(57)【要約】      （修正有）【課題】計画通りの線量分布を形成することができ、かつ従来の手法に比べて照射時間を短縮することが可能な、スキャニング照射法による粒子線照射システムを提供する。【解決手段】標的２６の位置を計測する標的監視装置３５，３６と、標的監視装置からの信号に基づき走査電磁石３１，３２の励磁電流値を補正して荷電粒子ビームを標的２６に照射する追尾照射、および標的監視装置からの信号に基づき標的２６の深さを演算し、標的２６の深さが予め定めた深さ許可範囲内にあるとき荷電粒子ビームを照射するゲート照射を行う制御システム７と、を備え、制御システム７は、標的監視装置によって計測した標的２６の深さが深さ許可範囲内にあるときに追尾照射を行う。【選択図】図１
2019141331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを生成して出射する加速器と、
前記荷電粒子ビームを走査する走査電磁石を有しており、前記荷電粒子ビームを標的に照射する照射装置と、
前記標的の位置を計測する標的監視装置と、
前記標的監視装置からの信号に基づき前記走査電磁石の励磁電流値を補正して前記荷電粒子ビームを前記標的に照射する追尾照射、および前記標的監視装置からの信号に基づき前記標的の深さを演算し、前記標的の深さが予め定めた深さ許可範囲内にあるとき前記荷電粒子ビームを照射するゲート照射を行う制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記標的監視装置によって計測した前記標的の深さが前記深さ許可範囲内にあるときに前記追尾照射を行う
ことを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項２】
請求項１に記載の粒子線照射システムにおいて、
前記深さは、前記標的を有する照射対象表面から前記標的までの水等価厚、または前記照射対象表面から前記標的までの距離、のいずれかである
ことを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項３】
請求項１に記載の粒子線照射システムにおいて、
前記ゲート照射は、前記深さと、前記標的を有する照射対象表面から前記標的までの水等価厚、または前記照射対象表面から前記標的までの距離と、のうち少なくとも一方がそれぞれの許可範囲内にあるとき、前記追尾照射を実施する
ことを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項４】
請求項２または３に記載の粒子線照射システムにおいて、
前記照射対象表面の位置の監視は、前記標的監視装置とは別の監視モニタを用いる
ことを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項５】
請求項１に記載の粒子線照射システムにおいて、
前記標的の深さ情報が記録された深さテーブルを予め作成する照射計画装置を更に備えた
ことを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項６】
請求項１に記載の粒子線照射システムにおいて、
前記制御装置は、重要臓器が前記荷電粒子ビームの通過経路上に存在するときは、前記標的の深さが前記深さ許可範囲内にあるときであっても前記追尾照射は行わない
ことを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項７】
標的へ荷電粒子ビームを照射するための照射計画を作成する照射計画装置であって、
前記標的の位置を計測する標的監視装置からの信号に基づき前記荷電粒子ビームを走査する走査電磁石の励磁電流値を補正して前記荷電粒子ビームを前記標的に照射する追尾照射、および前記標的監視装置からの信号に基づき前記標的の深さを演算し、前記標的の深さが予め定めた深さ許可範囲内にあるとき前記荷電粒子ビームを照射するゲート照射を行う際に用いる、前記標的の深さ情報が記録された深さテーブルを予め作成する
ことを特徴とする照射計画装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陽子線や炭素線等の粒子線を標的に照射する粒子線照射システムや、その粒子線の照射計画を作成する照射計画装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
照射時間を短縮し、照射対象に対する時間の負荷を軽減させるだけでなく、照射精度を向上させることを目的として、特許文献１には、荷電粒子ビームを出射する加速器と、加速器から出射された荷電粒子ビームを周期変動する照射対象に複数回スキャニング照射する照射装置と、を有する粒子線照射システムにおいて、照射対象をビーム軸方向に分割して層状に形成される各スキャン領域の大きさに対応する照射線量を、加速器からのビーム強度を変調させて供給させるビーム強度変調手段と、ビーム強度変調手段によって変調された荷電粒子ビームにより供給される各照射線量を、照射対象の周期変動の変位量が所定位相内にあるゲート期間に、各スキャン領域に対してスキャニング照射させる手段と、を備える、ことが記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、患者の潰瘍組織をイオンビームの手段により照射する装置ならびに方法に関し、イオンビームを潰瘍組織のスライス方向および面方向スキャニングする偏光装置とイオンビームの深さ方向および深さ方向スキャニングのためのイオンビーム制御装置を有し、電磁気的に駆動するイオン破壊装置がイオンビームの範囲に適応する深さ方向スキャニング適応装置を備え、加速器のエネルギー制御装置より高速の深さ方向適応を有し、患者の動きは処理スペース内の潰瘍の時間的、位置的変化を検知する動き検知手段によりモニタされ、制御装置は、処理スペース内の潰瘍組織の場所の時間的、位置的変化における潰瘍組織のスキャニングの際、偏光装置とイオンビーム方向とイオンビーム範囲のそれぞれを調整する深さ方向適応装置を制御する、ことが記載されている。
【０００４】
また、特許文献３には、スキャニング照射法による粒子線照射システムにおいて、照射時間（治療時間）を短縮しかつ計画通りの線量分布を形成することができる荷電粒子照射システムおよび照射計画装置として、制御システムは、標的監視装置である動体追跡装置からの信号に基づき走査電磁石の励磁電流値を補正して荷電粒子ビームを照射標的に照射する追尾照射と、標的監視装置からの信号に基づき照射装置から照射される荷電粒子ビームの照射開始と照射停止を制御するゲート照射とを行う、ことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５４６２７号公報
【特許文献２】特開２００４−５０４１２１号公報
【特許文献３】特開２０１３−１９８５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
癌などの患者に荷電粒子ビーム（粒子線）を照射する方法が知られている。このような粒子線を照射する粒子線照射システムは、一般的には荷電粒子発生装置とビーム輸送系と治療室とを備えている。
【０００７】
スキャニング照射法を用いる粒子線照射システムでは、荷電粒子ビーム発生装置で加速された荷電粒子ビームはビーム輸送系を経て治療室の照射装置に達すると、そこで走査電磁石により走査されることで患者の体内で患部形状に適した線量分布を形成する。
【０００８】
ところで、患部などの標的が呼吸などで移動すると、予め計画した線量分布を形成することが難しくなる。そこで計画通りの線量分布を形成する方法として、特許文献１はゲート照射と呼ばれる方法を開示している。ゲート照射は、標的が予め決めた位置（出射許可範囲）にある場合に粒子線を照射する方法である。
【０００９】
また、特許文献２は追尾照射と呼ばれる方法を開示している。追尾照射は、走査電磁石の励磁量とエネルギー吸収体の厚みの少なくとも一方を変更することにより、標的の移動に合わせて荷電粒子ビームの位置を変更する方法である。
【００１０】
特許文献３は、特許文献１に記載されたようなゲート照射と特許文献２に記載されたような追尾照射を組み合わせる方法を開示している。
【００１１】
しかしながら、特許文献１に記載のようなゲート照射では、計画通りの線量分布を形成するためには出射許可範囲を小さくする必要がある。出射許可範囲を小さくするほど粒子線を標的に向けて出射できる時間は短くなり、照射時間（治療時間）が長くなるという課題がある。
【００１２】
また、特許文献２に記載のような追尾照射では、走査電磁石の励磁量を変更して走査をする場合、標的が深さ方向へ移動する、或いは標的までの水等価厚が変化すると、計画した位置にブラッグピークを形成できず、計画した線量分布を形成することができないという課題がある。
【００１３】
また、患部の移動に合わせてエネルギー吸収体の厚みを変更するため、エネルギー吸収体により荷電粒子ビームが散乱されて、荷電粒子ビームのサイズが大きくなるという課題がある。荷電粒子ビームのサイズが大きくなるとペナンブラが大きくなり、線量分布の一様度が悪化する。
【００１４】
また、特許文献３に記載のゲート照射と追尾照射を組み合わせる手法では、計画通りの線量分布を短時間に照射することは可能である。しかしながら、予めビーム軸に対して垂直な方向にゲート範囲を設定するため、照射時間を短縮する余地がさらにあることが本発明者らの検討により明らかとなった。
【００１５】
本発明の目的は、スキャニング照射法による粒子線照射システムにおいて、計画通りの線量分布を形成することができ、かつ従来の手法に比べて照射時間を短縮することができる粒子線照射システムおよび照射計画装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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、荷電粒子ビームを生成して出射する加速器と、前記荷電粒子ビームを走査する走査電磁石を有しており、前記荷電粒子ビームを標的に照射する照射装置と、前記標的の位置を計測する標的監視装置と、前記標的監視装置からの信号に基づき前記走査電磁石の励磁電流値を補正して前記荷電粒子ビームを前記標的に照射する追尾照射、および前記標的監視装置からの信号に基づき前記標的の深さを演算し、前記標的の深さが予め定めた深さ許可範囲内にあるとき前記荷電粒子ビームを照射するゲート照射を行う制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記標的監視装置によって計測した前記標的の深さが前記深さ許可範囲内にあるときに前記追尾照射を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、スキャニング照射法による粒子線照射システムにおいて、計画通りの線量分布を形成することができ、かつ従来の手法に比べて照射時間を短縮することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の粒子線照射システムの全体概略構成を示す図である。
【図２】本発明の粒子線照射システムに備えられる照射制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３Ａ】照射対象に単一の粒子線を照射した場合に得られる深さ方向の線量分布を示す図である。
【図３Ｂ】照射対象に複数の粒子線を照射した場合に得られる深さ方向の線量分布を示す図である。
【図４】照射対象に粒子線を照射した場合に得られる横方向の線量分布を示す図である。
【図５】データベースに記憶される照射パラメータを示す概念図である。
【図６】本発明の粒子線照射システムによって粒子線を照射する手順を示したフローチャートである。
【図７】本発明の粒子線照射システムによって粒子線を照射する手順の一部を示したフローチャートである。
【図８】従来の粒子線照射システムによって粒子線を照射する手順の一部を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、ゲート照射と走査電磁石による追尾照射とを実施する本発明の粒子線照射システムと、それに好適な照射計画装置の実施例について図１乃至図８を用いて説明する。
【００２０】
最初に、粒子線照射システムや照射計画装置の構成について図１乃至図５を用いて説明する。図１は粒子線照射システムの全体概略構成を示す図である。図２は粒子線照射システムに備えられる照射制御装置の構成を示すブロック図面である。図３Ａは照射対象に単一の粒子線を照射した場合に得られる深さ方向の線量分布を示す図、図３Ｂは照射対象に複数の粒子線を照射した場合に得られる深さ方向の線量分布を示す図、図４は照射対象に粒子線を照射した場合に得られる横方向の線量分布を示す図である。図５はデータベースに記憶される照射パラメータを示す概念図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施例の粒子線照射システムは、荷電粒子ビーム発生装置１、ビーム輸送系２、治療室１７、制御システム７および照射計画装置４１を備えている。
【００２２】
荷電粒子ビーム発生装置１は、荷電粒子ビームを生成して出射する装置であり、イオン源および前段荷電粒子ビーム加速装置から構成されるライナック３と、シンクロトロン４とを有する。シンクロトロン４は、高周波印加装置５、および加速装置６を有する。
【００２３】
高周波印加装置５はシンクロトロン４の周回軌道に配置された高周波印加電極８および高周波印加電源９を備える。高周波印加電極８と高周波印加電源９はスイッチにより接続されている。加速装置６は粒子線の周回軌道に配置された高周波加速空洞および高周波加速空洞に高周波電力を印加する高周波電源を備える。出射用デフレクタ１１がシンクロトロン４とビーム輸送系２を接続する。
【００２４】
ビーム輸送系２は、ビーム経路１２，四極電磁石，偏向電磁石１３，１４，１５，１６を有する。ビーム経路１２は、治療室１７内に設置された照射装置２１に接続されている。
【００２５】
治療室１７内には、略筒状のガントリー１８が設置されている。
【００２６】
ガントリー１８には、ビーム輸送系２の一部である偏向電磁石１５，１６、標的２６に荷電粒子ビームを照射する照射装置２１、Ｘ線発生装置３５，３６、Ｘ線検出器３７，３８が設置されている。ガントリー１８の内部には照射対象２５を設置するために、カウチ２４と呼ばれる治療用ベッドが設置される。
【００２７】
ガントリー１８は、モーターにより回転可能な構造をしている。偏向電磁石１５，１６と照射装置２１、Ｘ線発生装置３５，３６、およびＸ線検出器３７，３８は、ガントリー１８の回転と共に回転する。このガントリー１８の回転および各機器がこの動きに連動することにより、照射対象２５に対してガントリー１８の回転軸に垂直な平面内のいずれの方向からも粒子線を照射することができる。
【００２８】
ガントリー１８に備えられた照射装置２１は、走査電磁石３１，３２、位置モニタ３４、線量モニタ３３を内部に有する。本実施の粒子線照射システムは、照射装置２１が二台の走査電磁石３１，３２を備え、荷電粒子ビームを進行方向と垂直な面内の二つの方向（Ｘ方向，Ｙ方向）にそれぞれ偏向（走査）し、照射位置を変更することで荷電粒子ビームを標的２６に照射する。
【００２９】
位置モニタ３４は、粒子線の位置と粒子線の広がりを計測する。線量モニタ３３は、照射された粒子線の量を計測する。
【００３０】
第一のＸ線発生装置３５と第二のＸ線発生装置３６は、ガントリー１８に設置されており、透視用のＸ線を発生させる。照射装置２１の照射口先端部には、フラットパネル型の第一のＸ線検出器３７と第二のＸ線検出器３８が設置されている。Ｘ線検出器３７はＸ線発生装置３５からのＸ線の信号を検出し、Ｘ線検出器３８はＸ線発生装置３６からのＸ線の信号を検出する。
【００３１】
照射対象２５内には標的２６があり、粒子線を照射することで標的２６を覆うような線量分布を照射対象２５内に形成する。ここで癌などの治療の場合は、照射対象２５は人であり標的２６は腫瘍である。
【００３２】
本実施例の粒子線照射システムが備えている制御システム７について、図１を用いて説明する。
【００３３】
図１に示す制御システム７は、記憶装置であるデータベース４２、中央制御装置４６、加速器制御装置４７、照射制御装置４８および動体追跡装置４９を備える。
【００３４】
Ｘ線ＣＴ装置４０は照射対象２５内の標的２６を撮像する装置であり、標的２６が周期的に動くときその動きの位相毎にＣＴ画像を作成する機能を備えている。特に照射対象２５が人である場合は、照射対象２５の呼吸位相毎のＣＴ画像を取得可能に構成されている。
【００３５】
照射計画装置４１は、Ｘ線ＣＴ装置４０によって撮像された位相毎のＣＴ画像を基にして標的２６へ荷電粒子ビームを照射するための照射計画を作成する装置である。その詳細は後述する。
【００３６】
データベース４２はＸ線ＣＴ装置４０に接続された照射計画装置４１に接続されており、照射計画装置４１が作成した照射に必要な照射計画のデータを記録する。
【００３７】
中央制御装置４６は、加速器制御装置４７、照射制御装置４８、および動体追跡装置４９に接続されている。また、中央制御装置４６は、データベース４２に接続されている。中央制御装置４６は、データベース４２からデータを受け取り、加速器制御装置４７、照射制御装置４８、および動体追跡装置４９に必要な情報を送信することでその動作を制御する。
【００３８】
加速器制御装置４７は、荷電粒子ビーム発生装置１、ビーム輸送系２およびガントリー１８に接続され、これらを制御する。
【００３９】
照射制御装置４８は、走査電磁石３１，３２を励磁する走査電磁石電源４８ａの制御と照射装置２１内の各モニタからの信号を処理する。その詳細な構成については後述する。
【００４０】
動体追跡装置４９はＸ線発生装置３５，３６、Ｘ線検出器３７，３８に接続されており、これらの動作を制御する。
【００４１】
本実施例においては、標的２６の位置を計測する標的監視装置は、Ｘ線発生装置３５，３６、Ｘ線検出器３７，３８、動体追跡装置４９から構成される。
【００４２】
本実施例の制御システム７の照射制御装置４８は、標的監視装置からの信号に基づき走査電磁石３１，３２の励磁電流値を補正して荷電粒子ビームを標的２６に照射する追尾照射と、標的監視装置からの信号に基づき標的２６の深さを演算し、標的２６の深さが予め定めた深さ許可範囲内にあるとき荷電粒子ビームを照射するゲート照射とを行うために必要な制御を実行する。本実施例では、照射制御装置４８は、標的監視装置によって計測した標的２６の深さが深さ許可範囲内にあると判定されたときに追尾照射を行うようにシステム内の各機器の動作を制御する。以下、照射制御装置４８の詳細について図２を用いて説明する。
【００４３】
図２に示すように、照射制御装置４８は照射装置内の位置モニタ３４、線量モニタ３３に接続されており、これらの動作を制御する。また、動体追跡装置４９および加速器制御装置４７と接続されており、これらの機器と通信する。
【００４４】
照射制御装置４８は、走査電磁石３１，３２を励磁する走査電磁石電源４８ａ、深さテーブルメモリ４８ｂ、深さ許可範囲メモリ４８ｃ、位置メモリ４８ｆ、線量メモリ４８ｈ、座標処理回路４８ｄ、照射制御回路４８ｇ、および位置監視回路４８ｅを備えている。
【００４５】
走査電磁石電源４８ａは、追加電流メモリ４８ａ２、励磁電流メモリ４８ａ３、および電磁石制御回路４８ａ１を備えている。
【００４６】
図３Ａおよび図３Ｂを用いて、本実施例による粒子線照射システムにおける照射対象２５の表面を基準とした場合の標的２６の深さと粒子線のエネルギーとの関係について説明する。図３Ａおよび図３Ｂは、横軸が標的２６の深さ、縦軸が粒子線の線量を示す図である。
【００４７】
図３Ａは、単一エネルギーの粒子線が照射対象内に形成する線量分布を深さの関数として示している。図３Ａにおけるピークをブラッグピークと称する。ブラッグピークの位置は粒子線のエネルギーに依存する。そのため、粒子線のエネルギーを調整することでブラッグピークの位置を調整でき、標的２６の所望の深さに適切な線量の粒子線を照射することができる。
【００４８】
標的２６は深さ方向に厚みを持っているが、ブラッグピークは鋭いピークである。このため、いくつかのエネルギーの粒子線を適切な強度の割合で照射し、ブラッグピークを重ね合わせることで、図３Ｂに表すように深さ方向に標的２６と同じ厚みを持った一様な高線量領域（ＳＯＢＰ）を形成する。
【００４９】
図４を用いて、ビーム軸に垂直な方向（ＸＹ平面の方向）の標的２６の横方向の広がりと粒子線の関係について説明する。図４では、横軸に標的２６の横方向の広がりを、縦軸に照射スポットにおける線量を示す。ビーム軸に垂直な方向を横方向と呼ぶ。
【００５０】
粒子線は照射装置２１に達した後、互いに垂直に設置された二台の走査電磁石３１，３２によって走査されることで横方向の所望の位置へと到達する。粒子線の横方向の広がりはガウス分布形状で近似することができる。そのため、ガウス分布を等間隔で配置し、その間の距離をガウス分布の標準偏差程度にすることで、図４に示すように、足し合わされた分布は一様な領域を有するものとなる。このように配置されるガウス分布状の線量分布をスポットと呼ぶ。粒子線を走査して複数のスポットを等間隔に配置することで、図４に示すような横方向に一様な線量分布を形成することができる。
【００５１】
以上により、走査電磁石３１，３２による横方向へのビーム走査と、ビームエネルギー変更による深さ方向へのブラッグピークの移動により均一な照射野を形成することができる。なお、同一のエネルギーで照射され、走査電磁石３１，３２による粒子線の走査により横方向へ広がりを持つ照射野の単位をスライスと呼ぶ。
【００５２】
図１に戻り、照射計画装置４１は、粒子線を標的２６に照射する前に、照射に必要な照射パラメータ、深さテーブル、深さ許可範囲、ガントリー角度および照射対象位置情報を決定する。図５に照射パラメータの構造を示す。
【００５３】
図５に示すように、照射計画装置４１で決定される照射パラメータはスライス数ＮとＮ個のスライスデータにより構成される。スライスは、同一のエネルギーで照射するスポットの集合を表す。スライスデータはスライス番号ｉ、エネルギーＥｉ、スポット数ＮｉおよびＮｉ個のスポットデータを含む。スポットデータはスポット番号ｊ、照射位置（Ｘｉｊ，Ｙｉｊ）、目標照射量Ｄｉｊを含む。これらの照射パラメータは例えば次のように手順により決定される。
【００５４】
計画前に、予めＸ線ＣＴ装置４０にて照射対象２５を撮影し、ｎ個の位相に対する照射対象２５のＣＴ画像を作成する。Ｘ線ＣＴ装置４０は作成したＣＴ画像を照射計画装置４１に送信する。
【００５５】
照射計画装置４１は、受け取った画像データを表示装置（図示省略）の画面上に表示する。オペレータは位相毎のＣＴ画像から基準となる位相のＣＴ画像を選択する。例えば呼吸による標的２６の移動を考える場合、呼気位相を選択する。
【００５６】
オペレータは、選択したＣＴ画像上で標的２６を覆うように照射したい領域や、粒子線が照射されることを極力抑制したい領域（重要臓器）を指定する。照射計画装置４１は、指定された領域に線量分布を形成できるような照射対象２５の設置位置、ガントリー角度、照射パラメータを求めて決定する。
【００５７】
すなわち、照射計画装置４１は、オペレータが入力した照射対象情報に基づいて照射対象設置位置とガントリー角度を決定後、標的２６（患部）を深さ方向の複数のスライスに分割し、必要となるスライス数Ｎを決定する。
【００５８】
照射計画装置４１は、照射対象設置位置に照射対象２５を設置したとき、Ｘ線検出器３７，３８に投影される画像を計算し、それを照射対象位置情報とする。また、照射計画装置４１はそれぞれのスライス（スライス番号ｉ）の深さに応じた照射に適したイオンビームのエネルギーＥｉを求める。
【００５９】
照射計画装置４１は、さらに、各スライスの形状に応じてイオンビームを照射する照射スポットの数Ｎｉ，スポット番号ｊ，各スポットの照射位置（Ｘｉｊ，Ｙｉｊ），各スポットの目標照射量Ｄｉｊを決定する。
【００６０】
照射計画装置４１は、決定した各値により照射対象２５を照射したときの線量分布を求め、求めた線量分布を表示装置に表示する。
【００６１】
次に、照射計画装置４１は、追尾照射とゲート照射を行う際に用いる、追尾照射を行う条件である深さ許可範囲と、標的２６の深さ情報が記録された深さテーブルを求める。
【００６２】
スライス番号ｉのスポット番号ｊのスポットが形成するスポットの経路上において、体表から標的２６の浅い側の境界までの水等価厚をＷｉｊとする。深さ許可範囲はスポット毎に登録され、Ｗｉｊ±δとする。ここでδは定数であるが、全てのスポットに対して共通の値としてもよいし、スライス毎に異なる値を用いてもよい。
【００６３】
深さテーブルは全ての位相のＣＴ画像を用いて決定する。最初に位相毎にＣＴ画像上の標的２６の位置を特定する。次に基準となる位相での標的位置との差分を位相毎に計算する。この差分を粒子線の照射方向を考慮して投影した量が走査電磁石３１，３２により追尾される水等価厚演算用補正量である。この水等価厚演算用補正量を各スポットの照射位置に足すことで、スポット経路上における体表から標的２６の浅い側の境界までの水等価厚を求める。
【００６４】
この計算を全てのスポットと位相の組み合わせに対して計算することで、スポット毎のテーブルとする。すなわち、位相の番号をｋとすれば、スライス番号ｉのスポット番号ｊのスポットに対して、位相ｋでのスポット経路上の体表から標的２６の浅い側の境界までの水等価厚を深さテーブルＷｉｊｋとする。
【００６５】
こうして作成する深さテーブルＷｉｊｋのデータはガントリー角度の数だけ作成される。
【００６６】
更には、ガントリー角度の数だけ作成される深さテーブルＷｉｊｋのデータには、経路上に重要臓器が存在するか否かの情報も含める。
【００６７】
作成された照射パラメータや、ガントリー角度、照射対象位置情報、深さ許可範囲、および深さテーブルＷｉｊｋはデータベース４２へ送信され、データベース４２において記録される。
【００６８】
＜照射手順＞  
以上の手順により作成した照射パラメータ、深さ許可範囲、深さテーブルＷｉｊｋ、照射対象設置情報およびガントリー角度を使用して照射対象２５に線量分布を形成する手順について図６乃至図８を用いて以下説明する。図６は粒子線照射システムによって粒子線を照射する手順を示したフローチャートである。図７は図６に示す粒子線を照射する手順の一部の詳細を示したフローチャート、図８は従来の粒子線照射システムによって粒子線を照射する手順の一部の詳細を示したフローチャートである。
【００６９】
オペレータが中央制御装置４６に接続されたコンソール上の照射準備開始ボタンを押すと、中央制御装置４６はデータベース４２から照射対象２５の設置位置、ガントリー角度深さ許可範囲、深さテーブルＷｉｊｋ、および照射パラメータを受信する。
【００７０】
中央制御装置４６は、照射パラメータに記載されたエネルギーの情報とガントリー角度を加速器制御装置４７に送信し、深さ許可範囲、深さテーブル、および照射パラメータを照射制御装置４８に送信する。
【００７１】
加速器制御装置４７では、中央制御装置４６から指定されたエネルギーの荷電粒子ビームを出射するための各走査電磁石３１，３２の励磁パターンを準備する。
【００７２】
照射制御装置４８では、中央制御装置４６から受信した深さ許可範囲、深さテーブルＷｉｊｋ、照射パラメータを各メモリに設定する。より具体的には、照射位置を位置メモリ４８ｆに、目標照射量を線量メモリ４８ｈに、深さ許可範囲を深さ許可範囲メモリ４８ｃに、深さテーブルを深さテーブルメモリ４８ｂに記録する。また、照射位置とエネルギーから求めた各走査電磁石３１，３２の励磁電流値を走査電磁石電源４８ａの励磁電流メモリ４８ａ３に記録する。
【００７３】
照射対象２５をカウチ２４の上に乗せ、固定する。
【００７４】
照射対象２５の固定後は、計画した位置に設置されていることを確認するため、Ｘ線発生装置３５，３６とＸ線検出器３７，３８を用いて照射対象２５内の標的２６を透視する。透視した画像と照射対象位置情報の画像とを比較し、計画位置からのずれ量を算出する。そのずれ量に従い、カウチ２４を移動して照射対象２５の位置を調整する。
【００７５】
照射対象２５をカウチ２４に対して位置調整した後は、ガントリー１８の角度を設定する。オペレータが中央制御装置４６に接続されたコンソール上のガントリー回転ボタンを押すと、加速器制御装置４７は照射パラメータに記載されたガントリー角度までガントリー１８を回転させる。
【００７６】
ガントリー１８の回転完了後、オペレータはコンソール上の照射開始ボタンを押す。照射開始ボタンが押されると図６に示す手順に従って照射が開始される。
【００７７】
図６に示すように、最初に、エネルギー番号ｉ＝１、スポット番号ｊ＝１のスポットから照射を開始する（ステップＳ２０１）。動体追跡装置４９はＸ線発生装置３５，３６とＸ線検出器３７，３８を制御して標的２６の位置の計測を開始する。加速器制御装置４７は荷電粒子ビーム発生装置１を制御してエネルギー番号ｉ＝１のエネルギーＥ１に粒子線を加速する。
【００７８】
また、動体追跡装置４９はＸ線発生装置３５，３６を制御して一定の間隔（例えば３０Ｈｚ）でＸ線を発生させる。動体追跡装置４９はＸ線検出器３７，３８から取得した画像を用いて標的２６の位置（標的座標）を算出し、標的座標を座標処理回路４８ｄに送信する。
【００７９】
なお、標的２６の位置を特定し易くするため、予め標的２６の付近に金属製の球などのマーカを刺入しておき、標的２６の位置を計測する代わりにマーカの位置を計測してもよい。マーカはＸ線透視画像に写り易いため、精度よく標的２６の位置を計測することができる。なお、マーカなしで標的２６の位置を直接計測する場合は、マーカを刺入する手間を省くことができる、との効果が得られる。
【００８０】
次いで、中央制御装置４６から加速器制御装置４７へ加速信号が送信される。加速器制御装置４７はイオン源、ライナック３、シンクロトロン４を制御して粒子線を加速する（ステップＳ２０２）。イオン源において発生した粒子線はライナック３により加速されシンクロトロン４へ入射される。入射された粒子線は加速装置６から高周波を印加され第一のスライス番号を照射するためのエネルギーＥ１まで加速される。粒子線の加速が完了すると加速器制御装置４７から照射制御装置４８へ加速完了信号が送信される。
【００８１】
次いで、加速完了信号を受信した照射制御装置４８はスポットの照射準備を実施する（ステップＳ２０３）。このステップＳ２０３の処理の詳細について図７を参照して説明する。
【００８２】
照射制御装置４８内の照射制御回路４８ｇは、加速完了信号を受信すると、照射制御回路４８ｇは座標処理回路４８ｄ、位置監視回路４８ｅ、電磁石制御回路４８ａ１に向けてスポット設定信号を送信する。
【００８３】
座標処理回路４８ｄは、スポット設定信号を受信すると、深さ許可範囲メモリ４８ｃと深さテーブルメモリ４８ｂからｉ＝１，ｊ＝１のスポットの深さ許可範囲と深さテーブルＷｉｊｋを読み出す（ステップＳ２０３Ａ２）。前提として、座標処理回路４８ｄは、動体追跡装置４９から標的座標を一定の周期で受信しており（ステップＳ２０３Ａ１）、受信した最新の標的座標が最も近い位相ｋに対するＷｉｊｋを標的２６の深さとして参照する。
【００８４】
その上で、参照したＷｉｊｋが深さ許可範囲Ｗｉｊ±δの中にあるか否かを判定する（ステップＳ２０３Ａ３）。許可範囲内であると判定されたときはステップＳ２０３Ａ４へ処理を進め、照射制御回路４８ｇは、体表面から標的２６までの粒子線の通過経路上に重要臓器が存在するか否かを判定する（ステップＳ２０３Ａ４）。重要臓器が存在しないと判定されたときは深さが深さ許可範囲の外に出るまで出射許可信号を照射制御回路４８ｇに送信し続ける。
【００８５】
これに対し、ステップＳ２０３Ａ３において許可範囲内であると判定されなかったときやステップＳ２０３Ａ４において重要臓器が存在すると判定されたときは処理をステップＳ２０３Ａ１に戻す。
【００８６】
また、座標処理回路４８ｄは、最新の標的座標を位置監視回路４８ｅに送信する。更には、座標処理回路４８ｄは、最新の標的座標と照射するエネルギーとから追加電流値を計算して、走査電磁石電源４８ａの追加電流メモリ４８ａ２に計算した追加電流値を記録する。
【００８７】
位置監視回路４８ｅは、座標処理回路４８ｄから標的座標を受信し、ｉ＝１，ｊ＝１のスポットの標的座標として記録する。
【００８８】
電磁石制御回路４８ａ１は、追加電流メモリ４８ａ２に記録された追加電流値と励磁電流メモリ４８ａ３に記録されたｉ＝１，ｊ＝１のスポットに対応する励磁電流値との和を計算し、その和を励磁電流値とする。電磁石制御回路４８ａ１は、走査電磁石電源４８ａを制御して求めた励磁電流値で走査電磁石３１，３２を励磁する。電磁石制御回路４８ａ１は、走査電磁石電源４８ａの電流値の設定が完了すると照射制御装置４８の照射制御回路４８ｇに電磁石設定完了信号を送信する。なお、これらの電流値の設定はＸ軸に対応する走査電磁石３２とＹ軸に対応する走査電磁石３１の両方に対して実施される。
【００８９】
照射制御回路４８ｇは、電磁石設定完了信号を受信したときに出射許可信号を未だに受信していれば加速器制御装置に対し出射開始信号を送信する（ステップＳ２０３Ａ５）。それに対し、照射制御回路４８ｇは、電磁石設定完了信号を受信したときに出射許可信号を受信していない場合、再び出射許可信号を受信するのを待ち、出射許可信号を受信すると座標処理回路４８ｄ、位置監視回路４８ｅおよび電磁石制御回路４８ａ１に対しスポット再設定信号を送信する。
【００９０】
座標処理回路４８ｄはスポット再設定信号を受信すると、最新の標的座標を位置監視回路４８ｅに送信し、最新の座標に対応する追加電流値を走査電磁石電源４８ａの追加電流メモリ４８ａ２に送信する。
【００９１】
位置監視回路４８ｅはスポット再設定信号を受信すると座標処理回路４８ｄから受信した標的座標をｉ＝１，ｊ＝１の標的座標として記録し直す。
【００９２】
電磁石制御回路４８ａ１はスポット再設定信号を受信すると、座標処理回路４８ｄが上書きした最新の追加電流値とｉ＝１，ｊ＝１の励磁電流値との和を走査電磁石に設定する。電磁石制御回路４８ａ１は設定が完了すると電磁石設定完了信号を照射制御回路４８ｇに送信する。
【００９３】
照射制御回路４８ｇは電磁石設定完了信号を受信したときに出射許可信号を受信するまで同様の動作を繰り返す。
【００９４】
照射制御回路４８ｇは電磁石設定完了信号を受信したときに出射許可信号を受信するとともに、体表面から標的２６までの粒子線の通過経路上に重要臓器が無いと判定されたときには、加速器制御装置４７へ出射開始信号を送信する。
【００９５】
次いで、出射開始信号を受信した加速器制御装置４７は高周波印加装置５を制御して粒子線に高周波を印加する。高周波を印加された粒子線は出射用デフレクタ１１を通過し、ビーム経路１２を通過して治療室１７内の照射装置２１に達する。粒子線は照射装置２１内の走査電磁石３１，３２により走査され、位置モニタ３４および線量モニタ３３を通過して照射対象２５内に到達し、標的２６に線量を付与する（ステップＳ２０４）。
【００９６】
標的２６に到達した粒子線の量は線量モニタ３３で検出され、照射制御回路４８ｇでカウントされる。照射制御回路４８ｇは線量モニタ３３からの信号のカウントと線量メモリ４８ｈの値を比較し、カウントが線量メモリ４８ｈに記録されている目標照射量に達すると加速器制御装置４７に対して出射停止信号を出力する。
【００９７】
出射停止信号を受信した加速器制御装置４７は高周波印加装置５を制御して高周波の印加を停止し、出射を停止する。また、照射制御回路４８ｇは位置監視回路４８ｅへスポット完了信号を送信する。位置監視回路４８ｅは座標処理回路４８ｄから受信した標的座標と位置メモリ４８ｆに記録されている照射位置の値を足し合わせ、位置モニタ３４により検出した位置との差を算出し、差が閾値以下になっていることを確認する。
【００９８】
次いで、同一スライスに存在するスポットの中に照射が完了していないスポットがあるか否かを判定する（ステップＳ２０５）。未完了のスポットがあると判定された場合、すなわちスポット番号ｊがｊ＜Ｎｉの場合、ｊ＋１番目のスポットを照射するため、ステップＳ２０３に処理を戻す。これに対し、同一スライスのスポットを全て照射したと判定された場合、すなわちｊ＝Ｎｉの場合は、ステップＳ２０６に処理を進める。
【００９９】
次いで、中央制御装置４６から加速器制御装置４７に減速信号を送信する（ステップＳ２０６）。減速信号を受信した加速器制御装置４７は粒子線を減速させ、ライナック３から新たな粒子線を入射できる状態になる。
【０１００】
次いで、照射が完了していないレイヤーがあるか否かを判定する（ステップＳ２０７）。本ステップにおいて、未完了のレイヤーがあると判定された場合、すなわちｉ＜Ｎのときは、ｉ＋１番目のレイヤーを照射するためステップＳ２０２に処理を戻す。これに対し、全てのレイヤーの照射が完了したと判定された場合、すなわちｉ＝Ｎの場合は、処理をステップＳ２０８に進め、照射完了となる。
【０１０１】
ここで、比較のために、図６に示すステップＳ２０３に相当する上述の特許文献３でのステップの詳細について図８を用いて説明する。
【０１０２】
図８に示すように、従来技術では、座標処理回路は、動体追跡装置から標的座標を一定の周期で受信しており（ステップＳ２０３Ｐ１）、受信した最新の標的座標が出射許可範囲の中にあるか否かを判定（ステップＳ２０３Ｐ２）して、許可範囲内であると判定されたときはスポット照射を実行するステップＳ２０４Ｐへ処理を進め、許可範囲内であると判定されなかったときは処理をステップＳ２０３Ｐ１に戻している。
【０１０３】
このような従来技術では、照射計画の作成時に直方体形状の出射許可範囲が決定されている。その上で、照射と並行して取得する標的の座標が予め定めた出射許可範囲内にあるか否かで追尾照射が実行されるか否かが判定されている。
【０１０４】
しかしながら、必ずしも、照射計画作成時から実際に照射するまでの間に標的の深さが変化しないとは限られない。このため、特許文献３に記載の技術では、上述のように垂直な方向にゲート範囲を設定することに対する照射時間を短縮する余地があるとの課題に加えて、照射時に計測される標的の位置が出射許可範囲内にあっても、照射位置の深さが計画時と高精度に一致しているとは限られず、更なる照射精度向上の余地があることが本発明者らの検討により初めて明らかとなった。このような従来技術においては、標的の座標が予め定めた出射許可範囲内にあるか否かで追尾照射を実行するか否かを判定する限り、照射精度を高く保つためには出射許可範囲の深さ方向を狭くとる必要があり、更なる治療時間の短縮の余地があることも初めて明らかとなった。
【０１０５】
これに対し、上述の図７に示す本実施例のように、照射時に取得する標的２６の深さ情報が深さ許可範囲であるか否かによるゲート照射を行う場合、照射計画作成時から実際に照射するまでの間に標的２６の深さが変化したとしても、照射と並行して取得する標的２６の深さが、予め定めた深さ許可範囲と等価であると判断されたときには追尾照射を実行することができるため、照射精度を高く保つことができるとともに、深さ許可範囲を広くとることができるようになる。このため、照射可能な時間を長く確保することができ、治療時間の短縮を図ることが可能となる。
【０１０６】
以上の手順により実施される照射により、短時間に計画通りの線量分布を形成することができる。
【０１０７】
次に、本実施例の効果について説明する。
【０１０８】
上述した本実施例の粒子線照射システムは、荷電粒子ビームを生成して出射する荷電粒子ビーム発生装置１と、荷電粒子ビームを走査する走査電磁石３１，３２を有しており、荷電粒子ビームを標的２６に照射する照射装置２１と、標的２６の位置を計測するＸ線発生装置３５，３６、Ｘ線検出器３７，３８、動体追跡装置４９からなる標的監視装置と、標的監視装置からの信号に基づき走査電磁石３１，３２の励磁電流値を補正して荷電粒子ビームを標的２６に照射する追尾照射、および標的監視装置からの信号に基づき標的２６の深さを演算し、標的２６の深さが予め定めた深さ許可範囲内にあるとき荷電粒子ビームを照射するゲート照射を行う制御システム７と、を備え、制御システム７は、標的監視装置によって計測した標的２６の深さが深さ許可範囲内にあるときに追尾照射を行うものである。
【０１０９】
また、本実施例の標的２６へ荷電粒子ビームを照射するための照射計画を作成する照射計画装置４１は、標的２６の位置を計測する標的監視装置からの信号に基づき荷電粒子ビームを走査する走査電磁石３１，３２の励磁電流値を補正して荷電粒子ビームを標的２６に照射する追尾照射、および標的監視装置からの信号に基づき標的２６の深さを演算し、標的２６の深さが予め定めた深さ許可範囲内にあるとき荷電粒子ビームを照射するゲート照射を行う際に用いる、標的２６の深さ情報が記録された深さテーブルを予め作成するものである。
【０１１０】
このように、ビーム軸と垂直な方向への標的２６の移動に対しては走査電磁石３１，３２の励磁量を補正することで計画通りの標的２６の位置へ粒子線を照射することができ、標的２６の深さが計画した深さから一定以上異なる場合には粒子線の照射を停止することで粒子線を計画通りの標的２６の深さへ照射することができる。従って、スキャニング照射法による粒子線照射システムにおいて、従来に比べて粒子線を照射することができる時間を長くすることができ、照射時間（治療時間）を短くすることができる。
【０１１１】
そのうえ、上述のように、必ずしも照射計画作成時から実際に照射するまでの間に標的の深さが変化しないとは限られないが、本実施例のように照射時に取得する標的２６の深さ情報が深さ許可範囲であるか否かによるゲート照射を行うことによって、照射可能な時間を長く確保した上で照射精度を高く保つことができ、治療時間の短縮を図ることが可能である、との効果も奏する。
【０１１２】
また、深さは、標的２６を有する照射対象２５の体表面から標的２６までの水等価厚とするため、標的２６までの水等価厚が変化することで粒子線の飛程が変化する場合でも水等価厚が等しくなる条件（タイミング）で追尾照射が実行されるため、短時間に計画通りの線量分布を形成することができ、より短時間での治療完了が可能となる。
【０１１３】
更に、制御システム７は、重要臓器が荷電粒子ビームの通過経路上に存在するときは、標的２６の深さが深さ許可範囲内にあるときであっても追尾照射は行わないことで、重要臓器に対する粒子線の照射を抑制することができるため、粒子線の照射によって重要臓器に対するして好ましくない事象が生じる憾みを抑制することができる。
【０１１４】
＜その他＞  
なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。
【０１１５】
例えば、標的２６の位置を照射中に計測する方法について説明したが、標的２６の位置と照射対象２５の表面との位置関係を予め求めておき、照射対象２５の表面の信号に基づいて標的２６の深さを求め、ゲート制御と追尾制御を実施することができる。体表位置は、標的監視装置とは別の監視モニタ、例えばレーザー距離計やステレオカメラ等、体表位置の動きを計測することが可能な計測機器を用いることが望ましい。この場合も、上述の実施例と同様に、リアルタイムに計測した標的２６の深さが深さ許可範囲の中にあることで出射許可信号を出力するものとする。
【０１１６】
また、標的２６の位置を特定する方法はＸ線に限られず、電磁波や超音波を用いることができる。
【０１１７】
また、上述の実施例では深さテーブルを治療前に予め作成する手法について記述したが、標的２６の深さは、体表位置などの他の情報を用いてリアルタイムに計測した値を使用することが可能である。この場合も、リアルタイムに計測した標的２６の深さが深さ許可範囲の中にあることで出射許可信号を出力するものとする。
【０１１８】
また、上述の実施例では、深さとして照射対象２５の体表面から標的２６までの水等価厚を用いたが、水等価厚以外の指標を用いることができる。例えば標的２６の周りが水として近似できるような場合には、照射対象２５の体表面から標的２６までの距離を水等価厚の替わりに用いることもできる。
【０１１９】
また、上述の実施例では、ゲート照射の基準として、標的２６の深さのみについて記載したが、標的２６の絶対位置、照射対象２５の体表面から標的２６までの距離、照射対象２５の体表面から標的２６までの水等価厚のうち、少なくともいずれか一つ以上を単独、あるいは組み合わせて照射の可否判定に用いることができる。
【０１２０】
このように、ゲート照射の条件として、深さと、照射対象２５の体表面から標的２６までの水等価厚、または照射対象２５の体表面から標的２６までの距離と、のうち少なくとも一方がそれぞれの許可範囲内にあるときに追尾照射を実施することで、標的２６に対する粒子線の照射時間をより長く確保することができ、治療時間の更なる短縮が可能となる。
【０１２１】
また、照射対象２５の体表面の位置の監視を、標的監視装置とは別の監視モニタを用いることにより、標的２６の深さ情報の取得方法を増やすことができ、深さの判断精度の向上や冗長性を確保することができる。
【０１２２】
また、上述の実施例では、標的２６の深さが照射対象２５の体表面から標的２６の浅い側の境界までとしたが、標的２６の深い側の境界、あるいは標的２６の内側の任意の点までの距離のいずれかとすることができる。
【０１２３】
また、上述の実施例において、座標処理回路４８ｄはスポット毎に新しい情報を送信するものとした。これは、ひとつのスポットを照射する時間は数ｍｓと小さく、その間に標的２６が動く距離は実質的に無視できるためである。しかしながら、ひとつのスポットを照射している最中も追加電流メモリ４８ａ２を更新し標的２６の位置に合わせて励磁電流値を変更することができる。ひとつのスポットの照射時間が長いような場合、スポット照射中も励磁電流値を変更することが有効である。
【０１２４】
また、上述の実施例では、座標処理回路４８ｄが動体追跡装置４９から受信する標的２６の座標により、出射許可タイミングと追加電流値を制御するものとした。しかし、座標処理回路４８ｄは動体追跡装置４９から受信した標的２６の座標を用いて標的２６の位置を予測するものとすることができる。位置を予測することにより、制御システム７の処理時間による出射許可タイミングと追加電流値の遅れを回避することができる。また、予測することでＸ線撮影周期より短い周期で出射許可タイミングと追加電流値を制御することができ、照射時間の更なる短縮を図ることが可能である。
【０１２５】
また、上述の実施例では、出射許可状態になった後に走査電磁石３１，３２を走査する方法が記載されている。しかしながら、走査電磁石電源４８ａは出射許可状態に関係なく一定の周期で励磁量を更新することができる。この場合、励磁量を更新する周期と同等の周期で座標処理回路４８ｄが追加電流メモリ４８ａ２を更新することが望ましい。この周期は、動体追跡装置４９から座標情報が送られてくる周期と同等とすることができる。また、この周期は、動体追跡装置４９から送信される座標情報を基に予測した座標を使用することで、動体追跡装置４９から座標情報が送信される周期より短い周期とすることもできる。
【０１２６】
このように出射許可状態ではないときも追加電流値を走査電磁石電源４８ａに送信し、常に標的２６の移動に合わせて走査することで、出射許可信号が送信されてから粒子線が出射されるまでの時間を短縮することができる。
【０１２７】
また、上述の実施例ではスポット毎に粒子線の出射を停止するスポットスキャニングを例に説明したが、粒子線の出射を停止しないラスタースキャニングおよびラインスキャニングにも本発明を適用することができる。
【０１２８】
また、上述の実施例では３６０度回転するガントリー１８を例に説明したが、本発明は１８０度回転するガントリー、或いはガントリーがない粒子線照射装置に対しても同様に本発明を適用することができる。
【０１２９】
また、荷電粒子ビーム発生装置１の加速器がシンクロトロンの場合を例に説明したが、加速器はサイクロトロン型やシンクロサイクロトロン型の様々な加速器を用いることができる。例えばサイクロトロンの場合は、出射はサイクロトロンから輸送系へ向けてビームが出ることを表す。
【符号の説明】
【０１３０】
１…荷電粒子ビーム発生装置（加速器）
７…制御システム（制御装置）
１７…治療室
２１…照射装置
２５…照射対象
２６…標的
３１，３２…走査電磁石
３５，３６…Ｘ線発生装置（標的監視装置）
３７，３８…Ｘ線検出器（標的監視装置）
４０…Ｘ線ＣＴ装置
４１…照射計画装置
４２…データベース
４６…中央制御装置
４７…加速器制御装置
４８…照射制御装置
４８ａ…走査電磁石電源
４８ａ１…電磁石制御回路
４８ａ２…追加電流メモリ
４８ａ３…励磁電流メモリ
４８ｂ…深さテーブルメモリ
４８ｃ…深さ許可範囲メモリ
４８ｄ…座標処理回路
４８ｅ…位置監視回路
４８ｆ…位置メモリ
４８ｇ…照射制御回路
４８ｈ…線量メモリ
４９…動体追跡装置（標的監視装置）
【図１】
2019141331.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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