JP2014103974A - 粒子線ビーム照射装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム位置が治療照射中にずれた場合にもビームを止めることなく、想定した照射位置に高精度でビームを照射することができる粒子線ビーム照射装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る粒子線ビーム照射装置は、ビーム生成部と、粒子線ビームを走査指示値に従って走査するビーム走査部と、複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置されるセンサ部と、各第１の線状電極から出力される第１の信号と、各第２の線状電極から出力される第２の信号とから粒子線ビームの重心位置を算出する重心位置算出部と、算出された前記重心位置と予め設定された基準走査位置との誤差を求め、前記誤差を抑制するフィードバック制御によって走査指示値を補正し、補正後の走査指示値をビーム走査部に出力する走査制御部と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭素などの重粒子線ビームや陽子線ビームなどを患部に照射し、がん治療を行う粒子線ビーム照射装置及びその制御方法に関する。

粒子線治療のさらに進んだ照射法として、体内患部を３次元格子状に切り分けて照射を行うスキャニング照射法の開発が進められている。このスキャニング照射法では、形状コリメータやボーラスを用いることなく、ビーム軸方向についても精度よく患部に合わせることが可能になり、従来の２次元的照射方法と比較して正常細胞への被曝を抑制することができる。

現状では、照射ポイントを変更する時にビーム出射を停止させるスポットスキャニング照射法と、照射ポイントを変更する時にビーム出射を停止させないラスタースキャニング法が検討されている。

スキャニング照射法において正しい位置にビームが照射されていることを保証するため、照射ポートには位置モニタが配備されている。

スキャニング照射用の位置モニタは、例えば、多数のストリップに区切られた収集電極が電離箱に収納された構成を持つ。これらのストリップには各々、計測回路が接続されている。計測回路の内部には積分部が設けられ、照射スポット毎に、各ストリップに収集された電荷に相当する電気量が貯えられる。積分部から出力される電圧は、Ａ／Ｄ変換器（以下「ＡＤＣ回路」と記す）によりデジタル信号として取り出される。そして、これらデジタル信号に対して重心計算などの演算を施すことによって、スポット位置を算出する。

万が一、スキャニング電磁石電源の電流設定異常や、上流の加速器からスキャニング装置までのビーム輸送部分でのビーム位置ずれなどにより、予め決められた照射予定位置と、位置モニタで測定された位置に相違が発生した場合は、スキャニング制御装置内の位置監視機構（ここでは位置モニタコントローラと呼ぶことにする）によりインターロック信号が出力され、治療照射は一時中断される。

特開２０１１−１６１０５６号公報

スキャニング照射法では、スキャニング装置に入射されるビームが、中心軸を通過するものと想定して照射用のパラメータを予め設定しているため、上流の加速器からスキャニング装置までの間でビーム軌道がずれてしまった場合、想定した照射予定位置にビームを照射することが出来ない。このような場合、前述した位置モニタにより、位置のずれが許容範囲を超えた場合にインターロック信号が出力され、治療照射を中断する。しかしながら、異常で照射を停止（中断）した場合は、再照射をする際に、再度、経過観察を経て計画からやり直す必要があり、かなりの労力と時間が必要となり、できる限りビーム照射を止めたくないという要望がある。

また、位置のずれが許容範囲を超えていなくても、スポット毎の照射位置がずれることにより、患部内の照射線量にムラが出来てしまうため、極力位置ずれを少なくしたいという要望がある。

上記課題を解決するため、本発明に係る粒子線ビーム照射装置は、粒子線ビームを生成するビーム生成部と、生成された前記粒子線ビームを走査指示値に従って２次元走査するビーム走査部と、前記粒子線ビームの走査位置を検出するセンサ部であって、複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置されるセンサ部と、前記各第１の線状電極から出力される第１の信号と、前記各第２の線状電極から出力される第２の信号とから前記粒子線ビームの重心位置を算出する重心位置算出部と、算出された前記重心位置と予め設定された基準走査位置との誤差を求め、前記誤差を抑制するフィードバック制御によって前記走査指示値を補正し、補正後の走査指示値を前記ビーム走査部に出力する走査制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る粒子線ビーム照射装置及びその制御方法によれば、スキャニング装置に入射されるビームの位置が治療照射中にずれていった場合にもビームを止めることなく、想定した照射位置に精度良くビームを照射することが可能となる。

本発明に係る粒子線ビーム照射装置の構成例を示す図。 ストリップ型の位置モニタ部の構成例を示す図。 スライス内のビーム走査経路の一例を示す図。 第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の動作例（スポットスキャニング照射法）を示すフローチャート。 第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の動作タイミング（スポットスキャニング照射法）の一例を示すタイミングチャート。 重心位置算出の概念を模式的に示す図。 重心位置算出部を含むビーム形状算出部の細部構成例を示すブロック図。 第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置のフィードバック制御のタイミングを示す図。 第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の動作例（ラスタスキャニング照射法）を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の動作例（スポットスキャニング照射法）を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の動作タイミング（スポットスキャニング照射法）の一例を示すタイミングチャート。 第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の動作例（ラスタスキャニング照射法）を示すフローチャート。

本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。

（１）構成
図１は、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１の構成例を示した図である。粒子線ビーム照射装置１は、ビーム生成部１０、出射制御部２０、ビーム走査部３０、Ｘ用電磁石３０ａ、Ｙ用電磁石３０ｂ、線量モニタ部４０、位置モニタ部（センサ部）５０、リッジフィルタ６０、レンジシフタ７０、制御部８０、ビーム形状算出部９０、記憶部９７、表示部９８等を備えて構成されている。制御部８０はその内部構成として走査制御部８１を有しており、またビーム形状算出部９０はその内部構成として重心位置算出部９１を有している。

粒子線ビーム照射装置１は、炭素等の粒子や陽子等を高速に加速して得られる粒子線ビームをがん患者１００の患部２００に向けて照射し、がん治療を行う装置である。粒子線ビーム照射装置１では、患部２００を３次元の格子点に離散化し、各格子点に対して細い径の粒子線ビームを順次走査する３次元スキャニング照射法を実施することが可能である。具体的には、患部２００を粒子線ビームの軸方向（図１右上に示す座標系におけるＺ軸方向）にスライスと呼ばれる平板状の単位で分割し、分割したスライスＺ_ｉ、スライスＺ_ｉ＋１、スライスＺ_ｉ＋２等の各スライスの２次元格子点（図１右上に示す座標系におけるＸ軸及びＹ軸方向の格子点）を順次走査することによって３次元スキャニングを行っている。

ビーム生成部１０は、炭素イオンや陽子等の粒子を生成すると共に、シンクロトロン等の加速器（主加速器）によってこれらの粒子を患部２００の奥深くまで到達できるエネルギーまで加速して粒子線ビームを生成している。

出射制御部２０では、制御部８０から出力される制御信号に基づいて、生成された粒子線ビームの出射のオン、オフ制御を行っている。

ビーム走査部３０は、粒子線ビームを第１の方向（Ｘ方向）及び第１の方向と直交する第２の方向（Ｙ方向）に偏向させ、スライス面上を２次元で走査するものであり、Ｘ方向に走査するＸ用電磁石３０ａとＹ方向に走査するＹ用電磁石３０ｂの励磁電流を制御している。

線量モニタ部４０は、照射する線量をモニタするためのものであり、その筐体内に、粒子線の電離作用によって生じた電荷を平行電極で収集する電離箱や、筐体内に配置された二次電子放出膜から放出される二次電子を計測するＳＥＭ（Secondary Electron Monitor）装置等によって構成されている。

リッジフィルタ６０は、ブラッグピークと呼ばれる体内深さ方向における線量のシャープなピークを拡散させるために設けられている。ここで、リッジフィルタ６０によるブラッグピークの拡散幅は、スライスの厚み、即ちＺ軸方向の格子点の間隔と等しくなるように設定される。

レンジシフタ７０は、患部２００のＺ軸方向の照射位置を制御する。レンジシフタ７０は、例えば複数の厚さのアクリル板から構成されており、これらのアクリル板を組み合わせることによってレンジシフタ７０を通過する粒子線ビームのエネルギー、即ち体内飛程を患部２００スライスのＺ軸方向の位置に応じて段階的に変化させることができる。レンジシフタ７０による体内飛程の大きさは通常等間隔で変化するように制御され、この間隔がＺ軸方向の格子点の間隔に相当する。なお、体内飛程の切り替え方法としては、レンジシフタ７０のように粒子線ビームの径路上に減衰用の物体を挿入する方法のほか、ビーム生成部１０の制御によって粒子線ビームのエネルギー自体を変更する方法でもよい。

位置モニタ部５０は、ビーム走査部３０によって走査された粒子線ビームが正しい位置にあるかどうかを識別するためのものである。線量モニタ部４０と類似した電荷収集用の平行電極を有している。位置モニタ部５０の電荷収集用電極は、線状電極（例えば複数の短冊状の電極や、複数のワイヤからなる電極）がＸ方向及びＹ方向に夫々並列に配列されている。複数の短冊状電極が配列されたものはストリップ型と呼ばれ、複数のワイヤ電極が配列されたものはマルチワイア型と呼ばれる。

図２は、ストリップ型の位置モニタ部５０の構成例を示す図である。図２に示すように、位置モニタ部５０は、複数の短冊状電極（複数の第１の線状電極５０ａ）がＸ軸方向（第１の方向）に並列配置され、複数の短冊状電極（複数の第２の線状電極５０ｂ）がＹ軸方向（第１の方向と直交する第２の方向）に並列配置されている。

制御部８０は、粒子線ビーム照射装置１全体の制御を行う他、格子点毎（スポット毎）の照射線量測定、スポット毎の照射位置の健全性確認、出射制御部２０に対するビーム出射のオン、オフ制御、ビーム走査部３０に対するビーム走査に関する指示、レンジシフタ７０に対するスライス変更に伴うレンジシフタ厚の制御等を行っている。

ビーム形状算出部９０は、後述するように、位置モニタ部５０から出力される信号に基づいて粒子線ビームの形状を走査プロファイルとして算出する他、粒子線ビームの重心位置を重心位置算出部９１にて算出している。

本実施形態の粒子線ビーム照射装置１では、ビーム形状算出部９０内の重心位置算出部９１から出力される重心位置と、予め定められた基準走査位置とを用いたフィードバック制御によってビーム走査を行っている。このフィードバック制御は、制御部８０内のビーム走査制御部８１で主に行っており、この動作については後述する。

制御部８０とビーム形状算出部９０の各種の機能は、本装置１が具備するプロセッサ（図示せず）に所定のプログラムを実行させて実現することができる。或いは、ＡＳＩＣ等のハードウェアで構成してもよいし、ハードウェアとソフトウェアとを組み合わせて実現してもよい。

（２）ビーム走査制御（第１の実施形態）
図３は、スライス上の走査パターンの一例を示す図である。左上の開始格子点から右下の最終格子点に到る軌跡パターンが治療計画で予め定められ、この軌跡パターンにそって一方向に順次粒子線ビームが走査されていく。

前述したように、スキャニング照射法には、スポットスキャニング照射法とラスタースキャニング照射法がある。本実施形態では、どちらの照射法も実施可能に構成されている。スポットスキャニング照射法のときには、スポット位置（図３に丸印で示す照射格子点の位置）を変更する時にビーム出射を一時的に停止させ、次のスポット位置への移動が完了したのちにビーム照射を再開する。一方、ラスタースキャニング照射法の場合には、スポット位置を変更する時にもビーム出射を一時停止させず、スポット位置変更中もビーム出射を継続する。なお、スポットスキャニング照射法とラスタースキャニング照射法のいずれにおいても、スライスを変更するときにはビーム出射を停止する。

図４は、第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１の動作例を示すフローチャートである。また、図５は、第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１の動作タイミングの一例を示すタイミングチャートである。図４及び図５はいずれもスポットスキャニング照射法に対応する動作となっている。

照射手順に必要となる各諸元は、例えば照射パターンファイルと呼ばれるデータファイルに記述され、治療照射の開始前に制御部８０に転送される。照射パターンファイルには、格子点毎に、スライス位置を与えるレンジシフタ厚、格子点（X、Y）に対応するビーム位置（基準走査位置）を与えるＸ用電磁石３０ａやＹ用電磁石３０ｂの駆動電流値、各格子点に対する照射線量等が照射順に記述されている。

制御部８０は、転送された照射パターンファイルを読み出して、ステップＳＴ１以下の処理を開始する。

まず、患部をビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、分割されたスライスの１つが選択される。最初は例えば患部の最も深い位置にあるスライスＺｉが選択される。また選択されたスライスの位置に応じて粒子線ビームの入射エネルギーとレンジシフタ７０におけるアクリル板の組み合わせが選択、設定される（ステップＳＴ１）。

次に、最深スライスにおける患部形状に応じて粒子線ビームを照射する格子点の数Ｍと格子点の位置（Ｘi、Ｙi）［ｉ=１〜Ｍ］、即ち照射対象のスポット（走査指示値）が選択される。そして、選択されたスライス上のスポット（Ｘi、Ｙi）へ粒子線ビームが指向するように走査指示値が設定される。より具体的には、スライス上のスポット（Ｘi、Ｙi）へ粒子線ビームが指向するように、スポット（Ｘi、Ｙi）に対応する励磁電流Ｉ_Ｘ及びＩ_Ｙが、Ｘ用電磁石３０ａ及びＹ用電磁石３０ｂに夫々印加される（ステップＳＴ２）。

図５の（ａ）及び（ｂ）は、あるスポット（Ｘi-1、Ｙi-1）等から次のスポット（Ｘi、Ｙi）等へスポット位置を切り替えるときの励磁電流Ｉ_Ｘ及びＩ_Ｙの変化の様子を例示している。図５に示す例では、スポットi-1とスポットiとでは、Ｙ方向の位置は同じでＸ方向の位置が異なっている。このため、スポットi-1からスポットiへの切り替え期間中は励磁電流Ｉ_Ｘだけが変化し、励磁電流Ｉ_Ｙ及は変化しない。スポットiへの切り替えが完了すると、励磁電流Ｉ_Ｘ及びＩ_Ｙはいずれも一定の値となる。このとき印加される励磁電流Ｉ_Ｘ及びＩ_Ｙは、予め計画された基準走査位置に対応する電流であり、後述するフィードバック制御が施されていない、補正前の走査位置に対応する電流である。

励磁電流Ｉ_Ｘ及びＩ_Ｙが予め計画された基準走査位置に対応する電流値に達すると、励磁電流の駆動電源（図示せず）から、図５（ｇ）に示すようなスポット切替完了信号が出力される。このスポット切替完了信号を受信すると（ステップＳＴ３のYES）、制御部８０は出射制御部２０に対して粒子線ビームの出射を指示し、粒子線ビームの出射が開始される（ステップＳＴ４）。粒子線ビームは、Ｘ用電磁石３０ａ、Ｙ用電磁石３０ｂによって設定されたスポット（Ｘi、Ｙi）に向かうべく、Ｘ用電磁石３０ａ、Ｙ用電磁石３０ｂによって偏向される。

Ｘ用電磁石３０ａ、Ｙ用電磁石３０ｂで偏向された粒子線ビームは、線量モニタ部４０と位置モニタ部５０を通過する。その後、リッジフィルタ６０によって、体内飛程分布幅がスライス幅に対応するようエネルギー分布がＺ軸方向に拡大され、さらにレンジシフタ７０を通過して患部２００に到る。

前述したように、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１では、粒子線ビームの通過に伴って位置モニタ部５０から出力される信号を用いて、粒子線ビームの実際の重心位置を推定（算出）している（ステップＳＴ５）。

図６は、重心位置算出の概念を模式的に示した図である。図６（或は図２）に示すように、位置モニタ部５０では、ストリップ状の電極がＸ方向とＹ方向に多数並べて配置されており、通過する粒子線ビームの線量に対応するレベルの信号が各ストリップから出力される。粒子線ビームのビームは複数のストリップに跨っているため複数のストリップから信号が出力されるが、各信号は、各ストリップの位置における粒子線ビームの形状に対応する強度をもつ。

ビーム形状算出部９０の重心位置算出部９１は、各ストリップから出力される信号を用いて、重心位置、即ち、粒子線ビームのピークの位置を算出する。

図７は、ビーム形状算出部９０の細部構成を示すブロック図である。位置モニタ部５０のＸ電極５０ａ、Ｙ電極５０ｂの数（チャンネル数）は、特に限定するものではないが、以下では、Ｘ方向、Ｙ方向のチャンネル数が共に１２０チャンネルである場合を例として説明する。

Ｘ電極５０ａの出力電流は、電流電圧変換（ＩＶ変換）回路９１１ａで電圧に変換され、増幅器９１２ａで適宜の電圧に増幅された後、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）９２ａでデジタル信号に変換される。次段のデータ補正処理部９３ａは、このデジタル信号に対してオフセット補正処理や平均化処理を施して、重心位置算出部９１ａに入力される。

上記のＩＶ変換回路９１１ａ、増幅器９１２ａ、ＡＤＣ９２ａ、及びデータ補正処理部９３ａは、Ｘ電極５０ａの夫々に対して設けられており、本例では、１２０チャンネル分としている。

Ｙ電極５０ｂの夫々に対しても、同様に、１２０チャンネル分のＩＶ変換回路９１１ｂ、増幅器９１２ｂ、ＡＤＣ９２ｂ、及びデータ補正処理部９３ｂが設けられており、データ補正処理部９３ｂの各出力は重心位置算出部９１ｂに入力される。

重心位置算出部９１ａ、９１ｂでは、オフセット補正処理や平均化処理が施されたＸ方向、Ｙ方向の各チャンネル信号の振幅値から、粒子線ビームのＸ方向の重心位置と、Ｙ方向の重心位置を夫々算出している。算出された重心位置は、制御部８０の走査制御部８１に出力される。

一方、１次元ビーム形状（Ｘ）抽出部９５ａは、算出されたＸ方向重心位置の周辺の複数のＸチャンネル信号の振幅値からＸ方向の１次元ビーム形状を求めている。１次元ビーム形状（Ｙ）抽出部９５ｂも同様にＹ方向の１次元ビーム形状を求めている。

２次元ビーム形状算出部９６は、上記のようにして得られたＸ方向及びＹ方向の夫々の１次元ビーム形状Ｆ（Ｘｉ）とＦ（Ｙｊ）の積から２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を求めている。

算出された２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）は記憶部９７に転送される。記憶部９７に累積記憶された線量プロファイルは、例えばスライス単位で表示部９８に送られ、記憶部９７の記憶領域に対応する表示部９８の画面Ｗにスライス単位の線量プロファイルが視認容易に表示される。

次に、第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１のフィードバック制御（図４のステップＳＴ５乃至ステップＳＴ８）について説明する。

スキャニング照射法では、スキャニング装置（出射制御部２０よりも下流にある各ユニットで構成される装置）に入射されるビームが中心軸を通過するものと想定して照射用のパラメータ（パターン）を予め設定している。このため、治療照射を行う前にビーム軌道の調整を行い、ビームが中心軸を通過するように設定してから照射を行っているが、照射中に上流の加速器や輸送ラインの要因により入射ビーム軌道がずれてしまった場合、想定した照射予定位置からずれた位置に照射することになってしまう。

そこで、従来の手法では、重心計算結果が想定した照射位置とずれた場合には制御部８０でビーム位置の異常を判定することにより、照射を中断することにしている。ビーム位置異常判定処理は、許容誤差の範囲内であれば照射を継続させるが、許容誤差を大きく取ると、実際に照射位置がずれた場合に患部内の照射線量にムラが出来てしまうため、好ましくない。一方、異常により照射を停止（中断）した場合は、再照射をする際に、再度、経過観察を経て計画からやり直す必要があり、かなりの労力と時間が必要となる。

これに対して、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１では、照射中に上流の加速器や輸送ラインの要因により入射ビーム軌道ずれてしまっても、ビーム照射の停止をできる限り抑えながら、精度良く設定位置にビームを照射することが可能となるよう、フィードバック制御を用いてビーム位置を補正する手段を設けている。

ここでのフィードバック制御は、ステップＳＴ５で算出された重心位置と、治療計画として予め設定されている基準走査位置との差（即ち、誤差ΔＸ、ΔＹ）が小さくなるようにビーム位置を補正するものである。

図８は、第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１のフィードバック制御のタイミングを示す図である。図８（ａ）乃至図８（ｄ）に示すように、第１の実施形態のフィードバック制御では、ビームのスポット位置が切り替わる毎に１回の補正処理を行ってビーム位置の更新を行っている。具体的には、以下に説明する各ステップの処理によってビーム位置を更新している。

ステップ５では、図８（ｃ）（或は図５（ｈ））に示すように、スポットの切り替えタイミングに因らず、一定周期、例えば５μｓ周期、で重心位置を算出している。重心位置の算出は重心位置算出部９１（９１ａ、９１ｂ）で行われる。

ステップＳＴ６では、走査指示値（基準走査位置）と重心位置との誤差ΔＸ、ΔＹを算出するが、誤差算出には、図８（ｄ）に示すように、ビーム切り替え直後、即ち、ビーム切替完了信号の直後の１つの重心位置が抽出されて用いられる。

ステップＳＴ７では、補正後の走査指示値を算出している。より具体的には、補正後の走査指示値に対応する補正後の励磁電流Ｉ_Ｘ及びＩ_Ｙを算出している。そして、ステップＳＴ８において、補正後の励磁電流Ｉ_Ｘ及びＩ_ＹをＸ用電磁石３０ａ及びＹ用電磁石３０ｂに夫々印加することで、走査指示値の更新を行っている。

第１の実施形態では、各照射スポットの照射時間（おおむね数十μｓ〜数十ｍｓの範囲である）に比べてビーム位置のずれ量の変化スピードが遅い、例えば、数ｓ〜数十ｓ程度の場合を想定している。このように、ビーム位置のずれ量の変化スピードが遅い場合は、スポット位置が切り替わる毎に１回の補正処理を行うフィードバック制御でも、ビーム位置を基準走査位置に合致させることが十分可能であり、演算負荷を必要最小限に抑えることができる。また、上記のようにビーム位置のずれ量の変化スピードが遅い場合は、フィードバック制御として、比例制御と積分制御からなるＰＩ制御のみで補正が可能である。以下に示す式（１）は、ステップＳＴ７で行うＰＩ制御の演算式の一例を示すものである。なお、式（１）はＸ方向についての計算になっているが、Ｙ方向についても、同様の補正処理を行う。

式（１）では、スポット切り替え完了の直後に得られた重心位置と基準走査位置との誤差（ΔＸ、ΔＹ）から、ビーム走査部３０に出力する補正後の電磁石電源設定電流値を算出している。比例ゲインαと積分ゲインβは、入射するビームのエネルギーによって変わるため、粒子線ビームのエネルギーを変えた場合には、比例ゲインαと積分ゲインβもこれに応じて切り替えた方が好ましい。具体的には、粒子線ビームのエネルギーと比例ゲインα、積分ゲインβとが予め関連付けられた参照テーブルを使用することによって、粒子線ビームのエネルギーに対応付けられ比例ゲインαと積分ゲインβを得ることができる。

式（１）によって算出された補正後の励磁電流Ｉ_Ｘ及びＩ_ＹをＸ用電磁石３０ａ及びＹ用電磁石３０ｂに夫々印加することで、ビーム切替完了の直後に、粒子線ビームの中心と基準走査位置とが合致するように粒子線ビームの位置を補正することができる。位置の補正された粒子線ビームは、線量モニタ部４０を通って患部２００に照射される。

線量モニタ部４０は、通過する粒子線ビームの単位時間あたりの線量を測定し、制御部８０に出力する。制御部８０は、図５（ｄ）に示すように、線量モニタ部４０の出力を積算して当該スポットに対する線量を逐次求め、この線量が治療計画で規定された線量に達すると線量満了信号（図５（ｅ））を発生する。

図４に戻り、線量満了信号が発生されると（ステップＳＴ９のＹＥＳ）、制御部８０は、ビーム出射停止の指令を出射制御部２０に出力する。この指令によってビーム出射が停止される（ステップＳＴ１０）。

ステップＳＴ２乃至ステップＳＴ１０の処理は、選択されたスライス内の各スポットに対して繰り返し行われ、スライス内の最終スポットに対する処理が終了すると（ステップＳＴ１１のＹＥＳ）、当該スライスが最終スライスか否かの判定が行われる。最終スライスでない場合は（ステップＳＴ１２のＮＯ）、ステップＳＴ１に戻って次のスライスが選択され、スライスの切り替えが行われる。その後、ステップＳＴ２乃至ステップＳＴ１１の各処理が選択されたスライスの各スポットに対して繰り返し行われる。最終スライスに対する照射が完了すると（ステップＳＴ１２のＹＥＳ）、総ての処理を終了する。

上述したように、第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１は、スキャニング装置に入射されるビームの位置が治療照射中にずれていっても、ビーム走査部３０の励磁電流値をフィードバック制御によって補正する構成となっている。この結果、計画した照射位置（基準走査位置）に正確にビームを照射することが可能となり、スキャニング装置に入射されるビーム位置がずれたことによる治療照射の中断を抑えることができる。また、照射位置精度も向上する為、患部内の照射線量のムラを軽減することが可能となる。

前述したように、図４はスポットスキャニング照射法に対応するフローチャートである。これに対して、図９は第１の実施形態をラスタースキャニング照射法に適応したフローチャートである。図９と図４のフローの相違点は、ビーム出射開始（ステップＳＴ４）とビーム出射停止（ステップＳＴ１０）の処理順序だけであり、その他は全く同じものであるため説明を省略する。ラスタースキャニング照射法においても、上述したスポットスキャニング照射法と同様の技術的効果が得られる。

（３）ビーム走査制御（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１の動作例を示すフローチャートである。また、図１１は、第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１の動作タイミングの一例を示すタイミングチャートである。図１０及び図１１はいずれもスポットスキャニング照射法に対応する動作となっている。

第２の実施形態と第１の実施形態との第１の相違点は、フィードバック制御の実施タイミングである。前述したように、第１の実施形態ではビームのスポット位置が切り替わる毎に１回の補正処理を行ってビーム位置の更新を行っている。つまり、同一スポットに対して一回のフィードバック制御を実施している。これに対して、第２の実施形態では、図１１に示すように、同一スポットに対して、複数回のフィードバック制御を一定周期で繰り返し実施するものとしている。

第２の相違点は、第１の実施形態におけるフィードバック制御がＰＩ制御であるのに対して、第２の実施形態におけるフィードバック制御は、比例制御と積分制御に加えて微分制御も行うＰＩＤ制御である点にある。

前述したように、第１の実施形態では、各照射スポットの照射時間（おおむね数十μｓ〜数十ｍｓの範囲である）に比べてビーム位置のずれ量の変化スピードが遅い、例えば、数ｓ〜数十ｓ程度の場合を想定している。これに対して、第２の実施形態では、各照射スポットの照射時間（おおむね数十μｓ〜数十ｍｓ）に比べてビーム位置のずれ量の変化スピードが同程度、もしくは早い、例えば、十数μｓ〜数十ｍｓ程度、の場合を想定している。このように、１つのスポットを照射している間においても大きく変化しうるビーム位置を補正するには、制御が多少複雑になったとしても、ＰＩ制御よりもＰＩＤ制御の方が有効であり、また、１つのスポットに対する照射時間よりも短い繰返し周期で実施するフィードバック制御が有効である。

図１０のフローチャート（第２の実施形態）は、図４のフローチャート（第１の実施形態）に対して、ステップＳＴ２５乃至ステップＳＴ２９の処理が異なり、その他のステップは同じである。そこで、以下は、ステップＳＴ２５乃至ステップＳＴ２９について説明する。

ステップＳＴ２５における重心位置算出処理は、実質的に第１の実施形態のステップＳＴ５と同じであり、スポットの切り替えタイミングに因らず、一定周期、例えば５μｓ周期、で行われる。

一方、ステップＳＴ２６では、走査指示値（基準走査位置）と重心位置との誤差ΔＸ、ΔＹを算出するが、誤差算出には、図１１（ｄ）に示すように、ビーム切り替え直後、即ち、ビーム切替完了信号の直後から線量満了信号が受信されるまでの間、算出された複数の重心位置が抽出されて用いられる。例えば、ビーム切替完了信号の直後から線量満了信号が受信されるまでの間に５μｓ周期で算出された総ての重心位置が誤差算出に用いられる。

次のステップＳＴ２７では、補正後の走査指示値を算出している。より具体的には、補正後の走査指示値に対応する補正後の励磁電流Ｉ_Ｘ及びＩ_Ｙを、以下に示す式（２）を用いて算出している。式（２）は、ステップＳＴ２７で行うＰＩＤ制御の演算式の一例を示すものである。式（２）はＸ方向についての計算になっているが、Ｙ方向についても、同様の補正処理を行う。

式（２）に示すＰＩＤ制御の演算は、スポットが切り替わる都度行われることに加えて、同一スポットにおいても、一定周期、例えば、重心位置の算出周期と同じ５μｓ周期で繰り返し行われる（ステップＳＴ２８、ステップＳＴ２９）。式（２）によって算出された補正後の励磁電流Ｉ_Ｘ及びＩ_ＹをＸ用電磁石３０ａ及びＹ用電磁石３０ｂに夫々印加することで、同一スポット期間中に変化するビーム位置に対しても、粒子線ビームの中心と基準走査位置とが常に合致するように粒子線ビームの位置を補正することができる。

なお、比例ゲインα、積分ゲインβ及び微分ゲインγは、入射するビームのエネルギーによって変わるため、粒子線ビームのエネルギーを変えた場合には、比例ゲインα、積分ゲインβ及び微分ゲインγもこれに応じて切り替えた方が好ましく、具体的には、第１の実施形態と同様に、参照テーブルを使用することによって、粒子線ビームのエネルギーに対応付けられ比例ゲインα、積分ゲインβ及び微分ゲインγを得ることができる。

上述したように、第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１は、スキャニング装置に入射されるビームの位置が治療照射中にずれていっても、また、同一スポット照射期間中に早い変化でずれた場合においても、ビーム走査部３０の励磁電流値をフィードバック制御によって補正する構成となっている。この結果、計画した照射位置（基準走査位置）に正確にビームを照射することが可能となり、照射ビーム位置がずれたことによる治療照射の中断を抑えることができる。また、照射位置精度も向上する為、患部内の照射線量のムラを軽減することが可能となる。

図１０はスポットスキャニング照射法に対応するフローチャートであるが、図１２は第２の実施形態をラスタースキャニング照射法に適応したフローチャートである。図１２と図１０のフローの相違点は、ビーム出射開始（ステップＳＴ２４）とビーム出射停止（ステップＳＴ３０）の処理順序だけであり、その他は全く同じものであるため説明を省略する。ラスタースキャニング照射法においても、上述したスポットスキャニング照射法と同様の技術的効果が得られる。

なお、上記の各実施形態において、算出した重心位置と基準走査位置との差が極端に大きい場合は、何らかの深刻な異常が装置内に発生したものと考えられるため、ビーム出射を停止させる処理を各実施形態に付加してもよい。

１ 粒子線ビーム照射装置
１０ ビーム生成部
２０ 出射制御部
３０ ビーム走査部
３０ａ Ｘ用電磁石
３０ｂ Ｙ用電磁石
４０ 線量モニタ部
５０ 位置モニタ部
５０ａ 位置モニタ部のＸ電極
５０ｂ 位置モニタ部のＹ電極
６０ リッジフィルタ
７０ レンジシフタ
８０ 制御部
８１ 走査制御部
９０ ビーム形状算出部
９１ 重心位置算出部
１００ がん患者
２００ 患部

Claims (10)

1. 粒子線ビームを生成するビーム生成部と、
   生成された前記粒子線ビームを走査指示値に従って２次元走査するビーム走査部と、
   前記粒子線ビームの走査位置を検出するセンサ部であって、複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置されるセンサ部と、
   前記各第１の線状電極から出力される第１の信号と、前記各第２の線状電極から出力される第２の信号とから前記粒子線ビームの重心位置を算出する重心位置算出部と、
   算出された前記重心位置と予め設定された基準走査位置との誤差を求め、前記誤差を抑制するフィードバック制御によって前記走査指示値を補正し、補正後の走査指示値を前記ビーム走査部に出力する走査制御部と、
   を備えたことを特徴とする粒子線ビーム照射装置。
2. 前記２次元走査は、２次元面内に規定された複数のスポット位置の各スポット位置に一時的に停止しつつ、各スポット位置を切替えていくように計画された走査であり、
   前記走査制御部は、
   前記フィードバック制御の演算を前記スポット位置が切り替わる毎に実施し、得られた前記補正後の走査指示値を前記スポット位置が切り替わる毎に前記ビーム走査部に出力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
3. 前記フィードバック制御は、ＰＩ制御である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の粒子線ビーム照射装置。
4. 前記ＰＩ制御に使用される比例ゲイン及び積分ゲインは、前記粒子線ビームのエネルギーの大きさに応じて異なる値に設定される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の粒子線ビーム照射装置。
5. 前記２次元走査は、２次元面内に規定された複数のスポット位置の各スポット位置に一時的に停止しつつ、各スポット位置を切替えていくように計画された走査であり、
   前記走査制御部は、
   前記フィードバック制御の演算を、前記スポット位置が切り替わる毎に実施することに加えて、一時的に停止するように計画された各スポット位置においても一定周期で繰り返し実施し、得られた前記補正後の走査指示値を、前記スポット位置が切り替わる毎及び前記一定周期毎に前記ビーム走査部に出力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
6. 前記フィードバック制御は、ＰＩＤ制御である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の粒子線ビーム照射装置。
7. 前記ＰＩＤ制御に使用される比例ゲイン、積分ゲイン及び微分ゲインは、前記粒子線ビームのエネルギーの大きさに応じて異なる値に設定される、
   ことを特徴とする請求項６に記載の粒子線ビーム照射装置。
8. 粒子線ビームを生成し、
   生成した前記粒子線ビームを走査指示値に従って２次元走査し、
   前記粒子線ビームの重心位置を算出し、
   算出された前記重心位置と予め設定された基準走査位置との誤差を求め、前記誤差を抑制するフィードバック制御によって前記走査指示値を補正する、
   こと特徴とする粒子線ビーム照射装置の制御方法。
9. 前記２次元走査は、２次元面内に規定された複数のスポット位置の各スポット位置に一時的に停止しつつ、各スポット位置を切替えていくように計画された走査であり、
   前記フィードバック制御の演算を前記スポット位置が切り替わる毎に実施し、前記スポット位置が切り替わる毎に前記走査指示値を補正する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の粒子線ビーム照射装置の制御方法。
10. 前記２次元走査は、２次元面内に規定された複数のスポット位置の各スポット位置に一時的に停止しつつ、各スポット位置を切替えていくように計画された走査であり、
    前記フィードバック制御の演算を、前記スポット位置が切り替わる毎に実施することに加えて、一時的に停止するように計画された各スポット位置においても一定周期で繰り返し実施し、前記走査指示値を、前記スポット位置が切り替わる毎及び前記一定周期毎に補正する、
    ことを特徴とする請求項８に記載の粒子線ビーム照射装置の制御方法。

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