WO2012117538A1

WO2012117538A1 - 粒子線照射システムおよび粒子線照射システムの制御方法

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Abstract

　粒子線照射システムにおいて、より高速で、照射目標により精度の高い線量分布を与えることを目的とする。　粒子線を偏向して走査する走査用偏向電磁石と、粒子線のエネルギー幅を拡大して照射目標の粒子線の照射方向である深さ方向にＳＯＢＰを形成するためのエネルギー幅拡大機器とを備え、エネルギー幅拡大機器は、照射目標の深さ方向の照射領域全体に亘って深さ方向のＳＯＢＰを形成するよう構成されており、粒子線が照射目標に形成する照射スポットを、上記照射目標の上記横方向の照射領域全体に亘ってステップ状に移動させるよう走査用偏向電磁石を制御するようにした。

Description

粒子線照射システムおよび粒子線照射システムの制御方法

　この発明は、粒子線を照射して癌の治療を行うなど粒子線を応用する粒子線照射システムに関するものである。

　放射線の応用の一つに癌の治療があり、最近、陽子線や炭素線などの重粒子線を癌細胞に照射して治療する粒子線治療が注目されている。まず、粒子線を照射して癌細胞を死滅させる粒子線照射の特性を説明する。各種の放射線ビームを人の体に照射した場合、その放射線ビームの体内における線量分布は図１５に示すように変化する。図１５に示すように、各種放射線の中、Ｘ線、ガンマ線などの光子線は、体の表面に近い部分で相対線量が最大となり、体の表面からの深さが増加するとともにその相対線量は低下する。一方、陽子線、炭素線などの粒子線は体の表面から深い部分で、それらの粒子が止まる位置、すなわちその粒子線の飛程の直前に相対線量がピーク値となる。このピーク値は、ブラッグピークＢＰ（Bragg Peak）と呼ばれる。

　このブラッグピークＢＰを、人の臓器にできた腫瘍に照射して、癌の治療を行なうのが粒子線癌治療方法である。癌以外にも、体の深い部分を治療する場合にも用いることができる。腫瘍を含む被治療部位は、一般には照射目標と呼ばれる。ブラックピークＢＰの位置は、照射される粒子線のエネルギーで決まり、エネルギーの高い粒子線ほどブラッグピークＢＰは深い位置にできる。粒子線治療では、粒子線を照射目標の全体に一様な線量分布とする必要があり、このブラッグピークＢＰを照射目標の全域に与えるために、粒子線の「照射体積の拡大」が行なわれる。

　この「照射体積の拡大」は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３つの方向において実施される。粒子線の照射方向をＺ軸の方向としたとき、「照射体積の拡大」は、第１にこのＸ／Ｙ軸方向において照射領域の拡大を行うもので、深さ方向と直交する横方向において照射領域の拡大を行うので、照射野拡大と呼ばれる。第２の「照射体積の拡大」は、Ｚ軸方向で行われ、深さ方向の照射体積拡大と呼ばれる。

　深さ方向の照射体積拡大は、粒子線の照射方向におけるブラッグピークＢＰの幅が、照射目標の深さ方向における拡がりに比べて狭いために、粒子線の照射方向におけるブラッグピークＢＰを、深さの方向に拡大するために行なわれる。一方、横方向の照射野拡大は、一般に加速器で加速した粒子線の分布サイズが、その照射方向と直交する方向における照射目標の寸法よりも小さいために、ブラッグピークＢＰにおける照射野をその照射方向と直交する方向に拡大するために行なわれる。これらの深さ方向の照射野拡大と、横方向の照射野拡大の方法について、現在までに種々の方法が提案されている。最近注目されている方法として、スキャニング照射法（Scanning Irradiation）がある。

　スキャニング照射法では、横方向照射野拡大法として、粒子線照射装置の粒子線照射部の上流部分に設けられた偏向電磁石を用いて粒子線をＸＹ面方向に走査し、その粒子線の照射位置を時間とともに移動させることにより、広い照射野を得る方法を用いる。この方法では、一様な線量分布は、細い径のペンシルビームの隣り合う照射スポットを適切に重ね合わせることにより得ることができる。ペンシルビームの走査方法として、時間に対して連続的に走査するラスター法、時間に対してステップ状に走査するスポット法やラスター法とスポット法を組み合せた方法などがある。

　深さ方向の照射体積拡大法としては、粒子線照射装置から照射される粒子線自体のエネルギーを制御する方法が用いられる。この方法では、粒子線のエネルギーは、粒子線を加速する加速器の加速エネルギーを変えることにより制御されるか、またはレンジシフタ（Range shifter）と呼ばれる器具を、粒子線を横切るように挿入することにより、粒子線のエネルギーを変化させる。またこれらの加速器の制御と、レンジシフタを併用する方法もある。

　この深さ方向の照射体積拡大法では、その粒子線を所定の強さのエネルギーを持ったビームとして、照射目標体積の１つの照射層にブラッグピークＢＰを照射した後に、粒子線のエネルギーを変化させて、照射目標体積の次の照射層にブラッグピークＢＰを照射する。このような操作を複数回繰返し、複数の照射層に粒子線のブラッグピークＢＰを照射することにより、ビーム照射方向に所望の幅を持った拡大ブラッグピークＳＯＢＰ（Spread-out Bragg Peak）を得ることができる。（例えば特許文献１）

　以上の横方向の照射野拡大法と深さ方向の照射体積拡大法とを組み合わせた粒子線の照射方法が、一般にスキャニング照射法（Scanning Irradiation）と呼ばれている方法である。

　また、患者の呼吸によって患部の位置が動くことによる照射のずれを補償するため、各照射層においても時間的に分割して同一のスポット位置において複数回照射する方法が提案されている（例えば特許文献２　図１１）。さらに特許文献２においては、呼吸による患部の動き考慮して呼吸位相に同期して照射線量を制御する技術も提案されている。

特開２００６－８７６４９号公報国際公開　ＷＯ２００６／０８２６５１号（図１１）

　以上の従来のスキャニング照射方法では、粒子線のエネルギーを複数回変更して照射する必要があるため、エネルギーの変更に時間を要し、照射時間を短縮することが難しい。
　本発明は、このような課題を解決することを目的とし、スキャニング照射法による粒子線照射システムにおいて、より高速で、より精度の高い線量分布を与えることを目的とする。

　この発明の粒子線照射システムは、粒子線を偏向して走査する走査用偏向電磁石と、粒子線のエネルギー幅を拡大して照射目標の粒子線の照射方向である深さ方向にＳＯＢＰを形成するためのエネルギー幅拡大機器とを備え、エネルギー幅拡大機器は、照射目標の深さ方向の照射領域全体に亘って深さ方向のＳＯＢＰを形成するよう構成されており、粒子線が照射目標に形成する照射スポットを、上記照射目標の上記横方向の照射領域全体に亘ってステップ状に移動させるよう走査用偏向電磁石を制御するものである。

　粒子線により形成される照射スポットを横方向に移動させて照射目標を照射するスキャニング照射において、エネルギーを変更することなく照射目標の深さ方向の照射領域全体に亘って照射するため、短時間に照射が完了でき、照射目標により精度の高い線量分布を与えることができる粒子線照射システムを提供できる。

本発明の実施の形態１による粒子線照射システムの照射領域を説明する図である。本発明の実施の形態１による粒子線照射システム全体の概略構成を示す鳥瞰図である。本発明の実施の形態１による粒子線照射システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１による粒子線照射システムにより拡大されたＳＯＢＰの例を示す線図である。本発明の実施の形態１による粒子線照射システムの粒子線照射時のフローチャートである。本発明の実施の形態２による粒子線照射システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態２による粒子線照射システムの変位位相検出部の構成例を示すブロック図である。本発明の実施の形態２による粒子線照射システムの動作を説明する線図である。本発明の実施の形態３による粒子線照射システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態３による粒子線照射システムにより拡大されたＳＯＢＰの例を説明する第一の線図である。本発明の実施の形態３による粒子線照射システムにより拡大されたＳＯＢＰの例を説明する第二の線図である。本発明の実施の形態３による粒子線照射システムの照射領域を説明する図である。本発明の実施の形態４による粒子線照射システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態５による粒子線照射システムの動作を説明する線図である。各種の放射線を人の体に照射した場合の放射線の体内における線量分布を示す図である。

実施の形態１．
　図２は、この発明の実施の形態１による粒子線照射システム全体の概略構成を示す鳥瞰図、図３は図２の鳥瞰図の全体構成に制御装置などを加えて示す実施の形態１による粒子線照射システムの概略構成のブロック図である。実施の形態１による粒子線照射システムは、図２および図３に示すように、粒子線発生部１０と、粒子線輸送部２０と、２つの粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂなどを備えている。図２では、代表的に粒子線照射部が２つ青菜得られているシステムを示したが、粒子線照射部はさらに多くあっても良く、また1つであっても良い。図３では簡単のため粒子線照射部３０として粒子線照射部を一つのみとしている。放射線安全管理などの運用上の都合から粒子線発生部１０と、粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂとは、遮蔽された部屋に設置される。粒子線輸送部２０は、粒子線発生部１０と、各粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂとを連結する。粒子線輸送部２０は、粒子線発生部１０で発生した粒子線を粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂのそれぞれに輸送する粒子線輸送路２１、２２を有する。粒子線輸送部２０は、粒子線の方向を変えるための偏向電磁石５０を備え、真空ダクト内を粒子線が通過するように構成される。粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂは、粒子線ＰＢを患者の目標部位へ照射するように構成される。以後、粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂは、粒子線照射部３０として説明する。

　粒子線発生部１０は、入射器１１と加速器１２を有する。入射器１１は、陽子線または炭素線などの質量の大きな粒子を発生する。加速器１２は、入射器１１で発生した粒子を加速し、粒子線ＰＢを出射する。この加速器１２は、照射制御部８０に備えられた加速器制御器１３からの信号により制御される。この加速器制御器１３は、加速器１２にエネルギー制御信号を供給し、加速エネルギーを設定して加速器１２から出射される粒子線ＰＢのエネルギーを設定したり、粒子線ＰＢを出射させる時間、強度を制御したりする。

　粒子線照射部３０は、治療室を構成する。粒子線照射部３０は、照射ノズル４０、治療台３２などを有する。治療台３２は患者を仰臥位または座位の状態に保持するのに使用される。照射ノズル４０は、粒子線照射部３０に輸送された粒子線ＰＢを治療台３２上の患者の照射目標に向けて照射する。

　図３には、実施の形態１における粒子線照射部３０の照射ノズル４０の具体的構成を示している。図３に示す照射ノズル４０は、粒子線ＰＢのビーム径を変化させるためのビーム径変更器４４を備える。ビーム径変更器としては、例えば四極電磁石を用いたものや、薄い散乱体を用い、散乱体の厚みを変更することで照射目標におけるビーム径を変えるものなど、種々のものを用いることができる。また、ビーム径を変更したり選択したりする必要がない場合は、ビーム径変更器４４が省略される場合もある。照射ノズル４０は、ビーム径変更後の粒子線ＰＢを横方向、すなわち粒子線ＰＢの照射方向と直交するＸ、Ｙ面で走査する走査用偏向電磁石４１ａ、４１ｂ（４１ａ、４１ｂを合わせて、走査用偏向電磁石４１と称することもある。）、この走査用偏向電磁石４１を駆動する走査用偏向電磁石駆動電源４５、粒子線ＰＢの照射線量をモニタする線量モニタ４２、粒子線ＰＢのエネルギー幅を拡大するエネルギー幅拡大機器であるリッジフィルタ４３を有する。その他に、例えばビーム位置モニタなども有するが本発明には直接関係ないため省略する。

　リッジフィルタ４３はそこを通過する粒子線のエネルギーを低下させるが、場所によって、粒子線が通過する厚みが異なるように設けられているため、全体として通過後の粒子線は、通過する前の粒子線のエネルギー幅よりも広いエネルギー幅を有する。よって、リッジフィルタ４３を通過した後の粒子線を例えば体内に照射するとそのブラッグピークＢＰの位置、すなわち粒子線の飛程が拡大される。拡大されたブラッグピークＢＰ（ＳＯＢＰ）（Spread-out Bragg Peak）の一例を図４に示す。図４では、ＳＯＢＰが約１０ｃｍとなっている。図４のＳＯＢＰを形成するリッジフィルタを用いれば、深さ方向の幅１０ｃｍの照射目標を照射できることになる。

　次に、図３の粒子線照射システムの動作について説明する。まず、治療計画部６０において、患者毎の照射線量分布が決定されそのデータが保存されている。照射制御計算部７０では、その照射線量分布のデータに基づいて、各照射スポットの照射線量が決定され、そのデータを照射制御部８０の照射線量制御器１４に出力する。また、照射制御計算部７０では、加速器１２が出射すべき粒子線のエネルギーやスポットサイズも決定し、加速器制御器１３やスポットサイズ制御器１５にそのデータを出力する。以上により、照射前の準備が完了する。

　次に、実際に粒子線を照射目標に照射したときの照射領域のイメージを図１に示す。図１（Ａ）の丸印は、各照射スポットを示し、丸印の中の数字は照射スポットを走査する順番を示している。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ－Ａ断面を示している。照射時のフローチャートを図５に示す。まず、準備段階において照射制御計算部７０で決定されたエネルギーやスポットサイズなどが、決定値になるよう、照射制御部８０を通して加速器１２、ビーム径変更器４４などを設定する（ＳＴ１）。次に、照射スポット１の位置に粒子線ＰＢが照射されるよう、ビーム走査制御器１６が走査用偏向電磁石電源４５を制御して走査用偏向電磁石４１の励磁電流を設定する（ＳＴ２）。励磁電流の設定が完了した後、加速器１２から粒子線を出射させ（ＳＴ３）、照射を開始する。照射が開始されると、線量モニタ４２により照射される線量がカウントされる。線量カウント値は照射線量制御器１４に送られる。照射線量制御器１４では、照射制御計算部７０から各照射スポットにおける必要照射線量値を受け取ることにより、照射スポット毎に線量カウント値が必要照射線量値に達すると線量満了の信号を照射制御計算部７０に送出する（ＳＴ４）。照射スポットにおける線量が満了すると、照射制御計算部７０はビーム走査制御器１６に対して、粒子線を次の照射スポットに移動させるよう指令を送出し、走査用偏向電磁石４１の励磁電流を次の照射スポットに対応した励磁電流に設定する（ＳＴ６）。この動作を、最終の照射スポット（図１における照射スポットｎ）の照射が終了（ＳＴ５）するまで繰り返す。

　以上のようにして照射された領域は図１のようになる。照射された領域は、横方向、すなわちＸＹ方向は、走査用偏向電磁石４１により照射スポットがステップ状に移動して形成される全領域となり、深さ方向、すなわちＺ方向は、リッジフィルタ４３により拡大された粒子線のエネルギーにより、拡大されたブラッグピークに相当する領域となる。通常のリッジフィルタによれば、粒子線のエネルギー幅はＸＹ全領域で同一となるため、Ｚ方向は一定の幅の領域が照射領域となる。したがって、照射スポット毎に柱状の領域が照射領域となり、全ての照射スポットによる全照射領域も、深さ方向が一定の筒状の領域となる。患部の形状が筒状に近い形状の場合、患部の深さに合った拡大ブラッグピークとなるよう、加速器１２から出射される粒子線のエネルギーとリッジフィルタ４３を設定することにより、エネルギーを変更することなく照射を完了することができる。従来のスポットスキャニング照射においては、照射する粒子線のエネルギーを順次変更することで、深さ方向に複数の層状の照射領域を形成して全領域を照射するようにしていた。この方法では、エネルギーを順次変更する必要があり、エネルギーの変更は、加速器１２のパラメータ設定を変更したり、加速器１２から出射した後に挿入するレンジシフタのパラメータを変更したりする必要があるため、時間が掛っていた。一方、本発明によれば、粒子線のエネルギーを変更する必要が無く、ＸＹ方向の１回の走査で全領域を照射できるため、短時間に照射することができ、患者の負担を軽くできるという効果がある。

実施の形態２．
　図６は、この発明の実施の形態２による粒子線照射システム全体の概略構成のブロック図である。図６において、図３と同一符号は同一または相当する部分を示す。この実施の形態２は、図６に示すように、変位位相検出部９０を設け、この変位検出部９０により検出される患部の位置の変位の信号を照射制御計算部７０に出力するものである。変位位相検出部９０では、患者の呼吸測定または照射目標の位置検出を行ない、これらの呼吸測定または照射目標の位置検出に基づき、患部の位置判定を行なう。照射制御計算部７０では、判定された患部の移動周期の位相に同期して粒子線の照射を行うように照射制御部８０を制御する。患者の呼吸等により、照射目標の位置が変化するため、粒子線の照射位置が変化し、照射精度が低下する。呼気時等には照射目標の位置の変化が小さいため、この期間に照射を行うと精度が高い照射ができる。本実施の形態２では、さらに、呼気１回で、ＸＹ全照射領域に亘って照射を行う。これにより非常に精度が高い照射が可能となる。

　図７は変位位相検出部９０の一例の詳細を示すブロック図である。呼吸測定部９１は、患者１００の呼吸を測定して呼吸信号ＢＳを出力するものであり、従来の粒子線照射システムまたはＸ線ＣＴで使用されているものを使用することができる。この呼吸測定部９１には、患者１００の腹部または胸部に発光ダイオード（ＬＥＤ）を取付け、この発光ダイオードの発光位置の変位により呼吸を測定する方法、反射装置を用いレーザ光線により体の変位を測定する方法、患者の腹部に伸縮型抵抗を取付けてその電気特性の変化を測定する方法、患者１００の呼吸する息を直接計測する方法などを用いることができる。

　照射目標位置検出部９３は、患者１００内の照射目標の位置を検出して呼吸信号ＢＳを出力するものである。この照射目標位置検出部９３としては、Ｘ線源９３１、９３２と、これらに対応するＸ線画像取得装置９４１、９４２を使用する。Ｘ線源９３１、９３２は、患者１００内の照射目標に向けてＸ線を照射し、Ｘ線画像取得装置９４１、９４２は、Ｘ線源９３１、９３２からのＸ線の画像を取得して、照射目標の位置を検出する。Ｘ線画像取得装置９４１、９４２としては、例えばイメージインテンシファイアを用いたＸ線テレビ装置あるいはシンチレータ板をＣＣＤカメラで計測する方法などを使用する。照射目標は、それに対応する要所に、予め金などの金属の小片をマーカとして埋め込む方法もあり、このマーカを用いることにより、照射目標の位置の特定が容易になる。

　呼吸測定部９１および照射目標位置検出部９３はともに、呼吸等に伴う照射目標の変位を検出し、呼吸信号ＢＳを発生する。これらの呼吸信号ＢＳは、ともに患部位置判定部９５に入力される。この患部位置判定部９５は、そのメモリー内に記憶された呼気／吸気の相関関係に基づき、入力された呼吸信号ＢＳから呼吸変位をリアルタイムで判定し、ステータス信号ＳＳを照射制御計算部７０に出力する。

　変位位相検出部９０の動作の概要を図８の線図に示す。図８（ａ）の線図は、例えば照射目標の呼吸変位を示し、図８（ｂ）の線図はこの変位に基づいて判定した結果のステータス信号を示す。図８（ａ）の線図における横破線は所定の閾値を示し、変位が所定の閾値以下の場合、患部位置判定部９５は、図８（ｂ）に示すようなステータス信号、すなわち照射可能な状態であるとの信号を出力する。照射制御計算部７０は、ステータス信号に基づき以下のようにして照射を制御する。

　まず、照射に先立って、患者の呼吸運動等による臓器移動を変位位相検出部９０により測定し、患部の移動周期の位相データを取得する。すなわち、変位位相検出部９０が出力するステータス信号のデータを照射制御計算部７０に登録する。照射制御計算部７０では、患部の移動におけるステータス信号の時間長（以後１ゲート長と呼ぶ。）を、例えば登録された複数の１ゲート長により評価し、１ゲート長以内に患部の全照射スポットを照射するための、各照射スポットにおける照射線量率（強度）などの照射パラメータを演算により決定する。照射線量率は、各照射スポットにおける照射線量を、各スポットにおける照射許容時間で割ることで求める。照射許容時間は、１ゲート長の中で照射する時間と、照射全体におけるスポット毎の照射割合の積で求める。照射パラメータが決定された後、照射を実行するが、ステータス信号ＳＳが出力されている間（１ゲート間）に、決定した照射パラメータを用いて照射を行う。図８（ｃ）に、１ゲート長を拡大して、実際に各照射スポットを照射するイメージを示す。図８（ｃ）に示すように、１ゲート長以内に照射スポット１～照射スポットｎ全てを照射するようにしている。例えば照射スポット数が５００、１ゲート長が１秒と評価されたとすると、全照射時間を１ゲート長以下の、例えば０．５秒として、１照射スポットの照射時間が約１ｍｓとなるように照射パラメータを決定する。

　加速器１２から取り出すことのできる粒子線の線量と、照射目標の大きさにもよるが、例えば、照射目標の大きさが５ｃｍ×５ｃｍ×５ｃｍ、照射線量として生物線量で５ＧｙＥ、スポットサイズφ２．５ｍｍ、とすれば、照射スポットの総数約５００で、０．５秒で全ての照射スポットに必要線量を照射することは、現実的に可能である。このとき、深さ方向は、リッジフィルタ４３のパラメータを、所定の深さにおいてＳＯＢＰが５ｃｍの幅となるように設定することにより、粒子線のエネルギーを変更することなく照射目標の深さ方向の照射も実現できる。よって、１ゲートで全ての照射スポットの照射を完了することができるため、照射中の照射目標の移動を最小限に抑えた照射ができ、極めて精度の高い照射を実現できる。

　なお、以上では、1ゲート内で全照射領域に必要照射線量を照射できる例を説明したが、必ずしも１ゲート内で必要照射線量が照射できなくても良い。例えば、加速器から1回の加速で取り出すことのできる粒子線の量では、例えば上記の例で、全照射領域に５ＧｙＥを照射することができない場合、複数回に分けて照射することで、全照射領域に５ＧｙＥを照射することができる。必要照射線量が５ＧｙＥである場合に、照射制御計算部７０において、加速器から１回の加速で取り出すことのできる粒子線の量で全照射領域に３ＧｙＥを照射することができると評価した場合、まず、加速器における１回目の加速による粒子線により、1ゲートで、全ての照射スポットを照射して、照射目標に対して３ＧｙＥの線量を与える。次に２回目の加速による粒子線により、２回目の加速後の1ゲート内に、再び全ての照射スポットを照射して、照射目標に対して２ＧｙＥの線量を与える。このようにして、２ゲートの時間を用いて、それぞれのゲートにおいて全ての照射スポットを照射することで、合計５ＧｙＥの線量を与えることができる。このように、必ずしも１ゲート内で全線量を照射する必要はなく、複数のゲートに分けて照射しても良い。ただし、１ゲートにおいて全照射スポットを照射し、次の１ゲートにおいても全照射スポットを照射するようにしなければならない。１ゲートで全照射スポットを照射するため、ゲート毎に精度の高い照射を実現でき、したがって合計についても精度の高い照射線量が得られる。

実施の形態３．
　図９は、この発明の実施の形態３による粒子線照射システムの概略構成を示すブロック図である。図９において、図３および図６と同一符号は同一または相当する部分を示す。実施の形態１および実施の形態２では、リッジフィルタ４３により深さ方向に一定のＳＯＢＰを形成するようにした。患部の形状は多様なため、深さ方法に一定のＳＯＢＰを形成するだけでは適用範囲が狭い。本実施の形態３では、図９に示すように、エネルギー幅拡大機器として、コーンリッジフィルタ４３１とボーラス４６を用いている。コーンリッジフィルタ４３１は、非常に細い錘状体をビームの進行方向（Ｚ方向）が軸となるよう、ビームの進行方向と垂直なＸＹ面内に多数配置して形成される。図９に概念的に示すように、例えば錘状体の高さを変化させることで、通過する粒子線が受ける影響がＸＹ面内で異なり、位置によってエネルギー幅の異なる粒子線を照射目標に照射することができる。

　図１０にコーンリッジフィルタ４３１通過後の粒子線によって形成されるＳＯＢＰの一例を示す。図１０においてＡで示される実線の曲線は、高さが高い錘状体が配置されている部分（例えば中央部分）を粒子線が通過したときに、通過後の粒子線によって形成されるＳＯＢＰであって、幅が広いＳＯＢＰとなっている。Ｂで示される破線の曲線は、Ａの曲線で示される部分よりも高さが低い錘状体が配置されている部分（例えば中央周辺部分）を粒子線が通過したときに、通過後の粒子線によって形成されるＳＯＢＰであって、Ａよりも幅が狭いＳＯＢＰとなっている。Ｃで示される一点鎖線の曲線は、Ｂの曲線で示される部分よりもさらに高さが低い錘状体が配置されている部分（例えば周辺部分）を粒子線が通過したときに、通過後の粒子線によって形成されるＳＯＢＰであって、Ｂよりもさらに幅が狭いＳＯＢＰとなっている。このように配置される錘状体の高さに応じてＳＯＢＰの幅が異なるが、ＳＯＢＰ幅が大きくなるにつれて、ＳＯＢＰ中心において等量の線量を得るのに必要な照射線量（照射粒子数）が大きくなり、コーンリッジフィルタの配置に応じて照射線量を調節しなければならない。上記のようにコーンリッジフィルタの配置に応じて照射線量を調整する方法としてスキャニング照射法は最適な照射方法である。

　コーンリッジフィルタ４３１を通過した粒子線は、ボーラス４６を通過する。ボーラスは、樹脂等で形成された制限器であり、照射目標の深さ形状に合わせて粒子線の飛程が制限されるように、ボーラスを通過する粒子線のエネルギーを制限する。図１０で示すコーンリッジ４３１によってエネルギー幅が広げられた粒子線がボーラス４６を通過することにより、図１１に示すような深さ方向のＳＯＢＰを形成する粒子線となる。すなわち、例えば図１０において曲線Ａで示した、中央部分を通過した粒子線は、ボーラス４６も中央部分を通過し、エネルギーがそれほど制限されず、図１１のＡ１の実線で示す曲線のように、深さ３００ｍｍまでの広いＳＯＢＰを形成する。また、図１０において曲線Ｂで示した、中央周辺部分を通過した粒子線は、ボーラス４６によってエネルギーが制限されて、図１１のＢ１の破線で示す曲線のように、深さ約２７０ｍｍまでに制限されたやや狭いＳＯＢＰを形成する。さらに、図１０において曲線Ｃで示した、周辺部分を通過した粒子線は、ボーラス４６によってエネルギーが大きく制限されて、図１１のＣ１の破線で示す曲線のように、深さ約２５０ｍｍまでに制限された狭いＳＯＢＰを形成する。以上のように、ＸＹ面内で分布を有するコーンリッジフィルタ４３１とボーラス４６を用いることで、照射目標の深さ方向に分布を有する照射領域を形成することができる。

　図９の粒子線照射システムにより、ＸＹ面内をスキャンして照射するスキャニング照射をした場合に形成される照射領域のイメージを図１２に示す。図１２（Ａ）の丸印は、図１（Ａ）と同様、各照射スポットを示し、丸印の中の数字は照射スポットを走査する順番を示している。また、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）のＡ－Ａ断面を示している。図１２（Ｂ）で示されるように、各照射スポットにおける深さ方向の照射領域は位置によって変化しており、エネルギー幅拡大機器であるコーンリッジフィルタ４３１とエネルギー制限器であるボーラス４６を用いることにより、深さ方向の照射領域を照射目標の形状に合う領域とすることができることがわかる。

　本実施の形態３においても、実施の形態２で説明したのと同じように、患部の移動周期を評価して、1ゲート内に全ての照射スポットを照射するよう、照射パラメータを設定して照射を実行することができる。よって、粒子線のエネルギーを変更することなく照射目標の深さ方向の照射も実現でき、１ゲートで全ての照射スポットの照射を完了することができるため、照射中の照射目標の移動を最小限に抑えた照射ができ、極めて精度の高い照射を実現できる。

実施の形態４．
　図１３は、この発明の実施の形態４による粒子線照射システムの概略全体構成のブロック図である。図１３において、図３、図６および図９と同一符号は同一または相当する部分を示す。粒子線のエネルギーを変更せずに、深さ方向に所定の照射領域を形成する、すなわちＳＯＢＰを形成するための構成は、種々の構成が可能である。図１３においては、リッジフィルタ４３とボーラス４６を用いて深さ方向の照射領域を形成する構成としている。さらに、照射目標の横方向の形状に合わせた照射領域を形成するために、マルチリーフコリメータ（ＭＬＣ）や患者コリメータといったコリメータを用いても良い。

　従来のスキャニング照射法では、深さ方向の照射領域は粒子線のエネルギーを変更し、深さ方向に対して異なる照射領域を形成しながら照射する。これに対して、本発明においては、走査用偏向電磁石４１の下流に設けたリッジフィルタなどのエネルギー幅拡大機器やエネルギー制限器であるボーラスなどを用いて、深さ方向の照射目標の全領域に亘って照射領域を形成する構成としている。この構成において横方向の照射領域を、照射スポットをスキャニングするスキャニング照射により形成することにより、例えば１ゲート内に照射目標の全領域の照射を完了することが可能となり、精度の高い照射を実現することができる。

実施の形態５．
　図１４は、本発明の実施の形態５による粒子線照射システムの動作を説明する線図である。図１４（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、図８（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）と同様の図である。図１４（ｄ）は、図１４（ｃ）の拡大された時間軸に対応して、加速器１２から出射されるビーム強度の時間変化を示すものであり、加速器から粒子線を出射させる状態を示している。例えば、実施の形態２において、１ゲートで全照射領域を照射するようにしたが、加速器から粒子線を出射させるタイミングを、照射のタイミングと同期させるものが本実施の形態５による粒子線照射システムの動作である。

　まず、ゲート内の照射開始時刻ｔ０になったら、加速器の出射可能残時間を算出し、出射可能残時間がゲート内の予定照射時間に満たなければ、出射を見送る。出射可能残時間がゲート内の予定照射時間を満たしていれば、出射を行う。患部の移動周期と加速器の運転周期を評価することで、ゲート内で全照射領域を照射し切ることができる。複数のゲートを跨いで照射領域を照射することは、患部の移動周期間で位置のばらつきがある場合、線量分布の計画外の高線量域や低線量域を原理的に発生させる。ゲート内で全照射領域を照射し切ることができることは、線量分布の精度向上に結びつく。

１０：粒子線発生部　　　　　　　　　　１１：入射器
１２：加速器　　　　　　　　　　　　　１３：加速器制御器
１４：照射線量制御器　　　　　　　　　１５：スポットサイズ制御器
１６：ビーム走査制御器　　　　　　　　２０：粒子線輸送部
３０、３０Ａ、３０Ｂ：粒子線照射部　　３２：治療台
４０：照射ノズル
４１、４１ａ、４１ｂ：走査用偏向電磁石
４２：線量モニタ
４３：リッジフィルタ（エネルギー幅拡大機器）
４３１：コーンリッジフィルタ（エネルギー幅拡大機器）
４４：ビーム径変更器　　　　　　　　　６０：治療計画部
７０：照射制御計算部　　　　　　　　　８０照射制御部
９０：変位位相検出部　　　　　　　　　ＰＢ：粒子線

Claims

　加速器を備えた粒子線発生部と、この粒子線発生部で発生された粒子線を照射目標に照射する照射ノズルと、照射する粒子線を制御する照射制御部と、を有し、上記照射ノズルは、上記粒子線の照射方向に直交する横方向の２次元に上記粒子線を偏向して走査する走査用偏向電磁石と、粒子線のエネルギー幅を拡大して上記照射目標の上記粒子線の照射方向である深さ方向にＳＯＢＰを形成するためのエネルギー幅拡大機器とを備えた粒子線照射システムにおいて、
上記エネルギー幅拡大機器は、上記照射目標の深さ方向の照射領域全体に亘って上記深さ方向のＳＯＢＰを形成するよう構成されており、上記照射制御部は、上記粒子線が上記照射目標に形成する照射スポットを、上記照射目標の上記横方向の照射領域全体に亘ってステップ状に移動させるよう上記走査用偏向電磁石を制御することを特徴とする粒子線照射システム。
　上記照射目標の変位の位相を検出する変位位相検出部を備え、
上記変位位相検出部は、上記照射目標の変位が所定の位相にある間、上記照射目標に上記粒子線の照射を許可するゲート信号を出力し、上記照射制御部は、上記ゲート信号のうち一つのゲート信号が出力されている間に、上記照射スポットを、上記照射目標の上記横方向の照射領域全体に亘ってステップ状に移動させるよう上記走査用偏向電磁石を制御することを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射システム。
　治療計画部と、この治療計画部から受け取るデータにより、上記ステップ状に移動する照射スポットの各々の照射スポットにおける照射パラメータを計算する照射制御計算部を備え、
この照射制御計算部は、上記変位位相検出部から受け取るデータにより、上記照射目標の移動周期の位相を評価し、上記一つのゲート信号間に、上記照射目標の横方向の照射領域全体を照射するための上記照射パラメータを演算して、この演算された照射パラメータにより照射するためのデータを上記照射制御部に送出することを特徴とする請求項２に記載の粒子線照射システム。
　上記加速器から粒子線を出射開始させるタイミングを、上記加速器の出射可能残時間がゲート内予定照射時間より長いかの判定結果に同期させることを特徴とする請求項２に記載の粒子線照射システム。
　上記エネルギー幅拡大機器は上記横方向にエネルギー幅が異なる分布を有するようにエネルギー幅を拡大する素子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粒子線照射システム。
　粒子線発生部で発生された粒子線を照射目標に照射する粒子線照射システムの制御方法であって、
上記粒子線照射システムは、上記粒子線の照射方向に直交する横方向の２次元に上記粒子線を走査する走査用偏向電磁石と、上記粒子線のエネルギー幅を拡大して上記照射目標の上記粒子線の照射方向である深さ方向に、上記照射目標の深さ方向の照射領域全体に亘ってＳＯＢＰを形成するエネルギー幅拡大機器と、を備え、
上記照射目標の変位が所定の位相にある間に、上記粒子線を上記照射目標の上記横方向の照射領域全体に亘ってステップ状に移動させて上記照射目標に照射すよう上記走査用偏向電磁石を制御することを特徴とする粒子線照射システムの制御方法。