JP2024023107A

JP2024023107A - 荷電粒子ビーム照射システム

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Publication number: JP2024023107A
Application number: JP2022130496A
Authority: JP
Inventors: 洋介原; Yosuke Hara; 佳樹久保田; Yoshiki Kubota; 伸一蓑原; Shinichi Minohara
Original assignee: B Dot Medical Inc
Current assignee: B Dot Medical Inc
Priority date: 2022-08-08
Filing date: 2022-08-18
Publication date: 2024-02-21
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Abstract

【課題】回転式ガントリータイプではない荷電粒子ビーム照射装置においてＸ線を用いた呼吸同期照射システムを提供する。
【解決手段】荷電粒子ビーム照射システムは、アイソセンタに向かって出射することができる荷電粒子ビーム照射装置と、第１のＸ線発生部と第１の検出部、第２のＸ線発生部と第２の検出部とを有しており、第１のＸ線発生部と第２のＸ線発生部から発生するＸ線はアイソセンタを通過して、それぞれ第１の検出部と第２の検出部により検出され、第１のＸ線発生部と第２のＸ線発生部は、荷電粒子ビーム照射装置が選択できる荷電粒子ビームの複数の軌道により形成される仮想平面を挟むように配置され、第１の検出部と第２の検出部は、第１のＸ線発生部と第２のＸ線発生部よりも上流または下流に位置する。
【選択図】図９

Description

本発明は、荷電粒子ビーム照射システムに関する。

従来、がん治療の治療法として、患部に陽子線や重粒子線（例えば、炭素線）といった荷電粒子ビームを照射して治療する粒子線治療（陽子線治療と呼称されることもある）が行われている。このような粒子線治療においては、荷電粒子ビームを患部に集中させつつ、患部以外の部分の被ばくを抑制すべく、荷電粒子ビームを様々な方向から照射することで患部の荷電粒子ビームの線量を高める。特許文献１、２には、荷電粒子ビームを照射する装置であって、患者を全方向から荷電粒子ビームを照射できるように、ビームの輸送系と照射部が患者の周囲を回転するように構成された回転照射装置が開示されている。一方でこのような回転照射装置（以下、回転式ガントリー）は、患者の周囲を回転できるように構成する関係上、装置が巨大化する。そこで、特許文献３には、荷電粒子ビームを照射する装置であって、回転照射装置を用いずに任意の角度から荷電粒子ビームを照射することができる荷電粒子ビーム照射装置が開示されている。装置の巨大化の一つの原因である照射部を回転させる機構を用いないことで、特許文献３に記載の荷電粒子ビーム照射装置は、特許文献１や特許文献２のものと比して小型化が実現できている。

特許第６５２３０７６号公報特許第６１５８３３４号特許第６３８７４７６号

ところで、荷電粒子ビームは患者の治療部位に対して精度よく正確に照射されなければならない。しかし、患者の臓器は患者の呼吸や拍動等により常に変動し続けるため荷電粒子ビームの照射位置において治療部位が常に変動し続けるという問題がある。そこで、患者の呼吸等を考慮して行う治療に呼吸同期照射と呼ばれる照射法がある。当該照射法を実現する一例として、荷電粒子ビームの照射位置としての治療部位を確認すべく治療照射時にＸ線により腫瘍やその周辺に留置したマーカーや患者内部の臓器の状態をモニタし、適切なタイミングで荷電粒子ビームを照射制御する方法がある。モニタを行うＸ線発生部と検出部は高精度な検出が実現可能な好適な位置に設置する必要があるが、上記特許文献１や特許文献２のような回転式ガントリーの場合、設置スペースの制約があり、特定の位置に設置せざるを得ないことが多い。例えば、荷電粒子ビームの照射系と同様に同軸で回転するように、かつ、荷電粒子ビームの照射を阻害しないように、Ｘ線発生部と、それに対向する検出部を設けることで、患者内部の臓器の状態を検出し、荷電粒子ビームを照射することができる。特許文献１に開示されるような、３６０度以上の回転角を有する回転式ガントリー（以下、フルガントリー）を用いた場合、異なる角度から照射した際に生じるそれぞれの荷電粒子ビームの照射軸が形成する面とＸ線発生部と検出部を結ぶ軸が形成する面とが同一面上に形成されるように構成されるのが一般的である。即ち、照射部の回動に伴って、Ｘ線発生部と検出部も回動させる。一方で、特許文献２に開示されるような、３６０度未満（例えば１８０度）の回転式ガントリー（以下、ハーフガントリー）の場合、フルガントリーとは異なりＸ線発生部と検出部が照射部と同時に回動せずに設置される場合がある。回動しないことでＸ線発生部や検出部の設置精度、及び、回動後のＸ線発生部や検出部の繰り返しの位置再現性は向上する。これに対して、上記特許文献３のような回転式ガントリーとは異なる荷電粒子ビーム照射装置の場合、荷電粒子ビームの照射軸が形成する面と、Ｘ線発生部と検出部を結ぶ軸が形成する面を同一面上に配置することが困難であった。例えば、患者の頭尾方向に垂直な断面をＸ線、陽子線が進行するように機器を配置した場合、照射ノズルと検出部であるＦＰＤ（Flat Panel Detector）が干渉する可能性や、床面にあるＸ線発生部と照射装置とが干渉してしまい、実現することが困難であった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、回転式のガントリーでない場合であっても、Ｘ線による呼吸同期照射を用いた治療が可能な荷電粒子ビーム照射システムを提供することを目的とする。

上記問題に対応するために、本発明の一態様に係る荷電粒子ビーム照射システムは、加速器から出射されたのち、輸送された荷電粒子ビームが入射して、アイソセンタに向かって出射することができる荷電粒子ビーム照射装置と、第１のＸ線発生部と第１の検出部、第２のＸ線発生部と第２の検出部とを有しており、第１のＸ線発生部と第２のＸ線発生部から発生するＸ線はアイソセンタを通過して、それぞれ第１の検出部と第２の検出部により検出され、第１のＸ線発生部と第２のＸ線発生部は、前記荷電粒子ビーム照射装置が選択できる前記荷電粒子ビームの複数の軌道により形成される仮想平面を挟むように配置され、前記荷電粒子ビームが前記荷電粒子ビーム照射装置に入射する側を上流側、前記荷電粒子ビームが前記荷電粒子ビーム照射装置から出射される側を下流側としたときに、第１の検出部と第２の検出部は、第１のＸ線発生部と第２のＸ線発生部よりも上流または下流に位置する。

本発明に係る荷電粒子ビーム照射システムによれば、回転式のガントリーでない場合であっても、Ｘ線による呼吸同期照射を用いた治療ができる。

図１は、粒子線治療施設の模式図である。図２（ａ）は、照射ノズル近傍の側面図であり、図２（ｂ）は、照射ノズル近傍の正面図である。図３は、Ｘ線発生部が配置されていない状態の荷電粒子ビーム照射システムの斜視図である。図４（ａ）は、図３に示す荷電粒子ビーム照射システムの左側面図であり、図４（ｂ）は、同荷電粒子ビーム照射システムの右側面図である。図５は、図３に示す荷電粒子ビーム照射システムの正面図である。図６（ａ）は、図３に示す荷電粒子ビーム照射システムの天面図であり、図６（ｂ）は、同荷電粒子ビーム照射システムの背面図である。図７は、Ｘ線発生部とその検出部、患者を載置した移動車両とを配した荷電粒子ビーム照射システムの斜視図である。図８は、図７に示す荷電粒子ビーム照射システムの右側面図である。図９は、図７に示す荷電粒子ビーム照射システムの正面図である。図１０は、荷電粒子ビーム照射装置による荷電粒子ビームの照射の仕組みを説明する図である。図１１は、荷電粒子ビーム照射装置を備える治療室の上面図の一例である。図１２は、Ｘ線撮像装置の設置条件を示す概略図である。図１３は、Ｘ線撮像装置の有効視野と設置角度の関係を示す図である。図１４は、荷電粒子ビーム照射装置のシステム構成例を示すシステム構成図である。図１５は、荷電粒子ビーム照射装置による荷電粒子ビームの照射を制御する情報処理装置の構成例を示すブロック図である。図１６は、情報処理装置による荷電粒子ビーム照射装置の制御動作例を示すフローチャートである。図１７は、呼吸波形予測を行って、治療照射を行う場合のタイミングチャートの一例である。図１８は、呼吸波形予測を行って、治療照射を行う場合のタイミングチャートの他の一例である。図１９（ａ）は、本実施形態に係る荷電粒子ビーム照射システムとＸ線発生部と検出部との配置関係を示す図であり、図１９（ｂ）は、従来のフルガントリーにおける荷電粒子ビーム照射システムとＸ線発生部と検出部との配置関係を示す図であり、図１９（ｃ）は、従来のハーフガントリーにおける荷電粒子ビーム照射システムとＸ線配置部と検出部との配置関係の際を示す図である。

以下、本実施形態に係る荷電粒子ビーム照射システムについて、図面を参照しながら、詳細に説明する。

＜実施形態＞
＜実施例１＞
図１は本発明を実施する粒子線治療施設の模式図である。加速器（図示せず）から取り出された荷電粒子ビームはビーム輸送系９０を通り、治療室３０へと輸送される。ここで加速器は、荷電粒子ビームを生成する装置であって、例えば、シンクロトロン、サイクロトロン、又は線形加速器により実現される。ビーム輸送系９０は真空ダクトや荷電粒子ビーム調整装置を備える。なお、荷電粒子ビーム調整装置は、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偏向電磁石、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を、仕様に応じて適宜備え、荷電粒子ビームのビーム形状や線量を調整する。治療室は放射線遮蔽を考慮し、四方をコンクリート等の壁で覆われている。ビーム輸送系末端の治療室内には照射ノズルがあり、荷電粒子ビームは照射ノズルを通過し、治療台に横たわる患者への照射が行われる。図１には治療室に対し、水平方向（荷電粒子ビーム照射装置５０ａの照射ノズル）と垂直方向（荷電粒子ビーム照射装置５０ｂの照射ノズル）との２方向からの照射が可能な例を開示している。実施例１においては、荷電粒子ビームの水平進行方向をＸ、垂直進行方向をＹ、ＸとＹそれぞれに垂直な方向をＺとしている。水平方向、垂直方向のそれぞれに進む荷電粒子ビームはアイソセンタと呼ばれる点Ｏにおいて交わる。照射ノズルには、荷電粒子ビームを照射標的形状に走査するための走査電磁石、線量を計測する線量モニタ、ビーム位置を測定するための位置モニタ、エネルギー変調装置等から構成される。さらに、治療室には患者位置決めを行うための位置決め装置が備えられる。患者位置決めとは、治療室内の照射ノズルに対する（荷電粒子ビーム照射装置に対する）患者（治療部位）の相対位置関係を特定することであってよい。位置決め装置は、Ｘ線発生部２０としてＸ線菅や、検出部としてフラットパネルディテクタ（以下、ＦＰＤ）等で構成される画像診断装置や、位置決めデータの送受信を行うための装置から構成される。図１ではＦＰＤ２１は天井から吊り下げられる（図示せず）ように２台（図示では１台のみ）設置されている。Ｘ線管２０は点Ｏを挟んでＦＰＤ２１と点対称な位置にそれぞれ設置される。図１においては２台のＸ線管が床下に設置されている。本実施例１ではＦＰＤ２１は天井側、Ｘ線管２０は床下となっているが、これは両者の配置を制限するものではなくＦＰＤが床側、Ｘ線管が天井側でもよい。なお、図示しないがその他の画像診断装置としてＸ線ＣＴやＭＲＩが治療室内に設置される場合もある。また、本実施例ではＦＰＤ２１は天井から吊り下げられるとしているが、その限りではなく、治療室内の装置に取り付けられるとしてもよい。

図２（ａ）は実施例１を実現する照射ノズル近傍の側面図の模式図であり、図２（ｂ）は、実施例１を実現する照射ノズル近傍の正面図である。図２では水平、垂直の２方向の荷電粒子ビ－ムが形成する架空の面を仮想平面Ｐと定義し、点Ｏは仮想平面Ｐ内にある。対となる位置決め装置をＸ線管２０ａとＦＰＤ２１ａ、Ｘ線管２０ｂとＦＰＤ２１ｂとすると、図２（ａ）に示したようにＦＰＤ２１ａとＦＰＤ２１ｂはＸ線管２０ａとＸ線管２０ｂよりも荷電粒子ビ－ムの進行方向の上流側に設置される。本実施例ではＦＰＤ２１がＸ線管２０よりも上流側に設置されるが、ＦＰＤ２１がＸ線管２０の下流側に設置されてもよい。Ｘ線管２０ａとＸ線管２０ｂは仮想平面Ｐに関して面対称な位置にある。ＦＰＤ２１ａとＦＰＤ２１ｂは仮想平面Ｐに関して面対称な位置にある。Ｘ線管２０ａとＦＰＤ２１ａ、Ｘ線管２０ｂとＦＰＤ２１ｂは図２（ｂ）に示したように点Ｏに対しそれぞれが点対称に設置されるため、仮想平面Ｐを基準にして同一側にＸ線管２０ａとＦＰＤ２１ｂが配置され、その反対側にＸ線管２０ｂとＦＰＤ２１ａが設置されることとなる。なお、ここでは、仮想平面Ｐに対して面対称に配する例を示しているが、Ｘ線管２０ａとＸ線管２０ｂとは、仮想平面Ｐに対して面対称に配されなくともよく、一例として、ＦＰＤ２１ａは、図２（ｂ）の紙面前後（奥行き）方向で、図示よりも後側（紙面奥側）に設けられてもよい。

図２に示したようにＺ方向が患者の頭尾方向となる。図示はしていないが患者は治療台の上に横たわり、患者位置決めや治療照射を行う。本実施例では仮想平面Ｐを挟み、ＦＰＤ２１ａとＦＰＤ２１ｂ、Ｘ線管２０ａとＸ線管２０ｂがそれぞれ設置されているため頭尾方向の広範囲な領域を撮像することができる。Ｘ線管２０ａとＸ線管２０ｂ、ＦＰＤ２１ａとＦＰＤ２１ｂがそれぞれ仮想平面Ｐに対し同一側に配置される場合、即ち仮想平面Ｐに対し面対称に配置されない場合は体軸の左右方向側が撮像領域となり、人体を広範囲で撮像することができない。結果、広範囲を撮像するためには頭尾方向に患者を移動させ複数回撮像することとなる。本実施例では、一度に広範囲を撮像可能なため、Ｘ線撮像による被ばく量を軽減することが可能である。また、位置決め作業時間を短縮することで治療室利用効率を向上させ、病院の収益増加にも資する。

本実施例１においては、図２（ａ）に示したように水平の照射ノズルと垂直の照射ノズルとの間に２つのＦＰＤ２１（２１ａ、２１ｂ）を設置することが可能であり、スペースを有効活用することが可能である。一般的には、患者位置決め時に放射線技師が患者の姿勢を３次元位置で捉えやすくするために、荷電粒子ビームの照射軸が形成する仮想平面ＰとＸ線管２０とＦＰＤ２１を結ぶ軸が形成する面とが互いに同一面になるようにＸ線管２０とＦＰＤ２１は設置される。あるいはＸ線管２０とＦＰＤ２１を結ぶ軸が形成する面が仮想平面Ｐよりも水平側に対し傾いた状態となるように、Ｘ線管２０とＦＰＤ２１は設置される。即ち、ＦＰＤ２１の１つはビーム進行方向下流側、治療室内の開放空間側に設置されることとなる。この場合、水平ビーム進行方向下流側から照射ポートにアクセスすることが難しくなり、ＦＰＤ２１と人との干渉を防ぐためにＦＰＤ２１を退避させる等の構成が必要となる。本実施例においてはＦＰＤ２１を退避させることなく、水平ビーム進行方向下流側から上流側へアクセスすることが可能であり、作業効率を向上させることが可能である。ＦＰＤ２１の退避が不要となることで、設置位置精度の向上も期待され、呼吸同期照射等の高精度な治療照射が可能である。また、上流側にＦＰＤ２１が設置できない場合、撮像範囲に治療台が被ることがあり得、撮像条件が変わる恐れがある。本実施例ではそれを避けることができ、治療台の位置に関わらず撮像条件を揃えることができ、治療精度の向上が期待される。

＜実施例２＞
図３は、Ｘ線発生部と、そのＸ線を検出する検出装置とを配置していない状態の荷電粒子ビーム照射装置を配置していない状態の荷電粒子ビーム照射システムの斜視図である。図４（ａ）は、図３に示す荷電粒子ビーム照射装置の右側面図である。また、図４（ｂ）は、同荷電粒子ビーム照射装置の左側面図である。図５は、図３に示す荷電粒子ビーム照射装置の正面図である。また、図６（ａ）は、図３に示す荷電粒子ビーム照射装置の天面図であり、図６（ｂ）は、同荷電粒子ビーム照射装置の背面図である。

図３～図６（特に図４）に示すように、本実施例２に係る荷電粒子ビーム照射装置は、側面から見ると、その一部を半円形状に切り欠いた形状をしており、その半円の凹部５１から、半円の中心にあるアイソセンタＯに向けて荷電粒子ビームが照射される。当該凹部５１には、照射ノズル１１が設けられており、照射ノズル１１から荷電粒子ビームが照射標的である患部（アイソセンタ）に照射される。照射ノズル１１は、荷電粒子ビーム照射装置の凹部５１に設けられたガイドレール５２に沿って半円の範囲内で摺動可能であり、この範囲内で様々な方向から荷電粒子ビームを照射する。なお、照射ノズル１１は必須の構成ではなく、照射ノズル１１がなくとも、凹部５１の凹面から荷電粒子ビームを照射することができる。

ここで、図１０を用いて、本実施例２における荷電粒子ビーム照射装置（非回転式ガントリー）による荷電粒子ビームの照射の仕組みについて簡単に説明する。なお、図１０においては、照射ノズル１１は省略している。

図１０（ａ）は、荷電粒子ビーム照射システムの荷電粒子ビーム照射装置５０に設けられる偏向電磁石８０を右側面から見た荷電粒子ビームの経路を模式的に示した模式図である。即ち、図１０（ａ）は、図４（ａ）、あるいは、後述する図８に対応する。図１０（ａ）に示すように、荷電粒子ビーム照射装置５０は、振分電磁石７０と、偏向電磁石８０を備える。

荷電粒子ビーム照射装置に入力される荷電粒子ビーム（図１０左端）は、図示しない加速器により加速され、図示しないビーム輸送系を介して、荷電粒子ビーム照射装置に入力される。荷電粒子ビーム照射装置の更なる詳細については特許文献３を参照されたい。

図１０（ａ）には偏向角φ及び収束角θごとに異なる複数のビーム経路の例を示している。ここで、荷電粒子ビームの進行方向をＸ軸、偏向電磁石８０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。偏向電磁石８０は、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、アイソセンタＯに収束させるよう構成されている。なお、図１０（ａ）においては、照射ノズルは省略し、説明を簡単にするために、アイソセンタＯをＸＹＺ空間の原点とし、上流側（加速器側、図１０（ａ）の紙面左側）をＸ軸の正の方向としている。

偏向角φの範囲は、－９０度超～＋９０度未満の範囲にあり、プラス（＋Ｙ軸方向）の偏向角範囲とマイナス（－Ｙ軸方向）の偏向角範囲は異なっていてもよい（非対称）。例えば、プラス側の最大偏向角（φ＝φMAX）を１０度、１５度、２０度、２５度、３０度、３５度、４０度、４５度、５０度、６０度、７０度、８０度、及び８５度のうちのいずれかとし、マイナス側の最大偏向角（φ＝－φMAX）を－１０度、－１５度、－２０度、－２５度、－３０度、－３５度、－４０度、－４５度、－５０度、－６０度、－７０度、－８０度、及び－８５度のうちのいずれかとしてもよい。なお、偏向角φは、これらの角度に限定するものではない。

偏向電磁石８０は、１組以上のコイル対を備え、該コイル対は、荷電粒子ビームの進行方向と荷電粒子ビームの偏向角φの広がり方向に直交する方向（図中Ｚ軸方向）を向いた一様な磁場を生成し（有効磁場領域８１ａ、８１ｂ）、荷電粒子ビームの経路を挟むように配置されている。偏向電磁石８０の１組のコイル対が生成する有効磁場領域は、図１０（ａ）に示すようにＸＹ平面において三日月状の形状を有し、その詳細については後述する。なお、荷電粒子ビームが通過する、対向するコイル対間の隙間は（Ｚ軸方向の距離）、ＸＹ面における荷電粒子ビームが広がる範囲に比べて十分に小さいため、ここでは荷電粒子ビームのＺ軸方向の広がりについては考慮しない。

図１０（ｂ）は、偏向電磁石８０のＡ－Ａ線断面図である。偏向電磁石８０は、好ましくは少なくとも二組のコイル対８４ａ、８４ｂを備える。コイル８４ａ、８４ｂの内部にはそれぞれ磁極８５ａ、８５ｂが組み込まれ、磁極８５ａ、８５ｂにはヨーク８６が接続されている。偏向電磁石８０には電源装置（不図示）が接続されており、電源装置からコイル対８４ａ、８４ｂに電流（励磁電流）が供給されることで、偏向電磁石８０が励磁し、有効磁場領域８１ａ、８１ｂ（総称して有効磁場領域８１ともいう。）が形成される。

なお、有効磁場領域８１ａの範囲と有効磁場領域８１ｂの範囲は、異なっていてもよい（非対称）。例えば、プラス（＋Ｙ軸方向）の偏向角φの範囲とマイナス（－Ｙ軸方向）の偏向角φの範囲が非対称であれば、それに応じて有効磁場領域８１ａ、８１ｂも非対称に形成することで、使用されない有効磁場領域を削減できる。

振分電磁石７０により偏向され、偏向電磁石８０に入射する荷電粒子ビームの偏向角φの範囲は、プラスの最大偏向角（φ＝φMAX）からマイナスの最大偏向角（φ＝－φMAX）の範囲であり、プラスの最大偏向角φMAXは、１０度以上９０度未満の角度であり、マイナスの最大偏向角－φMAXは、－９０度超－１０度以下の角度である。偏向角φ及び後述する照射角θは、ＸＹ面において、Ｘ軸に対する荷電粒子ビームの経路の角度である。

プラスの偏向角範囲（φ＝０超～φMAX）で入射した荷電粒子ビームは、第１のコイル対８４ａの有効磁場領域８１ａにより偏向され、照射ノズル１１を通りアイソセンタＯに照射される。マイナスの偏向角範囲（φ＝０未満～－φMAX）で入射した荷電粒子ビームは、第２のコイル対８４ｂの有効磁場領域８１ｂにより偏向され、照射ノズル１１を通りアイソセンタＯに照射される。有効磁場領域８１ａと有効磁場領域８１ｂの磁場の向きは互いに反対の方向である。なお、振分電磁石７０から偏向角φ＝０で偏向電磁石８０に入射する荷電粒子ビームは、有効磁場領域８１ａ、８１ｂのいずれか又は両領域８１ａ、８１ｂの間を通過し、照射ノズル（不図示）を通じてアイソセンタＯに収束する。

偏向電磁石８０に入射する荷電粒子ビームの偏向角φは、振分電磁石７０により制御される。振分電磁石７０は、加速器（不図示）から供給される荷電粒子ビームの進行方向（図中Ｘ軸）に直交する方向（図中Ｚ軸）を向いた磁場を生成し、通過する荷電粒子ビームを偏向する電磁石と、該磁場の強度及び向きを制御する制御部とを備える（いずれも不図示）。振分電磁石７０は、磁場の強度及び向き（Ｚ軸方向）を制御することで、ＸＹ面において荷電粒子ビームを偏向し、偏向起点Ｑにて偏向角φで偏向した荷電粒子ビームを偏向電磁石８０に出射する。ここで、偏向起点ＱとアイソセンタＯはＸ軸上（同一水平面上）にある。

図１０（ｃ）を参照して、偏向電磁石８０の有効磁場領域８１ａを形成するための計算式について説明する。なお、本実施形態では、Ｚ軸方向への荷電粒子ビームの偏向は考慮しないので、ＸＹ面における有効磁場領域の形成について説明する。偏向電磁石８０の有効磁場領域８１ａについて説明するが、有効磁場領域８１ｂについても同じであるため、説明は省略する。

まず、偏向電磁石８０の荷電粒子ビームの出射側８３の有効磁場領域８１ａの境界は、アイソセンタＯから等距離ｒ１の位置にある範囲となるように決める。次に、偏向電磁石８０の荷電粒子ビームの入射側８２の有効磁場領域８１ａの境界は、後述する関係式（１）～（５）に基づき、アイソセンタＯから所定の距離Ｌの位置にある仮想上の偏向起点Ｑにて偏向角φで偏向し、入射する荷電粒子ビームが、アイソセンタＯに収束するように決められる。ここで、仮想上の偏向起点Ｑは、振分電磁石７０の中心で荷電粒子ビームが偏向角φのキックを極短距離の間に受けると仮定した点である。

偏向角φで輸送されてきた荷電粒子ビームは、入射側８２の有効磁場領域８１ａの境界上の任意の点Ｐ１から入り、有効磁場領域８１ａ内で曲率半径ｒ２の円運動を行い（このときの中心角は（φ＋θ）となる。）、出射側８３の有効磁場領域８１ａの境界上の点Ｐ２から出て、アイソセンタＯに向けて照射される。つまり、点Ｐ１と点Ｐ２とは半径ｒ２及び中心角（φ＋θ）の円弧上にある。

図１０（ｃ）に示すように、ＸＹ面においてアイソセンタＯを原点とするＸＹ座標系を想定する。出射側８３の点Ｐ２とアイソセンタＯとを結ぶ直線とＸ軸とがなす角度を照射角θとすると、入射側８２の点Ｐ１の座標（ｘ，ｙ）、偏向角φ、及び点Ｑと点Ｐ１との間の距離Ｒは、以下の関係式（１）～（４）から求まる。

ここで、有効磁場領域８１ａには一様な磁束密度Ｂの磁場が生じており、荷電粒子ビームの運動量をｐ（およそ加速器に依存する）、電荷をｑとすると、磁場中で偏向される荷電粒子ビームの曲率半径ｒ２は、式（５）で表される。

上記関係式（１）～（５）に基づき、偏向電磁石８０のコイル対８４ａ及び磁極８５ａの形状及び配置を調整し、コイル対８４ａに流す電流を調整することで、有効磁場領域８１ａの境界の形状を調整できる。すなわち、出射側８３の有効磁場領域８１ａの境界上の任意の点Ｐ２とアイソセンタＯとの間の距離が等距離ｒ１となるように境界を定め、有効磁場領域８１ａの磁束密度Ｂを調整して式（５）からｒ２を決め、入射側８２の有効磁場領域８１ａの境界上の点Ｐ１と偏向起点Ｑとの間の距離Ｒが式（４）の関係を有するように、入射側８２の有効磁場領域８１ａの境界を定める。式（３）のφの極大値が、最大偏向角φMAXとなる。なお、限定されるものではないが、偏向起点Ｑを通過する荷電粒子ビームが偏向電磁石８０による偏向を受けなくともアイソセンタＯに収束するように、偏向起点Ｑ、偏向電磁石８０、及びアイソセンタＯの配置を調整しておくと、装置構成をよりシンプルにできるため好ましい。

上記のようにして求まる偏向電磁石８０の有効磁場領域８１ａ、８１ｂの境界は、荷電粒子ビームをアイソセンタＯに収束させるための理想的な形状である。なお実際には、この理想的な形状からのずれや磁場分布の不均一性があったとしても、偏向電磁石８０の励磁量（磁束密度Ｂ）を偏向角φごとに予め微調整し、その情報を電源装置に記憶させておき、偏向角φと偏向電磁石８０の電流量とが連動するようにそれらを制御することで、荷電粒子ビームをアイソセンタＯに合わせて偏向させることができる。また、事前に磁場分布の不均一性を予測できる場合には、偏向電磁石８０のコイル対８４ａ、８４ｂ及び磁極８５ａ、８５ｂの形状及び配置を補正することで、荷電粒子ビームの軌道を微調整することも可能である。

これにより、荷電粒子ビームを患部（アイソセンタＯ）に対して所望の角度で照射を行うことができる。

図７は、荷電粒子ビーム照射装置に、Ｘ線発生部２０を配するとともに、患者を載置した移動車両１０を配した状態の荷電粒子ビーム照射システムを示す斜視図である。なお、図８は、図７に示した荷電粒子ビーム照射装置の右側面図である。図９は、図３に示す荷電粒子ビーム照射システムの正面図である。図７～図９を用いて、荷電粒子ビーム照射装置と、Ｘ線発生部とその検出部との位置関係を説明する。なお、図７～図９においては、Ｘ線発生部照射装置や患者を載置した移動車両１０を見やすくするために図３に示した天面の壁、及び背面の壁及び荷電粒子ビーム照射装置５０の壁以降の加速器側の構造は示していない。

荷電粒子ビーム照射装置は、所定の治療室内に設けられる。治療対象の患者Ｕは、移動車両１０の治療台１５に載置され、荷電粒子ビーム照射装置の治療位置まで、自動制御で運搬される。患者Ｕが載置される治療台１５は、移動車両１０に設けられたアーム１６に接続されており、このアーム１６が駆動（アーム１６の軸が回動）することで、治療台１５に載置された患者Ｕの治療部位を荷電粒子ビーム照射装置のアイソセンタＯの位置に移動させることができる。移動車両１０は、プログラムによる自動制御、あるいは、リモートコントロールでのオペレータによる手動制御が可能であってよい。

図７～図９に示すように、荷電粒子ビーム照射システム１は、荷電粒子ビーム照射装置５０と、Ｘ線発生部２０（２０ａ、２０ｂ）と、検出部２１（２１ａ、２１ｂ）と、を備える。上述したように荷電粒子ビーム照射装置５０は、アイソセンタに向けて荷電粒子ビームを照射することができる装置である。

また、Ｘ線発生部２０は、Ｘ線を照射する装置であり、検出部２１は、Ｘ線発生部２０に対向し、患者Ｕの体内を通過したＸ線を検出して、Ｘ線画像を生成する装置である。図７～図９においては、点線によって模式的にＸ線を示している。検出部２１により生成されるＸ線画像は、動画であっても静止画であってもよい。検出部２１により生成されたＸ線画像は、荷電粒子ビームを照射するタイミングを決定する後述の情報処理装置１００に送信される。

図７～図９に示されるように、Ｘ線発生部２０（２０ａ、２０ｂ）は、荷電粒子ビーム照射装置が配される治療室内であって、アイソセンタＯから見て、照射ノズル１１側（荷電粒子ビームの照射源側）の荷電粒子ビーム照射装置の両側の床下などの床面近傍に設けられる。床下に設けることで、例えば、治療室内における車両１０の移動、あるいは、人の移動の妨げになるのを抑制することができる。

そして、そのＸ線発生部２０から照射されたＸ線を検出する検出部２１（２１ａ、２１ｂ）は、それぞれ、Ｘ線発生部２０（２０ａ、２０ｂ）に対向するように、治療室内の天井近傍に設けられる。即ち、検出部２１は、Ｘ線発生部２０よりも荷電粒子ビームの進行方向の下流側に設置される。なお、Ｘ線発生部２０と検出部２１との配置位置は逆であってもよい。即ち、検出部２１は、Ｘ線発生部２０よりも、荷電粒子ビームの進行方向の上流側に配されてもよい。

図９に示す一点鎖線（１７）は、荷電粒子ビームが通過する経路を示す仮想平面１７（上述の仮想平面Ｐに相当する）を示している。図９に示すように、荷電粒子ビームは、図９の装置中心を通り垂直な面である仮想平面１７を通る。そして、Ｘ線発生部２０から照射されるＸ線は、仮想平面１７に交わるように照射され、アイソセンタＯを通過する。即ち、本実施形態に係る荷電粒子ビーム照射システム１においては、Ｘ線発生部２０ａと検出部２１ｂは仮想平面１７を挟まないように同一側に配置され、Ｘ線発生部２０ｂと検出部２１ａも同様に仮想平面１７を挟まないように同一側に配置される。なお、Ｘ線発生部２０ａとＸ線発生部２０ｂは仮想平面１７を挟んで対象になるように治療室内に配置されなくともよく、同様に、検出部２１ａと検出部２１ｂは仮想平面１７を挟んで対象になるように治療室内に配置されなくてもよい。

図１１は本実施例を実現する治療室の上面図である。治療室内寸は約８ｍ×約６ｍであるが、その限りではない。治療時の安全性や患者の心理的負担を軽減するために、荷電粒子ビーム照射装置５０は照射ノズル１１を含む先端の一部のみが、化粧壁５５を挟み患者の目に触れる構造となっている。化粧壁５５はベニヤ板が使用されることが多いため、一般的にはＸ線を化粧壁５５を通過させると撮像画質が劣化してしまう。そのため、Ｘ線発生部と検出部からは、化粧壁５５よりもビーム下流側に設置させることが好ましい。Ｘ線発生部を化粧壁５５よりも上流側に設置すると検出部との位置関係から必然的にＸ線は化粧壁５５を通過してしまうことになり好ましくないためである。したがって、Ｘ線発生部２０と検出部２１は、Ｘ線がアイソセンタＯを通過するようにするため、図１１に示した化粧壁５５よりビーム下流側に設置する必要がある。さらに、荷電粒子ビーム照射装置５０の縁や照射ノズル１１、移動車両１０のアーム１６とその駆動機構部１６´とがＸ線撮像領域（図９破線）と干渉する場合、Ｘ線が減衰し、有効視野が狭められることとなる。そこで、撮像条件を変更せず、治療室も拡大せずに頭尾方向の広い領域を撮像可能であり、呼吸同期照射ができる設置の条件を述べる。

図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｚ方向から見たときのＸ線発生部と検出部の位置関係を角度α[deg]で表し、Ｘ方向から見たときのＸ線発生部と検出部の位置関係を角度β[deg]したとき、αとβが検出される画像の有効視野に与える影響を確認した。角度αはＸＹ平面上における水平面に対するＸ線束の成す角度であり、角度βはＹＺ平面上における水平面に対するＸ線束の成す角度である。ここで、有効視野とは、Ｘ線発生部２０から発生したＸ線束が荷電粒子ビーム照射装置や治療台（移動車両）などに干渉せずに検出部２１により検出された領域をいう。また、全画面領域（検出部２１による検出範囲全体）を１００としたときに有効視野が占める領域が８０だったとき、有効視野８０％ということとする。

理想的な有効視野を形成するＸ線発生部と検出部との配置は、２対のＸ線発生部２０と検出部２１が結ぶ軸が直交する配置にすることである。図１３（ａ）に示すように、βが４５度より小さくなる場合、つまり２対のＸ線発生部２０と検出部２１が結ぶ軸の開きが大きくなるほど、荷電粒子ビーム照射装置との干渉は小さくなる。一方で、αが大きくなる場合、つまり撮像系を照射装置側に倒すとアーム１６と駆動機構部１６´との干渉が大きくなり、αが小さくなる場合、つまり撮像系を床側に倒すとアーム１６と駆動機構部１６´との干渉は小さくなる。しかしながら、αが小さくなるほど、床側に配置されるＸ線発生部２０もしくは検出部２１の配置が化粧壁５５を超えた配置あるいは治療室内におさまらない配置となるため、不適合となる。図１３（ｂ）において、α＝７０度以上かつβ＝４５度付近におけるＸ線束と周辺装置との干渉を検討した。
αを７４度に固定して、βの値が有効視野に与える影響を確認したところ、４２＜β＜４５のときに有効視野１００％であった。さらに３８＜β＜４７のときに有効視野８０％であった。
αを７８度に固定して、βの値が有効視野に与える影響を確認したところ、４１＜β＜４６のときに有効視野１００％であった。さらに３９＜β＜４８のときに有効視野８０％であった。
αを８２度に固定して、βの値が有効視野に与える影響を確認したところ、４１＜β＜４８のときに有効視野１００％であった。さらに３９＜β＜５０のときに有効視野８０％であった。
有効視野が高いほどＸ線撮像により得られるＸ線画像の撮像範囲がより広く、画質が向上するので、有効視野のパーセンテージは大きければ大きいほどよい。有効視野８０％以上の領域にＸ線発生部と検出部を設置することで呼吸同期照射の機能を加えつつ、装置を大型化せずに高精度な治療照射が可能となる。なお、これは、有効視野を８０％以上となるＸ線発生部２０と検出部２１との配置が必須であることを意味するものではない。

図１４は本実施例を実施するためのシステム構成図である。治療統括制御システム１６７を上位システムとし、治療照射を行うための照射制御システム１６６、患者位置決めを行う室内機器制御システム１６１とがある。治療統括制御システム１６７は収束電磁石や照射ノズルに所望の角度から治療が可能となるように指示を行う。収束電磁石は所望の角度からの照射を行えるよう励磁され、照射ノズルはアイソセンタＯへ荷電粒子ビームを照射するために駆動することとなる。室内機器制御システム１６１は治療台制御システム１６４により治療台１５を駆動させ、患者を治療照射を行う位置へと移送する。その後、Ｘ線発生部制御システム１６２により、Ｘ線曝射を行い、検出部制御システム１６３により画像を取得する。

本発明によると、照射ノズルから出射される荷電粒子ビームの進行方向上にＸ線発生部２０や検出部２１が設置されないために、治療照射時にＸ線発生部２０や検出部２１を退避させる必要はない。結果、Ｘ線発生部２０と検出部２１の設置精度が退避による駆動で変わることはないため、Ｘ線発生部２０と検出部２１とを天井や床下に収納するように退避させる場合に比して、治療精度が低下しない。また、Ｘ線発生部２０から検出部２１までの空間が照射ノズルの駆動により遮られることもない。よって、治療照射角度を変更しつつ、患者位置決めを行うことが可能であり、治療時間の短縮が可能となる。結果、治療室あたりの治療患者数を増加させることができる。

一般的には、患者位置決め時に放射線技師が患者の姿勢を３次元位置で捉えやすくするため、荷電粒子ビームの照射軸が形成する仮想平面１７と２対のＸ線発生部２０と検出部２１を結ぶ軸が形成する面とが互いに直交同一面の、水平・垂直のビームライン上に設置される。少なくとも２方向からの撮像画像があれば、配置方向に依らず位置決めは可能であるため、本発明のＸ線発生部２０と検出部２１の配置においても従来と同等の患者位置決め精度が得られる。

患者の長軸方向に対して垂直断面だけでなく、非同一面からも治療ビームを照射し、正常組織や主要に隣接する重要臓器への線量を低下させるノンコプラナ照射に対して、本発明は治療精度向上に資する。患者位置決め後は、所望の非同一面上での照射となるよう、治療台をアイソセンタ周りに回転させ照射を開始する、治療台の移動精度に依存した治療が行われている。本発明では、患者の長軸方向に２対のＸ線発生部２０と検出部２１が配置されるため、患者周りのスペースが広く確保される。このため、治療台がアイソセンタ周りに回転するスペースを確保しつつ、一定のＸ線撮像体系で患者の位置を確認することができ、ノンコプラナ照射における治療精度が向上する。

回転ガントリーでは、２対のＸ線発生部２０と検出部２１が回動するため、患者位置決め配置は正側方向、照射中の体内モニタは照射角度に依存した配置となる。本実施例では、呼吸同期照射において、一連の治療中に、患者位置決めと照射中の体内モニタとして取得される画像を、照射角度に依らず同じ幾何学的配置で評価することができる。患者位置決めの際、呼吸性移動の影響の少ない骨をランドマークとする。次に、呼吸同期照射では呼吸性移動する臓器の動きと骨の相対位置関係を考慮した位置決めが必要となり、２段階の位置確認が行われる。また腸内のガスの動きが影響する前立腺や、その他、照射中に体内の動きにより照射対象物の動きが経時的に変化する場合の照射にも同様の確認が行われる。本発明では、患者位置決め時と体内モニタ時の２対のＸ線発生部２０と検出部２１の幾何学的配置が同じであるため、呼吸同期照射を代表とする臓器の位置再現性を要求される治療において照射精度が向上する。

本実施例では、回転しないガントリーに対して患者長軸方向に２対のＸ線発生部２０と検出部２１を設置することにより、機器設置や建屋構造が複雑にならず、メンテナンスや装置全体を小型化できる。ハーフガントリーにおいて同配置の場合、ビーム上流側に配置される２対のＸ線発生部２０と検出部２１のうち、各々少なくとも１台は、筒状の回転ガントリー内に配置される。故に、回転ガントリー内に機器設置のための複雑な支持器が必要であり、メンテナンス時は回転ガントリー内での作業となり作業者の負担が大きい。また、照射装置が回転しないことにより、回転するスペースとして高さと奥行きが約１０ｍの巨大な筒状の構造体が必要な回転ガントリーと比較して、照射装置を格納する建屋が半分程度の大きさとなり、治療装置の導入コストを大きく削減することができる。

＜実施例３＞
＜情報処理装置の構成＞
図１５は、荷電粒子ビーム照射システムを制御する情報処理装置１００の構成例を示すブロック図である。情報処理装置１００は、荷電粒子ビーム照射装置から患者の治療部位に対して荷電粒子ビームの照射を制御するコンピュータシステムであり、いわゆるサーバ装置、ＰＣ、タブレット端末などにより実現されてよいが、これらに限定するものではない。図１５に示すように、情報処理装置１００は、通信部１１０と、入力部１２０と、制御部１３０と、計算部１４０と、を備える。また、情報処理装置１００は、出力部１５０を備えてもよい。

通信部１１０は、外部の装置と通信することが可能な通信インターフェースである。通信部１１０は、例えば、制御部１３０からの指示に従って、荷電粒子ビーム照射装置の照射部に対して荷電粒子ビームを照射するタイミングを指示する指示情報を送信する。また、通信部１１０、制御部１３０からの指示に従って、Ｘ線発生部２０にＸ線の照射を指示するとともに、検出部２１にＸ線画像を送信するよう指示する。また、通信部１１０は、外部の装置から患者の治療に関する情報を受信して、制御部１３０に伝達する。

入力部１２０は、情報処理装置１００のオペレータからの入力を受け付けて制御部１３０に伝達する機能を有する入力インターフェースである。入力部１２０は、例えば、キーボードやマウス等の入力機器等により実現されてよいが、これらに限定するものではない。入力部１２０は、例えば、患者の治療に関する情報の入力を受け付けて、受け付けた入力内容を、制御部１３０に伝達する。

制御部１３０は、情報処理装置１００の各部を制御する機能を有するプロセッサである。制御部１３０は、計算部１４０に内蔵されているプログラムを実行することで、情報処理装置１００として機能する。制御部１３０は、情報処理装置１００として果たすべき機能として、治療制御部１３１と、Ｘ線制御部１３２と、を備える。治療制御部１３１は、荷電粒子ビーム照射装置に対して荷電粒子ビームの照射を指示する指示情報を、通信部１１０を介して、送信する機能を有する。Ｘ線制御部１３２は、通信部１１０を介して、Ｘ線発生部２０にＸ線の照射を指示し、検出部２１により検出されたＸ線画像を取得する。Ｘ線制御部１３２は、取得したＸ線画像を治療制御部１３１に伝達する。

計算部１４０は、Ｘ線制御部１３２で取得されたＸ線画像を画像解析し、治療の対象となる対象部位の患者に対する相対位置を特定する機能を有する。画像処理部１４１は、Ｘ線制御部１３２で取得したＸ線画像を画像処理し、画像中の特徴量を解析し、対象の治療部位の位置を算出する。このとき、既存の画像フィルタ（例えばノイズ除去フィルタや輪郭強調フィルタ））等の最適な組合せを実行し、患者位置決め時の放射線技師の負担を軽減するが、ここではその詳細を省略する。また、計算部１４０は記憶部１４２を有する。記憶部１４２は、情報処理装置１００が動作上必要とする各種プログラムや各種データを記憶する機能を有する記憶媒体である。記憶部１４２は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリなどにより実現可能であるがこれらに限定するものではない。記憶部１４２は、荷電粒子ビームの照射タイミングを決定するための学習モデル１４３を記憶している。また、図１５に示すように、学習モデル１４３に登録された学習モデルを介して、治療部位の位置を算出しても良い。学習モデル１４３は、記憶部１４２に記憶されている。

学習モデル１４３の一例は、Ｘ線画像と、臓器の位置との対応関係を学習した学習モデルであり、Ｘ線画像と治療部位を示す情報とを入力として、対象部位の患者に対する相対位置を特定する。画像処理部１４１は、対象の治療部位が荷電粒子ビームの照射位置（アイソセンタ）を含む照射可能領域に位置したか否かを判定し、照射タイミングを特定する。したがって、学習モデル１４３は、Ｘ線画像と、当該Ｘ線画像について各種臓器の部位とを示す情報と、を対応付けた情報を教師データとし、複数の教師データを学習して生成される。この学習モデル１４３として用いるアルゴリズムとしては、公知のアルゴリズムの他、例えば線形回帰（＋正則化）、サポートベクトルマシン（＋カーネル法）、ランダムフォレスト、ニューラルネットワーク、ディープラーニング、又はｋＮＮ（ｋ近傍法）などを用いることとしてよいが、これに限定するものではない。この学習モデル１４３は、基本的に治療の対象となる各患者に応じて、当該患者のＸ線画像と治療対象位置を学習した患者に固有のモデルであることが望ましいが、複数の異なる患者のＸ線画像と治療対象位置とを学習した汎用のモデルであってもよい。各患者に特化したモデルを用意することで、汎用モデルを利用するよりも治療の精度の向上が見込める一方で、汎用モデルであれば、異なる患者の治療の度にモデルを用意しなくてもよくなる。ここで、学習に用いられるＸ線画像は、図７～図９に示す位置で配したＸ線発生部２０と検出部２１とにより撮像されたＸ線画像である。即ち、人体身長方向（長手方向）及び人体身長方向に対する水平方向に対して斜めにＸ線を照射することで得られるＸ線画像である。このＸ線画像に対して、画像内で、どの部位がどの臓器のどの部分なのかを示す情報（アノテーション）を対応付けることで教師データを成し、学習モデル１４３を生成する。本実施形態においては、検出部２１ａにより撮像されるＸ線画像に対応した第１の学習モデル１４３と、検出部２１ｂにより撮像されるＸ線画像に対応した第２の学習モデル１４３と、を用意しておくことが好ましい。なお、当該アノテーションは、医療従事者等により付されることとしてよい。また、ここで学習に用いられる画像はＣＴ画像からＸ線画像を模擬して生成されたdigital reconstructed radiographでもよい。さらに、学習モデル１４３には複数の学習モデルを登録してもよい。他の学習モデルの例として、治療対象となる照射部位や、そのＸ線画像の曝射条件などと、画像フィルタとの対応関係を学習し、画像フィルタを最適化する学習モデルがあげられる。取得したＸ線画像に、学習モデル１４３で選択された画像フィルタを適用し、画像処理部１４１で、対象物の検出を解析的に行う。この場合も、対象部位の患者に対する相対位置を特定し、画像処理部１４１は、対象の治療部位が荷電粒子ビームの照射位置（アイソセンタ）を含む照射可能領域に到来した位置したか否かを判定し、照射タイミングを特定する対象部位の患者に対する相対位置を特定することができる。

出力部１５０は、制御部１３０から指定された情報を出力する機能を有する。出力部１５０は、例えば、モニタやスピーカなどにより実現されてよいがこれに限定するものはない。出力部１５０による情報の出力は、外部の装置への情報の送信という態様で実現されてもよい。出力部１５０は、例えば、制御部１３０からの指示のもと、治療部位に関する情報を出力することとしてもよい。

＜情報処理装置１００の動作＞
図１６は、情報処理装置１００による荷電粒子ビームの照射制御の動作例を示すフローチャートである。

図１６に示すように、情報処理装置１００の通信部１１０は、Ｘ線画像を受信する。通信部１１０は、受信したＸ線画像を制御部１３０に伝達する。制御部１３０は、陽子線治療の呼吸同期を行うためのＸ線画像の入力を受け付ける（ステップＳ１６０１）。即ち、制御部１３０は、Ｘ線発生部２０から曝射されたＸ線を、検出部２１により検出し、検出により得られたＸ線画像の入力を受け付ける。前述したように、当該Ｘ線画像は、患者の人体を従来のように、荷電粒子ビームに平行（荷電粒子ビームの照射経路により形成される仮想的な平面と同一の平面）に照射されたＸ線ではなく、荷電粒子ビームが通過する線により形成される仮想面に対して交差するようにして照射されたＸ線により撮像されたものとなる。換言すれば、人体に対して斜めに照射されたＸ線により撮像されたものである。なお、ここで受け付けるＸ線画像は、体内の臓器の状態を推定できる情報になっていればよく、ストリーミング配信された動画であってもよいし、連続する静止画であってもよいし、所定時間単位ごと（例えば０．１秒単位であってよいが、これに限定されない）の動画であってもよい。

次に、情報処理装置１００の通信部１１０、または、入力部１２０は、患者の治療部位に関する情報の入力を受け付けて、制御部１３０に伝達する（ステップＳ１６０２）。治療部位に関する情報は、少なくとも、治療の対象となる対象部位の患者に対する相対位置が情報処理装置１００により特定することが可能な情報であればよい。

制御部１３０は、通信部１１０から逐次Ｘ線画像の入力を受け付けて、当該Ｘ線画像と、治療部位に関する情報と、を学習モデル１４３に入力する（ステップＳ１６０３）。これにより、治療制御部１３１は、荷電粒子ビームを照射すべきタイミングを特定する（ステップＳ１６０４）。

そして、治療制御部１３１は、特定タイミングにおいて荷電粒子ビームが照射されるように、荷電粒子ビーム照射装置に、照射を指示する指示情報を、通信部１１０を介して、送信する（ステップＳ１６０５）。

これにより、情報処理装置１００は、適切なタイミングで荷電粒子ビームの照射を制御することができる。

本実施例では、呼吸性移動する臓器について、照射対象臓器の相対位置や、他の臓器と照射対象臓器の位置関係を情報処理装置１００において特定することで、放射線技師を介した作業を低減でき、Ｘ線曝射による被ばく線量を低減できる。例えば、体内情報として呼吸一周期分のＸ線画像を連続的に取得し、外部に設置した複数の体外情報取得装置で同時に情報を取得する。例として、呼吸波形や体表面などの動きを体内モニタ情報と同期させることで、治療中は体外情報のみで、照射対象臓器の相対位置や、他の臓器と照射対象臓器の位置関係を情報処理装置１００から予測し適切なタイミングで照射可能である。よって、照射中に曝射する必要がなくなり、患者の被ばく量を低減できる。さらに、体外モニタ情報により不安定な呼吸波形が懸念された場合のみ、Ｘ線撮影を行って相対的な関係を確認することも可能である。

図１７は計算部１４０の記憶部１４２に蓄積されたデータから不安定な呼吸波形を予測し、照射を実施する第１の制御例であって、Ｘ線の照射や、荷電粒子ビームの曝射等のタイミング等を模式的に示したタイミングチャートである。図１７には、上から順に、体外モニタ情報の波形、体外モニタ情報によりビームＯＮ信号の波形、Ｘ線曝射による照射対象位置情報の波形、Ｘ線曝射ＯＮ信号の波形、照射対象位置情報によるビームＯＮ信号の波形、荷電粒子ビームの照射波形を示している。体外モニタ情報は、患者の外部を撮像した映像の情報であってよく、例えば、患者の腹部を撮像した映像であってよく、それらの映像に基づいて、腹部の拡張度合いを模式的に示した波形情報であってよい。体外モニタ情報によるビームＯＮ信号とは、荷電粒子ビームの照射指示を示す情報であって、体外モニタ情報による患者の呼吸が安定しているときに成される照射指示の情報である。Ｘ線曝射による照射対象位置情報とは、Ｘ線曝射を行うことによって、患者の体内を撮像し、治療部位（荷電粒子ビームの照射対象部分）の位置を示す情報である。また、Ｘ線曝射ＯＮ信号とは、Ｘ線発生部２０に対してＸ線の曝射を指示する信号である。また、照射対象位置情報によるビームＯＮ信号とは、Ｘ線曝射により特定した治療対象部位に対して荷電粒子ビームの照射を指示する信号である。そして、図１７の最下部の照射は、照射対象位置情報によるビームＯＮ信号によりなされる荷電粒子ビームの照射タイミングを示している。

まず、治療中の患者の体外モニタ情報を画像処理部１４１が解析する。体外モニタ情報は患者の腹部等の撮像映像であってよい。荷電粒子ビーム照射装置は、基本的には、体外モニタ情報からの情報により呼吸が安定していることが検知できる場合には（図１７の体外モニタ情報が安定した波系を示している箇所）、患者の身体が所定の状態、例えば、図１７の例では体外モニタ情報の値が正の値（所定の値以上）を示す場合、即ち、患者の腹膜が所定以上拡張しているタイミングで、体外モニタ情報によりビームＯＮ信号をＯＮとし、荷電粒子ビームの照射を実行する。

その際に、計算部１４０の記憶部１４２に登録された患者の体外モニタ情報とその際の呼吸波形のデータが参照され、事前に不安定な呼吸波形を予測する。例えば、図１７の体外モニタ情報にある矢印部分を起点に呼吸波形の破線で囲った不安定な呼吸波形１７０１を予測する。即ち、体外モニタ情報を入力として学習モデル１４３に入力して、患者の呼吸の乱れが発生しそうかどうかを推定する。不安定な呼吸波形が生じると、精度よく治療照射を行うことができなくなる。そこで、不安定な呼吸波形の発生を予測すると、Ｘ線による撮像を実施する。即ち、Ｘ線発生部２０に対してＸ線の曝射開始、検出部２１による撮像を指示する。そして、Ｘ線曝射により検出される治療部位（照射対象位置情報）が照射位置にきたときに荷電粒子ビームの照射を実行する。Ｘ線曝射を実行している間、学習モデル１４３と体外モニタ情報による呼吸波形の予測を継続する。そして、体外モニタ情報から、呼吸波形が安定することを予測できた段階（図１７の点線１７０２で囲った領域の段階）でＸ線撮像を停止させる。これにより、不要な被ばく線量を下げることができる。そして、体外モニタ情報に基づく、荷電粒子ビームの照射制御に戻る。なお、体外モニタ情報に基づく荷電粒子ビームの照射制御に戻すタイミングは、呼吸波形が安定することを予測できた段階であって、かつ、体外モニタ情報に基づく治療対象部位の位置と、Ｘ線曝射により検出される治療対象部位の位置と、の同期がとれたタイミングであってもよい。第１の制御例によれば、Ｘ線曝射は呼吸が不安定なタイミングでしか行わないため、治療中継続的にＸ線を曝射するよりも装置の処理負担を軽減することができる。また、第１の制御例によれば、体外モニタ情報に基づく治療対象部位の検出が呼吸の乱れによりできなくなった場合であっても、体外モニタ情報に基づく治療対象部位の検出に復帰することができる。

あるいはさらに、呼吸同期照射においては、照射ゲートの開始タイミングと終了タイミング（呼吸ゲートのオン信号開始付近とオン信号終了付近のタイミング）のみでＸ線撮影を行い、照射対象が所定の範囲にあることを確認し、当初の相対関係からズレていた場合には呼吸波形による照射のタイミングを修正することでＸ線撮影による被ばく線量を減らすこともできる。図１８は体外モニタ情報をもとにした照射を行う呼吸ゲートのオン信号付近とオン信号終了付近のタイミングでＸ線撮像を実施する第２の制御例を示している。図１８における各信号の内容は、図１７の場合と同様であるが、体外モニタ情報から予測される治療対象部位の位置を示す照射対象位置予測の波形が追加されている。第２の制御例においては、図示の通り、Ｘ線曝射による照射対象位置の検出を周期的に実行する。患者の呼吸は基本的に周期的になるので、吸気と呼気のタイミングにおいてのみＸ線曝射をして、照射対象位置が所望の位置に存在しているか否かを判定する。不安定な呼吸が予測されない場合には、第１の制御例と同様に、体外モニタ情報に基づいて、荷電粒子ビームのＯＮ制御を実行する。即ち、体外モニタ情報が、所定値以上になっているタイミングで、荷電粒子ビームの照射を実行する。

一方で、Ｘ線画像に基づいて照射対象位置が、所望の位置にないことが検出できた場合（図１８の点線１８０１参照）には、体外モニタ情報、Ｘ線曝射の周期的なタイミングとの、相対関係にズレが生じていることが検出できる。このようなズレを検出できた場合には、荷電粒子ビーム照射システムは、Ｘ線曝射を間欠的な曝射から継続的な曝射に切り替える。継続的なＸ線曝射を行っている間は、Ｘ線画像に基づいて、継続的に治療対象部位の位置を特定する。そして、治療対象部位が照射位置に来たタイミングで、荷電粒子ビームの照射を実行する。そして、荷電粒子ビーム照射システムは、患者の呼吸が安定すると、Ｘ線曝射により特定される治療対象部位の位置と、体外モニタ情報から特定される治療対象部位の位置との同期をとって、周期的に行うＸ線曝射の照射タイミングを決定する。当該照射タイミングを決定すると、継続的なＸ線曝射を中止し、間欠的なＸ線曝射に戻す。

また、実施例２の回転しないガントリーを有する照射ビーム装置５０と実施例３の組み合わせの場合、患者周りの広いスペースを確保できるため、体外情報取得装置は例えば、３Ｄカメラや超音波装置などを設置できる。体外情報だけでなく、より精密に位置を特定するために、比較的大きな装置であるＭＲＩなどの被曝のない装置を設置するスペースも確保できる。例えば、ＭＲＩはＸ線画像のフレームレートより低フレームレートとなるが、照射対象臓器の相対位置や、他の臓器と照射対象臓器の位置関係を情報処理装置１００からより高精度に特定し、適切なタイミングで照射可能である。

図１９は、従来のフルガントリー、ハーフガントリーにおけるＸ線発生部２０と検出部２１との相対位置関係と、本発明におけるＸ線発生部と検出部との相対位置関係を模式的に示す図である。図１９（ａ）は、本発明に係る回転ガントリーではない荷電粒子ビーム照射システムにおけるＸ線発生部と検出部の配置例を示す図であり、図１９（ｂ）は、フルガントリーにおけるＸ線発生部と検出部の相対位置関係を示す図であり、図１９（ｃ）は、ハーフガントリーにおけるＸ線発生部と検出部の相対位置関係を示す図である。図１９（ａ）～図１９（ｃ）における点線は、照射される荷電粒子ビームの複数の軌道から生成される仮想平面Ｐ（１７）を示している。また、Ｆ１、Ｆ２は、それぞれ、検出部を示しており、Ｘ１、Ｘ２は、Ｘ線発生部を示している。また、上流、下流については、上流が荷電粒子ビーム照射装置の荷電粒子ビームの発生源側であり、下流が荷電粒子ビームの出射側を示している。

図１９（ａ）と図１９（ｂ）及び図１９（ｃ）を比較すれば明らかなように、本発明に係る回転ガントリーではない荷電粒子ビーム照射システムと、従来のフルガントリーやハーフガントリーとは、Ｘ線発生部（Ｘ１、Ｘ２）と検出部（Ｆ１、Ｆ２）との対を結ぶ軸、即ち、Ｘ線発生部Ｘ１と検出部Ｆ１を結ぶ線と、Ｘ線発生部Ｘ２と検出部Ｆ２を結ぶ線（共に不図示）が、仮想平面Ｐ上で交差するという点において共通する。その一方で、本発明に係る回転ガントリーではない荷電粒子ビーム照射システムと、従来のフルガントリーやハーフガントリーとでは、装置の上流から下流への向きが、仮想平面Ｐに対して、平行になるか、直交するか、という点において相違するといえる。また、図１９（ａ）と、図１９（ｃ）とを比較すれば明らかなように、本発明に係る回転ガントリーではない荷電粒子ビーム照射システムと、従来のフルガントリーとは、全ての検出部がＸ線発生部よりも上流側に位置するか否かという点において相違する。さらに、図１９（ａ）と、図１９（ｂ）とを比較すれば明らかなように、双方は、Ｘ線発生部（Ｘ１、Ｘ２）と検出部（Ｆ１、Ｆ２）は仮想平面Ｐを挟み同一側にあるかないかで相違する。以上のことから、本発明に係る回転ガントリーではない荷電粒子ビーム照射システムの特徴の一つとして、（ｉ）Ｘ線発生部と検出部のそれぞれが仮想平面Ｐに対して同一側に存在しないこと、（ｉｉ）全ての検出部（又はＸ線発生部）がＸ線発生部（又は検出部）に対して上流側に配されていること、との２つの条件を満たしていることが挙げられる。

＜まとめ＞
上記実施の形態に係る荷電粒子ビーム照射システムにおいては、荷電粒子ビームを照射する装置として、回転式ガントリーを使用せずに、第１のＸ線発生部と第２のＸ線発生部を、荷電粒子ビーム照射装置が選択できる前記荷電粒子ビームの複数の軌道により形成される仮想平面の面対称に配置し、前記荷電粒子ビームが前記荷電粒子ビーム照射装置に入射する側を上流側、前記荷電粒子ビームが前記荷電粒子ビーム照射装置から出射される側を下流側としたときに、第１の検出部と第２の検出部は、第１のＸ線発生部と第２のＸ線発生部よりも上流または下流に位置することで、荷電粒子ビーム照射装置の巨大化を抑制しつつ、Ｘ線を用いて呼吸同期法を実現することができる。

Ｘ線発生部と検出部を荷電粒子ビーム照射装置の左右の地面と天井に配置することで、照射装置から分離されるため、治療ビーム照射時にＸ線発生部と検出部を退避することなく、患者周りのスペースが広く確保される。よって、Ｘ線発生部と検出部の設置精度が挿入／退避による駆動で変わることはなく、治療精度が低下しない。また、治療照射角度を変更しつつ、患者位置決めを行うことが可能であり、治療時間の短縮が可能となり、治療室あたりの治療患者数を増加させることができる。さらに、治療台がアイソセンタ周りに回転するスペースを確保しつつ、Ｘ線撮像を一定の幾何学的配置で患者の位置を確認することができ、ノンコプラナ照射における治療精度が向上する。

呼吸同期照射において、一連の治療中に、患者位置決めと照射中の体内モニタとして取得される画像が、照射角度に依らず同じ幾何学的配置で評価することができる。患者位置決めの際は呼吸性移動の影響の少ない骨を基準とし、さらに呼吸性移動する臓器の動きと骨の相対位置関係を考慮した位置決めが必要となり、２段階の位置確認が行われる。このとき、患者位置決め時と体内モニタ時の２対のＸ線発生部と検出部の幾何学的配置が同じであるため、呼吸同期照射の治療精度が向上する。

＜変形例＞
上記実施形態に示す荷電粒子ビーム照射システム及び情報処理装置１００は、上記実施形態に示した態様に限定するものではない。適宜、当業者の知見内で変更することが可能である。以下、各種変形例について説明する。

（１）上記情報処理装置１００は、学習モデル１４３を学習するための学習部を備えることとしてもよい。即ち、複数の教師データに基づいて、所定のアルゴリズムにしたがって学習を行って、学習モデル１４３を生成する機能を備えてもよい。

また、情報処理装置１００は、学習モデル１４３に対して、新たな教師データの入力を受けつけて再学習する再学習部を備えることとしてもよい。再学習部を備えることで、より多くの教師データ（知見）を得ることで、推定の精度を向上させることができる。

（２）上記実施形態においては学習モデル１４３が１つである場合を説明しているが、学習モデル１４３は、複数あってもよい。即ち、学習モデル１４３は、例えば、治療の対象となる臓器ごとに作成されてもよい。臓器ごとに学習モデル１４３を細分化することで、より精度の高い学習を行うことができ、精度の高い荷電粒子ビームの照射を実現することができる。

（３）上記実施形態において、学習モデル１４３は、治療を受ける患者ごとに作成されてよく、その場合に、学習モデル１４３は、患者の治療部位をアノテーションの情報として、Ｘ線画像に付与し、学習を行うものであってもよい。患者ごとに学習モデル１４３を生成することで、より精度の高い荷電粒子ビームの照射を実現することができる。またさらに、学習モデル１４３は治療を受ける該当の患者において治療前に撮像される事前の画像情報等から構築する場合だけでなく、これまでに治療を実施した不特定の患者のＸ線画像等の患者データから該当患者の治療前に構築する場合もある。これにより、学習データ数の増加による治療精度の向上が期待できる。このアプローチでは、呼吸性移動を伴う臓器の治療時における照射制御だけでなく、骨のＸ線画像を用いる骨格位置決めの位置決め精度向上も期待される。

（４）上記実施形態において、Ｘ線と仮想平面１７とが成す角度は任意であり、Ｘ線発生部２０が、移動車両１０の移動の妨げにならない荷電粒子ビーム照射装置の両脇に備える構成になっていればよい。このとき、Ｘ線発生部２０は、なるべく荷電粒子ビーム照射装置の近傍に設けられた方が、治療室の巨大化を防止することができるが、荷電粒子ビーム照射装置の筐体や治療位置にあるときの移動車両１０が、Ｘ線画像の取得の妨げにならない位置に配することが望ましい。また、上記実施形態においては、二つのＸ線発生部２０と対応する検出部２１を設ける例を示したが、これは、一対であってもよいし、二対よりも多くのＸ線発生部と対応する検出部の対を設けることとしてもよい。

（５）本開示の各実施形態のプログラムは、情報処理装置に読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供されてもよい。記憶媒体は、「一時的でない有形の媒体」に、プログラムを記憶可能であってよい。プログラムは、例えば、ソフトウェアプログラムや情報処理装置プログラムを含んでよい。

記憶媒体は適切な場合、１つ又は複数の半導体ベースの、又は他の集積回路（ＩＣ）（例えば、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）等）、ハード・ディスク・ドライブ（ＨＤＤ）、ハイブリッド・ハード・ドライブ（ＨＨＤ）、光ディスク、光ディスクドライブ（ＯＤＤ）、光磁気ディスク、光磁気ドライブ、フロッピィ・ディスケット、フロッピィ・ディスク・ドライブ（ＦＤＤ）、磁気テープ、固体ドライブ（ＳＳＤ）、ＲＡＭドライブ、セキュア・デジタル・カードもしくはドライブ、任意の他の適切な記憶媒体、又はこれらの２つ以上の適切な組合せを含むことができる。記憶媒体は、適切な場合、揮発性、不揮発性、又は揮発性と不揮発性の組合せであってよい。

また、本開示のプログラムは、当該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して、情報処理装置１００に提供されてもよい。

また、本開示の各実施形態は、プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

なお、本開示のプログラムは、例えば、ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ（登録商標）、Ｐｙｔｈｏｎ等のスクリプト言語、Ｃ言語、Ｇｏ言語、Ｓｗｉｆｔ，Ｋｏｌｔｉｎ、Ｊａｖａ（登録商標）等の任意のプログラミング言語を用いて実装されてよい。

（６）本発明は、情報処理装置１００による荷電粒子ビーム照射装置からの荷電粒子ビームの制御方法であってもよい。即ち、本発明の一態様は、荷電粒子ビームを偏向することで、アイソセンタへの荷電粒子ビームの照射角を連続的に変える偏向電磁石と、前記偏向電磁石の有効磁場領域の出射側の形状に沿って連続的に移動する照射ノズルと、を備える荷電粒子ビーム照射装置と、Ｘ線を照射するＸ線発生部と、前記Ｘ線を検出する検出部と、を備え、前記偏向電磁石から出射した荷電粒子ビームは前記照射ノズルを通り、前記アイソセンタに照射され、前記Ｘ線発生部と前記検出部とを結ぶ仮想線は、前記照射ノズルから前記アイソセンタに対して照射する荷電粒子ビームにより形成される仮想平面に対して、平行にならずに交わるように前記Ｘ線発生部と前記検出部とが配置された荷電粒子ビーム照射システムによる荷電粒子ビームの照射制御方法であって、情報処理装置が、前記検出部により検出されたＸ線画像を受け付ける第１受付ステップと、荷電粒子ビームによる治療を受ける患者の治療部位の情報を受け付ける第２受付ステップと、前記検出部により検出されたＸ線画像と、当該Ｘ線画像における臓器の位置との関係を学習した学習モデルと、前記第１受付ステップにおいて受け付けたＸ線画像と、前記第２受付ステップにおいて受け付けた前記患者の治療部位の情報と、を用いて前記荷電粒子ビームを照射するタイミングを制御する制御ステップと、を実行する。

（７）図１６に示すフローチャートの処理は同様の結果が得られる範囲内で適宜変更可能である。例えば、ステップＳ１６０１とステップＳ１６０２の処理は、ステップＳ１６０２の処理の方が先に実行されてもよく、ステップＳ１６０１の処理とステップＳ１６０２の処理とは同時に実行されることとしてもよい。

１荷電粒子ビーム照射システム
１０移動車両
１１照射ノズル
１５治療台
１６アーム
２０、２０ａ、２０ｂＸ線発生部
２１、２１ａ、２１ｂ検出部
５０荷電粒子ビーム照射装置
７０振分電磁石
８０偏向電磁石
１００情報処理装置
１１０通信部
１２０入力部
１３０制御部
１３１治療制御部
１３２Ｘ線制御部
１４０計算部
１４１画像処理部
１４２記憶部
１４３学習モデル
１５０出力部

Claims

加速器から出射されたのち、輸送された荷電粒子ビームが入射して、アイソセンタに向かって出射することができる荷電粒子ビーム照射装置と、
第１のＸ線発生部と第１の検出部、第２のＸ線発生部と第２の検出部とを有しており、
第１のＸ線発生部と第２のＸ線発生部から発生するＸ線はアイソセンタを通過して、それぞれ第１の検出部と第２の検出部により検出され、
第１のＸ線発生部と第２のＸ線発生部は、前記荷電粒子ビーム照射装置が選択できる前記荷電粒子ビームの複数の軌道により形成される仮想平面を挟むように配置され、
前記荷電粒子ビームが前記荷電粒子ビーム照射装置に入射する側を上流側、前記荷電粒子ビームが前記荷電粒子ビーム照射装置から出射される側を下流側としたときに、第１の検出部と第２の検出部は、第１のＸ線発生部と第２のＸ線発生部よりも上流または下流に位置する、
荷電粒子ビーム照射システム。
前記複数の軌道が、前記荷電粒子ビーム照射装置に一定の間隔を持って固定して設置された照射部から照射されるものである、請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
前記第１のＸ線発生部と前記第２のＸ線発生部とは、前記仮想平面に対して面対称に配される、請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射システム。
前記複数の軌道が、前記荷電粒子ビームの経路を挟むように配置されたコイル対を備えた収束電磁石の影響により形成され、
前記収束電磁石は、
前記コイル対に電流を入力すると、荷電粒子ビームの進行方向（Ｘ軸）に直交する方向（Ｚ軸）に磁場が向いた有効磁場領域を生成するよう構成されており、ここで、Ｘ軸とＺ軸の両方に直交する軸をＹ軸とし、
ＸＹ面において、
偏向起点ＱにてＸ軸に対する偏向角φで偏向し、前記有効磁場領域に入射した荷電粒子ビームは、前記有効磁場領域により偏向され、Ｘ軸に対する照射角θでアイソセンタに照射され、
前記有効磁場領域の荷電粒子ビームの出射側の境界上の任意の点Ｐ２は、前記アイソセンタから等距離ｒ１の位置にあり、
前記有効磁場領域の荷電粒子ビームの入射側の境界上の点Ｐ１と前記点Ｐ２は、半径ｒ２及び中心角(θ＋φ)の円弧上にあり、
前記偏向起点Ｑと前記点Ｐ１との間の距離Ｒは、前記偏向起点Ｑと前記アイソセンタとの間の距離をＬとすると、関係式（４）：

を満たす、請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射システム。