WO2016088155A1 - 粒子線ビーム調整装置及び方法、粒子線治療装置 - Google Patents

粒子線ビーム調整装置及び方法、粒子線治療装置 Download PDF

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真治 花田
井関　康
諭 木村
勝詞 塙
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株式会社 東芝
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Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a particle beam beam adjustment apparatus and method for adjusting the trajectory of a particle beam such as carbon or proton with respect to an irradiation target, and a particle beam therapy apparatus using the particle beam beam adjustment apparatus.
  • a particle beam therapy system is used to irradiate an affected part of a cancer patient with a particle beam (hereinafter, also simply referred to as a beam) of carbon or protons.
  • a particle beam hereinafter, also simply referred to as a beam
  • Currently used particle beam irradiation methods include an expanded beam method that expands the diameter of the beam beyond the size of the affected area of a cancer patient. Strictly speaking, this expanded beam method cannot accurately match the shape of the affected part three-dimensionally, so there is a limit to reducing the influence on normal cells around the affected part.
  • a scanning irradiation method is being operated in which the affected part of a patient is virtually cut into a three-dimensional lattice to perform irradiation.
  • this scanning irradiation method for example, there is a three-dimensional irradiation method called a spot scanning irradiation method.
  • this spot scanning irradiation method each spot (point) is irradiated as follows.
  • the scanning control device When a predetermined dose is irradiated to a certain spot in the affected area, the scanning control device obtains a dose expiration signal from the dose monitor and outputs a spot switching command signal. Based on this spot switching command signal, the beam extraction control device stops beam extraction.
  • the electromagnet power source for supplying the excitation current to the irradiation field forming electromagnet that scans the beam starts setting the current value corresponding to the coordinates of the next irradiation spot.
  • the scanning control device acquires a completion signal for setting the current value of the electromagnet power source, it outputs a beam start command signal to the beam extraction control device, and irradiation is started on the next spot. This is sequentially repeated to irradiate the treatment site with respect to one irradiation slice.
  • the beam emission is temporarily stopped, the energy of the beam emitted from the accelerator is changed, or the range adjustment device called a range shifter is controlled to control the beam traveling direction. Change the beam stop trajectory (slice). By sequentially performing scanning irradiation and slice switching in this way, beam irradiation over the entire treatment site is performed.
  • a position monitor is provided at the irradiation port in order to confirm that the beam is irradiated at the correct position.
  • an abnormality occurs in the current setting of the electromagnet power source that causes the excitation current to flow through the irradiation field forming electromagnet, or a beam trajectory shifts from the upstream accelerator to the downstream scanning irradiation device in the beam transport direction, it is predetermined.
  • the irradiation trajectory is different from the trajectory measured by the position monitor.
  • an interlock signal (emergency stop signal) is output from the position monitor control device provided in the scanning control device, and the treatment irradiation is interrupted.
  • the set value of the operating device for operating the beam is corrected every morning while checking the beam trajectory for each set energy of the irradiation beam, and the treatment of the day The beam quality to be used is confirmed.
  • a pair of screen monitors on which a fluorescent film is formed on the beam trajectory are arranged at a predetermined distance.
  • the beam trajectory can be corrected by adjusting the current value of the correction electromagnet based on the beam trajectory deviation calculated from the output values of these screen monitors (deviation from the ideal center trajectory without beam trajectory deviation).
  • the setting values of the operating device for operating the beam are the same, for example, the amount of deviation of the beam trajectory in the morning and the amount of deviation of the beam trajectory in the afternoon are not always the same due to a temperature change or the like. Absent. For this reason, if irradiation of the beam position is detected by the position monitor at the start of irradiation or during irradiation, treatment irradiation may not be completed.
  • Patent Document 1 includes a first beam position monitor that detects a beam passing position upstream of the irradiation nozzle and a second beam position monitor that detects a beam passing position downstream of the irradiation nozzle. It is a thing.
  • a pair of screen monitors are arranged outside the treatment room, and the beam trajectory is corrected in a trajectory that is far from the trajectory with respect to the patient.
  • the distance between the downstream screen monitor and the patient becomes larger than the distance of the screen monitor, and the obtained beam trajectory accuracy is limited.
  • the treatment irradiation will be interrupted by detecting the deviation with the position monitor.
  • the position monitor detects a beam misalignment during treatment irradiation, the beam trajectory can be corrected without retracting the patient from the irradiation position when treatment is interrupted.
  • a beam block large enough to close the beam inlet is installed.
  • a pair of the screen monitors are arranged on the upstream side of the beam block in the beam transport direction.
  • the screen monitor cannot accurately confirm the deviation of the beam axis unless it is arranged at a predetermined distance.
  • the pair of screen monitors When a pair of screen monitors are arranged upstream in the beam transport direction of the large beam block as described above, the pair of screen monitors can be arranged at a predetermined distance from the restriction of the overall size of the apparatus. It may disappear. For this reason, it is impossible to accurately confirm the deviation of the beam axis, and there is a problem that the deviation of the beam axis cannot be adjusted with high accuracy.
  • the problem to be solved by the embodiment is to provide a particle beam beam adjustment apparatus and method, and a particle beam therapy apparatus capable of improving the accuracy of the beam trajectory.
  • a particle beam beam adjusting apparatus includes a position monitor that detects a positional deviation of a particle beam transported from a beam transport unit, and a position and an angle of an axis of the particle beam.
  • a correction electromagnet that adjusts the magnetic field based on a signal indicating the position and angle of the axis of the particle beam beam measured by the screen monitor and adjusts the axis of the particle beam beam;
  • a beam scanning electromagnet for irradiating the irradiation target with the particle beam, wherein one of the paired screen monitors is installed outside the treatment room, and the other of the screen monitors is installed in the treatment room.
  • the particle beam beam adjusting apparatus includes a position monitor that detects a positional deviation of the particle beam transported from a beam transport unit, a beam scanning electromagnet that irradiates an irradiation target with the particle beam, and the particle A beam block that stops the particle beam reaching the irradiation target in the treatment room when adjusting the axis of the beam, and the beam block is installed in the treatment room.
  • the particle beam adjustment method includes a beam misalignment detection step of detecting a misalignment of the particle beam beam transported from the beam transport unit, and the position and angle of the particle beam beam axis outside the treatment room.
  • a magnetic field is adjusted based on a measurement process measured by one installed screen monitor and the other screen monitor installed in the treatment room, and an axis position and angle of the particle beam beam measured in the measurement process
  • a beam axis adjusting step for adjusting the axis of the particle beam.
  • a particle beam therapy system includes a beam generation unit that generates a particle beam, a beam emission control device that controls emission of the particle beam, and a beam that transports the particle beam to an irradiation target in a treatment room Measured by the transport unit, a position monitor for detecting the positional deviation of the particle beam transported from the beam transport unit, a pair of screen monitors for measuring the position and angle of the axis of the particle beam, and the screen monitor A correction electromagnet that adjusts a magnetic field based on a signal indicating the position and angle of the axis of the particle beam, and a beam scanning electromagnet that irradiates the irradiation target with the particle beam; And one of the paired screen monitors is installed outside the treatment room, and the other of the screen monitors is installed in the treatment room. And butterflies.
  • the accuracy of the beam trajectory can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing the overall configuration of a particle beam therapy system to which the embodiment is applied.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the irradiation device section and related devices in FIG.
  • the particle beam therapy system includes a beam generation unit 10, a beam emission control unit 20, a beam transport unit 30, an irradiation device unit 40 having main components of the present embodiment, and a treatment.
  • a chamber 50 is provided.
  • the beam generator 10 includes an ion source (not shown), a beam incident system 11, and a circular accelerator 12.
  • the irradiation device section 40 includes a horizontal correction electromagnet 51, a horizontal correction electromagnet power supply 51a, a vertical correction electromagnet 52, a vertical correction electromagnet power supply 52a, a screen monitor 61, a power supply / monitor control apparatus 60, Horizontal irradiation field forming electromagnet 71 as a beam scanning electromagnet, horizontal irradiation field forming electromagnet power supply 71a, vertical irradiation field forming electromagnet 72 as a beam scanning electromagnet, vertical irradiation field forming electromagnet power supply 72a, scanning irradiation control device 70, An interlock device 95 is provided.
  • the irradiation device unit 40 has an irradiation port 90 installed in the treatment room 50.
  • a vacuum duct 80 is installed in the irradiation port 90.
  • a screen monitor 62 is installed in the vacuum duct 80.
  • a position monitor 91 In the irradiation port 90, a position monitor 91, a beam block 92, a ridge filter 93, and a range shifter 94 are installed.
  • the position monitor 91 is electrically connected to the interlock device 95 via the position monitor control device 91a.
  • the screen monitors 61 and 62 are paired.
  • the screen monitors 61 and 62 are inserted into the beam line only during adjustment of the beam axis, and are retracted from the beam line during treatment irradiation. Therefore, the screen monitors 61 and 62 are configured to be able to advance and retract with respect to the beam line by a drive mechanism (not shown).
  • the screen monitors 61 and 62 are for measuring the beam position during the beam axis adjustment, and by making a pair, the beam trajectory (beam position and beam angle) can be obtained. Signals indicating the beam position and beam angle measured by the screen monitors 61 and 62 are output to the power supply / monitor control device 60.
  • the horizontal correction electromagnet 51 and the vertical correction electromagnet 52 adjust the magnetic field based on the signal indicating the beam position and beam angle measured by the screen monitors 61 and 62, and adjust the beam axis of the affected part of the patient whose irradiation target is the target. This is an electromagnet for adjusting to an irradiation coordinate reference point (hereinafter referred to as isocenter) 96.
  • the horizontal correction electromagnet 51 and the vertical correction electromagnet 52 adjust the current values of the horizontal correction electromagnet power supply 51a and the vertical correction electromagnet power supply 52a individually corresponding to the horizontal and vertical correction electromagnets 52a. Change.
  • the irradiation field forming electromagnet is composed of a pair of a horizontal irradiation field forming electromagnet 71 and a vertical irradiation field forming electromagnet 72, and the horizontal irradiation field forming electromagnet 71 and the vertical irradiation field forming electromagnet 72 are screen monitors 61 and 62. Arranged between.
  • the horizontal irradiation field forming electromagnet 71 and the vertical irradiation field forming electromagnet 72 are electromagnets for two-dimensional scanning of the beam in conformity with the shape of the affected part at the time of treatment irradiation.
  • the position monitor 91 is for detecting a beam position scanned during treatment irradiation and monitoring whether or not there is a significant deviation from a preset position. When a significant deviation is recognized, an interlock signal is output to the interlock device 95 through the position monitor control device 91a.
  • the ridge filter 93 is for adjusting the beam depth direction distribution in accordance with the interval between the irradiation slices.
  • the ridge filter 93 is formed by forming bar-like rods in a substantially triangular shape from a metal such as aluminum and arranging them in a horizontal direction.
  • the range shifter 94 is for changing the beam energy, that is, the depth of the stop position of the beam in the body.
  • the range shifter 94 is made of a material such as acrylic and is composed of a plurality of thickness plates. The beam stop point can be changed by changing the combination of these multiple thickness plates.
  • the beam block 92 is configured so that it can be inserted into and retracted from the beam line by the drive mechanism 97 in the same manner as the screen monitors 61 and 62.
  • the beam block 92 is inserted into the beam line during the adjustment of the beam axis to stop the beam and prevent the beam from reaching the isocenter 96.
  • an interlock signal is output to the interlock device 95, and the interlock device 95 sends an operation signal to the drive mechanism 97. Output.
  • the drive mechanism 97 By operating the drive mechanism 97, the beam block 92 is inserted into the beam line. Further, the beam block 92 is retracted from the beam line by operating the drive mechanism 97 during treatment irradiation.
  • the ion source in the beam generator 10 generates a beam.
  • the beam injection system 11 accelerates the generated beam to an energy level that can be accelerated. This accelerated beam is incident on the circular accelerator 12.
  • the beam incident on the circular accelerator 12 is repeatedly incident on a set number of times set in advance. After this round incidence is completed, the beam is further accelerated to the energy required for cancer treatment.
  • the beam After the acceleration of the beam, the beam is taken out from the exit orbit by the beam extraction control unit 20 and transported to the irradiation device unit 40 by the beam transport unit 30.
  • the irradiation device section 40 irradiates the isocenter 96 as an irradiation target and is used for cancer treatment.
  • the screen monitor 61, 62 is inserted on the beam line by operating a drive mechanism (not shown), and the beam block 92 is inserted on the beam line by operating the drive mechanism 97.
  • the pair of horizontal irradiation field forming electromagnets 71 and vertical irradiation field forming electromagnets 72 has a current pattern for demagnetization from the corresponding horizontal irradiation field forming electromagnet power supply 71a and vertical irradiation field forming electromagnet power supply 72a. Current is supplied to bring the respective magnetic fields to almost zero. In this state, the beam is introduced to the irradiation unit 40, and the beam axis position is detected by the screen monitors 61 and 62, respectively. This will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a pair of screen monitors in the embodiment.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a beam trajectory adjustment method using the screen monitor of FIG.
  • the external shape of the beam reflected on the fluorescent film in each of the screen monitors 61 and 62 is observed with a CCD camera (not shown), and the image is analyzed to determine the amount of deviation X 1 between the beam center and the monitor center. to calculate the X 2.
  • the power correction / monitor control device 60 uses the deviation correction amounts X 1 , X 2 of the horizontal correction electromagnet power supply 51 a and the vertical correction electromagnet power supply 52 a.
  • the current correction amount is obtained, and the corrected current value signal is output to the horizontal correction electromagnet power supply 51a and the vertical correction electromagnet power supply 52a.
  • the threshold value is an amount of deviation of the beam axis allowed for performing the treatment.
  • the horizontal correction electromagnet 51 and the vertical correction electromagnet 52 can adjust the beam axis to the isocenter 96 by changing the magnetic field.
  • the screen monitor 62 on the downstream side with respect to the beam transport direction is disposed in the treatment room 50, so that a sufficient distance can be obtained between the two screen monitors 61 and 62. . Further, the downstream screen monitor 62 can be brought close to the isocenter 96.
  • the distance between the two screen monitors 61 and 62 can be sufficiently set, the deviation of the beam axis can be confirmed accurately, and the accuracy of the beam trajectory is improved. be able to.
  • downstream screen monitor 62 can be brought closer to the isocenter 96, the accuracy of the beam trajectory with respect to the isocenter 96 can be further improved.
  • the vacuum region can be brought as close as possible to the vicinity of the isocenter 96, and the beam is not transported over a long distance in the atmosphere. Scattering can be suppressed. Thereby, an affected part can be irradiated with a thin beam at the time of treatment irradiation.
  • a beam block 92 is installed in the irradiation port 90 in order to suppress beam leakage toward the affected part downstream in the beam transport direction.
  • the beam block 92 is inserted on the beam line to shield the beam (retracted from the beam trajectory during normal treatment).
  • the beam block 92 is designed to have an optimum thickness that shields the beam irradiated when adjusting the beam trajectory and does not affect the affected part on the downstream side with respect to the beam transport direction. For this reason, even if the position monitor 91 detects a beam misalignment during treatment irradiation, the beam trajectory can be corrected by the following procedure without retracting the patient from the irradiation position when the treatment is interrupted. .
  • FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for correcting the beam trajectory in the embodiment.
  • the patient is positioned.
  • step S1 beam irradiation is started (step S2).
  • step S2 the beam is irradiated until the position monitor 91 detects a beam position shift.
  • step S3 the process proceeds to step S3, and the interlock device 95 is operated. Then, the interlock device 95 outputs an interlock signal and interrupts beam irradiation (step S4).
  • the screen monitor 61, 62 is inserted on the beam line by operating a drive mechanism (not shown), and the beam block 92 is inserted on the beam line by operating the drive mechanism 97 (step S5).
  • the beam axis is adjusted in step S6.
  • the beam is introduced to the irradiation unit 40 in the above-described state, and the beam axis position is detected by the respective screen monitors 61 and 62.
  • a signal indicating the amount of beam deviation detected by the screen monitors 61 and 62 is output to the power supply / monitor control device 60.
  • the power supply / monitor control device 60 obtains the current correction amounts of the horizontal correction electromagnet power supply 51a and the vertical correction electromagnet power supply 52a, and uses the corrected current value signals as the horizontal correction electromagnet power supply 51a and the vertical correction electromagnet power supply 52a. Output to and set. Thereby, the horizontal correction electromagnet 51 and the vertical correction electromagnet 52 adjust the beam axis by changing the magnetic field.
  • step S7 when the adjustment of the beam axis is completed (step S7: Yes), the process proceeds to step S8.
  • step S8 the drive mechanism (not shown) is operated again to retract the screen monitors 61 and 62 from the beam line, and the drive mechanism 97 is operated to retract the beam block 92 from the beam line to correct the beam trajectory. End and resume beam irradiation.
  • a residual magnetic field may remain in the horizontal irradiation field forming electromagnet 71 and the vertical irradiation field forming electromagnet 72. Therefore, it is suitable to insert a step of demagnetizing the horizontal irradiation field forming electromagnet 71 and the vertical irradiation field forming electromagnet 72 between the steps S5 and S6.
  • a current pattern defined for demagnetization can be flowed from the horizontal irradiation field forming electromagnet power supply 71a and the vertical irradiation field forming electromagnet power supply 72a.
  • the beam can be shielded by the beam block 92 to avoid exposure of the patient, so that the patient does not have to get off the treatment table. Therefore, irradiation of the beam for cancer treatment can be resumed in a short time, and the burden on the patient can be greatly reduced.
  • the beam block 92 is arranged on the downstream side of the position monitor 91 so that the beam can be monitored by the position monitor 91 even when the beam is shielded. Can be confirmed (cross-check) by both the position monitor 91 and the downstream screen monitor 62. For this reason, the reliability of a beam position can be improved.
  • the range shifter 94 is disposed on the downstream side of the beam block 92, and the range shifter 94 is fully inserted when the beam is blocked, thereby further improving the beam blocking effect.
  • the screen monitor 62 disposed in the treatment room 50 is stored in the vacuum duct 80, and it is possible to secure a vacuum just upstream of the position monitor 91.
  • the influence of scattering can be reduced, and the beam quality can be ensured.
  • the adjustment accuracy of the beam trajectory, the operability until resumption after the beam interruption, and the quality of the treatment beam. can be improved.
  • the beam block 92 when the position monitor 91 detects a beam misalignment during treatment irradiation, the beam block 92 is used to correct the beam trajectory without retracting the patient from the irradiation position when the treatment is interrupted. The beam block 92 is not required if the patient is withdrawn from the irradiation position.
  • SYMBOLS 10 ... Beam generation part, 11 ... Beam injection system, 12 ... Circular accelerator, 20 ... Beam extraction control part, 30 ... Beam transport part, 40 ... Irradiation apparatus part, 50 ... Treatment room, 51 ... Horizontal correction electromagnet, 51a ... Horizontal correction electromagnet power supply, 52 ... Vertical correction electromagnet, 52a ... Vertical correction electromagnet power supply, 60 ... Power supply / monitor control device, 61 ... Screen monitor, 62 ... Screen monitor, 70 ... Scanning irradiation control device, 71 ... Horizontal use Irradiation field forming electromagnet (beam scanning electromagnet), 71a ...
  • Horizontal irradiation field forming electromagnet power supply 72 ... Vertical irradiation field forming electromagnet (beam scanning electromagnet), 72a ... Vertical irradiation field forming electromagnet power supply, 80 ... Vacuum duct, 90 ... Irradiation port, 91 ... Position monitor, 91a ... Position monitor controller, 92 ... Beam block, 93 ... Ridge filter, 94 ... Range shift , 95 ... interlocking device, 96 ... isocenter (irradiation target), 97 ... drive mechanism

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Abstract

　実施形態によれば、粒子線ビーム調整装置は、ビーム輸送部から輸送された粒子線ビームの位置ずれを検出する位置モニタ（９１）と、粒子線ビームの軸の位置及び角度を測定する対をなすスクリーンモニタ（６１，６２）と、スクリーンモニタ（６１，６２）により測定された粒子線ビームの軸の位置及び角度を示す信号に基づいて磁場を調整して粒子線ビームの軸を調整する補正電磁石（５１，５２）と、粒子線ビームを照射対象に照射するビーム走査電磁石（７１，７２）と、を備え、スクリーンモニタ（６１）を治療室（５０）外に設置し、かつスクリーンモニタ（６２）を治療室（５０）内に設置した。

Description

粒子線ビーム調整装置及び方法、粒子線治療装置
　本発明の実施形態は、照射対象に対して炭素又は陽子等の粒子線ビームの軌道を調整する粒子線ビーム調整装置及び方法、この粒子線ビーム調整装置を用いた粒子線治療装置に関する。
　一般に、粒子線治療装置は、炭素又は陽子等の粒子線ビーム（以下、単にビームともいう。）をがん患者の患部に照射するために利用されている。現在使用されている粒子線照射方法には、ビームの径をがん患者の患部サイズ以上に拡大する拡大ビーム法がある。この拡大ビーム法は、厳密には３次元的に患部形状に正確に合致させることができないので、患部の周囲の正常細胞への影響を小さくするには限界がある。
　そこで、粒子線治療のさらに進んだ照射方法として、患者の体内患部を３次元格子状に仮想的に切り分けて照射を行うスキャニング照射法の運用が進められている。このスキャニング照射法には、例えばスポットスキャニング照射法と呼ばれる３次元照射法がある。このスポットスキャニング照射法は、次のようにして各スポット（点）の照射を行っている。
　患部における、あるスポットに対して予め決められた線量を照射すると、スキャニング制御装置は、線量モニタから線量満了信号を得てスポット切替指令信号を出力する。このスポット切替指令信号に基づいてビーム出射制御装置は、ビームの出射を停止する。
　同時に、ビームを走査する照射野形成電磁石に励磁電流を流すための電磁石電源は、次の照射スポットの座標に対応した電流値の設定を開始する。上記スキャニング制御装置は、上記電磁石電源の電流値の設定の完了信号を取得すると、上記ビーム出射制御装置に対してビーム開始命令信号を出力し、次のスポットに対して照射が開始される。これを順次繰り返して、１つの照射スライスに対する治療部位の照射を行う。
　そして、１つの照射スライスに対する照射が終了すると、ビームの出射を一旦停止し、加速器から出射するビームのエネルギーを変更するか、あるいはレンジシフタと呼ばれる飛程調整装置を制御することにより、ビーム進行方向のビーム停止軌道（スライス）を変更する。このようにスキャニング照射とスライス切替を順次行っていくことで、治療部位全域にわたるビーム照射を行う。
　ところで、上記スキャニング照射法において、正しい位置にビームが照射されていることを確認するため、照射ポートには位置モニタが配備されている。万一、上記照射野形成電磁石に励磁電流を流す電磁石電源の電流設定異常や、ビーム輸送方向において上流側の加速器から下流側のスキャニング照射装置までのビーム軌道ずれ等が発生すると、予め決められた照射軌道と、上記位置モニタで測定された軌道とが相違することになる。この場合には、上記スキャニング制御装置内に設けられた位置モニタ制御装置からインターロック信号（非常停止信号）が出力され、治療照射は中断される。
　ビームの軌道ずれが生じる要因としては、例えば加速器から治療室にビームを輸送する経路の電磁石の磁場変化がある。このような磁場変化が生じると、ビームが正しい軌道で輸送されてこなくなり、結果的に治療ビームとしての品質を確保することができないという不具合がある。
　スキャニング照射法を用いる粒子線治療装置の運用としては、毎朝、照射ビームの設定エネルギー毎に、ビームの軌道を確認しながらビームを操作するための操作装置の設定値を補正し、その日の治療に使用するビーム品質の確認を行っている。
　具体的には、ビーム軌道上において蛍光膜を形成したスクリーンモニタを、所定の距離を離して一対配置している。これらのスクリーンモニタの出力値から算出したビーム軌道のずれ量（ビーム軌道ずれのない理想的な中心軌道からのずれ量）に基づいて補正電磁石の電流値を調整することで、ビーム軌道の補正を実施している。
　また、ビームを操作するための操作装置の設定値が同じであったとしても、例えば午前中のビーム軌道のずれ量と午後におけるビーム軌道のずれ量とが温度変化等により同じであるとは限らない。そのため、照射開始時又は照射中に位置モニタでビーム位置異常を検知すると、治療照射を完了できないことが起こり得る。
　さらに、特許文献１に記載された技術は、照射ノズル上流側のビームの通過位置を検出する第１ビーム位置モニタと、照射ノズル下流側のビームの通過位置を検出する第２ビーム位置モニタを設けたものである。
特開２００３－２８２３００号公報
　ところで、上述したスキャニング照射法を用いた粒子線治療装置では、一対のスクリーンモニタが治療室外に配置されており、患者に対する軌道から距離が離れた軌道でビーム軌道の補正を実施していたため、一対のスクリーンモニタの距離に対して、下流側スクリーンモニタと患者の距離が大きくなってしまい、得られるビーム軌道精度に限界がある。その結果、温度等の環境の変化によってビーム軌道がさらにずれた場合に位置モニタでそのずれを検知して治療照射の中断が起こる可能性が高くなっていた。
　また、治療照射中に位置モニタがビームの位置ずれを検知した場合、治療中断時に患者を照射位置から退避させることなく、ビーム軌道の補正を行うには、まず治療室のビーム導入口に、このビーム導入口を塞ぐような大きさのビームブロックを設置している。
　そして、上記ビームブロックのビーム輸送方向上流側に、上記スクリーンモニタを一対配置している。この場合、上記スクリーンモニタは、所定の距離を離して配置しないと、ビーム軸のずれを正確に確認することができない。
　上記のように大きなビームブロックのビーム輸送方向上流側に一対のスクリーンモニタを配置した場合には、装置全体の大きさの制約から上記一対のスクリーンモニタを所定の距離を離して配置することができなくなる場合がある。そのため、ビーム軸のずれを正確に確認することができなくなり、ビーム軸のずれを高精度に調整することができないという問題がある。
　実施形態が解決しようとする課題は、ビーム軌道の精度を向上させることが可能な粒子線ビーム調整装置及び方法、粒子線治療装置を提供することにある。
　上記目的を達成するために、実施形態に係る粒子線ビーム調整装置は、ビーム輸送部から輸送された粒子線ビームの位置ずれを検出する位置モニタと、前記粒子線ビームの軸の位置及び角度を測定する対をなすスクリーンモニタと、前記スクリーンモニタにより測定された前記粒子線ビームの軸の位置及び角度を示す信号に基づいて磁場を調整して前記粒子線ビームの軸を調整する補正電磁石と、前記粒子線ビームを照射対象に照射するビーム走査電磁石と、を備え、前記対をなすスクリーンモニタの一方を治療室外に設置し、かつ前記スクリーンモニタの他方を前記治療室内に設置したことを特徴とする。
　また、実施形態に係る粒子線ビーム調整装置は、ビーム輸送部から輸送された粒子線ビームの位置ずれを検出する位置モニタと、前記粒子線ビームを照射対象に照射するビーム走査電磁石と、前記粒子線ビームの軸の調整時に、治療室内の照射対象に達する前記粒子線ビームを停止させるビームブロックと、を備え、前記ビームブロックは、前記治療室内に設置されていることを特徴とする。
　実施形態に係る粒子線ビーム調整方法は、ビーム輸送部から輸送された粒子線ビームの軸のずれを検出するビーム位置ずれ検出工程と、前記粒子線ビームの軸の位置及び角度を、治療室外に設置された一方のスクリーンモニタと前記治療室内に設置された他方のスクリーンモニタとで測定する測定工程と、前記測定工程で測定された前記粒子線ビームの軸の位置及び角度に基づいて磁場を調整して前記粒子線ビームの軸を調整するビーム軸調整工程と、を有することを特徴とする。
　実施形態に係る粒子線治療装置は、粒子線ビームを生成するビーム生成部と、前記粒子線ビームの出射を制御するビーム出射制御装置と、前記粒子線ビームを治療室の照射対象まで輸送するビーム輸送部と、前記ビーム輸送部から輸送された粒子線ビームの位置ずれを検出する位置モニタと、前記粒子線ビームの軸の位置及び角度を測定する対をなすスクリーンモニタと、前記スクリーンモニタにより測定された前記粒子線ビームの軸の位置及び角度を示す信号に基づいて磁場を調整して前記粒子線ビームの軸を調整する補正電磁石と、前記粒子線ビームを照射対象に照射するビーム走査電磁石と、を備え、前記対をなすスクリーンモニタの一方を前記治療室外に設置し、かつ前記スクリーンモニタの他方を前記治療室内に設置したことを特徴とする。
　実施形態によれば、ビーム軌道の精度を向上させることができる。
実施形態を適用した粒子線治療装置の全体構成を示す概略平面図である。 図１の照射装置部及びその関連装置の構成を示すブロック図である。 実施形態において一対のスクリーンモニタを示す説明図である。 図３のスクリーンモニタを用いてビーム軌道調整方法を示す説明図である。 実施形態においてビーム軌道を補正するための手順を示すフローチャートである。
　以下に、実施形態に係る加速器のビーム調整装置、このビーム調整装置を用いた粒子線治療装置について、図面を参照して説明する。
　図１は実施形態を適用した粒子線治療装置の全体構成を示す概略平面図である。図２は図１の照射装置部及びその関連装置の構成を示すブロック図である。
　図１に示すように、本実施形態の粒子線治療装置は、ビーム生成部１０、ビーム出射制御部２０、ビーム輸送部３０、本実施形態の主要な構成機器を有する照射装置部４０、及び治療室５０を備えている。ビーム生成部１０は、図示しないイオン源、ビーム入射系１１及び円形加速器１２を有する。
　図２に示すように、照射装置部４０は、水平用補正電磁石５１、水平用補正電磁石電源５１ａ、垂直用補正電磁石５２、垂直用補正電磁石電源５２ａ、スクリーンモニタ６１、電源・モニタ制御装置６０、ビーム走査電磁石としての水平用照射野形成電磁石７１、水平用照射野形成電磁石電源７１ａ、ビーム走査電磁石としての垂直用照射野形成電磁石７２、垂直用照射野形成電磁石電源７２ａ、スキャニング照射制御装置７０、インターロック装置９５を備えている。
　照射装置部４０は、治療室５０内に設置された照射ポート９０を有している。照射ポート９０内には、真空ダクト８０が設置されている。この真空ダクト８０内には、スクリーンモニタ６２が設置されている。
　また、照射ポート９０内には、位置モニタ９１、ビームブロック９２、リッジフィルタ９３、及びレンジシフタ９４が設置されている。位置モニタ９１は、位置モニタ制御装置９１ａを介してインターロック装置９５と電気的に接続されている。
　スクリーンモニタ６１，６２は、対をなしている。スクリーンモニタ６１，６２は、ビーム軸の調整中にのみビームライン内に挿入され、治療照射時はビームライン内から退避する。したがって、スクリーンモニタ６１，６２は、ビームライン内に対して図示しない駆動機構により進退可能に構成されている。
　スクリーンモニタ６１，６２は、ビーム軸調整中にビーム位置を測定するためのものであり、一対とすることでビーム軌道（ビーム位置及びビーム角度）を求めることができる。スクリーンモニタ６１，６２により測定されたビーム位置及びビーム角度を示す信号は、電源・モニタ制御装置６０に出力される。
　水平用補正電磁石５１及び垂直用補正電磁石５２は、スクリーンモニタ６１，６２により測定されたビーム位置及びビーム角度を示す信号に基づいて、磁場を調整してビーム軸を照射対象としての患者の患部の照射座標基準点（以下、アイソセンターという。）９６に合わせるための電磁石である。水平用補正電磁石５１及び垂直用補正電磁石５２は、水平用及び垂直用のそれぞれに対して個別に対応する水平用補正電磁石電源５１ａ及び垂直用補正電磁石電源５２ａの電流値を調整することで磁場を変化させる。
　照射野形成電磁石は、水平用照射野形成電磁石７１及び垂直用照射野形成電磁石７２の一対で構成され、これら水平用照射野形成電磁石７１及び垂直用照射野形成電磁石７２は、スクリーンモニタ６１，６２間に配置されている。水平用照射野形成電磁石７１及び垂直用照射野形成電磁石７２は、治療照射時に患部形状に合致させてビームを二次元に走査するための電磁石である。水平用照射野形成電磁石７１及び垂直用照射野形成電磁石７２には、それぞれ対応する水平用照射野形成電磁石電源７１ａ、垂直用照射野形成電磁石電源７２ａから電流が供給される。
　位置モニタ９１は、治療照射中に走査されたビーム位置を検出し、予め設定された位置から有意なずれがあったか否かを監視するためのものである。有意なずれが認められた場合は、位置モニタ制御装置９１ａを通してインターロック装置９５にインターロック信号を出力する。
　リッジフィルタ９３は、ビームの深さ方向分布を照射スライスの間隔に合わせて調整するためのものである。リッジフィルタ９３は、アルミニウム等の金属からバー状の棒をほぼ三角形状に形成し、横方向に並べられたものが使用される。
　レンジシフタ９４は、ビームエネルギー、すなわちビームの体内停止位置の深さを変化させるためのものである。レンジシフタ９４は、アクリル等の材質にて作製され、複数の厚さの板から構成される。これら複数の厚さの板の組み合わせを変えることで、ビーム停止点を変化させることができる。
　ビームブロック９２は、スクリーンモニタ６１，６２と同様にビームライン内に対して駆動機構９７により挿入・退避可能に構成されている。ビームブロック９２は、ビーム軸の調整中にビームライン内に挿入することで、ビームを停止させ、アイソセンター９６までビームが到達しないようにする。ここで、位置モニタ９１によりビーム位置を検出し、有意なずれが認められた場合には、インターロック装置９５にインターロック信号が出力され、このインターロック装置９５は、駆動機構９７に作動信号を出力する。この駆動機構９７が作動することで、ビームブロック９２は、ビームライン内に挿入される。また、ビームブロック９２は、治療照射時に駆動機構９７が作動してビームライン内から退避する。
　次に、本実施形態の加速器の動作について説明する。
　まず、ビーム生成部１０における上記イオン源は、ビームを生成する。ビーム入射系１１は、生成されたビームを加速可能なエネルギーレベルまで加速する。この加速されたビームは、円形加速器１２に入射する。
　次いで、円形加速器１２に入射したビームは、予め設定された設定回数繰り返して周回入射される。この周回入射が終了した後にビームをがん治療に必要なエネルギーまでさらに加速する。
　そして、ビームの加速終了後、そのビームはビーム出射制御部２０により出射軌道から取り出され、ビーム輸送部３０により照射装置部４０に輸送される。この照射装置部４０により照射対象であるアイソセンター９６に照射されてがん治療に用いられる。
　次に、本実施形態のビーム軸調整の動作について説明する。
　図示しない駆動機構を作動させてビームライン上にスクリーンモニタ６１，６２を挿入するとともに、駆動機構９７を作動させてビームライン上にビームブロック９２を挿入する。また、一対の水平用照射野形成電磁石７１及び垂直用照射野形成電磁石７２には、それぞれ対応する水平用照射野形成電磁石電源７１ａ、垂直用照射野形成電磁石電源７２ａから消磁のための電流パターンにて電流が供給されて、それぞれの磁場をほぼゼロにする。この状態でビームを照射装置部４０まで導入し、それぞれのスクリーンモニタ６１，６２でビーム軸位置を検出する。これを図３及び図４に基づいて説明する。
　図３は実施形態において一対のスクリーンモニタを示す説明図である。図４は図３のスクリーンモニタを用いてビーム軌道調整方法を示す説明図である。
　図３に示すように、それぞれのスクリーンモニタ６１，６２内の蛍光膜に映ったビーム外形を図示しないＣＣＤカメラで観測し、その画像を解析してビーム中心とモニタ中心とのずれ量Ｘ１，Ｘ２を算出する。
　これらのずれ量Ｘ１，Ｘ２が予め設定された閾値を超えた場合、ずれ量Ｘ１，Ｘ２から電源・モニタ制御装置６０にて水平用補正電磁石電源５１ａ及び垂直用補正電磁石電源５２ａの電流補正量を求め、その補正された電流値信号を水平用補正電磁石電源５１ａ及び垂直用補正電磁石電源５２ａに出力する。ここで、上記閾値とは、治療を行うために許容されるビーム軸のずれ量である。
　これにより、水平用補正電磁石５１及び垂直用補正電磁石５２は、磁場を変化させることで、ビーム軸をアイソセンター９６に合わせることができる。
　ところで、上記ＣＣＤカメラの分解能、ビームライン上に設置されたスクリーンモニタ６１，６２のアライメントエラー（設置位置のずれ）が存在する以上、スクリーンモニタ６１，６２で観測しながらビーム軌道を調整する精度には限界がある。
　そのため、本実施形態のように、スクリーンモニタ６２を患部に近づけることは、粒子線治療装置の性能ともいえるビーム軌道の精度を向上させることに繋がる。具体的には、本実施形態では、ビーム輸送方向に対して下流側のスクリーンモニタ６２を治療室５０内に配置することで、２つのスクリーンモニタ６１，６２間の距離を十分にとることができる。また、下流側のスクリーンモニタ６２をアイソセンター９６に接近させることができる。
　このように本実施形態では、２つのスクリーンモニタ６１，６２間の距離を十分にとることができるため、ビーム軸のずれを正確に確認することができ、延いてはビーム軌道の精度を向上させることができる。
　また、下流側のスクリーンモニタ６２をアイソセンター９６に接近させることができるため、アイソセンター９６に対するビーム軌道の精度を一段と向上させることができる。
　さらに、これらスクリーンモニタ６１，６２を真空ダクト８０内に収納することで、真空領域を極力アイソセンター９６付近まで近づけることができ、大気中をビームが長距離にわたって輸送されることがなくなり、ビームの散乱を抑制することができる。これにより、治療照射時に細いビームで患部を照射することができる。
　そして、ビーム軸の調整時は、ビーム輸送方向に対して下流の患部側へのビーム漏洩を抑えるため、照射ポート９０内にビームブロック９２を設置している。これにより、ビーム軌道の補正を実施する際には、ビームブロック９２がビームライン上に挿入され、ビームを遮蔽する（通常の治療時は、ビーム軌道上から退避している）。
　ビームブロック９２は、ビーム軌道の調整時に照射するビームを遮蔽し、ビーム輸送方向に対して下流側の患部に被爆の影響を及ぼさない最適な厚さに設計されている。このため、万一、治療照射中に位置モニタ９１がビームの位置ずれを検知した場合でも、治療中断時に患者を照射位置から退避させることなく、以下の手順でビーム軌道の補正を行うことができる。
　図５は実施形態においてビーム軌道を補正するための手順を示すフローチャートである。
　なお、予め患者を治療室５０内に設置された治療台に載せた後、患者を位置決めしておく。
　まず、ビームの照射を開始する（ステップＳ１）。そして、ステップＳ２で位置モニタ９１によりビームの位置ずれを検知するまでビームを照射する。ビームの位置ずれを検知した場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）には、ステップＳ３に進み、インターロック装置９５を作動させる。すると、インターロック装置９５は、インターロック信号を出力し、ビームの照射を中断する（ステップＳ４）。
　次いで、図示しない駆動機構を作動させてビームライン上にスクリーンモニタ６１，６２を挿入するとともに、駆動機構９７を作動させてビームライン上にビームブロック９２を挿入する（ステップＳ５）。
　さらに、ステップＳ６でビーム軸の調整を行う。ビーム軸の調整処理は、上記のような状態でビームを照射装置部４０まで導入し、それぞれのスクリーンモニタ６１，６２でビーム軸位置を検出する。スクリーンモニタ６１，６２で検出したビームのずれ量を示す信号が電源・モニタ制御装置６０に出力される。この電源・モニタ制御装置６０は、水平用補正電磁石電源５１ａ及び垂直用補正電磁石電源５２ａの電流補正量を求め、その補正された電流値信号を水平用補正電磁石電源５１ａ及び垂直用補正電磁石電源５２ａに出力して設定する。これにより、水平用補正電磁石５１及び垂直用補正電磁石５２は、磁場を変化させてビーム軸の調整を行う。
　そして、ビーム軸の調整が終了した場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）には、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、再度図示しない駆動機構を作動させてビームライン上からスクリーンモニタ６１，６２を退避させるとともに、駆動機構９７を作動させてビームライン上からビームブロック９２を退避させ、ビーム軌道の補正を終了し、ビームの照射を再開する。
　なお、照射途中で照射を停止した場合、水平用照射野形成電磁石７１及び垂直用照射野形成電磁石７２には、残磁場が残っている場合がある。よって、ステップＳ５とステップＳ６の間には、水平用照射野形成電磁石７１及び垂直用照射野形成電磁石７２の消磁を行うステップを挿入するのが適している。この消磁の一例としては、水平用照射野形成電磁石電源７１ａ、垂直用照射野形成電磁石電源７２ａより消磁のために定義された電流パターンを流すことにより行うことができる。
　ところで、一般の粒子線治療装置では、患者の被爆を回避するために一旦、患者が治療台から降りる必要があった。しかし、本実施形態では、ビームブロック９２によりビームを遮蔽し、患者の被曝を回避することができるので、患者は治療台から降りる必要がなくなる。そのため、がん治療のためのビームの照射を短時間で再開することができ、患者の負担を大幅に低減させることができる。
　また、本実施形態では、ビームの遮蔽を実施している際にも位置モニタ９１でビームの監視を行えるように、ビームブロック９２は、位置モニタ９１の下流側に配置しているため、ビーム軌道を位置モニタ９１と下流側のスクリーンモニタ６２の双方で確認（クロスチェック）することができる。このため、ビーム位置の信頼性を高めることができる。
　さらに、本実施形態では、ビームブロック９２の下流側にレンジシフタ９４を配置し、ビームの遮蔽時にレンジシフタ９４を全挿入することで、ビームの遮蔽効果をさらに向上させることができる。
　そして、本実施形態では、治療室５０内に配置したスクリーンモニタ６２は、真空ダクト８０内に格納されており、位置モニタ９１の直上流まで真空を確保することを可能としたため、粒子線ビームの散乱の影響を小さくすることができ、ビームの品質も確保することが可能である。
　このようにスポット照射法において、ビーム自体の性能向上は、そのまま治療効果に現れるため、本実施形態によれば、ビーム軌道の調整精度、ビーム中断後の再開までの操作性、及び治療ビームの品質を向上させることが可能となる。
　（その他の実施形態）
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
　例えば、上記実施形態では、治療照射中に位置モニタ９１がビームの位置ずれを検知した場合、治療中断時に患者を照射位置から退避させることなく、ビーム軌道の補正を行うために、ビームブロック９２をビームラインに挿入するようにしたが、患者を照射位置から退避させれば、ビームブロック９２が不要になる。
　１０…ビーム生成部、１１…ビーム入射系、１２…円形加速器、２０…ビーム出射制御部、３０…ビーム輸送部、４０…照射装置部、５０…治療室、５１…水平用補正電磁石、５１ａ…水平用補正電磁石電源、５２…垂直用補正電磁石、５２ａ…垂直用補正電磁石電源、６０…電源・モニタ制御装置、６１…スクリーンモニタ、６２…スクリーンモニタ、７０…スキャニング照射制御装置、７１…水平用照射野形成電磁石（ビーム走査電磁石）、７１ａ…水平用照射野形成電磁石電源、７２…垂直用照射野形成電磁石（ビーム走査電磁石）、７２ａ…垂直用照射野形成電磁石電源、８０…真空ダクト、９０…照射ポート、９１…位置モニタ、９１ａ…位置モニタ制御装置、９２…ビームブロック、９３…リッジフィルタ、９４…レンジシフタ、９５…インターロック装置、９６…アイソセンター（照射対象）、９７…駆動機構

Claims (12)

  1. 　ビーム輸送部から輸送された粒子線ビームの位置ずれを検出する位置モニタと、
    　前記粒子線ビームの軸の位置及び角度を測定する対をなすスクリーンモニタと、
    　前記スクリーンモニタにより測定された前記粒子線ビームの軸の位置及び角度を示す信号に基づいて磁場を調整して前記粒子線ビームの軸を調整する補正電磁石と、
    　前記粒子線ビームを照射対象に照射するビーム走査電磁石と、を備え、
    　前記対をなすスクリーンモニタの一方を治療室外に設置し、かつ前記スクリーンモニタの他方を前記治療室内に設置したことを特徴とする粒子線ビーム調整装置。
  2. 　前記粒子線ビームの軸の調整時に、前記治療室内の照射対象に達する前記粒子線ビームを停止させるビームブロックを有することを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム調整装置。
  3. 　前記ビームブロックは、前記治療室内に設置した前記スクリーンモニタの前記粒子線ビームの輸送方向下流側に設置されていることを特徴とする請求項２に記載の粒子線ビーム調整装置。
  4. 　前記ビームブロックの前記粒子線ビームの輸送方向下流側に、前記粒子線ビームの停止点を変化させるレンジシフタが設置されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の粒子線ビーム調整装置。
  5. 　前記対をなすスクリーンモニタは、真空ダクト内に収納されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の粒子線ビーム調整装置。
  6. 　前記対をなすスクリーンモニタ及び前記ビームブロックは、前記粒子線ビームが輸送されるビームラインに対して挿入及び退避可能に構成したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の粒子線ビーム調整装置。
  7. 　ビーム輸送部から輸送された粒子線ビームの位置ずれを検出する位置モニタと、
    　前記粒子線ビームを照射対象に照射するビーム走査電磁石と、
    　前記粒子線ビームの軸の調整時に、治療室内の照射対象に達する前記粒子線ビームを停止させるビームブロックを備え、
    　前記ビームブロックは、前記治療室内に設置されていることを特徴とする粒子線ビーム調整装置。
  8. 　前記ビームブロックの前記粒子線ビームの輸送方向上流側に、前記位置モニタが設置されていることを特徴とする請求項７に記載の粒子線ビーム調整装置。
  9. 　前記ビームブロックの前記粒子線ビームの輸送方向下流側に、前記粒子線ビームの停止点を変化させるレンジシフタが設置されていることを特徴とする請求項７に記載の粒子線ビーム調整装置。
  10. 　ビーム輸送部から輸送された粒子線ビームの軸のずれを検出するビーム位置ずれ検出工程と、
    　前記粒子線ビームの軸の位置及び角度を、治療室外に設置された一方のスクリーンモニタと前記治療室内に設置された他方のスクリーンモニタとで測定する測定工程と、
    　前記測定工程で測定された前記粒子線ビームの軸の位置及び角度に基づいて磁場を調整して前記粒子線ビームの軸を調整するビーム軸調整工程と、
    　を有することを特徴とする粒子線ビーム調整方法。
  11. 　前記粒子線ビームを走査するビーム走査電磁石を消磁するビーム走査電磁石消磁工程をさらに有することを特徴とする請求項１０に記載の粒子線ビーム調整方法。
  12. 　粒子線ビームを生成するビーム生成部と、
    　前記粒子線ビームの出射を制御するビーム出射制御装置と、
    　前記粒子線ビームを治療室の照射対象まで輸送するビーム輸送部と、
    　前記ビーム輸送部から輸送された粒子線ビームの位置ずれを検出する位置モニタと、
    　前記粒子線ビームの軸の位置及び角度を測定する対をなすスクリーンモニタと、
    　前記スクリーンモニタにより測定された前記粒子線ビームの軸の位置及び角度を示す信号に基づいて磁場を調整して前記粒子線ビームの軸を調整する補正電磁石と、
    　前記粒子線ビームを照射対象に照射するビーム走査電磁石と、を備え、
    　前記対をなすスクリーンモニタの一方を前記治療室外に設置し、かつ前記スクリーンモニタの他方を前記治療室内に設置したことを特徴とする粒子線照射装置。
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