(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームの進行方向に垂直な２方向であるＸ方向とＹ方向に前記荷電粒子ビームを走査するＸ方向走査電磁石およびＹ方向走査電磁石により、前記荷電粒子ビームを移動と停留を繰り返すように走査して、前記荷電粒子ビームを照射対象である患者の患部に照射する粒子線治療装置の、前記荷電粒子ビームの走査経路を決定する治療計画装置において、
前記患部内に設定される前記荷電粒子ビームの停留点である、前記Ｘ方向と前記Ｙ方向との格子状に配列されたスポット位置を、レイヤー毎に記憶するスポット位置記憶部と、
前記スポット位置記憶部に記憶された一レイヤー内の全てのスポット位置を結ぶ走査経路の複数の候補を抽出する走査経路候補抽出部と、
前記走査経路候補抽出部が抽出した複数の走査経路のうちの一つの走査経路上の隣り合う前記スポット位置間の経路である部分経路のうちｋ番目の部分経路の走査所要時間Ｔｋ、重み係数ｗｋ、および当該レイヤー内のスポットの数ｎを用いた評価関数Ｊ
【数１】
0005879446.tif 000004
において、患部組織を通過する部分経路に対する重み係数ｗｋを１に設定し、正常組織を通過する部分経路に対する前記重み係数ｗｋを１よりも大きく設定し、重要臓器を通過する部分経路に対する前記重み係数ｗｋを前記正常組織を通過する部分経路に対する前記重み係数ｗｋよりも大きく設定して、前記走査経路候補抽出部において抽出された複数の走査経路候補のそれぞれについて前記評価関数Ｊを算出する走査経路評価部と、
この走査経路評価部において算出した前記評価関数Ｊの値に基づいて、治療時に用いる走査経路を決定する走査経路決定部と、
を備えたことを特徴とする治療計画装置。
【請求項２】
前記走査経路候補抽出部は、前記格子状に配列されたスポット位置の配列方向のうち、前記Ｘ方向走査電磁石による前記荷電粒子ビームの移動速度と前記Ｙ方向電磁石による前記荷電粒子ビームの移動速度のうち、速い移動速度の方向を行方向に設定し、前記スポット位置の配列の行のうち一方の端の行の一方の端のスポット位置を起点とし、この起点から当該行の他の端のスポット位置に向けて経路を設定し、さらに前記他の端のスポット位置から隣接する行の端点のスポット位置に向けて経路を設定し、さらにこの隣接する行の端点のスポット位置から当該行の他の端点に向けて経路を設定する経路設定を繰り返して前記走査経路としてジグザグ経路を設定することを特徴とする請求項１に記載の治療計画装置。
【請求項３】
前記走査経路候補抽出部は、前記ジグザグ経路により、前記一レイヤー内の全てのスポット位置を結ぶことができない場合、結ぶことができなかったスポット位置群においてループ経路または他のジグザグ経路を設定することを特徴とする請求項２に記載の治療計画装置。
【請求項４】
前記走査経路候補抽出部は、ジグザグ経路またはループ経路により、前記一レイヤー内の全てのスポット位置を結ぶことができず一次元に配列されたスポット位置群が残った場合、当該一次元に配列されたスポット位置群は往復する経路によりループ経路を設定することを特徴とする請求項３に記載の治療計画装置。
【請求項５】
請求項１に記載の治療計画装置と、
Ｘ方向走査電磁石およびＹ方向走査電磁石と、
前記走査経路決定部により決定された走査経路に従って前記Ｘ方向走査電磁石および前記Ｙ方向走査電磁石を制御する走査制御部を備えた照射制御装置と、を備えたことを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項６】
荷電粒子ビームの進行方向に垂直な２方向であるＸ方向とＹ方向に前記荷電粒子ビームを走査するＸ方向走査電磁石およびＹ方向走査電磁石により、前記荷電粒子ビームを移動と停留を繰り返すように走査して、前記荷電粒子ビームを照射対象である患者の患部に照射する粒子線治療装置の、前記荷電粒子ビームの走査経路を決定する荷電粒子ビームの走査経路決定方法において、
前記患部内に設定される前記荷電粒子ビームの停留点である、前記Ｘ方向と前記Ｙ方向との格子状に配列されたスポット位置を、レイヤー毎に記憶するスポット位置記憶ステップと、
前記スポット位置記憶ステップにおいて記憶された一レイヤー内の全てのスポット位置を結ぶ走査経路の複数の候補を抽出する走査経路候補抽出ステップと、
前記走査経路候補抽出ステップにおいて抽出した複数の走査経路のうちの一つの走査経路上の隣り合う前記スポット位置間の経路である部分経路のうちｋ番目の部分経路の走査所要時間Ｔｋ、重み係数ｗｋ、および当該レイヤー内のスポットの数ｎを用いた評価関数Ｊ
【数２】
0005879446.tif 000005
において、患部組織を通過する部分経路に対する重み係数ｗｋを１に設定し、正常組織を通過する部分経路に対する前記重み係数ｗｋを１よりも大きく設定し、重要臓器を通過する部分経路に対する前記重み係数ｗｋを前記正常組織を通過する部分経路に対する前記重み係数ｗｋよりも大きく設定して、前記走査経路候補抽出ステップにおいて抽出された複数の走査経路候補のそれぞれについて前記評価関数Ｊを算出する走査経路評価ステップと、
この走査経路評価ステップにおいて算出した前記評価関数Ｊの値に基づいて、治療時に用いる走査経路を決定する走査経路決定ステップと、
を含むことを特徴とする荷電粒子ビームの走査経路決定方法。
【請求項７】
前記走査経路候補抽出ステップにおいて、前記格子状に配列されたスポット位置の配列方向のうち、前記Ｘ方向走査電磁石による前記荷電粒子ビームの移動速度と前記Ｙ方向電磁石による前記荷電粒子ビームの移動速度のうち、速い移動速度の方向を行方向に設定し、前記スポット位置の配列の行のうち一方の端の行の一方の端のスポット位置を起点とし、この起点から当該行の他の端のスポット位置に向けて経路を設定し、さらに前記他の端のスポット位置から隣接する行の端点のスポット位置に向けて経路を設定し、さらにこの隣接する行の端点のスポット位置から当該行の他の端点に向けて経路を設定する経路設定を繰り返して前記走査経路としてジグザグ経路を設定することを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子ビームの走査経路決定方法。
【請求項８】
前記走査経路候補抽出ステップにおいて、前記ジグザグ経路により、前記一レイヤー内の全てのスポット位置を結ぶことができない場合、結ぶことができなかったスポット位置群においてループ経路または他のジグザグ経路を設定することを特徴とする請求項７に記載の荷電粒子ビームの走査経路決定方法。
【請求項９】
前記走査経路候補抽出ステップにおいて、ジグザグ経路またはループ経路により、前記一レイヤー内の全てのスポット位置を結ぶことができず一次元に配列されたスポット位置群が残った場合、当該一次元に配列されたスポット位置群は往復する経路によりループ経路を設定することを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子ビームの走査経路決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明は、がん治療等に用いられる走査型の粒子線治療装置や、当該粒子線治療装置用の治療計画装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
がん治療に利用される放射線は、大きく光子線と粒子線の２つに分けることができる。光子線とは、光の波であり、Ｘ線・ガンマ線などの従来の放射線として利用されている。他方、粒子線とは、水素の原子核や炭素の原子核等の粒子を利用した放射線をいい、特に医療分野では、水素原子をイオン化して得られる「陽子」や炭素原子をイオン化して得られる「炭素イオン（重イオンとも言う）」を加速して得られるビームが主に用いられている。【０００３】
粒子線治療は、以下の原理に基づいている。粒子線ががん細胞に照射されると、がん細胞のＤＮＡが傷つき、修復能力を超える損傷が与えられた細胞は次第に死に、最終的には体外に排出されることとなる。Ｘ線やガンマ線などの光子線型の従来の放射線が身体の表面近くで作用してしまうのに対し、粒子線は停止する直前で吸収線量がピークに達する特徴を有しているため、エネルギーを変えることによって吸収線量がピーク（ブラッグピークと呼ぶ）となる位置をがん病巣に合わせることができ、がん病巣のみを集中的に破壊することができる。以上のように従来技術にはない優位な効果が得られるため、粒子線治療はＱＯＬ（Quality  of  Life）を維持できる治療としてますます期待されている。【０００４】
粒子線治療が有効に行われるためには、患部組織に十分な線量を与えつつ周辺組織にはダメージを与えないよう、ビームを成形する必要がある。このビーム成形を実現する照射方法は、大きく「ブロードビーム照射法」と「スキャニング照射法」とに分けることができる。ブロードビーム照射法とは、散乱体やリッジフィルタ等を用いていったん広げたビームを、コリメータやボーラスを用いて成形する方法である。一方、スキャニング照射法とは、ビーム径が細い状態のまま（この状態のビームを「ペンシルビーム」という）、当該ペンシルビームを走査し、点描画のように照射したり（ビームのＯＮ／ＯＦＦがあるスポットスキャニング）一筆書きのように照射したり（ビームは原則ＯＮであるラスタースキャニング）する方法をいう。【０００５】
ここで、スキャニング照射についてもう少し詳しく述べ、治療計画装置との関連について説明する。前述のとおり、粒子線の特徴はエネルギーに応じた深さのブラッグピークを有する点にある。体内深さ方向に厚みを有する患部組織に適切な照射線量を付与するためには、当該患部組織を、ビームエネルギーに応じたレイヤーに仮想的に分けて、レイヤー毎に前述のスポットスキャニングやラスタースキャニングを施すことが考えられる。粒子線のブラッグピークは、そのピークよりも深い側の付与線量はほぼゼロであるが、そのピークよりも浅い側へは多少の付与線量があり、その影響を考慮して各レイヤーの各スポット位置での照射量を決めていかなければならない。治療計画装置は、あらかじめ撮影した患部の３次元画像の情報から、適切な付与線量を実現するための、当該各レイヤーの当該各スポットの照射量を決める計算及びシミュレーションを行う。【０００６】
実際のスキャニング照射を行うに際し、もうひとつ決めなければならないことがある。それは、各レイヤーにおいて、各スポットをどの順番で照射していくか、すなわち走査経路をどのように決めるかである。ラスタースキャニングにおいても、各スポットを結んだ軌跡をなぞって照射すると考えれば同様である。スキャニングの当該走査経路の決定は、通常、治療計画装置が担う。このスキャニングの当該走査経路に関する先行技術は、例えば特許文献１や非特許文献１に見ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2009-66106号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】J.H.  Kang  et  al.,  ”Demonstration  of  scan  path  optimization  in  proton  therapy”  Medical  Physics  34(9)2007,page  3457-3464
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１では、走査経路の距離が短くなるような経路を抽出する方法が開示されている。しかしながら、後述するように、経路の距離と走査に要する時間は必ずしも１対１に対応しない。よって、経路の距離を指標とした評価では、必ずしも走査時間が最適化された走査経路を選択することにはならない。本発明の目的は、上記課題に鑑み、ラスタースキャニング型の粒子線治療装置においてその走査時間を短縮し、かつ、正常組織や重要臓器への照射回避も考慮した走査経路を求めるための治療計画装置及びその走査経路を利用した粒子線治療装置を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る治療計画装置は、荷電粒子ビームの進行方向に垂直な２方向であるＸ方向とＹ方向に荷電粒子ビームを走査するＸ方向走査電磁石およびＹ方向走査電磁石により、荷電粒子ビームを移動と停留を繰り返すように走査して、荷電粒子ビームを照射対象である患者の患部に照射する粒子線治療装置の、荷電粒子ビームの走査経路を決定する治療計画装置において、荷電粒子ビームの停留点であるスポット位置を、レイヤー毎に記憶するスポット位置記憶部と、スポット位置記憶部に記憶された一レイヤー内の全てのスポット位置を結ぶ走査経路の複数の候補を抽出する走査経路候補抽出部と、走査経路候補抽出部が抽出した複数の走査経路のうちの一つの走査経路上のｋ番目の隣り合うスポット位置間の走査所要時間Ｔｋ、重み係数ｗｋ、および当該レイヤー内のスポットの数ｎを用いた評価関数Ｊ
【数１】
0005879446.tif 000002
において、当該走査経路が患部組織を通過する部分の重み係数ｗｋを１に設定し、当該走査経路が正常組織を通過する部分は重み係数ｗｋを１よりも大きく設定し、当該走査経路が重要臓器を通過する部分は重み係数ｗｋを正常組織を通過する部分の重み係数ｗｋよりも大きく設定して、走査経路候補抽出部において抽出された複数の走査経路候補のそれぞれについて評価関数Ｊを算出する走査経路評価部と、この走査経路評価部において算出した評価関数Ｊの値に基づいて、治療時に用いる走査経路を決定する走査経路決定部と、を備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の治療計画装置によれば、患部組織以外への荷電粒子ビームの照射リスクが小さく、全体の照射時間が短い粒子線治療装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１による治療計画装置を含む粒子線治療装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を説明するためのスポット位置および走査経路を示す配置図である。
【図３】本発明の走査経路を説明するためのスポット位置と走査経路の一例を示す配置図である。
【図４】本発明の走査経路を説明するためのスポット位置と走査経路の他の例を示す配置図である。
【図５】本発明の走査経路を説明するためのスポット位置と走査経路のさらに他の例を示す配置図である。
【図６】本発明の実施の形態２による治療計画装置のステップを示すフロー図である。
【図７】図４と同じスポット位置で、図４とは別の走査経路の例を示す配置図である。
【図８】図４と同じスポット位置で、図４、図７とは別の走査経路の例を示す配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
通過しなければならない点が与えられ、その経路を決定する問題としては、「巡回セールスマン問題（Traveling  Salesman  Problem,  TSP）」として定式化されている。典型的な巡回セールスマン問題とは以下のとおりである。都市の集合と、各２都市間の移動コスト（例えば距離）が与えられたとき、全ての都市をちょうど一度ずつ巡り出発地に戻る巡回路の総移動コストが最小のものを求める（セールスマンが所定の複数の都市を１回だけ巡回する場合の最短経路を求める）という、組合せ最適化問題である。
【００１４】
したがって、スキャニング照射型の粒子線治療装置において、ビームを走査する経路の決定に際しては、単純に上記巡回セールスマン問題にあてはめて、既存の巡回セールスマン問題を解くツールを用いて、「距離が最短となる経路」を求めればよいとも考えられる。しかし、距離最短経路を求める手法は、以下の点で問題がある。
【００１５】
粒子線のペンシルビームの走査は、通常、Ｘ方向偏向用とＹ方向偏向用との２つの走査電磁石によって実現される。ビーム経路上に走査電磁石を配置する必要があるが、Ｘ方向偏向用の走査電磁石とＹ方向偏向用の走査電磁石を同じ位置に設置することは物理的にできない。Ｘ方向偏向用とＹ方向偏向用の走査電磁石はビーム径路上に並列に配置される結果、照射基準点であるアイソセンタからの距離も異なり、電磁石の大きさも異なることから、Ｘ方向の走査速度とＹ方向との走査速度も異なることとなる。すなわち、「距離が最短となる経路」を求めても、それが走査時間（治療時間）を最小とするものではないという問題がある。
【００１６】
上記の問題に対し、Ｘ方向の走査速度とＹ方向の走査速度との比率に基づいて走査エリアを座標変換すればよいのでは、とも考えられる。例えば、Ｘ方向の走査速度を１としＹ方向の走査速度が２だった場合、走査エリアをＹ軸方向に２倍に拡大すれば、その座標変換した走査エリアでの距離最短経路は時間最短経路と等しくなるという考え方である。
【００１７】
しかし、上記の座標変換の手法も課題を解決したことになっていない。それは、以下の単純な例を見ればあきらかとなる。前述のとおり、粒子線治療装置においてビームの走査は、Ｘ方向とＹ方向それぞれ独立したスキャニング電磁石により行われている。その結果、ビームの走査がある点を起点としてＸ方向にもＹ方向にも変化する場合、走査時間は走査距離に比例せず、「Ｘ方向の走査時間とＹ方向の走査時間のうち長くかかった方の時間」となる性質を有する。（例えば、Ｘ方向の走査速度もＹ方向の走査速度も１とした場合、Ｘ方向へ１かつＹ方向へ１に移動した場合の距離は√２となるが、走査時間は１である。）
【００１８】
ラスタースキャニングにおいては、「距離が最短となる経路」を選択するだけでは不十分である更なる課題がある。前述のとおり、スキャニング照射法においては患部組織をレイヤーに分けレイヤー毎にビームを走査する。照射対象たる患部組織が１つの閉じた領域である場合であっても、レイヤーに分けた結果、或るレイヤーでは照射領域が２つ以上の閉じた領域となる場合がある。数学的にみると、照射対象たる患部組織が有界なConvex集合でないとき、このような現象が起きる。レイヤー内での照射領域が２つ以上の閉じた領域となった場合、当該領域間をビームが行き来するときに照射領域以外の領域を照射することになる。単純に距離最短経路や時間最短経路を求めるのでは、この照射領域以外の領域への影響が考慮されない。更に、重要臓器等があり照射されることを極力避けたい領域が存在する場合もあるが、やはりこの影響が考慮されないという問題があった。
【００１９】
照射対象たる患部組織をレイヤーに分けた結果、或るレイヤーでの照射領域が１つであってもConvex集合でないときがある。照射領域がConvex集合でなければ、求めた経路によっては正常組織・重要臓器を通過してしまうという現象が生じうる。
【００２０】
そもそも巡回セールスマン問題は、「巡回」と名がつくとおり、起点と終点とが一致する「ループ」についての最適化に関する。一方、ラスタースキャニングのビーム走査経路の問題は、起点と終点とが必ずしも一致する必要はない。すなわちビーム走査経路の場合は「ループ」ではなく、「経路」についての最適化に関する。ただし、最適なループを求めることができれば、どのスポットも起点として選ぶことができる等のメリットがある。以上のような問題は、本発明者が初めて提起するものであり、本発明では、その問題を解決する解決策を提案する。
【００２１】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による治療計画装置を含む粒子線治療装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、加速器１から陽子線や炭素線などの荷電粒子ビーム２が出力され、電磁石群等で構成されるビーム輸送系３で荷電粒子ビーム２をビーム照射系４に導く。ビーム照射系４には、入射される荷電粒子ビーム２を、荷電粒子ビーム２の進行方向に垂直な方向であるＸ−Ｙ方向２次元に偏向して走査する、Ｘ方向走査電磁石５とＹ方向走査電磁石６の１組の走査電磁石７が備えられている。この走査電磁石７が、荷電粒子ビーム２を、荷電粒子ビームの進行方向に垂直なＸ方向およびＹ方向に移動と停留を繰り返すように偏向させて走査する。このとき、荷電粒子ビーム２の移動中も荷電粒子ビーム２は照射される。一方、治療計画装置２０では、患者の患部である標的８に対する照射計画を立案する。具体的には、標的８の３次元体積領域を、荷電粒子ビーム２が形成するブラッグピークの位置を標的８の３次元形状に合わせて走査して、標的形状に合わせた線量領域を形成するために、標的８における荷電粒子ビームの停留点であるスポット位置、および各スポット位置における照射線量を決める。同時に、これらのスポット位置群のうち、同じ粒子線エネルギーに対応するスポット位置の集合を１レイヤー内にあるレイヤー内スポット位置として、レイヤー毎にスポット位置記憶部２１に記憶する。
【００２２】
走査経路候補抽出部２２では、スポット位置記憶部２１に記憶されたスポット位置により、レイヤー毎に複数の走査経路候補を抽出する。走査経路候補の抽出方法は実施の形態２で説明する。レイヤー毎の走査経路候補の中から、走査に要する時間が短い経路、またスポット間のビームの移動中にビームが重要臓器を通過しない走査経路を決定することが本発明の目的である。このため、走査経路候補の中から、ビームが重要臓器を通過せず、最も走査に要する時間が短い経路を抽出するために、走査経路に関する次のような評価関数を導入する。
【００２３】
評価関数Ｊを以下の式のように定義する。
【数２】
0005879446.tif 000003
【００２４】
ただし、
Ｔｋ：ｋ番目として選択したスポットからｋ＋１番目として選択したスポットへの経路（以下「ｋ番目の部分経路」という）についてビームを走査するのに費やされる時間
ｗｋ：「ｋ番目の部分経路」に対する重み係数
ｋ番目の部分経路が患部組織に含まれる場合、ｗｋ＝ｗｋｄ＝１
ｋ番目の部分経路が正常組織を通過する場合、ｗｋ＝ｗｋｏ＞１
ｋ番目の部分経路が重要臓器を通過する場合、ｗｋ＝ｗｋＯ＞ｗｋｏ
【００２５】
図２に簡単のため、２×２の格子状に配列されたスポットを黒丸で示した。また、簡単のため、Ｘ方向に隣接しているスポットへの走査時間を１、Ｙ方向も同様に１とする。ここで、斜め方向のスポットへの走査時間は√２とはならず１であることに留意する。これは前述したとおり、Ｘ方向への走査とＹ方向への走査が独立かつ同時に行われるためである。よって、Ｓ１１からＳ２１への経路のＴｋとＳ１１からＳ２２への経路のＴｋは同じ値とする。このように、経路の長さではなく、経路についてビームを走査するのに費やされる時間を評価するのが、本発明の第１のポイントである。
【００２６】
また、評価関数は「ビームを走査するのに費やされる時間」であって、実際の照射に費やされる時間ではないことに留意する必要がある。実際の照射は、各スポットにおいて治療計画で求めた目標線量を付与しなければならず、荷電粒子ビームが移動と停留を繰り返しているためである。一定の速度で走査する従来のラスタースキャニングと区別するため、このような照射方法をハイブリッドスキャニングと呼ぶ場合がある。
【００２７】
一方、経路が患部組織ではなく正常組織を通過する場合、また正常組織のなかでも特に重要な重要臓器を通過する場合は、リスクが大きい径路であるとして、重み係数を大きくする。例えば、図３に示すように、患部が患部８１と患部８２のように分離した領域の場合、一部の部分経路は患部以外を通過することになる。また患部の間に重要臓器８３が存在する場合も考えられる。上記のように、重み係数ｗｋを、当該部分経路が患部組織に含まれる場合は１とし、患部組織ではない正常組織を通過する場合は１より大きく設定し、患部組織ではない重要臓器８３を通過する場合はさらに大きい値に設定する。重み係数ｗｋをこのように設定することで、図３（ａ）の走査経路のように、正常組織を通過する部分経路Ｐ１１を含む走査経路候補よりも、図３（ｂ）の走査経路のように重要臓器８３を通過する部分経路Ｐ２２を含む走査経路候補の評価関数Ｊは値が大きくなる。
【００２８】
走査経路評価部２３では、走査経路候補抽出部２２で抽出した複数の走査経路候補についてそれぞれ、評価関数Ｊの値を算出する。走査経路決定部２４では、走査経路評価部２３で算出した評価関数Ｊの値に基づいて、走査経路候補の中から評価関数Ｊの値が小さいものを治療時の照射に用いる走査経路として決定する。照射制御装置１０の走査制御部１１は、治療計画装置２０の走査経路決定部２４で決定された走査経路に従って荷電粒子ビーム２が標的を移動するように、Ｘ方向走査電磁石５とＹ方向走査電磁石６を制御する。
【００２９】
以上の構成により、走査の時間が短く、正常組織、正常組織の内でも特に重要臓器への粒子線の照射リスクが小さい粒子線治療装置が得られる。
【００３０】
実施の形態２．
照射対象たる患部組織の大きさによっても異なるが、ひとつのレイヤーにおけるスポット数は、数千〜数万点に及ぶことが常である。スポット数が１０しかない場合でも、評価関数を最小化する最適経路を求めるには、評価関数を10！=3,628,800通り（362万８千８百通り）計算しなければならないことになるため、力技で全ての通り行うのは現実的ではない。そこで、実施の形態２では、粒子線治療におけるスキャニング照射の特殊性を考慮して、機械的に最適若しくは準最適走査経路を決定する方法について説明する。
【００３１】
粒子線治療におけるスキャニング照射は、前述のとおり各レイヤーの照射領域内の「スポット」とよばれる単位で管理され、通常このスポットは格子状に配列されている。図２で説明したように、２×２の格子状に配列されたスポットについて、Ｘ方向に隣接しているスポットへの走査時間を１、Ｙ方向も同様に１とする。ここで、斜め方向のスポットへの走査時間は√２とはならず１であることに留意する。以上に留意すれば、下記のような定理が導き出せる。
【００３２】
（定理１）
格子状に配列されている１または２以上のスポットについて、Ｘ方向に隣接している格子（交差点）への走査時間を１、Ｙ方向も同様に１とした場合、スポットをすべて通過する走査経路に従って走査する時間はｎ−１以上となる。ここで、ｎはスポットの総数である。
【００３３】
（定理２）
格子状に配列されている１または２以上のスポットについて、Ｘ方向に隣接している格子（交差点）への走査時間をＴｍｉｎ＿ｘ、Ｙ方向に隣接している格子（交差点）への走査時間をＴｍｉｎ＿ｙ（ただしＴｍｉｎ＿ｙ＞Ｔｍｉｎ＿ｘ）とした場合、スポットをすべて通過する走査経路に従って走査する時間は、（ｌ−１）Ｔｍｉｎ＿ｙ＋（ｎ−ｌ）Ｔｍｉｎ＿ｘ以上となる。ここで、ｌはスポットが配置された格子の行数である。また、全スポットを通過する走査時間が（ｌ−１）Ｔｍｉｎ＿ｙ＋（ｎ−ｌ）Ｔｍｉｎ＿ｘとなる走査経路が存在する必要条件は、以下である。
条件１：照射領域が１つの閉じた領域であり、かつ、
条件２：照射領域が、Ｘ方向でみてConvexであること
ここで、「Ｘ方向でみてConvex」とは、格子の各行をみた場合、スポットが存在するすべての行において、隣接して配置されたスポットの群が１つであることをいう。
【００３４】
定理１は、スポットが格子状に配列されている場合において、スポット数と全スポットを走査する最短時間との関係について述べている。複数のスポットが、１つの行の上に隣接して配列されているケースを考えれば、最短時間がｎ−１となることが容易にわかる。
【００３５】
定理２は、定理１と同じくスポット数と最短時間との関係について述べているが、Ｘ方向とＹ方向との走査時間の違いを考慮に入れている。定理２の仮定のようにＸ方向への走査時間の方が短い場合、全スポットを最短時間で走査する経路は、（ａ）一番上（若しくは一番下）の行の左端（若しくは右端）を起点とし、（ｂ）Ｘ方向の他の端に向けて走査、すなわち、「行」を走査し、（ｃ）次の行の端点へ移る、という経路を候補として考える。このとき、常にスポットが隣接（左右、上下、斜め）していれば、それは最短時間経路である。簡単のため、このように走査する経路をここでは「ジグザグ経路」と呼ぶことにする。Ｙ方向への走査時間の方が短い時は、Ｙ方向を行方向として上記と同じ考え方で経路を決定すればよい。
【００３６】
もちろん、照射対象たる患部組織の形状によっては、このジグザグ経路によってすべてのスポットを走査することが出来ない場合もある。そこで、ここではこのような場合の走査経路の決定方法について、図４〜図７の概念図、および図６のフローチャートを参照しながら説明する。
【００３７】
図４は、走査経路の決定を４つの段階に分けて示している。
段階１：或るレイヤーにおける照射領域及びスポットを示している
段階２：前述の起点（ここでは最上行の左端）から、ジグザグ経路を描ける部分について描く（ジグザグ経路については、部分最適）（ＳＴ１）。
段階３：ジグザグ経路以外の部分について、最適化ができるか検討する（ＳＴ２）。残りの部分が、図４のスポット群８４のように、ループになれば（ＳＴ２  ＹＥＳ、ＳＴ３）、ループの部分に関しては段階４へ進む。
段階４：ジグザグ経路と段階３のループが、２つの隣接するスポットを介して互いに隣接していれば、ジグザグ経路と前記ループとを図のように接続する（ＳＴ４  ＮＯ、ＳＴ５）。余っているスポットがあれば、段階３へ戻る（ＳＴ４  ＹＥＳ）。
【００３８】
図４で示した方法では、必ずしも解決できない場合（ＳＴ２  ＮＯ）がある。それは、ジグザグ経路以外の部分のスポット群が一次元に配置されていてループとならない場合である。図５の段階３においては、残りの部分がループとなるスポット群８５のほか、一次元に配置されたスポット群８６やスポット群８７の経路が存在している。そこで、このような場合は、前記経路を形式的にループとして扱う（ＳＴ６）ことを考える。「形式的にループとして扱う」とは、図５の段階４の図に示すように、一次元に配置されているスポット群に対し、往復するように経路を設定することを言う。この場合、同じスポットを２回通過することになるが、当該スポットにおいては、２回の照射線量が治療計画での目標線量となるよう、停留時間を分配すればよい。同じスポットを、照射線量を分けて複数回照射する方法は「リペイント照射」などと呼ばれ知られている。本発明においては、この残り経路部分についてのみリペイントする「部分リペイント」方法を提案する。形式的にループとして扱った部分もループとして、ジグザグ経路とループとを接続する（ＳＴ５）。
【００３９】
次に、図４で示したスポット配置において、起点を変えた場合の走査経路候補を説明する。図７は、最下行の左端を起点とした場合の走査経路候補である。まず段階２として起点からジグザグ経路を描く。段階３で残りの部分のスポット群８８について経路を描く。スポット群８８は一次元に配置されたスポット群になっている。段階４において、段階２で描いたジグザグ経路と段階３で描いた一次元の経路とを接続する。
【００４０】
図８は、右側領域の最上行の右端を起点とした場合の走査経路候補である。まず、段階２として起点からジグザグ経路を描く。段階３で残りのスポット群８９について最適経路を描く。ここではジグザグ経路が描けるのでジグザグ経路を描く。段階４で２つのジグザグ経路を接続する。
【００４１】
ジグザグ経路を複数描いた場合、ジグザグ経路同士は端点同士を直列に繋げて、すなわち部分経路を直列に繋げて最終的には１つの経路としなければならない。この場合、どの端点を始点とするかはいくつかの組合せが考えられる。図８に示すように、部分経路がＡ、Ｂと２つ存在し、部分経路Ａの端点をそれぞれＡ１、Ａ２とし、部分経路Ｂの端点をそれぞれＢ１、Ｂ２とする。すると、最終的な経路は、
Ａ１→Ａ２→Ｂ１→Ｂ２
Ａ２→Ａ１→Ｂ１→Ｂ２
Ａ１→Ａ２→Ｂ２→Ｂ１
Ａ２→Ａ１→Ｂ２→Ｂ１
と、上記の逆順の合計８通りが考えられる。図８の段階４では、このうち、端点を接続する距離が最も短く、評価関数Ｊが小さくなると考えられるＡ１→Ａ２→Ｂ１→Ｂ２の経路を描いている。
【００４２】
走査経路候補抽出部２２は、図４に説明したように、ひとつのジグザグ経路を基礎として、残りのスポットをループ経路にする手法を優先して経路を抽出し、さらには図８に説明したように、複数のジグザグ経路を抽出して直列に繋げて複数の走査経路候補を抽出することができる。
【００４３】
以上のようにして抽出した複数の走査経路候補について、実施の形態１で説明した評価関数Ｊの値を算出し、評価関数Ｊの値が最も小さい走査経路を患者の患部に照射する場合の走査経路として決定する。これにより、走査経路候補を少なくして、走査の時間が短く、正常組織、正常組織の内でも特に重要臓器への粒子線の照射リスクが小さい粒子線治療装置が得られる。
【００４４】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することができる。
【符号の説明】
【００４５】
２…荷電粒子ビーム、５…Ｘ方向走査電磁石、６…Ｙ方向走査電磁石、７…走査電磁石、８…標的（患部）、１０…照射制御装置、１１…走査制御部、２０…治療計画装置、２１…スポット位置記憶部、２２…走査経路候補抽出部、２３…走査経路評価部、２４…走査経路決定部、８３…重要臓器、
【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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