JP2015181854A - 粒子線照射制御装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
ビームシャッターを出射停止間に閉じている場合は、一番時間がかかるシャッターを開くための駆動時間が出射準備時間となる。従来の動体標的照射では、ビーム出射開始のタイミングが予測できないため、ビーム出射要求信号から実際の出射開始までに出射準備時間分の遅れが生じており、結果として、必要な線量を照射するために1照射あたりの照射時間が長くなってしまうという課題があった。
特許文献1は、X線による放射線治療を対象としたものと推測され、ゲート信号発生装置で生じる回路的遅延(リレースイッチの動作時間による遅れなど)のみを考えているが、粒子線照射の場合はそれでは不十分で、照射ビームのオン、オフにかかわる遅延の方がはるかに長く、問題となる照射ビームの遅れに関して、具体的な解決方法を提示していない。
具体的には、動体標的へのビームの計画線量の照射のために必要な拘束時間内に従来存在していたタイムロスが少なくなることによって、照射を施せる人数が増えるという顕著な効果を奏する。
図1は、実施形態の粒子線照射装置を用いて照射対象の腫瘍に粒子線を照射している状態を示す概念的上面図である。
入射ビーム輸送ライン2Aは、炭素などの原子から電子を除きイオン(荷電粒子)をシンクロトロン1に供給する。
出射ビーム輸送ライン2Bは、シンクロトロン1から取り出した粒子線のビームbを照射対象に向けて輸送する。
入射ビーム輸送ライン2Aは、イオン源2aと線形加速器2bと入射セプタム電磁石2cとを有している。
イオン源2aでは、炭素、シリコン、アルゴンなどの原子から電子の一部を除去し、荷電粒子を創成する。
線形加速器2bでは、イオン源2aで電子の一部が取り除かれた荷電粒子を加速し、炭素の薄膜を通して残りの電子を全部除去する。
シンクロトロン1は、環状に構成され、粒子線のビームに付与する加速高周波電場の周期を粒子回転周期に同期させることにより、陽子や重粒子などの荷電粒子を高エネルギーまで加速する。そのため、シンクロトロン1は「加速器」に相当する。
静電インフレクタ3aは、入射ビーム輸送ライン2Aから送られるビーム(荷電粒子)を、電場によってシンクロトロン1の周回軌道に偏向させる。
高周波加速空洞4は、シンクロトロン1内の荷電粒子を加速または減速するための高周波電場を発生させる。
四極電磁石6は、磁界の強弱により、シンクロトロン1の周回軌道上における粒子線のビームの広がりを収束させたり、当該ビームの狭まりを発散させる。
静電デフレクタ3bは、キッカー電極7により広げられた粒子線を、出射ビーム輸送ライン2Bに入るように、電場により移動させる。
図1に示すシンクロトロン1内の周回軌道を周回している多数の粒子(荷電粒子)は、水平方向(図1の紙面方向)または鉛直方向(図1の紙面に垂直方向)に振動しながら周回している。この振動をベータトロン振動といい、ベータトロン振動は、四極電磁石6などにより制御している。
なお、高周波電場がオフのときには、この粒子のビームサイズの増加が止まるために、粒子線が静電デフレクタ3bから取り出されなくなるので、出射ビーム輸送ライン2Bへの照射を止めることが可能となる。
そして、静電デフレクタ3bの電極間に入れられた粒子(荷電粒子)の一部は、静電デフレクタ3bの電場により出射ビーム輸送ライン2Bへの軌道に導かれる。
出射セプタム電磁石2dは、出射輸送ライン2Bに入った粒子線のビーム(荷電粒子)を磁界による力(ローレンツ力)によって出射ビーム輸送ライン2Bに沿った方向に偏向する。
出射セプタム電磁石2d下流のビームシャッター2sは、出射ビーム輸送ライン2Bを進むビームをアルミニウム、鉛などのシャッターで遮断する。なお、シャッターは圧縮空気の空気圧などで開閉(稼動)される。ビームシャッター2sの駆動源は油圧、モータなどでもよく、限定されない。
そのため、照射対象の位置は、呼吸同期装置K1、K2によって測定される。つまり、照射対象である体幹部の動体標的の位置(腫瘍位置)は呼吸同期装置K1、K2により明らかにされる。
呼吸同期装置は、体表面マーカ式呼吸同期装置K1またはX線透視式呼吸同期装置K2が使用される。
体表面マーカ式呼吸同期装置K1は、照射対象者の体表面に、下記のLED発光体K1bまたはLED光反射体(被検出体)を貼り付け(設置し)、LED発光体K1bやLED光反射体の位置をカメラでモニタ(監視)する。
図2(a)に示すLED発光体付きのカメラK1aは、照射対象者の体表面に貼り付けた(設置した)LED光反射タイプの体表面マーカ(図示せず)と組み合わせて使用する。
図2(b)に示すLED発光体K1bは、LED発光タイプの体表面マーカであり、LED発光体K1bを用いる場合は、カメラ側はLED発光体付きではないものを使用する。
図3は、粒子線照射装置Tの近くに設置されたX線透視式呼吸同期装置である2組のX線透視装置がある照射室を示す斜視図である。
X線透視式呼吸同期装置K2は、2組のX線透視装置K2a、K2bによって、呼吸によって移動する動体標的(照射対象)の位置を算出し、ビームbの照射可能な許容領域に入る直前(後記の照射予測領域)であることを予測する。
X線透視装置K2bは、X線を出すX線管(X-ray tube)b1と、X線管b1からのX線を検出する動的平面検出器(Dinamic Flat Panel Detector)b2とを備える。
照射室Rの天井近くに設置された鉛直ビーム照射ポートB1bの両脇には、動的平面検出器a2と動的平面検出器b2とが設置されている。
照射室Rの床R1には、動的平面検出器a2に向けて(図3の矢印α1)X線を出すX線管a1と、動的平面検出器b2に向けて(図3の矢印β1)X線を出すX線管b1とが、設置されている。
ここで、X線透視式呼吸同期装置K2は、後記する予測制御の応用によって、特許文献4と異なり、内部呼吸観測システム単体の使用においても、照射対象者の被曝の低減を可能にできる。
図4は、体表面マーカ式呼吸同期装置K1で取得した呼吸波形を示す波形図である。図4の横軸は時間tを示し、縦軸は(呼吸による)移動量を示す。
呼吸波形kは、時間tの経過に従って、振幅を繰り返す。照射領域閾値k1(図4中の太破線)から下の領域が、照射計画で定めた照射対象に、粒子線照射装置Tによるビームbを照射する領域の照射領域C1である。
図5に示すX線写真情報Jの複数枚のX線写真に照射対象である標的腫瘍Cが映されている。
標的腫瘍C中のC1(図5中太実線で示す)が照射領域であり、C2(図5中破線で示す)が、照射領域C1に近いことを示す照射予測領域である。なお、図5では、照射領域C1の中心C10にビームbが照射された場合を示している。
標的腫瘍Cの照射領域C1の全体にビームbが照射されることになる。
図6は、制御装置Sの制御ブロック図である。なお、本実施形態では、呼吸同期装置としてX線透視式呼吸同期装置K2を用いる場合を説明する。
制御装置Sは、粒子線照射装置T(図1参照)を直接制御するビーム出射制御システムTsと、呼吸性移動に伴う制御を行う呼吸移動粒子線照射制御装置S0とを備える。
呼吸移動粒子線照射制御装置S0は、粒子線照射装置Tを照射対象に計画した線量を照射する制御するものであり、X線透視システムS1と照射制御システムS2とを有する。
照射制御システムS2は、X線透視システムS1からの出力信号に基づき、ビーム出射直前予測信号とビーム出射要求信号とを、ビーム出射制御システムTsに出力する。
ビーム出射制御システムTsは、照射制御システムS2に従って、シンクロトロン1のキッカー電極7および静電デフレクタ3bにビームbの出射信号を出力する。キッカー電極7は、出射信号に従って、高周波電場をオンして、ビームbを静電デフレクタ3bを介して出射ビーム輸送ライン2Bに向けて出射する。
また、ビーム出射制御システムTsは、ビームシャッター2sに開閉信号(開閉指令)を出力する。ビームシャッター2sは、当該開閉信号(開閉指令)に従って、シャッター(図示せず)を開閉する。
次に、呼吸移動粒子線照射制御装置S0よる粒子線照射装置Tの制御について説明する。
図7は、粒子線照射装置の制御のタイムチャートである。図7の横軸は(経過)時間を示し、縦軸にビーム出射要求信号、ビーム出射直前予測信号、ビームシャッター2sの開閉、キッカー電極7による高周波電場の印加(印加時を「ON」で示し、非印加時を「Off」で示す)、ビームbが実際に出射中であることを表す「ビーム出射中」を示す。
照射制御システムS2は、実際の照射前に予め照射対象の位置情報により、照射対象の標的腫瘍の移動情報(図5参照)を取得して、ビームbの照射領域C1と、照射領域C1に近いことを示すビームbの照射予測領域C2との情報を作成する。
実際の照射に際して、照射制御システムS2は、呼吸同期装置の体表面マーカ式呼吸同期装置K1による照射対象の標的腫瘍の移動情報(位置情報信号)により、ビームbが照射予測領域閾値k2(図4参照)に入った際には、ビーム出射直前予測信号をビーム出射制御システムTsに出力する(図7の時刻t1)。
その後、ビーム出射要求信号が「Off」されると(図7の時刻t3)、キッカー電極7の高周波電場が「OFF」される。
そして、出射ビーム輸送ライン2Bのビームシャッター2sの閉動作を開始する。
ビーム出射要求信号は、説明したとは別の照射制御システムを経由して送られてもよい。
つまり、キッカー電極7での高周波電場のオフでも基本的にはビームbの遮断能力はあるものの、より確実にビームbの漏れを防ぐためにビームシャッター2sを使っている。
こうすることで、事前予測に誤差があってもビームが出射されずに、より安全に制御することが可能である。
次に、ビームbの出射の事前予測に誤差ある場合について説明する。
予想されたタイミングより呼吸同期ゲート(ビーム出射要求信号)が遅かった場合と早かった場合とについて説明する。
図7に示すように、ビームシャッター2sは、ビーム出射直前予測信号を受けて開かれるが、ビーム出射要求信号(照射ゲート)がこない限り、キッカー電極7の高周波電場は印加されないので、ビームbが取り出されてくることは基本的にはない。
ビーム出射要求信号(照射ゲート)の立ち上がりに対して、出射準備完了が間に合わないため、ビームの出始めが、従来の図11に示す時刻(t12−t11)のビーム出射遅れのように多少遅れてしまう。
しかし、照射対象者のずれた位置に照射してしまうわけではないので危険性はない。誤差時間分、従来のように、照射時間が延びてしまうが、誤差が小さければ、その影響も小さい。
次に、図8を用いて、粒子線照射装置Tの制御の流れについて説明する。図8は、粒子線照射装置Tの制御を示すフローチャートである。
照射対象者が照射台に横たわり、体表面マーカ式呼吸同期装置K1、X線透視式呼吸同期装置K2などの呼吸同期装置での照射対象者の呼吸波形の測定が開始され、呼吸同期装置から照射制御システムS2に呼吸による照射対象の移動位置情報が出力され、照射制御システムS2は、照射対象の呼吸波形を取得する(S102)。
続いて、照射制御システムS2は、照射対象の標的腫瘍の照射領域C1内にビームbの照射位置が入っているか否か判定する(S106)。
ビームシャッター2sが開いていると判定された場合(S110でYES)、ビームシャッター2sを閉じる(S112)。その後、S105に移行する。
一方、ビームシャッター2sが閉じていると判定された場合(S111でYES)、照射制御システムS2は、ビーム出射制御システムTsによりビームシャッター2sを開くように制御し(S113)、S114に移行する。
ビーム出射要求信号がONでないと判定された場合(S114でNO)、S105に移行する。
一方、照射対象の標的腫瘍の照射領域C1に必要な線量を照射したと判定される場合(S117でYES)、ビーム出射要求信号をオフするとともに、キッカー電極7の高周波電場をOFFし、ビームシャッター2sを閉じて(S118)、終了する。
そのため、出射準備時間分の遅れをなくすことができ、かつ、照射ゲート信号に精確に応じたビームbの照射を行える。よって、必要な線量を照射するために照射対象者の拘束時間を短縮でき、負担を軽減することができる。
従って、時間当たりより多くの照射対象者にビームbの照射を行うことができる。つまり、照射対象者へのビームbの計画線量の照射のために必要な拘束時間内に従来存在していたタイムロスが少なくなることによって、がん治療を施せる人数が増える。
変形例1の粒子線照射装置は、実施形態では、照射対象の照射領域C1と照射予測領域C2とを閾値を用いて判定していたのを、呼吸波形の位置の時間変化率(傾き)の情報を用いて、ビームシャッター2sを開くこととしたものである。
その他の構成は、実施形態1と同様であるので、詳細な説明は省略する。
変形例1の粒子線照射装置Tの制御は、図8に示す実施形態1の制御のステップS111とステップS114との間にあるステップS113に代えて、ステップS111a、113aを追加したものであり、その他の変形例1の粒子線照射装置Tの制御は、実施形態1の図8に示す制御と同様であるから、ステップS111a、113a廻りの制御についてのみ説明する。
変形例2の粒子線照射装置2Tは、ビームbの照射を行うかを、実施形態のビームシャッター2sに代えて、偏向電磁石2hを用いることとしたものである。
図12は、変形例2の粒子線照射装置を用いて照射対象の腫瘍に粒子線を照射している状態を示す概念的上面図である。
出射ビーム輸送ライン2B近くには、偏向電磁石2hにより偏向させたビームbを吸収するビームダンプ2uを設置している。
そして、時刻t11で、照射制御システムS2からビーム出射直前予測信号が発せられると、ビーム出射制御システムTsにより偏向電磁石2hの電流値がOFFされる。
シンクロトロン1を周回する粒子は中心軌道の周りを振動しながら進み、これは「ベータトロン振動」と呼称される。シンクロトロン1内でのビームの幅は、このベータトロン振動の振幅によって決まる。
また、シンクロトロン1の1周あたりに何回振動するかを「ベータトロン振動数」と呼ぶ。ベータトロン振動数は通常、シンクロトロン1内の四極電磁石6によって制御することができる。
前記したように、シンクロトロン1からのビームbの取り出しにはこのベータトロン振動との共鳴が用いられる。共鳴によってベータトロン振動の振幅が一気に大きくし、シンクロトロン1の外に取り出すことができる。
四極電磁石6の磁場強度によってベータトロン振動数を変えることができる。
2B 出射ビーム輸送ライン
2s ビームシャッター(出射用機器、最も時間がかかる機器)
2h 偏向電磁石(出射用機器)
C1 照射領域(動体標的)
C2 照射予測領域(照射領域に入る直前)
K1b LED発光体(被検出体)
K1a カメラ(検出装置)
K2 X線透視式呼吸同期装置(X線透視装置)
S 制御装置(粒子線照射制御装置)
S1 X線透視システム(呼吸同期装置)
S2 照射制御システム(照射制御装置)
Δt 時間変化率
Ts ビーム出射制御システム(ビーム出射制御装置)
Claims (9)
- 照射対象体の呼吸性移動を伴う動体標的に粒子線を照射するための粒子線照射制御装置であって、
前記粒子線のビームの照射中に呼吸性の移動を伴う動体標的の位置を監視するための呼吸同期装置と、
前記動体標的の移動位置の情報を予め取得し、前記移動位置の情報に基づいて前記動体標的が照射計画における照射領域に入ったと判定される場合にはビーム出射要求信号を出力し、前記動体標的がビーム照射可能な前記照射領域に入る直前であると判定される場合にはビーム出射直前予測信号を出力する照射制御装置と、
加速器と出射ビーム輸送ラインの出射用機器を制御し、前記ビーム出射要求信号のオン/オフに同期してビーム出射の開始または停止に切り替え、前記ビーム出射直前予測信号を受けた場合には前記出射用機器のビームの出射の準備を開始するように制御するビーム出射制御装置とを
備えることを特徴とする粒子線照射制御装置。 - 請求項1に記載の粒子線照射制御装置において、
前記ビームの出射を準備する制御は、前記ビームを出射するのに最も時間がかかる機器から開始される
ことを特徴とする粒子線照射制御装置。 - 請求項1または請求項2に記載の粒子線照射制御装置において、
前呼吸同期装置は、
前記照射対象体の外表面に取り付けられる被検出体と、
前記被検出体の移動を、被曝の害がない検出媒体の授受で検出する検出装置とを有して構成される
ことを特徴とする粒子線照射制御装置。 - 請求項1から請求項3のうちの何れか一項に記載の粒子線照射制御装置において、
前記呼吸同期装置は、
前記ビームの照射中に移動する体内の前記動体標的の位置を監視するためのX線透視装置であり、
前記動体標的がその前記照射領域から離れている場合にはX線照射の時間間隔を通常のX線照射の時間間隔より長く設定し、また、前記動体標的が前記照射領域に近づいた場合にはX線照射の時間間隔を前記通常のX線照射の時間間隔に設定する
ことを特徴とする粒子線照射制御装置。 - 請求項1から請求項4の何れか一項に記載の粒子線照射制御装置において、
前記出射用機器の開閉またはオン/オフは、前記動体標的が移動する位置の時間変化率を用いて、前記ビームの照射に合うように制御される
ことを特徴とする粒子線照射制御装置。 - 呼吸性移動を伴う動体標的に粒子線を照射し、呼吸同期装置と照射制御装置とビーム出射制御装置とを備える粒子線照射制御装置の制御方法であって、
前記呼吸同期装置は、前記粒子線のビームの照射中に呼吸性の移動を伴う動体標的の位置を監視し、
前記照射制御装置は、前記動体標的の移動位置の情報を前記呼吸同期装置により予め取得し、前記移動位置の情報に基づいて前記動体標的が照射計画における照射領域に入ったと判定される場合にはビーム出射要求信号を出力し、前記動体標的がビーム照射可能な前記照射領域に入る直前であると判定される場合にはビーム出射直前予測信号を出力し、
前記ビーム出射制御装置は、加速器と出射ビーム輸送ラインの出射用機器を制御し、前記ビーム出射要求信号のオン/オフに同期してビーム出射の開始または停止にを切り替え、前記ビーム出射直前予測信号を受けた場合には前記出射用機器のビームの出射の準備を開始するように制御する
ことを特徴とする粒子線照射制御装置の制御方法。 - 請求項6に記載の粒子線照射制御装置の制御方法において、
前記ビームの出射を準備する制御は、前記ビームを出射するのに最も時間がかかる機器から開始される
ことを特徴とする粒子線照射制御装置の制御方法。 - 請求項6または請求項7に記載の粒子線照射制御装置の制御方法において、
前記呼吸同期装置は、
前記ビームの照射中に移動する体内の前記動体標的の位置を監視するためのX線透視装置であり、
前記動体標的がその前記照射領域から離れている場合にはX線照射の時間間隔を通常のX線照射の時間間隔より長く設定し、また、前記動体標的が前記照射領域に近づいた場合にはX線照射の時間間隔を前記通常のX線照射の時間間隔に設定する
ことを特徴とする粒子線照射制御装置の制御方法。 - 請求項6から請求項8の何れか一項に記載の粒子線照射制御装置の制御方法において、
前記出射用機器の開閉またはオン/オフは、前記動体標的が移動する位置の時間変化率を用いて、前記ビームの照射に合うように制御される
ことを特徴とする粒子線照射制御装置の制御方法。
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