JP4241518B2 - マルチリーフコリメータ - Google Patents

Description

この発明は、マルチリーフコリメータに関し、粒子線によるがん治療における照射野を規制するマルチリーフコリメータで、粒子線の広がりを考慮して照射像の輪郭の再現性を向上できるようにしたものである。

近年、がんの治療に陽子線や素粒子線などの粒子線を用いた治療が行われており、加速器で作られた粒子線ビームを、照射野形成装置でがん患部の形状に加工して照射するようにしている。

この照射野形成装置では、加速器から出た粒子線ビームを次のような操作を行ってがん患部の形状にする。

まず、加速器から出た粒子線ビームをワブラ電磁石により振動させてドーナツ状にし、次いで、散乱体により、ドーナツ状のビームをより平坦なビームにする。

そして、レンジシフタによりエネルギレベルを調整し、線量のピークががん患部に合うように調整するとともに、リッジフィルタによりビームに厚みを持たせる。

最後に、加工されたビームをコリメータによりがん患部の形状に合わせるようにして加工が完了する。

このような加工されたビームをがん患部の形状に合わせる操作を行うため、コリメータが用いられており、そのひとつにマルチリーフコリメータがある。

このマルチリーフコリメータは、例えば特許文献1の従来技術に開示されているものを図７に示すように、粒子線Ｂを遮蔽できる素材の薄い板状のリーフ１を縦に配置して横に多数枚並べるようにするとともに、横に重ねられた1対のリーフ１同士を前後に相対向させる。

そして、対向する各リーフ１同士の間隔とその位置を調整することで形成される間の空間２をビームＢの照射部分とするとともに、これ以外のリーフ１部分でビームＢを遮蔽し、多数のリーフ１の位置を変えることでがん患部の輪郭形状を再現するようにしている。

ところが、それぞれのリーフ１の間に移動のための隙間３があると、この隙間３からビームＢが漏れ、健常な細胞に悪影響を与えることから、これを防止する必要がある。

その方法のひとつに、図８に示すように、リーフ４，５をビームＢの照射方向に２段配置し、上下のリーフ４，５を半ピッチずらして千鳥状に配置することで、上段のリーフ４間を通過するビームＢを下段のリーフ５で遮蔽するようにすることが提案されている（特許文献１参照）。

また、上下２段にリーフを配置する同様なマルチリーフコリメータが特許文献２,３などにも開示されている。

このような上下２段のリーフを半ピッチずつずらしたマルチリーフコリメータでは、照射野の輪郭が、理論的には、１段のリーフを用いる場合のピッチに応じた精度になるのに比べ、半ピッチに応じた高精度（２倍）になると考えられる。
特公平７−６７４９１号公報 特開２００３−２１０５９５号公報 特開２００４−１６５６３号公報

ところが、このような上下のリーフを半ピッチずつずらしたマルチリーフコリメータを用いて必要な照射野を再現しようとしても、実際にアイソセンタ上に投影される照射像の輪郭再現性が理論的な輪郭ほど良くならないという問題がある。

この発明は、かかる従来技術の有する課題に鑑みてなされたもので、アイソセンタ上に投影される照射像の輪郭形成の精度を向上することができるマルチリーフコリメータを提供しようとするものである。

上記従来技術が有する課題を解決するため鋭意検討を重ねたところ、マルチリーフコリメータに照射されるビームは理論的な平行ビームでなく、実際のビームＢは、図９に示すように、ワブラ電磁石を頂点とする円錐状となるため、頂点Ｏに近い上段のリーフ４が遮蔽した照射像６と、頂点Ｏから離れた下段のリーフ５に遮蔽された照射像７の大きさが異なり、同一ピッチのリーフ４，５では、上段のリーフ４の照射像６が大きくなってしまう。

このため上段のリーフ４で形成された照射像６の外側は、図２（ｂ）に示すように、下段のリーフ５によりさえぎられてしまうため、実際にアイソセンタ８上に投影される照射像６の輪郭再現性が良くならないことが分かった。特に、普及型の小型の粒子線がん治療装置では、一層ワブラ電磁石からアイソセンタまでの距離が短く、円錐状のビームの頂点Ｏの角度の影響が大きくなってしまう。

このような検討結果から完成したこの発明の具体的な構成は、以下の通りである。
すなわち、この発明の請求項１記載のマルチリーフコリメータは、複数枚のリーフで構成されるコリメータブロックを照射線の照射方向に複数段備えたマルチリーフコリメータにおいて、それぞれの段の前記コリメータブロックを前記照射線の照射方向にアイソセンタからの位置を変更可能に構成し、それぞれの段の前記コリメータブロックを構成するリーフを、前記コリメータブロックの位置に応じて頂点から円錐状に広がる前記照射線の広がりに基づき前記アイソセンタ上の照射像で前記段数分の１ずつピッチがずれるように前記リーフのピッチおよび幅を代え、各リーフによる前記照射像の幅が同一となるよう構成したことを特徴とするものである。

このマルチリーフコリメータによれば、複数枚のリーフで構成されるコリメータブロックを照射線の照射方向に複数段備えたマルチリーフコリメータにおいて、それぞれの段の前記コリメータブロックを前記照射線の照射方向にアイソセンタからの位置を変更可能に構成し、それぞれの段の前記コリメータブロックを構成するリーフを、前記コリメータブロックの位置に応じて頂点から円錐状に広がる前記照射線の広がりに基づき前記アイソセンタ上の照射像で前記段数分の１ずつピッチがずれるように前記リーフのピッチおよび幅を代え、各リーフによる前記照射像の幅が同一となるよう構成しており、粒子線などの照射線が平行でなく円錐状であっても、アイソセンタ上に投影される照射像で所定ピッチずれるようにすることで、実際に照射される像の輪郭を高精度にすることができるようになる。
また、照射線を、頂点から円錐状に広がるビームで構成し、リーフを、このビームの広がりに基づきアイソセンタ上の照射像で段数分の１ずつピッチがずれるようにしており、照射線が円錐状であっても、多段のリーフを照射像上で段数分の１ずつずれるピッチとすることで、多段のリーフによる照射野の輪郭を最も高精度にできるようにしている。
さらに、リーフのピッチおよび幅を代え、段数分の１ずつピッチをずらすとともに、同一の照射像幅となるようしており、照射線が円錐状であっても、多段のリーフによる照射野の輪郭を最も高精度にできるようにしている。

さらに、この発明の請求項２記載のマルチリーフコリメータは、請求項１記載の構成に加え、前記コリメータブロックを２段で構成するとともに、前記リーフを、前記アイソセンタ上の照射像で２段のリーフによる照射像が半ピッチずつずれる構成としたことを特徴とするものである。

このマルチリーフコリメータによれば、前記コリメータブロックを２段で構成するとともに、前記リーフを、前記アイソセンタ上の照射像で２段のリーフによる照射像が半ピッチずつずれる構成としており、２段のリーフにより照射線が円錐状であっても平行なビームの場合と同様な照射野の輪郭形状の精度を確保できるようになる。
ここで、リーフピッチとは、隣接するリーフの幅中心間の距離をいい、照射面上のピッチとは、リーフの照射像での幅中心間の距離をいう。

この発明の請求項１記載のマルチリーフコリメータによれば、複数枚のリーフで構成されるコリメータブロックを照射線の照射方向に複数段備えたマルチリーフコリメータにおいて、それぞれの段の前記コリメータブロックを前記照射線の照射方向にアイソセンタからの位置を変更可能に構成し、それぞれの段の前記コリメータブロックを構成するリーフを、前記コリメータブロックの位置に応じて頂点から円錐状に広がる前記照射線の広がりに基づき前記アイソセンタ上の照射像で前記段数分の１ずつピッチがずれるように前記リーフのピッチおよび幅を代え、各リーフによる前記照射像の幅が同一となるよう構成したので、粒子線などの照射線が平行でなく円錐状であっても、アイソセンタ上に投影される照射像で所定ピッチずれるようにすることで、実際に照射される像の輪郭を高精度にすることができる。
また、照射線を、頂点から円錐状に広がるビームで構成し、リーフを、このビームの広がりに基づきアイソセンタ上の照射像で段数分の１ずつピッチがずれるようにしたので、照射線が円錐状であっても、多段のリーフを照射像上で段数分の１ずつずれるピッチとすることで、多段のリーフによる照射野の輪郭を最も高精度にすることができる。
さらに、リーフのピッチおよび幅を代え、段数分の１ずつピッチをずらすとともに、同一の照射像幅となるようしたので、照射線が円錐状であっても、多段のリーフによる照射野の輪郭を最も高精度にすることができる。

さらに、この発明の請求項２記載のマルチリーフコリメータによれば、前記コリメータブロックを２段で構成するとともに、前記リーフを、前記アイソセンタ上の照射像で２段のリーフによる照射像が半ピッチずつずれる構成としたので、２段のリーフにより照射線が円錐状であっても平行なビームの場合と同様な半ピッチずれた照射野の輪郭形状の精度を確保することができる。

以下、この発明のマルチリーフコリメータの一実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１および図２はこの発明のマルチリーフコリメータを２段のリーフコリメータブロックで構成した一実施の形態にかかり、図１は照射線の軸直角方向からリーフコリメータブロックの片側のリーフ端面を見た場合の説明図、図２はリーフコリメータブロックの側面から見た（図１の紙面直角方向から両側のリーフを見た）場合を従来例（ｂ）と比較して示す説明図である。

この発明のマルチリーフコリメータ１０では、上下２段のリーフコリメータブロック１１，１２を構成するそれぞれのリーフ１３，１４により形成されるアイソセンタ１５上での照射像１６，１７が半ピッチずつずれるように上下のリーフピッチｐ１、ｐ２を異なるものとしてある。

照射線である粒子線のビームＢは、ワブラ電磁石を頂点とする円錐状となるため、図１に示すように、上段のリーフ１３が遮蔽した照射像１６は下段のリーフ１４が遮蔽した照射像１７よりも大きくなるが、ワブラ電磁石の頂点Ｏからの距離に応じて上段のリーフ１３のピッチｐ１に比べて下段のリーフ１４のピッチｐ２を広くとることで、それぞれのリーフ１３，１４による照射像１６（大きさＡ１），１７（大きさＡ２）がアイソセンタ１５上で同じ大きさＡ１＝Ａ２となるようにする。

また、このマルチリーフコリメータ１０では、上段のリーフ１３と下段のリーフ１４は、リーフ１３同士およびリーフ１４同士の対向面間では、図２（ａ）に示すように、下段のリーフ１４を上段のリーフ１３よりも円錐状のビームの広がりおよび規制すべき照射像１６，１７の大きさＡ１，Ａ２に応じて外側に位置させ、図２（ｂ）に示した従来例のように、ビームＢが平行に照射されるとした場合の上下のリーフ４，５を同一位置に配置し、上段のリーフ４で形作られた照射像６の外側を下段のリーフ５でさえぎることがないようにする。

このように構成したマルチリーフコリメータ１０では、ワブラ電磁石の中心Ｏから円錐状に放出されたビームＢは、上段のリーフ１３と下段のリーフ１４により遮蔽され、対向するリーフ１３同士およびリーフ１４同士の間隔と位置とを調整することでがん患部の形状に対応した空間形に形作られる。

このとき、下段のリーフ１４を上段のリーフ１３より、図２（ａ）に示すように、リーフ１４の移動方向に、ある距離分だけ外側に位置決めする。

また、下段のリーフ１４のピッチｐ２は上段のリーフ１３のピッチｐ１より大きくしてあるので、（従来のマルチリーフコリメータでは下段のリーフ４が作る照射像７は上段のリーフ３が作る照射像６よりも大きくなるが、）上段のリーフ１３と下段のリーフ１４それぞれで形作られるビームは照射像１６，１７はアイソセンタ１５上で同じ大きさＡ1＝Ａ２となって照射像１６，１７を形作る。

そして、上段のリーフ１３と下段のリーフ１４は照射像１６，１７がこの照射像で半ピッチずれるように配置してあるため、照射像の輪郭の精密さは１段の場合に比べ向上し、２倍の精度となる。

なお、マルチリーフコリメータでは、同一厚さのリーフ１３，１４を用いてそれぞれのピッチｐ１，ｐ２を変えるだけでなく、ピッチｐ１，ｐ２およびリーフ１３，１４の厚さを変えるようにして照射像上で、半ピッチなど所定ピッチずれるようにしても良い。

また、コリメータブロック１１，１２を上下２段で構成する場合に限らず、さらに多段にしても良く、この場合にはその段数分の１ずつ照射像上でピッチがずれるようにすれば、一層輪郭精度を向上することができる。

次に、このような多段のリーフの具体的なピッチの算出方法について、上下２段のリーフを例に説明する。
ここでは、粒子ビームの広がり角を考慮し、１／２リーフピッチの投影像を得るための条件を求める。

（１）リーフ配置方法
まず、リーフ配置方法として、ビームＢの広がりに対応し、患者照射面（アイソセンタ）１５上に形状Ａを投影するための条件を求める。

図３に示すように、上段、下段リーフ１３，１４で作成した照射形状Ａ３、Ａ４はビームの広がり角により拡大した大きさＡで、照射面１５上に投影される。

なお、ここでは、輪郭を形成する部分は、リーフ１３，１４下端ではなく、リーフ１３，１４厚方向の中央部分とした。

アイソセンタ１５上に形状Ａを得るためには、Ａ３、Ａ４による投影像をアイソセンタ上で同じ大きさにする必要がある。

そこで、Ａ３、Ａ４の形状をビーム頂点からの距離に応じて照射形状Ａを縮小したものとして合成する。それぞれの縮小率をr1、r2とすると、次式１となる。

実際の装置では、マルチリーフコリメータ（ＭＬＣ）の位置を変えることができるようにしてあり、アイソセンタから、例えば２００〜７００ｍｍの範囲で位置を変えることができるようにする。

このようなマルチリーフコリメータでは、リーフ送り方向の拡大率の違いは、上下リーフ１３，１４の送り量を変えて対応できるが、リーフピッチｐ１，ｐ２方向では、拡大率の違いによる照射面１５上のリーフピッチが異なるため、合成した照射形状に干渉パターンが生じる。

このため照射野の両端部付近で１／２ピッチの輪郭形成ができないことになる。

そこで、以上のような条件に基づく作図から、干渉が起こる位置は、マルチリーフコリメータ（ＭＬＣ）のアイソセンタ１５からの距離によって若干移動することがわかった。

（２） 干渉解析
次に、干渉パターンを解析し、アイソセンタ１５上の投影像に干渉の起こらない寸法条件を求める。

図４に示すように、照射面上に投影した上下リーフ１３，１４のピッチを、Ｐ1、Ｐ２とする。前項の縮小率から、Ｐ1、Ｐ２は以下のようになる。なお、ｐ１、ｐ２は上下のリーフ自体のピッチであり、次式２で表すことができる。

Ｐ1は拡大率の違いにより、Ｐ２よりδだけ大きくなる。
したがって、
δ＝Ｐ１−Ｐ２
∴Ｐ１＝Ｐ２＋δ
となる。

マルチリーフコリメータ（ＭＬＣ）の中央では、図５に示すように、上下段のリーフ１３，１４は１／２ピッチずらした配置となっているとすると、リーフピッチ方向で上下のリーフでずれが生じ、１／２ピッチとならない部分が生じる。

そこで、図６に示すように、中央からｎ枚目の上下段のリーフの位置をP1(n)、P2(n)とすると、それぞれの位置を次式３のように表すことができる。

そして、図６より、Ｐ１(n)＞Ｐ２(n)となる位置で干渉が起こることになる。
そこで、下記のレイアウト条件のある装置で、干渉の起こるｎを求める。

レイアウト条件
L = 4748.82 mm
l = 4425.82 ／ 3925.82 mm （MLC位置200／700）
h = 88 mm
p1 = p2 = 4.5mm
ここで、Lはビーム広がりの頂点（下流側電磁石の中心）からアイソセンタまでの距離、
lはビーム広がりの頂点（下流側電磁石の中心）から MLCまでの位置
h は上下間リーフピッチ
p1、p2は上下段それぞれのリーフピッチ、である。
これらの条件を用いるとともに、干渉が生じる条件Ｐ１(n)＞Ｐ２(n)を用いて、ｎについて解くと、次式４のように求めることができる。

この結果、マルチリーフコリメータ（ＭＬＣ）の位置により干渉する位置が変わるが、中央から２３〜２４枚目で干渉が起こることがわかる。

（３） 干渉の回避
次に、アイソセンタ上で、上下段のリーフの投影ピッチが同じになる条件を干渉が起こらない条件として求める。
干渉の位置は、マルチリーフコリメータ（ＭＬＣ）の位置により異なるため、図より判断し、干渉の影響が大きいマルチリーフコリメータ（ＭＬＣ）が７００ｍｍの位置の場合で干渉を回避する条件を求める。
アイソセンタ上で１／２ピッチの照射像が得られる条件は、次式５で表すことができる。

そして、上段のリーフピッチｐ１を４．５ｍｍとして、干渉の起きない下段のリーフピッチｐ２を求めると、次式６のように求めることができる。

この結果から、上段のリーフピッチｐ１＝４．５に対し、下段のリーフピッチｐ２＝４．６とすれば干渉パターンを回避できる。

なお、マルチリーフコリメータの位置を２００ｍｍとした場合には、リーフピッチを変更することができないため、干渉の回避条件が異なるが、７００ｍｍで求めたピッチとした場合でも、作図によりほぼ、干渉を回避することができることを確認している。

また、照射野の大きさによっては、外周部で上下段のリーフ隙間が重なる可能性があるが、この場合には、上下段のリーフを千鳥状に配置するのに加え、外周部では、迷路状(ラビリンス形状やコルゲーション構造など)を組み合わせるようにすれば良い。

以上のように、上記レイアウト条件の上下２段のマルチリーフコリメータでは、上段のリーフピッチｐ１を４．５ｍｍ、下段のリーフピッチｐ２を４．６ｍｍとすることで、照射ビームが円錐状になる場合でもアイソセンタ１５上の照射像で半ピッチずれた輪郭形状を得ることができ、照射野の形状精度を向上することができる。

同様にレイアウト条件が定まれば、照射ビームが円錐状に広がる場合を考慮したアイソセンタ上での輪郭精度を確保するリーフのピッチを求めることができる。

この発明のマルチリーフコリメータを２段のリーフコリメータブロックで構成した一実施の形態にかかる照射線の軸直角方向からリーフコリメータブロックの片側のリーフ端面を見た場合の説明図およびアイソセンタ上での照射像のずれの説明図である。 この発明のマルチリーフコリメータを２段のリーフコリメータブロックで構成した一実施の形態にかかるリーフコリメータブロックの側面から見た（図１の紙面直角方向から両側のリーフを見た）場合を従来例（b）と比較して示す説明図である。 この発明のマルチリーフコリメータを２段のリーフコリメータブロックで構成した一実施の形態にかかるリーフの配置と照射形状の関係の説明図である。 この発明のマルチリーフコリメータを２段のリーフコリメータブロックで構成した一実施の形態にかかるリーフピッチと照射像のピッチの説明図である。 この発明のマルチリーフコリメータを２段のリーフコリメータブロックで構成した一実施の形態にかかる上下のリーフピッチが異なる場合の中央部での配置の説明図である。 この発明のマルチリーフコリメータを２段のリーフコリメータブロックで構成した一実施の形態にかかる上下のリーフピッチが異なる場合の中央からｎ枚目の配置の説明図である。 従来の１段のリーフコリメータの側面図および平面図である。 従来の２段のリーフコリメータの側面図および平面図である。 従来の２段のリーフコリメータのリーフピッチと照射像の大きさの関係の説明図である。

符号の説明

１０ マルチリーフコリメータ
１１，１２ 上下リーフコリメータブロック
１３，１４ 上下のリーフ
１５ アイソセンタ
１６，１７ 照射像
ｐ１、ｐ２ 上下のリーフピッチ
Ａ１、Ａ２ 上下のリーフの照射像の大きさ
Ｏ ワブラ電磁石の頂点

Claims (2)

1. 複数枚のリーフで構成されるコリメータブロックを照射線の照射方向に複数段備えたマルチリーフコリメータにおいて、
   それぞれの段の前記コリメータブロックを前記照射線の照射方向にアイソセンタからの位置を変更可能に構成し、それぞれの段の前記コリメータブロックを構成するリーフを、前記コリメータブロックの位置に応じて頂点から円錐状に広がる前記照射線の広がりに基づき前記アイソセンタ上の照射像で前記段数分の１ずつピッチがずれるように前記リーフのピッチおよび幅を代え、各リーフによる前記照射像の幅が同一となるよう構成したことを特徴とするマルチリーフコリメータ。
2. 前記コリメータブロックを２段で構成するとともに、前記リーフを、前記アイソセンタ上の照射像で２段のリーフによる照射像が半ピッチずつずれる構成としたことを特徴とする請求項１記載のマルチリーフコリメータ。

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