粒子線がん治療装置および粒子線スキャニング照射方法
【課題】粒子線ビームが照射される照射範囲に重要臓器が含まれ、スキャニングされた位置が治療計画の位置に対してずれたり、レンジシフタが治療計画のレンジシフタと異なったりしたときでも、重要臓器に照射される誤差線量が最小限に抑えられる粒子線がん治療装置および粒子線スキャニング照射方法を提供する。
【解決手段】粒子線がん治療装置は、３次元スポットスキャニング法を用いて出射される粒子線３を、患部２に照射し、粒子線スキャニング手段により最大限照射可能な領域に、予め定めた重要臓器が含まれるか否かを判断する重要臓器含有判断手段と、粒子線の重要臓器到達前の照射経路上に設置したとしたら、粒子線が重要臓器に到達しないように、その材質と厚さを設定した重要臓器保護手段と、重要臓器保護手段を着脱可能に配置する配置手段と、重要臓器保護手段の着脱を制御する配置手段の制御手段と、を備える。
【解決手段】粒子線がん治療装置は、３次元スポットスキャニング法を用いて出射される粒子線３を、患部２に照射し、粒子線スキャニング手段により最大限照射可能な領域に、予め定めた重要臓器が含まれるか否かを判断する重要臓器含有判断手段と、粒子線の重要臓器到達前の照射経路上に設置したとしたら、粒子線が重要臓器に到達しないように、その材質と厚さを設定した重要臓器保護手段と、重要臓器保護手段を着脱可能に配置する配置手段と、重要臓器保護手段の着脱を制御する配置手段の制御手段と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、粒子線ビームを用いた粒子線がん治療装置および粒子線スキャニング照射方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の３次元スポットスキャニング法を用いる粒子線がん治療装置では、細いビーム径の粒子線ビームを照射方向の垂直方向にスキャニング電磁石によりスキャニングし、照射方向の深さ方向に粒子線飛程を変更するレンジシフタにより体内レンジをシフトすることにより、患者体内での粒子線の停止位置を可変し、患部に所定の線量の粒子線を照射する。そして、患部に粒子線を照射するとき、粒子線ビームが治療計画のスキャニング位置にスキャニングされているか否かをビーム位置モニタによりチェックし、レンジシフタが治療計画のレンジシフタ設定厚であるか否かを状態監視装置によってチェックしている。そして、これらのチェックにより異常が検出されたときに、粒子線ビームを素早く停止させるように制御システムが構築されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２１２２５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ビーム位置モニタや制御システムの応答時間が長くて、スキャニングされた位置が治療計画の位置に対してずれたり、レンジシフタが治療計画のレンジシフタと異なったりしているときには、応答時間とビーム強度（単位時間あたりの粒子数）とで決まる誤差線量が大きくなるという問題がある。
また、３次元スポットスキャニング法を用いて患部に所定線量の粒子線を照射するために、粒子線ビームにおける線量率が高く、大体２０Ｇｙ／秒程度になるので、粒子線に敏感な重要臓器が粒子線の照射範囲内にあるときには避けなければならない問題である。
具体的には、照射方向から見て避けるべき重要臓器と照射すべき腫瘍領域の投影範囲が重なっていて、腫瘍領域を照射している際に設定した粒子線のビームエネルギーを有する粒子線がその照射位置が重要臓器領域に向いた際、重要臓器に届くような場合には、腫瘍領域を照射中に、スキャニング装置などの故障があった場合、粒子線が重要臓器に照射されてしまう問題がある。
【０００５】
この発明の目的は、粒子線ビームが照射される照射範囲に重要臓器が含まれ、スキャニングされた位置が治療計画の位置に対してずれたり、重要臓器に照射される誤差線量が最小限に抑えられる粒子線がん治療装置および粒子線スキャニング照射方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る粒子線がん治療装置は、粒子線スキャニング手段を有し、３次元スポットスキャニング法を用いて上記粒子線スキャニング手段から所定の照射経路で出射される粒子線を、患部に所定の線量だけ照射する粒子線がん治療装置において、上記粒子線スキャニング手段により最大限照射可能な領域に、予め定めた重要臓器が含まれるか否かを判断する重要臓器含有判断手段と、上記粒子線の上記重要臓器到達前の上記照射経路上に設置したとしたら、上記粒子線が上記重要臓器に到達しないように、その材質と厚さを設定した重要臓器保護手段と、上記重要臓器と上記粒子線スキャニング手段との間に上記重要臓器保護手段を着脱可能に配置する配置手段と、上記重要臓器含有判断手段の判断結果に応じて、上記配置手段を制御することにより、上記重要臓器保護手段の着脱を制御する、上記配置手段の制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る粒子線がん治療装置の効果は、粒子線が照射ノズルに入射される位置がずれたり、粒子線走査装置が停電により誤動作したりして重要臓器に粒子線が達する可能性のあっても、その粒子線が重要臓器遮蔽体により停止されるので、重要臓器が粒子線により照射されることがなく、粒子線治療を行っても重要臓器に悪影響を与えることがない。よって、３次元スポットスキャニング法を用いた粒子線がん治療装置の信頼性と安全性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療装置の治療室に配置された３次元照射装置の概略構成図である。
この発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療装置の３次元照射装置１は、図１に示すように、患部２に照射するために輸送されてきた粒子線３を３次元スポットスキャニング法により粒子線３を制御して患部に向けて照射する照射ノズル４、患者５が横たわる患者治療台６および予め立案された治療計画に基づいて照射ノズル４を制御する照射制御装置７を備える。
この照射ノズル４は、輸送されてきた粒子線３を入切するビーム入切装置１１、粒子線３を粒子線３の入射方向に対して垂直な直交する２方向に粒子線の流れを偏向して、粒子線３を走査する粒子線スキャニング手段としての粒子線走査装置１２、粒子線３の残留飛程を変更するレンジシフタ装置１３、偏向して体内に照射する粒子線３の粒子線３の進行方向に垂直な平面上の位置を検出するビーム位置センサ１４、照射する粒子線の線量を検出する線量モニタ１５、粒子線３の重要臓器８に到達前の照射経路上に設置したとしたら、粒子線３が重要臓器８に到達しないように、その材質と厚さを設定した重要臓器保護手段としての重要臓器遮蔽体２６、重要臓器８と粒子線走査装置１２との間に重要臓器遮蔽体２６を着脱可能に配置する配置手段としてのベース板２７を備える。
【０００９】
この３次元照射装置１には、ビーム運動エネルギーが数十〜数百メガ電子ボルトの陽子線、ヘリウム線または炭素線からなる粒子線３が輸送されてくる。
粒子線走査装置１２は、入射される粒子線３を粒子線３の入射方向に対して垂直な直交する２方向のうちの１方向（以下、Ｘ軸方向と称す。）に偏向するＸ軸電磁石２１、粒子線３の入射方向に対して垂直なＸ軸方向に直交する方向（以下、Ｙ軸方向と称す。）に偏向するＹ軸電磁石２２、Ｘ軸電磁石２１にＸ軸励磁電流を流して励磁するＸ軸電磁石電源２３、Ｙ軸電磁石２２にＹ軸励磁電流を流して励磁するＹ軸電磁石電源２４を備える。
【００１０】
Ｘ軸電磁石２１では、図示しない励磁コイルにＸ軸励磁電流を流すことにより、粒子線の流れをＸ軸方向に偏向する。同様に、Ｙ軸電磁石２２では、図示しない励磁コイルにＹ軸励磁電流を流すことにより、粒子線の流れをＹ軸方向に偏向する。
Ｘ軸電磁石電源２３は、入力されるＸ軸励磁電流指令値に基づいてＸ軸電磁石２１にＸ軸励磁電流を流す。また、Ｙ軸電磁石電源２４は、入力されるＹ軸励磁電流指令値に基づいてＹ軸電磁石２２にＹ軸励磁電流を流す。
【００１１】
レンジシフタ装置１３は、所定の厚みの板または楔状の板からなる複数のレンジシフタ２５を粒子線３の通り道に挿入し、粒子線３のエネルギーを可変することにより、粒子線３の残留飛程を変更して、粒子線３が停止する位置を調節する。なお、粒子線３の停止位置（レンジ）は、粒子線３のエネルギーが同じ場合でも体内の状態により異なるが、以下の説明においては粒子線３のエネルギーが等しいときは同一平面上に位置するとして説明する。
【００１２】
ビーム位置センサ１４は、スキャンされて実際患者に照射される粒子線の粒子線の進行方向に垂直な平面上の位置を検出する。
線量モニタ１５は、照射される粒子線３の電荷の流れ、すなわちビーム電流を計測し、ビーム電流の大きさに比例する周波数のパルス列に変換し、パルス列に含まれるパルスの数をカウントして所定の時限で積算してカウント値を求める。このカウント値は、患者体内における粒子線停止位置に形成されるビームスポットの照射線量を管理するためのものであり、一般的に平行平板電離箱で構成される。
【００１３】
重要臓器保護装置１６は、粒子線を完全に停止させることのできる材質と厚みを有する板からなる重要臓器遮蔽体２６と、重要臓器遮蔽体２６を支持し、照射ノズル４のフレーム１７に取り付けられるベース板２７から構成されている。重要臓器遮蔽体２６は、材質としてはアクリルなどの高分子であっても、アルミニウムなどの金属であってもよい。そして、重要臓器遮蔽体２６は、重要臓器領域４２の外形に基づいて板材から作製しても良いが、汎用性を図るために、２次元形状が三角形、円形、長方形等を有する個片をサイズも数種類用意しておき、重要臓器領域４２の外形に基づいて個片を適宜組み合わせて用意してもよい。
ベース板２７は、アクリルなど粒子線３の減衰の少ない薄い板であるが、治療計画の計画線量が得られるように適宜厚みを選定する。
【００１４】
このように重要臓器保護装置１６が、重要臓器領域４２の外形に合わせた形状の重要臓器遮蔽体２６をベース板２７上に取り付けられ、それをフレーム１７に固定するので、重要臓器遮蔽体２６だけを用意すればよく、さらに組み合わせることにより素早く安く重要臓器遮蔽体２６を用意することができる。
【００１５】
Ｘ軸電磁石２１、Ｙ軸電磁石２２、レンジシフタ装置１３、ビーム位置センサ１４、線量モニタ１５、重要臓器保護装置１６は、フレーム１７内に収納されている。
【００１６】
照射制御装置７は、治療計画用コンピュータから入力される治療計画が記憶されるデータ記憶部３１、データ記憶部３１から順次Ｘ軸励磁電流指令値とＹ軸励磁電流指令値とを読み出し、それをそれぞれＸ軸電磁石電源２３とＹ軸電磁石電源２４とに送る指令値送信部３２、照射線量を監視し、計画線量と比較してビームの要求を判定し、ビーム入切装置１１を制御する入切制御部３３が備えられている。
【００１７】
データ記憶部３１には、第１患部領域４３に係る患部２の部分のスライスに対応するレンジシフタ２５、格子点毎のＸ軸励磁電流指定値、Ｙ軸励磁電流指定値および計画線量を第１照射手順としてまとめて記憶されており、また、第２患部領域４４に係る患部２の部分のスライスに対応するレンジシフタ２５、格子点毎のＸ軸励磁電流指定値、Ｙ軸励磁電流指定値および計画線量を第２照射手順としてまとめて記憶されている。
【００１８】
指令値送信部３２は、データ記憶部３１から読み出したＸ軸励磁電流指定値とＹ軸励磁電流指定値に基づいてＸ軸励磁電流指令値をＸ軸電磁石電源２３に、Ｙ軸励磁電流指令値をＹ軸電磁石電源２４に送信する。
【００１９】
入切制御部３３は、線量モニタ１５からの照射線量と第１照射手順または第２照射手順の計画線量とを比較してそのビームスポットに照射された照射線量が計画線量に達したときには、ビーム切信号をビーム入切装置１１に送信し、指令値送信部３２に格子点を１つシフトするように指令し、再度ビーム入信号をビーム入切装置１１に送信する。
【００２０】
次に、この実施の形態１に係る粒子線がん治療装置を用いて患者５の患部２に粒子線３を照射するための治療計画の立案に関して説明する。この説明で使用する患部２と重要臓器８の位置関係を図２に示す。
患部２は通常体表面９から体内側に位置しており、患者５が患者治療台６上に横たわったとき患部２を含む断面は、図２に示すようになる。また、重要臓器８も通常体表面９から体内側に位置しており、患部２に粒子線３を照射するとき、その延長線上に重要臓器８が図２に示すように位置するとき問題となる。
【００２１】
治療計画を立案するときには、患者５の体内の患部２や臓器の位置を計測するための図示しないＸ線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置と、患部２や臓器の位置データを用いて治療計画を立案するアプリケーションソフトが実装されている図示しない治療計画用コンピュータとを用いる。
まず、Ｘ線ＣＴ装置を用いて患者５の体内を撮影して、患部２と、粒子線３が照射されると悪影響がでる重要臓器８の３次元輪郭を同定して治療計画用コンピュータに同定した輪郭データを入力する。
治療計画用コンピュータでは、輪郭データを用いて患部２や重要臓器８などの３次元イメージをモニタに表示し、患部２に粒子線３を照射するのに適する患者５の患者治療台６への固定位置を図２に示すように決めるので、患部２に対する粒子線３の照射方向が決まる。
【００２２】
治療計画用コンピュータが有する重要臓器の含有判断手段では、以下のようにして重要臓器８の有無を判断する。
あらかじめ、撮影した患部２を含む３次元データ画像データを読み込み、患部２の３次元輪郭と、脊髄や目などの重要臓器８の３次元輪郭を抽出する。なお、この輪郭抽出作業は医師等が手入力で行うこともできる。
次に、重要臓器８をなるべく避けるようにスキャニングによる照射方向と患部２と３次元照射装置１との間の相対位置を決める。なお、この作業もオペレータの手作業で行うこともできる。
【００２３】
次に、３次元照射装置１の照射方向と垂直する方向での装置の設計性能（Ｘ軸電磁石およびＹ軸電磁石の最大可能磁場等で決まる）である最大限照射可能範囲を、決められた照射方向から重要臓器８の３次元輪郭を平面に投影した際、その重要臓器８の投影した２次元像の領域と比較し、最大限照射可能範囲と重要臓器の２次元投影像とが重なる領域がある否かを判断する。重なる領域がある場合は、最大限照射可能範囲に重要臓器８が含まれていると判断する。
【００２４】
次に、最大限照射可能範囲に重要臓器８が含まれていると判断したら、３次元照射装置１から出射できる最大粒子線のエネルギーを持った粒子線３が、重要臓器領域４２に照射された場合に、その粒子線３が体表面９と重要臓器８間の領域を通過し、体内での停止位置（飛程）が重要臓器８に到達できるか否かを粒子線シミュレーションコードでチェックする。具体的には、最大粒子線のエネルギーを持った粒子線３の水中飛程を算出し、同時に粒子線３が３次元照射装置１と重要臓器８間の物質の水相当厚さを算出し、両者を比較することで粒子線３が重要臓器８に到達できるか否かを判断する。
ここで重要なのは、体内における患部２と重要臓器８の体表面からの幾何学的な距離で判断するのではなく、体内における水相当深さで判断することが重要である。
粒子線３が重要臓器８に到達できる場合は最大限照射可能範囲内に重要臓器８が含まれていると判断する。そして、患部２を照射する際に、重要臓器遮蔽体２６にて重要臓器８への誤照射を防ぐようにする。
【００２５】
なお、この「最大粒子線のエネルギー」とは、加速器から出射される粒子線３のエネルギーのことである。加速器から出射される粒子線エネルギーは、患部照射に至るまでに、レンジシフタ２５を透過させることによりその実効的なエネルギーが低減されるので、レンジシフタ２５を置かなかった場合のエネルギーを「最大粒子線のエネルギー」とする。これは、本来レンジシフタ２５によりエネルギーを下げて照射すべきであった領域にたいして、レンジシフタ２５の駆動に誤動作が発生し、レンジシフタ２５なしで、またはより薄いレンジシフタ２５を透過させて照射するという事態が生じた場合である。
なお、加速器の暴走により、想定していた粒子線エネルギーよりも大きなエネルギーの粒子線３が誤って出射される場合も可能性としては考えられるが、周回粒子線の突発的なエネルギー変化が発生すると、安定周回は困難となるから、このようなケースは現実的ではないと考えられる。
【００２６】
次に、治療計画用コンピュータでは、図２に示すように、照射方向に垂直な平面４５に患部２を投影し、図３に示すように、患部領域４１と、その平面４５に重要臓器８を投影して重要臓器領域４２を得る。そして、患部領域４１を、図４に示すように、重要臓器領域４２を含まない第１患部領域４３と、それ以外の第２患部領域４４とに分ける。次に、第１患部領域４３の外周を照射方向に投影したとき得られる投影体の側面により囲まれる患部２の部分に対して第１照射手順を立案し、第２患部領域４４の外周を照射方向に投影したとき得られる投影体の側面により囲まれる患部２の部分に対して第２照射手順を立案する。なお、第１照射手順は、第１患部領域４３の外周を照射方向に投影したとき得られる投影体の側面により囲まれる患部２の部分を照射方向に対して垂直な所定のスライス間隔で隔てられる複数の平面によりスライスして複数のスライスを形成し、スライス毎に格子状にＸ−Ｙ平面上の格子点を設定し、さらに、格子点毎の計画線量を設定する。そして、格子点の位置座標と計画線量とを３次元照射装置１に入力する。また、第２照射手順も第１照射手順と同様してスライス、格子点、計画線量とを設定し、そのデータを３次元照射装置１に入力する。
また、治療計画用コンピュータは、重要臓器領域４２の外周の位置データを重要臓器遮蔽体２６を用意するために出力する。
【００２７】
次に、この発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療装置の動作を図５を参照して説明する。図５は、粒子線を患部に照射して治療する手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１０１で、治療計画を立案するために、患者５の体内をＸ線ＣＴ装置を用いて撮影して、粒子線３を照射して治療する患部２と粒子線３が照射されると悪影響がでる重要臓器８の３次元領域（Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｖｏｌｕｍｅ：ＰＴＶ）データを算出する。
ステップＳ１０２で、患部２の体内の位置に基づいて治療効果を高めるように患者５が横たわったときの粒子線３の照射方向をＺ軸方向とし、そのＺ軸方向に垂直な直交する２方向をＸ軸方向とＹ軸方向とし、３次元領域データを用いて患部２および重要臓器８をＸ−Ｙ平面４５上に投影して患部領域４１と重要臓器領域４２とを算出する。
【００２８】
ステップＳ１０３で、患部領域４１を重要臓器領域４２を含まない第１患部領域４３と、それ以外の患部領域からなる第２患部領域４４とに分ける。
ステップＳ１０４で、第１患部領域４３の２次元輪郭を粒子線の照射方向、即ち、Ｚ軸方向に投影したときに形成される投影体の側面が囲む患部２の部分を所定のスライス間隔で離間するＺ軸方向に垂直な複数のスライス面によりスライスして複数のスライスを設定する。そして、スライス毎にスライス上に格子点を設定して照射スポットを設定する。
ステップＳ１０５で、第２患部領域４４の２次元輪郭を粒子線の照射方向、即ち、Ｚ軸方向に投影したときに形成される投影体の側面が囲む患部の部分を所定のスライス間隔で離間するＺ軸方向に垂直な複数のスライス面によりスライスして複数のスライスを設定する。そして、スライス毎にスライス上に格子点を設定して照射スポットを設定する。
【００２９】
ステップＳ１０６で、スライス毎に体表面からのＺ軸方向の距離に基づいてレンジシフタ２５を指定し、スライスの格子点毎に計画線量を指定する。
ステップＳ１０７で、スライスを順番に並べて、該当するレンジシフタ２５を登録するとともに、格子点を順番に並べて該当する計画線量を登録する。このとき、格子点のＸ軸座標とＹ軸座標とに基づいてＸ軸励磁電流指定値とＹ軸励磁電流指定値を算出して登録する。
なお、第１患部領域４３に係る患部２に関するスライスに対応するレンジシフタ２５、格子点のＸ軸励磁電流指定値、Ｙ軸励磁電流指定値および照射線量を第１照射手順としてまとめて記憶する。
また、第２患部領域４４に係る患部２に関するスライスに対応するレンジシフタ２５、格子点のＸ軸励磁電流指定値、Ｙ軸励磁電流指定値および照射線量を第２照射手順としてまとめて記憶する。
【００３０】
ステップＳ１０８で、重要臓器領域４２の外周の位置データを重要臓器遮蔽体２６を用意するために出力する。そして、粒子線がん治療装置を操作する操作員は、重要臓器領域４２の外周の位置データに基づき、粒子線３を完全に停止することができる厚みの板から重要臓器領域４２の外周と合同な外形の重要臓器遮蔽体２６を入手する。
【００３１】
ステップＳ１０９で、患者５が患者治療台６に所定の向きに向いて横たわってもらい、位置あわせなどを実施したあと、図６に示すように、用意した重要臓器遮蔽体２６をベース板２７の所定位置に取り付ける。照射ノズル４に設けた図示しないエックス線管を用いて、重要臓器遮蔽体２６の位置が完全に重要臓器８を覆っていることを確認し、第１照射手順での粒子線３の照射の準備が完了する。
なお、重要臓器遮蔽体２６の治療計画で決めた位置への挿入は照射制御装置７を用いて行うこともできる。その際、制御された回転できるベース板２６を回転させるなどして、遮蔽体２７を計画した位置に配置させることもできる。
ステップＳ１１０で、第１照射手順に従い粒子線３を照射する。
【００３２】
ステップＳ１１１で、重要臓器遮蔽体２６を照射ノズル４から取り外し、第２照射手順に従い粒子線３を照射する。なお、このステップでは、照射制御装置７を用いて、べース板２７をモータなどで駆動させ、ベース板２７に予め設置した重要臓器遮蔽体２６を退避させることもできる。
そして、この第２照射手順では、図４で示す第２患部領域４４を照射するため、図２から分かるように、この第２患部領域４４の殆どは重要臓器８より浅い位置にあり、粒子線３のエネルギー変更手段であるレンジシフタ２５または加速器の出射ビームエネルギーそのものを変更し、粒子線ビームの３のエネルギーを減少させて照射を行うことになる。従って、この第２照射手順で第２患部領域４４を照射している際に、例えば、Ｘ軸電磁石２１またはＹ軸電磁石２２などが故障して、粒子線の照射位置が計画した値からずれたりしても、粒子線３が重要臓器８に誤照射してしまうことは殆どない。
なお、ここで、粒子線３のエネルギー変更手段として、加速器の出射エネルギーを重要臓器８に絶対到達し得ない値に変更した方が、レンジシフタ２５の誤動作があった場合でも、重要臓器８を保護できるようにできるので、より効果が期待できる。
【００３３】
このように粒子線３が照射ノズル４に入射される位置がずれたり、粒子線走査装置１２が停電により誤動作したりして重要臓器８に粒子線３が達する可能性があっても、その粒子線３が重要臓器遮蔽体２６により停止されるので、重要臓器８が粒子線３により照射されることがなく、粒子線治療を行っても重要臓器８に悪影響を与えることがない。
また、ビーム位置センサ１４に異常が生じた場合でも、重要臓器８は誤照射されてしまうことはない。
【００３４】
なお、実施の形態１の説明では、１個の重要臓器８について説明したが、複数個の重要臓器８に対してそれぞれ重要臓器遮蔽体２６を用意し、それらをベース板２７の所定の位置に取り付けることにより、複数の重要臓器８に対する誤照射を防ぐことができる。
また、重要臓器遮蔽体２６の代わりにマルチリーフ式コリメータを用いて、重要臓器８の形状によっては粒子線３が重要臓器８を誤照射しないようにすることができるが、重要臓器８の外形形状が複雑であるときには重要臓器８のすべてに亘って誤照射を防止することができない。また、患部領域４１に囲繞されている重要臓器領域４１の場合、マルチリーフ式コリメータを複数回設定し直すことが必要となり、マルチリーフ式コリメータの設定に長い時間が必要となる。また、同じスポットを複数回照射することになるので、照射線量の制御が複雑になるという問題がある。
【００３５】
一方、本願のように重要臓器領域４２と合同な外形形状を有する重要臓器遮蔽体２６を１回だけ配置すればよいので、操作が簡単になる。また、スポットには１回だけ粒子線３が照射されるので、照射線量の制御が容易になる。
なお、この実施の形態１では、ビーム入切装置１１を照射ノズル４内に配置した場合を例に説明してきたが、実際粒子線３の入り切りを粒子発生装置である加速器やイオン源装置の制御で行っても上記効果が同じである。また、ビーム入切装置１１を加速器と照射ノズル４間に高速キッカ電磁石などを設けることで実現しても効果は同じである。
【００３６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２においては、実施の形態１と異なり、図７に示すように、患部２に粒子線３を照射するとき、その延長線上に重要臓器８が存在していない。なお、実施の形態２に係る粒子線がん治療装置は、実施の形態１において説明した粒子線がん治療装置と同様である。
この実施の形態２において、治療計画用コンピュータでは、図７に示すように、照射方向に垂直な平面４５に患部２を投影し、図８に示すように、患部領域４１と、その平面４５に重要臓器８を投影して重要臓器領域４２を得る。次に、患部領域４１に対して第１照射手順を立案する。なお、第１照射手順は、患部領域４１を照射方向に対して垂直な所定のスライス間隔で隔てられる複数の平面によりスライスして複数のスライスを形成し、スライス毎に格子状にＸ−Ｙ平面上の格子点を設定し、さらに、格子点毎の計画線量を設定する。そして、格子点の位置座標と計画線量とを３次元照射装置１に入力する。
また、治療計画用コンピュータは、重要臓器領域４２の外周の位置データを重要臓器遮蔽体２６を用意するために出力する。そして、粒子線がん治療装置を操作する操作員は、重要臓器領域４２の外周の位置データに基づき、粒子線３の停止位置が重要臓器８の手前にくるように粒子線３のエネルギーを減衰することができる厚みの板から重要臓器領域４２の外周と合同な外形の重要臓器遮蔽体２６を入手する。
【００３７】
このように重要臓器８が患部２の延長線上にない場合でも、重要臓器遮蔽体２６を重要臓器８の手前に配置して粒子線３を照射することにより、照射ノズル４に入射される位置がずれたり、粒子線走査装置１２が停電により誤動作したりして重要臓器８に粒子線３が達する可能性のあっても、その粒子線３が重要臓器遮蔽体２６により停止されるので、重要臓器８が粒子線３により照射されることがなく、粒子線治療を行っても重要臓器８に悪影響を与えることがない。
また、ビーム位置センサ１４に異常が生じた場合でも、重要臓器８は誤照射されてしまうことはない。
【００３８】
実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３に係る粒子線がん治療装置の治療室に配置された３次元照射装置の概略構成図である。
この発明の実施の形態３に係る粒子線がん治療装置は、実施の形態１に係る粒子線がん治療装置と重要臓器保護装置１６Ｂが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態３に係る重要臓器保護装置１６Ｂは、図９に示すように、実施の形態１に係る配置手段としてのベース板２７にベース板２７を回動駆動する駆動手段としてのモータ５１、モータ５１の回動をベース板２７に伝達する回動軸５２およびモータ５１の回動を制御する駆動制御手段としての制御盤５３を追加したことが異なっており、それ以外は同様であるので同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。なお、フレーム１７には、ベース板２７が通過できるスリット５４が設けられている。
【００３９】
実施の形態３に係る治療計画用コンピュータでは、実施の形態１と同様に第１照射手順および第２照射手順を立案するが、さらに第１照射手順および第２照射手順に従って粒子線３を照射するときの重要臓器遮蔽体２６の設定位置を立案し、その設定位置のデータを制御盤５３に入力する。
また、実施の形態３における照射制御装置７は、第１照射手順または第２照射手順を選択されたとき、選択信号を生成し、制御盤５３に送信する。
実施の形態３に係る制御盤５３は、第１照射手順に係る選択信号を受信したとき、予め入力されている設定位置データに基づいてモータ５１を回動して、重要臓器遮蔽体２６を重要臓器８の粒子線３の照射方向に向いた手前に位置するように配置する。また、制御盤５３は、第２照射手順に係る選択信号を受信したとき、予め入力されている設定位置データに基づいてモータ５１を回動して、３次元スポットスキャニング法による最大限照射可能領域の外に位置するように配置する。
【００４０】
このように重要臓器遮蔽体２６の配置替えはモータ５１を回動することにより行われ、モータ５１の回動は照射制御装置７からの選択信号に基づいて行われるので、照射手順の選択と重要臓器遮蔽体２６の配置が対応づけられて行われ、誤照射を防止することができる。
なお、実施の形態３において、ベース板２７を回動することにより重要臓器遮蔽体２６の配置替えを行ったが、ベース板２７を往復運動することにより重要臓器遮蔽体２６の配置替えを行ってもよい。
【００４１】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る粒子線がん治療装置は、実施の形態１に係る粒子線がん治療装置と治療計画が異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
この実施の形態４に係る治療計画は、実施の形態１に係る治療計画と粒子線３の線量率が異なっており、それ以外は同様である。そして、この実施の形態４に係る治療計画のうち、第１患部領域４３の外周を照射方向に投影したとき得られる投影体の側面により囲まれる患部２に対して第１照射手順を立案するとき所定の線量率、例えば２０Ｇｙ／秒に設定し、第２患部領域４４の外周を照射方向に投影したとき得られる投影体の側面により囲まれる患部２に対して第２照射手順を立案するとき、線量率を１０Ｇｙ／秒に設定する。
なお、第２照射手順の粒子線３の線量率は、第１照射手順の線量率に対して５０％以下であることが好ましく、５０％を超えると重要臓器８が誤照射されたとき悪影響がでてくる。
また、この発明の実施の形態４に係る粒子線がん治療装置の動作は実施の形態１に係る粒子線がん治療装置と同様である。
【００４２】
このように重要臓器８に達する可能性のある粒子線３を照射しても重要臓器遮蔽体２６で停止されるので、大きな線量率の粒子線３を照射でき、照射に要する時間が短縮できる。
また、重要臓器遮蔽体２６を照射ノズル４から取り外されているときに重要臓器８に達する可能性がある粒子線３は小さな線量率であるので、粒子線３が照射ノズル４に入射される位置がずれたり、粒子線走査装置が停電により誤動作したりして重要臓器８を誤照射しても、重要臓器８へ誤照射した線量を下げることができる。
また、重要臓器８に対応する患部２だけに粒子線３を照射するので、スポット数が限られており、線量率を小さくしても照射時間が長くなりすぎることがない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】この発明の実施の形態１に係る３次元照射装置の構成図である。
【図２】実施の形態１における患部および重要臓器の照射方向に平行な断面図である。
【図３】実施の形態１における患部および重要臓器を照射方向に垂直な平面に投影して得られた患部領域および重要臓器領域を示す図である。
【図４】図３の患部領域を重要臓器領域を含まない第１患部領域とそれ以外の第２患部領域を示す図である。
【図５】粒子線を患部に照射して治療する手順を示すフローチャートである。
【図６】照射ノズルの先端に重要臓器遮蔽体を取り付けた様子を表す図である。
【図７】実施の形態２における患部および重要臓器の照射方向に平行な断面図である。
【図８】実施の形態２における患部および重要臓器を照射方向に垂直な平面に投影して得られた患部領域および重要臓器領域を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態３に係る３次元照射装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ ３次元照射装置、２ 患部、３ 粒子線、４ 照射ノズル、５ 患者、６ 患者治療台、７ 照射制御装置、８ 重要臓器、９ 体表面、１１ ビーム入切装置、１２ 粒子線走査装置、１３ レンジシフタ装置、１４ ビーム位置センサ、１５ 線量モニタ、１６ 重要臓器保護装置、１７ フレーム、２１ Ｘ軸電磁石、２２ Ｙ軸電磁石、２３ Ｘ軸電磁石電源、２４ Ｙ軸電磁石電源、２５ レンジシフタ、２６ 重要臓器遮蔽体、２７ ベース板、３１ データ記憶部、３２ 指令値送信部、３３ 入切制御部、４１ 患部領域、４２ 重要臓器領域、４３ 第１患部領域、４４ 第２患部領域、４５ 平面、５１ モータ、５２ 回動軸、５３ 制御盤、５４ スリット。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、粒子線ビームを用いた粒子線がん治療装置および粒子線スキャニング照射方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の３次元スポットスキャニング法を用いる粒子線がん治療装置では、細いビーム径の粒子線ビームを照射方向の垂直方向にスキャニング電磁石によりスキャニングし、照射方向の深さ方向に粒子線飛程を変更するレンジシフタにより体内レンジをシフトすることにより、患者体内での粒子線の停止位置を可変し、患部に所定の線量の粒子線を照射する。そして、患部に粒子線を照射するとき、粒子線ビームが治療計画のスキャニング位置にスキャニングされているか否かをビーム位置モニタによりチェックし、レンジシフタが治療計画のレンジシフタ設定厚であるか否かを状態監視装置によってチェックしている。そして、これらのチェックにより異常が検出されたときに、粒子線ビームを素早く停止させるように制御システムが構築されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２１２２５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ビーム位置モニタや制御システムの応答時間が長くて、スキャニングされた位置が治療計画の位置に対してずれたり、レンジシフタが治療計画のレンジシフタと異なったりしているときには、応答時間とビーム強度（単位時間あたりの粒子数）とで決まる誤差線量が大きくなるという問題がある。
また、３次元スポットスキャニング法を用いて患部に所定線量の粒子線を照射するために、粒子線ビームにおける線量率が高く、大体２０Ｇｙ／秒程度になるので、粒子線に敏感な重要臓器が粒子線の照射範囲内にあるときには避けなければならない問題である。
具体的には、照射方向から見て避けるべき重要臓器と照射すべき腫瘍領域の投影範囲が重なっていて、腫瘍領域を照射している際に設定した粒子線のビームエネルギーを有する粒子線がその照射位置が重要臓器領域に向いた際、重要臓器に届くような場合には、腫瘍領域を照射中に、スキャニング装置などの故障があった場合、粒子線が重要臓器に照射されてしまう問題がある。
【０００５】
この発明の目的は、粒子線ビームが照射される照射範囲に重要臓器が含まれ、スキャニングされた位置が治療計画の位置に対してずれたり、重要臓器に照射される誤差線量が最小限に抑えられる粒子線がん治療装置および粒子線スキャニング照射方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る粒子線がん治療装置は、粒子線スキャニング手段を有し、３次元スポットスキャニング法を用いて上記粒子線スキャニング手段から所定の照射経路で出射される粒子線を、患部に所定の線量だけ照射する粒子線がん治療装置において、上記粒子線スキャニング手段により最大限照射可能な領域に、予め定めた重要臓器が含まれるか否かを判断する重要臓器含有判断手段と、上記粒子線の上記重要臓器到達前の上記照射経路上に設置したとしたら、上記粒子線が上記重要臓器に到達しないように、その材質と厚さを設定した重要臓器保護手段と、上記重要臓器と上記粒子線スキャニング手段との間に上記重要臓器保護手段を着脱可能に配置する配置手段と、上記重要臓器含有判断手段の判断結果に応じて、上記配置手段を制御することにより、上記重要臓器保護手段の着脱を制御する、上記配置手段の制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る粒子線がん治療装置の効果は、粒子線が照射ノズルに入射される位置がずれたり、粒子線走査装置が停電により誤動作したりして重要臓器に粒子線が達する可能性のあっても、その粒子線が重要臓器遮蔽体により停止されるので、重要臓器が粒子線により照射されることがなく、粒子線治療を行っても重要臓器に悪影響を与えることがない。よって、３次元スポットスキャニング法を用いた粒子線がん治療装置の信頼性と安全性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療装置の治療室に配置された３次元照射装置の概略構成図である。
この発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療装置の３次元照射装置１は、図１に示すように、患部２に照射するために輸送されてきた粒子線３を３次元スポットスキャニング法により粒子線３を制御して患部に向けて照射する照射ノズル４、患者５が横たわる患者治療台６および予め立案された治療計画に基づいて照射ノズル４を制御する照射制御装置７を備える。
この照射ノズル４は、輸送されてきた粒子線３を入切するビーム入切装置１１、粒子線３を粒子線３の入射方向に対して垂直な直交する２方向に粒子線の流れを偏向して、粒子線３を走査する粒子線スキャニング手段としての粒子線走査装置１２、粒子線３の残留飛程を変更するレンジシフタ装置１３、偏向して体内に照射する粒子線３の粒子線３の進行方向に垂直な平面上の位置を検出するビーム位置センサ１４、照射する粒子線の線量を検出する線量モニタ１５、粒子線３の重要臓器８に到達前の照射経路上に設置したとしたら、粒子線３が重要臓器８に到達しないように、その材質と厚さを設定した重要臓器保護手段としての重要臓器遮蔽体２６、重要臓器８と粒子線走査装置１２との間に重要臓器遮蔽体２６を着脱可能に配置する配置手段としてのベース板２７を備える。
【０００９】
この３次元照射装置１には、ビーム運動エネルギーが数十〜数百メガ電子ボルトの陽子線、ヘリウム線または炭素線からなる粒子線３が輸送されてくる。
粒子線走査装置１２は、入射される粒子線３を粒子線３の入射方向に対して垂直な直交する２方向のうちの１方向（以下、Ｘ軸方向と称す。）に偏向するＸ軸電磁石２１、粒子線３の入射方向に対して垂直なＸ軸方向に直交する方向（以下、Ｙ軸方向と称す。）に偏向するＹ軸電磁石２２、Ｘ軸電磁石２１にＸ軸励磁電流を流して励磁するＸ軸電磁石電源２３、Ｙ軸電磁石２２にＹ軸励磁電流を流して励磁するＹ軸電磁石電源２４を備える。
【００１０】
Ｘ軸電磁石２１では、図示しない励磁コイルにＸ軸励磁電流を流すことにより、粒子線の流れをＸ軸方向に偏向する。同様に、Ｙ軸電磁石２２では、図示しない励磁コイルにＹ軸励磁電流を流すことにより、粒子線の流れをＹ軸方向に偏向する。
Ｘ軸電磁石電源２３は、入力されるＸ軸励磁電流指令値に基づいてＸ軸電磁石２１にＸ軸励磁電流を流す。また、Ｙ軸電磁石電源２４は、入力されるＹ軸励磁電流指令値に基づいてＹ軸電磁石２２にＹ軸励磁電流を流す。
【００１１】
レンジシフタ装置１３は、所定の厚みの板または楔状の板からなる複数のレンジシフタ２５を粒子線３の通り道に挿入し、粒子線３のエネルギーを可変することにより、粒子線３の残留飛程を変更して、粒子線３が停止する位置を調節する。なお、粒子線３の停止位置（レンジ）は、粒子線３のエネルギーが同じ場合でも体内の状態により異なるが、以下の説明においては粒子線３のエネルギーが等しいときは同一平面上に位置するとして説明する。
【００１２】
ビーム位置センサ１４は、スキャンされて実際患者に照射される粒子線の粒子線の進行方向に垂直な平面上の位置を検出する。
線量モニタ１５は、照射される粒子線３の電荷の流れ、すなわちビーム電流を計測し、ビーム電流の大きさに比例する周波数のパルス列に変換し、パルス列に含まれるパルスの数をカウントして所定の時限で積算してカウント値を求める。このカウント値は、患者体内における粒子線停止位置に形成されるビームスポットの照射線量を管理するためのものであり、一般的に平行平板電離箱で構成される。
【００１３】
重要臓器保護装置１６は、粒子線を完全に停止させることのできる材質と厚みを有する板からなる重要臓器遮蔽体２６と、重要臓器遮蔽体２６を支持し、照射ノズル４のフレーム１７に取り付けられるベース板２７から構成されている。重要臓器遮蔽体２６は、材質としてはアクリルなどの高分子であっても、アルミニウムなどの金属であってもよい。そして、重要臓器遮蔽体２６は、重要臓器領域４２の外形に基づいて板材から作製しても良いが、汎用性を図るために、２次元形状が三角形、円形、長方形等を有する個片をサイズも数種類用意しておき、重要臓器領域４２の外形に基づいて個片を適宜組み合わせて用意してもよい。
ベース板２７は、アクリルなど粒子線３の減衰の少ない薄い板であるが、治療計画の計画線量が得られるように適宜厚みを選定する。
【００１４】
このように重要臓器保護装置１６が、重要臓器領域４２の外形に合わせた形状の重要臓器遮蔽体２６をベース板２７上に取り付けられ、それをフレーム１７に固定するので、重要臓器遮蔽体２６だけを用意すればよく、さらに組み合わせることにより素早く安く重要臓器遮蔽体２６を用意することができる。
【００１５】
Ｘ軸電磁石２１、Ｙ軸電磁石２２、レンジシフタ装置１３、ビーム位置センサ１４、線量モニタ１５、重要臓器保護装置１６は、フレーム１７内に収納されている。
【００１６】
照射制御装置７は、治療計画用コンピュータから入力される治療計画が記憶されるデータ記憶部３１、データ記憶部３１から順次Ｘ軸励磁電流指令値とＹ軸励磁電流指令値とを読み出し、それをそれぞれＸ軸電磁石電源２３とＹ軸電磁石電源２４とに送る指令値送信部３２、照射線量を監視し、計画線量と比較してビームの要求を判定し、ビーム入切装置１１を制御する入切制御部３３が備えられている。
【００１７】
データ記憶部３１には、第１患部領域４３に係る患部２の部分のスライスに対応するレンジシフタ２５、格子点毎のＸ軸励磁電流指定値、Ｙ軸励磁電流指定値および計画線量を第１照射手順としてまとめて記憶されており、また、第２患部領域４４に係る患部２の部分のスライスに対応するレンジシフタ２５、格子点毎のＸ軸励磁電流指定値、Ｙ軸励磁電流指定値および計画線量を第２照射手順としてまとめて記憶されている。
【００１８】
指令値送信部３２は、データ記憶部３１から読み出したＸ軸励磁電流指定値とＹ軸励磁電流指定値に基づいてＸ軸励磁電流指令値をＸ軸電磁石電源２３に、Ｙ軸励磁電流指令値をＹ軸電磁石電源２４に送信する。
【００１９】
入切制御部３３は、線量モニタ１５からの照射線量と第１照射手順または第２照射手順の計画線量とを比較してそのビームスポットに照射された照射線量が計画線量に達したときには、ビーム切信号をビーム入切装置１１に送信し、指令値送信部３２に格子点を１つシフトするように指令し、再度ビーム入信号をビーム入切装置１１に送信する。
【００２０】
次に、この実施の形態１に係る粒子線がん治療装置を用いて患者５の患部２に粒子線３を照射するための治療計画の立案に関して説明する。この説明で使用する患部２と重要臓器８の位置関係を図２に示す。
患部２は通常体表面９から体内側に位置しており、患者５が患者治療台６上に横たわったとき患部２を含む断面は、図２に示すようになる。また、重要臓器８も通常体表面９から体内側に位置しており、患部２に粒子線３を照射するとき、その延長線上に重要臓器８が図２に示すように位置するとき問題となる。
【００２１】
治療計画を立案するときには、患者５の体内の患部２や臓器の位置を計測するための図示しないＸ線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置と、患部２や臓器の位置データを用いて治療計画を立案するアプリケーションソフトが実装されている図示しない治療計画用コンピュータとを用いる。
まず、Ｘ線ＣＴ装置を用いて患者５の体内を撮影して、患部２と、粒子線３が照射されると悪影響がでる重要臓器８の３次元輪郭を同定して治療計画用コンピュータに同定した輪郭データを入力する。
治療計画用コンピュータでは、輪郭データを用いて患部２や重要臓器８などの３次元イメージをモニタに表示し、患部２に粒子線３を照射するのに適する患者５の患者治療台６への固定位置を図２に示すように決めるので、患部２に対する粒子線３の照射方向が決まる。
【００２２】
治療計画用コンピュータが有する重要臓器の含有判断手段では、以下のようにして重要臓器８の有無を判断する。
あらかじめ、撮影した患部２を含む３次元データ画像データを読み込み、患部２の３次元輪郭と、脊髄や目などの重要臓器８の３次元輪郭を抽出する。なお、この輪郭抽出作業は医師等が手入力で行うこともできる。
次に、重要臓器８をなるべく避けるようにスキャニングによる照射方向と患部２と３次元照射装置１との間の相対位置を決める。なお、この作業もオペレータの手作業で行うこともできる。
【００２３】
次に、３次元照射装置１の照射方向と垂直する方向での装置の設計性能（Ｘ軸電磁石およびＹ軸電磁石の最大可能磁場等で決まる）である最大限照射可能範囲を、決められた照射方向から重要臓器８の３次元輪郭を平面に投影した際、その重要臓器８の投影した２次元像の領域と比較し、最大限照射可能範囲と重要臓器の２次元投影像とが重なる領域がある否かを判断する。重なる領域がある場合は、最大限照射可能範囲に重要臓器８が含まれていると判断する。
【００２４】
次に、最大限照射可能範囲に重要臓器８が含まれていると判断したら、３次元照射装置１から出射できる最大粒子線のエネルギーを持った粒子線３が、重要臓器領域４２に照射された場合に、その粒子線３が体表面９と重要臓器８間の領域を通過し、体内での停止位置（飛程）が重要臓器８に到達できるか否かを粒子線シミュレーションコードでチェックする。具体的には、最大粒子線のエネルギーを持った粒子線３の水中飛程を算出し、同時に粒子線３が３次元照射装置１と重要臓器８間の物質の水相当厚さを算出し、両者を比較することで粒子線３が重要臓器８に到達できるか否かを判断する。
ここで重要なのは、体内における患部２と重要臓器８の体表面からの幾何学的な距離で判断するのではなく、体内における水相当深さで判断することが重要である。
粒子線３が重要臓器８に到達できる場合は最大限照射可能範囲内に重要臓器８が含まれていると判断する。そして、患部２を照射する際に、重要臓器遮蔽体２６にて重要臓器８への誤照射を防ぐようにする。
【００２５】
なお、この「最大粒子線のエネルギー」とは、加速器から出射される粒子線３のエネルギーのことである。加速器から出射される粒子線エネルギーは、患部照射に至るまでに、レンジシフタ２５を透過させることによりその実効的なエネルギーが低減されるので、レンジシフタ２５を置かなかった場合のエネルギーを「最大粒子線のエネルギー」とする。これは、本来レンジシフタ２５によりエネルギーを下げて照射すべきであった領域にたいして、レンジシフタ２５の駆動に誤動作が発生し、レンジシフタ２５なしで、またはより薄いレンジシフタ２５を透過させて照射するという事態が生じた場合である。
なお、加速器の暴走により、想定していた粒子線エネルギーよりも大きなエネルギーの粒子線３が誤って出射される場合も可能性としては考えられるが、周回粒子線の突発的なエネルギー変化が発生すると、安定周回は困難となるから、このようなケースは現実的ではないと考えられる。
【００２６】
次に、治療計画用コンピュータでは、図２に示すように、照射方向に垂直な平面４５に患部２を投影し、図３に示すように、患部領域４１と、その平面４５に重要臓器８を投影して重要臓器領域４２を得る。そして、患部領域４１を、図４に示すように、重要臓器領域４２を含まない第１患部領域４３と、それ以外の第２患部領域４４とに分ける。次に、第１患部領域４３の外周を照射方向に投影したとき得られる投影体の側面により囲まれる患部２の部分に対して第１照射手順を立案し、第２患部領域４４の外周を照射方向に投影したとき得られる投影体の側面により囲まれる患部２の部分に対して第２照射手順を立案する。なお、第１照射手順は、第１患部領域４３の外周を照射方向に投影したとき得られる投影体の側面により囲まれる患部２の部分を照射方向に対して垂直な所定のスライス間隔で隔てられる複数の平面によりスライスして複数のスライスを形成し、スライス毎に格子状にＸ−Ｙ平面上の格子点を設定し、さらに、格子点毎の計画線量を設定する。そして、格子点の位置座標と計画線量とを３次元照射装置１に入力する。また、第２照射手順も第１照射手順と同様してスライス、格子点、計画線量とを設定し、そのデータを３次元照射装置１に入力する。
また、治療計画用コンピュータは、重要臓器領域４２の外周の位置データを重要臓器遮蔽体２６を用意するために出力する。
【００２７】
次に、この発明の実施の形態１に係る粒子線がん治療装置の動作を図５を参照して説明する。図５は、粒子線を患部に照射して治療する手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１０１で、治療計画を立案するために、患者５の体内をＸ線ＣＴ装置を用いて撮影して、粒子線３を照射して治療する患部２と粒子線３が照射されると悪影響がでる重要臓器８の３次元領域（Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｖｏｌｕｍｅ：ＰＴＶ）データを算出する。
ステップＳ１０２で、患部２の体内の位置に基づいて治療効果を高めるように患者５が横たわったときの粒子線３の照射方向をＺ軸方向とし、そのＺ軸方向に垂直な直交する２方向をＸ軸方向とＹ軸方向とし、３次元領域データを用いて患部２および重要臓器８をＸ−Ｙ平面４５上に投影して患部領域４１と重要臓器領域４２とを算出する。
【００２８】
ステップＳ１０３で、患部領域４１を重要臓器領域４２を含まない第１患部領域４３と、それ以外の患部領域からなる第２患部領域４４とに分ける。
ステップＳ１０４で、第１患部領域４３の２次元輪郭を粒子線の照射方向、即ち、Ｚ軸方向に投影したときに形成される投影体の側面が囲む患部２の部分を所定のスライス間隔で離間するＺ軸方向に垂直な複数のスライス面によりスライスして複数のスライスを設定する。そして、スライス毎にスライス上に格子点を設定して照射スポットを設定する。
ステップＳ１０５で、第２患部領域４４の２次元輪郭を粒子線の照射方向、即ち、Ｚ軸方向に投影したときに形成される投影体の側面が囲む患部の部分を所定のスライス間隔で離間するＺ軸方向に垂直な複数のスライス面によりスライスして複数のスライスを設定する。そして、スライス毎にスライス上に格子点を設定して照射スポットを設定する。
【００２９】
ステップＳ１０６で、スライス毎に体表面からのＺ軸方向の距離に基づいてレンジシフタ２５を指定し、スライスの格子点毎に計画線量を指定する。
ステップＳ１０７で、スライスを順番に並べて、該当するレンジシフタ２５を登録するとともに、格子点を順番に並べて該当する計画線量を登録する。このとき、格子点のＸ軸座標とＹ軸座標とに基づいてＸ軸励磁電流指定値とＹ軸励磁電流指定値を算出して登録する。
なお、第１患部領域４３に係る患部２に関するスライスに対応するレンジシフタ２５、格子点のＸ軸励磁電流指定値、Ｙ軸励磁電流指定値および照射線量を第１照射手順としてまとめて記憶する。
また、第２患部領域４４に係る患部２に関するスライスに対応するレンジシフタ２５、格子点のＸ軸励磁電流指定値、Ｙ軸励磁電流指定値および照射線量を第２照射手順としてまとめて記憶する。
【００３０】
ステップＳ１０８で、重要臓器領域４２の外周の位置データを重要臓器遮蔽体２６を用意するために出力する。そして、粒子線がん治療装置を操作する操作員は、重要臓器領域４２の外周の位置データに基づき、粒子線３を完全に停止することができる厚みの板から重要臓器領域４２の外周と合同な外形の重要臓器遮蔽体２６を入手する。
【００３１】
ステップＳ１０９で、患者５が患者治療台６に所定の向きに向いて横たわってもらい、位置あわせなどを実施したあと、図６に示すように、用意した重要臓器遮蔽体２６をベース板２７の所定位置に取り付ける。照射ノズル４に設けた図示しないエックス線管を用いて、重要臓器遮蔽体２６の位置が完全に重要臓器８を覆っていることを確認し、第１照射手順での粒子線３の照射の準備が完了する。
なお、重要臓器遮蔽体２６の治療計画で決めた位置への挿入は照射制御装置７を用いて行うこともできる。その際、制御された回転できるベース板２６を回転させるなどして、遮蔽体２７を計画した位置に配置させることもできる。
ステップＳ１１０で、第１照射手順に従い粒子線３を照射する。
【００３２】
ステップＳ１１１で、重要臓器遮蔽体２６を照射ノズル４から取り外し、第２照射手順に従い粒子線３を照射する。なお、このステップでは、照射制御装置７を用いて、べース板２７をモータなどで駆動させ、ベース板２７に予め設置した重要臓器遮蔽体２６を退避させることもできる。
そして、この第２照射手順では、図４で示す第２患部領域４４を照射するため、図２から分かるように、この第２患部領域４４の殆どは重要臓器８より浅い位置にあり、粒子線３のエネルギー変更手段であるレンジシフタ２５または加速器の出射ビームエネルギーそのものを変更し、粒子線ビームの３のエネルギーを減少させて照射を行うことになる。従って、この第２照射手順で第２患部領域４４を照射している際に、例えば、Ｘ軸電磁石２１またはＹ軸電磁石２２などが故障して、粒子線の照射位置が計画した値からずれたりしても、粒子線３が重要臓器８に誤照射してしまうことは殆どない。
なお、ここで、粒子線３のエネルギー変更手段として、加速器の出射エネルギーを重要臓器８に絶対到達し得ない値に変更した方が、レンジシフタ２５の誤動作があった場合でも、重要臓器８を保護できるようにできるので、より効果が期待できる。
【００３３】
このように粒子線３が照射ノズル４に入射される位置がずれたり、粒子線走査装置１２が停電により誤動作したりして重要臓器８に粒子線３が達する可能性があっても、その粒子線３が重要臓器遮蔽体２６により停止されるので、重要臓器８が粒子線３により照射されることがなく、粒子線治療を行っても重要臓器８に悪影響を与えることがない。
また、ビーム位置センサ１４に異常が生じた場合でも、重要臓器８は誤照射されてしまうことはない。
【００３４】
なお、実施の形態１の説明では、１個の重要臓器８について説明したが、複数個の重要臓器８に対してそれぞれ重要臓器遮蔽体２６を用意し、それらをベース板２７の所定の位置に取り付けることにより、複数の重要臓器８に対する誤照射を防ぐことができる。
また、重要臓器遮蔽体２６の代わりにマルチリーフ式コリメータを用いて、重要臓器８の形状によっては粒子線３が重要臓器８を誤照射しないようにすることができるが、重要臓器８の外形形状が複雑であるときには重要臓器８のすべてに亘って誤照射を防止することができない。また、患部領域４１に囲繞されている重要臓器領域４１の場合、マルチリーフ式コリメータを複数回設定し直すことが必要となり、マルチリーフ式コリメータの設定に長い時間が必要となる。また、同じスポットを複数回照射することになるので、照射線量の制御が複雑になるという問題がある。
【００３５】
一方、本願のように重要臓器領域４２と合同な外形形状を有する重要臓器遮蔽体２６を１回だけ配置すればよいので、操作が簡単になる。また、スポットには１回だけ粒子線３が照射されるので、照射線量の制御が容易になる。
なお、この実施の形態１では、ビーム入切装置１１を照射ノズル４内に配置した場合を例に説明してきたが、実際粒子線３の入り切りを粒子発生装置である加速器やイオン源装置の制御で行っても上記効果が同じである。また、ビーム入切装置１１を加速器と照射ノズル４間に高速キッカ電磁石などを設けることで実現しても効果は同じである。
【００３６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２においては、実施の形態１と異なり、図７に示すように、患部２に粒子線３を照射するとき、その延長線上に重要臓器８が存在していない。なお、実施の形態２に係る粒子線がん治療装置は、実施の形態１において説明した粒子線がん治療装置と同様である。
この実施の形態２において、治療計画用コンピュータでは、図７に示すように、照射方向に垂直な平面４５に患部２を投影し、図８に示すように、患部領域４１と、その平面４５に重要臓器８を投影して重要臓器領域４２を得る。次に、患部領域４１に対して第１照射手順を立案する。なお、第１照射手順は、患部領域４１を照射方向に対して垂直な所定のスライス間隔で隔てられる複数の平面によりスライスして複数のスライスを形成し、スライス毎に格子状にＸ−Ｙ平面上の格子点を設定し、さらに、格子点毎の計画線量を設定する。そして、格子点の位置座標と計画線量とを３次元照射装置１に入力する。
また、治療計画用コンピュータは、重要臓器領域４２の外周の位置データを重要臓器遮蔽体２６を用意するために出力する。そして、粒子線がん治療装置を操作する操作員は、重要臓器領域４２の外周の位置データに基づき、粒子線３の停止位置が重要臓器８の手前にくるように粒子線３のエネルギーを減衰することができる厚みの板から重要臓器領域４２の外周と合同な外形の重要臓器遮蔽体２６を入手する。
【００３７】
このように重要臓器８が患部２の延長線上にない場合でも、重要臓器遮蔽体２６を重要臓器８の手前に配置して粒子線３を照射することにより、照射ノズル４に入射される位置がずれたり、粒子線走査装置１２が停電により誤動作したりして重要臓器８に粒子線３が達する可能性のあっても、その粒子線３が重要臓器遮蔽体２６により停止されるので、重要臓器８が粒子線３により照射されることがなく、粒子線治療を行っても重要臓器８に悪影響を与えることがない。
また、ビーム位置センサ１４に異常が生じた場合でも、重要臓器８は誤照射されてしまうことはない。
【００３８】
実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３に係る粒子線がん治療装置の治療室に配置された３次元照射装置の概略構成図である。
この発明の実施の形態３に係る粒子線がん治療装置は、実施の形態１に係る粒子線がん治療装置と重要臓器保護装置１６Ｂが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態３に係る重要臓器保護装置１６Ｂは、図９に示すように、実施の形態１に係る配置手段としてのベース板２７にベース板２７を回動駆動する駆動手段としてのモータ５１、モータ５１の回動をベース板２７に伝達する回動軸５２およびモータ５１の回動を制御する駆動制御手段としての制御盤５３を追加したことが異なっており、それ以外は同様であるので同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。なお、フレーム１７には、ベース板２７が通過できるスリット５４が設けられている。
【００３９】
実施の形態３に係る治療計画用コンピュータでは、実施の形態１と同様に第１照射手順および第２照射手順を立案するが、さらに第１照射手順および第２照射手順に従って粒子線３を照射するときの重要臓器遮蔽体２６の設定位置を立案し、その設定位置のデータを制御盤５３に入力する。
また、実施の形態３における照射制御装置７は、第１照射手順または第２照射手順を選択されたとき、選択信号を生成し、制御盤５３に送信する。
実施の形態３に係る制御盤５３は、第１照射手順に係る選択信号を受信したとき、予め入力されている設定位置データに基づいてモータ５１を回動して、重要臓器遮蔽体２６を重要臓器８の粒子線３の照射方向に向いた手前に位置するように配置する。また、制御盤５３は、第２照射手順に係る選択信号を受信したとき、予め入力されている設定位置データに基づいてモータ５１を回動して、３次元スポットスキャニング法による最大限照射可能領域の外に位置するように配置する。
【００４０】
このように重要臓器遮蔽体２６の配置替えはモータ５１を回動することにより行われ、モータ５１の回動は照射制御装置７からの選択信号に基づいて行われるので、照射手順の選択と重要臓器遮蔽体２６の配置が対応づけられて行われ、誤照射を防止することができる。
なお、実施の形態３において、ベース板２７を回動することにより重要臓器遮蔽体２６の配置替えを行ったが、ベース板２７を往復運動することにより重要臓器遮蔽体２６の配置替えを行ってもよい。
【００４１】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る粒子線がん治療装置は、実施の形態１に係る粒子線がん治療装置と治療計画が異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
この実施の形態４に係る治療計画は、実施の形態１に係る治療計画と粒子線３の線量率が異なっており、それ以外は同様である。そして、この実施の形態４に係る治療計画のうち、第１患部領域４３の外周を照射方向に投影したとき得られる投影体の側面により囲まれる患部２に対して第１照射手順を立案するとき所定の線量率、例えば２０Ｇｙ／秒に設定し、第２患部領域４４の外周を照射方向に投影したとき得られる投影体の側面により囲まれる患部２に対して第２照射手順を立案するとき、線量率を１０Ｇｙ／秒に設定する。
なお、第２照射手順の粒子線３の線量率は、第１照射手順の線量率に対して５０％以下であることが好ましく、５０％を超えると重要臓器８が誤照射されたとき悪影響がでてくる。
また、この発明の実施の形態４に係る粒子線がん治療装置の動作は実施の形態１に係る粒子線がん治療装置と同様である。
【００４２】
このように重要臓器８に達する可能性のある粒子線３を照射しても重要臓器遮蔽体２６で停止されるので、大きな線量率の粒子線３を照射でき、照射に要する時間が短縮できる。
また、重要臓器遮蔽体２６を照射ノズル４から取り外されているときに重要臓器８に達する可能性がある粒子線３は小さな線量率であるので、粒子線３が照射ノズル４に入射される位置がずれたり、粒子線走査装置が停電により誤動作したりして重要臓器８を誤照射しても、重要臓器８へ誤照射した線量を下げることができる。
また、重要臓器８に対応する患部２だけに粒子線３を照射するので、スポット数が限られており、線量率を小さくしても照射時間が長くなりすぎることがない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】この発明の実施の形態１に係る３次元照射装置の構成図である。
【図２】実施の形態１における患部および重要臓器の照射方向に平行な断面図である。
【図３】実施の形態１における患部および重要臓器を照射方向に垂直な平面に投影して得られた患部領域および重要臓器領域を示す図である。
【図４】図３の患部領域を重要臓器領域を含まない第１患部領域とそれ以外の第２患部領域を示す図である。
【図５】粒子線を患部に照射して治療する手順を示すフローチャートである。
【図６】照射ノズルの先端に重要臓器遮蔽体を取り付けた様子を表す図である。
【図７】実施の形態２における患部および重要臓器の照射方向に平行な断面図である。
【図８】実施の形態２における患部および重要臓器を照射方向に垂直な平面に投影して得られた患部領域および重要臓器領域を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態３に係る３次元照射装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ ３次元照射装置、２ 患部、３ 粒子線、４ 照射ノズル、５ 患者、６ 患者治療台、７ 照射制御装置、８ 重要臓器、９ 体表面、１１ ビーム入切装置、１２ 粒子線走査装置、１３ レンジシフタ装置、１４ ビーム位置センサ、１５ 線量モニタ、１６ 重要臓器保護装置、１７ フレーム、２１ Ｘ軸電磁石、２２ Ｙ軸電磁石、２３ Ｘ軸電磁石電源、２４ Ｙ軸電磁石電源、２５ レンジシフタ、２６ 重要臓器遮蔽体、２７ ベース板、３１ データ記憶部、３２ 指令値送信部、３３ 入切制御部、４１ 患部領域、４２ 重要臓器領域、４３ 第１患部領域、４４ 第２患部領域、４５ 平面、５１ モータ、５２ 回動軸、５３ 制御盤、５４ スリット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子線スキャニング手段を有し、３次元スポットスキャニング法を用いて上記粒子線スキャニング手段から所定の照射経路で出射される粒子線を、患部に所定の線量だけ照射する粒子線がん治療装置において、
上記粒子線スキャニング手段により最大限照射可能な領域に、予め定めた重要臓器が含まれるか否かを判断する重要臓器含有判断手段と、
上記粒子線の上記重要臓器到達前の上記照射経路上に設置したとしたら、上記粒子線が上記重要臓器に到達しないように、その材質と厚さを設定した重要臓器保護手段と、
上記重要臓器と上記粒子線スキャニング手段との間に上記重要臓器保護手段を着脱可能に配置する配置手段と、
上記重要臓器含有判断手段の判断結果に応じて、上記配置手段を制御することにより、上記重要臓器保護手段の着脱を制御する、上記配置手段の制御手段と、
を備えることを特徴とする粒子線がん治療装置。
【請求項２】
照射する粒子線のエネルギーを制御する手段を備え、
上記重要臓器保護手段の着脱に応じて、上記粒子線エネルギーを制御する手段により、上記照射に係る粒子線のエネルギーを制御することを特徴とする請求項１に記載する粒子線がん治療装置。
【請求項３】
上記重要臓器保護手段の配置手段は、上記重要臓器保護手段を取り付けるためのベース板と、上記ベース板を駆動する駆動手段と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載する粒子線がん治療装置。
【請求項４】
上記重要臓器保護手段の駆動手段は、上記ベース板を回動または往復駆動することを特徴とする請求項３に記載する粒子線がん治療装置。
【請求項５】
患者のＸ線ＣＴ撮影画像から患部および重要臓器の輪郭を抽出するステップと、
上記患部を照射するのに適する照射方向に対して垂直な平面上に上記患部および上記重要臓器の輪郭を投影して患部領域および重要臓器領域を確定するステップと、
上記患部領域を上記重要臓器領域を含まない第１患部領域と上記第１患部領域以外の第２患部領域とに分けるステップと、
上記患部を上記平面に投影したときに上記第１患部領域と重なる上記患部の部分に対して第１照射手順を、上記患部を上記平面に投影したときに上記第２患部領域と重なる上記患部の部分がある場合、第２照射手順を設定するステップと、
上記第２患部領域の外形と同様な形状を有し、粒子線のエネルギー減衰する重要臓器遮蔽体を上記第２患部領域と重なる患部の部分の照射方向の手前に配設し、上記第１照射手順に基づいて粒子線を照射するステップと、
上記患部を上記平面に投影したときに上記第２患部領域と重なる上記患部の部分がある場合、上記重要臓器遮蔽体を取り外し、上記第２照射手順に基づいて粒子線を照射するステップと、
を有することを特徴とする粒子線スキャニング照射方法。
【請求項６】
上記第２照射手順での粒子線の線量率は、上記第１照射手順での粒子線の線量率の５０％以下であることを特徴とする請求項５に記載する粒子線スキャニング照射方法。
【請求項１】
粒子線スキャニング手段を有し、３次元スポットスキャニング法を用いて上記粒子線スキャニング手段から所定の照射経路で出射される粒子線を、患部に所定の線量だけ照射する粒子線がん治療装置において、
上記粒子線スキャニング手段により最大限照射可能な領域に、予め定めた重要臓器が含まれるか否かを判断する重要臓器含有判断手段と、
上記粒子線の上記重要臓器到達前の上記照射経路上に設置したとしたら、上記粒子線が上記重要臓器に到達しないように、その材質と厚さを設定した重要臓器保護手段と、
上記重要臓器と上記粒子線スキャニング手段との間に上記重要臓器保護手段を着脱可能に配置する配置手段と、
上記重要臓器含有判断手段の判断結果に応じて、上記配置手段を制御することにより、上記重要臓器保護手段の着脱を制御する、上記配置手段の制御手段と、
を備えることを特徴とする粒子線がん治療装置。
【請求項２】
照射する粒子線のエネルギーを制御する手段を備え、
上記重要臓器保護手段の着脱に応じて、上記粒子線エネルギーを制御する手段により、上記照射に係る粒子線のエネルギーを制御することを特徴とする請求項１に記載する粒子線がん治療装置。
【請求項３】
上記重要臓器保護手段の配置手段は、上記重要臓器保護手段を取り付けるためのベース板と、上記ベース板を駆動する駆動手段と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載する粒子線がん治療装置。
【請求項４】
上記重要臓器保護手段の駆動手段は、上記ベース板を回動または往復駆動することを特徴とする請求項３に記載する粒子線がん治療装置。
【請求項５】
患者のＸ線ＣＴ撮影画像から患部および重要臓器の輪郭を抽出するステップと、
上記患部を照射するのに適する照射方向に対して垂直な平面上に上記患部および上記重要臓器の輪郭を投影して患部領域および重要臓器領域を確定するステップと、
上記患部領域を上記重要臓器領域を含まない第１患部領域と上記第１患部領域以外の第２患部領域とに分けるステップと、
上記患部を上記平面に投影したときに上記第１患部領域と重なる上記患部の部分に対して第１照射手順を、上記患部を上記平面に投影したときに上記第２患部領域と重なる上記患部の部分がある場合、第２照射手順を設定するステップと、
上記第２患部領域の外形と同様な形状を有し、粒子線のエネルギー減衰する重要臓器遮蔽体を上記第２患部領域と重なる患部の部分の照射方向の手前に配設し、上記第１照射手順に基づいて粒子線を照射するステップと、
上記患部を上記平面に投影したときに上記第２患部領域と重なる上記患部の部分がある場合、上記重要臓器遮蔽体を取り外し、上記第２照射手順に基づいて粒子線を照射するステップと、
を有することを特徴とする粒子線スキャニング照射方法。
【請求項６】
上記第２照射手順での粒子線の線量率は、上記第１照射手順での粒子線の線量率の５０％以下であることを特徴とする請求項５に記載する粒子線スキャニング照射方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１１９６３（Ｐ２００８−１１９６３Ａ）
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８４２６０（Ｐ２００６−１８４２６０）
【出願日】平成１８年７月４日（２００６．７．４）
【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２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月４日（２００６．７．４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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