粒子線治療装置、及び粒子線治療装置制御方法
【課題】任意の方向から粒子線を照射可能な被検体から発生されるγ線を検出するＰＥＴ検出器を備えた粒子線治療装置を提供する。
【解決手段】天板１１０を回転させる天板回転部１０６と、天板１１０を体軸方向を含む平面と平行もしくは直交方向に並進移動させる天板移動部１０８と、被検体に向けて粒子線を照射する粒子線照射部１０３と、粒子線照射部１０３を回転移動させる照射ノズル回転部１０４と、粒子線照射部１０３と被検体との間に、略筒型の形状で被検体を囲うように配置され、粒子線照射部１０３からの粒子線を通過させる開口を有し、被検体から発生するγ線を検出するＰＥＴ検出部２０１と、粒子線の照射方向の軸に回転可能に保持する第１支持アーム２０３と、ＰＥＴ検出部２０１を体軸の周囲に回転可能に保持する第２支持アーム２０５と、ＰＥＴ検出部２０１で検出されたγ線を基に画像を生成する画像形成部２０２とを備える。
【解決手段】天板１１０を回転させる天板回転部１０６と、天板１１０を体軸方向を含む平面と平行もしくは直交方向に並進移動させる天板移動部１０８と、被検体に向けて粒子線を照射する粒子線照射部１０３と、粒子線照射部１０３を回転移動させる照射ノズル回転部１０４と、粒子線照射部１０３と被検体との間に、略筒型の形状で被検体を囲うように配置され、粒子線照射部１０３からの粒子線を通過させる開口を有し、被検体から発生するγ線を検出するＰＥＴ検出部２０１と、粒子線の照射方向の軸に回転可能に保持する第１支持アーム２０３と、ＰＥＴ検出部２０１を体軸の周囲に回転可能に保持する第２支持アーム２０５と、ＰＥＴ検出部２０１で検出されたγ線を基に画像を生成する画像形成部２０２とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速させた粒子線を利用して例えば癌などの治療を行う粒子線治療装置及びその制御方法に関する。さらに詳しくは、粒子線が照射された患部から放射されるγ線を検知するＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置を備えた粒子線治療装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、加速された荷電粒子線（以下、単に「粒子線」という）は停止直前に最大のエネルギーを放出する現象（このエネルギー・ピークは「ブラッグ・ピーク（Ｂｒａｇｇ Ｐｅａｋ」と呼ばれる）が生じることを利用して、粒子線を患部に照射することで癌細胞を破壊する粒子線治療が行われ始めている。Ｘ線を含む放射線は体内を単調減衰しながら患部の前後を通過していくため、患部以外の正常組織にもダメージを与えてしまう。これに対し、加速された荷電粒子（例えば、陽子、炭素原子核など）が物質内を通過するとき、前述のようにブラッグ・ピークが生じるため、荷電粒子の停止位置を精密に制御することにより、被検体における患部までに通過する部分および患部の背後部分へのダメージを抑えることができる。
【０００３】
この粒子線治療において被検体に対し粒子線を照射する装置が粒子線治療装置である。この粒子線治療装置において、照射された粒子線は、体内にある原子と衝突し陽電子放射核を生成する。この放射核から放出された陽電子は、その近傍に多数ある電子と結合してγ線を放射する。この現象は「自己放射化」と呼ばれている。そして、この放射されたγ線は、例えばシンチレータと光電子増倍管が組み合わされたシンチレーション検出器により検出することができる。この体内から放出されるγ線をシンチレーション検出器により検出する装置はＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｆｈｙ）装置と呼ばれる。近年、粒子線治療装置から照射された荷電粒子がどの深さまで到達したかを癌細胞の破壊と同時に観察するために上述の自己放射化の現象を利用する技術が提案されている。この様な理由から、最近、粒子線治療装置にＰＥＴ装置を付加することが検討され始めている。
【０００４】
粒子線治療装置では粒子線はノズルから照射されるが、この粒子線の侵入位置、及び照射方向は正常組織へのダメージなどを考慮して治療の見地から決められる。すなわち、「患部の位置」、「正常組織への照射回避」、及び「重要な臓器への影響の回避」を考慮してその照射方向が決められる。具体的には、正常組織への照射を抑えるため、粒子線が被検体の体表から患部に到達するまでの経路が極力最短経路となるようにしたり、重要な臓器に粒子線が当たらないように配慮したりするという条件の下で粒子線の照射方向が決定される。このため、粒子線治療装置には任意の照射方向から粒子線を照射できる性能が要求される。そこで、粒子線治療装置では、任意の照射方向を実現するために回転稼働する回転ガントリー及び回転機能を備えた寝台が使用される。磁場で偏向させやすい陽子を使用する「陽子線治療装置」には、粒子線を照射するノズルの向きが被検体が寝ている平面に直交する平面内で照射中心（アイソセンター）の周りに回転することで、照射角度を任意に設定することができる回転ガントリーが装備されていることが多い。この回転ガントリーでは、加速器で加速されて水平方向に飛来する荷電粒子ビームを任意の方向に曲げて最終的に振り下ろすといった偏向動作が行われる。最近では、炭素原子核を利用する重粒子線治療装置においても、超電導磁石を使用した回転ガントリーを装備することが検討されて始めている。さらに、寝台の基部は被検体が寝ている平面内をアイソセンターを中心に回転する円盤上に固定されており、寝台の天板はその基部に対して並進移動が可能なように作られている。これにより、被検体に対し任意の方向から粒子線を照射できるようになっている。
【０００５】
従来の粒子線治療装置では、「直前に行った装置の校正・チェック」、「患者の位置決めとその補正」、及び「患者の固定」により、治療計画（照射計画）通りに照射されたとみなすことで、期待通りの照射が行われたと判断るものであった。そのため、作業途中で入ってくる照射ミスや照射誤差などが見過ごされる危険性があった。これらの問題を解決するため、ＰＥＴ装置を付加し、自己放射化を利用することで、照射された荷電粒子が停止した位置を直接画像として観察する技術（例えば、特許文献１参照。）が提案及び検討されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１８９７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
医師や放射線治療技師などの操作者（以下では、単に「操作者」という）は、患部の位置、ＰＥＴ装置、及び寝台の配置を考慮して、それぞれが総合に接触しないように照射ノズルの方向、寝台の位置、及び寝台の回転角度を設定する必要がある。従来は操作者の経験による目分量でそれらを粗調し、その後マーカー位置などで微調するという方法をとっていた。しかし、従来のＰＥＴ装置を備えた粒子線治療装置では、ＰＥＴ装置がガントリーに対して固定されているため、患部位置やＰＥＴ装置の配置などを優先して照射ノズルの回転角度と寝台の回転角度を調整しながら照射方向を決定する必要があり、最適な位置及び方向から粒子線を照射することが困難であるという場合が少なくなかった。
【０００８】
ＰＥＴ装置は検出器が並べられた範囲しか検出領域を持たず、かつ寝台を患者の体軸方向に移動させながら全身の断層像を得る動作を前提としていたため。ＰＥＴ検出器は円筒状に配置されていることが多い。また、粒子線治療装置は、荷電粒子を照射ノズルから照射し患部に到達させるものなので、荷電粒子が侵入した体表面から患部までの正常組織に軽微であってもダメージを与えてしまう。そのため、患部及びダメージを受ける可能性がある部位をリアルタイムにできるだけ正確に観察・確認しながら照射したいという理由から、ＰＥＴ装置で観察する断層面は、粒子線の照射方向（すなわち、照射ノズルの方向）を表す軸を含む断層面であることが最も望ましい。またＰＥＴ装置の視野は検出器の並べられた範囲の広さで決まり、その範囲が狭いとγ線の同時計測においてその信号を取り逃してしまう確率が増加してしまう。しかし、モニタリング用のＰＥＴ装置が固定された粒子線治療装置では、粒子線の照射方向に自由度を持たせるため多数の検出器を略円筒状に並べることは困難であった。さらに、任意の位置から照射された粒子線の照射方向を示す軸を含む断層面にＰＥＴを配置することも困難であった。
【０００９】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、任意の方向から粒子線を照射可能であって、かつ被検体から発生されるγ線を検出するＰＥＴ検出器を備えた粒子線治療装置及びその制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の粒子線治療装置は、被検体を載置する天板と、前記天板を載置平面内で回転させる天板回転手段と、前記天板を前記被検体の体軸方向に並進移動させる天板移動手段と、前記天板に載置された前記被検体に向けて粒子線を照射する粒子線照射手段と、前記粒子線照射手段を前記載置平面と直交する特定の平面内で被検体の周りを回転移動させる照射ノズル回転手段と、前記粒子線照射手段と前記被検体との間に、略筒型の形状で該筒内に前記被検体を囲うように配置され、かつ粒子線照射手段からの前記粒子線を通過させる開口を有し、前記粒子線が前記被検体に照射されたときに発生するγ線を検出するＰＥＴ検出器と、前記ＰＥＴ検出器を前記粒子線の照射方向の軸の周りに回転可能に保持する第１支持アームと、前記第１支持アームを前記体軸の周囲に回転可能に（より詳しくは、前記照射ノズル回転手段の回転軸の周りに）保持する第２支持アームと、前記ＰＥＴ検出器で検出されたγ線を基に画像を生成する画像生成手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項７に記載の粒子線治療装置制御方法は、被検体を載置する天板と、前記天板を載置平面内で回転させる天板回転手段と、前記天板を前記被検体の体軸方向に並進移動させる天板移動手段と、前記天板に載置された前記被検体に向けて粒子線を照射する粒子線照射手段と、前記粒子線照射手段を前記載置平面と直交する特定の平面内で被検体の周りを回転移動させる照射ノズル回転手段と、前記粒子線照射手段と前記被検体との間に、略筒型の形状で該筒内に前記被検体を囲うように配置され、かつ粒子線照射手段からの前記粒子線を通過させる開口を有し、前記粒子線が前記被検体に照射されたときに発生するγ線を検出するＰＥＴ検出器と、前記ＰＥＴ検出器を前記粒子線の照射方向の軸に回転可能に保持する第１支持アームと、前記第１支持アームを前記体軸の周りに（より詳しくは、前記照射ノズル回転手段の回転軸の周りに）回転可能に保持する第２支持アームと、前記ＰＥＴ検出器で検出されたγ線に基づいて画像を生成する画像生成手段と、を備えた粒子線治療装置を制御する粒子線治療装置制御方法であって、前記粒子線照射手段の回転の角度にかかわらず照射された粒子線が常に通過する点である照射中心を原点とする座標空間のベクトルで表される前記被検体への粒子線の照射方向の条件を入力として受ける段階と、前記ベクトルに基づいて、前記粒子線照射手段の回転角度θを算出し、前記粒子線照射手段を該角度θ回転させる段階と、前記ベクトルに基づいて、前記天板の回転角度ψを算出し、前記天板を該角度ψ回転させる段階と、前記角度θ及び前記角度ψに基づいて、前記粒子線の照射方向が前記被検体の照射対象部位を通過するよう前記天板を前記体軸方向に並進移動させる段階と、前記第２支持アームにより前記ＰＥＴ検出器を保持する前記第１支持アームを前記θとほぼ同じ角度で回転させる段階と、前記第１支持アームによる前記ＰＥＴ検出器の回転角度φを算出し、前記第１支持アームにより前記ＰＥＴ検出器を該角度φ回転させる段階と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の粒子線治療装置及び請求項７に記載の粒子線治療装置制御方法は、被検体と粒子線照射手段との間に一部に開口を有する略筒型のＰＥＴ検出器を配置し、それを支持するアーム部分に２つの回転自由度を備えた構成である。また、粒子線の被検体への照射により発生するγ線をＰＥＴ検出器で検出することで被検体における粒子線によって破壊された部位を確認することができる構成となっている。これにより、機械的干渉（すなわち、機械同士の衝突）を発生させずに任意の方向から被検体に向けて粒子線を照射できるとともに、ＰＥＴ検出器の視野を最大限に確保することが可能となる。したがって、効果的かつ安全な方向から被検体に向けて粒子線が照射できるとともに、患部に向けて的確な粒子線の照射をおこなうことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
〔第１の実施形態〕
以下、この発明の第１の実施形態に係る粒子治療装置について図１〜図３を参照して説明する。図１は本発明に係る粒子線治療装置における機能を表すブロック図である。図２（Ａ）は本発明に係る粒子線治療装置を回転ガントリーの回転軸方向から見込んだ模式的な正面図である。図２（Ｂ）は本発明に係る粒子線治療装置の模式的な側面図である。図３は本発明に係る粒子線治療装置の模式的な上面図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態に係る粒子線治療装置は、粒子線治療部１００、ＰＥＴ部２００、表示制御部０２０、及び入力部０１１と表示部０１２を有するユーザインタフェース０１０を備えている。この粒子線治療装置は、本来は粒子線治療部１００から照射される粒子線を被検体の患部に照射し、患部の細胞を破壊することで治療を行う装置である（以下では、粒子線を照射する対象とする患部を「照射対象部位」という）。ただし、粒子線が被検体のどの部分にあたっているかを把握するために補助的にＰＥＴ部２００を有している。すなわち、ＰＥＴ部２００を用いて把握される粒子線の照射位置に基づいて、正確に照射対象部位に向けて粒子線の照射を行い効果的な治療を行うことができる。そのため、本実施形態に係る収支線治療装置では、まず粒子線の照射方向を最適な位置に設定するように粒子線照射部１０３及び天板１１０を移動させることに主とし、その粒子線の照射を妨げないように、すなわち、粒子線の照射野を妨げないこと、及び接触などの機械的な干渉を起こさないことを目的としてＰＥＴ検出部２０１を移動させることになる。ただし、実際には、粒子線照射部１０３、天板１１０、及びＰＥＴ検出部２０１の移動は連動して行われる。以下では、まず粒子線治療部１００について説明し、その後ＰＥＴ部２００について説明する。
【００１５】
粒子線治療部１００は、粒子線発生／加速器１０１、粒子線伝送部１０２、粒子線照射部１０３（照射ノズル）、照射ノズル回転部１０４（回転ガントリー）、及び照射ノズル回転制御部１０５から構成されている。
【００１６】
粒子線発生／加速器１０１は、イオン源と、直線加速器、サイクロトロン、シンクロトロンなどの加速器（いずれも図示しない）で構成されている。粒子線発生／加速器１０１は、イオン源で陽イオン（例えば、水素イオン、ヘリウムイオン、炭素イオン、ネオンイオン等）を発生させる。次に、粒子線発生／加速器１０１は発生させた陽イオンを加速器で所定のエネルギーまで加速する。具体的には、例えば、発生した陽イオンを直線加速器で加速し、その直線加速器から射出された陽イオンをさらにシンクロトロンなどでさらに加速することで所定のエネルギーまでの加速が行われる。そして、粒子線発生／加速器１０１は、所定のエネルギーを有する陽イオンを粒子線伝送部１０２に射出する。
【００１７】
粒子線伝送部１０２は、粒子線発生／加速器１０１から粒子線照射部１０３へと繋がるビーム経路（不図示）を有している。粒子線伝送部１０２は、粒子線発生／加速器１０１から射出された陽イオンをビーム経路を経由させて粒子線照射部１０３へと伝送する。
【００１８】
粒子線照射部１０３は、図２（Ａ）に示すように照射ノズル回転部１０４の一部に設置されている。そして、粒子線照射部１０３は照射ノズル回転部１０４の回転とともに被検体の周りを回転可能となっている。粒子線照射部１０３は、粒子線伝送部１０２から伝送された陽イオンを被検体に向けて照射する。ただし、実際には粒子線照射部１０３は常に照射中心（アイソセンター）に向けて粒子線の照射を行う。粒子線照射部１０３の回転の基準位置を図２（Ａ）のように位置Ｐ１に位置している状態とする。すなわち、被検体を真下に見る位置に粒子線照射部１０３が位置している状態を粒子線照射部１０３の角度θ＝０の状態とする。この粒子線照射部１０３が本発明における「粒子線照射手段」にあたる。
【００１９】
照射ノズル回転部１０４は、図２（Ａ）に示すように側面から見ると中心軸Ｓを中心に円形をしているガントリー及び該ガントリーを回転させるモータ（不図示）で構成されている。ここで、図２（Ｂ）に示すように図２（Ａ）の中心軸Ｓは照射中心を通過する軸で、図２（Ａ）の紙面正面から裏面に向けて貫通している軸を表している。また以下の説明では、中心軸Ｓに直交し照射中心を貫通する平面を平面αとする。照射ノズル回転部１０４のガントリーは平面α内を回転移動するため平面αは固定平面である。そして、照射ノズル回転部１０４のガントリーは、図２（Ｂ）に示すように中心軸Ｓに沿う方向に厚みを有した略筒型の形状を有している。さらに、照射ノズル回転部１０４のガントリーは、中心軸Ｓを中心に回転を行う。これにより、粒子線照射部１０３も中心軸Ｓを中心に回転を行うことになる。本実施形態では、図２（Ａ）における点Ｐ１を基準位置として点Ｐ１からの粒子線照射部１０３までの角度を平面αにおける照射角度とする。具体的には、中心軸Ｓに向けて照射角度θで粒子線を照射する場合には、照射ノズル回転部１０４のガントリーは照射角度θ分回転することになる。この照射ノズル回転部１０４が本発明における「照射ノズル回転手段」にあたる。
【００２０】
天板１１０は床に平行で人が寝られる大きさの板状の形状を有している。天板１１０の上には、粒子線治療を行う対象である被検体（以下では、単に「被検体」と呼ぶ。）を載置する。この被検体が載置されている平面を「載置平面」と呼ぶことにする。天板１１０は、天板移動部１０８により載置した被検体の体軸方向またはその直交方向に並進移動が行われる。また、天板１１０は、天板回転部１０６により載置平面（天板１１０と平行な平面）内で回転移動が行われる。
【００２１】
天板移動部１０８は、天板１１０を被検体の体軸方向またはその直交方向への並進移動を可能とする機構と、該並進移動を可能とする機構を動かすモータを有している。天板移動部１０８は、自己が有するモータを駆動することで天板１１０を被検体の体軸方向またはその直交方向に移動させる。具体的には、例えばモータによりギアなどの回転部材を回転させて、ギアとかみ合う水平移動部材が移動することで天板１１０が並進移動する構成になっている。この天板移動部１０８が本発明における「天板移動手段」にあたる。
【００２２】
天板回転部１０６は、天板移動部１０８及び天板１１０を天板１１０と平行な平面内で回転可能とするための円盤、該円盤を動かすモータを有している。天板回転部１０６は、自己が有するモータを駆動することで天板１１０と平行な平面内で天板１１０及び天板移動部１０８をアイソセンターを中心に回転させることができる。すなわち、天板回転部１０６は、図３で示す矢印Ｂのように天板１１０及び天板移動部１０８を回転移動させる。この天板１１０と平行な平面でかつ被検体の体軸を含む平面を平面βとする。この天板回転部１０６が本発明における「天板回転手段」にあたる。
【００２３】
ＰＥＴ部２００は、図１に示すように、ＰＥＴ検出部２０１、画像生成部２０２、第１支持アーム２０３、第１制御部２０４、第２支持アーム２０５、及び第２制御部２０６から構成されている。
【００２４】
ＰＥＴ検出部２０１は、図２（Ａ）に示すように、照射ノズル回転部１０４及び粒子線照射部１０３の内側に天板１１０及び天板１１０に載置された被検体を囲むように配置されている。そして、ＰＥＴ検出部２０１は、図２（Ｂ）に示すように中心軸Ｓに沿う方向に厚みを有し、さらに粒子線照射部１０３と照射中心との間に粒子線を通過させるための第１の開口部、及び被検体から見て粒子線照射部１０３と反対側の部分（第１の開口部と反対側の部分）に第２の開口部を有した略筒型の形状を有している。ここで、略筒型の形状とは被検体から一定距離の周囲の一定範囲を覆う形状であればよい。それぞれの開口部は小さいほどよく、後に説明するように粒子線の照射野が通過できる範囲の大きさがあればよい。第１の開口部及び第２の開口部によってＰＥＴ検出部２０１の筒型は２つの部分（図２における紙面に対し左右対称のＣ字型の部分）に分割されている。そして、ＰＥＴ検出部２０１は、図３に示すように、第２支持アーム２０５の円弧部分に沿って動くようになっており、第２支持アーム２０５が水平の場合には第１支持アーム２０３で天板１１０と平行な平面βと平行な方向に回転可能に保持される。すなわち、ＰＥＴ検出部２０１は矢印Ｃで示すように平面βと平行な方向に回転移動する。さらに、ＰＥＴ検出部２０１は、図３に示すように、第２支持アーム２０５で図３における被検体の体軸方向の周りに回転可能に保持されている。すなわち、図３の状態（すなわち、未だいずれの方向にも回転を行っていない状態）ではＰＥＴ検出部２０１は矢印Ａで示すように平面αと平行な平面内で回転移動する。このＰＥＴ検出部２０１が本発明における「ＰＥＴ検出器」にあたる。
【００２５】
ここで、本実施形態では、被検体に照射された粒子線のうち被検体を通過した粒子線がＰＥＴ検出部２０１あたることで障害が発生したり故障したりすることの回避、及び天板１１０へのＰＥＴ検出部２０１の接触の回避のために第２の開口部を設けている。ただし、粒子線が被検体を通過する量は極めて少ないと考えられるため、ＰＥＴ検出部２０１に微小の粒子線があたることを許容でき、低い角度（天板１１０とＰＥＴ検出部２０１が接触するような角度）からの粒子線の照射を行わない場合には第２の開口部を有さない構成にしてもよい。この点、ＰＥＴ検出部２０１の形状をより大きな筒形にすれば天板１１０との接触が避けられるとも考えられるが、この場合ＰＥＴ検出部２０１が被検体から離れた位置に配置されることになり、γ線の検出効率が低下するため好ましくない。
【００２６】
ＰＥＴ検出部２０１は、最も一般的な構成では、前述の筒型の部分の内側の全面に多数のシンチレータアレイが配置されている。シンチレータアレイは、γ線を検出するシンチレータ結晶と微弱光パルスを高速かつ高感度に検出する光電子倍増管から構成されている。そして、ＰＥＴ検出部２０１は、粒子線照射部１０３から照射された粒子線が被検体の体内にあたることで発生したγ線をシンチレータアレイで検出する。さらに、ＰＥＴ検出部２０１は、検出したγ線に基づく電気信号を画像生成部２０２へ出力する。
【００２７】
画像生成部２０２は、ＰＥＴ検出部２０１から電気信号の入力を受信する。画像生成部２０２は、受信した電気信号に対し同時計測などの信号処理を行った後、画像処理によりＰＥＴ画像を生成する。画像生成部２０２は生成したＰＥＴ画像を表示制御部０２０へ出力する。この画像生成部２０２が本発明における「画像生成手段」にあたる。
【００２８】
表示制御部０２０は、画像生成部２０２から入力されたＰＥＴ画像をユーザインタフェース０１０の表示部０１２に表示させる。この様に、被検体に粒子線が当たった際に放出されるγ線の発生した位置を表したＰＥＴ画像が表示部０１２に表示されることで、操作者は被検体における粒子線があたった位置を把握することができ、その画像を基に粒子線の照射位置を調整できる。これにより、より正確に照射対象部位に粒子線の照射を行うことが可能となる。
【００２９】
第１支持アーム２０３は、本実施形態では図３に示すように天板１１０と逆方向から被検体を見下ろした状態でＣ字型の形状をしている。さらに、第１支持アーム２０３は該Ｃ字型の部材を回転させるためのモータを有している。そして、第１支持アーム２０３のＣ字型の部材の両端にはＰＥＴ検出部２０１の２分割された筒型の各部分がそれぞれ固定されている。第１支持アーム２０３は矢印Ｃの方向にＰＥＴ検出部２０１を保持した状態でモータを駆動させることで、ＰＥＴ検出部２０１の２つの開口部を通過する軸を中心にＰＥＴ検出部２０１を回転させる。例えば、第１支持アーム２０３が図３の状態からモータによりＣ字型の部材を角度φ回転することで、ＰＥＴ検出部２０１は平面βと平行な方向に粒子線の放射方向の軸を中心に角度φ回転する。ここで、本実施形態では第１支持アーム２０３はＣ字型としたが、これはＰＥＴ検出部２０１の２つの部材を向き合う形で固定できる形状で回転可能な形状あれば他の形状でもよい。
【００３０】
第２支持アーム２０５は、図３に示すように第１支持アーム２０３を保持することでＰＥＴ検出部２０１を保持する保持部材と、該保持部材を回転させるモータで構成されている。第２支持アーム２０５は、第１支持アーム２０３及びＰＥＴ検出部２０１を被検体の体軸方向の周りに回転可能となるように保持している。第２支持アーム２０５はモータを駆動することで保持部材を回転させ、それにより第１支持アーム２０３を矢印Ａの方向に回転させる。そして、第２支持アーム２０５に保持された第１支持アーム２０３が被検体の体軸方向の周りに回転することで、第１支持アーム２０３に保持されたＰＥＴ検出部２０１が被検体の体軸方向の周りに回転移動を行うことになる。例えば、図３に示されている初期の状態では、第１支持アーム２０３によるＰＥＴ検出部２０１の回転が行われていないため、ＰＥＴ検出部２０１と照射ノズル回転部１０４とは同じ回転平面を有する。すなわち、第２支持アーム２０５が角度θ回転することより、ＰＥＴ検出部２０１は平面α内を図３における被検体の体軸を中心に角度θ回転する。
【００３１】
本実施形態に係る粒子線治療装置では、治療計画に含まれる粒子線の照射方向に基づいて、適切な方向から粒子線の照射が行えるように、操作者が粒子線照射部１０３、天板１１０、及びＰＥＴ検出部２０１を手動で各部材が接触しないように移動させる。すなわち、操作者は、粒子線照射部１０３の回転及び天板１１０の回転／並進移動を調整することにより粒子線の適切な照射方向を決定し、さらに、その粒子線の照射野をＰＥＴ検出部２０１が遮らないように、且つＰＥＴ検出部２０１の開口部を照射方向の中心軸が通過するようにＰＥＴ検出部２０１を移動させる。これにより、適切な方向からの被検体への粒子線の照射と、その時に発生するγ線の検出及びＰＥＴ画像の生成並びに表示を行うことが可能となる。
【００３２】
次に、図４を参照して本実施形態に係る粒子線治療装置の粒子線照射及びＰＥＴ画像の作成の流れを説明する。図４は本実施形態に係る粒子線治療装置の粒子線照射及びＰＥＴ画像の作成のフローチャート図である。
【００３３】
ステップＳ００１：操作者は、粒子線の照射の方向の条件を含む治療計画を作成する。
【００３４】
ステップＳ００２：操作者は、治療計画における粒子線の照射の方向の条件を基に、粒子線照射部１０３、天板１１０、ＰＥＴ検出部２０１を移動させる。
【００３５】
ステップＳ００３：粒子線照射部１０３は、粒子線を被検体の照射対象部位に向けて照射する。
【００３６】
ステップＳ００４：ＰＥＴ検出部２０１は、粒子線が照射され被検体で発生したγ線をシンチレータアレイで検出し、検出したγ線に基づく電気信号を同時計測などの信号処理を行った後、画像生成部２０２に送信する。
【００３７】
ステップＳ００５：画像生成部２０２は、ＰＥＴ検出部２０１より入力された電気信号を処理しＰＥＴ画像を生成して表示制御部０２０に送信する。
【００３８】
ステップＳ００６：表示制御部０２０は、画像生成部２０２から入力されたＰＥＴ画像を表示部０１２に表示させる。
【００３９】
以上で説明したように、本実施形態に係る粒子線治療装置は、任意の方向に開口部を向けることができる被検体の周囲のほぼ全域を囲うＰＥＴ検出部を備えた構成である。これにより、ＰＥＴ検出部に遮られることなく任意の方向から粒子線を被検体に向けて照射できるとともに、ＰＥＴ装置の視野を最大限にして精度よくγ線の検出を行うことが可能となる。したがって、本実施形態に係る粒子線治療装置は、粒子線治療の効果の向上に利用することができる。
【００４０】
〔第２の実施形態〕
以下、この発明の第２の実施形態に係る粒子治療装置について図１〜図６を参照して説明する。本実施形態にかかる粒子線治療装置は、入力された粒子線の照射の方向の条件に基づいて、粒子線照射部（照射ノズル）、天板、ＰＥＴ検出部を自動的に移動させる構成であることが第１の実施形態と異なるものである。本実施形態に係る粒子線治療装置の機能ブロック図は第１の実施形態に係る図１の機能ブロック図に点線で示す機能部を加えた構成である。図５は本実施形態に係る粒子線治療装置における、入力された照射条件に基づく、天板、粒子線照射部、及びＰＥＴ検出部の回転移動を説明するための図である。図６は、回転移動の角度を算出するため、図５を局所直交座標系で表わした図である。以下の説明では、第１の実施形態と同じ符号を有する機能部は、特に説明のない限り同じ機能を有するものとする。
【００４１】
図１の点線で示すように、本実施形態に係る粒子線治療装置は、照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部の回転を制御する照射ノズル回転制御部１０５、天板回転部１０６による天板１１０の回転を制御する天板回転制御部１０７、天板移動部１０８による天板１１０の並進移動を制御する天板移動制御部１０９、第１支持アーム２０３によるＰＥＴ検出部２０１の回転を制御する第１制御部２０４、及び第２支持アーム２０５によるＰＥＴ検出部２０１の回転を制御する第２制御部２０６を有する。
【００４２】
粒子線発生／加速器１０１で発生・加速された陽イオンは、粒子線伝送部１０２に射出される。 粒子線伝送部１０２は、陽イオンをビーム経路を経て粒子線照射部１０３へと伝送する。粒子線照射部１０３は被検体に向けてこの荷電粒子を照射する。
【００４３】
粒子線照射部１０３及び照射ノズル回転部１０４の構造は図２（Ａ）及び図２（Ｂ）で示す第１の実施形態と同様である。照射ノズル回転部１０４は、アイソセンター（回転軸Ｓ上にある）に向けて照射角度θで粒子線を照射する場合には、粒子線照射部１０３を照射角度θ回転させる。
【００４４】
照射ノズル回転制御部１０５は、ＣＰＵ及びエンコーダを有している。該エンコーダは照射ノズル回転部１０４のガントリーの回転移動した量を求めるためのエンコーダである。照射ノズル回転制御部１０５は入力部０１１から入力された照射方向の条件に基づいて、粒子線照射部１０３の回転を制御する。具体的には、照射ノズル回転制御部１０５は、入力部０１１から入力された照射条件を基に照射ノズル回転部１０４を回転させる角度θを算出する。この入力された照射条件に基づく照射ノズル回転部１０４の回転角度θの算出方法は後で詳細に説明する。次に、照射ノズル回転制御部１０５は、照射ノズル回転部１０４に回転の命令を送信し照射ノズル回転部１０４の回転を開始させる。そして、照射ノズル回転制御部１０５は、自己が有するエンコーダを用いて照射ノズル回転部１０４の回転した量を取得し、該角度が算出した角度θに達したときに照射ノズル回転部１０４に対し停止命令を送信し照射ノズル回転部１０４の回転を停止させる。ここで、照射ノズル回転制御部１０５は本発明に係る「照射ノズル回転制御手段」にあたる。
【００４５】
天板１１０、天板移動部１０８、及び天板回転部１０６の構造は第１の実施形態と同様である。
【００４６】
天板移動制御部１０９は、ＣＰＵ及びエンコーダを有している。該エンコーダは天板１１０の並進移動した距離を求めるためのエンコーダである。例えばモータによりギアなどの回転部材を回転させ、ギアとかみ合う並進移動部材を移動させることで天板１１０が並進移動する構成では、エンコーダが回転部材の回転量を取得することで天板１１０の並進移動した距離を求めることができる。天板移動制御部１０９は、入力部から入力された照射条件を基に天板１１０を体軸方向に並進移動させるそれぞれの距離Ｌを算出する。この距離Ｌが並進移動させる目標とする距離となる。この入力された照射条件に基づく天板１１０の並進移動距離Ｌの算出方法は後で詳細に説明する。次に、天板移動制御部１０９は、天板移動部１０８に天板１１０の並進移動の命令を送信してモータの駆動を開始させ、天板１１０の並進移動を開始させる。そして、天板移動制御部１０９は、自己が有するエンコーダを用いて天板移動部１０８が有する回転部材の回転量を取得し、その回転量から天板１１０の並進移動した距離を算出する。そして、天板移動制御部１０９は、天板１１０の並進移動した距離が目標とする並進移動距離Ｌに達したときに天板移動部１０８に対し停止命令を送信して天板移動部１０８のモータを停止させ、天板１１０の並進移動を停止させる。ここで、天板移動制御部１０９は本発明に係る「天板移動制御手段」にあたる。
【００４７】
天板回転制御部１０７は、ＣＰＵ及びエンコーダを有している。該エンコーダは天板１１０と平行な平面β内での天板１１０の回転量を求めるためのエンコーダである。天板回転制御部１０７は、入力部０１１から入力された照射条件に基づいて天板１１０と平行な平面βでの天板１１０の回転させる回転角度ψを算出する。この入力された照射条件に基づく天板１１０の回転角度ψの算出方法は後で詳細に説明する。次に、天板回転制御部１０７は、天板回転部１０６に天板１１０の回転の命令を送信してモータの駆動を開始させ、平面βと平行な面内で天板１１０の回転を開始させる。そして、天板回転部１０６は、自己が有するエンコーダを用いて天板回転部１０６の回転した回転量を取得する。そして、天板回転制御部１０７は、天板１１０の回転量が目標とする回転角度ψに達したときに天板回転部１０６に対し停止命令を送信して天板回転部１０６のモータを停止させ、天板１１０の回転を停止させる。ここで、天板回転制御部１０７は本発明に係る「天板回転制御手段」にあたる。
【００４８】
ＰＥＴ検出部２０１、第１支持アーム２０３、及び第２支持アーム２０５は、図３に示す第１の実施形態と同様の構造を有している。
【００４９】
本実施形態に係るＰＥＴ検出部２０１も被検体の周りを囲うように配置され、且つ２分割された略筒型をしている。ＰＥＴ検出部２０１は第１支持アーム２０３に取り付けられ、第１支持アーム２０３は矢印Ｃで示すように第２支持アーム２０５の円弧部分に沿って（平面βと平行な方向）に回転移動する。さらに、第２支持アーム２０５は、図３に示されている矢印Ａの方向（平面αと平行な方向）に回転移動する。
【００５０】
第１支持アーム２０３は、ＰＥＴ検出部２０１の２つの開口部を通過する軸の周りにＰＥＴ検出部２０１の回転移動を行う。例えば、第１支持アーム２０３が図３の状態からモータによりＣ字型の部材を角度φ回転することで、ＰＥＴ検出部２０１は粒子線の放射方向の軸の周りに角度φだけ回転する。
【００５１】
第１制御部２０４は、ＣＰＵ及び図３に示すエンコーダ３０１を備えている。エンコーダ３０１は第１支持アーム２０３のＣ字型の部材が回転した回転量を検出する。第１制御部２０４は、入力部０１１から入力された照射方向の条件を基に、第１支持アーム２０３のＣ字型の部材を回転させる角度φを算出する。次に、第１制御部２０４は第１支持アーム２０３に対し回転の命令を送信してモータの駆動を開始させ、第１支持アーム２０３のＣ字型の部材の回転を開始させる。そして、第１制御部２０４は、自己が有するエンコーダ３０１を用いて第１支持アーム２０３のＣ字型の部材が回転した回転量を取得する。そして、第１制御部２０４は、第１支持アーム２０３の回転した回転量が目標とする回転角度φに達したときに第１支持アーム２０３に対し停止命令を送信して第１支持アーム２０３のモータを停止させ、第１支持アーム２０３のＣ字型の部材の回転を停止させる。このとき、第１支持アーム２０３が回転することで第１支持アーム２０３に固定されたＰＥＴ検出部２０１も同様の回転移動を行う。ここで、第１制御部２０４は本発明に係る「第１制御手段」にあたる。
【００５２】
第２支持アーム２０５は、ＰＥＴ検出部２０１を搭載した第１支持アーム２０３を照射ノズル回転部１０４（回転ガントリー）の回転軸の周りに回転させる。例えば、図３の状態では第２支持アーム２０５が角度θ回転することより、ＰＥＴ検出部２０１は平面α内を図３における被検体の体軸の周りに角度θ回転することになる。
【００５３】
第２制御部２０６は、ＣＰＵ及び図３に示すエンコーダ３０２を備えている。エンコーダ３０２は第２支持アーム２０５の保持部材が回転した回転量を検出する。第２制御部２０６は、入力部０１１から入力された照射方向の条件に基づいて、第２支持アーム２０５の保持部材を回転させる角度θを算出する。次に、第２制御部２０６は第２支持アーム２０５に対し回転の命令を送信してモータの駆動を開始させ、第２支持アーム２０５のＣ字型の部材の回転を開始させる。そして、第２制御部２０６は、自己が有するエンコーダ３０２を用いて第２支持アーム２０５の保持部材が回転した回転量を取得する。そして、第２制御部２０６は、第２支持アーム２０５の回転した回転量が目標とする回転角度θに達したときに第２支持アーム２０５に対し停止命令を送信して第２支持アーム２０５のモータを停止させ、第２支持アーム２０５の保持部材の回転を停止させる。このとき、第２支持アーム２０５の保持部材が回転することで第１支持アーム２０３のＣ字型の部材が回転し、さらに第１支持アーム２０３のＣ字型の部材に固定されたＰＥＴ検出部２０１も同様の回転移動を行う。ここで、第２制御部２０６は本発明に係る「第２制御手段」にあたる。
【００５４】
また、以上の照射ノズル回転制御部１０５、天板回転制御部１０７、天板移動制御部１０９、第１制御部２０４、及び第２制御部２０６を合わせたものが本発明における「制御手段」にあたる。
【００５５】
（各部材の回転角度の算出方法）
次に、図５及び図６を参照して、治療計画に基づく、照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部１０３の回転角度θ、天板回転部１０６による天板１１０の回転角度ψ、第１支持アーム２０３によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度φ、及び第２支持アーム２０５によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度ηを算出する方法を詳細に説明する。図５は被検体への粒子線の照射方向を表すベクトルを表した図である。ここで、図５の座標系は被検体が寝ている平面βをＸＹ平面とし、粒子線照射部１０３及び照射ノズル回転部１０４が動く平面αをＹＺ平面にした直交座標空間である。この図５の直交座標系を０−ＸＹＺと呼ぶことにする。
【００５６】
操作者は、予めＸ線診断装置などで撮像した被検体の患部の画像を基に、その患部を粒子線の照射対象部位とする治療計画を立てる。この治療計画には、粒子線の照射侵入位置及び方向の条件、粒子線の照射量などが含まれる。そして、操作者は、粒子線の照射方向をベクトルとして入力する。この入力は、操作者が、ユーザインタフェース０１０に表示された被検体の照射対象部位が原点に配置された三次元座標空間を参照し、その照射対象部位、すなわち原点に向けて照射したい始点を指定することで、その座標の原点から指定された始点へのベクトルが指定され、そのベクトルが照射方向の条件として入力される。ここで、ベクトルとはあくまでも方向を表すだけの意味で用いており、その大きさは問題にはしない。そこで、ここでは、便宜上入力されるベクトルは大きさ１の単位ベクトルとする。以下、このベクトルをｅｎとする。ｅｎは単位ベクトルであるので｜ｅｎ｜＝１となっている。
【００５７】
ここで、操作者にとって照射方向は照射対象の中心を通り且つ体軸を基準とした直交座標系で表すことがわかりやすいことから、被検体の体軸が一つの軸と一致する局所直交座標系を考える。そこで、この局所直交座標系のそれぞれの軸をＸ’Ｙ’Ｚ’軸とし、０’−Ｘ’Ｙ’Ｚ’の座標系とする。そして、Ｘ’軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸方向の単位ベクトルをそれぞれ、ｅ１’、ｅ２’、ｅ３’とおく。被検体を載置した天板１１０は水平に保たれたまま、平行移動や回転移動が行われるため、Ｚ軸とＺ’軸は同じ方向を向いているものとする。すなわち、ｅ３’＝ｅ３である。そして、入力された粒子線の照射の条件であるｅｎは０’−Ｘ’Ｙ’Ｚ’の座標系ではｅｎ’で表わされるものとする。この局所直交座標系における模式図が図６である。
【００５８】
まず、照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部１０３の回転量θを算出する。図５における粒子線照射部１０３が回転する０−ＸＹＺにおけるＹＺ平面は、図６で示されるｅｎ’とｅ３’が張る平面Σに対応している必要がある。そのため、ｅｎ’とｅ３’がなす角度がθになる。したがって、粒子線照射部１０３の回転角度、すなわち、照射ノズル回転部１０４の回転角度θは、
ｃｏｓθ＝（ｅｎ’・ｅ３’）／｜ｅｎ’｜・｜ｅ３’｜＝（ｅｎ’・ｅ３’）
と表わされる。
（ここで、（Ａ・Ｂ）は、ベクトルＡとベクトルＢとの内積を表す。また、（Ａ×Ｂ）はベクトルＡとベクトルＢとの外積を表す。以下同じ。）
したがって、
θ＝ｃｏｓ−１（（ｅｎ’・ｅ３’））
と求められる。
【００５９】
次に、天板回転部１０６による天板１１０の回転量ψを算出する。図５に示されるように、天板回転部１０６の回転角度ψは、ｅｎ’のＸ’Ｙ’平面の正射影成分ｅｎ（ＸＹ）’と、ｅ１’とがなす角度となることから、
ｃｏｓψ＝［｛ｅｎ’−（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｝・ｅ１’］／｜ｅｎ’−（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｜・｜ｅ１’｜＝［｛ｅｎ’−（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｝・ｅ１’］／｜ｅｎ’−（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｜
したがって、
ψ＝ｃｏｓ−１［｛ｅｎ’−（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｝・ｅ１’］／｜ｅｎ’−（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｜
と求められる。
【００６０】
ここで、被検体の体軸方向の単位ベクトルｅ１’（Ｘ’軸方向の単位ベクトル）は、直交座標系０−ＸＹＺ上における被検体の体軸方向の単位ベクトルｅｐに対応する。したがって、先に求めた天板回転部１０６による天板１１０の回転量ψを用いて表すと、
ｅｐ＝（ｓｉｎψ，−ｃｏｓψ，０）
と表わされる。
【００６１】
また、直交座標系０−ＸＹＺ上における粒子線の照射の方向の中心軸の単位ベクトルｅｎを先に求めた照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部１０３の回転量θを用いて表すと、
ｅｎ＝（０，−ｓｉｎθ，ｃｏｓθ）
と表わされる。
【００６２】
次に、ＰＥＴ検出部２０１を回転移動させる第１支持アーム２０３の回転角度φ、及び第２支持アーム２０５の回転角度ηを算出する。ここで、本実施形態では図３の状態（第１支持アーム２０３及び第２支持アーム２０５の何れも回転を行っていない状態）から、先ず第２支持アーム２０５によりＰＥＴ検出部２０１を平面α内で回転させ、粒子線照射部１０３から粒子線の照射方向の中心軸がＰＥＴ検出部２０１の開口部を通過するように回転角度ηを求め、次に、回転角ηの第２支持アーム２０５による回転を行った状態を想定し、その状態で第１支持アーム２０３を粒子線照射部１０３から粒子線の照射方向の中心軸の周りに回転させて、ＰＥＴ検出部２０１が天板１１０に直交する角度になるように回転角度φを求める。ここで、ＰＥＴ検出部２０１を天板１１０に直交する角度にする理由は、ＰＥＴ検出部２０１を含む平面Π（以下、単に「平面Π」という）が粒子線の照射方向の単位ベクトルｅｎと被検体の体軸方向の単位ベクトルｅｐが張る平面と直交していれば、ＰＥＴ検出部２０１と被検体を載置した天板１１０との干渉が防止できるからである。
【００６３】
そこで、第２支持アーム２０５によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度ηを考える。粒子線照射部１０３は先に求めた回転量θの回転を行っている。そして、図３の状態ではＰＥＴ検出部２０１は照射ノズル回転部１０４と同じ平面αに位置している。したがって、ＰＥＴ検出部２０１は平面α内を回転量θ分移動することで、ＰＥＴ検出部２０１の開口部が粒子線照射部１０３からの粒子線の照射方向に一致することになる。すなわち、回転量θの回転を行うことで粒子線の照射方向の中心軸は開口部を通過するようになる。したがって、理想的には第２支持アーム２０５の回転角度ηは照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部１０３の回転角度θと一致すればよい。すなわち、η＝θとなる。
【００６４】
ここで、上記の制御では、第２支持アーム２０５によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度ηと照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部１０３の回転角度θを一致させていたが、実用上は正確に一致する必要はなく、粒子線の照射野がＰＥＴ検出部２０１の開口部を通過する位置ならば多少のずれは許容される。ＰＥＴ検出部２０１と天板１１０が機械的に干渉しなければ、例えば±１０度のずれが許容されるといったこともありうる。
【００６５】
次に、第２支持アーム２０５によってＰＥＴ検出部２０１が平面α内を回転角度θ回転させられた状態での、第１支持アーム２０３によるＰＥＴ検出部２０１の粒子線の照射方向の中心軸周りの回転角度φを求める。図３の状態から第２支持アーム２０５によってＰＥＴ検出部２０１が平面α内で角度θ回転させられた状態を第１支持アーム２０３の回転の基準、すなわちφ＝０と決める。そしてφ＝０の場合、平面Πと平面α（ＹＺ平面）は一致しており、平面Πの法線はＸ軸と平行になる。このとき、「ｅｎとｅｐの外積」と「Ｘ軸（＝ｅ１）」のなす角度がφになる。ここで、ｅｎとｅｐは、前述したようにすでに求められていることに注意されたい。
そこで、
ｃｏｓφ＝（ｅｎ×ｅｐ）・ｅ１／｜ｅｎ×ｅｐ｜・｜ｅ１｜＝（ｅｎ×ｅｐ）・ｅ１／｜ｅｎ×ｅｐ｜
が成り立ち、
φ＝ｃｏｓ−１｛ｃｏｓθ・ｃｏｓψ／（１−ｓｉｎ２θ・ｃｏｓ２ψ）１／２｝
としてφが求められる。
【００６６】
ここで、特殊なケースとして、上述のφの分母が０になる場合、すなわちθ＝π／２（ｒａｄ）で且つθ＝０（ｒａｄ）の場合は、上述のφは不定になってしまう。この場合、便宜的にφ＝０（ｒａｄ）（Ｘ軸が平面Πに含まれている状態、すなわち被検体の左右にＰＥＴ検出部２０１が配置された状態）、又はφ＝π／２（ｒａｄ）（Ｘ軸が平面Πと直交している場合、すなわち被検体の腹部と背面にＰＥＴ検出部２０１が配置された状態）に第１支持アーム２０３の制御を行うように決めておけばよい。
【００６７】
そして、算出した回転角度を基に、それぞれの部材の回転を実行することで被検体の体軸の方向は入力された照射方向の条件に適合するように移動される。そこで、最後に天板移動部１０８は、体軸が適切に移動させられた状態での天板の位置に載置した被検体の照射対象部位を照射方向の中心軸が通過するように天板を並進移動させる距離Ｌを求める。
【００６８】
以上のように、被検体の体軸方向と粒子線照射部１０３からの粒子線の照射方向が決定されると、照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部１０３の回転角度θ、天板回転部１０６による天板１１０の回転角度ψ、第１支持アーム２０３によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度φ、及び第２支持アーム２０５によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度ηを一意的に決定できる。この求めた回転角度により照射ノズル回転部１０４、天板回転部１０６、第１支持アーム２０３、及び第２支持アーム２０５をそれぞれ制御することで、被検体に対し適切な方向から粒子線の照射の方向の中心軸がＰＥＴ検出部２０１の開口部を通過するように、粒子線の照射を行うことができ、また、天板１１０及びＰＥＴ検出部２０１が接触するなどの機械的な干渉を防止することが可能となる。以上では、説明の都合上それぞれの回転角度の算出を順番に説明したが、それぞれの角度の算出の順番はどのような順序でもよい。また、それぞれの部材の回転移動の順番はどのような順序でもよく、本実施形態における制御はそれぞれの回転角度を求めた後に、その回転角度を基に照射ノズル回転部１０４、天板回転部１０６、第１支持アーム２０３、及び第２支持アーム２０５による粒子線照射部１０３、天板１１０、及びＰＥＴ検出部２０１の回転移動をそれぞれが接触しないように連動して行うものである。
【００６９】
次に、図７を参照して本実施形態に係る粒子線治療装置の粒子線照射及びＰＥＴ画像の作成の流れを説明する。図７は本実施形態に係る粒子線治療装置の粒子線照射及びＰＥＴ画像の作成のフローチャート図である。
【００７０】
ステップＳ１０１：操作者は、ユーザインタフェース０１０を用いて粒子線の照射の方向の条件を入力する。
【００７１】
ステップＳ１０２：入力された照射の方向の条件を基に、照射ノズル回転制御部１０５、天板回転制御部１０７、第１制御部２０３、及び第２制御部２０６はそれぞれ、照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部１０３の回転角度θ、天板回転部１０６による天板１１０の回転角度ψ、第１支持アーム２０３によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度φ、及び第２支持アーム２０５によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度ηを算出する。
【００７２】
ステップＳ１０３：算出した回転角度を基に、照射ノズル回転制御部１０５は照射ノズル回転部１０４を制御して粒子線照射部１０３を回転させ、天板回転制御部１０７は天板回転部１０６を制御して天板１１０を回転させ、第１制御部２０４は第１支持アーム２０３を制御してＰＥＴ検出部２０１を回転させ、第２制御部２０６は第２支持アーム２０５を制御してＰＥＴ検出部２０１を回転させる。
【００７３】
ステップＳ１０４：天板移動制御部１０９は、入力された照射の方向の条件に基づいて並進移動する距離Ｌを求め、天板１１０を距離Ｌだけ並進移動させる。
【００７４】
ステップＳ１０５：粒子線照射部１０３は、粒子線を被検体の照射対象部位に向けて照射する。
【００７５】
ステップＳ１０６：ＰＥＴ検出部２０１は、粒子線が照射され被検体で発生したγ線をシンチレータアレイで検出し、検出したγ線に基づく電気信号を同時計測などの信号処理を行った後、画像生成部２０２に送信する。
【００７６】
ステップＳ１０７：画像生成部２０２は、ＰＥＴ検出部２０１より入力された電気信号を処理しＰＥＴ画像を生成して表示制御部０２０に送信する。
【００７７】
ステップＳ１０８：表示制御部０２０は、画像生成部２０２から入力されたＰＥＴ画像を表示部０１２に表示させる。
【００７８】
以上で説明したように、本実施形態に係る粒子線治療装置は、粒子線の照射の方向の条件を入力することで、その照射の方向の条件に対応した位置に粒子線照射部、天板、及びＰＥＴ検出部を相互に機械的な干渉を起こさないように、自動的に移動させる構成となっている。これにより、操作者による各部の移動の負荷を軽減できるとともに、被検体の照射対象部位への任意の角度からの正確で効果的な粒子線の照射を行うことが可能となる。また、ＰＥＴ検出部の視野を最大限にしてγ線の検出の精度を向上させることができる。さらに、各部材同士が接触して破壊されるといった事故も防止可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明に係る粒子線治療装置のブロック図
【図２】（Ａ）本発明に係る粒子線治療装置の模式的な正面図、（Ｂ）本発明に係る粒子線治療装置の模式的な側面図
【図３】本発明に係る粒子線治療装置の模式的な上面図
【図４】第１の実施形態に係る粒子線治療装置の粒子線照射及びＰＥＴ画像の作成のフローチャート図
【図５】本実施形態に係る粒子線治療装置における入力された照射条件に基づく天板、粒子線照射部、及びＰＥＴ検出部の回転移動を説明するための図
【図６】回転移動の角度を算出するため、図５を局所直交座標系で表した図
【図７】第２の実施形態に係る粒子線治療装置の粒子線照射、及びＰＥＴ画像の作成のフローチャートの図
【符号の説明】
【００８０】
０１０ ユーザインタフェース
０１１ 入力部
０１２ 表示部
０２０ 表示制御部
１００ 粒子線治療部
１０１ 粒子線発生／加速器
１０２ 粒子線伝送部
１０３ 粒子線照射部
１０４ 照射ノズル回転部
１０５ 照射ノズル回転制御部
１０６ 天板回転部
１０７ 天板回転制御部
１０８ 天板移動部
１０９ 天板移動制御部
２００ ＰＥＴ部
２０１ ＰＥＴ検出部
２０２ 画像生成部
２０３ 第１支持アーム
２０４ 第１制御部
２０５ 第２支持アーム
２０６ 第２制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速させた粒子線を利用して例えば癌などの治療を行う粒子線治療装置及びその制御方法に関する。さらに詳しくは、粒子線が照射された患部から放射されるγ線を検知するＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置を備えた粒子線治療装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、加速された荷電粒子線（以下、単に「粒子線」という）は停止直前に最大のエネルギーを放出する現象（このエネルギー・ピークは「ブラッグ・ピーク（Ｂｒａｇｇ Ｐｅａｋ」と呼ばれる）が生じることを利用して、粒子線を患部に照射することで癌細胞を破壊する粒子線治療が行われ始めている。Ｘ線を含む放射線は体内を単調減衰しながら患部の前後を通過していくため、患部以外の正常組織にもダメージを与えてしまう。これに対し、加速された荷電粒子（例えば、陽子、炭素原子核など）が物質内を通過するとき、前述のようにブラッグ・ピークが生じるため、荷電粒子の停止位置を精密に制御することにより、被検体における患部までに通過する部分および患部の背後部分へのダメージを抑えることができる。
【０００３】
この粒子線治療において被検体に対し粒子線を照射する装置が粒子線治療装置である。この粒子線治療装置において、照射された粒子線は、体内にある原子と衝突し陽電子放射核を生成する。この放射核から放出された陽電子は、その近傍に多数ある電子と結合してγ線を放射する。この現象は「自己放射化」と呼ばれている。そして、この放射されたγ線は、例えばシンチレータと光電子増倍管が組み合わされたシンチレーション検出器により検出することができる。この体内から放出されるγ線をシンチレーション検出器により検出する装置はＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｆｈｙ）装置と呼ばれる。近年、粒子線治療装置から照射された荷電粒子がどの深さまで到達したかを癌細胞の破壊と同時に観察するために上述の自己放射化の現象を利用する技術が提案されている。この様な理由から、最近、粒子線治療装置にＰＥＴ装置を付加することが検討され始めている。
【０００４】
粒子線治療装置では粒子線はノズルから照射されるが、この粒子線の侵入位置、及び照射方向は正常組織へのダメージなどを考慮して治療の見地から決められる。すなわち、「患部の位置」、「正常組織への照射回避」、及び「重要な臓器への影響の回避」を考慮してその照射方向が決められる。具体的には、正常組織への照射を抑えるため、粒子線が被検体の体表から患部に到達するまでの経路が極力最短経路となるようにしたり、重要な臓器に粒子線が当たらないように配慮したりするという条件の下で粒子線の照射方向が決定される。このため、粒子線治療装置には任意の照射方向から粒子線を照射できる性能が要求される。そこで、粒子線治療装置では、任意の照射方向を実現するために回転稼働する回転ガントリー及び回転機能を備えた寝台が使用される。磁場で偏向させやすい陽子を使用する「陽子線治療装置」には、粒子線を照射するノズルの向きが被検体が寝ている平面に直交する平面内で照射中心（アイソセンター）の周りに回転することで、照射角度を任意に設定することができる回転ガントリーが装備されていることが多い。この回転ガントリーでは、加速器で加速されて水平方向に飛来する荷電粒子ビームを任意の方向に曲げて最終的に振り下ろすといった偏向動作が行われる。最近では、炭素原子核を利用する重粒子線治療装置においても、超電導磁石を使用した回転ガントリーを装備することが検討されて始めている。さらに、寝台の基部は被検体が寝ている平面内をアイソセンターを中心に回転する円盤上に固定されており、寝台の天板はその基部に対して並進移動が可能なように作られている。これにより、被検体に対し任意の方向から粒子線を照射できるようになっている。
【０００５】
従来の粒子線治療装置では、「直前に行った装置の校正・チェック」、「患者の位置決めとその補正」、及び「患者の固定」により、治療計画（照射計画）通りに照射されたとみなすことで、期待通りの照射が行われたと判断るものであった。そのため、作業途中で入ってくる照射ミスや照射誤差などが見過ごされる危険性があった。これらの問題を解決するため、ＰＥＴ装置を付加し、自己放射化を利用することで、照射された荷電粒子が停止した位置を直接画像として観察する技術（例えば、特許文献１参照。）が提案及び検討されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１８９７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
医師や放射線治療技師などの操作者（以下では、単に「操作者」という）は、患部の位置、ＰＥＴ装置、及び寝台の配置を考慮して、それぞれが総合に接触しないように照射ノズルの方向、寝台の位置、及び寝台の回転角度を設定する必要がある。従来は操作者の経験による目分量でそれらを粗調し、その後マーカー位置などで微調するという方法をとっていた。しかし、従来のＰＥＴ装置を備えた粒子線治療装置では、ＰＥＴ装置がガントリーに対して固定されているため、患部位置やＰＥＴ装置の配置などを優先して照射ノズルの回転角度と寝台の回転角度を調整しながら照射方向を決定する必要があり、最適な位置及び方向から粒子線を照射することが困難であるという場合が少なくなかった。
【０００８】
ＰＥＴ装置は検出器が並べられた範囲しか検出領域を持たず、かつ寝台を患者の体軸方向に移動させながら全身の断層像を得る動作を前提としていたため。ＰＥＴ検出器は円筒状に配置されていることが多い。また、粒子線治療装置は、荷電粒子を照射ノズルから照射し患部に到達させるものなので、荷電粒子が侵入した体表面から患部までの正常組織に軽微であってもダメージを与えてしまう。そのため、患部及びダメージを受ける可能性がある部位をリアルタイムにできるだけ正確に観察・確認しながら照射したいという理由から、ＰＥＴ装置で観察する断層面は、粒子線の照射方向（すなわち、照射ノズルの方向）を表す軸を含む断層面であることが最も望ましい。またＰＥＴ装置の視野は検出器の並べられた範囲の広さで決まり、その範囲が狭いとγ線の同時計測においてその信号を取り逃してしまう確率が増加してしまう。しかし、モニタリング用のＰＥＴ装置が固定された粒子線治療装置では、粒子線の照射方向に自由度を持たせるため多数の検出器を略円筒状に並べることは困難であった。さらに、任意の位置から照射された粒子線の照射方向を示す軸を含む断層面にＰＥＴを配置することも困難であった。
【０００９】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、任意の方向から粒子線を照射可能であって、かつ被検体から発生されるγ線を検出するＰＥＴ検出器を備えた粒子線治療装置及びその制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の粒子線治療装置は、被検体を載置する天板と、前記天板を載置平面内で回転させる天板回転手段と、前記天板を前記被検体の体軸方向に並進移動させる天板移動手段と、前記天板に載置された前記被検体に向けて粒子線を照射する粒子線照射手段と、前記粒子線照射手段を前記載置平面と直交する特定の平面内で被検体の周りを回転移動させる照射ノズル回転手段と、前記粒子線照射手段と前記被検体との間に、略筒型の形状で該筒内に前記被検体を囲うように配置され、かつ粒子線照射手段からの前記粒子線を通過させる開口を有し、前記粒子線が前記被検体に照射されたときに発生するγ線を検出するＰＥＴ検出器と、前記ＰＥＴ検出器を前記粒子線の照射方向の軸の周りに回転可能に保持する第１支持アームと、前記第１支持アームを前記体軸の周囲に回転可能に（より詳しくは、前記照射ノズル回転手段の回転軸の周りに）保持する第２支持アームと、前記ＰＥＴ検出器で検出されたγ線を基に画像を生成する画像生成手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項７に記載の粒子線治療装置制御方法は、被検体を載置する天板と、前記天板を載置平面内で回転させる天板回転手段と、前記天板を前記被検体の体軸方向に並進移動させる天板移動手段と、前記天板に載置された前記被検体に向けて粒子線を照射する粒子線照射手段と、前記粒子線照射手段を前記載置平面と直交する特定の平面内で被検体の周りを回転移動させる照射ノズル回転手段と、前記粒子線照射手段と前記被検体との間に、略筒型の形状で該筒内に前記被検体を囲うように配置され、かつ粒子線照射手段からの前記粒子線を通過させる開口を有し、前記粒子線が前記被検体に照射されたときに発生するγ線を検出するＰＥＴ検出器と、前記ＰＥＴ検出器を前記粒子線の照射方向の軸に回転可能に保持する第１支持アームと、前記第１支持アームを前記体軸の周りに（より詳しくは、前記照射ノズル回転手段の回転軸の周りに）回転可能に保持する第２支持アームと、前記ＰＥＴ検出器で検出されたγ線に基づいて画像を生成する画像生成手段と、を備えた粒子線治療装置を制御する粒子線治療装置制御方法であって、前記粒子線照射手段の回転の角度にかかわらず照射された粒子線が常に通過する点である照射中心を原点とする座標空間のベクトルで表される前記被検体への粒子線の照射方向の条件を入力として受ける段階と、前記ベクトルに基づいて、前記粒子線照射手段の回転角度θを算出し、前記粒子線照射手段を該角度θ回転させる段階と、前記ベクトルに基づいて、前記天板の回転角度ψを算出し、前記天板を該角度ψ回転させる段階と、前記角度θ及び前記角度ψに基づいて、前記粒子線の照射方向が前記被検体の照射対象部位を通過するよう前記天板を前記体軸方向に並進移動させる段階と、前記第２支持アームにより前記ＰＥＴ検出器を保持する前記第１支持アームを前記θとほぼ同じ角度で回転させる段階と、前記第１支持アームによる前記ＰＥＴ検出器の回転角度φを算出し、前記第１支持アームにより前記ＰＥＴ検出器を該角度φ回転させる段階と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の粒子線治療装置及び請求項７に記載の粒子線治療装置制御方法は、被検体と粒子線照射手段との間に一部に開口を有する略筒型のＰＥＴ検出器を配置し、それを支持するアーム部分に２つの回転自由度を備えた構成である。また、粒子線の被検体への照射により発生するγ線をＰＥＴ検出器で検出することで被検体における粒子線によって破壊された部位を確認することができる構成となっている。これにより、機械的干渉（すなわち、機械同士の衝突）を発生させずに任意の方向から被検体に向けて粒子線を照射できるとともに、ＰＥＴ検出器の視野を最大限に確保することが可能となる。したがって、効果的かつ安全な方向から被検体に向けて粒子線が照射できるとともに、患部に向けて的確な粒子線の照射をおこなうことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
〔第１の実施形態〕
以下、この発明の第１の実施形態に係る粒子治療装置について図１〜図３を参照して説明する。図１は本発明に係る粒子線治療装置における機能を表すブロック図である。図２（Ａ）は本発明に係る粒子線治療装置を回転ガントリーの回転軸方向から見込んだ模式的な正面図である。図２（Ｂ）は本発明に係る粒子線治療装置の模式的な側面図である。図３は本発明に係る粒子線治療装置の模式的な上面図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態に係る粒子線治療装置は、粒子線治療部１００、ＰＥＴ部２００、表示制御部０２０、及び入力部０１１と表示部０１２を有するユーザインタフェース０１０を備えている。この粒子線治療装置は、本来は粒子線治療部１００から照射される粒子線を被検体の患部に照射し、患部の細胞を破壊することで治療を行う装置である（以下では、粒子線を照射する対象とする患部を「照射対象部位」という）。ただし、粒子線が被検体のどの部分にあたっているかを把握するために補助的にＰＥＴ部２００を有している。すなわち、ＰＥＴ部２００を用いて把握される粒子線の照射位置に基づいて、正確に照射対象部位に向けて粒子線の照射を行い効果的な治療を行うことができる。そのため、本実施形態に係る収支線治療装置では、まず粒子線の照射方向を最適な位置に設定するように粒子線照射部１０３及び天板１１０を移動させることに主とし、その粒子線の照射を妨げないように、すなわち、粒子線の照射野を妨げないこと、及び接触などの機械的な干渉を起こさないことを目的としてＰＥＴ検出部２０１を移動させることになる。ただし、実際には、粒子線照射部１０３、天板１１０、及びＰＥＴ検出部２０１の移動は連動して行われる。以下では、まず粒子線治療部１００について説明し、その後ＰＥＴ部２００について説明する。
【００１５】
粒子線治療部１００は、粒子線発生／加速器１０１、粒子線伝送部１０２、粒子線照射部１０３（照射ノズル）、照射ノズル回転部１０４（回転ガントリー）、及び照射ノズル回転制御部１０５から構成されている。
【００１６】
粒子線発生／加速器１０１は、イオン源と、直線加速器、サイクロトロン、シンクロトロンなどの加速器（いずれも図示しない）で構成されている。粒子線発生／加速器１０１は、イオン源で陽イオン（例えば、水素イオン、ヘリウムイオン、炭素イオン、ネオンイオン等）を発生させる。次に、粒子線発生／加速器１０１は発生させた陽イオンを加速器で所定のエネルギーまで加速する。具体的には、例えば、発生した陽イオンを直線加速器で加速し、その直線加速器から射出された陽イオンをさらにシンクロトロンなどでさらに加速することで所定のエネルギーまでの加速が行われる。そして、粒子線発生／加速器１０１は、所定のエネルギーを有する陽イオンを粒子線伝送部１０２に射出する。
【００１７】
粒子線伝送部１０２は、粒子線発生／加速器１０１から粒子線照射部１０３へと繋がるビーム経路（不図示）を有している。粒子線伝送部１０２は、粒子線発生／加速器１０１から射出された陽イオンをビーム経路を経由させて粒子線照射部１０３へと伝送する。
【００１８】
粒子線照射部１０３は、図２（Ａ）に示すように照射ノズル回転部１０４の一部に設置されている。そして、粒子線照射部１０３は照射ノズル回転部１０４の回転とともに被検体の周りを回転可能となっている。粒子線照射部１０３は、粒子線伝送部１０２から伝送された陽イオンを被検体に向けて照射する。ただし、実際には粒子線照射部１０３は常に照射中心（アイソセンター）に向けて粒子線の照射を行う。粒子線照射部１０３の回転の基準位置を図２（Ａ）のように位置Ｐ１に位置している状態とする。すなわち、被検体を真下に見る位置に粒子線照射部１０３が位置している状態を粒子線照射部１０３の角度θ＝０の状態とする。この粒子線照射部１０３が本発明における「粒子線照射手段」にあたる。
【００１９】
照射ノズル回転部１０４は、図２（Ａ）に示すように側面から見ると中心軸Ｓを中心に円形をしているガントリー及び該ガントリーを回転させるモータ（不図示）で構成されている。ここで、図２（Ｂ）に示すように図２（Ａ）の中心軸Ｓは照射中心を通過する軸で、図２（Ａ）の紙面正面から裏面に向けて貫通している軸を表している。また以下の説明では、中心軸Ｓに直交し照射中心を貫通する平面を平面αとする。照射ノズル回転部１０４のガントリーは平面α内を回転移動するため平面αは固定平面である。そして、照射ノズル回転部１０４のガントリーは、図２（Ｂ）に示すように中心軸Ｓに沿う方向に厚みを有した略筒型の形状を有している。さらに、照射ノズル回転部１０４のガントリーは、中心軸Ｓを中心に回転を行う。これにより、粒子線照射部１０３も中心軸Ｓを中心に回転を行うことになる。本実施形態では、図２（Ａ）における点Ｐ１を基準位置として点Ｐ１からの粒子線照射部１０３までの角度を平面αにおける照射角度とする。具体的には、中心軸Ｓに向けて照射角度θで粒子線を照射する場合には、照射ノズル回転部１０４のガントリーは照射角度θ分回転することになる。この照射ノズル回転部１０４が本発明における「照射ノズル回転手段」にあたる。
【００２０】
天板１１０は床に平行で人が寝られる大きさの板状の形状を有している。天板１１０の上には、粒子線治療を行う対象である被検体（以下では、単に「被検体」と呼ぶ。）を載置する。この被検体が載置されている平面を「載置平面」と呼ぶことにする。天板１１０は、天板移動部１０８により載置した被検体の体軸方向またはその直交方向に並進移動が行われる。また、天板１１０は、天板回転部１０６により載置平面（天板１１０と平行な平面）内で回転移動が行われる。
【００２１】
天板移動部１０８は、天板１１０を被検体の体軸方向またはその直交方向への並進移動を可能とする機構と、該並進移動を可能とする機構を動かすモータを有している。天板移動部１０８は、自己が有するモータを駆動することで天板１１０を被検体の体軸方向またはその直交方向に移動させる。具体的には、例えばモータによりギアなどの回転部材を回転させて、ギアとかみ合う水平移動部材が移動することで天板１１０が並進移動する構成になっている。この天板移動部１０８が本発明における「天板移動手段」にあたる。
【００２２】
天板回転部１０６は、天板移動部１０８及び天板１１０を天板１１０と平行な平面内で回転可能とするための円盤、該円盤を動かすモータを有している。天板回転部１０６は、自己が有するモータを駆動することで天板１１０と平行な平面内で天板１１０及び天板移動部１０８をアイソセンターを中心に回転させることができる。すなわち、天板回転部１０６は、図３で示す矢印Ｂのように天板１１０及び天板移動部１０８を回転移動させる。この天板１１０と平行な平面でかつ被検体の体軸を含む平面を平面βとする。この天板回転部１０６が本発明における「天板回転手段」にあたる。
【００２３】
ＰＥＴ部２００は、図１に示すように、ＰＥＴ検出部２０１、画像生成部２０２、第１支持アーム２０３、第１制御部２０４、第２支持アーム２０５、及び第２制御部２０６から構成されている。
【００２４】
ＰＥＴ検出部２０１は、図２（Ａ）に示すように、照射ノズル回転部１０４及び粒子線照射部１０３の内側に天板１１０及び天板１１０に載置された被検体を囲むように配置されている。そして、ＰＥＴ検出部２０１は、図２（Ｂ）に示すように中心軸Ｓに沿う方向に厚みを有し、さらに粒子線照射部１０３と照射中心との間に粒子線を通過させるための第１の開口部、及び被検体から見て粒子線照射部１０３と反対側の部分（第１の開口部と反対側の部分）に第２の開口部を有した略筒型の形状を有している。ここで、略筒型の形状とは被検体から一定距離の周囲の一定範囲を覆う形状であればよい。それぞれの開口部は小さいほどよく、後に説明するように粒子線の照射野が通過できる範囲の大きさがあればよい。第１の開口部及び第２の開口部によってＰＥＴ検出部２０１の筒型は２つの部分（図２における紙面に対し左右対称のＣ字型の部分）に分割されている。そして、ＰＥＴ検出部２０１は、図３に示すように、第２支持アーム２０５の円弧部分に沿って動くようになっており、第２支持アーム２０５が水平の場合には第１支持アーム２０３で天板１１０と平行な平面βと平行な方向に回転可能に保持される。すなわち、ＰＥＴ検出部２０１は矢印Ｃで示すように平面βと平行な方向に回転移動する。さらに、ＰＥＴ検出部２０１は、図３に示すように、第２支持アーム２０５で図３における被検体の体軸方向の周りに回転可能に保持されている。すなわち、図３の状態（すなわち、未だいずれの方向にも回転を行っていない状態）ではＰＥＴ検出部２０１は矢印Ａで示すように平面αと平行な平面内で回転移動する。このＰＥＴ検出部２０１が本発明における「ＰＥＴ検出器」にあたる。
【００２５】
ここで、本実施形態では、被検体に照射された粒子線のうち被検体を通過した粒子線がＰＥＴ検出部２０１あたることで障害が発生したり故障したりすることの回避、及び天板１１０へのＰＥＴ検出部２０１の接触の回避のために第２の開口部を設けている。ただし、粒子線が被検体を通過する量は極めて少ないと考えられるため、ＰＥＴ検出部２０１に微小の粒子線があたることを許容でき、低い角度（天板１１０とＰＥＴ検出部２０１が接触するような角度）からの粒子線の照射を行わない場合には第２の開口部を有さない構成にしてもよい。この点、ＰＥＴ検出部２０１の形状をより大きな筒形にすれば天板１１０との接触が避けられるとも考えられるが、この場合ＰＥＴ検出部２０１が被検体から離れた位置に配置されることになり、γ線の検出効率が低下するため好ましくない。
【００２６】
ＰＥＴ検出部２０１は、最も一般的な構成では、前述の筒型の部分の内側の全面に多数のシンチレータアレイが配置されている。シンチレータアレイは、γ線を検出するシンチレータ結晶と微弱光パルスを高速かつ高感度に検出する光電子倍増管から構成されている。そして、ＰＥＴ検出部２０１は、粒子線照射部１０３から照射された粒子線が被検体の体内にあたることで発生したγ線をシンチレータアレイで検出する。さらに、ＰＥＴ検出部２０１は、検出したγ線に基づく電気信号を画像生成部２０２へ出力する。
【００２７】
画像生成部２０２は、ＰＥＴ検出部２０１から電気信号の入力を受信する。画像生成部２０２は、受信した電気信号に対し同時計測などの信号処理を行った後、画像処理によりＰＥＴ画像を生成する。画像生成部２０２は生成したＰＥＴ画像を表示制御部０２０へ出力する。この画像生成部２０２が本発明における「画像生成手段」にあたる。
【００２８】
表示制御部０２０は、画像生成部２０２から入力されたＰＥＴ画像をユーザインタフェース０１０の表示部０１２に表示させる。この様に、被検体に粒子線が当たった際に放出されるγ線の発生した位置を表したＰＥＴ画像が表示部０１２に表示されることで、操作者は被検体における粒子線があたった位置を把握することができ、その画像を基に粒子線の照射位置を調整できる。これにより、より正確に照射対象部位に粒子線の照射を行うことが可能となる。
【００２９】
第１支持アーム２０３は、本実施形態では図３に示すように天板１１０と逆方向から被検体を見下ろした状態でＣ字型の形状をしている。さらに、第１支持アーム２０３は該Ｃ字型の部材を回転させるためのモータを有している。そして、第１支持アーム２０３のＣ字型の部材の両端にはＰＥＴ検出部２０１の２分割された筒型の各部分がそれぞれ固定されている。第１支持アーム２０３は矢印Ｃの方向にＰＥＴ検出部２０１を保持した状態でモータを駆動させることで、ＰＥＴ検出部２０１の２つの開口部を通過する軸を中心にＰＥＴ検出部２０１を回転させる。例えば、第１支持アーム２０３が図３の状態からモータによりＣ字型の部材を角度φ回転することで、ＰＥＴ検出部２０１は平面βと平行な方向に粒子線の放射方向の軸を中心に角度φ回転する。ここで、本実施形態では第１支持アーム２０３はＣ字型としたが、これはＰＥＴ検出部２０１の２つの部材を向き合う形で固定できる形状で回転可能な形状あれば他の形状でもよい。
【００３０】
第２支持アーム２０５は、図３に示すように第１支持アーム２０３を保持することでＰＥＴ検出部２０１を保持する保持部材と、該保持部材を回転させるモータで構成されている。第２支持アーム２０５は、第１支持アーム２０３及びＰＥＴ検出部２０１を被検体の体軸方向の周りに回転可能となるように保持している。第２支持アーム２０５はモータを駆動することで保持部材を回転させ、それにより第１支持アーム２０３を矢印Ａの方向に回転させる。そして、第２支持アーム２０５に保持された第１支持アーム２０３が被検体の体軸方向の周りに回転することで、第１支持アーム２０３に保持されたＰＥＴ検出部２０１が被検体の体軸方向の周りに回転移動を行うことになる。例えば、図３に示されている初期の状態では、第１支持アーム２０３によるＰＥＴ検出部２０１の回転が行われていないため、ＰＥＴ検出部２０１と照射ノズル回転部１０４とは同じ回転平面を有する。すなわち、第２支持アーム２０５が角度θ回転することより、ＰＥＴ検出部２０１は平面α内を図３における被検体の体軸を中心に角度θ回転する。
【００３１】
本実施形態に係る粒子線治療装置では、治療計画に含まれる粒子線の照射方向に基づいて、適切な方向から粒子線の照射が行えるように、操作者が粒子線照射部１０３、天板１１０、及びＰＥＴ検出部２０１を手動で各部材が接触しないように移動させる。すなわち、操作者は、粒子線照射部１０３の回転及び天板１１０の回転／並進移動を調整することにより粒子線の適切な照射方向を決定し、さらに、その粒子線の照射野をＰＥＴ検出部２０１が遮らないように、且つＰＥＴ検出部２０１の開口部を照射方向の中心軸が通過するようにＰＥＴ検出部２０１を移動させる。これにより、適切な方向からの被検体への粒子線の照射と、その時に発生するγ線の検出及びＰＥＴ画像の生成並びに表示を行うことが可能となる。
【００３２】
次に、図４を参照して本実施形態に係る粒子線治療装置の粒子線照射及びＰＥＴ画像の作成の流れを説明する。図４は本実施形態に係る粒子線治療装置の粒子線照射及びＰＥＴ画像の作成のフローチャート図である。
【００３３】
ステップＳ００１：操作者は、粒子線の照射の方向の条件を含む治療計画を作成する。
【００３４】
ステップＳ００２：操作者は、治療計画における粒子線の照射の方向の条件を基に、粒子線照射部１０３、天板１１０、ＰＥＴ検出部２０１を移動させる。
【００３５】
ステップＳ００３：粒子線照射部１０３は、粒子線を被検体の照射対象部位に向けて照射する。
【００３６】
ステップＳ００４：ＰＥＴ検出部２０１は、粒子線が照射され被検体で発生したγ線をシンチレータアレイで検出し、検出したγ線に基づく電気信号を同時計測などの信号処理を行った後、画像生成部２０２に送信する。
【００３７】
ステップＳ００５：画像生成部２０２は、ＰＥＴ検出部２０１より入力された電気信号を処理しＰＥＴ画像を生成して表示制御部０２０に送信する。
【００３８】
ステップＳ００６：表示制御部０２０は、画像生成部２０２から入力されたＰＥＴ画像を表示部０１２に表示させる。
【００３９】
以上で説明したように、本実施形態に係る粒子線治療装置は、任意の方向に開口部を向けることができる被検体の周囲のほぼ全域を囲うＰＥＴ検出部を備えた構成である。これにより、ＰＥＴ検出部に遮られることなく任意の方向から粒子線を被検体に向けて照射できるとともに、ＰＥＴ装置の視野を最大限にして精度よくγ線の検出を行うことが可能となる。したがって、本実施形態に係る粒子線治療装置は、粒子線治療の効果の向上に利用することができる。
【００４０】
〔第２の実施形態〕
以下、この発明の第２の実施形態に係る粒子治療装置について図１〜図６を参照して説明する。本実施形態にかかる粒子線治療装置は、入力された粒子線の照射の方向の条件に基づいて、粒子線照射部（照射ノズル）、天板、ＰＥＴ検出部を自動的に移動させる構成であることが第１の実施形態と異なるものである。本実施形態に係る粒子線治療装置の機能ブロック図は第１の実施形態に係る図１の機能ブロック図に点線で示す機能部を加えた構成である。図５は本実施形態に係る粒子線治療装置における、入力された照射条件に基づく、天板、粒子線照射部、及びＰＥＴ検出部の回転移動を説明するための図である。図６は、回転移動の角度を算出するため、図５を局所直交座標系で表わした図である。以下の説明では、第１の実施形態と同じ符号を有する機能部は、特に説明のない限り同じ機能を有するものとする。
【００４１】
図１の点線で示すように、本実施形態に係る粒子線治療装置は、照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部の回転を制御する照射ノズル回転制御部１０５、天板回転部１０６による天板１１０の回転を制御する天板回転制御部１０７、天板移動部１０８による天板１１０の並進移動を制御する天板移動制御部１０９、第１支持アーム２０３によるＰＥＴ検出部２０１の回転を制御する第１制御部２０４、及び第２支持アーム２０５によるＰＥＴ検出部２０１の回転を制御する第２制御部２０６を有する。
【００４２】
粒子線発生／加速器１０１で発生・加速された陽イオンは、粒子線伝送部１０２に射出される。 粒子線伝送部１０２は、陽イオンをビーム経路を経て粒子線照射部１０３へと伝送する。粒子線照射部１０３は被検体に向けてこの荷電粒子を照射する。
【００４３】
粒子線照射部１０３及び照射ノズル回転部１０４の構造は図２（Ａ）及び図２（Ｂ）で示す第１の実施形態と同様である。照射ノズル回転部１０４は、アイソセンター（回転軸Ｓ上にある）に向けて照射角度θで粒子線を照射する場合には、粒子線照射部１０３を照射角度θ回転させる。
【００４４】
照射ノズル回転制御部１０５は、ＣＰＵ及びエンコーダを有している。該エンコーダは照射ノズル回転部１０４のガントリーの回転移動した量を求めるためのエンコーダである。照射ノズル回転制御部１０５は入力部０１１から入力された照射方向の条件に基づいて、粒子線照射部１０３の回転を制御する。具体的には、照射ノズル回転制御部１０５は、入力部０１１から入力された照射条件を基に照射ノズル回転部１０４を回転させる角度θを算出する。この入力された照射条件に基づく照射ノズル回転部１０４の回転角度θの算出方法は後で詳細に説明する。次に、照射ノズル回転制御部１０５は、照射ノズル回転部１０４に回転の命令を送信し照射ノズル回転部１０４の回転を開始させる。そして、照射ノズル回転制御部１０５は、自己が有するエンコーダを用いて照射ノズル回転部１０４の回転した量を取得し、該角度が算出した角度θに達したときに照射ノズル回転部１０４に対し停止命令を送信し照射ノズル回転部１０４の回転を停止させる。ここで、照射ノズル回転制御部１０５は本発明に係る「照射ノズル回転制御手段」にあたる。
【００４５】
天板１１０、天板移動部１０８、及び天板回転部１０６の構造は第１の実施形態と同様である。
【００４６】
天板移動制御部１０９は、ＣＰＵ及びエンコーダを有している。該エンコーダは天板１１０の並進移動した距離を求めるためのエンコーダである。例えばモータによりギアなどの回転部材を回転させ、ギアとかみ合う並進移動部材を移動させることで天板１１０が並進移動する構成では、エンコーダが回転部材の回転量を取得することで天板１１０の並進移動した距離を求めることができる。天板移動制御部１０９は、入力部から入力された照射条件を基に天板１１０を体軸方向に並進移動させるそれぞれの距離Ｌを算出する。この距離Ｌが並進移動させる目標とする距離となる。この入力された照射条件に基づく天板１１０の並進移動距離Ｌの算出方法は後で詳細に説明する。次に、天板移動制御部１０９は、天板移動部１０８に天板１１０の並進移動の命令を送信してモータの駆動を開始させ、天板１１０の並進移動を開始させる。そして、天板移動制御部１０９は、自己が有するエンコーダを用いて天板移動部１０８が有する回転部材の回転量を取得し、その回転量から天板１１０の並進移動した距離を算出する。そして、天板移動制御部１０９は、天板１１０の並進移動した距離が目標とする並進移動距離Ｌに達したときに天板移動部１０８に対し停止命令を送信して天板移動部１０８のモータを停止させ、天板１１０の並進移動を停止させる。ここで、天板移動制御部１０９は本発明に係る「天板移動制御手段」にあたる。
【００４７】
天板回転制御部１０７は、ＣＰＵ及びエンコーダを有している。該エンコーダは天板１１０と平行な平面β内での天板１１０の回転量を求めるためのエンコーダである。天板回転制御部１０７は、入力部０１１から入力された照射条件に基づいて天板１１０と平行な平面βでの天板１１０の回転させる回転角度ψを算出する。この入力された照射条件に基づく天板１１０の回転角度ψの算出方法は後で詳細に説明する。次に、天板回転制御部１０７は、天板回転部１０６に天板１１０の回転の命令を送信してモータの駆動を開始させ、平面βと平行な面内で天板１１０の回転を開始させる。そして、天板回転部１０６は、自己が有するエンコーダを用いて天板回転部１０６の回転した回転量を取得する。そして、天板回転制御部１０７は、天板１１０の回転量が目標とする回転角度ψに達したときに天板回転部１０６に対し停止命令を送信して天板回転部１０６のモータを停止させ、天板１１０の回転を停止させる。ここで、天板回転制御部１０７は本発明に係る「天板回転制御手段」にあたる。
【００４８】
ＰＥＴ検出部２０１、第１支持アーム２０３、及び第２支持アーム２０５は、図３に示す第１の実施形態と同様の構造を有している。
【００４９】
本実施形態に係るＰＥＴ検出部２０１も被検体の周りを囲うように配置され、且つ２分割された略筒型をしている。ＰＥＴ検出部２０１は第１支持アーム２０３に取り付けられ、第１支持アーム２０３は矢印Ｃで示すように第２支持アーム２０５の円弧部分に沿って（平面βと平行な方向）に回転移動する。さらに、第２支持アーム２０５は、図３に示されている矢印Ａの方向（平面αと平行な方向）に回転移動する。
【００５０】
第１支持アーム２０３は、ＰＥＴ検出部２０１の２つの開口部を通過する軸の周りにＰＥＴ検出部２０１の回転移動を行う。例えば、第１支持アーム２０３が図３の状態からモータによりＣ字型の部材を角度φ回転することで、ＰＥＴ検出部２０１は粒子線の放射方向の軸の周りに角度φだけ回転する。
【００５１】
第１制御部２０４は、ＣＰＵ及び図３に示すエンコーダ３０１を備えている。エンコーダ３０１は第１支持アーム２０３のＣ字型の部材が回転した回転量を検出する。第１制御部２０４は、入力部０１１から入力された照射方向の条件を基に、第１支持アーム２０３のＣ字型の部材を回転させる角度φを算出する。次に、第１制御部２０４は第１支持アーム２０３に対し回転の命令を送信してモータの駆動を開始させ、第１支持アーム２０３のＣ字型の部材の回転を開始させる。そして、第１制御部２０４は、自己が有するエンコーダ３０１を用いて第１支持アーム２０３のＣ字型の部材が回転した回転量を取得する。そして、第１制御部２０４は、第１支持アーム２０３の回転した回転量が目標とする回転角度φに達したときに第１支持アーム２０３に対し停止命令を送信して第１支持アーム２０３のモータを停止させ、第１支持アーム２０３のＣ字型の部材の回転を停止させる。このとき、第１支持アーム２０３が回転することで第１支持アーム２０３に固定されたＰＥＴ検出部２０１も同様の回転移動を行う。ここで、第１制御部２０４は本発明に係る「第１制御手段」にあたる。
【００５２】
第２支持アーム２０５は、ＰＥＴ検出部２０１を搭載した第１支持アーム２０３を照射ノズル回転部１０４（回転ガントリー）の回転軸の周りに回転させる。例えば、図３の状態では第２支持アーム２０５が角度θ回転することより、ＰＥＴ検出部２０１は平面α内を図３における被検体の体軸の周りに角度θ回転することになる。
【００５３】
第２制御部２０６は、ＣＰＵ及び図３に示すエンコーダ３０２を備えている。エンコーダ３０２は第２支持アーム２０５の保持部材が回転した回転量を検出する。第２制御部２０６は、入力部０１１から入力された照射方向の条件に基づいて、第２支持アーム２０５の保持部材を回転させる角度θを算出する。次に、第２制御部２０６は第２支持アーム２０５に対し回転の命令を送信してモータの駆動を開始させ、第２支持アーム２０５のＣ字型の部材の回転を開始させる。そして、第２制御部２０６は、自己が有するエンコーダ３０２を用いて第２支持アーム２０５の保持部材が回転した回転量を取得する。そして、第２制御部２０６は、第２支持アーム２０５の回転した回転量が目標とする回転角度θに達したときに第２支持アーム２０５に対し停止命令を送信して第２支持アーム２０５のモータを停止させ、第２支持アーム２０５の保持部材の回転を停止させる。このとき、第２支持アーム２０５の保持部材が回転することで第１支持アーム２０３のＣ字型の部材が回転し、さらに第１支持アーム２０３のＣ字型の部材に固定されたＰＥＴ検出部２０１も同様の回転移動を行う。ここで、第２制御部２０６は本発明に係る「第２制御手段」にあたる。
【００５４】
また、以上の照射ノズル回転制御部１０５、天板回転制御部１０７、天板移動制御部１０９、第１制御部２０４、及び第２制御部２０６を合わせたものが本発明における「制御手段」にあたる。
【００５５】
（各部材の回転角度の算出方法）
次に、図５及び図６を参照して、治療計画に基づく、照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部１０３の回転角度θ、天板回転部１０６による天板１１０の回転角度ψ、第１支持アーム２０３によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度φ、及び第２支持アーム２０５によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度ηを算出する方法を詳細に説明する。図５は被検体への粒子線の照射方向を表すベクトルを表した図である。ここで、図５の座標系は被検体が寝ている平面βをＸＹ平面とし、粒子線照射部１０３及び照射ノズル回転部１０４が動く平面αをＹＺ平面にした直交座標空間である。この図５の直交座標系を０−ＸＹＺと呼ぶことにする。
【００５６】
操作者は、予めＸ線診断装置などで撮像した被検体の患部の画像を基に、その患部を粒子線の照射対象部位とする治療計画を立てる。この治療計画には、粒子線の照射侵入位置及び方向の条件、粒子線の照射量などが含まれる。そして、操作者は、粒子線の照射方向をベクトルとして入力する。この入力は、操作者が、ユーザインタフェース０１０に表示された被検体の照射対象部位が原点に配置された三次元座標空間を参照し、その照射対象部位、すなわち原点に向けて照射したい始点を指定することで、その座標の原点から指定された始点へのベクトルが指定され、そのベクトルが照射方向の条件として入力される。ここで、ベクトルとはあくまでも方向を表すだけの意味で用いており、その大きさは問題にはしない。そこで、ここでは、便宜上入力されるベクトルは大きさ１の単位ベクトルとする。以下、このベクトルをｅｎとする。ｅｎは単位ベクトルであるので｜ｅｎ｜＝１となっている。
【００５７】
ここで、操作者にとって照射方向は照射対象の中心を通り且つ体軸を基準とした直交座標系で表すことがわかりやすいことから、被検体の体軸が一つの軸と一致する局所直交座標系を考える。そこで、この局所直交座標系のそれぞれの軸をＸ’Ｙ’Ｚ’軸とし、０’−Ｘ’Ｙ’Ｚ’の座標系とする。そして、Ｘ’軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸方向の単位ベクトルをそれぞれ、ｅ１’、ｅ２’、ｅ３’とおく。被検体を載置した天板１１０は水平に保たれたまま、平行移動や回転移動が行われるため、Ｚ軸とＺ’軸は同じ方向を向いているものとする。すなわち、ｅ３’＝ｅ３である。そして、入力された粒子線の照射の条件であるｅｎは０’−Ｘ’Ｙ’Ｚ’の座標系ではｅｎ’で表わされるものとする。この局所直交座標系における模式図が図６である。
【００５８】
まず、照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部１０３の回転量θを算出する。図５における粒子線照射部１０３が回転する０−ＸＹＺにおけるＹＺ平面は、図６で示されるｅｎ’とｅ３’が張る平面Σに対応している必要がある。そのため、ｅｎ’とｅ３’がなす角度がθになる。したがって、粒子線照射部１０３の回転角度、すなわち、照射ノズル回転部１０４の回転角度θは、
ｃｏｓθ＝（ｅｎ’・ｅ３’）／｜ｅｎ’｜・｜ｅ３’｜＝（ｅｎ’・ｅ３’）
と表わされる。
（ここで、（Ａ・Ｂ）は、ベクトルＡとベクトルＢとの内積を表す。また、（Ａ×Ｂ）はベクトルＡとベクトルＢとの外積を表す。以下同じ。）
したがって、
θ＝ｃｏｓ−１（（ｅｎ’・ｅ３’））
と求められる。
【００５９】
次に、天板回転部１０６による天板１１０の回転量ψを算出する。図５に示されるように、天板回転部１０６の回転角度ψは、ｅｎ’のＸ’Ｙ’平面の正射影成分ｅｎ（ＸＹ）’と、ｅ１’とがなす角度となることから、
ｃｏｓψ＝［｛ｅｎ’−（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｝・ｅ１’］／｜ｅｎ’−（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｜・｜ｅ１’｜＝［｛ｅｎ’−（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｝・ｅ１’］／｜ｅｎ’−（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｜
したがって、
ψ＝ｃｏｓ−１［｛ｅｎ’−（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｝・ｅ１’］／｜ｅｎ’−（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｜
と求められる。
【００６０】
ここで、被検体の体軸方向の単位ベクトルｅ１’（Ｘ’軸方向の単位ベクトル）は、直交座標系０−ＸＹＺ上における被検体の体軸方向の単位ベクトルｅｐに対応する。したがって、先に求めた天板回転部１０６による天板１１０の回転量ψを用いて表すと、
ｅｐ＝（ｓｉｎψ，−ｃｏｓψ，０）
と表わされる。
【００６１】
また、直交座標系０−ＸＹＺ上における粒子線の照射の方向の中心軸の単位ベクトルｅｎを先に求めた照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部１０３の回転量θを用いて表すと、
ｅｎ＝（０，−ｓｉｎθ，ｃｏｓθ）
と表わされる。
【００６２】
次に、ＰＥＴ検出部２０１を回転移動させる第１支持アーム２０３の回転角度φ、及び第２支持アーム２０５の回転角度ηを算出する。ここで、本実施形態では図３の状態（第１支持アーム２０３及び第２支持アーム２０５の何れも回転を行っていない状態）から、先ず第２支持アーム２０５によりＰＥＴ検出部２０１を平面α内で回転させ、粒子線照射部１０３から粒子線の照射方向の中心軸がＰＥＴ検出部２０１の開口部を通過するように回転角度ηを求め、次に、回転角ηの第２支持アーム２０５による回転を行った状態を想定し、その状態で第１支持アーム２０３を粒子線照射部１０３から粒子線の照射方向の中心軸の周りに回転させて、ＰＥＴ検出部２０１が天板１１０に直交する角度になるように回転角度φを求める。ここで、ＰＥＴ検出部２０１を天板１１０に直交する角度にする理由は、ＰＥＴ検出部２０１を含む平面Π（以下、単に「平面Π」という）が粒子線の照射方向の単位ベクトルｅｎと被検体の体軸方向の単位ベクトルｅｐが張る平面と直交していれば、ＰＥＴ検出部２０１と被検体を載置した天板１１０との干渉が防止できるからである。
【００６３】
そこで、第２支持アーム２０５によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度ηを考える。粒子線照射部１０３は先に求めた回転量θの回転を行っている。そして、図３の状態ではＰＥＴ検出部２０１は照射ノズル回転部１０４と同じ平面αに位置している。したがって、ＰＥＴ検出部２０１は平面α内を回転量θ分移動することで、ＰＥＴ検出部２０１の開口部が粒子線照射部１０３からの粒子線の照射方向に一致することになる。すなわち、回転量θの回転を行うことで粒子線の照射方向の中心軸は開口部を通過するようになる。したがって、理想的には第２支持アーム２０５の回転角度ηは照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部１０３の回転角度θと一致すればよい。すなわち、η＝θとなる。
【００６４】
ここで、上記の制御では、第２支持アーム２０５によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度ηと照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部１０３の回転角度θを一致させていたが、実用上は正確に一致する必要はなく、粒子線の照射野がＰＥＴ検出部２０１の開口部を通過する位置ならば多少のずれは許容される。ＰＥＴ検出部２０１と天板１１０が機械的に干渉しなければ、例えば±１０度のずれが許容されるといったこともありうる。
【００６５】
次に、第２支持アーム２０５によってＰＥＴ検出部２０１が平面α内を回転角度θ回転させられた状態での、第１支持アーム２０３によるＰＥＴ検出部２０１の粒子線の照射方向の中心軸周りの回転角度φを求める。図３の状態から第２支持アーム２０５によってＰＥＴ検出部２０１が平面α内で角度θ回転させられた状態を第１支持アーム２０３の回転の基準、すなわちφ＝０と決める。そしてφ＝０の場合、平面Πと平面α（ＹＺ平面）は一致しており、平面Πの法線はＸ軸と平行になる。このとき、「ｅｎとｅｐの外積」と「Ｘ軸（＝ｅ１）」のなす角度がφになる。ここで、ｅｎとｅｐは、前述したようにすでに求められていることに注意されたい。
そこで、
ｃｏｓφ＝（ｅｎ×ｅｐ）・ｅ１／｜ｅｎ×ｅｐ｜・｜ｅ１｜＝（ｅｎ×ｅｐ）・ｅ１／｜ｅｎ×ｅｐ｜
が成り立ち、
φ＝ｃｏｓ−１｛ｃｏｓθ・ｃｏｓψ／（１−ｓｉｎ２θ・ｃｏｓ２ψ）１／２｝
としてφが求められる。
【００６６】
ここで、特殊なケースとして、上述のφの分母が０になる場合、すなわちθ＝π／２（ｒａｄ）で且つθ＝０（ｒａｄ）の場合は、上述のφは不定になってしまう。この場合、便宜的にφ＝０（ｒａｄ）（Ｘ軸が平面Πに含まれている状態、すなわち被検体の左右にＰＥＴ検出部２０１が配置された状態）、又はφ＝π／２（ｒａｄ）（Ｘ軸が平面Πと直交している場合、すなわち被検体の腹部と背面にＰＥＴ検出部２０１が配置された状態）に第１支持アーム２０３の制御を行うように決めておけばよい。
【００６７】
そして、算出した回転角度を基に、それぞれの部材の回転を実行することで被検体の体軸の方向は入力された照射方向の条件に適合するように移動される。そこで、最後に天板移動部１０８は、体軸が適切に移動させられた状態での天板の位置に載置した被検体の照射対象部位を照射方向の中心軸が通過するように天板を並進移動させる距離Ｌを求める。
【００６８】
以上のように、被検体の体軸方向と粒子線照射部１０３からの粒子線の照射方向が決定されると、照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部１０３の回転角度θ、天板回転部１０６による天板１１０の回転角度ψ、第１支持アーム２０３によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度φ、及び第２支持アーム２０５によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度ηを一意的に決定できる。この求めた回転角度により照射ノズル回転部１０４、天板回転部１０６、第１支持アーム２０３、及び第２支持アーム２０５をそれぞれ制御することで、被検体に対し適切な方向から粒子線の照射の方向の中心軸がＰＥＴ検出部２０１の開口部を通過するように、粒子線の照射を行うことができ、また、天板１１０及びＰＥＴ検出部２０１が接触するなどの機械的な干渉を防止することが可能となる。以上では、説明の都合上それぞれの回転角度の算出を順番に説明したが、それぞれの角度の算出の順番はどのような順序でもよい。また、それぞれの部材の回転移動の順番はどのような順序でもよく、本実施形態における制御はそれぞれの回転角度を求めた後に、その回転角度を基に照射ノズル回転部１０４、天板回転部１０６、第１支持アーム２０３、及び第２支持アーム２０５による粒子線照射部１０３、天板１１０、及びＰＥＴ検出部２０１の回転移動をそれぞれが接触しないように連動して行うものである。
【００６９】
次に、図７を参照して本実施形態に係る粒子線治療装置の粒子線照射及びＰＥＴ画像の作成の流れを説明する。図７は本実施形態に係る粒子線治療装置の粒子線照射及びＰＥＴ画像の作成のフローチャート図である。
【００７０】
ステップＳ１０１：操作者は、ユーザインタフェース０１０を用いて粒子線の照射の方向の条件を入力する。
【００７１】
ステップＳ１０２：入力された照射の方向の条件を基に、照射ノズル回転制御部１０５、天板回転制御部１０７、第１制御部２０３、及び第２制御部２０６はそれぞれ、照射ノズル回転部１０４による粒子線照射部１０３の回転角度θ、天板回転部１０６による天板１１０の回転角度ψ、第１支持アーム２０３によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度φ、及び第２支持アーム２０５によるＰＥＴ検出部２０１の回転角度ηを算出する。
【００７２】
ステップＳ１０３：算出した回転角度を基に、照射ノズル回転制御部１０５は照射ノズル回転部１０４を制御して粒子線照射部１０３を回転させ、天板回転制御部１０７は天板回転部１０６を制御して天板１１０を回転させ、第１制御部２０４は第１支持アーム２０３を制御してＰＥＴ検出部２０１を回転させ、第２制御部２０６は第２支持アーム２０５を制御してＰＥＴ検出部２０１を回転させる。
【００７３】
ステップＳ１０４：天板移動制御部１０９は、入力された照射の方向の条件に基づいて並進移動する距離Ｌを求め、天板１１０を距離Ｌだけ並進移動させる。
【００７４】
ステップＳ１０５：粒子線照射部１０３は、粒子線を被検体の照射対象部位に向けて照射する。
【００７５】
ステップＳ１０６：ＰＥＴ検出部２０１は、粒子線が照射され被検体で発生したγ線をシンチレータアレイで検出し、検出したγ線に基づく電気信号を同時計測などの信号処理を行った後、画像生成部２０２に送信する。
【００７６】
ステップＳ１０７：画像生成部２０２は、ＰＥＴ検出部２０１より入力された電気信号を処理しＰＥＴ画像を生成して表示制御部０２０に送信する。
【００７７】
ステップＳ１０８：表示制御部０２０は、画像生成部２０２から入力されたＰＥＴ画像を表示部０１２に表示させる。
【００７８】
以上で説明したように、本実施形態に係る粒子線治療装置は、粒子線の照射の方向の条件を入力することで、その照射の方向の条件に対応した位置に粒子線照射部、天板、及びＰＥＴ検出部を相互に機械的な干渉を起こさないように、自動的に移動させる構成となっている。これにより、操作者による各部の移動の負荷を軽減できるとともに、被検体の照射対象部位への任意の角度からの正確で効果的な粒子線の照射を行うことが可能となる。また、ＰＥＴ検出部の視野を最大限にしてγ線の検出の精度を向上させることができる。さらに、各部材同士が接触して破壊されるといった事故も防止可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明に係る粒子線治療装置のブロック図
【図２】（Ａ）本発明に係る粒子線治療装置の模式的な正面図、（Ｂ）本発明に係る粒子線治療装置の模式的な側面図
【図３】本発明に係る粒子線治療装置の模式的な上面図
【図４】第１の実施形態に係る粒子線治療装置の粒子線照射及びＰＥＴ画像の作成のフローチャート図
【図５】本実施形態に係る粒子線治療装置における入力された照射条件に基づく天板、粒子線照射部、及びＰＥＴ検出部の回転移動を説明するための図
【図６】回転移動の角度を算出するため、図５を局所直交座標系で表した図
【図７】第２の実施形態に係る粒子線治療装置の粒子線照射、及びＰＥＴ画像の作成のフローチャートの図
【符号の説明】
【００８０】
０１０ ユーザインタフェース
０１１ 入力部
０１２ 表示部
０２０ 表示制御部
１００ 粒子線治療部
１０１ 粒子線発生／加速器
１０２ 粒子線伝送部
１０３ 粒子線照射部
１０４ 照射ノズル回転部
１０５ 照射ノズル回転制御部
１０６ 天板回転部
１０７ 天板回転制御部
１０８ 天板移動部
１０９ 天板移動制御部
２００ ＰＥＴ部
２０１ ＰＥＴ検出部
２０２ 画像生成部
２０３ 第１支持アーム
２０４ 第１制御部
２０５ 第２支持アーム
２０６ 第２制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体を載置する天板と、
前記天板を載置平面内で回転させる天板回転手段と、
前記天板を前記被検体の体軸方向に並進移動させる天板移動手段と、
前記天板に載置された前記被検体に向けて粒子線を照射する粒子線照射手段と、
前記粒子線照射手段を前記載置平面と直交する特定の平面内で被検体の周りを回転移動させる照射ノズル回転手段と、
前記粒子線照射手段と前記被検体との間に、略筒型の形状で該筒内に前記被検体を囲うように配置され、かつ粒子線照射手段からの前記粒子線を通過させる開口を有し、前記粒子線が前記被検体に照射されたときに発生するγ線を検出するＰＥＴ検出器と、
前記ＰＥＴ検出器を前記粒子線の照射方向の軸の周りに回転可能に保持する第１支持アームと、
前記第１支持アームを前記体軸の周囲に回転可能に保持する第２支持アームと、
前記ＰＥＴ検出器で検出されたγ線を基に画像を生成する画像生成手段と、
を備えたことを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項２】
前記ＰＥＴ検出器は、前記開口と反対の方向にさらに開口を有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。
【請求項３】
前記被検体への前記粒子線の照射方向の条件の入力を受けて、前記入力された照射方向から粒子線が被検体に向けて照射されるように前記天板及び前記粒子線照射手段を制御し、前記粒子線の照射野が前記ＰＥＴ検出器の前記開口を通過するように制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の粒子線治療装置。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記天板の回転を制御する天板回転制御手段と、
前記天板の並進移動を制御する天板移動制御手段と、
前記粒子線照射手段の回転移動を制御する照射ノズル回転制御手段と、
前記照射方向の軸を含む平面と直交する方向の前記ＰＥＴ検出器の回転を制御する第１制御手段と、
前記載置平面と直交する方向の前記第１アームの回転を制御する第２制御手段と、
を備え、
前記被検体への前記粒子線の照射方向の条件の入力を受けて、
前記天板回転制御手段、前記天板移動制御手段、及び前記照射ノズル回転制御手段は、入力された照射方向から粒子線が被検体に向けて照射されるようにそれぞれ、前記天板及び前記粒子線照射手段を制御し、
前記第１制御手段及び前記第２制御手段は、前記粒子線の照射野が前記ＰＥＴ検出器の前記開口を通過するように制御する、
ことを特徴とする請求項３に記載の粒子線治療装置。
【請求項５】
前記入力される照射方向の条件は、前記粒子線照射手段の回転の角度にかかわらず照射された粒子線が常に通過する点である照射中心を原点とする座標空間に対するベクトル情報として表され、
前記照射ノズル回転制御手段は、前記ベクトルに基づいて前記粒子線照射手段の回転角度θを算出し、前記照射ノズル移動手段により前記粒子線照射手段を該角度θ回転させ、
前記天板回転制御手段は、前記ベクトルを基に前記天板の回転角度ψを算出し、前記天板回転手段により前記天板を該角度ψ回転させ、
前記天板移動制御手段は前記角度θ及び前記角度ψに基づいて前記粒子線の照射方向が前記被検体の照射対象部位を通過するように、前記天板移動手段により前記天板を並進移動させ、
前記第１制御手段は前記ベクトルを基に前記ＰＥＴ検出器の回転角度φを算出し、前記第１支持アームにより前記ＰＥＴ検出器を該角度φ回転させ、
前記第２制御手段は、前記第２支持アームにより前記第１支持アームを前記θとほぼ同じ角度回転させる、
ことを特徴とする請求項４に記載の粒子線治療装置。
【請求項６】
前記座標空間のＸ軸を前記照射ノズル回転手段の回転軸と一致させ、前記天板と平行な水平面内で該Ｘ軸に直交する軸をＹ軸とし、該Ｘ軸及び該Ｙ軸の双方に直交する鉛直方向をＺ軸とし、さらに、該Ｘ軸、該Ｙ軸、及び該Ｚ軸の各単位ベクトルをそれぞれｅ１、ｅ２、ｅ３とし、前記入力された照射方向を表すベクトルをｅｎとする。
また、前記被検体の体軸が一つの軸と一致する座標系でかつ、各座標軸が前記被検体の体軸方向をＸ’軸、該Ｘ’軸に直交する軸をＹ’軸、及び鉛直方向をＺ’軸であり、さらに該座標系の原点０’を前記照射中心とする局所直交座標系において、該Ｘ’軸 、該Ｙ’軸、 及び該Ｚ’軸方向の各単位ベクトルをそれぞれｅ１’、ｅ２’、ｅ３’とする。さらに前記照射方向の前記局所直交座標系における単位ベクトルをｅｎ’とする。
このとき、
前記θはθ＝ｃｏｓ−１（ｅｎ’・ｅ３’）
前記ψはψ＝ｃｏｓ−１［｛ｅｎ’―（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｝・ｅｎ’／｜ｅｎ’―（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｜］
前記φはφ＝ｃｏｓ−１｛ｃｏｓθ・ｃｏｓψ／（１−ｓｉｎ２θ・ｃｏｓ２ψ）１／２｝
（ここで（ｅｎ’・ｅ３’）は内積を表す）
と表わされることを特徴とする請求項５に記載の粒子線治療装置。
【請求項７】
被検体を載置する天板と、
前記天板を載置平面内で回転させる天板回転手段と、
前記天板を前記被検体の体軸方向に並進移動させる天板移動手段と、
前記天板に載置された前記被検体に向けて粒子線を照射する粒子線照射手段と、
前記粒子線照射手段を前記載置平面と直交する特定の平面内で被検体の周りを回転移動させる照射ノズル回転手段と、
前記粒子線照射手段と前記被検体との間に、略筒型の形状で該筒内に前記被検体を囲うように配置され、かつ粒子線照射手段からの前記粒子線を通過させる開口を有し、前記粒子線が前記被検体に照射されたときに発生するγ線を検出するＰＥＴ検出器と、
前記ＰＥＴ検出器を前記粒子線の照射方向の軸に回転可能に保持する第１支持アームと、
前記第１支持アームを体軸の周囲に回転可能に保持する第２支持アームと、
前記ＰＥＴ検出器で検出されたγ線を基に画像を生成する画像生成手段と、
を備えた粒子線治療装置を制御する粒子線治療装置制御方法であって、
前記粒子線照射手段の回転の角度にかかわらず照射された粒子線が常に通過する点である照射中心を原点とする座標空間のベクトルで表される前記被検体への粒子線の照射方向の条件を入力として受ける段階と、
前記ベクトルを基に、前記粒子線照射手段の回転角度θを算出し、前記粒子線照射手段を該角度θ回転させる段階と、
前記ベクトルを基に、前記天板の回転角度ψを算出し、前記天板を該角度ψ回転させる段階と、
前記角度θ及び前記角度ψを基に、前記粒子線の照射方向が前記被検体の照射対象部位を通過するよう前記天板を前記体軸方向に並進移動させる段階と、
前記第２支持アームにより前記ＰＥＴ検出器を保持する前記第１支持アームを前記θとほぼ同じ角度で回転させる段階と、
前記第１支持アームによる前記ＰＥＴ検出器の回転角度φを算出し、前記第１支持アームにより前記ＰＥＴ検出器を該角度φ回転させる段階と、
を有することを特徴とする粒子線治療装置制御方法。
【請求項１】
被検体を載置する天板と、
前記天板を載置平面内で回転させる天板回転手段と、
前記天板を前記被検体の体軸方向に並進移動させる天板移動手段と、
前記天板に載置された前記被検体に向けて粒子線を照射する粒子線照射手段と、
前記粒子線照射手段を前記載置平面と直交する特定の平面内で被検体の周りを回転移動させる照射ノズル回転手段と、
前記粒子線照射手段と前記被検体との間に、略筒型の形状で該筒内に前記被検体を囲うように配置され、かつ粒子線照射手段からの前記粒子線を通過させる開口を有し、前記粒子線が前記被検体に照射されたときに発生するγ線を検出するＰＥＴ検出器と、
前記ＰＥＴ検出器を前記粒子線の照射方向の軸の周りに回転可能に保持する第１支持アームと、
前記第１支持アームを前記体軸の周囲に回転可能に保持する第２支持アームと、
前記ＰＥＴ検出器で検出されたγ線を基に画像を生成する画像生成手段と、
を備えたことを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項２】
前記ＰＥＴ検出器は、前記開口と反対の方向にさらに開口を有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。
【請求項３】
前記被検体への前記粒子線の照射方向の条件の入力を受けて、前記入力された照射方向から粒子線が被検体に向けて照射されるように前記天板及び前記粒子線照射手段を制御し、前記粒子線の照射野が前記ＰＥＴ検出器の前記開口を通過するように制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の粒子線治療装置。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記天板の回転を制御する天板回転制御手段と、
前記天板の並進移動を制御する天板移動制御手段と、
前記粒子線照射手段の回転移動を制御する照射ノズル回転制御手段と、
前記照射方向の軸を含む平面と直交する方向の前記ＰＥＴ検出器の回転を制御する第１制御手段と、
前記載置平面と直交する方向の前記第１アームの回転を制御する第２制御手段と、
を備え、
前記被検体への前記粒子線の照射方向の条件の入力を受けて、
前記天板回転制御手段、前記天板移動制御手段、及び前記照射ノズル回転制御手段は、入力された照射方向から粒子線が被検体に向けて照射されるようにそれぞれ、前記天板及び前記粒子線照射手段を制御し、
前記第１制御手段及び前記第２制御手段は、前記粒子線の照射野が前記ＰＥＴ検出器の前記開口を通過するように制御する、
ことを特徴とする請求項３に記載の粒子線治療装置。
【請求項５】
前記入力される照射方向の条件は、前記粒子線照射手段の回転の角度にかかわらず照射された粒子線が常に通過する点である照射中心を原点とする座標空間に対するベクトル情報として表され、
前記照射ノズル回転制御手段は、前記ベクトルに基づいて前記粒子線照射手段の回転角度θを算出し、前記照射ノズル移動手段により前記粒子線照射手段を該角度θ回転させ、
前記天板回転制御手段は、前記ベクトルを基に前記天板の回転角度ψを算出し、前記天板回転手段により前記天板を該角度ψ回転させ、
前記天板移動制御手段は前記角度θ及び前記角度ψに基づいて前記粒子線の照射方向が前記被検体の照射対象部位を通過するように、前記天板移動手段により前記天板を並進移動させ、
前記第１制御手段は前記ベクトルを基に前記ＰＥＴ検出器の回転角度φを算出し、前記第１支持アームにより前記ＰＥＴ検出器を該角度φ回転させ、
前記第２制御手段は、前記第２支持アームにより前記第１支持アームを前記θとほぼ同じ角度回転させる、
ことを特徴とする請求項４に記載の粒子線治療装置。
【請求項６】
前記座標空間のＸ軸を前記照射ノズル回転手段の回転軸と一致させ、前記天板と平行な水平面内で該Ｘ軸に直交する軸をＹ軸とし、該Ｘ軸及び該Ｙ軸の双方に直交する鉛直方向をＺ軸とし、さらに、該Ｘ軸、該Ｙ軸、及び該Ｚ軸の各単位ベクトルをそれぞれｅ１、ｅ２、ｅ３とし、前記入力された照射方向を表すベクトルをｅｎとする。
また、前記被検体の体軸が一つの軸と一致する座標系でかつ、各座標軸が前記被検体の体軸方向をＸ’軸、該Ｘ’軸に直交する軸をＹ’軸、及び鉛直方向をＺ’軸であり、さらに該座標系の原点０’を前記照射中心とする局所直交座標系において、該Ｘ’軸 、該Ｙ’軸、 及び該Ｚ’軸方向の各単位ベクトルをそれぞれｅ１’、ｅ２’、ｅ３’とする。さらに前記照射方向の前記局所直交座標系における単位ベクトルをｅｎ’とする。
このとき、
前記θはθ＝ｃｏｓ−１（ｅｎ’・ｅ３’）
前記ψはψ＝ｃｏｓ−１［｛ｅｎ’―（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｝・ｅｎ’／｜ｅｎ’―（ｅｎ’・ｅ３’）ｅ３’｜］
前記φはφ＝ｃｏｓ−１｛ｃｏｓθ・ｃｏｓψ／（１−ｓｉｎ２θ・ｃｏｓ２ψ）１／２｝
（ここで（ｅｎ’・ｅ３’）は内積を表す）
と表わされることを特徴とする請求項５に記載の粒子線治療装置。
【請求項７】
被検体を載置する天板と、
前記天板を載置平面内で回転させる天板回転手段と、
前記天板を前記被検体の体軸方向に並進移動させる天板移動手段と、
前記天板に載置された前記被検体に向けて粒子線を照射する粒子線照射手段と、
前記粒子線照射手段を前記載置平面と直交する特定の平面内で被検体の周りを回転移動させる照射ノズル回転手段と、
前記粒子線照射手段と前記被検体との間に、略筒型の形状で該筒内に前記被検体を囲うように配置され、かつ粒子線照射手段からの前記粒子線を通過させる開口を有し、前記粒子線が前記被検体に照射されたときに発生するγ線を検出するＰＥＴ検出器と、
前記ＰＥＴ検出器を前記粒子線の照射方向の軸に回転可能に保持する第１支持アームと、
前記第１支持アームを体軸の周囲に回転可能に保持する第２支持アームと、
前記ＰＥＴ検出器で検出されたγ線を基に画像を生成する画像生成手段と、
を備えた粒子線治療装置を制御する粒子線治療装置制御方法であって、
前記粒子線照射手段の回転の角度にかかわらず照射された粒子線が常に通過する点である照射中心を原点とする座標空間のベクトルで表される前記被検体への粒子線の照射方向の条件を入力として受ける段階と、
前記ベクトルを基に、前記粒子線照射手段の回転角度θを算出し、前記粒子線照射手段を該角度θ回転させる段階と、
前記ベクトルを基に、前記天板の回転角度ψを算出し、前記天板を該角度ψ回転させる段階と、
前記角度θ及び前記角度ψを基に、前記粒子線の照射方向が前記被検体の照射対象部位を通過するよう前記天板を前記体軸方向に並進移動させる段階と、
前記第２支持アームにより前記ＰＥＴ検出器を保持する前記第１支持アームを前記θとほぼ同じ角度で回転させる段階と、
前記第１支持アームによる前記ＰＥＴ検出器の回転角度φを算出し、前記第１支持アームにより前記ＰＥＴ検出器を該角度φ回転させる段階と、
を有することを特徴とする粒子線治療装置制御方法。
【図１】
【図２】
【図４】
【図７】
【図３】
【図５】
【図６】
【図２】
【図４】
【図７】
【図３】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−９４４２１（Ｐ２０１０−９４４２１Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６９８１６（Ｐ２００８−２６９８１６）
【出願日】平成２０年１０月２０日（２００８．１０．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５９４１６４５４２）東芝メディカルシステムズ株式会社 (4,066)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２０日（２００８．１０．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５９４１６４５４２）東芝メディカルシステムズ株式会社 (4,066)
【Ｆターム（参考）】
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