JP7065800B2 - 粒子線治療システム、粒子線照射方法及びコンピュータプログラム - Google Patents

Description

本発明は、粒子線治療システム、粒子線照射方法及びコンピュータプログラムに関する。

がんの放射線治療として、陽子または重イオン等のイオンビームを患者のがん患部に照射して治療する粒子線治療が知られている。

粒子線治療において、細いビームで付与する線量分布を患部形状に合致させる、また一様ではなく任意の線量分布を形成する方法として、スポットスキャニング法が知られている。これは患部形状を微小な小領域（照射スポット）に分割し、その区画ごとに所望の照射線量を予め設定して照射するものである。

スポットスキャニング法は、ディスクリートスポットスキャニング法及びラスタースキャニング法と呼ばれる、２つの照射法に大別される。ディスクリートスポットスキャニング法は、粒子線ビームの位置をある照射スポットから次の照射スポットに移動させている間はビーム出射を停止させ、移動完了後にビーム出射を再開させる方法である。ラスタースキャニング法は、患部の同一スライスを走査する間はビーム出射が途切れることなく連続する方法である。

特許文献１には、照射対象である患者の患部に依存してラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式のいずれの照射方式を実施するかを事前の選択に基づき選択可能となっており、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式のいずれの照射方式をも一台の照射装置で実施可能な粒子線治療システムが開示されている。

国際公開第２０１７／０８１８２６号

ラスタースキャニング方式及びディスクリートスポットスキャニング方式では、共通の制御パラメータセットの他に、ラスタースキャニング方式でのみ用いる制御パラメータセット、またはディスクリートスポットスキャニング方式でのみ用いる制御パラメータセットが用いられる。粒子線治療システムは、選択した照射方式によって制御パラメータセットを切り替えて制御する。

そのため、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式を切り替えた後は、制御パラメータセットが正しく切り替わっていることを検証する必要がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、選択した照射方式による粒子線の照射を確実に検証することが可能な粒子線治療システム、粒子線照射方法及びコンピュータプログラムを提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明の一つの観点に従う粒子線治療システムは、粒子線を加速する加速器と、加速器で加速された粒子線を標的に照射する照射装置と、加速器及び照射装置を制御する制御装置とを有し、制御装置は、加速器を制御する加速器制御装置と照射装置を制御する照射制御装置とこれら加速器制御装置及び照射制御装置を制御する中央制御装置とを有し、制御装置は、少なくとも２つの異なる照射方式を切り替えて粒子線を標的に照射させるように加速器及び照射装置を制御し、さらに、照射方式を切り替えた後に、切り替えた照射方式により加速器及び照射装置により粒子線を試験的に照射させてこの粒子線を検証し、中央制御装置は、照射方式を切り替えるとき、切替対象の照射方式に用いられる制御データを加速器制御装置及び照射制御装置に送信し、加速器制御装置及び照射制御装置は、制御データを中央制御装置から受信したら、受信した制御データを検証用データとして中央制御装置に送信し、中央制御装置は、加速器制御装置及び照射制御装置からそれぞれ検証用データを受信したら、これら加速器制御装置及び照射制御装置に送信した制御データとの整合性を確認し、整合性の確認が終了するまで粒子線の照射を行わせない。

本発明によれば、選択した照射方式による粒子線の照射を確実に検証することが可能となる。

実施形態である粒子線治療システムを示す概略構成図である。 実施形態の粒子線治療システムに用いる照射装置の構成を示す図である。 照射対象である患部の深さ方向の特定層を示す図である。 実施形態である粒子線治療システムにおいて照射方式としてディスクリートスポットスキャニング方式を選択した場合の動作を示すタイミングチャートである。 実施形態である粒子線治療システムにおいて照射方式としてラスタースキャニング方式を選択した場合の動作を示すタイミングチャートである。 実施形態である粒子線治療システムにおける照射方式切替動作を説明するためのフローチャートである。 実施形態である粒子線治療システムにおける検証用／調整用照射の動作を説明するためのフローチャートである。 実施形態である粒子線治療システムにおいてラスタースキャニング方式を選択した際のデータの流れの一例を示す図である。 実施形態である粒子線治療システムにおいてラスタースキャニング方式を選択した際のデータの流れの他の例を示す図である。 実施形態である粒子線治療システムにおいてディスクリートスポットスキャニング方式を選択した際のデータの流れの一例を示す図である。 実施形態である粒子線治療システムにおいてディスクリートスポットスキャニング方式を選択した際のデータの流れの他の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

本発明の実施形態である粒子線治療システムは、陽子線や炭素線などの粒子線を用いた粒子線治療システムである。本実施例の粒子線治療システムに用いられる粒子線は、上述した陽子線、炭素線など、既に実用化され、また、今後実用化されるであろう粒子線であれば限定はない。

なお、本明細書において「データ」と記されている場合、その個数についての限定はない。さらに、その形式に限定はない。加えて言えば、いわゆるテーブル形式で記憶媒体に保管、格納されているデータ等もここにいう「データ」である。

図１は、実施形態である粒子線治療システムを示す概略構成図である。
本実施形態の粒子線治療システム１００は、荷電粒子ビーム発生装置２００と、発生した荷電粒子ビームを治療室４００まで導くビーム輸送系３００と、治療室４００で患者４の患部４１（図２に記載）の形状に合わせて荷電粒子ビームを照射する照射装置５００と、制御装置６００とを有する。

荷電粒子ビーム発生装置２００は、前段加速器２１と、前段加速器２１で予め加速した荷電粒子を所定のエネルギーまで加速したのちに出射するシンクロトロン２０とを有する。なお、このシンクロトロン２０に代えて、例えばサイクロトロン等のような前段加速器を有しない加速器や直線加速器を用いてもよい。

シンクロトロン２０は、前段加速器２１で加速された荷電粒子ビーム（陽子、炭素等の重粒子イオン、中性子等）を所定エネルギーまで加速する装置であって、荷電粒子ビームを周回させるための複数の偏向電磁石２２および複数の四極電磁石（図示せず）と、周回する荷電粒子ビームを加速させる加速装置２３と所定のエネルギーまで加速した荷電粒子ビームを出射する出射装置２４を有する。

出射装置２４は、出射用高周波印加電極（図示せず）を有し、この高周波印加電極が出射用スイッチ２５を介して高周波電源２６に接続されており、出射用スイッチ２５の開閉により荷電粒子ビームの出射をＯＮ／ＯＦＦする。

ビーム輸送系３００は、複数の偏向電磁石３１と複数の四極電磁石（図示せず）を有し、シンクロトロン２０から出射された荷電粒子ビームを照射装置５００に輸送する。

図２は、実施形態の粒子線治療システム１００に用いる照射装置５００の構成を示す図である。

照射装置５００は、シンクロトロン２０で加速され、ビーム輸送系３００によって導かれた荷電粒子ビームを水平（図中Ｘ方向）に走査し、患者４の患部４１の形状に合致させるためのＸ方向走査電磁石５１Ａと、垂直（図中Ｙ方向、紙面に垂直方向）に走査するＹ方向走査電磁石５１Ｂとを有している。これら走査電磁石５１Ａ、５１Ｂは走査電磁石電源６１に接続される。走査電磁石電源６１は電源制御装置６２により制御される。

走査電磁石５１Ａ、５１Ｂにより偏向された荷電粒子ビームは、ビーム位置モニタ５２Ａおよび線量モニタ５３Ａを通過し、照射対象である患部４１に照射される。ビーム位置モニタ５２Ａはビーム位置計測装置５２Ｂに接続され、ビーム位置計測装置５２Ｂは荷電粒子ビームの位置および幅（広がり）を計測する。線量モニタ５３Ａは照射線量計測装置５３Ｂに接続され、照射線量計測装置５３Ｂは荷電粒子ビームの照射量を計測する。

図２および図３を用いてスポットスキャニング法について説明する。図３は、照射対象である患部４１の深さ方向の特定層を示す図であり、荷電粒子ビームの上流側から患部４１を見た説明図である。

図２に示すように、患者４の患部４１に対して、その患部形状を３次元的な複数の深さ方向（図２においてＺ方向）の層に分割する。図３に示すように、更に、各層を荷電粒子ビームの進行方向を横切る方向である水平方向（図２、図３においてＸ－Ｙ方向）に２次元的に分割して、複数の線量区画（小領域、以下照射スポット４２と記載）を設定する。

深さ方向は荷電粒子ビームの到達進度に対応する。シンクロトロン２０から出射される荷電粒子ビームは、そのエネルギーの変更、あるいは照射装置５００より上流でのエネルギー吸収体挿入などによる荷電粒子ビームのエネルギーの変更により変更されて、各層を選択的に照射する。

各層内では、例えば図３に示す経路４３に沿って走査電磁石５１Ａ、５１Ｂで荷電粒子ビームを２次元的に走査して、各照射スポット４２に所定の線量を与える。各照射スポット４２に照射される荷電粒子ビームの量は線量モニタ５３Ａおよび照射線量計測装置５３Ｂで計測され、荷電粒子ビームの位置やその広がり（幅）はビーム位置モニタ５２Ａおよびビーム位置計測装置５２Ｂで計測される。

スポットスキャニング方式による照射制御は、照射制御装置６４が荷電粒子ビーム発生装置２００からのビーム出射を制御することによって行う。

既に説明したように、スポットスキャニング法は、次の照射スポット４２に移動する際に荷電粒子ビームの照射を停止する照射方式であるディスクリートスポットスキャニング方式と、各照射スポット４２へ荷電粒子ビームを目標線量だけ照射した後、次の照射スポット４２に移動する間にも荷電粒子ビームの照射を停止しない照射方式であるラスタースキャニング方式とに大別される。

ディスクリートスポットスキャニング方式は、荷電粒子ビームの照射位置をある格子点から次の格子点に移動させている間はビーム出射を停止させ、移動完了後にビーム出射を再開させるため、同一スライス（層）を走査する間は荷電粒子ビームの出射が断続することになる。

そこで、照射制御装置６４は、複数の照射スポット４２のうちの１つのスポット４２に照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、走査電磁石５１Ａ、５１Ｂの励磁電流を制御して荷電粒子ビームを走査し、照射位置を次の照射スポット４２に変更する。

より具体的には、照射制御装置６４は、１つのスポット４２に照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときには、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を停止する。そして、荷電粒子ビームの出射を停止した状態で、照射制御装置６４は走査電磁石５１Ａ、５１Ｂの励磁電流を制御して荷電粒子ビームを走査し、照射位置を次の照射スポット４２に変更する。照射位置を次の照射スポット４２に変更した後、照射制御装置６４は荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を開始するよう制御する。

ディスクリートスポットスキャニング方式の動作の詳細について、図４を参照してより具体的に説明する。図４は、実施形態である粒子線治療システムにおいて照射方式としてディスクリートスポットスキャニング方式を選択した場合の動作を示すタイミングチャートである。図４のタイムチャートは図３に示した患部４１内のある層を照射している間の動作を示す。

図４において、横軸は時間ｔを示している。図４（ａ）の縦軸は、照射制御装置６４から中央制御装置６５、加速器制御装置６６を介し出射用スイッチ２５に出力する開閉信号、すなわち荷電粒子ビームの出射を制御するビームＯＮ／ＯＦＦ信号である。図４（ａ）に４つのＯＮ状態、すなわち４つの照射スポット４２があるので、これらをそれぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４とする。ここで、最初のビームＯＮ信号は、医師やセラピストが照射開始を指示した後、例えばシンクロトロン２０のビーム入射、加速等のプロセスを経て、荷電粒子ビーム発生装置２００を含むシステム全体の動作準備が完了し、荷電粒子ビームが照射可能な状態になった時点で発生する。

図４（ｂ）の縦軸は、照射された荷電粒子ビームの照射量を線量モニタ５３Ａおよび照射線量計測装置５３Ｂで測定した計測値である。図４（ｂ）に示すように、ビームＯＮと同時に照射量は積算され、その計測信号は照射制御装置６４に取り込まれる。照射制御装置６４は、積算線量が予め定められた量に達したところでビームをＯＦＦし、測定量を照射制御装置６４のメモリにて記憶する。この後、照射線量計測装置５３Ｂはリセットされる。なお、ここでは線量モニタ５３Ａおよび照射線量計測装置５３Ｂで計測される照射量を照射スポット４２毎にリセットするよう図示しているが、常に積算して、その差分で照射量を判定してもよい。

図４（ｃ）は実際の荷電粒子ビームの照射電流を示す。図４（ｃ）に示すように、図４（ｂ）で示す所定の線量に達してビームＯＦＦとなった後にもＯＦＦの反応時間があるため、微小な量の荷電粒子ビームが照射される。ディスクリートスポットスキャニング方式では、ビームＯＦＦ後の過渡応答により漏れ電流が照射スポット４２毎に発生するため、加速器の出射制御やその機器で定まる出射ＯＮ／ＯＦＦ応答性能が高くなければ、均一な線量付与に大きな影響を与える。

図４（ｄ）の縦軸は、図４（ｃ）で示した照射ビームの位置・幅を測定するビーム位置モニタ５２Ａおよびビーム位置計測装置５２Ｂの測定状態を示している。例えば、照射スポットＳ１の計測、すなわちＭ１の区間での信号収集を照射制御装置６４が行う。図４（ｄ）に示したビーム位置計測装置の信号収集が完了した後、照射制御装置６４は、その取得した信号を基にビーム位置や幅（標準偏差）を演算し、予め照射制御装置６４のメモリに設定されている許容値と比較することでビーム位置・幅の値が所望の誤差範囲内にあるかどうかを判定する。

ビーム位置・幅の演算結果が許容値を逸脱したと判定した場合は、照射制御装置６４がインターロック信号を発生し、次の照射スポット４２への進行を停止させる。例えば、照射スポット４２におけるＳ１のビーム位置・幅演算結果が許容値を逸脱したと判定した場合は、次の区間Ｓ２の所定時間前の任意のタイミングにて進行が停止する。

ディスクリートスポットスキャニング方式では、照射ビーム電流が流れるのは照射スポットに照射されている期間とその後の応答期間のみであり、モニタ計測の期間もその間で行われる。従って、照射スポット間の照射が行われていない期間に猶予を持って次の照射スポット４２への進行を停止することができる。

図４（ｅ）の縦軸は、図３に示すように荷電粒子ビームを２次元的に走査する場合の走査電磁石電源６１の電流パターンを示している。このパターンは照射制御装置６４において予め定められたパターンとなっており、各照射スポット４２での照射線量が既定値に達して照射ビームが停止した後に順次励磁量を変更し、照射位置を変更する動作を示している。

図４（ｆ）の縦軸は走査電磁石電源６１の状態を示す。走査電磁石電源６１は、励磁電流を変更して電流偏差が所望の範囲から逸脱している間は走査電磁石電源６１をＯＮ（以下走査中状態ＯＮという）し、励磁電流の変更が完了し電流偏差が所望の範囲内に入ったことを判定した後に走査電磁石電源６１をＯＦＦ（以下走査中状態ＯＦＦという）する。すなわち、照射スポット４２中Ｓ１へ荷電粒子ビームを照射した後に、区間Ｂ１にて次の照射スポット４２への照射位置変更を実施している。

図４において、照射スポット４２中Ｓ２への荷電粒子ビームの照射開始タイミングは、照射スポット４２中Ｓ１照への荷電粒子ビームの照射後の照射位置変更、すなわち、図４（ｆ）の走査中状態ＯＮが完了したタイミングとなる。照射スポット４２中Ｓ１への荷電粒子ビーム照射完了後の流れが照射スポット４２中Ｓ２照射完了後も繰り返され、図３に示したような２次元の走査が進行する。

図４（ａ）～（ｆ）までの一連の動作を繰り返し、図３に示した患部４１のある深さ方向の層について荷電粒子ビームを照射する。各照射スポット４２の照射線量、照射位置、それに対応した走査電磁石電源６１の励磁量は予め定められた治療計画に従う。治療計画の内容は、治療開始前に治療計画装置６７から中央制御装置６５に送信され、照射制御装置６４内のメモリに保存される。

照射制御装置６４は、治療計画の内容に従って走査電磁石電源６１の励磁パターンを定め、また、中央制御装置６５は、患部４１を深さ方向に層状に分割した深さに対応するエネルギーでの運転の指示を加速器制御装置６６や輸送系制御装置６８に送信し、これら加速器制御装置６６や輸送系制御装置６８により該当するエネルギーでの運転を実施する。患部４１の１層を照射完了したら、中央制御装置６５は、別の層に相当するエネルギーでの運転を実施するようエネルギー切り替え指示を送信する。これらを繰り返すことによって患部４１全体の照射を完了する。

これに対して、ラスタースキャニング方式は、荷電粒子ビームの照射位置をある照射スポット４２から次の照射スポット４２に移動させている間も、荷電粒子ビームの出射は停止することなく継続される。つまり、同一スライスを走査する間は、荷電粒子ビームの出射は途切れることなく連続する。

そのために、照射制御装置６４は、複数の照射スポット４２のうちの１つのスポット４２に照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、走査電磁石５１Ａ、５１Ｂの励磁電流を制御して荷電粒子ビームを走査し、照射位置を次の照射スポット４２に変更する。この間も、照射制御装置６４は、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を停止させずに、このビームを出射させた状態で、走査電磁石５１Ａ、５１Ｂの励磁電流を制御して荷電粒子ビームを走査し、照射位置を次の照射スポット４２に変更するよう制御する。

ラスタースキャニング方式の詳細について図５を参照してより具体的に以下説明する。図５は、実施形態である粒子線治療システム１００において照射方式としてラスタースキャニング方式を選択した場合の動作を示すタイミングチャートである。図５のタイムチャートは、図３に示した患部４１内のある層を照射している間の動作を示す。

図５において、横軸は時間ｔを示している。図５（ａ）は照射スポット４２の進行を示し、各区間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が各照射スポット４２への照射区間を示す。

図５（ｂ）の縦軸は、荷電粒子ビーム発生装置２００から出射されビーム輸送系３００を通じて照射装置５００に入射する荷電粒子ビームの照射電流を示す。ラスタースキャニング方式では、ビームＯＦＦに伴う過渡応答がスライス（層）の終わりでしか発生しないため、ビームＯＦＦ応答遅延による影響はディスクリートスポットスキャニング法に比べると限定的となる。

図５（ｃ）の縦軸は、照射装置５００内の線量モニタ５３Ａおよび照射線量計測装置５３Ｂの計測線量の積算値を示す。

図５（ｄ）の縦軸は走査電磁石電源６１の励磁電流を示す。図５（ｃ）に示した照射積算量が各スポットに予め定められた計画線量に達すると同時に、その照射スポット４２の照射を完了したこととし、次の照射スポット４２への移動を開始する。

したがって、次の照射スポット４２への照射はまず走査電磁石５１Ａ、５１Ｂの励磁量変更中に行われる。そして、照射制御装置６４は、走査電磁石５１Ａ、５１Ｂの励磁量変更が終了した後計画された線量に達するまで走査電磁石５１Ａ、５１Ｂの励磁量変更を停止する。その後、照射制御装置６４は、照射線量が計画値に達したと同時に、次の照射スポット４２へ移行するための走査電磁石５１Ａ、５１Ｂの励磁電流を変更する、という動作を繰り返す。そして、それらの間にも荷電粒子ビームは照射され続ける。

図５（ｅ）の縦軸は、各照射スポット４２でのビーム位置モニタ５２Ａおよびビーム位置計測装置５２Ｂの計測状態を示す。上記の通り、走査中および走査停止中の線量が既定値に達するまでの区間Ｍ１において、ビーム位置モニタ５２Ａおよびビーム位置計測装置５２Ｂは各照射スポット４２でのビーム位置の計測を行う。

図５（ｅ）に示したビーム位置計測装置の信号収集が完了した後、照射制御装置６４は、その取得した信号を基にビーム位置や幅（標準偏差）を演算し、予め照射制御装置６４のメモリに設定されている許容値と比較することでビーム位置・幅の値が所望の誤差範囲内にあるかどうかを判定する。

図５において、照射スポット４２中Ｓ２への照射開始は、照射スポット４２中Ｓ１照射終了後のタイミングとなる。照射スポット４２中Ｓ１への荷電粒子ビーム照射完了後の流れが照射スポット４２中Ｓ２照射後も繰り返され、図３に示したような２次元の走査が進行する。

図５（ａ）～（ｅ）までの一連の動作を繰り返す際も、図４（ａ）～（ｆ）までの一連の動作の繰り返しと同様に、治療計画に従って、図３に示した患部４１のある深さ方向の層について荷電粒子ビームの照射を行う。

このラスタースキャニング方式では、荷電粒子ビームの照射を停止するのは、図３に示す患部４１のある一層を照射中に照射スポット４２間の間隔が大きくなり、この間に照射する線量が無視できなくなるような場合である。また、図３に示したある１層において荷電粒子ビームの照射を完了して別の深さの層に変更する、すなわち照射装置５００に入射する荷電粒子ビームのエネルギーを変更する場合、また許容できないビーム停止要因が発生した場合にも荷電粒子ビームの照射を停止する。

なお、いずれの照射制御方式であっても、照射制御装置６４は、ビーム位置モニタ５２Ａおよびビーム位置計測装置５２Ｂから得られた信号を照射制御装置６４内より読み出した後、照射制御装置６４にてビーム位置とその幅を演算し、この荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱しているかどうかを判定する。そして、荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱している場合は、中央制御装置６５を介して加速器制御装置６６にインターロック信号を出力し、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を停止する。

本実施形態の粒子線治療システム１００では、照射対象である患者４の患部４１に依存して、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式のいずれの照射方式を実施するかを事前の選択に基づき選択可能となっている。そして、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式のいずれの照射方式も、一台の共通する荷電粒子ビーム発生装置２００、一台の共通するビーム輸送系３００、一台の共通する照射装置５００、多くが共通化された制御装置６００で実施可能に構成されている。

以下、そのための構成について説明する。

図１に示すように、制御装置６００は、シンクロトロン２０、ビーム輸送系３００および照射装置５００内の各機器を制御する装置であり、加速器制御装置６６、照射制御装置６４、中央制御装置６５、輸送系制御装置６８および治療計画装置６７を有する。

制御装置６００は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算素子を有する演算部と、例えば、フラッシュメモリデバイス、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）等の記憶媒体を有する記憶部と、粒子線治療システム１００の保守員等により操作され、キーボード、マウス、ディスプレイ等を有する入出力部とを有する情報処理装置である。制御装置６００の電源が投入されると、演算部は記憶部に格納されたファームウェア等のプログラムを読み出して実行することにより、加速器制御装置６６、照射制御装置６４、中央制御装置６５、輸送系制御装置６８及び治療計画装置６７としての機能が実現される。

制御装置６００を構成する加速器制御装置６６、照射制御装置６４、中央制御装置６５、輸送系制御装置６８及び治療計画装置６７は、単一の情報処理装置により実現されてもよいし、加速器制御装置６６等一部の装置は別体の情報処理装置により実現されてもよい。

治療計画装置６７は、荷電粒子ビームを照射するための計画を作成する装置である。治療計画装置６７は、照射対象である患者４の患部４１に関する情報に基づき、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式とのいずれの照射方式で治療するかを選択して治療計画を作成する。治療計画装置６７は作成した治療計画を中央制御装置６５に出力する。

中央制御装置６５は、治療計画装置６７から入力された治療計画に基づいて、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式とのいずれかの照射方式によって患者４の患部４１に対する照射制御を行うよう、加速器制御装置６６、照射制御装置６４および輸送系制御装置６８の各制御装置に対して制御信号を出力する。

中央制御装置６５が加速器制御装置６６、照射制御装置６４等に出力する制御信号には、これら加速器制御装置６６等の動作に必要とされる制御データ（制御パラメータセット）が含まれる。制御データは、いずれの照射方式でも用いる共通制御部６４ａ、６６ａ用の共通制御部用制御データと、ラスタースキャニング方式のみで用いる非停止制御部６４ｂ、６６ｂ用の非停止制御部用制御データと、ディスクリートスポットスキャニング方式のみで用いる停止制御部６４ｃ、６６ｃ用の停止制御部用制御データとを有する。

中央制御装置６５は、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式とのいずれの照射方式が選択されているかを表示する表示部６５ａと、粒子線治療システム１００の保守員等により入力される、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式とのいずれかの照射方式の方式切替入力を受け入れる入力部（入力装置）６５ｂとを有する。また、入力部６５ｂは、粒子線治療システム１００の保守員等により入力される、粒子線を患部４１に照射する治療用照射モードと粒子線を試験的に照射させる検証用照射モードとのモード切替指示入力を受け入れる。

加速器制御装置６６は、いずれの照射方式でも用いる共通制御部６６ａと、ラスタースキャニング方式のみで用いる非停止制御部６６ｂと、ディスクリートスポットスキャニング方式のみで用いる停止制御部６６ｃとを有する。加速器制御装置６６はシンクロトロン２０等の荷電粒子ビーム発生装置２００内の各装置を制御する。

加速器制御装置６６では、中央制御装置６５からの制御信号に基づき、ラスタースキャニング方式で照射を実施する場合は共通制御部６６ａおよび非停止制御部６６ｂによって制御を実施し、ディスクリートスポットスキャニング方式で照射を実施する場合は共通制御部６６ａおよび停止制御部６６ｃによって制御を行う。

例えば、共通制御部６６ａはディスクリートスポットスキャニング方式およびラスタースキャニング方式とで共通の共通制御部用制御データを用いて制御を行う。この共通制御部用制御データは、両方式の制御で共通する、前段加速器２１から粒子が入射され、シンクロトロン２０で粒子を加速する際の前段加速器２１、偏向電磁石２２と加速装置２３の制御に用いられる。

非停止制御部６６ｂはラスタースキャニング方式のみで用いる非停止制御部用制御データを用いて制御を行う。この非停止制御部用制御データは、出射装置２４や出射用スイッチ２５を制御する際に用いられる。

停止制御部６６ｃはディスクリートスポットスキャニング方式のみで用いる停止制御部用制御データを用いて制御を行う。この停止制御部用制御データは、出射装置２４や出射用スイッチ２５を制御する際に用いられる。なお、両方式に共通する出射用電磁石等の機器及びビーム出射制御はディスクリートスポットスキャニング方式の要求を満たすビーム電流応答速度を達成する必要がある。

また、加速器制御装置６６は、ディスクリートスポットスキャニング方式に対応する停止制御部６６ｃをラスタースキャニング方式で照射する際に用いることで、一つの共通した制御部で両方式を制御することもできる。その場合、ラスタースキャニング方式で照射する際は、通常なら照射線量が規定値に達したときに停止制御部６６ｃがビームＯＦＦ信号を送信するところ、そのスライスを打ち終わるまでビームをＯＮの状態で維持するように制御することとなる。

照射制御装置６４は、いずれの照射方式でも用いる共通制御部６４ａと、ラスタースキャニング方式のみで用いる非停止制御部６４ｂと、ディスクリートスポットスキャニング方式のみで用いる停止制御部６４ｃとを有する。照射制御装置６４は、照射装置５００内の各装置を制御する。

照射制御装置６４は、中央制御装置６５からの制御信号に基づき、ラスタースキャニング方式で照射を実施する場合は共通制御部６４ａおよび非停止制御部６４ｂによって制御を実施し、ディスクリートスポットスキャニング方式で照射を実施する場合は共通制御部６４ａおよび停止制御部６４ｃによって制御を行う。

例えば、共通制御部６４ａはディスクリートスポットスキャニング方式およびラスタースキャニング方式とで共通の共通制御部用制御データを用いて制御を行う。この共通制御部用制御データは、例えば両方式で共通する走査電磁石電源６１の電源制御に用いられる。

非停止制御部６４ｂはラスタースキャニング方式のみで用いる非停止制御部用制御データを用いて制御を行う。停止制御部６４ｃはディスクリートスポットスキャニング方式のみで用いる停止制御部用制御データを用いて制御を行う。これら非停止制御部用制御データ及び停止制御部用制御データは、例えば両方式でタイミングや制御方法が異なるビーム位置計測装置５２Ｂや照射線量計測装置５３Ｂを制御する。

輸送系制御装置６８は、ビーム輸送系３００内の偏向電磁石３１等の各機器を制御する。

次に、図６、図７のフローチャート及び図８～図１１を参照して、本実施例の制御装置６００の動作について説明する。

図６は、実施形態である粒子線治療システム１００における照射方式切替動作を説明するためのフローチャートである。

ラスタースキャニング方式またはディスクリートスポットスキャニング方式のいずれかの照射方式により、粒子線治療システム１００は患者４の患部４１に対して荷電粒子ビームを照射し、１回の治療を行う（ステップＳ１００）。

次いで、別の患者４の患部４１に対する治療、または同じ患者４の別の患部４１に対して荷電粒子ビームによる治療を行うために、治療計画装置６７は治療計画を作成する。治療計画装置６７が作成した治療計画は中央制御装置６５に出力される。

治療計画装置６７が作成した治療計画に基づき、荷電粒子ビームの照射方式の切り替えが必要な場合、治療用照射を行っていない時間帯において保守員が中央制御装置６５の入力部６５ｂから照射方式の切替入力を行う（ステップＳ１０１）。

中央制御装置６５は、次の治療用照射に移行する前に制御データ（制御パラメータセット）を切り替えたことによる粒子線治療システム１００の健全性を精度よく検証するために、検証用照射／調整用照射を行う（ステップＳ１０２）。

中央制御装置６５は、検証用照射／調整用照射で照射方式の切り替え操作後の健全性が確認できたか否かを判定し（ステップＳ１０３）、確認できたと判定できた（ステップＳ１０３においてＹＥＳ）場合のみ、照射方式切替後の粒子線治療システム１００で治療用照射を行う（ステップＳ１０４）。

なお、照射対象である患者４の患部４１に依存して治療計画装置６７は照射方式を指定するため、この検証用照射／調整用照射は１回の治療用照射の間に行われるようにしてもよい。

図７は、実施形態である粒子線治療システム１００における検証用／調整用照射の動作を説明するためのフローチャートである。

中央制御装置６５は、荷電粒子ビームを患者４の患部４１に照射する治療用照射モードと、荷電粒子ビームを試験的に照射させる検証用照射／調整用照射モードの２種類の照射モードを持つ。治療用照射モードと検証用照射／調整用照射モードの切り替えは、保守員が中央制御装置６５の入力部６５ｂを用いて行う（ステップＳ２００）。切り替えられた照射モードは中央制御装置６５の表示部６５ａに表示される。
表示器を用いて切り替える。

ステップＳ２００において治療用照射モードと検証用照射／調整用検証用モードを切り替えると、中央制御装置６５は加速器制御装置６６、照射制御装置６４、輸送系制御装置６８に照射モードの切替指示を出力する（ステップＳ２０１）。

加速器制御装置６６、照射制御装置６４、輸送系制御装置６８は、中央制御装置６５から出力された照射モードへの切替指示に基づいて照射モードを切り替え、その後、現在どの照射モードに設定されているかの情報を中央制御装置６５に出力する（ステップＳ２０２）。中央制御装置６５は、加速器制御装置６６等から出力された情報に基づいて、照射モードが確実に切り替わったことを確認する。

次に、粒子線治療システム１００の保守員等は、中央制御装置６５の入力部６５ｂ及び表示部６５ａを用いて検証用照射／調整用検証用モード用の制御データを設定する（ステップＳ２０３）。そして、中央制御装置６５は、ステップＳ２０３で設定した制御データを加速器制御装置６６、照射制御装置６４、輸送系制御装置６８に送信する（ステップＳ２０４）。次いで、中央制御装置６５は、制御データを送信する際に、ラスタースキャニング方式またはディスクリートスポットスキャニング方式のいずれかの照射方式を示す制御信号を加速器制御装置６６、照射制御装置６４、輸送系制御装置６８に出力する（ステップＳ２０６）。

加速器制御装置６６、照射制御装置６４、輸送系制御装置６８は、中央制御装置６５から受信した照射モード、制御データ、照射方式をこれら加速器制御装置６６等が内蔵するメモリに保存する。照射方式を受信した加速器制御装置６６、照射制御装置６４、輸送系制御装置６８は、メモリから読み込んだ照射モード、制御データ、照射方式を中央制御装置６５に送信する（ステップＳ２０２、Ｓ２０５、Ｓ２０７）。

中央制御装置６５は、自身が送信した照射モード、制御データ、照射方式と加速器制御装置６６、照射制御装置６４、輸送系制御装置６８から受信した照射モード、制御データ、照射方式が一致しているか否かを判定し（ステップＳ２０８）、一致していると判定したら（ステップＳ２０８においてＹＥＳ）ステップＳ２０９に進む。一方、一致していない（整合性が取れない）と判定したら（ステップＳ２０８においてＮＯ）、ステップＳ２０３に戻って保守員等が検証用照射／調整用検証用モード用の制御データの設定を再度行う。

中央制御装置６５は、自身が送信した照射モード、制御データ、照射方式と加速器制御装置６６、照射制御装置６４、輸送系制御装置６８から受信した照射モード、制御データ、照射方式が一致していると判定したら、照射許可信号を加速器制御装置６６、照射制御装置６４、輸送系制御装置６８に出力する（ステップＳ２０９）。これにより、検証用照射／調整用照射モードによる荷電粒子ビームの照射が可能になる。

この後、粒子線治療システム１００の保守員は粒子線治療システム１００により荷電粒子ビームを照射する（ステップＳ２１０）。中央制御装置６５は、照射線量計測装置５３Ｂにより計測される照射線量をモニターし、ステップＳ２０３で制御データとして設定した照射量を正常に照射できたか否かを判定する（ステップＳ２１１）。そして、設定した照射量を正常に照射できなかったと判定したら（ステップＳ２１１においてＮＯ）、中央制御装置６５は、健全性異常として、治療照射に移行させない。つまり、中央制御装置６５はインターロック機能を持つ。

このインターロックは、照射方式を運転員が照射方式を切り替えた（ステップＳ２００）時点で有効となり、以降は、検証用照射／調整用検証用モードで照射量を正常に照射するまで（ステップＳ２１１においてＹＥＳ）有効となる。インターロック有効中は中央制御装置６５の表示部６５ａにインターロック有効中であることを表示し、運転員に注意喚起を促す。

なお、図７のフローチャートには明示していないが、検証用照射／調整用照射モードによる荷電粒子ビームの照射時において、中央制御装置６５はビーム位置計測装置５２Ｂ及び照射線量計測装置５３Ｂにより、荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が、ステップＳ２０３で設定した制御データに基づいているかどうかを判定する。そして、荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が制御データに基づく値を逸脱している場合は、中央制御装置６５は荷電粒子ビームの照射を中止させ、ステップＳ２０３に戻って保守員等が検証用照射／調整用検証用モード用の制御データの設定を再度行う。

検証用照射／調整用検証用モードで照射量を正常に照射したと判定したら（ステップＳ２１１においてＹＥＳ）、中央制御装置６５は、治療照射に移行させないインターロック機能を解除する（ステップＳ２１２）。この後、中央制御装置６５は、切り替えた照射方式により治療照射を行わせる（ステップＳ２１３）。

図８は、実施形態である粒子線治療システム１００においてラスタースキャニング方式を選択した際のデータの流れの一例を示す図である。

中央制御装置６５は、治療照射を行う前に、入力部６５ｂから指定されたラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式のいずれかの照射方式（図８ではラスタースキャニング方式）を輸送系制御装置６８、加速器制御装置６６、照射制御装置６４に制御信号として出力する。また、中央制御装置６５は、制御に使用する共通制御部用制御データＤ６５ａと、ラスタースキャニング用制御データである非停止制御部用制御データＤ６５ｂとを加速器制御装置６６、照射制御装置６４に送信する。このようにして、中央制御装置６５が照射方式を集中管理し、各々の制御装置６４、６６、６８に対して照射方式を制御信号として出力することで、制御装置毎の設定切替が不要となり、設定切り替え不一致による誤った粒子線の照射を防止する。

図９は、実施形態である粒子線治療システム１００においてラスタースキャニング方式を選択した際のデータの流れの他の例を示す図である。

図９は、中央制御装置６５が出力した照射方式が加速器制御装置６６、照射制御装置６４、輸送系制御装置６８に受け付けられ、照射方式の選択が正しく行われていることを確認するための手順を示す。

加速器制御装置６６は、中央制御装置６５から受信した照射方式、共通制御部用制御データＤ６５ａ、非停止制御部用制御データＤ６５ｂを中央制御装置６５に送信する。中央制御装置６５は、加速器制御装置６６に送信した照射方式等と加速器制御装置６６から受信した照射方式等とが一致していることを確認する。中央制御装置６５は、照射方式等に不一致を検出した場合は、表示部６５ａにメッセージを出力するとともに、粒子線照射許可信号をオフすることで荷電粒子ビームの照射を不可とする。

また、照射制御装置６４は、中央制御装置６５から受信した照射方式、共通制御部用制御データＤ６５ａ、非停止制御部用制御データＤ６５ｂを中央制御装置６５に送信する。中央制御装置６５は、照射制御装置６４に送信した照射方式等と照射制御装置６４から受信した照射方式等とが一致していることを確認する。中央制御装置６５は、照射方式等に不一致を検出した場合は、表示部６５ａにメッセージを出力するとともに、粒子線照射許可信号をオフすることで荷電粒子ビームの照射を不可とする。

さらに、輸送系制御装置６８は、中央制御装置６５から受信した照射方式を中央制御装置６５に送信する。中央制御装置６５は、輸送系制御装置６８に送信した照射方式と輸送系制御装置６８から受信した照射方式が一致していることを確認する。中央制御装置６５は照射方式に不一致を検出した場合は、表示部６５ａにメッセージを出力するとともに、粒子線照射許可信号をオフすることで荷電粒子ビームの照射を不可とする。

このようにして、照射方式、制御データの送信データと受信データの突合せチェックを中央制御装置６５が行うことで、確実に異常を検出する。また、不一致を検出した場合に荷電粒子ビームの照射を不可とすることで、設定した照射方式と異なる照射方式での荷電粒子ビームの照射を防止する。

図１０は、実施形態である粒子線治療システム１００においてディスクリートスポットスキャニング方式を選択した際のデータの流れの一例を示す図である。

図１０に示す例では、中央制御装置６５は、治療照射を行う前に、入力部６５ｂから指定された照射方式であるディスクリートスポットスキャニング方式を輸送系制御装置６８、加速器制御装置６６、照射制御装置６４に制御信号として出力する。また、中央制御装置６５は、制御に使用する共通制御部用制御データＤ６５ａと、ディスクリートスポットスキャニング用制御データである停止制御部用制御データＤ６５ｃとを加速器制御装置６６、照射制御装置６４に送信する。

図１１は、実施形態である粒子線治療システムにおいてディスクリートスポットスキャニング方式を選択した際のデータの流れの他の例を示す図である。

図１１に示す例では、図９に示す例において、加速器制御装置６６及び照射制御装置６４から、中央制御装置６５から受信した照射方式、共通制御部用制御データＤ６５ａ及び停止制御部用制御データＤ６５ｃを中央制御装置６５に送信する点のみ異なる。それ以外の動作は図９に示す例と同一であるので、ここでの説明は省略する。

なお、照射方式を切り替えずに治療用照射を行うのであれば、検証用照射／調整用モードでの照射を行うことなく繰り返し治療用照射を行う。

このように構成される本実施例によれば、制御装置６００が、ラスタースキャニング方式及びディスクリートスポットスキャニング方式という２つの照射方式を切り替えて粒子線を標的に照射させるように、荷電粒子ビーム発生装置２００、ビーム輸送系３００及び照射装置５００を制御し、さらに、照射方式を切り替えた後に、切り替えた照射方式により荷電粒子ビーム発生装置２００、ビーム輸送系３００及び照射装置５００により粒子線を試験的に照射させてこの粒子線を検証している。

従って、本実施例によれば、選択した照射方式による粒子線の照射を確実に検証することが可能な粒子線治療システム１００及び粒子線治療方法を実現することができる。さらに、本実施例の粒子線治療システム１００及び粒子線治療方法によれば、照射方式の切り替わりの健全性を精度よく検証することができる。

また、本実施形態の粒子線治療システム１００は、基本的な機器構成は同一でありながら、ラスタースキャニング方式とディスクリートスポットスキャニング方式の両方式の照射を一台の照射装置５００で実現することが可能である。これにより、照射対象に応じた適切な方式選択が可能となり、照射精度向上および高線量率化の両立が可能となり、照射短時間化等の様々な利点が得られる。

例えば、小児がん等の患部の動きをＸ線で確認しながら、その動きに同期して照射をする場合はディスクリートスポットスキャニング方式で高精度に照射を実施する。また、前立腺がん等患部の動きが小さい場合には、ラスタースキャニング方式で長い期間連続的に打つことで照射時間を短縮することができる。また、単一システムで両照射方式を実現できるため、システムが安価となり、かつ治療システムの小型化が可能である、との利点も有している。

変形例

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記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るものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

一例として、ビームの取り出し装置として出射用高周波印加電極を有する出射装置２４を用いる場合を例に説明したが、ビーム取り出し装置は出射装置２４に限定されず、出射用四極電磁石やベータトロンコアなどを用いてもよい。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

４…患者 ４１…患部 ４２…照射スポット ４３…経路 ６４…照射制御装置 ６５…中央制御装置 ６５ａ…表示部 ６５ｂ…入力部 ６６…加速器制御装置 ６７…治療計画装置 ６８…輸送系制御装置 １００…粒子線治療システム ２００…荷電粒子ビーム発生装置 ３００…ビーム輸送系 ５００…照射装置 ６００…制御装置

Claims (7)

1. 粒子線を加速する加速器と、
   前記加速器で加速された前記粒子線を標的に照射する照射装置と、
   前記加速器及び前記照射装置を制御する制御装置とを有し、
   前記制御装置は、前記加速器を制御する加速器制御装置と前記照射装置を制御する照射制御装置とこれら加速器制御装置及び照射制御装置を制御する中央制御装置とを有し、
   前記制御装置は、少なくとも２つの異なる照射方式を切り替えて前記粒子線を前記標的に照射させるように前記加速器及び前記照射装置を制御し、さらに、前記照射方式を切り替えた後に、切り替えた前記照射方式により前記加速器及び前記照射装置により前記粒子線を試験的に照射させてこの粒子線を検証し、
   前記中央制御装置は、前記照射方式を切り替えるとき、切替対象の前記照射方式に用いられる制御データを前記加速器制御装置及び前記照射制御装置に送信し、
   前記加速器制御装置及び前記照射制御装置は、前記制御データを前記中央制御装置から受信したら、受信した前記制御データを検証用データとして前記中央制御装置に送信し、
   前記中央制御装置は、前記加速器制御装置及び前記照射制御装置からそれぞれ前記検証用データを受信したら、これら加速器制御装置及び照射制御装置に送信した前記制御データとの整合性を確認し、前記整合性の確認が終了するまで前記粒子線の照射を行わせないことを特徴とする粒子線治療システム。
2. 前記照射方式の方式切替指示入力を受け入れる入力装置を有し、
   前記制御装置は、前記入力装置により受け入れられた前記方式切替指示入力に基づいて前記照射方式を切り替える
   ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療システム。
3. 前記粒子線を前記標的に照射する治療用照射モードと前記粒子線を試験的に照射させる検証用照射モードとのモード切替指示入力を受け入れる入力装置を有し、
   前記制御装置は、前記入力装置により受け入れられた前記モード切替指示入力に基づいて前記粒子線を照射するように前記加速器及び前記照射装置を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療システム。
4. 前記照射装置は、照射した前記粒子線の照射線量を計測する照射線量計測装置を有し、
   前記制御装置は、前記検証用照射モードによる前記粒子線の照射を開始させたら、前記照射線量計測装置により所定量の前記照射線量が計測されるまで、前記治療用照射モードへの前記モード切替指示入力を受け入れない
   ことを特徴とする請求項３に記載の粒子線治療システム。
5. 前記制御装置は、前記検証用照射モードへの前記モード切替指示入力を受け入れたら、前記照射線量計測装置により所定量の前記照射線量が計測されるまで、前記治療用照射モードへの前記モード切替指示入力を受け入れない
   ことを特徴とする請求項４に記載の粒子線治療システム。
6. 前記粒子線治療システムは、照射対象を複数の小領域に分割し、これら小領域に前記粒子線を順次照射するものであり、
   前記照射方式は、次の前記小領域に移動する際に前記粒子線の照射を停止しない照射方式と前記粒子線の照射を停止する照射方式とを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療システム。
7. 粒子線を加速する加速器と、
   前記加速器で加速された前記粒子線を標的に照射する照射装置とを制御するコンピュータにより実行されるコンピュータプログラムであって、
   前記コンピュータは、前記加速器を制御する加速器制御装置と前記照射装置を制御する照射制御装置とこれら加速器制御装置及び照射制御装置を制御する中央制御装置とを有し、
   前記制御装置に、少なくとも２つの異なる照射方式を切り替えて前記粒子線を前記標的に照射させるように前記加速器及び前記照射装置を制御し、さらに、前記照射方式を切り替えた後に、切り替えた前記照射方式により前記加速器及び前記照射装置により前記粒子線を試験的に照射させてこの粒子線を検証する機能を実現させ、
   前記中央制御装置に、前記照射方式を切り替えさせるとき、切替対象の前記照射方式に用いられる制御データを前記加速器制御装置及び前記照射制御装置に送信する機能を実現させ、
   前記加速器制御装置及び前記照射制御装置に、前記制御データを前記中央制御装置から受信したら、受信した前記制御データを検証用データとして前記中央制御装置に送信する機能を実現させ、
   前記中央制御装置に、前記加速器制御装置及び前記照射制御装置からそれぞれ前記検証用データを受信したら、これら加速器制御装置及び照射制御装置に送信した前記制御データとの整合性を確認させ、前記整合性の確認が終了するまで前記粒子線の照射を行わせない機能を実現させるコンピュータプログラム。

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