JP2011156340A - 粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走査電磁石のヒステリシスの影響を低減し、高精度なビーム照射を実現する粒子線治療装置を得ることを目的とする。
【解決手段】荷電粒子ビーム１ｂの目標照射位置座標Ｐｉに基づいて走査電磁石３を制御する照射管理装置３２と、荷電粒子ビーム１ｂの測定位置座標Ｐｓを測定する位置モニタ７とを備え、照射管理装置３２は、走査電磁石の励磁パターンが本照射の計画と同一である事前照射において位置モニタ７により測定された測定位置座標Ｐｓ及び目標照射位置座標Ｐｉに基づいて生成された補正データＩａと、補正データＩａを保存するメモリと、メモリに保存された補正データＩａと目標照射位置座標Ｐｉとに基づいて走査電磁石３への制御入力Ｉｏ（Ｉｒ）を出力する指令値生成器２５を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、医療用や研究用に用いられる粒子線治療装置に関し、特にスポットスキャニングやラスタースキャニングといった走査型の粒子線治療装置に関する。

一般に粒子線治療装置は、荷電粒子ビームを発生するビーム発生装置と、ビーム発生装置につながれ、発生した荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速器で設定されたエネルギーまで加速された後に出射される荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、ビーム輸送系の下流に設置され、荷電粒子ビームを照射対象に照射するための粒子線照射装置とを備える。粒子線照射装置には大きく、荷電粒子ビームを散乱体で散乱拡大し、拡大した荷電粒子ビームを照射対象の形状にあわせて照射野を形成するブロード照射方式と、照射対象の形状に合わせるように、細いペンシル状のビームを走査して照射野形成するスキャニング照射方式（スポットスキャニング、ラスタースキャニング等）とがある。

ブロード照射方式は、コリメータやボーラスを用いて患部形状に合う照射野を形成する。患部形状に合う照射野を形成し、正常組織への不要な照射を防いでおり、最も汎用的に用いられている、優れた照射方式である。しかし、患者ごとにボーラスを製作したり、患部に合わせてコリメータを変形させたりする必要がある。

一方、スキャニング照射方式は、コリメータやボーラスが不要といった自由度の高い照射方式である。しかし、患部以外の正常組織への照射を防ぐこれら部品を用いないため、ブロード照射方式以上に高いビーム照射位置精度が要求される。

特許文献１には、正確に患部を照射することができる粒子線治療装置を提供することを目的とし、以下の発明が開示されている。特許文献１の発明は、走査装置による荷電粒子ビームの走査量とその際にビーム位置検出器により検出する荷電粒子ビームのビーム位置とを記憶装置に記憶し、この記憶された走査量及びビーム位置を用い、制御装置により治療計画情報に基づくビーム位置に応じて走査装置の走査量を設定する。実際に照射して得られた走査量とビーム位置との関係が記憶装置に記憶されているため、正確に患部を照射することが期待できるものである。

特開２００５−２９６１６２号公報

特許文献１に開示された発明においては、実際に照射をして得られた荷電粒子ビームの走査量とビーム位置との実データに基づいて変換テーブルを作成し、この変換テーブルを用いて走査電磁石の設定電流値を演算している。

しかしながら、実際には走査電磁石の電流と磁場との間にはヒステリシス特性が存在し、電流値が増加しているときと、電流値が減少しているときとでは、異なった磁場となる。実際に患部に照射する本照射における走査電磁石の電流値の増減パターンである励磁パターンは、変換テーブルを作成した際の照射における走査電磁石の励磁パターンとは異なるので、電磁石のヒステリシスの影響により正確に患部を照射することができない問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、走査電磁石のヒステリシスの影響を低減し、高精度なビーム照射を実現する粒子線治療装置を得ることを目的とする。

荷電粒子ビームの目標照射位置座標に基づいて走査電磁石を制御する照射管理装置と、荷電粒子ビームの測定位置座標を測定する位置モニタとを備え、照射管理装置は、走査電磁石の励磁パターンが本照射の計画と同一である事前照射において位置モニタにより測定された測定位置座標及び目標照射位置座標に基づいて生成された補正データと、補正データを保存するメモリと、メモリに保存された補正データと目標照射位置座標とに基づいて走査電磁石への制御入力を出力する指令値生成器を有する。

この発明に係る粒子線治療装置は、走査電磁石の励磁パターンが事前照射と本照射の計画とで同一にして、事前照射で得られた結果に基づいて生成された補正データをメモリに保存し、メモリに保存された補正データに基づいて走査電磁石への制御入力を補正するので、走査電磁石のヒステリシスの影響を排除し、高精度なビーム照射を実現することができ、効率的な粒子線治療装置の運用を行うことができる。

この発明の実施の形態１における粒子線治療装置の概略構成図である。 実施の形態１における照射手順を示すフローチャートである。 図１の照射制御計算機の概略構成図である。 図１の照射制御装置における信号生成のタイミング図である。 指令電流の補正方法を説明する図である。 この発明の実施の形態２における照射手順を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における粒子線治療装置の概略構成図である。粒子線治療装置は、ビーム発生装置５１と、加速器５２と、ビーム輸送装置５３と、ビーム加速輸送制御装置５０と、粒子線照射装置５４と、治療計画装置５５と、患者ファイルサーバ５６とを備える。ビーム発生装置５１は、イオン源で発生させた荷電粒子を加速して荷電粒子ビーム１を発生させる。加速器５２は、ビーム発生装置５１に接続され、発生した荷電粒子ビーム１を所定のエネルギーまで加速する。ビーム輸送装置５３は、加速器５２で設定されたエネルギーまで加速された後に出射される荷電粒子ビーム１を輸送する。ビーム加速輸送制御装置５０は、ビーム発生装置５１、加速器５２、ビーム輸送装置５３のそれぞれを制御する。粒子線照射装置５４は、ビーム輸送系５３の下流に設置され、荷電粒子ビーム１を照射対象１５に照射する。治療計画装置５５は、Ｘ線ＣＴ等で撮影した画像情報から患者の照射対象１５を決定し、照射対象１５に対する治療計画データＦ０である目標照射位置座標Ｐｉ０、目標線量Ｄｉ０、目標ビームサイズＳｉ０、目標加速器設定Ｂｉ０、レンジシフタ挿入量Ｒｉ０等を生成する。目標加速器設定Ｂｉ０には、加速器５２のビームエネルギー及びビーム電流の設定値を含んでいる。患者ファイルサーバ５６は、治療計画装置５５で患者毎に生成した治療計画データＦ０を記憶する。

粒子線照射装置５４は、ビーム輸送装置５３から入射された入射荷電粒子ビーム１ａを輸送するビーム輸送ダクト２と、入射荷電粒子ビーム１ａに垂直な方向であるＸ方向及びＹ方向に入射荷電粒子ビーム１ａを走査する走査電磁石３ａ、３ｂと、位置モニタ７と、位置モニタ７の信号を増幅するプレアンプ９と、位置モニタユニット８と、線量モニタ１
１と、線量モニタ１１の信号を増幅するプレアンプ１３と、線量モニタユニット１２と、照射管理装置３２と、走査電磁石電源４と、ビーム拡大装置１６と、ビーム拡大制御装置１７と、ベローズ１８と、真空ダクト１９と、リップルフィルタ２０と、レンジシフタ２１と、レンジシフタユニット２３とを備える。なお、図１に示したように入射荷電粒子ビーム１ａの進行方向はＺ方向である。

走査電磁石３ａは入射荷電粒子ビーム１ａをＸ方向に走査するＸ方向走査電磁石であり、走査電磁石３ｂは入射荷電粒子ビーム１ａをＹ方向に走査するＹ方向走査電磁石である。位置モニタ７は走査電磁石３ａ、３ｂで偏向された出射荷電粒子ビーム１ｂが通過する通過位置（重心位置）及びビームサイズを検出する。プレアンプ９は位置モニタ７で検出した通過位置及びビームサイズのアナログデータを増幅する。ここで、ビームサイズは出射荷電粒子ビーム１ｂのＺ方向に垂直なＸＹ面を通過する面積である。位置モニタユニット８は、位置モニタ７で検出した通過位置及びビームサイズをプレアンプ９を介して受け取り、その通過位置及びビームサイズをデジタルデータに変換し、測定位置座標Ｐｓ及び測定ビームサイズＳｓを生成する。

線量モニタ１１は出射荷電粒子ビーム１ｂの線量を検出する。プレアンプ１３は線量モニタ１１で検出した線量のアナログデータを増幅する。線量モニタユニット１２は、線量モニタ１１で検出した線量をプレアンプ１３を介して受け取り、その線量をデジタルデータに変換し、測定線量Ｄｓを生成する。

ビーム拡大装置１６は出射荷電粒子ビーム１ｂのビームサイズを拡大する。真空ダクト１９は出射荷電粒子ビーム１ｂを通過する真空領域を確保する。ベローズ１８はビーム輸送ダクト２と真空ダクト１９を伸縮自在に接続し、真空領域を照射対象１５へ延長する。リップルフィルタ２０はリッジフィルタとも呼ばれ、凸形の形状をしている。リップルフィルタ２０は、加速器５２から送られてくるほぼ単一のエネルギーを有する単色ビームである荷電粒子ビーム１にエネルギーロスをさせ、エネルギーに幅を持たせる。

照射対象１５における深さ方向（Ｚ方向）の位置座標の制御は、加速器５２の加速エネルギーを変更して入射荷電粒子ビーム１ａのエネルギーを変更すること及びレンジシフタ２１により出射荷電粒子ビーム１ｂのエネルギーを変更することにより行う。レンジシフタ２１は荷電粒子ビーム１の飛程を小刻みに調整する。大幅な荷電粒子ビーム１の飛程変更は加速器５２の加速エネルギーの変更で行い、小幅な荷電粒子ビーム１の飛程変更はレンジシフタ２１の設定変更で行う。

照射管理装置３２は、照射制御装置５と照射制御計算機２２を備える。照射制御計算機２２は、患者ファイルサーバ５６から治療計画データＦ０を読み出し、照射線量を制御するために分割された照射単位である照射スポットの照射順番に並べ変えた設定データＦｉを生成する。すなわち設定データＦｉはシーケンス化された治療計画データである。設定データＦｉに基づいて各機器への指令である設定データＦｏに出力する。

設定データＦｉの要素は目標照射位置座標Ｐｉ、目標線量Ｄｉ、目標ビームサイズＳｉ、目標加速器設定Ｂｉ、レンジシフタ挿入量Ｒｉであり、設定データＦｉの各要素はそれぞれ治療計画データＦ０の要素である目標照射位置座標Ｐｉ０、目標線量Ｄｉ０、目標ビームサイズＳｉ０、目標加速器設定Ｂｉ０、レンジシフタ挿入量Ｒｉ０がシーケンス化されたデータである。設定データＦｏは、加速器設定指令Ｂｏ、レンジシフタ指令Ｒｏ、指令電流Ｉｏ、指令電流Ｉｒ、ビームサイズ指令Ｓｏ、目標線量Ｄｏである。

照射制御計算機２２は、患者がいない状態で行う事前照射における測定位置座標Ｐｓ、測定線量Ｄｓ、測定ビームサイズＳｓ等の照射記録を受信し、照射記録の評価を行う。照
射制御計算機２２は、測定位置座標Ｐｓに基づいて、指令電流Ｉｏを補正した指令電流Ｉｒを生成し、走査電磁石電源４に指令電流Ｉｏまたは指令電流Ｉｒを送信する。また、照射制御計算機２２は、患者に実際に照射した本照射における測定位置座標Ｐｓ、測定線量Ｄｓ、測定ビームサイズＳｓ等の照射記録を受信し、本照射における照射記録を患者ファイルサーバ５６に記憶する。

照射制御装置５は、トリガ信号ｓｉｇｃ、カウント開始信号ｓｉｇｈ、ビーム供給指令Ｃｏｎ、ビーム停止指令Ｃｏｆｆを出力し、照射対象１５における照射スポット及び照射線量を制御する。照射制御装置５は、トリガ信号ｓｉｇｃにより各照射スポットに対する各機器の設定を変更し、カウント開始信号ｓｉｇｈにより照射スポットの照射線量の測定を開始し、測定線量Ｄｓが目標線量Ｄｏに達すると次の照射スポットに対する制御を行い、照射対象を複数に分割された照射区分（後述するスライス）のそれぞれに対する照射が終了すると、ビーム加速輸送制御装置５０に対してビーム停止指令Ｃｏｆｆを出力し、荷電粒子ビームを停止させる。

走査電磁石電源４は照射制御装置５から出力された走査電磁石３への制御入力である指令電流Ｉｏ（Ｉｒ）に基づいて走査電磁石３ａ、３ｂの設定電流を変化させる。ビーム拡大制御装置１７はビーム拡大装置１６に位置モニタ７におけるビームサイズを設定するビームサイズ指令Ｓｏを出力する。レンジシフタユニット２３はレンジシフタ２１に出射荷電粒子ビーム１ｂのエネルギーを変更するレンジシフタ指令Ｒｏを出力する。

図２は実施の形態１における照射手順を示すフローチャートである。照射制御計算機２２は患者ファイルサーバ５６から治療計画データＦ０を読み出し、設定データＦｏを生成する。設定データＦｏは、ビーム加速輸送制御装置５０、走査電磁石電源４、ビーム拡大制御装置１７、レンジシフタユニット２３、位置モニタユニット８、線量モニタユニット１２に出力され、それぞれのメモリに記憶される。ビーム加速輸送制御装置５０には加速器設定指令Ｂｏが記憶される。走査電磁石電源４には指令電流Ｉｏが記憶される。ビーム拡大制御装置１７にはビームサイズ指令Ｓｏが記憶される。レンジシフタユニット２３にはレンジシフタ指令Ｒｏが記憶される。位置モニタユニット８には目標照射位置座標Ｐｉ及び目標ビームサイズＳｉが記憶される。線量モニタユニット１２には目標線量Ｄｏが記憶される（ステップＳ００１）。

照射制御装置５はスポット毎にトリガ信号ｓｉｇｃを出力し、設定データＦｏに基づいた指令電流Ｉｏ、ビームサイズ指令Ｓｏ、加速器設定指令Ｂｏ、レンジシフタ指令Ｒｏを順次変更し、事前照射を行う（ステップＳ００２）。照射制御計算機２２は、事前照射における測定位置座標Ｐｓ、測定線量Ｄｓ、測定ビームサイズＳｓ等の照射記録を収集する（ステップＳ００３）。

照射制御計算機２２は、測定位置座標Ｐｓに基づいて、指令電流Ｉｏを補正する電流補正データＩａを生成する（ステップＳ００４）。照射制御計算機２２は、電流補正データＩａに基づいて指令電流Ｉｏを補正し、補正された指令電流Ｉｒを生成する。指令電流Ｉｒは走査電磁石電源４に出力され、メモリに上書き保存される（ステップＳ００５）。照射制御装置５はトリガ信号ｓｉｇｃを出力し、補正された指令電流Ｉｒ、ビームサイズ指令Ｓｏ、加速器設定指令Ｂｏ、レンジシフタ指令Ｒｏを順次変更し、事前照射、補正の確認を行う（ステップＳ００６）。補正の結果に問題がなければ、照射制御装置５はトリガ信号ｓｉｇｃを出力し、補正された指令電流Ｉｒ、ビームサイズ指令Ｓｏ、加速器設定指令Ｂｏ、レンジシフタ指令Ｒｏを順次変更し、本照射を行う（ステップＳ００７）。

図３は照射制御計算機２２における設定データＦｏを生成する設定データ生成部の概略構成図である。照射制御計算機２２は、設定データ生成器２９、走査電磁石指令値生成器
６と、指令値生成器２５と、補正データ生成器３０とを有する。図４は照射制御装置５における信号生成のタイミング図である。

照射制御計算機２２及び照射制御装置５の動作について説明する。ここでは、照射スポットはＺ方向に分割した層であるスライスと各スライスにおけるＸＹ方向に分割され、スライスを変更する際に荷電粒子ビーム１を停止し、同一スライス内を照射する際には荷電粒子ビーム１を照射し続ける照射方法で説明する。まず事前照射の動作について説明する。照射前の準備として走査電磁石３を飽和磁束密度まで励磁する。設定データ生成器２９は、患者ファイルサーバ５６から治療計画データＦ０を読み出す。補正データ生成器３０は事前照射用の電流補正データＩａを指令値生成器２５に出力する（ステップＳ１０１）。事前照射の際には指令電流Ｉｏを補正しないので、事前照射用の電流補正データＩａは０である。設定データ生成器２９は、分割された照射単位である照射スポットの照射順番に並べ変えた目標照射位置座標Ｐｉ（ｘｉ，ｙｉ）を走査電磁石指令値生成器６に出力する。設定データ生成器２９は、分割された照射単位である照射スポットの照射順番に並べ変えた加速器設定指令Ｂｏ、レンジシフタ指令Ｒｏ、ビームサイズ指令Ｓｏ、目標線量Ｄｏ、目標照射位置座標Ｐｉ、目標ビームサイズＳｉを、ビーム加速輸送制御装置５０、レンジシフタユニット２３、ビーム拡大制御装置１７、線量モニタユニット１２、位置モニタユニット８のそれぞれに出力する（ステップＳ１０２）。

走査電磁石指令値生成器６は目標照射位置座標Ｐｉ（ｘｉ，ｙｉ）から基礎となる指令電流Ｉｇ（Ｉｘｇ，Ｉｙｇ）を生成する（ステップＳ１０３）。指令値生成器２５は、基礎となる指令電流Ｉｇを指令電流Ｉｏ（Ｉｘｏ，Ｉｙｏ）として走査電磁石電源４に出力する（ステップＳ１０４）。照射制御装置５はトリガ信号ｓｉｇｃを、ビーム加速輸送制御装置５０、走査電磁石電源４、ビーム拡大制御装置１７、レンジシフタユニット２３、線量モニタユニット１２、位置モニタユニット８に出力し、照射順番が１番目の照射スポットに対する設定が開始される（ステップＳ１０５）。ここで照射スポットはＺ方向に分割した層であるスライスと各スライスにおけるＸＹ方向に分割されるので、各照射スポットはスライス番号と各スライスにおける分割番号で表わすことにする。図４に示すように、スライス１（最初のスライス）における最初の照射スポットに対するトリガ信号ｓｉｇｃのパルスｃ１（１）が出力される。ビーム加速輸送制御装置５０は加速器設定指令Ｂｏの設定が完了すると完了信号ｓｉｇａのパルスを照射制御装置５に出力する。走査電磁石電源４、ビーム拡大制御装置１７、レンジシフタユニット２３、線量モニタユニット１２、位置モニタユニット８は、それぞれの設定が完了すると機器完了信号ｓｉｇｂのパルスを照射制御装置５に出力する。なお、図４では複雑化を避けるために、機器完了信号ｓｉｇｂを１つだけ記載し、図１では機器完了信号ｓｉｇｂを省略した。

照射制御装置５は完了信号ｓｉｇａのパルス及び機器完了信号ｓｉｇｂのパルスｂ１（１）を受けて、線量測定の開始を指示するカウント開始信号ｓｉｇｈのパルスを線量モニタユニット１２及び位置モニタユニット８に出力し、ビーム加速輸送制御装置５０にビームの発生を指示するビーム供給指令Ｃｏｎのパルスを出力する。ビーム加速輸送制御装置５０は、ビーム発生装置５１、加速器５２、ビーム輸送装置５３を制御し、荷電粒子ビームの照射を開始する（ステップＳ１０６）。

位置モニタユニット８はカウント開始信号ｓｉｇｈのパルスを受けて、そのときの測定位置座標Ｐｓ及び測定ビームサイズＳｓを目標照射位置座標Ｐｉ及び目標ビームサイズＳｉと比較し、また測定位置座標Ｐｓ及び測定ビームサイズＳｓをメモリに記憶する。測定位置座標Ｐｓ及び測定ビームサイズＳｓが許容値を超えた時はインターロックを作動させ照射を停止する。線量モニタ１１により測定された出射荷電粒子ビーム１ｂの測定線量Ｄｓは、線量モニタユニット１２にて目標線量Ｄｏと測定線量Ｄｓを比較し、測定線量Ｄｓが目標線量Ｄｏを超えた場合に、線量満了信号ｓｉｇｄのパルスｄ１（１）を照射制御装
置５及び位置モニタユニット８に出力する。線量モニタ１１は線量満了信号ｓｉｇｄのパルスを出力した際の測定線量Ｄｓをメモリに記憶する（ステップＳ１０７）。

次に照射順番が２番目の照射スポットに対する設定が開始される（ステップＳ１０８）。スライス１における２番目の照射スポットに対するトリガ信号ｓｉｇｃのパルスｃ１（２）が出力される。同一スライスにおける照射スポットなので、加速器設定指令Ｂｏ、レンジシフタ指令Ｒｏは変更されない。走査電磁石電源４、ビーム拡大制御装置１７、線量モニタユニット１２、位置モニタユニット８は、それぞれの設定が完了すると機器完了信号ｓｉｇｂのパルスｂ１（２）を照射制御装置５に出力する。

照射制御装置５は機器完了信号ｓｉｇｂのパルスｂ１（２）を受けて、線量測定の開始を指示するカウント開始信号ｓｉｇｈのパルスを線量モニタユニット１２及び位置モニタユニット８に出力する。線量モニタユニット１２は２番目の照射スポットの照射線量を測定する（ステップＳ１０９）。なお、線量モニタユニット１２は各照射スポットの照射線量を測定するスポットカウンタとスポットを移動中の照射線量を測定するスポット間カウンタを有している。線量満了信号ｓｉｇｄのパルスを出力してから、カウント開始信号ｓｉｇｈのパルスを受けるまでの測定線量は、荷電粒子ビーム１が次のスポットへ移動中の照射線量（スポット間照射線量）に相当する。このスポット間照射線量は、カウント開始信号ｓｉｇｈのパルスを受けて、メモリに記録される。

位置モニタユニット８はカウント開始信号ｓｉｇｈのパルスを受けて、そのときの測定位置座標Ｐｓ及び測定ビームサイズＳｓを目標照射位置座標Ｐｉ及び目標ビームサイズＳｉと比較し、また測定位置座標Ｐｓ及び測定ビームサイズＳｓをメモリに記憶する。測定位置座標Ｐｓ及び測定ビームサイズＳｓが許容値を超えた時はインターロックを作動させ照射を停止する。線量モニタ１１により測定された出射荷電粒子ビーム１ｂの測定線量Ｄｓは、線量モニタユニット１２にて目標線量Ｄｏと測定線量Ｄｓを比較し、測定線量Ｄｓが目標線量Ｄｏを超えた場合に、線量満了信号ｓｉｇｄのパルスｄ１（２）を照射制御装置５及び位置モニタユニット８に出力する。線量モニタ１１は線量満了信号ｓｉｇｄのパルスを出力した際の測定線量Ｄｓをメモリに記憶する（ステップＳ１１０）。

照射順番を順次変更し、スライスの最後の照射スポット（番号ｎとする）まで、ステップＳ１０８からステップＳ１１０を繰り返す（ステップＳ１１１）。なお、スライスの最後の照射スポットにおいて、線量モニタ１１は、トリガ信号ｓｉｇｃのパルスｃ１（ｎ）を受けて、スライス最終信号ｓｉｇｓのパルスを照射制御装置５に出力する。線量モニタ１１は、スライス番号毎のスポット数の情報を基にしてスライスの最後の照射スポットに設定されたことを検出することができる。

照射制御装置５は、スライス最終信号ｓｉｇｓのパルス及び線量満了信号ｓｉｇｄのパルスｄ１（ｎ）を受けると、ビーム加速輸送制御装置５０にビームの停止を指示するビーム停止指令Ｃｏｆｆを出力する。また２番目のスライスにおける最初の照射スポットに対するトリガ信号ｓｉｇｃのパルスｃ２（１）を出力する（ステップＳ１１２）。

ステップＳ００６からステップＳ１１２を繰り返し、各スライスの照射を行う（ステップＳ１１３）。なお、最後のスライス（番号ｑとする）における最後の照射スポット（番号ｍとする）では、線量モニタ１１は、線量満了信号ｓｉｇｄのパルスｄｑ（ｍ）を出力する際に照射終了信号ｓｉｇｅのパルスを照射制御計算機２２に出力する。また最後のスライス（番号ｑとする）における最後の照射スポットでは、トリガ信号ｓｉｇｃのパルスは出力されない。

照射制御計算機２２は照射終了信号ｓｉｇｅのパルスを受けると、線量モニタユニット
１２から測定線量Ｄｓを収集する。また、照射制御計算機２２は、出射荷電粒子ビーム１ｂの測定位置座標Ｐｓ（ｘｓ，ｙｓ）及び測定ビームサイズＳｓを、位置モニタユニット８から収集する（ステップＳ１１４）。

次に補正後の指令電流Ｉｒを用いた事前照射や本照射の動作について説明する。なお、補正後の指令電流Ｉｒを用いた事前照射と本照射は同様の動作なので、本照射として説明する。照射前の準備として走査電磁石３を飽和磁束密度まで励磁する。設定データ生成器２９は、患者ファイルサーバ５６から治療計画データＦ０を読み出す。なお、照射制御計算機２２に治療計画データＦ０が保存されている場合には、保存データを使用してもよい。補正データ生成器３０は本照射用の電流補正データＩａを生成する（ステップＳ１１５）。指令電流Ｉｏを補正する電流補正データＩａを生成する方法は後述する。設定データ生成器２９は、分割された照射単位である照射スポットの照射順番に並べ変えた目標照射位置座標Ｐｉ（ｘｉ，ｙｉ）を走査電磁石指令値生成器６に出力する。設定データ生成器２９は、分割された照射単位である照射スポットの照射順番に並べ変えた加速器設定指令Ｂｏ、レンジシフタ指令Ｒｏ、ビームサイズ指令Ｓｏ、目標線量Ｄｏ、目標照射位置座標Ｐｉ、目標ビームサイズＳｉを、ビーム加速輸送制御装置５０、レンジシフタユニット２３、ビーム拡大制御装置１７、線量モニタユニット１２、位置モニタユニット８のそれぞれに出力する（ステップＳ１１６）。

走査電磁石指令値生成器６は目標照射位置座標Ｐｉ（ｘｉ，ｙｉ）から基礎となる指令電流Ｉｇ（Ｉｘｇ，Ｉｙｇ）を生成する（ステップＳ１１７）。指令値生成器２５は、基礎となる指令電流Ｉｇを電流補正データＩａで補正された指令電流Ｉｇ−Ｉａを指令電流Ｉｒ（Ｉｘｒ，Ｉｙｒ）として走査電磁石電源４に出力する（ステップＳ１１８）。以降の動作は指令電流Ｉｏを指令電流Ｉｒと読み替えて、ステップＳ１０５からステップＳ１１４までと同様である。

電流補正データＩａを生成する方法を説明する。図５は指令電流の補正方法を説明する図である。走査電磁石電源４への指令電流Ｉｏにより走査電磁石３に出力される電流Ｉに対するＢＬ積を測定する。ＢＬ積は磁場の強さＢと走査電磁石３の磁極の有効長Ｌとの積である。飽和磁束密度を通る最大ヒステリシス曲線αを描かせる。最大ヒステリシス曲線αの電流増加方向と電流減少方向の平均を取り、ヒステリシスループの中心線βを求める。

指令電流Ｉｏにより設定される電流値Ｉ（ｉｄ）は、照射予定位置である目標照射位置座標Ｐｉ、ヒステリシスループの中心線β、出射荷電粒子ビーム１ｂのエネルギー、走査電磁石３の設置位置から照射位置までの距離により求まる。荷電粒子ビーム１に働くローレンツ力（フレミングの左手の法則）を考慮して、荷電粒子ビーム１の位置座標からＢＬ積の値を求めることができる。指令電流Ｉｏは、目標照射位置座標Ｐｉから算出される理想のＢＬ積の値ＢＬ（ｉｄ）とヒステリシスループの中心線βとの交点Ｐ´（図示せず）における電流Ｉ（ｉｄ）に対応する指令値である。このＢＬ（ｉｄ）は測定するＢＬ積の値の期待値ＢＬ（ｅｘ）となる。

測定された測定位置座標ＰｓからＢＬ積の値ＢＬ（ｍｅ）を算出する。図５のＰ点が実測値である。測定されたＢＬ積の値ＢＬ（ｍｅ）は期待値ＢＬ（ｅｘ）からΔＢＬだけずれが生じている場合を考える。指令電流Ｉｏを求めた交点Ｐ´における接線の傾きＫを持つ直線を用いてΔＢＬだけずらして電流を補正する。補正はＢＬ積がＢＬ（ｅｘ）となる電流値Ｉ１を求めればよい。電流値Ｉ１が求まれば、ＢＬ（ｉｄ）となる電流値Ｉ１に設定する指令電流Ｉｒを生成できる。このような方法によって、走査電磁石のヒステリシスの影響による荷電粒子ビーム１の位置ずれを許容範囲内にすることができる。

一点鎖線の直線γは電流値Ｉ（ｉｄ）における中心線βの接線と同じ傾きＫの直線である。傾きＫは（１）式のように表わせ、補正後の電流値Ｉ１は（２）式のように表わせる。

Ｉ１＝Ｉ（ｉｄ）−ΔＢＬ／Ｋ ・・・（２）
ここでΔＢＬはＢＬ（ｍｅ）−ＢＬ（ｅｘ）である。電流補正データＩａにより設定される補正電流値ΔＩはΔＢＬ／Ｋである。

実施の形態１の粒子線治療装置は、事前照射を治療計画データＦ０に基づいた設定データＦｏによる本照射の計画における走査電磁石の励磁パターンと同一の励磁パターンにて実施するので、すなわち、事前照射を、照射線量を制御するための照射スポットの照射順番が本照射と同一の照射順番にて実施するので、走査電磁石３のヒステリシスの影響が反映された荷電粒子ビーム１ｂの測定位置座標Ｐｓを取得することができる。走査電磁石３のヒステリシスの影響が反映された荷電粒子ビーム１ｂの測定位置座標Ｐｓに基づいて生成した電流補正データＩａ及び設定データＦｏに基づいて指令電流Ｉｏを補正するので、走査電磁石３のヒステリシスによる荷電粒子ビーム１ｂの位置ずれを修正することができる。したがって、走査電磁石３のヒステリシスの影響を低減し、高精度なビーム照射を実現することができる。

実施の形態１の粒子線治療装置は、照射前の準備として走査電磁石３を飽和磁束密度まで励磁するので、荷電粒子ビーム１の最初の照射スポットにおける走査電磁石３のヒステリシスの影響をほぼ同じにすることができる。これにより照射する全照射スポットにおいて、本照射の計画における走査電磁石の励磁パターンと同一の励磁パターンにて実施する事前照射の走査電磁石３のヒステリシスの影響をほぼ同一にすることができる。したがって、同一の励磁パターンで複数回、本照射を行う場合でも、そのつど事前照射にて補正をしなくても高精度なビーム照射を実現することができる。

実施の形態１の粒子線治療装置は、加速器５２の加速エネルギーを変更して入射荷電粒子ビーム１ａのエネルギーを変更すること及びレンジシフタ２１により出射荷電粒子ビーム１ｂのエネルギーを変更して、照射対象１５における深さ方向（Ｚ方向）の位置座標の制御を行うので、加速器５２の加速エネルギーの変更を最小限にできるので、照射時間を短くでき、本照射をするまでの工程の時間を短くすることができる。

以上のように実施の形態１の粒子線治療装置によれば、荷電粒子ビーム１ｂの目標照射位置座標Ｐｉに基づいて走査電磁石３を制御する照射管理装置３２と、荷電粒子ビーム１ｂの測定位置座標Ｐｓを測定する位置モニタ７とを備え、照射管理装置３２は、走査電磁石の励磁パターンが本照射の計画と同一である事前照射において位置モニタ７により測定された測定位置座標Ｐｓ及び目標照射位置座標Ｐｉに基づいて生成された補正データＩａと目標照射位置座標Ｐｉとに基づいて走査電磁石３への制御入力Ｉｏ（Ｉｒ）を出力する指令値生成器２５を有するので、走査電磁石３のヒステリシスの影響を低減し、高精度なビーム照射を実現することができる。

なお、図２の補正の確認を行うステップＳ００６の後に、電流補正データＩａを照射制御計算機２２のメモリや患者ファイルサーバ５６に保存し、保存した電流補正データＩａを読み出して指令値生成器２５に供給するようにしても構わない。このようにすることで、本照射前に中断と再開を行うことができ、効率的な粒子線治療装置の運用を行うことができる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２における照射手順を示すフローチャートである。実施の形態１の照射手順とは指令電流Ｉｏによる事前照射の確認で照射位置差を評価し、照射位置差が所定の許容範囲内に入るまで、電流補正データＩａに基づく補正を繰り返す点で異なる。

図６においてステップＳ００１からＳ００７は実施の形態１と同様であり、ステップＳ００８からステップＳ０１２が追加されている。ステップＳ００８では、ステップＳ００３で収集した照査記録に基づき、各照射スポットにおける測定位置座標Ｐｓと目標照射位置座標Ｐｉとの位置差が許容範囲内にあるかどうかを判定する。位置差が許容範囲内にある場合にはステップＳ００７に移り、補正を行わずに本照射を行う。

位置差が許容範囲内にない場合には、ステップＳ００４に移り、測定位置座標Ｐｓに基づいて、指令電流Ｉｏを補正する電流補正データＩａを生成する。ステップＳ００５で補正された指令電流Ｉｒを生成し、ステップＳ００９にて補正された指令電流Ｉｒ、ビームサイズ指令Ｓｏ、加速器設定指令Ｂｏ、レンジシフタ指令Ｒｏを順次変更し、事前照射を行う。ステップＳ０１０にて、照射制御計算機２２は、事前照射における測定位置座標Ｐｓ、測定線量Ｄｓ、測定ビームサイズＳｓ等の照射記録を収集する。ステップＳ０１１にて、ステップＳ０１０で収集した照査記録に基づき、各照射スポットにおける測定位置座標Ｐｓと目標照射位置座標Ｐｉとの位置差が許容範囲内にあるかどうかを判定する。位置差が許容範囲内にある場合にはステップＳ００７に移り、再度の補正を行わずに本照射を行う。

位置差が許容範囲内にない場合には、ステップＳ０１２に移り、ステップＳ０１０の照射記録に基づいて、ステップＳ００４からステップＳ０１１を繰り返す。

ステップＳ００８及びステップＳ０１１における判定を行う判定器４０は、照射制御計算機２２のＣＰＵ４１及びメモリ４２により実現する。

実施の形態２の粒子線治療装置は、指令電流Ｉｏに基づく事前照射における位置差を評価して所定の範囲内になるまで、電流補正データＩａに基づく補正を繰り返すので、走査電磁石３のヒステリシスによる荷電粒子ビーム１ｂの位置ずれを実施の形態１よりも高精度に修正することができる。したがって、走査電磁石３のヒステリシスの影響を低減し、さらに高精度なビーム照射を実現することができる。また、指令電流Ｉｏによる事前照射において位置差が許容範囲内にある場合には補正を行わないので、本照射に適用する設定データＦｏを確定する時間を短くすることができる。

なお、実施の形態１では本照射を行う前に、再度事前照射を行う例で説明したが、粒子線治療装置の確認を行う照射にて電流補正データＩａに基づく確認照射を実施して、ステップＳ００６の手順を省略しても構わない。

また、スライスを変更する際に荷電粒子ビーム１を停止し、同一スライス内を照射する際には荷電粒子ビーム１を照射し続ける照射方法で説明したが、これに限定されることなく、照射スポット毎に荷電粒子ビーム１の停止するスポットスキャニングや、ラスタースキャニング等の他の照射方法にも適用できる。なお、ラスタースキャニングにおいては、ビームが停止する離散的な位置としての照射スポットは存在しなくても、照射線量を制御する照射対象１５の位置は照射線量を制御するための照射スポットと言える。また、ラスタースキャニングにおいては、荷電粒子ビーム１の折り返し点等が走査電磁石３の電流値の増減パターンの変化点であり、走査電磁石３の電流値の増減パターンの変化点に対応す
る測定位置座標及び目標照射位置座標に基づいて電流補正データＩａを生成しても構わない。

この発明に係る粒子線治療装置は、医療用や研究用に用いられる粒子線治療装置に好適に適用できる。

１ 電粒子ビーム １ａ 入射荷電粒子ビーム
１ｂ 出射荷電粒子ビーム ３ 走査電磁石
３ａ Ｘ方向走査電磁石 ３ｂ Ｙ方向走査電磁石
６ 走査電磁石指令値生成器 ７ 位置モニタ
１５ 照射対象 ２５ 指令値生成器
３０ 補正データ生成器 ３２ 照射管理装置
４０ 判定器 ５２ 加速器
Ｉｏ 指令電流 Ｉｒ 指令電流
Ｉｇ 指令電流 Ｉａ 電流補正データ
Ｐｉ 目標照射位置座標 Ｐｓ 測定位置座標

Claims (4)

1. 加速器により加速され、走査電磁石で走査された荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線治療装置であって、
   前記荷電粒子ビームの目標照射位置座標に基づいて前記走査電磁石を制御する照射管理装置と、前記荷電粒子ビームの測定位置座標を測定する位置モニタとを備え、
   前記照射管理装置は、前記走査電磁石の励磁パターンが本照射の計画と同一である事前照射において前記位置モニタにより測定された前記測定位置座標及び前記目標照射位置座標に基づいて生成された補正データと、前記補正データを保存するメモリと、前記メモリに保存された前記補正データと前記目標照射位置座標とに基づいて前記走査電磁石への制御入力を出力する指令値生成器を有することを特徴とする粒子線治療装置。
2. 前記照射管理装置は、前記測定位置座標及び前記目標照射位置座標に基づいて前記補正データを生成する補正データ生成器と、前記測定位置座標から基礎となる制御入力を生成する走査電磁石指令値生成器とを有し、
   前記指令値生成器は、前記走査電磁石指令値生成器が生成した前記基礎となる制御入力を前記補正データ生成器が生成した前記補正データにより補正した補正制御入力を前記制御入力として出力することを特徴とした請求項１記載の粒子線治療装置。
3. 前記補正データは、前記事前照射にて測定された前記測定位置座標より算出された前記走査電磁石のＢＬ積の値ＢＬ（ｍｅ）と前記目標照射位置座標より算出された前記走査電磁石のＢＬ積の値ＢＬ（ｅｘ）との差ΔＢＬを係数Ｋで除した値に基づき生成し、
   前記係数Ｋは、前記走査電磁石のＢＬ積と電流値とのヒステリシスループの中心線における前記ＢＬ積の値ＢＬ（ｅｘ）となる点における接線の傾きであることを特徴とした請求項１または２に記載の粒子線治療装置。
4. 前記照射管理装置は、前記測定位置座標と前記目標照射位置座標との位置差が所定の許容範囲内にあるかを判定する判定器を有し、
   前記位置差が前記所定の許容範囲内にない場合に前記補正データを生成し、
   前記位置差が前記所定の許容範囲内にある場合に、前記走査電磁石への制御入力を前記事前照射と同じ値にすることを特徴とした請求項１乃至３のいずれか１項に記載の粒子線治療装置。

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