(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、陽子ビーム等の粒子ビームを走査する走査電磁石の電源容量を大きくすることなく、患部に線量を均一に照射できる粒子線治療システムの照射装置を提供することにある。【解決手段】  陽子ビームの１スピル（１回のビーム取出し時間）で標的領域（患部）に対して陽子ビームを一往復走査する際に、陽子ビームを照射するスピルの回数に応じて、一定間隔で順番に各スピルの照射開始位置をずらして照射する。また、陽子ビームを照射するスピルの回数に応じて、一定間隔で定めた複数の位置からランダムに順番を選び、選ばれた順番に各スピルの照射開始位置をずらして照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽子ビームを用いた粒子線治療システムで標的領域を走査する照射装置において、陽子ビームの１スピルで前記標的領域に対して前記陽子ビームを一往復走査する際に、前記陽子ビームを照射するスピルの回数に応じて、一定間隔で順番に各スピルの照射開始位置をずらして照射することを特徴とする粒子線治療システムの照射装置。
【請求項２】
陽子ビームを用いた粒子線治療システムで標的領域を走査する照射装置において、陽子ビームの１スピルで前記標的領域に対して前記陽子ビームを一往復走査する際に、前記陽子ビームを照射するスピルの回数に応じて、一定間隔で定めた複数の位置からランダムに順番を選び、選ばれた順番に各スピルの照射開始位置をずらして照射することを特徴とする粒子線治療システムの照射装置。
【請求項３】
陽子ビームを用いた粒子線治療システムで標的領域を走査する照射装置において、陽子ビームの１スピルで前記標的領域に対して前記陽子ビームをワンパスで走査する際に、前記陽子ビームを照射するスピルの回数に応じて、一定間隔で定めた複数の位置から前記ワンパス走査終了位置の次の位置を選び、選ばれた位置を各スピルの照射開始位置として照射することを特徴とする粒子線治療システムの照射装置。
【請求項４】
陽子ビームを用いた粒子線治療システムで標的領域を走査する照射装置において、陽子ビームの１スピルで前記標的領域に対して前記陽子ビームをワンパスで走査する際に、前記陽子ビームを照射するスピルの回数に応じて、一定間隔で定めた複数の位置からランダムに位置を選び、選ばれた位置を各スピルの照射開始位置として照射することを特徴とする粒子線治療システムの照射装置。
【請求項５】
陽子ビームを用いた粒子線治療システムで標的領域を走査する照射装置において、陽子ビームの１スピルで走査経路の途中まで前記陽子ビームを走査し、次のスピルで前記走査経路の途中から前記陽子ビームの走査を継続する際に、照射野内の走査経路を分割した走査線の本数と、１スピルで走査する走査線の本数との最小公倍数を、前記分割した走査線の本数で割った回数分、各走査線に対する前記陽子ビームの走査を繰り返して照射することを特徴とする粒子線治療システムの照射装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかにおいて、前記陽子ビームに換えて他の粒子ビームを用いることを特徴とする粒子線治療システムの照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陽子，炭素，ヘリウム等の粒子ビームを用いた粒子線治療システムの照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、癌治療の手段として、陽子線治療システムが用いられている。陽子線治療では、患者の患部（標的領域）の線量分布を均一にすることが求められている。しかし、陽子線治療システムで生成する陽子ビーム強度は、時間的に一定ではない。散乱体を用いて陽子ビームを広げ、患部に照射する散乱体照射法では、患部全体を一度に照射するため、陽子ビーム強度の変化で、患部の線量分布が不均一になることは少ない。但し、陽子ビームのエネルギーや患部形状に応じた治具を準備する必要がある。
【０００３】
一方、患部全体を一度に照射せずに、陽子ビームを走査して患部に照射する走査照射法がある（非特許文献１）。この照射法では、患部形状に応じた治具の準備は軽減されるが、陽子ビームの時間的な非一様性の影響を受けやすく、患部の線量分布を均一にできないという課題があった。
【０００４】
これを解決する方法として、陽子ビームの１スピル（１回のビーム取出し時間）で、走査経路を複数回走査（マルチペイント）する方法が知られている。この場合、１走査経路を走査する期間は、１スピルの一部分（走査回数分の１）となる。即ち、短い時間間隔で１走査経路を走査する。このような短い時間間隔では、陽子ビーム強度は一定とみなせるので、１走査経路上の線量分布は均一とみなせる。この走査を繰り返し行うので、その合計の線量分布も均一とみなせる。
【０００５】
図２に、この従来の照射法の概要を示す。図２（ａ）のように、患部上の走査経路（ａ〜ｂ）を走査するとする。図２（ｂ）のように、１スピルでこの走査経路をｍ回走査する場合、１スピルの（１／ｍ）の時間で、この走査経路を走査することになる。この間ビーム電流は一定とみなせ、この走査経路の線量分布は一様とみなせる。
【０００６】
【非特許文献１】W. T. Chu, B. A. Ludewigt and T. R. Renner, Rev. Sci. Instrum. 64, 2055-2122, 1993.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図２の従来の照射法では、短時間で陽子ビームを１走査経路に走査し、これを繰り返す必要がある。このため、陽子ビームを走査する走査電磁石の電源容量が大きくなるという課題がある。
【０００８】
本発明の目的は、陽子ビーム等の粒子ビームを走査する走査電磁石の電源容量を大きくすることなく、患部に線量を均一に照射できる粒子線治療システムの照射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、陽子ビームの１スピル（１回のビーム取出し時間）で標的領域（患部）に対して陽子ビームを一往復走査する際に、陽子ビームを照射するスピルの回数に応じて、一定間隔で順番に各スピルの照射開始位置をずらして照射する。
【００１０】
また、本発明は、１スピルで標的領域に対して陽子ビームを一往復走査する際に、陽子ビームを照射するスピルの回数に応じて、一定間隔で定めた複数の位置からランダムに順番を選び、選ばれた順番に各スピルの照射開始位置をずらして照射する。
【００１１】
また、本発明は、１スピルで標的領域に対して陽子ビームをワンパスで走査する際に、陽子ビームを照射するスピルの回数に応じて、一定間隔で定めた複数の位置からワンパス走査終了位置の次の位置を選び、選ばれた位置を各スピルの照射開始位置として照射する。
【００１２】
また、本発明は、１スピルで標的領域に対して陽子ビームをワンパスで走査する際に、陽子ビームを照射するスピルの回数に応じて、一定間隔で定めた複数の位置からランダムに位置を選び、選ばれた位置を各スピルの照射開始位置として照射する。
【００１３】
また、本発明は、１スピルで走査経路の途中まで陽子ビームを走査し、次のスピルで走査経路の途中から陽子ビームの走査を継続する際に、照射野内の走査経路を分割した走査線の本数と、１スピルで走査する走査線の本数との最小公倍数を、分割した走査線の本数で割った回数分、各走査線に対する陽子ビームの走査を繰り返して照射する。
【００１４】
以下、本発明のビーム照射方法と線量分布を均一にする効果を、図１を用いて説明する。ビーム電流波形は、簡略化して直線で示している。図１（ｂ）で、陽子ビームの照射時刻ｔ1，ｔ2，ｔ3，…ｔi，…ｔmが、ビーム電流Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，…Ｉi，…Ｉmに対応する。ビーム照射は、１スピルで走査経路を一往復させる。この場合、走査経路上の照射位置ｙ1，ｙ2，ｙ3，…ｙk、…ｙ2が、ビーム電流Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，…Ｉm に対応する。走査経路（ｙ1〜ｙk）の走査長をＬ、走査回数をｍ、照射位置ｙiとｙi+1（ｉ＝１〜（ｋ−１））との距離をΔとすると、２Ｌ＝ｍΔの関係が成り立つ。
【００１５】
走査経路上で、走査毎の照射開始位置をΔ＝２Ｌ／ｍずつずらした時の照射位置とビーム電流との関係を表１に示す。１回目の走査は、照射位置ｙ1 から照射を開始する。この時、照射位置ｙ1，ｙ2，ｙ3，…に、ビーム電流Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，…が照射され、照射位置ｙkで折り返されて、ｙk-1，ｙk-2，…を通って、照射位置ｙ2にビーム電流Ｉm が照射される。２回目の走査では、照射開始位置がｙ2になる。この時、照射位置ｙ2にビーム電流Ｉ1が照射され、照射位置ｙkで折り返されて、照射位置ｙ1にビーム電流Ｉmが照射される。このように、照射開始位置をｙ1，ｙ2，ｙ3，ｙ4，…とずらしていき、ｙk で折り返して、ｙ2，ｙ1，ｙ2，ｙ3，…に戻るものとする。
【００１６】
表１のように、各照射位置のビーム電流の合計はΣＩi（ｉ＝１〜ｍ）となる。照射は走査経路を往復するので、ｉ＝１，ｋ以外の照射位置でのビーム電流の合計は２ΣＩi となる。即ち、図１（ａ）の走査経路上のビーム電流の値は同じになる。各照射位置での線量はビーム電流に比例するので、任意のビーム波形に対して、患部の線量分布は均一になる。このように、ビーム照射の開始位置を一定間隔ずらして照射することにより、患部の線量分布を均一にできる。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
１スピルで走査経路を一往復する場合、照射開始位置をずらして照射する方法としては、上記のように一定間隔ずらす他に、１つの走査経路上で照射開始位置をランダムに決める方法がある。この方法でも、照射開始位置をランダムに決めた後では、走査経路上に照射開始位置が一様に並ぶので、患部の線量分布が均一になる。
【００１９】
以上の照射は、１スピルで走査経路を一往復する場合であるが、１スピルで走査経路を一方向のみ（ワンパス）で走査する場合もある。この場合、照射するスピルの回数に応じて、一定間隔で定めた複数の照射位置の中で、ワンパス終了位置の次の位置を選び、そこを各スピルの照射開始位置として照射する。また、照射開始位置をランダムに選択して照射する場合もある。
【００２０】
また、上記の照射は、１スピルで走査経路を一往復またはワンパスで走査する場合であるが、１スピルで走査経路の途中までを走査し、次のスピルで、その途中から引き続き照射を続ける場合もある。この場合、照射野内の走査経路を分割した走査線の本数と、１スピルで走査する走査線の本数の最小公倍数を用いて、その最小公倍数を、照射野内の走査経路を分割した走査線の本数で割った回数だけ、各走査線を走査する（リペイントする）。即ち、走査経路を分割した走査線の本数をｋ、１スピルで走査できる走査線の本数をｈとし、その最小公倍数をｎとすると、各走査線のリペイント回数はｎ／ｋ、スピル数はｎ／ｈとなる。走査線の長さは、Ｌ／ｋである。この時、ｋとｈの最小公倍数を大きくすれば、線量分布の均一性はより良くなる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、陽子ビーム等の粒子ビームを走査する走査電磁石の電源容量を大きくすることなく、患部に線量を均一に照射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。図１は、本発明による陽子線治療システムの陽子ビーム照射方法の一実施例を示す概略説明図で、（ａ）は陽子ビームの走査経路を示す図、（ｂ）は陽子ビーム電流の時間変化を示す図である。（ａ）で、１は照射野、２は走査経路、３は照射開始位置である。（ｂ）で、陽子ビーム電流波形は、簡略化して直線で示している。
【００２３】
照射野１において、走査経路２に沿って陽子ビームを走査する。走査経路２を一往復する陽子ビームの走査をｍ回繰り返す。図１（ｂ）で、陽子ビームの照射時刻ｔ1，ｔ2，ｔ3，…ｔmが、ビーム電流Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，…Ｉmに対応する。走査経路２上に、走査を繰り返す際の照射開始位置３を、等間隔Δで、ｙ1，ｙ2，ｙ3，…ｙkと配置する。走査経路（ｙ1〜ｙk）の走査長をＬ、走査回数をｍ、照射位置ｙiとｙi+1（ｉ＝１〜（ｋ−１））との距離をΔとすると、２Ｌ＝ｍΔの関係が成り立つ。走査経路上で、走査毎の照射開始位置をΔ＝２Ｌ／ｍずつずらす。
【００２４】
照射は１スピルで走査経路２を一往復するので、１回目の走査では、照射位置ｙ1，ｙ2，ｙ3，…ｙk，…ｙ2に、ビーム電流Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，…Ｉm が照射される。照射開始位置をｙ1，ｙ2，ｙ3，ｙ4，…とずらしていき、ｙk で折り返して、ｙ2，ｙ1，ｙ2，ｙ3，…に戻るものとする。これをｍ回繰り返すことにより、表１で示したように、任意のビーム波形に対して、患部の線量分布を均一にすることができる。
【００２５】
図３に、本発明による陽子線治療システムの陽子ビーム照射装置における陽子ビームの走査電磁石システムの概略構成図を示す。図３で、４は陽子ビームを走査する走査電磁石、５は走査電磁石電源、６は走査電磁石電源５の制御システム、７は線量分布モニタである。制御システム６は、陽子ビームの走査経路が図１の走査経路２になる走査電磁石４の電流波形を演算して求め、求めた電流波形を走査電磁石４に供給するための制御信号を走査電磁石電源５に送信する。走査電磁石電源５は、制御システム６から受信した制御信号に従い、走査電磁石４の電流波形を生成して、走査電磁石４に供給する。走査電磁石４は、走査電磁石電源５から供給された電流波形に従い、磁場を発生して、図１の走査経路２上に陽子ビームを移動させる。陽子ビームの照射中は、照射野に設置した線量分布モニタ７で、線量分布の均一性を確認する。
【００２６】
本実施例では、１スピルで走査経路上を一往復するだけなので、従来法（１スピルで走査経路を複数回走査）に比べて、１スピルの時間内で陽子ビームを走査する（移動させる）距離が短くなる。このため、陽子ビームを走査するための磁場の時間的変化割合が小さくなり、走査電磁石電源の電源容量を小さくできる。しかも、患部の線量分布は均一になる。
【００２７】
このように、本実施例によれば、陽子ビームを走査する走査電磁石（偏向する偏向電磁石）の電源容量を大きくすることなく、患者の患部に線量を均一に照射することができる。
【００２８】
次に、本発明の他の実施例を説明する。本実施例では、図１（ａ）における照射開始位置を、ｙ1，ｙ2，ｙ3，…ｙkと規則的にずらすのではなく、複数の照射位置ｙ1〜ｙkの中から照射開始位置をランダムに選び、そこを照射開始位置として走査経路を一往復する照射を行い、これを繰り返す。このように照射開始位置をランダムに設定して陽子ビームを照射しても、ｍ回後には、各照射位置にビーム電流Ｉi が一様に照射されることになる。従って、任意のビーム波形に対して、患部の線量分布を均一にすることができる。更に、本実施例によれば、陽子ビームを走査する走査電磁石電源の制御がより簡単になる。
【００２９】
次に、図４を用いて、本発明の他の実施例を説明する。図４は、本発明による陽子ビーム照射方法の他の実施例を示す概略説明図で、（ａ）は陽子ビームの走査経路を示す図、（ｂ）は陽子ビーム電流の時間変化を示す図である。
【００３０】
図４（ａ）のように、陽子ビームの走査を繰り返す際の照射開始位置３を、走査経路２上に、等間隔で、ｙ1，ｙ2，ｙ3，…ｙk+1と配置する。照射野１において、走査経路２に沿って陽子ビームを走査する。走査経路を１スピルでワンパス走査し、ワンパス照射終了の次の照射位置を、次の照射開始位置とする。これをｋ回繰り返す。ｙ1からｙk+1までの距離をＬとすると、間隔はΔ＝Ｌ／ｋとなる。
【００３１】
図４（ｂ）で、陽子ビーム電流の照射時刻ｔ1，ｔ2，ｔ3，…ｔkが、ビーム電流Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，…Ｉk に対応する。照射は１スピルで走査経路をワンパス走査するので、１回目の走査では、照射位置ｙ1，ｙ2，ｙ3，…ｙkが、ビーム電流Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，…Ｉkに対応する。１回目のワンパス照射の終了位置がｙk+1 であるので、２回目の照射開始位置はｙk となり、ｙk-1，ｙk-2と走査経路を１回目とは反対に走査し、ｙ1で折り返してｙ2で終了する。３回目は、照射開始位置をｙ3にずらして走査する。
【００３２】
これをｋ回繰り返すことにより、表１と同様に、任意のビーム波形に対して、患部の線量分布を均一にすることができる。本実施例によれば、走査経路を１スピルでワンパス走査することにより、１スピルの時間内で陽子ビームを移動させる距離が更に短くなるので、陽子ビームを走査する走査電磁石電源の電源容量を更に小さくすることができる。
【００３３】
次に、本発明の他の実施例を説明する。本実施例では、図４（ａ）において、陽子ビームの走査を繰り返す際の照射開始位置３を、走査経路２上に、等間隔で、ｙ1，ｙ2，ｙ3，…ｙk，ｙk+1と配置する。照射野１において、走査経路２に沿って陽子ビームを走査する。走査経路を１スピルでワンパス走査し、これをｋ回繰り返す。ｙ1からｙk+1までの距離をＬとすると、間隔はΔ＝Ｌ／ｋとなる。
【００３４】
図４（ｂ）で、陽子ビーム電流の照射時刻ｔ1，ｔ2，ｔ3，…ｔkが、ビーム電流Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，…Ｉkに対応する。照射は１スピルで走査経路をワンパス走査し、照射開始位置をｙ1，ｙ2，ｙ3，…と規則的にずらしていくのではなく、照射位置ｙ1〜ｙkの中から照射開始位置をランダムに選び、そこを照射開始位置として走査経路をワンパス走査して、これを繰り返す。
【００３５】
このように照射開始位置をランダムに設定して照射しても、ｋ回後には、各照射位置にビーム電流Ｉiが一様に照射されることになる。従って、任意のビーム波形に対して、患部の線量分布を均一にすることができる。本実施例によれば、走査経路を１スピルでワンパス走査することにより、１スピルの時間内で陽子ビームを移動させる距離が更に短くなるので、陽子ビームを走査する走査電磁石電源の電源容量を更に小さくすることができる。
【００３６】
次に、図５を用いて、本発明の他の実施例を説明する。図５は、本発明による陽子ビーム照射方法の他の実施例を示す概略説明図で、（ａ）は陽子ビームの走査経路を示す図、（ｂ）は陽子ビーム電流の時間変化を示す図である。
【００３７】
図５（ａ）で、１は照射野、２は走査経路、３は照射開始位置、８は走査線である。上記した実施例の陽子ビーム照射は、１スピルで走査経路を往復またはワンパスで走査したが、本実施例では、１スピルで走査経路の途中まで陽子ビームを走査し、次のスピルで引き続き走査（照射）を続ける。この走査方法（照射方法）は、走査経路を複数回往復走査する際に、１スピルで走査経路の途中まで走査する場合も含まれる。
【００３８】
図５（ａ）のように、走査線８を、Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3，…Ｌkとラベリングする。走査経路の走査線８の本数をｋ、１スピルで走査できる走査線の本数をｈ、ｋとｈの最小公倍数をｎとすると、各走査線のリペイント回数はｎ／ｋ、スピル数（走査回数）はｎ／ｈとなる。ｙ1からｙk+1までの距離をＬとすると、各走査線の長さはＬ／ｋである。
【００３９】
本実施例は、１スピルで走査経路の途中まで陽子ビームを走査し、次のスピルで引き続き走査を続ける。即ち、１つのスピルの終了位置から次のスピルの照射開始位置をずらさない。このため、各スピルの照射開始位置が走査経路上の同じ位置になることが、陽子ビームの照射中に何回か起こり得る。こうなると、線量分布の均一性が損なわれる可能性がある。これを避けるためには、ｋとｈの最小公倍数が大きくなるようなｋとｈの組合せを採用すれば良い。こうすることにより、線量分布の均一性は改善できる。また、スピル数ｎ／ｈが、上記した実施例の走査回数ｍと同じ値となるように、ｋとｈを選べば、線量分布の均一性は、上記した実施例と同程度になる。
【００４０】
本実施例によれば、各スピルの照射開始位置をずらさずに、１スピルで走査経路の途中まで陽子ビームを走査し、次のスピルで引き続き走査（照射）を続けるため、陽子線ビームの走査の制御がより簡単になる。
【００４１】
尚、以上の実施例では、患部の１つの層に対する陽子線ビームの照射方法を説明したが、患部を深さ方向に多層に分割した場合も、１つの層の場合と同様に、上記した照射方法を繰り返して行うことにより、線量分布の均一化を達成できる。
【００４２】
また、以上の実施例では、陽子ビームを用いた陽子線治療システムの照射方法を説明したが、炭素，ヘリウム等の粒子ビームを用いた粒子線治療システムの照射方法に対しても、上記した照射方法は適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、陽子，炭素，ヘリウム等の粒子ビームを用いた粒子線治療システムの照射装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による陽子線治療システムの陽子ビーム照射方法の一実施例を示す概略説明図で、（ａ）は陽子ビームの走査経路を示す図、（ｂ）は陽子ビーム電流の時間変化を示す図。
【図２】従来の照射方法の説明図で、（ａ）は走査経路を示す図、（ｂ）はビーム電流の時間変化を示す図。
【図３】本発明による陽子ビームの走査電磁石システムの概略構成図。
【図４】本発明による陽子ビーム照射方法の他の実施例を示す概略説明図で、（ａ）は陽子ビームの走査経路を示す図、（ｂ）は陽子ビーム電流の時間変化を示す図。
【図５】本発明による陽子ビーム照射方法の他の実施例を示す概略説明図で、（ａ）は陽子ビームの走査経路を示す図、（ｂ）は陽子ビーム電流の時間変化を示す図。
【符号の説明】
【００４５】
１  照射野
２  走査経路
３  照射開始位置
４  走査電磁石
５  走査電磁石電源
６  制御システム
７  線量分布モニタ
８  走査線
【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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