JP4499185B1 - 粒子線照射装置及び粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

走査電磁石のヒステリシスの影響を排除し、高精度なビーム照射を実現する粒子線照射装置を得ることを目的とする。
走査電磁石３の磁場を測定する磁場センサ２０と、磁場センサ２０により測定された測定磁場Ｂｓ及び荷電粒子ビーム１ｂの目標照射位置座標Ｐｉに基づいて走査電磁石３を制御する照射制御装置５とを備えた。照射制御装置５は、荷電粒子ビーム１ｂの目標照射位置座標Ｐｉから目標磁場Ｂｉを演算する逆写像手段２２と、目標磁場Ｂｉと測定磁場Ｂｓとの磁場誤差Ｂｅを所定の閾値以下に制御する走査電磁石３への制御入力Ｉｏを出力する補償器２３を有した。
【選択図】図１

Description

この発明は、医療用や研究用に用いられる粒子線治療装置に関し、特にスポットスキャニングやラスタースキャニングといった走査型の粒子線照射装置及び粒子線治療装置に関する。

一般に粒子線治療装置は、荷電粒子ビームを発生するビーム発生装置と、ビーム発生装置につながれ、発生した荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速器で設定されたエネルギーまで加速された後に出射される荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、ビーム輸送系の下流に設置され、荷電粒子ビームを照射対象に照射するための粒子線照射装置とを備える。粒子線照射装置には大きく、荷電粒子ビームを散乱体で散乱拡大し、拡大した荷電粒子ビームを照射対象の形状にあわせて照射野を形成するブロード照射方式と、照射対象の形状に合わせるように、細いペンシル状のビームを走査して照射野形成するスキャニング照射方式（スポットスキャニング、ラスタースキャニング等）とがある。

ブロード照射方式は、コリメータやボーラスを用いて患部形状に合う照射野を形成する。患部形状に合う照射野を形成し、正常組織への不要な照射を防いでおり、最も汎用的に用いられている、優れた照射方式である。しかし、患者ごとにボーラスを製作したり、患部に合わせてコリメータを変形させたりする必要がある。

一方、スキャニング照射方式は、コリメータやボーラスが不要といった自由度の高い照射方式である。しかし、患部以外の正常組織への照射を防ぐこれら部品を用いないため、ブロード照射方式以上に高いビーム照射位置精度が要求される。

粒子線治療装置において、照射位置や照射線量の精度を上げる様々な発明がなされている。特許文献１には、正確に患部を照射することができる粒子線治療装置を提供することを目的とし、以下の発明が開示されている。特許文献１の発明は、走査装置による荷電粒子ビームの走査量とその際にビーム位置検出器により検出する荷電粒子ビームのビーム位置とを記憶装置に記憶し、この記憶された走査量及びビーム位置を用い、制御装置により治療計画情報に基づくビーム位置に応じて走査装置の走査量を設定する。実際に照射して得られた走査量とビーム位置との関係が記憶装置に記憶されているため、正確に患部を照射することが期待できるものである。

特許文献２には、高い安全性を確保し、高精度で荷電粒子ビームを照射できる粒子線治療装置を提供することを目的とし、以下の発明が開示されている。特許文献２の発明は、荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを、ビーム進行方向と垂直な照射面上に走査する走査電磁石に供給し、この走査電磁石を通過した荷電粒子ビームの照射面上における位置及び線量に基づいて、荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射量を制御する。具体的には、照射面上で分割して形成される複数の領域のうち、目標線量に達した領域への荷電粒子ビームの供給を停止し、目標線量に達していない他の領域に荷電粒子ビームを供給する。このように、各領域における照射線量を目標線量と比較し、荷電粒子ビームの出射量をＯＮ／ＯＦＦ制御（供給／停止）することによって、高い安全性を期待するものである。

特許文献３には、走査電磁石の電流と磁場との間にあるヒステリシス特性がビーム照射位置の精度を低下させる課題に対して、以下の発明が開示されている。特許文献３の発明は、照射計画に基づくビーム照射位置に対応して、ヒステリシスの影響を考慮しない走査電磁石の電流値を演算する第１の演算手段と、第１の演算手段で演算した走査電磁石の電流値を、ヒステリシスの影響を考慮して補正演算する第２の演算手段とを有し、照射制御装置は、第２の演算手段の演算結果に基づいて走査電磁石の電流を制御する。このように第２の演算手段にヒステリシスの影響を排除するように補正演算を実施することで、すなわち、第２の演算手段にヒステリシス特性を表す数学モデルを有することにより、演算によりビーム照射位置の精度の向上を期待するものである。

特開２００５−２９６１６２号公報 特開２００８−２７２１３９号公報 特開２００７−１３２９０２号公報

特許文献１に開示された発明においては、実際に照射をして得られた荷電粒子ビームの走査量とビーム位置との実データに基づいて変換テーブルを作成し、この変換テーブルを用いて走査電磁石の設定電流値を演算している。

しかしながら、実際には特許文献３に示されているように、走査電磁石の電流と磁場との間にはヒステリシス特性が存在し、電流値が増加しているときと、電流値が減少しているときとでは、異なった磁場となる。すなわち、ある瞬間における走査電磁石の電流値が分かったとしても、その情報からだけでは、磁場の正確な値を特定できない。したがって、特許文献１に開示されている発明では、電磁石のヒステリシスの影響により正確に患部を照射することができない問題点があった。

特許文献２に開示された発明においては、定義した各領域における照射線量が目標線量となるよう、荷電粒子ビームの出射量をＯＮ／ＯＦＦ制御（供給／停止）している。

しかしながら、特許文献２に開示された発明に記載された照射面上で分割して形成される複数の領域は、対応する走査電磁石の励磁電流の範囲によって定義される励磁電流空間内の領域（励磁領域）であり、実際の照射空間内の領域（照射領域）とは一致しない。走査電磁石のヒステリシスを考慮しなければ、この励磁領域と照射領域が正確に１対１に対応することはないからである。したがって、このように励磁領域単位で照射線量を管理して安全性を高めようとした装置や方法においても、走査電磁石のヒステリシスの影響を排除しなければ、ビーム照射位置の精度の向上は発揮できない問題点があった。

特許文献３に開示された発明においては、演算手段の内部にヒステリシスの数学的モデルを作り、演算によって走査電磁石の電流値を補正している。

しかしながら、ヒステリシスを考慮していても、いくつか問題点がある。第１の問題点は、ヒステリシス特性を演算的な手法を用いて高精度に補正することは、実際にはかなり難しいということである。例えば、電流と磁場とのヒステリシス特性を表す曲線は、入力（電流）の振幅だけではなく、入力（電流）を変化させる速度や、変化させるパターンによって様々な様態となる。この複雑なヒステリシス現象を演算的手法、すなわち数学的モデルで表すことは、多くの分野で長年いろいろと研究工夫がなされてきているが、やはり現実的には難しい。また、第２の問題点は、ビーム照射位置の検出方法にある。従来の多くは、この特許文献３に開示された発明のように、１台もしくは複数のビーム位置モニタのみによってビーム照射位置を検出しようとしている。ビーム位置モニタは、荷電粒子ビームが照射されて、はじめてビーム照射位置が分かるものである。したがって、ビームがターゲットからはずれて正常組織等を照射してしまったとき、単にビームを停止することしかできず、本来照射すべきだった正しい照射位置へビーム照射位置を制御するといったことができない問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、走査電磁石のヒステリシスの影響を排除し、高精度なビーム照射を実現する粒子線照射装置を得ることを目的とする。

加速器により加速された荷電粒子ビームを走査し、ヒステリシスを有する走査電磁石と、走査電磁石を駆動する励磁電流を出力する走査電源と、励磁電流によって駆動された走査電磁石の磁場を測定する磁場センサと、磁場センサにより測定された測定磁場及び荷電粒子ビームの目標照射位置座標に基づいて走査電源を制御する照射制御装置とを備えた。照射制御装置は、荷電粒子ビームの目標照射位置座標から目標磁場を演算する逆写像演算器と、目標磁場と測定磁場との磁場誤差を所定の閾値以下とするような走査電源への励磁電流の指令値を生成し、指令値を走査電源に出力する制御器を有した。

この発明に係る粒子線照射装置は、走査電磁石のヒステリシスの影響を排除し、高精度なビーム照射を実現することができる。

この発明の実施の形態１における粒子線治療装置の概略構成図である。 図１の照射制御装置の構成図である。 磁場空間で定義した複数領域を示す図ある。 他の磁場センサを示す図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における粒子線治療装置の概略構成図である。粒子線治療装置は、ビーム発生装置５１と、加速器５２と、ビーム輸送装置５３と、粒子線照射装置５４と、治療計画装置５５と、データサーバ５６とを備える。ビーム発生装置５１は、イオン源で発生させた荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを発生させる。加速器５２は、ビーム発生装置５１に接続され、発生した荷電粒子ビームを加速する。ビーム輸送装置５３は、加速器５２で設定されたエネルギーまで加速された後に出射される荷電粒子ビームを輸送する。粒子線照射装置５４は、ビーム輸送系５３の下流に設置され、荷電粒子ビームを照射対象１５に照射する。治療計画装置５５は、患者の照射対象１５に対する治療計画データである目標照射位置座標Ｐｉと目標線量Ｄｉ等を生成する。データサーバ５６は、治療計画装置５５で患者毎に生成した治療計画データを記憶する。

粒子線照射装置５４は、ビーム輸送装置５３から入射された入射荷電粒子ビーム１ａを輸送するビーム輸送ダクト２と、入射荷電粒子ビーム１ａに垂直な方向であるＸ方向及びＹ方向に入射荷電粒子ビーム１ａを走査する走査電磁石３ａ、３ｂと、走査電磁石３ａ、３ｂが発生させる磁場を検出する磁場センサ２０ａ、２０ｂと、磁場データ変換器２１と、ビーム位置モニタ７と、位置データ変換器８と、線量モニタ１１と、線量データ変換器１２と、照射制御装置５と、走査電源４とを備える。磁場センサ２０ａ、２０ｂは例えばピックアップコイルを有する磁場センサである。なお、図１に示したように入射荷電粒子ビーム１ａの進行方向はＺ方向である。

走査電磁石３ａは入射荷電粒子ビーム１ａをＸ方向に走査するＸ方向走査電磁石であり、走査電磁石３ｂは入射荷電粒子ビーム１ａをＹ方向に走査するＹ方向走査電磁石である。磁場センサ２０ａはＸ方向の磁場を検出するＸ方向磁場センサであり、磁場センサ２０ｂはＹ方向の磁場を検出するＹ方向磁場センサである。磁場データ変換器２１は磁場センサ２０ａ、２０ｂで検出した磁場をデジタルデータに変換し、測定磁場Ｂｓを生成する。ビーム位置モニタ７は走査電磁石３ａ、３ｂで偏向された出射荷電粒子ビーム１ｂの通過位置を検出する。位置データ変換器８はビーム位置モニタ７で検出した通過位置をデジタルデータに変換し、測定位置座標Ｐｓを生成する。線量モニタ１１は出射荷電粒子ビーム１ｂの線量を検出する。線量データ変換器１２は線量モニタ１１で検出した線量をデジタルデータに変換し、測定線量Ｄｓを生成する。

照射制御装置５は、測定磁場Ｂｓに基づいて照射対象１５における照射位置を制御し、測定線量Ｄｓが目標線量Ｄｉに達するとビーム発生装置５１に対してビーム停止指令Ｓｓｐｏを出力し、荷電粒子ビームを停止する。走査電源４は照射制御装置５から出力された走査電磁石３への制御入力である指令電流Ｉｏに基づいて走査電磁石３ａ、３ｂを駆動する励磁電流を出力する。

図２は照射制御装置５の構成図である。照射制御装置５は走査電磁石指令値生成器６と、逆写像生成器３０と、逆写像演算器２２と、誤差演算器２４と、走査電磁石指令値補償器２３と、指令値出力器２５と、ビーム供給開始指令出力器２６と、線量管理器１０とを有する。

照射制御装置５の動作について説明する。粒子線治療装置の照射には、大きくキャリブレーション時の試し照射と、治療時の本照射とがある。一般的にキャリブレーション時の試し照射は、いわゆる校正のための照射であり、患者のいない状態で、校正が必要なときのみ行う。Ｘ方向走査電磁石３ａへの制御入力（電流Ｉｘｏ）とＹ方向走査電磁石３ｂへの制御入力（電流Ｉｙｏ）をいろいろな値にふって試し照射を行い、そのときのビーム照射位置を測定する。実施の形態１におけるキャリブレーション時の試し照射は、従来と同様に行うが、試し照射時において、ビームの測定位置座標Ｐｓ（ｘｓ，ｙｓ）だけではなく、磁場センサ２０ａ，２０ｂにより測定磁場Ｂｓ（Ｂｘｓ，Ｂｙｓ）をも測定する。このときの走査電磁石３の測定磁場Ｂｓ（Ｂｘｓ，Ｂｙｓ）とビームの測定位置座標Ｐｓ（ｘｓ，ｙｓ）との関係は、逆写像生成器３０によって生成された逆写像演算器２２の数式モデルとして実現する。

治療計画装置５５で作成された試し照射用の目標照射位置座標Ｐｉのデータ列と目標線量Ｄｉのデータ列が粒子線照射装置５４の照射制御装置５に送られる（ステップＳ００１）。試し照射用の目標照射位置座標Ｐｉは粒子線照射装置５４の照射可能範囲の座標であり、試し照射用の目標線量Ｄｉは任意の線量である。走査電磁石指令値生成器６は目標照射位置座標Ｐｉ毎に、基礎となる指令電流Ｉｇ（Ｉｘｇ，Ｉｙｇ）を生成する（ステップＳ００２）。指令値出力器２５は、基礎となる指令電流Ｉｇを指令電流Ｉｏ（Ｉｘｏ，Ｉｙｏ）として走査電源４に出力する。走査電源４は指令電流Ｉｏに従って走査電磁石３を制御する（ステップＳ００３）。

ビーム供給開始指令出力器２６は指令値出力器２５が指令電流Ｉｏを出力したことを示す出力信号を受けて、ビーム発生装置５１にビームを発生するビーム供給指令Ｓｓｔｏを出力する。ビーム発生装置５１は荷電粒子ビームの照射を開始する。指令電流Ｉｏにより制御された走査電磁石３の磁場を磁場センサ２０ａ、２０ｂにより測定し、測定磁場Ｂｓ（Ｂｘｓ，Ｂｙｓ）は磁場データ変換器２１を介して逆写像生成器３０に入力される。ビーム位置モニタ７により走査電磁石３で走査された出射荷電粒子ビーム１ｂの測定位置座標Ｐｓ（ｘｓ，ｙｓ）を測定し、測定位置座標Ｐｓは位置データ変換器８を介して逆写像生成器３０に入力される。逆写像生成器３０は測定磁場Ｂｓ（Ｂｘｓ，Ｂｙｓ）及び測定位置座標Ｐｓ（ｘｓ，ｙｓ）を、内蔵された記憶装置であるメモリに記憶する（ステップＳ００４）。

線量モニタ１１により走査電磁石３で走査された出射荷電粒子ビーム１ｂの測定線量Ｄｓを測定し、測定線量Ｄｓは線量データ変換器１２を介して線量管理器１０に入力される（ステップＳ００５）。線量管理器１０は目標線量Ｄｉと測定線量Ｄｓを比較し、測定線量Ｄｓが目標線量Ｄｉを超えた場合に、ビーム発生装置５１にビームを停止するビーム停止指令Ｓｓｐｏを出力する。ビーム発生装置５１はビーム停止指令Ｓｓｐｏを受けて、荷電粒子ビーム１ａを停止する。次にステップＳ００２に戻る。次の目標照射位置座標Ｐｉに変更し、荷電粒子ビームの照射を開始し、試し照射用の照射対象範囲が終了するまでステップＳ００２から当該テップＳ００６を繰り返す（ステップＳ００６）。

逆写像生成器３０は、記憶された一連の測定磁場Ｂｓ（Ｂｘｓ，Ｂｙｓ）及び測定位置座標Ｐｓ（ｘｓ，ｙｓ）に基づいて数式モデルを作成し、作成した数式モデルを逆写像演算器２２に格納する（ステップＳ００７）。

逆写像演算器２２の数式モデルは、好適な一例として、多項式を用いて実現する。従来の変換テーブルとは異なり、逆写像演算器２２としたことについて説明をする。走査電磁石３の仕様、走査電源４の仕様、及び照射ビームの仕様（照射エネルギー、入射ビーム位置など）が一定であるという仮定のもとでは、走査電磁石３の磁場Ｂ（Ｂｘ，Ｂｙ）が決まれば、ビームの照射位置座標Ｐ（ｘ，ｙ）が一意に決まるので、磁場Ｂとビームの照射位置座標Ｐとの関係に関する物理現象は２入力２出力の正写像と捉えることができる。しかし、治療における本照射の際は、ビームの目標照射位置座標Ｐｉ（ｘｉ，ｙｉ）が先に与えられて、そのビームの目標照射位置座標Ｐｉ（ｘｉ，ｙｉ）を実現するように走査電磁石３の磁場Ｂ（Ｂｘ，Ｂｙ）を制御しなければならない。つまり、治療における本照射ではビームの目標照射位置座標Ｐｉ（ｘｉ，ｙｉ）から、その目標照射位置座標Ｐｉ（ｘｉ，ｙｉ）を実現するように走査電磁石３の磁場Ｂ（Ｂｘ，Ｂｙ）の推定値を算出しなければならない。したがって、磁場Ｂ（Ｂｘ，Ｂｙ）の推定値を得るために逆写像演算器２２が必要となる。

逆写像演算器２２の数式モデルを多項式にて実現する方法の概略を説明する。キャリブレーション時の試し照射で測定された複数のビームの測定位置座標Ｐｓ（ｘｓ，ｙｓ）及び複数の測定磁場Ｂｓ（Ｂｘｓ，Ｂｙｓ）に基づいて、ＰｓｃＡｃ＝Ｂｓｃを満たすような逆写像の未知パラメータ行列Ａｃを求める。ここで行列Ｐｓｃはビームの測定位置座標Ｐｓ（ｘｓ，ｙｓ）から計算される行要素、例えば６つの要素を有する[１，ｘｓ，ｘｓ^２，ｙｓ，ｘｓｙｓ，ｙｓ^２]を行方向に複数並べた照射位置座標行列であり、行列Ｂｓｃは測定磁場Ｂｓ（Ｂｘｓ，Ｂｙｓ）を行要素とし、この行要素を行方向に複数並べた磁場行列である。

逆写像の未知パラメータ行列Ａｃは以下の（１）式で表わされる最小二乗法の式により求めることがきる。
Ａｃ＝（Ｐｓｃ^ＴＰｓｃ）^−１Ｐｓｃ^ＴＢｓｃ ・・・（１）
ここでＰｓｃ^Ｔは行列Ｐｓｃの転置行列である。

目標照射位置座標Ｐｉ（ｘｉ，ｙｉ）を実現するために必要な磁場Ｂである目標磁場Ｂｉ（Ｂｘｉ，Ｂｙｉ）は上述のように求めたパラメータ行列Ａｃを用いて、以下の（２）式により求めることができる。
Ｂｉ＝ＰｉｐＡｃ ・・・（２）
ここで、Ｐｉｐはビームの目標照射位置座標Ｐｉ（ｘｉ，ｙｉ）から計算される行要素であり、パラメータ行列Ａｃを求める際に適用した要素であり、上述の場合は６つの要素を有する行列[１，ｘｉ，ｘｉ^２，ｙｉ，ｘｉｙｉ，ｙｉ^２]である。

従来技術においては、キャリブレーションの走査電磁石３への制御入力（電流Ｉｘｏ、電流Ｉｙｏ）とビームの測定位置座標Ｐｓ（ｘｓ，ｙｓ）との関係を、変換テーブルとして作成し、走査電磁石指令値生成器６にこの変換テーブルを記憶しておく。Ｘ方向走査電磁石３ａへの制御入力（電流Ｉｘｏ）はビームの目標照射位置座標Ｐｉのｘ座標（ｘｉ）から、Ｙ方向走査電磁石３ｂへの制御入力（電流Ｉｙｏ）はビームの目標照射位置座標Ｐｉのｙ座標（ｙｉ）から、それぞれ独立に求めていた。しかし、実際にはＸ方向走査電磁石３ａへの制御入力（電流Ｉｘｏ）はビームの目標照射位置座標Ｐｉのｘｉにもｙｉにも、また、Ｙ方向走査電磁石３ｂへの制御入力（電流Ｉｙｏ）もビーム照射位置のｘｉにもｙｉにも影響を与える、すなわち干渉項があるので、独立に求める変換テーブルによる手法では、照射位置精度は劣化する。

実施の形態１の粒子線照射装置５４は、目標磁場ＢｉのＢｘｉ及びＢｙｉのそれぞれを目標照射位置座標Ｐｉのｘｉ及びｙｉの干渉項を考慮した数式モデルを逆写像演算器２２に実現したので、従来とは異なり、出射荷電粒子ビーム１ｂの照射位置精度を向上させることができる。

次に実施の形態１の粒子線治療装置における治療の際の本照射について説明する。治療の際の本照射は、以下の手順により行う。

照射対象１５ごとに、治療計画装置５５で作成された目標照射位置座標Ｐｉのデータ列と目標線量Ｄｉのデータ列が粒子線照射装置５４の照射制御装置５に送られる（ステップＳ１０１）。走査電磁石指令値生成器６は目標照射位置座標Ｐｉ毎に、基礎となる指令電流Ｉｇ（Ｉｘｇ，Ｉｙｇ）を生成する（ステップＳ１０２）。指令値出力器２５は、基礎となる指令電流Ｉｇを指令電流Ｉｏ（Ｉｘｏ，Ｉｙｏ）として走査電源４に出力する。走査電源４は指令電流Ｉｏに従って走査電磁石３を制御する（ステップＳ１０３）。

逆写像演算器２２は、目標照射位置座標Ｐｉからビームが当該目標照射位置座標Ｐｉを通過するための目標磁場Ｂｉ（Ｂｘｉ，Ｂｙｉ）を数式モデルにて演算し、目標磁場Ｂｉ（Ｂｘｉ，Ｂｙｉ）を出力する（ステップＳ１０４）。

指令電流Ｉｏにより制御された走査電磁石３の磁場を磁場センサ２０ａ、２０ｂにより測定し、測定磁場Ｂｓ（Ｂｘｓ，Ｂｙｓ）は磁場データ変換器２１を介して誤差演算器２４に入力される（ステップＳ１０５）。誤差演算器２４は、目標磁場Ｂｉと測定磁場Ｂｓを比較し、磁場誤差Ｂｅを計算する（ステップＳ１０６）。

走査電磁石指令値補償器２３は、誤差演算器２４から出力された磁場誤差Ｂｅから電流補正値ＩｅをＰＩＤ補償器の要領で生成する。例えば以下の（３）式により生成する（ステップＳ１０７）。
Ｉｅ＝ＫｐＢｅ ・・・（３）
ここでＫｐは比例ゲインである。

指令値出力器２５は、基礎となる指令電流Ｉｇを電流補正値Ｉｅで補正された指令電流Ｉｇ−Ｉｅを指令電流Ｉｏ（Ｉｘｏ，Ｉｙｏ）として走査電源４に出力する。走査電源４は指令電流Ｉｏに従って走査電磁石３を制御する（ステップＳ１０８）。ビーム供給開始指令出力器２６は、誤差演算器２４から出力された磁場誤差Ｂｅが所定の閾値以下になった場合に、ビーム発生装置５１にビームを発生するビーム供給指令Ｓｓｔｏを出力する。ビーム発生装置５１は荷電粒子ビームの照射を開始する（ステップＳ１０９）。

線量モニタ１１により走査電磁石３で走査された出射荷電粒子ビーム１ｂの測定線量Ｄｓを測定し、測定線量Ｄｓは線量データ変換器１２を介して線量管理器１０に入力される（ステップＳ１１０）。線量管理器１０は目標線量Ｄｉと測定線量Ｄｓを比較し、測定線量Ｄｓが目標線量Ｄｉを超えた場合に、ビーム発生装置５１にビームを停止するビーム停止指令Ｓｓｐｏを出力する。ビーム発生装置５１はビーム停止指令Ｓｓｐｏを受けて、荷電粒子ビーム１ａを停止する。次にステップＳ１０２に戻る。次の目標照射位置座標Ｐｉに変更し、荷電粒子ビームの照射を開始し、照射対象範囲が終了するまで、ステップＳ１０２から当該ステップＳ１１１を繰り返す（ステップＳ１１１）。

照射対象１５における深さ方向（Ｚ方向）の位置座標の制御は、入射荷電粒子ビーム１ａのエネルギーを変更することにより行う。照射対象１５における深さ方向（Ｚ方向）も含めた全ての照射対象範囲が終了すると治療の際の本照射は終了する。

ステップＳ１１１で行う荷電粒子ビームの線量管理は、図３に示すように磁場空間内で定義した複数の小領域毎に行う。図３は磁場空間（Ｂｘ，Ｂｙ）で定義した磁場小領域Ｓ_ｉ，ｊを示す図ある。表の左列の（Ｂ_０，Ｂ_１）は、磁場ＢのＸ成分ＢｘがＢ_０≦Ｂｘ＜Ｂ_１の関係を満たすことを簡略して示したものであり、同様に（Ｂ_ｍ−１，Ｂ_ｍ）は、ＢｘがＢ_ｍ−１≦Ｂｘ＜Ｂ_ｍの関係を満たすことを簡略して示したものである。表の上段の（Ｂ_０，Ｂ_１）は、磁場ＢのＹ成分ＢｙがＢ_０≦Ｂｙ＜Ｂ_１の関係を満たすことを簡略して示したものであり、同様に（Ｂ_ｍ−１，Ｂ_ｍ）は、ＢｙがＢ_ｍ−１≦Ｂｙ＜Ｂ_ｍの関係を満たすことを簡略して示したものである。領域Ｓ_０，０はＢ_０≦Ｂｘ＜Ｂ_１及びＢ_０≦Ｂｙ＜Ｂ_１の関係を満たす領域であり、領域Ｓ_{ｍ−１，ｍ−１}はＢ_ｍ−１≦Ｂｘ＜Ｂ_ｍ及びＢ_ｍ−１≦Ｂｙ＜Ｂ_ｍの関係を満たす領域である。

磁場空間で定義された領域は、走査電磁石３の電流と磁場との間に生じるヒステリシスを含んだ状態の磁場で定義されるので、磁場空間で定義された領域は走査電磁石３のヒステリシスの影響を受けることがなく、キャリブレーションのときに荷電粒子ビームを照射して得られた磁場センサ２０による磁場とビーム位置モニタ７によるビーム位置との関係は、キャリブレーションのときと同様に荷電粒子を走査する場合の本照射の際の磁場とビーム位置との関係とは、極めてよく一致する。実照射空間は、荷電粒子ビームの出射位置、ビーム位置モニタ７における通過位置、粒子線照射装置５４と照射対象１５との位置関係により求めることができるので、実照射空間の領域は磁場空間で定義された領域と写像関係を有し、本照射の際にもこの写像関係はほとんど変わらない。したがって、ステップＳ１１１で荷電粒子ビームの線量管理を磁場空間内で定義した複数の磁場小領域Ｓ_ｉ，ｊ毎に行うので、照射対象１５における実照射空間での線量管理を精度よく行うことができる。

実施の形態１の粒子線照射装置５４は、入射荷電粒子ビーム１ａの制御を走査電磁石３が発生する磁場に基づいてフィードバック制御を行うので、すなわち走査電磁石３の電流と磁場との間に生じるヒステリシスを含んだ状態を直接検出して制御するので、走査電磁石３のヒステリシスの影響を排除し、高精度なビーム照射を実現することができる。また、走査電磁石３の制御入力（指令電流Ｉｏ）を補正する元となる物理量を、走査電磁石３の磁場としたため、入射荷電粒子ビーム１ａを供給せずとも入射荷電粒子ビーム１ａの照射位置の制御を行うことができる。したがって、入射荷電粒子ビーム１ａを供給せずに入射荷電粒子ビーム１ａの照射位置座標を目標照射位置座標Ｐｉに一致させてから荷電粒子ビームを供給するので、高精度で安全性の高い粒子線を照射対象１５に照射することができる。

粒子線照射装置５４は、磁場で定義した複数領域を磁場センサ２０で測定した磁場によりフィードバック制御し、その磁場領域で線量管理を行うので、従来の線量モニタ１１で測定した位置座標によるフィードバック制御で時間がかかってしまうのとは異なり、高速にフィードバック制御を行うことができる。したがって、照射対象１５の全体に対する照射時間を短縮することができる。

粒子線照射装置５４は、磁場センサ２０としてピックアップコイルを有する磁場センサを適用したので、急峻な磁場変動があっても走査電磁石３の磁場を精度よく測定することができる。したがって、磁場センサ２０で測定した測定磁場Ｂｓによりフィードバック制御を精度よく高速に行うことができ、荷電粒子ビームの高速スキャンニングができる。これにより照射対象１５の全体に対する照射時間を短縮することができる。

磁場センサ２０として、図４に示すようなピックアップコイルを備えた磁場センサを適用してもよい。図４は他の磁場センサ２０を示す図であり、走査電磁石３と磁場センサ２０を拡大した図である。走査電磁石３は鉄心１７と巻き線１６を有する。図４に示す磁場センサ２０は、走査電磁石３で走査される前の荷電粒子ビーム１ａの進行方向（Ｚ方向）における走査電磁石３の鉄心１７の鉄心長Ｌ以上の長さを有するピックアップコイルを備える。これにより、荷電粒子ビームを走査させる走査電磁石３の磁場におけるＺ方向の空間的な積分値を測定することができる。磁場の積分値を使うことで荷電粒子ビームを偏向する磁場を精度よく測定でき、荷電粒子ビームのフィードバック制御をさらに精度よく行うことができる。なお、磁場センサ２０をＺ方向に複数配置して、Ｘ方向用の磁場センサ２０ａ、Ｙ方向用の磁場センサ２０ｂを構成してもよい。

荷電粒子ビームのゆっくりしたスキャンニングの場合、磁場センサ２０はホール素子を有する磁場センサでも構わない。ホール素子を用いることで走査電磁石３により発生された磁場の絶対値を測定でき、ピックアップコイルで計測された電圧を積分等の演算を行う必要がない。したがって磁場データ変換器２１を簡略化、小型化することができる。また、磁場センサ２０は、ピックアップコイル及びホール素子を有する磁場センサでも構わない。測定磁場Ｂｓの初期値をホール素子で測定し、変化分をピックアップコイルで測定することで、磁場測定を任意のタイミングで行うことができ、磁場測定時間を短縮することができる。したがって、高速にフィードバック制御を行うことができる。これにより照射対象１５の全体に対する照射時間を短縮することができる。

従来の粒子線照射装置は、１台もしくは複数のビーム位置モニタのみによってビーム照射位置を検出して、測定位置座標により荷電粒子ビームのフィードバック制御をしていた。位置モニタなどの荷電粒子ビームを遮るものを多く配置することは、ビームが散乱拡大することにつながり、所望のビームスポット径が得られないといった問題点があった。

実施の形態１の粒子線照射装置５４は、本照射の際には磁場センサ２０で測定した測定磁場Ｂｓにより荷電粒子ビームのフィードバック制御を行ったので、本照射の際にビーム位置モニタ７を図示しない移動装置により移動させ、出射荷電粒子ビーム１ｂがビーム位置モニタ７を通過しないようにしてもよい。このようにすることでビーム位置モニタ７によって出射荷電粒子ビーム１ｂが散乱し拡大されることを防止できる。これにより、ビームスポット径を小さくできる。したがって、小さなビーム径で照射する方がよい場合には、適したスポット径で治療を行うことができる。

以上のように実施の形態１の粒子線照射装置５４によれば、走査電磁石３の磁場を測定する磁場センサ２０と、磁場センサ２０により測定された測定磁場Ｂｓ及び荷電粒子ビーム１ｂの目標照射位置座標Ｐｉに基づいて走査電磁石３を制御する照射制御装置５とを備え、照射制御装置５は、荷電粒子ビーム１ｂの目標照射位置座標Ｐｉから目標磁場Ｂｉを演算する逆写像演算器２２と、目標磁場Ｂｉと測定磁場Ｂｓとの磁場誤差Ｂｅを所定の閾値以下に制御する走査電磁石３への制御入力Ｉｏを出力する補償器２３を有したので、走査電磁石のヒステリシスの影響を排除し、高精度なビーム照射を実現することができる。

実施の形態１の粒子線治療装置によれば、荷電粒子ビームを発生させるビーム発生装置５１と、ビーム発生装置５１で発生された荷電粒子ビームを加速する加速器５２と、加速器５２により加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送装置５３と、ビーム輸送装置５３で輸送された荷電粒子ビームを走査電磁石３で走査して照射対象１５に照射する粒子線照射装置５４とを備え、粒子線照射装置５４は、走査電磁石３の磁場を測定する磁場センサ２０と、磁場センサ２０により測定された測定磁場Ｂｓ及び荷電粒子ビーム１ｂの目標照射位置座標Ｐｉに基づいて走査電磁石３を制御する照射制御装置５とを有し、照射制御装置５は、荷電粒子ビーム１ｂの目標照射位置座標Ｐｉから目標磁場Ｂｉを演算する逆写像演算器２２と、目標磁場Ｂｉと測定磁場Ｂｓとの磁場誤差Ｂｅを所定の閾値以下に制御する走査電磁石３への制御入力Ｉｏを出力する補償器２３を有したので、走査電磁石のヒステリシスの影響が排除され、高精度なビーム照射を使用して高精度な粒子線治療を実現することができる。

なお、実施の形態１では、走査型の粒子線治療装置としてスポットスキャニングの例で説明したが、磁場センサ２０で測定した測定磁場Ｂｓにより荷電粒子ビームのフィードバック制御は、ラスタースキャニングにも適用できる。

この発明に係る粒子線照射装置および粒子線治療装置は、医療用や研究用に用いられる粒子線治療装置に好適に適用できる。

１ａ 入射荷電粒子ビーム １ｂ 出射荷電粒子ビーム
３ 走査電磁石 ３ａ Ｘ方向走査電磁石
３ｂ Ｙ方向走査電磁石 ７ ビーム位置モニタ
１１ 線量モニタ １５ 照射対象
２０ 磁場センサ ２０ａ Ｘ方向電磁石用磁場センサ
２０ｂ Ｙ方向電磁石用磁場センサ ２２ 逆写像演算器
２３ 走査電磁石指令値補償器 ３０ 逆写像生成器
５１ ビーム発生装置 ５２ 加速器
５３ ビーム輸送装置 ５４ 粒子線照射装置
Ｂｉ 目標磁場 Ｂｓ 測定磁場
Ｐｉ 目標照射位置座標 Ｐｓ 測定位置座標
Ｄｉ 目標線量 Ｄｓ 測定線量
Ｉｏ 指令電流 Ｓ_ｉ，ｊ 磁場小領域
Ｂｅ 磁場誤差

Claims (10)

1. 加速器により加速された荷電粒子ビームを走査し、ヒステリシスを有する走査電磁石と、
   前記走査電磁石を駆動する励磁電流を出力する走査電源と、
   前記励磁電流によって駆動された前記走査電磁石の磁場を測定する磁場センサと、
   前記磁場センサにより測定された測定磁場及び前記荷電粒子ビームの目標照射位置座標に基づいて前記走査電源を制御する照射制御装置とを備えた粒子線照射装置であって、
   前記照射制御装置は、前記荷電粒子ビームの前記目標照射位置座標から目標磁場を演算する逆写像演算器と、
   前記目標磁場と前記測定磁場との磁場誤差を所定の閾値以下とするような前記走査電源への前記励磁電流の指令値を生成し、前記指令値を前記走査電源に出力する制御器を有したことを特徴とする粒子線照射装置。
2. 前記荷電粒子ビームの線量を測定する線量モニタを備え、
   前記照射制御装置は、前記線量モニタにより測定された測定線量及び目標線量に基づいて前記照射対象を分割した小領域毎に照射線量の管理を行う線量管理器を有したことを特徴とする請求項１記載の粒子線照射装置。
3. 前記線量管理器が管理する前記小領域は、前記磁場センサで測定されるＸ方向及びＹ方向の磁場で定義された領域であることを特徴とする請求項２記載の粒子線照射装置。
4. 前記磁場センサは、ピックアップコイルを有したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
5. 前記走査電磁石は鉄心を有し、
   前記ピックアップコイルは、前記荷電粒子ビームの進行方向における前記走査電磁石の前記鉄心の長さ以上の長さを有したことを特徴とする請求項４記載の粒子線照射装置。
6. 前記逆写像演算器は、前記目標照射位置座標の多項式からなることを特徴とする請求項
   １乃至５のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
7. 前記荷電粒子ビームの位置を測定するビーム位置モニタを備え、
   前記照射制御装置は、前記ビーム位置モニタにより測定された測定位置座標及び前記磁場センサにより測定された測定磁場に基づいて前記逆写像演算器の数式モデルを生成する逆写像生成器を有したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
8. 前記制御器には、ＰＩＤ補償器を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の粒子線照射装置。
9. 前記照射制御装置は、前記目標照射位置座標に基づいて前記励磁電流の基礎となる指令値を生成する走査電磁石指令値生成器を有し、
   前記制御器は、前記基礎となる指令値を補正して前記励磁電流の指令値を生成することを特徴とする請求項１記載の粒子線照射装置。
10. 荷電粒子ビームを発生させるビーム発生装置と、前記ビーム発生装置で発生された前記荷電粒子ビームを加速する加速器と、前記加速器により加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送装置と、前記ビーム輸送装置で輸送された荷電粒子ビームを走査電磁石で走査して照射対象に照射する粒子線照射装置とを備え、
    前記粒子線照射装置は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の粒子線照射装置であることを特徴とする粒子線治療装置。

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