JP2014161706A - 粒子線治療システムおよび飛程調整装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リッジフィルタ部とレンジシフタ部を一体製作した構造、あるいは、リッジフィルタ部とレンジシフタ部を接触して配置した構造の飛程調整装置、あるいは、以上の構造を持つ飛程調整装置を複数台並べることにより、ブラッグピークを拡大する。
【選択図】 図5
Description
散乱体を用いた照射法では、ビーム進行方向に固定幅の高線量域が形成されるため、患部以外の正常組織への照射量が増加してしまう課題があった。これに対してスキャニング照射法は、細い荷電粒子ビームで患部を走査しながら照射するために、照射位置と照査量を適切に制御することで、患部のみを高線量で照射し周辺の正常組織の線量を減らした照射が可能である。
スキャニング照射では細い荷電粒子ビームで患部の一部分を走査しながら照射していくため、荷電粒子ビームを走査している時に患部が呼吸移動などで移動した場合、照射位置にずれが発生することになる。また、呼吸移動により荷電粒子ビームが通過する経路上の密度も変化するため、体内で荷電粒子ビームが到達する深さも変化する。これらスキャニング照射中に標的が移動することにより、所定の照射位置からのずれが発生する結果、患部に一様な線量を照射する線量分布が崩れることとなる。一方、散乱体を用いた照射法では患部全体を照射するために、患部が呼吸移動で移動した場合でも、照射領域に移動量分の余裕をとっておけば、患部の線量分布の悪化度合いは比較的に小さい。
以上のことから、呼吸に応じて移動する患部においても線量一様度を向上させる粒子線スキャニング照射方法が開発されている。
呼吸波形を取得する方法として、体表ではなく体内を見る方法はより高精度に患部の動きを把握することが可能である。患部の周辺領域に金マーカーを埋め込み、X線透視により金マーカーの位置を追跡することによりゲート信号を得る方法がある。所定の範囲内、例えば±1mmの範囲内に金マーカーが入ったときのみスキャニング照射を行うことにより、患部近傍の体内の移動を監視することになるため、体表の呼吸信号を用いたものより、高精度の照射が可能となる。
また、荷電粒子ビームのビームサイズを大きくすることにより、線量一様度の悪化を防ぐことも可能であるが、横方向の線量分布の切れが悪化するという課題がある。
このような効果を持つ厚いレンジシフタにリッジフィルタを接触させて配置した構造、あるいはレンジシフタとリッジフィルタを一体で製作した構造の飛程調整装置により、従来のリッジフィルタよりブラッグピークを拡大することが可能となる。
リッジフィルタとレンジシフタを接触させた配置とは、リッジフィルタとレンジシフタの配置間隔を極力小さく、例えば数mm以下に配置した構造である。これにより、リッジフィルタを散乱の比較的大きな金属で製作し、レンジシフタを散乱の小さい樹脂製にするなど、リッジフィルタとレンジシフタを違う材質で製作することも可能となる。
シンクロトロン加速器あるいはサイクロトロン加速器といった粒子線加速器20で加速された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系30により照射ノズル40まで輸送される。照射ノズル40で荷電粒子ビームは患部形状に合致するように整形され、治療台50に横になった患者5に照射される。加速器20は、入射器21とシンクロトロン加速器22から成る。図1では、シンクロトロン加速器22が記載されているが、サイクロトロン加速器などその他の粒子線加速器でも構わない。
照射ノズル40では、水平、垂直方向用の走査電磁石41A,41Bにより二次元平面内に荷電粒子ビームを走査する。図2で照射ノズル先端に取り付けられる機器は本発明による飛程調整装置100を示す。走査電磁石41A,41Bにより走査されたビームは、患部51に照射される。線量モニタ42は各照射スポットに照射された荷電粒子ビームの照射量を測定する。位置モニタ43は各照射スポットのビーム位置を計測する。
患部51を層52に分割し、各層52は同じエネルギーの荷電粒子ビームで照射していく。層52内には照射スポット53が配置される。各照射スポット53の定められた照射量の荷電粒子ビームを照射すると、次の照射スポット53を照射する。ある層52の照射が完了すると、荷電粒子ビームのエネルギーを変更して次の層52の照射を行う。
治療計画装置10で計算された患者毎のデータは、図1に示す粒子線治療システムの全体制御装置11に送られる。全体制御装置11から加速器、ビーム輸送系制御装置12にエネルギー変更、ビームオンオフなどの信号を送る。全体制御装置11から各照射スポットの座標値、照射量を照射ノズル制御装置13に送る。照射スポットの座標値は、走査電磁石41A,41Bの励磁電流値に変換されて、照射が実施される。
スキャニング照射では、図2に示す照射ノズル40内の線量モニタ42で各照射スポット53に照射された荷電粒子ビームの照射量を測定し、位置モニタ43で荷電粒子ビームの照射位置を確認する。
ビーム進行方向、すなわち患部深さ方向の照射位置変更には、荷電粒子ビームのエネルギーを変更する。荷電粒子ビームのエネルギーが変化すると、荷電粒子ビームの体内到達位置が変わる。エネルギーの高い荷電粒子ビームは、体内の深い場所まで到達し、エネルギーの低い荷電粒子ビームは体内の浅い場所までしか到達しない。粒子線スキャニング照射では、深さ方向の一様な線量分布形成に荷電粒子ビームのエネルギーを変更して、照射量を適切に配分することにより深さ方向のSOBPを形成する。各エネルギーの照射量を適切に配分することで各エネルギーのブラッグカーブ61が決まり、図4に示すように深さ方向に一様な線量分布SOBP(Spread Out Bragg Peak)62を形成する。
図5に、本実施例による粒子線用の飛程調整装置100を示す。
図5で、飛程調整装置100はリッジフィルタ部101とレンジシフタ部102を有する。荷電粒子ビーム44は、図5の矢印の方向に入射する。
好ましくは、レンジシフタ部102が、荷電粒子ビーム44のビーム進行方向に対して1cm以上の厚みを有することで、レンジシフタ部102でもブラックピークを太らせる効果を得ることができ、荷電粒子ビーム44のエネルギーの広がりを拡大するのに充分な厚みとなる。
さらに好ましくは、レンジシフタ部102が、荷電粒子ビーム44のビーム進行方向に対して4cm以上の厚みを有することで、粒子線治療システムで出射可能な最低エネルギー、すなわち患者の体表面からの深さが4cmの範囲に位置する患部に対しても荷電粒子ビームを照射することが可能となる。また、さらに好ましくは、レンジシフタ部102の厚みを15cm以下とすることで、一台の飛程調整装置で、照射対象となる患部が位置する範囲内に荷電粒子ビーム44を照射することが可能となる。
なお、図5においてリッジフィルタ部101とレンジシフタ部102は一体として製作しても良い。図5ではリッジフィルタ部101が荷電粒子ビーム44入射に対してリッジフィルタ部101が上流に配置されているが、照射ノズル内に設置する場合は、リッジフィルタ部101を上流に配置しても、下流に配置してもどちらでも良い。
まず、飛程調整装置100を通過する前の荷電粒子ビームは深さaに到達するだけのエネルギーを持っている。そのため、飛程調整装置100を通過しなかった場合のブラッグカーブはブラッグカーブ61のように深さaまで到達する。本実施例の飛程調整装置100のレンジシフタ部102により、荷電粒子ビームは深さaから深さbまでの差に相当するエネルギーを失う。そのため、図6において、レンジシフタ部102による荷電粒子ビームのエネルギー損失によりブラッグカーブがブラッグカーブ61からブラッグカーブ61Aにほぼ平行移動する。粒子線は人体を通過するにつれて、進行方向にエネルギーが拡がっていくエネルギーストラグリングと呼ばれる性質を持っている。そのため、深さaを照射する粒子線のエネルギー拡がりは、より浅い位置の深さbを照射する粒子線のエネルギー拡がりより大きくなる。そのため、深さaを照射するブラッグカーブ61は、深さbを照射するブラッグカーブ61Aより太くなっている。レンジシフタ部102の通過により、ブラッグカーブ61とブラッグピーク61Aの太さはほぼ変化せず平行移動した形となる。このようにレンジシフタ部102により、本実施例の飛程調整装置100は厚み分だけ高いエネルギーの荷電粒子ビームを照射することにより、ブラッグピークを拡大することが可能である。
さらにリッジフィルタ部101は従来のリッジフィルタと同様の断面形状をもっており、ブラッグピークを拡大する効果がある。図6において、平行移動したブラッグカーブ61Aはリッジフィルタ部101によりさらにピーク部が拡大されてブラッグカーブ63になる。このように、リッジフィルタ部101により、レンジシフタ部102により平行移動されたブラッグピークを更に拡大することが可能である。
SOBP62を構成する個々のエネルギーのブラッグピーク61が拡大していることから、位置ずれに対して線量一様度の悪化度合いが小さいことが分かる。これにより従来に比べ、位置ずれに対して線量分布の崩れを抑制することが可能となる。また、所望のSOBP62を形成するのに必要なエネルギー数が減るために、スキャニング照射においてエネルギーを切り替えて照射するレイヤーを変更する回数が減るために、治療時間を短縮することが可能となる。
呼吸移動信号を取得する手段として、レーザーで体表の動きを見る方法や、また、患部周辺に埋め込んだ金マーカーをX線透視により所定の範囲内に入った時にゲート信号を発信する方法がある。金マーカーをX線透視で確認してゲート照射する方法は、体内の照射する臓器周辺の動きを見ているので、より高精度な照射を実現出来、動体追跡法と呼ばれる。本実施例による飛程調整装置100は、このような動体追跡照射と組み合わせて使うことで移動する標的に対しても高精度でスキャニング照射が可能となる。
本実施例ではリッジフィルタ部101をレンジシフタ部102と接触あるいは一体として配置することにより、リッジフィルタ部101をより患者に近い位置に配置することが可能となる。そのため、患者位置に投影したリッジフィルタの繰り返し間隔は、従来技術と比べて小さくなり、リッジフィルタの繰り返し構造に起因する線量分布のしま模様が発生しにくくなる。しま模様が発生しにくいということは、リッジフィルタの繰り返し間隔を、従来に比べ大きくすることが出来るということである。
このように本実施例の飛程調整装置100のリッジフィルタ部101は、繰り返し間隔が大きくなり製作が容易になる利点がある。
一方、本実施例による飛程調整装置100は、レンジシフタ部102が厚いため、荷電粒子ビームのビームサイズも増大させる性質を持つ。本実施例の飛程調整装置100は、図2において照射ノズル40の最先端部に取り付け患者に近付けて設置することにより、ビームサイズの増加を抑制することが出来るとの効果も奏する。
本発明の実施例2の飛程調整装置100を図8に示す。以下、実施例1と異なる構成を中心に説明する。
図8では、飛程調整装置100は、リッジフィルタ部101とレンジシフタ部102が接触した構造をしている。ここでリッジフィルタ部101とレンジシフタ部102を接触させるとは、リッジフィルタ部101とレンジシフタ部102の間のすき間部103が数mm以内の間隔で配置することを指す。
図8に示すリッジフィルタ部101とレンジシフタ部102が接触した構造により、リッジフィルタ部101とレンジシフタ部102を異なる材質で製作することが可能となる。例えば、リッジフィルタ部101はビームサイズ増大効果がレンジシフタ部102と比較して小さいため、金属材質で製作する。レンジシフタ部102は数cm程度の厚みを持つために、ビームサイズ増大効果が大きいため樹脂材質で製作する。このように材質を変えることで、ビームサイズの増大を最小限に抑制しつつ、ブラッグピークの拡大幅を大きくすることが可能となる。
リッジフィルタ部101の繰り返し間隔を、従来のミニリッジフィルタより大きくすることが出来る効果は、実施例1と同様である。また、移動する標的に対する粒子線スキャニング照射で線量一様度が上がる効果、および、治療時間短縮効果も実施例1と同様である。
本発明の実施例3の飛程調整装置100を図9に示す。実施例1と異なる構成を中心に説明する。
図9では、リッジフィルタ部101とレンジシフタ部102が嵌め合い構造となっている。レンジシフタ部102にリッジフィルタ部101の形状と合致する溝構造を設け、リッジフィルタ部101とレンジシフタ部102がかみ合った構造とする。本実施例では、リッジフィルタ部101とレンジシフタ部102は異なる材質で製作する。実施例2と同様の理由で、リッジフィルタ部101は金属製で、レンジシフタ部102は樹脂製などである。
図9に示す飛程調整装置により、ブラッグピークを拡大することが出来る原理は、図6に示すように実施例1と同様である。リッジフィルタ部101の繰り返し間隔を、従来のミニリッジフィルタより大きくすることが出来る効果は、実施例1と同様である。また、移動する標的に対する粒子線スキャニング照射で線量一様度が上がる効果、および、治療時間短縮効果も実施例1と同様である。
図9に示す本実施例では、リッジフィルタ部101の先端の細い部分を保護することが可能であり、照射ノズルに取り外しする際に損傷して欠損するのを防止することが可能となる。
本発明の実施例4の飛程調整装置100を図10に示す。
図10では、実施例1に説明した飛程調整装置が、上部100Aと下部100Bの二個配置されている。
図10に示す飛程調整装置により、ブラッグピークを拡大することが出来る原理は、図6に示すように実施例1と同様である。また、移動する標的に対する粒子線スキャニング照射で線量一様度が上がる効果、および、治療時間短縮効果も実施例1と同様である。
図10に示す飛程調整装置100A,100Bはそれぞれのリッジフィルタ部101の高さを減らすことが可能となり、飛程調整装置の製作が容易になるという効果がある。
本発明の実施例5の飛程調整装置100を図11に示す。
図11では、実施例1に説明した飛程調整装置が、上部100Aと下部100Bの二個配置され、リッジフィルタ部101が交差する形で対面している。上部100Aと下部100Bの飛程調整装置はそれぞれ、同一材質でリッジフィルタ部101とレンジシフタ部102が接触して配置されているか、あるいは、一体製作されている。上部の飛程調整装置100Aと下部の飛程調整装置100Bはレンジシフタ部102の横部分などで固定されて一体化されたものとする。
上部100Aのレンジシフタ部102の厚みと、下部100Bのレンジシフタ部102の厚みは特に同じである必要はなく、厚みが異なっていても構わない。同様に、上部100Aのリッジフィルタ部101と下部100Bのリッジフィルタ部101の形も同一の断面形状である必要はなく、異なっていても構わない。
本実施例では、リッジフィルタ部101を対向させた構造とすることで、リッジフィルタ部101の先端部分を保護することが可能である。また、リッジフィルタ部101が対向して交差していることにより、実施例1〜3までと同じブラッグピークの太りを実現するために、上部100Aと下部100Bのリッジフィルタ部101はそれぞれ高さを減らすことが可能となる。これにより上部の飛程調整装置100Aと下部の飛程調整装置100Bの製作が容易になるという効果がある。
本発明の実施例6の飛程調整装置100を図12に示す。
図12では、実施例2に説明した飛程調整装置が、上部100Aと下部100Bの二個配置され、リッジフィルタ部101が交差する形で対面している。上部100Aと下部100Bの飛程調整装置はそれぞれ、リッジフィルタ部101とレンジシフタ部102が異なる材質で製作されている。
それ以外は、実施例5と同じ配置である。
本実施例により、リッジフィルタ部101の先端部分を保護することが出来る効果は実施例5と同様である。
本発明の実施例7の飛程調整装置100を図13に示す。
図13では、実施例3に説明した飛程調整装置が、上部100Aと下部100Bの二個配置され、リッジフィルタ部101が交差する形で配置されている。上部100Aと下部100Bの飛程調整装置はそれぞれ、リッジフィルタ部101とレンジシフタ部102が異なる材質で製作されている。
荷電粒子ビーム44に対して、上部100Aの飛程調整装置はレンジシフタ部102が上流に、リッジフィルタ部101が下流に配置されているが、これは逆になっても構わない。同様に下部100Bの飛程調整装置もリッジフィルタ部101とレンジシフタ部102の上下関係は問わない。ただし、リッジフィルタ部101は交差している必要がある。リッジフィルタ部101を交差することにより、リッジフィルタ部101の高さを減らせることにより製作性が向上するのは実施例5と同様である。
本実施例により、リッジフィルタ部101の先端部分を保護することが出来る効果は実施例3,5と同様である。
なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。
10:治療計画装置、
11:全体制御装置、
12:加速器、ビーム輸送系制御装置、
13:照射ノズル制御装置、
20:加速器、
21:入射器、
22:シンクロトロン、
30:ビーム輸送系、
31:偏向電磁石、
40:照射ノズル、
41A,41B:走査電磁石、
42:線量モニタ、
43:位置モニタ、
44:荷電粒子ビーム、
50:治療台、
51:患部、
52:層、
53:照射スポット、
61,61A:ブラッグカーブ、
62:SOBP、
63:本発明による飛程調整装置通過後のブラッグカーブ、
100,100A,100B:飛程調整装置、
101:リッジフィルタ部、
102:レンジシフタ部、
103:すき間部。
Claims (18)
- 粒子線を加速する加速器と、
この加速器によって加速された前記粒子線を標的に照射する照射ノズルと、
前記加速器から出射された前記粒子線を前記照射ノズルに輸送するビーム輸送系とを備え、
前記照射ノズルは、前記粒子線の進行方向にブラッグピークの幅を拡大させるリッジフィルタ部と前記粒子線のエネルギーを損失させるレンジシフタ部とを有する飛程調整装置を備え、
前記レンジシフタ部は、前記粒子線の標的入射位置で前記粒子線のエネルギーの拡がりを拡大するのに充分な厚みを有しており、
前記飛程調整装置における前記リッジフィルタ部と前記レンジシフタ部とは接触して配置された
ことを特徴とする粒子線治療システム。 - 請求項1に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記照射ノズルは、前記粒子線を走査する走査電磁石を更に有し、
前記粒子線の進行方向に対して前記走査電磁石よりも下流側に前記飛程調整装置が配置された
ことを特徴とする粒子線治療システム。 - 請求項1又は請求項2に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記飛程調整装置における前記リッジフィルタ部は、前記レンジシフタ部と同一材料で構成された
ことを特徴とする粒子線治療システム。 - 請求項3に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記飛程調整装置における前記リッジフィルタ部と前記レンジシフタ部とが一体成形によって形成された
ことを特徴とする粒子線治療システム。 - 請求項1又は請求項2に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記飛程調整装置における前記リッジフィルタ部は、前記レンジシフタ部と異なる材料で構成された
ことを特徴とする粒子線治療システム。 - 請求項5に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記飛程調整装置における前記リッジフィルタ部は、前記レンジシフタ部と嵌め合い構造となっている
ことを特徴とする粒子線治療システム。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記粒子線の通過領域に複数の前記飛程調整装置を有する前記照射ノズルを更に備えた
ことを特徴とする粒子線治療システム。 - 請求項7に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記複数の飛程調整装置のうち、第1の飛程調整装置の前記リッジフィルタ部と第2の飛程調整装置の前記リッジフィルタ部とが交差するように設置された
ことを特徴とする粒子線治療システム。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記飛程調整装置における前記リッジフィルタ部は、前記粒子線の進行方向に対して前記レンジシフタ部よりも下流側に配置された
ことを特徴とする粒子線治療システム。 - 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記飛程調整装置における前記レンジシフタ部は、1cm以上の厚みを有する
ことを特徴とする粒子線治療システム。 - 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記飛程調整装置における前記レンジシフタ部は、4cm以上15cm以下の厚みを有する
ことを特徴とする粒子線治療システム。 - 粒子線の進行方向にブラッグピークの幅を拡大させるリッジフィルタ部と、
前記粒子線のエネルギーを損失させるレンジシフタ部とを備えた飛程調整装置であって、
前記レンジシフタ部は、前記粒子線の標的入射位置で前記粒子線のエネルギーの拡がりを拡大するのに充分な厚みを有しており、
前記リッジフィルタ部と前記レンジシフタ部とは接触して配置された
ことを特徴とする飛程調整装置。 - 請求項12に記載の飛程調整装置において、
前記リッジフィルタ部は、前記レンジシフタ部と同一材料で構成された
ことを特徴とする飛程調整装置。 - 請求項13に記載の飛程調整装置において、
前記リッジフィルタ部と前記レンジシフタ部とが一体成形によって形成された
ことを特徴とする飛程調整装置。 - 請求項12に記載の飛程調整装置において、
前記リッジフィルタ部は、前記レンジシフタ部と異なる材料で構成された
ことを特徴とする飛程調整装置。 - 請求項15に記載の飛程調整装置において、
前記リッジフィルタ部は、前記レンジシフタ部と嵌め合い構造となっている
ことを特徴とする飛程調整装置。 - 請求項12乃至16のいずれか1項に記載の飛程調整装置において、
前記レンジシフタ部は、1cm以上の厚みを有する
ことを特徴とする飛程調整装置。 - 請求項12乃至16のいずれか1項に記載の飛程調整装置において、
前記レンジシフタ部は、4cm以上15cm以下の厚みを有する
ことを特徴とする飛程調整装置。
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