WO2012120678A1

WO2012120678A1 - 粒子線治療装置

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Publication number: WO2012120678A1
Application number: PCT/JP2011/055639
Authority: WO
Inventors: 泰三本田; 昌広池田; 越虎蒲; 和之花川
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-09-13
Also published as: US20120228521A1; CN103200993B; EP2684580A1; EP2684580B1; US8421031B2; EP2684580A4; JPWO2012120678A1; CN103200993A; JP5496414B2

Abstract

漏れ線量の影響を抑制できる粒子線治療装置を得ることを目的とする。　加速器(1)から出射された粒子線(B)を所定方向に向けて照射する照射ノズル(21)と、照射対象(TC)内の面方向(A_SS)内に設定された複数のスポット(SP)のそれぞれに対し、所定線量の粒子線(B)を順次照射するように、照射ノズル(21)の動作を制御する照射制御部(42)と、加速器(1)からの粒子線(B)の出射をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御部(4)と、を備え、照射制御部(42)は、出射がＯＮからＯＦＦに切り替えられた時点(T_F)からの所定期間(PW)もしくは粒子線(B)が遮断されるまでの間、照射ノズル(21)で粒子線(B)を照射対象(TC)内の所定範囲(A_P)内に向けて希釈走査させる。

Description

粒子線治療装置

　本発明は、荷電粒子ビームを用いた粒子線治療装置において、とくにスキャニング照射方法を用いる粒子線治療装置に関する。

　粒子線治療は、治療対象となる患部に荷電粒子ビーム（粒子線）を照射して、患部組織を殺傷することにより治療を行うものであり、周辺組織にダメージを与えず、患部組織に十分な線量を与えるため、照射線量や照射体積を適切に制御できる粒子線治療装置が求められている。この照射体積を形成する方法のうち、スキャニング照射方法を用いる粒子線治療装置では、加速器から供給された荷電粒子ビームを走査電磁石等によって位置決めしながら走査して、小さな照射領域（スポット）ごとに所定線量分の照射を行い、段階的に照射野を形成している。スキャニング照射法のうち、ラスタスキャニング照射法と、ラスタスキャニングとスポットスキャニング照射法を組み合わせてスポット間でのビーム遮断をなくした照射法の場合には、１つのスライスを照射し終わるまでは荷電粒子ビームを遮断せずに照射を行う。

　一方、呼吸にともない移動するような臓器を照射対象とする場合、臓器の変位が少なく、位置を特定しやすい呼吸状態でのみ照射できるよう、荷電粒子ビームの照射を呼吸位相に同期してＯＮ／ＯＦＦする必要がある。また、各スライスにおけるスキャニング照射の最終時点である最終スポットの照射終了時にビームの遮断動作を行う場合にもビームの遮断が必要となる。しかしながら、加速器から出射される荷電粒子ビームを瞬時に遮断することは困難で、遮断動作を開始してから短期間ではあるが漏れ線量と呼ばれる微量な線量が照射される。そのため、遮断動作が入ったスポットには、漏れ分の線量が余分に付与され、治療計画通りの適切な線量付与が困難になるという問題があった。そこで、加速器と照射装置とを結ぶ輸送経路中にビーム軌道を変更する偏向電磁石と軌道を変更した荷電粒子ビームを廃棄するビームダンプを設け、遮断に要する期間を短縮して漏れ線量を抑制する粒子線治療装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９－４５１７０号公報（００２０～００２９、図１）

　しかしながら、上述した粒子線治療装置でも軌道変更を行うために時間遅れが生じ、確実に漏れ線量をなくすことは困難であった。さらには、ビーム遮断のために偏向電磁石やビームダンプのような追加装置を要したり、ビームダンプで発生する中性子を処理するために輸送経路を改造したりするなど、装置が複雑化するという問題があった。

　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、漏れ線量の影響を抑制できる粒子線治療装置を得ることを目的とする。

　本発明の粒子線治療装置は、粒子線を加速して出射する加速器と、走査方向が異なる２つの電磁石を有し、前記加速器から出射された粒子線を所定方向に向けて照射する照射ノズルと、照射対象内の面方向に設定された複数のスポットのそれぞれに対し、所定線量の粒子線を順次照射するように、前記照射ノズルの動作を制御する照射制御部と、前記加速器からの粒子線の出射をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御部と、を備え、前記照射制御部は、前記粒子線の出射がＯＮからＯＦＦに切り替えられた時点からの所定期間、もしくはビームが遮断されるまでの間、前記照射ノズルを用いて前記照射対象内の面方向に設定された所定範囲内に向けて漏れ線量を希釈するための走査（以降希釈走査と称する）をさせる、ことを特徴とする。

　本発明の粒子線治療装置によれば、所定スポットの照射中にビーム遮断が生じても、ビーム遮断中の漏れ線量が照射対象の所定範囲内に分散されるので、特定のスポットに余分な線量が集中することがなく、より治療計画に近い線量付与を行うことができる。

本発明の実施の形態１に係る粒子線治療装置の全体構成を説明するための図である。本発明の実施の形態１に係る粒子線治療装置の照射装置の構成を説明するための図である。本発明の実施の形態１に係る粒子線治療装置におけるスキャニング照射方法を説明するための図である。本発明の実施の形態１に係る粒子線治療装置におけるビーム制御方法を説明するための波形図である。本発明の実施の形態３に係る粒子線治療装置の照射装置の構成を説明するための図である。本発明の実施の形態３に係る粒子線治療装置における照射制御方法を説明するためのフローチャートである。

実施の形態１．
　以下、本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置の構成および動作について説明する。図１～図４は本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置の構成および動作について説明するためのもので、図１は粒子線治療装置の全体構成を説明するための図、図２は粒子線治療装置の照射装置の構成を示す図である。図３はキャニング照射方法を説明するための照射対象の平面図であり、図３（ａ）は照射対象全体（全面積）中の照射順序を示す図、図３（ｂ）は図３（ａ）の円ＣＢ部分の拡大図である。そして、図４は荷電粒子ビームの制御方法を説明するための同期した波形図であり、図４（ａ）は呼吸同期制御によるゲート信号、図４（ｂ）はゲート信号に伴って変化するビーム電流、図４（ｃ）は照射対象スポットとそのスポットに照射するための走査電磁石によるビームのｘ方向およびｙ方向それぞれの偏向角を示すものである。

　本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置の特徴は、スキャニング照射法により、あるスポットの照射中に、呼吸位相に基づいてビームを停止する制御が生じたとき、ビームが停止するまでの間、ビームを所定範囲内で揺らすように希釈走査するものである。しかし、そのビーム制御の詳細な説明に先んじて、粒子線治療装置の大まかな構成について図１を用いて説明する。図において、粒子線治療装置は、荷電粒子ビームの供給源として、シンクロトロンである円形加速器１（以降、単に加速器と称する）と、治療室６毎に設けられた照射装置２を備える照射系と、加速器１と各治療室６とをつなぎ、加速器から荷電粒子ビームを各治療室６の照射装置２に輸送する輸送系３と、これら各系統を制御する制御系４とを備えている。つぎに、各構成の説明に移る。

＜加速器＞
　加速器１は、荷電粒子ビームが周回する軌道経路となる真空ダクト１１、前段加速器５から供給された荷電粒子を真空ダクト１１に入射するための入射装置１２、荷電粒子が真空ダクト１１内の周回軌道に沿って周回する荷電粒子ビームを形成するよう荷電粒子の軌道を偏向させるための偏向電磁石１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ（まとめて１３と称する）、周回軌道上に形成された荷電粒子ビームが発散しないように収束させる収束用電磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ（まとめて１４と称する）、周回する荷電粒子に同期した高周波電圧を与えて加速する高周波加速空洞１５、加速器１内で加速させた荷電粒子ビームを加速器１外に取りだし、輸送系３に出射するための出射装置１６、出射装置１６から荷電粒子ビームを出射させるために荷電粒子ビームの周回軌道に共鳴を励起する六極電磁石１７を備えている。

　なお、偏向電磁石１３には、偏向電磁石１３の励磁電流を制御する偏向電磁石制御装置や、高周波加速空洞１５には、高周波加速空洞１５に高周波電圧を供給するための高周波源、高周波源を制御するための高周波制御装置というように、各部を制御するための図示しない装置が備えられており、偏向電磁石制御装置、高周波制御装置や収束用電磁石１４などその他のコンポーネントを制御して加速器１全体を制御する加速器制御装置（後述する加速器用サブ制御器４１）等も制御部４内に備えている。

　また、前段加速器５は、図では簡略化のためにひとつの機器のように記載しているが、実際には、陽子、炭素（重粒子）等の荷電粒子（イオン）を発生させるイオン源（イオンビーム発生装置）と、発生させた荷電粒子を初期加速する線形加速器系とを備えている。そして、前段加速器５から加速器１に入射した荷電粒子は、高周波数の電界で加速され、磁石で曲げられながら、光速の約７０～８０％まで加速される。

＜輸送系＞
　加速器１により加速された荷電粒子ビームＢは、ＨＥＢＴ（高エネルギービーム輸送：High Energy Beam Transport）系と称される輸送系３へと出射される。輸送系３は、荷電粒子ビームＢの輸送経路となる真空ダクト３１と、荷電粒子ビームＢのビーム軌道を切替える切替装置である切替電磁石３２と、ビームを所定角度に偏向する偏向電磁石３３とを備えている。そして加速器１により十分にエネルギーが与えられ、真空ダクト３１内を進む荷電粒子ビームＢを、切替電磁石３２で必要に応じて輸送経路（治療室６Ａ用輸送経路３Ａ、同６Ｂ用輸送経路３Ｂ、・・・同６Ｎ用輸送経路３Ｎ）を変え、指定された治療室６毎に設けられた照射装置２へと導く。

＜照射系＞
　照射系は、輸送系３から供給された荷電粒子ビームＢを照射対象である患者Ｋの患部ＴＣの大きさや深さに応じた照射野に成形して患部へ照射する照射装置２、および呼吸同期装置７と、を備えたものである。そして、照射対象である患部ＴＣへの照射のＯＮ／ＯＦＦを呼吸に連動して（呼吸信号の位相に応じて）制御する。なお、粒子線治療装置は治療効率の観点から、一般的にひとつの加速器に対して複数の治療室（図では治療室６Ａのみ記載し、治療室６Ｂ～６Ｎは番号のみ表示。まとめて治療室６と称する）を備える。すなわち、ここで示す照射系は、照射装置２と呼吸同期装置７とが治療室６毎に設けられたものであり、例えば、治療室６Ａ用の照射系は、照射装置２Ａと呼吸同期装置７Ａのように記載している。なお、照射装置２の詳細な構成については、後に説明するとして、粒子線治療装置全体の説明を続ける。

　＜呼吸同期装置＞
　呼吸同期装置７は、患者Ｋの呼吸位相に同期して、加速器１からの荷電粒子ビームＢの出射のＯＮ／ＯＦＦを制御する呼吸同期制御部の一部の機能を担う。そのため、呼吸同期装置７は、患者Ｋの呼吸状態を測定するための呼吸測定装置７１と、呼吸測定装置７１が測定した実呼吸波形に基づいて加速器１からの荷電粒子ビームの出射の可否（ＯＮ／ＯＦＦ）を示すゲート信号を出力するとともに、呼吸同期装置７全体を管理する呼吸同期装置本体７０と、呼吸誘導をするための目標呼吸波形や実呼吸波形といった呼吸同期に関する情報を患者Ｋや医療技術者等に教示するための呼吸情報教示装置７２とを備える。

＜治療室＞
　治療室６は、患者Ｋに対して実際に荷電粒子ビームＢを照射して治療を行うための部屋であり、基本的には治療室ごとに上述した照射系を備えている。なお、図において、治療室６Ａでは、偏向電磁石３３Ｇ部分から照射装置２Ａ全体が患者Ｋ（治療台）を中心に回転し、患者Ｋへの荷電粒子ビームＢの照射角度を自由に設定できる回転照射室（回転ガントリとも言われる）の例を示している。通常、ひとつの加速器１に対して、例えば、角度や位置を自在に設定可能な治療台に固定された患者に対して照射装置から水平方向に粒子ビームを照射する水平照射室や、その他タイプの異なる治療室を複数備えている。

　＜制御系＞
　上記のような、複数のサブシステム（加速器１、輸送系３、治療室ごとの照射系等）を備えたシステムの制御系として、各サブシステムを専ら制御するサブ制御器と全体を指揮し制御するメイン制御器からなる階層型の制御系統を用いることが多い。本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置の制御部４においても、このメイン制御器とサブ制御器の構成を採用している。そして、サブシステム内で制御できる動作はサブ制御器で、複数のシステムを連携して制御する動作はメイン制御器が制御するというように、制御系統内での機能を分担している。

　一方、粒子線治療装置においては、制御部４には、ワークステーションやコンピュータを用いることが一般的である。そのため、制御部４のメイン制御器やサブ制御器といった機能は、ソフトウェア等により発現されることになり、必ずしも特定のハードウェアに収まるとは限らない。そのため、図ではそれらをまとめて制御部４として記載するが、それは、制御部４が物理的に一つのまとまったハードウェアとして存在するものであることを意味するものではない。以降、例えば、照射装置２のサブ制御器に相当する制御器を示す場合、サブ制御器４２のように記載する。

　つぎに、照射装置２の構成について説明する。図２に示すように、照射装置２は、加速器１から輸送系３を経て供給されたいわゆるペンシル状の荷電粒子ビームＢをビーム軸Ｘ_Ｂに対して略垂直な面内の任意の方向に向けて照射する照射ノズルとして機能する走査電磁石２１と、照射対象ＴＣの厚さに応じて、ブラッグピークの幅を拡大させるためのリッジフィルタ２２と、照射対象の深さ（照射深さ）に応じて、荷電粒子ビームＢのエネルギー（飛程）を変えるためのレンジシフタ２３と、を備えている。走査電磁石２１は、ビーム軸Ｘ_Ｂに垂直な面（ｘｙ）内で互いに偏向方向の異なる（例えば、直交するｘ方向とｙ方向）走査電磁石２１ａと走査電磁石２１ｂをビーム軸Ｘ_Ｂに沿って配置したもので、荷電粒子ビームＢが、照射対象ＴＣのｘｙ面内での所定位置に向かって出射するように、入射した荷電粒子ビームＢをビーム軸Ｘ_Ｂに対して所定の方向に偏向させるものである。リッジフィルタ２２は、例えば錐状体や断面が三角形の板を面内に多数並べたように形成され、照射スポット内を多数の小領域に分割したとすると、小領域毎に異なる厚みを通過する荷電粒子が存在するようになっている。図では、理解しやすいように円錐が面内に並べられたように記載している。これにより、ブラッグピークの幅ＳＯＢＰ（Spread-Out Bragg Peak）が拡大される。すなわち、リッジフィルタ２２により、線量付与できる深さ方向の幅を広げることになる。レンジシフタ２３は、入射した荷電粒子ビームＢのエネルギーを所定量減衰させるためのもので、例えば、所定厚みを持った樹脂の板材を複数備え、その板材の組み合わせ（総厚み）により、減衰量を規定することができる。

　上記のような照射装置２を用い、スキャニング照射法により照射する場合、深さ（ｚ）方向に空間的な線量付与を分割して投与する。そのために、治療計画では、患部ＴＣを深さ方向でそれぞれ所定厚みになるように分割する。そして、図３に示すように、分割した層（スライスＳＳ）ごとの面方向の形状Ａ_ＳＳに対して所定径（ビーム径に相当）の照射領域（スポットＳＰ）を隙間なく埋めるように並べ、スポットＳＰ毎の線量と照射経路ＷＰＳを定めておく。

　照射は、基本的には患部ＴＣの最深部を含む層（スライスＳＳ）から行う。はじめに最深部のスライスＳＳ_１の深さに合わせて、照射装置２から照射する荷電粒子ビームＢのエネルギー（飛程：到達深度）を設定する。エネルギーは基本的には加速器１から出射する荷電粒子ビームＢの速度（運動エネルギー）を調整するため、サブ制御器４１を介して加速器１の動作を制御して設定するが、加速器１でのエネルギーの調整幅よりも細かな設定はレンジシフタ２３によって行う。このように所定の飛程になるようにエネルギーを調整され、加速器から供給された荷電粒子ビームＢは、輸送系３を通って直径数ｍｍ程度のいわゆるペンシルビームとして照射装置２に供給される。照射装置２に供給された荷電粒子ビームＢは、スキャニング電磁石２１を通る際に、スポットＳＰの位置に応じて、ビーム軸Ｘ_Ｂに対してｘ方向（２１ａ）とｙ方向（２１ｂ）に所定角度に偏向され、そのスポットＳＰに向けて照射方向が変更される。そして、そのスポットＳＰに向けて出射された荷電粒子ビームＢは、リッジフィルタ２２を通過することで、スライスＳＳの厚さに相当するようにＳＯＢＰが拡げられる。さらに、レンジシフタ２３を通過することによって、飛程が微調整され照射量（ビーム電流×時間）を調節することで、当該スライスＳＳ_１の所定スポットＳＰに対し、所定線量の荷電粒子ビームＢを照射することができる。

　このようにして、最深部の層（スライスＳＳ_１）の照射が終了すると、次のスライスＳＳ_２の照射に移る。このとき、荷電粒子ビームＢのエネルギーは、加速器１およびレンジシフタ２２により、スライスＳＳの厚みに相当する分低くなる（手前になる）ように飛程が調整され、次のスライスＳＳ_２に応じたスポットＳＰ配置と照射経路ＷＰＳに対応して、スライスＳＳ_２のスキャニング照射が行われる。以降、同様にスライスＳＳ_ｊごとに飛程とスポットＳＰの配置と照射経路が調整され、全体として患部ＴＣの形状に最適化された線量が付与される。

　これらの各スライスＳＳにおけるスライスＳＳ内の照射制御において、本実施の形態１にかかる粒子線治療装置では、スポットスキャニング照射にラスタースキャンの要素を取り入れた制御を行っている。つまり、各スライスＳＳにおいて、照射経路ＷＰＳにしたがって、最初のスポットＳＰ_１から最終スポットＳＰ_Ｎまでを位置決めしながら順次照射していく際、スポットＳＰ間の移動をラスタースキャンのようにビームを照射しながら高速で移動させるのである。一般的に、ひとつのスライスＳＳ中には、数百～数十万にもおよぶスポットＳＰ数が割り当てられるが、スポットＳＰ間を移動するたびに荷電粒子ビームＢを遮断するようにすると、遮断にかかる時間が長くなり、治療時間が長くなる。しかし、各スポットＳＰ間をラスタースキャンのような高速で照射を継続しながら移動することにより、スポットＳＰ以外の部分に余分な線量を付与することなく、スライスＳＳ中の荷電粒子ビームＢの遮断回数を抑制して照射時間を低減することができる。

　一方、上記のような照射において、照射対象ＴＣが呼吸に伴い移動する場合、照射対象ＴＣの位置や形状が安定する所定の呼吸位相でのみ照射を行う呼吸同期を実施する。すると、スライスＳＳ内の照射の途中でもビーム照射を中断する必要が生じる。例えば、図３で示すように、あるスライスＳＳのｘｙ平面方向の面形状である照射範囲Ａ_ＳＳ内において、スポットＳＰ_１～ＳＰ_ｉ－１までの範囲（既照射範囲ＡＤＳ）で照射が終了しており、スポットＳＰ_ｉを照射している途中で、呼吸位相に伴いビームを停止することになるような場合である。本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置の最大の特徴は、このようなスポットＳＰ（スライスＳＳ）の途中でビーム照射を中断するときのビーム照射の制御にある。以下、図４の波形図も参考にして詳細に説明する。

　このときの、ビームの入切を指示するゲート信号、ビーム電流、ビームの偏向角を図４（ａ）～図４（ｃ）に示す。図４（ａ）の縦軸はゲート信号で、下側がビーム遮断であるゲートＯＦＦを指示する状態、上側がビーム照射であるビームＯＮを指示する状態である。図４（ｂ）の縦軸は実際に照射されるビーム量を示すビーム電流である。図４（ｃ）は照射対象スポットとその照射スポットに照射するためのビームの偏向角を示すもので、偏向角は２つの縦軸に分けて記載し、上側の縦軸はビームをｘ方向に偏向させる走査電磁石２１ａによる荷電粒子ビームＢのビーム軸Ｘ_Ｂに対する偏向角、下側の縦軸はビームをｙ方向に偏向させる走査電磁石２１ｂによる荷電粒子ビームＢのビーム軸Ｘ_Ｂに対する偏向角を示す。そして、図４（ａ）～（ｃ）の横軸は、同期した時間軸であり、ゲート信号がＯＦＦからＯＮに切り替わり、ビームの再開を指示する時点をＴ_Ｏ、ゲート信号がＯＮからＯＦＦに切り替わり、ビームの遮断を指示する時点をＴ_Ｆで示す。

　ここで、ある治療室において、照射が行われており、治療室内の呼吸同期装置本体７０は、サブ制御器４７であり、呼吸同期制御部の一部として機能すると仮定する。呼吸同期制御部として機能するサブ制御器４７は、呼吸測定装置７１が測定した実呼吸波形により、患者Ｋの呼吸位相が患部ＴＣの変位が大きくなる位相になったと判断すると、照射をＯＦＦにすべき旨のゲート信号を出力する。ゲート信号を受けた制御部４（サブ制御器４７と連携して呼吸同期装置として機能する）は、加速器１用サブ制御器４１に対して、加速器１からの荷電粒子ビームＢの出射をゲート信号に同期してＯＦＦにする（ビーム遮断）ように指示する。すると、加速器１から照射装置２に向けて出射される荷電粒子ビームＢが遮断される。

　しかし、図４（ａ）と図４（ｂ）に示すように、ゲート信号がＯＦＦに切り替わっても、ビーム電流は、切り替え時点Ｔ_Ｆですぐには０にならず、期間ＰＬだけビーム電流が残存する。この期間ＰＬにおけるビーム電流の積分量ＤＬが漏れ線量として照射装置２から照射される。このとき、走査電磁石２１の偏向角度をスポットＳＰ_ｉに合わせたままだと、スポットＳＰ_ｉにＤＬ分の線量が余分に照射されてしまう。しかし、本実施の形態１にかかる粒子線治療装置では、少なくとも漏れ線量の影響があると認められる所定期間（例えば、Ｔ_Ｆから始まり、ＰＬをカバーできる程度の長さを有する期間）、照射装置２の動作を、そのスライスＳＳの照射範囲Ａ_ＳＳ内のさらに限定した許可領域Ａ_Ｐ内に向け、希釈走査させるように切り替える。また、所定期間ではなく、ビームを観測するセンサを設け、ビームが遮断されるまで継続させてもよい。つまり、ビームが出ていれば漏れ線量を希釈するために走査をするように、走査電磁石２１の動作を制御する。許可領域Ａ_Ｐは、例えばスポット径の百倍以上といった一定以上の面積を有するような領域に設定し、漏れ線量をその面積内で希釈するようにするものである。

　例えば、図４（ｃ）に基づいて切り替え時点Ｔ_Ｆ前後の走査電磁石２１の動作を説明する。このとき、ゲート信号がＯＮになる時点での照射対象はスポットＳＰ_ｉ－３であり、ゲートがＯＮに切り替わってから順次スポットＳＰ_ｉ－２、ＳＰ_ｉ－１、ＳＰ_ｉと進み、スポットＳＰ_ｉの照射途中の時点Ｔ_Ｆでゲート信号がＯＦＦに切り替わるものとする。ビーム遮断を考慮しない部分では、ＳＰ_ｉ－３～ＳＰ_ｉにおいては、図３（ｂ）に示すようにｙ方向の位置は変わらないので、ｙ偏向角は基本的に一定値を示す。一方、ｘ方向は移動しているので、ｘ方向の偏向角のみが対象スポットＳＰの変更に伴い変化する。このとき、スポット間の移動速度は速く、スポット間の移動に要する時間は、各スポットにおける滞留時間と比較すると短いので、波形としてはほぼステップ状になる。

　ここで、ビーム切り替え時点Ｔ_Ｆになると、荷電粒子ビームＢを許可領域Ａ_Ｐ内で漏れ線量ＤＬを希釈するようにスポット間の移動時のような高速で走査する、つまり揺れるように走査するので、その期間ＰＷ中、ｘ方向の偏向角、ｙ方向の偏向角は大きく変化する。なお、図では、略楕円上の許可領域ＡＰ内を経路ＷＰＳと同様に、ｘ方向に折り返しながらｙ方向に変化するような一筆書きの経路を繰り返し走査することを仮定した偏向角の変化を示している。そして、希釈走査期間ＰＷが終了すると、走査電磁石２１は、中断されたスポットＳＰ_ｉに対応する偏向角になるように制御される。そのため、次に呼吸ゲートがＯＮになった時に、確実にスポットＳＰ_ｉに対応する偏向角に制御して続きの照射を行い、ゲート信号がＯＮになっている中でのスポットＳＰ_ｉでの照射期間を適切に調節することができる。

　つまり、スキャニング照射においては、ゲート信号によってあるスポットＳＰを照射中にビームの遮断動作が入る場合、あるいは、各スライスの最終時点で最終スポットＳＰの照射終了直後にビームの遮断動作が入る場合がある。しかし、そのようにビーム遮断動作が入っても、遮断時のもれ照射を所定の面積を有する許可領域Ａ_Ｐ内に分散するように走査するので、線量が希釈され、特定部分に線量が集中することなく、治療計画に沿った線量付与を行うことができる。

　なお、図４（ｃ）では、ひとつのゲートＯＮ信号内で示した照射スポット数は４つであるが、これは、説明のために数を絞って記載しているものである。実際には、さらに多くのスポット数の照射が実行され、図３におけるｙ方向の異なるスポットも照射することになり、その際、ｙ方向の位置に応じて偏向角も変化することになる。

　許可領域Ａ_Ｐの設定については、必ずしもスライスの照射領域Ａ_ＳＳよりも狭くなるように設定する必要はなく、同じ領域であってもよい。しかし、ゲート信号がＯＦＦになるのは、照射対象ＴＣである臓器が変位する可能性が高くなることを示すものである。そのため、照射対象ＴＣの周囲にある正常組織に余計な線量が付与されることを防止するため、許可領域Ａ_Ｐは、照射領域Ａ_ＳＳよりもマージンを取って内側に設定することが望ましい。さらに、呼吸に伴う臓器の変位（方向、距離）が分かっている場合、マージン量あるいは許可領域Ａ_Ｐそのものを変位に応じて適宜変更するようにしてもよい。そして、許可領域Ａ_ＰもＴ_Ｆ時点で照射しているスポットＳＰを含む必要はなく、スポットＳＰと別に設定してよい。また、希釈のための走査に切り替えるタイミングや対象スポットに応じて適宜変更するようにしてもよい。また、許可領域Ａ_Ｐ内での希釈走査の経路がスポットスキャニングでの経路と同じである必要はなく、らせん状やその他の形状の経路で希釈走査してもかまわない。そして、希釈走査の場合、いわゆるワブラー照射のように揺らすように走査すればよいのであるが、ワブラー照射のように照射範囲内の線量分布を均一にする必要はなく、特定の部分に線量が集中しないようにすればよい。

　このような照射は、走査電磁石２１としては、通常の照射野を形成するための偏向角の範囲で制御をすれば実現できるので、走査電磁石の仕様を変更したり、別個に偏向電磁石を設けたりする必要はない。さらに、希釈走査の際の走査電磁石の操作量（偏向角の開度）は、基本的に通常照射時の操作量の範囲内であるということは、希釈走査によって走査電磁石に通常と異なるヒステリシスを生じさせることもなく、スキャニングの精度を悪化させることもない。また、制御部４にしても、例えば希釈走査に動作を切り替えるためのシーケンスプログラムを追加すれば、特別なハードウェアを用いなくともよい。また希釈走査のための操作量のデータの追加に伴い記憶容量等の補強が必要になることもあるがこれも、所定量の記憶容量を有するようにしすればよく、通常のコンピュータのいわゆる能力アップ程度の処置ですむ。

　なお、上記希釈走査は、ビーム遮断時に限定する必要はない。例えば、ビームを再開した時点Ｔ_Ｏでビーム電流が不安定な期間があり、かつ、その間の線量が、希釈により影響が回避できるような程度である場合、その期間をカバーするように希釈走査を適用してもよい。この場合、線量を計算する際にゲートＯＮ時間から希釈走査させる期間を差し引く必要がある。

　以上のように、本実施の形態１にかかる粒子線治療装置によれば、荷電粒子ビーム（粒子線）Ｂを加速して出射する加速器１と、走査方向が異なる２つの電磁石２１ａ、２１ｂを有し、加速器１から出射された粒子線Ｂを所定方向に向けて照射する照射ノズルとして機能する走査電磁石２１と、治療計画に基づき照射対象ＴＣの面方向（の形状）Ａ_ＳＳ内に設定された複数のスポットＳＰのそれぞれに対し、位置決めしながら所定線量の粒子線Ｂを順次照射するように、照射ノズル２１の動作を制御する照射制御部４２（を備える制御部４）と、患者Ｋの呼吸位相に同期して、加速器１からの粒子線Ｂの出射のＯＮ／ＯＦＦを制御する呼吸同期制御部として機能する制御部４（およびサブ制御器４７）、を備え、照射制御部４２は、呼吸位相に同期して粒子線Ｂの出射がＯＮからＯＦＦに切り替えられた時点Ｔ_Ｆからの所定期間ＰＷ、もしくは粒子線Ｂが遮断されるまでの間、照射ノズル２１を用いて照射対象内の面方向（の形状）Ａ_ＳＳに設定された所定範囲内Ａ_Ｐに向けて漏れ線量ＤＬを希釈するように粒子線Ｂを走査させる、ように構成したので、あるスポットＳＰあるいはスライスＳＳの照射中に呼吸同期によるビーム遮断が生じても、ビーム遮断中の漏れ線量ＤＬが照射対象Ａ_ＳＳ内の所定面積を有する許可領域Ａ_Ｐ内に拡散されるので、特定のスポットＳＰに余分な線量が付与されることなく、治療計画通りの線量付与を行うことができる。また、許可領域Ａ_Ｐ内のワブラー走査は、走査電磁石２１の操作量の範囲内で実行できるので、余分な装置を追加したり、一般的なスキャニング照射用の走査電磁石の仕様を変更したりする必要もない。あるいは、粒子線の軌道を照射領域外に曲げたりすることがないので、漏れ線量が、照射領域外の周辺組織に照射されることもない。

　とくに、許可領域Ａ_Ｐは、照射対象ＴＣである臓器の変位を考慮して照射領域Ａ_ＳＳから所定のマージンをとった、つまり照射対象ＴＣの面方向（の形状）Ａ_ＳＳの所定幅内に設定するようにすれば、正常組織に漏れ線量が付与されることもなくなる。

　あるいは、許可領域Ａ_Ｐは、照射対象ＴＣの呼吸位相に伴う変位（方向、移動量）に基づいて設定するようにすれば、呼吸により移動した正常組織に漏れ線量が付与されることもなくなる。

　また、許可領域Ａ_Ｐを切り替え時点Ｔ_Ｆで照射対象となっていたスポットＳＰの位置に応じて設定するようにすれば、スポットに応じた希釈走査の領域を設定でき、遮断中（希釈走査）モードから通常（スキャニング照射）モードへの切り替えがスムーズに行える。

　また、希釈走査を行う所定期間ＰＷは、加速器１がＯＮからＯＦＦに切り替えられた時点Ｔ_Ｆから粒子線Ｂの出射を停止するまでにかかる時間Ｐ_Ｌに基づいて定めるように構成すれば、漏れ線量ＤＬを確実に許可領域Ａ_Ｐ内に分散して希釈することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、呼吸位相に同期して粒子線の出射がＯＮからＯＦＦに切り替えられた時点Ｔ_Ｆからの所定期間ＰＷ、照射ノズル２１を照射対象内の面の方向Ａ_ＳＳに設定された所定範囲内Ａ_Ｐ内に向けて希釈走査させることで、漏れ線量ＤＬを所定範囲内Ａ_Ｐ内に分散させ、希釈するものとしているが、スキャニング照射において、粒子線の出射をＯＮからＯＦＦに切り替える動作は呼吸位相に同期した場合に限らない。例えば、各スライスＳＳにおけるスキャニング照射の最終時点となる最終スポットの照射終了時にも粒子線の出射をＯＮからＯＦＦに切り替える。

　本発明の実施の形態２にかかる粒子線治療装置では、この各スライスＳＳの最終スポットの照射終了時にビームＢの出射をＯＮからＯＦＦに切り替えた場合の漏れ線量ＤＬを、許可領域Ａ_Ｐ内に走査により分散させ、希釈するものである。スキャニング照射ではスライスＳＳ毎にスポットＳＰ配置と照射経路ＷＰＳとスポットＳＰ毎の線量とが予め治療計画で決められている。そして、治療計画で定められた計画に従ってスライスＳＳの最初のスポットＳＰ_１の照射を行い、最初のスポットＳＰ_１の照射線量が治療計画で定められた線量に達すると、次のスポットＳＰ_２に走査され、同様に治療計画で定められた照射線量に達すると、さらに次のスポットＳＰ_３へと走査される。このようにして、そのスライスＳＳの最終のスポットＳＰ_Ｎに照射がなされ、最終スポットＳＰ_Ｎの照射線量が治療計画で定められた照射線量に達すると、ビームＢの遮断を指示する。

　このときにも、図４で説明したように、ビームの遮断を指示する時点Ｔ_Ｆで完全にビームの遮断が行われず、期間ＰＬだけビーム電流が残存してビーム電流の積分量ＤＬだけ最終スポットＳＰ_Ｎに漏れ線量ＤＬが付与される。本実施の形態２では、この各スライスの最終スポットＳＰ_Ｎの照射終了時における漏れ線量ＤＬを、実施の形態１と同様に許可領域Ａ_Ｐ内で希釈走査することで分散させ、希釈する。この結果、特定のスポットに余分な線量が付与されることなく、治療計画通りの線量付与を行うことができる。

　以上のように、本実施の形態２にかかる粒子線治療装置によれば、荷電粒子ビーム（粒子線）Ｂを加速して出射する加速器１と、走査方向が異なる２つの電磁石２１ａ、２１ｂを有し、加速器１から出射された粒子線Ｂを所定方向に向けて照射する照射ノズルとして機能する走査電磁石２１と、治療計画に基づき照射対象ＴＣを深さ方向に分割した複数のスライスＳＳに対し、各スライスＳＳの面方向（の形状）Ａ_ＳＳ内に設定された複数のスポットＳＰのそれぞれに対し、位置決めしながら所定線量の粒子線Ｂを順次照射するように、照射ノズル２１の動作を制御する照射制御部４２（を備える制御部４）と、複数のスライスＳＳのそれぞれの最終スポットＳＰ_Ｎへの照射が終了すると、加速器１からの粒子線の出射をＯＦＦする制御部４、を備え、照射制御部４２は、スライスＳＳの最終スポットＳＰ_Ｎへの照射が終了する際に粒子線Ｂの出射がＯＮからＯＦＦに切り替えられた時点Ｔ_Ｆからの所定期間ＰＷ、もしくは粒子線Ｂが遮断されるまでの間、照射ノズル２１を用いて照射対象内の面方向（の形状）Ａ_ＳＳに設定された所定範囲内Ａ_Ｐに向けて漏れ線量ＤＬを希釈するように粒子線Ｂを走査させる、ように構成したので、あるスライスＳＳの最終スポットＳＰＳＰ_Ｎへの照射を終了してビーム遮断をした際、ビーム遮断中の漏れ線量ＤＬが照射対象Ａ_ＳＳ内の所定面積を有する許可領域Ａ_Ｐ内に拡散されるので、各スライスＳＳの最終スポットＳＰＳＰ_Ｎに余分な線量が付与されることなく、治療計画通りの線量付与を行うことができる。また、許可領域Ａ_Ｐ内のワブラー走査は、走査電磁石２１の操作量の範囲内で実行できるので、余分な装置を追加したり、一般的なスキャニング照射用の走査電磁石の仕様を変更したりする必要もない。あるいは、粒子線の軌道を照射領域外に曲げたりすることがないので、漏れ線量が、照射領域外の周辺組織に照射されることもない。

　なお、本発明は、実施の形態１及び２に記載のビーム遮断時にのみ特定されるものではなく、スキャニング照射時にビーム遮断を行う場合に発生する漏れ線量を希釈走査することで分散させ、希釈するものであり、その他の要因でビームを遮断する場合にも適用できることは、言うまでもない。その他の要因には、次のような一例が挙げられる。加速器からのビーム強度変動やビーム位置変動などの装置異常や、患者の状態急変により安全インターロックが動作しビーム遮断を行う場合、また同一スライス内においても治療計画に基づき、一旦ビームを遮断する場合などがある。

　つまり、本実施の形態１あるいは２にかかる粒子線治療装置によれば、荷電粒子ビーム（粒子線）Ｂを加速して出射する加速器１と、走査方向が異なる２つの電磁石２１ａ、２１ｂを有し、加速器１から出射された粒子線Ｂを所定方向に向けて照射する照射ノズルとして機能する走査電磁石２１と、照射対象ＴＣを深さ方向に分割した複数のスライスＳＳの各スライス、または照射対象ＴＣの面方向（の形状）Ａ_ＳＳ内に設定された複数のスポットＳＰのそれぞれに対し、位置決めしながら所定線量の粒子線Ｂを順次照射するように、照射ノズル２１の動作を制御する照射制御部４２（を備える制御部４）と、加速器１からの粒子線の出射をＯＦＦする制御部４、を備え、照射制御部４２は、粒子線Ｂの出射がＯＮからＯＦＦに切り替えられた時点Ｔ_Ｆからの所定期間ＰＷ、もしくは粒子線Ｂが遮断されるまでの間、照射ノズル２１を用いて照射対象内の面方向（の形状）Ａ_ＳＳに設定された所定範囲内Ａ_Ｐに向けて漏れ線量ＤＬを希釈するように粒子線Ｂを走査させる、ように構成したので、スキャニング照射中に呼吸同期によるビーム遮断が生じても、ビーム遮断中の漏れ線量ＤＬが照射対象Ａ_ＳＳ内の所定面積を有する許可領域Ａ_Ｐ内に拡散されるので、特定のスポットＳＰに余分な線量が付与されることなく、治療計画通りの線量付与を行うことができる。また、許可領域Ａ_Ｐ内のワブラー走査は、走査電磁石２１の操作量の範囲内で実行できるので、余分な装置を追加したり、一般的なスキャニング照射用の走査電磁石の仕様を変更したりする必要もない。あるいは、粒子線の軌道を照射領域外に曲げたりすることがないので、漏れ線量が、照射領域外の周辺組織に照射されることもない。

実施の形態３．
　上記実施の形態１にかかる粒子線治療装置においては、呼吸同期照射時のビーム停止時のいわゆる漏れ線量を所定範囲内で走査することで、漏れ線量を希釈させて影響を低減したものである。一方、本実施の形態３にかかる粒子線治療装置においては、線量モニタを備え、ビーム停止時にも線量モニタによる線量カウントを停止せずに継続し、スポットごとにカウントした線量が所定値に達しているか否かで次のスポットに移るようにした。つまり、荷電粒子ビームが遮断された否か、あるいはスポットへの照射時間ではなく、指定されたスポットに照射された線量測定値に基づいてスキャニング照射を進めるようにしたものである。

　図５と図６は本発明の実施の形態３にかかる粒子線治療装置の構成および動作について説明するためのもので、図５は粒子線治療装置の照射装置の構成を示す図、図６は粒子線治療装置における照射方法を説明するためのフロー図である。本実施の形態２にかかる粒子線治療装置では、ハードウェアとしては、図５に示すように照射装置２０２にビーム線量を計測する線量モニタ２４を備えるようにしたこと以外は実施の形態１にかかる粒子線治療装置の照射装置２と同様である。そして、実施の形態１と異なり、ビーム遮断前後で希釈走査に切り替えるなどの特別な動作制御は行わず、図６に示すように、線量モニタ２４で計測した線量を積算した値に基づいて各スポットの照射を制御したことが特徴である。

　図６のフローに基づいて説明する。
　照射を開始すると、最初にスキャンするスライスＳＳ番号を設定（ステップＳ１０、ステップＳ２０）する。つぎに、スライスＳＳに応じた照射範囲Ａ_ＳＳと各スポットＳＰの位置、経路および照射線量、その他の照射条件を設定（ステップＳ３０）する。そして、走査電磁石２１が対象スポットＳＰ毎に対応して偏向角を制御すると、線量計２４からの測定値に基づいて、そのスポットＳＰでの線量を積算し始める（ステップＳ４０～６０）。そして、計測した線量の積算値Ｄが設定値に達していない場合（ステップＳ７０で「Ｎ」）、そのスポットＳＰに偏向角を制御した状態を維持する。一方、計測した線量の積算値Ｄが設定値以上になると（ステップＳ７０で「Ｙ」）、そのスポットＳＳが最終スポットでなければ（ステップＳ８０で「Ｎ」）、次のスポットＳＰへ移行（ステップＳ４０）する。そのスポットＳＰが最終スポットであれば（ステップＳ８０で「Ｙ」）、最終スライスか否かを判断し、最終スライスＳＳでなければ（ステップＳ９０で「Ｎ」）、次のスライスＳＳへ移行（ステップＳ２０）して、同様の動作を繰り返す。そして、最終スライスＳＳならば（ステップＳ９０で「Ｙ」）、照射を終了する。

　これら、フローでは、ゲート信号でビームの遮断動作が発生しても、とくに走査電磁石の動作が変更されることはなく、そのとき設定されている偏向角で規定されるスポットＳＰに対して、供給された荷電粒子ビームＢの線量の実測値の積算値のみに基づいて制御が行われる。仮に５秒周期の呼吸により臓器が３０ｍｍ動くとした場合、１ミリ秒で臓器が移動する距離は６μｍであり、ビームの遮断に仮に１ミリ秒かかったとしても臓器の移動に伴う線量の不均一性としては影響が少ない。これにより、ビーム遮断時に漏れ線量が生じたり、ビーム再開時に線量が不安定になったりしても、各スポットに付与される線量が治療計画で定められた設定値通りになるように照射することができる。なお、ビームが遮断されるまでの時間が所定より長い場合にはインターロックを働かせて照射を停止するなどの安全対策を講じてもよい。

　１　加速器、　２　照射装置、　３　輸送系、　４　制御部、　５　前段加速器、　６　治療室、　７　呼吸同期装置、　２１　走査電磁石（２１ａ：ｘ方向（上流）走査電磁石、２１ｂ：ｙ方向（下流）走査電磁石）、　２２　リッジフィルタ、　２３　レンジシフタ、　２４　線量モニタ、　４２　照射装置用サブ制御器（照射制御部）、　４７　呼吸同期装置用サブ制御器（呼吸同期制御部）、　ＡＤＳ　既照射範囲、　Ａ_Ｐ　希釈走査許可領域、　Ａ_ＳＳ　スライス内の照射範囲（照射対象内の面方向）、　ＡＵＳ　未照射範囲、　Ｂ　荷電粒子ビーム（粒子線）、　ＤＬ　漏れ線量、　Ｋ　患者、　ＰＬ　漏れ照射期間、　ＰＷ　希釈走査期間、　ＳＰ　スポット、　ＳＳ　スライス、　ＴＣ　患部（照射対象）、　Ｔ_Ｆ　ビーム切り替え時点（遮断時）、　Ｔ_Ｆ　ビーム切り替え時点（再開時）、　ＷＰＳ　走査経路、　Ｘ_Ｂ　粒子ビームのビーム軸
　百位の数字は実施形態による変形例を示す。

Claims

　粒子線を加速して出射する加速器と、
　走査方向が異なる２つの電磁石を有し、前記加速器から出射された粒子線を所定方向に向けて照射する照射ノズルと、
　照射対象内の面方向に設定された複数のスポットのそれぞれに対し、所定線量の粒子線を順次照射するように、前記照射ノズルの動作を制御する照射制御部と、
　前記加速器からの粒子線の出射をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御部と、を備え、
　前記照射制御部は、
　前記粒子線の出射がＯＮからＯＦＦに切り替えられた時点からの所定期間、もしくは粒子線が遮断されるまでの間、前記照射ノズルを用いて前記照射対象内の面方向に設定された所定範囲内に向けて線量を希釈するように前記粒子線を走査させる、
　ことを特徴とする粒子線治療装置。
　前記制御部は、患者の呼吸位相に同期して、前記加速器からの粒子線の出射をＯＮ／ＯＦＦ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装置。
　前記複数のスポットは、前記照射対象を深さ方向に分割した複数のスライスに対して、それぞれ面方向に設定され、
　前記制御部は、前記複数のスライスのそれぞれの最終スポットへの照射が終了すると、前記加速器からの粒子線の出射をＯＦＦするように制御する、
　ことを特徴とする請求項１または２に記載の粒子線治療装置。
　前記所定範囲は、前記照射対象内の面方向の所定幅内に設定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の粒子線治療装置。
　前記所定範囲は、前記照射対象の前記呼吸位相に伴う変位に基づいて設定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の粒子線治療装置。
　前記所定範囲は、照射対象となっていたスポットの位置に応じて設定されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の粒子線治療装置。
　前記所定期間は、前記加速器がＯＮからＯＦＦに切り替えられた時点から前記粒子線の出射を停止するまでにかかる時間に基づいて定められることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の粒子線治療装置。