JP2021194349A - 荷電粒子ビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子ビームを走査して照射標的をスポットごとに照射する荷電粒子ビーム照射装置を提供する。【解決手段】荷電粒子ビームを走査して照射標的をスポットごとに照射する荷電粒子ビーム照射装置１０であって、照射ノズル５０に設けられた第１の線量モニタと、スポットごとの荷電粒子ビームの線量率及び線量の情報を含む治療計画データから、前記荷電粒子ビーム照射装置１０を制御するための照射制御データを生成する照射パターン変換装置７０と、荷電粒子ビームの線量率に対する線量補正係数のデータを記憶する線量補正係数記憶部７２とを備える。前記照射パターン変換装置７０は、選択したスポットに対応する、前記治療計画データ中の線量の値に線量補正係数を掛け合わせて線量の値を補正し、前記治療計画データ中の全てのスポットについて線量を補正したデータを用いて、照射制御データを生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子ビームを走査して照射標的をスポットごとに照射する（「スキャニング照射」ともいう。）荷電粒子ビーム照射装置に関する。

従来より、高エネルギーに加速された荷電粒子ビーム（「粒子線」ともいう。）を癌などの悪性腫瘍に照射し、悪性腫瘍を治療する粒子線治療が行われている。陽子線や炭素線等の荷電粒子ビームを用いた粒子線治療では、近年、スキャニング照射という新たな照射法が注目され、実施する施設数も増加しつつある。従来の粒子線治療は、荷電粒子ビームを側方方向（照射スライス面方向）及び進行方向（奥行き（深さ）方向）に細いビームを様々な照射野形成器具（例えば、散乱体、リッジフィルタ、コリメータ、又は患者ボーラス）を用い、静的に拡大する拡大ビーム照射法が主流であった。しかし、スキャニング照射法では、そのような照射野形成器具を使用することなく、荷電粒子ビームを３次元に動的に制御して照射野を形成するため、照射標的への線量分布の向上が期待される。

特許文献１は、予め測定しておいた電離箱線量計の測定から算出した吸収線量と電離箱線量計の収集効率との関係を記録しておき、この記録内容に基づき、電離線量計の測定値から算出された吸収線量に対して収集効率による補正を行う技術を開示する。

特許文献２は、線量モニタの電極のたわみによる線量の測定精度の悪化に対して、照射対照の照射位置に対応する線量モニタで測定された線量の補正係数を求めて、線量モニタの感度を補正することで、精度良い線量測定を可能とする技術を開示する。

特開２００２−２２８７５５号公報 国際公開第２０１２／１２０６７７号

粒子線治療では、医師等が設定した（所期の）線量を患者に照射することが重要であり、そのために照射された線量を精度よく測定することが求められる。線量は、一般的には、照射標的（患部）に近い照射ノズルに備え付けられた、電離箱とも称する線量モニタを用いて測定される。しかし、線量モニタによる荷電粒子ビームの線量の測定では、イオン再結合による影響などの要因により、測定精度が悪化することがある。そのため、照射標的に実際に照射された線量と線量モニタで測定した線量との間に乖離が生じることがある。

このような事情に鑑み、本発明は、荷電粒子ビームを走査して照射標的をスポットごとに照射する荷電粒子ビーム照射装置を提供することを目的とする。

本発明には以下の態様〔１〕〜〔３〕が含まれる。
〔態様１〕
荷電粒子ビームを走査して照射標的をスポットごとに照射する荷電粒子ビーム照射装置（１０）であって、
照射ノズル（５０）に設けられた第１の線量モニタ（５４）と、
スポットごとの荷電粒子ビームの線量率及び線量の情報を含む治療計画データから、前記荷電粒子ビーム照射装置（１０）を制御するための照射制御データを生成する照射パターン変換装置（７０）と、
荷電粒子ビームの線量率に対する線量補正係数Ｒのデータを記憶する線量補正係数記憶部（７２）と、
を備え、
前記照射パターン変換装置（７０）は、
（i）前記治療計画データ中の一つのスポットを選択し、
（ii）前記選択したスポットに対応する、前記治療計画データ中の線量率をキーとして、前記線量補正係数記憶部（７２）から、前記線量率に対応する線量補正係数Ｒを取得し、前記選択したスポットに対応する、前記治療計画データ中の線量の値に前記線量補正係数Ｒを掛け合わせることで、前記選択したスポットに対応する線量の値を補正し、
（iii）前記治療計画データ中の全てのスポットに対して、前記（i）及び（ii）に記載の処理を行い、
（iv）線量については、前記治療計画データ中の全てのスポットについて線量が補正されたデータを用いて、照射制御データを生成する
ように構成されている、前記荷電粒子ビーム照射装置。
〔態様２〕
前記治療計画データは、スポットごとの荷電粒子ビームのエネルギー、線量率、及びビームサイズ、並びにスポット位置の情報を含み、
前記線量補正係数記憶部（７２）は、荷電粒子ビームのエネルギー、線量率、及びビームサイズの組み合わせに対する線量補正係数Ｒ１のデータと、スポット位置に対する線量補正係数Ｒ２のデータとを記憶しており、
前記照射パターン変換装置（７０）は、
（i）前記治療計画データ中の一つのスポットを選択し、
（ii）前記選択したスポットに対応する、前記治療計画データ中の荷電粒子ビームのエネルギー、線量率、及びビームサイズをキーとして、前記線量補正係数記憶部（７２）から、対応する線量補正係数Ｒ１を取得し、
（iii）前記選択したスポットに対応する、前記治療計画データ中のスポット位置をキーとして、前記線量補正係数記憶部（７２）から、対応する線量補正係数Ｒ２を取得し、
（iv）前記選択したスポットに対応する、前記治療計画データ中の線量の値に、前記（ii）及び（iii）の処理にて取得した線量補正係数Ｒ１、Ｒ２をそれぞれ掛け合わせることで、前記選択したスポットに対応する線量の値を補正し、
（v）前記治療計画データ中の全てのスポットに対して、前記（i）〜（iv）に記載の処理を行い、
（vi）線量については、前記治療計画データ中の全てのスポットについて線量が補正されたデータを用いて、照射制御データを生成する、態様１に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
〔態様３〕
前記照射ノズル（５０）内に第２の線量モニタ（５５）と、
荷電粒子ビームのエネルギーに対する前記第２の線量モニタ（５５）の出力を補正する出力補正係数のデータを記憶する線量モニタ出力補正係数記憶部（７４）と
をさらに備え、
前記第２の線量モニタ（５５）は、前記第１の線量モニタ（５４）よりも下流側に配置されており、
前記第２の線量が測定する線量値は、スポットごとに、線量モニタ出力補正係数記憶部（７４）に記憶された荷電粒子ビームのエネルギーに対応する出力補正係数を掛け合わせることで、補正される、態様１又は２に記載の荷電粒子ビーム照射装置。

本発明の一実施形態に係る荷電粒子ビーム照射装置は、線量率に対応する線量補正係数を格納した補正係数を用いて、スポットごとの線量を線量補正係数で補正した上で、荷電粒子ビームの照射を行うものである。そのため、照射標的に実際に照射された線量と線量モニタにより測定される線量との間の乖離が防止ないし低減される。

第１実施形態の荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図である。 照射ノズルとスキャニング照射の概要図である。 線量率と線量モニタの線量及び実際の線量との関係を示すグラフである。 第１実施形態の粒子線治療のフローチャートである。 電荷密度とエネルギー及びビームサイズとの関係を示すグラフである。 電離箱の概略断面図と、線量モニタの出力と電極間距離ｄとの関係を示すグラフである。 荷電粒子ビームのエネルギー、線量率、及びビームサイズの線量補正係数、並びにスポット位置の線量補正係数の例である。 第２実施形態の粒子線治療のフローチャートである。 第２実施形態の照射ノズル及び照射パターン変換装置の概要図である。 第１及び第２の線量モニタの出力比とエネルギーとの関係を示すグラフである。 線量補正係数の算出を説明するための図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態は、荷電粒子ビームを走査して照射標的をスポットごとに照射する荷電粒子ビーム照射装置に関する。とくに、本実施形態の荷電粒子ビーム照射装置は、主に、照射ノズルに備え付けられた線量モニタにおけるイオン再結合の影響による、照射標的が受ける実際の線量と線量モニタにより測定される線量との乖離を補正するものである。

＜荷電粒子ビーム照射装置１０＞
図１は、荷電粒子ビーム照射装置１０の概略構成図であり、図２は、照射ノズル５０及びスキャニング照射の概要図である。

荷電粒子ビーム照射装置１０は、加速器２０、荷電粒子ビーム輸送系３０、収束電磁石４０、及び照射ノズル５０を備える。また、荷電粒子ビーム照射装置１０は、治療計画装置６０、照射パターン変換装置７０、及び照射制御装置８０を備える。

加速器２０は、荷電粒子ビームを生成する装置であり、例えばシンクロトロン、サイクロトロン、又は線形加速器である。加速器２０で生成された荷電粒子ビームは、荷電粒子ビーム輸送系３０を通じて収束電磁石４０に導かれる。

荷電粒子ビーム輸送系３０には、１つ又は複数の荷電粒子ビーム調整手段３１、真空ダクト３２、振分電磁石３３、及び扇型真空ダクト３４などが含まれる。加速器２０、荷電粒子ビーム調整手段３１、及び振分電磁石３３は、真空ダクト３２で接続され、振分電磁石３３及び収束電磁石４０は扇型真空ダクト３４で接続されている。荷電粒子ビーム調整手段３１には、荷電粒子ビームのビーム形状及び／又は線量を調整するためのビームスリット、荷電粒子ビームの進行方向を調整するための電磁石、荷電粒子ビームのビーム形状を調整するための四極電磁石、並びに、荷電粒子ビームのビーム位置を微調整するためのステアリング電磁石などが、仕様に応じて適宜含まれる。

振分電磁石３３は、荷電粒子ビームを偏向角（φ）で連続的に偏向し、収束電磁石４０へ荷電粒子ビームを出射する。収束電磁石４０は、荷電粒子ビームの進行方向をＸ軸、収束電磁石４０が生成する磁場の方向をＺ軸、Ｘ軸及びＺ軸に直交する方向をＹ軸とすると、ＸＹ面においてＸ軸に対する偏向角（φ）の広い範囲から入射する荷電粒子ビームを、照射ノズル５０を通じて、照射角（θ）にてアイソセンター（Ｏ）に収束させる。振分電磁石３３及び収束電磁石４０は、参照により組み込まれる本出願人による先行特許（特許第6364141号、特許6387476号、特願2020-63275号）に記載のものであり、詳細な説明は省略する。

照射ノズル５０は、荷電粒子ビームを用いた治療等が行われる治療室内に位置し、ＸＹ面において収束電磁石４０が生成する有効磁場領域の出射側の形状に沿うように連続的に移動する。有効磁場領域の出射側からアイソセンターに向かう荷電粒子ビームは照射ノズル５０内を通過し、照射ノズル５０により荷電粒子ビームの走査が行われる。

なお、照射角（θ）を変えることによる照射位置の調整と照射ノズル５０内の走査電磁石５２による荷電粒子ビームの走査による照射位置の調整の違いについて、限定されるものではないが、荷電粒子ビームの照射位置の比較的大きな調整は照射角θの変更により行われ、荷電粒子ビームの照射位置の比較的小さな調整（微調整）は走査電磁石５２による荷電粒子ビームの走査により行われると捉えることができる。いずれの場合でも、照射標的の奥行き（深さ）方向における照射位置の調整は、荷電粒子ビームのエネルギーを変えることで調整可能である。

照射ノズル５０は、走査電磁石５２、線量モニタ５４、及び位置モニタ５６を備える。なお、荷電粒子ビームのエネルギーの調整は、照射ノズル５０にレンジシフターなどのエネルギー調整手段を設けて調整するようにしてもよいし、加速器２０側で調整してもよいし、これら両方により調整してもよい。

走査電磁石５２は、流れる電流量や電流の向きを調整することで、照射ノズル５０から出射する荷電粒子ビームの進行方向を微調整し、荷電粒子ビームの照射位置を変更し、荷電粒子ビームをスキャン（走査）可能にする。

線量モニタ５４は、荷電粒子ビームを監視し、荷電粒子ビームの線量を計測する電離箱である。電離箱は、ガスで満たされた容器内に２極の電極を設置した放射線測定器である。電離箱内に荷電粒子などの電離放射線が入射すると、内部のガスが電子と陽イオンに電離され、電離箱内部の電極間には電圧が掛けられており、電離された電子と陽イオンはそれぞれ陽極と陰極に移動し、電流が発生する。この電流を測定することで荷電粒子ビームの線量を測定する。

位置モニタ５６は、通過する荷電粒子ビームの位置を測定し、照射標的における荷電粒子ビームの位置を測定する。

スキャニング照射では、照射標的を複数のスライス層（照射スライス面ともいう。）に区分し、各スライス層を複数のスポットに分割する。一般的に、スポットの数は、標準的な照射標的サイズ（数百ｃｍ^３）であっても、数万スポットに及ぶことがある。荷電粒子ビームは走査電磁石５２によって位置が調整され、スポットを１つずつ塗りつぶしていくように照射が行われる（図２（ｂ））。荷電粒子ビームの位置は位置モニタ５６によって測定され、各スポットへの線量は線量モニタ５４によって測定される。線量モニタ５４で測定した線量の値がスポットごとに医師等の医療従事者により予め設定されたプリセット値（目的の線量）に達した時点で（照射満了）、次のスポット位置へと荷電粒子ビームを移動する。１つのスライス面内の全スポットの照射が終了すると、一時的に荷電粒子ビームの照射を停止して次のスライス面（深さ方向）の照射準備へと移行する。このフローを繰り返すことで照射標的全体に荷電粒子ビームを照射し、最終的に照射標的の全てのスポットに目的の線量が照射されると、ビームの照射は完全に停止され、治療が終了する。

異なるスライス面へ照射を行う場合は荷電粒子ビームのエネルギーを変更する。エネルギーの変更は、加速器２０の出力を変えて荷電粒子ビームのエネルギーを変更したり、照射ノズル５０にレンジシフターなどのエネルギー調整手段を用いて変更できる。エネルギー変更のための設定が完了すると、次のスライス内のスポット照射が開始される。このフローを繰り返すことで照射標的全体に照射を行い、照射標的の最終的に全てのスポットに設定された目的の線量が照射されると、荷電粒子ビームの照射は停止される。

治療計画装置６０は、医療従事者の入力に基づき、治療計画データを生成し、治療計画データを照射パターン変換装置７０に送る。治療計画データは、治療計画装置６０において、医療従事者が、治療室の治療台に固定された患者のＣＴ画像及び／又はＭＲＩ画像を基に腫瘍（照射標的）の範囲を指定し、腫瘍の形状を指定すること、照射する線量及び線量率等を指定することなどにより生成される。

治療計画データは、スポットごとの荷電粒子ビームの線量率及び線量、並びにスポット位置（座標）の情報を含む。治療計画データは、さらに、スポットごとの荷電粒子ビームのエネルギー及びビームサイズ、腫瘍（照射標的）の位置及び大きさ、腫瘍に対する荷電粒子ビームの照射範囲（照射方向など）の情報などを含むようにしてもよい。

ここで、治療計画データで扱われる情報は、患者ＣＴ情報等が基になっているため、そのままでは、例えば荷電粒子ビーム照射装置１０等による照射をすることはできない。そのため、治療計画データから照射制御データへの変換が必要となる。例えば、治療計画データでは照射標的に対し、所期の線量を与えるように各スポットの線量や線量率、エネルギー等の値が決定される。実際の照射においては、照射標的、すなわち、患者体内での線量を測定することはできないため、電離箱を用いた線量モニタ５４がその役割を果たす。線量モニタ５４は電離箱、電位計等の回路から構成される。電離箱を通過した荷電粒子ビームにより電離された電流は、回路により対応する周波数に変換され、パルス信号として出力され、線量モニタ５４はパルス信号をカウントすることとなる。従って、治療計画データのスポット毎の線量は、照射制御データにおいてはモニターユニット（ＭＵ）と呼ばれる、パルス信号のカウント値と線量を結びつけた放射線治療特有の単位で扱われる。

照射パターン変換装置７０は、治療計画装置６０から受け取った治療計画データに基づき、照射制御データを生成し、照射制御装置８０に送る。スキャニング照射法では、照射制御データにおける荷電粒子ビームの線量率、線量、及びエネルギーなどの各種パラメータはスポットごとに設定される。そのため、線量モニタ５４の測定値に対する補正もスポットごとに行う必要がある。

すなわち、照射パターン変換装置７０は、治療計画装置６０から治療計画データを受け取ると、線量補正係数記憶部７２にアクセスし、治療計画データ内で指定されたスポットごとの線量率をキーとして、該当する線量率に関する線量補正係数を取得する。線量補正係数記憶部７２は、照射パターン変換装置７０内に備えられていてもよいし、照射パターン変換装置７０とは別の装置構成としてもよい。

そして、照射パターン変換装置７０は、治療計画データで指定されたスポットごとの線量を、線量補正係数を用いて補正した上で、照射制御データを生成し、照射制御装置８０に送る。照射制御データには、加速器２０、荷電粒子ビーム輸送系３０、収束電磁石４０、及び照射ノズル５０の制御情報（例えば、加速器２０の電源電流値、荷電粒子ビーム輸送系３０及び収束電磁石４０の電流制御、照射ノズル５０の駆動制御など）等が含まれる。

照射制御装置８０は、照射パターン変換装置７０から受け取った照射制御データに基づき、加速器２０、荷電粒子ビーム輸送系３０、収束電磁石４０、及び照射ノズル５０を制御して、スキャニング照射による照射標的への荷電粒子ビーム照射を制御し、スキャニング照射法による荷電粒子ビームによる治療を実行する。

＜線量補正＞
線量モニタ５４（電離箱）による測定において、線量測定の精度悪化の主な要因は、電離箱におけるイオン再結合による影響である。イオン再結合は、放射線により電離された電子と陽イオンが、電極に到達する前に再び結合する現象である。イオン再結合が起こることにより、発生する電流量が少なくなるため、線量モニタ５４の測定値は実際に照射された荷電粒子ビームの線量よりも低い値を示してしまう。イオン再結合には初期イオン再結合と一般イオン再結合があり、初期イオン再結合は放射線の線量率（単位時間あたりの線量）には依存しないが、一般イオン再結合は線量率が高くなるにつれて発生率が大きくなることが知られている。そのため、荷電粒子ビームの線量率が高ければ高いほど、線量モニタ５４が測定した線量と実際の荷電粒子ビームの線量との乖離が大きくなってしまう問題がある。

例えば、図３（ａ）は、同じ線量を与える荷電粒子ビームを、線量率Ｉのみを変化させて線量モニタ（電離箱）に照射した際の該線量モニタの出力の変動をプロットした例である。理想的には、いずれの線量率Ｉ１〜Ｉ４の場合であっても同じ線量モニタは同じ線量値（ＭＵ）を示すはずであるが、高い線量率Ｉ３及びＩ４の場合前述のイオン再結合による影響が大きく、実際の線量に対して低い線量値（ＭＵ）が線量モニタから出力されてしまう。そして、粒子線治療に際しては、スポットごとに線量モニタが出力する線量値（ＭＵ）に応じて、荷電粒子ビームの照射の停止が行われる。そのため、高線量率Ｉ３及びＩ４の荷電粒子ビームを照射するスポットにおいては、実際には、図３（ｂ）に示すように、医療従事者が設定していた線量以上に、荷電粒子ビームが照射されることとなってしまう。

近年では、照射時間や照射回数を減らして患者負担を軽減するなどの目的のため、高線量率での治療が望まれているため、線量率の変化に伴う線量モニタ５４の出力変動分を補正することが重要となる。

また、スキャニング照射の照射制御データは情報量が非常に多いことから、その生成に時間がかかり、照射パターン変換装置７０のメモリを多く要することがある。このような点に鑑み、スキャニング照射における線量モニタの出力変動に対して、予め取得し、線量補正係数記憶部７２に記憶させておいた線量率に対する線量補正係数を利用することで、効率よく補正を行い、照射制御データの生成時間の増加や照射パターン変換装置７０のメモリ増強を抑えることができる。

照射パターン変換装置７０における線量補正について説明する。

治療計画装置６０により生成される治療計画データには、荷電粒子ビームのスポットごとの線量及び線量率などのデータが含まれる。この治療計画データを照射パターン変換装置７０により、照射制御データに変換する（例えば表１。）。なお、表１の照射制御データは線量値の補正を行わなかったとした場合のデータであり、実際に生成され、照射制御装置８０に送られる照射制御データは、線量が補正されたデータ（例えば表３）である。また、各スポットは、対応する３次元座標が割り当てられる。例えば、スポット１の座量は（x₁, y₁, z₁）、スポット２の座標は（x₂, y₂, z₂）、…スポット１００００の座標は（x₁₀₀₀₀, y₁₀₀₀₀, z₁₀₀₀₀）などである。

線量補正係数記憶部７２には、予め計算により求めておいた線量率ごとの線量補正係数データが記憶されている（例えば表２。Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３＜Ｉ４とする。）。線量補正係数の求め方については後述する。

例えば、図３の例では、線量率が低いＩ１、Ｉ２のときには線量の補正は必要ないが、線量率が比較的高いＩ３及びＩ４のときには線量モニタ５４が出力する線量値（ＭＵ）の値が小さく出てしまう結果（図３（ａ））、実際に照射される線量が所期の線量よりも大きくなってしまう（図３（ｂ））。しかしながら、本実施形態では、照射パターン変換装置７０は、治療計画データの線量を照射制御データに変換する際に、線量率に応じた線量補正係数Ｒで予め補正して、線量が補正された照射制御データを生成する（例えば表３）。

照射パターン変換装置７０は、治療計画データに記載されたスポットごとの線量を、線量率に応じた線量補正係数Ｒにより補正を行いながら照射制御データを生成する。これにより、照射標的に実際に照射された線量と線量モニタ５４で測定した線量との間の乖離に起因する過剰な荷電粒子ビームの照射が防止ないし低減される。

＜線量補正係数の求め方＞
線量補正係数記憶部７２には、予め求めておいた線量率Ｉごとの線量補正係数Ｒのデータが記憶されている。線量率Ｉごとの線量補正係数Ｒは、以下のようにして求めることができる。

線量モニタ５４（電離箱）におけるイオン収集効率ηは、電離箱で生成されたイオンを電極で収集できる割合であり、イオン再結合がない場合はη＝１となる。しかしながら、実際にはイオン再結合の影響により、電離箱で生成されたイオンの全てを電極にて収集することはできないことから、イオン収集効率ηは１より小さい値になる。そのため、線量補正係数Ｒは次の式（１）及び（２）から計算される。

ここで、図１１を用いて式（２）について説明する。図１１は電離箱に荷電粒子ビームを照射したときに、電離箱内で生成される側方（ビーム進行方向と垂直な方向）の電離電荷分布の形状を表す。座標は、ビーム進行方向をｘ、ビーム進行方向と垂直な方向をｙ、ｚとする。側方の電離電荷分布を表す関数Ｆ（ｙ，ｚ）はガウス分布（ガウス関数）である。式（２）のηはＦ（ｙ，ｚ）の全領域内のイオン収集効率を示し、η_ｉは１つの微小領域ｉにおけるイオン収集効率である。微小領域ｉごとにη_ｉを計算する理由は、ｙ、ｚに依存して電離電荷量が変わるためである。また、η_ｉをどこまでの範囲で積分するかをｚ_ｍａｘ、ｙ_ｍａｘで指定する。ビームサイズはガウス分布σで表しているので、σの大きさ（すなわちビームサイズ）に依存してｚ_ｍａｘ、ｙ_ｍａｘの範囲は変わる。

η_ｉは以下の式（３）及び（４）から計算される。

式（４）中、ｄは電離箱の電極間距離、ｑ_ｉ（ｙ，ｚ）は座標（ｙ，ｚ）で表される領域ｉにおける電離電荷密度、Ｖは電離箱の電極間に印加されている電圧である。結局のところ、座標（ｙ，ｚ）に依存して電離電荷密度ｑが変わることを示す。ｑ_ｉ（ｙ，ｚ）は式（５）から計算される。

式（５）中、Ｉは荷電粒子ビームの線量率、ｄＥ／ｄｘはビームが電離箱を通過するときの単位長さあたりの阻止能（これは電離箱中のガスに付与するエネルギーに相当し、ビームのエネルギーに依存する。）、Ｗは電離箱中のガスのＷ値（電離電荷１ペアを生成するために必要なエネルギー値）、Ｃは素電荷、ｖ_ｉは微小領域ｉの体積である。

上記式（１）〜（５）中のパラメータｄ、Ｖ、Ｗ、Ｃ、及びｖ_ｉは線量モニタ５４の設計上の仕様による一定値であることから、線量補正係数Ｒは、線量率Ｉ、エネルギーに依存するｄＥ／ｄｘ、及びビームサイズに依存するｚ_ｍａｘ、ｙ_ｍａｘの各パラメータに応じて変化する。

本実施形態では、線量補正係数Ｒが線量率Ｉをパラメータと想定するものであるため、エネルギーに依存するｄＥ／ｄｘ及びビームサイズに依存するｚ_ｍａｘ、ｙ_ｍａｘの値を固定値（例えば、荷電粒子ビーム装置１０で使用可能なエネルギー及びビームサイズの平均値など）にして、線量率Ｉに応じた線量補正係数Ｒを計算する。このようにして求めた該線量補正係数Ｒのデータを線量補正係数記憶部７２に記憶させておく。

図４は、本実施形態における、スキャニング照射を行う荷電粒子ビーム照射装置１０を用いた、粒子線治療のフローチャートである。

まず、治療計画装置６０において、医療従事者は、治療室の治療台に固定された患者のＣＴ画像及び／又はＭＲＩ画像を基に、腫瘍（照射標的）の範囲を指定し、腫瘍の形状を指定する。これにより、治療計画装置６０は、スポットごとの線量及び線量率のデータを含む治療計画データを生成し、照射パターン変換装置７０に送る（ステップＳ１）。なお、治療計画データは、スポットごとの荷電粒子ビームのエネルギー及びビームサイズのデータを含むものであってもよい。

次に、照射パターン変換装置７０は、治療計画データ中のスポットを選択し（ステップＳ２）、選択したスポットに対応する治療計画データ中の線量率Ｉをキーとして、線量補正係数記憶部７２から、該線量率Ｉに対応する線量補正係数Ｒを取得する（ステップＳ３）。そして、照射パターン変換装置７０は、治療計画データ中の該選択したスポットに対応する線量の値に、取得した線量補正係数を掛け合わせることで、該選択したスポットに対応する線量の値を補正する（ステップＳ４）。治療計画データ中の全てのスポットに対する線量の補正が終了するまでステップＳ２〜Ｓ４が繰り返される（ステップＳ５のＮｏ）。スポットごとの補正した線量の値は照射パターン変換装置７０のＲＡＭ（不図示）などに一時的に記憶させておく。

全てのスポットについて線量の補正が完了すると、照射パターン変換装置７０は、治療計画データ（線量については、ＲＡＭに記憶させておいた補正した線量の値）に基づき、照射制御データを生成し、照射制御装置８０に送る（ステップＳ６）。照射制御装置８０は、照射パターン変換装置７０から受け取った照射制御データに基づき、加速器２０、荷電粒子ビーム輸送系３０、収束電磁石４０、及び照射ノズル５０を制御して、スキャニング照射による照射標的への荷電粒子ビーム照射を制御して、照射標的への荷電粒子ビームの照射治療が開始される（ステップＳ７）。

このように、本実施形態に係るスキャニング照射を行う荷電粒子ビーム照射装置１０では、照射パターン変換装置７０は、治療計画装置６０よりスポットごとの線量及び線量率の情報を含む治療計画データを受け取ると、線量補正係数記憶部７２に予め記憶させておいた線量率Ｉに関連する線量補正係数Ｒのデータを用いて治療計画データのスポットごとの線量を補正し、治療計画データ及び補正した線量の値に基づき照射制御データ生成する。そのため、スキャニング照射において、スポットごとに、実際に照射される線量と線量モニタ５４が測定する線量値（ＭＵ）との乖離を防止ないし低減できる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態の荷電粒子ビーム照射装置１０は、線量モニタ５４のイオン再結合による影響（線量率に依存する）に加えて、他の影響による線量の乖離を補正するものである。ここで、他の影響には、荷電粒子ビームのエネルギーＥ（上記式におけるパラメータｄＥ／ｄｘ）及びビームサイズＳ（上記式におけるパラメータｚ_ｍａｘ、ｙ_ｍａｘ）、並びに線量モニタ５４のどこを荷電粒子ビームが通過するかという事があげられる。

荷電粒子ビームのエネルギーは前述のとおり照射標的におけるスポットの深さ方向の位置に依存する事項である。荷電粒子ビームのビームサイズは１つのスポットの大きさに依存する事項である。荷電粒子ビームのビームサイズは、スポットごとに同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、線量モニタ５４（電離箱）のどこを荷電粒子ビームが通過するかという事は、スポットの位置（座標）に依存する事項である。

まず、線量モニタ５４における荷電粒子ビームのエネルギー及びビームサイズの影響について説明する。図５に示すように、同じ線量率（例えばＩ１）の荷電粒子ビームであっても、エネルギーが低いほど（図５（ａ）、Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅ３）、又は、ビームサイズが小さいほど（図５（ｂ）、Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３）、線量モニタ５４（電離箱）における電離する電荷密度は高くなる。電離電荷密度が高いことは、局所的に見ると線量率が高くなっているということと等価である。そのため、イオン再結合の発生率が増加してしまい、線量モニタ５４の出力の低下につながる（すなわち線量モニタ５４が測定する線量の値が実際の線量よりも低くなる）。なお、荷電粒子ビームのビームサイズＳは、ビームの広がりをガウス分布に見立て、その半値幅等をビームサイズの基準として用いてもよい。

また、線量モニタ５４の向かい合う一対の電極（高圧電極及びシグナル電極）はそれぞれ理想的には平面状であるが、実際には電極の中心間の距離が短くなるように、ある程度たわんでしまう（図６（ａ）は電離箱のＸＹ面断面図）。そのため、線量モニタ５４内において、荷電粒子ビームの通過する位置に応じて、電極間を通過する距離が異なる。図６（ｂ）に示すように、位置Ｂは電極の中心付近であり最も電極間距離ｄ（＝ｄ２）が短く（荷電粒子ビームの通過距離が最も短く）、端の電極支持部へいくにつれ電極間距離ｄが長くなる（ｄ２（位置Ｂ）＜ｄ１（位置Ａ）＜ｄ３（位置Ｃ））。そして、電極間距離ｄが短くなるにつれ、同じ線量を意図したものであっても、線量モニタ５４の出力値（ＭＵ）が小さな値を示してしまう。

このように、荷電粒子ビームの線量率、エネルギー、及びビームサイズのパラメータについては、各パラメータの組み合わせに依存して線量モニタ５４の出力の変化に違いが生じる。これらを考慮した上で、１スポットごとに線量補正係数を予め求めておく必要がある。

一方、荷電粒子ビームが線量モニタ５４のどこを通過するか（すなわち、スポット位置）に依存する線量モニタ５４の出力の変化に関しては、荷電粒子ビームの線量率、エネルギー、及びビームサイズのパラメータには依存しないため、これらとは独立に考える必要がある。即ち、本実施形態では、荷電粒子ビームのエネルギー等の補正が終了したのちに、当該スポットの位置におうじて線量の補正を行う。

したがって、線量補正係数記憶部７２は、荷電粒子ビームの線量率、エネルギー及びビームサイズの組み合わせに関する線量補正係数のデータテーブルと、スポット位置（座標）に関する線量補正係数のデータテーブルの両方を予め求めておき、線量補正係数記憶部７２に記憶させておく。

より詳細には、荷電粒子ビームの線量率、エネルギー及びビームサイズの組み合わせに関する線量補正係数のデータテーブルの生成について、上記式（１）〜（５）によると、線量補正係数Ｒは、線量率Ｉ、エネルギーに依存するｄＥ／ｄｘ、及びビームサイズに依存するｚ_ｍａｘ、ｙ_ｍａｘの各パラメータに応じて変わるものであるところ、荷電粒子ビーム照射装置１０で使用するエネルギーＥの値、線量率Ｉの値、及びビームサイズ（ｚ_ｍａｘ、ｙ_ｍａｘ）の値はある程度の範囲に収まる。例えば、図７（ａ）では、エネルギーＥのとり得る値は、Ｅ１、Ｅ２、…Ｅ５０であり、線量率Ｉのとり得る値は、Ｉ１、Ｉ２、…Ｉ３０であり、ビームサイズＳのとり得る値は、Ｓ１、Ｓ２、…Ｓ１００であるとすると、これら全ての組み合わせについて、式（１）〜（５）から線量補正係数Ｒを予め求めておき、線量補正係数記憶部７２に記憶させておく。

また、スポット位置（座標）に関する線量補正係数のデータテーブルの生成については、経験的に求めるものである。すなわち、荷電粒子ビーム装置１０において、同じエネルギーＥ、スポットサイズＳ、及び線量率Ｉにて、スポット位置のみを変えて線量を測定し、相対的な線量の比率（例えば測定した線量のうちの最低の値で各線量値を割る。）を線量補正係数Ｒとして計算し、線量補正係数記憶部７２に記憶させておく。例えば図７（ｂ）の例では、荷電粒子ビームのエネルギーＥ、スポットサイズＳ、及び線量率Ｉを固定した上で、荷電粒子ビーム装置１０にて使用されるスポット位置（座標（x1, y1, z1）〜（xn, yn, zn））ごとに線量モニタ５４にて線量を測定し、各線量の相対的な比率を線量補正係数Ｒとして計算し、線量補正係数記憶部７２に記憶させておく。

図８は、本実施形態における、スキャニング照射を行う荷電粒子ビーム照射装置１０を用いた、粒子線治療のフローチャートである。

まず、治療計画装置６０において、医療従事者は、治療室の治療台に固定された患者のＣＴ画像及び／又はＭＲＩ画像を基に、腫瘍（照射標的）の範囲を指定し、腫瘍の形状を指定する。これにより、治療計画装置６０は、スポットごとの線量、線量率、並びに荷電粒子ビームのエネルギー及びビームサイズのデータを含む治療計画データを生成し、照射パターン変換装置７０に送る（ステップＳ１１）。

次に、照射パターン変換装置７０は、治療計画データ中のスポットを選択する（ステップＳ１２）。照射パターン変換装置７０は、選択したスポットに対応する治療計画データ中の荷電粒子ビームのエネルギーＥ、線量率Ｉ、及びビームサイズＳ（ｚ_ｍａｘ、ｙ_ｍａｘ）をキーとして、線量補正係数記憶部７２に記憶させておいた荷電粒子ビームの線量率、エネルギー及びビームサイズの組み合わせに関する線量補正係数のデータテーブルから、対応する線量補正係数Ｒ１を取得する（ステップＳ１３）。

照射パターン変換装置７０は、選択したスポットに対応する治療計画データ中のスポット位置（座標）をキーとして、線量補正係数記憶部７２に記憶させておいたスポット位置（座標）に関する線量補正係数のデータテーブルから、対応する線量補正係数Ｒ２を取得する（ステップＳ１４）。

照射パターン変換装置７０は、治療計画データ中の該選択したスポットに対応する線量の値に、ステップＳ１３及びＳ１４にて取得した線量補正係数Ｒ１、Ｒ２を掛けあわせることで、該選択したスポットに対応する線量の値を補正する（ステップＳ１５）。治療計画データ中の全てのスポットに対する線量の補正が終了するまでステップＳ１２〜Ｓ１５が繰り返される（ステップＳ１６のＮｏ）。

全てのスポットについて線量の補正が完了すると、照射パターン変換装置７０は、線量が補正された照射制御データを生成し、照射制御装置８０に送る（ステップＳ１７）。照射制御装置８０は、照射パターン変換装置７０から受け取った照射制御データに基づき、加速器２０、荷電粒子ビーム輸送系３０、収束電磁石４０、及び照射ノズル５０を制御して、スキャニング照射による照射標的への荷電粒子ビーム照射を制御して、照射標的への荷電粒子ビームの照射治療が開始される（ステップＳ１８）。

このように、本実施形態に係るスキャニング照射を行う荷電粒子ビーム照射装置１０では、照射パターン変換装置７０は、治療計画装置６０よりスポットごとの荷電粒子ビームのエネルギー、ビームサイズ、線量率、及び線量、並びにスポット位置の情報を含む治療計画データを受け取ると、線量補正係数記憶部７２に予め記憶させておいた、荷電粒子ビームのエネルギー、ビームサイズ、及び線量率に関する線量補正係数データと、スポット位置に関する線量補正係数データとを用いて、治療計画データのスポットごとの線量を補正し、それに基づき照射制御データを生成する。そのため、スキャニング照射において、スポットごとに、実際に照射される線量と線量モニタ５４が測定する線量値（ＭＵ）との乖離をより効果的に防止ないし低減できる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態の荷電粒子ビーム照射装置１０では、照射ノズル５０内に第１の線量モニタ５４に加えて、第２の線量モニタ５５をさらに備えるものである（図９（ａ））。第２の線量モニタ５５は、バックアップ用線量モニタであり、主に、第１の線量モニタ５４の線量の測定値に誤りがないかどうかを調べるために用いる線量モニタである。

荷電粒子ビームの進行方向において、第２の線量モニタ５５は第１の線量モニタ５４よりも下流側に配置されている。また、本実施形態では、荷電粒子ビーム照射装置１０は、線量モニタ出力補正係数記憶部７４をさらに備え（図９（ｂ））、上流側に配置された第１の線量モニタ５４の影響（主に荷電粒子ビームのエネルギーロスの影響）による、下流側に配置された第２の線量モニタ５５が測定する線量を補正するものである。なお、線量モニタ出力補正係数記憶部７４は、照射パターン変換装置７０又は線量補正係数記憶部７２内に組み込まれていてもよいし、両者とは別の装置構成としてもよい。

第１の線量モニタ５４における荷電粒子ビームのエネルギーロスによる第２の線量モニタ５５の出力変化は、一般的に照射するエネルギーが低いほど大きくなる（例えば図１０）。そのため、本実施形態では、第２線量モニタ５５が出力する線量の値は、荷電粒子ビームのエネルギー値に応じて、線量モニタ出力補正係数記憶部７４に記憶された線量モニタ出力補正係数を用いて補正する。

線量モニタ出力補正係数記憶部７４は、荷電粒子ビームのエネルギーに応じて、第２の線量モニタ５５が測定する線量の値を補正するための補正係数を記憶している（例えば表４）。

このように、本実施形態では、第２の線量モニタ５５が測定する線量値を、線量モニタ出力補正係数記憶部７４に記憶された補正係数で補正を加えることで、第１の線量モニタ５４が出力する線量値と第２の線量モニタ５５が出力する線量値との乖離を防止ないし低減できる。

上記で説明される寸法、材料、形状、構成要素の相対的な位置等は、本発明が適用される装置の構造又は様々な条件に応じて変更される。説明に用いた特定の用語及び実施形態に限定されることは意図しておらず、当業者であれば、他の同等の構成要素を使用することができ、上記実施形態は、本発明の趣旨又は範囲から逸脱しない限り、他の変形及び変更も可能である。また、本発明の一つの実施形態に関連して説明した特徴を、たとえ明確に前述していなくても、他の実施形態と組み合わせて用いることも可能である。

１０ 荷電粒子ビーム照射装置
２０ 加速器
３０ 荷電粒子ビーム輸送系
３１ 荷電粒子ビーム調整手段
３２ 真空ダクト
３３ 振分電磁石
３４ 扇型真空ダクト
４０ 収束電磁石
５０ 照射ノズル
５２ 走査電磁石
５４ 線量モニタ（第１の線量モニタ）
５５ 第２の線量モニタ
５６ 位置モニタ
６０ 治療計画装置
７０ 照射パターン変換装置
７２ 線量補正係数記憶部
７４ 線量モニタ出力補正係数記憶部
８０ 照射制御装置

Claims (3)

1. 荷電粒子ビームを走査して照射標的をスポットごとに照射する荷電粒子ビーム照射装置（１０）であって、
   照射ノズル（５０）に設けられた第１の線量モニタ（５４）と、
   スポットごとの荷電粒子ビームの線量率及び線量の情報を含む治療計画データから、前記荷電粒子ビーム照射装置（１０）を制御するための照射制御データを生成する照射パターン変換装置（７０）と、
   荷電粒子ビームの線量率に対する線量補正係数Ｒのデータを記憶する線量補正係数記憶部（７２）と、
   を備え、
   前記照射パターン変換装置（７０）は、
   （i）前記治療計画データ中の一つのスポットを選択し、
   （ii）前記選択したスポットに対応する、前記治療計画データ中の線量率をキーとして、前記線量補正係数記憶部（７２）から、前記線量率に対応する線量補正係数Ｒを取得し、前記選択したスポットに対応する、前記治療計画データ中の線量の値に前記線量補正係数Ｒを掛け合わせることで、前記選択したスポットに対応する線量の値を補正し、
   （iii）前記治療計画データ中の全てのスポットに対して、前記（i）及び（ii）に記載の処理を行い、
   （iv）線量については、前記治療計画データ中の全てのスポットについて線量が補正されたデータを用いて、照射制御データを生成する
   ように構成されている、前記荷電粒子ビーム照射装置。
2. 前記治療計画データは、スポットごとの荷電粒子ビームのエネルギー、線量率、及びビームサイズ、並びにスポット位置の情報を含み、
   前記線量補正係数記憶部（７２）は、荷電粒子ビームのエネルギー、線量率、及びビームサイズの組み合わせに対する線量補正係数Ｒ１のデータと、スポット位置に対する線量補正係数Ｒ２のデータとを記憶しており、
   前記照射パターン変換装置（７０）は、
   （i）前記治療計画データ中の一つのスポットを選択し、
   （ii）前記選択したスポットに対応する、前記治療計画データ中の荷電粒子ビームのエネルギー、線量率、及びビームサイズをキーとして、前記線量補正係数記憶部（７２）から、対応する線量補正係数Ｒ１を取得し、
   （iii）前記選択したスポットに対応する、前記治療計画データ中のスポット位置をキーとして、前記線量補正係数記憶部（７２）から、対応する線量補正係数Ｒ２を取得し、
   （iv）前記選択したスポットに対応する、前記治療計画データ中の線量の値に、前記（ii）及び（iii）の処理にて取得した線量補正係数Ｒ１、Ｒ２をそれぞれ掛け合わせることで、前記選択したスポットに対応する線量の値を補正し、
   （v）前記治療計画データ中の全てのスポットに対して、前記（i）〜（iv）に記載の処理を行い、
   （vi）線量については、前記治療計画データ中の全てのスポットについて線量が補正されたデータを用いて、照射制御データを生成する、請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
3. 前記照射ノズル（５０）内に第２の線量モニタ（５５）と、
   荷電粒子ビームのエネルギーに対する前記第２の線量モニタ（５５）の出力を補正する出力補正係数のデータを記憶する線量モニタ出力補正係数記憶部（７４）と
   をさらに備え、
   前記第２の線量モニタ（５５）は、前記第１の線量モニタ（５４）よりも下流側に配置されており、
   前記第２の線量が測定する線量値は、スポットごとに、線量モニタ出力補正係数記憶部（７４）に記憶された荷電粒子ビームのエネルギーに対応する出力補正係数を掛け合わせることで、補正される、請求項１又は２に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
   
   

Images