JP6905385B2

JP6905385B2 - 放射線治療装置

Info

Publication number: JP6905385B2
Application number: JP2017084565A
Authority: JP
Inventors: 滝　和也; 和也滝
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-04-21
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2037-04-21
Also published as: JP2018175777A

Description

本発明は放射線治療装置に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の粒子線照射装置が知られている。この装置では、ビームの通過位置を測定するビームモニタが粒子線の輸送ラインに沿って複数設けられている。

特開2012-083145号公報

この種のビーム通過位置の測定では、１つの測定箇所でビーム通過位置の測定のためのビームモニタを輸送ラインに挿入したときには、当該ビームモニタによってビームが遮られるので、下流側においては同時にビーム通過位置の測定はできなくなる。従って、輸送ラインにおける複数箇所でビーム通過位置を測定するためには、ビームモニタを１箇所ずつ挿抜し測定するといったことを複数箇所で順次行う必要があった。放射線治療装置にあっては、このようなビーム通過位置の測定を、例えば１日に数十回実行する場合もあるので、施設の稼働効率の向上やオペレータの負担軽減のためにも、１回の測定時間の短縮が望まれる。

本発明は、ビーム通過位置の測定時間を短縮する放射線治療装置を提供することを目的とする。

本発明の放射線治療装置は、荷電粒子を加速し放射線を出射する加速器と、加速器から出射された放射線を輸送するビーム輸送ラインと、ビーム輸送ラインに沿って複数設けられ、設けられた位置のビーム輸送ライン中のビーム通過路における放射線の通過位置を測定するビーム位置モニタ部と、複数のビーム位置モニタ部を制御するモニタ制御部と、を備え、ビーム位置モニタ部は、放射線が照射された部分が発光する発光体と、発光体をビーム通過路に進入及び退避させる発光体駆動部と、発光体を撮像する発光体撮像部と、を有し、モニタ制御部は、複数のビーム位置モニタ部の各発光体を同時に駆動し、各発光体を互いにずれた位相でビーム通過路に対し進入及び退避させ、ビーム通過路に進入した各発光体を各前発光体撮像部によって撮像するようにビーム位置モニタ部を制御する。

また、発光体駆動部は、ビーム通過路と交差する回転軌道で発光体を回転させるようにしてもよい。

また、モニタ制御部は、複数の発光体が所定の位相差をもって同一周期で回転し各発光体が１つずつ交互にビーム通過路を横切るようにビーム位置モニタ部を制御するようにしてもよい。

本発明によれば、ビーム輸送ラインにおけるビーム通過位置の測定時間を短縮する放射線治療装置を提供することができる。

実施形態に係る荷電粒子線治療装置を示す図である。荷電粒子線治療装置のビーム輸送ラインの一部を示す図である。（ａ），（ｂ）は、プロファイルモニタを示す断面図である。４つのプロファイルモニタの各々が備える発光体と、ビーム通過路とを模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の放射線治療装置の一実施形態である荷電粒子線治療装置１について詳細に説明する。以下、「上流」「下流」の語は、出射する荷電粒子線の上流（加速器側）、下流（患者側）をそれぞれ意味している。

図１に示すように、荷電粒子線治療装置１（放射線治療装置）は、放射線療法によるがん治療等に利用される装置であり、荷電粒子を加速して荷電粒子線（放射線）を出射する加速器３と、荷電粒子線を被照射体へ照射する照射ノズル５と、加速器３から出射された荷電粒子線を照射ノズル５へ輸送するビーム輸送ライン７と、ビーム輸送ライン７に設けられ、荷電粒子線のエネルギーを低下させて荷電粒子線の飛程を調整するデグレーダ９と、ビーム輸送ライン７に設けられた複数の電磁石１１と、荷電粒子線治療装置１全体を制御する制御部１３と、を備えている。本実施形態では、加速器３としてサイクロトロンを採用するが、これに限定されず、荷電粒子線を発生させるその他の発生源、例えば、シンクロトン、シンクロサイクロトン、ライナック等であってもよい。

荷電粒子線治療装置１では、治療台１５上の患者Ｐの腫瘍に対して加速器３から出射された荷電粒子線の照射が行われる。荷電粒子線は電荷をもった粒子を高速に加速したものであり、例えば陽子線、重粒子（重イオン）線等がある。

照射ノズル５は、治療台１５の周りを３６０度回転可能な回転ガントリ１７の内側に取り付けられており、回転ガントリ１７によって任意の回転位置に移動可能とされている。照射ノズル５には、電磁石１１、スキャニング電磁石１９、真空ダクト２１が含まれている。スキャニング電磁石１９は、照射ノズル５の中に設けられている。スキャニング電磁石１９は、荷電粒子線の照射方向と交差する面においてＸ方向へ荷電粒子線を走査するＸ方向走査電磁石と、荷電粒子線の照射方向と交差する面においてＸ方向と交差するＹ方向へ荷電粒子線を走査するＹ方向走査電磁石と、を有している。また、スキャニング電磁石１９により走査された荷電粒子線はＸ方向及び／又はＹ方向へ偏向されるため、スキャニング電磁石よりも下流側の真空ダクト２１は、その径が下流側ほど拡大されている。

ビーム輸送ライン７は、荷電粒子線を通過させる真空ダクト２３を有している。真空ダクト２３の中空部として形成されるビーム通過路Ｂ（図２参照）は真空状態に維持されており、輸送中の荷電粒子線を構成する荷電粒子が空気等により散乱することを抑制している。

また、ビーム輸送ライン７は、加速器３から出射された所定のエネルギー幅を有する荷電粒子線から所定のエネルギー幅よりも狭いエネルギー幅の荷電粒子線を選択的に取り出すＥＳＳ（Energy Selection System）２７と、ＥＳＳ２７によって選択されたエネルギー幅を有する荷電粒子線を、エネルギーが維持された状態で輸送するＢＴＳ（Beam Transport System）２９と、ＢＴＳ２９から回転ガントリ１７に向けて荷電粒子線を輸送するＧＴＳ（Gantry Transport System）３１と、を有している。なお、加速器３としてシンクロトロンが用いられる場合には、ＥＳＳ２７は省略することができる。

デグレーダ９は、通過する荷電粒子線のエネルギーを低下させて当該荷電粒子線の飛程を調整する。患者の体表から被照射体である腫瘍までの深さは患者ごとに異なるため、荷電粒子線を患者に照射する際には、荷電粒子線の到達深さである飛程を調整する必要がある。デグレーダ９は、加速器３から一定のエネルギーで出射された荷電粒子線のエネルギーを調整することにより、患者体内の所定の深さにある被照射体に荷電粒子線が適切に到達するように調整する。このようなデグレーダ９による荷電粒子線のエネルギー調整は、被照射体をスライスした層毎に行われる。

図２は、荷電粒子線治療装置１のビーム輸送ライン７の一部を拡大して示す図である。図２に示されるように、荷電粒子線治療装置１は、ビーム輸送ライン７に設けられた複数のプロファイルモニタ４０（ビーム位置モニタ部）を備えている。プロファイルモニタ４０は、ビーム通過路Ｂの断面内における荷電粒子線の通過位置の分布（ビームプロファイル）を測定するものである。プロファイルモニタ４０は、ビーム輸送ライン７に沿って互いに間隔をあけて複数設けられており、自機が設けられた位置におけるビームプロファイルを各々が測定する。プロファイルモニタ４０は、例えば電磁石１１同士の間等に設置される。各プロファイルモニタ４０は、制御部１３（モニタ制御部）の制御に基づいて動作する。

ビーム輸送ライン７上に設けられるプロファイルモニタ４０の数は特に限定されないが、本実施形態では、４つのプロファイルモニタ４０が設けられているものとする。各々のプロファイルモニタ４０を区別する場合には、上流側から順にプロファイルモニタ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄの符号を付して呼ぶ。なお、図１においては、プロファイルモニタ４０の図示が省略されている。

図３を参照しながら、プロファイルモニタ４０の構成について説明する。以下、図に示されるように、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を設定し、ＸＹＺを説明に用いる場合がある。Ｚ方向はビーム輸送ライン７における荷電粒子線Ａの進行方向であり、Ｘ方向及びＹ方向は荷電粒子線Ａの進行方向に直交する。図３（ａ）はＸ方向から見たプロファイルモニタ４０近傍の断面図である。図３（ａ）は、図３（ｂ）におけるIIIa-IIIa断面図に相当する。図３（ｂ）はＺ方向から見たプロファイルモニタ４０近傍の断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるIIIb-IIIb断面図に相当する。

図３に示されるように、プロファイルモニタ４０は、真空ダクト２３に対して偏心した円形をなす筐体４１を備えている。筐体４１の内部空間は真空ダクト２３の中空部に連通され真空とされている。また、プロファイルモニタ４０は、筐体４１内で直径に沿って棒状に延びる発光体４２を備えている。また、プロファイルモニタ４０は、筐体４１の直ぐ上流側において真空ダクト２３に設けられた撮像装置４４（発光体撮像部）を備えている。撮像装置４４は、例えば可視光を撮像可能なカメラである。撮像装置４４は、筐体４１と真空ダクト２３とが交差する部分を撮像する。

発光体４２の中央には、Ｚ方向に延在する回転軸４３が設けられている。この回転軸４３に対して駆動源４５（発光体駆動部）から駆動力が付与されることで、発光体４２は、筐体４１内で回転軸４３周りに回転する。駆動源４５は、例えばモータである。発光体４２の回転軌道はビーム通過路Ｂと交差している。Ｚ方向から見て、発光体４２の回転軌道は円形をなし当該円形の軌道内にビーム通過路Ｂの断面が包含される。この構成によれば、例えば図３（ｂ）中に二点鎖線で示すように、Ｚ方向から見たときに、回転中の発光体４２の一部分４２ｈがビーム通過路Ｂ内に進入した状態が周期的に現れる。同様に、発光体４２の全体がビーム通過路Ｂから退避した状態も周期的に現れる。このように、プロファイルモニタ４０の駆動源４５は、発光体４２の一部をビーム通過路Ｂに進入させたり退避させたりするように発光体４２を駆動する。撮像装置４４は、発光体４２の回転軌道とビーム通過路Ｂとの重複部分を撮像する。撮像装置４４で得られた撮像データは、制御部１３に送信される。

発光体４２は、放射線（本実施形態では荷電粒子線Ａ）が照射されたときに発光する発光部材（シンチレータ）である。このような発光部材の材料としては、ZnS(Ag)、BGO、プラスチックシンチレータ等などがある。例えば発光材料は、荷電粒子線Ａが照射されたときに可視光を発するものであってもよい。加速器３から荷電粒子線Ａが出射されているときに、発光体４２の一部がビーム通過路Ｂ内に進入した場合、進入部分４２ｈのうち荷電粒子線Ａが照射された部分が発光する。このとき、進入部分４２ｈには、衝突した荷電粒子線Ａの線量に対応する発光の濃淡が現れる。この発光の濃淡を撮像装置４４が撮像し、撮像データを制御部１３に送信することにより、進入部分４２ｈ上における一次元的な線量分布が得られる。

そして、制御部１３においては、発光体４２がビーム通過路Ｂ全体を横切る間に、上記のような進入部分４２ｈの一次元的な線量分布が連続的に蓄積されることで、ビーム通過路Ｂの断面全体における荷電粒子線Ａの二次元的な線量分布（つまり、ビームプロファイル）を得ることができる。このようなビームプロファイルの取得が、発光体４２が１回転するごとに２回実行される。また、撮像装置４４が静止画を撮像するカメラである場合、発光体４２の回転周期に対して十分に長いシャッタースピードを設定することにより、ビーム通過路Ｂ全体における発光体４２の発光の濃淡の分布が、発光の残像の集合として得られる。

なお、ビーム通過路Ｂの断面内の各部位において、回転中の発光体４２が通過する速度は、回転軸４３から近い位置ほど遅く回転軸４３から遠い位置ほど速くなる。これにより、荷電粒子線Ａの線量と発光体４２の発光強度との相関関係も、回転軸４３からの距離に応じて相違すると考えられる。従って、ビーム通過路Ｂの断面内における線量分布を算出する場合には、上記の相関関係の相違を相殺するように所定のアルゴリズムによる補正が行われてもよい。

続いて、上述のようなプロファイルモニタ４０を４つ同時に使用する場合の動作について説明する。

各プロファイルモニタ４０Ａ〜４０Ｄでは、それぞれ、駆動源４５が発光体４２を回転させながら、発光体４２の回転軌道とビーム通過路Ｂとの重複部分を撮像装置４４が常時撮像して撮像データが制御部１３に蓄積される。制御部１３は、蓄積された上記撮像データに基づいて、各プロファイルモニタ４０Ａ〜４０Ｄのそれぞれの位置におけるビームプロファイルを算出する。

各プロファイルモニタ４０Ａ〜４０Ｄの各発光体４２の回転の動作について、更に具体的に説明する。以下に説明するような４つの発光体４２の動作は、プロファイルモニタ４０Ａ〜４０Ｄの各々が備える駆動源４５が、制御部１３の制御に基づいて４つ同時に動作することによって実現される。

図４は、４つのプロファイルモニタ４０Ａ〜４０Ｄの各々が備える発光体４２と、ビーム通過路ＢとをＸＹ平面に投射して模式的に示す図である。図中に示される４つの発光体４２を区別するため、プロファイルモニタ４０Ａの発光体を４２Ａとし、プロファイルモニタ４０Ｂの発光体を４２Ｂとし、プロファイルモニタ４０Ｃの発光体を４２Ｃとし、プロファイルモニタ４０Ｄの発光体を４２Ｄとする。

図４に示されるように、すべての発光体４２Ａ〜４２Ｄにおいて、回転軸４３とビーム通過路Ｂとの位置関係は同じである。発光体４２Ａ〜４２Ｄは回転軸４３を中心として同一周期で同時に回転する。また、Ｚ方向から見て、発光体４２Ａ〜４２Ｄは互いにずれた位相で回転する。具体的には、発光体４２Ａに対し−４５°の位相差で発光体４２Ｂが回転し、更に−４５°の位相差で発光体４２Ｃが回転し、更に−４５°の位相差で発光体４２Ｄが回転する。この構成によれば、発光体４２Ａ〜４２Ｄが４５°回転するごとに、発光体４２Ａ〜４２Ｄが順に１つずつビーム通過路Ｂに進入することになる。すなわち、発光体４２Ａ〜４２Ｄのうちの２本以上が同時にビーム通過路Ｂに進入することがない。

なお、発光体４２Ａ〜４２Ｄが順に１つずつビーム通過路Ｂに進入するようにするためには、プロファイルモニタ４０の数、ビーム通過路Ｂの径、ビーム通過路Ｂと回転軸４３との距離、発光体４２の太さ等の幾何学的な関係が適宜調整されていればよい。すなわち、例えば、発光体４２が４つである場合には、互いの回転の位相差を４５°とする。そして、発光体４２の太さが極めて小さいと仮定すれば、回転軸４３を中心としてビーム通過路Ｂの断面のすべてを包含する最小の扇形の中心角が、上記の位相差未満（４５°未満）になるように設定すればよい。

以上のようなプロファイルモニタ４０の制御が実行される荷電粒子線治療装置１の作用効果について説明する。

従来からのこの種のビーム通過路Ｂにおいては、例えば、上流側の発光体４２Ａの一部がビーム通過路Ｂ内に進入しているときには、当該発光体４２Ａの影響によって下流側の荷電粒子線Ａのビームプロファイルが変化してしまう。従ってこのときには、下流側のプロファイルモニタ４０Ｂ〜４０Ｄでは、ビームプロファイルの測定ができない。結局のところ、２つ以上の発光体４２をビーム通過路Ｂ内に進入させて２カ所以上のプロファイルモニタ４０で同時にビームプロファイルを測定することはできない。

これに対し、荷電粒子線治療装置１によれば、発光体４２Ａ〜４２Ｄが１つずつ交互にビーム通過路Ｂに進入するといった動作が自動的に実行される。すなわち、プロファイルモニタ４０Ｂ〜４０Ｄが１つずつ一定周期で交互にビームプロファイルの測定を実行する。このとき、厳密に言えば、発光体４２の回転周期の４分の１の周期で、４つのプロファイルモニタ４０Ａ〜４０Ｄに順々に測定時間が配分されていることになる。しかし、発光体４２の回転周期は極めて短いと考えられるので、荷電粒子線治療装置１のオペレータにとっては、４つのプロファイルモニタ４０Ａ〜４０Ｄによる測定がほぼ同時並行で進行していると言える。このような効果を得るために、発光体４２の回転速度は、例えば60〜10,000rpmに設定される。

このように、ビーム輸送ライン７に沿った複数箇所のプロファイルモニタ４０において、ビームプロファイルの測定をほぼ同時に並行して行うことができるので、ビームプロファイルの測定時間を短縮することができる。この種のビームプロファイル測定は、例えば、電磁石１１の調整と共に１日に数十回実行される場合もあるので、ビームプロファイル測定時間の短縮は、オペレータの負担軽減や荷電粒子線治療装置１の稼働率の向上に貢献する。また、オペレータにとっては、４つのプロファイルモニタ４０Ａ〜４０Ｄによるビームプロファイルがほぼ同時にリアルタイムで得られるので、オペレータは、ビーム輸送ライン７上の４箇所のビームプロファイルを見ながら電磁石１１の調整を行うことも可能になる。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、実施例の変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。例えば、本発明は、放射線が輸送されるビーム輸送ラインを備える放射線治療装置の全般に適用可能であり、例えば、陽子線治療装置、重粒子線治療装置（炭素線治療装置等）に限られず、中性子捕捉療法（ＮＣＴ：Neutron Capture Therapy）装置にも適用可能である。

また、実施形態では、プロファイルモニタ４０の数を４つとしているが、これには限定されず、プロファイルモニタ４０の数を適宜増減してもよい。この場合、前述の通り、複数の発光体４２が１つずつ交互にビーム通過路Ｂに進入するようにするためには、プロファイルモニタ４０の数に対応させて、ビーム通過路Ｂの径、ビーム通過路Ｂと回転軸４３との距離、発光体４２の太さ等の幾何学的な関係が適宜調整されていればよい。すなわち、例えば、プロファイルモニタ４０の数が多くなるほど、ビーム通過路Ｂと回転軸４３との距離を長くするといった調整を行えばよい。

また、プロファイルモニタ４０の発光体４２は棒状のものに限られず、発光体４２の移動軌道がビーム通過路の断面全体と交差するものであれば、発光体４２の形状は限定されない。例えば、発光体４２は、ビーム通過路の断面全体に亘る大きさの発光体であってもよい。また、発光体４２をビーム通過路に対し進入及び退避させる構成として、発光体２４をビーム通過路と交差する軌道で回転させる構成は必須ではない。例えば、発光体２４をビーム通過路に進入及び退避させるように直線的に移動させてもよい。また、例えば、ビーム通過路の断面全体に亘る大きさの発光体を、ビーム通過路に挿抜するように往復移動させてもよい。

１…荷電粒子線治療装置（放射線治療装置）、３…加速器、７…ビーム輸送ライン、１３…制御部（モニタ制御部）、４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ…プロファイルモニタ（ビーム位置モニタ部）、４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ…発光体（発光体）、４５…駆動源（発光体駆動部）、４４…撮像装置（発光体撮像部）、Ｂ…ビーム通過路。

Claims

荷電粒子を加速し放射線を出射する加速器と、
前記加速器から出射された放射線を輸送するビーム輸送ラインと、
前記ビーム輸送ラインに沿って複数設けられ、設けられた位置の前記ビーム輸送ライン中のビーム通過路における前記放射線の通過位置を測定するビーム位置モニタ部と、を備え、
前記ビーム位置モニタ部は、
前記放射線が照射された部分が発光する発光体と、
前記発光体を前記ビーム通過路に進入及び退避させる発光体駆動部と、
前記発光体を撮像する発光体撮像部と、を有しており、
複数の前記ビーム位置モニタ部の各々が、各前記発光体を同時に駆動し、各前記発光体を互いにずれた位相で且つ同一周期で前記ビーム通過路に対し進入及び退避させ、前記ビーム通過路に進入した各前記発光体を各前記発光体撮像部によって撮像することで、各前記ビーム位置モニタ部が設けられた各々の位置の前記ビーム通過路における前記放射線の通過位置をそれぞれ測定する、放射線治療装置。
前記発光体駆動部は、
前記ビーム通過路と交差する回転軌道で前記発光体を回転させる、請求項１に記載の放射線治療装置。
複数の各ビーム位置モニタ部の各前記発光体が所定の位相差をもって回転し各前記発光体が１つずつ交互に前記ビーム通過路を横切る、請求項２に記載の放射線治療装置。