JP6139797B2 - 粒子線治療装置 - Google Patents

Description

この発明は、粒子線を照射してがん治療等を行う粒子線治療装置に関するものである。

がん治療を目的とした放射線医療分野では、陽子や重イオンを用いたがん治療装置である粒子線治療装置の開発や、粒子線治療装置を用いて治療を行う施設の建設が進められている。陽子や重イオン等を用いた粒子線による治療は、Ｘ線、ガンマ線等の従来の放射線治療に比べて、がん患部に集中的に照射することができ、正常細胞に影響を与えずに治療することが可能である。

近年、粒子線治療装置においては、正常細胞への影響を抑えることができるスキャニング照射法や積層原体照射法といった高度三次元照射法が開発され、実用に至っている。高度三次元照射法は、照射中にビーム条件を細かく切り替えることで、より正確な線量分布制御を実施する。

粒子線治療装置は、治療計画に従って所定の粒子線を患者に照射するための照射機器を有する治療室と、治療室の粒子線の要求に応じて粒子線を生成し、所定のビーム条件で指定の治療室へ輸送する加速器から構成される。

さらに、照射機器は患者に規定の線量値の粒子線が照射されるように観測する線量モニタシステムを含んでいる。照射線量は特に重要な治療パラメータの一つであるため、一般的に粒子線治療装置の線量モニタシステムでは線量モニタを冗長化することによって信頼性を高めている。

従来の粒子線治療装置では、陽子線が通過するビームライン機器に、照射される線量を測定するための線量モニタとして、主線量モニタと副線量モニタを備えることで、二重化する技術が知られている。（例えば、非特許文献１）。

メディポリスがん粒子線治療研究センターWeb公開資料、粒子線治療の紹介「粒子線治療装置」5.標的形状に陽子線を成型する照射系機器（ビームライン機器）の4.線量モニタ、[平成２６年５月１４日検索]、インターネット＜URL:http://www.medipolis-ptrc.org/device_2.html＞

線量モニタは、センサー部を通過するビームによって生成される電荷量を検出することで通過したビームの線量値を計測する。前述のように線量モニタは患者に投与される放射線量を観測する重要な役割を担い、線量モニタの故障によって直ちに患者に重篤な危害が及ばないよう、多重化により信頼度を高めている。

一般に、２台の線量モニタを備えるシステムでは、治療計画システムにて計画された投与線量値の検出をもってビーム遮断を行う主線量モニタと、投与線量値よりも数％大きくした保護のための遮断線量値の検出にてビーム遮断を行い主線量モニタ動作不良時の過照射を防ぐ副線量モニタで構成される。

主線量モニタと副線量モニタは、設定される線量値とモニタセンサー部の配置を除けば機能的に等価であるが、主副の役割は通常固定されている。そのため、主線量モニタの機能に問題がない限り、副線量モニタが保護遮断線量値を検出して遮断することは通常発生しない。万が一、副線量モニタの線量検出機能、あるいはビーム遮断機能に異常が発生している間に主線量モニタの故障が重なる多重故障が生ずると、直ちに過照射につながりかねない重篤な事態を招くという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、線量モニタの動作健全性のために別で検証する必要がなく、かつ追加の故障診断機能を必要としない粒子線治療装置を提供することを目的としている。

この発明の粒子線治療装置は、粒子線をシンクロトロンで加速して出射する加速器と、前記加速器から出射された前記粒子線を照射対象に照射する照射機器と前記照射機器から照射された前記粒子線の線量値を検出する第１線量モニタおよび第２線量モニタと、前記第１線量モニタおよび前記第２線量モニタに、投与線量値に対応する線量値を検出する主線量モニタの役割および保護遮断線量値に対応する線量値を検出する副線量モニタの役割を、照射毎に交互に切り替えて割り当て、制御する線量モニタシステム制御装置とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、線量モニタシステム制御装置により、２台の線量モニタの役割を照射毎に切り替えて、それぞれに対応する線量モニタ回路を制御する構成とすることで、特別の操作を必要とせずに、２台の線量モニタの動作確認が治療フローの中で行える。また、同時に故障することがない限り、２回の照射で必ず故障部位を検出・特定することが可能になる。

この発明の実施の形態１における粒子線治療装置の構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態１における粒子線治療装置の線量モニタシステム制御装置の動作の手順を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１における粒子線治療装置の線量モニタシステム制御装置による故障診断の例を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における粒子線治療装置の構成を示す図である。図１に示すように、加速器１と治療室２が実施の形態１の粒子線治療装置１００を構成する。加速器１のビームの出射はビーム制御装置３によって制御されている。治療室２には照射対象である患者２０１と照射機器２０２が存在し、照射機器２０２は照射制御装置４によって制御される。線量モニタシステム５は照射機器２０２を構成するコンポーネントである。

線量モニタシステム５は、２式からなる第１線量モニタとしての線量モニタ５０と第２線量モニタとしての線量モニタ５１、線量モニタ５０と線量モニタ５１の各制御回路である線量モニタ回路５２、５３、および一つの線量モニタシステム制御装置５４で構成される。

線量モニタシステム５の線量モニタ５０と線量モニタ５１は、それぞれ線量モニタ回路５２と線量モニタ回路５３に接続される。線量モニタ回路５２と線量モニタ回路５３は、それぞれ線量モニタシステム制御装置５４とビーム制御装置３に接続され、線量モニタシステム制御装置５４は、さらに照射制御装置４およびビーム制御装置３と接続される。

次に、加速器１と治療室２の基本的な動作を説明する。図１において、入射器１０のイオン源１１で発生したイオン（例えば水素イオン、炭素イオン）の集合である粒子線は、入射器１０の前段直線加速器１２によって予備加速を受け、所定の運動エネルギーにまで加速される。予備加速を受けた粒子線は低エネルギービーム輸送系の真空ダクト１３を通り、また電磁石１４〜２０によって偏向、収束と発散、軌道補正を受けながらシンクロトロン２１へと導かれる。

シンクロトロン２１は粒子線がシンクロトロン２１内で周回軌道を取るように電磁石２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）が設定されており、高周波加速空洞２３が形成する加速電場を繰り返し受ける。粒子線は高周波加速空洞２３の加速電場によって繰り返し加速され、その運動エネルギーが加速と共に高くなる。運動エネルギーが高くなるにつれ、粒子線の偏向などに必要な磁場強度が変化するため、シンクロトロン２１を構成する電磁石２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）などの加速器機器は時間によって運転パラメータが変化する。

シンクロトロン２１中の粒子線が所定の運動エネルギーにまで到達し、粒子線の取り出しが可能となったタイミングで出射装置２４によって粒子線は高エネルギービーム輸送系へと送り出される。高エネルギービーム輸送系に導かれた粒子線は、偏向電磁石２５〜２７などの作用により適切に治療室２へ誘導される。

図示しないが、回転ガントリーを有する高エネルギービーム輸送系である場合、回転ガントリーが所定の角度に設定され、粒子線が輸送される。加速器を構成する各サブシステムはビームモニタを備えており、これを用いて適宜粒子線の状態を観測する。

治療室２まで輸送された粒子線は、図示しないワブラ電磁石またはスキャニング電磁石、散乱体、リッジフィルタ、多葉コリメータ、ボーラスなどの照射機器による粒子線の進行軸に垂直な方向への走査、散乱、運動量の分散、コリメーション、補償などのプロセスを経て、患者台２０３に固定された患者２０１の患部形状および吸収線量のピーク位置が患部深さと一致する様に設定され、患者２０１への線量投与に至る。

患者２０１へ投与される粒子線の量は照射機器２０２に含まれる線量モニタシステム５によって観測され、投与線量が規定の線量値に到達するまで粒子線照射が行われる。粒子線照射は治療計画に従って行われ、治療計画は少なくとも一つの粒子線のビーム条件と照射機器の設定と照射線量値を含む照射条件を含む。

一つの治療計画が複数の照射条件を含み、かつその照射条件に含まれるビーム条件が２種類以上存在する場合、ある一つのビーム条件に対応する照射条件に設定された照射線量を投与した後、加速器の設定を次のビーム条件に対応するように切り替え、次の照射条件にて照射開始する。治療計画が含む全ての照射条件に設定された照射線量を投与するまでこの動作を繰り返す。

次に、この実施の形態１における粒子線治療装置１００の治療計画に基づく照射準備から照射完了までの一連の動作について、図１を参照しながら説明する。まず、照射制御装置４は、照射機器２０２および線量モニタシステム５に対して、治療計画に基づいたパラメータを設定するよう、機器を制御する。

線量モニタシステム５に対しては、線量モニタシステム制御装置５４へ投与線量値を送信すると同時に、保護遮断線量値を送信する。この投与線量値と保護遮断線量値を受信した線量モニタシステム５は、２式の線量モニタ回路５２、５３にそれぞれ投与線量値と保護遮断線量値を設定し、設定完了を照射制御装置４に通知する。

線量モニタシステム５を含む全ての照射機器２０２から設定通知を受けた照射制御装置４は、照射を開始する。照射開始に伴い、加速器１からビームが治療室２へと輸送され、線量モニタシステム５を含む照射機器２０２を通過し、患者２０１にビームが照射される。線量モニタシステム５をビームが通過する際、線量モニタ５０、５１は、通過したビームの電化量をモニタ信号として線量モニタ回路５２、５３に伝達する。

モニタ信号を受けた線量モニタ回路５２、５３は、モニタ信号を予め校正された手順によって処理し、線量値へと換算し、照射開始時点から積算する。もし、積算した線量値が設定された遮断線量値以上になった場合、線量モニタ回路５２、５３はビーム制御装置３に対して遮断信号を出力してビーム照射を抑制するとともに、線量モニタシステム制御装置５４へ患者２０１に照射されたビームが設定された線量値に到達したことを示す遮断状態通知と照射線量値を送信する。

ビーム制御装置３は同時に、線量モニタ回路５２、５３から遮断指示を受けたことを線量モニタシステム制御装置５４へ通知する。

線量モニタ回路５２、５３から遮断状態通知と照射線量値を受信した線量モニタシステム制御装置５４は、照射制御装置４へ照射線量値を送信する。照射制御装置４は受信した照射線量値が投与線量値を満たすことを確認して、一連の照射が完了する。もし、照射線量値が投与線量値未満である場合は、再照射、あるいは再度治療計画を行うかは、状況をみてユーザーが判断する。

次に、この実施の形態１において発明の特徴を示す線量モニタシステム制御装置５４の動作について、図２に基づき詳細に説明する。まず、線量モニタシステム制御装置５４は、照射制御装置４から投与線量値と保護遮断線量値を受信する（Ｓ２００１）。

続いて、線量モニタシステム制御装置５４は、線量モニタ５０と線量モニタ５１のいずれかに、主線量モニタＡあるいは副線量モニタＢの役割を割り当てるよう、線量モニタ回路５２と線量モニタ回路５３を制御する（Ｓ２００２）。

ただし、次の照射からは前回に設定した役割とは異なるように主線量モニタＡと副線量モニタＢを設定し、照射毎に役割を交代するようにする。ここでは、最初に線量モニタ５０が主線量モニタＡの役割に、線量モニタ５１が副線量モニタＢの役割に振り分けられたとする。

次いで、線量モニタシステム制御装置５４は、主線量モニタＡとしての線量モニタ５０に対しては、線量モニタ５０を制御する線量モニタ回路５２に第１の役割としての遮断線量値を検出するために、投与線量値を遮断線量値として設定する（Ｓ２００３）。

一方、副線量モニタＢとしての線量モニタ５１に対しては、線量モニタ５１を制御する線量モニタ回路５３に第２の役割としての遮断線量値を検出するために、保護遮断線量値を遮断線量値として設定する（Ｓ２００４）。遮断線量値を設定された線量モニタ回路５２、５３は、それまでの積算線量値をクリアし、新たなビーム線量値の積算に備える。

線量モニタ回路５２、５３への遮断線量値の設定を完了した後、線量モニタシステム制御装置５４は、照射制御装置４へ設定完了を通知する（Ｓ２００５）。設定完了を受けた照射制御装置４は他装置の設定完了とユーザーの照射開始の指示を受けた後、ビーム照射を開始する（Ｓ２００６）。

ビーム照射開始の指示を受けたビーム制御装置３は、加速器１に対してビームを出射するよう制御し、ビームが加速器１から出力され、照射機器２０２を通過して患者２０１に照射される。ビーム照射によって主線量モニタＡとしての線量モニタ５０からモニタ信号が出力され、線量モニタ回路５２に線量値が積算される。

全ての機器と機器間通信が正常である場合、まず、主線量モニタＡとしての線量モニタ５０の線量モニタ回路５２において積算線量値が遮断線量値である投与線量値に到達すると、線量モニタ回路５２からビーム制御装置３へ遮断指示が出力される。

その結果、加速器１からのビーム出力が停止し、以降、主線量モニタＡとしての線量モニタ５０の線量モニタ回路５２からモニタ信号が出力されなくなるため、副線量モニタＢとしての線量モニタ５１の線量モニタ回路５３が遮断信号を出力することはない。

同時に、ビーム制御装置３から線量モニタシステム制御装置５４へ、主線量モニタＡとしての線量モニタ５０の線量モニタ回路５２が遮断信号を出力したことが通知される。

このような場合、線量モニタシステム制御装置５４は、主線量モニタＡとしての線量モニタ５０および線量モニタ回路５２が正常に作動し、かつビーム制御装置３からも正常な応答があったものと判断し、照射が正常終了したことを照射制御装置４へ通知して終了する。

ただし、この場合、副線量モニタＢとしての線量モニタ５１および線量モニタ回路５３は、一切遮断動作に関与しないため、副線量モニタＢと副線量モニタＢに関連する通信の健全性は確認されない。

全ての機器と機器間通信が正常で終了した後、以後の照射では、上述のように、照射毎に前回に設定した役割とは異なるように主線量モニタＡと副線量モニタＢを設定し、線量モニタ５０と線量モニタ５１の役割を交代して、同様にＳ２００１〜Ｓ２００６を繰り返す。

ここでは、次回の照射においては、線量モニタ５１が主線量モニタＡの役割に、線量モニタ５０が副線量モニタＢの役割に振り分けられることになる。したがって、次回の照射で、全ての機器と機器間通信が正常で終了した場合には、主線量モニタＡとしての線量モニタ５１および線量モニタ回路５３において通信の健全性が確認される。

その結果、２台の線量モニタ５０、５１の主副の役割を照射毎に交代する構成により、特別の操作を必要とせずに、２台の線量モニタの動作確認が治療フローの中で行えることになる。また、同時に故障することがない限り、２回の照射で必ず故障部位を検出・特定することが可能になる。

また、２台の線量モニタ５０、５１を交互に使用することから、ビーム遮断作動時の２台の線量モニタの線量値を比較し、計測線量値が同一あるいは計測線量値の差が閾値以下にある場合には、遮断能力の異常を、計測線量値の差が閾値を超える場合は計測能力の異常を判断することで故障診断機能も兼ねることができ、ユーザーによる早急な故障の確認及び是正処置を促すことができる。

一方で、もし主線量モニタＡとしての線量モニタ５０または線量モニタ回路５２に異常が生じて遮断信号をビーム制御装置３へ出力することができない場合、副線量モニタＢとしての線量モニタ５１の線量モニタ回路５３は積算線量値が保護遮断線量値に到達したことを検出して、ビーム制御装置３へ遮断信号を出力する。

線量モニタシステム制御装置５４は、副線量モニタＢとしての線量モニタ５１の線量モニタ回路５３から遮断動作の通知と、ビーム制御装置３から線量モニタ回路５３により遮断の指示があったことの通知を受ける。

このことから、線量モニタシステム制御装置５４は、主線量モニタＡとしての線量モニタ５０または線量モニタ回路５２に異常が生じているが、副線量モニタＢとしての線量モニタ５１または線量モニタ回路５３は正常に動作していることがわかり、照射制御装置に異常を通知する。

他方、主線量モニタＡとしての線量モニタ５０および線量モニタ回路５２は正常に動作しているが、線量モニタ回路５２からビーム制御装置３までの通信経路に異常が生じている場合、線量モニタ回路５２から線量モニタシステム制御装置５４に対して遮断動作の通知はあるが、ビーム制御装置３から線量モニタ回路５２の遮断指示があったことの通知はない。ただし、ビームは正常に停止しているため、副線量モニタＢとしての線量モニタ５１の線量モニタ回路５３の遮断動作通知もない。

このように、線量モニタシステム制御装置５４に対して主線量モニタＡと副線量モニタＢの線量モニタ回路５２、５３の遮断動作の通知とビーム制御装置３からの遮断動作指示の通知の有無を判断し（Ｓ２００７）、線量モニタシステム５と、ビーム制御装置３間の通信状態の健全性について、故障診断を実施する（Ｓ２００８）。

図３に、線量モニタシステム制御装置５４に対する主線量モニタＡと副線量モニタＢの線量モニタ回路５２、５３の遮断動作の通知とビーム制御装置３からの遮断動作指示の通知の有無の条件に対応する故障診断の情報の一例を示す。図３に示すような故障診断の情報は、例えば、線量モニタシステム制御装置５４内のメモリ部等に保存しておく。

線量モニタシステム制御装置５４は、図３に示すような故障診断の情報に基づき、主線量モニタＡと副線量モニタＢの線量モニタ回路５２、５３の遮断動作の通知とビーム制御装置３からの遮断動作指示の通知の有無から、線量モニタシステム５での異常の有無を判断できる（Ｓ２００９）。異常があると判断した場合には、照射制御装置４へ診断結果を送信し（Ｓ２０１０）、具体的な故障状態をユーザーへ遅滞なく通知することが可能となる。

以上のように、この発明の実施の形態１における粒子線治療装置では、線量モニタシステム制御装置５４により、２台の線量モニタ５０、５１の主副の役割を照射毎に切り替えてそれぞれに対応する線量モニタ回路を制御する構成としたので、特別の操作を必要とせずに、２台の線量モニタの動作確認が治療フローの中で行えることになる。また、同時に故障することがない限り、２回の照射で必ず故障部位を検出・特定することが可能になる。

さらに、治療以外の確認作業時間を短縮し、粒子線治療装置の使用効率を改善できるだけでなく、線量モニタ２台が同時に故障しない限り必ず１台の線量モニタの故障を検知できるので、過照射を特別な故障診断装置の追加の必要なく防ぐことができる。

また、２台の線量モニタ５０、５１を交互に使用することから、ビーム遮断作動時の２台の線量モニタの線量値を比較し、計測線量値が同一あるいは計測線量値の差が閾値以下にある場合には遮断能力の異常を、計測線量値の差が閾値を超える場合は計測能力の異常を判断することで故障診断機能も兼ねることができ、ユーザーによる早急な故障の確認及び是正処置を促すことができる。

また、線量モニタシステム制御装置５４により、予め保存されている故障診断の情報に基づき、主線量モニタＡと副線量モニタＢの線量モニタ回路５２、５３の遮断動作の通知とビーム制御装置３からの遮断動作指示の通知の有無から、線量モニタシステム５での異常の有無及び故障状態を判断するようにしたので、より具体的な故障状態をユーザーへ遅滞なく通知することが可能となる。

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 加速器、３ ビーム制御装置、２１ シンクロトロン、
５０ 線量モニタ、５１ 線量モニタ、５２ 線量モニタ回路、
５３ 線量モニタ回路、５４ 線量モニタシステム制御装置、
１００ 粒子線治療装置、２０２ 照射機器

Claims (4)

1. 粒子線をシンクロトロンで加速して出射する加速器と、
   前記加速器から出射された前記粒子線を照射対象に照射する照射機器と
   前記照射機器から照射された前記粒子線の線量値を検出する第１線量モニタおよび第２線量モニタと、
   前記第１線量モニタおよび前記第２線量モニタに、投与線量値に対応する線量値を検出する主線量モニタの役割および保護遮断線量値に対応する線量値を検出する副線量モニタの役割を、照射毎に交互に切り替えて割り当て、制御する線量モニタシステム制御装置とを備えたことを特徴とする粒子線治療装置。
2. 前記主線量モニタの役割を割り当てられた前記第１線量モニタまたは前記第２線量モニタは、前記照射対象に照射された前記粒子線の積算線量値が前記投与線量値以上であることを検出した場合に、前記主線量モニタの役割を割り当てられた前記前記第１線量モニタまたは前記第２線量モニタの線量モニタ回路からの遮断信号を受信し、前記加速器からの前記粒子線の出射を制御するビーム制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
3. 前記ビーム制御装置は、前記主線量モニタの役割を割り当てられた前記第１線量モニタまたは前記第２線量モニタの線量モニタ回路からの遮断信号を受信できない場合であって、前記副線量モニタの役割を割り当てられた前記第２線量モニタまたは前記第１線量モニタが、前記照射対象に照射された前記粒子線の積算線量値が前記保護遮断線量値以上であることを検出した場合に、前記副線量モニタの役割を割り当てられた前記前記第２線量モニタまたは前記第１線量モニタの線量モニタ回路からの遮断信号を受信し、前記加速器からの前記粒子線の出射を制御することを特徴とする請求項２に記載の粒子線治療装置。
4. 前記線量モニタシステム制御装置は、前記ビーム制御装置が前記主線量モニタの役割を割り当てられた前記第１線量モニタまたは前記第２線量モニタの線量モニタ回路から遮断信号を受信したことを知らせる通知もしくは前記副線量モニタの役割を割り当てられた前記第２線量モニタまたは前記第１線量モニタの線量モニタ回路から遮断信号を受信したことを知らせる通知、および前記第１線量モニタの線量モニタ回路または前記第２線量モニタの線量モニタ回路から前記ビーム制御装置に遮断信号を送信したことを知らせる通知から、予め記憶されている故障診断の情報に基づいて、故障を診断することを特徴とする請求項３に記載の粒子線治療装置。

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