(57)【要約】  照射対象である患者４の患部４１に依存してラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式のいずれの照射方式を実施するかを事前の選択に基づき選択可能となっており、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式のいずれの照射方式をも一台の照射装置５００で実施可能に構成されている。これにより、更なる高精度な照射と高線量率化の両立を図ることができる小型の粒子線治療システムが提供される。
2017081826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射対象を複数の小領域に分割し、この複数の小領域に粒子線を順次照射する粒子線治療システムであって、
前記粒子線を加速する加速器と、
この加速器で加速された粒子線を標的に照射する照射装置と、
前記加速器および前記照射装置を制御する制御装置とを備え、 
前記加速器、前記照射装置および前記制御装置は、次の小領域に移動する際に前記粒子線の照射を停止しない照射方式および前記粒子線の照射を停止する照射方式のいずれの照射方式をも前記照射装置で実施可能である
ことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項２】
請求項１に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記粒子線を照射するための計画を作成する計画装置を更に備え、
この計画装置は前記照射対象に関する情報に基づき、前記停止しない照射方式と前記停止する照射方式とのいずれの照射方式でも治療計画を作成可能であり、作成した治療計画に基づいて前記停止しない照射方式と前記停止する照射方式とのいずれかの照射方式を前記照射装置で実施する
ことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項３】
請求項１に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記粒子線を照射するための計画を作成する計画装置を更に備え、
この計画装置はオペレータの選択に基づき前記停止しない照射方式と前記停止する照射方式とのいずれの照射方式で治療するか選択して治療計画を作成し、この治療計画に基づいて前記停止しない照射方式と前記停止する照射方式とのいずれかの照射方式を前記照射装置で実施する
ことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項４】
請求項１に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記照射対象に関する情報を受ける入力部を有し、
この入力部において入力された前記照射対象に関する情報に基づきいずれの照射方式を実施するかを選択する
ことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項５】
請求項１に記載の粒子線治療システムにおいて、
透視Ｘ線撮影装置を更に備え、
照射時にこの透視Ｘ線撮影装置によって透視Ｘ線画像を取得し、この取得した透視Ｘ線画像に基づいて前記粒子線の照射制御を行う場合に、前記次の小領域に移動する際に前記粒子線の照射を停止する照射方式で照射を行う
ことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項６】
請求項１に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記照射対象に依存していずれの照射方式を実施するかを事前に選択可能である
ことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項７】
請求項１に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記停止しない照射方式と前記停止する照射方式とのいずれの照射方式が選択されているかを表示する表示部を更に備えた
ことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項８】
請求項１に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記制御装置は、前記照射装置を制御する照射制御装置を有し、
この照射制御装置は、いずれの照射方式でも用いる共通制御部と、前記停止しない照射方式のみで用いる非停止制御部と、前記停止する照射方式のみで用いる停止制御部とを有する
ことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項９】
照射対象を複数の小領域に分割し、この複数の小領域に粒子線を順次照射する粒子線治療の治療計画装置であって、
次の小領域に移動する際に前記粒子線の照射を停止しない照射方式および前記粒子線の照射を停止する照射方式のいずれに基づき治療計画を作成するか選択する機能を有する
ことを特徴とする治療計画装置。
【請求項１０】
粒子線を加速する加速器と、
この加速器で加速された粒子線を標的に照射する照射装置と、
前記加速器および前記照射装置を制御する制御装置と、
ラスタースキャニング法若しくはディスクリートスポットスキャニング法のいずれの照射法で照射するかに関する情報を受け入れる入力部と、を備えた
ことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記ラスタースキャニング法及び前記ディスクリートスポットスキャニング法による照射を共通するノズルを介して行う
ことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項１２】
請求項１０に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記ラスタースキャニング法及び前記ディスクリートスポットスキャニング法による照射における前記加速器の出射制御を共通する加速器制御装置により行う
ことを特徴とする粒子線治療システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線治療システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
計画した線量分布と実際の線量分布とを一致させ、患部内に均一な線量分布を得ることを目的として、特許文献１には、粒子線ビームを生成するビーム生成部と、粒子線ビームの出射を制御するビーム出射制御部と、照射対象の患部を粒子線ビームの軸方向に分割したスライスに対して、そのスライスに設定された所定の軌跡パターンに沿って粒子線ビームが走査されるよう、粒子線ビームの位置を２次元で順次指示するビーム走査指示部と、ビーム走査指示部からの指示信号に基づいて粒子線ビームを２次元で走査するビーム走査部と、を備え、ビーム走査指示部は、軌跡パターンを順方向に辿って走査した後、その軌跡パターンを逆方向に辿って走査するよう前記走査位置を指示する、ことを特徴とする粒子線ビーム照射装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−６６１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
癌などの患者の患部に陽子や炭素イオン等のいずれかの粒子線（イオンビーム、以下荷電粒子ビームとも記載）を照射する治療方法が知られている。この治療に用いる粒子線照射システムは、荷電粒子ビーム発生装置、ビーム輸送系、および照射装置を備えている。【０００５】
照射装置の照射方式としては、散乱体によってビームを広げた後に患部形状に合わせてコリメータでビーム形状を切り出す散乱体方式や、細いビームを患部領域内に走査させるビーム走査方式が知られている。【０００６】
ビーム走査方式を用いた粒子線照射システムにおいて、荷電粒子ビーム発生装置の加速器で加速された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系を経て照射装置に達し、照射装置に備えられた走査用電磁石でビーム進行方向に垂直な面で走査され、照射装置から患者の患部に照射される。【０００７】
ビーム走査方式において一様な照射野分布を形成する方法としては、上記の細いビームを適切に散乱させた後に円形、らせん状、あるいはジグザグ状に走査するワブラー法が知られている。この場合には形成された一様分布をコリメータにより患部形状に合わせて切り出す必要がある。【０００８】
一方、細いビームで付与する線量分布を患部形状に合致させる、また一様ではなく任意の線量分布を形成する方法としてはスポットスキャニング法が知られている。これは患部形状を微小な小領域（照射スポット）に分割し、その区画ごとに所望の照射線量を予め設定して照射するものである。【０００９】
スポットスキャニング法には、ディスクリートスポットスキャニング法およびラスタースキャニング法の２つの大別される照射法があり、それぞれについて処理の流れが特許文献１に記載されている。特許文献１に定義されるように、ディスクリートスポットスキャニング法は粒子線ビームの位置をある照射スポットから次の照射スポットに移動させている間はビーム出射を停止させ、移動完了後にビーム出射を再開させる方法であり、ラスタースキャニング法は同一スライスを走査する間はビーム出射が途切れることなく連続する方法である。これら２つのスポットスキャニング法をそれぞれ実装した２つの粒子線治療システムは、互いに要求される加速器の機器スペック、加速器の出射制御、ビーム監視等で機器の性能や制御内容が異なる。また、これら二つのスポットスキャニング法は互いに代替可能であり、使い分けるニーズが示唆されたこともなかった。【００１０】
しかし、粒子線治療システム一般のニーズとして、更なる高精度な照射を目指す要求があると同時に、治療可能な患者数を増加させるための高線量率化の要求もある。そのような課題に対し、本発明者は以下の観点を見出した。【００１１】
ディスクリートスポットスキャニング法とラスタースキャニング法は異なる場合にそれぞれメリットが生じる。特に、ディスクリートスポットスキャニング法は動体追跡において高精度な照射を可能とする。患部の動きを追跡するために必要な患部追跡用のＸ線照射を、粒子線照射が行われていないスポット間に行えるため、線量管理精度や患部識別精度の面で有利である。それに対し、ラスタースキャニング法は連続して照射する期間が比較的に長いためスループットが有利であり、動きが少ない臓器や、定期的に決まった時間打ち続ける場合に有利である。【００１２】
しかし、単純に異なるスポットスキャニング法を実装したノズルを複数採用したシステムや、異なる照射法を実装した治療室を複数有するシステムでは、治療室でのノズルの取り回しやスペースの問題がある。特に、患者の多い市街地に所在する病院では、粒子線治療システムのフットプリントサイズや治療室数を安易に増加させることは望ましくない。【００１３】
本発明はこのような観点からされたものであって、更なる高精度な照射と高線量率化の両立を図ることができる小型な粒子線治療システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、照射対象を複数の小領域に分割し、この複数の小領域に粒子線を順次照射する粒子線治療システムであって、前記粒子線を加速する加速器と、この加速器で加速された粒子線を標的に照射する照射装置と、前記加速器および前記照射装置を制御する制御装置とを備え、前記加速器、前記照射装置および前記制御装置は、次の小領域に移動する際に前記粒子線の照射を停止しない照射方式および前記粒子線の照射を停止する照射方式のいずれの照射方式をも前記照射装置で実施可能であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、粒子線照射の更なる高精度照射と高線量率化の両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の好適な一実施形態（第１の実施形態）である粒子線治療システムの全体概略構成を表す図である。
【図２】第１の実施形態の粒子線治療システムに用いる照射装置の構成を示す図である。
【図３】照射対象である患部の深さ方向の特定層を示す図である。
【図４】第１の実施形態である粒子線治療システムによるディスクリートスポットスキャニング方式を適用した場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】第１の実施形態である粒子線治療システムによるラスタースキャニング方式を適用した場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】第２の実施形態の粒子線治療システムの全体概略構成を表す図である。
【図７】第３の実施形態の粒子線治療システムの全体概略構成を表す図である。
【図８】第４の実施形態の粒子線治療システムの全体概略構成を表す図である。
【図９】第４の実施形態の粒子線治療システムの患部移動検出信号とビーム照射可能信号の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の粒子線治療システムの実施形態を、図面を用いて説明する。
【００１８】
＜第１の実施形態＞  
本発明の粒子線治療システムの第１の実施形態を、図１乃至図５を用いて説明する。
【００１９】
まず、全体構成について図１を用いて説明する。図１は、第１の実施形態における粒子線治療システムの全体構成を示す概略図である。
【００２０】
粒子線治療システム１００は、荷電粒子ビーム発生装置２００と、発生した荷電粒子ビームを治療室４００まで導くビーム輸送系３００と、治療室４００で患者４の患部４１（図２に記載）の形状に合わせて荷電粒子ビームを照射する照射装置５００と、制御装置６００とから構成される。
【００２１】
荷電粒子ビーム発生装置２００は、前段加速器２１と、前段加速器２１で予め加速した荷電粒子を所定のエネルギーまで加速したのちに出射するシンクロトロン２０とを有する。なお、このシンクロトロン２０に代えて、例えばサイクロトロン等のような前段加速器を有しない加速器や直線加速器を用いてもよい。
【００２２】
シンクロトロン２０は、前段加速器２１で加速された荷電粒子ビーム（陽子、炭素等の重粒子イオン、中性子等）を所定エネルギーまで加速する装置であって、荷電粒子ビームを周回させるための複数の偏向電磁石２２および複数の四極電磁石（図示せず）と、周回する荷電粒子ビームを加速させる加速装置２３と所定のエネルギーまで加速した荷電粒子ビームを出射する出射装置２４を有する。
【００２３】
出射装置２４は、出射用高周波印加電極（図示せず）を有し、この高周波印加電極が出射用スイッチ２５を介して高周波電源２６に接続されており、出射用スイッチ２５の開閉により荷電粒子ビームの出射をＯＮ／ＯＦＦする。
【００２４】
ビーム輸送系３００は、複数の偏向電磁石３１と複数の四極電磁石（図示せず）を有し、シンクロトロン２０から出射された荷電粒子ビームを照射装置５００に輸送するようになっている。
【００２５】
ここで、図２を用いて本実施形態による粒子線治療システム１００に用いる照射装置５００の構成について説明する。図２は、照射装置５００の構成を示す図である。
【００２６】
照射装置５００は、シンクロトロン２０で加速され、ビーム輸送系３００によって導かれた荷電粒子ビームを水平（図中Ｘ方向）に走査し患者４の患部４１の形状に合致させるためのＸ方向走査電磁石５１Ａと、垂直（図中Ｙ方向、紙面に垂直方向）に走査するＹ方向走査電磁石５１Ｂを有している。これらの走査電磁石５１Ａ，５１Ｂは走査電磁石電源６１と接続される。走査電磁石電源６１は電源制御装置６２により制御される。走査電磁石５１Ａ，５１Ｂにより偏向された荷電粒子ビームは、ビーム位置モニタ５２Ａおよび線量モニタ５３Ａを通過し、照射対象である患部４１に照射される。ビーム位置モニタ５２Ａはビーム位置計測装置５２Ｂに接続され、ビーム位置計測装置５２Ｂは荷電粒子ビームの位置および幅（広がり）を計測する。線量モニタ５３Ａは照射線量計測装置５３Ｂに接続され、照射線量計測装置５３Ｂは荷電粒子ビームの照射量を計測する。
【００２７】
ここで、図２および図３を用いてスポットスキャニング法について説明する。図３は、荷電粒子ビームの上流側から患部４１を見た説明図である。
【００２８】
図２に示したように患者４の患部４１に対して、その患部形状を３次元的な複数の深さ方向（図中Ｚ方向）の層に分割する。図３に示すように、更に、各層を荷電粒子ビームの進行方向を横切る方向である水平方向（図中Ｘ−Ｙ方向）に２次元的に分割して複数の線量区画（小領域、以下照射スポット４２と記載）を設定する。深さ方向は荷電粒子ビームの到達進度に対応し、シンクロトロン２０から出射される荷電粒子ビームのエネルギー変更、あるいは照射装置５００より上流でのエネルギー吸収体挿入などによる荷電粒子ビームのエネルギー変更により変更されて各層を選択的に照射する。各層内では図３に示す例えば経路４３に沿って走査電磁石５１Ａ，５１Ｂで荷電粒子ビームを２次元的に走査して各照射スポット４２に所定の線量を与える。各照射スポット４２に照射される荷電粒子ビームの量は線量モニタ５３Ａおよび照射線量計測装置５３Ｂで計測され、荷電粒子ビームの位置やその広がり（幅）はビーム位置モニタ５２Ａおよびビーム位置計測装置５２Ｂで計測される。
【００２９】
このスポットスキャニング方式による照射制御は照射制御装置６４が荷電粒子ビーム発生装置２００からのビーム出射を制御することによって行う。
【００３０】
ここで、スポットスキャニング法は、次の照射スポット４２に移動する際に荷電粒子ビームの照射を停止する照射方式であるディスクリートスポットスキャニング方式と、各照射スポット４２へ荷電粒子ビームを目標線量だけ照射した後、次の照射スポット４２に移動する間にも荷電粒子ビームの照射を停止しない照射方式であるラスタースキャニング方式とに大別される。
【００３１】
ディスクリートスポットスキャニング方式は、荷電粒子ビームの照射位置をある格子点から次の格子点に移動させている間はビーム出射を停止させ、移動完了後にビーム出射を再開させるため、同一スライスを走査する間はビーム出射が断続することになる。
【００３２】
そのために、照射制御装置６４は、複数の照射スポット４２のうちの１つのスポット４２に照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、走査電磁石５１Ａ，５１Ｂの励磁電流を制御して荷電粒子ビームを走査し照射位置を次の照射スポット４２に変更する。そして、照射制御装置６４は、１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときには、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を停止する。このビーム出射の停止状態で、走査電磁石５１Ａ，５１Ｂの励磁電流を制御して荷電粒子ビームを走査し照射位置を次の照射スポット４２に変更し、この変更後に、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を開始するよう制御する。
【００３３】
ディスクリートスポットスキャニング方式の動作の詳細について図４を参照してより具体的に以下説明する。図４のタイムチャートは図３に示した患部４１内のある層を照射している間の動作を示す。
【００３４】
図４において、横軸は時間ｔを示している。図４（ａ）の縦軸は照射制御装置６４から中央制御装置６５、加速器制御装置６６を介し出射用スイッチ２５に出力する開閉信号、すなわち荷電粒子ビームの出射を制御するビームＯＮ／ＯＦＦ信号である。図４（ａ）に４つのＯＮ状態、すなわち４つの照射スポット４２があるので、これらをそれぞれＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４とする。ここで、最初のビームＯＮ信号は、医師やセラピストが照射開始を指示した後、例えばシンクロトロン２０のビーム入射、加速等のプロセスを経て、荷電粒子ビーム発生装置２００を含むシステム全体の動作準備が完了し、荷電粒子ビームが照射可能な状態になった時点で発生する。
【００３５】
図４（ｂ）の縦軸は照射された荷電粒子ビームの照射量を線量モニタ５３Ａおよび照射線量計測装置５３Ｂで測定したもので、ビームＯＮと同時に照射量が積算されていき、その計測信号は照射制御装置６４に取り込まれる。照射制御装置６４は、積算線量が予め定められた量に達したところでビームＯＦＦし、測定量を照射制御装置６４のメモリにて記憶後、照射線量計測装置５３Ｂはリセットされる。なおここでは線量モニタ５３Ａおよび照射線量計測装置５３Ｂで計測される照射量を照射スポット４２毎にリセットするよう図示しているが、常に積算して、その差分で照射量を判定してもよい。
【００３６】
図４（ｃ）は実際の荷電粒子ビームの照射電流を示しており、図４（ｂ）で示した通り所定の線量に達してビームＯＦＦとなった後にもＯＦＦの反応時間があるため、微小な量の荷電粒子ビームが照射されることを示している。ディスクリートスポットスキャニング方式では、ビームＯＦＦ後の過渡応答により漏れ電流が照射スポットごとに発生するため、加速器の出射制御やその機器で定まる出射ＯＮＯＦＦ応答性能が高くなければ、均一な線量付与に大きな影響を与える。
【００３７】
図４（ｄ）の縦軸は図４（ｃ）で示した照射ビームの位置・幅を測定するビーム位置モニタ５２Ａおよびビーム位置計測装置５２Ｂの測定状態を示し、例えば照射スポットＳ１の計測、すなわちＭ１の区間での信号収集を照射制御装置６４が行う。図４（ｄ）に示したビーム位置計測装置の信号収集が完了した後、照射制御装置６４は、その取得した信号を基にビーム位置や幅（標準偏差）を演算し、予め照射制御装置６４のメモリに設定されている許容値と比較することでビーム位置・幅の値が所望の誤差範囲内にあるかどうかを判定する。
【００３８】
ビーム位置・幅の演算結果が許容値を逸脱した場合には照射制御装置６４がインターロック信号を発生し、次の照射スポット４２への進行を停止させる。例えば照射スポット４２におけるＳ１のビーム位置・幅演算結果が許容値を逸脱した場合には、次の区間Ｓ２の所定時間前の任意のタイミングにて進行が停止する。ディスクリートスポットスキャニング方式では、照射ビーム電流が流れるのは照射スポットに照射されている期間と、その後の応答期間のみであり、モニタ計測の期間もその間で行われ、照射スポット間の照射が行われていない期間に猶予を持って停止することができる。
【００３９】
図４（ｅ）の縦軸は、図３に示したように荷電粒子を２次元的に走査する場合の走査電磁石電源６１の電流パターンを示している。このパターンは照射制御装置６４において予め定められたパターンとなっており、各照射スポット４２での照射線量が既定値に達し照射ビームが停止した後に順次励磁量を変更し、照射位置を変更する動作を示している。
【００４０】
図４（ｆ）の縦軸は走査電磁石電源６１の状態を示し、励磁電流を変更して電流偏差が所望の範囲から逸脱している間は走査電磁石電源６１をＯＮ（以下走査中状態ＯＮという）、励磁電流の変更が完了し電流偏差が所望の範囲内に入ったことを判定した後に走査電磁石電源６１をＯＦＦ（以下走査中状態ＯＦＦという）する。すなわち、照射スポット４２中Ｓ１の荷電粒子ビームを照射後に区間Ｂ１にて次の照射スポット４２への照射位置変更を実施している。
【００４１】
図４において、照射スポット４２中Ｓ２の照射開始は照射スポット４２中Ｓ１照射後の照射位置変更、すなわち図４（ｆ）の走査中状態ＯＮが完了したタイミングとなる。照射スポット４２中Ｓ１完了後の流れが照射スポット４２中Ｓ２照射後も繰り返され、図３に示したような２次元の走査が進行する。
【００４２】
図４（ａ）〜（ｆ）までの一連の動作を繰り返し、図３に示した患部４１のある深さ方向の層について荷電粒子ビームを照射する。各照射スポット４２の照射線量、照射位置、それに対応した走査電磁石電源６１の励磁量は予め定められた治療計画に従い、その内容は治療開始前に治療計画装置６７から中央制御装置６５に送信され、照射制御装置６４内のメモリに保存される。その内容に従い照射制御装置６４は走査電磁石電源６１の励磁パターンを定め、また中央制御装置６５では患部４１を深さ方向に層状に分割した深さに対応するエネルギーを加速器制御装置６６や輸送系制御装置６８に送信し、該当するエネルギーでの運転を実施する。患部４１の１層を照射完了した場合には、別の層に相当するエネルギーでの運転を実施するようエネルギー切り替え指示を送信する。これらを繰り返すことによって患部４１全体の照射を完了する。
【００４３】
これに対して、ラスタースキャニング方式は、荷電粒子ビームの照射位置をある格子点から次の格子点に移動させている間もビーム出射は停止することなく継続される。つまり、同一スライスを走査する間は、ビーム出射は途切れることなく連続する。
【００４４】
そのために、照射制御装置６４は、複数の照射スポット４２のうちの１つのスポット４２に照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、走査電磁石５１Ａ，５１Ｂの励磁電流を制御して荷電粒子ビームを走査し照射位置を次の照射スポット４２に変更する。この間も、照射制御装置６４は、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を停止させずに、このビームを出射させた状態で、走査電磁石５１Ａ，５１Ｂの励磁電流を制御して荷電粒子ビームを走査し照射位置を次の照射スポット４２に変更するよう制御する。
【００４５】
ラスタースキャニング方式の詳細について図５を参照してより具体的に以下説明する。図５のタイムチャートは本実施形態による図３に示した患部４１内のある層を照射している間の動作を示す。
【００４６】
図５において、横軸は時間ｔを示している。図５（ａ）の照射スポット４２の進行を示し、各区間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が各照射スポット４２への照射区間を示す。
【００４７】
図５（ｂ）の縦軸は荷電粒子ビーム発生装置２００から出射されビーム輸送系３００を通じ照射装置５００に入射する荷電粒子ビーム電流を示す。ラスタースキャニング方式では、ビームＯＦＦに伴う過渡応答がスライスの終わりでしか発生しないため、ビームオフ応答遅延による影響はディスクリートスポットスキャニング法に比べると限定的となる。
図５（ｃ）の縦軸は照射装置５００内の線量モニタ５３Ａおよび照射線量計測装置５３Ｂの計測線量の積算値を示す。
【００４８】
図５（ｄ）の縦軸は走査電磁石電源６１の励磁電流を示す。図５（ｃ）に示した照射積算量が各スポットに予め定められた、計画線量に達すると同時にその照射スポット４２の照射を完了したこととし、次の照射スポット４２への移動を開始する。したがって、次の照射スポット４２への照射はまず走査電磁石励磁量変更中に行われ、その励磁量変更が終了した後計画された線量に達するまで走査電磁石５１Ａ，５１Ｂの励磁量変更を停止し、線量が計画値に達したと同時に次のスポットへ移行するための走査電磁石５１Ａ，５１Ｂの励磁電流を変更する、という動作を繰り返す。そして、それらの間にも荷電粒子ビームは照射され続ける。
【００４９】
図５（ｅ）の縦軸は各照射スポット４２でのビーム位置モニタ５２Ａおよびビーム位置計測装置５２Ｂの計測状態を示し、上記の通り、走査中および走査停止中の線量が既定値に達するまでの区間Ｍ１にビーム位置モニタ５２Ａおよびビーム位置計測装置５２Ｂにて各照射スポット４２でのビーム位置の計測を行う。
【００５０】
図５（ｅ）に示したビーム位置計測装置の信号収集が完了した後、照射制御装置６４は、その取得した信号を基にビーム位置や幅（標準偏差）を演算し、予め照射制御装置６４のメモリに設定されている許容値と比較することでビーム位置・幅の値が所望の誤差範囲内にあるかどうかを判定する。
【００５１】
図５において、照射スポット４２中Ｓ２の照射開始は照射スポット４２中Ｓ１照射終了後のタイミングとなる。照射スポット４２中Ｓ１完了後の流れが照射スポット４２中Ｓ２照射後も繰り返され、図３に示したような２次元の走査が進行する。
【００５２】
図５（ａ）〜（ｅ）までの一連の動作を繰り返す際も、図４（ａ）〜（ｆ）までの一連の動作の繰り返しと同様に、治療計画に従って、図３に示した患部４１のある深さ方向の層について荷電粒子ビームの照射を行う。
【００５３】
このラスタースキャニング方式では、ビームの照射を停止するのは図３に示した患部４１のある一層を照射中に照射スポット４２間の間隔が大きくなりその間に照射する線量が無視できなくなるような場合や、同じく図３に示したある１層を照射完了し別の深さの層に変更する、すなわち照射装置５００に入射する荷電粒子ビームのエネルギーを変更する場合、また許容できないビーム停止要因が発生した場合となる。
【００５４】
なお、何れの照射制御方式であっても、照射制御装置６４は、ビーム位置モニタ５２Ａおよびビーム位置計測装置５２Ｂから得られた信号を照射制御装置６４内より読み出した後、照射制御装置６４にてビーム位置とその幅を演算し、この荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱しているかどうかを判定する。そして、荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱している場合は中央制御装置６５を介して加速器制御装置６６にインターロック信号を出力し、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を停止する。
【００５５】
本実施形態の粒子線治療システムでは、照射対象である患者４の患部４１に依存してラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式のいずれの照射方式を実施するかを事前の選択に基づき選択可能となっており、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式のいずれの照射方式をも一台の共通する荷電粒子ビーム発生装置２００、一台の共通するビーム輸送系３００、一台の共通する照射装置５００、多くが共通化された制御装置６００で実施可能に構成されている。
【００５６】
以下、そのための構成について説明する。
【００５７】
制御装置６００は、シンクロトロン２０、ビーム輸送系３００および照射装置５００内の各機器を制御する装置であり、加速器制御装置６６、照射制御装置６４、中央制御装置６５、輸送系制御装置６８および治療計画装置６７を備えている。
【００５８】
治療計画装置６７は、荷電粒子ビームを照射するための計画を作成する装置であり、照射対象である患者４の患部４１に関する情報に基づき、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式とのいずれの照射方式で治療するかを選択して治療計画を作成する。治療計画装置６７は、作成した治療計画を中央制御装置６５に出力する。
【００５９】
中央制御装置６５は、入力された治療計画に基づいてラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式とのいずれかの照射方式によって患者４の患部４１に対する照射制御を行うよう、加速器制御装置６６、照射制御装置６４および輸送系制御装置６８の各制御装置に対して制御信号を出力する。この中央制御装置６５は、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式とのいずれの照射方式が選択されているかを表示する表示部６５ａを更に備えている。
【００６０】
加速器制御装置６６は、いずれの照射方式でも用いる共通制御部６６ａと、ラスタースキャニング方式のみで用いる非停止制御部６６ｂと、ディスクリートスポットスキャニング方式のみで用いる停止制御部６６ｃとを有しており、加速器制御装置６６によってシンクロトロン２０等の荷電粒子ビーム発生装置２００内の各装置を制御する。加速器制御装置６６では、中央制御装置６５からの制御信号に基づき、ラスタースキャニング方式で照射を実施する場合は共通制御部６６ａおよび非停止制御部６６ｂによって制御を実施し、ディスクリートスポットスキャニング方式で照射を実施する場合は共通制御部６６ａおよび停止制御部６６ｃによって制御を行う。例えば、共通制御部６６ａはディスクリートスポットスキャニング方式およびラスタースキャニング方式とで共通の制御パラメータセットであり、両方式の制御で共通する、前段加速器２１から粒子が入射され、シンクロトロン２０で粒子を加速する際の前段加速器２１、偏向電磁石２２と加速装置２３の制御に用いられる。非停止制御部６６ｂはラスタースキャニング方式のみで用いる制御パラメータセットであり、出射装置２４や出射用スイッチ２５を制御する際に用いられる。停止制御部６６ｃはディスクリートスポットスキャニング方式のみで用いる制御パラメータセットであり、出射装置２４や出射用スイッチ２５を制御する際に用いられる。なお、両方式に共通する出射用電磁石等の機器及びビーム出射制御はディスクリートスポットスキャニング方式の要求を満たすビーム電流応答速度を達成する必要がある。
【００６１】
また、加速器制御装置６６は、ディスクリートスポットスキャニング方式に対応する停止制御部６６ｃをラスタースキャニング方式で照射する際に用いることで、一つの共通した制御部で両方式を制御することもできる。その場合、ラスタースキャニング方式で照射する際は、通常なら照射線量が規定値に達したときに停止制御部６６ｃがビームＯＦＦ信号を送信するところ、そのスライスを打ち終わるまでビームをＯＮの状態で維持するように制御することとなる。
【００６２】
照射制御装置６４は、いずれの照射方式でも用いる共通制御部６４ａと、ラスタースキャニング方式のみで用いる非停止制御部６４ｂと、ディスクリートスポットスキャニング方式のみで用いる停止制御部６４ｃとを有しており、照射装置５００内の各装置を制御する。照射制御装置６４では、中央制御装置６５からの制御信号に基づき、ラスタースキャニング方式で照射を実施する場合は共通制御部６４ａおよび非停止制御部６４ｂによって制御を実施し、ディスクリートスポットスキャニング方式で照射を実施する場合は共通制御部６４ａおよび停止制御部６４ｃによって制御を行う。例えば、共通制御部６４ａはディスクリートスポットスキャニング方式およびラスタースキャニング方式とで共通の制御パラメータセットであり、例えば両方式で共通する走査電磁石電源６１の電源制御を制御する。非停止制御部６４ｂはラスタースキャニング方式のみで用いる制御パラメータセットであり、停止制御部６４ｃはディスクリートスポットスキャニング方式のみで用いる制御パラメータセットであり、例えば両方式でタイミングや制御方法が異なるビーム位置計測装置５２Ｂや照射線量計測装置５３Ｂを制御する。
【００６３】
輸送系制御装置６８ビーム輸送系３００内の偏向電磁石３１等の各機器を制御する。
【００６４】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００６５】
本実施形態の粒子線治療システムは、基本的な機器構成は同一でありながらラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式の両方式の照射を一台の照射装置５００で実現することが可能であり、照射対象に応じた適切な方式選択が可能となり、照射精度向上および高線量率化の両立が可能となり、照射短時間化等の様々な利点が得られる。例えば、小児がん等の患部の動きをＸ線で確認しながら、その動きに同期して照射をする場合はディスクリートスポットスキャニング方式で高精度に照射を実施する。また、前立腺がん等患部の動きが小さい場合には、ラスタースキャニング方式で長い期間連続的に打つことで照射時間を短縮することができる。また、単一システムで両照射方式を実現できるため、システムが安価となり、かつ治療システムの小型化が可能である、との利点も有している。
【００６６】
なお、ビームの取り出し装置として出射用高周波印加電極を有する出射装置２４を用いる場合を例に説明したが、ビーム取り出し装置は出射装置２４に限定されず、出射用四極電磁石やベータトロンコアなどを用いてもよい。
【００６７】
＜第２の実施形態＞  
本発明の粒子線治療システムの第２の実施形態を図６を用いて説明する。図１乃至図５と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下の実施形態においても同様とする。図６は第２の実施形態における粒子線治療システムの全体構成を示す概略図である。
【００６８】
本実施形態の粒子線治療システム１０１も、照射対象である患者４の患部４１に依存してラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式のいずれの照射方式を実施するかを事前の選択に基づき選択可能となっており、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式のいずれの照射方式をも一台の照射装置５００で実施可能に構成されている。
【００６９】
図６に示すように、本実施形態の治療計画装置６７Ａは、治療計画を作成する際にオペレータがラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式とのいずれの照射方式で治療するかを選択するための選択部６７ａ１を有しており、この選択部６７ａ１で選択された照射方式での治療計画を作成する。治療計画装置６７Ａは、作成した治療計画を中央制御装置６５に出力する。
【００７０】
なお、治療計画装置６７Ａ以外の構成・動作は前述した第１の実施形態の粒子線治療システムと略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。
【００７１】
本発明の粒子線治療システムの第２の実施形態においては、オペレータに治療計画時に２つのスポットスキャニング方式から選択できるようにし、若しくは方式を変更することができるようにすることで、より効率よく線量分布精度及び照射時間のバランスに優れた治療計画を作成することができる。特にラスタースキャニング法の場合、線量は照射スポット間にも付与されるため、全体の線量分布は照射スポットの位置のみならず、その走査経路や、動体追跡制御の有無にも大きく依存する。そのため、治療計画段階でそれぞれのスポットスキャニング方式を選択した場合の線量分布を比較・確認することは、線量分布精度の向上のため及びその計算能力から治療計画装置６７Ａで実施することが望ましく、治療計画装置６７Ａに２つのスポットスキャニング方式を選択できる機能を設ける効果が大きい。
【００７２】
さらに、２つのスポットスキャニング方式を選択できる治療計画装置を、２つのスポットスキャニング方式を共通した１台の照射装置で実施することができる粒子線治療システムと組み合わせることで、２つのスポットスキャニング方式を変更した際に、別装置であれば必要となる、ノズルや輸送系や加速器の状態若しくはその個体差による特性・性能の差異を逐次補正する必要が無くなり、線量分布計算効率を向上させ、若しくは線量分布を向上させ、若しくは切り替えにかかる時間ロスを低減させる効果も考えられる。
【００７３】
＜第３の実施形態＞  
本発明の粒子線治療システムの第３の実施形態を図７を用いて説明する。図７は第３の実施形態における粒子線治療システムの全体構成を示す概略図である。
【００７４】
本実施形態の粒子線治療システム１０２も、照射対象である患者４の患部４１に依存してラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式のいずれの照射方式を実施するかを事前の選択に基づき選択可能となっており、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式のいずれの照射方式をも一台の照射装置５００で実施可能に構成されている。
【００７５】
図７に示すように、本実施形態の粒子線治療システム１０２の中央制御装置６５Ｂは、システム１０２外の治療計画装置６７Ｂから照射対象である患者４の患部４１に関する情報の入力を受け取る入力部６５ｂ１を有している。中央制御装置６５Ｂでは、この入力部６５ｂ１に入力された患者４の患部４１に関する情報を分析し、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式とのいずれかの照射方式によって患者４の患部４１に対する照射制御を行うかを決定し、加速器制御装置６６、照射制御装置６４および輸送系制御装置６８の各制御装置に対して制御信号を出力する。
【００７６】
なお、中央制御装置６５Ｂ、治療計画装置６７Ｂ以外の構成は前述した第１の実施形態の粒子線治療システムと略同じ構成であり、詳細は省略する。
【００７７】
本発明の粒子線治療システムの第３の実施形態においても、前述した粒子線治療システムの第１の実施形態とほぼ同様な効果が得られる。
【００７８】
なお、中央制御装置６５Ｂの入力部６５ｂ１は、システム１０２外の治療計画装置６７Ｂから照射対象である患者４の患部４１に関する情報の入力を受け取る態様に限られず、治療計画を作成する際にオペレータの選択の情報を入力する態様や、治療計画の作成するタイミング以外でのオペレータの選択の情報を入力する態様等とすることができる。
【００７９】
また、粒子線治療システム１０２、中央制御装置６５、もしくは治療計画装置６７が、ラスタースキャニング法とディスクリートスポットスキャニング法のいずれかを選択した場合に、線量分布精度、得られる線量率、若しくは治療時間を算出し、若しくはそれに加えて予め保存されている表に記載されたパラメータに基づく数値に近い照射法を選択し、これらを表示部６５ａに表示するようにしてもよい。その場合は、その表示に基づき、その後オペレータが中央制御装置６５Ｂに入力することで、ラスタースキャニング法とディスクリートスポットスキャニング法のいずれかが選択される。
【００８０】
＜第４の実施形態＞  
本発明の粒子線治療システムの第４の実施形態を図８および図９を用いて説明する。図８は第４の実施形態における粒子線治療システムの全体構成を示す概略図である。
【００８１】
粒子線治療システムにおいて、患部位置を確認することは患部形状に合わせた線量分布を形成するために重要である。特に、呼吸などの体の動きに伴って移動する患部に対して線量分布精度を向上させるために、胸部の動きを体表の動きで計測したり、患部やその周囲にあるマーカ若しくは密度の高い領域をＭＲＩやＸ線その他放射線で計測したりすることで、患者の動作や呼吸に伴う患部の移動に同期させて荷電粒子ビームを照射する方法がある。
【００８２】
ラスタースキャニング方式は荷電粒子ビームを連続的に照射するため、不定期に荷電粒子ビームのオンオフが必要となる呼吸同期照射への対応が容易ではないという一面がある。また、ラスタースキャニング方式で粒子線照射中に動体追跡のためにＸ線を曝射する場合には、粒子線照射が停止されたＸ線を暴露に適したタイミングがなかなか存在しないという問題がある。また、粒子線照射中に構わず動体追跡のためのＸ線暴露を実施すると、照射線量の計測精度や患部識別精度に課題が生じる可能性がある。本実施形態は、このような呼吸などの体の動きに伴って移動する患部に対する粒子線照射も行う際にも照射方式を同じ装置で適宜使い分けることにより、線量分布精度の向上および高線量率化を両立させることが可能な粒子線治療システムである。
【００８３】
図８に示すように、本実施形態の粒子線治療システム１０３は、透視Ｘ線撮影装置５１０を備えている。
【００８４】
この透視Ｘ線撮影装置５１０は、パルス照射が可能な撮像用のＸ線を発生させるＸ線発生装置および発生したＸ線を検出するＸ線受像機をそれぞれ２台有している。Ｘ線発生装置は、照射タイミングを制御されており、それぞれの機器は、二軸方向から撮像を実施できるように治療室４００内に設置される。すなわちＸ線発生装置とＸ線受像機とが、患者が設置される領域を挟んで対面するように配置され、またＸ線受像機が照射野形成装置側に設置されている。対面するＸ線発生装置とＸ線受像機とを結ぶ２本の線分は、患者４の患部４１が設置される領域にて交差するように設置される。
【００８５】
図９を用いて患部４１の移動検出とビーム照射の関係について説明する。図９（ａ）は患部４１の移動を検出した信号で、その信号に対し患部４１が所望の位置にある、あるいは所望の位置からある範囲内にあることを担保するためのしきい値を設定する。そしてそのしきい値内に患部４１位置検出信号がある場合にのみビームを照射する。この場合の本実施の形態における照射装置５００で照射可能なタイミングは図９（ｂ）のようになり、この信号は患者の移動に伴う移動であることからそのタイミングは不定期になり得る。
【００８６】
上述の通り、患部４１の移動を検出しその移動量が所望の範囲内にある場合にのみ照射する方法を採用すると、ラスタースキャニング方式での粒子線照射を実施することは難しいが、ディスクリートスポットスキャニング方式であれば容易に対応することが可能である。
【００８７】
そこで、照射対象である患者４の患部４１に関する情報に患部４１の移動を検出するか否かに関する情報を含め、治療計画装置６７Ｃは、これらの情報に基づき、照射対象である患者４の患部４１にラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式とのいずれの照射方式で治療するか選択して治療計画を作成する。例えば、患部４１の移動を検出する場合は基本的にディスクリートスポットスキャニング方式を選択し、その他の場合はラスタースキャニング方式を選択する。
【００８８】
治療計画装置６７Ｃは、作成した治療計画を中央制御装置６５に出力し、中央制御装置６５は、治療計画装置６７Ｃから入力された患者４の患部４１に関する情報に基づき、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式とのいずれかの照射方式によって患者４の患部４１に対する照射制御を行うよう、加速器制御装置６６、照射制御装置６４および輸送系制御装置６８の各制御装置に対して制御信号を出力する。また、本実施形態では、照射制御装置６４において、患部４１に対する荷電粒子ビームの照射時に、透視Ｘ線撮影装置５１０によって透視Ｘ線画像を取得し、この取得した透視Ｘ線画像に基づいて粒子線の照射制御を行う。
【００８９】
なお、上述した以外の構成は前述した第１の実施形態の粒子線治療システムと略同じ構成であり、またその動作も基本的に同じであるため、詳細は省略する。
【００９０】
本発明の粒子線治療システムの第４の実施形態においても、前述した粒子線治療システムの第１の実施形態とほぼ同様な効果が得られる。
【００９１】
特に、本実施形態の粒子線治療システムによれば、呼吸などの体の動きに伴って移動する患部に対する粒子線照射も行う際にも両方式のスポットスキャニングの照射装置を別治療室あるいは別照射装置あるいは複数の切り替えノズルで実現する必要がなくなり、高コスト化および設置面積拡大を招くことなく、線量分布精度の向上および高線量率化を両立させることが可能となる。
【００９２】
なお、患者４の患部４１の移動を検出するための手段として透視Ｘ線撮影装置５１０を用いる場合について説明したが、移動検出手段は透視Ｘ線撮影装置５１０に限られず、呼吸性移動を検出するために体表の移動を監視する方法、患者の呼吸に伴う呼気、吸気の流れを患者の口元で監視する方法などが考えられる。
【００９３】
また、透視Ｘ線撮影装置５１０は、一軸方向から撮像を行う配置であってもよいし、Ｘ線発生装置とＸ線受像機の配置を逆転させて配置することができる。
【００９４】
＜その他＞  
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
【００９５】
例えば、患者４の受け入れから治療に至るまでの過程で、照射対象に応じてラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式とのいずれの照射方式を選択する手段が設けてあればよく、このような選択手段で選択された照射方式を用いて患部４１に荷電粒子ビームを一台の照射装置５００で照射するよう構成されていればよい。
【符号の説明】
【００９６】
４…患者
２０…シンクロトロン
２１…前段加速器
２２…偏向電磁石
２３…加速装置
２４…出射装置
２５…出射用スイッチ
２６…高周波電源
３１…偏向電磁石
４１…患部
４２…照射スポット
４３…経路
５１Ａ…Ｘ方向走査電磁石
５１Ｂ…Ｙ方向走査電磁石
５２Ａ…ビーム位置モニタ
５２Ｂ…ビーム位置計測装置
５３Ａ…線量モニタ
５３Ｂ…照射線量計測装置
６１…走査電磁石電源
６２…電源制御装置
６４…照射制御装置
６４ａ…共通制御部
６４ｂ…非停止制御部
６４ｃ…停止制御部
６５，６５Ｂ…中央制御装置
６５ａ…表示部
６５ｂ１…入力部
６６…加速器制御装置
６６ａ…共通制御部
６６ｂ…非停止制御部
６６ｃ…停止制御部
６７，６７Ａ，６７Ｂ，６７Ｃ…治療計画装置
６７ａ１…選択部
６８…輸送系制御装置
１００，１０１，１０２，１０３…粒子線治療システム
２００…荷電粒子ビーム発生装置
３００…ビーム輸送系
４００…治療室
５００…照射装置
５１０…透視Ｘ線撮影装置
６００…制御装置
【図１】
2017081826.tif 000003
【図２】
2017081826.tif 000004
【図３】
2017081826.tif 000005
【図４】
2017081826.tif 000006
【図５】
2017081826.tif 000007
【図６】
2017081826.tif 000008
【図７】
2017081826.tif 000009
【図８】
2017081826.tif 000010
【図９】
2017081826.tif 000011
【国際調査報告】
2017081826.tif 000012
2017081826.tif 000013