荷電粒子照射システム及び照射計画装置
【課題】荷電粒子照射システムにおいて、ビーム走査とエネルギースタッキングにより動く照射対象を照射し、一様な線量分布を形成したいニーズがある。
【解決手段】目標ビーム電流値を設定してイオンビームを出射する荷電粒子ビーム発生装置１と、走査電磁石２３，２４及びエネルギーフィルタ２６を有し、イオンビームを出射する照射装置２１と、照射対象の位置を測定し、照射対象の移動によって時間変化する信号を出力する監視装置６６を備え、監視装置から出力される信号に基づいて、イオンビームの出射タイミングを決定し、イオンビームのエネルギーを順次変更して各エネルギーでリペイント照射することで、上記課題を解決する。
【解決手段】目標ビーム電流値を設定してイオンビームを出射する荷電粒子ビーム発生装置１と、走査電磁石２３，２４及びエネルギーフィルタ２６を有し、イオンビームを出射する照射装置２１と、照射対象の位置を測定し、照射対象の移動によって時間変化する信号を出力する監視装置６６を備え、監視装置から出力される信号に基づいて、イオンビームの出射タイミングを決定し、イオンビームのエネルギーを順次変更して各エネルギーでリペイント照射することで、上記課題を解決する。
【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照射システムに関する。
【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いずれかの荷電粒子ビーム（イオンビーム）を照射する治療方法が知られている。この治療に用いる荷電粒子照射システムは荷電粒子ビーム発生装置，ビーム輸送系、及び照射室を備える。荷電粒子ビーム発生装置により発生したイオンビームはビーム輸送系により照射室へ輸送され、照射室内の照射装置へ達する。照射装置へ到達するイオンビームは細いビームである。照射装置は通過するイオンビームを走査する走査電磁石を有する。癌腫瘍などの照射標的に一様な線量分布を形成するため、照射装置に備えられた走査電磁石はビーム軸に垂直な方向（横方向）にイオンビームを走査して照射標的全体を照射することができる。このイオンビームを照射標的に照射した場合、イオンビームのエネルギーによって決まる特定の深さにピークを有する線量分布が形成される。この線量分布のピークをブラッグピークと呼ぶ。ブラッグピークの広がりは深さ方向に数mmと狭いため、エネルギーの異なるイオンビームを照射することで
標的を一様に照射する。
【０００３】
本発明が対象とするスキャニング法と呼ばれる線量分布拡大方法は、走査電磁石によりイオンビームを走査して横方向へ線量分布を拡大し、エネルギーを変更して深さ方向に線量分布を拡大する方法である。この照射方法は照射装置内でのイオンビームのエネルギー損失が少ないため、効率良くイオンビームを利用できる利点がある。一方で、ビーム走査とエネルギー変更により、患部などの照射対象を順次塗りつぶすように照射するため、例えば、呼吸により患部が移動するような照射対象が照射中に移動する場合、一様な線量分布を形成し難い可能性がある。
【０００４】
移動する照射標的に一様な線量分布を形成するため、特許文献１には照射対象の移動量を表す移動波形を予め求め、照射中に照射対象が予め決めた位相にあるときのみ線量を複数回に分割して照射するリペイント照射を実施する方法が記載されている。この方法は移動波形が予め求めたものから大きく変化した場合、照射を止め、次の周期の同じ位相から照射を再開することで所望の線量分布を形成する。
【０００５】
また、特許文献２には、照射装置に設けられる走査電磁石が、イオンビームの進行方向に対して垂直な方向に、イオンビームを偏向し、螺旋周期単位で照射を繰返すように制御される荷電粒子照射システムが開示されている。この荷電粒子照射システムでは、リペイント照射の際に、走査電磁石が螺旋周期単位でイオンビームの照射位置を操作し、この螺旋周期の途中でイオンビームの照射が中断されることがないように制御することで、一様な線量分布を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１５４６２７号公報
【特許文献２】特開２００６−２８８８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はスキャニング照射法を用いた荷電粒子照射システムにおいて、移動する照射標的に一様な線量分布を形成する手段を提供する。
【０００８】
特許文献１に記載の方法によると照射対象の移動波形が不安定な場合、照射中断により照射時間が長くなってしまう可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明はエネルギーフィルタとリペイント照射とゲート照射を行うことで、動く照射対象に対して所望の照射野を形成する。深さ方向の一様度はエネルギーフィルタによるブラッグピーク形状の緩和とリペイント照射により確保する。また、横方向の一様度を確保するため、ゲートが終了した後も短時間であればゲート外で照射しても影響は小さいことに着目し、一面の照射はその途中で中断すること無く照射する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、照射対象が移動した場合でも所望の線量分布を形成することができる。特にエネルギーフィルタを用いてブラッグピークの幅を大きくすることでブラッグピークの移動に対する線量の変化を小さくすることができる。さらに使用するエネルギー数を削減できるため、従来と同じ照射時間内にひとつのエネルギーで照射する時間を長くすることができ、多数回のリペイント照射を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子照射システムの全体概略構成を表す図である。
【図２】図１に示した荷電粒子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３】図１に示した荷電粒子照射システムに備えられる照射対象監視装置によるゲート信号作成の一例を示す図である。
【図４】図２に示した照射装置が備える走査電磁石が走査するイオンビームの経路の一例を示す図である。
【図５】図２に示した照射装置が備える走査電磁石が走査するイオンビームの経路の一例を示す図である。
【図６】図５に示した走査経路によるＸ軸方向の線量分布の一例を示す図である。
【図７】図２に示した照射装置が備えるエネルギーフィルタの概観を示す図である。
【図８】図２に示した照射装置が図２に示した照射対象にひとつのエネルギーで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９】エネルギーフィルタを備えていない照射装置を用いて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１０】エネルギーフィルタを備える照射装置を用いて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１１】横方向の一様な線量分布が得られない例を示し、（ａ）は高線量域が生じた場合、（ｂ）は低線量域が生じた場合を示す図である。
【図１２】深さ方向の一様な線量分布が得られない例である。
【図１３】図１に示した中央制御装置がイオンビームの出射ビーム電流値を算出する手順を示すフロー図である。
【図１４】照射する手順を示したフロー図である。
【図１５】イオンビームを照射するタイミングの例を示した図である。
【図１６】本発明の他の実施例である荷電粒子照射システムに備えられる荷電粒子ビーム発生装置の構成を示した構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
本発明の好適な一実施形態である荷電粒子照射システムについて、図１を用いて説明する。なお、本実施例の照射対象５１は特に患者とし、照射標的５２は患者内の患部を想定するが、本照射方法の照射対象は人でなくてもよい。
【００１４】
本実施例の荷電粒子照射システムは、荷電粒子ビーム発生装置１，ビーム輸送系２，照射装置２１，照射室１７，制御システム６０を備える。ビーム輸送系２が荷電粒子ビーム発生装置１と照射装置２１を接続する。また、荷電粒子照射システムは、照射計画装置６４に接続されている。
【００１５】
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７と、この高周波印加電極７に接続される高周波印加電源８を備える。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。
【００１６】
ビーム輸送系２は、ビーム経路１２，四極電磁石１４，四極電磁石１８，偏向電磁石１５，偏向電磁石１９，偏向電磁石２０を有する。ビーム経路１２が、照射室１７内に設置された照射装置２１に接続される。
【００１７】
照射室１７は、照射対象５１へイオンビームを照射する方向を変更できる回転ガントリ（図示せず）を備える。照射装置２１は回転ガントリと共に回転する。また、照射室１７内には、照射装置２１，照射対象を支持するカウチ（支持装置）４１，照射対象監視装置６６が備えられている。照射対象はカウチ４１と呼ばれる３次元に自由に移動することができるベッド上に設置される。また、照射室１７内には照射対象の動きを計測する照射対象監視装置６６を備える。
【００１８】
照射装置２１について図２を用いて説明する。照射装置２１は、ビーム進行方向の上流側からモニタ２２，Ｙ軸走査電磁石２３，Ｘ軸走査電磁石２４，散乱体２５，エネルギーフィルタ２６，エネルギー吸収体２７，モニタ２８，コリメータ３０，ボーラス３１を有する。Ｙ軸走査電磁石２３及びＸ軸走査電磁石２４が、通過するイオンビームを横方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）へ走査する。ここで、横方向とはビーム軸に垂直な方向である。
エネルギーフィルタ２６は楔形をしており、ブラッグピークと呼ばれる深さ方向のイオンビームの線量分布を緩やかにする。散乱体２５は通過するイオンビームのビーム径を拡大する。モニタ２２及び２８はイオンビームの線量分布の平坦度，照射線量，ビーム位置，ビーム強度（ビーム電流値）を計測する。エネルギー吸収体２７はビームエネルギーの微調整に使用する。コリメータ３０はイオンビームの横方向の線量分布形状を照射標的の形に一致させ、ボーラス３１は標的の形状に合わせて横方向の位置毎にイオンビームの飛程を調整する。
【００１９】
制御システム６０は、図１に示すように、中央制御装置６１，加速器制御装置６２，照射制御装置６３を備える。中央制御装置６１は、加速器制御装置６２及び照射制御装置６３に接続される。また、照射計画装置６４が、中央制御装置６１及び照射対象監視制御装置（監視制御装置）６５に接続される。加速器制御装置６２は、荷電粒子ビーム発生装置１に接続され、荷電粒子ビーム発生装置１に備えられる機器を制御する。照射制御装置６３は、照射装置２１に接続され、照射装置２１に備えられる機器を制御する。照射制御装置６３は、照射対象監視制御装置６５に接続される。加速器制御装置６２は照射制御装置６３に接続されている。
【００２０】
中央制御装置６１は、照射に必要なパラメータを照射計画装置６４から受け取り、これらのパラメータに基づいて、加速器制御装置６２と照射制御装置６３を制御することでイオンビームの照射を制御する。加速器制御装置６２は、照射制御装置６３からの信号を使用して、荷電粒子ビーム発生装置１と輸送系２を制御する。照射制御装置６３は、照射装置２１と照射対象監視制御装置６５からの信号を受け取り、照射装置２１の制御と加速器制御装置６２へ出射開始信号などの信号を送信する。
【００２１】
本実施例の荷電粒子照射システムは、照射対象に照射するイオンビームのビーム電流値を所望の値に制御することができる。その方法は以下の通りである。
【００２２】
照射装置２１内のビーム軌道上に設置されたモニタ２２，２８が、通過するイオンビームを検出し、照射制御装置６３に検出信号を出力する。照射制御装置６３は、この検出信号に基づいてイオンビームのビーム電流値を計測し、求めたビーム電流値を加速器制御装置６２に出力する。加速器制御装置６２は、予め設定されている所望のビーム電流値と、照射制御装置６３から受け取ったビーム電流値（モニタ２２，２８からの検出信号に基づくビーム電流値）とを比較する。モニタ２２，２８からの検出信号に基づくビーム電流値が所望のビーム電流値よりも小さい場合、加速器制御装置６２は、高周波印加電源８を制御し、高周波印加電極７へ印加する高周波強度を大きくする。モニタ２２，２８からの検出信号に基づくビーム電流値が所望のビーム電流値よりも大きい場合、加速器制御装置６３は、高周波印加装置８を制御し、高周波印加電極７に印加する高周波強度を小さくする。このように、加速器制御装置６２が高周波印加電源８を制御し、高周波印加電極７に印加する高周波の強度を調整することで、シンクロトロン４から出射されるイオンビームのビーム電流値を調整することができる。この制御を繰返すことで出射されるビーム電流値を所望の値にすることができる。
【００２３】
照射対象監視装置６６について、図３を用いて説明する。照射対象監視装置６６は、照射室１７内に設置され照射対象５１を監視する。照射対象監視制御装置６５は、照射対象監視装置６６に接続され、この照射対象監視装置６６を制御する。照射対象５１は準周期的な動きをする。照射対象監視装置６６は、照射対象５１の表面の動きをレーザー距離計により監視し、図３にあるような照射対象移動信号を作成する。照射対象監視装置６６は、この照射対象移動信号の振幅が照射計画装置６４により指定された範囲（図３に示すゲート範囲）にあるときゲート信号を出力する。ゲート範囲は照射計画装置６４より指定される。図３のゲート信号の立ち上がりがゲート開始信号，立ち下りがゲート終了信号である。ここで、準周期的とは臓器が呼吸により動くような、完全な再現性のない不完全な周期的な動きと定義する。
【００２４】
なお、本実施例では、照射対象監視装置６６としてレーザー距離計を用いる例を示したが、Ｘ線透視画像を用いることにより照射対象移動信号を作成してもよい。また、赤外線により照射対象の移動量を測定、照射対象表面に加速度センサを設置して加速度を測定、或いは超音波により照射対象内部の動きを測定することにより照射対象移動信号を作成してもよい。また、照射対象が患者の場合、呼吸による空気の流量を計測することで照射対象移動信号を作成してもよい。
【００２５】
本実施例の照射装置２１により形成する線量分布について、図４から図１０を用いて説明する。線量分布はビーム走査による横方向の線量分布形成と、エネルギー変更による深さ方向の線量分布形成を組み合わせることで実現する。
【００２６】
まず、照射装置２１内のＹ軸走査電磁石２３及びＸ軸走査電磁石２４を用いて、イオンビームを横方向に走査する方法ついて説明する。図４と図５はイオンビームを走査する経路の例を示している。図４はジグザグ型の走査経路で走査開始終了点を一箇所持ち、図５はレクタンギュラー型の走査経路で走査開始終了点を二つ持つ。本実施例では、ジグザグ型のビーム走査（図４）であっても、レクタンギュラー型のビーム走査（図５）であっても同様の効果を得ることができる。本実施例の照射装置２１は、散乱体２５により径を拡大したイオンビームをＹ軸走査電磁石２３及びＸ軸走査電磁石２４で図４又は図５に示す経路を走査し横方向に分布を形成する。Ｘ軸及びＹ軸はビーム軸に垂直な方向であり、Ｘ軸とＹ軸は互いに直交する方向を示す。
【００２７】
図６は、図５のＸ方向の線量分布を示したものである。図６に示すように横方向に一様な線量分布となる。なお、本実施例の照射方法では、ひとつのエネルギーで図４又は図５の経路を複数回走査して照射野を形成する。図４または図５の走査開始・終了点から次の走査開始・終了点に到達するまでの走査、すなわち横方向に一様な照射野を形成する最小単位の走査を一面照射（単位照射）と呼び、この一面照射を繰返すことをリペイント照射と呼ぶ。
【００２８】
図４に示す経路はＸ軸方向，Ｙ軸方向それぞれが常に等速で走査する経路となっており、制御が容易となる利点がある。図５に示す経路は図４に示す経路より短い経路で一面照射することができる。なお、本実施例はＹ軸のほうが速い走査が要求されるため、ビーム上流側の走査電磁石を用いてＹ方向に走査している。
【００２９】
次に、ビーム進行方向（体表面からの深さ方向）へのイオンビームの照射について説明する。深さ方向はエネルギーフィルタ２６によりブラッグピークを拡大し、エネルギーを変更してブラッグピークを重ね合わせることで一様な線量分布を形成する。ひとつのエネルギーにより形成する線量分布を層と呼ぶ。エネルギーフィルタ２６は図７に示すような楔型をしており、ビーム軸に垂直な方向の位置により厚みが異なる。イオンビームはその厚みにより異なるエネルギーを損失する。図８（ａ）がエネルギーフィルタ２６を使用しない場合の深さ方向の線量分布であり、図８（ｂ）がエネルギーフィルタ２６を使用した線量分布である。エネルギーフィルタ２６によりイオンビームのエネルギー分布が拡大されるため、ブラッグピークの鋭さが緩和された線量分布を形成する。エネルギーフィルタ２６を設置せずに照射装置からビームを出射した場合（図８（ａ））のエネルギー分布を重ねて一様な線量分布を作成したものを図９に示す。また、エネルギーフィルタ２６を照射装置２１内に設置してビームを出射した場合（図８（ｂ））のエネルギー分布を重ねて一様な線量分布を形成したものを図１０に示す。図９はブラッグピークの間隔が５mm以下であるのに対し、図１０はブラッグピークの間隔が例えば１cm又は２cmであり図９に比べ大きい。このように、本実施例は、照射標的を深さ方向（体内でのイオンビームの進行方向）において複数の層に分割し、イオンビームのエネルギーを深さ（各層）に応じたエネルギーに変えて、深さ方向に厚みを持つ照射標的の全部に所望のイオンビームを照射するが、照射装置２１内に設置されたエネルギーフィルタ２６を通過したイオンビームを照射するため、照射標的の各層の厚みを大きくすることができる。これにより、照射標的を深さ方向に分割する分割数を少なくでき、短い治療時間で所望の線量分布を形成できる。また、エネルギーフィルタ２６を通過したイオンビームを照射標的に照射するため、各エネルギーでのブラッグピークの形状が緩やかとなり、深さ方向の単位長さあたりの線量変化が小さいため、線量一様度は照射対象の深さ方向への移動や変形に対し鈍感となり、照射標的の全域にわたって線量一様度が向上する。
【００３０】
ここで準周期的に動く照射標的をスキャニング照射により照射するとき、一様な線量分布が得られない要因を説明する。
【００３１】
移動を伴う照射対象５１を照射する場合、従来からゲート照射と呼ばれる方法が採用されている。この方法は照射対象５１が準周期的な動きをするとき、照射対象５１の動きを監視して、その動きがある決まった位相（ゲート）内にあるときのみ照射する方法である。この方法により、イオンビームを照射するときの照射対象５１の位置は限定されるため、ゲート照射しない場合に比べて位置精度良く照射することができる。しかし、このゲート照射をした場合でも、照射対象５１の周期的な動きに不確定な部分があるため照射対象５１の位置を数mm以下の精度で限定することは困難である。この数mmの動きが線量分布の
変化に関係する。
【００３２】
まず、ビーム進行方向に垂直な方向である横方向の一様度について説明する。イオンビームを走査して照射している途中でゲートが終了し、照射を中断したとする。次のゲート開始と同時に照射を再開すると照射対象５１の位置が照射を中断したときからずれている可能性があるため、照射位置が重なった場合、図１１（ａ）に示すように高線量域が発生してしまう。一方、照射位置が離れてしまった場合、図１１（ｂ）に示すように低線量域が発生してしまう。
【００３３】
次に、ビーム進行方向に平行な方向である深さ方向（体表面からの深さ方向）について説明する。あるエネルギーで照射されたイオンビームはブラッグピークを持つ線量分布を形成する。そのエネルギーでの照射が完了すると、シンクロトロン４で次のエネルギーにイオンビームを加速し照射を再開するが、イオンビームのエネルギーを変更している時間に照射対象の位置は移動してしまい、異なるブラッグピーク間の深さ方向の距離が変化してしまう。図１２は点線で示したブラッグピークが浅い側へ移動してしまった場合の線量分布を示している。このようにブラッグピークが移動すると、深さ方向に対しても高線量域と低線量域が発生してしまう可能性がある。
【００３４】
以上説明した要因により線量分布が変化し一様な線量分布が得られない可能性がある。
本実施例の荷電粒子照射システム（照射方法）によれば、一面照射の途中で照射を中断しないことにより横方向に一様な線量分布を形成し、エネルギーフィルタ２６によるブラッグピークの緩和とリペイント照射によるブラッグピーク位置の揺らぎの減少により深さ方向に一様な線量分布を形成することができる。
【００３５】
照射計画装置６４には、予めＸ線ＣＴ装置（Ｘ線Computed Tomography装置）により撮影された照射対象５１の撮影データが記憶されている。照射計画装置６４は、この撮影データに基づいて、照射標的５２を含む照射対象５１の画像を表示装置（図示せず）に表示する。オペレータが、この画像データに基づいて、照射標的５２に必要な照射線量及び照射標的５２の照射野形状を判断する。オペレータは、入力装置（図示せず）からこの照射線量及び照射野形状を入力する。照射計画装置６４が、照射線量及び照射野形状の情報を受信すると、オペレータが指定した照射線量と照射野形状を形成するように第１パラメータを決定する。第１パラメータには、照射角度（回転ガントリの角度），イオンビームのエネルギー，イオンビームの電荷量，照射野の大きさ，コリメータ形状，ボーラス形状の情報が含まれ、これらの情報は記憶装置に記憶される。ここで、本実施例の照射方法では、照射標的５２を深さ方向に複数の層Ｌi（ｉ＝１，２‥Ｎ）に分割してイオンビームを照射する。照射計画装置６４は、それぞれの層の深さに応じて照射に適したイオンビームのエネルギーを求める。複数のエネルギーにより照射するため、照射計画装置６４は照射標的５２の照射対象５１内での深さに応じて照射に用いる全てのエネルギーを指定する。
照射標的５２に所望の線量が照射されるように、エネルギー毎にイオンビームの電荷量を決定する。照射計画装置６４は、決定したイオンビームのエネルギー情報及び各エネルギーでの電荷量の情報を記憶装置に記憶する。
【００３６】
また、オペレータは、入力装置を用いて各エネルギーのリペイント照射回数を指定する。入力されたリペイント照射回数の情報は、照射計画装置６４に送信され、記憶装置に記憶される。ここで、リペイント照射回数とは、照射標的５２のある層に対して、イオンビームの走査開始点から走査終了点までのイオンビームの走査を１単位として、何度の照射（リペイント）をするかを示す。
【００３７】
照射対象監視装置６６（本実施例では、レーザー距離計）は、カウチ４１に横たわる照射対象５１の体表面の動きを測定し、照射対象５１の位置情報である照射対象移動信号を作成する。この照射対象移動信号は、照射対象監視制御装置６５を介して照射計画装置６４に送信される。照射計画装置６４は、図３に示したような照射対象移動信号を表示装置に表示する。オペレータは、表示された照射対象移動信号に基づいて、照射対象監視装置６６がゲート信号を出力する照射対象移動信号の振幅の範囲（ゲート範囲）を判断し、入力装置からゲート範囲を指定する。指定したゲート範囲は照射対象監視装置６５へ送信する。また、照射計画装置６４は、受信した照射対象移動信号に基づいて、照射対象移動信号の平均値を求める。ここで求めた照射対象移動信号の平均値と入力装置から指定されたゲート範囲に基づいて、照射計画装置６４は、照射対象移動信号がゲート範囲内にあるゲート時間の平均値（平均ゲート時間）を求める。求めた平均ゲート時間は、他の照射に必要なパラメータと共に中央制御装置６１へ送信され、記憶装置に記憶される。なお、本実施例では、照射室内に設置した照射対象監視装置６６を用いて照射対象移動信号を予め取得しているが、照射室外にある別の照射対象監視装置を用いて取得してもよい。
【００３８】
照射に必要な情報は照射計画装置６４が作成するパラメータ以外に、ビーム電流値が必要である。以下、図１３を用いて中央制御装置６１がビーム電流値を算出する手順を説明する。なお、中央制御装置６１は、予め照射計画装置６４からビーム電流値算出に必要な第２パラメータを受け取る。ここで、第２パラメータとは、イオンビームのエネルギー，イオンビームの電荷量，照射野の大きさ，平均ゲート時間，リペイント照射回数などの情報である。中央制御装置６１は、これらの第２パラメータを記憶装置に記憶する。
【００３９】
中央制御装置６１は、照射対象５１に照射するイオンビームのうち、高エネルギーから順にエネルギー毎にビーム電流値を決定する。つまり、照射標的５２をビーム進行方向に複数の層Ｌi（ｉ＝１，２‥Ｎ）に分割した場合の、体表面から深い位置にある層（最深部の層Ｌ1）から順に浅い層へ、各層でのビーム電流値を求めている。以下、図１３に示すチャート図を用いて、各層でのビーム電流値を求める手法について説明する。
【００４０】
図１３のステップ１０１から始め、ステップ１０２において、中央制御装置６１は、イオンビームの電荷量の観点からスピル数を求める。つまり、まず、中央制御装置６１が、予め記憶装置に記憶されているひとつの周期（一スピル）でシンクロトロン４から出射可能な電荷量（第１電荷量）と、照射標的５２の層Ｌiへの照射に必要な電荷量（第２電荷量）の情報を読み取る。中央制御装置６１は、第２電荷量を第１電荷量で割り、小数点以下を切り上げて求めた値を、イオンビームの電荷量の観点からみたスピル数とする。例えば、シンクロトロン４が一スピル当たり（一運転周期当たり）に出射可能なイオンビームの電荷量が１０〔ｎＣ〕であり、照射標的５２の層Ｌiに対して必要となるイオンビームの電荷量が３５〔ｎＣ〕とする。このような場合、第２電荷量である３５〔ｎＣ〕を、第１電荷量１０〔ｎＣ〕で割った値３.５のうち、小数点以下を切り上げた値４が、イオンビームの電荷量の観点からみたスピル数となる。つまり、層Ｌiに対してイオンビームを照射する場合、必要となるスピル数が４となる。
【００４１】
次に、ステップ１０３にて、中央制御装置６１は、リペイント照射回数の観点からみたスピル数を求める。具体的には、中央制御装置６１は、まず、記憶装置から平均ゲート時間と一面照射時間の情報を読み取る。ここで、平均ゲート時間は、第２パラメータに含まれる情報であり、予め記憶装置に記憶されている。また、一面照射時間とは、照射標的５２のある一つの層Ｌiの照射に要する照射時間（一面照射に要する時間）を示し、Ｙ軸走査電磁石２２及びＸ軸走査電磁石２４によるイオンビームの走査速度と照射野の大きさによって異なる値となる。中央制御装置６１は、イオンビームの走査速度及び照射標的５２の照射野の大きさに基づいて、各層に対する一面照射時間を求め、この一面照射時間を予め記憶装置に記憶させている。中央制御装置６１は、ここで読み取った平均ゲート時間を、一面照射時間で割り、小数点以下を切り捨てることで一スピルあたりのリペイント照射回数（第１リペイント照射回数）を求める。ここで求めた第１リペイント照射回数は、シンクロトロン４の一運転周期で、照射標的５２の層Ｌiに対して何度のリペイント照射が可能かを示す数値である。次に、中央制御装置６１は、照射標的５２の層Ｌiに対して必要となるリペイント照射回数（第２リペイント照射回数）の情報を記憶装置から読み出す。この第２リペイント照射回数は、照射計画装置６４から受信した値であり、予め記憶装置に記憶されているオペレータにより指定されたリペイント照射回数（一様な線量分布を形成するのに必要と判断されたリペイント照射回数）である。中央制御装置６１は、必要なリペイント照射回数（第２リペイント照射回数）を、１スピルあたりのリペイント照射回数（第１リペイント照射回数）で割って求めた値を、リペイント照射回数の観点からみたスピル数とする。例えば、ある患者の照射対象移動信号に基づく平均ゲート時間が０.５〔秒〕であり、層Ｌiへの一面照射時間が０.１〔秒〕とする。このような場合、中央制御装置６１は、一回のスピル当たりに照射可能なリペイント照射回数（第１リペイント照射回数）を５回とする。次に、層Ｌiに対して必要となるリペイント照射回数が５０回の場合、中央制御装置６１は、第２リペイント照射回数である５０回を、第１リペイント照射回数である５回で割った値１０を、リペイント照射回数の観点から見たスピル数とする。
【００４２】
ステップ１０４にて、中央制御装置６１は、ステップ１０２で求めたスピル数と、ステップ１０３で求めたスピル数を比較し、大きいほうを照射に必要なスピル数とする。例えば、前述の通り、ステップ１０２で求めたイオンビームの電荷量の観点からみたスピル数が４であり、ステップ１０３で求めたリペイント照射回数の観点からみたスピル数が１０の場合、照射に必要なスピル数を１０とする。
【００４３】
次にステップ１０５にて、ビーム電流値とスピルあたりの最大リペイント照射回数を求める。具体的には、中央制御装置６１は、ステップ１０４で求めた照射に必要なスピル数と、ステップ１０３で求めた１スピルあたりのリペイント照射回数と、一面照射時間との積を求め、求めた値を層Liに対してイオンビームを出射すべき時間（出射時間）とする。
次に、層Ｌiを照射するのに必要となるトータルの電荷量（第２電荷量）を、ステップ１０４で求めた照射に必要なスピル数で割った値を、層Ｌiに対して一スピルあたりに必要な電荷量とする。この一スピル当たりに必要な電荷量を出射時間で割りビーム電流値とする。このビーム電流値が、層Ｌiに対してイオンビームを照射する際のビーム電流値となる。また、１スピルあたりの最大リペイント照射回数は、ステップ１０３で求めた１スピルあたりのリペイント照射回数とする。中央制御装置６１は、ここで求めたビーム電流値とスピルあたりの最大リペイント照射回数を記憶装置に記憶する。本実施例のように最大リペイント照射回数を設定することで、照射中に電荷が不足して必要なビーム電流が得られないようなことが起きることを防ぐことができる。ある層Ｌiに対するビーム電流値及び最大リペイント照射回数を記憶装置に記憶すると、ステップ１０６にて、中央制御装置６１は、次のエネルギーに対応する層（Ｌi+1）があるかを判断する。次の層があると判断した場合、中央制御装置６１は、ステップ１０２にもとり、ステップ１０２からステップ１０５を実施して、層Ｌi+1に対するビーム電流値及び最大リペイント照射回数を求める。以上の計算を全てのエネルギー（全ての層Ｌi（ｉ＝１，２‥Ｎ））について実施し、ステップ１０６にて、次のエネルギーに相当する層がないと判断した場合、中央制御装置６１は、ビーム電流値及び最大リペイント照射回数の計算を終了する。
【００４４】
なお、以上の計算によりリペイント照射しない層がある場合もある。浅い層で照射量が少なく平均ゲート時間が短い場合、上記の計算の結果、リペイント照射回数が一回になる場合もある。
【００４５】
ステップ１０６で残りエネルギーがある場合はステップ１０２に戻り計算を繰返す。なお、ステップ１０４にてステップ１０３で算出したスピル数を採用した場合、電荷に余裕があるため１スピルあたりの最大リペイント照射回数をより大きい値に設定することも可能である。
【００４６】
本実施例は、以上のように、各エネルギー（各層Ｌi）でのビーム電流値を算出することにより、照射計画装置６４により指定されるリペイント照射回数を満たし、出射可能電荷量を考慮した最大ビーム電流によりイオンビームを照射することができる。最大ビーム電流でイオンビームを照射することにより照射時間を短縮することができ、照射対象の拘束時間を短くして負担を減らすことができる。さらに、一人の患者に対する治療時間を短縮することによって、より多くの患者を治療できるようになり、患者のスループットを向上させることができる。
【００４７】
ビーム電流値を算出した後、中央制御装置６１は加速器制御装置６２と照射制御装置６３へ必要な情報を送信する。イオンビームのエネルギーとビーム電流値を加速器制御装置６２へ送信し、イオンビームの電荷量とエネルギー、照射野の大きさを照射制御装置６３へ送信する。照射制御装置６３は照射装置２１内のモニタ２２，２８から取得したデータをもとにイオンビームの位置，幅，電荷量，ビーム電流値を算出し、加速器制御装置６２へ出射開始信号，出射停止信号，ビーム電流値を送信する。また、走査電磁石２３，２４を励磁する励磁電源（図示せず）を制御して励磁電流を制御することにより、イオンビームの到達する横方向の位置を変更する。また、照射対象監視装置６６からのゲート信号を受信する。なお、ゲート信号の開始をゲート開始信号、ゲートの終了をゲート終了信号とする。
【００４８】
以上により照射計画装置６４と中央制御装置６１により照射に必要なパラメータが全て決定され、必要なパラメータが加速器制御装置６２と照射制御装置６３に設定される。照射対象５１を載せたカウチ１が所定の位置に位置決めされると照射準備完了となる。
【００４９】
図１４を用いてイオンビームを照射する手順について説明する。全ての照射準備が整った後、オペレータにより中央制御装置６１の照射開始ボタンが押され、ステップ１１１で一連の照射を開始する。まず、中央制御装置６１は加速器制御装置６２へ加速信号を送信し、照射制御装置６３へ照射開始信号を送信する。加速器制御装置６２は以下の制御をしてイオンビームを照射に用いるエネルギーまで加速する。まずイオン源からライナックに入射されたイオンビームは前段加速され、シンクロトロンに入射される。入射されたイオンビームはシンクロトロン内を周回し、加速装置により加速され照射計画装置により指定されたエネルギーまで加速される。イオンビームの加速が完了すると照射制御装置６３へ出射準備完了信号を送信する。照射制御装置６３は中央制御装置６１から照射開始信号を受信すると走査電磁石を制御して走査開始位置へイオンビームが走査されるように準備する。出射準備完了信号を受信した後、ステップ１１２にてゲート開始信号を受信するとステップ１１３で一面照射を行う。具体的には照射制御装置６３が加速器制御装置６２へ出射開始信号を出力し、ビーム走査を開始する。加速器制御装置６２は照射制御装置６３から出射開始信号を受信すると、加速されたイオンビームに高周波印加装置により高周波を印加する。イオンビームはデフレクタを通じて出射される。ビーム出射中、照射制御装置６３は線量モニタ信号から算出したビーム電流値を加速器制御装置６２へ送信し続け、加速器制御装置６２は照射制御装置６３から受信するビーム電流値を参照し高周波印加装置を制御して中央制御装置６１から指定されたビーム電流値でイオンビームを出射する。一面照射毎にステップ１１４からステップ１１６の確認をして全てに該当しない場合、ステップ１１３に戻り次の一面照射を継続して行う。ステップ１１４は照射中のエネルギーによるリペイント照射回数が照射計画装置により指定された回数に到達していることの確認、ステップ１１５は、同一周期中のリペイント照射回数がスピルあたりの最大リペイント照射回数に到達することの確認、ステップ１１６は一面照射中にゲート終了信号を受信していることの確認である。ステップ１１５又はステップ１１６に該当した場合、シンクロトロンはイオンビームの減速と加速をして新たに電荷を蓄積しステップ１１２に移行し、次のゲート開始信号により照射を再開する。また、ステップ１１４に該当した場合、ステップ１１７にて次のエネルギーを確認し、ある場合はステップ１１２へ戻り次のエネルギーによる照射を開始し、ない場合は照射終了となる。
【００５０】
図１４のフローに従って照射した場合の例を図１５に示す。照射対象移動信号及びゲート信号は図３と同様である。スピルあたりの最大リペイント照射回数６回、エネルギーあたりのリペイント照射回数を１５回とし、ひとつのエネルギーによる照射を示す。ビーム照射軸上にあるひとつの四角は一面照射を表す。まずひとつ目のスピルにおいて、ゲート開始と共に一面照射を開始する。５回目の一面照射中にゲート終了となっているため、５回目の一面照射完了によりひとつ目のスピルによる照射を完了する。ふたつ目のスピルは６回のリペイント照射を終了した時点でゲートは終了していないが、スピルあたりの最大リペイント照射回数が６回であることからリペイント照射回数６回にて二つ目のスピルを終了する。３つ目のスピルでは４回のリペイント照射により、エネルギーあたりのリペイント照射回数１５に到達するため、４回のリペイント照射により三つ目のスピルによる照射を終了する。
【００５１】
本実施例の照射方法による効果について、以下説明する。
【００５２】
まず、横方向に一様な線量分布を形成するため、横方向の一面照射時間を短縮しゲートが終了した後も一面の照射を完了するまでは照射を継続している。この処理により、横方向への線量分布の繋ぎ目により線量分布が変化することがなくなる。また、ゲートが終了した後照射することはゲート照射による照射対象位置を限定した効果を打ち消してしまうが、一面照射時間を短縮することにより、ゲート終了後の照射時間を短くすることでゲート照射の効果を得ることができる。また、ゲート範囲を小さく設定することでゲート終了後に照射した場合でもゲート照射の効果を得ることができる。
【００５３】
次に、深さ方向に一様な線量分布を形成するため、エネルギーフィルタ２６を使用してリペイント照射している。リペイント照射することにより、ひとつのエネルギーで形成するブラッグピークは一面照射により形成されるブラッグピークを重ね合わせたブラッグピークとなる。より多くリペイント照射することで重ね合わせたブラッグピークの位置は安定し、異なるブラッグピーク間の距離を一定に近づけることができる。また、エネルギーフィルタ２６によりブラッグピークの幅を大きくすることで深さ方向の単位長さあたりの線量変化量を小さくすることができる。すなわち線量分布の深さ方向の傾きが緩やかになる。傾きが緩やかな線量分布はブラッグピーク位置の深さ方向の移動に対して線量の変化が小さいため、一様な線量分布を形成することができる。
【００５４】
本実施例はさらに散乱体２５を使用し連続走査している。散乱体２５を使用することにより走査経路が短くなり一面照射時間が短くなる。一面照射時間が短くなることで、ゲート終了後の照射時間を短くすることができる。さらに、一面照射時間が短いことで一面照射時間内の照射対象の動きは小さくなり一様度へ与える影響を小さくすることができる。
また、散乱体２５を使用することにより、横方向の単位距離あたりの線量変化は小さくなり照射対象の動きやイオンビームの位置が揺らぐ場合にも一様な分布を得易くなる。また、一面照射時間が短くなることで一定の時間内に可能なリペイント照射回数を増やすことができる。
【００５５】
本実施例はエネルギーフィルタ２６を使用している。エネルギーフィルタ２６でブラッグピークを緩和することにより深さ方向のずれに鈍感な線量分布を形成できる他、線量分布形成に必要なエネルギーの数を減らすことができる。さらにエネルギーの数が減ったことにより、ひとつのエネルギーによる照射時間を長くすることができ、照射時間が長くなることによりリペイント照射回数を増加させることができる。
【００５６】
本実施例に示す方法による特許文献１に記載の方法の課題の解決策を説明する。本実施例ではリペイント照射回数を大幅に増加させることにより一様度を確保するため、特許文献１で課題となる照射対象の移動波形が不安定な場合でも一様な照射野を短時間に形成することができる。
【００５７】
本実施例に示す照射方法によれば、リペイント照射回数を増加させることで線量一様度を得るため、照射対象の移動波形が不安定な場合でもその動きがゲート範囲内であれば照射を続けるため照射時間が長くなってしまうことがない。さらに周期あたりの出射可能電荷を考慮してビーム電流値を決定し照射するため、周期あたりの出射可能電荷が限られる場合においても適用可能である。
【００５８】
本実施例によれば、中央制御装置が、シンクロトロンの一スピル当たりの出射可能電荷量を考慮して各エネルギー（各層）でのビーム電流値を決め、スピル当たりの最大リペイント照射回数を決定するため、各層での一面照射の途中でイオンビームの照射を中断することがない。このため、イオンビームの照射の中断により線量分布の一様度が悪化することを防ぐことができる。
【００５９】
なお、本実施例は荷電粒子ビーム発生装置にシンクロトロンを採用した場合について説明したが、サイクロトロンなどの加速器を用いてもよい。サイクロトロンなどのひとつの周期内で使用する電荷量の制限が無視できる場合、スピルあたりの最大リペイント照射回数は無限大として本実施例に従い照射することで短時間に一様な照射野を形成することができる。
【００６０】
サイクロトロンを用いた荷電粒子ビーム照射装置システムは、実施例１の荷電粒子照射装置システムにおいて荷電粒子ビーム発生装置１を、図１６に示す荷電粒子ビーム発生装置１Ａに替えた構成を有する。この荷電粒子ビーム発生装置１Ａはイオン源８０とサイクロトロン４Ａとビーム加速装置８１とエネルギー吸収体８２から構成される。イオン源８０により発生したイオンビームはサイクロトロン４Ａにより一定のエネルギーまで加速され、エネルギー吸収体８２によりエネルギーを調整された後、ビーム輸送系２により照射装置２１へ輸送される。このときビーム電流はイオン源８０の出力を変更することにより所望の値にすることができる。
【００６１】
なお、本実施例は荷電粒子ビーム発生装置から出射されるイオンビームのエネルギーを変更することで照射対象に到達するイオンビームのエネルギーを変更したが、照射装置内のエネルギー吸収体、或いはビーム輸送系にエネルギー吸収体を設置することで照射対象に到達するイオンビームのエネルギーを変更しても良い。
【００６２】
なお、本実施例は中央制御装置６１がビーム電流値を計算したが、中央制御装置６１に予め登録されている情報を照射計画装置にも登録しておき、照射計画装置がビーム電流値を計算してもよい。
【００６３】
なお、ここまでひとつの周期内のビーム電流値は一定であることを仮定し、ひとつのエネルギーで照射する層の線量は横方向に一定であることを仮定したが、一定ではない線量分布を持つ場合でも良い。一定ではない線量分布を形成するためにはビーム電流値を照射位置毎に変化させる方法や、走査経路と走査速度を変化させる方法がある。
【００６４】
また、散乱体２５を使用せず照射することでコリメータ及びボーラスを使用することなく照射野を形成することもできる。このとき、一様度を確保するためリペイント照射回数は増加させる必要があり、照射時間は散乱体２５を使用した場合と比べ長くなる。
【符号の説明】
【００６５】
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 高周波印加電極
８ 高周波電源
１１ 出射用デフレクタ
１２ ビーム経路
１４，１８ 四極電磁石
１５，１９，２０ 偏向電磁石
１７ 照射室
２１ 照射装置
２２，２８ モニタ
２７，３５ Ｘ線発生装置
２３ Ｙ軸走査電磁石
２４ Ｘ軸走査電磁石
２５ 散乱体
２６ エネルギーフィルタ
２７ エネルギー吸収体
３０ コリメータ
３１ ボーラス
４１ カウチ
５１ 照射対象
５２ 照射標的
６０ 制御システム
６１ 中央制御装置
６２ 加速器制御装置
６３ 照射制御装置
６４ 照射計画装置
６５ 照射対象監視制御装置
６６ 照射対象監視装置
【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照射システムに関する。
【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いずれかの荷電粒子ビーム（イオンビーム）を照射する治療方法が知られている。この治療に用いる荷電粒子照射システムは荷電粒子ビーム発生装置，ビーム輸送系、及び照射室を備える。荷電粒子ビーム発生装置により発生したイオンビームはビーム輸送系により照射室へ輸送され、照射室内の照射装置へ達する。照射装置へ到達するイオンビームは細いビームである。照射装置は通過するイオンビームを走査する走査電磁石を有する。癌腫瘍などの照射標的に一様な線量分布を形成するため、照射装置に備えられた走査電磁石はビーム軸に垂直な方向（横方向）にイオンビームを走査して照射標的全体を照射することができる。このイオンビームを照射標的に照射した場合、イオンビームのエネルギーによって決まる特定の深さにピークを有する線量分布が形成される。この線量分布のピークをブラッグピークと呼ぶ。ブラッグピークの広がりは深さ方向に数mmと狭いため、エネルギーの異なるイオンビームを照射することで
標的を一様に照射する。
【０００３】
本発明が対象とするスキャニング法と呼ばれる線量分布拡大方法は、走査電磁石によりイオンビームを走査して横方向へ線量分布を拡大し、エネルギーを変更して深さ方向に線量分布を拡大する方法である。この照射方法は照射装置内でのイオンビームのエネルギー損失が少ないため、効率良くイオンビームを利用できる利点がある。一方で、ビーム走査とエネルギー変更により、患部などの照射対象を順次塗りつぶすように照射するため、例えば、呼吸により患部が移動するような照射対象が照射中に移動する場合、一様な線量分布を形成し難い可能性がある。
【０００４】
移動する照射標的に一様な線量分布を形成するため、特許文献１には照射対象の移動量を表す移動波形を予め求め、照射中に照射対象が予め決めた位相にあるときのみ線量を複数回に分割して照射するリペイント照射を実施する方法が記載されている。この方法は移動波形が予め求めたものから大きく変化した場合、照射を止め、次の周期の同じ位相から照射を再開することで所望の線量分布を形成する。
【０００５】
また、特許文献２には、照射装置に設けられる走査電磁石が、イオンビームの進行方向に対して垂直な方向に、イオンビームを偏向し、螺旋周期単位で照射を繰返すように制御される荷電粒子照射システムが開示されている。この荷電粒子照射システムでは、リペイント照射の際に、走査電磁石が螺旋周期単位でイオンビームの照射位置を操作し、この螺旋周期の途中でイオンビームの照射が中断されることがないように制御することで、一様な線量分布を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１５４６２７号公報
【特許文献２】特開２００６−２８８８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はスキャニング照射法を用いた荷電粒子照射システムにおいて、移動する照射標的に一様な線量分布を形成する手段を提供する。
【０００８】
特許文献１に記載の方法によると照射対象の移動波形が不安定な場合、照射中断により照射時間が長くなってしまう可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明はエネルギーフィルタとリペイント照射とゲート照射を行うことで、動く照射対象に対して所望の照射野を形成する。深さ方向の一様度はエネルギーフィルタによるブラッグピーク形状の緩和とリペイント照射により確保する。また、横方向の一様度を確保するため、ゲートが終了した後も短時間であればゲート外で照射しても影響は小さいことに着目し、一面の照射はその途中で中断すること無く照射する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、照射対象が移動した場合でも所望の線量分布を形成することができる。特にエネルギーフィルタを用いてブラッグピークの幅を大きくすることでブラッグピークの移動に対する線量の変化を小さくすることができる。さらに使用するエネルギー数を削減できるため、従来と同じ照射時間内にひとつのエネルギーで照射する時間を長くすることができ、多数回のリペイント照射を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子照射システムの全体概略構成を表す図である。
【図２】図１に示した荷電粒子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３】図１に示した荷電粒子照射システムに備えられる照射対象監視装置によるゲート信号作成の一例を示す図である。
【図４】図２に示した照射装置が備える走査電磁石が走査するイオンビームの経路の一例を示す図である。
【図５】図２に示した照射装置が備える走査電磁石が走査するイオンビームの経路の一例を示す図である。
【図６】図５に示した走査経路によるＸ軸方向の線量分布の一例を示す図である。
【図７】図２に示した照射装置が備えるエネルギーフィルタの概観を示す図である。
【図８】図２に示した照射装置が図２に示した照射対象にひとつのエネルギーで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９】エネルギーフィルタを備えていない照射装置を用いて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１０】エネルギーフィルタを備える照射装置を用いて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１１】横方向の一様な線量分布が得られない例を示し、（ａ）は高線量域が生じた場合、（ｂ）は低線量域が生じた場合を示す図である。
【図１２】深さ方向の一様な線量分布が得られない例である。
【図１３】図１に示した中央制御装置がイオンビームの出射ビーム電流値を算出する手順を示すフロー図である。
【図１４】照射する手順を示したフロー図である。
【図１５】イオンビームを照射するタイミングの例を示した図である。
【図１６】本発明の他の実施例である荷電粒子照射システムに備えられる荷電粒子ビーム発生装置の構成を示した構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
本発明の好適な一実施形態である荷電粒子照射システムについて、図１を用いて説明する。なお、本実施例の照射対象５１は特に患者とし、照射標的５２は患者内の患部を想定するが、本照射方法の照射対象は人でなくてもよい。
【００１４】
本実施例の荷電粒子照射システムは、荷電粒子ビーム発生装置１，ビーム輸送系２，照射装置２１，照射室１７，制御システム６０を備える。ビーム輸送系２が荷電粒子ビーム発生装置１と照射装置２１を接続する。また、荷電粒子照射システムは、照射計画装置６４に接続されている。
【００１５】
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７と、この高周波印加電極７に接続される高周波印加電源８を備える。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。
【００１６】
ビーム輸送系２は、ビーム経路１２，四極電磁石１４，四極電磁石１８，偏向電磁石１５，偏向電磁石１９，偏向電磁石２０を有する。ビーム経路１２が、照射室１７内に設置された照射装置２１に接続される。
【００１７】
照射室１７は、照射対象５１へイオンビームを照射する方向を変更できる回転ガントリ（図示せず）を備える。照射装置２１は回転ガントリと共に回転する。また、照射室１７内には、照射装置２１，照射対象を支持するカウチ（支持装置）４１，照射対象監視装置６６が備えられている。照射対象はカウチ４１と呼ばれる３次元に自由に移動することができるベッド上に設置される。また、照射室１７内には照射対象の動きを計測する照射対象監視装置６６を備える。
【００１８】
照射装置２１について図２を用いて説明する。照射装置２１は、ビーム進行方向の上流側からモニタ２２，Ｙ軸走査電磁石２３，Ｘ軸走査電磁石２４，散乱体２５，エネルギーフィルタ２６，エネルギー吸収体２７，モニタ２８，コリメータ３０，ボーラス３１を有する。Ｙ軸走査電磁石２３及びＸ軸走査電磁石２４が、通過するイオンビームを横方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）へ走査する。ここで、横方向とはビーム軸に垂直な方向である。
エネルギーフィルタ２６は楔形をしており、ブラッグピークと呼ばれる深さ方向のイオンビームの線量分布を緩やかにする。散乱体２５は通過するイオンビームのビーム径を拡大する。モニタ２２及び２８はイオンビームの線量分布の平坦度，照射線量，ビーム位置，ビーム強度（ビーム電流値）を計測する。エネルギー吸収体２７はビームエネルギーの微調整に使用する。コリメータ３０はイオンビームの横方向の線量分布形状を照射標的の形に一致させ、ボーラス３１は標的の形状に合わせて横方向の位置毎にイオンビームの飛程を調整する。
【００１９】
制御システム６０は、図１に示すように、中央制御装置６１，加速器制御装置６２，照射制御装置６３を備える。中央制御装置６１は、加速器制御装置６２及び照射制御装置６３に接続される。また、照射計画装置６４が、中央制御装置６１及び照射対象監視制御装置（監視制御装置）６５に接続される。加速器制御装置６２は、荷電粒子ビーム発生装置１に接続され、荷電粒子ビーム発生装置１に備えられる機器を制御する。照射制御装置６３は、照射装置２１に接続され、照射装置２１に備えられる機器を制御する。照射制御装置６３は、照射対象監視制御装置６５に接続される。加速器制御装置６２は照射制御装置６３に接続されている。
【００２０】
中央制御装置６１は、照射に必要なパラメータを照射計画装置６４から受け取り、これらのパラメータに基づいて、加速器制御装置６２と照射制御装置６３を制御することでイオンビームの照射を制御する。加速器制御装置６２は、照射制御装置６３からの信号を使用して、荷電粒子ビーム発生装置１と輸送系２を制御する。照射制御装置６３は、照射装置２１と照射対象監視制御装置６５からの信号を受け取り、照射装置２１の制御と加速器制御装置６２へ出射開始信号などの信号を送信する。
【００２１】
本実施例の荷電粒子照射システムは、照射対象に照射するイオンビームのビーム電流値を所望の値に制御することができる。その方法は以下の通りである。
【００２２】
照射装置２１内のビーム軌道上に設置されたモニタ２２，２８が、通過するイオンビームを検出し、照射制御装置６３に検出信号を出力する。照射制御装置６３は、この検出信号に基づいてイオンビームのビーム電流値を計測し、求めたビーム電流値を加速器制御装置６２に出力する。加速器制御装置６２は、予め設定されている所望のビーム電流値と、照射制御装置６３から受け取ったビーム電流値（モニタ２２，２８からの検出信号に基づくビーム電流値）とを比較する。モニタ２２，２８からの検出信号に基づくビーム電流値が所望のビーム電流値よりも小さい場合、加速器制御装置６２は、高周波印加電源８を制御し、高周波印加電極７へ印加する高周波強度を大きくする。モニタ２２，２８からの検出信号に基づくビーム電流値が所望のビーム電流値よりも大きい場合、加速器制御装置６３は、高周波印加装置８を制御し、高周波印加電極７に印加する高周波強度を小さくする。このように、加速器制御装置６２が高周波印加電源８を制御し、高周波印加電極７に印加する高周波の強度を調整することで、シンクロトロン４から出射されるイオンビームのビーム電流値を調整することができる。この制御を繰返すことで出射されるビーム電流値を所望の値にすることができる。
【００２３】
照射対象監視装置６６について、図３を用いて説明する。照射対象監視装置６６は、照射室１７内に設置され照射対象５１を監視する。照射対象監視制御装置６５は、照射対象監視装置６６に接続され、この照射対象監視装置６６を制御する。照射対象５１は準周期的な動きをする。照射対象監視装置６６は、照射対象５１の表面の動きをレーザー距離計により監視し、図３にあるような照射対象移動信号を作成する。照射対象監視装置６６は、この照射対象移動信号の振幅が照射計画装置６４により指定された範囲（図３に示すゲート範囲）にあるときゲート信号を出力する。ゲート範囲は照射計画装置６４より指定される。図３のゲート信号の立ち上がりがゲート開始信号，立ち下りがゲート終了信号である。ここで、準周期的とは臓器が呼吸により動くような、完全な再現性のない不完全な周期的な動きと定義する。
【００２４】
なお、本実施例では、照射対象監視装置６６としてレーザー距離計を用いる例を示したが、Ｘ線透視画像を用いることにより照射対象移動信号を作成してもよい。また、赤外線により照射対象の移動量を測定、照射対象表面に加速度センサを設置して加速度を測定、或いは超音波により照射対象内部の動きを測定することにより照射対象移動信号を作成してもよい。また、照射対象が患者の場合、呼吸による空気の流量を計測することで照射対象移動信号を作成してもよい。
【００２５】
本実施例の照射装置２１により形成する線量分布について、図４から図１０を用いて説明する。線量分布はビーム走査による横方向の線量分布形成と、エネルギー変更による深さ方向の線量分布形成を組み合わせることで実現する。
【００２６】
まず、照射装置２１内のＹ軸走査電磁石２３及びＸ軸走査電磁石２４を用いて、イオンビームを横方向に走査する方法ついて説明する。図４と図５はイオンビームを走査する経路の例を示している。図４はジグザグ型の走査経路で走査開始終了点を一箇所持ち、図５はレクタンギュラー型の走査経路で走査開始終了点を二つ持つ。本実施例では、ジグザグ型のビーム走査（図４）であっても、レクタンギュラー型のビーム走査（図５）であっても同様の効果を得ることができる。本実施例の照射装置２１は、散乱体２５により径を拡大したイオンビームをＹ軸走査電磁石２３及びＸ軸走査電磁石２４で図４又は図５に示す経路を走査し横方向に分布を形成する。Ｘ軸及びＹ軸はビーム軸に垂直な方向であり、Ｘ軸とＹ軸は互いに直交する方向を示す。
【００２７】
図６は、図５のＸ方向の線量分布を示したものである。図６に示すように横方向に一様な線量分布となる。なお、本実施例の照射方法では、ひとつのエネルギーで図４又は図５の経路を複数回走査して照射野を形成する。図４または図５の走査開始・終了点から次の走査開始・終了点に到達するまでの走査、すなわち横方向に一様な照射野を形成する最小単位の走査を一面照射（単位照射）と呼び、この一面照射を繰返すことをリペイント照射と呼ぶ。
【００２８】
図４に示す経路はＸ軸方向，Ｙ軸方向それぞれが常に等速で走査する経路となっており、制御が容易となる利点がある。図５に示す経路は図４に示す経路より短い経路で一面照射することができる。なお、本実施例はＹ軸のほうが速い走査が要求されるため、ビーム上流側の走査電磁石を用いてＹ方向に走査している。
【００２９】
次に、ビーム進行方向（体表面からの深さ方向）へのイオンビームの照射について説明する。深さ方向はエネルギーフィルタ２６によりブラッグピークを拡大し、エネルギーを変更してブラッグピークを重ね合わせることで一様な線量分布を形成する。ひとつのエネルギーにより形成する線量分布を層と呼ぶ。エネルギーフィルタ２６は図７に示すような楔型をしており、ビーム軸に垂直な方向の位置により厚みが異なる。イオンビームはその厚みにより異なるエネルギーを損失する。図８（ａ）がエネルギーフィルタ２６を使用しない場合の深さ方向の線量分布であり、図８（ｂ）がエネルギーフィルタ２６を使用した線量分布である。エネルギーフィルタ２６によりイオンビームのエネルギー分布が拡大されるため、ブラッグピークの鋭さが緩和された線量分布を形成する。エネルギーフィルタ２６を設置せずに照射装置からビームを出射した場合（図８（ａ））のエネルギー分布を重ねて一様な線量分布を作成したものを図９に示す。また、エネルギーフィルタ２６を照射装置２１内に設置してビームを出射した場合（図８（ｂ））のエネルギー分布を重ねて一様な線量分布を形成したものを図１０に示す。図９はブラッグピークの間隔が５mm以下であるのに対し、図１０はブラッグピークの間隔が例えば１cm又は２cmであり図９に比べ大きい。このように、本実施例は、照射標的を深さ方向（体内でのイオンビームの進行方向）において複数の層に分割し、イオンビームのエネルギーを深さ（各層）に応じたエネルギーに変えて、深さ方向に厚みを持つ照射標的の全部に所望のイオンビームを照射するが、照射装置２１内に設置されたエネルギーフィルタ２６を通過したイオンビームを照射するため、照射標的の各層の厚みを大きくすることができる。これにより、照射標的を深さ方向に分割する分割数を少なくでき、短い治療時間で所望の線量分布を形成できる。また、エネルギーフィルタ２６を通過したイオンビームを照射標的に照射するため、各エネルギーでのブラッグピークの形状が緩やかとなり、深さ方向の単位長さあたりの線量変化が小さいため、線量一様度は照射対象の深さ方向への移動や変形に対し鈍感となり、照射標的の全域にわたって線量一様度が向上する。
【００３０】
ここで準周期的に動く照射標的をスキャニング照射により照射するとき、一様な線量分布が得られない要因を説明する。
【００３１】
移動を伴う照射対象５１を照射する場合、従来からゲート照射と呼ばれる方法が採用されている。この方法は照射対象５１が準周期的な動きをするとき、照射対象５１の動きを監視して、その動きがある決まった位相（ゲート）内にあるときのみ照射する方法である。この方法により、イオンビームを照射するときの照射対象５１の位置は限定されるため、ゲート照射しない場合に比べて位置精度良く照射することができる。しかし、このゲート照射をした場合でも、照射対象５１の周期的な動きに不確定な部分があるため照射対象５１の位置を数mm以下の精度で限定することは困難である。この数mmの動きが線量分布の
変化に関係する。
【００３２】
まず、ビーム進行方向に垂直な方向である横方向の一様度について説明する。イオンビームを走査して照射している途中でゲートが終了し、照射を中断したとする。次のゲート開始と同時に照射を再開すると照射対象５１の位置が照射を中断したときからずれている可能性があるため、照射位置が重なった場合、図１１（ａ）に示すように高線量域が発生してしまう。一方、照射位置が離れてしまった場合、図１１（ｂ）に示すように低線量域が発生してしまう。
【００３３】
次に、ビーム進行方向に平行な方向である深さ方向（体表面からの深さ方向）について説明する。あるエネルギーで照射されたイオンビームはブラッグピークを持つ線量分布を形成する。そのエネルギーでの照射が完了すると、シンクロトロン４で次のエネルギーにイオンビームを加速し照射を再開するが、イオンビームのエネルギーを変更している時間に照射対象の位置は移動してしまい、異なるブラッグピーク間の深さ方向の距離が変化してしまう。図１２は点線で示したブラッグピークが浅い側へ移動してしまった場合の線量分布を示している。このようにブラッグピークが移動すると、深さ方向に対しても高線量域と低線量域が発生してしまう可能性がある。
【００３４】
以上説明した要因により線量分布が変化し一様な線量分布が得られない可能性がある。
本実施例の荷電粒子照射システム（照射方法）によれば、一面照射の途中で照射を中断しないことにより横方向に一様な線量分布を形成し、エネルギーフィルタ２６によるブラッグピークの緩和とリペイント照射によるブラッグピーク位置の揺らぎの減少により深さ方向に一様な線量分布を形成することができる。
【００３５】
照射計画装置６４には、予めＸ線ＣＴ装置（Ｘ線Computed Tomography装置）により撮影された照射対象５１の撮影データが記憶されている。照射計画装置６４は、この撮影データに基づいて、照射標的５２を含む照射対象５１の画像を表示装置（図示せず）に表示する。オペレータが、この画像データに基づいて、照射標的５２に必要な照射線量及び照射標的５２の照射野形状を判断する。オペレータは、入力装置（図示せず）からこの照射線量及び照射野形状を入力する。照射計画装置６４が、照射線量及び照射野形状の情報を受信すると、オペレータが指定した照射線量と照射野形状を形成するように第１パラメータを決定する。第１パラメータには、照射角度（回転ガントリの角度），イオンビームのエネルギー，イオンビームの電荷量，照射野の大きさ，コリメータ形状，ボーラス形状の情報が含まれ、これらの情報は記憶装置に記憶される。ここで、本実施例の照射方法では、照射標的５２を深さ方向に複数の層Ｌi（ｉ＝１，２‥Ｎ）に分割してイオンビームを照射する。照射計画装置６４は、それぞれの層の深さに応じて照射に適したイオンビームのエネルギーを求める。複数のエネルギーにより照射するため、照射計画装置６４は照射標的５２の照射対象５１内での深さに応じて照射に用いる全てのエネルギーを指定する。
照射標的５２に所望の線量が照射されるように、エネルギー毎にイオンビームの電荷量を決定する。照射計画装置６４は、決定したイオンビームのエネルギー情報及び各エネルギーでの電荷量の情報を記憶装置に記憶する。
【００３６】
また、オペレータは、入力装置を用いて各エネルギーのリペイント照射回数を指定する。入力されたリペイント照射回数の情報は、照射計画装置６４に送信され、記憶装置に記憶される。ここで、リペイント照射回数とは、照射標的５２のある層に対して、イオンビームの走査開始点から走査終了点までのイオンビームの走査を１単位として、何度の照射（リペイント）をするかを示す。
【００３７】
照射対象監視装置６６（本実施例では、レーザー距離計）は、カウチ４１に横たわる照射対象５１の体表面の動きを測定し、照射対象５１の位置情報である照射対象移動信号を作成する。この照射対象移動信号は、照射対象監視制御装置６５を介して照射計画装置６４に送信される。照射計画装置６４は、図３に示したような照射対象移動信号を表示装置に表示する。オペレータは、表示された照射対象移動信号に基づいて、照射対象監視装置６６がゲート信号を出力する照射対象移動信号の振幅の範囲（ゲート範囲）を判断し、入力装置からゲート範囲を指定する。指定したゲート範囲は照射対象監視装置６５へ送信する。また、照射計画装置６４は、受信した照射対象移動信号に基づいて、照射対象移動信号の平均値を求める。ここで求めた照射対象移動信号の平均値と入力装置から指定されたゲート範囲に基づいて、照射計画装置６４は、照射対象移動信号がゲート範囲内にあるゲート時間の平均値（平均ゲート時間）を求める。求めた平均ゲート時間は、他の照射に必要なパラメータと共に中央制御装置６１へ送信され、記憶装置に記憶される。なお、本実施例では、照射室内に設置した照射対象監視装置６６を用いて照射対象移動信号を予め取得しているが、照射室外にある別の照射対象監視装置を用いて取得してもよい。
【００３８】
照射に必要な情報は照射計画装置６４が作成するパラメータ以外に、ビーム電流値が必要である。以下、図１３を用いて中央制御装置６１がビーム電流値を算出する手順を説明する。なお、中央制御装置６１は、予め照射計画装置６４からビーム電流値算出に必要な第２パラメータを受け取る。ここで、第２パラメータとは、イオンビームのエネルギー，イオンビームの電荷量，照射野の大きさ，平均ゲート時間，リペイント照射回数などの情報である。中央制御装置６１は、これらの第２パラメータを記憶装置に記憶する。
【００３９】
中央制御装置６１は、照射対象５１に照射するイオンビームのうち、高エネルギーから順にエネルギー毎にビーム電流値を決定する。つまり、照射標的５２をビーム進行方向に複数の層Ｌi（ｉ＝１，２‥Ｎ）に分割した場合の、体表面から深い位置にある層（最深部の層Ｌ1）から順に浅い層へ、各層でのビーム電流値を求めている。以下、図１３に示すチャート図を用いて、各層でのビーム電流値を求める手法について説明する。
【００４０】
図１３のステップ１０１から始め、ステップ１０２において、中央制御装置６１は、イオンビームの電荷量の観点からスピル数を求める。つまり、まず、中央制御装置６１が、予め記憶装置に記憶されているひとつの周期（一スピル）でシンクロトロン４から出射可能な電荷量（第１電荷量）と、照射標的５２の層Ｌiへの照射に必要な電荷量（第２電荷量）の情報を読み取る。中央制御装置６１は、第２電荷量を第１電荷量で割り、小数点以下を切り上げて求めた値を、イオンビームの電荷量の観点からみたスピル数とする。例えば、シンクロトロン４が一スピル当たり（一運転周期当たり）に出射可能なイオンビームの電荷量が１０〔ｎＣ〕であり、照射標的５２の層Ｌiに対して必要となるイオンビームの電荷量が３５〔ｎＣ〕とする。このような場合、第２電荷量である３５〔ｎＣ〕を、第１電荷量１０〔ｎＣ〕で割った値３.５のうち、小数点以下を切り上げた値４が、イオンビームの電荷量の観点からみたスピル数となる。つまり、層Ｌiに対してイオンビームを照射する場合、必要となるスピル数が４となる。
【００４１】
次に、ステップ１０３にて、中央制御装置６１は、リペイント照射回数の観点からみたスピル数を求める。具体的には、中央制御装置６１は、まず、記憶装置から平均ゲート時間と一面照射時間の情報を読み取る。ここで、平均ゲート時間は、第２パラメータに含まれる情報であり、予め記憶装置に記憶されている。また、一面照射時間とは、照射標的５２のある一つの層Ｌiの照射に要する照射時間（一面照射に要する時間）を示し、Ｙ軸走査電磁石２２及びＸ軸走査電磁石２４によるイオンビームの走査速度と照射野の大きさによって異なる値となる。中央制御装置６１は、イオンビームの走査速度及び照射標的５２の照射野の大きさに基づいて、各層に対する一面照射時間を求め、この一面照射時間を予め記憶装置に記憶させている。中央制御装置６１は、ここで読み取った平均ゲート時間を、一面照射時間で割り、小数点以下を切り捨てることで一スピルあたりのリペイント照射回数（第１リペイント照射回数）を求める。ここで求めた第１リペイント照射回数は、シンクロトロン４の一運転周期で、照射標的５２の層Ｌiに対して何度のリペイント照射が可能かを示す数値である。次に、中央制御装置６１は、照射標的５２の層Ｌiに対して必要となるリペイント照射回数（第２リペイント照射回数）の情報を記憶装置から読み出す。この第２リペイント照射回数は、照射計画装置６４から受信した値であり、予め記憶装置に記憶されているオペレータにより指定されたリペイント照射回数（一様な線量分布を形成するのに必要と判断されたリペイント照射回数）である。中央制御装置６１は、必要なリペイント照射回数（第２リペイント照射回数）を、１スピルあたりのリペイント照射回数（第１リペイント照射回数）で割って求めた値を、リペイント照射回数の観点からみたスピル数とする。例えば、ある患者の照射対象移動信号に基づく平均ゲート時間が０.５〔秒〕であり、層Ｌiへの一面照射時間が０.１〔秒〕とする。このような場合、中央制御装置６１は、一回のスピル当たりに照射可能なリペイント照射回数（第１リペイント照射回数）を５回とする。次に、層Ｌiに対して必要となるリペイント照射回数が５０回の場合、中央制御装置６１は、第２リペイント照射回数である５０回を、第１リペイント照射回数である５回で割った値１０を、リペイント照射回数の観点から見たスピル数とする。
【００４２】
ステップ１０４にて、中央制御装置６１は、ステップ１０２で求めたスピル数と、ステップ１０３で求めたスピル数を比較し、大きいほうを照射に必要なスピル数とする。例えば、前述の通り、ステップ１０２で求めたイオンビームの電荷量の観点からみたスピル数が４であり、ステップ１０３で求めたリペイント照射回数の観点からみたスピル数が１０の場合、照射に必要なスピル数を１０とする。
【００４３】
次にステップ１０５にて、ビーム電流値とスピルあたりの最大リペイント照射回数を求める。具体的には、中央制御装置６１は、ステップ１０４で求めた照射に必要なスピル数と、ステップ１０３で求めた１スピルあたりのリペイント照射回数と、一面照射時間との積を求め、求めた値を層Liに対してイオンビームを出射すべき時間（出射時間）とする。
次に、層Ｌiを照射するのに必要となるトータルの電荷量（第２電荷量）を、ステップ１０４で求めた照射に必要なスピル数で割った値を、層Ｌiに対して一スピルあたりに必要な電荷量とする。この一スピル当たりに必要な電荷量を出射時間で割りビーム電流値とする。このビーム電流値が、層Ｌiに対してイオンビームを照射する際のビーム電流値となる。また、１スピルあたりの最大リペイント照射回数は、ステップ１０３で求めた１スピルあたりのリペイント照射回数とする。中央制御装置６１は、ここで求めたビーム電流値とスピルあたりの最大リペイント照射回数を記憶装置に記憶する。本実施例のように最大リペイント照射回数を設定することで、照射中に電荷が不足して必要なビーム電流が得られないようなことが起きることを防ぐことができる。ある層Ｌiに対するビーム電流値及び最大リペイント照射回数を記憶装置に記憶すると、ステップ１０６にて、中央制御装置６１は、次のエネルギーに対応する層（Ｌi+1）があるかを判断する。次の層があると判断した場合、中央制御装置６１は、ステップ１０２にもとり、ステップ１０２からステップ１０５を実施して、層Ｌi+1に対するビーム電流値及び最大リペイント照射回数を求める。以上の計算を全てのエネルギー（全ての層Ｌi（ｉ＝１，２‥Ｎ））について実施し、ステップ１０６にて、次のエネルギーに相当する層がないと判断した場合、中央制御装置６１は、ビーム電流値及び最大リペイント照射回数の計算を終了する。
【００４４】
なお、以上の計算によりリペイント照射しない層がある場合もある。浅い層で照射量が少なく平均ゲート時間が短い場合、上記の計算の結果、リペイント照射回数が一回になる場合もある。
【００４５】
ステップ１０６で残りエネルギーがある場合はステップ１０２に戻り計算を繰返す。なお、ステップ１０４にてステップ１０３で算出したスピル数を採用した場合、電荷に余裕があるため１スピルあたりの最大リペイント照射回数をより大きい値に設定することも可能である。
【００４６】
本実施例は、以上のように、各エネルギー（各層Ｌi）でのビーム電流値を算出することにより、照射計画装置６４により指定されるリペイント照射回数を満たし、出射可能電荷量を考慮した最大ビーム電流によりイオンビームを照射することができる。最大ビーム電流でイオンビームを照射することにより照射時間を短縮することができ、照射対象の拘束時間を短くして負担を減らすことができる。さらに、一人の患者に対する治療時間を短縮することによって、より多くの患者を治療できるようになり、患者のスループットを向上させることができる。
【００４７】
ビーム電流値を算出した後、中央制御装置６１は加速器制御装置６２と照射制御装置６３へ必要な情報を送信する。イオンビームのエネルギーとビーム電流値を加速器制御装置６２へ送信し、イオンビームの電荷量とエネルギー、照射野の大きさを照射制御装置６３へ送信する。照射制御装置６３は照射装置２１内のモニタ２２，２８から取得したデータをもとにイオンビームの位置，幅，電荷量，ビーム電流値を算出し、加速器制御装置６２へ出射開始信号，出射停止信号，ビーム電流値を送信する。また、走査電磁石２３，２４を励磁する励磁電源（図示せず）を制御して励磁電流を制御することにより、イオンビームの到達する横方向の位置を変更する。また、照射対象監視装置６６からのゲート信号を受信する。なお、ゲート信号の開始をゲート開始信号、ゲートの終了をゲート終了信号とする。
【００４８】
以上により照射計画装置６４と中央制御装置６１により照射に必要なパラメータが全て決定され、必要なパラメータが加速器制御装置６２と照射制御装置６３に設定される。照射対象５１を載せたカウチ１が所定の位置に位置決めされると照射準備完了となる。
【００４９】
図１４を用いてイオンビームを照射する手順について説明する。全ての照射準備が整った後、オペレータにより中央制御装置６１の照射開始ボタンが押され、ステップ１１１で一連の照射を開始する。まず、中央制御装置６１は加速器制御装置６２へ加速信号を送信し、照射制御装置６３へ照射開始信号を送信する。加速器制御装置６２は以下の制御をしてイオンビームを照射に用いるエネルギーまで加速する。まずイオン源からライナックに入射されたイオンビームは前段加速され、シンクロトロンに入射される。入射されたイオンビームはシンクロトロン内を周回し、加速装置により加速され照射計画装置により指定されたエネルギーまで加速される。イオンビームの加速が完了すると照射制御装置６３へ出射準備完了信号を送信する。照射制御装置６３は中央制御装置６１から照射開始信号を受信すると走査電磁石を制御して走査開始位置へイオンビームが走査されるように準備する。出射準備完了信号を受信した後、ステップ１１２にてゲート開始信号を受信するとステップ１１３で一面照射を行う。具体的には照射制御装置６３が加速器制御装置６２へ出射開始信号を出力し、ビーム走査を開始する。加速器制御装置６２は照射制御装置６３から出射開始信号を受信すると、加速されたイオンビームに高周波印加装置により高周波を印加する。イオンビームはデフレクタを通じて出射される。ビーム出射中、照射制御装置６３は線量モニタ信号から算出したビーム電流値を加速器制御装置６２へ送信し続け、加速器制御装置６２は照射制御装置６３から受信するビーム電流値を参照し高周波印加装置を制御して中央制御装置６１から指定されたビーム電流値でイオンビームを出射する。一面照射毎にステップ１１４からステップ１１６の確認をして全てに該当しない場合、ステップ１１３に戻り次の一面照射を継続して行う。ステップ１１４は照射中のエネルギーによるリペイント照射回数が照射計画装置により指定された回数に到達していることの確認、ステップ１１５は、同一周期中のリペイント照射回数がスピルあたりの最大リペイント照射回数に到達することの確認、ステップ１１６は一面照射中にゲート終了信号を受信していることの確認である。ステップ１１５又はステップ１１６に該当した場合、シンクロトロンはイオンビームの減速と加速をして新たに電荷を蓄積しステップ１１２に移行し、次のゲート開始信号により照射を再開する。また、ステップ１１４に該当した場合、ステップ１１７にて次のエネルギーを確認し、ある場合はステップ１１２へ戻り次のエネルギーによる照射を開始し、ない場合は照射終了となる。
【００５０】
図１４のフローに従って照射した場合の例を図１５に示す。照射対象移動信号及びゲート信号は図３と同様である。スピルあたりの最大リペイント照射回数６回、エネルギーあたりのリペイント照射回数を１５回とし、ひとつのエネルギーによる照射を示す。ビーム照射軸上にあるひとつの四角は一面照射を表す。まずひとつ目のスピルにおいて、ゲート開始と共に一面照射を開始する。５回目の一面照射中にゲート終了となっているため、５回目の一面照射完了によりひとつ目のスピルによる照射を完了する。ふたつ目のスピルは６回のリペイント照射を終了した時点でゲートは終了していないが、スピルあたりの最大リペイント照射回数が６回であることからリペイント照射回数６回にて二つ目のスピルを終了する。３つ目のスピルでは４回のリペイント照射により、エネルギーあたりのリペイント照射回数１５に到達するため、４回のリペイント照射により三つ目のスピルによる照射を終了する。
【００５１】
本実施例の照射方法による効果について、以下説明する。
【００５２】
まず、横方向に一様な線量分布を形成するため、横方向の一面照射時間を短縮しゲートが終了した後も一面の照射を完了するまでは照射を継続している。この処理により、横方向への線量分布の繋ぎ目により線量分布が変化することがなくなる。また、ゲートが終了した後照射することはゲート照射による照射対象位置を限定した効果を打ち消してしまうが、一面照射時間を短縮することにより、ゲート終了後の照射時間を短くすることでゲート照射の効果を得ることができる。また、ゲート範囲を小さく設定することでゲート終了後に照射した場合でもゲート照射の効果を得ることができる。
【００５３】
次に、深さ方向に一様な線量分布を形成するため、エネルギーフィルタ２６を使用してリペイント照射している。リペイント照射することにより、ひとつのエネルギーで形成するブラッグピークは一面照射により形成されるブラッグピークを重ね合わせたブラッグピークとなる。より多くリペイント照射することで重ね合わせたブラッグピークの位置は安定し、異なるブラッグピーク間の距離を一定に近づけることができる。また、エネルギーフィルタ２６によりブラッグピークの幅を大きくすることで深さ方向の単位長さあたりの線量変化量を小さくすることができる。すなわち線量分布の深さ方向の傾きが緩やかになる。傾きが緩やかな線量分布はブラッグピーク位置の深さ方向の移動に対して線量の変化が小さいため、一様な線量分布を形成することができる。
【００５４】
本実施例はさらに散乱体２５を使用し連続走査している。散乱体２５を使用することにより走査経路が短くなり一面照射時間が短くなる。一面照射時間が短くなることで、ゲート終了後の照射時間を短くすることができる。さらに、一面照射時間が短いことで一面照射時間内の照射対象の動きは小さくなり一様度へ与える影響を小さくすることができる。
また、散乱体２５を使用することにより、横方向の単位距離あたりの線量変化は小さくなり照射対象の動きやイオンビームの位置が揺らぐ場合にも一様な分布を得易くなる。また、一面照射時間が短くなることで一定の時間内に可能なリペイント照射回数を増やすことができる。
【００５５】
本実施例はエネルギーフィルタ２６を使用している。エネルギーフィルタ２６でブラッグピークを緩和することにより深さ方向のずれに鈍感な線量分布を形成できる他、線量分布形成に必要なエネルギーの数を減らすことができる。さらにエネルギーの数が減ったことにより、ひとつのエネルギーによる照射時間を長くすることができ、照射時間が長くなることによりリペイント照射回数を増加させることができる。
【００５６】
本実施例に示す方法による特許文献１に記載の方法の課題の解決策を説明する。本実施例ではリペイント照射回数を大幅に増加させることにより一様度を確保するため、特許文献１で課題となる照射対象の移動波形が不安定な場合でも一様な照射野を短時間に形成することができる。
【００５７】
本実施例に示す照射方法によれば、リペイント照射回数を増加させることで線量一様度を得るため、照射対象の移動波形が不安定な場合でもその動きがゲート範囲内であれば照射を続けるため照射時間が長くなってしまうことがない。さらに周期あたりの出射可能電荷を考慮してビーム電流値を決定し照射するため、周期あたりの出射可能電荷が限られる場合においても適用可能である。
【００５８】
本実施例によれば、中央制御装置が、シンクロトロンの一スピル当たりの出射可能電荷量を考慮して各エネルギー（各層）でのビーム電流値を決め、スピル当たりの最大リペイント照射回数を決定するため、各層での一面照射の途中でイオンビームの照射を中断することがない。このため、イオンビームの照射の中断により線量分布の一様度が悪化することを防ぐことができる。
【００５９】
なお、本実施例は荷電粒子ビーム発生装置にシンクロトロンを採用した場合について説明したが、サイクロトロンなどの加速器を用いてもよい。サイクロトロンなどのひとつの周期内で使用する電荷量の制限が無視できる場合、スピルあたりの最大リペイント照射回数は無限大として本実施例に従い照射することで短時間に一様な照射野を形成することができる。
【００６０】
サイクロトロンを用いた荷電粒子ビーム照射装置システムは、実施例１の荷電粒子照射装置システムにおいて荷電粒子ビーム発生装置１を、図１６に示す荷電粒子ビーム発生装置１Ａに替えた構成を有する。この荷電粒子ビーム発生装置１Ａはイオン源８０とサイクロトロン４Ａとビーム加速装置８１とエネルギー吸収体８２から構成される。イオン源８０により発生したイオンビームはサイクロトロン４Ａにより一定のエネルギーまで加速され、エネルギー吸収体８２によりエネルギーを調整された後、ビーム輸送系２により照射装置２１へ輸送される。このときビーム電流はイオン源８０の出力を変更することにより所望の値にすることができる。
【００６１】
なお、本実施例は荷電粒子ビーム発生装置から出射されるイオンビームのエネルギーを変更することで照射対象に到達するイオンビームのエネルギーを変更したが、照射装置内のエネルギー吸収体、或いはビーム輸送系にエネルギー吸収体を設置することで照射対象に到達するイオンビームのエネルギーを変更しても良い。
【００６２】
なお、本実施例は中央制御装置６１がビーム電流値を計算したが、中央制御装置６１に予め登録されている情報を照射計画装置にも登録しておき、照射計画装置がビーム電流値を計算してもよい。
【００６３】
なお、ここまでひとつの周期内のビーム電流値は一定であることを仮定し、ひとつのエネルギーで照射する層の線量は横方向に一定であることを仮定したが、一定ではない線量分布を持つ場合でも良い。一定ではない線量分布を形成するためにはビーム電流値を照射位置毎に変化させる方法や、走査経路と走査速度を変化させる方法がある。
【００６４】
また、散乱体２５を使用せず照射することでコリメータ及びボーラスを使用することなく照射野を形成することもできる。このとき、一様度を確保するためリペイント照射回数は増加させる必要があり、照射時間は散乱体２５を使用した場合と比べ長くなる。
【符号の説明】
【００６５】
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 高周波印加電極
８ 高周波電源
１１ 出射用デフレクタ
１２ ビーム経路
１４，１８ 四極電磁石
１５，１９，２０ 偏向電磁石
１７ 照射室
２１ 照射装置
２２，２８ モニタ
２７，３５ Ｘ線発生装置
２３ Ｙ軸走査電磁石
２４ Ｘ軸走査電磁石
２５ 散乱体
２６ エネルギーフィルタ
２７ エネルギー吸収体
３０ コリメータ
３１ ボーラス
４１ カウチ
５１ 照射対象
５２ 照射標的
６０ 制御システム
６１ 中央制御装置
６２ 加速器制御装置
６３ 照射制御装置
６４ 照射計画装置
６５ 照射対象監視制御装置
６６ 照射対象監視装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標ビーム電流値を設定してイオンビームを出射する荷電粒子ビーム発生装置と、通過するイオンビームを走査する走査電磁石及び前記イオンビームによって形成されるブラックピークの深さ方向における幅を増大させるエネルギーフィルタを有し、前記イオンビームを照射対象に出射する照射装置と、
前記照射対象の位置を測定し、前記照射対象の移動によって時間変化する信号を出力する照射対象監視装置を備え、
前記照射対象監視装置から出力される前記信号に基づいて、イオンビームの出射タイミングを決定し、前記イオンビームのエネルギーを順次変更して少なくともひとつのエネルギーでリペイント照射することを特徴とする荷電粒子照射システム。
【請求項２】
前記照射対象監視装置は指定された範囲内に照射対象があるときゲート信号を出力し、前記出射タイミングの出射開始は照射対象監視装置が出力するゲート信号の開始により開始され、前記イオンビームの出射停止はゲート信号の終了後、単位照射終了により停止され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３】
前記荷電粒子ビーム発生装置は、前記イオンビームを加速するシンクロトロンを備え、 前記シンクロトロンは、前記各エネルギーで照射に必要な電荷量，前記エネルギー毎に指定されたリペイント照射回数，前記照射対象監視装置から出力される前記信号が所定範囲にあるゲート時間の平均値，前記シンクロトロンの一運転周期あたりに出射可能な電荷量、及び一面照射時間に基づいて決定された前記目標ビーム電流値でイオンビームを出射することを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項４】
前記荷電粒子ビーム発生装置は、前記イオンビームを加速するサイクロトロンを備え、 前記サイクロトロンは、前記各エネルギーで照射に必要な電荷量，前記エネルギー毎に指定されたリペイント照射回数，前記照射対象監視装置から出力される前記信号が所定範囲にあるゲート時間の平均値、及び一面照射時間に基づいて決定された前記目標ビーム電流値でイオンビームを出射することを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項５】
前記照射装置は、通過するイオンビームの径を拡大する散乱体を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項６】
前記走査電磁石は、前記イオンビームの進行方向に対して上流側に設置される第一走査電磁石と、前記第一走査電磁石の下流側に設置される第二走査電磁石を備え、
前記第一走査電磁石は、前記第二走査電磁石よりも短い時間で照射対象上の走査位置を変更することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項７】
前記イオンビームの前記エネルギー毎に指定されたリペイント照射回数以上の回数でリペイント照射することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項８】
前記走査電磁石はビーム出射中に走査を停止しないことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項９】
前記荷電粒子ビーム発生装置は、照射計画装置で決定した前記目標ビーム電流値に基づいて、エネルギー毎に前記イオンビームを出射す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１０】
前記シンクロトロンは、照射計画装置で決定した前記目標ビーム電流値で、前記エネルギー毎に前記イオンビームを出射することを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項１】
目標ビーム電流値を設定してイオンビームを出射する荷電粒子ビーム発生装置と、通過するイオンビームを走査する走査電磁石及び前記イオンビームによって形成されるブラックピークの深さ方向における幅を増大させるエネルギーフィルタを有し、前記イオンビームを照射対象に出射する照射装置と、
前記照射対象の位置を測定し、前記照射対象の移動によって時間変化する信号を出力する照射対象監視装置を備え、
前記照射対象監視装置から出力される前記信号に基づいて、イオンビームの出射タイミングを決定し、前記イオンビームのエネルギーを順次変更して少なくともひとつのエネルギーでリペイント照射することを特徴とする荷電粒子照射システム。
【請求項２】
前記照射対象監視装置は指定された範囲内に照射対象があるときゲート信号を出力し、前記出射タイミングの出射開始は照射対象監視装置が出力するゲート信号の開始により開始され、前記イオンビームの出射停止はゲート信号の終了後、単位照射終了により停止され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３】
前記荷電粒子ビーム発生装置は、前記イオンビームを加速するシンクロトロンを備え、 前記シンクロトロンは、前記各エネルギーで照射に必要な電荷量，前記エネルギー毎に指定されたリペイント照射回数，前記照射対象監視装置から出力される前記信号が所定範囲にあるゲート時間の平均値，前記シンクロトロンの一運転周期あたりに出射可能な電荷量、及び一面照射時間に基づいて決定された前記目標ビーム電流値でイオンビームを出射することを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項４】
前記荷電粒子ビーム発生装置は、前記イオンビームを加速するサイクロトロンを備え、 前記サイクロトロンは、前記各エネルギーで照射に必要な電荷量，前記エネルギー毎に指定されたリペイント照射回数，前記照射対象監視装置から出力される前記信号が所定範囲にあるゲート時間の平均値、及び一面照射時間に基づいて決定された前記目標ビーム電流値でイオンビームを出射することを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項５】
前記照射装置は、通過するイオンビームの径を拡大する散乱体を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項６】
前記走査電磁石は、前記イオンビームの進行方向に対して上流側に設置される第一走査電磁石と、前記第一走査電磁石の下流側に設置される第二走査電磁石を備え、
前記第一走査電磁石は、前記第二走査電磁石よりも短い時間で照射対象上の走査位置を変更することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項７】
前記イオンビームの前記エネルギー毎に指定されたリペイント照射回数以上の回数でリペイント照射することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項８】
前記走査電磁石はビーム出射中に走査を停止しないことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の荷電粒子照射システム。
【請求項９】
前記荷電粒子ビーム発生装置は、照射計画装置で決定した前記目標ビーム電流値に基づいて、エネルギー毎に前記イオンビームを出射す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１０】
前記シンクロトロンは、照射計画装置で決定した前記目標ビーム電流値で、前記エネルギー毎に前記イオンビームを出射することを特徴とする請求項３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１６】
【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１６】
【公開番号】特開２０１０−２５３２５０（Ｐ２０１０−２５３２５０Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３５５４６（Ｐ２０１０−３５５４６）
【出願日】平成２２年２月２２日（２０１０．２．２２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２２日（２０１０．２．２２）
【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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