WO2009139037A1 - 荷電粒子ビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

　粒子線がん治療装置等に適用される荷電粒子ビーム照射装置において、所望の深部線量分布を精度良く形成する。 粒子線発生装置からの粒子線に所望のエネルギー分布を持たせるための周期的な厚さ分布を有するリッジフィルタを介して被照射体に上記粒子線を照射する荷電粒子ビーム照射装置において、前記リッジフィルタは、粒子線の進入方向と垂直になるように複数のリッジが配置されている。

Description

荷電粒子ビーム照射装置

　本発明は、リッジフィルタを用いた粒子線がん治療装置等における荷電粒子ビーム照射装置に関するものである。

　特許文献１に記載される従来の荷電粒子ビーム照射装置は、山部分と谷部分を持つリッジフィルタを用いて、粒子線エネルギーに所望の分布を形成し、粒子線の被照射体における到達深さが所望の幅を持つようにして深さ方向の線量分布を形成している。

特開平１０－３１４３２４号公報

　上記の粒子線がん治療装置等における荷電粒子ビーム照射装置は、粒子線をビーム軸と直交方向へ所望の照射野を形成させるためのビーム照射野拡大装置と、粒子線に所望のエネルギー分布を持たせるための周期的な厚さ分布を有するリッジフィルタを備える。粒子線のリッジフィルタを通過する位置によって、通過した粒子線の運動エネルギーは異なるものとなる。従って、リッジフィルタの厚さ分布と該厚さ分布を有する領域の大きさを所望のものにしておけば、リッジフィルタを通過後の粒子線のエネルギーは、全体的に見ると所望の分布を持つ。
　粒子線がリッジフィルタを通過するとき、粒子線はビーム照射野拡大装置によって進行方向が変わり、ビーム軸と斜め方向に大部分の粒子が通過し、リッジフィルタを通過する際には、粒子線の通過する厚さの平均に設計値からの差異が生じる。すると、粒子線のリッジフィルタ内でのエネルギーロスが異なり、得られるエネルギー分布は設計上想定される分布と差異が生じるようになる。

　本発明は、粒子線がん治療装置等に用いる荷電粒子ビーム照射装置において、所望の深部線量分布を精度良く形成することを目的とする。

　本発明は、粒子線発生装置からの粒子線の照射野を拡大し、前記粒子線に所望のエネルギー分布を持たせるための周期的な厚さ分布を有するリッジフィルタを介して被照射体に上記粒子線を照射する荷電粒子ビーム照射装置において、前記リッジフィルタは、前記粒子線の照射野が拡大された粒子線の進入方向と垂直になるように複数のリッジが配置されている。

　本発明に係る荷電粒子ビーム照射装置では、リッジフィルタは、照射野が拡大された粒子線の進入方向と垂直になるように複数のリッジが配置されているので、リッジフィルタ通過後における粒子線のエネルギー分布の精度を向上でき、所望の深部線量分布を精度良く形成することができる。

本発明による第１の実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図（X-Z断面）である。 本発明による第２の実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図（X-Z断面）である。 本発明による第３の実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図（Y-Z断面）である。 本発明による第３の実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図（Y-Z断面）である。 本発明による第４の実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置のリッジフィルタ交換装置を示す概略平面図である。

符号の説明

１：粒子線、２：Ｘ方向透過ソースポイント、３：第２の拡大手段、４：第１の拡大手段
、５：リッジフィルタ、６：リッジフィルタ取付けベース、７：Ｙ方向透過ソースポイント、８：ホイール、９：貫通坑、１０：ビーム径路

実施の形態１．
　図１は本発明の実施の形態１に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図（X-Z断面）である。
　図１において、粒子線発生装置（図示せず）より得られる粒子線１は、Ｘ方向透過ソースポイント２から被照射体（図示せず）へ照射される。粒子線１は、第１の拡大手段４により拡大され、更に第２の拡大手段３により拡大される。
拡大された粒子線１は、バーリッジ等の複数のリッジ５ａで構成され、リッジフィルタ取付けベース６に搭載されたリッジフィルタ５を通過する。
リッジフィルタ５を通過した粒子線１は、コリメータ（図示せず）により所望の形に整形された上で、被照射体（図示せず）に照射される。
　図１では後で説明するように、リッジフィルタ５がＸ方向透過ソースポイント２を中心とした同心円上の設置位置において粒子線進入方向へ傾斜することを示している。
　なお、ここで、上記のＸ方向とは、リッジフィルタ５におけるリッジ５ａの長辺方向に垂直な方向である。

　続いて、実施の形態１に係る荷電粒子ビーム照射装置の動作を説明する。まず、粒子線発生装置（例えば、水素イオンを発生するイオン源）から、粒子線（例えば、陽子線）が発生される。荷電粒子加速器などから構成される粒子線加速手段（図示せず）によって、例えば陽子線が水中飛程２０～３０ｃｍ程度に相当する運動エネルギーまで加速された後、電磁石等から構成されるビーム光学系を含む粒子線輸送手段（図示せず）によって、粒子線照射手段に入射される。

　粒子線照射手段に入射される粒子線１は、上述のように、例えば運動エネルギーが約数百ＭｅＶである陽子線である。粒子線照射手段に入射される粒子線１は、通常、断面サイズが１センチ未満である。このような粒子線により、腫瘍等を照射するには、粒子線の位置を移動させてスキャンする、若しくはビームサイズを拡大する必要がある。

　粒子線１は、鉛やタングステンなどの散乱体から構成される第１の拡大手段４に入射されて散乱体中の電子と原子によって散乱される。第１の拡大手段４の通過後は、粒子線１のほぼ前方集中だった進行方向が分散され、粒子線１は所定の角度分布を持つようになる。従って、被照射体（図示せず）の位置から見れば、粒子線１の断面サイズは、数センチ以上に拡大される。

　上記の散乱体から構成された第１の拡大手段４のみでは、充分大きいビームサイズが得られない場合がある。そこで、偏向電磁石から構成された第２の拡大手段３により粒子線ビームを更に広げる。この第２の拡大手段３は、磁場方向が相互に直交する２台の偏向電磁石から構成されればよい。なお、この２台の偏向電磁石は、それぞれ励磁電流パターンが同期するsinωtとcosωtの交流電源から励磁され、従ってこの第２の拡大手段３を通過した粒子線１は円を描くように偏向される。なお、このような拡大手段は既存の従来技術でありワブリング電磁石と称され、上記の円における半径はワブリング半径と称される。

　上記第１の拡大手段４による粒子線断面の散乱半径と第２の拡大手段３によるワブリング半径とを所定比率に調整すれば、被照射体において、照射領域の中心付近に横方向に略平坦な粒子線分布を形成できる。照射領域の中心から所定距離を隔てた粒子線分布の不均一領域は、コリメータ（図示せず）で除去される。このコリメータは、粒子線１が透過しない厚さの鉄等で形成される複数の葉状板などで構成される。コリメータの開口部が任意の２次元の形状を呈するように、葉状板の配置が制御される。この２次元形状が腫瘍の形状に合せられれば、腫瘍の存在範囲に合せて照射野が形成される。

　ところで、一般に粒子線はそのエネルギーによって人体内に入る深さ（飛程）が定まり、その飛程の終端近くでエネルギーを急激に放出して止まる。この現象はブラッグピーク（Ｂｒａｇｇ　Ｐｅａｋ）と呼ばれる。この現象を利用して体表面から相応の深さにある腫瘍細胞の殺傷が行われる。腫瘍は深さ方向に厚みを持つ。従って、粒子線を腫瘍（病巣）に一様に照射するためにはブラッグピークが腫瘍の厚み方向に一様に拡げられる操作が必要になる。この一様に拡げられた線量はＳＯＢＰ（Ｓｐｒｅａｄ－Ｏｕｔ　Ｂｒａｇｇ　Ｐｅａｋ：拡大ブラッグピーク）と称されている。

　上記のように照射野の深さ方向の分布を形成するには、粒子線１のエネルギー分布を調節する必要がある。このために従来から用いられ、且つ、本発明でも用いる方法は、所定の厚さ分布を有するリッジフィルタ５に粒子線１を通過させることである。
リッジフィルタ５は、粒子線のエネルギー分布を所定範囲において所定の厚さ分布に従って広げることができる。

　つまり、粒子線１のリッジフィルタ５における入射位置によって、通過後の粒子線のエネルギーが異なる。例えば、第１の通過粒子線は、リッジフィルタ５に複数備わるバーリッジ（山梁）のうちの一つのバーリッジの一番厚い部位を通過した粒子線である。第２の通過粒子線と第３の通過粒子線は、リッジフィルタ５に複数備わるバーリッジのうちの二つのバーリッジの間の谷に相当する部位を通過した粒子線である。
ここで、第１の通過粒子線１の粒子線エネルギーは、第２及び第３の通過粒子線よりも低くなり、被照射体における到達深さも浅くなる。一方、第２及び第３の通過粒子線は、被照射体において最も深い位置に到達し得る。
このように、被照射体の深さ方向において所定幅を有する照射野が形成される。この所定幅は、一般的にはリッジフィルタ５の一番厚い部分と一番薄い部分の厚さの差によって決められることになる。つまり、夫々のリッジフィルタ５は一般的に、固有のＳＯＢＰを形成することになる。なお、リッジフィルタによりブラッグピークが腫瘍の厚み方向に拡げられる幅（即ち、ＳＯＢＰの幅）は、通常１～２０ｃｍである。

　第１の拡大手段４及び第２の拡大手段３に対して所定の設定パラメータを与えた上で、所定のＳＯＢＰを有するリッジフィルタ５を組み合わせれば、被照射体において所望の３次元の線量領域が形成され得ることになる。

　腫瘍照射のためには上記の３次元の線量領域内で線量分布を精度良く形成する必要がある。上記３次元の線量領域内で線量分布を均一なものにするためには、リッジフィルタ５を通過する粒子線はリッジフィルタに対して平行に進入し、設計で定義された割合の粒子線が、設計で定義された厚みのリッジフィルタ材料を通過し、エネルギーロスすることが好ましい。

　しかし、リッジフィルタへ進入する粒子ビームの向きは、上記第１の拡大手段４と第２の拡大手段３によるビーム照射野拡大の際に偏向されており、リッジフィルタ５を通過する際には照射野中心では最も様々な方向を向き、照射野端部においては粒子線の進行方向は最も外方向に向く成分が多くなる。従って、照射野端部ではリッジフィルタに対して斜め方向に進入してくる粒子の影響が強くなる。

　前記のように斜め進入による成分が多い箇所つまり照射野端部では、設計どおりに粒子はリッジフィルタ内を進行せずエネルギーロスの分布に設計からの差異が生じる。そこで、粒子線の照射野端部における斜め進入による影響を解消するために、本発明の実施の形態１では、図１に示すように、リッジフィルタ５を構成する複数のリッジ５ａを、粒子ビーム進入方向と垂直になるように、Ｘ方向透過ソースポイント２を中心とした同心円上の設置位置において傾斜させる。
これにより、リッジフィルタ５において荷電粒子の失うエネルギーの分布の精度を向上させることができ、リッジフィルタ通過後の粒子のエネルギー分布の精度も向上されるので、所望の深部線量分布を精度良く形成でき、治療の精度を向上させることができる。

　以上のように、本発明の実施の形態１では、粒子線発生装置からの粒子線１の照射野を拡大し、粒子線に所望のエネルギー分布を持たせるための周期的な厚さ分布を有するリッジフィルタ５を介して被照射体に照射する荷電粒子ビーム照射装置において、リッジフィルタ５を構成する複数のリッジ５ａを粒子線の進入方向と垂直になるように配置したので、荷電粒子の失うエネルギーの分布の精度を向上させることができ、したがって、リッジフィルタ通過後の粒子のエネルギー分布の精度も向上でき、所望の深部線量分布を形成して治療の精度を向上させることができる。
更に、広い照射野で平坦度領域の大きな拡大ブラッグピークを形成できると共に、照射野拡大手段から被照射体までの距離を短縮することができるため小型の装置でも大きな照射野を形成することが可能となる。

実施の形態２．
　図２は本発明の実施の形態２に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図（X-Z断面）である。
　図２では、リッジフィルタ５を構成する複数のリッジ５ａが設置平面(図２中Ｘ－Ｙ平面)において、平均入射粒子ビーム方向に対して最も垂直になるように配置されている。
また、これに伴う粒子線の通過するリッジフィルタ材料の周期的な厚さ分布に与える影響を補正する為に、リッジフィルタ５の周期的な厚さ分布を有する方向へリッジの設置間隔を変調させてもよい。
　この実施の形態２によれば、深部線量分布の形成精度つまり治療の精度を向上させるとともに、実施の形態１と比べると、リッジフィルタ５を設置するのに要する幅（Ｚ方向）を短くできる。

　なお、実施の形態１、２に係る荷電粒子照射装置では、リッジフィルタ５としてバーリッジを有するようなリッジフィルタを取り上げたが、これに限定されるものではなく、ＳＯＢＰを形成できる周期的な厚さ分布を持つリッジフィルタであれば、例えば、既知のコーンリッジフィルタを用いてもよい。

実施の形態３．
　図３は本発明の実施の形態３に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図（Y-Z断面）である。
　図３では後で説明するように、リッジフィルタ５を、これを構成する複数のリッジ５ａ（バーリッジ）が粒子線進入方向と垂直となるように変形させることを示している。

　前記のように斜め進入による成分が多い箇所つまり照射野端部では、設計どおりに粒子はリッジフィルタ内を進行せずエネルギーロスの分布に設計からの差異が生じる。そこで、粒子線の照射野端部における斜め進入による影響を解消するために、本発明の実施の形態３では、図３に示すように、通常、図３中のＹ軸と平行な直線形状であるリッジフィルタ５の尾根形状(図３中Ｙ軸方向)を、リッジフィルタ長辺方向の照射野中心からの距離に応じて変化させる。図４で示された例は瓦状であるが、図４に示されるような蒲鉾状のものであっても良い。

　この実施の形態３によれば、深部線量分布の形成精度つまり治療の精度を、実施の形態１とは９０度回転方向(図３中Ｙ軸方向)で向上させることができる。

実施の形態４．
　上記実施の形態１～３では、所定の照射野条件で所望の深さ拡大照射範囲（ＳＯＢＰ）を形成するものであるとしているが、がん治療では、腫瘍の大きさに応じて照射野の大きさとＳＯＢＰを変更する必要がある。従来の粒子線治療装置では異なるＳＯＢＰに対し、異なるリッジフィルタを使用するが、異なる照射野形成の条件の場合でも同じリッジフィルタを使用していた。

　本実施の形態４では、異なる照射野形成条件に対応して複数のリッジフィルタを用意し、所定の照射野形成条件に応じて粒子線が通過するビーム経路に選択的に配置するようにしている。
すなわち、図５は実施の形態４に係る荷電粒子ビーム照射装置のリッジフィルタ交換装置を示す概略平面図で、図５に示すように、異なる照射野形成条件に対応した複数のリッジフィルタ５を、リッジフィルタ取付けベース６に取付け、さらに複数のリッジフィルタ取付けベース６をホイール８に取付けている。ホイール８は回転することで任意のリッジフィルタ取付けベース６をビーム径路１０に選択的に設置することができるようになっている。
また、このホイールには貫通坑９を設け、ビーム軸校正等の確認の妨げにならないようにしている。

　本実施の形態４では照射野形成の条件が異なる場合には、その条件に応じた最適なリッジフィルタを選択できるため、精度の優れた照射野及びＳＯＢＰで照射することが可能となる。本発明ではより多くのリッジフィルタの種類が発生するが、本実施の形態を適用することにより、これらのリッジフィルタの管理と選択を容易に行うことができる。

　なお、上記各実施の形態に係る荷電粒子照射装置では、拡大照射野形成装置として第１の拡大手段、第２の拡大手段を有するようなワブラー法を採り上げたが、これに限定されるものではなく、拡大照射野を形成できる二重散乱体法、二次元スキャニング法などを用いてもよい。また、第１の拡大手段４と第２の拡大手段３の配置位置は、入れ替えられてもよい。

Claims (6)

1. 　粒子線発生装置からの粒子線に所望のエネルギー分布を持たせるための周期的な厚さ分布を有するリッジフィルタを介して被照射体に上記粒子線を照射する荷電粒子ビーム照射装置において、
   前記リッジフィルタは、リッジの夫々の底面をリッジ毎に異なる角度で配置されていることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
2. 　前記リッジフィルタは、各リッジの底面を、平均入射粒子ビーム方向に対して最も垂直になるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置。
3. 　前記リッジフィルタは、各リッジを、異なる角度及び位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置。
4. 　前記リッジフィルタは、各リッジの角度変化に応じて、周期的な厚さ分布を有する方向へ各リッジの設置間隔を変調させていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の荷電粒子ビーム照射装置。
5. 　　前記リッジフィルタは、複数のバーリッジを有し、前記各バーリッジの形状を前記リッジフィルタ長辺方向の照射野中心からの距離に応じて変化させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の荷電粒子ビーム照射装置。
6. 　前記リッジフィルタは、異なる照射野形成条件に対応して複数用意され、所望の照射野形成条件に応じて前記粒子線が通過するビーム経路に選択的に配置されるようにしたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の荷電粒子ビーム照射装置。

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