特許 6099183 荷電粒子線照射装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6099183

(24)【登録日】2017年3月3日

(45)【発行日】2017年3月22日

(54)【発明の名称】荷電粒子線照射装置

(51)【国際特許分類】

   A61N 5/10 20060101AFI20170313BHJP

【ＦＩ】

   A61N5/10 H

   A61N5/10 Q

【請求項の数】1

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2011-227078(P2011-227078)

(22)【出願日】2011年10月14日

(65)【公開番号】特開2013-85613(P2013-85613A)

(43)【公開日】2013年5月13日

【審査請求日】2014年2月17日

【審判番号】不服2015-11334(P2015-11334/J1)

【審判請求日】2015年6月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100117499

【弁理士】

【氏名又は名称】小島 誠

(72)【発明者】

【氏名】佐々井 健蔵

【合議体】

【審判長】 高木 彰

【審判官】 長屋 陽二郎

【審判官】 関谷 一夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１−１１５３７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

A61N 5/10

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アイソセンター位置に配置された被照射体に対して荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射装置であって、
前記被照射体に荷電粒子線を照射する照射部と、
前記照射部に設けられ、荷電粒子線を走査する電磁石と、
前記照射部に設けられ、荷電粒子線の線量分布を測定する線量分布測定手段と、
前記線量分布測定手段よりも前記荷電粒子線の照射方向における下流側に設けられ、前記荷電粒子線の照射方向と垂直な平面における前記荷電粒子線の形状の成形を行うコリメータと、
前記線量分布測定手段の測定結果と前記コリメータの開口の形状のデータとに基づいて、前記線量分布モニタの測定結果を補正して前記アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を算出する線量分布算出手段と、を備え、
前記線量分布算出手段は、前記照射部に入射した荷電粒子線の線量分布を荷電粒子線の照射方向と直交する方向の位置座標の関数とし、当該関数に対して前記電磁石の走査に対応する関数を畳み込み積分して得られる前記電磁石によって走査された直後の位置における荷電粒子線の線量分布の関数と、前記線量分布測定手段の測定結果から得られる線量分布の中心位置座標と、前記コリメータの効果と、に基づいて、前記アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を算出し、
前記照射方向と直交する方向をＸ軸方向とした場合に、前記照射部に入射した荷電粒子線の線量分布のＸ軸位置座標の関数ｆ（ｘ）が下記の式（１）で表され、前記電磁石の走査に対応する関数ｇ（ｘ）が下記の式（２）で表され、前記電磁石によって走査された直後の位置における荷電粒子線の線量分布の関数Ｄ_Ｍ（ｘ）が下記の式（３）で表され、前記コリメータの効果が下記の式（４），（５）で表され、前記アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布Ｄ_Ｉ（ｘ）が下記の式（６）で表される、
ことを特徴とする荷電粒子線照射装置。
［数１］

［数２］

［数３］

［数４］

［数５］

但し、式（１）におけるＡは規格化定数、σ_Ｍは線量分布測定手段の位置における線量分布のＸ軸方向の広がり、μ_Ｍは線量分布測定手段の位置における線量分布のＸ軸上の中心位置座標である。また、式（２）におけるＲはワブリング半径である。また、式（４），（５）におけるａはコリメータの開口の幅（Ｘ軸方向における幅）に依存するパラメータ、ｓは入射した荷電粒子線の粒子エネルギー，電磁石の磁場強度，及びコリメータからアイソセンター位置までの距離に依存するパラメータである。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、荷電粒子線照射装置及び荷電粒子線の線量分布算出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、患者の腫瘍に対して荷電粒子線の照射により治療を施す荷電粒子線照射装置が知られている。このような荷電粒子線照射装置では、アイソセンター位置に配置された腫瘍の形状に応じて荷電粒子線の線量分布を正確に設定する必要がある。

【0003】

例えば、特許文献１には、ＣＴ装置が得た患者の断面画像を用いて腫瘍の輪郭を決定し、腫瘍の形状から荷電粒子線の線量分布を計画する治療計画装置が開示されている。この治療計画装置では、腫瘍付近の断面画像から立体画像を構成し、計画した荷電粒子線の線量分布を立体画像へ投影することで線量分布計画の確認を行っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平５−３３７２０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、前述した治療計画装置においては、画像データ上で線量分布計画の確認を行っているが、実際に照射された荷電粒子線の線量分布を測定しておらず、確認に対する信頼性が高いとは言えない。荷電粒子線の径路上に線量分布モニタを設けることも考えられるが、この場合、測定できる線量分布は線量分布モニタ位置のものであり、アイソセンター位置における線量分布とは異なる。荷電粒子線の線量分布の確認は治療の信頼性を確保する上で重要であることから、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を精度良く確認するための技術が強く求められている。

【0006】

そこで、本発明は、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を精度良く算出できる荷電粒子線照射装置及び荷電粒子線の線量分布算出方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するため、本発明は、アイソセンター位置に配置された被照射体に対して荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射装置であって、被照射体に荷電粒子線を照射する照射部と、照射部に設けられ、荷電粒子線を走査する電磁石と、照射部に設けられ、荷電粒子線の線量分布を測定する線量分布測定手段と、線量分布測定手段よりも荷電粒子線の照射方向における下流側に設けられ、荷電粒子線の照射方向と垂直な平面における荷電粒子線の形状の成形を行うコリメータと、線量分布測定手段の測定結果とコリメータの開口の形状のデータとに基づいて、線量分布モニタの測定結果を補正してアイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を算出する線量分布算出手段と、を備え、線量分布算出手段は、照射部に入射した荷電粒子線の線量分布を荷電粒子線の照射方向と直交する方向の位置座標の関数とし、当該関数に対して電磁石の走査に対応する関数を畳み込み積分して得られる前記電磁石によって走査された直後の位置における荷電粒子線の線量分布の関数と、線量分布測定手段の測定結果から得られる線量分布の中心位置座標と、コリメータの効果と、に基づいて、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を算出し、照射方向と直交する方向をＸ軸方向とした場合に、照射部に入射した荷電粒子線の線量分布のＸ軸位置座標の関数ｆ（ｘ）が下記の式（１）で表され、電磁石の走査に対応する関数ｇ（ｘ）が下記の式（２）で表され、電磁石によって走査された直後の位置における荷電粒子線の線量分布の関数Ｄ_Ｍ（ｘ）が下記の式（３）で表され、コリメータの効果が下記の式（４），（５）で表され、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布Ｄ_Ｉ（ｘ）が下記の式（６）で表される、ことを特徴とする。
［数１］

［数２］

［数３］

［数４］

［数５］

但し、式（１）におけるＡは規格化定数、σ_Ｍは線量分布測定手段の位置における線量分布のＸ軸方向の広がり、μ_Ｍは線量分布測定手段の位置における線量分布のＸ軸上の中心位置座標である。また、式（２）におけるＲはワブリング半径である。また、式（４），（５）におけるａはコリメータの開口の幅（Ｘ軸方向における幅）に依存するパラメータ、ｓは入射した荷電粒子線の粒子エネルギー，電磁石の磁場強度，及びコリメータからアイソセンター位置までの距離に依存するパラメータである。

【0008】

本発明に係る荷電粒子線照射装置によれば、照射部を通過する荷電粒子線の線量分布の測定結果に基づいて、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を算出することができる。従って、この荷電粒子線照射装置によれば、実際に照射することでアイソセンター位置における線量分布を治療前に確認することが可能になる。しかも、この荷電粒子線照射装置では、実際に照射された荷電粒子線の線量分布の測定結果を用いることで、実際の測定結果を用いない場合と比べて、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を精度良く算出することができる。
また、電磁石によって走査された直後の位置における線量分布を表す関数に対して実際の荷電粒子線の線量分布の測定結果を利用することで、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を算出することができる。
この場合、線量分布を表す関数Ｄ_Ｍ（ｘ）に対して実際の荷電粒子線の線量分布の測定結果を利用することで、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を精度良く算出することができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を精度良く算出できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係る荷電粒子線照射装置の一実施形態を示す斜視図である。

【図2】図１に示すワブラー方式の照射部を示す斜視図である。

【図3】照射部における荷電粒子線の線量分布の変化を示す概略図である。

【図4】線量分布モニタにおける測定結果の一例を示すグラフである。

【図5】本発明に係る荷電粒子線の線量分布算出方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

【0021】

図１に示されるように、照射部１は、荷電粒子線照射装置１００において、治療台１０５を取り囲むように設けられた回転ガントリ１０３に取り付けられ、この回転ガントリ１０３によって治療台１０５の回りに回転可能とされている。そして、治療台１０５に寝かされた患者の腫瘍等の被照射体に対して、荷電粒子線Ｐ（図２参照）を照射する。荷電粒子線Ｐは、電荷をもった粒子を高速に加速したものであり、荷電粒子線Ｐとしては、例えば陽子線、重粒子（重イオン）線等が挙げられる。

【0022】

なお、図１には示されていないが、荷電粒子線照射装置１００は、イオン源で生成した荷電粒子線を加速して荷電粒子線Ｐを出射するサイクロトロンを治療台１０５及び回転ガントリ１０３から離れた位置に備えている。サイクロトロンから出射された荷電粒子線Ｐはビーム輸送系を介して照射部１に供給される。この荷電粒子線照射装置１００は、制御装置１０によって統括的に制御されている。

【0023】

図２に示されるように、照射部１は、荷電粒子線Ｐの照射方向に順に配列された四極磁石２、ワブリング磁石３、散乱体４、リッジフィルタ５、線量分布モニタ（線量分布測定手段）６、マルチリーフコリメータ７、及びスノート８を備えている。以下、照射部１を通る荷電粒子線Ｐの照射方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交する二方向をＸ軸方向及びＹ軸方向として説明に用いる。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は互いに直交する方向である。

【0024】

照射部１の入口に最も近い四極磁石２は、ビーム輸送ラインを介して入力された荷電粒子線Ｐが発散するのを抑えて収束させる電磁石である。四極磁石２の下流には、ワブリング磁石３が配置されている。ワブリング磁石３は、正規分布状の荷電粒子線Ｐを円軌道で走査することで一様な照射野を形成するための電磁石である。

【0025】

散乱体４は、ワブリング磁石３で走査された荷電粒子線Ｐの拡散を行う。このような散乱体４は、例えば鉛製の板から構成されている。散乱体４は、荷電粒子線Ｐを照射方向と直交する方向（ＸＹ平面内の方向）に広がりを持つ幅広のビームへと拡散させる。

【0026】

リッジフィルタ５は、散乱体４で散乱された荷電粒子線Ｐの線量分布の調整を行う。具体的には、リッジフィルタ５は、患者の体内の腫瘍の厚さ（照射方向における腫瘍の長さ）に対応するように、荷電粒子線Ｐに拡大ブラッグピーク（ＳＯＢＰ）を与える。

【0027】

線量分布モニタ６は、通過する荷電粒子線Ｐの線量分布の測定を行う。線量分布モニタ６は、Ｘ軸方向又はＹ軸方向で延在して格子状に配列された複数の金属ワイヤを有しており、荷電粒子線Ｐが照射された金属ワイヤから発生する電子を検出する。これらの複数の金属線にはＸ軸及びＹ軸の位置座標に応じたチャネル番号が付されており、各チャネル番号の金属ワイヤから発生した電子を検出することで、荷電粒子線Ｐの線量分布の測定が行われる。

【0028】

マルチリーフコリメータ７は、照射方向と垂直な平面（ＸＹ平面）における荷電粒子線Ｐの形状の成形を行う。マルチリーフコリメータ７は、Ｘ軸方向で対向する二列の櫛歯を有しており、対向する櫛歯間の開口を調整することで、開口を通過する荷電粒子線Ｐの成形を行う。なお、マルチリーフコリメータ７に代えて、ブロックコリメータを用いても良い。ブロックコリメータとしては、患者の腫瘍形状に合わせて穴を形成された金属柱等が用いられる。

【0029】

スノート８は、照射方向（Ｚ軸方向）の奥行きについて荷電粒子線Ｐを腫瘍の形状に合わせて成形するボーラスを保持する部材である。ボーラスは、荷電粒子線Ｐの最大到達深さの部分の立体形状を、腫瘍の最大深さ部分の形状に合わせて成形する。

【0030】

図１及び図２に示されるように、荷電粒子線照射装置１００は、その全体的な制御を行う制御装置１０を備えている。制御装置１０は、患者に対する荷電粒子線Ｐの照射制御やマルチリーフコリメータ７の位置制御を行う。また、制御装置１０は、アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布を算出するための線量分布算出部（線量分布算出手段）１１を有している。線量分布算出部１１は、線量分布モニタ６の測定結果に基づいて、アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布を算出する。

【0031】

次に、本実施形態に係る荷電粒子線照射装置１００における線量分布算出方法について説明する。

【0032】

図３に示されるように、本実施形態に係る線量分布算出方法は、線量分布モニタ６が荷電粒子線Ｐの線量分布を測定する線量分布測定ステップＳ１と、線量分布算出部１１がアイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布を算出する線量分布算出ステップＳ２と、を有している。

【0033】

ここで、図４は、ＸＺ平面における荷電粒子線Ｐの線量分布の変化を説明するための概略図である。図４において、四極磁石２、リッジフィルタ５、及びスノート８の描写を省略する。照射部１における中心軸（照射部１を構成する機器２〜８の略中心を通る軸）をＣとして示す。

【0034】

図４に示されるように、ビーム輸送ラインから入射した荷電粒子線Ｐは、四極磁石２により収束され、その線量分布はＷ１のような山なりの状態となる。この場合の線量分布Ｗ１は、位置座標ｘの関数ｆ（ｘ）として下記の式（１）で表すことができる。式（１）におけるＡは規格化定数である。また、μ_Ｍは線量分布モニタ６の位置における線量分布の中心位置座標である。σ_Ｍは線量分布モニタ６の位置における線量分布の広がりである。この関数ｆ（ｘ）はガウシアン（ガウス関数）となる。

【数1】

【0035】

線量分布Ｗ１の荷電粒子線Ｐがワブリング磁石３によって走査されると、線量分布はＷ２の状態（二つの山からなる状態）となる。この場合のワブリング半径をＲとする。ワブリング半径Ｒは、入射した荷電粒子線Ｐの粒子エネルギーＥ、ワブリング磁石３の磁場強度Ｂ、ワブリング磁石３から線量分布Ｗ２の現在位置までの距離Ｌｗに依存するパラメータである。ここで、線量分布Ｗ１に対するワブリング磁石３の走査の影響を表す関数ｇ（ｘ）を検討すると、下記の式（２）として表すことができる。この場合、線量分布Ｗ２の関数Ｄ_Ｍ（ｘ）は、下記の式（３）として表すことができる。すなわち、関数Ｄ_Ｍ（ｘ）は、関数ｆ（ｘ）及び関数ｇ（ｘ）を畳み込み積分することで求めることができる。

【数2】

【数3】

【0036】

その後、荷電粒子線Ｐが散乱体４によってＸ軸方向及びＹ軸方向に拡散されると、線量分布はＷ３の状態となる。線量分布Ｗ３は、線量分布モニタ６の位置（線量分布測定位置）における荷電粒子線Ｐの線量分布である。この線量分布Ｗ３が線量分布測定ステップＳ１において線量分布モニタ６に測定される。

【0037】

図５は、線量分布モニタ６の測定結果の一例を示すグラフである。横軸は、線量分布モニタ６のＸ軸座標に対応するチャネル番号、縦軸は線量相当値を示している。線量相当値とは、荷電粒子線Ｐの線量に比例する値であり、所定の係数を乗じることで線量が得られる。

【0038】

線量分布算出部１１は、図５に示す測定結果の線量分布データ（折れ線状のデータ）に対してフィッティングを行う。このようなフィッティングには、Levenberg−Marquardt法やNelder−Mead Simplex法等を利用することができる。フィッティング後の線量分布データの一例を図５に一点鎖線として示す。

【0039】

ここで、線量分布モニタ６の位置における線量分布の広がりσ_Ｍと線量分布モニタ６の位置におけるワブリング半径Ｒ_Ｍは、実測で決定することができる。従って、上記の式（３）におけるフリーパラメータは、規格化定数Ａと線量分布モニタ６の位置における線量分布の中心位置座標μ_Ｍのみである。Ａは規格化定数なので、物理的な意味はない。このため、フィッティングによってμ_Ｍが求められる。線量分布算出部１１は、フィッティングによって求めたμ_Ｍを、アイソセンター位置における線量分布Ｗ４の中心位置座標μ_Ｉとして用いる。

【0040】

アイソセンター位置における線量分布Ｗ４は、上記の式（３）にマルチリーフコリメータ７の効果を乗じることで求められる。マルチリーフコリメータ７の効果は、下記の式（４），（５）として表わすことができる。下記の式（４），（５）において、ａはマルチリーフコリメータ７の開口の幅ｑ（Ｘ軸方向における幅）等に依存するパラメータである。また、ｓは、入射した荷電粒子線Ｐの粒子エネルギーＥ、ワブリング磁石３の磁場強度Ｂ、マルチリーフコリメータ７からアイソセンター位置までの距離Ｌ_ＣＩ等に依存するパラメータである。

【数4】

【0041】

アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布Ｗ４を表す関数Ｄ_Ｉ（ｘ）は、ｆ（ｘ）とｇ（ｘ）とを畳み込み積分をしたものにｈ（ｘ）を乗じたものとなる。従って、関数Ｄ_Ｉ（ｘ）を下記の式（６）として表すことができる。式（６）において、アイソセンター位置における線量分布Ｗ４の中心位置座標μ_Ｉにはフィッティングで求めたμ_Ｍを用いる。また、アイソセンター位置における線量分布Ｗ４の広がりσ_Ｉ及びアイソセンター位置におけるワブリング半径Ｒ_Ｉには計算で決定した値を利用する。

【数5】

【0042】

線量分布算出部１１は、線量分布算出ステップＳ２において上記の式（６）に基づいて、アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布Ｗ４の関数Ｄ_Ｉ（ｘ）を算出する。線量分布算出部１１は、線量モニタ６の測定結果のフィッティングデータと上記の式（６）とに基づいて、アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布Ｗ４を算出することができる。なお、線量分布をＸ軸位置座標の関数とした場合の算出について説明したが、線量分布をＹ軸位置座標の関数とした場合も同様に算出することができる。

【0043】

以上説明した荷電粒子線照射装置１００及び荷電粒子線の線量分布算出方法によれば、照射部１を通過する荷電粒子線Ｐの線量分布の測定結果に基づいて、アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布を算出することができる。従って、この荷電粒子線照射装置１００及び線量分布算出方法によれば、実際に照射することでアイソセンター位置における線量分布を治療前に確認することが可能になる。しかも、この荷電粒子線照射装置１００及び線量分布算出方法では、実際に照射部１を通過する荷電粒子線Ｐの線量分布の測定結果を用いるので、線量分布の測定結果を用いない場合と比べて、アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布を精度良く算出することができる。

【0044】

また、この荷電粒子線照射装置１００及び線量分布算出方法によれば、上述した式（１）〜（６）を用い、実際の荷電粒子線Ｐの線量分布の測定結果を踏まえて線量分布を算出することで、アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布を一層精度良く算出することができる。

【0045】

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、アイソセンター位置における線量分布の中心位置座標μ_Ｉは、フィッティングにより求められたμ_Ｍと同じにする必要はない。照射部１の入口側のプロファイルモニタによって当該プロファイルモニタの位置における線量分布の中心位置座標μｐを測定した場合には、μｐを用いてアイソセンター位置における線量分布の中心位置座標μ_Ｉを算出することもできる。具体的には、μｐと、プロファイルモニタから線量分布モニタ６までの距離Ｌ_ＰＭと、線量分布モニタ６からアイソセンター位置までの距離Ｌ_ＭＩと、を用いて下記の式（７）から求めることができる。

【数6】

【0046】

また、本発明は、ワブラー法による荷電粒子線の線量分布算出に限られない。例えば、ワブリング磁石を使わずに、複数の散乱体により荷電粒子線を拡散させる二重散乱体法においても本発明を有効に適用することができる。更に、本発明は、上述したような関数を用いた算出方法に限られず、様々な方法によりアイソセンター位置の線量分布の算出を行うことができる。

【符号の説明】

【0047】

１…照射部 ２…四極磁石 ３…ワブリング磁石 ４…散乱体 ５…リッジフィルタ ６…線量分布モニタ ７…マルチリーフコリメータ ８…スノート １０…制御装置 １１…線量分布算出部（線量分布算出手段） １００…荷電粒子線照射装置 １０３…回転ガントリ １０５…治療台 Ｃ…中心軸 Ｐ…荷電粒子線 ｑ…開口幅 Ｒ…ワブリング半径 Ｗ１-Ｗ４…線量分布

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】