JP6757583B2 - 粒子線線量評価システム、計画装置および粒子線照射システムならびに線量評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、粒子線を腫瘍等の患部に照射して治療する際に好適に用いられる、粒子線線量評価システム、計画装置および粒子線照射システムならびに線量評価方法に関する。

体幹部内で動き回る腫瘍の位置を実時間で、かつ自動的に算出し、機構系の絶対精度に依存せずに実質必要な精度を確保することができる動体追跡照射装置の一例として、特許文献１には、腫瘍近傍に埋め込まれた腫瘍マーカーを第１及び第２の方向から同時に撮像して第１及び第２の撮像映像を得る撮像装置と、デジタイズされた第１及び第２の撮像映像に予め登録された腫瘍マーカーのテンプレート画像を作用させた濃淡正規化相互相関法によるテンプレートマッチングを所定フレームレートの実時間レベルで実行し、第１及び第２の撮像変換行列に基づき腫瘍マーカーの第１及び第２の２次元座標を算出する画像入力認識処理部と、算出された第１及び第２の２次元座標に基づき腫瘍マーカーの３次元座標を計算する中央演算処理部と、計算された腫瘍マーカーの３次元座標に基づきライナックの治療ビーム照射を制御する照射制御部とを備えた動体追跡照射装置が記載されている。

また、外部からアクセス可能な同一の開放空間を、ＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置とＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）装置で同時に計測・画像化して、機能情報と形態情報を同時に取得することを可能とするために、特許文献２には、ＰＥＴ装置とＭＲＩ装置を組合せたＰＥＴ／ＭＲＩ複合機において、ＰＥＴ対象視野の少なくとも一部が、外部からアクセス可能な開放空間とされたオープンＰＥＴ装置と、ＭＲＩ対象視野の少なくとも一部が、外部からアクセス可能な開放空間とされたオープンＭＲＩ装置とを備え、ＰＥＴ対象視野の開放空間とＭＲＩ対象視野の開放空間の少なくとも一部が重複するようにする技術が記載されている。

特許第３０５３３８９号 特許第５２２４４２１号

癌などの患者に粒子線やＸ線などの放射線を照射する方法が知られている。粒子線には陽子線や炭素線などがある。照射に用いる放射線照射システムは、カウチと呼ばれる患者用ベッド上に固定された患者の体内で腫瘍などの標的の形状に適した線量分布を形成する。

放射線照射システムのうち、線量分布を形成する方法として、細い粒子線を電磁石により走査して線量分布を形成するスキャニング照射法が普及し始めている。

ところで、腫瘍などの標的が呼吸などで移動すると、粒子線の正確な照射が難しくなる。そこで、標的が予め決められた範囲（ゲート範囲）にある場合のみ粒子線を照射するゲート照射を実施することが近年実現されている。

上述した特許文献１には、患部付近に埋め込まれたマーカーの位置に基づいてゲート照射を実施する動体追跡照射と呼ばれる方法が記載されている。特許文献１に記載されたようなゲート照射で用いられるマーカーは、例えば直径２ｍｍ程の金属製の球体などである。

通常の粒子線治療は、数日から数週間にかけて継続して実施されるが、その期間中に腫瘍の形状が著しく変化した場合には照射する粒子線のパターン（位置と量とエネルギー）を変更することがある。この粒子線のパターンの変更を再計画と呼ぶ。上述した特許文献２には、再計画の実施を判断するに当たり、ＰＥＴ画像とＭＲＩ画像を参照する方法が開示されている。

ここで、上述したスキャニング照射法では、細い粒子線を電磁石で走査して照射することで、スポットと呼ばれる細い線量分布を並べることにより、標的に合致した線量分布を形成する。しかし、この照射法ではスポットを順次形成するため、照射中に標的が移動する場合に、スポット間の相対的な位置関係が変更されることになる。

スキャニング照射法では、スポット間の位置関係が計画と異なることは、積算された線量分布に高線量域や低線量域を発生させる可能性がある。このような標的の移動による線量分布への影響を相互作用効果と呼ぶ。

上述の特許文献などに記載された公知の技術では、再計画の実施を判断するに当たって相互作用効果の実績を考慮することはできなかった。

本発明は、相互作用効果の影響を考慮することができ、これにより治療計画の再計画の際により適切な判断を行うことを支援するための粒子線線量評価システム、計画装置および粒子線照射システムならびに線量評価方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、標的に照射される粒子線の照射量を計測する照射量計測器と、前記粒子線を照射する位置を計測する照射位置計測器と、前記粒子線を照射した照射時刻を記録する照射時刻記録部と、前記粒子線の照射中の追跡対象の位置を計測する追跡対象位置計測部と、前記追跡対象の位置を計測した追跡対象時刻を記録する追跡対象時刻記録部と、前記照射時刻と前記追跡対象時刻とを同期することで前記粒子線の照射中の追跡対象の位置とその時の前記粒子線の照射量および照射位置とを同期し、前記標的に照射された実績線量分布を計算する線量分布計算装置と、を備え、前記実績線量分布は、Ｎ回（Ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）に分割して前記追跡対象に前記粒子線を照射するときの１回目からＪ回目（１≦Ｊ≦Ｎ−１）に照射された線量分布の積算であり、前記線量分布計算装置は、Ｊ＋１回目からＮ回目に照射される予定の予定線量分布を計算し、前記実績線量分布と前記予定線量分布とを加算して評価用線量分布を算出することを特徴とする。

本発明によれば、相互作用効果を考慮した実績線量分布の情報を速やかに提供することができるため、再計画において適切な判断を行うことを支援することができる。

本発明の実施例の陽子線照射システムの全体構成図である。 スポット照射時刻を記録した陽子線照射データの概念図である。 Ｘ線曝射時刻と標的位置とを記録したマーカー位置データの概念図である。 動体追跡装置が撮像画像からマーカーの位置を計算する概念図である。 実績線量分布などを表示する画面を示す概念図である。 最適化する線量を示す概念図である。 陽子線線量評価システムの処理手順を示すフロー図である。

本発明の粒子線線量評価システム、計画装置および粒子線照射システムならびに線量評価方法の実施例を、図１乃至図７を用いて説明する。図１は粒子線照射システムの全体構成図、図２はスポット照射時刻を記録した陽子線照射データの概念図、図３はＸ線曝射時刻と標的位置とを記録したマーカー位置データの概念図、図４は動体追跡装置が撮像画像からマーカーの位置を計算する概念図、図５は実績線量分布などを表示する画面を示す概念図、図６は最適化する線量を示す概念図、図７は陽子線線量評価システムの処理手順を示すフロー図である。

本発明は、陽子線照射システムや炭素線照射システムなどの粒子線照射システムや、陽子線線量評価システムや炭素線線量評価システムなどの粒子線線量評価システム、および治療計画装置に適用することができる。本実施例では、陽子線照射システムと陽子線線量評価システムを例に実施例について図１を用いて説明する。

本発明の実施例のひとつである陽子線照射システムは、図１に示すように、陽子線発生装置１０、ビーム輸送系２０、照射ノズル２２、動体追跡装置３５、カウチ２７、陽子線照射制御装置４０、陽子線線量計算装置４５を備える。標的に対して陽子線を照射するための陽子線照射装置は、陽子線発生装置１０、ビーム輸送系２０、照射ノズル２２から構成される。

陽子線発生装置１０は、イオン源１２、ライナック１３、シンクロトロン１１を備える。シンクロトロン１１は、偏向電磁石１４、四極電磁石（図示せず）、高周波加速装置１８、高周波出射装置１９、出射用デフレクタ１７等を備える。イオン源１２はライナック１３に接続されており、ライナック１３はシンクロトロン１１に接続されている。陽子線発生装置１０では、イオン源１２より発生した陽子線はライナック１３により前段加速され、シンクロトロン１１に入射する。シンクロトロン１１でさらに加速された陽子線はビーム輸送系２０に出射される。

ビーム輸送系２０は、複数の偏向電磁石２１と四極電磁石（図示せず）を備えており、シンクロトロン１１と照射ノズル２２に接続されている。また、ビーム輸送系２０の一部と照射ノズル２２は筒状のガントリー２５に設置されており、ガントリー２５と共に回転することができる。シンクロトロン１１から出射された陽子線は、ビーム輸送系２０内を通過しながら四極電磁石によって収束し、偏向電磁石２１によって方向を変えて照射ノズル２２に入射する。

照射ノズル２２は、２対の走査電磁石と、線量モニタ２２Ｂと、位置モニタ２２Ａとを備えている。２対の走査電磁石は、互いに直交する方向に設置されており、標的の位置においてビーム軸に垂直な面内の所望の位置に陽子線が到達するように陽子線を偏向することができる。線量モニタ２２Ｂは、標的に照射される陽子線の照射量を計測するモニタであり、検出した計測値を陽子線照射制御装置４０に対して出力する。位置モニタ２２Ａは、標的に照射される陽子線が通過した位置を検出することで標的に照射される陽子線の照射位置を間接的に計測するためのモニタであり、検出した検出値を陽子線照射制御装置４０に対して出力する。照射ノズル２２を通過した陽子線は照射対象２６内の標的に到達する。なお、癌などの患者を治療する場合、照射対象２６は患者を表し、標的は腫瘍などを表す。

照射対象２６を載せるベッドをカウチ２７と呼ぶ。カウチ２７は陽子線照射制御装置４０からの指示に基づき、直交する３軸の方向へ移動することができ、さらにそれぞれの軸を中心として回転することができる。これらの移動と回転により、照射対象２６の位置を所望の位置に移動することができる。

陽子線照射制御装置４０は、陽子線発生装置１０、ビーム輸送系２０、照射ノズル２２、動体追跡制御装置４１、カウチ２７、記憶装置４２、コンソール４３、陽子線線量計算装置４５などと接続されており、陽子線発生装置１０、ビーム輸送系２０、照射ノズル２２等の機器を制御する。陽子線照射制御装置４０は、線量モニタ２２Ｂで陽子線の照射量を計測し、位置モニタ２２Ａで陽子線の照射位置を計測したときの時刻を関連付けて、図２に示すような陽子線照射データとして記録する照射時刻記録部４０Ａを有している。

動体追跡装置３５は、照射対象２６内のマーカー（追跡対象）２９の撮像画像を撮像する撮像用Ｘ線発生装置２３ＡとＸ線測定器２４Ａ、およびマーカー２９の撮像画像を撮像する撮像用Ｘ線発生装置２３ＢとＸ線測定器２４Ｂとからなる２対のＸ線撮像装置と、動体追跡制御装置４１とを備える。追跡対象位置計測部は、陽子線の照射中のマーカー２９の位置を計測する撮像用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３ＢおよびＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂから構成される。

撮像用Ｘ線発生装置２３ＡおよびＸ線測定器２４Ａと撮像用Ｘ線発生装置２３ＢおよびＸ線測定器２４Ｂとの２組は、それぞれのＸ線の経路が交差するように設置されている。なお、２対の撮像用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３ＢとＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂは、互いに直交する方向に設置されることが好ましいが、直交していなくてもよい。また、撮像用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３ＢおよびＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂは、必ずしもガントリー２５の内部に配置されている必要はなく、天井や床などの固定された場所に配置されていても良い。

動体追跡制御装置４１は、Ｘ線撮像装置から入力される信号に基づいて、マーカー２９の位置を計算し、その上で、マーカー２９の位置に基づいて陽子線の出射を許可するか否かを判定し、陽子線の照射の可否の信号を陽子線照射制御装置４０に対して送信する。動体追跡制御装置４１は、Ｘ線の撮像毎にＸ線を曝射した時刻（追跡対象時刻）を記録する追跡対象時刻記録部４１Ａを有しており、マーカー２９位置の計算結果とゲート信号の状態とを、図３に示すようなマーカー位置データとして記録する。

より具体的には、動体追跡制御装置４１は、図４に示すように、撮像用Ｘ線発生装置２３Ａから発生させたＸ線をマーカー２９に曝射し、マーカー２９を通過したＸ線の２次元線量分布をＸ線測定器２４Ａによって測定することでマーカー２９を撮像し、撮像用Ｘ線発生装置２３Ｂから発生させたＸ線をマーカー２９に曝射し、マーカー２９を通過したＸ線の２次元線量分布をＸ線測定器２４Ｂによって測定することでマーカー２９を撮像する。動体追跡制御装置４１は、取得した２つの撮像画像から照射対象２６内に埋め込まれたマーカー２９の３次元位置を計算し、その結果に基づいて標的の位置を求め、求めた標的の位置が予め指定したゲート範囲（照射許可範囲）に入っているか否かを判定し、標的の位置がゲート範囲に入っていると判定された場合はゲートオン信号を陽子線照射制御装置４０に対して送信して出射を許可する。これに対し標的の位置がゲート範囲に入っていないと判定された場合は、ゲートオフ信号を送信して出射を許可しない。陽子線照射制御装置４０では、動体追跡制御装置４１が生成するゲートオン信号，ゲートオフ信号に基づき、陽子線の出射を制御する。

Ｘ線撮像装置による撮像画像の取得は、例えば３０Ｈｚの一定間隔で実施される。取得した撮像画像には体内に埋め込まれたマーカー２９が写っており、予め用意したマーカー２９のテンプレート画像とのテンプレートマッチングによりマーカー２９の照射対象２６内における位置を特定する。撮像画像の全範囲を探索すると探索に時間を要するため、ひとつ前の撮像画像におけるマーカー２９の位置を中心として予め定められた大きさの範囲内でのみマーカー２９の位置を探索する。

図４にテンプレートマッチングにより検出したマーカー２９のＸ線測定器２４Ａ上における位置と撮像用Ｘ線発生装置２３Ａとを結ぶ線２８Ａおよびマーカー２９のＸ線測定器２４Ｂ上における位置と撮像用Ｘ線発生装置２３Ｂとを結ぶ線２８Ｂを示す。この２本の線２８Ａ，２８Ｂは、理想的には１点で交わり、その交点がマーカー２９の存在する位置である。しかし、実際には、テンプレートマッチングの精度やＸ線撮像装置の設置誤差などの影響から、通常２本の線２８Ａ，２８Ｂは交わらずにねじれの関係にある。このねじれの関係にある２本の線２８Ａ，２８Ｂが最も接近する位置には共通の垂線を引くことができる。この共通の垂線を共通垂線と呼ぶ。そして、この共通垂線の中点をマーカー２９の位置としている。

図１に戻り、陽子線線量計算装置４５は、動体追跡制御装置４１の追跡対象時刻記録部４１Ａで記録されたマーカー位置データおよび陽子線照射制御装置４０の照射時刻記録部４０Ａで記録された陽子線照射データから、各スポットを照射したときのマーカー２９の位置を特定する同期機能を有している。また、この同期機能で同期されたスポット毎の標的位置を用いて線量分布を計算する線量分布計算機能、照射日毎に計算された線量分布を積算して実績線量分布を計算する線量分布積算機能、その後に照射される予定の予定線量分布を後述する治療計画装置４４によって作成された治療計画中の照射パラメータに基づいて計算する予定線量分布計算機能、実績線量分布と予定線量分布とを加算した評価用線量分布を計算する評価用線量分布計算機能、計算した実績線量分布，予定線量分布、評価用線量分布の特徴量を計算する特徴量計算機能、治療計画の作成に用いる計画線量分布、計算した各線量分布やそれらの特徴量を表示部４５Ａにおいて表示する線量表示機能の各種の機能を有している。

これらの機能により、陽子線線量計算装置４５は、照射実績を考慮した線量分布を計算し、再計画のために必要な情報を表示部４５Ａ上に表示して、オペレータに提供することができる。

線量表示機能によって表示部４５Ａ上に表示される画面は、例えば図５に示すような画面である。図５は、治療計画を作成した際の計画線量分布および求めた評価用線量分布とが共に表示されている。特徴量計算機能によって計算され、表示部４５Ａに表示される特徴量は、例えば標的内の最大線量や最小線量、また、線量体積ヒストグラム（ＤＶＨ）を表す量であり、例えば９９％の体積に対する線量値を表すＤ９９などである。また、これらの計算のために必要な、照射対象を特定するＩＤや、照射回の情報も図５に示すような画面に表示され、設定することが可能になっている。

ここで、陽子線線量計算装置４５における線量分布積算機能や予定線量分布計算機能、評価用線量分布計算機能における線量分布の積算では、単純に線量の和を計算する手法と、粒子線に対する生物的効果を考慮して積算する手法が考えられ、いずれの手法も用いることができる。

生物的効果を考慮する手法の一つに、ＬＱモデルがある。このＬＱモデルは最も単純な生物効果を表すモデルであり、このモデルに従えば、細胞の生存率はＳ＝ｅｘｐ（−（ａ×ｄ＋ｂ×ｄ×ｄ））と表すことができ、一連の照射が完了した後、最終的に残る細胞の生存率はＳの積で表現することができる。ここで、ａとｂは定数、または線エネルギー付与に依存した値であり、細胞の種類に依っても変化する。ｄは一日の投与線量である。

また、本発明では、実績線量分布を考慮することから、日々の線量の値が変わるため、日々の値Ｓも変化する。そこで、表示する線量分布は、合計の細胞生存率が等しく、日々同じ量の線量分布形成用の陽子線を照射した場合の線量を表示することができる。このように、線量分布形成用の粒子線の線量に換算して表示することで、線量分布形成用の粒子線の照射に慣れたオペレータに対して直観的にわかりやすい情報を提供することができるようになる。

上述の本実施例の陽子線照射システムは、スポットスキャニング法と呼ばれる照射方法を採用したものである。スポットスキャニング法は、細い陽子線が形成する線量分布を並べて標的の形状に合わせた線量分布を形成する方法である。陽子線は、体内でエネルギーを損失しながら進み、停止直前にエネルギー損失が最大になる特徴がある。このエネルギー損失による線量分布の形状は、ブラッグカーブと呼ばれ、飛程終端にピークを有する。陽子線がピークを形成する深さは、陽子線のエネルギーを変更することにより調整することができる。また、陽子線が形成するビーム軸に垂直な方向の線量分布形状は、概ね正規分布である。ビーム軸に垂直な方向の線量分布を形成する位置は、走査電磁石により陽子線を走査することにより調整することができる。エネルギーの変更と走査電磁石による走査を組み合わることで標的全体に一様な線量分布を形成することができる。

治療計画装置４４は、標的に照射する陽子線の照射パラメータを決定する。決定される照射パラメータには、スポット毎のガントリー角度、エネルギー、照射位置、照射量が含まれている。治療計画装置４４は、任意の陽子線の照射パラメータで照射した場合の線量分布を計算することができ、オペレータが標的に照射すべき線量を指定すると、治療計画装置４４は標的が指定された線量で覆われるような線量分布を形成するために必要な陽子線の照射パラメータを最適化する。治療計画装置４４は、最適化の結果得られた照射パラメータで照射した場合の線量分布を計算し、オペレータに提示する。その照射パラメータは記憶装置４２に送信され、記憶装置４２に保存される。

また、治療計画装置４４は、計算された実績線量分布に基づいて、残りの照射計画における陽子線の照射パラメータの再度の最適化（再計画、修正）を行う。

再度の最適化では、求めた実績線量分布と最終的な所望の計画線量分布の差分を、新たな計画線量分布として定義し、残りの照射量を最適化することで行う。最適化する照射パラメータは陽子線のエネルギー、照射位置、照射量である。

具体的には、図６に示すように、１回目からｊ回目までの線量分布を計算して実績線量分布を求めるとともに、目標とする計画線量分布との差分を求める。その上で、ｊ＋１回目からＮ回目までの積算線量が差分と一致するように照射パラメータの最適化を行う。また、この再度の最適化では、差分として線量の単純な差ではなく、生物効果を考慮することができる。その場合、最初の計画通りに照射した場合に得られる生物効果が達成されるように、残りの照射回数の照射パラメータを最適化することが望ましい。

図１に戻り、記憶装置４２には治療計画装置４４により作成された照射のための照射パラメータが保存されており、陽子線照射制御装置４０は、照射前に記憶装置４２から必要な情報を受信する。また、記憶装置４２では、陽子線の照射中は、スポットの照射毎に照射した時刻と、位置モニタ２２Ａの計測結果から換算した陽子線の到達位置および線量モニタ２２Ｂが計測した照射量に相当するスポット線量とが、陽子線照射データとして記録される。また、撮像用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３ＢおよびＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂによって計測されたマーカー２９の位置や、その時のマーカー２９の位置、時刻が、マーカー位置データとして記録され、記憶装置４２において記憶される。

コンソール４３は、陽子線照射制御装置４０や動体追跡制御装置４１と接続されており、陽子線照射制御装置４０や動体追跡制御装置４１から取得した信号に基づいてモニタ上に情報を表示する。また、陽子線照射システムを操作するオペレータからの入力を受け取り、陽子線照射制御装置４０や動体追跡制御装置４１に様々な制御信号を送信する。

陽子線線量評価システムは、上述した線量モニタ２２Ｂ、位置モニタ２２Ａ、照射時刻記録部４０Ａ、撮像用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３Ｂ、Ｘ線測定器２４Ａ，２４Ｂ、追跡対象時刻記録部４１Ａ、表示部４５Ａを有する陽子線線量計算装置４５および記憶装置４２から構成される。

次に、陽子線を照射する手順について説明する。

最初に、カウチ２７の上に照射対象２６を固定する。その後、カウチ２７を動かして照射対象２６を予め計画した位置に移動する。この際、Ｘ線撮像装置を用いて撮像画像を撮像することにより、照射対象２６が予め計画した位置に移動したことを確認する。

オペレータによりコンソール４３上の照射準備ボタンが押下されると、陽子線照射制御装置４０は、記憶装置４２から照射パラメータを読み込む。読み込んだ照射パラメータに記載されたガントリー角度に合わせて、オペレータは、コンソール４３からガントリー回転ボタンを押下しガントリー２５を回転させる。

ガントリー２５の回転後、オペレータはコンソール４３からＸ線撮像開始ボタンを押下して動体追跡制御装置４１にＸ線の曝射を開始させて撮像を開始させる。また、Ｘ線撮像開始ボタンの押下により、陽子線照射制御装置４０に対してＸ線撮像開始信号が送信される。

Ｘ線撮像開始後、オペレータは追跡したいマーカー２９を画面上で選択することにより、Ｘ線撮像装置のそれぞれの撮像画像上でマーカー２９の追跡を開始する。マーカー２９の追跡にはテンプレートマッチングを用いる。テンプレートマッチングでは、予めテンプレート画像として登録されたマーカー２９画像のパターンに最も合う位置を撮像画像上で探索する。それぞれの撮像画像上でマッチングスコアが最大の位置をマーカー２９として検出し追跡する。

マーカー２９の追跡ができていることを確認した後、ゲートスタートボタンを押下する。ゲートスタートボタンの押下により、マーカー２９の位置がゲート範囲内にあれば動体追跡制御装置４１から陽子線照射制御装置４０に向けてゲートオン信号が送信される。

ここで、Ｘ線撮像装置におけるＸ線撮像は、例えば３０Ｈｚで実施される。動体追跡制御装置４１では、撮像したＸ線撮像画像毎に、撮像した時刻と、テンプレートマッチングにより計算したマーカー２９の位置座標と、ゲート信号の状態とが図３に示すようなマーカー位置データとして記録する。図３では、１回のＸ線撮像が１行のデータに相当する。ここで、時刻はＸ線撮像開始ボタンを押下した瞬間を基準として記録する。

オペレータがコンソール４３上の照射開始ボタンを押下すると、陽子線照射制御装置４０は、記憶装置４２から読み込んだエネルギーと照射位置と照射量の情報に基づき、最初に照射するエネルギーまで陽子線を加速する。

具体的には、陽子線照射制御装置４０は、イオン源１２とライナック１３を制御して、イオン源１２で発生させた陽子線をライナック１３により前段加速し、シンクロトロン１１へ入射させる。

次いで、陽子線照射制御装置４０は、シンクロトロン１１を制御して、入射した陽子線を最初に照射するエネルギーまで加速する。シンクロトロン１１を周回する陽子線は、高周波加速装置１８からの高周波により加速される。陽子線照射制御装置４０は、最初に照射するエネルギーの陽子線がシンクロトロン１１から照射ノズル２２へ到達できるようにビーム輸送系２０の偏向電磁石２１と四極電磁石の励磁量を制御する。また、記憶装置４２からの照射パラメータにある最初に照射するスポット位置に陽子線が到達するように照射ノズル２２内の２台の走査電磁石の励磁量を設定する。

これらの設定が完了した後、動体追跡制御装置４１から陽子線照射制御装置４０がゲートオン信号を受信していれば陽子線の照射を開始する。また、ゲートオフ信号を受信していれば、ゲートオン信号を受信するまで待機する。

ゲートオン信号を受信した後、陽子線照射制御装置４０は高周波出射装置１９に高周波を印加して陽子線の出射を開始する。高周波出射装置１９に高周波が印加されるとシンクロトロン１１内を周回する陽子線の一部が出射用デフレクタ１７を通過してビーム輸送系２０を通過し照射ノズル２２に到達する。照射ノズル２２に到達した陽子線は２台の走査電磁石により走査され、線量モニタ２２Ｂと位置モニタ２２Ａとを通過して照射対象２６内の標的に到達し、線量分布を形成する。

スポット毎の照射量は記憶装置４２から取得した照射パラメータとして登録されており、線量モニタ２２Ｂが測定した照射量が登録された値に到達すると陽子線照射制御装置４０は出射用高周波を制御して陽子線の出射を停止する。

陽子線の出射後、陽子線照射制御装置４０は位置モニタ２２Ａが測定した陽子線の位置情報から標的位置での陽子線の到達位置を計算し、照射パラメータとして登録された位置と一致することを確認する。

また、陽子線照射制御装置４０は、陽子線の出射後は、陽子線照射データとして、図２に示すような、陽子線が照射された時刻と照射位置と照射量とを記録する。陽子線が照射された時刻は、陽子線照射制御装置４０が動体追跡制御装置４１からＸ線撮像開始信号を受信した時刻を基準として出射用高周波に高周波を印加した時刻とする。照射位置は位置モニタ２２Ａが測定した陽子線の位置情報を標的位置での陽子線の到達位置に換算した値であり、照射量は線量モニタ２２Ｂで計測された値から求めたスポット線量の値である。ひとつのスポットに対するデータは、図２の１行分に相当する。

陽子線照射制御装置４０は次のスポットを照射するため、照射パラメータとして登録されている位置に陽子線が到達するように２台の走査電磁石の励磁量を設定する。設定完了後、ゲートオン信号を受信し続けていれば陽子線照射制御装置４０は出射用高周波を制御して陽子線の出射を開始する。ゲートオフ信号を受信していれば、ゲートオン信号を受信するまで待機する。あるスポットの照射の途中でゲートオフ信号を受信した場合には、照射中のスポットの照射が完了するまでは陽子線の出射を継続する。

スポットの照射を繰り返し、最初のエネルギーで照射するスポットの照射を全て完了すると、陽子線照射制御装置４０はシンクロトロン１１を制御して陽子線を減速させ、次のエネルギーの陽子線の照射準備を開始する。陽子線照射制御装置４０は、最初のエネルギーの場合と同様に、イオン源１２とライナック１３を制御して陽子線をシンクロトロン１１に入射させ、シンクロトロン１１を制御して２番目のエネルギーまで陽子線を加速する。陽子線照射制御装置４０は、ビーム輸送系２０と２台の走査電磁石とを制御してスポットの照射を継続するとともに、位置モニタ２２Ａが測定した陽子線の位置情報、線量モニタ２２Ｂが計測した照射量および照射した時刻の記録を行う。

以上の動作を繰り返し、記憶装置４２から読み込んだ全てのスポットを照射する。照射が完了すると、陽子線照射制御装置４０から動体追跡制御装置４１に照射完了信号が送信される。照射完了信号を受信した動体追跡制御装置４１は撮像用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３Ｂを制御してＸ線の撮像を停止する。

標的を複数の方向から照射する場合、ガントリー２５の角度とカウチ２７の位置を変更した後、オペレータが照射準備ボタンを押下して陽子線の照射を同様に繰り返す。

全ての照射が完了すると、動体追跡制御装置４１において作成されたマーカー位置データ、陽子線照射制御装置４０において作成された陽子線照射データとが記憶装置４２に対して出力され、記憶される。

以上の照射プロセスは１日に１回、Ｎ日間繰り返し実施される。

次に、図７を用いて陽子線線量計算装置４５が、再計画の判断のために、表示部４５Ａに実績線量分布から評価用線量分布を求めて表示する際の手順を説明する。本実施例では、陽子線の全照射回数をＮ回とし、ｊ回目までの照射が完了しているとする。

陽子線線量計算装置４５は、ｉ＝１回目からｉ＝ｊ回目までの線量分布をマーカー位置データと陽子線照射データに基づいてそれぞれ計算し、ｉ＝ｊ＋１回目からｉ＝Ｎ回目までの線量分布を予測値として計算する。ｉ＝１回目からｉ＝Ｎ回目までの線量分布を積算して、積算した結果を表示する。

具体的には、まず、陽子線線量計算装置４５は、図７に示すステップＳ１０１において、ｉ＝１回目の照射分から計算を開始する。

次いで、ステップＳ１０２において、陽子線線量計算装置４５は、マーカー位置データと陽子線照射データとを記憶装置４２から取得する。

次いで、陽子線線量計算装置４５は、ステップＳ１０３において、陽子線線量計算装置４５の同期機能により記憶装置４２から取得したマーカー位置データと陽子線照射データとを同期する。具体的には、それぞれのデータに記録されている時刻は、Ｘ線撮像開始ボタンを押下したタイミングを基準としているため、互いの時刻を同期することができる。そこで、記録された時刻を基にして、各スポットが照射された瞬間のマーカー２９の位置を求める。マーカー位置データは、３０ＨｚでＸ線による撮像をした場合、３３ｍｓ毎に記録されている。各スポットが照射された瞬間のマーカー２９位置は、最も時刻が近いマーカー位置データとすることができるし、時刻が前後の二つのマーカー位置データから補間したものでもよい。

次いで、陽子線線量計算装置４５は、ステップＳ１０４において誤差を考慮にいれた照射位置を計算する。

具体的には、陽子線線量計算装置４５は、標的の動きの影響をスポットの位置誤差として考慮して線量分布を計算する。まず、先のステップＳ１０３において計算したスポット照射時の標的位置を、ガントリー２５の角度により異なる陽子線のビーム軸に垂直なアイソセンタを含む面に投影し、その面内でのＸ方向とＹ方向の座標を求める。ここで、Ｘ方向とＹ方向とは、２対の走査電磁石がそれぞれ走査する方向と一致する。例えば、Ｘ方向を例にすると、標的がＸ方向にＬだけ移動した場合、陽子線の位置がＸ方向に−Ｌだけ移動したとみなして線量分布を計算する。この際、体内における標的の非剛体的な動きの影響は、ゲート照射の場合わずかであることから、ないものとして無視する。このように標的の移動を取り込むことで、ひとつのＣＴ画像を用いて標的の移動を考慮した線量分布を計算することができる。さらに、上述のように、陽子線の照射した空間的な位置はスポット毎に陽子線照射データとして記録されている。このため、陽子線照射データに記録されたスポットのＸ座標をＸｓとすると、そのスポットのＸ座標をＸｓ−Ｌとして線量計算用照射位置とする。Ｙ方向についても同様の処理を繰り返す。深さ方向については、治療計画装置４４に記憶されている陽子線のエネルギーの設定値を用いて計算する。また、線量計算用照射量は、陽子線照射データに記録された値とする。

次いで、陽子線線量計算装置４５は、ステップＳ１０５において、先のステップＳ１０４で求めた線量計算用照射位置と線量計算用照射量とを用いて、線量分布計算機能によって線量分布を計算する。複数のガントリー角度から照射した場合であれば、全てのガントリー角度に対する線量分布を計算する。

次いで、陽子線線量計算装置４５は、ステップＳ１０６において、ｊ回目までの線量分布計算が完了しているか否かを判定する。完了していると判定された場合はステップＳ１０７に進み、残りがあると判定された場合はステップＳ１１０を経由してＳ１０２に戻り、次の照射回の線量分布計算を実施する。

通常、照射計画を作成する際、線量分布は、１日毎の線量分布ではなく、最終的に得られる積算された線量分布を評価することが一般的である。本発明は、一連の照射の途中で線量分布を評価して再計画を実施する適合型粒子線治療に好適に用いられるシステムであり、照射済みの線量分布を全て積算して実績線量分布を求めても、それは最終的に得られる線量分布ではない。従って、未だ照射していない線量分布を予測して足し合わせることで、所望の線量分布が得られるかどうかを判断することがより容易になることから、治療計画から予定される線量分布を計算することが望まれる。

そこで、陽子線線量計算装置４５は、ステップＳ１０７において、ｊ＋１回目からＮ回目までの予測線量分布を計算する。予測線量分布は、計画時の線量分布でもよいし、積算した実績分布を一日当たりの量に規格化したものでもよい。ｊ＋１回目からＮ回目までの線量分布は同じとみなして計算することができる。

次いで、陽子線線量計算装置４５は、ステップＳ１０８において、陽子線線量計算装置４５の線量分布積算機能により、先のステップＳ１０２〜Ｓ１０６で求めたｊ回目までの線量分布を加算して実績線量分布を作成するとともに、求めた実績線量分布と予測線量分布を足し合わせて評価用線量分布を作成する。

次いで、陽子線線量計算装置４５は、ステップＳ１０９において、陽子線線量計算装置４５の線量表示機能により、求めた評価用線量分布の特徴量を求め、表示部４５Ａ上に、評価用線量分布や特徴量を計画線量分布等と共に図５に示すような画面として表示する。

オペレータは、表示部４５Ａに表示された評価用線量分布や特徴量を確認して、今までの照射が計画通りであるか否かを判断し、再計画が必要か否かを判断する。

ここで、再計画が必要であると判断したときは、オペレータは、コンソール４３の入力部（図示せず）や治療計画装置４４の入力部（図示せず）、陽子線線量計算装置４５の入力部（図示せず）を用いて再計算の指示を行う。

再計算の指示が行われたときは、治療計画装置４４は、陽子線線量計算装置４５から実績線量分布のデータを受け取り、所望の線量分布が得られるように治療計画の再度の再調整を行う。

次に、本実施例の効果について説明する。

上述した粒子線線量評価システム、計画装置および粒子線照射システムならびに線量評価方法は、マーカー位置データと陽子線照射データを記録する機能・工程を備えている。マーカー位置データは、動体追跡照射のために計測したマーカー２９の位置情報とＸ線撮像を実施した時刻の情報を含んでいる。陽子線照射データは、各スポットを照射した時刻と実績照射位置と実績照射量の情報を含んでいる。時刻情報を基にしてこれらマーカー位置データと陽子線照射データとを同期して、スポット照射時のマーカー位置データと陽子線照射データを用いて陽子線照射の実績線量分布を計算する。

このような本実施例によれば、照射中の情報が反映された実績線量分布に基づいた再計画の実施の有無やその詳細の検討が可能となる。すなわち、相互作用効果の影響を考慮した上での再計画の判断を行うことができ、従来に比べてより適切な判断を行うことができる。

また、陽子線線量計算装置４５は、実績線量分布の計算の際に生物的効果を考慮して実績線量分布を計算することにより、照射の実績がより正確に反映された線量分布の計算が可能となり、より適切な判断を行うことを支援することができる。

また、陽子線線量計算装置４５は、治療計画によって照射される予定の予定線量分布を計算することにより、計画している所望の線量分布が得られるか否かの判断をより容易に行うことができるようになり、より適切な判断が可能となる。

また、陽子線線量計算装置４５は、実績線量分布、予定線量分布、または実績線量分布と予定線量分布とを加算した評価用線量分布のうち少なくともいずれか一つを表示する表示部４５Ａを有することで、視覚に基づいた判断ができるため、より正確に判断を行うことができるようになる。

また、陽子線線量計算装置４５は、評価用線量分布から線量分布の特徴量を求め、特徴量も表示部４５Ａにて表示することにより、再計画の判断を行う際の判断材料をより多く提供することができ、より適切な判断を行うことに寄与することができる。

また、粒子線線量評価システムを備えた、陽子線の治療計画を作成する治療計画装置４４であって、陽子線線量計算装置４５は計算した実績線量分布を治療計画装置４４に対して出力し、治療計画装置４４は、入力された実績線量分布に基づいて、所望の線量分布が得られるよう陽子線の治療計画の修正を行うことにより、相互作用効果の影響を考慮した新たな計画線量分布を得ることができ、より効果的な陽子線の照射を行うことができる。

また、粒子線照射システムは、撮像用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３ＢおよびＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂによって計測されたマーカー２９の位置に基づいて標的の位置が予め指定した範囲内にあるか否かを判定し、範囲内にあると判定されたときに陽子線照射制御装置４０に対して陽子線の出射を許可する信号を出力する動体追跡制御装置４１を更に備え、陽子線照射制御装置４０は、動体追跡制御装置４１が生成する信号に基づき、陽子線を制御することにより、動く標的に対する陽子線の照射精度をより向上させることができ、陽子線照射の効果をより高めることができる。

なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。

例えば、以上の実施例では、一連の照射の前に撮像した計画用Ｘ線ＣＴ画像のみを用いて線量分布の積算やゲート照射の判断を行うことが前提になっていたが、Ｘ線コーンビームＣＴ画像（ＣＢＣＴ画像）や治療のための陽子線照射の途中に撮像したＸ線ＣＴ画像を適宜使用して線量分布の積算やゲート照射の判断を行うことができる。

上述の実施例における陽子線照射システムの構成であれば、ガントリー２５を回転させながらＸ線撮像画像を撮像することで、Ｘ線ＣＢＣＴ画像を得ることができる。このような撮像は照射の直前または直後に実施できるため、照射時の標的の状態に最も近いＣＴ画像を得ることができる。線量分布を計算するためには、ＣＴ画像のＣＴ値と呼ばれる画素の値が物質の組成に関係するため重要である。ＣＢＣＴ画像は、その構成の制限から通常のＣＴ画像よりもＣＴ値の精度が低いことが知られている。従って、計画用Ｘ線ＣＴ画像をＣＢＣＴ画像に合わせて非剛体レジストレーションと呼ばれる変形をすることにより、より精度がよい線量分布を計算することができ、より適切な再計画の判断が可能となる。

また、この場合、線量分布の計算結果はＣＢＣＴの体系に合わせて計算されるが、最終的に表示される線量分布はひとつである必要があるため、計画用Ｘ線ＣＴ画像の体系に合わせて再度非剛体レジストレーションにより変形することが望ましい。

また、上述の実施例では、マーカー位置データと陽子線照射データとの同期方法として、Ｘ線撮像開始ボタンを押下した瞬間を基準とし、動体追跡制御装置４１から陽子線照射制御装置４０へ向けてＸ線撮像開始信号を送信することで同期したが、他の方法を用いて同期することができる。例えば、Ｘ線撮像開始信号の代わりにガントリー回転を完了した瞬間に動体追跡制御装置４１と陽子線照射制御装置４０にガントリー２５が回転完了信号を送信し、その瞬間を基準とするなど、他のタイミングや信号を基準とすることができる。また、外部に時刻記録装置を設け、動体追跡制御装置４１と陽子線照射制御装置４０の両方から記録するタイミングの信号を受信して記録することができる。

また、上述の実施例では、動体追跡制御装置４１に追跡対象時刻記録部４１Ａが、陽子線照射制御装置４０に照射時刻記録部４０Ａが設けられている場合について説明したが、これらの各時刻記録部は陽子線線量計算装置４５内に設けてもよい。

また、上述の実施例では、粒子線線量評価システム内の各計算機能を陽子線線量計算装置４５に設けた例を説明し、かつ治療計画装置４４とは独立なものとしたが、粒子線線量評価システムの各計算機能は治療計画装置４４と一体化していてもよく、例えば本実施例で説明した陽子線線量評価システムの各計算機能を備えた治療計画装置を粒子線線量評価システムとして用いることも可能である。

また、陽子線を加速する加速器としてシンクロトロンを例に説明したが、加速器はサイクロトロンを用いてもよい。

また、照射方法は、ゲート照射の代わりに、マーカー２９などの位置に基づいて照射位置を追尾する追尾照射であってもよい。例えばＸ線の追尾照射では、標的の動きに合わせて分布形成用Ｘ線発生装置の向きを変更し、標的の動きに合わせてＸ線の照射位置を変更する。粒子線の場合にも走査電磁石の励磁量を標的の位置に合わせて調整することにより追尾照射をすることができる。

また、上述の実施例で説明したスポットスキャニング法の他、粒子線を停止することなく細い粒子線を照射するラスタースキャニング法やラインスキャニング法にも同様に適用することができる。

また、評価する粒子線は陽子線に限られず、炭素線等の重粒子線に対しても同様に適用することができる。

また、上述の実施例では、追跡対象をマーカー２９とし、マーカー位置データとしてマーカー２９の位置を用いたが、追跡対象を標的そのものとし、データは標的の位置を用いてもよい。また、追跡対象は、標的以外の標的と連動して動くもの、例えば照射対象２６内の肋骨等の骨などの高密度領域を追跡対象とし、これらの位置を位置データとして用いてもよい。

１０…陽子線発生装置
１１…シンクロトロン
１２…イオン源
１３…ライナック
１４…偏向電磁石
１７…出射用デフレクタ
１８…高周波加速装置
１９…高周波出射装置
２０…ビーム輸送系
２１…偏向電磁石
２２…照射ノズル
２２Ａ…位置モニタ
２２Ｂ…線量モニタ
２３Ａ，２３Ｂ…撮像用Ｘ線発生装置
２４Ａ，２４Ｂ…Ｘ線測定器
２５…ガントリー
２６…照射対象
２７…カウチ
２８Ａ，２８Ｂ…線
２９…マーカー
３５…動体追跡装置
４０…陽子線照射制御装置
４０Ａ…照射時刻記録部
４１…動体追跡制御装置
４１Ａ…追跡対象時刻記録部
４２…記憶装置
４３…コンソール
４４…治療計画装置
４５…陽子線線量計算装置
４５Ａ…表示部

Claims (12)

1. 標的に照射される粒子線の照射量を計測する照射量計測器と、
   前記粒子線を照射する位置を計測する照射位置計測器と、
   前記粒子線を照射した照射時刻を記録する照射時刻記録部と、
   前記粒子線の照射中の追跡対象の位置を計測する追跡対象位置計測部と、
   前記追跡対象の位置を計測した追跡対象時刻を記録する追跡対象時刻記録部と、
   前記照射時刻と前記追跡対象時刻とを同期することで前記粒子線の照射中の追跡対象の位置とその時の前記粒子線の照射量および照射位置とを同期し、前記標的に照射された実績線量分布を計算する線量分布計算装置と、を備え、
   前記実績線量分布は、Ｎ回（Ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）に分割して前記追跡対象に前記粒子線を照射するときの１回目からＪ回目（１≦Ｊ≦Ｎ−１）に照射された線量分布の積算であり、
   前記線量分布計算装置は、
   Ｊ＋１回目からＮ回目に照射される予定の予定線量分布を計算し、
   前記実績線量分布と前記予定線量分布とを加算して評価用線量分布を算出する
   ことを特徴とする粒子線線量評価システム。
2. 請求項１に記載の粒子線線量評価システムにおいて、
   線量分布計算装置は、前記実績線量分布の計算の際に前記標的の位置を特定するために用いるＸ線ＣＴ画像として、前記粒子線の照射前後に前記追跡対象位置計測部によって撮像されたＸ線ＣＢＣＴ画像、または前記Ｘ線ＣＢＣＴ画像に合わせて変形した計画ＣＴ画像を用いる
   ことを特徴とする粒子線線量評価システム。
3. 請求項１に記載の粒子線線量評価システムにおいて、
   線量分布計算装置は、前記実績線量分布の計算の際に生物的効果を考慮して実績線量分布を計算する
   ことを特徴とする粒子線線量評価システム。
4. 請求項１に記載の粒子線線量評価システムにおいて、
   前記線量分布計算装置は、照射される予定の予定線量分布を照射計画から計算する
   ことを特徴とする粒子線線量評価システム。
5. 請求項４に記載の粒子線線量評価システムにおいて、
   前記線量分布計算装置は、前記実績線量分布、前記予定線量分布、または前記実績線量分布と前記予定線量分布とを加算した評価用線量分布のうち少なくともいずれか一つを表示する表示部を有する
   ことを特徴とする粒子線線量評価システム。
6. 請求項５に記載の粒子線線量評価システムにおいて、
   前記線量分布計算装置は、前記評価用線量分布から線量分布の特徴量を求め、前記特徴量も前記表示部にて表示する
   ことを特徴とする粒子線線量評価システム。
7. 請求項１に記載の粒子線線量評価システムにおいて、
   前記照射量計測器で計測された前記照射量、前記照射位置計測器で計測された前記照射位置、前記照射時刻記録部で記録された前記照射時刻、前記追跡対象位置計測部で計測された前記追跡対象の位置、前記追跡対象時刻記録部で記録された前記追跡対象時刻、を記憶する記憶装置を更に備えた
   ことを特徴とする粒子線線量評価システム。
8. 請求項１に記載の粒子線線量評価システムにおいて、
   前記予定線量分布を照射計画の線量分布、または、前記実績線量分布のうち１回の照射あたりの線量分布を規格化したデータのうちいずれかから求める
   ことを特徴とする粒子線線量評価システム。
9. 請求項１に記載の粒子線線量評価システムを備えた、前記粒子線の照射計画を作成する計画装置であって、
   前記線量分布計算装置は計算した前記実績線量分布を前記計画装置に対して出力し、
   前記計画装置は、入力された前記実績線量分布に基づいて、所望の線量分布が得られるよう前記粒子線の照射計画の修正を行う
   ことを特徴とする計画装置。
10. 標的に対して粒子線を照射するための粒子線照射装置と、
    この粒子線照射装置を制御する照射制御装置と、
    請求項１に記載の粒子線線量評価システムと、を備えた
    ことを特徴とする粒子線照射システム。
11. 請求項１０に記載の粒子線照射システムにおいて、
    前記追跡対象位置計測部によって計測された前記追跡対象の位置に基づいて前記標的の位置が予め指定した範囲内にあるか否かを判定し、前記範囲内にあると判定されたときに前記照射制御装置に対して前記粒子線の出射を許可する信号を出力する動体追跡制御装置を更に備え、
    前記照射制御装置は、前記動体追跡制御装置が生成する信号に基づき、前記粒子線を制御する
    ことを特徴とする粒子線照射システム。
12. 粒子線線量評価システムによって標的に照射された粒子線の線量分布を計算する線量評価方法であって、
    照射量計測器により前記標的に照射される前記粒子線の照射量を計測する照射量計測工程と、
    照射位置計測器により前記粒子線を照射する位置を計測する照射位置計測工程と、
    照射時刻記録部により前記粒子線を照射した照射時刻を記録する照射時刻記録工程と、
    追跡対象位置計測部により前記粒子線の照射中の追跡対象の位置を計測する追跡対象位置計測工程と、
    追跡対象時刻記録部により前記追跡対象の位置を計測した追跡対象時刻を記録する追跡対象時刻記録工程と、
    線量分布計算装置により前記照射時刻と前記追跡対象時刻とを同期することで前記粒子線の照射中の追跡対象の位置とその時の前記粒子線の照射量および照射位置とを同期し、前記標的に照射された実績線量分布を計算する線量分布計算工程と、を有し、
    前記実績線量分布を、Ｎ回（Ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）に分割して前記追跡対象に前記粒子線を照射するときの１回目からＪ回目（１≦Ｊ≦Ｎ−１）に照射された線量分布の積算とし、
    前記線量分布計算工程では、
    Ｊ＋１回目からＮ回目に照射される予定の予定線量分布を計算し、
    前記実績線量分布と前記予定線量分布とを加算して評価用線量分布を算出する
    ことを特徴とする線量評価方法。

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