JP5911642B2 - 粒子線治療装置および線量校正係数の設定方法 - Google Patents
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Description
本発明は粒子線を照射して癌等を治療するための粒子線治療装置において、とくに、積層原体照射法やスキャニング照射法を採用する粒子線治療装置、および線量校正係数の設定方法に関する。
粒子線治療装置で採用する照射方法には、照射対象を体表面からの深さに応じて仮想的に複数の層に分割し、層ごとに照射を行う積層原体照射法やスキャニング照射法が知られている。いずれの照射法を採用する場合でも、治療計画装置によって計画された目標線量に沿った照射を行うためには、照射中に線量を正確に把握する必要があるが、照射対象である体内に線量計を配置(埋め込み)することは不可能である。そのため、通常は、粒子線の進行方向における体表面の上流側に配置された線量モニタの計測値に基づいて、照射対象での線量(実線量)を推定することになる。
しかし、粒子線は、平行ビームではなく、広がりをもったファンビーム若しくはコーンビームであるため、線量モニタでの計測値は、患部の体内での位置の違いによる線量の変化が反映されず、単純に実線量に換算することは困難である。
そこで、実線量と線量モニタでの計測値との関係への、気温、気圧のみならず機械的特性の影響も考慮して、治療照射条件毎に測定した線量校正係数を用いて校正を行う粒子線治療装置が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。さらには、積層原体照射法やスキャニング照射法において、層ごとに線量校正係数を求める粒子線治療装置も開示されている(例えば、特許文献2参照。)。
線量校正係数を求める場合、水ファントムを照射対象に見立て、照射するビームのエネルギーや、水ファントムの中に入れた線量計(基準線量計)の深さを変えたときの、基準線量計の測定値と線量モニタの計測値を用いることが一般的である。しかしながら、水ファントム自体に大きさの制限があるため、水ファントムを用いて各層に対応した線量校正係数を求めるにも限界がある。具体的には、水ファントムで測定可能な測定深さ(水等価深度)以下では、実測ができないという問題があった。
さらに、照射予定の照射対象に設定された各層が水ファントムで測定可能な水等価深度領域であったとしても、各層の水等価深度ピッチは1mm弱〜数mmのオーダと細かい。そのため、例えば照射対象の厚みが75mmであったと仮定すると約30〜100回もの実測が必要となり、手間や時間がかかるという問題もあった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、治療計画に沿った高精度な照射を実現する粒子線治療装置および照射線量の校正方法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、照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療装置であって、加速器から供給された粒子線を前記層ごとに成形して照射する照射装置と、前記照射装置に設置され、線量をリアルタイムで計測する線量モニタと、前記線量モニタが計測した計測値と前記層ごとに設定された線量校正係数を用いて算出した線量と治療計画で定められた線量とに基づいて、前記層ごとの照射線量を評価する線量評価部と、前記線量評価部の評価結果に基づき、前記層ごとの照射量を制御する照射制御装置と、校正線量計を設置した模擬ファントムに前記粒子線を照射することによって得られた実測線量校正係数を用いて、少なくとも前記実測線量校正係数が得られていない層に対する前記線量校正係数の補間値もしくは推定値を生成する補間値生成部と、を備え、前記補間値生成部は、前記補間値もしくは推定値の対象となる層ごとに、当該層の照射条件に基づいて、前記実測線量校正係数ごとの重みづけを行うことを特徴とする。
また、本発明の線量校正係数の設定方法は、照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療において、照射装置に設置された線量モニタの計測値を用いて、前記照射対象での線量を算出するための線量校正係数の設定方法であって、校正線量計を設置した模擬ファントムに粒子線を照射し、前記線量モニタの計測値と、前記校正線量計の測定値に基づいて、前記校正線量計の前記模擬ファントム内での深さをパラメータとする実測線量校正係数を得る工程と、前記実測線量校正係数に基づいて、前記深さを変数とする前記線量校正係数の関数を構築し、前記実測線量校正係数が得られていない層に対応する前記線量校正係数の補間値もしくは推定値を生成する補間値生成工程と、を含み、前記補間値生成工程では、前記補間値もしくは推定値の対象となる層に応じて、当該層に対応する照射条件に基づいて、前記実測線量校正係数ごとの重みづけを行うことを特徴とする。
本発明の粒子線治療装置あるいは線量校正係数の設定方法によれば、実線量を測定していない層であっても正確に線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1にかかる粒子線治療装置の構成について説明する。図1〜図5は、本発明の実施の形態1にかかる粒子線治療装置および線量校正係数の設定方法について説明するためのもので、図1は粒子線治療装置の構成および線量校正係数の設定方法を説明するための全体の機能ブロック図、図2は粒子線治療を行う際の機器構成を模式的に説明するための全体図、図3は粒子線治療装置の構成および線量校正係数の設定方法を説明するための線量評価部の機能ブロック図、図4はキャリブレーションステージにおいて線量校正を行う際の機器構成を説明するための図、図5は照射線量を構成するための線量校正係数を算出するための各層の水等価深度と実測した線量校正係数および補間した線量校正係数との関係を表したグラフである。
以下、本発明の実施の形態1にかかる粒子線治療装置の構成について説明する。図1〜図5は、本発明の実施の形態1にかかる粒子線治療装置および線量校正係数の設定方法について説明するためのもので、図1は粒子線治療装置の構成および線量校正係数の設定方法を説明するための全体の機能ブロック図、図2は粒子線治療を行う際の機器構成を模式的に説明するための全体図、図3は粒子線治療装置の構成および線量校正係数の設定方法を説明するための線量評価部の機能ブロック図、図4はキャリブレーションステージにおいて線量校正を行う際の機器構成を説明するための図、図5は照射線量を構成するための線量校正係数を算出するための各層の水等価深度と実測した線量校正係数および補間した線量校正係数との関係を表したグラフである。
本発明の実施の形態1にかかる粒子線治療装置および線量校正係数の設定方法の特徴は、実線量を測定していない層における照射線量を正確に評価するための補間値もしくは推定値を生成するための構成にある。しかし、その説明の前に、照射対象を体表面からの深さに応じて仮想的に複数の層に分割し、層ごとに照射を行うための粒子線治療装置の構成、および線量校正係数を得る際の装置構成について説明する。なお、以下説明を簡略にするため、補間値もしくは推定値をまとめて補間値と称することとする。
本発明の実施の形態1かかる粒子線治療装置1は、図2に示すように、粒子線の供給源(線源)として、シンクロトロンである加速器30と、加速器30から供給された粒子線を、患部(照射対象)に応じて成形して照射する照射装置10と、加速器30と(図示しない分も含めた)複数の照射装置10とを結び、加速器30から出射された粒子線を選択された照射装置10に輸送する粒子線輸送部20とを備えている。
加速器30は、荷電粒子を周回させるための軌道経路となる真空ダクト31、前段加速器38から供給された荷電粒子を真空ダクト31に入射するための入射装置32、荷電粒子が真空ダクト31内の周回軌道に沿って周回するよう、荷電粒子の軌道を偏向させるための偏向電磁石33、周回軌道上の荷電粒子を発散しないように収束させる収束用電磁石34、周回する荷電粒子に同期した高周波電圧を与えて加速する高周波加速空洞35、周回軌道内で加速させた荷電粒子を、所定エネルギーを有する粒子線として周回軌道外に取り出し、粒子線輸送部20に出射するための出射装置36、出射装置36から粒子線を出射させるために周回軌道内で共鳴を励起する六極電磁石37を備えている。そして、周回軌道内の荷電粒子は、高周波数の電界で加速され、磁石で曲げられながら、光速の約60〜80%まで加速され、粒子線輸送部20へ出射される。
粒子線輸送部20は、HEBT(高エネルギービーム輸送:High Energy Beam Transport)系と称され、粒子線の輸送経路となる真空ダクトと、粒子線の軌道を切り替える切替電磁石と、粒子線を所定角度に偏向する偏向電磁石とを備えている。なお、図では、粒子線輸送部20のうち、加速器30との接続部分および照射装置10とに接続される真空ダクト部分以外の部分については記載を省略している。
照射装置10は、患者Kに粒子線治療を行うための図示しない治療室ごとに設置され、粒子線輸送部20から供給された粒子線を照射対象の大きさや深さに応じた照射野に成形して患部へ照射するものである。しかし、照射装置10に供給される粒子線は、いわゆるペンシル状の細いビームである。そこで、照射装置10は、粒子線の照射野のうち、横方向(即ち、ビーム進行方向に垂直な面)の形状を制御するための横方向照射野形成部11と、深さ方向(即ち、ビーム進行方向)を制御する深さ方向照射野形成部13と、患部に照射された線量を評価するために、所定領域を通過する粒子線をリアルタイムでモニタ(カウント)して計測値Ciを出力する線量モニタ12と、を備えている。また、治療室には、アイソセンタICを基準として、照射中の患者Kを位置決め固定するための治療台41等が設けられている。
深さ方向照射野形成部13内には、例えば、ブラッグピークの幅を拡大させるためのリッジフィルタ(ridge filter)14や、粒子線のエネルギー(飛程)を変えるためのレンジシフタ15等と、を備えている。横方向照射野形成部11には、例えばビーム進行方向に垂直な方向に粒子線を偏向させる図示しない走査電磁石等が設けられている。照射野は走査電磁石で直接成形する場合や、走査電磁石で例えば一度円形に拡大して、マルチリーフコリメータなどの制限器を用いて成形する場合がある。
このような粒子線治療装置1を用いて、治療を行う際には、各部を連携して制御する必要がある。そのため、制御の観点から粒子線治療装置1を表現すると、図1のように、治療計画部50、照射制御部60、加速器30、粒子線輸送部20、照射装置10、位置制御部40などで構成されることになる。
照射装置10は、上述したように粒子線を患者に照射する際に適切な照射野を形成するための機能を有し、治療計画部50は所望する線量分布を照射するために照射装置10の各機器のパラメータを適切な値に決める機能を有する。位置制御部40は、治療台41等による患者の固定、標的(標的体積とも称す)の位置決めと確認などを実施する機能を有する。照射制御部60は、治療計画部50からの指示に基づいて、加速器30、粒子線輸送部20、照射装置10、位置制御部40の動作を制御する。なお、照射制御部60の詳細な構成(図3)の説明の前に、粒子線治療の流れについて説明する。
粒子線治療を、ここでは3つのステージに分けて説明する。3つのステージとは、(i)治療計画ステージ、(ii)キャリブレーションステージ、および(iii)照射治療ステージである。
(i)治療計画ステージでは、照射対象である患者の患部に対して、1:どの角度から、2:どのような照射野で、また3:どれくらいの線量を、照射するかが治療計画部50(あるいは外部の治療計画装置)によって計画される。
(ii)キャリブレーションステージでは、図3に示すように照射制御部60内に構築された線量評価部70によって、線量モニタ12で検出した計測値を照射対象に付与された線量に換算するための線量校正係数を算出する。具体的には、図4に示すように、治療時に治療台41が設置される位置に、人体を模擬する模擬ファントムとして、水ファントム81を含む校正装置80を設置する。高さ調整台84上に設置された水ファントム81の中には、線量計駆動装置83によって、照射対象の体表面からの深さに応じて設定された各層に応じた位置に位置決めされる校正線量計82が設置されている。そして、キャリブレーション(校正)用のビームを水ファントム81に照射する。そのとき、照射装置10内に常設された線量モニタ12から出力される計測値Ciと、校正線量計82から出力される物理線量Diとが、実測され、校正係数算出部77によって層(校正線量計82の水面からの深さ)ごとに式(1)で示す線量校正係数αiが算出される。
本実施の形態1にかかる粒子線治療装置あるいは線量校正係数の設定方法においては、水ファントム81で測定可能な測定深さ以下の領域に対応する層の線量校正係数の推定値である補間値βi[Gy/Count]を正確に求めるための構成に特徴がある。具体的には、実測したデータに基づく線量校正係数αiを用いて、ある水等価深度xiに対応する補間値βiへの写像(数学的モデル)を構築する際、水等価深度xiに応じて、線量校正係数αiごとの重みづけを変化させることである。
説明を簡略化するため、はじめに、重みづけとは関係なく、この写像(数学的モデル)を式(2)に示すような多項式で構築し、当該多項式の未知係数を最小二乗法によって求める場合についての例を示す。
βi=k0+k1xi+k2xi 2 ・・(2)
ただし、k0,k1,k2は未知係数であり、A、Bを以下の式(D1)のようにおいたとき、式(3)のように求める。
βi=k0+k1xi+k2xi 2 ・・(2)
ただし、k0,k1,k2は未知係数であり、A、Bを以下の式(D1)のようにおいたとき、式(3)のように求める。
この多項式の次数は、必要に応じて増やすことも減らすことも可能であるが、層の深さと照射線量との関係が連続的な場合は、経験的に次数が2の多項式であれば十分に精度よく線量校正係数を推定できることを発明者らは確認している。しかし、発明者らは、粒子線治療においては、層の深さと照射線量との間に非連続的な関係となる場合が多々あることに着目し、補間値βiの生成において、水等価深度xiに応じて、線量校正係数αiごとの重みづけを変化させるようにした。
そのため、線量データ処理部71には、図3に示すように、補間値生成部74に、補間値βiの水等価深度xiに基づいて、線量校正係数αiごとの重みづけを設定する重み設定部75を設けた。これにより、補間値算出部76は、重み設定部75が設定した重みづけを反映した写像により、線量校正係数αiを用いて補間値βiを算出する。より具体的には、主としてディスタル側の層に対応する領域が水ファントム81で測定可能な測定深より深くなり、実測が不可能なことが多いことを考慮し、ディスタル側のデータにウェートを置く重み付き最小二乗法によって写像の未知係数を求める。
つまり、上述した式(D1)と式(3)の組合せの代わりに、式(D2)と式(4)の組合せによって、未知係数k0,k1,k2を求める。
式(D2)のWは対角行列であり、左上から右下にかけて並ぶ数字が重みを表し、左上の浅い層(プロキシマル側)に設定する重み(=1)に対して、右下の深い層(ディスタル側)に設定する重み(=2,5,10)の方を大きくしていることがわかる。
このようなWの定義も含めた線量校正係数を推定する写像(数学的モデル)は、補間値βiを求める水等価深度xiに応じて生成され、補間値生成部74内に保存されている。そして、重み設定部75において、測定可能な領域よりも深い層の補間値βiを算出する際は、ディスタル側の重みが大きな写像を使用し、測定可能な領域の場合は例えば、重みづけを平坦にした写像や、その深さに近い層の重みを大きくした写像を使用する。つまり、重み設定部75は、βiを求める水等価深度xiに応じて、写像を適宜選択あるいは修正できるようになっている。
(iii)照射治療ステージでは、照射対象への照射中に、線量モニタ12によってリアルタイムで出力された計測値Ciが線量評価部70の線量算出部73に出力される。線量算出部73は、キャリブレーションステージで生成した、その層に対応する線量校正係数αiまたは補間値βiを用いて、計測値Ciから照射対象に付与された照射線量を算出(Ci×αi、あるいはCi×βi)し、評価部72に出力する。評価部72では、出力された線量が目標線量に達したか否かを判断し、評価結果を出力する。これにより、リアルタイムで線量評価を行うことができ、評価結果に基づく照射制御が行える。
照射制御部60は、目標線量どおりに照射を実現するため、その層における線量が目標線量に達する旨の評価結果を受けると、その層での照射を停止し、次の層へ移行するように、照射装置10の動作を制御する。
なお、上述した水等価深度xiに応じた補間値βiを算出することにより、実測値に基づく線量校正係数αiを得ることが困難な層の線量を正確に算出することができる。また、補間値βiは式(2)の多項式で表されるように深さ方向に対して連続的に変化する値であり、線量校正係数αiが存在する領域であっても、補間値βiのみを用いる方が、制御を行う上では都合がいい。しかし、実際の照射においては、図5に示すように、式(2)で表現する多項式からはずれた特性を示す場合がある。そこで、本実施の形態1にかかる粒子線治療装置あるいは照射線量の校正方法においては、線量校正係数αiが存在する領域において、線量校正係数αiあるいは補間値βiのいずれのデータを用いるべきかを選択できるように構成している。
その具体例について、図5を用いて説明する。図中、横軸は水等価深度xi[mm WEL](水ファントム81中の校正線量計82の水表面からの深さ)、縦軸は線量校正係数αiあるいは補間値βi[Gy/Count]を示している。なお、図中、αaは線量校正に採用する線量校正係数αiデータ、αrは線量校正に採用しない線量校正係数αiデータであり、破線は、線量校正係数αiに重みづけを行って算出した未知係数で求めた式(2)を示す曲線である。そして、βaは線量校正に採用する補間値βiデータ、βrは線量校正に採用しない補間値βiデータである。
図では、線量校正係数αiが存在する層については、補間値βiを採用せず、線量校正係数αiを採用する場合を示している。しかし、例えば、補間値βiの値が、線量校正係数αiのばらつきσの範囲内にあるデータ(図中CP)であれば、線量校正係数αiの代わりに補間値βiを採用するようにしてもよい。
あるいは、上記選択を、照射制御部60の入力画面からの信号に基づいて行うようにしてもよい。具体的には、粒子線治療装置1を操作する医者・技師又は医者等の指示に基づいて装置を操作するオペレータ等が、照射対象である患者の患部が、どの層(すなわち何番目の層)に対応しているかを確認する。例えば、対応する層としてインデックスi=10〜30が対応する場合、各々の層に対して、ルックアップテーブルに保存された線量校正係数αiを用いるか、写像に基づく補間値βiを用いるかの判断を照射制御部60の入力画面上で行えば、その結果が線量データ処理部71に出力される。
いずれの場合でも、ディスタル側のショットの患者校正深が水ファントムで測定可能な深度領域Rmより深く、実測が不可能な領域Roの場合、すなわちルックアップテーブルに該当する線量校正係数αiが存在しない場合は、自動的に補間値βiを用いることになる。
これにより、制御のスムーズさと、正確さを両立した線量評価を行うことが可能になる。なお、上記例では、線量評価部70を照射制御部60内に、線量評価部内70内に校正係数算出部77等を構築した例について説明したが、上記機能を発揮できるのであれば、適宜変形が可能であることは言うまでもない。
以上のように、本実施の形態1にかかる粒子線治療装置によれば、照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療装置1であって、加速器30から供給された粒子線を層ごとに成形して照射する照射装置10と、照射装置10に設置され、線量をリアルタイムで計測する線量モニタ12と、線量モニタ12が計測した計測値Ciと層ごとに設定された線量校正係数(αi、βi)を用いて算出した線量と治療計画で定められた線量とに基づいて、層ごとの照射線量を評価する線量評価部70と、線量評価部70の評価結果に基づき、層ごとの照射量を制御する照射制御装置(照射制御部60)と、校正線量計82を設置した模擬ファントム(水ファントム81)に粒子線を照射することによって得られた実測線量校正係数αiを用いて、少なくとも実測線量校正係数αiが得られていない層に対する線量校正係数の補間値βiを生成する補間値生成部74と、を備え、補間値生成部74は、深さxiが所定値(例えば、水ファントム81での測定限界)以上の層に対する補間値βiを生成する際、実測線量校正係数αiのうち、深い層の実測線量校正係数αiの重みが、浅い層の実測線量校正係数αiの重みよりも大きくなるように、重みづけを行うように構成したので、模擬ファントム(水ファントム81)で測定できない深さxiが所定以上の層に対しても正確な補間値βiを得ることができ、正確に線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。
また、本実施の形態1にかかる線量校正係数の設定方法によれば、照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療において、照射装置10に設置された線量モニタ12の計測値Ciを用いて、照射対象での線量を算出するための線量校正係数(αi、βi)の設定方法であって、校正線量計82を設置した模擬ファントム(水ファントム81)に粒子線を照射し、線量モニタ12の計測値Ciと、校正線量計82の測定値(物理線量Di)に基づいて、校正線量計82の模擬ファントム(水ファントム81)内での深さxiをパラメータとする実測線量校正係数αiを得る工程と、実測線量校正係数αiに基づいて、深さxiを変数とする線量校正係数αiの関数(式(2))を構築し、実測線量校正係数αiが得られていない層に対応する線量校正係数の補間値βiを生成する補間値生成工程と、を含み、補間値生成工程では、深さxiが所定値(例えば、水ファントム81での測定限界)以上の層に対する補間値βiを生成する際、実測線量校正係数αiのうち、深い層の実測線量校正係数αiの重みが、浅い層の実測線量校正係数αiの重みよりも大きくなるように、重みづけを行うように構成したので、実線量を測定していない層であっても正確な校正線量係数を用いて線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。
実施の形態2.
上記実施の形態1においては、補間値βiの算出において、水等価深度に注目して重みづけを行った例について記載したが、本実施の形態2では、水等価深度以外の照射条件も考慮に入れて重みづけを行うようにした。図6は本実施の形態2にかかる粒子線治療装置あるいは線量校正係数の設定方法を説明するためのもので、粒子線治療装置におけるそれぞれ照射条件が異なる層の水等価深度と実測した線量校正係数との関係を模式的に表したグラフである。なお、粒子線治療装置および制御に関する構成については、実施の形態1で用いた図を援用し、同様部分の説明は省略する。
上記実施の形態1においては、補間値βiの算出において、水等価深度に注目して重みづけを行った例について記載したが、本実施の形態2では、水等価深度以外の照射条件も考慮に入れて重みづけを行うようにした。図6は本実施の形態2にかかる粒子線治療装置あるいは線量校正係数の設定方法を説明するためのもので、粒子線治療装置におけるそれぞれ照射条件が異なる層の水等価深度と実測した線量校正係数との関係を模式的に表したグラフである。なお、粒子線治療装置および制御に関する構成については、実施の形態1で用いた図を援用し、同様部分の説明は省略する。
本実施の形態2においては、水等価深度が変化した場合に、その水等価深度での照射を実現するために、粒子線の飛程(ブラッグピークの位置)を調整したことにより、線量分布が変化することに着目したものである。線量分布が、照射された粒子線の飛程によって変化する要因としては、<1>ファンビーム効果若しくはコーンビーム効果、<2>使用するレンジシフタ15の種類(厚み)違い、<3>ワブラー半径の違い(積層原体照射等の場合)、が挙げられる。以下、それぞれについて説明する。
<1>ファンビーム効果若しくはコーンビーム効果
上述したように、照射装置10は、加速器30から供給されたペンシル状の細いビームを、患部形状に合わせて成形し、治療計画された線量分布を実現するためのものである。そのため、供給されたビームは、横方向照射野形成部11に設置された、散乱体若しくはワブラー電磁石でxy方向に拡大され(ブロードビーム方式(積層原体照射の場合を含む))、あるいはスキャニング電磁石によりxy方向に走査される(スキャニング方式)。
上述したように、照射装置10は、加速器30から供給されたペンシル状の細いビームを、患部形状に合わせて成形し、治療計画された線量分布を実現するためのものである。そのため、供給されたビームは、横方向照射野形成部11に設置された、散乱体若しくはワブラー電磁石でxy方向に拡大され(ブロードビーム方式(積層原体照射の場合を含む))、あるいはスキャニング電磁石によりxy方向に走査される(スキャニング方式)。
したがって、照射装置10から照射対象に至るビームは、平行ではなく、散乱体若しくはワブラー電磁石又はスキャニング電磁石によってファン状あるいはコーン状に広がる領域を通過するように照射される。したがって、もともとのペンシル状の細いビームが同じ強度(時間当たりの粒子数が同じ)であっても、飛程が異なることによって線量分布(単位面積当たりの粒子数と考えてもよい)も異なることになる。そのため、照射装置10内に設置された線量モニタ12によってカウントされる計測値Ci(粒子数に相当)が同じでも、飛程が異なると、患者へ付与される線量分布が異なってしまう。このことをファンビーム効果やコーンビーム効果という。
<2>使用するレンジシフタの種類(厚み)違いによる効果
粒子線の飛程を変える方法として主として2つの方法がある。第1は、加速器30側で加速する粒子の運動エネルギーを変える方法である。第2は、所定のエネルギーで供給された粒子線を厚みの異なるレンジシフタ15を通過させることによって粒子の持つ運動エネルギーの消失する量を調節する方法である。加速器30による方法は、おおまかなエネルギーレベルの調整、レンジシフタ15の種類を変える方法は細かなエネルギーの調整に向いており、実際の装置においては、2つの方法が併用されることが一般的である。
粒子線の飛程を変える方法として主として2つの方法がある。第1は、加速器30側で加速する粒子の運動エネルギーを変える方法である。第2は、所定のエネルギーで供給された粒子線を厚みの異なるレンジシフタ15を通過させることによって粒子の持つ運動エネルギーの消失する量を調節する方法である。加速器30による方法は、おおまかなエネルギーレベルの調整、レンジシフタ15の種類を変える方法は細かなエネルギーの調整に向いており、実際の装置においては、2つの方法が併用されることが一般的である。
レンジシフタ15は、深さ方向照射野形成部13として、照射装置10内に設置されており、粒子線がレンジシフタ15を通過する際に発散し始める。この発散の度合いはレンジシフタ15の厚みに大きく依存するため、レンジシフタ15の厚みの違いによって線量分布も異なってくる。特に発散の度合いが大きく変化するのは、レンジシフタ15をまったく用いない場合とレンジシフタ15を用いたときの差である。この影響を極力避けるため、レンジシフタ15を必要としない目標エネルギーの場合であっても、あえて薄いレンジシフタ15をダミー的に入れることも効果的である。
<3>ワブラー半径の違い(積層原体照射等のブロードビーム方式の場合)
前述のとおり、ブロードビーム方式の場合、患部形状に合わせて治療計画された線量分布を実現するため、照射装置10に供給されたペンシル状の細いビームは、ワブラー電磁石等を用いてxy方向に拡大される。より詳細には、ワブラー電磁石はペンシル状の細いビームを例えば円を描くように走査し、その後粒子線は散乱体を通過するように照射される。このことによって、拡大された照射野内で概ね均一な線量分布が実現される。このときに、ビームが描く円の半径のことを「ワブラー半径」とよぶ。
前述のとおり、ブロードビーム方式の場合、患部形状に合わせて治療計画された線量分布を実現するため、照射装置10に供給されたペンシル状の細いビームは、ワブラー電磁石等を用いてxy方向に拡大される。より詳細には、ワブラー電磁石はペンシル状の細いビームを例えば円を描くように走査し、その後粒子線は散乱体を通過するように照射される。このことによって、拡大された照射野内で概ね均一な線量分布が実現される。このときに、ビームが描く円の半径のことを「ワブラー半径」とよぶ。
この後、照射野を当該患者の患部の形状に合わせるよう、コリメータ等によって余分な部分がブロックされ成形される。このとき、当該均一な線量分布をもつ照射野の大きさは、患者の患部を完全に含むことができる程度に大きければ十分である。よって、ビームの利用効率を考えて、ワブラー半径は患者の患部(あるいは層ごと)の大きさによって意図的に変えることができる。このワブラー半径も線量分布が変化する要因である。
積層原体照射を例に、上記<1>〜<3>の要因がどのように影響するかについて述べる。照射対象である患者の患部は、ビーム軸方向(深さ方向、z方向)にいくつかの仮想的なスライス(層)に分けられる。簡単のため、スライスに番号(ディスタル側から1,2,・・・n)をつける。照射するスライスの順番が必ずこの順番(ディスタル側から)である必要はないが、ディスタル側から行う順番は医療現場でよく採用されている。各スライスへの照射を実現するため、照射ビームの飛程(ブラッグピークの位置)として粒子線のエネルギーが調整される。前述のとおり粒子線のエネルギーは加速器30とレンジシフタ15とを併用して調整するが、ここで、加速器30のパラメータと使用するレンジシフタ15が決定される。
上記仮想的なスライスに対して治療時にどのような線量校正係数を用いるかは、事前の水ファントム81を用いた測定(キャリブレーションステージ)によって決定される。ここで、当該線量校正係数は、実施の形態1で説明したように、水等価深度を引数とした多項式モデル(式(2))で補間値βiを計算することが考えられるが、前述のエネルギー調整方法等の照射方法に起因して、線量校正係数特性曲線の非連続性の問題が生じる。以下、図6を用いて説明する。
図6は、キャリブレーションステージにおいて、水ファントム81を用いて実測した結果をもとに算出した線量校正係数αiと水等価深度xiとの関係を模式的に表した図である。図中、横軸は水等価深度xi[mm WEL](水ファントム81中の校正線量計82の水表面からの深さ)、縦軸は校正線量計82で得た線量[Gy]を、照射装置10内に設置された線量モニタ12の計測値Ci[Count]で除した値を示している。
また、簡単のため、加速器30から出射された粒子線のエネルギーのパラメータ(加速器パラメータ)をA,B,Cの三種類、レンジシフタ15の厚みや材質の種類(レンジシフタパラメータ)をa,b,cの三種類としている。各プロットは、測定結果を示しており、左側(水等価深度が浅い)から右側(水等価深度が深い)に向かってAa,Ab,Ac,Ba,Bb,Bc,Ca,Cb,Ccの条件のデータに該当する。このように層によって条件が異なる場合に得られる線量校正係数の特性曲線は、全体を1つの多項式で近似しようとしたときに、特性に非連続性が生じているという問題点がある。
ここで、加速器パラメータのパラメータAに該当するデータ(Aa,Ab,Ac)のみに着目すれば、特性に非連続性は生じていないため、1つの多項式によって精度のよいモデル化が実現することが可能である。また、レンジシフタパラメータのパラメータaに該当するデータ(Aa,Ba,Ca)のみに着目しても、特性に非連続性は生じていないため、同様に1つの多項式によって精度のよいモデル化が実現することが可能である。すなわち、加速器パラメータ若しくはレンジシフタパラメータによってグループ分けをし、当該同一のグループのデータを用いて当該グループに対応する線量校正係数特性曲線の多項式の作成・保有することによって、前記非連続性の問題を解消し、精度の良い補間値βiを得ることができる。
図6に基づいて、加速器パラメータによるグループ化、レンジシフタパラメータによるグループ化について説明したが、ワブラー半径の違い(ワブラー半径パラメータ)によっても同様の非連続性の問題が生じるため、ワブラー半径パラメータによるグループ化も当然に有効である。
つまり、図3で説明した重み設定部75は、補間値βiを必要とする層の照射条件(パラメータ)に応じて、その照射条件と異なる条件の層の線量校正係数αiの重みを0にする。これにより、非連続性の問題を解消して、精度のよい補間値βiを得ることができ、治療計画に沿った高精度な照射を実現できる。
以上のように、本実施の形態2にかかる粒子線治療装置によれば、補間値生成部74は、補間値βiの対象となる層ごとに、当該層の照射条件として、上述した深さに加え、エネルギーを調整するための加速器パラメータ、レンジシフタパラメータ、および照射野の大きさを調整するためのワブラー半径パラメータのうちのいずれかあるいは組合せの共通性に基づいて、実測線量校正係数αiごとの重みづけを行うように構成したので、実線量を測定していない層であっても正確に線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。
また、本実施の形態2にかかる線量校正係数の設定方法によれば、補間値生成工程では、補間値βiの対象となる層ごとに、当該層の照射条件として、上述した深さに加え、エネルギーを調整するための加速器パラメータ、レンジシフタパラメータ、および照射野の大きさを調整するためのワブラー半径パラメータのうちのいずれかあるいは組合せの共通性に基づいて、実測線量校正係数αiごとの重みづけを行うように構成したので、実線量を測定していない層であっても正確な校正線量係数を用いて線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。
実施の形態3.
上記実施の形態2では、補間値を得たい層と同じ条件の層の線量校正係数のみを使用する例について説明した。しかし、実務的には、多項式モデルが必要な領域は、「水ファントムで測定可能な深さ以下」の一定の幅のある領域である。そのため、その領域においては、複数のパラメータの影響が存在する。つまり、その領域においては、「加速器パラメータ」「レンジシフタパラメータ」「ワブラー半径パラメータ」等の影響が重畳的に顕れる。そこで、本実施の形態3にかかる粒子線治療装置あるいは照射線量の校正方法では、補間値を得るためのデータとして線量校正係数を「使う/使わない」の白黒ではなく、複数の条件を勘案して重みづけするようにした。なお、本実施の形態3においても、粒子線治療装置および制御に関する構成については、実施の形態1で用いた図を援用し、同様部分の説明は省略する。
上記実施の形態2では、補間値を得たい層と同じ条件の層の線量校正係数のみを使用する例について説明した。しかし、実務的には、多項式モデルが必要な領域は、「水ファントムで測定可能な深さ以下」の一定の幅のある領域である。そのため、その領域においては、複数のパラメータの影響が存在する。つまり、その領域においては、「加速器パラメータ」「レンジシフタパラメータ」「ワブラー半径パラメータ」等の影響が重畳的に顕れる。そこで、本実施の形態3にかかる粒子線治療装置あるいは照射線量の校正方法では、補間値を得るためのデータとして線量校正係数を「使う/使わない」の白黒ではなく、複数の条件を勘案して重みづけするようにした。なお、本実施の形態3においても、粒子線治療装置および制御に関する構成については、実施の形態1で用いた図を援用し、同様部分の説明は省略する。
説明を簡略化するため、照射条件として加速器パラメータとワブラー半径パラメータの2種類に絞り込み、重みづけを行う例について説明する。
ここで、補間値βiを得たい層(スライス)は、水ファントム81により測定可能な水等価深度よりも深い層(ディスタル側)であるとする。加速器パラメータとしては、図6で説明したように、水等価深度の浅い方から深い方に向かってA,B,Cの3条件が存在する。そして、測定可能な水等価深度よりも深い層(ディスタル側)での加速器パラメータはCであるとする。そのため、重みづけを設定する際の単位係数として、条件が同じCの場合は1.0、条件の異なるB,Aについては、深度の近いBの場合は0.8、最も遠いAの場合は0.5を設定する。
そして、ワブラー半径パラメータとしては、半径の小さな方から大きな方に向かって、Xmm、X+20mm、X+40mmの3条件が存在する。そして、補間値βiを得たい層である、ディスタル側の層の照射を実現する際の半径はXmmであるとする。そのため、重みづけを設定する際の単位係数として、条件が同じXmmの場合は1.0、条件の異なる2つの条件のうち、Xに近いX+20mmの場合は0.4、最も異なるX+40mmの場合は0.2を設定する。
このように、パラメータの種類ごとに重みづけのための単位係数を設定し、実測線量校正係数αiごとに照射条件の組合せに応じてパラメータごとの単位係数を乗じることで、表1に示すような重みづけをすることが可能になる。
なお、上述した校正を行うため、例えば、各単位係数等を線量データ処理部71内に保存するとともに、校正係数算出部77は、線量校正係数αiを算出する際に、照射条件のデータを関連付けしておくようにする。これにより、重み設定部75において、ひも付けしたデータに基づいて、式(D2)のWの定義に反映させることにより、補間値βiを必要とする層の照射条件に応じて、線量校正係数αiの重みを調整することができる。これにより、非連続性の問題および複数の条件の影響を考慮した全体特性を考慮して、精度のよい補間値βiを得ることができ、治療計画に沿った高精度な照射を実現できる。
以上のように、本実施の形態3にかかる粒子線治療装置によれば、補間値生成部74は、照射条件として、深さ、エネルギーを調整するための加速器パラメータ、レンジシフタパラメータ、および照射野の大きさを調整するためのワブラー半径パラメータのそれぞれについて共通性に基づいて重みづけの単位係数を定めておき、補間値βiの対象となる層ごとに、各パラメータの組合せに応じて、各単位係数を乗じた値を用いて実測線量校正係数αiごとの重みづけを行うように構成したので、実線量を測定していない層であっても正確に線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。
また、本実施の形態3にかかる線量校正係数の設定方法によれば、補間値生成工程では、照射条件として、深さ、エネルギーを調整するための加速器パラメータ、レンジシフタパラメータ、および照射野の大きさを調整するためのワブラー半径パラメータのそれぞれについて共通性に基づいて重みづけの単位係数を定めておき、補間値βiの対象となる層ごとに、各パラメータの組合せに応じて、各単位係数を乗じた値を用いて実測線量校正係数αiごとの重みづけを行うように構成したので、実線量を測定していない層であっても正確な校正線量係数を用いて線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。
以上のように、上記各実施の形態1〜3にかかる本実施の形態3にかかる粒子線治療装置によれば、照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療装置1であって、加速器30から供給された粒子線を層ごとに成形して照射する照射装置10と、照射装置10に設置され、線量をリアルタイムで計測する線量モニタ12と、線量モニタ12が計測した計測値Ciと層ごとに設定された線量校正係数(αi、βi)を用いて算出した線量と治療計画で定められた線量とに基づいて、層ごとの照射線量を評価する線量評価部70と、線量評価部70の評価結果に基づき、層ごとの照射量を制御する照射制御装置(照射制御部60)と、校正線量計82を設置した模擬ファントム(水ファントム81)に粒子線を照射することによって得られた実測線量校正係数αiを用いて、少なくとも実測線量校正係数αiが得られていない層に対する線量校正係数の補間値βiを生成する補間値生成部74と、を備え、補間値生成部74は、補間値βiの対象となる層ごとに、当該層の照射条件に基づいて、実測線量校正係数αiごとの重みづけを行うように構成したので、実線量を測定していない層であっても正確に線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。
また、上記各実施の形態1〜3にかかる線量校正係数の設定方法によれば、照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療において、照射装置10に設置された線量モニタ12の計測値Ciを用いて、照射対象での線量を算出するための線量校正係数(αi、βi)の設定方法であって、校正線量計82を設置した模擬ファントム(水ファントム81)に粒子線を照射し、線量モニタ12の計測値Ciと、校正線量計82の測定値(物理線量Di)に基づいて、校正線量計82の模擬ファントム(水ファントム81)内での深さxiをパラメータとする実測線量校正係数αiを得る工程と、実測線量校正係数αiに基づいて、深さxiを変数とする線量校正係数αiの関数(式(2))を構築し、実測線量校正係数αiが得られていない層に対応する線量校正係数の補間値βiを生成する補間値生成工程と、を含み、補間値生成工程では、補間値βiの対象となる層に応じて、当該層に対応する照射条件に基づいて、実測線量校正係数αiごとの重みづけを行うように構成したので、実線量を測定していない層であっても正確な校正線量係数を用いて線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。
1:粒子線治療装置、10:照射装置、11:横方向照射野形成部、
12:線量モニタ、13:深さ方向照射野形成部、14:リッジフィルタ、
15:レンジシフタ、20:粒子線輸送部、30:加速器、
40:位置制御部、41:治療台、50:治療計画部、60:照射制御部、
70:線量評価部、71:線量データ処理部、72:評価部、
73:線量算出部、74:補間値生成部、75:重み設定部、
76:補間値算出部、77:校正係数算出部、80:校正装置、
81:水ファントム(模擬ファントム)、82:校正線量計、
Ci:計測値、Di:物理線量、IC:アイソセンタ、K:患者、
αi:実測線量校正係数(校正線量係数)、
βi:補間値(補間値もしくは推定値(校正線量係数))。
12:線量モニタ、13:深さ方向照射野形成部、14:リッジフィルタ、
15:レンジシフタ、20:粒子線輸送部、30:加速器、
40:位置制御部、41:治療台、50:治療計画部、60:照射制御部、
70:線量評価部、71:線量データ処理部、72:評価部、
73:線量算出部、74:補間値生成部、75:重み設定部、
76:補間値算出部、77:校正係数算出部、80:校正装置、
81:水ファントム(模擬ファントム)、82:校正線量計、
Ci:計測値、Di:物理線量、IC:アイソセンタ、K:患者、
αi:実測線量校正係数(校正線量係数)、
βi:補間値(補間値もしくは推定値(校正線量係数))。
Claims (9)
- 照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療装置であって、
加速器から供給された粒子線を前記層ごとに成形して照射する照射装置と、
前記照射装置に設置され、線量をリアルタイムで計測する線量モニタと、
前記線量モニタが計測した計測値と前記層ごとに設定された線量校正係数を用いて算出した線量と治療計画で定められた線量とに基づいて、前記層ごとの照射線量を評価する線量評価部と、
前記線量評価部の評価結果に基づき、前記層ごとの照射量を制御する照射制御装置と、
校正線量計を設置した模擬ファントムに前記粒子線を照射することによって得られた実測線量校正係数を用いて、少なくとも前記実測線量校正係数が得られていない層に対する前記線量校正係数の補間値もしくは推定値を生成する補間値生成部と、を備え、
前記補間値生成部は、前記補間値もしくは推定値の対象となる層ごとに、当該層の照射条件に基づいて、前記実測線量校正係数ごとの重みづけを行うことを特徴とする粒子線治療装置。 - 前記補間値生成部は、前記深さが所定値以上の層に対する補間値もしくは推定値を生成する際、前記実測線量校正係数のうち、深い層の実測線量校正係数の重みが、浅い層の実測線量校正係数の重みよりも大きくなるように、前記重みづけを行うことを特徴とする請求項1に記載の粒子線治療装置。
- 前記照射装置には、前記粒子線のエネルギーを調整するレンジシフタが設けられ、
前記補間値生成部は、前記加速器から出射された粒子線のエネルギー、前記レンジシフタの厚みと材質のうち、少なくともいずれかの条件に基づいて、前記重みづけを行うことを特徴とする請求項1または2に記載の粒子線治療装置。 - 前記照射装置には、前記粒子線の照射野の径を拡大するワブラー電磁石が設けられ、
前記補間値生成部は、前記拡大された径に基づいて、前記重みづけを行うことを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の粒子線治療装置。 - 照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療において、照射装置に設置された線量モニタの計測値を用いて、前記照射対象での線量を算出するための線量校正係数の設定方法であって、
校正線量計を設置した模擬ファントムに粒子線を照射し、前記線量モニタの計測値と、前記校正線量計の測定値に基づいて、前記校正線量計の前記模擬ファントム内での深さをパラメータとする実測線量校正係数を得る工程と、
前記実測線量校正係数に基づいて、前記深さを変数とする前記線量校正係数の関数を構築し、前記実測線量校正係数が得られていない層に対応する前記線量校正係数の補間値もしくは推定値を生成する補間値生成工程と、を含み、
前記補間値生成工程では、前記補間値もしくは推定値の対象となる層に応じて、当該層に対応する照射条件に基づいて、前記実測線量校正係数ごとの重みづけを行うことを特徴とする線量校正係数の設定方法。 - 前記補間値生成工程では、深さが所定値以上の層に対する補間値もしくは推定値を生成する際、前記実測線量校正係数のうち、前記校正線量計の深さが深い実測線量校正係数の重みが、浅い実測線量校正係数の重みよりも大きくなるように、前記重みづけを行うことを特徴とする請求項5に記載の線量校正係数の設定方法。
- 前記粒子線治療では、前記粒子線のエネルギーがレンジシフタを用いて調整され、
前記補間値生成工程では、加速器から出射された粒子線のエネルギー、前記レンジシフタの厚みと材質のうち、少なくともいずれかの条件に基づいて、前記重みづけを行うことを特徴とする請求項5または6に記載の線量校正係数の設定方法。 - 前記粒子線治療では、ワブラー電磁石によって、前記粒子線の照射野の径が拡大され、
前記補間値生成工程では、前記拡大された径に基づいて、前記重みづけを行うことを特徴とする請求項5から7までのいずれか1項に記載の線量校正係数の設定方法。 - 前記補間値生成工程では、当該層に対応する照射条件に基づいて、前記照射条件を構成する複数の条件ごとに定めた単位係数を乗じた値を用いて前記重みづけを行うことを特徴とする請求項5から8までのいずれか1項に記載の線量校正係数の設定方法。
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