荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法
【課題】荷電粒子ビームの進行方向において荷電粒子ビームの誤照射を防止できる荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法を提供することにある。
【解決手段】ＲＭＷを回転方向において分割して形成される複数の角度領域のうち目標線量に達した角度領域へのイオンビームの供給を停止しその目標線量に到達していない他の角度領域にイオンビームを供給することにある。このため、患部内のイオンビーム進行方向における各位置に対する照射線量を容易に調節することができ、患部内のイオン進行方向における各位置において照射線量の過不足が生じる誤照射の確率を著しく低減することができる。
【解決手段】ＲＭＷを回転方向において分割して形成される複数の角度領域のうち目標線量に達した角度領域へのイオンビームの供給を停止しその目標線量に到達していない他の角度領域にイオンビームを供給することにある。このため、患部内のイオンビーム進行方向における各位置に対する照射線量を容易に調節することができ、患部内のイオン進行方向における各位置において照射線量の過不足が生じる誤照射の確率を著しく低減することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法に係り、特に、陽子及び炭素イオン等のイオンビームを患部に照射して治療する粒子線治療装置に適用するのに好適な荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
癌などの患者の患部に陽子及び炭素イオン等のイオンビーム（荷電粒子ビーム）を照射する治療方法が知られている。この治療に用いるイオンビーム照射システムは、円形加速器、ビーム輸送系、及び例えば照射野形成装置有する回転式の照射装置を備えている。円形加速器は、周回軌道に沿って周回するイオンビームを目標のエネルギーまで加速させる。目標のエネルギーまで加速されたイオンビームは、ビーム輸送系を経て照射野形成装置に輸送させる。照射野形成装置は、患者の患部形状に形成したイオンビームを出射する。円形加速器としては、例えば、イオンビームを周回軌道に沿って周回させる手段、共鳴の安定限界の外側でイオンビームのベータトロン振動を共鳴状態にする手段、及びイオンビームを周回軌道から取り出す出射用デフレクタを備えたシンクロトロンが知られている。
【０００３】
イオンビームを用いた治療においては、イオンが停止する直前にエネルギーの大部分が放出してブラッグカーブと呼ばれる線量分布を形成する特性と、そのブラッグカーブのピークであるブラッグピークの、深さ方向での位置は体内に入射するイオンビームのエネルギーの大きさで制御できる特性を利用し、イオンビームのエネルギーを適切に選択し、イオンビームを患部近傍で停止させてエネルギーの大部分を患部のがん細胞に与えるようにしている。
【０００４】
ここで、ブラッグピークの、深さ方向（すなわちビームの進行方向）での幅は数ｍｍである。通常、患部は深さ方向にそれ以上の厚みをもっている。このような患部において患部全体の深さ方向に渡ってイオンビームを効果的に照射するには、深さ方向で患部大の広い平坦な線量分布を形成するように、イオンビームのエネルギー（ビームエネルギー）とイオンビーム照射量を制御しなければならない。
【０００５】
このような観点から、従来のイオンビーム照射システムは、レンジモジュレーションホイール（Range Modulation Wheel、以下、ＲＭＷという。）を照射野形成装置に設置している（例えば、非特許文献１）。ＲＭＷは、周方向に段階的に軸方向の厚みが増大し減少する楔型形状となっているエネルギー吸収体（羽根）を複数枚配置した構成を有する。ＲＭＷは、照射野形成装置内のビーム経路に配置され、ビーム経路と垂直な面内で回転する。例えば、ＲＭＷが回転している状態において、羽根の薄い部分をイオンビームが通過したときはビームエネルギーの減衰が少なく、ブラッグピークが体内深くに生じ、羽根の厚い部分をイオンビームが通過したときは、ビームエネルギーが大きく減衰されてブラッグピークが体表面近くの浅い部分で生じる。また、ＲＭＷの回転により、ブラッグピーク位置の変動が周期的に行われる結果、時間積分で見ると、体表面近くから体内深くまで至る広く平坦な線量分布（Spread Out Bragg Peak：ＳＯＢＰ）を得ることができる。
【０００６】
【非特許文献１】REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS （１９９３年８月；図３０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の従来手法では、以下のような課題が存在する。
【０００８】
すなわち、患者により体格、患部の大きさ、患部の体表面からの位置もそれぞれ異なる。さらには、同一患者であっても治療の進捗によりそれらは変化する。このため、治療に最適な線量分布は患者および当該患者の治療回数等によってそれぞれ異なる。しかし、ＲＭＷの構成は入射するイオンビームのエネルギーに対応して楔形形状のエネルギー吸収体の形状が最適化されてるため、ひとつのＲＭＷからひとつの線量分布しか得られない。このため、患部の大きさごとに異なるＲＭＷを作成して用意し、患部の大きさが変わるたびにＲＭＷを取り替えて使用する必要があり、多数の患者を円滑に治療するのが困難であった。
【０００９】
本発明の目的は、荷電粒子ビームの進行方向において荷電粒子ビームの誤照射の確率を低減できる荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、加速装置から出射された荷電粒子ビームを、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なるエネルギー調整装置に供給し、
このエネルギー調整装置の回転角度及びエネルギー調整装置を透過した荷電粒子ビームの線量に基づいて、加速装置からの荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御することにある。
【００１１】
また、本発明の特徴は、加速装置から出射された荷電粒子ビームを、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なるエネルギー調整装置に供給し、
このエネルギー調整装置を回転方向において分割して形成される複数の領域のうち目標線量に達した前記領域への荷電粒子ビームの供給を停止し、前記目標線量に到達していない他の前記領域に荷電粒子ビームを供給することにあるとも言える。
【００１２】
本発明は、回転方向において分割して形成される複数の領域のうち目標線量に達した前記領域への荷電粒子ビームの供給を停止し、前記目標線量に到達していない他の前記領域に荷電粒子ビームを供給するので、照射対象内の荷電粒子ビーム進行方向における各位置に対する照射線量を容易に調節することができる。このため、照射対象内の荷電粒子進行方向における各位置において照射線量の過不足が生じる誤照射の確率を著しく低減することができる。すなわち、したがって、本発明は、照射対象内の荷電粒子進行方向における線量分布を所望の線量分布に容易に調節することができる。好ましくは、その確率を０にすることもできる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、照射対象内の荷電粒子進行方向における各位置において照射線量の過不足が生じる誤照射の確率を著しく低減することができる。このため、照射対象内の荷電粒子進行方向における線量分布を所望の線量分布に容易に調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用い詳細に説明する。
（実施形態１）
図１に示すように、本実施形態の粒子線治療装置（イオンビーム照射システム）は、治療ベッド２１７に固定された患者２１６の患部２１６ａに対してイオンビーム（例えば陽子線）を照射するものであり、イオンビーム発生装置（陽子線発生装置、粒子線発生装置）１、中央制御装置１００、照射野形成装置２００、照射制御システム３００を備える。
【００１５】
中央制御装置１００は、治療計画装置１０２で決められる患者２１６の患部２１６ａに適切な照射野を形成するための照射条件（ビーム照射方向、ＳＯＢＰ幅、照射線量、最大照射深さ、照射野サイズ等）を読み込み、機器の種類、設置位置、設置角度、ビームエネルギー、ビーム強度パターン、ビーム照射量の目標値等の運転パラメータを選択するものである。中央制御装置１００は、メモリ１０１を備え、図７に示す情報をメモリ１０１に保存する。メモリ１０１に記録された情報を基に、各機器は照射野形成装置２００に設置され、運転パラメータはイオンビーム発生装置１、照射制御システム３００に設定される。
【００１６】
イオンビーム発生装置１は、所定のビームエネルギーのイオンビームを発生させるための装置であり、イオン源２、前段加速器３、低エネルギービーム輸送系４及びシンクロトロン５を備える。
【００１７】
イオン源２で生成されたイオンビームは、前段加速器３で前段加速され、低エネルギービーム輸送系４を通ってシンクロトロン５に供給される。
【００１８】
シンクロトロン５は、図１に示すように、その周回軌道上に加速装置６、出射用の高周波印加装置７、出射用デフレクタ１２、４極電磁石（図示せず）及び偏向電磁石１７を備える。高周波印加装置７は、出射用の高周波印加電極（図示せず）を備える。高周波印加装置７が出射用の高周波供給装置１８に接続される。高周波供給装置１８は出射用の高周波電源９、信号合成装置１０、ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ（開閉装置）１１、照射完了用スイッチ１５及びインターロック用スイッチ１６を備える。高周波電源９が、信号合成装置１０、ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１、照射完了用スイッチ及びインターロック用スイッチをこの順序で介して高周波印加装置７の高周波印加電源に接続される。高周波印加装置７は、閉じられているインターロック用スイッチ、照射完了用スイッチ及びビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１の各スイッチと、信号合成装置１０を介して高周波電源９から高周波電力の供給を受ける。シンクロトロン５の周回軌道を周回するイオンビームは、加速装置６に設けられた高周波加速空胴（図示せず）に高周波を印加することによって加速される。所望のエネルギー（例えば５０〜２５０ＭｅＶ）までイオンビームが加速された後、高周波電源９からの高周波電力が、高周波印加電極によりシンクロトロン５内を周回しているイオンビームに印加されたとき、イオンビームがシンクロトロン５から出射される。
【００１９】
高エネルギービーム輸送系１３は、シンクロトロン５と照射野形成装置２００を連絡し、回転ガントリー１４にも一部設置されている。シンクロトロン５から取り出されたイオンビームは、高エネルギービーム輸送系１３を介して回転ガントリー１４に設置された照射野形成装置２００まで導かれる。回転ガントリー１４の回転角度を調整することで、患者２１６に対して所望の方向からイオンビームを照射することが可能である。
【００２０】
図２を用い、照射野形成装置２００の詳細を説明する。照射野形成装置２００は、イオンビーム発生装置１により生成されたイオンビームを、患者２１６の患部２１６ａの形状に合わせて整形する装置である。照射野形成装置２００は、ケーシング２０１を備え、ケーシング２０１内に、ＲＭＷレンジモジュレーションホイール保持部材２０３を介して取り付けられたＲＭＷ２０２、第１散乱体保持部材２０７を介して取り付けられた第１散乱体２０６、第２散乱体保持部材２０９を介して取り付けられた第２散乱体２０８、レンジシフタ保持部材２１１を介して取り付けられたレンジシフタ２１０、線量モニタ保持部材２１３を介して取り付けられた線量モニタ２１２、ボーラス２１４、コリメータ２１５を備える。
【００２１】
ＲＭＷ装置２２２は、時間的にブラッグピークを走査して患部２１６ａの深さ方向に広く一様な線量分布を形成するエネルギー調整装置である。ＲＭＷ装置２２２は、ＲＭＷ２０２、ＲＭＷ保持部材２０３およびＲＭＷ回転駆動装置２０４を有する。ＲＭＷ２０２は、エネルギー損失に対してビーム散乱各の小さな物質（原子番号の小さな物質、例えば、樹脂）で構成される。ＲＭＷ保持部材２０３は、ビーム軸の方向に対向して設けられる一対の保持部２０３ａを有し、ケーシング２０１の内部に取り付けられる。保持部２０３ａの上部および下部にはそれぞれ回転部材（図示せず）が回転可能に設けられている。ＲＭＷ２０２は、それらの回転部材間に挿入され、ＲＭＷ２０２の回転軸２２３（図５）が回転部材に連結されてＲＭＷ保持部材２０３に支持される。ＲＭＷ２０２は、ＲＭＷ保持部材２０３に着脱可能に取り付けられるため、容易に交換可能となる。ＲＭＷ保持部材２０３は、ビーム経路をさえぎらない位置に配置される。ＲＭＷ回転駆動装置２０４が、下方の保持部２０３ａに設けられ、ＲＭＷ２０２を回転させる。下方の保持部２０３ａに、角度計２０５が設けられている。角度計２０５は、照射制御システム３００に設けられた領域判定装置３０１（図３）に接続される。角度計２０５は、ＲＭＷ２０２の回転角度（回転位相）を検出する。
【００２２】
ＲＭＷ２０２の詳細構成を図５に示す。ＲＭＷ２０２は、回転軸２２３及び回転軸２２３に取り付けられＲＭＷ２０２の半径方向に伸びた複数の羽根２０２ａ（本実施形態では３枚）を有している。また、ＲＭＷ２０２の周方向において隣り合う羽根２０２ａの間には、それぞれ開口が形成されている。１つのＲＭＷ２０２には３つの開口が存在している。各羽根２０２ａは、ＲＭＷ２０２の周方向において階段状に配置された複数の平面領域を有しており、軸方向におけるＲＭＷ２０２の底面から各平面領域までの各厚みが異なっている。羽根２０２ａは、周方向において羽根２０２ａの両側に位置する開口から、軸方向において最も高い位置にある平面領域に向かって軸方向の厚みが段階的に増加するように形成されている。ＲＭＷ２０２は、各平面領域までの厚みの違いに起因したイオンビームの散乱量の違いを補償するため、散乱補償体を取り付けてもよい。ＲＭＷ２０２は、イオンビーム出射中に回転するので、回転角度に応じてイオンビームが通過する部分の厚みが変化する。これにより、ＲＭＷ２０２通過後のビームエネルギーが変化し、それぞれのビームエネルギーに対応した異なる深さにブラッグピークを形成する。このように、時間的にブラッグピークを走査することで、患部２１６ａ内の所望の深さの広い領域に平坦な照射野を形成できる。本実施例では、ＲＭＷ２０２は、ＲＭＷ２０２の回転方向において階段状に配置された複数の変面領域を有した複数の羽根２０２ａを備える構成となっているが、軸方向の厚みが回転方向において異なる構成であればよい。
【００２３】
第１散乱体２０６は、物質によるイオンの散乱現象によりイオンビームの進行方向と直交する方向（以下、直交方向という）にイオンビームを広げるためのものである。散乱によりほぼガウス分布にビームは広げられる。第１散乱体２０６は、一般に散乱量に対するエネルギー損失が少な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。この第１散乱体２０６は、複数の物質の混合物でもよく、厚みの異なる複数の板部材を重ねて構成し、イオンビーム進行方向の合計厚みを変化させることも可能である。第１散乱体２０６は、ＲＭＷ２０２の下流側に配置されるが、それよりも上流側に配置することも可能である。ＲＭＷ２０２と第１散乱体２０６を一体化してもよい。また、ＲＭＷ２０２に、羽根２０２ａの厚みの差によるビーム散乱量を補償するために角度毎に厚みの異なる散乱補償体を取り付けてもよい。
【００２４】
第２散乱体２０８は、第１散乱体２０６により広げられたイオンビームから、広く一様な線量分布を形成するためのものである。第２散乱体２０８は、円盤部２０８ａとその外周側に設けられるリング部２０８ｂを有する。円盤部２０８ａはイオンビーム通過時のエネルギー損失に対してビーム散乱角の大きい物質（原子番号の大きな物質、例えば鉛、タングステン等）によって構成され、リング部２０８ｂはエネルギー損失に対してビーム散乱角の小さい物質（原子番号の小さな物質、例えば樹脂）から構成される。また、両者の厚みは通常イオンビームが入射した際のエネルギー損失量がほぼ等しくなるように構成なっているので、リング部２０８ｂのほうが通常は厚くなる。第１散乱体２０６によって拡大されたイオンビームが円盤部２０８ａとリング部２０８ｂに入射すると、円盤部２０８ａに入射したイオンビームはリング部２０８ｂに入射したものと比べてより拡大されるので、直交方向に広い領域に渡って一様な分布を形成できる。なお、第２散乱体２０８は、上記した２重リング構造に代えて、リング数のより多い構造や、径方向に厚み寸法を滑らかに変化する構造等にしても良い。
【００２５】
レンジシフタ２１０は、イオンビームの最大飛程を患部２１６ａの最大深さと一致させるものである。レンジシフタ２１０はエネルギー損失に対してビーム散乱角の小さい物質（原子番号の小さな物質、例えば樹脂）から構成される。イオンビームがレンジシフタ２１０を通過するとエネルギーを失うので、イオンビームの最大飛程を減らすことができる。これにより、イオンビームの最大飛程を患部２１６ａと一致させることができる。レンジシフタ２１０は、厚みの異なる複数の板部材を重ねて構成し、板部材の組み合わせによりイオンビーム進行方向の合計厚みを変化させことも可能である。また、レンジシフタ２１０を用いず、シンクロトロン５によるイオンビームの加速エネルギーを減らす、あるいは、高エネルギービーム輸送系１３でイオンビームのエネルギーを損失させても良い。これにより、イオンビームがレンジシフタ２１０を通過する際に生成する中性子を削減する効果がある。
【００２６】
上記の過程を経て、直交方向と深さ方向に拡大されたイオンビームは線量モニタ２１２に入射し、その通過量が計測される。線量モニタ２１２をビーム下流側に配置すると、より患部２１６ａに照射する直前のイオンビーム通過量を計測できる。線量モニタ２１２をビーム上流側、例えば、ＲＭＷ２０２、レンジシフタ２１０など、イオンビームのエネルギーを変化させる機器の上流に配置すると、エネルギーの違いによる線量モニタ２１２からの出力信号の補正計算等の手間を省ける。
【００２７】
ボーラス２１４は、例えば樹脂製のブロック体を掘削加工したものであり、横方向のビーム入射位置に応じてビームの樹脂通過厚が変化する。これにより、イオンビームのボーラス２１４通過後のエネルギーを入射位置ごとに変化させることが可能で、イオンビームの到達深さを患部２１６ａの深さ方向形状と合致させる。
【００２８】
コリメータ２１５は、放射線遮蔽体によって構成され、患部２１６ａに対応する貫通孔を形成している。コリメータ２１５は、直交方向に拡大されたビームのうち、その貫通孔を通過したイオンビームのみを患部２１６ａに照射する。
【００２９】
ボーラス２１４とコリメータ２１５は、通常、患部２１６ａの形状に合わせて加工され、患部２１６ａ毎に交換される。コリメータ２１５としてマルチリーフコリメータを用い、リーフを移動して患部２１６ａの横方向形状に合わせることで、加工、交換の手間を省いてもよい。
【００３０】
図３を用いて、照射制御システム３００の詳細を説明する。
【００３１】
照射制御システム３００は、所望の照射野を形成するために、ＲＭＷ２０２の角度領域毎にビーム通過量を管理する。角度領域は、ＲＭＷ２０２を周方向において複数に分割して形成される一つの領域である。すなわち、ＲＭＷ２０２は、周方向において複数の角度領域（具体的には、多数の角度領域）を形成している。照射制御システム３００は、領域判定装置３０１、振り分け装置３０３、開閉信号生成装置３０７、照射完了信号生成装置３０９、インターロック信号生成装置３１０、メモリ（目標値メモリ）３０５、カウンタ（例えば、マルチチャンネルカウンタ）３０４、及びメモリ（照射中領域メモリ）３１１を備える。
【００３２】
領域判定装置３０１はメモリ（領域判定装置メモリ）３０２を備える。領域判定装置３０１が、中央制御装置１００、角度計２０５及びメモリ３１１にそれぞれ接続されている。
【００３３】
振り分け装置３０３は、メモリ３１１、線量モニタ２１２及びカウンタ３０４にそれぞれ接続されている。開閉信号生成装置３０７は、メモリ３１１、カウンタ３０４、メモリ３０５及びビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１にそれぞれ接続される。照射完了信号生成装置３０９は、カウンタ３０４、メモリ３０５及び中央制御装置１００にそれぞれ接続されている。インターロック信号生成装置３１０は、カウンタ３０４、メモリ３０５及び中央制御装置１００にそれぞれ接続されている。カウンタ３０４は、カウンタ１からカウンタＮまでのＮ個のカウンタ及びカウンタＳの合計（Ｎ＋１）個のカウンタを含んでいる。Ｎ個のカウンタ（カウンタ３０４−１ないしカウンタ３０４−Ｎ）は、それぞれ、振り分け装置３０３を介して線量モニタ２１２に接続される。カウンタ３０４−Ｓは、振り分け装置３０３を介さずに線量モニタ２１２に接続される。
【００３４】
図４を用い、照射制御システム３００を中心に、本実施形態を構成する個々の装置の役割と、互いの関係について説明する。
【００３５】
中央制御装置１００によりビーム照射開始信号が生成されると、シンクロトロン５、領域判定装置３０１、振り分け装置３０３、開閉信号生成装置３０７、照射完了信号生成装置３０９、インターロック信号生成装置３１０がそれぞれの動作を始め、シンクロトロン５からのイオンビームの出射が開始される。
【００３６】
まず、中央制御装置１００のメモリ１０１に記憶されている情報のうち図９に示す情報、すなわち、角度領域毎の、目標ビーム照射量（目標値）、その許容値（許容差）、目標ビーム照射量の比率（Ｎｉ／ＮＳ）、及びその許容値が、照射制御システム３００のメモリ３０５に取込まれる。メモリ３０５内のメモリ領域３０６−１，３０６−２，３０６−３，３０６−Ｎ，３０６−Ｓ内に、該当する領域番号に対する関連情報（例えば、目標ビーム照射量（目標値）、その許容値等）がそれぞれ記憶されている。
【００３７】
領域判定装置３０１の役割は、角度計２０５によって計測された回転角度を照射角度領域に変換することである。まず、領域判定装置メモリ３０２には、選定されたＲＭＷ２０２の回転角度とこれに対応する角度領域（全角度領域の個数をＮ個とする）が、互いに関係付けられている角度領域の番号（領域番号という）、その角度領域の開始角度、及びその角度領域の終了角度の各情報（図８）を含むデータテーブルとして登録されている。これらの情報は、領域判定装置３０１によって中央制御装置１００のメモリ１０１から取り込まれる。
【００３８】
中央制御装置１００のメモリ１０１は、図７に示すように、領域番号、開始角度、終了角度、目標値、目標値の許容値、比率、比率の許容値、ビーム強度等を記憶する。開始角度及び終了角度は、ＲＭＷ２０２の種類によって決定される値である。つまり、領域番号、開始角度及び終了角度は、各角度領域におけるＲＭＷ２０２の回転角度情報を示す。具体的には、領域番号１の角度領域は、ＲＭＷ２０２の回転角度が０°〜θ１の領域であり、領域番号Ｉが、ＲＭＷ２０２の回転角度がθｉ−１〜θｉの角度領域であることを示す。図７は、回転角度が３６０°をひとまとめとしたデータテーブルの例を示したが、ＲＭＷ２０２の厚みの変化が周期的であれば一周期に対応する角度でひとまとめにしてもよい。目標値は、ビーム照射量の目標値を示す。つまり、患者毎に選定されたＲＭＷ２０２の各領域番号でのビーム照射量の目標値である。目標値の許容値は、ＲＭＷ２０２の各領域番号におけるビーム照射量の目標値の許容値である。比率は、全ビーム照射量と各領域番号でのビーム照射量との比率を示す。比率の許容値は、この比率の許容値である。
【００３９】
メモリ１０１に記憶されている図７に示す各情報は、ある患者に対する治療計画時に、医師が治療計画装置１０２を用いて作成する情報である。作成された図７に示す各情報は、一旦、メモリ１０３に蓄えられ、その患者の治療前に中央制御装置１００によってメモリ１０１に取り込まれる。
【００４０】
次に、領域判定装置３０１は、イオンビームを患部２１６ａに照射している間、角度計２０５から入力されるＲＭＷ２０２の回転角度を、上記データテーブルを用い、イオンビームが通過している角度領域、具体的にはその角度領域の領域番号に変換する（領域番号ｉに変換したとする）。この領域番号の角度領域（イオンビームが通過している角度領域）を照射角度領域という。照射角度領域は、メモリ（照射領域メモリ）３１１に記録される。すると、メモリ３１１には、照射野形成装置２００内でビーム経路に位置している角度領域（照射角度領域）が記憶される。角度計２０５で計測されたＲＭＷ２０２の回転角度を照射角度領域に変換してメモリ３１１に記憶させる処理は、イオンビームの出射中に繰り返し行なわれる。このため、メモリ３１１には、常に、ビーム経路に位置している照射角度領域が記憶されている。
【００４１】
患者２１６の体内でのイオンビームの到達深さはＲＭＷ２０２の軸方向における厚みにより決まるので、角度領域とこの角度領域でのＲＭＷ２０２の軸方向での厚みを一致させると、イオンビームの到達深さ毎のイオンビーム照射量の管理が可能となる。しかし、それらは必ずしも一致させなくてもよい。メモリ（領域判定装置メモリ）３０２に記憶される情報は、図８に示すように、回転角度が３６０度でひとまとめにしたデータテーブルとしたが、ＲＭＷ２０２の厚み変化が周期的であれば一周期に対応した角度でひとまとめにしてもよい。前述の図８に示す情報は、図７に示す情報の一部である。
【００４２】
振り分け装置３０３の役割は、線量モニタ２１２で逐次計測されるビーム照射量（イオンビーム量）をＲＭＷ２０２の角度領域に対応するカウンタ３０４に含まれる各カウンタに振り分けることである。まず、メモリ３１１に記憶された照射角度領域（領域番号ｉ）を読み込む。これを用い対応するカウンタ３０４−ｉに線量モニタ２１２からのビーム照射量を出力する。つまり、カウンタ３０４−ｉには領域番号ｉの照射角度領域に対して計測されたビーム照射量（線量）を積算して記録される。また、線量モニタ２１２で計測されたビーム出射量の信号は、振り分け装置３０３を通さずカウンタ３０４−Ｓに出力される。これにより、全ての照射角度領域（領域番号１〜Ｎ）におけるそれぞれのビーム照射量を独立にカウントできる。全ビーム照射量はカウンタ３０４−１からカウンタ３０４−Ｎまでのカウント値を合計して得ることが可能で、このようにすればカウンタ３０４−Ｓを節約できる。また、ビーム照射量をそれぞれのカウンタに記録する方法として、カウンタ３０４−１からカウンタ３０４−Ｎのカウンタにビーム照射量の信号を常に入力し、照射角度領域ｉと判定された場合、対応するカウンタ３０４−ｉのみを計測オンとし、それ以外のカウンタは計測オフとするように、カウンタ３０４の計測のオン／オフを切り替えてもよい。
【００４３】
開閉信号生成装置３０７の役割は、照射野形成装置２００内でビーム経路に位置している角度領域（照射角度領域）の照射済みビーム照射量と目標ビーム照射量（以下、目標値）を比較し、ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１を開閉してシンクロトロン５からのビーム出射のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことである。まず、メモリ３０５から角度領域ごとの目標値を取込む。次に、開閉信号生成装置３０７はメモリ３１１から照射角度領域ｉを取り込んで、その照射角度領域における取込んだ目標値とビーム照射量を比較する。照射済みビーム量が目標値に到達していれば、開閉信号生成装置３０７は、ビームＯＦＦ信号を生成し、このビームＯＦＦ信号をビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１に転送する。これによってビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１が開き、照射角度領域ｉでの高周波印加装置７への出射用高周波信号の印加が停止される。シンクロトロン５からのイオンビームの出射が停止される。また、照射済みビーム量が目標値未満であれば、開閉信号生成装置３０７は、ビームＯＮ信号を生成し、このビームＯＮ信号をビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１に転送する。ビームＯＮ信号によってビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１は閉じられ、高周波印加装置７へ出射用高周波信号が印加される。これにより、イオンビームは目標値未満である角度領域のみに照射される。
【００４４】
上記のようにメモリ３１１を設けずに、領域判定装置３０１によるビーム照射角度領域の判定結果を直接、振り分け装置３０３、開閉信号生成装置３０７に入力してもよい。しかし、ビーム経路に位置している照射角度領域の情報を振り分け装置３０３及び開閉信号生成装置３０７に入力するためには、動作タイミングを領域判定装置３０１と合せる必要があり、制御が複雑になる。
【００４５】
イオンビームの照射が進むにつれ、目標値のイオンビーム量が各角度領域を通して患部２１６ａに照射される。すると、ノイズ等の原因により偏ってイオンビームが患部２１６ａに照射されることがある。インターロック信号生成装置３１０の役割は、万が一に備え、患者２１６を不要なイオンビームの照射から防ぐことある。まず、インターロック信号生成装置３１０は、メモリ３０５から各角度領域ごとの目標値と許容値、全領域の目標値と許容値を取込む。なお、メモリ３０５には予め中央制御装置１００から取り込んだ前述した角度領域毎の目標値に加え、全角度領域のビーム照射量目標値、各角度領域と全角度領域の許容値を取込んでおく。次に、カウンタ３０４から角度領域ごと、全角度領域の照射済みビーム照射量を取り込む。カウンタ３０４−Ｓはイオンビームの照射量の総量をカウントする。ゆえに、カウンタ３０４−ｉとカウンタ３０４−Ｓの比を取ると、領域番号Ｉの角度領域に照射されたイオンビームの比率を算出できる。カウンタ３０４−Ｓのカウント値（つまり全角度領域の照射済みビーム量）が（目標値Ｓ＋許容値Ｓ）の値以下であることを確認し、万が一、（目標値Ｓ＋許容値Ｓ）の値を超えた場合、それはイオンビームの過照射を意味するのでインターロック信号生成装置３１０はビーム照射停止信号を生成し、生成したビーム照射停止信号を中央制御装置１００に転送する。個々の領域についても同様である。また、カウンタ３０４から得た各角度領域のビーム照射量の比率が目標比率Ｒｉ±ΔＲｉ内であることも確認し、もしもこれから外れた場合は、ビーム照射量の各角度領域間での偏りを意味するので、この場合もインターロック信号生成装置３１０はビーム照射停止信号を生成し、生成したビーム照射停止信号を中央制御装置１００に転送する。ビーム照射停止信号を受け取った中央制御装置１００は、ビーム出射中止指令を生成し、このビーム出射中止指令（信号線省略）を前述のインターロック用スイッチに出力する。これによって、インターロック用スイッチは開き、高周波電源９から高周波印加電極への高周波電力の供給が停止されてシンクロトロン５からのイオンビームの出射が停止される。カウンタ３０４から現在のビーム照射量の取込み、ビーム照射量自身とその比率が許容範囲内である確認を繰り返すことで、万一の想定外のイオンビーム照射を防ぐことができる。
【００４６】
照射完了信号生成装置３０９の役割は、全角度領域で目標量のイオンビームが照射されたか判定し、完了した場合は照射完了信号を生成することである。はじめに照射完了信号生成装置３０９は目標値メモリ３０５から角度領域ごとの目標値を取り込んでおく。次にカウンタ３０４から段毎の照射済みビーム量を取込む。そして、角度領域毎に目標値と照射済みビーム量を比較する。もし、全角度領域で目標値に到達すれば照射完了信号生成装置３０９は照射完了信号を中央制御装置１００に出力する。照射完了信号生成装置３０９は、ビーム照射量が目標値未満の角度領域が少なくとも１つあれば、カウンタ３０４から照射済みビーム量を取り込んで比較する上記の処理を再度実施する。開閉信号生成装置３０７により目標値未満の角度領域に対してのみイオンビームが照射されるので、最終的には全領域で目標値のビーム照射量が照射される。照射完了信号を中央制御装置１００が受け取ると、ビーム出射完了信号を生成し、この信号を前述の出射完了用スイッチに伝える。ビーム出射完了信号によって出射完了用スイッチが開くため、高周波印加電極への高周波電力の供給が停止されてシンクロトロン５からのイオンビームの出射が停止される。
【００４７】
表示装置３０８は、ＲＭＷ２０２の角度領域ごとのビーム照射量と目標値を表示する。表示装置３０８は、カウンタ３０４及び中央制御装置１００に接続され、角度領域毎の線量（線量モニタ２１２で計測）カウンタ値、全角度領域のカウンタ値、領域毎の目標値をビーム照射中に逐次表示することで、ビーム照射の進捗を運転者に知らせる。また、照射パラメータ、使用している機器を表示すると、運転者はビーム照射条件を容易に把握できる。また、領域毎のイオンビーム照射量と全イオンビーム照射量との比を表示しても良い。これにより、照射が偏り無く進行していることを運転者に知らせることができる。
【００４８】
本実施形態の粒子線治療装置を用いたがんの患部２１６ａの治療について、説明する。イオン源２で生成されたイオンビームは、前段加速器３で前段加速され、低エネルギービーム輸送系４を通ってシンクロトロン５に供給される。イオンビームは、シンクロトロン５内を周回する間に、高周波加速空胴（図示せず）によって加速される。イオンビームが所望のエネルギーまで加速された後、高周波電源９からの高周波電力が、閉じられているビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１、照射完了用スイッチ及びインターロック用スイッチを通って高周波印加電極によりシンクロトロン５内を周回しているイオンビームに印加される。これにより、安定限界内を周回しているイオンビームが、安定限界外に移行してシンクロトロン５から出射される。このイオンビームは、出射用デフレクタ１２及びビーム輸送系１３を通って照射野形成装置２００に導かれる。イオンビームは、照射野形成装置２００内において、ビーム経路上に配置されたＲＭＷ２０２、第１散乱体２０６、第２散乱体２０８、レンジシフタ２１０、線量モニタ２１２、ボーラス２１４及びコリメータ２１５を通過して、治療用ベッド２１７上に横たわっている患者２１６の患部２１６ａに照射される。このとき、ＲＭＷ２０２は回転している。
【００４９】
照射野形成装置２００内を通過するイオンビームのビーム照射量（線量）が、線量モニタ２１２によって計測される。線量モニタ２１２で計測された線量が目標線量値に達すると、出射完了用スイッチが開くので、シンクロトロン５からのイオンビームの出射が停止され、患者２１６に対するイオンビームの照射が終了する。
【００５０】
本実施形態では、患部２１６ａ内のイオンビームの進行方向（深さ方向）の線量分布の一様性を調整するために、シンクロトロン５から出射するイオンビームの出射量を、イオンビームの出射中において、ＲＭＷ２０２の回転角度を用いて変化させるように所望の変調信号パターンで制御する。図１０を用い、シンクロトロン５から所望の強度パターンで、イオンビームを出射する制御方法の詳細について述べる。
【００５１】
照射制御システム３００は、ビーム出射量制御装置（図示せず）を備えている。このビーム出射量制御装置は、２つの機能を有する。第１の機能は、患部２１６ａに対応したＳＯＢＰ幅を形成することである。すなわち、ビーム出射量制御装置は、角度計２０５で計測されたＲＭＷ２０２の回転角度がイオンビームの出射を開始する回転角度になったときにビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１を閉じ、その回転角度がイオンビームの出射を停止する回転角度になったときにビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１を開くビームＯＮ／ＯＦＦ信号（ｄ）を生成する。ビームＯＮ／ＯＦＦ信号（ｄ）によって、イオンビームの照射により体内に生じるＳＯＢＰ幅が調節される。ビーム出射量制御装置の第２の機能は、加速器（例えば、シンクロトロン５）から出射されるイオンビームの量を調節することである。具体的には、ビーム出射量制御装置は、角度計２０５で計測されたＲＭＷ２０２の回転角度、及び予め設定された強度パターンデータを用いて、角度領域毎に目標値の大小と対応させた振幅変調信号（ｂ）を生成し、この振幅変調信号（ｂ）よって加速器から出射されるイオンビームの量を調節する。高周波電源９は、生成した出射用の高周波信号（ａ）を信号合成装置１０に出力する。信号合成装置１０は、高周波信号（ａ）と振幅変調信号（ｂ）を合成し、出射用高周波信号（ｃ）を生成する。生成された出射用高周波信号（ｃ）はビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１に出力される。ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１は、照射制御システム３００のビーム出射量制御装置に接続されており、ビーム出射量制御装置で生成されたビームＯＮ／ＯＦＦ信号（ｄ）に基づいて開閉される。この開閉によって、出射用高周波信号（ｅ）が、ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１から高周波印加装置７の高周波印加電極に供給され、シンクロトロン５内を周回するイオンビームに印加される。ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１が閉じられたときにシンクロトロン５からイオンビームが出射され、ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１が開いたきにそこからのイオンビームの出射が停止される。インターロック用スイッチ及び照射完了用スイッチは閉じている。ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１が閉じている間、すなわち、シンクロトロン５からイオンビームが出射されている間、出射用高周波信号（ｅ）に基づいて、シンクロトロン５から出射されるイオンビームの出射量が調節される。振幅変調信号（ｂ）の振幅が大きくなるとシンクロトロン５から出射されるイオンビームの出射量が増加し、振幅変調信号（ｂ）の振幅が小さくなるとそのイオンビームの出射量が減少する。
【００５２】
上記した第１の機能により、一個のＲＭＷ２０２で複数のＳＯＢＰ幅を形成することができるため、準備すべきＲＭＷ２０２の個数を低減できる。上記した第２の機能により、一個のＲＭＷ２０２でより広いエネルギー領域に含まれる各イオンビームに対応できるため、更に、準備すべきＲＭＷ２０２の個数を低減できる。また、第２の機能は、イオンビーム出射量を調整できるため、患部２１６ａのイオンビーム進行方向において所望の線量分布を容易に形成することができる。第２の機能によって得られる効果を具体的に説明する。あるエネルギーに対して好適なＲＭＷ２０２を用いた場合において患部内のイオンビームの進行方向における所望の線量分布が、図１１に実線で示される状態であったとする。前述したビーム出射量制御装置を用いない状態で、そのＲＭＷ２０２に導かれるイオンビームのエネルギーを高めてこのイオンビームを前述しＲＭＷ２０２に供給した場合には、図１１に示す点線の不適切な線量分布を得たとする。しかしながら、本実施例におけるビーム出射量制御装置によるイオンビーム出射量の調整を行うことによって、図１１に実線で示される所望の線量分布を得ることができる。また、逆に、図１１に示す点線の線量分布が所望の線量分布である場合で、異なるビームエネルギーのイオンビームを患部に照射する場合には、ビーム出射量制御装置によるイオンビーム出射量の調整を行うことによって、その所望の線量分布を得ることができる。
【００５３】
開閉信号生成装置３０７の作用を、図６を用いて具体的に説明する。領域判定装置３０１は、前述したように、角度計２０５で計測されたＲＭＷ２０２の回転角度を、前述のデータテーブルを用いて、ビーム経路に位置している角度領域の領域番号を求める。振り分け装置３０３は、線量モニタ２１２で逐次計測されたビーム照射量（イオンビーム量、線量）を、領域番号（照射角度領域）に基づいて、この照射角度領域に対応する、カウンタ３０４に含まれ、その照射角度領域に対応するカウンタ（カウンタ３０４−１〜３０４−Ｎのうちの１つのカウンタ）に振り分ける。このような振り分け装置３０３の作用により、カウンタ３０４−１〜３０４−Ｎにそれぞれ照射済のビーム照射量が積算される（図６の下部のグラフ参照）。それぞれの角度領域に対してビーム照射量の目標値（線量の目標値）及びその許容値が前述のように設定されている。領域番号Ｎの角度領域でのＲＭＷ２０２の軸方向の厚みは、イオンビームの出射が開始されてからその出射が停止されるまでの間において、ビーム経路を通過する、ＲＭＷ２０２の周方向の領域内で、最も薄い部分である。領域番号Ｎの角度領域に対するビーム照射量の目標値は、最も大きくなる。また、領域番号１の角度領域でのＲＭＷ２０２の軸方向の厚みは、イオンビームの出射が開始されてからその出射が停止されるまでの間において、その周方向の領域内で、最も厚い部分である。目標値は最も大きくなる。領域番号１の角度領域に対するその目標値は、最も小さくなる。領域番号Ｎの角度領域を通過するイオンビームは、患部２１６ａ内でイオンビームの進行方向において最も深い位置まで到達する。領域番号が小さくなる角度領域を通過するイオンビームほど、その進行方向においてより浅い位置にしか到達しなくなる。患部２１６ａにおいて、深い位置を照射しているイオンビームの影響によってそれよりも浅い位置でもあるていど線量が高められる。このため、患部２１６ａ内で浅い位置にイオンビームを照射する場合には、その深い位置にイオンビームを照射する場合に比べて、ビーム照射量の目標値（線量の目標値）が小さくなっている。すなわち、領域番号の小さな角度領域ほど、その目標値は小さい。
【００５４】
開閉信号生成装置３０７は、各領域番号に対応する角度領域ごとに、線量モニタ２１２で測定されたビーム照射量の積算値（線量の積算値）が目標値に到達しているか否かを判定する。開閉信号生成装置３０７は、その積算値が目標値に到達している角度領域に対しては、ビームＯＦＦ信号を生成する。このため、前述したようにビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１が開き、その角度領域に対するイオンビームの供給が停止される。また、その積算値が目標値に到達していない角度領域に対しては、ビームＯＮ信号を生成する。このため、前述したようにビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１が閉じた状態であり、その角度領域に対してイオンビームが供給される。
【００５５】
次に、図１１を用いて、一例である、小照射野用に設計したＲＭＷを用いて大照射野を形成した場合、その手順と深さ方向の線量分布に与える影響を説明する。
【００５６】
小照射野用のＲＭＷ２０２の照射野を広げるためには、まず、入射イオンビームの直交方向の広がりを増加させる。例えば、第１散乱体２０６を厚くすれば直交方向の散乱量の増加が可能でイオンビームが広がる。しかしながら、これにより、イオンビームのエネルギー損失も増加するのでイオンビームの飛程は減少する。第１散乱体２０６もしくは、ＲＭＷ２０２をイオンビーム上流側に移動させ、イオンビームが散乱後に飛ぶ距離を増加することでビームを拡大してもよい。ＲＭＷ２０２をイオンビーム上流側に配置させることによって、イオンビームの飛程は不変であるが、より長いイオンビーム飛行長を確保する必要があり、照射野形成装置２００が巨大化する。これにより、第２散乱体２０８に入射するイオンビームが拡大する。それに併せて第２散乱体２０８を変更することで、直交方向の一様性を確保する。このように、イオンビームが通過する物質が変化するため、その飛程、さらには、ブラッグカーブの形状も変化する。その結果、深さ方向の線量分布が図１１の点線のように変化する。
【００５７】
本実施形態は、複数の角度領域のうち目標値に達した角度領域へのイオンビームの供給を停止し、その目標値に到達していない他の角度領域にイオンビームを供給するため、小照射野用のＲＭＷ２０２を用いた場合において、その深さ方向の線量分布が変化しても、図１２で一点差線で示す所望の線量分布（例えば、一様な線量分布）を形成できる。すなわち、前述したように、ＲＭＷ２０２の角度領域ごとに目標値を設定すれば、深さ方向ごとの目標値設定が可能である。線量の変化は計算可能なので、所望の線量分布、例えば一様な線量分布になるよう目標値を定めればよい。イオンビームの入射エネルギー、照射野サイズ、設置機器等に応じて変化する最適な深さ方向の線量分布を目標値３０６として設定することで、ＲＭＷ２０２の１つ当りに形成可能な照射野種類数が増加する。
【００５８】
以上のように構成した粒子線治療装置であれば、１個のＲＭＷ２０２によって、角度領域ごとのビーム照射量を変化させることが可能なので、多様な照射野を形成すること可能である。
【００５９】
本実施形態によれば、イオンビームの複数のエネルギー、複数の照射範囲などに対し、複数の線量分布を１個のＲＭＷで形成可能であるため、治療に用いるＲＭＷの総数を低減することができる。このため、ビームエネルギー及び照射野サイズの違いによってＲＭＷ２０２を交換する回数が著しく減少し、年間当りに治療できる患者数が増大する。
【００６０】
本実施形態は、イオンビームの出射開始及び出射停止（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御することで、ＲＭＷ２０２の目標値に到達した角度領域にイオンビームを供給せず、目標値に到達していない角度領域にイオンビームを供給するので、患部２１６ａ内のイオンビーム進行方向における各位置に対する照射線量を容易に調節することができる。このため、患部２１６ａ内のイオンビーム進行方向における各位置において照射線量の過不足が生じる誤照射の確率を著しく低減することができる。患部２１６ａ内のイオンビーム進行方向における線量分布を、容易に、治療計画で定めた所望の線量分布にすることができる。本実施形態では、上記誤照射の確率を０にすることができる。
【００６１】
本実施形態は、ＲＭＷ２０２の目標値に到達した角度領域にイオンビームを供給せず、目標値に到達していない角度領域にイオンビームを供給するので、前述したビーム出射量制御装置の第１の機能により削減できるＲＭＷの個数よりも、更にその個数を低減できる。
【００６２】
本実施形態では、ＲＭＷ２０２の回転角度に基づいてシンクロトロン５から出射するイオンビームのビーム出射量（ビーム出射強度）を制御している。これにより、角度領域ごとの目標照射量の多少に応じてイオンビーム強度を制御することができ、効率よく照射を進行させることができる。ＲＭＷ２０２の回転角度に基づいてシンクロトロン５から出射するイオンビームのビーム出射量を制御しているので、さらに、患者が代わって必要とするビームエネルギーが変わっても、前の患者に用いたＲＭＷ２０２によって、患部２１６ａのイオンビーム進行方向において所望の線量分布を形成することができる。
【００６３】
本実施形態は、イオンビームの照射中、ＲＭＷの複数の角度領域のうち、少なくとも１つを含む角度領域群において、照射済み積算イオンビーム量と目標積算イオンビーム量とを比較し、いずれかの角度領域において、当該角度領域における目標値を超過した量のイオンビームが照射されたときに、イオンビームの照射を中止させる手段、すなわちインターロック信号生成装置３１０を備える。これにより、イオンビームを照射中に、照射済み積算イオンビーム量と目標イオンビーム量とを逐次比較し、万一、目標値を超過する等、想定外のイオンビーム照射が行われた場合、直ちにイオンビームの照射を中止することができ、より信頼性を高くできる。
【００６４】
本実施形態は、ＲＭＷの複数の角度領域のうち、少なくとも１つを含む第１の角度領域群への照射済みイオンビーム量と、前記第１の角度領域群に含まれない角度領域を少なくとも１つ含む第２の角度領域群への照射済みイオンビーム量の比が、あらかじめ設定した値の範囲を超えた場合に、イオンビームの照射を中止する手段を備える。これにより、イオンビーム照射中に、第１の角度領域群と第２の角度領域群における照射済み積算イオンビーム量と目標イオンビーム量とをそれぞれの割合を逐次比較し、あらかじめ設定した許容値を超えてイオンビーム照射が行われた場合に、直ちにイオンビームの照射を中止することができ、より信頼性を高くできる。
【００６５】
本実施形態では、円形加速器としてシンクロトロン５を例にとって説明したが、シンクロトロン５の替わりにサイクロトロンを用いた場合にも実施することができる。すなわち、サイクロトロンの場合は、サイクロトロンにイオンビームを供給するイオン源の電源のＯＮ／ＯＦＦによって、サイクロトロンから照射野形成装置へのイオンビームの出射開始及び出射停止を制御することができる。このような加速装置としてサイクロトロンを用いた粒子線治療装置は、図１に示す粒子線治療装置においてシンクロトロンをサイクロトロンに替えた構成を有し、高周波供給装置１８が設けられていない。このようなサイクロトロンを用いた粒子線治療装置では、開閉信号生成装置３０７から出力されるビームＯＮ信号及びビームＯＦＦ信号は、電源とイオン源とを接続する配線に設けられた開閉装置の開閉制御に用いられる。このような開閉装置の制御によって、図１の実施例と同様に、ＲＭＷ２０２の目標値に到達した角度領域にイオンビームを供給せず、目標値に到達していない角度領域にイオンビームを供給することができる。このため、患部２１６ａ内のイオンビーム進行方向における各位置に対する照射線量を容易に調節することができ、患部２１６ａ内のイオンビーム進行方向における各位置において照射線量の過不足が生じる誤照射の確率を著しく低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置の全体構成を表す概念図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置に備えられる照射野形成装置の詳細をあらわす概念図である。
【図３】本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置に備えられる照射制御システムの構成をあらわす概念図である。
【図４】本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置における照射野形成のためのビーム照射にかかわる制御内容をあらわすフローチャートである。
【図５】レンジモジュレーションホイールの全体構造を示す斜視図である。
【図６】照射制御装置で行われるレンジモジュレーションホイールの羽ごとの線量管理をあらわあす模式図である。
【図７】本発明の構成要素である中央制御装置メモリに格納されるデータテーブルの概念図である。
【図８】本発明の構成要素である領域判定装置メモリに格納されるデータテーブルの概念図である。
【図９】本発明の構成要素である目標値メモリに格納されるデータテーブルの概念図である。
【図１０】本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置を表す構成図、及び出射用高周波信号を示す外力図である。
【図１１】ビーム進行方向（深部方向）の線量分布を示す図である。
【図１２】ビーム進行方向（深部方向）の線量分布を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１…イオンビーム発生装置、２…イオン源、３…前段加速器、４…低エネルギービーム輸送系、５…シンクロトロン、６…加速装置、７…高周波印加装置、９…出射用高周波電源、１０…信号合成装置、１１…ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ、１３…高エネルギービーム輸送系、１４…回転ガントリー、１００…中央制御装置、１０１，３０２…メモリ、２００…照射野形成装置、２０１…ケーシング、２０２…レンジモジュレーションホイール、２０２ａ…羽根、２０３…ＲＭＷ保持部材、２０４…ＲＭＷ回転駆動装置、２０５…角度計、２０６…第１散乱体、２０８…第２散乱体、２１０…レンジシフタ、２１２…線量モニタ、２１４…ボーラス、２１５…コリメータ、３００…照射制御システム、３０１…領域判定装置、３０３…振り分け装置、３０４…カウンタ、３０５…目標値メモリ、３０７…開閉信号生成装置、３０８…表示装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法に係り、特に、陽子及び炭素イオン等のイオンビームを患部に照射して治療する粒子線治療装置に適用するのに好適な荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
癌などの患者の患部に陽子及び炭素イオン等のイオンビーム（荷電粒子ビーム）を照射する治療方法が知られている。この治療に用いるイオンビーム照射システムは、円形加速器、ビーム輸送系、及び例えば照射野形成装置有する回転式の照射装置を備えている。円形加速器は、周回軌道に沿って周回するイオンビームを目標のエネルギーまで加速させる。目標のエネルギーまで加速されたイオンビームは、ビーム輸送系を経て照射野形成装置に輸送させる。照射野形成装置は、患者の患部形状に形成したイオンビームを出射する。円形加速器としては、例えば、イオンビームを周回軌道に沿って周回させる手段、共鳴の安定限界の外側でイオンビームのベータトロン振動を共鳴状態にする手段、及びイオンビームを周回軌道から取り出す出射用デフレクタを備えたシンクロトロンが知られている。
【０００３】
イオンビームを用いた治療においては、イオンが停止する直前にエネルギーの大部分が放出してブラッグカーブと呼ばれる線量分布を形成する特性と、そのブラッグカーブのピークであるブラッグピークの、深さ方向での位置は体内に入射するイオンビームのエネルギーの大きさで制御できる特性を利用し、イオンビームのエネルギーを適切に選択し、イオンビームを患部近傍で停止させてエネルギーの大部分を患部のがん細胞に与えるようにしている。
【０００４】
ここで、ブラッグピークの、深さ方向（すなわちビームの進行方向）での幅は数ｍｍである。通常、患部は深さ方向にそれ以上の厚みをもっている。このような患部において患部全体の深さ方向に渡ってイオンビームを効果的に照射するには、深さ方向で患部大の広い平坦な線量分布を形成するように、イオンビームのエネルギー（ビームエネルギー）とイオンビーム照射量を制御しなければならない。
【０００５】
このような観点から、従来のイオンビーム照射システムは、レンジモジュレーションホイール（Range Modulation Wheel、以下、ＲＭＷという。）を照射野形成装置に設置している（例えば、非特許文献１）。ＲＭＷは、周方向に段階的に軸方向の厚みが増大し減少する楔型形状となっているエネルギー吸収体（羽根）を複数枚配置した構成を有する。ＲＭＷは、照射野形成装置内のビーム経路に配置され、ビーム経路と垂直な面内で回転する。例えば、ＲＭＷが回転している状態において、羽根の薄い部分をイオンビームが通過したときはビームエネルギーの減衰が少なく、ブラッグピークが体内深くに生じ、羽根の厚い部分をイオンビームが通過したときは、ビームエネルギーが大きく減衰されてブラッグピークが体表面近くの浅い部分で生じる。また、ＲＭＷの回転により、ブラッグピーク位置の変動が周期的に行われる結果、時間積分で見ると、体表面近くから体内深くまで至る広く平坦な線量分布（Spread Out Bragg Peak：ＳＯＢＰ）を得ることができる。
【０００６】
【非特許文献１】REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS （１９９３年８月；図３０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の従来手法では、以下のような課題が存在する。
【０００８】
すなわち、患者により体格、患部の大きさ、患部の体表面からの位置もそれぞれ異なる。さらには、同一患者であっても治療の進捗によりそれらは変化する。このため、治療に最適な線量分布は患者および当該患者の治療回数等によってそれぞれ異なる。しかし、ＲＭＷの構成は入射するイオンビームのエネルギーに対応して楔形形状のエネルギー吸収体の形状が最適化されてるため、ひとつのＲＭＷからひとつの線量分布しか得られない。このため、患部の大きさごとに異なるＲＭＷを作成して用意し、患部の大きさが変わるたびにＲＭＷを取り替えて使用する必要があり、多数の患者を円滑に治療するのが困難であった。
【０００９】
本発明の目的は、荷電粒子ビームの進行方向において荷電粒子ビームの誤照射の確率を低減できる荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、加速装置から出射された荷電粒子ビームを、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なるエネルギー調整装置に供給し、
このエネルギー調整装置の回転角度及びエネルギー調整装置を透過した荷電粒子ビームの線量に基づいて、加速装置からの荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御することにある。
【００１１】
また、本発明の特徴は、加速装置から出射された荷電粒子ビームを、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なるエネルギー調整装置に供給し、
このエネルギー調整装置を回転方向において分割して形成される複数の領域のうち目標線量に達した前記領域への荷電粒子ビームの供給を停止し、前記目標線量に到達していない他の前記領域に荷電粒子ビームを供給することにあるとも言える。
【００１２】
本発明は、回転方向において分割して形成される複数の領域のうち目標線量に達した前記領域への荷電粒子ビームの供給を停止し、前記目標線量に到達していない他の前記領域に荷電粒子ビームを供給するので、照射対象内の荷電粒子ビーム進行方向における各位置に対する照射線量を容易に調節することができる。このため、照射対象内の荷電粒子進行方向における各位置において照射線量の過不足が生じる誤照射の確率を著しく低減することができる。すなわち、したがって、本発明は、照射対象内の荷電粒子進行方向における線量分布を所望の線量分布に容易に調節することができる。好ましくは、その確率を０にすることもできる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、照射対象内の荷電粒子進行方向における各位置において照射線量の過不足が生じる誤照射の確率を著しく低減することができる。このため、照射対象内の荷電粒子進行方向における線量分布を所望の線量分布に容易に調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用い詳細に説明する。
（実施形態１）
図１に示すように、本実施形態の粒子線治療装置（イオンビーム照射システム）は、治療ベッド２１７に固定された患者２１６の患部２１６ａに対してイオンビーム（例えば陽子線）を照射するものであり、イオンビーム発生装置（陽子線発生装置、粒子線発生装置）１、中央制御装置１００、照射野形成装置２００、照射制御システム３００を備える。
【００１５】
中央制御装置１００は、治療計画装置１０２で決められる患者２１６の患部２１６ａに適切な照射野を形成するための照射条件（ビーム照射方向、ＳＯＢＰ幅、照射線量、最大照射深さ、照射野サイズ等）を読み込み、機器の種類、設置位置、設置角度、ビームエネルギー、ビーム強度パターン、ビーム照射量の目標値等の運転パラメータを選択するものである。中央制御装置１００は、メモリ１０１を備え、図７に示す情報をメモリ１０１に保存する。メモリ１０１に記録された情報を基に、各機器は照射野形成装置２００に設置され、運転パラメータはイオンビーム発生装置１、照射制御システム３００に設定される。
【００１６】
イオンビーム発生装置１は、所定のビームエネルギーのイオンビームを発生させるための装置であり、イオン源２、前段加速器３、低エネルギービーム輸送系４及びシンクロトロン５を備える。
【００１７】
イオン源２で生成されたイオンビームは、前段加速器３で前段加速され、低エネルギービーム輸送系４を通ってシンクロトロン５に供給される。
【００１８】
シンクロトロン５は、図１に示すように、その周回軌道上に加速装置６、出射用の高周波印加装置７、出射用デフレクタ１２、４極電磁石（図示せず）及び偏向電磁石１７を備える。高周波印加装置７は、出射用の高周波印加電極（図示せず）を備える。高周波印加装置７が出射用の高周波供給装置１８に接続される。高周波供給装置１８は出射用の高周波電源９、信号合成装置１０、ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ（開閉装置）１１、照射完了用スイッチ１５及びインターロック用スイッチ１６を備える。高周波電源９が、信号合成装置１０、ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１、照射完了用スイッチ及びインターロック用スイッチをこの順序で介して高周波印加装置７の高周波印加電源に接続される。高周波印加装置７は、閉じられているインターロック用スイッチ、照射完了用スイッチ及びビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１の各スイッチと、信号合成装置１０を介して高周波電源９から高周波電力の供給を受ける。シンクロトロン５の周回軌道を周回するイオンビームは、加速装置６に設けられた高周波加速空胴（図示せず）に高周波を印加することによって加速される。所望のエネルギー（例えば５０〜２５０ＭｅＶ）までイオンビームが加速された後、高周波電源９からの高周波電力が、高周波印加電極によりシンクロトロン５内を周回しているイオンビームに印加されたとき、イオンビームがシンクロトロン５から出射される。
【００１９】
高エネルギービーム輸送系１３は、シンクロトロン５と照射野形成装置２００を連絡し、回転ガントリー１４にも一部設置されている。シンクロトロン５から取り出されたイオンビームは、高エネルギービーム輸送系１３を介して回転ガントリー１４に設置された照射野形成装置２００まで導かれる。回転ガントリー１４の回転角度を調整することで、患者２１６に対して所望の方向からイオンビームを照射することが可能である。
【００２０】
図２を用い、照射野形成装置２００の詳細を説明する。照射野形成装置２００は、イオンビーム発生装置１により生成されたイオンビームを、患者２１６の患部２１６ａの形状に合わせて整形する装置である。照射野形成装置２００は、ケーシング２０１を備え、ケーシング２０１内に、ＲＭＷレンジモジュレーションホイール保持部材２０３を介して取り付けられたＲＭＷ２０２、第１散乱体保持部材２０７を介して取り付けられた第１散乱体２０６、第２散乱体保持部材２０９を介して取り付けられた第２散乱体２０８、レンジシフタ保持部材２１１を介して取り付けられたレンジシフタ２１０、線量モニタ保持部材２１３を介して取り付けられた線量モニタ２１２、ボーラス２１４、コリメータ２１５を備える。
【００２１】
ＲＭＷ装置２２２は、時間的にブラッグピークを走査して患部２１６ａの深さ方向に広く一様な線量分布を形成するエネルギー調整装置である。ＲＭＷ装置２２２は、ＲＭＷ２０２、ＲＭＷ保持部材２０３およびＲＭＷ回転駆動装置２０４を有する。ＲＭＷ２０２は、エネルギー損失に対してビーム散乱各の小さな物質（原子番号の小さな物質、例えば、樹脂）で構成される。ＲＭＷ保持部材２０３は、ビーム軸の方向に対向して設けられる一対の保持部２０３ａを有し、ケーシング２０１の内部に取り付けられる。保持部２０３ａの上部および下部にはそれぞれ回転部材（図示せず）が回転可能に設けられている。ＲＭＷ２０２は、それらの回転部材間に挿入され、ＲＭＷ２０２の回転軸２２３（図５）が回転部材に連結されてＲＭＷ保持部材２０３に支持される。ＲＭＷ２０２は、ＲＭＷ保持部材２０３に着脱可能に取り付けられるため、容易に交換可能となる。ＲＭＷ保持部材２０３は、ビーム経路をさえぎらない位置に配置される。ＲＭＷ回転駆動装置２０４が、下方の保持部２０３ａに設けられ、ＲＭＷ２０２を回転させる。下方の保持部２０３ａに、角度計２０５が設けられている。角度計２０５は、照射制御システム３００に設けられた領域判定装置３０１（図３）に接続される。角度計２０５は、ＲＭＷ２０２の回転角度（回転位相）を検出する。
【００２２】
ＲＭＷ２０２の詳細構成を図５に示す。ＲＭＷ２０２は、回転軸２２３及び回転軸２２３に取り付けられＲＭＷ２０２の半径方向に伸びた複数の羽根２０２ａ（本実施形態では３枚）を有している。また、ＲＭＷ２０２の周方向において隣り合う羽根２０２ａの間には、それぞれ開口が形成されている。１つのＲＭＷ２０２には３つの開口が存在している。各羽根２０２ａは、ＲＭＷ２０２の周方向において階段状に配置された複数の平面領域を有しており、軸方向におけるＲＭＷ２０２の底面から各平面領域までの各厚みが異なっている。羽根２０２ａは、周方向において羽根２０２ａの両側に位置する開口から、軸方向において最も高い位置にある平面領域に向かって軸方向の厚みが段階的に増加するように形成されている。ＲＭＷ２０２は、各平面領域までの厚みの違いに起因したイオンビームの散乱量の違いを補償するため、散乱補償体を取り付けてもよい。ＲＭＷ２０２は、イオンビーム出射中に回転するので、回転角度に応じてイオンビームが通過する部分の厚みが変化する。これにより、ＲＭＷ２０２通過後のビームエネルギーが変化し、それぞれのビームエネルギーに対応した異なる深さにブラッグピークを形成する。このように、時間的にブラッグピークを走査することで、患部２１６ａ内の所望の深さの広い領域に平坦な照射野を形成できる。本実施例では、ＲＭＷ２０２は、ＲＭＷ２０２の回転方向において階段状に配置された複数の変面領域を有した複数の羽根２０２ａを備える構成となっているが、軸方向の厚みが回転方向において異なる構成であればよい。
【００２３】
第１散乱体２０６は、物質によるイオンの散乱現象によりイオンビームの進行方向と直交する方向（以下、直交方向という）にイオンビームを広げるためのものである。散乱によりほぼガウス分布にビームは広げられる。第１散乱体２０６は、一般に散乱量に対するエネルギー損失が少な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。この第１散乱体２０６は、複数の物質の混合物でもよく、厚みの異なる複数の板部材を重ねて構成し、イオンビーム進行方向の合計厚みを変化させることも可能である。第１散乱体２０６は、ＲＭＷ２０２の下流側に配置されるが、それよりも上流側に配置することも可能である。ＲＭＷ２０２と第１散乱体２０６を一体化してもよい。また、ＲＭＷ２０２に、羽根２０２ａの厚みの差によるビーム散乱量を補償するために角度毎に厚みの異なる散乱補償体を取り付けてもよい。
【００２４】
第２散乱体２０８は、第１散乱体２０６により広げられたイオンビームから、広く一様な線量分布を形成するためのものである。第２散乱体２０８は、円盤部２０８ａとその外周側に設けられるリング部２０８ｂを有する。円盤部２０８ａはイオンビーム通過時のエネルギー損失に対してビーム散乱角の大きい物質（原子番号の大きな物質、例えば鉛、タングステン等）によって構成され、リング部２０８ｂはエネルギー損失に対してビーム散乱角の小さい物質（原子番号の小さな物質、例えば樹脂）から構成される。また、両者の厚みは通常イオンビームが入射した際のエネルギー損失量がほぼ等しくなるように構成なっているので、リング部２０８ｂのほうが通常は厚くなる。第１散乱体２０６によって拡大されたイオンビームが円盤部２０８ａとリング部２０８ｂに入射すると、円盤部２０８ａに入射したイオンビームはリング部２０８ｂに入射したものと比べてより拡大されるので、直交方向に広い領域に渡って一様な分布を形成できる。なお、第２散乱体２０８は、上記した２重リング構造に代えて、リング数のより多い構造や、径方向に厚み寸法を滑らかに変化する構造等にしても良い。
【００２５】
レンジシフタ２１０は、イオンビームの最大飛程を患部２１６ａの最大深さと一致させるものである。レンジシフタ２１０はエネルギー損失に対してビーム散乱角の小さい物質（原子番号の小さな物質、例えば樹脂）から構成される。イオンビームがレンジシフタ２１０を通過するとエネルギーを失うので、イオンビームの最大飛程を減らすことができる。これにより、イオンビームの最大飛程を患部２１６ａと一致させることができる。レンジシフタ２１０は、厚みの異なる複数の板部材を重ねて構成し、板部材の組み合わせによりイオンビーム進行方向の合計厚みを変化させことも可能である。また、レンジシフタ２１０を用いず、シンクロトロン５によるイオンビームの加速エネルギーを減らす、あるいは、高エネルギービーム輸送系１３でイオンビームのエネルギーを損失させても良い。これにより、イオンビームがレンジシフタ２１０を通過する際に生成する中性子を削減する効果がある。
【００２６】
上記の過程を経て、直交方向と深さ方向に拡大されたイオンビームは線量モニタ２１２に入射し、その通過量が計測される。線量モニタ２１２をビーム下流側に配置すると、より患部２１６ａに照射する直前のイオンビーム通過量を計測できる。線量モニタ２１２をビーム上流側、例えば、ＲＭＷ２０２、レンジシフタ２１０など、イオンビームのエネルギーを変化させる機器の上流に配置すると、エネルギーの違いによる線量モニタ２１２からの出力信号の補正計算等の手間を省ける。
【００２７】
ボーラス２１４は、例えば樹脂製のブロック体を掘削加工したものであり、横方向のビーム入射位置に応じてビームの樹脂通過厚が変化する。これにより、イオンビームのボーラス２１４通過後のエネルギーを入射位置ごとに変化させることが可能で、イオンビームの到達深さを患部２１６ａの深さ方向形状と合致させる。
【００２８】
コリメータ２１５は、放射線遮蔽体によって構成され、患部２１６ａに対応する貫通孔を形成している。コリメータ２１５は、直交方向に拡大されたビームのうち、その貫通孔を通過したイオンビームのみを患部２１６ａに照射する。
【００２９】
ボーラス２１４とコリメータ２１５は、通常、患部２１６ａの形状に合わせて加工され、患部２１６ａ毎に交換される。コリメータ２１５としてマルチリーフコリメータを用い、リーフを移動して患部２１６ａの横方向形状に合わせることで、加工、交換の手間を省いてもよい。
【００３０】
図３を用いて、照射制御システム３００の詳細を説明する。
【００３１】
照射制御システム３００は、所望の照射野を形成するために、ＲＭＷ２０２の角度領域毎にビーム通過量を管理する。角度領域は、ＲＭＷ２０２を周方向において複数に分割して形成される一つの領域である。すなわち、ＲＭＷ２０２は、周方向において複数の角度領域（具体的には、多数の角度領域）を形成している。照射制御システム３００は、領域判定装置３０１、振り分け装置３０３、開閉信号生成装置３０７、照射完了信号生成装置３０９、インターロック信号生成装置３１０、メモリ（目標値メモリ）３０５、カウンタ（例えば、マルチチャンネルカウンタ）３０４、及びメモリ（照射中領域メモリ）３１１を備える。
【００３２】
領域判定装置３０１はメモリ（領域判定装置メモリ）３０２を備える。領域判定装置３０１が、中央制御装置１００、角度計２０５及びメモリ３１１にそれぞれ接続されている。
【００３３】
振り分け装置３０３は、メモリ３１１、線量モニタ２１２及びカウンタ３０４にそれぞれ接続されている。開閉信号生成装置３０７は、メモリ３１１、カウンタ３０４、メモリ３０５及びビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１にそれぞれ接続される。照射完了信号生成装置３０９は、カウンタ３０４、メモリ３０５及び中央制御装置１００にそれぞれ接続されている。インターロック信号生成装置３１０は、カウンタ３０４、メモリ３０５及び中央制御装置１００にそれぞれ接続されている。カウンタ３０４は、カウンタ１からカウンタＮまでのＮ個のカウンタ及びカウンタＳの合計（Ｎ＋１）個のカウンタを含んでいる。Ｎ個のカウンタ（カウンタ３０４−１ないしカウンタ３０４−Ｎ）は、それぞれ、振り分け装置３０３を介して線量モニタ２１２に接続される。カウンタ３０４−Ｓは、振り分け装置３０３を介さずに線量モニタ２１２に接続される。
【００３４】
図４を用い、照射制御システム３００を中心に、本実施形態を構成する個々の装置の役割と、互いの関係について説明する。
【００３５】
中央制御装置１００によりビーム照射開始信号が生成されると、シンクロトロン５、領域判定装置３０１、振り分け装置３０３、開閉信号生成装置３０７、照射完了信号生成装置３０９、インターロック信号生成装置３１０がそれぞれの動作を始め、シンクロトロン５からのイオンビームの出射が開始される。
【００３６】
まず、中央制御装置１００のメモリ１０１に記憶されている情報のうち図９に示す情報、すなわち、角度領域毎の、目標ビーム照射量（目標値）、その許容値（許容差）、目標ビーム照射量の比率（Ｎｉ／ＮＳ）、及びその許容値が、照射制御システム３００のメモリ３０５に取込まれる。メモリ３０５内のメモリ領域３０６−１，３０６−２，３０６−３，３０６−Ｎ，３０６−Ｓ内に、該当する領域番号に対する関連情報（例えば、目標ビーム照射量（目標値）、その許容値等）がそれぞれ記憶されている。
【００３７】
領域判定装置３０１の役割は、角度計２０５によって計測された回転角度を照射角度領域に変換することである。まず、領域判定装置メモリ３０２には、選定されたＲＭＷ２０２の回転角度とこれに対応する角度領域（全角度領域の個数をＮ個とする）が、互いに関係付けられている角度領域の番号（領域番号という）、その角度領域の開始角度、及びその角度領域の終了角度の各情報（図８）を含むデータテーブルとして登録されている。これらの情報は、領域判定装置３０１によって中央制御装置１００のメモリ１０１から取り込まれる。
【００３８】
中央制御装置１００のメモリ１０１は、図７に示すように、領域番号、開始角度、終了角度、目標値、目標値の許容値、比率、比率の許容値、ビーム強度等を記憶する。開始角度及び終了角度は、ＲＭＷ２０２の種類によって決定される値である。つまり、領域番号、開始角度及び終了角度は、各角度領域におけるＲＭＷ２０２の回転角度情報を示す。具体的には、領域番号１の角度領域は、ＲＭＷ２０２の回転角度が０°〜θ１の領域であり、領域番号Ｉが、ＲＭＷ２０２の回転角度がθｉ−１〜θｉの角度領域であることを示す。図７は、回転角度が３６０°をひとまとめとしたデータテーブルの例を示したが、ＲＭＷ２０２の厚みの変化が周期的であれば一周期に対応する角度でひとまとめにしてもよい。目標値は、ビーム照射量の目標値を示す。つまり、患者毎に選定されたＲＭＷ２０２の各領域番号でのビーム照射量の目標値である。目標値の許容値は、ＲＭＷ２０２の各領域番号におけるビーム照射量の目標値の許容値である。比率は、全ビーム照射量と各領域番号でのビーム照射量との比率を示す。比率の許容値は、この比率の許容値である。
【００３９】
メモリ１０１に記憶されている図７に示す各情報は、ある患者に対する治療計画時に、医師が治療計画装置１０２を用いて作成する情報である。作成された図７に示す各情報は、一旦、メモリ１０３に蓄えられ、その患者の治療前に中央制御装置１００によってメモリ１０１に取り込まれる。
【００４０】
次に、領域判定装置３０１は、イオンビームを患部２１６ａに照射している間、角度計２０５から入力されるＲＭＷ２０２の回転角度を、上記データテーブルを用い、イオンビームが通過している角度領域、具体的にはその角度領域の領域番号に変換する（領域番号ｉに変換したとする）。この領域番号の角度領域（イオンビームが通過している角度領域）を照射角度領域という。照射角度領域は、メモリ（照射領域メモリ）３１１に記録される。すると、メモリ３１１には、照射野形成装置２００内でビーム経路に位置している角度領域（照射角度領域）が記憶される。角度計２０５で計測されたＲＭＷ２０２の回転角度を照射角度領域に変換してメモリ３１１に記憶させる処理は、イオンビームの出射中に繰り返し行なわれる。このため、メモリ３１１には、常に、ビーム経路に位置している照射角度領域が記憶されている。
【００４１】
患者２１６の体内でのイオンビームの到達深さはＲＭＷ２０２の軸方向における厚みにより決まるので、角度領域とこの角度領域でのＲＭＷ２０２の軸方向での厚みを一致させると、イオンビームの到達深さ毎のイオンビーム照射量の管理が可能となる。しかし、それらは必ずしも一致させなくてもよい。メモリ（領域判定装置メモリ）３０２に記憶される情報は、図８に示すように、回転角度が３６０度でひとまとめにしたデータテーブルとしたが、ＲＭＷ２０２の厚み変化が周期的であれば一周期に対応した角度でひとまとめにしてもよい。前述の図８に示す情報は、図７に示す情報の一部である。
【００４２】
振り分け装置３０３の役割は、線量モニタ２１２で逐次計測されるビーム照射量（イオンビーム量）をＲＭＷ２０２の角度領域に対応するカウンタ３０４に含まれる各カウンタに振り分けることである。まず、メモリ３１１に記憶された照射角度領域（領域番号ｉ）を読み込む。これを用い対応するカウンタ３０４−ｉに線量モニタ２１２からのビーム照射量を出力する。つまり、カウンタ３０４−ｉには領域番号ｉの照射角度領域に対して計測されたビーム照射量（線量）を積算して記録される。また、線量モニタ２１２で計測されたビーム出射量の信号は、振り分け装置３０３を通さずカウンタ３０４−Ｓに出力される。これにより、全ての照射角度領域（領域番号１〜Ｎ）におけるそれぞれのビーム照射量を独立にカウントできる。全ビーム照射量はカウンタ３０４−１からカウンタ３０４−Ｎまでのカウント値を合計して得ることが可能で、このようにすればカウンタ３０４−Ｓを節約できる。また、ビーム照射量をそれぞれのカウンタに記録する方法として、カウンタ３０４−１からカウンタ３０４−Ｎのカウンタにビーム照射量の信号を常に入力し、照射角度領域ｉと判定された場合、対応するカウンタ３０４−ｉのみを計測オンとし、それ以外のカウンタは計測オフとするように、カウンタ３０４の計測のオン／オフを切り替えてもよい。
【００４３】
開閉信号生成装置３０７の役割は、照射野形成装置２００内でビーム経路に位置している角度領域（照射角度領域）の照射済みビーム照射量と目標ビーム照射量（以下、目標値）を比較し、ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１を開閉してシンクロトロン５からのビーム出射のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことである。まず、メモリ３０５から角度領域ごとの目標値を取込む。次に、開閉信号生成装置３０７はメモリ３１１から照射角度領域ｉを取り込んで、その照射角度領域における取込んだ目標値とビーム照射量を比較する。照射済みビーム量が目標値に到達していれば、開閉信号生成装置３０７は、ビームＯＦＦ信号を生成し、このビームＯＦＦ信号をビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１に転送する。これによってビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１が開き、照射角度領域ｉでの高周波印加装置７への出射用高周波信号の印加が停止される。シンクロトロン５からのイオンビームの出射が停止される。また、照射済みビーム量が目標値未満であれば、開閉信号生成装置３０７は、ビームＯＮ信号を生成し、このビームＯＮ信号をビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１に転送する。ビームＯＮ信号によってビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１は閉じられ、高周波印加装置７へ出射用高周波信号が印加される。これにより、イオンビームは目標値未満である角度領域のみに照射される。
【００４４】
上記のようにメモリ３１１を設けずに、領域判定装置３０１によるビーム照射角度領域の判定結果を直接、振り分け装置３０３、開閉信号生成装置３０７に入力してもよい。しかし、ビーム経路に位置している照射角度領域の情報を振り分け装置３０３及び開閉信号生成装置３０７に入力するためには、動作タイミングを領域判定装置３０１と合せる必要があり、制御が複雑になる。
【００４５】
イオンビームの照射が進むにつれ、目標値のイオンビーム量が各角度領域を通して患部２１６ａに照射される。すると、ノイズ等の原因により偏ってイオンビームが患部２１６ａに照射されることがある。インターロック信号生成装置３１０の役割は、万が一に備え、患者２１６を不要なイオンビームの照射から防ぐことある。まず、インターロック信号生成装置３１０は、メモリ３０５から各角度領域ごとの目標値と許容値、全領域の目標値と許容値を取込む。なお、メモリ３０５には予め中央制御装置１００から取り込んだ前述した角度領域毎の目標値に加え、全角度領域のビーム照射量目標値、各角度領域と全角度領域の許容値を取込んでおく。次に、カウンタ３０４から角度領域ごと、全角度領域の照射済みビーム照射量を取り込む。カウンタ３０４−Ｓはイオンビームの照射量の総量をカウントする。ゆえに、カウンタ３０４−ｉとカウンタ３０４−Ｓの比を取ると、領域番号Ｉの角度領域に照射されたイオンビームの比率を算出できる。カウンタ３０４−Ｓのカウント値（つまり全角度領域の照射済みビーム量）が（目標値Ｓ＋許容値Ｓ）の値以下であることを確認し、万が一、（目標値Ｓ＋許容値Ｓ）の値を超えた場合、それはイオンビームの過照射を意味するのでインターロック信号生成装置３１０はビーム照射停止信号を生成し、生成したビーム照射停止信号を中央制御装置１００に転送する。個々の領域についても同様である。また、カウンタ３０４から得た各角度領域のビーム照射量の比率が目標比率Ｒｉ±ΔＲｉ内であることも確認し、もしもこれから外れた場合は、ビーム照射量の各角度領域間での偏りを意味するので、この場合もインターロック信号生成装置３１０はビーム照射停止信号を生成し、生成したビーム照射停止信号を中央制御装置１００に転送する。ビーム照射停止信号を受け取った中央制御装置１００は、ビーム出射中止指令を生成し、このビーム出射中止指令（信号線省略）を前述のインターロック用スイッチに出力する。これによって、インターロック用スイッチは開き、高周波電源９から高周波印加電極への高周波電力の供給が停止されてシンクロトロン５からのイオンビームの出射が停止される。カウンタ３０４から現在のビーム照射量の取込み、ビーム照射量自身とその比率が許容範囲内である確認を繰り返すことで、万一の想定外のイオンビーム照射を防ぐことができる。
【００４６】
照射完了信号生成装置３０９の役割は、全角度領域で目標量のイオンビームが照射されたか判定し、完了した場合は照射完了信号を生成することである。はじめに照射完了信号生成装置３０９は目標値メモリ３０５から角度領域ごとの目標値を取り込んでおく。次にカウンタ３０４から段毎の照射済みビーム量を取込む。そして、角度領域毎に目標値と照射済みビーム量を比較する。もし、全角度領域で目標値に到達すれば照射完了信号生成装置３０９は照射完了信号を中央制御装置１００に出力する。照射完了信号生成装置３０９は、ビーム照射量が目標値未満の角度領域が少なくとも１つあれば、カウンタ３０４から照射済みビーム量を取り込んで比較する上記の処理を再度実施する。開閉信号生成装置３０７により目標値未満の角度領域に対してのみイオンビームが照射されるので、最終的には全領域で目標値のビーム照射量が照射される。照射完了信号を中央制御装置１００が受け取ると、ビーム出射完了信号を生成し、この信号を前述の出射完了用スイッチに伝える。ビーム出射完了信号によって出射完了用スイッチが開くため、高周波印加電極への高周波電力の供給が停止されてシンクロトロン５からのイオンビームの出射が停止される。
【００４７】
表示装置３０８は、ＲＭＷ２０２の角度領域ごとのビーム照射量と目標値を表示する。表示装置３０８は、カウンタ３０４及び中央制御装置１００に接続され、角度領域毎の線量（線量モニタ２１２で計測）カウンタ値、全角度領域のカウンタ値、領域毎の目標値をビーム照射中に逐次表示することで、ビーム照射の進捗を運転者に知らせる。また、照射パラメータ、使用している機器を表示すると、運転者はビーム照射条件を容易に把握できる。また、領域毎のイオンビーム照射量と全イオンビーム照射量との比を表示しても良い。これにより、照射が偏り無く進行していることを運転者に知らせることができる。
【００４８】
本実施形態の粒子線治療装置を用いたがんの患部２１６ａの治療について、説明する。イオン源２で生成されたイオンビームは、前段加速器３で前段加速され、低エネルギービーム輸送系４を通ってシンクロトロン５に供給される。イオンビームは、シンクロトロン５内を周回する間に、高周波加速空胴（図示せず）によって加速される。イオンビームが所望のエネルギーまで加速された後、高周波電源９からの高周波電力が、閉じられているビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１、照射完了用スイッチ及びインターロック用スイッチを通って高周波印加電極によりシンクロトロン５内を周回しているイオンビームに印加される。これにより、安定限界内を周回しているイオンビームが、安定限界外に移行してシンクロトロン５から出射される。このイオンビームは、出射用デフレクタ１２及びビーム輸送系１３を通って照射野形成装置２００に導かれる。イオンビームは、照射野形成装置２００内において、ビーム経路上に配置されたＲＭＷ２０２、第１散乱体２０６、第２散乱体２０８、レンジシフタ２１０、線量モニタ２１２、ボーラス２１４及びコリメータ２１５を通過して、治療用ベッド２１７上に横たわっている患者２１６の患部２１６ａに照射される。このとき、ＲＭＷ２０２は回転している。
【００４９】
照射野形成装置２００内を通過するイオンビームのビーム照射量（線量）が、線量モニタ２１２によって計測される。線量モニタ２１２で計測された線量が目標線量値に達すると、出射完了用スイッチが開くので、シンクロトロン５からのイオンビームの出射が停止され、患者２１６に対するイオンビームの照射が終了する。
【００５０】
本実施形態では、患部２１６ａ内のイオンビームの進行方向（深さ方向）の線量分布の一様性を調整するために、シンクロトロン５から出射するイオンビームの出射量を、イオンビームの出射中において、ＲＭＷ２０２の回転角度を用いて変化させるように所望の変調信号パターンで制御する。図１０を用い、シンクロトロン５から所望の強度パターンで、イオンビームを出射する制御方法の詳細について述べる。
【００５１】
照射制御システム３００は、ビーム出射量制御装置（図示せず）を備えている。このビーム出射量制御装置は、２つの機能を有する。第１の機能は、患部２１６ａに対応したＳＯＢＰ幅を形成することである。すなわち、ビーム出射量制御装置は、角度計２０５で計測されたＲＭＷ２０２の回転角度がイオンビームの出射を開始する回転角度になったときにビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１を閉じ、その回転角度がイオンビームの出射を停止する回転角度になったときにビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１を開くビームＯＮ／ＯＦＦ信号（ｄ）を生成する。ビームＯＮ／ＯＦＦ信号（ｄ）によって、イオンビームの照射により体内に生じるＳＯＢＰ幅が調節される。ビーム出射量制御装置の第２の機能は、加速器（例えば、シンクロトロン５）から出射されるイオンビームの量を調節することである。具体的には、ビーム出射量制御装置は、角度計２０５で計測されたＲＭＷ２０２の回転角度、及び予め設定された強度パターンデータを用いて、角度領域毎に目標値の大小と対応させた振幅変調信号（ｂ）を生成し、この振幅変調信号（ｂ）よって加速器から出射されるイオンビームの量を調節する。高周波電源９は、生成した出射用の高周波信号（ａ）を信号合成装置１０に出力する。信号合成装置１０は、高周波信号（ａ）と振幅変調信号（ｂ）を合成し、出射用高周波信号（ｃ）を生成する。生成された出射用高周波信号（ｃ）はビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１に出力される。ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１は、照射制御システム３００のビーム出射量制御装置に接続されており、ビーム出射量制御装置で生成されたビームＯＮ／ＯＦＦ信号（ｄ）に基づいて開閉される。この開閉によって、出射用高周波信号（ｅ）が、ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１から高周波印加装置７の高周波印加電極に供給され、シンクロトロン５内を周回するイオンビームに印加される。ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１が閉じられたときにシンクロトロン５からイオンビームが出射され、ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１が開いたきにそこからのイオンビームの出射が停止される。インターロック用スイッチ及び照射完了用スイッチは閉じている。ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１が閉じている間、すなわち、シンクロトロン５からイオンビームが出射されている間、出射用高周波信号（ｅ）に基づいて、シンクロトロン５から出射されるイオンビームの出射量が調節される。振幅変調信号（ｂ）の振幅が大きくなるとシンクロトロン５から出射されるイオンビームの出射量が増加し、振幅変調信号（ｂ）の振幅が小さくなるとそのイオンビームの出射量が減少する。
【００５２】
上記した第１の機能により、一個のＲＭＷ２０２で複数のＳＯＢＰ幅を形成することができるため、準備すべきＲＭＷ２０２の個数を低減できる。上記した第２の機能により、一個のＲＭＷ２０２でより広いエネルギー領域に含まれる各イオンビームに対応できるため、更に、準備すべきＲＭＷ２０２の個数を低減できる。また、第２の機能は、イオンビーム出射量を調整できるため、患部２１６ａのイオンビーム進行方向において所望の線量分布を容易に形成することができる。第２の機能によって得られる効果を具体的に説明する。あるエネルギーに対して好適なＲＭＷ２０２を用いた場合において患部内のイオンビームの進行方向における所望の線量分布が、図１１に実線で示される状態であったとする。前述したビーム出射量制御装置を用いない状態で、そのＲＭＷ２０２に導かれるイオンビームのエネルギーを高めてこのイオンビームを前述しＲＭＷ２０２に供給した場合には、図１１に示す点線の不適切な線量分布を得たとする。しかしながら、本実施例におけるビーム出射量制御装置によるイオンビーム出射量の調整を行うことによって、図１１に実線で示される所望の線量分布を得ることができる。また、逆に、図１１に示す点線の線量分布が所望の線量分布である場合で、異なるビームエネルギーのイオンビームを患部に照射する場合には、ビーム出射量制御装置によるイオンビーム出射量の調整を行うことによって、その所望の線量分布を得ることができる。
【００５３】
開閉信号生成装置３０７の作用を、図６を用いて具体的に説明する。領域判定装置３０１は、前述したように、角度計２０５で計測されたＲＭＷ２０２の回転角度を、前述のデータテーブルを用いて、ビーム経路に位置している角度領域の領域番号を求める。振り分け装置３０３は、線量モニタ２１２で逐次計測されたビーム照射量（イオンビーム量、線量）を、領域番号（照射角度領域）に基づいて、この照射角度領域に対応する、カウンタ３０４に含まれ、その照射角度領域に対応するカウンタ（カウンタ３０４−１〜３０４−Ｎのうちの１つのカウンタ）に振り分ける。このような振り分け装置３０３の作用により、カウンタ３０４−１〜３０４−Ｎにそれぞれ照射済のビーム照射量が積算される（図６の下部のグラフ参照）。それぞれの角度領域に対してビーム照射量の目標値（線量の目標値）及びその許容値が前述のように設定されている。領域番号Ｎの角度領域でのＲＭＷ２０２の軸方向の厚みは、イオンビームの出射が開始されてからその出射が停止されるまでの間において、ビーム経路を通過する、ＲＭＷ２０２の周方向の領域内で、最も薄い部分である。領域番号Ｎの角度領域に対するビーム照射量の目標値は、最も大きくなる。また、領域番号１の角度領域でのＲＭＷ２０２の軸方向の厚みは、イオンビームの出射が開始されてからその出射が停止されるまでの間において、その周方向の領域内で、最も厚い部分である。目標値は最も大きくなる。領域番号１の角度領域に対するその目標値は、最も小さくなる。領域番号Ｎの角度領域を通過するイオンビームは、患部２１６ａ内でイオンビームの進行方向において最も深い位置まで到達する。領域番号が小さくなる角度領域を通過するイオンビームほど、その進行方向においてより浅い位置にしか到達しなくなる。患部２１６ａにおいて、深い位置を照射しているイオンビームの影響によってそれよりも浅い位置でもあるていど線量が高められる。このため、患部２１６ａ内で浅い位置にイオンビームを照射する場合には、その深い位置にイオンビームを照射する場合に比べて、ビーム照射量の目標値（線量の目標値）が小さくなっている。すなわち、領域番号の小さな角度領域ほど、その目標値は小さい。
【００５４】
開閉信号生成装置３０７は、各領域番号に対応する角度領域ごとに、線量モニタ２１２で測定されたビーム照射量の積算値（線量の積算値）が目標値に到達しているか否かを判定する。開閉信号生成装置３０７は、その積算値が目標値に到達している角度領域に対しては、ビームＯＦＦ信号を生成する。このため、前述したようにビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１が開き、その角度領域に対するイオンビームの供給が停止される。また、その積算値が目標値に到達していない角度領域に対しては、ビームＯＮ信号を生成する。このため、前述したようにビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ１１が閉じた状態であり、その角度領域に対してイオンビームが供給される。
【００５５】
次に、図１１を用いて、一例である、小照射野用に設計したＲＭＷを用いて大照射野を形成した場合、その手順と深さ方向の線量分布に与える影響を説明する。
【００５６】
小照射野用のＲＭＷ２０２の照射野を広げるためには、まず、入射イオンビームの直交方向の広がりを増加させる。例えば、第１散乱体２０６を厚くすれば直交方向の散乱量の増加が可能でイオンビームが広がる。しかしながら、これにより、イオンビームのエネルギー損失も増加するのでイオンビームの飛程は減少する。第１散乱体２０６もしくは、ＲＭＷ２０２をイオンビーム上流側に移動させ、イオンビームが散乱後に飛ぶ距離を増加することでビームを拡大してもよい。ＲＭＷ２０２をイオンビーム上流側に配置させることによって、イオンビームの飛程は不変であるが、より長いイオンビーム飛行長を確保する必要があり、照射野形成装置２００が巨大化する。これにより、第２散乱体２０８に入射するイオンビームが拡大する。それに併せて第２散乱体２０８を変更することで、直交方向の一様性を確保する。このように、イオンビームが通過する物質が変化するため、その飛程、さらには、ブラッグカーブの形状も変化する。その結果、深さ方向の線量分布が図１１の点線のように変化する。
【００５７】
本実施形態は、複数の角度領域のうち目標値に達した角度領域へのイオンビームの供給を停止し、その目標値に到達していない他の角度領域にイオンビームを供給するため、小照射野用のＲＭＷ２０２を用いた場合において、その深さ方向の線量分布が変化しても、図１２で一点差線で示す所望の線量分布（例えば、一様な線量分布）を形成できる。すなわち、前述したように、ＲＭＷ２０２の角度領域ごとに目標値を設定すれば、深さ方向ごとの目標値設定が可能である。線量の変化は計算可能なので、所望の線量分布、例えば一様な線量分布になるよう目標値を定めればよい。イオンビームの入射エネルギー、照射野サイズ、設置機器等に応じて変化する最適な深さ方向の線量分布を目標値３０６として設定することで、ＲＭＷ２０２の１つ当りに形成可能な照射野種類数が増加する。
【００５８】
以上のように構成した粒子線治療装置であれば、１個のＲＭＷ２０２によって、角度領域ごとのビーム照射量を変化させることが可能なので、多様な照射野を形成すること可能である。
【００５９】
本実施形態によれば、イオンビームの複数のエネルギー、複数の照射範囲などに対し、複数の線量分布を１個のＲＭＷで形成可能であるため、治療に用いるＲＭＷの総数を低減することができる。このため、ビームエネルギー及び照射野サイズの違いによってＲＭＷ２０２を交換する回数が著しく減少し、年間当りに治療できる患者数が増大する。
【００６０】
本実施形態は、イオンビームの出射開始及び出射停止（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御することで、ＲＭＷ２０２の目標値に到達した角度領域にイオンビームを供給せず、目標値に到達していない角度領域にイオンビームを供給するので、患部２１６ａ内のイオンビーム進行方向における各位置に対する照射線量を容易に調節することができる。このため、患部２１６ａ内のイオンビーム進行方向における各位置において照射線量の過不足が生じる誤照射の確率を著しく低減することができる。患部２１６ａ内のイオンビーム進行方向における線量分布を、容易に、治療計画で定めた所望の線量分布にすることができる。本実施形態では、上記誤照射の確率を０にすることができる。
【００６１】
本実施形態は、ＲＭＷ２０２の目標値に到達した角度領域にイオンビームを供給せず、目標値に到達していない角度領域にイオンビームを供給するので、前述したビーム出射量制御装置の第１の機能により削減できるＲＭＷの個数よりも、更にその個数を低減できる。
【００６２】
本実施形態では、ＲＭＷ２０２の回転角度に基づいてシンクロトロン５から出射するイオンビームのビーム出射量（ビーム出射強度）を制御している。これにより、角度領域ごとの目標照射量の多少に応じてイオンビーム強度を制御することができ、効率よく照射を進行させることができる。ＲＭＷ２０２の回転角度に基づいてシンクロトロン５から出射するイオンビームのビーム出射量を制御しているので、さらに、患者が代わって必要とするビームエネルギーが変わっても、前の患者に用いたＲＭＷ２０２によって、患部２１６ａのイオンビーム進行方向において所望の線量分布を形成することができる。
【００６３】
本実施形態は、イオンビームの照射中、ＲＭＷの複数の角度領域のうち、少なくとも１つを含む角度領域群において、照射済み積算イオンビーム量と目標積算イオンビーム量とを比較し、いずれかの角度領域において、当該角度領域における目標値を超過した量のイオンビームが照射されたときに、イオンビームの照射を中止させる手段、すなわちインターロック信号生成装置３１０を備える。これにより、イオンビームを照射中に、照射済み積算イオンビーム量と目標イオンビーム量とを逐次比較し、万一、目標値を超過する等、想定外のイオンビーム照射が行われた場合、直ちにイオンビームの照射を中止することができ、より信頼性を高くできる。
【００６４】
本実施形態は、ＲＭＷの複数の角度領域のうち、少なくとも１つを含む第１の角度領域群への照射済みイオンビーム量と、前記第１の角度領域群に含まれない角度領域を少なくとも１つ含む第２の角度領域群への照射済みイオンビーム量の比が、あらかじめ設定した値の範囲を超えた場合に、イオンビームの照射を中止する手段を備える。これにより、イオンビーム照射中に、第１の角度領域群と第２の角度領域群における照射済み積算イオンビーム量と目標イオンビーム量とをそれぞれの割合を逐次比較し、あらかじめ設定した許容値を超えてイオンビーム照射が行われた場合に、直ちにイオンビームの照射を中止することができ、より信頼性を高くできる。
【００６５】
本実施形態では、円形加速器としてシンクロトロン５を例にとって説明したが、シンクロトロン５の替わりにサイクロトロンを用いた場合にも実施することができる。すなわち、サイクロトロンの場合は、サイクロトロンにイオンビームを供給するイオン源の電源のＯＮ／ＯＦＦによって、サイクロトロンから照射野形成装置へのイオンビームの出射開始及び出射停止を制御することができる。このような加速装置としてサイクロトロンを用いた粒子線治療装置は、図１に示す粒子線治療装置においてシンクロトロンをサイクロトロンに替えた構成を有し、高周波供給装置１８が設けられていない。このようなサイクロトロンを用いた粒子線治療装置では、開閉信号生成装置３０７から出力されるビームＯＮ信号及びビームＯＦＦ信号は、電源とイオン源とを接続する配線に設けられた開閉装置の開閉制御に用いられる。このような開閉装置の制御によって、図１の実施例と同様に、ＲＭＷ２０２の目標値に到達した角度領域にイオンビームを供給せず、目標値に到達していない角度領域にイオンビームを供給することができる。このため、患部２１６ａ内のイオンビーム進行方向における各位置に対する照射線量を容易に調節することができ、患部２１６ａ内のイオンビーム進行方向における各位置において照射線量の過不足が生じる誤照射の確率を著しく低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置の全体構成を表す概念図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置に備えられる照射野形成装置の詳細をあらわす概念図である。
【図３】本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置に備えられる照射制御システムの構成をあらわす概念図である。
【図４】本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置における照射野形成のためのビーム照射にかかわる制御内容をあらわすフローチャートである。
【図５】レンジモジュレーションホイールの全体構造を示す斜視図である。
【図６】照射制御装置で行われるレンジモジュレーションホイールの羽ごとの線量管理をあらわあす模式図である。
【図７】本発明の構成要素である中央制御装置メモリに格納されるデータテーブルの概念図である。
【図８】本発明の構成要素である領域判定装置メモリに格納されるデータテーブルの概念図である。
【図９】本発明の構成要素である目標値メモリに格納されるデータテーブルの概念図である。
【図１０】本発明の好適な一実施形態である粒子線治療装置を表す構成図、及び出射用高周波信号を示す外力図である。
【図１１】ビーム進行方向（深部方向）の線量分布を示す図である。
【図１２】ビーム進行方向（深部方向）の線量分布を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１…イオンビーム発生装置、２…イオン源、３…前段加速器、４…低エネルギービーム輸送系、５…シンクロトロン、６…加速装置、７…高周波印加装置、９…出射用高周波電源、１０…信号合成装置、１１…ビームＯＮ／ＯＦＦスイッチ、１３…高エネルギービーム輸送系、１４…回転ガントリー、１００…中央制御装置、１０１，３０２…メモリ、２００…照射野形成装置、２０１…ケーシング、２０２…レンジモジュレーションホイール、２０２ａ…羽根、２０３…ＲＭＷ保持部材、２０４…ＲＭＷ回転駆動装置、２０５…角度計、２０６…第１散乱体、２０８…第２散乱体、２１０…レンジシフタ、２１２…線量モニタ、２１４…ボーラス、２１５…コリメータ、３００…照射制御システム、３０１…領域判定装置、３０３…振り分け装置、３０４…カウンタ、３０５…目標値メモリ、３０７…開閉信号生成装置、３０８…表示装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速して出射する加速装置と、
前記加速装置から出射された前記荷電粒子ビームが透過するエネルギー調整装置を有し、前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置とを備え、
前記エネルギー調整装置は、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なり、
前記エネルギー調整装置の回転角度及び前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームの線量に基づいて、前記加速装置からの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記回転角度及び前記線量に基づいて、前記回転方向における前記エネルギー調整装置の複数領域のそれぞれを透過した前記荷電粒子ビームの前記線量の積算値を求め、前記領域ごとの前記積算値に基づいて、前記加速装置からの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項３】
前記エネルギー調整装置の回転角度を検出する角度検出器と、
前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームの線量を計測する計測装置とを備え、
前記制御装置は、前記回転角度及び前記線量に基づいて、前記加速装置からの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記積算値が目標線量に達した前記領域がビーム経路に位置するときは前記加速装置からの前記荷電粒子ビームの出射を停止し、前記積算値が前記目標線量に達していない前記角度領域が前記ビーム経路に位置するときには前記荷電粒子ビームを前記加速装置から出射することを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項５】
いずれかの前記領域における前記荷電粒子ビームの前記積算値が、当該領域において設定された許容値以上になったときに、前記加速装置からの前記荷電粒子ビームの出射を中止する安全装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項６】
前記エネルギー調整装置の前記回転方向における第１の角度領域を通過した前記荷電粒子ビームの前記積算値と前記第１角度領域以外の角度領域である第２の角度領域を通過した前記荷電粒子ビームの積算値との比が、設定した許容値を越えたときに、前記加速装置からの前記荷電粒子ビームの出射を中止する安全装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項７】
前記領域ごとの前記荷電粒子ビームの積算値を表示する表示装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項８】
出射用の高周波印加装置を有し、荷電粒子ビームを加速して出射する加速装置と、
前記加速装置から出射された前記荷電粒子ビームが透過するエネルギー調整装置を有し、前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置とを備え、
前記エネルギー調整装置は、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なり、
前記エネルギー調整装置の回転角度及び前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームの線量に基づいて、前記高周波印加装置への高周波信号の供給及び供給停止を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項９】
荷電粒子ビームを生成するイオン源と、
前記イオン源から出射する前記荷電粒子ビームを加速する加速装置と、
前記加速装置から出射する前記荷電粒子ビームが透過するエネルギー調整装置を有し、前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置とを備え、
前記エネルギー調整装置は、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なり、
前記エネルギー調整装置の回転角度及び前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームの線量に基づいて、前記イオン源からの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項１０】
荷電粒子ビームを加速して出射する加速装置と、
前記加速装置から出射する前記荷電粒子ビームが透過するエネルギー調整装置を有し、前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置とを備え、
前記エネルギー調整装置は、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なり、
前記エネルギー調整装置を前記回転方向において分割して形成される複数の領域のうち目標線量に達した前記領域への前記荷電粒子ビームの供給を停止し、前記目標線量に到達していない他の前記領域に前記荷電粒子ビームを供給する制御装置を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記領域を透過した前記荷電粒子ビームの線量の積算値が前記目標線量に達した前記領域への前記荷電粒子ビームの供給を停止し、前記積算値が前記目標線量に達していない他の領域に前記荷電粒子ビームを供給することを特徴とする請求項１０に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項１２】
前記エネルギー調整装置の回転角度を検出する角度検出器を備え、
前記制御装置は、前記回転角度に基づいて前記荷電粒子ビームの供給及び供給停止することを特徴とする請求項１０に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項１３】
前記加速装置から出射された荷電粒子ビームを、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なるエネルギー調整装置に供給し、
前記エネルギー調整装置の回転角度及び前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームの線量に基づいて、前記加速装置からの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム出射方法。
【請求項１４】
前記加速装置から出射された荷電粒子ビームを、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なるエネルギー調整装置に供給し、
前記エネルギー調整装置を前記回転方向において分割して形成される複数の領域のうち目標線量に達した前記領域への前記荷電粒子ビームの供給を停止し、前記目標線量に到達していない他の前記領域に前記荷電粒子ビームを供給することを特徴とする荷電粒子ビーム出射方法。
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速して出射する加速装置と、
前記加速装置から出射された前記荷電粒子ビームが透過するエネルギー調整装置を有し、前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置とを備え、
前記エネルギー調整装置は、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なり、
前記エネルギー調整装置の回転角度及び前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームの線量に基づいて、前記加速装置からの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記回転角度及び前記線量に基づいて、前記回転方向における前記エネルギー調整装置の複数領域のそれぞれを透過した前記荷電粒子ビームの前記線量の積算値を求め、前記領域ごとの前記積算値に基づいて、前記加速装置からの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項３】
前記エネルギー調整装置の回転角度を検出する角度検出器と、
前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームの線量を計測する計測装置とを備え、
前記制御装置は、前記回転角度及び前記線量に基づいて、前記加速装置からの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記積算値が目標線量に達した前記領域がビーム経路に位置するときは前記加速装置からの前記荷電粒子ビームの出射を停止し、前記積算値が前記目標線量に達していない前記角度領域が前記ビーム経路に位置するときには前記荷電粒子ビームを前記加速装置から出射することを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項５】
いずれかの前記領域における前記荷電粒子ビームの前記積算値が、当該領域において設定された許容値以上になったときに、前記加速装置からの前記荷電粒子ビームの出射を中止する安全装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項６】
前記エネルギー調整装置の前記回転方向における第１の角度領域を通過した前記荷電粒子ビームの前記積算値と前記第１角度領域以外の角度領域である第２の角度領域を通過した前記荷電粒子ビームの積算値との比が、設定した許容値を越えたときに、前記加速装置からの前記荷電粒子ビームの出射を中止する安全装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項７】
前記領域ごとの前記荷電粒子ビームの積算値を表示する表示装置を備えることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項８】
出射用の高周波印加装置を有し、荷電粒子ビームを加速して出射する加速装置と、
前記加速装置から出射された前記荷電粒子ビームが透過するエネルギー調整装置を有し、前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置とを備え、
前記エネルギー調整装置は、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なり、
前記エネルギー調整装置の回転角度及び前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームの線量に基づいて、前記高周波印加装置への高周波信号の供給及び供給停止を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項９】
荷電粒子ビームを生成するイオン源と、
前記イオン源から出射する前記荷電粒子ビームを加速する加速装置と、
前記加速装置から出射する前記荷電粒子ビームが透過するエネルギー調整装置を有し、前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置とを備え、
前記エネルギー調整装置は、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なり、
前記エネルギー調整装置の回転角度及び前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームの線量に基づいて、前記イオン源からの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項１０】
荷電粒子ビームを加速して出射する加速装置と、
前記加速装置から出射する前記荷電粒子ビームが透過するエネルギー調整装置を有し、前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置とを備え、
前記エネルギー調整装置は、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なり、
前記エネルギー調整装置を前記回転方向において分割して形成される複数の領域のうち目標線量に達した前記領域への前記荷電粒子ビームの供給を停止し、前記目標線量に到達していない他の前記領域に前記荷電粒子ビームを供給する制御装置を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記領域を透過した前記荷電粒子ビームの線量の積算値が前記目標線量に達した前記領域への前記荷電粒子ビームの供給を停止し、前記積算値が前記目標線量に達していない他の領域に前記荷電粒子ビームを供給することを特徴とする請求項１０に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項１２】
前記エネルギー調整装置の回転角度を検出する角度検出器を備え、
前記制御装置は、前記回転角度に基づいて前記荷電粒子ビームの供給及び供給停止することを特徴とする請求項１０に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項１３】
前記加速装置から出射された荷電粒子ビームを、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なるエネルギー調整装置に供給し、
前記エネルギー調整装置の回転角度及び前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームの線量に基づいて、前記加速装置からの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム出射方法。
【請求項１４】
前記加速装置から出射された荷電粒子ビームを、回転可能で、軸方向の厚みが回転方向において異なるエネルギー調整装置に供給し、
前記エネルギー調整装置を前記回転方向において分割して形成される複数の領域のうち目標線量に達した前記領域への前記荷電粒子ビームの供給を停止し、前記目標線量に到達していない他の前記領域に前記荷電粒子ビームを供給することを特徴とする荷電粒子ビーム出射方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−２２２４３３（Ｐ２００７−２２２４３３Ａ）
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−４７６７６（Ｐ２００６−４７６７６）
【出願日】平成１８年２月２４日（２００６．２．２４）
【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１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２４日（２００６．２．２４）
【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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