(57)【要約】【課題】連続ビームによるスキャニング照射の最終スポットの遅延線量を、他のスポットに分散させることが出来るため、精度の良い照射を行うことが出来る。【解決手段】荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速された前記荷電粒子ビームを照射する照射ノズルと前記加速器及び前記照射ノズルを制御する制御装置とを有し、前記照射ノズルは、前記荷電粒子ビームで照射対象に設定された複数のスポットを走査する走査電磁石と、前記荷電粒子ビームの照射量を計測する線量モニタとを有し、前記制御装置は前記線量モニタからのスポット線量満了信号を検出した後、所定の時間が経過したのちに走査電磁石の電流指令値を変更するように制御することを特徴とする。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速する加速器と、
加速された前記荷電粒子ビームを照射する照射ノズルと、
前記加速器及び前記照射ノズルを制御する制御装置とを有し、
前記照射ノズルは、
前記荷電粒子ビームで照射対象に設定された複数のスポットを走査する走査電磁石と、
前記荷電粒子ビームの照射量を計測する線量モニタとを有し、
前記制御装置は前記線量モニタからのスポット線量満了信号を検出した後、所定の時間が経過したのちに走査電磁石の電流指令値を変更するように制御す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であって、
前記所定の時間が、同じ層のすべてのスポットで同一であ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であって、
前記所定の時間が、同じ層のいずれか２つのスポットにおいて異な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であって、
前記制御装置は、治療計画装置から受領した治療計画に基づき照射制御を行う際に、付加的に前記所定の時間が経過したのちの走査電磁石の電流値変更を開始する制御を行う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であって、
治療計画装置を有し、
前記治療計画装置において前記所定の時間が経過するように予め治療計画が作成されていることを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項６】
加速器により加速された荷電粒子ビームを走査電磁石により走査しながら、スポット毎にビームをオンオフしない連続ビームによるスキャニング照射を行い、前記スポットでの照射量は線量モニタにより計測され、前記スポットで所定の照射量に達した後、次のスポットへ前記走査電磁石が走査するように照射する粒子線治療システムであって、
各スポットで所定の照射量に達した後から次スポットへの走査開始までの時間をスポット毎に調整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６に記載の粒子線治療システムであって、
各スポットで所定の照射量に達した後、次スポットへの走査開始までの時間が、ビームをオフせずに一筆書きで照射する全てのスポットで一定値に設定されていることを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項８】
請求項６に記載の粒子線治療システムにであって、
各スポットで所定の照射量に達した後、次スポットへの走査開始までの時間が、ビームをオフせずに一筆書きで照射する一連のスポットで次第に大きくなるように設定されていることを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項９】
請求項６に記載の粒子線治療システムであって、
各スポットで所定の照射量に達した後、次スポットへの走査開始までの時間を、調整可能である制御装置を持つ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、シンクロトロンあるいはサイクロトロンなどの粒子線加速器により加速された荷電粒子ビームを、がん患部に照射してがん治療を行う粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療では、シンクロトロンあるいはサイクロトロンと呼ばれる加速器で加速された荷電粒子ビームを、治療室までビーム輸送系で輸送して、治療室のベッドに横たわる患者の患部に照射して、がん治療を行う。荷電粒子ビームは、照射ノズルにより患者により異なるがん患部に照射出来るようにビームが適切に整形されて照射される。適切な線量分布を形成する方法について、例えば、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第5496414号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】T.Inaniwa, et al. “Optimization for fast-scanning irradiation in particle therapy”, Med.Phys.34 (2007) 3302-3311.
【非特許文献２】T.Furukawa, et al. “Design study of a raster scanning system for moving target irradiation in heavy-ion radiotherapy”, Med.Phys.34 (2007) 1085-1097.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
荷電粒子ビームを照射するにあたり、散乱体で加速器からのビームを散乱させて患部に合わせてコリメータなどでビーム形状を成形する照射方法や、より患部形状に合致した高精度の照射が可能な照射方法として、走査電磁石と呼ばれる一対の電磁石によりＸ方向、Ｙ方向の二次元面内でのビーム走査して、加速器からの細いビームを走査しながら照射するスキャニング照射などの方法がある。
【０００６】
スキャニング照射では患部を一様な線量で照射するために複数の照射方式がある。離散スポット照射と呼ばれるスキャニング照射法では、患部にビームを照射していく照射スポットを配置し、各照射スポットの所定の照射量に達すると、ビームを一旦オフ、次スポットに移動して再度ビームをオンして照射を行うことを繰り返す照射方法である。離散スポット照射では、各スポットでビームをオンオフし、スポットで走査停止中にビームを照射する。離散スポット照射では、スポットの照射位置、エネルギー、照射量は治療前にあらかじめ治療計画装置によって決められる。離散スポット照射方式で各スポットを照射していく時は、荷電粒子ビームの照射位置と照射量を測定しており、決められた照射スポットに所定の照射量だけビームを照射していく。患部の深さ方向のエネルギー変更には、荷電粒子ビームのエネルギーを加速器あるいは照射ノズル内のレンジシフタと呼ばれるエネルギー吸収体の量を変更して深さ方向の照射スポットを変化させる。
【０００７】
離散スポット照射に対して、スポット毎にビームをオンオフしない連続ビーム照射と呼ばれる照射法がある。これは照射スポットで所定の線量が満了すると次の照射スポットに移動する点においては、離散スポット照射と同じであるが、照射スポットを移動する間もビームをオフすることなくビームを照射したまま移動する点に特徴がある照射法である。連続ビームによるスキャニング照射では、スポット間もビームを照射することから、離散スポット照射と異なり、同じエネルギーで照射する照射スポットを照射していく経路を治療計画で決定する必要がある。また、スポット間もビームを照射することから、加速器のビーム強度を制御してスポット間移動中に所定の線量より照射し過ぎることがないように、治療計画であらかじめ連続ビームで照射していくときのビーム強度を決める必要がある。深さ方向のエネルギー変更は、離散スポット照射と連続ビーム照射で特に異なる点はなく、同一である。
【０００８】
以上のように、加速器からの細いビームを直接走査しながら患部を照射していく照射方法がスキャニング照射である。
【０００９】
連続ビームによるスキャニング照射では、一筆書きの走査経路でスポットを照射していく。同じレイヤの最終スポットでビーム遮断に有限の応答時間があるため、照射量が増加し局所的に線量が増加する可能性がある。これにより本来一様な線量で照射したい箇所の線量分布に悪影響を及ぼしていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
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、荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速された前記荷電粒子ビームを照射する照射ノズルと前記加速器及び前記照射ノズルを制御する制御装置とを有し、前記照射ノズルは、前記荷電粒子ビームで照射対象に設定された複数のスポットを走査する走査電磁石と、前記荷電粒子ビームの照射量を計測する線量モニタとを有し、前記制御装置は前記線量モニタからのスポット線量満了信号を検出した後、所定の時間が経過したのちに走査電磁石の電流指令値を変更するように制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、連続ビームによるスキャニング照射の最終スポットの遅延線量を、他のスポットに分散させることが出来るため、精度の良い照射を行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】粒子線治療システムの全体構成を示す図である。
【図２】粒子線スキャニング照射ノズルを示す図である。
【図３】患部をスキャニング照射していく時の、荷電粒子ビームと照射スポットを示す図である。
【図４】深さ方向の線量分布を示す図である。
【図５】連続ビームによるスキャニング照射の一筆書きの走査経路を示す図である。
【図６】タイムチャートを示す図である。
【図７】本発明によるタイムチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明を実施する具体的な形態について、図を用いて詳しく説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態である粒子線治療システムの全体構成を示す。粒子線治療システムは、荷電粒子ビーム（以下、ビーム）９０を加速する加速器２０と、加速されたビーム９０を照射ノズルまで輸送するビーム輸送系３０と、患部にビームを照射する照射ノズル４０と、治療台５０と、治療計画を作成する治療計画装置１０と、全体制御装置１１と、加速器・ビーム輸送系制御装置１２と、照射ノズル制御装置１３を備える。また、加速器２０は、入射器２１とシンクロトロン加速器２２を備える。加速器２０で光速の６、７割まで加速されたビーム９０は、ビーム輸送系３０に配置された偏向電磁石３１により真空中を磁場で曲げられながら照射ノズル４０まで輸送される。照射ノズル４０でビーム９０は照射領域の形状に合致するように整形され、照射対象に照射される。照射対象は、例えば治療台５０に横になった患者５の患部５１などである。
【００１６】
図２は、本発明の一実施形態である粒子線スキャニング用の照射ノズル４０を示す。照射ノズル４０では、水平、垂直方向用の走査電磁石４１Ａ、４１Ｂにより二次元平面内にビーム９０を走査する。走査電磁石４１Ａ、４１Ｂにより走査されたビーム９０は、患部５１に照射される。線量モニタ４２は各照射スポットに照射されたビーム９０の照射量を測定する。線量モニタ制御装置７２は、各照射スポットに照射する照射量を制御する。位置モニタ４３は各照射スポットのビーム位置（例えば重心の位置）を計測する。位置モニタ制御装置７３は、位置モニタ４３で計測したビーム位置のデータをもとに照射スポットの位置及び幅の演算を行い、ビーム９０の照射位置を確認する。リッジフィルタ４４は、ブラッグピークを太らせるために必要な場合に使用する。また、レンジシフタ４５を挿入してビーム９０の到達位置を調整しても良い。
【００１７】
スキャニング照射は、あらかじめ図１に示す治療計画装置１０で患部を一様な線量で照射するための照射スポットの位置と各照射スポットに対する目標照射量を計算する。粒子線スキャニング照射により患部を照射していく際の概略図を図３に示す。患部５１を複数の層５２に分割し、各層５２内は同じエネルギーのビーム９０で照射していく。層５２内には照射スポット５３が複数配置される。  
図１に示す治療計画装置１０で計算された患者毎のデータは、図１に示す粒子線治療システムの全体制御装置１１に送られる。全体制御装置１１から加速器・ビーム輸送系制御装置１２にエネルギー変更、ビームの出射信号又は出射停止信号などを出力する。全体制御装置１１から各照射スポットの座標値、照射量を照射ノズル制御装置１３に送る。照射スポットの座標値は、走査電磁石４１Ａ、４１Ｂの励磁電流値に変換されて、図２に示す走査電磁石電源制御装置７１に送られる。
【００１８】
治療計画装置で配置されたある照射スポット５３に対して、定められた照射量のビーム９０を照射すると、次の照射スポット５３を照射する。ある層５２の照射が完了すると、次の層５２の照射を行う。まず、ビーム進行方向、すなわち患部深さ方向の照射位置変更には、ビームのエネルギーを変更する。あるいは照射ノズル４０内のエネルギー吸収体であるレンジシフタ４５の厚さを変化させても良い。ビームのエネルギーが変化すると、ビームの体内到達位置が変わる。エネルギーの高い荷電粒子ビームは、体内の深い位置まで到達し、エネルギーの低い荷電粒子ビームは体内の浅い位置までしか到達しない。粒子線スキャニング照射では、深さ方向に一様な線量分布を形成するために、層ごとにビームのエネルギーを変更して、エネルギーごとの照射量を適切に配分することにより深さ方向のSOBP(Spread Out Bragg Peak)を形成する。各エネルギーの照射量を適切に配分することで各エネルギーのブラッグカーブ８１を重ね合わせて、図４に示すように深さ方向に一様な線量分布SOBP８２を形成する。
【００１９】
次に、スキャニング照射の横方向の照射について説明する。治療計画装置１０では、患部を一様な線量で照射するための照射スポット５３を図３に示すようにビームのエネルギー毎に配置する。照射スポット５３を移動する際にビームをスポット毎にオンオフせずに照射する照射方法を連続ビーム照射と呼ぶ。また、照射スポット５３を移動する際にビームを一旦オフしてから次のスポットに移動し、再度ビームをオンして次スポットの照射を行う方式を離散スポット照射と呼ぶ。本実施例では、連続ビーム照射によるスキャニングを行う。
【００２０】
連続ビームによる治療計画では、照射スポット間もビームを照射することから、荷電粒子ビームの走査経路を決めることが必要である。連続ビームによるスキャニング照射におけるあるエネルギーの層５２の走査経路の例を図５に示す。図５では点が照射スポットを表し、直線が一筆書きの走査経路を表す。図５に示すように、連続ビームによるスキャニングでは照射スポットの間もビーム照射することから、隣り合うスポットを効率よく一筆書きの走査経路で照射出来るように走査経路を決める必要がある。走査経路が最適になっていないと、スポット毎の線量の管理が出来ないだけでなく、患部以外の余計な領域にも線量を照射してしまうことになるからである。
【００２１】
走査経路の決定方法は、すべての照射スポット５３を走査した時の走査距離が最小になるように巡回セールスマンアルゴリズムを用いて決定するのが良い。また、照射スポット５３間に照射する照射量を管理するために、ビーム強度を決めていく必要がある。連続ビーム照射では、照射スポット５３間を移動している間の照射量も線量モニタ４２で計測しており、次に停止する照射スポットに停止中の照射量と移動中の照射量が加算されて、そのスポットに照射される照射量となるため、スポット間移動中の変動によりビーム強度が大きくなりすぎると、照射スポット間に次に停止するスポットの照射量が満了してしまうため、治療計画装置では、照射スポット間で満了しないような適切なビーム強度を、ビーム強度の変化幅を考慮した上で決定する必要がある。非特許文献１では、スポット間の線量を考慮して連続ビーム照射の治療計画を作成する技術が開示されている。また、非特許文献２では、ビーム強度を制御した加速器運転に基づく連続ビーム照射の技術が開示されている。
【００２２】
図５に示す照射スポット５３を連続ビームで照射していく時のタイムチャートを図６に示す。図５は多数の照射スポットと走査経路を示しているが、図６のタイムチャートでは、３スポットの照射の例を示している。図６は、上下に３種類のタイムチャートを記載しており、上から加速器のビーム強度、線量モニタ４２により計測された線量の積算値、走査電磁石電源に印加する電流の時間変化を示す。
【００２３】
図６において、まず加速器のビーム強度はスポット１でビームオンになるとビーム強度が指令値に基づき一定（図６でビーム強度Ｉと記載）となるように制御されており、スポット３で照射が終了するまで、ビーム強度は治療計画で決められた一定値をとっている。そのため、線量モニタ４２の積算線量は、時間がたつにつれて直線的に増加している。スポット１、２、３の照射量をそれぞれＱ１、Ｑ２、Ｑ３とすると、線量モニタ制御装置７２は、各スポットの満了する値を積算でメモリ上にもっている。すなわち、スポット１、２、３の線量満了値はそれぞれＱ１、Ｑ１＋Ｑ２、Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３である。線量モニタ４２の積算計測値がスポット１、２、３の満了値に達すると、線量満了信号が線量モニタ制御装置７２から照射ノズル制御装置１３に送られる。図６で、スポット１、２、３の線量満了する時間はそれぞれｔ１、ｔ２、ｔ３と記載されている。照射ノズル制御装置１３はこの満了信号を受け取り、走査電磁石電源制御装置７１に次スポットに移動する信号を送り、その信号をもとに走査電磁石電源６１Ａ、６２Ａの電流が変化して次スポットに移動を開始する。
【実施例１】
【００２４】
本発明を実施する第１の実施例を図７を用いて説明する。
【００２５】
図７で加速器のビーム強度の時間変化と、線量モニタの積算線量値の時間変化は図６の方式と同じである。ビーム強度は指令値に基づき一定であるように制御されるが、応答遅れがあるため、スポット１の照射し始めは時間当たりの照射量が少なくなり、スポット３を照射し終わった後は余剰な照射量が生じる可能性がある。スポット１における時間当たりの照射量が少ない箇所は、スポット１への積算線量により管理されるためスポット１への線量が低下する問題は起きない。しかしスポット３の後の線量についてはスポット３への積算線量の積算が終わった後生じるため、実際の線量分布の一様性を低下させる可能性がある。
【００２６】
本実施例では、スポット１での線量満了の時刻ｔ１から、次スポットへの移動開始するために走査電磁石電流値を変更開始するまでの時間ｔ１’をある有限値だけ遅らせる。図７では、スポット１の線量満了からスポット１から２への移動開始時間をΔｔ１だけ遅らせている。また、スポット２から３への移動開始時間をΔｔ２だけ遅らせている。この有限の時間遅れは、最終スポットでの過剰線量の照射時間ΔＴよりは小さいとする。図７では、スポット１の照射量が、ビーム強度をＩとすると、Ｉ×Δｔ１だけ増加し、スポット２の照射量は、Ｉ×（Δｔ２−Δｔ１）だけ増加する。最終スポットであるスポット３の照射量は、Ｉ×Δｔ２だけ減少することとなる。
【００２７】
本実施例は粒子線治療システムの全体制御装置により実行させることができる。治療計画装置から受領した治療計画に基づき照射するなかで、走査電磁石の電流値指令を行う際に、満了信号を検知した後あらかじめ指定されたΔtだけ遅らせるように照射制御する。また別の方法として、Δtは、治療計画装置に対してあらかじめ設定されていてもよいし、スポット数や重要臓器の位置、ビーム強度等に基づき、奨励値を治療計画装置が設定してもよい。その場合、Δtだけずれて照射スポット間を移動するように治療計画上設定される。
【００２８】
このように同じエネルギーで照射していく層で一筆書きの走査経路で走査していくすべての照射スポットで、線量満了から次スポットへの移動開始時間を遅らせることにより、最終スポットの過剰線量を最終スポット以外に分配することが可能となる。
【００２９】
本実施例以外の最終スポットでの線量一様性低下を抑制する方法として、例えば特許文献１では最終スポットで走査電磁石をある範囲内で高速に走査することで、遅延線量による線量分布の悪化を希釈する方法が開示されている。しかし、この方法では、希釈するために有限の範囲が必要であり、場合によってはスポットから外れた領域、すなわち患部以外の領域に遅延線量が照射される課題がある。本実施例では、最終スポットの過剰線量を一筆書きで照射していく各スポットに分配することが出来るため、治療計画で決められた照射スポット以外の領域への線量付与を低減することができる。  以上より、本実施例により連続ビームによるスキャニング照射において、従来発生していた最終スポットでの過剰線量を、同じエネルギーで一筆書きで照射していくすべての照射スポットに分散させることが可能となるため、従来より線量分布の悪化を緩和することが可能となる。
【００３０】
本実施例の方法は、治療計画を変更せずとも、粒子線治療システムの全体制御装置側で付加的に実施することで実施できるため、改修や治療計画装置側での処理負荷を低減できる。
【実施例２】
【００３１】
上記実施例と重複する内容は説明を省略する。
【００３２】
本実施例の粒子線治療システムは、線量満了から走査開始までの時間遅れΔtをすべてのスポットで一定値となるように制御する。これにより、一筆書きで照射していく最初のスポットと最後のスポットの２か所に過剰線量を分散させることが可能となる。
【００３３】
本実施例において、一定値の遅れ△tを利用することにより、制御を単純化でき、全体として照射精度を向上させ、また最初と最後のスポット以外における線量分布について、本実施例を適用しなかった治療計画で設定されたものからの変動の影響を低減できる効果が得られる。
【実施例３】
【００３４】
上記実施例と重複する内容は説明を省略する。
【００３５】
本実施例の粒子線治療システムは、線量満了から走査開始までの時間遅れをスポットが進行していくにつれて大きくなるように制御する。例えば図７でΔｔ１よりΔｔ２を大きくする。これにより、実施例２では、最初のスポットと最後のスポットの２か所に過剰線量を分散させていたものが、一筆書きで照射していくすべてのスポットに均等に過剰線量を分散させることが可能となる。
【００３６】
本実施例により、照射精度をさらに向上させることができる。
【符号の説明】
【００３７】
５： 患者
１０：治療計画装置
１１：全体制御装置
１２：加速器、ビーム輸送系制御装置
１３：照射ノズル制御装置
２０：加速器
２１：入射器
２２：偏向電磁石
３０：高エネルギービーム輸送系
３１：偏向電磁石
４０：照射ノズル
４１Ａ、４１Ｂ:走査電磁石
４２：線量モニタ
４３：位置モニタ
４４：リッジフィルタ
４５：レンジシフタ
５０：治療ベッド
５１：患部
５２：同じエネルギーで照射する患部のレイヤ
５３照射スポット
６１Ａ、６１Ｂ：走査電磁石電源
７１：走査電磁石電源制御装置
８１：ブラッグカーブ
８２：拡大ブラッグピーク（SOBP）
９０：荷電粒子ビーム
【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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