JP6659171B2

JP6659171B2 - 粒子線照射装置

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Publication number: JP6659171B2
Application number: JP2016145091A
Authority: JP
Inventors: 啓井上; 裕介坂本; 山本　和男; 和男山本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
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Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2020-03-04
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Description

この発明は、腫瘍などの病巣を治療する粒子線治療に用いられる粒子線照射装置に関する。

粒子線照射装置は、加速器で加速された水素イオンや炭素イオンなどのビーム状の粒子を対象物に照射する装置である。粒子ビームを腫瘍などの病巣部に照射する場合、その病巣を確実に除去するとともに、その背後の健常な臓器を傷つけないためには、高精度な照射粒子数の制御が必要である。

従来の粒子線照射装置においては、パルス状の粒子ビームを出射する加速器の加速周波数などのビーム制御パラメータを制御して１パルス当たりの粒子数を制御すると共に、ビームシャッターを用いて照射するパルスの数を制御していた（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２３３３００号（３−４頁、図１）

しかしながら、加速器のビーム制御パラメータを制御して１パルス当たりの粒子数を制御する従来の方法では、予め決められた離散的なビーム制御パラメータと１パルス当たりの粒子数とを対応付けたテーブルに基づいて１パルス当たりの粒子数を設定することになる。そのため、照射する粒子線の累積粒子数は、１パルス当たりの粒子数またはその倍数に限られ、任意の値に設定することが困難であった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、照射する粒子線の累積粒子数を任意の値に設定することができる粒子線照射装置を得ることを目的とする。

この発明に係る粒子線照射装置は、パルス状の粒子ビームを出射する加速器と、この加速器から出射されるパルス状の粒子ビームが照射対象物に照射されるのを遮蔽する機能を備えた遮蔽手段と、加速器の駆動条件に対応して粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性が記憶されたデータベースと、照射対象物に照射する目標累積粒子数とデータベースに記憶された粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性とに基づいて遮蔽手段の遮蔽動作のタイミングを算出する演算手段と、演算手段で演算された遮蔽手段の遮蔽動作のタイミングに基づいて遮蔽手段を制御する遮蔽制御手段とを備えたものである。

この発明は、加速器の駆動条件に対応して粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性が記憶されたデータベースと、照射対象物に照射する目標累積粒子数とデータベースに記憶された粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性とに基づいて遮蔽手段の遮蔽動作のタイミングを算出する演算手段とを備えているので、照射する粒子線の累積粒子数を任意の値に設定することができる。

この発明の実施の形態１を示す粒子線照射装置の模式図である。この発明の実施の形態１における１パルスの粒子数の時間依存性を説明する説明図である。この発明の実施の形態１における１パルスの累積照射粒子数を説明する説明図である。この発明の実施の形態１における１パルスの照射粒子数を説明する説明図である。この発明の実施の形態２を示す粒子線照射装置の模式図である。この発明の実施の形態３を示す粒子線照射装置の模式図である。この発明の実施の形態４を示す粒子線照射装置の模式図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１に係る粒子線照射装置の模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る粒子線照射装置１は、加速器２と、この加速器２から出射されるパルス状の粒子ビームのビームライン３上に配置され、粒子ビームが照射対象物４に照射されるのを遮蔽する機能を有する遮蔽手段としてのキッカー電磁石５と、キッカー電磁石５の遮蔽動作を制御する遮蔽制御手段としてのキッカー電磁石制御機構６と、加速器２の駆動条件に対応して粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性が記憶されたデータベース７と、照射対象物４の照射位置（照射スポット）に照射する目標累積粒子数とデータベース７に記憶された粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性とに基づいてキッカー電磁石５の遮蔽動作のタイミングを演算する演算手段としての演算処理部８とを備えている。本実施の形態の粒子線照射装置は、腫瘍などの病巣を治療する粒子線治療に用いられるものとして説明する。この場合、照射対象物４は、患者などの人体を想定するが、厳密な意味での照射対象物は、腫瘍などの病巣である。

加速器２は、例えばシンクロトロン型、シンクロサイクロトロン型、固定磁場強収束型などの円形加速器を用いることができ、イオン源１１と高周波加速機構１２とを備えている。

イオン源１１は、例えばフィラメントとこのフィラメントに対向配置された取り出し電極とで構成されている。フィラメントと取り出し電極との間の空間は、例えば水素ガスあるいはメタンガスが充填されている。フィラメントに電流を流すとフィラメントから熱電子が放出され、この熱電子が取出し電極側に加速されて移動するが、その際に熱電子は充填されたガスと衝突してこれらのガスをプラズマ化する。このようにして、イオン源１１は、充填されたガスが水素の場合は陽子イオンを、充填されたガスがメタンガスの場合は炭素イオンを生成する。これらの陽子イオンあるいは炭素イオンをこれ以降粒子と呼ぶ。本実施の形態においては、フィラメントと取出し電極との間に印加する電圧は一定とし、フィラメントに流す電流量を制御して粒子数を制御している。

高周波加速機構１２の例として例えばサイクロトロン型であれば、電磁石で形成された磁場に直交する位置に配置された一対のＤ型の電極を備えたものである。この一対の電極の各々は断面が半円形状であり、ギャップを設けて半円形状の直線部分同士が対向して配置されている。この一対の電極の中心部にはイオン源１１が配置されている。イオン源１１で生成された粒子は、電磁石で形成された磁場によるローレンツ力を受けて周回運動する。一対の電極間に印加する電圧で粒子は加速されるが、それに伴って粒子の周回軌道の半径は徐々に増加する。このとき、一対の電極間に印加する交流電圧の周波数に同期した粒子のみが一対の電極間で加速されるが、この交流電圧の周波数を周期的に変化させることで、周回軌道と同期した周波数の粒子が加速される。その結果、加速された粒子はビーム状でかつパルス状の粒子ビームとなる。一対の電極間に印加する交流電圧の電圧（加速電圧）を制御することで、ビームのエネルギーを制御することができる。したがって、本実施の形態における加速器の駆動条件は、フィラメントに流す電流量と高周波加速機構の電極に印加される加速電圧とである。

遮蔽手段としてのキッカー電磁石５は、ビームライン３を挟んだ２つの電磁石で構成された空芯構造であり、ビームライン３で輸送される粒子ビームに対して磁場を高速に印加することで、粒子ビームを偏向させてビームライン３から逸らす機能を備えている。このキッカー電磁石５の能力としては、例えばビームライン３方向の空芯部の長さが６０ｃｍとすると、電磁石で発生する磁場強度が１Ｔのときに粒子ビームはビームライン３に対して約１５°の方向に曲げることができる。なお、ビームライン３から逸らされた粒子ビームは、装置の汚染の観点から吸収消滅させることが必要であり、本実施の形態においては、ビームライン３から逸らされた粒子ビームを吸収消滅させるビームダンバー１３を備えている。

データベース７は、イオン源１１のフィラメントに流れる電流量と高周波加速機構１２の電極に印加される加速電圧とをパラメータとして、そのパラメータに対応した粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性が記憶されている。粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性としては、１パルスを時間分解したときの各分解時間における粒子数（単位時間当たりの粒子数）、あるいは各分解時間における１パルス中の累積粒子数などである。

演算処理部８は、設定されたイオン源１１のフィラメントに流れる電流量と高周波加速機構１２の電極に印加される加速電圧とに関連付けられた粒子数の時間依存性のデータをデータベース７より受け取り、外部より与えられる目標累積粒子数に対応して照射する粒子ビームの照射時間を演算して、キッカー電磁石５の遮蔽動作のタイミングを算出する。なお、目標累積粒子数は必ずしも外部から与えられる必要なく、予めデータベース７に記憶されていてもよい。

キッカー電磁石制御機構６は、演算処理部８で算出されたキッカー電磁石５の遮蔽動作のタイミングでキッカー電磁石５の遮蔽動作を制御する。

次に、データベース７に記憶されている加速器２の駆動条件に対応した粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性について説明する。粒子線照射装置での治療を始める前に、キッカー電磁石５と照射対象物４との間のビームライン３上に粒子数測定モニタ９を設置する。この粒子数測定モニタ９は、ビームライン３を通過する粒子数を測定することができる。粒子数測定モニタ９としては、ビームライン３の粒子線の進行を妨げない、例えば電離箱を用いることができる。

電離箱は、ガスで満たされた容器内に２枚の電極が対向配置されたものである。この電極の間を粒子線が通過すると、その粒子線の通った軌跡に沿って電極間のガスが電離され、正電荷をもつイオンと負電荷をもつ電子に分離する。２つの電極間には電圧がかかっているので、正イオンはマイナスの電極に、電子はプラスの電極に向かって動き短いパルス電流が発生する。この電流を測定することにより電離箱を通過した粒子線の粒子数を計測することができる。

イオン源１１のフィラメントに流れる電流量と高周波加速機構１２の電極に印加される加速電圧とを実際の治療で運用する際に想定される種々の値に設定し、それらの値をパラメータとして、ビームライン３上で粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性を粒子数測定モニタ９で測定する。通常、１パルスの持続時間は０．１〜５μｓであるので、粒子数測定モニタ９はその持続時間を２０分割する程度の分解時間で粒子数を測定する。

図２は、データベース７に記憶されている粒子ビームにおける１パルスの粒子数の時間依存性を説明する説明図である。図２において、横軸は時間であり縦軸は累積粒子数である。破線は１パルス内の時間的な粒子分布を示している。上述のような方法によって、イオン源１１のフィラメントに流れる電流量と高周波加速機構１２の電極に印加される加速電圧とをパラメータとして、そのパラメータに対応した粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性をデータベース７に記憶しておく。

上述のように演算処理部８は、外部より与えられる目標累積粒子数に対して照射する粒子ビームの照射時間を演算して、キッカー電磁石５の遮蔽動作のタイミングを算出する。そして、キッカー電磁石制御機構６は、演算処理部８で算出されたキッカー電磁石５の遮蔽動作のタイミングでキッカー電磁石５の遮蔽動作を制御するが、キッカー電磁石制御機構６が演算処理部８から遮蔽動作のタイミングを受け取ってキッカー電磁石５の遮蔽動作が完了するまでには時間のずれが生じる。演算処理部８で演算された粒子ビームの照射時間で正確にキッカー電磁石５の遮蔽動作を完了させるためにはこの時間のずれを補正する必要がある。データベース７は、この時間のずれを補正するために、あらかじめキッカー電磁石制御機構６が演算処理部８から遮蔽動作のタイミングを受け取ってキッカー電磁石５の遮蔽動作が完了するまでの時間のずれも記憶しておく。

次に、実際の治療を行う際の動作について説明する。以下の説明においては、単一パルスの粒子ビームを用いて所定の累積粒子数を照射する場合について説明する。

治療計画などにより、病巣を治療するために照射対象物４の照射スポットに照射する粒子ビームの目標累積粒子数を決定する。決定された目標累積粒子数を、例えば入力端末などを用いて演算処理部８に入力する。演算処理部８は、データベース７に記憶されたフィラメントに流れる電流量と高周波加速機構の電極に印加される加速電圧とに関連付けられた粒子数の時間依存性のデータを参照して、目標累積粒子数を実現するためのフィラメントに流す電流量と高周波加速機構の電極に印加する加速電圧とを決定する。なお、上述のように、目標累積粒子数は必ずしも外部から与えられる必要なく、予めデータベース７に記憶されていてもよい。

演算処理部８で決定されたフィラメントに流す電流量および高周波加速機構の電極に印加する加速電圧は加速器２に送られ、加速器２の駆動が開始される。イオン源１１と高周波加速機構１２との動作が安定し粒子ビームのパルス内の粒子分布が一定になるまでは、加速器２のビームライン３の出口側に設けられたビームシャッターで粒子ビームは遮られている。粒子ビームのパルス内の粒子分布が一定になった時点で、ビームシャッターを開いて粒子ビームの照射を開始する。このときの時刻を照射開始時刻ｔ_{ｓｔａｒｔ}とする。

図３は、本実施の形態における１パルスの累積照射粒子数を説明する説明図である。治療計画などで決定された目標累積粒子数をＤとする。図３に示すように、データベース７に記憶されている１パルスの粒子数の時間依存性のデータは離散的な値である。仮に目標累積粒子数Ｄに最も近くてそれより少ない累積粒子数Ｄ_１、目標累積粒子数Ｄに最も近くてそれより多い累積粒子数Ｄ_２とし、累積粒子数Ｄ_１、Ｄ_２に到達する時間をそれぞれｔ_１、ｔ_２とする。このとき、目標累積粒子数に到達する時間ｔ_{ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ}は、次の式から算出される。

ｔ_{ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ}＝｛Ｄ×（ｔ_２−ｔ_１）−Ｄ_１×（ｔ_２−ｔ_１）｝／（Ｄ_２−Ｄ_１）＋ｔ_１

加速器の高周波加速機構１２の加速周波数とビームシャッターを開いて粒子ビームを照射するタイミングとはリンクさせることが可能であり、照射開始時刻ｔ_{ｓｔａｒｔ}と粒子ビームのパルスの立ち上がり時刻とを一致させることができる。すなわち、照射開始時刻ｔ_{ｓｔａｒｔ}を図３における横軸のゼロ時間に一致させることができる。また、データベース７は、あらかじめキッカー電磁石制御機構６が演算処理部８から遮蔽動作のタイミングを受け取ってキッカー電磁石５の遮蔽動作が完了するまでの時間のずれｔ_{ｒｉｓｉｎｇ}を記憶している。

演算処理部８は、ビームシャッターを開いて粒子ビームの照射を開始した時刻ｔ_{ｓｔａｒｔ}と、上記の式で算出されたｔ_{ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ}と、データベース７から受け取るｔ_{ｒｉｓｉｎｇ}とを用いて、キッカー電磁石制御機構６へキッカー電磁石５の遮蔽動作のタイミングｔ_ｇｏａｌとを送る。このとき、ｔ_ｇｏａｌは、次の式で算出される。

ｔ_ｇｏａｌ＝ｔ_{ｓｔａｒｔ}＋ｔ_{ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ}−ｔ_{ｒｉｓｉｎｇ}

キッカー電磁石５は、実際にはｔ_ｇｏａｌ＋ｔ_{ｒｉｓｉｎｇ}のタイミングでビームライン３の粒子ビームを偏向させて粒子ビームをビームライン３から逸らす。図４は、本実施の形態における１パルスの照射粒子数を説明する説明図である。図４に示すように、本実施の形態においては、粒子線の照射が開始された初めの単一パルスにおいて、パルス照射開始から時間ｔ_{ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ}までのパルス内の粒子（図４におけるハッチング部分）が照射対象物４の照射スポットに照射され、時間ｔ_{ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ}以降のパルス内の粒子は照射されない。

このように構成された粒子線照射装置においては、予めデータベースに記憶された加速器の駆動条件に対応した粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性を用いて、パルス内の累積粒子数が目標累積粒子数となる時刻を算出してパルスを遮蔽しているので、照射する粒子線の累積粒子数を任意の値に設定することができる。

従来は、１パルスの全体の累積粒子数が目標累積粒子数となるように加速器の駆動条件を設定していたが、予め決められた離散的なビーム制御パラメータ（本実施の形態であればフィラメントの電流量と加速電圧）と１パルス当たりの粒子数とを対応付けたテーブルに基づいて１パルス当たりの粒子数を設定することになるので、１パルス当たりの粒子数を完全に任意の値に設定することが困難であった。

本実施の形態のように、加速器のビーム制御パラメータを変更せず１パルス当たりの粒子数が安定した後は遮蔽手段を用いて累積粒子数を設定しているので、累積粒子数を任意の値に設定することができる。

なお、従来からビームライン３の経路上に遮蔽手段を設けて累積粒子数を制御する方法は存在した。例えば、粒子ビーム照射系の線量モニタで照射される線量のデータをカウントし、その積算値が規定量に達するとビームシャッターを閉じてビームの照射を停止する方法や、予めビーム制御パラメータと１パルス当たりの粒子数との相関関係を求めておき、所定の累積粒子数に達した時点で粒子ビームを遮蔽する方法などが知られていた。しかしながら、このような従来の方法においては、遮蔽手段で粒子ビームを遮蔽するタイミングは、粒子ビームのパルス間であり、１パルスの途中で粒子ビームを遮蔽することが不可能であった。なぜなら、本実施の形態のように、１パルスにおける粒子数の時間依存性を用いていないからである。したがって、従来の遮蔽手段によって累積粒子数を制御する方法では粒子数の制御は、１パルス当たりの粒子数に依存した離散的な値でしかできなかった。また、単一パルスの粒子数以下の粒子数に制御することができなかった。

本実施の形態においては、１パルスにおける粒子数の時間依存性を用いているので、累積粒子数を任意の値に設定することができると共に、単一パルスの粒子数以下の粒子数に制御することも可能となる。

なお、本実施の形態においては、加速器の駆動条件としてフィラメントに流す電流量と高周波加速機構の電極に印加される加速電圧とで説明したが、加速器の方式などによって別のパラメータであってもよい。

また、本実施の形態においては、遮蔽手段としてキッカー電磁石を用いているが、キッカー電磁石の替わりに電場シャッターなど別の機構を用いてもよい。

なお、本実施の形態においては、粒子線照射装置での治療を始める前に粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性を測定しそれをデータベース７に記憶させるために、粒子数測定モニタを設置している。

実施の形態２．
実施の形態１で説明した粒子線照射装置は、粒子線を一点の照射スポットに照射するものであった。しかしながら、粒子線照射装置が腫瘍などの病巣を治療する粒子線治療に用いられる場合、照射対象となる病巣全体に粒子線を照射する機能が必要である。実施の形態２においては、粒子線のスキャンニング照射を行うことができる粒子線照射装置を説明する。

図５は、本実施の形態に係る粒子線照射装置の模式図である。図５に示すように、本実施の形態に係る粒子線照射装置１は、実施の形態１で説明した粒子線照射装置にスキャンニング照射の機能を付与する走査手段として走査電磁石２１が追加されたものである。走査電磁石２１には、その走査電磁石２１を制御するための走査電磁石制御手段２２が接続されている。走査電磁石制御手段２２は、データベース７からの信号を受け取ることができる。走査電磁石２１は、ビームライン３を挟んだ２つの電磁石で構成された空芯構造であり、この電磁石に流す電流値を変化することで磁場を変化させ、粒子ビームを２次元的に走査させることができる。

照射対象となる病巣全体に粒子線を照射するためには、粒子ビームを３次元的に制御する必要がある。粒子ビームは生体（からだ）の中をある程度の距離進んだあと、急激に高いエネルギーを周囲に与えそこで消滅するという性質をもつ。粒子ビームが生体内を進む距離は、粒子ビームのエネルギーによって決まる。したがって、粒子ビームが生体内を進む方向を仮にｚ軸方向とすると、例えば粒子ビームのエネルギーを一定として、レンジシフタと呼ばれる厚板を用いてｚ軸方向のエネルギー量を制御することができる。このレンジシフタと組み合わせて走査電磁石で粒子ビームを走査する方向をｘｙ平面に設定することで、粒子ビームを３次元的（ｘｙｚ軸方向）に制御することができる。

治療計画によって、照射対象となる病巣に対して粒子ビームを照射すべき照射スポットの３次元的な位置とその照射スポットにおける目標累積粒子数とを決定する。さらに、治療計画によって、照射スポットに位置と目標累積粒子数とから、照射スポットの順序を決定する。これらのデータは、データベース７に入力される。

データベース７には、イオン源１１のフィラメントに流れる電流量と高周波加速機構１２の電極に印加される加速電圧とをパラメータとして、そのパラメータに対応した粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性が記憶されている。さらに、データベース７には、各照射スポットの（ｘ、ｙ）位置、深さ方向（ｚ方向）の位置における目標累積粒子数および照射スポットの順序が記憶されている。

データベース７は、照射スポットの順序にしたがって、初めの１点目の照射スポットの（ｘ、ｙ）位置を走査電磁石制御手段２２に送ると共に、その照射スポットにおけるイオン源１１のフィラメントに流れる電流量と高周波加速機構１２の電極に印加される加速電圧とに関連付けられた粒子数の時間依存性および目標累積粒子数を演算処理部８に送る。

演算処理部８は、データベース７より受け取ったデータに基づいて、目標累積粒子数に対応して照射する粒子ビームの照射時間を演算して、１点目の照射スポットにおけるキッカー電磁石５の遮蔽動作のタイミングを算出する。キッカー電磁石制御機構６は、演算処理部８で算出されたキッカー電磁石５の遮蔽動作のタイミングでキッカー電磁石５の遮蔽動作を制御する。

これ以降は、実施の形態１と同様な手順で１点目の照射スポットに対して粒子ビームを照射する。１点目の照射スポットへの照射終了時に、キッカー電磁石５による遮蔽をした状態で２点目の照射スポットへ照射位置を移動させる。移動後にキッカー電磁石５による遮蔽をなくし、２点目以降の照射スポットにも同様の手順で照射を行う。データベース７は、１点目の照射スポットに対する粒子ビームの照射が終了したのちは、順次照射スポットのデータを走査電磁石制御手段２２および演算処理部８に送り、各照射スポットに対して目標累積粒子数の粒子ビームを照射することを繰り返す。

また、スキャンニング照射の機能を有する走査手段を備えているので、照射対象となる病巣の各照射スポットに照射する粒子線の累積粒子数を任意に個別の値に設定することができる。

実施の形態３．
粒子線照射装置を腫瘍などの病巣を治療する粒子線治療に用いる場合、過剰照射は避けなければならない。実施の形態３においては、過剰照射を避けるための安全装置を備えた粒子線照射装置について説明する。

図６は、本実施の形態に係る粒子線照射装置の模式図である。図６に示すように、本実施の形態に係る粒子線照射装置１は、遮蔽手段としてのキッカー電磁石５と照射対象物４との間に設けられた粒子数測定モニタ９と加速器２とが接続されている。

本実施の形態において、通常の治療を行う際の動作は実施の形態１と同様である。しかしながら、データベース７と演算処理部８との間や演算処理部８とキッカー電磁石制御機構６との間などの信号伝達間に発生したノイズなどによって、制御信号が誤って伝達されることが考えられる。その結果、照射される累積粒子数が目標累積粒子数を超えてしまう（過剰照射）恐れがある。

本実施の形態では、キッカー電磁石５と照射対象物４との間に粒子数測定モニタ９を備え、この粒子数測定モニタ９で実際の照射対象物４に照射される粒子数を計測しておき、もし照射対象物４に照射される粒子数が目標累積粒子数を超えた場合は、加速器２のビームシャッターを閉じて粒子ビームの照射を停止する。

このように構成された粒子線照射装置においては、実施の形態１と同様に、予めデータベースに記憶された加速器の駆動条件に対応した粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性を用いて、パルス内の累積粒子数が目標累積粒子数となる時刻を算出してパルスを遮蔽しているので、照射する粒子線の累積粒子数を任意の値に設定することができる。また、粒子数測定モニタを備えているので、制御信号が誤って伝達されて過剰照射が起こる恐れがある場合でも、照射対象物への過剰照射を最小限に抑えることが可能となる。

実施の形態４．
粒子線照射装置を呼吸によって移動する病巣を治療する粒子線治療に用いる場合、その移動量によっては病巣以外の部位に粒子線が照射される恐れがある。実施の形態４においては、病巣以外の部位への照射を避けるために、呼吸による病巣の移動量が一定量以上のときはビーム照射を中断する機能を備えた粒子線照射装置について説明する。

図７は、本実施の形態に係る粒子線照射装置の模式図である。図７に示すように、本実施の形態に係る粒子線照射装置１は、実施の形態３の図６に示した粒子線照射装置に、さらに病巣の移動量を測定する移動量センサとして機能する呼吸モニタ３１を備えたものである。呼吸モニタ３１は、照射対象物４である患者の身体の表面に取り付けられるものであり、呼吸によって病巣が移動するときにその移動量に比例して移動する身体の表面に取り付けられている。呼吸モニタ３１の出力は、キッカー電磁石制御機構６に接続されている。なお、呼吸モニタ３１は、粒子ビームの照射を妨げない位置に取付けられている。

次に、本実施の形態における実際の運用について説明する。まず、呼吸モニタ３１を用いて、患者の体の表面の基準位置と、その基準位置から患者の体の表面の移動量との関係を取得しておく。次に、この患者の体の表面の移動量と治療の対象となる病巣の移動量との関係を、例えばＭＲＩ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｓｅＩｍａｇｉｎｇ：磁気共鳴画像）検査などの手法を用いて求めておく。病巣以外の部位に粒子線が照射される恐れがある場合の病巣の移動量に対する呼吸モニタ３１の基準位置からの移動量を閾値として設定する。

粒子線治療が開始されて、呼吸モニタ３１の移動量がこの閾値を上回ったときは、呼吸モニタ３１からキッカー電磁石制御機構６に信号が送られ、直ちにキッカー電磁石の遮蔽動作を作動させて粒子線をビームライン３から逸らす。呼吸モニタ３１の移動量がこの閾値以下のときは、呼吸モニタ３１からキッカー電磁石制御機構６に信号が送られ、直ちにキッカー電磁石の遮蔽動作を停止させて粒子線をビームライン３に送る。このように、呼吸モニタを用いて呼吸による病巣の移動を検知して粒子線の照射を制御するシステムを呼吸同期システムと定義する。

呼吸同期システムによって粒子線の１パルス中の照射が中断されたときは、照射対象物への累積粒子数は目標累積粒子数に到達していないことになる。病巣への粒子線の累積粒子数を目標累積粒子数とするために、次のような手法を行えばよい。

呼吸同期システムによって照射が遮断された際、粒子数測定モニタ９に記録された累積粒子数を演算処理部８に伝達する。演算処理部８は、目標累積粒子数から伝達された累積粒子数を引いた粒子数を新たな目標累積粒子数として、データベース７に記録された粒子数の時間依存性に基づき実施の形態１と同様の方法で照射を実施する。

このように構成された粒子線照射装置においては、呼吸同期システムを用いることにより、呼吸によって病巣が移動しても病巣以外の部位への照射を避けることができる。さらに、呼吸同期システムによって１パルス内で粒子線の照射が遮断されても、遮断されるまでの累積粒子数を考慮して次のパルスの遮断タイミングを決定することができるので、呼吸同期システムを用いても、照射する粒子線の累積粒子数を任意の値に設定することができる。

なお、本実施の形態においては、呼吸モニタを移動量センサとして用いる例を示したが、病巣の移動量を測定する移動量センサとして別の方法を用いてもよい。例えば、病巣あるいは病巣の近くにマーカーとなる金属を注入し、ＭＲＩなどを用いてこの金属の移動量をリアルタイムで測定することにより移動量センサとしてもよい。

また、本実施の形態で説明した粒子線照射装置の構成と実施の形態２または３で説明した粒子線照射装置の構成とを組み合わせてもよい。

１粒子線照射装置、２加速器、３ビームライン、４照射対象物
５キッカー電磁石、６キッカー電磁石制御機構、７データベース
８演算処理部、９粒子数測定モニタ
１１イオン源、１２高周波加速機構
２１走査電磁石、２２走査電磁石制御手段
３１呼吸モニタ

Claims

パルス状の粒子ビームを出射する加速器と、
この加速器から出射されるパルス状の粒子ビームが照射対象物に照射されるのを遮蔽する機能を備えた遮蔽手段と、
前記加速器の駆動条件に対応して前記粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性が記憶されたデータベースと、
前記照射対象物に照射する目標累積粒子数と前記データベースに記憶された前記粒子ビームの１パルスにおける粒子数の時間依存性とに基づいて前記遮蔽手段の遮蔽動作のタイミングを算出する演算手段と
前記演算手段で算出された前記遮蔽手段の遮蔽動作のタイミングに基づいて前記遮蔽手段を制御する遮蔽制御手段と
を備えたことを特徴とする粒子線照射装置。
前記照射対象物に対して前記粒子ビームを二次元的にスキャンする走査手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射装置。
前記遮蔽手段は、キッカー電磁石であることを特徴とする請求項１または２に記載の粒子線照射装置。
前記キッカー電磁石によって照射対象物以外の方向へ照射される粒子ビームを吸収消滅させるビームダンバーをさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の粒子線照射装置。
前記照射対象物に照射される粒子ビームの粒子数を測定する粒子数測定モニタを備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
照射対象物の移動量を検出する移動量センサをさらに備え、
前記移動量センサで検出された照射対象物の移動量が閾値を上回ったときは前記遮蔽手段でビームを遮蔽することを特徴とする請求項５に記載の粒子線照射装置。
前記移動量センサで検出された照射対象物の移動量が閾値を上回ったときは前記遮蔽手段でビームが遮蔽された場合、
前記粒子数測定モニタで測定された前記照射対象物に照射された粒子ビームの粒子数が前記演算手段に送られ、
前記演算手段は、前記粒子数測定モニタから送られた前記粒子数を前記目標累積粒子数から減算した新たな目標累積粒子数を算出する
ことを特徴とする請求項６に記載の粒子線照射装置。