JP5245193B2 - 荷電粒子ビーム照射システム及び荷電粒子ビーム出射方法 - Google Patents
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Description
本発明の好適な一実施形態の荷電粒子ビーム照射システムである粒子線治療装置を図1、及び図2を用いて説明する。本実施形態の粒子線治療装置は、イオンビーム発生装置1,ビーム輸送系2、及び照射野形成装置(イオンビーム照射装置)16、及び制御システム71(図2)を備えている。ビーム輸送系2は、イオンビーム発生装置1と照射野形成装置16とを連絡する。制御システム71は、照射制御装置70を含んでおり、治療計画装置77は、記憶装置94に接続される。
26,線量モニタ(第1の線量検出手段)27,レンジモジュレーションホイール(以下、RMW)装置28,第2散乱体装置29,飛程調整装置(例えば、レンジシフタ)30,線量モニタ(第2の線量検出手段)31,平坦度モニタ32,ブロックコリメータ33,患者コリメータ34、及びボーラス35をビーム経路(ビーム軸)m上に配置している。
50、及びモータ42を有する。RMW40は、ケーシング25の内面に取り付けられた保持部材50によって保持されている。保持部材50は、ビーム軸mの方向に対向する保持部50A,50Bを有す。保持部50A,50Bには、それぞれ回転軸48,49が回転可能に支持されている。RMW40は、保持部50A,50Bの間に挿入され、RMW40の回転軸43が回転軸48,49に連結するように支持される。このような構成であるため、RMW40は、保持部50A,50B間で抜き差しされることによって交換可能となっている。交換作業は、オペレータが行ってよい。保持部50A,50Bは、ビーム経路mをさえぎらない位置に設置される。保持部材50Aの上部には、角度計51が設けられている。角度計51は、回転軸48(すなわちRMW40)の回転角度(回転位相)を検出する。保持部50Bは、回転軸49を有する。回転軸49は、保持部50Cに保持されるモータ42に連結される。モータ42は、RMW40を回転駆動させるためのモータである。
90,照射制御部73(第2の制御手段),機器駆動制御部74、及びメモリ75を有する。メモリ75は、RMW制御部72,ビーム出射量制御装置90,照射制御部73、及び機器駆動制御部74のそれぞれに接続される。RMW制御部72は、RMW角度検出制御装置63、及びモータ42に接続される。ビーム出射量制御装置90は、信号合成装置92(図1)、及び開閉スイッチ9(図1)に接続される。RMW角度検出制御装置63は、角度計51に接続される。照射制御部73は、モータ57,吸収体操作装置61、及びインターロック装置76(図1)に接続される。機器駆動制御部74は、駆動制御装置66、及び駆動制御装置67に接続される。駆動制御装置66は、モータ57に接続される。駆動制御装置67は、吸収体操作装置61に接続される。
70,RMW角度検出制御装置63及び駆動制御装置66,67の各機能を有するように構成してもよい。
(以下、SC1)幅,レンジシフタ厚,RMW種類,第2散乱体(以下、SSC)種類、及びビーム出射パターンの情報を記憶する。そのビームエネルギーは、シンクロトロン4による加速終了時におけるイオンビームのエネルギーであり、シンクロトロン4から出射されたイオンビームのエネルギーである。図7によれば、照射野径,ビームエネルギー、及び飛程が決まっていれば、図7に示す情報を用いて、それらに対応したSC1幅,RMW種類,SSC種類、及びビーム出射パターンを求めることができ、飛程に対応したレンジシフタ厚を求めることができる。具体的には、照射野径が20cm,ビームエネルギー100MeV、及び飛程が40mmの場合、レンジシフタ厚50mm,SSC種類1−1,RMW種類が1−AでSC厚2mmの第1散乱体を有するRMW、ビーム出射パターンが1−A−Iとなる。照射野径,ビームエネルギー、及び飛程に対応した、SC1幅,レンジシフタ厚,RMW種類,SSC種類、及びビーム出射パターンの情報は、予め計算及び実験等によって求められる。なお、照射野径,ビームエネルギー及び飛程は、患者に対する治療計画時に決定された治療計画情報である。
RMW40の種類に対応した、ビームを出射するRMW40の回転角度及びイオンビームを停止するRMW40の回転角度についても、予め計算及び実験等により求められる。
OFF設定値という。)を、出射パターン情報(例えば、1−A−I)に基づいてメモリ75に記載された図9の情報から回転角度に対応したビーム出射量設定値(例えば、100%,90%,80%,…)を選択して入力する。
(回転位相)を検出し、その回転角度検出信号(以下、回転角度測定値という。)をRMW角度検出制御装置63に出力する。RMW角度検出制御装置63は、入力された検出信号からRMW40の回転角度を求め、その回転角度情報をビーム出射量制御装置90に出力する。ビーム出射量制御装置90は、入力した回転角度計測値がON設定値になったとき、ビーム出射開始信号を出力して開閉スイッチ9を閉じる。開閉スイッチ10は、すでに閉じられており、開閉スイッチ9が閉じられることによって、高周波電源8が高周波印加電極7に電気的に接続される。つまり、高周波電源8からの高周波信号が、開閉スイッチ9,10を経て高周波印加電極7に印加される。これにより、シンクロトロン4において、安定限界内で周回しているイオンビームは、安定限界外に移行し、出射用デフレクタ
11を通ってシンクロトロン4から出射される。また、回転角度計測値がOFF設定値になったとき、ビーム出射量制御装置90は、ビーム出射停止信号を出力して、開閉スイッチ9を開く。これにより、高周波印加電極7への高周波信号の印加が停止され、シンクロトロン4からのイオンビームの出射が停止される。
RMW40の周方向全領域において常にイオンビームが照射される場合には、RMW40の回転により上記のようなブラッグピーク位置の変動が周期的に行われる結果、時間積分で見ると、図6に示す線量分布aのように体表面近くから体内深くまでに至る広いSOBP幅が得られる。
47(翼頂部45A付近)ではイオンビームの照射を停止し、その他の周方向領域にビームが照射される場合には、ビームエネルギーが大きく減衰され体表面近くの浅い部分にブラッグピークが形成されなくなるため、図6に示す線量分布bのように線量分布aよりも狭いSOBP幅が得られる。
(b)は、RMW40の開口46及び各翼45の厚みが比較的薄い平面領域47にてイオンビーム(エネルギーE2)の出射量を少なくし、その他の領域では100%のビーム出射量で照射することを示す。開口部46、及び翼45の厚みが比較的薄い平面領域47を通過するイオンビーム量が少なくなるため、体内深くにて生じるブラッグピークの線量が少なくなり、翼45の厚みが比較的厚い部分での平面領域47を通過するイオンビーム量は相対的に増加し、体表面近くの浅い部分で生じるブラッグピークの線量が相対的に大きくなる。この結果、dのように傾いた線量分布が、eのように体内の深い部分での線量が低下し、体表面近くの浅い部分での線量が相対的に増加することにより線量分布の一様度が改善される。
(1)本実施形態は、回転方向に沿って厚みが異なる構成を有するRMW40の回転角度に基づいて、シンクロトロン4から出射するイオンビームの出射量を制御するため、あるエネルギーを想定して形状を最適化されたRMW40に対して、異なるエネルギーを有するイオンビームを入射した場合であっても、該当するSOBP幅において一様な線量分布を得ることができる。このため、本実施形態の粒子線治療装置において準備すべきRMWの個数をさらに低減することができる。RMWの個数の低減は、RMWの交換頻度の低減につながり、更には一年あたりに治療できる患者数の増加をもたらす。また、RMWの個数が減ることによって、医療機関はRMWの保管スペースを低減することができる。
(2)本実施形態は、照射制御装置70のメモリ(記憶装置)75に記憶された情報に基づいて、加速装置から出射するイオンビームの出射量を制御しているため、制御が簡略化され、装置構成を簡素化することが可能となる。
(3)本実施形態では、イオンビームのエネルギーを調整する手段(ビームエネルギー調整手段)は、軸方向の厚みが回転方向において厚みが異なる構成を有するRMWを用いているため、段を通過するビーム量により線量一様度をコントロールすることができる。すなわち、段のある位置を通過するビーム量が変化しても、段全体を通過するビーム量が変化しなければ、線量一様度には影響を及ぼさない。
(4)本実施形態では、高周波印加装置に供給する高周波信号の振幅を変調することによってイオンビームの出射量を調整している。そのため、現在稼動しているイオンビーム発生装置に、振幅変調信号を出力するビーム出射量制御装置、及びビーム出射用高周波信号と振幅変調信号を合成し、振幅を変調した出射用高周波信号を高周波印加装置に出力する信号混合装置を設けることで、本発明の効果を達成できる荷電粒子ビーム照射システムを提供することができるため、複雑な装置構成を用いることなく、体内の深さ方向におけるSOBP幅内の線量分布をより一様にすることができる。
(以下、第1照射という。)、第1照射が終了した後、第1照射方向と異なる方向(以下、第2照射方向という。)から残り半分の線量を患部Kに照射(以下、第2照射という。)する照射方法(多門照射)を採用することがある。第1照射方向における患者22の患部Kの体表面からの深さ位置が、第2照射方向における体表面からの深さ位置と異なる場合、第1照射と第2照射とでビームエネルギーが異なる。例えば、第1照射でビームエネルギー250MeVの荷電粒子ビームを照射し、第2照射でビームエネルギー200MeVの荷電粒子ビームを照射する場合、従来は、エネルギー調整装置を交換して照射していた。エネルギー調整装置の交換作業は、患者を長時間ベッドに拘束する要因となり、患者にとって大きな負担である。本実施形態によれば、エネルギー調整装置を交換する必要がなくなるため、患者に与える苦痛を低減できる。
以下に、本発明の他の実施形態の荷電粒子ビーム照射システムである粒子線治療装置を、図16を用いて説明する。
70のビーム出射量制御装置90をビーム出射量制御装置90Aに替えた構成を有する。また、開閉スイッチ9を削除し、信号合成装置92を高周波印加電極7に直接接続している。本実施形態では、開閉スイッチ9を用いないでイオンビームの出射、及び停止を制御する。
以下に、本発明の他の実施形態の荷電粒子ビーム照射システムである粒子線治療装置を、図19を参照して説明する。本実施形態の粒子線治療装置は、実施形態1の粒子線治療装置において、信号合成装置92が開閉スイッチ91に置き換えられた構成を有する。また、本実施形態では、メモリ75Bは、図7,図8及び図20に示す情報を記憶する。
SOBP幅においてビームの進行方向の線量分布を均一化できる。本実施形態でのこの機能を含むビーム出射量制御装置90Bによる制御について、以下、詳細に説明する。
E1よりも低いエネルギーE2を有するイオンビームを出射した場合、RMW40の回転角度に対して開口46及び各翼45の厚みが比較的薄い部分での平面領域47にて細かいパルス状のイオンビームの出射停止期間を複数回設け、その他の周方向領域は100%のビーム出射量で照射する。これにより、SOBP幅に対して体内の深さ方向での線量分布が均一化される。また、あるエネルギーE1を想定して形状が最適化されたRMW40に対して、エネルギーE1よりも高いエネルギーE3を有するイオンビームを出射した場合、RMW40の回転角度に対して翼45の厚みが比較的厚い部分での平面領域47にてイオンビームの出射停止期間を複数回設け、その他の周方向では通常のビーム出射量で照射することにより、体内の深さ方向での線量分布が均一化される。
(5)本実施形態では、イオンビーム出射量を0%と100%で制御して、イオンビームをシンクロトロンから出射しているため、装置が簡略化される。
本発明の他の実施形態である荷電粒子ビーム照射システムの粒子線治療装置を、以下に説明する。本実施形態の粒子線治療装置は、図22に示すように、実施形態1のイオンビーム発生装置1を、イオンビーム発生装置1Aに置き替え、ビーム輸送系2にエネルギー変更装置82を付加した構成を有する。
80に供給するアーク電流値との関係は予め求められ、メモリ75に記憶されている。
16へのイオンビームの入射を制御してもよい。
90C…ビーム出射量制御装置、92…信号合成装置(信号合成回路)。
Claims (16)
- 荷電粒子ビームを加速するシンクロトロンと、
回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なっているビームエネルギー調整装置を有し、前記シンクロトロンから出射されて前記ビームエネルギー調整装置を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置と、
前記ビームエネルギー調整装置の回転中に、前記シンクロトロンからの荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御するとともに、前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記シンクロトロンから出射する前記荷電粒子ビームの出射量が変化するよう前記出射量を制御する制御装置とを備え、
前記ビームエネルギー調整装置は、前記軸方向の厚みが回転方向において異なっている翼を有し、
前記制御装置は、
あるエネルギーを想定して形状が最適化された前記ビームエネルギー調整装置に対して、前記エネルギーよりも低いエネルギーの荷電粒子ビームを通過させる際は、前記翼の厚みが薄い領域では前記シンクロトロンから出射するイオンビームの出射量を、その他の領域よりも少なく制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。 - 荷電粒子ビームを加速するシンクロトロンと、
回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なっているビームエネルギー調整装置を有し、前記シンクロトロンから出射されて前記ビームエネルギー調整装置を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置と、
前記ビームエネルギー調整装置の回転中に、前記シンクロトロンからの荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御するとともに、前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記シンクロトロンから出射する前記荷電粒子ビームの出射量が変化するよう前記出射量を制御する制御装置とを備え、
前記ビームエネルギー調整装置は、前記軸方向の厚みが回転方向において異なっている翼を有し、
前記制御装置は、
あるエネルギーを想定して形状が最適化された前記ビームエネルギー調整装置に対して、前記エネルギーよりも高いエネルギーの荷電粒子ビームを通過させる際は、前記ビームエネルギー調整装置の前記各翼の厚みが厚い領域では前記シンクロトロンから出射するイオンビームの出射量を、前記各翼の厚みが薄い領域よりも少なく制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。 - 前記ビームエネルギー調整装置の回転角度を検出する角度検出器を備え、
前記制御装置は、
前記角度検出器で検出された前記回転角度に基づいて、前記シンクロトロンから出射する前記荷電粒子ビームの出射量を制御することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の荷電粒子ビーム照射装置。 - 前記ビームエネルギー調整装置の複数の回転角度にそれぞれ対応した、前記シンクロトロンから出射する荷電粒子ビームの複数の出射量設定値を記憶する記憶装置を備え、
前記制御装置は、
前記回転角度を用いて前記記憶装置から選択された前記出射量設定値に基づいて、前記荷電粒子ビームの出射量を制御することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。 - 前記シンクロトロンは、出射用の高周波印加装置を有し、
前記制御装置は、
前記高周波印加装置に供給する高周波信号の振幅が変化するよう前記振幅を制御することによって、前記シンクロトロンから出射する前記荷電粒子ビームの出射量を制御することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の荷電粒子ビーム照射装置。 - 前記ビームエネルギー調整装置の回転角度を検出する角度検出器を備え、
前記制御装置は、
前記角度検出器で検出された前記回転角度に基づいて、前記高周波信号の振幅を制御することを特徴とする請求項5に記載の荷電粒子ビーム照射装置。 - 前記制御装置は、
前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームを出射及び停止させることで前記荷電粒子ビームを出射する期間を制御することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。 - 前記制御装置は、
前記シンクロトロンを周回する荷電粒子ビームの出射開始信号,出射停止信号、及び前記シンクロトロンから出射する前記荷電粒子ビームの出射量が変化するよう前記出射量を制御する制御信号を、前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて出力することを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。 - 荷電粒子ビームを加速するシンクロトロンと、
回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なっているビームエネルギー調整装置を有し、前記シンクロトロンから出射されて前記ビームエネルギー調整装置を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置と、
前記ビームエネルギー調整装置の回転中に、前記シンクロトロンからの荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御するとともに、前記軸方向の厚みに基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記シンクロトロンから出射する前記荷電粒子ビームの出射量が変化するよう前記出射量を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
あるエネルギーを想定して形状が最適化された前記ビームエネルギー調整装置に対して、前記エネルギーよりも低いエネルギーの荷電粒子ビームを通過させる際は、前記ビームエネルギー調整装置の厚みが薄い領域では前記シンクロトロンから出射するイオンビームの出射量を、その他の領域よりも少なく制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。 - 荷電粒子ビームを加速するシンクロトロンと、
回転され、軸方向の厚みが回転方向において異なっているビームエネルギー調整装置を有し、前記シンクロトロンから出射されて前記ビームエネルギー調整装置を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射するビーム照射装置と、
前記ビームエネルギー調整装置の回転中に、前記シンクロトロンからの荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御するとともに、前記軸方向の厚みに基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記シンクロトロンから出射する前記荷電粒子ビームの出射量が変化するよう前記出射量を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
あるエネルギーを想定して形状が最適化された前記ビームエネルギー調整装置に対して、前記エネルギーよりも高いエネルギーの荷電粒子ビームを通過させる際は、前記ビームエネルギー調整装置の厚みが厚い領域では前記シンクロトロンから出射するイオンビームの出射量を、前記ビームエネルギー調整装置の厚みが薄い領域よりも少なく制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。 - 前記シンクロトロンは、出射用の高周波印加装置を有し、
前記制御装置は、
前記高周波印加装置に供給する高周波信号の振幅が変化するよう前記振幅を制御することによって、前記シンクロトロンから出射する前記荷電粒子ビームの出射量を制御することを特徴とする請求項9または請求項10に記載の荷電粒子ビーム照射装置。 - 前記制御装置は、
前記ビームエネルギー調整装置の厚みを、前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて求めることを特徴とする請求項9ないし請求項11のいずれか1項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。 - 荷電粒子ビームをシンクロトロンで加速し、
軸方向の厚みが回転方向において異なっている、回転しているビームエネルギー調整装置に、前記シンクロトロンから出射した前記荷電粒子ビームを通過させる荷電粒子ビームの出射方法において、
制御装置は、
前記ビームエネルギー調整装置の回転中に、前記シンクロトロンからの荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御するとともに、前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記シンクロトロンから出射する前記荷電粒子ビームの出射量が変化するよう前記出射量を制御し、
あるエネルギーを想定して形状が最適化された前記ビームエネルギー調整装置に対して、前記エネルギーよりも低いエネルギーの荷電粒子ビームを通過させる際は、前記ビームエネルギー調整装置の厚みが薄い領域では前記シンクロトロンから出射するイオンビームの出射量を、その他の領域よりも少なく制御することを特徴とする荷電粒子ビームの出射方法。 - 荷電粒子ビームをシンクロトロンで加速し、
軸方向の厚みが回転方向において異なっている、回転しているビームエネルギー調整装置に、前記シンクロトロンから出射した前記荷電粒子ビームを通過させる荷電粒子ビームの出射方法において、
制御装置は、
前記ビームエネルギー調整装置の回転中に、前記シンクロトロンからの荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御するとともに、前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で前記シンクロトロンから出射する前記荷電粒子ビームの出射量が変化するよう前記出射量を制御し、
あるエネルギーを想定して形状が最適化された前記ビームエネルギー調整装置に対して、前記エネルギーよりも高いエネルギーの荷電粒子ビームを通過させる際は、前記ビームエネルギー調整装置の厚みが厚い領域では前記シンクロトロンから出射するイオンビームの出射量を、前記ビームエネルギー調整装置の厚みが薄い領域よりも少なく制御することを特徴とする荷電粒子ビームの出射方法。 - 前記制御装置は、前記ビームエネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記荷電粒子ビームを出射している間で荷電粒子ビームに印加する高周波信号の振幅が変化するよう前記振幅を調整し、
前記シンクロトロンから前記荷電粒子ビームを出射するために前記荷電粒子ビームに振幅が調整された前記高周波信号を印加して前記シンクロトロンから出射する前記荷電粒子ビームの出射量が変化するように前記出射量を制御することを特徴とする請求項13または請求項14に記載の荷電粒子ビームの出射方法。 - 前記ビームエネルギー調整装置の複数の回転角度にそれぞれ対応した荷電粒子ビームの出射量設定値に基づいて、前記シンクロトロンから前記荷電粒子ビームを出射することを特徴とする請求項15に記載の荷電粒子ビーム出射方法。
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