JP2013153993A - 粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粒子線の均一走査において、横方向に一様な線量分布を形成するために必要な一面走査時間を短縮した上で、ビーム利用効率を従来より向上させる。
【解決手段】Ｘ方向に連続ビームを照射し、Ｙ方向にビームをオフするライン走査において、速い走査方向をＸ方向に、遅い走査方向をＹ方向に割り当てる。ライン走査を構成するＸ方向の各ラインにおいて、走査電磁石の励磁電流パターンを構成する制御点の配置を、照射野端部において中心部と比較して密に配置する。
【選択図】 図６

Description

加速器により加速された荷電粒子ビームを、がん患部に照射して治療を行う粒子線治療装置に関する。

粒子線治療に用いられる照射野形成方法には、非特許文献１に示すようならせん経路、非特許文献２に示すようなジグザグ経路、非特許文献３に示すようなラスター経路、特許文献１に示すようにラスター経路にビームオンオフ制御を組み合わせたライン走査等がある。また特許文献２には、荷電粒子線の強度を制御することによって、線量分布の辺縁部のむらや低下を抑制すると記載されている。

特開平１０−１１８２０４号公報 特開２００９−２４３８９１号公報

M.Komori, T.Furukawa, T.Kanai and K.Noda, "Optimization of Spiral-Wobbler System for Heavy-Ion Radiotherapy", Jpn.J.Appl.Phys.43 (2004) 6463-6467. S.Yonai, N.Kanematsu, M.Komori, T.Kanai, Y.Takei, O.Takahashi, Y.Isobe, M.Tashiro, H.Koikegami and H.Tomita, "Evaluation of beam wobbling methods for heavy-ion radiotherapy", Med.Phys.35 (2008) 927-938. V.A.Anferov, "Scan pattern optimization for uniform proton beam scanning", Med.Phys.36 (2009) 3560-3567. T.Kanai, N.Kanematsu, S.Minohara, M.Komori, M.Torikoshi, H.Asakura, N.Ikeda, T.Uno and Y.Takei, "Commissioning of a conformal irradiation system for heavy-ion radiotherapy using a layer-stacking method", Med.Phys.33 (2006) 2989-2997.

均一走査において矩形照射野を形成するライン走査では、Ｘ方向に連続的にビームを照射するため、離散的にビームを照射するＹ方向と比較して、一様な線量分布の外側の領域での線量の落ち方、すなわち、ペナンブラが大きくなっていた。ペナンブラが大きくなると、ビーム利用効率の低下や一面走査時間の増大を招く。特許文献２の例では、ビームの走査速度を制御することにより端部の照射量を増加させている。しかしながらこの方法では、走査電磁石を細かく制御する必要があり、制御の複雑化やコストの増大を招く。

本発明の目的は、制御の複雑化やコストの増大を抑制しつつ、ビーム利用効率が高く一面走査時間の短い粒子線治療装置を提供することにある。

本発明の粒子線治療装置は、荷電粒子ビームを加速する加速器と、水平方向走査電磁石と垂直方向走査電磁石により照射野を形成する照射ノズルと、前記加速器で加速された荷電粒子ビームを前記照射ノズルに輸送するビーム輸送系と、前記走査電磁石の少なくとも一つを励磁する電磁石電源と、走査経路に対応した制御点に基づいて前記走査電磁石に流す電流を変更する電磁石電源制御装置を有する粒子線治療装置において、第一の方向に並ぶ前記制御点の間隔は中心部よりも端部の方が狭く配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、制御の複雑化やコストの増大を抑制しつつ、ビーム利用効率が高く一面走査時間の短い粒子線治療装置を提供することができる。

本発明が関係する粒子線治療装置の全体構成を示す図である。 本発明が関係する均一走査を行う照射ノズルの構成を示す図である。 本発明が関係する走査電磁石電源の制御装置がメモリ上に持っている励磁電流パターンに相当する時系列データを示す図である。 本発明が関係するアイソセンタ面でのライン走査の走査経路を示す図である。 従来技術でライン走査を実施する場合の、アイソセンタ面での励磁電流パターンを構成する制御点の配置を示す図である。 本発明に基づきライン走査を実施する場合の、アイソセンタ面での励磁電流パターンを構成する制御点の配置を示す図である。 従来技術に基づき均一走査を行った場合と、本発明に基づき均一走査を行った場合の線量分布の比較を示す図である。 図６において垂直軸である線量を９７％から１０３％まで、横軸である位置を−１００mmから＋１００mmまでに拡大した図である。 本発明による複数の制御点の配置を端部において制御した場合に、端の照射量を上げることが可能であることを示した図である。

粒子線治療において広く用いられてきた照射野形成方法に、単円ワブラー法がある。単円ワブラー法は、散乱体を用いて荷電粒子ビームのビームサイズを拡大した上で、水平、垂直走査用の二台の走査電磁石により、ビーム進行方向に垂直な面内で円形に走査して照射を行う。単円ワブラー法は、中心部分に一様な線量分布を形成し、その一様な領域から患者コリメータにより患部形状に合わせることにより患部に一様な線量で照射する。荷電粒子ビームの深さ方向の線量分布拡大にはリッジフィルタを使用し、深さ方向に一様な線量分布すなわち拡大ブラッグピーク（ＳＯＢＰ）を形成する。ボーラスは患部形状に荷電粒子ビームの到達位置を合わせる。しかし、単円ワブラー法において大照射野を形成する場合、散乱体の厚さを増加させ荷電粒子ビームのビームサイズを大きくした上で、走査経路である円の半径を大きくしなくてはならず、照射野が大きくなるほど、散乱体厚が厚くなり、荷電粒子ビームの到達飛程が短くなるという課題があった。

単円ワブラー法の課題を解決する照射法として、均一走査という照射法がある。均一走査方法は、単円ワブラーより小さいビームサイズの荷電粒子ビームを横方向に一様になるように走査電磁石で走査しながら照射する。照射野の大きさによらず、およそビームサイズ２cm（１σ）程度の荷電粒子ビームを走査するため、大照射野形成時に飛程が短くなることはない。均一走査では、散乱体で広げていた横方向分布を、より小さいビームサイズの荷電粒子ビームを走査しながら照射するため、横方向に一様な線量分布を形成するために有限の時間が必要であり、線量一様度を上げるため、あるいは、呼吸同期照射に対応するためには、一面走査時間が短いことが望まれる。また、横方向の一様な線量分布以外の領域はコリメータなどで遮蔽して使用するため、加速された荷電粒子ビームを照射ノズル内で有効に利用するためには、ビーム利用効率が高いことが求められる。

これまで、均一走査に適した横方向走査経路として、さまざまな走査経路が研究されてきている。円形照射野を形成するための走査経路として、非特許文献１に示すようならせん経路がある。らせん経路は単円経路の動径方向も周期的に変化させ、原点を出発し原点に戻ってくる一らせん周期を複数回初期位相をずらせて重ね合わせることにより一様な線量分布を形成する。矩形照射野を形成する走査経路として、非特許文献２に示すようなジグザグ経路、非特許文献３に示すようなラスター経路、特許文献１に示すようにラスター経路にビームオンオフ制御を組み合わせたライン走査がある。ライン走査はＸ方向に連続的にビームを照射し、Ｙ方向に複数のラインを重ね合わせることにより、一様な線量分布を形成する方法である。

均一走査において矩形照射野を形成するライン走査では、Ｘ方向に連続的にビームを照射するため、離散的にビームを照射するＹ方向と比較して、一様な線量分布の外側の領域での線量の落ち方、すなわち、ペナンブラが大きくなっていた。ビーム利用効率は一様な線量分布の領域に照射された量を全体の荷電粒子ビーム量で割った量であり、ペナンブラが大きいということは一様な線量分布の領域外の荷電粒子ビーム照射量が多いことを意味し、ビーム利用効率が低いこととなる。また、Ｘ方向とＹ方向に同じサイズの一様領域を作るためには、Ｘ方向の走査範囲がＹ方向の走査範囲より大きくなっていた。そのため、全走査距離が大きくなり、横方向に一様な線量分布を形成するために必要な一面走査時間が長くなる傾向にあった。

ガウス分布の重ね合わせにおいて、端部の照射量を増やすことにより線量一様度は所定の範囲内、例えば標準的な基準±３％に抑えつつ、端部での線量分布の落ち方、すなわち、ペナンブラをより急峻にできることは良く知られている。後で説明する本発明の各実施例では、矩形照射野を形成するライン走査において、ビーム利用効率を改善し、かつ、横方向に一様な線量分布を形成するのに必要な一面走査時間を短縮化する例を提示する。

水平、垂直走査用の二台の走査電磁石を励磁する電源は、走査経路に対応した励磁電流値の組（Ｉｘ、Ｉｙ）の時系列データを走査電磁石電源の制御装置メモリ上に持っている。走査電磁石電源の制御装置は、タイミング信号を受け取るたびに次の励磁電流値に電流を変更する。Ｘ方向、Ｙ方向走査電磁石励磁電流値の時系列データを励磁電流パターンと呼ぶことにする。励磁電流パターンは、アイソセンタ面での荷電粒子ビームの走査経路と一対一に対応する。励磁電流パターンを構成するＸ方向、Ｙ方向励磁電流値の組（Ｉｘ、Ｉｙ）を制御点と呼ぶこととし、一つの制御点はアイソセンタ面でのある一点での荷電粒子ビーム照射位置に対応する。従来のライン走査では、Ｘ方向の連続ビームの照射にあたり、アイソセンタ面で制御点をＸ方向に等間隔に配置していた。

後で説明する本発明の各実施例では、ライン走査において、励磁電流パターンを構成する制御点の配置を、Ｘ方向走査線の端部において照射野中心部と比較して密に配置する。照射野端部での制御点配置を密にすることにより、加速器のビーム電流を変化させず、かつ、走査電磁石の走査速度を変化させることなく、照射野端部での荷電粒子ビーム照射量を増やすことが可能となる。これにより、線量分布のペナンブラ形状をより急峻に改善することが可能となる。そのため、一様な線量分布の領域外の荷電粒子ビーム照射量を減らすことが可能となり、ビーム利用効率を向上させることが可能となる。また、ペナンブラが急峻になることにより、Ｘ方向の走査電磁石の走査幅を小さくすることが可能となり、これはすなわち走査経路が短くなることを意味し、一面走査時間の短縮が実現する。

本発明の各実施例が関係する粒子線治療装置の構成図を図１に示す。荷電粒子ビームは入射器２１より加速器２２に入り、所望のエネルギーまで加速される。加速器２２から取り出された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系３００により照射ノズル４００にまで輸送され、照射ノズルにより患部形状に合うように整形されて患者５に照射される。治療するに先立ち、医者は治療計画装置１０４を用いて、Ｘ線ＣＴ画像などの画像情報をもとに、患部を特定し、患部への処方線量を決め、体内の線量分布計算を行い、必要な荷電粒子ビームエネルギー、照射野サイズ、線量モニタユニット値、コリメータ形状、ボーラス形状を計算する。治療計画装置１０４の出力は、粒子線治療装置の全体制御装置１０２に送られ、適宜必要な情報を加速器、ビーム輸送系制御装置１０１、ノズル制御装置１０３とやり取りする。

図２に、均一走査を行うための照射ノズルを示す。均一走査はビームサイズ２cm（１σ）程度の荷電粒子ビームを、走査電磁石により走査することにより横方向に一様な線量分布を形成する照射法である。散乱体４２は荷電粒子ビームを目標の２cm程度に広げるために設置する。荷電粒子ビームのエネルギーが変わると目標のビームサイズを達成するための散乱体厚も変化するため、散乱体制御装置７２は適切な厚みの散乱体４２を設置する。

リッジフィルタ４３は、深さ方向の拡大ブラッグピーク（ＳＯＢＰ）を形成する。治療計画装置１０４が必要なＳＯＢＰ長さを計算して、その情報が全体制御装置１０２、ノズル制御装置１０３を経てリッジフィルタ制御装置７３に送られてくるので、リッジフィルタ制御装置７３は選択されたＳＯＢＰ長に対応したリッジフィルタを設置する。平坦度モニタ４４は、走査された荷電粒子ビームを照射時の線量一様度を測定監視し、許容範囲を逸脱すると平坦度モニタ制御装置７４はビーム停止信号を加速器、ビーム輸送系制御装置１０１に送られ、即座にビームオフする。線量モニタ４５は、所定の線量を患部に照射するため、照射した荷電粒子ビーム総量を積算で計測し、所定の線量モニタユニット値に到達すると、線量モニタ制御装置７５はビームオフ信号を加速器、ビーム輸送系制御装置１０１に送る。

均一走査において、コリメータとしては、掘削加工により製作する患者コリメータ、あるいは、自動で患部形状に合致した照射野形状を作成するマルチリーフコリメータ４６を使用する。治療計画装置１０４からの情報に基づき、患者コリメータ、あるいは、マルチリーフコリメータ４６の形状を決定する。ボーラス４７、レンジシフタ４８は、荷電粒子ビームの深さ方向の到達位置を患部底形状に合わせるために設置する。ボーラス４７の形状、レンジシフタ４８の厚さは、治療計画装置１０４からの指定値によって決まる。ボーラス４７は、後に説明する積層原体照射を行う場合は必須であるが、コリメータ形状を層毎に変化させない均一走査の場合には必ずしも必要でなく、あってもなくても良い。

均一走査における横方向の荷電粒子ビーム走査方法に関して説明する。図２中、荷電粒子ビームを走査する水平方向走査電磁石４１Ａは、アイソセンタ面でＸ方向に走査を行い、垂直方向走査電磁石４１Ｂは、アイソセンタ面でＹ方向に走査を行う。均一走査は、照射が開始されると走査経路に対応した走査電磁石の励磁電流パターンにしたがって走査電磁石の励磁電流値を順次変更することにより荷電粒子ビームの走査を行う。

図３に、走査電磁石の励磁電流パターンを示す。励磁電流パターンは、図３に示すようにＸ方向、Ｙ方向の励磁電流値の配列（Ｉｘ、Ｉｙ）となっており、図２中の電磁石電源制御装置７１は励磁電流値（Ｉｘ、Ｉｙ）の時系列配列を照射野サイズ毎に持っている。治療計画装置１０４が、患部の大きさをもとに照射野サイズを計算するので、その情報が全体制御装置１０２、ノズル制御装置１０３を通じて、電磁石電源制御装置７１に送られてくるので、その情報に基づき対応する励磁電流パターンを選択する。一定間隔のタイミング信号が、電磁石電源制御装置７１に送られるたびに、図３に示す励磁電流パターンに基づきＸ方向、Ｙ方向走査用の走査電磁石の励磁電流値を変化させていく。走査経路に対応した励磁電流パターンは、一様な線量分布が形成される、すなわち一面走査が完了すると終点に達する。均一走査は、横方向に一面な線量分布を形成するための図３に示す励磁電流パターンを繰り返し照射する。線量モニタ４５の積算値が所定の値に到達すると、加速器からの荷電粒子ビームをオフするとともにビーム走査も停止する。均一走査において、励磁電流パターンに基づき横方向に複数回繰り返し照射を行うことをリペイント照射と言う。リペイント回数を増やすことにより、横方向の線量分布はより一様になる。

励磁電流パターンの作成方法について説明する。励磁電流パターンを構成する各データ点を制御点と呼ぶこととする。制御点は図３に示す励磁電流パターンのある時刻での励磁電流データの組み（Ｉｘ、Ｉｙ）を表す。均一走査ではアイソセンタ面でビームを照射する制御点を走査経路上にまず設定する。走査電磁石による偏向角をθ、走査電磁石からアイソセンタ面までの距離をＬ、ビーム照射位置をｘとすると、ｘ＝Ｌθの関係が成立する。偏向角θは、真空透磁率μ、走査電磁石電流Ｉ、走査電磁石コイルターン数Ｎ、走査電磁石磁極長ｌ、走査電磁石ギャップ間隔ｇ、荷電粒子ビームの磁気剛性Ｂρとして、
θ＝μＮＩｌ／（ｇ×Ｂρ） …（１）
となる。これらの関係より走査電磁石の励磁電流値（Ｉｘ、Ｉｙ）は、アイソセンタ面上の荷電粒子ビーム照射位置（ｘ、ｙ）に一意に対応する。走査電磁石電源制御装置は、タイミング信号を受け取りある時刻ｔ１で（Ｉｘ１、Ｉｙ１）であった励磁電流値を時刻ｔ２に（Ｉｘ２、Ｉｙ２）に変化させる。

Δｔ＝ｔ２−ｔ１ …（２）
はタイミング信号の時間間隔を表し、走査電磁石電源の電流変化率は、Ｘ方向、Ｙ方向それぞれ（Ｉｘ２−Ｉｘ１）／Δｔ、（Ｉｙ２−Ｉｙ１）／Δｔとなる。一方、走査電磁石電源の電流変化率ｄＩ／ｄｔは、走査電磁石コイルのインダクタンスＬ、走査電磁石電源電圧Ｖにより
Ｖ＝ＬｄＩ／ｄｔ …（３）
により決まる。電流変化率ｄＩ／ｄｔより二点間の最大走査速度が、Ｘ方向の場合
ｖ＝ｘmax／Ｉmax×ｄＩ／ｄｔ …（４）
と決まる。ここで、ｘmaxは最大の片側振り幅、Ｉmaxは最大振り幅の時の最大電流を表す。Ｙ方向の場合も同様である。アイソセンタ面で制御点を配置する際、隣り合う二点の制御点はこの最大走査速度を超えないことが必要である。また、同じであるが、隣り合う二点の制御点の電流勾配は、電源とコイルから決まる電流勾配を超えないことが必要である。走査経路上に以上の走査速度を考慮して、制御点を配置していき、Ｘ方向走査電磁石、Ｙ方向走査電磁石の励磁電流値（Ｉｘ、Ｉｙ）に変換して図３に示す励磁電流パターンを作成する。このようにアイソセンタ面でのビーム走査経路が決まると、一意的に走査電磁石の励磁電流パターンが決まる。

［実施例１］
本発明を実施する第一の実施形態は、均一走査において横方向の走査経路として、ライン走査を行う場合に関する。ライン走査のアイソセンタ面での荷電粒子ビームの走査経路を図４に示す。図４に示す始点よりビームオンして＋Ｘ方向に走査を開始し、図４に示す終点でライン６０１の走査を終了する。この終点においてビームオフして、＋Ｙ方向に走査方向を変える。次のラインはビームオンした上で＋Ｘ方向から−Ｘ方向に向かって走査する。これを繰り返すことにより、Ｘ方向にライン６０１上に一様な線量分布が形成され、Ｙ方向に複数本並べることにより一様な線量分布を形成する。Ｙ方向にはガウス分布の離散的な重ね合わせであり、Ｙ方向のライン間隔はビームサイズの線量一様度の観点から非特許文献３にも示すように１.７倍程度が望ましい。本実施例では、１.６倍から１.８倍の範囲内としている。図４に示す一面照射が終了後、ライン走査の経路を逆向きにたどって次の走査を行う。あるいは、図４に示す始点にビームを切った上でビーム位置を戻して、再度同一走査経路で次の走査を行っても良い。ライン走査の走査経路は、照射野サイズに応じて複数の走査経路があらかじめ用意されている。例えば照射野１０cm×１０cm用のライン走査経路は１０cm×１０cmの領域に一様な線量分布を形成する走査経路であり、２０cm×２０cm用のライン走査経路は２０cm×２０cmの領域に一様な線量分布を形成する走査経路という風である。

実施例１との比較のため、比較技術によるライン走査の励磁電流パターンを説明する。図５に比較技術によるライン走査の励磁電流パターンを構成する制御点のアイソセンタ面上での配置を示す。図５においてＸ方向走査線上に等間隔で制御点が配置されている。例えば、走査電磁石電源制御装置に１００μｓ毎のタイミング信号を送る場合、Ｘ方向走査線上に５mm間隔で制御点を配置する。この場合、最大走査速度として５０ｍ／sec以上が必要である。この制御点を等間隔に配置したＸ方向走査線上を荷電粒子ビームを連続的に照射することにより、Ｘ方向に一様なライン状の線量分布が形成される。これをＹ方向に複数本重ね合わせることにより平面内に一様な線量分布を形成する。

本発明の実施例１によるライン走査の励磁電流パターンを説明する。図６に実施例１のライン走査の励磁電流パターンを構成する制御点のアイソセンタ面上での配置を示す。図６においてＸ方向走査線端部の制御点の間隔が図５と比較して短く配置されている。一方、図６においてＸ方向走査線中心部の制御点は従来技術と同じく等間隔で配置されている。１００μｓ毎のタイミング信号を使用する場合、図６の走査線中心部では比較技術と同じく５mm間隔で制御点を配置し、走査線端部では５mm間隔より短い４mmや３mm間隔で制御点を配置する。

実施例１による図６のような制御点配置の線量分布について詳しく説明する。図７に照射野サイズ１５cm×１５cm用の励磁電流パターンで荷電粒子ビームをＸ方向に走査した場合の線量分布を示す。図７において、横軸がＸ軸方向の位置を表し、縦軸は相対線量を表す。図７において実線は実施例１の制御点配置による線量分布を示し、点線は比較技術の制御点配置による線量分布を示す。Ｘ方向の最大走査速度が５０ｍ／sec以上であるとして、１００μｓ毎のタイミング信号で走査を行う。比較技術では、１５cmの領域、すなわちＸ軸上−７５mmから＋７５mmまでの領域を一様に照射するために、Ｘ軸上−１２５mmから＋１２５mmまで制御点を５mm間隔に配置する。このときの線量分布が図７の点線に示す線量分布である。一方、実施例１は端部で制御点の間隔を短くして中心部と比較して密に配置する。最初Ｘ方向に３mm間隔で制御点を配置し、Ｘ方向座標−１０９mm、−１０６mm、−１０３mmの三つの制御点を３mm間隔で配置する。次に制御点の間隔を１mm広げて４mmにし、−９９mm、−９５mmの二つの制御点を照射する。その後は比較技術と同様に５mm間隔で−９０mm、−８５mmという風に制御点を配置する。＋Ｘ方向の端部においても−Ｘ領域と同様に、端部の制御点の間隔を密にして、制御点を８５mm、９０mm、９５mm、９９mm、１０３mm、１０６mm、１０９mmの位置に対称に配置する。このように実施例１は−Ｘ領域の走査線端部、＋Ｘ領域の走査線端部における制御点間隔を照射野中心と比較して密に配置する。この場合の線量分布が図７に示す実線の線量分布である。図７を見ると分かるように、本実施例による線量分布は、比較技術と比較して、一様な線量分布を形成している外側の線量分布が落ちる部分の落ち方がより急峻になっていることが分かる。図７を見ると、一様な線量分布が形成されている１５cm幅の領域、すなわち−７５mmから＋７５mmの領域以外の照射量は、比較技術と比較して本実施例では、減ることは明らかである。これにより、本実施例は比較技術と比較してビームを有効に利用して同じ幅の一様な領域が形成できていることが分かる。すなわち、ビーム利用効率が向上する。

図７の拡大図を図８に表示する。図８を見ると分かるように荷電粒子ビームを±１２５mmの範囲で走査する比較例も、±１０９mmで走査する本実施例も、同じＸ方向位置で９９％の線量となっている。また、本実施例の線量の最大値は１０１％未満である。このことから、線量が一様である領域を±１％の領域で定義すると、同じ幅の一様な線量分布を形成するために、比較技術では荷電粒子ビームを±１２５mmの範囲で走査しなくてはいけないが、本実施例では±１０９mmの範囲で走査すれば良いことがわかる。

本実施例のように制御点間隔を配置すれば、一面をライン走査で照射して一様な線量分布を形成するための一面走査時間が短縮する。また別の効果として、走査電磁石の走査幅が減ることにより、最大の励磁電流値を低減することが可能となる。最大の励磁電流値を下げることにより、走査電磁石電源のコストを下げることも可能となる。

本発明の実施例１による原理を簡単な図９を用いて説明する。実施例１は複数の制御点の間隔を各走査線端部で変化させることにより、結果として端部を通過する平均速度を制御することが可能であるために、複数のガウス分布の重ね合わせにおいて、端部に位置する複数のガウス分布の照射量を増やすことが可能となる。図９において実線は各制御点に停止したガウス分布の寄与を表し、点線が複数のガウス分布を足し合わせた結果を表す。このように複数の制御点の間隔を適切に選択することにより、より細かに線量一様度を制御することが可能となる。

本実施例では、荷電粒子ビームを加速する加速器２２と、水平方向走査電磁石４１Ａと垂直方向走査電磁石４１Ｂにより照射野を形成する照射ノズル４００と、加速器２２で加速された荷電粒子ビームを照射ノズル４００に輸送するビーム輸送系３００と、走査電磁石４１Ａ、４１Ｂの少なくとも一つを励磁する電磁石電源と、走査経路に対応した制御点に基づいて走査電磁石４１に流す電流を変更する電磁石電源制御装置７１を有する粒子線治療装置において、第一の方向であるＸ方向に並ぶ制御点の間隔は中心部よりも端部の方が狭く配置されている。

この制御点は図６で示したようにＸ方向と平行な複数列状に配置され、その複数列の各列で、制御点の間隔は中心部よりも端部の方が狭く、すなわち密に配置されている。さらに、Ｘ方向以外の方向であるＹ方向に走査する際には、荷電粒子ビームがオフされている。また、Ｘ方向での走査速度がＹ方向での走査速度よりも早い。なお、電磁石電源制御装置７１はメモリを有し、このメモリが制御点データを備えている。メモリは制御点の時系列データを複数列備え、電磁石電源制御装置７１はタイミング信号を受け取るたびに走査電磁石４１に流す電流を変更している。

このように制御点をライン走査を構成する各走査線の端部で中心部と比較して密に配置することにより、加速器からのビーム電流を変化させることなく、かつ、走査電磁石による走査速度を変化させることなく、端部の線量を多くすることができる。すなわち、励磁電流パターン作成のみで簡単に端の照射量を上げることができる。この結果、ビーム利用効率が向上する。

特許文献２では、走査速度を制御することにより、端部の照射量を増加させていた。しかし、この方法は式（３）に示す走査電磁石電源の電圧Ｖをビーム走査時に細かく制御する必要があり、走査電磁石電源の制御が複雑になり、かつ、走査電磁石電源のコストが上がる課題があった。

本実施例では、式（３）に示す走査電磁石の電源電圧として一種類のものを想定する。そのため、Ｘ方向に各制御点を移動する際の走査速度は、Ｘ方向の走査線の全ての領域で同じである。また、Ｘ方向とＹ方向の走査電磁石と走査電磁石電源は、それぞれインダクタンス、電源電圧、最大電流などが異なるため、どちらか一方が速くなり、もう一方は遅くなる関係にある。特許文献２に示す方法では、各走査線でビームをオフせずに連続ビームで走査していたため、Ｙ方向に走査速度を速い方向を割り当て、走査距離が長いＸ方向に走査速度の遅い方向を割り当てていたため、一面走査時間が長くなる課題があった。本実施例は、Ｙ方向にはビームをオフすることにより、走査距離が長いＸ方向の走査に走査速度の速い方を割り当てることが可能となる。そのため、特許文献２の技術より一面走査時間を短縮することが可能となる。

本実施例を呼吸同期照射に適用した場合、一面走査時間が短縮化することにより、１ゲート期間中により多くのリペイントを実施することができるため、線量一様度が改善することが可能となる。すなわち、本実施例により呼吸同期照射において、より線量一様度の高い均一走査を実現することが可能となる。その結果、呼吸同期照射において、比較技術と同じ回数のリペイントを実施するための呼吸ゲート数を低減することができるため、治療時間を短縮することが可能となる。

［実施例２］
本発明を実施する第二の実施形態は、患部を層分割し、各層を均一走査により横方向に一様な線量分布を形成する積層原体照射を行う場合に関する。積層原体照射は、非特許文献４に示すように、患部を層に分割して各層を走査電磁石によりビーム走査することにより横方向に一様な線量分布を形成する。照射する層を変更する場合は、荷電粒子ビームのエネルギーを変更することで行う。加速器２２によるエネルギー変更、あるいは照射ノズル内のレンジシフタ４８の厚みを増減することでエネルギー変更を行う。前述したメモリは、荷電粒子のエネルギーに応じた複数層分の制御点データを備えている。

積層原体照射では、図２における照射ノズル４００において、ボーラス４７を使用し、照射野形状形成にマルチリーフコリメータ４６を使用し、リッジフィルタ４３には各層を照射するブラッグピークを拡大するためのミニリッジフィルタを用いる。各層の照射量を適切にウェイト決めすることにより、深さ方向に一様な線量分布ＳＯＢＰを形成する。治療計画装置１０４は患部を層に分割し、層毎に患部をビーム進行方向からみた患部形状を計算し、その形状に合わせるようにマルチリーフコリメータ４６の開口形状を決定する。

積層原体照射において、各層を治療計画装置１０４で決まった荷電粒子ビームのエネルギーで深さ方向の線量分布が一様になる照射量ずつ照射を行うが、このとき各層を一様な線量で照射する際、実施例１に示す均一走査と方法で照射を行う。非特許文献４では各層を単円ワブラーで照射していく方法が記述されているが、実施例１で説明したライン走査で各層を照射していくことが可能である。各層をライン走査で照射していく際の励磁電流パターンとして、図６に示すように照射野端部の制御点を密に配置する。これにより各層の横方向照射において、ビーム利用効率の向上と一面走査時間の短縮が実現できる。

５ 患者
２１ 入射器
２２ 加速器
３１ 偏向電磁石
４１ 走査電磁石
４２ 散乱体
４３ リッジフィルタ
４４ 平坦度モニタ
４５ 線量モニタ
４６ 患者コリメータ、あるいは、マルチリーフコリメータ
４７ ボーラス
４８ レンジシフタ
５１ 患部
６１ 走査電磁石電源
７１ 電磁石電源制御装置
７２ 散乱体制御装置
７３ リッジフィルタ制御装置
７４ 平坦度モニタ制御装置
７５ 線量モニタ制御装置
７６ マルチリーフコリメータ制御装置
１００ 制御装置
１０１ 加速器、ビーム輸送系制御装置
１０２ 全体制御装置
１０３ ノズル制御装置
１０４ 治療計画装置
２００ 粒子線加速器システム
３００ ビーム輸送系
４００ 照射ノズル
５００ 治療ベッド
６０１ ライン
６０２ ジグザグ走査の走査経路

Claims (7)

1. 荷電粒子ビームを加速する加速器と、
   水平方向走査電磁石と垂直方向走査電磁石により照射野を形成する照射ノズルと、
   前記加速器で加速された荷電粒子ビームを前記照射ノズルに輸送するビーム輸送系と、
   前記走査電磁石の少なくとも一つを励磁する電磁石電源と、
   走査経路に対応した制御点に基づいて前記走査電磁石に流す電流を変更する電磁石電源制御装置を有する粒子線治療装置において、
   第一の方向に並ぶ前記制御点の間隔は中心部よりも端部の方が狭く配置されていることを特徴とする粒子線治療装置。
2. 請求項１の粒子線治療装置において、
   前記制御点は前記第一の方向と平行な複数列状に配置され、
   前記複数列の各列で前記制御点の間隔は中心部よりも端部の方が狭く配置されていることを特徴とする粒子線治療装置。
3. 請求項２の粒子線治療装置において、
   前記第一の方向以外の方向に走査する際には前記荷電粒子ビームがオフされることを特徴とする粒子線治療装置。
4. 請求項２または３の粒子線治療装置において、
   前記第一の方向での走査速度が、他の方向での走査速度よりも早いことを特徴とする粒子線治療装置。
5. 請求項１から４の何れかの粒子線治療装置において、
   前記電磁石電源制御装置はメモリを有し、
   前記メモリが制御点データを備えていることを特徴とする粒子線治療装置。
6. 請求項５の粒子線治療装置において、
   前記メモリは制御点の時系列データを複数組備え、前記電磁石電源制御装置はタイミング信号を受け取るたびに前記走査電磁石に流す電流を変更することを特徴とする粒子線治療装置。
7. 請求項５または６の粒子線治療装置において、
   前記メモリは前記荷電粒子のエネルギーに応じた複数層分の制御点データを備えていることを特徴とする粒子線治療装置。