JP6129864B2 - 被照射物に入射する線量の決定装置 - Google Patents

Description

本発明は、放射線の適用中に、エネルギー粒子ビームで照射するオブジェクトに入射する線量を決定する方法に関し、入射する線量を、少なくとも時々及び／又は少なくとも部分的には、エネルギー粒子ビームによりそれぞれ照射される標的体積領域の外に位置する体積領域において決定する。本発明は、少なくとも一つの監視デバイスを含む治療監視システムにも関する。本発明は更に、照射システムにも関する。

チャージするため、機械加工製品の機械加工をするため、及び機械加工製品の材料特性を変化するために、種々のタイプ及び種々のエネルギーの照射を使用することは、幅広い応用分野で普及している。

これに関連して、光子照射（つまり、特に光でのチャージ、Ｘ線、紫外線、及び赤外線等でのチャージ）は唯一の可能な照射タイプではなく、特に粒子放射線も考えられる。これに関連して、粒子は実質上、所望のものであってもよい（ここで「粒子」とは、静止質量を、それが例え非常に小さくとも、有する特定の粒子を意味する）。単なる例としてハドロンやレプトンを挙げられ、特にニュートリノ、電子、陽電子、パイ中間子、中間子、プロトン、ニュートロン、原子核（例えばＨｅ核）、原子や分子及びイオン（特に酸素イオン、ヘリウムイオン、ネオンイオン、炭素イオン等の重イオン）を含む。

これら全ての放射線種類の共通点は、その放射線は、放射線で照射した物に特定のエネルギーを付与することである。しかし、場合によってこのエネルギーの付与方式が大きく変わることもある。例えば、光子照射の場合、広いエネルギー範囲に渡ってエネルギー損失は入射した材料に対してほぼ指数関数的に関連する一方、粒子ビームは、この場合は特にハドロン粒子（特に陽子、イオン、及び重イオン）は、顕著なブラッグピークを示す。よって粒子は材料に浸透する際に、そのパス上では比較的少ないエネルギーを失う。粒子が静止する少し前に、エネルギーの大部分が被照射材料に放出される。このブラッグピークの結果として、２次元構造の線量チャージだけでなく、特に３次元構造の線量チャージを実現できる（すなわち、被照射オブジェクトの異なる深さに異なる照射線量を付与する）。

放射線の種類を変更できる他、照射するオブジェクトも変更できる。応用できる技術分野として例を挙げると、構造化プロセスにおける陽子照射に関するもの、例えば構造化した半導体構成品（メモリエレメント、マイクロプロセッサ等）の製造におけるマスク及び材料の除去又は材料の適用が考えられる。光子もワークピースの切断及び／又は溶接に使用され得る（特に、光子放射が高エネルギーレーザービームの形態である場合）。

電子ビームの応用の一例は、電子ビーム溶接であり、この手段によって、例えば、二つのワークピースを溶接することが可能である。当然、分離及び構造化プロセスも考えられる。

医学及び獣医学においては、放射線は治療目的で使用される。例えば、Ｘ線画像（ＣＴ法（コンピュータ断層撮影法）により得られる３次元画像を含む）を生成するためにＸ線放射を使用することは公知である。また、電子ビームも、例えば癌性腫瘍を治療するために、数十年間医療で使用されている。陽子及びイオン（特に重イオン）を用いる腫瘍の治療も、今や医学において十分確立している。陽子／イオン／重イオンの上記ブラッグピークのため、周囲の組織をほぼ影響しないまま、患者における３次元に定義し構造化した領域（特に腫瘍内）を、粒子ビームをそれに応じて制御（例えば、走査プロセスの一部として）することによる標的化方式で照射することが可能である。ミリメートル範囲内の正確さは、現在可能である。

走査方法において、細い粒子ビーム（よく鉛筆の薄さの粒子ビームと呼ばれる）が従来使用され、適切な偏向磁石を使用してラテラル（ｘ‐ｙ平面）に偏向でき、かつ適切なエネルギー変化を使用して浸透深さの点で制御することができる。従って偏向やエネルギーを変更することにより、ある線量で照射する被照射オブジェクトの種々の体積領域を「アプローチ」することが可能である。照射は一般的に放射線治療計画に従う。これに関連して、特定の照射パターンをコンピュータでシミュレーションし（すなわち、粒子ビームの異なるｘ‐ｙ偏向及び粒子ビームの適切な粒子エネルギーのシーケンス）、そしてそれぞれの結果とする被照射体に入射する線量は位置の関数として算出される。これは、被照射オブジェクトにおいて付与される線量はブラッグピークの領域に集中しているが、それにもかかわらず特定の線量は（特に粒子パスに沿って照射点に近い領域において）付与される。放射線治療計画に関しては、オブジェクトの治療する領域（通常はＣＴＶ（Clinical Target Volume）と呼ばれる）内に特定の最少線量でチャージするように、粒子ビームの誘導を最適化する努力がされている。一方、周囲の材料（組織）は、可能な限り最小の線量に暴露するべきである。

照射するオブジェクト（の部分領域）が運動すると特に問題が発生する。これに関連して、運動は並進運動だけではなく、ツイスト運動及び／又は圧縮又は伸長運動も含む。特に走査方法との組み合わせにおいて、オブジェクト及び粒子ビームの運動が互いに「干渉」する可能性があり、よって適切な対策をとらない場合、比較的に悪い照射結果につながる可能性がある。

今や広く使われるようになった、運動する対象領域を照射可能にする一つの方法は、粒子ビームの追跡を含む。これに関連して、粒子ビームは、オブジェクト内の標的体積領域の運動を補償するように再調節される。この種類のビーム追跡に関しては、実際に照射の対象であるマトリックスドット（又は標的照射位置及び／又は標的体積領域）を、計画した線量に伴い実質的に制御可能である。しかし、計画中に照射するオブジェクトにおける運動は予測不可能であるため（特に粒子ビームの運動と組み合わせた場合）、予め計画できない線量入力が現在照射されているマトリックス点に対応しない領域に発生する。材料において、現在制御されているマトリックスドットの外に導入される線量の堆積の結果として、オブジェクト加工プロセス中（又は治療セッション中）に導入される線量は、計画目的と実際に導入された線量分布との間にかなりな有意差を生じさせ得る。

よって、オブジェクトの照射中にそのオブジェクトの運動を測定すること、そしてこの測定を用いて被照射オブジェクトの実際の線量分布を算出することが好ましい。このような知識は、例えば、オブジェクトの機械加工プロセスにも適用可能であり（例えばそれに続く照射を適宜に調節する）、若しくは後の時点で、特に機械加工の全体が時間的に離れた複数のオブジェクト機械加工セッションで実行される場合に利用可能である。

このような種類の線量入力の監視を実行する方法は、以前、技術の中で提案されている。

例えば、ドイツのOffenlegungsschrift DE 10 2009 055 902 A1は、ｉ番目のマトリックス位置に決定した補償粒子フローでｉ番目のマトリックス位置を照射するように、ｉ番目のマトリックス位置の補償値を、以前のマトリックス位置を照射した際に、ｉ番目のマトリックス位置が既に受けた決定線量の関数として算出し、かつｉ番目のマトリックス位置の補償粒子フローを、ｉ番目のマトリックス位置の補償値及びｉ番目のマトリックス位置の標準粒子フローの関数として算出する方法を提案する。ｉ番目のマトリックス位置の標的線量と実際の線量との差は、多数の個別フィールドエレメントＤ_ｍ ^ｉｋを有する、予め計算されたマトリックス式の線量補償データベースを用いて決定される。そこで提案する線量補償は完全に使用可能な結果を提供する。しかし、経験によると、実際の応用はマトリックスの位置数が比較的少ない、非常に小さい体積に限られる。しかし、より大きい体積（約１０ｃｍ^３を超えるＣＴＶサイズ）に関しては、フィールドエレメントを記憶するための記憶要求は過度に増加する。具体的に、フィールドエレメントの記憶要求は、マトリックス位置数の二乗に比例して増加する。よって、約１０ｃｍ^３を超える体積は、ギガバイト範囲の記憶要求の結果となり、近代のコンピュータでさえ実施は困難である。また、フィールドエレメントＤ_ｍ ^ｉｋの事前計算に必要な時間が不相応に増加する。

よって、発明の目的は現在照射する標的体積領域の外に位置する材料領域に入射する線量を決定する、汎用的な方法を提供することである。さらなる目的は、先行技術に比較して、現在照射する標的体積領域の外に位置する体積に入射する線量を決定するための、改善したデバイスを提供することである。

本発明は、この目的を達成する。

放射線の適用中に、エネルギー粒子ビームで照射されるオブジェクトへの線量入力を決定する方法であって、前記線量入力は、少なくとも時々、及び／又は少なくとも部分的に、それぞれ前記エネルギー粒子ビームにより照射された目標体積領域の外に位置する体積領域において決定され、前記線量入力を決定するために、前記エネルギー粒子ビームの物理的モデルに少なくとも部分的に基づく計算関数を使用することを特徴とする方法を提案する。エネルギー粒子ビームは、好ましくは細い（鉛筆の薄さの）粒子ビームであり、それも好ましくは照射中に移動する。これは、技術用語で言う走査方法（特にラスタ走査方法、スポット走査方法、又は連続走査方法）と知られている移動方法を含んでも良い。粒子ビームは特に（小さくとも）静止質量を有する粒子からなり得る。特に、ハドロンであってもよく、特にプロトン、ヘリウム核、イオン、重イオン（特に酸素イオン、炭素イオン、ネオンイオン）、及びことにはそのイオンに変換されていない同等物であってもよい。しかし、原則として移動しない粒子ビームも使用可能であり、及び／又は適切な手段で粒子ビームを広げてもよい。また、レプトン（特に電子及び陽電子）も粒子として考えられる。オブジェクトは原則としてどのような所望のオブジェクトであってもよい。これはとくに、機械加工するワークピース、例えば半導体材料、金属材料等であってもよい。しかし、特にこれらのオブジェクトは医療分野に関することも考えられる。しかし、これに関連して、ヒト及び動物の患者である必要はなく、細胞のカルチャー及び特に照射ファントムを含んでも良く、照射ファントムは特に、例えば以前に算出した放射線治療計画を、実際に治療に用いる前に確かめるために使用できる。荷電粒子放射線（特にハドロン放射線）は、一般に顕著なブラッグピークを有するが、それに関わらず、実際に粒子ビームに「アプローチ」されない領域にも特定の線量が導入されることは避けられない。これは特に、現在制御している対象体積領域に近い体積領域に当てはまる。ここで、本出願において「対象体積領域」との用語は、一般にブラッグピークの直近を意味することに留意されたい（しかし、場合によりこの用語は医者によりマークされた対象体積、例えば照射対象の腫瘍を意味しても良い）。このように導入する線量は経時的に蓄積可能であるため、そして結果として入射する線量を事前に計画することができないため、特に照射対象のオブジェクトが運動する場合には、特に、まだ現行の適用セッション中であるとしても、後で考慮することができるように、実際の放射線適用時にこれらの線量入力を決定することが得策である。ここで、「不所望な線量入力」は、特定の体積領域における線量入力の非常に有意な割合を占めることができ、特に運動によって生じる変動は、放射線治療計画において算出され採用された線量からの大きい変位の原因となる可能性がある。本発明者らは、この線量入力を計算するにあたって、エネルギー粒子ビームの物理的モデルに少なくとも部分的に基づいた計算関数を使用することが得策であると見出した。驚きに、これによって、より大きい照射対象体積領域の場合に、記憶要求をかなり減少することが可能になった。特に、数万個のマトリックスドットを用いた第一トライアルにおいて、必要記憶要求を１ギガバイトから１メガバイト足らずに低減できた。また、ここに提案する方法の記憶要求は、ただ直線的に比例し（そしてもはや、例えばDE 10 2009 055 902 A1の提案方法のように、二次関数的に比例しない）、よってかなり大きいオブジェクトでも合理的に照射することができる。恐らくこれは、以前の方法では、透過係数の事前計算においてマトリックス値個々の間に大きな冗長性（それ自体は不要）が存在するために可能である。しかし、物理的モデルを使用することによって、例えば対称性等を有利に利用することができ、特に記憶要求に関しては大きな利点をもたらすことができる。上述したように、これは、今初めて大きなオブジェクトが実際に（運動補償及び／又は適応的である）照射の対象になり得ることを意味する。

さらに前記方法において、少なくとも時々及び／又は少なくとも部分的に、エネルギー粒子ビームにより照射される対象体積領域に対応する体積領域における線量入力を決定することを提案する。これは、単に「現在制御するマトリックス点の横に並ぶ」体積領域に入力される線量を監視可能にすることではない。むしろ現在制御する対象体積領域に導入する線量も監視可能になる。その結果、いずれの変動及び／又は予期しない効果もその中で検出でき、これは、一般に照射の改善又は照射監視の改善に至り得る。

前記方法において、粒子ビームの物理的なモデルが、粒子ビームプロファイルの実質的にガウス性の分布に基づいていると良好であることが見出されている。このような仮定は一般に実際の粒子ビームプロファイルを良い〜優れた近似値で一致することが測定によって示された。よって、第一試験は、最終的に提案した方法で得られる結果は特別に良いことを示す。記述の完全性のために、ガウス分布は、（実質的に）円形粒子ビームプロファイルのみならず、例えば楕円形又は長円形の粒子ビームプロファイルに適用可能であることに留意されたい。

前記方法において、物理的モデルが、材料を透過する際のエネルギー損失モデルに基づくとさらに有利である。一般にこれは実際のデータに対応し、特にハドロン粒子が材料を透過する際のデータに対応する。モデルを使用すると、このような粒子タイプ固有の影響、特に材料の密度及び／又は粒子の（静止）エネルギーの関数（かなり非線形、特にブラッグピークの領域において）とする、材料を通過する際の非線形エネルギー損失等は、このような粒子タイプにおいて考慮可能である。エネルギーモデルを、知られている積分方法を用いて対応する計算関数に「トランスフォーム」することができる。

照射対象のオブジェクトが少なくとも時々及び／又は少なくとも領域において、放射線の適用中に運動する場合、特にオブジェクト自体の中で運動がある場合、及び好ましくは照射対象オブジェクトの少なくとも部分領域が並進運動及び／又は回転運動及び／又は膨張又は圧縮運動をするときに、この提案する方法を特に有利に使用できる。特に、このような運動が存在する場合、目標の計画に関して、現在照射するマトリックスドットの外の体積領域に導入する線量が大きく外れる結果になり得る。特に並進運動及び／又は回転運動に関しては、このような運動は粒子ビーム方向における異なる密度の材料領域の変位に至る可能性がある。よって、粒子ビームの有効深さも変わる可能性があり、及び／又は粒子ビームに沿う材料領域に付与されるエネルギーの分布タイプも大きく変わる可能性がある。膨張運動又は圧縮運動も、一般に、この場合には特に線量付与における強すぎる影響が現在のマトリックスドットの外の領域で起き得るような、照射対象オブジェクトの密度の変化をもたらし得る。しかし、特に提案方法を用いることによって、これらの線量付与影響を考慮すると、一般に全体的な治療成功率を相当向上させることができる。

照射するオブジェクトの少なくとも一部の運動を決定することは特に有利である。これに関連して、運動は、撮像方法（例えばＸ線放射を用いる方法、超音波方法等）、追跡するオブジェクト（例えばインプラントした金ボール又はその他のマーカー物質）、及び／又は運動代替物を使用して検出又は少なくとも近似することができる。運動代替物は、例えば患者の胸郭の周囲に配置する膨張測定ストリップである。実際の照射の前に、例えば撮像方法を用いて運動状態と、膨張測定ストリップの拡張との相関を検出できる。実際の治療中に膨張測定ストリップの長さを決定する場合、結論として良い近似で現在の運動状態を導くことができる。

この方法において、少なくとも時々、及び／又は少なくとも領域において、エネルギー粒子ビームが、照射するオブジェクトの運動に対して補償することが特に有利である。これは、特に追跡方法の意味の範囲で理解し得る。特に、粒子ビームのラテラル位置を対応する偏向システム（例えば偏向磁石）を用いて提供可能であり、及び／又は粒子のエネルギー適応を、そしてそれにより粒子ビームの侵入深さの適応を、提供可能である。これにより、少なくとも「現在のマトリックスドット」が実質的に計画と一致することが可能になる。しかし、提案する補償運動は、粒子ビームの軌道を追跡することに関しても良いことに留意されたい（つまり、現在制御されているマトリックスドット体積領域に一致しない体積領域への照射入力に直接的な影響を与える可能性があることを意味する）。これは、粒子ビーム自体を移動させること（例えばガントリを使用して）、及び／又は治療台を移動させることにより提供することができる。

提案方法において、放射線の適用中に決定した線量入力が後続の照射に影響することが特に有利である。このように、決定した値（特に、以前適用した値からの偏差）を「好適に使用する」ことができる。後続の照射は、オンライン適応を指してもよく、つまり現行の材料‐機械加工セッション（治療セッション）中にでも適応できることを意味し得る。しかし、これは時間的に切り離れている複数の材料‐機械加工セッションを含んでもよく、取得したデータにより、例えば後続の治療セッションのために決定する放射線治療計画を、そのように取得されたデータを考慮し、それに応じて適切に適応することができる。導入された線量は、特に導入する粒子数を変更することによって調節可能である。特に、特定のビーム位置での粒子ビームの静止時間を変更することによって、導入する粒子数を変更することができる。より長い静止時間は、通常より高い粒子入力に至る（したがって、より短い静止時間は、より低い粒子入力に至る）。しかしさらに、又は代替的には、例えば、粒子フローを変更するために、それに応じて加速装置を再調節することも可能である。

前記方法において、放射線の適用中に決定した線量入力を記憶及び／又は出力することはさらに有利である。特に、これは取得したデータをアーカイブし、後で再度使用することを可能にする。これは、後続のオブジェクト機械加工セッションに関するだけでなく、証拠保全対策、研究プロジェクト等にも関し得る。

前記方法において、物理モデルは、少なくとも時々及び／又は少なくとも部分的には解析関数及び／又は数値テーブルとして存在可能である。解析的な表現は、特にデータを記憶するための記憶要求をより低減させ得る。一方、解析関数が比較的複雑な場合、数値テーブルが有利であり得る、つまり、解析的な算出に必要な計算時間は、特にオンラインでは、長すぎる。もちろん、例えばｘ‐ｙ方向においては解析計算が実行され、ｚ方向には数値テーブルが使われるような組み合わせ方法も考えられる。例えば数値テーブルを（線状、スプライン状等で）補間する意味内で２つの極端な手段の間の組み合わせも考えられ、一般には良好である。

エネルギー粒子ビームを、放射線の適用中に移動させるとさらに有利であり、特に走査方式で移動させ、好ましくはラスタ走査、スポット走査、及び連続走査の方式で移動させると有利である。結果として、オブジェクト（オブジェクト領域）に実質的にいずれの所望の形をした線量入力フィールドでも導入可能になり、特に有利である。この方法は、このような応用で特に有利に使用することができ、及び／又は特に有利な結果を提供し得る。

前記方法において、目標の線量と実際に適用される線量との間の差を決定することもさらに提案する。これらの偏差は、特に後の時点で（特に現在の線量適用／放射の一部中に）考慮することができる。特に、特定の対象体積領域（マトリックスドット又はビーム位置、時には正確ではないが実験室通語としてボクセルとも呼ばれる）に入力される線量を、粒子ビームがその領域に対して現在「アプローチ」している場合に、このように決定された値に応じて低減又は増加することができる。

少なくとも一つの監視デバイスを含む治療監視システムもさらに提案し、そこに関しデバイスは、上記種類の方法を含むように形成し、設ける。よって治療監視システムは、上記特性及び利点を少なくとも類似して含み得る。なお、治療監視システムは、前述の説明の意味の範囲内で、少なくとも類似して開発することができる。

少なくともこの種類の治療監視システムを含む照射しステムもさらに提案する。この場合においても、照射システムは、上記特性及び利点を少なくとも類似して含み得、及び／又は前述の説明の意味の範囲内で少なくとも類似して開発することができる。

以下、本発明を、有利な実施形態を通して、及び添付の図面を参照してより詳細に説明する。

エネルギー粒子ビームを与えるための、考えられる装置の概略図である。 、 対象オブジェクトの移動の存在下で、標的点に近接する組織領域における線量分布の影響を表す一例の略図である。 、 エネルギー粒子ビームの物理的モデルのための物理的仮定を示す一例の図である。 オブジェクトの異なる体積領域に入力する線量を決定するための方法の一例を示す図である。

図１は、高エネルギー粒子ビーム３（この場合は重イオン）でオブジェクト２を照射するための照射デバイス１の概略図である。これに関連して、照射デバイス１は、オブジェクト２の運動（矢印により示されている）を運動代替測定センサ４の手段により測定できるように同時に形成及び設定され、それにより現在照射されているビーム位置５のみならず、他の体積領域（位置６）において、特に粒子ビーム方向３において見える、現在のビーム位置５の近くに配置する位置１４、１５に入力される線量を決定する。これに関連して、実験室通語として、現在照射されているビーム位置５は場合によって、完全に正確ではないが、標的ボクセルと呼ばれ、（他の）位置６、１４、１５はよって、ボクセルと呼ばれる。

照射デバイス１は加速装置を含み、この場合これはシンクロトロン７（一般に上流に提供される直線加速装置（linac）、しかし明確さのために図１に表示されていない）として形成する。粒子ビーム３におけるイオンを生成するイオン源も、明確さのために図１に表示されていない。

シンクロトロン７を出る高加速粒子ビーム３は、二つの偏向コイル８、９により横方向（偏向コイル８）及び垂直方向（偏向コイル９）に偏向される。粒子ビーム３において、（急速）エネルギー変化は、お互いに対して移動可能な二つのウェッジ吸収体１０（エネルギー変化デバイス）によって可能になる。偏向コイル８，９及びウェッジ吸収体１０により、照射するオブジェクト２内の標的体積を、多数のビーム位置５をアプローチさせることにより走査でき、よってそこに特定の線量を割り当てる。同時に、偏向コイル８，９及びウェッジ吸収体１０により、オブジェクト２内の移動するビーム位置５を運動代替測定センサ４のデータを用いて追跡することができ、よって対応するビーム位置５の移動を実質的に補償できる。運動代替測定センサ４のデータは、電子コンピュータ１１により処理され、電子コンピュータ１１には対応するデータ線１２を介してデータが提供され、及び対応する制御コマンドを偏向コイル８，９及びウェッジ吸収対１０に出力する。

当然、電子コンピュータ１１は、他のさらなるデータも処理することは可能である。なお、電子コンピュータ１１は、選択的にシンクロトロン７（及び／又は加速装置の他の領域）にデータを送信でき、よって、例えばより大きいエネルギー変化をもたらせる（特に、ウェッジ吸収体１０を使用して表現できるエネルギー変化より大きいエネルギー変化）。しかし、シンクロトロン７のエネルギー変化は、従来、一つの粒子スピルから別の粒子スピルに応用することのみが可能であり、よって、比較的長い時間が必要となり、ウェッジ吸収体１０（又は他の急速エネルギー変化デバイス）を使用する方が良好である。

放射線を与える前に、事前に算出した放射線治療計画が電子コンピュータに読み込まれる。オブジェクト２の運動は（特にオブジェクト２の内部運動は）、放射線治療計画に関連して予測不可能であるため、追跡を実行可能にするために、及び実際（現在）のビーム位置５の外にある体積領域に入力される線量を決定するために、放射線の実際の適用中におけるオブジェクト２の運動を測定する必要がある。

図示として、図２は、異なる位置６、特に実際のビーム位置５に近い位置１４，１５に放出される線量に関するオブジェクト２の運動による影響を模式的に示す。図２は各場合において照射対象であるオブジェクト２の詳細１３を示す。詳細１３は、いくつかの個々の有限な制御可能な体積領域に細分され、これらはここで位置６と呼ぶ。図２はさらに入射粒子ビーム３を示す。ここで詳細１３は、全ての位置５が特定の時点に粒子ビーム３にアプローチされるように選択されている（十分に小さい）ため、全ての位置６は、特定の照射時間において照射位置５にある。また、対照的に、詳細１３の外に配置する位置６は（部分的に）粒子ビーム３にアプローチされない。それにもかかわらず、位置６もそれぞれ「不意図的に」導入された線量入力を決定する際に考慮される。オブジェクト２（又はオブジェクト２の部分）の運動の結果、詳細１３が、位置グリッド６がそれに応じて運動しツイストするように運動する。詳細１３の単なる移動（並進変位）は、一般に粒子ビーム３の適切な偏向及びエネルギー調節（それに対応する偏向コイル８，９及びウェッジ吸収体１０の制御）によって良好に補償できる。しかし、図２ａ（運動状態ｍ’）及び図２ｂ（運動状態ｍ）の間に起こるような回転運動は、一般にこのように補償できない。図２の二つの部分図から見えるように、このように詳細１３をツイストすると、粒子ビーム３は、位置５が制御されているにもかかわらず、他の位置６に侵入する。これに関連して、図解として、対応して侵入される位置６（すなわちビーム位置５に近い位置１４，１５）はここで弱いエネルギー放出（点付き）を受ける位置１４及び中位エネルギー放出（ハッシュ）を受ける位置１５に細分されている。ブラッグピークのプライマリ領域は、クロス模様を有するビーム位置５にあり、よってここは強いエネルギー放出を受ける。

上述のように、実際のビーム位置５の他の位置６（特に位置１４，１５）に入力される線量は、放射線治療計画が設定される時にはオブジェクト２の運動が知られていないため、実際のオブジェクト２の照射中にのみ決定可能である。以前、線量入力からビーム位置５（走査プロセスはビーム位置５も照射中に変わることを意味する）及び他の位置６へのマッピング関数を表すマトリックスを、適切な線量割合を計算するために使用した。これに関連して、マトリックスの係数は、現実的に照射中に期待できる個々の運動フェーズそれぞれを予め決定する必要がある。対応するマトリックスの記憶要求は、考慮する位置６の数に対しておおよそ二次的に増加する。従って、数平方センチメートルの比較的小さい標的領域に関しても、マトリックスのみに関して数ギガバイトの記憶要求が必要になる。これはＲＡＭである必要があるため（でなければ、例えばハードディスクアクセスは時間がかかり過ぎて、オンライン計算が不可能になる）、現在入手可能なコンピュータでさえすぐに技術的制限にぶつかる。

よって、異なる位置６に入力される線量を計算するために、係数で埋められたマトリックスの代わりに、粒子ビームの物理的モデルに基づく計算関数を使用することを提案する。

計算関数を生成するために使用できる一つの想像できる物理モデルは図３にスケッチされている。これに関連して、図３Ａは、粒子ビーム３の伝播方向（ｚ方向）におけるモデルを表示し、図３Ｂは粒子ビームのラテラル拡張を表示する。

図３Ａにおいて、上の図はエネルギーＥを浸透された材料（長さｚ）の関数として示す。これに関連して、任意に選択した初期エネルギー値Ｅ_０を仮定する。ここで使用するヘリウムイオンビームは、粒子ビームとして使用され、最初は比較的低いエネルギーロスが見える。ｚ_０におけるブラッグピークの最大値の少し前になるとエネルギーが強く低減し始め、ブラッグピークの最大値ｚ_０の領域で最大勾配に達する。これらの関係は、下の図３Ａにおいてより明確化され、そこで単位長さ当たりのエネルギーロスの微分ｄＥ／ｄｚ（よって単位体積当たりの線量入力）がｚ方向において浸透された材料に対してプロットされている。

図３Ｂは、さらに粒子ビーム直径１６の中点１６あたりにガウス的な強度分布を有する粒子ビーム３を示す。上部領域にガウス曲線１８を示す。関係を明確にするために、粒子ビーム直径１７の中点１６の周囲に異なる強度の複数の同心円が描かれている（しかし、実際には通常、粒子強度は段階的ではなく連続的に低減する）。

この数学的モデルに基づいて、変換関数D(E_beam,r,z)について可能な関数として以下の関数が得られる。

これに関連して、関数D(E_beam,r,z)は浸透深さｚの関数として線量入力を表す関係であり、以下により詳細に説明する。Ｎは粒子カウントであり、σは粒子ビーム幅の標準偏差であり、ｒは粒子ビーム直径１７の中点１６からの距離である。

以下の関係:

は関数d(E_beam,z)に使用可能であり、例えば科学刊行物「Treatment planning for heavy-ion radiotherapy: physical beam model and dose optimization」、M. Kramer, O Jaeckel, T. Haberer, G. Kraft, D. Schardt and U. Weber in Phys. Med. Biol. 45 (2000) 3299-3317において導かれた関係である。これに関連して、dN/dEは、個別の微分等エネルギーディスクの微分エネルギースペクトルである。Tは特定の粒子種類の測定値であり、原子番号Z及び原子質量Aにより定義される。ρは浸透材料の密度を意味する。

したがって、記載の関係を使用して、各個別の被照射ビーム位置５（例えば特定のインデックスiにより示す）に対して、運動フェーズｍにおける、例えば特定のインデックスｋにより示す別の位置６に入力される線量を計算できる。この方式で計算した実際の放射線入力と放射線治療計画により入力される放射線との差を用いることにより、補正値Δd^ik _m(i)が以下の関係から得られる：

そこでD_norm(Eⁱ,r^k _m,z^k _m)には以下が成り立つ：

式（４）はよって、上記式（１）において「１」に代わって粒子カウント「N」が入り、従ってこれは標準関数となる（例として「１」の粒子カウントに対して標準化されている）。

その後、式（３）において、粒子カウントNⁱ _adaptに対するスケーリングが実施され、それは実際の照射以前には知られておらず、一般に使用されている線量補償によって変化する。

r^k _mは、追跡パラメータΔx^→i _m（粒子ビーム３の「変位」）を用いた、運動フェーズｍにおける位置iの照射中のビーム位置x^→i _mに対する運動フェーズｍにおける位置ｋのラジアル距離であり、そこでx^k _mは追跡パラメータΔx^→i _mを用いた、運動フェーズｍにおける位置Iの照射中のビーム位置x^→i _mに対する運動フェーズｍにおける位置ｋの水等価深さである。

まだ適用していない照射部分に関連して、対応するビーム位置５を照射する際に、補正値Δd^ik _m(i)を考慮できる。これは、例えば適切なビーム位置５における粒子ビームの滞在時間を調節する（短く又は長くする）ことによって起こり得る。同様に、データを「単に」記憶し、例えばまだ適用する照射部分のための放射線治療計画を計算するために考慮することも可能である。

最後に、図4はさらにここで提案する方法のフローチャート１９を概略的に示す。第一のステップ２０において、現在の運動フェーズ２０が（例えば、運動代替測定センサ４からの測定を用いて）検出される。これに基づいて、後続のステップ２１において、異なる位置６（特にビーム位置５及びビーム位置５に近い位置１４，１５）への線量入力を計算する。これは物理的モデルを使用して決定された関数を利用し、例えば上述の式（１）から（４）を利用する。

その後、ステップ２２において、計画した目標線量と実際に適用された線量２２との差を決定する。このように決定した差分値２２は、現在の照射部分中においてもまだ照射されていない目標ボクセル６への粒子入力を調節するように、補正ステップ２３で使用される（「上向き」及び「下向き」の補正が可能である）。

その後、放射線がまだ完全に適用されていない限り、方法１９のスタートへのジャンプ２４がある。一方、照射が完全に実行されている場合、方法は停止する（枝２５）。このステップに併せて、線量値はさらに、この目的でまだ計算する放射線治療計画におけるその後の照射部分に考慮できるように、記憶し、及び例えば記憶媒体へ出力してもよい。

１ 照射デバイス
２ オブジェクト
３ 粒子ビーム
４ 運動代替測定センサ
５ ビーム位置
６ 位置
７ シンクロトロン
８ 一対の水平偏向コイル
９ 一対の垂直偏向コイル
１０ ウェッジ吸収体
１１ 電子コンピュータ
１２ データライン
１３ オブジェクトの詳細
１４ 弱い付与
１５ 中付与
１６ 中点
１７ 粒子ビーム直径
１８ ガウスカーブ
１９ フロー図
２０ 運動フェーズを決定
２１ 線量入力を決定
２２ 差を決定
２３ 補正ステップ
２４ ジャンプバック
２５ 停止

Claims (15)

1. 放射線の適用中に、エネルギー粒子ビーム（３）での照射対象オブジェクト（２）への線量入力を決定する装置であって、
   前記エネルギー粒子ビーム（３）により照射された目標体積領域（５）の外に位置する体積領域（６，１４，１５）への前記線量入力を、放射線の適用中に決定するための線量入力決定手段を含み、
   前記線量入力を決定するために、前記エネルギー粒子ビーム（３）の物理的モデルに基づく計算関数を使用することを特徴とする装置。
2. 前記線量入力決定手段は、前記エネルギー粒子ビーム（３）により照射される前記目標体積領域（５）への前記線量入力をさらに、かつ別に決定することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記粒子ビーム（３）の前記物理的モデルは、粒子ビームプロファイル（１７）の実質的にガウス状の分布（１８）に基づくことを特徴とする、請求項１又は２のいずれかに記載の装置。
4. 前記物理的モデルは、材料を透過する際のエネルギー損失モデル（図３ａ）に基づくことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 前記放射線の適用中に、前記照射対象オブジェクト（２）が運動することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 少なくとも前記照射対象オブジェクトの部分領域が並進運動及び／又は回転運動及び／又は膨張若しくは圧縮運動をすることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記照射対象オブジェクト（２）の少なくとも一部の運動を検出することを特徴とする、請求項１から６、特に請求項５から６のいずれかに記載の装置。
8. 前記エネルギー粒子ビーム（３）は、前記照射対象オブジェクト（２）の運動による前記目標体積領域の位置変化を補償するように制御されることを特徴とする、請求項１から７、特に請求項５から７のいずれかに記載の装置。
9. 前記放射線の適用中に決定する前記線量入力は、後続の照射に影響することを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の装置。
10. 前記放射線の適用中に決定する前記線量入力を、記憶及び／又は出力することを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
11. 前記物理的モデルは、解析関数及び／又は数値テーブルの形式であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
12. 前記エネルギー粒子ビーム（３）は、前記放射線の適用中に移動し、特に走査方式で移動し、好ましくはラスタ走査方式、スポット走査方式、及び／又は連続走査方式で移動することを特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
13. 目標線量と実際に適用される線量との間の差を決定することを特徴とする、請求項１から１２のいずれかに記載の装置。
14. 請求項１から１３のいずれかに記載の装置を少なくとも一つ含む治療監視システム（１１）。
15. 照射システム（１）であって、少なくとも一つの請求項１４に記載の治療監視システム（１１）を含むことを特徴とするシステム。

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