(57)【要約】  粒子線スキャニング照射システムは、患者の腫瘍領域に対する粒子線の照射順を確定する計算機と、確定された粒子線の照射順に従って粒子線を患者の腫瘍領域に照射する粒子線照射装置を備えている。計算機は、腫瘍領域に配置された複数個の照射スポットの中から考えられる全ての照射スポットのペアの組み合わせを選択し、選択されたペアを構成する２個の照射スポットの間を粒子線が移動する際に粒子線の移動経路に臓器領域との交差点が有るか無いかを判断するステップと、該判断結果をもとに、移動経路に臓器領域との交差点が有るか無いかを行列要素で表現したペナルティ行列を決めるステップと、移動経路の評価関数を最適化アルゴリズムに基づいて評価し、この評価から得られる評価関数の最適化解から粒子線の照射順を確定するステップを実行する。
2013171820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の腫瘍領域に対する粒子線の照射順を確定する計算機と、前記確定された粒子線の照射順に従って粒子線を前記患者の腫瘍領域に照射する粒子線照射装置を備え、
前記計算機は、前記患者の腫瘍領域を複数のスライスに分割する第１ステップと、
前記第１ステップでスライスに分割された腫瘍領域と前記腫瘍領域の周囲に存在する健康な臓器領域との位置関係を特定する第２ステップと、
前記第１ステップでスライスに分割された腫瘍領域に粒子線の照射スポットを複数個配置する第３ステップと、
前記第３ステップで腫瘍領域に配置された複数個の照射スポットの中から考えられる全ての照射スポットのペアの組み合わせを選択し、前記選択されたペアを構成する２個の照射スポットの間を粒子線が移動する際に粒子線の移動経路に前記臓器領域との交差点が有るか無いかを判断する第４ステップと、
前記第４ステップの判断結果をもとに、前記移動経路に前記臓器領域との交差点が有るか無いかを行列要素で表現したペナルティ行列を決める第５ステップと、
前記移動経路の評価関数を最適化アルゴリズムに基づいて評価し、この評価から得られる前記評価関数の最適化解から前記粒子線の照射順を確定する第６ステップとを実行し、
前記評価関数は、移動経路に含まれる各移動ステップの評価パラメータと前記ペナルティ行列を含む評価因子の総和であることを特徴とする粒子線スキャニング照射システム。
【請求項２】
前記移動経路の評価パラメータは、ペアを構成する２個の照射スポットを結ぶ幾何学直線の長さを表していることを特徴とする請求項１に記載の粒子線スキャニング照射システム。
【請求項３】
前記移動経路の評価パラメータは、ペアを構成する２個の照射スポットの間を粒子線が移動するのに要する時間を表していることを特徴とする請求項１に記載の粒子線スキャニング照射システム。
【請求項４】
前記ペナルティ行列の行列要素は、前記第４ステップで交差点が無いと判断された場合に一定の基準値が割り振られ、前記第４ステップで交叉点が有ると判断された場合に前記基準値よりも大きい値が割り振られていることを特徴とする請求項２または３に記載の粒子線スキャニング照射システム。
【請求項５】
前記第４ステップにおいて粒子線の移動経路に臓器領域との交差点が有るか無いかを判断する際に、前記粒子線の移動経路にペアを構成する２個の照射スポットを結ぶ幾何学直線を用いることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項に記載の粒子線スキャニング照射システム。
【請求項６】
前記第４ステップにおいて粒子線の移動経路に臓器領域との交差点が有るか無いかを判断する際に、前記粒子線の移動経路に粒子線が実際に描く移動軌跡を用いることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項に記載の粒子線スキャニング照射システム。
【請求項７】
前記第４ステップにおいて粒子線の移動経路に臓器領域との交差点が有るか無いかを判断する際に、前記粒子線の移動経路は前記照射スポットのサイズと同じ大きさの幅を有することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項に記載の粒子線スキャニング照射システム。
【請求項８】
前記第４ステップにおいて粒子線の移動経路に臓器領域との交差点が有ると判断した場合、ペアを構成する２個の照射スポットを分岐点にしてスライスを分割し、前記分割されたスライスを２個のスライスとして定義し直す処理を行う第７ステップを備えていることを特徴とする請求項１から７のうちいずれか１項に記載の粒子線スキャニング照射システム。
【請求項９】
前記評価関数の総和は、考えられる全ての照射スポットのペアの組み合わせを対象範囲にすることを特徴とする請求項１から８のうちいずれか１項に記載の粒子線スキャニング照射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線治療装置に関し、特に患部の３次元形状に合わせて粒子線を照射する粒子線スキャニング照射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療では、光速の約７０％まで加速された陽子線や炭素線などが患部に照射される。これらの高エネルギーの粒子線は、体内の腫瘍などに照射される際に、以下の特徴を示す。第一に、照射された粒子線の殆どが粒子線エネルギーの約１．７乗に比例した深さ位置に停止する。第二に、照射された粒子線が体内で停止するまでに通過する経路に与えるエネルギーの密度は、粒子線の停止位置で最大になる。粒子線のエネルギー密度は線量と呼ばれている。粒子線が体内を通過した経路に沿って形成される特有の深部線量分布曲線はブラッグカーブと称される。【０００３】
粒子線の線量が最大値を示す場所をブラッグピークと呼ぶ。粒子線スキャニング照射システムは、このブラッグピークの位置を腫瘍の３次元形状に合わせて走査する。各走査位置におけるピークの線量は、予め画像診断で決めた標的（腫瘍領域）において、所定の３次元線量分布を形成するように調整されている。【０００４】
粒子線の停止位置の走査方法は、粒子線の照射方向にほぼ垂直な横方向（Ｘ、Ｙ方向）に走査する方法と、粒子線の照射方向である深さ方向（Ｚ方向）に走査する方法に分かれている。横方向に行う走査には、患者を粒子線に対して移動させる方法と、電磁石などを使って粒子線の位置を移動させる方法が存在する。一般的には後者の電磁石を用いる方法が採用されている。【０００５】
深さ方向に行う走査方法は、粒子線のエネルギーを変えるのが唯一の方法である。エネルギーを変える方法には、加速器で粒子線のエネルギーを変える方法と、ビーム輸送系もしくは照射系に設置されたレンジシフタと呼ばれるエネルギー変更装置を用いる方法の、２通りが考えられる。現在はエネルギー変更装置を用いる方法が多く用いられている。レンジシフタはエネルギーの分析と運動量の選択を行うEnergy  Selection  Systemと呼ばれる装置を含むこともある。【０００６】
粒子線ビームを横方向に走査させる方法は、スポットスキャニング照射法とハイブリッドスキャニング照射法の２つの基本的な照射方法に分類されている。スポットスキャニング照射法は、粒子線を照射して、所定照射位置における照射量が計画値に達した際に、一旦粒子線のビーム強度を弱める（非特許文献１参照）。このとき、一般的には粒子線のビーム強度はゼロにされる。粒子線を次の照射位置に照射するには、走査電磁石の電流値を変更して、再び粒子線ビームの強度を増やしてから、粒子線を照射する。粒子線のビーム強度を増加させる代わりに、粒子線を加速器から再出射させることも行われている。【０００７】
ハイブリッドスキャニング照射法は、粒子線を計画した位置に計画した量だけ照射する基本的なやり方はスポットスキャニング照射法と一緒であるが、粒子線の位置を次の照射位置に移動させる際には、粒子線ビームの出射を停止せずに、粒子線ビームを照射しながら粒子線を走査させる（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−２１２４１８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１５６３４０号公報
【特許文献３】特開２００８−０１１９６３号公報
【特許文献４】特開２００８−０９９８０７号公報
【特許文献５】特開２０１０−２７９７０２号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】T.  Inaniwa  et  al.,  Medical  Physics,  34(8)2007,3302-3311
【非特許文献２】J.H.  Kang  et  al.,  Medical  Physics,  34(9)2007,3457-3464
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非特許文献２に記載された粒子線スキャニング照射装置では、同一スライス内の照射位置を照射スポットとして定義し、照射スポットの照射順を予め決めておく必要がある。更に、照射順（Scanning  Sequence）を最適化手法で決める際、コストファンクション(Cost  Function)として各々のスポット間の幾何学距離を用いている。【００１１】
同一スライス内のスポットの照射順を決める際に、コストファンクションとしてスポット間の幾何学距離を用いると、照射を避けたほうがよい重要臓器領域を粒子線ビームが通過するケースが生じる。すなわち、スポット間の移動の際に、粒子線が重要臓器領域を通過することが、照射経路の最適化過程に反映されていない。本発明は、スキャニング照射の際、粒子線ビームが重要臓器領域を通過する確率を低くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明にかかる粒子線スキャニング照射システムは、患者の腫瘍領域に対する粒子線の照射順を確定する計算機と、確定された粒子線の照射順に従って粒子線を患者の腫瘍領域に照射する粒子線照射装置を備えている。計算機は、患者の腫瘍領域を複数のスライスに分割する第１ステップと、第１ステップでスライスに分割された腫瘍領域と腫瘍領域の周囲に存在する健康な臓器領域との位置関係を特定する第２ステップと、第１ステップでスライスに分割された腫瘍領域に粒子線の照射スポットを複数個配置する第３ステップと、第３ステップで腫瘍領域に配置された複数個の照射スポットの中から考えられる全ての照射スポットのペアの組み合わせを選択し、選択されたペアを構成する２個の照射スポットの間を粒子線が移動する際に粒子線の移動経路に臓器領域との交差点が有るか無いかを判断する第４ステップと、第４ステップの判断結果をもとに、移動経路に臓器領域との交差点が有るか無いかを行列要素で表現したペナルティ行列を決める第５ステップと、移動経路の評価関数を最適化アルゴリズムに基づいて評価し、この評価から得られる評価関数の最適化解から粒子線の照射順を確定する第６ステップとを実行する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に関わる粒子線スキャニング照射システムは、ビームを停止しないスキャニング走査の場合でも、照射領域に隣接する重要臓器領域に与える不要被爆線量を低減することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明に関わる粒子線スキャニング照射システムの装置構成を示す全体図である。
【図２】患部がスライスされた状態を説明する図である。
【図３】照射開始スポットと照射終了スポットの位置関係を示す図である。
【図４】照射スライスにおける腫瘍領域と重要臓器領域との関係を示す概念図である。
【図５】本発明の実施の形態による粒子線スキャニング照射システムの構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態による最適化解を求める手順を示すフローチャート図である。
【図７】本発明の実施の形態による分割照射軌跡と幾何学直線との関係を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態５によるスライス自動分割処理の例を示す図である。
【図９】スライス自動分割処理を補足説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は粒子線スキャニング照射システムの全体構成を表している。粒子線スキャニング照射システム１００は、粒子線治療照射制御システム２５、粒子線照射装置２６、治療計画システム５０およびＱＡ測定評価装置５３から構成されている。治療計画システム５０は、治療計画データ管理装置５１、治療計画装置５４、輪郭作成装置５５から構成されている。粒子線治療照射制御システム２５は、照射系データ管理装置５２、治療制御装置５６、機器制御装置５７、位置決め装置５８から構成されている。
【００１６】
治療計画装置５４は治療計画を作成し、治療計画を元に線量計算のシミュレーションを行う。治療制御装置５６は、粒子線照射装置２６を制御し、照射系データ管理装置５２から取得した治療計画の条件通りに粒子線を照射する。実際に照射された粒子線の線量は治療制御装置５６が測定する。測定の結果は、治療計画データ管理装置５１に送信する。治療計画データ管理装置５１は、治療計画装置５４、輪郭作成装置５５が作成したデータの管理を行う。照射系データ管理装置５２は、治療制御装置５６、機器制御装置５７、位置決め装置５８が使用するデータ、治療記録、測定記録などを管理している。ＱＡ測定評価装置５３は、測定結果と治療計画とシミュレーション結果の関係を比較評価する。
【００１７】
図２は照射スライスの定義を示す概念図である。粒子線照射装置２６を出射した粒子線ビーム１は、治療台６に乗せられた患者の体表面２に入射する。患者の体内に存在する腫瘍領域３は深さ方向に薄く複数の照射スライス４に仮想的に分割されている。各々の照射スライス４には、２次元に配置された複数の照射スポット５が定義されている。照射スライスは同じエネルギーの粒子線で照射されるスポット位置の集合を意味する。
【００１８】
次に、スキャニング照射時における、基本的な粒子線の照射順序を図３に従って説明する。図には、特定された照射スライスＸにおける照射スポットの配置と、粒子線の照射経路が示されている。粒子線は原則的に照射開始スポットから照射終了スポットまで、一筆書きの経路をたどる。粒子線は、通常、スキャン移動によって隣の照射スポットに移る。照射点の間が離れている場合には、粒子線は間を飛ばすためにブランク移動して次の照射点に移る。ブランク移動によって照射が省かれるスポットの数は照射条件によって異なる。ブランク移動はブランク始点スポットから始まりブランク終点スポットで終了する。
【００１９】
図４は照射層領域における腫瘍領域と重要臓器領域との関係を示す概念図である。全ての照射スポットには位置座標（xi,yi）が与えられる。腫瘍領域３に配置された照射スポットＡと照射スポットＢは、それぞれ、位置座標(x1,y1)と位置座標(x2,y2)を有している。幾何学直線１０は照射スポットＡと照射スポットＢの間を最短で結ぶ直線である。図４では、幾何学直線１０は重要臓器領域７を通過していない。
【００２０】
粒子線の照射順は予め治療計画システム５０で計算される。図５は本発明に関わる治療計画システム５０のソフトウエア上の構成を示すブロック図である。治療計画システム５０は、腫瘍標的領域設定手段２１、重要臓器領域設定手段２２、照射位置群設定手段２３、照射順最適化手段２４などから構成されている。腫瘍標的領域設定手段２１は、照射領域を腫瘍標的領域として設定する。重要臓器領域設定手段２２は照射被爆をなるべく避けたい健康な臓器領域を重要臓器領域として設定する。照射位置群設定手段２３は腫瘍標的体積領域を照射層領域に分けて、各照射層領域内に照射位置群を設定する。照射順最適化手段２４は、各照射層領域内において、各照射位置の照射順を決定する。治療計画装置５４が、照射位置群設定手段２３と照射順最適化手段２４などに該当する。輪郭作成装置５５が腫瘍標的領域設定手段２１と重要臓器領域設定手段２２などに該当する。
【００２１】
次に、本発明による粒子線スキャニング照射システムの動作を図６を参照して説明する。まず、患者のＣＴ（Computed  Tomography）データ等に基づいて、患者の体輪郭情報、患部の３次元情報を治療計画システム５０を用いて抽出し、体表面２と腫瘍領域３を特定する（ＳＴ２）。腫瘍標的領域設定手段２１は、粒子線の照射領域を腫瘍標的体積領域として設定する。同時に、照射線被爆を避けたい重要臓器領域を重要臓器領域設定手段２２を用いて設定する。
【００２２】
続いて、腫瘍標的体積領域を照射層領域に分ける。各照射層領域には、照射位置群設定手段２３を用いて、３次元形状を有する腫瘍標的領域の照射スライスを設定する（ＳＴ３）。各照射スライス内には照射スポットの位置群を設定する（ＳＴ４）。同一照射スライスにある照射スポットに対しては、体表面２を入射する粒子線ビーム１のビームエネルギーはほぼ同じものを用いる。異なる照射スライスを照射する際は、粒子線ビーム１のビームエネルギーを変更する。
【００２３】
各照射層領域において、照射順最適化手段２４によって、照射スポットに対する照射順が決められる。粒子線は一般的には曲線上を移動するが、実施の形態１では、粒子線は直線上を移動する場合を扱う。重要臓器領域を避ける照射順を決めるには、まず、照射スライスに含まれるすべての照射スポットについて、任意の照射スポットペアの幾何学直線距離Ｌijを算出し、照射経路最適化操作に備える。幾何学直線距離Ｌijは√{  (xi-xj)*(xi-xj)  +  (yi-yj)*(yi-yj)  }で表わされる。記号iと記号jは２個の照射スポットの位置番号を示す。
【００２４】
更に、任意の照射スポットペアについて、成分Ｃ1と成分Ｃ0で構成されるペナルティ行列Ｐijを算出する（ＳＴ５）。成分Ｃ1は、スポット位置（i）からスポット位置（j）までの幾何学直線１０が重要臓器領域７を通過する場合に付与される。成分Ｃ0は、スポット位置（i）からスポット位置（j）までの幾何学直線１０が重要臓器領域７を通過しない場合に付与される。尚、成分Ｃ1  >  成分Ｃ0とし、説明の便宜上、実施の形態１では、成分Ｃ1=1、成分Ｃ0=0と置く。照射スポットペアを通る幾何学直線が重要臓器領域を通過する場合、成分Ｃ1と成分Ｃ0を調整することで、より大きいペナルティを課すことができる。
【００２５】
照射スライスにおける照射スポットの走査照射順は、評価関数であるコストファンクション（ＣＦ:Cost  Function）を最小にするように最適化することで決定出来る。コストファンクションは、以下に示すように、移動経路に含まれる各移動ステップの評価パラメータ（幾何学直線距離Ｌij）とペナルティ行列Pijから構成されている。幾何学直線距離Ｌijからペナルティ行列Ｐijを用いて重み付けされた評価因子を得る方法には、加算的重みを加える方法（ＣＦ1）と乗算的重みを加える方法（ＣＦ2）が考えられる。調整係数ａは重要臓器領域を避けるための調整機能を有する。調整係数ａが大きいほど重要臓器領域を通過する経路が選定されにくくなる。
ＣＦ1  ＝  Σij  (  Ｌij  +  a×Ｐij  )
ＣＦ2  ＝  Σij  (  Ｌij  ×  Ｗij  )
Ｗij=１（if  Ｐij=0）
Ｗij=ａ（if  Ｐij=1）
【００２６】
コストファンクションは、同一の照射スライスに含まれるすべての照射スポットペアについて、評価因子の数値和を求めている。具体的な最適化アルゴリズムとして、非特許文献２に記載があったFast  Simulated  Annealing法を用いるのが一般的である。他の最適化アルゴリズム、例えば、遺伝的アルゴリズムを用いても、本実施の形態によるコストファンクションを用いれば同様の効果が得られる。最適計算の結果、重要臓器領域７を避けるような照射順が優先的に得られる。
【００２７】
図６に示すフローチャートは、Fast  Simulated  Annealing法で本実施の形態を構築した場合の具体動作を示している。ペナルティ行列を決定したあと、初期の照射順が生成される（ＳＴ６）。ここでは単純にすべての照射スポットを一筆書き線で繋いだ照射順を初期照射順として設定する。この初期照射順についてコストファンクションが計算され、現在のコストファンクションＣＦ0を得る（ＳＴ７）。次に、乱数発生に基づいて照射スライス内の照射スポットから任意の２個の照射スポットを選び、それを中心にして、新しい照射順を生成する（ＳＴ８）。この新しい照射順候補について、コストファンクションＣＦを算出し、新しいＣＦ１を得る（ＳＴ９）。新しいＣＦ１と現在のＣＦ０を比較し（ＳＴ１０）、新しいＣＦ1が現在のＣＦ0より小さい場合、新しい照射順を採用し、現在の暫定照射順ＣＦzとする（ＳＴ１１）。
【００２８】
比較した結果、新しいＣＦ1が現在のＣＦ0よりも大きくなった場合は、一定の確率でこの新しい照射順を採用する（ＳＴ１３）。採用する確率の基準は、Fast  Simulated  Annealing法における温度係数と、仮定している確率分布と、新しいＣＦ1と現在のＣＦ0との差から算出される。最適化アルゴリズムに従えば、照射経路の総長が最も短く、かつ重要臓器領域を避けるような照射順が優先されて最適化解として得られる（ＳＴ１２）。
【００２９】
その結果、粒子線を用いたスキャニング照射において、不要被爆を減らす必要がある重要臓器を回避したスキャニング照射の照射順を得ることができ、精度のよい粒子線照射システムを実現できる。照射スライスごとに得られる最適化された照射順とそれぞれの照射スポットの位置座標（xi,yi）を粒子線治療照射制御システム２５に転送し、実際のスキャニング電磁石とスキャニング電源とビームモニタ等の機器で構成された粒子線照射装置２６を制御して、腫瘍領域３の各スライスに対して、治療計画で決めた粒子線を照射する。
【００３０】
このように、本発明による実施の形態１で示した粒子線スキャニング照射システムによれば、粒子線を用いたスキャニング照射において、不要被爆を減らす必要がある重要臓器をなるべく回避して、スキャニング照射の照射順を得ることができ、精度のよい粒子線照射システムを実現できる。
【００３１】
実施の形態２．
実施の形態１では、ペナルティ行列Ｐijを算出する際に、粒子線が重要臓器領域７を通過するか否かの判断を、スポット位置（i）とスポット位置（j）を繋ぐ幾何学直線１０が重要臓器領域７を通るかどうかで行っていた。実際の粒子線照射システムでは、Ｘ方向とＹ方向で、スキャニング電磁石の偏向速度が異なる場合が多い。図７に示すように、Ｘ方向の偏向速度がＹ方向の偏向速度よりも速い場合に、粒子線を照射スポットＡから照射スポットＢへ移動するように指示を出すと、実際の粒子線は、まず、照射スポットＡからスポット移動中間位置１１に移動し、続いて、スポット移動中間位置１１から照射スポットＢへと移動する。粒子線部分軌跡８はスキャン照射時に、照射スポットＡから照射スポットＢへ粒子線ビームを走査させた際の前半の軌跡である。粒子線部分軌跡９は照射スポットＡから照射スポットＢへ粒子線ビームを走査させた際の後半の軌跡である。
【００３２】
このような場合でも、照射スポット間で粒子線移動を行う際に、Ｘ方向位置を担うスキャニング電磁石ＸとＹ方向位置を担うスキャニング電磁石Ｙの電源を制御して、粒子線の移動軌跡が照射スポットを繋ぐ直線になるようにするこは可能である。然し、この場合、スキャニング電源の制御が複雑になることが想定される。
【００３３】
照射スポット間において粒子線ビームを移動させる際、Ｘ方向とＹ方向のスキャニング電磁石がそれぞれ最大の走査速度で粒子線を移動させると、走査制御を簡単にできる。その際、実際の粒子線ビーム移動の軌跡は粒子線部分軌跡８と粒子線部分軌跡９に沿うようになる。この場合、照射スポットＡと照射スポットＢを繋ぐ幾何学直線１０は重要臓器領域７を通らないが、粒子線部分軌跡８または粒子線部分軌跡９が重要臓器領域７を通ることが生じる。
【００３４】
実施の形態２では、ペナルティ行列Ｐijを算出する際に、粒子線が重要臓器領域７を通過するか否かの判断を、スポット位置（i）とスポット位置（j）を繋ぐ幾何学直線１０ではなく、スキャニング電磁石Ｘとスキャニング電磁石Ｙがそれぞれ最大の走査速度で走査した場合に、粒子線ビームが実際に辿る粒子線部分軌跡８と粒子線部分軌跡９が重要臓器領域７を通過するかどうかを基準に行う。位置座標（Ｘ1，Ｙ1）で表される照射スポットが、Ｘ方向走査速度（Ｖx）およびＹ方向走査速度（Ｖy）で移動する場合、時間ｔが経ったときの照射スポットの位置座標（Ｘ(t)，Ｙ(t)）は次式で求められる。軌跡の描く曲線をもとにして、粒子線が重要臓器領域７を通過するか否かを判断する。
Ｘ(t)=  Ｘ1  +  Ｖx  ×  t
Ｙ(t)=  Ｙ1  +  Ｖy  ×  t
【００３５】
ある照射スポットペアが重要臓器領域を通過すると判断された場合には、ペナルティ行列Ｐijを構成する成分Ｃ1に大きな値を与えることで、その照射スポットペアにはより大きなペナルティを課す。実施の形態２によれば、より簡単なスキャン制御にて、より高速にスキャニング照射をできると同時に、照射においては確実に重要臓器領域を避けることができる。その結果、より精度のよい粒子線スキャニング照射システムを実現できる。或いは、ペナルティ行列Ｐijにおおきな調整係数ａを与えてもよい。
【００３６】
実施の形態３．
実施の形態１、２では、ペナルティ行列Ｐijを算出する際に、重要臓器領域７を通過するか否かの判断は、粒子線の辿る中心軌跡のみで議論していた。実際のスキャニング照射では、照射スポットは有限のサイズを持っている。ペナルティ行列Ｐijの算出において、上述したスポットの移動軌跡を考慮すると同時に、スポットサイズも考慮すると、より精度が高まる。
【００３７】
例えば、図７に示す粒子線部分軌跡８に、実際の粒子線スポットサイズと形状を考慮して、照射スポット位置Ａと照射スポット位置Ｂの移動の際、粒子線ビームが重要臓器領域７を通るかどうかを判断するようにすればよい。こうすれば、粒子スポットサイズが大きい場合でも、精度よく粒子線ビームが走査されている際に、粒子のある領域が重要臓器領域を避けるような最適な照射順を得ることが可能である。その結果、より精度のよい粒子線スキャニング照射システムを実現できる。
【００３８】
実施の形態４．
実施の形態４では、コストファンクションを求めるのに、最適化対象として総移動時間Tijを用いる。すなわち、幾何学直線距離Ｌijの代わりに、総移動時間Ｔijを用いてコストファンクションを計算する。スポット位置（i）からスポット位置（j）へ移動する際、移動時間はＸ方向走査速度（Ｖx）とＹ方向走査速度（Ｖy）を使って以下の式から求めることが出来る。ここで、関数abs（Ａ）は数値Ａの絶対値を取ること、関数max(  Ａ,  Ｂ  ）は数値Ａと数値Ｂの内、大きい方を取ることを表す。
Ｔij  =  max（  abs（  xj  -  xi  ）/Ｖx  ,  abs（  yj  -  yi  ）/Ｖy  ）
【００３９】
便宜上、ラスタースキャンの場合を想定して、Ｘ方向走査速度（Ｖx）とＹ方向走査速度（Ｖy）を一定として数式を記載しているが、ハイブリッドスキャンの場合のように、「停止状態」→（加速）→「一定速度状態」→（減速）→「停止状態」と、加減速を考慮して、総移動時間Ｔijを計算してもよい。
【００４０】
実施の形態５．
次に、本発明の実施の形態５による粒子線スキャニング照射システムの動作を、図８と図９を用いて説明する。図８は、スライス自動分割処理の例を示している。分割照射スライス４ａは照射スライス４の前半部分、分割照射スライス４ｂは照射スライス４の後半部分をそれぞれ示す。図９に示すように、分割照射スライス４ａは照射開始スポットで始まり、照射スポットＡで終わっている。同様に、分割照射スライス４ｂは照射スポットＢで始まり、照射終了スポットで終わっている。照射スポットＡと照射スポットＢの間に、重要臓器領域７が存在している。
【００４１】
実施の形態５による粒子線スキャニング照射システムの動作は、基本的に前記実施の形態と同じである。実施の形態１で説明した粒子線スキャニング照射システムの各照射層領域内において、各照射スポットの照射順を照射順最適化手段２４を用いて照射順の最適化を行った結果、図９に示すような照射開始スポットで始まり、照射終了スポットで終わる、一筆書きされた照射経路が得られたとする。最適化手法（Fast  Simulated  Annealing法）が確率的な手法であることと、調整係数ａの値によっては、照射スポットＡから照射スポットＢを繋ぐ照射経路に重要臓器領域７を含む照射順が得られることがある。
【００４２】
照射順最適化手段２４は、重要臓器領域７を通過する照射スポットＡから照射スポットＢへの移動を分岐の境界にして、照射スライス４を分割照射スライス４ａと分割照射スライス４ｂに自動的に２分割する。その後、分割照射スライス４ａと分割照射スライス４ｂに対して、別々の照射順を生成する。分割照射スライス４ａと分割照射スライス４ｂは分割された２個のスライスとして定義し直される。
【００４３】
この処理によって、重要臓器領域７を通過する経路を完全に無くすことが可能である。分割照射スライス４ａと分割照射スライス４ｂを別々のスライスとして、そのスポット位置情報とそれぞれの照射順を粒子線治療照射制御システム２５に転送し、最終的に、粒子線照射装置２６によって照射が実施される。その結果、実施の形態５による粒子線スキャニング照射システムは、より高い精度で、患部に粒子線を照射できる効果がある。この方法は、重要臓器領域７を通過する照射スポットペアの数が３個以上の場合にも同様に適用できる。
【００４４】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１：粒子線ビーム、２：体表面、３：腫瘍領域、４：照射スライス、５：照射スポット、６：治療台、７：重要臓器領域、８：部分粒子線照射軌跡、９：部分粒子線照射軌跡、１０：幾何学直線、１１：スポット移動中間位置、２１：腫瘍標的領域設定手段、２２：重要臓器領域設定手段、２３：照射位置群設定手段、２４：照射順最適化手段、２５：粒子線治療照射制御システム、２６：粒子線照射装置、４ａ：分割照射スライス、４ｂ：分割照射スライス、５０：治療計画システム、５１：治療計画データ管理装置、５２：照射系データ管理装置、５３：ＱＡ測定評価装置、５４：治療計画装置、５５：輪郭作成装置、５６：治療制御装置、５７：機器制御装置、５８：位置決め装置、１００：粒子線スキャニング照射システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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