JP5637055B2 - 粒子線治療計画装置および粒子線治療装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子線加速器により加速された荷電粒子ビームを、がん患部に照射してがん治療を行う粒子線治療装置ならびに粒子線治療の治療計画を行う粒子線治療計画装置に関する。

粒子線がん治療装置は、粒子線加速器により加速された荷電粒子ビームを、がん患部に照射してがん治療を行う装置である。荷電粒子ビームは、シンクロトロン加速器あるいはサイクロトロン加速器といった粒子線加速器により光速程度まで加速された後、ビーム輸送系により照射ノズルまで輸送され、照射ノズル内で患部形状に合うように照射野形成され、患者に照射される。照射ノズルで、荷電粒子ビームを照射野形成する方法として、散乱体により荷電粒子ビームを拡大して必要な部分をコリメータにより切り出して照射する散乱体照射法、あるいは、ビーム輸送系により輸送されてきた荷電粒子ビームを、走査電磁石により患部形状に合わせて直接走査しながら照射するスキャニング照射法などがある。スキャニング照射法は、粒子線加速器で加速され、ビーム輸送系で輸送されてきた細い荷電粒子ビームを直接電磁石により走査しながら照射するため、患部形状に一致した線量分布を形成することが可能である。

散乱体照射法とスキャニング照射法の中間に位置する照射方法として、非特許文献１，非特許文献２に示されているような均一走査と呼ばれる照射方法がある。均一走査は、散乱体で拡大した荷電粒子ビームを走査電磁石により横方向に一様な線量分布を形成するように走査しながら照射する照射法である。均一走査では、深さ方向の線量分布拡大すなわちＳＯＢＰ（Spread Out Bragg Peak）形成にリッジフィルタを用いる。あるいは、患部を多数の層に分割した上で、荷電粒子ビームのエネルギー変化により照射する層を移動し、各層の荷電粒子ビーム照射量を深さ方向の線量分布が一様になるように適切に配分することで、ＳＯＢＰ形成する。均一走査では、患部底形状に線量分布を合わせるための患者固有具であるボーラスを使用することもある。均一走査では、患部形状に合わせた横方向の照射野形状を決めるために、自動で照射野形状を整形するマルチリーフコリメータ、あるいは、金属板より患部形状に合った形状を放電加工などにより掘削する患者コリメータが使用される。

均一走査では、一つのコリメータ開口形状のみを使用するが、非特許文献３に示されているように、患部を層に分割して各層の照射野形状にマルチリーフコリメータ開口を合わせて照射していく積層原体照射と呼ばれる照射法がある。積層原体照射は、患部を多数の層に分割し、各層を均一走査と同様に走査電磁石により横方向の線量分布が一様となるように走査しながら照射していく。積層原体照射では、患者固有具であるボーラスを用いて線量分布を患部底面形状に合わせた上で、各層を照射する際マルチリーフコリメータにより横方向の照射野を患部各層の横方向形状に合わせて照射するため、患部形状に合致した線量分布が形成可能である。積層原体照射は、各層の照射時の横方向の照射野を規定するのにマルチリーフコリメータを用い、層毎に自動で照射野形状を変化させる。積層原体照射では、層分割した患部各層を同じエネルギーの荷電粒子ビームで照射していき、荷電粒子ビームのエネルギーを変更することで照射する層を移動する。積層原体照射は、散乱体照射法、均一走査と比べてより患部形状に合致した線量分布が形成可能である。

以上のように、均一走査と積層原体照射ではともに散乱体で拡大した荷電粒子ビームを走査しながら横方向に照射していくが、スキャニング照射法と比べて、よりビームサイズの大きい荷電粒子ビームを走査するため、横方向はコリメータにより患部形状に合うように照射野形成する必要がある。均一走査では、放電加工により掘削する患者コリメータ、あるいは、自動で患部形状に整形するマルチリーフコリメータを使用し、積層原体照射では、層分割した各層毎にコリメータ開口を変える必要があるため、マルチリーフコリメータを使用する。

均一走査あるいは積層原体照射では、荷電粒子ビーム進行方向と直交する横方向に一様な線量分布を形成するために、特許文献１ならびに非特許文献１〜４に示すように、荷電粒子ビームを散乱体により拡大し、スキャニング照射法と比較してより大きなビームサイズの荷電粒子ビームを横方向に走査しながら照射する。このより大きなビームサイズの荷電粒子ビームを走査電磁石により走査しながら、ガウス分布形状の線量分布を重ね合わせて一様な分布を形成する方法として、特許文献１ならびに非特許文献１〜４に示すようにさまざまなものがある。

非特許文献１に示すラスター走査は、荷電粒子ビームを加速器でオンオフすることなく、連続的に矩形形状の走査経路を一筆書きで走査していく。ラスター走査の走査線の間隔を、荷電粒子ビームのビームサイズσに対して＜２σにすることにより、一様な線量分布領域を形成可能である。

非特許文献２に示すジグザグ走査は、ＸＹ平面内でＸ方向とＹ方向の荷電粒子ビームの走査速度を独立に決め、ラスター走査と同様に荷電粒子ビームをオンオフせずに、連続的に一筆書きでジグザグ形状に走査していく。ジグザグ走査では、ジグザグ形状を構成する走査線の間隔をラスター走査と同様にビームサイズσに対して＜２σにすることにより、一様な線量分布領域を形成可能である。

非特許文献３に示す単円走査は、ラスター走査，ジグザグ走査と同様に荷電粒子ビームをオンオフせずに、連続的に円形の走査経路で走査する。円形の走査経路の中心部分に一様な線量分布領域が形成される。非特許文献４に示すらせん走査は、荷電粒子ビームをオンオフせずに、連続的にらせん形の走査経路で走査する。単円走査と同様に、らせん型の走査経路の中心部分に一様な線量分布領域が形成される。

特許文献１に示すライン走査は、ラスター走査において荷電粒子ビームを加速器でオンオフする制御を組み合わせ、ＸＹ平面内でＸ方向は荷電粒子ビームをオンし連続的に照射し、Ｙ方向は荷電粒子ビームをオフして照射しない。このライン走査はＸ方向の連続的なライン状の線量分布をＹ方向に重ね合わせて一様な線量分布領域を形成する。

以上の走査方法のうち、ラスター走査，ジグザグ走査，らせん走査，ライン走査は、単円走査と比較して、散乱体で拡大する荷電粒子ビームのビームサイズが単円走査のビームサイズより小さいため、散乱体の厚さを薄くすることができ、荷電粒子ビームの散乱体でのエネルギー損失を少なくでき、そのため飛程を長くできる利点がある。また、荷電粒子ビームのビームサイズが小さいため、単円走査と比較してビーム利用効率を向上させることが可能となる利点がある。一方、荷電粒子ビームのビームサイズが小さいため、走査経路が長くなり横方向に一様な線量分布を形成するための一面走査時間が長くなる傾向にある。

特許第３５１８２７０号公報

V.A.Anferov, "Scan pattern optimization for uniform proton beam scanning", Med.Phys. 36 (2009) 3560-3567. S.Yonai, et al., "Evaluation of beam wobbling methods for heavy-ion radiotherapy", Med.Phys. 35 (2008) 927-938. T.Kanai, et al., "Commissioning of a conformal irradiation system for heavy-ion radiotherapy using a layer-stacking method", Med.Phys. 33 (2006) 2989-2997. M.Komori, et al., "Optimization of Spiral-Wobbler System for Heavy-Ion Radiotherapy", Jpn.J.Appl.Phys. 43 (2004) 6463-6467.

均一走査では、患部の大きさより決まる照射野サイズに対応した横方向のビーム走査経路により照射を行っていた。そのため、コリメータ開口領域が照射野サイズより内側に入る領域で、コリメータ開口領域の外側にも照射を行っていた。そのため、ビーム走査経路が長くなり、照射に必要な時間が長くなる傾向にあった。また、コリメータ開口領域の外側に照射を行うことにより、荷電粒子ビームの損失量が多かった。

積層原体照射では、従来は深い層から浅い層にいたるまですべての層で同一の走査経路に基づきビーム走査していた。そのため、積層原体照射において、浅い層の照射の際、マルチリーフコリメータが小さく閉じられた場合にも、深い層と同一の走査経路で荷電粒子ビームを走査していた。そのため、浅い側の層において患部の投影形状が小さくなり、マルチリーフコリメータ開口が小さくなった場合にも、開口領域の外側に照射を行っていた。そのため、浅い層において照射に必要な時間が長くなる傾向にあった。また、浅い層においてマルチリーフコリメータ開口領域の外側に照射を行うことにより、荷電粒子ビームの損失量が多かった。

本発明は、均一走査における横方向の荷電粒子ビーム走査経路を、コリメータ開口形状を考慮して、コリメータ開口領域以外の照射を極力減らすような最適な走査経路を治療計画装置が決定する。また、本発明は、積層原体照射において層分割した患部各層を横方向に一様に照射していく際、最も深い層のマルチリーフコリメータ開口領域が最も大きく、浅い層につれてマルチリーフコリメータ開口領域が小さくなっていくことに注目し、浅い層の照射において、マルチリーフコリメータ開口領域が小さくなった場合、開口領域のみを一様に照射できるように走査経路を変化させる。例えば、各層を横方向に単円走査により照射する場合、浅い層においてマルチリーフコリメータ開口領域が小さくなった場合、この小さくなった開口領域のみを一様に照射できるように単円走査の回転半径を小さくする。

均一走査における治療計画装置は、Ｘ線ＣＴ画像をもとに患部内部を探索して、コリメータ開口形状を計算する。その後、治療計画装置は、このコリメータ開口領域のみを一様な線量で照射するための荷電粒子ビーム走査経路を計算する。積層原体照射における治療計画装置はＸ線ＣＴ画像をもとに患部を層分割し、各層を照射する際のマルチリーフコリメータ開口を計算する。その後、治療計画装置は、各層のマルチリーフコリメータ開口領域のみを一様に照射するための必要最低限の走査経路を計算する。このように、治療計画装置が、コリメータ開口領域を考慮して、開口領域のみを一様に照射するための最低限の荷電粒子ビームの走査経路を計算する。また別の手段として、積層原体照射では、層分割した患部各層を照射するマルチリーフコリメータ開口領域より、各層の照射野サイズなる量が定義できる。例えば、ある層のマルチリーフコリメータ開口領域が直径１０cmの円に含まれる場合、この層の照射野サイズは直径１０cmであるとする。また、ラスターの照射野サイズも定義可能である。ある層の開口領域が１０cm×１０cmの正方形領域に含まれる場合、この層の照射野サイズは１０cm×１０cmであるとする。以上のように定義される照射野サイズに対応した走査経路をテーブルとして、粒子線治療装置の制御装置がメモリ上に持っている。治療計画装置において各層の照射野サイズを計算し、浅い層においてマルチリーフコリメータ開口領域が小さくなった場合、すなわち、照射野サイズが小さくなった場合に、制御装置がメモリ上に記憶している複数の走査経路のなかから、その小さい照射野サイズに対応した走査経路を選択する。このような制御装置を追加することにより、層分割した各層の照射において、各層の横方向形状を覆う最低限の走査経路で荷電粒子ビームを照射して横方向の線量分布を一様とすることが可能となる。

以上の手段により、均一走査ではコリメータ開口領域のみを一様な線量分布で照射し、コリメータ開口領域以外の照射を減らした照射が可能となる。また、積層原体照射においては、各層のマルチリーフコリメータ開口領域に対応した最低限の照射経路で荷電粒子ビームを照射することが可能となる。その結果、均一走査では従来より走査経路を短縮化でき、照射に必要な時間を短縮することが可能となる。積層原体照射法では、浅い層において走査経路を従来より短縮化でき、照射に必要な時間を短縮することが可能となる。また、均一走査，積層原体照射のいずれの場合もコリメータ開口領域の外側の荷電粒子ビームの照射を減らすことが可能となる。

本発明により、均一走査法あるいは積層原体照射法において、従来よりも荷電粒子ビーム走査経路を短縮することが可能となり、治療時間を短縮することが可能となる。

本発明が関係する粒子線治療装置と制御装置の全体構成を示す図である。 本発明が関係する照射ノズルと制御装置の構成を示す図である。 球形の患部を、積層原体照射により照射する様子を示す図である。 （ａ）図３に示す球形の患部に対して、治療計画装置が計算した最も深い層１をビーム照射方向から見た形状と、その層１の形状に対してマルチリーフコリメータ開口の計算結果を示す図である。（ｂ）図３に示す球形の患部に対して、治療計画装置が計算した最も深い層から数えて６番目の層６をビーム照射方向から見た形状と、その層６の形状に対してマルチリーフコリメータ開口の計算結果を示す図である。 積層原体照射において、治療計画装置で深さ方向の線量分布が一様となるように各層の照射量を調節して、ＳＯＢＰを形成したことを示す図である。 積層原体照射において、深さ方向の線量分布が一様となる各層の照射量を治療計画装置が計算した結果を示す図である。 積層原体照射において、各層をラスター走査により横方向照射した場合の走査経路を示す図である。 積層原体照射において、各層をジグザグ走査により横方向照射した場合の走査経路を示す図である。 積層原体照射において、各層を単円走査により横方向照射した場合の走査経路を示す図である。 積層原体照射において、各層をらせん走査により横方向照射した場合の走査経路を示す図である。 積層原体照射において、各層をライン走査により横方向照射した場合の走査経路を示す図である。 （ａ）図３に示す球形の患部に対して、積層原体照射の治療計画が決めた最も深い層１に対するマルチリーフコリメータ開口領域と本発明に基づくラスター走査の走査経路を示す図であり、（ｂ）図３に示す球形の患部に対して、積層原体照射の治療計画が決めた浅い側に位置する層６に対するマルチリーフコリメータ開口領域と本発明に基づくラスター走査の走査経路を示す図である。 積層原体照射において、本発明に基づきラスター走査を行う場合の走査電磁石励磁電流値を示すテーブルである。 （ａ）積層原体照射において、横方向照射にラスター走査を用いた場合の、照射野サイズ２５cm×２５cmに対応した走査経路を示す図であり、（ｂ）積層原体照射において、横方向照射にラスター走査を用いた場合の、照射野サイズ１５cm×１５cmに対応した走査経路を示す図であり、（ｃ）積層原体照射において、横方向照射にラスター走査を用いた場合の、照射野サイズ１０cm×１０cmに対応した走査経路を示す図である。 （ａ）図３に示す球形の患部に対して、積層原体照射の治療計画が決めた最も深い層１に対するマルチリーフコリメータ開口領域と本発明に基づくジグザグ走査の走査経路を示す図であり、（ｂ）図３に示す球形の患部に対して、積層原体照射の治療計画が決めた浅い側に位置する層６に対するマルチリーフコリメータ開口領域と本発明に基づくジグザグ走査の走査経路を示す図である。 （ａ）図３に示す球形の患部に対して、積層原体照射の治療計画が決めた最も深い層１に対するマルチリーフコリメータ開口領域と本発明に基づく単円走査の走査経路を示す図であり、（ｂ）図３に示す球形の患部に対して、積層原体照射の治療計画が決めた浅い側に位置する層６に対するマルチリーフコリメータ開口領域と本発明に基づく単円走査の走査経路を示す図である。 （ａ）図３に示す球形の患部に対して、積層原体照射の治療計画が決めた最も深い層１に対するマルチリーフコリメータ開口領域と本発明に基づくらせん走査の走査経路を示す図であり、（ｂ）図３に示す球形の患部に対して、積層原体照射の治療計画が決めた浅い側に位置する層６に対するマルチリーフコリメータ開口領域と本発明に基づくらせん走査の走査経路を示す図である。 （ａ）図３に示す球形の患部に対して、積層原体照射の治療計画が決めた最も深い層１に対するマルチリーフコリメータ開口領域と本発明に基づくライン走査の走査経路を示す図であり、（ｂ）図３に示す球形の患部に対して、積層原体照射の治療計画が決めた浅い側に位置する層６に対するマルチリーフコリメータ開口領域と本発明に基づくライン走査の走査経路を示す図である。 積層原体照射において、本発明に基づきライン走査を行う場合の走査電磁石励磁電流値とビームオンオフ制御信号を示すテーブルである。 均一走査において、コリメータ開口領域と従来のラスター走査経路を示す図である。 均一走査において、本発明に基づきラスター走査を行う場合のコリメータ開口とラスター走査経路を示す図である。 均一走査において、コリメータ開口領域と従来のライン走査経路を示す図である。 均一走査において、本発明に基づきライン走査を行う場合のコリメータ開口とライン走査経路を示す図である。

本発明を実施するための最適の形態を、図面を用いて説明する。

図１に本発明が関係する粒子線治療装置の全体構成を示す。荷電粒子ビームは入射器２１より加速器２２に入射され、所望のエネルギーまで加速される。粒子線加速器２００により加速された荷電粒子ビームは、複数の電磁石配列より構成されるビーム輸送系３００により、照射ノズル４００まで輸送される。荷電粒子ビームは、照射ノズル４００で患部形状に合うように整形された後、ベッド装置５００に横になっている患者５に照射される。治療計画装置１０４は、Ｘ線ＣＴ画像などの患者の体内情報をもとに、医者が患部を特定し、患部を一様な線量で照射するための照射計画を立てる。治療計画装置１０４から、粒子線治療装置の全体制御装置１０２に、荷電粒子ビームの照射位置，照射量などの情報が送信される。その情報に基づき、全体制御装置１０２は、適宜、加速器，ビーム輸送系制御装置１０１と照射ノズル制御装置１０３と情報をやりとりして照射を行う。

図２に本発明が関係する照射ノズル４００と照射ノズル制御装置１０３を示す。照射ノズル４００には、上流より荷電粒子ビームを横方向に走査するための水平，垂直走査用の走査電磁石４１Ａ，４１Ｂが各一台、荷電粒子ビームのビームサイズを拡大するための散乱体４２、深さ方向のブラッグピークを拡大させるリッジフィルタ４３、荷電粒子ビーム照射時の横方向の線量分布の一様度を確認するための平坦度モニタ４４、荷電粒子ビームの照射量を測定するための線量モニタ４５、マルチリーフコリメータ４６、深さ方向の線量分布を患部底形状に合わせるための患者固有具であるボーラス４７、荷電粒子ビームの到達深さを微調整するためのレンジシフタ４８が配置される。

均一走査の治療計画の流れを説明する。

均一走査に対応した治療計画装置１０４は、Ｘ線ＣＴ画像をもとに患部５１内に位置する点を探索して、荷電粒子ビーム照射方向から見たコリメータ開口形状を計算する。また、患部５１内に位置する各点の水等価厚を計算して、患部領域を深さ方向に一様な線量で照射するために必要な水等価の患部厚さ、すなわち必要なＳＯＢＰ長を計算する。また、均一走査でボーラスを使用する場合は、患部５１底面に位置する各点の水等価厚より、荷電粒子ビームの到達位置が患部底面に一致するようにボーラス４７の掘削形状を計算する。コリメータ開口形状は、必要に応じてマージンを付与することが可能である。その後、治療計画装置１０４は、コリメータ開口領域を一様な線量で照射するための荷電粒子ビーム走査経路を計算する。その後、線量分布計算を実施して患部を一様な線量で照射するための荷電粒子ビーム照射量を計算する。治療計画装置１０４の出力であるコリメータ開口形状，ＳＯＢＰ長，ボーラス形状，荷電粒子ビーム走査経路と照射量は、粒子線治療装置の全体制御装置１０２に送信される。また、均一走査では、患部を層に分割して、各層を同一エネルギーの荷電粒子ビームで照射していき、荷電粒子ビームのエネルギーを変更して照射する層を変化させ、各層の照射量を適切に配分して患部深さ方向に一様な線量分布を形成することも可能である。この場合、治療計画装置１０４からは照射する荷電粒子ビームのエネルギーも全体制御装置１０２に出力される。

均一走査の照射手順について説明する。

照射を開始する前に全体制御装置１０２より、コリメータ開口形状が照射ノズル制御装置１０３に送られてくる。均一走査においてマルチリーフコリメータを使用する場合、マルチリーフコリメータ制御装置７６は、その形状をマルチリーフコリメータ駆動部６６に送り、マルチリーフコリメータ４６を動かして開口形状を設定する。また、均一走査において放電加工の患者コリメータを使用する場合、あらかじめ所定の形状に掘削しておき照射前に照射ノズルの所定の位置に設置する。コリメータの設定が完了すると、マルチリーフコリメータ駆動部６６は、マルチリーフコリメータ制御装置７６に完了信号を送る。また、ボーラスを使用する場合、照射前に掘削形状に従い掘削し、照射ノズル内の所定位置に設置する。ＳＯＢＰ長は、全体制御装置１０２より照射ノズル制御装置１０３内のリッジフィルタ制御部７３に送られ、リッジフィルタ制御部７３はＳＯＢＰ長より対応するリッジフィルタ４３を選択し、リッジフィルタ駆動部６３にそのリッジフィルタを設置するように信号を送る。リッジフィルタ４３設置が完了すると、リッジフィルタ制御部７３に設定完了信号を送る。また、走査電磁石電源制御部７１は走査を開始する始点の励磁電流値を全体制御装置１０２から受け取り、走査電磁石電源６１Ａ，６１Ｂに送り設定する。設定が完了すると、走査電磁石電源６１Ａ，６１Ｂは完了信号を走査電磁石電源制御部７１に送る。これで照射開始する準備が完了したので、全体制御装置１０２は、加速器，ビーム輸送系制御装置１０１にビームオン信号を送り、同時に、照射ノズル制御装置１０３内の走査電磁石電源制御部７１に走査開始信号を送ることで、照射が開始される。

線量モニタ４５は、照射した荷電粒子ビームの電荷量を測定し、照射ノズル制御装置１０３内のビーム照射量管理部７５は、治療計画装置１０４で決められた照射量に到達すると、照射完了信号を出す。照射完了信号は、照射ノズル制御装置１０３より全体制御装置１０２に送られ、全体制御装置１０２は即座に加速器，ビーム輸送系制御装置１０１にビームオフ信号を送る。これにより照射が完了する。照射中、平坦度モニタ４４は、照射中の横方向の線量分布が一様であるかどうか確認する。もし、許容値を超えて平坦度が悪化したことが検出されると、全体制御装置１０２に送られ、即座にビームオフの処理が行われる。

また、患部を複数の層に分割し、各層を同じエネルギーの荷電粒子ビームを走査して照射していく場合、ある層の照射が完了すると、次の層に対応した荷電粒子ビームのエネルギーを加速器，ビーム輸送系制御装置１０１に送り、走査電磁石電源制御部７１は、走査開始点に走査電磁石電源６１Ａ，６１Ｂの励磁電流値を設定する。この設定が完了した後、ビーム照射を再開する。治療計画装置１０４で決められた各層の照射量になると、ビーム停止し、その層の照射を終了する。これを全ての層に対して繰り返し行う。荷電粒子ビームのエネルギーを変化させる手段としては、加速器によりエネルギー変更する方法や、照射ノズル内のレンジシフタあるいはビーム輸送系途中に設置されたディグレーダと呼ばれる物質をビーム通過途中に適切な量だけ挿入するなどの方法がある。

積層原体照射の治療計画の流れを説明する。

積層原体照射に対応した治療計画装置１０４は、患部内部に位置する各点の水等価厚を計算して、同一エネルギーの荷電粒子ビームで照射できる層に分割する。これにより患部各層の三次元的な形が決まり、各層を荷電粒子ビーム進行方向から見た形に合わせて、各層のマルチリーフコリメータ開口形状を計算する。また、各層のマルチリーフコリメータ開口領域を覆う照射野サイズを計算する。照射野サイズは、１０cm四角などの長方形形状、あるいは１０cm直径などの円形形状で表現する。各層のマルチリーフコリメータ開口形状は、必要に応じてマージンを付与することが可能である。治療計画装置１０４は、各層のマルチリーフコリメータ開口領域を一様な線量で照射するための荷電粒子ビームの走査経路を計算する。その後、線量分布計算を実施して、患部を一様な線量で照射するための各層の荷電粒子ビーム照射量を計算する。治療計画装置１０４の出力である荷電粒子ビーム走査経路と照射量は、粒子線治療装置の全体制御装置１０２に送信される。

以上の積層原体照射の治療計画装置１０４の動作をより具体的に、図３を用いて積層原体照射で球形の患部を照射する場合で説明する。治療計画装置１０４は、球形の患部５１の底面に位置する各点の水等価厚を計算して、荷電粒子ビームの到達位置が患部底面に合致するようにボーラス４７の掘削形状を計算する。また、患部５１内部の各点の水等価厚を計算して、同じ荷電粒子ビームエネルギーで照射できるように患部５１を層分割し、各層を照射するための荷電粒子ビームのエネルギー、あるいは、各層に到達飛程を合わせるためのレンジシフタ４８の挿入量を計算する。図３では、球体の患部５１を層１から層８までの合計８層に分割した図を示しており、層１は一番深い層を表し、層２，層３と順に浅い位置に位置する。層６は深い層から６番目の層を表す。治療計画装置１０４は、同一層に位置する層内の各点を探索して、各層のマルチリーフコリメータ４６の開口形状を計算する。図４（ａ），（ｂ）にそれぞれ一番深い層１と深い層から数えて６番目の層６の、ビーム進行方向から見た層の横方向形状と、治療計画装置１０４によるマルチリーフコリメータ開口の計算結果を示す。図４（ａ），（ｂ）に示すように、治療計画装置は各層の横方向形状に合うようにマルチリーフコリメータ４６開口領域を決める。また、マルチリーフコリメータ４６の開口領域は、治療計画装置１０４からの指定により適宜マージンを付与することがあり、マルチリーフコリメータ開口は図４に示すより、患部５１形状に対して余裕を持って広がることがある。積層原体照射では、ボーラスを使用するため一番深い層は、ビーム進行方向から見た患部の最大外周を照射するため、一番深い層のマルチリーフコリメータ開口が最も大きくなり、浅い層につれてマルチリーフコリメータは閉じていくことになる。図４を見て分かるように、最も深い層である層１と層６を比較すると、浅い側に位置する層６のマルチリーフコリメータ開口は層６の投影形状が小さくなるため、層１より小さくなっている。各層のマルチリーフコリメータ開口が決まると、治療計画装置１０４は、マルチリーフコリメータ開口領域を一様な線量分布で荷電粒子ビームを照射するための適切な走査経路を計算する。荷電粒子ビームを横方向に一様に照射するための走査経路は、後述するように何種類かの方法がある。最後に、治療計画装置１０４は、層分割した患部を一様な線量で照射するための各層の荷電粒子ビームの照射量を決める。図５に示すように各層の照射量を適切に決めることにより深さ方向に一様な線量分布ＳＯＢＰ（Spread Out Bragg Peak）を形成することが可能となる。図５に、球体を一様な線量で照射するための層１から層８までの各層の照射量の計算結果を示す。治療計画装置１０４からの出力である荷電粒子ビーム走査経路と各層の荷電粒子ビーム照射量は、粒子線治療装置の全体制御装置１０２に送られる。横方向に一様な線量分布を形成するための走査経路の情報は、水平，垂直走査電磁石の目標励磁電流値の配列に変換され、全体制御装置１０２に送られる。この目標励磁電流値は、照射ノズル制御装置１０３内の走査電磁石電源制御部７１に送られ、走査電磁石電源制御部７１は、走査電磁石電源６１Ａ，６１Ｂに励磁電流値を送る。

積層原体照射の照射手順について説明する。

まず、ある層の照射を開始する前に全体制御装置１０２よりマルチリーフコリメータ４６開口形状がマルチリーフコリメータ制御装置７６に送られてくる。その情報に基づき、マルチリーフコリメータ駆動部６６は、マルチリーフコリメータ４６を動かして開口形状を設定する。完了するとマルチリーフコリメータ駆動部６６は、マルチリーフコリメータ制御装置７６に完了信号を送る。また、走査電磁石電源制御部７１は走査を開始する始点の励磁電流値を全体制御装置１０２から受け取り、走査電磁石電源６１Ａ，６１Ｂに送り設定する。設定が完了すると、走査電磁石電源６１Ａ，６１Ｂは完了信号を走査電磁石電源制御部７１に送る。これである層を照射開始する準備が完了したので、全体制御装置１０２は、加速器，ビーム輸送系制御装置１０１にビームオン信号を送り、同時に、照射ノズル制御装置１０３内の走査電磁石電源制御部７１に走査開始信号を送ることで、ある層の照射が開始される。

線量モニタ４５は、ある層を照射中に照射した荷電粒子ビームの電荷量を測定し、照射ノズル制御装置１０３内のビーム照射量管理部７５は、治療計画装置１０４で決められた照射量に到達すると、その層の照射完了信号を出す。照射完了信号は、照射ノズル制御装置１０３より全体制御装置１０２に送られ、全体制御装置１０２は即座に加速器，ビーム輸送系制御装置１０１にビームオフ信号を送る。これによりある層の照射が完了する。また、ある層の照射中、平坦度モニタ４４は、照射中の横方向の線量分布が一様であるかどうか確認する。もし、許容値を超えて平坦度が悪化したことが検出されると、全体制御装置１０２に送られ、即座にビームオフの処理が行われる。

ある層の照射が完了すると、次の層の照射の準備に移る。全体制御装置１０２は、次の層に対応した荷電粒子ビームのエネルギーを加速器，ビーム輸送系制御装置１０１に送り、次の層に対応したマルチリーフコリメータ開口形状をマルチリーフコリメータ制御装置７６に送る。また、前述した通り、走査電磁石電源制御部７１は、走査開始点に走査電磁石電源６１Ａ，６１Ｂの励磁電流値を設定する。荷電粒子ビームのエネルギーを変化させる手段としては、加速器によりエネルギー変更する方法や、照射ノズル内のレンジシフタあるいはビーム輸送系途中に設置されたディグレーダと呼ばれる物質をビーム通過途中に適切な量だけ挿入することにより行う。

均一走査では、散乱体４２で拡大した荷電粒子ビームをガウス分布形状の線量分布を重ね合わせて、横方向の線量分布が一様となるように走査電磁石４１Ａ，４１Ｂにより走査しながら照射する。また、積層原体照射では、層分割した患部５１の各層を同一エネルギーの荷電粒子ビームで横方向の線量分布が一様となるように走査電磁石４１Ａ，４１Ｂにより走査しながら照射する。均一走査あるいは積層原体照射において、走査電磁石４１Ａ，４１Ｂにより横方向に一様な線量分布を形成するための走査方法として、ラスター走査，ジグザグ走査，円形走査，らせん走査，ライン走査などの手法がある。

図７から図１１に横方向に一様な線量分布で照射するための荷電粒子ビーム走査経路を説明する。

図７は、ラスター走査の場合の走査経路６０２を示す。ラスター走査は、図７において始点よりビームオンし、Ｘ方向走査，Ｙ方向走査を繰り返し、終点に至る。加速器でビームオンオフせずに荷電粒子ビームを切らずに連続的に一筆書きで始点から終点まで走査する。Ｙ方向に並ぶ走査経路の間隔は、荷電粒子ビームのサイズσとして＜２σが妥当であり、この時ＸＹ平面内で一様な線量分布を形成することができる。

図８は、ジグザグ走査の走査経路６０３を示す。ジグザグ走査は、図８の原点よりビームオンし、Ｘ方向走査とＹ方向走査を同時に開始する。Ｘ方向走査とＹ方向走査を同時に行うことにより、図８に示すように走査経路は斜めに進行することになる。Ｘ方向，Ｙ方向それぞれの端点に到達すると、走査方向を逆転させる。＋Ｘ方向に走査している時、Ｘ方向の端点に到達すると、走査方向を−Ｘ方向に逆転して走査する。Ｙ方向も同様である。Ｘ方向，Ｙ方向の走査速度を適切に選択することにより、図８に示すような原点をスタートして原点に戻ってくるジグザグ状の走査経路を描く。ジグザグ走査は、ラスター走査と同じく原点から原点まで、ビームを切らずに連続的に一筆書きで走査する。ラスター走査と同様に、斜めに進行する走査ラインの間隔を、ビームサイズσに対して＜２σに選択することにより、一様な線量分布を可能である。

図９は、単円走査の走査経路６０４を示す。単円走査は、ビームを切らずに連続的に単円を描くように走査する。走査円の半径と荷電粒子ビームのビームサイズを適切に選択することにより、中心部分に一様な線量分布が形成される。

図１０は、らせん走査の走査経路６０５を示す。らせん走査は、原点を出発し原点に戻ってくる一つのらせんを多数回繰り返す。単円走査と同様に、らせん走査の中心部分に一様な線量分布が形成される。

図１１は、ライン走査の場合の走査経路６０１を示す。ライン走査では、図７の始点よりビームオンし荷電粒子ビームをＸ方向に走査、図７の終点でビームオフする。その後Ｙ方向に移動し、再びＸ方向にビーム走査を繰り返す。このようにライン走査は、Ｘ方向にビーム走査する場合ビームを切らずに走査し、Ｙ方向に走査する際はビームを切り走査することで、Ｘ方向のライン状の線量分布をＹ方向に重ね合わせて一様な線量分布を形成する。Ｙ方向に並ぶラインの間隔を、ラスター走査と同様に、ビームサイズσに対して＜２σとすることにより一様な線量分布を形成する。

図７から図１１に示すいずれの横方向の走査方法も、走査経路に対応した水平，垂直走査電磁石の励磁電流値の配列をテーブルとして、図１に示す粒子線治療装置の全体制御装置１０２内のメモリ上に格納しておく。この励磁電流値を図２に示す照射ノズル制御装置１０３内の走査電磁石電源制御部７１に送る。同時に全体制御装置１０２より加速器，ビーム輸送系制御装置１０１にビームオン，ビームオフ信号を適宜送ることにより、図７から図１１に示す走査経路に基づく横方向の照射が行われる。

［実施例１］
本発明の好適な実施例である第一実施例では、均一走査において横方向にラスター走査で照射する場合に関する。従来の均一走査におけるラスター走査経路を図２０に示す。図２０では、コリメータ開口領域を斜線塗りつぶしに示し、点線がコリメータ開口領域をおおう矩形の照射野を表し、実線がラスター走査経路６０２を表す。図２０中始点と記す点よりラスター走査を開始し、ビームを切ることなくＸ方向走査，Ｙ方向走査を繰り返し、終点と記す点に至る。従来の均一走査では、図２０に示すように、治療計画装置１０４はコリメータ開口領域に対してこれをおおう照射野を求め、この照射野を一様な線量分布で照射するためのラスター走査経路６０２を計算する。あるいは、あらかじめ照射野に対応したラスター走査経路を計算しておき、照射野に対応したデータとして持っておく。例えば図２０では患部をおおう矩形領域の点線で示す照射野サイズを２５cm×２５cmとし、ビームサイズを１σで２cm程度と決め、Ｙ方向の走査間隔をビームサイズの２倍程度の４cmとし、Ｙ方向の走査本数を９本とする。Ｘ方向の走査範囲は、Ｘ方向の照射野サイズ２５cmを連続ビームで照射して一様な線量分布を形成し、端部での線量分布の落ち方を考慮して、−１８cmから＋１８cmまで走査すると決める。

本発明による治療計画装置１０４におけるラスター走査経路６０２を図２１に示す。図２１中、コリメータ開口領域を斜線塗りつぶしに示すのは、図２０同様である。図２１では、コリメータ開口領域のみを一様な線量分布で照射するためのラスター走査経路を示している。本実施例での治療計画装置１０４におけるラスター走査の走査経路６０２の計算方法について説明する。コリメータ開口領域のＹ方向の範囲を求める。荷電粒子ビームのビームサイズを、例えば、１σで２cmと決める。ラスター走査経路を構成する図７のＹ方向の走査間隔を決めてＹ方向の走査本数を決める。例えば図２１では、Ｙ方向の開口領域が−１０cmから＋１０cmまでの幅２０cmとすると、Ｙ方向の走査間隔をビームサイズ２倍程度の４cm、走査線の本数を７本と決める。Ｘ方向の走査範囲は、Ｙ方向の走査線ごとにビームサイズによる端部での線量分布の落ち方を考慮してコリメータ開口領域を一様な線量で照射できるように走査領域を決める。

決めたビームサイズの情報は全体制御装置１０２に送られ、ノズル制御装置より散乱体の厚さが適切に制御されることになる。図１３に、ラスター走査の場合の走査経路に対応した励磁電流値の配列を示す。図１３の配列は、図２に示す２台の走査電磁石４１Ａ，４１Ｂの励磁電流値の配列となる。図１３に示す配列を、粒子線治療装置の全体制御装置１０２のメモリ上に格納して、全体制御装置は上から順に走査電磁石電源制御部７１に励磁電流値を送り、横方向の走査が行われる。

以上のように本実施例では、図２１に示すように、治療計画装置１０４が患部を照射するためのコリメータ開口を計算した後に、このコリメータ開口領域のみを一様の線量で照射するための最適のラスター走査経路６０２を計算する。図２０と図２１を比較してみると分かるように、図２１では図２０においてコリメータ開口が照射野サイズ内側に入る領域の走査経路がなくなっている。これによりラスター走査経路６０２の走査距離を従来と比較して短縮することが可能となり、治療時間の短縮化が可能となる。また、従来コリメータ開口領域以外に当たっていた荷電粒子ビームを減らすことが可能となり、照射ノズルに輸送されてきた荷電粒子ビームを効率よく利用することが可能となる。

［実施例２］
本発明の好適な実施例である第二実施例では、均一走査において横方向にライン走査で照射する場合に関する。従来の均一走査におけるライン走査経路を図２２に示す。図２２では、コリメータ開口領域を斜線塗りつぶしに示し、点線がコリメータ開口領域をおおう矩形の照射野を表し、実線がライン走査経路６０１を表す。図２２中始点と記す点よりライン走査をＸ方向に開始し、終点と記す点に至る。これがライン走査の１ラインの照射でこれをＹ方向に繰り返し行い一面走査が終了する。従来の均一走査では、図２２に示すように、治療計画装置１０４はコリメータ開口領域に対してこれをおおう照射野を求め、この照射野を一様な線量分布で照射するためのライン走査経路６０１を計算する。あるいは、あらかじめ照射野に対応したラスター走査経路を計算しておき、照射野に対応したデータとして持っておく。例えば図２２では患部をおおう矩形領域の点線で示す照射野サイズを２５cm×２５cmとし、ビームサイズを１σで２cm程度と決め、Ｙ方向の走査間隔をビームサイズの２倍程度の４cmとし、Ｙ方向の走査本数を９本とする。Ｘ方向の走査範囲は、Ｘ方向の照射野サイズ２５cmを連続ビームで照射して一様な線量分布となり端部での線量分布の落ち方を考慮して、−１８cmから＋１８cmまで走査すると決める。

本発明による治療計画装置１０４におけるライン走査経路６０１を図２３に示す。図２３中、コリメータ開口領域を斜線塗りつぶしに示すのは、図２２同様である。図２３では、コリメータ開口領域のみを一様な線量分布で照射するためのライン走査経路６０１を示している。本実施例での治療計画装置１０４におけるライン走査の走査経路６０１の計算方法について説明する。コリメータ開口領域のＹ方向の範囲を求める。荷電粒子ビームのビームサイズを、例えば、１σで２cmと決める。ラスター走査経路を構成するＹ方向の走査間隔を決めてＹ方向の走査本数を決める。例えば図２３では、Ｙ方向の開口領域が−１０cmから＋１０cmまでの幅２０cmとすると、Ｙ方向の走査間隔をビームサイズ２倍程度の４cm、走査線の本数を７本と決める。Ｘ方向の走査範囲は、Ｙ方向の走査線ごとにビームサイズによる端部での線量分布の落ち方を考慮してコリメータ開口領域のみを一様な線量で照射できるように走査領域を決める。

決めたビームサイズの情報は全体制御装置１０２に送られ、ノズル制御装置より散乱体の厚さが適切に制御されることになる。図１９に、ライン走査の場合の走査経路に対応した励磁電流値とビーム制御信号の配列を示す。図１９の配列は、図２に示す２台の走査電磁石４１Ａ，４１Ｂの励磁電流値の配列となる。図１９に示す配列を、粒子線治療装置の全体制御装置１０２のメモリ上に格納して、全体制御装置は上から順に走査電磁石電源制御部７１に励磁電流値を送り、また、ビーム制御信号に従いビームオンオフを行い、横方向のライン走査が行われる。

以上のように本実施例では、図２３に示すように、治療計画装置１０４が患部を照射するためのコリメータ開口を計算した後に、このコリメータ開口領域のみを一様の線量で照射するための最適のライン走査経路６０１を計算する。図２２と図２３を比較してみると、図２３では図２２においてコリメータ開口が照射野サイズ内側に入る領域の走査経路がなくなっている。これによりライン走査経路６０１の走査距離を従来と比較して短縮することが可能となり、治療時間の短縮化が可能となる。また、従来コリメータ開口領域の外側に当たっていた荷電粒子ビームを減らすことが可能となり、照射ノズルに輸送されてきた荷電粒子ビームを効率よく利用することが可能となる。

［実施例３］
本発明の好適な実施例である第一実施例では、積層原体照射において、層分割した患部各層を横方向にラスター走査で照射する場合に関する。従来の積層原体照射では、図７に示すラスター走査の走査経路６０２ですべての層を照射していた。図１２（ａ）は本実施例における最も深い層１のラスター走査の走査経路６０２を示し、図１２（ｂ）は浅い側に位置する層６のラスター走査の走査経路６０２を示す。図１２では、層６のラスター走査経路は、マルチリーフコリメータ開口領域が小さくなっているため、層１のラスター走査経路と比較して短縮化している。図１２の走査経路は、治療計画装置１０４が、層分割された患部各層のマルチリーフコリメータ開口を計算した後に、最小の走査経路を計算する。

治療計画装置１０４におけるラスター走査の走査経路６０２の計算方法について説明する。マルチリーフコリメータの開口領域のＸ方向とＹ方向の範囲を求める。荷電粒子ビームのビームサイズを決める。例えば、ビームサイズを１σで２cmと決める。ラスター走査経路を構成する図７のＹ方向の走査間隔を決めてＹ方向の走査本数を決める。例えばＹ方向の開口領域が−５cmから＋５cmまでの幅１０cmとすると、走査間隔をビームサイズ２倍以下の３.５cm、走査線の本数を５本と決める。Ｘ方向の走査範囲は、Ｘ方向の開口領域にビームサイズによる線量分布の落ち方を考慮して走査領域を決める。各層でマルチリーフコリメータの開口領域は異なるため、このようにラスター走査経路を層毎に計算して決める。

決めたビームサイズの情報は全体制御装置１０２に送られ、ノズル制御装置より散乱体の厚さが適切に制御されることになる。図１３に、ラスター走査の場合の走査経路に対応した励磁電流値の配列を示す。図１３の配列は、図２に示す２台の走査電磁石４１Ａ，４１Ｂの励磁電流値の配列となる。図１３に示す配列を、粒子線治療装置の全体制御装置１０２のメモリ上に格納して、全体制御装置は上から順に走査電磁石電源制御部７１に励磁電流値を送り、横方向の走査が行われる。

以上のように本実施例では、積層原体照射において、治療計画装置１０４が層分割した患部各層のマルチリーフコリメータ開口を計算した後で、各層のマルチリーフコリメータ開口領域のみを一様な線量分布で照射するための最低限のラスター走査経路を計算する。これにより、各層のラスター走査経路の走査長が従来の積層原体照射と比較して短縮するため、治療時間の短縮化が可能であり、また、従来よりマルチリーフコリメータ閉領域に当たっていた荷電粒子ビームを減らすことが可能となり、照射ノズルに輸送されてきた荷電粒子ビームを効率よく利用することが可能となる。

［実施例４］
本発明の他の実施例である第２実施例について、図面を用いて説明する。実施例１では治療計画装置１０４が各層の走査経路を計算したが、本実施例では、積層原体照射で層分割した患部各層をラスター走査で照射していく場合、あらかじめ照射野サイズに対応したラスター走査経路を用意しておき、このなかから各層を照射するのに適した走査経路を選択する場合に関する。

治療計画装置１０４は、層分割された患部各層のマルチリーフコリメータ開口を計算する。治療計画装置１０４は、この開口領域を覆う最小の照射野サイズを計算する。照射野サイズとは、例えば１０cm×１０cmの場合、マージンを含めたマルチリーフコリメータ開口領域が１０cm×１０cmの内部に含まれることを意味する。このように積層原体照射における層分割した患部各層の照射野サイズを治療計画装置１０４が計算する。

一方、横方向に一様に照射することが可能な、照射野サイズに対応した複数のラスター走査経路を、あらかじめ計算して求めておく。図１４に照射野サイズに対応した走査経路を示す。図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、照射野サイズ２５cm×２５cm，照射野サイズ１５cm×１５cm，照射野サイズ１０cm×１０cmに対応したラスター走査の走査経路を示す。照射野サイズ２５cm×２５cmに対応した図１９（ａ）に示すラスター走査の走査経路６０２は、矩形領域２５cm×２５cmの領域を横方向に一様に照射可能である。各照射野サイズに対応したラスター走査経路の決め方は、実施例１に記述したものと同様で、ビームサイズ，Ｙ方向の走査線間隔，走査本数を決めた後、Ｘ方向の走査領域を照射野領域を一様に照射できるように決定する。図１４では３つの照射野サイズに対応した、３種類の走査経路を示すが、実際はもっと細かく照射野サイズを分けて、各照射野サイズに対応した走査経路をあらかじめ用意しておく。そして、これら複数のラスター走査経路に対応した図１３に示す走査電磁石励磁電流値の配列を、粒子線治療装置の全体制御装置１０２のメモリ上に照射野サイズと組みにして格納しておく。

治療計画装置１０４は各層の照射野サイズを全体制御装置１０２に送る。全体制御装置１０２は治療計画装置から送られてきた各層の照射野サイズ情報をもとに、メモリ上に登録された複数のラスター走査経路のなかから照射野サイズに対応するラスター走査経路を選択し、その走査経路の走査電磁石励磁電流値の配列を、走査電磁石電源制御部７１に送る。

これにより、各層のマルチリーフコリメータ開口領域を覆う最小の走査経路で、各層の横方向照射を行うことが可能となる。そのため、実施例１と同様に、各層の走査経路が従来と比較して短縮するため、治療時間の短縮化が可能であり、また、照射ノズルに輸送されてきた荷電粒子ビームを従来より効率よく利用することが可能となる。

本実施例では、照射野サイズとして正方形照射野を想定したが、これは円でも構わない。照射野サイズを直径１０cm，１５cm，２０cmとしてこれに対応したラスター走査の走査経路を用意しておけば良い。

［実施例５］
本発明の他の実施例である第３実施例について、図面を用いて説明する。本実施例では、積層原体照射において、層分割した患部各層を横方向にジグザグ走査で照射する場合について説明する。

従来の積層原体照射では、図８に示すジグザグ走査の走査経路６０３ですべての層を照射していた。図１５（ａ）は本実施例における最も深い層１のジグザグ走査の走査経路６０３を示し、図１５（ｂ）は浅い側に位置する層６のジグザグ走査の走査経路６０３を示す。図１５では、層６のジグザグ走査経路は、マルチリーフコリメータ開口領域が小さくなっているため、層１のジグザグ走査経路と比較して短縮化している。図１５の走査経路は、実施例１と同様、治療計画装置１０４が、層分割された患部各層のマルチリーフコリメータ開口を計算した後に、最小のジグザグ走査経路を計算する。

治療計画装置１０４におけるジグザグ走査の走査経路６０３の計算方法を説明する。各層のマルチリーフコリメータのＸ方向，Ｙ方向それぞれの開口範囲を求める。ビームサイズを例えば１σで２cmと決め、ジグザグ走査を構成する斜めに走る走査線間隔と走査線本数をＹ方向の開口範囲より求める。Ｘ方向の走査領域は、連続的に荷電粒子ビームを照射することにより端部での線量分布の落ち方を考慮して決める。これを各層のマルチリーフコリメータ開口領域に対して計算する。

本実施例の走査電磁石励磁電流値の配列は、図１３に示すのと同じである。ジグザグ走査の場合も、ラスター走査と同様、ビームをオンしたまま一筆書きで走査を行う。図１３に示す走査電磁石の励磁電流値配列を、全体制御装置１０２のメモリ上に格納して、照射が行われるのは実施例１のラスター走査の場合と同様である。

また、ジグザグ走査の場合も、実施例２に示すように照射野サイズに対応した複数のジグザグ走査経路をあらかじめ用意しておく方法も可能である。治療計画装置１０４は、層分割した各層の照射野サイズを計算して全体制御装置に送るので、その情報をもとに対応するジグザグ走査経路を選択する。図１４に示す照射野サイズに対応した複数のジグザグ走査経路をあらかじめ作っておけば良い。

［実施例６］
本発明の他の実施例である第４実施例について、図面を用いて説明する。本実施例では、積層原体照射において、層分割した患部各層を横方向に単円走査で照射する場合について説明する。

従来の積層原体照射では、図９に示す単円走査の走査経路６０４ですべての層を照射していた。図１６（ａ）は本実施例における最も深い層１の単円走査の走査経路６０４を示し、図１６（ｂ）は浅い側に位置する層６の単円走査の走査経路６０４を示す。図１６では、層６の単円走査経路は、マルチリーフコリメータ開口領域が小さくなっているため、層１の円形走査経路と比較して、回転半径が小さくなっている。図１６の走査経路は、実施例１と同様、治療計画装置１０４が、層分割された患部各層のマルチリーフコリメータ開口に応じて、最小の回転半径を計算する。

治療計画装置１０４における単円走査の走査経路６０４の計算方法を説明する。各層のマルチリーフコリメータ開口より開口範囲を覆う円の半径を求める。この円の約１.４倍程度を単円走査の回転半径とする。ビームサイズを単円走査の回転半径の０.６倍から０.７倍程度にすることで、コリメータ開口領域を一様に照射することが可能となる。照射する層が浅くなるにつれて、回転半径を小さくした場合、線量分布の一様度を保つために、散乱体の挿入量を変化させてビームサイズを回転半径に対応して小さくする。

円形走査による本実施例の走査電磁石励磁電流値の配列は、図１３に示すのと同じである。図１３の配列を、全体制御装置１０２のメモリ上に格納して、照射が行われるのは実施例１のラスター走査の場合と同様である。

また、単円走査の場合も、実施例２に示すように照射野サイズに対応した複数の単円走査経路をあらかじめ用意しておく方法も可能である。治療計画装置１０４は、層分割した患部各層の照射野サイズを計算して全体制御装置に送るので、その情報をもとに対応する単円走査経路を選択する。図１４に示す照射野サイズに対応した複数の単円走査経路をあらかじめ作っておく。

［実施例７］
本発明の他の実施例である第５実施例について、図面を用いて説明する。本実施例では、積層原体照射において、層分割した患部各層を横方向にらせん走査で照射する場合について説明する。

従来の積層原体照射では、図１０に示すらせん走査の走査経路６０５ですべての層を照射していた。図１７（ａ）は本実施例における最も深い層１のらせん走査の走査経路６０５を示し、図１７（ｂ）は浅い側に位置する層６のらせん走査の走査経路６０５を示す。
図１７では、層６のらせん走査経路は、マルチリーフコリメータ開口領域が小さくなっているため、層１のらせん走査経路と比較して、最大半径が小さくなっている。図１８の走査経路は、実施例１と同様、治療計画装置１０４が、層分割された患部各層のマルチリーフコリメータ開口に応じて、らせん走査の最大半径を計算する。

治療計画装置１０４におけるらせん走査の走査経路６０５の計算方法を説明する。各層のマルチリーフコリメータ開口より開口範囲を覆う円の半径を求める。ビームサイズを例えば１σで２cmと決め、この円の半径にビームサイズ２倍程度を加えた数値をらせん走査経路の最大半径とすれば良い。これにより開口領域を一様な線量分布で照射することが可能となる。

らせん走査による本実施例の走査電磁石励磁電流値の配列は、図１５に示すのと同じである。図１５の配列を、全体制御装置１０２のメモリ上に格納して、照射が行われるのは実施例２のラスター走査の場合と同様である。

らせん走査の場合も、実施例２に示すように照射野サイズに対応した複数のらせん走査経路をあらかじめ用意しておく方法も可能である。治療計画装置１０４は、層分割した患部各層の照射野サイズを計算して全体制御装置に送るので、その情報をもとに対応するらせん走査経路を選択する。図１４に示す照射野サイズに対応した複数のらせん走査経路をあらかじめ作っておく。

［実施例８］
本発明の他の実施例である第６実施例について、図面を用いて説明する。本実施例では、積層原体照射において、層分割した患部各層を横方向にライン走査で照射する場合について説明する。

従来の積層原体照射では、図１１に示すライン走査の走査経路６０１ですべての層を照射していた。図１８（ａ）は本実施例における最も深い層１のライン走査の走査経路６０１を示し、図１８（ｂ）は浅い側に位置する層６のライン走査の走査経路６０１を示す。
本発明では、層分割した患部各層をビーム進行方向から見た時、浅い層では横方向の患部形状は小さくなっていくことに着目する。そのため、マルチリーフコリメータ開口領域も、深い層と比較して層が浅くなっていくと小さくなる。そのため、図１８に示すように、一番深い層１を照射する時の走査経路と比較して、浅い層６を照射する時の走査経路は小さくなったマルチリーフコリメータ開口領域のみを一様に照射できるように、走査経路を短縮化することが可能となる。各層のマルチリーフコリメータ開口は治療計画装置が計算するので、各層のマルチリーフコリメータ開口領域に応じて開口部分の線量分布を一様に照射できる最小の走査経路を治療計画装置が計算する。

治療計画装置１０４におけるライン走査の走査経路６０１の計算方法を説明する。マルチリーフコリメータの開口領域のＸ方向とＹ方向の範囲を求める。荷電粒子ビームのビームサイズを決める。例えば、ビームサイズを１σで２cmと決める。ライン走査経路を構成する図１１のＹ方向の走査間隔を決めてＹ方向の走査本数を決める。例えばＹ方向の開口領域が−５cmから＋５cmまでの幅１０cmとすると、走査間隔をビームサイズ２倍以下の３.５cm、走査線の本数を５本と決める。Ｘ方向の走査範囲は、Ｘ方向の開口領域にビームサイズによる線量分布の落ち方を考慮して走査領域を決める。各層でマルチリーフコリメータの開口領域は異なるため、このようにライン走査経路を層毎に計算して決める。

治療計画装置１０４が各層の最適の走査経路を計算すると、この結果を粒子線治療装置の全体制御装置１０２に送信する。全体制御装置１０２では、走査経路の座標値を水平，垂直走査電磁石の励磁電流値に変換する。さらにライン走査は走査ライン毎にビームオン，ビームオフのビーム制御を行うため、走査経路に対応した励磁電流値の配列にビーム制御情報を追加する。このように計算された走査電磁石の励磁電流値とビーム制御情報の配列を図１９に示す。図１９の情報をテーブルとして、全体制御装置１０２のメモリ上に格納する。図１９に示す配列を上から順に、励磁電流値の情報を走査電磁石電源制御部７１に送り、ビーム制御信号を加速器，ビーム輸送系制御装置１０１に送る。

以上により、横方向の荷電粒子ビームの照射にライン走査を行う積層原体照射において、層分割した患部各層のマルチリーフコリメータ開口領域のみを一様に照射する最小の走査経路で照射することが可能となる。走査経路が、従来の積層原体照射と比較して短縮した結果、治療時間を従来よりも短縮することが可能となる。また、各層の照射において最低限の走査経路で照射を行うことから、従来の積層原体照射で発生していたマルチリーフコリメータ遮蔽部分に当たっていた荷電粒子ビーム量を減らすことになり、照射ノズルに輸送されてきた荷電粒子ビームを従来より効率よく利用することが可能となる。

ライン走査の場合も、実施例２に示すように照射野サイズに対応した複数のライン走査経路をあらかじめ用意しておく方法も可能である。治療計画装置１０４は、層分割した患部各層の照射野サイズを計算して全体制御装置に送るので、その情報をもとに対応するライン走査経路を選択する。図１４に示す照射野サイズに対応した複数のライン走査経路をあらかじめ作っておけば良い。

５ 患者
２１ 入射器
２２ 加速器
３１ ビーム輸送系偏向電磁石
４１ 走査電磁石
４２ 散乱体
４３ リッジフィルタ
４４ 平坦度モニタ
４５ 線量モニタ
４６ マルチリーフコリメータ
４７ ボーラス
４８ レンジシフタ
５１ 患部
６１ 走査電磁石電源
６３ リッジフィルタ駆動部
６４ 平坦度モニタ信号取得部
６５ 線量モニタ信号取得部
６６ マルチリーフコリメータ駆動部
７１ 走査電磁石電源制御部
７３ リッジフィルタ制御部
７４ 線量平坦度演算部
７５ ビーム照射量管理部
７６ マルチリーフコリメータ制御装置
１００ 粒子線治療制御装置
１０１ 加速器，ビーム輸送系制御装置
１０２ 全体制御装置
１０３ 照射ノズル制御装置
１０４ 治療計画装置
２００ 粒子線加速器
３００ ビーム輸送系
４００ 照射ノズル
５００ ベッド装置
６０１ ライン走査の走査経路
６０２ ラスター走査の走査経路
６０３ ジグザグ走査の走査経路
６０４ 単円走査の走査経路
６０５ らせん走査の走査経路

Claims (9)

1. 電磁石により荷電粒子ビームを走査して横方向に一様な線量分布を形成する均一走査を計画する治療計画装置において、患部の形状に応じてコリメータ開口部の形状を計算し、その後、前記患部の形状に応じて決定されたコリメータ開口部の領域のみを一様な線量分布で照射するための横方向の走査経路を計算することを特徴とする治療計画装置。
2. 前記横方向の走査経路がラスター走査経路であることを特徴とする請求項１に記載の治療計画装置。
3. 前記横方向の走査経路がライン走査経路であることを特徴とする請求項１に記計画装置。
4. 患部を層に分割し、線量分布を患部形状に合わせるためのボーラスを使用し、層分割した患部各層を、マルチリーフコリメータにより横方向の照射野形状を各層毎に変化させながら照射していく積層原体照射を計画する治療計画装置において、
   各層のマルチリーフコリメータ開口領域を患部の形状に応じて計算し、その計算された開口領域のみを一様な線量分布で照射するための荷電粒子ビームの走査経路を計算し、各層毎に荷電粒子ビーム走査経路を変化させることを特徴とする治療計画装置。
5. 前記各層を照射していく横方向の照射方法がラスター走査であることを特徴とする請求項４に記載の治療計画装置。
6. 前記各層を照射していく横方向の照射方法がジグザグ走査であることを特徴とする請求項４に記載の治療計画装置。
7. 前記各層を照射していく横方向の照射方法が円形走査であることを特徴とする請求項４に記載の治療計画装置。
8. 前記各層を照射していく横方向の照射方法がらせん走査であることを特徴とする請求項４に記載の治療計画装置。
9. 前記各層を照射していく横方向の照射方法がライン走査であることを特徴とする請求項４に記載の治療計画装置。

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