JP5222566B2 - Laminated body irradiation system and particle beam therapy system using the same - Google Patents
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Description
本発明は、癌や悪性腫瘍等の治療のために炭素、ネオン等の粒子線を疾患部分に三次元的に照射する積層原体照射システム、およびこれを用いた粒子線治療装置に関する。 The present invention relates to a stacked body irradiation system for three-dimensionally irradiating a diseased part with a particle beam of carbon, neon or the like for treatment of cancer, malignant tumor, and the like, and a particle beam therapy apparatus using the same.
癌や悪性腫瘍等の治療のために、患部に適切な線量の粒子線を照射するには、粒子線の照射領域を三次元的に存在する患部の形状に一致させる、いわゆる積層原体照射を行って原体性を高める必要がある。そのためには、多葉コリメータの形状(リーフ位置)が適切に設定されていることに加えて、患部全体に均一な線量が投与されるように、水平方向(照射野の面上)の照射線量、および垂直方向(深さ方向)の照射線量の空間分布をいずれもできるだけ均一化することが重要である。 In order to irradiate the affected area with an appropriate dose of particle beam for the treatment of cancer, malignant tumors, etc., so-called multilayered body irradiation is performed to match the irradiation area of the particle beam with the shape of the affected area existing three-dimensionally. It is necessary to go and improve the originality. To that end, the multi-leaf collimator shape (leaf position) is set appropriately, and the irradiation dose in the horizontal direction (on the surface of the irradiation field) so that a uniform dose is administered to the entire affected area. It is important to make the spatial distribution of the irradiation dose in the vertical direction (depth direction) as uniform as possible.
ここで、患部に照射される平面的な照射野の線量分布を均一にする方法として、ワブリング法がある(例えば、特許文献1〜4参照)。このワブリング法は、一対のワブラ電磁石の磁場の方向が互いに直交するように配列し、それぞれのワブラ電磁石に対して同じ周期で、かつ位相が90度異なる電流を流して当該ワブラ電磁石を励磁する。これにより、加速器を出射した粒子線は、ワブラ電磁石の磁場によって進行方向に対し垂直な面内で直交する方向に旋回偏向される。その結果、図16に示すように、粒子線は一定周期Twごとに円形の周回軌道Sを描くようになる(以下、1周分の周回軌道Sを描くのに要する時間をワブラ周期Twと称する)。このとき、粒子線の照射経路の途中に設けた散乱体によって散乱される散乱角と周回軌道Sの半径Rを最適に設定すると、図17に示すように、周回軌道S上の互いに対向する2つの粒子線分布P1,P2が重畳するため、周回中心Oを含む平面内で径方向の線量分布P0は平坦な分布となる。したがって、粒子線を周回軌道S上に沿って照射して一周分の真円を描けば、照射野の面上の線量分布が均一になる。
Here, there is a wobbling method as a method for making the dose distribution of the planar irradiation field irradiated to the affected area uniform (see, for example,
一方、垂直方向(深さ方向)の線量分布を均一化するには、従来、図18に示すように、患部の深さ方向の大きさLに対応して、深さ方向の各層ごとに粒子線の照射エネルギをレンジシフタにより変更して深さ方向に沿って拡張ブラグピークD1,D2,…を移動させつつ、患部の深層位置で照射線量を多くし、深さが浅くなるのに従って照射線量が次第に少なくなるようにする。すなわち、患部の深さ方向に沿って拡張ブラグピークD1,D2,…を移動させつつ、照射する階層に応じて照射線量を調整することで、各層ごとの拡張ブラグピークD1,D2,…積算した全体の線量分布Dtが患部の深さ方向の大きさLに対応して平坦になる。 On the other hand, in order to make the dose distribution in the vertical direction (depth direction) uniform, conventionally, as shown in FIG. 18, the particles in each layer in the depth direction correspond to the size L in the depth direction of the affected part. While changing the irradiation energy of the line by the range shifter and moving the extended Bragg peaks D1, D2,... Along the depth direction, the irradiation dose is increased at the deep position of the affected area, and the irradiation dose gradually increases as the depth becomes shallower. Try to reduce it. That is, the extended Bragg peaks D1, D2,... Are moved along the depth direction of the affected part, and the irradiation dose is adjusted according to the level of irradiation, so that the extended Bragg peaks D1, D2,. The dose distribution Dt becomes flat corresponding to the size L in the depth direction of the affected area.
この場合、深層の位置で粒子線の照射線量が多いということは、各層における粒子線強度が同じであれば、粒子線の照射時間が長いことに比例するから、患部の深層では粒子線の周回数(以下、ワブラ周回数という)が多くなっていることになる。換言すれば、照射する階層が進む(照射領域が浅くなる)のに従って一層あたりのワブラ周回数が少なくなる。 In this case, a large particle beam irradiation dose at the deep layer position is proportional to the long particle beam irradiation time if the particle beam intensity in each layer is the same. The number of times (hereinafter referred to as the number of times around the wobbler) is increased. In other words, the number of times of wobbler per layer decreases as the level of irradiation progresses (the irradiation region becomes shallower).
ところで、上記の各特許文献1〜4に記載されるような従来の積層原体照射では、シンクロトロン等の加速器からの粒子線の出射および停止のタイミング、すなわち粒子線の照射期間は、ワブラ周期Twとは無関係であった。すなわち、図19に示すように、一対のワブラ電磁石の励磁信号に関しては、互いに位相が90度異なるように一定の関係を持たせているが、そのワブラ周期Twは所定の照射線量を得るために時分割された粒子線の照射期間Tbと無関係に設定されている。
By the way, in the conventional lamination original body irradiation as described in each of the
一方、積層原体照射法では、各層ごとに予め設定された照射線量に達すると粒子線照射が終了される。このとき、上記のようにワブラ周期Twが粒子線の照射期間Tbと無関係に設定されていると、粒子線が周回軌道を一周する前に加速器からの粒子線の出射が停止し、周回軌道上の一部に粒子線が照射されない未照射領域が発生する。 On the other hand, in the layered product irradiation method, the particle beam irradiation is terminated when the irradiation dose set in advance for each layer is reached. At this time, if the wobbler period Tw is set regardless of the particle beam irradiation period Tb as described above, the emission of the particle beam from the accelerator stops before the particle beam goes around the orbit, and the An unirradiated region where no particle beam is irradiated is generated on a part of the surface.
特に、積層原体照射においては、前述のように、照射する階層が進む(照射領域が浅くなる)のに従って一層あたりのワブラ周回数が漸次少なくなって行くので、周回軌道の途中で粒子線の照射が停止された場合には、粒子線照射が欠落した部分が何層か重なる箇所ができてしまい、深さ方向の線量分布が著しく不均一になってしまう。 In particular, in the multilayer body irradiation, as described above, the number of wobbler per layer gradually decreases as the irradiation layer progresses (the irradiation region becomes shallower), so that the particle beam is in the middle of the circular orbit. When the irradiation is stopped, a portion where several portions where the particle beam irradiation is lost overlaps, and the dose distribution in the depth direction becomes extremely non-uniform.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、積層原体照射において、加速器からの粒子線出射停止のタイミングの如何にかかわらず、いずれの階層においても、照射欠落領域の発生回数を1回に抑えるまたは照射欠落領域を生じないようにして、照射線量分布を従来よりもさらに均一化することが可能な積層原体照射システム、およびこれを用いた粒子線治療装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and in the irradiation of the layered product, the number of occurrences of the irradiation deficient region in any layer regardless of the timing of stopping the particle beam emission from the accelerator. To provide a layered body irradiation system capable of making irradiation dose distribution even more uniform than in the past, and a particle beam therapy apparatus using the same With the goal.
上記の目的を達成するために、本発明にあっては、イオン源から発生された粒子線を加速する加速器と、この加速器で加速された粒子線を被照射体に向けて照射する照射ヘッドと、上記イオン源、加速器、および照射ヘッドを制御して積層原体照射を行う照射制御器とを備え、上記照射ヘッドは粒子線の偏向走査用のワブラ電磁石を有し、上記照射制御器は、上記ワブラ電磁石を励磁制御して粒子線を偏向走査するシステムにおいて、次の構成を採用している。 In order to achieve the above object, in the present invention, an accelerator for accelerating a particle beam generated from an ion source, and an irradiation head for irradiating an irradiated body with the particle beam accelerated by the accelerator, The ion source, the accelerator, and an irradiation controller that controls the irradiation head to perform the irradiation of the layered original body, the irradiation head includes a wobbler electromagnet for deflection scanning of the particle beam, and the irradiation controller includes: The following configuration is adopted in a system that deflects and scans particle beams by controlling excitation of the wobbler electromagnet.
すなわち、本発明において、上記照射制御器は、粒子線が始点から始まって始点に戻るような一筆書の周回軌道を描くように上記ワブラ電磁石を励磁制御するとともに、照射する前に上記加速器から出力される粒子線の全照射期間が、粒子線が上記周回軌道を一周するのに要するワブラ周期の整数倍になるように積層原体照射の各層毎に設定するものであることを特徴としている。 That is, in the present invention, the irradiation controller controls the excitation of the Wabler electromagnet so as to draw a circular trajectory of a one-stroke writing so that the particle beam starts from the starting point and returns to the starting point, and outputs from the accelerator before irradiation. The total irradiation period of the particle beam is set for each layer of the layered body irradiation so that the particle beam becomes an integral multiple of the wobbler period required for the particle beam to go around the orbit.
本発明によれば、積層原体照射を行う際、粒子線が始点から始まって始点に戻るような一筆書の周回軌道を描くとともに、照射する前に上記加速器から出力される粒子線の全照射期間が、粒子線が上記周回軌道を一周するのに要するワブラ周期の整数倍になるように積層原体照射の各層毎に設定されるので、各層の最終の周回軌道上で照射欠落部分が発生するのを確実に回避することができる。つまり、粒子線の出射開始/停止のタイミングの如何にかかわず、各層において常に照射欠落領域を生じない線量分布が均一化された積層原体照射を実現することができる。また、加速器の出射ビームはパルス状ビームである場合、各層の最終の周回軌道を除き、照射した各パルスビームの照射期間において、照射欠落領域を生じない線量分布が得られる。 According to the present invention, when performing layered body irradiation, the particle beam starts from the starting point and draws a circular trajectory of a single stroke so that it returns to the starting point, and the total irradiation of the particle beam output from the accelerator before irradiation The period is set for each layer of the layered body irradiation so that the particle beam is an integral multiple of the wobbler period required for the particle beam to make one round of the orbit, so there is a lack of irradiation on the final orbit of each layer. This can be avoided reliably. That is, regardless of the timing of starting / stopping the particle beam emission, it is possible to realize the layered body irradiation in which the dose distribution that does not always cause the irradiation deficient region in each layer is made uniform. Further, when the output beam of the accelerator is a pulsed beam, a dose distribution that does not cause an irradiation deficient region is obtained in the irradiation period of each irradiated pulse beam except for the final orbit of each layer.
したがって、この積層原体照射システムを粒子線治療装置に適用すれば、粒子線の照射制御が簡単になるとともに、誤照射の可能性を軽減することができ、精度の高い粒子線治療を行うことが可能となる。 Therefore, if this multi-layered body irradiation system is applied to a particle beam therapy system, the particle beam irradiation control becomes simple, the possibility of erroneous irradiation can be reduced, and highly accurate particle beam therapy is performed. Is possible.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1における積層原体照射システムを適用した粒子線治療装置の全体構成を示すブロック図、図2は同装置の粒子線を被照射体に向けて照射する照射ヘッドおよび粒子線の照射制御を行う照射制御手段の主要部を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a particle beam therapy system to which the layered body irradiation system according to
この実施の形態1の粒子線治療装置は、粒子線を発生させるイオン源1、このイオン源1から発生された粒子線を加速する主加速器としてのシンクロトロン加速器2a、シンクロトロン加速器2aで加速された粒子線を患者3の被照射体となる患部3aに向けて照射する照射ヘッド4、および粒子線の照射制御を行う照射制御手段5を主体に構成されている。
The particle beam therapy system according to
そして、イオン源1とシンクロトロン加速器2aとの間にはイオン源1で発生された粒子線をシンクロトロン加速器2aに導入される前に予備加速する前段加速器6が、また、シンクロトロン加速器2aと照射ヘッド4との間にはシンクロトロン加速器2aから照射ヘッド4に粒子線を導くためのビーム輸送系7が、それぞれ設けられている。
Between the
シンクロトロン加速器2aは、後述の加速器系制御部8の制御によりビーム輸送系7に導くゲートをオン/オフすることにより、粒子線をワブラ周期Twよりも長いパルス幅(ビームスピル長)Tbでもって出射するようになっている。
The
一方、照射ヘッド4は、ビーム輸送系7で輸送された粒子線を患者に向かうように偏向させる偏向電磁石41、粒子線を偏向走査するための一対のワブラ電磁石42a,42b、粒子線が所定の発散角をもつように散乱させる散乱体43、粒子線のエネルギ幅を拡張するためのリッジフィルタ44、患部3aの深さ位置に応じて粒子線の照射エネルギを変更するためのレンジシフタ45、粒子線の照射線量をモニタする線量モニタ46、患部3aの寸法に応じて粒子線の照射野を規定するための多葉コリメータ47、患部3aの照射野をさらに規制するエッジ強調用の患者コリメータ48が粒子線軌道に沿って順次配置されて構成されている。
On the other hand, the irradiation head 4 includes a
この場合、上記の一対のワブラ電磁石42a,42bは、粒子線軌道と直交する面内で互いに磁場が直交するように配置されている。また、多葉コリメータ47は、図3に示すように、患部3aの形状に合致するようにリーフ47aが設定され、これによって粒子線の平面的な照射野Aが規定される。
In this case, the pair of
照射制御手段5は、例えば制御用のコンピュータからなるもので、イオン源1、前段加速器6、シンクロトロン加速器2a、ビーム輸送系7の各動作を制御する加速器系制御部8、照射ヘッド4を制御する照射ヘッド制御部9、および両制御部8,9を全体的に協調制御する照射系コントローラ10からなる。
The irradiation control means 5 comprises a control computer, for example, and controls the accelerator
そして、照射ヘッド制御部9は、各ワブラ電磁石42a,42bに対して個別に設けられたワブラ電源91a,91bを制御することにより各ワブラ電磁石42a,42bを励磁制御して粒子線を偏向走査するワブラ電源制御部92と、患部の深さ方向の寸法に応じて粒子線の照射エネルギが変更されるようにレンジシフタ45を制御するレンジシフタ制御部93とを有している。また、線量モニタ46による照射線量のモニタ値は照射系コントローラ10に取り込まれるようになっている。
Then, the
次に、上記構成を備えた粒子線治療装置において、粒子線を積層原体照射する場合の制御動作について説明する。 Next, the control operation in the case of irradiating the particle body with the particle beam in the particle beam therapy system having the above configuration will be described.
照射系コントローラ10に対して、予め粒子線のパルス幅、パルス高さ、各層ごとのパルス数(照射線量)、ビームスピル長Tb、ワブラ周期Twなどの積層原体照射に必要な粒子線特性に関する情報を入力設定する。照射系コントローラ10は、これらの入力情報の内、加速器系の制御に関する情報は加速器系制御部8に、照射ヘッド4の制御に関する情報は照射ヘッド制御部9にそれぞれ送出する。
Information related to the particle beam characteristics necessary for the irradiation of the layered original body, such as the pulse width of the particle beam, the pulse height, the number of pulses for each layer (irradiation dose), the beam spill length Tb, and the wobbler cycle Tw. Set the input. Among these pieces of input information, the
ここで、イオン源1で生成された粒子線は、前段加速器6で予備加速され、さらに主加速器であるシンクロトロン加速器2aで加速されて治療照射用の粒子線となって出射され、この粒子線はビーム輸送系7を経由して照射ヘッド4に導かれる。この場合、加速器系制御部8がシンクロトロン加速器2aを制御することにより粒子線のエネルギ強度が基本的に設定される。
Here, the particle beam generated by the
照射ヘッド4に導かれた粒子線は、照射ヘッド4の偏向電磁石41によって照射点の方向に偏向された後、ワブラ電磁石42a,42bで偏向走査される。また、この粒子線は散乱体43照射で所定の発散角をもつように散乱され、続いてリッジフィルタ44で粒子線のエネルギ幅が拡張された後、さらにレンジシフタ45で粒子線の運動エネルギーが小さい値にシフトされる。また、線量モニタ46で照射線量がモニタされ、さらに、多葉コリメータ47で照射領域が限定されて患部3aに立体的に照射される。
The particle beam guided to the irradiation head 4 is deflected in the direction of the irradiation point by the
このとき、ワブラ電源制御部92は、図4に示すように、ワブラ電源91a,91bからワブラ電磁石42a,42bに与える励磁電流を同じ周期で、かつ互いに位相を90度ずらした正弦波状になるように制御するので、これによって粒子線は、進行方向に対し垂直な面内で円形の周回軌道Sを描くように偏向走査される。その際、散乱体43によって散乱される散乱角と周回軌道Sの半径Rとを最適に設定して一周分の円を描けば、図5に示すように、周回軌道S上の円中心Oを通って互いに対向する2つ粒子線分布P1,P2が重なって平面内における径方向の線量分布P0は平坦になる。なお、図5では2次元問題を1次元問題に置き換えてワブリング動作によって平坦な線量分布を形成する原理を図示しているが、2次元で考えた場合、同様に円軌道上のビームスポット寄与の合計により2次元線量分布P0が平坦になる。
At this time, as shown in FIG. 4, the wobbler power
一方、加速器系制御部8は、シンクロトロン加速器2aのビーム輸送系7に導くゲートをオン/オフすることにより、図6(a)、(b)に示すように、粒子線は円軌道Sを一周するのに要するワブラ周期Twよりも長いパルス幅(ビームスピル長)Tbでもって時分割に出射される。
On the other hand, the accelerator
その際、加速器系制御部8は、図4に示すように、粒子線の各パルスの照射期間(ビームスピル長)Tbがワブラ周期Twの整数倍になるように、つまりTb=n・Tw(ただしnは整数)となるように出射開始/停止のタイミングを制御する。したがって、粒子線の各パルスの照射期間Tbにおいて、常に照射開始点から周回軌道上をn周回って再び照射開始点に戻った時点で出射が停止される。すなわち、各層において最終の1パルス分の粒子線の照射期間を除けば、粒子線の出射停止のタイミングの如何にかかわず、常に粒子線は周回軌道に沿って真円を描くように偏向走査され、途中で中断されることがない。このため、粒子線の各パルスの照射期間Tbにおいて周回軌道S上で照射欠落部分が発生するのを確実に回避することができる。実は、各層において最終の1パルス分の照射期間についても、粒子線ビーム電流(単位時間当たりの粒子数に比例)を各層に照射する予定の粒子数に基づいて制御すれば、常に粒子線は周回軌道に沿って真円を描くように偏向走査され、途中で中断されることがないようにできる。その結果、より均一な線量分布が得られる効果がある。
At that time, as shown in FIG. 4, the accelerator
また、線量モニタ46による照射線量の値は照射系コントローラ10に取り込まれるので、加速器系制御部8は、各層について予め設定された所定のパルス数(照射線量)に達すると、順次各層ごとに粒子線のパルス数を変更し、照射領域が浅くなるのに従って一層あたりのパルス数が少なくなるように制御する。したがって、照射領域が浅くなるのに従って一層あたりの照射線量は少なくなる。
Moreover, since the value of the irradiation dose by the
また、レンジシフタ制御部93はレンジシフタ45を制御して、患部の深さLに対応して各層ごとに粒子線の照射エネルギを変更する。これにより深さ方向に沿って拡張ブラグピークD1,D2,…が移動される。このように、患部の深さ方向の各層ごとに照射線量が制御されるのに加えて、患部の深さ方向に沿って拡張ブラグピークD1,D2,…が移動されるので、その結果、図7に示すように、各層ごとの拡張ブラグピークD1,D2,…を積算した全体の線量分布Dtが患部の深さ方向の大きさLにわたって均一化される。
Further, the range
積層原体照射においては、前述のように、照射する階層が進む(照射領域が浅くなる)のに従って一層あたりのワブラ周回数は漸次少なくなっていくが、各層とも周回軌道の途中で粒子線の照射が停止されることはないようにまたは停止される回数が1回のみにするようにできるので、従来のように、粒子線照射が欠落した部分が何層か重なる箇所が発生する頻度は極めて少なくなり、常に均一化された線量分布をもつ積層原体照射を実現することができる。しかも、ワブラ電磁石42a,42bの励磁電流のタイミングと、シンクロトロン加速器2aによる粒子線の出射/停止のタイミングとを合わせる必要がないので粒子線照射制御が簡単になる。
In the multilayer body irradiation, as described above, the number of wobbler per layer gradually decreases as the irradiation layer advances (the irradiation region becomes shallower). Since the irradiation is not stopped or can be stopped only once, the frequency of occurrence of a portion where several portions where the particle beam irradiation is missing is overlapped as in the past is extremely high. It is possible to reduce the number of layers, and to achieve layered body irradiation that always has a uniform dose distribution. In addition, since it is not necessary to match the timing of the exciting currents of the
実施の形態2.
図8は本発明の実施の形態2における粒子線治療装置において、粒子線を被照射体に向けて照射する照射ヘッドおよび粒子線の照射制御を行う照射制御手段の主要部を示すブロック図である。なお、図1および図2に示した実施の形態1と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
FIG. 8 is a block diagram showing a main part of an irradiation head for irradiating a particle beam toward an irradiated object and an irradiation control means for controlling irradiation of the particle beam in the particle beam therapy system according to
上記の実施の形態1では、主加速器として粒子線をパルス状に出射するシンクロトロン加速器2aを用いているが、この実施の形態2では、粒子線を連続的に出射するサイクロトロン加速器2bを用いて積層原体照射を実施するようにしたものである。
In the first embodiment, the
この場合、図9に示すように、加速器系制御部8によってイオン源1のビーム電流強度を変更することにより、サイクロトロン加速器2bから各層ごとに予め設定された所定の粒子線強度をもつ粒子線が引き出されるようにしている。
In this case, as shown in FIG. 9, by changing the beam current intensity of the
しかも、その際、加速器系制御部8はイオン源1を制御して、各層ごとの粒子線の照射期間がワブラ周期の整数倍になるように設定する。すなわち、あるi番目の層の粒子線の照射期間をTbi、ワブラ周期をTwとすると、
Tbi=ni・Tw (1)
(但し、niはi番目の層において設定される整数)となるように設定する。
In addition, at that time, the
Tbi = ni · Tw (1)
(Where ni is an integer set in the i-th layer).
また、患部の深さ方向のi番目の層に着目したとき、その層に照射すべき粒子線の粒子数をNi、この層に対する粒子線の照射期間をTbi、このときに必要なイオン源1におけるビーム電流強度Iiとすると、
Ni=Tbi・Ii/Q0 (2)
(但し、Q0は電子の電荷量)となる。
When attention is paid to the i-th layer in the depth direction of the affected area, the number of particle beams to be irradiated to the layer is Ni, the irradiation period of the particle beam to this layer is Tbi, and the
Ni = Tbi · Ii / Q 0 (2)
(Where Q 0 is the charge amount of electrons).
したがって、上記(1),(2)式から、
Ii=Ni・Q0/(ni・Tw) (3)
となる。
Therefore, from the above equations (1) and (2),
Ii = Ni · Q 0 / (ni · Tw) (3)
It becomes.
つまり、(3)式に基づいて各層ごとにイオン源1のビーム電流強度Iiを予め設定しておけば、各層に対して照射すべき粒子線の粒子数Ni(つまり、各層に対する照射線量)を適切に確保しつつ、粒子線の照射期間Tbiをワブラ周期Twの整数倍niに常に設定することができる。その場合、粒子数Niは各層ごとに予め決められており、また、粒子線の電荷量Q0は粒子線の種類で決まっており、また、イオン源1のビーム電流は通常30nA以下であるので、ビーム設定電流Iiが数nAから30nAの範囲に入るように上記(3)によって各層のniを決定することができる。
That is, if the beam current intensity Ii of the
次に、上記構成を備えた粒子線治療装置において、粒子線を積層原体照射する場合の制御動作について説明する。 Next, the control operation in the case of irradiating the particle body with the particle beam in the particle beam therapy system having the above configuration will be described.
照射系コントローラ10に対して、前述の(3)式を満たすように、各層ごとの粒子線強度を考慮したイオン源1のビーム電流強度Ii、各層ごとの粒子線の出射開始/停止のタイミング(照射期間Tbi)、ワブラ周期Twなどの積層原体照射に必要な粒子線特性に関する情報を入力設定する。照射系コントローラ10は、これらの入力情報の内、加速器系の制御に関する情報は加速器系制御部8に、照射ヘッド4の制御に関する情報は照射ヘッド制御部9にそれぞれ送出する。
With respect to the
加速器系制御部8は、各層に応じてイオン源1のビーム電流を制御するので、サイクロトロン加速器2bからは各層に適合した粒子線強度をもつ粒子線が引き出される。そして、サイクロトロン加速器2bから連続的に出射された粒子線を照射ヘッド4へ導く。このとき、ワブラ電源制御部92の制御により、ワブラ電源がワブラ電磁石42a,42bを励磁するので、粒子線は進行方向に対し垂直な面内で円形の周回軌道を描くように偏向走査される。
Since the accelerator
この場合、前述の(3)式のように各層についてイオン源1のビーム電流強度Iiが予め設定されているので、あるi番目の層の照射時間Tbiは丁度ワブラ電磁石42a,42bのワブラ周期Twの整数倍niに相当することになる。したがって、あるi番目の層の粒子線照射では、粒子線が照射開始点から周回軌道上をni回分だけ周回して照射開始点に戻った時点で、線量モニタ46でモニタされる照射線量が予め設定されたプリセット値に達する。照射系コントローラ10は、これに応じて加速器系制御部8にその旨を伝えるので、加速器系制御部8は、i番目の層の粒子線照射を停止する。このため、サイクロトロン加速器2bから連続したビームが出射される場合でも、照射野においてより均一な線量分布を形成することができる。
In this case, since the beam current intensity Ii of the
また、実施の形態1の場合と同様、レンジシフタ制御部93はレンジシフタ45を制御して、患部の深さLに対応して各層ごとに粒子線の照射エネルギを変更するので、深さ方向に沿って拡張ブラグピークD1,D2,…が移動される。このように、患部の深さ方向の各層ごとに照射線量が制御されるのに加えて、患部の深さ方向に沿って拡張ブラグピークD1,D2,…が移動されるので、その結果、図11に示すように、各層ごとの拡張ブラグピークD1,D2,…を積算した全体の線量分布Dtが患部の深さLにわたって均一化される。
As in the first embodiment, the range
以上のように、この実施の形態2においても、各層の照射時間Tbがワブラ周期Twの整数倍に設定されているので、粒子線の出射停止のタイミングの如何にかかわず、常に粒子線は周回軌道Sに沿って真円を描くように偏向走査され、途中で中断されることがない。このため、各層の最終の周回軌道S上で照射欠落部分が発生するのを確実に回避することができ、常に均一化された線量分布をもつ積層原体照射を実現することが可能となる。しかも、ワブラ電磁石42a,42bの励磁電流のタイミングと、イオン源1の粒子線の出射/停止のタイミングを合わせる必要がないので粒子線照射制御が簡単になる。
As described above, also in the second embodiment, since the irradiation time Tb of each layer is set to an integral multiple of the wobbler period Tw, the particle beam always circulates regardless of the timing of stopping the emission of the particle beam. Deflection scanning is performed so as to draw a perfect circle along the trajectory S, and there is no interruption on the way. For this reason, it is possible to reliably avoid the occurrence of an irradiation deficient portion on the final circular orbit S of each layer, and it is possible to realize stacked original body irradiation that always has a uniform dose distribution. Moreover, since it is not necessary to match the timing of the exciting currents of the
なお、この実施の形態2では、各層の照射線量満了時に行う粒子線遮断については、イオン源1を制御することで行っているが、サイクロトロン加速器2bから照射ヘッド4に至るビーム輸送系7の途中にキッカ電磁石などを設けて粒子線遮断を行うことも可能である。
In the second embodiment, the particle beam blocking performed when the irradiation dose of each layer expires is performed by controlling the
また、上記の説明では、(3)式のniは丁度整数に設定する場合について述べたが、実際、niは厳密に整数でなくてもよい。その理由は、ワブラ電磁石42a,42bによって偏向走査される粒子線は散乱体43等によって充分大きいスポットサイズを有しており、このため、厳密な真円を描かなくても粒子線分布が重なるので、平面内において径方向の線量分布が平坦になるからである。したがって、nは整数に近似した値であればよく、上記と同じ効果が得られる。
In the above description, the case where ni in equation (3) is set to just an integer has been described, but actually, ni may not be strictly an integer. The reason is that the particle beam deflected and scanned by the
その他の構成、および作用効果は、実施の形態1の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。 Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted here.
実施の形態3.
図12は本発明の実施の形態3における粒子線治療装置において、粒子線を被照射体に向けて照射する照射ヘッドおよび粒子線の照射制御を行う照射制御手段の主要部を示すブロック図である。なお、図1および図2に示した実施の形態1と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 12 is a block diagram showing a main part of an irradiation head for irradiating the irradiated body with a particle beam and an irradiation control means for controlling the irradiation of the particle beam in the particle beam therapy system according to Embodiment 3 of the present invention. . Components corresponding to or corresponding to those of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
上記の実施の形態1では粒子線がワブラ周期Twよりも長いパルス幅(ビームスピル長)Tbで出射されるシンクロトロン加速器2aを、また、実施の形態2では粒子線が連続的に出射されるサイクロトロン加速器2bを使用しているが、この実施の形態3では、粒子線がワブラ周期Twよりも短いパルス幅Tqでもって出射される線形加速器2cを用いている。なお、線形加速器2c以外にシンクロトロン加速器を適用することもできる。
In the first embodiment, the
この場合、各層ごとに適切な照射線量が与えられるように、加速器系制御部8によって線形加速器2cから出射される粒子線のパルス数を各層ごとに変更するようにしている。しかも、その際、図13に示すように、各層における照射期間Triについて、粒子線パルスの出射周期Tpの整数倍がワブラ周期Twの整数倍になるように設定する。すなわち、
Tri=ki・Tp=ni・Tw (4)
(但し、ki,niはi番目の層において設定される整数)となるように設定される。
In this case, the number of pulses of the particle beam emitted from the linear accelerator 2c is changed for each layer by the accelerator
Tri = ki · Tp = ni · Tw (4)
(Where ki, ni are integers set in the i-th layer).
次に、上記構成を備えた粒子線治療装置において、粒子線を積層原体照射する場合の制御動作について説明する。 Next, the control operation in the case of irradiating the particle body with the particle beam in the particle beam therapy system having the above configuration will be described.
照射系コントローラ10に対して、上記(4)式の関係を満たすように、各層ごとの照射期間Tri、粒子線パルスのパルス数ki、粒子線パルスの出射周期Tp、パルス幅Tq、パルス高さ、ワブラ周期Twなどの積層原体照射に必要な粒子線特性に関する情報を入力設定する。照射系コントローラ10は、これらの入力情報の内、加速器系の制御に関する情報は加速器系制御部8に、照射ヘッド4の制御に関する情報は照射ヘッド制御部9にそれぞれ送出する。
For the
加速器系制御部8は、各層に応じてイオン源1と線形加速器2cを制御するので、線形加速器2cからはワブラ周期Twよりも短期間のパルス幅Tqをもつ粒子線パルスが所定周期Tpで出射される。そして、線形加速器2cから出射された粒子線パルスを照射ヘッド4へ導く。このとき、ワブラ電源制御部92の制御により、ワブラ電源がワブラ電磁石42a,42bを励磁するので、粒子線パルスは進行方向に対し垂直な面内で円形の周回軌道Sを描くように偏向走査される。
Since the
この場合、線形加速器2cから出射される粒子線パルスのパルス幅Tqは、ワブラ周期Twよりも短かいので、1パルス当たりの照射領域Pの中心点は周回軌道Sに沿って離散的に存在することになるが、粒子線は散乱体43等によって散乱されて、図14に示すように、充分大きいスポットサイズを有しているため、一周分の円を描けば、周回軌道S上の円中心Oを通って互いに対向する2つ粒子線分布が重なって、平面内における径方向の線量分布は平坦になる。
In this case, since the pulse width Tq of the particle beam pulse emitted from the linear accelerator 2c is shorter than the wobbler period Tw, the center point of the irradiation region P per pulse exists discretely along the circular orbit S. However, since the particle beam is scattered by the
また、前述の(4)式のように、各層における粒子線パルスの出射周期Tpの整数倍がワブラ周期Twの整数倍になるように設定されているので、例えばi番目の層の照射時間Triはワブラ周期Twの整数倍niに相当することになる。このため、i番目の層の粒子線照射では、照射開始点から周回軌道上をni回分だけ周回して照射開始点に戻って照射が停止された時点で(つまり、Tri期間が経過した時点で)、粒子線パルスはki回照射されたことになる。したがって、線形加速器2cからワブラ周期Twよりも短いパルス幅Tqをもつ粒子線パルスが出射される場合でも照射野において均一な線量分布を形成することができる。 Further, as shown in the above equation (4), since the integral multiple of the particle beam pulse emission period Tp in each layer is set to be an integral multiple of the wobbler period Tw, for example, the irradiation time Tri of the i-th layer Corresponds to an integer multiple ni of the wobbler period Tw. For this reason, in the particle beam irradiation of the i-th layer, when the irradiation is stopped after returning from the irradiation start point to the irradiation start point after turning around the orbit on the circular orbit (that is, when the Tri period has elapsed). ), The particle beam pulse is irradiated ki times. Therefore, even when a particle beam pulse having a pulse width Tq shorter than the wobbler period Tw is emitted from the linear accelerator 2c, a uniform dose distribution can be formed in the irradiation field.
また、実施の形態1の場合と同様、レンジシフタ制御部93はレンジシフタ45を制御して、患部の深さLに対応して各層ごとに粒子線の照射エネルギを変更するので、深さ方向に沿って拡張ブラグピークが移動され、その結果、図7あるいは図11に示したように、各層ごとの拡張ブラグピークを積算した線量分布Dtが患部の深さLにわたって均一化される。
As in the first embodiment, the range
以上のように、この実施の形態3では、ワブラ周期Twに比べて短いパルス幅Tqの粒子線を出射する加速器2cを用いても、各層の最終の周回軌道上で照射欠落部分が発生するのを確実に回避することができ、常に均一化された線量分布をもつ積層原体照射を実現することが可能となる。しかも、ワブラ電磁石42a,42bの励磁電流のタイミングと、イオン源1の粒子線の出射/停止のタイミングを合わせる必要がないので粒子線照射制御が簡単になる。
As described above, in the third embodiment, even when the accelerator 2c that emits a particle beam having a pulse width Tq shorter than the wobbler period Tw is used, an irradiation deficient portion occurs on the final orbit of each layer. Can be reliably avoided, and it is possible to realize stacked original body irradiation having a uniform dose distribution at all times. Moreover, since it is not necessary to match the timing of the exciting currents of the
その他の構成、および作用効果は、実施の形態1の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。 Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted here.
なお、上記の実施の形態1〜3では、ワブラ電磁石42a,42bの励磁により粒子線が平面上で円軌道を描くように偏向走査することで線量分布を均一化する場合について説明したが、これに限定されるもではなく、例えば、図15に示すように、粒子線が始点から始まって始点に戻るようなジグザグの周回軌道を描くように偏向走査するようにしても、平面上の線量分布を均一化することが可能である。
In the first to third embodiments, the case where the dose distribution is made uniform by performing deflection scanning so that the particle beam draws a circular orbit on a plane by the excitation of the
1 イオン源、2a シンクロトロン加速器、2b サイクロトロン加速器、
2c 線形加速器、3a 患部(被照射体)、4 照射ヘッド、5 照射制御手段、
8 加速器系制御部、9 照射ヘッド制御部、10 照射系コントローラ、
42a,42b ワブラ電磁石、45 レンジシフタ。
1 ion source, 2a synchrotron accelerator, 2b cyclotron accelerator,
2c linear accelerator, 3a affected part (irradiated body), 4 irradiation head, 5 irradiation control means,
8 Accelerator system control unit, 9 Irradiation head control unit, 10 Irradiation system controller,
42a, 42b Wobbler electromagnet, 45 range shifter.
Claims (7)
上記照射制御器は、粒子線が始点から始まって始点に戻るような一筆書の周回軌道を描くように上記ワブラ電磁石を励磁制御するとともに、照射する前に上記加速器から出力される粒子線の全照射期間が、粒子線が上記周回軌道を一周するのに要するワブラ周期の整数倍になるように積層原体照射の各層毎に設定するものであることを特徴とする積層原体照射システム。 An accelerator for accelerating the particle beam generated from the ion source, an irradiation head for irradiating the irradiated object with the particle beam accelerated by the accelerator, and controlling the ion source, the accelerator, and the irradiation head, An irradiation controller that performs body irradiation, the irradiation head has a wobbler electromagnet for particle beam deflection scanning, and the irradiation controller is a system that performs excitation control of the wobbler electromagnet to deflect and scan the particle beam. There,
The irradiation controller controls the excitation of the wobbler electromagnet so that the particle beam starts from the starting point and returns to the starting point, and controls all of the particle beams output from the accelerator before irradiation. A layered precursor irradiation system, wherein the irradiation period is set for each layer of the layered precursor irradiation so that the particle beam is an integral multiple of the wobbler period required for the particle beam to make a round of the orbit.
上記照射制御器は、粒子線が始点から始まって始点に戻るような一筆書の周回軌道を描くように上記ワブラ電磁石を励磁制御するとともに、上記加速器は、上記粒子線が上記周回軌道を一周するのに要するワブラ周期よりも短いパルス幅でもって上記粒子線を出射する加速器であり、上記照射制御器は、積層原体照射の各層ごとに粒子線のパルス数を変更することにより被照射体の深さ方向の各層の照射線量を制御するとともに、粒子線の各パルスの出射周期の整数倍が上記ワブラ周期の整数倍になるように制御するものである、ことを特徴とする積層原体照射システム。 An accelerator for accelerating the particle beam generated from the ion source, an irradiation head for irradiating the irradiated object with the particle beam accelerated by the accelerator, and controlling the ion source, the accelerator, and the irradiation head, An irradiation controller that performs body irradiation, the irradiation head has a wobbler electromagnet for particle beam deflection scanning, and the irradiation controller is a system that performs excitation control of the wobbler electromagnet to deflect and scan the particle beam. There,
The irradiation controller performs excitation control of the wobbler electromagnet so as to draw a circular orbit of one stroke so that the particle beam starts from the starting point and returns to the starting point, and the accelerator causes the particle beam to go around the orbiting circle. The irradiation controller emits the particle beam with a pulse width shorter than the wobbler cycle required for the irradiation, and the irradiation controller changes the number of pulse of the particle beam for each layer of the layered body irradiation. Laminate body irradiation characterized by controlling the irradiation dose of each layer in the depth direction and controlling the integral multiple of the emission period of each pulse of the particle beam to be an integral multiple of the wobbler period. system.
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