JPWO2012032632A1

JPWO2012032632A1 - 粒子線治療装置

Info

Publication number: JPWO2012032632A1
Application number: JP2012532783A
Authority: JP
Inventors: 高明岩田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2030-09-09
Also published as: TWI395575B; JP5347070B2; US20130253253A1; US20120061582A1; US8481979B2; CN102985136B; US8664626B2; WO2012032632A1; TW201332517A; EP2614859B1; TWI510220B; EP2614859A1; EP2952226A1; EP2952226B1; TW201210573A; EP2614859A4; CN102985136A

Abstract

複数の治療室で同時に粒子線照射をすることにより、多くの患者さんが治療を受けることができる粒子線治療装置を得ることを目的としている。目標呼吸波形(WIb)に基づいて呼吸を誘導する呼吸誘導装置(22)と、粒子ビームの軌道を切り替える切替装置(32)と、目標呼吸波形(WIb)に同期して照射を制御する照射装置(21)と、を備え、複数の治療室(6)の呼吸誘導装置(22)と切替装置(32)とを同期して制御する制御器(4)は、各治療室(6)における目標呼吸波形(WIb)に同期した照射時間(TI)が重ならないように、各治療室(6)の呼吸誘導装置に対して、目標呼吸波形(WIb)の周期と位相を調整するとともに、各治療室(6)のそれぞれの照射時間(TI)に対応して粒子ビームの軌道を切替えるように切替装置(32)を制御する。

Description

本発明は、陽子線や炭素線等の重粒子線を含む荷電粒子ビームを、癌等の患部に照射し治療を行う医療装置である粒子線治療装置に関する。

粒子線治療は、治療対象となる患部に荷電粒子ビーム（以下、粒子ビームという）を照射して、患部組織にダメージを与えて治療を行うものであり、照射対象である患部組織に十分な線量を与えるとともに、周辺組織への線量を抑制する必要がある。そのため、照射対象の形状に応じて照射線量や照射範囲（以降、照射野と称する）を制御している。そして、呼吸に伴って位置や形態が変化する照射対象については、呼吸位相を計測し、位置や形態が安定する呼吸位相において粒子ビームを照射するようにしている（例えば、特許文献１および２参照。）。

一方、粒子線治療のビーム供給源である加速器の設備は巨大であり、複数の治療室を備えた施設であっても、一般的には、１台の加速器から出力された粒子ビームのコースを切替えることで各治療室に粒子ビームを供給するようにしている。そのため、多くの患者さんに治療を受けてもらえるようにするために、コース切替電磁石の制御を工夫してコース切替に要する時間を短縮する粒子線治療装置（例えば特許文献３参照。）や、加速器等の運転周期に応じた呼吸となるよう、呼吸を誘導することにより治療時間を短縮する粒子線治療装置（例えば、特許文献４参照。）が提案されている。

特開２００６−２８８８７５号公報（段落００３７〜００４０、図７〜図９）国際公開番号ＷＯ２００６／０８２６５１Ａ１（段落００９２〜００９６、図１６）特開２０１０−６３７２５号公報（段落００６９、図３）国際公開番号ＷＯ２００９／１５０７０８Ａ１（段落００２１〜００２６、図１、図６）

しかしながら、いずれの粒子線治療装置でも、ひとつの時間帯内に治療できる治療室は複数の治療室のうち、コースが設定された１室のみであり、他の治療室では、治療の準備や片付け等の待機業務等を行うにとどまっていた。そのため、個々の工程を短縮しても、治療できる患者数を増やすには限界があった。

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、同じ時間帯に複数の治療室で粒子線照射をすることにより、多くの患者さんが治療を受けることができる粒子線治療装置を得ることを目的としている。

本発明の粒子線治療装置は、複数の治療室と、加速器と前記複数の治療室のそれぞれとを結ぶ粒子ビームの輸送経路と、前記輸送経路中に設置され、前記加速器から出射された粒子ビームが前記複数の治療室のいずれかひとつの治療室に供給されるように前記粒子ビームの軌道を切り替える切替装置と、前記複数の治療室のそれぞれに設けられ、目標呼吸波形に基づいて患者の呼吸を誘導する呼吸誘導装置と、前記複数の治療室のそれぞれに設けられ、供給された粒子ビームを照射対象に応じた照射野に成形するとともに、少なくとも前記目標呼吸波形に同期して前記照射対象への照射を制御する照射装置と、少なくとも前記複数の治療室のうちの２以上の所定数の治療室の呼吸誘導装置と前記切替装置とを同期して制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記所定数の治療室における前記目標呼吸波形に同期した照射時間が重ならないように、前記目標呼吸波形の周期と位相を調整するとともに、前記所定数の治療室のそれぞれの前記照射時間に対応して前記粒子ビームの軌道を切替えるように前記切替装置のビーム軌道の切替時点を制御する、ことを特徴とする。

本発明の粒子線治療装置によれば、加速器から供給された粒子ビームを呼吸周期内で複数の治療室がタイムシェアリングして照射することにより、複数の治療室で同時に粒子線照射をすることができる。そのため、多くの患者さんが治療を受けることができる粒子線治療装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る粒子線治療装置の全体構成を説明するための図である。本発明の実施の形態１に係る粒子線治療装置の制御系の構成を説明するための機能ブロック図である。本発明の実施の形態１に係る粒子線治療装置における、複数の治療室と輸送系の連携制御を説明するためのタイミング図である。本発明の実施の形態１に係る粒子線治療装置の動作を説明するためのフローチャートである。本発明の実施の形態２に係る粒子線治療装置の動作を説明するためのフローチャートである。

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４は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ためのもので、図１は粒子線治療装置の構成を示す図、図２は粒子線治療装置の制御に関する構成を説明するための機能ブロック図、図３は粒子線治療装置における、各治療室における呼吸ナビゲーションおよび輸送系における制御タイミングを示す図である。また、図４は粒子線治療装置の動作を説明するためのフローチャートである。

はじめに、粒子線治療装置の大まかな構成について図１を用いて説明する。図において、粒子線治療装置は、荷電粒子ビームの供給源として、シンクロトロンである円形加速器１（以降、単に加速器と称する）と、治療室毎に設けられた照射装置を備える照射系２と、加速器１と各治療室とをつなぎ、加速器から荷電粒子ビームを各治療室の照射装置に輸送する輸送系３と、これら各系統（後述するサブシステム）を連携して制御する制御系４とを備えている。そして、本発明の実施の形態にかかる粒子線治療装置に特徴的な構成は、各治療室の照射装置における呼吸誘導の位相制御を他の治療室の照射装置および輸送系のコース切替と同期させていることである。同期による連携動作については後に詳しく説明することとして、はじめに各構成の説明を行う。

＜加速器＞
加速器１は、荷電粒子ビームが周回する軌道経路となる真空ダクト１１、前段加速器５から供給された荷電粒子を真空ダクト１１に入射するための入射装置１２、荷電粒子が真空ダクト１１内の周回軌道に沿って周回する荷電粒子ビームを形成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１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ（まとめて１３と称する）、周回軌道上に形成された荷電粒子ビームが発散しないように収束させる収束用電磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ（まとめて１４と称する）、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洞１５、加速器１内で加速させた荷電粒子ビームを加速器１外に取りだし、輸送系３に出射するための出射装置１６、出射装置１６から荷電粒子ビームを出射させるために荷電粒子ビームの周回軌道に共鳴を励起する六極電磁石１７を備えている。

なお、偏向電磁石１３には、偏向電磁石１３の励磁電流を制御する偏向電磁石制御装置や、高周波加速空洞１５には、高周波加速空洞１５に高周波電圧を供給するための高周波源、高周波源を制御するための高周波制御装置というように、各部を制御するための図示しない装置が備えられており、偏向電磁石制御装置、高周波制御装置や収束用電磁石１４などその他のコンポーネントを制御して加速器１全体を制御する加速器制御装置４１を制御部４内に備えている。ただし、本発明の技術思想においては、加速器１自体の制御を限定するものではないので、上記構成に限ることなく、安定して荷電粒子ビームを輸送系３に出射できるものであれば、種々の変形が許されることはいうまでもない。

また、前段加速器５は、図では簡略化のためにひとつの機器のように記載しているが、実際には、陽子、炭素（重粒子）等の荷電粒子（イオン）を発生させるイオン源（イオンビーム発生装置）と、発生された荷電粒子を初期加速する線形加速器系とを備えている。そして、前段加速器５から加速器１に入射した荷電粒子は、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７０〜８０％まで加速される。

＜輸送系＞
加速器１により加速された荷電粒子ビームは、ＨＥＢＴ（高エネルギービーム輸送：High Energy Beam Transport）系と称される輸送系３へと出射される。輸送系３は、荷電粒子ビームの輸送経路となる真空ダクト（主ダクト３１ｍ、治療室Ａ用ダクト３１Ａ、治療室Ｂ用ダクト３１Ｂ、まとめて真空ダクト３１）と、荷電粒子ビームのビーム軌道を切替える切替装置である切替電磁石３２と、ビームを所定角度に偏向する偏向電磁石３３とを備えている。そして加速器１により十分にエネルギーが与えられ、真空ダクト３１により作られた輸送経路内を進む荷電粒子ビームを、切替電磁石３２で必要に応じて軌道（３１Ａ方向、３１Ｂ方向）を変え、指定された治療室に設けられた照射装置へと導く。

＜照射系＞
照射系２は、輸送系３から供給された荷電粒子ビームを照射対象である患者の患部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照射装置２１、および照射の際の呼吸誘導といった呼吸ナビゲーション機能を有するナビゲーション機能部２２とを備えたものである。そして、照射対象である患部への照射のＯＮ／ＯＦＦを少なくとも呼吸ナビゲーションに連動して、呼吸ナビゲーションで用いる目標呼吸波形の周期中の位相に応じて制御する。なお、輸送系の説明において、「指定された治療室に設けられた照射装置」と記載したように、粒子線治療装置は治療効率の観点から、一般的に複数の治療室（図では６Ａ、６Ｂ。まとめて治療室６と称する）を備える。すなわち、ここで示す照射系２は、照射装置２１とナビゲーション機能部２２とが治療室６毎に設けられたものであり、例えば、治療室６Ａ用の照射系２Ａは、照射装置２１Ａとナビゲーション機能部２２Ａとを備える。

呼吸ナビゲーション機能を実現するため、ナビゲーション機能部２２は、患者の呼吸状態を測定するための患者呼吸測定装置２２ａと、患者呼吸測定装置２２ａの測定情報に基づき患者への粒子線照射を許可する呼吸同期装置２２ｃと、呼吸同期に関する情報を患者に教示するための呼吸情報教示装置２２ｂとを備える。

＜制御系＞
このように複数のサブシステムからなる大型で複雑なシステムの制御系は、一般的に、各サブシステムを専ら制御するサブ制御器と全体を指揮し制御するメイン制御器からなることが多い。本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置の制御系４においても、このメイン制御器とサブ制御器の構成を採用している。簡単のため、粒子線治療装置の制御系のうち、加速器１、輸送系３、照射系２の３つのサブシステムの制御に関する制御系、つまり、図に示すように、加速器制御部４１、輸送系制御部４３、照射系制御部４２および全体制御部４０を備える制御系４について説明することとする。

制御系４について、制御系の構成を模式的に示した図２を用いて説明する。ところで、粒子線治療装置における制御器には、ワークステーションやコンピュータを用いることが一般的である。そのため、制御器を「計算機」という呼び方をする場合も多い。例えば、図２におけるメイン制御器４０は、実態は照射系共通計算機と称されることが多いコンピュータ上の機能であるが、ここではある機能を有する制御器として扱う。また、機器制御計算機は、サブシステムである照射系２の制御を行うサブ制御器４２に相当し、各治療室６Ａ、６Ｂに分散して配置されている照射系２Ａ、２Ｂに対応する制御器に対応する部分については、４２Ａ、４２Ｂと区別する。このように、粒子線治療装置（システム）の制御系４では、メイン制御器４０と加速器１用の制御器、照射系２用の制御器、輸送系３用の制御器であるサブ制御器４１、４２、４３とを備える。そして、各サブ制御器４１、４２、４３は、メイン制御器４０内に設けられたタイミング指示機能により、連携して制御動作を行うようにしている。なお、タイミング指示機能自体は、例えば特許文献３に記載のように同期するためのタイミング信号を出すようなものでもよい。また、図１や図２ではサブ制御器の位置等が異なっているが、これは、図１では、制御器４としてまとめて記載し、図２では制御対象を基準に記載したためで、物理的な位置が異なっているか否かを表しているのではない。つまり、制御器として物理的にどう配置されているかは本質的な問題でないということである。

機器制御計算機（サブ制御器４２Ａ、４２Ｂ）に繋がれた「操作卓」とは、いわゆるキーボードやディスプレイ等、若しくはコントローラボックス等の端末であり、マンマシンインターフェース部である。操作卓は、治療室６、および治療室と分離して設けられることの多い照射操作室に設置される。機器制御計算機の下位部には、制御盤が繋がれる。制御盤は、具体的には括弧書きで記載されているように、制御対象である各種機器のドライバ、アンプ及びＰＬＣ(Programmable Logic Controller)等である。制御盤を経由して、さらに下位部には、機器が繋がれる。機器とは、治療台の各軸を動かすためのモータや、照射装置内のＸ線撮像装置を駆動するモータ等が含まれ、通常、上述した照射装置２１やナビゲーション機能部２２も含まれる。

しかし、本実施の形態１にかかる粒子線治療装置においては、ナビゲーション機能部２２に関する制御においては、各治療室６に設置された制御盤を経由せず、直接メイン制御器４０で制御されているように記載している。これは、後述するように本実施の形態１にかかる粒子線治療装置においては、呼吸ナビゲーションを一つの治療室の中で独立して制御するのではなく、他の治療室および輸送系と連携して制御する必要があるため、経由する機器をより少なくすることにより、無駄時間（遅れ）の発生により、タイミングにずれが生じることを回避するためである。ただし、このように直接接続することは必須要件ではなく、タイミングをとることができるのであれば、適宜変更してもよいことは言うまでもない。

ナビ機能部照射系共通計算機（メイン制御器４０）の他の役割は、このように粒子線治療装置の全体を指揮することであり、加速器系１や輸送系３と同期して制御が必要な機器の制御として、自身がサブ制御器４２の機能を担うこともある。図１で４２をかっこ書きで記しているのはこのことを意味している。

このように、サブ制御器４２のうち、ナビゲーション機能部２２に関する制御機能をメイン制御器４０が担うようにした。その他の、例えば、治療台の各軸を動かすためのモータや、照射装置内のＸ線撮像装置を駆動するモータ等の機器については、通常通り、サブ制御器４２を経由して制御することにしている。これら、治療台用のモータやＸ線撮像装置用のモータは、ビーム照射中には動かさない。すなわち、加速器系１や輸送系３の制御と同期して制御する必要がないからである。照射系共通計算機（メイン制御器４０）と照射系の機器制御計算機（サブ制御器４２）とのやり取りは、どの治療室６の照射系２が位置決め完了して照射してよい状態かを示すＲｅａｄｙ信号や、どの治療室６の照射系２でビームを照射し、照射が終了したことを知らせる信号等、互いに状態を知らせる目的のものである。簡単に言えば、シーケンシャルなイベントを行っていくイメージである。つまり、サブ制御器４２との関連における照射系共通計算機（メイン制御器４０）の役割は、「どの治療室６の照射系２が加速器からのビームを取り合うか」といった照射を管理することであり、それさえ決まれば、後は治療室６毎のサブ制御器４２の中でシーケンスを決定できるからである。

ところが、後述するように、本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置では、各治療室の呼吸やビームの切り替えを同期して制御する必要がある。つまり、治療室毎のサブ制御器のみでシーケンスを決定することができない。そのため、ナビゲーション機能部２２への指令値は、機器制御計算機（サブ制御器４２）からではなく、照射系共通計算機（メイン制御器４０）から直接送られるようにした。

なお、照射系２の機能のうち、照射野を成形する機能については、本発明の本質的な部分ではない。そのため、照射装置２１の構成については、記載を省略する。一方、呼吸ナビに連動して照射対象への照射のＯＮ／ＯＦＦを制御するビームゲートについては、輸送系３と同期が必要であるので、図２には記していないが、メイン制御器４０により直接制御するようにしている。さらに、加速器系１と同期して制御が必要な、ワブラ電磁石若しくはスキャニング電磁石なども、照射装置２１の機器であるが、同様の理由で直接照射系共通計算機４０により制御するようにしている。

つぎに、本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置において、加速器１から供給された粒子ビームをタイムシェアリングで複数の治療室で同時照射するために、呼吸ナビゲーションを連携動作制御する方法について図３を用いて説明する。図において、上段は治療室６Ａにおける呼吸ナビゲーション波形ＷＩｂ（Ａ）、ＷＩｂ（Ａ）に対する閾値Ｔｈ（Ａ）およびビームゲートのＯＮ／ＯＦＦ信号ＢＧ（Ａ）を、中段は治療室６Ｂにおける呼吸ナビゲーション波形ＷＩｂ（Ｂ）、ＷＩｂ（Ｂ）に対する閾値Ｔｈ（Ｂ）およびビームゲートのＯＮ／ＯＦＦ信号ＢＧ（Ｂ）をそれぞれ示し、ＢＬはベースラインを示す。下段は輸送系３におけるビーム切替電磁石３２が切替えるビーム軌道（コース）を示す。そして、図中、横軸は、数呼吸周期分のタイミングであり、全ての段で共通（同期）し、右に行くほど未来を表す。縦軸は、呼吸ナビゲーション波形（ＷＩｂ（Ａ）とＷＩｂ（Ｂ）をまとめてＷＩｂ、Ｔｈ（Ａ）とＴｈ（Ｂ）をまとめてＴｈと称する。）の場合は呼吸の状態を表し、上は吸状態、下は呼状態である。ビームゲートのＯＮ／ＯＦＦ信号（ＢＧ（Ａ）とＢＧ（Ｂ）をまとめてＢＧと称する。）の場合、上側がＯＮ状態、下側がＯＦＦ状態を示し、軌道の場合、上側が治療室６Ａへ向かうように、下側が治療室６Ｂへ向かうように軌道（コース）が設定されていることを示す。

なお、図中のナビゲーション波形（目標呼吸波形）は、各治療室６に設置された呼吸情報教示装置２２ｂにおいて、時間の経過とともに右から左へとスクロールされながら表示され、患者は、このスクロールされる目標呼吸波形の表示により、呼吸がナビゲーションされる。このとき、呼吸測定装置２２ａに、例えば患者の腹部の動きを測定するレーザ変位計等を用いた場合、縦軸をレーザ変位計の出力量を表示単位とすれば、目標呼吸波形に実際の測定値を重ねて表示することにより、ナビゲーションとのずれを患者に視覚的に示しながら呼吸をナビゲーションすることもできる。

一般に、患者の患部臓器は、呼状態（縦軸の下方）のときに最も位置が安定するので、呼状態の照射対象の位置や形状に基づいて治療計画し、また、呼状態でビーム照射を行う。図における閾値Ｔｈは、ビーム照射を許可する基準となる値を示したものである。呼吸ゲート信号ＢＧは、目標呼吸波形ＷＩｂが閾値Ｔｈを下回ったときにＯＮになることを示している。治療では、目標呼吸波形及び図示しない実呼吸状態を示す波形の両方が閾値以下のときに照射が許可される。ここでは、同期制御の説明を簡略化するため、実呼吸状態を示す波形にもとづく制御についての説明は省略する。

ここで、輸送系のコース切替について、従来は、ひとつの治療室で治療がはじまると、その治療が終了してしまうまでは、途中で他の治療室にコースに切り替わることはなく、図３下段のようにひとつの呼吸周期内で輸送系のコースが切り替わるようなことはなかった。つまり、ひとりの患者への照射が終了するまでは、他の患者への照射を行うことはなかった。本実施の形態にかかる粒子線治療装置でも、加速器１から供給された荷電粒子ビームを時間でシェアするので、治療室６Ａと治療室６Ｂとで、呼吸ゲートが同時にＯＮになることはない。しかし、本実施の形態にかかる粒子線治療装置においては、治療室６Ａと治療室６Ｂ間で１回の照射中に複数回（呼吸周期単位で）コースを切り替えることで、同じ時間帯で複数の患者に同時に粒子ビームを照射する、つまり粒子線治療を受けさせることができる。その実現方法について、以下、詳細に説明する。

一般に、人間の呼吸の周期は一定ではなく、またその長さには個人差もある。しかし、呼吸ナビゲーション装置等により、一定の周期に呼吸を導くことが可能である。呼吸は自律神経が支配しているにもかかわらず、例外的に意識的動作が可能なためである。そのため、特許文献４では、加速器の周期に適した周期で呼吸ナビゲーションを行うようにしている。ただ、その場合でも、一つの治療室で照射している間は他の治療室で照射を行うことはなかった。そこで、本発明の実施の形態にかかる粒子線治療装置では、治療室６Ａと治療室６Ｂとで目標呼吸の周期を揃えて位相を所定量ずらし周期中の所定位相で、治療室６Ａと６Ｂへの荷電粒子ビームの輸送コースを切り替えることで、同じ時間帯で治療室６Ａと６Ｂで粒子線治療ができるようになった。周期については、平均的な人の呼吸周期とされている２秒〜２０秒の間で設定できるようにし、治療室６Ａと治療室６Ｂで呼吸ゲートが同時ＯＮにならないように位相のずれを調整できるようにした。以下、図４のフローチャートも参考に説明する。

目標呼吸の周期は、同時に治療を受ける患者に適した周期に設定する（ステップＳ１０）。設定された周期がメイン制御器４０に入力されると、メイン制御器４０は、各治療室の位相（ずれ）を決定し、ずらした位相に対応した輸送系３のコース切替タイミングＴＣを算出する（ステップＳ２０）。そして、メイン制御器４０に内蔵されたタイミング指示器は、以下の指示を行う。各治療室６Ａ、６Ｂの呼吸ナビゲーション装置２２Ａ、２２Ｂに、位相をずらして目標呼吸のタイミングを指示する。そして、治療室Ａの呼吸ゲートがＯＮのときにＡ室で照射できるよう、治療室Ｂの呼吸ゲートがＯＮのときにＢ室照射できるよう、コース切換え装置（図１における切替電磁石３２の制御装置、または、サブ制御器４３）にタイミングを指示する（ステップＳ３０）。これにより、治療室ごとの準備が整っていれば、図３に示すように治療室６Ａと治療室６Ｂでひとつの時間帯で同時に粒子ビームの照射が可能となる（ステップＳ４０）。

なお、このとき、２つの治療室では、照射開始を無理に合わせる必要はなく、照射開始や終了は治療室毎に決定すればよい。ただ、各治療室での治療が、呼吸ナビの所定位相の部分でのみ照射をする場合において、複数の治療室（６Ａ，６Ｂ）において、照射する時間帯が重なったとしても、呼吸周期内で加速器１からの粒子ビームをタイムシェアリングしているので、各治療室での治療をあたかも単独の治療室で治療しているように実行できるようになる。

コース切替のタイミングＴＣについては、図３において、例えば治療室６Ａから治療室６Ｂにコースを切替えるタイミングをＴＣ_ＡＢ、治療室６ＡのゲートをＯＮからＯＦＦに切り替えるタイミングをＴｆ_Ａ、治療室６ＢのゲートをＯＦＦからＯＮに切り替えるタイミングをＴｏ_Ｂ、とし、図示しないが治療室６Ｂから治療室６Ａにコースを切替えるタイミングをＴＣ_ＢＡ、治療室６ＢのゲートをＯＮからＯＦＦに切り替えるタイミングをＴｆ_Ｂ、治療室６ＡのゲートをＯＦＦからＯＮに切り替えるタイミングをＴｏ_Ａ、とすると、以下の、式（１）、式（２）が成り立つようにすることが好ましい。
ＴＣ_ＡＢ−Ｔｆ_Ａ＜Ｔｏ_Ｂ−ＴＣ_ＡＢ・・・（１）
ＴＣ_ＢＡ−Ｔｆ_Ｂ＜Ｔｏ_Ａ−ＴＣ_ＢＡ・・・（２）
これは、２つの治療室の双方のゲートがＯＦＦになっている時間ＰＣ_ＡＢ（＝Ｔｏ_Ｂ−Ｔｆ_Ａ），ＰＣ_ＢＡ（＝Ｔｏ_Ａ−Ｔｆ_Ｂ）のうち、「コースを切替えてからゲートがＯＮになるまでの時間」を、「ＯＦＦになってからコースを切替えるまでの時間」より長くすることで、輸送系３のコース切替電磁石３２を操作する際、コースを切り替えてから軌道が安定するまでの時間を取る事ができるからである。

つぎに、目標呼吸波形の作り方を説明する。目標呼吸波形は、ａｒｔｉｆｉｃｉａｌに作成してもよいが、患者自身のものに合わせるのがもっとも自然である。目標呼吸波形を表示してそれに呼吸を合わせる目的は、計画時と治療時で、患部の位置姿勢を同一に再現することである。したがって、まずは患者に楽な姿勢で呼吸をしてもらい、呼吸測定装置２２ａで測定する。つぎに、測定した呼吸波形を、トリミングや時間伸縮、平均化等を行い、治療室６Ａと治療室６Ｂで同じ周期にするための適切な周期を設定する。このとき、図示しない治療計画装置に、患者の自然な呼吸波形が記録されている場合、記録された波形から最適な目標呼吸の周期を計算するようにしても良い。また、同時に治療を受ける患者の選定において、自然な呼吸の周期が近い、つまり周期を容易に合わせることができる患者を自動的に選定するようにしてもよい。

なお、上記説明では、２つの治療室に対して同じ周期で位相をずらすように調整したが、その他に例えば、周期が整数倍の関係であっても、照射時間が重ならないように調整する事は可能であり、同じ周期に限ることなく、周期と位相を調整することで照射時間を重ならないようにすればよい。

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、複数の治療室６と、複数の治療室６のそれぞれに設けられ、目標呼吸波形ＷＩｂに基づいて患者の呼吸を誘導する呼吸誘導装置であるナビゲーション機能部２２と、加速器１と複数の治療室６のそれぞれとを結ぶ粒子ビームの輸送経路３１と、輸送経路３１中に設置され、加速器１から出射された粒子ビームが複数の治療室６のいずれかひとつの治療室に供給されるように粒子ビームの軌道を切り替える切替装置である切替電磁石３２と、複数の治療室６のそれぞれに設けられ、供給された粒子ビームを照射対象に応じた照射野に成形するとともに、少なくとも目標呼吸波形ＷＩｂに同期して照射対象への照射を制御する照射装置２１と、少なくとも前記複数の治療室６のうちの２以上の所定数の治療室６Ａ，６Ｂの呼吸誘導装置２２と切替電磁石３２とを同期して制御する制御器４と、を備え、制御器４は、所定数の治療室６Ａ、６Ｂにおける目標呼吸波形ＷＩｂに同期した照射時間（ＴＩ（Ａ）とＴＩ（Ｂ））が重ならないように、所定数の治療室の呼吸誘導装置２２に対して、目標呼吸波形ＷＩｂ（Ａ）、ＷＩｂ（Ｂ）の周期と位相を調整するとともに、所定数の治療室のそれぞれの照射時間（ＴＩ（Ａ）とＴＩ（Ｂ））に対応して粒子ビームの軌道を切替えるように切替電磁石３２の切替時点ＴＣ_ＡＢを制御する、ように構成したので、加速器１から出射された粒子ビームを呼吸周期中に複数の治療室でタイムシェリングにより供給を受けて粒子ビームの同時照射が可能となる。そのため、同じ時間帯に複数の治療室で粒子線照射をすることにより、多くの患者さんが治療を受けることができる粒子線治療装置を得ることができる。

とくに、制御器４は、所定数の治療室の呼吸誘導装置に対して、同じ周期で、位相をずらして目標呼吸波形を生成するように調整する、ように構成したので、容易に照射時間が重ならないように調整できる。

とくに、制御器４は、所定数の治療室のうち、第１の治療室（例えば、６Ａ）から第２の治療室（例えば６Ｂ）への軌道の切替時点をＴＣ_１２、第１の治療室６Ａにおける照射をＯＮからＯＦＦに切替える、つまり照射を止める時点をＴｆ_１、第２の治療室６Ｂにおける照射をＯＦＦからＯＮに切替える、つまり照射を始める時点をＴｏ_２、とすると、［ＴＣ_１２−Ｔｆ_１＜Ｔｏ_２−ＴＣ_１２］が成立するように切替時点を制御する、ように構成したので、輸送系３のコース切替電磁石３２を操作する際、コース（軌道）を切り替えてから軌道が安定するまでの時間が長くなり、安定して照射ができる。

実施の形態２．
実施の形態１においては、治療室が２室の場合について述べた。しかし、一般に粒子線治療装置は、１つの主加速器１に対し、３〜４室の治療室を備えることが多い。そこで、本実施の形態２においては、治療室数が３以上の場合について説明する。

以下の用語は上記実施の形態１でも共通する考え方であるが、多くの治療室での位相のずれを説明するにあたり、いくつかの用語に対し改めて定義を与える。
＜呼吸周期＞
図３に示すように、目標呼吸波形は、同じパターンを周期的に繰り返す波形からなる。例えば、最も多く息を吸った状態を表す極大点は、一定時間間隔ごとに現れる。この一定時間間隔を「呼吸周期」（Ｃ（Ａ）またはＣ（Ｂ）、まとめてＣと称する）とよぶ（単位は時間［ｓｅｃ］）。

＜呼吸位相＞
図３に示すように、目標呼吸波形ＷＩｂ（Ａ）と目標呼吸波形ＷＩｂ（Ｂ）とは、同じ呼吸周期Ｃであるが、目標呼吸波形ＷＩｂ（Ａ）と目標呼吸波形ＷＩｂ（Ｂ）とでは、極大点の位置がずれている。このように、２つの同形波形を重ねたときの時間的なずれを「位相のずれ」という。このことは、三角関数（ｓｉｎｅ、ｃｏｓｉｎｅ）を考えたときとまったく同じように考えてよい。したがって、位相の単位はラジアン若しくは度（°）となる。

＜デューティー比（duty ratio）＞
図３に示すように、呼吸ゲート信号ＢＧは、目標呼吸波形ＷＩｂに対応して決めるようにしている。実施の形態１では、目標呼吸ＷＩｂが閾値Ｔｈを下回ったときにゲート信号ＢＧをＯＮする方法を説明した。このように、呼吸ゲート信号ＢＧは幅（時間）を調整したＯＮとＯＦＦの２値の信号を繰り返すＰＷＭ（Pulse Width Modulation）的な信号である。呼吸ゲート信号のＯＮの時間とＯＦＦとの時間の比は、デューティー比で表すことができる。具体的には、デューティー比は全体周期に対する信号がＯＮの時間割合で定義する。例えば、ＯＮとＯＦＦとの時間比が１：３である場合、デューティー比は０．２５（＝１／（１＋３））となる。

いま、呼吸ゲート信号ＢＧはデューティー比が０．５（１／２）でＯＮ／ＯＦＦを繰り返していると仮定する。この場合、位相を１８０度ずらせば、２つの治療室でのゲート信号ＢＧは同時にＯＮにならずにすむ。すなわち、上記の場合、ビーム照射をタイムシェアリングで同時照射できるのは２室までとなる。理想的には、デューティー比が０．５のときは２室でタイムシェアリング同時照射ができる。しかし、実際には治療室のコース切替え時間も考慮する必要があり、さらに制限がある。

一方、患者の呼吸と患部臓器の位置姿勢との関係を考えると以下のことが言える。閾値Ｔｈが低ければ低いほど、患部の位置姿勢は再現よく同じにすることができる。反面、閾値Ｔｈを低くすれば、呼吸ゲート信号のデューティー比はその分小さくなる。

そこで、治療室数が３以上の場合のタイムシェアリングの方法について図５のフローチャートを用いて説明する。前提として、目標呼吸信号ＷＩｂに対応する呼吸ゲート信号ＢＧは、デューティー比が０．５弱（１／２弱）であり、２室同時間帯照射は可能であるが、３室同時間帯照射はできない、つまり、照射をＯＮにしている時間が重なる治療室が存在する場合であるとする。そして、目標呼吸波形ＷＩｂとして、位相を１８０度ずらした波形ＷＩｂ（α）と波形ＷＩｂ（β）の２つのタイミンググループα、βが用意されているとする（ステップＳ２１０）。

まず、治療室６Ａ〜６Ｃ中のある治療室（例えば６Ａ）で治療を開始しようとした医者等に対して、他の治療室（例えば６Ｂ、６Ｃ）の治療状況を確認できるよう照射系共通計算機（メイン制御器４０）の操作卓を介して表示する。ここで、治療状況とは、治療中か否か及び選択している目標呼吸波形グループ（α又はβ）をさす。つぎに、他の治療室の治療状況に応じて医者等から、照射系共通計算機（メイン制御器）で管理する目標呼吸波形のタイミンググループのαかβかの選択結果の入力を受け付け、入力されたグループに設定する（ステップＳ２２０）。すなわち、各治療室は、グループαかグループβかに所属グループが選択される。なお、本ステップ２２０Ｓでは、医者等に表示せず、各治療室に対応した制御器内で判断し、適宜グループを選択するようにしてもよい。あるいは、治療室ごとにあらかじめグループαとグループβとに分けて設定しておいてもよい。

グループが設定された治療室（のサブ制御器４２またはナビゲーション機能部２２）に対しては、メイン制御器４０からそのグループに対応したタイミングの信号が出力される（ステップＳ２３０）。このタイミング信号が入力されることにより、各治療室では、選択されたグループに応じた目標呼吸波形ＷＩｂが表示される。

目標呼吸波形ＷＩｂが表示されると、患者は、目標呼吸波形ＷＩｂにあわせて、次第に自分の呼吸を整えていく。ここで、グループαまたはβのいずれかが、複数の治療室で選択されていない、つまりＯＮ時間が重なる治療室が無い場合（ステップＳ３００で「Ｎ」）、実施の形態１におけるステップＳ４０と同様にタイムシェアリングによる照射を開始することができる（ステップＳ２４０）。しかし、前提条件のように複数の治療室が同じグループを選択した場合、同じグループを選択した治療室ではＯＮ時間が重なることになる。その場合（ステップＳ３００で「Ｙ」）、以下のようにタイムシェアリング照射対象となる治療室の絞り込みを行う。

タイミング指示器を有するメイン制御器４０は、少なくとも同じグループを選択した治療室それぞれの目標呼吸波形と患者呼吸測定装置２２ａから出力された実呼吸波形とを比較する（ステップＳ３１０）。そして、比較結果に基づいて、各治療室での照射準備度を点数化し、点数があらかじめ決められた値より高いとき、照射可能と判断してタイムシェアリング照射対象の治療室として決定する（ステップＳ３２０）。このとき、同一グループを選択した治療室で照射可となる治療室が複数あるときは、最も点数が高いものを照射対象として選ぶ。あるいは、治療内容等に応じて同一点数の場合を考慮して、あらかじめ治療室には優先順位をつけておいてもよい。あるいはまた、点数は、「照射可」「照射不可」の２値（０か１か）としてもよい。

これにより、グループαとβからそれぞれ一つの治療室がタイムシェアリング照射対象と決定され、決定された治療室では治療対象となったことが表示され、治療に入る（ステップＳ２４０）。これにより、タイムシェアリングが可能な治療室が２室の場合でも、３室以上の治療室から２室を選定し、タイムシェアリング治療を行うことができる。一方、決定から漏れた治療室は同じグループの他の治療室での治療が終了するまで待機状態となり、そのことが表示される。

ステップＳ２５０における照射準備度の点数化の方法を具体的に説明する。
最も直感的な方法は、目標呼吸波形と実呼吸波形の誤差の二乗総和を計算する方法である。具体的には、以下のように行う。呼吸周期をΤとすると、ｋ番目の呼吸周期における誤差の二乗総和Ｓｅは、誤差の２乗積分Ｉｅを示す式（３）により求まる。

ただし、ｂ（ｔ）は実呼吸波形であり、ｂ_ｏｂｊ（ｔ）は目標呼吸波形である。

または、離散時間化して表せば、以下の式（４）のとおりとなる。

ただし、ｎは１呼吸周期におけるサンプル数である。
得点は、例えばこの誤差の二乗総和Ｓｅを基準点から引いていく減点方式としてもよい。

また、より単純には、目標呼吸波形と実呼吸波形の呼吸ゲートを比較して点数化する方法がある。このとき、１呼吸周期中で、目標波形基準と実呼吸基準の両方で呼吸ゲートがＯＮになる時間が長い方がよい。したがって、この目標波形基準で呼吸ゲートがＯＮになる時間と実呼吸基準で呼吸ゲートがＯＮになる時間が同時になる時間を点数としてもよい。

上記点数化には、現在の呼吸周期のほか、過去の１〜２周期分も考慮に入れるとよい。呼吸の状態が変わらないということは、ビーム照射に適している状態といえるからである。

なお、上記の例は、ＯＮ時間が重なる治療室をわかりやすくするために、ＯＮ時間が重ならないグループを予め用意する例を用いて説明したが、これに限られることはない。例えば、治療室毎の位相を調整しても、ＯＮ時間が重なる事になる場合（図５におけるステップＳ３００）は、重なっている治療室の中からタイムシェアリング照射対象とすべき治療室を選定するようにすればよい。

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、制御器４は、複数の治療室のうち、例えば、同じグループを選択したときのように目標呼吸波形ＷＩｂに同期した照射時間ＴＩが重なる治療室がある場合、照射時間ＴＩが重なる治療室毎の目標呼吸波形ＷＩｂと呼吸測定装置２２ａが測定した実呼吸波形とを比較し、比較結果に基づいて照射時間ＴＩが重なる治療室のうち、ひとつの治療室を同期して制御する対象、つまりタイムシェアリングで照射する対象として選定する、ように構成したので、同時照射できる治療室数よりも治療室数が多い場合でも、スムーズにタイムシェアリング照射ができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１または２の前提では、タイムシェアリングで同時照射が可能な治療室が２室となる、呼吸ゲート信号ＢＧのデューティー比が０．５弱の場合について説明した。しかし、上述したようにデューティー比を下げることは、閾値Ｔｈを低くすることになり、患部の位置姿勢の再現性をよくすることにもなる。従来の粒子線治療装置では、デューティー比を下げると１回の治療時間が長くなり、受診できる患者数が減少してしまうので、デューティー比を高く保つ必要があった。しかし、タイムシェアリング同時照射を採用する本発明の粒子線治療装置の場合、デューティー比を下げても、同時照射が可能な治療室数が増えることになるので、受診できる患者数を維持しつつ、患部の位置姿勢の安定性を向上させることができる。そこで、呼吸ゲート信号のデューティー比を３室でのタイムシェアリング同時照射が可能な０．３３弱（１／３弱）とすることができる。この場合、位相を１２０度ずつずらして、３つの目標呼吸波形グループα、β、γを作り、治療室数＝３までをタイムシェアリングで同時照射することができる。

また、呼吸ゲート信号ＢＧは、閾値Ｔｈを用いないで作ることもできる。そもそも目標呼吸波形ＷＩｂは任意に与えるものなので、対応する呼吸ゲート信号ＢＧも任意である。例えば、目標呼吸波形ＷＩｂが閾値Ｔｈを下回る領域中、後半部分のみを使用、という具合である。これは、目標呼吸波形ＷＩｂができるだけフラットで安定した領域を使いたいという理由による。対して実呼吸波形に対する呼吸ゲート信号の作成は、閾値Ｔｈによる方法がわかりやすい。

また、目標呼吸波形の呼吸ゲート信号のデューティー比をさらに低い０．２５弱（１／４）と設定し、位相を９０度ずつずらして、４つの目標呼吸波形グループα、β、γ、δを作れば、治療室数＝４までは、タイムシェアリングで同時照射が可能となる。

なお、上記の例でもは、ＯＮ時間が重なる治療室をわかりやすくするために、ＯＮ時間が重ならないグループを予め用意する例を用いて説明したが、これに限られることはない。例えば現時点で設定したデューティー比では、治療室毎の位相を調整しても、ＯＮ時間が重なる事になる場合、適宜デューティー比を下げるようにしてもよい。

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、制御器４は、複数の治療室のうち、目標呼吸波形ＷＩｂに同期した照射時間ＴＩが重なる治療室がある場合、照射時間ＴＩが重ならないように、各照射装置２２での目標呼吸波形ＷＩｂに同期した照射時間ＴＩの割合が小さくなるように調整する、ように構成したので、同時照射できる治療室数よりも対象となる治療室数が多くなった場合でも、スムーズにタイムシェアリング照射ができる。

実施の形態４．
上記各実施の形態１〜３においては、各タイミンググループにおけるデューティー比が、均等に配分されている例について説明した。しかし、照射対象である患者の部位によっては、肺に近い呼吸の影響を受けやすい部分と頭部等の呼吸の影響を受けにくい部分とが存在する。つまり、必ずしも各タイミンググループにおけるデューティー比が、均等であるとは限らない。そこで、本実施の形態４にかかる粒子線治療装置では、照射系共通計算機（メイン制御器４０）において、あらかじめデューティー比が異なるタイミンググループを用意するようにした。医者等は、照射対象である患者の部位に応じて、適切なタイミンググループを選択することができる。あるいは、メイン制御器４０が治療計画装置に記録された情報からデューティー比情報を抽出し、抽出したデューティー比情報から適切なグループを選択するようにしてもよい。

この場合、メイン制御器４０は、選択された治療室毎のタイミンググループのデューティー比に応じて、ＯＮ時間が重ならないように、各タイミンググループの位相のずれを調整する。例えば、３つの治療室でそれぞれ選択されたグループαのデューティー比が０．１５、グループβのデューティー比が０．４、グループγのデューティー比が０．３の場合、αに対してβを７２度、γを２３４度ずらすようにすれば、各グループ間に１８度分の切替タイミングを保って、ＯＮ時間をずらしてタイムシェアリング同時照射が可能となる。

また、選択されたグループのデューティー比の合計が１を超える場合、合計が１を超えないように、実施の形態２で示したようにタイムシェアリングの対象治療室を適宜限定するようにしたり、実施の形態３で示したようにデューティー比を下げるように調整したりすればよい。

１加速器（シンクロトロン）、２照射系（２１：照射装置、２２：ナビゲーション機能部（呼吸誘導装置）（２２ａ：呼吸測定装置））、
３輸送系（３１：輸送経路、３２：切替電磁石（切替装置））、
４制御系（制御器）（４０：メイン制御器）、６治療室、
Ｃ周期、ＴＣ切替電磁石によるビーム軌道の切替タイミング、
Ｔｆ照射装置で目標呼吸波形に同期して照射を止めるタイミング、
ＴＩ目標呼吸波形に同期した照射時間、Ｔｏ照射装置で目標呼吸波形に同期して照射を始めるタイミング、ＷＩｂ目標呼吸波形

Claims

複数の治療室と、
加速器と前記複数の治療室のそれぞれとを結ぶ粒子ビームの輸送経路と、
前記輸送経路中に設置され、前記加速器から出射された粒子ビームが前記複数の治療室のいずれかひとつの治療室に供給されるように前記粒子ビームの軌道を切り替える切替装置と、
前記複数の治療室のそれぞれに設けられ、目標呼吸波形に基づいて患者の呼吸を誘導する呼吸誘導装置と、
前記複数の治療室のそれぞれに設けられ、供給された粒子ビームを照射対象に応じた照射野に成形するとともに、少なくとも前記目標呼吸波形に同期して前記照射対象への照射を制御する照射装置と、
少なくとも前記複数の治療室のうちの２以上の所定数の治療室の呼吸誘導装置と前記切替装置とを同期して制御する制御器と、を備え、
前記制御器は、前記所定数の治療室における前記目標呼吸波形に同期した照射時間が重ならないように、前記所定数の治療室における前記目標呼吸波形の周期と位相を調整するとともに、前記所定数の治療室のそれぞれの前記照射時間に対応して前記粒子ビームの軌道を切替えるように前記切替装置の切替時点を制御する、
ことを特徴とする粒子線治療装置。
前記制御器は、前記所定数の治療室の呼吸誘導装置の前記目標呼吸波形を、同じ周期で、位相をずらすように調整する、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
前記制御器は、
前記所定数の治療室のうち、第１の治療室から第２の治療室への軌道の切替時点をＴＣ_１２、前記第１の治療室における照射を止める時点をＴｆ_１、前記第２の治療室における照射を始める時点をＴｏ_２、とすると、
ＴＣ_１２−Ｔｆ_１＜Ｔｏ_２−ＴＣ_１２・・・（１）
上記式（１）が成立するように前記切替時点を制御する、
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装置。
前記呼吸誘導装置は、前記患者の実呼吸を測定する呼吸測定装置を備え、
前記制御器は、
前記複数の治療室のうち、前記目標呼吸波形に同期した照射時間が重なる治療室がある場合、
前記照射時間が重なる治療室毎の前記目標呼吸波形と前記呼吸測定装置が測定した実呼吸波形とを比較し、比較結果に基づいて前記照射時間が重なる治療室のうち、ひとつの治療室を前記同期して制御する対象として選定する、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の粒子線治療装置。
前記制御器は、
前記複数の治療室のうち、前記目標呼吸波形に同期した照射時間が重なる治療室がある場合、
前記照射時間が重ならないように、前記照射装置の前記目標呼吸波形に同期した照射時間の割合が小さくなるように調整する、
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の粒子線治療装置。