JP2019097969A - 粒子線治療計画装置および粒子線治療システム - Google Patents

Abstract

【課題】治療計画にかかる時間を従来に比べて短くすることが可能な粒子線治療計画装置および粒子線治療システムを提供する。【解決手段】多数の方向からスキャニング照射によって粒子線を照射して患者５の患部１０１に一様な線量分布を形成する治療計画を作成する治療計画装置１であって、各々の照射方向からの照射では、前記患部１０１の全体ではなく一部分にスポットを配置し、前記患部１０１に対してユーザーが指定した線量で照射する各スポットの照射量を計算する。【選択図】 図９

Description

本発明は、粒子線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に用いられる粒子線治療計画装置および粒子線治療システムに関する。

従来よりも短い時間で比較的ロバストな計画を得ることのできる照射計画作成方法を提供することを目的として、特許文献１には、多門照射により強度を変調させつつペンシルビームをスキャンさせてスポット毎に重ね合わせ、放射線の照射を行う照射部位および放射線の照射を行うべきでない非照射部位を含んでなる照射対象に対して、予め入力された線量処方となるように線量分布を形成させるための照射計画を作成するにあたり、逐次近似繰り返し演算を行って評価指標値を導出し、評価指標値と予め設定された閾値とを比較して照射計画を作成する照射計画作成方法であって、逐次近似繰り返し演算は、第１条件および第２条件に加えてさらに、予め入力された照射方向から照射対象に与えられる線量分布の勾配を抑制するという第３条件を用いて評価指標値を導出する、ことが記載されている。

特許第５５２１２２５号公報

粒子線治療では、シンクロトロンあるいはサイクロトロン等の加速器で加速された荷電粒子ビームを、治療室までビーム輸送系で輸送して、治療室のベッドに横たわる患者の患部に照射して、がん治療を行う。

荷電粒子ビームは、照射ノズルにより患者により異なるがん患部に照射出来るようにビームが適切に整形されて照射される。加速器により加速された荷電粒子ビームを直接走査しながら照射していく照射方法をスキャニング照射と呼んでおり、従来の照射方法より患部に線量を集中した線量分布が形成可能であることから、最近の粒子線治療で主流の照射法になりつつある。

スキャニング照射では患部を層に分割し、各層にスポットと呼ばれる線量集中性が最大であるブラッグピーク点を配置する。各層の中に横方向に配置されたスポットは、加速器からの細いビームを走査電磁石で塗りつぶすように走査することにより照射していく。

深さ方向に分けられた層を変更して照射を続けるためには、加速器のエネルギーあるいは照射ノズル内に配置されたレンジシフタと呼ばれるエネルギー吸収体の厚さを変更し、患者に入射する荷電粒子ビームのエネルギーを調整する。

以上のようなスキャニング照射で治療を行う前には、治療計画ソフトウェアを用いてあらかじめ患者個々人に対して適切な治療計画を立案しておく必要がある。

スキャニング照射の治療計画では、患部を医者が処方した線量で照射し、線量を当てたくない重要臓器の線量を下げる指定などを行い、荷電粒子ビームのエネルギー、スポットの患者体内での三次元位置、各スポットの照射量を決定する必要がある。

以上の荷電粒子ビームのパラメータが決まった後、患者体内の線量計算を行い、所望の線量分布が患者体内で形成されているかどうか確認する。各スポットと目標線量の残差をすべてのスポットで足し合わせた量などを評価関数にとり、この評価関数を最小化するように勾配法やニュートン法の繰り返し計算アルゴリズムで各スポットの照射量を決定していく。

スキャニング照射の治療計画のアルゴリズムについては公知の文献にて説明されている。評価関数を組むときに患者の位置ずれなどのロバスト性を考慮した項を入れることがあり、このような評価関数を使用した治療計画のアルゴリズムは例えば特許文献１に開示されている。

以上のようなスキャニング照射で多方向から照射する方法が考えられる。

粒子線治療システムでは現在は数方向、例えば２方向あるいは３方向からの照射が主流の方法である。将来的には技術が進歩して回転ガントリーの回転自由度を生かした照射法が可能となることが予想される。このとき、照射方向は現在の数方向から例えば１０度刻みで数十方向に増加することが想定される。さらには回転ガントリーを回転させながら照射する方法も考えられる。

このような回転型の照射において、従来のように各方向からスポットを患部の全領域に配置すると、次のプロセスとなる各照射スポットの照射量を決める時に、計算機のメモリ使用量が増加する、また計算量が多くなるため計算時間が増加する、との課題が生じる。

そのため、一人当たりの患者の治療計画作成時間が長くなり、治療できる患者数が制限される恐れがある、との課題が生じうる。

本発明は、治療計画にかかる時間を従来に比べて短くすることが可能な粒子線治療計画装置および粒子線治療システムを提供する。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、多数の方向からスキャニング照射によって粒子線を照射して患者の患部に一様な線量分布を形成する治療計画を作成する粒子線治療計画装置であって、各々の照射方向からの照射では、前記患部の全体ではなく一部分にスポットを配置し、前記患部に対してユーザーが指定した線量で照射する各スポットの照射量を計算することを特徴とする。

本発明によれば、治療計画にかかる時間を従来に比べて短くすることができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施形態の粒子線治療システムの全体構成を示す図である。 スキャニング照射で層に分割した患部とスポットを示す図である。 スキャニング照射ノズルの構成を示す図である。 深さ方向の線量分布形成を示す図である。 治療計画装置の構成を示す図である。 治療計画の処理フローを示す図である。 従来の治療計画による一方向からの照射の場合のスポット配置を示す図である。 従来の治療計画による複数方向からの照射の場合のスポット配置を示す図である。 本発明の第１の実施形態の粒子線治療計画装置によるスポット配置を示す図である。 本発明の第２の実施形態の粒子線治療計画装置によるスポット配置を示す図である。 本発明の第３の実施形態の粒子線治療計画装置によるスポット配置を示す図である。 本発明による第４の実施形態の粒子線治療計画装置によるスポット配置を示す図である。 本発明による第４の実施形態の粒子線治療計画装置による患部の深い領域にスポットを配置している様子を示す図である。 本発明による第５の実施形態の粒子線治療計画装置によるスポット配置を示す図である。 本発明の第６の実施形態の粒子線治療計画装置における治療計画ユーザーインターフェイスの切り替えスイッチを示す図である。

以下に本発明の粒子線治療計画装置および粒子線治療システムの実施形態を、図面を用いて説明する。

＜第１の実施形態＞
本発明の粒子線治療計画装置および粒子線治療システムの第１の実施形態について図１乃至図９を用いて説明する。

図１において、粒子線治療システム１０００は、加速器２０とビーム輸送系３０、照射ノズル４０、治療台５０、全体制御装置２、照射ノズル制御装置３、加速器・ビーム輸送系制御装置４、治療計画装置１などから構成される。

加速器２０は図１では入射器２１、シンクロトロン２２から構成されるが、サイクロトロン、シンクロサイクロトロン等の加速器とすることができる。

ビーム輸送系３０は、加速器２０で生成，加速された荷電粒子ビームを照射ノズル４０まで輸送する。

照射ノズル４０は、治療計画装置１によって作成された治療計画に基づいて患部１０１に対して粒子線を照射する。

これらビーム輸送系３０と照射ノズル４０とは、回転ガントリーと呼ばれる患者５の周りに回転出来る架台の上に設置されており、治療台５０に寝ている患者５に任意の方向から荷電粒子ビームを照射することが可能となっている。回転ガントリーの動作としては、回転して停止後に照射するｓｔｅｐ＆ｓｈｏｏｔ方式、あるいは回転ガントリーを回転させながら荷電粒子ビームを照射するｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ方式がある。

治療計画装置１は、多数の方向からスキャニング照射によって粒子線を照射して患者５の患部１０１に一様な線量分布を形成する治療計画を作成する装置であり、線量を当てたくない重要臓器を避けて、患部１０１をユーザーが決めた線量で照射するスポット位置とエネルギー情報、照射量を計算する治療計画ソフトウェアを有している。その詳細は後述する。各スポットの位置、エネルギー、照射量の情報は、粒子線治療システム１０００の全体制御装置２に送られて治療が行われる。

全体制御装置２は、スポットの位置、照射量の情報を照射ノズル制御装置３に送り、スポットのエネルギー情報が加速器・ビーム輸送系制御装置４に送られる。照射ノズル制御装置３は各層の照射を行い、層の照射が完了すると完了信号を全体制御装置２に送り、全体制御装置から加速器・ビーム輸送系制御装置４にエネルギー変更信号を送り、次の層に対応したエネルギーの荷電粒子ビームを照射する。

図２はスキャニング照射で患部１０１を層１０２に分割し、各層にスポット１０３を配置する様子を示す図である。

スキャニング照射では、図２に示すように、荷電粒子ビーム１０４は各スポット１０３を移動しながら塗りつぶすように照射していく。荷電粒子ビーム１０４のブラッグピークと呼ばれる高線量の部分がスポット１０３の位置に該当し、スポット１０３は最も高い線量で照射される。治療計画で決められた各スポット１０３の照射量を照射し終わると、荷電粒子ビーム１０４は次のスポット１０３に移動して照射を行う。

このようなスキャニング照射には、スポット１０３間を移動する際に荷電粒子ビーム１０４の照射を停止するディスクリートスポットスキャニングと、荷電粒子ビーム１０４の照射を停止しないラスタースキャニングがある。

同じ層１０２のスポット１０３が照射し終わると、加速器、ビーム輸送系により荷電粒子ビーム１０４のエネルギーを変更して次の層のスポット１０３の照射を行う。

図３は、本発明の一実施形態である粒子線スキャニング用の照射ノズル４０を示す。

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１０４を走査する。走査電磁石４１Ａ，４１Ｂにより走査された荷電粒子ビーム１０４は、患部１０１に照射される。

照射ノズル制御装置３からの指令値により走査電磁石電源制御装置５４から各々の走査電磁石４１Ａ，４１Ｂの励磁量に応じた指令値が走査電磁石電源５１Ａ，５１Ｂに対して出力され、走査電磁石電源５１Ａ，５１Ｂから供給される電流により走査電磁石４１Ａ，４１Ｂが励磁され、各々のスポット１０３に向けて荷電粒子ビーム１０４が走査される。

線量モニタ４２は各スポット１０３に照射された荷電粒子ビーム１０４の照射量を測定する。線量モニタ制御装置５２は、各スポット１０３に照射する照射量を制御する。

位置モニタ４３は各スポット１０３のビーム位置（例えば重心の位置）を計測する。位置モニタ制御装置５３は、位置モニタ４３で計測したビーム位置のデータをもとにスポット１０３の位置及び幅の演算を行い、荷電粒子ビーム１０４の照射位置を確認する。

リッジフィルタ４４は、ブラッグピークを太らせるために必要な場合に使用する。また、レンジシフタ４５を挿入して荷電粒子ビーム１０４の到達位置を調整しても良い。深さ方向にはブラッグカーブを重ね合わせて一様な線量分布を形成する。

ビームのエネルギーが変化すると、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、体内の深い位置まで到達し、エネルギーの低い荷電粒子ビームは体内の浅い位置までしか到達しない。粒子線スキャニング照射では、深さ方向に一様な線量分布を形成するために、層ごとにビームのエネルギーを変更して、エネルギーごとの照射量を適切に配分することにより深さ方向のＳＯＢＰ（Ｓｐｒｅａｄ Ｏｕｔ Ｂｒａｇｇ Ｐｅａｋ）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を重ね合わせて、図４に示すように深さ方向に一様な線量分布ＳＯＢＰ６２を形成する。

粒子線治療システムで治療を行うためには、治療に先立ち治療計画装置１でビームを照射する各スポット１０３の位置、エネルギー、照射量を決定する必要がある。治療計画装置１の構成を図５に示す。

治療計画装置１は、計算機本体に相当するＣＰＵ１Ｃ、メモリ１Ｄ、ハードディスクなどの記憶装置１Ｅに加えて、操作者であるユーザーが操作するキーボード、マウス等の入力装置１Ａ、ユーザーに情報を提供する表示装置１Ｂが接続されている。記憶装置１Ｅにはスキャニング照射の照射計画を計算する線量計算プログラム等の治療計画ソフトウェアが搭載されており、各種計算プログラムはＣＰＵ１Ｃ、メモリ１Ｄ、記憶装置１Ｅを使用して処理を行う。

本実施形態の治療計画装置１では、各々の照射方向からの照射では、患部１０１の全体ではなく一部分、具体的には照射方向から見て多数の方向からの照射の回転中心より深い領域にスポット１０３を配置して、患部１０１に対してユーザーが指定した線量で照射する各スポット１０３の照射量を計算する。この際、各照射方向のスポット１０３を、重要臓器の有無に関わらず、患部１０１の全体ではなく一部分に配置する。

治療計画装置１のなかの照射計画の処理フローを図６に示す。

図６において、治療計画装置１の治療計画ソフトウェアではまずＸ線ＣＴ装置で撮影された患者５のＣＴ画像を読み込む（プロセスＳ５０１）。

その次には、治療計画のユーザーはＣＴ画像の上に線量を照射する患部１０１や、線量を避ける重要臓器の輪郭を入力装置１Ａにより入力する（プロセスＳ５０２）。

次に、ユーザーは照射方向を決定して、表示装置１Ｂに表示されるＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などに入力装置１Ａを用いて入力する（プロセスＳ５０３）。

次に、治療計画装置１の線量計算プログラムはＣＴ画像をもとにスポット１０３を配置し（プロセスＳ５０４）、繰り返し計算により各スポット１０３の照射量が所望の線量分布となるように決定する（プロセスＳ５０５）。

以上のプロセスを経て照射する各スポット１０３の位置、エネルギー、照射量が決定したため、治療計画装置１は患者５体内の線量分布計算を行う。

ユーザーは、表示装置１Ｂに表示される患者５体内の線量分布を確認する（プロセスＳ５０６）とともに、必要なヒストグラム解析などを行い、患部１０１が所望の線量で照射されているか、重要臓器の線量が指定した通りに下がっているかの確認を行う（プロセスＳ５０７）。

治療計画の処理フローのなかで、スポット１０３の照射量（プロセスＳ５０５）の決定の流れの詳細を以下説明する。

最初に、線量を設定する患部１０１ならびに重要臓器に線量計算点を配置する。計算点ｉの線量をｄ_ｉ、スポットｊの照射量をｗ_ｊ、スポットｊに照射したビームが計算点ｉに与える線量をｄ_ｉｊとすると、計算点ｉの線量ｄ_ｉは以下の式（１）で計算される。

線量計算点ｉは患部１０１と線量を設定する重要臓器に乱数等を使用して三次元的に均等になるように配置する。スポットｊは、図４に示すようにブラッグピーク近傍のビームサイズとビームのエネルギーを考慮して配置する。

式（１）において各スポットｊの照射量ｗ_ｊが最適化計算で決定したい量になる。スポット１０３は患部１０１の大きさ、照射方向の数に依存する。患部１０１が大きい場合などでは、一方向からの照射でスポット１０３の数が数万になることもある。

各スポット１０３の照射量を決定するために以下に示す評価関数を作成し、評価関数の値が小さくなるように、繰り返し計算により変数ｗ_ｊを決定する。評価関数を式（２）に示す。計算点ｉの線量ｄ_ｉと目標線量Ｄ_ｉの差の自乗をすべての計算点ｉについて加算したものが、評価関数ｆとなる。評価関数ｆは変数ｗ_ｊの関数であり、ｗ_ｊが決まると値が計算出来る。

式（２）に示す評価関数ｆを最小化するように、すなわち、すべての計算点で目標線量Ｄｉとの差が小さくなるように繰り返し計算で照射量ｗ_ｊを変化させながら計算する。この繰り返し計算を行うアルゴリズムとして、ニュートン法や勾配法のアルゴリズムを使用する。

また、評価関数に患者位置決めによる誤差や呼吸移動など動きに強い線量分布を形成するために、評価関数に追加項を付加する場合がある。このような患部１０１の動きに対して崩れにくい線量分布を形成するための評価関数の作成方法については、例えば上述した特許文献１等に記載されている。

以上のような図６に示す治療計画装置の処理フローの中で、本発明の最大の特徴である、各照射方向に対してスポット１０３を配置するプロセスＳ５０４について以下説明する。

最初に、比較のために、従来の治療計画方法について図７および図８を用いて説明する。図７に従来の治療計画方法によるスポット１０３の配置を示す。図７は患部１０１に対して方向１から荷電粒子ビーム１０４を照射するときのスポット配置を示す。患部１０１内部および周囲の黒点がスポット１０３を表し、点線で囲われた領域が同じエネルギーのビームで照射するｉ番目の層を表している。図７に示すように、従来は患部１０１全体にスポット１０３を配置し、各スポット１０３の照射量の決定を行っていた。

図８は複数の照射方向からスキャニング照射を行う場合の、各照射方向でのスポット配置を示す。図８では方向１から方向４までの４方向が図示されているが、実際の照射ではもっと多くてもかまわない。図８では方向１から方向４までの各照射方向で患部１０１全体にスポット１０３を配置していることを示す。

照射量を決定する繰り返し計算の過程で、装置が照射出来る１スポット１０３当たりの最小量を考慮する必要があり、これらの制約を考慮することで照射方向毎に患部１０１全体に配置したスポット１０３の中から、照射量が０になるスポット１０３が発生する。つまり、図８では各方向から患部１０１全体にスポット１０３が存在するが、治療計画を立てた結果、各照射方向で患部１０１全体に配置されたスポット１０３のなかから照射しないスポット１０３が発生する。

以上のような従来のスキャニング治療計画に対して、本実施形態の治療計画装置１では、多方向から照射するとともに、スポット１０３の配置に工夫を加える。

本発明を実施する第１の実施形態のスポット１０３の配置の一例について図９を用いて説明する。図９は本実施形態におけるスポット配置を示す図である。図９では方向１から方向４までの４つの照射方向を示すが、本発明が対象とするガントリー回転を用いた照射は数十から数百までの照射方向の場合に特に好適である。

回転ガントリーを回転させながら照射する場合、患部１０１内部に回転ガントリーの回転中心であるアイソセンタを持ってくることが通常である。図９では回転中心であるアイソセンタを含むビーム進行方向からみた同じ水等価厚の面２０１を示す。または、面２０１は回転中心であるアイソセンタを含む物理空間における平面状の面でもかまわない。

本発明の第１の実施形態の治療計画装置１では、図９に示すように各照射方向において、ビームの照射方向から見て、回転中心を含む面２０１より深い領域にスポット１０３を配置する。これにより、各照射方向からのスポット１０３の数は図８に示す従来のスポット配置と比較して、半分程度に減らすことが可能となる。

患部１０１を一様な線量で照射するためには、各照射方向からのスポット１０３をすべて配置したときに、患部１０１全体にスポット１０３が配置されている必要がある。そこで、ひとつの照射方向からのスポット１０３は減らす代わりに、回転ガントリーによる回転自由度を活用することで、患部１０１全体にスポット１０３を配置することを実現する。図９では方向１から方向４までのスポット１０３のアンド操作したときに患部１０１が全てのスポット１０３で覆われないため、図では４方向しか示されていないが、少なくとも１８０度ガントリーを回転させる必要がある。

このように各照射方向からのスポット１０３を回転中心から深い側にのみ配置することで、各方向からのスポット１０３の数が減るため、照射量を決定するプロセスＳ５０５での計算に必要となるメモリ１Ｄの量を減らし、さらに式（１），式（２）の計算量を減らすことが可能となる。これにより治療計画を作成するのに必要となる時間を短縮することが可能となる。治療計画作成にかかる時間が短縮されると、一日の治療患者数が増加することとなり、治療室あたりの治療を受けることが出来る患者数を増やすことが出来る。また、治療面からは各照射方向からのスポット１０３の数が減ることにより治療時間を短縮することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態の粒子線治療計画装置および粒子線治療システムについて図１０を用いて説明する。図１０は本実施形態におけるスポット配置を示す図である。第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下の実施形態においても同様とする。

図１０に示すように、本実施形態の治療計画装置では、各照射方向のスポット１０３を配置する領域を、ビームの照射方向から見て、回転中心アイソセンタを含む面２０１より浅い領域とする。

また、本実施形態においても、すべての方向のスポット１０３のアンド操作をしたときに患部１０１全体を覆う必要があることから、回転ガントリーを１８０度回転させる必要がある。

なお、図１０でも方向１から方向４までの４つの照射方向を示すが、回転方向が数十から数百の場合に特に好適であることは第１の実施形態と同じである。

その他の構成・動作は前述した第１の実施形態の粒子線治療計画装置および粒子線治療システムと略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

本発明の第２の実施形態の粒子線治療計画装置および粒子線治療システムにおいても、前述した第１の実施形態の粒子線治療計画装置および粒子線治療システムとほぼ同様に、各照射方向からのスポット１０３の数が従来のスポット配置と比較して、半分程度に減らすことが可能であり、治療計画を作成するのに必要なメモリ量と計算時間を低減することができる。その結果、粒子線治療を受けることが出来る患者数を増やすことが可能となる。

＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態の粒子線治療計画装置および粒子線治療システムについて図１１を用いて説明する。図１１は本実施形態におけるスポット配置を示す図である。

図１１に示すように、本実施形態の治療計画装置では、各照射方向のスポット１０３を配置する領域を、多数の方向からの照射の回転中心アイソセンタを含む近傍の領域に限定、すなわち各照射方向からアイソセンタ近傍の中心深さ付近とする。

例えば、ある照射方向の回転中心アイソセンタの水等価厚をＲ_ｉｃ［ｍｍ］とすると、スポット１０３の配置する領域を、Ｒ_ｉｃを中心とする水等価厚範囲を±ΔＲ［ｍｍ］の範囲とする。すなわち、各照射方向から見た患部１０１の水等価厚が（Ｒ_ｉｃ−ΔＲ）［ｍｍ］から（Ｒ_ｉｃ＋ΔＲ）［ｍｍ］までの間の帯状の領域のみにスポット１０３を配置する。

図１１は方向１から方向４までの４つの照射方向を示すが、点線で囲われた領域が、水等価厚が（Ｒ_ｉｃ−ΔＲ）から（Ｒ_ｉｃ＋ΔＲ）の領域を示す。スポット１０３をこの点線で囲われた領域内にのみ配置する。

このときも回転ガントリーの回転範囲は少なくとも１８０度回転させる必要がある。

その他の構成・動作は前述した第１の実施形態や第２の実施形態と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。また、図１１に示す点線で囲われた領域は、上に示すように水等価厚を基準に決めても良いし、物理的な空間を基準に決めても良い。このとき、点線で囲われた領域は、アイソセンタを含む物理的な距離±ΔＲ［ｍｍ］の範囲となる。

本発明の第３の実施形態においても、前述した第１の実施形態や第２の実施形態とほぼ同様な効果が得られる。

＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態の粒子線治療計画装置および粒子線治療システムについて図１２および図１３を用いて説明する。図１２はスポット配置を示す図、図１３は患部１０１の深い領域にスポット１０３を配置している様子を示す図である。

図１２に示すように、本実施形態の治療計画装置では、各照射方向のスポット１０３を、照射方向から見て患部１０１の深さを基準にして配置するが、その際に、照射方向から見て患部１０１の最も深い位置から最も浅い位置までの長さを４等分したときに深い方の１／４側の領域のみに配置する。

図１３に示すように、走査電磁石４１Ａ，４１Ｂにより走査された荷電粒子ビーム１０４は、点線源から放出された直線上をほぼ進行するとみなして良く、その軌跡は荷電粒子ビームの中心１０４ａの軌跡と見なせる。

図１３に示すように、荷電粒子ビームの進行方向の患部１０１の水等価厚の最小値がＲｍｉｎ、最大値がＲｍａｘであったとすると、各ライン上では以下の式を満たす領域Ｒに対してのみスポット１０３を配置する。

計算式（３）は、各照射方向から患部１０１の水等価厚の深い領域１／４にスポット１０３を配置する式になっている。

なお、本実施形態では患部１０１の水等価厚の深い領域１／４に配置する場合について記載しているが、別の数値、例えば１／３，１／５，２／５，１／６などの別の数値を採用することが可能である。これらの場合、計算式（３）中「１／４」の項を別の数値に置き換える。本実施形態の意図するところは、照射方向から見て患部１０１の最も深い位置から最も浅い位置までの長さを２等分した際に、深い領域側のみの任意の範囲にスポット配置を限定することにある。

本実施形態では、スポット１０３を深い領域側に限定しているため、例えば患部１０１が大きくなったときには、ガントリーを３６０度回転させたとしても、患部１０１の中心付近にスポット１０３を配置しない領域が出現することが予想される。

しかしながら、粒子線の線量分布の特性として、図４に示すように深い領域のスポット１０３を照射したときに手前側の浅い領域にも線量があたる。この特性により、患部１０１中心付近のスポット１０３を配置しない領域の線量が下がることは粒子線の物理的性質から回避される。

患部１０１の中心付近にスポット１０３を配置しない本実施形態の場合でも、図６に示す治療計画の処理フローの中で、照射量を繰り返し計算で決定するプロセスＳ５０５により、患部１０１を一様な線量で照射出来るように各スポット１０３の照射量を最適化計算する。

その他の構成・動作は前述した第１乃至第３の実施形態と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

本実施形態による効果は、治療計画を作成するのに必要なメモリ量と計算時間を低減する点であり、この効果は第１の実施形態乃至第３の実施形態までと同様である。

更に、スポット１０３を配置する体積が少ないため、各照射方向のスポット１０３の数を第１および第２の実施形態に比べて少なくなることが期待出来る。したがって全体のスポット１０３の数も第１および第２の実施形態と比較して低減出来ることが期待出来、更なる計算時間の短縮が実現出来る。

＜第５の実施形態＞
本発明の第５の実施形態の粒子線治療計画装置および粒子線治療システムについて図１４を用いて説明する。図１４は本実施形態におけるスポット配置を示す図である。

図１４に示すように、本実施形態の治療計画装置では、各照射方向のスポット１０３を、照射方向から見て患部１０１の深さを基準にして配置するが、その際に、照射方向から見て患部１０１の最も深い側から３レイヤ程度に限定する。

図１４では、各照射方向からみた患部１０１の深い領域から３レイヤを点線に示す。一つの点線領域で囲まれた領域が１レイヤを表し、図１４に示す方向１から方向４までのいずれの照射方向からも、患部１０１のもっとも深い３レイヤのみにスポット１０３を配置している。

なお、本実施形態では、奥側３レイヤ内にスポット１０３を配置する例を示すが、別の数値、例えば２レイヤ、４レイヤ、５レイヤ、・・・等の別のレイヤ数とすることが可能である。本実施形態の意図するところは、照射方向から見て総レイヤ数のうち、各照射方向で半分より深い側の数レイヤにスポット配置を限定することにある。

本実施形態でも、第４の実施形態と同様に、患部１０１の中心付近にスポット１０３が配置されない領域が発生することが想定される。しかし、粒子線の線量分布特性を生かして、プロセスＳ５０５の照射量最適化で患部１０１に一様な線量で照射出来るように、各スポット１０３の照射量が最適化される点は第４の実施形態と同様である。

本実施形態による効果は、治療計画を作成するのに必要なメモリ量と計算時間を低減する点であり、第１乃至第４の実施形態までと同様である。

また、各照射方向のスポット１０３の数を第１および第２の実施形態に比べて少なくなることが期待出来る効果は第４の実施形態と同様であり、更なる計算時間の短縮が期待出来る。

＜第６の実施形態＞
本発明の第６の実施形態の粒子線治療計画装置および粒子線治療システムについて図１５を用いて説明する。図１５は治療計画ソフトウェアのユーザーインターフェイスに追加するスポット配置の切り替えスイッチを示す図である。

本実施形態の治療計画装置１は、患者５の患部１０１にスポット１０３を配置し、各スポット１０３への粒子線の照射量を決定する装置であって、多数の方向からスキャニング照射によって粒子線を照射して患部１０１に一様な線量分布を形成する治療計画を作成する点は第１の実施形態乃至第５の実施形態の治療計画装置および粒子線治療システムと略同じである。

本実施形態では、図１５に示すような、各々の照射方向からの照射では、患部１０１の全体ではなく一部分にスポット１０３を配置するモードと、患部１０１の全体にスポット１０３を配置するモードと、を切り替える切り替えスイッチ１Ｆを有する点が異なる。

図１５に示すように、切り替えスイッチ１Ｆは、表示装置１Ｂに表示された画面上の選択領域であり、「部分に配置」と「全体に配置」を入力装置１Ａによって選択することが可能である。

この切り替えスイッチ１Ｆにおいて「部分に配置」が選択されると、患部１０１の一部分にスポット１０３を配置する動作となる。これに対し、切り替えスイッチ１Ｆにおいて「全体に配置」が選択されると、患部１０１全体にスポット１０３を配置する動作となる。

切り替えスイッチ１Ｆで「部分に配置」が選択されると、第１の実施形態乃至第５の実施形態に示したスポット１０３の配置方法のいずれかの方法によって、患部１０１の一部分にスポット１０３が配置される。

なお、切り替えスイッチ１Ｆで「部分に配置」が選択された際には、第１の実施形態乃至第５の実施形態に示したスポット１０３の配置方法のいずれかの方法を選択する選択画面を表示装置１Ｂに表示することができ、ユーザーは入力装置１Ａによって選択したい方法を選択し、治療計画装置は選択された配置方法によってスポット１０３を配置して治療計画を作成することができる。

図１５に示すような切り替えスイッチ１Ｆを設置する利点は、スポット１０３を患部１０１の一部分に配置することで、患部１０１に一様な線量が満足に作成出来ない場合、従来の患部１０１全体にスポット１０３を配置する動作を行うことが出来る。人間の人体は骨や肺など不均質物質が存在するために、第１乃至第５の実施形態のような部分配置処理がうまく機能しないことも考えられる。その場合にも、治療を行うことが可能となるように治療計画ソフトウェアのスポット配置方法としてユーザーに選択の余地を与えることが出来る、との効果が得られる。すなわち、患部１０１の状態に応じた柔軟な治療計画の作成が可能となり、治療の自由度が向上する。

本実施形態におる効果は、確実に治療計画が作成できることを担保することが出来る。また、スポット１０３を患部１０１に部分配置することが出来た場合、第１の実施形態から第５の実施形態までと同様に、治療計画の計算時間を短縮できる効果が期待できる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

例えば、本発明の粒子線治療システム１０００で用いる荷電粒子ビーム１０４は、陽子や、炭素、ヘリウムなどの陽子より重い重粒子からなるものとすることができる。

１…治療計画装置（粒子線治療計画装置）
１Ａ…入力装置
１Ｂ…表示装置
１Ｆ…切り替えスイッチ（選択部）
２…全体制御装置
３…照射ノズル制御装置
４…加速器・ビーム輸送系制御装置
５…患者
２０…加速器
２１…入射器
２２…シンクロトロン
３０…ビーム輸送系
４０…照射ノズル（粒子線照射装置）
４１Ａ…水平走査電磁石
４１Ｂ…垂直走査電磁石
４２…線量モニタ
４３…位置モニタ
４４…リッジフィルタ
４５…レンジシフタ
５０…治療台
５１Ａ…水平走査電磁石電源
５１Ｂ…垂直走査電磁石電源
５２…線量モニタ制御装置
５３…位置モニタ制御装置
５４…走査電磁石電源制御装置
６１…ブラッグカーブ
６２…拡大ブラッグピーク
１０１…患部
１０２…層
１０３…スポット
１０４…荷電粒子ビーム
１０４ａ：走査電磁石により走査された荷電粒子ビーム
２０１：回転中心を含む面
２０２：照射方向から患部の深い領域の１／４を表す面
２０３：照射方向から患部の深い領域の３レイヤ
３０１…回転中心を含む深さ方向に幅を持った領域
１０００…粒子線治療システム

Claims (10)

1. 多数の方向からスキャニング照射によって粒子線を照射して患者の患部に一様な線量分布を形成する治療計画を作成する粒子線治療計画装置であって、
   各々の照射方向からの照射では、前記患部の全体ではなく一部分にスポットを配置し、
   前記患部に対してユーザーが指定した線量で照射する各スポットの照射量を計算する
   ことを特徴とする粒子線治療計画装置。
2. 請求項１に記載の粒子線治療計画装置において、
   各照射方向のスポットを、重要臓器の有無に関わらず、前記患部の全体ではなく一部分に配置する
   ことを特徴とする粒子線治療計画装置。
3. 請求項２に記載の粒子線治療計画装置において、
   各照射方向のスポットを、照射方向から見て前記多数の方向からの照射の回転中心より深い領域に配置する
   ことを特徴とする粒子線治療計画装置。
4. 請求項２に記載の粒子線治療計画装置において、
   各照射方向のスポットを、照射方向から見て前記多数の方向からの照射の回転中心より浅い領域に配置する
   ことを特徴とする粒子線治療計画装置。
5. 請求項２に記載の粒子線治療計画装置において、
   各照射方向のスポットを、照射方向から見て前記多数の方向からの照射の回転中心を含む帯状の領域に配置する
   ことを特徴とする粒子線治療計画装置。
6. 請求項２に記載の粒子線治療計画装置において、
   各照射方向のスポットを、照射方向から見て前記患部の深さを基準にして配置する
   ことを特徴とする粒子線治療計画装置。
7. 請求項６に記載の粒子線治療計画装置において、
   各照射方向のスポットを、照射方向から見て前記患部の最も深い位置から最も浅い位置までの長さを３等分以上したときに、照射方向から見て前記患部の最も深い位置から最も浅い位置までの長さを２等分した際に奥側となる領域のみに配置する
   ことを特徴とする粒子線治療計画装置。
8. 請求項６に記載の粒子線治療計画装置において、
   各照射方向のスポットを、照射方向から見て前記患部の最も深い側から浅い側までの総レイヤ数のうち、半分より奥側のみのレイヤ内に配置する
   ことを特徴とする粒子線治療計画装置。
9. 患者の患部にスポットを配置し、各スポットへの粒子線の照射量を決定する粒子線治療計画装置であって、
   多数の方向からスキャニング照射によって前記粒子線を照射して前記患部に一様な線量分布を形成する治療計画を作成するものであり、
   各々の照射方向からの照射では、前記患部の全体ではなく一部分にスポットを配置するモードと、前記患部の全体にスポットを配置するモードと、を切り替える選択部を有する
   ことを特徴とする粒子線治療計画装置。
10. 患部に対して粒子線を照射する粒子線照射装置と、
    請求項１または請求項９に記載の粒子線治療計画装置と、を備え、
    前記粒子線照射装置は、前記粒子線治療計画装置によって作成された治療計画に基づいて前記患部に対して前記粒子線を照射する
    ことを特徴とする粒子線治療システム。

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