粒子線ビーム照射装置及びその制御方法
【課題】粒子線ビーム形状の劣化を低く抑えつつ、簡素な構成でスキャン時の線量２次元分布を測定し表示することができる粒子線ビーム照射装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る粒子線ビーム照射装置は、粒子線ビームを生成するビーム生成部と、粒子線ビームの出射を制御するビーム出射制御部と、粒子線ビームを２次元走査するビーム走査部と、複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が第１の方向と直交する第２の方向に並列配置されるセンサ部と、各第１の線状電極から出力される第１の信号と、各第２の線状電極から出力される第２の信号とから粒子線ビームの重心位置を算出し、重心位置の周辺の粒子線ビームの２次元ビーム形状を求めるビーム形状算出部と、２次元ビーム形状を累積記憶する記憶部と、２次元ビーム形状を線量の２次元分布として表示する表示部と、を備えたことを特徴とする。
【解決手段】本発明に係る粒子線ビーム照射装置は、粒子線ビームを生成するビーム生成部と、粒子線ビームの出射を制御するビーム出射制御部と、粒子線ビームを２次元走査するビーム走査部と、複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が第１の方向と直交する第２の方向に並列配置されるセンサ部と、各第１の線状電極から出力される第１の信号と、各第２の線状電極から出力される第２の信号とから粒子線ビームの重心位置を算出し、重心位置の周辺の粒子線ビームの２次元ビーム形状を求めるビーム形状算出部と、２次元ビーム形状を累積記憶する記憶部と、２次元ビーム形状を線量の２次元分布として表示する表示部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線ビーム照射装置及びその制御方法に係り、特に、炭素等の重粒子線ビームや陽子ビーム等を患部に照射してがん治療を行う粒子線ビーム照射装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の日本国において、がんは死因として最も多いものであり、毎年３０万人以上の国民がなくなっている。このような状況の中、治療効果の高さや副作用の少なさなどの優れた特徴を有する、炭素ビームや陽子ビームを用いた粒子線治療法が注目されている。この治療法は、加速器から出射された粒子線ビームをがん細胞に照射することで、正常細胞に与える影響を小さくしながら、がん細胞を死滅させることができる。
【０００３】
この治療方法において、現在使用されている粒子線照射方法は、拡大ビーム法と呼ばれる方法である。この拡大ビーム法では、粒子線ビームをワブラ法あるいは二重散乱体法と呼ばれる方法によりビーム径を患部サイズ以上に拡大し、多数の金属製の板（リーフ）で形成されたマルチリーフコリメータにより照射領域を制限することにより、患部形状に合致させて照射を行う。また、ビーム進行方向（ビーム軸方向）にはリッジフィルタと呼ばれるビーム飛程拡大装置によりビームを拡大し、ボーラスと呼ばれるポリエチレン製のビーム飛程整形装置によってビーム停止位置を深い位置での患部形状（外郭）に合致させて照射する。
【０００４】
しかし、拡大ビーム法は厳密には３次元的に患部形状に正確に合致させることができないので、患部周りの正常細胞への影響を小さくするには限界がある。さらには、形状コリメータやボーラスは患部（さらには患部に対する照射方向）毎に製作されるので、治療照射後には放射線廃棄物が発生するという問題がある。
【０００５】
そこで、粒子線治療のさらに進んだ照射法として、体内患部を３次元格子状に切り分けて照射を行うスキャニング照射法の開発が進められている。このスキャニング照射法では、形状コリメータやボーラスを用いることなく、ビーム軸方向についても精度よく患部に合わせることが可能になり、従来の２次元的照射方法と比較して正常細胞への被爆を抑制することができる。
【０００６】
例えばスポットスキャニング照射法と呼ばれる３次元照射法においては、次のように各点の照射を行っていく。
【０００７】
ある点に対して予め決められた線量（この照射点毎の照射線量を決める作業は治療計画と呼ばれる）を照射すると、スキャニング制御装置は線量モニタからの満了信号を受けてスポット切替指令を出力する。このスポット切替指令に基づき、ビーム出射制御装置はビーム出射を停止する。同時に、粒子線ビームを走査するスキャニング電磁石に励磁電流を流すための電磁石電源は、次の照射点の座標に対応した電流値の設定を開始する。スキャニング照射装置は、電磁石電源の電流値の設定の完了信号を受信すると、ビーム出射制御装置に対しビーム開始命令を出力し、次の点に対する照射が開始される。これを順次繰り返して、１つの照射スライスに対する治療部位の照射を行う。そして、これが終了すると、ビーム出射を一旦停止し、加速器から出射するビームのエネルギーを変更するか、レンジシフタと呼ばれる飛程調整装置を制御することにより、ビーム進行方向のビーム停止位置（スライス）を変更する。このようにスキャニング照射とスライス切替を順次行っていくことで治療部位全域にわたる照射を行う。
【０００８】
スポットスキャニング照射法の弱点は、ビーム出射制御装置がビーム停止命令を出力しても、実際には直ちにビーム出射が停止できないことである。このため、漏れ線量が電磁石の励磁電流変更時、すなわち、照射位置の移動中に患部に照射されることになる。各点に対する照射線量（設定線量）が小さいときは、漏れ線量の比率（漏れ線量／設定線量）が大きくなるため、特に問題になる。この問題を抑制するには、ビーム強度を低下させて、漏れ線量の比率を相対的に小さくさせる必要があるが、ビーム強度を低下させることは、一方では治療の長時間化を招き、患者の身体的負担が大きくなってしまう。
【０００９】
スポットスキャニング法でビーム強度が上げられない問題を解決するため、ラスタースキャニング法と呼ばれる方法が新たに開発されている（非特許文献１等参照）。この方法ではスポットスキャニング法と異なって、照射点を移動するときもビームを停止させない。つまり、停止照射点（粒子線ビームが移動中でなく、停止した状態で設定された線量を照射する点を停止照射点と呼ぶことにする）と停止照射点との間を粒子線ビームが移動するときもビームが照射されるが、この間の照射量も含めて、治療計画、すなわち各停止点における照射線量の最適化が行なわれる。
【００１０】
スキャニング照射法において、正しい位置にビームが照射されていることを保証するため、照射ポートには位置モニタが配備されている。万一、スキャニング電磁石電源の電流設定異常や、上流の加速器からスキャニング装置までのビーム輸送部分でのビーム位置ずれなどにより、予め決められた照射位置と、位置モニタで測定された位置に相違が発生した場合は、スキャニング制御装置内の位置監視機構（ここでは位置モニタコントローラと呼ぶことにする）によりインターロック信号が出力され、治療照射は一時中断される。
【００１１】
スキャニング照射用の位置モニタの一例は、例えば、特許文献１等に開示されている。位置モニタは、例えば、電離箱の収集電極の電極部分が１軸方向に電気的に非接続な多数のストリップに区切られた構成を持ち、これらストリップには各々、計測回路が接続されている。計測回路の内部には積分部が設けられ、照射スポット毎に、各ストリップに収集された電荷に相当する電気量が貯えられる。積分部から出力される電圧は、Ａ／Ｄ変換器（以下「ＡＤＣ回路」と記す）によりデジタル信号として取り出される。そして、これらデジタル信号に対して重心計算などの演算を施すことによって、スポット位置を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−３３５６０号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】古川卓司、外８名、「３次元スキャニング照射装置の設計検討」、放射線医学総合研究所ＨＩＭＡＣレポート：ＨＩＭＡＣ−１２４、独立行政法人放射線医学総合研究所発行、２００７年４月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
他方、医師や放射線技師からは、スライス毎の線量プロファイル、即ち、スキャン時の線量２次元分布が正しい分布であるかどうかを、照射中に視覚的に確認したいという強い要望がある。前述した位置モニタは各照射点で位置が正しいかどうかを確認するためのものであり、２次元分布としての線量プロファイルを出力するものではない。
【００１５】
線量プロファイルを測定する装置として、平行平板電離箱の信号電極をマルチアレイ型に形成したマルチアレイプロファイルモニタと呼ばれる装置がある。しかし、この装置では各アレイから信号線を取り出す必要などから、信号電極が厚くなってしまう。スキャニング照射法では、良好な線量分布を形成する上で、ビームサイズ（ビーム幅）が重要なパラメータである。しかしながら、厚い電極を持つ装置（マルチアレイプロファイルモニタ）を粒子線ビームの経路上に配備するとビームは散乱を受け、ビームサイズ（ビーム幅）が許容できない範囲にまで広がってしまう。このビームサイズの増大が起きると、照射領域はぼやけた線量分布となり、患部形状に合致した高精度の照射ができなくなってしまうばかりでなく、患部の外側の正常組織の被爆が増大してしまう。
【００１６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、粒子線ビーム形状の劣化を低く抑えつつ、簡素な構成でスキャン時の線量２次元分布を測定し表示することができる粒子線ビーム照射装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明に係る粒子線ビーム照射装置は、粒子線ビームを生成するビーム生成部と、前記粒子線ビームの出射を制御するビーム出射制御部と、前記粒子線ビームを２次元走査するビーム走査部と、複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置されるセンサ部と、前記各第１の線状電極から出力される第１の信号と、前記各第２の線状電極から出力される第２の信号とから前記粒子線ビームの重心位置を算出し、前記第１、及び第２の信号から前記重心位置の周辺の前記粒子線ビームの２次元ビーム形状を求めるビーム形状算出部と、前記重心位置に対応する前記２次元ビーム形状を、前記２次元走査の範囲に亘って累積記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶した前記２次元走査の範囲の前記２次元ビーム形状を、粒子線ビーム線量の２次元分布として表示する表示部と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る粒子線ビーム照射装置の制御方法は、複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置されるセンサを具備する粒子線ビーム照射装置の制御方法において、前記粒子線ビームの出射を制御し、前記粒子線ビームを２次元走査し、前記各第１の線状電極から出力される第１の信号と、前記各第２の線状電極から出力される第２の信号とから前記粒子線ビームの重心位置を算出し、前記第１、及び第２の信号から前記重心位置の周辺の前記粒子線ビームの２次元ビーム形状を求め、前記重心位置に対応する前記２次元ビーム形状を、前記２次元走査の範囲に亘って累積記憶し、累積記憶した前記２次元走査の範囲の前記２次元ビーム形状を、粒子線ビーム線量の２次元分布として表示する、ステップを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るは粒子線ビーム照射装置及びその制御方法によれば、粒子線ビーム形状の劣化を低く抑えつつ、簡素な構成でスキャン時の線量２次元分布を測定し表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の粒子線ビーム照射装置の構成例を示す図。
【図２】ストリップ型の位置モニタ部（センサ部）の構成例を示す図。
【図３】３次元スキャニング照射の基本的な処理例を示すフローチャート。
【図４】スライス上の走査パターンの一例を示す図。
【図５】従来の３次元ラスタースキャニング照射における線量およびビーム位置の管理・制御の一例を示すタイミングチャート。
【図６】従来の位置モニタ（位置モニタ部とビーム位置検出回路）の例を示す図。
【図７】第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の構成例を示す図。
【図８】ビーム形状算出部（第１の実施形態）の細部構成例を示すブロック図。
【図９】各チャンネル信号から１次元ビーム形状を求める処理の概念を示す図。
【図１０】記憶部の記憶領域を２次元で表現した図。
【図１１】スライス毎の２次元走査範囲の全範囲に亘る線量プロファイル（線量の２次元分布）の表示概念を示す図。
【図１２】ビーム形状算出部の各処理と、記憶部に線量プロファイルを記憶させていく処理のタイミングチャート。
【図１３】ビーム形状算出部（第２の実施形態）の細部構成例を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００２２】
（１）従来装置の構成及び動作
図１は、本発明の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１（図７）との比較のため、従来の粒子線ビーム照射装置３００の構成例を示した図である。粒子線ビーム照射装置３００は、ビーム生成部１０、出射制御部２０、ビーム走査部３０、Ｘ用電磁石３０ａ、Ｙ用電磁石３０ｂ、真空ダクト３１、線量モニタ部５０、位置モニタ部５１、リッジフィルタ６０、レンジシフタ７０、制御部８０等を備えて構成されている。
【００２３】
粒子線ビーム照射装置３００は、炭素等の粒子や陽子等を高速に加速して得られる粒子線ビームをがん患者１００の患部２００に向けて照射し、がん治療を行う装置である。粒子線ビーム照射装置３００では、患部２００を３次元の格子点に離散化し、各格子点に対して細い径の粒子線ビームを順次走査する３次元スキャニング照射法を実施することが可能である。具体的には、患部２００を粒子線ビームの軸方向（図１右上に示す座標系におけるＺ軸方向）にスライスと呼ばれる平板状の単位で分割し、分割したスライスＺi、スライスＺi+1、スライスＺi+2等の各スライスの２次元格子点（図１右上に示す座標系におけるＸ軸及びＹ軸方向の格子点）を順次走査することによって３次元スキャニングを行っている。
【００２４】
ビーム生成部１０は、炭素イオンや陽子等の粒子を生成すると共に、シンクロトロン等の加速器（主加速器）によってこれらの粒子を患部２００の奥深くまで到達できるエネルギーまで加速して粒子線ビームを生成している。
【００２５】
出射制御部２０では、制御部８０から出力される制御信号に基づいて、生成された粒子線ビームの出射のオン、オフ制御を行っている。
【００２６】
ビーム走査部３０は、粒子線ビームをＸ方向及びＹ方向に偏向させ、スライス面上を２次元で走査するものであり、Ｘ方向に走査するＸ用電磁石３０ａとＹ方向に走査するＹ用電磁石３０ｂの励磁電流を制御している。
【００２７】
レンジシフタ７０は、患部２００のＺ軸方向の位置を制御する。レンジシフタ７０は、例えば複数の厚さのアクリル板から構成されており、これらのアクリル板を組み合わせることによってレンジシフタ７０を通過する粒子線ビームのエネルギー、即ち体内飛程を患部２００スライスのＺ軸方向の位置に応じて段階的に変化させることができる。レンジシフタ７０による体内飛程の大きさは通常等間隔で変化するように制御され、この間隔がＺ軸方向の格子点の間隔に相当する。なお、体内飛程の切り替え方法としては、レンジシフタ７０のように粒子線ビームの径路上に減衰用の物体を挿入する方法のほか、上流機器の制御によって粒子線ビームのエネルギー自体を変更する方法でもよい。
【００２８】
リッジフィルタ６０は、ブラッグピークと呼ばれる体内深さ方向における線量のシャープなピークを拡散させるために設けられている。ここで、リッジフィルタ６０によるブラッグピークの拡散幅は、スライスの厚み、即ちＺ軸方向の格子点の間隔と等しくなるように設定される。３次元スキャニング照射用のリッジフィルタ６０は、断面が略２等辺三角形のアルミニウム棒状部材を複数並べて構成している。粒子線ビームが２等辺三角形を通過する際に生じる径路長の差異によってブラッグピークのピークを拡散させることが可能であり、２等辺三角形の形状によって拡散幅を所望の値に設定することができる。
【００２９】
線量モニタ部５０は、照射する線量をモニタするためのものであり、その筐体内に、粒子線の電離作用によって生じた電荷を平行電極で収集する電離箱や、筐体内に配置された二次電子放出膜から放出される二次電子を計測するＳＥＭ（Secondary Electron Monitor）装置等によって構成されている。
【００３０】
位置モニタ部５１は、ビーム走査部３０によって走査された粒子線ビームが正しい位置にあるかどうかを識別するためのものである。線量モニタ部５０と類似した電荷収集用の平行電極を有している。位置モニタ部５１の電荷収集用電極は、線状電極（例えば複数の短冊状の電極や、複数のワイヤからなる電極）がＸ方向及びＹ方向に夫々並列に配列されている。複数の短冊状電極が配列されたものはストリップ型と呼ばれ、複数のワイヤ電極が配列されたものはマルチワイア型と呼ばれる。
【００３１】
図２は、ストリップ型の位置モニタ部５１の構成例を示す図である。図２に示すように、位置モニタ部５１は、複数の短冊状電極（複数の第１の線状電極）がＸ軸方向（第１の方向）に並列配置され、複数の短冊状電極（複数の第２の線状電極）がＹ軸方向（第１の方向と直交する第２の方向）に並列配置されている。
【００３２】
制御部８０は、粒子線ビーム照射装置１全体の制御をおこなうためのものであり、出射制御部２０に対するビーム出射のオン、オフ制御、ビーム走査部３０に対するビーム走査に関する指示、レンジシフタ７０に対するスライス変更に伴うレンジシフト量の制御等を行っている。
【００３３】
図３は、３次元スキャニング照射の基本的な処理例を示すフローチャートである。
【００３４】
まず、患部をビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、分割されたスライスの１つが選択される。最初は例えば患部の最も深い位置にあるスライスＺｉが選択される。また選択されたスライスの位置に応じて粒子線ビームの入射エネルギーとレンジシフタ７０におけるアクリル板の組み合わせが選択、設定される（ステップＳＴ１）。
【００３５】
次に、最深スライスにおける患部形状に応じて粒子線ビームを照射する格子点の数Ｍと格子点の位置（Ｘi、Ｙi）［ｉ=１〜Ｍ］、即ち照射対象のスポットが選択され、ビーム走査部３０によりスライス上の格子点位置（Ｘi、Ｙi）に粒子線ビームの向きが設定される（ステップＳＴ２）。その後、粒子線ビームの出射が開始される（ステップＳＴ３）。ビーム走査部３０から出力された粒子線ビームは、リッジフィルタ６０によって、体内飛程分布幅がスライス幅に対応するようエネルギー分布がＺ軸方向に拡大される。
【００３６】
格子点（Ｘｉ、Ｙｉ）に対する照射線量は線量モニタ部５０により監視され、対象格子点に対する照射線量が計画した線量に達すると線量満了信号が制御部８０に出力され、制御部８０はこの信号を受信する（ステップＳＴ４）。
【００３７】
３次元スキャニング照射法はスポットスキャニング法とラスタースキャニング法に大別される。スポットスキャニング法は、粒子線ビームの位置をある格子点から次の格子点に移動させている間はビーム出射を停止させ、移動完了後にビーム出射を再開させる方法である。従って、同一スライスを走査する間はビーム出射が断続することになる。
【００３８】
これに対して、ラスタースキャニング法は、粒子線ビームの位置をある格子点から次の格子点に移動させている間もビーム出射は停止することなく継続される。つまり、同一スライスを走査する間は、ビーム出射は途切れることなく連続する。
【００３９】
なお、スポットスキャニング法及びラスタースキャニング法のいずれの方法であっても、粒子線ビームの位置は各格子点において計画された線量に達するまで停止し、計画線量に達した後次の格子点に移動する。
【００４０】
ステップＳＴ５では、スポットスキャニング法及びラスタースキャニング法のいずれの方法であるかを判定し、スポットスキャニング法の場合には、一旦ビーム出射を停止し（ステップＳＴ６）、次のスポットへビーム位置を移動させる。この処理を対象とするスライスの最終スポットまで繰り返す（ステップＳＴ７）。
【００４１】
一方、スポットスキャニング法ではない場合、即ちラスタースキャニング法の場合にはビーム出射を停止することなく最終スポットまでビーム出射を継続する。
【００４２】
１つのスライスに対する照射が終了すると（ステップＳＴ７のYES）、スポットスキャニング法及びラスタースキャニング法のいずれの場合も一旦ビーム出射を停止し（ステップＳＴ８）、ステップＳＴ１に戻って次のスライスを選択すると共にレンジシフタ７０の設定を変更する。以上の処理を最終スライスに達するまで繰り返す（ステップＳＴ９）。
【００４３】
上記の照射手順に必要となる各諸元は、例えば照射パターンファイルと呼ばれるデータファイルに記述され、治療照射の開始前に制御部８０に転送される。照射パターンファイルには、格子点毎に、スライス位置を与えるレンジシフタ厚、格子点（X、Y）に対応するビーム位置を与えるＸ用電磁石３０ａやＹ用電磁石３０ｂの駆動電流値、各格子点に対する照射線量等が照射順に記述されている。
【００４４】
図４は、スライス上の走査パターンの一例を示す図である。左上の開始格子点から右下の最終格子点に到る軌跡パターンが治療計画で予め定められ、この軌跡パターンにそって一方向に順次粒子線ビームが走査されていく。
【００４５】
図５は、従来の３次元ラスタースキャニング照射における線量およびビーム位置の管理・制御の一例を示すタイミングチャートである。
【００４６】
図５（ａ）、（ｂ）に示す２つの電磁石の励磁電流は、２軸方向（Ｘ、Ｙ）の位置設定値に対応する。線量モニタで計測される線量（線量モニタ積算線量、図５（ｃ））が設定値に達すると線量満了信号（図５（ｅ））が出力され、電磁石の励磁電流を変更して設定値に達するとその励磁電流値に保持される。ビーム照射点は電磁石の励磁電流の変化にしたがい移動する。
【００４７】
図５（ｆ）、（ｇ）に示すように、従来の位置モニタでは、位置モニタの各チャンネルに対して、線量満了信号により生成された信号により積分停止、データ読み出し、積分電荷のクリア、積分開始が連続して行なわれる。積分される電荷は照射点を移動中に生じる収集電荷と停止照射点に照射されたビームにより生じる収集電荷の和として得られる。
【００４８】
図６は、従来の位置モニタ（位置モニタ部５１とビーム位置検出回路）の例を示す図である。従来のビーム位置検出回路では、収集電極のチャンネル毎に、電流出力を電圧信号に変換するＩ／Ｖ変換器と、電圧信号を増幅する増幅器と、増幅器に接続された積分器と、Ａ／Ｄ変換を行なうためのＡＤＣ回路が接続されている。積分器には、照射点に対して２桁にわたる照射時間の違いに対して精度を確保するため、３つのコンデンサが接続され、これらを切り替えて積分時定数を変更できるようになっている。
【００４９】
また、ビーム位置検出回路には２つの収集電極５１ａ、５１ｂそれぞれに対してＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等で構成される重心位置算出部が設けられている。重心位置算出部はＡＤＣ回路の出力を取り込み、重心計算を行なって２つの収集電極５１a、５１ｂに対してそれぞれ重心位置（Ｘｃ，Ｙｃ）を算出する。
【００５０】
算出された重心位置（Ｘｃ，Ｙｃ）は、予め決められた位置設定値（Ｘｒ，Ｙｒ）と比較され、これらの差（Ｘｃ−Ｘｒ、あるいはＹｃ-Ｙｒ）が許容範囲を超えていれば位置異常と判定してインターロック信号を発生させ、ビーム出射を停止させている。
【００５１】
このように従来の位置モニタはスポットビームの位置が正常かどうかを判定するためにビームの重心位置を算出する機能を有している。
【００５２】
しかしながら、従来の位置モニタから得られる情報は、あくまでも各ビームスポットの推定重心位置を離散的に示す情報であり、スポット位置の重ね合わせとして形成される連続的な線量分布は得ることができない。
【００５３】
他方、医師や技師は、照射中に線量プロファイル（Ｘ方向及びＹ方向の線量の２次元分布、或はこの２次元分布から切り出したＸ方向、Ｙ方向の線量の１次元分布）を視覚的に確認できることを望んでいる。例えば、スライス毎に線量プロファイルが表示されれば、照射が正確に行われていることを確認しながら治療をおこなっていくことができるため、安心感を持って治療を行うことが可能になる。
【００５４】
そこで、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１では、連続的な線量プロファイルを高精度で、かつ簡素な構成でモニタリングする手段を提供している。
【００５５】
（２）本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置（第１の実施形態）
図７は、第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１の構成例を示す図である。第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１は、従来の粒子線ビーム照射装置３００の構成に加えて、ビーム形状算出部９０、記憶部９７、及び表示部９８を有している。
【００５６】
第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１においても、従来と同じ位置モニタ部５１を有しているが、従来の位置モニタ部５１がビーム位置の異常判定ためのセンサとして用いられていたのに対して、第１の実施形態では、位置モニタ部５１を、線量プロファイルを得るためのセンサとして利用している。
【００５７】
ビーム形状算出部９０は、位置モニタ部５１（センサ部）のＸ電極５１ａ（第１の線状電極）の夫々から出力されるＸチャンネル信号（第１の信号）と、Ｙ電極５１ｂ（第２の線状電極）の夫々から出力されるＹチャネル信号（第２の信号）とから粒子線ビームの重心位置を算出し、複数のＸチャンネル信号、Ｙチャンネル信号から重心位置周辺の粒子線ビームの２次元ビーム形状を求めている。
【００５８】
記憶部９７は、重心位置に対応する２次元ビーム形状を、２次元走査の範囲に亘って累積記憶している。また、表示部９８は、記憶部９７に記憶した２次元走査の範囲の前記２次元ビーム形状を、粒子線ビーム線量の２次元分布として表示している。
【００５９】
図８は、ビーム形状算出部９０の細部構成例を示すブロック図である。
【００６０】
位置モニタ部５１のＸ電極５１ａ、Ｙ電極５１ｂの数（チャンネル数）は、特に限定するものではないが、以下では、Ｘ方向、Ｙ方向のチャンネル数が共に１２０チャンネルである場合を例として説明する。
【００６１】
Ｘ電極５１ａの出力電流は、電流電圧変換（ＩＶ変換）回路９１１ａで電圧に変換され、増幅器９１２ａで適宜の電圧に増幅された後、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）９２ａでデジタル信号に変換される。次段のデータ補正処理部９３ａは、このデジタル信号に対してオフセット補正処理や平滑化処理を施して、重心位置算出部９４ａに出力する。
【００６２】
上記のＩＶ変換回路９１１ａ、増幅器９１２ｂ、ＡＤＣ９２ａ、及びデータ補正処理部９３ａは、Ｘ電極５１ａの夫々に対して設けられており、本例では、１２０チャンネル分となる。
【００６３】
Ｙ電極５１ａの夫々に対しても、同様に、１２０チャンネル分のＩＶ変換回路９１１ｂ、増幅器９１２ｂ、ＡＤＣ９２ｂ、及びデータ補正処理部９３ｂが設けられている。
【００６４】
次段の重心位置算出部９４ａ、９４ｂでは、オフセット補正処理や平滑化処理が施されたＸ方向、Ｙ方向の各チャンネル信号の振幅値から、粒子線ビームのＸ方向の重心位置と、Ｙ方向の重心位置を夫々算出している。重心位置の算出方法自体は特に限定するものではなく、従来の公知技術を利用すればよい。
【００６５】
１次元ビーム形状（Ｘ）抽出部９５ａは、算出されたＸ方向重心位置の周辺の複数のＸチャンネル信号（第１の信号）の振幅値からＸ方向（第１の方向）の１次元ビーム形状（第１ビーム形状）を求めている。１次元ビーム形状（Ｙ）抽出部９５ｂも同様にＹ方向の１次元ビーム形状を求めている。
【００６６】
図９は、各チャンネル信号から１次元ビーム形状を求める処理の概念を示す図である。Ｘ方向の重心位置が求まると、その重心位置に最も近いチャンネル（このチャンネルを、以下、中心チャンネルＮｃｘと呼ぶ）をＸ方向の１２０チャンネルの中から特定し、中心チャンネルの信号の振幅値Ｘ（Ｎｃｘ）と、中心チャンネルの前後ｎチャンネル、例えば、前後５チャンネル、の信号の振幅値とを抽出する。抽出したｎ＋１チャンネルの信号の振幅値を、例えば、Ｘｉ＝Ｘ（ｉ）；（ｉ＝Ｎｃｘ−ｎ〜Ｎｃｘ＋ｎ：ｉ、ｎは整数）と表記すると、Ｘ方向の１次元ビーム形状は、抽出したｎ＋１チャンネルの信号の振幅値をチャンネルの順に配列したデータ系列Ｆ（Ｘｉ）として表すことができる。
【００６７】
同様に、Ｙ方向の重心位置に最も近いチャンネル（中心チャンネルＮｃｙ）の信号の振幅値Ｙ（Ｎｃｙ）と、中心チャンネルの前後のｍチャンネル（例えば、前後５チャンネル）の信号の振幅値とを、例えば、Ｙｊ＝Ｙ（ｊ）；（ｊ＝Ｎｃｙ−ｍ〜Ｎｃｙ＋ｍ：ｊ、ｍは整数）と表記すると、Ｙ方向の１次元ビーム形状は、抽出したｍ＋１チャンネルの信号の振幅値をチャンネルの順に配列したデータ系列Ｆ（Ｙｊ）として表すことができる。
【００６８】
２次元ビーム形状算出部９６は、上記のようにして得られたＸ方向及びＹ方向の夫々の１次元ビーム形状Ｆ（Ｘｉ）とＦ（Ｙｊ）の積から次式のように２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を求めている。
【００６９】
Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）＝Ｆ（Ｘｉ）・Ｆ（Ｙｊ） （式１）
Ｘｉ＝Ｘ（ｉ）；（ｉ＝Ｎｃｘ−ｎ〜Ｎｃｘ＋ｎ：ｉ、ｎは整数）
Ｙｊ＝Ｙ（ｊ）；（ｊ＝Ｎｃｙ−ｍ〜Ｎｃｙ＋ｍ：ｊ、ｍは整数）
【００７０】
２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を構成するチャンネル数ｍ、ｎ、即ち、全チャンネルから抽出するチャンネル数）が多いほどビーム形状の精度は上がるが、必要以上にチャンネル数を増やしても演算時間やデータ転送時間が増加するだけである。適正なチャンネル数は、ビームサイズ（ビーム幅）と線状電極の間隔によって概ね定まる。
【００７１】
ビーム形状はガウス分布形状で概略近似することが可能であり、この場合ビームサイズはガウス分布の標準偏差で近似することができる。ビームサイズ（標準偏差）が５ｍｍであるとすると、重心位置を中心として２０ｍｍ程度がビームプロファイルを形成する範囲である。したがって、チャンネル間隔（線状電極の間隔）が２ｍｍであれば、重心位置に最も近いチャンネルを中心に１１チャンネル（中心チャンネルと、その前後の５チャンネル）が伝送するのに適した範囲となる。
【００７２】
このように、２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を構成する適正なチャンネル数はビームサイズに依存して異なるため、全チャンネルから抽出するチャンネル数は変更可能に構成することが好ましい。
【００７３】
上式で算出された２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）は記憶部９７に転送される。図１０は、記憶部９７の記憶領域を２次元で表現した図であり、２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）がＸ方向チャンネル番号ｉとＹ方向のチャンネル番号ｊに対応するアドレスに記憶される様子を例示している。前述したように、本例では、Ｘ方向、Ｙ方向の全チャンネル数は夫々１２０であり、２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を構成するチャンネル数は、Ｘ方向、Ｙ方向の全チャンネル数は夫々１１となっている。
【００７４】
なお、重心位置が画像領域の端（最小チャンネル１、あるいは最大チャンネル１２０）から５チャンネル以内となった場合には不定のデータ値が入ってしまう。これを避けるため、図１０に示したように、Ｘ、Ｙともに１２０チャンネルの外側にそれぞれ５チャンネルずつの値ゼロを持つ領域（ダミーエリア）を入れておくとよい。
【００７５】
スポット切替によりスキャニング電磁石の設定電流値が変化すると、これにしたがってスポット位置が変更され、異なる重心位置近傍に同様のプロファイルデータが形成される。これらを記憶部９７に累積的に記憶させることで、図１１に例示したように、スライス毎の２次元走査範囲の全範囲に亘る線量プロファイル（線量の２次元分布）を得ることができる。
【００７６】
記憶部９７に累積記憶された線量プロファイルは、例えばスライス単位で表示部９８に送られ、記憶部９７の記憶領域に対応する表示部９８の画面Ｗに線量プロファイルが視認容易に表示される。
【００７７】
図１２は、ビーム形状算出部９０の各処理と、記憶部９７に線量プロファイルを記憶させていく処理のタイミングチャートである。
【００７８】
チャンネル毎に設けられている夫々のＡＤ変換器９２ａは、全チャンネルのチャンネル信号を当時並列に、例えば０．２μｓ毎にサンプリングしてＡＤ変換する（図１２（ａ））。また、データ補正処理部９３ａは、ＡＤ変換器９２ａの出力信号に対して、チャンネル毎のオフセット補正を行い、さらにアベレージング処理を行ってノイズの影響の低減を図っている。アベレージ処理が施されたＸ方向の各チャンネル信号は、例えば、５μｓ毎にＸ用重心位置算出部９４ａに送られる。アベレージ処理が施されたＹ方向の各チャンネル信号も同様に、Ｙ用重心位置算出部９４ｂに送られる（図１２（ｂ））。
【００７９】
Ｘ用、Ｙ用重心位置算出部９４ａ、９４ｂでは、入力されたＸ方向、Ｙ方向の１２０チャンネルのデータを用いてＸ方向、Ｙ方向夫々の重心演算を行って重心位置を求める。また、１次元ビーム形状（Ｘ）抽出部９５ａ、及び１次元ビーム形状（Ｙ）抽出部９５ｂは、重心位置近傍の１１チャンネルのチャンネルデータを抽出する。重心位置の算出、及び重心位置近傍の１１のチャンネルデータの抽出は、データの入力に同期して、例えば５μｓ周期で行われる（図１２（ｃ））。
【００８０】
抽出されたＸ方向、Ｙ方向夫々１１のチャンネルデータ（１次元ビーム形状Ｆ（Ｘｉ）とＦ（Ｙｊ））は、２次元ビーム形状算出部９６に出力される。２次元ビーム形状算出部９６では、（式１）の演算を行い、算出された２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を記憶部９７に送る。記憶部９７では、送られてきた２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を対応するチャンネルに順次累積的に記憶している。
【００８１】
２次元ビーム形状の算出処理と記憶部９７への記憶処理（図１２（ｄ）に示すイメージ処理）もデータの入力に同期して、例えば５μｓの周期で行われる。
【００８２】
記憶部９７は、制御部８０ａからスライス切換指令を受信すると、累積記憶している２次元ビーム形状、即ち、線量プロファイルを表示部９８に出力し、スライス単位の線量プロファイルを表示部９８に表示させる。
【００８３】
一方、制御部８０ａからのスポット切換信号を受信すると（図１２（ｅ））、重心位置算出部９４ａ、９４ｂで算出されたＸ方向、Ｙ方向の重心位置は制御部８０ａへ送られ（図１２（ｆ））、制御部８０ａで従来と同様にビーム位置の異常／正常の判定が行われる。
【００８４】
従来の粒子線ビーム照射装置では、位置モニタ部５１から出力されるチャンネル信号を用いて粒子線ビームの重心位置を算出し、ビーム位置の異常判定を行う機能しか有していなかった。
【００８５】
これに対して、第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１では、粒子線ビームの重心位置を算出してビーム位置の異常判定を行う機能に加えて、位置モニタ部５１から出力されるチャンネル信号を用いて線量プロファイルを生成し、表示部９８に２次元画像として表示することができる。この線量プロファイルの表示により、医師や放射線技師はスキャン時の線量２次元分布が正しい分布であるかどうかを、照射中に視覚的に確認することが可能となる。また、線量プロファイルは、マルチアレイプロファイルモニタと呼ばれる特殊な装置をビーム経路に別途設けることなく、従来の装置が具備している位置モニタ部５１からの出力信号を処理することで生成することができる。このため、マルチアレイプロファイルモニタの挿入によってビームサイズ（ビーム幅）を増大させることなく、従来の粒子線ビーム照射装置と同じシャープなビーム形状を維持することができる。
【００８６】
また、従来からある位置モニタ部５１からの出力信号に対して、比較的簡易な処理で線量プロファイルを生成しているため、装置全体のコスト増も低く抑えることができる。
【００８７】
（３）第２の実施形態
次に本発明に懸かる第２の実施形態について説明する。図１３は、第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１のビーム形状算出部９０ａの構成例を示す図である。第１の実施形態と同じ機能を有する構成に対しては図８と同じ符号を付している。
【００８８】
第２の実施形態では、データ補正処理部９３ａ、９３ｂにてチャンネル毎のオフセット補正やスムージング処理を行った後、重心位置／分散算出部９４１ａ、９４１ｂでＸ方向、Ｙ方向の重心位置（Ｘ’、Ｙ’）を算出すると共に、位置Ｘ、Ｙの分散（Ｓｘ、Ｓｙ）を算出している。
【００８９】
Ｘ方向の重心位置（Ｘ’）と分散（Ｓｘ）は、例えば、次式によって算出される。ここで、ｘはチャンネル番号（ｘ：１〜１２０）であり、Ｐ（ｘ）は、各チャンネルのチャンネル信号である。また、Ａは、チャンネル信号の総和である。
【数１】
【００９０】
一方、１次元ガウスビーム算出部９５１ａでは、Ｘ方向１次元ビーム形状がガウスビーム形状で近時できるものと仮定し、算出した重心位置（Ｘ’）と分散（Ｓｘ）を用いて、Ｘ方向１次元ビーム形状Ｆ（ｘ，Ｓｘ）を次式によって算出する。
【数２】
【００９１】
２次元ビーム形状算出部９６では、第１の実施形態と同様に、２つの１次元ビーム形状（第２の実施形態では、いずれも１次元ガウスビーム形状）の積をとって、次式のように２次元ビーム形状Ｇ（ｘ、ｙ）を算出する。
【００９２】
Ｇ（x，ｙ）＝Ｆ（ｘ，Ｓｘ）・Ｆ（ｙ，Ｓｙ） （式７）
【００９３】
１次元ガウスビーム算出部９５１ａ、及び９５１ｂでは、重心位置と分散が送られてくる毎に適宜のメモリに保存していく。そして、スライス切換信号を受信すると、１次元ガウスビーム算出部９５１ａ、及び９５１ｂでは（式５）、（式６）の演算を行い、２次元ビーム形状算出部９６では（式７）の演算を行って線量プロファイルを作成し、記憶部９７に累積保存していく。そして、１スライス分の線量プロファイルが累積されると、表示部９８に出力して線量プロファイルを表示する。
【００９４】
第１の実施形態と第２の実施形態のいずれでも線量プロファイルを作成し、表示することができるが、以下の点で相違している。
【００９５】
第１の実施形態では、重心演算を行う毎に、１次元ビーム形状、及び２次元ビーム形状の作成処理と記憶部９７への累積保存処理を平行して行っているため、スライス切替指令を受けると直ちに線量プロファイルを表示することができる。また、第２の実施形態のようにビーム形状を特定の分布形状（本例では、ガウス分布形状）で近似することなく、生データを用いて２次元データを算出するため、実際の二次元分布との合致性が高い。
【００９６】
一方、第２の実施形態では、スライス切替指令を受けてから１次元ビーム形状、及び２次元ビーム形状の作成処理を行うため、画像データ出力までに時間を有するものの、信号処理回路に画像データを保存するためのメモリが必要でなくなるので、位置モニタのチャンネル数が大きい場合に適している。また、算出した分散を保存することにより、画像に異常が認められたときに原因を追求することが容易になる。分散の平方根は標準偏差であり、ビームサイズを直接表す指標となるからである。
【００９７】
以上説明してきたように、上記第１、第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１及びその制御方法によれば、粒子線ビーム形状の劣化を低く抑えつつ、簡素な構成でスキャン時の線量２次元分布（線量プロファイル）を測定し表示することができる。
【００９８】
なお、本発明は上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００９９】
１ 粒子線ビーム照射装置
１０ ビーム生成部
２０ 出射制御部
３０ ビーム走査部
５１ 位置モニタ部（センサ部）
９０ ビーム形状算出部
９７ 記憶部
９８ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線ビーム照射装置及びその制御方法に係り、特に、炭素等の重粒子線ビームや陽子ビーム等を患部に照射してがん治療を行う粒子線ビーム照射装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の日本国において、がんは死因として最も多いものであり、毎年３０万人以上の国民がなくなっている。このような状況の中、治療効果の高さや副作用の少なさなどの優れた特徴を有する、炭素ビームや陽子ビームを用いた粒子線治療法が注目されている。この治療法は、加速器から出射された粒子線ビームをがん細胞に照射することで、正常細胞に与える影響を小さくしながら、がん細胞を死滅させることができる。
【０００３】
この治療方法において、現在使用されている粒子線照射方法は、拡大ビーム法と呼ばれる方法である。この拡大ビーム法では、粒子線ビームをワブラ法あるいは二重散乱体法と呼ばれる方法によりビーム径を患部サイズ以上に拡大し、多数の金属製の板（リーフ）で形成されたマルチリーフコリメータにより照射領域を制限することにより、患部形状に合致させて照射を行う。また、ビーム進行方向（ビーム軸方向）にはリッジフィルタと呼ばれるビーム飛程拡大装置によりビームを拡大し、ボーラスと呼ばれるポリエチレン製のビーム飛程整形装置によってビーム停止位置を深い位置での患部形状（外郭）に合致させて照射する。
【０００４】
しかし、拡大ビーム法は厳密には３次元的に患部形状に正確に合致させることができないので、患部周りの正常細胞への影響を小さくするには限界がある。さらには、形状コリメータやボーラスは患部（さらには患部に対する照射方向）毎に製作されるので、治療照射後には放射線廃棄物が発生するという問題がある。
【０００５】
そこで、粒子線治療のさらに進んだ照射法として、体内患部を３次元格子状に切り分けて照射を行うスキャニング照射法の開発が進められている。このスキャニング照射法では、形状コリメータやボーラスを用いることなく、ビーム軸方向についても精度よく患部に合わせることが可能になり、従来の２次元的照射方法と比較して正常細胞への被爆を抑制することができる。
【０００６】
例えばスポットスキャニング照射法と呼ばれる３次元照射法においては、次のように各点の照射を行っていく。
【０００７】
ある点に対して予め決められた線量（この照射点毎の照射線量を決める作業は治療計画と呼ばれる）を照射すると、スキャニング制御装置は線量モニタからの満了信号を受けてスポット切替指令を出力する。このスポット切替指令に基づき、ビーム出射制御装置はビーム出射を停止する。同時に、粒子線ビームを走査するスキャニング電磁石に励磁電流を流すための電磁石電源は、次の照射点の座標に対応した電流値の設定を開始する。スキャニング照射装置は、電磁石電源の電流値の設定の完了信号を受信すると、ビーム出射制御装置に対しビーム開始命令を出力し、次の点に対する照射が開始される。これを順次繰り返して、１つの照射スライスに対する治療部位の照射を行う。そして、これが終了すると、ビーム出射を一旦停止し、加速器から出射するビームのエネルギーを変更するか、レンジシフタと呼ばれる飛程調整装置を制御することにより、ビーム進行方向のビーム停止位置（スライス）を変更する。このようにスキャニング照射とスライス切替を順次行っていくことで治療部位全域にわたる照射を行う。
【０００８】
スポットスキャニング照射法の弱点は、ビーム出射制御装置がビーム停止命令を出力しても、実際には直ちにビーム出射が停止できないことである。このため、漏れ線量が電磁石の励磁電流変更時、すなわち、照射位置の移動中に患部に照射されることになる。各点に対する照射線量（設定線量）が小さいときは、漏れ線量の比率（漏れ線量／設定線量）が大きくなるため、特に問題になる。この問題を抑制するには、ビーム強度を低下させて、漏れ線量の比率を相対的に小さくさせる必要があるが、ビーム強度を低下させることは、一方では治療の長時間化を招き、患者の身体的負担が大きくなってしまう。
【０００９】
スポットスキャニング法でビーム強度が上げられない問題を解決するため、ラスタースキャニング法と呼ばれる方法が新たに開発されている（非特許文献１等参照）。この方法ではスポットスキャニング法と異なって、照射点を移動するときもビームを停止させない。つまり、停止照射点（粒子線ビームが移動中でなく、停止した状態で設定された線量を照射する点を停止照射点と呼ぶことにする）と停止照射点との間を粒子線ビームが移動するときもビームが照射されるが、この間の照射量も含めて、治療計画、すなわち各停止点における照射線量の最適化が行なわれる。
【００１０】
スキャニング照射法において、正しい位置にビームが照射されていることを保証するため、照射ポートには位置モニタが配備されている。万一、スキャニング電磁石電源の電流設定異常や、上流の加速器からスキャニング装置までのビーム輸送部分でのビーム位置ずれなどにより、予め決められた照射位置と、位置モニタで測定された位置に相違が発生した場合は、スキャニング制御装置内の位置監視機構（ここでは位置モニタコントローラと呼ぶことにする）によりインターロック信号が出力され、治療照射は一時中断される。
【００１１】
スキャニング照射用の位置モニタの一例は、例えば、特許文献１等に開示されている。位置モニタは、例えば、電離箱の収集電極の電極部分が１軸方向に電気的に非接続な多数のストリップに区切られた構成を持ち、これらストリップには各々、計測回路が接続されている。計測回路の内部には積分部が設けられ、照射スポット毎に、各ストリップに収集された電荷に相当する電気量が貯えられる。積分部から出力される電圧は、Ａ／Ｄ変換器（以下「ＡＤＣ回路」と記す）によりデジタル信号として取り出される。そして、これらデジタル信号に対して重心計算などの演算を施すことによって、スポット位置を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−３３５６０号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】古川卓司、外８名、「３次元スキャニング照射装置の設計検討」、放射線医学総合研究所ＨＩＭＡＣレポート：ＨＩＭＡＣ−１２４、独立行政法人放射線医学総合研究所発行、２００７年４月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
他方、医師や放射線技師からは、スライス毎の線量プロファイル、即ち、スキャン時の線量２次元分布が正しい分布であるかどうかを、照射中に視覚的に確認したいという強い要望がある。前述した位置モニタは各照射点で位置が正しいかどうかを確認するためのものであり、２次元分布としての線量プロファイルを出力するものではない。
【００１５】
線量プロファイルを測定する装置として、平行平板電離箱の信号電極をマルチアレイ型に形成したマルチアレイプロファイルモニタと呼ばれる装置がある。しかし、この装置では各アレイから信号線を取り出す必要などから、信号電極が厚くなってしまう。スキャニング照射法では、良好な線量分布を形成する上で、ビームサイズ（ビーム幅）が重要なパラメータである。しかしながら、厚い電極を持つ装置（マルチアレイプロファイルモニタ）を粒子線ビームの経路上に配備するとビームは散乱を受け、ビームサイズ（ビーム幅）が許容できない範囲にまで広がってしまう。このビームサイズの増大が起きると、照射領域はぼやけた線量分布となり、患部形状に合致した高精度の照射ができなくなってしまうばかりでなく、患部の外側の正常組織の被爆が増大してしまう。
【００１６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、粒子線ビーム形状の劣化を低く抑えつつ、簡素な構成でスキャン時の線量２次元分布を測定し表示することができる粒子線ビーム照射装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明に係る粒子線ビーム照射装置は、粒子線ビームを生成するビーム生成部と、前記粒子線ビームの出射を制御するビーム出射制御部と、前記粒子線ビームを２次元走査するビーム走査部と、複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置されるセンサ部と、前記各第１の線状電極から出力される第１の信号と、前記各第２の線状電極から出力される第２の信号とから前記粒子線ビームの重心位置を算出し、前記第１、及び第２の信号から前記重心位置の周辺の前記粒子線ビームの２次元ビーム形状を求めるビーム形状算出部と、前記重心位置に対応する前記２次元ビーム形状を、前記２次元走査の範囲に亘って累積記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶した前記２次元走査の範囲の前記２次元ビーム形状を、粒子線ビーム線量の２次元分布として表示する表示部と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る粒子線ビーム照射装置の制御方法は、複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置されるセンサを具備する粒子線ビーム照射装置の制御方法において、前記粒子線ビームの出射を制御し、前記粒子線ビームを２次元走査し、前記各第１の線状電極から出力される第１の信号と、前記各第２の線状電極から出力される第２の信号とから前記粒子線ビームの重心位置を算出し、前記第１、及び第２の信号から前記重心位置の周辺の前記粒子線ビームの２次元ビーム形状を求め、前記重心位置に対応する前記２次元ビーム形状を、前記２次元走査の範囲に亘って累積記憶し、累積記憶した前記２次元走査の範囲の前記２次元ビーム形状を、粒子線ビーム線量の２次元分布として表示する、ステップを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るは粒子線ビーム照射装置及びその制御方法によれば、粒子線ビーム形状の劣化を低く抑えつつ、簡素な構成でスキャン時の線量２次元分布を測定し表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の粒子線ビーム照射装置の構成例を示す図。
【図２】ストリップ型の位置モニタ部（センサ部）の構成例を示す図。
【図３】３次元スキャニング照射の基本的な処理例を示すフローチャート。
【図４】スライス上の走査パターンの一例を示す図。
【図５】従来の３次元ラスタースキャニング照射における線量およびビーム位置の管理・制御の一例を示すタイミングチャート。
【図６】従来の位置モニタ（位置モニタ部とビーム位置検出回路）の例を示す図。
【図７】第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置の構成例を示す図。
【図８】ビーム形状算出部（第１の実施形態）の細部構成例を示すブロック図。
【図９】各チャンネル信号から１次元ビーム形状を求める処理の概念を示す図。
【図１０】記憶部の記憶領域を２次元で表現した図。
【図１１】スライス毎の２次元走査範囲の全範囲に亘る線量プロファイル（線量の２次元分布）の表示概念を示す図。
【図１２】ビーム形状算出部の各処理と、記憶部に線量プロファイルを記憶させていく処理のタイミングチャート。
【図１３】ビーム形状算出部（第２の実施形態）の細部構成例を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００２２】
（１）従来装置の構成及び動作
図１は、本発明の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１（図７）との比較のため、従来の粒子線ビーム照射装置３００の構成例を示した図である。粒子線ビーム照射装置３００は、ビーム生成部１０、出射制御部２０、ビーム走査部３０、Ｘ用電磁石３０ａ、Ｙ用電磁石３０ｂ、真空ダクト３１、線量モニタ部５０、位置モニタ部５１、リッジフィルタ６０、レンジシフタ７０、制御部８０等を備えて構成されている。
【００２３】
粒子線ビーム照射装置３００は、炭素等の粒子や陽子等を高速に加速して得られる粒子線ビームをがん患者１００の患部２００に向けて照射し、がん治療を行う装置である。粒子線ビーム照射装置３００では、患部２００を３次元の格子点に離散化し、各格子点に対して細い径の粒子線ビームを順次走査する３次元スキャニング照射法を実施することが可能である。具体的には、患部２００を粒子線ビームの軸方向（図１右上に示す座標系におけるＺ軸方向）にスライスと呼ばれる平板状の単位で分割し、分割したスライスＺi、スライスＺi+1、スライスＺi+2等の各スライスの２次元格子点（図１右上に示す座標系におけるＸ軸及びＹ軸方向の格子点）を順次走査することによって３次元スキャニングを行っている。
【００２４】
ビーム生成部１０は、炭素イオンや陽子等の粒子を生成すると共に、シンクロトロン等の加速器（主加速器）によってこれらの粒子を患部２００の奥深くまで到達できるエネルギーまで加速して粒子線ビームを生成している。
【００２５】
出射制御部２０では、制御部８０から出力される制御信号に基づいて、生成された粒子線ビームの出射のオン、オフ制御を行っている。
【００２６】
ビーム走査部３０は、粒子線ビームをＸ方向及びＹ方向に偏向させ、スライス面上を２次元で走査するものであり、Ｘ方向に走査するＸ用電磁石３０ａとＹ方向に走査するＹ用電磁石３０ｂの励磁電流を制御している。
【００２７】
レンジシフタ７０は、患部２００のＺ軸方向の位置を制御する。レンジシフタ７０は、例えば複数の厚さのアクリル板から構成されており、これらのアクリル板を組み合わせることによってレンジシフタ７０を通過する粒子線ビームのエネルギー、即ち体内飛程を患部２００スライスのＺ軸方向の位置に応じて段階的に変化させることができる。レンジシフタ７０による体内飛程の大きさは通常等間隔で変化するように制御され、この間隔がＺ軸方向の格子点の間隔に相当する。なお、体内飛程の切り替え方法としては、レンジシフタ７０のように粒子線ビームの径路上に減衰用の物体を挿入する方法のほか、上流機器の制御によって粒子線ビームのエネルギー自体を変更する方法でもよい。
【００２８】
リッジフィルタ６０は、ブラッグピークと呼ばれる体内深さ方向における線量のシャープなピークを拡散させるために設けられている。ここで、リッジフィルタ６０によるブラッグピークの拡散幅は、スライスの厚み、即ちＺ軸方向の格子点の間隔と等しくなるように設定される。３次元スキャニング照射用のリッジフィルタ６０は、断面が略２等辺三角形のアルミニウム棒状部材を複数並べて構成している。粒子線ビームが２等辺三角形を通過する際に生じる径路長の差異によってブラッグピークのピークを拡散させることが可能であり、２等辺三角形の形状によって拡散幅を所望の値に設定することができる。
【００２９】
線量モニタ部５０は、照射する線量をモニタするためのものであり、その筐体内に、粒子線の電離作用によって生じた電荷を平行電極で収集する電離箱や、筐体内に配置された二次電子放出膜から放出される二次電子を計測するＳＥＭ（Secondary Electron Monitor）装置等によって構成されている。
【００３０】
位置モニタ部５１は、ビーム走査部３０によって走査された粒子線ビームが正しい位置にあるかどうかを識別するためのものである。線量モニタ部５０と類似した電荷収集用の平行電極を有している。位置モニタ部５１の電荷収集用電極は、線状電極（例えば複数の短冊状の電極や、複数のワイヤからなる電極）がＸ方向及びＹ方向に夫々並列に配列されている。複数の短冊状電極が配列されたものはストリップ型と呼ばれ、複数のワイヤ電極が配列されたものはマルチワイア型と呼ばれる。
【００３１】
図２は、ストリップ型の位置モニタ部５１の構成例を示す図である。図２に示すように、位置モニタ部５１は、複数の短冊状電極（複数の第１の線状電極）がＸ軸方向（第１の方向）に並列配置され、複数の短冊状電極（複数の第２の線状電極）がＹ軸方向（第１の方向と直交する第２の方向）に並列配置されている。
【００３２】
制御部８０は、粒子線ビーム照射装置１全体の制御をおこなうためのものであり、出射制御部２０に対するビーム出射のオン、オフ制御、ビーム走査部３０に対するビーム走査に関する指示、レンジシフタ７０に対するスライス変更に伴うレンジシフト量の制御等を行っている。
【００３３】
図３は、３次元スキャニング照射の基本的な処理例を示すフローチャートである。
【００３４】
まず、患部をビーム軸に対して複数のスライスに仮想的に分割し、分割されたスライスの１つが選択される。最初は例えば患部の最も深い位置にあるスライスＺｉが選択される。また選択されたスライスの位置に応じて粒子線ビームの入射エネルギーとレンジシフタ７０におけるアクリル板の組み合わせが選択、設定される（ステップＳＴ１）。
【００３５】
次に、最深スライスにおける患部形状に応じて粒子線ビームを照射する格子点の数Ｍと格子点の位置（Ｘi、Ｙi）［ｉ=１〜Ｍ］、即ち照射対象のスポットが選択され、ビーム走査部３０によりスライス上の格子点位置（Ｘi、Ｙi）に粒子線ビームの向きが設定される（ステップＳＴ２）。その後、粒子線ビームの出射が開始される（ステップＳＴ３）。ビーム走査部３０から出力された粒子線ビームは、リッジフィルタ６０によって、体内飛程分布幅がスライス幅に対応するようエネルギー分布がＺ軸方向に拡大される。
【００３６】
格子点（Ｘｉ、Ｙｉ）に対する照射線量は線量モニタ部５０により監視され、対象格子点に対する照射線量が計画した線量に達すると線量満了信号が制御部８０に出力され、制御部８０はこの信号を受信する（ステップＳＴ４）。
【００３７】
３次元スキャニング照射法はスポットスキャニング法とラスタースキャニング法に大別される。スポットスキャニング法は、粒子線ビームの位置をある格子点から次の格子点に移動させている間はビーム出射を停止させ、移動完了後にビーム出射を再開させる方法である。従って、同一スライスを走査する間はビーム出射が断続することになる。
【００３８】
これに対して、ラスタースキャニング法は、粒子線ビームの位置をある格子点から次の格子点に移動させている間もビーム出射は停止することなく継続される。つまり、同一スライスを走査する間は、ビーム出射は途切れることなく連続する。
【００３９】
なお、スポットスキャニング法及びラスタースキャニング法のいずれの方法であっても、粒子線ビームの位置は各格子点において計画された線量に達するまで停止し、計画線量に達した後次の格子点に移動する。
【００４０】
ステップＳＴ５では、スポットスキャニング法及びラスタースキャニング法のいずれの方法であるかを判定し、スポットスキャニング法の場合には、一旦ビーム出射を停止し（ステップＳＴ６）、次のスポットへビーム位置を移動させる。この処理を対象とするスライスの最終スポットまで繰り返す（ステップＳＴ７）。
【００４１】
一方、スポットスキャニング法ではない場合、即ちラスタースキャニング法の場合にはビーム出射を停止することなく最終スポットまでビーム出射を継続する。
【００４２】
１つのスライスに対する照射が終了すると（ステップＳＴ７のYES）、スポットスキャニング法及びラスタースキャニング法のいずれの場合も一旦ビーム出射を停止し（ステップＳＴ８）、ステップＳＴ１に戻って次のスライスを選択すると共にレンジシフタ７０の設定を変更する。以上の処理を最終スライスに達するまで繰り返す（ステップＳＴ９）。
【００４３】
上記の照射手順に必要となる各諸元は、例えば照射パターンファイルと呼ばれるデータファイルに記述され、治療照射の開始前に制御部８０に転送される。照射パターンファイルには、格子点毎に、スライス位置を与えるレンジシフタ厚、格子点（X、Y）に対応するビーム位置を与えるＸ用電磁石３０ａやＹ用電磁石３０ｂの駆動電流値、各格子点に対する照射線量等が照射順に記述されている。
【００４４】
図４は、スライス上の走査パターンの一例を示す図である。左上の開始格子点から右下の最終格子点に到る軌跡パターンが治療計画で予め定められ、この軌跡パターンにそって一方向に順次粒子線ビームが走査されていく。
【００４５】
図５は、従来の３次元ラスタースキャニング照射における線量およびビーム位置の管理・制御の一例を示すタイミングチャートである。
【００４６】
図５（ａ）、（ｂ）に示す２つの電磁石の励磁電流は、２軸方向（Ｘ、Ｙ）の位置設定値に対応する。線量モニタで計測される線量（線量モニタ積算線量、図５（ｃ））が設定値に達すると線量満了信号（図５（ｅ））が出力され、電磁石の励磁電流を変更して設定値に達するとその励磁電流値に保持される。ビーム照射点は電磁石の励磁電流の変化にしたがい移動する。
【００４７】
図５（ｆ）、（ｇ）に示すように、従来の位置モニタでは、位置モニタの各チャンネルに対して、線量満了信号により生成された信号により積分停止、データ読み出し、積分電荷のクリア、積分開始が連続して行なわれる。積分される電荷は照射点を移動中に生じる収集電荷と停止照射点に照射されたビームにより生じる収集電荷の和として得られる。
【００４８】
図６は、従来の位置モニタ（位置モニタ部５１とビーム位置検出回路）の例を示す図である。従来のビーム位置検出回路では、収集電極のチャンネル毎に、電流出力を電圧信号に変換するＩ／Ｖ変換器と、電圧信号を増幅する増幅器と、増幅器に接続された積分器と、Ａ／Ｄ変換を行なうためのＡＤＣ回路が接続されている。積分器には、照射点に対して２桁にわたる照射時間の違いに対して精度を確保するため、３つのコンデンサが接続され、これらを切り替えて積分時定数を変更できるようになっている。
【００４９】
また、ビーム位置検出回路には２つの収集電極５１ａ、５１ｂそれぞれに対してＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等で構成される重心位置算出部が設けられている。重心位置算出部はＡＤＣ回路の出力を取り込み、重心計算を行なって２つの収集電極５１a、５１ｂに対してそれぞれ重心位置（Ｘｃ，Ｙｃ）を算出する。
【００５０】
算出された重心位置（Ｘｃ，Ｙｃ）は、予め決められた位置設定値（Ｘｒ，Ｙｒ）と比較され、これらの差（Ｘｃ−Ｘｒ、あるいはＹｃ-Ｙｒ）が許容範囲を超えていれば位置異常と判定してインターロック信号を発生させ、ビーム出射を停止させている。
【００５１】
このように従来の位置モニタはスポットビームの位置が正常かどうかを判定するためにビームの重心位置を算出する機能を有している。
【００５２】
しかしながら、従来の位置モニタから得られる情報は、あくまでも各ビームスポットの推定重心位置を離散的に示す情報であり、スポット位置の重ね合わせとして形成される連続的な線量分布は得ることができない。
【００５３】
他方、医師や技師は、照射中に線量プロファイル（Ｘ方向及びＹ方向の線量の２次元分布、或はこの２次元分布から切り出したＸ方向、Ｙ方向の線量の１次元分布）を視覚的に確認できることを望んでいる。例えば、スライス毎に線量プロファイルが表示されれば、照射が正確に行われていることを確認しながら治療をおこなっていくことができるため、安心感を持って治療を行うことが可能になる。
【００５４】
そこで、本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１では、連続的な線量プロファイルを高精度で、かつ簡素な構成でモニタリングする手段を提供している。
【００５５】
（２）本実施形態に係る粒子線ビーム照射装置（第１の実施形態）
図７は、第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１の構成例を示す図である。第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１は、従来の粒子線ビーム照射装置３００の構成に加えて、ビーム形状算出部９０、記憶部９７、及び表示部９８を有している。
【００５６】
第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１においても、従来と同じ位置モニタ部５１を有しているが、従来の位置モニタ部５１がビーム位置の異常判定ためのセンサとして用いられていたのに対して、第１の実施形態では、位置モニタ部５１を、線量プロファイルを得るためのセンサとして利用している。
【００５７】
ビーム形状算出部９０は、位置モニタ部５１（センサ部）のＸ電極５１ａ（第１の線状電極）の夫々から出力されるＸチャンネル信号（第１の信号）と、Ｙ電極５１ｂ（第２の線状電極）の夫々から出力されるＹチャネル信号（第２の信号）とから粒子線ビームの重心位置を算出し、複数のＸチャンネル信号、Ｙチャンネル信号から重心位置周辺の粒子線ビームの２次元ビーム形状を求めている。
【００５８】
記憶部９７は、重心位置に対応する２次元ビーム形状を、２次元走査の範囲に亘って累積記憶している。また、表示部９８は、記憶部９７に記憶した２次元走査の範囲の前記２次元ビーム形状を、粒子線ビーム線量の２次元分布として表示している。
【００５９】
図８は、ビーム形状算出部９０の細部構成例を示すブロック図である。
【００６０】
位置モニタ部５１のＸ電極５１ａ、Ｙ電極５１ｂの数（チャンネル数）は、特に限定するものではないが、以下では、Ｘ方向、Ｙ方向のチャンネル数が共に１２０チャンネルである場合を例として説明する。
【００６１】
Ｘ電極５１ａの出力電流は、電流電圧変換（ＩＶ変換）回路９１１ａで電圧に変換され、増幅器９１２ａで適宜の電圧に増幅された後、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）９２ａでデジタル信号に変換される。次段のデータ補正処理部９３ａは、このデジタル信号に対してオフセット補正処理や平滑化処理を施して、重心位置算出部９４ａに出力する。
【００６２】
上記のＩＶ変換回路９１１ａ、増幅器９１２ｂ、ＡＤＣ９２ａ、及びデータ補正処理部９３ａは、Ｘ電極５１ａの夫々に対して設けられており、本例では、１２０チャンネル分となる。
【００６３】
Ｙ電極５１ａの夫々に対しても、同様に、１２０チャンネル分のＩＶ変換回路９１１ｂ、増幅器９１２ｂ、ＡＤＣ９２ｂ、及びデータ補正処理部９３ｂが設けられている。
【００６４】
次段の重心位置算出部９４ａ、９４ｂでは、オフセット補正処理や平滑化処理が施されたＸ方向、Ｙ方向の各チャンネル信号の振幅値から、粒子線ビームのＸ方向の重心位置と、Ｙ方向の重心位置を夫々算出している。重心位置の算出方法自体は特に限定するものではなく、従来の公知技術を利用すればよい。
【００６５】
１次元ビーム形状（Ｘ）抽出部９５ａは、算出されたＸ方向重心位置の周辺の複数のＸチャンネル信号（第１の信号）の振幅値からＸ方向（第１の方向）の１次元ビーム形状（第１ビーム形状）を求めている。１次元ビーム形状（Ｙ）抽出部９５ｂも同様にＹ方向の１次元ビーム形状を求めている。
【００６６】
図９は、各チャンネル信号から１次元ビーム形状を求める処理の概念を示す図である。Ｘ方向の重心位置が求まると、その重心位置に最も近いチャンネル（このチャンネルを、以下、中心チャンネルＮｃｘと呼ぶ）をＸ方向の１２０チャンネルの中から特定し、中心チャンネルの信号の振幅値Ｘ（Ｎｃｘ）と、中心チャンネルの前後ｎチャンネル、例えば、前後５チャンネル、の信号の振幅値とを抽出する。抽出したｎ＋１チャンネルの信号の振幅値を、例えば、Ｘｉ＝Ｘ（ｉ）；（ｉ＝Ｎｃｘ−ｎ〜Ｎｃｘ＋ｎ：ｉ、ｎは整数）と表記すると、Ｘ方向の１次元ビーム形状は、抽出したｎ＋１チャンネルの信号の振幅値をチャンネルの順に配列したデータ系列Ｆ（Ｘｉ）として表すことができる。
【００６７】
同様に、Ｙ方向の重心位置に最も近いチャンネル（中心チャンネルＮｃｙ）の信号の振幅値Ｙ（Ｎｃｙ）と、中心チャンネルの前後のｍチャンネル（例えば、前後５チャンネル）の信号の振幅値とを、例えば、Ｙｊ＝Ｙ（ｊ）；（ｊ＝Ｎｃｙ−ｍ〜Ｎｃｙ＋ｍ：ｊ、ｍは整数）と表記すると、Ｙ方向の１次元ビーム形状は、抽出したｍ＋１チャンネルの信号の振幅値をチャンネルの順に配列したデータ系列Ｆ（Ｙｊ）として表すことができる。
【００６８】
２次元ビーム形状算出部９６は、上記のようにして得られたＸ方向及びＹ方向の夫々の１次元ビーム形状Ｆ（Ｘｉ）とＦ（Ｙｊ）の積から次式のように２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を求めている。
【００６９】
Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）＝Ｆ（Ｘｉ）・Ｆ（Ｙｊ） （式１）
Ｘｉ＝Ｘ（ｉ）；（ｉ＝Ｎｃｘ−ｎ〜Ｎｃｘ＋ｎ：ｉ、ｎは整数）
Ｙｊ＝Ｙ（ｊ）；（ｊ＝Ｎｃｙ−ｍ〜Ｎｃｙ＋ｍ：ｊ、ｍは整数）
【００７０】
２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を構成するチャンネル数ｍ、ｎ、即ち、全チャンネルから抽出するチャンネル数）が多いほどビーム形状の精度は上がるが、必要以上にチャンネル数を増やしても演算時間やデータ転送時間が増加するだけである。適正なチャンネル数は、ビームサイズ（ビーム幅）と線状電極の間隔によって概ね定まる。
【００７１】
ビーム形状はガウス分布形状で概略近似することが可能であり、この場合ビームサイズはガウス分布の標準偏差で近似することができる。ビームサイズ（標準偏差）が５ｍｍであるとすると、重心位置を中心として２０ｍｍ程度がビームプロファイルを形成する範囲である。したがって、チャンネル間隔（線状電極の間隔）が２ｍｍであれば、重心位置に最も近いチャンネルを中心に１１チャンネル（中心チャンネルと、その前後の５チャンネル）が伝送するのに適した範囲となる。
【００７２】
このように、２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を構成する適正なチャンネル数はビームサイズに依存して異なるため、全チャンネルから抽出するチャンネル数は変更可能に構成することが好ましい。
【００７３】
上式で算出された２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）は記憶部９７に転送される。図１０は、記憶部９７の記憶領域を２次元で表現した図であり、２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）がＸ方向チャンネル番号ｉとＹ方向のチャンネル番号ｊに対応するアドレスに記憶される様子を例示している。前述したように、本例では、Ｘ方向、Ｙ方向の全チャンネル数は夫々１２０であり、２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を構成するチャンネル数は、Ｘ方向、Ｙ方向の全チャンネル数は夫々１１となっている。
【００７４】
なお、重心位置が画像領域の端（最小チャンネル１、あるいは最大チャンネル１２０）から５チャンネル以内となった場合には不定のデータ値が入ってしまう。これを避けるため、図１０に示したように、Ｘ、Ｙともに１２０チャンネルの外側にそれぞれ５チャンネルずつの値ゼロを持つ領域（ダミーエリア）を入れておくとよい。
【００７５】
スポット切替によりスキャニング電磁石の設定電流値が変化すると、これにしたがってスポット位置が変更され、異なる重心位置近傍に同様のプロファイルデータが形成される。これらを記憶部９７に累積的に記憶させることで、図１１に例示したように、スライス毎の２次元走査範囲の全範囲に亘る線量プロファイル（線量の２次元分布）を得ることができる。
【００７６】
記憶部９７に累積記憶された線量プロファイルは、例えばスライス単位で表示部９８に送られ、記憶部９７の記憶領域に対応する表示部９８の画面Ｗに線量プロファイルが視認容易に表示される。
【００７７】
図１２は、ビーム形状算出部９０の各処理と、記憶部９７に線量プロファイルを記憶させていく処理のタイミングチャートである。
【００７８】
チャンネル毎に設けられている夫々のＡＤ変換器９２ａは、全チャンネルのチャンネル信号を当時並列に、例えば０．２μｓ毎にサンプリングしてＡＤ変換する（図１２（ａ））。また、データ補正処理部９３ａは、ＡＤ変換器９２ａの出力信号に対して、チャンネル毎のオフセット補正を行い、さらにアベレージング処理を行ってノイズの影響の低減を図っている。アベレージ処理が施されたＸ方向の各チャンネル信号は、例えば、５μｓ毎にＸ用重心位置算出部９４ａに送られる。アベレージ処理が施されたＹ方向の各チャンネル信号も同様に、Ｙ用重心位置算出部９４ｂに送られる（図１２（ｂ））。
【００７９】
Ｘ用、Ｙ用重心位置算出部９４ａ、９４ｂでは、入力されたＸ方向、Ｙ方向の１２０チャンネルのデータを用いてＸ方向、Ｙ方向夫々の重心演算を行って重心位置を求める。また、１次元ビーム形状（Ｘ）抽出部９５ａ、及び１次元ビーム形状（Ｙ）抽出部９５ｂは、重心位置近傍の１１チャンネルのチャンネルデータを抽出する。重心位置の算出、及び重心位置近傍の１１のチャンネルデータの抽出は、データの入力に同期して、例えば５μｓ周期で行われる（図１２（ｃ））。
【００８０】
抽出されたＸ方向、Ｙ方向夫々１１のチャンネルデータ（１次元ビーム形状Ｆ（Ｘｉ）とＦ（Ｙｊ））は、２次元ビーム形状算出部９６に出力される。２次元ビーム形状算出部９６では、（式１）の演算を行い、算出された２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を記憶部９７に送る。記憶部９７では、送られてきた２次元ビーム形状Ｇ（Ｘｉ，Ｙｊ）を対応するチャンネルに順次累積的に記憶している。
【００８１】
２次元ビーム形状の算出処理と記憶部９７への記憶処理（図１２（ｄ）に示すイメージ処理）もデータの入力に同期して、例えば５μｓの周期で行われる。
【００８２】
記憶部９７は、制御部８０ａからスライス切換指令を受信すると、累積記憶している２次元ビーム形状、即ち、線量プロファイルを表示部９８に出力し、スライス単位の線量プロファイルを表示部９８に表示させる。
【００８３】
一方、制御部８０ａからのスポット切換信号を受信すると（図１２（ｅ））、重心位置算出部９４ａ、９４ｂで算出されたＸ方向、Ｙ方向の重心位置は制御部８０ａへ送られ（図１２（ｆ））、制御部８０ａで従来と同様にビーム位置の異常／正常の判定が行われる。
【００８４】
従来の粒子線ビーム照射装置では、位置モニタ部５１から出力されるチャンネル信号を用いて粒子線ビームの重心位置を算出し、ビーム位置の異常判定を行う機能しか有していなかった。
【００８５】
これに対して、第１の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１では、粒子線ビームの重心位置を算出してビーム位置の異常判定を行う機能に加えて、位置モニタ部５１から出力されるチャンネル信号を用いて線量プロファイルを生成し、表示部９８に２次元画像として表示することができる。この線量プロファイルの表示により、医師や放射線技師はスキャン時の線量２次元分布が正しい分布であるかどうかを、照射中に視覚的に確認することが可能となる。また、線量プロファイルは、マルチアレイプロファイルモニタと呼ばれる特殊な装置をビーム経路に別途設けることなく、従来の装置が具備している位置モニタ部５１からの出力信号を処理することで生成することができる。このため、マルチアレイプロファイルモニタの挿入によってビームサイズ（ビーム幅）を増大させることなく、従来の粒子線ビーム照射装置と同じシャープなビーム形状を維持することができる。
【００８６】
また、従来からある位置モニタ部５１からの出力信号に対して、比較的簡易な処理で線量プロファイルを生成しているため、装置全体のコスト増も低く抑えることができる。
【００８７】
（３）第２の実施形態
次に本発明に懸かる第２の実施形態について説明する。図１３は、第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１のビーム形状算出部９０ａの構成例を示す図である。第１の実施形態と同じ機能を有する構成に対しては図８と同じ符号を付している。
【００８８】
第２の実施形態では、データ補正処理部９３ａ、９３ｂにてチャンネル毎のオフセット補正やスムージング処理を行った後、重心位置／分散算出部９４１ａ、９４１ｂでＸ方向、Ｙ方向の重心位置（Ｘ’、Ｙ’）を算出すると共に、位置Ｘ、Ｙの分散（Ｓｘ、Ｓｙ）を算出している。
【００８９】
Ｘ方向の重心位置（Ｘ’）と分散（Ｓｘ）は、例えば、次式によって算出される。ここで、ｘはチャンネル番号（ｘ：１〜１２０）であり、Ｐ（ｘ）は、各チャンネルのチャンネル信号である。また、Ａは、チャンネル信号の総和である。
【数１】
【００９０】
一方、１次元ガウスビーム算出部９５１ａでは、Ｘ方向１次元ビーム形状がガウスビーム形状で近時できるものと仮定し、算出した重心位置（Ｘ’）と分散（Ｓｘ）を用いて、Ｘ方向１次元ビーム形状Ｆ（ｘ，Ｓｘ）を次式によって算出する。
【数２】
【００９１】
２次元ビーム形状算出部９６では、第１の実施形態と同様に、２つの１次元ビーム形状（第２の実施形態では、いずれも１次元ガウスビーム形状）の積をとって、次式のように２次元ビーム形状Ｇ（ｘ、ｙ）を算出する。
【００９２】
Ｇ（x，ｙ）＝Ｆ（ｘ，Ｓｘ）・Ｆ（ｙ，Ｓｙ） （式７）
【００９３】
１次元ガウスビーム算出部９５１ａ、及び９５１ｂでは、重心位置と分散が送られてくる毎に適宜のメモリに保存していく。そして、スライス切換信号を受信すると、１次元ガウスビーム算出部９５１ａ、及び９５１ｂでは（式５）、（式６）の演算を行い、２次元ビーム形状算出部９６では（式７）の演算を行って線量プロファイルを作成し、記憶部９７に累積保存していく。そして、１スライス分の線量プロファイルが累積されると、表示部９８に出力して線量プロファイルを表示する。
【００９４】
第１の実施形態と第２の実施形態のいずれでも線量プロファイルを作成し、表示することができるが、以下の点で相違している。
【００９５】
第１の実施形態では、重心演算を行う毎に、１次元ビーム形状、及び２次元ビーム形状の作成処理と記憶部９７への累積保存処理を平行して行っているため、スライス切替指令を受けると直ちに線量プロファイルを表示することができる。また、第２の実施形態のようにビーム形状を特定の分布形状（本例では、ガウス分布形状）で近似することなく、生データを用いて２次元データを算出するため、実際の二次元分布との合致性が高い。
【００９６】
一方、第２の実施形態では、スライス切替指令を受けてから１次元ビーム形状、及び２次元ビーム形状の作成処理を行うため、画像データ出力までに時間を有するものの、信号処理回路に画像データを保存するためのメモリが必要でなくなるので、位置モニタのチャンネル数が大きい場合に適している。また、算出した分散を保存することにより、画像に異常が認められたときに原因を追求することが容易になる。分散の平方根は標準偏差であり、ビームサイズを直接表す指標となるからである。
【００９７】
以上説明してきたように、上記第１、第２の実施形態に係る粒子線ビーム照射装置１及びその制御方法によれば、粒子線ビーム形状の劣化を低く抑えつつ、簡素な構成でスキャン時の線量２次元分布（線量プロファイル）を測定し表示することができる。
【００９８】
なお、本発明は上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００９９】
１ 粒子線ビーム照射装置
１０ ビーム生成部
２０ 出射制御部
３０ ビーム走査部
５１ 位置モニタ部（センサ部）
９０ ビーム形状算出部
９７ 記憶部
９８ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子線ビームを生成するビーム生成部と、
前記粒子線ビームの出射を制御するビーム出射制御部と、
前記粒子線ビームを２次元走査するビーム走査部と、
複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置されるセンサ部と、
前記各第１の線状電極から出力される第１の信号と、前記各第２の線状電極から出力される第２の信号とから前記粒子線ビームの重心位置を算出し、前記第１、及び第２の信号から前記重心位置の周辺の前記粒子線ビームの２次元ビーム形状を求めるビーム形状算出部と、
前記重心位置に対応する前記２次元ビーム形状を、前記２次元走査の範囲に亘って累積記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶した前記２次元走査の範囲の前記２次元ビーム形状を、粒子線ビーム線量の２次元分布として表示する表示部と、
を備えたことを特徴とする粒子線ビーム照射装置。
【請求項２】
前記ビーム形状算出部は、
前記重心位置の周辺の複数の前記第１、及び第２の信号の振幅値から前記２次元ビーム形状を求める、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項３】
前記ビーム形状算出部は、
前記重心位置の周辺の複数の前記第１、及び第２の信号の振幅値から前記第１の方向の軸上の第１ビーム形状と前記第２の方向の軸上の第２ビーム形状を夫々求め、前記第１ビーム形状と前記第２ビーム形状の積によって前記２つの軸上以外の領域のビーム形状を求めることにより、前記２次元ビーム形状を求める、
請求項２に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項４】
前記ビーム形状算出部は、
前記第１、及び第２の信号の各振幅値から位置の分散を求め、前記重心位置と前記分散とから定まるガウス分布形状を前記２次元ビーム形状とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項５】
前記ビーム形状算出部は、
前記重心位置の周辺の複数の前記第１、及び第２の信号の各振幅値から前記第１の方向の位置の第１分散と、前記第２の方向の位置の第２分散を夫々求め、
前記第１の方向の軸上の第１ビーム形状を前記重心位置と前記第１分散から定まる第１のガウス分布形状とし、前記第２の方向の軸上の第２ビーム形状を前記重心位置と前記第２分散から定まる第２のガウス分布形状とし、
前記第１ビーム形状と前記第２ビーム形状の積によって前記２つの軸上以外の領域のビーム形状を求めることにより、前記２次元ビーム形状を求める、
ことを特徴とする請求項４に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項６】
前記ビーム走査部は、
照射対象の患部を前記粒子線ビームの軸方向に分割した各スライスに対して、前記粒子線ビームを２次元走査し、
前記記憶部は、
前記２次元ビーム形状を、前記スライス単位で前記２次元走査の範囲に亘り、前記スライス単位で累積記憶し、
前記表示部は、
前記２次元ビーム形状を、粒子線ビーム線量の２次元分布として、前記スライス単位で表示すると、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項７】
複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置されるセンサを具備する粒子線ビーム照射装置の制御方法において、
前記粒子線ビームの出射を制御し、
前記粒子線ビームを２次元走査し、
前記各第１の線状電極から出力される第１の信号と、前記各第２の線状電極から出力される第２の信号とから前記粒子線ビームの重心位置を算出し、
前記第１、及び第２の信号から前記重心位置の周辺の前記粒子線ビームの２次元ビーム形状を求め、
前記重心位置に対応する前記２次元ビーム形状を、前記２次元走査の範囲に亘って累積記憶し、
累積記憶した前記２次元走査の範囲の前記２次元ビーム形状を、粒子線ビーム線量の２次元分布として表示する、
ステップを備えたことを特徴とする粒子線ビーム照射装置の制御方法。
【請求項８】
前記２次元ビーム形状を求めるステップでは、
前記重心位置の周辺の複数の前記第１、及び第２の信号の振幅値から前記２次元ビーム形状を求める、
ことを特徴とする請求項７に記載の粒子線ビーム照射装置の制御方法。
【請求項９】
前記２次元ビーム形状を求めるステップでは、
前記重心位置の周辺の複数の前記第１、及び第２の信号の振幅値から前記第１の方向の軸上の第１ビーム形状と前記第２の方向の軸上の第２ビーム形状を夫々求め、前記第１ビーム形状と前記第２ビーム形状の積によって前記２つの軸上以外の領域のビーム形状を求めることにより、前記２次元ビーム形状を求める、
請求項８に記載の粒子線ビーム照射装置の制御方法。
【請求項１０】
前記２次元ビーム形状を求めるステップでは、
前記第１、及び第２の信号の各振幅値から位置の分散を求め、前記重心位置と前記分散とから定まるガウス分布形状を前記２次元ビーム形状とする、
ことを特徴とする請求項７に記載の粒子線ビーム照射装置の制御方法。
【請求項１１】
前記２次元ビーム形状を求めるステップでは、
前記第１、及び第２の信号の各振幅値から前記第１の方向の位置の第１分散と、前記第２の方向の位置の第２分散を夫々求め、
前記第１の方向の軸上の第１ビーム形状を前記重心位置と前記第１分散から定まる第１のガウス分布形状とし、前記第２の方向の軸上の第２ビーム形状を前記重心位置と前記第２分散から定まる第２のガウス分布形状とし、
前記第１ビーム形状と前記第２ビーム形状の積によって前記２つの軸上以外の領域のビーム形状を求めることにより、前記２次元ビーム形状を求める、
ことを特徴とする請求項１０に記載の粒子線ビーム照射装置の制御方法。
【請求項１２】
前記２次元走査するステップでは、
照射対象の患部を前記粒子線ビームの軸方向に分割した各スライスに対して、前記粒子線ビームを２次元走査し、
前記累積記憶するステップでは、
前記２次元ビーム形状を、前記スライス単位で前記２次元走査の範囲に亘り、前記スライス単位で累積記憶し、
前記表示するステップでは、
前記２次元ビーム形状を、粒子線ビーム線量の２次元分布として、前記スライス単位で表示する、
ことを特徴とする請求項７に記載の粒子線ビーム照射装置の制御方法。
【請求項１】
粒子線ビームを生成するビーム生成部と、
前記粒子線ビームの出射を制御するビーム出射制御部と、
前記粒子線ビームを２次元走査するビーム走査部と、
複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置されるセンサ部と、
前記各第１の線状電極から出力される第１の信号と、前記各第２の線状電極から出力される第２の信号とから前記粒子線ビームの重心位置を算出し、前記第１、及び第２の信号から前記重心位置の周辺の前記粒子線ビームの２次元ビーム形状を求めるビーム形状算出部と、
前記重心位置に対応する前記２次元ビーム形状を、前記２次元走査の範囲に亘って累積記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶した前記２次元走査の範囲の前記２次元ビーム形状を、粒子線ビーム線量の２次元分布として表示する表示部と、
を備えたことを特徴とする粒子線ビーム照射装置。
【請求項２】
前記ビーム形状算出部は、
前記重心位置の周辺の複数の前記第１、及び第２の信号の振幅値から前記２次元ビーム形状を求める、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項３】
前記ビーム形状算出部は、
前記重心位置の周辺の複数の前記第１、及び第２の信号の振幅値から前記第１の方向の軸上の第１ビーム形状と前記第２の方向の軸上の第２ビーム形状を夫々求め、前記第１ビーム形状と前記第２ビーム形状の積によって前記２つの軸上以外の領域のビーム形状を求めることにより、前記２次元ビーム形状を求める、
請求項２に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項４】
前記ビーム形状算出部は、
前記第１、及び第２の信号の各振幅値から位置の分散を求め、前記重心位置と前記分散とから定まるガウス分布形状を前記２次元ビーム形状とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項５】
前記ビーム形状算出部は、
前記重心位置の周辺の複数の前記第１、及び第２の信号の各振幅値から前記第１の方向の位置の第１分散と、前記第２の方向の位置の第２分散を夫々求め、
前記第１の方向の軸上の第１ビーム形状を前記重心位置と前記第１分散から定まる第１のガウス分布形状とし、前記第２の方向の軸上の第２ビーム形状を前記重心位置と前記第２分散から定まる第２のガウス分布形状とし、
前記第１ビーム形状と前記第２ビーム形状の積によって前記２つの軸上以外の領域のビーム形状を求めることにより、前記２次元ビーム形状を求める、
ことを特徴とする請求項４に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項６】
前記ビーム走査部は、
照射対象の患部を前記粒子線ビームの軸方向に分割した各スライスに対して、前記粒子線ビームを２次元走査し、
前記記憶部は、
前記２次元ビーム形状を、前記スライス単位で前記２次元走査の範囲に亘り、前記スライス単位で累積記憶し、
前記表示部は、
前記２次元ビーム形状を、粒子線ビーム線量の２次元分布として、前記スライス単位で表示すると、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線ビーム照射装置。
【請求項７】
複数の第１の線状電極が第１の方向に並列配置され、複数の第２の線状電極が前記第１の方向と直交する第２の方向に並列配置されるセンサを具備する粒子線ビーム照射装置の制御方法において、
前記粒子線ビームの出射を制御し、
前記粒子線ビームを２次元走査し、
前記各第１の線状電極から出力される第１の信号と、前記各第２の線状電極から出力される第２の信号とから前記粒子線ビームの重心位置を算出し、
前記第１、及び第２の信号から前記重心位置の周辺の前記粒子線ビームの２次元ビーム形状を求め、
前記重心位置に対応する前記２次元ビーム形状を、前記２次元走査の範囲に亘って累積記憶し、
累積記憶した前記２次元走査の範囲の前記２次元ビーム形状を、粒子線ビーム線量の２次元分布として表示する、
ステップを備えたことを特徴とする粒子線ビーム照射装置の制御方法。
【請求項８】
前記２次元ビーム形状を求めるステップでは、
前記重心位置の周辺の複数の前記第１、及び第２の信号の振幅値から前記２次元ビーム形状を求める、
ことを特徴とする請求項７に記載の粒子線ビーム照射装置の制御方法。
【請求項９】
前記２次元ビーム形状を求めるステップでは、
前記重心位置の周辺の複数の前記第１、及び第２の信号の振幅値から前記第１の方向の軸上の第１ビーム形状と前記第２の方向の軸上の第２ビーム形状を夫々求め、前記第１ビーム形状と前記第２ビーム形状の積によって前記２つの軸上以外の領域のビーム形状を求めることにより、前記２次元ビーム形状を求める、
請求項８に記載の粒子線ビーム照射装置の制御方法。
【請求項１０】
前記２次元ビーム形状を求めるステップでは、
前記第１、及び第２の信号の各振幅値から位置の分散を求め、前記重心位置と前記分散とから定まるガウス分布形状を前記２次元ビーム形状とする、
ことを特徴とする請求項７に記載の粒子線ビーム照射装置の制御方法。
【請求項１１】
前記２次元ビーム形状を求めるステップでは、
前記第１、及び第２の信号の各振幅値から前記第１の方向の位置の第１分散と、前記第２の方向の位置の第２分散を夫々求め、
前記第１の方向の軸上の第１ビーム形状を前記重心位置と前記第１分散から定まる第１のガウス分布形状とし、前記第２の方向の軸上の第２ビーム形状を前記重心位置と前記第２分散から定まる第２のガウス分布形状とし、
前記第１ビーム形状と前記第２ビーム形状の積によって前記２つの軸上以外の領域のビーム形状を求めることにより、前記２次元ビーム形状を求める、
ことを特徴とする請求項１０に記載の粒子線ビーム照射装置の制御方法。
【請求項１２】
前記２次元走査するステップでは、
照射対象の患部を前記粒子線ビームの軸方向に分割した各スライスに対して、前記粒子線ビームを２次元走査し、
前記累積記憶するステップでは、
前記２次元ビーム形状を、前記スライス単位で前記２次元走査の範囲に亘り、前記スライス単位で累積記憶し、
前記表示するステップでは、
前記２次元ビーム形状を、粒子線ビーム線量の２次元分布として、前記スライス単位で表示する、
ことを特徴とする請求項７に記載の粒子線ビーム照射装置の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１６１０５６（Ｐ２０１１−１６１０５６Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８０４７（Ｐ２０１０−２８０４７）
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３０１０３２９４２）独立行政法人放射線医学総合研究所 (149)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３０１０３２９４２）独立行政法人放射線医学総合研究所 (149)
【Ｆターム（参考）】
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