JP2023183289A - Particle beam therapy system, range measurement device, and beam monitoring method - Google Patents
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Abstract
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システムや飛程計測装置、及びビーム監視方法に関する。 The present invention relates to a particle beam therapy system, a range measuring device, and a beam monitoring method that perform treatment by irradiating a charged particle beam accelerated by a particle beam accelerator to a cancerous area.
特許文献1には、動体追跡において、追跡対象に似た構造が追跡対象の近傍にある場合においても、誤検出することなく追跡対象を追跡することができる動体追跡装置の一例として、撮像画像に対して諧調処理を実施し、この諧調処理実施後の撮像画像を用いてマーカの位置を計測し、このマーカの位置に基づき放射線の照射を制御する信号を生成する、ことが記載されている。
非特許文献1には、スリットコリメータにより方向と位置を限定された即発ガンマ線が検出器に形成する特徴的な計数量分布から、粒子線が体内で停止した位置を測定する、ことが記載されている。
Non-Patent
粒子線治療では、シンクロトロン型やサイクロトロン型、シンクロサイクロトロン型と呼ばれる加速器で荷電粒子ビームを加速し、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。 In particle beam therapy, a charged particle beam is accelerated using an accelerator called a synchrotron, cyclotron, or synchrocyclotron, transported to the treatment room by a beam transport system, and irradiated to the affected area of the patient lying on the bed in the treatment room. , perform cancer treatment.
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ばれており、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。 The charged particle beam is appropriately shaped and irradiated by an irradiation nozzle so that it can irradiate different cancer affected areas depending on the patient. An irradiation method in which a charged particle beam accelerated by an accelerator is directly scanned and irradiated is called scanning irradiation, and it has been recently developed because it can create a dose distribution that concentrates the dose on the affected area compared to conventional irradiation methods. It is becoming the mainstream irradiation method for particle beam therapy.
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。 In scanning irradiation, the affected area is divided into layers, and a Bragg peak point called a spot with the highest dose concentration is placed in each layer. Spots arranged laterally within each layer are illuminated by scanning a narrow beam from an accelerator with a scanning electromagnet. In order to continue irradiation by changing the layers divided in the depth direction, the energy of the accelerator or the thickness of an energy absorber called a range shifter placed in the irradiation nozzle is changed, and the charged particle beam incident on the patient is changed. adjust the energy of
ここで、ブラッグピークは、荷電粒子ビームのエネルギーを深さ方向の線量分布で表したときに、その線量分布のピークとして定義される。ブラッグピークの位置が荷電粒子ビームの到達位置に相当する。 Here, the Bragg peak is defined as the peak of the dose distribution when the energy of the charged particle beam is expressed by the dose distribution in the depth direction. The position of the Bragg peak corresponds to the arrival position of the charged particle beam.
以上のようなスキャニング照射では、実際の照射が行われる前に治療計画と呼ばれるプロセスで患部を一様にスキャニング照射するための計画が作成される。治療計画では治療計画ソフトウェアと呼ばれる専用のソフトウェアにより患者のX線CT画像をもとに、患部のみを高線量で照射するためのスポット位置、各スポットを照射する荷電粒子ビームのエネルギーが計算される。 In the above-described scanning irradiation, a plan for uniformly scanning and irradiating the affected area is created in a process called treatment planning before the actual irradiation is performed. In treatment planning, special software called treatment planning software calculates spot positions and the energy of the charged particle beam to irradiate each spot to irradiate only the affected area with a high dose based on the patient's X-ray CT image. .
荷電粒子ビームは治療計画の結果に基づき、治療照射が実施される。この時、呼吸移動する患部に対して、特許文献1に記載されているような動体追跡照射が行われている。患部近傍にマーカを埋め込み、X線透視画像でマーカの位置を確認して、2対のX線透視画像で特定されたマーカ位置から三次元患部位置を計算する。三次元的な患部位置が所定の範囲内に入っている時のみ、荷電粒子ビームの照射を行うことで、呼吸移動する患部に対しても患部のみに集中した線量を投与することが可能となる。また、近年、マーカを体内に刺入する患者の身体負荷を低減するために、マーカを体内に埋め込まないマーカーレスの動体追跡照射が開発されている。
The charged particle beam is used for therapeutic irradiation based on the results of the treatment plan. At this time, moving body tracking irradiation as described in
荷電粒子ビームを照射しているときに、ブラッグピーク点を把握するための方法に、非特許文献1に記載されているような、荷電粒子ビームを人体に照射したときに、荷電粒子ビームの通過経路上に発生する即発ガンマ線と呼ばれるガンマ線を測定して、ビームが停止した体内深さを正確に把握する技術がある。
A method for determining the Bragg peak point during irradiation with a charged particle beam is to detect the passage of the charged particle beam when the human body is irradiated with the charged particle beam, as described in
この技術によりスポット毎の照射深さが測定できることにより、治療計画で計画された位置との比較をすることで、治療計画で使用するX線CT画像の密度情報の不確定性に伴う誤差を小さくすることが出来る。また、粒子線停止位置を高精度で予測できるようになることから、治療計画時の患部に付与するマージン量を減らすことが出来るため、患部周辺の正常組織の線量を減らすことが期待出来る。 This technology makes it possible to measure the irradiation depth for each spot and compare it with the position planned in the treatment plan, thereby reducing errors caused by uncertainties in the density information of the X-ray CT images used in the treatment plan. You can. In addition, since the particle beam stop position can be predicted with high accuracy, the amount of margin given to the affected area during treatment planning can be reduced, which can be expected to reduce the dose to normal tissue around the affected area.
しかしながら、荷電粒子ビームは、人体内の通過経路上の水等価厚の和で停止する位置が決まるために、X線動体追跡装置により所定の位置にあると判定されたときに、確かに患部にビームが照射されているということを確認する手段がなかった。 However, the stopping position of a charged particle beam is determined by the sum of the water equivalent thickness along its path inside the human body, so when it is determined to be at a predetermined position by an X-ray motion tracking device, it is certain that it will reach the affected area. There was no way to confirm that the beam was being irradiated.
すなわち、実際の患者の臓器の動きは、ゆっくりとした動きで呼吸移動により所定の位置からずれていくことが知られているが、同様にビーム通過経路上の水等価厚が患部手前の組織の相対位置関係のずれが発生して、所定のビーム照射位置からずれる可能性があった。しかし、上述の非特許文献1の方法では、このずれが考慮されておらず、ずれを確認する手段がなかった。
In other words, it is known that the actual movement of the patient's organs is slow and deviates from the predetermined position due to respiratory movement, but similarly, the water equivalent thickness on the beam passage path may vary depending on the tissue in front of the affected area. There was a possibility that a deviation in relative positional relationship would occur, resulting in deviation from a predetermined beam irradiation position. However, the method of Non-Patent
本発明は、所定のビーム照射位置からのずれの有無を従来に比べて高精度に判定することが可能な粒子線治療システム、飛程計測装置、及びビーム監視方法を提供する。 The present invention provides a particle beam therapy system, a range measuring device, and a beam monitoring method that are capable of determining the presence or absence of deviation from a predetermined beam irradiation position with higher precision than in the past.
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、粒子線を発生、照射する照射装置と、前記照射装置を制御する中央制御部と、追跡対象の3次元位置を求め、その動きを追跡する動体追跡装置と、前記照射装置による前記粒子線の照射時に発生する二次放射線を計測する検出器を有する飛程計測装置と、を備え、前記飛程計測装置は、標的内に設定された各々のスポットへの前記粒子線の照射時の検出器信号を確認しながら、前記照射装置による前記粒子線の照射制御を実行する。 The present invention includes a plurality of means for solving the above problems, and to give one example, an irradiation device that generates and irradiates a particle beam, a central control unit that controls the irradiation device, and three parts to be tracked. A moving body tracking device that determines a dimensional position and tracks its movement, and a range measuring device that has a detector that measures secondary radiation generated when the particle beam is irradiated by the irradiation device, The apparatus controls the irradiation of the particle beam by the irradiation device while checking the detector signal when each spot set in the target is irradiated with the particle beam.
本発明によれば、所定のビーム照射位置からのずれの有無を従来に比べて高精度に判定することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。 According to the present invention, it is possible to determine the presence or absence of deviation from a predetermined beam irradiation position with higher precision than in the past. Problems, configurations, and effects other than those described above will be made clear by the description of the following examples.
本発明の粒子線治療システム、飛程計測装置、及びビーム監視方法の実施例について図1乃至図13を用いて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。 Embodiments of the particle beam therapy system, range measuring device, and beam monitoring method of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 13. In the drawings used in this specification, the same or corresponding components are given the same or similar symbols, and repeated description of these components may be omitted.
最初に粒子線スキャニング照射について説明するため、粒子線治療システムの全体構成について図1を用いて説明する。図1は、実施例の粒子線治療システムの全体構成を示す図である。 First, in order to explain particle beam scanning irradiation, the overall configuration of a particle beam therapy system will be explained using FIG. 1. FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a particle beam therapy system according to an embodiment.
粒子線治療装置は、図1に示すように、粒子線を発生、照射する加速器20、ビーム輸送系30、照射ノズル40、治療台50などから構成される。
As shown in FIG. 1, the particle beam therapy apparatus includes an
加速器20は入射器21、シンクロトロン加速器22から構成されるが、サイクロトロンなどの加速器でも良い。線形加速器あるいはサイクロトロン加速器でも良いし、更にはシンクロサイクロトロン加速器でも良く、特に限定されない。
The
ビーム輸送系30と照射ノズル40は、回転ガントリーと呼ばれる患者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104を照射することが可能となっている。
The
治療台50は、患者5を載せるベッドである。治療台50は全体制御装置2からの指示に基づき、直交する3軸の方向へ移動することができ、さらにそれぞれの軸を中心として回転する、いわゆる6軸方向に移動することができる。これらの移動と回転により、患者5の位置を所望の位置に移動させることができる。
The treatment table 50 is a bed on which the
治療計画装置1により照射方向を検討し、線量を当てたくない重要臓器を避けて、患部101を医者が決めた処方線量で照射するための荷電粒子ビーム104のスポット位置とエネルギー、照射量が計算される。
The
各スポットの位置、エネルギー、照射量の情報は、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2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104を照射する。
Information on the position, energy, and irradiation amount of each spot is sent to the
全体制御装置2は、治療計画装置1、加速器・ビーム輸送系制御装置4、照射ノズル制御装置3、動体追跡制御装置70、飛程計測装置80(図8参照)、治療台50と接続されており、各機器の動作を制御する。
The
加速器・ビーム輸送系制御装置4は、加速器20やビーム輸送系30を構成する各機器の動作を制御する。
The accelerator/beam transport system control device 4 controls the operation of each device constituting the
照射ノズル制御装置3は、照射ノズル40を構成する各機器の動作を制御する。
The irradiation nozzle control device 3 controls the operation of each device that constitutes the
動体追跡装置は、患部101に埋め込まれたマーカ、患部101あるいは高密度領域の位置を求め、求めたマーカ、患部101あるいは高密度領域の位置から追跡対象の3次元位置を求め、その動きを追跡する装置であり、その詳細は図3を用いて後ほど説明する。動体追跡制御装置70は、動体追跡装置の動作を制御する装置である。
The moving body tracking device determines the position of the marker embedded in the affected
治療計画装置1は、治療計画を実施して処方箋を作成して、作成した処方箋を全体制御装置2に転送する。
The
これら全体制御装置2や加速器・ビーム輸送系制御装置4、照射ノズル制御装置3、治療計画装置1は、中央演算装置(CPU:Central Processing Unit)およびこのCPUに接続されたメモリを有する。
The
なお、実行される動作の制御処理は、1つのプログラムにまとめられていても、それぞれが複数のプログラムに分かれていても良く、更にはそれらの組み合わせでも良い。 Note that the control processing of the executed operations may be summarized into one program, each may be divided into a plurality of programs, or even a combination thereof may be used.
各装置の保有するプログラムの一部またはすべては専用ハードウェアで実現しても良く、モジュール化されていても良い。更には、各種プログラムは、プログラム配布サーバや外部記憶メディアによって各装置にインストールされていてもよいし、既存の装置をアップデートしてもよい。 A part or all of the programs possessed by each device may be realized by dedicated hardware or may be modularized. Furthermore, various programs may be installed in each device by a program distribution server or an external storage medium, or existing devices may be updated.
また、各装置は、各々が独立した装置で有線あるいは無線のネットワークで接続されたものであっても、2つ以上が一体化していてもよい。 Further, each device may be an independent device connected via a wired or wireless network, or two or more devices may be integrated.
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。荷電粒子ビーム104は各スポット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の位置に該当し、スポット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の照射量を照射し終ると、荷電粒子ビーム104は次のスポットに移動して照射を行う。同じ層102のスポットが照射し終わると、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102のスポットの照射を行う。
FIG. 2 is a diagram showing how the affected
図3は、粒子線スキャニング用の照射ノズル40の概要を示す図である。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。
FIG. 3 is a diagram schematically showing an
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104の照射量を測定する。線量モニタ制御装置52は、各照射スポットに照射する照射量を制御する。位置モニタ43は各照射スポットのビーム位置(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照射スポット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。
The dose monitor 42 measures the dose of the charged
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。図4に深さ方向の線量分布を示す。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。
The ridge filter 44 is used when necessary to thicken the Bragg peak. Alternatively, a range shifter 45 may be inserted to adjust the arrival position of the charged
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104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104は体内の浅い位置までしか到達しない。
When the energy of the beam changes, the location where the beam reaches the body changes. The charged
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。粒子線治療装置で治療を行うためには、治療に先立ち、あらかじめ治療計画装置1でビームを照射する各スポットの位置、エネルギー、照射量を決定する。
In particle beam scanning irradiation, the SOBP ( Spread Out Bragg Peak). By appropriately distributing the irradiation amount of each energy, the Bragg curves 61 of each energy are superimposed to form a uniform
本発明が関係する動体追跡治療について図5を用いて説明する。動体追跡治療では、2対のX線管72とX線イメージャー73より得られるX線透視画像から、患部101、体内に刺入されたマーカ、あるいは特徴のある骨端点などの骨格ランドマーク点71(上述の高密度領域)となる部位を追跡して、患部101、マーカあるいは骨格ランドマーク点71の三次元位置を治療中に計算して求める装置である。
The moving body tracking treatment to which the present invention relates will be explained using FIG. 5. In dynamic body tracking treatment, skeletal landmark points such as the affected
動体追跡では、患部101、マーカあるいは骨格ランドマーク点71がX線透視画像に写った位置74より、図5に示すX線管72と位置74との交点計算より患部101、マーカあるいは骨格ランドマーク点71の三次元位置を計算する。
In moving body tracking, the affected
本発明が関係する動体追跡計算のビーム出射許可について図6を用いて説明する。X線管72、位置74を結ぶ2対の直線の交点計算により計算された患部101、マーカあるいは骨格ランドマーク点71の位置が図6に示す三次元位置75で求まったとすると、計算で求まった患部101、マーカあるいは骨格ランドマーク点71の三次元位置75が所定の照射許可範囲76内に入っている時のみ、荷電粒子ビーム104の照射を行う。これにより患部101、マーカあるいは骨格ランドマーク点71が所定の位置に存在している時のみに荷電粒子ビーム104を照射することになり、呼吸移動で移動する臓器に対して、荷電粒子ビーム104の位置ずれが抑制された高精度の照射が実現する。
Beam emission permission for moving object tracking calculation to which the present invention relates will be explained using FIG. 6. Assuming that the position of the affected
図6の荷電粒子ビーム104の照射許可範囲76は、例えば一辺2mmあるいは1mmの立方体を想定すれば良い。照射許可範囲76の大きさに応じてマーカあるいはランドマーク点の位置把握精度が決まることになる。X線透視画像は1秒間に30回程度撮影されるため、ほぼリアルタイムに人体ならびに患部101の呼吸移動を追跡することが可能な技術である。
The permitted
動体追跡装置の制御を図7を用いて説明する。動体追跡制御装置70はX線管72の曝射、X線イメージャー73の画像取得ならびに画像処理に基づく患部101、マーカあるいは骨格ランドマーク点71の位置74の抽出を行う。
Control of the moving body tracking device will be explained using FIG. 7. The moving body
また、動体追跡制御装置70は、2対のX線透視画像から求まる患部101、マーカあるいは骨格ランドマーク点71の位置74の交点計算を行い、三次元位置75を求めた後、図6に示す出射許可範囲に入っているかどうかの判定を実施する。
In addition, the moving body
動体追跡制御装置70は、判定の結果、患部101、マーカあるいは骨格ランドマーク点71の三次元位置75が所定の照射許可範囲76に入っている場合に、粒子線治療システムの全体制御装置2に荷電粒子ビーム104を照射しても良い出射許可信号を送る。これに対し、マーカあるいはランドマーク点の三次元位置75が所定の照射許可範囲76から外れた場合は、全体制御装置2に荷電粒子ビーム104の出射不許可信号を送る。
As a result of the determination, if the three-
全体制御装置2は、動体追跡装置からビーム出射許可信号を受け取っている期間内のみ、荷電粒子ビーム104の照射を行い治療を進行させる。
The
本発明が関係する飛程計測装置の測定原理を図8を用いて説明する。 The measurement principle of the range measuring device to which the present invention relates will be explained with reference to FIG.
飛程計測装置80は、患部101内に設定された各々のスポット103への粒子線の照射時の検出器83信号の分布を確認しながら、加速器20、ビーム輸送系30、照射ノズル40による粒子線の照射制御を実行するための装置であり、加速器20、ビーム輸送系30、照射ノズル40による荷電粒子ビーム104の患部101への照射時に発生する二次放射線としての即発ガンマ線81と呼ばれるガンマ線を計測するマルチピクセル型のガンマ線の検出器83と、検出器83に対してガンマ線が来る方向を限定するスリットコリメータ82と、により構成される。
The
図8において、荷電粒子ビーム104が左から入射して検出器83の視野中心に位置する患部101で停止した場合、ビーム進行する経路上で核反応により即発ガンマ線81が発生する。患部101で荷電粒子ビーム104が停止した以降の領域で、即発ガンマ線81はほとんど発生しない。このように即発ガンマ線81の発生はビーム通過経路上からのみ発生するという特徴を有する。
In FIG. 8, when a charged
このようにして発生する即発ガンマ線81をスリットコリメータ82を配置することにより、ビーム通過経路上から発生した即発ガンマ線81は図8中の斜線領域85を直進して検出器83に入射する。
By arranging the
ガンマ線の検出器83は、縦長の多数のシンチレータ結晶から構成されている。各シンチレータは遮光されており、検出器83を構成するシンチレータ各位置の計数分布を測定することが可能となっている。検出器83を構成する縦長の各シンチレータをチャンネルと呼び、検出器83はマルチチャンネルで構成されている。
The
即発ガンマ線81はビーム停止以降は発生しないことから、検出器83で検出したガンマ線の計数分布84は、図8に示すようにビーム入射方向と逆の右側方向が高くなり、ビーム入射方向である左側方向の計数量が低くなるという特徴的な計数分布を形成することになる。
Since
飛程計測装置80は、スリットコリメータ82により、ピンホールカメラと同様の原理で荷電粒子ビーム104進行方向に対して反転した計数分布の像が得られることになる。
The
スリットコリメータ82は、図8に示すようにナイフエッジ型であるときは視野が大きくとれるものの精度の向上に限界がある。これに対し、垂直型であるときは視野は狭いものの精度の向上を図れることから、測定体系等に応じて適宜形態を選択することができる。
When the
本発明により飛程計測装置80を動体追跡治療に適用したときの原理について、図9を用いて説明する。
The principle when the
図9において、患部101は呼吸移動により位置101Aと位置101Bとの間を移動する。そのため、飛程計測装置80の検出器83は、その視野が患部101の移動範囲を覆うように設置されたものとすることが望まれる。また、飛程計測装置80は、検出器83の特定チャンネルに着目して計数監視を行うことが望まれる。
In FIG. 9, the affected
図9において、患部101は位置101Aと位置101Bとの間を呼吸周期で移動し続けているが、荷電粒子ビーム104の照射は、動体追跡治療では、荷電粒子ビーム104の照射は位置101Aに患部101が位置するときのみ行われる。
In FIG. 9, the affected
荷電粒子ビーム104が位置101Aに位置する患部101に照射されたときの即発ガンマ線81の通過経路は、スリットコリメータ82の働きにより図9の斜線領域を通過し、検出器83を構成する図9では右端チャンネル領域83Aの計数が高くなる計数分布84Aが得られる。逆に言うと、動体追跡治療が問題なく進行している時は、患部101は常に位置101Aに位置するために、検出器83の計数分布は右端チャンネル領域83Aの計数が高くなる計数分布84Aが得られる。右端チャンネル領域83Aが計数量が高い計数分布84Aの時は、左側のチャンネル領域83Bの計数は低く、バックグラウンドにノイズ成分を加えた計数量になっている。
When the charged
したがって、動体追跡治療中に仮に図9の破線に示す計数分布84Bのような計数分布が得られた時、荷電粒子ビーム104の停止した位置が患部101から外れていると判定することが出来る。
Therefore, if a count distribution such as the
本発明による動体追跡治療における飛程計測装置80の配置について図10を用いて説明する。図9で本発明による飛程計測装置の使用方法に記載したように、本発明では動体追跡治療で呼吸移動する患部101を治療する際に、検出器83の視野の左端部に荷電粒子ビーム104が照射されるときの患部101位置が来る必要がある。
The arrangement of the
図10では検出器83の視野の左端に荷電粒子ビーム104が照射されるときの位置101Aに患部101が位置している。呼吸移動により、患部101は位置101Aから位置101Bまでの領域を周期的に移動するとする。図10に示すような位置に検出器83を配置することにより、本発明では図9に示す原理に基づき動体追跡治療中の照射されたビーム位置を確実に確認することが出来る。
In FIG. 10, the affected
本発明による動体追跡治療に飛程計測装置を組み合わせた粒子線治療システムの制御について図11を用いて説明する。図11に示すように、飛程計測装置80を制御する飛程計測制御装置86を新たに追加する。
Control of a particle beam therapy system in which a range measuring device is combined with moving body tracking therapy according to the present invention will be explained using FIG. 11. As shown in FIG. 11, a range
飛程計測制御装置86の制御内容について図12に説明する。図12では図9に示す検出器83と検出器により検出されたガンマ線の計数分布84を示す。
The control contents of the range
本発明では、動体追跡治療が問題なく進行しているときのガンマ線計数分布は計数分布84Aのような分布となる。検出器83の左側のチャンネル領域83Bの計数は、動体追跡治療が問題なく進行しているときは、計数量が高くなることはないため、左側のチャンネル領域83Bの計数に判定用の計数しきい値87を設定する。
In the present invention, the gamma ray count distribution when the moving body tracking treatment is progressing without any problem becomes a
しかしながら、動体追跡治療を実施中に計数分布84Bに示す領域の検出器チャンネルの計数が高くなった時に、動体追跡治療で所定の位置101Aに位置する患部101を突き抜ける荷電粒子ビーム104が照射されたと判定し、異常判定する。飛程計測制御装置86で異常が判断されると、即座に図11に示す全体制御装置2にビーム停止指令を送信する。全体制御装置2はビーム停止を粒子線治療システムに送ることにより、治療照射が中断される。
However, when the count of the detector channel in the area shown in the
このように、飛程計測制御装置86は、計数量が多くならないはずの特定チャンネルからの信号が所定閾値以上となったときは加速器20、ビーム輸送系30、照射ノズル40による粒子線の発生を停止させる。
In this way, the range
飛程計測制御装置86の制御内容の変形例について説明する。
A modification of the control content of the range
飛程計測制御装置86は、粒子線の照射精度が高いと判定されたときは、粒子線の強度を強めることができる。より具体的には、上述の図12の計数しきい値87を複数段階設定し、計数しきい値87と本来検出されないはず(バックグラウンドレベル)の検出器83の左側のチャンネル領域83Bのガンマ線の計数分布84Bとの差分が大きいときは精度が担保できているとしてビーム強度を上げ、小さいときは計数しきい値87の絶対値を上げて照射OFFの領域を広げる制御を実行することができる。
The range
本発明による動体追跡治療のフローを図13に示す。 FIG. 13 shows the flow of the moving body tracking treatment according to the present invention.
患者が治療室に入室(プロセス501)して、治療台50に横になり、治療台の上で治療計画で決められた位置に患者位置決めが行われる(プロセス502)。 A patient enters the treatment room (process 501) and lies down on the treatment table 50, and the patient is positioned on the treatment table at a position determined by the treatment plan (process 502).
次に、図10に示す位置101A,101Bを調べるために、動体追跡装置を構成するX線透視を用いて患部101の移動範囲を算出する(プロセス503)。
Next, in order to investigate the
次に調査した患部101の移動範囲をもとに、図10に示すように、検出器83の視野の左領域に荷電粒子ビーム104オンする患部101位置が来るように検出器83を設置する(プロセス504)。検出器83を配置した状態で、荷電粒子ビーム104が照射されたときに計数量が高くなる検出器チャンネルを特定し、それ以外の領域、つまり図12に示す左側のチャンネル領域83Bのように、計数の動体追跡治療中に計数が高くならない検出器チャンネルを決定する(プロセス505)。
Next, based on the investigated movement range of the affected
以上のプロセスにより飛程計測装置の設置、照射前設定が完了するので、動体追跡治療を開始する(プロセス506)。 Since the installation of the range measuring device and the pre-irradiation settings are completed through the above process, the moving object tracking treatment is started (process 506).
動体追跡治療中は、プロセス505で決めた検出器チャンネルの計数監視を常に行い(プロセス507)、しきい値を超えると即座に荷電粒子ビーム104の照射を中断する(プロセス509)。問題がなければ、照射を継続する(プロセス508)。
During the motion tracking treatment, the count of the detector channel determined in process 505 is constantly monitored (process 507), and when the threshold value is exceeded, irradiation of the charged
次に、本実施例の効果について説明する。 Next, the effects of this embodiment will be explained.
上述した本実施例の粒子線治療システムは、粒子線を発生、照射する加速器20、ビーム輸送系30、照射ノズル40と、加速器20、ビーム輸送系30、照射ノズル40を制御する全体制御装置2と、追跡対象の3次元位置を求め、その動きを追跡する動体追跡装置と、加速器20、ビーム輸送系30、照射ノズル40による粒子線の照射時に発生する二次放射線を計測する検出器83を有する飛程計測装置80と、を備え、飛程計測装置80は、患部101内に設定された各々のスポット103への粒子線の照射時の検出器83信号を確認しながら、加速器20、ビーム輸送系30、照射ノズル40による粒子線の照射制御を実行する。
The particle beam therapy system of this embodiment described above includes an
動体追跡治療では患部101の三次元位置は把握できているが、荷電粒子ビーム104が通過する患部101手前の呼吸移動に伴う密度変化がビーム到達位置に変化を引き起こすことまでには対応できていない。例えば、動体追跡装置では図9に示すように三次元の患部101位置は把握できているが、呼吸移動により患部101手前の密度変化が発生した場合、ビームが患部101を突き抜けることが発生する。例えば肺の治療などでは起こりうる。また、状況次第ではあるものの、ブラッグピークの位置はビーム通過経路上に存在する体内物質の密度和を合算したものになるため、患部101手前のビーム通過経路上の変化が呼吸移動で起こったりすると、所定の位置にブラッグピークが形成されているか分からないという課題が生じかねなかった。
Although the three-dimensional position of the affected
これに対し、本発明では患部101の三次元位置だけではなく、荷電粒子ビーム104の到達位置に影響を及ぼすビーム通過経路上の密度変化を監視していることに相当するため、呼吸移動の監視がより厳密になることで、動体追跡治療の安全性向上に貢献できるとともに、所定の位置にブラッグピークが形成されているかをより正確に判定することができる。
On the other hand, in the present invention, monitoring not only the three-dimensional position of the affected
また、飛程計測装置80は、検出器83信号の分布を確認しながら、加速器20、ビーム輸送系30、照射ノズル40による粒子線の照射制御を実行するため、精度の高い検出をより実現することができる。
In addition, the
更に、検出器83は、その視野が患部101の移動範囲を覆うように設置されたものである。動体追跡治療において検出器83の視野範囲を呼吸移動する患部101領域を覆うように配置することにより、呼吸移動する患部101を動体追跡治療する際、荷電粒子ビーム104が形成する信号分布は特徴的な形となる、より具体的には、動体追跡治療が問題なく進行しているときは特定の検出器チャンネルの計数量が高くなる特徴を持つ計数分布が出来るため、これらの検出器チャンネル以外の計数量が高くなった時に、即座にビーム遮断する制御装置を粒子線治療システムに組み込むような処理を実現することができ、より安全な動体追跡治療を実現することが可能となる。また、飛程計測制御装置86での位置演算などをすることがなくなるため、処理の高速化を図ることも可能である。
Furthermore, the
また、飛程計測装置80は、検出器83の特定チャンネルに着目して計数監視を行う。従来の飛程計測装置でビーム到達深さをもとにビームを止める方法では、ビーム到達深さを求めるために飛程計測制御装置は荷電粒子ビーム104照射で得られる計数分布から、フィッティングなどの演算処理を行う必要があり、処理に時間がかかる課題があった。これに対し、飛程計測装置80から飛程を求める演算処理を無くした上で、検出器83を構成する一部チャンネルの計数量を監視することができるため、荷電粒子ビーム104の照射位置を判定することから、制御装置の構成や処理をより簡易にすることができる。従って、よりリアルタイムで高速に処理することが可能となる。
Further, the
更に、飛程計測制御装置86は、計数量が多くならないはずの特定チャンネルからの信号が所定閾値以上となったときは加速器20、ビーム輸送系30、照射ノズル40による粒子線の発生を停止させる。検出器83は多チャンネル(検出器内の場所)から構成されていることが多いが、動体追跡治療がうまく進行しているときは、ある特定のチャンネルの計数量が高くなるという特徴的な信号分布となり、それ以外のチャンネルはバックグラウンドレベルの信号分布となる。したがって、本来計数量が高くならないチャンネルに着目して信号レベルを監視することにより、動体追跡中に何か異常が発生した場合、あるいは、動体追跡治療中に体内の密度変化が発生した場合に、本来計数量が少ないチャンネルの計数量が上がることになり、このとき即座にビーム停止するように照射制御を実施するため、呼吸移動する臓器に荷電粒子ビーム104を精度良く照射する動体追跡治療に、簡便な制御装置を追加することで、動体追跡治療の安全性をより向上させることができる。
Further, the range
また、飛程計測装置80は、スリットコリメータ82を有することにより、ビーム通過経路上から発生した二次放射線以外の放射線の検出を低減することができ、計数精度の更なる向上を図ることができる。
Moreover, by having the
更に、飛程計測制御装置86は、粒子線の照射精度が高いと判定されたときは、粒子線の強度を強めることで、より短時間での高精度な照射を実現することができる。
Furthermore, when it is determined that the particle beam irradiation accuracy is high, the range
また、飛程計測装置80は、二次放射線として即発ガンマ線に基づく信号を処理することにより、検出器83や処理系の実現性をより高めたものとすることができる。
Moreover, the
更に、動体追跡装置は、患部101に埋め込まれたマーカ、患部101あるいは高密度領域の位置を求め、求めたマーカ、患部101あるいは高密度領域の位置から追跡対象を追跡することで、より正確な患部101の三次元位置を特定しながらの照射を実現することができる。
Furthermore, the moving body tracking device determines the position of the marker embedded in the affected
<その他>
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。上述した実施例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ない。
<Others>
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications are possible. The embodiments described above are described in detail to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and the present invention is not necessarily limited to having all the configurations described.
例えば、実施例では二次放射線として即発ガンマ線を検出する飛程計測装置を取り上げたが、本発明の意図は、透視X線に付け加えた荷電粒子ビーム104照射位置確認手段を設けることであるため、例えば、二次放射線は荷電粒子ビーム104を照射したときに発生する超音波や、荷電粒子ビーム104照射時に発生する低エネルギーX線であっても良い。超音波を検出する場合、飛程計測装置80は、検出器信号の分布ではなく検出器信号を確認しながら、加速器20、ビーム輸送系30、照射ノズル40による粒子線の照射制御を実行する。低エネルギーX線を検出する場合は、即発ガンマ線と同様に検出器信号の分布を確認しながら照射制御を実行するものとできる。
For example, in the embodiment, a range measuring device that detects prompt gamma rays as secondary radiation is taken up, but since the intention of the present invention is to provide means for confirming the irradiation position of the charged
本発明実施形態は以下の態様であってもよい。 Embodiments of the present invention may have the following aspects.
(1)粒子線を発生、照射する照射装置と、前記照射装置を制御する中央制御部と、追跡対象の3次元位置を求め、その動きを追跡する動体追跡装置と、前記照射装置による前記粒子線の照射時に発生する二次放射線を計測する検出器を有する飛程計測装置と、を備え、前記飛程計測装置は、標的内に設定された各々のスポットへの前記粒子線の照射時の検出器信号を確認しながら、前記照射装置による前記粒子線の照射制御を実行する粒子線治療システム。 (1) An irradiation device that generates and irradiates a particle beam, a central control unit that controls the irradiation device, a moving object tracking device that determines the three-dimensional position of a tracking target and tracks its movement, and the particles produced by the irradiation device. a range measuring device having a detector that measures secondary radiation generated during irradiation of the particle beam; A particle beam therapy system that executes irradiation control of the particle beam by the irradiation device while checking a detector signal.
(2):(1)記載の粒子線治療システムにおいて、前記飛程計測装置は、前記検出器信号の分布を確認しながら、前記照射装置による前記粒子線の照射制御を実行する。 (2): In the particle beam therapy system described in (1), the range measuring device controls the irradiation of the particle beam by the irradiation device while checking the distribution of the detector signal.
(3):(1)または(2)記載の粒子線治療システムにおいて、前記検出器は、その視野が前記標的の移動範囲を覆うように設置されたものである。 (3): In the particle beam therapy system described in (1) or (2), the detector is installed such that its field of view covers the movement range of the target.
(4):(1)乃至(3)のいずれかに記載の粒子線治療システムにおいて、前記飛程計測装置は、前記検出器の特定チャンネルに着目して計数監視を行う。 (4): In the particle beam therapy system according to any one of (1) to (3), the range measuring device performs counting monitoring by focusing on a specific channel of the detector.
(5):(4)に記載の粒子線治療システムにおいて、前記飛程計測装置は、計数量が多くならないはずの特定チャンネルからの信号が所定閾値以上となったときは前記照射装置による前記粒子線の発生を停止させる。 (5): In the particle beam therapy system described in (4), the range measuring device is configured to detect the particles emitted by the irradiation device when the signal from the specific channel, which should not count too much, exceeds a predetermined threshold. Stop line generation.
(6):(1)乃至(5)のいずれかに記載の粒子線治療システムにおいて、前記飛程計測装置は、コリメータを有する。 (6): In the particle beam therapy system according to any one of (1) to (5), the range measuring device includes a collimator.
(7):(1)乃至(6)のいずれかに記載の粒子線治療システムにおいて、前記飛程計測装置は、前記粒子線の照射精度が高いと判定されたときは、前記粒子線の強度を強める。 (7): In the particle beam therapy system according to any one of (1) to (6), when the range measuring device determines that the irradiation accuracy of the particle beam is high, the range measuring device measures the intensity of the particle beam. strengthen.
(8):(2)乃至(7)のいずれかに記載の粒子線治療システムにおいて、前記飛程計測装置は、前記二次放射線として即発ガンマ線に基づく信号を処理する。 (8): In the particle beam therapy system according to any one of (2) to (7), the range measuring device processes a signal based on prompt gamma rays as the secondary radiation.
(9):(1)乃至(8)のいずれかに記載の粒子線治療システムにおいて、前記動体追跡装置は、前記標的に埋め込まれたマーカの位置を求め、求めた前記マーカの位置から前記追跡対象を追跡する。 (9): In the particle beam therapy system according to any one of (1) to (8), the moving body tracking device determines the position of a marker embedded in the target, and performs the tracking from the determined position of the marker. Track your target.
(10):(1)乃至(9)のいずれかに記載の粒子線治療システムにおいて、前記動体追跡装置は、前記標的あるいは高密度領域の位置を求め、求めた前記標的あるいは前記高密度領域の位置から前記追跡対象を追跡する。 (10): In the particle beam therapy system according to any one of (1) to (9), the moving body tracking device determines the position of the target or high-density region, and The tracked object is tracked from its position.
1:治療計画装置
2:全体制御装置(中央制御部)
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(照射装置)
21:入射器
22:シンクロトロン加速器
30:ビーム輸送系(照射装置)
40:照射ノズル(照射装置)
41A,41B: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:線量分布SOBP
70:動体追跡制御装置
71:患部、マーカあるいは骨格ランドマーク点
72:X線管
73:X線イメージャー
74:位置
75:三次元位置
76:照射許可範囲
80:飛程計測装置
81:即発ガンマ線
82:スリットコリメータ
83:検出器
83A:右端チャンネル領域
83B:チャンネル領域
84,84A,84B:検出器で検出された計数分布
85:斜線領域
86:飛程計測制御装置
87:判定用しきい値
101:患部(標的)
101A,101B:位置
102:層
103:スポット
104:荷電粒子ビーム
1: Treatment planning device 2: Overall control device (central control section)
3: Irradiation nozzle control device 4: Accelerator/beam transport system control device 5: Patient 20: Accelerator (irradiation device)
21: Injector 22: Synchrotron accelerator 30: Beam transport system (irradiation device)
40: Irradiation nozzle (irradiation device)
41A, 41B: Scanning electromagnet 42: Dose monitor 43: Position monitor 44: Ridge filter 45: Range shifter 50: Treatment table 51A: Horizontal scanning
70: Moving body tracking control device 71: Affected area, marker or skeletal landmark point 72: X-ray tube 73: X-ray imager 74: Position 75: Three-dimensional position 76: Permitted irradiation range 80: Range measuring device 81: Prompt gamma ray 82: Slit collimator 83:
101A, 101B: Position 102: Layer 103: Spot 104: Charged particle beam
Claims (12)
前記照射装置を制御する中央制御部と、
追跡対象の3次元位置を求め、その動きを追跡する動体追跡装置と、
前記照射装置による前記粒子線の照射時に発生する二次放射線を計測する検出器を有する飛程計測装置と、を備え、
前記飛程計測装置は、標的内に設定された各々のスポットへの前記粒子線の照射時の検出器信号を確認しながら、前記照射装置による前記粒子線の照射制御を実行する
粒子線治療システム。 An irradiation device that generates and irradiates particle beams;
a central control unit that controls the irradiation device;
a moving object tracking device that determines the three-dimensional position of a tracked object and tracks its movement;
a range measuring device having a detector that measures secondary radiation generated during irradiation of the particle beam by the irradiation device;
The range measuring device executes irradiation control of the particle beam by the irradiation device while checking a detector signal during irradiation of the particle beam to each spot set in the target. Particle beam therapy system .
前記飛程計測装置は、前記検出器信号の分布を確認しながら、前記照射装置による前記粒子線の照射制御を実行する
粒子線治療システム。 The particle beam therapy system according to claim 1,
The range measuring device executes irradiation control of the particle beam by the irradiation device while checking the distribution of the detector signal. Particle beam therapy system.
前記検出器は、その視野が前記標的の移動範囲を覆うように設置されたものである
粒子線治療システム。 The particle beam therapy system according to claim 1,
The detector is installed so that its field of view covers the movement range of the target. Particle beam therapy system.
前記飛程計測装置は、前記検出器の特定チャンネルに着目して計数監視を行う
粒子線治療システム。 The particle beam therapy system according to claim 1,
The range measuring device performs count monitoring by focusing on a specific channel of the detector. A particle beam therapy system.
前記飛程計測装置は、計数量が多くならないはずの特定チャンネルからの信号が所定閾値以上となったときは前記照射装置による前記粒子線の発生を停止させる
粒子線治療システム。 The particle beam therapy system according to claim 4,
The range measuring device is configured to stop the irradiation device from generating the particle beam when a signal from a specific channel whose count should not increase exceeds a predetermined threshold.
前記飛程計測装置は、コリメータを有する
粒子線治療システム。 The particle beam therapy system according to claim 1,
The range measuring device has a collimator. Particle beam therapy system.
前記飛程計測装置は、前記粒子線の照射精度が高いと判定されたときは、前記粒子線の強度を強める
粒子線治療システム。 The particle beam therapy system according to claim 1,
The range measuring device increases the intensity of the particle beam when it is determined that the irradiation accuracy of the particle beam is high.Particle beam therapy system.
前記飛程計測装置は、前記二次放射線として即発ガンマ線に基づく信号を処理する
粒子線治療システム。 The particle beam therapy system according to claim 2,
The range measuring device processes a signal based on prompt gamma rays as the secondary radiation. Particle beam therapy system.
前記動体追跡装置は、前記標的に埋め込まれたマーカの位置を求め、求めた前記マーカの位置から前記追跡対象を追跡する
粒子線治療システム。 The particle beam therapy system according to claim 1,
The moving body tracking device determines the position of a marker embedded in the target, and tracks the tracking target from the determined position of the marker.Particle beam therapy system.
前記動体追跡装置は、前記標的あるいは高密度領域の位置を求め、求めた前記標的あるいは前記高密度領域の位置から前記追跡対象を追跡する
粒子線治療システム。 The particle beam therapy system according to claim 1,
The moving body tracking device determines the position of the target or the high-density region, and tracks the tracking target from the determined position of the target or the high-density region.
標的内に設定された各々のスポットへの前記粒子線の照射時の検出器信号を確認しながら、照射装置による前記粒子線の照射制御を実行する
飛程計測装置。 It has a detector that measures secondary radiation generated during particle beam irradiation,
A range measuring device that executes irradiation control of the particle beam by an irradiation device while checking a detector signal during irradiation of the particle beam to each spot set in a target.
粒子線治療システムが前記粒子線を放出し、
標的内に設定された各々のスポットへの前記粒子線の照射時の検出器信号を確認しながら、前記粒子線治療システムによる前記粒子線の照射制御を実行する
ビーム監視方法。 A beam monitoring method for determining the irradiation position of the particle beam by detecting a secondary signal emitted during irradiation with the particle beam, the method comprising:
a particle beam therapy system emits the particle beam;
A beam monitoring method, comprising controlling the irradiation of the particle beam by the particle beam therapy system while checking a detector signal when each spot set in a target is irradiated with the particle beam.
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