(57)【要約】【課題】粒子線ビームの照射中に線量プロファイルをモニタリングし、実際の照射状況を視覚的かつ定量的に確認することができる粒子線ビーム照射装置を提供する。【解決手段】本発明に係る粒子線ビーム照射装置は、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各スライスに対して、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、ビーム走査部と患者との間に配置され、透過する前記粒子線ビームの粒子線線量に応じた光量で発光する蛍光体板と、蛍光体板をスライス毎に撮像する撮像部と、撮像部で撮像された画像データからスライス毎の照射線量の分布を求め、求めた照射線量の分布を前記粒子線ビームの走査位置と関連付けて表示する表示部と、を備えたことを特徴とする。【選択図】  図５
2011050585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子線ビームを生成するビーム生成部と、
前記粒子線ビームの出射を制御するビーム出射制御部と、
照射対象の患部を前記粒子線ビームの軸方向に分割した各スライスに対して、前記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、
前記ビーム走査指示部からの指示信号に基づいて前記粒子線ビームを２次元で走査するビーム走査部と、
前記ビーム走査部と患者との間に配置され、透過する前記粒子線ビームの粒子線線量に応じた光量で発光する蛍光体板と、
前記蛍光体板を前記スライス毎に撮像する撮像部と、
前記撮像部で撮像された画像データから前記スライス毎の照射線量の分布を求め、求めた前記照射線量の分布を前記粒子線ビームの走査位置と関連付けて表示する表示部と、
を備えたことを特徴とする粒子線ビーム照射装置。
【請求項２】
前記蛍光体板は、前記粒子線ビームの軸方向に対して略垂直に配設され、
前記撮像部は、前記蛍光体板と前記患者との間であって、前記粒子線ビームの走査領域から離隔した位置に配置され、前記蛍光体板の前記患者に対向する面を所定の傾斜角をもって撮像する、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項３】
前記蛍光体板には、特定の波長に強度のピークを有する蛍光体が取り付けられ、
前記撮像部には、特定の波長を選択的に通過させるフィルタが取り付けられている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項４】
前記フィルタは赤外域の波長を選択的に通過させるフィルタである、
ことを特徴とする請求項３に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項５】
前記撮像部は、
撮像素子と前記撮像素子を露光するために開閉するシャッタを具備し、
前記スライス毎の撮像期間中において、前記粒子線ビームが実際に出射されているときにはオンとなり、出射されていないときにはオフとなる出射許可信号を入力し、
前記出射許可信号がオンの期間は前記シャッタを開放し、前記出射許可信号がオフの期間は前記シャッタを閉じる、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項６】
前記撮像部は、
撮像素子と前記撮像素子に入力される光量を増幅するイメージインテンシファイアを具備し、
前記スライス毎の撮像期間中において、前記粒子線ビームが実際に出射されているときにはオンとなり、出射されていないときにはオフとなる出射許可信号を入力し、
前記出射許可信号がオンの期間は前記イメージインテンシファイアをオンにし、開放し、前記出射許可信号がオフの期間は前記イメージインテンシファイアをオフにする、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項７】
前記イメージインテンシファイアは、前記粒子線ビームのビーム強度及び予め設定されているスライス照射時間に基づいて光量増幅の利得が前記スライス毎に変更される、
ことを特徴とする請求項６に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項８】
前記撮像部で撮像された画像データから、前記粒子線ビームの走査位置に対する照射線量の分布を前記スライス毎に求める一方、計画値として予め設定しているスライス毎の基準照射線量分布と求めた照射線量の分布とを比較判定し、両者の差が所定の閾値よりも大きいと判定された場合には、前記粒子線ビームの出射を停止するためのインターロック信号を出力する、照射状態監視部、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項９】
前記照射状態監視部は、
前記画像データの画素毎の照射線量と、前記基準照射線量分布における画素毎の照射線量との偏差の自乗総和が所定の閾値よりも大きいと判定された場合には、前記粒子線ビームの出射を停止するためのインターロック信号を出力する、
ことを特徴とする請求項８に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項１０】
前記ビーム走査部の後段には、前記粒子線ビームを通過させる外光から遮断された真空ダクトが設けられており、
前記蛍光体板は、前記真空ダクト内に前記粒子線ビームの軸方向に対して傾斜して配設され、
前記撮像部は、前記真空ダクトの側壁に設けられた撮像窓を通して前記蛍光体板を撮像する、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項１１】
粒子線ビームを生成し、
前記粒子線ビームの出射を制御し、
照射対象の患部を前記粒子線ビームの軸方向に分割した各スライスに対して、前記粒子線ビームの位置を２次元で順次指示し、
指示された前記粒子線ビームの位置に基づいて前記粒子線ビームを２次元で走査し、
前記ビーム走査部と患者との間に配置され、透過する前記粒子線ビームの粒子線線量に応じた光量で発光する蛍光体板を前記スライス毎に撮像し、
前記蛍光体板を撮像された画像データから前記スライス毎の照射線量の分布を求め、求めた前記照射線量の分布を前記粒子線ビームの走査位置と関連付けて表示する、
ステップを備えたことを特徴とする粒子線ビーム照射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線ビーム照射装置および粒子線ビーム照射方法に係り、特に、炭素等の重粒子線ビームや陽子ビーム等を患部に照射し、がん治療を行う粒子線ビーム照射装置および粒子線ビーム照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、がんは日本国における死因の第１位であり、毎年３０万人以上の国民ががんによって死亡している。このような状況の中、治療効果が高い、副作用が少ない、身体的負担が小さい等の優れた特徴を持つことから、炭素等の重粒子ビームや陽子ビーム等を用いた粒子線治療方法が注目されている。この治療方法によれば、加速器から出射された粒子線ビームをがん細胞に照射することで、正常細胞に与える影響を小さくしながら、がん細胞を死滅させることができる。
【０００３】
この治療方法において、現在使用されている粒子線ビーム照射方法は、拡大ビーム法と呼ばれる方法である。この拡大ビーム法では、粒子線ビームをワブラ法あるいは二重散乱体法と呼ばれる方法によりビーム径を患部サイズ以上に拡大する。その後、形状コリメータと呼ばれる真ちゅう製コリメータにより照射領域を制限することにより、ビーム形状を実質的に患部形状に合致させる。また、ビーム進行方向（ビーム軸方向）にはリッジフィルタと呼ばれるビーム飛程拡大装置によりビームを拡大し、ボーラスと呼ばれるポリエチレン製のビーム飛程整形装置によってビーム停止位置を深い位置での患部形状（外郭）に合致させて照射する。
【０００４】
しかしながら、上記の拡大ビーム法は厳密には３次元的に患部形状に合致させることができないため、患部周りの正常細胞への影響を小さくするには限界がある。また、形状コリメータやボーラスは患部（さらには患部に対する照射方向）毎に製作されるので、治療照射後にはこれらが放射線廃棄物として残ってしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、粒子線治療のさらに進んだ照射法として、体内患部を３次元的に照射することにより、より高精度にがん細胞の狙い撃ちを行う、３次元照射法が開発された（特許文献１等参照）。
【０００６】
この方法は、治療部位を仮想的に３次元格子点に切り分け各格子点に対して照射を行う。このような３次元照射方法では、形状コリメータやボーラスを用いることなく、ビーム軸方向についても精度よく患部に合わせることが可能になり、従来の２次元的照射方法と比較して正常細胞への被爆を抑制することができる。
【０００７】
この３次元スキャニング照射法においては、次のように患部の照射を行っていく。まず、ビームのエネルギーが届く体表面からの深さ位置を設定するために照射ビームのエネルギーが選択される。そしてこの深さにあるビーム軸に垂直な面（スライス）上を、スキャニング電磁石を用いてビームをＸ方向、Ｙ方向に２次元走査して該当する患部のスライスを照射していく。そしてスライス上の患部領域をすべて走査し終わったら、ビームの深さ位置が次のスライス上になるようにビームエネルギーを変更し、同様にそのスライス上の患部領域を走査していく。患部を深さ方向に切り分けたすべてのスライスに対してこのような照射を繰り返し、患部全体の照射が完了する。
【０００８】
治療を行う上で、照射がどのように行われているかを確認することは、治療の安全性を確保する上で重要である。その一つの方法として、ビーム位置を随時チェックするためのスポット位置モニタ装置がスキャニング電磁石の後段に取り付けられている。このスポット位置モニタ装置には、信号電極をマルチストリップに分割した電離箱方式のものや、マルチワイヤで形成した比例計数管方式のモニタが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【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】
【００１０】
しかし、これらモニタ装置から得られる情報は、あくまでも各ビームスポットの中心を離散的に示す位置情報であり、スポット位置の重ね合わせとして形成される連続的な線量分布は、スポット位置モニタ装置からは得ることができない。
【００１１】
一方、医師や技師にとっては、照射中に線量プロファイル（Ｘ方向及びＹ方向の線量の２次元分布、或はこの２次元分布から切り出したＸ方向、Ｙ方向の線量の１次元分布）を視覚的に確認できることが望まれる。例えば、スライス毎に線量プロファイルが表示されれば、照射が正確に行われていることを確認しながら治療をおこなっていくことができて、安心感を持って治療を行うことが可能になる。しかし、照射中に線量プロファイルをモニタリングするような方法は現在実現されていない。
【００１２】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、粒子線ビームの照射中に線量の２次元、或は１次元分布をモニタリングし、実際にどのような照射が行われているかを視覚的かつ定量的に確認することができる粒子線ビーム照射装置および粒子線ビーム照射方法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】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明に係る粒子線ビーム照射装置は、粒子線ビームを生成するビーム生成部と、前記粒子線ビームの出射を制御するビーム出射制御部と、照射対象の患部を前記粒子線ビームの軸方向に分割した各スライスに対して、前記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、前記ビーム走査指示部からの指示信号に基づいて前記粒子線ビームを２次元で走査するビーム走査部と、前記ビーム走査部と患者との間に配置され、透過する前記粒子線ビームの粒子線線量に応じた光量で発光する蛍光体板と、前記蛍光体板を前記スライス毎に撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像された画像データから前記スライス毎の照射線量の分布を求め、求めた前記照射線量の分布を前記粒子線ビームの走査位置と関連付けて表示する表示部と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る粒子線ビーム照射方法は、粒子線ビームを生成し、前記粒子線ビームの出射を制御し、照射対象の患部を前記粒子線ビームの軸方向に分割した各スライスに対して、前記粒子線ビームの位置を２次元で順次指示し、指示された前記粒子線ビームの位置に基づいて前記粒子線ビームを２次元で走査し、前記ビーム走査部と患者との間に配置され、透過する前記粒子線ビームの粒子線線量に応じた光量で発光する蛍光体板を前記スライス毎に撮像し、前記蛍光体板を撮像された画像データから前記スライス毎の照射線量の分布を求め、求めた前記照射線量の分布を前記粒子線ビームの走査位置と関連付けて表示する、ステップを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る粒子線ビーム照射装置および粒子線ビーム照射方法によれば、粒子線ビームの照射中に線量の２次元、或は１次元分布をモニタリングし、実際にどのような照射が行われているかを視覚的かつ定量的に確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の粒子線ビーム照射装置の構成例を示す図。
【図２】従来の粒子線ビーム照射方法の一例を示すフローチャート。
【図３】スライスに対するビーム照射パターンの一例を示す図。
【図４】従来の粒子線ビーム照射方法のビーム位置モニタ方法の一例を示す図。
【図５】第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の構成例を示す図。
【図６】撮像部の構成例を模式的に示す図。
【図７】室内灯、蛍光体、波長選択フィルタの各波長の一例を示す第１の図。
【図８】室内灯、蛍光体、波長選択フィルタの各波長の一例を示す第２の図。
【図９】第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射方法の一例を示すフローチャート。
【図１０】第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射方法の一例を示すタイミングチャート。
【図１１】線量プロファイルの表示例と照射状態監視方法の概念を示す図。
【図１２】第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の構成例を示す図。
【図１３】第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射方法の一例を示すタイミングチャート。
【図１４】第３の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る粒子線ビーム照射装置および粒子線ビーム照射方法の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１８】
（１）従来装置の構成及び動作
図１は、本発明の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１（図５）との比較のため、従来の粒子線ビーム照射装置３００の構成例を示した図である。粒子線ビーム照射装置３００は、ビーム生成部１０、ビーム出射制御部２０、ビーム走査部３０、真空ダクト３１、ビーム走査指示部４０、線量モニタ部５０、位置モニタ部５１、リッジフィルタ６０、レンジシフタ７０、等を備えて構成されている。
【００１９】
粒子線ビーム照射装置３００は、炭素等の粒子や陽子等を高速に加速して得られる粒子線ビームをがん患者１００の患部２００に向けて照射し、がん治療を行う装置である。粒子線ビーム照射装置３００では、患部２００を３次元の格子点に離散化し、各格子点に対して細い径の粒子線ビームを順次走査する３次元スキャニング照射法を実施することが可能である。具体的には、患部２００を粒子線ビームの軸方向（図１右上に示す座標系におけるＺ軸方向）にスライスと呼ばれる平板状の単位で分割し、分割したスライスＺi、スライスＺi+1、スライスＺi+2等の各スライスの２次元格子点（図１右上に示す座標系におけるＸ軸及びＹ軸方向の格子点）を順次走査することによって３次元スキャニングを行っている。
【００２０】
ビーム生成部１０は、炭素イオンや陽子等の粒子を生成すると共に、シンクロトロン等の加速器（主加速器）によってこれらの粒子を患部２００の奥深くまで到達できるエネルギーまで加速して粒子線ビームを生成している。
【００２１】
ビーム出射制御部２０では、制御部８０から出力される制御信号に基づいて、生成された粒子線ビームの出射のオン、オフ制御を行っている。
【００２２】
ビーム走査部３０は、粒子線ビームをＸ方向及びＹ方向に偏向させ、スライス面上を２次元で走査するものであり、Ｙ方向に走査するＹ用電磁石３０ａとＸ方向に走査するＸ用電磁石３０ｂを備えている。Ｙ用電磁石３０ａおよびＸ用電磁石３０ｂに対しては、走査位置を指示する指示信号として、各電磁石の駆動電流がビーム走査指示部４０から印加される。
【００２３】
レンジシフタ７０は、患部２００のＺ軸方向の位置を制御する。レンジシフタ７０は、例えば複数の厚さのアクリル板から構成されており、これらのアクリル板を組み合わせることによってレンジシフタ７０を通過する粒子線ビームのエネルギー、即ち体内飛程を患部２００スライスのＺ軸方向の位置に応じて段階的に変化させることができる。レンジシフタ７０による体内飛程の大きさは通常等間隔で変化するように制御され、この間隔がＺ軸方向の格子点の間隔に相当する。なお、体内飛程の切り替え方法としては、レンジシフタ７０のように粒子線ビームの径路上に減衰用の物体を挿入する方法のほか、上流機器の制御によって粒子線ビームのエネルギー自体を変更する方法でもよい。
【００２４】
リッジフィルタ６０は、ブラッグピークと呼ばれる体内深さ方向における線量のシャープなピークを拡散させるために設けられている。ここで、リッジフィルタ６０によるブラッグピークの拡散幅は、スライスの厚み、即ちＺ軸方向の格子点の間隔と等しくなるように設定される。３次元スキャニング照射用のリッジフィルタ６０は、断面が略２等辺三角形のアルミニウム棒状部材を複数並べて構成している。粒子線ビームが２等辺三角形を通過する際に生じる径路長の差異によってブラッグピークのピークを拡散させることが可能であり、２等辺三角形の形状によって拡散幅を所望の値に設定することができる。
【００２５】
線量モニタ部５０は、照射する線量をモニタするためのものであり、その筐体内に、粒子線の電離作用によって生じた電荷を平行電極で収集する電離箱や、筐体内に配置された二次電子放出膜から放出される二次電子を計測するＳＥＭ（Secondary  Electron  Monitor）装置等によって構成されている。
【００２６】
位置モニタ部５１は、ビーム走査部３０によって走査された粒子線ビームが正しい位置にあるかどうかを識別するためのものである。線量モニタ部５０と類似した構成を有し、電荷収集用の電極が例えば短冊状に分割されたものや、複数のワイヤからなる電極がＸ方向及びＹ方向に夫々並んで配列されている。
【００２７】
制御部８０は、粒子線ビーム照射装置１全体の制御をおこなうためのものであり、ビーム出射制御部２０に対するビーム出射のオン、オフ制御、ビーム走査指示部４０に対するビーム走査に関する指示、レンジシフタ７０に対するスライス変更に伴うレンジシフト量の制御等を行っている。
【００２８】
ビーム走査指示部４０では、制御部８０からの指示に基づいてスライス毎のＸ方向、Ｙ方向の走査位置や走査タイミングを決定し、Ｙ用電磁石３０ａやＸ用電磁石３０ｂに対する駆動電流をビーム走査部３０に出力している。
【００２９】
図２は、従来の装置における３次元スキャニング照射の基本的な処理例を示すフローチャートである。
【００３０】
まず、患部をビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、分割されたスライスの１つが選択される。最初は例えば患部の最も深い位置にあるスライスＺｉが選択される。また選択されたスライスの位置に応じて粒子線ビームの入射エネルギーとレンジシフタ７０におけるアクリル板の組み合わせが選択、設定される（ステップＳＴ１）。
【００３１】
次に、最深スライスにおける患部形状に応じて粒子線ビームを照射する格子点の数Ｍと格子点の位置（Ｘi、Ｙi）［ｉ=１〜Ｍ］、即ち照射対象のスポットが選択され、ビーム走査部３０によりスライス上の格子点位置（Ｘi、Ｙi）に粒子線ビームの向きが設定される（ステップＳＴ２）。その後、粒子線ビームの出射が開始される（ステップＳＴ３）。ビーム走査部３０から出力された粒子線ビームは、リッジフィルタ６０によって、体内飛程分布幅がスライス幅に対応するようエネルギー分布がＺ軸方向に拡大される。
【００３２】
格子点（Ｘｉ、Ｙｉ）に対する照射線量は線量モニタ４により監視され、対象格子点に対する照射線量が計画した線量に達すると線量満了信号が制御部８０に出力され、制御部８０はこの信号を受信する（ステップＳＴ４）。
【００３３】
３次元スキャニング照射法はスポットスキャニング法とラスタースキャニング法に大別される。スポットスキャニング法は、粒子線ビームの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方法である。従って、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。
【００３４】
これに対して、ラスタースキャニング法は、粒子線ビームの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。
【００３５】
なお、スポットスキャニング法及びラスタースキャニング法のいずれの方法であっても、粒子線ビームの位置は各格子点において計画された線量に達するまで停止し、計画線量に達した後次の格子点に移動する。
【００３６】
ステップＳＴ５では、スポットスキャニング法及びラスタースキャニング法のいずれの方法であるかを判定し、スポットスキャニング法の場合には、一旦ビーム出射を停止し（ステップＳＴ６）、次のスポットへビーム位置を移動させる。この処理を対象とするスライスの最終スポットまで繰り返す（ステップＳＴ７）。
【００３７】
一方、スポットスキャニング法ではない場合、即ちラスタースキャニング法の場合にはビーム出射を停止することなく最終スポットまでビーム出射を継続する。
【００３８】
１つのスライスに対する照射が終了すると（ステップＳＴ７のYES）、スポットスキャニング法及びラスタースキャニング法のいずれの場合も一旦ビーム出射を停止し（ステップＳＴ８）、ステップＳＴ１に戻って次のスライスを選択すると共にレンジシフタ７０の設定を変更する。以上の処理を最終スライスに達するまで繰り返す（ステップＳＴ９）。
【００３９】
上記の照射手順に必要となる各諸元は、例えば照射パターンファイルと呼ばれるデータファイルに記述され、治療照射の開始前に制御部８０に転送される。照射パターンファイルには、格子点毎に、スライス位置を与えるレンジシフタ厚、格子点（X、Y）に対応するビーム位置を与えるＹ用電磁石３０ａやＸ用電磁石３０ｂの駆動電流値、各格子点に対する照射線量等が照射順に記述されている。
【００４０】
図３は、スライス上の走査パターンの一例を示す図である。開始格子点Ａから最終格子点Ｂに到る軌跡パターンが治療計画で予め定められ、この軌跡パターンにそって一方向に順次粒子線ビームが走査されていく。
【００４１】
図４は、従来から行われている粒子線ビーム位置のモニタ方法の概念を示す図である。前述したように、ビーム位置のモニタは、位置モニタ部５１からの信号に基づいて行われる。図４（ａ）は、信号電極をマルチストリップに分割した電離箱方式の位置モニタ部５１を模式的に示したものである。この方式では、ストリップ上の電極がＸ方向とＹ方向に多数並べて配置されており、通過する粒子線ビームの線量に対応するレベルの信号が各ストリップから出力される。粒子線ビームのビームは複数のストリップに跨っているため複数のストリップから信号が出力されるが、制御部８０では、これら複数の信号の重心を求めることによって、Ｘ方向及びＹ方向の粒子線ビームの中心位置を推定している。また、図４（ｂ）に示すように、推定された中心位置とビーム走査位置の計画値とを比較することも可能である。
【００４２】
しかしながら、位置モニタ部５１から得られる情報は、あくまでも各ビームスポットの推定中心位置を離散的に示す情報であり、スポット位置の重ね合わせとして形成される連続的な線量分布は、位置モニタ部５１からは得ることができない。
【００４３】
他方、医師や技師は、照射中に線量プロファイル（Ｘ方向及びＹ方向の線量の２次元分布、或はこの２次元分布から切り出したＸ方向、Ｙ方向の線量の１次元分布）を視覚的に確認できることを望んでいる。例えば、スライス毎に線量プロファイルが表示されれば、照射が正確に行われていることを確認しながら治療をおこなっていくことができて、安心感を持って治療を行うことが可能になる。
【００４４】
スライス毎の線量プロファイルを得るためには、別の位置モニタを用意し、１つのスライス（ＳＴ１〜ＳＴ９まで）の間中の各チャンネル（各ストリップ）から出力される信号を積分することになる。この結果、大幅なコスト増加になるとともに、位置モニタによるビーム散乱が大きくなり、照射領域端におけるシャープな線量分布が得られにくくなる。
【００４５】
そこで、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１では、位置モニタ部５１とは異なる手段によって、連続的な線量プロファイルを高精度で照射中にモニタリングする手段を提供している。
【００４６】
（２）本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置（第１の実施形態）
図５は、第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１の構成例を示す図である。粒子線ビーム照射装置１は、従来の粒子線ビーム照射装置３００の構成に加えて、蛍光体板９０、撮像部９１、表示部９２、及び照射状態監視部９３を有している。
【００４７】
蛍光体板９０は、ビーム走査部と患者との間に配置され、例えば、レンジシフタ７０を収納するケース（図示せず）にビーム軸に対してほぼ垂直になるように取り付けられている。蛍光体板９０は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）やセルロースなどで構成された厚さ数ミクロンの薄板に、例えば青色蛍光体（ZnS：Ag）、赤色蛍光体（Y2O3：Eu）、など蛍光体が塗布されている。これらの蛍光体は、粒子線ビームが蛍光体板９０を透過するとき粒子線ビームの粒子線線量に応じた光量で発光し、その光は特定の波長にピークを有している。
【００４８】
撮像部９１は、例えば患者の治療台近傍に配置され、その受光部は蛍光体板９０の方向に向けられている。
【００４９】
図６は、撮像部９１の構成例を模式的に示す図である。撮像部９１は、波長選択フィルタ（フィルタ）９１０、レンズ９１１、光を増幅するイメージインテンシファイア９１２、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子９１３、撮像制御部９１４等を有している。イメージインテンシファイア９１２に替えて、或はこれに加えて、シャッタを撮像素子９１３の前方に有する構成としてもよい。
【００５０】
撮像制御部９１４は、撮像素子９１３、イメージインテンシファイア９１２（或はシャッタ）に対する制御を行っている。撮像素子９１３は放射線に対して耐性がないため、散乱された粒子線ビームや二次的に発生する放射線ができるだけ当たらないよう、撮像部９１は粒子線ビームの軸からはずれて配置されており、蛍光体板９０の面を所定の傾斜角をもって撮像するようになっている。
【００５１】
蛍光体板９１を粒子線ビームが通過すると蛍光体が発光するため、蛍光体が発する光を撮影することでどのような線量プロファイルで照射されているかを撮影することができる。
【００５２】
しかしながら、治療室内は患者の状態を監視カメラで監視することが必要であり、室内灯を消すことができない。このため、そのままの状態で蛍光体板９０を撮影すると、蛍光体板９１が発光する光と室内灯の光が重畳し、Ｓ／Ｎが非常に悪い非鮮明な画像が得られることになる。
【００５３】
そこで、第１の実施形態に係る撮像部９１では、レンズ９１１の前方に波長選択フィルタ９１０を設ける構成としている。波長選択フィルタ９１０は、バックグランドとなる治療室内灯の波長、蛍光体板９０が発する光の波長、撮像素子９１３の波長に対する感度を総合的に考慮し、通過させる波長が選択される。
【００５４】
図７及び図８はこれらの波長に対する強度分布と波長選択フィルタが通過させる波長の関係の一例を示している。一般的に、蛍光体のピーク波長と、波長選択フィルタ９１０の通過波長をそろえることで、Ｓ／Ｎを改善することができる。
【００５５】
図７は、室内灯、青色蛍光体（例えば青色蛍光体（ZnS：Ag））の波長と、波長選択フィルタの透過波長の関係を示す図である。波長選択フィルタ９１０の透過波長を室内灯（白熱灯や蛍光灯）の波長ピークをはずし、かつ、青色蛍光体の波長に合わせることでＳ／Ｎが改善されることが示されている。
【００５６】
治療室内灯として蛍光灯のみが使用される場合、赤外域での強度が急激に低下する。この場合は、蛍光体として赤色蛍光体（Y2O3：Eu）を用い、赤外域（波長700nm程度）を通過する波長選択フィルタ９１０を適用すれば、図８に示すように、大幅にＳ／Ｎを改善することができる。また、赤外域に強度ピークをもつCdS：Agなどの蛍光体を使用するのも好適である。
【００５７】
図５に示す第１の実施形態では、体内飛程を調整するためのレンジシフタ７０を有する構成となっている。しかし、最近の粒子線ビーム照射装置では、レンジシフタ７０を用いず、主加速器より出射されるビームエネルギーを調整して体内飛程を調整することも可能になってきている。このような場合にはレンジシフタ７０の前段にあるリッジフィルタ６０の出射側の面に蛍光体板９０を取り付ける構成とすればよい。
【００５８】
次に、第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１における照射方法について、図９に示すフローチャートと、図１０に示すタイミングチャートを用いて具体的に説明する。図９に示すフローチャートのうち、従来の照射方法（図２のフローチャート）と同じ処理は同じステップ番号を付している。
【００５９】
ステップＳＴ１において、スライスの選択及び切り換えが行われる。スライス切換中は、レンジシフタ７０におけるアクリル板の組み合わせを選択、設定している期間であり、この期間を示す信号が、図１０（ｂ）における「スライス切換中信号」がオンの状態である。スライス切換が終了すると（即ち、スライス切換中信号がオンからオフに変化すると）、制御部８０から撮像部９１に対して、照射開始指令が出力される。一方、１つのスライスの走査が終了すると、スライス切換中信号がオフからオンに変化すると共に、照射開始指令が制御部８０から照射終了指令が撮像部９１に出力される。照射開始指令や照射終了指令は制御部８０から撮像部９１に出力される制御信号の一部である。
【００６０】
撮像部９１の撮像素子９１３による撮像は、照射開始指令と照射終了指令の間に行われ、スライス毎の撮像画像を生成する（図１０（ｄ））。より具体的には、図９に示すように、ビーム出射開始（ステップＳＴ３）と同時に測定が開始され（ステップＳＴ１０）、該当スライスの測定が終了すると（ステップＳＴ１１）、そのスライスの線量プロファイルが表示される（ステップＳＴ１２）。表示された線量プロファイルをチェックし（ステップＳＴ１３）、線量プロファイルに異常がなければ（ステップＳＴ１４のＮＯ）、次のスライスが選択される。一方、線量プロファイルに異常が有った場合は（ステップＳＴ１４のＹＥＳ）、後述するように、照射状態監視部９３から制御部８０に対してインターロック信号が出力される（ステップＳＴ１５）。
【００６１】
他方、ビーム生成部１０からは、主加速器のビーム状態を示す「主加速器ビーム状態信号」（図１０（ａ））が制御部８０に入力されている。制御部８０では、「主加速器ビーム状態信号」がオンであり、かつ「スライス切換中信号」がオフのときにオンとなる「ビーム出射許可信号」を生成している（図１０（ｃ））。「ビーム出射許可信号」がオンの期間が、粒子線ビームが実際に患者に向けて出射されている期間に該当する。制御部８０は、この「ビーム出射許可信号」を制御信号の一部として撮像部９１に出力している。
【００６２】
撮像部９１では、この「ビーム出射許可信号」がオンのときイメージインテンシファイア９１２をオンとし、「ビーム出射許可信号」がオフのときイメージインテンシファイア９１２をオフとしている（図１０（ｅ））。このように「ビーム出射許可信号」のオン／オフに連動させてイメージインテンシファイア９１２をオン／オフすることによって、撮像素子９１３のＳ／Ｎを改善させることができる。イメージインテンシファイア９１２のオン／オフに替えて、シャッタを「ビーム出射許可信号」に連動させてオン／オフすることによってもＳ／Ｎを改善させることができる。
【００６３】
なお、「主加速器ビーム状態信号」と「スライス切換中信号」を撮像部９１に入力し、撮像部９１内部で「ビーム出射許可信号」を生成するようにしても良い。
【００６４】
イメージインテンシファイア９１２による光量増幅の利得はイメージインテンシファイア９１２に印可する電圧によって変化させることができる。この利得は、予め決められているビーム強度と、スライス内の各点のプリセット値から求められるスライス内照射時間をもとに、スライス毎に設定される。このようにスライス毎にイメージインテンシファイア９１２の利得を最適に制御することで、撮像素子９１３の感度及び分解能を向上でき、また、撮像素子９１３の出力飽和を防止することができる。この利得制御信号も、制御信号の一部として制御部８０から撮像部９１に出力される。
【００６５】
撮像部９１で生成された撮像画像の画像データは、次のスライスに切り換えている期間に撮像部９１から表示部９２に出力し、表示部９２に線量プロファイルを２次元分布として表示する。
【００６６】
撮像部９１は、前述したように、蛍光体板９０を所定の傾斜角をもって撮像している。従って、生の撮像画像は図１１（ａ）に例示したように傾斜角に応じて圧縮された画像となっている。走査角に応じた線量プロファイルを表示するためには、この傾斜角を補正して、横軸と縦軸がビーム走査角（Ｘ方向とＹ方向）に対応した画像（図１１（ｂ））に変換する必要がある。また、撮像画像の輝度と粒子線ビームの線量との関係を校正するための校正データを予め取得しておき、この校正データを用いて撮像画像の輝度から線量への変換をする必要がある。このよう補正や変換処理は、撮像部９０で行っても良いし、表示部９２で行っても良い。また、次に述べる照射状態監視部９３で行っても良い。
【００６７】
照射状態監視部９３は、撮像部９１で撮像された画像データから、粒子線ビームの走査位置に対する照射線量の分布をスライス毎に求めている。そして、計画値として予め設定しているスライス毎の基準照射線量分布と求めた照射線量の分布とを比較判定し、両者の差が所定の閾値よりも大きいと判定された場合には、粒子線ビームの出射を停止するためのインターロック信号を制御部８０に出力している。インターロック信号は、ビーム出射制御部２０に直接出力しても良い。
【００６８】
図１１（ｃ）は、線量プロファイルを一次元として模式的に表示した図である。測定した照射線量の分布（線量プロファイル）と基準照射線量分布との比較判定は、例えば次のように行う。
【００６９】
まず、測定した線量プロファイルの全チャンネル（全画素）に渡って出力を積算し、各チャンネルの出力を積算値で除することにより正規化測定線量を求める。基準照射線量分布についても同様に対応する全チャンネル（全画素）に渡って積算し、この積算値で各チャネルの基準照射線量を除して各チャンネルの正規化基準線量を求めておく。そして、正規化測定線量と正規化基準線量との偏差の全チャンネルの自乗和平均値が予め決められている閾値を超えた場合はインターロック信号を出力する。上記の判定を式で表現すると、例えば次のように表される。  
［数１］
Σ（Ｐ（ｉ）−Ｒ（ｉ））２／Ｎ＞Ｋ
上式が成立するとき、異常と判定され、インターロック信号が出力される。ここで、Ｐ（ｉ）はチャネル毎（画素毎）の規化測定線量、Ｒ（ｉ）はチャネル毎（画素毎）の正規化基準線量、Ｎは総チャネル数（総画素数）であり、Σは総和演算子である。Ｋは閾値であり、例えば、Ｋ＝（０．１）２、などと設定される。
【００７０】
なお、測定した線量プロファイルは、蛍光体板９０の位置での線量プロファイルであり、スライス上でのプロファイルではない。しかし、走査電磁石、蛍光体板９０、及び患部のぞれぞれの位置と、患部における偏向位置（Ｘｉ、Ｙｉ）及びその位置で規定されている基準照射線量を基に蛍光体板９０の位置における基準照射線量分布を求めることができる。
【００７１】
（３）その他の実施形態
図１２は、第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１ａの構成例を示す図である。第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１との相違点は、呼吸ゲート生成部９４をさらに備えている点である。
【００７２】
患部が肺や肝臓等のように、人の呼吸によって変位する場合は、呼吸による変位が少ないタイミングを見計らって粒子線ビームを照射する手法が、ビーム位置を精度良く照射する観点から有効である。このため、患者にＬＥＤ等を取り付け、ＬＥＤの位置をカメラ等でモニタし、このモニタ信号から呼吸ゲート生成部９４で「呼吸同期ゲート」を生成している。「呼吸同期ゲート」がオンの期間は、呼吸による患部の変位が少ないとみなされる期間であり、「呼吸同期ゲート」がオンとなることが患者への粒子線ビーム照射の条件の１つとしている。
【００７３】
第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１ａでは、図１３に示すように、この「呼吸同期ゲート」がオンでかつ「主加速器ビーム状態信号」がオンのときにオンとなる「外部ビーム出射許可信号」（図１３（ｃ））を生成している。そして、「外部ビーム出射許可信号」がオンでかつ「スライス切換中信号」（図１３（ｄ））がオフのとき、実際のビーム照射期間を示す「ビーム出射許可信号」をオンにしている。「ビーム出射許可信号」に連動させて、イメージインテンシファイア９１２やシャッタをオン／オフする動作は第１の実施形態と同様である。
【００７４】
図１４は、第３の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１ｂの構成例を示す図である。第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１との相違点は、蛍光体板９０と撮像部９１の位置にある。
【００７５】
第３の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１ｂでは、蛍光体板９０が、ビーム走査部３０の後段にある真空ダクト３１の中に、斜め約４５度に傾けた状態で取り付けられている。そして、真空ダクト３１の側壁の一部には撮像窓３１ａが設けられており、撮像部９１は、この撮像窓３１ａを通して真空ダクト３１内の蛍光体板９０を撮像するように構成されている。真空ダクト３１の内部には治療室の照明が届かないため、撮像部９１は室内光の影響を受けることなく、蛍光体板９０からの発光のみを撮像することが可能となり、波長選択フィルタ９１０を用いなくてもＳ／Ｎのよい画像を得ることができる。
【００７６】
以上説明してきたように、第１乃至第３の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１、１ａ、１ｂおよび粒子線ビーム照射方法によれば、粒子線ビームの照射中に線量プロフィルをモニタリングし、実際にどのような照射が行われているかを視覚的かつ定量的に確認することができ、また、計画した照射線量と実際の照射線量との差が大きくなった場合は、粒子線ビームの照射を停止し、安全性を高めることができる。
【００７７】
なお、本発明は上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００７８】
１、１ａ、１ｂ  粒子線ビーム照射装置
１０  ビーム生成部
２０  ビーム出射制御部
３０  ビーム走査部
４０  ビーム走査指示部
８０  制御部
９０  蛍光体板
９１  撮像部
９２  表示部
９３  照射状態監視部
【図１】
2011050585.tif 000003
【図２】
2011050585.tif 000004
【図３】
2011050585.tif 000005
【図４】
2011050585.tif 000006
【図５】
2011050585.tif 000007
【図６】
2011050585.tif 000008
【図７】
2011050585.tif 000009
【図８】
2011050585.tif 000010
【図９】
2011050585.tif 000011
【図１０】
2011050585.tif 000012
【図１１】
2011050585.tif 000013
【図１２】
2011050585.tif 000014
【図１３】
2011050585.tif 000015
【図１４】
2011050585.tif 000016