WO1998023330A1 - Method of forming energy distribution - Google Patents

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Hidenobu Sakamoto
Yoshifuru Saitou
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Mitsubishi Electric Corp
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    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/103—Treatment planning systems
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    • A61N2005/1085—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy characterised by the type of particles applied to the patient
    • A61N2005/1087—Ions; Protons

Definitions

  • the present invention relates to a method of determining an energy source to be applied to a target system and forming an energy distribution such that an energy distribution generated in a target system matches a desired distribution.
  • the distribution pattern of the energy source forming the field is determined. Specifically, it is a method of sequentially setting grid points in space and assuming a unit energy source at each grid point to obtain a pattern close to a desired field distribution. When the pattern matching degree reaches the maximum, the search ends.
  • the pattern matching is evaluated by the angle 6> between the measured distribution pattern vector V and the calculated distribution pattern vector U.
  • the pattern matching degree is defined by the following equation (1).
  • FIG. 1 (a) shows the target magnetic field distribution 101
  • Fig. 1 (b) shows an arc-shaped coil 102 for forming a distribution close to the target magnetic field distribution estimated by the SPM method. is there.
  • FIG. 1 (c) is a magnetic field distribution 103 generated by the arc-shaped coil 102 of FIG. 1 (b).
  • the size of the circle is shown to be proportional to the magnetic field strength. This approximately reproduces the magnetic field pattern shown in Fig. 1 (a), indicating the effectiveness of the SPM method.
  • the current flowing through the coil must be constant. This is because the above method only distributes the current source in units, and in principle cannot change the amplitude of the current.
  • the conventional method for forming the energy distribution is configured as described above, the position of the energy source with a constant intensity can be determined, but there is a problem that the intensity of the energy source cannot be varied.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its object to obtain a method of forming an energy distribution capable of changing the intensity of the energy source distribution. Disclosure of the invention
  • a first step of determining the minimum value q »i» and the maximum value q »« of the energy source density, and m energy source density setting positions X i (i l,... M)
  • the second step of setting the minimum energy source density q enjoyedikie to the position X i of each of i l to m except for i where + ⁇ q> q
  • the fifth step is to change the energy source density at the position X i giving the degree of coincidence to qi + A q, and until the energy source density at all the positions X i reaches the maximum energy source density q »a
  • the present invention provides, as an energy source distribution, a charge density distribution, a particle beam beam intensity distribution, a current density distribution, a voltage source distribution, an electromagnetic field source distribution, a radiation source distribution, a heat source distribution, a light source distribution, a load distribution, and a sound source.
  • Distribution ⁇ One of the magnetization distributions is selected. This makes it easier to select an energy source.
  • the present invention selects, as an energy distribution, any one of an electric field distribution, a particle dose distribution, a potential distribution, an electromagnetic field distribution, a stress distribution, a displacement distribution, a temperature distribution, a flow velocity distribution, a sound pressure distribution, and a radiation intensity distribution. It is intended to do so. This makes it easy to select the energy distribution.
  • a cosine (cos) component of an angle formed between the calculated energy distribution vector U i and a desired energy distribution vector V is used as the degree of coincidence. . This makes it possible to efficiently obtain the input energy that provides the desired energy distribution.
  • a sign (s in) component of an angle formed between the calculated energy distribution vector U i and a desired energy distribution vector V is used as the pattern matching degree. This makes it possible to efficiently obtain the input energy that gives the desired energy distribution.
  • a proton beam dose distribution is selected as a particle beam dose distribution
  • a proton beam intensity distribution is selected as a particle beam intensity distribution. This makes it possible to easily obtain an energy intensity distribution with steep rising and falling characteristics.
  • the present invention provides an irradiation source of a particle beam as an energy source distribution.
  • the dose distribution is selected, and as the energy distribution, the particle dose distribution in the body is selected. This allows the radiation dose distribution in the body to be set to the desired distribution. For example, because the dose inside the tumor is made uniform and the radiation dose given to surrounding normal tissues can be minimized, the entire tumor can be treated effectively and side effects can be reduced.
  • the present invention is such that a proton beam is selected as a particle beam.
  • a proton beam is selected as a particle beam. This allows the radiation dose distribution in the body to be set to the desired distribution in proton beam therapy. For example, because the dose inside the tumor is made uniform and the radiation dose given to surrounding normal tissues can be minimized, the entire tumor can be treated effectively and side effects can be reduced.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of a conventional SPM method
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method of forming an energy distribution according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram showing m charge densities and n charges in space.
  • FIG. 4 is a distribution diagram of an electric field setting position versus a desired electric field intensity
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of an operation process for determining a charge distribution
  • FIG. 6 is an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a distribution diagram of electric charge intensity with respect to a charge position for explaining a method of forming an energy distribution according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of a conventional SPM method
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method of forming an energy distribution according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram showing m charge densities and n charges in space.
  • FIG. 4 is a distribution diagram of an electric
  • FIG. 7 is a distribution diagram of electric field intensity with respect to a position for explaining a method of forming an energy distribution according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a flow chart showing a method for forming an energy distribution according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the charge intensity and the charge position according to the method for forming the energy distribution according to the second embodiment of the present invention.
  • Distribution map The first 0 Figure distribution diagram of electric field intensity with respect to position according to the method of forming the by that energy distribution to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a method of forming an energy distribution according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 12 is a radiation dose distribution diagram with respect to a lateral position.
  • Fig. 13 is a radiation dose distribution map for a set point on the human body surface
  • Fig. 14 is a proton beam intensity distribution map for a lateral position
  • Fig. 15 is a radiation dose distribution map for a set point on the human body surface
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing a proton therapy apparatus to which the method for forming an energy distribution according to the fourth embodiment of the present invention is applied
  • FIG. 17 is a depth distribution map of a body dose
  • FIG. 19 is a flow chart for determining the irradiation dose distribution of proton beam
  • Fig. 20 is an explanation of the process of determining the irradiation dose of proton beam with respect to the thickness of the edge absorber
  • Fig. 21 is a diagram showing the distribution of the irradiation dose of the proton beam with respect to the thickness of the edge absorber.
  • Fig. 22 is a diagram showing the desired dose distribution in the body and the calculated dose distribution in the body.
  • Figure 2 shows the calculated dose distribution in the body and the single-energy proton beam.
  • Fig. 24 shows the dose distribution in the body, and Fig. 24 shows the dose distribution in the body, Fig. 25 shows the contour map of the dose distribution in the body, and Fig. 26 shows the thickness of the edge absorber.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing the proton dose to the laser beam.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method for forming an energy distribution according to Embodiment 1 of the present invention.
  • ST 1 is the first step of determining the minimum value q » in and the maximum value of the energy source density to be determined
  • This is the third step of calculating the energy distribution vector Ui by increasing only the lugi source density qi by a predetermined value ⁇ q (except for i where qi + ⁇ q> q réelle X).
  • ST 4 calculates the cosine (cos) component of the angle formed by the calculated energy distribution vector U i and the desired energy distribution vector V, and sets the fourth step to obtain a coincidence degree 7 i. -up, ST 5 the fifth step, 3 Ding 6 energy source density maximum all positions say yes 1 to change the energy source density position X i that gives the largest pattern matching degree ⁇ i to qi + a q
  • the third step ST3 to the fifth step ST5 are repeated until the energy source density q> reaches the energy source density q>, and the sixth step of searching for the energy source density distribution P that gives the maximum value of the pattern matching degree i ST7 calculates an approximate ratio a between the energy distribution vector UP calculated using the density distribution P searched in the sixth step ST6 and the desired energy distribution vector V, and P / a Is the best estimate of the energy source density distribution. It is a tip.
  • reference numeral 10 denotes a linear space in which electric charges ⁇ to q m are distributed.
  • the minimum value q » in and the maximum value q» u of the charge to be determined q » are determined.
  • q »i» 0.
  • q mi can be any positive number, but 1 for simplicity.
  • m positions X i to ⁇ » are defined at regular intervals in the space 10 where the charges qi to q B exist, and the charges q q» at each position are temporarily set as q mi » And
  • the electric field intensity distribution vector is calculated while individually increasing the electric charge at each position X i by the minimum unit ⁇ q.
  • the j-th row and i-th column component Aji of the system matrix are given by the following equation (2).
  • a ji 1 / (4 7 ⁇ £ rn 2 ) ⁇ ⁇ (2)
  • the electric field intensity distribution vector U (e!, E 2 ,... E, ») ⁇
  • ⁇ represents the transposed value of the vector.
  • U is a 10-row vector
  • A is a 10-by-50 matrix
  • Q is a 50-row vector
  • the pattern matching degree is obtained by calculating the third and fourth steps ST3 and ST4.
  • the charge at the position X i is increased by ⁇ q for i giving the largest pattern matching degree i.
  • the approximate ratio a between the energy distribution vector UP calculated using the charge distribution P searched in the sixth step ST6 and the desired energy distribution vector V is calculated. And determine P / a as the charge distribution. Since this was originally calculated assuming the maximum value of the charge to be 1, it is a necessary means to find the absolute value of the charge distribution.
  • FIG. 6 is a distribution diagram of the charge density with respect to the charge position determined as described above.
  • FIG. 7 is a distribution diagram of the electric field intensity with respect to the electric charge position, and this electric field intensity distribution closely matches the distribution diagram of the desired electric field intensity with respect to the electric field setting position shown in FIG. That is, it can be seen that a desired electric field intensity distribution was formed.
  • the fourth stage The angle itself between the energy distribution vector U i calculated in ST 4 and the desired energy distribution vector V is used as the evaluation function, and the energy source density distribution that minimizes this angle in the sixth step ST 6 You may search for P.
  • the sin component of the angle between the energy distribution vector U ⁇ calculated in the fourth step ST4 and the desired energy distribution vector V is used as the evaluation function, and this is calculated in the sixth step ST6.
  • the energy source density distribution P that minimizes the evaluation function may be searched.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a method of forming an energy distribution according to the second embodiment of the present invention.
  • ST 1 is a first method for determining the minimum value q »i» and the maximum value q »» of the energy source density to be determined.
  • ST 4 calculates the cosine (cos) component of the angle formed by the calculated energy distribution vector Ui and the desired energy distribution vector V, and determines the pattern coincidence i as the fourth step, ST 5,
  • the fifth step ST 6, which changes the energy source density at the position X i that gives the largest pattern matching degree i to qi — is the energy source density q resumei ⁇ with the minimum energy source density at all positions X i.
  • the sixth step ST 7 which searches for the energy source density distribution P that gives the maximum value of the pattern matching degree i while repeating the third step ST 3, to the fifth step ST 5, until In the sixth step ST 6, the density distribution P
  • the second embodiment is functionally different from FIG. 2 in that the charges at all positions are set to the maximum value, and the state is sequentially reduced by ⁇ ⁇ q in the third step ST 3 ′. It only takes a search procedure to go.
  • Embodiment 1 shown in FIG. 2 can be called an addition method
  • the procedure of Embodiment 2 shown in FIG. 8 can be called a deletion method.
  • FIG. 9 is a distribution diagram of the charge density with respect to the charge position determined by this deletion method.
  • FIG. 10 is a distribution diagram of the electric field intensity with respect to the electric field setting position, and this electric field intensity distribution matches the distribution map of the desired electric field intensity with respect to the electric field setting position shown in FIG. That is, it can be seen that a desired electric field intensity distribution was formed.
  • FIG. 11 is an explanatory view showing a method of forming an energy distribution according to the third embodiment of the present invention.
  • a pencil beam (proton beam) 31 is used as an irradiation target.
  • the irradiation intensity distribution (energy source distribution) of the pencil beam 31 is determined so as to give a desired radiation dose distribution (energy distribution) when irradiating the human body 32 of the present invention.
  • a distribution in a direction (lateral direction) perpendicular to the pencil beam 31 is given as shown in FIG.
  • the distribution is uniform in the range of the width W, and is set to zero outside the distribution.
  • the dose distribution D (X, 0) on the human body surface when the pencil beam 31 is scanned in parallel in the horizontal direction is given by the following equation (6). Given. (x-X ') 2
  • I (x) is the pencil beam intensity at the coordinate x, or 1 / on the human body surface when the pencil beam 31 enters the human body 32 as a medium.
  • e is the scattering radius.
  • S (E, 0) is the stopping power of the incident energy E beam on the human body surface.
  • FIG. 14 is a proton beam intensity distribution diagram with respect to the lateral position determined in the third embodiment.
  • the radiation dose distribution formed at a set point on the human body surface is represented by a bold line in FIG. It becomes like. This is a distribution close to the desired distribution shown in FIG.
  • the thin line in Fig. 15 shows the distribution when the proton beam intensity is uniformly irradiated.
  • Figure 14 shows the proton beam intensity distribution, but the actual radiation dose is proportional to the product of the proton beam intensity and the irradiation time.
  • Fig. 14 can be considered as a pattern diagram of the proton beam irradiation time when the proton beam intensity is constant.
  • the proton beam intensity distribution determined by the third embodiment may have a more excellent sharp fall characteristic. all right.
  • the energy source distribution of the target system is the charge distribution or the proton beam intensity distribution.
  • the present invention is not limited to this, and a particle beam (such as carbon) other than a proton beam may be used.
  • the energy distribution (electric field distribution, magnetic field distribution, magnetic flux density distribution, stress distribution, stress distribution, displacement distribution, temperature distribution, heat velocity distribution, sound pressure distribution, radiation intensity distribution, etc.) that the energy source forms in the target system is also
  • the corresponding energy source distribution (current density distribution, magnetization distribution, heat source distribution, sound source distribution, voltage source distribution, electromagnetic field source distribution, light source distribution, load distribution, radio wave source distribution, radiation source Distribution, etc.) can be determined by the method of the present invention.
  • a one-dimensional energy source distribution is determined for simplicity, but it is needless to say that a two-dimensional or three-dimensional energy source distribution can also be determined.
  • FIG. 16 is an explanatory view showing a method of forming an energy distribution according to the present invention.
  • the conventional proton beam therapy described in Medical Physics, Vol. 10, pp. 344 (1989) is shown in FIG. It shows a modified device, that is, a device that treats a target such as a tumor inside the human body by irradiating it with a proton beam.
  • reference numeral 41 denotes a beam absorber in which the proton beam 42 is inputted as a parallel beam
  • 43 denotes a moving beam in the direction of the arrow to pass through the passing range of the proton beam 42.
  • 4-4 is a volume that changes the energy of the proton beam
  • 45 is a dose monitor that measures the irradiation dose
  • 46 is a computer that inputs the measured amount of the dose monitor 45
  • 4 7 is the surface of the human body
  • 48 is an evening target such as a tumor inside the human body.
  • the proton beam 42 is incident as a uniform parallel beam from above, and the energy of the proton beam 42 is attenuated by the edge absorber 41. Move the leaves to the width of the tumor.
  • the bolus 44 changes the energy of the proton beam 42 according to the shape of the tumor.
  • the edge sorber 41 and the bolus 44 are made of a material such as acryl, which has almost the same proton beam attenuation characteristics as a human body.
  • the irradiation dose is measured by the dose monitor 45, and the measured dose is taken into the computer 46.
  • the timing to move the edge-absorber 41 and the multi-leaf collar 43 is controlled.
  • virtual slices 1, 2, 3,... Are created in order from the deepest part, and irradiation is performed for each slice in order to form the dose distribution of each slice.
  • the dose monitor 45 measures the irradiation dose for each slice, and irradiates it sequentially while controlling it so that it matches the pattern calculated in advance.
  • the irradiation dose is proportional to the time integral of the irradiation radiation intensity.
  • the irradiation beam intensity (radiation intensity) is constant, so the irradiation dose is often controlled by changing the irradiation time for each slice.
  • the accelerator is a synchrotron, the irradiation beam intensity is not constant over time, so the irradiation dose is often controlled by measuring the irradiation dose with a dose monitor.
  • the irradiation dose distribution energy source distribution
  • Figure 17 shows the depth distribution of internal dose.
  • Fig. 17 is a modified version of the figure described above.
  • the irradiation dose (energy source distribution) for slice 1, slice 2, and slice 3 is expressed as ql, q2, and q3, respectively.
  • This figure is based on an experiment using a water model that is almost equivalent to the human body.
  • the dotted line represents the dose distribution in the body optimized by the conventional method, and the flatness in the flattened area was insufficient.
  • Fig. 18 shows a more detailed irradiation method.
  • the number of slices along the posterior shape of the evening target 48, such as a tumor, is one slice of the typical length L of the evening target 48 in the figure. Divide by the thickness of For example, if the length of L is 6 mm and the slice thickness is 2 mm, the number of slices is 3.
  • Figure 19 is a flow chart for determining the irradiation dose distribution (energy source distribution) of the proton beam 42. It is the same as Fig. 2 except that it is a flowchart for determining the irradiation dose distribution of the proton beam 42 that gives the target internal dose distribution (energy distribution).
  • FIG. 20 is a diagram showing the process of determining the irradiation dose of the proton beam with respect to the thickness of each edge absorber 41.
  • i 21 and m are numbers corresponding to the thickness of the edge-absorber 41.
  • i 21 and m are numbers corresponding to the thickness of the edge-absorber 41.
  • the thickness of the ⁇ edge absorber 41 is increased by 2 mm.
  • the thickness of one bar 41 corresponds to 50 mm. Others are the same as Fig.5.
  • Fig. 21 shows the irradiation dose distribution with respect to the thickness of the edge absorber 41 calculated by the algorithms in Fig. 19 and Fig. 20.
  • Fig. 21 shows the solution giving the maximum value of pattern matching. This corresponds to the irradiation dose distribution P in step ST16 in Fig. 19.
  • Fig. 22 shows the target desired internal dose distribution V and the internal dose distribution Up when the irradiation is performed with the irradiation dose distribution obtained by the calculation of the present invention.
  • the horizontal axis is the depth in the body (however, the water depth replaced with water). It can be seen that the desired internal dose distribution was given.
  • FIG. 23 shows the in-vivo dose distribution Up and the in-vivo dose distribution given by the monoenergetic proton beam 42 when the irradiation is performed with the irradiation dose distribution obtained by the calculation of the present invention.
  • the irradiation dose distribution calculated this time it was found that the attenuation characteristics of the dose at the part deeper than the target area were the same as those of the single-energy proton beam 42. This is necessary when there is an important organ such as the spinal cord that should not be irradiated at the back of the tumor.
  • the intracorporeal dose distribution formed by the present invention can have a flatness of approximately 2% or less in the intracorporeal dose distribution within a predetermined range (the position of the tumor), and the dose attenuation at the posterior part of the tumor has ideal characteristics. Since it is physically impossible to obtain a decay rate that exceeds the decay characteristics of the single-energy proton beam 42, the results of this invention impose a theoretical limit.
  • FIG. 24 shows the in vivo dose distribution when the tumor of FIG. 18 is deep in the water.
  • irradiation is performed in order from the deepest slice 1, and ⁇ the edge absorber 41 and the multi-leaf collar 43 are moved for each slice. It can be seen that a uniform body dose is formed at the tumor site.
  • Fig. 25 shows the contours of the internal dose distribution, showing that 100% internal dose is formed at the tumor site, and the attenuation characteristics of internal dose in the depth direction and the lateral direction are extremely low. It is extremely steep and ideal.
  • the proton beam is described as an example of the particle beam, but the same applies to other particle beams such as a helium beam, a carbon beam, and a neon beam. is there.
  • the dose distribution in the body according to the water model shown in FIG. 16 is adopted as the dose distribution U i in the depth direction in FIG. 18. It is desirable to calculate the dose distribution in the body based on the X-ray CT image data of the patient with high accuracy and use it as the dose distribution U i in the depth direction in Fig. 18.
  • the Monte Carlo method is used to calculate the internal dose distribution with high accuracy based on the patient's X-ray CT image data (Radiation Research, Vol. 74, pp. 21--23, 1970) The method using the Goiten et al. On the page) and the infinite slab model (Russell et al. Published on the page Physics in Medicine and Biology, Vol. 40, October 31, 2004, page 1975)
  • the dose distribution U i in the depth direction can be calculated based on these, and applied to the present invention.
  • a proton beam having a diameter of about 6 mm is made incident on the system shown in FIG. 16 to scan the proton beam having a diameter of about 6 mm in two directions, ie, the X direction shown and the y direction (not shown) perpendicular to the plane of the drawing. Is installed.
  • the energy of the proton beam irradiated to the human body is adjusted by the edge absorber shown in Fig. 16 or an energy degrader with a similar function, or is adjusted in an accelerator that generates and accelerates the proton beam. Is done.
  • the proton beam is three-dimensionally scanned.
  • a fine volume element can be obtained. It is needless to say that the internal dose can be controlled every time and the dose distribution can be set to the desired three-dimensional distribution.
  • the step width A q of the irradiation dose of the proton beam is described as always being 1/50 of a constant value.
  • ⁇ (!,, Aq 2 ,..., At least one of ⁇ q » may be set to a different value from the others.
  • Fig. 26 shows an example in which the minimum setting value of the irradiation dose is set to 0.1, and thereafter, it is increased to the maximum value 1.0 in increments of 0.01. With this setting, irradiation control can be performed with a sub-optimal dose under this restriction even when 0.1 or less cannot be set due to equipment restrictions. That is, n
  • the method of forming an energy distribution according to the present invention is such that the intensity of the energy distribution can be varied.
  • a target such as a tumor inside a human body
  • It is useful as a method of forming an energy distribution to treat important organs behind the tumor without irradiating the energy distribution.

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Description

明 細 エネルギー分布を形成する方法 技術分野
この発明は、 対象システムで生成されるエネルギー分布が所望の分布 に一致するように、 前記システムへ付与するエネルギー源を決定し、 ェ ネルギー分布を形成する方法に関するものである。 背景技術
例えば、 1 9 9 4年発行、 電気学会マグネティ ックス研究会資料 M A G— 9 4— 2 6の 6 3— 6 9頁に記載された従来のエネルギー分布を形 成する方法は、 サンプル ド ' パターン ' マッチング法 （ S amp l e d
P a t t e r n M a t c h i n g法 ； 以下、 S PM法と略称する） と呼ばれている。
これは、 所望の場の分布 （電界 · 磁界分布、 放射線強度分布、 温度分 布など） が与えられたとき、 その場を形成するエネルギー源の分布パ夕 ーンを決定する手法である。 具体的には、 空間に格子点を設け、 どの格 子点に単位のエネルギー源を仮定すると、 所望の場の分布に近いパ夕一 ンが得られるかを逐次的に探索する手法である。 パターン一致度が最大 に達したときに、 探索を終了する。
なお、 パターン一致度は測定分布パターンべク トル Vと計算した分布 パターンべク トル Uのなす角度 6>で評価する。 具体的には、 パターン一 致度ァは次式 （ 1 ) で定義される。
Ύ = c 0 s Θ = υ · V/ ( I u I I V I ) · · · ( 1 ) ここで υ · νは内積、 | υ | , | v |はベク トル u, Vの大きさを表 す。
図 1 ( a ) は目標とする磁界分布 1 0 1 を示すものであり、 図 1 ( b ) は S P M法で推定した前記目標磁界分布に近い分布を形成するための 円弧状コィル 1 0 2である。 図 1 ( c ) は図 1 ( b ) の円弧状コィル 1 0 2が発生する磁界分布 1 0 3である。 円の大きさが磁界強度に比例す るように表示されている。 これは、 図 1 ( a ) の磁界パ夕一ンを近似的 に再現しており、 S P M法の有効性を示している。 ただし、 コイルに流 す電流値は一定でなければならない。 これは、 上記方法では単位の電流 源を分布させるだけであ り、 原理的に電流の振幅を変化できないからで ある。
従来のエネルギー分布を形成する方法は以上のように構成されている ので、 強度を一定としたエネルギー源の位置は決定できたが、 エネルギ 一源の強度を可変にできないという課題があった。
この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、 エネ ルギ一源の分布の強度を可変にできるエネルギー分布を形成する方法を 得ることを目的とする。 発明の開示
この発明は、 エネルギー源密度の最小値 q » i » と最大値 q » , « を決め る第 1のステップと、 m個のエネルギー源密度設定位置 X i ( i = l , . . . m) に前記最小のエネルギ一源密度 q„ i„ を設定する第 2のステ ヅプと、 + Δ q > q , となる i を除き i = l から mの各 i につい てそれぞれ、 位置 X i のエネルギー源密度 q i だけを所定の値 増加 させ、 エネルギー分布ベク トル U i を計算する第 3のステップと、 計算 したエネルギー分布べク トル U i と所望のエネルギー分布べク トル Vか らパ夕一ン一致度ァ i を計算する第 4のステップと、 最も大きなパター ン一致度を与える位置 X i のエネルギー源密度を q i + A qに変更する 第 5のステップと、 すべての位置 X i のエネルギー源密度が最大のエネ ルギ一源密度 q » a に到達するまで第 3のステップから第 5のステップ までを繰り返しながら、 パターン一致度の最大値を与えるエネルギー源 密度分布 Pを探索する第 6のステップとを備え、 第 7のステップは第 6 のステップで探索した密度分布 Pを用いて計算したエネルギー分布べク トル UP と、 所望のエネルギー分布ベク トル Vの比 aを計算し、 P/a をエネルギ一源密度分布とするようにしたものである。 このこ とによつ て、 所望のエネルギー分布を与える入力エネルギーを効率よ く得ること ができる。
また、 この発明は、 エネルギー源密度の最小値 q» i„ と最大値 q»,» を決める第 1のステップと、 m個のエネルギー源密度設定位置 X i ( i = 1 , . . . m) に前記最大のエネルギー源密度 q B a , を設定する第 2 のステップと、 q i - Δ q < q„ i„ となる i を除き i 二 1から mの各 i についてそれそれ、 位置 X i のエネルギー源密度 q i だけを所定の値 Δ q減少させ、 エネルギー分布ベク トル Ui を計算する第 3のステップと 、 計算したエネルギー分布ベク トル Ui と所望のエネルギー分布べク ト ル Vからパターン一致度ァ i を計算する第 4のステップと、 最も大きな パターン一致度を与える位置 X i のエネルギー源密度を q i — に変 更する第 5のステップと、 すべての位置 X i のエネルギー源密度が最小 のエネルギー源密度 q„ i„ に到達するまで第 3のステップから第 5のス テツプまでを繰り返しながら、 パターン一致度の最大値を与えるェネル ギ一源密度分布 Pを探索する第 6のステップとを備え、 第 7のステップ 、 第 6のステップで探索した密度分布 Pを用いて計算したエネルギー分 布ベク トル UP と、 所望のエネルギー分布ベク トル Vの比 aを計算し、 P/aをエネルギー源密度分布とするようにしたものである。 このこと によって、 所望のエネルギー分布を与える入力エネルギーを効率よ く得 ることができる。
また、 この発明は、 エネルギー源分布と して、 電荷密度分布 . 粒子線 ビーム強度分布 · 電流密度分布 · 電圧源分布 · 電磁界源分布 · 放射線源 分布 · 熱源分布 · 光源分布 · 荷重分布 · 音源分布 · 磁化分布のいずれか を選択するようにしたものである。 このことによって、 エネルギー源の 選択が容易である。
また、 この発明は、 エネルギー分布として、 電界分布 . 粒子線線量分 布 · 電位分布 · 電磁界分布 · 応力分布 · 変位分布 · 温度分布 · 流速分布 • 音圧分布 · 放射線強度分布のいずれかを選択するようにしたものであ る。 このことによって、 エネルギー分布の選択が容易である。
また、 この発明は、 パ夕一ン一致度として、 計算したエネルギー分布 べク トル U i と所望のエネルギー分布べク トル Vのなす角度のコサイ ン ( c o s ) 成分を用いるようにしたものである。 このことによって、 所 望のエネルギー分布を与える入力エネルギーを効率よ く得るこ とができ る。
また、 この発明は、 パターン一致度と して、 計算したエネルギー分布 ベク トル U i と所望のエネルギー分布ベク トル Vのなす角度のサイ ン （ s i n ) 成分を用いるようにしたものである。 このことによって、 所望 のエネルギー分布を与える入力エネルギーを効率よ く得ることができる
また、 この発明は、 粒子線線量分布として陽子線線量分布、 粒子線ビ —ム強度分布と して陽子線ビーム強度分布を選択するようにしたもので ある。 このことによって、 立ち上がり特性および立ち下がり特性が急峻 なエネルギー強度分布を容易に得ることができる。
また、 この発明は、 エネルギー源分布として、 粒子線ビームの照射線 量分布を選択し、 エネルギー分布として、 体内の粒子線線量分布を選択 するようにしたものである。 このことによって、 体内の放射線線量分布 を望みの分布に設定できる。 例えば、 腫瘍内部の線量を一様にするとと もに、 周囲の正常組織に与える放射線線量を最小にできるので、 腫瘍全 体を効果的に治療でき、 さらに副作用も低減できる。
また、 この発明は、 粒子線として、 陽子線を選択するように したもの である。 このことによって、 陽子線治療において、 体内の放射線線量分 布を望みの分布に設定できる。 例えば、 腫瘍内部の線量を一様にすると ともに、 周囲の正常組織に与える放射線線量を最小にできるので、 腫瘍 全体を効果的に治療でき、 さらに副作用も低減できる。 図面の簡単な説明
第 1 図は従来の S P M法の説明図、 第 2図はこの発明の実施の形態 1 によるエネルギー分布を形成する方法を示す流れ図、 第 3図は空間にお ける m個の電荷密度と n個の電界設定点の関係を示す説明図、 第 4図は 電界設定位置対所望の電界強度の分布図、 第 5図は電荷分布を決定する 動作過程の説明図、 第 6図はこの発明の実施の形態 1 によるエネルギー 分布を形成する方法を説明する電荷位置に対する電荷強度の分布図、 第 7図はこの発明の実施の形態 1 によるエネルギー分布を形成する方法を 説明する位置に対する電界強度の分布図、 第 8図はこの発明の実施の形 態 2 によるエネルギー分布を形成する方法を示す流れ図、 第 9図はこの 発明の実施の形態 2 によるエネルギー分布を形成する方法による電荷位 置に対する電荷強度の分布図、 第 1 0図はこの発明の実施の形態 2 によ るエネルギー分布を形成する方法による位置に対する電界強度の分布図
、 第 1 1 図はこの発明の実施の形態 3 によるエネルギー分布を形成する 方法を説明する図、 第 1 2図は横方向の位置に対する放射線線量分布図 、 第 1 3図は人体表面の設定点に対する放射線線量分布図、 第 1 4図は 横方向の位置に対する陽子線ビーム強度分布図、 第 1 5図は人体表面の 設定点に対する放射線線量分布図、 第 1 6図はこの発明の実施の形態 4 によるエネルギー分布を形成する方法を適用した陽子線治療装置を示す 概要図、 第 1 7図は体内線量の深さ方向分布図、 第 1 8図は陽子線照射 方法の説明図、 第 1 9 図は陽子線の照射線量分布を決定するための流れ 図、 第 2 0図はゥエツジアブソ一バの厚さに対する陽子線の照射線量を 決定する過程の説明図、 第 2 1図はゥヱッジァブソーバの厚さに対する 陽子線の照射線量分布図、 第 2 2図は所望の体内線量分布と計算で求め られた体内線量分布を示す図、 第 2 3図は計算で求められた体内線量分 布と単一エネルギーの陽子線が与えられる体内線量分布を重ねて表示す る図、 第 2 4図は体内線量分布図、 第 2 5図は体内線量分布の等高線表 示図、 第 2 6図はゥエッジァブソーバの厚さに対する陽子線量を示す説 明図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 この発明をよ り詳細に説明するために、 この発明を実施するた めの最良の形態について、 添付の図面に従ってこれを説明する。 実施の形態 1 .
図 2はこの発明の実施の形態 1 によるエネルギー分布を形成する方法 を示す流れ図である。 図において、 S T 1 は決定するエネルギー源密度 の最小値 q » i n と最大値 を決める第 1のステップ、 3 丁 2は111個 のエネルギー源密度設定位置 （以下、 位置と略称する） X i ( i = 1， . . . m ) に前記最小のエネルギー源密度 q » i » を設定する第 2のステ ップ、 S T 3は i = 1 から mの各 i についてそれそれ、 位置 X i のエネ ルギ一源密度 q i だけを所定の値 Δ q増加させ、 エネルギー分布べク ト ル Ui を計算する第 3のステップである （ただし、 q i + Δ q > q » . X となる i を除く） 。
S T 4は計算したエネルギー分布べク トル U i と所望のエネルギー分 布べク トル Vのなす角度のコサイ ン （ c o s ) 成分を計算し、 パ夕一ン 一致度 7 i とする第 4のステ ッ プ、 S T 5は最も大きなパターン一致度 ァ i を与える位置 X i のエネルギー源密度を q i + A qに変更する第 5 のステップ、 3 丁 6はすべての位置乂 1 のエネルギー源密度が最大のェ ネルギ一源密度 q > に到達するまで第 3のステップ S T 3から第 5の ステップ S T 5 を繰り返しながら、 パターン一致度ァ i の最大値を与え るエネルギー源密度分布 Pを探索する第 6のステップ、 S T 7は第 6の ステップ S T 6で探索した密度分布 Pを用いて計算したエネルギー分布 べク トル U P と所望のエネルギー分布べク トル Vの概略の比 aを計算し 、 P/aをエネルギー源密度分布の最良推定値とする第 7のステツプで ある。
次に動作について図 3〜図 6 を参照しながら説明する。
図 3 において、 1 0は電荷 , 〜 qm が分布する線状の空間である。 m個の電荷 〜 q» が存在する空間 1 0の上方の観測地点 1 1 に、 所 望の電界強度分布を与える電荷分布を決定する n個の電界設定点での電 界強度 〜 e„ を考える。 なお、 X i 〜χ„ は m個のエネルギー源密 度設定位置 （以下、 位置と略称する） であり、 電荷の数 m= 5 0 とする ο
まず第 1 のステップ S T 1 において、 決定する電荷 〜 q » の最小 値 q» i n と最大値 q» u を決める。 例えば、 正の電荷だけから所望の電 界分布を形成したい場合は、 q» i » = 0 とする。 qm i は任意の正の数 でよいが、 説明を簡単にするために 1 とする。 つま り、 まず相対的な振 幅分布を求めて、 後で比例定数を掛ければ振幅の絶対値を求め得る。 も し、 電荷 〜 qm の符号の制約がなければ、 q « =— 1、 q Β , x 二 1 とすればよい。 あるいは、 負の電荷だけから形成したい場合は、 q»« 0 とし、 q „ は任意の正の数でよいが、 説明を簡単にするために
— 1 とする。
次に第 2のステップ S T 2 において、 電荷 q i 〜 q B の存在する空間 1 0に等間隔に m個の位置 X i 〜χ» を定義し、 各位置の電荷 〜 q » を仮に qm i » とする。 実施の形態 1 では、 正の電荷だけで電界分布を 形成するこ とを考える。 したがって、 各位置 X i の電荷を仮にゼロと設 定する。 すなわち、 q » h = 0 , q… = 1 とする。
然る後、 第 3のステップ S T 3 において、 各位置 X i の電荷を個別に 最小単位 Δ q増加させながら、 電界強度分布べク トルを計算していく。 まず、 空間 1 0に電荷 q i ( i = 1 , . . . 5 0 ) を仮定したときの、 各観測地点 1 1での電界強度 e ( j = 1， . . . 1 0 ) を理論計算し て、 システム行列 Aを定義する。 システム行列の j行 i列成分 A j iは次 式 （ 2 ) で与えられる。
A j i = 1 / ( 4 7Γ £ r n 2 ) · · ■ ( 2 ) ここで、 は電荷 q i の位置 X i と電界強度 e i を与える位置間の 距離、 つま り空間 1 0から観測地点 1 1 までの距離である。 この時、 電 界強度分布ベク トル U = ( e！ ， e 2 ， . . . e , » ) τ と電荷分布べク トル Q = ( q i , q a , . . . . q s o ) T は次式 （ 3 ) で関係づけられ る。 Τはベク トルの転値を表す。
U二 A Q · · · ( 3 ) ここで、 Uは 1 0行のベク トル、 Aは 1 0行 5 0列の行列、 Qは 5 0 行のべク トルである。
ステップ S T 2では図 5 ( a ) に示すように、 Q = ( 0， 0 , , . . 0 ) T と初期設定されていることに注意する。 また、 第 3のステップ S T 3では、 Q, = ( Δ q , 0 , 0 , . . . 0 ) T , Q ι 二 （ 0 , Δ q , 0 , . . . 0 ) T ， Q3 = ( 0 , 0 , A q， 0 , . . . 0 ) T ， . . .
Qs o = ( 0 , . . . 0 , Δ q ) ' の 5 0通りの可能性のある選択肢を用 意して、 それそれの電荷分布 ないし Q5 »に対して式 （ 3 ) によ り電 界強度分布ベク トル ， . . . Us。を次式 （ 4 ) で計算する。
Ui = A Qi ( i = l， . . . 5 0 ) · · · ( 4 ) ここで、 Δ qと しては （ q - q« i » ) を適当な正の整数で割った 値を選ぶ。 ここでは、 A q = l / 5 0 とする。 これはちょう ど、 強度情 報を 5 0段階に量子化して決定することに相当している。 従来の S P M 法ではこの考慮がされていなかったために、 強度を可変にできなかった 次に第 4のステップ S T 4において、 所望の電界強度分布べク トルを V = ( e , ， e ， . . . e 1 0 ) 1 と定義し、 第 3のステップ S T 3で 計算した分布パターンベク トル Ui とのなす角度 0 i を評価する （ i = 1 , . . . 5 0 ) 。 パターン一致度ァ i を次式 （ 5 ) で計算する。
ァ i 二 c o s 6> i 二 - V/ ( I Ui I I V I ) · · . ( 5 ) ここで， Ui · Vはベク トルの内積演算、 I Ui | , I V Iはべク 卜 ル Ui , Vの大きさを表す。
第 5のステップ S T 5において、 最も大きなパターン一致度ァ i を与 える位置 X i のエネルギー源密度を△ qに変更する。 例えば、 i = 2 と すれば、 図 5 ( b ) に示すように、 新しい電荷分布ベク トルは、 Q2 = ( 0 , Δ q , 0 , . . . 0 ) τ が選ばれるわけである。
第 6のステップ S Τ 6において、 第 5のステップ S Τ 5で決められた 新しい電荷分布べク トルに対して、 再び一力所だけの電荷を△ q増加さ せた 5 0個の電荷の候補ベク トル Q , = ( A q , A q , 0 , . . . 0 ) T 、 Q = ( 0 , 2 Δ q , 0， . . . 0 ) T 、 Q3 二 （ 0， Δ q , Δ q , 0 , . . . 0 ) T . . . Q s o = ( 0 , Δ q , 0 , . . . 0， Δ q )
T を新たに考える。 パターン一致度ァ； を第 3 , 4のステップ S T 3， S T 4の計算によ り求める。 最も大きなパターン一致度ァ i を与える i について位置 X i の電荷を△ qだけ増加させる。
然る後、 今度は i = 3 とすれば、 図 5 ( c ) に示すように、 新しい電 荷分布べク トルは、 Q3 = ( 0， A q , A q , 0， . . . 0 ) ' が選ば れるわけである。 すべての電荷が最大値の 1 になるまでこれを繰り返し ていく。 ただし、 途中である位置 X i における電荷が最大設定値 1 に到 達した場合は、 それ以上増加させることはモデルの仮定に反するので、 その位置 X i の電荷は固定しておき、 他の位置の電荷密度だけに対して 、 図 5 ( d ) 、 図 5 ( e ) に示すように、 探索プロセスを続行する。 こ の計算プロセス中、 パターン一致度の最大値を与える電荷分布 Pを探索 しておく。
第 7のステップ S T 7において、 第 6のステップ S T 6で探索した電 荷分布 Pを用いて計算したエネルギー分布べク トル UP と所望のェネル ギ一分布べク トル Vの概略の比 aを計算し、 P/aを電荷分布と決定す る。 これは、 もとも と電荷の最大値を 1 と仮定して計算したため、 電荷 分布の絶対値を求めるために必要な手段である。
図 6は上記のように決定した電荷位置に対する電荷密度の分布図であ る。 図 7はこの電荷位置に対する電界強度分布図であり、 この電界強度 分布は前記図 4に示す電界設定位置に対する所望の電界強度の分布図に よ く一致している。 すなわち、 所望の電界強度分布を形成できたことが わかる。
上記の一連のステツプはこの発明を実施する一例に過ぎず、 数学的に 等価な操作に置き換えても同様な効果が得られる。 例えば、 第 4のステ ップ S T 4で計算したエネルギー分布べク トル U i と所望のエネルギー 分布べク トル Vのなす角度そのものを評価関数と し、 第 6のステップ S T 6でこの角度を最小にするエネルギー源密度分布 Pを探索してもよい 。 あるいは、 第 4のステップ S T 4で計算したエネルギー分布べク トル U■ と所望のエネルギー分布ベク トル Vのなす角度のサイ ン （ s i n) 成分を評価関数と し、 第 6のステップ S T 6でこの評価関数を最小にす るエネルギー源密度分布 Pを探索してもよい。 実施の形態 2.
図 8はこの発明の実施の形態 2 によるエネルギー分布を形成する方法 を示す流れ図であ り、 S T 1 は決定するエネルギー源密度の最小値 q » i » と最大値 q » , » を決める第 1 のステップ、 S Τ 2 ， は m個のエネルギ —源密度設定位置 X i ( i = l， . . . m) に前記最大のエネルギー源 密度 q»i n を設定する第 2のステップ、 S T 3 ' は i = l から mの各 i についてそれそれ、 位置 X i のエネルギー源密度 q i だけを所定の値厶 q減少させ、 エネルギー分布ベク トル Ui を計算する第 3のステップで ある （ただし、 q i - Δ q < q„ i » となる i を除く ） 。
S T 4は計算したエネルギー分布ベク トル Ui と所望のエネルギー分 布べク トル Vのなす角度のコサイ ン （ c o s ) 成分を計算し、 パターン 一致度ァ i とする第 4のステップ、 S T 5 ， は最も大きなパターン一致 度ァ i を与える位置 X i のエネルギー源密度を q i — に変更する第 5のステップ、 S T 6 ， はすべての位置 X i のエネルギー源密度が最小 のエネルギー源密度 q„ i„ に到達するまで第 3のステップ S T 3 ， から 第 5のステップ S T 5 ， を繰り返しながら、 パターン一致度ァ i の最大 値を与えるエネルギー源密度分布 Pを探索する第 6のステップ、 S T 7 ， は第 6のステップ S T 6 ， で探索した密度分布 Pを用いて計算したェ ネルギー分布べク トル U P と所望のエネルギー分布べク トル Vの概略の 比 aを計算し、 P / aをエネルギー源密度分布の最良推定値とする第 7 のステップである。
つま り、 本実施の形態 2が前記図 2 と機能的に異なるのは、 すべての 位置の電荷を最大値に設定して、 その状態から第 3のステップ S T 3 ' において逐次△ qだけ減少させていく探索手順をとることだけである。
したがって、 図 2 に示す実施の形態 1の手順を追加法と呼べば、 図 8 に示す実施の形態 2の手順は削除法と呼ぶことができる。 図 9はこの削 除法で決定した電荷位置に対する電荷密度の分布図である。 図 1 0は電 界設定位置に対する電界強度の分布図であ り、 この電界強度分布は前記 図 4に示す電界設定位置に対する所望の電界強度の分布図によ く一致し ている。 すなわち、 所望の電界強度分布を形成できたことがわかる。 実施の形態 3 .
図 1 1はこの発明の実施の形態 3によるエネルギー分布を形成する方 法を示す説明図であり、 本実施の形態では、 例えば、 ペンシルビーム （ 陽子線ビーム） 3 1 を被照射対と しての人体 3 2 に照射するとき、 所望 の放射線線量分布 （エネルギー分布） を与えるようにペンシルビーム 3 1の照射強度分布 （エネルギー源分布） を決定するものである。
所望の放射線線量分布と して、 ペンシルビーム 3 1 に垂直な方向 （横 方向） の分布を図 1 2のように与える。 すなわち、 幅 Wの範囲では一様 分布であり、 その外側ではゼロになるように設定する。 いま、 入射エネ ルギ一 Eのペンシルビ一ム 3 1 を考える。 ペンシルビーム 3 1 の横方向 分布 （ X方向） をガウス分布とすれば、 ペンシルビーム 3 1 を横方向に 平行スキャニングしたときの人体表面における線量分布 D ( X , 0 ) は 次式 （ 6 ) で与えられる。 ( x - X ' ) 2
OO
e σ
D (x, 0) = (X dx* S (E， 0)
no2
-∞ · · · (6) ここで、 I (x) は座標 xにおけるペンシルビーム強度、 びはペンシ ルビーム 3 1を媒質と しての人体 3 2に入射したときの人体表面におけ る 1 /e散乱半径である。 S (E, 0 ) は人体表面における入射エネル ギ一 Eのビームの阻止能である。
式 （ 6 ) で S. ( E , 0 ) = 1 と して離散化する。 すなわち、 線量分布 べク トル U、 ペンシルビーム強度べク トル Q、 システム行列に対する行 列方程式 U = AQを考える。 このときのシステム行列 Aの成分は式 （ 6 ) のガウス分布関数となる。 たとえば、 ペンシルビーム 3 1を横方向に 1 0 0ステップ走査して、 人体 3 2に照射することを考え、 人体表面に おける所望の線量分布べク トル Vを図 1 3のように、 2 0点で設定した とする。
図 2の流れ図において、 エネルギー源密度と して、 今回は陽子線ビー ム強度を考えればよい。 陽子線ビーム強度は常に非負 （ 0または正） で あるから、 図 2のステ ヅ プ 1では qmin = 0， qmax =1 とする。 第 2 のステップ S T 2ないし第 7のステップ S T 7においては、 式 （ 6 ) で 計算した線量分布 Uと所望の線量分布 Vのパターン一致度を評価する。 その他は他の実施の形態と同一である。
図 1 4は本実施の形態 3では決定された横方向の位置に対する陽子線 ビーム強度分布図であ り、 このとき人体表面の設定点に形成される放射 線線量分布は図 1 5の太線のよう になる。 これは図 1 2に示す所望の分 布に近い分布となっている。 図 1 5の細線は陽子線ビーム強度を一様に 照射した場合の分布である。 なお、 陽子線ビーム強度分布と して図 1 4 を得たが、 実際の放射線線量は陽子線ビーム強度と照射時間の積に比例
差替え用紙 （規則 26) するので、 図 1 4を陽子線ビーム強度を一定と したときの陽子線ビーム 照射時間のパターン図と考えることもできる。
一般に、 陽子線治療では、 線量の立ち下がりは急峻であることが望ま れており、 本実施の形態 3によって決定された陽子線ビーム強度分布が よ り優れた急峻な立ち下がり特性をもつことがわかった。
以上の各実施の形態では、 対象システムのエネルギー源分布が電荷分 布または陽子線ビーム強度分布であつたが、 これに限るものではなく、 陽子線以外の粒子線 （炭素など） でもよい。
さらに、 そのエネルギー源が対象システム内に形成するエネルギー分 布 （電界分布 · 磁界分布 · 磁束密度分布 · 応力分布 · 変位分布 · 温度分 布 · 熱流速分布 ， 音圧分布 · 放射線強度分布など） が所望の分布となる ように、 対応するエネルギー源分布 （電流密度分布 · 磁化分布 · 熱源分 布 · 音源分布 · 電圧源分布 · 電磁界源分布 · 光源分布 · 荷重分布 · 電波 発信源分布 · 放射線源分布など） を本発明の方法で決定するこ とができ る。
なお、 上記各実施の形態では、 わかりやすさのために 1次元のェネル ギ一源分布を決定したが、 2次元または 3次元のエネルギー源分布を決 定することも同様に可能であるこ とは言うまでもない。 実施の形態 4.
図 1 6はこの発明のエネルギー分布を形成する方法を示す説明図であ り、 M e d i c a l P h y s i c s第 1 0卷、 3 4 4頁 （ 1 9 8 3年） に記載された従来の陽子線治療装置を改変した装置、 つま り人体内部の 腫瘍などのターゲッ 卜 に陽子線を照射して治療する装置を示している。
図 1 6において、 4 1は陽子線 4 2が平行ビ一ムと して入力されるゥ ヱッジアブソ—バ、 4 3は矢印方向に移動して陽子線 4 2の通過範囲を 決定する多葉コ リメ一夕、 4 4は陽子線のエネルギーを変化させるボ一 ラス、 4 5は照射線量を計測する線量モニタ、 4 6は線量モニタ 4 5の 計測量を入力する計算機、 4 7は人体の体表、 4 8は人体内部の腫瘍な どの夕一ゲッ トである。
次に動作について説明する。
陽子線 4 2は上方から一様な平行ビームで入射し、 ゥエッジアブソ一 バ 4 1 によ り陽子線 4 2のエネルギーを減衰させる。 多葉コ リメ一夕 4 3は腫瘍の幅にあわせて移動させる。 ボーラス 4 4によ り腫瘍形状にあ わせて陽子線 4 2のエネルギーを変化させる。 ゥエッジァブソーバ 4 1 およびボーラス 4 4はアク リルなど人体とほぼ同じ陽子線減衰特性を有 する材料で構成する。
線量モニタ 4 5 によ り照射線量を計測して計算機 4 6 に取り込み、 ゥ エッジァブソーバ 4 1 および多葉コ リメ一夕 4 3 を移動するタイ ミ ング を制御する。 夕一ゲッ トの最も深い部分から順に仮想的なスライス 1、 2、 3、 · · ' を作り、 スライスごとに順に照射して各スライス部の線 量分布を形成していく。 つま り、 線量モニタ 4 5で各スライスに対する 照射線量を測定し、 あらかじめ計算したパターンに一致するように制御 しながら順次照射していく わけである。 なお、 照射線量とは、 照射する 放射線強度の時間積分に比例する。 陽子線を生成する加速器がサイ クロ トロンの場合は、 照射ビーム強度 （放射線強度） が一定なので、 スライ スごとの照射時間を変化させて、 照射線量を制御することが多い。 加速 器がシンクロ ト 口ンの場合は、 照射ビーム強度は時間的に一定ではない ので、 照射線量を線量モニタで測定することによ り、 照射線量を制御す ることが多い。 陽子線 4 2 を人体に照射する とき、 所望の体内放射線線 量分布 （エネルギー分布） をあたえるように陽子線 4 2の照射線量分布 (エネルギー源分布） を決定することを考える。 体内線量の深さ方向分布は一般に図 1 7で表される。 図 1 7は前記文 献記載の図をわかりやすく追加改変したものである。 図において、 スラ イス 1、 スライ ス 2、 スライ ス 3 に対する照射線量 （エネルギー源分布 ) はそれそれ q l ， q 2 , q 3で表現されている。 また、 この図は人体 にほぼ等価な水モデルを用いた実験デ一夕に基づいている。 点線は従来 の方法で最適化された体内線量分布を表すもので、 平坦化領域における 平坦度が不十分であつた。
図 1 8 にさらに詳細な照射方法を示すもので、 腫瘍などの夕ーゲッ ト 4 8の後部形状に沿ったスライ スの枚数は図の夕ーゲッ ト 4 8の代表的 長さ Lをスライス 1枚の厚さで割って求める。 例えば、 L 二 6 m mでス ライス厚さが 2 m mであれば、 スライス枚数は 3枚である。
図 1 9は陽子線 4 2の照射線量分布 （エネルギー源分布） を決定する ための流れ図である。 目標とする体内線量分布 （エネルギー分布） を与 える陽子線 4 2の照射線量分布を決定する流れ図となっているところを 除いて図 2 と同じである。
図 2 0は各ゥエッジァブソーバ 4 1 の厚さに対する陽子ビームの照射 線量を決定する過程を示す図である。 図 1 9の i 二 1 ， mがゥエッジァ ブソーバ 4 1の厚さと対応する番号になっている。 こ こでは、 ゥエッジ アブソ一バ 4 1の厚さは 2 m mずつ増加させていく場合を考えるので、 i 二 1はゥエッジアブソ一バ 4 1 の厚さが 2 m m， i = 2 5がゥヱヅ ジ アブソ一バ 4 1の厚さが 5 0 m mに対応することになる。 その他は図 5 と同じである。
図 2 1 は図 1 9、 図 2 0のアルゴリズムによ り計算されたゥエッジァ ブソーバ 4 1の厚さに対する照射線量分布である . 図 2 1 はパターン一 致度の最大値を与える解を示しており、 図 1 9のステップ S T 1 6の照 射線量分布 Pに相当する。 図 2 2は目標と した所望の体内線量分布 Vと本発明の計算で求められ た照射線量分布で照射した場合の体内線量分布 U pを示す。 横軸は体内 深さ （ただし水で置き換えた水中深さ） である。 所望の体内線量分布を 与えていることがわかる。
図 2 3はこの発明の計算で求められた照射線量分布で照射した場合の 体内線量分布 U pと単一エネルギーの陽子線 4 2が与える体内線量分布 を重ねて表示したものである。 今回計算した照射線量分布によって、 目 標領域よ り深い部位の線量の減衰特性は単一エネルギーの陽子線 4 2の 減衰特性と同一になっていることがわかった。 これは、 腫瘍の後部に放 射線を照射してはいけない脊髄などの重要臓器がある場合に必要な特性 である。 この発明によ り形成された体内線量分布は所定の範囲 （腫瘍の 位置） で体内線量分布の平坦度をほぼ 2 %以下にでき、 さらに腫瘍後部 の線量減衰も理想的な特性となった。 単一エネルギーの陽子線 4 2の減 衰特性を越える減衰速度を得るこ とは物理的に不可能であるから、 この 発明の結果は理論限界を与えている。
この発明で得られた照射線量分布を用いて、 図 1 8の腫瘍が水中深く 存在する場合の体内線量分布を図 2 4に示す。 図 1 6 において、 照射は もっとも深いスライス 1 から順に行い、 ゥエッジアブソ一バ 4 1 と多葉 コ リメ一夕 4 3 をスライスごとに動かす。 腫瘍部位では、 一様な体内線 量が形成されているこ とがわかる。
図 2 5は体内線量分布を等高線表示したものであ り、 腫瘍部位では 1 0 0 %体内線量を形成していることがわかり、 深さ方向と横方向に対す る体内線量の減衰特性は非常に急峻な理想的なものになっているこ とが わ力、る。
なお、 ここでは粒子線と して陽子線を例にして説明したが、 ヘリ ウム ビーム、 炭素ビーム、 ネオンビームを初めとする他の粒子線でも同じで ある。
さらに、 この実施の形態では、 説明を簡単にするために、 図 1 6で示 された水モデルによる体内線量分布を図 1 8の深さ方向の線量分布 U i として採用したが、 実際の治療において患者の X線 C T画像デ一夕に基 づいて体内線量分布を高精度に計算して図 1 8の深さ方向の線量分布 U i と して用いることが望ま しい。 患者の X線 C T画像データに基づいて 体内線量分布を高精度に計算する方法にはモンテカルロ法を用いる方法 ( 1 9 7 8年に雑誌 R a d i a t i o n R e s e a r c h 第 7 4卷 2 1 7〜 2 3 0ページにゴィテンらが発表） や無限スラブモデル （ 1 9 9 5年に雑誌 P h y s i c s i n M e d i c i n e a n d B i o l o g y 第 4 0卷 1 0 3 1 〜 1 0 4 3ページにラ ッセルらが発表） を用いる方法などが公知であ り、 これらによ り深さ方向の線量分布 U i を計算して、 この発明に適用すればよい。
さらに、 上記は深さ方向の線量分布 U i だけを変化させたが、 人体内 の腫瘍を細かな体積要素に分割して、 各体積要素ごとに照射線量を変化 させる治療も行われている （ 1 9 8 3年に雑誌 N u c 1 e a r I n s t r u m e n t s a n d M e t h o d 第 2 1 4巻 4 9 1 〜 4 9 6 ページに金井らが発表） 。
この場合、 図 1 6のシステムに直径 6 mm程度の陽子線を入射させて 、 図示した X方向および紙面に垂直な図示しない y方向の 2方向に前記 直径 6 mm程度の陽子線をスキャニングする磁石が設置される。 人体に 照射される陽子線エネルギーは図 1 6のゥエッジァブソーバまたはこれ と同様な機能をもつエネルギーディ グレーダによ り調節されるか、 ある いは陽子線を生成加速する加速器内で調節される。
この結果、 前記陽子線は 3次元的にスキャニングされる。 このような 治療装置に図 1 8で開示されるこの発明を適用すれば、 細かな体積要素 ごとに体内線量を制御でき、 その線量分布が望みの 3次元分布に設定で きることは言う までもない。
なお、 図 1 9では陽子ビームの照射線量のステップ幅 A qを常に一定 値の 1 / 5 0 と して説明したが、 図 2 6のよう に△ (! , 、 Aq 2 、 . . . 、 Δ q » のうち少な く とも 1つを他と異なる値に設定してもよ く、
∑Aq j 二 q max q m l n
.i = 1 とすれば自由に選ぶこ とができる。 装置制約上、 照射線量の最小設定値 があま り小さ くできない場合に有効である。
図 2 6では照射線量の最小設定値を 0. 1 と して、 そのあとは 0. 0 1 きざみで最大値 1. 0まで増加させる例を示している。 このように設 定すれば、 装置の制約上 0. 1以下が設定できないときにおいても、 こ の制約下で準最適な線量で照射制御ができる。 つま り、 n
∑ Δ q j 二 I max q m l n
= 1 の範囲内できざみ幅△ qは自由に決めることができる。 なお、 図 2 6で は、 qm i, = 1、 q »■ n = 0 と している。 産業上の利用可能性
以上のように、 この発明にかかるエネルギー分布を形成する方法は、 そのエネルギー分布の強度を可変できるようにしたもので、 人体内部の 腫瘍などのターゲッ トにエネルギー分布を照射して治療する場合、 その 腫瘍の後部にある重要臓器にエネルギー分布を照射しないで治療するた めのエネルギー分布を形成する方法と して有用である。

Claims

請 求 の 範 囲
1. エネルギー源密度の最小値 qn i„ と最大値 q„ , x を決める第 1のス テヅプと、 m個のエネルギー源密度設定位置 X i ( i = l， . . . m) に前記最小のエネルギー源密度 q » i n を設定する第 2のステップと、 q i + Δ q > q , x となる iを除き i = lから mの各 iについてそれそれ 、 エネルギー源密度設定位置 X i のエネルギー源密度 q i だけを所定の 値 増加させ、 エネルギー分布ベク トル Ui を計算する第 3のステツ プと、 計算したエネルギー分布ベク トル Ui と所望のエネルギー分布べ ク トル Vからパターン一致度ァ i を計算する第 4のステップと、 最も大 きなパターン一致度を与えるエネルギー源密度設定位置 X i のエネルギ —源密度を q i + A qに変更する第 5のステップと、 すべてのエネルギ —源密度設定位置 X i のエネルギー源密度が最大のエネルギー源密度 q » » » に到達するまで第 3のステップから第 5のステップまでを繰り返し ながら、 パターン一致度の最大値を与えるエネルギー源密度分布 Pを探 索する第 6のステップと、 第 6のステップで探索したエネルギー源密度 分布 Pを用いて計算したエネルギー分布べク トル UP と所望のエネルギ —分布べク トル Vの比 aを計算し、 P/aをエネルギー源密度分布とす る第 7のステツプとを備えたエネルギー分布を形成する方法。
2. エネルギー源密度の最小値 „ と最大値 qm»x を決める第 1のス テツプと、 m個のエネルギー源密度設定位置 X i ( i = l , . . . m) に前記最大のエネルギー源密度 » を設定する第 2のステップと、 q i - Δ q < q B i„ となる iを除き i = lから mの各 iについてそれそれ 、 エネルギー源密度設定位置 X i のエネルギー源密度 q i だけを所定の 値 A q減少させ、 エネルギー分布ベク トル Ui を計算する第 3のステツ プと、 計算したエネルギー分布ベク トル U i と所望のエネルギー分布べ ク トル Vからパターン一致度ァ i を計算する第 4のステップと、 最も大 きなパターン一致度を与えるエネルギ一源密度設定位置 X i のエネルギ —源密度を q i — △ qに変更する第 5のステップと、 すべての位置 X i のエネルギー源密度が最小のエネルギー源密度 q„ i„ に到達するまで第 3のステップから第 5のステップまでを繰り返しながら、 パターン一致 度の最大値を与えるエネルギー源密度分布 Pを探索する第 6のステップ と、 第 6のステップで探索した密度分布 Pを用いて計算したエネルギー 分布べク トル U P と所望のエネルギー分布べク トル Vの概略の比 aを計 算し、 P / aをエネルギー源密度分布とする第 7のステップとを備えた エネルギー分布を形成する方法。
3 . エネルギー源分布と して、 電荷密度分布 . 粒子線ビーム強度分布 . 電流密度分布 · 電圧源分布 · 電磁界源分布 · 放射線源分布 · 熱源分布 · 光源分布 · 荷重分布 · 音源分布 · 磁化分布のいずれかを選択することを 特徴とする請求項 1記載のエネルギー分布を形成する方法。
4 . エネルギー分布と して、 電界分布 · 粒子線線量分布 ' 電位分布 . 電 磁界分布 · 応力分布 · 変位分布 · 温度分布 · 流速分布 · 音圧分布 · 放射 線強度分布のいずれかを選択することを特徴とする請求項 1記載のエネ ルギ一分布を形成する方法。
5 . パターン一致度と して、 計算したエネルギー分布ベク トル U i と所 望のエネルギー分布べク トル Vのなす角度のコサイ ン （ c o s ) 成分を 用いることを特徴とする請求項 1記載のエネルギー分布を形成する方法
6. パターン一致度と して、 計算したエネルギー分布ベク トル U i と所 望のエネルギー分布ベク トル Vのなす角度のサイ ン （ s i n) 成分を用 いることを特徴とする請求項 1記載のエネルギー分布を形成する方法。
7. 粒子線線量分布と して陽子線線量分布、 粒子線ビーム強度分布と し て陽子線ビーム強度分布を選択することを特徴とする請求項 4記載のェ ネルギー分布を形成する方法。
8. エネルギー源分布と して、 粒子線ビームの照射線量分布を選択し、 エネルギー分布と して、 体内の粒子線線量分布を選択することを特徴と する請求項 1記載のエネルギー分布を形成する方法。
9. 粒子線として、 陽子線を選択することを特徴とする請求項 1記載の エネルギー分布を形成する方法。
1 0. i = l から mに対する各 の選び方は、 A q』 ( j = 1. . . n ) に対して
n
∑ Δ q J 二 q max — q mi n
j = 1
となるように決めたこ とを特徴とする請求項 1 または請求項 2記載のェ ネルギ一分布を形成する方法。
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