(57)【要約】  本発明の課題は、患者内の予め規定可能なボリュームをペンシルビームスキャニングによって陽子線治療するためのシステムのビーム送出品質を改善するシステム及び方法によって、発生する可能性のあるビームポジション誤差の範囲を、医学的に許容可能な範囲まで最小化することである。この課題は、患者内の予め規定可能なボリュームに対しペンシルビームスキャニングにより陽子線治療を加えるシステム及び方法において、以下の特徴を含むことにより解決される。ａ）ビーム強度及び／又はビームエネルギーに関して調整可能な、即ちデグレーダを用いて調整可能な、陽子線（Ｂ）を発生させるための陽子源と、ｂ）ビームラインを形成するための、複数の陽子線偏向ユニット及び／又は陽子線集束ユニットと、ｃ）患者の予め規定可能なボリュームに貫通させるために、陽子線の出口を有するビームノズルと、ｄ）ノズルの上流に配置されたビーム偏向磁石と、ｅ）２つの横方向双方で陽子線を掃引するための、１組の掃引磁石と、ｆ）陽子線のポジションを制御するための、ノズルに合わせて調整されたポジション感応検出器と、ｇ）陽子線のポジション及びエネルギーを制御するための、ビームステアリングデータセットを含む制御ロジックと、ｈ）予期されるビームポジションと、ポジション感応検出器において検出された実際のビームポジションとの比較により、ビームポジション誤差を補正し、比較結果に応じてビームポジション補正データを生成するために、制御ロジックに合わせて調整された補正ロジックとを含む。
2015512314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者内の予め規定可能なボリュームに対しペンシルビームスキャニングにより陽子線治療を加えるシステムにおいて、
ａ）ビーム強度及び／又はビームエネルギーに関して調整可能な、即ちデグレーダを用いて調整可能な、陽子線（Ｂ）を発生させるための陽子源と、
ｂ）複数の陽子線偏向及び／又は陽子線集束ユニットと、
ｃ）患者の予め規定可能なボリュームに貫通させるための、前記陽子線（Ｂ）の出口を有するビームノズル（Ｎ）と、
ｄ）前記ノズル（Ｎ）の上流に配置されたビーム偏向磁石（Ａ３）と、
ｅ）２つの横方向（Ｔ，Ｕ）双方で前記陽子線（Ｂ）を掃引するための、１組の掃引磁石（ＷＴ，ＷＵ）と、
ｆ）前記陽子線のポジションを制御するための、前記ノズルに合わせて調整されたポジション感応検出器と、
ｇ）前記陽子線のポジション及びエネルギーを制御するための、ビームステアリングデータセットを含む制御ロジックと、
ｈ）予期されるビームポジションと、前記ポジション感応検出器において検出された実際のビームポジションとの比較により、ビームポジション誤差を補正し、比較結果に応じてビームポジション補正データを生成するための、前記制御ロジックに合わせて調整された補正ロジックと
が設けられていることを特徴とする、
患者内の予め規定可能なボリュームに対しペンシルビームスキャニングにより陽子線治療を加えるシステム。
【請求項２】
前記ビームポジション補正データは、前記ビームステアリングデータセットに組み込まれ、有利には、治療とは無関係のテスト放射データセット実行後に自動的に組み込まれる、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記治療とは無関係のテスト放射データセットは、ビームポジション及びビームエネルギーのバリエーション及び／又はランピングにおけるすべての重要な変更を含む、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記補正ロジックは、前記ビームポジション誤差を補正するために第１の補正モデルを使用し、該第１の補正モデルは、陽子エネルギー変化後、時間の関数として減衰する、請求項１から３のいずれか１項記載のシステム。
【請求項５】
前記補正ロジックは自動化されたソフトウェアを含み、該ソフトウェアは、治療固有のビームステアリングデータセットを検証するためのテスト放射に基づき記録された比較データから導出されたビームポジション補正データを、前記放射のビームステアリングデータセットの改善された新たなバージョンにフィードバックするためのものであり、該新たなバージョンが認定されて、少なくとも１回の放射において、有利にはすべての後続の放射において、患者の治療に用いられる、請求項１から４のいずれか１項記載のシステム。
【請求項６】
第２のポジション感応検出器が患者テーブルに組み込まれており、該第２のポジション感応検出器は、有利には陽子線ジオメトリのアイソセンタに配置されている、請求項１から５のいずれか１項記載のシステム。
【請求項７】
患者内の予め規定可能なボリュームに対しペンシルビームスキャニングにより陽子線治療を加えるシステムのビーム送出品質を改善する方法において、
ａ）ビーム強度及び／又はビームエネルギーに関して調整可能な、即ちデグレーダを用いて調整可能な、陽子線（Ｂ）を発生させるための陽子源を準備するステップと、
ｂ）ビームラインを形成するために、複数の陽子線偏向ユニット及び／又は陽子線集束ユニットを準備するステップと、
ｃ）患者の予め規定可能なボリュームに貫通させるために、前記陽子線（４）の出口を有するビームノズル（１）を準備するステップと、
ｄ）前記ノズル（１）の上流に配置されたビーム偏向磁石を準備するステップと、
ｅ）２つの横方向（Ｔ，Ｕ）双方で前記陽子線（Ｂ）を掃引するための、１組の掃引磁石（ＷＴ，ＷＵ）を準備するステップと、
ｆ）前記陽子線（４）のポジションを制御するために、前記ノズル（１）に合わせて調整されたポジション感応検出器（３）を準備するステップと、
ｇ）ビームステアリングデータセットを用いて、前記陽子線（４）のポジション及びエネルギーを制御するための制御ロジックを準備するステップと、
ｈ）予期されるビームポジションと、前記ポジション感応検出器（３，７）において検出された実際のビームポジションとの比較により、ビームポジション誤差を補正し、比較結果に応じてビームポジション補正データを生成するために、前記制御ロジックに合わせて調整された補正ロジックを準備するステップと
を含むことを特徴とする、
患者内の予め規定可能なボリュームに対しペンシルビームスキャニングにより陽子線治療を加えるシステムのビーム送出品質を改善する方法。
【請求項８】
前記ビームポジション補正データを、前記ビームステアリングデータセットに組み込み、有利には、治療とは無関係のテスト放射データセット実行後に自動的に組み込む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記治療とは無関係のテスト放射データセットは、ビームポジション及びビームエネルギーのバリエーション及び／又はランピングにおけるすべての重要な変更を含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記補正ロジックは、ビームポジション誤差を補正するために第１の補正モデルを使用し、該第１の補正モデルは、陽子エネルギー変化後、時間の関数として減衰する、請求項７から９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記補正ロジックは自動化されたソフトウェアを含み、該ソフトウェアは、治療固有のビームステアリングデータセットを検証するための、患者に関連するテスト放射に基づき記録された比較データから導出されたビームポジション補正データを、前記放射のビームステアリングデータセットの改善された新たなバージョンにフィードバックするためのものであり、該新たなバージョンを認定して、少なくとも１回の放射において、有利にはすべての後続の放射において、患者の治療に用いる、請求項７から１０のいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
第２のポジション感応検出器（７）を患者テーブル（２）に組み込み、該第２のポジション感応検出器（７）を、有利には陽子線ジオメトリのアイソセンタに配置する、請求項７から１１のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、患者内の予め規定可能なボリュームに対しペンシルビームスキャニングにより陽子線治療を加えるシステムに関する。
【０００２】
本発明は、ヨーロッパ特許出願EP 1 584 353 A1に開示されているような、ペンシルビームスキャニングによる陽子線治療（又はイオン治療）システムに関する。荷電粒子の飛程が有限であり、陽子飛程末端で線量が増大して、いわゆるブラッグピークが生じることから、陽子線治療によれば、周囲の健康な組織を残しながらも、いっそう多くの線量をターゲットボリューム中に送出させることができる。この点が、光子及び電子による慣用の治療よりも優れた結果を達成するために、陽子線治療を利用する根本的理由である。
【０００３】
陽子線治療において線量を送出するために確立された最も伝統的な手法は、散乱によるものである。この場合、陽子線ビームは、ターゲットをカバーする立体角において均質な陽子流束量が得られるよう、ビーム中で患者の手前に設けられた材料によって散乱させられる。線量は、横方向ではコリメータによって整形される。厚さの変化する回転ホイールによって、陽子飛程を時間の関数として変化させることで、一定の拡大ブラッグピーク（ＳＯＢＰ）が生成される。これにより線量が深さ方向で均質に分布するようになる。ターゲットの遠位面と一致させるため、線量の分布を補償体によってさらに整形することができる。
【０００４】
ヨーロッパ特許出願EP 1 584 353 A1に開示されている択一的な手法は、ペンシルビームスキャニングによって陽子線治療を加えるためのものである。この場合、ビームは、小さい物理的ペンシルビームの総量として、患者に送出される。ビームライン中、患者の上流に設けられたいわゆる掃引磁石を用いた磁気偏向によりビームをスキャニングすることで、線量分布が横方向で整形される。深さ方向における線量の整形は、ビームラインによりエネルギーを変化させることにより達成することができ、これはここで考察される解決手段である。一定のエネルギーを用いて、横方向の線量ペインティング（dose painting）が適用される。ついで複数のエネルギーについて、この手順が繰り返される。それぞれ異なって整形された横方向の陽子流束量によって、合成された「エネルギーレイヤ （energy layer）」が供給される。このようにして、３つの次元すべてにおいてターゲットの形状と一致するように、線量分布を厳密に調整することができる（三次元線量コンフォメーション）。
【０００５】
現在、ペンシルビームスキャニングは、散乱よりもいっそう精確かつ新しいアプローチであるとみなされている。実際に今日、多かれ少なかれ認められているのは、光子による慣用の治療、強度変調放射線治療（ＩＭＲＴ）、並びにトモグラフィにおける最新の開発と競い合うために、陽子線治療ではスキャニングの開発が必要とされている点である。スキャニングの優れたフレキシビリティに関する良い例として挙げられるのは、Paul Scherrer Institute, CH-5232 Villigen PSIにおける強度変調陽子線治療（ＩＭＰＴ）の開発である。ＰＳＩは１９９０年代、ペンシルビームスキャニング導入の先駆けとなった。ここでは参考として、ＰＳＩによって実現されたGantry 1を挙げておく。Gantry 1は、１０年以上にわたりガントリにおいてペンシルビームスキャニングにより患者を治療した全世界で唯一のシステムであった。
【０００６】
今日、器官運動の問題に対処するために、高速スキャニング法を開発する必要性が生じている。本発明に特に関係するのは、極めて高速なスキャニング速度を達成する目的で、新たなスキャニング法を開発することである。ペンシルビームスキャニングの避けがたい欠点は、この方法は器官運動に対し著しく過敏なことである。三次元の線量ペインティング送出中に腫瘍が動くと、ターゲット内の線量均質性が著しく損なわれるおそれがある。この問題に対して考えられる解決手法は、著しく高速なスキャニングを用いることである。著しく高速な線量ペインティングによって、ターゲットの動きとビームの動きの干渉パターンが、いっそう拡げられたターゲット面積（体積）にわたって加わるようにすることができ、線量誤差が取り払われるようになる。ターゲットを何度もリペインティングないしは重ね塗りすれば、統計的平均化によって線量誤差がさらに低減される。
【０００７】
したがってボリュメトリックリペインティングないしは三次元リペインティングを行うために、著しく高速にエネルギーを変化させる必要がある。高速スキャニングは、単一のエネルギーレイヤ内だけでなく、飛程内でリペインティングも行うために、深さ方向でも適用されるようにすべきである（ボリュメトリックリペインティング (volumetric repainting) ）。このことが、著しく高速なエネルギー変化を目指す理由である。実際にボリュメトリックリペインティングを提供できるスキャニングシステムは、まだ市販されていない。このため本発明は特に、ビームライン（ビーム輸送システム）によって供給されるビームエネルギーを著しく高速に変化させるスキャニングシステムを目指している。ビームラインの高速エネルギー変化を伴うシステムを利用する際に遭遇する主要な問題は、磁化及び渦電流の作用に起因するシステマティック誤差の出現であり、これはスキャニングビームのポジションにダイナミックに影響を及ぼし、それによって線量分布の品質が損なわれてしまう。観測されるポジション誤差は、時間の経過につれて部分的に減衰し、エネルギー変化の履歴及びタイミングに大きく依存する。
【０００８】
ＰＳＩにおけるGanrty2システム
ＰＳＩでは、高度にボリュメトリックにリペインティングされるペンシルビームスキャニングの送出を探求するため、（現在知られている全世界のあらゆるシステムよりも少なくとも１桁は速い）著しく高速なエネルギー変化を伴う陽子線治療を提供できる一番最初の唯一のガントリのプロトタイプが構築された。このシステムは、各ＰＳＩ研究所において現在、稼働中である。そこでは高速ボリュメトリックスキャニングの開発が既に始められている。なぜならばこの方法は、肺癌、肝癌、並びに体幹部及び腹部内の他のターゲットといったような動きのある腫瘍に対しても、ペンシルビームスキャニングを利用して陽子線量を送出するために、非常に重要なものとなる可能性があるからである。これまでスキャニングビームは、静的な腫瘍に対してのみ適用されてきた。
【０００９】
Gantry 2のスキャニングシステムの技術仕様
横方向におけるスキャニング速度は、Ｕ方向（ガントリビームラインの分散面）では０．５ｃｍ／ｍｓに相応し、Ｔ方向（横断方向）では２ｃｍ／ｍｓに相応する。この目的で、２つの（Ｕ方向及びＴ方向の）掃引磁石が、患者へ向かう方向でビームラインが最後に９０゜曲げられる前に配置されている。エネルギー変化はデグレーダによって実施され、加速器から相応の治療エリアにおけるガントリ中の患者まで案内されるビームライン全体の設定を変化させることにより行われる。
【００１０】
陽子線の飛程は、５ｍｍという典型的なステップサイズで水中において８０ｍｓ以内で変化させることができ、これはこの種のシステムでは世界記録である。したがって、このようなシステムを利用した経験は、他に類を見ないものである。Gantry 2によって観測され本出願で説明するビーム安定化の問題は、これまで文献で報告されておらず、おそらくはＰＳＩチーム以外の経験からは現在まで知られていない（ただしこのように高いスキャニング速度であれば見出されるであろう渦電流及び磁化の作用による問題は、意外なことではない）。Gantry 2システムは、１００μｓのタイムスケールでのビーム強度のダイナミックな変調の利用もサポートしている（サイクロトロンのイオン源の後の偏向プレート）。この特徴は、スキャンシーケンスのタイミング特性の良好な再現性の提供にいくらか関連するものである。
【００１１】
ビームチューニング
ビームエネルギーは通常、ビームのスイッチオフによって変えられる。エネルギー変化は、ビームラインのすべての部材に同時に適用される。種々のビームライン磁石の電源の電流値が、スキャン制御システム（治療コントロールシステムＴＣＳ）から施設全体の機械制御システム（機械コントロールシステムＭＣＳ）へ、単一の命令で送信される。データは、事前に計算されたデータテーブルから取り出される（ビームチューニングデータファイル）。ビームラインにおけるすべての磁石部材（双極子及び四極子）は、新たな公称ビームエネルギーの新たな設定に対し著しく迅速に整合させるために、積層されている。（高速なデグレーダを除く）機械的なデバイスのセッティング変更は、著しい高速性を達成するため回避される。ビームラインが準備完了状態であれば、準備完了信号がＴＣＳへ送り戻され、陽子線ビームを再びスイッチオンして使用できるようになる。
【００１２】
チューニングファイルの設定を適用すれば、どの時点でも適正なポジションでビームが受け取られることが見込まれる。ビームチューニングファイルは「凍結されたデータ」であり、これは変更されることなく（つまりビームラインに再チューニングを適用することなく）使用することを想定している。
【００１３】
ビームエネルギーを著しく高速に変化させて動作させると、どこかのポイントで必然的にペンシルビームのポジション及び飛程における誤差に直面し、これは磁化及び渦電流の作用が、ビームラインの偏向磁石において非制御状態で発生することに起因する。Gantry 2のプロトタイプを用いた経験で判明したのは、著しく高速なスキャニングのアプローチは、原理的には実行可能であるけれども、実際には３ｍｍに及ぶビームドリフトによって引き起こされるビームポジションの重大なシステマティック誤差を被ることになり、このような誤差は医学的には許容できない。このような誤差は、磁石におけるダイナミックな磁化と渦電流の作用に起因する。それらは、著しく高速なスキャニング速度を達成するために、最後に残された重大な問題点である。
【００１４】
ＰＳＩチームがGantry 2のプロトタイプから学んだのは、これらの誤差の予測及びモデリングは非常に難しい、ということである。とはいえ目下の経験からわかったのは、所定のスキャンシーケンスを正確に繰り返せば、驚くべきことに磁化誤差がうまく再現されることである（線量フィールドの再現可能な挙動）。
【００１５】
したがって本発明の課題は、患者内の予め規定可能なボリュームをペンシルビームスキャニングによって陽子線治療するためのシステムのビーム送出品質を改善するシステム及び方法によって、発生する可能性のあるビームポジション誤差の範囲が、医学的に許容可能な範囲まで最小化されるようにすることである。
【００１６】
本発明によればこの課題は、請求項１及び請求項７にそれぞれ記載された特徴により解決される。従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。
【００１７】
システムに関して上述の課題は、患者内の予め規定可能なボリュームに対しペンシルビームスキャニングにより陽子線治療を加えるシステムが、以下の構成を含むことにより解決される。即ちこのシステムには、
ａ）ビーム強度及び／又はビームエネルギーに関して調整可能な、即ちデグレーダの使用により調整可能な、陽子線を発生させるための陽子源と、
ｂ）複数の陽子線偏向及び／又は陽子線集束ユニットと、
ｃ）前記患者の予め規定可能なボリュームに貫通させるための、前記陽子線の出口を有するビームノズルと、
ｄ）前記ノズルの上流に配置されたビーム偏向磁石と、
ｅ）２つの横方向双方で前記陽子線を掃引するための、１組の掃引磁石と、
ｆ）前記陽子線のポジションを制御するための、前記ノズルに合わせて調整されたポジション感応検出器と、
ｇ）前記陽子線のポジション及びエネルギーを制御するための、ビームステアリングデータセットを含む制御ロジックと、
ｈ）予期されるビームポジションと、前記ポジション感応検出器において検出された実際のビームポジションとの比較により、ビームポジション誤差を補正し、比較結果に応じてビームポジション補正データを生成するための、制御ロジックに合わせて調整された補正ロジックと
が設けられている。
【００１８】
方法に関して上述の課題は、患者内の予め規定可能なボリュームに対しペンシルビームスキャニングにより陽子線治療を加えるシステムにおいてビーム送出品質を改善する方法が、以下のステップを含むことにより解決される。即ちこの方法は、
ａ）ビーム強度及び／又はビームエネルギーに関して調整可能な、即ちデグレーダを用いて調整可能な、陽子線を発生させるための陽子源を準備するステップと、
ｂ）ビームラインを形成するための、複数の陽子線偏向ユニット及び／又は陽子線集束ユニットを準備するステップと、
ｃ）前記患者の予め規定可能なボリュームに貫通させるために、前記陽子線の出口を有するビームノズルを準備するステップと、
ｄ）前記ノズルの上流に配置されたビーム偏向磁石を準備するステップと、
ｅ）２つの横方向双方で前記陽子線を掃引するための、１組の掃引磁石を準備するステップと、
ｆ）前記陽子線のポジションを制御するための、前記ノズルに合わせて調整されたポジション感応検出器を準備するステップと、
ｇ）ビームステアリングデータセットを用いて、前記陽子線のポジション及びエネルギーを制御するための制御ロジックを準備するステップと、
ｈ）予期されるビームポジションと、前記ポジション感応検出器において検出された実際のビームポジションとの比較により、ビームポジション誤差を補正し、比較結果に応じてビームポジション補正データを生成するために、前記制御ロジックに合わせて調整された補正ロジックを準備するステップと
を含む。
【００１９】
したがって本発明によれば有利には、以下で詳しく説明するタイプの補正のための様々なオプションが提供される。有利には、汎用補正メカニズムと、独習メカニズムにより強化可能な、より患者に関連する補正メカニズムとの組み合わせが、しばしば選択される。このようにして本発明によれば、システムがあらゆる環境においてどのように反応するのかについて厳密な最終的情報をもたなくても、最高の固有スキャン精度が達成される。このため本発明によるシステム及び方法は、ビームラインの磁石における渦電流及び磁化誤差等のシステマティックな作用の制限に取り組むものである。特にビーム送出の独習を利用して、再現されるが予測が極端に難しい残留誤差と取り組んでいる。実質的にいずれのスキャン送出パターンを用いても作動させるためのシステム及び方法のフレキシビリティを高める、という目標が達成される。
【００２０】
ポジション精度をダイレクトに向上させるために有利であるのは、ビームポジション補正データを、ビームステアリングデータセットに組み込むことができることであり、有利には、治療とは無関係のテスト放射データセット実行後に自動的に組み込むことができることである。したがってこの特徴によれば、ステアリングデータセット各々に組み込み可能な汎用ダイナミック補正データセットを実現することができる。
【００２１】
治療とは無関係のテスト放射データセットに、ビームポジション及びビームエネルギーのバリエーション及び／又はランピングに関するあらゆる重要な変更が含まれているならば、エネルギー変化及び／又はエネルギー変化の勾配及び／又は意図するビームポジション及び／又はビーム送出の履歴に依存する関数として確立された種々の汎用ダイナミック補正データセットを提供する機会が得られる。
【００２２】
試験結果によれば、補正ロジックは、ビームポジション誤差を補正するために第１の補正モデルを使用することができ、この第１の補正モデルは、陽子エネルギー変化が発生した後、時間の関数として減衰するものである。
【００２３】
以下のようにすれば、本発明によるシステム及び方法の独習アプローチを達成することができる。即ち、補正ロジックは自動化されたソフトウェアを含み、このソフトウェアは、患者固有のビームステアリングデータセットを検証するための、患者固有のテスト放射に基づき記録された比較データから導出されたビームポジション補正データを、患者固有の放射のビームステアリングデータセットの改善された新たなバージョンにフィードバックするためのものであり、この新たなバージョンを認定して、少なくとも１回の後続の放射において、有利にはすべての後続の放射において、患者の治療に用いる。
【００２４】
さらにビームポジションの忠実度をさらに改善するために、第２のポジション感応検出器を患者テーブルに組み込むことができ、この第２のポジション感応検出器を、有利には陽子線ジオメトリのアイソセンタに配置することができる。
【００２５】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の有利な実施形態について詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ビーム送出ラインの主要なコンポーネントを示す図
【図２】ノズルにおいて測定されたビームポジションと、アイソセンタに位置する腫瘍におけるビームポジションとの関係を示す図
【図３】直径８ｃｍの球体を適切なエネルギーランピングにより単一のペインティングでスキャンした様子を示す図であって、アイソセンタにおけるポジション誤差がスポット数の関数としてＵ方向のプロットでプロットされており、汎用補正及びスキャン固有の補正を行わずにスキャンを実行した様子を示す図
【図４】図３に示したものと同様のスキャンを示す図であるが、汎用補正を行ったがスキャン固有の補正を行わずにスキャンを実行した様子を示す図
【図５】図３に示したものと同様のスキャンを示す図であるが、汎用補正及びスキャン固有の補正を行ってスキャンを実行した様子を示す図
【図６】直径８ｃｍの球体をスキャンした様子を示す図であって、適切なランピングを行わずに５回リペインティングされたアイソレイヤであり、アイソセンタにおけるＵポジション誤差とビームスポットの公称エネルギーが時間の関数としてプロットされており、汎用補正を行ったがスキャン固有の補正を行わずにスキャンを実行した様子を示す図
【図７】図６に示したものと同様のスキャンを示す図であるが、スキャン固有の補正を行った様子を示す図
【図８】図７に示したものと同様のスキャンを示す図であるが、１０秒の余分な休止が５回加えられており、この休止は最初のスポット後に加えられ、それに続いてスキャンエネルギーの方向を変化（アップ−ダウン←→ダウン−アップ）させた様子を示す図
【図９】図５に示したケースに対しティーチング手法の補正を適用した後の、アイソセンタにおいて測定されたビームポジションシフトと、ノズルにおいて測定されたビームポジションシフトとの、１：１の相関関係を示す図であって、測定されたシフトは、測定精度によって定められた制限内で等しい様子を示す図
【００２７】
図１には、陽子線送出コンポーネントを例示する目的で、患者内のターゲットボリュームに陽子線Ｂを適用するために用いられるいわゆるビームラインＢＬが略示されている。さらに図１に加えて図２には、本発明によって必要とされるコンポーネントが示されている。このビームラインＢＬは、３つの双極子Ａ１，Ａ２，Ａ３及び７つの四極子Ｑ１〜Ｑ７から成るシステムを含んでいる。これら以外の部材は、ステアリング磁石Ｓｘ／ｙ（それらの部材のいくつかは６極子Ｈの別個の巻線として嵌め込まれている）、オプションとしてのスリット又は固定されたコリメータＫ、ビーム診断部材Ｍ、及び真空ポンプＰである。スキャニングのための主要なダイナミックな部材は、２つの掃引磁石ＷＵ及びＷＴ、並びにダイナミック四極子コレクタＱＣである。
【００２８】
ビーム光学系の計算は、２３０ＭｅＶの公称ビームエネルギーで行った（ビームＢの運動量に応じてビームラインＢＬの磁石部材中の電流をスケーリングすることで、他のエネルギーが得られる）。ビームＢに加えられる曲げ半径は、１．５ｍに選定されている。公称磁場はＢ＝１．５テスラである。回転軸ＲＡからのビームラインＢＬの半径方向の平行な変位は、約３．２ｍである。９０゜曲げる偏向磁石Ａ３の出口領域境界からアイソセンタ（ここでビームＢはガントリとも称するビームラインＢＬの回転軸ＲＡに当射する）までの距離は、約１．７ｍである。この実施形態で利用可能なこの空間は、回転中、９０゜曲げる偏向磁石Ａ３のバルクを、アイソセンタから約１．２ｍ離れた図示されていない治療室の外側に置いたままにするのに十分であり、これによって治療室の天井を少なくとも２．４ｍの高さ（通常の部屋の高さ）に維持することができ、これは患者に安心感を与えるために重要な改善である。最小の支持フレームスペース内でビーム光学系の要求を満たすのに必要とされるすべてのビーム輸送部材の配置に要する最小限のスペースを利用して、これらのセッティングからビームラインＢＬの形状が導出される。したがってこのビームラインＢＬによってペインティング中、ビームＢの完全な平行性が提供され、つまり回転ビームラインの開始点（ガントリの結合ポイント）からアイソセンタ（ビームＢが患者内でスキャンされる終了点）まで、忠実なサイズのイメージングが提供される。さらに、Ｕ方向とＴ方向における二重の掃引中、ビームの無色収差とビーム焦点の不変性が達成される。
【００２９】
ビームラインＢＬの上流に配置されたビーム送出部材は、図面には示されていない。サイクロトロンによって、エネルギーと強度に関して調整可能な連続ビームが送出される。エネルギーの変更は、デグレーダのセッティング及びビームラインＢＬのチューニングを予め動的に変化させることによって、選択的に行われる。陽子線を僅か５０μｓの応答時間でスイッチオン及びスイッチオフさせるために、サイクロトロンとデグレーダとの間に高速キッカー磁石が配置される。
【００３０】
次に、上述の問題に対処するために用いられる主要なデバイスについて説明する。図２には、治療実施中のスキャンビームのポジション制御つまりは本発明に関連する機能を有する部材だけが描かれている。陽子線ガントリの一般的なデザインについては、例えばヨーロッパ特許出願EP 1 584 353 A1の図２及び図３に示されている。
【００３１】
スキャン中、制御システム（ＴＤＳ）の動作に従いビームラインによって、個々の陽子線４が送出される。強度、ポジション及びエネルギーがそれぞれ異なる著しく多くのペンシルビームを加えることによって、個々に適合された線量分布が得られる。これはペンシルビームスキャニングによる治療の基本的な着想である。以下で考察する基本的なモードは、ステップ・アンド・シュート法であり、この場合、ビームを次のスポットポジションに移動させているとき、スイッチオフされる（離散的スポットスキャニング）。
【００３２】
ビームラインの最終部分はいわゆるノズル１で終わっており、このノズルは、患者に到達する前にビームを監視する機器のエンクロージャである。ノズル１内には、治療中、ビーム送出システムの適正な動作をコントロール及びチェックするために用いられる複数のデバイスが組み込まれている。
【００３３】
ノズル１には、ポジション感応検出器３が組み込まれている。この検出器３を設ける目的は、スキャニング中、ペンシルビームのポジションをチェックすることである。ＰＳＩのGantry 2の場合には、ノズル１内に常置された２ｍｍ幅のストリップとともにストリップイオン化チャンバ３が用いられている。この検出器はビームスポット終端において、ビーム４の実際のポジション５と幅を測定する。検出器３は、ＴストリップとＵストリップにおけるチャンバ内のガスのイオン化を収集する。
【００３４】
ビーム４のトレースは、Ｕ方向及びＴ方向で投影されるプロフィルとして現れる。これらのプロフィルから、平均値（ポジション）と標準偏差（ビーム幅）が抽出される。これらの値は、いわゆる照合ファイルに格納されているまえもって記述された予期される値６と適合していなければならない。照合チェックは、別個のコンピュータ（治療照合システム therapy verification system - TVS）において行われる。ビームが予め定められた許容範囲内で適切なロケーションに位置していなければ、従来技術で知られているように装置においてインタロックがかけられる。
【００３５】
ポジション感応検出器３は、スキャンされたビーム４のポジションをオンラインでスポットごとに測定する。ストリップにおけるイオン化電荷の収集を終わらせるために約１ｍｓほど待機した後、スポット送出の最後にテストが実行される。強く重み付けられたスポットの場合、ビームポジション測定の達成精度は数ｍｍのオーダである。スポットが著しく短ければ、精度は低減する。
【００３６】
測定されたビームポジションと予期されたビームポジションとの差は、一般に１ｍｍ〜１．５ｍｍ以内でなければならず、さもなければスキャンシーケンスはインタロックにより阻止されることになる。治療実行中のビームポジションチェックは、両方の横方向のスキャンにおいてビームが適正に送出されることを保証するための、スキャニングシステムの主要な安全要件を成すものである。
【００３７】
患者台２は、腫瘍（治療すべきボリューム）がアイソセンタに位置するようにポジショニングされる。回転型ガントリであればアイソセンタは通常、ビーム軸がノズル１から出てガントリの回転軸ＲＡと交差する場所である（ヨーロッパ特許出願EP 1 584 353 A1の図２及び図３を参照）。
【００３８】
ビーム送出システムを較正する目的で、患者台２にオプションとしてポジション感応モニタ７を配置することができる。この装置は、ビーム送出システムを作動させるためだけに、或いは品質保証チェックを実行するためだけに利用される。２つのストリップチャンバを設けて、ノズル１において測定されたビームポジションと、アイソセンタにおける実際のビームポジションとの関係を調べることができる。患者の治療中は、第２のストリップチャンバ７は使用できない。ただし、第２の検出器を患者台２或いは患者にじかに配置してもよい。
【００３９】
本発明によるシステムの場合、ノズル１におけるビームポジションと患者体内におけるビームポジションとの間には、確立された関係が存在する。Gantry 2システムの特色は、ＴとＵの両方のスキャニング方向において平行なスキャニングを生じさせるように、システムのビーム光学系が設計されていることである。ノズル１内の検出器３の測定データと、アイソセンタにおける検出器７の測定データは、最初の桁で等しくなければならない。実際の運用において、ビーム方向のパラメタライゼーションは、（異なるエネルギー及びガントリ角度に対し）スキャンのＵ座標とＴ座標の関数として規定される。ルックアップテーブルによって、アイソセンタからノズル１へ逆方向でスキャンビームの投影が記述される（ノズルへの逆投影）。ノズル１内のポジション感応検出器３によって実行される安全機能に関して最も重要な前提条件は、ビームの逆投影（腫瘍部位におけるビームポジションとノズル内の検出器におけるビームポジションとの関係）が既知であり常に安定している、ということである。この関係の安定性は、患者治療開始に先立ち日毎に検証され、これは数年にわたり一定であるものとして知られている。
【００４０】
安全機能の根底にある認識は、ビーム方向の変化を引き起こす障害発生状況が、ノズル１におけるビームポジションに同時に作用することなく起こるのは、ごく希にしかあり得ない、という点である。
【００４１】
ペンシルスキャニングシステムの他の安全性の特徴は、すべてのスキャン関連データをいわゆるログファイルに記録するという要件である。それらのファイルは、１回の所定の分割照射（fraction）において測定されたパラメータをすべて記述し格納する。それらのファイルには、ノズル１において測定されたビームスポットポジションデータ及び予期されたビームスポットポジションデータも含まれている。それらのデータは基本的に、ビーム送出精度をどのようにして向上させるのかを習得するために利用できる。
【００４２】
ＰＳＩのGantry 2は、かなりの高精度で加速器源においてビーム強度をダイナミックにコントロールすることができる。瞬時の線量を、個々のエネルギーチューニングごとに、及びそれらの間に、スキャンのステアリングファイルからセットすることができる。このことは、固有のファイルごとにスキャンシーケンスタイミングの非常に良好な再現性を得るのに役立つ一方、固有のファイル自体によって、システムに対し再現可能なダイナミックな補正を行うことができるようになる。
【００４３】
目下のところ、ビームポジションのコントロールは、いわゆる「スタティックな」チューニングファイルによって達成されている。チューニングファイルに格納されている値はスタティックであり、つまり、エネルギー変更後にビームを再びスイッチオンする前の数秒〜数１０秒にわたる長い休止を伴ってエネルギー変更を緩慢に適用した後に、（横方向スキャンなく中央ビームについて）ビームの特性が測定された、という意味合いにおいて、スタティックである（「スタティック測定」によるビームセンタリング動作）。このようなスタティックな補正は、ビームチューニングファイルに組み込まれたエネルギー及びガントリ角度に依存する補正として実行される。この補正は、チューニングデータ生成プロセス（チューニングファイル生成）においてアクティブにされる。
【００４４】
基本作動データから得られるこの種の事前のシステム情報を用いたとしても、高速ダイナミックモードのスキャニングによってシステムを利用するならば、ビームラインのオペレータは依然として、３ｍｍに及ぶダイナミックなビーム送出ポジション誤差に直面する。
【００４５】
適切なエネルギーのランピング
ダイナミクススキャンを利用する際のパフォーマンスを向上させる１つのオプションは、システムの使用を１つの決められたエネルギースキャニング方式に制限することである。この基本モードによれば（フルランピング）、ビームエネルギーが公称最大値から公称最小値まで、完全にアップ−ダウン及びダウン−アップのシーケンスでスキャニングされる。エネルギーステップは、測定されたヒステリシスエネルギー曲線に沿って、方向の変化を伴わず連続的に分布している。適切なランピングによって、誤差はほぼ許容可能になるが（＜１ｍｍ）、ＳＯＢＰの内側の狭いエネルギーステップについてのみである。最大エネルギーからＳＯＢＰの最初の値に向かって減少する最初の大きなエネルギージャンプによって、３ｍｍに及ぶダイナミックなポジション誤差が引き起こされる可能性がある（ステップがエネルギー範囲全体にわたるときに、この最大誤差が生じる）。
【００４６】
さらに観測されたことは、スキャンのダイナミクスに起因する残留ポジション誤差は、エネルギーが変化した直後にその最大値をとること、及びそれらの誤差は時間の関数として数秒のオーダの時定数で減衰することであり、このことは本発明の１つの実施形態において以下で説明することでもある。
【００４７】
本発明によれば、渦電流と磁化に起因するダイナミックな作用をいっそう良好に制御するために、ステアリングファイルの生成にあたり、２つの付加的な補正セット（ステップ）が導入される。誤差は、（ガントリのビームライン偏向面上の）Ｕ方向でいっそう顕著になる。
【００４８】
最初のステップにおいて、汎用のダイナミック補正が適用され、これは時間の関数として減衰するダイナミックポジション補正をモデリングするものである。実験による観測により判明したのは、ビームポジションダイナミクスのためには、かなり複雑なモデリングが必要とされることである。第１のセットの汎用補正は、システムが妥当なランピングで稼動しているものとして導入される。事前に計算されたビームポジション補正は、掃引磁石ＷＴ，ＷＵのステアリングデータに対するオフセットとして適用される。 補正における初期段階の振幅は、最終エネルギー及び最後に適用されたエネルギーステップの関数としてモデリングされる。この場合、最後のエネルギー変化からの経過時間の関数として、指数関数的減衰によって補正が計算される。減衰時間の定数はビームエネルギーに依存する。ここでは、アップ−ダウン方向及びダウン−アップ方向に対し異なるセットが存在する。補正は蓄積寄与率として適用され、つまり、新たなエネルギーステップのための振幅が先行のステップの減衰値に加えられる。その後、蓄積された振幅は、先行ステップと現行ステップの平均時定数で時間の関数として減衰する。このアプローチは、蓄積されたダイナミックなビームポジション誤差の汎用モデル、と称される。
【００４９】
このアプローチによれば、ビーム送出精度を大きな率（２〜５）で向上させることができる。この結果は、許容可能な状態にほとんど近いけれども、まだ完全に満足できるものではない。それらは、適切なランピングが用いられたときだけしか適用できない。
【００５０】
このステップを使用することは文献では知られておらず、いまだ陽子線治療の先行技術ではない。このステップ適用後も、各スキャンの固有の履歴に関して（エネルギー変化のステップシーケンス、タイムインターバル及び振幅に依存して）残留システマティック誤差が観測された。この場合、個々のステップの範囲を超えて、渦電流作用がシステムに影響を及ぼしていると考えられる。磁化の作用も、先行エネルギーステップの詳細な履歴に依存していると考えられる。さらに観測されたことは、ランピングループ内でスキャニング方向を変化させると、最大のダイナミックポジション誤差が発生することである。さらにこの場合、ノズルにおけるダイナミックポジション誤差と、アイソセンタに位置する腫瘍部位のダイナミックポジション誤差とが、常に極めて明確に相関していることが観測された（図８参照）。
【００５１】
本実施例の第２のステップにおいて目標とするのは、テスト稼動で記録されたデータから導出されたスキャン固有の補正を利用して、ダイナミックな作用をさらに低減することである。第２のステップによれば、スキャン固有の補正と、ビーム送出システムの「独習」" Self teaching "が行われ、これは達成すべき線量分布に対し、固有の治療関連放射線計画のテスト稼動において記録されたデータ（患者フィールド固有のステアリングファイル）を使用して行われる。
【００５２】
スキャンの高度なダイナミクスに起因する、依然として制御されていないが再現可能なポジション誤差を補正するために、先行の稼動において記録されたデータが利用される。この新たな解決手段によれば、最初に患者なしで又は患者とともに（テスト稼動中、或いは補正されていない初回の分割照射及びその後に続く一般に２０〜３０の補正された分割照射について）、患者フィールド固有のステアリングファイルを用いてシステムが稼働される。スキャン中のビームポジションは、患者の前に配置されたノズル１におけるビームポジション感応検出器３によって測定される。記録されたデータはオフラインで分析され、結果として得られたポジション誤差が固有のビームスポット補正として、新たな（補正された）ステアリングファイルに組み込まれる。このようにしてシステムは自身を測定し、測定精度により与えられた限界まで自身を補正する。つまり「システムは独習する」。このようにして確立された補正は、患者及びフィールドに固有であり、以降のすべての放射（分割照射）に対しさらに修正を加えることなく、有利に適用される。このアプローチ（独習ビーム送出）の結果、ビーム送出精度が著しく改善される。
【００５３】
本発明の１つの有利な実施形態によれば、スキャン固有の補正サイズを制限する目的で、（時間とともに減衰する）汎用ダイナミック補正とスキャン固有の補正の双方が用いられ、それによってインタロックの場合のように、計画とは異なりビーム送出が停止されたときに、意図しない状況からの復旧が容易になる。
【００５４】
テスト稼動により取得された独習メカニズムによって、スポットごとに行われるポジション補正のセットが提供され、それらはステアリングファイルの新たなバージョンに組み込まれる。この第２のステップによって、以下の例（図５、図７、図８）で示すように、以降のすべてのスキャンに対する最終精度が、典型的には数１０ｍｍまで下げられる。
【００５５】
本発明の潜在的な利点は多岐に渡る。本発明によって実現される主要な点は、最大のフレキシビリティを適用しながら著しく高速なスキャニングシステムを利用できるようになる一方、それにもかかわらず（オフラインで得られる補正を利用したポジション測定の分解能に近い精度で）著しく高いスキャン精度を達成できることである。スキャン固有の磁化、ヒステリシス及び渦電流の作用に起因するスポットポジション誤差は、もはや現れなくなる。本発明によるシステム及び方法は、あらゆる状況においてターゲットボリュームの形状およびサイズに左右されることなく動作する。独習のベースとして汎用ダイナミック補正を使用することは、治療中断時にスキャンをリスタートするのに有効な作用を及ぼすはずである。
【００５６】
「独習法」によってエネルギーダイナミクスに起因するポジション誤差が低減されるのは、適切なランピングを用いることだけでなく、かなり任意なエネルギースキャンパターンを用いることにもよる。有利なことにこれによって、スキャンによる治療時間の低減がもたらされる。スキャンのフレキシビリティが増すことにより、最も最適な手法で器官運動の問題を解決するために、リペインティングのストラテジに関していっそう多くのバリエーションを採用することができる。図６、図７、図８には、適切なランピングを用いないケースに対し独習を適用した例が示されている。
【００５７】
「ビーム誘導」のためにストリップ検出器３を用いるコンセプトを、他の小さなシステマティック誤差を補正するために付加的に利用することができる。独習メカニズムによって、スキャニング磁石の動作マップ中の小さな較正誤差が自動的に補正される。不正確なビームチューニング作動に関するビームポジション誤差、並びに異なるガントリ角度に起因するビームポジション作用も、同様に補正される。かろうじて大切な問題といえば、ビーム４からノズル１への逆投影について正確な情報を維持することだけである。
【００５８】
後続の分割照射においていっそう高い精度が達成されることは、システムを補正する前と後のログファイルを分析及び比較することによって証明できる。精度が高まれば、患者放射中、オンラインのポジションチェックに対し、いっそう厳密な許容範囲を適用することができるはずである（許容範囲窓を１ｍｍ〜０．５ｍｍよりも小さくなるように狭める）。補正されたステアリングファイルを患者に適用する前に、補正をオフラインで分析することができる。補正の妥当性を評価するために、補正に対し一貫性チェックを適用することができる。例えば、著しく短いスポットが不正確すぎるとみなされたならば、それらの補正を省略してもよい。
【００５９】
Gantry 2では最近、非常に先進的な新しいビーム送出技術が開発された。この技術によれば、ラインとターゲットの輪郭に沿った連続的な線量ペインティングと、可変のスキャン速度と、ビーム強度のダイナミックな制御とが行われる。この新しい連続的なスキャンモードのシステマティック誤差を補正するためにも（即ち掃引磁石及び連続的に移動するスキャンビームを用いたビーム強度制御のダイナミックな応答に起因する誤差を補正するためにも）、独習アプローチが拡張される。
【００６０】
本発明に関する別の可能性として挙げておきたいのは、患者台においてアイソセンタに配置されたマルチレイヤイオン化チャンバ（ＭＬＩＣ multi-layer-ionization-chambers）の利用である。この装置は、エネルギーチューニングによる陽子飛程の正確さを保証するために、Gantry 2のデイリーチェックに利用される。この装置は、飛程に関してもビーム送出システムの「ティーチング」に利用される（飛程−ポジションティーチング）。実際の運用において、１ｍｍ以下の小さい飛程誤差が見つけられ、したがってこれはかなり小さいけれども、このアプローチを、腫瘍等患者内部の関連するボリュームに対する線量送出の精度を高める目的でも、実際に利用できる。
【００６１】
患者台に配置されたポジション感応検出器７に関して既に述べたように、システムのポジションティーチングに関してもっと直接的なオプションがあり、つまりこの場合、アイソセンタのところにじかに配置されたモニタが用いられる。ただしこのモニタを使用するには、新たなスキャンファイルごとに患者台２にこの種のモニタを取り付ける労力が伴う。けれどもそれに対する見返りは、その労力に報いることができるものである。
【００６２】
これら新規の方法を利用すれば、作動のために必要とされる作業が「ショートカット」されるようになる。このアプローチを採用すれば、最終的な精度に至るまでのあらゆる細部にわたってシステムに指示を出す必要がない。システムを独習モードで用いて、大雑把な予備的な作動結果を患者治療にただちに利用することができる。独習メカニズムによって、既に最初の患者から、そしてそれ以降、著しく良好な精度の線量送出が配慮されるようになる。このストラテジによって、新しいガントリのオペレーションを早い時期からスタートさせることができるようになり、スタートアップフェーズにある新たな市販の設備の最もクリティカルなフェーズに課される財政予算の制約を、緩和できるようになる。
【００６３】
医学的な視点からすれば、新規の先進的な高速ビームスキャニング方法は、動きのあるターゲットに対して必要とされている。本発明による独習方法は、著しく良好な精度を維持しながらこの目標に直ちに近づくための強力なツールである。スキャニングにより治療される医学的指標を拡張し、動きのあるターゲットまで含まれるようにするならば、既に確立されている散乱シート技術を、スキャニングのみをベースとする解決手法と完全に置き換える引き金になる可能性がある。このことは、陽子線治療の市場に驚くべき衝撃を与えるかもしれない。
【００６４】
スキャニングビームを用いた陽子線治療において非常に重要な安全性の要件は、治療計画システムによって生成され、ビーム送出中にスキャンされるビームを誘導するために用いられるステアリングファイルが、適正な線量を設定していることをチェックすることである。したがってスキャンを少なくとも一度、患者のいない治療装置において送出させることになる（いわゆる「ドライラン」" dry run "）。これは新たな設備の運用開始にあたっては、特に当てはまることである。このタスクは一般に、検証用線量計との組み合わせによって行われ、この場合、線量測定模型に対し線量フィールドが送出される。線量検証システムは、三次元形状の線量分布が大きさ及び形状に関して適正であることをチェックする。１回余分に稼動させるだけで、ティーチング補正を行うことができ、２回目の線量測定実行において、ティーチング補正が実際に線量分布に改善をもたらしていることを検証することができる。患者に対する実際の放射は通常、毎日１回の分割照射で典型的には２０〜３０回の分割照射として適用される。ドライラン及び照合ランは通常、治療時間外に行われ、したがってシステムの時間配分全体にしてみれば、僅かな追加にすぎない。なお、治療の初回の分割照射を、ティーチングランとして利用するオプションもある。
【００６５】
目下のところ有利とされている品質保証（ＱＡ）手順は、同一の第２のビームポジション感応検出器７をアイソセンタに配置し、（アイソセンタに配置された検出器とノズルに設けられた検出器の）双方のデータを同じログファイルに保存することである。このようにすれば、ノズル１における誤差から導出されたポジション補正によって、アイソセンタにおけるビームポジションが実際に補正されていることを、検証することができる。これについては、選択した実験結果を参照しながら後で説明する。ノズルにおけるビーム精度が改善された結果、線量分布についても精度が改善されることになり、このことは照合線量測定法を用いて検証することができる。
【００６６】
本発明による独習は、非常に高速なスキャン速度と高いダイナミクスで最良の精度が得られるよう、線量を送出できるようにするために、（たとえ本質的ではないにしても）実際の運用において重要なことである。このことは、陽子線治療及びイオン治療のためのビーム送出システムの市場拡大のために重要なことである。スキャンの精度が高められたことが全体として、システムの信頼性と可用性に好影響を及ぼす。
【００６７】
独習メカニズムに対する代替案として最も普通に考えられるのは、ビーム送出中にビームポジションをダイナミックに補正するために、フィードバックループをオンラインで適用することである。このアプローチを実現するのは簡単ではない。それというのも、ビームポジションにおけるオンラインの情報は、（最高精度を達成したいのであれば）かなり複雑なソフトウェアをベースとするからである。ビーム送出という状況においてフィードバックループを使用することは、数秒〜数１０秒のタイムスケールでシンクロトロンからビームが低速で抽出される際の安定化問題を解決するために、会議で論じされてきた（ただしこれは、数ミリ秒〜数１０ミリ秒の範囲内の非常に高速なスキャニング速度での再現可能なシステマティック作用に関連する問題を解決するためではない）。
【００６８】
ここで本発明は、以下の理由から、フィードバックループとは異なるアプローチを利用している。フィードバックループは実際の運用では、測定システムとループの操作部の固有の応答時間（ループ時間）によって制約を受ける。補正は、ループの応答時間よりも長いタイムスケールで動作し、これはストリップモニタについては少なくとも数ミリ秒のオーダである。本出願で論じているシステマティック誤差は、エネルギー変化直後に最大の作用を及ぼす。エネルギーが変化してから最初の数秒間、ビームは必然的に誤ったポジションに送出される。ついでこの誤差は、後続のすべての分割照射についても同じように繰り返されることになる。エネルギー変化のときにインタロックを引き起こすリスクは、フィードバックを用いたときの方が独習システムよりもおそらく高い。
【００６９】
本発明による独習アプローチによれば、ストリップに堆積するイオン化電荷は、スポットの全長にわたり積分される。したがって線量プロフィルの情報は、利用可能な最大測定精度によってオフラインで取得される。精度は、所定のスポット時間長に依存する（スポットが長くなればなるほど、補正の精度が上がる）。フィードバックループは、統計的な変動にシステムを整合させるための良好な解決手法である。システマティックな作用は、オフラインでさらに詳しく良好に分析される。
【００７０】
よって独習アプローチは、高いスキャニングダイナミクスを伴うシステムのために最大可能な精度を達成する最良の手法である。この解決手法は、ステアリングファイルの生成という状況では、ソフトウェアによりオフラインで実現される。このアプローチは、実装が難しすぎるということはない。独習メカニズムから導出された補正は安定している（それらは他のモデリングされた予測補正と同様に動作する）。それらの妥当性は、アイソセンタに第２のストリップチャンバ７を配置することにより品質チェックを利用して、オンラインで立証することができる。
【００７１】
図１及び図２には、システム及び本発明の基本原理が描かれている。
【００７２】
ノズル１におけるストリップ検出器３は、ビーム送出中、照射される陽子線４のポジション５及び幅を記録する。この記録は、チャンバにおいて直交する２つの軸に投影されるビームプロフィル（Ｕプロフィル及びＴプロフィル）の平均及び標準偏差を計算することによって行われる。システムの不適切な動作によって陽子のペンシルビームは、予期されたポジション６に比べて僅かに誤ったポジション５に現れる。予期されたポジション６と測定されたポジション５との差は、その差が大きすぎた場合に治療を中断するために（インタロック）、オンラインで用いられる。
【００７３】
このテストの暗黙的な前提条件は、ノズル１における公称ビームポジションと、アイソセンタにおけるビームの公称ポジション９との関係を、正確に把握していることである。この関係は、患者台２においてアイソセンタに、検出器例えば第２のストリップ検出器７を配置することにより得ることができる。オプションとして設けられるこの検出器７は、（ステアリング中、ビームを著しく厳密にアイソセンタにポジショニングする目的で、ノズル１におけるビーム４の予期されるポジションを把握するために）アイソセンタからノズル１へのビームの基本的な投影８を行うために用いられる。以下に示す実験による図面には、ノズルにおけるポジションの誤差（差６−５）とアイソセンタにおけるポジションの誤差（差９−８）が、実際に明確に相関していることが表されている。
【００７４】
ノズルとアイソセンタとの間の厳密な関係が（種々のビームエネルギー及びガントリ角度について）いったん確立されてしまえば、ノズルにおけるビームポジションを、陽子ペンシルビームのチェックだけでなく、誘導にも使用することができる。以下では、その他の図面について説明する。
【００７５】
そこにはいくつかの実験結果が例示されており、それらは直径８ｃｍの球体として成形されたターゲットボリュームへ照射を行うことによって得られたものである。球体の中心は、水中１０ｃｍの深さに配置された。スキャンは、５ｍｍ間隔の格子を越えてビームを移動させることによって実施された。球体内部に位置する格子ポイント（スポット）が送出された。スポットの強度は、ターゲット内でコンフォーマルかつ均質な線量分布が得られるように選定された。
【００７６】
ＳＯＢＰは、１５回のエネルギーステップでスキャンされた（範囲は約９２ＭｅＶ〜１３８ＭｅＶ）。実験結果は、患者テーブル２においてアイソセンタに配置された第２のポジション感応検出器７ここではストリップチャンバにより測定されたポジション誤差（測定されたポジションと予期されたポジションとの差）として表されている。
【００７７】
図３には、スポット数の関数としてプロットされたポジション誤差が示されている。この場合、単一のスキャン（リペインティングのないスキャン）が送出され、ただし妥当なランピングが適用された：最初に、汎用補正もスキャン固有の補正もないケースが考慮され、これは本願で論じた問題点である。ここでは、ポジションドリフトの指数関数的減衰を容易に認めることができる。最も顕著な誤差は、２３０ＭｅＶから１３８ＭｅＶまで下げられた最初の大きいエネルギーステップ後、スキャンが開始されるときに生じる。
【００７８】
図４には、図２を参照しながら説明した状況と同じ状況に対し、汎用補正を適用した際の作用が示されている。ここでは、汎用補正によって、指数関数的挙動がかなり十分に除かれていることがわかる。
【００７９】
図５には、図３のケースに今度は独習アプローチを追加した作用が示されている。この場合、誤差の幅は数１０ｍｍ以内まで低減され、これが約５０ｍの長さのビームラインで起きると考えれば、実にめざましい結果となっている。
【００８０】
図６には、いわゆるアイソレイヤ・リペインティング法iso-layer repainting methodを用いて、リペインティングを５回適用したケースが示されている。アイソレイヤのコンセプトは、低ウェイトのスポットは最も遠位のスキャンスポットよりも重ね塗り頻度が少ない、という着想に基づいている。この場合、放射線スタート時のランピングも、意図的に誤らせた。リペインティング中、ビームエネルギーのステッピング方向を、いかなる制約も考慮せずに変化させた（各ステップは公称ヒステリシス曲線に沿って維持されていない）。このようにした意図は、著しく大きなポジション誤差を引き起こす目的で、エネルギーのステッピングのかなり「荒れたケース」を生じさせるためである。
【００８１】
図７には、図５のケースに適用された独習法の作用が示されている。独習法のアプローチによって、±１ｍｍ未満に「荒れたケース」のシステマティック誤差を低減することができる。
【００８２】
図８は図７と同様の図であるが、唯一の相違点は、計画されていない治療中断をシミュレートするため、ステアリングファイルに休止が追加されていることである。汎用補正の最初に独習を適用すると、システムはここに描かれた「荒れたケース」についても、治療休止に対し極めて綿密に反応する。
【００８３】
図９には、アイソセンタにおけるポジション誤差とノズルにおけるポジション誤差との間の良好な相関関係が示されている。データは図５のケースを参照している。この図には、エネルギーのスキャニングが「荒れたケース」であっても、良好な相関関係が維持されていることが示されている。
【図１】
2015512314.tif 000003
【図２】
2015512314.tif 000004
【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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【手続補正書】
【提出日】平成26年12月5日(2014.12.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者内の予め規定可能なボリュームに対しペンシルビームスキャニングにより陽子線治療を加えるシステムにおいて、
ａ）ビーム強度及び／又はビームエネルギーに関して調整可能な、即ちデグレーダを用いて調整可能な、陽子線（Ｂ）を発生させるための陽子源と、
ｂ）複数の陽子線偏向及び／又は陽子線集束ユニットと、
ｃ）患者の予め規定可能なボリュームに貫通させるための、前記陽子線（Ｂ）の出口を有するビームノズル（Ｎ）と、
ｄ）前記ノズル（Ｎ）の上流に配置されたビーム偏向磁石（Ａ３）と、
ｅ）２つの横方向（Ｔ，Ｕ）双方で前記陽子線（Ｂ）を掃引するための、１組の掃引磁石（ＷＴ，ＷＵ）と、
ｆ）前記陽子線のポジションを制御するための、前記ノズルに合わせて調整されたポジション感応検出器と、
ｇ）前記陽子線のポジション及びエネルギーを制御するための、ビームステアリングデータセットを含む制御ロジックと、
ｈ）予期されるビームポジションと、前記ポジション感応検出器において検出された実際のビームポジションとの比較により、ビームポジション誤差を補正し、比較結果に応じてビームポジション補正データを生成するための、前記制御ロジックに合わせて調整された補正ロジックと
が設けられており、
スキャン固有の補正を識別するために、患者フィールド固有のステアリングファイル実行後に、前記ビームポジション補正データが前記ビームステアリングデータセットに組み込まれ、
前記補正ロジックは、前記ビームポジション誤差を補正するために汎用ダイナミック補正モデルを使用し、該汎用ダイナミック補正モデルは、陽子エネルギー変化後、時間の関数として減衰することを特徴とする、
患者内の予め規定可能なボリュームに対しペンシルビームスキャニングにより陽子線治療を加えるシステム。
【請求項２】
前記補正ロジックは自動化されたソフトウェアを含み、該ソフトウェアは、治療固有のビームステアリングデータセットを検証するためのテスト放射に基づき記録された比較データから導出されたビームポジション補正データを、前記放射のビームステアリングデータセットの改善された新たなバージョンにフィードバックするためのものであり、該新たなバージョンが認定されて、少なくとも１回の放射において、有利にはすべての後続の放射において、患者の治療に用いられる、請求項１項記載のシステム。
【請求項３】
第２のポジション感応検出器が患者テーブルに組み込まれており、該第２のポジション感応検出器は、有利には陽子線ジオメトリのアイソセンタに配置されている、請求項１又は２項記載のシステム。
【請求項４】
患者内の予め規定可能なボリュームに対しペンシルビームスキャニングにより陽子線治療を加えるシステムのビーム送出品質を改善する方法において、
ａ）ビーム強度及び／又はビームエネルギーに関して調整可能な、即ちデグレーダを用いて調整可能な、陽子線（Ｂ）を発生させるための陽子源を準備するステップと、
ｂ）ビームラインを形成するために、複数の陽子線偏向ユニット及び／又は陽子線集束ユニットを準備するステップと、
ｃ）患者の予め規定可能なボリュームに貫通させるために、前記陽子線（４）の出口を有するビームノズル（１）を準備するステップと、
ｄ）前記ノズル（１）の上流に配置されたビーム偏向磁石を準備するステップと、
ｅ）２つの横方向（Ｔ，Ｕ）双方で前記陽子線（Ｂ）を掃引するための、１組の掃引磁石（ＷＴ，ＷＵ）を準備するステップと、
ｆ）前記陽子線（４）のポジションを制御するために、前記ノズル（１）に合わせて調整されたポジション感応検出器（３）を準備するステップと、
ｇ）ビームステアリングデータセットを用いて、前記陽子線（４）のポジション及びエネルギーを制御するための制御ロジックを準備するステップと、
ｈ）予期されるビームポジションと、前記ポジション感応検出器（３，７）において検出された実際のビームポジションとの比較により、ビームポジション誤差を補正し、比較結果に応じてビームポジション補正データを生成するための、前記制御ロジックに合わせて調整された補正ロジックを準備する
ステップとを含み、
スキャン固有の補正を識別するために、患者フィールド固有のステアリングファイル実行後、前記ビームポジション補正データを、前記ビームステアリングデータセットに組み込み、
前記補正ロジックは、前記ビームポジション誤差を補正するために汎用ダイナミック補正モデルを使用し、該汎用ダイナミック補正モデルは、陽子エネルギー変化後、時間の関数として減衰する
ことを特徴とする、
患者内の予め規定可能なボリュームに対しペンシルビームスキャニングにより陽子線治療を加えるシステムのビーム送出品質を改善する方法。
【請求項５】
前記補正ロジックは自動化されたソフトウェアを含み、該ソフトウェアは、治療固有のビームステアリングデータセットを検証するための、患者に関連するテスト放射に基づき記録された比較データから導出されたビームポジション補正データを、前記放射のビームステアリングデータセットの改善された新たなバージョンにフィードバックするためのものであり、該新たなバージョンを認定して、少なくとも１回の放射において、有利にはすべての後続の放射において、患者の治療に用いる、請求項４記載の方法。
【請求項６】
第２のポジション感応検出器（７）を患者テーブル（２）に組み込み、該第２のポジション感応検出器（７）を、有利には陽子線ジオメトリのアイソセンタに配置する、請求項４又は５記載の方法。
【国際調査報告】
2015512314.tif 000012
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