JP6220713B2 - 荷電粒子ビーム照射システム - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビームを腫瘍等の患部に照射して治療する荷電粒子ビーム照射システムに関する。

本技術分野の背景技術として、特開２０１１−１７７３７４号公報（特許文献１）がある。特許文献１は、スポットスキャン法による粒子線治療において、照射時間を短縮可能な荷電粒子ビーム照射システムを開示する。この荷電粒子ビーム照射システムは、荷電粒子発生装置とビーム輸送系と照射装置から構成され、制御装置は、照射装置内のビーム位置計測装置から得られた出力からスポットへの照射完了毎に荷電粒子ビームの位置・幅を演算している。

特開２０１１−１７７３７４号公報

治療においては、患者への負担低減や、治療可能な患者数増加のため、治療時間の短縮化の要望がある。スポットスキャン法ではその一つの手段として、一つの照射区画（スポット）へ一度に付与する照射線量を増加させ、線量の塗り重ね（リペイント）回数を減少させることで、照射時間を短縮し高線量率化を行う方法がある。

上記した課題を解決する本発明の特徴は、荷電粒子ビームを加速して出射する荷電粒子ビーム発生装置と、加速された荷電粒子ビームを走査する走査電磁石を有し、荷電粒子ビームの進行方向に照射対象を複数に分割してなる層毎に設定された複数の照射スポットに、加速した荷電粒子ビームを照射対象に出射する照射装置と、照射装置内を通過する荷電粒子ビームの線量を求めるビーム線量計測器と、走査電磁石で走査された荷電粒子ビームの位置及び幅のいずれか一方又はその両方を求めるビーム位置計測器を備え、ビーム位置計測器は、照射スポット毎に、荷電粒子ビームの位置及び幅のいずれか一方又はその両方を求めて許容範囲内にあるか否かを判定し、さらに、複数の照射スポットのうち一部または全部の照射スポットに対して、複数の照射区分に分割して線量が管理されるスプリットついて、スポットへの荷電粒子ビームの照射中に、スプリットごとに荷電粒子ビームの位置及び幅のいずれか一方又はその両方を求めて許容範囲内にあるか否かを判定する荷電粒子ビーム照射システムにある。

本発明によれば、照射対象に対する荷電粒子ビームの照射時間を短縮することができる。

本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムの全体構成をあらわす概略図である。 実施例１の荷電粒子ビーム照射システムを構成する照射装置及び照射制御装置の構成を示す概略図である。 荷電粒子ビームが照射される照射対象の、体表面からの深さ方向における領域分け（層分け）を示す説明図である。 ある層Ｌ_iの照射スポットＡ_i,jのうち、複数のビーム照射区間Ｓ_k（スプリットＳ_k）に分割する照射スポットＡ_i,jについて説明する説明図する。 荷電粒子ビーム照射システムによる荷電粒子ビームの位置及び幅を算出するフローを示すフローチャート図である。 図４の照射スポットＮｏ．２(Ａ_i,2)を例に、実施例１の荷電粒子ビーム照射システムがスポット及び各スプリットでの荷電粒子ビームのビーム線量の計測とビーム位置及び幅の算出のタイミングを示した図である。 実施例２の荷電粒子ビーム照射システムを構成する照射装置及び照射制御装置の構成を示す概略図である。 図４の照射スポットＮｏ．２(Ａ_i,2)を例に、実施例２の荷電粒子ビーム照射システムがスポット及び各スプリットでの荷電粒子ビームのビーム線量の計測とビーム位置及び幅の算出のタイミングを示した図である。

以下、図面を用いて各実施例を説明する。

本発明の好適な一実施例である荷電粒子ビーム照射システムを、図１を用いて説明する。図１は、本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１の全体構成を示す概略図である。荷電粒子ビーム照射システム１では、照射目標であるがんの患部に照射する荷電粒子ビームとして、陽子線を用いる。陽子線のかわりに、重粒子線（例えば、炭素線）を用いてもよい。

荷電粒子ビーム照射システム１は、荷電粒子ビーム発生装置２、ビーム輸送系３、照射装置５及び制御装置６を備える。治療室４内に、照射装置５及び患者用ベッド４１が配置される。照射装置５は、治療用ベッド４１に対向するように配置される。

荷電粒子ビーム発生装置２は、イオン源（図示せず）、前段加速器である直線加速器（ライナック）８及び円形加速器（シンクロトロン）９を備える。直線加速器８は、イオン源で生成された荷電粒子を所定のエネルギーまで加速してシンクロトロン９に入射する。シンクロトロン９は、入射された荷電粒子を所定のエネルギーまで加速して出射する。本実施例では、円形加速器としてシンクロトロンを例に説明するが、シンクロトロンに替えて、例えばサイクロトロンのような前段加速器８を備えない加速器やシンクロサイクロトロンなどの他の加速器を用いてもよい。

シンクロトロン９は、荷電粒子ビームの周回軌道を構成する環状のビームダクト２１、複数の偏向電磁石２２、複数の四極電磁石（図示せず）、入射器２３、出射用の高周波印加装置２４、出射用デフレクター２８、荷電粒子ビームに高周波電圧を印加する加速装置（加速空胴）２９を有する。高周波印加装置２４は、出射用高周波電極２５、開閉スイッチ２６及び高周波電源２７を備える。出射用高周波電極２５は、ビームダクト２１に設けられ、開閉スイッチ２６を介して高周波電源２７に接続される。加速装置２９、複数の偏向電磁石２２、四極電磁石及び出射用デフレクター２８は、図１に示すように、ビームダクト２１に沿って配置される。高周波電源装置（図示せず）が加速装置２９に接続される。

ビーム輸送系３は、シンクロトロン９と照射装置５を接続するビーム経路（ビームダクト）３２を備え、このビーム経路３２上に、複数の四極電磁石（図示せず）及び複数の偏向電磁石３１を備える。ビーム経路３２は、出射用デフレクター２８付近でシンクロトロン９の環状のビームダクト２１に接続される。ビーム輸送系３が、荷電粒子ビーム発生装置２で加速された荷電粒子ビームを照射装置５に輸送する。

照射装置５は、図２に示すように、ケーシング５０、第１走査電磁石（Ｘ方向走査電磁石）５１、第２走査電磁石（Ｙ方向走査電磁石）５２、ビーム位置検出器（ビーム位置モニタ）５３、ビーム線量検出器（ビーム線量モニタ）５４、第１走査電磁石電源５５、第２走査電磁石電源５６、電源制御装置５７、ビーム位置計測装置５８、ビーム線量計測装置５９を備える。第１走査電磁石５１、第２走査電磁石５２、ビーム位置モニタ５３及び線量モニタ５４は、ケーシング５０内であって、通過する荷電粒子ビームのビーム軌道上に配置される。

ケーシング５０内に入射された荷電粒子ビームのビーム進行方向に垂直な平面内において、ある一方向をＸ方向とし、当該Ｘ方向に垂直な方向をＹ方向とする。第１走査電磁石５１は通過する荷電粒子ビームをＸ方向に走査し、第２走査電磁石５２は通過する荷電粒子ビームをＹ方向に走査する。電源制御装置５７は、照射制御装置６３からの指令信号に基づいて、第１走査電磁石電源５５及び第２走査電磁石電源５６を制御する。第１走査電磁石電源５５が第１走査電磁石５１に所定の励磁電流を印加し、第２走査電磁石電源５６が第２走査電磁石５２に所定の励磁電流を印加する。

ビーム位置モニタ５３とビーム線量モニタ５４は、ケーシング５０内であって、第１走査電磁石５１と第２走査電磁石５２よりも下流側（ケーシング５０の出口側）に配置される。ビーム位置モニタ５３及びビーム線量計測装置５８が、荷電粒子ビームの位置及び幅を求めるビーム線量計測器である。ビーム位置計測装置５８は、ビーム位置モニタ５３からの位置データを受け取って、通過した荷電粒子ビームの位置と幅（広がり）を計測する。ビーム線量モニタ５４及びビーム線量計測装置５９が、通過する荷電粒子ビームのビーム線量を計測するビーム線量計測器である。ビーム線量計測装置５９は、線量モニタ５４からの線量データを受け取ると、通過した荷電粒子ビームの照射線量を計測する。ビーム線量計測装置５９は、２つの線量カウンター（第１線量カウンター６４及び第２線量カウンター６５）を有する。第１線量カウンター６４は、照射スポットへの照射が開始される直前または同時にリセットされ、同一の照射スポットへの照射中は常に荷電粒子ビームの照射線量をカウントし続け、照射線量が該当スポットの目標線量に到達すると、ビーム線量計測装置５９がスポット線量満了信号を中央制御装置６２及び照射制御装置６３に出力する。第２線量カウンター６５で計測した照射線量があらかじめ設定された目標線量ΔＤに達すると、ビーム線量計測装置５９はスプリット線量満了信号を中央制御装置６２及び照射制御装置６３に出力するとともに、第２線量カウンター６５のカウントをリセットする。本実施例では、ビーム位置計測器は荷電粒子ビームの位置及び幅の両方を求める例を説明するが、荷電粒子ビームの位置及び幅のいずれか一方を求める例であってもよい。また、本実施例では、照射装置５がビーム位置計測装置５８及びビーム線量計測装置５９を備える構成を例に説明するが、照射制御装置６３がビーム位置計測装置５８及びビーム線量計測装置５９を備える構成であってもよい。

制御装置６は、図１に示すように、加速器・輸送系制御装置６１、中央制御装置６２、照射制御装置６３を備える。加速器・輸送系制御装置６１及び照射制御装置６３は、中央制御装置６２に接続される。中央制御装置６２は、治療計画装置７に接続される。加速器・輸送系制御装置６１は、荷電粒子ビーム発生装置２を構成する各機器及びビーム輸送系３を構成する各機器を制御する。照射制御装置６３は、照射装置５を構成する各機器を制御する。

治療計画装置７は、Ｘ線ＣＴ装置で撮影された患者の断層画像情報等を用いて照射対象（例えば、がん患部）の位置及び形状を認識する。治療計画装置７は、患部に対する荷電粒子ビームの照射方向を決定し、この照射方向（患者の体表面からの深さ方向）において照射対象（患部）を複数の層Ｌ_i（ｉ＝１，２，…，ｍ）、すなわち、層Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃，…，Ｌ_mに分割する（図３）。層Ｌ₁が体表面から最も深い位置に存在し、層の深さは層Ｌ₂，Ｌ₃，…，Ｌ_mの順に浅くなって層Ｌ_mが最も浅い。荷電粒子ビームは、矢印５０の方向から照射される。さらに、各層において、照射領域である複数の照射スポットＡ_i,j（ｉ＝１，２，…，ｍ、ｊ＝１，２，…，ｎ）が設定され、その中心位置（目標位置）Ｐ_i,j、及びこれらの中心位置の座標（ｘ_i,j，ｙ_i,j）が定められ、照射スポットＡ_i,jへの荷電粒子ビームの照射順序が決定される。照射領域全体に対する必要な照射線量に基づいて、照射スポットＡ_i,jごとの目標線量Ｒ０_i,jを決める。各層Ｌ_iに荷電粒子ビームが到達して層ごとにブラッグピークが形成されるように、それぞれの層の深さに応じた荷電粒子ビームのエネルギーＥ_iを決定する。治療計画装置７は、治療開始前に、照射対象の層Ｌ_i及び照射スポットＡ_i,jのそれぞれの数、照射スポットＡ_i,jの中心位置Ｐ_i,j、照射スポットＡ_i,jごとの目標線量Ｒ０_i,j、照射スポットＡ_i,jの照射順序及び各層Ｌ_i対応する荷電粒子ビームのエネルギーＥ_i等を含む治療計画情報を作成する。

本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１の動作について説明する。

中央制御装置６２は、治療開始前に、患者の治療計画情報を治療計画装置７から受け取る。また、中央制御装置６２は、患者が載った治療用ベッド４１を所定の位置に位置決めして、照射装置５の中心軸が治療用ベッド４１上の患者の照射対象に向けられるように配置する。

医療従事者（例えば、医者）は、治療用ベッド４１の位置決めが完了すると治療開始信号を入力装置に入力する。中央制御装置６２は、治療開始信号を受け取ると、加速器・輸送系制御装置６１及び照射制御装置６３に照射準備開始指令を出力する。照射準備開始指令を受け取った加速器・輸送系制御装置６１は、荷電粒子ビーム発生装置２及びビーム輸送系３を起動して荷電粒子ビームの照射準備を開始する。加速器・輸送系制御装置６１が荷電粒子ビーム発生装置２及びビーム輸送系３を制御する。また、照射制御装置６３は、照射準備開始指令を受け取ると、照射装置５を起動して荷電粒子ビームの照射準備を開始する。照射制御装置６３が、照射装置５を制御する。

イオン源で生成された荷電粒子は、直線加速器８で加速された後、シンクロトロン９で所定のエネルギーに加速される。本実施例では、照射対象における最も深い層Ｌ₁に荷電粒子ビームを照射し、層Ｌ₁内の全照射スポットＡ_1,jのそれぞれの目標位置Ｐ_1,jに荷電粒子ビームが照射された後、荷電粒子ビームが層Ｌ₂，Ｌ₃，…，Ｌ_mへと浅い位置の層に向かって順次照射される照射方式を例に説明するが、荷電粒子ビームが層Ｌ_m，Ｌ_m-1，…，Ｌ₂，Ｌ₁へと浅い位置の層からに深い位置の層に向かって順次照射する照射方式であってもよい。

照射制御装置６３は、荷電粒子ビームの照射位置が照射スポットＡ_i,jの目標位置（中心位置）Ｐ_i,jとなるように、第１走査電磁石５１及び第２走査電磁石５２のそれぞれの励磁電流を制御する。具体的には、照射スポットＡ_i,jの目標位置（中心位置）Ｐ_i,jの情報に基づいて決定される励磁電流が、第１走査電磁石５１及び第２走査電磁石５２に励磁されるように、照射制御装置６３は電源制御装置５７に励磁指令信号を出力する。電源制御装置５７は、第１走査電磁石電源５５及び第２走査電磁石電源５６を制御して、第１走査電磁石５１及び第２走査電磁石５２に励磁電流を励磁する。照射制御装置６３は、層Ｌ₁における最初の照射スポットＡ_1,1の目標位置（中心位置）Ｐ_1,1（ｘ_1,1，ｙ_1,1）に荷電粒子ビームが到達するように、第１走査電磁石５１及び第２走査電磁石５２の励磁電流を制御する。

照射制御装置６３は、照射スポットＡ_i,jの目標位置Ｐ_i,jに荷電粒子ビームが到達するように、第１走査電磁石５１及び第２走査電磁石５２の励磁電流が調整されたと判定すると、ビーム出射開始信号を加速器・輸送系制御装置６１に出力する。加速器・輸送系制御装置６１は、ビーム出射開始信号を受け取ると、加速された荷電粒子ビームをシンクロトロン９から出射する。加速された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系３を通過して、照射装置５に入射される。

照射装置５に入射された荷電粒子ビームは、第１走査電磁石５１でＸ方向に走査され、第２走査電磁石５２でＹ方向に走査されて、照射対象の層Ｌ_i内おける照射スポットＡ_i,jの目標位置Ｐ_i,j（ｘ_i,j，ｙ_i,j）に照射される。

照射装置５に設けられた線量モニタ５４は、荷電粒子ビームのビーム線量を計測し、
ビーム位置モニタ５３は、通過する荷電粒子ビームの位置及び幅を計測する。

線量モニタ５４は、計測した線量データをビーム線量計測装置５９に出力する。ビーム線量計測装置５９は、受け取った線量データを第１線量カウンター６４に入力し、照射スポットＡ_i,jでの積算線量Ｒ_i,jを求め、積算線量Ｒ_i,jが目標線量Ｒ０_i,jに到達したか否かを判定する。積算線量Ｒ_i,jが目標線量Ｒ０_i,jに到達していない（Ｒ_i,j＞Ｒ０_i,j）場合、照射スポットＡ_i,jへの荷電粒子ビームの照射は継続される。積算線量Ｒ_i,jが目標線量Ｒ０_i,jに到達すると、ビーム線量計測装置５９はスポット線量満了信号を中央制御装置６２及び照射制御装置６３に出力する。スポット線量満了信号を受け取った中央制御装置６２は、加速器・輸送系制御装置６１にビーム停止信号を出力する。加速器・輸送系制御装置６１が荷電粒子ビームの照射を停止する。照射スポットＡ_1,jに対して荷電粒子ビームが照射され、積算線量Ｒ_i,jが目標線量Ｒ０_i,jに到達すると荷電粒子ビーム出射は停止され、この荷電粒子ビーム出射を停止された状態で走査電磁石の励磁電流を変更し、次の照射スポットへの荷電粒子ビームの照射が可能な状態となった後、荷電粒子ビーム出射を開始する。

ビーム位置モニタ５３は、計測した位置・幅データをビーム位置計測装置５８に出力する。ビーム位置計測装置５８は、積算線量Ｒ_i,jが目標線量Ｒ０_i,jに到達すると、受け取った位置・幅データに基づいて、照射スポットＡ_i,jでの荷電粒子ビームの位置及び幅を算出し、あらかじめ定められた許容範囲内であるか否かを判定する。荷電粒子ビームの位置及び幅が許容範囲内の場合、ビーム位置計測装置５８は正常に当該照射スポットＡ_i,jへの照射が完了したと判断し、次の照射スポットＡ_i,j+1への荷電粒子ビームの照射を開始する。層Ｌ_iの全ての照射スポットに対して荷電粒子ビームの照射が完了すると、次の層Ｌ_i+1に対して荷電粒子ビームを照射する。照射対象の全ての層Ｌ_mに対して正常に荷電粒子ビームが照射されると、当該患者への治療が終了する。なお、荷電粒子ビームの位置及び幅が許容範囲を超えた場合、ビーム位置計測装置５８は異常と判定し、異常信号を加速器・輸送系制御装置６１、照射制御装置６３及び中央制御装置６２に出力する。異常信号を受け取った加速器・輸送系制御装置６１は、次の照射スポットＡ_i,j+1への荷電粒子ビームの照射を開始せず、ビーム照射を中止する。

本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１は、前述の照射スポットＡ_i,jごとの荷電粒子ビームの位置及び幅の判定に加えて、複数の照射スポットＡ_i,jのうち一部または全部の照射スポットに対しては、照射スポットＡ_i,jを分割し、その分割されたビーム照射区間Ｓ_k（ｋ＝１，２，…，ｐ）ごとに荷電粒子ビームの位置及び幅の判定を行う。以下に、図４，５，６を用いて詳細を説明する。

まずは、照射スポットＡ_i,jのうち、複数のビーム照射区間Ｓ_k（スプリットＳ_k）に分割する照射スポットＡ_i,jについて説明する。図４を例に説明する。図４のスポットＮｏ．1は、ある層Ｌ_iの１番目の照射スポットＡ_i,1を示し、スポットＮｏ．２は２番目の照射スポットＡ_i,2を示し，スポットＮｏ．３は３番目の照射スポットＡ_i,3を示し，スポットＮｏ．４は４番目の照射スポットＡ_i,4を示す。図４の横軸は時間ｔを示す。荷電粒子ビーム照射システム１は、このうち一部または全部の照射スポット（図４の２番目の照射スポットＡ_i,2及び４番目の照射スポットＡ_i,4）に対して、複数のビーム照射区間Ｓ_k（スプリットＳ_k）を設定する。説明のために、ある層Ｌ_iのｊ番目の照射スポット照射スポットＡ_i,jに対して設定されたビーム照射区間（スプリット）を、Ｓ_k,j（ｋ＝１，２，…，ｐ、ｊ＝１，２，…，ｎ）と示す。

照射スポットＡ_i,jの目標線量Ｒ０_i,jがスプリット目標線量ΔＤ０よりも大きな照射スポットに対しては複数のスプリットＳ_k,jに分割する。照射スポットＡ_i,jの目標線量Ｒ０_i,jがスプリット目標線量ΔＤ０よりも小さい照射スポットに対しては複数のスプリットに分割しない。例えば、スプリット目標線量ΔＤ０を０．０３３ＭＵとする。照射スポットＮｏ．１と照射スポットＮｏ．３は、目標線量Ｒ０_i,jがスプリット目標線量ΔＤ０よりも小さいため、複数のビーム照射区間に分割されない。照射スポットＮｏ．２と照射スポットＮｏ．４は、目標線量がスプリット目標線量Ｄ０よりも大きいため、複数のスプリットＳ_k,jに分割する。照射スポットＮｏ．２は５つのスプリットＳ_k,j(Ｓ_1,2)(Ｓ_2,2)(Ｓ_3,2)(Ｓ_4,2)(Ｓ_5,2)と余剰線量に分割され、照射スポットＮｏ．４は２つのスプリットＳ_k,j(Ｓ_1,4)(Ｓ_2,4)と余剰線量に分割される。ビーム照射区間(Ｓ_1,2)(Ｓ_2,2)(Ｓ_3,2)(Ｓ_4,2)(Ｓ_5,2)(Ｓ_1,4) (Ｓ_2,4)はそれぞれ０．０３３ＭＵに設定されている。１つのスプリットＳ_k,jまたは複数のスプリットＳ_k,jが設定された照射スポットにおいて、設定されたスプリットＳ_k,j以外に０．０３３ＭＵ未満の線量を照射するビーム照射区間を余剰線量と呼ぶ。以上のように、本実施例では、複数のビーム照射区間（スプリット）に分割する照射スポットＡ_i,jを、所定のビーム線量（スプリット目標線量ΔＤ０）に基づいて決定している。具体的には、照射スポットＡ_i,jの目標線量Ｒ０_i,jをスプリット目標線量ΔＤ０で割って１未満の場合、照射スポットＡ_i,jを複数のビーム照射区間に分割しない。照射スポットＡ_i,jの目標線量Ｒ０_i,jをスプリット目標線量ΔＤ０で割って１以上の場合、照射スポットＡ_i,jの目標線量Ｒ０_i,jを所定のビーム線量（スプリット目標線量ΔＤ０）毎に分割して、全てのビーム照射区間の線量が所定のビーム線量（スプリット目標線量ΔＤ０）以下となるように分割する。

一つの照射スポットＡ_i,jに対して設定されたスプリットＳ_k,jについて荷電粒子ビームを照射する場合、ビーム照射区間（例えば、スプリット(Ｓ_1,2)から他のスプリット（Ｓ_2,2)）に替った場合であっても、第１走査電磁石５１及び第２走査電磁石５２により荷電粒子ビームを照射する目標位置Ｐ_i,jは変わらず、その照射スポットＡ_i,jの目標位置Ｐ_i,jのままである。一つの照射スポットＡ_i,jに設定されたスプリットＳ_k,jについては、連続して荷電粒子ビームを照射する。本実施例では、所定のビーム線量値に基づいて複数のビーム照射区間Ｓ_k,j（スプリットＳ_k,j）に分割する照射スポットＡ_i,jを決定する例を説明するが、所定のビーム線量値の替わりに、所定の時間間隔に基づいて複数のビーム照射区間Ｓ_k,j（スプリットＳ_k,j）に分割してもよい。また、照射スポットＡ_i,jへの目標照射線量Ｒ０_i,jを所定のビーム線量値ΔＤ０で割ったときの整数の商を用いて、当該照射スポットＡ_i,jへの目標照射線量Ｒ０_i,jを等分割することによってビーム照射区間Ｓ_k,j（スプリットＳ_k,j）に分割してもよい。

図５及び図６を用いて、本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１による、各ビーム照射区間Ｓ_k,j（スプリットＳ_k,j）の荷電粒子ビームの位置及び幅の算出について説明する。図５は、本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１による荷電粒子ビームの位置及び幅を算出するフローチャートを示す。図６は、図４に示す照射スポットＮｏ．２(Ａ_i,2)を例に、荷電粒子ビーム照射システム１がスポット及び各スプリットでの荷電粒子ビームのビーム線量計測とビーム位置及び幅の算出のタイミングを時系列で示した図である。

図６（Ａ）はビーム線量計測装置５９の第１線量カウンター６４によるビーム線量の計測結果を示し、図６（Ｂ）はビーム線量計測装置５９の第２線量カウンター６５によるビーム線量の計測結果を示す。図６（Ａ）に示す通り、照射スポットへのビーム積算線量Ｒ_i,jが目標線量Ｒ０_i,jに到達すると、ビーム線量計測装置５９はスポット線量満了信号を中央制御装置６２及び照射制御装置６３に出力する。また図６（Ｂ）に示す通り、各スプリットでのビーム線量が目標線量ΔＤ_kに達すると、ビーム線量計測装置５９がスプリット線量満了信号を照射制御装置６３に出力する。図６（Ｃ）はビーム位置計測装置５８による、各スプリットでのビーム位置の計測結果を示す。図６（Ｄ）はビーム線量計測装置５９が各スプリットでのビーム線量及びスポットでのビーム積算線量を計測・判定するタイミングを示す。図６（Ｅ）はビーム位置計測装置５８がスプリットでのビーム位置及び幅を算出するタイミングを示し、図６（Ｆ）はビーム位置計測装置５８がスポットでのビーム位置及び幅を算出・判定するタイミングを示す。

荷電粒子ビーム照射システム１が照射スポットＡ_i,jに対して荷電粒子ビームの照射を開始する（ステップＳ１）。線量モニタ５４は、荷電粒子ビームのビーム線量の計測を開始し、ビーム位置モニタ５３は、通過する荷電粒子ビームの位置及び幅の計測を開始する。線量モニタ５４は、計測した線量データをビーム線量計測装置５９に出力する。ビーム線量計測装置５９は、受け取った線量データを第２線量カウンター６５に入力し、第２線量カウンター６５が各スプリットでのビーム線量を求める。ビーム線量計測装置５９は、ビーム照射区間Ｓ_k,j（スプリットＳ_k,j）毎にあらかじめ設定された目標線量ΔＤ_kの情報をメモリ（図示せず）に記憶している。ビーム線量計測装置５９は、第２線量カウンター６５で求めたビーム線量が目標線量ΔＤ_kに達したか否かを判定する（ステップＳ２）。当該ビーム照射区間Ｓ_k,j（スプリットＳ_k,j）のビーム線量が目標線量ΔＤ_kに到達すると、ビーム線量計測装置５９はスプリット線量満了信号を照射制御装置６３に出力するとともに、第２線量カウンター６５のカウントをリセットする。このように、ビーム線量計測装置５９は、ビーム照射区間から次のビーム照射区間に変わるとき、第２線量カウンター６５をリセットして、次のビーム照射区間でゼロからビーム線量を測定する。このように、第２線量カウンター６５は、ビーム照射区間ごとにビーム線量を測定する。

照射制御装置６３は、あらかじめ照射スポットＡ_i,jへの目標線量がいくつのスプリット線量に分割されるかを演算してメモリ（図示せず）に記憶している。照射制御装置６３は、ビーム線量計測装置５９からのスプリット線量満了信号を受け取ると、当該スプリット線量満了信号が最終スプリットのスプリット線量満了信号であるか否かを判定する（ステップＳ３）。スプリット線量満了信号が最終スプリットのスプリット線量満了信号ではない場合、照射制御装置６３は荷電粒子ビームを中断しない（ビーム照射を継続する）。最終スプリットでない場合、ビーム線量計測装置５９は、直前に照射されたビーム照射区間Ｓ_k,jの荷電粒子ビームの位置及び幅を演算する（ステップＳ４）。ビーム線量計測装置５９は、当該演算結果のビーム位置及び幅が許容範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ５）。この判定が許容範囲を逸脱している場合、ビーム線量計測装置５９は異常信号を、加速器・輸送系制御装置６１、中央制御装置６２及び照射制御装置６３に出力する。照射制御装置６３は直ちに荷電粒子ビームの照射を中断、もしくは次のスプリット線量満了信号を受け取るのと同時（ステップＳ６）に荷電粒子ビームの照射を中断する（ステップＳ７）。

スプリット線量満了信号が最終スプリットのスプリット線量満了信号である場合、ビーム位置計測装置５８は、荷電粒子ビームの位置及び幅の演算は行わない。したがって、最終スプリットのビーム線量ΔＤ_kと、目標線量をスプリット線量で分割した際に余剰となる線量Δｄは、それら単独では位置・幅の演算及び判定は行われない。最終スプリットのビーム線量は、スポット照射完了後に、スポット全体での積算線量として評価され、判定される。そのため、これらの線量照射において位置及び幅に異常が生じた際でも、その線量分の照射が全体線量や線量分布に与える影響が許容範囲を逸脱しない範囲となるよう、スプリット線量ΔＤ０の値を設定する。

また、ビーム位置計測装置５８が各スプリットでの荷電粒子ビームのビーム位置及び幅の演算・判定を行っている最中に、次のスプリット線量満了信号が出力された場合、荷電粒子ビーム照射システム１が荷電粒子ビームの照射を中断もしくは停止するインターロックを併せ持つとよい。もしくは、スプリット線量の積算の荷電粒子ビーム位置・幅の演算・判定を行っている最中に、次のスプリット線量が満了することのないよう、荷電粒子ビームの強度を制限する制御をおこなっても良い。

以上のように本実施例においては、１つのスポットへ照射する目標線量を複数のスプリット線量に分割し、当該スプリット線量ごとに荷電粒子ビームのビーム位置及び幅を算出し、判定（ビーム位置及び幅の算出結果が許容範囲を逸脱しているか否かの判定）することで、１つのスポットへ照射を行っている最中に荷電粒子ビームのビーム位置及び幅に異常が起こってもその影響が許容範囲を逸脱しないうちに安全にビーム照射を停止することが可能となり、１つのスポットに照射可能な最大線量への制限を大幅に緩和することができる。

また、本実施例によれば、安全を確保しつつ、1つの照射スポットへ照射可能な線量の上限が緩和され、リペイント数の削減により照射が中断されるスポット判定回数が減少し、線量率を向上することができる。

本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１Ａについて説明する。本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１Ａは、実施例１の照射装置５を、照射装置５Ａに替えた構成を備える。本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１Ａのうち、実施例１で説明した構成と同一の符号を付された構成と同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

図７を用いて、本実施例の照射装置５Ａについて説明する。照射装置５Ａは、実施例１の照射装置５の線量モニタ５４を、二つの線量モニタ（第１線量モニタ５４Ａ，第２線量モニタ５４Ｂ）に替え、実施例１のビーム線量計測装置５９を、二つのビーム線量計測装置（第１ビーム線量計測装置５９Ａ，第２ビーム線量計測装置５９Ｂ）に替えた構成を備える。第１線量モニタ５４Ａが第１ビーム線量計測装置５９Ａに接続され、第２線量モニタ５４Ｂが第２ビーム線量計測装置５９Ｂに接続される。第１ビーム線量計測装置５９Ａは、二つの線量カウンター（第１線量カウンター６４Ａ，第２線量カウンター６５Ａ）を有する。第２ビーム線量計測装置５９Ｂは、二つの線量カウンター（第１線量カウンター６４Ｂ，第２線量カウンター６５Ｂ）を有する。第１線量モニタ５４Ａ及び第１ビーム線量計測装置５９Ａが第１ビーム線量計測器を構成し、第２線量モニタ５４Ｂ及び第２ビーム線量計測装置５９Ｂが第２ビーム線量計測器を構成する。本実施例では第１線量モニタ５４Ａが第２線量モニタ５４Ｂよりも下流側（照射装置５Ａの出口側）に配置される例を説明するが、第２線量モニタ５４Ｂが第１線量モニタ５４Ａよりも下流側（照射装置５Ａの出口側）に配置されてもよい。

図８を用いて、本実施例の荷電粒子ビーム照射システム１Ａによる、各ビーム照射区間Ｓ_k,j（スプリットＳ_k,j）の荷電粒子ビームの位置及び幅の算出について説明する。図８は、荷電粒子ビーム照射システム１Ａがスポット及び各スプリットでの荷電粒子ビームのビーム線量計測とビーム位置及び幅の算出のタイミングを時系列で示した図である。本実施例においても、図４に示す照射スポットＮｏ．２(Ａ_i,2)を例に、図８を用いて説明する。

図８（Ａ）は第１ビーム線量計測装置５９Ａの第１線量カウンター６４Ａによるビーム線量の計測結果を示し、図８（Ｂ）は第１ビーム線量計測装置５９Ａの第２線量カウンター６５Ａによるビーム線量の計測結果を示す。図８（Ａ）に示す通り、照射スポットへのビーム積算線量Ｒ_i,jが目標線量Ｒ０_i,jに到達すると、第１ビーム線量計測装置５９Ａはスポット線量満了信号を中央制御装置６２及び照射制御装置６３に出力する。また図８（Ｂ）に示す通り、各スプリットでのビーム線量が目標線量ΔＤ_kに達すると、第１ビーム線量計測装置５９Ａがスプリット線量満了信号を照射制御装置６３に出力する。

図８（Ｃ）は第２ビーム線量計測装置５９Ｂの第１線量カウンター６４Ｂによるビーム線量の計測結果を示し、図８（Ｄ）はビーム線量計測装置５９Ｂの第２線量カウンター６５Ａによるビーム線量の計測結果を示す。

図８（Ｅ）はビーム位置計測装置５８の位置カウンタ（図示せず）による、各スプリットでのビーム位置情報の蓄積を示す。

図８（Ｆ）は第１ビーム線量計測装置５９Ａ及び第２ビーム線量計測装置５９Ｂが各スプリットでのビーム線量及びスポットでのビーム積算線量を計測するタイミングを示す。図８（Ｇ）はビーム位置計測装置５８がスプリットでのビーム位置及び幅を算出するタイミングを示し、図８（Ｈ）はビーム位置計測装置５８がスポットでのビーム位置及び幅を算出するタイミングを示す。

本実施例は、第１ビーム線量計測器及び第２ビーム線量計測器の２台のビーム線量計測器で荷電粒子ビームの線量値を計測する。２台のビーム線量計測器でビーム線量値を管理することによって、より安全性の高い荷電粒子ビーム照射システムを提供することができる。

本実施例によれば、１つのスポットへ照射する目標線量を複数のスプリット線量に分割し、当該スプリット線量ごとに荷電粒子ビームのビーム位置及び幅を算出し、判定（ビーム位置及び幅の算出結果が許容範囲を逸脱しているか否かの判定）することで、１つのスポットへ照射を行っている最中に荷電粒子ビームのビーム位置及び幅に異常が起こってもその影響が許容範囲を逸脱しないうちに安全にビーム照射を停止することが可能となり、１つのスポットに照射可能な最大線量への制限を大幅に緩和することができる。

本実施例によれば、安全を確保しつつ、1つの照射スポットへ照射可能な線量の上限が緩和され、リペイント数の削減により照射が中断されるスポット判定回数が減少し、線量率を向上することができる。

実施例１及び実施例２では、ビーム位置計測器（ビーム位置モニタ５３及びビーム位置計測装置５８）が荷電粒子ビームの位置及び幅の両方を求めて異常判定する例を説明したが、荷電粒子ビームの位置又は幅のいずれか一方を求めて異常判定してもよい。

荷電粒子ビーム照射システム１、
荷電粒子ビーム発生装置２、
ビーム輸送系３、
治療室４、
照射装置５、５Ａ、
制御装置６、
治療計画装置７、
直線加速器（ライナック）８、
円形加速器（シンクロトロン）９、
ビームダクト２１、
偏向電磁石２２、
入射器２３、
出射用の高周波印加装置２４、
出射用デフレクター２８、
加速装置（加速空胴）２９、
偏向電磁石３１、
ビーム経路３２、
患者用ベッド４１、
ケーシング５０、
第１走査電磁石（Ｘ方向走査電磁石）５１、
第２走査電磁石（Ｙ方向走査電磁石）５２、
ビーム位置モニタ５３、
線量モニタ５４、５４Ａ、５４Ｂ、
第１走査電磁石電源５５、
第２走査電磁石電源５６、
電源制御装置５７、
ビーム位置計測装置５８、
ビーム線量計測装置５９、５９Ａ、５９Ｂ
加速器・輸送系制御装置６１、
中央制御装置６２、
照射制御装置６３、
第１線量カウンター６４、６４Ａ
第２線量カウンター６５、６５Ｂ

Claims (5)

1. 荷電粒子ビームを加速して出射する荷電粒子ビーム発生装置と、
   加速された前記荷電粒子ビームを走査する走査電磁石を有し、前記荷電粒子ビームの進行方向に照射対象を複数に分割してなる層毎に設定された複数の照射スポットに、加速した前記荷電粒子ビームを出射する照射装置と、
   前記照射装置内を通過する荷電粒子ビームの線量を求めるビーム線量計測器と、
   前記走査電磁石で走査された荷電粒子ビームの位置及び幅のいずれか一方又はその両方を求めるビーム位置計測器を備え、
   前記ビーム位置計測器は、
   前記照射スポット毎に、前記荷電粒子ビームの位置及び幅のいずれか一方又はその両方を求めて許容範囲内にあるか否かを判定し、
   さらに、複数の前記照射スポットのうち一部または全部の照射スポットについて、当該スポットに対して照射されるべき目標照射線量を分割して得られる線量値をスプリット線量とし、前記目標照射線量を前記スプリット線量と前記スプリット線量よりも小さい余剰線量とに基づき管理し、当該照射スポットへの荷電粒子ビームの照射中に、当該スプリット線量ごとに前記荷電粒子ビームの位置及び幅のいずれか一方又はその両方を求めて許容範囲内にあるか否かを判定するものであって、
   最後に演算されたスプリット線量と前記余剰線量とに該当する荷電粒子ビームの照射についてはビームの位置及び幅の演算をせず、当該照射スポット全体での積算線量として前記荷電粒子ビームの位置及び幅のいずれか一方又はその両方を評価し、
   かつ前記スプリット線量は、前記最後に演算されたスプリット線量と前記余剰線量とに該当する前記荷電粒子ビームの照射において位置及び幅に異常が生じた場合であっても前記照射スポットごとの許容範囲を逸脱しない範囲で定められることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
2. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記スプリット線量は、前記荷電粒子ビームの所定の基準線量値に基づいて設定されることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
3. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記スプリット線量は、所定の時間情報に基づいて設定されることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
4. 請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記スプリット線量は、ある照射スポットへの目標照射線量を前記基準線量値で割ったときの整数の商を用いて、当該照射スポットへの目標照射線量を等分割することによって設定されることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記ビーム位置計測器が前記スプリット線量ごとの前記荷電粒子ビームの位置及び幅のいずれか一方又はその両方が前記許容範囲内にないと判定すると、前記照射装置からの荷電粒子ビームの出射を停止する制御装置を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。