JP4580465B2 - 粒子線治療装置 - Google Patents
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Description
深さ方向に所望の粒子線分布を得るためには、標的体積の各層の線量重み付けを所望の値にする必要がある。
このため、照射前に線量校正の手順を実施するが、従来の技術では生物線量の深さ方向分布におけるSOBP(Spread Out Bragg Peak:拡大ブラッグピーク)中心の1点で線量校正を行っていた。
また、下記の非特許文献1には、「積層照射において使用するミニリッジフィルタのウェイトをガウス分布で設計することにより、層間の位置誤差の影響を緩和させる」ことが示されている。
なお、「SOBP」および「ミニリッジフィルタ」については、発明の実施の形態の説明の中で後述する。
これに対し、積層照射では、層に応じて機器設定が変わるため、各層に応じて線量校正係数があると考えるのが自然であり、SOBP中心1点での校正では浅い層の校正係数に対して敏感でないという問題点があった。
各層に対して実測で校正係数を求める場合、ブラッグ曲線の深さ方向の変化が急峻であるため、線量計を設置する場所のわずかな位置誤差によって線量校正値に大きな誤差が発生する原因となり、各層に対して線量校正を短時間で精度よく行うことが困難であった。
なお、「ブラッグ曲線」とは、荷電粒子線(例えば、陽子線や炭素線など)を被照射体に照射した場合に、荷電粒子が到達するまでに被照射体内に付与する相対線量を示す曲線のことであり、最深部付近にピークを有する。
こうした要因によって、ブラッグ曲線の頂点で校正したつもりであっても、実際には頂点以外で校正してしまう可能性があり、校正係数の精度が得られにくかった。
前記粒子線の線量をカウント値としてモニタする線量モニタを有し、前記所定領域内に照射野を形成する粒子線照射部と、前記複数の層のうち第i番目の層に前記粒子線を照射したときの物理線量を前記カウント値で除して各層ごとに得られる校正係数をαiとしたときに、前記カウント値が前記第i番目の層に対する目標線量を前記校正係数αiで除した値に到達すると前記第i番目の層に対する前記粒子線の照射を停止し、前記第i番目の層とは別の層の照射に移行するように、前記粒子線照射部の動作を制御する治療制御部とを備えたものである。
従って、本発明によれば積層照射における線量校正を各層毎に行うことが可能であり、積層照射時における線量校正の精度を向上させることができる。
3 深さ方向照射野形成部 4 リッジフィルタ
5 データ処理部 21 患者
22 治療台 61 リッジフィルタ取付台
62 通過穴(通過口) 70 線量計校正装置
71 水ファントム 72 線量計
73 線量計駆動装置 74 線量計用回路7よびデータ処理装置
101 治療計画部 102 治療制御部
103 粒子線発生部 104 粒子線輸送部
105 粒子線照射部 106 位置決め部
図面に基づいて、本発明の一実施の形態例について説明する。
図1は、粒子線治療装置の構成を示す図である。
図1に示すように、粒子線治療装置は、治療計画部101、治療制御部102、粒子線発生部103、粒子線輸送部104、粒子線照射部105、位置決め部106などで構成される。
粒子線照射部105は粒子線を患者に照射する際に適切な照射野を形成するための機能を有し、治療計画部101は所望する線量分布を照射するために粒子線照射部105の各機器のパラメータを適切な値に決める機能を有する。位置決め部106は、患者の固定、標的(標的体積とも称す)の位置決めと確認などを実施する機能を有する。
治療制御部102は、治療計画部101からの指示に基づいて、粒子線発生部103、粒子線輸送部104、粒子線照射部105、位置決め部106の動作を制御する。
図2に示すように、粒子線照射部105は、主に粒子線の照射野を横方向(即ち、ビーム進行方向と垂直の面)でビームを制御するための横方向照射野形成部1と、粒子線の線量をモニタ(カウント)する線量モニタ2と、深さ方向(即ち、ビーム進行方向)にビームを制御する深さ方向照射野形成部3と、深さ方向照射野形成部3内に形成されるリッジフィルタ(ridge filter)4と、線量モニタ2がカウント線量のデータを処理するデータ処理部5などで構成されている。なお、図2において、21は患者、22は治療台ある。
単一エネルギーのビームが照射された場合、患者21の体内での深さ方向の線量分布をPDD(Percentage Depth Dose)と呼ぶ。
粒子線を均一の媒質に照射すると、粒子線は媒質に入射したときのエネルギーに応じてある深さで止まり、そのときの深さを飛程と称する。
媒質の表面から飛程までのPDDは、ブラッグ曲線と呼ばれる頂点(ピーク)を有する形状を示しており、曲線(即ち、ブラッグ曲線)の最大値付近の部分はブラッグピークと呼ばれる。
なお、図3において、横軸はからだの表面からの深さ(cm)であり、縦軸は相対吸収線量(%)である。
ブラッグ曲線の形状は照射される粒子線の核種によって異なり、陽子線の場合は炭素線に比べてブラッグピークの幅が広い。
また、炭素核は核破砕を起こすが、陽子線ではそれが起きないため、陽子線の線量分布にはテイル(即ち、核反応のテイル)がない。
図4は、炭素線の拡大ブラッグピークを示す図である。
既知の照射技術である拡大照射法では、後述のリッジフィルタと呼ばれる装置を用いてブラッグピークの幅を広げて、図4に示すような拡大ブラッグピーク(SOBP)という線量が一様な領域を形成して照射する。
SOBPの幅は、標的(標的体積)の深さ方向の厚みに合わせて形成する。
線量には、物理線量と生物学的線量(実効線量ともいう)の2種類が定義される。
物理線量は、標的のある部分に付与されるエネルギーであって、単位はグレイ(Gy)である。
これに対して生物線量は、物理線量に基づき細胞への生物学的影響を考慮して決められる値であって、単位はグレイ・イクイバレント(GyE)である。
生物線量は、例えば細胞の生存率が10%になるようなコバルト60による照射線量と等価な線量という条件で定義される。
SOBPは、照射効果を均一にすることが目的であり、生物線量分布で定義される。
これに対し、線量校正に用いる線量計では生物学的効果の計測ができないため、線量校正は物理線量を使って行われる。
物理線量から生物線量を求めることは既知の手法で求められるが、ここではその記載は省略する。
図5は、リッジフィルタの原理を説明するための図である。
リッジフィルタには、図5に示すようなバーリッジフィルタあるいはモジュレーションホイールなど既知の種類があり、ここではこれらを総称してリッジフィルタと称する。
図5は、リッジフィルタを説明するための概念図であって、実際のリッジの本数はこれより多い。リッジフィルタ4は、異なる厚みと幅を有する領域から構成される。
例えば、水等価の飛程が30cmの粒子線がリッジフィルタの水等価厚が5cmの部分を通過すると、その粒子線の飛程は水等価で約25cmとなる。
製作上の都合から、実際にはリッジフィルタ4の厚みはあるステップで設計され、ステップ単位で水等価厚飛程の粒子数の割合を制御する。
そしてこの割合をウェイトと呼ぶ。
このように既知の方法に基づいてウェイトを適切に選ぶことで、生物線量が一様なピークをもつSOBPに対応するリッジフィルタを設計することができる。
また、このリッジフィルタ取付台61の一箇所に通過穴(通過口)62を設けておくと、無変調の粒子線を照射することが可能である。
ここまでは従来の拡大照射法と呼ばれる照射技術について記載したが、これとは別の既知の照射技術として、積層照射と称する方法がある(前記文献1を参照)。
この方法では、標的体積を深さ方向の領域、即ち、ある幅をもった層に分割して、これらの領域を個別に順番に照射する。このとき、層の幅は一定である必要はない。
粒子線を照射する際には、ブラッグ曲線をそのまま、あるステップ単位でずらして照射してもよいが、ブラッグピークの幅が狭いと、ステップ幅が細かくなり、ステップ数が増えて煩雑になる。
このため、通常は、ブラッグピークを意図的に広げてステップ幅をやや広くして、照射する手法が用いられる。ステップ幅としては2mm以上〜10mmくらいが用いられる。
このとき広げたブラッグピークをミニピークと称し、これを形成するための装置をミニリッジフィルタと呼ぶ。
しかしながら、従来の提案では「平坦」、「ガウス分布」は、いずれもウェイトの関数自体に対する議論であり、物理線量のPDD(Percentage Depth Dose)形状については言及されておらず、線量校正を容易にするという目的についても言及されていなかった。
従って、従来の提案ではミニリッジフィルタのウェイトが平坦であっても、ミニピークの物理線量分布は平坦ではなく、ミニピークのどの部分で校正するのかを正確に特定する必要があった。
また、深さ方向のわずかな位置誤差によって線量校正値に有意な誤差が発生するという問題があった。
積層照射では、各層の相対線量、即ち、各層の重みは、予め治療計画部101で実施される線量計算の出力に従って照射する必要がある。そうしないと、所望のPDDが得られない。
粒子線治療装置では、粒子線照射部105に設置された線量モニタ2のカウント値に基づいて、各層に付与される線量が計画通りになるように管理される。
即ち、ある層を照射しているとき、その層に付与された線量を線量モニタ2のカウント数に変換し、そのカウント値が所望の値に達した場合に照射を一時的に停止し、カウントをリセットし、次の層の照射に移行する。
その理由のひとつは、照射条件によって粒子線照射部105の装置設定を変化させたときに、カウント値と物理線量が常に一定の関係であるとは保証されないためである。
その代わりに、図7に示すような装置を用いて、所望する照射野条件において、線量モニタ2のカウント値を線量計72に対して校正する。
なお、図7は、粒子線照射部105と線量計の校正装置の構成を示す図である。
図7に示すように、線量計校正装置70は、水ファントム(即ち、線量測定用の水槽)71、線量計72、線量計駆動装置73、線量計用回路7よびデータ処理装置74、架台75で構成されている。
線量計72は、校正が保証されたものを用い、校正作業は患者毎(治療計画毎)に行われる。
線量計72では、生物線量は計測されず物理線量のみ計測されるので、校正は物理線量に対して行われる。
処方線量は生物線量で定義されるが、これに相当する物理線量のPDDを算出しておけば、線量校正および治療照射線量管理は物理線量のPDDを対象に実施すればよいので、線量校正時に生物線量を気にする必要はない。
例えば、直径75mmの球形の標的に対して積層照射を行ったとする。
層のステップを2.5mmと仮定すると、深さ方向の75mmを照射するのに29層が必要となる。
従来の積層照射では、29層全てを照射した時に形成される全体SOBPの中心1点において、線量校正を行っていた。
これは従来の拡大照射法の考え方に基づくものである。
これを数式で表すと、SOBP中心での物理線量は次式で与えられる。
なお、上の式において、“DSOBP_PHYS(zC)”は、SOBP分布を表す関数で、グレイで表される物理線量である。
“dMINIPEAK_PHYS”は、ミニピークの物理線量PDD曲線である。
zCは、SOBPの中心位置、ziはi番目の層のシフト量を示す。Σはいずれも全ての層、即ち i=1,29についての和を示す。
また、Wiは各層の重みで ΣWi=1として規格化されるものとする。
K0は規格化係数で、DSOBP_PHYS(zC)で1回の照射の処方線量から換算した物理線量に合致するように値が決められる。
この仮定が崩れた場合でも関数にインデックス i を付ければ結論は変わらない。
例えば、SOBP中心での処方線量が5GyEで照射が処方されたとき、SOBP中心の物理線量DSOBP_PHYS(zC)が例えば2.05Gyであるとすると、校正係数α0は次式のように書くことができる。
α0・K0・Σ{dMINIPEAK_PHYS(zC+zi)・Wi/α0}=2.05Gy
このとき、“K0・Σ{dMINIPEAK_PHYS(zC+zi)・Wi/α0}”は、線量モニタで計測されるカウント値に相当し、α0の単位は線量校正で決まる校正係数で単位はGy/countである。
ここまでは従来の校正方法について説明したが、本発明では各層の校正を個別に行う。
このとき、任意の深さzにおける物理線量は以下の式で記述できる。
K0・Σ{αi・dMINIPEAK_PHYS(z+zi)・Wi/αi}
ここで、Di(z)=K0・αi・dMINIPEAK_PHYS(z+zi)・Wi/αi
と定義する。
一番深い層におけるPDDの頂点の深さをz0と定義すると、各層におけるシフトされたピークの深さは、
zpeak=z0−zi
で与えられる。
本発明により、zpeakで校正した場合、校正係数αiは
αi=Di(z0−zi)/{K0・dMINIPEAK_PHYS(z0)・Wi/αi}
で与えられ、K0・dMINIPEAK_PHYS(z0)・Wi/αiが、線量モニタで計測されるカウント値に相当する。
従来法では一つの校正値に各層が、異なる重みで寄与している。
その重みはzCに対して各層が寄与する物理線量は、
K0・dSOBP_PHYS(zC+zi)・Wi
に比例する。
ここで以下の議論が考えられる。
「Wiが小さい層は線量への寄与は少ないので、それらの層については校正係数を正確に決める必要がない」ということである。
しかし、これは実測に基づき校正係数を決めるという元の考え方と相反する。
もし、浅い層において個別に校正係数を決める必要がないならば、照射条件が変化した場合でも、Wiの値は実測に頼らずに計算のみで算出しても十分な信頼性が得られるという前提になるはずである。特に、zCより浅い層については核破砕によるテイルを通じてしか校正に参加しない。
このため、本発明のように各層の校正は、各層のピークの位置で行うことが望ましく、線量校正の精度向上とシステマティックな理解が得られる。
以上のように本発明では各層を個別に校正することを特徴とするが、実際には(特に炭素線の場合)ブラッグピークの幅が狭いため、各層のブラッグピークの頂点において校正するのは困難な場合がある。
なお、図8は、炭素線のミニピーク(物理線量)を示している。
ここで重要なのは、PDDの平坦領域を物理線量分布において作ることである。
このPDD平坦部の幅をミニピークの幅と定義する。ミニピークの幅は、線量校正時に達成できる位置精度より大きくする必要がある。ミニピークの幅と層のステップ幅は同じでもよいが、同じである必要はない。
図9では、ミニピークの曲線を見やすくするため、曲線を間引いて描いてあるが、実際にはミニピークの平坦部分が隣接するか、重なり合うことになる。
このようなミニリッジフィルタの設計は、既知の手法を用いれば可能である。
例えば、物理線量PDDの形状を測定しておき、リッジフィルタの厚さに応じてPDD曲線をシフトさせたものをあるウェイトで足し合わせ、所望の平坦領域が形成されるようにウェイトを最適化すればよい。
実際には要求される精度に対し、線量校正測定系の機械精度が不十分な場合もある。
あるいは、十分な機械精度が得られる場合でも、毎回高精度を得るのには時間と技能を要する。
従って従来の技術では、ブラッグピークを使って各層を個別に校正することは現実的でない。例えば、炭素線のブラッグピーク内では深さ方向にわずか1mmの位置誤差でも物理線量が2倍以上変化するが、幅が2mmのミニピークを作れば、許容誤差は大幅に緩和される。
線量校正に使う各層のPDDが物理線量において平坦なミニピークを有するため、校正に使う線量計の設置位置はミニピークの中ならどこにあってもよいので計測時の位置精度要求を大幅に緩めることができる。
物理線量分布で平坦な頂点を形成すると、生物線量分布の頂点は平坦にはならず、図10に示すような形となる。
しかしながら、各層の幅を十分狭くとり、これらの層を重ね合わせることにより、生物線量においても、SOBPを形成することが可能である。
例えば幅が5mmのミニピークを2.5mmのステップ幅で重ね合わせてもよい。
ミニピークの深い側では線量が急峻に下がるが、これを意図的に鈍らせるようにミニリッジフィルタを設計すると、平坦度を向上させることができる。
一様なSOBPを作るための各層のウェイトを調べてみると、図11に示すように線量分布の最も深い層の近傍(図中のウェイトが不規則な領域)でウェイトは急速に変化するが、プラトー(plateau)と呼ばれる手前の領域(図中のウェイトがスムーズな領域)ではウェイトがほとんど変化しないことが知られている。(前掲の非特許文献1参照)
このため、最深層の線量分布を急峻にするための最深層専用のミニリッジフィルタと、それより手前の比較的ウェイトが平坦な領域(プラトー部)に適用するミニリッジフィルタと2種類を用いることで、SOBPの平坦度を向上させながらPDDの急峻性を確保するということが両立できる。
腫瘍によっては、中心部には耐放射線性の高いがん細胞が存在する場合もあり、このような場合には、線量分布は一様ではなく、中心部分の線量を高くする照射が望ましい場合がある。
このような場合にも本発明による校正方法と治療照射方法で対応することができる。
スキャニング照射では、深さ方向の積層に加え、細いビーム(即ち、粒子線)を横方向にも重ね合わせる。
このような場合でも、細いビームを使って深さ方向にミニピークを形成することで線量校正を容易にすることができる。
このとき、ミニピークを形成する装置としては、モジュレーションホイールが適している。これは、細いビームがバーリッジフィルタに一様に当たるようにすることは難しいためである。
フィルタはリッジが薄くてよいため、リッジのピッチを狭く製作することは比較的容易である。
あるいは、バーリッジフィルタを振動させ、バーリッジフィルタにビームが一様に当たるように制御することも考えられる。
積層照射の場合と同様に、ミニピークの深い側の線量を意図的に鈍らせることによって平坦度を向上させることも可能で、最深層専用のリッジフィルタとプラトー専用のリッジフィルタの2種類を併用することによりPDDの急峻性を犠牲にすることなく、平坦度を得ることもできる。
また、本実施の形態による粒子線治療装置は、標的体積の所定領域を粒子線の深さ方向に沿って複数の層に分割して粒子線を照射する際に、分割された各層毎に個別に線量校正を実施する粒子線治療装置であって、深さ方向の物理線量分布が前記各層の幅の少なくとも一部において、ミニリッジフィルタを用いて線量が一定となる領域を形成して線量校正を行う。
また、本実施の形態による粒子線治療装置は、標的体積の所定領域を粒子線の深さ方向に沿って複数の層に分割して粒子線を照射する際に、分割された各層毎に個別に線量校正を実施する粒子線治療装置であって、深さ方向の物理線量分布が前記各層の幅の少なくとも一部において、ミニリッジフィルタを用いて線量が一定となる領域を形成し、これらの各層を重ね合わせて前記標的体積を照射する。
次に、実施の形態2について記載する。
実施の形態1では各層全てに対して校正する例を述べたが、粒子線治療装置の各機器の設定条件は層毎に大きく変化するのではなく、わずかずつしか変化しない。
そのため、照射実績が蓄積されてくるにつれ、実施の形態1で述べた各層の校正を全ての層で毎回実施する必要性はなくなる。
そのときは計測点数を間引くことが考えられる。
なお、前述したように、図9に示す校正点は、間引いた状態を表している。
間引いた層については、その層に最も近い校正点1点の校正値をそのまま引用するか、近傍の複数の校正実施点を使って校正値を内挿することが考えられる。
校正システムを実装するにあたっては、校正点として全ての層を用いるか、それとも間引いて校正するかをユーザが選択できる機能を校正システムの制御系にあらかじめ組み込んでおくとよい。
また、間引く場合には、間引く箇所や内挿のアルゴリズムなどをユーザが選択できるようにしておくとよい。
本実施の形態を用いれば、校正に必要な時間を更に短縮することができる。
次に、実施の形態3について記載する。
図12〜図14は、本実施の形態に係わるミニリッジフィルタの設計例を説明するための図である。
図12では、ブラッグピークの手前の部分に線量校正を行うための物理線量分布がフラットな部分を設けてある。
これより深い一点鎖線の部分は、ブラッグピークの重み付けがガウス分布となるように設計し、本層より深い層との重ね合わせがよりスムーズに行えるようにした。
図13では、ブラッグピークの中心部分のみに線量校正を行うための物理線量分布がフラットな部分を設けてある。
フラットな部分は、ブラッグピークの重み付けがガウス分布となるように設計し、本層より深い層および浅い層との重ね合わせがよりスムーズに行えるようにした。
また、図14では、図4で示すような生物線量がフラットな線量分布に対応する物理線量分布(点線で示す)を最深部において再現し、かつ物理線量分布においてフラットな領域を有するようにミニリッジフィルタを設計している。
このように、本実施の形態では、物理線量でフラットなミニピークを他の線量分布形状と組み合わせることが可能で、それによって、層の重ね合わせを容易にしたり、層の分割数を削減したりすることが可能となる。
Claims (4)
- 標的体積の所定領域を粒子線の進行方向に複数の層に分割して前記粒子線を照射する粒子線治療装置であって、
前記粒子線の線量をカウント値としてモニタする線量モニタを有し、前記所定領域内に照射野を形成する粒子線照射部と、
前記複数の層のうち第i番目の層に前記粒子線を照射したときの物理線量を前記カウント値で除して各層ごとに得られる校正係数をαiとしたときに、前記カウント値が前記第i番目の層に対する目標線量を前記校正係数αiで除した値に到達すると前記第i番目の層に対する前記粒子線の照射を停止し、前記第i番目の層とは別の層の照射に移行するように、前記粒子線照射部の動作を制御する治療制御部とを備えたことを特徴とする粒子線治療装置。 - 前記粒子線照射部は、前記複数の層の各層におけるブラッグピークを広げるリッジフィルタを有することを特徴とする請求項1に記載の粒子線治療装置。
- 前記カウント値が下記の式(A)で表される値に到達すると前記第i番目の層に対する前記粒子線の照射を停止し、前記第i番目の層とは別の層の照射に移行するように、前記粒子線照射部の動作を制御する治療制御部とを備えたことを特徴とする請求項2に記載の粒子線治療装置。
K0・dMINIPEAK_PHYS(z0)・Wi/αi ・・・ 式(A)
ここで、
αi:前記複数の層のうち第i番目の層に前記粒子線を照射した時の物理線量を
前記カウント値で除して各層ごとに得られる校正係数
K0 :処方線量を得るための規格化係数
dMINIPEAK_PHYS(z0):前記粒子線の進行方向の一番深い層におけるミニ
ピークの物理線量PDD曲線の頂点の値
z0:前記ミニピークのPDD曲線の頂点の深さ
Wi:前記複数の層のうち第i層に対する線量重み付け - 前記治療制御部は、前記複数の層の各層に照射する目標線量を、予め治療計画部で実施される線量計算の出力に従って設定することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の粒子線治療装置。
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