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JP2011120810A - Particle beam irradiation apparatus - Google Patents

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JP2011120810A
JP2011120810A JP2009282643A JP2009282643A JP2011120810A JP 2011120810 A JP2011120810 A JP 2011120810A JP 2009282643 A JP2009282643 A JP 2009282643A JP 2009282643 A JP2009282643 A JP 2009282643A JP 2011120810 A JP2011120810 A JP 2011120810A
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JP
Japan
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particle beam
range
affected area
irradiation apparatus
collimator
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Pending
Application number
JP2009282643A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasushi Izeki
康 井関
Yoshiharu Kanai
芳治 金井
Norio Suetake
則夫 末武
Teruyasu Nagabuchi
照康 永渕
Shigeru Kasai
茂 笠井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Abstract

【課題】粒子線ビームの走査範囲や照射時間を拡大することなく患部の深さ方向の全域に渡って所望の線量分布平坦度を確保することができる粒子線ビーム照射装置を提供する。
【解決手段】粒子線ビーム照射装置は、ビーム走査部と、粒子線ビームのビーム幅を所定のビーム幅に拡大する散乱体と、粒子線ビームの体内飛程を、患部のビーム進行方向の大きさに合わせて分散し拡大するビーム飛程拡大装置と、粒子線ビームの最深体内飛程を、患部の奥側の外郭形状に合致させる補償フィルタと、ビーム進行方向と直交する面における患部の外周形状の外側へのビーム照射を遮蔽するコリメータと、ビーム進行方向と直交する面における線量分布の平坦度を測定する平坦度モニタと、を備え、各構成品は、患部に近い方から、補償フィルタ、コリメータ、ビーム飛程拡大装置、平坦度モニタ、散乱体、ビーム走査部、の順に配置される。
【選択図】図6
A particle beam irradiation apparatus capable of ensuring a desired dose distribution flatness over the entire region in the depth direction of an affected area without increasing the scanning range and irradiation time of the particle beam.
A particle beam irradiation apparatus includes a beam scanning unit, a scatterer that expands the beam width of a particle beam to a predetermined beam width, and an in-vivo range of the particle beam in a beam traveling direction of an affected part. A beam range expansion device that disperses and expands according to the depth, a compensation filter that matches the innermost range of the particle beam to the outer shape of the affected area, and an outer periphery of the affected area in a plane orthogonal to the beam traveling direction. A collimator that shields beam irradiation outside the shape, and a flatness monitor that measures the flatness of the dose distribution in a plane orthogonal to the beam traveling direction. Each component is a compensation filter from the side closer to the affected area. , Collimator, beam range expansion device, flatness monitor, scatterer, beam scanning unit.
[Selection] Figure 6

Description

本発明は、炭素などの重粒子線ビームや陽子ビームなどを患部に照射し、がん治療を行う粒子線ビーム照射装置に関する。   The present invention relates to a particle beam irradiation apparatus that irradiates an affected area with a heavy particle beam such as carbon or a proton beam, and performs cancer treatment.

今日の日本国において、がんは死因として最も多いものであり、毎年30万人以上の国民がなくなっている。このような状況の中、治療効果の高さや副作用の少なさなどの優れた特徴を有する、炭素ビームや陽子ビームを用いた粒子線治療法が注目されている。この治療法は、加速器から出射された粒子線ビームをがん細胞に照射することで、正常細胞に与える影響を小さくしながら、がん細胞を死滅させることができる。   In today's Japan, cancer is the most common cause of death, with more than 300,000 people dying each year. Under such circumstances, a particle beam therapy using a carbon beam or a proton beam, which has excellent features such as a high therapeutic effect and few side effects, has attracted attention. In this therapy, cancer cells can be killed while reducing the effect on normal cells by irradiating the cancer cells with a particle beam emitted from an accelerator.

この治療法において、現在、国内で使用されている粒子線照射方法は、ワブラー法と呼ばれる方法である(非特許文献1−3等参照)。このワブラー法は、散乱体を用いて粒子線ビームのビームサイズ(ビームのスポット径)を拡大し、拡大した粒子線ビームを電磁石(ワブラー電磁石と呼ばれる)によってターゲット(患部)の領域よりやや広い領域に亘って走査することにより平坦な線量分布を形成するものである。ワブラー法は、粒子線ビームの走査方法によって、通常ワブラー法(単円ワブラー法)とらせんワブラー法に大別される。通常ワブラー法は粒子線ビームを単円に沿って走査する方法であり、らせんワブラー法は粒子線ビームをスパイラル状に走査する方法である。   In this treatment method, the particle beam irradiation method currently used in Japan is a method called a wobbler method (see Non-Patent Documents 1-3 and the like). This wobbler method uses a scatterer to expand the beam size (spot diameter of the beam) of the particle beam, and the expanded particle beam is an area slightly wider than the target (affected area) by an electromagnet (called a wobbler electromagnet). A flat dose distribution is formed by scanning over the entire area. The wobbler method is roughly classified into a normal wobbler method (single circle wobbler method) and a spiral wobbler method depending on the particle beam scanning method. Usually, the wobbler method is a method of scanning the particle beam along a single circle, and the spiral wobbler method is a method of scanning the particle beam in a spiral shape.

ワブラー法では、線量分布を患部サイズ以上に拡大したのち、多葉コリメータと呼ばれる真ちゅう製あるいは鉄製のコリメータにより照射領域を制限することにより、患部形状に合致させて照射を行う。また、ビーム進行方向(ビーム軸方向)にはリッジフィルタと呼ばれるビーム飛程拡大装置を設けている。リッジフィルタによってビーム軸方向のエネルギーの幅を患部のビーム軸方向の幅まで拡大する。その後、ボーラスと呼ばれるポリエチレン製の補償フィルタによってビーム停止位置を深い位置での患部形状(外郭)に合致させている。   In the wobbler method, after the dose distribution is expanded beyond the size of the affected area, the irradiation area is limited by a brass or iron collimator called a multi-leaf collimator, and irradiation is performed in accordance with the shape of the affected area. Further, a beam range expansion device called a ridge filter is provided in the beam traveling direction (beam axis direction). The width of energy in the beam axis direction is expanded to the width of the affected part in the beam axis direction by the ridge filter. Thereafter, the beam stop position is matched with the shape of the affected part (outer shape) at a deep position by a compensation filter made of polyethylene called a bolus.

Irradiation System for HIMAC, Masami TORIKOSHI et al., Journal of Radiation Research, Vol. 48 (2007), Suppl.A, May 19, 2007.Irradiation System for HIMAC, Masami TORIKOSHI et al., Journal of Radiation Research, Vol. 48 (2007), Suppl. A, May 19, 2007. Commissioning of conformal irradiation system for heavy-ion radiotherapy using a layer-stacking method, Tatsuaki Kanai et al., Medical Physics 33 (8), August 2006.Commissioning of conformal irradiation system for heavy-ion radiotherapy using a layer-stacking method, Tatsuaki Kanai et al., Medical Physics 33 (8), August 2006. Optimization of Spiral-Wobbler System for Heavy-Ion Radiotherapy, Masataka KOMORI et al., Japanese Journal of Applied Physics Vol. 43, No.9A, 2004, pp. 6463-6467.Optimization of Spiral-Wobbler System for Heavy-Ion Radiotherapy, Masataka KOMORI et al., Japanese Journal of Applied Physics Vol. 43, No. 9A, 2004, pp. 6463-6467.

ワブラー法では、患部領域における線量分布平坦度を確保するために、ビーム断面方向の患部サイズに対して、ビームサイズ(ビームのスポット径)やビーム走査範囲を調整する必要がある。ワブラー法の場合、ビーム走査範囲をワブラー半径で表すことができる。ワブラー半径は、通常ワブラー法の場合円の半径であり、らせんワブラー法の場合にはスパイラルの最大半径である。   In the wobbler method, it is necessary to adjust the beam size (the beam spot diameter) and the beam scanning range with respect to the affected area size in the beam cross-sectional direction in order to ensure the flatness of the dose distribution in the affected area. In the case of the wobbler method, the beam scanning range can be expressed by a wobbler radius. The wobbler radius is usually the radius of the circle in the case of the wobbler method and the maximum radius of the spiral in the case of the spiral wobbler method.

患部位置におけるビームサイズが常に一定であれば、そのビームサイズを前提として比較的簡単にビーム走査範囲を調整することができる。しかしながら、実際には、リッジフィルタの影響を受けて、患部の深さ方向の位置によってビームサイズが異なってくる。   If the beam size at the affected position is always constant, the beam scanning range can be adjusted relatively easily on the premise of the beam size. However, in reality, the beam size varies depending on the position in the depth direction of the affected area due to the influence of the ridge filter.

リッジフィルタは、粒子線ビームが通過するパス長を所定の幅内で変化させ、粒子線ビームに対する減衰特性を所定の幅内で変化させる装置である。リッジフィルタのうち、パス長の短い領域を通過した粒子線ビームの成分は、減衰が少ないため患部の深い位置に達し、パス長の長い領域を通過した粒子線ビームの成分は、減衰が大きいため患部の浅い位置に留まる。   The ridge filter is a device that changes the path length through which the particle beam passes and changes the attenuation characteristic for the particle beam within a predetermined width. In the ridge filter, the component of the particle beam that has passed through the short path length region has a low attenuation, so it reaches the deep part of the affected area, and the component of the particle beam beam that has passed through the long path length region has a large attenuation. Stays shallow in the affected area.

患部の深い位置に達する粒子線ビームの成分は、リッジフィルタの通過パス長が短いため、リッジフィルタであまり散乱を受けず、ビームサイズはそれ程変化しない。これに対して、患部の浅い位置における粒子線ビームの成分は、リッジフィルタの通過パス長が長いため、リッジフィルタによって大きく散乱の影響を受け、ビームサイズが拡大する。つまり、リッジフィルタの影響により、患部の深い位置と浅い位置とでビームサイズが異なってくる。このため、患部の深い位置と浅い位置での、線量分布平坦度を確保するための条件が異なり、患部領域全域にわたって線量分布の平坦度(通常は±2.5%以内)を確保するのが難しくなる。   The component of the particle beam that reaches the deep position of the affected part is not scattered so much by the ridge filter because the passage path length of the ridge filter is short, and the beam size does not change so much. On the other hand, the particle beam component at a shallow position of the affected area has a long passage path length of the ridge filter, and is greatly influenced by scattering by the ridge filter, so that the beam size is enlarged. In other words, the beam size differs between the deep position and the shallow position of the affected area due to the influence of the ridge filter. For this reason, the conditions for ensuring the flatness of the dose distribution between the deep position and the shallow position of the affected area are different, and it is necessary to ensure the flatness of the dose distribution over the entire affected area (usually within ± 2.5%). It becomes difficult.

この問題を解決するため、通常は患部の浅い位置に対して線量分布平坦度を確保できるよう条件を合わせることが行われる。患部の浅い位置ではビームサイズが大きいため、平坦度を確保するにはより大きな範囲をビーム走査することになる。   In order to solve this problem, the conditions are usually adjusted so that the flatness of the dose distribution can be secured at a shallow position of the affected part. Since the beam size is large at a shallow position of the affected area, a larger range is scanned with a beam in order to ensure flatness.

患部サイズに対して大きな範囲をビーム走査することは、患部に照射されるビーム量の割合(ビーム利用効率)が低下することになり、照射時間の増大をもたらす。また、粒子線ビームを走査するためのワブラー電磁石を励磁する電源(ワブラー電源)に対して要求される出力電流値が大きくなり、コストアップをもたらす。   Scanning a large area with respect to the size of the affected area reduces the ratio of the amount of beam irradiated to the affected area (beam utilization efficiency), and increases the irradiation time. Further, the output current value required for the power source (wobbler power source) that excites the wobbler electromagnet for scanning the particle beam increases, resulting in an increase in cost.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、粒子線ビームの走査範囲や照射時間を拡大することなく、患部の深さ方向の全域に渡って所望の線量分布平坦度を確保することができる粒子線ビーム照射装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and ensures a desired dose distribution flatness over the entire region in the depth direction of the affected area without expanding the scanning range and irradiation time of the particle beam. An object of the present invention is to provide a particle beam irradiation apparatus capable of performing

上記課題を解決するため、本発明に係る粒子線ビーム照射装置は、粒子線ビームをビーム進行方向と直交する方向に走査するビーム走査部と、前記粒子線ビームのビーム幅を所定のビーム幅に拡大する散乱体と、前記粒子線ビームの体内飛程を、患部のビーム進行方向の大きさに合わせて分散し拡大するビーム飛程拡大装置と、体内飛程が分散、拡大された前記粒子線ビームの最深体内飛程を、前記患部の奥側の外郭形状に合致させる補償フィルタと、前記ビーム進行方向と直交する面における前記患部の外周形状の外側へのビーム照射を遮蔽するコリメータと、前記ビーム進行方向と直交する面における線量分布の平坦度を測定する平坦度モニタと、を備え、前記各構成品は、前記患部に近い方から、前記補償フィルタ、前記コリメータ、前記ビーム飛程拡大装置、前記平坦度モニタ、前記散乱体、前記ビーム走査部、の順に配置される、ことを特徴とする。   In order to solve the above problems, a particle beam irradiation apparatus according to the present invention includes a beam scanning unit that scans a particle beam in a direction orthogonal to the beam traveling direction, and sets the beam width of the particle beam to a predetermined beam width. A scatterer that expands, a beam range expanding device that disperses and expands the range of the particle beam in the body in accordance with the size of the affected part in the beam traveling direction, and the particle beam in which the range of the body is dispersed and expanded A compensation filter that matches the innermost range of the beam to the outer contour of the affected part, a collimator that shields beam irradiation to the outside of the outer peripheral shape of the affected part in a plane orthogonal to the beam traveling direction, and A flatness monitor that measures the flatness of the dose distribution in a plane orthogonal to the beam traveling direction, and each of the components from the side closer to the affected area, the compensation filter, the collimator, Serial beam Fei as expansion device, the flatness monitor, the scatterer, the beam scanning unit, is arranged in the order of, it is characterized.

本発明に係る粒子線ビーム照射装置によれば、粒子線ビームの走査範囲や照射時間を拡大することなく、患部の深さ方向の全域に渡って所望の線量分布平坦度を確保することができる。   According to the particle beam irradiation apparatus according to the present invention, a desired dose distribution flatness can be ensured over the entire region in the depth direction of the affected area without expanding the scanning range and irradiation time of the particle beam. .

従来の粒子線ビーム照射装置の構成と、粒子線ビーム照射時の各構成品の配置を示す図。The figure which shows the structure of the conventional particle beam irradiation apparatus, and arrangement | positioning of each component at the time of particle beam beam irradiation. 従来の粒子線ビーム照射装置の構成と、患部の位置合わせ時の各構成品の配置を示す図。The figure which shows the structure of the conventional particle beam irradiation apparatus, and arrangement | positioning of each component at the time of position alignment of an affected part. らせんワブラー法のビーム走査パタンの一例を示す図。The figure which shows an example of the beam scanning pattern of a spiral wobbler method. リッジフィルタを通過する粒子線ビームの成分と通過パスの関係を模式的に示す図。The figure which shows typically the relationship between the component of the particle beam which passes a ridge filter, and a passage path. リッジフィルタの影響によって、患部の最深位置と最浅位置とで線量分布の形状が大きく異なるという、従来の問題点を説明する図。The figure explaining the conventional problem that the shape of dose distribution differs greatly by the influence of a ridge filter in the deepest position and the shallowest position of an affected part. 本発明の一実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の構成と、粒子線ビーム照射時の各構成品の配置を示す図。The figure which shows the structure of the particle beam irradiation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention, and arrangement | positioning of each component at the time of particle beam irradiation. 本発明の一実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の構成と、患部の位置合わせ時の各構成品の配置を示す図。The figure which shows the structure of the particle beam irradiation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention, and arrangement | positioning of each component at the time of position alignment of an affected part. 本発明の一実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の構成と各構成品の配置によって得られる効果を説明する第1の図。The 1st figure explaining the effect acquired by the structure of the particle beam irradiation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention, and arrangement | positioning of each component. 本発明の一実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の構成と各構成品の配置によって得られる効果を説明する第2の図。The 2nd figure explaining the effect acquired by the structure of the particle beam irradiation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention, and arrangement | positioning of each component.

本発明に係る粒子線ビーム照射装置の実施形態について添付図面を参照して説明する。   Embodiments of a particle beam irradiation apparatus according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

(1)従来の粒子線ビーム照射装置とビーム照射方法
図1は、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置1に対する比較例として、従来の粒子線ビーム照射装置100の構成を示す図である。
(1) Conventional Particle Beam Irradiation Apparatus and Beam Irradiation Method FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a conventional particle beam irradiation apparatus 100 as a comparative example to the particle beam irradiation apparatus 1 according to the present embodiment.

粒子線ビーム照射装置100は、正線量計2、副線量計3、X用ワブラー電磁石4、Y用ワブラー電磁石5、散乱体6、中性子シャッタ7、リッジフィルタ(ビーム飛程拡大装置)8、レンジシフタ(ビーム飛程調整装置)9、平坦度モニタ10、ビーム位置モニタ11、X線管12、X線駆動機構13、4枚ばねコリメータ14、多葉コリメータ15、ボーラス(補償フィルタ)16、フラット・パネル・ディテクタ(FPD)17等を備えて構成されている。   The particle beam irradiation apparatus 100 includes a positive dosimeter 2, a sub-dose meter 3, an X wobbler electromagnet 4, a Y wobbler electromagnet 5, a scatterer 6, a neutron shutter 7, a ridge filter (beam range expanding device) 8, a range shifter. (Beam range adjustment device) 9, flatness monitor 10, beam position monitor 11, X-ray tube 12, X-ray drive mechanism 13, four-leaf collimator 14, multi-leaf collimator 15, bolus (compensation filter) 16, flat A panel detector (FPD) 17 and the like are provided.

サイクロトロン等の加速器を具備する粒子線ビーム生成装置(図示せず)で生成された粒子線ビームは、正線量計2を透過する。   A particle beam generated by a particle beam generator (not shown) including an accelerator such as a cyclotron passes through the positive dosimeter 2.

正線量計2は、照射する線量を測定するためのものである。正線量計2の検出部としては、筐体内にて粒子線の電離作用により生じた電荷を平行電極で収集する電離箱や、筐体内に配置された二次電子放出膜から放出される二次電子を計測するSEM装置などが用いられる。正線量計2と同じ構成をもつ副線量計3が正線量計2の下流側に配置されており、正線量計2のバックアップとして用いられる。例えば、正線量計2と副線量計3で検出する線量の値が異なれば異常が発生したとしてインターロック信号が発せられ、粒子線ビームの照射を停止する。   The positive dosimeter 2 is for measuring the irradiation dose. The detection unit of the positive dosimeter 2 includes an ionization chamber that collects charges generated by the ionizing action of the particle beam in the casing with parallel electrodes, and a secondary electron emitted from a secondary electron emission film disposed in the casing. An SEM device that measures electrons is used. A sub-dose meter 3 having the same configuration as that of the positive dosimeter 2 is disposed on the downstream side of the positive dosimeter 2 and is used as a backup for the positive dosimeter 2. For example, if the dose values detected by the positive dosimeter 2 and the sub-dose meter 3 are different, an interlock signal is issued as an abnormality has occurred, and the irradiation of the particle beam is stopped.

X用およびY用ワブラー電磁石4、5は、ワブラー電磁石4、5に入射した粒子線ビームを、ビーム進行方向(ビーム軸方向)と直行する面に2次元(X方向、Y方向)で走査する。X用およびY用ワブラー電磁石4、5でビーム走査部を構成する。粒子線ビームの走査位置(X、Y)は、ワブラー電磁石4、5の夫々に接続されたワブラー電源(図示せず)の出力電流を制御することで設定される。   The X and Y wobbler electromagnets 4 and 5 scan the particle beam incident on the wobbler electromagnets 4 and 5 in a two-dimensional manner (X direction and Y direction) in a plane perpendicular to the beam traveling direction (beam axis direction). . The X and Y wobbler electromagnets 4 and 5 constitute a beam scanning unit. The scanning position (X, Y) of the particle beam is set by controlling the output current of a wobbler power source (not shown) connected to each of the wobbler electromagnets 4 and 5.

散乱体6は、ターゲット(患部50)位置においてビームを適切なビームサイズ(ビームのスポット径)に拡大するためのものであり、鉛やタンタルなどの重金属の膜で構成されている。   The scatterer 6 is for expanding the beam to an appropriate beam size (beam spot diameter) at the target (affected part 50) position, and is made of a heavy metal film such as lead or tantalum.

中性子シャッタ7は、治療室60と前室61(X用およびY用ワブラー電磁石4、5等が配置される部屋)とを仕切る壁63に埋め込まれており、必要なとき(治療を行うとき)以外はシャッタを閉じることでビームを遮断し、治療室60内の患者や医療スタッフの安全を確保している。   The neutron shutter 7 is embedded in a wall 63 that separates the treatment room 60 and the front room 61 (the room where the X and Y wobbler electromagnets 4, 5 and the like are disposed), and when necessary (when treatment is performed). In other cases, the beam is blocked by closing the shutter to ensure the safety of patients and medical staff in the treatment room 60.

リッジフィルタ(ビーム飛程拡大装置)8は、粒子線ビームの体内飛程を、患部50のビーム軸方向の大きさに合わせて分散し拡大する。単エネルギー粒子線ビームは非常にシャープな体内深さ方向のピーク線量をもつ。このピーク線量はブラッグピークと呼ばれる。リッジフィルタ8は、患部50のビーム軸方向の大きさ(長さ)に対応するようにブラッグピークを分散し拡大するためのものである。リッジフィルタ8は、アルミニウム製の棒片(バー)が複数並べられて構成されている。これら棒片はほぼ二等辺三角形の形状を持ち、この棒片を粒子線ビームが通過するときの経路長の違いによって、ビーム停止位置、即ち体内飛程が変化するようになっている。リッジフィルタ8は、通常ワブラー法およびらせんワブラー法で共通のものが使用される。ただし、後述する積層原体照射法と呼ばれる方法のためのリッジフィルタは、スライス間隔に合わせてビーム飛程を拡大するため、高さの短い棒片のリッジフィルタが使用される。   The ridge filter (beam range expanding device) 8 disperses and expands the in-vivo range of the particle beam according to the size of the affected part 50 in the beam axis direction. A monoenergetic particle beam has a very sharp peak dose in the body depth direction. This peak dose is called the Bragg peak. The ridge filter 8 is for dispersing and enlarging the Bragg peak so as to correspond to the size (length) of the affected part 50 in the beam axis direction. The ridge filter 8 is configured by arranging a plurality of aluminum bar pieces (bars). These rod pieces have an isosceles triangle shape, and the beam stop position, that is, the range within the body changes depending on the path length when the particle beam passes through the rod pieces. A common ridge filter 8 is used for the wobbler method and the spiral wobbler method. However, a ridge filter for a method called a layered product irradiation method, which will be described later, uses a rod-shaped ridge filter with a short height in order to expand the beam range in accordance with the slice interval.

レンジシフタ(体内飛程調整装置)9は、体内患部50内のビーム軸方向の位置(Z)を調整する。リッジフィルタ8で体内飛程が拡大されている場合、患部50の最も深い位置(最深体内飛程)がレンジシフタ9で調整されることになる。レンジシフタ9は、複数の厚さのアクリル板から構成されており、これらアクリル板を組み合わせることによりレンジシフタ9を通過するビームエネルギー、すなわち体内飛程を調整する。この体内飛程の調整はサイクロトロン等の粒子線ビーム生成装置側でも行うことができるが、微調整はレンジシフタ9を用いる方が簡単であるため、もっぱらレンジシフタが用いられる。   The range shifter (in-vivo range adjustment device) 9 adjusts the position (Z) in the beam axis direction in the affected part 50 in the body. When the in-vivo range is expanded by the ridge filter 8, the deepest position (the deepest in-vivo range) of the affected part 50 is adjusted by the range shifter 9. The range shifter 9 is composed of an acrylic plate having a plurality of thicknesses, and the beam energy passing through the range shifter 9, that is, the range of the body is adjusted by combining these acrylic plates. Although the adjustment of the in-vivo range can also be performed on the side of the particle beam generator such as a cyclotron, the fine adjustment is simpler using the range shifter 9, and therefore the range shifter is exclusively used.

上述したワブラー法は、患部50全体を一度に照射する方法であるが、これに対して積層原体照射法は、患部50をビーム軸方向の複数のスライスに分割し、スライス毎に順次ビーム照射を行う方法である。積層原体照射法の場合、スライスの位置に合わせてレンジシフタのアクリル板の挿入厚を順次段階的に変化させながら照射する。   The wobbler method described above is a method of irradiating the entire affected area 50 at one time. On the other hand, the layered body irradiation method divides the affected area 50 into a plurality of slices in the beam axis direction, and sequentially irradiates the beam for each slice. It is a method to do. In the case of the layered product irradiation method, irradiation is performed while changing the insertion thickness of the acrylic plate of the range shifter step by step in accordance with the position of the slice.

平坦度モニタ10は、照射ビームが平坦な線量分布を形成しているか否かを確認するためのモニタである。粒子線ビームの照射中(治療中)は、図1に示すように粒子線ビームの経路上に配置される。   The flatness monitor 10 is a monitor for confirming whether or not the irradiation beam forms a flat dose distribution. During irradiation with the particle beam (during treatment), the particle beam is arranged on the path of the particle beam as shown in FIG.

一方、ビーム位置モニタ11は、治療開始前などにワブラー電磁石4,5に電流を流さない条件でビーム位置が正しいことを確認するためのモニタである。   On the other hand, the beam position monitor 11 is a monitor for confirming that the beam position is correct under the condition that no current is supplied to the wobbler electromagnets 4 and 5 before the treatment is started.

また、X線管12はX線を発生させ、患者の奥側に対向して設置されるFPD17により患者の透視画像を取得することによって、患者の患部50が正しい位置に設置できているか否かを確認する。   Further, the X-ray tube 12 generates X-rays, and whether or not the affected part 50 of the patient can be installed at the correct position by acquiring a fluoroscopic image of the patient by the FPD 17 installed facing the back side of the patient. Confirm.

平坦度モニタ10、ビーム位置モニタ11、およびX線管12は同一の駆動機構(X線管駆動機構13)に取り付けられ、ビーム照射時、ビーム位置確認時、および透視画像撮影時の夫々に応じて配置を替えて使用される。   The flatness monitor 10, the beam position monitor 11, and the X-ray tube 12 are attached to the same drive mechanism (X-ray tube drive mechanism 13), and depending on each of the time of beam irradiation, beam position confirmation, and fluoroscopic image shooting. Used to change the arrangement.

4枚ばねコリメータ14および多葉コリメータ15(両者を合わせて単にコリメータと呼ぶ場合もある)は、ビーム進行方法と直交する面における患部50の外周形状の外側へのビーム照射を遮蔽するためのものである。   The four-spring collimator 14 and the multi-leaf collimator 15 (which may be referred to simply as a collimator together) shield the beam irradiation to the outside of the outer peripheral shape of the affected area 50 on a plane orthogonal to the beam traveling method. It is.

多葉コリメータ15は、厚さ3mm程度の真ちゅう製あるいは鉄製のリーフを多数組み合わせたものであり、各リーフの位置を電動あるいはエアシリンダで調整することにより、患部形状に合わせて開閉することができる。   The multi-leaf collimator 15 is a combination of a large number of brass or iron leaves having a thickness of about 3 mm, and can be opened and closed in accordance with the shape of the affected part by adjusting the position of each leaf with an electric or air cylinder. .

4枚バネコリメータ14は、多葉コリメータ15のリーフの隙間からビームがもれ出るのを抑制するためのコリメータである。   The four-spring collimator 14 is a collimator for suppressing the leakage of the beam from the gap between the leaves of the multileaf collimator 15.

なお、積層原体照射法の場合は多葉コリメータ15および4枚バネコリメータ14はスライス毎に位置を変更しながら照射される。   In the case of the layered product irradiation method, the multileaf collimator 15 and the four-spring collimator 14 are irradiated while changing the position for each slice.

ボーラス(補償フィルタ)16は、ポリエチレン製のブロックの内側が患部形状に合わせて繰りぬかれたものである。ボーラス16によってビーム停止位置(最深体内飛程)を患部50の奥側の外郭形状に合致させている。   The bolus (compensation filter) 16 is formed by rolling the inside of a polyethylene block in accordance with the shape of the affected part. The bolus 16 matches the beam stop position (the deepest in-vivo range) with the outer shape of the back side of the affected area 50.

上述した各構成品を用いて粒子線ビームの照射が行われる。以下では、ワブラー照射法のうち、らせんワブラー法の手順について概略説明する。   Irradiation of the particle beam is performed using each of the components described above. Below, the procedure of the spiral wobbler method among the wobbler irradiation methods will be outlined.

まず、治療台(図示なし)に患者を載せ、患者の患部50の中央がビーム軸中心(アイソセンター51)にくるよう治療台を移動する。   First, a patient is placed on a treatment table (not shown), and the treatment table is moved so that the center of the affected part 50 of the patient is at the center of the beam axis (isocenter 51).

続いて、図2に示すように、X線管駆動機構13を用いてX線管12をビーム軸上に配置し、患者に対してX線管12が対向する位置にFPD17を配置する。そして、X線管12とFPD17を用いて患部周辺のX線透視画像を取得して、そのX線透視画像とあらかじめ取得しておいた参照画像と比較する。X線透視画像の患部50に位置と、参照画像の患部50の位置が一致していれば位置決めは終了する。一方、位置にずれがあればずれ分だけ治療台を移動(ずれ補正)する。治療台を移動するたびにX線透視画像を取得して参照画像との比較し、患部50の位置が一致するまでずれ補正を行う。   Subsequently, as shown in FIG. 2, the X-ray tube 12 is disposed on the beam axis using the X-ray tube driving mechanism 13, and the FPD 17 is disposed at a position where the X-ray tube 12 faces the patient. Then, an X-ray fluoroscopic image around the affected area is acquired using the X-ray tube 12 and the FPD 17 and the X-ray fluoroscopic image is compared with a reference image acquired in advance. If the position of the affected part 50 in the X-ray fluoroscopic image matches the position of the affected part 50 in the reference image, the positioning ends. On the other hand, if there is a shift in position, the treatment table is moved by the shift amount (shift correction). Each time the treatment table is moved, an X-ray fluoroscopic image is acquired and compared with a reference image, and deviation correction is performed until the position of the affected area 50 matches.

患者の位置決めが終了すると、患部の最深位置(最深体内飛程)に合わせて加速器から出射されるビームエネルギーが選ばれる。このビームエネルギーに対して、加速器を形成する多数の電磁石の電流値を設定する必要があるので、通常は数点の設定値のなかから選ばれる。そして、最深体内飛程の微調整(0.5mm程度の調整)はビーム飛程調整装置であるレンジシフタ9の挿入厚を調整することによって行われる。   When the positioning of the patient is completed, the beam energy emitted from the accelerator is selected in accordance with the deepest position (the deepest body range) of the affected part. Since it is necessary to set the current values of a large number of electromagnets forming the accelerator with respect to the beam energy, it is usually selected from several set values. Fine adjustment of the deepest body range (adjustment of about 0.5 mm) is performed by adjusting the insertion thickness of the range shifter 9 which is a beam range adjustment device.

並行して、患部50のビーム軸方向の長さの最大値に対応させて体内飛程を深さ方向に拡大するため、数種類あるリッジフィルタの中から一つのリッジフィルタ8が選択される。   In parallel, one ridge filter 8 is selected from several types of ridge filters in order to expand the in-vivo range in the depth direction corresponding to the maximum value of the length of the affected part 50 in the beam axis direction.

また、患部形状をもとに製作されたボーラス(補償フィルタ)16を多葉コリメータ15のビーム下流側に取り付ける。その後、患部50のビーム断面形状に対応させて多葉コリメータ15の開口形状が設定される。   A bolus (compensation filter) 16 manufactured based on the shape of the affected part is attached to the downstream side of the multi-leaf collimator 15 on the beam. Thereafter, the opening shape of the multileaf collimator 15 is set in accordance with the beam cross-sectional shape of the affected part 50.

また、患部50のビーム断面形状を十分覆うように、散乱体6の厚さと、ワブラー法によってビームを走査する範囲の最大半径(この最大半径をワブラー半径と呼ぶ)が設定される。ビームの走査は図示しないワブラー電源(X、Y)のあらかじめ決められた出力電流波形にしたがって行われ、ビームを走査する最大半径とビームエネルギーに紐付けられた係数をあらかじめ決められた出力電流波形に積算することで各々の患部50ビーム断面サイズに適用する。   Further, the thickness of the scatterer 6 and the maximum radius of the range in which the beam is scanned by the wobbler method (this maximum radius is referred to as the wobbler radius) are set so as to sufficiently cover the beam cross-sectional shape of the affected area 50. The scanning of the beam is performed according to a predetermined output current waveform of a wobbler power supply (X, Y) (not shown), and the coefficient associated with the maximum radius for scanning the beam and the beam energy is changed to a predetermined output current waveform. By accumulating, it applies to each affected part 50 beam cross-sectional size.

らせんワブラー法では、ワブラー電磁石で走査されるビームが描く軌道は、以下の(式1)〜(式3)となる(非特許文献3)。

Figure 2011120810
In the spiral wobbler method, the trajectory drawn by the beam scanned by the wobbler electromagnet is expressed by the following (Expression 1) to (Expression 3) (Non-patent Document 3).
Figure 2011120810

ここで、Fはビーム軌道の水平成分と垂直成分、Tは径方向の動作周期、ωは回転の各周波数、nは整数である。また、Aはワブラー半径、Rは照射野径(半径)、σはビームサイズである。   Here, F is a horizontal component and a vertical component of the beam trajectory, T is an operation cycle in the radial direction, ω is each frequency of rotation, and n is an integer. A is a wobbler radius, R is an irradiation field diameter (radius), and σ is a beam size.

図3は、らせんワブラー法によるビーム走査の概念を示す図である。らせんワブラー軌道としては、(式1)−(式3)の軌道を修正したものも使用することができるが、その場合にも本発明が適用可能であり、同様の効果が得られるため、説明は省略する。   FIG. 3 is a diagram showing the concept of beam scanning by the spiral wobbler method. As the helical wobbler trajectory, a modified trajectory of (Equation 1)-(Equation 3) can also be used. However, the present invention is also applicable to this case, and the same effect can be obtained. Is omitted.

次に散乱体6の厚さの設定を行う。散乱体の厚さは、患部の最深位置でビームサイズが標準偏差σ≧2.5cmになるように設定される。ビームサイズがσ<2.5cmでは形成される線量分布の平坦度が低下する。つまり、粒子線ビームのピークでの線量とビームとビームの間の位置での線量との差が大きくなり、線量分布に許容範囲以上の凹凸が生じる。他方、ビームサイズが2.5cmより大きい場合は、平坦度±2.5%以内という基準は確保できるものの、ビームサイズが大きくなるにしたがって、同じビーム軌道に対して平坦度を確保できる範囲が小さくなる。   Next, the thickness of the scatterer 6 is set. The thickness of the scatterer is set so that the standard deviation σ ≧ 2.5 cm at the deepest position of the affected area. When the beam size is σ <2.5 cm, the flatness of the formed dose distribution is lowered. In other words, the difference between the dose at the peak of the particle beam and the dose at the position between the beams increases, and the dose distribution is more than acceptable. On the other hand, when the beam size is larger than 2.5 cm, the standard that the flatness is within ± 2.5% can be secured, but as the beam size increases, the range in which the flatness can be secured with respect to the same beam trajectory decreases. Become.

上記のような各構成品に対する設定が完了すると、加速器からは設定されたエネルギーの粒子線ビームが出射され、患部50に対する照射が行われる。   When the setting for each component as described above is completed, the particle beam of the set energy is emitted from the accelerator, and the affected area 50 is irradiated.

患者位置決め後には平坦度モニタ10がビーム軸上に移動され、照射時において患部に照射されるビームが形成する分布の平坦度を監視する。万一、平坦度に異常があれば、インターロック信号を出力する。加速器はインターロック信号を受信するとビーム出射を停止するようになっている。   After the patient is positioned, the flatness monitor 10 is moved on the beam axis to monitor the flatness of the distribution formed by the beam irradiated to the affected area during irradiation. If there is an abnormality in flatness, an interlock signal is output. The accelerator stops the beam emission when it receives the interlock signal.

患部50に照射される線量は正線量計2で計測され、あらかじめ設定された線量に達すると粒子線ビームの出射が停止され、照射が完了する。   The dose irradiated to the affected area 50 is measured by the positive dosimeter 2, and when reaching a preset dose, the emission of the particle beam is stopped and the irradiation is completed.

このような装置構成・手順で照射されるらせんワブラー法において、次のような問題がある。   The spiral wobbler method irradiated with such an apparatus configuration / procedure has the following problems.

図4は、リッジフィルタ8を通過するビーム成分を図示したものである。リッジフィルタ8は、パスAで示したようにリッジフィルタ8のバー80をほとんど通過しない成分から、パスBで示したようにリッジフィルタ8のバー80をすべて通過する成分までを混ぜ合わせることによってビームの体内飛程を分散し、拡大している。パスAを通る成分は損失が最も少なく、患部50の最深位置に達するビーム成分である。一方、パスBを通る成分は損失が最も大きく、患部50の最も浅い位置に達するビーム成分である。   FIG. 4 illustrates the beam component that passes through the ridge filter 8. The ridge filter 8 mixes a component from a component that hardly passes through the bar 80 of the ridge filter 8 as shown by the path A to a component that passes through all the bars 80 of the ridge filter 8 as shown by the path B. The range of the body is dispersed and expanded. The component passing through the path A is the beam component that has the least loss and reaches the deepest position of the affected part 50. On the other hand, the component passing through path B is the beam component that has the greatest loss and reaches the shallowest position of the affected area 50.

粒子線ビームがリッジフィルタ8のバー80を通過する間に散乱を受けるが、パスBはバー80を通る距離が最も長いため散乱の影響を最も受け、この成分(患部50の最浅位置のビーム成分)のビームサイズが最も広がってしまうことになる。一方、パスAはバーを通る距離が最も短いため散乱の影響を最も受けず、この成分(患部50の最深位置のビーム成分)のビームサイズの広がりは最も小さい。   Although the particle beam is scattered while passing through the bar 80 of the ridge filter 8, the path B is most affected by scattering because the distance through the bar 80 is the longest, and this component (the beam at the shallowest position of the affected part 50). The beam size of the (component) will spread the most. On the other hand, the path A is the least affected by scattering because the distance through the bar is the shortest, and the spread of the beam size of this component (the beam component at the deepest position of the affected area 50) is the smallest.

このため、図5に示すように、患部の最深位置での線量分布と、最浅位置での線量分布とでは異なった分布形状を示すことになる。図5から判るように、最深位置での線量分布は中心部をほとんどが平坦な領域となるが、最浅位置での線量分布は、中心部の平坦な領域が少なく両端に向かって緩やかな傾斜で減少する傾向を示す。つまり、患部50の最浅位置での平坦度は、最深位置の平坦度よりも低い。   Therefore, as shown in FIG. 5, the dose distribution at the deepest position of the affected area and the dose distribution at the shallowest position show different distribution shapes. As can be seen from FIG. 5, the dose distribution at the deepest position is almost flat in the central part, but the dose distribution at the shallowest position has few flat areas in the central part and has a gentle slope toward both ends. Shows a decreasing trend. That is, the flatness at the shallowest position of the affected part 50 is lower than the flatness at the deepest position.

患部50の浅い位置から深い位置まで、所定の平坦度を確保するためには、平坦度の低い方の線量分布、即ち、最浅位置での線量分布の平坦度が所定の基準を満たすように、ワブラー半径Aを(式1)〜(式3)から決めざるを得ない。   In order to ensure a predetermined flatness from a shallow position to a deep position of the affected area 50, the dose distribution with the lower flatness, that is, the flatness of the dose distribution at the shallowest position satisfies a predetermined standard. The wobbler radius A must be determined from (Expression 1) to (Expression 3).

このため、大きなワブラー半径をもって照射野分布を形成する必要がある。大きなワブラー半径を得るためにワブラー電源の出力電流値を大きくする必要があり、電源コストが高くなってしまう。   For this reason, it is necessary to form an irradiation field distribution with a large wobbler radius. In order to obtain a large wobbler radius, it is necessary to increase the output current value of the wobbler power supply, which increases the power supply cost.

また、図5から判るように、患部領域に比べてワブラー半径、すなわちビームが走査される範囲が大きいため、患部領域に照射される粒子線ビームの割合(ビーム利用効率)が小さくなってしまう。この結果、照射時間の長時間化をもたらすことになる。   Further, as can be seen from FIG. 5, since the wobbler radius, that is, the range in which the beam is scanned is larger than the affected area, the ratio of the particle beam irradiated to the affected area (beam utilization efficiency) becomes small. As a result, the irradiation time is prolonged.

他方、積層原体照射法は、前述したように、患部を深さ方向に複数個の領域(スライス)に分割し、スライス毎に多葉コリメータの形状を調整して模擬的に3次元的な照射を行う方法である。積層原体照射法による照射装置およびその構成は図1と同じであるが、リッジフィルタは積層原体照射法用のものに変更する。これは、積層原体照射法ではスライス幅分だけビーム軸方向に拡大するためである。   On the other hand, as described above, the layered product irradiation method divides the affected part into a plurality of regions (slices) in the depth direction, and adjusts the shape of the multileaf collimator for each slice to simulate three-dimensionally. This is a method of performing irradiation. The irradiation apparatus and its configuration by the lamination original body irradiation method are the same as those in FIG. 1, but the ridge filter is changed to that for the lamination original body irradiation method. This is because, in the layered product irradiation method, the beam is enlarged in the beam axis direction by the slice width.

積層原体照射法における照射の手順は以下のとおりである。なお、ここではビームの拡大はらせんワブラー法により行われるものとする。   The procedure of irradiation in the layered product irradiation method is as follows. Here, it is assumed that the beam is expanded by a spiral wobbler method.

患者の位置決めから各構成品の設定が完了するまでの手順は概ね上述と同様である。ただし、リッジフィルタ8は積層原体照射用のものが選択され、レンジシフタ9は最深スライスにビームが停止するよう設定される。また、多葉コリメータ15は最深スライスの形状に合わせて設定される。   The procedure from the positioning of the patient until the setting of each component is completed is generally the same as described above. However, the ridge filter 8 is selected for irradiating the layered original, and the range shifter 9 is set so that the beam stops at the deepest slice. The multileaf collimator 15 is set in accordance with the shape of the deepest slice.

各構成品の設定が完了すると、加速器からは設定されたエネルギーのビームが出射され、患部の最深スライスの照射が行われる。このとき、最深スライスに照射される線量は正線量計2で計測され、あらかじめ設定された線量に達するとビームの出射が停止され、スライスの切り換えが行われる。   When the setting of each component is completed, a beam of the set energy is emitted from the accelerator, and the deepest slice of the affected part is irradiated. At this time, the dose irradiated to the deepest slice is measured by the positive dosimeter 2, and when reaching a preset dose, the emission of the beam is stopped and the slice is switched.

スライスの切り換えでは、次のスライスの位置に対応するようレンジシフタ9の設定が行われ、また次のスライスの形状に合わせて多葉コリメータ15の開口形状が変更される。これらが完了後に再度、ビームの出射が開始され、正線量計2の監視のもと、該当するスライスに対してあらかじめ設定された線量の照射が行われる。順次、この手順を患部50の長さ方向の全領域にわたり行っていく。   In slice switching, the range shifter 9 is set so as to correspond to the position of the next slice, and the opening shape of the multileaf collimator 15 is changed in accordance with the shape of the next slice. After these are completed, the beam emission is started again, and under the monitoring of the positive dosimeter 2, irradiation of a predetermined dose is performed on the corresponding slice. Sequentially, this procedure is performed over the entire region of the affected part 50 in the length direction.

このような手順で照射される積層原体照射においても、前述した問題と類似した次のような問題がある。   There are the following problems similar to the problems described above even in the layered body irradiation performed by such a procedure.

患部50の最も浅い位置を照射するときには、レンジシフタ9の挿入厚が大きくなっている。一方、患部50の最も深い位置を照射するときには、レンジシフタ9の挿入厚は小さくなっている。このため、患部50の最深位置でのビームサイズに比べて患部の最も浅い位置でのビームサイズは大きくなってしまう。このため、前述した問題と同様に、患部50の最浅位置での平坦度は、最深位置の平坦度よりも低くなり、患部50の浅い位置から深い位置まで、所定の平坦度を確保するためには、最浅位置での線量分布の平坦度が所定の基準を満たすように、ワブラー半径Aを(式1)〜(式3)から決めざるを得ない。   When irradiating the shallowest position of the affected area 50, the insertion thickness of the range shifter 9 is increased. On the other hand, when the deepest position of the affected part 50 is irradiated, the insertion thickness of the range shifter 9 is small. For this reason, the beam size at the shallowest position of the affected area is larger than the beam size at the deepest position of the affected area 50. Therefore, similarly to the above-described problem, the flatness at the shallowest position of the affected area 50 is lower than the flatness at the deepest position, and a predetermined flatness is ensured from a shallow position to a deep position of the affected area 50. Therefore, the wobbler radius A must be determined from (Expression 1) to (Expression 3) so that the flatness of the dose distribution at the shallowest position satisfies a predetermined standard.

このため、前述の問題と同様に、大きなワブラー半径をもって照射野分布を形成する必要があり、ワブラー電源の出力電流値増大に伴って電源コストが高くなってしまう。また、ビーム利用効率も小さく、照射時間が長くなる。   For this reason, like the above-mentioned problem, it is necessary to form an irradiation field distribution with a large wobbler radius, and the power supply cost increases as the output current value of the wobbler power supply increases. In addition, the beam utilization efficiency is small and the irradiation time is long.

(2)本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置とビーム照射方法
図6は、本発明の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置1の構成を示す図である。図6に示す各構成品の種類や数は、従来の粒子線ビーム照射装置100(図1)と同じであり、対応する構成品には同じ符号を付している。
(2) Particle beam irradiation apparatus and beam irradiation method according to this embodiment FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the particle beam irradiation apparatus 1 according to the embodiment of the present invention. The types and numbers of the components shown in FIG. 6 are the same as those of the conventional particle beam irradiation apparatus 100 (FIG. 1), and the corresponding components are denoted by the same reference numerals.

本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置1と、従来の粒子線ビーム照射装置100との第1の相違点は、各構成品の配置順序にある。   The first difference between the particle beam irradiation apparatus 1 according to the present embodiment and the conventional particle beam irradiation apparatus 100 is the arrangement order of each component.

従来の粒子線ビーム照射装置100では、粒子線ビーム照射中の各構成品は、図1(或は非特許文献1のFig.2)に示すように、患部50に近い方から、ボーラス(補償フィルタ)16、コリメータ(多葉コリメータ15、4枚ばねコリメータ14)、平坦度モニタ10、レンジシフタ(ビーム飛程調整装置)9、リッジフィルタ(ビーム飛程拡大装置)8、散乱体6、ビーム走査部の順に配置されている。   In the conventional particle beam irradiation apparatus 100, each component during particle beam irradiation is a bolus (compensation) from the side closer to the affected part 50 as shown in FIG. 1 (or FIG. 2 of Non-Patent Document 1). Filter 16, collimator (multileaf collimator 15, 4 spring collimator 14), flatness monitor 10, range shifter (beam range adjusting device) 9, ridge filter (beam range expanding device) 8, scatterer 6, beam scanning They are arranged in the order of parts.

これに対して、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置1では、図6に示すように、患部50に近い方から、ボーラス(補償フィルタ)16、コリメータ(多葉コリメータ15、4枚ばねコリメータ14)、リッジフィルタ(ビーム飛程拡大装置)8、レンジシフタ(ビーム飛程調整装置)9、平坦度モニタ10、散乱体6、ビーム走査部の順に配置されている。また、リッジフィルタ8は可能なかぎりコリメータに近接させて配置している。   On the other hand, in the particle beam irradiation apparatus 1 according to the present embodiment, as shown in FIG. 6, a bolus (compensation filter) 16, a collimator (a multileaf collimator 15, a four-spring collimator) are arranged from the side closer to the affected part 50. 14), a ridge filter (beam range expanding device) 8, a range shifter (beam range adjusting device) 9, a flatness monitor 10, a scatterer 6, and a beam scanning unit are arranged in this order. The ridge filter 8 is disposed as close to the collimator as possible.

粒子線ビーム照射装置1の配置の要点は、リッジフィルタ8を可能な限り患部50に近づけ、リッジフィルタ8と患部50との距離が極力小さくなるようにしている点である。   The main point of the arrangement of the particle beam irradiation apparatus 1 is that the ridge filter 8 is as close to the affected area 50 as possible so that the distance between the ridge filter 8 and the affected area 50 is as small as possible.

ボーラス(補償フィルタ)16とコリメータ(多葉コリメータ15、4枚ばねコリメータ14)は、粒子線ビームの照射範囲を患部50の形状に精度よく合致させる必要性から、患部50に再接近させて配置せざるを得ないが、リッジフィルタ8をコリメータの次に配置し、リッジフィルタ8をコリメータに近接させることにより、リッジフィルタ8と患部50との距離が最大限小さくなるようにしている。   The bolus (compensation filter) 16 and the collimator (multi-leaf collimator 15, four-spring collimator 14) are arranged to re-approach the affected area 50 because it is necessary to accurately match the irradiation range of the particle beam with the shape of the affected area 50. However, the ridge filter 8 is disposed next to the collimator, and the ridge filter 8 is brought close to the collimator so that the distance between the ridge filter 8 and the affected part 50 is minimized.

また、従来の粒子線ビーム照射装置100では、レンジシフタ9はリッジフィルタ8よりも患部50に近い位置に配置されているが、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置1では、この順序を逆にして、リッジフィルタ8をレンジシフタ9よりも患部50に近い位置に配置している。   Further, in the conventional particle beam irradiation apparatus 100, the range shifter 9 is disposed at a position closer to the affected part 50 than the ridge filter 8, but in the particle beam irradiation apparatus 1 according to the present embodiment, this order is reversed. Thus, the ridge filter 8 is disposed closer to the affected area 50 than the range shifter 9.

本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置1と、従来の粒子線ビーム照射装置100との第2の相違点は、患部50の位置決め時におけるX線管12とFPD17の位置である。   A second difference between the particle beam irradiation apparatus 1 according to the present embodiment and the conventional particle beam irradiation apparatus 100 is the positions of the X-ray tube 12 and the FPD 17 when the affected part 50 is positioned.

従来の粒子線ビーム照射装置100では、図2に示すように、X線管12は、レンジシフタ9とコリメータとの間に配置されおり、FPD17は粒子線ビームの照射元から見て患者50の奥側に配置されている。これに対して、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置1では、この位置関係を逆転させ、患者の奥側にX線管12を配置し、患者50とコリメータの間にFPD17を配置する構成としている。この結果、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置1では、患者50を中心としたX線管12とFPD17との距離を、従来の粒子線ビーム照射装置100よりも近づけることができる。   In the conventional particle beam irradiation apparatus 100, as shown in FIG. 2, the X-ray tube 12 is disposed between the range shifter 9 and the collimator, and the FPD 17 is located behind the patient 50 as viewed from the irradiation source of the particle beam. Arranged on the side. In contrast, in the particle beam irradiation apparatus 1 according to the present embodiment, the positional relationship is reversed, the X-ray tube 12 is disposed on the back side of the patient, and the FPD 17 is disposed between the patient 50 and the collimator. It is said. As a result, in the particle beam irradiation apparatus 1 according to the present embodiment, the distance between the X-ray tube 12 and the FPD 17 around the patient 50 can be made closer than that of the conventional particle beam irradiation apparatus 100.

本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置1を用いて粒子線ビームの照射(ワブラー法)を行う手順について以下に説明する。   A procedure for performing particle beam irradiation (wobbler method) using the particle beam irradiation apparatus 1 according to the present embodiment will be described below.

まず、治療台(図示せず)に患者を載せ、患者の患部50の中央がビーム軸中心(アイソセンター51)にくるよう治療台を移動する。   First, a patient is placed on a treatment table (not shown), and the treatment table is moved so that the center of the affected part 50 of the patient is at the center of the beam axis (isocenter 51).

続いて、駆動機構(図示せず)を用いてボーラス(補償フィルタ)16とFPD17を移動させ、FPD17を多葉コリメータ15後方のビーム軸上に配備する(図7参照)。そして、X線管12とFPD17を用いて患部50周辺のX線透視画像を取得して、その透視画像とあらかじめ取得しておいた参照画像とを比較する。取得した透視画像の患部50の位置が参照画像の患部50の位置と一致していれば位置決めは終了する。一方、両者の患部50の位置にずれがあればずれ分だけ治療台を移動(ずれ補正)する。治療台を移動するたびにX線透視画像を取得し、参照画像との比較し、位置が一致するまでずれ補正を行う
このようにして位置決めが完了すると、駆動機構を用いてFPD17を多葉コリメータ16の後方の位置から退避させ、替わりにボーラス(補償フィルタ)16を多葉コリメータ16の後方のビーム軸上の位置へ移動させる(図6参照)。
Subsequently, the bolus (compensation filter) 16 and the FPD 17 are moved using a drive mechanism (not shown), and the FPD 17 is arranged on the beam axis behind the multi-leaf collimator 15 (see FIG. 7). Then, an X-ray fluoroscopic image around the affected area 50 is acquired using the X-ray tube 12 and the FPD 17, and the fluoroscopic image is compared with a reference image acquired in advance. If the position of the affected part 50 in the acquired fluoroscopic image matches the position of the affected part 50 in the reference image, the positioning ends. On the other hand, if there is a deviation in the position of the affected part 50, the treatment table is moved (deviation correction) by the deviation. Each time the treatment table is moved, an X-ray fluoroscopic image is obtained, compared with the reference image, and corrected for deviation until the positions match. When positioning is completed in this way, the FPD 17 is attached to the multi-leaf collimator using the drive mechanism. The bolus (compensation filter) 16 is moved to a position on the beam axis behind the multi-leaf collimator 16 instead (see FIG. 6).

各構成品に対する設定の手順、および粒子線ビームの照射開始から照射終了までの手順は前述した従来の粒子線ビーム照射装置100に対する手順と同じであり、説明を省略する。   The setting procedure for each component and the procedure from the start of irradiation of the particle beam to the end of irradiation are the same as those for the conventional particle beam irradiation apparatus 100 described above, and a description thereof will be omitted.

本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置1では、リッジフィルタ8を可能な限り患部50に近づけ、リッジフィルタ8と患部50との距離が極力小さくなるようにしている。   In the particle beam irradiation apparatus 1 according to the present embodiment, the ridge filter 8 is as close as possible to the affected area 50 so that the distance between the ridge filter 8 and the affected area 50 is as small as possible.

一方、前述したように、粒子線ビームはリッジフィルタ8を通過する間に散乱を受け、患部50の最浅位置のビーム成分はビームサイズが最も広がり、患部50の最深位置のビーム成分のビームサイズの広がりは最も小さい。より具体的には、リッジフィルタ8のバー80のうち、通過パスの長い領域を通るビーム成分(患部50の浅い位置を照射するビーム成分)は大きな散乱を受けてビーム幅が広がり、通過パスの短い領域を通るビーム成分(患部50の深い位置を照射するビーム成分)はあまり散乱を受けないため、ビーム幅の広がりも小さい。   On the other hand, as described above, the particle beam is scattered while passing through the ridge filter 8, the beam component at the shallowest position of the affected area 50 has the largest beam size, and the beam size of the beam component at the deepest position of the affected area 50. The spread of is the smallest. More specifically, a beam component that passes through a region having a long passage path (a beam component that irradiates a shallow position of the affected area 50) in the bar 80 of the ridge filter 8 is subjected to large scattering to widen the beam width. Since the beam component passing through the short region (the beam component that irradiates a deep position of the affected area 50) is not significantly scattered, the spread of the beam width is also small.

図8は、リッジフィルタ8によって広がったビーム幅と、患部50の位置におけるビームサイズ(ビームのスポット径)との関係を模式的に示したものである。   FIG. 8 schematically shows the relationship between the beam width spread by the ridge filter 8 and the beam size (beam spot diameter) at the position of the affected area 50.

従来の粒子線ビーム照射装置100では、図8(a)に示すように、リッジフィルタ8から患部50までの距離が大きいため、ビーム幅の広がりの差異の影響を大きく受け、患部50の最浅位置でのビームサイズと最深位置でのビームサイズとの差は大きく異なる。   In the conventional particle beam irradiation apparatus 100, as shown in FIG. 8A, since the distance from the ridge filter 8 to the affected part 50 is large, it is greatly affected by the difference in the spread of the beam width, and the shallowest part of the affected part 50 is affected. The difference between the beam size at the position and the beam size at the deepest position is greatly different.

これに対して、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置1では、図8(b)に示すように、リッジフィルタ8から患部50までの距離が小さいため、ビーム幅の広がりの差異の影響をほとんど受けず、患部50の最浅位置でのビームサイズと最深位置でのビームサイズはほとんど同じとなる。   On the other hand, in the particle beam irradiation apparatus 1 according to the present embodiment, as shown in FIG. 8B, the distance from the ridge filter 8 to the affected part 50 is small, so that the influence of the difference in the spread of the beam width is affected. The beam size at the shallowest position of the affected area 50 is almost the same as the beam size at the deepest position.

この結果、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置1では、図9に示すように、患部の最深位置での線量分布と、最浅位置での線量分布とで、ほぼ同じ分布形状を示すことになる。また、患部50の領域全域にわたって、最深位置の線量分布と最浅位置の線量分布はいずれも良好な平坦度を確保できるようになる。   As a result, in the particle beam irradiation apparatus 1 according to the present embodiment, as shown in FIG. 9, the dose distribution at the deepest position and the dose distribution at the shallowest position of the affected area show substantially the same distribution shape. become. In addition, the flatness of the dose distribution at the deepest position and the dose distribution at the shallowest position can be ensured over the entire region of the affected area 50.

このため、必要となるワブラー半径は従来の粒子線ビーム照射装置100で必要とされたワブラー半径(図5参照)よりも小さくなり、ワブラー半径を与えるためのワブラー電源の出力電流値も小さくなり、電源コストを小さくすることができる。   Therefore, the required wobbler radius is smaller than the wobbler radius (see FIG. 5) required in the conventional particle beam irradiation apparatus 100, and the output current value of the wobbler power source for providing the wobbler radius is also reduced. The power supply cost can be reduced.

また、患部領域とワブラー半径、すなわちビームが走査される範囲の差異が小さくなるため、患部領域に照射される粒子線ビームの割合(ビーム利用効率)も小さくなり、照射時間を短縮することができる。   Further, since the difference between the affected area and the wobbler radius, that is, the range in which the beam is scanned is reduced, the ratio of the particle beam irradiated to the affected area (beam utilization efficiency) is also reduced, and the irradiation time can be shortened. .

一方、積層原体照射法では、レンジシフタ9の挿入厚を調整することによってスライス位置を調整するが、レンジシフタ9の挿入厚によってビームの散乱の程度が異なり、患部の浅い位置のスライスに照射するときの方が、患部の深い位置のスライスに照射するときに比べるとビーム幅は大きくなる。しかしながら、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置1では、レンジシフタ9の位置も従来の粒子線ビーム照射装置100に比べると、患部50に近い位置に配置されている。このため、リッジフィルタ8を患部50に近づけて配置することのよって得られる上記の効果と同様の効果が、レンジシフタ9を患部50に近づけて配置することによっても得られる。   On the other hand, in the stacked original body irradiation method, the slice position is adjusted by adjusting the insertion thickness of the range shifter 9, but the degree of beam scattering differs depending on the insertion thickness of the range shifter 9, and the slice at a shallow position of the affected part is irradiated. Compared with the case of irradiating a slice at a deep position of the affected area, the beam width becomes larger. However, in the particle beam irradiation apparatus 1 according to the present embodiment, the position of the range shifter 9 is also located closer to the affected area 50 than the conventional particle beam irradiation apparatus 100. Therefore, the same effect as that obtained by arranging the ridge filter 8 close to the affected area 50 can be obtained by arranging the range shifter 9 close to the affected area 50.

リッジフィルタ8とレンジシフタ9はともにビームを散乱し、患部位置におけるビームサイズを大きくするようにはたらく。しかしながら、レンジシフタ9はアクリル等の有機材料が使用されるので散乱効果はそれ程大きくない。これに対して、リッジフィルタ8は、アルミニウムなどの金属で構成されており、散乱効果はレンジシフタ9に比べると大きい。したがって、患部50に近い位置にリッジフィルタ8を配置し、そのビーム上流にレンジシフタ9を配置した方が、散乱効果の大きなリッジフィルタ8をより患部50に近づけることが可能となり、患部50の最浅位置と最深位置におけるビームサイズの差をより小さくすることができる。   Both the ridge filter 8 and the range shifter 9 scatter the beam and work to increase the beam size at the affected area. However, since the range shifter 9 is made of an organic material such as acrylic, the scattering effect is not so great. On the other hand, the ridge filter 8 is made of a metal such as aluminum, and the scattering effect is larger than that of the range shifter 9. Therefore, if the ridge filter 8 is arranged at a position near the affected area 50 and the range shifter 9 is arranged upstream of the beam, the ridge filter 8 having a large scattering effect can be brought closer to the affected area 50, and the shallowest area of the affected area 50. The difference in beam size between the position and the deepest position can be further reduced.

さらに、本実施形態における粒子線ビーム照射装置1では、図7に示したように、患部50の位置あわせ時に、多葉コリメータ15に近接してそのビーム下流側にFPD17を配置し、患者を挟んでFPD17と逆側にX線管12を配置している。FPD17とX線管12の配置をこのようにすることによって、従来に比べてFPD17とX線管12との間の距離を短くすることができる。このため、FPD17が受けるX線量が増加し、従来の粒子線ビーム照射装置100に比べてより鮮明な画像を取得できるようになる。この結果、画像処理によりずれ量を算出することが容易になり、患者位置決め時間が短縮化され、患者の負荷が低減される。   Furthermore, in the particle beam irradiation apparatus 1 according to the present embodiment, as shown in FIG. 7, when aligning the affected part 50, the FPD 17 is arranged near the multi-leaf collimator 15 and on the downstream side of the beam so as to sandwich the patient. Thus, the X-ray tube 12 is arranged on the opposite side of the FPD 17. By arranging the FPD 17 and the X-ray tube 12 in this way, the distance between the FPD 17 and the X-ray tube 12 can be shortened as compared with the conventional arrangement. For this reason, the X-ray dose received by the FPD 17 increases, and a clearer image can be acquired as compared with the conventional particle beam irradiation apparatus 100. As a result, it becomes easy to calculate the amount of deviation by image processing, the patient positioning time is shortened, and the load on the patient is reduced.

なお、本発明は上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, the constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

1 粒子線ビーム照射装置
4 X用ワブラー電磁石(ビーム走査部)
5 Y用ワブラー電磁石(ビーム走査部
6 散乱体
8 リッジフィルタ(ビーム飛程拡大装置)
9 レンジシフタ(ビーム飛程調整装置)
10 平坦度モニタ
11 ビーム位置モニタ
12 X線管
14 4枚ばねコリメータ(コリメータ)
15 多葉コリメータ(コリメータ)
16 ボーラス(補償フィルタ)
17 FPD(フラット・パネル・ディテクタ)
1 Particle beam irradiation device 4 X wobbler electromagnet (beam scanning unit)
5 Y wobbler electromagnet (beam scanning unit 6 scatterer 8 ridge filter (beam range expansion device)
9 Range shifter (beam range adjustment device)
10 Flatness monitor 11 Beam position monitor 12 X-ray tube 14 Four spring collimator (collimator)
15 Multileaf collimator (collimator)
16 bolus (compensation filter)
17 FPD (Flat Panel Detector)

Claims (6)

粒子線ビームをビーム進行方向と直交する方向に走査するビーム走査部と、
前記粒子線ビームのビーム幅を所定のビーム幅に拡大する散乱体と、
前記粒子線ビームの体内飛程を、患部のビーム進行方向の大きさに合わせて分散し拡大するビーム飛程拡大装置と、
体内飛程が分散、拡大された前記粒子線ビームの最深体内飛程を、前記患部の奥側の外郭形状に合致させる補償フィルタと、
前記ビーム進行方向と直交する面における前記患部の外周形状の外側へのビーム照射を遮蔽するコリメータと、
前記ビーム進行方向と直交する面における線量分布の平坦度を測定する平坦度モニタと、
を備え、
前記各構成品は、前記患部に近い方から、前記補償フィルタ、前記コリメータ、前記ビーム飛程拡大装置、前記平坦度モニタ、前記散乱体、前記ビーム走査部、の順に配置される、
ことを特徴とする粒子線ビーム照射装置。
A beam scanning unit that scans the particle beam in a direction orthogonal to the beam traveling direction;
A scatterer that expands the beam width of the particle beam to a predetermined beam width;
A beam range expansion device that disperses and expands the range of the particle beam in the body according to the size of the affected part in the beam traveling direction;
A compensation filter for matching a deepest in-vivo range of the particle beam, in which the range of the body is dispersed and expanded, with a contour shape on the back side of the affected area;
A collimator that shields beam irradiation to the outside of the outer peripheral shape of the affected area in a plane perpendicular to the beam traveling direction;
A flatness monitor for measuring the flatness of the dose distribution in a plane orthogonal to the beam traveling direction;
With
Each component is arranged in the order of the compensation filter, the collimator, the beam range expanding device, the flatness monitor, the scatterer, and the beam scanning unit from the side closer to the affected part.
A particle beam irradiation apparatus characterized by that.
前記ビーム飛程拡大装置は、前記コリメータに近接して配置される、
ことを特徴とする請求項1に記載の粒子線ビーム照射装置。
The beam range expanding device is disposed in proximity to the collimator,
The particle beam irradiation apparatus according to claim 1.
前記粒子線ビームの最深体内飛程を調整するビーム飛程調整装置、をさらに備え、
前記ビーム飛程調整装置は、前記ビーム飛程拡大装置と前記平坦度モニタとの間に配置される、
ことを特徴とする請求項1に記載の粒子線ビーム照射装置。
A beam range adjusting device that adjusts the innermost range of the particle beam, further comprising:
The beam range adjusting device is disposed between the beam range expanding device and the flatness monitor.
The particle beam irradiation apparatus according to claim 1.
前記ビーム飛程調整装置は、前記ビーム飛程拡大装置に近接して配置される、
ことを特徴とする請求項3に記載の粒子線ビーム照射装置。
The beam range adjusting device is disposed in proximity to the beam range expanding device,
The particle beam irradiation apparatus according to claim 3.
前記患部を含む患部周辺部にX線を照射するX線管と、
前記X線で照射された前記患部周辺部の透視画像を得るフラット・パネル・ディテクタと、をさらに備え、
前記フラット・パネル・ディテクタは、前記コリメータと前記患部との間に配置され、
前記X線管は、前記患部を挟んで前記フラット・パネル・ディテクタと反対側の位置に配置される、
ことを特徴とする請求項1に記載の粒子線ビーム照射装置。
An X-ray tube for irradiating the peripheral part of the affected part including the affected part with X-rays;
A flat panel detector for obtaining a fluoroscopic image of the peripheral part of the affected area irradiated with the X-ray,
The flat panel detector is disposed between the collimator and the affected area;
The X-ray tube is disposed at a position opposite to the flat panel detector across the affected area.
The particle beam irradiation apparatus according to claim 1.
前記透視画像は、前記粒子線ビームの照射前に前記の患部の位置決めのために得る画像であり、
前記フラット・パネル・ディテクタは、前記透視画像の撮像時には、前記粒子線ビームの通過経路上の位置にあり、前記粒子線ビームの照射時には、前記粒子線ビームの通過経路上の位置からはずれた退避位置へ移動する、
ことを特徴とする請求項5に記載の粒子線ビーム照射装置。
The fluoroscopic image is an image obtained for positioning the affected area before irradiation with the particle beam,
The flat panel detector is at a position on the passage path of the particle beam when the fluoroscopic image is captured, and is retracted from a position on the passage path of the particle beam when the particle beam is irradiated. Move to position,
The particle beam irradiation apparatus according to claim 5.
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