JP2021186621A

JP2021186621A - 粒子線治療装置および粒子線治療装置の作動方法

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Publication number: JP2021186621A
Application number: JP2020107332A
Authority: JP
Inventors: 恵一中川; Keiichi Nakagawa
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2021-12-13
Also published as: US20210370095A1; US11607562B2

Abstract

【課題】放射線の照射時間を２００ミリ秒以下、より好ましくは１００ミリ秒以下に設定し、副作用を抑制する放射線治療において、照射対象全体をカバーできる照射野を得る粒子線治療装置および粒子線治療装置の作動方法を提供する。【解決手段】第１および第２の散乱体を用いて、照射対象全体をカバーできる照射野の広さを得て、粒子線の体内線量分布における平坦部分に照射対象全体を配置することを特徴とする。【選択図】図９

Description

本発明は、粒子線治療システムに関するもので、特に陽子線または炭素線を始めとする粒子線治療装置を用いて、超高速照射による腫瘍などの治療に供する技術に関する。

従来より患者体内の腫瘍を治療する放射線治療装置として陽子線、炭素線などを用いた粒子線治療装置が知られている。詳細は、例えば特許文献１に記載されている。患者を椅子または寝台に配置して、水平に粒子線ビームを照射する。前記椅子または寝台を回転させることにより、体内の腫瘍部位に高線量を付与すると共に、周囲の正常組織の線量を低減することが可能である。図１は患者６の食道癌を陽子線で治療する場合の外観図であり、１は図示しない加速器から照射される陽子線ビーム、２は腫瘍の大きさにあったビームをつくるためのコリメータ、３はビーム１のエネルギーを低下させて腫瘍が存在する体内深さでビームを停止させるためのエネルギー減衰器、４はエネルギー減衰器のエネルギー減衰量を制御するためのマニピュレータ、５はコリメータ２とエネルギー減衰器３とマニピュレータ４を設置するスタンドである。

食道がん患者６の食道には入射陽子線ビームのエネルギーを検出する図示しない線量計が挿入されている。７は検出器に接続されたチューブ、８は検出器の出力を表示するモニター、９は患者が座る治療用椅子である。１０は治療用椅子を３次元的に並進移動させたり、水平面内で回転運動させるための駆動機構である。ビーム軸上に配置した腫瘍を前記椅子の回転中心軸上に配置して椅子を回転することにより、腫瘍に対して水平面内の全方向からビームを照射できる。１１は治療用椅子９と駆動機構１０のスタンドである。

図２は腫瘍２５を回転中心と一致させて配置し、患者を回転させながら陽子線ビーム１を照射した場合に体内に生成される線量分布を示している。２７ａが腫瘍内部に生成される高線量分布であり、２７ｂが正常組織に生成される低線量分布を示している。２９は患者の体表を示している。

非特許文献１には、腫瘍の体積が大きい場合に照射野を拡大する方式が例示されている。図３は陽子線照射装置の構成図であり、３１はビームの出射口、３２は薄い金属箔で構成される第１の散乱体であり、ビームの照射サイズを広げることができる。３３はモニター線量計、３４は２重リング構造を有する第２の散乱体、３５は深さ方向の線量分布を標的のサイズに合わせる飛程変調器、３６は標的形状に合わせて照射するためのコリメータ、３７が標的位置である。

図４の実線は図３の装置で生成された照射方向に垂直な面内における線量分布の測定値を示しており、第１の散乱体３２と第２の散乱体３４により、ほぼ均一な線量を付与できることを示している。本明細書では、前記照射方向に垂直な面内における線量分布を横方向の線量分布と呼ぶことにする。図４においてＸ，Ｙは前記照射方向に垂直面における座標軸を示している。また、Ｇ４と付記されている点線はＧＥＡＮＴ４という名称のモンテカルロ計算コードで計算した結果である。

図５は図３の装置で生成された照射ビームの深さ方向に対する線量分布を示しており、飛程変調器３５により、腫瘍の大きさに合わせて、ほぼ一様な高線量を付与できることを示している。図５のグラフ中の点は測定値を示し、Ｇ４と付記されている線はＧＥＡＮＴ４という名称のモンテカルロ計算コードで計算した結果である。図５は、入射陽子線エネルギーを変更することにより、一様な高線量分布を与える深さが変更できることを示している。

特許第３７５１４４０号公報

ＴｏｍｍａｓｉｎｏＦｅｔａｌ．ＡｎｅｗｆａｃｉｌｉｔｙｆｏｒｐｒｏｔｏｎｒａｄｉｏｂｉｏｌｏｇｙａｔｔｈｅＴｒｅｎｔｏｐｒｏｔｏｎｔｈｅｒａｐｙｃｅｎｔｒｅ：Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．ＰｈｙｓＭｅｄ．２０１９；５８：９９−１０６．Ｍｏｎｔａｙ−ＧｒｕｅｌＰｅｔａｌ．Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｉｎａｆｌａｓｈ：Ｕｎｉｑｕｅｓｐａｒｉｎｇｏｆｍｅｍｏｒｙｉｎｍｉｃｅａｆｔｅｒｗｈｏｌｅｂｒａｉｎｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｗｉｔｈｄｏｓｅｒａｔｅｓａｂｏｖｅ１００Ｇｙ／ｓ．ＲａｄｉｏｔｈｅｒＯｎｃｏｌ．２０１７；１２４：３６５−３６９．ＤｉｆｆｅｎｄｅｒｆｅｒＥＳｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎ，ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ａｎｄｉｎｖｉｖｏｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆａｎｏｖｅｌｐｒｏｔｏｎＦＬＡＳＨｒａｄｉａｔｉｏｎｔｈｅｒａｐｙｓｙｓｔｅｍ．ＩｎｔＪＲａｄｉａｔＯｎｃｏｌＢｉｏｌＰｈｙｓ．２０２０；１０６：４４０−４４８．ＨｉｎｄｏＷＡｅｔａｌ．Ｌａｒｇｅｄｏｓｅｉｎｃｒｅｍｅｎｔｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｉｎｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｃｅｒｅｂｒａｌｍｅｔａｓｔａｓｅｓ．Ｃａｎｃｅｒ．１９７０；２６：１３８−４１．

従来の粒子線治療装置では、腫瘍に隣接する正常組織を保護するため、１回あたりの腫瘍への投与線量を例えば２グレイ程度とし、総線量を例えば６０グレイ程度に設定することが一般的であった。腫瘍の局所制御率を高めるためには、さらに総線量を上げることが望ましいが、隣接する正常組織に付与される線量も同時に増大するため、副作用が発生するリスクが増加するという課題があった。

最近、放射線の照射時間を２００ミリ秒以下、より好ましくは１００ミリ秒以下に設定し、前記副作用を抑制する放射線治療が提案された。例えば、非特許文献２では、マウスの脳に１回で１０グレイの大線量Ｘ線照射する場合、線量率を毎秒１００グレイ以上に上げて、照射時間を１００ミリ秒以下にすれば、認知機能障害がほとんど発生しなかったと報告されている。例えば、ＣＴやＭＲＩで検出しにくい初期の微小な転移性脳腫瘍が多数存在することが予想された場合に、脳全体に放射線を照射する全脳照射という治療方法が存在するが、前記の非特許文献２は、照射時間を１００ミリ秒以下とすることにより、脳全体に１回で大線量照射しても、正常脳組織を保護できることを示している。臨床適用されているＸ線治療装置の線量率は毎分５グレイないし２０グレイ程度であり、１０グレイ程度の線量を付与するためには３０秒ないし数分以上の照射が必要である。治療に用いる放射線としては、Ｘ線以外に陽子線があるが、現在、臨床稼動している陽子線装置の線量率は高々毎分５グレイ程度のため、典型的な照射時間は数分程度以上であり、照射時間を１００ミリ秒ないし２００ミリ秒以下とすることは不可能である。最近は、サイクロトロンを用いた陽子線治療装置の線量率を上げて、毎秒１００グレイ程度を標的の腫瘍に付与できる装置も開発されている（非特許文献３）が、脳全体を１００ミリ秒以下で照射することは難しかった。

本発明は、前記課題を解決するために、陽子線または炭素線などの粒子線を単一方向からおよそ２００ミリ秒以下、より好ましくは１００ミリ秒以下で照射する粒子線治療装置および前記粒子線治療装置の作動方法に関する。具体的には、前述した第１および第２の散乱体を用いて、例えば脳全体をカバーできる照射野の広さを得て、粒子線の体内線量分布における平坦部分に例えば脳全体を配置することで、例えば全脳照射を実現する。投与線量は例えば１０グレイ程度の１回照射とすればよい。この線量は、非特許文献２で脳の認知機能障害がほとんど発生しなかったことが報告され、非特許文献４で治療効果があったことが報告されているため、全脳照射に対して妥当と認められる値である。

ＣＴやＭＲＩで検出しにくい初期の微小な転移性脳腫瘍が多数存在することが予想された場合に、例えば脳全体にＸ線を照射する全脳照射における標準照射プロトコールは１回２グレイ、１５回照射などであった。本発明によれば、粒子線の照射時間を２００ミリ秒以下、より好ましくは１００ミリ秒以下に短縮できるので、治療効果を高く維持しながら正常組織の障害を低減できる効果がある。さらに、照射回数を例えば１回にできるため、効率的な治療を実現できる。

従来の陽子線治療装置の外観図図１の装置で腫瘍を回転中心と一致させて配置し、患者を回転させながら陽子線を照射した場合に体内に生成される従来の線量分布の概要図従来の陽子線照射装置の構成図図３の装置で生成された照射方向に垂直な面内における線量分布図図３の装置で生成された照射ビームの深さ方向に対する線量分布図。本実施形態に係る陽子線治療装置の一例を示す概要図本実施形態に係る陽子線治療装置の他の例を示す概要図第１および第２の散乱体の一例を示す外観図本実施形態に係る陽子線治療装置による種々の入射エネルギーに対する体内深部線量分布図本実施形態に係るコリメータ設定の一例を示す概要図本実施形態に係るコリメータ設定の他の例を示す概要図本実施形態に係るコリメータ設定の他の例を示す概要図本実施形態に係る例えば頭部を固定する場合の固定手段の一例を示す外観図。粒子線治療装置の作動方法の一例を示す流れ図。

本発明に係る粒子線治療装置および粒子線治療装置の作動方法の好適な実施形態について添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

［１．本実施形態の構成］
図６は、本発明に係る粒子線治療装置の構成図の例であり、治療用陽子線ビームを生成する例えばサイクロトロン型の加速器４１、加速器から出力された陽子線ビームの輸送手段４２、前記治療用粒子線ビームの広がりを拡大するための第１の散乱体４３および第２の散乱体４４、照射対象の形状にあったビームに整形するコリメータ４５、加速器４１と第１の散乱体４３と第２の散乱体４４とコリメータ４５を制御する制御手段４７を備えている。ビームは患者４９の頭部側面から入射し、さらに患者４９を貫通後に陽子線ビームを停止させるビーム停止手段４８を備えている。５０は患者４９用の椅子である。

図７は患者４９を治療寝台５８上に配置して、図６と同様に頭部側面から照射する方式を示す図である。他は図６と同一構成である。

［２．本実施形態の動作］
図６において、椅子５０に座った患者４９に対して、制御手段４７で第１の散乱体４３および第２の散乱体４４を最適な位置に設定後、陽子線ビーム４０を出射すると、図４で例示されたような横方向のほぼ均一な線量分布を得ることができる。ここでは、例えば、照射対象として脳全体を例として説明するが（全脳照射と呼ぶ）、横方向のほぼ均一な線量分布を与える領域に脳全体が包含されるように、第１の散乱体４３および第２の散乱体４４を最適な位置に設定すればよい。前記全脳照射の場合、首や胸部などを保護しながら脳だけに照射する必要があるため、照射に先立ち、制御手段４７でコリメータ４５のリーフ４５ａ，４５ｂの開口を最適な位置に設定することにより、脳だけに横方向のほぼ均一な線量分布を付与することができる。

図７は患者４９を治療寝台５８上に配置し、頭部側面から照射する方式を示す図である。他は図６と同一であるので、動作も同一である。図６と図７において患者の患部を通過した陽子線は背後に設置されたビーム停止手段４８内で停止する。ビーム停止手段は例えば水を含む十分な大きさを有するアクリル製水槽またはポリエチレンブロックなどが適している。水槽やポリエチレンブロックは陽子の残留飛程より十分大きな厚みを有するように構成すれば、陽子線は前記アクリル製水槽またはポリエチレンブロック内部で停止するため、放射線防護上好ましい。

図８は第１および第２の散乱体の外観図である。第１の散乱体４３は円柱形状であるが、第２の散乱体４４は中空円筒４４ａとその内側の円柱４４ｂで構成された２重リング構造である。例えば、第１の散乱体４３は数ミリメートルの厚さを有する鉛またはタングステン合金など、第２の散乱体の中空円筒４４ａは１０ないし２０ミリメートル程度の厚さを有するアルミニウムなどの軽金属、第２の散乱体の円柱４４ｂは数ミリメートルの厚さを有する鉛またはタングステン合金などを用いる。これは一例であって、材料、厚さおよび設置位置は、照射対象内で横方向の線量分布がおよそ均一になる限り、自由度をもって選択することができる。具体的な設計例は非特許文献１に記載されている。

図９は、図６または図７で例示した粒子線治療装置において、入射陽子線エネルギーを１００、１５０、２００、２５０ＭｅＶとした場合の患者の体内で生成される深部線量分布図である。図９の各カーブにおいて、線量のピークをブラッグピークと呼ぶ。陽子線ビームが生成する線量分布のブラッグピークより手前の線量平坦部分に照射対象である脳を位置決めすれば、脳全体にほぼ一様な線量を付与できることがわかる。例えば、全脳照射の場合は、頭部の側面または正面から照射することが考えられるが、患者４９の典型的な頭部の幅は２０ないし２５ｃｍ程度であるので、ビーム４０の進行方向の照射深さを２０ないし２５ｃｍ程度とすればよく、入射陽子線のエネルギーをおよそ２５０ＭｅＶないし３５０ＭｅＶ程度に設定することが好ましいことがわかる。

図１０、１１、１２は、いずれもコリメータ４５のリーフ４５ａと４５ｂの配置例である。図１０、図１１は、頭部側面からビームを照射する場合であり、図１２は患者を椅子上に配置して、頭部正面からビームを照射する場合である。コリメータとして多数のリーフを有する公知のマルチリーフコリメータを選び、各リーフを移動して、照射領域を脳に限定している。脳の３次元構造を考慮すると、図１０または図１１が好ましいことがわかる。すなわち、頭部測面から陽子線ビームを照射すると、脳全体に照射できる。マルチリーフコリメータの各リーフは図示しないモータで駆動される。図１０と図１１の違いは、リーフの移動方向であるが、いずれでも良い。なお、図７のように患者が寝台上に配置された場合も、頭部側面から照射することが望ましく、マルチリーフコリメータの移動方向は、図１０または図１１と同様に、床面に水平でも鉛直方向でも良い。

図１３に図６における椅子に患者を配置した場合の頭部の固定手段を示す。５３は顎を固定する熱可塑性樹脂の固定プレートであり、お湯で加温して顎を押し付けた後、室温で使用することにより、対象患者専用の固定プレートになる。５１は頭頂部固定手段であり、アクリルなどの材質で構成される。５２は５１と５３を結合するためのロッド部であり、５１と５３の距離を頭部のサイズに応じて調整できるように構成する。５１ないし５３は患者が座る椅子５０と結合している構造となっている。図７のように患者を治療寝台上に配置した場合の頭部の固定は、熱可塑性樹脂でできた頭部全体を覆う公知の放射線治療用マスクなどの固定具を使うことが好ましい。

［３．関連する第２の発明に関する説明］
図１４は粒子線治療装置の作動方法に関する実施形態の一例を示す流れ図であり、固定手段を用いて照射対象を固定するステップ１（ＳＴ１）、第１および第２の散乱体の位置を制御手段で決定するステップ２（ＳＴ２）、照射する粒子線のエネルギーを決定するステップ３（ＳＴ３）、固定された照射対象の位置に基づきコリメータの開口を移動するステップ４（ＳＴ４）、粒子線をおよそ２００ミリ秒以下、より好ましくは１００ミリ秒以下の所定の時間で照射するステップ５（ＳＴ５）で構成されている。ＳＴ１の対象を固定する方法は、図１３を用いてすでに説明したので、省略する。ＳＴ２の第１および第２の散乱体を位置決めする方法は、図６の制御手段４７を用いて最適な位置に設定すればよい。散乱体の位置を変更することにより、横方向のほぼ一様な線量分布を与える領域が変化するので、照射対象の寸法に応じて最適な位置を選べばよい。ＳＴ３の照射する粒子線のエネルギーを決定する方法は、基本的にはすでに述べたように陽子線で全脳照射する場合は２５０ＭｅＶないし３５０ＭｅＶ程度とすればよいが、照射対象によって、２００ＭｅＶから５００ＭｅＶの範囲で選択することも可能である。たとえば、子供の全脳照射においては、より低いエネルギーでも照射可能である。ＳＴ４の固定された対象の位置に基づきコリメータの開口を移動する方法は、マルチリーフコリメータの各リーフを駆動するための各モータに通電し、脳全体に照射しつつ、脳以外の組織に照射しないように各リーフ位置を設定すればよい。ＳＴ５の粒子線をおよそ２００ミリ秒以下、より好ましくは１００ミリ秒以下の所定の時間で照射する方法は、照射開始ボタンを押したあと、制御装置４７内のタイマーで所定の時間経過後に照射停止すればよい。なお、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４の実行順序はこの順序でなくてもよく、任意に順序を変更してもよい。

なお、本発明は、上述した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。たとえば、粒子線としては、陽子線のみならず炭素線などの他の重粒子線を利用することもできる。また、図７において照射範囲をさらに拡大すれば、寝台上の患者のより広い部位や全身を放射線治療部位とすることもできる。

１陽子線ビーム
２コリメータ
３エネルギー減衰器
４マニピュレータ
５スタンド
６患者
７チューブ
８モニター
９治療用椅子
１０駆動機構
１１スタンド
２５腫瘍
２７ａ腫瘍内部に生成される高線量分布
２７ｂ正常組織に生成される低線量分布を示している
２９患者の体表
３１ビームの出射口
３２第１の散乱体
３３モニター線量計
３４第２の散乱体
３５飛程変調器
３６コリメータ
３７標的位置
４１加速器
４２ビーム輸送手段
４３第１の散乱体
４４第２の散乱体
４４ａ中空円筒
４４ｂ円柱
４５コリメータ
４５ａリーフ
４５ｂリーフ
４７制御手段
４８ビーム停止手段
４９患者
５０患者用椅子
５１頭頂部固定手段
５２ロッド
５３固定プレート
５８治療寝台

Claims

治療用粒子線ビームを生成する加速器と、加速器から出力された粒子線ビームの輸送手段と、前記粒子線ビームのビームサイズ拡大手段と、照射対象の形状に合わせて前記粒子線ビームを整形するコリメータと、加速器と前記ビームサイズ拡大手段と前記コリメータを制御する制御手段と、粒子線ビームが照射対象を貫通後にビームを停止させるビーム停止手段と、照射対象を固定する固定手段と、粒子線が生成する線量分布のブラッグピークより手前の線量平坦部分に照射対象を配置するための入射粒子線のエネルギーを決定する手段を備えたことを特徴とする粒子線治療装置。
前記粒子線として陽子線を選んだことを特徴とする請求項１記載の粒子線治療装置。
前記粒子線として炭素線を選んだことを特徴とする請求項１記載の粒子線治療装置。
前記加速器としてサイクロトロンを選んだことを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の粒子線治療装置。
前記コリメータとして多数のリーフを有するマルチリーフコリメータを選んだことを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の粒子線治療装置。
ビームサイズ拡大手段として、第１の散乱体および第２の散乱体を備えたことを特徴とする請求項１ないし５いずれかに記載の粒子線治療装置。
照射対象の大きさ、位置に応じて、陽子線の入射エネルギーを２００ＭｅＶないし５００ＭｅＶの範囲で決定することを特徴とする請求項１，２、及び４ないし６いずれかに記載の粒子線治療装置。
前記制御手段を用いて、ビーム照射時間を２００ミリ秒以下の所定の時間に、より好ましくは１００ミリ秒以下の所定の時間に制御することを特徴とする請求項１ないし７いずれかに記載の粒子線治療装置。
前記照射対象として、脳を選んだことを特徴とする請求項１ないし８いずれかに記載の粒子線治療装置。
前記照射対象として、全身を選んだことを特徴とする請求項１ないし８いずれかに記載の粒子線治療装置。
固定手段を用いて照射対象を固定する第１のステップ、第１および第２の散乱体の位置を制御手段が決定する第２のステップ、入射粒子線のエネルギーを決定する第３のステップ、固定された照射対象の位置に基づきコリメータの開口を移動する第４のステップ、粒子線をおよそ２００ミリ秒以下の所定の時間、より好ましくは１００ミリ秒以下の所定の時間で照射する第５のステップを有する粒子線治療装置の作動方法。
前記第１のステップは、図１３に示すあごの固定手段５３，頭頂部固定手段５１において、５１と５３の距離をロッド５２で調整することを特徴とする請求項１１記載の粒子線治療装置の作動方法。
前記第２のステップは、図６の第１の散乱体４３、第２の散乱体４４を制御手段４７で位置決めして実行することを特徴とする請求項１１ないし１２のいずれかに記載の粒子線治療装置の作動方法。
前記第３のステップは、粒子線が生成する線量分布のブラッグピークより手前の線量平坦部分に前記照射対象を配置するべく、粒子線の入射エネルギーを決定することを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれかに記載の粒子線治療装置の作動方法。
前記第４のステップは、前記照射対象だけにビームを照射するべく、マルチリーフコリメータのリーフ４５ａ，４５ｂを制御手段４７で移動することを特徴とする請求項１１ないし１４のいずれかに記載の粒子線治療装置の作動方法。
前記第５のステップは加速器の制御手段４７内の照射時間タイマーでおよそ２００ミリ秒以下の所定の時間、より好ましくは１００ミリ秒以下の所定の時間を設定し、タイマーが満了するまでビームを照射することを特徴とする請求項１１ないし１５のいずれかに記載の粒子線治療装置の作動方法。
前記第２のステップないし第４のステップの作動順序を入れ替えたことを特徴とする請求項１１ないし１６のいずれかに記載の粒子線治療装置の作動方法。