(57)【要約】【課題】  回転ガントリー内に設置した２台の走査電磁石でスキャニング照射を行っていたことから、回転ガントリーの回転半径が大きくなるなど装置が大型化する傾向にあった。また、２台の走査電磁石と回転ガントリーの回転を組み合わせることで、患部以外の線量を低減することが可能であったものの、スキャニング照射の自由度が大きいため照射スポット数が多くなる傾向にあり、治療時間が長くなっていた。【解決手段】  １台の走査電磁石４０と回転ガントリーによる回転により、患部５１へのスキャニング照射を実現する。一台の走査電磁石による一次元走査面内では、粒子線のエネルギー変更とスキャニング照射を行う。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子線を加速して出射する加速器と、
加速された前記粒子線を照射対象に照射する照射ノズルと、
前記加速器で加速された粒子線を前記照射ノズルまで輸送するビーム輸送系と、
前記照射対象をのせる治療台の周りを、前記照射ノズルと共に回転する回転ガントリーを備える粒子線治療システムであって、
前記照射ノズルは、前記粒子線を一方向に走査する１台の走査電磁石を有し、前記回転ガントリーが回転することで、複数の角度から前記粒子線を出射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、
前記照射ノズルは、前記走査電磁石が前記粒子線を走査する面内で、出射する粒子線のエネルギーを変更す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又は２に記載の粒子線治療システムであって、
前記照射ノズルは、前記照射対象内の照射スポットに前記粒子線を出射し、当該粒子線の出射を停止して他の照射スポットに移動した後、前記粒子線の出射を再開す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又は２に記載の粒子線治療システムであって、
前記照射ノズルは、前記照射対象内の照射スポットに前記粒子線を照射し、照射を継続して他の照射スポットに移動し、当該他の照射スポットに前記粒子線を照射する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乃至４のいずれか１項に記載の粒子線治療システムであって、
前記回転ガントリーは、回転及び回転停止を繰り返し、
前記照射ノズルは、前記回転ガントリーの回転停止中に、前記粒子線を出射し、その後にエネルギーを変更した粒子線を出射することを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の粒子線治療システムであって、
前記照射ノズルは、当該照射ノズルの回転中に、前記粒子線を照射する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粒子線を、がん患部に照射する粒子線治療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療は、シンクロトロンあるいはサイクロトロンといった加速器により加速された粒子線を、がん患部等の照射対象に照射するがん治療法である。加速器からの粒子線は、ビーム輸送系により照射ノズルまで輸送され、照射ノズルでがん患部に合致するように整形された後、治療台の患者の患部に照射される。
【０００３】
照射ノズルでがん患部に合致した線量分布を形成する照射法にスキャニング照射という方法がある。スキャニング照射は、加速器により加速され、ビーム輸送系により輸送されてきた数ｍｍの細い粒子線を、照射ノズル内の走査電磁石により平面内を走査しながら照射していく方法である。互いに直交する水平方向、垂直方向走査用の２台の走査電磁石を用いて、粒子線ビームを二次元平面内で走査し、各照射スポットに必要な照射量だけ照射していく。粒子線の進行方向、すなわち、患部深さ方向には、粒子線のエネルギーを変更することにより、粒子線を照射する深さを変化させる。
【０００４】
治療計画装置は、治療に先だって、患部を一様な線量で照射するための必要な粒子線のエネルギー種と各照射スポットの位置、照射量を決める。治療計画装置によって決められた粒子線エネルギー、各照射スポットの位置、照射量をもとに、加速器、ビーム輸送系、走査電磁石を制御しながら各照射スポットに照射していき、患部を照射する。スキャニング照射は、患部内を細い粒子線を走査しながら照射していくため、患部にのみ高線量を照射し、患部以外の正常組織への線量を減らすことが出来る優れた照射方法である。
【０００５】
粒子線治療では、重要臓器への照射を避けるため、あるいは、患部への線量集中性を向上させる目的で、回転ガントリーにより患者周りに照射方向を回転させることを行う。患者は治療台の上に横になるか、または椅子などに固定される。回転ガントリーは、空間固定のアイソセンタと呼ばれる回転中心を中心に回転することが可能となる装置である。回転ガントリーに、粒子線を輸送するビーム輸送系と照射ノズルを搭載することで、患者に対して任意方向からの照射が実現する。回転ガントリーによる回転を利用して、複数の照射方向から照射することを多門照射と呼ぶ。多門照射により患部に対して複数の照射方向から照射することで、患部手前の正常組織の線量を低減することが可能となる。例えば、回転ガントリーを１８０度回転させて対向する方向から粒子線を照射することができ、この二門照射のことを対向二門照射と呼ぶ。また、９０度毎の四門照射なども可能である。また、回転ガントリーの別の効果として、患部以外の線量を当てたくない臓器を避けた方向から照射することから、重要臓器の線量を無くすことができる。
【０００６】
最近では治療計画装置の進歩により、スキャニング照射で多門照射が可能となってきている。特にスキャニング照射と多門照射を組み合わせることにより、ある方向からは患部の線量は一様ではなく、一様ではない線量分布を多方向から照射で重ね合わせ一様な線量を得る強度変調照射と呼ばれる照射方法などの研究が進んでいる。この方法では、重要臓器を避けつつ、数門、たとえば、４あるいは５方向からのスキャニング照射で患部のみに高線量を照射する良好な線量計画を得る事が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１１−５２１７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
スキャニング照射では、水平、垂直の互いに直交する方向に粒子線を走査する２台の走査電磁石を用い、二次元平面（Ｘ方向、Ｙ方向）の走査を行いながらスキャニング照射していた。深さ方向（Ｚ方向）には、加速器、ビーム輸送系の調整、あるいは、照射ノズル内のレンジシフタ厚を変化させて、粒子線のエネルギーを調整することで、患部を照射する深さを変更する。
【０００９】
特許文献１では、走査電磁石２台によるスキャニング照射に加えて、回転ガントリーを回転させながら照射する方法が開示されている。この方法では、従来の多門照射より照射門数を増加させることができる。患部手前の粒子線の照射領域は、回転ガントリーの回転範囲に対応して拡大するが、照射された領域の線量は従来よりも照射領域が拡大した分だけ低減することが出来るため、患部への線量集中性が向上する。しかし、回転ガントリー内に２台の走査電磁石が必要であることから、回転ガントリーの回転半径が大きくなるなど装置が大型化する傾向にあった。また、従来の２台の走査電磁石とガントリー回転を合わせた時は、横方向平面内の２次元走査と深さ方向のエネルギー変更により、各照射門で患部内に三次元的に照射スポットを配置出来るため、全照射門で合計したときに照射スポット数が多くなる傾向にあった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、走査電磁石１台と回転ガントリーにより患者周りに照射方向を回転することで、スキャニング照射が可能であることに注目する。走査電磁石１台によりある走査面内での一次元走査が可能になるが、この走査面を回転ガントリーの回転により、アイソセンタ中心に走査面を並べることにより、三次元形状を持つ患部を一様な線量でスキャニング照射可能である。
【００１１】
さらに走査面内を走査電磁石により一次元走査する時には、粒子線のエネルギー変更と従来のスキャニング照射を組み合わせる。これにより、従来２個必要であった走査電磁石を１個に減らし、回転ガントリーの回転により減った自由度を補うことで、三次元形状を持つ患部をスキャニング照射すことが可能となる。
【００１２】
本発明によれば、患部に一様な線量分布を形成するのに回転ガントリーの回転が必須である。従来の照射では、回転ガントリーは停止した上で複数門の照射を行っていた。本発明では回転ガントリーを回転しながら照射するため、患部手前側の粒子線の照射領域が拡大するものの、患部に同じ線量を照射する場合には、照射した領域の線量は領域が拡大した分だけ下げることが出来る。そのため、従来の照射と比較して患部より浅い側の線量を減らすことが可能となる。また、走査電磁石を１個に減らしたため、回転ガントリーを小型化することが可能となる。また、従来の２次元走査と回転では患部領域に配置した照射スポットに複数方向から分割して照射していたため、全照射門で合算したときに照射スポット数が多くなる傾向にあった。本発明によれば、一次元走査と回転を組み合わせることにより、患部の各領域に配置した各照射スポットは回転ガントリーを回転させた時に一方向からしか照射しないため、従来より照射スポット数が減らすことが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来２台の走査電磁石が必要であったが、１台に減らすことが可能となるため、回転ガントリーを小型化することが可能となる。すなわち回転ガントリーの設置面積などを小型化することにより、より狭小な敷地面積で粒子線治療システムを実現することを可能とする。また、従来より照射スポット数を減らすことが出来ることにより、治療時間を短縮出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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図である。
【図２】本発明の一実施形態である粒子線治療システムが備える粒子線スキャニング用の照射ノズルの機器構成を示す図である。
【図３】本発明の第一の実施形態である粒子線治療システムを構成する回転ガントリーを用いて、照射対象に対して複数の角度から粒子線を照射することを示す図である。
【図４】一次元走査を行う走査面内でのスキャニング照射を説明する図である。
【図５】本発明の第二の実施形態である粒子線治療システムを構成する回転ガントリー用いて、照射対象に対して複数の角度から粒子線を照射することを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に本発明の粒子線治療システムの実施例を、図面を用いて説明する。
【００１６】
まず、粒子線治療システムの全体構成および関連する装置の構成について説明する。図１に、本実施例が関係する粒子線治療システムの全体構成を示す。シンクロトロン加速器あるいはサイクロトロン加速器といった粒子線加速器２０で加速された粒子線は、ビーム輸送系３０により照射ノズル４０まで輸送される。照射ノズル４０で粒子線は、患部形状に合致するように整形され、治療台５０に横になった患者５に照射される。粒子線加速器２０は、入射器２１とシンクロトロン加速器２２を備える。図１では、シンクロトロン加速器２２が記載されているが、サイクロトロン加速器などその他の粒子線加速器でも良い。また、図１では、患者５は治療台５０の上で横になって固定されているが、椅子などの治療台に座って固定されていても良い。
【００１７】
図２に、本実施例が関係する粒子線スキャニング用の照射ノズル４０を示す。照射ノズルで４０は、走査電磁石４１により粒子線を走査し、照射対象である患者５内の患部５１に照射される。粒子線の通過途中に、線量モニタ４２により粒子線の照射量を測定し、位置モニタ４３により粒子線の照射位置を測定する。リッジフィルタ４４は必要に応じて粒子線が体内で形成する高線量領域であるブラッグピークの拡大を行う。本実施例では、図２に示すとおり、照射ノズル４０内にリッジフィルタ４４を備える例を説明するが、リッジフィルタ４４は、スキャニング照射において必須の機器ではなく、必要に応じて適切な厚みの機器が設置される構成であればよい。
【００１８】
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でがん患部を一様な線量で照射するための粒子線のエネルギー種と、照射スポットの位置と各照射スポットに対する照射量を計算する。
【００１９】
照射ノズル４０とその手前のビーム輸送系３０は、回転ガントリーと呼ばれる回転機構の上に設置されている。回転ガントリーは、アイソセンタと呼ばれる空間固定の点を中心として、照射方向を回転出来る機構である。粒子線治療システムの場合、回転ガントリーは、照射ノズルやビーム輸送系の電磁石を搭載するため、重量が１００トン程度か、それ以上の相当の重量物になる。患部５を回転中心であるアイソセンタ近傍に来るように、治療計画時の患者の治療位置を決め、治療時には治療計画時の位置に来るように治療台５０を用いて患者５を精密に位置決めを行う。回転ガントリーは、アイソセンタ中心に回転するため、患部５に対してさまざまな方向から粒子線を照射することが可能となる。
【００２０】
粒子線治療で多門照射を実施する場合、アイソセンタを中心に回転ガントリーを回転させる。治療計画装置１０を使って、医師はあらかじめ患部と照射したくない保護すべき重要臓器の位置関係を把握し、線量計算を行い試行錯誤をへて照射方向、照射門数を決定する。照射時には、治療計画時に決めた照射方向になるように、回転ガントリーを回転させ粒子線の照射を実施する。ある角度での粒子線の照射（一門の照射）が終了すると、次の照射方向になるようにさらに回転ガントリーを回転させてから粒子線の照射を行う。これを繰り返し行い、治療計画装置１０で計画したすべての照射門（照射角度）での粒子線の照射が終了すると、その日の患者５の治療は終了となる。以上は、回転ガントリーが回転及び回転停止を繰り返し、回転ガントリーの回転が停止する回転停止期間中に、照射ノズル４０から第１のエネルギーの粒子線を照射し、粒子線を走査する面内で他のエネルギーの粒子線を照射する方法である。別の方法として特許文献１に示されているように、回転ガントリーを回転させながら粒子線を照射する方法であってもよい。
【実施例１】
【００２１】
本発明による第一の実施形態を、図３を用いて説明する。図３において、１０１は回転ガントリーの回転中心であるアイソセンタを示す。照射ノズル４０の内部には、図２に示すように、粒子線を一方向に走査する走査電磁石４１が一台設置されている。照射ノズル４０内に配置される走査電磁石４１は１台のみであり、この走査電磁石４１は通過する粒子線を一方向に走査する機能を有する。図３において１０２は、走査電磁石１台により走査される走査面を示している。図３において紙面垂直方向に、走査電磁石４１により粒子線が走査され、スキャニング照射の照射スポットは走査面１０２内、紙面垂直方向に存在する。１台の走査電磁石で粒子線を走査する方向の面（走査面）を、空間固定の点である回転中心であるアイソセンタを中心に、多数並べることにより３次元形状を持つ患部を照射可能である。
【００２２】
回転ガントリーがアイソセンタ１０１を中心に回転することにより、患部５１の周りに２門以上の複数の照射方向から粒子線の照射を行う。例えば図３では、三方向（３つの角度）からの粒子線の照射、すなわち三門照射が示されている。図３において、回転ガントリーの回転中心であるアイソセンタ１０１は、患部５１の外側に、照射ノズル４０から見て患部５１より遠方に位置している。このアイソセンタ１０１の配置により、アイソセンタ１０１から見て患部５１が存在する角度範囲に、回転ガントリーを回転させて照射すれば、患部５１全体に照射スポットを配置することが可能となる。この時、各照射スポットはガントリーがある回転角度の時のみ照射される。
【００２３】
本実施例による走査面１０２内のスキャニング照射について図４を用いて説明する。走査面１０２内に複数の照射スポット１１１を配置して、照射ノズル４０内の１個の走査電磁石４１により、粒子線１を紙面内の一方向に走査しながら照射していく。ある照射スポット１１１の線量が満了すると、次の照射スポット１１１に走査して照射スポット毎に粒子線を照射していく。また、加速器・ビーム輸送系制御装置１２が、粒子線加速器２０およびビーム輸送系３０にエネルギー変更指令を送り、粒子線加速器２０から出射する粒子線１のエネルギーを変更することで、深さ方向の照射位置を変更して粒子線を照射していく。これを繰り返すことにより走査面１０２内の全ての照射スポット１１１を照射する。ある走査面の照射が終了すると、回転ガントリーを次の角度に回転させて照射ノズル４０を回転させることで、次の照射方向から走査面の照射スポットを照射していく。照射スポットを照射していく時は、ある照射スポットから次の照射スポットに移動する間に粒子線の照射を停止する（オフする）スポットスキャニング方式であってもよいし、照射スポットの移動時も粒子線の照射を継続する（照射をオフしない）連続ビームによるスキャニング方式であってもよい。深さ方向に照射スポットを変化させる粒子線のエネルギー変更の方法としては、加速器、ビーム輸送系によるエネルギー変更であってもよいし、照射ノズル４０内のレンジシフタの厚さを変更する方法であってもよい。
【００２４】
このように、照射ノズル４０内に設置した走査電磁石を１個に減らしても、回転ガントリーによる回転による自由度を組み合わせることにより、三次元形状を持つ患部５１に対してスキャニング照射を行うことが可能である。本実施例では、回転ガントリーを回転させて停止させてから図４に示す走査面内でのスキャニング照射する例を説明した。つまり、本実施例は、回転ガントリーを所定の角度で停止し、この停止期間中に、粒子線を走査する面内で走査電磁石４１が粒子線を走査し、さらに、当該走査面内で粒子線のエネルギーを変更して他のエネルギーの粒子線を照射する方法である。他の方法として、回転ガントリーを回転させながら図４に示す走査面内のスキャニング照射を行っても良い。この場合、回転ガントリーが回転している期間中に、照射ノズル４０から粒子線を照射し、照射ノズル４０内に設置された１台の走査電磁石４１を用いて粒子線を走査し、粒子線のエネルギーを変更して異なるエネルギーの粒子線を照射する。
【００２５】
本実施例では、走査電磁石４１は回転ガントリーの患者に向かう直線部に配置される例を説明したが、照射ノズル４０よりも上流側に配置される偏向電磁石より上流など回転ガントリー上流に配置されてもよい。いずれの場合でも走査電磁石を１個に減らすことにより、従来は走査電磁石２個分の空間が必要であったものが、１個分の空間で済むために、従来と比較して回転ガントリーの装置を小型化することが可能となる。これにより粒子線治療システムをより狭小な面積の場合でも設置することが可能となる。
【００２６】
本実施例による走査電磁石１個と回転ガントリーの回転によるスキャニング照射では、回転ガントリーを回転させながら照射を行うため、患部に対して集光的な照射が実現できることになる。さらに、本実施例によれば、患部手前の正常組織の線量を低減出来ることになる。
【００２７】
従来の走査電磁石２台による走査と回転ガントリーによる回転を組み合わせた場合、本実施例と比較してスキャニング照射の自由度が多く照射方向に対して二次元平面内で照射スポットを配置出来るため、ある照射スポットに対して複数の照射方向から照射することが発生する。そのため、照射スポット数を全方向で合算したときに照射スポット数が多くなる傾向にある。本実施例は、一次元の走査と回転を組み合わせるため、各照射スポットは一つの照射方向からの照射に限られるため、照射スポット数を従来より少なくすることが可能である。これにより治療時間を短縮することが可能である。
【００２８】
本実施例の別の効果として、図３に示すようにアイソセンタを患部の外に設置した場合、患者をノズルに近付けることが出来るため、粒子線の通過距離が短くなるため、粒子線のビームサイズを小さくすることが出来る。粒子線のビームサイズが小さいということは、より精密に患部を照射出来ることになる。
【実施例２】
【００２９】
本発明による第二の実施形態を図５に示す。図５では、回転ガントリーの回転中心であるアイソセンタ１０１が、患部５１の内側に位置した場合を示している。図５のようにアイソセンタ１０１が患部５１内部にある場合は、回転ガントリーによる回転範囲を少なくとも１８０度は確保する必要がある。１８０度以上回転させることにより、患部５１内のあらゆる場所に照射スポットを配置することが出来る。図５に示す走査面１０２内のスキャニング照射は図４に示した通りであり、実施例１と同じである。また、回転ガントリーを回転させ、停止してから走査面１１２内のスキャニング照射を実施する点、あるいは回転ガントリーを回転させながら、走査面１１２内のスキャニング照射を実施する点は実施例１と同様である。
【００３０】
実施例１のようにアイソセンタ１０１を患部５１の外側に置いた場合、患者５を照射ノズル４０に近付ける必要があり、患者５と照射ノズル４０の距離が問題となる場合がある。本実施例では、患者５を照射ノズルに近付けることがないため、より体の大きな患者５を治療する場合でも、照射ノズル４０と接触せずに回転ガントリーを回転させながら照射することが可能となる。
【００３１】
その他の効果、患部手前の正常組織の線量を低減出来る効果、走査電磁石を１個に減らすことにより、粒子線治療システムが小型化出来る効果は実施例１と同様である。また、照射スポット数が減ることにより治療時間の短縮が可能となる効果も実施例１と同様である。
【符号の説明】
【００３２】
１：粒子線ビーム
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：粒子線加速器
２１：入射器
２２：偏向電磁石
２２：シンクロトロン加速器
３０：ビーム輸送系
３１：偏向電磁石
４０：照射ノズル
４１：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
５０：治療台
５１：患部
１０１：アイソセンタ
１０２：走査面
１１１：照射スポット
【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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