JP5330253B2 - 粒子線ビーム照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子線ビーム照射装置に係り、特に、炭素等の重粒子線ビームや陽子ビーム等を患部に照射し、がん治療を行う粒子線ビーム照射装置に関する。

現在、がんは日本国における死因の第１位であり、毎年３０万人以上の国民ががんによって死亡している。このような状況の中、治療効果が高い、副作用が少ない、身体的負担が小さい等の優れた特徴を持つことから、炭素等の重粒子ビームや陽子ビーム等を用いた粒子線治療方法が注目されている。この治療方法によれば、加速器から出射された粒子線ビームをがん細胞に照射することで、正常細胞に与える影響を小さくしながら、がん細胞を死滅させることができる。

この治療方法において、現在使用されている粒子線照射方法は、拡大ビーム法と呼ばれる方法である。この拡大ビーム法では、粒子線ビームをワブラ法あるいは二重散乱体法と呼ばれる方法によりビーム径を患部サイズ以上に拡大する。その後、形状コリメータと呼ばれる真ちゅう製コリメータにより照射領域を制限することにより、ビーム形状を実質的に患部形状に合致させる。また、ビーム進行方向（ビーム軸方向）にはリッジフィルタと呼ばれるビーム飛程拡大装置によりビームを拡大し、ボーラスと呼ばれるポリエチレン製のビーム飛程整形装置によってビーム停止位置を深い位置での患部形状（外郭）に合致させて照射する。

しかしながら、上記の拡大ビーム法は厳密には３次元的に患部形状に合致させることができないため、患部周りの正常細胞への影響を小さくするには限界がある。また、形状コリメータやボーラスは患部（さらには患部に対する照射方向）毎に製作されるので、治療照射後にはこれらが放射線廃棄物として残ってしまうという問題がある。

そこで、粒子線治療のさらに進んだ照射法として、体内患部を３次元的に照射することにより、より高精度にがん細胞の狙い撃ちを行う、３次元照射法の開発が進められている（特許文献１：特開２００１−２１２２５３号公報；非特許文献２：Yasuyuki Futami, 外８名; 「Broad-beam three-dimensional irradiation system for heavy-ion radiotherapy at HIMAC」; Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 430 (1999) 143-153; 19, January 1999 等参照）。

３次元照射法の一つがスキャニング照射法と呼ばれる方法である。この方法は、治療部位を仮想的に３次元格子点に切り分け各格子点に対して照射を行う。このような３次元照射方法では、形状コリメータやボーラスを用いることなく、ビーム軸方向についても精度よく患部に合わせることが可能になり、従来の２次元的照射方法と比較して正常細胞への被爆を抑制することができる。

しかしながら、スキャニング照射法においては次のような課題がある。従来から、粒子線治療において、肺や肝臓のように呼吸に応じてその部位が移動するような臓器については、呼吸波形信号を取得し、一定の位置の範囲内に部位がある場合のみ照射を行うゲート内照射が行われる。しかしながら、スキャニング照射法においては照射点を順次切り替えていくため、呼吸による部位の移動にともなって相対的に照射点のずれが生じ、照射対象部位において線量分布の不均一化をもたらす。これを解決する手段として非特許文献１では次のような呼吸同期照射法が提案されている。この方法では、１スライス（患部をビーム軸方向に分割した面状の分割単位）における１照射時間（照射対象のスライスにおいて照射領域全体を１回照射する時間）を１呼吸のゲート幅の１／ｍになるよう設定する。そして、１呼吸中に同一スライスに対してｍ回（たとえばｍ＝８回）のスキャニング照射を繰り返す。対象スライスに対してｍ回のスキャニング照射を終えると、照射スライスを変更し、次の照射スライスに対して同様にｍ回のスキャニング照射を行う。この方法では、１呼吸のゲート幅をｍ等分し、同一スライスに対する各スキャニングの開始時刻を１呼吸のゲート幅内で分散させる（非特許文献１では位相制御と呼ばれている。）と共に、同一スライスに対してｍ回の繰り返し照射（非特許文献１ではリスキャニングと呼ばれている。非特許文献１：古川卓司、外８名、「３次元スキャニング照射装置の設計検討」、放射線医学総合研究所ＨＩＭＡＣレポート：ＨＩＭＡＣ−１２４、独立行政法人放射線医学総合研究所発行、２００７年４月）を行っている。この結果、照射対象部位が１呼吸のゲート幅内で移動しても、移動による照射領域への線量の変動を積分効果によって軽減することが可能となり、線量均一性は統計誤差１／√ｍにしたがって改善することができる。

しかしながら、非特許文献１に提案されている位相制御リスキャニング照射には次のような課題がある。一般に患者の患部の大きさはビーム軸方向に対して均一ではない。即ち、スライスの面積はスライス毎に異なり、スライスの格子点の数もスライス毎に異なる。

これに対して、１呼吸のゲート幅は、変動はあるもののそれ程大きくは異ならない。このため、１呼吸のゲート幅をｍ等分した１回あたりのスキャニング時間は、どのスライスに対しても同一である必要がある。このことは、格子点の多いスライス（面積の広いスライス）に対しては１つの格子点に対する照射時間を短くし、逆に、格子点の少ないスライス（面積の狭いスライス）に対しては１つの格子点に対する照射時間を長くすることを意味している。

他方、線量は照射時間とビーム強度の積で定まる。従って、治療計画上で、例えば各スライスに対していずれも同じ線量が必要であるとなった場合には、格子点の多いスライス（面積の広いスライス）に対してはビーム強度を強く設定し、逆に、格子点の少ないスライス（面積の狭いスライス）に対してはビーム強度を弱く設定する必要がある。つまり、非特許文献１に提案されている位相制御リスキャニング照射では、スライス毎にビーム強度を変更する必要がある。また、治療計画で決められた線量を高精度で実現するためには、ビーム強度を精度よく調整しなければならない。

しかしながら、このビーム強度の調整は加速器など上流機器の制御によって行われるものである。ビーム強度の調整には時間がかかり、また、一旦ビーム強度を変更すると照射装置に導入されるときのビーム特性（実際のビーム強度、ビーム位置、ビームサイズ）の再現性を保証することは難しい。ビーム特性を確認しその結果を上流機器の制御によって調整することも考えられるが、治療時間がその分長くなるため現実的でない。

また、上記の位相制御リスキャニング照射では、あらかじめ患者の呼吸波形信号を取得し、予め取得した呼吸波形の振幅および周期に基づいて１呼吸あたりのゲート幅を設定する。そして、設定したゲート幅を前提としてスライス毎に適切なビーム強度を求めて照射パターンの設計（治療計画）を行うことになる。あらかじめ取得した呼吸波形と治療照射時に患者が治療ベッドに横たわったときの呼吸波形が一致しない場合は、予定した１スライス面における線量分布の均一性が失われる虞がある。特に、実際の治療では呼吸波形が治療照射中に変化していく現象がみられ、このような場合の線量分布の不均一化は深刻な問題となる。

従来装置の構成及び動作
上述の諸点を鑑み、具体的な従来装置の構成及びその動作を説明する。

図１は、呼吸同期照射法を用いる従来の粒子線ビーム照射装置３００の構成例を示す図である。粒子線ビーム照射装置３００は、ビーム生成部１０、ビーム出射制御部２０、ビーム走査部３０、ビーム走査指示部４０、線量モニタ部５０、位置モニタ部５１、リッジフィルタ６０、レンジシフタ７０、制御部８０、呼吸測定部８１、呼吸ゲート生成部８２等を備えて構成されている。

粒子線ビーム照射装置３００は、炭素等の粒子や陽子等を高速に加速して得られる粒子線ビームをがん患者１００の患部２００に向けて照射し、がん治療を行う装置である。粒子線ビーム照射装置３００では、患部２００を３次元の格子点に離散化し、各格子点に対して細い径の粒子線ビームを順次走査する３次元スキャニング照射法を実施することが可能である。具体的には、患部２００を粒子線ビームの軸方向（図１右上に示す座標系におけるＺ軸方向）にスライスと呼ばれる平板状の単位で分割し、分割したスライスＮ、スライスＮ＋１、スライスＮ＋２等の各スライスの２次元格子点（図１右上に示す座標系におけるＸ軸及びＹ軸方向の格子点）を順次走査することによって３次元スキャニングを行っている。

ビーム生成部１０は、炭素イオンや陽子等の粒子を生成すると共に、シンクロトロン等の加速器によってこれらの粒子を患部２００の奥深くまで到達できるエネルギーまで加速して粒子線ビーム９０を生成している。

ビーム出射制御部２０では、制御部８０から出力される制御信号に基づいて、生成された粒子線ビーム９０の出射のオン、オフ制御を行っている。

ビーム走査部３０は、粒子線ビーム９０をＸ方向及びＹ方向に偏向させ、スライス面上を２次元で走査するものであり、Ｘ方向に走査するＸ用電磁石３０ａとＹ方向に走査するＹ用電磁石３０ｂを備えている。Ｘ用電磁石３０ａおよびＹ用電磁石３０ｂに対しては、走査位置を指示する指示信号として、各電磁石の駆動電流がビーム走査指示部４０から印加される。

レンジシフタ７０は、患部２００のＺ軸方向の位置を制御する。レンジシフタ７０は、例えば複数の厚さのアクリル板から構成されており、これらのアクリル板を組み合わせることによってレンジシフタ７０を通過する粒子線ビームのエネルギー、即ち体内飛程を患部２００スライスのＺ軸方向の位置に応じて段階的に変化させることができる。レンジシフタ７０による体内飛程の大きさは通常等間隔で変化するように制御され、この間隔がＺ軸方向の格子点の間隔に相当する。なお、体内飛程の切り替え方法としては、レンジシフタ７０のように粒子線ビームの径路上に減衰用の物体を挿入する方法のほか、上流機器の制御によって粒子線ビームのエネルギー自体を変更する方法でもよい。

リッジフィルタ６０は、ブラッグピークと呼ばれる体内深さ方向における線量のシャープなピークを拡散させるために設けられている。ここで、リッジフィルタ６０によるブラッグピークの拡散幅は、スライスの厚み、即ちＺ軸方向の格子点の間隔と等しくなるように設定される。３次元スキャニング照射用のリッジフィルタ６０は、断面が略２等辺三角形のアルミニウム棒状部材を複数並べて構成している。粒子線ビームが２等辺三角形を通過する際に生じる径路長の差異によってブラッグピークのピークを拡散させることが可能であり、２等辺三角形の形状によって拡散幅を所望の値に設定することができる。

線量モニタ部５０は、照射する線量をモニタするためのものであり、その筐体内に、粒子線の電離作用によって生じた電荷を平行電極で収集する電離箱や、筐体内に配置された二次電子放出膜から放出される二次電子を計測するＳＥＭ（Secondary Electron Monitor）装置等によって構成されている。

位置モニタ部５１は、ビーム走査部３０によって走査された粒子線ビームが正しい位置にあるかどうかを識別するためのものであり、線量モニタ部５０と類似した構成を有し、電荷収集用の電極が例えば短冊状に分割されたものや、複数のワイヤからなる電極が用いられている。

制御部８０は、粒子線ビーム照射装置１全体の制御をおこなうためのものであり、ビーム出射制御部２０に対するビーム出射のオン、オフ制御、ビーム走査指示部４０に対するビーム走査に関する指示、レンジシフタ７０に対するスライス変更に伴うレンジシフト量の制御等を行っている。

ビーム走査指示部４０では、制御部８０からの指示に基づいてスライス毎のＸ方向、Ｙ方向の走査位置や走査タイミングを決定し、Ｘ用電磁石３０ａやＹ用電磁石３０ｂに対する駆動電流をビーム走査部３０に出力している。

呼吸測定部８１及び呼吸ゲート生成部８２は、いずれも呼吸同期照射法を用いた動作に利用されるものであり、これらの機能については後述する。

図２は、従来の装置における３次元スキャニング照射の基本的な処理（呼吸同期を行わない処理）例を示すフローチャートである。

まず、患部をビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、分割されたスライスの１つが選択される。最初は例えば患部の最も深い位置にあるスライスが選択される。また選択されたスライスの位置に応じて粒子線ビームの入射エネルギーとレンジシフタ７０におけるアクリル板の組み合わせが選択、設定される（ステップＳＴ１）。

次に、最深スライスにおける患部形状に応じて粒子線ビームを照射する格子点の数Ｍと格子点の位置（Ｘi、Ｙi）［ｉ=１〜Ｍ］、即ち照射対象のスポットが選択され、ビーム走査部３０によりスライス上の格子点位置（Ｘi、Ｙi）に粒子線ビームの向きが設定される（ステップＳＴ２）。その後、粒子線ビームの出射が開始される（ステップＳＴ３）。ビーム走査部３０から出力された粒子線ビームは、リッジフィルタ６０によって、体内飛程分布幅がスライス幅に対応するようエネルギー分布がＺ軸方向に拡大される。

格子点（Ｘｉ、Ｙｉ）に対する照射線量は線量モニタ４により監視され、対象格子点に対する照射線量が計画した線量に達すると線量満了信号が制御部８０に出力され、制御部８０はこの信号を受信する（ステップＳＴ４）。

３次元スキャニング照射法はスポットスキャニング法とラスタースキャニング法に大別される。スポットスキャニング法は、粒子線ビームの位置をある格子点から次の格子点に移動させている間はビーム出射を停止させ、移動完了後にビーム出射を再開させる方法である。従って、同一スライスを走査する間はビーム出射が断続することになる。

これに対して、ラスタースキャニング法は、粒子線ビームの位置をある格子点から次の格子点に移動させている間もビーム出射は停止することなく継続される。つまり、同一スライスを走査する間は、ビーム出射は途切れることなく連続する。

なお、スポットスキャニング法及びラスタースキャニング法のいずれの方法であっても、粒子線ビームの位置は各格子点において計画された線量に達するまで停止し、計画線量に達した後次の格子点に移動する。

ステップＳＴ５では、スポットスキャニング法及びラスタースキャニング法のいずれの方法であるかを判定し、スポットスキャニング法の場合には、一旦ビーム出射を停止し（ステップＳＴ６）、次のスポットへビーム位置を移動させる。この処理を対象とするスライスの最終スポットまで繰り返す（ステップＳＴ７）。

一方、スポットスキャニング法ではない場合、即ちラスタースキャニング法の場合にはビーム出射を停止することなく最終スポットまでビーム出射を継続する。

１つのスライスに対する照射が終了すると（ステップＳＴ７のYES）、スポットスキャニング法及びラスタースキャニング法のいずれの場合も一旦ビーム出射を停止し、ステップＳＴ１に戻って次のスライスを選択すると共にレンジシフタ７０の設定を変更する。以上の処理を最終スライスに達するまで繰り返す（ステップＳＴ９）。

上記の照射手順に必要となる各諸元は、例えば照射パターンファイルと呼ばれるデータファイルに記述され、治療照射の開始前に制御部８０に転送される。照射パターンファイルには、格子点毎に、スライス位置を与えるレンジシフタ厚、格子点（X、Y）に対応するビーム位置を与えるＸ用電磁石３０ａやＹ用電磁石３０ｂの駆動電流値、各格子点に対する照射線量等が照射順に記述されている。

図３は、従来から行われているスライス上の走査パターンの一例を示す図である。開始格子点Ａから最終格子点Ｂに到る軌跡パターンが治療計画で予め定められ、この軌跡パターンにそって一方向に順次粒子線ビームが走査されていく。

次に、従来から提案されている呼吸同期照射法について説明する。患部２００が肺や肝臓のような呼吸同期照射法の対応臓器にある場合、例えば、患者の胸にＬＥＤ（図示せず）等が取りつけられる（図１に図示なし）。このＬＥＤの動きをビデオカメラ等からなる呼吸測定部８１で画像取得し、さらにＬＥＤの動きを１次元データ化し、呼吸波形信号を得る。呼吸波形信号は呼吸ゲート生成部８２に送られて、呼吸波形があらかじめ決められた閾値を下回る期間のみ、呼吸ゲートを発生する。呼吸ゲートはビーム出射制御部２０に送られ、呼吸ゲートがオンの期間のみビームが出射され、呼吸ゲートがオフの期間はビーム出射が停止される。

図４は、呼吸波形（呼吸による患部の位置変動に対応する信号）信号と閾値、呼吸ゲート、及びビーム出射の関係を示す図である。スポットスキャニング照射の場合、ビーム出射はさらにスポット位置の移動時にビーム出射とビーム停止が切り替えられる（この時間間隔は呼吸同期ゲート信号よりはるかに短い）が、ここでは省略している（以下同様である）。

次に、非特許文献１に提示されている３次元スキャニング照射における呼吸同期照射法（位相制御リスキャニング照射法）について、図５のタイミングチャートを用いて説明する。この照射方法では、１回の呼吸ゲートに対して、１スライス面内の照射をｍ回繰り返して照射を行う。このとき、スライス面内の照射をｍ回行ったとき、丁度１回の呼吸ゲート幅Ｇｗの時間に一致するようビーム強度が調整されている。なお、図５では、１回の呼吸ゲートに対して４回（ｍ＝４）の繰り返し照射を行う場合について例示している。

まず、ビームの飛程が次のスライス位置に一致するようレンジシフタ７０のアクリル板の組み合わせが設定される。同時に、加速器等からなるビーム生成部１０によってビーム強度が調整される。ビーム出射制御部２０は、制御部８０からレンジシフタ７０の設定完了信号を受信し、かつビーム生成部１０からビーム強度設定完了信号を受信すると、ビーム出射レディ状態となり、呼吸ゲートの開始とともに、ビーム出射が開始される。以後、線量モニタ５０の線量満了信号を受けるたびにビーム走査部３０によるビーム走査が行われ、スライス面内の各格子点を順次照射・走査していく。スポットスキャニング法の場合は、粒子線ビームをある格子点から次の格子点に移動させるときはビーム出射を停止するが、ラスタースキャニング法の場合は格子点間の移動中もビーム出射を停止しない。最終格子点まで照射すると１回目のスライス走査を終了する。これをｍ回自動的に繰り返し照射し、ｍ回の全格子点に対する照射を終えると、制御部８０は１スライス面内照射完了信号をビーム出射制御部２０に送り、ビーム出射の停止が行われる。この１スライス面内照射完了信号を出すタイミングは呼吸ゲートが閉じられる少し前になるように設定されている（図５（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）参照）。

続いて、ビームの飛程が次のスライス位置に一致するようレンジシフタ７０の再設定を行う。同時に、ビーム生成部１０のビーム強度が再調整される。ビーム出射制御部２０は、制御部８０からレンジシフタ７０の設定完了信号を、またビーム生成部１０からビーム強度設定完了信号を受信すると、再度ビーム出射レディ状態となり、次の呼吸ゲートの開始とともに、新たなスライスに対するビーム出射が開始される。

この照射方法においてスライス毎のビーム強度は次のように決められる。まず、あらかじめ患者の呼吸波形を取得し、この波形と閾値とから呼吸ゲート幅Ｇｗが算出される。そして、それぞれのスライス面内に対してｍ回の繰り返し走査を行ったときの合計時間が呼吸ゲート幅Ｇｗとほぼ一致するように各スライスに対するビーム強度が決定される。これらは治療計画の段階で決定される。

ところで、前述したように、一般に患者の患部の大きさはビーム軸方向に対して均一ではない。即ち、図６に示したようにスライスの面積はスライス毎に異なり、スライスの格子点の数もスライスの面積が大きくなるほど多くなる。これに対して、１呼吸のゲート幅は、変動はあるもののそれ程大きくは異ならない。このため、１呼吸のゲート幅をｍ等分したスライス１回あたりの走査時間は、どのスライスに対しても同一である必要がある（図６（ｄ）参照）。このことは、図６に示したスライスＮ＋２のように格子点の多いスライス（面積の広いスライス）に対しては１つの格子点に対する照射時間を短くし、逆に、スライスＮのように格子点の少ないスライス（面積の狭いスライス）に対しては１つの格子点に対する照射時間を長くすることを意味している。

他方、各スライスに対する線量はそのスライス内の格子点における照射時間とビーム強度の積で定まる。従って、治療計画上で、例えば各スライスに対していずれも同じ線量が必要であるとなった場合には、格子点の多いスライス（面積の広いスライス）に対してはビーム強度を強く設定し、逆に、格子点の少ないスライス（面積の狭いスライス）に対してはビーム強度を弱く設定する必要がある（図６（ｅ）参照）。つまり、非特許文献１に提案されている位相制御リスキャニング照射では、スライス毎にビーム強度を変更する必要がある。このため、非特許文献１が提案する呼吸同期照射法においては次のような問題がある。

まず、ビーム生成部１０においてスライス毎にビーム強度の調整を行わなければならないことである。通常、治療開始前に決められたビーム強度に設定したとき、実際のビーム強度、ビーム位置（軸ずれ）、ビームサイズ等のビーム特性の確認が行われる。しかし、上記の照射方法において、ビーム強度を変更する度にビーム特性の確認を行ったのでは治療時間が非常に長くなり現実的でない。したがって、ビーム特性の確認が不十分なまま治療照射を行なうことになる。このため、スライス面上の線量分布の均一性が保証できなくなる。

また、あらかじめ取得した呼吸波形を基に呼吸ゲート幅を設定し、設定した呼吸ゲート幅に基づいてビーム強度を決定するため、治療開始直前の患者の呼吸波形と一致しない場合、および治療中に呼吸波形が変化した場合に、均一な線量分布が得られなくなる。

さらに、ビーム強度をパラメータとして治療計画を行うために、治療計画の計算方法が複雑になることがある。治療計画が複雑になれば、最適解が得られにくくなる。

この他、ビーム強度の調整が必要であるため、例えば線量モニタ５０等に対して大きなダイナミックレンジを要求することになりコストアップをもたらす。特に、照射時間が短いスライスに対してはビーム強度を下げて照射を行なうことになるので、モニタにおけるＳ／Ｎの悪化にもつながる。

発明の開示
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、呼吸同期照射法を用いる粒子線ビーム照射装置において、スライス毎のビーム強度変更を不要とすることによって線量設定精度の高精度化と治療時間の短縮化を実現する一方、治療照射中に呼吸波形が変化しても線量分布の高い均一性を実現することができる粒子線ビーム照射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る粒子線ビーム照射装置は、粒子線ビームを生成するビーム生成部と、前記粒子線ビームの出射を制御するビーム出射制御部と、照射対象の患部を前記粒子線ビームの軸方向に分割したスライスに対して、そのスライス全体に前記粒子線ビームが走査されるよう、前記粒子線ビームの位置を２次元で順次指示するビーム走査指示部と、前記ビーム走査指示部からの指示信号に基づいて前記粒子線ビームを２次元で走査するビーム走査部と、患者の呼吸波形または呼吸による患部の移動量を取得する呼吸測定部と、前記呼吸測定部から出力される信号に基づいて、前記患者の呼吸の周期に同期した呼吸ゲートを生成する呼吸ゲート生成部と、前記呼吸ゲート内に所定数の走査開始用パルスを略等間隔となるように生成するパルス生成部と、を備え、前記ビーム走査指示部は、同一スライスに対する走査が前記所定数繰り返されるよう、前記各走査開始用パルスから設定線量に基づくパターン照射で前記スライス全体を走査し、前記ビーム出射制御部は、前記呼吸ゲート内でのみ前記粒子線ビームの出射を許可すると共に、前記各走査開始用パルスから前記設定線量に基づくパターン照射が満了するまでの間、前記粒子線ビームを出射する、ことを特徴とする。

上述の本発明に係る粒子線ビーム照射装置によれば、呼吸同期照射法を用いつつ、スライス毎のビーム強度変更を不要とすることによって線量設定精度の高精度化と治療時間の短縮化を実現する一方、治療照射中に呼吸波形が変化しても線量分布の高い均一性を実現することができる。

呼吸同期照射法を用いる従来の粒子線ビーム照射装置の構成例を示す図。 従来のビーム走査及びビーム出射の処理例を示すフローチャート。 従来のビーム走査の概念を説明する図。 呼吸ゲートとビーム出射のタイミング関係を示す図。 従来の呼吸同期照射法の基本処理タイミングを示すタイミングチャート。 従来の呼吸同期照射法と基本的な動作概念を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の構成例を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の基本的な動作概念を示す図。 第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の第１の詳細動作タイミングチャート。 走査開始用パルスの生成方法の一例を説明する図。 第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の第２の詳細動作タイミングチャート。 第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の往復走査方法の一例を示す図。 第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の詳細動作タイミングチャート。

本発明に係る粒子線ビーム照射装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

（第1の実施形態）
図７は、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１の構成例を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１では、スライス面積（即ちスライス内の格子点の数）が異なったとしても、どのスライスに対しても同じビーム強度で所要の線量が確保でき、スライス毎のビーム強度の調整が不要となる構成としている。

図７に示される本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１の従来の粒子線ビーム照射装置３００（図１参照）との相違点は、パルス生成部８３を設けている点である。

パルス生成部８３では、呼吸ゲート内に所定数（同一スライスに対して設定する繰り返し走査数）の走査開始用パルスを略等間隔となるように生成している。走査開始用パルスは繰り返し走査の夫々のスタートタイミングを決めるためのタイミングパルスである。

図８は、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１の動作概念を示す図である。

本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１では、スライスの面積（即ち、スライスの格子点の数）に応じて、ビーム強度を変更せず、治療計画で予め決められた設定線量に基づくパターン照射によって照射を行う。ビーム強度を変更せずに設定線量を確保する方法であり、結果的にスライス（中の）患部の面積に応じてスライス走査時間Ｔが変化する。ここで、スライス走査時間Ｔとは、繰り返し走査の１回あたりの走査時間である。スライス走査時間Ｔは、各格子点の照射時間（格子点間の移動時間を含む）の各格子点に対する総和で決まる。図８は、スライスＮ、スライスＮ＋１、スライスＮ＋２の順に面積が大きくなる３つのスライスに対して、それぞれ４回の繰り返し走査を行う例を示している。各スライスの面積に概略比例して、スライス走査時間は、Ｔ_Ｎ＜Ｔ_Ｎ＋１＜Ｔ_Ｎ＋２、となる。この結果、図８（ｅ）に示したように、面積の異なるスライスに対してもビーム強度Ｐを変更することなく同じ線量の照射を行うことが可能となる。

次に、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１の呼吸同期照射法のより詳細な動作について、図９のタイミングチャートを用いて説明する。なお、以下の説明例では、いずれも同一スライスに対して４回の繰り返し走査を行うものとしている。

図９は、患部のサイズが小さい場合や必要線量が小さい場合など、スライス走査時間が比較的短く、１つの呼吸ゲート内で４回の繰り返し走査が完了する場合について例示している。

図９（ａ）は呼吸波形、図９（ｂ）は呼吸波形に適宜の閾値を適用して生成される呼吸ゲート（Ａ）を示している。呼吸波形は呼吸測定部８１から出力され、呼吸ゲート（Ａ）は呼吸ゲート生成部８２により生成される。

パルス生成部８３では、呼吸ゲート幅Ｇｗを繰り返し走査数ｍで割り、各繰り返し走査の開始タイミングの間隔Ｇｗ／ｍを求め、間隔Ｇｗ／ｍで発生するタイミングパルス、即ち走査開始用パルス（Ｂ）を生成する。

図１０は、走査開始用パルス（Ｂ）の具体的な生成方法の例を示す図である。呼吸ゲート（Ａ）の立ち上がりから若干の遅延時間ｔ１（余裕時間）をもって１回目の走査開始パルス(1)を生成する。次に、１回目の走査開始パルス(1)の立ち上がりからｔ２（ｔ２＝Ｇｗ／ｍ）だけ遅らせて２回目の走査開始パルス(2)を生成する。以下同様にして３回目、４回目の走査開始パルス(3)、(4)を生成する。

これら４つのパルスを、例えばＯＲロジックによって合成し、図１０（ｄ）に示したような走査開始パルス（Ｂ）を生成する。

治療照射は、まず、粒子線ビームの飛程が次のスライス位置に一致するようレンジシフタ７０を設定する（図９（ｇ）参照）。制御部８０は、レンジシフタ設定が完了したことを認識すると、機器レディ信号（Ｅ）を（図９（ｈ）参照）発生する。

この時点で走査開始用パルス（Ｂ）の１つが発生すると、１回目のスライス走査が開始される。スライス走査は、実際には照射開始パルス（（図９（ｉ）参照）によって開始され、照射開始パルスは、機器レディ（Ｅ）の状態であり、かつ照射開始禁止（Ｃ）（（図９（ｆ）参照）の状態ではないときの走査開始用パルス（Ｂ）によって生成されるものである。照射開始禁止（Ｃ）は、１つのスライス走査が開始された後、このスライス走査が完了するまでは次のスライス走査の開始を禁止するための信号である。照射開始禁止（Ｃ）の状態では、走査開始用パルス（Ｂ）が発生しても照射開始パルスを発生させないようにしている。

１回目のスライス走査が開始されると同時にビーム出射ゲート（図９（ｅ）参照）が開かれ、該当スライスに対するビーム出射（図９（ｊ）参照）が行われる。以降は、スライス内の各格子点で線量満了信号を受けるたびに粒子線ビームの位置を移動させ、順次スライス面内を走査していく。

スポットスキャニング法の場合は、格子点間を移動するときビーム出射を停止するが、ラスタースキャニング法の場合は格子点間の移動中もビーム出射を停止しない。最終格子点（最終スポット）まで照射すると最終スポット線量満了（図９（ｄ）参照）が出力され、ビーム出射ゲートをオフにし、その後照射開始禁止（ｃ）を解除する。ここで１回目のスライス走査が終了する。

患部のサイズが小さい場合や必要線量が小さい場合にはスライス走査時間（図９（ｅ）のビーム出射ゲートの幅に相当する時間）が短く、例えば、図９の例示のように走査開始用パルス（Ｂ）の間隔よりスライス走査時間の方が短くなる。

この場合には、２発目の走査開始用パルス（Ｂ）が発生する時刻には既に１回目のスライス走査が終了し照射開始禁止（ｃ）が解除されているため、２発目の走査開始用パルス（Ｂ）の発生タイミングによって２回目のスライス走査が開始される。

以下同様にして３回目、４回目のスライス走査が行われ、同一スライスに対する４回の繰り返し走査が自動的に行われる。

４回の繰り返し走査が終了すると、一旦機器レディ（Ｅ）信号が解除され、次のスライスに変更するためのレンジシフタ設定が行われる。レンジシフタ設定が終了すると再び機器レディの状態となり、次のスライスに対する繰り返し走査が可能な状態となる。

ところで、従来の呼吸同期照射法では、予め取得した呼吸波形から呼吸ゲート幅を事前に決定し、この呼吸ゲート幅からスライス走査のタイミング諸元やビーム強度を治療計画段階で決定する方法であった。

これに対して、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１では、治療中の患者の呼吸波形を取得し、治療中に呼吸ゲート幅Ｇｗを更新可能としている。

具体的には、突発的な呼吸変化には応答しないよう、直近の過去の複数の呼吸波形を取得し、例えば、移動平均処理等によって呼吸ゲートを順次生成し更新する方法が好ましい。複数の呼吸波形を平均した平均呼吸波形に対して閾値を適用して呼吸ゲートを生成してもよいし、複数の呼吸波形の夫々に閾値を適用して複数の呼吸ゲートを生成し、これら複数の呼吸ゲートを平均した呼吸ゲートを生成してもよい。

このようにして更新した呼吸ゲートのゲート幅Ｇｗから走査開始用パルス（Ｂ）の間隔Ｇｗ／ｍを求め、走査開始用パルス（Ｂ）のパルス列を生成する。

新たに生成した走査開始用パルス（Ｂ）のパルス列に基づいて、前述した処理と同様に次のスライスに対する繰り返し走査を行っていく。スライスの格子点の数が前のスライスと異なっている場合には、図９に例示したようにスライス走査時間も異なったものとなってくる。

図９では、１回のスライス走査時間Ｔが走査開始用パルスの間隔Ｇｗ／ｍより短い場合について示した。次に、スライス走査時間Ｔが走査開始用パルスの間隔Ｇｗ／ｍより長い場合について図１１を用いて説明する。この場合、複数の呼吸ゲートに跨ってｍ回の繰り返し走査を行うことになるが、本実施形態では、各繰り返し走査の開始タイミングが呼吸波形の特定の一箇所に集中することなく、呼吸ゲート内で一様に分散されるように工夫している。

図１１に示した例では、１回目のスライス走査が、１呼吸ゲート内では終了せず、次の呼吸ゲートの走査開始用パルス(2)（２発目の走査開始用パルス（Ｂ））の終了時点まで継続している。従って、照射開始禁止（Ｃ）信号も走査開始用パルス(2)終了時点まで継続しており、この間には新たなスライス走査は開始されない。この場合、次のスライス走査の開始タイミングは、走査開始用パルス(3)（３発目の走査開始用パルス（Ｂ））であり、このタイミングで２回目のスライス走査が開始される。

ここで、同一スライスに対する繰り返し走査において、同じ位相（呼吸ゲート内での同じ開始タイミング）の走査開始用パルスが重複して用いられることを回避するため、同一スライスに対するスライス走査の開始のタイミングとして一度使用した走査開始用パルスの出力を停止する処理を行っている。

図１１の例では、１回目のスライス走査の開始タイミングとして走査開始用パルス(1)を使用したため、１回目のスライス走査が開始された直後に走査開始用パルス(1)の出力を停止している。また、２回目のスライス走査では走査開始用パルス(3)を使用したため、２回目のスライス走査が開始された直後に走査開始用パルス(3)の出力を停止している。

従って、次にくる３回目のスライス走査は、残っている走査開始用パルス(2)か走査開始用パルス(4)のタイミングで開始されることになる。図１１の例では３回目のスライス走査は走査開始用パルス(4)のタイミングで開始されている。この結果、最後の４回目のスライス走査は、走査開始用パルス(2)によって開始されることになる。

このように、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１によれば、スライス毎に異なる格子点数の変化を、スライス走査時間を結果的に変化させて調整するようにしている。またスライス毎に線量が異なる場合でもビーム強度を変更することなくスライス走査時間の変更により線量を変更することができる。このため、スライス毎にビーム強度を変更、調整することが不要となり、ビーム強度変更に伴う種々の問題点か解消される。

また、患部が大きな場合や強い線量が必要とされる場合には、ｍ回のスライス走査時間の合計値や、１回のスライス走査時間が１つの呼吸ゲート幅を超えることも考えられる。このような場合であっても、図１１に示したように、ハードウェアやソフトウェアの構成をなんら変更することなく対応することができる。

また、複数の呼吸ゲートに跨るような場合であっても、各スライス走査の開始タイミングは呼吸ゲート内に一様に分散される。このため、患部の位置が呼吸ゲート内で多少変動したとしても、特定の患部位置に粒子線ビームが集中するといった事態や、逆に粒子線ビームが全く照射されない部位が発生するといった事態を避けることができる。

また、異なるスライスを照射するときに、最新の呼吸波形をもちいているので、患者の呼吸波形が時間的に変化した場合も安定した、線量分布の均一な照射を行なうことが可能となる。

また、図１１からわかるように、スライス走査は、１つ前の回のスライス走査が完了した直後の走査開始用パルスを用いて開始している。このため、走査開始用パルスのパルス列の順番どおりに照射を行うより、待ち時間が少なくなり、治療時間の短縮をもたらすという利点もある。

患部の移動による付与線量の不安定性は繰り返し照射数ｍに対して統計的に１／√ｍで抑制される。つまり、不安定性を半分にするための繰り返し照射数はｍ＝４である。したがって、繰り返し照射数は少なくともｍ≧４であることが適している。

（第２の実施形態）
ここまで説明してきた実施形態では、スライス内の走査方向を図３に示したように一方向としていた。

これに対して、第２の実施形態では、図１２に示したようにスライス上の軌跡パターンを順方向（往路）で辿った後、同じ軌跡パターンを逆方向（復路）で辿る走査方法を用いている。なお、ハードウェア構成としては図７に示した第１の実施形態と同様である。

図１３は、第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１の動作を示すタイミングチャートである。

まず、第１の実施形態における走査開始用パルス（Ｂ）と同様の走査開始用パルス（往路用）を生成する。このパルス列は往路用のものである。このタイミングを用いて１回目の往路のスライス走査が開始される。

図１３に示した例では、往路のスライス走査時間は、走査開始用パルス（往路用）の間隔Ｇｗ／ｍの２倍弱程度に設定されている。

１回目の往路のスライス走査が完了すると、軌跡パターンを逆に辿る復路のスライス走査が開始されが、この開始タイミングは第２の走査開始用パルス（復路用）によって決定される。ここで、第２の走査開始用パルス（復路用）は、１回目の往路のスライス走査が終了した時点からあるディレイタイムを持たせて設定される。ディレイタイムを持たせる理由は、往路のスライス照射時間が多少変動した場合であっても復路のスライス走査が正常に開始できるように余裕をもたせるためである。

また、第２の走査開始用パルス（復路用）を走査開始用パルス（往路用）とは別に生成する理由は、往路のスライス走査が終了した直後に（上記のディレイタイムを含むが）直ちに復路のスライス走査を開始できるようにするためである。

１回目の往路と復路のスライス走査が終了すると、２回目の往路と復路のスライス走査が開始される。これをｍ回繰り返すことで同一スライスに対する繰り返し走査が完了する。１つのスライスに対する繰り返し走査が終了すると次のスライスの走査へ移行し、これを患部全体に粒子線ビームが照射されるまで繰り返す。

（４）その他の実施形態
上述した第１、第２の実施形態は、３次元スキャニング照射法における呼吸同期照射方法に関するものである。これらの実施形態ではペンシル状の細い径の粒子線ビームが用いられる。

しかしながら、本発明に係る他の実施形態は、例えば拡大ビーム照射法において、体内飛程を飛程調整装置により切り替えて３次元的に照射を行なう３次元拡大ビーム照射法（非特許文献２参照）においても有効である。この実施形態では、第１の実施形態における１回のスライス走査が拡大ビームの照射に置き換わることになる。同一スライスに対する拡大ビーム照射を走査開始用パルス（Ｂ）のパルス列に従って繰り返し照射を行なうことで、安定した、照射線量分布が均一な照射を行なうことができる。

その他の照射方法においても、例えば、１スライスのみからなる患部の治療照射を行なうような場合においても、上述のような繰り返し走査の手法は有効である。

以上説明してきたように、上記各実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１及び粒子線ビーム照射方法によれば、治療照射中にビーム強度を調整することなく、呼吸ゲート内にタイミングを分散化して繰り返し照射することが可能になる。この結果、治療時間の短縮化が可能になるとともに、特性が安定したビームを用いて照射することができる。さらに、例えば治療中に患者の呼吸波形が変化した場合であっても、最新の呼吸波形をもとに同期照射を行うため、照射タイミングが安定した照射を行うことが可能になる。

なお、本発明は上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

Claims (7)

1. 粒子線ビームを生成するビーム生成部と、
   前記粒子線ビームの出射を制御するビーム出射制御部と、
   照射対象の患部を前記粒子線ビームの軸方向に分割したスライスに対して、そのスライス全体に前記粒子線ビームが走査されるよう、前記粒子線ビームの位置を２次元で順次指示するビーム走査指示部と、
   前記ビーム走査指示部からの指示信号に基づいて前記粒子線ビームを２次元で走査するビーム走査部と、
   患者の呼吸波形または呼吸による患部の移動量を取得する呼吸測定部と、
   前記呼吸測定部から出力される信号に基づいて、前記患者の呼吸の周期に同期した呼吸ゲートを生成する呼吸ゲート生成部と、
   前記呼吸ゲート内に所定数の走査開始用パルスを略等間隔となるように生成するパルス生成部と、を備え、
   前記ビーム走査指示部は、同一スライスに対する走査が前記所定数繰り返されるよう、前記各走査開始用パルスから設定線量に基づくパターン照射で前記スライス全体を走査し、前記ビーム出射制御部は、前記呼吸ゲート内でのみ前記粒子線ビームの出射を許可すると共に、前記各走査開始用パルスから前記設定線量に基づくパターン照射が満了するまでの間、前記粒子線ビームを出射する、ことを特徴とする粒子線ビーム照射装置。
2. 前記設定線量に基づくパターン照射は、照射対象スライスに対して設定され、前記粒子線ビームのビーム強度は、前記照射対象スライスが異なっても一定である、ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
3. 前記同一スライスに対して行われる前記所定数の走査は、複数の呼吸ゲートに跨ることが可能であり、前記設定線量に基づくパターン照射の満了前に呼吸ゲートが終了した場合は、そのスライスに対する走査と粒子線ビームの出射を中断し、次の呼吸ゲートの開始時点から中断した前記走査と前記出射を再開する、ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
4. 前記同一スライスに対して行われる前記所定数の走査は、複数の呼吸ゲートに跨ることが可能であり、前記同一スライスに対する各走査及び各出射の開始のタイミングは、前記所定数の走査開始パルスの中から重複することなく選択されるパルスによって決定される、ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
5. 前記スライス全体をカバーする軌跡パターンに対して往路及び復路の走査を行い、前記パルス生成部は、前記往路の走査終了後に、復路用の第２の走査開始用パルスを前記呼吸ゲート内に前記所定数だけ略等間隔となるように生成し、前記ビーム走査指示部は、同一スライスに対する往路及び復路の走査が夫々前記所定数繰り返されるよう、前記各走査開始用パルス又は前記各第２の走査開始用パルスから設定線量に基づくパターン照射で前記スライス全体を走査し、前記ビーム出射制御部は、前記呼吸ゲート内でのみ前記粒子線ビームの出射を許可すると共に、前記各走査開始用パルス又は前記各第２の走査開始用パルスから前記設定線量に基づくパターン照射が満了するまでの間、前記粒子線ビームを出射する、ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
6. 前記呼吸ゲートは、前記呼吸測定部から出力される信号に基づいて更新される、ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
7. 前記呼吸ゲートのゲート幅は、更新直前の複数の呼吸波形から得られる平均波形と所定の閾値とで決定されるか、更新直前の複数の呼吸波形と所定の閾値とから得られる複数のゲート幅の平均値から決定される、ことを特徴とする請求項６に記載の粒子線ビーム照射装置。

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