特開 2023-23437 粒子線治療システム、および治療計画装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023023437

(43)【公開日】2023-02-16

(54)【発明の名称】粒子線治療システム、および治療計画装置

(51)【国際特許分類】

   A61N 5/10 20060101AFI20230209BHJP

【ＦＩ】

A61N5/10 H

A61N5/10 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021128979

(22)【出願日】2021-08-05

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】弁理士法人開知

(72)【発明者】

【氏名】高柳 泰介

(72)【発明者】

【氏名】藤高 伸一郎

(72)【発明者】

【氏名】三好 拓人

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 幸太

(72)【発明者】

【氏名】上野 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】岡田 耕一

【テーマコード（参考）】

4C082

【Ｆターム（参考）】

4C082AC05

4C082AE01

4C082AG52

4C082AN02

4C082AN05

4C082AP07

4C082AP08

4C082AR02

(57)【要約】

【課題】従来に比べてガンマ線源画像の質を改善し、飛程の計測精度を改善することが可能な粒子線治療システム、および治療計画装置を提供する。
【解決手段】粒子線を標的に照射する陽子線照射装置１０１と、陽子線照射装置１０１による粒子線の照射計画を作成する治療計画装置２１０と、粒子線の照射に伴い発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器２０５と、を備え、治療計画装置２１０は、予め設定された角度毎のガンマ線検出器２０５の空間分解能に基づき、ガンマ線検出器２０５の推奨設置位置を求める。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

粒子線を標的に照射する粒子線照射装置と、
前記粒子線照射装置による前記粒子線の照射計画を作成する治療計画装置と、
前記粒子線の照射に伴い発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器と、を備え、
前記治療計画装置は、予め設定された角度毎のガンマ線検出器の空間分解能に基づき、前記ガンマ線検出器の推奨設置位置を求める
ことを特徴とする粒子線治療システム。

【請求項2】

請求項１に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記ガンマ線検出器は、自らの設置位置を移動可能な位置調整部を有する
ことを特徴とする粒子線治療システム。

【請求項3】

請求項１に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記治療計画装置は、照射線量が予め指定した閾値を超えるスポットを抽出する
ことを特徴とする粒子線治療システム。

【請求項4】

請求項３に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記治療計画装置は、前記ガンマ線検出器の前記空間分解能が所定基準以上となる領域に前記スポットの３次元位置が含まれるように前記推奨設置位置を探索する
ことを特徴とする粒子線治療システム。

【請求項5】

請求項３に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記スポットの３次元位置、および前記ガンマ線検出器の前記空間分解能が所定基準以上となる領域を表示する表示装置を更に備えた
ことを特徴とする粒子線治療システム。

【請求項6】

請求項２に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記位置調整部は、前記粒子線の照射中に前記ガンマ線検出器の設置位置を移動させる
ことを特徴とする粒子線治療システム。

【請求項7】

請求項１に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記空間分解能を、分解能の測定結果を直接用いた連続グラフ、あるいは一定以上の分解能を満たす領域をゼロとした階段関数状の非連続グラフとする
ことを特徴とする粒子線治療システム。

【請求項8】

粒子線を標的に照射する粒子線照射装置による前記粒子線の照射計画を作成する治療計画装置であって、
予め設定された角度毎の、前記粒子線の照射に伴い発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器の空間分解能に基づき、前記ガンマ線検出器の推奨設置位置を求める
ことを特徴とする治療計画装置。

【請求項9】

請求項８に記載の治療計画装置において、
前記治療計画装置は、照射線量が予め指定した閾値を超えるスポットを抽出する
ことを特徴とする治療計画装置。

【請求項10】

請求項９に記載の治療計画装置において、
前記治療計画装置は、前記スポットの３次元位置が前記ガンマ線検出器の前記空間分解能が所定基準以上となる領域高に含まれるように、前記推奨設置位置を探索する
ことを特徴とする治療計画装置。

【請求項11】

請求項８に記載の治療計画装置において、
前記空間分解能を、分解能の測定結果を直接用いた連続グラフ、あるいは一定以上の分解能を満たす領域をゼロとした階段関数状の非連続グラフとする
ことを特徴とする治療計画装置。

【請求項12】

請求項８に記載の治療計画装置において、
前記治療計画装置は、前記ガンマ線検出器の設置位置を移動可能な位置調整部、あるいは前記ガンマ線検出器の設置位置を入力する画面を表示する表示装置に信号を出力する
ことを特徴とする治療計画装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、粒子線治療システム、および治療計画装置に関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１には、ペンシルビームスキャニングモードでの生体内での陽子線飛程確認のための即発γ線撮影の最初の臨床結果と価値評価として、脳腫瘍患者への陽子線治療中に陽子線トラックに沿って放出される即発ガンマ信号を記録するために、ナイフエッジ・スリット・コリメータデザインを採用したトロリー搭載の独立型即発ガンマカメラのプロトタイプを使用し、記録された個々のペンシルビームスポットの即発ガンマ深さ検出プロファイルを，治療計画からシミュレーションされた予想プロファイルと比較した結果、が記載されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】Xie Y., et al., “Prompt Gamma Imaging for In Vivo Range Verification of Pencil Beam Scanning Proton Therapy.” Int J Radiation Oncol Biol Phys, 99(1), 210-218, 2017

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

磁場の十分低い条件では、陽子線、炭素線といった荷電粒子線は人体に入射すると周辺組織に線量を付与しながら直進し、最終的にすべての運動エネルギーを失って停止する。

【0005】

粒子線の停止位置を飛程と称し、飛程近傍にはブラッグピークと呼ばれる線量の極大領域を形成する。飛程以深の領域には線量を付与しないか、Ｘ線などの中性の電離放射線に対して線量を抑制することができる。このような特性から、粒子線治療では、従来広く用いられてきたＸ線治療に比べてより患部への線量集中性を高めることができ、正常組織へのダメージをより抑制したがん治療が期待できる。

【0006】

粒子線の患部への照射方法としては、ボーラス、コリメータといった患者固有器具を製作不要である点や腫瘍形状に合致した線量分布を形成可能な点から、スキャニング照射法が近年広く採用されている。

【0007】

スキャニング照射法では、患者体内、特に腫瘍などの高線量を付与すべき標的領域の内外に３次元的に無数の点（スポット）を配置し、各々のスポットを狙って細径のビーム（ペンシルビーム等と称す）を順番に照射していくことで標的領域に一様な線量分布を形成する。

【0008】

各々のスポットへの照射線量は、治療計画装置を用いて最適化される。治療計画とは、患者のＣＴ画像等から得られる情報に基づいて患者体内の線量分布を計算し、標的領域内へ均一な線量が付与されるように、また、標的近傍に位置するリスク臓器（ＯＡＲ：Ｏｒｇａｎ Ａｔ Ｒｉｓｋ）への被ばくを可能な限り避けるように各々のスポットへの照射線量を最適化していく手順である。

【0009】

最適化では、標的領域およびＯＡＲの内外に対して３次元的に無数の計算点を配置する。各計算点に対して線量の目標値を設定し、各々のスポットへの照射線量を調整しながら各計算点での線量を繰り返し計算する事で、目標値を達成するスポット毎の照射線量を得る。ここで、計算点とスポットの位置とは必ずしも同一ではないことに注意されたい。

【0010】

従って、治療計画には高い線量計算精度が求められる。しかしながら、正しく計算された計画であっても、計画通りの照射が行われない可能性が存在する。その要因は、外的要因と内的要因とに分けられる。

【0011】

計算誤差の外的要因には、治療室寝台への患者の位置決め誤差や、照射装置のビームの照射位置変動がある。

【0012】

計算誤差の内的要因には、呼吸や心拍等による腫瘍を含む体内構造の変形、移動がある。粒子線の線量分布は、腫瘍の位置だけでなく、そこに到達するまでにビームが通過する経路上の構造によっても大きく左右される。例えば、骨や空気層といった密度の大きく異なる領域がビーム経路上にあり、それら領域が呼吸などによってビーム照射中に大きく動く場合、腫瘍周辺の線量分布は大きく変化する可能性がある。

【0013】

さらに、重要な誤差要因として線量計算におけるＣＴ値－阻止能変換の不確定性がある。治療計画では、事前に作成した変換テーブルに基づき、ＣＴ画像上の各ボクセルのＣＴ値を粒子線阻止能に変換し、線量分布を計算する。ＣＴ値－阻止能変換テーブルは、阻止能が既知のファントムを用いて実験的に作成される。しかしながら、同じＣＴ値であっても部位や患者ごとに阻止能のバラつきがあることから、線量分布の計算精度には誤差が生じる。

【0014】

計画通りの照射がなされない場合、線量不足による腫瘍の再発が起こる可能性がある。また、ＯＡＲの高線量被ばくが引き起こされる可能性がある。そのため、位置決めおよび照射精度の向上、Ｘ線透視やＭＲＩを用いたリアルタイムでの体内構造の監視とともに、ＣＴ値－阻止能変換の不確定性の影響をできる限り排除するための対策が必要となる。

【0015】

その対策の一つとして、体内の飛程を直接観測し、治療計画の結果と比較する方法が開示されている（非特許文献１参照）。観測した飛程が治療計画と合致していれば、その患者に対し、ＣＴ値－阻止能の変換テーブルが適切であったことを保証できる。また、仮に観測した飛程が治療計画と異なっていたとしても、その差に基づいて次回フラクション以降の治療計画を修正し、治療全体を通して高精度な粒子線治療を実現できる。

【0016】

上述のように、非特許文献１では、ビームの通過経路上から発生する高エネルギーガンマ線を利用することで、飛程を観測する方法が開示されている。

【0017】

具体的には、ビーム進行方向に対して位置分解能を持つ放射線検出器（ラインセンサ）を設置し、ビームの通過領域から発生したガンマ線を計測する。ラインセンサの直上にナイフエッジコリメータを設置することで、ガンマ線の到来方向が限定され、ガンマ線源、すなわちビーム通過経路の画像化が可能となる。飛程は、ビーム通過経路の終端、つまり、ガンマ線の強度が急激に低下する位置から推定できる。ここでナイフエッジコリメータとは、ピンホールコリメータをビーム進行方向と垂直な方向（以下、横方向）に射影した形状で表される。

【0018】

ここで、粒子線照射に伴って発生するガンマ線はエネルギーが高く、一部のガンマ線がコリメータのナイフエッジ部分を透過してラインセンサに至ることで、ガンマ線源の画像にボケを生じさせる。つまり、飛程の計測精度が低下する課題が存在する。

【0019】

本発明は、従来に比べてガンマ線源画像の質を改善し、飛程の計測精度を改善することが可能な粒子線治療システム、および治療計画装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0020】

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、粒子線を標的に照射する粒子線照射装置と、前記粒子線照射装置による前記粒子線の照射計画を作成する治療計画装置と、前記粒子線の照射に伴い発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器と、を備え、前記治療計画装置は、予め設定された角度毎のガンマ線検出器の空間分解能に基づき、前記ガンマ線検出器の推奨設置位置を求めることを特徴とする。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、従来に比べてガンマ線源画像の質を改善し、飛程の計測精度を改善することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施例における粒子線治療システムの概要図である。

【図2】図１おけるスキャニング照射法を用いた照射野形成装置、およびガンマ線検出器、治療計画装置の概要図である。

【図3】実施例における粒子線治療システム、治療計画装置での治療計画のワークフロー図である。

【図4】実施例における粒子線治療システム、治療計画装置での、計算点の配置関係を示す概要図である。

【図5】実施例における粒子線治療システム、治療計画装置での、スポットの位置関係を示す概要図である。

【図6】実施例における粒子線治療システム、治療計画装置での、コリメータの空間分解能の一例を示す概要図である。

【図7】実施例における粒子線治療システム、治療計画装置での、コリメータの空間分解能の他の一例を示す概要図である。

【図8】実施例の粒子線治療システム、治療計画装置における表示装置での表示画面に基づいたガンマ線検出器の位置決定の様子の概要を示す図である。

【図9】実施例の粒子線治療システム、治療計画装置の他の形態の概要を示す図である。

【図10】実施例の粒子線治療システム、治療計画装置におけるガンマ線検出器のコリメータの別形態を示す図である。

【図11】実施例の粒子線治療システム、治療計画装置におけるガンマ線検出器のコリメータの更に別形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本発明の粒子線治療システム、および治療計画装置の実施例について図１乃至図１１を用いて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。

【0024】

最初に、本発明の実施例における粒子線治療システムの全体構成の概要について図１を用いて説明する。図１は、本実施例における粒子線治療システムの概要図である。

【0025】

粒子線治療システムは、図１に示すように、陽子線照射装置１０１を備えている。なお、本実施形態では陽子線照射装置を例に説明するが、本発明は陽子より質量の重い粒子（炭素線など）を用いた重粒子線照射装置にも適用することができる。

【0026】

陽子線照射装置１０１は、陽子線を標的に照射する装置であり、図１に示すように、陽子線発生装置１０２、陽子線輸送装置１０３および回転式照射装置１０４を有する。なお、本実施形態では回転ガントリーを備える回転式照射装置１０４を例に説明するが、照射装置は固定式を採用することもできる。

【0027】

図１において、陽子線発生装置１０２は、イオン源１０５、前段加速器１０６（例えば、直線加速器）、およびシンクロトロン１０７を有する。

【0028】

イオン源１０５で発生した陽子イオンは、まず、前段加速器１０６で加速される。前段加速器１０６から出射した陽子線（以下、ビーム）は、シンクロトロン１０７で所定のエネルギーまで加速された後、出射デフレクタ１０８から陽子線輸送装置１０３に出射される。最終的に、ビームは回転式照射装置１０４を経て被照射体である患者２０１の腫瘍などの標的領域２０２に照射される。

【0029】

なお、本実施形態では陽子線の加速装置としてシンクロトロンを採用したが、サイクロトロンや直線加速器などの他の加速装置を採用することができる。

【0030】

回転式照射装置１０４は、回転ガントリー（図示の都合上省略）および照射野形成装置１０９を有する。回転ガントリーに設置された照射野形成装置１０９は、回転ガントリーと共に回転する。陽子線輸送装置１０３の一部は、回転ガントリーに取り付けられている。

【0031】

次に、照射野形成装置１０９の詳細について図２を参照して説明する。図２は図１おけるスキャニング照射法を用いた照射野形成装置、およびガンマ線検出器、治療計画装置の概要図である。

【0032】

図２に示す本実施例の照射野形成装置はスキャニング照射法を採用する。スキャニング照射法では、患者２０１の体内、特に腫瘍などの高線量を付与すべき標的領域２０２の内部および周辺に対し３次元的に無数の点（以後、スポット２０３と記載する）を配置し、各々のスポット２０３を狙って順に細径のペンシルビームを照射していくことで、標的領域２０２に一様な線量分布を形成する。あるスポット２０３に所定の線量が付与されると、照射を停止して次の所定のスポット２０３に向けてビームが走査される。

【0033】

横方向（図２におけるＸ方向およびＹ方向）へのビーム走査には、照射野形成装置１０９に搭載した走査電磁石２０４を用いる。Ｚ方向のある深さについて全てのスポット２０３に所定線量を付与すると、照射野形成装置１０９はＺ方向にビームを走査する。Ｚ方向へのビームの走査は、シンクロトロン１０７での加速条件を変更する、もしくは、ビームを照射野形成装置１０９等に搭載したレンジシフタ（図示省略）を通過させる等の方法によりビームのエネルギーを変更することによって行う。通過したビームの飛程をガウス分布状に分散させ、ブラッグピークの幅を拡大するために、照射野形成装置１０９にはリッジフィルタ（図示省略）が設置されている場合もある。

【0034】

スキャニング照射法では、上述のような手順を繰り返すことで、最終的に標的領域２０２全体に一様な線量分布が形成される。スポット２０３毎のビームの横方向線量分布は、ＸＹ面において１σ＝２［ｍｍ］－２０［ｍｍ］のガウス分布状に広がっている。

【0035】

なお、スキャニング照射には、ディスクリート方式とラスター方式があり、本実施例ではディスクリート方式で説明するが、どちらの方式でも同様に効果が得られる。ディスクリート方式はスポット２０３の切替時に一旦ビームを停止する方式、ラスター方式は照射位置の移動中にもビームを停止しない方式である。

【0036】

各々のスポット２０３への照射線量は、治療計画装置２１０を用いて最適化される。治療計画とは、患者のＣＴ画像等から得られる情報に基づいて患者体内の線量分布を計算し、標的領域内へ均一な線量が付与されるように、また、標的近傍に位置するリスク臓器（ＯＡＲ）への被ばくを可能な限り避けるように各々のスポット２０３への照射線量を最適化していく手順である。治療計画の詳細手順は後述する。

【0037】

治療計画装置２１０は、陽子線照射装置１０１による粒子線の照射計画を作成する装置であり、好適には、各々がコンピュータ等で構成されている。これらを構成するコンピュータは、ＣＰＵやメモリ、インターフェース、表示装置２１１、マウス等に相当する入力装置、記録装置等を備えており、各機器の動作の制御や後述する各種演算処理等が様々なプログラムに基づいて実行される。これらのプログラムは各構成内の内部記録媒体や外部記録媒体、データサーバ（いずれも図示省略）等に格納されており、ＣＰＵによって読み出され、実行される。

【0038】

なお、動作の制御処理は、１つのプログラムにまとめられていても、それぞれが複数のプログラムに別れていてもよく、それらの組み合わせでもよい。また、プログラムの一部または全ては専用ハードウェアで実現してもよく、モジュール化されていても良い。更には、各種プログラムは、プログラム配布サーバや内部記憶媒体や外部記録媒体から各装置にインストールされてもよい。

【0039】

また、各々の装置やシステムは独立している必要はなく、２つ以上の装置やシステムを一体化，共通化して、処理のみを分担してもよい。また、少なくとも一部の構成が有線もしくは無線のネットワークを介して接続されているものとすることができる。

【0040】

本実施例では、治療計画装置２１０は、予め設定された角度毎のガンマ線検出器２０５の空間分解能に基づき、ガンマ線検出器２０５の推奨設置位置を求める。その上で、ガンマ線検出器２０５の設置位置を移動可能な駆動装置２０８、あるいはガンマ線検出器２０５の設置位置を入力する画面を表示する表示装置２１１に信号を出力する。それらの詳細は後述する。

【0041】

本発明の粒子線治療システムでは、治療計画に用いたＣＴ値－阻止能の変換テーブルの妥当性を確認するために、ビームの通過経路上から発生する高エネルギーガンマ線を利用して、スポット２０３毎の陽子線の飛程位置をリアルタイムに観測する。そのために、照射野形成装置１０９には陽子線の照射に伴い発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器２０５が設置される。

【0042】

ガンマ線検出器２０５は、ナイフエッジ型コリメータ（以下、コリメータ２０６と記載）と、ビーム進行方向（Ｚ軸）に対して位置分解能を持つ放射線検出器（以下、ラインセンサ２０７と記載）と、により構成される。

【0043】

ここで、ナイフエッジ型のコリメータ２０６は、ピンホール型のコリメータをＹ軸方向に射影した形状で表され、タングステンや鉛といったガンマ線遮蔽能力の高い物質で形成される。

【0044】

ラインセンサ２０７は、入射した放射線に反応して電気信号を発生するシンチレーションカウンタや半導体検出器で構成される。

【0045】

更に、ガンマ線検出器２０５は、自らの設置位置を移動可能な駆動装置２０８を有している。図２中、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させ、位置の微調整や固定が可能な公知の構成を有している。この駆動装置２０８は、粒子線の照射中にガンマ線検出器２０５の設置位置を移動させるものとすることができる。

【0046】

駆動装置２０８は回転ガントリーに設置されており、照射野形成装置１０９とともに原点を中心として回転することができる。これにより、ガンマ線検出器２０５は回転ガントリーの回転角度に寄らずビーム進行方向（Ｚ軸）との角度を平行に保つことができる。

【0047】

図２に示すように、ラインセンサ２０７で観測されるガンマ線の到来方向はコリメータ２０６によって限定されるため、ガンマ線検出器２０５はピンホールカメラと同様の原理でガンマ線源、すなわちビーム通過経路の画像化が可能となる。画像化はガンマ線検出器２０５に接続した信号処理装置２０９によって行われる。さらに、信号処理装置２０９は取得した画像から飛程を推定する。例えば、ビーム通過経路の終端、つまり、ガンマ線の強度が急激に低下する位置から推定するアルゴリズムが考えられる。ただし、本発明において、ガンマ線源画像からの飛程の推定アルゴリズムはこの方法に限るものではない。

【0048】

次に、本発明における治療計画立案の流れを図３乃至図５を参照して説明する。図３は治療計画のワークフロー図、図４は計算点の配置関係を示す概要図、図５はスポット２０３の位置関係を示す概要図である。

【0049】

治療計画開始後は、まず、図３に示すように、操作者は、治療計画装置２１０の表示装置２１１の領域入力画面を見ながら、入力装置を用いて、患者２０１のＣＴ画像のスライスごとに指定すべき領域を入力する（手順３０１）。入力する領域とは、即ち、放射線を照射すべき標的領域と放射線の照射を極力避けるべきＯＡＲの領域である。各スライスで入力が終わると、操作者が入力した領域は、３次元の位置情報として治療計画装置２１０内の記録装置に保存される。

【0050】

手順３０１の後、図４に示すように、治療計画装置２１０は標的領域２０２やＯＡＲ領域４０１の内外に合計Ｍ個の計算点４０２を３次元的に配置し、さらに標的領域２０２の内外にＮ個のスポット２０３を３次元的に配置する（手順３０２）。

【0051】

その後、治療計画装置２１０は、各々のスポット２０３に向けて照射されるビームのエネルギーを決定する（手順３０３）。

【0052】

ビームエネルギーの決定アルゴリズムとしては、例えば、図５に示すように、走査点４０３から各々のスポット２０３に対してビームが直進すると近似し、飛程位置とスポット２０３とが一致するように探索する方法がある。ただし、本発明において、ビームエネルギーの決定アルゴリズムはこの方法に限るものではない。

【0053】

手順３０３において決定されたスポット２０３毎のビームエネルギー、飛程は記録装置に保存される。なお、走査点４０３の位置は、おおよそ走査電磁石の中心位置で近似される。

【0054】

次に、治療計画装置２１０は、各々のスポット２０３に向けて照射されたペンシルビームがＭ個の計算点に与える線量を計算し、Ｍ×Ｎの線量行列Ａとして記録装置に保存する（手順３０４）。ここで、各計算点への全てのスポット２０３分の合計付与線量を要素とするＭ次元のベクトルをｄとすると、ｄと各々のスポット２０３への照射量を要素とするＮ次元のベクトルｘとの関係は、次式（１）で表せる。

【0055】

【数1】

【0056】

次に、治療計画装置２１０は、標的領域に含まれるＭ（^{ｔａｒｇｅｔ}）個の計算点に対し、目標とする照射線量Ｄを設定する。さらに、ＯＡＲ領域に含まれるＭ^{（ＯＡＲ）}個の点に対し、許容線量値Ｄ_{ｌｉｍｉｔ}を設定する。ここで、本発明の治療計画の作成の際に、治療計画装置２１０は、目的関数Ｆ（ｘ）を次式（２）のように定める（手順３０５）。

【0057】

【数2】

【0058】

式（２）中、第１項は標的領域に相当する部分となり、Ｍ（^{ｔａｒｇｅｔ}）個の計算点での線量値ｄ_ｊ ^{（ｔａｒｇｅｔ）}が目標とする照射線量Ｄに近いほど目的関数Ｆ（ｘ）は小さくなる。

【0059】

第２項はＯＡＲの線量制約に関する項であり、Ｍ^{（ＯＡＲ）}個の計算点での線量値ｄ＿_ｊ ^{（ＯＡＲ）}が許容線量Ｄ_{ｌｉｍｉｔ}を超えない線量であればよい。θ（ｄ_ｊ ^{（ＯＡＲ）}－Ｄ_{ｌｉｍｉｔ}）は階段関数であり、ｄ^{ｊ（ＯＡＲ）ｊ}＜Ｄ_{ｌｉｍｉｔ}の場合は０、それ以外の場合は１となる。ここで、ｗ^（ｋ），ｗ^{（ＯＡＲ）}は、それぞれの目的関数に対応する重みであって、操作者によって入力される値である。重みは、計算点毎に異なる数値を設定することもできる。

【0060】

なお、本発明の効果をより効果的に得るにあたり、スポット２０３毎の照射線量を最適化するための目的関数は、この式（２）に示す形態に限るものではない。

【0061】

本発明の治療計画手順では、治療計画装置２１０は、上記の目的関数Ｆ（ｘ）を生成後、終了条件を満たすまで反復計算を繰り返すことで、目的関数Ｆ（ｘ）が最も小さくなるｘを探索する（手順３０６）。終了条件に達すると、反復計算を終了する。終了条件には、計算時間や反復回数、目的関数の変化量などの指標が設定される。探索終了後、スポット２０３毎の照射線量ｘが記録装置に保存される。

【0062】

次に、治療計画装置２１０は、予め設定した目的関数Ｆ２（ｒ^→）に基づいて、ガンマ線検出器２０５の設置位置ｒ^→を最適化する。本実施例ではコリメータ２０６の開口部中心をｒ^→と定義したが、別の位置をガンマ線検出器２０５の位置と定義しても発明の効果は得られる。本発明では、目的関数Ｆ２（ｒ^→）を次式（３）のように定める（手順３０７）。

【0063】

【数3】

【0064】

式（３）は、スポット２０３毎の線量とガンマ線検出器２０５の分解能との積で表現しており、ｘｉは手順３０６で求めたｉ番目のスポット２０３の照射線量である。これにより、線量が高いほど、高分解能領域で観測されるものとすることができる。Ｒはガンマ線検出器２０５の位置ｒ^→とスポットｘｉの成す角φで求まるガンマ線検出器２０５の空間分解能を示す。図２より、φは以下の式（４）で示される。

【0065】

【数4】

【0066】

式（４）中、ｒ_⊥ ^→はｒ^→のＸ軸方向成分、ｒ_ｉ ^→はスポットｉの位置である。φに対するガンマ線検出器２０５の空間分解能Ｒは、実験やシミュレーション等を用いて事前に取得される。図６および図７に、空間分解能Ｒのグラフ５０１，５０５を示す。

【0067】

図６あるいは図７に示すように、ナイフエッジ型のコリメータ２０６を用いたガンマ線検出器２０５では、視野の内側５０２であれば、φが大きいほどコリメータでのガンマ線の遮蔽性能が改善する、すなわち、視野の内側５０２の範囲内の限りにおいて視野の中心から離れた位置から飛来するガンマ線ほどコリメータの遮蔽性能が向上して、結果としてφの大きな領域に高分解能領域５０３を形成でき、画像のボケが低減し、飛程の計測精度が改善することが本発明者らの検討により明らかとなった。

【0068】

そこで、治療計画装置２１０は、ガンマ線検出器２０５の空間分解能が所定基準以上となる高分解能領域５０３に目的のスポット２０３の３次元位置が含まれるように推奨設置位置を探索することができる。この目的のスポット２０３は、好適には、照射線量が予め指定した閾値を超えるスポット２０３とすることができる。

【0069】

したがって手順３０７では、照射線量の大きなスポット２０３が出来るだけ高分解能領域５０３に含まれるようにガンマ線検出器２０５の位置ｒ^→が最適化される。

【0070】

また、その効果をより高めるために、視野の外側、つまりコリメータ２０６で完全に遮蔽される領域５０４は、厳密には分解能なし（無限大）とすることができる。領域５０４には、最適化時にできるだけスポット２０３が含まれないようにするため、視野の内側５０２と比較して大きな値が設定されるものとする。

【0071】

最適化に用いるガンマ線検出器２０５の空間分解能Ｒは、図６に示すような、グラフ５０１に示すように分解能の測定結果を直接用いた連続グラフとすることができる。また、図７に示すような、ある一定以上の分解能を満たす高分解能領域５０３をゼロとした階段関数状の非連続のグラフ５０５とすることができる。

【0072】

また、十分な数のガンマ線が発生する、飛程計測が可能な高線量のスポット２０３のみをｒ^→の最適化に考慮するため、目的関数Ｆ２（ｒ^→）の計算に用いるスポット２０３毎の線量ｘは、予め設定した閾値未満をゼロ、閾値以上を１と離散化して用いることもできる。

【0073】

本発明の治療計画手順では、治療計画装置２１０は、上述の目的関数Ｆ２（ｒ^→）を生成後、終了条件を満たすまで反復計算を繰り返し、目的関数Ｆ２（ｒ^→）が最も小さくなるガンマ線検出器２０５の位置ｒ^→を探索する（手順３０８）。

【0074】

終了条件に達すると、反復計算を終了する。終了条件には、計算時間や計算回数、目的関数の変化量などの指標が設定される。探索終了後、ガンマ線検出器２０５の設置位置ｒ^→が記録装置に保存され、治療計画の作成が終了する。

【0075】

図３では、ガンマ線検出器２０５の位置ｒ^→を目的関数Ｆ２（ｒ^→）の最小化により治療計画装置２１０で最適化する場合を例示したが、手動でガンマ線検出器２０５の位置ｒ^→を探索することも可能である。図８は表示装置での表示画面に基づいたガンマ線検出器の位置決定の様子の概要を示す図である。

【0076】

図８に示すように、表示装置２１１に表示される操作画面７０１では、患者ＣＴ画像上に、標的領域２０２やコリメータ２０６、ラインセンサ２０７に加えて、ガンマ線検出器２０５の高分解能領域７０２や、十分な統計数が見込めるスポットのブラッグピーク予想
位置（高線量スポット７０３と記載）が表示される。

【0077】

この操作画面７０１に表示される高線量スポット７０３は、手順３０６で得られた、照射線量が予め設定した閾値を超えるスポット２０３とすることが望ましい。高分解能領域７０２は、ガンマ線検出器２０５の設置位置ｒ^→から定まる高分解能領域５０３に相当するものとする。

【0078】

このような操作画面７０１上では、ガンマ線検出器２０５の位置ｒ^→はマウスなどの入力装置を用いて自由に動かすことができ、操作者が入力装置を操作してガンマ線検出器２０５の位置を希望の箇所に設置することができる。

【0079】

例えば、照射線量が予め設定した閾値を超えるスポットができるだけ多く高分解能領域７０２に含まれるように配置位置を決めることで前述の高線量スポット７０３と高分解能領域７０２とが重なるようにガンマ線検出器２０５の設置位置ｒ^→を決定することができる。また、ＯＡＲに近い領域のスポット２０３の飛程が計画通りであることを確認することを重視してＯＡＲに近い領域のスポット２０３が高分解能領域７０２に含まれるように配置位置を決めることができる。

【0080】

操作により決定されたガンマ線検出器２０５の設置位置は、実際の装置にも反映され、駆動装置２０８は、決定された設置位置にガンマ線検出器２０５を設定するよう駆動される。

【0081】

本発明の粒子線治療システムでは、治療前にまず駆動装置２０８を用いて、治療計画装置２１０によって最適化された位置ｒ^→に向けて、ガンマ線検出器２０５を移動させる。その後、治療計画装置２１０によって最適化された照射線量ｘに従って、患者体内の標的に対するスポット２０３毎のビーム照射が行われる。

【0082】

なお、駆動装置２０８を用いる代わりに、操作者が表示装置２１１の画面を参考にして自らの手でガンマ線検出器２０５を目的の位置に設置する形態とすることができる。

【0083】

また、上述の手順では照射中はガンマ線検出器２０５の設置位置は固定されているものとしたが、照射中にリアルタイムにガンマ線検出器２０５の設置位置を変化させて、ブラッグピーク位置を常に分解能の高い領域で捉えるようにすることができる。好適には、ビームエネルギー、即ちレイヤー毎に設置位置を変化させることができる。以下、図９を用いて説明する。図９実施例の粒子線治療システム、治療計画装置の他の形態の概要を示す図である。

【0084】

図９では、治療計画装置２１０は各々のスポット２０３ビームの飛程の推定位置情報を照射野形成装置１０９に出力し、照射野形成装置１０９は現在照射中のビームの飛程の推定位置情報を駆動装置２０８Ａに対して出力して、駆動装置２０８Ａはその推定位置情報に基づいて、照射中にビームの飛程が常に高分解能領域５０３に入るようにガンマ線検出器２０５の設置位置を調整する。

【0085】

なお、図９においても、測定や駆動のタイミングを全てのスポット２０３とせずに照射線量が予め指定した閾値を超えるスポット２０３の照射の際に限定してもよいし、すべてのスポット２０３での照射の際としてもよく、特に限定されない。

【0086】

なお、上述の説明では、左右対称形状のナイフエッジ型のコリメータ２０６を用いる形態を示したが、シミュレーションや実験などで各々のスポット２０３位置に対する空間分解能を測定し、図５あるいは図６に示すような空間分解能のグラフを予め用意することが可能であれば、コリメータ形状は左右対称に限られるものではない。

【0087】

以下、図１０および図１１を用いて他の例について説明する。図１０および図１１はガンマ線検出器のコリメータの別形態の概要を示す図である。

【0088】

例えば、図１０に示すように、コリメータ６０１を左右非対称形状としても本発明の効果が得られる。このようなコリメータ６０１の形状では、高分解能領域６０２での観測において、高線量スポット６０３とラインセンサ２０７との距離を近づけることができるため、測定されるガンマ線の数が増大する。従って、統計誤差が減少し、飛程の計測精度を改善することができる。

【0089】

また、図１１に示すように、リーフ駆動装置６０４に接続した複数の金属製リーフ６０５で構成されるマルチリーフコリメータ６０６でも、本発明の効果が得られる。このマルチリーフコリメータ６０６では、標的領域２０２の大きさに基づいてナイフエッジの形状を調整することができるため、ガンマ線検出器２０５の駆動装置２０８を必要としない、との利点がある。また、スポット２０３毎もしくはビームエネルギー（レイヤー）毎にナイフエッジ形状を調整することで、全てのスポット２０３をガンマ線検出器２０５の高分解能領域５０３に入れて観測することも容易である。

【0090】

各々のスポット２０３に対する適切なマルチリーフコリメータ６０６の開口形状は、ガンマ線検出器２０５の空間分解能Ｒを開口形状毎に予め計算、測定しておくことで、目的関数Ｆ２（ｒ^→）の最小化により求めることができる。このとき、ガンマ線検出器２０５の位置ｒ^→は固定値である。また、マルチリーフコリメータ６０６の開口形状は位置操作者により手動で決めることも可能である。

【0091】

次に、本実施例の効果について説明する。

【0092】

上述した本実施例の粒子線治療システムでは、粒子線を標的に照射する陽子線照射装置１０１と、陽子線照射装置１０１による粒子線の照射計画を作成する治療計画装置２１０と、粒子線の照射に伴い発生するガンマ線を検出するガンマ線検出器２０５と、を備え、治療計画装置２１０は、予め設定された角度毎のガンマ線検出器２０５の空間分解能に基づき、ガンマ線検出器２０５の推奨設置位置を求める。

【0093】

これによって、ガンマ線検出器２０５の位置を調整して空間分解能の高い領域を用いてガンマ線測定を行うことができるようになり、ガンマ線源画像の質を改善し、飛程の計測精度を改善できる。従って、より正確にＣＴ値－阻止能の変換テーブルの患者毎の妥当性を確認することができるようになる。また、仮に観測した飛程が治療計画と異なっていたとしても、その差に基づいて次回フラクション以降の治療計画を修正し、治療全体を通して従来に比べてより高精度な粒子線治療を実現できる。

【0094】

また、ガンマ線検出器２０５は、自らの設置位置を移動可能な駆動装置２０８を有するため、高精度なガンマ線検出器２０５の位置決めが可能となる。

【0095】

更に、粒子線治療におけるスキャニング照射法では、大多数のスポット２０３は照射線量が小さく、十分な数のガンマ線が放出されないため、統計誤差によってガンマ線源画像の質が劣化する虞がある。つまり、上述のコリメータのガンマ線の遮蔽性能不足の改善余地があるのと同様に、飛程の計測精度をより改善できる余地がある。

【0096】

ここで、線量計算で用いたＣＴ値－阻止能の変換テーブルが各患者にとって適切であり、計画通りの照射が行われたことを確認するためには、少なくとも１つ以上のスポット２０３で飛程を観測し治療計画と比較できれば良く、必ずしもすべてのスポット２０３に対して飛程を計測する必要はないことを本発明者らは上述の検討の過程で見出した。

【0097】

そこで、治療計画装置２１０は、照射線量が予め指定した閾値を超える高線量スポット６０３，７０３を抽出することで、高い精度で測定が可能な領域を特定でき、精度の高い箇所での照射のタイミングだけで測定が可能となるため、更に正確なＣＴ値－阻止能の変換テーブルの患者毎の妥当性を確認することができるようになる。

【0098】

また、治療計画装置２１０は、ガンマ線検出器２０５の空間分解能が所定基準以上となるガンマ線検出器２０５の高分解能領域５０３に高線量スポット６０３，７０３の３次元位置が含まれるように推奨設置位置を探索することにより、精度の高い箇所での測定データが多く得られるようになり、ガンマ線源画像の質をより改善することができる。

【0099】

更に、スポット２０３の３次元位置、およびガンマ線検出器２０５の空間分解能が所定基準以上となる高分解能領域７０２を表示する表示装置２１１を更に備えたことで、操作者が所望の位置での測定結果を得たい場合などに適した形態とすることができる。

【0100】

また、駆動装置２０８は、粒子線の照射中にガンマ線検出器２０５の設置位置を移動させることにより、より多くの高精度の測定データを取得できるようになり、ガンマ線源画像の質を大きく改善することができる。

【0101】

更に、空間分解能を、分解能の測定結果を直接用いた連続グラフ、あるいは一定以上の分解能を満たすガンマ線検出器２０５の高分解能領域５０３をゼロとした階段関数状の非連続グラフとすることで、より正確な空間分解能、あるいはより簡易な関数により定義された空間分解能に基づいた推奨設置位置の探索が可能となる。

【0102】

＜その他＞
なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。

【符号の説明】

【0103】

１０１…陽子線照射装置（粒子線照射装置）
１０２…陽子線発生装置
１０３…陽子線輸送装置
１０４…回転式照射装置
１０５…イオン源
１０６…前段加速器
１０７…シンクロトロン
１０８…出射デフレクタ
１０９…照射野形成装置
２０１…患者
２０２…標的領域
２０３…スポット
２０４…走査電磁石
２０５…ガンマ線検出器
２０６…コリメータ
２０７…ラインセンサ
２０８，２０８Ａ…駆動装置（位置調整部）
２０９…信号処理装置
２１０…治療計画装置
２１１…表示装置
３０１…ＣＴ画像上に領域を入力する手順
３０２…領域内外に計算点とスポットを配置する手順
３０３…スポット毎のビームエネルギー、飛程を計算する手順
３０４…線量行列を計算する手順
３０５…スポット毎の処方線量探索のための目的関数を設定する手順
３０６…反復計算によりスポット毎の処方線量を探索する手順
３０７…ガンマ線検出器の設置位置探索のための目的関数を設定する手順
３０８…反復計算によりガンマ線検出器の設置位置を探索する手順
４０１…ＯＡＲ領域
４０２…計算点
４０３…走査点
５０１…角度φ毎のガンマ線検出器の空間分解能を示すグラフ
５０２…ガンマ線検出器の視野（ガンマ線検出可能領域）
５０３…ガンマ線検出器の高分解能領域
５０４…ガンマ線検出器の視野の外側（ガンマ線検出不可領域）
５０５…角度φ毎のガンマ線検出器の空間分解能を閾値で離散化したグラフ
６０１…左右非対称のコリメータ
６０２…ガンマ線検出器の高分解能領域
６０３…高線量スポット
６０４…リーフ駆動装置
６０５…金属製リーフ
６０６…マルチリーフコリメータ
７０１…操作画面
７０２…高分解能領域
７０３…高線量スポット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】