JP7332503B2

JP7332503B2 - 粒子線ビーム品質評価装置及び粒子線ビーム品質評価方法

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Publication number: JP7332503B2
Application number: JP2020034847A
Authority: JP
Inventors: 知弥島田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2023-08-23
Anticipated expiration: 2040-03-02
Also published as: JP2021137106A

Description

本発明の実施形態は、粒子線ビームの品質評価技術に関する。

粒子線を用いた癌治療では、患者体内の癌患部に対し、粒子線ビームを的確に照射する必要がある。このため粒子線ビームは、ビームサイズ、ビームの広がり、照射位置精度、線量分布等といった品質を評価する必要がある。また回転ガントリ方式の粒子線治療装置では、粒子線ビームの品質評価を、照射ポートに暗箱のアタッチメントを取り付けて行っている。

特許第３２０３２１１号公報

粒子線ビームの品質評価において、評価品質の種類別に専用暗箱を使い分ける場合、照射ポートに装着させるアタッチメントがそれぞれ別個に必要になる。このため品質評価を実施する際は、アタッチメントの付け替えが複数回発生し、作業が非効率であった。さらに、アタッチメントの数が増えることにより、これらの保管スペースを広く確保する必要があった。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、作業の簡略化及び効率化、並びにアタッチメント保管場所の省スペース化を図ることができる粒子線ビームの品質評価技術を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る粒子線ビーム品質評価装置において、粒子線ビームの照射ポートの骨材の先端に形成された穴に貫入するピンにより装着されるアタッチメントと、前記粒子線ビームを入射させ第１品質を評価する第１評価部と、前記アタッチメントに接続され前記第１評価部を支持する第１フレームと、前記粒子線ビームを入射させ第２品質を評価する第２評価部と、前記第１フレームから交換して前記アタッチメントに接続され前記第２評価部を支持する第２フレームと、前記第１評価部と前記第１フレームとの位置関係を調節する第１調節部と、前記第２フレームに設けられ、前記第２評価部をビーム軸に沿って移動させる支持部材と、前記第２評価部と前記支持部材との位置関係を調節する第２調節部と、を備える。

本発明の実施形態により、作業の簡略化及び効率化、並びにアタッチメント保管場所の省スペース化を図ることができる粒子線ビームの品質評価技術が提供される。

本発明の実施形態において、第１評価部が実装された粒子線ビーム品質評価装置を装着した粒子線治療装置の断面図。第１評価部を実装した粒子線ビーム品質評価装置の、照射ポートへの装着方法を示す斜視図。第１評価部を実装した粒子線ビーム品質評価装置の正面図。第１評価部を支持する第１フレームの斜視図。本発明の実施形態において、第２評価部が実装された粒子線ビーム品質評価装置を装着した粒子線治療装置の断面図。第２評価部を支持する第２フレームの斜視図。第２評価部を実装した粒子線ビーム品質評価装置の正面図。第２評価部を第２フレームの支持部材に支持させた状態を示す斜視図。第２フレームにおいてラックアンドピニオン方式を採用した移動機構を示す図。本発明の実施形態に係る粒子線ビーム品質評価方法を説明する工程図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態において、第１評価部１１が実装された粒子線ビーム品質評価装置１０Ａ（１０）を装着した粒子線治療装置２０の断面図である。このように粒子線ビーム品質評価装置１０は、粒子線ビーム２６の照射ポート２５に装着されるアタッチメント１５と、この粒子線ビーム２６を入射させ第１品質を評価する第１評価部１１と、アタッチメント１５に接続され第１評価部１１を支持する第１フレーム２１と、を備えている。

図５は本発明の実施形態において、第２評価部１２が実装された粒子線ビーム品質評価装置を装着した粒子線治療装置１０Ｂ（１０）の断面図である。このように粒子線ビーム品質評価装置１０は、さらに、粒子線ビーム２６を入射させ第２品質を評価する第２評価部１２と、第１フレーム２１（図１）から交換してアタッチメント１５に接続され第２評価部１２を支持する第２フレーム２２と、を備えている。

図１に戻って説明を続ける。粒子線治療装置２０は、円筒形状を有する大型構造物であり回転軸（図面垂直方向の軸）周りに回転するガントリ２７と、このガントリ２７の回転位置とは無関係に床面が水平フラット状でその他の面がガントリの内周に沿うアーチ状をとるＤ文字断面の移動床２８と、を有している。

このガントリ２７には、粒子線ビーム２６の照射ポート２５の他に、図示略のビーム輸送系、ビームの偏向電磁石、その他の制御機器や構造物が、多数設けられている。粒子線ビーム２６は、図示略のイオン源で発生したイオン（重粒子あるいは陽子イオン）を加速器で加速し、設定エネルギーまで高めることにより生成される。

粒子線治療装置２０は、ガントリ２７の内部に患者を横臥させた移動式ベッド（図示略）を位置決めし、照射ポート２５を±１８０度回転変位させて、任意方向から粒子線ビーム２６を患者の患部に照射させる。

粒子線ビーム２６が患部に向かって照射されると、患者の体内を通過する際に運動エネルギーを失って速度を低下させるとともに、速度の二乗にほぼ反比例する抵抗を受けてある一定の速度まで低下すると急激に停止する。そして、粒子線ビーム２６の停止点近傍では、ブラッグピークと呼ばれる高エネルギーが放出される。このブラッグピークの放出位置は、患部に一致するようベッドが位置決めされているために、患部組織のみを死滅させ正常組織の障害が少ない治療が実行される。

図２は、第１評価部１１を実装した粒子線ビーム品質評価装置１０Ａの、照射ポート２５への装着方法を示す斜視図である。アタッチメント１５は、枠体とその内側を井桁状に組んだ骨材で形成される面状体１７と、この面状体１７の四隅からそれぞれ直交方向に立設する脚部１８とから構成されている。そして、この脚部１８の先端には、照射ポート２５の骨材の先端に形成された穴に貫入するピン１６が設けられている。このように照射ポート２５とアタッチメント１５は、互いにピン１６による取り合いで取付位置が設定される。

図３は第１評価部１１を実装した粒子線ビーム品質評価装置１０Ａの正面図である。第１評価部１１は、入射した粒子線ビーム２６のビーム走査応答、二次元照射野（ビームの均一性）を第１品質として測定する暗箱である。暗箱は、蛍光膜及びカメラを収納して構成され、粒子線ビームの品質をカメラ画像によって評価するものである。第１フレーム２１は、少なくとも各辺を骨材で形成した直方体であり、端面に支持された第１評価部１１の基準位置が、粒子線ビーム２６（図１）のアイソセンタの位置に対応するように、高さ設定されている。

第１フレーム２１は、第１評価部１１が支持される側とは反対側の端面において、アタッチメント１５の面状体１７に接続される。アタッチメント１５と第１フレーム２１は、互いにピン（図示略）による取り合いで取付位置が設定される。さらに第１フレーム２１に設けられた留め具３５によりアタッチメント１５とワンタッチ固定され脱落が防止される。なお照射ポート２５（図１）に装着されたアタッチメント１５に対する第１フレーム２１の取り付け取り外しは、後述するように第２フレーム２２を交換接続する際に行われる。

アタッチメント１５は、四本のうち少なくとも一対の対角位にある脚部１８の先端に備え付けているピン１６により照射ポート２５（図２）の骨材と取り合うことで取り付の再現性が確保される。さらにアタッチメント１５の脚部１８に設けられた留め具１９により照射ポート２５（図２）の骨材とワンタッチ固定され脱落が防止される。

図４は第１評価部１１を支持する第１フレーム２１の斜視図である。第１フレーム２１は、留め具３５に加え、固定ネジ３６によりアタッチメント１５の面状体１７に緊結し脱落が防止される。

さらに第１フレーム２１は、第１評価部１１と第１フレーム２１との位置関係を調節する第１調節部３１を有している。この第１調節部３１は、第１フレーム２１の本体部４０に片面が接する第１部材４１と、この第１部材４１に重ねて配置され第１評価部１１（図３）をピン４５で位置決めしてネジ固定する第２部材４２と、から構成されている。

第１部材４１は、第１フレーム２１の本体部４０に対し、Ｘ－Ｙ位置決めネジ３７により平面方向の位置調整がなされる。第２部材４２は、第１部材４１に対し、Ｚ位置決めネジ４６により平面垂直方向の位置及び傾斜が調整される。Ｘ－Ｙ位置決めネジ３７及びＺ位置決めネジ４６による調整が終了した後は、クランプレバー３８により、第１部材４１及び第２部材４２を第１フレーム２１の本体部４０に対し固定してズレを防止する。そして、第１フレーム２１の留め具３５と脱落防止用の固定ネジ３６を緩めることで、第１評価部１１を取り付けた状態で、第１フレーム２１をアタッチメント１５から取り外すことができる。

図５は本発明の実施形態において、第２評価部１２が実装された粒子線ビーム品質評価装置を装着した粒子線治療装置１０Ｂ（１０）の断面図である。このように粒子線治療装置１０は、アタッチメント１５を照射ポート２５に装着させたまま、第１評価部１１（図１）が支持された第１フレーム２１を取り外し、第２評価部１２が支持された第２フレーム２２に交換することができる。粒子線ビーム２６の広がりを示す第２品質は、ビーム軸に沿って第２評価部１２を移動させ位置を変えて評価される。

図６は第２評価部１２を支持する第２フレーム２２の斜視図である。図７は第２評価部１２を実装した粒子線ビーム品質評価装置１０Ｂの正面図である。第２評価部１２は、ビーム軸及びビームサイズを測定する暗箱である。第２フレーム２２は、少なくとも各辺を骨材で形成した直方体の本体部５０と、第２評価部１２を支持する支持部材５１と、第２フレーム２２の本体部５０に対して支持部材５１を移動させる移動機構５２と、を有している。これにより第２フレーム２２は、支持部材５１で支持される第２評価部１２を、ビーム軸に沿って移動させることができる。

移動機構５２は、第２フレーム２２の本体部５０に設けられたリニアレール５６と、支持部材５１の側面に設けられリニアレール５６に係合するガイド５７と、リニアレール５６の長手方向に沿ってガイド５７を案内し支持部材５１を移動させる駆動部５５と、を有している。なお駆動部５５は、台形ネジ５９を軸回転させるのに、ハンドルによる手動である場合や、モータによる電動である場合もある。

移動機構５２は、第２評価部１２の基準位置を、粒子線ビーム２６（図１）のビーム軸に沿って移動させ、予め定められた複数の位置に位置決めさせる。なお移動機構５２は、図示するようなリニアレール方式のものに限定されることはなく、例えば、図９に示すようにラックアンドピニオン方式を採用してもよい。ラックとピニオンを採用することで、自重によるズリ落ちの心配を解消することができる。

第２フレーム２２は、第２評価部１２が支持される側とは反対側の端面において、アタッチメント１５に接続される。アタッチメント１５と第２フレーム２２は、互いにピン（図示略）による取り合いで取付位置が設定される。さらに第２フレーム２２に設けられた留め具３５によりアタッチメント１５の面状体１７とワンタッチ固定され脱落が防止される。この手順は、上述した第１フレーム２１のアタッチメント１５に対する取り付け取り外しと同じである。

第２フレーム２２は、第２評価部１２を端部に移動させた場合、粒子線ビーム２６を評価するファントム（図示略）を挿入するスペース５８が形成される。このスペース５８は、ファントムを３６０°回転しても、第２フレーム２２の機構部品と干渉しない程度に十分な広さが確保されている。また移動機構５２やリニアレール５６も、ファントム挿入の妨げにならないように配置されている。

図８は第２評価部１２を第２フレーム２２の支持部材５１に支持させた状態を示す斜視図である。支持部材５１は、第２評価部１２と第２フレーム２２との位置関係を調節する第２調節部３２を有している。この第２調節部３２の構成及び機能は、図４を参照して上述した第１調節部３１の構成及び機能と同一である。よって、「第１フレーム２１」を「第２フレーム２２」に、「第１評価部１１」を「第２評価部１２」に読み替えることとして、重複説明を省略する。

図１０の工程図を参照して本発明の実施形態に係る粒子線ビーム品質評価方法を説明する（適宜図１、図５参照）。なお、第２評価部１２による第２品質を先に評価してから、第１評価部１１による第１品質を評価する順番で説明するが、この順番が逆である場合もある。

粒子線ビーム２６の照射ポート２５にアタッチメント１５を装着する（Ｓ１１）。次に、第２評価部１２が支持された第２フレーム２２をアタッチメント１５に接続する（Ｓ１２）。第２評価部１２に粒子線ビーム２６を入射させ第２品質を評価する（Ｓ１３）。

第２フレーム２２をアタッチメント１５から取り外す（Ｓ１４）。次に、第１評価部１１が支持された第１フレーム２１を、第２フレーム２２から交換して、アタッチメント１５に接続する（Ｓ１５）。第１評価部１１に粒子線ビーム２６を入射させ第１品質を評価する（Ｓ１６、ＥＮＤ）。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の粒子線ビーム品質評価装置１０によれば、少なくとも二種類の暗箱（第１評価部１１及び第２評価部１２）を交換して粒子線ビーム２６の品質を評価する場合、それぞれに共通するアタッチメント１５が用いられる。これにより、第１評価部１１及び第２評価部１２の交換作業を効率的に行え、備品の点数を減らして保管場所の省スペース化を図ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

実施形態において、回転ガントリ方式の粒子線治療装置２０に適用される場合を説明したが、本発明の適用はこれに限定されない。粒子線ビームの照射ポートが被照射体に対し固定されている粒子線治療装置にも適用できる。さらに、品質評価の対象とする粒子線ビームは、治療用に限定されるものではなく、その他の用途に使用されるものであってもよい。また粒子線ビームの評価項目は、説明において第１品質及び第２品質の二種類としたが三種類以上の場合もある。また、この場合に用いられる複数の評価部及びフレームの各々は、共通のアタッチメントを介して照射ポートに装着される。

１０（１０Ａ，１０Ｂ）…粒子線ビーム品質評価装置、１１…第１評価部、１２…第２評価部、１５…アタッチメント、１６…ピン、１７…面状体、１８…脚部、１９…留め具、２０…粒子線治療装置、２１…第１フレーム、２２…第２フレーム、２５…照射ポート、２６…粒子線ビーム、２７…ガントリ、２８…移動床、３１…第１調節部、３２…第２調節部、３５…留め具、３６…固定ネジ、３７…ネジ、３８…クランプレバー、４０…第１フレームの本体部、４１…第１部材、４２…第２部材、４５…ピン、４６…ネジ、５０…第２フレームの本体部、５１…支持部材、５２…移動機構、５５…駆動部、５６…リニアレール、５７…ガイド、５８…スペース、５９…台形ネジ。

Claims

粒子線ビームの照射ポートの骨材の先端に形成された穴に貫入するピンにより装着されるアタッチメントと、
前記粒子線ビームを入射させ第１品質を評価する第１評価部と、
前記アタッチメントに接続され前記第１評価部を支持する第１フレームと、
前記粒子線ビームを入射させ第２品質を評価する第２評価部と、
前記第１フレームから交換して前記アタッチメントに接続され前記第２評価部を支持する第２フレームと、
前記第１評価部と前記第１フレームとの位置関係を調節する第１調節部と、
前記第２フレームに設けられ、前記第２評価部をビーム軸に沿って移動させる支持部材と、
前記第２評価部と前記支持部材との位置関係を調節する第２調節部と、
を備える粒子線ビーム品質評価装置。
請求項１に記載の粒子線ビーム品質評価装置において、
前記第２フレームは、前記第２評価部を端部に移動させた場合、ファントムを挿入させるスペースが形成される粒子線ビーム品質評価装置。
請求項１又は請求項２に記載の粒子線ビーム品質評価装置において、
前記アタッチメントと前記第１フレーム、前記アタッチメントと前記第２フレーム、のうち少なくとも一つの組み合わせは、互いにピン取り合いで取付位置が設定される粒子線ビーム品質評価装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の粒子線ビーム品質評価装置において、
前記第２フレームにおける前記第２評価部の移動機構は、ラックアンドピニオンが採用される粒子線ビーム品質評価装置。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の粒子線ビーム品質評価装置において、
粒子線治療装置に適用される粒子線ビーム品質評価装置。
請求項１から請求項５のいずれか１項の粒子線ビーム品質評価装置に対し、
前記粒子線ビームの前記照射ポートに前記アタッチメントを装着するステップと、
前記第１評価部が支持された前記第１フレームを前記アタッチメントに接続するステップと、
前記第１評価部に前記粒子線ビームを入射させ第１品質を評価するステップと、
前記第１フレームを前記アタッチメントから取り外すステップと、
前記第２評価部が支持された前記第２フレームを、前記第１フレームから交換して、前記アタッチメントに接続するステップと、
前記第２評価部に前記粒子線ビームを入射させ第２品質を評価するステップと、を含む粒子線ビーム品質評価方法。