(57)【要約】【課題】呼吸等により３次元的に動く患部に対しても、より短時間で高精度にビームを照射することが可能な粒子線ビーム照射装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、粒子線ビーム照射装置１は、照射対象に照射する照射線量に応じた信号を積算する線量モニタ部５０と、位置モニタ部５１と、粒子線ビームの重心位置を算出する重心位置算出部９０と、照射対象の呼吸状態を呼吸波形として検出する呼吸波形検出部２５０と、呼吸波形に応じた照射対象の患部の変位量を補正する情報が設定され、かつ患部の変位量から実照射位置を算出する呼吸同期補正処理部８３と、複数の照射スポットを患部の変位量に基づいてグループ毎にまとめて照射するように制御する制御部８０と、を備えている。【選択図】図１
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【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、
前記粒子線ビームを２次元走査するビーム走査部と、
照射対象に照射する照射線量に応じた信号を積算する線量モニタ部と、
複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置される位置モニタ部と、
前記各第１の線状電極から出力される第１の信号と、前記各第２の線状電極から出力される第２の信号とから前記粒子線ビームの重心位置を算出する重心位置算出部と、
前記照射対象の呼吸状態を呼吸波形として検出する呼吸波形検出部と、
前記呼吸波形に応じた前記照射対象の患部の変位量を補正する情報が設定され、かつ前記患部の変位量から実照射位置を算出する呼吸同期補正処理部と、
複数の照射スポットを前記患部の変位量に基づいてグループ毎にまとめて照射するように制御する制御部と、
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】
前記患部の変位量を補正する情報は、治療計画立案時に呼吸に同期したＸ線撮影又はコンピュータ断層撮影された画像情報により算出され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】
前記呼吸同期補正処理部は、前記患部の変位量と前記重心位置算出部にて算出した照射位置情報から実照射位置を算出す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】
前記呼吸同期補正処理部は、前記呼吸波形において呼気している波形のときに前記粒子線ビームを照射する呼吸ゲート信号作成用の閾値を照射状況に応じて変化させ、前記呼吸波形に応じた患部の変位量から実照射位置を算出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５】
前記制御部は、前記グループ毎にまとめて照射した後に前記呼吸波形において呼気している波形のときに前記粒子線ビームを照射するように制御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６】
粒子線ビームを生成する工程と、
前記粒子線ビームの出射を制御する工程と、
前記粒子線ビームを２次元走査する工程と、
照射対象に照射する照射線量に応じた信号を積算する工程と、
複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置され、前記各第１の線状電極から出力される第１の信号と、前記各第２の線状電極から出力される第２の信号とから前記粒子線ビームの重心位置を算出する工程と、
前記照射対象の呼吸状態を呼吸波形として検出する工程と、
前記呼吸波形に応じた前記照射対象の患部の変位量を補正する情報が設定され、かつ前記患部の変位量から実照射位置を算出する工程と、
複数の照射スポットを前記患部の変位量に基づいてグループ毎にまとめて照射するように制御する第１の制御工程と、
を有することを特徴とする粒子線ビーム照射装置の制御方法。
【請求項７】
前記患部の変位量を補正する情報は、治療計画立案時に呼吸に同期したＸ線撮影又はコンピュータ断層撮影された画像情報により算出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の制御方法。
【請求項８】
前記実照射位置を算出する工程は、前記患部の変位量と前記重心位置を算出する工程にて算出した照射位置情報から実照射位置を算出することを特徴とする請求項６又は７に記載の粒子線ビーム照射装置の制御方法。
【請求項９】
前記呼吸波形において呼気している波形のときに前記粒子線ビームを照射する呼吸ゲート信号作成用の閾値を照射状況に応じて変化させ、前記呼吸波形に応じた患部の変位量から実照射位置を算出する工程をさらに有す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の制御方法。
【請求項１０】
前記第１の制御工程の後に、前記呼吸波形において呼気している波形のときに前記粒子線ビームを照射するように制御する第２の制御工程をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の粒子線ビーム制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、炭素等の重粒子線ビームや陽子線ビーム等を照射対象の患部に照射してがん治療を行う粒子線ビーム照射装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療技術の照射法としては、患者の体内患部を３次元格子状に仮想的に切り分けて照射を行うスキャニング照射法がある。このスキャニング照射法では、照射領域を制限する形状コリメータや、ビームを照射する深さ、方向を調整するボーラス（レンジコンペンセーターと呼ばれることもある。）と呼ばれる照射器具を用いることなく、ビーム軸方向についても高精度に患部に合わせることが可能になる。このスキャニング照射法によれば、従来の２次元的照射方法と比較して正常細胞への被曝を抑制することができる。
【０００３】
スキャニング照射法は、大別すると照射ポイントを変更する時にビーム出射を停止させるスポットスキャニング照射法と、照射ポイントを変更する時にビーム出射を停止させないラスタースキャニング照射法とがある。
【０００４】
スキャニング照射法においては、正しい位置にビームが照射されていることを保証するため、照射ポートには位置モニタが配備されている。
【０００５】
スキャニング照射用の位置モニタの一例としては、例えば電離箱の収集電極の電極部分が１軸方向に電気的に非接続な多数のストリップに区切られた構成であり、これらストリップに各々、計測回路が接続されている。この計測回路の内部には、積分部が設けられ、照射スポット毎に、各ストリップに収集された電荷に相当する電気量が貯えられる。上記積分部から出力される電圧は、Ａ／Ｄ変換器（以下「ＡＤＣ回路」と記す）によりデジタル信号として取り出される。そして、これらデジタル信号に対して重心計算等の演算を実行することによって、スポット位置を算出している。
【０００６】
また、肺や肝臓等、呼吸する度に動く臓器に対しては、呼吸動作の中で臓器の動きが一番小さくなる呼気のタイミングに同期して照射する呼吸同期照射法や、患部の移動量に合せて、照射位置を変化させる動体追跡照射法がある。
【０００７】
さらに、特許文献１に記載された粒子線ビーム照射装置は、スキャン時の線量２次元分布を測定して表示するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１６１０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記呼吸同期照射法では、呼吸動作の中で、臓器の動きが一番小さくなる呼気のタイミングでしかビームの照射が行われないため、呼吸により動かない臓器に比べて、一回の照射時間が長くなる。その結果、患者への拘束時間が長くなり、患者への負担が増え、一日の治療人数が少なくなるという課題があった。
【００１０】
また、上記動体追跡照射法の場合には、ビーム軸に対して直角な、横方向の追跡は比較的容易に追尾することができるものの、ビーム軸方向の追跡は患者に照射するビームエネルギーをダイナミックに変更する必要があるため、加速器の運転上困難であるという課題があった。
【００１１】
そこで、本発明の実施形態は、上記課題を解決するためになされたものであり、呼吸等により３次元的に動く患部に対しても、より短時間で高精度にビームを照射することが可能な粒子線ビーム照射装置及びその制御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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本実施形態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、前記粒子線ビームを２次元走査するビーム走査部と、照射対象に照射する照射線量に応じた信号を積算する線量モニタ部と、複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置される位置モニタ部と、前記各第１の線状電極から出力される第１の信号と、前記各第２の線状電極から出力される第２の信号とから前記粒子線ビームの重心位置を算出する重心位置算出部と、前記照射対象の呼吸状態を呼吸波形として検出する呼吸波形検出部と、前記呼吸波形に応じた前記照射対象の患部の変位量を補正する情報が設定され、かつ前記患部の変位量から実照射位置を算出する呼吸同期補正処理部と、複数の照射スポットを前記患部の変位量に基づいてグループ毎にまとめて照射するように制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の制御方法は、粒子線ビームを生成する工程と、前記粒子線ビームの出射を制御する工程と、前記粒子線ビームを２次元走査する工程と、照射対象に照射する照射線量に応じた信号を積算する工程と、複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置され、前記各第１の線状電極から出力される第１の信号と、前記各第２の線状電極から出力される第２の信号とから前記粒子線ビームの重心位置を算出する工程と、前記照射対象の呼吸状態を呼吸波形として検出する工程と、前記呼吸波形に応じた前記照射対象の患部の変位量を補正する情報が設定され、かつ前記患部の変位量から実照射位置を算出する工程と、複数の照射スポットを前記患部の変位量に基づいてグループ毎にまとめて照射するように制御する第１の制御工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本実施形態によれば、呼吸等により３次元的に動く患部に対しても、より短時間で高精度にビームを照射することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態の粒子線ビーム照射装置の構成を示すブロック図である。
【図２】呼吸波形検出装置におけるゲート信号を生成するタイムチャートである。
【図３】ストリップ型の位置モニタ部の構成を示す説明図である。
【図４】３次元スキャニング照射の内、ラスタースキャニング照射法で呼吸同期照射を行う場合の基本的な処理を示すフローチャートである。
【図５】線量及び粒子線ビーム位置の管理・制御の一例を示すタイミングチャートである。
【図６】図１における重心位置算出部の細部構成を示すブロック図である。
【図７】スポットグループを２次元とした場合の例を示す説明図である。
【図８】第１実施形態における３次元スキャニング照射の処理例を示すフローチャートである。
【図９】スポットグループの照射状況を示す説明図である。
【図１０】第２実施形態の粒子線ビーム照射装置の呼吸波形検出装置において、閾値を変化させた場合のゲート信号の変化を示した図である。
【図１１】ハイブリッド制御処理用スポットグループ再設定を示す説明図である。
【図１２】ハイブリッド制御処理用スポットグループ再設定を示す説明図である。
【図１３】第２実施形態におけるハイブリッド制御処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、粒子線ビーム照射装置及びその制御方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の粒子線ビーム照射装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、粒子線ビーム照射装置１は、ビーム生成部１０、出射制御部２０、ビーム走査部３０、Ｘ用電磁石３０ａ、Ｙ用電磁石３０ｂ、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、制御部８０、重心位置算出部９０、及び呼吸波形検出装置２５０等を備えて構成されている。
【００１８】
粒子線ビーム照射装置１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照射対象であるがん患者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１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。
【００１９】
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ともに、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。
【００２０】
出射制御部２０では、制御部８０から出力される制御信号、すなわちインターロック信号及びビーム出射許可信号に基づいて、ビーム生成部１０により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。
【００２１】
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、Ｘ方向に走査するＸ用電磁石３０ａとＹ方向に走査するＹ用電磁石３０ｂの励磁電流を制御している。
【００２２】
レンジシフタ７０は、患部２００のＺ軸方向の照射位置を制御する。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、すなわち体内飛程を患部２００におけるスライスの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経路上に減衰用の物体を挿入する方法のほか、ビーム生成部１０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。
【００２３】
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、すなわちＺ軸方向の格子点の間隔とほぼ等しくなるように設定される。
【００２４】
線量モニタ部５０は、照射対象であるがん患者１００の患部２００に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。
【００２５】
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と類似した電荷収集用の平行電極を有している。位置モニタ部５１の電荷収集用電極は、線状電極（例えば複数の短冊状の電極や、複数のワイヤからなる電極）がＸ方向及びＹ方向にそれぞれ並列に配列されている。複数の短冊状電極が配列されたものはストリップ型と呼ばれ、複数のワイヤ電極が配列されたものはマルチワイヤ型と呼ばれる。
【００２６】
呼吸波形検出装置２５０は、呼吸等による体表面の変位量を測定し、患部２００の変位量が小さい、呼気のタイミングで照射許可のゲート信号を作成し、制御部８０に出力する（図２）。制御部８０は、このゲート信号を、出射制御部２０に出力するビーム出射許可信号を作成の条件として使用する。
【００２７】
図３はストリップ型の位置モニタ部５１の構成を示す説明図である。図３に示すように、位置モニタ部５１は、複数の短冊状電極（複数の第１の線状電極）がＸ軸方向（第１の方向）に並列配置されたＸ電極５１ａと、複数の短冊状電極（複数の第２の線状電極）がＹ軸方向（第１の方向と直交する第２の方向）に並列配置されたＹ電極５１ｂを有している。
【００２８】
制御部８０は、粒子線ビーム照射装置１全体の制御を行うためのものであり、格子点毎の照射線量測定、スポット毎の照射位置の健全性確認、出射制御部２０に対するビーム出射のオン、オフ制御、ビーム走査部３０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タ厚の制御等を行っている。
【００２９】
図４は３次元スキャニング照射の内、ラスタースキャニング照射法で呼吸同期照射を行う場合の基本的な処理を示すフローチャートである。なお、スポットスキャニング照射方法との違いは、スポット切替のタイミングに粒子線ビームの照射を一旦止めるか止めないかのみであり、大きな流れは殆ど変わらない。
【００３０】
図４に示すように、まず、患部２００を粒子線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２００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（導入）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、選択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］、すなわ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）に粒子線ビームの走査位置が設定される（ステップＳＴ２）。
【００３２】
呼吸波形検出装置２５０からのゲート信号がＯＮ（呼吸波形が呼気）しているかの判断を行い（ステップＳＴ３）、ゲート信号がＯＮの時（ステップＳＴ３：Ｙｅｓ）にのみ、粒子線ビームの出射が開始される（ステップＳＴ４）。ゲート信号がＯＮ以外の時（ステップＳＴ３：Ｎｏ）の時は、粒子線ビームの出射を停止する（ステップＳＴ５）。
【００３３】
ビーム走査部３０により設定されたＸ用電磁石３０ａ、Ｙ用電磁石３０ｂを通過した粒子線ビームは、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軸方向に拡大されている。
【００３４】
格子点（Ｘｉ、Ｙｉ）に対する照射線量は、線量モニタ部５０から出力される線量に比例した信号（電流・電圧・周波数パルス等）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のフラグが立つ（ステップＳＴ６）。
【００３５】
各格子点において計画された線量に達するまで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ており、計画線量に達した後に次の格子点に移動する。
【００３６】
計画線量に達したときに、照射した粒子線ビームの線量と重心（照射）位置を記憶メモリに記録する（ステップＳＴ７）するとともに、次のスポットへ粒子線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ＳＴ８）。
【００３７】
１つのスライスに対する照射が終了すると（ステップＳＴ８：Ｎｏ）、一旦ビーム出射を停止し（ステップＳＴ９）、再びステップＳＴ１に戻って次のスライスを選択するとともに、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の設定を変更する。以上の処理を最終スポットに達するまで繰り返す（ステップＳＴ１０）。
【００３８】
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）に対応する粒子線ビーム位置を与えるＸ用電磁石３０ａやＹ用電磁石３０ｂの駆動電流値、各格子点に対する照射線量や照射位置、照射位置からの許容誤差等が照射順に記述されている。
【００３９】
図５は線量及び粒子線ビーム位置の管理・制御の一例を示すタイミングチャートである。
【００４０】
図５（ａ）、（ｂ）に示す２つの電磁石の励磁電流は、２軸方向（Ｘ、Ｙ）の位置設定値に対応する。図５（ｃ）はビーム出射状態を示している。線量モニタ部５０で計測される線量（線量モニタ積算線量、図５（ｄ））が設定値に達すると、線量満了信号（図５（ｅ））が出力される。電磁石の励磁電流を変更して設定値に達すると、その励磁電流値に保持される。ビーム照射点は電磁石の励磁電流の変化に従って移動する。
【００４１】
図５（ｆ）、（ｇ）に示すように、位置モニタ部５１では、線量満了信号により生成された信号によりスポット切替指令が制御部８０から重心位置算出部９０に制御信号として出力され、重心位置算出部９０では位置モニタ部５１の各チャンネルから検出した電流値を元に、その時の最新（最終）の重心計算結果が重心位置算出部９０から制御部８０に対して出力される。
【００４２】
重心位置算出部９０は、例えばスライス単位での照射線量分布を測定するために制御部８０からのスポット切替指令が入力されなくても、定周期（例えば５μｓ周期）で重心計算処理を行っている。
【００４３】
図６は重心位置算出部９０の細部構成を示すブロック図である。位置モニタ部５１のＸ電極５１ａ、Ｙ電極５１ｂの数（チャンネル数）は、特に限定するものではないが、以下では、Ｘ方向、Ｙ方向のチャンネル数が共に１２０チャンネルである場合を例として説明する。
【００４４】
図６に示すように、Ｘ電極５１ａの出力電流は、電流電圧変換（Ｉ／Ｖ変換）部９１１ａで電圧に変換され、増幅部９１２ａで適宜の電圧に増幅された後、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）９２ａでデジタル信号に変換される。次段のデータ補正処理部９３ａは、このデジタル信号に対してオフセット補正処理や平均化処理を施して、位置算出部９４ａに出力する。
【００４５】
なお、上記のＩ／Ｖ変換部９１１ａ、増幅部９１２ａ、ＡＤＣ９２ａ、及びデータ補正処理部９３ａは、Ｘ電極５１ａのそれぞれに対して設けられており、本例では、１２０チャンネル分としている。
【００４６】
Ｙ電極５１ｂのそれぞれに対しても、同様に、１２０チャンネル分のＩ／Ｖ変換部９１１ｂ、増幅部９１２ｂ、ＡＤＣ９２ｂ、データ補正処理部９３ｂ、及び位置算出部９４ｂが設けられている。
【００４７】
次段の位置算出部９４ａ、９４ｂでは、オフセット補正処理や平均化処理が施されたＸ方向、Ｙ方向の各チャンネル信号の振幅値から、粒子線ビームのＸ方向の重心位置と、Ｙ方向の重心位置をそれぞれ算出している。
【００４８】
１次元ビーム形状（Ｘ）抽出部９５ａは、算出されたＸ方向重心位置の周辺の複数のＸチャンネル信号（第１の信号）の振幅値からＸ方向（第１の方向）の１次元ビーム形状（第１ビーム形状）を求めている。１次元ビーム形状（Ｙ）抽出部９５ｂも同様にＹ方向の１次元ビーム形状を求めている。
【００４９】
２次元ビーム形状抽出部９６は、上記のようにして得られたＸ方向及びＹ方向のそれぞれの１次元ビーム形状Ｆ（Ｘｉ）とＦ（Ｙｊ）の積から２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を求めている。
【００５０】
算出された２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）は記憶部９７に転送される。
【００５１】
記憶部９７に累積記憶された線量プロファイル（線量の２次元分布）を示す信号は、例えばスライス単位で表示部９８に送られ、記憶部９７の記憶領域に対応する表示部９８の画面にスライス単位の線量プロファイルが視認容易に表示される。
【００５２】
本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１では、呼吸等により動く臓器に対しても、従来と比べてより短時間で、高精度にビーム照射が可能となる手段を提供している。
【００５３】
次に、第１実施形態に係る粒子線ビーム照射装置を再び図１に基づいて説明する。
【００５４】
図１に示すように、制御部８０には、呼吸同期補正処理部８３が設けられている。また、呼吸波形検出部としての呼吸波形検出装置２５０は、制御部８０に入力される信号として上記ゲート信号に加えて波形情報がある。
【００５５】
呼吸同期補正処理部８３には、呼吸波形に応じた患部２００の変位量を補正するための情報が設定されている。この情報は、予め、治療計画立案時等で、呼吸に同期したＸ線撮影（もしくはＣＴ（Computed Tomography 撮影：コンピュータ断層撮影）された画像情報により、算出しておく。
【００５６】
なお、呼吸波形検出装置２５０は、体表面の移動量を測定する装置（外部呼吸波形検出装置）の他に、治療照射中に斜め方向から撮影したＸ線撮像装置からの画像（動画）を元に直接患部や周辺組織（骨や金属マーカ等）の移動量を測定する装置（内部呼吸同期装置）を用いてもよい。その場合、制御部８０に入力される信号は、波形情報ではなく、患部自体の実際の移動量とすることも可能である。
【００５７】
通常では、照射スポット（格子点）毎の照射制御を行っているが、本実施形態においては、複数のスポットをあるまとまり（スポットグループ）にまとめて、照射制御を行う。スポットグループは、呼吸等による患部の移動量を元に決定する。
【００５８】
図７はスポットグループを２次元とした場合の例を示す説明図である。
【００５９】
図７に示すように、各カラムの数字は、格子点（スポット）毎の予定線量を示している。この予定線量は、制御部８０の設定領域部８１に記録されている。呼吸同期による患部２００の移動量が３スポット以内の場合、太枠で囲まれた３×３のスポットをスポットグループとしてまとめて制御を行う。
【００６０】
図７に示す例では、便宜的に太線で囲まれた３×３のスポットを２次元のスポットグループとして定義しているが、患部２００の移動量が３次元的であるか、あるいは偏りがあったとした場合は、その移動量に合わせて、３次元のスポットグループや正方形でない他の形状のスポットグループを設定することも可能である。
【００６１】
図８は第１実施形態における３次元スキャニング照射の処理例を示すフローチャートである。この３次元スキャニング照射は、概ね、グループスキャン制御処理部とゲーティング制御処理部とに分けることができる。このフローチャートも、ラスタースキャニング照射法を想定したフローとしているが、スポットスキャニング法でも、大きな流れは殆ど変わらない。
【００６２】
グループスキャン制御処理部では、まず、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ＳＴ１１）。
【００６３】
次に、該当スライスのスポットグループが選択され、ビーム走査部３０によりスライス上の格子点位置に粒子線ビームの走査位置が設定され（ステップＳＴ１２）、ビームが導入される（ステップＳＴ１３）。
【００６４】
一定時間経過後（ステップＳＴ１４）には、１）それまでの照射線量を計測し、２）呼吸波形検出装置２５０からの呼吸波形より患部の変位量を算出し、３）重心位置算出部９０にて算出した照射位置情報と２）の患部の変位量を元に実照射位置を算出し、４）該当するスポットの記録領域部８２に１）の照射線量を加算していく（ステップＳＴ１５）。ステップＳＴ１４〜ＳＴ１５での処理の具体例を図９に示す。
【００６５】
すなわち、図９に示すように、スポットグループの各スポットには予定線量が設定されている。最初は粒子線ビームが未照射であるため、各スポットは、全て０カウントである。一定時間が経過した場合、その時の線量が４５０カウントとする。ここで、重心位置算出部９０により算出した照射位置情報が（０，０）であれば、呼吸同期補正処理部８３の値も（０，０）となり、中心位置を４５０カウントする。
【００６６】
次のタイミングで呼吸同期補正処理部８３から（０，１）ずれている情報が出力され、一定時間の照射線量が４６０カウントであれば、そのずれている部分のスポットを４６０カウントする。そして、（−１，１）ずれている情報が出力され、一定時間の照射線量が４３０カウントであれば、そのずれている部分のスポットを４３０カウントする。
【００６７】
さらに、呼吸同期補正処理部８３から（１，１）ずれている情報が出力され、一定時間の照射線量が５００カウントであれば、そのずれている部分のスポットを５００カウントする。次に、重心位置算出部９０により算出した照射位置情報は（０，０）であれば、呼吸同期補正処理部８３の値も（０，０）となり、中心位置を４２０カウントする。したがって、このスポットの線量が１９８０カウントとなって予定線量に達したため、次のスポットグループに切り替える。
【００６８】
このようにスポットグループ内で予定線量に到達したスポット（満了スポット）が出るまでステップＳＴ１４及びステップＳＴ１５を繰り返し（ステップＳＴ１６）、予定線量に到達したスポットが出た場合、次のスポットグループへの設定に切り替える（ステップＳＴ１７）。
【００６９】
１つのスライスに対するスポットグループへの照射が終了すると（ステップＳＴ１７：Ｙｅｓ）、一旦ビーム出射を停止し（ステップＳＴ１８）、ステップＳＴ１１に戻って次のスライスを選択するとともに、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の設定を変更する。以上の処理を最終スポットグループに達するまで繰り返し（ステップＳＴ１９）、その後、ゲーティング制御処理部に移行する。
【００７０】
ゲーティング制御処理部では、まず、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ＳＴ２０）。
【００７１】
次に、選択スライスにおいて、予定線量まで照射していない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）に粒子線ビームの走査位置が設定される（ステップＳＴ２１）。
【００７２】
呼吸波形検出装置２５０からのゲート信号がＯＮ（呼吸波形が呼気）しているかの判断を行い（ステップＳＴ２２）、ゲート信号がＯＮの時（ステップＳＴ２２：Ｙｅｓ）にのみ、粒子線ビームの出射が開始される（ステップＳＴ２３）。ゲート信号がＯＮ以外の時（ステップＳＴ２２：Ｎｏ）の時は、粒子線ビームの出射を停止する（ステップＳＴ２４）。
【００７３】
ビーム走査部３０により設定されたＸ用電磁石３０ａ、Ｙ用電磁石３０ｂを通過した粒子線ビームは、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軸方向に拡大されている。
【００７４】
格子点（Ｘｉ，Ｙｉ）に対する照射線量は、線量モニタ部５０から出力される線量に比例した信号（電流・電圧・周波数パルス等）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のフラグが立つ（ステップＳＴ２５）。
【００７５】
各格子点において計画された線量に達するまで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に次の格子点に移動する。
【００７６】
計画線量に達したときに、照射したビームの線量と重心位置を記録領域部８２に記録する（ステップＳＴ２６）とともに、次のスポットへ粒子線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ＳＴ２７）。
【００７７】
１つのスライスに対する照射が終了すると（ステップＳＴ２７：Ｎｏ）、一旦ビーム出射を停止し（ステップＳＴ２８）、ステップＳＴ２１に戻って次のスライスを選択するとともに、レンジシフタ７０の設定を変更する。以上の処理を最終スポットに達するまで繰り返す（ステップＳＴ２９）。
【００７８】
このように本実施形態によれば、グループスキャン制御中は、呼吸等により患部が３次元的に移動しても、粒子線ビームの導入を止めることなく高精度に粒子線ビームの照射を継続することが可能となる。その結果、粒子線ビームを高精度に照射することができるとともに、粒子線ビームの照射時間を短縮することが可能となる。
【００７９】
また、本実施形態によれば、グループスキャン制御処理の後にゲーティング制御処理を実行したことにより、グループスキャン制御処理で予定線量まで照射していないスポットについても粒子線ビームを照射するため、患部に対して一段と高精度に照射することができる。
【００８０】
（第２実施形態）
前記第１実施形態では、グループスキャン制御処理の後にゲーティング制御処理を実行するフローとしていたが、第２実施形態では、グループスキャン制御処理とゲーティング制御処理の間に、グループスキャン制御処理とゲーティング制御処理を混在させた制御処理（以降、ハイブリッド制御処理と記す）を入れることを特徴としている。
【００８１】
グループスキャン制御処理では、呼吸波形と閾値との比較に基づくゲート信号を使用せず、全ての波形領域で照射を行い、ゲーティング制御処理では、閾値を呼気の時のみとなるように設定して照射を行っている。
【００８２】
それに対し、本実施形態のハイブリッド制御処理では、図１０に示すように閾値Ａに対して閾値Ｂ，Ｃのようにある程度高くし、図２に示すゲーティング制御時のゲート信号Ａよりも長い期間に亘りゲート信号Ｂ，ＣがＯＮするような設定とし、その期間で、グループスキャン制御を行うようにする。ゲート信号がＯＮの間における患部の移動量は、呼吸全体を通しての患部の移動量より小さくなるので、相対的にスポットグループを小さく設定することができる。
【００８３】
このようにスポットグループを小さく再設定することにより、線量満了となっていないスポットグループが出てくるので、ゲート信号がＯＮの間に、再設定したスポットグループに対して、グループスキャン制御による照射を行う。照射を進めるに従い、閾値を変化（低く）させて制御することも可能である（図１１及び図１２を参照）。
【００８４】
図１１及び図１２はハイブリッド制御処理用スポットグループ再設定を示す説明図である。図１１は太枠内のスポットが５×５のスポットグループでグループスキャン制御処理を完了した状態を示している。図１２は太枠内のスポットが３×３のスポットグループ再設定を示しており、太字斜体部がハイブリッド制御処理の対象となる。
【００８５】
図１３は第２実施形態におけるハイブリッド制御処理を示すフローチャートである。これも、ラスタースキャニング照射法を想定したフローとしているが、スポットスキャニング法でも、大きな流れは殆ど変わらない。
【００８６】
ハイブリッド制御処理では、まず、閾値レベルとスポットグループのボリューム設定を変更する。上記閾値レベルは、制御部８０の内部処理用の信号としてもよく（制御部８０でゲート信号を作成する）、また制御部８０から呼吸波形検出装置２５０に対して閾値の変更要求を出力するようにしてもよい（呼吸波形検出装置２５０でゲート信号を作成する）（ステップＳＴ３１）。
【００８７】
次に、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ＳＴ３２）。
【００８８】
次に、該当スライスにおいて、満了したスポットが無いスポットグループが選択され、ビーム走査部３０によりスライス上の格子点位置に粒子線ビームの走査位置が設定される（ステップＳＴ３３）。
【００８９】
呼吸波形検出装置２５０からのゲート信号がＯＮ（呼吸波形が呼気）しているかの判断を行い（ステップＳＴ３４）、ゲート信号がＯＮの時（ステップＳＴ３４：Ｙｅｓ）にのみ、粒子線ビームの出射が開始される（ステップＳＴ３５）。ゲート信号がＯＮ以外の時（ステップＳＴ３４：Ｎｏ）の時は、粒子線ビームの出射を停止する（ステップＳＴ３６）。
【００９０】
ビーム走査部３０により設定されたＸ用電磁石３０ａ、Ｙ用電磁石３０ｂを通過した粒子線ビームは、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軸方向に拡大されている。
【００９１】
一定時間経過後（ステップＳＴ３７）には、１）それまでの照射線量を計測し、２）呼吸波形検出装置２５０からの呼吸波形より患部の変位量を算出し、３）重心位置算出部９０の測定結果と２）の変位量を元に実照射位置を算出し、４）該当するスポットの記録領域に１）の照射線量を加算していく（ステップＳＴ３８）。
【００９２】
スポットグループ内で予定線量に到達したスポット（満了スポット）が出るまでステップＳＴ３４〜ＳＴ３８を繰り返し（ステップＳＴ３９）、予定線量に到達したスポットが出た場合、次のスポットグループへの設定に切り替える（ステップＳＴ４０）。ステップＳＴ４０において、Ｎｏの場合には、ステップＳＴ３３に戻る。
【００９３】
１つのスライスに対するスポットグループへの照射が終了すると（ステップＳＴ４０：Ｙｅｓ）、一旦ビーム出射を停止し（ステップＳＴ４１）、ステップＳＴ３２に戻って次のスライスを選択するとともに、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の設定を変更する。以上の処理を最終スポットグループに達するまで繰り返す（ステップＳＴ４２）。
【００９４】
１つの閾値レベルに対する照射が終了すると（ステップＳＴ４３：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ３１に戻って、次の（小さい）閾値レベルを選択するとともに、スポットグループのボリューム設定を変更する。
【００９５】
以上の処理を最終閾値レベルに達するまで繰り返し、その後、ゲーティング制御処理に移行する（ステップＳＴ４４）。
【００９６】
このように本実施形態によれば、ハイブリッド制御処理中は、呼吸等により患部が移動しても、ゲーティング制御時に比べて粒子線ビームの導入を止める期間を短くすることができ、照射時間を一段と短縮することが可能となる。
【００９７】
（その他の実施形態）
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、組み合わせ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。
【００９８】
例えば、上記第１実施形態において、スポットグループを３×３、５×５のスポットを２次元に設定した例について説明したが、これに限定されることなく、他の複数の２次元に設定するようにしてもよく、さらには３次元に設定するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００９９】
１…粒子線ビーム照射装置、１０…ビーム生成部、２０…出射制御部、３０…ビーム走査部、３０ａ…Ｘ用電磁石、３０ｂ…Ｙ用電磁石、５０…線量モニタ部、５１…位置モニタ部、５１ａ…位置モニタ部のＸ電極、５１ｂ…位置モニタ部のＹ電極、６０…リッジフィルタ、７０…レンジシフタ、８０…制御部、８１…設定領域部、８２…記録領域部、８３…呼吸同期補正処理部、９０…重心位置算出部、９１１ａ，９１１ｂ…電流電圧変換（Ｉ／Ｖ変換）部、９１２ａ，９１２ｂ…増幅部、９２ａ，９２ｂ…ＡＤ変換器（ＡＤＣ）、９３ａ，９３ｂ…データ補正処理部、９４ａ，９４ｂ…位置算出部、９５ａ…１次元ビーム形状（Ｘ）抽出部、９５ｂ…１次元ビーム形状（Ｙ）抽出部、９６…２次元ビーム形状抽出部、９７…記憶部、９８…表示部、１００…がん患者（照射対象）、２００…患部、２５０…呼吸波形検出装置（呼吸波形検出部）
【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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