(57)【要約】【課題】簡易にブラッグピークの位置を確認すること。【解決手段】実施形態に係る粒子線治療システムは、照射部、収集部、特定部、推定部及び表示部を有する。照射部は、被検体に粒子線を照射する。収集部は、超音波プローブを介して被検体を超音波で走査し、被検体の治療対象部位に関する超音波画像を収集する。特定部は、治療計画時において決定されたブラッグピークの第１の計画点に解剖学的に略一致する、超音波画像におけるブラッグピークの第２の計画点を特定する。推定部は、被検体の体表位置に関する情報と照射部により照射される粒子線の実際の飛程とに基づいて、照射部により照射される粒子線のブラッグピークの照準点を推定する。表示部は、第２の計画点と照準点とを明示して超音波画像を表示する。【選択図】      図１
2018075362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に粒子線を照射する照射部と、
超音波プローブを介して前記被検体を超音波で走査し、前記被検体の治療対象部位に関する超音波画像を収集する収集部と、
治療計画時において決定されたブラッグピークの第１の計画点に解剖学的に略一致する、前記超音波画像におけるブラッグピークの第２の計画点を特定する特定部と、
前記被検体の体表位置に関する情報と前記照射部により照射される粒子線の実際の飛程とに基づいて、前記照射部により照射される粒子線のブラッグピークの照準点を推定する推定部と、
前記第２の計画点と前記照準点とを明示して前記超音波画像を表示する表示部と、
を具備する粒子線治療システム。
【請求項２】
前記体表位置に関する情報は、前記超音波画像における前記被検体に関する体表領域である、請求項１記載の粒子線治療システム。
【請求項３】
前記照射部からの粒子線の照射方向に基づいて、粒子線治療時における前記超音波画像の収集のための前記超音波プローブの配置を決定する決定部を更に備える、請求項２記載の粒子線治療システム。
【請求項４】
前記決定部は、前記照射方向に基づいて、前記照射部からの粒子線の被検体の体表への入射点の近傍を前記超音波プローブの配置に決定する、請求項３記載の粒子線治療システム。
【請求項５】
前記決定部は、前記治療対象部位と前記照射部からの粒子線の被検体の体表への入射点との両方が超音波走査領域に含まれるように、前記超音波プローブの配置を決定する、請求項３記載の粒子線治療システム。
【請求項６】
前記決定部は、前記治療対象部位と前記治療対象部位を含む臓器への粒子線の入射点との両方が超音波走査領域に含まれるように前記超音波プローブの配置を決定する、請求項３記載の粒子線治療システム。
【請求項７】
前記照射部により照射される粒子線の実際の飛程と前記体表領域から前記第２の計画点までの理想の飛程との比較に基づいて前記照射部による粒子線の照射と停止とを切り替える制御部を更に備える、請求項２記載の粒子線治療システム。
【請求項８】
治療計画時において収集された前記治療対象部位を対象とする医用画像を前記超音波画像に対して位置合わせする位置合わせ部と、を更に備え、
前記特定部は、前記第１の計画点に解剖学的に略一致する、前記位置合わせされた医用画像におけるブラッグピークの第３の計画点を特定し、
前記制御部は、前記位置合わせされた医用画像における体表領域から前記第３の計画点までの距離を前記理想の飛程に決定する、
請求項７記載の粒子線治療システム。
【請求項９】
前記超音波画像に含まれる治療対象領域を画像処理により同定する同定部と、
前記治療対象領域又は前記第２の計画点の位置と前記実際の飛程とに基づいて前記照射部による粒子線の照射と停止とを切り替える制御部と、
を更に備える、請求項１又は２記載の粒子線治療システム。
【請求項１０】
前記超音波プローブに取り付けられた位置センサと、
前記位置センサからの出力信号に基づいて前記超音波プローブの実空間座標系における３次元座標を検出するプローブ座標検出部と、を更に備え、
前記特定部は、前記超音波画像を規定する画像座標系における治療対象領域の座標を特定し、
前記推定部は、前記超音波プローブの前記実空間座標系における座標と前記治療対象領域の前記画像座標系における座標とを利用して前記実際の飛程に基づいて、前記照準点の前記実空間座標系又は前記画像座標系における座標を推定する、
請求項１記載の粒子線治療システム。
【請求項１１】
前記照射部からの粒子線の被検体の体表への入射点の前記実空間座標系における座標を検出する入射点座標検出部、を更に備える、請求項１０記載の粒子線治療システム。
【請求項１２】
前記入射点座標検出部により検出された座標は前記体表位置に関する情報として用いられる、請求項１１記載の粒子線治療システム。
【請求項１３】
前記照射部により照射される粒子線の実際の飛程と前記体表領域から前記第２の計画点までの理想の飛程との差分が減少するように前記差分に応じて前記照射部から照射される粒子線のエネルギーを変調する制御部を更に備える、請求項２記載の粒子線治療システム。
【請求項１４】
複数の差分値各々に、当該差分値を略ゼロにするための粒子線のエネルギーの変調値との関連付けを記憶する記憶部と、
前記制御部は、前記差分が許容範囲にある場合、前記関連付けに基づいて前記差分に対応する変調値を決定し、前記決定された変調値に従い前記照射部から照射される粒子線のエネルギーを変調する、
請求項１３記載の粒子線治療システム。
【請求項１５】
粒子線のエネルギーを変調するか否かの問い合わせを表示する表示部と、
前記問い合わせに対する回答を入力する入力部と、を更に備え、
前記制御部は、前記入力部を介して採用する旨の回答が入力された場合、前記照射部を制御し、前記照射部から照射される粒子線のエネルギーを変調する、
請求項１３記載の粒子線治療システム。
【請求項１６】
被検体に粒子線を照射する照射部と、
超音波プローブを介して前記被検体を超音波で走査し、前記被検体の治療対象部位に関する超音波画像を収集する収集部と、
治療計画時において決定されたブラッグピークの第１の計画点に解剖学的に略一致する、前記超音波画像におけるブラッグピークの第２の計画点を特定する特定部と、
前記超音波画像により特定される前記被検体の体内の解剖学的な所定の領域と、前記照射部により照射される粒子線の実際の飛程と、に基づいて、前記粒子線治療時において前記照射部により照射される粒子線のブラッグピークの照準点を推定する推定部と、
前記第２の計画点と前記照準点とを明示して前記超音波画像を表示する表示部と、
を具備する粒子線治療システム。
【請求項１７】
被検体に粒子線を照射する照射部と、
超音波プローブを介して前記被検体を超音波で走査し、前記被検体の治療対象部位に関する超音波画像を収集する収集部と、
治療計画時において決定されたブラッグピークの第１の計画点に解剖学的に略一致する、前記超音波画像におけるブラッグピークの第２の計画点を特定する特定部と、
前記被検体の体表位置に関する情報と前記照射部により照射される粒子線の実際の飛程とに基づいて、前記粒子線治療時において前記照射部により照射される粒子線のブラッグピークの照準点を推定する推定部と、
前記照射部により照射される粒子線の実際の飛程と前記体表領域から前記第２の計画点までの理想の飛程との比較に基づいて前記照射部による粒子線の照射と停止とを切り替える制御部と、
を具備する粒子線治療システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、粒子線治療システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療においてはブラッグピーク（Bragg peak）の照準が計画通りに腫瘍に合うことが重要である。腫瘍の位置が体動等により変動することにより、計画とは異なる位置にブラッグピークの照準が合うこととなる。ブラッグピークの照準点を確認する方法として、生体に粒子が衝突した際に発生するガンマ線を電子飛跡検出型コンプトンカメラで検出する方法がある。しかし、この方法は大掛かりであり、電子飛跡検出型コンプトンカメラという高額な装置を要する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表2015-536783号公報
【特許文献２】特開2006-158678号公報
【特許文献３】特開2015-205110号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】西尾禎治、「陽子線癌がん治療における原子核反応の重要性」、2012年9月28-29日、2012年度RCNP研究会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明が解決しようとする課題は、簡易にブラッグピークの位置を確認することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態に係る粒子線治療システムは、被検体に粒子線を照射する照射部と、超音波プローブを介して前記被検体を超音波で走査し、前記被検体の治療対象部位に関する超音波画像を収集する収集部と、治療計画時において決定されたブラッグピークの第１の計画点に解剖学的に略一致する、前記超音波画像におけるブラッグピークの第２の計画点を特定する特定部と、前記被検体の体表位置に関する情報と前記照射部により照射される粒子線の実際の飛程とに基づいて、前記照射部により照射される粒子線のブラッグピークの照準点を推定する推定部と、前記第２の計画点と前記照準点とを明示して前記超音波画像を表示する表示部と、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本実施形態に係る粒子線治療システムの構成を示す図である。
【図２】図２は、図１の粒子線治療装置の構成を示す図である。
【図３】図３は、図１の粒子線治療システムの大局的な処理の流れを示す図である。
【図４】図４は、図３のステップＳＡにおいて生成された治療計画情報が重畳されたＣＴ画像の一例を示す図である。
【図５】図５は、図３のステップＳＢにおいて決定された超音波プローブの配置を示す図である。
【図６】図６は、図３のステップＳＣにおける粒子線治療システムの処理の流れを示す図である。
【図７】図７は、図６の粒子線治療時における被検体周辺の概観図である。
【図８】図８は、図６のステップＳＣ２の処理を説明するための図である。
【図９】図９は、図６のステップＳＣ６において表示回路により表示される、ブラッグピークの計画点と照準点とを明示した超音波画像の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、図６のステップＳＣ６において表示回路により表示される、ブラッグピークの計画点と照準点とを明示した超音波画像と治療計画ＣＴ画像との重畳画像を示す図である。
【図１１】図１１は、図６のステップＳＣ７及びＳＣ８に係る、超音波画像における理想飛程と実飛程とを示す図である。
【図１２】図１２は、図６のステップＳＣ７及びＳＣ８に係る、治療計画ＣＴ画像における理想飛程と実飛程とを示す図である。
【図１３】図１３は、図３のステップＳＢにおいて他の方法により決定された超音波プローブの配置を示す図である。
【図１４】図１４は、図３のステップＳＢにおいて他の方法により決定された超音波プローブの配置を示す図である。
【図１５】図１５は、図３のステップＳＣにおける粒子線治療システムの処理の他の流れを示す図である。
【図１６】図１６は、図１５のステップＳＤ９において利用される差分／変調値テーブルの一例を示す図である。
【図１７】図１７は、図１５のステップＳＤ１０において表示される問い合わせ画面の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら本実施形態に係わる粒子線治療システムを説明する。
【０００９】
図１は、本実施形態に係る粒子線治療システム１００の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る粒子線治療システム１００は、ネットワーク等を介して互いに通信可能に接続された粒子線治療装置１、超音波診断装置３及び治療計画装置５を有する。
【００１０】
超音波診断装置３は、超音波プローブとコンソールとを有する。超音波プローブは、超音波を送受波する。コンソールは、粒子線治療装置１による粒子線治療時において超音波プローブを介して被検体を超音波で走査して被検体の治療対象部位を対象とする超音波画像を収集する。本実施形態において治療対象部位は、粒子線により治療可能な如何なる部位でも良いが、以下、腫瘍であるとする。収集された超音波画像は、粒子線治療装置１に伝送される。本実施形態に係る超音波画像は、２次元状に配列された複数のピクセルから構成される２次元画像でも良いし、３次元状に配列された複数のボクセルから構成される３次元画像でも良い。
【００１１】
治療計画装置５は、例えば、汎用のコンピュータ又はワークステーションである。治療計画装置５は、治療計画時において、予め収集された治療計画画像に基づいて粒子線治療装置１による粒子線治療の治療計画を立案する。具体的には、治療計画装置５は、線量分布やブラッグピークの計画点、粒子線の照射方向、粒子線のビームパス、粒子線の体表入射点等を決定する。線量分布は、粒子線治療により照射されるべき粒子線の線量の空間分布である。ブラッグピークの計画点は、ブラッグピークの照準が合わせられる解剖学上の位置である。粒子線の照射方向は、粒子線を照射する方向である。粒子線のビームパスは、粒子線の透過経路である。粒子線の体表入射点は、被検体の体表に粒子線が入射する位置である。治療計画画像は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置や磁気共鳴イメージング装置、Ｘ線診断装置等の医用画像診断装置により収集される。収集された治療計画画像は、粒子線治療装置１に伝送される。本実施形態に係る治療計画画像は、２次元状に配列された複数のピクセルから構成される２次元画像でも良いし、３次元状に配列された複数のボクセルから構成される３次元画像でも良い。
【００１２】
粒子線治療装置１は、治療計画装置５により計画された治療計画に従い被検体の腫瘍に粒子線を照射する。粒子線治療時において粒子線治療装置１は、超音波診断装置３により収集される超音波画像を利用して、粒子線のブラッグピークの照準点を即時的に推定する。なお、本実施形態に係る照準点は、粒子線治療時に照射している又は照射する予定の粒子線のブラッグピークの照準が合っている位置に対応する。
【００１３】
図２は、図１の粒子線治療装置１の構成を示す図である。図２に示すように、粒子線治療装置１は、加速器１１、加速系制御回路１３、輸送系１５、ガントリ１７、寝台３７、照射系制御回路１９、駆動制御回路２１及びコンソール５０を有する。
【００１４】
加速器１１は、イオン源等により発生された重粒子や陽子等を、直線加速器１１及び円形加速器１１等により加速して粒子線を生成する。加速系制御回路１３は、コンソール５０の主制御回路６３による指令に従い加速器１１を制御する。輸送系１５は、加速器１１から射出された粒子線をガントリ１７まで輸送する輸送路である。
【００１５】
ガントリ１７は、固定部３１と回転部３３とを有している。固定部３１は、床面に設置され、回転部３３を回転軸回りに回転可能に支持している。回転部３３には照射器３５が取り付けられている。照射器３５は、輸送系１５により輸送された粒子線を、寝台に載置された被検体Ｐに照射する。照射器３５は、マルチリーフコリメータ等の照準器（図示せず）が取り付けられており、照射領域の形状に応じて粒子線を成形可能である。また、照射器３５は、横方向の偏向のための電磁偏向板と縦方向の偏向のための電磁偏光板（図示せず）とを有している。なお、横方向は、回転部３３の回転方向に一致し、縦方向は横方向に直交する。照射系制御回路１９は、コンソール５０の主制御回路６３による指令に従い電磁偏向板や照準器を駆動して、治療計画に応じた粒子線を被検体Ｐに照射する。なお、照射系制御回路１９は、後述のように、演算回路５１により推定されたブラッグピークの照準点の位置等に応じて粒子線の照射と停止とを切り替える。また、回転部３３には、粒子線の照射領域を示す可視光を被検体Ｐ上に照射する投光器（図示せず）が設けられている。
【００１６】
図７に示すように、寝台３７には、アーム５２を介して超音波診断装置３の超音波プローブＵＰが取り付けられている。すなわち、アーム５２の一端は、寝台３７に固定されている。アーム５２の他端は、超音波プローブＵＰを保持するとともに、超音波プローブＵＰを被検体Ｐの体表面に押し当てる構成を有している。具体的には、アーム５２は、超音波プローブＵＰを保持する機構としてバネ等の弾性体５４を有している。弾性体５４を有することによりアーム５２は、被検体Ｐの呼吸等に伴う超音波プローブＵＰの動きを許容するとともに、超音波プローブＵＰを被検体Ｐに適当な力で押し当てる。
【００１７】
以下、アーム５２は、技師等の医療従事者によって手動で位置決めされるものとして説明するが、コンソール５０からの入力等に応じて自動で位置決めを行うものであっても良い。
【００１８】
図２に示すように、固定部３１には駆動装置３９が内蔵されている。駆動装置３９は、固定部３１が回転部３３を回転するための動力を発生する。駆動制御回路２１は、コンソール５０の主制御回路６３による指令に従い駆動装置３９を駆動して、所定の回転角度に照射器３５を配置する。
【００１９】
図２に示すように、コンソール５０は、演算回路５１、画像処理回路５３、通信回路５５、表示回路５７、入力回路５９、記憶回路６１及び主制御回路６３を有する。演算回路５１、画像処理回路５３、通信回路５５、表示回路５７、入力回路５９、記憶回路６１及び主制御回路６３は、互いにバスを介して通信可能に接続されている。
【００２０】
演算回路５１は、ハードウェア資源として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサとＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリとを有する。具体的には、演算回路５１は、プローブ配置決定機能５１１、位置合わせ機能５１２、領域同定機能５１３、ブラッグピーク計画点特定機能５１４、ブラッグピーク照準点推定機能５１５、飛程計測機能５１６、座標検出機能５１７及び配置判定機能５１８を有する。なお、画像処理回路５３は、上記機能を実現可能なＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＣＰＬＤ（Complex Programmable Logic Device）、ＳＰＬＤ（Simple Programmable Logic Device）により実現されても良い。
【００２１】
プローブ配置決定機能５１１において演算回路５１は、照射器３５から照射される粒子線の照射方向に基づいて、粒子線治療時における超音波診断装置３による超音波画像の収集ための超音波プローブの配置を決定する。
【００２２】
位置合わせ機能５１２において演算回路５１は、超音波診断装置３により収集された超音波画像と、治療計画画像とを画像処理により位置合わせする。
【００２３】
領域同定機能５１３において演算回路５１は、超音波画像及び治療計画画像に含まれる特定の画像領域を画像処理により同定する。特定の画像領域として、例えば、被検体Ｐに含まれる治療対象の腫瘍に関する画像領域（以下、腫瘍領域と呼ぶ）、被検体Ｐの体表に関する画像領域（以下、体表領域と呼ぶ）等が挙げられる。
【００２４】
ブラッグピーク計画点特定機能５１４において演算回路５１は、治療計画時において治療計画装置５等により決定されたブラッグピークの計画点に解剖学的に略一致する、超音波画像におけるブラッグピークの計画点を特定する。
【００２５】
ブラッグピーク照準点推定機能５１５において演算回路５１は、被検体の体表位置に関する情報（以下、体表情報と呼ぶ）と粒子線治療時において照射器３５により照射される実際の飛程とに基づいて、粒子線治療時において照射器３５により照射される粒子線のブラッグピークの照準点を推定する。本実施形態に係るブラッグピークの照準点は、粒子線治療時において実際にブラッグピークの照準が合わされている解剖学上の点である。被検体の体表情報は、領域同定機能５１３により同定された体表領域であっても良いし、実空間座標系により規定された被検体の体表の座標であっても良い。実空間座標系により規定された被検体の体表の座標は、例えば、後述のセンサにより計測される。
【００２６】
飛程計測機能５１６において演算回路５１は、超音波画像及び治療計画画像に含まれる被検体Ｐの体表領域から、ブラッグピーク照準点推定機能５１５により推定されたブラッグピークの照準点までの距離を計測する。計測された距離は、理想の飛程に対応する。
【００２７】
座標検出機能５１７において演算回路５１は、位置センサからの出力信号に基づいて、超音波画像又は治療計画画像において特定された点の実座標系における座標を検出する。
【００２８】
配置判定機能５１８において演算回路５１は、プローブ配置決定機能５１１により決定された超音波プローブＵＰの配置に基づいて、超音波プローブＵＰの実際の配置が適当であるか否かを判定する。
【００２９】
画像処理回路５３は、ハードウェア資源として、ＣＰＵやＧＰＵ等のプロセッサとＲＯＭやＲＡＭ等のメモリとを有する。画像処理回路５３は、治療計画画像に種々の画像処理を施す。例えば、画像処理回路５３は、３次元の治療計画画像にボリュームレンダリングや、サーフェスボリュームレンダリング、画像値投影処理、ＭＰＲ（Multi-Planer Reconstruction）処理、ＣＰＲ（Curved MPR）処理等の３次元画像処理を施して表示用の２次元の医用画像を生成する。なお、画像処理回路５３は、上記画像処理を実現可能なＡＳＩＣやＦＰＧＡ、ＣＰＬＤ、ＳＰＬＤにより実現されても良い。
【００３０】
通信回路５５は、図示しない有線又は無線を介して、粒子線治療システム１００を構成する超音波診断装置３及び治療計画装置５との間でデータ通信を行う。
【００３１】
表示回路５７は、種々の情報を表示する。具体的には、表示回路５７は、表示インタフェースと表示機器とを有する。表示インタフェースは、表示対象を表すデータを映像信号に変換する。表示信号は、表示機器に供給される。表示機器は、表示対象を表す映像信号を表示する。表示機器としては、例えば、ＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、プラズマディスプレイ、又は当技術分野で知られている他の任意のディスプレイが適宜利用可能である。
【００３２】
入力回路５９は、具体的には、入力機器と入力インタフェースとを有する。入力機器は、ユーザからの各種指令を受け付ける。入力機器としては、キーボードやマウス、各種スイッチ等が利用可能である。入力インタフェースは、入力機器からの出力信号をバスを介して主制御回路６３に供給する。
【００３３】
記憶回路６１は、種々の情報を記憶するＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）、集積回路記憶装置等の記憶装置である。例えば、記憶回路６１は、治療計画装置５から供給された治療計画情報と治療計画画像を記憶する。また、記憶回路６１は、超音波診断装置３から供給された超音波画像を記憶する。ハードウェアとして記憶回路６１は、ＣＤ−ＲＯＭドライブやＤＶＤドライブ、フラッシュメモリ等の可搬性記憶媒体との間で種々の情報を読み書きする駆動装置等であっても良い。
【００３４】
主制御回路６３は、粒子線治療装置１の中枢として機能する。主制御回路６３は、記憶回路６１等に記憶された本実施形態に係る動作プログラムを実行し、当該動作プログラムに従い各部を制御することにより、本実施形態に係る粒子線治療を実行する。
【００３５】
以下、本実施形態に係る粒子線治療システム１００の動作例について説明する。
【００３６】
図３は、本実施形態に係る粒子線治療システム１００の大局的な処理の流れを示す図である。図３に示すように、まず、治療計画装置５は、治療対象の被検体Ｐに関する治療計画を実行する（ステップＳＡ）。ステップＳＡにおいて治療計画装置５は、予め医用画像診断装置により収集された治療計画画像を利用して治療計画を立案し、治療計画情報を生成する。治療計画情報としては、例えば、線量分布やブラッグピークの計画点、粒子線の照射方向、粒子線のビームパス、粒子線の体表入射点、実飛程等が挙げられる。以下の実施形態において治療計画画像は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置により収集されたＣＴ画像であるとする。以下、治療計画に用いるＣＴ画像を治療計画ＣＴ画像と呼ぶことにする。治療計画ＣＴ画像は、典型的には、直交３次元座標系により規定される３次元画像である。
【００３７】
図４は、治療計画情報が重畳された治療計画ＣＴ画像ＩＣの一例を示す図である。図４に示すように、治療計画ＣＴ画像ＩＣは、被検体Ｐに関する画像領域（以下、被検体領域と呼ぶ）ＲＰを含む。被検体領域ＲＰの縁部は、被検体Ｐの体表に関する画像領域（以下、体表領域と呼ぶ）ＲＳに規定される。体表領域ＲＳは、例えば、治療計画装置５による画像処理により抽出される。被検体領域ＲＰは、治療対象に関する画像領域である治療対象領域ＲＣを含む。以下、治療対象が腫瘍であるとして説明するので、治療対象領域ＲＣを腫瘍領域ＲＣと呼ぶことにする。腫瘍領域ＲＣは、例えば、治療計画装置５による画像処理により抽出される。腫瘍領域ＲＣを通るように粒子線治療における粒子線のビームパスＢＰが設定される。ビームパスＢＰの基準軸回りの角度は照射方向に規定される。当該基準軸は、任意に設定可能である。粒子線治療時において当該基準軸は粒子線治療装置１のガントリ１７の回転軸に位置決めされる。ビームパスＢＰは、入力機器等を介してユーザにより手動的に、又は画像処理により自動的に設定される。ビームパスＢＰと被検体領域ＲＰの縁部（体表領域）との交差点が入射点ＰＥに規定される。腫瘍領域ＲＣには、治療計画装置５によりブラッグピークの計画点ＰＰが設定される。計画点ＰＰは、入力機器等を介してユーザにより手動的に、又は画像処理により自動的に設定される。入射点ＰＥから計画点ＰＰまでの距離が実飛程に設定される。実飛程は、粒子線治療時において実際に観測される飛程に等しい。飛程は粒子線のエネルギーに応じて変化するが、粒子線治療時の粒子線のエネルギーは、治療計画において決定された飛程に基づいて決定されるからである。治療計画情報及び治療計画ＣＴ画像ＩＣは、治療計画装置５により粒子線治療装置１に伝送される。
【００３８】
ステップＳＡが行われると粒子線治療装置１は、超音波プローブの配置決定処理を行う（ステップＳＢ）。ステップＳＢにおいて粒子線治療装置１の演算回路５１は、プローブ配置決定機能５１１を実行する。プローブ配置決定機能５１１において演算回路５１は、粒子線の照射方向に基づいて、粒子線治療時における超音波診断装置３による超音波画像の収集ための超音波プローブの配置を決定する。粒子線の照射方向は、ステップＳＡにおいて治療計画装置５により治療計画ＣＴ画像に設定されている。演算回路５１は、例えば、治療計画ＣＴ画像を利用して超音波プローブの配置を決定する。画像処理回路５３は、治療計画ＣＴ画像に３次元画像処理を施して、超音波プローブの配置決定に供されるレンダリング画像を生成する。配置の決定方法としては、例えば、以下の方法がある。
【００３９】
図５は、ステップＳＢにおいて決定された超音波プローブＵＰの配置を示す図である。図５に示すように、治療計画ＣＴ画像には体表領域ＲＳにより画定された被検体領域ＲＰが含まれる。被検体領域ＲＰには腫瘍領域ＲＣが含まれている。腫瘍領域ＲＣを通るようにビームパスＢＰが設定され、体表領域ＲＳとビームパスＢＰとの交点に入射点ＰＥが設定されている。なお、超音波プローブＵＰの配置決定に利用される治療計画ＣＴ画像は、ＭＰＲ画像やボリュームレンダリング画像等の如何なる種類のレンダリング画像であっても良い。図５において治療計画ＣＴ画像は、一例として、アキシャル断面に関するＭＰＲ画像であるものとする。
【００４０】
図５に示すように、演算回路５１は、超音波走査領域ＵＳが腫瘍領域ＲＣを包含可能な超音波プローブＵＰの配置を決定する。超音波走査領域ＵＳには入射点ＰＥは含まれない。配置は、超音波プローブＵＰの位置及び角度により規定される。超音波プローブＵＰの位置及び角度は、例えば、治療計画ＣＴ画像の３次元画像座標系において定義される。超音波プローブＵＰの位置ＰＵＰは、より詳細には、超音波走査領域ＵＳが腫瘍領域ＲＣを包含可能であり、且つ入射点ＰＥに近接する位置に決定される。超音波プローブＵＰの角度は、粒子線（すなわち、ビームパスＢＰ）の人体入射角度に略一致するように決定される。超音波プローブＵＰの角度は、超音波プローブＵＰの主軸と人体接触面との成す角度により規定される。粒子線の人体入射角度は、例えば、粒子線のビーム軸と体表領域ＲＳとの成す角度に規定される。超音波プローブＵＰと超音波走査領域ＵＳとの位置関係は、超音波治療時に使用される超音波プローブとその超音波走査領域とに応じて予め設定されている。なお、超音波走査領域ＵＳは、２次元空間（走査面）であっても良いし、一列に配列された複数の走査面により規定される３次元空間であっても良い。超音波走査領域ＵＳが２次元空間であるか３次元空間であるかは、ユーザにより任意に選択可能である。
【００４１】
上記の通り、入射点ＰＥの近傍に超音波プローブＵＰの配置位置を決定することにより、当該配置に位置決めされた超音波プローブＵＰを介して収集した超音波画像に基づいて飛程を高精度に推定することが可能になる。なお、図５において治療計画ＣＴ画像の断面と超音波走査領域ＵＳの走査面とが略同一平面であることを前提としているが、本実施形態はこれに限定されない。超音波走査領域ＵＳが腫瘍領域ＲＣを包含していれば、治療計画ＣＴ画像の断面と超音波走査領域ＵＳの走査面とは如何なる位置関係にあっても良い。
【００４２】
ステップＳＣが行われると粒子線治療装置１は、粒子線治療を行う（ステップＳＣ）。ステップＳＣにおいて粒子線治療装置１の主制御回路６３は、本実施形態に係る動作プログラムを実行する。本実施形態に係る動作プログラムの実行により主制御回路６３は、超音波画像を利用してブラッグピークの照準点の即時的推定及び当該照準点を利用した粒子線の制御を行う。
【００４３】
以下、図３のステップＳＣにおける粒子線治療システム１００の処理の流れについて説明する。図６は、図３のステップＳＣにおける粒子線治療システム１００の処理の流れを示す図である。
【００４４】
図６に示すように、まず超音波診断装置３は、粒子線治療装置１による粒子線の照射前において、ステップＳＢにおいて決定されたプローブ配置位置に配置された超音波プローブを用いて超音波画像を収集する（ステップＳＣ１）。
【００４５】
図７は、粒子線治療時における被検体Ｐ周辺の概観図である。図７に示すように、粒子線治療時において図示しない照射器３５から粒子線が被検体Ｐに向けて照射される。技師等の医療従事者は、超音波プローブＵＰを、ステップＳＢにおいて決定された配置位置に位置決めする。なお、アーム５２が自動で位置合わせされるものである場合は、ステップＳＢにおいて決定された配置位置に自動的に位置合わせされる。ステップＳＢにおいて決定された配置は、例えば、治療室等に設置された表示機器に図で表示されると良い。技師等の医療従事者は、表示機器５７に表示された図を参照するとともに、投光器により被検体Ｐ上に示された粒子線の照射領域内に超音波プローブＵＰが入らないように、超音波プローブＵＰを位置合わせする。また、ステップＳＢにおいて決定された配置は、表示回路５７に超音波プローブＵＰの座標として数値で示しても良い。この場合、医療従事者は、超音波プローブＵＰに設けられた位置センサや角度センサによって検出される座標がステップＳＢおいて決定された配置の座標と一致するように、超音波プローブＵＰを位置合わせする。
【００４６】
また、演算回路５１は、上述したように配置判定機能５１８により、超音波プローブＵＰの配置が適当であるか否かを判定する。すなわち、演算回路５１は、超音波プローブＵＰの配置が、ステップＳＢによって決定された配置に対して許容されるずれの範囲内にあるか否かの判定を行う。具体的には、演算回路５１は、超音波プローブＵＰの位置センサや角度センサによって検出される座標とステップＳＢにおいて決定された配置の座標とのずれを評価したり、治療室内に設けられたカメラによって検出された超音波プローブＵＰの座標に基づいて当該判定を行うことができる。
【００４７】
超音波診断装置３のコンソール５０は、当該超音波プローブＵＰを介して被検体Ｐの体内を超音波で走査する。超音波プローブＵＰがステップＳＢにおいて決定された配置位置に配置されているので、超音波走査領域には治療対象の腫瘍が含まれている。超音波診断装置３のコンソール５０は、超音波プローブＵＰからのエコー信号に基づいて超音波画像を繰り返し生成する。生成された超音波画像は、例えば、１フレーム単位で粒子線治療装置１に即時的に供給される。粒子線治療時において被検体Ｐは呼吸をしており、呼吸に伴い胸部や腹部が変形する。粒子線の実飛程は被検体体表の入射点からの距離なので、全ての時相においてブラッグピークの照準を意図したブラッグピークの計画点に合せることは困難である。そのため、本実施形態に係る粒子線治療装置１は、超音波画像を利用して実際にブラッグピークの照準が合っている位置を推定する。
【００４８】
以下のステップＳＣ２−ＳＣ１１は超音波画像１フレーム単位で行われる。なお、超音波診断装置３により収集された全てのフレームについてステップＳＣ２−ＳＣ１１の処理を行う必要はなく、５フレーム毎等の所定フレーム毎に行われても良い。
【００４９】
ステップＳＣ１が行われると粒子線治療装置の主制御回路６３は、演算回路５１に位置合わせ機能５１２を実行させる（ステップＳＣ２）。ステップＳＣ２において演算回路５１は、治療計画ＣＴ画像を超音波画像に位置合わせする。
【００５０】
図８は、ステップＳＣ２の処理を説明するための図である。図８に示すように、ステップＳＣ２において演算回路５１は、治療計画ＣＴ画像ＩＣを超音波画像ＩＵに位置合わせする。超音波画像ＩＵは、粒子線治療時に即時的に収集され、治療計画ＣＴ画像ＩＣは、粒子線治療時よりも前段の治療計画時（あるいは治療計画時よりも前段）に収集されている。すなわち、超音波画像ＩＵは、治療計画ＣＴ画像ＩＣに比して、現在の被検体Ｐ体内を正確に描出している。位置合わせにより、超音波画像ＩＵの座標系と治療計画ＣＴ画像ＩＣの座標系とが一致する。位置合わせの手法としては、線形変換による剛体位置合わせや、非線形変換による非剛体位置合わせ（デフォーマブルレジストレーション）等の如何なる方法が用いられても良い。しかしながら、以下のように飛程を高精度に推定するためには、非剛体位置合わせが良い。
【００５１】
非剛体位置合わせの場合、治療計画ＣＴ画像ＩＣに含まれる被検体領域ＲＰＣや腫瘍領域ＲＣＣ等が超音波画像ＩＵに合わせて変形される。計画点ＰＰＣは腫瘍領域ＲＣＣに含まれる一部領域に設定されるので、計画点ＰＰＣも腫瘍領域ＲＣＣ等の変形に応じて位置が移動することとなる。移動後の計画点ＰＰＣの位置は、現在、より詳細には超音波画像ＩＵ収集時における、ブラッグピークの照準が合わせられるべき解剖学的点を示している。
【００５２】
ステップＳＣ２が行われると主制御回路６３は、演算回路５１にブラッグピーク計画点特定機能を実行させる（ステップＳＣ３）。ステップＳＣ３において演算回路５１は、超音波画像においてブラッグピークの計画点を特定する。具体的には、演算回路５１は、まず治療計画ＣＴ画像に設定されている計画点の座標を特定する。特定された座標は、治療計画ＣＴ画像の座標系での３次元座標である。次に演算回路５１は、超音波画像において、治療計画ＣＴ画像の座標系での計画点の座標と同一の座標に点をプロットする。プロットされた点は、超音波画像における計画点に対応することとなる。
【００５３】
ステップＳＣ３が行われると主制御回路６３は、演算回路５１に領域同定機能を実行させる（ステップＳＣ４）。ステップＳＣ４において演算回路５１は、超音波画像に含まれる体表領域を同定する。例えば、演算回路５１は、超音波画像の画素の輝度値を対象とする閾値処理により体表領域を同定しても良いし、超音波画像の上端に体表領域が存在するという前提条件を利用して体表領域を同定しても良い。あるいは、演算回路５１は、輝度値連結処理等の他の画像処理を利用して体表領域を同定しても良い。前述の通り、超音波プローブは体表入射点の近傍に配置されている。従って超音波画像に含まれる体表領域は体表入射点の近傍に位置している。なお、後述のように超音波画像に体表入射点が描出されている場合、体表領域は体表入射点を包含していることとなる。ステップＳＣ４において演算回路５１は、必要に応じて超音波画像に含まれる腫瘍領域等の他の画像領域を同定しても良い。
【００５４】
ステップＳＣ４が行われると主制御回路６３は、演算回路５１にブラッグピーク照準点推定機能を実行させる（ステップＳＣ５）。ステップＳＣ５において演算回路５１は、超音波画像においてブラッグピークの照準点を推定する。具体的には、演算回路５１は、超音波画像において体表領域ＲＳＵから計画飛程に対応する距離だけ体内に向けた位置を照準点ＰＢＵとしてプロットする。換言すれば、照準点ＰＢＵと体表領域との間の直線距離は計画飛程に略等しい。この照準点ＰＢＵに対して、粒子線のブラッグピークが実際に照準していると推定される。
【００５５】
ステップＳＣ５が行われると主制御回路６３は、表示回路５７に表示を行わせる（ステップＳＣ６）。ステップＳ６において表示回路５７は、ブラッグピークの計画点と照準点とを明示して超音波画像を表示する。
【００５６】
図９は、ブラッグピークの計画点ＰＰＵと照準点ＰＢＵとを明示した超音波画像ＩＵの一例を示す図である。図９に示すように、超音波画像ＩＵには体表領域ＲＳＵと腫瘍領域ＲＣＵとが含まれている。腫瘍領域ＲＣＵにはブラッグピークの計画点ＰＰＵが重畳されている。図９に示すように、照準点ＰＢＵは、被検体Ｐの呼吸動等により計画点ＰＰＵからずれることが想定される。表示回路５７は、図９に示すように、ブラッグピークの計画点ＰＰＵと照準点ＰＢＵとを明示した超音波画像ＩＵを表示する。当該超音波画像ＩＵが表示されることにより医療従事者は、計画点ＰＰＵと照準点ＰＢＵとの位置関係を明瞭に把握しながら粒子線治療を施術することができる。計画点ＰＰＵと照準点ＰＢＵとの明示態様として表示回路５７は、例えば、計画点ＰＰＵと照準点ＰＢＵとを、互いに形状や大きさ、色等が異なるマークで表示すると良い。
【００５７】
なお、ブラッグピークの計画点と照準点との表示形態は上記方法のみに限定されない。表示回路５７は、以下のように他の表示形態によりブラッグピークの計画点と照準点とを表示しても良い。
【００５８】
図１０は、ブラッグピークの計画点ＰＰＵと照準点ＰＢＵとを明示した超音波画像ＩＵと治療計画ＣＴ画像ＩＣとの重畳画像を示す図である。図１０に示すように、治療計画画像ＩＣに超音波画像ＩＵが重畳されている。治療計画画像ＩＣは超音波画像ＩＵに位置合わせされているので、超音波画像ＩＵと治療計画ＣＴ画像ＩＣとは高精度に重畳する。超音波画像ＩＵにはブラッグピークの計画点ＰＰＵと照準点ＰＢＵと明示されている。当該表示形態によれば、医療従事者は、治療計画ＣＴ画像におけるブラッグピークの計画点ＰＰＵと照準点ＰＢＵとの位置を把握することができる。
【００５９】
ステップＳＣ６が行われると主制御回路６３は、演算回路５１に飛程計測機能を行わせる（ステップＳＣ７）。ステップＳＣ７において演算回路５１は、体表領域から計画点までの距離（理想飛程）を計測する。
【００６０】
ステップＳＣ７が行われると主制御回路６３は、照射系制御回路１９に判定機能を行わせる（ステップＳＣ８）。ステップＳＣ８において照射系制御回路１９は、計画上の飛程と実際の飛程との差分が許容範囲にあるか否かを判定する。
【００６１】
以下、図１１を参照しながら、ステップＳＣ７及びＳＣ８を説明する。図１１は、超音波画像ＩＵにおける理想飛程ＤＳＰと実飛程ＤＳＢとを示す図である。図１１に示すように、演算回路５１は、理想飛程ＤＳＰとして、体表領域ＲＳＵから計画点ＰＰＵまでの距離を計測し、実飛程ＤＳＢとして、体表領域ＲＳＵから照準点ＰＢＵまでの距離を計測する。より詳細には、理想飛程ＤＳＰは体表領域ＲＳＵのうちの基準点から計画点ＰＰＵまでの距離に規定される。基準点は、図１１に示すように、体表領域ＲＳＵのうちの体内側ではなく、体表側の画素に設定される。基準点は、例えば、図１１に示すように、体表領域ＲＳＵのうちの体表側の画素のうちの、計画点ＰＰＵから最短距離にある画素に設定される。あるいは、基準点は、超音波画像ＩＵに体表入射点が含まれる場合、当該体表入射点に設定されても良いし、超音波画像ＩＵに体表入射点が含まれない場合、当該体表入射点の近傍に設定されても良い。
【００６２】
理想飛程ＤＳＰと実飛程ＤＳＢとが計測されると照射系制御回路１９は、理想飛程ＤＳＰと実飛程ＤＳＢとの差分を算出し、算出された差分が予め設定された許容範囲に収まるか否かを判定する。当該差分が大きければ大きいほど、実際に照射器３５から照射されている粒子線のブラッグピークが計画点ＰＰＵから離れた位置に照準していることを意味する。この場合、腫瘍に計画通りの線量を印加することができず、更に正常組織が損傷するおそれがある。なお、許容範囲は、医療従事者等により任意の値に設定可能である。
【００６３】
なお、理想飛程ＤＳＰと実飛程ＤＳＢとは超音波画像において計測されることに限定されない。すなわち、理想飛程ＤＳＰと実飛程ＤＳＢとは、位置合わせ後の治療計画ＣＴ画像において計測されても良い。
【００６４】
図１２は、治療計画ＣＴ画像ＩＣにおける理想飛程ＤＳＰと実飛程ＤＳＢとを示す図である。図１２に示すように、治療計画ＣＴ画像ＩＣには体表入射点ＰＥが含まれている。従って、超音波画像において計測する場合に比して、理想飛程ＤＳＰと実飛程ＤＳＢとをより厳密に計測することができる。すなわち、理想飛程ＤＳＰは、体表入射点ＰＥから計画点ＰＰＣまでの距離、実飛程ＤＳＢは、体表入射点ＰＥから照準点ＰＢＣまでの距離として計測される。
【００６５】
ステップＳＣ８において差分が許容範囲にあると判定された場合（ステップＳＣ８：ＹＥＳ）、照射系制御回路１９は、ユーザからの入力回路５９等を介した治療開始指示を契機として粒子線の照射を開始する（ステップＳＣ９）。ステップＳＣ９において照射系制御回路１９は、ステップＳＡにおいて決定された治療計画情報に従い照射器３５を制御して粒子線を被検体Ｐ体内の治療対象の腫瘍に照射する。例えば、治療計画時において設定された飛程に応じたエネルギーを有する粒子線が照射される。
【００６６】
ステップＳＣ９が行われると主制御回路６３は、計画された全照射が終了したか否かを判定する（ステップＳＣ１０）。ステップＳＣ１０において全照射が終了していないと判定された場合（ステップＳＣ１０：Ｎｏ）、主制御回路６３は、再びステップＳＣ２に戻り、粒子線の照射下において、次の超音波画像に基づいてステップＳＣ２からステップＳＣ１０までの処理を行う。
【００６７】
一方、ステップＳＣ８において差分が許容範囲にないと判定された場合（ステップＳＣ８：Ｎｏ）、照射系制御回路１９は、照射器３５を制御して粒子線の照射を停止する（ステップＳＣ１１）。粒子線の照射を停止することにより、正常組織の損傷を防止することができる。なお、ステップＳＣ８において粒子線が照射されていない段階において差分が許容範囲にないと判定された場合（ステップＳＣ８：Ｎｏ）、粒子線の照射の停止が継続されることとなる。
【００６８】
ステップＳＣ１０において全照射が終了したと判定されるまで又はステップＳＣ１１において粒子線の照射が停止されるまで、主制御回路６３は、最新の超音波画像に基づいてステップＳＣ２からステップＳＣ１１までの処理を行う。
【００６９】
そしてステップＳＣ１０において全照射が終了したと判定され場合（ステップＳＣ１０：Ｙｅｓ）又はステップＳＣ１１において粒子線の照射が停止された場合、主制御回路６３は、粒子線治療を終了する。
【００７０】
以上により、粒子線治療時における粒子線治療システム１００の処理の流れについての説明を終了する。
【００７１】
なお、上記の図６に示す粒子線治療時における粒子線治療システム１００の処理の流れは一例であって種々の変形が可能である。例えば、ステップＳＣ７、ＳＣ８及びＳＣ９は省略されても良い。この場合、医療従事者は、ステップＳＣ６において表示回路５７により表示された照準点と計画点との位置関係を見て粒子線の照射を継続するか否かを判断すれば良い。
【００７２】
また、上記の図６に示す粒子線治療時における粒子線治療システム１００の処理の流れのステップＳＣ６が省略されても良い。この場合、ブラッグピークの計画点と照準点とを明示した超音波画像の表示が行われること無く、照射系制御回路１９による粒子線の照射と停止との切り替えが行われることとなる。
【００７３】
上記の実施形態においては一門照射を前提としたが、本実施形態は一門照射に限定されず、多門照射にも適用可能である。この場合、粒子線の各照射方向についてステップＳＣ２−ＳＣ１１が繰り返されれば良い。
【００７４】
上記の実施形態において治療計画ＣＴ画像又は粒子線治療時の超音波画像から被検体Ｐの体表領域が同定されるとした。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。例えば、粒子線治療直前に、粒子線治療装置１が設置されている治療室に設置されたＸ線コンピュータ断層撮影装置により被検体Ｐを撮影することにより収集されたコーンビームＣＴ画像から体表領域が同定されても良い。これにより演算回路５１は、治療計画時の治療計画画像よりも粒子線治療時の被検体形状に近い、粒子線治療直前のＣＴ画像を用いて体表領域を同定することができる。よって高精度にブラッグピークの照準点等を推定することができる。
【００７５】
体表領域を同定するための画像として、粒子線治療直前に超音波診断装置により収集された超音波画像が用いられても良い。この場合、体表入射点に超音波プローブを配置することにより超音波画像が収集されると良い。これにより、収集された超音波画像には体表入射点が描出される。また、超音波プローブの角度が粒子線のビームパスの角度に一致するように超音波プローブが配置されると良い。この超音波プローブの配置により、超音波画像に基づいて理想飛程をより高精度に計測することが可能になる。
【００７６】
また、上記の説明において超音波プローブの配置位置は、超音波走査領域ＵＳが腫瘍領域ＲＣを包含可能で、且つ超音波プローブＵＰが粒子線の被検体Ｐの体表への入射点近傍に位置するように決定されるとした（第１の配置決定方法）。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。例えば、以下の第２の配置決定方法や第３の配置決定方法が考えられる。
【００７７】
図１３は、第２の配置決定方法により決定された超音波プローブの配置を示す図である。図１３に示すように、第２の配置決定方法において演算回路５１は、超音波走査領域ＵＳが腫瘍領域ＲＣと入射点ＰＥとを包含可能な超音波プローブＵＰの配置を決定する。超音波プローブＵＰの位置ＰＵＰは、より詳細には、超音波走査領域ＵＳが腫瘍領域ＲＣと入射点ＰＥとの両方を包含可能であり且つ入射点ＰＥから離間する位置に決定される。超音波プローブＵＰの角度については特に制限はない。粒子線の実飛程は、例えば、以下のように計測される。演算回路５１は、超音波画像に含まれる体表入射点ＰＥを同定し、腫瘍領域ＲＣＵから体表入射点ＰＥＯまでの距離を実飛程として計測する。
【００７８】
第２の配置決定方法により決定された配置に超音波プローブが位置決めされた場合、超音波画像には腫瘍領域と体表入射点とが含まれる。この場合、演算回路５１は、超音波画像において体表入射点を特定することができる。例えば、治療計画ＣＴ画像に描出された体表入射点の３次元座標を特定し、超音波画像の画素のうちの、特定された３次元座標と同一座標の画素に点をプロットする。プロットされた点が体表入射点に対応する。演算回路５１は、超音波画像における体表入射点から計画点までの距離を、理想の飛程として計測することができる。超音波画像におけるブラッグピークの計画点は、図６のステップＳＣ４における方法と同様の方法により特定されれば良い。第２の配置決定方法によれば、上記の第１の配置決定方法に比較して、超音波画像に体表入射点が含まれているので、より厳密に飛程を計測することができる。
【００７９】
図１４は、第３の配置決定方法により決定された超音波プローブの配置を示す図である。図１４に示すように、第３の配置決定方法において演算回路５１は、超音波走査領域ＵＳが腫瘍領域ＲＣと当該腫瘍を含む臓器への粒子線の入射点ＰＥＯとを包含可能な超音波プローブＵＰの配置を決定する。第３の配置決定方法は、被検体Ｐの入射点から腫瘍を含む臓器までの間にエアーがある場合での活用を想定している。具体的には、肺を横切って肝臓内の腫瘍に粒子線を照射する場合が想定される。
【００８０】
図１４に示すように、第３の方法に係る治療計画ＣＴ画像は、腫瘍を含む肝臓に関する画像領域（以下、肝臓領域と呼ぶ）ＲＬＩと、肺臓に関する画像領域（以下、肺臓領域と呼ぶ）ＲＬＵとを含む。肺臓領域ＲＬＵは肝臓領域ＲＬＩよりも体表領域ＲＳ側に位置している。腫瘍領域ＲＣＵを通るように粒子線のビームパスＢＰは設定される。粒子線のビームパスＢＰと肝臓領域ＲＬＩの表面との交点は、肝臓領域ＲＬＩへの体表入射点ＰＥＯに規定される。超音波プローブＵＰの位置ＰＵＰは、超音波走査領域ＵＳが腫瘍領域ＲＣと入射点ＰＥＯとの両方を包含可能な位置に決定される。超音波プローブＵＰの角度については特に制限はない。
【００８１】
第３の配置決定方法により決定された配置に超音波プローブが位置決めされた場合、超音波画像には臓器入射点が含まれる。まず演算回路５１は、図６のステップＳＣ４における方法と同様の方法により、超音波画像においてブラッグピークの計画点と臓器入射点とを特定する。そして演算回路５１は、超音波画像に含まれる肝臓領域への臓器入射点を特定し、臓器入射点から計画点までの第１距離を計測する。次に演算回路５１は、治療計画ＣＴ画像において体表入射点から臓器入射点までの第２距離を計測する。次に演算回路５１は、治療計画ＣＴ画像においてビームパスに沿う肺臓領域の経路長（以下、肺臓経路長と呼ぶ）を算出する。そして演算回路５１は、第１距離と第２距離との和から肺臓経路長を減じた距離を理想飛程として算出する。第３の配置決定方法によれば、体表入射点から計画点までの間にビームパスに沿ってエアーが存在する場合であっても、より厳密に飛程を計測することができる。
【００８２】
第３の配置決定方法を用いた場合においては、体表情報を用いずに照準点の特定を行うことも可能である。すなわち、肺臓周辺の部位は呼吸による厚みの変化が小さく、第２距離から肺臓経路長を減じた距離は一定とみなすことができるため、超音波画像上において臓器入射点の位置に基づいて照準点を特定することができる。なお、超音波画像上における臓器入射点は、治療計画ＣＴ画像ＩＣに基づいて求めても良いし、後述の位置センサによって超音波画像ＩＵと実空間との座標変換を特定することにより、超音波画像ＩＵ上にビームパスＢＰをプロットして求めても良い。
【００８３】
第１の配置決定方法、第２の配置決定方法及び第３の配置決定方法の何れかを用いるかは、予め設定されても良いし、医療従事者等により入力回路５９を介して任意に選択されても良い。例えば、第１の配置決定方法と第２の配置決定方法とは、ビームパスに軟部組織が連続している場合に適している。第３の配置決定方法は、ビームパスにエアーが存在している場合に適している。
【００８４】
上記の実施形態において演算回路５１は、座標検出機能５１７を実行し、位置センサからの出力信号を利用して更に高精度にブラッグピークの照準点や実飛程、理想飛程等を推定しても良い。当該位置センサは、例えば、超音波プローブに取り付けられた位置センサや角度センサ（以下、プローブセンサと呼ぶ）である。プローブセンサとしては、例えば、磁気式又は電気式等の既存のセンサ等が利用可能である。また、アーム５２の関節部分や伸縮部分にポテンショメータ等によるセンサを設けて、これをプローブセンサとして機能させることもできる。以下、プローブセンサにより規定される実空間座標系を実空間プローブ座標系と呼ぶことにする。
【００８５】
演算回路５１は、プローブセンサからの出力信号に基づいて超音波プローブの実空間プローブ座標系における３次元座標を特定する。超音波プローブの実空間プローブ座標系と超音波画像の画像座標系（以下、超音波画像座標系と呼ぶ）とは予め対応付けられている。演算回路５１は、超音波プローブの実空間プローブ座標系における３次元座標と、超音波画像に含まれる計画点の超音波画像座標系の座標とに基づいて、当該計画点の実空間プローブ座標系における３次元座標を特定できる。同様に、演算回路５１は、超音波プローブの実空間プローブ座標系における３次元座標と、超音波画像に含まれる体表入射点又はその近傍点の超音波画像座標系の座標とに基づいて、当該体表入射点又はその近傍点の実空間プローブ座標系における３次元座標を特定できる。演算回路５１は、実空間座標系における体表入射点又はその近傍点の３次元座標と計画点の３次元座標とに基づいて実空間プローブ座標系における理想飛程を推定できる。
【００８６】
体表入射点の実空間プローブ座標系等の実空間座標系における３次元座標の特定は、プローブセンサを利用する方法のみに限定されない。例えば、プローブセンサの代わりに３次元センサが利用されても良い。３次元センサは、距離画像センサや超音波センサが用いられる。３次元センサにより粒子線治療時における体表入射点の３次元座標が検出される。従って３次元センサは、当該３次元センサの感知範囲が被検体Ｐの体表入射点を含むように設置される。以下、３次元センサにより規定される実空間座標系を実空間３Ｄ座標系と呼ぶことにする。当該構成により、演算回路５１は、３次元センサからの出力信号に基づいて実空間３Ｄ座標系における被検体Ｐの体表入射点を特定する。これにより、超音波画像に体表入射点が含まれない場合であっても体表入射点の実空間座標系における３次元座標を特定することができる。
【００８７】
体表入射点の３次元座標の特定は、プローブセンサ及び３Ｄセンサを用いる方法のみに限定されない。例えば、演算回路５１は、エピポーラ幾何理論により体表入射点の３次元座標を特定しても良い。具体的には、まず、光学カメラやＸ線診断装置等により体表入射点を２又は３以上の方向から撮影した画像が収集される。次に演算回路５１は、各方向の画像に含まれる体表入射点を、画像処理又は医療従事者等による入力回路５９を介した指示に従い特定する。そして演算回路５１は、各方向の画像に含まれる体表入射点にエピポーラ幾何を適用して体表入射点の実空間座標系における３次元座標を算出することができる。
【００８８】
更に他の方法により体表入射点の３次元座標を特定しても良い。例えば、粒子線治療時においては被検体Ｐの呼吸動を抑えるため、被検体Ｐにベルトが巻かれる。このベルトの表面に磁気式又は電気式等の位置センサが取り付けられても良い。当該位置センサの出力信号に基づいて演算回路５１は、実空間座標系における体表入射点の３次元座標を特定することができる。
【００８９】
また、上記図６のステップＳＣ８において照射系制御回路１９は、理想飛程と実飛程との差分に応じて粒子線の照射と停止とが切り替えるとした。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。例えば、照射系制御回路１９は、腫瘍領域又は計画点の位置と実飛程とに基づいて照射と停止とを切り替える。より詳細には、照射系制御回路１９は、腫瘍領域又は計画点が粒子線の進行方向に存在し、且つ、腫瘍領域又は計画点が粒子線の実飛程の位置及びその近傍にある場合、粒子線の照射を継続する。一方、照射系制御回路１９は、腫瘍領域又は計画点が粒子線の進行方向に存在せず、又は、腫瘍領域又は計画点が粒子線の実飛程の位置及びその近傍にない場合、粒子線を停止する。
【００９０】
腫瘍領域又は計画点が粒子線の進行方向に存在するか否かは、例えば、超音波画像又は治療計画ＣＴ画像においてビームパス上又はビームパスの延長線上に腫瘍領域又は計画点が存在するか否かにより判定される。腫瘍領域又は計画点が粒子線の実飛程の位置及びその近傍にあるか否かは、例えば、超音波画像又は治療計画ＣＴ画像において、体表領域から実飛程に対応する距離にある位置と腫瘍領域又は計画点の位置との差分を計測し、当該差分が閾値より大きいか否かにより判定される。当該差分が閾値より大きい場合、腫瘍領域又は計画点が粒子線の実飛程の位置及びその近傍にないと判定され、当該差分が閾値より小さい場合、腫瘍領域又は計画点が粒子線の実飛程の位置及びその近傍にあると判定される。この切り替え方式によれば、実飛程と理想飛程との差分のみを考慮する場合に比較して、粒子線のビームパスと腫瘍領域又は計画点との位置関係を考慮して、粒子線の照射と停止とを切り替えることができる。
【００９１】
上記の図６に示す処理の流れにおいては、理想の飛程と実際の飛程との差分が許容範囲にない場合、粒子線の照射が停止されるとした。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。すなわち、差分が許容範囲にない場合、差分が低減されるように実際の飛程が調整されても良い。以下、当該実施例について説明する。
【００９２】
図１５は、図３のステップＳＣにおける粒子線治療システムの処理の他の流れを示す図である。なお以下の説明において、図６と略同一の処理については、同一符号を付し、必要な場合にのみ重複説明する。
【００９３】
図１５に示すように、ステップＳＣ１からＳＣ８は図６と同一である。ステップＳＣ８において理想の飛程と実際の飛程との差分が許容範囲にあると判定された場合、（ステップＳＣ８：Ｙｅｓ）、照射系制御回路１９は、ユーザからの入力回路５９等を介した治療開始指示を契機として粒子線の照射を開始する（ステップＳＤ１３）。ステップＳＤ１３において照射系制御回路１９は、ステップＳＡにおいて決定された治療計画情報に従い照射器３５を制御して粒子線を被検体Ｐ体内の治療対象の腫瘍に照射する。例えば、治療計画時において設定された飛程に応じたエネルギーを有する粒子線が照射される。
【００９４】
ステップＳＤ１３が行われると主制御回路６３は、計画された全照射が終了したか否かを判定する（ステップＳＤ１４）。ステップＳＤ１４において全照射が終了していないと判定された場合（ステップＳＤ１４：Ｎｏ）、主制御回路６３は、再びステップＳＣ２に戻り、粒子線の照射下において、次の超音波画像に基づいてステップＳＣ２からステップＳＤ１４までの処理を行う。
【００９５】
一方、ステップＳＣ８において差分が許容範囲にないと判定された場合（ステップＳＣ８：Ｎｏ）、照射系制御回路１９は、差分を略ゼロにするためのエネルギー変調値を決定する（ステップＳＤ９）。エネルギー変調値は、照射器３５から照射される粒子線の現在のエネルギー設定値から変更後のエネルギー設定値の差分に規定される。照射系制御回路１９は、例えば、差分／変調値テーブルを利用してエネルギー変調値を決定する。差分／変調値テーブルは、例えば、記憶回路６１に記憶される。
【００９６】
図１６は、図１５のステップＳＤ９において利用される差分／変調値テーブルの一例を示す図である。差分／変調値テーブルは、理想の飛程と実際の飛程との差分各々についてエネルギー変調値を関連付ける。差分は、理想の飛程に対する実際の飛程の減算値に規定される。差分／変調値テーブルにおいては、上限値から下限値まで、例えば、１ｍｍ毎に差分値が登録される。エネルギー変調値は、飛程を対応差分値だけ拡大又は縮小させるための、照射器３５から照射される粒子線のエネルギーの現在の設定値から変更後の設定値の減算値に規定される。例えば、実際の飛程が理想の飛程よりも−１０ｍｍだけ短い場合、実際の飛程を＋１０ｍｍだけ拡大させる必要がある。実際の飛程を＋１０ｍｍだけ拡大させるためには、例えば、被検体Ｐに入射する粒子線のエネルギーが＋１ＭｅＶだけ増加させる必要があるとする。この場合、図１６に示すように、差分値「−１０ｍｍ」に対応するエネルギー変調値は「＋１ＭｅＶ」である。差分値とエネルギー変調値との関係は、予め実験等により定められると良い。差分値とエネルギー変調値とは、医療従事者等により入力回路５９を介して任意に変更可能である。
【００９７】
照射系制御回路１９は、ステップＳＣ８において算出された差分に基づいて、差分／変調値テーブルを利用して、当該差分に関連付けられたエネルギー変調値を決定する。具体的には、ステップＳＣ８において算出された差分が差分／変調値テーブルに入力されると当該差分に関連付けられたエネルギー変調値が出力される。なお、エネルギー変調値の決定方法は、差分／変調値テーブルを利用する方法のみに限定されない。例えば、差分値とエネルギー変調値との関係式に従い、差分値からエネルギー変調値が算出されても良い。
【００９８】
ステップＳＤ９が行われた場合、主制御回路６３は、エネルギー変調の可否の問い合わせ画面を表示回路５７に表示する（ステップＳＤ１０）。
【００９９】
図１７は、図１５のステップＳＤ１０において表示される問い合わせ画面ＩＳの一例を示す図である。問い合わせ画面ＩＳは、表示欄ＩＳ１、承諾ボタンＩＳ２及び拒否ボタンＩＳ３を有する。表示欄ＩＳ１は、エネルギー変調を許可するか否かの問い合わせに関するメッセージが表示される。例えば、図１７に示すように、「ブラッグピークの照準点を計画点に合わせるために粒子線エネルギーを変更しますか？」が表示される。承諾ボタンＩＳ２は、エネルギー変調の承諾を粒子線治療装置１に通知するための表示ボタンである。承諾ボタンＩＳ２が押下された場合、エネルギー変調の許可信号が主制御回路６３に供給される。拒否ボタンＩＳ３は、エネルギー変調の拒否を粒子線治療装置１に通知するための表示ボタンである。拒否ボタンＩＳ３が押下された場合、エネルギー変調の拒否信号が主制御回路６３に供給される。
【０１００】
問い合わせ画面ＩＳが表示されると主制御回路６３は、入力回路５９を介した、医療従事者からの回答を待機する（ステップＳＤ１１）。エネルギー変調が拒否された場合（ステップＳＤ１１：ＮＯ）、主制御回路６３は、拒否信号を照射系制御回路１９に供給する。照射系制御回路１９は、照射器３５を制御して粒子線の照射を停止する。
【０１０１】
一方、エネルギー変調が許可された場合（ステップＳＤ１１：ＹＥＳ）、主制御回路６３は、許可信号とエネルギー変調値とを照射系制御回路１９に供給する。照射系制御回路１９は、実際の飛程と計画上の飛程との差分を略ゼロにするために、エネルギー変調値に従い照射器３５を制御する。エネルギーの変調は、例えば、回転部３３に設けられたリッジフィルタ、ボーラスフィルタ、マルチリーフコリメータ、レンジシフタ等の種々の粒子線フィルタの粒子線照射方向に関する厚みを変更することにより行われる。例えば、横方向位置に応じて厚みが異なる粒子線フィルタがアクチュエータ等により当該横方向にスライド可能に照射器３５に内蔵される。粒子線エネルギーを増大させる場合、照射系制御回路１９は、アクチュエータを駆動して当該粒子線フィルタを横方向にスライドして、ビームパス上における当該粒子線フィルタの厚みを増大させる。粒子線エネルギーを減少させる場合、照射系制御回路１９は、アクチュエータを駆動して当該粒子線フィルタを横方向にスライドして、ビームパス上における当該粒子線フィルタの厚みを低減させる。
【０１０２】
なお、エネルギーの変調は、加速器１１により与えられる粒子線のエネルギーを変更することにより行われても良い。この場合、主制御回路６３は、許可信号とエネルギー変調値とを加速系制御回路１３に供給する。加速系制御回路１３は、エネルギー設定値とエネルギー変調値との加算値を算出し、当該加算値に対応するエネルギーの粒子線が照射器３５から照射されるように粒子線を加速させる。これにより、理想の飛程と実際の飛程との差分を略ゼロにすることができる。
【０１０３】
ステップＳＤ１４において全照射が終了した判定されるまで又はステップＳＤ１２において粒子線の照射が停止された場合、主制御回路６３は、最新の超音波画像に基づいてステップＳＣ２からステップＳＤ１４が繰り返される。そして、ステップＳＤ１４において全照射が終了した判定された場合（ステップＳＤ１４：ＹＥＳ）又はステップＳＤ１２において粒子線の照射が停止された場合、主制御回路６３は、粒子線治療を終了する。
【０１０４】
このように、本実施形態によれば、理想の飛程と実際の飛程との差分が略ゼロになるように、被検体Ｐに入射する粒子線のエネルギーを調節することができる。これにより、実際の飛程を理想の飛程に略リアルタイムで追従させることができる。従って図６に示す処理の流れとは異なり、図１５に示す処理の流れは、差分が許容範囲にない場合であっても粒子線の照射を停止することなく、粒子線治療を続行させることができる。これにより、粒子線治療のスループットを向上させることができる。
【０１０５】
なお、図１５に示す処理の流れはこれに限定されない。例えば、図１５に示す処理の流れは、ステップＳＣ８において差分が許容範囲でない場合、エネルギー変調値が決定されている。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。例えば、ステップＳＣ８において差分が許容範囲から大きく外れている場合、エネルギー変調値が決定されず、粒子線の照射が停止されても良い。例えば、差分／変調値テーブルに登録されている差分値の最大値よりも、ステップＳＣ８において算出された差分が大きい場合、粒子線の照射が停止されても良い。
【０１０６】
また、上記の実施形態においてプローブ配置決定機能５１１、位置合わせ機能５１２、領域同定機能５１３、ブラッグピーク計画点特定機能５１４、ブラッグピーク照準点推定機能５１５、飛程計測機能５１６及び座標検出機能５１７は、粒子線治療装置１の演算回路５１が実行するものとした。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。例えば、プローブ配置決定機能５１１、位置合わせ機能５１２、領域同定機能５１３、ブラッグピーク計画点特定機能５１４、ブラッグピーク照準点推定機能５１５、飛程計測機能５１６及び座標検出機能５１７の少なくとも一機能は、超音波診断装置３や治療計画装置５に実装されても良い。
【０１０７】
また、上記の実施形態においては、粒子線治療時において収集された超音波画像を利用して図６又は図１５の処理が行われるとした。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。例えば、放射線治療前に同一患者の同一治療部位について時系列の超音波画像が収集されている場合、当該超音波画像に基づいて図６のステップＳＣ２−ＳＣ１０又は図１５のステップＳＣ２−ＳＤ１４が行われても良い。
【０１０８】
上記の説明の通り、本実施形態に係る粒子線治療システム１００は、ガントリ１７、超音波診断装置３、演算回路５１及び表示回路５７を有する。ガントリ１７は、被検体Ｐに粒子線を照射する。超音波診断装置３は、超音波プローブを介して前記被検体Ｐを超音波で走査し、被検体Ｐの腫瘍に関する超音波画像を収集する。演算回路５１は、治療計画時において決定されたブラッグピークの第１の計画点に解剖学的に略一致する、超音波画像におけるブラッグピークの第２の計画点を特定する。演算回路５１は、超音波画像に含まれる体表領域とガントリ１７により照射される粒子線の実際の飛程とに基づいて、ガントリ１７により照射される粒子線のブラッグピークの照準点を推定する。表示回路５７は、第２の計画点と照準点とを明示して超音波画像を表示する。
【０１０９】
上記の構成により、本実施形態に係る演算回路５１は、粒子線治療時においてガントリ１７から照射されている粒子線のブラッグピークが照準している位置である照準点を、比較的安価且つコンパクトな超音波診断装置により収集される超音波画像に基づいて推定することができる。表示回路５７は、推定された照準点と計画点とを明示して超音波画像を表示することにより、医療従事者等に照準点と計画点との位置関係を明瞭に把握させることができる。
【０１１０】
以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、簡易にブラッグピークの位置を確認することができる。
【０１１１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１１２】
１…粒子線治療装置、３…超音波診断装置、５…治療計画装置、１１…加速器、１３…加速系制御回路、１５…輸送系、１７…ガントリ、１９…照射系制御回路、２１…駆動制御回路、３１…固定部、３３…回転部、３５…照射器、３９…駆動装置、５０…コンソール、５１…演算回路、５３…画像処理回路、５５…通信回路、５７…表示回路、５９…入力回路、６１…記憶回路、６３…主制御回路、１００…粒子線治療システム、５１１…プローブ配置決定機能、５１２…位置合わせ機能、５１３…領域同定機能、５１４…ブラッグピーク計画点特定機能、５１５…ブラッグピーク照準点推定機能、５１６…飛程計測機能、５１７…座標検出機能、５１８…配置判定機能。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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