JP5579266B2 - 粒子線照射システムおよび粒子線照射システムの制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、粒子線を照射して癌の治療を行うなど粒子線を応用する粒子線照射システムに関するものである。

放射線の応用の一つに癌の治療があり、最近、陽子線や炭素線などの重粒子線を癌細胞に照射して治療する粒子線治療が注目されている。図１４〜１６を用いて、粒子線を照射して癌細胞を死滅させる粒子線照射の特性を説明する。各種の放射線ビームをペンシルビームと呼ばれる細い径のビームで人の体に照射した場合、その放射線ビームの体内における線量分布は図１４に示すように変化する。図１４に示すように、各種放射線の中、Ｘ線、ガンマ線などの質量の小さな放射線ビームは、体の表面に近い部分で相対線量が最大となり、体の表面からの深さが増加するとともにその相対線量は低下する。一方、陽子線、炭素線などの質量の大きな粒子線ビームは体の表面から深い部分で、それらのビームが止まる位置、すなわちその粒子線ビームの飛程の直前に相対線量がピーク値となる。このピーク値は、ブラッグピークＢＰ（Bragg Peak）と呼ばれる。

このブラッグピークＢＰを、人の臓器にできた腫瘍に照射して、癌の治療を行なうのが粒子線癌治療方法である。癌以外にも、体の深い部分を治療する場合にも用いることができる。腫瘍を含む被治療部位は、一般には照射目標（ＴＶ）と呼ばれる。ブラックピークＢＰの位置は、照射される粒子線ビームのエネルギーで決まり、エネルギーの高い粒子線ビームほどブラッグピークＢＰは深い位置にできる。粒子線治療では、粒子線ビームを照射すべき照射目標の全体に一様な線量分布とする必要があり、このブラッグピークＢＰを照射目標の全域に与えるために、粒子線の「照射野（照射フィールド）の拡大」が行なわれる。

この「照射野の拡大」は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３つの方向において実施される。粒子線ビームの照射方向をＺ軸の方向としたとき、「照射野の拡大」は、第１にこのＺ軸方向で行われる。この放射線ビームの照射方向における「照射野の拡大」は、通常深さ方向の照射野拡大と呼ばれる。第２の「照射野の拡大」は、Ｘ軸およびＹ軸方向において照射野拡大を行なうもので、深さ方向と直交する横方向において照射野拡大を行なうので、通常横方向の照射野拡大と呼ばれる。

深さ方向の照射野拡大は、粒子線ビームの照射方向におけるブラッグピークＢＰの幅が、照射目標の深さ方向における拡がりに比べて狭いために、粒子線ビームの照射方向におけるブラッグピークＢＰを、深さの方向に拡大するために行なわれる。一方、横方向の照射野拡大は、粒子線ビームの径が、その照射方向と直交する方向における照射目標の寸法よりも小さいために、ブラッグピークＢＰをその照射方向と直交する方向に拡大するために行なわれる。これらの深さ方向の照射野拡大と、横方向の照射野拡大の方法について、現在までに種々の方法が提案されている。最近注目されている方法として、スポットスキャニング照射法（Spot Scanning Technique）がある。

スポットスキャニング照射法では、横方向照射野拡大法として、粒子線照射装置の粒子線照射部の上流部分に設けられた偏向電磁石を用いて粒子線ビームをＸＹ面内で走査し、その粒子線ビームの照射位置を時間とともに移動させることにより、広い照射野を得る方法を用いる。この方法では、一様な線量分布は、細い径のペンシルビームの隣り合う照射スポットを適切に重ね合わせることにより得ることができる。ペンシルビームの走査方法として、時間に対して連続的に走査するラスター法、時間に対してステップ状に走査するスポット法がある。

深さ方向の照射野拡大法としては、粒子線照射装置から照射される粒子線ビーム自体のエネルギーを制御する方法が用いられる。この方法では、粒子線ビームのエネルギーは、粒子線を加速する加速器の加速エネルギーを変えることにより制御されるか、またはレンジシフタ（Range shifter）と呼ばれる器具を、粒子線ビームを横切るように挿入することにより、粒子線ビームのエネルギーを変化させる。またこれらの加速器の制御と、レンジシフタを併用する方法もある。

この深さ方向の照射野拡大法では、その粒子線ビームを所定の強さのエネルギーを持ったビームとして、照射目標ＴＶの１つの照射層に一様な線量でそのブラッグピークＢＰを照射した後に、粒子線ビームのエネルギーを変化させて、照射目標ＴＶの次の照射層にブラッグピークＢＰを照射する。このような操作を複数回繰返し、複数の照射層に粒子線ビームのブラッグピークＢＰを照射することにより、ビーム照射方向に所望の幅を持った拡大ブラッグピークＳＯＢＰを得ることができる。この深さ方向のアクティブな照射野拡大法は、粒子線ビームをＸ、Ｙ軸方向に移動させずに一定の照射位置に固定した状態で、その粒子線ビームのエネルギーを変化させる方法である。

所望の幅を持った拡大ブラッグピークＳＯＢＰを得るためには、照射目標ＴＶの照射層毎の線量を適正に調整することが必要である。この照射層毎の線量分布の一例を図１５に示す。図１５において、縦軸は相対線量、横軸は体内の深さである。破線で示す複数の曲線の一つ一つが、エネルギーが異なるビームを照射した場合の、各エネルギーでの深さ方向の線量分布、すなわち照射層毎の線量分布である。これら照射層毎の線量を積算したものが深さ方向に与えられる線量となり、図１５の実線の曲線で示している。この曲線が、上記の照射野拡大法により得られた拡大ブラッグピークである。
以上の横方向の照射野拡大法と深さ方向の照射野拡大法とを組み合わせた粒子線の照射方法が、スポットスキャニング照射法（Spot Scanning Technique）である。

一方、癌治療においては、正常細胞に影響を与えないようにして癌細胞を消失させる必要がある。図１６にその様子を示す。図１６の横軸は粒子線の線量であり、点線が線量に対する腫瘍細胞が死滅消失する率、一点鎖線が線量に対する正常細胞の副作用率を示している。治療においては、腫瘍細胞の消失率を高く、正常細胞の副作用率を小さくする必要がある。差が最も大きくなる線量（図１６において至適線量として示す線量）で治癒率が最大となる。また、治療領域の外部には正常細胞が存在するため、治療領域外の線量ができるだけ小さくなるように照射する必要がある。すなわち、境界領域における線量分布を急峻な分布にする必要がある。スポットスキャニング照射法において、境界領域での線量分布をより急峻にするため、境界領域で照射する粒子線ビームのスポットサイズ（ビーム径）を小さくする技術が提案されている（例えば特許文献１）。

また、患者の呼吸によって患部の位置が動くことによる照射のずれを補償するため、各照射層においても時間的に分割して同一のスポット位置において複数回照射する方法が提案されている（例えば特許文献２ 図１１）。さらに特許文献２においては、呼吸による患部の動き考慮して呼吸位相に同期して照射線量を制御する技術も提案されている。

特開２００１−２１２２５３号公報（図５、図６） 国際公開 ＷＯ２００６／０８２６５１号（図１１）

特許文献１の照射方法では、異なるビーム径で照射する領域を分けており、異なるビーム径で照射する領域の境界が生じるため、境界の部分では異なるビーム径のスポット配置が難しい。
本発明は、これらの課題を解決することを目的とし、スポットスキャニング照射法による粒子線照射システムにおいて、照射時間の増加を抑えつつ、ビームの配置が簡単で、より精度の高い線量分布を与えることを目的とする。

この発明の粒子線照射システムは、粒子線発生部と、この粒子線発生部で発生された荷電粒子ビームを照射目標に照射する粒子線照射部と、照射する荷電粒子ビームを制御する照射制御部とを有し、粒子線照射部は、荷電粒子ビームの照射方向に直交する横方向の２次元に荷電粒子ビームを走査するビーム走査器と荷電粒子ビームのビーム径を変更するビーム径変更器を備え、照射制御部は、荷電粒子ビームのエネルギーを設定するエネルギー設定制御器と、ビーム走査器を制御するビーム走査制御器と、ビーム径変更器を制御するビーム径制御器とを備え、照射制御部は、ビーム径制御器により荷電粒子ビームのビーム径を第一のビーム径に設定したとき、ビーム走査制御器により荷電粒子ビームをステップ状に走査して照射目標の横方向の全領域に荷電粒子ビームを照射し、ビーム径制御器により荷電粒子ビームのビーム径を第一のビーム径よりも小さい第二のビーム径に設定したとき、ビーム走査制御器により荷電粒子ビームをステップ状に走査して照射目標の横方向の一部の領域に荷電粒子ビームを照射するよう制御するものである。

照射目標の全体を大きいビーム径で照射するとともに、一部の領域を小さいビーム径でも照射するようにしたので、異なるビーム径で照射する領域の境界が無いためビームの配置が簡単で、２回以上照射した領域では、より精度の高い線量分布を与えることができる。また、大線量を与える領域のみ２回以上照射するようにしたので、照射時間を短く保つことができる。

本発明を適用する粒子線照射システムの概略全体構成の一例を示す鳥瞰図である。 本発明の実施の形態１による粒子線照射システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による粒子線照射システムの照射ノズルの具体的構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による粒子線照射システムの制御方法を説明する模式図である。 本発明の実施の形態１による粒子線照射システムの制御方法で照射した照射線量を説明する図である。 本発明の実施の形態２による粒子線照射システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２による粒子線照射システムの動作を示す線図である。 本発明の実施の形態３による粒子線照射システムの制御方法で照射した照射線量を説明する図である。 本発明の実施の形態３による粒子線照射システムの制御方法で照射した効果を説明する図である。 本発明の実施の形態４による粒子線照射システムの制御方法を説明する模式図である。 本発明の実施の形態５による粒子線照射システムのビーム径変更器の一例を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態６による粒子線照射システムのエネルギー変更装置を用いた照射ノズルの構成を示すブロック図である。 図１２のエネルギー変更装置を用いた本発明の実施の形態６による粒子線照射システムの照射ノズルの構成を示すブロック図である。 各種の放射線ビームを人の体に照射した場合の放射線ビームの体内における線量分布を示す図である。 粒子線の照射層毎の線量分布と深さ方向の線量分布の一例を示す図である。 粒子線の照射線量に対して腫瘍細胞が死滅消失する率、正常細胞の副作用率、治癒率を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による粒子線照射システムの概略全体構成を示す鳥瞰図、図２は図１の鳥瞰図の全体構成に制御装置などを加えて示す実施の形態１による粒子線照射システムの概略全体構成のブロック図である。実施の形態１による粒子線照射システムは、図１および図２に示すように、粒子線発生部１０と、粒子線輸送部２０と、２つの粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂなどを備えている。放射線安全管理などの運用上の都合から粒子線発生部１０と、粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂとは、遮蔽された個別の部屋に設置される。粒子線輸送部２０は、粒子線発生部１０と、各粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂとを連結する。粒子線輸送部２０は、粒子線発生部１０で発生した粒子線ビームを粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂのそれぞれに輸送する粒子線輸送路２１、２２を有する。粒子線輸送部２０は、粒子線ビームの方向を変えるための偏向電磁石５０を備え、真空ダクト内を粒子線ビームが通過するように構成される。粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂは、粒子線ビームＰＢを患者の目標部位ＴＶへ照射するように構成される。

粒子線発生部１０は、イオン源１１と加速器１２を有する。イオン源１１は、陽子線または炭素線などの質量の大きな粒子線を発生する。加速器１２は、イオン源１１で発生した粒子線を加速し、粒子線ビームＰＢを形成する。この加速器１２には、照射制御部１３に備えられたエネルギー設定制御器１４が電気的に接続される。このエネルギー設定制御器１４は、加速器１２にエネルギー制御信号を供給し、加速エネルギーを設定して加速器１２から出射される粒子線ビームＰＢのエネルギーを設定し制御するもので、深さ方向の照射野拡大、すなわち粒子線の深さ方向の照射位置を制御することになる。このエネルギー設定制御器１４は、通常、治療計画装置５００から受け取るデータにより粒子線のエネルギーを設定するもので、深さ方向に互いに異なる飛程の複数の照射層を重ね合わせる制御を行なう。複数の照射層毎に、粒子線ビームのエネルギーを変化させ、粒子線ビームＰＢの照射方向、すなわちＺ軸方向に拡大ブラッグピークＳＯＢＰを形成する。照射制御部１３は、ビーム径制御器１５を有しており、照射ノズル３１にビーム径を制御する信号を送出する。また、照射制御部１３は、ビーム走査制御器１６を有しており、照射ノズルにビームを走査する信号を送出する。

粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂは、それぞれ治療室１、治療室２を構成する。２つの粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂは、それぞれ照射ノズル３１、治療台３２、および位置決め装置３３を有する。治療台３２は患者を仰臥位または座位の状態に保持するのに使用され、位置決め装置３３は、Ｘ線装置などにより患部臓器の位置を確認するのに使用される。照射ノズル３１は、粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂに輸送された粒子線ビームＰＢを治療台３２上の患者の照射目標に向けて照射する。

図３は、実施の形態１における各粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂの照射ノズル３１の具体的構成を示す。この図３に示す照射ノズルは符号３１で示される。図３に示す照射ノズル３１は、粒子線ビームＰＢのビーム径を変化させるためのビーム径変更器４０を備える。ここではビーム径変更器として、粒子線ビームのビーム径を変更するためにしばしば用いられる四極電磁石を用いている。このビーム径変更器４０は、照射制御部１３のビーム径制御部からの信号により制御され粒子線ビームＰＢのビーム径を変化させる。また、照射ノズル３１は、ビーム径変更後の粒子線ビームＰＢを横方向、すなわち粒子線ビームＰＢの照射方向と直交するＸ、Ｙ面で走査する走査用偏向電磁石４１ａ、４１ｂ、粒子線ビームＰＢの照射位置をモニタするビーム位置モニタ４２ａ、４２ｂ、粒子線ビームＰＢの照射線量をモニタする線量モニタ４３を有する。

図３の矢印ＰＢは、粒子線ビームＰＢの照射方向を示す。走査用偏向電磁石４１ａ、４１ｂは、照射方向に互いに隣接して配置されている。ビーム位置モニタ４２ａ、４２ｂは、照射方向に間隔をおいて配置され、このビーム位置モニタ４２ａ、４２ｂの間の、ビーム位置モニタ４２ｂの近くに線量モニタ４３が配置される。

図３に示す走査用偏向電磁石４１ａ、４１ｂは、粒子線ビームＰＢに対して、そのブラッグピークＢＰを照射方向と直交する横方向に拡大する横方向のアクティブな照射野拡大部（ビーム走査器とも呼ぶ）４１を構成する。このビーム走査器４１は、粒子線ビームＰＢの照射方向に直交する横方向、すなわちＸ軸、Ｙ軸方向に拡大ＳＯＢＰを形成する。具体的には、粒子線ビームＰＢを横方向、すなわちＸＹ面で走査し、その照射スポットを横方向に重ね合わせ、ＸＹ面で拡大ＳＯＢＰを形成する。以上のビーム走査器４１は、図２に示す照射制御部１３に備えられたビーム走査制御器１６により制御される。

本発明においては、ある粒子線エネルギーにおける照射、すなわち一つの照射層における照射を複数の異なるビーム径で行う。図４、図５に基づいて説明する。図４（Ａ）は照射目標ＴＶを模式的に示したもので、ここでは半球状の照射目標ＴＶを想定している。最深層ＴＶｄはこの半球状の照射目標ＴＶの表面部分（境界部分）となる。この半球状の照射目標の全領域に対して、深さ方向（Ｚ軸方向）は粒子線エネルギーを変えることによる照射野拡大により、横方向（Ｘ軸−Ｙ軸方向）はビーム走査器４１により粒子線ビームを走査することによる照射野拡大により、粒子線ビームの線量を与える。図４（Ａ）においてＺｉで示す層は、ある粒子線エネルギーＥｉで照射する照射層を示し、粒子線エネルギーをＥｉより小さいＥi+1に変えて照射した照射層をＺi+1で示している。以下、ある粒子線エネルギーＥｉにより、図４（Ａ）に示すＺｉの層を照射する場合を例にとって説明する。図４（Ｂ）および（Ｃ）は、粒子線エネルギーＥｉによってＺｉ層を照射する、本発明によるスポットスキャニング照射法の粒子線ビームＰＢの照射方法を示す図である。図４（Ｂ）、（Ｃ）において、小さな複数の円Ｓ１、Ｓ２は、粒子線ビームＰＢの径に対応する照射スポットを示す。実際は、これらの照射スポットは互いに隣接する照射スポットが互いに一部で重なり合うようにして走査されるが、図を簡単にするため、重ね合わせが無い状態で示している。

また、図４（Ｂ）および（Ｃ）では、粒子線ビームＰＢに対する横方向のＸ軸がＸ−Ｘ線で、またそのＹ軸がＹ−Ｙ線でそれぞれ表わされる。図４（Ａ）に示す照射目標ＴＶの最深層ＴＶｄが、図４（Ｂ）および（Ｃ）では大きな円ＴＶｄで示されており、この円ＴＶｄの内部およびこの円ＴＶｄに一部が重なる複数の照射スポットが実線の小さな円Ｓ１、Ｓ２として示されている。

図４（Ｂ）の照射スポットＳ１と図４（Ｃ）の照射スポットＳ２とは照射する粒子線ビームのビーム径が異なっており、図４（Ｃ）の照射スポットＳ２は図４（Ｂ）の照射スポットＳ１よりも小さな径になっている。まずビーム径変更器４０により、ビーム径を図４（Ｂ）の照射スポットＳ１の径に設定する。このビーム径の粒子線ビームで、各スポット位置において、例えば線量モニタ４３により目標の照射線量になるまで照射する。スポット位置はビーム走査器４１により粒子線ビームＰＢを走査することにより移動させる。すなわち、あるスポット位置で目標の照射線量まで粒子線ビームを照射し、目標の線量に達した後、走査用偏向電磁石４１ａや走査用偏向電磁石４１ｂの励磁電流を変化させて、照射スポットＳ１を隣のスポット位置に移動させ、そのスポット位置での目標の照射線量になるまで粒子線ビームを照射する。この動作を繰り返し、図４（Ａ）のＺｉ層の全領域、すなわち図４（Ｂ）の小さい円で示す全スポット位置で照射スポットＳ１の径の粒子線ビームを照射する。

照射スポットＳ１によるＺｉ層の照射が終了した後、ビーム径変更器４０により、ビーム径を図４（Ｃ）の小さい円で示す照射スポットＳ２の径に変更する。照射スポットＳ２の径は照射スポットＳ１の径よりも小さい径に設定する。この照射スポットＳ２による照射は、図４（Ｃ）の小さい円で示すように、Ｚｉ層が最深層となる、Ｚｉ層の周辺部においてのみ行う。

以上の、照射スポットＳ１と照射スポットＳ２により照射した合計の線量の分布を図５に示す。図５は図４（Ｂ）や（Ｃ）のＺｉ層におけるＡ−Ａ線上の線量分布を示している。図５において、横軸はＡ−Ａ線上の位置、縦軸はその位置での照射線量を示す。図５のように、照射スポットＳ１による照射線量（単位面積当たり）は大きく変えずに、すなわちＺｉ層における最深層以外の部分に必要な線量程度を、最深層部分（周辺部分）を含めて照射する。照射スポットＳ２による照射では、Ｚｉ層における最深層部分のみで、照射スポットＳ１による照射と合わせた全線量がその部分に必要な線量となるような線量で照射する。結果、図５に示すように、最深層となる周辺部分で大線量が照射されることになる。また、この周辺部分は小さなスポット径である照射スポットＳ２による線量が多くなるため、より詳細な線量分布を形成することができる。

照射により図５のような分布を形成するのは、スポットスキャン照射法により深さ方向の照射野拡大を粒子線エネルギーを変えて行う場合、図１５のような照射を行う必要があるからである。すなわち、ある照射層においてその層が最深層になる部分は、図１５の一番右側の破線で示す線量、すなわち最大線量を照射し、その他の部分は、最深層の線量の数分の１あるいはそれ以下の線量を照射することにより深さ方向の照射野拡大を行う。また、照射目標ＴＶの最深層ＴＶｄの外側は正常細胞であるから、その部分の線量をできるだけ抑える必要がある。最深層ＴＶｄ付近は、より詳細な線量分布を形成できる小さなスポット径の照射スポットで図４（Ｃ）のような照射を行って、図５のような線量分布を形成することで、最深層ＴＶｄの直ぐ外側の線量分布を抑えることができる。小さなスポット径で照射を行うことで、特に、境界が複雑な形状の場合、および粒子線に敏感な正常細胞が近くにある場合などにおいても、より詳細な線量分布を作ることができるため、ＴＶｄの輪郭により忠実に照射することができる。

また、大きなビーム径の照射スポットＳ１でＺｉ層の全領域を照射し、小さなビーム径の照射スポットＳ２で周辺部を再度照射するため、特許文献１による照射方法で生じていた大きなビーム径の照射領域と小さなビーム径での照射領域の境界が生じない。特許文献１による照射方法では、大きなビーム径で照射した領域を避けて小さなビーム径で照射するスポットの配置を行う必要があるが、本発明の方法では、小さなビーム径で照射するスポットの配置は、大きなビーム径で照射するスポットの配置と無関係に配置できるため、小さなビーム径のスポットの配置が簡単となる。ここでは半球という理想化された形状について考察したため、最深層に相当するスポットが体積の外側にのみ発生する例となっているが、実際には、ある断面において照射領域の内側にも最深層に相当するスポットが必要になる場合がある。たとえば、半球の最下部、すなわち“南極”あたりが窪んでいる場合はそのようなことが起きる。なお、上記では先に大きなビーム径Ｓ１で照射し、後で小さなビーム径Ｓ２で照射するようにしたが、照射の順番は逆でも良く、小さなビーム径Ｓ２の照射、すなわち図４（Ｃ）の照射を先に、大きなビーム径Ｓ１の照射、すなわち図４（Ｂ）の照射を後で行うようにしても、効果は全く同様である。

実施の形態２．
次にこの発明の実施の形態２について説明する。この実施の形態２は、患者の呼吸測定または照射目標の位置検出を行ない、これらの呼吸測定または照射目標の位置検出に基づき、患者の呼吸判定を行ない、呼吸位相に同期して粒子線ビームの照射を行うようにしたものである。患者の呼吸により、照射目標の位置が変化するため、粒子線ビームの照射位置が変化し、照射精度が低下する。特に、最深層になる部分は、正常細胞と患部との境界層であり、最深層は付与線量も高いため、最深層の照射は照射精度の低下により正常細胞の照射線量を増加させる恐れがある。このため、特に最深層での照射は照射精度が要求される。したがって、この実施の形態２の粒子線照射システムでは、実施の形態１における小さなスポット径での照射を、呼吸位相に同期して、照射目標の位置の変化が少ない呼吸位相において照射するようにしたものである。

図６にこの発明の実施の形態２による粒子線照射システムのブロック図を示す。この図６に示す粒子線発生部１０および粒子線輸送部２０は、図２に示したものと同じである。粒子線照射部３０は、図２の粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂを含む。この粒子線照射部３０は照射ノズル３１を有し、この照射ノズル３１には、図３に示す実施の形態１で使用した照射ノズル３１が使用される。

呼吸測定部７１は、患者７０の呼吸を測定して呼吸信号ＢＳを出力するものであり、従来の粒子線照射システムまたはＸ線ＣＴで使用されているものを使用することができる。この呼吸測定部７１には、患者７０の腹部または胸部に発光ダイオード（ＬＥＤ）を取付け、この発光ダイオードの発光位置の変位により呼吸を測定する方法、反射装置を用いレーザ光線により体の変位を測定する方法、患者の腹部に伸縮型抵抗を取付けてその電気特性の変化を測定する方法、患者の７０の呼吸する息を直接計測する方法などを用いることができる。

照射目標位置検出部７３は、患者７０内の照射目標ＴＶの位置を検出して呼吸信号ＢＳを出力するものである。この照射目標位置検出部７３としては、Ｘ線源７３１、７３２と、これらに対応するＸ線画像取得装置７４１、７４２を使用する。Ｘ線源７３１、７３２は、患者７０内の照射目標ＴＶに向けてＸ線を照射し、Ｘ線画像取得装置７４１、７４２は、Ｘ線源７３１、７３２からのＸ線の画像を取得して、照射目標ＴＶの位置を検出する。Ｘ線画像取得装置７４１、７４２としては、例えばイメージインテンシファイアを用いたＸ線テレビ装置あるいはシンチレータ板をＣＣＤカメラで計測する方法などを使用する。照射目標ＴＶは、それに対応する要所に、予め金などの金属の小片をマーカとして埋め込む方法もあり、このマーカを用いることにより、照射目標ＴＶの位置の特定が容易になる。

呼吸測定部７１および照射目標位置検出部７３はともに、呼吸に伴う照射目標ＴＶの変位を検出し、呼吸信号ＢＳを発生する。これらの呼吸信号ＢＳは、ともに呼吸判定部（変位検出器とも呼ぶ）７５に入力される。この呼吸判定部７５は、そのメモリー内に記憶された呼気／吸気の相関関係に基づき、入力された呼吸信号ＢＳから呼吸変位をリアルタイムで判定し、ステータス信号ＳＳを照射制御部１３に出力する。

以上の動作の概要を図７の線図に示す。図７の（ａ）の線図は、例えば照射目標の呼吸変位を示し、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の線図はこの変位に基づいて判定した結果のステータス信号を示す。図７（ａ）の線図における２本の横破線は所定の２つの閾値を示し、変位が所定の閾値以下の場合、呼吸判定部７５は、図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の線図に示すようなステータス信号、すなわち照射可能な状態であるとの信号を出力する。

照射制御部１３は、ステータス信号に基づき、実施の形態１で説明した小さなビーム径の照射スポットＳ２での照射、および大きなビーム径の照射スポットＳ１での照射を行う。小さなビーム径の照射スポットＳ２での照射は、例えば、変位が図７（ａ）の閾値１で示す閾値の以下の場合のステータス信号、すなわち、図７（ｂ）のステータス信号Ａが出力されている時間に行い、変位が閾値１以上である場合は行わない。また、患部によっては、さらに変位の微分が正である場合にのみ照射したほうが良い場合もある。これは、変位を測定しているのは体表面であり、患部の動きに正確に対応していない場合もあるからである。この場合のステータス信号を図７（ｃ）にステータス信号Ｂとして示している。

一方、大きなビーム径の照射スポットＳ１での照射は、呼吸変位に係らず照射しても良い。照射スポットＳ１での照射は最深層においても照射の線量が少ないため、照射精度が低くなる、変位が大きい場合に照射して、正常細胞への照射があったとしても、正常細胞への照射線量は少ない。また、最深層以外の照射目標ＴＶにおける照射では照射精度はそれほど要求されない。一方、小さなビーム径の照射スポットＳ２での照射は最深層の照射であり、単位体積当たりの照射線量も多いため、変位が大きい場合に照射を行うと、正常細胞への照射線量が多くなる恐れがある。したがって、上記のように、照射スポットＳ２の照射においてのみ呼吸変位が所定の閾値以下である場合に照射を行うようにすれば、正常細胞への照射線量を抑えることができる。加えて、照射スポットＳ１での照射は呼吸変位にかかわらず照射を行うため、照射目標全体での照射時間の増加が抑えられる。

もちろん、照射スポットＳ１での照射も呼吸変位に応じて照射すれば、全体での照射時間は増加するが、より精度の高い照射が行えるのは言うまでもない。この場合、照射スポットＳ１での照射は照射スポットＳ２を用いた照射に比べ、照射を許可する呼吸変位の閾値を緩くすることができる。例えば、図７（ａ）に示す閾値２のように、閾値１より緩い閾値によりステータス信号を作製し、図７（ｂ）に示すステータス信号Ｃにより照射スポットＳ１での照射を行う。照射スポットＳ２のほうは、閾値を閾値２より厳しい閾値１に設定し、あるいは上述のように変位の時間微分が正、すなわち変位曲線が右上がりの場合に限定するなどにより精度の良い照射を行う。このように、大きな照射スポットＳ１と小さな照射スポットＳ２の照射許可の条件を適宜設定することが望ましい。これにより、全線量を照射スポットＳ２で照射することに比べ照射時間を短縮することができ、高線量領域がＴＶｄにうまく整合するような照射が実現できる。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３による粒子線照射システムの制御方法を示す図である。実施の形態１では、小さなビーム径の照射スポットＳ２での照射を最深層の位置で各位置１回照射としたが、実施の形態３では、照射スポットＳ２での照射を最深層の各スポット位置で複数回照射することを特徴とするものである。

図８は、図５と同様、図４（Ｂ）や（Ｃ）のＺｉ層におけるＡ−Ａ線上の実施の形態３による線量分布を示している。図７において、横軸は図４（Ｂ）や（Ｃ）のＡ−Ａ線上の位置、縦軸はその位置での照射線量を示す。本実施の形態３においても、図５で示す実施の形態１と同様、照射スポットＳ１による照射線量（単位体積当たり）は大きく変えずに、すなわちＺｉ層における最深層以外の部分に必要な線量程度を、最深層部分（周辺部分）を含めて照射する。照射スポットＳ２による照射では、Ｚｉ層における最深層部分のみで、照射スポットＳ１による照射と合わせた全線量がその部分に必要な線量となるような線量で照射する。実施の形態３においては、小さなビーム径の照射スポットＳ２での照射を４回に分けて、１回の線量を少なくして照射するようにしている。

図９は実施の形態３による照射方法での効果を説明する図である。図９（Ａ）、（Ｂ）は、この実施の形態３による照射方法による照射スポットＳ２での線量分布を示すもので、図９（Ｃ）は、例えば、実施の形態１のように１回で目標線量となるよう照射した場合の線量分布を示す。横軸は照射目標ＴＶの横方向、例えばＸ軸方向の位置を示し、縦軸は照射線量を示す。図９（Ａ）と図９（Ｂ）は実施の形態３による照射での照射線量を違った表示の仕方で示すものである。図９（Ａ）では、４回に分けて照射した線量を判り良いように、積み上げ方式で示したものである。下から、１回目、２回目、３回目、４回目、とすると、各回で照射位置が少しずつずれていることを示す。患者は呼吸や呼吸以外で動きがあるため、照射時間が異なると照射位置が図９（Ａ）で示すように若干ずれる。この４回の照射線量を各位置で積算すると図９（Ｂ）に示すような線量分布になる。中央から周辺に行くに従って線量が下がった分布になる。図９（Ｃ）の実線がある時間で１回照射したときの線量分布、破線が別の時間に１回照射したとした時の線量分布である。図で解るように、位置ずれがそのまま線量分布に影響し、例えば、図９（Ｃ）の実線のように照射位置が最深部ＴＶｄの直ぐ外側の正常細胞側にずれたときに照射すると、正常細胞への照射線量が多くなってしまう。一方、実施の形態３の照射方法による線量分布、すなわち図９（Ａ）、（Ｂ）では、最深部の境界位置ＴＶｄがＴＶｄで示す位置であるとすると、その直ぐ外側の正常細胞の線量は、図９（Ｃ）の実線で示す線量よりも少なく、正常細胞への影響が小さいことが解る。

実施の形態４．
実施の形態１〜３では、最深部に大きな線量分布を与えるため、最深部に小さなスポット径Ｓ２のビームで大きな線量を、精度良く与えた。患部によっては、最深部以外に大きな線量分布を与える必要がある場合もある。例えば、図１０（ａ）のようにＺｉ層のＺａの腫瘍の中心部などにおいて、がん細胞の放射線抵抗性が高い領域があるような場合である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＺｉ層で示す層の小スポット径Ｓ２の照射を示す図である。図１０（ｂ）のように、最深部である周辺部だけでなく、Ｚａの領域を小スポット径Ｓ２で照射し、Ｚａの領域に大きな照射線量分布を形成する。

実施の形態５．
実施の形態１では、四極電磁石でビーム径を変更させたが、他の方法でビーム径の変更を行っても良い。図１１（Ａ）にビーム径を変更するビーム径変更器の他の例を示す。６０がビーム径変更器であり、散乱体６１とコリメータ６２で構成される。小さいビーム径ＰＢ１が散乱体６１に入射するとビームは前方に散乱されて発散するビームとなる。この発散するビームをコリメータ６２に通すことで、コリメータ６２を通った後のビームはＰＢ１より大きなビーム径のビームＰＢ２に変更される。ビーム径変更器６０を通さない状態のビームＰＢ１のビーム径を実施の形態１〜３における小さなビーム径Ｓ２に設定し、ビーム径変更器６０を通したビームのビーム径がＳ１となるように散乱体６１およびコリメータ６２のおパラメータを設定しておく。このビーム径変更器６０は、照射ノズル３１に設けても良いし、粒子線輸送部２０に設けても良く、ビームの通路上にビーム変更器６０を移動可能に設置する。ビーム径変更器６０を移動させることにより、ビームがビーム径変更器６０を通過するように制御してビーム径Ｓ１とし、ビームがビーム径変更器６０を通過しないように制御してビーム径Ｓ２にする。実施の形態１〜３における大きなビーム径のビームを照射する時には、図１１（Ａ）で示すようにこのビーム径変更器６０を通ったビームにより照射する。小さなビーム径で照射するときは図１１（Ｂ）で示すように、ビーム径変更器６０を矢印のように移動して、ビームＰＢ１の状態で照射する。ビーム径変更器６０の移動の制御は、図２における照射制御部１３のビーム径制御器１５からの信号により行われる。

なお、ビーム径変更器６０の下流には偏向電磁石６３を設けビームを偏向させるようにしている。ビームは散乱体６１を通過することによりエネルギー幅が拡がるが、偏向電磁石６３とコリメータ６４を設けてエネルギー分析部を形成し偏向電磁石６３によりビームを偏向させ、コリメータ６４で不揃いのビームエネルギーを削ることによりビームはエネルギーが揃ったビームとなり、粒子線治療に用いるビームとして適切なビームにすることができる。また、散乱体６１を通過することで、ビームエネルギーの減少が問題となる場合は、例えば粒子線発生部１０で発生させるビームエネルギーをその減少分増大させることにより、ビーム径変更器６０によるビームエネルギー減少を補完しても良い。

実施の形態６．
実施の形態１では、粒子線発生部で粒子線のエネルギーを変更させたが、ビームの通路の途中にエネルギー変更器を設けて粒子線のエネルギーを変更するようにしても良い。図１２はエネルギー変更器の一例を示す構成図である。エネルギー変更器８０は、幅方向（Ｘ方向）に厚さが階段状に変化するレンジシフタ８１、レンジシフタ８１を荷電粒子ビームＰＢが通過する位置を移動する上流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石８２、８３、上流側偏向電磁石対を励磁する第１の偏向電磁石電源８４、レンジシフタ８１を通過した荷電粒子ビームＰＢを元の軌道上に戻す下流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石８５、８６、下流側偏向電磁石対を励磁する第２の偏向電磁石電源８７、照射制御部１３のエネルギー設定制御器１４から入力されるエネルギー指令値に基づいて上流側偏向電磁石対による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、励磁電流値を第１の偏向電磁石電源８３に送信する偏向制御部８９を備える。偏向制御部８９は、第２の偏向電磁石電源８７も制御する。

荷電粒子ビームＰＢはビーム軸９０（Ｚ軸）上を上流側偏向電磁石対８２、８３に入射される。荷電粒子ビームＰＢの軌道は、図１２の紙面の水平方向（Ｘ方向）に移動される。偏向電磁石８２は軌道偏向用の偏向電磁石であり、偏向電磁石８３は軌道平行用の偏向電磁石である。軌道変更用の偏向電磁石８２は、入射された荷電粒子ビームＰＢの軌道をＺ軸に対して所定の角度θだけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石８３は、軌道変更用の偏向電磁石８２によりＺ軸に対して傾けられた軌道をＺ軸に平行な軌道に偏向する。レンジシフタ８１の下流側では、軌道偏向用の偏向電磁石８５と軌道平行用の偏向電磁石８６により荷電粒子ビームＰＢはビーム軸９０（Ｚ軸）上に戻される。軌道変更用の偏向電磁石８５は、荷電粒子ビームＰＢの軌道をＺ軸に対して所定の角度だけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石８６は、軌道変更用の偏向電磁石８５によりＺ軸に対して傾けられた軌道をＺ軸上の軌道に偏向する。

エネルギー変更器８０の動作について説明する。エネルギー変更器８０に導入された荷電粒子ビームＰＢは、上流側偏向電磁石対８２、８３によりＺ軸からＸ方向に所定の距離離れたＺ軸に平行な軌道上を進む。そして、所定の厚さのレンジシフタ８１の部分を荷電粒子ビームＰＢが通過することにより、エネルギーが厚さに比例する分だけ低下されて所望のエネルギーになる。このようにして所望のエネルギーに変更された荷電粒子ビームＰＢは、下流側偏向電磁石対８５、８６によりエネルギー変更器８０に入射されたときの元の軌道の延長線上に戻される。エネルギー変更器８０は、粒子線のエネルギーを変更し飛程を変更する際にレンジシフタを駆動する駆動音が発生しないメリットがある。

図１３は実施の形態６における粒子線照射システムのエネルギー変更器８０を用いた照射ノズル３１の構成を示すブロック図であり、図３と同一符号は同一または相当する部分を示す。このエネルギー変更器８０は例えばビーム径変更器４０の上流側に設置する。照射制御部１３のエネルギー設定制御器１４からの信号によりエネルギー変更器８０が制御され、照射目標に照射する粒子線のエネルギーが所定のエネルギーの値に設定され、照射目標に照射される。すなわちエネルギーが変更される毎に照射層毎の照射が行われることになる。

なお、エネルギー変更器８０を通過した後のビームのエネルギーの拡がりが問題となる場合、実施の形態５で説明したと同じように、エネルギー変更器８０の下流に偏向電磁石とコリメータを設けてエネルギー分析部を形成し、エネルギーが揃ったビームを得るようにするのが望ましい。
また、エネルギーの設定は、加速器とエネルギー変更器の両方により行っても良く、両方で行えばより詳細な設定をすることができる。

１、２：治療室
１０：粒子線発生部 １１：イオン源
１２：加速器 １３：照射制御部
１４：エネルギー設定制御器 １５：ビーム径制御器
１６：ビーム走査制御器 ２０：粒子線輸送部
３０Ａ，３０Ｂ：粒子線照射部 ３１：照射ノズル
３２：治療台 ３２：位置決め装置
４０、６０：ビーム径変更器
４１：横方向照射野拡大部（ビーム走査器）
４１ａ、４１Ｂ：走査用偏向電磁石
４２ａ、４２ｂ：ビーム位置モニタ
４３：線量モニタ ４４：照射目標
５０：偏向電磁石 ８０：エネルギー変更器
７５：呼吸判定部（変位検出器） ＰＢ：粒子線ビーム

Claims (7)

1. 粒子線発生部と、この粒子線発生部で発生された荷電粒子ビームを照射目標に照射する粒子線照射部と、照射する荷電粒子ビームを制御する照射制御部とを有する粒子線照射システムにおいて、
   上記粒子線照射部は、上記荷電粒子ビームの照射方向に直交する横方向の２次元に上記荷電粒子ビームを走査するビーム走査器と上記荷電粒子ビームのビーム径を変更するビーム径変更器を備え、
   上記照射制御部は、上記荷電粒子ビームのエネルギーを設定するエネルギー設定制御器と、上記ビーム走査器を制御するビーム走査制御器と、上記ビーム径変更器を制御するビーム径制御器とを備え、
   上記照射制御部は、上記ビーム径制御器により上記荷電粒子ビームのビーム径を第一のビーム径に設定したとき、上記ビーム走査制御器により上記荷電粒子ビームをステップ状に走査して上記照射目標の横方向の全領域に上記荷電粒子ビームを照射し、
   上記ビーム径制御器により上記荷電粒子ビームのビーム径を上記第一のビーム径よりも小さい第二のビーム径に設定したとき、上記ビーム走査制御器により上記荷電粒子ビームをステップ状に走査して上記照射目標の横方向の一部の領域に上記荷電粒子ビームを照射するよう制御することを特徴とする粒子線照射システム。
2. 上記照射目標の変位を検出する変位検出器を備え、上記照射制御部は、上記第二のビーム径の照射を上記変位検出器の出力信号に応じて制御することを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射システム。
3. 上記照射制御部は、第一のビーム径の照射を上記変位検出器の出力信号に応じて、第一のビーム径の照射のときのほうが第二のビーム径の照射のときよりも、照射許可条件を緩めて照射するよう制御することを特徴とする請求項２に記載の粒子線照射システム。
4. 上記照射制御部は、第二のビーム径の照射を同じ照射領域で複数回行うよう制御することを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射システム。
5. 粒子線発生部で発生された荷電粒子ビームを照射目標に照射する粒子線照射システムの
   制御方法であって、
   上記荷電粒子ビームのビーム径を第一のビーム径に設定したとき、上記荷電粒子ビームを上記荷電粒子ビームの照射方向に直交する横方向にステップ状に走査して上記照射目標の横方向の全領域に上記荷電粒子ビームを照射し、
   上記荷電粒子ビームのビーム径を上記第一のビーム径よりも小さい第二のビーム径に設定したとき、上記荷電粒子ビームを上記荷電粒子ビームの照射方向に直交する横方向にステップ状に走査して上記照射目標の横方向の一部の領域に上記荷電粒子ビームを照射するよう制御することを特徴とする粒子線照射システムの制御方法。
6. 上記第二のビーム径による照射を、上記照射目標の変位に応じて行うよう制御することを特徴とする請求項５に記載の粒子線照射システムの制御方法。
7. 上記第二のビーム径の照射を、同じ照射領域で複数回行うよう制御することを特徴とする請求項５に記載の粒子線照射システムの制御方法。

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