JP5334397B2 - 粒子線治療装置 - Google Patents

Description

本発明は、患者に照射するための粒子線治療装置に関する。

粒子線治療装置は一般に加速器ユニットおよび高エネルギービーム案内システムを有する。粒子、例えば陽子、π中間子、ヘリウムイオン、炭素イオンまたは酸素イオンの加速は、例えば一般に直線加速器により予め加速された粒子を供給されるシンクロトロンによって行なわれる。粒子は直線加速器で所望のエネルギーに加速され、照射のために蓄積される。代替として加速はサイクロトロンを介して行なうこともでき、この場合には最大のエネルギーから出発して、例えば適切なエネルギー吸収器を介してさまざまのエネルギーが設定可能である。

高エネルギービーム輸送システムは、粒子を加速器ユニットから１つ又は複数の治療室へ案内する。粒子が固定の方向から治療場所に命中する固定ビーム式の治療室と、いわゆるガントリ式の治療室とは区別されている。後者の場合には粒子線を種々の方向から患者に向けることができる。

ラスタ走査装置により粒子線が走査範囲にわたって移動させられる。このために粒子線は、例えば２つの偏向磁石により調整され、横方向にずらされる。照射は特にボリュームエレメント指向で行なわれる。すなわち、治療計画時に、適用すべき線量分布がボリュームエレメントに方向を合わせられた少線量から合成される。ボリュームエレメントは一般に２〜３ｍｍの大きさ（ビーム直径および等エネルギー層厚）を有するので、照射すべき領域、例えば腫瘍の形状を良好にたどることができる。この場合に横方向の大きさはイオンビーム光学系によって調整され、ビームのエネルギー分布によって決定される大きさ、すなわちボリュームエレメントの深さは相応のデグレーダ、例えばリップルフィルタによって調整される。それにより、２〜３ｍｍの通常のラスタ間隔が横方向にも侵入深さ方向にも生じる。

更に、治療計画は照射プロセスを複数の単位へ分割する。分割は、一方では幾何学的であってよく、すなわち、ラスタ走査装置の最大に走査可能な照射野によって与えられている大きさを有する互いに接する照射野への分割である。他方では、例えば多数の照射治療に配分して相応の効果を得るために、時間的に連続する照射単位への分割が行なわれるとよい。

粒子線治療装置の制御および安全システムは、その都度要求されたパラメータにより特徴づけられた粒子線が相応の治療室に導かれることを保証する。パラメータはいわゆる治療計画において決められる。治療計画は、粒子がどの程度のエネルギーを有しどの方向からどの位患者もしくは各ボリュームエレメントに当てられるべきかを指定する。粒子のエネルギーは患者への侵入深さ、すなわちボリュームエレメントの位置を決定する。この位置において線量ピークが達成される。したがって、粒子線のエネルギー分布が入射方向における線量分布を決定する。粒子線のエネルギー分布は、ビーム形状と一緒に、それ以外には変わらないビームパラメータにおいて照射ボリュームの大きさを相応に決定する。

一般に、患者の前に、例えば粒子線の位置および／または強度を監視するビーム監視要素が存在する。粒子線の位置および粒子線のビーム形状は、一般に、照射中に患者近くのビーム通路内に存在する適切な検出器、例えば電離室または多チャンネル室により伝送にて測定される。

粒子線治療装置の走査範囲に患者を位置合わせすることは、一般に治療室における患者位置決め装置により行なわれる。とりわけ固定された患者の照射位置の位置検証のために、一般に照射開始前に透視画像が治療計画からのＣＴデータと比較され、場合によっては患者が補足調整される。更に、患者の移動は走査可能な領域を拡大することができる。

例えばラスタ走査法での照射の場合には、ターゲットボリュームまたは照射されるボリュームの動きが、適用される粒子線の均一性に影響を及ぼす（例えば、非特許文献１参照）。ビーム適用と対象移動との間の干渉により、適用された線量分布と計画された線量分布とがもはや一致しない。適用された線量分布は動きにより不均一性を有する。すなわち、線量不足および／または線過剰が生じる。

この種の不均一性は、低減された線量を有するエネルギー層の繰り返し走査によって減らされる。なぜならば、不均一性は大きさが小さく、かつ走査範囲の種々の個所に存在するからである。もちろんこの場合に、照射すべき組織の周りには、運動の振幅を考慮しかつそれにより照射すべき組織が十分に照射されることを保証する安全領域が置かれるべきである。更に、互いに接するエネルギー層が異なった運動を与えられるので、付加的にＺ方向、すなわち入射ビーム方向の不均一性が生じるという問題が生じる。

例えば呼吸に基づいて運動する対象に、治療ビームをその運動に同期した絞り込み（ゲーティング）によって照射することは、照射を準静止の運動状態に限定することによって、運動の影響を回避し、それゆえ横方向の安全領域が低減される。この種の粒子線治療装置は公知である（例えば、非特許文献２参照）。呼吸停止は、同様に準静止状態を生じさせる。この場合には、もちろんゲーティングの場合と同様に、依然として、線量分布において、特に接するエネルギー層の移行範囲において、不均一性が生じる。
Ｍ．Ｈ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ ｅｔ ａｌｌ．，"Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ ｍｏｔｉｏｎ ｏｎ ｄｏｓｅ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｗｉｔｈ ａ ｃｈａｒｇｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ"，Ｐｈｙｓ．Ｍｅｄ Ｂｉｏｌ．１９９２，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１，２２３−２３４ Ｓ．Ｍｉｎｏｈａｒａ ｅｔ ａｌ．，"Ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ Ｇａｔｅｄ Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｈｅａｖｙ−ｉｏｎ Ｒａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙ"，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｏｎｃｏｌｏｇｙ Ｂｉｏｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．４，ｐｐ．１０９７−１１０３，２０００

本発明の課題は、ラスタ走査方法による粒子線治療の際に運動する対象の照射を改善する粒子線治療装置を提供することにある。

粒子線治療装置に関する課題は、本発明によれば、患者における運動にさらされるターゲットボリュームを粒子線治療するための粒子線治療装置において、高エネルギー粒子を供給するための粒子加速器と、粒子が治療のために組織と相互作用する照射ボリュームの大きさを設定するための設定装置と、設定装置を制御するために、運動を止めるかまたは遅くする時間間隔の間にターゲットボリューム全体が照射可能であるように照射ボリュームの３次元の大きさを設定する制御信号を設定装置に出力するように構成されている制御システムと、ターゲットボリューム全体が照射ボリュームによりその時間間隔内に走査可能であるように制御可能である走査装置とを備え、設定装置が、照射ボリュームの遠位方向の大きさを決定する粒子線のエネルギー分布を調整するための調整装置を有し、制御システムは、前記時間間隔の間に照射ボリュームが走査可能であるように照射ボリュームの遠位方向の大きさを決定する制御信号を出力することによって解決される（請求項１）。

粒子線治療装置に関する本発明の実施態様は次の通りである。
・設定装置が、ビーム案内光学系により粒子線の横方向大きさを調整するための高エネルギービーム案内手段を有する（請求項２）。
・設定装置が、照射ボリュームの遠位方向と横方向との大きさ比を２：１に等しく又はそれより大きく設定するように構成されている（請求項３）。
・設定装置が、ターゲットボリュームの遠位方向大きさの少なくとも１０％を有するビーム入射方向大きさに照射ボリュームを設定するように構成されている（請求項４）。
・設定装置が、３ｍｍ〜２５ｍｍの範囲内にあるビーム入射方向大きさに照射ボリュームを設定するように構成されている。
・設定装置が、５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内にある横方向大きさに照射ボリュームを設定するように構成されている。
・調整装置が、デグレーダ（ｄｅｇｒａｄｅｒ）、特にリップルフィルタである（請求項５）。
・走査装置が、ラスタ走査装置または揺動装置である（請求項６）。
・粒子加速器が、１つの時間間隔内において複数のエネルギー層を照射するためのエネルギーを設定するように構成されている（請求項７）。
・更に、異なるエネルギー層を時間的に連続して、従って順次に照射するためのエネルギー設定手段が設けられている（請求項８）。

本発明によれば、粒子線を用いて患者における運動にさらされているターゲットボリュームを粒子線治療するための装置を制御手段が制御して、粒子が治療のために組織と相互作用する照射ボリュームがターゲットボリュームにわたって照射される粒子線治療のための走査方法において、準静止状態のターゲットボリュームをつくり出すために１つの時間間隔の間ターゲットボリュームの運動を止めるかまたは遅らせ、その時間間隔の間に照射すべきボリューム全体を照射することを可能にする３次元の大きさに照射ボリュームを設定し、該３次元の大きさの調整は、照射ボリュームの遠位方向の大きさを決定する粒子線のエネルギー分布を調整することによって行われ、その時間間隔内に照射ボリュームにより照射すべきターゲットボリューム全体を走査することが提案される。

粒子線治療のための走査方法に関する実施態様は次の通りである。
照射ボリュームの遠位方向と横方向との大きさ比が２：１に等しく又はそれより大きく設定される。
照射ボリュームの遠位方向大きさがターゲットボリュームの遠位方向大きさの３分の１以上である。
照射ボリュームの遠位方向大きさが５ｍｍ〜２５ｍｍの範囲内にある。
照射ボリュームの横方向大きさが３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内にある。
照射すべきターゲットボリューム全体を走査するために照射ボリュームを有する少なくとも1つのエネルギー層が走査される。
走査方法がラスタ走査方法または揺動方法である。

本発明による粒子線治療装置は、高エネルギー粒子を供給するための粒子加速器と、照射ボリュームの大きさを設定するための設定装置と、設定装置を制御するための制御システムと、走査装置とを有する。設定装置は、例えば、粒子のビーム案内における光学系ならびに粒子のエネルギー分布を調整するための調整装置を代表して、制御システムによって、例えば呼吸運動が止められる（または遅らされる）時間間隔の間にターゲットボリューム全体を走査することを可能にする照射ボリュームの大きさが設定されるように制御される。この走査プロセスでは、ターゲットボリュームの経過にしたがって照射ボリュームにより少なくとも１つのエネルギー層が照射される。

この粒子線治療装置の構成は、走査法における通常の照射ボリュームは確かに良好な空間分解能を可能にするが、しかしながら運動が線量分布の均一性に不都合に影響し得る相応に長い照射時間を必要とするという認識に基づいている。したがって、本発明によれば、照射ボリュームは、照射時に、連続する照射プロセスの間に境界経過が生じないように、短時間内にターゲットボリューム全体が照射されるように調整される。特に、僅かな横断面を有するいわゆる針形ビーム（ペンシルビーム）が適切な吸収装置によって深さを拡張されるならば有利である。すなわち、ビームの入射方向に拡張されたブラッグピーク領域が生じるように、エネルギー分布が例えばいわゆるリップルフィルタを介して広げられることである。したがって、僅かなエネルギー層しか照射されず、これは上記時間間隔内において可能である。横方向における空間分解能は実質的に変化しないままであり、ビームが横方向に迅速に走査する。この場合に走査速度は、治療すべき患者のために、例えば止められた呼吸の唯一の位相の期間中にターゲットボリューム全体が照射されるように選ばれる。この過程は、その都度、呼吸が止められた際に、必要な線量がターゲット領域に集積されるまで何度も繰り返される。例えば、1つの時間間隔内における１つの照射プロセスの間に受動的なエネルギー変化が生じることによって、複数の必要なエネルギー層の照射が可能である。受動的なエネルギー変化に対する代替または追加として、シンクロトロンにおける加速を変化させることもできる。

この種の粒子線治療は、例えば呼吸の同期時または停止時の如き準静止状態の時間間隔において正確には等しくない運動状態が照射されるにもかかわらず、線量不足もしくは線量過剰が生じることを許さない。なぜならば、所望の線量分布を達成するために、連続する時間間隔においてはエネルギー層も横方向領域も並べて置かれないからである。したがって、この種の粒子線治療装置は、個々の照射点、照射範囲およびエネルギー層が望みどおりに整合していないという欠点を回避する。なぜならば、走査プロセスがその都度ボリューム全部にわたって同じ患者状態において行なわれ、計画された線量からの偏差が照射野の縁辺においてしか生じ得ないからである。ターゲットボリューム内では重要な線量変動は生じない。したがって、照射ボリュームの付加的な拡大、すなわち拡張および／または深化（深くすること）が、ラスタ点および／または等エネルギー層の低減された個数に基づいて、領域全体の高速適用を可能にする。

照射ボリュームの特に好ましい設定は、照射ボリュームの遠位方向と横方向との大きさ比が２：１に等しい又はそれより大きい場合にある。

更に、ターゲットボリュームの遠位方向大きさの少なくとも１０％を有するビーム入射方向大きさに照射ボリュームを設定すると特に有利である。これは、１０個もしくは好ましくは５〜３個の等エネルギー層を持つターゲットボリュームを走査することを可能にする。例えば、遠位方向大きさは５ｍｍ〜２５ｍｍの範囲内にある。

走査装置として、例えばペンシルビーム用または揺動装置用のラスタ装置が使用されるとよい。

更に、本発明は、患者における（呼吸）運動にさらされているターゲットボリュームが粒子線を照射されるべきである走査方法において、粒子が治療のために組織と相互作用する照射ボリュームがターゲットボリュームにわたって照射される走査方法によって解決される。この方法においては、準静止状態のターゲットボリュームをつくり出すために１つの時間間隔の間ターゲットボリュームの運動が止められる（または遅らされる）。この時間間隔内では、従来の照射ボリュームによれば、ターゲットボリュームの一部分しか照射することができなかった。そこで、本発明によれば、照射ボリュームは、この時間間隔内に照射すべきボリューム全体を照射することを可能にする大きさに設定される。このような時間間隔内において、相応に設定された照射ボリュームにより、照射すべきターゲットボリューム全体が走査され、このプロセスは必要な線量が適用されるまで何度も繰り返される。この方法は、更に適用された線量分布における不均一性が回避されるという利点を有する。

粒子線治療装置および方法も他の有利な実施形態は従属請求項の特徴事項によって特徴づけられている。以下において、図１ないし図６に基づいて本発明の実施例を説明する。
図１は概略的な粒子線装置を示し、
図２は従来技術による照射ボリュームの装置を示し、
図３は入射方向における線量分布を示し、
図４は１つの時間間隔内の照射のために照射ボリュームにターゲットボリュームを分割する様子を示す。
図５は図４に属する入射方向における線量分布を示し、
図６は拡張要素を用いて照射ボリュームにターゲットボリュームを分割する様子を示す。

図１は、前段加速器３と、シンクロトロン５と、走査装置７と、設定装置９とを備えた粒子線治療装置１を示す。制御システム１１はシンクロトロン５から出射する粒子のエネルギーを設定する。走査装置７はＸ方向およびＹ方向における粒子線の横方向偏向を可能にする。走査装置７は例えば同様に制御システム１１によって制御される。設定装置９は、例えば1組の拡張要素、例えばリップルフィルタであり、これらはビームのエネルギー分布を、例えば１倍，２倍，４倍および８倍拡張する。したがって、Ｚ方向に、すなわちビーム方向（遠位方向）に２倍，４倍または８倍延ばされた照射ボリュームが設定可能である。

一般に粒子線治療においては、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に（３ｍｍ，３ｍｍ，２ｍｍ）または（５ｍｍ，５ｍｍ，３〜５ｍｍ）の大きさを有する照射ボリュームが使用される。これは、照射すべきターゲットボリューム１３に、照射されたボリュームを形状的に整合させることを可能にする。ターゲットボリュームが肺の近くにあって、それゆえ呼吸時に動かされる場合、粒子線の入射経路におけるターゲットボリューム１３の位置および照射された組織の位置が変化する。したがって、１つの呼吸周期内において等エネルギー層の経過が変化する。

これを図２が異なる運動状態における３つの等エネルギー層対１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃに基づいて概略的に示す。これらの層が例えば連続する時間間隔で照射される場合、ターゲットボリューム１３における変形した等エネルギー層の部分的重なり又は不足する密接さ（すなわち間隙の存在）に基づいて、線量分布に不均一性が生じる。概略的に図２には、等エネルギー層１５Ａに、例えば横方向およびＺ方向に３ｍｍの大きさを有する対称な照射ボリューム１７が描かれている。Ｚ方向におけるターゲットボリューム１３の大きさは例えば８個の等エネルギー層厚である。この場合に、運動ずれを補償するために、ターゲットボリューム１３の周りに１つの等エネルギー層の全厚さ分を有する安全領域が一緒に照射される。

図３は、図２に対する明確な説明のために、どのように、例えば等エネルギー層１５Ａ，１５Ｂ間に照射されない領域が残るか、そしてどのようにエネルギー層１５Ｂおよびエネルギー層１５Ｃが二重に適用された線量のために部分的に重なり合うかを示す。Ｚ方向におけるこの種の不均一性は、繰り返される（通常の）再走査によっても回避できない。

図４は、拡張要素により１つのターゲットボリューム１３に複数の照射ボリューム１９を分割する様子を示す。拡張要素は、横方向よりもＺ方向に４倍も長い長さを持った１つの照射ボリューム１９を有し、したがって例えばＺ方向に１２ｍｍの長さを、横方向に３ｍｍの広がりを有する。照射ボリューム１９のこの大きさの場合、（呼吸）運動が停止される時間間隔において、ターゲットボリューム全体を２つの等エネルギー層２１Ａ，２１Ｂにより照射することが可能である。したがって、照射の際の線量変化は存在しない。なぜならば、ターゲットボリューム全体が一度に同一の条件下で照射されるからである。

図５は、１つの時間間隔内におけるターゲットボリューム全体の照射により運動に起因した不均一性がどうして生じないかを示す。安全領域によって取り囲まれた内部が両等エネルギー層２１Ａ，２１Ｂにより均一に照射されるターゲットボリューム１３の境界が認識される。

例えば呼吸停止のための実現可能な時間間隔は好ましくは２０秒程度であるので、等エネルギー層の個数が例えば１／４に減少するならば、全体としてより大きなターゲットボリュームも走査することができる。

図６は、ターゲットボリューム１３の周りに安全領域を不必要に大きく形成しないために、位置依存して、例えば縁範囲においてＺ方向における照射ボリュームの大きさを低減することを可能にする複数の拡張要素の使用を明らかにする。このために、縁範囲において４倍に延ばされた照射ボリューム１９の代わりに２倍に延ばされた照射ボリューム２３が使用される。このために位置依存して異なる拡張要素が、ビームに取り入れられるか、もしくは加速／エネルギー分布に応じて調整される。

この方法によりターゲットボリューム１３が一緒に全体として何度も照射されるならば、走査工程において動くターゲットの粒子線治療についても、ターゲットボリューム１３にわたって均一な線量分布が得られる。

粒子線装置の概略図 従来技術による照射ボリューム配列の概略図 入射方向における線量分布を示すダイアグラム 照射ボリュームにターゲットボリュームを分割する様子を示す概略図 図４に属する入射方向における線量分布を示すダイアグラム 拡張要素を用いて照射ボリュームにターゲットボリュームを分割する様子を示す概略図

符号の説明

１ 粒子線治療装置
３ 前段加速器
５ シンクロトロン
７ 走査装置
９ 設定装置
１１ 制御システム
１３ ターゲットボリューム
１５Ａ，Ｂ，Ｃ 等エネルギー層
１７ 照射ボリューム
１９ 照射ボリューム
２１Ａ，２１Ｂ 等エネルギー層
２３ 照射ボリューム
Ｘ，Ｙ，Ｚ 方向

Claims (8)

1. 患者における運動にさらされるターゲットボリュームを粒子線治療するための粒子線治療装置において、
   高エネルギー粒子を供給するための粒子加速器と、
   粒子が治療のために組織と相互作用する照射ボリュームの大きさを設定するための設定装置と、
   設定装置を制御するために、運動を止めるかまたは遅くする時間間隔の間にターゲットボリューム全体が照射可能であるように照射ボリュームの３次元の大きさを設定する制御信号を設定装置に出力するように構成されている制御システムと、
   ターゲットボリューム全体が照射ボリュームにより前記時間間隔内に走査可能であるように制御可能である走査装置とを備え、
   設定装置が、照射ボリュームの遠位方向の大きさを決定する粒子線のエネルギー分布を調整するための調整装置を有し、
   制御システムは、前記時間間隔の間に照射ボリュームが走査可能であるように照射ボリュームの遠位方向の大きさを決定する制御信号を出力する
   ことを特徴とする粒子線治療装置。
2. 設定装置が、ビーム案内光学系により粒子線の横方向の大きさを調整するための高エネルギービーム案内手段を有することを特徴とする請求項１記載の粒子線治療装置。
3. 設定装置が、照射ボリュームの遠位方向の大きさと横方向の大きさとの比を２に等しく又はそれより大きく設定するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の粒子線治療装置。
4. 設定装置が、照射ボリュームのビーム入射方向の大きさをターゲットボリュームの遠位方向の大きさの少なくとも１０％に設定するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の粒子線治療装置。
5. 調整装置が、デグレーダであることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の粒子線治療装置。
6. 走査装置が、ラスタ走査装置または揺動装置であることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の粒子線治療装置。
7. 粒子加速器が、１つの時間間隔内において複数のエネルギー層を照射するためのエネルギーを設定するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の粒子線治療装置。
8. 更に、異なるエネルギー層を時間的に連続して照射するためのエネルギー設定手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の粒子線治療装置。

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