JP2014028310A - Particle beam irradiation system - Google Patents

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Yasuzo Honda
泰三 本田
Masahiro Ikeda
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an irradiation target with a dose distribution with higher accuracy at a higher speed in a particle beam irradiation system.SOLUTION: A particle beam irradiation system comprises: scanning deflection electromagnets that deflect a particle beam and perform scanning; and an energy width expansion apparatus that expands an energy width of the particle beam by causing the particle beam to pass therethrough and forms an SOBP in a depth direction serving as an irradiation direction of the particle beam of an irradiation target without changing energy of the particle beam generated by a particle beam generation section. The energy width expansion apparatus is configured so as to form the SOBP in the depth direction along whole irradiation area in the depth direction of the irradiation target without changing parameters. The energy width expansion apparatus is further configured so as to control the scanning deflection electromagnets such that an irradiation spot formed by the particle beam on the irradiation target is moved in a stepwise manner along whole irradiation area in a lateral direction of the irradiation target.

Description

この発明は、粒子線を照射して癌の治療を行うなど粒子線を応用する粒子線照射システムに関するものである。   The present invention relates to a particle beam irradiation system that applies a particle beam such as irradiating a particle beam to treat cancer.

放射線の応用の一つに癌の治療があり、最近、陽子線や炭素線などの重粒子線を癌細胞に照射して治療する粒子線治療が注目されている。まず、粒子線を照射して癌細胞を死滅させる粒子線照射の特性を説明する。各種の放射線ビームを人の体に照射した場合、その放射線ビームの体内における線量分布は図15に示すように変化する。図15に示すように、各種放射線の中、X線、ガンマ線などの光子線は、体の表面に近い部分で相対線量が最大となり、体の表面からの深さが増加するとともにその相対線量は低下する。一方、陽子線、炭素線などの粒子線は体の表面から深い部分で、それらの粒子が止まる位置、すなわちその粒子線の飛程の直前に相対線量がピーク値となる。このピーク値は、ブラッグピークBP(Bragg Peak)と呼ばれる。   One of the applications of radiation is cancer treatment, and recently, particle beam therapy for irradiating a cancer cell with a heavy particle beam such as a proton beam or a carbon beam has attracted attention. First, the characteristics of particle beam irradiation for irradiating a particle beam to kill cancer cells will be described. When various types of radiation beams are irradiated on a human body, the dose distribution in the body of the radiation beams changes as shown in FIG. As shown in FIG. 15, among various types of radiation, photon rays such as X-rays and gamma rays have a maximum relative dose near the surface of the body, the depth from the surface of the body increases, and the relative dose is descend. On the other hand, particle beams such as proton beams and carbon beams are deep portions from the surface of the body, and the relative dose reaches a peak value at a position where the particles stop, that is, immediately before the range of the particle beam. This peak value is called a Bragg peak BP.

このブラッグピークBPを、人の臓器にできた腫瘍に照射して、癌の治療を行なうのが粒子線癌治療方法である。癌以外にも、体の深い部分を治療する場合にも用いることができる。腫瘍を含む被治療部位は、一般には照射目標と呼ばれる。ブラックピークBPの位置は、照射される粒子線のエネルギーで決まり、エネルギーの高い粒子線ほどブラッグピークBPは深い位置にできる。粒子線治療では、粒子線を照射目標の全体に一様な線量分布とする必要があり、このブラッグピークBPを照射目標の全域に与えるために、粒子線の「照射体積の拡大」が行なわれる。   In the particle beam cancer treatment method, the Bragg peak BP is irradiated to a tumor formed in a human organ to treat the cancer. In addition to cancer, it can also be used to treat deep parts of the body. A treated site including a tumor is generally called an irradiation target. The position of the black peak BP is determined by the energy of the irradiated particle beam. The higher the energy of the particle beam, the deeper the Bragg peak BP. In the particle beam therapy, it is necessary to make the particle beam have a uniform dose distribution over the entire irradiation target. In order to give this Bragg peak BP to the entire irradiation target, “expansion of irradiation volume” of the particle beam is performed. .

この「照射体積の拡大」は、互いに直交するX軸、Y軸、Z軸の3つの方向において実施される。粒子線の照射方向をZ軸の方向としたとき、「照射体積の拡大」は、第1にこのX/Y軸方向において照射領域の拡大を行うもので、深さ方向と直交する横方向において照射領域の拡大を行うので、照射野拡大と呼ばれる。第2の「照射体積の拡大」は、Z軸方向で行われ、深さ方向の照射体積拡大と呼ばれる。   This “expansion of irradiation volume” is carried out in three directions of X axis, Y axis and Z axis which are orthogonal to each other. When the irradiation direction of the particle beam is the Z-axis direction, “expansion of irradiation volume” is to first expand the irradiation region in the X / Y-axis direction, and in the lateral direction orthogonal to the depth direction. This is called irradiation field expansion because the irradiation area is expanded. The second “expansion of irradiation volume” is performed in the Z-axis direction and is called irradiation volume expansion in the depth direction.

深さ方向の照射体積拡大は、粒子線の照射方向におけるブラッグピークBPの幅が、照射目標の深さ方向における拡がりに比べて狭いために、粒子線の照射方向におけるブラッグピークBPを、深さの方向に拡大するために行なわれる。一方、横方向の照射野拡大は、一般に加速器で加速した粒子線の分布サイズが、その照射方向と直交する方向における照射目標の寸法よりも小さいために、ブラッグピークBPにおける照射野をその照射方向と直交する方向に拡大するために行なわれる。これらの深さ方向の照射野拡大と、横方向の照射野拡大の方法について、現在までに種々の方法が提案されている。最近注目されている方法として、スキャニング照射法(Scanning Irradiation)がある。   In the irradiation volume expansion in the depth direction, since the width of the Bragg peak BP in the particle beam irradiation direction is narrower than the expansion in the depth direction of the irradiation target, the Bragg peak BP in the particle beam irradiation direction is reduced in depth. It is done to enlarge in the direction of. On the other hand, expansion of the irradiation field in the horizontal direction is generally such that the distribution size of the particle beam accelerated by the accelerator is smaller than the size of the irradiation target in the direction orthogonal to the irradiation direction. Is performed in order to enlarge in a direction orthogonal to Various methods have been proposed so far for the methods of expanding the irradiation field in the depth direction and expanding the irradiation field in the lateral direction. Recently, there is a scanning irradiation method (Scanning Irradiation).

スキャニング照射法では、横方向照射野拡大法として、粒子線照射装置の粒子線照射部の上流部分に設けられた偏向電磁石を用いて粒子線をXY面方向に走査し、その粒子線の照射位置を時間とともに移動させることにより、広い照射野を得る方法を用いる。この方法では、一様な線量分布は、細い径のペンシルビームの隣り合う照射スポットを適切に重ね合わせることにより得ることができる。ペンシルビームの走査方法として、時間に対して連続的に走査するラスター法、時間に対してステップ状に走査するスポット法やラスター法とスポット法を組み合せた方法などがある。   In the scanning irradiation method, as a lateral irradiation field expansion method, the particle beam is scanned in the XY plane direction using a deflecting electromagnet provided upstream of the particle beam irradiation unit of the particle beam irradiation apparatus, and the irradiation position of the particle beam A method of obtaining a wide irradiation field by moving the beam with time is used. In this method, a uniform dose distribution can be obtained by appropriately overlapping adjacent irradiation spots of a pencil beam having a small diameter. As a pencil beam scanning method, there are a raster method in which scanning is performed continuously with respect to time, a spot method in which scanning is performed stepwise with respect to time, and a method in which the raster method and the spot method are combined.

深さ方向の照射体積拡大法としては、粒子線照射装置から照射される粒子線自体のエネルギーを制御する方法が用いられる。この方法では、粒子線のエネルギーは、粒子線を加速する加速器の加速エネルギーを変えることにより制御されるか、またはレンジシフタ(Range shifter)と呼ばれる器具を、粒子線を横切るように挿入することにより、粒子線のエネルギーを変化させる。またこれらの加速器の制御と、レンジシフタを併用する方法もある。   As the irradiation volume expansion method in the depth direction, a method of controlling the energy of the particle beam itself irradiated from the particle beam irradiation apparatus is used. In this method, the energy of the particle beam is controlled by changing the acceleration energy of the accelerator that accelerates the particle beam, or by inserting an instrument called a range shifter across the particle beam, Change the energy of the particle beam. There is also a method of using these accelerators in combination with a range shifter.

この深さ方向の照射体積拡大法では、その粒子線を所定の強さのエネルギーを持ったビームとして、照射目標体積の1つの照射層にブラッグピークBPを照射した後に、粒子線のエネルギーを変化させて、照射目標体積の次の照射層にブラッグピークBPを照射する。このような操作を複数回繰返し、複数の照射層に粒子線のブラッグピークBPを照射することにより、ビーム照射方向に所望の幅を持った拡大ブラッグピークSOBP(Spread-out Bragg Peak)を得ることができる。(例えば特許文献1)   In this irradiation volume expansion method in the depth direction, the particle beam is changed to the particle beam energy after irradiating one irradiation layer of the irradiation target volume with the Bragg peak BP as a beam having a predetermined intensity of energy. The Bragg peak BP is irradiated to the irradiation layer next to the irradiation target volume. By repeating such operations a plurality of times and irradiating a plurality of irradiation layers with a Bragg peak BP of a particle beam, an expanded Bragg peak SOBP (Spread-out Bragg Peak) having a desired width in the beam irradiation direction is obtained. Can do. (For example, Patent Document 1)

以上の横方向の照射野拡大法と深さ方向の照射体積拡大法とを組み合わせた粒子線の照射方法が、一般にスキャニング照射法(Scanning Irradiation)と呼ばれている方法である。   A particle beam irradiation method combining the above-described lateral irradiation field expansion method and depth direction irradiation volume expansion method is a method generally called scanning irradiation method.

また、患者の呼吸によって患部の位置が動くことによる照射のずれを補償するため、各照射層においても時間的に分割して同一のスポット位置において複数回照射する方法が提案されている(例えば特許文献2 図11)。さらに特許文献2においては、呼吸による患部の動き考慮して呼吸位相に同期して照射線量を制御する技術も提案されている。   In addition, in order to compensate for the deviation of irradiation due to the movement of the affected part due to the patient's breathing, a method has been proposed in which each irradiation layer is divided in time and irradiated multiple times at the same spot position (for example, a patent) Reference 2 FIG. 11). Further, Patent Document 2 proposes a technique for controlling the irradiation dose in synchronization with the respiration phase in consideration of the movement of the affected part due to respiration.

特開2006−87649号公報JP 2006-87649 A 国際公開 WO2006/082651号(図11)International Publication WO 2006/082651 (Fig. 11)

以上の従来のスキャニング照射方法では、粒子線のエネルギーを複数回変更して照射する必要があるため、エネルギーの変更に時間を要し、照射時間を短縮することが難しい。
本発明は、このような課題を解決することを目的とし、スキャニング照射法による粒子線照射システムにおいて、より高速で、より精度の高い線量分布を与えることを目的とする。
In the conventional scanning irradiation method described above, since it is necessary to change the particle beam energy a plurality of times for irradiation, it takes time to change the energy, and it is difficult to shorten the irradiation time.
An object of the present invention is to solve such a problem and to provide a higher-speed and more accurate dose distribution in a particle beam irradiation system based on a scanning irradiation method.

この発明の粒子線照射システムは、粒子線を偏向して走査する走査用偏向電磁石と、粒子線を通過させることにより、通過後の粒子線のエネルギー幅を拡大して、粒子線発生部で発生される粒子線のエネルギーを変更させることなく照射目標の粒子線の照射方向である深さ方向にSOBPを形成するためのエネルギー幅拡大機器とを備え、エネルギー幅拡大機器は、パラメータを変更することなく照射目標の深さ方向の照射領域全体に亘って深さ方向のSOBPを形成するよう構成されており、粒子線が照射目標に形成する照射スポットを、上記照射目標の上記横方向の照射領域全体に亘ってステップ状に移動させるよう走査用偏向電磁石を制御するものである。   The particle beam irradiation system according to the present invention generates a beam at the particle beam generation unit by expanding the energy width of the particle beam after passing through the scanning deflection electromagnet for deflecting and scanning the particle beam and passing the particle beam. And an energy width expanding device for forming SOBP in the depth direction that is the irradiation direction of the target particle beam without changing the energy of the particle beam, and the energy width expanding device changes the parameter The SOBP is formed in the depth direction over the entire irradiation region in the depth direction of the irradiation target, and the irradiation spot formed by the particle beam on the irradiation target is set as the irradiation region in the lateral direction of the irradiation target. The scanning deflecting electromagnet is controlled so as to be moved stepwise throughout.

粒子線により形成される照射スポットを横方向に移動させて照射目標を照射するスキャニング照射において、エネルギーを変更することなく照射目標の深さ方向の照射領域全体に亘って照射するため、短時間に照射が完了でき、照射目標により精度の高い線量分布を与えることができる粒子線照射システムを提供できる。   In scanning irradiation that irradiates the irradiation target by moving the irradiation spot formed by the particle beam in the lateral direction, irradiation is performed over the entire irradiation region in the depth direction of the irradiation target without changing the energy, so in a short time It is possible to provide a particle beam irradiation system that can complete irradiation and can provide a highly accurate dose distribution according to an irradiation target.

本発明の実施の形態1による粒子線照射システムの照射領域を説明する図である。It is a figure explaining the irradiation area | region of the particle beam irradiation system by Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による粒子線照射システム全体の概略構成を示す鳥瞰図である。It is a bird's-eye view which shows schematic structure of the whole particle beam irradiation system by Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による粒子線照射システムの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the particle beam irradiation system by Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による粒子線照射システムにより拡大されたSOBPの例を示す線図である。It is a diagram which shows the example of SOBP expanded by the particle beam irradiation system by Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による粒子線照射システムの粒子線照射時のフローチャートである。It is a flowchart at the time of particle beam irradiation of the particle beam irradiation system by Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2による粒子線照射システムの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the particle beam irradiation system by Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2による粒子線照射システムの変位位相検出部の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the displacement phase detection part of the particle beam irradiation system by Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2による粒子線照射システムの動作を説明する線図である。It is a diagram explaining operation | movement of the particle beam irradiation system by Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3による粒子線照射システムの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the particle beam irradiation system by Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3による粒子線照射システムにより拡大されたSOBPの例を説明する第一の線図である。It is a 1st diagram explaining the example of SOBP expanded by the particle beam irradiation system by Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3による粒子線照射システムにより拡大されたSOBPの例を説明する第二の線図である。It is a 2nd diagram explaining the example of SOBP expanded by the particle beam irradiation system by Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3による粒子線照射システムの照射領域を説明する図である。It is a figure explaining the irradiation area | region of the particle beam irradiation system by Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4による粒子線照射システムの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the particle beam irradiation system by Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態5による粒子線照射システムの動作を説明する線図である。It is a diagram explaining operation | movement of the particle beam irradiation system by Embodiment 5 of this invention. 各種の放射線を人の体に照射した場合の放射線の体内における線量分布を示す図である。It is a figure which shows dose distribution in the body of the radiation at the time of irradiating a human body with various radiation.

実施の形態1.
図2は、この発明の実施の形態1による粒子線照射システム全体の概略構成を示す鳥瞰図、図3は図2の鳥瞰図の全体構成に制御装置などを加えて示す実施の形態1による粒子線照射システムの概略構成のブロック図である。実施の形態1による粒子線照射システムは、図2および図3に示すように、粒子線発生部10と、粒子線輸送部20と、2つの粒子線照射部30A、30Bなどを備えている。図2では、代表的に粒子線照射部が2つ青菜得られているシステムを示したが、粒子線照射部はさらに多くあっても良く、また1つであっても良い。図3では簡単のため粒子線照射部30として粒子線照射部を一つのみとしている。放射線安全管理などの運用上の都合から粒子線発生部10と、粒子線照射部30A、30Bとは、遮蔽された部屋に設置される。粒子線輸送部20は、粒子線発生部10と、各粒子線照射部30A、30Bとを連結する。粒子線輸送部20は、粒子線発生部10で発生した粒子線を粒子線照射部30A、30Bのそれぞれに輸送する粒子線輸送路21、22を有する。粒子線輸送部20は、粒子線の方向を変えるための偏向電磁石50を備え、真空ダクト内を粒子線が通過するように構成される。粒子線照射部30A、30Bは、粒子線PBを患者の目標部位へ照射するように構成される。以後、粒子線照射部30A、30Bは、粒子線照射部30として説明する。
Embodiment 1 FIG.
2 is a bird's-eye view showing a schematic configuration of the whole particle beam irradiation system according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a particle beam irradiation according to the first embodiment shown by adding a control device to the whole configuration of the bird's-eye view of FIG. 1 is a block diagram of a schematic configuration of a system. As shown in FIGS. 2 and 3, the particle beam irradiation system according to the first embodiment includes a particle beam generation unit 10, a particle beam transport unit 20, two particle beam irradiation units 30A and 30B, and the like. In FIG. 2, a system in which two green particle irradiation units are typically obtained is shown, but there may be more particle beam irradiation units or a single particle beam irradiation unit. In FIG. 3, only one particle beam irradiation unit is provided as the particle beam irradiation unit 30 for simplicity. For operational reasons such as radiation safety management, the particle beam generator 10 and the particle beam irradiation units 30A and 30B are installed in a shielded room. The particle beam transport unit 20 connects the particle beam generator 10 and the particle beam irradiation units 30A and 30B. The particle beam transport unit 20 includes particle beam transport paths 21 and 22 that transport the particle beam generated by the particle beam generation unit 10 to the particle beam irradiation units 30A and 30B, respectively. The particle beam transport unit 20 includes a deflecting electromagnet 50 for changing the direction of the particle beam, and is configured so that the particle beam passes through the vacuum duct. The particle beam irradiation units 30A and 30B are configured to irradiate the target site of the patient with the particle beam PB. Hereinafter, the particle beam irradiation units 30A and 30B will be described as the particle beam irradiation unit 30.

粒子線発生部10は、入射器11と加速器12を有する。入射器11は、陽子線または炭素線などの質量の大きな粒子を発生する。加速器12は、入射器11で発生した粒子を加速し、粒子線PBを出射する。この加速器12は、照射制御部80に備えられた加速器制御器13からの信号により制御される。この加速器制御器13は、加速器12にエネルギー制御信号を供給し、加速エネルギーを設定して加速器12から出射される粒子線PBのエネルギーを設定したり、粒子線PBを出射させる時間、強度を制御したりする。   The particle beam generator 10 includes an injector 11 and an accelerator 12. The injector 11 generates particles having a large mass such as a proton beam or a carbon beam. The accelerator 12 accelerates the particles generated by the injector 11 and emits the particle beam PB. The accelerator 12 is controlled by a signal from the accelerator controller 13 provided in the irradiation controller 80. The accelerator controller 13 supplies an energy control signal to the accelerator 12, sets acceleration energy, sets energy of the particle beam PB emitted from the accelerator 12, and controls time and intensity for emitting the particle beam PB. To do.

粒子線照射部30は、治療室を構成する。粒子線照射部30は、照射ノズル40、治療台32などを有する。治療台32は患者を仰臥位または座位の状態に保持するのに使用される。照射ノズル40は、粒子線照射部30に輸送された粒子線PBを治療台32上の患者の照射目標に向けて照射する。   The particle beam irradiation unit 30 constitutes a treatment room. The particle beam irradiation unit 30 includes an irradiation nozzle 40, a treatment table 32, and the like. The treatment table 32 is used to hold the patient in a supine or sitting position. The irradiation nozzle 40 irradiates the particle beam PB transported to the particle beam irradiation unit 30 toward the irradiation target of the patient on the treatment table 32.

図3には、実施の形態1における粒子線照射部30の照射ノズル40の具体的構成を示している。図3に示す照射ノズル40は、粒子線PBのビーム径を変化させるためのビーム径変更器44を備える。ビーム径変更器としては、例えば四極電磁石を用いたものや、薄い散乱体を用い、散乱体の厚みを変更することで照射目標におけるビーム径を変えるものなど、種々のものを用いることができる。また、ビーム径を変更したり選択したりする必要がない場合は、ビーム径変更器44が省略される場合もある。照射ノズル40は、ビーム径変更後の粒子線PBを横方向、すなわち粒子線PBの照射方向と直交するX、Y面で走査する走査用偏向電磁石41a、41b(41a、41bを合わせて、走査用偏向電磁石41と称することもある。)、この走査用偏向電磁石41を駆動する走査用偏向電磁石駆動電源45、粒子線PBの照射線量をモニタする線量モニタ42、粒子線PBのエネルギー幅を拡大するエネルギー幅拡大機器であるリッジフィルタ43を有する。その他に、例えばビーム位置モニタなども有するが本発明には直接関係ないため省略する。   In FIG. 3, the specific structure of the irradiation nozzle 40 of the particle beam irradiation part 30 in Embodiment 1 is shown. The irradiation nozzle 40 shown in FIG. 3 includes a beam diameter changer 44 for changing the beam diameter of the particle beam PB. As the beam diameter changing device, for example, various devices such as a device using a quadrupole electromagnet, a device using a thin scatterer, and changing the beam diameter at the irradiation target by changing the thickness of the scatterer can be used. If there is no need to change or select the beam diameter, the beam diameter changer 44 may be omitted. The irradiation nozzle 40 scans together the scanning deflection electromagnets 41a and 41b (41a and 41b) that scan the particle beam PB after the beam diameter change in the horizontal direction, that is, the X and Y planes orthogonal to the irradiation direction of the particle beam PB. A scanning deflection electromagnet drive power source 45 for driving the scanning deflection electromagnet 41, a dose monitor 42 for monitoring the irradiation dose of the particle beam PB, and an energy width of the particle beam PB. A ridge filter 43 which is an energy width expanding device. In addition, for example, a beam position monitor is also provided, but it is omitted because it is not directly related to the present invention.

リッジフィルタ43はそこを通過する粒子線のエネルギーを低下させるが、場所によって、粒子線が通過する厚みが異なるように設けられているため、全体として通過後の粒子線は、通過する前の粒子線のエネルギー幅よりも広いエネルギー幅を有する。よって、リッジフィルタ43を通過した後の粒子線を例えば体内に照射するとそのブラッグピークBPの位置、すなわち粒子線の飛程が拡大される。拡大されたブラッグピークBP(SOBP)(Spread-out Bragg Peak)の一例を図4に示す。図4では、SOBPが約10cmとなっている。図4のSOBPを形成するリッジフィルタを用いれば、深さ方向の幅10cmの照射目標を照射できることになる。   The ridge filter 43 reduces the energy of the particle beam passing therethrough. However, since the thickness of the particle beam passing through the ridge filter 43 varies depending on the location, the particle beam after passing as a whole is the particle before passing through. The energy width is wider than the energy width of the line. Therefore, when the particle beam after passing through the ridge filter 43 is irradiated into the body, for example, the position of the Bragg peak BP, that is, the range of the particle beam is expanded. An example of an enlarged Bragg peak BP (SOBP) (Spread-out Bragg Peak) is shown in FIG. In FIG. 4, the SOBP is about 10 cm. If the ridge filter forming the SOBP in FIG. 4 is used, an irradiation target having a width of 10 cm in the depth direction can be irradiated.

次に、図3の粒子線照射システムの動作について説明する。まず、治療計画部60において、患者毎の照射線量分布が決定されそのデータが保存されている。照射制御計算部70では、その照射線量分布のデータに基づいて、各照射スポットの照射線量が決定され、そのデータを照射制御部80の照射線量制御器14に出力する。また、照射制御計算部70では、加速器12が出射すべき粒子線のエネルギーやスポットサイズも決定し、加速器制御器13やスポットサイズ制御器15にそのデータを出力する。以上により、照射前の準備が完了する。   Next, the operation of the particle beam irradiation system of FIG. 3 will be described. First, in the treatment planning unit 60, the irradiation dose distribution for each patient is determined and the data is stored. The irradiation control calculation unit 70 determines the irradiation dose of each irradiation spot based on the irradiation dose distribution data, and outputs the data to the irradiation dose controller 14 of the irradiation control unit 80. Further, the irradiation control calculation unit 70 also determines the energy and spot size of the particle beam that the accelerator 12 should emit, and outputs the data to the accelerator controller 13 and the spot size controller 15. Thus, preparation before irradiation is completed.

次に、実際に粒子線を照射目標に照射したときの照射領域のイメージを図1に示す。図1(A)の○は、各照射スポットを示し、○の中の数字は照射スポットを走査する順番を示している。また、図1(B)は、図1(A)のA−A断面を示している。照射時のフローチャートを図5に示す。まず、準備段階において照射制御計算部70で決定されたエネルギーやスポットサイズなどが、決定値になるよう、照射制御部80を通して加速器12、ビーム径変更器44などを設定する(ST1)。次に、照射スポット1の位置に粒子線PBが照射されるよう、ビーム走査制御器16が走査用偏向電磁石駆動電源45を制御して走査用偏向電磁石41の励磁電流を設定する(ST2)。励磁電流の設定が完了した後、加速器12から粒子線を出射させ(ST3)、照射を開始する。照射が開始されると、線量モニタ42により照射される線量がカウントされる。線量カウント値は照射線量制御器14に送られる。照射線量制御器14では、照射制御計算部70から各照射スポットにおける必要照射線量値を受け取ることにより、照射スポット毎に線量カウント値が必要照射線量値に達すると線量満了の信号を照射制御計算部70に送出する(ST4)。照射スポットにおける線量が満了すると、照射制御計算部70はビーム走査制御器16に対して、粒子線を次の照射スポットに移動させるよう指令を送出し、走査用偏向電磁石41の励磁電流を次の照射スポットに対応した励磁電流に設定する(ST6)。この動作を、最終の照射スポット(図1における照射スポットn)の照射が終了(ST5)するまで繰り返
す。
Next, FIG. 1 shows an image of the irradiation area when the irradiation target is actually irradiated with the particle beam. 1A indicates each irradiation spot, and the numbers in the circles indicate the order in which the irradiation spots are scanned. FIG. 1B shows a cross section taken along the line AA of FIG. A flowchart at the time of irradiation is shown in FIG. First, the accelerator 12, the beam diameter changer 44, and the like are set through the irradiation control unit 80 so that the energy, spot size, and the like determined by the irradiation control calculation unit 70 in the preparation stage become determined values (ST1). Next, the beam scanning controller 16 controls the scanning deflection electromagnet drive power supply 45 to set the excitation current of the scanning deflection electromagnet 41 so that the position of the irradiation spot 1 is irradiated with the particle beam PB (ST2). After the setting of the excitation current is completed, the particle beam is emitted from the accelerator 12 (ST3), and irradiation is started. When irradiation is started, the dose irradiated by the dose monitor 42 is counted. The dose count value is sent to the irradiation dose controller 14. The irradiation dose controller 14 receives the necessary irradiation dose value at each irradiation spot from the irradiation control calculation unit 70, and when the dose count value reaches the necessary irradiation dose value for each irradiation spot, the irradiation control calculation unit 70 (ST4). When the dose at the irradiation spot expires, the irradiation control calculation unit 70 sends a command to the beam scanning controller 16 to move the particle beam to the next irradiation spot, and the excitation current of the scanning deflection electromagnet 41 is changed to the next. The exciting current corresponding to the irradiation spot is set (ST6). This operation is repeated until the irradiation of the final irradiation spot (irradiation spot n in FIG. 1) is completed (ST5).

以上のようにして照射された領域は図1のようになる。照射された領域は、横方向、すなわちXY方向は、走査用偏向電磁石41により照射スポットがステップ状に移動して形成される全領域となり、深さ方向、すなわちZ方向は、リッジフィルタ43により拡大された粒子線のエネルギーにより、拡大されたブラッグピークに相当する領域となる。通常のリッジフィルタによれば、粒子線のエネルギー幅はXY全領域で同一となるため、Z方向は一定の幅の領域が照射領域となる。したがって、照射スポット毎に柱状の領域が照射領域となり、全ての照射スポットによる全照射領域も、深さ方向が一定の筒状の領域となる。患部の形状が筒状に近い形状の場合、患部の深さに合った拡大ブラッグピークとなるよう、加速器12から出射される粒子線のエネルギーとリッジフィルタ43を設定することにより、エネルギーを変更することなく照射を完了することができる。従来のスポットスキャニング照射においては、照射する粒子線のエネルギーを順次変更することで、深さ方向に複数の層状の照射領域を形成して全領域を照射するようにしていた。この方法では、エネルギーを順次変更する必要があり、エネルギーの変更は、加速器12のパラメータ設定を変更したり、加速器12から出射した後に挿入するレンジシフタのパラメータを変更したりする必要があるため、時間が掛っていた。一方、本発明によれば、粒子線のエネルギーを変更する必要が無く、XY方向の1回の走査で全領域を照射できるため、短時間に照射することができ、患者の負担を軽くできるという効果がある。   The region irradiated as described above is as shown in FIG. The irradiated region is the entire region formed by moving the irradiation spot stepwise by the scanning deflecting electromagnet 41 in the horizontal direction, that is, the XY direction, and the depth direction, that is, the Z direction is expanded by the ridge filter 43. It becomes a region corresponding to the enlarged Bragg peak due to the energy of the particle beam. According to a normal ridge filter, the energy width of the particle beam is the same in the entire XY region, and therefore, a region having a constant width in the Z direction is an irradiation region. Therefore, a columnar region is an irradiation region for each irradiation spot, and all irradiation regions by all the irradiation spots are also cylindrical regions having a constant depth direction. When the shape of the affected area is close to a cylindrical shape, the energy is changed by setting the energy of the particle beam emitted from the accelerator 12 and the ridge filter 43 so that the enlarged Bragg peak matches the depth of the affected area. Irradiation can be completed without any problems. In the conventional spot scanning irradiation, the energy of the particle beam to be irradiated is sequentially changed to form a plurality of layered irradiation regions in the depth direction so that the entire region is irradiated. In this method, it is necessary to sequentially change the energy, and it is necessary to change the parameter setting of the accelerator 12 or change the parameters of the range shifter to be inserted after emission from the accelerator 12. It was over. On the other hand, according to the present invention, it is not necessary to change the energy of the particle beam, and the entire region can be irradiated by one scanning in the XY direction, so that irradiation can be performed in a short time and the burden on the patient can be reduced. effective.

実施の形態2.
図6は、この発明の実施の形態2による粒子線照射システム全体の概略構成のブロック図である。図6において、図3と同一符号は同一または相当する部分を示す。この実施の形態2は、図6に示すように、変位位相検出部90を設け、この変位位相検出部90により検出される患部の位置の変位の信号を照射制御計算部70に出力するものである。変位位相検出部90では、患者の呼吸測定または照射目標の位置検出を行ない、これらの呼吸測定または照射目標の位置検出に基づき、患部の位置判定を行なう。照射制御計算部70では、判定された患部の移動周期の位相に同期して粒子線の照射を行うように照射制御部80を制御する。患者の呼吸等により、照射目標の位置が変化するため、粒子線の照射位置が変化し、照射精度が低下する。呼気時等には照射目標の位置の変化が小さいため、この期間に照射を行うと精度が高い照射ができる。本実施の形態2では、さらに、呼気1回で、XY全照射領域に亘って照射を行う。これにより非常に精度が高い照射が可能となる。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 6 is a block diagram of a schematic configuration of the entire particle beam irradiation system according to the second embodiment of the present invention. 6, the same reference numerals as those in FIG. 3 denote the same or corresponding parts. In the second embodiment, as shown in FIG. 6, a displacement phase detector 90 is provided, and a displacement signal of the position of the affected part detected by the displacement phase detector 90 is output to the irradiation control calculator 70. is there. The displacement phase detector 90 measures the respiration of the patient or the position of the irradiation target, and determines the position of the affected area based on the respiration measurement or the position detection of the irradiation target. The irradiation control calculation unit 70 controls the irradiation control unit 80 so as to perform particle beam irradiation in synchronization with the determined phase of the moving period of the affected part. Since the position of the irradiation target changes due to patient breathing or the like, the irradiation position of the particle beam changes, and the irradiation accuracy decreases. Since the change in the position of the irradiation target is small during exhalation or the like, irradiation with high accuracy can be performed by performing irradiation during this period. In the second embodiment, irradiation is performed over the entire XY irradiation region with one expiration. This enables irradiation with very high accuracy.

図7は変位位相検出部90の一例の詳細を示すブロック図である。呼吸測定部91は、患者100の呼吸を測定して呼吸信号BSを出力するものであり、従来の粒子線照射システムまたはX線CTで使用されているものを使用することができる。この呼吸測定部91には、患者100の腹部または胸部に発光ダイオード(LED)を取付け、この発光ダイオードの発光位置の変位により呼吸を測定する方法、反射装置を用いレーザ光線により体の変位を測定する方法、患者の腹部に伸縮型抵抗を取付けてその電気特性の変化を測定する方法、患者100の呼吸する息を直接計測する方法などを用いることができる。   FIG. 7 is a block diagram showing details of an example of the displacement phase detector 90. The respiration measuring unit 91 measures respiration of the patient 100 and outputs a respiration signal BS, and can use a conventional particle beam irradiation system or an X-ray CT. A light emitting diode (LED) is attached to the respiration measuring unit 91 on the abdomen or chest of the patient 100, and the respiration is measured by the displacement of the light emitting position of the light emitting diode, and the body displacement is measured by a laser beam using a reflection device. A method of attaching a telescopic resistor to the patient's abdomen and measuring a change in its electrical characteristics, a method of directly measuring the breathing of the patient 100, and the like.

照射目標位置検出部93は、患者100内の照射目標の位置を検出して呼吸信号BSを出力するものである。この照射目標位置検出部93としては、X線源931、932と、これらに対応するX線画像取得装置941、942を使用する。X線源931、932は、患者100内の照射目標に向けてX線を照射し、X線画像取得装置941、942は、X線源931、932からのX線の画像を取得して、照射目標の位置を検出する。X線画像取得装置941、942としては、例えばイメージインテンシファイアを用いたX線テレビ装置あるいはシンチレータ板をCCDカメラで計測する方法などを使用する。照射目標は、それに対応する要所に、予め金などの金属の小片をマーカとして埋め込む方法もあり、このマーカを用いることにより、照射目標の位置の特定が容易になる。   The irradiation target position detection unit 93 detects the position of the irradiation target in the patient 100 and outputs a respiratory signal BS. As the irradiation target position detection unit 93, X-ray sources 931 and 932 and X-ray image acquisition devices 941 and 942 corresponding thereto are used. The X-ray sources 931 and 932 emit X-rays toward the irradiation target in the patient 100, and the X-ray image acquisition devices 941 and 942 acquire X-ray images from the X-ray sources 931 and 932, The position of the irradiation target is detected. As the X-ray image acquisition apparatuses 941 and 942, for example, an X-ray television apparatus using an image intensifier or a method of measuring a scintillator plate with a CCD camera is used. There is a method of embedding a small piece of metal such as gold in advance as a marker at an important point corresponding to the irradiation target. By using this marker, the position of the irradiation target can be easily specified.

呼吸測定部91および照射目標位置検出部93はともに、呼吸等に伴う照射目標の変位を検出し、呼吸信号BSを発生する。これらの呼吸信号BSは、ともに患部位置判定部95に入力される。この患部位置判定部95は、そのメモリー内に記憶された呼気/吸気の相関関係に基づき、入力された呼吸信号BSから呼吸変位をリアルタイムで判定し、ステータス信号SSを照射制御計算部70に出力する。   Both the respiration measuring unit 91 and the irradiation target position detecting unit 93 detect the displacement of the irradiation target accompanying respiration and generate a respiration signal BS. Both of these respiration signals BS are input to the affected part position determination unit 95. The affected part position determination unit 95 determines the respiratory displacement in real time from the input respiratory signal BS based on the expiration / inspiration correlation stored in the memory, and outputs the status signal SS to the irradiation control calculation unit 70. To do.

変位位相検出部90の動作の概要を図8の線図に示す。図8(a)の線図は、例えば照射目標の呼吸変位を示し、図8(b)の線図はこの変位に基づいて判定した結果のステータス信号を示す。図8(a)の線図における横破線は所定の閾値を示し、変位が所定の閾値以下の場合、患部位置判定部95は、図8(b)に示すようなステータス信号、すなわち照射可能な状態であるとの信号を出力する。照射制御計算部70は、ステータス信号に基づき以下のようにして照射を制御する。   An outline of the operation of the displacement phase detector 90 is shown in the diagram of FIG. The diagram in FIG. 8A shows, for example, the respiratory displacement of the irradiation target, and the diagram in FIG. 8B shows a status signal as a result of determination based on this displacement. The horizontal broken line in the diagram of FIG. 8A indicates a predetermined threshold value. When the displacement is equal to or smaller than the predetermined threshold value, the affected area position determination unit 95 can irradiate a status signal as shown in FIG. A signal indicating the state is output. The irradiation control calculation unit 70 controls irradiation based on the status signal as follows.

まず、照射に先立って、患者の呼吸運動等による臓器移動を変位位相検出部90により測定し、患部の移動周期の位相データを取得する。すなわち、変位位相検出部90が出力するステータス信号のデータを照射制御計算部70に登録する。照射制御計算部70では、患部の移動におけるステータス信号の時間長(以後1ゲート長と呼ぶ。)を、例えば登録された複数の1ゲート長により評価し、1ゲート長以内に患部の全照射スポットを照射するための、各照射スポットにおける照射線量率(強度)などの照射パラメータを演算により決定する。照射線量率は、各照射スポットにおける照射線量を、各スポットにおける照射許容時間で割ることで求める。照射許容時間は、1ゲート長の中で照射する時間と、照射全体におけるスポット毎の照射割合の積で求める。照射パラメータが決定された後、照射を実行するが、ステータス信号SSが出力されている間(1ゲート間)に、決定した照射パラメータを用いて照射を行う。図8(c)に、1ゲート長を拡大して、実際に各照射スポットを照射するイメージを示す。図8(c)に示すように、1ゲート長以内に照射スポット1〜照射スポットn全てを照射するようにしている。例えば照射スポット数が500、1ゲート長が1秒と評価されたとすると、全照射時間を1ゲート長以下の、例えば0.5秒として、1照射スポットの照射時間が約1msとなるように照射パラメータを決定する。   First, prior to irradiation, organ movement due to the patient's respiratory motion or the like is measured by the displacement phase detection unit 90 to obtain phase data of the movement period of the affected part. That is, the status signal data output from the displacement phase detector 90 is registered in the irradiation control calculator 70. The irradiation control calculation unit 70 evaluates the time length of the status signal in the movement of the affected part (hereinafter referred to as one gate length) by, for example, a plurality of registered one gate lengths, and all the irradiation spots of the affected part within one gate length. Irradiation parameters such as irradiation dose rate (intensity) at each irradiation spot are determined by calculation. The irradiation dose rate is obtained by dividing the irradiation dose at each irradiation spot by the irradiation allowable time at each spot. The irradiation allowable time is obtained by the product of the irradiation time in one gate length and the irradiation ratio for each spot in the entire irradiation. Irradiation is performed after the irradiation parameters are determined, and irradiation is performed using the determined irradiation parameters while the status signal SS is output (between one gate). FIG. 8C shows an image of actually irradiating each irradiation spot by enlarging one gate length. As shown in FIG. 8C, the irradiation spots 1 to n are all irradiated within one gate length. For example, assuming that the number of irradiation spots is 500 and the gate length is 1 second, the total irradiation time is 1 gate length or less, for example, 0.5 seconds, and the irradiation time of one irradiation spot is about 1 ms. Determine the parameters.

加速器12から取り出すことのできる粒子線の線量と、照射目標の大きさにもよるが、例えば、照射目標の大きさが5cm×5cm×5cm、照射線量として生物線量で5GyE、スポットサイズφ2.5mm、とすれば、照射スポットの総数約500で、0.5秒で全ての照射スポットに必要線量を照射することは、現実的に可能である。このとき、深さ方向は、リッジフィルタ43のパラメータを、所定の深さにおいてSOBPが5cmの幅となるように設定することにより、粒子線のエネルギーを変更することなく照射目標の深さ方向の照射も実現できる。よって、1ゲートで全ての照射スポットの照射を完了することができるため、照射中の照射目標の移動を最小限に抑えた照射ができ、極めて精度の
高い照射を実現できる。
Depending on the dose of the particle beam that can be extracted from the accelerator 12 and the size of the irradiation target, for example, the size of the irradiation target is 5 cm × 5 cm × 5 cm, the irradiation dose is a biological dose of 5 GyE, and the spot size is φ2.5 mm. Then, it is practically possible to irradiate all irradiation spots with the necessary dose in 0.5 seconds with a total number of irradiation spots of about 500. At this time, the depth direction is set such that the parameter of the ridge filter 43 is set so that the SOBP has a width of 5 cm at a predetermined depth, so that the energy of the particle beam is not changed. Irradiation can also be realized. Therefore, since irradiation of all irradiation spots can be completed with one gate, it is possible to perform irradiation with minimal movement of the irradiation target during irradiation, and to realize irradiation with extremely high accuracy.

なお、以上では、1ゲート内で全照射領域に必要照射線量を照射できる例を説明したが、必ずしも1ゲート内で必要照射線量が照射できなくても良い。例えば、加速器から1回の加速で取り出すことのできる粒子線の量では、例えば上記の例で、全照射領域に5GyEを照射することができない場合、複数回に分けて照射することで、全照射領域に5GyEを照射することができる。必要照射線量が5GyEである場合に、照射制御計算部70において、加速器から1回の加速で取り出すことのできる粒子線の量で全照射領域に3GyEを照射することができると評価した場合、まず、加速器における1回目の加速による粒子線により、1ゲートで、全ての照射スポットを照射して、照射目標に対して3GyEの線量を与える。次に2回目の加速による粒子線により、2回目の加速後の1ゲート内に、再び全ての照射スポットを照射して、照射目標に対して2GyEの線量を与える。このようにして、2ゲートの時間を用いて、それぞれのゲートにおいて全ての照射スポットを照射することで、合計5GyEの線量を与えることができる。このように、必ずしも1ゲート内で全線量を照射する必要はなく、複数のゲートに分けて照射しても良い。ただし、1ゲートにおいて全照射スポットを照射し、次の1ゲートにおいても全照射スポットを照射するようにしなければならない。1ゲートで全照射スポットを照射するため、吸ゲート毎に精度の高い照射を実現でき、したがって合計についても精度の高い照射線量が得られる。   In addition, although the example which can irradiate required irradiation dose to all irradiation area | regions within 1 gate was demonstrated above, the required irradiation dose does not necessarily need to be irradiated within 1 gate. For example, with the amount of particle beam that can be extracted from the accelerator with one acceleration, for example, in the above example, when it is not possible to irradiate the entire irradiation region with 5 GyE, the irradiation is performed by dividing the irradiation into multiple times. The region can be irradiated with 5 GyE. When the necessary irradiation dose is 5 GyE, when the irradiation control calculation unit 70 evaluates that 3 GyE can be irradiated to the entire irradiation region with the amount of particle beam that can be extracted from the accelerator by one acceleration, All the irradiation spots are irradiated with one gate by the particle beam by the first acceleration in the accelerator, and a dose of 3 GyE is given to the irradiation target. Next, all irradiation spots are again irradiated into one gate after the second acceleration by the particle beam generated by the second acceleration, and a dose of 2 GyE is given to the irradiation target. In this way, a total dose of 5 GyE can be given by irradiating all irradiation spots at each gate using the time of two gates. In this way, it is not always necessary to irradiate the entire dose within one gate, and irradiation may be performed in a plurality of gates. However, it is necessary to irradiate all irradiation spots in one gate and irradiate all irradiation spots in the next gate. Since all the irradiation spots are irradiated with one gate, it is possible to realize irradiation with high accuracy for each suction gate, and therefore, an irradiation dose with high accuracy can be obtained for the total.

実施の形態3.
図9は、この発明の実施の形態3による粒子線照射システムの概略構成を示すブロック図である。図9において、図3および図6と同一符号は同一または相当する部分を示す。実施の形態1および実施の形態2では、リッジフィルタ43により深さ方向に一定のSOBPを形成するようにした。患部の形状は多様なため、深さ方法に一定のSOBPを形成するだけでは適用範囲が狭い。本実施の形態3では、図9に示すように、エネルギー幅拡大機器として、コーンリッジフィルタ431とボーラス46を用いている。コーンリッジフィルタ431は、非常に細い錘状体をビームの進行方向(Z方向)が軸となるよう、ビームの進行方向と垂直なXY面内に多数配置して形成される。図9に概念的に示すように、例えば錘状体の高さを変化させることで、通過する粒子線が受ける影響がXY面内で異なり、位置によってエネルギー幅の異なる粒子線を照射目標に照射することができる。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 9 is a block diagram showing a schematic configuration of a particle beam irradiation system according to Embodiment 3 of the present invention. 9, the same reference numerals as those in FIGS. 3 and 6 denote the same or corresponding parts. In the first embodiment and the second embodiment, a constant SOBP is formed in the depth direction by the ridge filter 43. Since the shape of the affected part is various, the application range is narrow only by forming a constant SOBP in the depth method. In the third embodiment, as shown in FIG. 9, a cone ridge filter 431 and a bolus 46 are used as the energy width expanding device. The cone ridge filter 431 is formed by arranging a number of very thin spindles in the XY plane perpendicular to the beam traveling direction so that the beam traveling direction (Z direction) is an axis. As conceptually shown in FIG. 9, for example, by changing the height of the weight-like body, the influence of the passing particle beam differs in the XY plane, and the irradiation target is irradiated with a particle beam having a different energy width depending on the position. can do.

図10にコーンリッジフィルタ431通過後の粒子線によって形成されるSOBPの一例を示す。図10においてAで示される実線の曲線は、高さが高い錘状体が配置されている部分(例えば中央部分)を粒子線が通過したときに、通過後の粒子線によって形成されるSOBPであって、幅が広いSOBPとなっている。Bで示される破線の曲線は、Aの曲線で示される部分よりも高さが低い錘状体が配置されている部分(例えば中央周辺部分)を粒子線が通過したときに、通過後の粒子線によって形成されるSOBPであって、Aよりも幅が狭いSOBPとなっている。Cで示される一点鎖線の曲線は、Bの曲線で示される部分よりもさらに高さが低い錘状体が配置されている部分(例えば周辺部分)を粒子線が通過したときに、通過後の粒子線によって形成されるSOBPであって、Bよりもさらに幅が狭いSOBPとなっている。このように配置される錘状体の高さに応じてSOBPの幅が異なるが、SOBP幅が大きくなるにつれて、SOBP中心において等量の線量を得るのに必要な照射線量(照射粒子数)が大きくなり、コーンリッジフィルタの配置に応じて照射線量を調節しなければならない。上記のようにコーンリッジフィルタの配置に応じて照射線量を調整する方法としてスキャニング照射法は最適な照射方法である。   FIG. 10 shows an example of SOBP formed by the particle beam after passing through the cone ridge filter 431. The solid curve indicated by A in FIG. 10 is the SOBP formed by the particle beam after passing when the particle beam passes through the portion (for example, the central portion) where the high weight spindles are arranged. Therefore, the SOBP is wide. The broken line curve indicated by B is a particle after passing when the particle beam passes through a portion (for example, the central peripheral portion) where a weight-like body having a lower height than the portion indicated by the curve A is disposed. The SOBP is formed by lines and is narrower than A. The curve of the alternate long and short dash line indicated by C indicates that when the particle beam passes through a portion (for example, a peripheral portion) where a weight-like body having a lower height than the portion indicated by the curve B is disposed, The SOBP is formed by particle beams and is narrower than B. The width of the SOBP varies depending on the height of the spindles arranged in this way. However, as the SOBP width increases, the irradiation dose (number of irradiated particles) necessary to obtain an equivalent dose at the SOBP center increases. The exposure dose must be adjusted according to the arrangement of the cone ridge filter. As described above, the scanning irradiation method is an optimal irradiation method as a method of adjusting the irradiation dose in accordance with the arrangement of the cone ridge filter.

コーンリッジフィルタ431を通過した粒子線は、ボーラス46を通過する。ボーラスは、樹脂等で形成された制限器であり、照射目標の深さ形状に合わせて粒子線の飛程が制限されるように、ボーラスを通過する粒子線のエネルギーを制限する。図10で示すコーンリッジフィルタ431によってエネルギー幅が広げられた粒子線がボーラス46を通過することにより、図11に示すような深さ方向のSOBPを形成する粒子線となる。すなわち、例えば図10において曲線Aで示した、中央部分を通過した粒子線は、ボーラス46も中央部分を通過し、エネルギーがそれほど制限されず、図11のA1の実線で示す曲線のように、深さ300mmまでの広いSOBPを形成する。また、図10において曲線Bで示した、中央周辺部分を通過した粒子線は、ボーラス46によってエネルギーが制限されて、図11のB1の破線で示す曲線のように、深さ約270mmまでに制限されたやや狭いSOBPを形成する。さらに、図10において曲線Cで示した、周辺部分を通過した粒子線は、ボーラス46によってエネルギーが大きく制限されて、図11のC1の破線で示す曲線のように、深さ約250mmまでに制限された狭いSOBPを形成する。以上のように、XY面内で分布を有するコーンリッジフィルタ431とボーラス46を用いることで、照射目標の深さ方向に分布を有する照射領域を形成することができる。   The particle beam that has passed through the cone ridge filter 431 passes through the bolus 46. The bolus is a limiter formed of resin or the like, and limits the energy of the particle beam passing through the bolus so that the range of the particle beam is limited in accordance with the depth shape of the irradiation target. When the particle beam whose energy width is widened by the cone ridge filter 431 shown in FIG. 10 passes through the bolus 46, the particle beam forms SOBP in the depth direction as shown in FIG. That is, for example, the particle beam that has passed through the central portion shown by the curve A in FIG. 10 also passes through the central portion of the bolus 46, and the energy is not so limited, like the curve shown by the solid line A1 in FIG. A wide SOBP up to a depth of 300 mm is formed. Further, the energy of the particle beam passing through the central peripheral portion shown by the curve B in FIG. 10 is limited by the bolus 46 and limited to a depth of about 270 mm as shown by the broken line B1 in FIG. A slightly narrower SOBP is formed. Furthermore, the energy of the particle beam that has passed through the peripheral portion shown by the curve C in FIG. 10 is greatly limited by the bolus 46, and is limited to a depth of about 250 mm as shown by the broken line C1 in FIG. Formed narrow SOBP. As described above, by using the cone ridge filter 431 and the bolus 46 having a distribution in the XY plane, an irradiation region having a distribution in the depth direction of the irradiation target can be formed.

図9の粒子線照射システムにより、XY面内をスキャンして照射するスキャニング照射をした場合に形成される照射領域のイメージを図12に示す。図12(A)の○は、図1(A)と同様、各照射スポットを示し、○の中の数字は照射スポットを走査する順番を示している。また、図12(B)は、図12(A)のA−A断面を示している。図12(B)で示されるように、各照射スポットにおける深さ方向の照射領域は位置によって変化しており、エネルギー幅拡大機器であるコーンリッジフィルタ431とエネルギー制限器であるボーラス46を用いることにより、深さ方向の照射領域を照射目標の形状に合う領域とすることができることがわかる。   FIG. 12 shows an image of an irradiation region formed when scanning irradiation is performed in which the XY plane is scanned and irradiated by the particle beam irradiation system of FIG. The circles in FIG. 12A indicate the respective irradiation spots, as in FIG. 1A, and the numbers in the circles indicate the order in which the irradiation spots are scanned. FIG. 12B shows a cross section taken along the line AA in FIG. As shown in FIG. 12B, the irradiation area in the depth direction at each irradiation spot changes depending on the position, and the cone ridge filter 431 that is an energy width expanding device and the bolus 46 that is an energy limiter are used. Thus, it can be seen that the irradiation region in the depth direction can be a region that matches the shape of the irradiation target.

本実施の形態3においても、実施の形態2で説明したのと同じように、患部の移動周期を評価して、1ゲート内に全ての照射スポットを照射するよう、照射パラメータを設定して照射を実行することができる。よって、粒子線のエネルギーを変更することなく照射目標の深さ方向の照射も実現でき、1ゲートで全ての照射スポットの照射を完了することができるため、照射中の照射目標の移動を最小限に抑えた照射ができ、極めて精度の高い照射を実現できる。   Also in the third embodiment, as described in the second embodiment, the moving period of the affected part is evaluated, and irradiation parameters are set so that all irradiation spots are irradiated within one gate. Can be executed. Therefore, irradiation in the depth direction of the irradiation target can be realized without changing the energy of the particle beam, and irradiation of all irradiation spots can be completed with one gate, so movement of the irradiation target during irradiation is minimized. Irradiation can be suppressed to a very low level, and extremely accurate irradiation can be realized.

実施の形態4.
図13は、この発明の実施の形態4による粒子線照射システムの概略全体構成のブロック図である。図13において、図3、図6および図9と同一符号は同一または相当する部分を示す。粒子線のエネルギーを変更せずに、深さ方向に所定の照射領域を形成する、すなわちSOBPを形成するための構成は、種々の構成が可能である。図13においては、リッジフィルタ43とボーラス46を用いて深さ方向の照射領域を形成する構成としている。さらに、照射目標の横方向の形状に合わせた照射領域を形成するために、マルチリーフコリメータ(MLC)や患者コリメータといったコリメータを用いても良い。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 13 is a block diagram of a schematic overall configuration of a particle beam irradiation system according to Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 13, the same reference numerals as those in FIGS. 3, 6 and 9 denote the same or corresponding parts. Various configurations are possible for forming a predetermined irradiation region in the depth direction without changing the energy of the particle beam, that is, for forming the SOBP. In FIG. 13, an irradiation region in the depth direction is formed using a ridge filter 43 and a bolus 46. Furthermore, a collimator such as a multi-leaf collimator (MLC) or a patient collimator may be used in order to form an irradiation region that matches the shape of the irradiation target in the lateral direction.

従来のスキャニング照射法では、深さ方向の照射領域は粒子線のエネルギーを変更し、深さ方向に対して異なる照射領域を形成しながら照射する。これに対して、本発明においては、走査用偏向電磁石41の下流に設けたリッジフィルタなどのエネルギー幅拡大機器やエネルギー制限器であるボーラスなどを用いて、深さ方向の照射目標の全領域に亘って照射領域を形成する構成としている。この構成において横方向の照射領域を、照射スポットをスキャニングするスキャニング照射により形成することにより、例えば1ゲート内に照射目標の全領域の照射を完了することが可能となり、精度の高い照射を実現することができる。   In the conventional scanning irradiation method, the irradiation region in the depth direction is irradiated while changing the energy of the particle beam and forming a different irradiation region in the depth direction. On the other hand, in the present invention, using an energy width expansion device such as a ridge filter provided downstream of the scanning deflection electromagnet 41 or a bolus as an energy limiter, the entire irradiation target region in the depth direction is applied. The irradiation area is formed over the entire area. In this configuration, by forming the irradiation region in the horizontal direction by scanning irradiation for scanning the irradiation spot, for example, irradiation of the entire region of the irradiation target can be completed within one gate, thereby realizing highly accurate irradiation. be able to.

実施の形態5.
図14は、本発明の実施の形態5による粒子線照射システムの動作を説明する線図である。図14(a)、(b)、および(c)は、図8(a)、(b)、および(c)と同様の図である。図14(d)は、図14(c)の拡大された時間軸に対応して、加速器12から出射されるビーム強度の時間変化を示すものであり、加速器から粒子線を出射させる状態を示している。例えば、実施の形態2において、1ゲートで全照射領域を照射するようにしたが、加速器から粒子線を出射させるタイミングを、照射のタイミングと同期させるものが本実施の形態5による粒子線照射システムの動作である。
Embodiment 5 FIG.
FIG. 14 is a diagram for explaining the operation of the particle beam irradiation system according to the fifth embodiment of the present invention. FIGS. 14A, 14B, and 14C are similar to FIGS. 8A, 8B, and 8C. FIG. 14D shows the time change of the beam intensity emitted from the accelerator 12 corresponding to the enlarged time axis of FIG. 14C, and shows a state in which the particle beam is emitted from the accelerator. ing. For example, in the second embodiment, the entire irradiation region is irradiated with one gate, but the particle beam irradiation system according to the fifth embodiment synchronizes the timing of emitting the particle beam from the accelerator with the timing of irradiation. Is the operation.

まず、ゲート内の照射開始時刻t0になったら、加速器の出射可能残時間を算出し、出射可能残時間がゲート内の予定照射時間に満たなければ、出射を見送る。出射可能残時間がゲート内の予定照射時間を満たしていれば、出射を行う。患部の移動周期と加速器の運転周期を評価することで、ゲート内で全照射領域を照射し切ることができる。複数のゲートを跨いで照射領域を照射することは、患部の移動周期間で位置のばらつきがある場合、線量分布の計画外の高線量域や低線量域を原理的に発生させる。ゲート内で全照射領域を照射し切ることができることは、線量分布の精度向上に結びつく。   First, when the irradiation start time t0 in the gate comes, the remaining available time of the accelerator is calculated, and if the remaining available time does not satisfy the planned irradiation time in the gate, the emission is postponed. If the remaining available time satisfies the scheduled irradiation time in the gate, the emission is performed. By evaluating the moving period of the affected area and the operating period of the accelerator, it is possible to irradiate the entire irradiation region within the gate. Irradiating an irradiation region across a plurality of gates, in principle, generates a high-dose region and a low-dose region outside the planned dose distribution when there is a variation in position between moving periods of the affected area. Being able to irradiate the entire irradiation area within the gate leads to an improvement in the accuracy of the dose distribution.

10:粒子線発生部 11:入射器
12:加速器 13:加速器制御器
14:照射線量制御器 15:スポットサイズ制御器
16:ビーム走査制御器 20:粒子線輸送部
30、30A、30B:粒子線照射部 32:治療台
40:照射ノズル 41、41a、41b:走査用偏向電磁石
42:線量モニタ
43:リッジフィルタ(エネルギー幅拡大機器)
431:コーンリッジフィルタ(エネルギー幅拡大機器)
44:ビーム径変更器 60:治療計画部
70:照射制御計算部 80照射制御部
90:変位位相検出部 PB:粒子線
10: Particle beam generator 11: Injector 12: Accelerator 13: Accelerator controller 14: Irradiation dose controller 15: Spot size controller 16: Beam scanning controller 20: Particle beam transport unit 30, 30A, 30B: Particle beam Irradiation unit 32: treatment table 40: irradiation nozzle 41, 41a, 41b: scanning deflection electromagnet 42: dose monitor 43: ridge filter (energy width expansion device)
431: Corn Ridge Filter (Energy Width Expansion Equipment)
44: Beam diameter changer 60: Treatment planning unit 70: Irradiation control calculation unit 80 Irradiation control unit 90: Displacement phase detection unit PB: Particle beam

Claims (4)

加速器を備えた粒子線発生部と、この粒子線発生部で発生された粒子線を照射目標に照射する照射ノズルと、照射する粒子線を制御する照射制御部と、を有し、
上記照射ノズルが、上記粒子線の照射方向に直交する横方向の2次元に上記粒子線を偏向して走査する走査用偏向電磁石と、上記粒子線を通過させることにより、通過後の上記粒子線のエネルギー幅を拡大して、上記粒子線発生部で発生される粒子線のエネルギーを変更させることなく上記照射目標の上記粒子線の照射方向である深さ方向にSOBPを形成するためのエネルギー幅拡大機器とを備えた粒子線照射システムにおいて、
上記エネルギー幅拡大機器は、当該エネルギー幅拡大機器のパラメータを変更することなく上記照射目標の深さ方向の照射領域全体に亘って上記深さ方向のSOBPを形成するよう構成されており、上記照射制御部は、上記粒子線が上記照射目標に形成する照射スポットを、上記照射目標の上記横方向の照射領域全体に亘ってステップ状に移動させるよう上記走査用偏向電磁石を制御することを特徴とする粒子線照射システム。
A particle beam generation unit equipped with an accelerator, an irradiation nozzle for irradiating the irradiation target with the particle beam generated by the particle beam generation unit, and an irradiation control unit for controlling the particle beam to be irradiated,
The irradiation nozzle deflects the particle beam in a two-dimensional direction orthogonal to the irradiation direction of the particle beam and scans the scanning deflection electromagnet, and passes the particle beam, thereby passing the particle beam after passing. The energy width for forming SOBP in the depth direction, which is the irradiation direction of the particle beam of the irradiation target, without changing the energy of the particle beam generated by the particle beam generation unit In a particle beam irradiation system equipped with an enlargement device,
The energy width expansion device is configured to form the SOBP in the depth direction over the entire irradiation region in the depth direction of the irradiation target without changing the parameters of the energy width expansion device. The control unit controls the scanning deflecting electromagnet so that the irradiation spot formed by the particle beam on the irradiation target is moved stepwise over the entire irradiation region in the lateral direction of the irradiation target. Particle beam irradiation system.
上記照射目標の変位の位相を検出する変位位相検出部を備え、
上記変位位相検出部は、上記照射目標の変位が所定の位相にある間、上記照射目標に上記粒子線の照射を許可するゲート信号を出力し、上記照射制御部は、上記ゲート信号のうち一つのゲート信号が出力されている間に、上記照射スポットを、上記照射目標の上記横方向の照射領域全体に亘ってステップ状に移動させるよう上記走査用偏向電磁石を制御することを特徴とする請求項1に記載の粒子線照射システム。
A displacement phase detector for detecting the phase of displacement of the irradiation target,
The displacement phase detection unit outputs a gate signal that permits the irradiation target to irradiate the particle beam while the displacement of the irradiation target is in a predetermined phase, and the irradiation control unit outputs one of the gate signals. The scanning deflection electromagnet is controlled so that the irradiation spot is moved stepwise over the entire irradiation region in the lateral direction of the irradiation target while two gate signals are output. Item 4. The particle beam irradiation system according to Item 1.
上記加速器から粒子線を出射開始させるタイミングを、上記加速器の出射可能残時間がゲート内予定照射時間より長いかの判定結果に同期させることを特徴とする請求項2に記載の粒子線照射システム。   3. The particle beam irradiation system according to claim 2, wherein the timing of starting the emission of the particle beam from the accelerator is synchronized with a determination result of whether or not the remaining available time of the accelerator is longer than the scheduled irradiation time in the gate. 上記エネルギー幅拡大機器は上記横方向にエネルギー幅が異なる分布を有するようにエネルギー幅を拡大する素子であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の粒子線照射システム。   3. The particle beam irradiation system according to claim 1, wherein the energy width expanding device is an element that expands an energy width so that the energy width has a distribution different in the lateral direction.
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