JP5477736B2

JP5477736B2 - 粒子線照射装置

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Publication number: JP5477736B2
Application number: JP2009074731A
Authority: JP
Inventors: 卓司古川; 拓稲庭; 眞二佐藤; 敏之白井; 耕司野田
Original assignee: National Institute of Radiological Sciences
Current assignee: National Institute of Radiological Sciences
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-03-25
Also published as: JP2010220975A

Description

本発明は、医用工学、加速器科学に係り、より詳細には粒子線を照射対象に照射する粒子線照射装置に関する。

従来、粒子線を患者の患部にスポット的に照射するスキャニング照射法では、照射開始から照射終了までの間にビームＯＦＦ（照射を停止）することが次の２通りある。
第１に、ビームのエネルギを変える、すなわち違う照射深さに切り換えるスライス切り換え時であり、第２に、例えば呼気時のみビームの照射を行う呼吸同期照射時の呼吸同期ゲートＯＦＦの時（吸気時）である。
従来のスキャニング照射法では、ビームＯＦＦ中の線量モニタの出力も実際の線量による線量出力であるとして積算している。

特開２００６−８７６４９号公報

ところで、上述の線量の積算法では、ビームに起因するものでない線量モニタから生じる出力、すなわち線量出力でない所謂リーク電流も線量出力として積算してしまっている。
これを回避するためには、ビームＯＦＦ中は線量の積算を停止する必要がある。
しかしながら、ビームＯＦＦ中だからといって積算をしないことはできない。通常、この照射期間内のビームＯＦＦは、物理的にビームシャッタ（ビーム遮断体）をビームラインに挿入する等してビームを止めるわけではなく、加速器の出射機器を停止させる、若しくは、ビームを偏向させて照射装置および患者にビームを導かないようにするという方法が採られる。

このように、ビームＯＦＦ中と言えどもビームが出てきてしまい患者に照射される危険性が無いわけではないため、線量の積算は行う必要がある。もし加速器の出射機器の異常が起こり、ビームＯＦＦ中にビームが出てきてしまった場合は、インターロックを作動させ、各所に配置されたビームシャッタなどのビーム停止手段を全てビームが出ない設定とし、照射を中断する必要がある。また、このとき照射してしまった線量がどの程度かを記録し、臨床的に問題があるかないか等の判断材料とする必要がある。

以上の理由から、従来、リーク電流が相対的に無視できる程度にスポット線量を増やす必要がある、即ち総スポット数を少なくする必要があると考えられている。
そこで、リーク電流が無視できる程度に総スポット数を少なくし、かつビームＯＦＦ中でも照射量として積算している。
このように、リーク電流を実際の粒子線の出力と見誤って制御してしまうことにより、計画に対して線量不足の領域が生じてしまう。

また、上述の如く、リーク電流の影響を避けるために総スポット数を減少させてしまうと、スポットの分布が粗くなり精細な分布形成が出来なくなってしまうという現象が生じる。特に、照射領域における非照射領域に隣接する境界部である照射領域辺縁部などが問題である。
本発明は上記実状に鑑み、線量不足の領域が発生してしまうことを防ぎつつ、精細な線量分布形成を可能とする粒子線照射装置の提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明に関わる粒子線照射装置は、加速器から送られる粒子線を照射対象に照射する粒子線照射装置であって、前記照射対象に照射される粒子線の照射量を測定する線量モニタと、前記粒子線を前記照射対象に照射中の前記粒子線の線量を、前記線量モニタから送信される前記照射量の信号に基づいて、積算する第１のカウンタと、前記粒子線を前記照射対象に照射しないように設定される非照射時の意図せず前記照射対象に照射される前記粒子線の漏れ線量を、前記照射量の信号に基づいて、積算する第２のカウンタとを備え、前記第１のカウンタは、前記照射対象への前記粒子線の照射停止から所定時間、前記線量の積算を継続して前記所定時間の経過後に前記線量の積算を終了し、前記第２のカウンタは、前記照射対象への前記粒子線の照射停止から前記所定時間経過後より前記粒子線の漏れ線量の積算を開始している。

本発明によれば、線量不足の領域が発生してしまうことを防ぎつつ、精細な線量分布形成を可能とする粒子線照射装置を達成することが可能となる。

(ａ)は、本発明に関わる実施形態のスキャニング照射装置を示す構造概念図であり、(ｂ)は、実施形態のスキャニング照射装置の構成要素間の信号のやり取りを示す関係概念図である。実施形態のスキャニング照射の処理手順を示す図である。実施形態の治療計画から導かれる照射パラメータファイルの一例を示す図である。 (ａ)は、実施形態の通常時の線量モニタの経過時間(横軸)に対する出力(縦軸)を示す図であり、(ｂ)は、実施形態の通常時の線量カウンタの経過時間(横軸)に対する線量を積算する積算線量(縦軸)を示す図であり、(ｃ)は、実施形態の通常時の漏れ線量カウンタの経過時間(横軸)に対する積算線量 (縦軸)を示す図である。 (ａ)は、実施形態の漏れ線量に異常発生時の線量モニタの経過時間(横軸)に対する出力(縦軸)を示す図であり、(ｂ)は、実施形態の漏れ線量に異常発生時の線量カウンタの経過時間(横軸)に対する線量を積算する積算線量(縦軸)を示す図であり、(ｃ)は、実施形態の漏れ線量に異常発生時の漏れ線量カウンタの経過時間(横軸)に対する積算線量(縦軸)を示す図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１(ａ)は、スキャニング照射装置１を示す構造概念図であり、図１(ｂ)は、スキャニング照射装置１の構成要素間の信号のやり取りを示す関係概念図である。

＜スキャニング照射装置１の構成＞
実施形態のスキャニング照射装置(粒子線照射装置)１は、加速器６から供給される炭素の原子核等の細い粒子線のビームを三次元的にスキャンすることによって、患者Ｐの腫瘍部(照射対象)Ｐ１にスポット毎に照射する装置である。
図１(ａ)に示すスキャニング照射装置１は、加速器６から取り出された粒子線のビームｂ１の上下左右に配置されビームｂ１の水平(Ｘ)・鉛直(Ｙ)方向の位置を変更するビーム位置変更手段２と、ビームｂ１の照射量を測る線量モニタ３と、レンジシフタ(吸収体)を挿入することによりビームｂ１のエネルギを変化させるエネルギ変更手段４と、これらの各構成要素等を制御することで患者Ｐの腫瘍部Ｐ１に照射野形成を行うための制御装置５(図１(ｂ)参照)とを備え構成されている。

なお、制御装置５は、回路、ソフトウェア等で構成されている。
上記ビーム位置変更手段２は、例えば磁界によりビームｂ１の水平(Ｘ)・鉛直(Ｙ)方向の位置を変更するＸ・Ｙ方向用スキャニング電磁石２ａ、２ｂ(図１(ａ)参照)が用いられる。
上述のスキャニング照射装置１は、患者Ｐの腫瘍部Ｐ１の照射対象位置(スポット位置)においてビームｂ１のエネルギのピークが現れるように照射する。

図１(ｂ)に示す制御装置５には、腫瘍部Ｐ１へのビームｂ１の照射中に線量モニタ３で計測したビームｂ１の照射量(線量)を、線量モニタ３から送信される照射量を表す信号に基づき、積算する通常の照射線量カウンタ(第１のカウンタ)Ｃ１を設けている。
また、制御装置５には、通常の照射線量カウンタＣ１に加え、別途、腫瘍部Ｐ１へのビームｂ１の照射を行わないように設定される非照射時の腫瘍部Ｐ１への漏れ線量などの線量の測定エラーを防ぐことを目的に、ビームＯＦＦ時(非照射時)に線量モニタ３で計測した漏れ線量(照射量)(意図しない線量)を、線量モニタ３から送信される照射量を表す信号に基づき、積算する漏れ線量カウンタ(第２のカウンタ)Ｃ２を設けている。
また、制御装置５は、スキャニング照射の各種情報を記憶するためのＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Ｏnly memory)等の記憶部５ａを有している。

＜スキャニング照射装置１によるスキャニング照射の手順＞
次に、図１(ａ)に示すスキャニング照射装置１によるスキャニング照射の手順について、図２に従って説明する。
なお、図２は、スキャニング照射の処理手順を示す図であり、図３は、治療計画から導かれる照射パラメータファイルｆの一例を示す図である。
スキャニング照射装置１によるスキャニング照射は、前記したように、制御装置５の制御により、図２に示す手順に従って行われる。

照射に際しては、まず、治療計画からの照射パラメータファイルｆ(図３参照)を、図１(ｂ)に示す制御装置５の記憶部５ａに記憶しておく。
図３に示す照射パラメータファイルｆのスポットＮo．ｆ1は、スポット位置の番号を表し、Ｘｆ2は、ビームｂ１に垂直な面におけるＸ軸(水平)方向の座標(ｍｍ)を表し、Ｙｆ3は、ビームｂ１に垂直な面におけるＸ軸(水平)に垂直な軸であるＹ軸(鉛直)方向の座標(ｍｍ)を表している。また、照射パラメータファイルｆの照射量ｆ４は、各スポット位置の照射量(Ｓv／ｈ)を表し、エネルギｆ5は、各スポット位置の照射深さ(エネルギ)(ｅＶ)を表している。

スキャニング照射の手順は、以下の通り行われる。
図２を参照して、図２のＳ０において、制御装置５(図１(ｂ)参照)がビームＯＮ指令を加速器６に送り、照射を開始する。
続いて、図２のＳ１において、制御装置５が、治療計画に基づく照射パラメータファイルｆ(図３参照)のエネルギｆ5に従い、ビームｂ１の照射深さ、すなわちエネルギを加速器６(図１(ｂ)参照)、エネルギ変更手段４を用いて設定する。

続いて、図２のＳ２において、制御装置５が、治療計画に基づく照射パラメータファイルｆ(図３参照)のＸ(ｆ2)、Ｙ(ｆ3)の座標値に従い、ビーム位置変更手段２(図１(ａ)参照)であるＸ・Ｙ方向用スキャニング電磁石２ａ、２ｂによって、スキャニング照射するスポット位置を設定する。

続いて、図２のＳ３において、制御装置５が加速器６等に信号を送り、患者Ｐの腫瘍部(照射対象)Ｐ１に対してビームｂ１のスキャニング照射を行う。ここで、ビームｂ１の照射中は、線量モニタ３(図１(ａ)参照)でビームｂ１の照射量を測り、線量モニタ３からの照射量を表す信号の出力が制御装置５の照射線量カウンタＣ１(図１(ｂ)参照)に入力(送信)され、照射線量カウンタＣ１でその線量(照射量)が積算される。
ここで、照射線量カウンタＣ１の積算値(積算線量)は、制御装置５において、各スポット位置毎(図３に示す照射パラメータファイルｆの各Ｘ(ｆ2)の座標、Ｙ(ｆ3)の座標の位置毎)に取得される。

続いて、図２のＳ４において、制御装置５において、照射線量カウンタＣ１の積算値から、治療計画に基づく照射パラメータファイルｆ(図３参照)の照射量ｆ４が、1スポット目(スポットＮo．(ｆ1)が１に相当)の照射量に到達した（スポット満了）か否か判定される。
スキャニング照射の線量が照射パラメータファイルｆの照射量ｆ４に到達していないと判定した場合(図２のＳ４でＮo)には、図２のＳ４において、ビームｂ１の照射を継続しつつ、制御装置５が照射量(線量)が照射パラメータファイルｆの照射量ｆ４に到達したか否かの判定を継続する。

一方、図２のＳ４において、スキャニング照射の線量が照射パラメータファイルｆの照射量ｆ４に到達したと判定した場合(図２のＳ４でＹes)には、図２のＳ５において、制御装置５が、次のスポット位置を照射パラメータファイルｆのＸ(ｆ2)座標、Ｙ(ｆ3)座標によって取得し、移動指令を図１(ａ)に示すビーム位置変更手段２であるＸ・Ｙ方向用スキャニング電磁石２ａ、２ｂに送り、ビーム位置を変更し、スポット位置切換えを行う。これと同時に、各スポット位置の照射量が満了になると、次のスポットの照射量積算が照射線量カウンタＣ１で開始される(後記の図４(ｂ)、図５(ｂ)参照)。なお、図２のＳ５において、照射パラメータファイルｆのＸ(ｆ2)座標、Ｙ(ｆ3)座標が終わり、ビーム位置の変更が行えない場合、何も行わず、図２のＳ６に移行する。

続いて、図２のＳ６において、制御装置５において、照射パラメータファイルｆ(図３参照)に基づき、そのスライス(同エネルギの照射面)が終了したか、すなわち、そのエネルギ(図３のエネルギｆ5参照)の最後のスポットが満了になったか否か判定される。
スライスが終了しない場合(図２のＳ６でＮo)には、図２のＳ４に移行する。
これを順次繰り返し、そのエネルギの最後のスポットが満了になったと判定された場合(図２のＳ６でＹes)には、図２のＳ７において、スライス満了として、制御装置５の制御により、ビームＯＦＦを行う。

続いて、図２のＳ８において、現在のスライスが最終スライス(最終エネルギ)(図３のエネルギｆ5参照)か否かが判定される。
現在のスライスが最終スライスでないと判定された場合(図２のＳ８でＮo)には、図２のＳ１において、制御装置５が照射パラメータファイルｆ(図３参照)のエネルギｆ5に従い、加速器６(図１(ｂ)参照)、エネルギ変更手段４に変更指令を送り、スポット照射のエネルギを変更し、図２のＳ２以下を繰り返す。
一方、図２のＳ８において、現在のスライスが最終スライスであると判定された場合(図２のＳ８でＹes)には、照射を終了する。
以上が図２に示すスキャニング照射の手順であり、照射対象の腫瘍部Ｐ１に照射野形成が実現される。

＜漏れ線量を含む線量の計測＞
次に、図１(ａ)に示すスキャニング照射装置１における照射対象(腫瘍部Ｐ１)へのビーム(ｂ１)照射時の線量および照射対象へビームｂ１を照射しない非照射時の漏れ線量の計測について説明する。
スキャニング照射装置１では、ビームｂ１照射時の線量を、通常の照射中の線量を積算する図１(ｂ)に示す照射線量カウンタＣ１で積算する一方、ビームｂ１を照射対象(腫瘍部Ｐ１)に照射しない非照射時の漏れ線量を、図１(ｂ)に示す漏れ線量カウンタＣ２で積算することとしている。このように、これら二つのカウンタＣ１、Ｃ２をビーム(ｂ１)照射時と非照射時との時間で使い分けることで、より正確な漏れ線量(意図しない線量)を取得することとしている。

図２に示すＳ０の照射開始から照射終了までの間にビームｂ１をＯＦＦする(ビームｂ１を照射対象(腫瘍部Ｐ１)に照射しない)ことがある。それは、次の２つのケースであり、第１に、図２に示すＳ１のスライス選択(エネルギ切換え設定)時、第２に、呼吸同期照射時の呼吸同期ゲートがＯＦＦの時(例えば、呼気時に照射が行われるので、吸気時がＯＦＦの時)である。

図４(ａ)は、線量モニタ３の経過時間(横軸)に対する通常のビームｂ１の照射時の出力(縦軸)を示す図であり、図４(ｂ)は、照射線量カウンタＣ１の経過時間(横軸)に対する通常の照射対象(腫瘍部Ｐ１)にビームｂ１を照射中の線量を積算した積算線量(縦軸)を示す図であり、図４(ｃ)は、通常の照射対象(腫瘍部Ｐ１)に照射しない非照射時の漏れ線量カウンタＣ２の経過時間(横軸)に対する線量を積算した積算線量(縦軸)を示す図である。

図１(ａ)に示すビームｂ１の照射時には、図１(ｂ)に示す制御装置５から加速器６にビームＯＮの指令がなされ、図４(ａ)に示すように、線量モニタ３の出力がプラスとなる。
一方、ビームｂ１の非照射時(照射対象の腫瘍部Ｐ１にビームｂ１を照射しない時)には、図１(ｂ)に示す制御装置５から加速器６にビームＯＦＦの指令がなされ、図４(ａ)に示すように、線量モニタ３の出力がゼロとなる。例えば、図２に示すＳ１のスライス選択(切換え)(エネルギ切換え設定)時、若しくは、呼吸同期照射の吸気時などに、制御装置５から加速器６にビームＯＦＦ信号を送信する(図４(ａ)に示す時刻ｔ1)。

ここで、図４(ａ)に示すように、送信後(例えば、時刻ｔ１後)ある程度の時間照射が続くので、図４(ｂ)に示すように、遅延時間であるディレイｄ１の間は照射線量カウンタＣ１で線量の積算を行い、ディレイｄ１の後に、図４(ｃ)に示すように、漏れ線量カウンタＣ２を用いて線量モニタ３からの信号を積算するようにしている。
このディレイｄ１の幅（時間）は加速器６の性能、即ちビーム遮断時間に応じて定める。通常は、約１ｍｓ(ミリ秒)程度以下である。このようなディレイｄ１を設けることでより、照射線量カウンタＣ１、漏れ線量カウンタＣ２を用いて、それぞれより正確な線量の測定が可能になる。

図４(ｃ)に示すように、漏れ線量カウンタＣ２では、このディレイｄ１の後の時刻ｔ２より、線量モニタ３からの照射量を表す信号から、次のビームＯＮ(時刻ｔ３)までの期間(時刻ｔ２〜ｔ３の間)、線量(照射量)を積算する。
その後、時刻ｔ３において、制御装置５(図１(ｂ)参照)が加速器６にビームＯＮ信号を送信すると、図４(ａ)に示すように、照射が開始(図４(ａ)に示す時刻ｔ３)されるので、図４(ｃ)に示すように、漏れ線量カウンタＣ２での線量の積算を停止する一方、図４(ｂ)に示すように、通常の線量を積算する照射線量カウンタＣ１にて線量を積算する。

通常、図４(ｃ)に示す漏れ線量カウンタＣ２の積算線量は、線量モニタ３からのリーク電流による信号の積算値である。
そこで、このリーク電流による信号の積算値を事前に測定しておき制御装置５の記憶部５ａに記憶しておき、該リーク電流による信号の積算値に対して有意に、図４(ｃ)に示す漏れ線量カウンタＣ２の積算線量が増えた場合は、ビーム出射機器などの異常であると判断して、制御装置５がインターロック信号を出力し、インターロックを作動する制御を行う。

図５(ａ)は、漏れ線量に異常が発生した場合の経過時間(横軸)に対する線量モニタ３の出力(縦軸)を示す図であり、図５(ｂ)は、漏れ線量に異常が発生した場合の照射線量カウンタＣ１の経過時間(横軸)に対する照射対象(腫瘍部Ｐ１)にビーム照射中の線量を積算した積算線量(縦軸)を示す図であり、図５(ｃ)は、漏れ線量に異常が発生した場合の漏れ線量カウンタＣ２の経過時間(横軸)に対する積算線量(縦軸)を示す図である。

図５(ａ)に示す時刻ｔ５において、制御装置５(図１(ｂ)参照)から加速器６にビームＯＦＦ信号が送信され、加速器６からの照射が停止される。
図５(ｃ)に示すように、時刻ｔ５からのディレイｄ２の後、時刻ｔ６から漏れ線量カウンタＣ２で線量モニタ３からの信号が積算される。

制御装置５の記憶部５ａには、制御装置５がインターロックを作動する場合の異常判定基準の積算線量値が記憶されている。図５(ｃ)に示すように、漏れ線量カウンタＣ２での積算線量が、この異常判定基準の積算線量値に達した場合(図５(ａ)に示す線量モニタ３の出力(照射量)ｓ１が大きく計測される場合)、制御装置５が、インターロック信号発生器(図示せず)によってインターロック信号を出力し、インターロックを作動させ、スキャニング照射装置１の各所に配置されたビーム停止手段（ビームシャッターなど）を全てビームが出ない設定としたり、加速器６からの粒子線の取り出しを止める等して、ビームｂ１の照射(図１(ａ)参照)を中断する。

また、この漏れ線量カウンタＣ２での積算線量は、通常の線量積算の照射線量カウンタＣ１と同様に、制御装置５の記憶部５ａに記録として残すようにしておく。この記録は、ビーム照射の異常発生時以外には必要がないが、上述のようなビーム照射の異常発生時には誤照射の程度(線量)を判断するために有用である。

＜効果＞
上記構成によれば、線量不足の領域が発生してしまうことを防ぎつつ、照射対象に対して精細な線量分布形成が可能となる。また、照射対象へのビームｂ１の照射時の線量を計る通常の線量積算の照射線量カウンタＣ１と、照射対象へビームｂ１を照射しない非照射時の漏れ線量を計る漏れ線量カウンタＣ２との２つのカウンタを備えるので、１つのカウンタの場合に比較してカウンタの故障の確率が低減でき、信頼性の向上が可能である。

１スキャニング照射装置(粒子線照射装置)
３線量モニタ
５ａ記憶部
６加速器
ｂ１ビーム(粒子線)
Ｃ１照射線量カウンタ(第１のカウンタ)
Ｃ２漏れ線量カウンタ(第２のカウンタ)
ｄ１ディレイ(所定時間)
ｄ２ディレイ(所定時間)
Ｐ１腫瘍部(照射対象)

Claims

加速器から送られる粒子線を照射対象に照射する粒子線照射装置であって、
前記照射対象に照射される粒子線の照射量を測定する線量モニタと、
前記粒子線を前記照射対象に照射中の前記粒子線の線量を、前記線量モニタから送信される前記照射量の信号に基づいて、積算する第１のカウンタと、
前記粒子線を前記照射対象に照射しないように設定される非照射時の意図せず前記照射対象に照射される前記粒子線の漏れ線量を、前記照射量の信号に基づいて、積算する第２のカウンタとを
備え、
前記第１のカウンタは、前記照射対象への前記粒子線の照射停止から所定時間、前記線量の積算を継続して前記所定時間の経過後に前記線量の積算を終了し、
前記第２のカウンタは、前記照射対象への前記粒子線の照射停止から前記所定時間経過後より前記粒子線の漏れ線量の積算を開始する
ことを特徴とする粒子線照射装置。
前記第２のカウンタにより積算される前記非照射時の漏れ線量が所定の異常判定量を超えた場合、インターロックを作動させて、前記照射対象に対しての前記粒子線の照射を遮断する制御を行う制御部を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射装置。
前記所定の異常判定量は、予め測定された前記非照射時の前記第２のカウンタに入力されるリーク電流を差し引いた量である
ことを特徴とする請求項２に記載の粒子線照射装置。
前記第２のカウンタで積算される前記漏れ線量は、記憶部に記憶される
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか一項に記載の粒子線照射装置。