特許 7160716 粒子線治療装置及びその作動方法

(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】

(24)【登録日】2022-10-17

(45)【発行日】2022-10-25

(54)【発明の名称】粒子線治療装置及びその作動方法

(51)【国際特許分類】

   A61N 5/10 20060101AFI20221018BHJP

【ＦＩ】

A61N5/10 H

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2019026903

(22)【出願日】2019-02-18

(65)【公開番号】P2020130539

(43)【公開日】2020-08-31

【審査請求日】2021-09-09

(73)【特許権者】

【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】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】島倉 智一

(72)【発明者】

【氏名】中島 千博

(72)【発明者】

【氏名】遠竹 聡

(72)【発明者】

【氏名】富田 和雄

(72)【発明者】

【氏名】藤田 毅

【審査官】石川 薫

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１０／１４０２３６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｎ １／００－１／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

粒子線を二次元走査する走査部と、
患部のサイズに基づいて前記走査部の照射野の拡大が必要であると判断された場合には前記走査部から出た粒子線の偏向により前記照射野をシフトさせて拡大照射野を生じさせ、前記患部のサイズに基づいて前記走査部の照射野の拡大が必要でないと判断された場合には前記照射野のシフトを行わないシフト部と、
を含み、
前記照射野は、走査中心軸に直交する面上において前記走査部単体で形成可能な二次元照射領域であり、
前記拡大照射野は、前記走査中心軸に直交する第1走査方向及び第２走査方向の内で少なくとも前記第１走査方向に連結された複数の照射野に相当する複数の照射野区画を含む、
ことを特徴とする粒子線治療装置。

【請求項2】

請求項１記載の粒子線治療装置において、
前記粒子線の走査を行っている走査期間において前記走査部の動作条件を動的に切り換え、前記粒子線の照射を行っていない中断期間において前記シフト部の動作条件を静的に切り換える制御部を含む、
ことを特徴とする粒子線治療装置。

【請求項3】

請求項１記載の粒子線治療装置において、
前記走査部は、
前記走査中心軸に直交する前記第１走査方向に前記粒子線を走査する第１走査電磁石と、
前記走査中心軸及び前記第１走査方向に直交する前記第２走査方向に前記粒子線を走査する第２走査電磁石と、
を有し、
前記シフト部は前記第１走査方向に前記照射野をシフトさせる第１シフト電磁石を有する、
ことを特徴とする粒子線治療装置。

【請求項4】

請求項３記載の粒子線治療装置において、
前記第１走査電磁石により形成される磁場の静定時間は前記第１シフト電磁石により形成される磁場の静定時間よりも短い、
ことを特徴とする粒子線治療装置。

【請求項5】

請求項３記載の粒子線治療装置において、
前記第１走査電磁石のインダクタンスは前記第１シフト電磁石のインダクタンスよりも小さい、
ことを特徴とする粒子線治療装置。

【請求項6】

請求項３記載の粒子線治療装置において、
前記シフト部における前記第１走査方向のシフト段数はｍ個（但しｍは３以上の奇数）である、
ことを特徴とする粒子線治療装置。

【請求項7】

請求項３記載の粒子線治療装置において、
前記シフト部は前記第２走査方向に前記照射野をシフトさせる第２シフト電磁石を有する、
ことを特徴とする粒子線治療装置。

【請求項8】

請求項７記載の粒子線治療装置において、
前記シフト部における前記第１走査方向のシフト段数はｍ個（但しｍは３以上の奇数）であり、
前記シフト部における前記第２走査方向のシフト段数はｎ個（但しｎは３以上の奇数）であり、
前記拡大照射野はｍ×ｎ個の照射野区画の集合に相当する、
ことを特徴とする粒子線治療装置。

【請求項9】

請求項１記載の粒子線治療装置において、
前記粒子線のエネルギーに応じて前記照射野のシフトの要否が判断される、
ことを特徴とする粒子線治療装置。

【請求項10】

請求項１記載の粒子線治療装置において、
組織像を含む参照画像を形成する参照画像形成部を含み、
前記参照画像は、前記組織像に合成される像であって前記照射野のシフトにより形成される複数の照射野区画を表す区画像を含み、
治療計画段階及び治療中の少なくとも一方において前記参照画像が表示される、
ことを特徴とする粒子線治療装置。

【請求項11】

粒子線治療装置の走査部が治療用の粒子線を二次元走査する工程と、
前記粒子線治療装置のシフト部が、患部のサイズに基づいて前記走査部の照射野の拡大が必要であると判断された場合には前記走査部から出た粒子線の偏向により前記照射野をシフトさせて拡大照射野を生じさせ、前記患部のサイズに基づいて前記走査部の照射野の拡大が必要でないと判断された場合には前記照射野のシフトを行わない工程と、
を含み、
前記照射野は、走査中心軸に直交する面上において前記走査部単体で形成可能な二次元照射領域であり、
前記拡大照射野は、前記走査中心軸に直交する第１走査方向及び第２走査方向の内で少なくとも前記第１走査方向に連結された複数の照射野に相当する複数の照射野区画を含む、
ことを特徴とする粒子線治療装置の作動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、粒子線治療装置及びその作動方法に関し、特に、照射野を拡大する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

粒子線治療装置は、悪性腫瘍等の患部への粒子線の照射により、患部の治療を行う装置である。粒子線を構成する粒子として、電子、陽子、ヘリウムイオン、炭素イオン等の荷電粒子があげられる。炭素イオン及びそれよりも重いイオンを利用した粒子線治療装置は一般に重粒子線治療装置と呼ばれる。重粒子線治療装置によれば、正常組織の損傷を軽減しつつ、高い治療効果を期待できる。以下、炭素線治療装置を例にとり、その構成について説明する。

【0003】

炭素線治療装置は、例えば、イオン源、直線加速器、シンクロトロン、輸送装置、照射装置、等により構成される。イオン源で生成された炭素イオンが直線加速器において加速され、加速された炭素イオンがシンクロトロンにおいて更に加速される。シンクロトロンにおいては、炭素イオンのエネルギーがその照射で必要となるエネルギーまで高められる。シンクロトロンから連続的に又はパルス列として取り出された一定のエネルギーを有する炭素イオン集団が炭素線として輸送装置を介して照射装置へ導かれる。照射装置から出た炭素線が生体中の患部へ照射される。

【0004】

照射装置には、走査部が備わっており、その走査部により、照射中心軸に対して直交するＸ方向及びＹ方向に炭素線が走査される。走査部は、一般に、Ｘ方向走査用電磁石及びＹ方向走査電磁石により構成される。例えば、特許文献１に記載のように、炭素線を照射する三次元の照射領域が炭素線の進行方向に複数のレイヤに分割され、各レイヤ上に配置された複数の照射スポットに対し、決められた順番に従って、走査された炭素線がスポット単位で順次照射される。生体に対して±１８０度の範囲内で様々な角度から炭素線を照射できるように回転ガントリが用いられることもある。回転ガントリは、輸送装置の一部及び照射装置が搭載された回転運動する大型構造体である。

【0005】

なお、特許文献２に記載された粒子線治療装置においては、粒子線の軸方向に並んで配置された周波数応答特性の異なる２つの走査部が利用されている。それらは連携して動作するものであり、それらは同時に動的に制御されている。特許文献３に記載された粒子線治療装置においては、走査用電磁石の上流側に照射野移動用電磁石が設けられている。照射野移動に伴って下流側の走査用電磁石が機械的に動かされており、その構成には現実的でない面が認められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１７－１３１３９９号公報

【文献】国際公開２０１２／００８１９０号公報

【文献】特開平８－２５７１４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

粒子線治療においては、大きな患部の治療その他の目的から、走査部単体で粒子線の照射を行える範囲としての照射野（radiation field）を拡大することが求められている。

【0008】

本開示の目的は、粒子線治療において、走査部単体で形成される照射野よりも大きな照射野を形成することにある。あるいは、本発明の目的は、粒子線治療において、上記第１の方法及び上記第２の方法とは異なる照射野拡大方法を実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示に係る粒子線治療装置は、粒子線を走査して照射野を生じさせる走査部と、前記走査部から出た粒子線の偏向により前記照射野をシフトさせて拡大照射野を生じさせるシフト部と、を含むことを特徴とする。

【0010】

本開示に係る粒子線治療装置の作動方法は、治療用の粒子線の走査により照射野を生じさせる工程と、前記走査後の粒子線の偏向により前記照射野をシフトさせて拡大照射野を生じさせる工程と、を含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本開示に係る装置及び方法によれば、走査部単体により形成される照射野よりも大きな照射野を形成できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態に係る粒子線治療装置を示す模式図である。

【図2】比較例に係る照射野の形成を示す図である。

【図3】比較例に係る照射野を示す図である。

【図4】第１実施例に係る拡大照射野の形成を示す図である。

【図5】第１実施例に係る拡大照射野を示す図である。

【図6】第１実施例でのシフト部の動作を説明するための図である。

【図7】照射シーケンスの一例を示す図である。

【図8】実施形態に係る粒子線治療装置の動作を示すフローチャートである。

【図9】第２実施例を示す模式図である。

【図10】第３実施例を示す模式図である。

【図11】第３実施例により形成される拡大照射野を示す図である。

【図12】第４実施例により形成される拡大照射野を示す図である。

【図13】第５実施例により形成される拡大照射野を示す図である。

【図14】治療計画装置を示すブロック図である。

【図15】治療計画段階で表示される参照画像の一例を示す図である。

【図16】第１変形例を示す図である。

【図17】第２変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。

【0014】

（１）実施形態の概要
実施形態に係る粒子線治療装置は、走査部及びシフト部を含む。走査部は、粒子線を走査して照射野を生じさせる機構である。シフト部は、走査部から出た粒子線の偏向により照射野をシフトさせて拡大照射野を生じさせる機構である。

【0015】

上記構成によれば、走査部の後段に設けられたシフト部により拡大照射野を生じさせることができる。よって、照射野の拡大に際して、走査部の大型化等を回避でき、また、走査部から目標中心点までの距離を増大させなくてもよくなる。もちろん、走査部の構成や走査部から目標中心点までの距離を変更した上で、照射野のシフトを行ってもよい。見方を変えると、上記構成によれば、必要なサイズの拡大照射野を得られる限りにおいて、走査部単体で形成される照射野を小さくすることができるので、走査部又はそれを含む照射装置の小型化という利点を得られる。

【0016】

実施形態に係る粒子線治療装置は、粒子線の走査を行っている走査期間において走査部の動作条件を動的に切り換え、粒子線の照射を行っていない中断期間においてシフト部の動作条件を静的に切り換える制御部を含む。後述する制御装置は制御部の一態様である。

【0017】

走査部の動作条件の動的切り換えは、照射位置の動的な変更のために行われるものである。実施形態においては、走査期間において走査部の動作条件が断続的又は連続的に繰り返し切り換えられる。シフト部の動作条件の静的切り換えは、上記の動的切り換えに対比されるものであり、実施形態においては、中断期間に行われる照射野シフト単位での１回の動作条件の切り換えを意味する。実施形態において、照射野シフト後、シフト部の動作条件が次の照射野シフトまで維持される。照射を停止した中断期間において照射野シフトを行えば、生体における無用な被曝を防止又は軽減でき、つまり治療計画に沿った線量を照射して照射精度を向上できる。

【0018】

なお、粒子線軌道の補正その他の理由から、シフト部の動作条件を緩やかにつまり静的に変更する変形例も考えられる。各動作条件には、例えば、磁場の強度を規定する電流の大きさが含まれる。

【0019】

実施形態において、走査部は、走査中心軸方向に直交する第１走査方向に粒子線を走査する第１走査電磁石と、走査中心軸方向及び第１走査方向に直交する第２走査方向に粒子線を走査する第２走査電磁石と、を有し、シフト部は第１走査方向に照射野をシフトさせる第１シフト電磁石を有する。

【0020】

上記構成は少なくとも第１走査方向へ照射野を拡大するものである。第１走査方向は、後述するＸ方向及びＹ方向の内の一方方向であり、第２走査方向は、後述するＸ方向及びＹ方向の内の他方方向である。

【0021】

実施形態において、第１走査電磁石により形成される磁場の静定時間は、第１シフト電磁石により形成される磁場の静定時間よりも短い。別の表現を採用すると、第１走査電磁石のインダクタンスは、第１シフト電磁石のインダクタンスよりも小さい。一般に、インダクタンスが大きくなると磁場の静定時間が長くなる。

【0022】

このように、実施形態に係る構成は、応答特性を優先させた走査電磁石と、偏向特性を優先させたシフト電磁石とを併用し、照射装置の小型化と照射野の拡大を両立させるものである。特に、動的に制御される走査部の後段に静的に制御されるシフト部を設けたので、照射装置の設計、製作及び制御に当たって生じる諸々の困難が大きく軽減される。

【0023】

実施形態において、シフト部における第１走査方向のシフト段数はｍ個（但しｍは３以上の奇数）である。実施形態においては、電流の向きを異ならせることにより、シフト方向（正方向又は負方向）が切り換えられ、電流のオンオフによりシフトの有無が切り換えられる。すなわち、簡便な制御で、照射野のシフトを実現できる。

【0024】

実施形態において、シフト部は第２走査方向に照射野をシフトさせる第２シフト電磁石を有する。この構成によれば、第１シフト電磁石及び第２シフト電磁石を利用して、第１走査方向及び第２走査方向に照射野を移動させることが可能となる。各走査方向におけるシフト量は、ステップ状に可変され、あるいは、連続的に可変される。後者の場合、照射野のシフト方向及びシフト量を任意に定め得る。

【0025】

実施形態において、シフト部における第１走査方向のシフト段数はｍ個（但しｍは３以上の奇数）であり、シフト部における第２走査方向のシフト段数はｎ個（但しｎは３以上の奇数）であり、拡大照射野はｍ×ｎ個の照射野区画の集合に相当する。電流オフの場合におけるシフトなしの場合をシフト段数に含める場合、通常、ｍ及びｎはいずれも奇数となる。なお、照射野区画は、拡大照射野を構成する１単位であり、その実体は照射野である。

【0026】

実施形態においては、粒子線のエネルギーに応じて照射野のシフトの要否が判断される。磁場中を粒子線が通過する場合、その粒子線（正確には粒子）のエネルギーに依存して、その軌道の曲がり度合いが変化する。粒子線のエネルギーが低ければ、走査部だけである程度のサイズをもった照射野を形成できるが、粒子線のエネルギーが高くなると、大きな照射野の形成が困難となる。そこで、上記構成は粒子線のエネルギーに応じて照射野のシフトの有無を切り換えるものである。治療実行中にシフトの要否が判断されてもよいし、治療計画段階でシフトの要否が判断されてもよい。いずれの場合もそのような判断を行う部分は制御部の一部とみなせる。

【0027】

実施形態に係る粒子線治療装置は、組織像を含む参照画像を形成する参照画像形成部を含み、参照画像は、組織像に合成される像であって照射野のシフトにより形成される複数の照射野区画を表す区画像を含み、治療計画段階及び治療中の少なくとも一方において参照画像が表示される。

【0028】

上記構成によれば、治療中における照射野のシフトを前提として治療計画を立てることが可能となり、あるいは、治療中において照射野のシフトにより設定される複数の照射野区画との対比において組織像を観察することが可能となる。

【0029】

実施形態に係る照射野形成方法は、治療用の粒子線の走査により照射野を生じさせる工程と、走査後の粒子線の偏向により照射野をシフトさせて拡大照射野を生じさせる工程と、を含む。

【0030】

（２）実施形態の詳細
図１には、実施形態に係る粒子線治療装置の全体構成が模式図として示されている。図示された粒子線治療装置は、具体的には、炭素線治療装置１０である。炭素線治療装置１０は、生体中の患部に炭素線を照射してその治療を行う医療装置である。炭素線治療装置１０において、以下に説明する照射野形成方法が実施される。なお、以下に説明する構成が陽子線治療装置等、他の粒子線治療装置に適用されてもよい。

【0031】

炭素線治療装置１０は、図示された構成例において、イオン源１２、直線加速器１４、円形加速器としてのシンクロトロン１５、輸送装置１６、照射装置１８、制御装置２０等を有する。輸送装置１６の一部分及び照射装置１８は回転ガントリ２２の筐体に取り付けられている。回転ガントリ２２は、生体に対して±１８０度の範囲内で任意の方向から炭素線を照射するための回転構造体である。回転ガントリに代わるものとして２７０度以下の範囲内で任意の方向から炭素線を照射し得るハーフガントリを備える粒子線治療装置や、回転ガントリを備えない粒子線治療装置に対して以下の構成が適用されてもよい。

【0032】

イオン源１２においては炭素イオンが生成される。直線加速器１４は、炭素イオンを予備的に加速するものである。イオン源１２及び直線加速器１４は入射系とも呼ばれる。図示された構成以外の入射系が採用されてもよい。

【0033】

シンクロトロン１５は、主加速器として機能するものである。具体的には、シンクロトロン１５は、炭素イオンを加速して、そのエネルギーを高める装置である。生体内における炭素線の到達深度は炭素イオンのエネルギーに依存する。シンクロトロン１５においては、炭素イオンのエネルギーが照射点深度（レイヤ深度）に対応するレベルまで高められる。エネルギーの可変は、周回時間を規定する周波数の可変によって行える。シンクロトロン１５に代えて、サイクロトロンやシンクロサイクロトロン等の他の加速器が利用されてもよい。シンクロトロン１５におけるビーム取り出し器２４から、一定のエネルギーをもった炭素イオン集団が炭素線として取り出される。その場合、照射方式に応じて、炭素線が連続的に取り出され、あるいは、炭素線がパルス列として取り出される。シンクロトロン１５の動作を制御することにより、炭素線の照射及び非照射が切り換えられる。

【0034】

炭素線は、輸送管２６等を含む輸送装置１６を介して、照射装置１８へ送られる。輸送装置１６は、図示の構成例において、３つの偏向電磁石２８，３０，３２を有している。それぞれの偏向電磁石２８，３０，３２により炭素線の軌道が曲げられる。輸送装置１６は、炭素線の集束又は整形を行う複数の四極電磁石を備えているが、それらの図示は省略されている。なお、個々の電磁石には電源が接続されているが、それらの図示も省略されている。

【0035】

図示の構成例では、シンクロトロン１５から出射した炭素線の進行方向において最終段の偏向電磁石３２の後段に、すなわち下流側に、照射装置１８が設けられている。図１は、照射装置１８の第１実施例を示すものである。照射装置１８は、走査部３４及びシフト部３６を有する。具体的には、走査部３４の下流側にシフト部３６が設けられている。

【0036】

なお、図１において、Ｚ方向は、炭素線の進行方向（具体的には走査中心軸方向）に平行な方向である。Ｚ方向に直交するＹ方向はガントリの回転中心軸に平行な方向である。Ｘ方向はＺ方向及びＹ方向に直交する方向である。アイソセンタＯは目標中心点であり、それは走査中心軸と回転ガントリ２２の回転中心軸の交点として定義される。

【0037】

走査部３４は、炭素線の二次元走査を行う機構である。すなわち、炭素線をＹ方向及びＸ方向に走査する機構である。走査部３４それ単体で形成可能な二次元走査領域が照射野である。照射野は、一般に、走査中心軸に直交しアイソセンタＯを横切る平面上の二次元走査領域として定義され得る。

【0038】

走査部３４は、具体的には、炭素線の進行方向における上流側から順に配置された第１走査電磁石３８及び第２走査電磁石４０を有する。例えば、第１走査電磁石３８は、磁場の作用により炭素線をＹ方向に偏向して走査する電磁石であり、第２走査電磁石４０は、磁場の作用により炭素線をＸ方向に偏向して走査する電磁石である。実施形態においては、第１走査電磁石３８は第２走査電磁石４０に比べてより高速の走査を行えるものである。第１走査電磁石３８の性能と第２走査電磁石４０の性能を同一にしてもよい。また、第１走査電磁石３８及び第２走査電磁石４０の間で走査方向や走査速度を入れ換えてもよい。

【0039】

シフト部３６は、磁場による粒子線の軌道の屈曲により、走査部３４により形成される照射野をシフトさせる機構である。換言すれば、シフト部３６は、走査部３４単体では得られない大きな照射野を生じさせる機構である。具体的には、シフト部３６は、第１実施例において、炭素線の進行方向における上流側から順に配置された第１シフト電磁石４２と第２シフト電磁石４４とにより構成される。例えば、第１シフト電磁石４２は、走査部３４により偏向された炭素線を磁場の作用によりさらに偏向してＹ方向へ照射野をシフトさせる電磁石である。第２シフト電磁石４４は、走査部３４により偏向された炭素線を磁場の作用によりさらに偏向してＸ方向へ照射野をシフトさせる電磁石である。第１シフト電磁石４２と第２シフト電磁石４４の走査方向を入れ換えてもよい。なお、走査部３４により形成される照射野をシフト部３６がシフトすることにより得られる大きな照射野を拡大照射野と呼ぶ。

【0040】

第１シフト電磁石４２への電流供給のオンオフ、及び、第１シフト電磁石４２へ供給する電流の向きの切り換えにより、＋Ｙ方向シフト、－Ｙ方向シフト、及び、シフトなしのいずれか、が選択される。その場合のシフト段数（ｍ）は３である。同様に、第２シフト電磁石４４への電流供給のオンオフ、及び、第２シフト電磁石４４へ供給する電流の向きの切り換えにより、Ｘ方向に関しては、＋Ｘ方向シフト、－Ｘ方向シフト、及び、シフトなし、のいずれかが選択される。その場合のシフト段数（ｎ）は３である。

【0041】

第１実施例においては、シフト部３６により、シフトなしの場合を含めて９通りのシフト態様を実現できる。これにより、走査部３４により形成される照射野の９倍の大きさを有する拡大照射野を生じさせることが可能である。よって、患者の位置の変更を要せず、拡大照射野に入り得る大きな患部に対して炭素線の照射を行える。

【0042】

第１走査電磁石３８と第１シフト電磁石４２は、Ｙ方向への炭素線の偏向を行う点において同じ機能を有するが、第１走査電磁石３８は高速で動作する電磁石であり、換言すれば動的に制御される電磁石である。それとの比較において、第１シフト電磁石４２は低速で動作する電磁石であり、換言すれば、静的に制御される電磁石である。

【0043】

定量的に比較すると、第１走査電磁石３８における磁場の静定時間は第１シフト電磁石４２における磁場の静定時間よりも短い。第１走査電磁石３８における磁場の静定時間は例えば数十μｓ程度であり、第１シフト電磁石４２における磁場の静定時間は例えば数ｍｓ程度である。磁場の静定時間は、一般に、磁場生成の条件を設定又は変更してから目標値を基準として定められる一定の範囲内に磁場の変動がおさまるまでの時間である。

【0044】

別の観点から説明すると、第１走査電磁石３８のインダクタンスは、第１シフト電磁石４２のインダクタンスよりも小さい。第１走査電磁石３８のコイル巻数はかなり少なく、例えば１０ターン程度である。そのような第１走査電磁石３８に対して大きな電流を流すことにより炭素線の走査で必要な強度を有する走査磁場が生成されている。第１シフト電磁石４２のコイル巻数は相対的に見て多く、例えば１００ターン程度である。そのような第１シフト電磁石４２に対して相対的に見て小さな電流を流すことにより炭素線の屈曲で必要な強度を有するシフト磁場が生成されている。なお、本願明細書に記載する数値はいずれも例示に過ぎないものである。

【0045】

第２走査電磁石４０と第２シフト電磁石４４の関係も、上記の第１走査電磁石３８と第１シフト電磁石４２の関係と同様である。すなわち、第２走査電磁石４０と第２シフト電磁石４４は、Ｘ方向への炭素線の偏向を行う点において同じ機能を有するが、第２走査電磁石４０は高速で動作する電磁石であり、換言すれば動的に制御される電磁石である。それとの比較において、第２シフト電磁石４４は低速で動作する電磁石であり、換言すれば静的に制御される電磁石である。第２走査電磁石４０における磁場の静定時間は第２シフト電磁石４４における磁場の静定時間よりも短い。第２走査電磁石４０のインダクタンスは、第２シフト電磁石４４のインダクタンスよりも小さい。なお、照射野のシフトにより照射野サイズ又は倍率が変わる場合には補正が適用される。

【0046】

照射装置１８において、シフト部３６の下流側には、線量モニタ、炭素線位置モニタ、リッジフィルタ等が設けられているが、図１においてはそれらの図示が省略されている。同様に、図１においては、生体を載置する治療台、Ｘ線照射装置、Ｘ線検出装置、等の図示が省略されている。

【0047】

なお、第１走査電磁石３８及び第２走査電磁石４０を一体化させてもよく、第１シフト電磁石４２及び第２シフト電磁石４４を一体化させてもよい。図１においては、走査部３４とシフト部３６が離れているが、走査部３４に対してシフト部３６を近接させてもよい。

【0048】

制御装置２０は、通常、複数台の情報処理装置により構成される。個々の情報処理装置は、プログラムに従って動作するＣＰＵを備える。図示の構成例において、制御装置２０は、主制御部４６及び複数の個別制御部を有する。主制御部４６は複数の個別制御部を介して炭素線治療装置１０の全体を制御するものである。主制御部４６には治療計画装置からの治療計画情報５４が与えられている。主制御部４６の中に治療計画装置が含まれてもよい。主制御部４６に後述する参照画像形成部が設けられてもよい。

【0049】

複数の個別制御部には、シンクロトロン制御部４８、輸送制御部５０及び照射制御部５２が含まれる。その他の個別制御部についてはその図示が省略されている。シンクロトロン制御部４８は、周波数制御により、炭素線のエネルギーを制御する。シンクロトロン制御部４８は、炭素線の照射及び非照射の制御も行う。照射制御部５２は、走査部３４の制御及びシフト部３６の制御を行うものである。シフト部３６の制御に際しては、照射制御部５２は、第１シフト電磁石４２への電流供給のオンオフ、第１シフト電磁石４２へ供給する電流の向きの切り換え、第２シフト電磁石４４への電流供給のオンオフ、及び、第２シフト電磁石４４へ供給する電流の向きの切り換え、を行う。これにより、照射野が段階的にシフトされ、拡大照射野が形成される。

【0050】

もっとも、炭素線のエネルギーが低い場合、走査部３４により大きなサイズを有する照射野を形成できるので、照射野シフトの必要性が乏しくなる。照射制御部５２は、炭素線のエネルギーが一定値以上の場合に照射野シフトを実行するようにしている。もちろん、シフトしない状態での照射野に患部が包摂される場合、照射野のシフトは不要である。

【0051】

図２及び図３には、比較例が示されている。図２には、走査部により形成される走査磁場６０が示されている。走査磁場６０はＹ方向走査磁場であり、Ｘ方向走査磁場の図示は省略されている。Ｙ方向における炭素線の走査６２により、及び、図２には示されていないが、Ｘ方向における炭素線の走査により、照射面６４上に照射野が画定される。照射面６４はアイソセンタＯを通過し走査中心軸に直交する仮想的な面である。

【0052】

図３には、比較例に係る照射野６６が示されている。図３においては、横軸がＸ方向に対応しており、縦軸がＹ方向に対応している。符号６８は照射点のＹ方向走査を示している。図示の例では、Ｙ方向が高速走査方向（主走査方向）であり、Ｘ方向が低速走査方向（副速走査方向）である。この比較例に示すように、走査部により照射野を拡大するには、走査部における炭素線の偏向角を大きくするための磁場の強度の引き上げ、又は、走査部とアイソセンタＯとの間の距離の増大、を行う必要がある。しかし、前者の方法によると、大きく偏向する炭素線を通過させるために磁極間の距離を広げたり、磁場強度を上げるためにコイルのターン数を増やしたりする必要があり走査部が大型化してしまう。また、コイルのターン数増加によりインダクタンスが高くなり磁場の静定時間の増大、すなわち、走査速度の低下という問題も生じる。一方、後者の方法によると、走査部とアイソセンタＯとの間の距離を確保するために照射装置及びそれを含む回転ガントリが大型化してしまう。照射装置及び回転ガントリの大型化により、製造コストの増加や、炭素線の照射位置精度の悪化という問題も生じてしまう。

【0053】

図４及び図５には、第１実施例が示されている。図４には、走査部により形成される走査磁場が符号６０で示されており、シフト部により形成されるシフト磁場が符号７０で示されている。走査磁場６０はＹ方向走査磁場であり、シフト磁場７０はＹ方向シフト磁場である。Ｘ方向走査磁場及びＸ方向シフト磁場の図示は省略されている。

【0054】

符号６２は、Ｙ方向におけるシフトなしの場合の炭素線の走査範囲を示しており、符号７２は、＋Ｙ方向へのシフトを行った場合の炭素線の走査範囲を示しており、符号７４は、－Ｙ方向へのシフトを行った場合の炭素線の走査範囲を示している。Ｘ方向においても同様の切り換え制御が適用される。

【0055】

その結果、図５に示すように、もとの照射野８０の９倍のサイズを有する拡大照射野７８を形成することが可能となる。拡大照射野７８は、９個の照射野区画＃１～＃９の集合体として構成される。個々の照射野区画＃１～＃９は拡大照射野７８を構成する１単位であり、その実体は照射野である。符号８２は、１つの照射野区画内での照射点のＹ方向走査を示している。

【0056】

図６には、第１実施例におけるシフト部の制御方法が示されている。符号８４は、Ｙ方向へのシフトを行う第１シフト電磁石の制御条件を示している。既に説明したように、第１シフト電磁石へ電流を流さないと（オフの場合）、Ｙ方向へのシフトは行われない。第１シフト電磁石へ流す電流の向きを正方向にすると（＋の場合）、炭素線を＋Ｙ方向へ屈曲させる磁場が生じる。第１シフト電磁石へ流す電流の向きを負方向にすると（－の場合）、炭素線を－Ｙ方向へ屈曲させる磁場が生じる。

【0057】

符号８６は、Ｘ方向へのシフトを行う第２シフト電磁石の制御条件を示している。既に説明したように、第２シフト電磁石へ電流を流さないと（オフの場合）、Ｘ方向へのシフトは行われない。第２シフト電磁石へ流す電流の向きを正方向にすると（＋の場合）、炭素線を＋Ｘ方向へ屈曲させる磁場が生じる。第２シフト電磁石へ流す電流の向きを負方向にすると（－の場合）、炭素線を－Ｘ方向へ屈曲させる磁場が生じる。Ｙ方向についてのシフト段数３及びＸ方向についてのシフト段数３により、既に説明したように、９個の照射野区画＃１～＃９が形成される。電流制御という簡便な方法で、９個の照射野区画＃１～＃９の中から所望の照射野区画が選択される。

【0058】

以上のように、第１実施例によれば、比較例との対比において、走査部の構成を維持しつつも、Ｘ方向及びＹ方向に３倍に拡大された拡大照射野を形成することが可能となる。シフト部は静的に制御されるものであるから、シフト部を製作するのは比較的に容易である。

【0059】

図７には、照射シーケンスが示されている。図示された照射シーケンスは第１実施例において実行されるものであるが、後述する他の実施例でも同じ照射シーケンスが適用され得る。個々の走査期間９０において、選択された照射野区間内において炭素線の走査（照射）が行われる。その際においては走査部に対して動的な制御が適用される。すなわち、照射位置が連続的に又は断続的に繰り返し変更されるように走査部が制御される。

【0060】

隣接する２つの走査期間９０の間に中断期間９２が設けられている。個々の中断期間９２においては、生体における無用な被曝を防止するために、炭素線の照射が停止される。符号９４で示されるように、そのような照射停止状態において、シフト部の動作条件が切り換えられ、照射野がシフトされる。すなわち、現在の照射野区画から次の照射野区画への変更が行われる。それは上記の動的な制御との対比において静的な制御と言い得るものである。シフト部に対する動作条件の設定が完了し、磁場が静定した後、炭素線の照射が再開される。個々の走査期間においてはシフト部の動作条件が維持される。但し、磁場補正その他の必要からその動作条件が静的につまり緩やかに変更されてもよい。個々の走査期間９０は例えば数百ｍｓ～数ｓの範囲内であり、個々の中断期間９２は例えば数ｍｓである。

【0061】

図８には、第１実施例の動作がフローチャートとして示されている。以下に説明する他の実施例においても図８に示された各工程が実行される。

【0062】

Ｓ１０では、主制御部の制御により、深さが設定される。これにより炭素線のエネルギーＥが設定される。エネルギーＥが閾値Ｅ１未満である場合、ある程度大きな照射野を形成できるため、シフト動作は不要であると判断され、Ｓ１４が実行される。Ｓ１４では、走査部３４により炭素線の走査が実行される。

【0063】

一方、Ｓ１２において、エネルギーＥが閾値Ｅ１以上であると判断された場合、Ｓ１６において、照射対象である患部のサイズを考慮して、照射野シフトが必要であるか否か、つまり拡大照射野の形成の要否が判断される。照射野シフトが不要であれば、シフト部は照射野のシフトを行わず、上記のＳ１４が実行される。照射野シフトが必要であれば、Ｓ１８が実行される。Ｓ１８では、照射野区画が選択される。すなわち、シフト態様が選択される。シフト部の設定が完了した後、Ｓ２０において、選択された照射野区間内において炭素線の走査が実行される。その終了後、Ｓ２２において、他の照射野区間に対する照射が必要であれば、Ｓ１８において、新たな照射野区画が選択された上で、Ｓ２０において当該照射野区画に対する炭素線の走査が実行される。このような過程が現在選択されているレイヤにおいて患部全体に炭素線が照射されるまで繰り返される。

【0064】

Ｓ２４では、他のレイヤへの変更が必要であるか否かが判断され、その変更が必要であれば、Ｓ１０において、次のレイヤの深度に対応する、炭素線のエネルギーが設定される。その上で、Ｓ１２以降の工程が繰り返し実行される。

【0065】

なお、Ｓ１０が治療計画段階で実行されてもよい。そのような場合、炭素線のエネルギーに応じてシフトの要否を判断した結果に従って、実際の照射制御が遂行される。

【0066】

図９には、第２実施例に係る照射装置が示されている。なお、図１に示した要素と同様の要素には同一符号を付し、その説明を省略する。このことは図１０以降の各図においても同様である。

【0067】

図９に示す第２実施例においては、偏向電磁石３０と偏向電磁石３２の間に走査部３４Ａが設けられている。走査部３４Ａは、第１走査電磁石３８Ａと第２走査電磁石４０Ａとを含む。第１走査電磁石３８Ａは図１に示した第１走査電磁石３８に相当するものであり、第２走査電磁石４０Ａは図１に示した第２走査電磁石４０に相当するものである。

【0068】

偏向電磁石３２の下流側には、走査部を介さずに、シフト部３６Ａが設けられている。シフト部３６Ａは、第１実施例と同様に、第１シフト電磁石４２と第２シフト電磁石４４とを含む。このような構成によっても、走査部による照射野シフトにより拡大照射野を生じさせることが可能である。

【0069】

シフト部３６Ａを設けずに走査部３４Ａ単体で大きな照射野を形成する場合、走査部３４Ａでの最大走査角度を大きくする必要があり、それに合わせて、偏向電磁石３２として大きなギャップ幅を有する偏向電磁石を利用する必要がある。これに対して、第２実施例によれば、走査部３４Ａでの走査角度を小さくできるので、偏向電磁石３２として、小さなギャップ幅を有する偏向電磁石を利用することが可能となる。その場合においても、大きな照射野を形成できる。なお、ギャップ幅は一対の磁極間のサイズ又は距離である。

【0070】

図１０には、第３実施例に係る照射装置が示されている。第３実施例においては、走査部９６が１つのシフト電磁石９８のみを備えている。シフト電磁石９８は、Ｙ方向及びＸ方向の内で、一方の方向について照射野シフトを行うものである。例えば、シフト電磁石９８はＹ方向への照射野シフトを行う電磁石である。

【0071】

そのような構成が採用される場合、図１１に示される拡大照射野１００が形成され得る。拡大照射野１００は３つの照射野区画＃１～＃３により構成される。個々の照射野区画＃１～＃３すなわち個々の照射野は、図示の例において、Ｘ方向に伸長した形態を有する。図示の例では、Ｙ方向が高速走査方向である（符号１０２を参照）。

【0072】

図１２には、第４実施例に係る拡大照射野１０４が示されている。第４実施例においては、図１３に示した構成と基本的に同様の構成が採用される。但し、シフト電磁石９８がＸ方向への照射野シフトを行う。拡大照射野１０４は、３つの照射野区画＃１～＃３により構成される。個々の照射野区画＃１～＃３すなわち個々の照射野は、図示の例において、Ｙ方向に伸長した形態を有する。図示の例では、Ｙ方向が高速走査方向である（符号１０８を参照）。

【0073】

なお、第３実施例及び第４実施例において、Ｘ方向走査を行う走査電磁石とＹ方向走査を行う走査電磁石の順番を入れ換えてもよい。あるいは、高速走査を行う走査電磁石と低速走査を行う走査電磁石の順番を入れ換えてもよい。個々の照射野区画の形態又はサイズを互いに異ならせてもよい。

【0074】

図１３には、第５実施例に係る拡大照射野１１０が示されている。第５実施例では、Ｘ方向のシフト段数（ｍ）は５であり、Ｙ方向のシフト段数（ｎ）も５である。これにより２５個の照射野区画からなる拡大照射野１１０が形成されている。Ｘ方向においては、電流の値が５段階（＋２，＋１，０，－１，－２）に切り換えられ、Ｙ方向においても、電流の値が５段階（＋２，＋１，０，－１，－２）に切り換えられる。一般に、ｍは３以上の奇数であり、ｎも３以上の奇数である。

【0075】

図１４には、治療計画装置２００が例示されている。治療計画装置２００は例えば情報処理装置により構成される。Ｘ線ＣＴ装置、ＭＲＩ装置等からの生体の画像情報２０４が治療計画装置２００へ送られる。その画像情報２０４に基づいて治療計画が立てられる。治療計画装置２００で生成された治療計画情報５４が図１に示した主制御部に送られる。治療計画装置２００は画像形成部２０２を有する。画像形成部２０２は、治療計画の過程において、患部の組織像（断面像）に区画像を合成することにより、参照画像を形成するモジュールである。画像形成部２０２は、例えば、プログラム動作するＣＰＵ、画像形成プロセッサ、等により構成される。

【0076】

図１５には、表示器に表示された表示画像１１４が例示されている。表示画像１１４には上記の参照画像１１６が含まれる。参照画像１１６は、患部等の組織を示す組織像１１８と複数の照射野区画を示す区画像１２０とを含むものである。区画像１２０の内で、照射が行われる照射野区画１２２ａはハイライト表現されており、一方、照射が行われない、つまりシフトによる選択が行われない照射野区画１２２ｂは半透明表現されている。このように、照射が行われる照射野区画であるか否かを識別表示してもよい。参照画像１１６が治療中に表示されてもよい。

【0077】

図１６には、第１変形例が示されている。符号１２８はシフトを行わない場合における照射野を示している。符号１２４はシフトによって形成される拡大照射野を示している。拡大照射野１２４の範囲内で、患部１２６の位置及びサイズに応じて、シフトにより、照射野１３０を形成するようにしてもよい。患部１２６は、照射野１２８にはカバーされていないが、それと同じサイズを有する照射野１３０にカバーされている。この構成によれば、シフトによる照射野設定後、それを更にシフトさせなくてもよくなる。

【0078】

図１７には、第２変形例が示されている。拡大照射野１２４の範囲内において、患部１３２の位置及び大きさに従って、相互に密に連結された４つの照射野からなる照射野集合１３４が設定される。照射野集合１３４はある意味で拡大照射野であり、その観点から見て、それは４つの照射野区画＃１～＃４により構成される。第２変形例によれば、シフトの回数を少なくできる。

【0079】

以上説明した実施形態によれば、応答特性を優先させた走査部と、偏向特性を優先させたシフト部とを併用することにより、照射装置の小型化と照射野の拡大を両立させることが可能となる。特に、動的に制御される走査部の後段に静的に制御されるシフト部を設けたので、照射装置の設計、製作及び制御に当たって生じる諸々の困難が大きく軽減される。上記実施形態に係る構成は、特に回転ガントリを備えた重粒子線治療装置に適用されることが望まれるが、上記実施形態に係る構成が他の粒子線治療装置に適用されてもよい。

【符号の説明】

【0080】

１０ 炭素線治療装置、１２ イオン源、１４ 線形加速器、１５ シンクロトロン、１６ 輸送装置、１８ 照射装置、２０ 制御装置、２２ 回転ガントリ、３４ 走査部、３６ シフト部、３８ 第１走査電磁石、４０ 第２走査電磁石、４２ 第１シフト電磁石、４４ 第２シフト電磁石、７８ 拡大照射野、８０ 照射野。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】