荷電粒子ビーム照射システム
【課題】
複数のエネルギーのイオンビームで照射対象を照射し、即発ガンマ線の計測により照射野位置を測定するとき、照射野位置の計測精度を向上したいニーズがある。
【解決手段】
荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、荷電粒子ビームに基づいて照射対象から発生する即発ガンマ線を検出してガンマ線検出信号を出力するガンマ線検出器と、荷電粒子ビームの識別情報に基づいてガンマ線検出信号を識別し、識別したガンマ線検出信号により照射野を求める照射野確認装置を備えることで照射野の位置計測精度を向上することができる。
複数のエネルギーのイオンビームで照射対象を照射し、即発ガンマ線の計測により照射野位置を測定するとき、照射野位置の計測精度を向上したいニーズがある。
【解決手段】
荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、荷電粒子ビームに基づいて照射対象から発生する即発ガンマ線を検出してガンマ線検出信号を出力するガンマ線検出器と、荷電粒子ビームの識別情報に基づいてガンマ線検出信号を識別し、識別したガンマ線検出信号により照射野を求める照射野確認装置を備えることで照射野の位置計測精度を向上することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線照射システムに係り、特に荷電粒子ビームを腫瘍等の患部に照射して治療する荷電粒子ビーム照射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
癌などの患者に陽子線などの荷電粒子ビームを照射する方法が知られている。この照射に用いるシステムは荷電粒子ビーム発生装置，ビーム輸送系、及び治療室を備えている。荷電粒子ビーム発生装置で加速された荷電粒子ビームはビーム輸送系を経て治療室の照射装置に達し、照射装置により分布を拡大し、患者の体内で患部形状に適した照射野を形成する。その際、照射野が所望の位置に形成されたことを確認する手段として、照射により体内で生成する陽電子放出核種からの消滅ガンマ線を照射後、ポジトロン断層法（ＰＥＴ）により撮影する方法が用いられている。また、治療中、照射野に生成される励起された炭素，酸素，窒素などの原子核から発生するガンマ線（即発ガンマ）を観測する方法が提唱されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１８９７６９号公報
【非特許文献１】“Prompt gamma measurements for locating the dose falloff region in the proton therapy”APPLIED PHYSICS LETTERS 89,183517(2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来法であるＰＥＴを使用する方法は、照射後に測定するため照射により生成した陽電子放出核種が生理現象により位置を移動してしまうこと、陽電子放出核種から放出された陽電子は数ｍｍ移動した後消滅ガンマ線を発生すること、陽電子放出核種生成には核反応が必要であるが照射野の最も深い位置に到達する荷電粒子は核反応を起こすために十分なエネルギーを持たないことから荷電粒子の種類によっては照射野の形状を精度良く測定することは困難であった。また、即発ガンマ線を測定する方法はまだ確立されていない。即発ガンマ線を測定することにより照射野を確認する場合、ビーム軸に垂直な方向のガンマ線発生位置が特定できないため、ビーム軸に垂直なガンマ線の情報のみを用いて照射野を再構成しなければならない。また、ブラッグピークを重ね合わせて深さ方向に平坦な線量分布を形成するとき、ガンマ線の発生分布は深さ方向に緩やかに変化するような分布となり、照射野位置測定精度を低下させる要因となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の特徴は、荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、荷電粒子ビームに基づいて照射対象から発生する即発ガンマ線を検出してガンマ線検出信号を出力するガンマ線検出器と、荷電粒子ビームの識別情報に基づいてガンマ線検出信号を識別し、識別したガンマ線検出信号により照射野を求める照射野確認装置を備えたことにある。
【０００６】
また、本発明の他の特徴は、荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、荷電粒子ビーム発生装置から出射される荷電粒子ビームのエネルギーを変更するエネルギー吸収体を備え、エネルギー吸収体を通過した荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、荷電粒子ビームに基づいて照射対象から発生する即発ガンマ線を検出してガンマ線検出信号を出力するガンマ線検出器と、荷電粒子ビームが通過する前記エネルギー吸収体の厚みに基づいて、ガンマ線検出信号を識別して照射野を求める照射野確認装置を備えたことにある。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、照射野の位置測定精度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の好適な実施形態である荷電粒子ビーム照射システム１０について、図１を用いて説明する。
【０００９】
〔実施例１〕
本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１０は、荷電粒子ビーム発生装置１，ビーム輸送系２，放射線治療室１７及び制御システム７を備える。
【００１０】
荷電粒子ビーム発生装置１は、イオン源（図示せず），ライナック３（前段荷電粒子ビーム加速装置）及びシンクロトロン４を有する。シンクロトロン４は、高周波印加装置５，加速装置６を有する。高周波印加装置５は、シンクロトロン４の周回軌道に配置された高周波印加電極（図示せず）及び高周波印加電源（図示せず）を備える。高周波印加電極と高周波印加電源はスイッチ（図示せず）により接続される。加速装置６は、イオンビームの周回軌道に配置された高周波加速空洞（図示せず）及び高周波加速空洞に高周波電力を印加する高周波電源（図示せず）を備える。出射用デフレクタ１１がシンクロトロン４とビーム輸送系２を接続する。
【００１１】
ビーム輸送系２は、ビーム経路１２，四極電磁石（図示せず），偏向電磁石１４，偏向電磁石１５及びＵ字状偏向電磁石１６を有する。ビーム経路１２は、ビーム進行方向の上流側から四極電磁石，偏向電磁石１４及び偏向電磁石１５を備える。ビーム経路１２が、治療室１７内に設置された照射装置２１に接続される。
【００１２】
治療室１７内の構成について、図２を用いて説明する。治療室１７内には略筒状のガントリー１８が設置されている。ガントリー１８には、ビーム輸送系２の一部であるＵ字状の偏向電磁石１６、及び照射装置２１が設置されている。また、第１のＸ線撮影装置２２ａ，第２のＸ線撮像装置２２ｂ，ガンマ線検出器２３が、ガントリー１８の回転胴の内側に設置される。ガントリー１８の内部にはカウチ２４と呼ばれる治療用ベッドが設置されている。
【００１３】
第１のＸ線撮像装置２２ａは、照射装置２１内に設置される第１のＸ線発生装置３５（図３）及び第１のＸ線検出器（本実施例では、フラットパネルディスプレイ，ＦＰＤ）２６で構成される。第１のＸ線撮像装置２２ａは、イオンビームの照射方向（Ｚ軸方向）の透視画像を撮影する。第２のＸ線撮像装置２２ｂは、第２のＸ線発生装置２７及び第２のＸ線検出器（本実施例では、フラットパネルディスプレイ，ＦＰＤ）２８で構成される。第２のＸ線撮影装置２２ｂは、照射装置２１から出射されるイオンビームのビーム軸と垂直な方向（Ｘ軸方向）の透視画像を撮影する。照射対象物が所望の位置に配置されていることを確認するために、第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂを用いて直交する二つの方向から透視画像を撮影する。
【００１４】
ガンマ線検出器２３は、照射野が所望の位置に形成されたことを確認するためイオンビーム照射時に照射野から発生する即発ガンマ線を検出する。ガンマ線検出器２３は、照射装置２１から照射対象２５に入射したイオンビームが到達した位置を計測するため、ビーム軸とガントリー１８の回転軸に垂直な軸上に設置される。
【００１５】
ガントリー１８は、モーターにより回転可能な構造をしている。ガントリー１８の回転と共にＵ字状偏向電磁石１６と照射装置２１が回転する。この回転により、照射対象２５をガントリー１８の回転軸に垂直な平面内のいずれの方向からも照射することができる。ここで座標系を定義する。ガントリー１８の動径方向で照射装置２１に入射するビームの方向と一致する方向をＺ軸、ガントリー１８の回転軸の方向をＹ方向、Ｚ軸とＹ軸に直交する方向をＸ軸とする。ガントリー１８が回転するときＸ軸とＺ軸もガントリーの回転と共に回転するが、Ｙ軸は回転軸であるため向きを変えることはない。ガントリー１８に設置される第１のＸ線撮影装置２２ａ，第２のＸ線撮像装置２２ｂ及びガンマ線検出器２３も、ガントリー１８の回転と共に回転する。ガンマ線検出器２３，第２のＸ線発生装置２７，ＦＰＤ２６及びＦＰＤ２８は、ガントリー１８が回転している間、カウチ２４との衝突を避けるため、ガントリー１８内の壁面内に格納できるような構造となっている。
【００１６】
図３を用いて、照射装置２１の構成について説明する。照射装置２１は、走査電磁石３１，走査電磁石３２，ビーム位置検出器３３，線量モニタ３４及び第１のＸ線発生装置３５を有する。本実施の荷電粒子ビーム照射システム１０は、照射装置２１が二台の走査電磁石３１，３２を備え、ビーム進行方向と垂直な面内の二つの方向（Ｘ方向，Ｙ方向）にそれぞれイオンビームを偏向し、照射位置を変更する。ビーム位置検出器３３は、イオンビームの位置とイオンビームの広がりを計測する。線量モニタ３４は、照射されたイオンビームの量を計測する。ビーム位置検出器３３は、Ｘ方向，Ｙ方向それぞれ一定間隔毎に平行にワイヤーが張られている。ワイヤーには高電圧がかけられており、イオンビームが通過すると検出器内の空気が電離され、電離された荷電粒子は最も近いワイヤーに集められる。集められた荷電粒子量を測定する。イオンビームの広がりよりも十分に小さい間隔でワイヤーを張ることにより、ビームの分布を得ることができるので、ビーム位置（分布の重心）とビーム幅（分布の標準偏差）を算出することができる。線量モニタ３４は、二つの電極が平行平板型構造をしており、電極間に電圧が印加されている。イオンビームが線量モニタ（線量検出器）３４を通過すると、イオンビームにより、検出器内の空気が電離され、電離された荷電粒子は検出器内電場により電極に集積し、信号となって読み出される。ここで、イオンビーム量と、電極に集積する電荷が比例するので通過したイオンビーム量を計測することができる。Ｘ線発生装置３５は、Ｘ線発生装置用レール３６上を移動することにより、Ｘ線撮影時のみビームライン上に配置される。照射対象２５内には照射標的３７があり、イオンビームを照射することで照射標的を覆うような線量分布を照射対象２５内に形成する。ここで癌などの治療の場合は、照射対象は人であり照射標的は腫瘍（患部）である。
【００１７】
本実施例の粒子線照射システムが備えている制御システム７について、図１を用いて説明する。制御システム７は、データベース（記憶装置）４２，機器制御システム４３，位置決めシステム４４及び照射野確認システム４５を備える。
【００１８】
機器制御システム４３は、中央制御装置４６，加速器制御部４７及び照射装置制御部４８を備える。中央制御装置４６は、加速器制御部４７及び照射装置制御部４８に接続される。また、中央制御装置４６は、データベース４２に接続される。中央制御装置４６は、データベース４２からデータを受け取り、加速器制御部４７と照射装置制御部４８に必要な情報を送信し制御する。加速器制御部４７は、荷電粒子ビーム発生装置１，ビーム輸送系２及びガントリー１８に接続され、これらを制御する。照射装置制御部４８は、走査電磁石３１，３２に流れる励磁電流量の制御と照射装置２１内の各モニタ信号を処理する。
【００１９】
位置決め制御システム４４は、位置決め装置４９，Ｘ線装置制御部５０及びカウチ制御部５１を備える。位置決め装置４９は、Ｘ線装置制御部５０及びカウチ制御部５１に接続される。また、位置決め装置４９は、データベース４２に接続される。Ｘ線装置制御部５０は、ガントリー１８内に設置された第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂに接続され、これらを制御する。カウチ制御部５１は、カウチ２４に接続され、カウチ２４を制御する。位置決め装置４９は、データベース４２からの情報と第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂにより取得したデータに基づいてカウチ２４の移動量を算出し、カウチ制御部５１に移動量を送信する。
【００２０】
照射野確認システム４５は、照射野確認装置５２とガンマ線検出器制御部５３を備える。ガンマ線検出器制御部５３は、ガンマ線検出器制御部５３，照射野確認装置５２及び照射装置制御部４８に接続される。照射野確認装置５２は、データベース４２に接続される。照射野確認装置５２は、ガンマ線検出器制御部５３から送られるガンマ線検出器のデータ（ガンマ線検出信号）を受け取り、ガンマ線検出信号及びデータベース４２からの情報に基づいて、照射野位置を確認する。ガンマ線検出器制御部５３は、ガンマ線検出器２３の移動制御とガンマ線検出器２３から出力されるガンマ線検出データを処理する。また、ガンマ線検出器制御部５３は、照射装置制御部４８から照射スポットの情報と照射開始・終了のタイミングを受け取る。このタイミングを受け取ることは本実施例の特徴である。
【００２１】
図４を用いて本実施例による粒子線照射システムにおける標的の深さとイオンビームのエネルギーとの関係について説明する。図４は、標的の深さとイオンビームのエネルギーとの関係を説明した図である。
【００２２】
図４（ａ）は、単一エネルギーのイオンビームが照射対象内に形成する線量分布を深さの関数として示している。図４（ａ）におけるピークをブラッグピークと称する。ブラッグピークの位置はエネルギーに依存するため、照射標的の深さに合わせイオンビームのエネルギーを調整することでブラッグピークの位置で照射標的を照射することができる。照射標的は深さ方向に厚みを持っているが、ブラッグピークは鋭いピークであるので、図４（ｂ）に表すようにいくつかのエネルギーのイオンビームを適切な強度の割合で照射し、ブラッグピークを重ね合わせることで深さ方向に照射標的と同じ厚みを持った一様な高線量領域（ＳＯＢＰ）を形成する。
【００２３】
図５を用いて、ビーム軸に垂直な方向（ＸＹ平面の方向）の照射標的の横方向の広がりとイオンビームの関係について説明する。ビーム軸に垂直な方向を横方向と呼ぶ。イオンビームは照射装置２１に達した後、互いに垂直に設置された二台の走査電磁石３１，３２により横方向の所望の位置へと到達する。イオンビームの横方向の広がりはガウス分布形状で近似することができる。ガウス分布を等間隔で配置し、その間の距離をガウス分布の標準偏差程度にすることで、足し合わされた分布は一様な領域を有する。このように配置されるガウス分布状の線量分布をスポットと呼ぶ。イオンビームを走査し複数のスポットを等間隔に配置することで横方向に一様な線量領域を形成することができる。
【００２４】
以上により、走査電磁石による横方向へのビーム走査と、ビームエネルギー変更による深さ方向へのブラッグピークの移動により均一な照射野を形成することができる。なお、同一のエネルギーで照射され、走査電磁石によるイオンビーム走査により横方向へ広がりを持つ照射野の単位をスライスと呼ぶ。
【００２５】
イオンビームを照射標的３７に照射する前に、照射計画システム４１が照射に必要な各パラメータを決定する。照射計画システム４１によるパラメータの決定方法について説明する。
【００２６】
予め照射対象２５をＣＴ装置４０にて撮影する。ＣＴ装置４０は、取得した撮像データに基づいて照射対象２５の画像データを作成し、画像データを照射計画システム４１に送信する。照射計画システム４１は、受け取った画像データを、表示装置（図示せず）の画面上に表示する。オペレータが画像上で照射したい領域を指定すると、照射計画システム４１は照射に必要なデータを作成し、そのデータで照射したときの線量分布を求める。照射計画システム４１は、求めた線量分布を表示装置に表示する。照射したい領域は照射標的３７を覆うように指定する。照射計画システム４１は、指定された領域に線量分布を形成できるような照射対象の設置位置，ガントリー角度，照射パラメータ，ガンマ線検出器２３の設置位置を求めて決定する。また、照射計画システム４１は、カウチ２４の初期位置を決定する。
【００２７】
照射計画システム４１が求める照射パラメータには、イオンビームのエネルギー，ビーム軸に垂直な平面内の位置情報（Ｘ座標，Ｙ座標）、各位置に照射するイオンビームの目標線量が含まれる。つまり、照射計画システム４１は、オペレータが入力した患者情報に基づいて、照射標的（患部）３７を深さ方向の複数のスライスに分割し、必要となるスライス数Ｎを決定する。また、照射計画システム４１は、それぞれのスライス（スライス番号ｉ）の深さに応じた照射に適したイオンビームのエネルギーＥｉを求める。照射計画システム４１は、さらに、各スライスの形状に応じて、イオンビームを照射する照射スポットの数Ｎｉ，スポット番号ｊ，各スポットの照射位置、各スポットの目標線量（目標照射量）Ｄｉｊを決定する。スポットの照射位置（Ｘｉｊ，Ｙｉｊ）が、照射対象のビーム進行方向（深さ方向）と垂直な平面における目標照射位置となる。
【００２８】
ガンマ線検出器２３の設置位置について説明する。図７は、照射対象内にスポットを形成する様子を示している。ガンマ線検出器２３は、ビーム軸方向（Ｚ方向）のイオンビームの到達位置を計測する。ガンマ線検出器２３は検出器の中央Ｚｃが最も検出感度が高い。そのため、照射計画システム４１は、計算したビーム軸上の照射野の深さ終端からビーム軸に垂直に引いた垂線上にガンマ線検出器２３の中央Ｚｃが位置するようにガンマ線検出器２３の設置位置を決定するのが好ましい。また、可能な限りガンマ線検出器２３を照射対象に近づける（図７のＬを小さくする）ように、ガンマ線検出器２３の設置位置を決定するのが好ましい。
【００２９】
照射計画システム４１は、決定したこれらの情報をデータベース４２に送信する。データベース４２は、照射計画システム４１から出力されたデータを記憶する。データベース４２に登録される各データのうち、照射パラメータのデータ構造を図６に示す。照射パラメータはスライス数Ｎと各スライスのデータを持つ。各スライスのデータはスライス番号ｉ，エネルギーＥｉ，スポット数Ｎｉ，各スポットのデータから構成される。スポットのデータはさらにスポット番号ｊ，照射位置（Ｘｉｊ，Ｙｉｊ），目標線量Ｄｉｊから構成される。
【００３０】
本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１０の運転方法について説明する。荷電粒子ビーム照射システム１０は、データベース４２に記憶された情報に基づいて、以下のように照射の準備を行う。
【００３１】
照射対象２５をカウチ２４に載せる。位置決め装置４９は、カウチ２４の初期位置情報をデータベース４２から取得する。位置決め装置４９から初期位置情報を受け取ったカウチ制御部５１は、カウチ２４を初期位置へ移動する。また、位置決め装置４９からの指令信号に基づいてＸ線装置制御部５０は、第１の第Ｘ線発生装置３５の移動を開始する。第１のＸ線発生装置３５は、Ｘ線発生装置用レール３６上を移動してビーム軸上で停止する。第２のＸ線発生装置２７，ＦＰＤ２６，２８がガントリー１８内の壁面内に格納されている場合、Ｘ線装置制御部５０は、これらをガントリー１８壁面から取り出し、所定の位置に配置させる。所定の位置に配置後、第１のＸ線撮影装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂにより照射対象２５の撮影を開始する。第１のＸ線発生装置３５及び第２のＸ線発生装置２７でＸ線を生成し、照射対象に出射する。ＦＰＤ２６及びＦＰＤ２８は、それぞれからのＸ線を検出し、Ｘ線検出信号を出力する。位置決め装置４９は、第１のＸ線撮影装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂにより取得したＸ線検出信号に基づいて画像データを作成する。位置決め装置４９は、Ｘ線検出信号から求めた画像データと照射計画システム４１が出力した画像データを照合し、二つの情報の差分を計算して照射対象が所望の位置へ移動するためのカウチ２４の移動量を算出する。位置決め装置４９は、算出した値をカウチ制御部５１へ送信し、カウチ制御部５１は指定された値分、カウチ２４を移動し照射対象２５は所望の位置へと移動する。
【００３２】
照射野確認装置５２は、データベース４２から読み出したガンマ線検出器２３の設置位置情報をガンマ線検出器制御部５３に送信する。ガンマ線検出器制御部５３は、受け取った設置位置情報に基づいて、ガンマ線検出器２３の移動を制御する。ガンマ線検出器２３は、Ｘ方向とＺ方向へレール（図示せず）上を移動することができ、その移動量はポテンショメータにより検出可能な構造をしている。ガンマ線検出器制御部５３がガンマ線検出器２３を所望の位置へ移動させることで、イオンビーム照射時に照射野から発生するガンマ線検出が可能な状態となる。
【００３３】
中央制御装置４６は、データベース４２からガントリー角度情報と照射パラメータ情報を受け取る。中央制御装置４６は、ガントリー角度情報を加速器制御部４７に送信する。加速器制御部４７は、受け取ったガントリー角度情報に基づいてガントリー１８を所望のガントリー角度へ移動する。また、中央制御装置４６は、受け取った照射パラメータに基づいて、各スライスのエネルギーＥｉに対応したシンクロトロン４とビーム輸送系２の電磁石を励磁する励磁電流量，高周波印加装置５が印加する高周波の値、加速装置６に印加する高周波の値を、中央制御装置４６が有するメモリ（図示せず）から参照し、加速器制御部４７へ送信する。また、中央制御装置４６は、各スポットに対し照射位置とそのエネルギーから走査電磁石３１，３２を励磁する電流量を算出し、スポットデータと共に照射装置制御部４８へ送信する。
【００３４】
図８を用いて、荷電粒子ビーム照射システム１０によるイオンビームの照射手順を説明する。中央制御装置４６は、照射開始信号と共に、スライス番号ｉ，スポット番号ｊ，エネルギー情報Ｅｉを加速器制御部４７に出力する。最初の照射開始が合図されると、スライス番号ｉ＝１，スポット番号ｊ＝１から照射を開始する。照射開始信号を受け取った加速器制御部４７はイオン源を起動する。イオン源で発生したイオン（例えば陽子（又は炭素イオン））は、ライナック３に入射される。ライナック３は、イオンを加速して出射する。ライナック３からのイオンビームは、シンクロトロン４へ入射される。ステップ１０１で、加速器制御部４７は、シンクロトロン４の電磁石と加速装置６を制御し、ライナック３から入射されたイオンビームをスライス番号１のエネルギーＥ１まで加速する。つまり、加速器制御部４７が、荷電粒子ビーム発生装置を制御し、イオンビームを所望のエネルギーまで加速する。この加速は、高周波電源から、高周波加速空洞に高周波を印加すること（シンクロトロン４を周回するイオンビームに、高周波電力によってエネルギーを与えること）によって行われる。また、加速器制御部４７は、ビーム輸送系２の電磁石の励磁量を制御し、加速したエネルギーのイオンビームを照射装置２１へ輸送できる状態とする。
【００３５】
ステップ１０２でイオンビームの加速が完了しビーム輸送系２の準備が整うと、加速器制御部４７は、照射装置制御部４８へ出射準備完了信号を送信する。
【００３６】
ステップ１０３で、出射準備完了信号を受け取った照射装置制御部４８は、スライス１，スポット１に対応する中央制御装置４６が計算した励磁電流量で走査電磁石３１及び走査電磁石３２を励磁する。また、照射装置制御部４８は、ガンマ線検出器制御部５３へスライス番号とスポット番号を出力する。本実施例では、スライス番号が、照射対象の深さ方向におけるイオンビームの目標照射位置情報である。また、スポット番号が、照射対象の深さ方向と垂直な平面におけるイオンビームの目標照射位置情報である。
【００３７】
ステップ１０４で照射装置制御部４８は、走査電磁石３１，３２に流れる電流が所望の値になったことを確認し、出射信号を加速器制御部４７とガンマ線検出器２３へ送信する。
【００３８】
ステップ１０５で出射信号を受け取った加速器制御部４７は、高周波印加装置を制御してシンクロトロン４からのイオンビームの出射を開始する。つまり、スイッチを繋ぎイオンビームに高周波印加装置５により高周波を印加する。また、出射信号を受け取ったガンマ線検出器２３はガンマ線の計測を開始する。安定限界内でシンクロトロン４内を周回していたイオンビームは、安定限界外に移行し、出射用デフレクタ１１を通ってシンクロトロン４から出射される。出射されたイオンビームはビーム輸送系２を通過して照射装置２１へ入射し走査電磁石３１，３２で走査された後、ビーム位置検出器３３，線量モニタ３４を通過して照射対象に到達し線量を付与して停止する。イオンビームが照射された照射対象からは、ガンマ線（即発ガンマ線）が放出される。ガンマ線検出器２３は、ガンマ線を検出し、ガンマ線検出データをガンマ線検出器制御部５３へ出力する。ガンマ線検出器制御部５３は、受け取ったガンマ線検出データを、スライス番号，スポット番号と共に、照射野確認装置５２に出力する。つまり、ガンマ線検出器制御部５３は、ガンマ線検出データを受け取る毎に、それに対応するスライス番号及びスポット番号を付与し、これらを一組のデータとして照射野確認装置５２に出力する。照射野確認装置５２は、データを記憶装置（図示せず）に記憶する。なお、ガンマ線検出器制御部５３の記憶装置（図示せず）に記録して、一括のデータとして照射野確認装置５２に出力しても良い。
【００３９】
ステップ１０６で出射中、照射装置制御部４８は、線量モニタ３４から受け取ったビーム線量信号をカウントして各スポットでの照射線量を求め、カウントした照射線量がスポットデータの目標線量に達したか否かを判断する。
【００４０】
照射装置制御部４８は照射線量が目標線量に達したと判断すると、ステップ１０７で加速器制御部４７とガンマ線検出器制御部５３へ出射停止信号を出力する。また、イオンビームの照射中、ビーム位置検出器３３は位置検出信号を照射装置制御部４８に出力する。照射装置制御部４８は、位置検出信号に基づいてビーム位置を算出し、算出したビーム位置とスポットデータの照射位置との差が所定の閾値以下であることを確認する。
【００４１】
ステップ１０８で出射停止信号を受信した加速器制御部４７は高周波印加装置を制御して出射を停止する。高周波印加電極と高周波印加電源をつなぐスイッチを切り高周波の印加を停止することにより、シンクロトロン４からのイオンビームの出射が停止する。また、ガンマ線検出器制御部５３は、出射停止信号を受信するとガンマ線の測定を停止する。こうしてスライス番号１，スポット番号１の照射を完了する。
【００４２】
ステップ１０９で照射装置制御部４８は、スライス番号１のスポット数Ｎ１とスポット番号ｊを比較する。スポット番号ｊがスポット数に達しない場合、次のスポット番号ｊ＋１のスポットの照射を開始するためステップ１０３の動作を開始する。スポット番号ｊがスポット数Ｎ１に達した場合、照射装置制御部４８は加速器制御部４７へ減速信号を出力し、ステップ１１０で加速器制御部４７はシンクロトロン４の電磁石を制御してシンクロトロン４内に残っているイオンビームを減速する。
【００４３】
ステップ１１１でスライス番号ｉとスライス数Ｎを比較しスライス番号ｉがスライス数Ｎに達しない場合ステップ１０１に移り次のスライスｉ＋１の照射準備を開始する。スライス番号ｉがスライス数Ｎに達すると照射完了となる。
【００４４】
以上のようにイオンビームが照射野を形成するとき照射野からガンマ線が発生する。ガンマ線を検出し、ガンマ線の発生位置を特定することで、照射野の位置を確認することができる。イオンビームを照射中、ガンマ線検出器制御部５３に対しスライス番号，スポット番号と共に出射信号，出射停止信号を送信し、ガンマ線を検出したとき照射中のスポットと検出したガンマ線を関連付けることが本実施例の特徴である。つまり、照射野確認装置５２は、スライス番号及びスポット番号のようにイオンビームを識別できる情報と関連付けられたガンマ線検出信号を受け取り、スライス番号及びスポット番号（イオンビームの識別情報）に基づいて、ガンマ線検出信号を識別する。
【００４５】
照射野確認装置５２は、スライス番号とスポット番号に基づいてビーム進行方向に垂直な方向のイオンビームの照射位置を特定し、この照射位置情報とガンマ線検出信号から即発ガンマ線が発生した位置を特定して照射野を求める。
【００４６】
照射野からガンマ線が発生する過程について説明する。ガンマ線は主に二つの過程から生成する。ひとつは制動放射によるものでもうひとつは核反応によるものである。制動放射過程は荷電粒子が電磁場の影響により軌道を曲げられたことでガンマ線を放出する現象であり、比較的低いエネルギー（＜１ＭｅＶ）のガンマ線が発生する。核反応過程はイオンビームが照射対象を構成する原子核と核反応を起こす。核反応により照射対象の原子は励起状態に遷移し、その後、ガンマ線（即発ガンマ線）を放出して基底状態に遷移する。このとき放出されるガンマ線のエネルギーは１ＭｅＶ〜１０ＭｅＶ程度と比較的高い。
【００４７】
ガンマ線は光電吸収，コンプトン散乱，対生成の３つの過程で物質と反応する。３つの反応はガンマ線のエネルギーにより反応確立が異なり、数ＭｅＶのガンマ線が物質と相互作用する場合、コンプトン散乱過程が最も支配的な反応過程である。この理由から照射野から発生したガンマ線を測定するにはガンマ線検出器２３としてコンプトン散乱反応を利用するコンプトンカメラが好ましい。
【００４８】
本実施例では、ガンマ線検出器２３として図９に示すコンプトンカメラを例にとって使用する。図９にコンプトンカメラの概念図を示す。
【００４９】
コンプトンカメラ６０は、第一検出部６１と第二検出部６２を備える。ガンマ線の検出面６３は、第二検出部６２から遠い面であり、検出面６３からガンマ線が入射することを仮定する。第一検出部６１は、キセノンなどの不活性ガスで満たされており、検出面６３に高電圧がかけられている。第一検出部６１と第二検出部６２の境界面付近には格子状に電荷検出器（図示せず）が並べられている。第二検出部６２はＧＳＯ結晶などの重いシンチレータが格子状に並べられている。
【００５０】
コンプトンカメラ６０にガンマ線が入射すると、第一検出部６１内でコンプトン散乱が起きる。図９の実線はガンマ線の軌跡を表し、点線は反跳電子の軌跡を現す。散乱によりガンマ線は、エネルギーを損失し、第二検出部６２に到達後、全てのエネルギーを損失し検出される。コンプトン散乱により散乱された反跳電子は、第一検出部６１内の気体を電離しながら進む。第一検出部６１内は電圧がかかっているため、電離した電子は第二検出部６２の方向へ向かい、電荷検出器により検出される。
【００５１】
第二検出部６２でガンマ線が検出されてから電荷検出器で電子が検出されるまでの時間を測定することで、不活性ガスが反跳電子により電離された位置を特定することができる。以上により求められる反跳電子の軌跡からコンプトン散乱が起きた位置、反跳電子の反跳方向がわかり、電荷検出器で検出した総電荷より反跳電子のエネルギーがわかる。また、第二検出部６２のデータから散乱ガンマ線の位置とエネルギーがわかる。運動量保存とエネルギー保存の法則を用いて計算することで、入射ガンマ線の入射した方向と位置とエネルギーがわかる。
【００５２】
入射したガンマ線は第一検出部６１でコンプトン散乱した後、第二検出部６２に到達する必要がある。検出面６３の端から入射した場合、第二検出部６２に到達する前に検出器の外へ抜けてしまう可能性が高く、検出面中心が最も検出効率が良い。また、入射角度についても同様の理由により、検出面６３に垂直に入射する場合が最も検出効率が良い。
【００５３】
なお、第一検出部６１，第二検出部６２共にＳｉ，ＣｄＴｅなどの半導体検出器を使用することもできる。第一検出部６１に半導体検出器を用いることで入射ガンマ線の第一検出部６１での反応確立を向上することができる。また第二検出部６２に半導体検出器を用いることで検出位置精度を向上することができる。
【００５４】
照射野から発生したガンマ線は照射対象内を通過し大気中を通過した後、ガンマ線検出器２３に到達する。
【００５５】
まず、従来の照射野を再構成する方法について説明する。ガンマ線検出器２３に入射したガンマ線のうち、入射角度がＺ軸とほぼ垂直なガンマ線の情報のみを使用する。最も取得したい情報は照射野の深さ方向（Ｚ軸）の先端位置（イオンビームが到達した最も深い位置）である。従来の方法では、ガンマ線データにイオンビームを識別できる識別情報が関連付けられていないため、ガンマ線の横方向（Ｘ座標，Ｙ座標）の発生位置を特定することができない。よって、Ｚ軸と垂直でないガンマ線は横方向の発生位置がわからないためＺ方向の発生位置がわからない。以上の理由からＺ軸に垂直なガンマ線の情報のみを使用し照射野のＺ方向の先端位置のみを特定する。
【００５６】
次に、本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１０による照射野の再構成する方法について説明する。
【００５７】
イオンビームの照射中、照射装置制御部４８は、ガンマ線検出器制御部５３にスライス番号ｉ，スポット番号ｊを送信する。また、照射装置制御部４８は、出射信号及び出射停止信号をガンマ線検出器制御部５３に送信する。ガンマ線検出器制御部５３は、出射信号を受け取るとガンマ線の検出を開始し、ガンマ線検出データを収集する。ここで得られたガンマ線検出データは、スライス番号ｉ，スポット番号ｊと共に照射野確認装置５２に出力される。出射停止信号を受け取ると、データ収集を停止する。
【００５８】
照射野確認装置５２は、ガンマ線検出データに基づいて、ガンマ線検出器２３へのガンマ線の入射位置，入射方向，エネルギーを求める。本実施例では、照射野確認装置５２が求めたガンマ線のうち、エネルギーが１ＭｅＶ〜１０ＭｅＶのガンマ線検出データを有効なデータとする。照射野確認装置５２はデータベース４２から、スライス番号ｉ，スポット番号ｊに対応した照射位置（Ｘｉｊ，Ｙｉｊ）を読み取る。図１０に照射対象内にスポットを形成する様子を示す。ガンマ線の入射位置のＺ座標をＺ１、入射角度のＸ−Ｚ平面への射影した角度をθ、ガンマ線検出器と照射位置の距離をＬとする。Ｌはガンマ線検出器２３の位置とＸｉｊから計算する。Ｚｉｊ＝Ｚ１＋Ｌcosθを計算することで、ガンマ線の発生位置のＺ座標を特定することができる。以上によりガンマ線の発生位置を（Ｘｉｊ，Ｙｉｊ，Ｚｉｊ）とする。
【００５９】
ここで、データベース４２に記録されている照射位置はスポットの中心位置を示すがスポットは有限の広がりを持っている。ガンマ線発生位置のＸ方向の位置はスポットの広がりの分だけ特定することはできないが、ガンマ線検出器と照射位置との距離に比べてスポットの広がりは十分に小さいため、スポット中心位置からガンマ線が発生したと仮定して計算できる。このようにして、照射野確認装置５２は、取得したガンマ線検出データに基づいて、ガンマ線が発生した照射標的内の発生位置（Ｘｉｊ，Ｙｉｊ，Ｚｉｊ）を求め、その分布を作成することで照射野形状を再構成することができる。
【００６０】
照射野確認装置５２は、データベース４２から照射前にＣＴ装置４０により撮影したＣＴ画像と照射計画システム４１が計算した線量分布を受信する。その後、ガンマ線検出データから再構成した線量分布と照射計画システム４１が計算した線量分布を、表示装置のＣＴ画像上に表示する。オペレータ等は、計画した線量分布と実際の照射により形成された線量分布の違いを確認することができる。
【００６１】
以上のようにデータを収集し、照射野を再構成することで以下に示すような効果を得ることができる。
【００６２】
第一の効果は、従来の方法では照射野の最も深い位置の座標のみしか求めることができなかったが、本実施例の方法により照射野の形状まで求めることができる。これは、本実施例の荷電粒子ビーム照射システムが、イオンビーム照射により発生したガンマ線の、ビーム軸に垂直な方向の位置を特定することができるためである。照射野の形状（イオンビームが到達した最深位置）を求めることができれば、照射計画通りの照射が実現できているか判断することができる。
【００６３】
第二の効果は計測精度を高めることができることである。第二の効果が得られる一つ目の理由は、図１０と同じＬと、ガンマ線検出器へ入射した位置Ｙ１と、入射角度のＸ−Ｙ平面への射影成分であるθ′を用いてＹ′ｉｊ＝Ｙ１＋Ｌcosθ′を算出することができるためである。つまり、Ｙ′ｉｊとＹｉｊの差分がビームサイズと比較して十分に大きいとき、検出したガンマ線はノイズであると判別することができる。照射野確認装置５２が、このようなノイズを除去する処理を行うことで計測精度を高くすることができる。
【００６４】
二つ目の理由は、最もエネルギーが高い情報（照射標的３７をビーム進行方向に複数層に分割して照射した場合の、最深部のスライス）のガンマ線検出信号を用いて、照射野の位置を特定することができるためである。図４に示すように、照射は深さ方向位置の異なるブラッグピークを線量分布が一様になるような割合で照射する。図４（ａ）は、あるエネルギーのイオンビームを照射対象２５に照射した場合の、ビーム進行方向（照射対象の深さ方向）におけるイオンビームの線量分布を示す。図１１（ａ）に示すのは、あるエネルギーのイオンビームを照射対象２５に照射した場合（例えば、図４（ａ））、ビーム進行方向におけるガンマ線のカウント数を示すガンマ線分布である。線量分布に比べガンマ線の分布はピークの高さが低くなる特徴がある。このガンマ線の分布を線量分布が一様になるような割合で足し合わせた分布を示すのが図１１（ｂ）である。図４（ａ）では急峻に減少したブラッグピークの深い側の分布が、図１１（ｂ）では緩やかに減少することがわかる。分布が緩やかに減少すると計測精度は低下する。以上により、ガンマ線検出器で検出したガンマ線のうち、最も高いエネルギー、あるいは照射野の縁を照射するようなスポットから発生したガンマ線を用いて（選別して）、照射野形状を求めることにより照射野形状の計測精度を高くすることができる。本実施例では、照射野確認装置５２が、ガンマ線検出データの選別（識別）を行って照射野形状を求める。
【００６５】
本実施例では、照射野確認装置５２は、スライス番号及びスポット番号に基づいて、ガンマ線検出信号を識別したが、スライス番号のみによりガンマ線検出信号を識別しても良い。この場合、スライス番号がイオンビームの識別情報となる。照射野確認装置５２は、同一のスライス番号（照射標的３７をビーム進行方向に複数分割した場合の同一層）を有するガンマ線検出信号に基づいて、即発ガンマ線を発生した位置を特定して照射野を求める。スライス番号（照射対象の深さ方向におけるイオンビームの目標照射位置情報）に基づいてガンマ線検出信号を識別する場合、照射野の最深部を精度良く測定することができる。
【００６６】
なお、ここまでスポット間の照射位置を移動するときイオンビームを停止するような照射方法（スポットスキャニング法）について説明したが、ビーム出射信号とビーム出射停止信号に相当するタイミング信号をスポットへ到達した時とスポットから移動するときに出力することによりスポット間でビームを停止しない照射方法（ラスター照射法）についても同様に適用することができる。ラスター照射法の場合、照射野確認装置５２は、スポット番号及びスライス番号に基づいてガンマ線検出信号を選別し、選別したガンマ線検出信号により照射野を求めることができる。
【００６７】
また、ビーム出射信号とビーム出射停止信号に相当なタイミング信号を、ビーム照射位置を示す信号として出力することにより、ビーム走査を停止しない照射方法（連続ラスター照射法）についても同様に適用することができる。照射位置を示す番号は予め照射経路を区切り、区切られたそれぞれの範囲に番号を付与する。ビーム照射位置を示す信号は走査電磁石の励磁電流が区切り位置に相当する励磁電流まで到達したとき出力する。連続ラスター照射法の場合、照射野確認装置５２は、照射位置を表す番号とスライス番号に基づいてガンマ線検出信号を選別し、選別したガンマ線検出信号により照射野を求めることができる。
【００６８】
〔実施例２〕
第二の実施例について説明する。
【００６９】
本実施例の荷電粒子ビーム照射システムは、実施例１の荷電粒子ビーム照射システムの照射装置２１を照射装置２１Ａに替え、制御システム７を制御システム７Ａに替えた構成を有する。
【００７０】
本実施例では、実施例１と異なる照射野の形成方法を採用するため、照射装置の構成が実施例１と異なる。本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１０Ａは、荷電粒子ビーム発生装置１，ビーム輸送系２，放射線治療室１７Ａ及び制御システム７Ａを備える。以下、実施例１と異なる構造及び制御について説明する。
【００７１】
照射装置２１Ａについて、図１２を用いて説明する。照射装置２１Ａは、走査電磁石６５，６６と散乱体６７，線量モニタ６８，ボーラス６９，コリメータ７０を備える。また、実施例１と同様に、Ｘ線発生装置７１とＸ線発生装置用レール７２を備える。
【００７２】
照射野の形成方法について説明する。照射野の深さ方向の分布は、第一の実施例の図４で示したように、荷電粒子ビーム発生装置１から出射するイオンビームのエネルギーを変更しエネルギーの異なるイオンビームを適切な割合で照射することで深さ方向の線量分布を一様にする。
【００７３】
照射野の横方向の分布について、図１３を用いて説明する。走査電磁石６５，６６によりイオンビームを円形に走査し、散乱体６７によりビーム径を広げることで図１３に示すように横方向に一様な線量分布を作成する。コリメータ７０により横方向の分布を所望の線量分布形状に合わせ、ボーラス６９により照射位置毎に所望の異なる深さまでイオンビームが到達するように調整する。
【００７４】
照射の手順について説明する。本実施例でも照射標的３７を深さ方向に複数のスライスＬｉ（ｉ＝１，２，３，Ｎ）に分割する。照射は最も深いスライスから開始する。加速器制御部４７は、照射計画システム４１が指定したエネルギーまでイオンビームを加速するようにシンクロトロン４を制御する。照射装置制御部４８は、所定のエネルギーまで加速されたイオンビームを、目標照射位置に出射するように走査電磁石６５，６６を制御する。走査電磁石６５，６６で回転走査されたイオンビームは、散乱体６７，線量モニタ６８，ボーラス６９及びコリメータ７０を通過し、照射対象に出射される。
【００７５】
照射量は線量モニタ６８により計測する。照射量が所望の量（目標線量）まで達するとイオンビームの出射を停止する。加速器制御部４７は、次のスライスを照射するエネルギーまでイオンビームを加速するようにシンクロトロン４を制御する。加速されたイオンビームが、照射装置２１Ａから照射され、照射が再開される。照射計画システム４１が指定したスライス数だけ繰り返し照射を完了する。各スライスの照射開始と照射終了のタイミングで発生する信号はガンマ線検出器制御部５３に送信される。ガンマ線検出器制御部５３は、ガンマ線検出器２３により検出されたガンマ線検出信号を、照射中のスライス番号と共に照射野確認装置５２に送信する。照射野確認装置５２は、ガンマ線検出信号及びイオンビームの識別情報であるスライス番号を記憶装置に記録する。
【００７６】
本実施例は、スライス番号に基づいてガンマ線検出信号を選別する。つまり、照射野確認装置５２は、照射標的の最深部に相当するスライス番号のガンマ線検出信号を有効なデータとし、このガンマ線検出信号に基づいて照射野の深さ方向の最深位置を求める。本実施例では、横方向（ビーム進行方向と垂直な方向）のガンマ線発生位置が特定できないが、イオンビームの識別情報であるスライス番号に基づいて、ガンマ線検出信号を識別し、識別したガンマ線検出信号に基づいて、照射野の深さ方向の位置を算出する。
【００７７】
本実施例によれば、第一の実施形態で示した効果のうち、第二の効果の二つ目の理由から照射野の計測精度を高くすることができる。
【００７８】
本実施例の照射野確認装置５２Ａは、照射装置制御部４８からのスライス番号に基づいてガンマ線検出信号を選別（識別）したが、荷電粒子ビーム発生装置１から出射されるイオンビームのエネルギー情報に基づいてガンマ線検出信号を選別しても良い。この場合、ガンマ線検出信号は、イオンビーム照射時にシンクロトロ４ンから出射されているイオンビームのエネルギー情報で関連付けられる。照射野確認装置５２は、照射標的３７の最深部のスライスに対応するエネルギー情報のガンマ線検出信号を有効なデータとし、このデータに基づいて、照射野の最新位置を求める。つまり、最もエネルギーが高いイオンビームで照射したスライスでのガンマ線のデータのみを選別して、照射野の最も深い位置を算出する。この場合も、本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００７９】
本実施例では、加速器制御部４７が荷電粒子ビーム発生装置１を制御することで、シンクロトロン４から出射するイオンビームのエネルギーを変更してブラッグピークの深さ方向の位置を変更した。シンクロトロン４から出射されるイオンビームのエネルギーを変化する替わりに、照射装置２１Ａ内に厚みの変更可能なエネルギー吸収体を設置し、エネルギー吸収体の厚みを変更することでイオンビームのエネルギーを変更し、ブラッグピークの深さ方向の位置を変更してもよい。この場合、照射装置制御部４８がエネルギー吸収体の厚みを変更する。照射野確認装置５２は、照射装置制御部４８からのエネルギー吸収体の厚み情報を受け取り、当該厚み情報に基づいてガンマ線検出信号を選別し、照射野を求める。エネルギー吸収体としては、レンジシフタ等がある。
【００８０】
〔実施例３〕
第三の実施例について説明する。
【００８１】
本実施例の荷電粒子ビーム照射システムは、実施例１の荷電粒子ビーム照射システムの照射装置２１を照射装置２１Ｂに替え、制御システム７を制御システム７Ｂに替えた構成を有する。以下、実施例１と異なる構成及び制御について説明する。
【００８２】
本実施例では、実施例１と異なる照射野の形成方法を採用するため、照射装置の構成が実施例１と異なる。本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１０Ｂは、荷電粒子ビーム発生装置１，ビーム輸送系２，放射線治療室１７Ｂ及び制御システム７Ｂを備える。
【００８３】
本実施例の照射装置２１Ｂについて、図１４を用いて説明する。照射装置２１Ｂは回転散乱体７４，第二散乱体７５，線量モニタ７６，ボーラス７７，コリメータ７８を備える。また、Ｘ線発生装置７９とＸ線発生装置用レール８０を備える。
【００８４】
本実施例の照射野の形成方法について説明する。回転散乱体７４は、回転軸の周りに厚みが異なる構造をしている。イオンビームは回転散乱体を通過する。回転散乱体７４は、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、イオンビームのビーム軸の方向における回転散乱体の底辺から各平面領域までの各厚みが異なっている。回転散乱体７４が、回転軸を中心に回転することでイオンビームが通過するときの回転散乱体の厚みが異なる。回転散乱体７４の厚い位置を通過するときイオンビームのエネルギーは回転散乱体に多く吸収され、照射対象内の浅い位置にブラッグピークを形成する。回転散乱体７４の薄い位置を通過したイオンビームは、回転散乱体７４にエネルギーをほとんど吸収されず深い位置にブラッグピークを形成する。このように深さ方向にブラッグピークを移動することで、深さ方向に一様な照射野を形成することができる。
【００８５】
図１５を用いて、横方向の線量分布について説明する。第二散乱体７５は、中心が原子番号の大きな素材、周辺が原子番号の小さな素材でできている。原子番号の大きな素材ほど散乱が大きいため、第二散乱体７５の中心に入射したイオンビームは大きく散乱するが、第二散乱体７５の中心から離れた位置に入射したイオンビームは散乱の影響をほとんど受けない。この結果、図１５に示すように横方向に一様な照射野を形成することができる。
【００８６】
本実施例の照射装置２１Ｂに設置される回転散乱体７４は、回転角度検出装置を備える。回転角度検出装置は、回転散乱体７４の回転角度を測定する。
【００８７】
イオンビームの照射中、ガンマ線検出器２３は、ガンマ線を検出するとガンマ線検出信号をガンマ線検出器制御部５３に出力する。照射装置制御部４８は、回転散乱体７４の回転を制御し、回転角度検出器からの回転角度情報をガンマ線検出器制御部５３に送信する。ガンマ線検出制御部５３Ｂは、ガンマ線検出信号を、回転角度検出器が出力した回転角度データと共に照射野確認装置５２に出力する。これにより、ガンマ線を検出したときの回転角度がわかる。
【００８８】
照射対象に入射するイオンビームのエネルギーは回転散乱体の通過位置の厚さにより決まる。よって回転散乱体の厚さが最も薄い位置の回転散乱体の角度のとき、イオンビームは照射野の最も深い位置に到達する。照射野確認装置５２は、照射野の位置を再構成するとき、照射対象に入射したイオンビームのエネルギーが最も高いときのガンマ線のデータのみを用いる。本実施例では、照射標的３７のうち、最深層に相当するエネルギー幅のイオンビームを有効なデータとする。本実施例によれば、第一の実施形態の第二の効果の二つ目の理由により、照射野の位置精度を高くすることができる。
【００８９】
なお、以上の実施例１，２，３は、照射の手順において必要なときにガンマ線検出器制御部５３に対し信号を送信している。これと同じ効果は以下に示す方法でも得ることができる。つまり、ガンマ線検出器制御部５３は、基準となる時刻（例えば照射開始したとき）からガンマ線を検出したときまでの時間をガンマ線検出データと共に照射野確認装置５２に出力する。照射に関する制御をしたとき、同じ基準となる時刻からの時間と制御動作を記録する。二つの記録を比較しガンマ線データと制御動作を関連付けることで実施例１，２，３と同じ効果を得ることができる。この場合、イオンビームの識別情報は、時刻情報となる。
【００９０】
実施例１，２，３では、シンクロトロン４を有する荷電粒子ビーム発生装置１を例にとって説明したが、サイクロトロンを有する荷電粒子ビーム発生装置でもよい。
【００９１】
また、実施例１，２，３では、ガンマ線検出器により検出したガンマ線のデータを、即発ガンマ線を検出した時間データと共に記録する。時間データはガンマ線を検出した時刻の照射パラメータを指定できるものである。スポットスキャニングの場合、スポットに固有の番号である。検出したガンマ線のデータを収集する回路に次に照射するスポットに固有の番号と、スポットの照射開始・照射完了の信号を入力することで、ガンマ線データを取得したときのスポットを特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムの全体概略構成を表す図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムに備えられる治療室の構成を示す概念構成を表す図である。
【図３】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムに備えられる照射装置の構成を示す横断図面である。
【図４】照射対象にイオンビームを照射した場合に得られる深さ方向の線量分布を示す図である。
【図５】照射対象にイオンビームを照射した場合に得られる横方向の線量分布を示す図である。
【図６】本発明の好適な一実施形態であるデータベースに記憶される照射パラメータを示す概念図である。
【図７】照射対象にイオンビームを照射した場合に得られるスポットの様子を示した概念図である。
【図８】照射する手順を示したブロック構成図である。
【図９】ガンマ線検出器の構成を示す横断図面である。
【図１０】照射対象にイオンビームを照射した場合に得られるスポットの様子を示した概念図である。
【図１１】照射対象にイオンビームを照射した場合に得られるガンマ線の発生分布を示す概念図である。
【図１２】本発明の他の実施形態の荷電粒子ビーム照射システムに備えられる照射装置の構成を示す横断図面である。
【図１３】図１２に示した照射装置により照射対象へイオンビームを照射したときに得られる横方向線量分布の概念図である。
【図１４】本発明の他の実施形態の荷電粒子ビーム照射システムに備えられる照射装置の構成を示す横断図面である。
【図１５】図１４に示した照射装置により照射対象へイオンビームを照射したときに得られる横方向線量分布の概念図である。
【符号の説明】
【００９３】
１ 荷電粒子ビーム発生装置
２ ビーム輸送系
３ ライナック
４ シンクロトロン
５ 高周波印加装置
６ 加速装置
７ 制御システム
１１ 出射用デフレクタ
１２ ビーム経路
１４，１５ 偏向電磁石
１６ Ｕ字状偏向電磁石
１７ 治療室
１８ ガントリー
２１ 照射装置
２２ａ 第１のＸ線撮像装置
２２ｂ 第２のＸ線撮像装置
２３ ガンマ線検出器
２４ カウチ
２５ 照射対象
２６，２８ ＦＰＤ
２７，３５，７１，７９ Ｘ線発生装置
３１，３２，６５，６６ 走査電磁石
３３ ビーム位置検出器
３４，６８，７６ 線量モニタ
３６，７２，８０ Ｘ線発生装置用レール
３７ 照射標的
４０ ＣＴ装置
４１ 照射計画システム
４２ データベース
４３ 機器制御システム
４４ 位置決めシステム
４５ 照射野確認システム
４６ 中央制御装置
４７ 加速器制御部
４８ 照射装置制御部
４９ 位置決め装置
５０ Ｘ線装置制御部
５１ カウチ制御部
５２ 照射野確認装置
５３ ガンマ線検出器制御部
６０ コンプトンカメラ
６１ 第一検出部
６２ 第二検出部
６３ 検出面
６７ 散乱体
６９，７７ ボーラス
７０，７８ コリメータ
７４ 回転散乱体
７５ 第二散乱体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線照射システムに係り、特に荷電粒子ビームを腫瘍等の患部に照射して治療する荷電粒子ビーム照射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
癌などの患者に陽子線などの荷電粒子ビームを照射する方法が知られている。この照射に用いるシステムは荷電粒子ビーム発生装置，ビーム輸送系、及び治療室を備えている。荷電粒子ビーム発生装置で加速された荷電粒子ビームはビーム輸送系を経て治療室の照射装置に達し、照射装置により分布を拡大し、患者の体内で患部形状に適した照射野を形成する。その際、照射野が所望の位置に形成されたことを確認する手段として、照射により体内で生成する陽電子放出核種からの消滅ガンマ線を照射後、ポジトロン断層法（ＰＥＴ）により撮影する方法が用いられている。また、治療中、照射野に生成される励起された炭素，酸素，窒素などの原子核から発生するガンマ線（即発ガンマ）を観測する方法が提唱されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１８９７６９号公報
【非特許文献１】“Prompt gamma measurements for locating the dose falloff region in the proton therapy”APPLIED PHYSICS LETTERS 89,183517(2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来法であるＰＥＴを使用する方法は、照射後に測定するため照射により生成した陽電子放出核種が生理現象により位置を移動してしまうこと、陽電子放出核種から放出された陽電子は数ｍｍ移動した後消滅ガンマ線を発生すること、陽電子放出核種生成には核反応が必要であるが照射野の最も深い位置に到達する荷電粒子は核反応を起こすために十分なエネルギーを持たないことから荷電粒子の種類によっては照射野の形状を精度良く測定することは困難であった。また、即発ガンマ線を測定する方法はまだ確立されていない。即発ガンマ線を測定することにより照射野を確認する場合、ビーム軸に垂直な方向のガンマ線発生位置が特定できないため、ビーム軸に垂直なガンマ線の情報のみを用いて照射野を再構成しなければならない。また、ブラッグピークを重ね合わせて深さ方向に平坦な線量分布を形成するとき、ガンマ線の発生分布は深さ方向に緩やかに変化するような分布となり、照射野位置測定精度を低下させる要因となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の特徴は、荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、荷電粒子ビームに基づいて照射対象から発生する即発ガンマ線を検出してガンマ線検出信号を出力するガンマ線検出器と、荷電粒子ビームの識別情報に基づいてガンマ線検出信号を識別し、識別したガンマ線検出信号により照射野を求める照射野確認装置を備えたことにある。
【０００６】
また、本発明の他の特徴は、荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、荷電粒子ビーム発生装置から出射される荷電粒子ビームのエネルギーを変更するエネルギー吸収体を備え、エネルギー吸収体を通過した荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、荷電粒子ビームに基づいて照射対象から発生する即発ガンマ線を検出してガンマ線検出信号を出力するガンマ線検出器と、荷電粒子ビームが通過する前記エネルギー吸収体の厚みに基づいて、ガンマ線検出信号を識別して照射野を求める照射野確認装置を備えたことにある。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、照射野の位置測定精度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の好適な実施形態である荷電粒子ビーム照射システム１０について、図１を用いて説明する。
【０００９】
〔実施例１〕
本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１０は、荷電粒子ビーム発生装置１，ビーム輸送系２，放射線治療室１７及び制御システム７を備える。
【００１０】
荷電粒子ビーム発生装置１は、イオン源（図示せず），ライナック３（前段荷電粒子ビーム加速装置）及びシンクロトロン４を有する。シンクロトロン４は、高周波印加装置５，加速装置６を有する。高周波印加装置５は、シンクロトロン４の周回軌道に配置された高周波印加電極（図示せず）及び高周波印加電源（図示せず）を備える。高周波印加電極と高周波印加電源はスイッチ（図示せず）により接続される。加速装置６は、イオンビームの周回軌道に配置された高周波加速空洞（図示せず）及び高周波加速空洞に高周波電力を印加する高周波電源（図示せず）を備える。出射用デフレクタ１１がシンクロトロン４とビーム輸送系２を接続する。
【００１１】
ビーム輸送系２は、ビーム経路１２，四極電磁石（図示せず），偏向電磁石１４，偏向電磁石１５及びＵ字状偏向電磁石１６を有する。ビーム経路１２は、ビーム進行方向の上流側から四極電磁石，偏向電磁石１４及び偏向電磁石１５を備える。ビーム経路１２が、治療室１７内に設置された照射装置２１に接続される。
【００１２】
治療室１７内の構成について、図２を用いて説明する。治療室１７内には略筒状のガントリー１８が設置されている。ガントリー１８には、ビーム輸送系２の一部であるＵ字状の偏向電磁石１６、及び照射装置２１が設置されている。また、第１のＸ線撮影装置２２ａ，第２のＸ線撮像装置２２ｂ，ガンマ線検出器２３が、ガントリー１８の回転胴の内側に設置される。ガントリー１８の内部にはカウチ２４と呼ばれる治療用ベッドが設置されている。
【００１３】
第１のＸ線撮像装置２２ａは、照射装置２１内に設置される第１のＸ線発生装置３５（図３）及び第１のＸ線検出器（本実施例では、フラットパネルディスプレイ，ＦＰＤ）２６で構成される。第１のＸ線撮像装置２２ａは、イオンビームの照射方向（Ｚ軸方向）の透視画像を撮影する。第２のＸ線撮像装置２２ｂは、第２のＸ線発生装置２７及び第２のＸ線検出器（本実施例では、フラットパネルディスプレイ，ＦＰＤ）２８で構成される。第２のＸ線撮影装置２２ｂは、照射装置２１から出射されるイオンビームのビーム軸と垂直な方向（Ｘ軸方向）の透視画像を撮影する。照射対象物が所望の位置に配置されていることを確認するために、第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂを用いて直交する二つの方向から透視画像を撮影する。
【００１４】
ガンマ線検出器２３は、照射野が所望の位置に形成されたことを確認するためイオンビーム照射時に照射野から発生する即発ガンマ線を検出する。ガンマ線検出器２３は、照射装置２１から照射対象２５に入射したイオンビームが到達した位置を計測するため、ビーム軸とガントリー１８の回転軸に垂直な軸上に設置される。
【００１５】
ガントリー１８は、モーターにより回転可能な構造をしている。ガントリー１８の回転と共にＵ字状偏向電磁石１６と照射装置２１が回転する。この回転により、照射対象２５をガントリー１８の回転軸に垂直な平面内のいずれの方向からも照射することができる。ここで座標系を定義する。ガントリー１８の動径方向で照射装置２１に入射するビームの方向と一致する方向をＺ軸、ガントリー１８の回転軸の方向をＹ方向、Ｚ軸とＹ軸に直交する方向をＸ軸とする。ガントリー１８が回転するときＸ軸とＺ軸もガントリーの回転と共に回転するが、Ｙ軸は回転軸であるため向きを変えることはない。ガントリー１８に設置される第１のＸ線撮影装置２２ａ，第２のＸ線撮像装置２２ｂ及びガンマ線検出器２３も、ガントリー１８の回転と共に回転する。ガンマ線検出器２３，第２のＸ線発生装置２７，ＦＰＤ２６及びＦＰＤ２８は、ガントリー１８が回転している間、カウチ２４との衝突を避けるため、ガントリー１８内の壁面内に格納できるような構造となっている。
【００１６】
図３を用いて、照射装置２１の構成について説明する。照射装置２１は、走査電磁石３１，走査電磁石３２，ビーム位置検出器３３，線量モニタ３４及び第１のＸ線発生装置３５を有する。本実施の荷電粒子ビーム照射システム１０は、照射装置２１が二台の走査電磁石３１，３２を備え、ビーム進行方向と垂直な面内の二つの方向（Ｘ方向，Ｙ方向）にそれぞれイオンビームを偏向し、照射位置を変更する。ビーム位置検出器３３は、イオンビームの位置とイオンビームの広がりを計測する。線量モニタ３４は、照射されたイオンビームの量を計測する。ビーム位置検出器３３は、Ｘ方向，Ｙ方向それぞれ一定間隔毎に平行にワイヤーが張られている。ワイヤーには高電圧がかけられており、イオンビームが通過すると検出器内の空気が電離され、電離された荷電粒子は最も近いワイヤーに集められる。集められた荷電粒子量を測定する。イオンビームの広がりよりも十分に小さい間隔でワイヤーを張ることにより、ビームの分布を得ることができるので、ビーム位置（分布の重心）とビーム幅（分布の標準偏差）を算出することができる。線量モニタ３４は、二つの電極が平行平板型構造をしており、電極間に電圧が印加されている。イオンビームが線量モニタ（線量検出器）３４を通過すると、イオンビームにより、検出器内の空気が電離され、電離された荷電粒子は検出器内電場により電極に集積し、信号となって読み出される。ここで、イオンビーム量と、電極に集積する電荷が比例するので通過したイオンビーム量を計測することができる。Ｘ線発生装置３５は、Ｘ線発生装置用レール３６上を移動することにより、Ｘ線撮影時のみビームライン上に配置される。照射対象２５内には照射標的３７があり、イオンビームを照射することで照射標的を覆うような線量分布を照射対象２５内に形成する。ここで癌などの治療の場合は、照射対象は人であり照射標的は腫瘍（患部）である。
【００１７】
本実施例の粒子線照射システムが備えている制御システム７について、図１を用いて説明する。制御システム７は、データベース（記憶装置）４２，機器制御システム４３，位置決めシステム４４及び照射野確認システム４５を備える。
【００１８】
機器制御システム４３は、中央制御装置４６，加速器制御部４７及び照射装置制御部４８を備える。中央制御装置４６は、加速器制御部４７及び照射装置制御部４８に接続される。また、中央制御装置４６は、データベース４２に接続される。中央制御装置４６は、データベース４２からデータを受け取り、加速器制御部４７と照射装置制御部４８に必要な情報を送信し制御する。加速器制御部４７は、荷電粒子ビーム発生装置１，ビーム輸送系２及びガントリー１８に接続され、これらを制御する。照射装置制御部４８は、走査電磁石３１，３２に流れる励磁電流量の制御と照射装置２１内の各モニタ信号を処理する。
【００１９】
位置決め制御システム４４は、位置決め装置４９，Ｘ線装置制御部５０及びカウチ制御部５１を備える。位置決め装置４９は、Ｘ線装置制御部５０及びカウチ制御部５１に接続される。また、位置決め装置４９は、データベース４２に接続される。Ｘ線装置制御部５０は、ガントリー１８内に設置された第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂに接続され、これらを制御する。カウチ制御部５１は、カウチ２４に接続され、カウチ２４を制御する。位置決め装置４９は、データベース４２からの情報と第１のＸ線撮像装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂにより取得したデータに基づいてカウチ２４の移動量を算出し、カウチ制御部５１に移動量を送信する。
【００２０】
照射野確認システム４５は、照射野確認装置５２とガンマ線検出器制御部５３を備える。ガンマ線検出器制御部５３は、ガンマ線検出器制御部５３，照射野確認装置５２及び照射装置制御部４８に接続される。照射野確認装置５２は、データベース４２に接続される。照射野確認装置５２は、ガンマ線検出器制御部５３から送られるガンマ線検出器のデータ（ガンマ線検出信号）を受け取り、ガンマ線検出信号及びデータベース４２からの情報に基づいて、照射野位置を確認する。ガンマ線検出器制御部５３は、ガンマ線検出器２３の移動制御とガンマ線検出器２３から出力されるガンマ線検出データを処理する。また、ガンマ線検出器制御部５３は、照射装置制御部４８から照射スポットの情報と照射開始・終了のタイミングを受け取る。このタイミングを受け取ることは本実施例の特徴である。
【００２１】
図４を用いて本実施例による粒子線照射システムにおける標的の深さとイオンビームのエネルギーとの関係について説明する。図４は、標的の深さとイオンビームのエネルギーとの関係を説明した図である。
【００２２】
図４（ａ）は、単一エネルギーのイオンビームが照射対象内に形成する線量分布を深さの関数として示している。図４（ａ）におけるピークをブラッグピークと称する。ブラッグピークの位置はエネルギーに依存するため、照射標的の深さに合わせイオンビームのエネルギーを調整することでブラッグピークの位置で照射標的を照射することができる。照射標的は深さ方向に厚みを持っているが、ブラッグピークは鋭いピークであるので、図４（ｂ）に表すようにいくつかのエネルギーのイオンビームを適切な強度の割合で照射し、ブラッグピークを重ね合わせることで深さ方向に照射標的と同じ厚みを持った一様な高線量領域（ＳＯＢＰ）を形成する。
【００２３】
図５を用いて、ビーム軸に垂直な方向（ＸＹ平面の方向）の照射標的の横方向の広がりとイオンビームの関係について説明する。ビーム軸に垂直な方向を横方向と呼ぶ。イオンビームは照射装置２１に達した後、互いに垂直に設置された二台の走査電磁石３１，３２により横方向の所望の位置へと到達する。イオンビームの横方向の広がりはガウス分布形状で近似することができる。ガウス分布を等間隔で配置し、その間の距離をガウス分布の標準偏差程度にすることで、足し合わされた分布は一様な領域を有する。このように配置されるガウス分布状の線量分布をスポットと呼ぶ。イオンビームを走査し複数のスポットを等間隔に配置することで横方向に一様な線量領域を形成することができる。
【００２４】
以上により、走査電磁石による横方向へのビーム走査と、ビームエネルギー変更による深さ方向へのブラッグピークの移動により均一な照射野を形成することができる。なお、同一のエネルギーで照射され、走査電磁石によるイオンビーム走査により横方向へ広がりを持つ照射野の単位をスライスと呼ぶ。
【００２５】
イオンビームを照射標的３７に照射する前に、照射計画システム４１が照射に必要な各パラメータを決定する。照射計画システム４１によるパラメータの決定方法について説明する。
【００２６】
予め照射対象２５をＣＴ装置４０にて撮影する。ＣＴ装置４０は、取得した撮像データに基づいて照射対象２５の画像データを作成し、画像データを照射計画システム４１に送信する。照射計画システム４１は、受け取った画像データを、表示装置（図示せず）の画面上に表示する。オペレータが画像上で照射したい領域を指定すると、照射計画システム４１は照射に必要なデータを作成し、そのデータで照射したときの線量分布を求める。照射計画システム４１は、求めた線量分布を表示装置に表示する。照射したい領域は照射標的３７を覆うように指定する。照射計画システム４１は、指定された領域に線量分布を形成できるような照射対象の設置位置，ガントリー角度，照射パラメータ，ガンマ線検出器２３の設置位置を求めて決定する。また、照射計画システム４１は、カウチ２４の初期位置を決定する。
【００２７】
照射計画システム４１が求める照射パラメータには、イオンビームのエネルギー，ビーム軸に垂直な平面内の位置情報（Ｘ座標，Ｙ座標）、各位置に照射するイオンビームの目標線量が含まれる。つまり、照射計画システム４１は、オペレータが入力した患者情報に基づいて、照射標的（患部）３７を深さ方向の複数のスライスに分割し、必要となるスライス数Ｎを決定する。また、照射計画システム４１は、それぞれのスライス（スライス番号ｉ）の深さに応じた照射に適したイオンビームのエネルギーＥｉを求める。照射計画システム４１は、さらに、各スライスの形状に応じて、イオンビームを照射する照射スポットの数Ｎｉ，スポット番号ｊ，各スポットの照射位置、各スポットの目標線量（目標照射量）Ｄｉｊを決定する。スポットの照射位置（Ｘｉｊ，Ｙｉｊ）が、照射対象のビーム進行方向（深さ方向）と垂直な平面における目標照射位置となる。
【００２８】
ガンマ線検出器２３の設置位置について説明する。図７は、照射対象内にスポットを形成する様子を示している。ガンマ線検出器２３は、ビーム軸方向（Ｚ方向）のイオンビームの到達位置を計測する。ガンマ線検出器２３は検出器の中央Ｚｃが最も検出感度が高い。そのため、照射計画システム４１は、計算したビーム軸上の照射野の深さ終端からビーム軸に垂直に引いた垂線上にガンマ線検出器２３の中央Ｚｃが位置するようにガンマ線検出器２３の設置位置を決定するのが好ましい。また、可能な限りガンマ線検出器２３を照射対象に近づける（図７のＬを小さくする）ように、ガンマ線検出器２３の設置位置を決定するのが好ましい。
【００２９】
照射計画システム４１は、決定したこれらの情報をデータベース４２に送信する。データベース４２は、照射計画システム４１から出力されたデータを記憶する。データベース４２に登録される各データのうち、照射パラメータのデータ構造を図６に示す。照射パラメータはスライス数Ｎと各スライスのデータを持つ。各スライスのデータはスライス番号ｉ，エネルギーＥｉ，スポット数Ｎｉ，各スポットのデータから構成される。スポットのデータはさらにスポット番号ｊ，照射位置（Ｘｉｊ，Ｙｉｊ），目標線量Ｄｉｊから構成される。
【００３０】
本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１０の運転方法について説明する。荷電粒子ビーム照射システム１０は、データベース４２に記憶された情報に基づいて、以下のように照射の準備を行う。
【００３１】
照射対象２５をカウチ２４に載せる。位置決め装置４９は、カウチ２４の初期位置情報をデータベース４２から取得する。位置決め装置４９から初期位置情報を受け取ったカウチ制御部５１は、カウチ２４を初期位置へ移動する。また、位置決め装置４９からの指令信号に基づいてＸ線装置制御部５０は、第１の第Ｘ線発生装置３５の移動を開始する。第１のＸ線発生装置３５は、Ｘ線発生装置用レール３６上を移動してビーム軸上で停止する。第２のＸ線発生装置２７，ＦＰＤ２６，２８がガントリー１８内の壁面内に格納されている場合、Ｘ線装置制御部５０は、これらをガントリー１８壁面から取り出し、所定の位置に配置させる。所定の位置に配置後、第１のＸ線撮影装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂにより照射対象２５の撮影を開始する。第１のＸ線発生装置３５及び第２のＸ線発生装置２７でＸ線を生成し、照射対象に出射する。ＦＰＤ２６及びＦＰＤ２８は、それぞれからのＸ線を検出し、Ｘ線検出信号を出力する。位置決め装置４９は、第１のＸ線撮影装置２２ａ及び第２のＸ線撮像装置２２ｂにより取得したＸ線検出信号に基づいて画像データを作成する。位置決め装置４９は、Ｘ線検出信号から求めた画像データと照射計画システム４１が出力した画像データを照合し、二つの情報の差分を計算して照射対象が所望の位置へ移動するためのカウチ２４の移動量を算出する。位置決め装置４９は、算出した値をカウチ制御部５１へ送信し、カウチ制御部５１は指定された値分、カウチ２４を移動し照射対象２５は所望の位置へと移動する。
【００３２】
照射野確認装置５２は、データベース４２から読み出したガンマ線検出器２３の設置位置情報をガンマ線検出器制御部５３に送信する。ガンマ線検出器制御部５３は、受け取った設置位置情報に基づいて、ガンマ線検出器２３の移動を制御する。ガンマ線検出器２３は、Ｘ方向とＺ方向へレール（図示せず）上を移動することができ、その移動量はポテンショメータにより検出可能な構造をしている。ガンマ線検出器制御部５３がガンマ線検出器２３を所望の位置へ移動させることで、イオンビーム照射時に照射野から発生するガンマ線検出が可能な状態となる。
【００３３】
中央制御装置４６は、データベース４２からガントリー角度情報と照射パラメータ情報を受け取る。中央制御装置４６は、ガントリー角度情報を加速器制御部４７に送信する。加速器制御部４７は、受け取ったガントリー角度情報に基づいてガントリー１８を所望のガントリー角度へ移動する。また、中央制御装置４６は、受け取った照射パラメータに基づいて、各スライスのエネルギーＥｉに対応したシンクロトロン４とビーム輸送系２の電磁石を励磁する励磁電流量，高周波印加装置５が印加する高周波の値、加速装置６に印加する高周波の値を、中央制御装置４６が有するメモリ（図示せず）から参照し、加速器制御部４７へ送信する。また、中央制御装置４６は、各スポットに対し照射位置とそのエネルギーから走査電磁石３１，３２を励磁する電流量を算出し、スポットデータと共に照射装置制御部４８へ送信する。
【００３４】
図８を用いて、荷電粒子ビーム照射システム１０によるイオンビームの照射手順を説明する。中央制御装置４６は、照射開始信号と共に、スライス番号ｉ，スポット番号ｊ，エネルギー情報Ｅｉを加速器制御部４７に出力する。最初の照射開始が合図されると、スライス番号ｉ＝１，スポット番号ｊ＝１から照射を開始する。照射開始信号を受け取った加速器制御部４７はイオン源を起動する。イオン源で発生したイオン（例えば陽子（又は炭素イオン））は、ライナック３に入射される。ライナック３は、イオンを加速して出射する。ライナック３からのイオンビームは、シンクロトロン４へ入射される。ステップ１０１で、加速器制御部４７は、シンクロトロン４の電磁石と加速装置６を制御し、ライナック３から入射されたイオンビームをスライス番号１のエネルギーＥ１まで加速する。つまり、加速器制御部４７が、荷電粒子ビーム発生装置を制御し、イオンビームを所望のエネルギーまで加速する。この加速は、高周波電源から、高周波加速空洞に高周波を印加すること（シンクロトロン４を周回するイオンビームに、高周波電力によってエネルギーを与えること）によって行われる。また、加速器制御部４７は、ビーム輸送系２の電磁石の励磁量を制御し、加速したエネルギーのイオンビームを照射装置２１へ輸送できる状態とする。
【００３５】
ステップ１０２でイオンビームの加速が完了しビーム輸送系２の準備が整うと、加速器制御部４７は、照射装置制御部４８へ出射準備完了信号を送信する。
【００３６】
ステップ１０３で、出射準備完了信号を受け取った照射装置制御部４８は、スライス１，スポット１に対応する中央制御装置４６が計算した励磁電流量で走査電磁石３１及び走査電磁石３２を励磁する。また、照射装置制御部４８は、ガンマ線検出器制御部５３へスライス番号とスポット番号を出力する。本実施例では、スライス番号が、照射対象の深さ方向におけるイオンビームの目標照射位置情報である。また、スポット番号が、照射対象の深さ方向と垂直な平面におけるイオンビームの目標照射位置情報である。
【００３７】
ステップ１０４で照射装置制御部４８は、走査電磁石３１，３２に流れる電流が所望の値になったことを確認し、出射信号を加速器制御部４７とガンマ線検出器２３へ送信する。
【００３８】
ステップ１０５で出射信号を受け取った加速器制御部４７は、高周波印加装置を制御してシンクロトロン４からのイオンビームの出射を開始する。つまり、スイッチを繋ぎイオンビームに高周波印加装置５により高周波を印加する。また、出射信号を受け取ったガンマ線検出器２３はガンマ線の計測を開始する。安定限界内でシンクロトロン４内を周回していたイオンビームは、安定限界外に移行し、出射用デフレクタ１１を通ってシンクロトロン４から出射される。出射されたイオンビームはビーム輸送系２を通過して照射装置２１へ入射し走査電磁石３１，３２で走査された後、ビーム位置検出器３３，線量モニタ３４を通過して照射対象に到達し線量を付与して停止する。イオンビームが照射された照射対象からは、ガンマ線（即発ガンマ線）が放出される。ガンマ線検出器２３は、ガンマ線を検出し、ガンマ線検出データをガンマ線検出器制御部５３へ出力する。ガンマ線検出器制御部５３は、受け取ったガンマ線検出データを、スライス番号，スポット番号と共に、照射野確認装置５２に出力する。つまり、ガンマ線検出器制御部５３は、ガンマ線検出データを受け取る毎に、それに対応するスライス番号及びスポット番号を付与し、これらを一組のデータとして照射野確認装置５２に出力する。照射野確認装置５２は、データを記憶装置（図示せず）に記憶する。なお、ガンマ線検出器制御部５３の記憶装置（図示せず）に記録して、一括のデータとして照射野確認装置５２に出力しても良い。
【００３９】
ステップ１０６で出射中、照射装置制御部４８は、線量モニタ３４から受け取ったビーム線量信号をカウントして各スポットでの照射線量を求め、カウントした照射線量がスポットデータの目標線量に達したか否かを判断する。
【００４０】
照射装置制御部４８は照射線量が目標線量に達したと判断すると、ステップ１０７で加速器制御部４７とガンマ線検出器制御部５３へ出射停止信号を出力する。また、イオンビームの照射中、ビーム位置検出器３３は位置検出信号を照射装置制御部４８に出力する。照射装置制御部４８は、位置検出信号に基づいてビーム位置を算出し、算出したビーム位置とスポットデータの照射位置との差が所定の閾値以下であることを確認する。
【００４１】
ステップ１０８で出射停止信号を受信した加速器制御部４７は高周波印加装置を制御して出射を停止する。高周波印加電極と高周波印加電源をつなぐスイッチを切り高周波の印加を停止することにより、シンクロトロン４からのイオンビームの出射が停止する。また、ガンマ線検出器制御部５３は、出射停止信号を受信するとガンマ線の測定を停止する。こうしてスライス番号１，スポット番号１の照射を完了する。
【００４２】
ステップ１０９で照射装置制御部４８は、スライス番号１のスポット数Ｎ１とスポット番号ｊを比較する。スポット番号ｊがスポット数に達しない場合、次のスポット番号ｊ＋１のスポットの照射を開始するためステップ１０３の動作を開始する。スポット番号ｊがスポット数Ｎ１に達した場合、照射装置制御部４８は加速器制御部４７へ減速信号を出力し、ステップ１１０で加速器制御部４７はシンクロトロン４の電磁石を制御してシンクロトロン４内に残っているイオンビームを減速する。
【００４３】
ステップ１１１でスライス番号ｉとスライス数Ｎを比較しスライス番号ｉがスライス数Ｎに達しない場合ステップ１０１に移り次のスライスｉ＋１の照射準備を開始する。スライス番号ｉがスライス数Ｎに達すると照射完了となる。
【００４４】
以上のようにイオンビームが照射野を形成するとき照射野からガンマ線が発生する。ガンマ線を検出し、ガンマ線の発生位置を特定することで、照射野の位置を確認することができる。イオンビームを照射中、ガンマ線検出器制御部５３に対しスライス番号，スポット番号と共に出射信号，出射停止信号を送信し、ガンマ線を検出したとき照射中のスポットと検出したガンマ線を関連付けることが本実施例の特徴である。つまり、照射野確認装置５２は、スライス番号及びスポット番号のようにイオンビームを識別できる情報と関連付けられたガンマ線検出信号を受け取り、スライス番号及びスポット番号（イオンビームの識別情報）に基づいて、ガンマ線検出信号を識別する。
【００４５】
照射野確認装置５２は、スライス番号とスポット番号に基づいてビーム進行方向に垂直な方向のイオンビームの照射位置を特定し、この照射位置情報とガンマ線検出信号から即発ガンマ線が発生した位置を特定して照射野を求める。
【００４６】
照射野からガンマ線が発生する過程について説明する。ガンマ線は主に二つの過程から生成する。ひとつは制動放射によるものでもうひとつは核反応によるものである。制動放射過程は荷電粒子が電磁場の影響により軌道を曲げられたことでガンマ線を放出する現象であり、比較的低いエネルギー（＜１ＭｅＶ）のガンマ線が発生する。核反応過程はイオンビームが照射対象を構成する原子核と核反応を起こす。核反応により照射対象の原子は励起状態に遷移し、その後、ガンマ線（即発ガンマ線）を放出して基底状態に遷移する。このとき放出されるガンマ線のエネルギーは１ＭｅＶ〜１０ＭｅＶ程度と比較的高い。
【００４７】
ガンマ線は光電吸収，コンプトン散乱，対生成の３つの過程で物質と反応する。３つの反応はガンマ線のエネルギーにより反応確立が異なり、数ＭｅＶのガンマ線が物質と相互作用する場合、コンプトン散乱過程が最も支配的な反応過程である。この理由から照射野から発生したガンマ線を測定するにはガンマ線検出器２３としてコンプトン散乱反応を利用するコンプトンカメラが好ましい。
【００４８】
本実施例では、ガンマ線検出器２３として図９に示すコンプトンカメラを例にとって使用する。図９にコンプトンカメラの概念図を示す。
【００４９】
コンプトンカメラ６０は、第一検出部６１と第二検出部６２を備える。ガンマ線の検出面６３は、第二検出部６２から遠い面であり、検出面６３からガンマ線が入射することを仮定する。第一検出部６１は、キセノンなどの不活性ガスで満たされており、検出面６３に高電圧がかけられている。第一検出部６１と第二検出部６２の境界面付近には格子状に電荷検出器（図示せず）が並べられている。第二検出部６２はＧＳＯ結晶などの重いシンチレータが格子状に並べられている。
【００５０】
コンプトンカメラ６０にガンマ線が入射すると、第一検出部６１内でコンプトン散乱が起きる。図９の実線はガンマ線の軌跡を表し、点線は反跳電子の軌跡を現す。散乱によりガンマ線は、エネルギーを損失し、第二検出部６２に到達後、全てのエネルギーを損失し検出される。コンプトン散乱により散乱された反跳電子は、第一検出部６１内の気体を電離しながら進む。第一検出部６１内は電圧がかかっているため、電離した電子は第二検出部６２の方向へ向かい、電荷検出器により検出される。
【００５１】
第二検出部６２でガンマ線が検出されてから電荷検出器で電子が検出されるまでの時間を測定することで、不活性ガスが反跳電子により電離された位置を特定することができる。以上により求められる反跳電子の軌跡からコンプトン散乱が起きた位置、反跳電子の反跳方向がわかり、電荷検出器で検出した総電荷より反跳電子のエネルギーがわかる。また、第二検出部６２のデータから散乱ガンマ線の位置とエネルギーがわかる。運動量保存とエネルギー保存の法則を用いて計算することで、入射ガンマ線の入射した方向と位置とエネルギーがわかる。
【００５２】
入射したガンマ線は第一検出部６１でコンプトン散乱した後、第二検出部６２に到達する必要がある。検出面６３の端から入射した場合、第二検出部６２に到達する前に検出器の外へ抜けてしまう可能性が高く、検出面中心が最も検出効率が良い。また、入射角度についても同様の理由により、検出面６３に垂直に入射する場合が最も検出効率が良い。
【００５３】
なお、第一検出部６１，第二検出部６２共にＳｉ，ＣｄＴｅなどの半導体検出器を使用することもできる。第一検出部６１に半導体検出器を用いることで入射ガンマ線の第一検出部６１での反応確立を向上することができる。また第二検出部６２に半導体検出器を用いることで検出位置精度を向上することができる。
【００５４】
照射野から発生したガンマ線は照射対象内を通過し大気中を通過した後、ガンマ線検出器２３に到達する。
【００５５】
まず、従来の照射野を再構成する方法について説明する。ガンマ線検出器２３に入射したガンマ線のうち、入射角度がＺ軸とほぼ垂直なガンマ線の情報のみを使用する。最も取得したい情報は照射野の深さ方向（Ｚ軸）の先端位置（イオンビームが到達した最も深い位置）である。従来の方法では、ガンマ線データにイオンビームを識別できる識別情報が関連付けられていないため、ガンマ線の横方向（Ｘ座標，Ｙ座標）の発生位置を特定することができない。よって、Ｚ軸と垂直でないガンマ線は横方向の発生位置がわからないためＺ方向の発生位置がわからない。以上の理由からＺ軸に垂直なガンマ線の情報のみを使用し照射野のＺ方向の先端位置のみを特定する。
【００５６】
次に、本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１０による照射野の再構成する方法について説明する。
【００５７】
イオンビームの照射中、照射装置制御部４８は、ガンマ線検出器制御部５３にスライス番号ｉ，スポット番号ｊを送信する。また、照射装置制御部４８は、出射信号及び出射停止信号をガンマ線検出器制御部５３に送信する。ガンマ線検出器制御部５３は、出射信号を受け取るとガンマ線の検出を開始し、ガンマ線検出データを収集する。ここで得られたガンマ線検出データは、スライス番号ｉ，スポット番号ｊと共に照射野確認装置５２に出力される。出射停止信号を受け取ると、データ収集を停止する。
【００５８】
照射野確認装置５２は、ガンマ線検出データに基づいて、ガンマ線検出器２３へのガンマ線の入射位置，入射方向，エネルギーを求める。本実施例では、照射野確認装置５２が求めたガンマ線のうち、エネルギーが１ＭｅＶ〜１０ＭｅＶのガンマ線検出データを有効なデータとする。照射野確認装置５２はデータベース４２から、スライス番号ｉ，スポット番号ｊに対応した照射位置（Ｘｉｊ，Ｙｉｊ）を読み取る。図１０に照射対象内にスポットを形成する様子を示す。ガンマ線の入射位置のＺ座標をＺ１、入射角度のＸ−Ｚ平面への射影した角度をθ、ガンマ線検出器と照射位置の距離をＬとする。Ｌはガンマ線検出器２３の位置とＸｉｊから計算する。Ｚｉｊ＝Ｚ１＋Ｌcosθを計算することで、ガンマ線の発生位置のＺ座標を特定することができる。以上によりガンマ線の発生位置を（Ｘｉｊ，Ｙｉｊ，Ｚｉｊ）とする。
【００５９】
ここで、データベース４２に記録されている照射位置はスポットの中心位置を示すがスポットは有限の広がりを持っている。ガンマ線発生位置のＸ方向の位置はスポットの広がりの分だけ特定することはできないが、ガンマ線検出器と照射位置との距離に比べてスポットの広がりは十分に小さいため、スポット中心位置からガンマ線が発生したと仮定して計算できる。このようにして、照射野確認装置５２は、取得したガンマ線検出データに基づいて、ガンマ線が発生した照射標的内の発生位置（Ｘｉｊ，Ｙｉｊ，Ｚｉｊ）を求め、その分布を作成することで照射野形状を再構成することができる。
【００６０】
照射野確認装置５２は、データベース４２から照射前にＣＴ装置４０により撮影したＣＴ画像と照射計画システム４１が計算した線量分布を受信する。その後、ガンマ線検出データから再構成した線量分布と照射計画システム４１が計算した線量分布を、表示装置のＣＴ画像上に表示する。オペレータ等は、計画した線量分布と実際の照射により形成された線量分布の違いを確認することができる。
【００６１】
以上のようにデータを収集し、照射野を再構成することで以下に示すような効果を得ることができる。
【００６２】
第一の効果は、従来の方法では照射野の最も深い位置の座標のみしか求めることができなかったが、本実施例の方法により照射野の形状まで求めることができる。これは、本実施例の荷電粒子ビーム照射システムが、イオンビーム照射により発生したガンマ線の、ビーム軸に垂直な方向の位置を特定することができるためである。照射野の形状（イオンビームが到達した最深位置）を求めることができれば、照射計画通りの照射が実現できているか判断することができる。
【００６３】
第二の効果は計測精度を高めることができることである。第二の効果が得られる一つ目の理由は、図１０と同じＬと、ガンマ線検出器へ入射した位置Ｙ１と、入射角度のＸ−Ｙ平面への射影成分であるθ′を用いてＹ′ｉｊ＝Ｙ１＋Ｌcosθ′を算出することができるためである。つまり、Ｙ′ｉｊとＹｉｊの差分がビームサイズと比較して十分に大きいとき、検出したガンマ線はノイズであると判別することができる。照射野確認装置５２が、このようなノイズを除去する処理を行うことで計測精度を高くすることができる。
【００６４】
二つ目の理由は、最もエネルギーが高い情報（照射標的３７をビーム進行方向に複数層に分割して照射した場合の、最深部のスライス）のガンマ線検出信号を用いて、照射野の位置を特定することができるためである。図４に示すように、照射は深さ方向位置の異なるブラッグピークを線量分布が一様になるような割合で照射する。図４（ａ）は、あるエネルギーのイオンビームを照射対象２５に照射した場合の、ビーム進行方向（照射対象の深さ方向）におけるイオンビームの線量分布を示す。図１１（ａ）に示すのは、あるエネルギーのイオンビームを照射対象２５に照射した場合（例えば、図４（ａ））、ビーム進行方向におけるガンマ線のカウント数を示すガンマ線分布である。線量分布に比べガンマ線の分布はピークの高さが低くなる特徴がある。このガンマ線の分布を線量分布が一様になるような割合で足し合わせた分布を示すのが図１１（ｂ）である。図４（ａ）では急峻に減少したブラッグピークの深い側の分布が、図１１（ｂ）では緩やかに減少することがわかる。分布が緩やかに減少すると計測精度は低下する。以上により、ガンマ線検出器で検出したガンマ線のうち、最も高いエネルギー、あるいは照射野の縁を照射するようなスポットから発生したガンマ線を用いて（選別して）、照射野形状を求めることにより照射野形状の計測精度を高くすることができる。本実施例では、照射野確認装置５２が、ガンマ線検出データの選別（識別）を行って照射野形状を求める。
【００６５】
本実施例では、照射野確認装置５２は、スライス番号及びスポット番号に基づいて、ガンマ線検出信号を識別したが、スライス番号のみによりガンマ線検出信号を識別しても良い。この場合、スライス番号がイオンビームの識別情報となる。照射野確認装置５２は、同一のスライス番号（照射標的３７をビーム進行方向に複数分割した場合の同一層）を有するガンマ線検出信号に基づいて、即発ガンマ線を発生した位置を特定して照射野を求める。スライス番号（照射対象の深さ方向におけるイオンビームの目標照射位置情報）に基づいてガンマ線検出信号を識別する場合、照射野の最深部を精度良く測定することができる。
【００６６】
なお、ここまでスポット間の照射位置を移動するときイオンビームを停止するような照射方法（スポットスキャニング法）について説明したが、ビーム出射信号とビーム出射停止信号に相当するタイミング信号をスポットへ到達した時とスポットから移動するときに出力することによりスポット間でビームを停止しない照射方法（ラスター照射法）についても同様に適用することができる。ラスター照射法の場合、照射野確認装置５２は、スポット番号及びスライス番号に基づいてガンマ線検出信号を選別し、選別したガンマ線検出信号により照射野を求めることができる。
【００６７】
また、ビーム出射信号とビーム出射停止信号に相当なタイミング信号を、ビーム照射位置を示す信号として出力することにより、ビーム走査を停止しない照射方法（連続ラスター照射法）についても同様に適用することができる。照射位置を示す番号は予め照射経路を区切り、区切られたそれぞれの範囲に番号を付与する。ビーム照射位置を示す信号は走査電磁石の励磁電流が区切り位置に相当する励磁電流まで到達したとき出力する。連続ラスター照射法の場合、照射野確認装置５２は、照射位置を表す番号とスライス番号に基づいてガンマ線検出信号を選別し、選別したガンマ線検出信号により照射野を求めることができる。
【００６８】
〔実施例２〕
第二の実施例について説明する。
【００６９】
本実施例の荷電粒子ビーム照射システムは、実施例１の荷電粒子ビーム照射システムの照射装置２１を照射装置２１Ａに替え、制御システム７を制御システム７Ａに替えた構成を有する。
【００７０】
本実施例では、実施例１と異なる照射野の形成方法を採用するため、照射装置の構成が実施例１と異なる。本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１０Ａは、荷電粒子ビーム発生装置１，ビーム輸送系２，放射線治療室１７Ａ及び制御システム７Ａを備える。以下、実施例１と異なる構造及び制御について説明する。
【００７１】
照射装置２１Ａについて、図１２を用いて説明する。照射装置２１Ａは、走査電磁石６５，６６と散乱体６７，線量モニタ６８，ボーラス６９，コリメータ７０を備える。また、実施例１と同様に、Ｘ線発生装置７１とＸ線発生装置用レール７２を備える。
【００７２】
照射野の形成方法について説明する。照射野の深さ方向の分布は、第一の実施例の図４で示したように、荷電粒子ビーム発生装置１から出射するイオンビームのエネルギーを変更しエネルギーの異なるイオンビームを適切な割合で照射することで深さ方向の線量分布を一様にする。
【００７３】
照射野の横方向の分布について、図１３を用いて説明する。走査電磁石６５，６６によりイオンビームを円形に走査し、散乱体６７によりビーム径を広げることで図１３に示すように横方向に一様な線量分布を作成する。コリメータ７０により横方向の分布を所望の線量分布形状に合わせ、ボーラス６９により照射位置毎に所望の異なる深さまでイオンビームが到達するように調整する。
【００７４】
照射の手順について説明する。本実施例でも照射標的３７を深さ方向に複数のスライスＬｉ（ｉ＝１，２，３，Ｎ）に分割する。照射は最も深いスライスから開始する。加速器制御部４７は、照射計画システム４１が指定したエネルギーまでイオンビームを加速するようにシンクロトロン４を制御する。照射装置制御部４８は、所定のエネルギーまで加速されたイオンビームを、目標照射位置に出射するように走査電磁石６５，６６を制御する。走査電磁石６５，６６で回転走査されたイオンビームは、散乱体６７，線量モニタ６８，ボーラス６９及びコリメータ７０を通過し、照射対象に出射される。
【００７５】
照射量は線量モニタ６８により計測する。照射量が所望の量（目標線量）まで達するとイオンビームの出射を停止する。加速器制御部４７は、次のスライスを照射するエネルギーまでイオンビームを加速するようにシンクロトロン４を制御する。加速されたイオンビームが、照射装置２１Ａから照射され、照射が再開される。照射計画システム４１が指定したスライス数だけ繰り返し照射を完了する。各スライスの照射開始と照射終了のタイミングで発生する信号はガンマ線検出器制御部５３に送信される。ガンマ線検出器制御部５３は、ガンマ線検出器２３により検出されたガンマ線検出信号を、照射中のスライス番号と共に照射野確認装置５２に送信する。照射野確認装置５２は、ガンマ線検出信号及びイオンビームの識別情報であるスライス番号を記憶装置に記録する。
【００７６】
本実施例は、スライス番号に基づいてガンマ線検出信号を選別する。つまり、照射野確認装置５２は、照射標的の最深部に相当するスライス番号のガンマ線検出信号を有効なデータとし、このガンマ線検出信号に基づいて照射野の深さ方向の最深位置を求める。本実施例では、横方向（ビーム進行方向と垂直な方向）のガンマ線発生位置が特定できないが、イオンビームの識別情報であるスライス番号に基づいて、ガンマ線検出信号を識別し、識別したガンマ線検出信号に基づいて、照射野の深さ方向の位置を算出する。
【００７７】
本実施例によれば、第一の実施形態で示した効果のうち、第二の効果の二つ目の理由から照射野の計測精度を高くすることができる。
【００７８】
本実施例の照射野確認装置５２Ａは、照射装置制御部４８からのスライス番号に基づいてガンマ線検出信号を選別（識別）したが、荷電粒子ビーム発生装置１から出射されるイオンビームのエネルギー情報に基づいてガンマ線検出信号を選別しても良い。この場合、ガンマ線検出信号は、イオンビーム照射時にシンクロトロ４ンから出射されているイオンビームのエネルギー情報で関連付けられる。照射野確認装置５２は、照射標的３７の最深部のスライスに対応するエネルギー情報のガンマ線検出信号を有効なデータとし、このデータに基づいて、照射野の最新位置を求める。つまり、最もエネルギーが高いイオンビームで照射したスライスでのガンマ線のデータのみを選別して、照射野の最も深い位置を算出する。この場合も、本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００７９】
本実施例では、加速器制御部４７が荷電粒子ビーム発生装置１を制御することで、シンクロトロン４から出射するイオンビームのエネルギーを変更してブラッグピークの深さ方向の位置を変更した。シンクロトロン４から出射されるイオンビームのエネルギーを変化する替わりに、照射装置２１Ａ内に厚みの変更可能なエネルギー吸収体を設置し、エネルギー吸収体の厚みを変更することでイオンビームのエネルギーを変更し、ブラッグピークの深さ方向の位置を変更してもよい。この場合、照射装置制御部４８がエネルギー吸収体の厚みを変更する。照射野確認装置５２は、照射装置制御部４８からのエネルギー吸収体の厚み情報を受け取り、当該厚み情報に基づいてガンマ線検出信号を選別し、照射野を求める。エネルギー吸収体としては、レンジシフタ等がある。
【００８０】
〔実施例３〕
第三の実施例について説明する。
【００８１】
本実施例の荷電粒子ビーム照射システムは、実施例１の荷電粒子ビーム照射システムの照射装置２１を照射装置２１Ｂに替え、制御システム７を制御システム７Ｂに替えた構成を有する。以下、実施例１と異なる構成及び制御について説明する。
【００８２】
本実施例では、実施例１と異なる照射野の形成方法を採用するため、照射装置の構成が実施例１と異なる。本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１０Ｂは、荷電粒子ビーム発生装置１，ビーム輸送系２，放射線治療室１７Ｂ及び制御システム７Ｂを備える。
【００８３】
本実施例の照射装置２１Ｂについて、図１４を用いて説明する。照射装置２１Ｂは回転散乱体７４，第二散乱体７５，線量モニタ７６，ボーラス７７，コリメータ７８を備える。また、Ｘ線発生装置７９とＸ線発生装置用レール８０を備える。
【００８４】
本実施例の照射野の形成方法について説明する。回転散乱体７４は、回転軸の周りに厚みが異なる構造をしている。イオンビームは回転散乱体を通過する。回転散乱体７４は、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、イオンビームのビーム軸の方向における回転散乱体の底辺から各平面領域までの各厚みが異なっている。回転散乱体７４が、回転軸を中心に回転することでイオンビームが通過するときの回転散乱体の厚みが異なる。回転散乱体７４の厚い位置を通過するときイオンビームのエネルギーは回転散乱体に多く吸収され、照射対象内の浅い位置にブラッグピークを形成する。回転散乱体７４の薄い位置を通過したイオンビームは、回転散乱体７４にエネルギーをほとんど吸収されず深い位置にブラッグピークを形成する。このように深さ方向にブラッグピークを移動することで、深さ方向に一様な照射野を形成することができる。
【００８５】
図１５を用いて、横方向の線量分布について説明する。第二散乱体７５は、中心が原子番号の大きな素材、周辺が原子番号の小さな素材でできている。原子番号の大きな素材ほど散乱が大きいため、第二散乱体７５の中心に入射したイオンビームは大きく散乱するが、第二散乱体７５の中心から離れた位置に入射したイオンビームは散乱の影響をほとんど受けない。この結果、図１５に示すように横方向に一様な照射野を形成することができる。
【００８６】
本実施例の照射装置２１Ｂに設置される回転散乱体７４は、回転角度検出装置を備える。回転角度検出装置は、回転散乱体７４の回転角度を測定する。
【００８７】
イオンビームの照射中、ガンマ線検出器２３は、ガンマ線を検出するとガンマ線検出信号をガンマ線検出器制御部５３に出力する。照射装置制御部４８は、回転散乱体７４の回転を制御し、回転角度検出器からの回転角度情報をガンマ線検出器制御部５３に送信する。ガンマ線検出制御部５３Ｂは、ガンマ線検出信号を、回転角度検出器が出力した回転角度データと共に照射野確認装置５２に出力する。これにより、ガンマ線を検出したときの回転角度がわかる。
【００８８】
照射対象に入射するイオンビームのエネルギーは回転散乱体の通過位置の厚さにより決まる。よって回転散乱体の厚さが最も薄い位置の回転散乱体の角度のとき、イオンビームは照射野の最も深い位置に到達する。照射野確認装置５２は、照射野の位置を再構成するとき、照射対象に入射したイオンビームのエネルギーが最も高いときのガンマ線のデータのみを用いる。本実施例では、照射標的３７のうち、最深層に相当するエネルギー幅のイオンビームを有効なデータとする。本実施例によれば、第一の実施形態の第二の効果の二つ目の理由により、照射野の位置精度を高くすることができる。
【００８９】
なお、以上の実施例１，２，３は、照射の手順において必要なときにガンマ線検出器制御部５３に対し信号を送信している。これと同じ効果は以下に示す方法でも得ることができる。つまり、ガンマ線検出器制御部５３は、基準となる時刻（例えば照射開始したとき）からガンマ線を検出したときまでの時間をガンマ線検出データと共に照射野確認装置５２に出力する。照射に関する制御をしたとき、同じ基準となる時刻からの時間と制御動作を記録する。二つの記録を比較しガンマ線データと制御動作を関連付けることで実施例１，２，３と同じ効果を得ることができる。この場合、イオンビームの識別情報は、時刻情報となる。
【００９０】
実施例１，２，３では、シンクロトロン４を有する荷電粒子ビーム発生装置１を例にとって説明したが、サイクロトロンを有する荷電粒子ビーム発生装置でもよい。
【００９１】
また、実施例１，２，３では、ガンマ線検出器により検出したガンマ線のデータを、即発ガンマ線を検出した時間データと共に記録する。時間データはガンマ線を検出した時刻の照射パラメータを指定できるものである。スポットスキャニングの場合、スポットに固有の番号である。検出したガンマ線のデータを収集する回路に次に照射するスポットに固有の番号と、スポットの照射開始・照射完了の信号を入力することで、ガンマ線データを取得したときのスポットを特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムの全体概略構成を表す図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムに備えられる治療室の構成を示す概念構成を表す図である。
【図３】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムに備えられる照射装置の構成を示す横断図面である。
【図４】照射対象にイオンビームを照射した場合に得られる深さ方向の線量分布を示す図である。
【図５】照射対象にイオンビームを照射した場合に得られる横方向の線量分布を示す図である。
【図６】本発明の好適な一実施形態であるデータベースに記憶される照射パラメータを示す概念図である。
【図７】照射対象にイオンビームを照射した場合に得られるスポットの様子を示した概念図である。
【図８】照射する手順を示したブロック構成図である。
【図９】ガンマ線検出器の構成を示す横断図面である。
【図１０】照射対象にイオンビームを照射した場合に得られるスポットの様子を示した概念図である。
【図１１】照射対象にイオンビームを照射した場合に得られるガンマ線の発生分布を示す概念図である。
【図１２】本発明の他の実施形態の荷電粒子ビーム照射システムに備えられる照射装置の構成を示す横断図面である。
【図１３】図１２に示した照射装置により照射対象へイオンビームを照射したときに得られる横方向線量分布の概念図である。
【図１４】本発明の他の実施形態の荷電粒子ビーム照射システムに備えられる照射装置の構成を示す横断図面である。
【図１５】図１４に示した照射装置により照射対象へイオンビームを照射したときに得られる横方向線量分布の概念図である。
【符号の説明】
【００９３】
１ 荷電粒子ビーム発生装置
２ ビーム輸送系
３ ライナック
４ シンクロトロン
５ 高周波印加装置
６ 加速装置
７ 制御システム
１１ 出射用デフレクタ
１２ ビーム経路
１４，１５ 偏向電磁石
１６ Ｕ字状偏向電磁石
１７ 治療室
１８ ガントリー
２１ 照射装置
２２ａ 第１のＸ線撮像装置
２２ｂ 第２のＸ線撮像装置
２３ ガンマ線検出器
２４ カウチ
２５ 照射対象
２６，２８ ＦＰＤ
２７，３５，７１，７９ Ｘ線発生装置
３１，３２，６５，６６ 走査電磁石
３３ ビーム位置検出器
３４，６８，７６ 線量モニタ
３６，７２，８０ Ｘ線発生装置用レール
３７ 照射標的
４０ ＣＴ装置
４１ 照射計画システム
４２ データベース
４３ 機器制御システム
４４ 位置決めシステム
４５ 照射野確認システム
４６ 中央制御装置
４７ 加速器制御部
４８ 照射装置制御部
４９ 位置決め装置
５０ Ｘ線装置制御部
５１ カウチ制御部
５２ 照射野確認装置
５３ ガンマ線検出器制御部
６０ コンプトンカメラ
６１ 第一検出部
６２ 第二検出部
６３ 検出面
６７ 散乱体
６９，７７ ボーラス
７０，７８ コリメータ
７４ 回転散乱体
７５ 第二散乱体
【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を照射対象に出射する照射装置と、
前記荷電粒子ビームに基づいて前記照射対象から発生する即発ガンマ線を検出してガンマ線検出信号を出力するガンマ線検出器と、
前記荷電粒子ビームの識別情報に基づいて前記ガンマ線検出信号を識別し、識別した前記ガンマ線検出信号により照射野を求める照射野確認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２】
前記荷電粒子ビームの識別情報は、前記照射対象の深さ方向における前記荷電粒子ビームの目標照射位置情報であ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】
前記荷電粒子ビームの識別情報は、さらに前記照射対象の深さ方向と垂直な平面における前記荷電粒子ビームの目標照射位置情報を含み、
前記照射野確認装置は、
前記照射対象の深さ方向の目標照射位置情報に基づいて、前記ガンマ線検出信号を識別し、前記深さ方向と垂直な平面における目標照射位置情報及び識別された前記ガンマ線検出信号に基づいて、前記荷電粒子ビームの照射野を求め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４】
前記荷電粒子ビームの識別情報は、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射される前記荷電粒子ビームのエネルギー情報であ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５】
前記荷電粒子ビームの識別情報は、基準となる時刻からの時間情報であることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項６】
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る前記荷電粒子ビームのエネルギーを変更するエネルギー吸収体を備え、前記エネルギー吸収体を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、
前記荷電粒子ビームに基づいて前記照射対象から発生する即発ガンマ線を検出してガンマ線検出信号を出力するガンマ線検出器と、
前記荷電粒子ビームが通過する前記エネルギー吸収体の厚みに基づいて、前記ガンマ線検出信号を識別して照射野を求める照射野確認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７】
前記エネルギー吸収体は、レンジシフタであり、
前記レンジシフタの厚みに基づいて前記ガンマ線検出信号を識別し、前記識別された前記ガンマ線検出信号から前記即発ガンマ線の発生位置を特定して照射野を求めることを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項８】
前記エネルギー吸収体は、回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なる構成を有し、
前記エネルギー吸収体の回転角度を検出する角度検出器を備え、
前記照射野確認装置は、
前記角度検出器で検出した前記回転角度に基づいて、前記ガンマ線検出信号を識別し、前記識別された前記ガンマ線検出信号から前記即発ガンマ線の発生位置を特定して照射野を求めることを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項９】
前記ガンマ線検出器は、
入射した前記即発ガンマ線がコンプトン散乱を起こして生じた散乱ガンマ線及び反跳電子を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項１０】
前記荷電粒子ビームが陽子線又は炭素線であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項１１】
前記荷電粒子ビーム発生装置は、シンクロトロン又はサイクロトロンであることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の荷電粒子照射システム。
【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を照射対象に出射する照射装置と、
前記荷電粒子ビームに基づいて前記照射対象から発生する即発ガンマ線を検出してガンマ線検出信号を出力するガンマ線検出器と、
前記荷電粒子ビームの識別情報に基づいて前記ガンマ線検出信号を識別し、識別した前記ガンマ線検出信号により照射野を求める照射野確認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２】
前記荷電粒子ビームの識別情報は、前記照射対象の深さ方向における前記荷電粒子ビームの目標照射位置情報であ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】
前記荷電粒子ビームの識別情報は、さらに前記照射対象の深さ方向と垂直な平面における前記荷電粒子ビームの目標照射位置情報を含み、
前記照射野確認装置は、
前記照射対象の深さ方向の目標照射位置情報に基づいて、前記ガンマ線検出信号を識別し、前記深さ方向と垂直な平面における目標照射位置情報及び識別された前記ガンマ線検出信号に基づいて、前記荷電粒子ビームの照射野を求め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４】
前記荷電粒子ビームの識別情報は、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射される前記荷電粒子ビームのエネルギー情報であ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５】
前記荷電粒子ビームの識別情報は、基準となる時刻からの時間情報であることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項６】
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る前記荷電粒子ビームのエネルギーを変更するエネルギー吸収体を備え、前記エネルギー吸収体を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、
前記荷電粒子ビームに基づいて前記照射対象から発生する即発ガンマ線を検出してガンマ線検出信号を出力するガンマ線検出器と、
前記荷電粒子ビームが通過する前記エネルギー吸収体の厚みに基づいて、前記ガンマ線検出信号を識別して照射野を求める照射野確認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７】
前記エネルギー吸収体は、レンジシフタであり、
前記レンジシフタの厚みに基づいて前記ガンマ線検出信号を識別し、前記識別された前記ガンマ線検出信号から前記即発ガンマ線の発生位置を特定して照射野を求めることを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項８】
前記エネルギー吸収体は、回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なる構成を有し、
前記エネルギー吸収体の回転角度を検出する角度検出器を備え、
前記照射野確認装置は、
前記角度検出器で検出した前記回転角度に基づいて、前記ガンマ線検出信号を識別し、前記識別された前記ガンマ線検出信号から前記即発ガンマ線の発生位置を特定して照射野を求めることを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項９】
前記ガンマ線検出器は、
入射した前記即発ガンマ線がコンプトン散乱を起こして生じた散乱ガンマ線及び反跳電子を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項１０】
前記荷電粒子ビームが陽子線又は炭素線であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項１１】
前記荷電粒子ビーム発生装置は、シンクロトロン又はサイクロトロンであることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の荷電粒子照射システム。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−２６１６３４（Ｐ２００９−２６１６３４Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１４７６３（Ｐ２００８−１１４７６３）
【出願日】平成２０年４月２５日（２００８．４．２５）
【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２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月２５日（２００８．４．２５）
【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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