JP2023142817A - 粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被照射体の動きによらず、計画された線量分布による照射を精度よく実現する粒子線治療装置を提供する。
【解決手段】荷電粒子線治療装置１は、荷電粒子線Ｂを出射する加速器１１と、荷電粒子線Ｂを走査するスキャニング電磁石２１を有し加速器１１から出射された荷電粒子線Ｂを出力する照射ノズル１２と、を備え、被照射体Ａ内に仮想的に複数設定された被照射層Ｌ１～ＬＮごとに、照射ノズル１２が所定の照射順で複数の層Ｌ１～ＬＮに荷電粒子線Ｂの照射を行う照射処理Ｓ２０１と、照射ノズル１２が上記の照射順と同じ照射順で再び複数の層Ｌ１～ＬＮに荷電粒子線Ｂの照射を行う再照射処理Ｓ２０２と、を実行する。
【選択図】図３

Description

本発明は、粒子線治療装置に関するものである。

従来、加速器から出射される荷電粒子線を患者の患部に照射する粒子線治療装置が知られている。この種の粒子線治療装置が出力する線量には上限があるので、１回の照射で必要な線量の照射を終えることが出来ない場合もある。この場合には、患部の同じ箇所への照射を複数回繰り返して実行する必要がある。例えば下記特許文献１の粒子線治療装置は、患部を仮想的な複数の層に分割して各層に荷電粒子線を走査するように照射するものであり、１層に対して複数回の照射を行い、次の層に移行して複数回の照射を行なう、といったことを繰り返して、必要な線量の荷電粒子線が患部に照射される。

特開2005-050824号公報

しかしながら、上記のような粒子線治療装置では、患者の呼吸等に起因して患部の位置が変動する場合に、患部の１層に対する複数回の照射の位置が互いにずれるので、いわゆるInterplay Effectが発生し、計画された線量分布に対し治療の精度及び効果が低下する虞がある。このような課題に鑑み、本発明は、被照射体の動きによらず、計画された線量分布による照射を精度よく実現する粒子線治療装置を提供することを目的とする。

本発明の粒子線治療装置は、荷電粒子線を出射する加速器と、荷電粒子線を走査する走査部を有し加速器から出射された荷電粒子線を出力する照射部と、を備え、被照射体内に仮想的に複数設定された被照射層ごとに、照射部が所定の照射順で複数の被照射層に荷電粒子線の照射を行う照射処理と、照射部が照射順と同じ照射順で再び複数の被照射層に荷電粒子線の照射を行う再照射処理と、を実行する。

照射処理では、荷電粒子線の照射方向に並ぶ複数の被照射層に対して並び順に照射が行なわれる、こととしてもよい。被照射層は荷電粒子線の照射方向に積層されるように設定されており、照射処理では設定されたすべての被照射層に対して積層順に照射が行なわれる、こととしてもよい。再照射処理は複数回繰返し実行される、こととしてもよい。

本発明の粒子線治療装置では、被照射体は患者の患部であり、照射処理及び再照射処理における荷電粒子線の照射のタイミングを患者の周期的な動きの位相に同期させる同期制御部を更に備える、こととしてもよい。

本発明によれば、被照射体の動きによらず、計画された線量分布による照射を精度よく実現する粒子線治療装置を提供することができる。

第１実施形態に係る荷電粒子線治療装置の一例を示す概略図である。 （ａ），（ｂ）は、被照射体への荷電粒子線の照射イメージを示す図である。 図１の荷電粒子線治療装置で実行される荷電粒子線照射処理の一例を示すフローチャートである。 （ａ）は従来の荷電粒子線治療装置について、（ｂ）は第１実施形態の荷電粒子線治療装置について、患者Ｐの呼吸に起因する被照射体の変位を模式的に表すグラフである。 （ａ）～（ｃ）は、被照射体の所定の層における照射線量分布を概念的に示した図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、「上流」「下流」の語は、出射する荷電粒子線の上流（加速器側）、下流（患者側）をそれぞれ意味している。また、被照射体Ａに対する荷電粒子線の照射方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向とし、Ｚ方向とＸ方向との双方に直交する方向をＹ方向とする。

〔第１実施形態〕
図１に示すように、荷電粒子線治療装置１（粒子線治療装置）は、放射線療法によるがん治療等に利用される装置であり、荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射する加速器１１と、荷電粒子線を被照射体へ照射する照射ノズル１２（照射部）と、加速器１１から出射された荷電粒子線を照射ノズル１２へ輸送するビーム輸送ライン１３と、ビーム輸送ライン１３に設けられ、荷電粒子線のエネルギーを低下させて荷電粒子線の飛程を調整するデグレーダ１８と、ビーム輸送ライン１３に設けられた複数の電磁石２５と、複数の電磁石２５のそれぞれに対応して設けられた電磁石電源２７と、荷電粒子線治療装置１全体を制御する制御部３０と、を備えている。本実施形態では、加速器１１としてサイクロトロンを採用するが、これに限定されず、荷電粒子線を発生させるその他の発生源、例えば、シンクロトン、シンクロサイクロトン、ライナック等であってもよい。

荷電粒子線治療装置１では、治療台２２上の患者Ｐの腫瘍（被照射体，患部）に対して加速器１１から出射された荷電粒子線の照射が行われる。荷電粒子線は電荷をもった粒子を高速に加速したものであり、例えば陽子線、重粒子（重イオン）線等がある。本実施形態に係る荷電粒子線治療装置１は、いわゆるスキャニング法により荷電粒子線の照射を行うものであり、被照射体を深さ方向に分割（スライス）し、スライス平面（層）毎に、層上の照射範囲に対して、荷電粒子線の照射を行う（図２（ａ），（ｂ）参照）。

なお、スキャニング法による照射方式として、例えばスポット式スキャニング照射、及び、ラスター式スキャニング照射がある。スポット式スキャニング照射は、照射範囲である、一のスポットへの照射が完了すると、一度ビーム（荷電粒子線）照射を止め、次のスポットへの照射準備が整った後に次のスポットへの照射を行う方式である。これに対し、ラスター式スキャニング照射は、同一層の照射範囲については、照射を途中で止めることなく、連続的にビーム照射を行う方式である。このように、ラスター式スキャニング照射は、同一層の照射範囲については連続的にビーム照射が行われるものであるため、スポット式スキャニング照射と異なり、照射範囲は複数のスポットから構成されるものではない。以下では、スポット式スキャニング照射により照射を行う例を説明することとし、同一層上の照射範囲は複数のスポットからなることとして説明するが、これに限定されず、ラスター式スキャニング照射により照射を行う場合には、上述したように照射範囲はスポットから構成されるものではなくてもよい。

照射ノズル１２は、治療台２２の周りを３６０度回転可能な回転ガントリ２３の内側に取り付けられており、回転ガントリ２３によって任意の回転位置に移動可能とされている。照射ノズル１２には、収束電磁石１９（詳細は後述）、スキャニング電磁石２１（走査部）、真空ダクト２８が含まれている。スキャニング電磁石２１は、照射ノズル１２の中に設けられている。スキャニング電磁石２１は、荷電粒子線の照射方向と交差する面においてＸ方向へ荷電粒子線を走査するＸ方向走査電磁石と、荷電粒子線の照射方向と交差する面においてＸ方向と交差するＹ方向へ荷電粒子線を走査するＹ方向走査電磁石と、を有している。また、スキャニング電磁石２１により走査された荷電粒子線はＸ方向及び／又はＹ方向へ偏向されるため、スキャニング電磁石よりも下流側の真空ダクト２８は、その径が下流側ほど拡大されている。

ビーム輸送ライン１３は、荷電粒子線が通る真空ダクト１４を有している。真空ダクト１４の内部は真空状態に維持されており、輸送中の荷電粒子線を構成する荷電粒子が空気等により散乱することを抑制している。

また、ビーム輸送ライン１３は、加速器１１から出射された所定のエネルギー幅を有する荷電粒子線から所定のエネルギー幅よりも狭いエネルギー幅の荷電粒子線を選択的に取り出すＥＳＳ（Energy Selection System）１５と、ＥＳＳ１５によって選択されたエネルギー幅を有する荷電粒子線を、エネルギーが維持された状態で輸送するＢＴＳ（Beam Transport System）１６と、ＢＴＳ１６から回転ガントリ２３に向けて荷電粒子線を輸送するＧＴＳ（Gantry Transport System）１７と、を有している。

デグレーダ１８は、通過する荷電粒子線のエネルギーを低下させて当該荷電粒子線の飛程を調整する。患者の体表から被照射体である腫瘍までの深さは患者ごとに異なるため、荷電粒子線を患者に照射する際には、荷電粒子線の到達深さである飛程を調整する必要がある。デグレーダ１８は、加速器１１から一定のエネルギーで出射された荷電粒子線のエネルギーを調整することにより、患者体内の所定の深さにある被照射体に荷電粒子線が適切に到達するように調整する。このようなデグレーダ１８による荷電粒子線のエネルギー調整は、被照射体をスライスした層毎に行われる。

電磁石２５は、ビーム輸送ライン１３に複数設けられるものであり、磁場によってビーム輸送ライン１３で荷電粒子線を輸送することができるように、当該荷電粒子線の調整を行うものである。電磁石２５として、輸送中の荷電粒子線のビーム径を収束させる収束電磁石１９、及び荷電粒子線を偏向させる偏向電磁石２０が採用される。なお、以下では収束電磁石１９及び偏向電磁石２０を区別せずに電磁石２５と記載する場合がある。また、電磁石２５は、少なくともビーム輸送ライン１３のうちデグレーダ１８よりも下流側に複数設けられる。ただし、本実施形態では、電磁石２５は、デグレーダ１８よりも上流側にも設けられる。ここでは、電磁石２５として収束電磁石１９が、デグレーダ１８によるエネルギー調整前の荷電粒子線のビーム径を収束させるために、デグレーダ１８の上流側にも設けられている。電磁石２５の総数は、ビーム輸送ライン１３の長さ等により柔軟に変更が可能であり、例えば、１０～４０程度の数とされる。なお、図１中には電磁石電源２７が一部のみ記載されているが、実際には、電磁石２５の数と同数、設けられている。

デグレーダ１８及び電磁石２５のビーム輸送ライン１３中における位置は特に限定されないが、本実施形態では、ＥＳＳ１５には、デグレーダ１８、収束電磁石１９、及び偏向電磁石２０が設けられている。また、ＢＴＳ１６には収束電磁石１９が設けられており、ＧＴＳ１７には収束電磁石１９及び偏向電磁石２０が設けられている。なお、デグレーダ１８は、上述したように加速器１１と回転ガントリ２３との間であるＥＳＳ１５に設けられており、より詳細には、ＥＳＳ１５のうち回転ガントリ２３よりも加速器１１側（上流側）に設けられている。

電磁石電源２７は、対応する電磁石２５に電流を供給することによって電磁石２５の磁界を生じさせる。電磁石電源２７は、対応する電磁石２５に供給する電流を調整することにより、対応する電磁石２５の磁場の強さを設定可能である。電磁石電源２７は、制御部３０からの信号に応じて電磁石２５に供給する電流を調整している（詳細は後述）。電磁石電源２７は、各電磁石２５それぞれに一対一で対応するように設けられている。すなわち、電磁石電源２７は、電磁石２５の数と同数、設けられている。

被照射体の各層の深さと電磁石電源２７から電磁石２５に供給される電流との関係は以下のとおりである。すなわち、各層の深さから、各層に荷電粒子線を照射するために必要な荷電粒子線のエネルギーが決まり、デグレーダ１８によるエネルギー調整量が決まる。ここで、荷電粒子線のエネルギーが変わると、当該荷電粒子線を偏向・収束するために必要な磁場の強さも変わることとなる。従って、電磁石２５の磁場の強さがデグレーダ１８によるエネルギー調整量に応じた強さとなるように、電磁石２５に供給される電流が決まる。

制御部３０は例えばコンピュータであり、加速器１１から出射された荷電粒子線Ｂの被照射体への照射を制御する。制御部３０は、スキャニング制御部３６とレイヤ制御部３７とを有している。スキャニング制御部３６は、被照射体Ａへの荷電粒子線Ｂのスキャニング（走査）を制御するものである。スキャニング制御部３６は、スキャニング電磁石２１に対して照射開始信号を送信し、スキャニング電磁石２１に同一層上の複数の照射スポットへの照射を行わせる。各層における照射スポットに関する情報は、事前に設定された治療計画に基づいて、予めスキャニング制御部３６に記憶されている。

スキャニング制御部３６の制御に応じたスキャニング電磁石２１の荷電粒子線照射イメージについて、図２（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。図２（ａ）は、深さ方向において複数の層に仮想的にスライスされた被照射体Ａを、図２（ｂ）は、荷電粒子線Ｂの照射方向（Ｚ方向）から見た一の層における荷電粒子線Ｂの走査イメージを、それぞれ示している。図２（ａ）に示すように、被照射体Ａは照射方向（Ｚ方向）に積層された複数の層（被照射層）に仮想的にスライスされ分割されている。本例では、被照射体ＡがＮ層に仮想的にスライスされ分割されており、これらの層を深い方（荷電粒子線Ｂの飛程が長い方）から順に、層Ｌ１，層Ｌ２，…，層（ｎ－１），層ｎ，層（ｎ＋１），…，層Ｌ（Ｎ－１），層ＬＮと呼ぶ。一般的な腫瘍の治療におけるＮの値は例えば３０程度であるが、この数値には限定されない。

デグレーダ１８のエネルギー調整量が所定の層Ｌｎに応じたものとされ、スキャニング電磁石２１が荷電粒子線ＢをＸ方向及びＹ方向へ偏向することにより、図２（ｂ）に示すように、荷電粒子線Ｂは、層Ｌｎ上でジグザグ形状のビーム軌道ＴＬを描きながら複数の照射スポットに対して照射される。これにより、被照射体Ａの層Ｌｎ全体に亘って荷電粒子線Ｂが照射される。一般的な腫瘍の治療において１つの層Ｌｎの照射に要する時間は例えば数百msec～約２秒程度であるが、この数値には限定されない。

また、スキャニング制御部３６は、スキャニング電磁石２１による一の層の全スポットへの照射が完了すると、レイヤ制御部３７に対して層切り替え信号を送信する。該層切り替え信号には切り替え後の層を特定する情報（例えば層Ｌ（ｎ＋１）層目、等）が含まれている。レイヤ制御部３７は、スキャニング制御部３６からの層切り替え信号に応じて、層切り替え関連処理を行う。層切り替え関連処理とは、デグレーダ１８のエネルギー調整量を変更するデグレーダ設定処理、及び、電磁石２５に供給される電流をデグレーダ設定処理後のデグレーダ１８のエネルギー調整量に応じたものとする電磁石設定処理である。この層切り替え関連処理に要する時間は例えば約３００ｍｓｅｃであるが、この数値には限定されない。

荷電粒子線治療では、ある患者の治療を行うにあたり、その患者へどのように荷電粒子線Ｂを照射するかが計画される（治療計画）。当該治療計画時に決定した治療計画データは、治療が行われる前に治療計画装置（図示せず）から制御部３０に送信され制御部３０で記憶される。そして、この治療計画に基いて上記のようなスキャニング制御部３６及びレイヤ制御部３７が制御を実行し、被照射体Ａ内に仮想的に複数設定された層Ｌｎごとに、各層Ｌ１～層ＬＮに対して、ビーム軌道ＴＬ（図２（ｂ）参照）に沿って走査しながら荷電粒子線Ｂの照射を行うことで、被照射体Ａ全体に荷電粒子線Ｂの照射が行なわれる。

また、図１に示されるように、荷電粒子線治療装置１は呼吸同期制御部４０（同期制御部）を備えており、呼吸同期制御部４０は照射ノズル１２からの荷電粒子線Ｂの照射のタイミングを患者Ｐの呼吸の位相に同期させる。呼吸同期制御部４０は、例えば患者Ｐの体表面の変位を撮像装置やレーザ変位計等でモニタすることで、患者Ｐの呼吸の位相を検知する。検知された呼吸位相の情報は電気信号として制御部３０に送信され、制御部３０では、得られた呼吸位相に基づいて照射ノズル１２から荷電粒子線Ｂを出力するタイミングが制御される。呼吸同期制御部４０では、例えば、呼吸による被照射体Ａ（患者Ｐの患部）の変位が所定より小さいときのみに限って荷電粒子線Ｂが照射される、といった制御が行なわれ、更に、上記の変位が所定より小さいときのうち特定の呼吸位相の範囲のみに限って荷電粒子線Ｂが照射される、といった制御が行なわれる。上記の特定の呼吸位相の範囲としては、例えば、呼吸による患部の変位が比較的小さい呼吸位相の範囲が選択される。この呼吸同期制御部４０の存在によれば、被照射体Ａが患者Ｐの呼吸に起因してほぼ周期的に位置変動する移動臓器に属する場合にも、当該位置変動による被照射体Ａと照射位置との相対的なずれが抑えられる。

以上のような荷電粒子線治療装置１で実行される被照射体Ａへの荷電粒子線照射処理について説明する。この荷電粒子線照射処理は、例えばコンピュータで構成される制御部３０が、予め定められた所定の照射プログラムを実行することにより、当該制御部３０の制御下において、前述した機能をもつデグレーダ１８、スキャニング電磁石２１、呼吸同期制御部４０等が動作することによって実現される。

荷電粒子線治療装置１が出力する線量には上限があるので、被照射体Ａの各層Ｌ１～ＬＮについて１回ずつの照射で必要な線量の照射を終えることが出来ない場合がある。本実施形態の荷電粒子線照射処理は、このような場合に適用されるものであり、同じ層Ｌｎに対する照射が複数回繰り返される必要がある。なお、本実施形態の荷電粒子線照射処理では、治療計画をシンプルにするために、同じ層Ｌｎへの照射は毎回同じ線量で行なわれるものとし、その必要とされる照射の回数をＭ回とする。一般的な腫瘍の治療におけるＭの値は例えば３～５程度であるが、この数値には限定されない。

具体的な荷電粒子線照射処理Ｓ１０について図３のフローチャートを参照しながら説明する。この荷電粒子線照射処理Ｓ１０の処理中には、前述の呼吸同期制御部４０による呼吸同期処理が並行して実行されている。

図３のフローチャート中では、層Ｌｎが何番目の層であるかを示す変数ｎ（ｎ＝１～Ｎ）と、層Ｌｎへの照射が何回目であるかを示す変数ｍ（ｍ＝１～Ｍ）と、を便宜的に用いる。図３に示されるように、この荷電粒子線照射処理Ｓ１０の最初に層Ｌ１の１回目の照射を行なうべく、上記変数ｍ及びｎの初期値は、ｍ＝１とされ（Ｓ１０２）、ｎ＝１とされる（Ｓ１０４）。その後の処理Ｓ１０６では、照射ノズル１２からの荷電粒子線Ｂが被照射体Ａの層Ｌｎに対して照射される。ここでは、デグレーダ１８のエネルギー調整量が層Ｌｎの深さに対応する量に設定された状態で、スキャニング電磁石２１によるＸ方向及びＹ方向の走査が実行されることで、層Ｌｎにはビーム軌道ＴＬ（図２（ｂ）参照）に沿って荷電粒子線Ｂが照射される。

その後、処理Ｓ１０８においては、変数ｎが最浅層に対応するＮに到達しているか否かが判断される。ここで変数ｎがＮに到達している場合には、被照射体Ａのすべての層Ｌ１～ＬＮに対するｍ回目の照射が完了したことを意味するので、この場合には処理Ｓ１１０に進む。一方、処理Ｓ１０８の判断において、変数ｎがＮに到達していない場合には、処理Ｓ１１２において変数ｎがインクリメント（プラス１）され、前述の処理Ｓ１０６に戻る。そして、処理Ｓ１０８において変数ｎがＮに到達するまで、処理Ｓ１０６、Ｓ１０８及びＳ１１２が繰り返される。すなわち、層Ｌ２，層Ｌ３，…，層ＬＮと切り替えながら各層への荷電粒子線Ｂの照射が繰返し実行される。

処理Ｓ１１０においては、変数ｍが最終回に対応するＭに到達しているか否かが判断される。ここで変数ｍがＭに到達している場合には、被照射体Ａのすべての層Ｌ１～ＬＮに対し１回目～Ｍ回目のすべての照射が完了したことを意味するので、荷電粒子線照射処理Ｓ１０が終了される。一方、処理Ｓ１１０の判断において、変数ｍがＭに到達していない場合には、処理Ｓ１１４において変数ｍがインクリメント（プラス１）され、処理Ｓ１０４に戻る。そして、処理Ｓ１０４において再びｎがｎ＝１に初期化され、前述の処理Ｓ１０６、Ｓ１０８及びＳ１１２が再び実行される。そして、処理Ｓ１１０において変数ｍがＭに到達するまで処理Ｓ１０４～１１４が繰り返され、最終的に処理Ｓ１１０で変数ｍがＭに到達したところで荷電粒子線照射処理Ｓ１０が終了される。

図３に破線で示されるように、処理Ｓ１０４、Ｓ１０６、Ｓ１０８及びＳ１１２の一連の処理を合わせて「照射処理Ｓ２０１」と呼ぶものとすれば、この荷電粒子線照射処理Ｓ１０では、照射処理Ｓ２０１がＭ回繰り返されるものと言える。換言すれば、荷電粒子線照射処理Ｓ１０は、層Ｌ１，層Ｌ２，…，層ＬＮの照射順で各層Ｌ１～ＬＮに荷電粒子線Ｂの照射を行う１回の照射処理Ｓ２０１と、この照射処理Ｓ２０１と同じ照射順（層Ｌ１，層Ｌ２，…，層ＬＮの順）で各層Ｌ１～ＬＮに荷電粒子線Ｂの照射を行う（Ｍ－１）回の再照射処理Ｓ２０２と、を含むものであると言える。更に換言すれば、荷電粒子線治療装置１は、（層Ｌ１，層Ｌ２，…，層ＬＮ），（層Ｌ１，層Ｌ２，…，層ＬＮ），…の順に荷電粒子線の照射を実行するものである。

また、前述の通り、荷電粒子線照射処理Ｓ１０の処理中には、呼吸同期制御部４０による呼吸同期処理が並行して実行されている。従って、層Ｌｎへの荷電粒子線Ｂの照射は、呼吸による被照射体Ａ（患者Ｐの患部）の変位が所定より小さく、且つ患者Ｐの呼吸位相が特定の呼吸位相の範囲にあるとき、にのみ荷電粒子線Ｂが照射され、それ以外のときには荷電粒子線Ｂの照射が停止（ビームオフ）される。

以上説明した荷電粒子線治療装置１による作用効果について説明する。図４（ａ），（ｂ）は、患者Ｐの呼吸に起因する被照射体Ａの位置ずれの変化を模式的に表すグラフであり、横軸は時間を示し、縦軸は治療計画からの被照射体Ａの変位を示す。患者Ｐの呼吸が周期的であるものとすれば横軸が患者Ｐの呼吸の位相を表すと考えてよい。荷電粒子線治療装置１においては、呼吸同期制御部４０によって、被照射体Ａの変位が所定より小さいとき（図中の変位範囲Ｅ）のみに限って荷電粒子線Ｂが照射される、といった制御と、変位範囲Ｅのうち特定の呼吸位相の範囲（図中の位相範囲Ｆ）のみに限って荷電粒子線Ｂが照射される、といった制御が行なわれるものとする。

従来の荷電粒子線治療装置は、（層Ｌ１，層Ｌ１，…，層Ｌ１），（層Ｌ２，層Ｌ２，…，層Ｌ２），…，（層ＬＮ，層ＬＮ，…，層ＬＮ）の順に荷電粒子線Ｂの照射を実行するものであるので、各層に対する照射のタイミングをグラフ中に書き入れるとすれば、例えば図４（ａ）のようになる。すなわち、呼吸の１周期目の位相範囲Ｆ内で層Ｌ１への照射が繰り返され、呼吸の２周期目の位相範囲Ｆ内で層Ｌ２への照射が繰り返され、…、呼吸のＮ周期目の位相範囲Ｆ内で層ＬＮへの照射が繰り返される、といったようなものになる。

これに対して、本実施形態の荷電粒子線治療装置１は、（層Ｌ１，層Ｌ２，…，層ＬＮ），（層Ｌ１，層Ｌ２，…，層ＬＮ），…の順に荷電粒子線の照射を実行するものであるので、各層に対する照射のタイミングをグラフ中に書き入れるとすれば、例えば図４（ｂ）のようになる。すなわち、呼吸の１周期目の位相範囲Ｆ内で層を切り替えながら層Ｌ１～ＬＮまでの照射が実行され、呼吸の２周期目においても１周期目と同様の処理が実行され、更に呼吸の３～Ｍ周期目においても１周期目と同様の処理が繰り返される、といったようなものになる。

従来の荷電粒子線治療装置によれば、図４（ａ）に示されるように、例えば呼吸の１周期目の位相範囲Ｆ内で被照射体Ａが徐々に変位している間に層Ｌ１への照射が複数回（例えばＭ回）繰り返される。従って、層Ｌ１への照射１回目、２回目、…、Ｍ回目における呼吸位相は毎回徐々に異なり、すなわち被照射体Ａの位置が毎回徐々に異なる。そうすると層Ｌ１への照射位置と被照射体Ａとの位置ずれが毎回の照射で徐々に異なり、その結果、層Ｌ１においてInterplay Effectが発生し易く、すなわち層Ｌ１内における照射線量のムラが発生し易い。層Ｌ２～層ＬＮについても同様にして照射線量のムラが発生し易い。すなわち、治療計画に比較して被照射体Ａにおける照射線量分布が悪化する。

これに対して、本実施形態の荷電粒子線治療装置１は、例えば呼吸の１周期目の位相範囲Ｆ内で層Ｌ１，層Ｌ２，…，層ＬＮへの照射が順に行なわれ、呼吸の２周期目、３周期目、…においても位相範囲Ｆ内で層Ｌ１，層Ｌ２，…，層ＬＮへの照射が同じ順に行なわれる。従って、例えば層Ｌ１への照射１回目、２回目、…、Ｍ回目における呼吸位相は毎回概ね等しくなる傾向にあり、すなわち被照射体Ａの位置は毎回概ね等しくなる傾向にある。そうすると層Ｌ１への照射位置と被照射体Ａとの位置ずれが毎回の照射で等しくなる傾向にあり、その結果、層Ｌ１においてInterplay Effectが発生し難く、すなわち層Ｌ１内における照射線量のムラが発生し難い。層Ｌ２～層ＬＮについても同様にして照射線量のムラが発生し難い。すなわち、治療計画に対応して被照射体Ａにおける良好な照射線量分布が得られる。

なお、本実施形態では、呼吸１周期の中で層Ｌ１～ＬＮへの照射が行なわれる例を説明したが、例えば層数Ｎに比較して呼吸周期が短い等の場合には、呼吸の複数周期に亘って層Ｌ１～ＬＮへの照射が行なわれてもよい。具体的には、例えば呼吸の１周期目の位相範囲Ｆ内で層Ｌ１～Ｌ５への照射が行なわれ、呼吸の２周期目の位相範囲Ｆ内で層Ｌ６～Ｌ１０への照射が行なわれ、…、といったように、患者の複数回の呼吸中に層Ｌ１～ＬＮへの照射が順に行なわれてもよい。

図５（ａ）～（ｃ）は、被照射体Ａの所定の層Ｌｎに照射される照射線量分布を概念的に示した図であり、図５（ａ）は前述の従来の荷電粒子線治療装置による照射線量分布であり、図５（ｂ）は本実施形態の荷電粒子線治療装置１による照射線量分布である。また、図５（ｃ）は被照射体Ａが変位しない理想的な条件で照射を行なった場合の照射線量分布である。図５（ａ）に示されるように、従来の荷電粒子線治療装置によれば、ジグザグ形状のビーム軌道ＴＬ（図２（ｂ））に沿って照射線量が高い部分／低い部分（ムラ）が現れる。例えば、図中に符号９１，９２で示すように、照射線量が極端に高い箇所９１（Hot Spot）や極端に低い箇所９２（Cold Spot）が層Ｌｎの中央部９３に存在している。

これに対し、図５（ｂ）に示されるように、本実施形態の荷電粒子線治療装置１によれば、層Ｌｎの中央部９３には照射線量のムラは現れにくい。但し、図５（ｃ）に示される理想の照射線量分布に比較すれば、本実施形態の荷電粒子線治療装置１では、照射線量分布が全体としてシフトして層Ｌｎの外周縁部９４に偏って照射線量の誤差が現れるが、従来の荷電粒子線治療装置のように層Ｌｎの中央部９３にムラが散在する状態（図５（ａ））よりも好ましい。すなわち、層Ｌｎの外周縁部９４に現れる照射線量の誤差は、例えば治療計画のロバスト最適化などの他の手段で解決すればよい。

以上のように、荷電粒子線治療装置１によれば、従来の荷電粒子線治療装置に比較して、各層Ｌ１～ＬＮ内における照射線量のムラが発生し難いので、被照射体Ａの動きによらず、被照射体Ａに対して治療計画で定められた線量分布による照射を精度よく実現することができ、ひいては治療の質を向上することができる。

上記のような作用効果をより効率的に得るために、呼吸同期制御部４０による呼吸同期処理おいて、例えば毎回の照射処理Ｓ２０１の開始タイミング（層Ｌ１への照射開始のタイミング）が、所定の呼吸位相のタイミング（例えば、位相範囲Ｆの開始のタイミング）に合わせられる、といった制御が実行されてもよい。また更に、前述のように、例えば呼吸の１周期目の位相範囲Ｆ内で層Ｌ１～Ｌ５への照射が行なわれ、呼吸の２周期目の位相範囲Ｆ内で層Ｌ６～Ｌ１０への照射が行なわれ、…、といったように、患者の複数回の呼吸中に層Ｌ１～ＬＮへの照射が順に行なわれる場合には、毎回の照射処理Ｓ２０１における層Ｌ１，層Ｌ６，…への各照射開始のタイミングが、所定の呼吸位相のタイミング（例えば、位相範囲Ｆの開始のタイミング）に合わせられる、といった制御が実行されてもよい。

〔第２実施形態〕
本実施形態の荷電粒子線治療装置２０１の機器構成は、図１に示されるように、荷電粒子線治療装置１と同様である。また、荷電粒子線治療装置２０１で実行される荷電粒子線照射処理も図３のフローチャートに示される荷電粒子線照射処理Ｓ１０と同様である。すなわち、本実施形態の荷電粒子線治療装置２０１は、（層Ｌ１，層Ｌ２，…，層ＬＮ），（層Ｌ１，層Ｌ２，…，層ＬＮ），…の順に荷電粒子線の照射を実行するものである。

但し、本実施形態の荷電粒子線治療装置２０１では、荷電粒子線照射処理Ｓ１０の処理中において、呼吸同期制御部４０による呼吸同期処理が実行されない点で、荷電粒子線治療装置１とは異なっている。このような荷電粒子線治療装置２０１は、例えば、患者Ｐの呼吸に起因する変位が比較的小さい被照射体Ａを荷電粒子線Ｂの照射対象とするものである。患者Ｐの呼吸に起因する上記被照射体Ａの変位は、無視できない程度には存在するがあまり大きくないものである。

この荷電粒子線治療装置２０１によれば、第１実施形態の荷電粒子線治療装置１と同様に、例えば呼吸の１周期目の位相範囲Ｆ内で層Ｌ１，層Ｌ２，…，層ＬＮへの照射が順に行なわれ、呼吸の２周期目、３周期目、…においても位相範囲Ｆ内で層Ｌ１，層Ｌ２，…，層ＬＮへの照射が同じ順に行なわれる。但し、このとき呼吸同期処理が実行されていないことから、例えば層Ｌ１への照射１回目、２回目、…、Ｍ回目における呼吸位相は互いに相関関係が希薄である。従って、層Ｌ１への毎回の照射における被照射体Ａの位置はランダムになる傾向にあり、そうすると毎回の層Ｌ１への照射位置と被照射体Ａとの位置ずれはランダムにバラつくので、層Ｌ１に照射される毎回の線量の合計は層Ｌ１全体で均等化される傾向にある。これにより、層Ｌ１においてInterplay Effectが発生し難く、すなわち層Ｌ１内における照射線量のムラが発生し難い。層Ｌ２～層ＬＮについても同様にして照射線量のムラが発生し難い。

ここで比較のために前述の従来の荷電粒子線治療装置を考える。従来の荷電粒子線治療装置は、前述したように、（層Ｌ１，層Ｌ１，…，層Ｌ１），（層Ｌ２，層Ｌ２，…，層Ｌ２），…，（層ＬＮ，層ＬＮ，…，層ＬＮ）の順に荷電粒子線Ｂの照射を実行するものである。このような従来の荷電粒子線治療装置では、例えば層Ｌ１への毎回の照射は、被照射体Ａが徐々に変位する間に連続して繰り返されるものである。従って、呼吸同期処理がされていなくても、層Ｌ１への毎回の照射時における呼吸位相は、少なくとも荷電粒子線治療装置２０１の場合に比較すれば、規則性を含んでいると言える。従って、荷電粒子線治療装置２０１に比較して、層Ｌ１への毎回の照射における被照射体Ａの位置についてはランダム性が低く、その結果、層Ｌ１に照射される毎回の線量の合計が層Ｌ１全体で均等化される傾向は低い。また層Ｌ２～層ＬＮについても同様にして毎回の線量の合計が層全体で均等化される傾向は低い。従って、従来の荷電粒子線治療装置では、荷電粒子線治療装置２０１と同様の作用効果は得られない。

以上のように、変位が比較的小さい被照射体Ａを対象とする荷電粒子線治療装置２０１においては、呼吸同期制御部４０による呼吸同期処理を用いることなく、被照射体Ａに対する照射線量のムラを低減することができる。その結果、被照射体Ａに対して治療計画で定められた線量分布による照射を精度よく実現することができ、ひいては治療の質を向上することができる。またこの場合、呼吸同期制御部４０のセットアップの手間や呼吸同期処理によるビームオフの待ち時間が節約され、治療時間の短縮を図ることができる。なお、荷電粒子線治療装置２０１においては、使用されない呼吸同期制御部４０が省略されてもよい。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、変形例を構成することも可能である。各実施形態等の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

上述の実施形態の荷電粒子線治療装置１が治療対象とする被照射体Ａは、患者Ｐの呼吸に起因して位置変動する移動臓器に属するものであったが、被照射体Ａは、患者Ｐの呼吸以外の動きに起因して規則的に或いは周期的に位置変動する移動臓器に属するものであってもよい。

上述の実施形態では、照射処理Ｓ２０１及び再照射処理Ｓ２０２における各層Ｌ１～ＬＮへの照射順は、層Ｌ１，層Ｌ２，…，層ＬＮの順であったが、この照射順には限定されない。照射処理Ｓ２０１と再照射処理Ｓ２０２とで照射順が同じであれば、次のような照射順としてもよい。

照射処理Ｓ２０１と再照射処理Ｓ２０２とで照射順が同じであれば、照射処理Ｓ２０１においては、例えば、層Ｌ４，層Ｌ２，層Ｌ７，層Ｌ１，…といったように、各層Ｌ１～ＬＮに対してランダムな照射順で荷電粒子線Ｂの照射を行ってもよい。

ここで、照射処理Ｓ２０１において照射される層が切り替わる際には、前述のようにデグレーダ１８のエネルギー調整量が切り替えられるとともに、このエネルギー調整量に応じて電磁石電源２７からの各電磁石２５への供給電流が切り替えられることでビーム輸送ライン１３上の磁界が切り替えられる。電磁石２５が発生する磁界は供給電流に対してヒステリシスを示すので、各層の照射における磁界の制御をシンプルにするためには、層の切り替え毎に電磁石２５への供給電流を一方的に増加させる又は一方的に減少させるような切り替えを行なうことが好ましい。

この知見に基づけば、照射処理Ｓ２０１においては、例えば、層Ｌ４，層Ｌ２，層Ｌ７，層Ｌ１，…といったように、荷電粒子線の飛程を長くしたり短くしたりする照射順は好ましくない。例えば、層Ｌ１，層Ｌ２，層Ｌ４，層Ｌ７，…、又は層Ｌ７，層Ｌ４，層Ｌ２，層Ｌ１，…といったように、被照射体Ａ上における層の並び順（荷電粒子線Ｂの飛程が長くなる順、又は短くなる順）に照射が行なわれることが好ましい。また、前述の実施形態の層Ｌ１，層Ｌ２，…，層ＬＮのように、あるいはその逆順の、層ＬＮ，層Ｌ（Ｎ－１），…，層Ｌ２，層Ｌ１のように、被照射体Ａ上のすべての層に対して積層順に照射が行なわれることが更に好ましい。

また、実施形態の荷電粒子線治療装置１，２０１は、照射処理Ｓ２０１を１回実行した後、当該照射処理Ｓ２０１と同じ照射順で照射を行う再照射処理Ｓ２０２を（Ｍ－１）回の実行するものであるが、再照射処理Ｓ２０２は少なくとも１回のみ実行されればよい。例えば、照射処理Ｓ２０１と再照射処理Ｓ２０２とが実行された後、照射不要の層をスキップして（例えば、層Ｌ１，層Ｌ３，層Ｌ４，層Ｌ５，…などの順で）照射するような照射処理が実行されてもよい。また、照射処理Ｓ２０１の直後に再照射処理Ｓ２０２が実行されることは必須ではなく、照射処理Ｓ２０１と再照射処理Ｓ２０２との間に、照射処理Ｓ２０１とは照射順が異なる他の照射処理が実行されてもよい。

１，２０１…荷電粒子線治療装置、１１…加速器、１２…照射ノズル（照射部）、２１…スキャニング電磁石（走査部）、４０…呼吸同期制御部（同期制御部）、Ｌ１～ＬＮ…被照射層、Ａ…被照射体（患部）、Ｂ…荷電粒子線、Ｐ…患者、Ｓ２０１…照射処理、Ｓ２０２…再照射処理。

Claims (5)

1. 荷電粒子線を出射する加速器と、
   前記荷電粒子線を走査する走査部を有し前記加速器から出射された前記荷電粒子線を出力する照射部と、を備え、
   被照射体内に仮想的に複数設定された被照射層ごとに、前記照射部が所定の照射順で複数の前記被照射層に前記荷電粒子線の照射を行う照射処理と、前記照射部が前記照射順と同じ照射順で再び複数の前記被照射層に前記荷電粒子線の照射を行う再照射処理と、を実行する、粒子線治療装置。
2. 前記照射処理では、前記荷電粒子線の照射方向に並ぶ複数の前記被照射層に対して並び順に前記照射が行なわれる、請求項１に記載の粒子線治療装置。
3. 前記被照射層は前記荷電粒子線の照射方向に積層されるように設定されており、前記照射処理では設定されたすべての前記被照射層に対して積層順に前記照射が行なわれる、請求項２に記載の粒子線治療装置。
4. 前記再照射処理は複数回繰返し実行される、請求項１～３の何れか１項に記載の粒子線治療装置。
5. 前記被照射体は患者の患部であり、
   前記照射処理及び前記再照射処理における前記荷電粒子線の照射のタイミングを前記患者の周期的な動きの位相に同期させる同期制御部を更に備える、請求項１～４の何れか１項に記載の粒子線治療装置。
   
   

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