JP6582128B2 - 粒子線治療システム - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線画像による画像誘導を用いた粒子線治療システムに関するものである。

放射線治療において、治療用の放射線を患部に精度良く照射するために、患部の位置をＸ線画像などの画像で確認しながら治療用の放射線を照射する、画像誘導放射線治療（ＩＧＲＴ：Image Guided Radiation Therapy）が提案されている（例えば特許文献１）。ＩＧＲＴにおいてＸ線画像を用いる場合、患者は治療用放射線以外に画像取得用のＸ線を被ばくすることになる。この被ばくはできるだけ少ないことが望ましい。

Ｘ線撮像装置を用いて臓器位置を確認しながら治療放射線の照射を行う画像誘導放射線治療において、特に肺や肝臓等、患者呼吸により動く範囲にある照射対象の場合、撮像Ｘ線による撮像の頻度が高いほどよりリアルタイムに臓器位置を把握することが可能であるが、被曝線量も増えるというトレードオフがある。

放射線治療の中で、炭素イオンあるいは陽子などのビーム、すなわち粒子線を患部の臓器に照射して治療する粒子線治療が最近注目されている。粒子線治療においては、高エネルギーの荷電粒子の束である粒子線を発生させるために粒子の加速器が用いられる。この加速器は、照射する粒子線を連続して発生できない形態のものも多い。

特開２０１３−２５２４２０号公報

上記のように、Ｘ線画像を用いたＩＧＲＴにおいて患者呼吸により動く部位を含む範囲を照射対象とする場合、なるべくＸ線被曝線量を少なくしながらリアルタイムに臓器位置を把握することが望まれている。

この発明は、粒子線治療システムにおいて、Ｘ線撮像による臓器位置把握の精度を損なわずに、かつＸ線撮像による被曝線量を減少させることを目的とする。

本発明の粒子線治療システムは、照射対象である患者の患部に照射する粒子線を発生する粒子線発生装置と、粒子線発生装置により発生された粒子線を照射対象に照射する照射ノズルと、粒子線発生装置および照射ノズルを制御する機器制御装置と、照射対象にＸ線を照射してＸ線画像を撮像するＸ線撮像装置と、Ｘ線撮像装置により撮像されたＸ線画像を解析して患者の患部を有する臓器の位置を推定するＸ線画像解析臓器位置推定装置とを備え、機器制御装置は、Ｘ線画像解析臓器位置推定装置により推定された臓器の位置が、予め設定された範囲の位置にあるときに、粒子線発生装置および照射ノズルを制御して粒子線を照射対象に照射する粒子線治療システムにおいて、この粒子線治療システムは、照射対象に対して粒子線を出射できる治療ビーム出射可期間と、照射対象に対して粒子線を出射できない治療ビーム出射不可期間とを有し、Ｘ線撮像装置は、治療ビーム出射可期間の少なくとも一部を含む期間であるＸ線撮像期間に照射対象のＸ線画像の撮像フレームレートを第一のフレームレートとし、Ｘ線撮像期間以外の期間には、撮像フレームレートを前記第一のフレームレートよりも低い０でないフレームレートとするものである。

この発明によれば、Ｘ線撮像による臓器位置把握の精度を損なわずに、かつＸ線撮像による被曝線量を減少させることのできる粒子線治療システムを提供できる。

本発明の実施の形態１による粒子線治療システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による粒子線治療システムの動作の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態１による粒子線治療システムの動作の他の例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態２による粒子線治療システムの動作の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態３による粒子線治療システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３による粒子線治療システムの動作の一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態３による粒子線治療システムの動作の他の例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態３による粒子線治療システムの動作のさらに他の例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態４による粒子線治療システムの動作の一例を示すタイムチャートである。 本発明の各実施の形態による粒子線治療システムの計算機構成の一例を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による粒子線治療システムの一例の構成を概念的に示すブロック図である。荷電粒子を加速する加速器１から高エネルギー荷電粒子ビームとして出射された粒子線２は、粒子線輸送路である真空ダクト３内を通って、真空ダクト３の下流に設けられた照射ノズル４に輸送される。ここで、真空ダクト３が曲がっている部分には、粒子線２の進行方向を変化させるための偏向電磁石が設けられるが、図１では省略して図示している。粒子線２は、照射ノズル４に備えられた走査電磁石によって、粒子線２の進行方向に垂直な２次元方向に走査される。走査された粒子線２ａは治療台に載せられた照射対象である患者６の患部６０に照射される。照射する際の、種々の照射パラメータは治療計画装置１０で設定され、その照射パラメータで照射するための加速器１および照射ノズル４の各機器のパラメータが、機器制御装置２１へ送信され、加速器１、照射ノズル４などの各機器に対して指令が出力される。

一方、Ｘ線画像を取得して照射対象である患者６の患部６０の動きなどを確認するために、Ｘ線管５１ａ、５１ｂ、フラットパネル検出器（ＦＰＤ）５２ａ、５２ｂによって構成されるＸ線撮像装置５０が設置されている。Ｘ線管５１ａから照射されたＸ線はＦＰＤ５２ａで検出され、Ｘ線管５１ｂから照射されたＸ線はＦＰＤ５２ｂで検出される。Ｘ線管５１ａ、５１ｂ、ＦＰＤ５２ａ、５２ｂはＸ線撮像制御・画像情報取得装置２２により制御され、Ｘ線画像情報を取得する。

以上の粒子線治療システムにより患者６の患部６０に治療用の放射線である粒子線を照射して腫瘍などの患部を治療する方法を簡単に説明する。まず、治療計画装置１０において、患部６０に照射する照射線量を決定する。照射線量は、患部６０の形状に合わせた３次元の分布、すなわち照射線量分布として決定される。照射線量分布が決定されると、治療計画装置１０において、患部６０に照射線量分布を与えるための加速器１や照射ノズル４の種々のパラメータのセットである照射パラメータを決定することができる。ただし、粒子線の強度やビームの径などによって照射パラメータのセットは一意には決定できない。このため、医師などのユーザーが適切と考える照射パラメータを決定する。

粒子線治療の場合、患部６０への粒子線の照射は１日１回、数十回に分けて行われる。照射当日は、例えば、Ｘ線撮像制御・画像情報取得装置２２により取得された患者６の患部６０の画像中の、予め設定された患者アイソセンタが、照射ノズル４により決定されている機器のアイソセンタに合うように、治療台の位置を制御して、治療台に載っている患者の位置が位置決めされる。位置決めが終わると、加速器１や照射ノズル４の予め決定されたパラメータにより、機器制御装置２１を介して各機器が制御され、患部６０に粒子線が照射される。このとき、画像解析・臓器位置推定装置２３がＸ線撮像制御・画像情報取得装置２２により取得されたＸ線画像をリアルタイムに解析して、患部６０の位置があらかじめ決定された特定の範囲内にあるときのみ粒子線を照射するように、機器制御装置２１に指令する。ここで、特定の範囲とは、一般的に治療計画立案時において例えば患部６０の動き速度が小さくなるような呼吸位相における患部６０を有する臓器の位置を施術者（医師または放射線技師または医学物理士）が指定するものとする。その日予定されている照射線量が患部６０に照射されるとその日の照射は終了する。

粒子線を照射する照射方法のうち、スキャニング照射法においては患者１回の照射のなかで粒子のエネルギーを複数回変更する必要がある。加速器１がシンクロトロンである場合は、シンクロトロンのリング中に蓄積された粒子線を減速して廃棄し、再度イオン源にて新しい粒子線を発生させ次のエネルギーまで加速する方法と、シンクロトロンのリング中に蓄積された粒子線をそのまま加減速して次のエネルギーに調整する方法があるが、前者の場合は減速を始めてから次の加速が完了するまで、後者では加減速をしてエネルギーの調整が終わるまでの間、照射対象である患者６の患部６０に対して粒子線を出射することができない。

加速器１がサイクロトロンである場合など、加速器１でエネルギー変更を行わず、デグレーダと呼ばれるエネルギー吸収体を粒子線輸送経路の途中、あるいは照射ノズルに挿入し、デグレーダの厚みを調整することでエネルギーの調整をする。この場合もデグレーダが動作している間は照射対象である患者６の患部６０に対して粒子線を出射することができない。このように、加速器および粒子線輸送路、照射ノズルを含めた粒子線治療システムには何らかの要因で照射対象である患者６の患部６０に対して粒子線を出射できる期間と、粒子線を出射できない期間とが存在することが多い。本文では便宜上、粒子線治療システムが照射対象に対して粒子線を出射できる期間にあるときのことを、治療ビーム出射可状態であると呼ぶことにする。また、照射対象に対して粒子線を出射できる期間を治療ビーム出射可期間、粒子線を出射できない期間を治療ビーム出射不可期間と称する。

図２に本発明の粒子線治療システムによるＩＧＲＴ照射における治療ビーム照射のタイムチャートの例を示す。前記のとおり、粒子線治療システムには粒子線が出射可の期間（治療ビーム出射可ｏｎ、治療ビーム出射可期間）と出射不可の期間（治療ビーム出射可ｏｆｆ、治療ビーム出射不可期間）とが存在する。このときＸ線撮像期間を治療ビーム出射可期間と同期させて、治療ビーム出射可期間のみＸ線撮像を実施するようにする。なお、厳密には１回のＸ線撮像は瞬間的であり、予め設定されたフレームレート（撮影頻度）、例えば７．５〜３０ｆｐｓ（frame per second）で撮像を繰り返すことになるのでタイムチャートはパルス的に書かれるべきであるが、図２では、予め設定されたフレームレートでＸ線撮像を実施する期間をＸ線撮像ｏｎの期間（Ｘ線撮像期間）として表現している。

Ｘ線撮像制御・画像情報取得装置２２は、Ｘ線撮像ｏｎの間、予め設定されたフレームレートでＸ線画像を取得し、取得した画像を画像解析・臓器位置推定装置２３により解析して、患部６０を有する臓器の現在位置を推定する。臓器の現在位置があらかじめ決定された照射範囲内にあるとき（臓器位置信号ｏｎ）、治療ビーム照射信号を機器制御装置２１に送る。機器制御装置２１は、照射信号を受け取ったときのみ粒子線を患部６０に対して照射するように、加速器１、照射ノズル４などの機器を制御する。

上記では、治療ビーム出射可がｏｎのときのみＸ線撮像を実施し、それ以外の期間ではＸ線撮像を実施しないように、すなわちフレームレートを０とした。しかし、一定期間Ｘ線撮像を行わない場合、臓器によっては、画像解析・臓器位置推定装置２３が臓器位置を見失ってしまう可能性がある。このような場合、図３に示すように、Ｘ線撮像ｏｆｆの期間に、Ｘ線撮像期間のフレームレート（第一のフレームレートとも称する）よりも、フレームレートを低下させ、撮像頻度を落としてＸ線撮像を実施するのが好ましい。

以上のように、治療ビーム出射不可期間には治療ビーム出射可期間よりもＸ線撮像の撮像フレームレートを低下させる（フレームレートが０、すなわち撮像しない場合も含む）ように構成したため、常時一定のフレームレートでＸ線撮像を行う場合に比較して、Ｘ線による患者の被曝線量を低減することができ、かつ、治療ビームが出射可である期間には常にＸ線撮像により臓器位置を確認するため高い位置精度で治療ビームの照射をすることが可能になる。

実施の形態２．
図４は実施の形態２による粒子線治療システムの治療ビーム照射のタイムチャートの一例である。現実には、Ｘ線画像解析・臓器位置推定装置２３が臓器位置を推定し、治療ビームの照射可否を判定してから実際に治療ビームの照射が開始あるいは停止されるまでの間には必ず時間遅れが存在する。本実施の形態２ではこの時間遅れを考慮して、Ｘ線撮像期間の開始時間、終了時間を治療ビーム出射可期間の開始時間、終了時間よりも早めにする。

Ｘ線撮像期間の開始時間を早めに設定することで、治療ビーム出射可期間開始時に既に臓器が照射範囲内にいるようなケースにおいて、治療ビーム出射可期間の最初から治療ビームを照射することが可能になる。また、Ｘ線撮像期間の終了時間を早めに設定することで、無駄なＸ線照射を低減することができる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３による粒子線治療システムの構成を示すブロック図である。本実施の形態３では実施の形態１における粒子線治療システムの構成に加え、Ｘ線を用いずに患者６の体表位置を検知する体表位置検知器５３を備えている。体表位置検知器５３は、例えば赤外線センサー等の手段により患者６の腹部の体表面の位置情報をリアルタイムに取得することが可能である。

図６に、実施の形態３における治療ビーム照射のタイムチャートを示す。本実施の形態３では、体表面の位置があらかじめ決定された特定の範囲内にあるときを体表位置ｏｎと表現し、この期間をＸ線撮像期間として、この期間においてのみＸ線撮像が実施される。あるいは、Ｘ線撮像期間に所定の第一のフレームレートでＸ線撮像を実施し、Ｘ線撮像期間以外の期間には第一のフレームレートよりも低いフレームレートでＸ線撮像するようにしてもよい。実施の形態１と同様に、画像解析・臓器位置推定装置２３は、撮像されたＸ線画像を解析し、患部６０を有する臓器の現在位置を推定する。臓器の現在位置があらかじめ決定された照射範囲内にあるとき、治療ビーム照射信号を機器制御装置２１に送る。ただし前述の通り粒子線発生装置３０は治療ビーム出射可がｏｎのときしか治療ビームを出射できないので、結果的にはＸ線撮像された臓器位置ｏｎと、治療ビーム出射可ｏｎの双方を同時に満たすときのみ治療ビームが照射されることになる。

前述の体表位置ｏｎの判断のための特定の範囲とは、Ｘ線画像の臓器位置により治療ビームの照射可否を判定するときの範囲と対応するものであり、施術者により決定される。施術者は患者診断時において、治療に使用するものと同等の体表位置検知器５３とＸ線撮像制御・画像情報取得装置２２、画像解析・臓器位置推定装置２３とを用いて、体表位置検知器５３により取得される体表位置と、Ｘ線撮像により推測される体内の患部６０を有する臓器位置との相関関係をあらかじめ知っておくことが望ましい。また、体表位置と臓器位置との相関関係が常に完全に再現するわけではないことを考慮し、体表位置ｏｎの判断のための範囲を決定する際には適切なマージンを設定し、Ｘ線画像の臓器位置により治療ビームの照射可否を判定するときの範囲よりも広い範囲で設定することが望ましい。

体表位置と体内の臓器位置の相関には完全な再現性は無いが、多くの場合ある程度の再現性があることが期待されるので、前記のような構成にすることにより、明らかに患部６０を有する臓器位置が特定の範囲内にない時にＸ線撮像を実施しないためＸ線による患者の被曝線量を低減することが期待できる。

また、図７に示すように、治療ビームが出射可で、かつ体表位置があらかじめ決定された特定の範囲内にあるときのみＸ線撮像を行うことで、図６に示した動作よりもさらにＸ線による患者の被曝線量を低減することが期待できる。ここで、実施の形態２で説明したように、治療ビーム出射可の開始時間、終了時間として設定する時間を、実際の治療ビーム出射可期間の開始時間、終了時間よりも早めに設定してもよい。

さらに、図３で説明したのと同様、図８に示すように、図７におけるＸ線撮像ｏｆｆの期間に、すなわちＸ線撮像期間以外の期間に、Ｘ線撮像期間よりもフレームレートを低下させてＸ線撮像を実施してもよい。あるいは、図６におけるＸ線撮像ｏｆｆの期間に、Ｘ線撮像期間よりも、フレームレートを低下させてＸ線撮像を実施してもよいのは言うまでもない。

なお、図２、図３、図４、図６、図７および図８に示す動作においては、粒子線治療システムが、患者の患部に対して粒子線を出射できる治療ビーム出射可期間と、患者の患部に対して粒子線を出射できない治療ビーム出射不可期間とを有しており、Ｘ線撮像期間は、治療ビーム出射可期間の少なくとも一部を含む期間となっている。

実施の形態４．
図９は実施の形態４による粒子線治療システムの治療ビーム照射のタイムチャートの一例である。本実施の形態４は、加速器１を含む粒子線発生装置３０が、患者に照射可能な粒子線を連続して発生できる粒子線治療システムの実施の形態である。粒子線治療システムの構成は、図５に示す構成と同様である。本実施の形態４による粒子線治療システムは、例えば、ボーラスを用いて、粒子線発生装置３０から発生される粒子線のエネルギーを変化させずに患者６の患部６０全体を照射する、いわゆるブロード照射法などに適用可能である。

体表面の位置があらかじめ決定された特定の範囲内にあるときを体表位置ｏｎと表現し、この期間において予め設定したフレームレート（第一のフレームレートとも称する）でＸ線撮像が実施される。体表位置ｏｎ以外の期間には、Ｘ線撮像の撮像フレームレートを第一のフレームレートよりも低下させる。この場合の撮像フレームレートは０、すなわちＸ線撮像を行わない場合も含む。画像解析・臓器位置推定装置２３は、撮像されたＸ線画像を解析し、患部６０を有する臓器の現在位置を推定する。臓器の現在位置があらかじめ決定された照射範囲内にあるとき、治療ビーム照射信号を機器制御装置２１に送る。

実施の形態３で説明したように、体表位置ｏｎの判断のための特定の範囲とは、Ｘ線画像の臓器位置により治療ビームの照射可否を判定するときの範囲と対応するものであり、施術者により決定される。施術者は患者診断時において、治療に使用するものと同等の体表位置検知器５３とＸ線撮像制御・画像情報取得装置２２、画像解析・臓器位置推定装置２３とを用いて、体表位置検知器５３により取得される患者６の体表位置と、患者６体内のＸ線撮像により推測される患部６０を有する臓器位置との相関関係をあらかじめ知っておくことが望ましい。また、体表位置と臓器位置との相関関係が常に完全に再現するわけではないことを考慮し、体表位置ｏｎの判断のための範囲を決定する際には適切なマージンを設定し、Ｘ線画像の臓器位置により治療ビームの照射可否を判定するときの範囲よりも広い範囲で設定することが望ましい。

体表位置と体内の臓器位置の相関には完全な再現性は無いが、多くの場合ある程度の再現性があることが期待される。このため、本実施の形態４では、明らかに患部６０を有する体内臓器位置が特定の範囲内にない時にＸ線撮像の頻度を低下、あるいはＸ線撮像を行わない構成とした。よって、患者に照射可能な粒子線を連続して発生できる粒子線治療システムにおいても、Ｘ線による患者の被曝線量を低減することが期待できる。

以上の各実施の形態における、治療計画装置１０、機器制御装置２１、Ｘ線撮像制御・画像情報取得装置２２、画像解析・臓器位置推定装置２３は、それぞれ、図１０に示すような、プロセッサー１１、メモリ１２、キーボードやタッチパネルなどの入力インターフェース１３、出力インターフェースとしてのディスプレイ１４などを備えた一般的な計算機により実現される。また、治療計画装置１０、機器制御装置２１、Ｘ線撮像制御・画像情報取得装置２２、画像解析・臓器位置推定装置２３は、全てが一台の計算機により構成されてもよい。あるいは、例えば、治療計画装置１０と機器制御装置２１とが一台の計算機により、Ｘ線撮像制御・画像情報取得装置２２と画像解析・臓器位置推定装置２３とが一台の計算機により構成されても良く、どのような計算機構成であっても構わない。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ 加速器、２ 粒子線、３ 真空ダクト、４ 照射ノズル、５ 照射対象、１０ 治療計画装置、２１ 機器制御装置、２１ Ｘ線撮像制御・画像情報取得装置、２２ 画像解析・臓器位置推定装置、３０ 粒子線発生装置、５０ Ｘ線撮像装置、５１ａ、５１ｂ Ｘ線管、５２ａ、５２ｂ ＦＰＤ、５３ 体表位置検知器

Claims (5)

1. 照射対象である患者の患部に照射する粒子線を発生する粒子線発生装置と、
   前記粒子線発生装置により発生された粒子線を前記照射対象に照射する照射ノズルと、
   前記粒子線発生装置および前記照射ノズルを制御する機器制御装置と、
   前記照射対象にＸ線を照射してＸ線画像を撮像するＸ線撮像装置と、
   前記Ｘ線撮像装置により撮像されたＸ線画像を解析して前記患者の患部を有する臓器の位置を推定するＸ線画像解析臓器位置推定装置とを備え、
   前記機器制御装置は、前記Ｘ線画像解析臓器位置推定装置により推定された前記臓器の位置が、予め設定された範囲の位置にあるときに、前記粒子線発生装置および前記照射ノズルを制御して前記粒子線を前記照射対象に照射する粒子線治療システムにおいて、
   当該粒子線治療システムは、前記照射対象に対して粒子線を出射できる治療ビーム出射可期間と、前記照射対象に対して粒子線を出射できない治療ビーム出射不可期間とを有し、
   前記Ｘ線撮像装置は、前記治療ビーム出射可期間の少なくとも一部を含む期間であるＸ線撮像期間に前記照射対象のＸ線画像の撮像フレームレートを第一のフレームレートとし、前記Ｘ線撮像期間以外の期間には、前記撮像フレームレートを前記第一のフレームレートよりも低い０でないフレームレートとすることを特徴とする粒子線治療システム。
2. 前記治療ビーム出射可期間の少なくとも一部を含む期間が、前記治療ビーム出射可期間であることを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療システム。
3. 前記治療ビーム出射可期間の少なくとも一部を含む期間の開始は、当該治療ビーム出射可期間の少なくとも一部を含む期間における前記治療ビーム出射可期間の開始前であり、当該治療ビーム出射可期間の少なくとも一部を含む期間の終了は、該治療ビーム出射可期間の少なくとも一部を含む期間における前記治療ビーム出射可期間の終了前である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システム。
4. 前記患者の体表位置を検知する体表位置検知器を備え、
   前記Ｘ線撮像期間は、前記治療ビーム出射可期間の少なくとも一部を含む期間であって、かつ前記体表位置検知器により検知された体表位置が予め設定された範囲の位置にある期間であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の粒子線治療システム。
5. 照射対象である患者の患部に照射する粒子線を発生する粒子線発生装置と、
   前記粒子線発生装置により発生された粒子線を前記照射対象に照射する照射ノズルと、
   前記粒子線発生装置および前記照射ノズルを制御する機器制御装置と、
   前記照射対象にＸ線を照射してＸ線画像を撮像するＸ線撮像装置と、
   前記Ｘ線撮像装置により撮像されたＸ線画像を解析して前記患者の患部を含む臓器の位置を推定するＸ線画像解析臓器位置推定装置とを備え、
   前記機器制御装置は、前記Ｘ線画像解析臓器位置推定装置により推定された前記臓器の位置が、予め設定された範囲の位置にあるときに、前記粒子線発生装置および前記照射ノズルを制御して前記粒子線を前記照射対象に照射して前記患者の患部を治療する粒子線治療システムにおいて、
   前記患者の体表位置を検知する体表位置検知器を備え、
   前記Ｘ線撮像装置は、前記体表位置検知器により検知された体表位置が予め設定された範囲の位置にあるときに、前記照射対象のＸ線画像の撮像フレームレートを第一のフレームレートとし、前記体表位置検知器により検知された体表位置が予め設定された範囲外の位置にあるときには、前記撮像フレームレートを前記第一のフレームレートよりも低い０でないフレームレートとすることを特徴とする粒子線治療システム。

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