特許 6602732 粒子線ビーム位置安定化装置及び方法、粒子線ビーム照射装置

(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】6602732

(24)【登録日】2019年10月18日

(45)【発行日】2019年11月6日

(54)【発明の名称】粒子線ビーム位置安定化装置及び方法、粒子線ビーム照射装置

(51)【国際特許分類】

   A61N 5/10 20060101AFI20191028BHJP

【ＦＩ】

   A61N5/10 M

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-166398(P2016-166398)

(22)【出願日】2016年8月29日

(65)【公開番号】特開2018-33482(P2018-33482A)

(43)【公開日】2018年3月8日

【審査請求日】2019年2月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】亀田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】井関 康

(72)【発明者】

【氏名】塙 勝詞

【審査官】 宮崎 敏長

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１０３９７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２２５８７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０００３４７（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】

粒子線ビームの軌道上における異なる位置に少なくとも２つ設置された位置センサと、
前記粒子線ビームの通過により前記少なくとも２つの位置センサの出力結果から前記粒子線ビームの重心位置を算出する重心位置算出部と、
前記重心位置算出部により算出された重心位置からビーム入射位置及びビーム入射角度を算出するビーム位置及び角度算出部と、
前記ビーム入射角度を偏向させるステアリング電磁石と、
前記ビーム位置及び角度算出部により算出した前記ビーム入射位置及びビーム入射角度と、想定しているビーム目標位置及びビーム目標角度とのずれ量から、前記ステアリング電磁石のビーム偏向角に対する補正値を算出し、この補正値を前記ステアリング電磁石に出力する制御部と、
を備えることを特徴とする粒子線ビーム位置安定化装置。

【請求項2】

前記少なくとも２つの位置センサ、前記重心位置算出部、前記ビーム位置及び角度算出部、前記ステアリング電磁石、及び前記制御部は、全体がモジュール化して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム位置安定化装置。

【請求項3】

前記ステアリング電磁石は、前記少なくとも２つの位置センサで挟まれた前記粒子線ビームの軌道の外側に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子線ビーム位置安定化装置。

【請求項4】

前記少なくとも２つの位置センサは、複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、かつ複数の第２の線状電極が前記粒子線ビームの輸送方向及び前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の粒子線ビーム位置安定化装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記粒子線ビームの照射中に定周期で前記粒子線ビームの軌道の補正演算処理を実行す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位置安定化装置。

【請求項6】

前記制御部は、前記粒子線ビームのビームエネルギーに応じて前記ビーム偏向角に対する変換係数を変更する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位置安定化装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記ステアリング電磁石の最大偏向角を算出し、要求される偏向角が最大偏向角から逸脱した場合、前記粒子線ビームの出射を中断するインターロック信号を出力することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の粒子線ビーム位置安定化装置。

【請求項8】

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出射制御部と、
前記粒子線ビームを２次元走査するビーム走査部と、
照射対象に照射する照射線量に応じた信号を積算する線量モニタ部と、
前記粒子線ビームの輸送方向において前記出射制御部と前記ビーム走査部との間に少なくとも１つ配置された請求項１ないし７のいずれか一項に記載の粒子線ビーム位置安定化装置と、
を備えることを特徴とする粒子線ビーム照射装置。

【請求項9】

前記粒子線ビーム位置安定化装置は、稼働前に前記粒子線ビームの軌道の補正演算処理を実行する制御部を有することを特徴とする請求項８に記載の粒子線ビーム照射装置。

【請求項10】

粒子線ビームの軌道上における異なる位置に少なくとも２つ設置された位置センサと、
前記粒子線ビームのビーム入射角度を偏向させるステアリング電磁石と、を備える粒子線ビーム位置安定化装置によって前記粒子線ビームの位置を安定化させる粒子線ビーム位置安定化方法であって、
前記粒子線ビームの通過により前記少なくとも２つの位置センサの出力結果から、重心位置算出部が前記粒子線ビームの重心位置を算出する重心位置算出ステップと、
前記重心位置算出ステップにより算出された重心位置から、ビーム位置及び角度算出部がビーム入射位置及びビーム入射角度を算出するビーム位置及び角度算出ステップと、
前記ビーム位置及び角度算出ステップで算出した前記ビーム入射位置及びビーム入射角度と、想定しているビーム目標位置及びビーム目標角度とのずれ量から、制御部が前記ステアリング電磁石のビーム偏向角に対する補正値を算出し、この補正値を前記ステアリング電磁石に出力する制御ステップと、
を有することを特徴とする粒子線ビーム位置安定化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、例えば照射対象の患者の患部に対して炭素又は陽子等の粒子線ビーム（以下、単にビームとも記す。）を照射し、がん治療等を行うために用いられる粒子線ビーム位置安定化装置及び方法、粒子線ビーム照射装置に関する。

【背景技術】

【0002】

粒子線治療の照射法には、照射対象の体内患部を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がある。このスキャニング照射法では、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、照射ポートに位置モニタが設置されている。

【0003】

上記スキャニング照射法による重粒子線治療装置では、ビーム輸送方向における上流側の加速器から高速のビームを下流側のスキャニング照射装置の照射ポートまで輸送し、１ｍｍ以下の精度で照射対象の患部に照射することが必要となる。その際、電磁石の経時変化、ヒステリシス、磁気余効等の電磁石の物理的要因により、あらかじめ計画した照射予定位置（照射基準位置）から数ｍｍ程度の差異が生じる場合がある。

【0004】

そのため、従来では上記位置モニタによりビーム位置をモニタし、そのビーム位置が照射基準位置に対して差異が生じた場合、スキャニング照射装置に対してフィードバック制御を行うことで、差異を解消するようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１４−１０３９７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述したビーム位置の照射基準位置に対する差異を解消する技術は、スキャニング照射装置に入射するビーム軌道がその中心軸を通過することを前提としている。そのため、加速器からスキャニング照射装置までのビーム軌道が変動し、ビーム軌道が上記スキャニング照射装置の中心軸から数ｍｍ程度ずれた場合、照射対象に対して誤照射となる可能性がある。

【0007】

従来では、ビーム軌道を安定化させるため、重粒子線治療装置を構成する多数の電磁石の電流値を調整するとともに、加速器から出射されるビームの出射条件を変えることで、ビーム軌道を調整していた。

【0008】

このようなビーム軌道の調整作業は、第１に高度な専門知識が要求されること、第２にビームエネルギーごとにパラメータ（イオン光学系の設定）が異なること等から、これまで多くの時間と労力が費やされてきた。このような状況は、スキャニング照射法による重粒子線治療装置を普及させる上で大きな障害となり得る。

【0009】

本実施形態が解決しようとする課題は、ビーム軌道の調整作業の簡素化を図った粒子線ビーム位置安定化装置及び方法、粒子線ビーム照射装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、本実施形態に係る粒子線ビーム位置安定化装置は、粒子線ビームの軌道上における異なる位置に少なくとも２つ設置された位置センサと、前記粒子線ビームの通過により前記少なくとも２つの位置センサの出力結果から前記粒子線ビームの重心位置を算出する重心位置算出部と、前記重心位置算出部により算出された重心位置からビーム入射位置及びビーム入射角度を算出するビーム位置及び角度算出部と、前記ビーム入射角度を偏向させるステアリング電磁石と、前記ビーム位置及び角度算出部により算出した前記ビーム入射位置及びビーム入射角度と、想定しているビーム目標位置及びビーム目標角度とのずれ量から、前記ステアリング電磁石のビーム偏向角に対する補正値を算出し、この補正値を前記ステアリング電磁石に出力する制御部と、を備えることを特徴とする。

【0011】

本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置は、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出射制御部と、前記粒子線ビームを２次元走査するビーム走査部と、照射対象に照射する照射線量に応じた信号を積算する線量モニタ部と、前記粒子線ビームの輸送方向において前記出射制御部と前記ビーム走査部との間に少なくとも１つ配置された上記に記載の粒子線ビーム位置安定化装置と、を備えることを特徴とする。

【0012】

本実施形態に係る粒子線ビーム位置安定化方法は、粒子線ビームの軌道上における異なる位置に少なくとも２つ設置された位置センサと、前記粒子線ビームのビーム入射角度を偏向させるステアリング電磁石と、を備える粒子線ビーム位置安定化装置によって前記粒子線ビームの位置を安定化させる粒子線ビーム位置安定化方法であって、前記粒子線ビームの通過により前記少なくとも２つの位置センサの出力結果から、重心位置算出部が前記粒子線ビームの重心位置を算出する重心位置算出ステップと、前記重心位置算出ステップにより算出された重心位置から、ビーム位置及び角度算出部がビーム入射位置及びビーム入射角度を算出するビーム位置及び角度算出ステップと、前記ビーム位置及び角度算出ステップで算出した前記ビーム入射位置及びビーム入射角度と、想定しているビーム目標位置及びビーム目標角度とのずれ量から、制御部が前記ステアリング電磁石のビーム偏向角に対する補正値を算出し、この補正値を前記ステアリング電磁石に出力する制御ステップと、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本実施形態によれば、ビーム軌道の調整作業を簡素化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】一実施形態を適用した粒子線ビーム照射装置の全体構成を示すブロック図である。

【図2】一実施形態の粒子線ビーム位置安定化装置を示すブロック図である。

【図3】ストリップ型の位置センサの構成を示す説明図である。

【図4】図２における重心位置算出部の細部構成を示すブロック図である。

【図5】一実施形態のスキャニング照射法によるビーム位置の安定化を示す説明図である。

【図6】一実施形態の粒子線ビーム位置安定化装置の原理を示す説明図である。

【図7】一実施形態の粒子線ビーム位置安定化装置の原理を示す説明図である。

【図8】一実施形態の粒子線ビーム位置安定化装置の基本的な処理を示すフローチャートである。

【図9】一実施形態の粒子線ビーム位置安定化装置がオフのときの状態を示す説明図である。

【図10】一実施形態の粒子線ビーム位置安定化装置がオンのときの効果を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本実施形態に係る粒子線ビーム位置安定化装置及び方法、粒子線ビーム照射装置について、図面を参照して説明する。

【0016】

（粒子線ビーム照射装置）
図１は一実施形態を適用した粒子線ビーム照射装置の全体構成を示すブロック図である。

【0017】

図１に示すように、粒子線ビーム照射装置１は、ビーム生成部１０、出射制御部２０、ビーム走査部３０、Ｘ軸用電磁石３０ａ、Ｙ軸用電磁石３０ｂ、一実施形態の粒子線ビーム位置安定化装置（以下、ビーム位置安定化装置とも記す。）４０、線量モニタ部５０、位置モニタ部５１、リッジフィルタ６０、レンジシフタ７０、制御部８０、及び重心位置算出部９０等を備えて構成されている。

【0018】

粒子線ビーム照射装置１は、炭素等の粒子や陽子等を高速に加速して得られる粒子線ビームを照射対象であるがん患者１００の患部２００に向けて照射し、がん治療を行う装置である。粒子線ビーム照射装置１では、患部２００を３次元の格子点に離散化し、各格子点に対して細い径の粒子線ビームを順次走査する３次元スキャニング照射法を実施することが可能である。

【0019】

具体的には、患部２００を粒子線ビームの軸方向（図１右上に示す座標系におけるＺ軸方向）にスライスと呼ばれる平板状の単位で分割し、分割したスライスＺｉ、スライスＺｉ＋１、スライスＺｉ＋２等の各スライスの２次元格子点（図１に示す座標系におけるＸ軸及びＹ軸方向の格子点）を順次走査することによって３次元スキャニングを行っている。

【0020】

ビーム生成部１０は、炭素イオンや陽子等の粒子を生成するとともに、シンクロトロン等の加速器（主加速器）によってこれらの粒子を患部２００の奥深くまで到達できるエネルギーまで加速して粒子線ビームを生成している。

【0021】

出射制御部２０では、後述するビーム位置安定化装置４０のフィードバック制御部４６又は制御部８０からそれぞれ出力される制御信号、すなわちインターロック信号及びビーム出射許可信号に基づいて、ビーム生成部１０により生成された粒子線ビームの出射のオン、オフ制御を行っている。

【0022】

ビーム走査部３０は、Ｚ軸方向に輸送される粒子線ビームをＸ方向及びＹ方向に偏向させ、スライス面上を２次元で走査するものであり、Ｘ軸方向に走査するＸ軸用電磁石３０ａとＹ軸方向に走査するＹ軸用電磁石３０ｂの励磁電流を制御している。なお、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、互いに直交している。

【0023】

ここで、一実施形態のビーム位置安定化装置４０の構成及び作用については、後述する。また、出射制御部２０とビーム位置安定化装置４０との間には、図２に示すように複数の電磁石から構成されたビーム輸送部２５が設置されている。このビーム輸送部２５は、出射制御部２０から出射したビームをビーム位置安定化装置４０に輸送する。

【0024】

線量モニタ部５０は、照射対象であるがん患者１００の患部２００に照射する線量をモニタするためのものであり、その筐体内に、粒子線の電離作用によって生じた電荷を平行電極で収集する電離箱や、筐体内に配置された二次電子放出膜から放出される二次電子を計測するＳＥＭ（Secondary Electron Monitor）装置等によって構成されている。

【0025】

位置モニタ部５１は、治療照射中に走査されたビーム位置を検出し、あらかじめ設定された位置からずれがあったか否かを検出するためのものである。位置モニタ部５１は、線量モニタ部５０と類似した電荷収集用の平行電極を有している。位置モニタ部５１の電荷収集用電極は、線状電極（例えば複数の短冊状の電極や、複数のワイヤからなる電極）がＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ並列に配列されている。複数の短冊状電極が配列されたものはストリップ型と呼ばれ、複数のワイヤ電極が配列されたものはマルチワイヤ型と呼ばれる。

【0026】

リッジフィルタ６０は、ブラッグピークと呼ばれる体内深さ方向における線量のシャープなピークを拡散させるために設けられている。ここで、リッジフィルタ６０によるブラッグピークの拡散幅は、スライスの厚み、すなわちＺ軸方向の格子点の間隔とほぼ等しくなるように設定される。

【0027】

レンジシフタ７０は、患部２００のＺ軸方向の照射位置を制御する。レンジシフタ７０は、例えば複数の厚さのアクリル板から構成されており、これらのアクリル板を組み合わせることによってレンジシフタ７０を通過するビームエネルギー、すなわち体内飛程を患部２００におけるスライスのＺ軸方向の位置に応じて段階的に変化させることができる。レンジシフタ７０による体内飛程の大きさは、通常等間隔で変化するように制御され、この間隔がＺ軸方向の格子点の間隔に相当する。なお、体内飛程の切り替え方法としては、レンジシフタ７０のように粒子線ビームの経路上に減衰用の物体を挿入する方法のほか、ビーム生成部１０の制御によってビームエネルギー自体を変更する方法でもよい。

【0028】

制御部８０は、粒子線ビーム照射装置１全体の制御を行うためのものであり、格子点毎の照射線量の測定、スポット毎の照射位置の健全性確認、出射制御部２０に対するビーム出射のオン、オフ制御、ビーム走査部３０に対するビーム走査に関する指示、レンジシフタ７０に対するスライス変更に伴うレンジシフタ厚の制御等を行っている。

【0029】

なお、重心位置算出部９０の細部構成は、後述するビーム位置安定化装置４０の重心位置算出部４４と同様であるので、その説明を省略する。

【0030】

（ビーム位置安定化装置の一実施形態）
（構 成）
図２は一実施形態の粒子線ビーム位置安定化装置を示すブロック図である。

【0031】

図２に示すように、ビーム位置安定化装置４０は、補正電磁石としてのＸ軸用ステアリング電磁石４１ａ，Ｙ軸用ステアリング電磁石４１ｂと、粒子線ビームの輸送方向の異なる位置に少なくとも２つ設置された位置センサ４２，４３と、重心位置算出部４４と、ビーム位置及び角度算出部４５と、制御部としてのフィードバック制御部４６と、ステアリング電磁石電源４７と、を備える。

【0032】

ビーム位置安定化装置４０は、全体がモジュール化して構成され、ビーム輸送方向において出射制御部２０とＸ軸用電磁石３０ａ，Ｙ軸用電磁石３０ｂとの間であれば、如何なる位置に設置してもよい。具体的には、本実施形態では、ビーム輸送部２５の下流側に設置しているが、ビーム輸送部２５の上流側に設置してもよい。

【0033】

図３はストリップ型の位置センサ４２，４３の構成を示す説明図である。図３に示すように、位置センサ４２，４３は、粒子線ビームの軌道上に、互いにあらかじめ設定された間隔をあけて異なる位置に設置されている。位置センサ４２，４３は、それぞれビームの輸送方向に対して交差する方向に設置されて、ビームを通過可能に構成されている。

【0034】

位置センサ４２，４３は、Ｙ軸方向に延びる複数の短冊状電極（複数の第１の線状電極）がＸ軸方向（第１の方向）に並列配置されたＸ軸電極４２ａ，４３ａと、Ｘ軸方向に延びる複数の短冊状電極（複数の第２の線状電極）がＹ軸方向（第１の方向と直交する第２の方向）に並列配置されたＹ軸電極４２ｂ，４３ｂと、を有している。

【0035】

位置センサ４２，４３は、それぞれＸ軸用ステアリング電磁石４１ａ，Ｙ軸用ステアリング電磁石４１ｂを通過したビームのＸ軸方向（第１の方向）及びＹ軸方向（第２の方向）の位置を検出する。Ｘ軸電極４２ａ，４３ａからは、第１の信号が出力される。Ｙ軸電極４２ｂ，４３ｂからは、第２の信号が出力される。

【0036】

図４は図２における重心位置算出部４４の細部構成を示すブロック図である。

【0037】

重心位置算出部４４は、第１の線状電極から出力される第１の信号と、第２の線状電極から出力される第２の信号とから粒子線ビームの重心位置を算出する。以下、具体的に説明する。

【0038】

図４に示すように、位置センサ４２，４３のＸ軸電極４２ａ，４３ａ、Ｙ軸電極４２ｂ，４３ｂの数（チャンネル数）は、特に限定するものではないが、以下では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のチャンネル数が共に１２０チャンネルである場合を例として説明する。

【0039】

図４に示すように、Ｘ軸電極４２ａ，４３ａの出力電流は、電流電圧変換（Ｉ／Ｖ変換）部９１１ａで電圧に変換され、増幅部９１２ａで適宜の電圧に増幅された後、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）９２ａでデジタル信号に変換される。次段のデータ補正処理部９３ａは、このデジタル信号に対してオフセット補正処理や平均化処理を施して、重心位置算出部９４ａに出力する。

【0040】

なお、上記のＩ／Ｖ変換部９１１ａ、増幅部９１２ａ、ＡＤＣ９２ａ、及びデータ補正処理部９３ａは、Ｘ軸電極４２ａ，４３ａのそれぞれに対して設けられており、本例では、１２０チャンネル分としている。

【0041】

Ｙ軸電極４２ｂ，４３ｂのそれぞれに対しても、同様に、１２０チャンネル分のＩ／Ｖ変換部９１１ｂ、増幅部９１２ｂ、ＡＤＣ９２ｂ、データ補正処理部９３ｂ、及び重心位置算出部９４ｂが設けられている。

【0042】

次段の重心位置算出部９４ａ、９４ｂでは、オフセット補正処理や平均化処理が施されたＸ軸方向、Ｙ軸方向の各チャンネル信号の振幅値から、粒子線ビームのＸ軸方向の重心位置と、Ｙ軸方向の重心位置をそれぞれ算出している。これらＸ軸方向の重心位置を示す信号と、Ｙ軸方向の重心位置を示す信号は、ビーム位置及び角度算出部４５に出力される。

【0043】

１次元ビーム形状（Ｘ）抽出部９５ａは、算出されたＸ軸方向重心位置の周辺の複数のＸチャンネル信号（第１の信号）の振幅値からＸ軸方向（第１の方向）の１次元ビーム形状（第１ビーム形状）を求めている。１次元ビーム形状（Ｙ）抽出部９５ｂも同様にＹ軸方向の１次元ビーム形状を求めている。

【0044】

２次元ビーム形状抽出部９６は、上記のようにして得られたＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの１次元ビーム形状Ｆ（Ｘｉ）とＦ（Ｙｊ）の積から２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を求めている。算出された２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）は、ビーム位置及び角度算出部４５に出力される。

【0045】

ビーム位置及び角度算出部４５は、互いに対をなす位置センサ４２，４３の重心位置から、第１及び第２の方向におけるビーム入射位置及びビーム入射角度を算出する。具体的な算出方法は、後述する。

【0046】

図２において、Ｘ軸用ステアリング電磁石４１ａ及びＹ軸用ステアリング電磁石４１ｂは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のビーム入射角度を偏向させる。

【0047】

フィードバック制御部４６は、ビーム位置及び角度算出部４５により算出したビーム入射位置及びビーム入射角度と、想定しているビーム目標位置及びビーム目標角度とのずれ量（差分）から、Ｘ軸用ステアリング電磁石４１ａ及びＹ軸用ステアリング電磁石４１ｂのビーム偏向角に対する補正電流値、すなわちステアリング電磁石電源４７の設定電流値を算出する。

【0048】

フィードバック制御部４６は、例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータ資源によって構成される。フィードバック制御部４６は、図示しないハードディスク装置等の記録媒体に記憶された動作プログラム及び各種データ等をＣＰＵ（Central Processing Unit）が読み出してメインメモリに展開し、この展開した動作プログラムを順次ＣＰＵが実行する。

【0049】

ステアリング電磁石電源４７は、Ｘ軸用ステアリング電磁石４１ａ及びＹ軸用ステアリング電磁石４１ｂに対応して設けられている。ステアリング電磁石電源４７は、Ｘ軸用ステアリング電磁石４１ａ及びＹ軸用ステアリング電磁石４１ｂに流れる電流値を調整することにより、Ｘ軸用ステアリング電磁石４１ａ及びＹ軸用ステアリング電磁石４１ｂの磁場を変化させる。

【0050】

（作 用）
次に、本実施形態のビーム位置安定化装置４０の作用を説明する。

【0051】

図５は一実施形態のスキャニング照射法によるビーム位置の安定化を示す説明図である。

【0052】

図５に示すように、ビーム軌道（ビーム位置及びビーム角度）は、位置モニタ部５１上の基準位置Ａを常に通るように制御されている。この基準位置Ａは、照射対象としての患者１００の患部２００の照射座標基準点（以下、アイソセンターと記す。）である目標位置ＸとＸ軸用電磁石３０ａの中心の２点を通る直線上に定義されている。なお、図５では、図面を簡素化するためＹ軸の例を省略し、Ｘ軸の例としてＸ軸用電磁石３０ａ、ステアリング電磁石４１ａを用いて説明する。

【0053】

Ｘ軸用電磁石３０ａの磁場がヒステリシス等の影響によりずれた場合には、Ｘ軸用電磁石３０ａの電流値を補正することで、基準位置Ａにビームが向かうように制御されている。仮に、制御中にＸ軸用電磁石３０ａのビーム入口部でビーム軌道が数ｍｍずれた場合、アイソセンターでは目標位置ＸからＸ’にビーム位置が移動し、誤照射の要因となる。

【0054】

そこで、本実施形態では、Ｘ軸用電磁石３０ａのビーム輸送方向の上流側にビーム位置安定化装置４０を設置し、Ｘ軸用電磁石３０ａのビーム入口部でビーム軌道が数ｍｍずれた場合でも、Ｘ軸用電磁石３０ａの中心を常に通るようにビーム位置を安定化させている。これにより、図５に示すようにアイソセンターではＸ’から目標位置Ｘにビーム位置が移動し、上記のような位置ずれを回避することができる。

【0055】

次に、本実施形態のビーム位置安定化装置４０の原理を説明する。

【0056】

図６及び図７は一実施形態の粒子線ビーム安定化装置の原理を示す説明図である。

【0057】

図６に示すように、ビーム軸上に２台の位置センサ４２，４３と、ステアリング電磁石４１ａを配置する。通常、ステアリング電磁石は、Ｘ軸、Ｙ軸の２台が必要であるが、図６及び図７では、図面を簡素化するためにＸ軸一台（ステアリング電磁石４１ａ）のみを設置した例について説明する。また、ステアリング電磁石４１ａの配置位置は、２台の位置センサ４２，４３で挟まれたビーム軌道の外側であれば、その上流側、下流側のいずれでもよい。

【0058】

まず、ステアリング電磁石電源４７から消磁のための電流パターンが供給されてステアリング電磁石４１ａを消磁するとともに、励磁をオフにする。これにより、ステアリング電磁石４１ａを初期化する。すなわち、式（１）に示すようにステアリング電磁石４１ａの電流値Ｉ_ＳＴ１を０とする。
Ｉ_ＳＴ１＝０ （１）

【0059】

次に、ビーム位置及び角度算出部４５は、２台の位置センサ４２，４３及び重心位置算出部４４で算出した重心位置Ｘ_１，Ｘ_２から、式（２），（３）に示すようにステアリング電磁石４１ａの入射角θ_in、及びステアリング電磁石４１ａの入射位置Ｘ_ST1を算出する。なお、以下の式において、Ｌ_１は、ステアリング電磁石４１ａにおけるビーム輸送方向の中間と位置センサ４２との間の長さである。Ｌ_２は、２台の位置センサ４２，４３間の長さである。
θ_ｉｎ＝ｔａｎ^−１（（Ｘ_１−Ｘ_２）／Ｌ_２) （２）
Ｘ_ＳＴ１＝(１＋（Ｌ_１／Ｌ_２）)^＊Ｘ_１−（Ｌ_１／Ｌ_２)^＊Ｘ_２ （３）

【0060】

そして、入射位置Ｘ_ＳＴ１から、式（４）に示すようにステアリング電磁石４１ａへの入射角（ここでは、前述の入射角θ_inと区別するため目標角θ_pとする。）を算出し、入射角θ_inと目標角θ_pの差分から、式（５）に示すようにステアリング電磁石４１ａの偏向角θ_defを算出する。
θ_ｐ＝ｔａｎ^−１（Ｘ_ＳＴ１／（Ｌ_１／Ｌ_２）) （４）
θ_ｄｅｆ＝θ_ｉｎ−θ_ｐ （５）

【0061】

偏向角θ_defを、変換係数aを用いてステアリング電磁石４１ａの電流値Ｉ_STM-Xに変換し、ステアリング電磁石４１ａを実際に励磁する。その結果を、２台の位置センサ４２，４３及び重心位置算出部４４を用いて重心位置Ｘ’_１，Ｘ’_２として観測する。

【0062】

ここで、ビームエネルギーの値が異なると、同じ偏向角θ_defの変換係数ａでステアリング電磁石４１ａの電流値I_STM-Xに変換し、ステアリング電磁石４１ａを励磁したとしても、磁場強度が異なることとなる。

【0063】

そのため、本実施形態では、ビームエネルギーの値に応じて偏向角θ_defの変換係数ａがフィードバック制御部４６にあらかじめ記憶されている。そして、本実施形態では、式（６）に示すようにビームエネルギーの値に応じて偏向角θ_defの変換係数ａを変更するようにしている。
Ｉ_{ＳＴＭ−Ｘ}＝ａ^＊θ_ｄｅｆ （６）

【0064】

次に、ビーム位置及び角度算出部４５は、位置センサ４２，４３の重心位置Ｘ’_１，Ｘ’_２から、式（７）〜式（９）に示すようにステアリング電磁石４１ａの励磁中の修正角θ_cor、ステアリング電磁石４１ａの励磁中の入射位置Ｘ’_ST1、ステアリング電磁石４１ａの励磁中の目標角θ’_pをそれぞれ算出する。
θ_ｃｏｒ＝ｔａｎ^−１（（Ｘ’_１−Ｘ’_２）／Ｌ_２） （７）
Ｘ’_ＳＴ１＝（１＋（Ｌ_１／Ｌ_２））^＊Ｘ’_１−（Ｌ_１／Ｌ_２）^＊Ｘ’_２ （８）
θ’_ｐ＝ｔａｎ^−１（Ｘ’_ＳＴ１／（Ｌ_１／Ｌ_２）） （９）

【0065】

ここで、修正角θ_corは、ステアリング電磁石４１ａの励磁中にビーム軌道が変化しなければ、目標角θ_pと一致する。ステアリング電磁石４１ａの励磁中にビーム軌道が変化する場合、目標角θ_pも変化するため、目標角θ’_pとして区別する。

【0066】

修正角θ_corと目標角θ’_pとの差分から、フィードバック制御部４６は、式（１０）に示すように偏向角に関する補正量Δθ_defを算出し、式（１１）に示すようにステアリング電磁石４１ａの補正電流値ΔI_STM-Xとする。この補正電流値ΔＩ_STM-Xを上記初期化したステアリング電磁石４１ａの電流値Ｉ_ＳＴに加算し、式（１２）に示すようにステアリング電磁石４１ａの電流設定値Ｉ_{ＳＴＭ−Ｘ}とする。
Δθ_ｄｅｆ＝θ_ｃｏｒ−θ’_ｐ （１０）
ΔＩ_{ＳＴＭ−Ｘ}＝ａ^＊Δθ_ｄｅｆ （１１）
Ｉ_{ＳＴＭ−Ｘ}＝Ｉ_{ＳＴＭ−Ｘ}＋ΔＩ_{ＳＴＭ−Ｘ} （１２）

【0067】

そして、ビーム位置及び角度算出部４５及びフィードバック制御部４６は、上述した式（７）〜（１２）の演算を繰り返す。

【0068】

このように本実施形態では、ビーム軌道の変化に応じてステアリング電磁石４１ａの電流補正値を更新することにより、ステアリング電磁石４１ａのビーム入口部におけるビーム位置を固定化し、かつ安定化させることができる。

【0069】

図８は一実施形態の粒子線ビーム安定化装置の基本的な処理を示すフローチャートである。

【0070】

図８に示すように、まず、ビーム照射開始前に、ビームエネルギー情報を取得し、ビームエネルギーの値に応じてステアリング電磁石４１ａ，４１ｂの電流値と偏向角の変換係数aをフィードバック制御部４６に設定する（ステップＳＴ１）。

【0071】

ここで、本実施形態では、フィードバック制御部４６の記憶部に変換係数aを設定するようにしたが、これに限らず、フィードバック制御部４６の外部にあらかじめ記憶部を設置しておき、この外部の記憶部に変換係数aをあらかじめ設定するようにしてもよい。

【0072】

次いで、ステアリング電磁石４１ａ，４１ｂの残留磁場を排除するために消磁を行う（ステップＳＴ２）。このステップＳＴ２の処理では、ステアリング電磁石４１ａ，４１ｂの励磁をオフにする。そして、フィードバック制御部４６は、出射制御部２０にビーム出射許可信号を出力することで、ビームの出射を開始する（ステップＳＴ３）。

【0073】

ビーム位置及び角度算出部４５は、２台の位置センサ４２，４３及び重心位置算出部４４で算出したビーム重心位置を示す信号を受信する（ステップＳＴ４）。ビーム位置及び角度算出部４５は、ビーム重心位置を示す信号から偏向角（θ_def）、補正角度（偏向角に関する補正量Δθ_def）を算出する。そして、フィードバック制御部４６は、θ_def（Ｘ）＋Δθ_def（Ｘ），θ_def（Ｙ）＋Δθ_def（Ｙ）を算出し、フィードバック処理を実行する。

【0074】

フィードバック制御部４６は、上記θ_def（Ｘ）＋Δθ_def（Ｘ），θ_def（Ｙ）＋Δθ_def（Ｙ）があらかじめ設定された範囲内であるかを判定し、その判定結果がＯＫでない場合（ステップＳＴ５：Ｎｏ）には、全体の処理を終了する。また、判定結果がＯＫである場合（ステップＳＴ５：Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳＴ６に進む。

【0075】

ステップＳＴ６では、上記偏向角、上記補正角度をステアリング電磁石４１ａ，４１ｂの電流値に反映させて、照射が継続している場合（ステップＳＴ７：Ｙｅｓ）には、ステップＳＴ４に戻り、フィードバック制御を継続する。照射が継続していない場合（ステップＳＴ７：Ｎｏ）には、ステップＳＴ８に進む。

【0076】

ステップＳＴ８では、ビームエネルギーの変更がない場合（ステップＳＴ８：Ｎｏ）には、全体の処理を終了する。ビームエネルギーの変更がある場合（ステップＳＴ８：Ｙｅｓ）には、ステップＳＴ１に戻る。このようにビームエネルギーの変更に伴うビーム中断がある場合は、ステップＳＴ７、ステップＳＴ８を経由してステップＳＴ１に戻る。

【0077】

図９は一実施形態の粒子線ビーム位置安定化装置がオフのときの状態を示す説明図である。図１０は一実施形態の粒子線ビーム位置安定化装置がオンのときの効果を示す説明図である。

【0078】

図９及び図１０に示すように、ビーム照射中、フィードバック制御部４６は、ステップＳＴ４からステップＳＴ７までの処理を１ミリ秒以下の高速かつ定周期で行うことにより、経時的な位置ドリフトだけでなく、１スピル内（数秒オーダー）で発生するビーム位置の変動についてもリアルタイムで位置補正を行うことで、ビーム位置を安定化させることができる。

【0079】

このように本実施形態では、ビーム位置及び角度算出部４５により算出したビーム入射位置及びビーム入射角度と、想定しているビーム目標位置及びビーム目標角度とのずれ量（差分）から、フィードバック制御部４６は、ステアリング電磁石４１ａ，４１ｂのビーム偏向角に対する補正電流値、すなわちステアリング電磁石電源４７の設定電流値を算出し、この設定電流値をステアリング電磁石４１ａ，４１ｂに出力する。ステアリング電磁石４１ａ，４１ｂは、補正電流値を用いて自動的にビーム軌道の偏向させている。

【0080】

これにより、本実施形態によれば、ビーム軌道の調整作業を簡素化することができ、ビーム位置を安定化させることができる。また、ビーム軌道のずれに起因する誤照射を発生させるリスクを回避し、粒子線治療を中断させずに継続させることができる。さらに、高度な専門知識を有するエキスパートがいなくても、ビーム軌道の調整作業が可能になる。

【0081】

また、本実施形態によれば、フィードバック制御部４６は、ビーム軌道を常に監視することで、仮に、ステアリング電磁石４１ａ，４１ｂのビーム偏向能力を超えてビーム軌道が大きく変動した場合でも、即座にインターロック信号を発生させることで、安全に照射を中断させることができる。

【0082】

さらに、本実施形態によれば、加速器及びビーム輸送系のビーム軌道の調整作業では、ビーム位置安定化装置４０の入射側で要求される位置精度が緩和すると同時に、ビーム位置安定化装置４０がビーム軌道モニタとして機能する。これにより、加速器及びビーム輸送系のビーム軌道の調整作業時間の短縮化及び効率化を図ることができる。

【0083】

なお、本実施形態では、粒子線ビーム照射装置１を設置し、患者１００にビームを照射する稼働前に、ビーム位置安定化装置４０を用いてビームを偏向させてビーム位置を安定化させることができる。このように粒子線ビーム照射装置１の稼働前にビーム位置安定化装置４０を用いてビームの調整作業を行うことで、粒子線ビーム照射装置１の設置時のビーム調整作業が容易になる。

【0084】

また、本実施形態では、Ｙ軸方向に延びる複数の短冊状電極がＸ軸方向に並列配置されたＸ軸電極４２ａ，４３ａと、Ｘ軸方向に延びる複数の短冊状電極がＹ軸方向に並列配置されたＹ軸電極４２ｂ，４３ｂと、を有する位置センサ４２，４３を用いた例について説明したが、これに限らず粒子線ビームを照射することにより、蛍光を発する蛍光膜方式等による位置モニタを用いてもよい。

【0085】

さらに、本実施形態では、粒子線ビームの軌道上の異なる位置に２つの位置センサ４２，４３を設置した例について説明したが、これに限らずそれを超える数を設置してもよく、要するに少なくとも２つ設置すればよい。

【0086】

（その他の実施形態）
本発明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。これらの実施形態は、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。これらの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。

【0087】

例えば、前記実施形態では、ビーム位置安定化装置４０をビーム輸送方向において出射制御部２０の下流側からＸ軸用電磁石３０ａ，Ｙ軸用電磁石３０ｂの上流側に１台設置した例について説明したが、これに限らず複数台直列に設置してもよい。このように設置した粒子線ビーム照射装置によれば、一段と正確にビーム軌道を調整することができ、スキャニング照射装置へのビーム位置を安定化させることが可能となる。

【符号の説明】

【0088】

１…粒子線ビーム照射装置、１０…ビーム生成部、２０…出射制御部、２５…ビーム輸送部、３０…ビーム走査部、３０ａ…Ｘ軸用電磁石、３０ｂ…Ｙ軸用電磁石、４０…ビーム位置安定化装置（粒子線ビーム位置安定化装置）、４１a… Ｘ軸用ステアリング電磁石（ステアリング電磁石）、４１ｂ… Ｙ軸用ステアリング電磁石（ステアリング電磁石）、４２…位置センサ、４２ａ…Ｘ軸電極、４２ｂ…Ｙ軸電極、４３…位置センサ、４３ａ…Ｘ軸電極、４３ｂ…Ｙ軸電極、４４…重心位置算出部、４５…ビーム位置及び角度算出部、４６…フィードバック制御部（制御部）４７…ステアリング電磁石電源、５０…線量モニタ部、５１…位置モニタ部、６０…リッジフィルタ、７０…レンジシフタ、８０…制御部、９０…重心位置算出部、９１１ａ，９１１ｂ…電流電圧変換（Ｉ／Ｖ変換）部、９１２ａ，９１２ｂ…増幅部、９２ａ，９２ｂ…ＡＤ変換器（ＡＤＣ）、９３ａ，９３ｂ…データ補正処理部、９４ａ，９４ｂ…重心位置算出部、９５ａ…１次元ビーム形状（Ｘ）抽出部、９５ｂ…１次元ビーム形状（Ｙ）抽出部、９６…２次元ビーム形状抽出部、１００…がん患者、２００…患部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】