JP5932064B2 - 粒子線照射装置、およびそれを備えた粒子線治療装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子線を腫瘍など患部に照射して治療を行う粒子線治療装置における、粒子線を患部３次元形状に合わせて照射するために用いる粒子線照射装置に関する。

粒子線による治療法では、光速の約７０％まで加速された陽子や炭素線など、高エネルギーの粒子線が用いられる。これらの高エネルギーの粒子線は体内に照射された際に、以下の特徴を有する。第一に、照射された粒子の殆どが粒子エネルギーの約1.7乗に比例した深さ位置に停止する。第二に、照射された粒子が体内で停止するまでに通過する経路に与えるエネルギー密度（線量と呼ばれる）は粒子の停止位置で最大値を有する。粒子線が通過した経路に沿って形成した特有の深部線量分布曲線はブラッグカーブと呼ばれ、線量値が最大の位置はブラッグピークと呼ばれる。

３次元の粒子線照射システムは、このブラッグピークの位置を腫瘍の３次元形状に合わせて走査し、各走査位置におけるピーク線量を調整しながら、予め画像診断で決めた標的である腫瘍領域において、所定の３次元線量分布を形成するように工夫されている。粒子線の停止位置の走査は粒子線の照射方向にほぼ垂直な横方向（Ｘ、Ｙ方向）と、粒子線の照射方向である深さ方向（Ｚ方向）における走査がある。横方向における走査は患者を粒子線に対して移動させる方法と、電磁石などを使って粒子線の位置を移動させる方法があり、電磁石を用いる方法が一般的である。深さ方向の走査は粒子エネルギーを変えるのが唯一の方法である。エネルギーを変える方法には、加速器で粒子エネルギーを変える方法と、ビーム輸送系もしくは照射系に設置されたレンジシフタ（エネルギー変更と分析装置であるEnergy Selection Systemと呼ばれる装置を含む）と呼ばれるエネルギー変更装置を用いる２通りの方法がある。多く用いられているのは、レンジシフタを用いる方法である。

粒子線の進行方向に対して垂直な、すなわち横方向において、粒子線を走査させる方法は大きく分けて二つの基本的なものがある。一つは、粒子線を照射して、所定照射位置における照射線量が計画値に達した際に、一旦粒子線強度を弱めて（普通はゼロにする）から、粒子線位置が次の照射位置に照射されるように、走査電磁石の電流値を変更してから、再び粒子線強度を増やして（または加速器から再出射して）、粒子線を照射するというスポットスキャニング照射法である。例えば、非特許文献１にその例が示されている。もう一つは、各計画した位置に粒子線を計画した量を照射する基本的なやり方は一緒であるが、粒子線の位置を次の照射位置に移動させる際は、粒子線を停止せずに、粒子線照射しながら粒子線を走査させるハイブリッドスキャニング照射法である。例えば、非特許文献２に開示されているものはその一例である。

又、粒子線を横方向において２次元走査を実施して、所定の分布を有する横方向線量分布を形成させ、深さ方向は粒子エネルギーを変更して、照射領域の異なる深さ位置に層状の所定の分布を有する横方向線量分布を複数個形成し、それらの層状の線量分布が重なって、所定の３次元線量分布を照射領域に作る方法もある。その際、各層状線量分布は均一な線量分布にされることが多い。そのために、各層における予め決めた照射位置における計画照射粒子量が、治療計画で計算される。

上記いずれの方法においても、所定の２次元または３次元線量分布を形成するには、治療計画装置などで、計画した各照射位置における計画照射線量が決定される。

特許第３８７４７６６号公報 米国特許出願公開第ＵＳ２００６/０２３１７７５Ａ１号明細書

T. Inaniwa et al., Medical Physics 34(2007)3302 J.H. Kang et al., "Demonstration of scan path optimization in proton therapy" Medical Physics 34(9)2007,page 3457-3464

特許文献１に記載された粒子線スキャニング照射装置では、スキャニング照射で照射される各スポット（位置）の計画照射粒子数（照射線量）をプリセット値として、照射装置の所定メモリに記憶させて置くと同時に、各スポットの位置に相当する情報（例えば、電磁石の励磁電流対(IXi,IYi),i=1,2,3・spot等）も照射装置の所定メモリに記憶させて置く必要がある。そして、照射実施の際は、各照射位置における照射線量をビームモニタなどでカウントし、そのカウント値が該位置に対応したプリセット値に達した際に、該位置の照射を完了と判断し、次の照射位置の照射に移るように構成されている。従来の粒子線または、Ｘ線の治療装置における照射装置はこのプリセット値とカウント値の照合による方法で構築されている。

以上のように、従来の粒子線治療装置における粒子線照射装置では、各照射位置に粒子線を照射する際、該位置に照射された粒子の量をビームモニタでカウントしたカウント値とプリセット値とを照合する動作が必ず必要である。通常、カウント値とプリセット値を照合する動作には数１０μ秒を要する。粒子線を強くして、短時間内に全照射位置を照射したい際、カウント値とプリセット値を照合する動作が高速化のネックになってしまう場合がある。そのため、従来の照射装置では、非常高い線量率（時間当たりに照射できる線量）が実現し難いという課題が残る。

本発明は、このような従来の粒子線照射装置の課題を解消する目的でなされ、粒子線治療装置のビーム電流をフルに活用でき、短時間内に照射を完了できる線量率の高い粒子線治療装置及び粒子線照射装置を提供することを目的とする。

本発明の粒子線照射装置は、粒子線が照射対象を走査するための走査電磁石と、照射対象を粒子線が走査する場合の複数の走査位置に関する走査位置情報と、複数の走査位置を走査する順番である走査順情報とを記憶する走査情報記憶部と、この走査情報記憶部に記憶された走査位置情報と走査順情報に基づいて走査電磁石を制御する走査電磁石制御部と、を備えた粒子線照射装置において、走査情報記憶部に記憶された走査位置情報は、隣り合う順番の走査位置情報が同一の走査位置情報となる部分を含み、走査電磁石制御部は、ある走査位置において、走査位置によって変わることのない一定の照射線量が照射されたと判定するごとに、走査情報記憶部に記憶された次の順番の走査位置情報を取り出して、当該次の順番の走査位置情報に基づいて走査電磁石を制御するようにした。

本発明の装置によれば、隣り合う順番の走査位置情報が同一の走査位置情報となる部分を含むようにしたので、短時間内に照射を完了できる線量率の高い粒子線照射装置を提供できる。

本発明の実施の形態による粒子線照射装置の概略構成を示すブロック図である。 治療計画装置において計画された走査位置と計画照射線量の例の表を示す図である。 本発明の実施の形態による粒子線照射装置の走査情報記憶部に記憶される走査情報の例の表を示す図である。 本発明の実施の形態による粒子線照射装置の動作を説明するための概念図である。 本発明の実施の形態による粒子線照射装置の別の概略構成を示すブロック図である。

図１は本発明の実施の形態１による粒子線照射装置の概略構成を示すブロック図である。図示しない粒子線加速器で発生し、図示しない粒子線輸送系により輸送されてきた粒子線１が、粒子線１を一方向に偏向させるＸ方向走査電磁石２１と、当該一方向に垂直な一方向に偏向させるＹ方向走査電磁石２２とにより、患者の患部などの被照射体１１を走査するように構成されている。ここでは、Ｘ方向走査電磁石２１とＹ方向走査電磁石２２を合わせて走査電磁石２とする。

走査電磁石２は、走査電磁石電源制御部５により制御される走査電磁石駆動電源３により駆動される。走査情報記憶部４には走査情報として、複数の走査位置に関する走査位置情報と走査する順番である走査順情報とが記憶されている。走査電磁石電源制御部５は、粒子線モニタセンサ６により検出した粒子線量に対応してモニタパルス発生部７が出力するモニタパルスを受けて、走査電磁石駆動電源３を制御し、走査電磁石駆動電源３は走査情報記憶部４に記憶されている情報に基づいて走査電磁石２を駆動する。走査電磁石駆動電源３と走査電磁石電源制御部５を合わせて走査電磁石制御部８、粒子線モニタセンサ６とモニタパルス発生部を合わせて粒子線モニタ９と呼ぶ。

図２は本実施の形態による粒子線照射装置の、各走査位置に対して計画した計画照射線量の例のリストを示す図である。図３は本実施の形態による粒子線照射装置の走査情報記憶部４に格納される走査情報の中身の例を示す概念図である。図４は本実施の形態による粒子線照射装置の、モニタパルス発生部７が粒子線モニタセンサ６から入力した一定の電荷量（例えばＱ０）に対応して出力するモニタパルスとその列、および走査情報記憶部４に格納される走査情報の例を示す。

以下では、図１〜図４を用いて、本発明の実施の形態による粒子線照射装置の動作を説明する。まず、患者のＣＴデータなどに基づいて、治療計画を立案し、図１の被照射体１１において複数の全照射位置（図１では、以降の説明のため、照射位置Ａｉ、照射位置Ａｉ＋１、照射位置Ａｉ＋２の３個の照射位置に符号を付している）、照射位置を走査する順番、およびそれぞれの照射位置における計画照射線量を決定する。照射位置に対応する位置情報として、その横方向の位置座標と被照射体体内における深さ位置がある。横方向の位置情報は、基本的に走査電磁石２のＸ方向走査電磁石２１の励磁電流ＩＸとＹ方向走査電磁石２２の励磁電流ＩＹ、などによって定義される。深さ位置情報は被照射体１１に入射される粒子線の粒子エネルギーで定義することができる。なぜなら、粒子線が体内において停止する、すなわち粒子線が照射される深さ位置は粒子のエネルギーによって決まるからである。

粒子線を被照射体１１に照射する方法は、スキャニング照射法、ユニホームスキャニング、simulated scatteringなど多種類あるが、どの場合においても、複数の照射位置、照射位置を走査する順番、および各照射位置において照射する照射線量（これは、単純に照射する粒子線の粒子の個数と見なすことができる）を治療計画装置１０で決める。照射方法による違いは、照射位置の個数、与え方、照射順、各照射位置における照射線量などにある。ここでは、スキャニング照射法を例にして、以下の説明を行うが、複数の照射位置、照射位置を走査する順番、および各照射位置での照射線量を指定して照射する他の照射方法にも本発明が適用可能であることは言うまでもない。

スキャニング照射法では、各照射位置で粒子線を停留させて照射線量がその照射位置における計画照射線量になるよう粒子線を照射し、粒子線を次の照射位置に移動させて照射線量がその照射位置における計画照射線量になるよう粒子線を照射する、という動作を繰り返して、治療計画装置１０で決めた全照射位置で粒子線を照射する。粒子線治療においては、照射位置の個数は、数千にも及ぶことがある。以下では、順番に照射する深さ方向位置が同じ数個の照射位置（以下では走査位置と呼ぶ）を例に取り出して、本発明の実施の形態による粒子線照射装置の動作の説明をする。

治療計画装置１０により計画された各走査位置における照射線量、すなわち計画照射線量の例が図２の表に示されている。図２に示されるように、走査位置Ａｉの計画照射線量は１単位、走査位置Ａｉ＋１の計画照射線量は３単位、走査位置Ａｉ＋２の計画照射線量は２単位、というように、各走査位置に照射すべき計画照射線量が治療計画で決められる。そして、この図２の表に示した各走査位置の計画照射線量に基づいて、例えば治療計画装置１０において図３に示すような走査情報のリストを作成して、走査情報記憶部４に記憶する。

図３に示すように、走査情報記憶部４に記憶する走査情報は、走査位置を示す走査位置情報と走査情報ＩＤ、すなわちその走査位置の走査順を示す走査順情報とを含む。例えば走査情報ＩＤがｋ、すなわち走査順がｋ番目の走査位置情報として、走査位置Ａｉに対応したＸとＹの対の情報(1.5,1.5)が格納されている。この(1.5,1.5)は、走査電磁石２の走査位置Ａｉに対応したＸ方向走査電磁石２１の励磁電流IXi、およびＹ方向走査電磁石２２の励磁電流IYiの対(IXi,IYi)である。すなわち、Ｘ方向走査電磁石２１の励磁電流を1.5に設定し、Ｙ方向走査電磁石２２の励磁電流を1.5に設定すると、粒子線１は走査位置Ａｉを照射することになる。

続いて、走査順ｋ＋１番目、ｋ＋２番目、及びｋ＋３番目には、走査位置Ａｉ＋１に対応した走査位置情報として、Ｘ方向走査電磁石の励磁電流IXi+1とＹ方向走査電磁石の励磁電流IYi+1の対(2.0,1.5)が格納されている。図２の例で示した走査位置Ａｉの計画照射線量が１であるので、図３の走査情報リストでは、走査位置Ａｉに対応した走査位置情報は、ｋ番目の１個のみである。走査位置Ａｉ＋１の計画照射線量が３であるので、走査順がｋ＋１番目、ｋ＋２番目、ｋ＋３番目の連続した３個の走査順の走査位置情報に、走査位置Ａｉ＋１に対応した同じ励磁電流の対（2.0,1.5）が格納されている。同様に、走査位置Ａｉ＋２に関しては、計画照射線量が２であるので、ｋ＋４番目、ｋ＋５番目の連続した２個の走査順の走査位置情報に、走査位置Ａｉ＋２に対応した同じ励磁電流対(2.5,1.5)が格納されている。このように、本発明の粒子線照射装置では、走査情報記憶部４に記憶された走査位置情報は、隣り合う順番の走査位置情報が同一の走査位置情報となる部分を含む。そして、照射時は、走査電磁石制御部８がモニタパルスを受信する毎に、走査情報記憶部４に記憶された図３の走査情報リストの順にしたがって走査電磁石２を励磁し、粒子線を走査させる。

図４には走査時、走査電磁石２を具体的にどのように励磁していくのかが図示されている。図４では、照射途中の照射位置Ａｉ、照射位置Ａｉ＋１、照射位置Ａｉ＋２の順に粒子線を走査している場合の例を示している。粒子線１の照射中、粒子線１が粒子線モニタセンサ６を通過して、被照射体１１に照射される。粒子線１が粒子線モニタセンサ６を通過すると、粒子線モニタセンサ６には通過した粒子の個数に比例した電離電流が発生する。この電離電流がモニタパルス発生部７で積分され、積分値が一定量の電荷量Ｑ０に達したら、モニタパルス発生部７は一個のモニタパルスを出力する。モニタパルス発生部７のゲインを適切に設定することにより、必要なＱ０の値毎にモニタパルスを出力させることができる。本実施の形態による粒子線照射装置を粒子線治療装置に用いる場合、Ｑ０の値として0.01pCから、100pCが典型的な例であるが、それに限ることはない。

モニタパルス発生部７、すなわち粒子線モニタ９が出力するモニタパルスは、図１の走査電磁石制御部８の走査電磁石電源制御部５に入力される。走査電磁石電源制御部５はモニタパルスが来る度に、走査電磁石駆動電源３に指令信号を出して、走査電磁石駆動電源３は励磁電流値を走査情報記憶部４に記憶されている走査情報リストの次の番地(k,k+1,k+2,k+3,・に対応した励磁電流値に順次更新し、走査電磁石２の励磁量を順次更新して、粒子線１を被照射体１１において走査させる。このようにして、粒子線モニタ９が出力するモニタパルスが一種のクロックパルス、すなわち線量クロック（dose clock）パルスとなって、線量クロックパルスごとに、走査情報リストの走査位置情報である励磁電流に従って走査電磁石２を順に励磁していく。その結果、各照射位置における照射粒子の量を直接にカウントすることなく、各照射位置には、計画照射線量と同じまたはそれに比例した粒子線を照射することができる。その結果、被照射体１１において、治療計画通りの線量分布を形成することができる。

上記では、走査電磁石駆動電源３とは別に走査電磁石電源制御部５を設けたが、走査電磁石電源制御部５を設けることなく、走査電磁石駆動電源３そのものが制御機能を有する構成でも良い。この構成を図５に示す。この場合、走査電磁石駆動電源３がすなわち走査電磁石制御部８となる。図５の粒子線照射装置の構成では、粒子線モニタ９が出力するモニタパルスを走査電磁石駆動電源３が受信する毎に、走査電磁石駆動電源３自身が走査情報記憶部４から走査位置情報、すなわちＸ方向走査電磁石２１の励磁電流およびＹ方向走査電磁石２２の励磁電流の情報を順次取り出して、走査電磁石２を駆動する。

また、上記では、走査情報記憶部４に記憶する走査位置情報が、走査電磁石の励磁電流の対である場合を例にして説明したが、走査情報記憶部４に記憶する走査位置情報としては、例えばアイソセンタを基準とする座標位置そのものであっても良く、その場合は、走査電磁石駆動電源３が、座標位置と走査電磁石２の励磁電流の対応表を有していれば良い。また、走査位置情報としては、磁場強度でも良い。例えば、Ｘ方向走査電磁石２１およびＹ方向走査電磁石２２により発生される磁場をそれぞれ計測する磁場センサを備えて、磁場センサの出力が、走査位置情報としての磁場強度になるようにＸ方向走査電磁石２１およびＹ方向走査電磁石２２を駆動するようにすれば良い。さらに、粒子線の偏向を、電界で行う、すなわち走査電極により粒子線を偏向させる構成の場合は、走査位置情報としては、電界強度あるいは電極電圧とすればよい。

本実施の形態による粒子線照射装置は、上述したように、まず、各照射位置における計画照射線量を走査情報記憶部４に記憶される走査位置情報に反映させておく。粒子線モニタ９から出力されるモニタパルスを用いて、走査情報記憶部４に格納されている走査位置情報により直接走査電磁石駆動電源３を駆動して、各走査位置に計画した粒子線量を照射することができる。そのため、従来の粒子線治療装置のように、各照射位置における計画照射線量に対応したモニタプリセット値を制御装置に格納する必要がなくなり、更に粒子線モニタセンサ６の出力をプリセット値と比較する動作も不要になる。そのため、より高速に粒子線を走査して照射を行うことができる。その結果、治療時間を短縮できる効果がある。また、時間当たりの照射線量である線量率を高めることができるため、呼吸移動性標的（腫瘍）を照射する際には、短時間で照射を終えることができるので、位置変動による線量誤差の減少という効果が期待できる。その結果、より高い精度の粒子線治療装置を提供できる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１…粒子線、２…走査電磁石、３…走査電磁石駆動電源、
４…走査情報記憶部、５…走査電磁石電源制御部、
６…粒子線モニタセンサ、７…モニタパルス発生部、
８…走査電磁石制御部、９…粒子線モニタ、
１０…治療計画装置、１１…被照射体

Claims (5)

1. 粒子線が照射対象を走査するための走査電磁石と、
   前記照射対象を粒子線が走査する場合の複数の走査位置に関する走査位置情報と、前記複数の走査位置を走査する順番である走査順情報とを記憶する走査情報記憶部と、
   この走査情報記憶部に記憶された前記走査位置情報と前記走査順情報に基づいて前記走査電磁石を制御する走査電磁石制御部と、を備えた粒子線照射装置において、
   前記走査情報記憶部に記憶された前記走査位置情報は、隣り合う順番の前記走査位置情報が同一の走査位置情報となる部分を含み、
   前記走査電磁石制御部は、ある走査位置において、走査位置によって変わることのない一定の照射線量が照射されたと判定するごとに、前記走査情報記憶部に記憶された次の順番の走査位置情報を取り出して、当該次の順番の走査位置情報に基づいて前記走査電磁石を制御することを特徴とする粒子線照射装置。
2. 前記同一の走査位置情報が連続して記憶されているときの、当該同一の走査位置情報が連続する個数は、当該同一の走査位置情報に対応した走査位置における粒子線の計画照射線量に比例することを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射装置。
3. 所定の量の前記粒子線が通過するごとにモニタパルスを発生する粒子線モニタを備え、前記走査電磁石制御部は、前記モニタパルスが発生するごとに前記走査情報記憶部に記憶された次の順番の走査位置情報を取り出して、当該次の順番の走査位置情報に基づいて前記走査電磁石を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装置。
4. 前記走査位置情報は、前記走査電磁石の前記走査位置に対応した励磁電流値であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
5. 請求項２または請求項３に記載の粒子線照射装置を備えた粒子線治療装置であって、
   前記複数の走査位置と、前記複数の走査位置を走査する順番と、前記走査位置毎の前記粒子線の計画照射線量とを決定する治療計画装置を備えたことを特徴とする粒子線治療装置。

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