら、予め画像診断で決めた標的である腫瘍領域において、所定の３次元線量分布を形成するように工夫されている。粒子線ビームの停止位置の走査は粒子線ビームの照射方向にほぼ垂直な横方向（Ｘ、Ｙ方向）と、粒子線ビームの照射方向である深さ方向（Ｚ方向）における走査がある。横方向における走査は患者位置を粒子線ビームに対して移動させる方法と、電磁石など使って粒子線ビームの位置を移動させる方法があり、一般的には電磁石を用いる方法が用いられている。深さ方向の走査は粒子線ビームエネルギーを変えるのが唯一の方法である。エネルギーを変える方法には、加速器で粒子線ビームエネルギーを変える方法と、粒子線ビームが通過する経路にエネルギー減衰体を挿入して、減衰体の減衰量を変化させる方法がある。このような減衰体の減衰量を変化させてビームエネルギーを変更する方法は、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている。
【０００４】
実際の粒子線治療装置におけるビームエネルギーの変更回数は、標的サイズと用いる粒子線の種類、最大エネルギーに依存するが、多い時は照射中に１００回程度ビームエネルギーを変更する必要がある。したがって、ビームエネルギー変更の高速化は、治療時間短縮と精度向上に繋がる。特許文献１の図２には、高速にビームエネルギーを変更するビームエネルギー変更装置が開示されている。この従来技術では、２組計４台の偏向電磁石を用いて、ビームエネルギー変更装置に入射されたビームを一度入射方向から偏向させ、ある位置に到達した粒子線ビームを再び反対方向へ曲げて、粒子線ビームの進行方向が入射ビームの入射方向の延長線にほぼ平行する軌道に乗せる。この平行軌道に沿って所定距離を進行した粒子線を再び粒子線ビームの入射方向の延長線上に戻すように粒子線ビームを曲げる。平行軌道の部分に厚みが異なる部分を有するレンジシフタ（エネルギー減衰体）を配置しておき、４台の電磁石のパラメータを変えることにより、平行軌道部がレンジシフタの異なる厚み部分となるようにして、入射粒子線ビームのエネルギーを変える。ビームエネルギーが変更された粒子線ビームは粒子線照射装置へ輸送される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１１５４６８号公報（段落番号０００８−００１３、図２）
【特許文献２】特開平１０−１９９７００号公報（段落番号００４６、図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の図２に記載された方法では、特許文献２の図６に記載された機械的にレンジシフタを移動させる方法より非常に高速に粒子線ビームエネルギーを変えることができる。但し、必要なビームエネルギーの変更回数が多い場合、レンジシフタの寸法が大きくなり粒子線ビームを大きな角度まで偏向させる必要があるため、偏向電磁石が大きくなる。本発明の目的は、必要なビームエネルギー変更回数が多い場合でも、偏向電磁石を大きくすることなく、高速にビームエネルギーを変更できる粒子線治療装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記のような課題を解決するために、本発明は以下の構成を用いる。すなわち、本発明に係る粒子線治療装置は、入射する粒子線ビームのエネルギーを変えるビームエネルギー変更部と、このビームエネルギー変更部を制御するための指令を出力するビームエネルギー変更制御部と、ビームエネルギー変更部を出射した粒子線ビームを被照射体に照射する照射部と、被照射体に照射する粒子線ビームのエネルギーと位置とを制御するための指令を出力する照射制御部とを備えた粒子線治療装置において、ビームエネルギー変更部は、入射する粒子線ビームを複数の装置内ビーム軌道に順次偏向する偏向電磁石と、複数の装置内ビーム軌道のそれぞれの装置内ビーム軌道上にそれぞれ配置された可変エネルギー減衰部と、それぞれの可変エネルギー減衰部を通過した粒子線ビームが照射部において同一の軌道となるよう偏向する偏向電磁石とを備え、ビームエネルギー変更制御部は、照射制御部からの指令に基づき、可変エネルギー減衰部のうち一つの可変エネルギー減衰部を粒子線ビームが通過している間に、他の少なくとも一つの可変エネルギー減衰部のエネルギー減衰量を変更するように制御するように構成したものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の粒子線治療装置にあっては、必要なビームエネルギー変更回数（必要なビームエネルギーの数）が多い場合でも、高速にエネルギー変更ができるとともに、ビームエネルギー変更のための偏向電磁石の偏向量を大きくする必要がない。従って、ビームエネルギー変更部及びこれを具備した粒子線治療装置の小型化と低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１によるビームエネルギー変更部の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態全てに共通する粒子線治療装置のシステム概要を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態全てに共通する粒子線治療装置の照射部を示す概念図である。
【図４】本発明の実施の形態２によるビームエネルギー変更部の概略構成図である。
【図５】本発明の実施の形態３によるビームエネルギー変更部の概略構成図である。
【図６】本発明の実施の形態３による可変エネルギー減衰体を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態４によるビームエネルギー変更部の概略構成図である。
【図８】本発明の実施の形態５によるビームエネルギー変更部の概略構成図である。
【図９】本発明の実施の形態６によるビームエネルギー変更部の概略構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態７によるビームエネルギー変更部の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１による粒子線治療装置の構成と動作を、図１、図２および図３を用いて説明する。図２は本発明の実施の形態全てに共通する粒子線治療装置のシステム概要を示すブロック図である。図２において、１Ｓは粒子線ビームを所定エネルギーまで加
速する粒子線加速器、２Ｓは電磁石等からなる粒子線を輸送する粒子線輸送部、３Ｓは粒子線加速器の後に設置されるビームエネルギー変更部、４Ｓはビームエネルギー変更部を制御するための指令を出すビームエネルギー変更制御部である。５Ｓは粒子線ビームを被照射体（患部）に照射する照射部であり、走査磁石、ビームモニタ（図示せず）等を含む。６Ｓは粒子線を治療計画装置（図示せず）の指示に従って、照射部５Ｓを制御し、またビームエネルギー変更制御部に指令を出して、患部に照射する粒子線ビームを制御する照射制御部である。１はビームエネルギー変更部３Ｓに入射する入射粒子線ビームを、８はビームエネルギー変更部３Ｓから出射されるエネルギー変更後の粒子線ビームを示す。尚、図２では、粒子線輸送部２Ｓ、ビームエネルギー変更部３Ｓ、照射部５Ｓを別のブロックで表記したが、例えば、共通の電磁石を有するなど、各々の構成部分が他の部、あるいは他の部の一部を兼ねる場合もある。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態１によるビームエネルギー変更部３Ｓの概略構成を示す図である。図１において、図２と同様に、１は入射粒子線ビーム（以後の説明では“粒子線ビーム”を略して“ビーム”と記載することもある。）、８はエネルギー変更後の粒子線ビームを示す。２１はエネルギー変更部の第一偏向電磁石、２２は第二偏向電磁石、３１は第三偏向電磁石、３２は第四偏向電磁石である。１１と１２は入射粒子線ビーム１の軌道の延長線、または延長線に沿う粒子線ビーム軌道を示す。１３は第一偏向電磁石２１により曲げられた粒子線ビームの軌道を示す。４は形状可変容器からなる第一の可変エネルギー減衰部、５は同じく形状可変容器からなる第二の可変エネルギー減衰部である。４１は形状可変容器のビーム入射面、４２はビーム出射面を示す。４３は形状可変容器を示し、例えばベローズ（蛇腹）のように形状が変わることができる部材で側面が形成されている。４４は形状可変容器４３に接続した管であり、管４４を経由して形状可変容器４３に例えば水など、粒子線ビームエネルギーを減衰させる（吸収する）流体を出し入れする。例えば、形状可変容器４３に注入する水の量や水圧を変えることによって、ベローズで形成された形状可変容器４３の側面が変形し、ビーム入射面４１とビーム出射面４２間に格納された水の厚みが変化する。同様に、５１、５２は第二の可変エネルギー減衰部５のビーム入射面とビーム出射面を示す。５４は形状可変容器５３に例えば水などの流体を出し入れする管を示す。第二の可変エネルギー減衰部５は第一の可変エネルギー減衰部４と同様な仕組みによって動作する。
【００１２】
図１において、１４は第二の可変エネルギー減衰部５を通過する粒子線ビームと軌道（以下の説明では、エネルギー変更部内ビーム軌道または装置内ビーム軌道と呼ぶこととする）を示す。場合によって、以下の説明では、１１、１２を第一装置内ビーム軌道、１４を第二装置内ビーム軌道と呼ぶ。ΔＸは第一装置内ビーム軌道１２と第二装置内ビーム軌道１４の間の距離を示す。ΔＸは第一の可変エネルギー減衰部４と、第二の可変エネルギー減衰部５がお互いに干渉しないように設置できる距離にしている。ΔＸは第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５の、ビーム軌道と垂直な方向の寸法に依存する。第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５の寸法が大きいほど、ΔＸを大きくする必要がある。第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５のビームが通過する部分の断面寸法は、可変エネルギー減衰部４または５を通過した後のビームサイズよりも若干大きくする必要がある。
【００１３】
図３は粒子線治療装置の照射部５Ｓおよび被照射部を示す概念図である。図３において、８は図１におけるエネルギー変更後の粒子線ビームであり、２０１と２０２はエネルギー変更後の粒子線ビーム８を走査して患部に照射するスキャン機構である。スキャン機構部は例えば偏向電磁石により構成される。また、９は患者体表面、１０は被照射部である標的領域（腫瘍部、患部）である。１０１、１０２、１０３はそれぞれのビームエネルギーに対応した患部における照射スライスの例を示す。つまり、スライス１０３を照射するビームのエネルギーはスライス１０２を照射するビームのエネルギーより若干高い。ビームのエネルギーを変えることにより患部１０の各深さ領域に粒子線ビームのブラッグピーク位置を移動させ、走査磁石２０１と２０２を用いて粒子線ビームを横方向に走査し、３次元照射を行うことができる。
【００１４】
次に、本発明の実施の形態１による粒子線治療装置の動作を説明する。まず、治療計画装置（図示せず）によって、患部１０を照射するために必要な最大ビームエネルギーＥ０が決定される。同時に、図３の１０１〜１０３に示すような、患部１０の異なる深さ位置を照射するために必要なビームエネルギーEi, i=1,2,3,…nが決定される。また、患部１
０の各位置に照射するための横方向位置(Xi,Yi)も決定される。更に、各位置に対する照
射線量値も予め決定される。これらを含む計画情報は照射制御部６Ｓに送られる。
【００１５】
ここで、まずこれから照射する位置に必要なビームエネルギーＥ１に対応して、ビームエネルギー変更制御部４Ｓは照射制御部６Ｓの指令に従い、ビームエネルギー変更部３Ｓのパラメータ設定を行う。具体的には、ビームエネルギー変更制御部４Ｓはビームエネルギー変更部３Ｓにある第一偏向電磁石２１、第二偏向電磁石２２、第三偏向電磁石３１、第四偏向電磁石３２のそれぞれの励磁電流値を予め決めておいた第一装置内ビーム軌道１１、１２（または第二装置内ビーム軌道１３、１４）に対応する値に設定する。図１で示した例では第一装置内ビーム軌道１１、１２に対応した設定は、ビームを偏向させない設定であるから、すべての偏向電磁石の励磁電流はゼロとなる。同時に、第一の可変エネルギー減衰部４の厚みをＴ１に設定する。Ｔ１は必要エネルギー減衰量(Ｅ０−Ｅ１)に相当する値である。ここで、Ｅ０はビームエネルギー変更部に入射する入射粒子線ビームのエネルギーである。
【００１６】
第一の可変エネルギー減衰部４の厚み設定は具体的に、例えば管４４を経由して、形状可変容器４３内に満たしてある水の圧力を調整して、面４１と面４２間の距離を変えることで実現できる。そして、第一の可変エネルギー減衰部４の厚みＴ１の設定と上記すべての偏向電磁石の設定が完了し、ビームエネルギー変更制御部４Ｓは設定完了信号を照射制御部６Ｓに返す。また、同時に、照射制御部６Ｓは照射部５Ｓを含む他のすべての電磁石などの機器もエネルギーＥ１に対応した状態に制御する。
【００１７】
照射制御部６Ｓからの指令により、粒子線加速器１Ｓは粒子線を、必要とする最大ビームエネルギーＥ０まで加速する。その粒子線ビームが粒子線輸送部２Ｓにより、所定の下流機器まで輸送される。そしてビームエネルギーがＥ０である入射粒子線ビーム１がビームエネルギー変更部３Ｓに入射される。
【００１８】
上記設定では、入射粒子線ビーム１が第一装置内ビーム軌道１１、１２を通るように設定していたので、入射粒子線ビーム１は偏向を受けずに直進し、第一の可変エネルギー減衰部４を通過し、エネルギー変更後の粒子線ビーム８のビームエネルギーはＥ１となる。そして、ビームエネルギーＥ１を有するエネルギー変更後の粒子線ビーム８は照射部５Ｓに入射される。そして、エネルギー変更後の粒子線ビーム８は走査電磁石２０１、２０２によって計画した位置(X1,Y1)に照射され、その深さ位置Z1はビームエネルギーＥ１に対
応した位置になる。また、普通、治療計画では、同じビームエネルギーを必要とする照射位置をまとめて照射するように照射順を決めることができる。このため、図３に示すスライス１０３が例えばＥ１に対応したスライスとすれば、このビームエネルギーＥ１で走査磁石２０１、２０２を用いてスライス１０３内のすべての照射予定位置にビームを照射することができる。この１スライスの照射時間はビーム電流強度、腫瘍全体に照射する処方線量とスライスの深さ位置に依存するが、凡そ数百msecである。
【００１９】
入射粒子線ビーム１を第一装置内ビーム軌道１１、１２に誘導して、第一の可変エネルギー減衰部４を通過させてＥ１に対応したスライス１０３への照射開始直後に、照射制御
部６Ｓはビームエネルギー変更制御部４Ｓに指令を出し、次に照射するスライス１０２におけるビームエネルギーＥ２に対応したエネルギー減衰量となるよう第二の可変ビームエネルギー減衰部５を制御する。そして、Ｅ１に対応しているスライス１０３の照射が終了した際、照射制御部６Ｓは次のビームエネルギーＥ２に対応する設定（エネルギー変更部３Ｓおよび照射部５Ｓを含むすべての設定必要機器の設定）が完了していることを確認したら、直ちにビームエネルギー変更制御部４Ｓによって、偏向電磁石２１、２２、３１、３２を粒子線ビームが第二装置内ビーム軌道１３、１４を通るように予め決めた値に励磁し、入射粒子線ビーム１を第二装置内ビーム軌道に誘導する。粒子線ビームはビームエネルギーＥ２に対応した厚みＴ２、すなわちエネルギー減衰量が（Ｅ０−Ｅ２）となるよう設定された第二の可変エネルギー減衰部５を通過し、ビームエネルギーＥ２を持つエネルギー変更後の粒子線ビーム８となる。そして、エネルギー変更後の粒子線ビーム８は粒子線走査磁石２０１、２０２によって、Ｅ２に対応したスライス１０２の患部領域を照射する。
【００２０】
ここで、上記動作において、偏向電磁石２１、２２、３１、３２の励磁完了と同時に、次に照射するスライス１０１におけるビームのエネルギーＥ３に対応した厚みＴ３を再び第一の可変エネルギー減衰部４に設定する。厚みの変更に要する時間（以下では厚み変更時間とよぶ）は普通変更後の厚みＴ３と変更前の厚みＴ２との差に比例するが、スライス１０２に照射している間にこの変更が行われるので、厚み変更時間が総照射時間に及ぼす影響を少なくできる。例えば、厚み変更時間がスライス１０２の照射時間より短い場合、総照射時間は全く厚み変更時間に影響されないことになる。また、偏向電磁石２１、２２、３１、３２の励磁状態を“ゼロ励磁”状態から“励磁”状態にする切替時間は、図１の軌道間距離ΔＸに比例し、ΔＸが20ｍｍとした場合、極普通の電磁石でも10msec以下である。つまり、本発明の装置を用いれば、ビームエネルギーをmsecオーダで高速に変更可能である。
【００２１】
スライス１０２の照射が終了した後、直ちに第一可変エネルギー減衰部の厚み変更完了を確認し、偏向電磁石２１、２２、３１、３２の励磁をゼロに戻し、ビームエネルギーＥ３に対応した次のスライス１０１の照射を開始できる。
【００２２】
上記で述べたように、入射粒子線ビーム１を第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５に交互に誘導し、第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５のエネルギー減衰量を交互に次のビームエネルギーに対応した減衰量に変更して、必要なビームエネルギーＥ１、Ｅ２………Ｅｎに対応した照射を高速に実現できる。
【００２３】
本発明によれば、２台の可変エネルギー減衰部を交互に使用することにより、また、２台の可変エネルギー減衰部への粒子線ビームの切替は４台の電磁石の励磁と非励磁によって行うことで、数百段階のビームエネルギー変更も高速に行うことが可能である。また、それぞれの可変エネルギー減衰部のエネルギー減衰量の変更動作は１スライスの照射に必要な時間より短い時間内で完成すればよいので、エネルギー減衰量の変更のための厚み変更時の騒音と機械振動は無視できる程度にできる。
【００２４】
また、本発明によれば、照射するスライス数が多い場合でも、必要なビームの偏向量ΔＸは小さい値のままでよい。ビーム１のサイズを仮に5mmとした場合、本発明では偏向電
磁石に要求する偏向量ΔＸは上記２台の可変エネルギー減衰部４と５の断面サイズ（いれずも5mmより大きくする必要がある）によって決まり、余裕を持って、ΔＸ＝20mmとすれ
ば十分である。これに対して、特許文献１の図２によれば、偏向電磁石２１、２２、３１、３２による偏向量はスライス数nとした場合、n×ΔＸが必要となる。例えば、n=10の場合、必要なビーム偏向量は約200mmとなる。これは、偏向電磁石そのものを大きくする必要があるだけでなく、かかる電磁石電源の容量も大きくなる。特に、炭素線などの比較的重い粒子線の場合では、本発明の効果がより顕著である。
【００２５】
本発明は必要なビームエネルギー変更回数が多い場合でも、エネルギー変更を高速に行えると同時に、偏向電磁石の偏向量を大きくすることなく、ビームエネルギー変更部の小型化と低コスト化が実現できる効果がある。
【００２６】
実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２によるビームエネルギー変更部３Ｓの構成図である。実施の形態１では、第一、第二、第三、第四の偏向電磁石の励磁量がすべてゼロのときに第一装置内ビーム軌道が形成される場合を説明したが、図４に示すように、第一装置内ビーム軌道１１、１５も偏向させて、すなわち第二装置内ビーム軌道１３、１４と逆方向に偏向させて第一装置内ビーム軌道を形成するようにしてもよい。このように、第一装置内ビーム軌道と第二装置内ビーム軌道を逆方向に偏向させて形成すれば、偏向電磁石２１、２２、３１、３２の励磁電流が図１のものよりもさらに少なくなり、偏向電磁石の寸法も小型になる。
【００２７】
また、図４では、第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５を装置内ビーム軌道のビーム進行方向においてずれた位置に配置している。すなわち、第一装置内ビーム軌道１５と第二装置内ビーム軌道１４を含む平面に垂直で、第一可変エネルギー減衰部４を通過する第一装置内ビーム軌道１５あるいは第二可変エネルギー減衰部を通過する第二装置内ビーム軌道１４を含む平面への、第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５の投影像が重ならないように、第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５とを配置している。第一の可変エネルギー減衰部４と第二の可変エネルギー減衰部５とをこのようにずらして配置することにより、図１で示したものよりも、第一装置内ビーム軌道１５と第二装置内ビーム軌道１４の間隔ΔＸをさらに小さくできるため、さらに偏向電磁石２１、２２、３１、３２を小型化できる。
【００２８】
この、２つの可変エネルギー減衰部をずらして配置する構成は、本実施の形態２においてのみならず、本発明の他の実施の形態においても適用できるのは言うまでもない。
【００２９】
実施の形態３．
実施の形態１および２では、可変エネルギー減衰部として、形状可変の容器に水を満たして、水の充填量を調節制御して、水の厚みを変える例を説明したが、これに限ることなく、可変エネルギー減衰部に、別形態の可変エネルギー減衰体を用いても良い。図５および図６はこの例を示す実施の形態である。図５において、４０が第一の可変エネルギー減衰部、５０が第二の可変エネルギー減衰部であり、図６（ａ）、（ｂ）は図５における可変エネルギー減衰部の粒子線エネルギー減衰体を図５の横方向から見た図、すなわち側面図である。可変エネルギー減衰部４０および５０は、例えば図６（ａ）のように厚みがくさび状に変化する形状、あるいは図６（ｂ）のように厚みが階段状に変化する形状の粒子線エネルギー減衰体と、この粒子線エネルギー減衰体を移動させる駆動機構を備えている。粒子線エネルギー減衰体を移動させる方向は、粒子線エネルギー減衰体の厚みが変化する方向である。図５では厚みが変化する方向を図５の紙面に垂直な方向、すなわち第一装置内ビーム軌道１５と第二装置内ビーム軌道１４とを含む平面に垂直な方向になるよう可変エネルギー減衰部４０および５０を設置している。
【００３０】
図６（ｃ）は、粒子線エネルギー減衰体のさらに別の設置方向を説明する図である。図６（ｃ）は、可変エネルギー減衰部の位置で図５の上方から、すなわちビームの進行方向から見た図であり、第一装置内ビーム軌道１５、第二装置内ビーム軌道１４、第一の可変エネルギー減衰部４０、第二の可変エネルギー減衰部５０の位置関係を示している。第一
装置内ビーム軌道１５と第二装置内ビーム軌道１４とを含む平面Ａと所定の角度θを持って粒子線エネルギー減衰体を設置してもよい。このように、エネルギー減衰体を設置する方向は、必ずしも第一装置内ビーム軌道１５と第二装置内ビーム軌道１４とを含む平面Ａに垂直な方向でなくても、第一の可変エネルギー減衰部４０の粒子線エネルギー減衰体と第二の可変エネルギー減衰部５０の粒子線エネルギー減衰体が移動してもお互いに干渉しない向きに設置すれば良い。
【００３１】
実施の形態１、２、３では、可変エネルギー減衰部を第二偏向電磁石２２と第三偏向電磁石３１の間に設置した例を示したが、これに限ることはなく、第一偏向電磁石２１と第四偏向電磁石３２の間であれば、どこに設置しても、上述した効果が得られる。但し、図１、図４および図５で示したように第二偏向電磁石と第三偏向電磁石の間に可変エネルギー減衰部を設置した方が、装置全体構成が簡単にできる効果がある。
【００３２】
また、実施の形態１、２、３では、図１、図４および図５に示したように、第一装置内ビーム軌道と第二装置内ビーム軌道とは、互いに略平行する部分を有する。しかし、このような構成に限ることはなく、後述の実施の形態５で説明するように、複数の装置内ビーム軌道が、それぞれの装置内ビーム軌道に設けられた可変エネルギー減衰部が互いに干渉しない距離だけ離れていれば、必ずしも平行する部分を有していなくても良い。但し、複数の装置内ビーム軌道が、互いに略平行する部分を有する場合、この位置に可変エネルギー減衰部を設置すれば、複数の可変エネルギー減衰部を互いに平行に設置できるため、可変エネルギー減衰部を設置しやすく、装置の補修も容易にできる効果がある。
【００３３】
実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４によるビームエネルギー変更部３Ｓの構成図である。図７において、図１と同一符号は同じまたは相当する部分を示す。実施の形態１、２、３では、装置内ビーム軌道を２個としたが、この実施の形態４では、第三の装置内ビーム軌道１６を設け、装置内ビーム軌道を３個にしている。それに応じて、第三の可変エネルギー減衰部６を追加している。
【００３４】
本実施の形態４では、可変エネルギー減衰部が計３個になったので、照射中において、３個の可変エネルギー減衰部を順番に用いながら、それぞれの厚みを次とその次に照射するビームエネルギーに対応した値にすることが可能である。このため、各可変エネルギー減衰部はその変更動作を２スライス分の照射時間内で終了できればよいことになる。従って、実施の形態１などに比べ、更に短いスライス照射時間に対応できるようになる。または、同じスライス照射時間の場合、可変エネルギー減衰部が２個のものに比べ、可変エネルギー減衰部の動作速度が遅くても良いため、さらに騒音や機械振動を少なくできる。
【００３５】
また、装置内ビーム軌道は４以上であっても良く、装置内ビーム軌道は２以上、すなわち複数であれば、本発明の効果を奏するのは言うまでもない。
【００３６】
実施の形態５．
図８は本発明の実施形態５によるビームエネルギー変更部３Ｓの構成図である。図８において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示す。実施の形態１〜４では、２組計４台の偏向電磁石を用いたが、本実施の形態５では、３台の電磁石を用いている。入射側のビーム偏向には偏向電磁石２１および２２の２台の偏向電磁石を用いているが、出射側のビーム偏向には偏向電磁石３２１の１台のみを用いている。それに応じて、３個の装置内ビーム軌道は互いに平行する部分が無い。
【００３７】
本実施の形態５によれば、必要な偏向電磁石の台数が３台で足りるので、電源台数は削減できる。従って、実施の形態１〜４に比べ、装置構成を簡単にできる効果がある。また
、粒子線治療では、粒子線ビーム輸送部、照射部などで既にある偏向電磁石を図８の３つある偏向電磁石のうちの１個または２個に置き換えることが可能な場合がある。つまり、既存のビームラインにある偏向電磁石を用いて、本発明によるビームエネルギー変更部３Ｓを構築できる効果がある。これによって、装置の小型化と低コスト化が実現できる効果がある。
【００３８】
実施の形態６．
図９は本発明の実施の形態６によるビームエネルギー変更部３Ｓの構成図である。本実施の形態６は、粒子線治療装置で使われる真上から患者に向かって照射できる垂直ビーム照射ラインと、360度回転して複数方向から患者にビームを照射できる回転ガントリー照
射装置に本発明を適用した実施の形態である。図９において、図１と同一符号は同一あるいは相当する部分を示す。３０１は追加した偏向電磁石である。３０２はビーム収束と偏向電磁石を含むビーム輸送電磁石を示す。２１０はビームを曲げる偏向電磁石の役目と２個の装置内ビーム軌道を形成する第一偏向電磁石の役目を担う偏向電磁石である。３１および３２は、それぞれ図１などの第三偏向電磁石３１および第四偏向電磁石３２と同じ、ビーム軌道をエネルギー変更後の粒子線ビーム８の軌道に戻すための偏向電磁石である。
【００３９】
ビームエネルギー変更制御部４Ｓによって、偏向電磁石２１０、および第三偏向電磁石３１、第四偏向電磁石３２はそれぞれにある２つの励磁状態の間で移り変わり、入射粒子線ビーム１を異なる２つの装置内ビーム軌道に進行させて、最終的に可変エネルギー減衰部４または５の何れかを通過したエネルギー変更後の粒子線ビーム８となる。エネルギー変更後の粒子線ビーム８は走査電磁石２０１と２０２によって、被照射体３００に照射される。
【００４０】
本実施の形態の粒子線治療装置を用いれば、あまりスペースが無い垂直照射ビームライン、または回転照射装置のノズル内に、高速にビームエネルギーを変更するビームエネルギー変更部を設けることができる。また、可変エネルギー減衰部４と５を被照射体から比較的近くに設置できるので、可変エネルギー減衰部４または５を通過した粒子ビームの角度分散によるビームサイズ拡大による被照射部への影響を少なくできる。よって、高い精度の粒子線治療装置が得られる効果がある。
【００４１】
実施の形態７．
図１０は本発明の実施の形態７によるビームエネルギー変更部３Ｓの構成図である。図１０において、図１と同一符号は同じまたは同等の部分を示す。本実施の形態では、第三偏向電磁石３１の前に、第一と第二装置内ビーム軌道にあわせて、粒子線ビームサイズを制限するため、所定寸法の穴が開いたコリメータ部材３３を追加し、また、第四偏向電磁石３２の後に、粒子線ビームのサイズを制限する、所定寸法の穴が開いたコリメータ部材３４を追加したことである。穴の形状は、通常円形にする。
【００４２】
本実施の形態７による粒子線治療装置の動作は、実施の形態１による粒子線治療装置とほぼ同じである。但し、コリメータ部材３３を追加したことにより、可変エネルギー減衰部４または５を通過して、幾分発散角が増大した粒子線ビームのうち、ビーム周辺部にある発散角の大きい成分をカットできる効果がある。よって、照射部に輸送される粒子線ビームは小さいサイズを維持しながら、ビームエネルギーの変更が可能となる。また、コリメータ３４を追加したことによって、エネルギー変更後の粒子線ビーム８のサイズ増大を防げることに加えて、周辺部により多く存在するエネルギー分散の大きい部分をカットできるため、可変エネルギー減衰部４または５を通過したことにより増大したエネルギー分散も減らせることができる。従って、粒子ビーム８が被照射体に照射されるまで、そのビームサイズの増大が抑えられ、照射部にある電磁石などの小型化に貢献できる効果がある。
【００４３】
なお、本実施の形態７では、コリメータ部材３３およびコリメータ部材３４の二つのコリメータ部材を設けた例を説明したが、いずれか一方のみのコリメータ部材を設けるだけでも良く、可変エネルギー減衰部から照射部までの間の粒子線ビームが通過する位置に、所定寸法の穴が開いたコリメータ部材を設けることで、上記効果があるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４４】
１ 入射粒子線ビーム
４、４０、５、５０ 可変エネルギー減衰部
８ エネルギー変更後の粒子線ビーム
１１、１２、１３、１４、１５、１６ 装置内ビーム軌道
２１、２２、３１、３２、２１０ 偏向磁石
３３、３４ コリメータ部材
３Ｓ ビームエネルギー変更部
４Ｓ ビームエネルギー変更制御部
５Ｓ 照射部
６Ｓ 照射制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する粒子線ビームのエネルギーを変えるビームエネルギー変更部と、このビームエネルギー変更部を制御するための指令を出力するビームエネルギー変更制御部と、上記ビームエネルギー変更部を出射した粒子線ビームを被照射体に照射する照射部と、上記被照射体に照射する粒子線ビームのエネルギーと位置とを制御するための指令を出力する照射制御部とを備えた粒子線治療装置において、
上記ビームエネルギー変更部は、上記入射する粒子線ビームを複数の装置内ビーム軌道に順次偏向する偏向電磁石と、上記複数の装置内ビーム軌道のそれぞれの装置内ビーム軌道上にそれぞれ配置された可変エネルギー減衰部と、それぞれの可変エネルギー減衰部を通過した粒子線ビームが上記照射部において同一の軌道となるよう偏向する偏向電磁石とを備え、
上記ビームエネルギー変更制御部は、上記照射制御部からの指令に基づき、上記可変エネルギー減衰部のうち一つの可変エネルギー減衰部を粒子線ビームが通過している間に、他の少なくとも一つの可変エネルギー減衰部のエネルギー減衰量を変更するように制御することを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項２】
複数の装置内ビーム軌道は、互いに平行している部分を有し、この平行している部分に可変エネルギー減衰部を設置したことを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
【請求項３】
装置内ビーム軌道の数が２であることを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
【請求項４】
装置内ビーム軌道の数が３であることを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
【請求項５】
可変エネルギー減衰部は、形状が変化する部材で側面が形成された形状可変容器に水を水圧制御可能に注入する水注入管を備え、水圧を変えることで形状可変容器の粒子線ビームが通過する厚みを変更可能として構成したことを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
【請求項６】
可変エネルギー減衰部は、一方向に厚みが変化する粒子線エネルギー減衰体を備え、この粒子線エネルギー減衰体の厚みが変化する方向を複数の装置内ビーム軌道を含む平面と所定の角度を持って傾かせて設置し、上記粒子線エネルギー減衰体を厚みが変化する方向に移動させてエネルギー減衰量を変化させることにより構成したことを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
【請求項７】
所定の角度が９０度であることを特徴とする請求項６に記載の粒子線治療装置。
【請求項８】
可変エネルギー減衰部から照射部までの間の粒子線ビームが通過する位置に、所定寸法の穴が開いたコリメータ部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
【請求項１】
入射する粒子線ビームのエネルギーを変えるビームエネルギー変更部と、このビームエネルギー変更部を制御するための指令を出力するビームエネルギー変更制御部と、上記ビームエネルギー変更部を出射した粒子線ビームを被照射体に照射する照射部と、上記被照射体に照射する粒子線ビームのエネルギーと位置とを制御するための指令を出力する照射制御部とを備えた粒子線治療装置において、
上記ビームエネルギー変更部は、上記入射する粒子線ビームを複数の装置内ビーム軌道に順次偏向する偏向電磁石と、上記複数の装置内ビーム軌道のそれぞれの装置内ビーム軌道上にそれぞれ配置された可変エネルギー減衰部と、それぞれの可変エネルギー減衰部を通過した粒子線ビームが上記照射部において同一の軌道となるよう偏向する偏向電磁石とを備え、
上記ビームエネルギー変更制御部は、上記照射制御部からの指令に基づき、上記可変エネルギー減衰部のうち一つの可変エネルギー減衰部を粒子線ビームが通過している間に、他の少なくとも一つの可変エネルギー減衰部のエネルギー減衰量を変更するように制御することを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項２】
複数の装置内ビーム軌道は、互いに平行している部分を有し、この平行している部分に可変エネルギー減衰部を設置したことを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
【請求項３】
装置内ビーム軌道の数が２であることを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
【請求項４】
装置内ビーム軌道の数が３であることを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
【請求項５】
可変エネルギー減衰部は、形状が変化する部材で側面が形成された形状可変容器に水を水圧制御可能に注入する水注入管を備え、水圧を変えることで形状可変容器の粒子線ビームが通過する厚みを変更可能として構成したことを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
【請求項６】
可変エネルギー減衰部は、一方向に厚みが変化する粒子線エネルギー減衰体を備え、この粒子線エネルギー減衰体の厚みが変化する方向を複数の装置内ビーム軌道を含む平面と所定の角度を持って傾かせて設置し、上記粒子線エネルギー減衰体を厚みが変化する方向に移動させてエネルギー減衰量を変化させることにより構成したことを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
【請求項７】
所定の角度が９０度であることを特徴とする請求項６に記載の粒子線治療装置。
【請求項８】
可変エネルギー減衰部から照射部までの間の粒子線ビームが通過する位置に、所定寸法の穴が開いたコリメータ部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２７３７８５（Ｐ２０１０−２７３７８５Ａ）
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２７８０３（Ｐ２００９−１２７８０３）
【出願日】平成２１年５月２７日（２００９．５．２７）
【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２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２７日（２００９．５．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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