JP4490198B2

JP4490198B2 - 粒子線照射装置

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Publication number: JP4490198B2
Application number: JP2004218626A
Authority: JP
Inventors: 昭彦丸山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2024-07-27
Also published as: JP2006034582A

Description

この発明は、粒子線照射装置に関し、特に、粒子線治療装置等で用いる荷電粒子ビームを照射するための粒子線照射装置に関する。

近年、がんの治療方法として、陽子や重粒子を用いた粒子線治療方法について多くの研究がなされている。粒子線治療方法とは、加速器から出射される粒子線をがん細胞に照射することで、がん細胞を死滅させる方法である。

従来の粒子線治療装置では、粒子線のレンジ（飛程）を変更するために、独立に稼動する複数（例えば、８枚〜１０枚）のアクリル等の平板から構成されるレンジシフタを設けておき、各板を必要に応じて圧空シリンダによりビーム軌道上に挿入する。このように、ビーム軌道上に挿入される当該レンジシフタの平板の合計の厚さが所望の値となるように、平板を出し入れしてレンジシフタ全体の厚さを調整していた（例えば、特許文献１参照。）。

また、現在、高精度な照射方法として、実用化が進められている照射方法として、スポットスキャニング法と呼ばれるものがある。スポットスキャニング法とは、照射スポットを明確に区切り、照射停止中に照射位置の走査を行うものである。

スポットスキャニング方法を実現する装置として、荷電粒子線を互いに逆方向に同じ角度だけ曲げる１組の磁場からなるスキャニング磁場を発生させる１組のスキャニング電磁石を、モータで回転する回転駆動用歯車に搭載して、それらを回転させることにより、２軸の平行ビームスキャニングを実現させるものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００１−２１２２５３号公報特開平１１−１１４０７８号公報

上記の特許文献２で示されるようなスポット・スキャン照射を行う場合には、照射時間を短縮するため、短時間（１００ｍｓｅｃ以下）でレンジを変更する必要がある。上記特許文献１で示されるような従来の平板を出し入れする方式のレンジシフタでは、約２００ｍｍ程度の距離を駆動する必要があり、１００ｍｓｅｃ秒程度の短時間でレンジを変更するためには２ｍ／ｓｅｃ以上の高速で平板を挿入する必要があり、そのためには、駆動力の大きい駆動機構が必要で、大型のエア・シリンダを各レンジシフタに装備して、レンジシフタを出し入れする必要があるという問題点があった。

さらに、通常８枚から１０枚の平板から構成されるレンジシフタの各平板に対して、上記のような大型のエア・シリンダからなる駆動機構を各々用意する必要があり、コストが高くなってしまうという問題点があった。

また、レンジシフタ動作時には、複数の平板が高速で出入りを行うことになり、騒音が発生してしまうという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、低コストに抑え、かつ、レンジシフタ駆動音の低減を図ることが可能な粒子線照射装置を得ることを目的としている。

この発明は、被照射体に荷電粒子ビームを照射させるための粒子線照射装置であって、荷電粒子ビームを偏向させて、前記被照射体の内部での平面方向の位置を制御するビーム位置変更手段と、偏向された前記荷電粒子ビームを通過させることにより、前記被照射体の内部での深さ方向の位置を制御する階段状に構成されたレンジシフタと、前記レンジシフタの各段と前記被照射体との間の相対位置を変化させるための駆動手段とを備え、前記階段状に構成されたレンジシフタは、当該レンジシフタの厚み変化方向がスキャニング方向の幅が大きい方の方向に対して垂直となるように設置されている粒子線照射装置である。

この発明は、被照射体に荷電粒子ビームを照射させるための粒子線照射装置であって、荷電粒子ビームを偏向させて、前記被照射体の内部での平面方向の位置を制御するビーム位置変更手段と、偏向された前記荷電粒子ビームを通過させることにより、前記被照射体の内部での深さ方向の位置を制御する階段状に構成されたレンジシフタと、前記レンジシフタの各段と前記被照射体との間の相対位置を変化させるための駆動手段とを備え、前記階段状に構成されたレンジシフタは、当該レンジシフタの厚み変化方向がスキャニング方向の幅が大きい方の方向に対して垂直となるように設置されている粒子線照射装置であるので、階段状のレンジシフタを用いた事により、レンジシフタ駆動音を低減することができ、かつ、装置を低コストに抑えることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるスポットスキャン法による粒子線照射装置を示す図である。本発明に係る粒子線照射装置は、荷電粒子加速器（図示せず）などから出射される荷電粒子ビーム２を被照射対６内の照射領域７に照射させるための装置である。図１に示されるように、本実施の形態に係る粒子線照射装置においては、偏向電磁石１ａの下方に、同様の構成からなる偏向電磁石１ｂが設けられている。ここで、１ａは偏向電磁石の磁極部のみを示したもので、偏向電磁石全体は、例えば、図２０のように、磁極１ａ、リターンヨーク１０１ａおよびコイル１０２ａから構成されるものである。１ｂも同様に偏向電磁石の磁極部のみを示したもので、偏向電磁石全体は、例えば、図２１のように、磁極１ｂ、リターンヨーク１０１ｂおよびコイル１０２ｂから構成されるものである。さらに、偏向電磁石１ｂの下方には、階段状レンジシフタ３が設けられ、その下には、荷電粒子ビーム２をモニタするための位置モニタ４および線量モニタ５が順に設けられている。被照射体６は線量モニタ５の下方に置かれ、被照射体６内の照射領域７に荷電粒子ビーム２が照射される。なお、階段状レンジシフタ３とは、図１に示すように、階段状に変化する厚さを有し、当該階段状に構成された各段のうちのいずれの段の位置で、荷電粒子ビーム２を通過させるかによって、被照射体６の内部での深さ方向の位置を制御するためのものである。

このように構成された本実施の形態に係る粒子線照射装置においては、荷電粒子加速器（図示せず）などから供給される荷電粒子ビーム２は、偏向電磁石１ａ及び１ｂによって偏向されて、例えば、軌道２ａを形成して、被照射体６の内部の照射領域７に照射される。このとき、荷電粒子ビーム２の照射は、照射領域７を３次元的に分割した小領域（スポット）ごとに行うため、荷電粒子ビーム照射位置を、３次元的に調整して全スポットの照射を行う。

偏向電磁石１ａ，１ｂには励磁電流を供給するための励磁電流供給手段（図示せず）が設けられており、それにより、偏向電磁石１ａ，１ｂの励磁電流を変化させることで、荷電粒子ビーム２の位置は、軌道２ａから軌道２ｂへ連続的に移動させる事ができる。なお、励磁電流値の調整および制御は、後述するスキャン制御装置２７（図３参照）によって行われる。さらに、偏向電磁石１ａ，１ｂを一体としてビーム軸９に対して回転させることによって、ビーム軸９に垂直な面内での荷電粒子ビーム２の照射位置の制御を行うことができる。このように、偏向電磁石１ａ，１ｂは、荷電粒子ビーム２を偏向させて、被照射体６の内部での平面方向の位置を制御するビーム位置変更手段を構成している。また、階段状に構成されたレンジシフタ３を図１の矢印Ａ方向に移動させる事によって、荷電粒子ビーム２がレンジシフタ３を通過する厚さを（階段状に）調整し、被照射体６の内部での深さ方向の位置（飛程）を制御することができる。また、各スポットへの照射において、荷電粒子ビーム２の位置をモニタするための位置モニタ４、及び、荷電粒子ビーム２の照射線量をモニタするための線量モニタ５が被照射体６の前に置かれているため、これらのモニタ４，５を用いることにより、荷電粒子ビーム２をモニタすることができるので、被照射体６に対して適切な照射が行われているか否かを確認することができる。

階段状レンジシフタ３は、アクリルなどの素材で構成されるが、各段の高さは、照射領域７を、深さ方向に、分割する際に必要とされる最小の単位とする。通常のスポットスキャン照射では、深さ方向の分割幅は、水等価厚さで５ｍｍ程度であるので、最小分割単位を５ｍｍとすれば、レンジシフタ３の各段の段差は水等価厚さで５ｍｍに設定する。またさらに高い精度で深さ方向の位置を制御するためには、最小単位を分割幅の１／Ｎ（Ｎは１よりも大きい整数）としても良い。

詳細な構成について説明すれば、図２で示すように、階段状レンジシフタ３は偏向電磁石１ａ，１ｂに対して、フレーム１５及びガイド１６を介して連結され、偏向電磁石１ａ，１ｂが回転する場合には一体となって回転する構造としている。すなわち、階段状レンジシフタ３が両端をガイド１６によって支持され、各当該ガイド１６には、上方向に向かって突設されている略々矩形の枠型のフレーム１５が設けられている。フレーム１５間には、偏向電磁石１ａ，１ｂが架設されている。また、階段状レンジシフタ３は、ガイド１６によって支持されているが、ガイド１６に対して、ビーム軸方向、ビームスキャン方向には固定されており、ビーム軸とビームスキャン方向に垂直な方向（レンジシフタ駆動方向、すなわち、図１のＡ方向）にはガイド１６に案内されて移動できるように支持されている。

また、図３に示すように、レンジシフタ３には、図１のＡ方向にレンジシフタ３を駆動させるための駆動装置２０が部材２１を介して接続されている。また、当該駆動装置２０には、それの制御を行うためのレンジシフタ駆動制御装置２５が電気的に接続されている。このように、駆動装置２０は、レンジシフタ３の各段と被照射体６との間の相対位置を変化（制御）させるための駆動手段を構成している。また、レンジシフタ３の位置を検知するためのレンジシフタ位置読み取り装置２６が、レンジシフタ３の下方に設けられており、当該レンジシフタ位置読み取り装置２６の検知信号はレンジシフタ駆動制御装置２５に入力される。また、偏向電磁石１ａ，１ｂの励磁電流の調整、および、レンジシフタ駆動制御装置２５へのレンジシフタ厚さの指令を行うためのスキャン制御装置２７が設けられている。

図３の構成における動作について説明する。レンジシフタ３は、駆動装置２０によって、部材２１を介して、レンジシフタ駆動方向に駆動される。駆動装置２０は、例えば、リニア・モータ、ステッピングモータ、あるいは、サーボモータ等から構成する。レンジシフタ駆動制御装置２５は、必要とされるレンジシフタ厚さに応じて、荷電粒子ビーム２がレンジシフタ３上に照射される位置が、該当するレンジシフタの段の概ね中央の位置となるように、駆動装置２０によってレンジシフタ３の挿入量を調節する。また、レンジシフタ挿入量の調整は、レンジシフタ位置読み取り装置２６の検知信号を用いる事でさらに精度を高めることができる。スキャン制御装置２７は、予め計画されたスキャン手順に従って、偏向電磁石１の励磁電流の調整、レンジシフタ駆動制御装置２５へのレンジシフタ厚さの指令を行う。

このような構成においては、偏向電磁石１ａ，１ｂの励磁電流を変化させ、電磁石１ａ，１ｂを回転させて、ビーム軸９に垂直な平面内で荷電粒子ビーム２の照射位置を変化させても、階段状レンジシフタ３上を荷電粒子ビーム２が通過する領域は、幅がビームサイズ程度で、長さが偏向電磁石１ａ，１ｂによるビームスキャン幅程度の矩形領域となる。したがって、図４で示すように、階段状に構成されたレンジシフタ３の各段の幅Ｄは、レンジシフタ３の位置での荷電粒子ビーム２のビームサイズＳ（照射位置３０でのビームの直径）の最大値Ｓｍａｘよりも大きく設定すればよい。

このように、照射領域７に対する照射は、偏向電磁石１ａ，１ｂの励磁電流によるＲ方向への荷電粒子ビーム２の位置変更、階段状レンジシフタ３による飛程の変更、偏向電磁石１ａ，１ｂの回転によるθ方向の位置変更、の３つを組み合わせて行う。照射手順としては、上記の３つの変更を任意の順序で組み合わせれば良いが、変更の際に、多くの変更時間を要する手順については変更回数を少なくするように設定する事により、全体の照射時間を短縮することができる。通常の方式では、最も高速に変更可能なのは、偏向電磁石１の励磁電流変化によるＲ方向のビーム位置変更であり、θ方向の回転角の変更には最も時間を要する。したがって、変更手順としては、１）最初に回転角、飛程（レンジシフタ３の挿入量）を設定してから、Ｒ方向の一連の変更を行い、２）次に飛程を変更して再度Ｒ方向の一連の変更を繰り返し、３）飛程の変更がすべて終了したら回転角を変更し、４）再び、１）、２）、３）を繰り返す、という手順となる。この手順を図５に示した。

すなわち、図５に示すように、まず、偏向電磁石１ａ，１ｂのθ方向の回転角を設定し（ステップＳ１）、次に、階段状レンジシフタ３の位置の変更を行い（ステップＳ２）、次に、Ｒ方向への荷電粒子ビーム２の位置変更を行う（ステップＳ３）。次に、Ｒ方向への荷電粒子ビーム２の位置変更が終了したかを判定し（ステップＳ４）、終了していればステップＳ５に進み、終了していなければステップＳ３に戻る。ステップＳ５においては、階段状レンジシフタ３の位置の変更が終了したかを判定し（ステップＳ５）、終了していればステップＳ６に進み、終了していなければステップＳ２に戻る。ステップＳ６においては、偏向電磁石１のθ方向の回転角が終了したかを判定し（ステップＳ５）、終了していれば、そのまま処理を終わらせ、終了していなければステップＳ１に戻る。

上記の照射手順を、具体的な装置の動作で見直すと、図６に示すように、第１のスポットの照射位置に対する、レンジシフタ３上での対応する位置が３０ａであるとした場合（レンジシフタ厚さが最も薄い条件から開始した場合）、レンジシフタ３の位置を固定した状態で、偏向電磁石１ａ，１ｂの励磁電流を変化させて、順次３０ｂ、３０ｃ、・・・、３０ｆと照射を行い、３０ｆの照射が終了した時点で、レンジシフタ３を駆動して、荷電粒子ビーム２の位置を次の段に移動させる。この時のレンジシフタ３の移動量は段の幅Ｄと等しい。続いて、偏向電磁石１ａ，１ｂが逆方向に移動するように励磁電流を変更させて、順次スポットの照射を行い、更にレンジシフタ３をＤだけ移動させて次の段に移行するという手順を繰り返す事になる。レンジシフタ３の変更が全て終わった時点（最もレンジシフタ厚さが厚い設定での照射が終了した時点）で、回転角度を変更し、今度は、レンジシフタ条件が最も厚い条件から開始して、Ｒ方向の照射終了後、順次、レンジシフタの厚さを薄くするように、レンジシフタ３を駆動していく。

もちろん、常にレンジシフタ３の厚さが薄い条件から、厚い条件へ変化するように駆動する手順としても構わない。

このような構成によれば、レンジシフタ３の駆動装置２０は、一つの駆動装置２０のみで構成可能となり、システムのコストを低減する事が可能である。また、駆動装置２０が単純な構成となるので、メンテナンス性が良く、全体の重量軽減にもつながる。また、一つの駆動装置のみで構成されるために、レンジシフタ全体のビーム軸方向の大きさを低減することができる。

荷電粒子ビーム２の飛程を変更する際のレンジシフタ３の移動量、すなわち、レンジシフタ３の各段の幅は、荷電粒子ビーム２のビームサイズ程度、または、その数倍程度で良いので、通常の粒子線装置であれば１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度とできる。このため、従来のレンジシフタ駆動装置の移動量である１８０ｍｍ〜２００ｍｍに比べて、１／１０程度の駆動距離となり、短時間で飛程の変更を行う事ができる。また、駆動距離が短くなったことにより、レンジシフタ３の移動速度を低減する事ができるので、安価なモータを用いた駆動機構を構築する事が可能であるとともに、レンジシフタ３の駆動音を低減する事ができる。また、駆動機構の数が減少するので、高性能な駆動機構を用いても、全体としてコストを低減できる。

以上のように、本実施の形態においては、この発明に係るレンジシフタは、平行ビームスキャン方式によるスポット・スキャン照射に用いるもので、階段状に構成された１台のレンジシフタを、スキャン照射と同期して駆動するものである。レンジシフタの移動距離が短いために、移動速度を下げることが可能となり、トルクの小さいモータ等を使用することができるようになり、装置のコストを低減することができる。また、駆動するべきレンジシフタの数も少なくなるため、駆動装置数の低減により、コストを低減することができる。また照射中に稼動するレンジシフタは１枚だけであり、レンジシフタの速度変化が小さいため、レンジシフタの駆動に伴う騒音を低減することができる。

実施の形態２．
図７は、本実施の形態２に係る粒子線照射装置の構成を示した構成図である。本実施の形態においては、図７に示すように、実施の形態１の構成において２台の偏向電磁石１ａ，１ｂで構成されていた平行スキャン方式電磁石を、１台の偏向電磁石１のみで構成した。この構成では、荷電粒子ビーム２の被照射体６への入射角度が斜めになるため、階段上レンジシフタ３の横幅を小さくすることができる。なお、他の構成については、上記の実施の形態１と同様であるため、同一符号を付して示し、ここでは説明を省略する。

以上のように、本実施の形態２においては、上記の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、偏向電磁石を１台のみで構成するようにしたので、当該構成により、荷電粒子ビーム２の被照射体６への入射角度が斜めになるため、階段状レンジシフタ３の横幅を小さくすることができ、レンジシフタ３の重量を軽減して、レンジシフタ駆動機構のコストを下げることができる。さらに、偏向電磁石の個数が減った分だけコストを下げることができる。

実施の形態３．
図８は、本実施の形態３に係る粒子線照射装置のレンジシフタの構成を示した構成図である。本実施の形態においては、図８に示すように、レンジシフタ３を、スキャン照射時の飛程変更用レンジシフタ３ａと、大まかな飛程変更用のレンジシフタ３ｂとの、２つのレンジシフタで構成した。なお、各レンジシフタ３ａおよび３ｂの各段の幅は同一であるが、対応する各段の厚さは、図８に示すように、レンジシフタ３ｂの厚さの方がレンジシフタ３ａの厚さよりも大きくなっている。他の構成については、上記の実施の形態１または２と同様であるため、同一符号を付して示し、ここでは説明を省略する。

通常の粒子線治療においては、被照射体６の最大厚さは、水等価厚さで３０ｃｍ程度であるが、照射領域７の最大厚さは、水等価厚さで１４ｃｍ程度である。そこで、一回の照射において、最大の飛程に対応するレンジシフタ厚さをレンジシフタ３ｂにより大まかに決定し、スポットスキャン時には、レンジシフタ３ｂは固定として、レンジシフタ３ａのみを駆動して、照射中の飛程の変更を行う。レンジシフタ３ｂの各段の高さΔｈ’は、レンジシフタ３ａの最大厚さｈ_ｍａｘ、レンジシフタ３ａの各段の高さΔｈに対して、
Δｈ＜Δｈ’＜ｈ_ｍａｘ／２
となるように構成する。

このような構成により、レンジシフタ３ａにおいて、被照射体６の最大厚さに対応する必要がなくなり、少なくとも、照射領域７の最大厚さに対応すればよくなる。これによって、高速で駆動するレンジシフタ３ａの質量を低減する事ができるため、駆動装置のコスト低減、駆動速度の向上、駆動音を低減することができる。また、レンジシフタ３ｂは、従来型の複数の平板を挿入する方式としても良い。レンジシフタ３ｂの駆動は、数秒〜数十秒で移動する低速駆動でも問題ないので、大型の駆動機構を設ける必要はなく、駆動機構を複数配置してもコストを低減できる。

以上のように、本実施の形態においては、上記の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、スキャン照射時の飛程変更用レンジシフタ３ａと、大まかな飛程変更用のレンジシフタ３ｂとの、２つのレンジシフタで構成するようにしたので、高速で駆動するレンジシフタ３ａの質量を低減する事ができるため、駆動装置のコスト低減、駆動速度の向上、駆動音を低減することができる。

実施の形態４．
図９は、本実施の形態４に係る粒子線照射装置のレンジシフタの構成を示した構成図である。図９では、スキャン照射時の飛程変更用レンジシフタ３ａと、大まかな飛程変更用レンジシフタ３ｂとで、構成されたレンジシフタにおいて、荷電粒子ビーム２の上流側に配置したレンジシフタ３ｂの段の幅Ｄに対して、下流に配置されたレンジシフタ３ａの段の幅Ｄ’について、
Ｄ’≧Ｄ＋ΔＳ
となるように構成した。ここでΔＳは、レンジシフタ３ａ内に入射する前の荷電粒子線ビーム２のビームサイズＳと、レンジシフタ３ｂから出た直後の荷電粒子線ビーム２のビームサイズＳ’との差で定義される。荷電粒子線ビーム２のビームサイズは、レンジシフタ３ａ，３ｂを通過する際に、散乱によって拡大するため、通常Ｓ＜Ｓ’であるので、
ΔＳ＝Ｓ’−Ｓ
である。レンジシフタ３ｂの各段の幅Ｄ’は、段ごとにＤ’≧Ｄ＋ΔＳを満たすように決定しても良く、また、ΔＳの最大値ΔＳｍａｘに対して、Ｄ’≧Ｄ＋ΔＳｍａｘとなるように全ての段の幅を同じ幅としても良い。他の構成については、上記の実施の形態３と同様であるため、同一符号を付して示し、ここでは説明を省略する。

このような構成により、レンジシフタ３ａ，３ｂ中での荷電粒子ビームの散乱によって、レンジシフタ３ｂ下面近傍でのビームサイズが拡大し、荷電粒子ビームが厚さの異なった段に侵入することを防ぐことができる。

以上のように、本実施の形態においては、上記の実施の形態１〜３と同様の効果が得られるとともに、さらに、荷電粒子ビーム２の上流側に配置したレンジシフタ３ｂの段の幅Ｄよりも下流に配置されたレンジシフタ３ａの段の幅Ｄ’の方が大きくなるようにしたので、レンジシフタ３ａ，３ｂ中での荷電粒子ビームの散乱によって、レンジシフタ３ｂ下面近傍でのビームサイズが拡大し、荷電粒子ビームが厚さの異なった段に侵入することを防ぐことができ、荷電粒子ビームの飛程が変化することを防ぐことができる。

実施の形態５．
図１０は、本実施の形態５に係る粒子線照射装置の構成を示した構成図である。図１０では、レンジシフタ３を、スキャン照射時の飛程変更用レンジシフタ３ａ、大まかな飛程変更用のレンジシフタ３ｂ、詳細な飛程調整用レンジシフタ３ｃの３つのレンジシフタで構成した。各レンジシフタ３ａ，３ｂ，３ｃの各段の幅は同一である。また、対応する各段の厚さは、レンジシフタ３ｂが最も大きく、次がレンジシフタ３ａで、レンジシフタ３ｃが最も小さくなっている。他の構成については、上記の実施の形態１と同様であるため、同一符号を付して示し、ここでは、説明を省略する。

本実施の形態５においては、レンジシフタ３ｃの各段の高さΔｈ’’を、レンジシフタ３ａの段の高さをΔｈとしたとき、１よりも大きい整数Ｎで割った値Δｈ’’＝Δｈ／Ｎとし、レンジシフタ３ｃの段の数は、Ｎ−１以上とする。レンジシフタ３ｃは、レンジシフタ３ａと同じく、スキャン照射開始前に一回、所定の位置に駆動されて、スキャン照射中は駆動されない。

このような構成により、レンジシフタ３の厚さを詳細に設定することができ、荷電粒子ビーム２の飛程を詳細に調整する事が可能となる。また、レンジシフタ３ａの段数を減少させることができる。この事により、レンジシフタ３ａの大きさ／重量を低減でき、駆動機構のコスト低減、駆動音を低減することができる。

以上のように、本実施の形態５においては、上記の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、レンジシフタ３を、スキャン照射時の飛程変更用レンジシフタ３ａ、大まかな飛程変更用のレンジシフタ３ｂ、詳細な飛程調整用レンジシフタ３ｃの３つのレンジシフタで構成するようにしたので、飛程の調整を詳細にする事が可能となり、同時にレンジシフタ３ａの段数を減少させることができるため、レンジシフタ３ａの大きさ／重量を低減でき、駆動機構のコスト低減、駆動音を低減することができる。

実施の形態６．
図１１は、本実施の形態６に係る粒子線照射装置のレンジシフタの構成を示した構成図である。本実施の形態６においては、図１１に示すように、レンジシフタ３の背面に、ビーム位置測定用ストリップ電極４０（以下、信号電極４０とする。）を配置したものである。信号電極４０は、図１１に示すように、レンジシフタ３の各段と平行な方向に設けられている。信号電極４０は、銅やアルミなどの導電性の薄いフィルム状部材で構成され、それぞれの電極間は絶縁して設置される。通常、レンジシフタ３はアクリルなどの絶縁部材で構成されるため、信号電極４０は、蒸着やエッチング等の方法で、レンジシフタ３上に直接形成することが可能である。また、レンジシフタ３が導電性部材で構成される場合には、レンジシフタ表面にポリイミドなどの絶縁部材を形成し、その上に、信号電極４０を配置すれば良い。

この構成において、本実施の形態においては、図１２で示すように、信号電極４０に対向する位置に、信号電極４０に対して所定の間隔だけ離間して、高圧電極４１が配置されている。高圧電極４１には１ｋＶ〜５ｋＶ程度の電圧が印加される。信号電極４０はアース電位となるように配置されており、荷電粒子ビーム２が通過した位置の直近の信号電極４０には、荷電粒子ビーム２が空気を電離して生成された電荷を持ったイオン、又は、電子が収集される。このため、荷電粒子ビーム２が通過した位置の信号電極４０には、電気信号が発生する。これにより、荷電粒子ビーム２が、レンジシフタ３のどの段を通過したかを正確に検知することができる。

信号電極４０の電気信号を、図１３で示すように信号処理回路４５で処理を行って、ビーム位置情報を得る事ができる。この位置情報は、レンジシフタ駆動制御装置２５に送られて、レンジシフタ３の位置調整を高精度に行う。また、スキャン制御装置２７へ位置情報を送り、装置のトラブルなどによる荷電粒子ビーム位置の変化を検出して、荷電粒子ビーム照射手順を停止するための安全機能とする。

このような構成により、機械的なレンジシフタ位置の検出に対して、実際のビームに対してレンジシフタの位置を検出するため、より正確にレンジシフタの位置を調整する事が可能である。また、装置のトラブルによって、ビームの位置ずれが発生した場合には、インターロック機能を持たせることが可能となり、より安全なビーム照射を行う事ができる。

以上のように、本実施の形態においては、上記の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、レンジシフタ３の一面にビーム位置測定用の信号電極４０を取り付けるようにしたので、詳細なレンジシフタ位置調整が可能となり、機器のトラブルによってビーム位置、又は、レンジシフタ位置が異常になった場合にも、安全なシステムを構築することが可能である。

実施の形態７．
図１４は、本実施の形態２に係る粒子線照射装置の構成を示した構成図である。図１４は、上記の実施の形態１〜６で示したようなレンジシフタ３の駆動方式を静止と駆動を繰り返すステップ動作から、常にほぼ一定の速度で移動する常時駆動方式に変えたものである。すなわち、本実施の形態においては、スポットスキャンによる荷電粒子ビームの照射中に、レンジシフタ３はほぼ一定速度で移動しており、レンジシフタ３上でのビーム照射位置は、図１４のようにレンジシフタ３上を斜め移動する。レンジシフタ３の移動速度は、Ｒ方向への荷電粒子ビーム２の位置変更中では、荷電粒子ビーム２が一つの段の中に十分納まるように調整される。

Ｒ方向の荷電粒子ビーム２のスキャン時間をｔ１、レンジシフタ３が次の段に移動する時間をｔ２とし、レンジシフタ位置でのビームサイズをＳとした場合、レンジシフタ３の移動速度ｖは、
ｖ＝Ｓ／ｔ２
と設定される。Ｒ方向へのスキャン中にレンジシフタ３が移動する距離ｄ１は、
ｄ１＝ｖ×ｔ１
となる。この時、レンジシフタ３の各段の幅Ｄは、
Ｄ＝ｄ１＋Ｓ＝Ｓ／ｔ２×ｔ１＋Ｓ＝Ｓ×（ｔ１＋ｔ２）／ｔ２
として決定する。レンジシフタ３の駆動速度ｖは、
ｖ＝Ｄ／（ｔ１＋ｔ２）＝（Ｄ−Ｓ）／ｔ１
とも表せる。
また、ここで、Ｓとしてビームサイズにビーム位置変動誤差分を上乗せしたＳ’を用いても良い。

例えば、ｔ１＝１００ｍｓｅｃ、ｔ２＝５０ｍｓｅｃ、Ｓ＝１０ｍｍとすれば、Ｄ＝３０ｍｍ、ｖ＝０．２ｍ／ｓｅｃとなり、駆動速度としては、通常のモータ駆動やリニアモータによる駆動方式が利用可能である。

また、スポットスキャンによる荷電粒子ビーム２の照射時間は、照射ごとに異なるので、スキャン時間ｔ１は照射ごとに変動する。このためｔ１としては、スキャン時間の変動を吸収できる十分大きな値を設定すれば良い。

また、ｔ１の変動を、レンジシフタ３の駆動速度ｖの調整によって補正しても良い。この時、上記の実施の形態５で示したビーム位置測定用電極４０の電極の方向を９０度回転して取り付け、ビームのスキャン方向位置を測定できるように構成し、信号処理回路４５からのビーム位置をもとにして、レンジシフタ駆動制御装置２５において、レンジシフタ駆動速度を調整しても良い。

このような構成により、レンジシフタ３の駆動速度がほぼ一定とする事ができるため、駆動音を低減することができる。また、駆動機構はモータやリニアモータを適用可能であり、低コストの駆動機構を構成する事が可能である。

以上のように、本実施の形態７においては、上記の実施の形態１〜６と同様の効果が得られるとともに、さらに、レンジシフタ３の駆動方式として、ほぼ一定速度でレンジシフタ３を駆動するようにしたので、レンジシフタ３の駆動音を低減させ、かつ、高速で飛程の変更が可能となる。

実施の形態８．
本実施の形態８においては、図１５に示すように、上記の実施の形態７の構成のレンジシフタ駆動方式において、照射領域に対応する、レンジシフタ３上でのビーム照射範囲Ｗに対して、偏向電磁石１の最大スキャン可能範囲がＷｍａｘである場合に、レンジシフタ３の駆動速度ｖを、
ｖ＝（Ｄ―Ｓ’）／ｔ１×Ｗｍａｘ／Ｗ
とした。

実際のビーム範囲Ｗは、最大スキャン可能範囲Ｗｍａｘよりも小さい値となるが、偏向電磁石１のヒステリシス特性の問題から、偏向電磁石１のスキャン範囲は、常にＷｍａｘとすることが一般的である。したがって、ビーム照射範囲Ｗの外を偏向電磁石１がスキャンしている時刻には、ビーム位置が、レンジシフタ３の段差部分に近づいても良く、レンジシフタ３の駆動方向のビーム照射可能なＤ−Ｓ’の幅と、スキャン方向の照射範囲Ｗが一致していれば良い。レンジシフタ３の移動速度ｖを上記の値とすれば、両者を一致させる事ができる。

この時、レンジシフタ３の段の幅Ｄの分だけ、レンジシフタ３が移動する時間は、
ｔ＝Ｄ／ｖ＝Ｄ／（Ｄ−Ｓ’）×ｔ１×Ｗ／Ｗｍａｘ
で、飛程の変更時間の実効的な値ｔ２は、
ｔ２＝ｔ―ｔ１＝ｔ１×（Ｄ／（Ｄ−Ｓ’）×Ｗ／Ｗｍａｘ−１）
ｔ２＝ｔ１×（Ｓ’―Ｄ×（１−Ｗ／Ｗｍａｘ））／（Ｄ―Ｓ’）
となり、上記の実施の形態７の駆動方式での飛程変更時間ｔ２＝ｔ１×Ｓ’／（Ｄ−Ｓ’）よりも小さくする事ができる。

特に、図１６に示すように、
Ｗ／Ｗｍａｘ＜Ｓ’／Ｄ
である場合には、
ｖ＝Ｄ／ｔ１
とする事によって、実効的な飛程変更時間をゼロにすることができる。

以上のように、本実施の形態８においては、上記の実施の形態１〜６と同様の効果が得られるとともに、さらに、レンジシフタ３の駆動方式として、ほぼ一定速度でレンジシフタ３を駆動するようにしたので、レンジシフタ３の駆動音を低減させ、かつ、高速で飛程の変更が可能となる。

実施の形態９．
図１７は、本実施の形態９に係る粒子線照射装置の構成を示す構成図である。図１７に示されるように、本実施の形態９に係る粒子線照射装置においては、偏向電磁石１ａの下方に、同様の構成からなる偏向電磁石１ｂが設けられている。ここで、１ａは偏向電磁石の磁極部のみを示したもので、偏向電磁石全体は、例えば、図２０のように、磁極１ａ、リターンヨーク１０１ａおよびコイル１０２ａから構成されるものである。１ｂも同様に偏向電磁石の磁極部のみを示したもので、偏向電磁石全体は、例えば、図２１のように、磁極１ｂ、リターンヨーク１０１ｂおよびコイル１０２ｂから構成されるものである。但し、本実施の形態においては、上記の実施の形態１等とは異なり、偏向電磁石１ａと１ｂを９０度回転して配置している。さらに、偏向電磁石１ｂの下方には、階段状レンジシフタ３が設けられている。被照射体６は階段状レンジシフタ３の下方にあり、被照射体６内の照射領域７に荷電粒子ビーム２が照射される。なお、当該実施の形態においても、上記の実施の形態１で示した位置モニタ４や線量モニタ５を設けるようにしてもよい。

このように、本実施の形態に係る粒子線照射装置は、Ｘ−Ｙスキャン方式のスポットスキャン照射装置において、階段状レンジシフタ３を用いた構成である。Ｘ−Ｙスキャン方式では、偏向電磁石１ａと１ｂを９０度回転して配置し、荷電粒子ビーム２をビーム軸９に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）内で、図１７のようにスキャンする。

Ｙ方向へのスキャン時のステップ幅をＤｙとして、ビームサイズをＳ、ビーム位置ずれ誤差を考慮したビームサイズをＳ’、Ｘ方向のビームスキャン時間をｔ１とした場合、階段状レンジシフタ３の段の幅をＤを
Ｄ＝Ｄｙ＋Ｓ’として、
レンジシフタの移動速度ｖを
ｖ＝Ｄｙ／ｔ１
とすれば、図１８のように、Ｘ−Ｙ平面のスキャンを行う場合には、レンジシフタ３の１つの段の中で、図１８のように、その段の一方の対角線上を荷電粒子ビーム２がスキャンされた後、短辺に沿って移動し、次に、他方の対角線上を荷電粒子ビーム２がスキャンされる（すなわち、Ｘ字状にスキャンされる。）。１回のＸＹ平面のスキャンが終了した時点で、レンジシフタ３の移動方向は反転され、同時にビームが照射される段を１段ずらして駆動を再開する。

このような構成によれば、Ｘ−Ｙスキャン方式のスポットスキャン照射装置において、レンジシフタ３の動作音の低減、駆動機構のコスト低減をすることが可能となる。

以上のように、本実施の形態９においては、上記の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、偏向電磁石１ａと１ｂを９０度回転して配置し、荷電粒子ビーム２をビーム軸９に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）内で、図１７のように、Ｘ字状にスキャンするようにしたので、Ｘ−Ｙスキャン方式のスポットスキャン照射装置において、レンジシフタ３の動作音の低減、駆動機構のコスト低減をすることが可能となる。

実施の形態１０．
図１９は、本実施の形態１０に係る粒子線照射装置の構成を示す構成図である。図１９に示されるように、本実施の形態１０に係る粒子線照射装置においては、偏向電磁石４１の下方に、階段状レンジシフタ３が設けられている。また、その下方には、荷電粒子ビーム２の位置をモニタするための位置モニタ４、および、照射線量をモニタするための線量モニタ５が設けられている。被照射体６は線量モニタ５の下方にあり、被照射体６内の照射領域７に荷電粒子ビーム２が照射される。また、被照射体６は、ベッド４２上に配置されている。

本実施の形態１０は、このように、スキャン照射装置上流に配置された偏向電磁石４１において荷電粒子ビーム位置を偏向可能なように構成された粒子線照射装置に、階段状レンジシフタ３を用いた構成である。上流の偏向電磁石４１の励磁電流を調整する事によって、荷電粒子ビーム２はＸ方向にスキャンされる。このように、偏向電磁石４１は、荷電粒子ビーム２を偏向させて、被照射体６の内部での平面方向の位置を制御するビーム位置変更手段を構成している。

一方、被照射体６は、ベッド４２上に配置、又は、固定されており、ベッド４２は駆動機構（図示せず）によってＹ方向に移動可能なように構成されている。このように、ベッド４２は、被照射体６を搭載するための移動可能に設けられた被照射体搭載手段であって、レンジシフタ３の各段と被照射体６との間の相対位置を変化（制御）させるための駆動手段を構成している。偏向電磁石４１、ベッド４２、レンジシフタ３をそれぞれスキャン又は駆動することによって、照射領域７が３次元的にスキャン照射される。

スキャン手順は、Ｘ方向のスキャンを最初に行い、次にレンジシフタ３を駆動し、最後にベッド４２をＹ方向に移動する手順が効率が良いが、他の手順、例えば、Ｘ方向、Ｙ方向、レンジシフタ３の順序でも構わない。

このような構成によれば、スキャン照射装置上流に配置された偏向電磁石４１において荷電粒子ビーム２の位置を偏向可能なように構成された粒子線照射装置において、レンジシフタ３の動作音の低減、駆動機構のコスト低減を図ることが可能となる。

以上のように、本実施の形態１０においては、上記の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、偏向電磁石４１の励磁電流を調整する事によって、荷電粒子ビーム２はＸ方向にスキャンされるとともに、被照射体６はベッド４２によってＹ方向に移動可能なように構成されているので、レンジシフタ３の駆動音を低減させるとともに、軸方向の大きさが低減されることにより、照射装置全体の軸方向の大きさを小さくすることが可能である。

実施の形態１１．
また、スキャン照射装置上流に配置された偏向電磁石、又は、ビーム偏向手段を備えた、粒子線照射装置についても、階段状レンジシフタを用いる事が可能である。

実施の形態１２．
なお、上記の実施の形態１〜１１においては、階段状のレンジシフタを用いる例について説明したが、階段状のレンジシフタを背中合わせに２つ結合させた山型のレンジシフタを用いても同様の効果を得ることができる。また、上記の実施の形態１〜１１においては、駆動装置２０は階段状のレンジシフタ３の最下段から最上段まで移動すると、駆動方向を逆向きに変更する必要があるが、本実施の形態においては、山型にレンジシフタを構成したので、最下段から最上段まで移動した後に、同一の駆動方向で、再び、最上段から最下段まで移動できるので、駆動装置２０によるレンジシフタの駆動方向の変更回数を少なくすることができる。

実施の形態１３．
上記の実施の形態１〜１１においては、位置モニタ４や線量モニタ５、および、位置測定用の信号電極４０等により、荷電粒子ビーム２の照射位置を測定する例について説明した。本実施の形態においては、さらに、副線量モニタを配置する例について説明する。

副線量モニタは、ライン型の線量モニタである。荷電粒子ビーム２の軌道は、図６や図１４〜図１６に示されるように、予め設定されたパターンに沿って移動する。そのため、本実施の形態においては、当該パターンに沿って、ライン型の副線量モニタを設置させる。これにより、ライン型の副線量モニタは、荷電粒子ビーム２のビーム照射点に常に一致するように配置される。当該構成において、主線量モニタである線量モニタ５の値と、本実施の形態におけるライン型の副線量モニタの値とを常時比較することにより、ビーム位置が正しく制御されていることをさらに精度高く確認することができる。

本発明の実施の形態１に係る粒子線照射装置の構成を示した構成図である。本発明の実施の形態１に係る粒子線照射装置の構成を示した部分拡大構成図である。本発明の実施の形態１に係る粒子線照射装置の構成を示したブロック図である。本発明の実施の形態１に係る粒子線照射装置の構成を示した部分拡大斜視図である。本発明の実施の形態１に係る粒子線照射装置の動作を示した流れ図である。本発明の実施の形態１に係る粒子線照射装置の動作を示した説明図である。本発明の実施の形態２に係る粒子線照射装置の構成を示した構成図である。本発明の実施の形態３に係る粒子線照射装置の動作を示した説明図である。本発明の実施の形態４に係る粒子線照射装置の動作を示した説明図である。本発明の実施の形態５に係る粒子線照射装置の動作を示した説明図である。本発明の実施の形態６に係る粒子線照射装置のレンジシフタの構成を示した拡大斜視図である。本発明の実施の形態６に係る粒子線照射装置の動作を示した説明図である。本発明の実施の形態６に係る粒子線照射装置の構成を示したブロック図である。本発明の実施の形態７に係る粒子線照射装置の動作を示した説明図である。本発明の実施の形態８に係る粒子線照射装置の動作を示した説明図である。本発明の実施の形態８に係る粒子線照射装置の動作を示した説明図である。本発明の実施の形態９に係る粒子線照射装置の構成を示した構成図である。本発明の実施の形態９に係る粒子線照射装置の動作を示した説明図である。本発明の実施の形態１０に係る粒子線照射装置の構成を示した構成図である。本発明の実施の形態１〜９に係る粒子線照射装置における偏向電磁石の全体の構成を示した説明図である。本発明の実施の形態１〜９に係る粒子線照射装置における偏向電磁石の全体の構成を示した説明図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ偏向電磁石、２荷電粒子ビーム、３階段状レンジシフタ、４位置モニタ、５線量モニタ、６被照射体、７照射領域、９ビーム軸、１５フレーム、１６ガイド、２０駆動装置、２１部材、２５レンジシフタ駆動制御装置、２６レンジシフタ位置読み取り装置、２７スキャン制御装置、４０ビーム位置測定用ストリップ電極（信号電極）、４１高圧電極。

Claims

被照射体に荷電粒子ビームを照射させるための粒子線照射装置であって、
荷電粒子ビームを偏向させて、前記被照射体の内部での平面方向の位置を制御するビーム位置変更手段と、
偏向された前記荷電粒子ビームを通過させることにより、前記被照射体の内部での深さ方向の位置を制御する階段状に構成されたレンジシフタと、
前記レンジシフタの各段と前記被照射体との間の相対位置を変化させるための駆動手段と
を備え、
前記階段状に構成されたレンジシフタは、当該レンジシフタの厚み変化方向がスキャニング方向の幅が大きい方の方向に対して垂直となるように設置されている
ことを特徴とする粒子線照射装置。
前記レンジシフタに、前記荷電粒子ビームの位置を測定するためのビーム位置測定用電極を設けたことを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射装置。
前記駆動手段は、照射中に、通過する前記荷電粒子ビームのビーム位置と同期して、一定速度で前記レンジシフタを移動し続けるように制御することを特徴とする請求項１または２に記載の粒子線照射装置。
被照射体に荷電粒子ビームを照射させるための粒子線照射装置であって、
ビーム軸方向に上下に配置された１対の偏向電磁石から構成され、荷電粒子ビームを偏向させて、前記被照射体の内部での平面方向の位置を制御する平行ビームスキャナと、
偏向された前記荷電粒子ビームを通過させることにより、前記被照射体の内部での深さ方向の位置を制御する階段状に構成されたレンジシフタと、
前記レンジシフタの各段と前記被照射体との間の相対位置を変化させるための駆動手段と
を備え、
前記階段状に構成されたレンジシフタは、当該レンジシフタの厚み変化方向が前記平行ビームスキャナのビームスキャン方向に垂直になるように設置されるとともに、前記平行ビームスキャナと同期して回転できるように構成されている
ことを特徴とする粒子線照射装置。
被照射体に荷電粒子ビームを照射させるための粒子線照射装置であって、
１台の偏向電磁石から構成され、荷電粒子ビームを偏向させて、前記被照射体の内部での平面方向の位置を制御するビームスキャナと、
偏向された前記荷電粒子ビームを通過させることにより、前記被照射体の内部での深さ方向の位置を制御する階段状に構成されたレンジシフタと、
前記レンジシフタの各段と前記被照射体との間の相対位置を変化させるための駆動手段と
を備え、
前記階段状に構成されたレンジシフタは、当該レンジシフタの厚み変化方向が前記ビームスキャナのビームスキャン方向に垂直になるように設置されるとともに、前記ビームスキャナと同期して回転できるように構成されている
ことを特徴とする粒子線照射装置。
前記レンジシフタに、前記荷電粒子ビームの位置を測定するためのビーム位置測定用電極を設けたことを特徴とする請求項４または５に記載の粒子線照射装置。
前記駆動手段は、照射中に、通過する前記荷電粒子ビームのビーム位置と同期して、一定速度で前記レンジシフタを移動し続けるように制御することを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。