治療計画装置及び治療計画装置の治療計画を用いた粒子線治療装置
【課題】粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することを目的としたものである。
【解決手段】荷電粒子ビーム１を走査する走査照射系３４と、荷電粒子ビーム１のブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置４とを備えた粒子線治療装置に対する治療計画を作成する治療計画装置であって、荷電粒子ビーム１が照射される照射対象４０のディスタル形状に応じて柱状の照射野４４を配置するとともに、照射対象４０の内側に柱状の照射野４５を敷き詰めて配置する照射野配置部と、照射野配置部により柱状の照射野４４、４５が敷き詰められた状態を初期状態として、照射対象４０への照査線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野４４、４５の配置を調整する最適化計算部とを有する。
【解決手段】荷電粒子ビーム１を走査する走査照射系３４と、荷電粒子ビーム１のブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置４とを備えた粒子線治療装置に対する治療計画を作成する治療計画装置であって、荷電粒子ビーム１が照射される照射対象４０のディスタル形状に応じて柱状の照射野４４を配置するとともに、照射対象４０の内側に柱状の照射野４５を敷き詰めて配置する照射野配置部と、照射野配置部により柱状の照射野４４、４５が敷き詰められた状態を初期状態として、照射対象４０への照査線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野４４、４５の配置を調整する最適化計算部とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素等の重粒子線や陽子線に代表される荷電粒子線を、癌等の患部に照射し治療を行う医療装置（以下「粒子線治療装置」）において用いられる治療計画装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療装置に先行して開発された医療装置であるＸ線等放射線を用いて治療を行う医療装置においては、多方向から強度を調整した放射線を照射することにより患部を均等に高線量で治療し、周辺組織の被曝を軽減するものが提案されている。ここで、患部に対して多方向から照射することを、多門照射という。
【０００３】
多門照射にはいくつかの手法が提案されており、シーメンスを中心としたstep and shootを行うIMRT (Intensity-Modulated Radiotherapy、強度変調放射線治療)（非特許文献１、非特許文献２）及びELEKTAを中心としたIMAT（Intensity-Modulated Ark Therapy）（非特許文献３）などが挙げられる。
【０００４】
照射方向毎にＸ線の強度分布の空間パターンを変化させて患部だけに高い吸収線量を与えるコンペンセータを複数個備え、照射方向毎に自動でコンペンセータを変更して多門照射を行う放射線照射装置が特許文献１に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３７２１４号公報（図１７〜図２１）
【非特許文献１】Chui CS, SpirouSV. Inverse planning algorithms for external beam radiation therapy. Med Dosim 2001;26(2):189-197
【非特許文献２】Keller-ReichenbecherMA, Bortfeld T, Levegrun S, et al. Intensity modulation with the "step and shoot" technique using a commercial MLC: a planning study. Multileafcollimator. Int J Radiat Oncol Biol Phys 1999;45(5):1315-1324.
【非特許文献３】Yu CX. Intensity-modulated arc therapy with dynamic multileaf collimation: an alternative to tomotherapy. Phys Med Biol. 1995;40(9):1435-1449.
【非特許文献４】強度変調放射線治療に関する緊急声明. JASTRO NEWSLETTER 2002;63(3):4-7.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Ｘ線等放射線治療装置においてIMRTは、頭頸部や前立腺などについて数多くの臨床応用がなされ、優れた成績をあげている反面、過照射等の問題も指摘されている。非特許文献４によれば、IMRTは治療計画内容によっては、一回線量や総線量を意識して増加するかしないかにかわらず、結果的に過照射による正常組織の有害事象をもたらしたり、逆に保守的になり、過少線量照射による不十分な治療効果の危険性が生じたりすると警告している。
【０００７】
この過照射の原因のひとつは、照射自由度不足によるものと考えられる。非特許文献１乃至非特許文献４に示されたＸ線等放射線治療装置によるIMRTの最終的な照射野は、（１）照射エネルギー、（２）照射角度、（３）マルチリーフコリメータ（以下「ＭＬＣ」）等による横方向の照射野制限および（４）照射線量（重み）をパラメータとして、複数の照射を重ね合わせることにより実現する。ここに、深さ方向の照射野制限器はない。
【０００８】
深さ方向の照射野制限器には、粒子線治療装置で使われるボーラスがあげられる。深さ方向における患部の変化形状は、ディスタル形状とよばれている。ボーラスは、このディスタル形状に合わせて加工されたエネルギー変調器であり、患者毎にポリエチレンまたはワックスを加工して作成する。ボーラスを備えた照射装置は、例えば特許文献１の図２１に示され、照射野の形状を患部のディスタル形状に合わせることができる。
【０００９】
しかし、粒子線治療装置において多門照射に１つのボーラスをそのまま適用することはできない。まず、IMRTの場合、複数の照射方向それぞれに対してボーラスを準備しなければならい。特許文献１の放射線照射装置はボーラスに相当するコンペンセータを自動で移動できるものの、ボーラスの加工の手間及び費用がかかる問題があった。また、IMATの場合はさらに難しく、刻一刻と変化する照射角度に応じてボーラスの形状を動的に変化させなければならない。現在、ボーラスではこの動的な形状変化を実現できない。
【００１０】
したがって、Ｘ線等放射線治療装置におけるIMRTの技術を、従来のワブラーシステムを有する粒子線治療装置にそのまま適用しようとすると、複数のボーラスを用いなければならない問題は同様に存在する。ボーラスを用いることなく深さ方向の照射野を制限する、すなわち照射自由度を上げることができないので、ボーラスを用いずに過照射問題を解決することはできなかった。
【００１１】
本発明は、これらの課題を解決することを目的としたものである。すなわち、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することを目的としたものである。より具体的には、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることにより、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
加速器により加速された荷電粒子ビームを走査する走査照射系と、荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置とを備えた粒子線治療装置に対する治療計画を作成する治療計画装置である。荷電粒子ビームが照射される照射対象のディスタル形状に応じて柱状の照射野を配置するとともに、照射対象の内側に柱状の照射野を敷き詰めて配置する照射野配置部と、照射野配置部により柱状の照射野が敷き詰められた状態を初期状態として、照射対象への照査線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野の配置を調整する最適化計算部とを有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る治療計画装置は、荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大した柱状の照射野を照射対象のディスタル形状に応じて敷き詰めて、照射対象への照査線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野の配置を調整するので、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることにより、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１による粒子線照射装置を示す構成図である。
【図２】図１のエネルギー変更装置を示す構成図である。
【図３】図１の深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。
【図４】本発明の治療計画装置における治療計画の作成方法を示すフローチャートである。
【図５】図４のステップＳＴ１を説明する図である。
【図６】本発明の治療計画の最適計算における初期状態を求める模式図である。
【図７】本発明の実施の形態２によるエネルギー変更装置を示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態３による深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。
【図９】本発明の実施の形態４による柱状照射野生成装置を示す構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態５による粒子線治療装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
本発明の特徴である柱状スキャニング照射でのIMRTを考える。通常のスポットスキャニングの考え方は、患部を３次元的にスポットにて、あたかも点描するかのごとく照射するものである。スポットスキャニングはこのように自由度の高い照射方法であるが、反面、患部全体を照射するのに要する時間が長い。IMRTは多門照射であるから、さらに照射時間がかかってしまう。そこで、スポットよりも深さ方向へブラッグピークＢＰ（Bragg Peak）を拡大し、柱状の照射野を生成する。
【００１６】
図１は本発明の実施の形態１による粒子線照射装置を示す構成図である。粒子線照射装置５８は、深さ方向へブラッグピークＢＰを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置４と、荷電粒子ビーム１に垂直な方向であるＸ方向及びＹ方向に荷電粒子ビーム１を走査するＸ方向走査電磁石１０及びＹ方向走査電磁石１１と、位置モニタ１２ａ、１２ｂと、線量モニタ１３と、走査電磁石電源３２と、粒子線照射装置５８の照射系を制御する照射制御装置３３とを備える。Ｘ方向走査電磁石１０、Ｙ方向走査電磁石１１、走査電磁石電源３２は、荷電粒子ビーム１を走査する走査照射系３４である。なお、荷電粒子ビーム１の進行方向はＺ方向である。柱状照射野生成装置４は、荷電粒子ビームの進む方向に向かって手前から荷電粒子ビームのエネルギーを低下して所望のエネルギーに変更し、照射対象である患部４０におけるブラッグピークＢＰの深さ方向（Ｚ方向）の位置（飛程）を調整するエネルギー変更装置２と、荷電粒子ビーム１のエネルギーの幅を変更し、ブラッグピークＢＰを深さ方向へ拡大する深さ方向照射野拡大装置３とを有する。この患部４０の深さ方向、すなわち照射方向における幅を拡大したブラッグピークＢＰは、拡大ブラッグピークＳＯＢＰ（Spread-Out Bragg Peak）と呼ばれる。ここでは、拡大ブラッグピークＳＯＢＰの照射方向における幅をＳＯＢＰの幅と呼ぶ。
【００１７】
Ｘ方向走査電磁石１０は荷電粒子ビーム１をＸ方向に走査する走査電磁石であり、Ｙ方向走査電磁石１１は荷電粒子ビーム１をＹ方向に走査する走査電磁石である。位置モニタ１２ａ、１２ｂはＸ方向走査電磁石１０及びＹ方向走査電磁石１１で走査された荷電粒子ビーム１が通過する通過位置を検出する。線量モニタ１３は荷電粒子ビーム１の線量を検出する。照射制御装置３３は、図示しない治療計画装置で作成された治療計画データに基づいて、患部４０における柱状照射野やその照射位置を制御し、線量モニタ１３で測定された線量が目標線量に達すると荷電粒子ビームを停止する。走査電磁石電源３２は照射制御装置３３から出力されたＸ方向走査電磁石１０及びＹ方向走査電磁石１１への制御入力（指令）に基づいてＸ方向走査電磁石１０及びＹ方向走査電磁石１１の設定電流を変化させる。
【００１８】
図２はエネルギー変更装置を示す構成図である。図３は深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。エネルギー変更装置２は、幅方向（Ｘ方向）に厚さが階段状に変化するレンジシフタ９、レンジシフタ９を荷電粒子ビーム１が通過する位置を移動する上流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石５、６、上流側偏向電磁石対を励磁する第１の偏向電磁石電源２０、レンジシフタ９を通過した荷電粒子ビーム１を元の軌道上に戻す下流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石７、８、下流側偏向電磁石対を励磁する第２の偏向電磁石電源２１、照射制御装置３３から入力されるエネルギー指令値に基づいて上流側偏向電磁石対による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、励磁電流値を第１の偏向電磁石電源２
０に送信する変更制御装置２２を備える。変更制御装置２２は、第２の偏向電磁石電源２１も制御する。
【００１９】
荷電粒子ビーム１はビーム軸１４（Ｚ軸）上を上流側偏向電磁石対５、６に入射される。荷電粒子ビーム１の軌道は、図２の紙面の水平方向（Ｘ方向）に移動される。偏向電磁石５は軌道偏向用の偏向電磁石であり、偏向電磁石６は軌道平行用の偏向電磁石である。軌道変更用の偏向電磁石５は、入射された荷電粒子ビーム１の軌道をＺ軸に対して所定の角度θだけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石６は、軌道変更用の偏向電磁石５によりＺ軸に対して傾けられた軌道をＺ軸に対して平行する軌道に偏向する。レンジシフタ９の下流側では、軌道偏向用の偏向電磁石７と軌道平行用の偏向電磁石８により荷電粒子ビーム１はビーム軸１４（Ｚ軸）上に戻される。軌道変更用の偏向電磁石７は、荷電粒子ビーム１の軌道をＺ軸に対して（３６０度−所定の角度θ）だけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石８は、軌道変更用の偏向電磁石７によりＺ軸に対して傾けられた軌道をＺ軸上の軌道に偏向する。
【００２０】
エネルギー変更装置２の動作について説明する。エネルギー変更装置２に導入された荷電粒子ビーム１は、上流側偏向電磁石対５、６によりＺ軸からＸ方向に所定の距離離れたＺ軸に平行な軌道上を進む。そして、所定の厚さのレンジシフタ９の部分を荷電粒子ビーム１が通過することにより、エネルギーが厚さに比例する分だけ低下されて所望のエネルギーになる。このようにして所望のエネルギーに変更された荷電粒子ビーム１は、下流側偏向電磁石対７、８によりエネルギー変更装置２に入射されたときの元の軌道の延長線上に戻される。エネルギー変更装置２は、エネルギーに変更し飛程を変更する際にレンジシフタを駆動する駆動音が発生しないメリットがある。なお、下流側偏向電磁石対７、８により偏向される電粒子ビーム１の軌道は、ビーム軸１４上に戻る場合に限らず、ビーム軸１４に平行でビーム軸１４の方へ戻る場合、ビーム軸１４に平行でなくてもビーム軸１４の方へ戻るものでもよい。
【００２１】
図３は深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。深さ方向照射野拡大装置３は、幅方向（Ｘ方向）に異なった高さの概三角柱で構成され、すなわち異なる厚さ分布の山を複数有するように構成されたリッジフィルタ１９、リッジフィルタ１９を荷電粒子ビーム１が通過する位置を移動する上流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石１５、１６、上流側偏向電磁石対を励磁する第１の偏向電磁石電源２３、リッジフィルタ１９を通過した荷電粒子ビーム１を元の軌道上に戻す下流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石１７、１８、下流側偏向電磁石対を励磁する第２の偏向電磁石電源２４、照射制御装置３３から入力されるＳＯＢＰ指令値に基づいて上流側偏向電磁石対による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、励磁電流値を第１の偏向電磁石電源２３に送信する変更制御装置２５を備える。変更制御装置２５は、第２の偏向電磁石電源２４も制御する。
【００２２】
荷電粒子ビーム１はビーム軸１４（Ｚ軸）上を上流側偏向電磁石対１５、１６に入射される。荷電粒子ビーム１の軌道は、図２の紙面の水平方向（Ｘ方向）に移動される。偏向電磁石１５は軌道偏向用の偏向電磁石であり、偏向電磁石１６は軌道平行用の偏向電磁石である。軌道変更用の偏向電磁石１５は、入射された荷電粒子ビーム１の軌道をＺ軸に対して所定の角度θだけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石１６は、軌道変更用の偏向電磁石１５によりＺ軸に対して傾けられた軌道をＺ軸に対して平行する軌道に偏向する。リッジフィルタ１９の下流側では、軌道偏向用の偏向電磁石１７と軌道平行用の偏向電磁石１８により荷電粒子ビーム１はビーム軸１４（Ｚ軸）上に戻される。軌道変更用の偏向電磁石１７は、荷電粒子ビーム１の軌道をＺ軸に対して（３６０度−所定の角度θ）だけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石１８は、軌道変更用の偏向電磁石１７によりＺ軸に対して傾けられた軌道をＺ軸上の軌道に偏向する。
【００２３】
深さ方向照射野拡大装置３の動作について説明する。深さ方向照射野拡大装置３に導入された荷電粒子ビーム１は、上流側偏向電磁石対１５、１６によりＺ軸からＸ方向に所定の距離離れたＺ軸に平行な軌道上を進む。そして、所定の厚さ分布を有するリッジフィルタ１９の部分を荷電粒子ビーム１が通過することにより、エネルギーが厚さに比例する分だけ低下され、結果として強さの変化する多種のエネルギーが混ざった粒子線ビームになる。荷電粒子ビーム１が通過するリッジフィルタ１９の山の高さに応じてＳＯＢＰの幅が変更できる。このようにして所望のＳＯＢＰの幅に変更された荷電粒子ビーム１は、下流側偏向電磁石対１７、１８により深さ方向照射野拡大装置３に入射されたときの元の軌道の延長線上に戻される。深さ方向照射野拡大装置３は、ＳＯＢＰの幅を変更する際にリッジフィルタを駆動する駆動音が発生しないメリットがある。なお、下流側偏向電磁石対１７、１８により偏向される電粒子ビーム１の軌道は、ビーム軸１４上に戻る場合に限らず、ビーム軸１４に平行でビーム軸１４の方へ戻る場合、ビーム軸１４に平行でなくてもビーム軸１４の方へ戻るものでもよい。
【００２４】
粒子線照射装置５８を回転ガントリに搭載することにより、粒子線照射装置５８の照射系が患者台の回り自由に回転でき、患部４０に対して多方向からの照射が可能となる。回転ガントリは粒子線照射装置５８の照射系を回転させ、照射方向を回転させる。すなわち、このことにより、多門照射を行える。また、粒子線照射装置５８におけるリッジフィルタ１９を用いてＸＹ方向よりもＺ方向に大きく照射野を拡大するようなものとしたことにより、患部４０に対して柱状の線量分布（図５参照）でビームを照射することができる。
【００２５】
次に、柱状スキャニング照射でIMRTを行う方法を説明する。図４は本発明の治療計画装置における治療計画の作成方法を示すフローチャートであり、図５は図４のステップＳＴ１を説明する図であり、図６は治療計画の最適計算における初期状態を求める模式図である。図５及び図６は、４門（９０度間隔）で照射する場合の例である。治療計画装置は、荷電粒子ビーム１が照射される患部（照射対象）４０のディスタル形状に応じて柱状の照射野を配置するとともに、患部（照射対象）４０の内側に柱状の照射野を敷き詰めて配置する照射野配置部と、照射野配置部により柱状の照射野が敷き詰められた状態を初期状態として、患部（照射対象）４０への照査線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野の配置を調整する最適化計算部を有する。
【００２６】
まず、図５に示すように柱状の照射野である柱状照射野４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄを、患部４０のディスタル形状に合わせて敷き詰めていく（ステップＳＴ１）。これをすべての門（照射方向）に対して行う。このとき、柱状の照射野が重なってしまってもよい。重なった部分に関しては、後ほど説明する。図５（ａ）は照射方向４３ａからの照射における患部４０のディスタル形状に合わせて柱状照射野４４ａを敷き詰めていく例であり、図５（ｂ）は照射方向が照射方向４３ｂの際の柱状照射野４４ｂを示し、図５（ｃ）は照射方向が照射方向４３ｃの際の柱状照射野４４ｃを示し、図５（ｄ）は照射方向が照射方向４３ｄの際の柱状照射野４４ｄを示す。すべての門（照射方向）で完了したときの照射野の配置例は図６（ａ）のようになる。
【００２７】
すべての門（照射方向）で完了したら、残りの照射対象の領域があるかを判定する（ステップＳＴ２）。残りの照射対象の領域がない場合はステップＳＴ５へ移る。残りの照射対象の領域がある場合は、残りの照射対象の領域に対して、残りの照射対象のディスタル形状に合うよう、２周目の敷き詰め作業を行う（ステップＳＴ３）。図６（ｂ）に示すように、照射方向が照射方向４３ｃの場合は柱状照射野４５ｃを敷き詰めていく。このとき、２周目の柱状照射野は、１周目の柱状照射野とＳＯＢＰの幅を変えてもよい。すべての門（照射方向）で完了したときの照射野の配置例は図６（ｃ）のようになる。図６（ｃ）において、柱状照射野４５ａは照射方向が照射方向４３ａの場合であり、柱状照射野４５ｂは照射方向が照射方向４３ｂの場合であり、柱状照射野４５ｄは照射方向が照射方向４３ｄの場合である。
【００２８】
２周目におけるすべての門（照射方向）で完了したら、残りの照射対象の領域があるかを判定する（ステップＳＴ４）。残りの照射対象の領域がある場合は、ステップＳＴ３へ移り、柱状の照射野が患部すべてを覆うように繰り返す。残りの照射対象の領域がない場合はステップＳＴ５へ移る。
【００２９】
ステップＳＴ５では、柱状の照射野が敷き詰められた照射プランを初期値として最適化計算を行う。最適化計算が終了したら、評価関数により評価を行う（ステップＳＴ６）。評価関数の値が臨床的にみて許容できるものかを判定し、許容できないと判定した場合はステップＳＴ５に戻り、最適化計算を行う。評価関数の値が臨床的にみて許容できる範囲内にあれば終了する。
【００３０】
ステップＳＴ５及びＳＴ６に示した治療計画の最適化作業は、オーバードーズ（線量超過）を防ぐために、患部４０への照査線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野の配置を調整する。前述した柱状の照射野が重なっている部分は、オーバードーズ（線量超過）になってしまうので、最適化作業は柱状の照射野が重なっている部分を解消、あるいは少なくするように柱状の照射野の配置を変更する。
【００３１】
ステップＳＴ１〜ＳＴ４の作業は、治療計画装置の照射野配置部でまず行う。次に治療計画装置について説明する。治療計画装置については、医療安全のための放射線治療計画装置の運用マニュアル（熊谷孝三、日本放射線技師会出版会）が詳しい。治療計画装置には広範な役割があるが、簡単に言えば治療シミュレータである、といえる。また、治療計画装置の役割のひとつに最適化計算がある。ステップＳＴ５及びＳＴ６に示した治療計画の最適化作業は、治療計画装置の最適化計算部で行われる。最適化計算は、IMRTにおける逆方向治療計画（インバースプランニング）での最適なビーム強度の検索に使用される。
【００３２】
前記運用マニュアルによれば、最適化計算には、現在までに次のようなものが試されたとのことである。初期のIMRT最適化計算で使用されたフィルタ逆投影法、確率論的方法に分類される擬似的な焼きなまし、遺伝的アルゴリズム、ランダム検索技術と、現在多くの治療計画装置に実装されている決定論的方法に分類される勾配法である。
【００３３】
勾配法は、計算は高速であるが、局所的な最小（極小）に捕らえられると抜け出せない性質がある。しかし、現在では、勾配法が臨床IMRT治療計画を実施する多くの治療計画装置に採用されている。
【００３４】
勾配法において、求める最適とは異なる別の極小値に捕らえられてしまうことを防ぐには、他の遺伝的アルゴリズムやランダム検索技術と組み合わせて使うことも有効である。他には、最適化計算の初期値（解の候補として初めに与える値）が、求める最適解に近ければよいことが経験的にわかっている。
【００３５】
そこで、本発明では、ステップＳＴ１〜ＳＴ４で作成された照射プランを、最適化計算の初期値として使う。従来のIMRTに比べて、患部のディスタル形状に合うように深さ方向の照射自由度が高いため、ステップＳＴ１〜ＳＴ４で作成された照射プランは最適な照射に十分近い。
【００３６】
最適化計算は、必ずある評価関数を最小にするような解を計算する。治療計画装置の場合、前記運用マニュアルに示されているように、物理的最適化の基準である評価関数は、以下のように示される。
【数１】
ここでＤｍｉｎ、Ｄｍａｘは指定した線量制限である。ｕはＤｍｉｎに対する重み係数であり、ｗはＤｍａｘに対する重み係数である。ｂ（数式（１）では矢印付きで示したが、矢印なしで示す。以後、数式（１）関連の説明において同じ。）はビームレットの強度の関数であり、ｄｉ（ｂ）はビームレットの強度の関数ｂとしたボクセルｉの線量である。［ｘ］＋はｘ＞０ではｘ、それ以外では０となる。Ｎはボクセルの最大数である。
【００３７】
このように、治療計画装置において最適化計算を行うため、例えば初期値においては柱状の照射野が重なってオーバードーズ（線量超過）になっても、得られた治療計画においては、調整される。
【００３８】
以上のように構成することで、実施の形態１の治療計画装置によれば、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００３９】
柱状の線量分布でビームを照射することの効果について説明する。そもそも、１方向からの照射を前提とする従来の粒子線治療装置において、その照射系における線量分布形成は以下の方法による。ワブラー法を例に説明すると、ＸＹ方向へは、ワブラー電磁石と散乱体によって照射野を均一拡大し、患部のＸＹ平面断面形状（あるいはＸＹ平面に投影した形状等）に基づいてＭＬＣにより制限を行う。Ｚ方向へは、リッジフィルタによって照射野を均一拡大し、患部のディスタル形状（最深層形状）に合うようにボーラスにより制限を行う。
【００４０】
前述したように、粒子線治療装置における多門照射においては複数のボーラスを用いなければならないので、ボーラスの加工の手間及び費用がかかり、またボーラスを動的に形状変化できず、IMATには適用できなかった。もし、粒子線治療装置における多門照射において、ボーラスを用いなくてもボーラスのように患部のディスタル形状（最深層形状）に合うように照射野を制限することができれば、ボーラスの加工の手間及び費用の問題が解決でき、IMATへの適用が可能となり、IMRTの過照射問題、すなわち正常組織への不要な照射を格段に減らすことができる。そこで、柱状の線量分布でビームを照射する発明に至った。本発明における、柱状の線量分布でビームを照射することの最大の効果のひとつは、ボーラスを用いなくても患部４０のディスタル形状（最深層形状）に合うように照射野を制限することができ、正常組織への不要な照射を格段に減らすことができることである。
【００４１】
本発明における、柱状の線量分布でビームを照射することのもうひとつの最大の効果は、Ｘ線等放射線治療装置で用いられる強度変調をしなくても照射野を形成できることにある。ここで強度変調の原理は、簡単に言うと、弱い線量分布を有する照射野を多方向から照射し、重ね合わせにより、最終的により多くの線量が重なった箇所が治療効果を発揮する照射野として線量分布を得るというものである。
【００４２】
本発明において照射野の形成は、図６に示すように、柱状の線量を組み合わせて行うことができる。ここで補足するが、本発明においても照射野を重ねて照射をしてもよい。患部の各部分に対してアンダードーズ（線量不足）になることとオーバードーズ（線量超過）になることは許されないが、臨床的に許容できる線量には幅がある。最終的な線量分布が患部の各部分に対して許容できるように、治療計画装置により照射計画を立てていく。
従来のＸ線等放射線治療装置のように、最終的な照射野を患部のディスタル形状に合うように強度変調をしなくてよいので、治療計画装置による強度変調の最適化の計算が不要となり、すなわち、従来の治療計画に要する時間が長いという問題を解消することができる。また、柱状の線量分布でビームを照射することは、点状に照射することに比べて照射時間が早いというメリットがある。
【００４３】
実施の形態１の治療計画装置を用いた粒子線治療装置において多門照射ができるメリットは、いくつかあるが、主に以下の２点である。ひとつは、同じ患部に照射した場合、多門照射の方が粒子線の通過する体表面積が広いため、正常組織である体表面へのダメージを低減できることにある。もうひとつは、照射してはならない危険部位（脊髄、眼球等）への照射を回避できることにある。
【００４４】
以上のように実施の形態１の治療計画装置によれば、加速器により加速された荷電粒子ビーム１を走査する走査照射系３４と、荷電粒子ビーム１のブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置４とを備えた粒子線治療装置に対する治療計画を作成する治療計画装置であって、荷電粒子ビーム１が照射される照射対象４０のディスタル形状に応じて柱状の照射野４４を配置するとともに、照射対象４０の内側に柱状の照射野４５を敷き詰めて配置する照射野配置部と、照射野配置部により柱状の照射野４４、４５が敷き詰められた状態を初期状態として、照射対象４０への照査線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野４４、４５の配置を調整する最適化計算部とを有するので、荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大した柱状の照射野を照射対象のディスタル形状に応じて敷き詰めて、照射対象への照査線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野の配置を調整でき、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００４５】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２によるエネルギー変更装置を示す構成図である。実施の形態１のエネルギー変更装置２ａとは、複数の吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを用いて、荷電粒子ビーム１のエネルギーを低下して所望のエネルギーに変更し、照射対象である患部４０におけるブラッグピークＢＰの深さ方向（Ｚ方向）の位置（飛程）を調整する点で異なる。
【００４６】
エネルギー変更装置２ｂは、駆動装置２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄにより駆動される複数の吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを有する。吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄは厚さの異なる吸収体である。吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄそれぞれの組み合わせにより、吸収体の合計の厚さを変化させることができる。変更制御装置２２は、駆動装置２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄを制御し、それぞれの駆動装置に対応する吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを荷電粒子ビーム１が通過するように、或いは通過しないようにする。荷電粒子ビーム１は、通過する吸収体の合計の厚さに比例する分だけエネルギーが低下されて所望のエネルギーになる。
【００４７】
実施の形態２のエネルギー変更装置２ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の１と同様に、深さ方向へブラッグピークＢＰを拡大し、柱状の照射野を生成することができる。実施の形態２のエネルギー変更装置２ｂは、荷電粒子ビーム１を偏向させる必要がないので、実施の形態１のエネルギー変更装置２ａに比べて、偏向電磁石５乃至８を無くし、荷電粒子ビーム１の照射方向（Ｚ方向）における装置の長さＬ１を短くできる。装置の長さＬ１を短くできるので、エネルギー変更装置をコンパクトにすることができる。なお、図２における装置の長さＬ１は、偏向電磁石５の上流側端部から偏向電磁石８の下流側端部までの長さである。
【００４８】
実施の形態２のエネルギー変更装置２ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の形態１で示した治療計画装置が作成した治療計画に対応した治療計画に基づいて多門照射を実行できるので、実施の形態１と同様に、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００４９】
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３による深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。実施の形態１の深さ方向照射野拡大装置３ａとは、複数の散乱体２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを用いて、荷電粒子ビームのエネルギーを散乱により多種のエネルギーが混ざった状態にし、すなわち荷電粒子ビーム１のエネルギーの幅を変更し、ブラッグピークＢＰを深さ方向へ拡大する点で異なる。
【００５０】
深さ方向照射野拡大装置３ｂは、駆動装置２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄにより駆動される複数の散乱体２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを有する。散乱体２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄは厚さの異なる散乱体である。散乱体２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄそれぞれの組み合わせにより、散乱体の合計の厚さを変化させることができる。変更制御装置２５は、駆動装置２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄを制御し、それぞれの駆動装置に対応する散乱体２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを荷電粒子ビーム１が通過するように、或いは通過しないようにする。荷電粒子ビーム１は、通過する散乱体の合計の厚さに比例する分だけエネルギーの幅が広げられ所望のＳＯＢＰの幅になる。
【００５１】
実施の形態３の深さ方向照射野拡大装置３ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の１と同様に、深さ方向へブラッグピークＢＰを拡大し、柱状の照射野を生成することができる。実施の形態３の深さ方向照射野拡大装置３ｂは、荷電粒子ビーム１を偏向させる必要がないので、実施の形態１のエネルギー変更装置２ａに比べて、偏向電磁石１５乃至１８を無くし、荷電粒子ビーム１の照射方向（Ｚ方向）における装置の長さＬ２を短くできる。装置の長さＬ２を短くできるので、エネルギー変更装置をコンパクトにすることができる。図３における装置の長さＬ２は、偏向電磁石１５の上流側端部から偏向電磁石１８の下流側端部までの長さである。
【００５２】
実施の形態３の深さ方向照射野拡大装置３ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の形態１で示した治療計画装置が作成した治療計画に対応した治療計画に基づいて多門照射を実行できるので、実施の形態１と同様に、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００５３】
実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４による柱状照射野生成装置を示す構成図である。実施の形態１の柱状照射野生成装置４ａとは、エネルギー変更装置２ａと深さ方向照射野拡大装置３ａを一体化した点で異なる。
【００５４】
柱状照射野生成装置４ｂは、２つのレンジシフタ９ａ、９ｂと、２つのリッジフィルタ１９ａ、１９ｂと、レンジシフタ９ａ、９ｂ及びリッジフィルタ１９ａ、１９ｂを荷電粒子ビーム１が通過する位置を移動する上流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石５、６、上流側偏向電磁石対を励磁する第１の偏向電磁石電源２０、レンジシフタ９ａ、９ｂ及びリッジフィルタ１９ａ、１９ｂを通過した荷電粒子ビーム１を元の軌道上に戻す下流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石７、８、下流側偏向電磁石対を励磁する第２の偏向電磁石電源２１、照射制御装置３３から入力されるエネルギー指令値に基づいて上流側偏向電磁石対による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、励磁電流値を第１の偏向電磁石電
源２０に送信する変更制御装置２２を備える。変更制御装置２２は、第２の偏向電磁石電源２１も制御する。各機器の動作は実施の形態１と同様なので繰り返さない。
【００５５】
レンジシフタ９ａ、９ｂは同じ形状、材料のものであり、リッジフィルタ１９ａ、１９ｂは、それぞれ異なった高さの概三角柱で構成された例である。リッジフィルタ１９ｂの概三角柱の高さはリッジフィルタ１９ａの概三角柱の高さよりも高いので、荷電粒子ビーム１のＳＯＢＰの幅は、リッジフィルタ１９ｂを通過した場合の方がリッジフィルタ１９ａを通過した場合より広くすることができる。
【００５６】
実施の形態４の柱状照射野生成装置４ｂは、荷電粒子ビーム１を２種類のＳＯＢＰの幅で所望のエネルギーに変更するので、２種類の注状照射野を所望の飛程にすることができる。レンジシフタ９ａ、９ｂとリッジフィルタ１９ａ、１９ｂに対してそれぞれに上流側偏向電磁石対と下流側偏向電磁石対を設けることがなく、上流側偏向電磁石対と下流側偏向電磁石対を１セットだけ設けているので、実施の形態１の柱状照射野生成装置４ａに比べて、荷電粒子ビーム１の照射方向（Ｚ方向）における装置の長さを短くできる。上流側偏向電磁石対と下流側偏向電磁石対を用いて２種類のＳＯＢＰの幅で所望のエネルギーに変更するので、ＳＯＢＰの幅と飛程を変更する際にレンジシフタやリッジフィルタを駆動する駆動音が発生しないメリットがある。なお、２種類よりもさらに多い多種類のＳＯＢＰの幅を揃えるには、その種類数に応じたレンジシフタ９とリッジフィルタ１９を配置すればよい。
【００５７】
実施の形態４の柱状照射野生成装置４ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の形態１で示した治療計画装置が作成した治療計画に対応した治療計画に基づいて多門照射を実行できので、実施の形態１と同様に、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００５８】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５は、実施の形態１乃至４に示した粒子線照射装置を備えた粒子線治療装置である。図１０は本発明の実施の形態５における粒子線治療装置の概略構成図である。粒子線治療装置５１は、イオンビーム発生装置５２と、イオンビーム輸送系５９と、粒子線照射装置５８ａ、５８ｂとを備える。イオンビーム発生装置５２は、イオン源（図示せず）と、前段加速器５３と、シンクロトロン５４とを有する。粒子線照射装置５８ｂは回転ガントリ（図示せず）に設置される。粒子線照射装置５８ａは回転ガントリを有しない治療室に設置される。イオンビーム輸送系５９の役割はシンクロトロン５４と粒子線照射装置５８ａ、５８ｂの連絡にある。イオンビーム輸送系５９の一部は回転ガントリ（図示せず）に設置され、その部分には複数の偏向電磁石５５ａ、５５ｂ、５５ｃを有する。
【００５９】
イオン源で発生した陽子線等の粒子線である荷電粒子ビームは、前段加速器５３で加速され、シンクロトロン５４に入射される。荷電粒子ビームは、所定のエネルギーまで加速される。シンクロトロン５４から出射された荷電粒子ビームは、イオンビーム輸送系５９を経て粒子線照射装置５８ａ、５８ｂに輸送される。粒子線照射装置５８ａ、５８ｂは荷電粒子ビームを患者の患部（図示せず）に照射する。
【００６０】
実施の形態５の粒子線治療装置５１は、実施の形態１乃至４に示した粒子線照射装置と、実施の形態１に示した治療計画装置で作成した治療計画に基づいて荷電粒子ビームを患者の患部に照射するので、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることにより、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００６１】
実施の形態５の粒子線治療装置５１は、柱状の線量分布でビームを照射するので、点状に照射することに比べて照射時間が早いというメリットがある。また、多門照射ができるので、同じ患部に照射した場合、正常組織である体表面へのダメージを低減でき、照射してはならない危険部位（脊髄、眼球等）への照射を回避できる。
【００６２】
さらに、実施の形態５の粒子線治療装置５１においては、多門照射を遠隔で行えるメリットがある。遠隔多門照射とは、技師等が治療室に入って回転ガントリを操作する必要なく、治療室の外から遠隔で、患部への照射方向を多方向に変えて粒子線を照射することである。前述のように、本発明における粒子線治療装置においては、ＭＬＣやボーラスを必要としないシンプルな照射系となるため、ボーラスの交換作業及びＭＬＣの形状確認作業が不要となる。その結果、遠隔多門照射が行え、治療時間が大幅に縮まるといった効果が得られる。
【００６３】
なお、柱状照射野生成装置４は実施の形態２で示したエネルギー変更装置２ｂと実施の形態３で示した深さ方向照射野拡大装置３ｂを使用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明に係る治療計画装置は、医療用に用いられる粒子線治療装置に好適に適用できる。本発明に係る粒子線治療装置は、医療において好適に利用できる。特に過照射となってしまうIMRTの問題を解決でき、医療産業の発達に寄与するものである。
【符号の説明】
【００６５】
１ 荷電粒子ビーム ２ エネルギー変更装置
２ａ エネルギー変更装置 ２ｂ エネルギー変更装置
３ 深さ方向照射野拡大装置 ３ａ 深さ方向照射野拡大装置
３ｂ 深さ方向照射野拡大装置 ４ 柱状照射野生成装置
４ａ 柱状照射野生成装置 ４ｂ 柱状照射野生成装置
５ 偏向電磁石 ６ 偏向電磁石
７ 偏向電磁石 ８ 偏向電磁石
９ レンジシフタ ９ａ レンジシフタ
９ｂ レンジシフタ １４ ビーム軸
１５ 偏向電磁石 １６ 偏向電磁石
１７ 偏向電磁石 １８ 偏向電磁石
１９ リッジフィルタ １９ａ リッジフィルタ
１９ｂ リッジフィルタ ２２ 変更制御装置
２５ 照射野拡大制御装置 ２６ａ 吸収体
２６ｂ 吸収体 ２６ｃ 吸収体
２６ｄ 吸収体 ２７ａ 駆動装置
２７ｂ 駆動装置 ２７ｃ 駆動装置
２７ｄ 駆動装置 ２８ａ 散乱体
２８ｂ 散乱体 ２８ｃ 散乱体
２８ｄ 散乱体 ２９ａ 駆動装置
２９ｂ 駆動装置 ２９ｃ 駆動装置
２９ｄ 駆動装置 ３４ 走査照射系
４０ 患部 ４４ａ 柱状照射野
４４ｂ 柱状照射野 ４４ｃ 柱状照射野
４４ｄ 柱状照射野 ４５ａ 柱状照射野
４５ｂ 柱状照射野 ４５ｃ 柱状照射野
４５ｄ 柱状照射野 ５２ イオンビーム発生装置
５４ シンクロトロン ５８ 粒子線照射装置
５８ａ 粒子線照射装置 ５８ｂ 粒子線照射装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素等の重粒子線や陽子線に代表される荷電粒子線を、癌等の患部に照射し治療を行う医療装置（以下「粒子線治療装置」）において用いられる治療計画装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療装置に先行して開発された医療装置であるＸ線等放射線を用いて治療を行う医療装置においては、多方向から強度を調整した放射線を照射することにより患部を均等に高線量で治療し、周辺組織の被曝を軽減するものが提案されている。ここで、患部に対して多方向から照射することを、多門照射という。
【０００３】
多門照射にはいくつかの手法が提案されており、シーメンスを中心としたstep and shootを行うIMRT (Intensity-Modulated Radiotherapy、強度変調放射線治療)（非特許文献１、非特許文献２）及びELEKTAを中心としたIMAT（Intensity-Modulated Ark Therapy）（非特許文献３）などが挙げられる。
【０００４】
照射方向毎にＸ線の強度分布の空間パターンを変化させて患部だけに高い吸収線量を与えるコンペンセータを複数個備え、照射方向毎に自動でコンペンセータを変更して多門照射を行う放射線照射装置が特許文献１に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３７２１４号公報（図１７〜図２１）
【非特許文献１】Chui CS, SpirouSV. Inverse planning algorithms for external beam radiation therapy. Med Dosim 2001;26(2):189-197
【非特許文献２】Keller-ReichenbecherMA, Bortfeld T, Levegrun S, et al. Intensity modulation with the "step and shoot" technique using a commercial MLC: a planning study. Multileafcollimator. Int J Radiat Oncol Biol Phys 1999;45(5):1315-1324.
【非特許文献３】Yu CX. Intensity-modulated arc therapy with dynamic multileaf collimation: an alternative to tomotherapy. Phys Med Biol. 1995;40(9):1435-1449.
【非特許文献４】強度変調放射線治療に関する緊急声明. JASTRO NEWSLETTER 2002;63(3):4-7.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Ｘ線等放射線治療装置においてIMRTは、頭頸部や前立腺などについて数多くの臨床応用がなされ、優れた成績をあげている反面、過照射等の問題も指摘されている。非特許文献４によれば、IMRTは治療計画内容によっては、一回線量や総線量を意識して増加するかしないかにかわらず、結果的に過照射による正常組織の有害事象をもたらしたり、逆に保守的になり、過少線量照射による不十分な治療効果の危険性が生じたりすると警告している。
【０００７】
この過照射の原因のひとつは、照射自由度不足によるものと考えられる。非特許文献１乃至非特許文献４に示されたＸ線等放射線治療装置によるIMRTの最終的な照射野は、（１）照射エネルギー、（２）照射角度、（３）マルチリーフコリメータ（以下「ＭＬＣ」）等による横方向の照射野制限および（４）照射線量（重み）をパラメータとして、複数の照射を重ね合わせることにより実現する。ここに、深さ方向の照射野制限器はない。
【０００８】
深さ方向の照射野制限器には、粒子線治療装置で使われるボーラスがあげられる。深さ方向における患部の変化形状は、ディスタル形状とよばれている。ボーラスは、このディスタル形状に合わせて加工されたエネルギー変調器であり、患者毎にポリエチレンまたはワックスを加工して作成する。ボーラスを備えた照射装置は、例えば特許文献１の図２１に示され、照射野の形状を患部のディスタル形状に合わせることができる。
【０００９】
しかし、粒子線治療装置において多門照射に１つのボーラスをそのまま適用することはできない。まず、IMRTの場合、複数の照射方向それぞれに対してボーラスを準備しなければならい。特許文献１の放射線照射装置はボーラスに相当するコンペンセータを自動で移動できるものの、ボーラスの加工の手間及び費用がかかる問題があった。また、IMATの場合はさらに難しく、刻一刻と変化する照射角度に応じてボーラスの形状を動的に変化させなければならない。現在、ボーラスではこの動的な形状変化を実現できない。
【００１０】
したがって、Ｘ線等放射線治療装置におけるIMRTの技術を、従来のワブラーシステムを有する粒子線治療装置にそのまま適用しようとすると、複数のボーラスを用いなければならない問題は同様に存在する。ボーラスを用いることなく深さ方向の照射野を制限する、すなわち照射自由度を上げることができないので、ボーラスを用いずに過照射問題を解決することはできなかった。
【００１１】
本発明は、これらの課題を解決することを目的としたものである。すなわち、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することを目的としたものである。より具体的には、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることにより、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
加速器により加速された荷電粒子ビームを走査する走査照射系と、荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置とを備えた粒子線治療装置に対する治療計画を作成する治療計画装置である。荷電粒子ビームが照射される照射対象のディスタル形状に応じて柱状の照射野を配置するとともに、照射対象の内側に柱状の照射野を敷き詰めて配置する照射野配置部と、照射野配置部により柱状の照射野が敷き詰められた状態を初期状態として、照射対象への照査線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野の配置を調整する最適化計算部とを有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る治療計画装置は、荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大した柱状の照射野を照射対象のディスタル形状に応じて敷き詰めて、照射対象への照査線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野の配置を調整するので、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることにより、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１による粒子線照射装置を示す構成図である。
【図２】図１のエネルギー変更装置を示す構成図である。
【図３】図１の深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。
【図４】本発明の治療計画装置における治療計画の作成方法を示すフローチャートである。
【図５】図４のステップＳＴ１を説明する図である。
【図６】本発明の治療計画の最適計算における初期状態を求める模式図である。
【図７】本発明の実施の形態２によるエネルギー変更装置を示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態３による深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。
【図９】本発明の実施の形態４による柱状照射野生成装置を示す構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態５による粒子線治療装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
本発明の特徴である柱状スキャニング照射でのIMRTを考える。通常のスポットスキャニングの考え方は、患部を３次元的にスポットにて、あたかも点描するかのごとく照射するものである。スポットスキャニングはこのように自由度の高い照射方法であるが、反面、患部全体を照射するのに要する時間が長い。IMRTは多門照射であるから、さらに照射時間がかかってしまう。そこで、スポットよりも深さ方向へブラッグピークＢＰ（Bragg Peak）を拡大し、柱状の照射野を生成する。
【００１６】
図１は本発明の実施の形態１による粒子線照射装置を示す構成図である。粒子線照射装置５８は、深さ方向へブラッグピークＢＰを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置４と、荷電粒子ビーム１に垂直な方向であるＸ方向及びＹ方向に荷電粒子ビーム１を走査するＸ方向走査電磁石１０及びＹ方向走査電磁石１１と、位置モニタ１２ａ、１２ｂと、線量モニタ１３と、走査電磁石電源３２と、粒子線照射装置５８の照射系を制御する照射制御装置３３とを備える。Ｘ方向走査電磁石１０、Ｙ方向走査電磁石１１、走査電磁石電源３２は、荷電粒子ビーム１を走査する走査照射系３４である。なお、荷電粒子ビーム１の進行方向はＺ方向である。柱状照射野生成装置４は、荷電粒子ビームの進む方向に向かって手前から荷電粒子ビームのエネルギーを低下して所望のエネルギーに変更し、照射対象である患部４０におけるブラッグピークＢＰの深さ方向（Ｚ方向）の位置（飛程）を調整するエネルギー変更装置２と、荷電粒子ビーム１のエネルギーの幅を変更し、ブラッグピークＢＰを深さ方向へ拡大する深さ方向照射野拡大装置３とを有する。この患部４０の深さ方向、すなわち照射方向における幅を拡大したブラッグピークＢＰは、拡大ブラッグピークＳＯＢＰ（Spread-Out Bragg Peak）と呼ばれる。ここでは、拡大ブラッグピークＳＯＢＰの照射方向における幅をＳＯＢＰの幅と呼ぶ。
【００１７】
Ｘ方向走査電磁石１０は荷電粒子ビーム１をＸ方向に走査する走査電磁石であり、Ｙ方向走査電磁石１１は荷電粒子ビーム１をＹ方向に走査する走査電磁石である。位置モニタ１２ａ、１２ｂはＸ方向走査電磁石１０及びＹ方向走査電磁石１１で走査された荷電粒子ビーム１が通過する通過位置を検出する。線量モニタ１３は荷電粒子ビーム１の線量を検出する。照射制御装置３３は、図示しない治療計画装置で作成された治療計画データに基づいて、患部４０における柱状照射野やその照射位置を制御し、線量モニタ１３で測定された線量が目標線量に達すると荷電粒子ビームを停止する。走査電磁石電源３２は照射制御装置３３から出力されたＸ方向走査電磁石１０及びＹ方向走査電磁石１１への制御入力（指令）に基づいてＸ方向走査電磁石１０及びＹ方向走査電磁石１１の設定電流を変化させる。
【００１８】
図２はエネルギー変更装置を示す構成図である。図３は深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。エネルギー変更装置２は、幅方向（Ｘ方向）に厚さが階段状に変化するレンジシフタ９、レンジシフタ９を荷電粒子ビーム１が通過する位置を移動する上流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石５、６、上流側偏向電磁石対を励磁する第１の偏向電磁石電源２０、レンジシフタ９を通過した荷電粒子ビーム１を元の軌道上に戻す下流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石７、８、下流側偏向電磁石対を励磁する第２の偏向電磁石電源２１、照射制御装置３３から入力されるエネルギー指令値に基づいて上流側偏向電磁石対による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、励磁電流値を第１の偏向電磁石電源２
０に送信する変更制御装置２２を備える。変更制御装置２２は、第２の偏向電磁石電源２１も制御する。
【００１９】
荷電粒子ビーム１はビーム軸１４（Ｚ軸）上を上流側偏向電磁石対５、６に入射される。荷電粒子ビーム１の軌道は、図２の紙面の水平方向（Ｘ方向）に移動される。偏向電磁石５は軌道偏向用の偏向電磁石であり、偏向電磁石６は軌道平行用の偏向電磁石である。軌道変更用の偏向電磁石５は、入射された荷電粒子ビーム１の軌道をＺ軸に対して所定の角度θだけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石６は、軌道変更用の偏向電磁石５によりＺ軸に対して傾けられた軌道をＺ軸に対して平行する軌道に偏向する。レンジシフタ９の下流側では、軌道偏向用の偏向電磁石７と軌道平行用の偏向電磁石８により荷電粒子ビーム１はビーム軸１４（Ｚ軸）上に戻される。軌道変更用の偏向電磁石７は、荷電粒子ビーム１の軌道をＺ軸に対して（３６０度−所定の角度θ）だけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石８は、軌道変更用の偏向電磁石７によりＺ軸に対して傾けられた軌道をＺ軸上の軌道に偏向する。
【００２０】
エネルギー変更装置２の動作について説明する。エネルギー変更装置２に導入された荷電粒子ビーム１は、上流側偏向電磁石対５、６によりＺ軸からＸ方向に所定の距離離れたＺ軸に平行な軌道上を進む。そして、所定の厚さのレンジシフタ９の部分を荷電粒子ビーム１が通過することにより、エネルギーが厚さに比例する分だけ低下されて所望のエネルギーになる。このようにして所望のエネルギーに変更された荷電粒子ビーム１は、下流側偏向電磁石対７、８によりエネルギー変更装置２に入射されたときの元の軌道の延長線上に戻される。エネルギー変更装置２は、エネルギーに変更し飛程を変更する際にレンジシフタを駆動する駆動音が発生しないメリットがある。なお、下流側偏向電磁石対７、８により偏向される電粒子ビーム１の軌道は、ビーム軸１４上に戻る場合に限らず、ビーム軸１４に平行でビーム軸１４の方へ戻る場合、ビーム軸１４に平行でなくてもビーム軸１４の方へ戻るものでもよい。
【００２１】
図３は深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。深さ方向照射野拡大装置３は、幅方向（Ｘ方向）に異なった高さの概三角柱で構成され、すなわち異なる厚さ分布の山を複数有するように構成されたリッジフィルタ１９、リッジフィルタ１９を荷電粒子ビーム１が通過する位置を移動する上流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石１５、１６、上流側偏向電磁石対を励磁する第１の偏向電磁石電源２３、リッジフィルタ１９を通過した荷電粒子ビーム１を元の軌道上に戻す下流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石１７、１８、下流側偏向電磁石対を励磁する第２の偏向電磁石電源２４、照射制御装置３３から入力されるＳＯＢＰ指令値に基づいて上流側偏向電磁石対による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、励磁電流値を第１の偏向電磁石電源２３に送信する変更制御装置２５を備える。変更制御装置２５は、第２の偏向電磁石電源２４も制御する。
【００２２】
荷電粒子ビーム１はビーム軸１４（Ｚ軸）上を上流側偏向電磁石対１５、１６に入射される。荷電粒子ビーム１の軌道は、図２の紙面の水平方向（Ｘ方向）に移動される。偏向電磁石１５は軌道偏向用の偏向電磁石であり、偏向電磁石１６は軌道平行用の偏向電磁石である。軌道変更用の偏向電磁石１５は、入射された荷電粒子ビーム１の軌道をＺ軸に対して所定の角度θだけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石１６は、軌道変更用の偏向電磁石１５によりＺ軸に対して傾けられた軌道をＺ軸に対して平行する軌道に偏向する。リッジフィルタ１９の下流側では、軌道偏向用の偏向電磁石１７と軌道平行用の偏向電磁石１８により荷電粒子ビーム１はビーム軸１４（Ｚ軸）上に戻される。軌道変更用の偏向電磁石１７は、荷電粒子ビーム１の軌道をＺ軸に対して（３６０度−所定の角度θ）だけ傾くように偏向する。軌道平行用の偏向電磁石１８は、軌道変更用の偏向電磁石１７によりＺ軸に対して傾けられた軌道をＺ軸上の軌道に偏向する。
【００２３】
深さ方向照射野拡大装置３の動作について説明する。深さ方向照射野拡大装置３に導入された荷電粒子ビーム１は、上流側偏向電磁石対１５、１６によりＺ軸からＸ方向に所定の距離離れたＺ軸に平行な軌道上を進む。そして、所定の厚さ分布を有するリッジフィルタ１９の部分を荷電粒子ビーム１が通過することにより、エネルギーが厚さに比例する分だけ低下され、結果として強さの変化する多種のエネルギーが混ざった粒子線ビームになる。荷電粒子ビーム１が通過するリッジフィルタ１９の山の高さに応じてＳＯＢＰの幅が変更できる。このようにして所望のＳＯＢＰの幅に変更された荷電粒子ビーム１は、下流側偏向電磁石対１７、１８により深さ方向照射野拡大装置３に入射されたときの元の軌道の延長線上に戻される。深さ方向照射野拡大装置３は、ＳＯＢＰの幅を変更する際にリッジフィルタを駆動する駆動音が発生しないメリットがある。なお、下流側偏向電磁石対１７、１８により偏向される電粒子ビーム１の軌道は、ビーム軸１４上に戻る場合に限らず、ビーム軸１４に平行でビーム軸１４の方へ戻る場合、ビーム軸１４に平行でなくてもビーム軸１４の方へ戻るものでもよい。
【００２４】
粒子線照射装置５８を回転ガントリに搭載することにより、粒子線照射装置５８の照射系が患者台の回り自由に回転でき、患部４０に対して多方向からの照射が可能となる。回転ガントリは粒子線照射装置５８の照射系を回転させ、照射方向を回転させる。すなわち、このことにより、多門照射を行える。また、粒子線照射装置５８におけるリッジフィルタ１９を用いてＸＹ方向よりもＺ方向に大きく照射野を拡大するようなものとしたことにより、患部４０に対して柱状の線量分布（図５参照）でビームを照射することができる。
【００２５】
次に、柱状スキャニング照射でIMRTを行う方法を説明する。図４は本発明の治療計画装置における治療計画の作成方法を示すフローチャートであり、図５は図４のステップＳＴ１を説明する図であり、図６は治療計画の最適計算における初期状態を求める模式図である。図５及び図６は、４門（９０度間隔）で照射する場合の例である。治療計画装置は、荷電粒子ビーム１が照射される患部（照射対象）４０のディスタル形状に応じて柱状の照射野を配置するとともに、患部（照射対象）４０の内側に柱状の照射野を敷き詰めて配置する照射野配置部と、照射野配置部により柱状の照射野が敷き詰められた状態を初期状態として、患部（照射対象）４０への照査線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野の配置を調整する最適化計算部を有する。
【００２６】
まず、図５に示すように柱状の照射野である柱状照射野４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄを、患部４０のディスタル形状に合わせて敷き詰めていく（ステップＳＴ１）。これをすべての門（照射方向）に対して行う。このとき、柱状の照射野が重なってしまってもよい。重なった部分に関しては、後ほど説明する。図５（ａ）は照射方向４３ａからの照射における患部４０のディスタル形状に合わせて柱状照射野４４ａを敷き詰めていく例であり、図５（ｂ）は照射方向が照射方向４３ｂの際の柱状照射野４４ｂを示し、図５（ｃ）は照射方向が照射方向４３ｃの際の柱状照射野４４ｃを示し、図５（ｄ）は照射方向が照射方向４３ｄの際の柱状照射野４４ｄを示す。すべての門（照射方向）で完了したときの照射野の配置例は図６（ａ）のようになる。
【００２７】
すべての門（照射方向）で完了したら、残りの照射対象の領域があるかを判定する（ステップＳＴ２）。残りの照射対象の領域がない場合はステップＳＴ５へ移る。残りの照射対象の領域がある場合は、残りの照射対象の領域に対して、残りの照射対象のディスタル形状に合うよう、２周目の敷き詰め作業を行う（ステップＳＴ３）。図６（ｂ）に示すように、照射方向が照射方向４３ｃの場合は柱状照射野４５ｃを敷き詰めていく。このとき、２周目の柱状照射野は、１周目の柱状照射野とＳＯＢＰの幅を変えてもよい。すべての門（照射方向）で完了したときの照射野の配置例は図６（ｃ）のようになる。図６（ｃ）において、柱状照射野４５ａは照射方向が照射方向４３ａの場合であり、柱状照射野４５ｂは照射方向が照射方向４３ｂの場合であり、柱状照射野４５ｄは照射方向が照射方向４３ｄの場合である。
【００２８】
２周目におけるすべての門（照射方向）で完了したら、残りの照射対象の領域があるかを判定する（ステップＳＴ４）。残りの照射対象の領域がある場合は、ステップＳＴ３へ移り、柱状の照射野が患部すべてを覆うように繰り返す。残りの照射対象の領域がない場合はステップＳＴ５へ移る。
【００２９】
ステップＳＴ５では、柱状の照射野が敷き詰められた照射プランを初期値として最適化計算を行う。最適化計算が終了したら、評価関数により評価を行う（ステップＳＴ６）。評価関数の値が臨床的にみて許容できるものかを判定し、許容できないと判定した場合はステップＳＴ５に戻り、最適化計算を行う。評価関数の値が臨床的にみて許容できる範囲内にあれば終了する。
【００３０】
ステップＳＴ５及びＳＴ６に示した治療計画の最適化作業は、オーバードーズ（線量超過）を防ぐために、患部４０への照査線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野の配置を調整する。前述した柱状の照射野が重なっている部分は、オーバードーズ（線量超過）になってしまうので、最適化作業は柱状の照射野が重なっている部分を解消、あるいは少なくするように柱状の照射野の配置を変更する。
【００３１】
ステップＳＴ１〜ＳＴ４の作業は、治療計画装置の照射野配置部でまず行う。次に治療計画装置について説明する。治療計画装置については、医療安全のための放射線治療計画装置の運用マニュアル（熊谷孝三、日本放射線技師会出版会）が詳しい。治療計画装置には広範な役割があるが、簡単に言えば治療シミュレータである、といえる。また、治療計画装置の役割のひとつに最適化計算がある。ステップＳＴ５及びＳＴ６に示した治療計画の最適化作業は、治療計画装置の最適化計算部で行われる。最適化計算は、IMRTにおける逆方向治療計画（インバースプランニング）での最適なビーム強度の検索に使用される。
【００３２】
前記運用マニュアルによれば、最適化計算には、現在までに次のようなものが試されたとのことである。初期のIMRT最適化計算で使用されたフィルタ逆投影法、確率論的方法に分類される擬似的な焼きなまし、遺伝的アルゴリズム、ランダム検索技術と、現在多くの治療計画装置に実装されている決定論的方法に分類される勾配法である。
【００３３】
勾配法は、計算は高速であるが、局所的な最小（極小）に捕らえられると抜け出せない性質がある。しかし、現在では、勾配法が臨床IMRT治療計画を実施する多くの治療計画装置に採用されている。
【００３４】
勾配法において、求める最適とは異なる別の極小値に捕らえられてしまうことを防ぐには、他の遺伝的アルゴリズムやランダム検索技術と組み合わせて使うことも有効である。他には、最適化計算の初期値（解の候補として初めに与える値）が、求める最適解に近ければよいことが経験的にわかっている。
【００３５】
そこで、本発明では、ステップＳＴ１〜ＳＴ４で作成された照射プランを、最適化計算の初期値として使う。従来のIMRTに比べて、患部のディスタル形状に合うように深さ方向の照射自由度が高いため、ステップＳＴ１〜ＳＴ４で作成された照射プランは最適な照射に十分近い。
【００３６】
最適化計算は、必ずある評価関数を最小にするような解を計算する。治療計画装置の場合、前記運用マニュアルに示されているように、物理的最適化の基準である評価関数は、以下のように示される。
【数１】
ここでＤｍｉｎ、Ｄｍａｘは指定した線量制限である。ｕはＤｍｉｎに対する重み係数であり、ｗはＤｍａｘに対する重み係数である。ｂ（数式（１）では矢印付きで示したが、矢印なしで示す。以後、数式（１）関連の説明において同じ。）はビームレットの強度の関数であり、ｄｉ（ｂ）はビームレットの強度の関数ｂとしたボクセルｉの線量である。［ｘ］＋はｘ＞０ではｘ、それ以外では０となる。Ｎはボクセルの最大数である。
【００３７】
このように、治療計画装置において最適化計算を行うため、例えば初期値においては柱状の照射野が重なってオーバードーズ（線量超過）になっても、得られた治療計画においては、調整される。
【００３８】
以上のように構成することで、実施の形態１の治療計画装置によれば、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００３９】
柱状の線量分布でビームを照射することの効果について説明する。そもそも、１方向からの照射を前提とする従来の粒子線治療装置において、その照射系における線量分布形成は以下の方法による。ワブラー法を例に説明すると、ＸＹ方向へは、ワブラー電磁石と散乱体によって照射野を均一拡大し、患部のＸＹ平面断面形状（あるいはＸＹ平面に投影した形状等）に基づいてＭＬＣにより制限を行う。Ｚ方向へは、リッジフィルタによって照射野を均一拡大し、患部のディスタル形状（最深層形状）に合うようにボーラスにより制限を行う。
【００４０】
前述したように、粒子線治療装置における多門照射においては複数のボーラスを用いなければならないので、ボーラスの加工の手間及び費用がかかり、またボーラスを動的に形状変化できず、IMATには適用できなかった。もし、粒子線治療装置における多門照射において、ボーラスを用いなくてもボーラスのように患部のディスタル形状（最深層形状）に合うように照射野を制限することができれば、ボーラスの加工の手間及び費用の問題が解決でき、IMATへの適用が可能となり、IMRTの過照射問題、すなわち正常組織への不要な照射を格段に減らすことができる。そこで、柱状の線量分布でビームを照射する発明に至った。本発明における、柱状の線量分布でビームを照射することの最大の効果のひとつは、ボーラスを用いなくても患部４０のディスタル形状（最深層形状）に合うように照射野を制限することができ、正常組織への不要な照射を格段に減らすことができることである。
【００４１】
本発明における、柱状の線量分布でビームを照射することのもうひとつの最大の効果は、Ｘ線等放射線治療装置で用いられる強度変調をしなくても照射野を形成できることにある。ここで強度変調の原理は、簡単に言うと、弱い線量分布を有する照射野を多方向から照射し、重ね合わせにより、最終的により多くの線量が重なった箇所が治療効果を発揮する照射野として線量分布を得るというものである。
【００４２】
本発明において照射野の形成は、図６に示すように、柱状の線量を組み合わせて行うことができる。ここで補足するが、本発明においても照射野を重ねて照射をしてもよい。患部の各部分に対してアンダードーズ（線量不足）になることとオーバードーズ（線量超過）になることは許されないが、臨床的に許容できる線量には幅がある。最終的な線量分布が患部の各部分に対して許容できるように、治療計画装置により照射計画を立てていく。
従来のＸ線等放射線治療装置のように、最終的な照射野を患部のディスタル形状に合うように強度変調をしなくてよいので、治療計画装置による強度変調の最適化の計算が不要となり、すなわち、従来の治療計画に要する時間が長いという問題を解消することができる。また、柱状の線量分布でビームを照射することは、点状に照射することに比べて照射時間が早いというメリットがある。
【００４３】
実施の形態１の治療計画装置を用いた粒子線治療装置において多門照射ができるメリットは、いくつかあるが、主に以下の２点である。ひとつは、同じ患部に照射した場合、多門照射の方が粒子線の通過する体表面積が広いため、正常組織である体表面へのダメージを低減できることにある。もうひとつは、照射してはならない危険部位（脊髄、眼球等）への照射を回避できることにある。
【００４４】
以上のように実施の形態１の治療計画装置によれば、加速器により加速された荷電粒子ビーム１を走査する走査照射系３４と、荷電粒子ビーム１のブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置４とを備えた粒子線治療装置に対する治療計画を作成する治療計画装置であって、荷電粒子ビーム１が照射される照射対象４０のディスタル形状に応じて柱状の照射野４４を配置するとともに、照射対象４０の内側に柱状の照射野４５を敷き詰めて配置する照射野配置部と、照射野配置部により柱状の照射野４４、４５が敷き詰められた状態を初期状態として、照射対象４０への照査線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野４４、４５の配置を調整する最適化計算部とを有するので、荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大した柱状の照射野を照射対象のディスタル形状に応じて敷き詰めて、照射対象への照査線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野の配置を調整でき、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００４５】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２によるエネルギー変更装置を示す構成図である。実施の形態１のエネルギー変更装置２ａとは、複数の吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを用いて、荷電粒子ビーム１のエネルギーを低下して所望のエネルギーに変更し、照射対象である患部４０におけるブラッグピークＢＰの深さ方向（Ｚ方向）の位置（飛程）を調整する点で異なる。
【００４６】
エネルギー変更装置２ｂは、駆動装置２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄにより駆動される複数の吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを有する。吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄは厚さの異なる吸収体である。吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄそれぞれの組み合わせにより、吸収体の合計の厚さを変化させることができる。変更制御装置２２は、駆動装置２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄを制御し、それぞれの駆動装置に対応する吸収体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを荷電粒子ビーム１が通過するように、或いは通過しないようにする。荷電粒子ビーム１は、通過する吸収体の合計の厚さに比例する分だけエネルギーが低下されて所望のエネルギーになる。
【００４７】
実施の形態２のエネルギー変更装置２ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の１と同様に、深さ方向へブラッグピークＢＰを拡大し、柱状の照射野を生成することができる。実施の形態２のエネルギー変更装置２ｂは、荷電粒子ビーム１を偏向させる必要がないので、実施の形態１のエネルギー変更装置２ａに比べて、偏向電磁石５乃至８を無くし、荷電粒子ビーム１の照射方向（Ｚ方向）における装置の長さＬ１を短くできる。装置の長さＬ１を短くできるので、エネルギー変更装置をコンパクトにすることができる。なお、図２における装置の長さＬ１は、偏向電磁石５の上流側端部から偏向電磁石８の下流側端部までの長さである。
【００４８】
実施の形態２のエネルギー変更装置２ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の形態１で示した治療計画装置が作成した治療計画に対応した治療計画に基づいて多門照射を実行できるので、実施の形態１と同様に、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００４９】
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３による深さ方向照射野拡大装置を示す構成図である。実施の形態１の深さ方向照射野拡大装置３ａとは、複数の散乱体２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを用いて、荷電粒子ビームのエネルギーを散乱により多種のエネルギーが混ざった状態にし、すなわち荷電粒子ビーム１のエネルギーの幅を変更し、ブラッグピークＢＰを深さ方向へ拡大する点で異なる。
【００５０】
深さ方向照射野拡大装置３ｂは、駆動装置２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄにより駆動される複数の散乱体２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを有する。散乱体２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄは厚さの異なる散乱体である。散乱体２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄそれぞれの組み合わせにより、散乱体の合計の厚さを変化させることができる。変更制御装置２５は、駆動装置２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄを制御し、それぞれの駆動装置に対応する散乱体２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを荷電粒子ビーム１が通過するように、或いは通過しないようにする。荷電粒子ビーム１は、通過する散乱体の合計の厚さに比例する分だけエネルギーの幅が広げられ所望のＳＯＢＰの幅になる。
【００５１】
実施の形態３の深さ方向照射野拡大装置３ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の１と同様に、深さ方向へブラッグピークＢＰを拡大し、柱状の照射野を生成することができる。実施の形態３の深さ方向照射野拡大装置３ｂは、荷電粒子ビーム１を偏向させる必要がないので、実施の形態１のエネルギー変更装置２ａに比べて、偏向電磁石１５乃至１８を無くし、荷電粒子ビーム１の照射方向（Ｚ方向）における装置の長さＬ２を短くできる。装置の長さＬ２を短くできるので、エネルギー変更装置をコンパクトにすることができる。図３における装置の長さＬ２は、偏向電磁石１５の上流側端部から偏向電磁石１８の下流側端部までの長さである。
【００５２】
実施の形態３の深さ方向照射野拡大装置３ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の形態１で示した治療計画装置が作成した治療計画に対応した治療計画に基づいて多門照射を実行できるので、実施の形態１と同様に、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００５３】
実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４による柱状照射野生成装置を示す構成図である。実施の形態１の柱状照射野生成装置４ａとは、エネルギー変更装置２ａと深さ方向照射野拡大装置３ａを一体化した点で異なる。
【００５４】
柱状照射野生成装置４ｂは、２つのレンジシフタ９ａ、９ｂと、２つのリッジフィルタ１９ａ、１９ｂと、レンジシフタ９ａ、９ｂ及びリッジフィルタ１９ａ、１９ｂを荷電粒子ビーム１が通過する位置を移動する上流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石５、６、上流側偏向電磁石対を励磁する第１の偏向電磁石電源２０、レンジシフタ９ａ、９ｂ及びリッジフィルタ１９ａ、１９ｂを通過した荷電粒子ビーム１を元の軌道上に戻す下流側偏向電磁石対を構成する偏向電磁石７、８、下流側偏向電磁石対を励磁する第２の偏向電磁石電源２１、照射制御装置３３から入力されるエネルギー指令値に基づいて上流側偏向電磁石対による荷電粒子ビームの軌道の移動量を算出し、励磁電流値を第１の偏向電磁石電
源２０に送信する変更制御装置２２を備える。変更制御装置２２は、第２の偏向電磁石電源２１も制御する。各機器の動作は実施の形態１と同様なので繰り返さない。
【００５５】
レンジシフタ９ａ、９ｂは同じ形状、材料のものであり、リッジフィルタ１９ａ、１９ｂは、それぞれ異なった高さの概三角柱で構成された例である。リッジフィルタ１９ｂの概三角柱の高さはリッジフィルタ１９ａの概三角柱の高さよりも高いので、荷電粒子ビーム１のＳＯＢＰの幅は、リッジフィルタ１９ｂを通過した場合の方がリッジフィルタ１９ａを通過した場合より広くすることができる。
【００５６】
実施の形態４の柱状照射野生成装置４ｂは、荷電粒子ビーム１を２種類のＳＯＢＰの幅で所望のエネルギーに変更するので、２種類の注状照射野を所望の飛程にすることができる。レンジシフタ９ａ、９ｂとリッジフィルタ１９ａ、１９ｂに対してそれぞれに上流側偏向電磁石対と下流側偏向電磁石対を設けることがなく、上流側偏向電磁石対と下流側偏向電磁石対を１セットだけ設けているので、実施の形態１の柱状照射野生成装置４ａに比べて、荷電粒子ビーム１の照射方向（Ｚ方向）における装置の長さを短くできる。上流側偏向電磁石対と下流側偏向電磁石対を用いて２種類のＳＯＢＰの幅で所望のエネルギーに変更するので、ＳＯＢＰの幅と飛程を変更する際にレンジシフタやリッジフィルタを駆動する駆動音が発生しないメリットがある。なお、２種類よりもさらに多い多種類のＳＯＢＰの幅を揃えるには、その種類数に応じたレンジシフタ９とリッジフィルタ１９を配置すればよい。
【００５７】
実施の形態４の柱状照射野生成装置４ｂを有する粒子線照射装置（図１参照）は、実施の形態１で示した治療計画装置が作成した治療計画に対応した治療計画に基づいて多門照射を実行できので、実施の形態１と同様に、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることができ、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００５８】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５は、実施の形態１乃至４に示した粒子線照射装置を備えた粒子線治療装置である。図１０は本発明の実施の形態５における粒子線治療装置の概略構成図である。粒子線治療装置５１は、イオンビーム発生装置５２と、イオンビーム輸送系５９と、粒子線照射装置５８ａ、５８ｂとを備える。イオンビーム発生装置５２は、イオン源（図示せず）と、前段加速器５３と、シンクロトロン５４とを有する。粒子線照射装置５８ｂは回転ガントリ（図示せず）に設置される。粒子線照射装置５８ａは回転ガントリを有しない治療室に設置される。イオンビーム輸送系５９の役割はシンクロトロン５４と粒子線照射装置５８ａ、５８ｂの連絡にある。イオンビーム輸送系５９の一部は回転ガントリ（図示せず）に設置され、その部分には複数の偏向電磁石５５ａ、５５ｂ、５５ｃを有する。
【００５９】
イオン源で発生した陽子線等の粒子線である荷電粒子ビームは、前段加速器５３で加速され、シンクロトロン５４に入射される。荷電粒子ビームは、所定のエネルギーまで加速される。シンクロトロン５４から出射された荷電粒子ビームは、イオンビーム輸送系５９を経て粒子線照射装置５８ａ、５８ｂに輸送される。粒子線照射装置５８ａ、５８ｂは荷電粒子ビームを患者の患部（図示せず）に照射する。
【００６０】
実施の形態５の粒子線治療装置５１は、実施の形態１乃至４に示した粒子線照射装置と、実施の形態１に示した治療計画装置で作成した治療計画に基づいて荷電粒子ビームを患者の患部に照射するので、ボーラスを用いることなく深さ方向への照射自由度を上げることにより、粒子線治療装置におけるIMRTの過照射問題を解決することができる。
【００６１】
実施の形態５の粒子線治療装置５１は、柱状の線量分布でビームを照射するので、点状に照射することに比べて照射時間が早いというメリットがある。また、多門照射ができるので、同じ患部に照射した場合、正常組織である体表面へのダメージを低減でき、照射してはならない危険部位（脊髄、眼球等）への照射を回避できる。
【００６２】
さらに、実施の形態５の粒子線治療装置５１においては、多門照射を遠隔で行えるメリットがある。遠隔多門照射とは、技師等が治療室に入って回転ガントリを操作する必要なく、治療室の外から遠隔で、患部への照射方向を多方向に変えて粒子線を照射することである。前述のように、本発明における粒子線治療装置においては、ＭＬＣやボーラスを必要としないシンプルな照射系となるため、ボーラスの交換作業及びＭＬＣの形状確認作業が不要となる。その結果、遠隔多門照射が行え、治療時間が大幅に縮まるといった効果が得られる。
【００６３】
なお、柱状照射野生成装置４は実施の形態２で示したエネルギー変更装置２ｂと実施の形態３で示した深さ方向照射野拡大装置３ｂを使用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明に係る治療計画装置は、医療用に用いられる粒子線治療装置に好適に適用できる。本発明に係る粒子線治療装置は、医療において好適に利用できる。特に過照射となってしまうIMRTの問題を解決でき、医療産業の発達に寄与するものである。
【符号の説明】
【００６５】
１ 荷電粒子ビーム ２ エネルギー変更装置
２ａ エネルギー変更装置 ２ｂ エネルギー変更装置
３ 深さ方向照射野拡大装置 ３ａ 深さ方向照射野拡大装置
３ｂ 深さ方向照射野拡大装置 ４ 柱状照射野生成装置
４ａ 柱状照射野生成装置 ４ｂ 柱状照射野生成装置
５ 偏向電磁石 ６ 偏向電磁石
７ 偏向電磁石 ８ 偏向電磁石
９ レンジシフタ ９ａ レンジシフタ
９ｂ レンジシフタ １４ ビーム軸
１５ 偏向電磁石 １６ 偏向電磁石
１７ 偏向電磁石 １８ 偏向電磁石
１９ リッジフィルタ １９ａ リッジフィルタ
１９ｂ リッジフィルタ ２２ 変更制御装置
２５ 照射野拡大制御装置 ２６ａ 吸収体
２６ｂ 吸収体 ２６ｃ 吸収体
２６ｄ 吸収体 ２７ａ 駆動装置
２７ｂ 駆動装置 ２７ｃ 駆動装置
２７ｄ 駆動装置 ２８ａ 散乱体
２８ｂ 散乱体 ２８ｃ 散乱体
２８ｄ 散乱体 ２９ａ 駆動装置
２９ｂ 駆動装置 ２９ｃ 駆動装置
２９ｄ 駆動装置 ３４ 走査照射系
４０ 患部 ４４ａ 柱状照射野
４４ｂ 柱状照射野 ４４ｃ 柱状照射野
４４ｄ 柱状照射野 ４５ａ 柱状照射野
４５ｂ 柱状照射野 ４５ｃ 柱状照射野
４５ｄ 柱状照射野 ５２ イオンビーム発生装置
５４ シンクロトロン ５８ 粒子線照射装置
５８ａ 粒子線照射装置 ５８ｂ 粒子線照射装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器により加速された荷電粒子ビームを走査する走査照射系と、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置とを備えた粒子線治療装置に対する治療計画を作成する治療計画装置であって、
前記荷電粒子ビームが照射される照射対象のディスタル形状に応じて前記柱状の照射野を配置するとともに、前記照射対象の内側に前記柱状の照射野を敷き詰めて配置する照射野配置部と、
前記照射野配置部により前記柱状の照射野が敷き詰められた状態を初期状態として、前記照射対象への照査線量が所定の範囲に入るように前記柱状の照射野の配置を調整する最適化計算部とを有する治療計画装置。
【請求項２】
前記照射野配置部は、前記照射対象のディスタル形状に応じて前記柱状の照射野を配置した後に、前記照射対象における前記柱状の照射野が配置されていない内側の形状に応じて前記柱状の照射野を配置することを特徴とした請求項１記載の治療計画装置。
【請求項３】
前記照射野配置部は、前記柱状の照射野における照射方向の幅であるＳＯＢＰの幅を複数使用することを特徴とする請求項１または２に記載の治療計画装置。
【請求項４】
荷電粒子ビームを発生させ、加速器により所定のエネルギーまで加速するイオンビーム発生装置と、前記イオンビーム発生装置により加速された荷電粒子ビームを輸送するイオンビーム輸送系と、前記イオンビーム輸送系で輸送された荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線照射装置と、前記粒子線照射装置の照射方向を回転させる回転ガントリとを備えた粒子線治療装置であって、
前記粒子線照射装置は、前記加速器により加速された荷電粒子ビームを走査する走査照射系と、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置とを備え、
当該粒子線治療装置に対する治療計画を作成する治療計画装置は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の治療計画装置であることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項５】
前記柱状照射野生成装置は、前記荷電粒子ビームのエネルギーを変更するエネルギー変更装置と、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大する深さ方向照射野拡大装置とを備えたことを特徴とする請求項４記載の粒子線治療装置。
【請求項６】
前記エネルギー変更装置は、
前記荷電粒子ビームが通過する方向の厚さが場所によって異なり、通過する荷電粒子ビームのエネルギーを前記厚さに応じて低下するレンジシフタと、前記荷電粒子ビームの前記レンジシフタにおける通過位置を移動する上流側偏向電磁石対と、前記荷電粒子ビームの軌道を当該エネルギー変更装置に入射したビーム軸の方へ戻す下流側偏向電磁石対と、前記荷電粒子ビームを前記レンジシフタの所定の厚さを通過するように前記上流側偏向電磁石対及び前記下流側偏向電磁石対を制御する変更制御装置とを備えたことを特徴とする請求項５記載の粒子線治療装置。
【請求項７】
前記深さ方向照射野拡大装置は、
前記荷電粒子ビームが通過する位置によって失うエネルギーが異なる厚さ分布を有するリッジフィルタと、前記荷電粒子ビームの前記リッジフィルタにおける通過位置を移動する上流側偏向電磁石対と、前記荷電粒子ビームの軌道を当該深さ方向照射野拡大装置に入射したビーム軸の方へ戻す下流側偏向電磁石対と、前記荷電粒子ビームを前記リッジフィルタの所定の厚さ分布を通過するように前記上流側偏向電磁石対及び前記下流側偏向電磁石対を制御する照射野拡大制御装置とを備えたことを特徴とする請求項５または６に記載の粒子線治療装置。
【請求項８】
前記エネルギー変更装置は、
前記荷電粒子ビームが通過する厚さによってエネルギーが低下する吸収体を複数有し、前記吸収体のそれぞれを駆動する複数の駆動装置と、前記駆動装置を駆動して前記荷電粒子ビームが通過する前記吸収体の合計の厚さを制御する変更制御装置とを備えたことを特徴とする請求項５記載の粒子線治療装置。
【請求項９】
前記深さ方向照射野拡大装置は、
前記荷電粒子ビームが通過する厚さによってエネルギーの幅を変更する散乱体を複数有し、前記散乱体のそれぞれを駆動する複数の駆動装置と、前記駆動装置を駆動して前記荷電粒子ビームが通過する前記散乱体の合計の厚さを制御する照射野拡大制御装置とを備えたことを特徴とする請求項５または８に記載の粒子線治療装置。
【請求項１０】
前記柱状照射野生成装置は、
前記荷電粒子ビームが通過する方向の厚さが場所によって異なり、通過する荷電粒子ビームのエネルギーを前記厚さに応じて低下するレンジシフタと、
前記レンジシフタの下流側に配置され、前記荷電粒子ビームが通過する位置によって失うエネルギーが異なる厚さ分布を有するリッジフィルタと、
前記荷電粒子ビームの前記リッジフィルタ及びリッジフィルタにおける通過位置を移動する上流側偏向電磁石対と、前記荷電粒子ビームの軌道を当該柱状照射野生成装置に入射したビーム軸の方へ戻す下流側偏向電磁石対と、前記荷電粒子ビームを前記リッジフィルタの所定の厚さ及び前記リッジフィルタの所定の厚さ分布を通過するように前記上流側偏向電磁石対及び前記下流側偏向電磁石対を制御する変更制御装置を備えたことを特徴とする請求項４記載の粒子線治療装置。
【請求項１】
加速器により加速された荷電粒子ビームを走査する走査照射系と、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置とを備えた粒子線治療装置に対する治療計画を作成する治療計画装置であって、
前記荷電粒子ビームが照射される照射対象のディスタル形状に応じて前記柱状の照射野を配置するとともに、前記照射対象の内側に前記柱状の照射野を敷き詰めて配置する照射野配置部と、
前記照射野配置部により前記柱状の照射野が敷き詰められた状態を初期状態として、前記照射対象への照査線量が所定の範囲に入るように前記柱状の照射野の配置を調整する最適化計算部とを有する治療計画装置。
【請求項２】
前記照射野配置部は、前記照射対象のディスタル形状に応じて前記柱状の照射野を配置した後に、前記照射対象における前記柱状の照射野が配置されていない内側の形状に応じて前記柱状の照射野を配置することを特徴とした請求項１記載の治療計画装置。
【請求項３】
前記照射野配置部は、前記柱状の照射野における照射方向の幅であるＳＯＢＰの幅を複数使用することを特徴とする請求項１または２に記載の治療計画装置。
【請求項４】
荷電粒子ビームを発生させ、加速器により所定のエネルギーまで加速するイオンビーム発生装置と、前記イオンビーム発生装置により加速された荷電粒子ビームを輸送するイオンビーム輸送系と、前記イオンビーム輸送系で輸送された荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線照射装置と、前記粒子線照射装置の照射方向を回転させる回転ガントリとを備えた粒子線治療装置であって、
前記粒子線照射装置は、前記加速器により加速された荷電粒子ビームを走査する走査照射系と、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大し、柱状の照射野を生成する柱状照射野生成装置とを備え、
当該粒子線治療装置に対する治療計画を作成する治療計画装置は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の治療計画装置であることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項５】
前記柱状照射野生成装置は、前記荷電粒子ビームのエネルギーを変更するエネルギー変更装置と、前記荷電粒子ビームのブラッグピークを拡大する深さ方向照射野拡大装置とを備えたことを特徴とする請求項４記載の粒子線治療装置。
【請求項６】
前記エネルギー変更装置は、
前記荷電粒子ビームが通過する方向の厚さが場所によって異なり、通過する荷電粒子ビームのエネルギーを前記厚さに応じて低下するレンジシフタと、前記荷電粒子ビームの前記レンジシフタにおける通過位置を移動する上流側偏向電磁石対と、前記荷電粒子ビームの軌道を当該エネルギー変更装置に入射したビーム軸の方へ戻す下流側偏向電磁石対と、前記荷電粒子ビームを前記レンジシフタの所定の厚さを通過するように前記上流側偏向電磁石対及び前記下流側偏向電磁石対を制御する変更制御装置とを備えたことを特徴とする請求項５記載の粒子線治療装置。
【請求項７】
前記深さ方向照射野拡大装置は、
前記荷電粒子ビームが通過する位置によって失うエネルギーが異なる厚さ分布を有するリッジフィルタと、前記荷電粒子ビームの前記リッジフィルタにおける通過位置を移動する上流側偏向電磁石対と、前記荷電粒子ビームの軌道を当該深さ方向照射野拡大装置に入射したビーム軸の方へ戻す下流側偏向電磁石対と、前記荷電粒子ビームを前記リッジフィルタの所定の厚さ分布を通過するように前記上流側偏向電磁石対及び前記下流側偏向電磁石対を制御する照射野拡大制御装置とを備えたことを特徴とする請求項５または６に記載の粒子線治療装置。
【請求項８】
前記エネルギー変更装置は、
前記荷電粒子ビームが通過する厚さによってエネルギーが低下する吸収体を複数有し、前記吸収体のそれぞれを駆動する複数の駆動装置と、前記駆動装置を駆動して前記荷電粒子ビームが通過する前記吸収体の合計の厚さを制御する変更制御装置とを備えたことを特徴とする請求項５記載の粒子線治療装置。
【請求項９】
前記深さ方向照射野拡大装置は、
前記荷電粒子ビームが通過する厚さによってエネルギーの幅を変更する散乱体を複数有し、前記散乱体のそれぞれを駆動する複数の駆動装置と、前記駆動装置を駆動して前記荷電粒子ビームが通過する前記散乱体の合計の厚さを制御する照射野拡大制御装置とを備えたことを特徴とする請求項５または８に記載の粒子線治療装置。
【請求項１０】
前記柱状照射野生成装置は、
前記荷電粒子ビームが通過する方向の厚さが場所によって異なり、通過する荷電粒子ビームのエネルギーを前記厚さに応じて低下するレンジシフタと、
前記レンジシフタの下流側に配置され、前記荷電粒子ビームが通過する位置によって失うエネルギーが異なる厚さ分布を有するリッジフィルタと、
前記荷電粒子ビームの前記リッジフィルタ及びリッジフィルタにおける通過位置を移動する上流側偏向電磁石対と、前記荷電粒子ビームの軌道を当該柱状照射野生成装置に入射したビーム軸の方へ戻す下流側偏向電磁石対と、前記荷電粒子ビームを前記リッジフィルタの所定の厚さ及び前記リッジフィルタの所定の厚さ分布を通過するように前記上流側偏向電磁石対及び前記下流側偏向電磁石対を制御する変更制御装置を備えたことを特徴とする請求項４記載の粒子線治療装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２１２３９５（Ｐ２０１１−２１２３９５Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８５９９４（Ｐ２０１０−８５９９４）
【出願日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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