JP6494808B2 - 粒子線治療装置 - Google Patents

Description

この発明は、粒子線を照射して癌の治療を行う粒子線治療装置および粒子線治療装置の走査回数決定方法に関するものである。

従来、粒子線治療装置において、ブロード照射でのユニフォームスキャニングの走査回数決定方法には、予め決まった値にするか、照射条件によって最適化する方法がある。例えば、特許文献１には、全照射領域に５ＧｙＥを照射する場合に、１回目の加速による粒子線により1ゲートですべての照射スポット照射して照射目標に対して３ＧｙＥの線量を与え、２回目の加速による粒子線により再び全ての照射スポットを照射して照射目標に対して２ＧｙＥの線量を与えることについて開示されている。

特開２０１４−２８３１０号公報（段落００３１、図１）

一般に、照射条件によって最適化する方法の方が走査回数が多くなり、走査回数は多い方が照射野の平坦性が増す。しかしながら、走査回数を最適化するためにはスポット線量が最小線量以上になる最大回数として求めるが、ビーム強度やスポット間移動時間等から決定する必要があり、ビーム強度の測定や複雑な計算を要する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、走査回数を決定するために複雑な計算や測定等の準備を必要とせず、簡便に短時間で走査回数を決定することができる粒子線治療装置および粒子線治療装置の走査回数決定方法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、粒子線を走査用偏向電磁石により走査し、線量を線量モニタにより測定して、前記粒子線を照射する照射ノズルと、ビーム強度にインターロック値を課するインターロック回路を有し、前記走査用偏向電磁石を走査制御する照射制御部と、投与線量と照射スポット数を設定する治療計画部と、前記投与線量、実測した線量値と前記線量モニタにより測定したカウント値の比である線量校正の測定結果、および前記照射スポット数から導かれた所定の前記線量の合計スポットカウント値と前記インターロック値に基づき走査回数を決定し、前記照射制御部に、前記インターロック値を課された前記ビーム強度により前記線量モニタで測定される所定のスポットカウント値で走査させ、決定された前記走査回数照射させる照射制御計算部とを備えたことを特徴とするものである。

また、この発明の関連技術に係る粒子線治療装置の走査回数決定方法は、投与線量、実測した線量値と線量モニタにより測定したカウント値の比である線量校正の測定結果、および照射スポット数から導かれた所定の線量の合計スポットカウント値とインターロック値に基づき走査回数を決定することを特徴とするものである。

この発明によれば、インターロック値に基づき走査回数を決定することにより、インターロック値で制御されたビーム強度により決定した回数で照射することで、簡便に短時間で走査回数を決定でき、適切な照射をすることができる。

この発明の実施の形態１における粒子線治療装置の概略構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１における粒子線治療装置全体の概略構成を示す鳥瞰図である。 この発明の実施の形態１における粒子線治療装置の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態１における粒子線治療装置の粒子線照射時のフローチャート図である。 この発明の実施の形態２における粒子線治療装置の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態２における粒子線治療装置の粒子線照射時のフローチャート図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による粒子線治療装置の主要な構成のブロック図であり、図２は粒子線治療装置全体の概略構成の鳥瞰図である。実施の形態１による粒子線治療装置は、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。図２では、代表的に粒子線照射部が２つ備えられているシステムを示したが、粒子線照射部はさらに多くあっても良く、また1つであっても良い。図１では簡単のため粒子線照射部３０として粒子線照射部を一つのみとしている。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ＰＢを患者の目標部位へ照射するように構成される。以後、粒子線照射部３０Ａ、３０Ｂは、粒子線照射部３０として説明する。

粒子線発生部１０は、入射器１１と加速器１２を有する。入射器１１は、陽子線または炭素線などの質量の大きな粒子を発生・初段加速する。加速器１２は、入射器１１で初段加速された粒子を加速し、粒子線ＰＢを出射する。この加速器１２は、照射制御部８０に備えられた加速器制御器１３からの信号により制御される。この加速器制御器１３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ＰＢのエネルギーを設定したり、粒子線ＰＢを出射させる時間、強度を制御したりする。

粒子線照射部３０は、治療室を構成する。粒子線照射部３０は、照射ノズル４０、治療台３２などを有する。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る。照射ノズル４０は、粒子線照射部３０に輸送された粒子線ＰＢを治療台３２上の患者の照射目標に向けて照射する。

図１には、実施の形態１における粒子線照射部３０の照射ノズル４０の具体的構成を示している。図1に示す照射ノズル４０は、粒子線ＰＢを横方向、すなわち粒子線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（４１ａ、４１ｂを合わせて、走査用偏向電磁石４１と称することもある。）、この走査用偏向電磁石４１を駆動する走査用偏向電磁石駆動電源４５、粒子線ＰＢの照射線量をモニタする線量モニタ４２、粒子線ＰＢのエネルギー幅を拡大するエネルギー幅拡大機器であるリッジフィルタ４３を有する。

走査用偏向電磁石駆動電源４５は、照射制御部８０に備えられたビーム走査制御器１６からの信号により制御され、走査用偏向電磁石４１の励磁電流を設定する。走査は、照射を継続しながらビームの移動と停止を繰り返す方法でビーム照射を走査する方法を用いる。照射中、線量モニタ４２では、照射される線量が測定され、測定された線量のカウント値は照射線量制御器１４に送られる。照射線量制御器１４にはインターロック回路１４ａが備えられ、粒子線ＰＢが１スポット当たりのスポット間隔を所定の走査速度で移動する間、照射線量制御器１４によりビーム強度が予め決められたインターロック値を上回るとビームを遮断するようになっており、１スポット当たりのスポット間隔に一定のビーム強度で照射される。

リッジフィルタ４３はそこを通過する粒子線のエネルギーを低下させるが、場所によって、粒子線が通過する厚みが異なるように設けられているため、全体として通過後の粒子線は、通過する前の粒子線のエネルギー幅よりも広いエネルギー幅を有する。よって、リッジフィルタ４３を通過した後の粒子線を例えば体内に照射するとそのブラッグピークＢＰの位置、すなわち粒子線の飛程が拡大される。

治療計画部６０において、患者毎の照射線量分布が決定された投与線量のデータが保存されている。照射制御計算部７０では、その投与線量のデータおよび線量校正の測定結果に基づいて、各照射スポットの走査回数と照射線量が決定され、そのデータを照射制御部８０の照射線量制御器１４に出力する。また、照射制御計算部７０では、加速器１２が出射すべき粒子線のエネルギーやスポットサイズも決定し、加速器制御器１３にそのデータを出力する。

図３は、実際に粒子線を照射目標に照射したときの照射領域のイメージ図を示す。１回目の照射は、図３（１）に示すように、○は各照射スポットを示し、開始スポット１０１から終了スポット１０３まで、矢印Ａの方向に走査する（１ｓｔ Ｓｃａｎ）。また、２回目の照射は、図３（２）に示すように、１回目の照射の走査方向と逆の方向に戻り、開始スポット２０１から終了スポット２０３まで、矢印Ｂの方向に走査する（２ｎｄ Ｓｃａｎ）。同様にして、走査を必要走査回数のＮ回（Ｎｔｈ Ｓｃａｎ、Ｎは整数）繰り返して、全ての照射を完了する。

次に、この発明の実施の形態１による粒子線治療装置の動作および走査回数決定方法について図４を用いて説明する。図４は、実施の形態１における走査回数決定方法による粒子線治療装置の動作を示すフロー図である。まず、治療計画部６０において、患者毎の照射線量分布が決定された投与線量のデータが設定される（ステップＳ４０１）。

続いて、設定された投与線量のデータに基づいて水ファントムを用いた線量校正の測定を行う（ステップＳ４０２）。ここでは、測定された水ファントムでの線量値と、対応する線量モニタ４２での線量のカウント値の比である線量校正の測定結果から、式（１）により線量の合計カウント値を導出する。
（数１）
線量の合計カウント値[ＴＯＣ・Ｓｃａｎ]＝投与線量[Ｇｙ]÷校正測定結果 [Ｇｙ／（ＴＯＣ・Ｓｃａｎ）]・・・（１）
なお、ＴＯＣ（Total Count）は、全スポット線量の積算、を意味する。

そして、各照射スポットの線量の合計スポットカウント値は、式（２）により導出される。なお、照射スポット数は治療計画部６０で設定されている。
（数２）
線量の合計スポットカウント値[ＳＰＣ・Ｓｃａｎ]＝線量の合計カウント値×通常スポットのウェイト・・・（２）
ここで、通常スポットとは、エッジスポットでないことを意味し、通常スポットのウェイトとは、線量の合計カウント値に対する１スポットのカウント値の割合を意味する。

よって、上記の式（２）は、式（１）より、式（３）と書き換えることができる。
（数３）
線量の合計スポットカウント値[ＳＰＣ・Ｓｃａｎ]＝（投与線量[Ｇｙ]÷校正測定結果 [Ｇｙ／（ＴＯＣ・Ｓｃａｎ）]）×通常スポットのウェイト・・（３）

次いで、得られた線量の合計スポットカウント値を各照射スポットにおけるＮ回照射の合計スポットカウント値として、照射制御計算部７０により、走査回数を決定する(ステップＳ４０３)。走査回数Ｎは式（４）で求められる。なお、走査回数Ｎの値は、安全側として小数第1位を切り捨てとする。
（数４）
走査回数Ｎ[Ｓｃａｎ]＝合計スポットカウント値[ＳＰＣ・Ｓｃａｎ]÷１スポットの許容最小スポットカウント値[ＳＰＣ]・・・（４）

実施の形態１では、照射を継続しながらビームの移動と停止を繰り返す方法でビーム照射を走査する方法を用いており、１スポット当たりの許容最小スポットカウント値は、式（５）のように表される。
（数５）
１スポットの許容最小スポットカウント値（ＳＰＣ）＝線量モニタの最大カウントレート[ＭＨｚ]×１０^６×（（スポット間隔[ｍｍ]÷最大走査速度[ｍｍ／ｍｓｅｃ]）×１０^−３＋（静定時間「μｓｅｃ」＋位置モニタ遅延速度[μｓｅｃ]）×１０^−６）・・・（５）
ここで、静定時間とは、スポットが移動して次のスポットに切り替わるときに生じる振動が収まるまでの時間である。振動は走査用偏向電磁石４１ａ、４１ｂに使用するコイルに起因するものである。また、位置モニタ遅延速度とは、図示しない位置モニタによりビームの照射位置を計算するには位置モニタ内にある程度ビームが溜まらないと計算できないため、溜まるまでの時間である。したがって、静定時間と位置モニタ遅延時間は、ビームの走査位置制御に必要な時間である。

よって、上記の式（４）は、式（５）より、式（６）と書き換えることができる。
（数６）
走査回数Ｎ[Ｓｃａｎ]＝合計スポットカウント値[ＳＰＣ・Ｓｃａｎ]÷（線量モニタの最大カウントレート[ＭＨｚ]×１０^６×（（スポット間隔[ｍｍ]÷最大走査速度[ｍｍ／ｍｓｅｃ]）×１０^−３＋（ビームの走査位置制御に必要な時間[μｓｅｃ]×１０^−６）））・・・（６）

さらに、実施の形態１では、線量モニタ４２の最大カウントレートは、インターロック値であるから、式（６）は、式（７）と書き換えられる。
（数７）
走査回数Ｎ[Ｓｃａｎ]＝合計スポットカウント値[ＳＰＣ・Ｓｃａｎ]÷（インターロック値[ＭＨｚ]×１０^６×（（スポット間隔[ｍｍ]÷最大走査速度[ｍｍ／ｍｓｅｃ]）×１０^−３＋（ビームの走査位置制御に必要な時間[μｓｅｃ]×１０^−６）））・・・（７）

続いて、照射制御計算部７０により、得られた走査回数Ｎと合計スポットカウント値から、１回の走査当たりに均等配分したスポットカウント値を算出し、インターロック値を課せられたビーム強度により得られたスポットカウント値で、粒子線ＰＢを照射する（ステップＳ４０４）。１回目の照射では、開始スポット１０１から終了スポット１０３まで照射を継続しながらビームの移動と停止を繰り返し走査する（図３参照）。なお、スポットカウント値は、インターロックにかからないように安全側として、小数１位を切り捨てとする。

走査を必要走査回数のＮ回繰り返して（ステップＳ４０５）、例えば１回目のスポット１０２では、同じ位置の２回目のスポット２０２に同じスポットカウントを照射し、この走査を繰り返してＮ回目のスポットＮ０２を照射することにより、1スポットに合計スポットカウントが照射され、全ての照射を完了する。

このように、インターロック回路１４ａを備え、ビーム強度のインターロック値に基づき走査回数を決定することで、走査回数を決定するために複雑な計算や測定等の準備を必要とせず、簡便に短時間で走査回数を決定でき、適切な照射をすることができる。

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、ビーム強度にインターロック値を課するインターロック回路１４ａを照射制御部８０に備え、照射制御計算部７０により、投与線量、実測した線量値と線量モニタ４２により測定したカウント値の比である線量校正の測定結果、および照射スポット数から導かれた所定の線量の合計スポットカウント値とインターロック値に基づき走査回数を決定し、照射制御部８０に、インターロック値で制御されたビーム強度により線量モニタ４２で測定される所定のスポットカウント値で走査させ、決定された走査回数照射させるようにしたので、走査回数を決定するために複雑な計算や測定等の準備を必要とせず、簡便に短時間で走査回数を決定でき、適切な照射をすることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、合計スポットカウント値を照射回数Ｎで均等配分したスポットカウント値で粒子線ＰＢを照射する場合について示したが、実施の形態２では、スポットカウント値を調整する場合について示す。

図５は、この発明の実施の形態１および実施の形態２による粒子線治療装置の照射のパターンを示す図である。図５（ａ）は実施の形態１の照射パターンを示し、図５（ｂ）は実施の形態２の照射パターンを示す。図５（ａ）に示すように、実施の形態１では、例えば、１スポット当たりの計画投与線量、つまり合計スポットカウント値が１５０２[ＳＰＣ・Ｓｃａｎ]で、走査回数が照射制御計算部７０により３回と決定された場合、合計スポットカウント値１５０２[ＳＰＣ・Ｓｃａｎ]を走査回数３で均等配分した各走査のスポットカウント値は、安全側として小数第1位を切り捨て、５００[ＳＰＣ]となる。これにより、１スポット当たりの合計投与線量は１５００[ＳＰＣ・Ｓｃａｎ]となり、理想値とずれが生じる。

実施の形態２では、図５（ｂ）に示すように、最終回目（３回目）の走査において合計スポットカウント値、つまり１スポット当たりの合計投与線量が１スポット当たりの計画投与線量と同じになるように、照射制御計算部７０により調整する。つまり、照射制御計算部７０は、１回目と２回目の走査においては均等配分したスポットカウント値である５００[ＳＰＣ]で照射制御部８０に照射させ、最終回目（３回目）の走査においては合計スポットカウント値１５０２[ＳＰＣ・Ｓｃａｎ]になるように、５０２[ＳＰＣ]で照射するように調整し、照射制御部８０に照射させる。その他の構成については、実施の形態１の粒子線治療装置と同様であり、その説明を省略する。

次に、この発明の実施の形態２による粒子線治療装置の動作および走査回数決定方法について図６を用いて説明する。図６は、実施の形態２における走査回数決定方法による粒子線治療装置の動作を示すフロー図である。ステップ６０１からステップ６０４については、実施の形態１のステップ４０１からステップ４０４と同様であり、その説明を省略する。

走査を必要走査回数のＮ−１回繰り返して（ステップＳ６０５）、例えば１回目のスポット１０２では、同じ位置の２回目のスポット２０２に同じスポットカウントを照射し、この走査を繰り返してＮ−１回目のスポット（Ｎ−１）０２まで、同じスポットカウントを照射する。

最終回目（Ｎ回目）の走査では、照射制御計算部７０で、式（６）で得られた最終回目（Ｎ回目）のスポットカウント値に調整し、照射制御部８０により、インターロック値を課された一定のビーム強度で粒子線ＰＢを照射する（ステップＳ６０６）。
（数６）
最終回目のスポットカウント値[ＳＰＣ]＝合計スポットカウント値[ＳＰＣ・Ｓｃａｎ]−（Ｎ−１）回目までのスポットカウント値[ＳＰＣ]×（Ｎ−１）・・・（６）

このように、最終回目の走査でスポットカウント値を調整することにより、一定のビーム強度で粒子線ＰＢを照射することで、簡便に短時間で走査回数を決定することができるだけでなく、線量照射の精度を向上させることができる。

なお、本実施の形態２では、最終回目の走査でスポットカウント値を調整するようにしたが、これに限るものではない。最初の回の走査であっても、途中の回の走査であっても、スポットカウント値を調整することで、同様の効果を得ることができる。また、調整のための回が複数あっても良い。

以上のように、この発明の実施の形態２における粒子線治療装置では、照射制御計算部７０により、走査回数のうちのいずれか一の回数目のスポットカウント値を調整して合計スポットカウント値を照射するようにしたので、簡便に短時間で走査回数を決定することができるだけでなく、線量照射の精度を向上させることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１４ａ インターロック回路、４０ 照射ノズル、４１、４１ａ、４１ｂ 走査用偏向電磁石、４２ 線量モニタ、６０ 治療計画部、７０ 照射制御計算部、８０ 照射制御部、ＰＢ 粒子線。

Claims (5)

1. 粒子線を走査用偏向電磁石により走査し、線量を線量モニタにより測定して、前記粒子線を照射する照射ノズルと、
   ビーム強度にインターロック値を課するインターロック回路を有し、前記走査用偏向電磁石を走査制御する照射制御部と、
   投与線量と照射スポット数を設定する治療計画部と、
   前記投与線量、実測した線量値と前記線量モニタにより測定したカウント値の比である線量校正の測定結果、および前記照射スポット数から導かれた所定の前記線量の合計スポットカウント値と前記インターロック値に基づき走査回数を決定し、前記照射制御部に、前記インターロック値を課された前記ビーム強度により前記線量モニタで測定される所定のスポットカウント値で走査させ、決定された前記走査回数照射させる照射制御計算部と
   を備えたことを特徴とする粒子線治療装置。
2. 前記線量の合計スポットカウント値は、下記の式（Ａ）で表されることを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
   前記線量の合計スポットカウント値＝（前記投与線量÷前記線量校正の測定結果）×（線量の合計カウント値に対する１スポットのカウント値の割合）・・・（Ａ）
3. 前記走査回数は、下記の式（Ｂ）で表されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粒子線治療装置。
   前記走査回数＝前記合計スポットカウント値÷（前記インターロック値×（（スポット間隔÷最大走査速度）＋（ビームの走査位置制御に必要な時間）））・・・（Ｂ）
4. 前記スポットカウント値は、前記線量の合計スポットカウント値を前記走査回数で除して、小数１位を切り捨てた値であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の粒子線治療装置。
5. 前記スポットカウント値は、前記線量の合計スポットカウント値を前記走査回数で除して、小数１位を切り捨てた値であって、前記走査回数のうちのいずれかの回数目のスポットカウント値を調整して全走査回数で前記合計スポットカウント値を照射することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の粒子線治療装置。

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