JP2023023437A - Particle beam care system and treatment planning device - Google Patents

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Taisuke Takayanagi
伸一郎 藤高
Shinichiro Fujitaka
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Takuto Miyoshi
幸太 佐々木
Kota Sasaki
雄一郎 上野
Yuichiro Ueno
耕一 岡田
Koichi Okada
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Abstract

To provide: a particle beam care system capable of improving quality of a gamma-ray source image in comparison with conventional ones, and improving range measurement accuracy; and a treatment planning device.SOLUTION: A particle beam care system includes a proton beam radiation device 101 for irradiating a target with a particle beam, a treatment planning device 210 for creating a radiation plan of a particle beam by the proton beam radiation device 101, and a gamma-ray detector 205 for detecting a gamma ray generated by radiation of the particle beam. The treatment planning device 210 determines a recommendation installation position of the gamma-ray detector 205 based on spatial resolution of the gamma-ray detector 205 at each angle set beforehand.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、粒子線治療システム、および治療計画装置に関する。 The present invention relates to a particle beam therapy system and a treatment planning apparatus.

非特許文献1には、ペンシルビームスキャニングモードでの生体内での陽子線飛程確認のための即発γ線撮影の最初の臨床結果と価値評価として、脳腫瘍患者への陽子線治療中に陽子線トラックに沿って放出される即発ガンマ信号を記録するために、ナイフエッジ・スリット・コリメータデザインを採用したトロリー搭載の独立型即発ガンマカメラのプロトタイプを使用し、記録された個々のペンシルビームスポットの即発ガンマ深さ検出プロファイルを,治療計画からシミュレーションされた予想プロファイルと比較した結果、が記載されている。 Non-Patent Document 1 describes the first clinical results and value evaluation of prompt γ-ray imaging for in vivo proton range confirmation in pencil beam scanning mode during proton therapy for brain tumor patients. Using a prototype of a trolley-mounted stand-alone prompt gamma camera employing a knife-edge slit collimator design to record the prompt gamma signal emitted along the track, the recorded individual pencil beam spot prompts. The results of comparing the gamma depth detection profile to the expected profile simulated from the treatment plan are described.

Xie Y., et al., “Prompt Gamma Imaging for In Vivo Range Verification of Pencil Beam Scanning Proton Therapy.” Int J Radiation Oncol Biol Phys, 99(1), 210-218, 2017Xie Y., et al., “Prompt Gamma Imaging for In Vivo Range Verification of Pencil Beam Scanning Proton Therapy.” Int J Radiation Oncol Biol Phys, 99(1), 210-218, 2017

磁場の十分低い条件では、陽子線、炭素線といった荷電粒子線は人体に入射すると周辺組織に線量を付与しながら直進し、最終的にすべての運動エネルギーを失って停止する。 Under sufficiently low magnetic field conditions, charged particle beams such as proton beams and carbon beams, when they enter the human body, travel in a straight line while imparting doses to surrounding tissues, and finally lose all kinetic energy and stop.

粒子線の停止位置を飛程と称し、飛程近傍にはブラッグピークと呼ばれる線量の極大領域を形成する。飛程以深の領域には線量を付与しないか、X線などの中性の電離放射線に対して線量を抑制することができる。このような特性から、粒子線治療では、従来広く用いられてきたX線治療に比べてより患部への線量集中性を高めることができ、正常組織へのダメージをより抑制したがん治療が期待できる。 The stopping position of the particle beam is called range, and a maximum dose area called Bragg peak is formed in the vicinity of the range. It is possible to either not apply a dose to regions deeper than the range, or to limit the dose to neutral ionizing radiation such as X-rays. Due to these characteristics, particle beam therapy can increase the dose concentration to the affected area compared to the conventionally widely used X-ray therapy, and it is expected to be a cancer treatment that suppresses damage to normal tissues. can.

粒子線の患部への照射方法としては、ボーラス、コリメータといった患者固有器具を製作不要である点や腫瘍形状に合致した線量分布を形成可能な点から、スキャニング照射法が近年広く採用されている。 As a method of irradiating the affected area with particle beams, the scanning irradiation method has been widely adopted in recent years because it does not require the manufacture of patient-specific instruments such as boluses and collimators, and because it is possible to form a dose distribution that matches the shape of the tumor.

スキャニング照射法では、患者体内、特に腫瘍などの高線量を付与すべき標的領域の内外に3次元的に無数の点(スポット)を配置し、各々のスポットを狙って細径のビーム(ペンシルビーム等と称す)を順番に照射していくことで標的領域に一様な線量分布を形成する。 In the scanning irradiation method, a large number of points (spots) are arranged three-dimensionally inside and outside the target area, especially a tumor, where a high dose is to be given, and each spot is targeted by a thin beam (pencil beam). etc.) are sequentially irradiated to form a uniform dose distribution in the target region.

各々のスポットへの照射線量は、治療計画装置を用いて最適化される。治療計画とは、患者のCT画像等から得られる情報に基づいて患者体内の線量分布を計算し、標的領域内へ均一な線量が付与されるように、また、標的近傍に位置するリスク臓器(OAR:Organ At Risk)への被ばくを可能な限り避けるように各々のスポットへの照射線量を最適化していく手順である。 The dose to each spot is optimized using a treatment planning system. Treatment planning involves calculating the dose distribution in the patient's body based on information obtained from the patient's CT images, etc., so that a uniform dose is given to the target area, and risk organs located near the target ( This is a procedure for optimizing the irradiation dose to each spot so as to avoid exposure to OAR (Organ At Risk) as much as possible.

最適化では、標的領域およびOARの内外に対して3次元的に無数の計算点を配置する。各計算点に対して線量の目標値を設定し、各々のスポットへの照射線量を調整しながら各計算点での線量を繰り返し計算する事で、目標値を達成するスポット毎の照射線量を得る。ここで、計算点とスポットの位置とは必ずしも同一ではないことに注意されたい。 The optimization places an infinite number of calculation points three-dimensionally inside and outside the target area and OAR. By setting a target dose for each calculation point and adjusting the irradiation dose to each spot and repeatedly calculating the dose at each calculation point, the irradiation dose for each spot that achieves the target value is obtained. . Note that the calculated points and the spot positions are not necessarily the same.

従って、治療計画には高い線量計算精度が求められる。しかしながら、正しく計算された計画であっても、計画通りの照射が行われない可能性が存在する。その要因は、外的要因と内的要因とに分けられる。 Therefore, treatment planning requires high dose calculation accuracy. However, even with a correctly calculated plan, there is a possibility that the planned irradiation will not occur. The factors are divided into external factors and internal factors.

計算誤差の外的要因には、治療室寝台への患者の位置決め誤差や、照射装置のビームの照射位置変動がある。 External factors of calculation errors include positioning errors of the patient on the couch in the treatment room and variations in the irradiation position of the beam of the irradiation device.

計算誤差の内的要因には、呼吸や心拍等による腫瘍を含む体内構造の変形、移動がある。粒子線の線量分布は、腫瘍の位置だけでなく、そこに到達するまでにビームが通過する経路上の構造によっても大きく左右される。例えば、骨や空気層といった密度の大きく異なる領域がビーム経路上にあり、それら領域が呼吸などによってビーム照射中に大きく動く場合、腫瘍周辺の線量分布は大きく変化する可能性がある。 Internal factors of calculation errors include deformation and movement of body structures including tumors due to respiration and heartbeat. The dose distribution of particle beams is greatly influenced not only by the position of the tumor but also by the structures along the path that the beam passes to reach it. For example, if areas with significantly different densities, such as bone and air layers, are on the beam path and these areas move significantly during beam irradiation due to respiration, etc., the dose distribution around the tumor may change significantly.

さらに、重要な誤差要因として線量計算におけるCT値-阻止能変換の不確定性がある。治療計画では、事前に作成した変換テーブルに基づき、CT画像上の各ボクセルのCT値を粒子線阻止能に変換し、線量分布を計算する。CT値-阻止能変換テーブルは、阻止能が既知のファントムを用いて実験的に作成される。しかしながら、同じCT値であっても部位や患者ごとに阻止能のバラつきがあることから、線量分布の計算精度には誤差が生じる。 Furthermore, an important error factor is the uncertainty of CT value-stopping power conversion in dose calculation. In treatment planning, the CT value of each voxel on the CT image is converted into particle beam stopping power based on a conversion table prepared in advance, and the dose distribution is calculated. The CT value-stopping power conversion table is experimentally created using a phantom with a known stopping power. However, even if the CT value is the same, the stopping power varies depending on the site and the patient, so an error occurs in the calculation accuracy of the dose distribution.

計画通りの照射がなされない場合、線量不足による腫瘍の再発が起こる可能性がある。また、OARの高線量被ばくが引き起こされる可能性がある。そのため、位置決めおよび照射精度の向上、X線透視やMRIを用いたリアルタイムでの体内構造の監視とともに、CT値-阻止能変換の不確定性の影響をできる限り排除するための対策が必要となる。 Tumor recurrence due to underdose may occur if irradiation is not delivered as planned. Also, high dose exposure of OAR can be caused. Therefore, it is necessary to improve positioning and irradiation accuracy, monitor internal body structures in real time using X-ray fluoroscopy and MRI, and take measures to eliminate the influence of uncertainties in CT value-stopping power conversion as much as possible. .

その対策の一つとして、体内の飛程を直接観測し、治療計画の結果と比較する方法が開示されている(非特許文献1参照)。観測した飛程が治療計画と合致していれば、その患者に対し、CT値-阻止能の変換テーブルが適切であったことを保証できる。また、仮に観測した飛程が治療計画と異なっていたとしても、その差に基づいて次回フラクション以降の治療計画を修正し、治療全体を通して高精度な粒子線治療を実現できる。 As one of the countermeasures, a method of directly observing the range in the body and comparing it with the result of treatment planning has been disclosed (see Non-Patent Document 1). If the observed range matches the treatment plan, it can be assured that the CT value-stopping power conversion table was appropriate for the patient. Moreover, even if the observed range differs from the treatment plan, the treatment plan for the next fraction and subsequent fractions can be corrected based on the difference, and high-precision particle beam therapy can be achieved throughout the entire treatment.

上述のように、非特許文献1では、ビームの通過経路上から発生する高エネルギーガンマ線を利用することで、飛程を観測する方法が開示されている。 As described above, Non-Patent Document 1 discloses a method of observing the range by using high-energy gamma rays generated along the path of the beam.

具体的には、ビーム進行方向に対して位置分解能を持つ放射線検出器(ラインセンサ)を設置し、ビームの通過領域から発生したガンマ線を計測する。ラインセンサの直上にナイフエッジコリメータを設置することで、ガンマ線の到来方向が限定され、ガンマ線源、すなわちビーム通過経路の画像化が可能となる。飛程は、ビーム通過経路の終端、つまり、ガンマ線の強度が急激に低下する位置から推定できる。ここでナイフエッジコリメータとは、ピンホールコリメータをビーム進行方向と垂直な方向(以下、横方向)に射影した形状で表される。 Specifically, a radiation detector (line sensor) having a positional resolution in the direction of beam travel is installed, and gamma rays generated from the beam passage area are measured. By placing a knife-edge collimator directly above the line sensor, the direction of arrival of gamma rays is limited, making it possible to image the gamma ray source, that is, the beam passage path. The range can be estimated from the end of the beam passage path, that is, the position where the gamma ray intensity drops sharply. Here, the knife-edge collimator is represented by a shape obtained by projecting a pinhole collimator in a direction perpendicular to the beam traveling direction (hereinafter referred to as a lateral direction).

ここで、粒子線照射に伴って発生するガンマ線はエネルギーが高く、一部のガンマ線がコリメータのナイフエッジ部分を透過してラインセンサに至ることで、ガンマ線源の画像にボケを生じさせる。つまり、飛程の計測精度が低下する課題が存在する。 Here, the gamma rays generated along with the particle beam irradiation have high energy, and some of the gamma rays pass through the knife-edge portion of the collimator and reach the line sensor, causing the image of the gamma ray source to blur. In other words, there is a problem that the range measurement accuracy is lowered.

本発明は、従来に比べてガンマ線源画像の質を改善し、飛程の計測精度を改善することが可能な粒子線治療システム、および治療計画装置を提供する。 The present invention provides a particle beam therapy system and a treatment planning apparatus capable of improving the quality of gamma ray source images and improving the accuracy of range measurement compared to conventional systems.

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、粒子線を標的に照射する粒子線照射装置と、前記粒子線照射装置による前記粒子線の照射計画を作成する治療計画装置と、前記粒子線の照射に伴い発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器と、を備え、前記治療計画装置は、予め設定された角度毎のガンマ線検出器の空間分解能に基づき、前記ガンマ線検出器の推奨設置位置を求めることを特徴とする。 The present invention includes a plurality of means for solving the above problems. To give an example, a particle beam irradiation device for irradiating a target with a particle beam, and an irradiation plan for the particle beam by the particle beam irradiation device. and a gamma ray detector that detects gamma rays generated by the irradiation of the particle beam, and the treatment planning device is based on the spatial resolution of the gamma ray detector for each preset angle, It is characterized by obtaining a recommended installation position of the gamma ray detector.

本発明によれば、従来に比べてガンマ線源画像の質を改善し、飛程の計測精度を改善することができる。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。 According to the present invention, it is possible to improve the quality of the gamma ray source image and improve the range measurement accuracy as compared with the conventional art. Problems, configurations and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.

本発明の実施例における粒子線治療システムの概要図である。1 is a schematic diagram of a particle beam therapy system in an embodiment of the present invention; FIG. 図1おけるスキャニング照射法を用いた照射野形成装置、およびガンマ線検出器、治療計画装置の概要図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an irradiation field forming device, a gamma ray detector, and a treatment planning device using the scanning irradiation method in FIG. 1; 実施例における粒子線治療システム、治療計画装置での治療計画のワークフロー図である。FIG. 4 is a workflow diagram of treatment planning in the particle beam therapy system and the treatment planning apparatus in the embodiment. 実施例における粒子線治療システム、治療計画装置での、計算点の配置関係を示す概要図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the arrangement relationship of calculation points in a particle beam therapy system and a treatment planning apparatus in an embodiment; 実施例における粒子線治療システム、治療計画装置での、スポットの位置関係を示す概要図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing the positional relationship of spots in the particle beam therapy system and the treatment planning apparatus in the embodiment; 実施例における粒子線治療システム、治療計画装置での、コリメータの空間分解能の一例を示す概要図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of spatial resolution of a collimator in a particle beam therapy system and a treatment planning apparatus in an embodiment; 実施例における粒子線治療システム、治療計画装置での、コリメータの空間分解能の他の一例を示す概要図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing another example of the spatial resolution of the collimator in the particle beam therapy system and the treatment planning apparatus in the embodiment; 実施例の粒子線治療システム、治療計画装置における表示装置での表示画面に基づいたガンマ線検出器の位置決定の様子の概要を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an overview of how the positions of gamma ray detectors are determined based on the display screen of the display device in the particle beam therapy system and the treatment planning apparatus of the embodiment; 実施例の粒子線治療システム、治療計画装置の他の形態の概要を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an outline of another form of the particle beam therapy system and the treatment planning apparatus of the embodiment; 実施例の粒子線治療システム、治療計画装置におけるガンマ線検出器のコリメータの別形態を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing another form of the collimator of the gamma ray detector in the particle beam therapy system and the treatment planning apparatus of the embodiment; 実施例の粒子線治療システム、治療計画装置におけるガンマ線検出器のコリメータの更に別形態を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing still another form of the collimator of the gamma ray detector in the particle beam therapy system and the treatment planning apparatus of the embodiment;

本発明の粒子線治療システム、および治療計画装置の実施例について図1乃至図11を用いて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。 An embodiment of a particle beam therapy system and a treatment planning apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 11. FIG. In the drawings used in this specification, the same or corresponding components are denoted by the same or similar reference numerals, and repeated descriptions of these components may be omitted.

最初に、本発明の実施例における粒子線治療システムの全体構成の概要について図1を用いて説明する。図1は、本実施例における粒子線治療システムの概要図である。 First, an overview of the overall configuration of a particle beam therapy system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram of a particle beam therapy system in this embodiment.

粒子線治療システムは、図1に示すように、陽子線照射装置101を備えている。なお、本実施形態では陽子線照射装置を例に説明するが、本発明は陽子より質量の重い粒子(炭素線など)を用いた重粒子線照射装置にも適用することができる。 The particle beam therapy system includes a proton beam irradiation device 101 as shown in FIG. In this embodiment, a proton beam irradiation apparatus will be described as an example, but the present invention can also be applied to a heavy ion beam irradiation apparatus using particles having a mass heavier than that of protons (such as carbon beams).

陽子線照射装置101は、陽子線を標的に照射する装置であり、図1に示すように、陽子線発生装置102、陽子線輸送装置103および回転式照射装置104を有する。なお、本実施形態では回転ガントリーを備える回転式照射装置104を例に説明するが、照射装置は固定式を採用することもできる。 A proton beam irradiation apparatus 101 is an apparatus for irradiating a target with a proton beam, and as shown in FIG. In this embodiment, the rotary irradiation device 104 having a rotating gantry will be described as an example, but a stationary irradiation device can also be used.

図1において、陽子線発生装置102は、イオン源105、前段加速器106(例えば、直線加速器)、およびシンクロトロン107を有する。 In FIG. 1 , the proton beam generator 102 has an ion source 105 , a pre-accelerator 106 (eg, linear accelerator), and a synchrotron 107 .

イオン源105で発生した陽子イオンは、まず、前段加速器106で加速される。前段加速器106から出射した陽子線(以下、ビーム)は、シンクロトロン107で所定のエネルギーまで加速された後、出射デフレクタ108から陽子線輸送装置103に出射される。最終的に、ビームは回転式照射装置104を経て被照射体である患者201の腫瘍などの標的領域202に照射される。 Proton ions generated by the ion source 105 are first accelerated by the pre-accelerator 106 . A proton beam (hereinafter referred to as a beam) emitted from the pre-accelerator 106 is accelerated to a predetermined energy by the synchrotron 107 and then emitted from the extraction deflector 108 to the proton beam transport device 103 . Finally, the beam passes through a rotary irradiation device 104 and is irradiated onto a target region 202 such as a tumor of a patient 201 to be irradiated.

なお、本実施形態では陽子線の加速装置としてシンクロトロンを採用したが、サイクロトロンや直線加速器などの他の加速装置を採用することができる。 In this embodiment, a synchrotron is used as a proton beam accelerator, but other accelerators such as a cyclotron and a linear accelerator can be used.

回転式照射装置104は、回転ガントリー(図示の都合上省略)および照射野形成装置109を有する。回転ガントリーに設置された照射野形成装置109は、回転ガントリーと共に回転する。陽子線輸送装置103の一部は、回転ガントリーに取り付けられている。 The rotating irradiation device 104 has a rotating gantry (not shown) and an irradiation field forming device 109 . An irradiation field forming device 109 installed on a rotating gantry rotates together with the rotating gantry. Part of the proton transport device 103 is attached to a rotating gantry.

次に、照射野形成装置109の詳細について図2を参照して説明する。図2は図1おけるスキャニング照射法を用いた照射野形成装置、およびガンマ線検出器、治療計画装置の概要図である。 Next, details of the irradiation field forming device 109 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram of an irradiation field forming device, a gamma ray detector, and a treatment planning device using the scanning irradiation method in FIG.

図2に示す本実施例の照射野形成装置はスキャニング照射法を採用する。スキャニング照射法では、患者201の体内、特に腫瘍などの高線量を付与すべき標的領域202の内部および周辺に対し3次元的に無数の点(以後、スポット203と記載する)を配置し、各々のスポット203を狙って順に細径のペンシルビームを照射していくことで、標的領域202に一様な線量分布を形成する。あるスポット203に所定の線量が付与されると、照射を停止して次の所定のスポット203に向けてビームが走査される。 The irradiation field forming apparatus of this embodiment shown in FIG. 2 employs a scanning irradiation method. In the scanning irradiation method, a large number of points (hereinafter referred to as spots 203) are arranged three-dimensionally in and around a target area 202, such as a tumor, to which a high dose is to be applied, in the body of the patient 201, and each A uniform dose distribution is formed in the target region 202 by sequentially irradiating a thin pencil beam aiming at the spot 203 . When a certain spot 203 is given a predetermined dose, irradiation is stopped and the beam is scanned toward the next predetermined spot 203 .

横方向(図2におけるX方向およびY方向)へのビーム走査には、照射野形成装置109に搭載した走査電磁石204を用いる。Z方向のある深さについて全てのスポット203に所定線量を付与すると、照射野形成装置109はZ方向にビームを走査する。Z方向へのビームの走査は、シンクロトロン107での加速条件を変更する、もしくは、ビームを照射野形成装置109等に搭載したレンジシフタ(図示省略)を通過させる等の方法によりビームのエネルギーを変更することによって行う。通過したビームの飛程をガウス分布状に分散させ、ブラッグピークの幅を拡大するために、照射野形成装置109にはリッジフィルタ(図示省略)が設置されている場合もある。 A scanning electromagnet 204 mounted on the irradiation field forming device 109 is used for beam scanning in the horizontal direction (the X direction and the Y direction in FIG. 2). After applying a predetermined dose to all spots 203 for a certain depth in the Z direction, the field forming device 109 scans the beam in the Z direction. The scanning of the beam in the Z direction is performed by changing the acceleration conditions in the synchrotron 107, or changing the energy of the beam by passing the beam through a range shifter (not shown) mounted on the irradiation field forming device 109 or the like. do by doing A ridge filter (not shown) may be installed in the irradiation field forming device 109 in order to disperse the range of the passing beam in a Gaussian distribution and expand the width of the Bragg peak.

スキャニング照射法では、上述のような手順を繰り返すことで、最終的に標的領域202全体に一様な線量分布が形成される。スポット203毎のビームの横方向線量分布は、XY面において1σ=2[mm]-20[mm]のガウス分布状に広がっている。 In the scanning irradiation method, a uniform dose distribution is finally formed over the entire target region 202 by repeating the procedure as described above. The lateral dose distribution of the beam for each spot 203 spreads in the form of a Gaussian distribution of 1σ=2 [mm]-20 [mm] on the XY plane.

なお、スキャニング照射には、ディスクリート方式とラスター方式があり、本実施例ではディスクリート方式で説明するが、どちらの方式でも同様に効果が得られる。ディスクリート方式はスポット203の切替時に一旦ビームを停止する方式、ラスター方式は照射位置の移動中にもビームを停止しない方式である。 Scanning irradiation includes a discrete system and a raster system, and although the discrete system will be described in this embodiment, the same effects can be obtained with either system. The discrete method is a method in which the beam is temporarily stopped when the spot 203 is switched, and the raster method is a method in which the beam is not stopped even during the movement of the irradiation position.

各々のスポット203への照射線量は、治療計画装置210を用いて最適化される。治療計画とは、患者のCT画像等から得られる情報に基づいて患者体内の線量分布を計算し、標的領域内へ均一な線量が付与されるように、また、標的近傍に位置するリスク臓器(OAR)への被ばくを可能な限り避けるように各々のスポット203への照射線量を最適化していく手順である。治療計画の詳細手順は後述する。 The dose delivered to each spot 203 is optimized using treatment planning system 210 . Treatment planning involves calculating the dose distribution in the patient's body based on information obtained from the patient's CT images, etc., so that a uniform dose is given to the target area, and risk organs located near the target ( This is a procedure for optimizing the irradiation dose to each spot 203 so as to avoid exposure to OAR) as much as possible. Detailed procedures for treatment planning will be described later.

治療計画装置210は、陽子線照射装置101による粒子線の照射計画を作成する装置であり、好適には、各々がコンピュータ等で構成されている。これらを構成するコンピュータは、CPUやメモリ、インターフェース、表示装置211、マウス等に相当する入力装置、記録装置等を備えており、各機器の動作の制御や後述する各種演算処理等が様々なプログラムに基づいて実行される。これらのプログラムは各構成内の内部記録媒体や外部記録媒体、データサーバ(いずれも図示省略)等に格納されており、CPUによって読み出され、実行される。 The treatment planning device 210 is a device that creates a particle beam irradiation plan for the proton beam irradiation device 101, and preferably each device is composed of a computer or the like. The computer that constitutes these includes a CPU, a memory, an interface, a display device 211, an input device corresponding to a mouse and the like, a recording device, and the like. is executed based on These programs are stored in an internal recording medium, an external recording medium, a data server (not shown), or the like in each configuration, and are read and executed by the CPU.

なお、動作の制御処理は、1つのプログラムにまとめられていても、それぞれが複数のプログラムに別れていてもよく、それらの組み合わせでもよい。また、プログラムの一部または全ては専用ハードウェアで実現してもよく、モジュール化されていても良い。更には、各種プログラムは、プログラム配布サーバや内部記憶媒体や外部記録媒体から各装置にインストールされてもよい。 Note that the operation control processing may be integrated into one program, may be divided into a plurality of programs, or may be a combination thereof. Also, part or all of the program may be realized by dedicated hardware, or may be modularized. Furthermore, various programs may be installed in each device from a program distribution server, an internal storage medium, or an external storage medium.

また、各々の装置やシステムは独立している必要はなく、2つ以上の装置やシステムを一体化,共通化して、処理のみを分担してもよい。また、少なくとも一部の構成が有線もしくは無線のネットワークを介して接続されているものとすることができる。 Moreover, each device or system need not be independent, and two or more devices or systems may be integrated and made common to share only the processing. Also, at least part of the configuration may be connected via a wired or wireless network.

本実施例では、治療計画装置210は、予め設定された角度毎のガンマ線検出器205の空間分解能に基づき、ガンマ線検出器205の推奨設置位置を求める。その上で、ガンマ線検出器205の設置位置を移動可能な駆動装置208、あるいはガンマ線検出器205の設置位置を入力する画面を表示する表示装置211に信号を出力する。それらの詳細は後述する。 In this embodiment, the treatment planning system 210 obtains the recommended installation position of the gamma ray detector 205 based on the spatial resolution of the gamma ray detector 205 for each preset angle. Then, a signal is output to a driving device 208 capable of moving the installation position of the gamma ray detector 205 or a display device 211 displaying a screen for inputting the installation position of the gamma ray detector 205 . Their details will be described later.

本発明の粒子線治療システムでは、治療計画に用いたCT値-阻止能の変換テーブルの妥当性を確認するために、ビームの通過経路上から発生する高エネルギーガンマ線を利用して、スポット203毎の陽子線の飛程位置をリアルタイムに観測する。そのために、照射野形成装置109には陽子線の照射に伴い発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器205が設置される。 In the particle beam therapy system of the present invention, in order to confirm the validity of the CT value-stopping power conversion table used for treatment planning, high-energy gamma rays generated along the beam passage path are used to generate real-time observation of the range position of the proton beam. For this purpose, the irradiation field forming device 109 is provided with a gamma ray detector 205 for detecting gamma rays generated along with the proton beam irradiation.

ガンマ線検出器205は、ナイフエッジ型コリメータ(以下、コリメータ206と記載)と、ビーム進行方向(Z軸)に対して位置分解能を持つ放射線検出器(以下、ラインセンサ207と記載)と、により構成される。 The gamma ray detector 205 is composed of a knife-edge collimator (hereinafter referred to as a collimator 206) and a radiation detector (hereinafter referred to as a line sensor 207) having a positional resolution with respect to the beam traveling direction (Z-axis). be done.

ここで、ナイフエッジ型のコリメータ206は、ピンホール型のコリメータをY軸方向に射影した形状で表され、タングステンや鉛といったガンマ線遮蔽能力の高い物質で形成される。 Here, the knife-edge collimator 206 is represented by a shape obtained by projecting a pinhole collimator in the Y-axis direction, and is formed of a substance such as tungsten or lead that has a high gamma-ray shielding capability.

ラインセンサ207は、入射した放射線に反応して電気信号を発生するシンチレーションカウンタや半導体検出器で構成される。 The line sensor 207 is composed of a scintillation counter or a semiconductor detector that generates an electrical signal in response to incident radiation.

更に、ガンマ線検出器205は、自らの設置位置を移動可能な駆動装置208を有している。図2中、X,Y,Z軸方向に移動させ、位置の微調整や固定が可能な公知の構成を有している。この駆動装置208は、粒子線の照射中にガンマ線検出器205の設置位置を移動させるものとすることができる。 Furthermore, the gamma ray detector 205 has a driving device 208 capable of moving its installation position. In FIG. 2, it has a well-known configuration that can be moved in the X, Y, and Z-axis directions and finely adjusted and fixed in position. This driving device 208 can move the installation position of the gamma ray detector 205 during particle beam irradiation.

駆動装置208は回転ガントリーに設置されており、照射野形成装置109とともに原点を中心として回転することができる。これにより、ガンマ線検出器205は回転ガントリーの回転角度に寄らずビーム進行方向(Z軸)との角度を平行に保つことができる。 The driving device 208 is installed on the rotating gantry and can rotate around the origin together with the radiation field forming device 109 . Thereby, the gamma ray detector 205 can keep the angle parallel to the beam traveling direction (Z-axis) regardless of the rotation angle of the rotating gantry.

図2に示すように、ラインセンサ207で観測されるガンマ線の到来方向はコリメータ206によって限定されるため、ガンマ線検出器205はピンホールカメラと同様の原理でガンマ線源、すなわちビーム通過経路の画像化が可能となる。画像化はガンマ線検出器205に接続した信号処理装置209によって行われる。さらに、信号処理装置209は取得した画像から飛程を推定する。例えば、ビーム通過経路の終端、つまり、ガンマ線の強度が急激に低下する位置から推定するアルゴリズムが考えられる。ただし、本発明において、ガンマ線源画像からの飛程の推定アルゴリズムはこの方法に限るものではない。 As shown in FIG. 2, the direction of arrival of the gamma rays observed by the line sensor 207 is limited by the collimator 206, so the gamma ray detector 205 can image the gamma ray source, that is, the beam passage path, based on the same principle as a pinhole camera. becomes possible. Imaging is performed by a signal processor 209 connected to the gamma ray detector 205 . Furthermore, the signal processing device 209 estimates the range from the acquired image. For example, an algorithm for estimation from the end of the beam passage path, that is, the position where the intensity of the gamma ray sharply drops is conceivable. However, in the present invention, the range estimation algorithm from the gamma ray source image is not limited to this method.

次に、本発明における治療計画立案の流れを図3乃至図5を参照して説明する。図3は治療計画のワークフロー図、図4は計算点の配置関係を示す概要図、図5はスポット203の位置関係を示す概要図である。 Next, the flow of treatment planning according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 5. FIG. FIG. 3 is a workflow diagram of treatment planning, FIG. 4 is a schematic diagram showing the arrangement relationship of calculation points, and FIG.

治療計画開始後は、まず、図3に示すように、操作者は、治療計画装置210の表示装置211の領域入力画面を見ながら、入力装置を用いて、患者201のCT画像のスライスごとに指定すべき領域を入力する(手順301)。入力する領域とは、即ち、放射線を照射すべき標的領域と放射線の照射を極力避けるべきOARの領域である。各スライスで入力が終わると、操作者が入力した領域は、3次元の位置情報として治療計画装置210内の記録装置に保存される。 After starting treatment planning, first, as shown in FIG. Input the area to be specified (step 301). The input area is a target area to be irradiated with radiation and an OAR area to avoid radiation irradiation as much as possible. After completing the input for each slice, the area input by the operator is stored in the recording device within the treatment planning apparatus 210 as three-dimensional position information.

手順301の後、図4に示すように、治療計画装置210は標的領域202やOAR領域401の内外に合計M個の計算点402を3次元的に配置し、さらに標的領域202の内外にN個のスポット203を3次元的に配置する(手順302)。 After step 301, as shown in FIG. 4, the treatment planning system 210 three-dimensionally arranges a total of M calculation points 402 inside and outside the target region 202 and the OAR region 401, and further N inside and outside the target region 202. spots 203 are arranged three-dimensionally (procedure 302).

その後、治療計画装置210は、各々のスポット203に向けて照射されるビームのエネルギーを決定する(手順303)。 Treatment planning system 210 then determines the energy of the beam to be directed at each spot 203 (step 303).

ビームエネルギーの決定アルゴリズムとしては、例えば、図5に示すように、走査点403から各々のスポット203に対してビームが直進すると近似し、飛程位置とスポット203とが一致するように探索する方法がある。ただし、本発明において、ビームエネルギーの決定アルゴリズムはこの方法に限るものではない。 As a beam energy determination algorithm, for example, as shown in FIG. 5, a method of approximating that the beam travels straight from the scanning point 403 to each spot 203 and searching so that the range position and the spot 203 match. There is However, in the present invention, the beam energy determination algorithm is not limited to this method.

手順303において決定されたスポット203毎のビームエネルギー、飛程は記録装置に保存される。なお、走査点403の位置は、おおよそ走査電磁石の中心位置で近似される。 The beam energy and range for each spot 203 determined in step 303 are stored in the recording device. The position of the scanning point 403 is approximated by the central position of the scanning electromagnet.

次に、治療計画装置210は、各々のスポット203に向けて照射されたペンシルビームがM個の計算点に与える線量を計算し、M×Nの線量行列Aとして記録装置に保存する(手順304)。ここで、各計算点への全てのスポット203分の合計付与線量を要素とするM次元のベクトルをdとすると、dと各々のスポット203への照射量を要素とするN次元のベクトルxとの関係は、次式(1)で表せる。 Next, the treatment planning system 210 calculates the dose given to M calculation points by the pencil beam irradiated toward each spot 203, and saves it in the recording device as an M×N dose matrix A (step 304 ). Here, let d be an M-dimensional vector whose elements are the total applied dose for all the spots 203 to each calculation point, and d and an N-dimensional vector x whose elements are the doses to each spot 203 and can be expressed by the following equation (1).

Figure 2023023437000002
Figure 2023023437000002

次に、治療計画装置210は、標的領域に含まれるM(target)個の計算点に対し、目標とする照射線量Dを設定する。さらに、OAR領域に含まれるM(OAR)個の点に対し、許容線量値Dlimitを設定する。ここで、本発明の治療計画の作成の際に、治療計画装置210は、目的関数F(x)を次式(2)のように定める(手順305)。 Next, the treatment planning device 210 sets a target irradiation dose D for M ( target ) calculation points included in the target region. Furthermore, an allowable dose value D limit is set for M (OAR) points included in the OAR area. Here, when creating a treatment plan according to the present invention, the treatment planning device 210 determines the objective function F(x) as shown in the following equation (2) (step 305).

Figure 2023023437000003
Figure 2023023437000003

式(2)中、第1項は標的領域に相当する部分となり、M(target)個の計算点での線量値d (target)が目標とする照射線量Dに近いほど目的関数F(x)は小さくなる。 In equation (2), the first term is the portion corresponding to the target region, and the closer the dose value d j (target) at M ( target ) calculation points is to the target irradiation dose D, the more the objective function F (x ) becomes smaller.

第2項はOARの線量制約に関する項であり、M(OAR)個の計算点での線量値d_ (OAR)が許容線量Dlimitを超えない線量であればよい。θ(d (OAR)-Dlimit)は階段関数であり、dj(OAR)j<Dlimitの場合は0、それ以外の場合は1となる。ここで、w(k),w(OAR)は、それぞれの目的関数に対応する重みであって、操作者によって入力される値である。重みは、計算点毎に異なる数値を設定することもできる。 The second term relates to the dose constraint of OAR, and the dose value d_ j (OAR) at M (OAR) calculation points does not exceed the allowable dose D limit . θ(d j (OAR) −D limit ) is a step function and is 0 if d j(OAR)j <D limit and 1 otherwise. Here, w (k) and w (OAR) are weights corresponding to the respective objective functions and are values input by the operator. A different weight can be set for each calculation point.

なお、本発明の効果をより効果的に得るにあたり、スポット203毎の照射線量を最適化するための目的関数は、この式(2)に示す形態に限るものではない。 In order to more effectively obtain the effects of the present invention, the objective function for optimizing the irradiation dose for each spot 203 is not limited to the form shown in Equation (2).

本発明の治療計画手順では、治療計画装置210は、上記の目的関数F(x)を生成後、終了条件を満たすまで反復計算を繰り返すことで、目的関数F(x)が最も小さくなるxを探索する(手順306)。終了条件に達すると、反復計算を終了する。終了条件には、計算時間や反復回数、目的関数の変化量などの指標が設定される。探索終了後、スポット203毎の照射線量xが記録装置に保存される。 In the treatment planning procedure of the present invention, after generating the objective function F(x), the treatment planning apparatus 210 repeats iterative calculations until the termination condition is satisfied, thereby finding x that minimizes the objective function F(x). Search (step 306). When the termination condition is reached, the iterative computation is terminated. Indices such as the calculation time, the number of iterations, and the amount of change in the objective function are set as the termination conditions. After the search is completed, the irradiation dose x for each spot 203 is stored in the recording device.

次に、治療計画装置210は、予め設定した目的関数F2(r)に基づいて、ガンマ線検出器205の設置位置rを最適化する。本実施例ではコリメータ206の開口部中心をrと定義したが、別の位置をガンマ線検出器205の位置と定義しても発明の効果は得られる。本発明では、目的関数F2(r)を次式(3)のように定める(手順307)。 Next, the treatment planning device 210 optimizes the installation position r of the gamma ray detector 205 based on a preset objective function F2(r ). Although the center of the opening of the collimator 206 is defined as r in this embodiment, the effect of the invention can be obtained even if another position is defined as the position of the gamma ray detector 205 . In the present invention, the objective function F2(r ) is defined as in the following equation (3) (step 307).

Figure 2023023437000004
Figure 2023023437000004

式(3)は、スポット203毎の線量とガンマ線検出器205の分解能との積で表現しており、xiは手順306で求めたi番目のスポット203の照射線量である。これにより、線量が高いほど、高分解能領域で観測されるものとすることができる。Rはガンマ線検出器205の位置rとスポットxiの成す角φで求まるガンマ線検出器205の空間分解能を示す。図2より、φは以下の式(4)で示される。 Equation (3) is expressed as the product of the dose for each spot 203 and the resolution of the gamma ray detector 205, where xi is the irradiation dose for the i-th spot 203 obtained in step 306. As a result, the higher the dose, the higher the resolution area that can be observed. R represents the spatial resolution of the gamma ray detector 205 determined by the angle φ formed by the position r of the gamma ray detector 205 and the spot xi. From FIG. 2, φ is represented by the following formula (4).

Figure 2023023437000005
Figure 2023023437000005

式(4)中、r はrのX軸方向成分、r はスポットiの位置である。φに対するガンマ線検出器205の空間分解能Rは、実験やシミュレーション等を用いて事前に取得される。図6および図7に、空間分解能Rのグラフ501,505を示す。 In equation (4), r is the X-axis component of r , and r i is the position of spot i. The spatial resolution R of the gamma ray detector 205 with respect to φ is obtained in advance using experiments, simulations, or the like. Graphs 501 and 505 of spatial resolution R are shown in FIGS.

図6あるいは図7に示すように、ナイフエッジ型のコリメータ206を用いたガンマ線検出器205では、視野の内側502であれば、φが大きいほどコリメータでのガンマ線の遮蔽性能が改善する、すなわち、視野の内側502の範囲内の限りにおいて視野の中心から離れた位置から飛来するガンマ線ほどコリメータの遮蔽性能が向上して、結果としてφの大きな領域に高分解能領域503を形成でき、画像のボケが低減し、飛程の計測精度が改善することが本発明者らの検討により明らかとなった。 As shown in FIG. 6 or FIG. 7, in the gamma ray detector 205 using the knife-edge collimator 206, the gamma ray shielding performance of the collimator is improved as φ increases in the inside 502 of the field of view. Within the range of the inner side 502 of the field of view, the more distant the gamma rays come from the center of the field of view, the better the shielding performance of the collimator. It has been found by the studies of the present inventors that the distance is reduced and the range measurement accuracy is improved.

そこで、治療計画装置210は、ガンマ線検出器205の空間分解能が所定基準以上となる高分解能領域503に目的のスポット203の3次元位置が含まれるように推奨設置位置を探索することができる。この目的のスポット203は、好適には、照射線量が予め指定した閾値を超えるスポット203とすることができる。 Therefore, the treatment planning system 210 can search for the recommended installation position so that the three-dimensional position of the target spot 203 is included in the high resolution region 503 where the spatial resolution of the gamma ray detector 205 is equal to or higher than a predetermined standard. A spot 203 for this purpose may preferably be a spot 203 where the exposure dose exceeds a pre-specified threshold.

したがって手順307では、照射線量の大きなスポット203が出来るだけ高分解能領域503に含まれるようにガンマ線検出器205の位置rが最適化される。 Therefore, in step 307, the position r of the gamma ray detector 205 is optimized so that the spot 203 with a large irradiation dose is included in the high resolution area 503 as much as possible.

また、その効果をより高めるために、視野の外側、つまりコリメータ206で完全に遮蔽される領域504は、厳密には分解能なし(無限大)とすることができる。領域504には、最適化時にできるだけスポット203が含まれないようにするため、視野の内側502と比較して大きな値が設定されるものとする。 In addition, to further enhance the effect, the outside of the field of view, that is, the area 504 completely blocked by the collimator 206 can be strictly made to have no resolution (infinite). A large value is set for the area 504 as compared to the inside 502 of the field of view so that the spot 203 is not included as much as possible during optimization.

最適化に用いるガンマ線検出器205の空間分解能Rは、図6に示すような、グラフ501に示すように分解能の測定結果を直接用いた連続グラフとすることができる。また、図7に示すような、ある一定以上の分解能を満たす高分解能領域503をゼロとした階段関数状の非連続のグラフ505とすることができる。 The spatial resolution R of the gamma ray detector 205 used for optimization can be a continuous graph directly using the resolution measurement results as shown in graph 501, as shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 7, a discontinuous graph 505 in the form of a step function can be obtained in which a high-resolution area 503 satisfying a certain resolution or more is zero.

また、十分な数のガンマ線が発生する、飛程計測が可能な高線量のスポット203のみをrの最適化に考慮するため、目的関数F2(r)の計算に用いるスポット203毎の線量xは、予め設定した閾値未満をゼロ、閾値以上を1と離散化して用いることもできる。 In addition, in order to consider only the high-dose spots 203 where a sufficient number of gamma rays are generated and whose range can be measured, for the optimization of r , the dose for each spot 203 used for calculating the objective function F2(r x can also be discretized such that less than a preset threshold value is zero, and x is greater than or equal to the threshold value.

本発明の治療計画手順では、治療計画装置210は、上述の目的関数F2(r)を生成後、終了条件を満たすまで反復計算を繰り返し、目的関数F2(r)が最も小さくなるガンマ線検出器205の位置rを探索する(手順308)。 In the treatment planning procedure of the present invention, after generating the objective function F2(r ), the treatment planning apparatus 210 repeats iterative calculations until the end condition is met, and detects gamma rays with the smallest objective function F2(r ). position r of the device 205 (procedure 308).

終了条件に達すると、反復計算を終了する。終了条件には、計算時間や計算回数、目的関数の変化量などの指標が設定される。探索終了後、ガンマ線検出器205の設置位置rが記録装置に保存され、治療計画の作成が終了する。 When the termination condition is reached, the iterative computation is terminated. Indices such as the calculation time, the number of calculations, and the amount of change in the objective function are set as the termination conditions. After the search is completed, the installation position r of the gamma ray detector 205 is stored in the recording device, and the preparation of the treatment plan is completed.

図3では、ガンマ線検出器205の位置rを目的関数F2(r)の最小化により治療計画装置210で最適化する場合を例示したが、手動でガンマ線検出器205の位置rを探索することも可能である。図8は表示装置での表示画面に基づいたガンマ線検出器の位置決定の様子の概要を示す図である。 FIG. 3 illustrates the case where the position r of the gamma ray detector 205 is optimized by the treatment planning device 210 by minimizing the objective function F2(r ), but the position r of the gamma ray detector 205 is searched manually. It is also possible to FIG. 8 is a diagram showing an overview of how the position of the gamma ray detector is determined based on the display screen of the display device.

図8に示すように、表示装置211に表示される操作画面701では、患者CT画像上に、標的領域202やコリメータ206、ラインセンサ207に加えて、ガンマ線検出器205の高分解能領域702や、十分な統計数が見込めるスポットのブラッグピーク予想
位置(高線量スポット703と記載)が表示される。
As shown in FIG. 8, on the operation screen 701 displayed on the display device 211, in addition to the target region 202, the collimator 206, and the line sensor 207, the high resolution region 702 of the gamma ray detector 205, The predicted Bragg peak position of a spot (denoted as high dose spot 703) for which a sufficient number of statistics can be expected is displayed.

この操作画面701に表示される高線量スポット703は、手順306で得られた、照射線量が予め設定した閾値を超えるスポット203とすることが望ましい。高分解能領域702は、ガンマ線検出器205の設置位置rから定まる高分解能領域503に相当するものとする。 The high-dose spot 703 displayed on the operation screen 701 is preferably the spot 203 obtained in step 306 and having an irradiation dose exceeding a preset threshold value. The high resolution area 702 corresponds to the high resolution area 503 determined from the installation position r of the gamma ray detector 205 .

このような操作画面701上では、ガンマ線検出器205の位置rはマウスなどの入力装置を用いて自由に動かすことができ、操作者が入力装置を操作してガンマ線検出器205の位置を希望の箇所に設置することができる。 On such an operation screen 701, the position r of the gamma ray detector 205 can be freely moved using an input device such as a mouse. can be installed at

例えば、照射線量が予め設定した閾値を超えるスポットができるだけ多く高分解能領域702に含まれるように配置位置を決めることで前述の高線量スポット703と高分解能領域702とが重なるようにガンマ線検出器205の設置位置rを決定することができる。また、OARに近い領域のスポット203の飛程が計画通りであることを確認することを重視してOARに近い領域のスポット203が高分解能領域702に含まれるように配置位置を決めることができる。 For example, the gamma ray detector 205 is positioned so that the high-dose spot 703 and the high-resolution region 702 overlap by determining the arrangement position so that as many spots whose irradiation dose exceeds a preset threshold value are included in the high-resolution region 702 as possible. can be determined . Also, placing importance on confirming that the range of the spot 203 in the area near the OAR is as planned, the arrangement position can be determined so that the spot 203 in the area near the OAR is included in the high resolution area 702. .

操作により決定されたガンマ線検出器205の設置位置は、実際の装置にも反映され、駆動装置208は、決定された設置位置にガンマ線検出器205を設定するよう駆動される。 The installation position of the gamma ray detector 205 determined by the operation is also reflected in the actual device, and the driving device 208 is driven to set the gamma ray detector 205 at the determined installation position.

本発明の粒子線治療システムでは、治療前にまず駆動装置208を用いて、治療計画装置210によって最適化された位置rに向けて、ガンマ線検出器205を移動させる。その後、治療計画装置210によって最適化された照射線量xに従って、患者体内の標的に対するスポット203毎のビーム照射が行われる。 In the particle beam therapy system of the present invention, the driving device 208 is first used to move the gamma ray detector 205 toward the position r optimized by the treatment planning device 210 before treatment. Then, according to the irradiation dose x optimized by the treatment planning system 210, the target in the patient's body is irradiated with the beam for each spot 203. FIG.

なお、駆動装置208を用いる代わりに、操作者が表示装置211の画面を参考にして自らの手でガンマ線検出器205を目的の位置に設置する形態とすることができる。 Instead of using the driving device 208, the operator can refer to the screen of the display device 211 and manually install the gamma ray detector 205 at the desired position.

また、上述の手順では照射中はガンマ線検出器205の設置位置は固定されているものとしたが、照射中にリアルタイムにガンマ線検出器205の設置位置を変化させて、ブラッグピーク位置を常に分解能の高い領域で捉えるようにすることができる。好適には、ビームエネルギー、即ちレイヤー毎に設置位置を変化させることができる。以下、図9を用いて説明する。図9実施例の粒子線治療システム、治療計画装置の他の形態の概要を示す図である。 In the above procedure, the installation position of the gamma ray detector 205 is assumed to be fixed during irradiation. It can be captured in a high area. Advantageously, the beam energy, ie the placement position, can be varied from layer to layer. Description will be made below with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram showing an overview of another form of the particle beam therapy system and the treatment planning apparatus of the embodiment.

図9では、治療計画装置210は各々のスポット203ビームの飛程の推定位置情報を照射野形成装置109に出力し、照射野形成装置109は現在照射中のビームの飛程の推定位置情報を駆動装置208Aに対して出力して、駆動装置208Aはその推定位置情報に基づいて、照射中にビームの飛程が常に高分解能領域503に入るようにガンマ線検出器205の設置位置を調整する。 In FIG. 9, the treatment planning device 210 outputs the estimated position information of the beam range of each spot 203 to the irradiation field forming device 109, and the irradiation field forming device 109 outputs the estimated position information of the range of the beam currently being irradiated. Based on the estimated position information, the driving device 208A adjusts the installation position of the gamma ray detector 205 so that the range of the beam is always within the high resolution region 503 during irradiation.

なお、図9においても、測定や駆動のタイミングを全てのスポット203とせずに照射線量が予め指定した閾値を超えるスポット203の照射の際に限定してもよいし、すべてのスポット203での照射の際としてもよく、特に限定されない。 In FIG. 9 as well, the timing of measurement and driving may be limited to irradiation of spots 203 whose irradiation dose exceeds a predetermined threshold, instead of all spots 203, or irradiation of all spots 203 may be It is not particularly limited.

なお、上述の説明では、左右対称形状のナイフエッジ型のコリメータ206を用いる形態を示したが、シミュレーションや実験などで各々のスポット203位置に対する空間分解能を測定し、図5あるいは図6に示すような空間分解能のグラフを予め用意することが可能であれば、コリメータ形状は左右対称に限られるものではない。 In the above description, a form using a bilaterally symmetrical knife-edge collimator 206 was shown. The shape of the collimator is not limited to symmetrical as long as it is possible to prepare in advance a graph of a spatial resolution with a sufficient spatial resolution.

以下、図10および図11を用いて他の例について説明する。図10および図11はガンマ線検出器のコリメータの別形態の概要を示す図である。 Another example will be described below with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. 10 and 11 are schematic diagrams of another form of the collimator of the gamma ray detector.

例えば、図10に示すように、コリメータ601を左右非対称形状としても本発明の効果が得られる。このようなコリメータ601の形状では、高分解能領域602での観測において、高線量スポット603とラインセンサ207との距離を近づけることができるため、測定されるガンマ線の数が増大する。従って、統計誤差が減少し、飛程の計測精度を改善することができる。 For example, as shown in FIG. 10, the effect of the present invention can be obtained even if the collimator 601 is left-right asymmetrical. With such a shape of the collimator 601, the distance between the high-dose spot 603 and the line sensor 207 can be shortened in observation in the high-resolution area 602, so the number of measured gamma rays increases. Therefore, the statistical error is reduced, and the range measurement accuracy can be improved.

また、図11に示すように、リーフ駆動装置604に接続した複数の金属製リーフ605で構成されるマルチリーフコリメータ606でも、本発明の効果が得られる。このマルチリーフコリメータ606では、標的領域202の大きさに基づいてナイフエッジの形状を調整することができるため、ガンマ線検出器205の駆動装置208を必要としない、との利点がある。また、スポット203毎もしくはビームエネルギー(レイヤー)毎にナイフエッジ形状を調整することで、全てのスポット203をガンマ線検出器205の高分解能領域503に入れて観測することも容易である。 Also, as shown in FIG. 11, a multi-leaf collimator 606 composed of a plurality of metal leaves 605 connected to a leaf driving device 604 can also obtain the effects of the present invention. The advantage of this multi-leaf collimator 606 is that the shape of the knife edge can be adjusted based on the size of the target area 202, so that the driver 208 of the gamma ray detector 205 is not required. Also, by adjusting the knife edge shape for each spot 203 or for each beam energy (layer), it is easy to place all the spots 203 in the high resolution region 503 of the gamma ray detector 205 for observation.

各々のスポット203に対する適切なマルチリーフコリメータ606の開口形状は、ガンマ線検出器205の空間分解能Rを開口形状毎に予め計算、測定しておくことで、目的関数F2(r)の最小化により求めることができる。このとき、ガンマ線検出器205の位置rは固定値である。また、マルチリーフコリメータ606の開口形状は位置操作者により手動で決めることも可能である。 An appropriate aperture shape of the multi-leaf collimator 606 for each spot 203 is obtained by calculating and measuring the spatial resolution R of the gamma ray detector 205 for each aperture shape in advance and minimizing the objective function F2(r ). can ask. At this time, the position r of the gamma ray detector 205 is a fixed value. Also, the aperture shape of the multi-leaf collimator 606 can be manually determined by a position operator.

次に、本実施例の効果について説明する。 Next, the effects of this embodiment will be described.

上述した本実施例の粒子線治療システムでは、粒子線を標的に照射する陽子線照射装置101と、陽子線照射装置101による粒子線の照射計画を作成する治療計画装置210と、粒子線の照射に伴い発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器205と、を備え、治療計画装置210は、予め設定された角度毎のガンマ線検出器205の空間分解能に基づき、ガンマ線検出器205の推奨設置位置を求める。 In the particle beam therapy system of the present embodiment described above, the proton beam irradiation device 101 that irradiates the target with the particle beam, the treatment planning device 210 that creates the irradiation plan of the particle beam by the proton beam irradiation device 101, and the particle beam irradiation and a gamma ray detector 205 that detects gamma rays generated along with the treatment planning apparatus 210, based on the spatial resolution of the gamma ray detector 205 for each preset angle, obtains the recommended installation position of the gamma ray detector 205 .

これによって、ガンマ線検出器205の位置を調整して空間分解能の高い領域を用いてガンマ線測定を行うことができるようになり、ガンマ線源画像の質を改善し、飛程の計測精度を改善できる。従って、より正確にCT値-阻止能の変換テーブルの患者毎の妥当性を確認することができるようになる。また、仮に観測した飛程が治療計画と異なっていたとしても、その差に基づいて次回フラクション以降の治療計画を修正し、治療全体を通して従来に比べてより高精度な粒子線治療を実現できる。 This makes it possible to adjust the position of the gamma ray detector 205 and perform gamma ray measurement using an area with high spatial resolution, thereby improving the quality of the gamma ray source image and improving the range measurement accuracy. Therefore, the validity of the CT value-stopping power conversion table for each patient can be confirmed more accurately. In addition, even if the observed range differs from the treatment plan, the treatment plan for subsequent fractions can be corrected based on the difference, and particle beam therapy can be achieved with higher precision than before throughout treatment.

また、ガンマ線検出器205は、自らの設置位置を移動可能な駆動装置208を有するため、高精度なガンマ線検出器205の位置決めが可能となる。 In addition, since the gamma ray detector 205 has a driving device 208 capable of moving its installation position, it is possible to position the gamma ray detector 205 with high accuracy.

更に、粒子線治療におけるスキャニング照射法では、大多数のスポット203は照射線量が小さく、十分な数のガンマ線が放出されないため、統計誤差によってガンマ線源画像の質が劣化する虞がある。つまり、上述のコリメータのガンマ線の遮蔽性能不足の改善余地があるのと同様に、飛程の計測精度をより改善できる余地がある。 Furthermore, in the scanning irradiation method in particle beam therapy, the majority of the spots 203 have a small irradiation dose and do not emit a sufficient number of gamma rays, so statistical errors may degrade the quality of the gamma ray source image. In other words, just as there is room for improvement in the above-described lack of gamma-ray shielding performance of the collimator, there is room for further improvement in range measurement accuracy.

ここで、線量計算で用いたCT値-阻止能の変換テーブルが各患者にとって適切であり、計画通りの照射が行われたことを確認するためには、少なくとも1つ以上のスポット203で飛程を観測し治療計画と比較できれば良く、必ずしもすべてのスポット203に対して飛程を計測する必要はないことを本発明者らは上述の検討の過程で見出した。 Here, in order to confirm that the CT value-stopping power conversion table used in the dose calculation is appropriate for each patient and that irradiation has been performed as planned, at least one or more spots 203 must be used. In the course of the above investigation, the inventors found that it is sufficient to observe and compare with the treatment plan, and that it is not necessary to measure the range for all the spots 203 .

そこで、治療計画装置210は、照射線量が予め指定した閾値を超える高線量スポット603,703を抽出することで、高い精度で測定が可能な領域を特定でき、精度の高い箇所での照射のタイミングだけで測定が可能となるため、更に正確なCT値-阻止能の変換テーブルの患者毎の妥当性を確認することができるようになる。 Therefore, the treatment planning system 210 extracts the high-dose spots 603 and 703 where the irradiation dose exceeds a predetermined threshold, thereby identifying regions that can be measured with high accuracy, and determining the timing of irradiation at highly-accurate locations. Therefore, it becomes possible to confirm the validity of a more accurate CT value-stopping power conversion table for each patient.

また、治療計画装置210は、ガンマ線検出器205の空間分解能が所定基準以上となるガンマ線検出器205の高分解能領域503に高線量スポット603,703の3次元位置が含まれるように推奨設置位置を探索することにより、精度の高い箇所での測定データが多く得られるようになり、ガンマ線源画像の質をより改善することができる。 In addition, the treatment planning apparatus 210 determines the recommended installation positions so that the three-dimensional positions of the high-dose spots 603 and 703 are included in the high-resolution region 503 of the gamma-ray detector 205 where the spatial resolution of the gamma-ray detector 205 is equal to or greater than a predetermined standard. By searching, more measurement data can be obtained at locations with high accuracy, and the quality of the gamma ray source image can be further improved.

更に、スポット203の3次元位置、およびガンマ線検出器205の空間分解能が所定基準以上となる高分解能領域702を表示する表示装置211を更に備えたことで、操作者が所望の位置での測定結果を得たい場合などに適した形態とすることができる。 Furthermore, by further providing a display device 211 that displays the three-dimensional position of the spot 203 and the high resolution region 702 where the spatial resolution of the gamma ray detector 205 is equal to or higher than a predetermined standard, the operator can obtain the measurement result at the desired position. It can be a form suitable for the case where it is desired to obtain

また、駆動装置208は、粒子線の照射中にガンマ線検出器205の設置位置を移動させることにより、より多くの高精度の測定データを取得できるようになり、ガンマ線源画像の質を大きく改善することができる。 In addition, the driving device 208 moves the installation position of the gamma ray detector 205 during irradiation of the particle beam, so that more highly accurate measurement data can be acquired, and the quality of the gamma ray source image is greatly improved. be able to.

更に、空間分解能を、分解能の測定結果を直接用いた連続グラフ、あるいは一定以上の分解能を満たすガンマ線検出器205の高分解能領域503をゼロとした階段関数状の非連続グラフとすることで、より正確な空間分解能、あるいはより簡易な関数により定義された空間分解能に基づいた推奨設置位置の探索が可能となる。 Furthermore, the spatial resolution is a continuous graph directly using the measurement result of the resolution, or a step function discontinuous graph in which the high resolution region 503 of the gamma ray detector 205 that satisfies a certain level of resolution is zero. It is possible to search for recommended installation positions based on accurate spatial resolution or spatial resolution defined by a simpler function.

<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。
<Others>
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and applications are possible. The above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.

101…陽子線照射装置(粒子線照射装置)
102…陽子線発生装置
103…陽子線輸送装置
104…回転式照射装置
105…イオン源
106…前段加速器
107…シンクロトロン
108…出射デフレクタ
109…照射野形成装置
201…患者
202…標的領域
203…スポット
204…走査電磁石
205…ガンマ線検出器
206…コリメータ
207…ラインセンサ
208,208A…駆動装置(位置調整部)
209…信号処理装置
210…治療計画装置
211…表示装置
301…CT画像上に領域を入力する手順
302…領域内外に計算点とスポットを配置する手順
303…スポット毎のビームエネルギー、飛程を計算する手順
304…線量行列を計算する手順
305…スポット毎の処方線量探索のための目的関数を設定する手順
306…反復計算によりスポット毎の処方線量を探索する手順
307…ガンマ線検出器の設置位置探索のための目的関数を設定する手順
308…反復計算によりガンマ線検出器の設置位置を探索する手順
401…OAR領域
402…計算点
403…走査点
501…角度φ毎のガンマ線検出器の空間分解能を示すグラフ
502…ガンマ線検出器の視野(ガンマ線検出可能領域)
503…ガンマ線検出器の高分解能領域
504…ガンマ線検出器の視野の外側(ガンマ線検出不可領域)
505…角度φ毎のガンマ線検出器の空間分解能を閾値で離散化したグラフ
601…左右非対称のコリメータ
602…ガンマ線検出器の高分解能領域
603…高線量スポット
604…リーフ駆動装置
605…金属製リーフ
606…マルチリーフコリメータ
701…操作画面
702…高分解能領域
703…高線量スポット
101 ... proton beam irradiation device (particle beam irradiation device)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 102... Proton beam generator 103... Proton beam transport apparatus 104... Rotary irradiation apparatus 105... Ion source 106... Pre-stage accelerator 107... Synchrotron 108... Departure deflector 109... Irradiation field forming apparatus 201... Patient 202... Target area 203... Spot 204... Scanning electromagnet 205... Gamma ray detector 206... Collimator 207... Line sensor 208, 208A... Driving device (position adjusting unit)
209 Signal processing device 210 Treatment planning device 211 Display device 301 Procedure for inputting a region on the CT image 302 Procedure for arranging calculation points and spots inside and outside the region 303 Calculation of beam energy and range for each spot Procedure 304 for calculating a dose matrix Procedure 305 Procedure for setting an objective function for searching prescription dose for each spot Procedure 306 Procedure for searching prescription dose for each spot by iterative calculation 307 Procedure for searching for the installation position of the gamma ray detector Procedure 308 for setting the objective function for : Procedure 401 for searching the installation position of the gamma ray detector by iterative calculation OAR area 402 Calculation point 403 Scanning point 501 Indicating the spatial resolution of the gamma ray detector for each angle φ Graph 502: Field of view of gamma ray detector (gamma ray detectable area)
503...High resolution area of gamma ray detector 504...Outside field of view of gamma ray detector (gamma ray undetectable area)
505... Graph discretizing the spatial resolution of the gamma ray detector for each angle φ with a threshold value 601... Left-right asymmetric collimator 602... High resolution area of gamma ray detector 603... High dose spot 604... Leaf driving device 605... Metal leaf 606 ... multi-leaf collimator 701 ... operation screen 702 ... high-resolution area 703 ... high-dose spot

Claims (12)

粒子線を標的に照射する粒子線照射装置と、
前記粒子線照射装置による前記粒子線の照射計画を作成する治療計画装置と、
前記粒子線の照射に伴い発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器と、を備え、
前記治療計画装置は、予め設定された角度毎のガンマ線検出器の空間分解能に基づき、前記ガンマ線検出器の推奨設置位置を求める
ことを特徴とする粒子線治療システム。
a particle beam irradiation device that irradiates a target with a particle beam;
a treatment planning device that creates an irradiation plan for the particle beam by the particle beam irradiation device;
a gamma ray detector that detects gamma rays generated along with the irradiation of the particle beam,
A particle beam therapy system, wherein the treatment planning device obtains a recommended installation position of the gamma ray detector based on a spatial resolution of the gamma ray detector for each angle set in advance.
請求項1に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記ガンマ線検出器は、自らの設置位置を移動可能な位置調整部を有する
ことを特徴とする粒子線治療システム。
In the particle beam therapy system according to claim 1,
A particle beam therapy system, wherein the gamma ray detector has a position adjuster capable of moving its installation position.
請求項1に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記治療計画装置は、照射線量が予め指定した閾値を超えるスポットを抽出する
ことを特徴とする粒子線治療システム。
In the particle beam therapy system according to claim 1,
A particle beam therapy system, wherein the treatment planning device extracts spots where the irradiation dose exceeds a predetermined threshold.
請求項3に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記治療計画装置は、前記ガンマ線検出器の前記空間分解能が所定基準以上となる領域に前記スポットの3次元位置が含まれるように前記推奨設置位置を探索する
ことを特徴とする粒子線治療システム。
In the particle beam therapy system according to claim 3,
A particle beam therapy system, wherein the treatment planning apparatus searches for the recommended installation position so that the three-dimensional position of the spot is included in an area where the spatial resolution of the gamma ray detector is equal to or greater than a predetermined standard.
請求項3に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記スポットの3次元位置、および前記ガンマ線検出器の前記空間分解能が所定基準以上となる領域を表示する表示装置を更に備えた
ことを特徴とする粒子線治療システム。
In the particle beam therapy system according to claim 3,
A particle beam therapy system, further comprising a display device for displaying a three-dimensional position of the spot and an area where the spatial resolution of the gamma ray detector is equal to or higher than a predetermined standard.
請求項2に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記位置調整部は、前記粒子線の照射中に前記ガンマ線検出器の設置位置を移動させる
ことを特徴とする粒子線治療システム。
In the particle beam therapy system according to claim 2,
A particle beam therapy system, wherein the position adjustment unit moves an installation position of the gamma ray detector during irradiation of the particle beam.
請求項1に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記空間分解能を、分解能の測定結果を直接用いた連続グラフ、あるいは一定以上の分解能を満たす領域をゼロとした階段関数状の非連続グラフとする
ことを特徴とする粒子線治療システム。
In the particle beam therapy system according to claim 1,
A particle beam therapy system, wherein the spatial resolution is a continuous graph directly using the measurement result of the resolution, or a discontinuous step function graph in which an area satisfying a resolution of a certain level or more is set to zero.
粒子線を標的に照射する粒子線照射装置による前記粒子線の照射計画を作成する治療計画装置であって、
予め設定された角度毎の、前記粒子線の照射に伴い発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器の空間分解能に基づき、前記ガンマ線検出器の推奨設置位置を求める
ことを特徴とする治療計画装置。
A treatment planning device for creating a particle beam irradiation plan by a particle beam irradiation device that irradiates a target with a particle beam,
A treatment planning apparatus, wherein a recommended installation position of said gamma ray detector is obtained based on the spatial resolution of said gamma ray detector for detecting gamma rays generated in association with said particle beam irradiation for each angle set in advance.
請求項8に記載の治療計画装置において、
前記治療計画装置は、照射線量が予め指定した閾値を超えるスポットを抽出する
ことを特徴とする治療計画装置。
9. A treatment planning device according to claim 8, wherein
A treatment planning apparatus, wherein the treatment planning apparatus extracts a spot where the irradiation dose exceeds a predetermined threshold.
請求項9に記載の治療計画装置において、
前記治療計画装置は、前記スポットの3次元位置が前記ガンマ線検出器の前記空間分解能が所定基準以上となる領域高に含まれるように、前記推奨設置位置を探索する
ことを特徴とする治療計画装置。
10. The treatment planning device of claim 9, wherein
The treatment planning apparatus searches for the recommended installation position so that the three-dimensional position of the spot is included in a region height where the spatial resolution of the gamma ray detector is equal to or higher than a predetermined standard. .
請求項8に記載の治療計画装置において、
前記空間分解能を、分解能の測定結果を直接用いた連続グラフ、あるいは一定以上の分解能を満たす領域をゼロとした階段関数状の非連続グラフとする
ことを特徴とする治療計画装置。
9. A treatment planning device according to claim 8, wherein
A treatment planning apparatus, wherein the spatial resolution is a continuous graph directly using the measurement result of the resolution, or a discontinuous step function graph in which an area satisfying a resolution of a certain level or more is set to zero.
請求項8に記載の治療計画装置において、
前記治療計画装置は、前記ガンマ線検出器の設置位置を移動可能な位置調整部、あるいは前記ガンマ線検出器の設置位置を入力する画面を表示する表示装置に信号を出力する
ことを特徴とする治療計画装置。
9. A treatment planning device according to claim 8, wherein
The treatment planning device outputs a signal to a position adjustment unit capable of moving the installation position of the gamma ray detector, or a display device that displays a screen for inputting the installation position of the gamma ray detector. Device.
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