JP2012010821A

JP2012010821A - 治療計画装置

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Publication number: JP2012010821A
Application number: JP2010148471A
Authority: JP
Inventors: Rintaro Fujimoto; 林太郎藤本; Yoshihiko Nagamine; 嘉彦長峯; Masumi Umezawa; 真澄梅澤; Toru Umekawa; 徹梅川; Yusuke Fujii; 祐介藤井; Hiroshi Akiyama; 浩秋山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: US9012873B2; EP2402059A1; US8796648B2; US20120001085A1; US20150217138A1; EP2510979B1; US20140316184A1; EP2510979A1; EP2402059B1; US8581218B2; US20140046113A1; JP5722559B2

Abstract

【課題】線量分布の一様度が向上した治療計画データを作成する粒子治療計画装置を提供することを課題とする。
【解決手段】粒子線治療を行うための治療計画データを作成する治療計画装置において、患者の患部（標的）を含む複数枚の断層画像から標的の動きを抽出し、これを走査電磁石の走査面内に射影することで、走査方向を定める。この走査方向に平行な直線上に照射位置を配置することで、標的方向に主な走査を行う走査経路が算出でき、上記課題を解決することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は治療計画装置に係り、特に、陽子及び炭素イオン等の荷電粒子ビームを患部に照射して治療する粒子線出射装置に用いる治療計画装置に関する。

粒子線治療は、標的となる腫瘍細胞に対して粒子線を照射することによって治療を行う。放射線を用いる治療の中ではＸ線が最も広く利用されているが、標的への線量集中性が高い陽子線や炭素線に代表される粒子線（荷電粒子ビーム）を利用した治療への需要が高まっている。

過度の照射や照射量の不足は、腫瘍以外の正常組織への副作用や腫瘍の再発に結びつく。そのため、腫瘍領域に対しできるだけ正確に、できるだけ集中するように、指定した線量を照射することが求められる。粒子線治療においては、線量を集中させる方法としてスキャニング照射法の利用が広がりつつある。スキャニング照射法とは、細い荷電粒子ビームを、腫瘍内部を塗りつぶすように照射することで腫瘍領域にのみ高い線量を付与するという方法である。スキャニング照射法の場合、荷電粒子ビームの線量分布を腫瘍形状に成型するためのコリメータ等の患者固有の器具が基本的に必要なく、様々な分布を形成できる。

腫瘍内部の任意の位置を照射するために、スキャニング法では、荷電粒子ビームの到達深さ（飛程）の制御と、ビーム進行方向と垂直な面内（横方向）での照射位置制御が必要となる。飛程の制御は、加速器、あるいは飛程変調体によりエネルギーを変化させることで行う。横方向の制御は、二組の走査電磁石によりビーム進行方向を偏向させ、平面内の任意の位置に導くことで行う。

スキャニング照射法では、Ｘ線による照射のように拡げたビームで腫瘍全体を同時に照射するのではなく、分割された領域ごとに順番に照射する。そのため、呼吸や心拍等で移動する標的に対して照射すると、それぞれの照射位置の相対的な距離が計画時から変化し、計画した通りの線量分布が得られない可能性がある。これを回避するため、例えば照射する標的の動きを観察しながら標的が特定位置にある場合のみ荷電粒子ビームを照射する方法などがある。

この他にも、照射回数や走査経路の制御により、計画した線量分布からの差異を低減させる方法が提案されている。例えば、特許文献１では、同一の位置を複数回に分割して照射することで標的の移動による誤差を平均化し、計画の線量分布に近付ける。また、非特許文献１では、荷電粒子ビームの主な走査の方向を標的の移動方向に合致させることで、より目標に近い線量分布になることが示されている。

特許第４２７３５０２号公報特開２００９−６６１０６号公報

S Water，R Kreuger,S Zenklusen, E Hug and A J Lomax，"Tumour tracking with scanned proton beams assessing the accuracy and practicalities"，Phys. Med. Biol. 54 (2009) 6549-6563．

一方、従来の治療計画装置において、荷電粒子ビームの走査方向を任意に設定することは困難であった。従来の治療計画装置では、走査方向は標的の移動方向とは無関係に以下の様に決められる。横方向の照射位置の制御は、前述のように二組の走査電磁石により行い、これらは互いに垂直な方向に荷電粒子ビームを走査する。走査可能な速度は二つの電磁石で同じではなく、一般的にビーム進行方向に対して上流側にある電磁石の方が高速に走査可能である。このため、走査する経路は高速に走査可能な方向に移動し、標的の端まで到達すると、もう一台の走査電磁石の方向に少し移動した後、再び高速な走査方向に移動することを繰り返す、ジグザグの経路をとることが一般的である。例えば、特許文献２においてはこうした経路が使われている。

標的の移動方向と同じ方向に荷電粒子ビームの走査を行うためには、治療計画装置が標的の動きを把握した上で、どちらの走査方向が標的の動きに該当するのかを判断する必要がある。これは、照射装置により患者の任意の方向から荷電粒子ビームを照射できるため、同じ標的の動きでも照射方向を考慮した上で走査方向を決定しなくてはならず、操作者が簡単に判断することは難しかった。

以上のように、実際の標的の３次元的な動きと指定された照射方向から、操作者が走査方向を簡便に指定できる手段はこれまでの治療計画装置にはなかった。

上記課題は、粒子線治療を行うための治療計画を作成する治療計画装置において、入力装置と、前記入力装置の入力結果に基づき演算処理を行い、治療計画情報を作成する演算装置と、前記治療計画情報を表示する表示装置とを備え、前記演算装置は、予め指定された任意の方向を、走査電磁石により粒子ビームの照射位置を走査する主な方向として走査経路を算出することを特徴とする治療計画装置により解決することができる。

標的の移動方向として指定する方向は、標的領域を含む複数の状態を撮像した断層画像から、特定領域の位置を算出し、前記領域位置の移動方向を抽出し、前記移動方向を粒子ビーム走査面に射影した方向とすることで演算装置により算出することができる。

本発明によれば、線量分布の一様度が向上する治療計画データを作成することができるようになる。

本発明の好適な一実施形態により治療計画が立案されるまでの流れを示す図である。本発明の好適な実施形態１の治療計画装置による治療計画の立案の流れを示すフローチャート図である。粒子線治療システム全体の構成を示す説明図である。照射野形成装置の構成を示す説明図である。実施形態１の治療計画装置を含めた制御装置の構成を示す説明図である。実施形態１の治療計画装置の構成を示す説明図である。ＣＴデータのスライス内における標的領域の入力を説明する図である。スキャニング法によるビーム照射の様子を示す概念図である。実施形態１における標的移動方向を算出する方法の手順を示す説明図である。実施形態１における標的移動方向を算出する方法の手順を示す説明図である。実施形態１の方法で標的移動方向を指定する画面を表す図である。スポット位置を算出する方法の手順を示す説明図である。実施形態１の手順により算出された走査方向を示す説明図である。実施形態２における座標系を示す説明図である。実施形態３の治療計画装置による治療計画の立案の流れを表すフローチャート図である。実施形態３に記載の方法による走査経路を変更を示す概念図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。

本発明の好適な一実施例である治療計画装置を、図面を用いて説明する。まず、本実施例の治療計画装置を説明する前に、治療計画装置が対象とする粒子線治療システムを、図３，図４を用いて説明する。

粒子線治療システム全体の構成を、図３を用いて説明する。荷電粒子ビーム発生装置３０１は、イオン源３０２，前段加速器３０３，粒子ビーム加速装置３０４を備える。本実施例では、シンクロトロン型の粒子ビーム加速装置を想定するが、サイクロトロン等、他のどの粒子ビーム加速装置を用いても本実施例の機能は適用できる。シンクロトロン型の粒子ビーム加速装置３０４は、図３に示すように、その周回軌道上に偏向電磁石３０５，加速装置３０６，出射用の高周波印加装置３０７，出射用デフレクタ３０８、および４極電磁石（図示せず）を備える。

図３を用いて、シンクロトロン型の粒子ビーム加速装置３０４を利用した粒子ビーム発生装置３０１において、荷電粒子ビームが患者へ向けて出射されるまでを説明する。イオン源３０２より供給された粒子（陽子や重粒子など）は、前段加速器３０３にて加速され、ビーム加速装置であるシンクロトロン３０４へと送られる。シンクロトロン３０４には加速装置３０６が設置されており、シンクロトロン３０４内を周回する荷電粒子ビームが加速装置３０６を通過する周期に同期させて加速装置３０６に設けられた高周波加速空胴（図示せず）に高周波を印加し、荷電粒子ビームを加速する。このようにして荷電粒子ビームが所定のエネルギーに達するまで加速される。

所定のエネルギー（例えば７０〜２５０ＭｅＶ）まで荷電粒子ビームが加速された後、中央制御装置３１２より、照射制御システム３１４を介して出射開始信号が出力されると、高周波電源３０９からの高周波電力が、高周波印加装置３０７に設置された高周波印加電極により、シンクロトロン３０４内を周回している荷電粒子ビームに印加され、荷電粒子ビームがシンクロトロン３０４から出射される。

高エネルギービーム輸送系３１０は、シンクロトロン３０４と照射野形成装置４００とを接続している。シンクロトロン３０４から取り出された荷電電粒子ビームは、高エネルギービーム輸送系３１０を介して回転照射装置３１１に設置された照射野形成装置４００まで導かれる。回転照射装置３１１は、患者４０６の任意の方向から荷電粒子ビームを照射するためにあって、装置全体が回転することで患者４０６の設置されたベッド４０７の周囲どの方向へも回転することができる。

照射野形成装置４００は、最終的に患者４０６へ照射する荷電粒子ビームの形状を整形する装置であり、その構造は照射方式により異なる。照射方式として代表的なものに、散乱体法とスキャニング法があるが、本実施例はスキャニング法を対象とする。スキャニング法においては、高エネルギービーム輸送系３１０から輸送された細い荷電粒子ビームをそのまま標的へ照射し、これを三次元的に走査することで、最終的に標的のみに高線量領域を形成することができる。

スキャニング法に対応した照射野形成装置４００の構成を、図４に示す。図を基に、それぞれの役割と機能とを簡単に述べる。照射野形成装置４００は、上流側から二つの走査電磁石４０１および４０２，線量モニタ４０３，ビーム位置モニタ４０４を備える。線量モニタはモニタを通過した荷電粒子ビームの量を計測する。一方、ビーム位置モニタは、荷電粒子ビームが通過した位置を計測することができる。これらのモニタからの情報により、計画通りの位置に、計画通りの量の荷電粒子ビームが照射されていることを、照射制御システム３１４が管理することが可能となる。

荷電粒子ビーム発生装置３０１から高エネルギービーム輸送系３１０を経て輸送された細い荷電粒子ビームは、走査電磁石４０１，４０２によりその進行方向を偏向される。これらの走査電磁石は、ビーム進行方向と垂直な方向に磁力線が生じるように設けられており、例えば図４では、走査電磁石４０１は走査方向４０５の方向にビームを偏向させ、走査電磁石４０２はこれに垂直な方向に偏向させる。この二つの走査電磁石を利用することで、ビーム進行方向と垂直な面内において任意の位置に荷電粒子ビームを移動させることができ、標的４０６ａへのビーム照射が可能となる。

照射制御システム３１４は、走査電磁石磁場強度制御装置４１１を介して、走査電磁石４０１および４０２に流す電流の量を制御する。走査電磁石４０１，４０２には、走査電磁石用電源４１０より電流が供給され、電流量に応じた磁場が励起されることで荷電粒子ビームの偏向量を自由に設定できる。荷電粒子ビームと偏向量と電流量との関係は、あらかじめテーブルとして中央制御装置３１２の中のメモリ３１３に保持されており、それを参照する。

スキャニング法での荷電粒子ビームの走査方式には二通りある。一つは照射位置の移動と停止を繰り返す離散的な方式、もう一つは連続的に照射位置を変化させる方式である。離散的に移動させるには、照射位置をある点に留めたまま、規定量の荷電粒子ビームを照射する。この点のことをスポットと呼ぶ。続いて、一時的に荷電粒子ビームの供給を停止させた後、次の位置へ照射できるように走査電磁石の電流量を変化させる。次の照射位置に移動後、再び荷電粒子ビームを照射させる。この時、高速な走査が可能であれば、移動中も荷電粒子ビームを停止させないことも可能である。

連続的に移動する方法では、荷電粒子ビームを照射したまま照射位置を変化させる。すなわち、走査電磁石の励磁量を連続的に変化させながら、照射野内全体を通過するように荷電粒子ビームを照射しながら移動させる。この方法における照射位置ごとの照射量の変化は、走査電磁石による走査速度か荷電粒子ビームの電流量、あるいはその両方を変調させることで実現する。

続いて、本発明の好適な一実施例である治療計画装置を、図５を用いて説明する。まず、治療計画装置５０１は、ネットワークによりデータサーバ５０２，中央制御装置３１２と接続される。治療計画装置５０１は、図６に示すように、入力装置６０２，表示装置６０３，メモリ６０４，演算処理装置６０５，通信装置６０６を備える。演算処理装置６０５が、入力装置６０２，表示装置６０３，メモリ（記憶装置）６０４，通信装置６０６に接続される。

治療に先立ち、治療計画用の画像が撮像される。治療計画用の画像として最も一般的に利用されるのはＣＴデータである。ＣＴデータは、患者の複数の方向から取得した透視画像から、３次元のデータを再構成したデータである。近年の撮像時間の高速化に伴い、例えば呼吸に伴う周期的な動きのある部位でも、呼吸移動による異なる状態（位相と呼ぶ）における画像を複数枚撮像することで、位相ごとのＣＴデータを複数セット取得することが可能なＣＴもある。これを４ＤＣＴと呼ぶ。４ＤＣＴ画像では、異なる位相でのＣＴデータを比較することで、標的の呼吸等による動きを確認することができる。この時、動きをより明確に把握するために、金属球などのマーカーを埋め込み、その動きを追うことで標的の位置を把握する方法であってもよい。

ＣＴ装置（図示せず）により撮像されたＣＴデータは、データサーバ５０２に保存されている。治療計画装置５０１は、このＣＴデータを利用する。治療計画立案の流れを図１により示す。まず、治療計画の立案が開始されると（ステップ１０１）、治療計画装置５０１の操作者である技師（または医師）からの指示により、治療計画装置５０１は、データサーバ５０２から対象となるＣＴデータを読み込む。すなわち、治療計画装置５０１は、通信装置６０６に接続されたネットワークを通じて、データサーバ５０２からＣＴデータをメモリ６０４上にコピーする（記憶させる）。

ＣＴデータの読み込みが完了すると、操作者は表示装置６０３に表示されたＣＴデータを確認しながら、入力装置６０２に相当するマウス等の機器を用いて、ＣＴデータのスライスごとに標的として指定すべき領域を入力する。４ＤＣＴのように、同一部位を撮像した複数のデータセットが存在する場合には、複数枚の画像から一枚の合成画像を生成し、この画像に対して上記の標的選択操作を行えばよい。例えば、それぞれの画像から、同じ位置を表す点のＣＴ値を比較し、すべての点において最も輝度の高い数値を選択していくことで１セットの合成画像を得ることができる。

各スライスで入力が終わると、操作者は入力した領域を装置に登録する（ステップ１０２）。登録することで、操作者が入力した領域は３次元の位置情報としてメモリ６０４内に保存される。照射線量を極力抑えるべき重要臓器が標的領域の近傍に存在するなど、他に評価，制御を必要とする領域がある場合、操作者はそれら重要臓器等の位置も同様に登録する。図７は操作者が表示装置６０３において、ＣＴデータのあるスライス７０１上で標的領域７０２を入力した状態を例として示している。

次に、操作者は、照射方向、すなわち、回転照射装置３１１とベッド４０７の角度を指定する。複数方向からの照射を行う場合には、複数の角度を選択する。この他に操作者が決定すべき照射のためのパラメータとしては、ステップ１０２で登録した領域に照射すべき線量値（処方線量）や隣り合うスポット間の間隔がある。処方線量は標的に照射すべき線量や、重要臓器が避けるべき最大線量が含まれる。スポット間隔は、荷電粒子ビームのビームサイズと同程度になるように初期値が自動的に決定されるが、操作者により変更することも可能である。操作者は、こうした必要な照射パラメータを設定する（ステップ１０３）。

これらの照射パラメータに加えて、本実施例の治療計画装置の特徴である標的の移動方向を指定する。指定方法を、図８と図９を使って説明する。図８のように、照射時には標的領域７０２の重心位置がアイソセンタ（回転照射装置３１１の回転中心位置）８０１に一致するように位置決めされることが想定される。スポット位置は、アイソセンタ８０１を含み走査中心点（線源）８０２とアイソセンタ８０１を結ぶ直線（ビーム中心軸）８０３に垂直な面（アイソセンタ面）８０４上の座標で定義される。以下は面８０４をアイソセンタ面、直線８０３をビーム中心軸と呼ぶ。例えば、アイソセンタ面８０４上の位置８０５にスポットがあると、荷電粒子ビームはアイソセンタ面８０４上の点８０５を通過するように走査電磁石４０１，４０２の電流が調整され、その荷電粒子ビームの軌跡は直線８０６のようになる。この荷電粒子ビームがどこで停止するのかは、ビームエネルギーに依存する。

以下では、マーカーを埋め込んだ状態で４ＤＣＴを撮像した例に基づき説明する。マーカーがない場合にも、操作者が画像内の任意の特徴点を指定することで同様の効果が得られる。治療計画装置５０１は、メモリ６０４上に読み込んでいる４ＤＣＴの各位相のＣＴデータについて、ＣＴデータの全スライス画像を探索し、マーカー位置を特定する。自動探索が難しい場合には、操作者が直接指定してもよい。この結果、それぞれの位相に対応したＣＴデータでのマーカー位置が定まる。図９にこの様子を表す。点９０２や点９０３は、ある位相におけるマーカーの位置である。すべての位相でのマーカー位置を直線で結べば、マーカーの３次元的な軌跡９０４が求まる。この動きが標的の動きを代表するように、マーカー位置は決められている。

次に、点９０２，点９０３を含む各位相でのマーカー位置を、アイソセンタ面８０４に射影する。図９で、点９０２がアイソセンタ面８０４に射影された点が点９０５である。このように、すべての点をアイソセンタ面８０４に射影することで、アイソセンタ面８０４に射影されたマーカーの軌跡９０６が求まる。

射影結果は、治療計画装置５０１の表示装置６０３上に表示される。この様子が図１０である。図１０に示す点１００１，１００２，１００３，１００４，１００５，１００６は、位相ごとのマーカー位置をアイソセンタ面８０４に射影した位置を表す。表示されたこの画像から、治療計画装置５０１の演算処理装置６０５が標的移動方向を自動で算出する。例えば、演算処理装置６０５は、点１００１〜点１００６までの各点間の距離を計算し、最も距離の長くなる組み合わせとなる点と点を探索する。図１０では、結果として得られた点１００１と点１００４を結ぶ直線１００７に沿った向きを移動方向と定義する。なお、マーカーが特定の範囲内にある場合のみビームが照射される場合は、マーカーがその範囲内にある位相に対応した点のみを抽出した上で同様の計算を行うことも可能である。

算出された方向も、治療計画装置５０１の表示装置６０３に表示される。表示される画面例を図１１に示す。算出された方向１１０１が矢印で表示されている。この画面はアイソセンタ面８０４を表示した図１０と同時に表示される。あるいは矢印１１０１が、図１０の画面上に重ねて表示されてもよい。方向を定義するための座標系は図１０の座標系１００８、図１１の座標系１１０２とも共通である。操作者はこれを確認し、必要があれば手動で方向を修正することもできる。図１１の入力画面１１０３に、矢印１１０１のｘ方向とｙ方向の成分を入力すればよい。あるいは、マウス等の入力装置を用いて画面上で直接方向を指定することも可能である（ステップ１０４）。

以上のようにマーカー位置を平面に射影した後に移動方向を定めてもよいが、射影しないまま移動方向を決めてもよい。すなわち、図９の点９０２，点９０３をはじめとする各点において、最も距離の長くなる二点の組を探索し、それを結ぶ方向を標的移動方向とする。図９の場合は、点９０２と点９０３を結ぶ直線に沿った向きが移動方向となる。続いてその方向をアイソセンタ面８０４に射影することで、アイソセンタ面での移動方向が定まる。

この方法の利点は、アイソセンタ面８０４と垂直な方向の移動成分も計算できる点にある。荷電粒子ビームによる線量分布は、進行方向に垂直な方向ではほぼガウス分布となるが、進行方向では停止直前に鋭いピークを有する分布となっている。そのため、ビーム進行方向、すなわちアイソセンタ面８０４と垂直な方向の標的の移動は、横方向への移動よりも線量分布への影響が一般的に大きくなる。図１１の画面に標的のアイソセンタ面８０４と垂直な移動成分も同時に表示することで、この値が望ましい値よりも小さくなるように、操作者がビーム照射方向、すなわち、回転照射装置３１１やベッド４０７の角度を修正することが可能となる。

以上のパラメータが決まった後、治療計画装置５０１が自動で計算を行う（ステップ１０５）。以下で、図２に従って治療計画装置５０１が行う計算内容の詳細に関して説明する。

初めに、治療計画装置５０１は、ビーム照射位置を決定する。離散的な走査方式であれば、離散的なスポット位置、連続的な照射であれば走査経路を算出する。本実施例では、離散的な走査方式に基づいて説明するが、連続的な走査方法であってもよい。連続的な走査方法を、走査経路上に細かく離散的な通過位置が用意されていると考えれば、本実施例と同様の効果が得られる。照射方向（回転照射装置３１１とベッド４０７の角度）として複数の方向が指定されている場合は、各方向に関して同じ操作を行う。

治療計画装置５０１は、メモリ６０４に読み込まれたＣＴデータと、操作者の入力した領域情報からスポット位置の選択を開始する（ステップ２０１）。前述したように、照射位置はアイソセンタ面８０４上の座標で決定される。例として、図８でアイソセンタ面８０４上の位置、点８０５が照射位置として選ばれたとする。治療計画装置５０１は、線源８０２と、点８０５を結ぶ直線８０６に沿ってビームを照射した場合に、ビームの停止する位置がほぼ標的内となるエネルギーを探索し、そのエネルギー（一種類とは限らない）を点８０５の位置に照射するエネルギーとして選択する。これをアイソセンタ面上に設定したすべての照射位置に対して行うことで、標的を照射するのに必要なアイソセンタ面上の照射位置とエネルギーの組が求まる。これが、実際に照射するスポットとなる。

アイソセンタ面８０４上での照射位置の選択は、隣り合う照射位置の間隔がステップ１０３で指定された値以下となるように並べられる。最も簡単な方法として、一辺が指定された間隔の正方格子上に並べればよい。本実施例の治療計画装置５０１は、この時の格子の軸、すなわち照射位置が直線上に並ぶ方向として、ステップ１０４で決定した方向を選ぶことができる。図１２にスポットを選択するまでの概念図を示す。図１２には、ステップ１０４で決定した方向１１０１が併記してある。

まず、治療計画装置５０１は方向１１０１に平行な複数の直線を設定する（ステップ２０２）。その中の一つが直線１２０１である。直線間の間隔は、ステップ１０３で選択した間隔となる。次に、設定された直線上に照射位置が設定される（ステップ２０３）。同一直線上にある隣り合う照射位置の間隔も、直線同士の間隔に等しい。設定された照射位置が図１２において１２０２，１２０３などの円で表されているが、方向１１０１を軸とした正方格子上に並んでいるのが分かる。最後に、これらの位置に荷電粒子ビームを照射した場合に、ビーム停止位置が標的内に入るビームエネルギーを選択する（ステップ２０４）。標的外となる照射位置には、荷電粒子ビームを照射しない。図１２では、１２０２のように白い円のマークで示される照射位置には、荷電粒子ビームが照射されず、１２０３で示した黒い円の照射位置にだけ、荷電粒子ビームが照射される。点線１２０４は、あるエネルギーの荷電粒子ビームの停止位置に相当する深さでの標的形状の輪郭線を表す。

離散的な走査であり、かつスポット間の移動中に荷電粒子ビームを停止していれば最終的な線量分布は走査経路に寄らない。この場合、走査経路の決定はスポットごとの照射量が決まった後でもよいが、それ以外の照射方法では走査経路を考慮した上で線量分布計算が必要になるため、この段階で走査経路を決定する。本実施例では、走査方式に寄らずここで走査経路を定めるとする（ステップ２０５）。

走査経路は、ステップ２０２で設定した直線に沿うように決まる。図１３では、あるエネルギーのビームのスポット位置が点１２０３のような黒い円のマークで表されている。操作者の定めた方向と平行な直線の中で、図で最も上にある直線である直線１３０１から走査経路がスタートする。走査経路は直線１３０１に沿って直線上のスポット間を移動し、端まで到達すると隣の直線へと移動する。次の直線上での走査向きは逆向きになる。この動きを繰り返しながら最終的に直線１３０２上のスポットをすべて通過したところで終了する。結果として、矢印１３０３で表したようなジグザグの経路となる。

この走査経路を決める作業を、選択されたすべてのビームエネルギーに対応するスポットに関して行う。すべてのエネルギーで終了すると、照射に必要な全スポットに対して経路が定まったことになる（ステップ２０６）。照射方向が複数ある場合は、すべての方向に関して同様の作業を行う（ステップ２０７）。

全てのスポット位置とその経路が決定されると、治療計画装置５０１はそのまま照射量の最適化計算を開始する（ステップ２０８）。ステップ１０３で設定された目標の線量分布に近づくように、各スポットへの照射量を決める。この計算では、スポットごとの照射量をパラメータとした目標線量からのずれを数値化した目的関数を用いる方法が広く採用されている。目的関数は線量分布が目標とする線量を満たすほど小さな値となるように定義されており、これを最小にするような照射量を反復計算により探索することで、最適とされる照射量を算出する。

反復計算により照射量が定まると、治療計画装置５０１は最終的に得られたスポット位置とスポット照射量を用いて、線量分布を計算する（ステップ２０９）。計算した結果は、表示装置６０３に表示される（ステップ２１０）。操作者はこの結果を調べ、線量分布が目標とする条件を満たしているか否かを判断する。線量分布だけでなく、治療計画装置５０１により算出されたスポット位置や走査経路も、表示装置６０３上で確認することができる（ステップ１０６）。望ましくない分布や走査経路となっていた場合は、ステップ１０３に戻り、照射パラメータを設定し直す。変更すべきパラメータとしては、照射方向や処方線量，スポット間隔が含まれる。

ステップ１０３に戻り条件を変更した場合も、ステップ１０４で決定した標的移動方向は保存されている。操作者の指示する新たな条件で、ステップ２０１〜ステップ２０９までの方法に従い走査経路や線量分布を更新し、新しい結果が表示装置６０３に表示される。望ましい結果が得られた時点で、治療計画の立案は終了する（ステップ１０７）。得られた照射条件は、ネットワークを通じてデータサーバ５０２に保存される（ステップ１０８，ステップ１０９）。

荷電粒子ビームを照射する場合、中央制御装置３１２は、データサーバ５０２に保存されている該当する治療計画データを読み込む。データは必要があれば中央制御装置３１２の読み込める形式に変換される。照射制御システム３１４は、中央制御装置３１２により照射すべき荷電粒子ビームのエネルギー，走査位置，照射量が指定される。この指示に従って、照射制御システム３１４は荷電粒子ビームを照射する。

本実施例によれば、患者の患部の動きを入力し、その方向に合致する方向に主に荷電粒子ビームを走査するような治療計画データを作成できるため、線量分布の一様度が向上した治療計画データを提供することができる。

実施例１では、４ＤＣＴの画像を利用して標的の移動方向を抽出する方法を述べたが、４ＤＣＴでなく通常のＣＴデータを利用する場合でも、移動方向を直接操作者が指定することで同様の効果を得ることができる。実施例２ではこの方法について述べる。

本実施例における操作方法は、図１におけるステップ１０３までは実施例１と同様である。以下、実施例１と異なる方法について説明する。本実施例では、ステップ１０４での標的の移動方向の決定を、４ＤＣＴの結果は用いずに操作者が行う。マーカー等によって直接標的位置の確認を行わなくとも、特定の臓器の呼吸や心拍による移動方向は大きく変動しないと考えられる場合には、標的の移動方向を抽出する手間を省き、操作者が直接移動方向を指定することが可能である。

操作者は、ＣＴデータにおける３次元座標系において標的移動方向を指定する。例えば図１４のような座標系で行う。図１４では、足から頭の向きがｚ軸と定義され、それと直交する方向にｘ軸とｙ軸が設定されている。標的が足から頭の方向に移動していると判断した場合、操作者はこの座標系で３次元の向きを指定する。すなわち図１１に類似する入力画面を用いて、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，１）という値を入力する。

方向が決定されると、治療計画装置は図１４の座標系で指定された方向を、アイソセンタ面８０４に射影し、アイソセンタ面８０４上での方向を算出する。方向が定まると、ステップ１０５以降は実施例１と同じ方法で進めることができる。本実施例によれば、４ＤＣＴによる位相ごとのマーカーの位置を確認する必要がないため、操作者の手間を低減できる。

実施例１および実施例２の方法では、指定された方向に平行な直線上にスポットが配置される。この方法では、指定した方向が変更となった場合にはスポット位置も変更となり、図２ではステップ２０３以降の計算をすべて再度行う必要がある。

一方で、離散的な走査方式であって、走査中に荷電粒子ビームを停止すれば、スポットの位置が同じ限り線量分布は走査経路に依存しない。その場合は、実施例１および実施例２の方法とは別に、あらかじめ決められたスポット位置から、任意の方向に沿うように走査経路だけを変更することが可能となる。この方法を実施例３として以下に説明する。

治療計画装置５０１の自動計算に相当する部分（図１のステップ１０５）の、本実施例における流れを図１５に示す。自動計算の開始（ステップ１５０１）後、従来の治療計画装置と同様に、走査方向を考慮しないまま、スポット位置の選択（ステップ１５０２），スポットごとの照射量の最適化（ステップ１５０３），線量分布計算（ステップ１５０４）を行う。

本実施例の方法では、ステップ１５０４の線量分布計算後に走査経路を変更する。まず、図１のステップ１０４で予め指定されていた標的の移動方向を読み込む（ステップ１５０５）。その後、同一エネルギー，同一方向から照射するスポットに関して、以下の様に走査経路を設定する（ステップ１５０６）。治療計画装置５０１の演算処理装置６０５は、走査経路が与えられた場合にその経路を適当な値に変換する関数を用意する。例えば走査経路の総走査距離を基本の値とし、ステップ１０４で指定された方向に走査方向が近いところでは、その値が小さくなるように定義すればよい。焼きなまし法などの手法を用いて、様々な走査経路の中で定義された関数の値が最も小さくなる最適な走査経路を探索する。

例を図１６に示す。１６０１はあるエネルギーのスポットに関して、走査経路を変更する前の状態を表す。黒い円がスポット位置を表し、矢印１６０２が初めの状態での走査経路である。経路１６０２では標的の移動方向は考慮されていない。続いて、指定した方向に基づいて走査経路を変更した結果が１６０３である。スポットの位置は走査経路変更前の状態１６０１と同一であるが、標的の移動方向１６０４が指定されており、この方向に主に走査するように走査経路１６０５が設定されているのが分かる。

これを照射する全てのエネルギー、すべての照射方向（回転照射装置３１１とベッド４０７の角度）のビームに関して行う（ステップ１５０７，ステップ１５０８）。最後に、走査経路情報を含む照射パラメータを結果として出力し、終了する（ステップ１５０９，ステップ１５１０）。

本実施例の方法では、走査経路の変更をスポット位置とスポットごとの照射量を決定した後に実施できる。そのため、この操作を治療計画装置以外で行うことも可能となる。例えば、照射直前に、中央制御装置３１２を用いて走査経路を変更することが考えられる。治療計画装置５０１によって作成された治療計画データは、データサーバ５０２に保存されている。実際の照射が実施されるにあたり、このデータは中央制御装置３１２が読み出す。この時、中央制御装置が表示装置３１５に走査経路を表示し、走査経路変更のためのインターフェイスを提供することで、操作者は、中央制御装置の入力装置（図示せず）を用いて走査経路を修正することが可能となる。操作者が、図１１に類似する画面や、図１４に示した座標系において走査経路変更のための方向を指示すると、ステップ１５０６と同様の方法で走査経路を変更する。

本実施例によれば、照射直前に、その時の標的の状態を観察して荷電粒子ビームの走査経路を変更することができるため、照射時の標的の動きをよく反映することが可能となる。照射直前に走査経路を変更することは実施例１や実施例２の方法でも可能であるが、それらの方法と比較して本実施例の方法では走査経路の変更のみで線量分布は変わらないために、計算時間も短時間であり、線量分布が変更した場合必要になる計画の妥当性の再確認（ステップ１０７）も簡便に済ますことができるという利点がある。

３０１荷電粒子ビーム発生装置
３０２イオン源
３０３前段加速器
３０４粒子ビーム加速装置
３０５偏向電磁石
３０６加速装置
３０７高周波印加装置
３０８出射用デフレクタ
３０９高周波供給装置
３１０高エネルギービーム輸送系
３１１回転照射装置
３１２中央制御装置
３１３，６０４メモリ
３１５，６０３表示装置
４００照射野形成装置
４０１，４０２走査電磁石
４０３線量モニタ
４０４ビーム位置モニタ
４０５走査方向
４０６患者
４０６ａ標的
４１０走査電磁石用電源
４１１走査電磁石磁場強度制御装置
５０１治療計画装置
５０２データサーバ
６０２入力装置
６０５演算処理装置
６０６通信装置
７０１ＣＴデータのスライス
７０２標的領域
８０１アイソセンタ
８０２線源
８０３ビーム中心軸
８０４アイソセンタ面
８０６点８０５と線源８０２を結ぶ直線
９０２，９０３マーカー位置
９０４マーカーの軌跡
９０５点９０２をアイソセンタ面８０４に射影した点
９０６マーカーの軌跡９０４を面８０４に射影した軌跡
１００１，１００２，１００３，１００４，１００５，１００６マーカーを面８０４に射影した点
１００７点１００１と点１００４を結ぶ直線
１００８図１０での座標系
１１０１指定する方向
１１０２図１１での座標系（１００８と共通）
１１０３方向１１０１を数値で指定するための入力画面
１２０１方向１１０１に平行な直線
１２０２照射位置
１２０３ビームを照射する位置
１２０４標的の輪郭
１３０１最も端にある直線
１３０２最も端にある直線１３０１と逆側の端にある直線
１３０３走査経路
１６０１走査経路変更前の状態
１６０２変更前の走査経路
１６０３走査経路変更後の状態
１６０４指定した走査方向
１６０５実施例３における方法での変更後の走査経路

Claims

粒子線治療を行うための治療計画データを作成する治療計画装置において、
入力装置と、
前記入力装置の入力結果に基づき演算処理を行い、治療計画情報を作成する演算装置と、
前記治療計画情報を表示する表示装置とを備え、
前記演算装置は、予め指定された任意の方向を、走査電磁石により粒子ビームの照射位置を走査する主な方向として走査経路を算出することを特徴とする治療計画装置。
前記演算装置は、
標的領域を含む複数の状態を撮像した断層画像から、特定領域の位置を算出し、前記領域位置の移動方向を抽出し、前記移動方向を粒子ビーム走査面に射影した方向を、前記指定方向とすることを特徴とする請求項１に記載の治療計画装置。
前記演算装置は、
粒子ビーム走査面上に前記指定方向に平行な複数の直線を設定し、粒子ビームの照射位置を前記直線上に並ぶように配置することを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の治療計画装置。
前記演算装置は、
予め定められている照射位置を保ったまま、主な走査の方向が前記指定方向と一致するように走査経路を算出することを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の治療計画装置。