JP6815231B2 - 荷電粒子線治療装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線治療装置に関する。

従来、患者の患部に荷電粒子線を照射することによって治療を行う荷電粒子線治療装置が知られている。特許文献１には、イオン源において生成された加速器から出射された荷電粒子線を走査用電磁石で走査させた後、患者の患部に照射する荷電粒子線発生装置が記載されている。

特開２００２−１４３３２８号公報

ところで、荷電粒子線が照射される患部は、患者の呼吸に連動してその位置が変化することがある。このため、患部以外の部分への荷電粒子線の照射を抑制するために、呼吸の特定のタイミングのみに荷電粒子線を照射する方法が用いられることがある。しかしながら、このような方法では、患部への荷電粒子線の照射を止めている間に加速器の内部（特にイオン源）の状態が変化し、照射再開時に加速器から出射される荷電粒子線の強度が不安定になる（強度がオーバーシュートする）場合がある。したがって、所望の線量分布を得られず、荷電粒子線の照射が治療計画通りにならない可能性がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、荷電粒子線の強度の安定化を図ることが可能な荷電粒子線治療装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る荷電粒子線治療装置は、荷電粒子を生成するイオン源と、イオン源において生成された荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射する加速器と、荷電粒子線を被照射体に照射する照射部と、イオン源を制御する制御部と、を備え、制御部は、被照射体への荷電粒子線の照射を中断した際のイオン源の動作パラメータを記憶し、制御部は、被照射体への荷電粒子線の照射を再開する際に、記憶された動作パラメータでイオン源を動作させる。

この荷電粒子線治療装置の制御部は、被照射体への荷電粒子線の照射を中断した際のイオン源の動作パラメータを記憶する。そして、制御部は、被照射体への荷電粒子線の照射を再開する際に、記憶された動作パラメータでイオン源を動作させる。これにより、荷電粒子線の照射を中断している間にイオン源の状態が変化した場合でも、荷電粒子線の照射を中断する直前と同様の動作パラメータにイオン源を制御することができる。したがって、荷電粒子線の強度のオーバーシュート等を抑制し、荷電粒子線の強度の安定化を図ることが可能である。

一形態に係る荷電粒子線治療装置は、加速器から出射された荷電粒子線の強度を測定する強度測定部を更に備え、制御部は、強度測定部によって測定された荷電粒子線の強度に基づいてイオン源の動作を制御してもよい。この構成によれば、出射された荷電粒子線の強度に基づいてイオン源を制御することができるので、荷電粒子線の強度の安定化をより効果的に図ることが可能である。

一形態に係る荷電粒子線治療装置において、照射部は荷電粒子線を予め定めた軌道に従って連続的に照射してもよい。この構成によれば、荷電粒子線の強度変化の影響を受けやすい所謂ラインスキャニング方式を用いた場合においても、荷電粒子線の強度の安定化を図ることが可能である。

本発明によれば、荷電粒子線の強度の安定化を図ることが可能な荷電粒子線治療装置が提供される。

本発明の一実施形態に係る荷電粒子線治療装置を概略的に示す図である。 図１の荷電粒子線治療装置の照射部及び制御部の概略構成図である。 腫瘍に対して設定された層を示す図である。 比較例に係る荷電粒子線治療装置の作用を説明するための図である。 本実施形態に係る荷電粒子線治療装置の作用を説明するための図である。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、一実施形態に係る荷電粒子線治療装置の構成を概略的に示す図である。図１に示される荷電粒子線治療装置１は、放射線治療法によるがん治療等に利用される装置であり、荷電粒子を生成するイオン源１０と、イオン源１０において生成された荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射する加速器３と、荷電粒子線を患者１５の腫瘍（被照射体）に照射する照射部２と、荷電粒子線治療装置１全体を制御する制御部７と、を備えている。また、荷電粒子線治療装置１は、加速器３から出射された荷電粒子線を照射部２へ輸送するビーム輸送ライン４１と、加速器３から出射された荷電粒子線の強度を測定する強度測定部２０と、患者１５の呼吸を検知する呼吸同期システム４０と、治療台４を取り囲むように設けられた回転ガントリ５と、を備えている。照射部２は、回転ガントリ５に取り付けられている。制御部７は、イオン源１０の動作パラメータを記憶する記憶部６０を有している。

図２は、図１の荷電粒子線治療装置の照射部及び制御部の概略構成図である。なお、以下の説明では、「Ｘ方向」、「Ｙ方向」、「Ｚ方向」という語を用いて説明する。「Ｚ方向」とは、荷電粒子線Ｂの基軸ＡＸが延びる方向であり、荷電粒子線Ｂの照射の深さ方向である。なお、「基軸ＡＸ」とは、後述の走査電磁石６で変更しなかった場合の荷電粒子線Ｂの照射軸とする。図２では、基軸ＡＸに沿って荷電粒子線Ｂが照射されている様子を示している。「Ｘ方向」とは、Ｚ方向と直交する平面内における一の方向である。「Ｙ方向」とは、Ｚ方向と直交する平面内においてＸ方向と直交する方向である。

まず、図１及び図２を参照して、本実施形態に係る荷電粒子線治療装置１の概略構成について説明する。荷電粒子線治療装置１は、スキャニング法に係る照射装置である。なお、スキャニング方式は特に限定されず、ラインスキャニング、ラスタースキャニング、スポットスキャニング等を採用してよい。図２に示されるように、荷電粒子線治療装置１は、加速器３と、照射部２と、ビーム輸送ライン４１と、制御部７と、を備えている。

加速器３は、イオン源１０において生成された荷電粒子を加速して荷電粒子線Ｂを出射する装置である。加速器３として、例えば、サイクロトロン、シンクロトロン、シンクロサイクロトロン、ライナック等が挙げられる。この加速器３は、制御部７に接続されており、制御部７によってその動作が制御されることで、出射する荷電粒子線Ｂの強度が制御される。加速器３において発生した荷電粒子線Ｂは、ビーム輸送ライン４１によって照射ノズル９へ輸送される。ビーム輸送ライン４１は、加速器３と照射部２とを接続し、加速器３から出射された荷電粒子線を照射部２へ輸送する。なお、本実施形態においては、イオン源１０は加速器３の外部に設けられているが、イオン源１０は加速器３の内部に設けられていてもよい。

荷電粒子線治療装置１は、加速器３内に配置され、イオン源１０から出た荷電粒子線Ｂを遮断するビームチョッパ１６を更に備えている。ビームチョッパ１６は、荷電粒子線Ｂを偏向させて加速軌道から外すことにより、荷電粒子線Ｂを遮断する。ビームチョッパ１６の作動状態（ＯＮ）において、イオン源１０から出た荷電粒子線Ｂは遮断され、加速器３から出射されない状態となる。ビームチョッパ１６の停止状態（ＯＦＦ）において、イオン源１０から出た荷電粒子線Ｂは遮断されることなく加速器３から出射される状態となる。ビームチョッパ１６の作動状態及び停止状態は、ビームチョッパスイッチ（不図示）により切り替えられる。なお、荷電粒子線の照射、非照射を切り替える手段としてビームチョッパ以外を用いてもよい。例えば、ビーム輸送ライン４１中にシャッターを設けてシャッターで荷電粒子線Ｂを遮断してもよい。この場合、シャッターを荷電粒子線Ｂの加速軌道上に侵入させることにより、荷電粒子線Ｂが遮断される。あるいは、加速器３内に設けたデフレクタ（電磁石）を用いて荷電粒子線Ｂを照射するときのみ加速器３から荷電粒子線Ｂを出射させてもよい。また、イオン源１０の電源を停止させることにより、荷電粒子線Ｂを遮断してもよい。

照射部２は、患者１５の体内の腫瘍（被照射体）１４に対し、荷電粒子線Ｂを照射するものである。荷電粒子線Ｂとは、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、電子線等が挙げられる。具体的に、照射部２は、イオン源（不図示）で生成した荷電粒子を加速する加速器３から出射されてビーム輸送ライン４１で輸送された荷電粒子線Ｂを腫瘍１４へ照射する装置である。照射部２は、走査電磁石（走査部）６、四極電磁石８、プロファイルモニタ１１、ドーズモニタ１２、フラットネスモニタ１３ａ，１３ｂ、及びディグレーダ３０を備えている。走査電磁石６、各モニタ１１，１２，１３ａ，１３ｂ、四極電磁石８、及びディグレーダ３０は、照射ノズル９に収容されている。

走査電磁石６は、Ｘ方向走査電磁石６ａ及びＹ方向走査電磁石６ｂを含む。Ｘ方向走査電磁石６ａ及びＹ方向走査電磁石６ｂは、それぞれ一対の電磁石から構成され、制御部７から供給される電流に応じて一対の電磁石間の磁場を変化させ、当該電磁石間を通過する荷電粒子線Ｂを走査する。Ｘ方向走査電磁石６ａは、Ｘ方向に荷電粒子線Ｂを走査し、Ｙ方向走査電磁石６ｂは、Ｙ方向に荷電粒子線Ｂを走査する。これらの走査電磁石６は、基軸ＡＸ上であって、加速器３よりも荷電粒子線Ｂの下流側にこの順で配置されている。

四極電磁石８は、Ｘ方向四極電磁石８ａ及びＹ方向四極電磁石８ｂを含む。Ｘ方向四極電磁石８ａ及びＹ方向四極電磁石８ｂは、制御部７から供給される電流に応じて荷電粒子線Ｂを絞って収束させる。Ｘ方向四極電磁石８ａは、Ｘ方向において荷電粒子線Ｂを収束させ、Ｙ方向四極電磁石８ｂは、Ｙ方向において荷電粒子線Ｂを収束させる。四極電磁石８に供給する電流を変化させて絞り量（収束量）を変化させることにより、荷電粒子線Ｂのビームサイズを変化させることができる。四極電磁石８は、基軸ＡＸ上であって加速器３と走査電磁石６との間にこの順で配置されている。なお、ビームサイズとは、ＸＹ平面における荷電粒子線Ｂの大きさである。また、ビーム形状とは、ＸＹ平面における荷電粒子線Ｂの形状である。

プロファイルモニタ１１は、初期設定の際の位置合わせのために、荷電粒子線Ｂのビーム形状及び位置を検出する。プロファイルモニタ１１は、基軸ＡＸ上であって四極電磁石８と走査電磁石６との間に配置されている。ドーズモニタ１２は、荷電粒子線Ｂの強度を検出し、強度測定部２０に信号を送信する。ドーズモニタ１２は、基軸ＡＸ上であって走査電磁石６に対して下流側に配置されている。フラットネスモニタ１３ａ，１３ｂは、荷電粒子線Ｂのビーム形状及び位置を検出監視する。フラットネスモニタ１３ａ，１３ｂは、基軸ＡＸ上であって、ドーズモニタ１２よりも荷電粒子線Ｂの下流側に配置されている。各モニタ１１，１２，１３ａ，１３ｂは、検出した検出結果を制御部７に出力する。

ディグレーダ３０は、通過する荷電粒子線Ｂのエネルギーを低下させて当該荷電粒子線Ｂのエネルギーの微調整を行う。本実施形態では、ディグレーダ３０は、照射ノズル９の先端部９ａに設けられている。なお、照射ノズル９の先端部９ａとは、荷電粒子線Ｂの下流側の端部である。照射ノズル９内のディグレーダ３０は、省略することも可能である。

制御部７は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等により構成されている。この制御部７は、各モニタ１１，１２，１３ａ，１３ｂから出力された検出結果に基づいて、加速器３、走査電磁石６及び四極電磁石８を制御する。また、本実施形態においては、制御部７は、各モニタ１１，１２，１３ａ，１３ｂの検出結果をフィードバックして、荷電粒子線Ｂのビームサイズが一定となるように、四極電磁石８を制御する。また、制御部７は、強度測定部２０によって測定された荷電粒子線Ｂの強度に基づいて、イオン源１０の出力が一定となるように、イオン源１０の動作を制御する。

また、荷電粒子線治療装置１の制御部７は、荷電粒子線治療装置の治療計画を行う治療計画装置１００と接続されている。治療計画装置１００は、治療前に患者１５の腫瘍１４をＣＴ等で測定し、腫瘍１４の各位置における線量分布（照射すべき荷電粒子線の線量分布）を計画する。具体的には、治療計画装置１００は、腫瘍１４に対して治療計画マップを作成する。治療計画装置１００は、作成した治療計画マップを制御部７へ送信する。

スキャニング法による荷電粒子線の照射を行う場合、腫瘍１４をＺ方向に複数の層に仮想的に分割し、一の層において荷電粒子線を走査して照射する。そして、当該一の層における荷電粒子線の照射が完了した後に、隣接する次の層における荷電粒子線の照射を行う。

図２に示す荷電粒子線治療装置１により、スキャニング法によって荷電粒子線Ｂの照射を行う場合、通過する荷電粒子線Ｂが収束するように四極電磁石８を作動状態（ＯＮ）とする。

次に、イオン源１０においてイオンを生成する。イオン源１０において生成されたイオンは加速器３の内部で加速され、加速器３から荷電粒子線Ｂとして出射される。出射された荷電粒子線Ｂは、走査電磁石６の制御によって走査される。これにより、荷電粒子線Ｂは、腫瘍１４に対してＺ方向に設定された一の層における照射範囲内を走査されつつ照射されることとなる。一の層に対する照射が完了したら、次の層へ荷電粒子線Ｂを照射する。

制御部７の制御に応じた走査電磁石６の荷電粒子線照射イメージについて、図３（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）は、深さ方向において複数の層に仮想的にスライスされた被照射体を、図３（ｂ）は、深さ方向から見た一の層における荷電粒子線の走査イメージを、それぞれ示している。

図３（ａ）に示すように、被照射体は照射の深さ方向において複数の層に仮想的にスライスされており、本例では、深い（荷電粒子線Ｂの飛程が長い）層から順に、層Ｌ_１、層Ｌ_２、…層Ｌ_ｎ−１、層Ｌ_ｎ、層Ｌ_ｎ＋１、…層Ｌ_Ｎ−１、層Ｌ_ＮとＮ層に仮想的にスライスされている。また、図３（ｂ）に示すように、荷電粒子線Ｂは、ビーム軌道ＴＬを描きながら層Ｌｎの複数の照射スポットに対して照射される。すなわち、制御部７に制御された荷電粒子線Ｂは、ビーム軌道ＴＬ上を移動する。

次に、再び図１を参照して、呼吸同期システム４０及び制御部７について詳細に説明する。呼吸同期システム４０は、センサーを用いて患者１５の呼吸を検知し、患者１５の呼吸に同期したゲート信号を生成する。ゲート信号は、例えば、患者１５の腹部にレーザ光を照射して腹部の膨らみの変化を検出することによって生成することができる。呼吸同期システム４０において生成されたゲート信号は、タイミングシステム５０に出力される。タイミングシステム５０は、ゲート信号に基づいて荷電粒子線Ｂを照射すべきか否かを判定し、荷電粒子線Ｂを照射するタイミングを示すパルス信号を生成する。タイミングシステム５０において生成されたパルス信号は制御部７に出力される。制御部７は、パルス信号に基づいて、ビームチョッパ１６の作動状態及び停止状態を切り替える。これにより、患者１５の呼吸に応じて患者１５の腫瘍に荷電粒子線Ｂを照射する照射状態と、患者１５の腫瘍への荷電粒子線Ｂの照射を中断する中断状態とを切り替えることができる。したがって、腫瘍以外の部分への荷電粒子線Ｂの照射を抑制するために、呼吸の特定のタイミングのみに荷電粒子線Ｂを照射することが可能である。

制御部７の記憶部６０は、患者１５の腫瘍への荷電粒子線Ｂの照射を中断した際のイオン源１０の動作パラメータを記憶する。そして、制御部７は、患者１５の腫瘍への荷電粒子線Ｂの照射を再開する際に、記憶部６０に記憶された動作パラメータでイオン源１０を動作させる。イオン源１０の動作パラメータとしては、例えば、イオン源１０のチムニ内に発生するアークの電流及び電圧、並びに、チムニ内のフィラメントに流す電流及び電圧等が挙げられる。なお、本実施形態において記憶部６０は制御部７の外部に設けられているが、記憶部６０は制御部７と一体に設けられていてもよい。

次に、図４及び図５を参照して、本実施形態に係る荷電粒子線治療装置１の作用について説明する。図４は、比較例に係る荷電粒子線治療装置の作用を説明するための図である。図５は、本実施形態に係る荷電粒子線治療装置の作用を説明するための図である。図４及び図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、荷電粒子線の強度、イオン源の出力の強度、タイミング信号を示している。比較例に係る荷電粒子線治療装置においては、イオン源に初期パラメータを設定し、患者の腫瘍に荷電粒子線を照射している間イオン源の出力が一定となるように、荷電粒子線の強度に基づいてフィードバック制御が行われる。しかしながら、荷電粒子線の強度を検出するドーズモニタは照射部内に設けられているので、荷電粒子線の照射を中止している間はドーズモニタによって荷電粒子線を検出することができない。故に、荷電粒子線の照射を中止している間はフィードバック制御が行われず、荷電粒子線の照射を再開するタイミングＴに、再び初期パラメータがイオン源に設定される。したがって、図４（ｂ）に示すように、タイミングＴより後のイオン源の出力が不安定となる。その結果、図４（ａ）に示すように、荷電粒子線の強度がオーバーシュートする等、所望の強度Ａに対して荷電粒子線の強度が不安定となる場合がある。

これに対し、本実施形態に係る荷電粒子線治療装置１においては、荷電粒子線Ｂの照射を中断した際のイオン源１０の動作パラメータを制御部７の記憶部６０が記憶し、荷電粒子線Ｂの照射を再開する際に、制御部７は記憶部６０に記憶された動作パラメータでイオン源１０を動作させる。したがって、照射を再開する際に、イオン源１０の動作が停止直前の状態に近い状態となるため、図５（ｂ）に示すように、荷電粒子線Ｂの照射を再開するタイミングＴより後のイオン源１０の出力の安定化を図ることができる。また、タイミングＴより後のイオン源１０の出力を、荷電粒子線Ｂの照射を中断する前のイオン源１０の出力に近づけることができる。したがって、図５（ａ）に示すように、荷電粒子線Ｂの強度を所望の強度Ａに近い値に制御し、安定化を図ることが可能である。

以上説明したように、荷電粒子線治療装置１の制御部７の記憶部６０は、患者１５の腫瘍（被照射体）への荷電粒子線Ｂの照射を中断した際のイオン源１０の動作パラメータを記憶する。そして、制御部７は、患者１５の腫瘍（被照射体）への荷電粒子線Ｂの照射を再開する際（タイミングＴ）に、記憶部６０に記憶された動作パラメータでイオン源１０を動作させる。これにより、荷電粒子線Ｂの照射を中断している間にイオン源１０の状態が変化した場合でも、荷電粒子線Ｂの照射を中断する直前と同様の動作パラメータにイオン源１０を制御することができる。つまり、照射を再開する際に、イオン源１０の動作が停止直前の状態に近い状態とすることができる。したがって、荷電粒子線Ｂの強度のオーバーシュート等を抑制し、荷電粒子線Ｂの強度の安定化を図ることが可能である。

また、荷電粒子線治療装置１は、加速器３から出射された荷電粒子線Ｂの強度を測定する強度測定部２０を更に備え、制御部７は、強度測定部２０によって測定された荷電粒子線Ｂの強度に基づいてイオン源１０の動作を制御する。これにより、出射された荷電粒子線Ｂの強度に基づいてイオン源１０を制御することができるので、荷電粒子線Ｂの強度の安定化をより効果的に図ることが可能である。

また、荷電粒子線治療装置１において、照射部２は荷電粒子線Ｂを予め定めたビーム軌道ＴＬに従って連続的に照射する。このように、荷電粒子線Ｂの強度変化の影響を受けやすい所謂ラインスキャニング方式を用いた場合においても、荷電粒子線Ｂの強度の安定化を図ることが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることなく、種々の変形態様を採用可能である。例えば、上記の実施形態においては、照射部２は所謂ラインスキャニング方式を用いて荷電粒子線Ｂを照射していたが、照射部２は、所謂スポットスキャニング方式等の他の照射方式を用いて荷電粒子線Ｂを照射してもよい。

また、上記の実施形態においては、強度測定部２０は、ドーズモニタ１２で測定された値に基づいて荷電粒子線Ｂの強度を測定していたが、荷電粒子線Ｂの強度を測定する箇所は特に限定されない。例えば、強度測定部２０は、ビーム輸送ライン４１の途中で測定された値に基づいて荷電粒子線Ｂの強度を測定してもよい。

また、上記の実施形態においては、患者の呼吸に応じて荷電粒子線Ｂの照射を中断する場合を例に説明したが、荷電粒子線Ｂの照射が中断される構成は上記に限定されない。例えば、荷電粒子線治療装置１において機器の動作不良等が検知された際に荷電粒子線Ｂの照射が中断される場合等も含まれる。

１…荷電粒子線治療装置、２…照射部、３…加速器、４…治療台、５…回転ガントリ、６…走査電磁石、７…制御部、８…四極電磁石、９…照射ノズル、１０…イオン源、１１…プロファイルモニタ、１２…ドーズモニタ、１５…患者、１６…ビームチョッパ、２０…強度測定部、３０…ディグレーダ、４０…呼吸同期システム、４１…ビーム輸送ライン、５０…タイミングシステム、６０…記憶部、１００…治療計画装置、Ｂ…荷電粒子線、ＴＬ…ビーム軌道。

Claims (3)

1. 荷電粒子を生成するイオン源と、
   前記イオン源において生成された前記荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射する加速器と、
   前記荷電粒子線を被照射体に照射する照射部と、
   前記イオン源を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記被照射体への前記荷電粒子線の照射を中断した際の前記イオン源の動作パラメータを記憶し、
   前記制御部は、前記被照射体への前記荷電粒子線の照射を再開する際に、記憶された前記動作パラメータで前記イオン源を動作させる、荷電粒子線治療装置。
2. 前記加速器から出射された荷電粒子線の強度を測定する強度測定部を更に備え、
   前記制御部は、前記強度測定部によって測定された前記荷電粒子線の強度に基づいて前記イオン源の動作を制御する、請求項１に記載の荷電粒子線治療装置。
3. 前記照射部は、前記荷電粒子線を予め定めた軌道に沿って連続的に照射する、請求項１又は２に記載の荷電粒子線治療装置。

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