JP5911642B2 - 粒子線治療装置および線量校正係数の設定方法 - Google Patents

Description

本発明は粒子線を照射して癌等を治療するための粒子線治療装置において、とくに、積層原体照射法やスキャニング照射法を採用する粒子線治療装置、および線量校正係数の設定方法に関する。

粒子線治療装置で採用する照射方法には、照射対象を体表面からの深さに応じて仮想的に複数の層に分割し、層ごとに照射を行う積層原体照射法やスキャニング照射法が知られている。いずれの照射法を採用する場合でも、治療計画装置によって計画された目標線量に沿った照射を行うためには、照射中に線量を正確に把握する必要があるが、照射対象である体内に線量計を配置（埋め込み）することは不可能である。そのため、通常は、粒子線の進行方向における体表面の上流側に配置された線量モニタの計測値に基づいて、照射対象での線量（実線量）を推定することになる。

しかし、粒子線は、平行ビームではなく、広がりをもったファンビーム若しくはコーンビームであるため、線量モニタでの計測値は、患部の体内での位置の違いによる線量の変化が反映されず、単純に実線量に換算することは困難である。

そこで、実線量と線量モニタでの計測値との関係への、気温、気圧のみならず機械的特性の影響も考慮して、治療照射条件毎に測定した線量校正係数を用いて校正を行う粒子線治療装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。さらには、積層原体照射法やスキャニング照射法において、層ごとに線量校正係数を求める粒子線治療装置も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００８−２４５７１６号公報（段落０００９〜００２５、図１〜図４） 特開２０１１−５２７６号公報（段落００２５〜００３９、図７〜図９）

線量校正係数を求める場合、水ファントムを照射対象に見立て、照射するビームのエネルギーや、水ファントムの中に入れた線量計（基準線量計）の深さを変えたときの、基準線量計の測定値と線量モニタの計測値を用いることが一般的である。しかしながら、水ファントム自体に大きさの制限があるため、水ファントムを用いて各層に対応した線量校正係数を求めるにも限界がある。具体的には、水ファントムで測定可能な測定深さ（水等価深度）以下では、実測ができないという問題があった。

さらに、照射予定の照射対象に設定された各層が水ファントムで測定可能な水等価深度領域であったとしても、各層の水等価深度ピッチは１ｍｍ弱〜数ｍｍのオーダと細かい。そのため、例えば照射対象の厚みが７５ｍｍであったと仮定すると約３０〜１００回もの実測が必要となり、手間や時間がかかるという問題もあった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、治療計画に沿った高精度な照射を実現する粒子線治療装置および照射線量の校正方法を提供することを目的とする。

本発明の粒子線治療装置は、照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療装置であって、加速器から供給された粒子線を前記層ごとに成形して照射する照射装置と、前記照射装置に設置され、線量をリアルタイムで計測する線量モニタと、前記線量モニタが計測した計測値と前記層ごとに設定された線量校正係数を用いて算出した線量と治療計画で定められた線量とに基づいて、前記層ごとの照射線量を評価する線量評価部と、前記線量評価部の評価結果に基づき、前記層ごとの照射量を制御する照射制御装置と、校正線量計を設置した模擬ファントムに前記粒子線を照射することによって得られた実測線量校正係数を用いて、少なくとも前記実測線量校正係数が得られていない層に対する前記線量校正係数の補間値もしくは推定値を生成する補間値生成部と、を備え、前記補間値生成部は、前記補間値もしくは推定値の対象となる層ごとに、当該層の照射条件に基づいて、前記実測線量校正係数ごとの重みづけを行うことを特徴とする。

また、本発明の線量校正係数の設定方法は、照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療において、照射装置に設置された線量モニタの計測値を用いて、前記照射対象での線量を算出するための線量校正係数の設定方法であって、校正線量計を設置した模擬ファントムに粒子線を照射し、前記線量モニタの計測値と、前記校正線量計の測定値に基づいて、前記校正線量計の前記模擬ファントム内での深さをパラメータとする実測線量校正係数を得る工程と、前記実測線量校正係数に基づいて、前記深さを変数とする前記線量校正係数の関数を構築し、前記実測線量校正係数が得られていない層に対応する前記線量校正係数の補間値もしくは推定値を生成する補間値生成工程と、を含み、前記補間値生成工程では、前記補間値もしくは推定値の対象となる層に応じて、当該層に対応する照射条件に基づいて、前記実測線量校正係数ごとの重みづけを行うことを特徴とする。

本発明の粒子線治療装置あるいは線量校正係数の設定方法によれば、実線量を測定していない層であっても正確に線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。

本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置の構成および線量校正係数の設定方法を説明するためのブロック図である。 本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置を構成する機器を模式的に示した図である。 本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置の線量評価部の構成および線量校正係数の設定方法を説明するためのブロック図である。 本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置において線量校正を行う際の機器構成を模式的に示した図である。 本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置における各層の水等価深度と実測した線量校正係数および補間した線量校正係数との関係を表したグラフである。 本発明の実施の形態２にかかる粒子線治療装置におけるそれぞれ照射条件が異なる層の水等価深度と実測した線量校正係数との関係を表したグラフである。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置の構成について説明する。図１〜図５は、本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置および線量校正係数の設定方法について説明するためのもので、図１は粒子線治療装置の構成および線量校正係数の設定方法を説明するための全体の機能ブロック図、図２は粒子線治療を行う際の機器構成を模式的に説明するための全体図、図３は粒子線治療装置の構成および線量校正係数の設定方法を説明するための線量評価部の機能ブロック図、図４はキャリブレーションステージにおいて線量校正を行う際の機器構成を説明するための図、図５は照射線量を構成するための線量校正係数を算出するための各層の水等価深度と実測した線量校正係数および補間した線量校正係数との関係を表したグラフである。

本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置および線量校正係数の設定方法の特徴は、実線量を測定していない層における照射線量を正確に評価するための補間値もしくは推定値を生成するための構成にある。しかし、その説明の前に、照射対象を体表面からの深さに応じて仮想的に複数の層に分割し、層ごとに照射を行うための粒子線治療装置の構成、および線量校正係数を得る際の装置構成について説明する。なお、以下説明を簡略にするため、補間値もしくは推定値をまとめて補間値と称することとする。

本発明の実施の形態１かかる粒子線治療装置１は、図２に示すように、粒子線の供給源（線源）として、シンクロトロンである加速器３０と、加速器３０から供給された粒子線を、患部（照射対象）に応じて成形して照射する照射装置１０と、加速器３０と（図示しない分も含めた）複数の照射装置１０とを結び、加速器３０から出射された粒子線を選択された照射装置１０に輸送する粒子線輸送部２０とを備えている。

加速器３０は、荷電粒子を周回させるための軌道経路となる真空ダクト３１、前段加速器３８から供給された荷電粒子を真空ダクト３１に入射するための入射装置３２、荷電粒子が真空ダクト３１内の周回軌道に沿って周回するよう、荷電粒子の軌道を偏向させるための偏向電磁石３３、周回軌道上の荷電粒子を発散しないように収束させる収束用電磁石３４、周回する荷電粒子に同期した高周波電圧を与えて加速する高周波加速空洞３５、周回軌道内で加速させた荷電粒子を、所定エネルギーを有する粒子線として周回軌道外に取り出し、粒子線輸送部２０に出射するための出射装置３６、出射装置３６から粒子線を出射させるために周回軌道内で共鳴を励起する六極電磁石３７を備えている。そして、周回軌道内の荷電粒子は、高周波数の電界で加速され、磁石で曲げられながら、光速の約６０〜８０％まで加速され、粒子線輸送部２０へ出射される。

粒子線輸送部２０は、ＨＥＢＴ（高エネルギービーム輸送：High Energy Beam Transport）系と称され、粒子線の輸送経路となる真空ダクトと、粒子線の軌道を切り替える切替電磁石と、粒子線を所定角度に偏向する偏向電磁石とを備えている。なお、図では、粒子線輸送部２０のうち、加速器３０との接続部分および照射装置１０とに接続される真空ダクト部分以外の部分については記載を省略している。

照射装置１０は、患者Ｋに粒子線治療を行うための図示しない治療室ごとに設置され、粒子線輸送部２０から供給された粒子線を照射対象の大きさや深さに応じた照射野に成形して患部へ照射するものである。しかし、照射装置１０に供給される粒子線は、いわゆるペンシル状の細いビームである。そこで、照射装置１０は、粒子線の照射野のうち、横方向（即ち、ビーム進行方向に垂直な面）の形状を制御するための横方向照射野形成部１１と、深さ方向（即ち、ビーム進行方向）を制御する深さ方向照射野形成部１３と、患部に照射された線量を評価するために、所定領域を通過する粒子線をリアルタイムでモニタ（カウント）して計測値Ｃ_ｉを出力する線量モニタ１２と、を備えている。また、治療室には、アイソセンタＩＣを基準として、照射中の患者Ｋを位置決め固定するための治療台４１等が設けられている。

深さ方向照射野形成部１３内には、例えば、ブラッグピークの幅を拡大させるためのリッジフィルタ（ridge filter）１４や、粒子線のエネルギー（飛程）を変えるためのレンジシフタ１５等と、を備えている。横方向照射野形成部１１には、例えばビーム進行方向に垂直な方向に粒子線を偏向させる図示しない走査電磁石等が設けられている。照射野は走査電磁石で直接成形する場合や、走査電磁石で例えば一度円形に拡大して、マルチリーフコリメータなどの制限器を用いて成形する場合がある。

このような粒子線治療装置１を用いて、治療を行う際には、各部を連携して制御する必要がある。そのため、制御の観点から粒子線治療装置１を表現すると、図１のように、治療計画部５０、照射制御部６０、加速器３０、粒子線輸送部２０、照射装置１０、位置制御部４０などで構成されることになる。

照射装置１０は、上述したように粒子線を患者に照射する際に適切な照射野を形成するための機能を有し、治療計画部５０は所望する線量分布を照射するために照射装置１０の各機器のパラメータを適切な値に決める機能を有する。位置制御部４０は、治療台４１等による患者の固定、標的（標的体積とも称す）の位置決めと確認などを実施する機能を有する。照射制御部６０は、治療計画部５０からの指示に基づいて、加速器３０、粒子線輸送部２０、照射装置１０、位置制御部４０の動作を制御する。なお、照射制御部６０の詳細な構成（図３）の説明の前に、粒子線治療の流れについて説明する。

粒子線治療を、ここでは３つのステージに分けて説明する。３つのステージとは、（ｉ）治療計画ステージ、（ｉｉ）キャリブレーションステージ、および（ｉｉｉ）照射治療ステージである。

（ｉ）治療計画ステージでは、照射対象である患者の患部に対して、１：どの角度から、２：どのような照射野で、また３：どれくらいの線量を、照射するかが治療計画部５０（あるいは外部の治療計画装置）によって計画される。

（ｉｉ）キャリブレーションステージでは、図３に示すように照射制御部６０内に構築された線量評価部７０によって、線量モニタ１２で検出した計測値を照射対象に付与された線量に換算するための線量校正係数を算出する。具体的には、図４に示すように、治療時に治療台４１が設置される位置に、人体を模擬する模擬ファントムとして、水ファントム８１を含む校正装置８０を設置する。高さ調整台８４上に設置された水ファントム８１の中には、線量計駆動装置８３によって、照射対象の体表面からの深さに応じて設定された各層に応じた位置に位置決めされる校正線量計８２が設置されている。そして、キャリブレーション（校正）用のビームを水ファントム８１に照射する。そのとき、照射装置１０内に常設された線量モニタ１２から出力される計測値Ｃ_ｉと、校正線量計８２から出力される物理線量Ｄ_ｉとが、実測され、校正係数算出部７７によって層（校正線量計８２の水面からの深さ）ごとに式（１）で示す線量校正係数α_ｉが算出される。

ここで、下添え字ｉはｉ番目の層であることを示すインデックスであり、線量校正係数α_ｉ［Ｇｙ／Ｃｏｕｎｔ］は、校正用ビームを校正線量計８２で実測した物理線量Ｄ_ｉ［Ｇｙ］をそのときに線量モニタ１２が計測した計測値Ｃ_ｉ［Ｃｏｕｎｔ］で除した値として求まる。求められた層ごとの線量校正係数α_ｉは、各層の水等価深度ｘ_ｉ［ｍｍ ＷＥＬ］を引数としたルックアップテーブルとして線量データ処理部７１内に保存される。

本実施の形態１にかかる粒子線治療装置あるいは線量校正係数の設定方法においては、水ファントム８１で測定可能な測定深さ以下の領域に対応する層の線量校正係数の推定値である補間値β_ｉ［Ｇｙ／Ｃｏｕｎｔ］を正確に求めるための構成に特徴がある。具体的には、実測したデータに基づく線量校正係数α_ｉを用いて、ある水等価深度ｘ_ｉに対応する補間値β_ｉへの写像（数学的モデル）を構築する際、水等価深度ｘ_ｉに応じて、線量校正係数α_ｉごとの重みづけを変化させることである。

説明を簡略化するため、はじめに、重みづけとは関係なく、この写像（数学的モデル）を式（２）に示すような多項式で構築し、当該多項式の未知係数を最小二乗法によって求める場合についての例を示す。
β_ｉ＝ｋ_０＋ｋ_１ｘ_ｉ＋ｋ_２ｘ_ｉ ^２ ・・（２）
ただし、ｋ_０，ｋ_１，ｋ_２は未知係数であり、Ａ、Ｂを以下の式（Ｄ１）のようにおいたとき、式（３）のように求める。

［ｋ_０ ｋ_１ ｋ_２］＝：Ｘ＝（Ａ^ＴＡ）^−１Ａ^ＴＢ ・・（３）
ただし、上添え字Ｔは、転置行列であることを表す。

この多項式の次数は、必要に応じて増やすことも減らすことも可能であるが、層の深さと照射線量との関係が連続的な場合は、経験的に次数が２の多項式であれば十分に精度よく線量校正係数を推定できることを発明者らは確認している。しかし、発明者らは、粒子線治療においては、層の深さと照射線量との間に非連続的な関係となる場合が多々あることに着目し、補間値β_ｉの生成において、水等価深度ｘ_ｉに応じて、線量校正係数α_ｉごとの重みづけを変化させるようにした。

そのため、線量データ処理部７１には、図３に示すように、補間値生成部７４に、補間値β_ｉの水等価深度ｘ_ｉに基づいて、線量校正係数α_ｉごとの重みづけを設定する重み設定部７５を設けた。これにより、補間値算出部７６は、重み設定部７５が設定した重みづけを反映した写像により、線量校正係数α_ｉを用いて補間値β_ｉを算出する。より具体的には、主としてディスタル側の層に対応する領域が水ファントム８１で測定可能な測定深より深くなり、実測が不可能なことが多いことを考慮し、ディスタル側のデータにウェートを置く重み付き最小二乗法によって写像の未知係数を求める。

つまり、上述した式（Ｄ１）と式（３）の組合せの代わりに、式（Ｄ２）と式（４）の組合せによって、未知係数ｋ_０，ｋ_１，ｋ_２を求める。

［ｋ_０ ｋ_１ ｋ_２］＝：Ｘ＝（Ａ^ＴＷ^ＴＷＡ）^−１Ａ^ＴＷ^ＴＷＢ ・・（４）

式（Ｄ２）のＷは対角行列であり、左上から右下にかけて並ぶ数字が重みを表し、左上の浅い層（プロキシマル側）に設定する重み（＝１）に対して、右下の深い層（ディスタル側）に設定する重み（＝２，５，１０）の方を大きくしていることがわかる。

このようなＷの定義も含めた線量校正係数を推定する写像（数学的モデル）は、補間値β_ｉを求める水等価深度ｘ_ｉに応じて生成され、補間値生成部７４内に保存されている。そして、重み設定部７５において、測定可能な領域よりも深い層の補間値β_ｉを算出する際は、ディスタル側の重みが大きな写像を使用し、測定可能な領域の場合は例えば、重みづけを平坦にした写像や、その深さに近い層の重みを大きくした写像を使用する。つまり、重み設定部７５は、β_ｉを求める水等価深度ｘ_ｉに応じて、写像を適宜選択あるいは修正できるようになっている。

（ｉｉｉ）照射治療ステージでは、照射対象への照射中に、線量モニタ１２によってリアルタイムで出力された計測値Ｃ_ｉが線量評価部７０の線量算出部７３に出力される。線量算出部７３は、キャリブレーションステージで生成した、その層に対応する線量校正係数α_ｉまたは補間値β_ｉを用いて、計測値Ｃ_ｉから照射対象に付与された照射線量を算出（Ｃ_ｉ×α_ｉ、あるいはＣ_ｉ×β_ｉ）し、評価部７２に出力する。評価部７２では、出力された線量が目標線量に達したか否かを判断し、評価結果を出力する。これにより、リアルタイムで線量評価を行うことができ、評価結果に基づく照射制御が行える。

照射制御部６０は、目標線量どおりに照射を実現するため、その層における線量が目標線量に達する旨の評価結果を受けると、その層での照射を停止し、次の層へ移行するように、照射装置１０の動作を制御する。

なお、上述した水等価深度ｘ_ｉに応じた補間値β_ｉを算出することにより、実測値に基づく線量校正係数α_ｉを得ることが困難な層の線量を正確に算出することができる。また、補間値β_ｉは式（２）の多項式で表されるように深さ方向に対して連続的に変化する値であり、線量校正係数α_ｉが存在する領域であっても、補間値β_ｉのみを用いる方が、制御を行う上では都合がいい。しかし、実際の照射においては、図５に示すように、式（２）で表現する多項式からはずれた特性を示す場合がある。そこで、本実施の形態１にかかる粒子線治療装置あるいは照射線量の校正方法においては、線量校正係数α_ｉが存在する領域において、線量校正係数α_ｉあるいは補間値β_ｉのいずれのデータを用いるべきかを選択できるように構成している。

その具体例について、図５を用いて説明する。図中、横軸は水等価深度ｘ_ｉ［ｍｍ ＷＥＬ］（水ファントム８１中の校正線量計８２の水表面からの深さ）、縦軸は線量校正係数α_ｉあるいは補間値β_ｉ［Ｇｙ／Ｃｏｕｎｔ］を示している。なお、図中、αａは線量校正に採用する線量校正係数α_ｉデータ、αｒは線量校正に採用しない線量校正係数α_ｉデータであり、破線は、線量校正係数α_ｉに重みづけを行って算出した未知係数で求めた式（２）を示す曲線である。そして、βａは線量校正に採用する補間値β_ｉデータ、βｒは線量校正に採用しない補間値β_ｉデータである。

図では、線量校正係数α_ｉが存在する層については、補間値β_ｉを採用せず、線量校正係数α_ｉを採用する場合を示している。しかし、例えば、補間値β_ｉの値が、線量校正係数α_ｉのばらつきσの範囲内にあるデータ（図中ＣＰ）であれば、線量校正係数α_ｉの代わりに補間値β_ｉを採用するようにしてもよい。

あるいは、上記選択を、照射制御部６０の入力画面からの信号に基づいて行うようにしてもよい。具体的には、粒子線治療装置１を操作する医者・技師又は医者等の指示に基づいて装置を操作するオペレータ等が、照射対象である患者の患部が、どの層（すなわち何番目の層）に対応しているかを確認する。例えば、対応する層としてインデックスｉ＝１０〜３０が対応する場合、各々の層に対して、ルックアップテーブルに保存された線量校正係数α_ｉを用いるか、写像に基づく補間値β_ｉを用いるかの判断を照射制御部６０の入力画面上で行えば、その結果が線量データ処理部７１に出力される。

いずれの場合でも、ディスタル側のショットの患者校正深が水ファントムで測定可能な深度領域Ｒｍより深く、実測が不可能な領域Ｒｏの場合、すなわちルックアップテーブルに該当する線量校正係数α_ｉが存在しない場合は、自動的に補間値β_ｉを用いることになる。

これにより、制御のスムーズさと、正確さを両立した線量評価を行うことが可能になる。なお、上記例では、線量評価部７０を照射制御部６０内に、線量評価部内７０内に校正係数算出部７７等を構築した例について説明したが、上記機能を発揮できるのであれば、適宜変形が可能であることは言うまでもない。

以上のように、本実施の形態１にかかる粒子線治療装置によれば、照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療装置１であって、加速器３０から供給された粒子線を層ごとに成形して照射する照射装置１０と、照射装置１０に設置され、線量をリアルタイムで計測する線量モニタ１２と、線量モニタ１２が計測した計測値Ｃ_ｉと層ごとに設定された線量校正係数（α_ｉ、β_ｉ）を用いて算出した線量と治療計画で定められた線量とに基づいて、層ごとの照射線量を評価する線量評価部７０と、線量評価部７０の評価結果に基づき、層ごとの照射量を制御する照射制御装置（照射制御部６０）と、校正線量計８２を設置した模擬ファントム（水ファントム８１）に粒子線を照射することによって得られた実測線量校正係数α_ｉを用いて、少なくとも実測線量校正係数α_ｉが得られていない層に対する線量校正係数の補間値β_ｉを生成する補間値生成部７４と、を備え、補間値生成部７４は、深さｘ_ｉが所定値（例えば、水ファントム８１での測定限界）以上の層に対する補間値β_ｉを生成する際、実測線量校正係数α_ｉのうち、深い層の実測線量校正係数α_ｉの重みが、浅い層の実測線量校正係数α_ｉの重みよりも大きくなるように、重みづけを行うように構成したので、模擬ファントム（水ファントム８１）で測定できない深さｘ_ｉが所定以上の層に対しても正確な補間値β_ｉを得ることができ、正確に線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。

また、本実施の形態１にかかる線量校正係数の設定方法によれば、照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療において、照射装置１０に設置された線量モニタ１２の計測値Ｃ_ｉを用いて、照射対象での線量を算出するための線量校正係数（α_ｉ、β_ｉ）の設定方法であって、校正線量計８２を設置した模擬ファントム（水ファントム８１）に粒子線を照射し、線量モニタ１２の計測値Ｃ_ｉと、校正線量計８２の測定値（物理線量Ｄ_ｉ）に基づいて、校正線量計８２の模擬ファントム（水ファントム８１）内での深さｘ_ｉをパラメータとする実測線量校正係数α_ｉを得る工程と、実測線量校正係数α_ｉに基づいて、深さｘ_ｉを変数とする線量校正係数α_ｉの関数（式（２））を構築し、実測線量校正係数α_ｉが得られていない層に対応する線量校正係数の補間値β_ｉを生成する補間値生成工程と、を含み、補間値生成工程では、深さｘ_ｉが所定値（例えば、水ファントム８１での測定限界）以上の層に対する補間値β_ｉを生成する際、実測線量校正係数α_ｉのうち、深い層の実測線量校正係数α_ｉの重みが、浅い層の実測線量校正係数α_ｉの重みよりも大きくなるように、重みづけを行うように構成したので、実線量を測定していない層であっても正確な校正線量係数を用いて線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１においては、補間値β_ｉの算出において、水等価深度に注目して重みづけを行った例について記載したが、本実施の形態２では、水等価深度以外の照射条件も考慮に入れて重みづけを行うようにした。図６は本実施の形態２にかかる粒子線治療装置あるいは線量校正係数の設定方法を説明するためのもので、粒子線治療装置におけるそれぞれ照射条件が異なる層の水等価深度と実測した線量校正係数との関係を模式的に表したグラフである。なお、粒子線治療装置および制御に関する構成については、実施の形態１で用いた図を援用し、同様部分の説明は省略する。

本実施の形態２においては、水等価深度が変化した場合に、その水等価深度での照射を実現するために、粒子線の飛程（ブラッグピークの位置）を調整したことにより、線量分布が変化することに着目したものである。線量分布が、照射された粒子線の飛程によって変化する要因としては、＜１＞ファンビーム効果若しくはコーンビーム効果、＜２＞使用するレンジシフタ１５の種類（厚み）違い、＜３＞ワブラー半径の違い（積層原体照射等の場合）、が挙げられる。以下、それぞれについて説明する。

＜１＞ファンビーム効果若しくはコーンビーム効果
上述したように、照射装置１０は、加速器３０から供給されたペンシル状の細いビームを、患部形状に合わせて成形し、治療計画された線量分布を実現するためのものである。そのため、供給されたビームは、横方向照射野形成部１１に設置された、散乱体若しくはワブラー電磁石でｘｙ方向に拡大され（ブロードビーム方式（積層原体照射の場合を含む））、あるいはスキャニング電磁石によりｘｙ方向に走査される（スキャニング方式）。

したがって、照射装置１０から照射対象に至るビームは、平行ではなく、散乱体若しくはワブラー電磁石又はスキャニング電磁石によってファン状あるいはコーン状に広がる領域を通過するように照射される。したがって、もともとのペンシル状の細いビームが同じ強度（時間当たりの粒子数が同じ）であっても、飛程が異なることによって線量分布（単位面積当たりの粒子数と考えてもよい）も異なることになる。そのため、照射装置１０内に設置された線量モニタ１２によってカウントされる計測値Ｃ_ｉ（粒子数に相当）が同じでも、飛程が異なると、患者へ付与される線量分布が異なってしまう。このことをファンビーム効果やコーンビーム効果という。

＜２＞使用するレンジシフタの種類（厚み）違いによる効果
粒子線の飛程を変える方法として主として２つの方法がある。第１は、加速器３０側で加速する粒子の運動エネルギーを変える方法である。第２は、所定のエネルギーで供給された粒子線を厚みの異なるレンジシフタ１５を通過させることによって粒子の持つ運動エネルギーの消失する量を調節する方法である。加速器３０による方法は、おおまかなエネルギーレベルの調整、レンジシフタ１５の種類を変える方法は細かなエネルギーの調整に向いており、実際の装置においては、２つの方法が併用されることが一般的である。

レンジシフタ１５は、深さ方向照射野形成部１３として、照射装置１０内に設置されており、粒子線がレンジシフタ１５を通過する際に発散し始める。この発散の度合いはレンジシフタ１５の厚みに大きく依存するため、レンジシフタ１５の厚みの違いによって線量分布も異なってくる。特に発散の度合いが大きく変化するのは、レンジシフタ１５をまったく用いない場合とレンジシフタ１５を用いたときの差である。この影響を極力避けるため、レンジシフタ１５を必要としない目標エネルギーの場合であっても、あえて薄いレンジシフタ１５をダミー的に入れることも効果的である。

＜３＞ワブラー半径の違い（積層原体照射等のブロードビーム方式の場合）
前述のとおり、ブロードビーム方式の場合、患部形状に合わせて治療計画された線量分布を実現するため、照射装置１０に供給されたペンシル状の細いビームは、ワブラー電磁石等を用いてｘｙ方向に拡大される。より詳細には、ワブラー電磁石はペンシル状の細いビームを例えば円を描くように走査し、その後粒子線は散乱体を通過するように照射される。このことによって、拡大された照射野内で概ね均一な線量分布が実現される。このときに、ビームが描く円の半径のことを「ワブラー半径」とよぶ。

この後、照射野を当該患者の患部の形状に合わせるよう、コリメータ等によって余分な部分がブロックされ成形される。このとき、当該均一な線量分布をもつ照射野の大きさは、患者の患部を完全に含むことができる程度に大きければ十分である。よって、ビームの利用効率を考えて、ワブラー半径は患者の患部（あるいは層ごと）の大きさによって意図的に変えることができる。このワブラー半径も線量分布が変化する要因である。

積層原体照射を例に、上記＜１＞〜＜３＞の要因がどのように影響するかについて述べる。照射対象である患者の患部は、ビーム軸方向（深さ方向、ｚ方向）にいくつかの仮想的なスライス（層）に分けられる。簡単のため、スライスに番号（ディスタル側から１，２，・・・ｎ）をつける。照射するスライスの順番が必ずこの順番（ディスタル側から）である必要はないが、ディスタル側から行う順番は医療現場でよく採用されている。各スライスへの照射を実現するため、照射ビームの飛程（ブラッグピークの位置）として粒子線のエネルギーが調整される。前述のとおり粒子線のエネルギーは加速器３０とレンジシフタ１５とを併用して調整するが、ここで、加速器３０のパラメータと使用するレンジシフタ１５が決定される。

上記仮想的なスライスに対して治療時にどのような線量校正係数を用いるかは、事前の水ファントム８１を用いた測定（キャリブレーションステージ）によって決定される。ここで、当該線量校正係数は、実施の形態１で説明したように、水等価深度を引数とした多項式モデル（式（２））で補間値β_ｉを計算することが考えられるが、前述のエネルギー調整方法等の照射方法に起因して、線量校正係数特性曲線の非連続性の問題が生じる。以下、図６を用いて説明する。

図６は、キャリブレーションステージにおいて、水ファントム８１を用いて実測した結果をもとに算出した線量校正係数α_ｉと水等価深度ｘ_ｉとの関係を模式的に表した図である。図中、横軸は水等価深度ｘ_ｉ［ｍｍ ＷＥＬ］（水ファントム８１中の校正線量計８２の水表面からの深さ）、縦軸は校正線量計８２で得た線量［Ｇｙ］を、照射装置１０内に設置された線量モニタ１２の計測値Ｃ_ｉ［Ｃｏｕｎｔ］で除した値を示している。

また、簡単のため、加速器３０から出射された粒子線のエネルギーのパラメータ（加速器パラメータ）をＡ，Ｂ，Ｃの三種類、レンジシフタ１５の厚みや材質の種類（レンジシフタパラメータ）をａ，ｂ，ｃの三種類としている。各プロットは、測定結果を示しており、左側（水等価深度が浅い）から右側（水等価深度が深い）に向かってＡａ，Ａｂ，Ａｃ，Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃ，Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃの条件のデータに該当する。このように層によって条件が異なる場合に得られる線量校正係数の特性曲線は、全体を１つの多項式で近似しようとしたときに、特性に非連続性が生じているという問題点がある。

ここで、加速器パラメータのパラメータＡに該当するデータ（Ａａ，Ａｂ，Ａｃ）のみに着目すれば、特性に非連続性は生じていないため、１つの多項式によって精度のよいモデル化が実現することが可能である。また、レンジシフタパラメータのパラメータａに該当するデータ（Ａａ，Ｂａ，Ｃａ）のみに着目しても、特性に非連続性は生じていないため、同様に１つの多項式によって精度のよいモデル化が実現することが可能である。すなわち、加速器パラメータ若しくはレンジシフタパラメータによってグループ分けをし、当該同一のグループのデータを用いて当該グループに対応する線量校正係数特性曲線の多項式の作成・保有することによって、前記非連続性の問題を解消し、精度の良い補間値β_ｉを得ることができる。

図６に基づいて、加速器パラメータによるグループ化、レンジシフタパラメータによるグループ化について説明したが、ワブラー半径の違い（ワブラー半径パラメータ）によっても同様の非連続性の問題が生じるため、ワブラー半径パラメータによるグループ化も当然に有効である。

つまり、図３で説明した重み設定部７５は、補間値βｉを必要とする層の照射条件（パラメータ）に応じて、その照射条件と異なる条件の層の線量校正係数α_ｉの重みを０にする。これにより、非連続性の問題を解消して、精度のよい補間値β_ｉを得ることができ、治療計画に沿った高精度な照射を実現できる。

以上のように、本実施の形態２にかかる粒子線治療装置によれば、補間値生成部７４は、補間値β_ｉの対象となる層ごとに、当該層の照射条件として、上述した深さに加え、エネルギーを調整するための加速器パラメータ、レンジシフタパラメータ、および照射野の大きさを調整するためのワブラー半径パラメータのうちのいずれかあるいは組合せの共通性に基づいて、実測線量校正係数α_ｉごとの重みづけを行うように構成したので、実線量を測定していない層であっても正確に線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。

また、本実施の形態２にかかる線量校正係数の設定方法によれば、補間値生成工程では、補間値β_ｉの対象となる層ごとに、当該層の照射条件として、上述した深さに加え、エネルギーを調整するための加速器パラメータ、レンジシフタパラメータ、および照射野の大きさを調整するためのワブラー半径パラメータのうちのいずれかあるいは組合せの共通性に基づいて、実測線量校正係数α_ｉごとの重みづけを行うように構成したので、実線量を測定していない層であっても正確な校正線量係数を用いて線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。

実施の形態３．
上記実施の形態２では、補間値を得たい層と同じ条件の層の線量校正係数のみを使用する例について説明した。しかし、実務的には、多項式モデルが必要な領域は、「水ファントムで測定可能な深さ以下」の一定の幅のある領域である。そのため、その領域においては、複数のパラメータの影響が存在する。つまり、その領域においては、「加速器パラメータ」「レンジシフタパラメータ」「ワブラー半径パラメータ」等の影響が重畳的に顕れる。そこで、本実施の形態３にかかる粒子線治療装置あるいは照射線量の校正方法では、補間値を得るためのデータとして線量校正係数を「使う／使わない」の白黒ではなく、複数の条件を勘案して重みづけするようにした。なお、本実施の形態３においても、粒子線治療装置および制御に関する構成については、実施の形態１で用いた図を援用し、同様部分の説明は省略する。

説明を簡略化するため、照射条件として加速器パラメータとワブラー半径パラメータの２種類に絞り込み、重みづけを行う例について説明する。

ここで、補間値βｉを得たい層（スライス）は、水ファントム８１により測定可能な水等価深度よりも深い層（ディスタル側）であるとする。加速器パラメータとしては、図６で説明したように、水等価深度の浅い方から深い方に向かってＡ，Ｂ，Ｃの３条件が存在する。そして、測定可能な水等価深度よりも深い層（ディスタル側）での加速器パラメータはＣであるとする。そのため、重みづけを設定する際の単位係数として、条件が同じＣの場合は１．０、条件の異なるＢ，Ａについては、深度の近いＢの場合は０．８、最も遠いＡの場合は０．５を設定する。

そして、ワブラー半径パラメータとしては、半径の小さな方から大きな方に向かって、Ｘｍｍ、Ｘ＋２０ｍｍ、Ｘ＋４０ｍｍの３条件が存在する。そして、補間値βｉを得たい層である、ディスタル側の層の照射を実現する際の半径はＸｍｍであるとする。そのため、重みづけを設定する際の単位係数として、条件が同じＸｍｍの場合は１．０、条件の異なる２つの条件のうち、Ｘに近いＸ＋２０ｍｍの場合は０．４、最も異なるＸ＋４０ｍｍの場合は０．２を設定する。

このように、パラメータの種類ごとに重みづけのための単位係数を設定し、実測線量校正係数αｉごとに照射条件の組合せに応じてパラメータごとの単位係数を乗じることで、表１に示すような重みづけをすることが可能になる。

なお、上述した校正を行うため、例えば、各単位係数等を線量データ処理部７１内に保存するとともに、校正係数算出部７７は、線量校正係数α_ｉを算出する際に、照射条件のデータを関連付けしておくようにする。これにより、重み設定部７５において、ひも付けしたデータに基づいて、式（Ｄ２）のＷの定義に反映させることにより、補間値βｉを必要とする層の照射条件に応じて、線量校正係数α_ｉの重みを調整することができる。これにより、非連続性の問題および複数の条件の影響を考慮した全体特性を考慮して、精度のよい補間値β_ｉを得ることができ、治療計画に沿った高精度な照射を実現できる。

以上のように、本実施の形態３にかかる粒子線治療装置によれば、補間値生成部７４は、照射条件として、深さ、エネルギーを調整するための加速器パラメータ、レンジシフタパラメータ、および照射野の大きさを調整するためのワブラー半径パラメータのそれぞれについて共通性に基づいて重みづけの単位係数を定めておき、補間値β_ｉの対象となる層ごとに、各パラメータの組合せに応じて、各単位係数を乗じた値を用いて実測線量校正係数α_ｉごとの重みづけを行うように構成したので、実線量を測定していない層であっても正確に線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。

また、本実施の形態３にかかる線量校正係数の設定方法によれば、補間値生成工程では、照射条件として、深さ、エネルギーを調整するための加速器パラメータ、レンジシフタパラメータ、および照射野の大きさを調整するためのワブラー半径パラメータのそれぞれについて共通性に基づいて重みづけの単位係数を定めておき、補間値β_ｉの対象となる層ごとに、各パラメータの組合せに応じて、各単位係数を乗じた値を用いて実測線量校正係数α_ｉごとの重みづけを行うように構成したので、実線量を測定していない層であっても正確な校正線量係数を用いて線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。

以上のように、上記各実施の形態１〜３にかかる本実施の形態３にかかる粒子線治療装置によれば、照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療装置１であって、加速器３０から供給された粒子線を層ごとに成形して照射する照射装置１０と、照射装置１０に設置され、線量をリアルタイムで計測する線量モニタ１２と、線量モニタ１２が計測した計測値Ｃ_ｉと層ごとに設定された線量校正係数（α_ｉ、β_ｉ）を用いて算出した線量と治療計画で定められた線量とに基づいて、層ごとの照射線量を評価する線量評価部７０と、線量評価部７０の評価結果に基づき、層ごとの照射量を制御する照射制御装置（照射制御部６０）と、校正線量計８２を設置した模擬ファントム（水ファントム８１）に粒子線を照射することによって得られた実測線量校正係数α_ｉを用いて、少なくとも実測線量校正係数α_ｉが得られていない層に対する線量校正係数の補間値β_ｉを生成する補間値生成部７４と、を備え、補間値生成部７４は、補間値β_ｉの対象となる層ごとに、当該層の照射条件に基づいて、実測線量校正係数α_ｉごとの重みづけを行うように構成したので、実線量を測定していない層であっても正確に線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。

また、上記各実施の形態１〜３にかかる線量校正係数の設定方法によれば、照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療において、照射装置１０に設置された線量モニタ１２の計測値Ｃ_ｉを用いて、照射対象での線量を算出するための線量校正係数（α_ｉ、β_ｉ）の設定方法であって、校正線量計８２を設置した模擬ファントム（水ファントム８１）に粒子線を照射し、線量モニタ１２の計測値Ｃ_ｉと、校正線量計８２の測定値（物理線量Ｄ_ｉ）に基づいて、校正線量計８２の模擬ファントム（水ファントム８１）内での深さｘ_ｉをパラメータとする実測線量校正係数α_ｉを得る工程と、実測線量校正係数α_ｉに基づいて、深さｘ_ｉを変数とする線量校正係数α_ｉの関数（式（２））を構築し、実測線量校正係数α_ｉが得られていない層に対応する線量校正係数の補間値β_ｉを生成する補間値生成工程と、を含み、補間値生成工程では、補間値β_ｉの対象となる層に応じて、当該層に対応する照射条件に基づいて、実測線量校正係数α_ｉごとの重みづけを行うように構成したので、実線量を測定していない層であっても正確な校正線量係数を用いて線量を校正できるので、治療計画に沿った高精度な照射を実現することができる。

１：粒子線治療装置、１０：照射装置、１１：横方向照射野形成部、
１２：線量モニタ、１３：深さ方向照射野形成部、１４：リッジフィルタ、
１５：レンジシフタ、２０：粒子線輸送部、３０：加速器、
４０：位置制御部、４１：治療台、５０：治療計画部、６０：照射制御部、
７０：線量評価部、７１：線量データ処理部、７２：評価部、
７３：線量算出部、７４：補間値生成部、７５：重み設定部、
７６：補間値算出部、７７：校正係数算出部、８０：校正装置、
８１：水ファントム（模擬ファントム）、８２：校正線量計、
Ｃ_ｉ：計測値、Ｄ_ｉ：物理線量、ＩＣ：アイソセンタ、Ｋ：患者、
α_ｉ：実測線量校正係数（校正線量係数）、
β_ｉ：補間値（補間値もしくは推定値（校正線量係数））。

Claims (9)

1. 照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療装置であって、
   加速器から供給された粒子線を前記層ごとに成形して照射する照射装置と、
   前記照射装置に設置され、線量をリアルタイムで計測する線量モニタと、
   前記線量モニタが計測した計測値と前記層ごとに設定された線量校正係数を用いて算出した線量と治療計画で定められた線量とに基づいて、前記層ごとの照射線量を評価する線量評価部と、
   前記線量評価部の評価結果に基づき、前記層ごとの照射量を制御する照射制御装置と、
   校正線量計を設置した模擬ファントムに前記粒子線を照射することによって得られた実測線量校正係数を用いて、少なくとも前記実測線量校正係数が得られていない層に対する前記線量校正係数の補間値もしくは推定値を生成する補間値生成部と、を備え、
   前記補間値生成部は、前記補間値もしくは推定値の対象となる層ごとに、当該層の照射条件に基づいて、前記実測線量校正係数ごとの重みづけを行うことを特徴とする粒子線治療装置。
2. 前記補間値生成部は、前記深さが所定値以上の層に対する補間値もしくは推定値を生成する際、前記実測線量校正係数のうち、深い層の実測線量校正係数の重みが、浅い層の実測線量校正係数の重みよりも大きくなるように、前記重みづけを行うことを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
3. 前記照射装置には、前記粒子線のエネルギーを調整するレンジシフタが設けられ、
   前記補間値生成部は、前記加速器から出射された粒子線のエネルギー、前記レンジシフタの厚みと材質のうち、少なくともいずれかの条件に基づいて、前記重みづけを行うことを特徴とする請求項１または２に記載の粒子線治療装置。
4. 前記照射装置には、前記粒子線の照射野の径を拡大するワブラー電磁石が設けられ、
   前記補間値生成部は、前記拡大された径に基づいて、前記重みづけを行うことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の粒子線治療装置。
5. 照射対象を体表面からの深さに応じて複数の層に分割し、層ごとに照射線量を管理して照射を行う粒子線治療において、照射装置に設置された線量モニタの計測値を用いて、前記照射対象での線量を算出するための線量校正係数の設定方法であって、
   校正線量計を設置した模擬ファントムに粒子線を照射し、前記線量モニタの計測値と、前記校正線量計の測定値に基づいて、前記校正線量計の前記模擬ファントム内での深さをパラメータとする実測線量校正係数を得る工程と、
   前記実測線量校正係数に基づいて、前記深さを変数とする前記線量校正係数の関数を構築し、前記実測線量校正係数が得られていない層に対応する前記線量校正係数の補間値もしくは推定値を生成する補間値生成工程と、を含み、
   前記補間値生成工程では、前記補間値もしくは推定値の対象となる層に応じて、当該層に対応する照射条件に基づいて、前記実測線量校正係数ごとの重みづけを行うことを特徴とする線量校正係数の設定方法。
6. 前記補間値生成工程では、深さが所定値以上の層に対する補間値もしくは推定値を生成する際、前記実測線量校正係数のうち、前記校正線量計の深さが深い実測線量校正係数の重みが、浅い実測線量校正係数の重みよりも大きくなるように、前記重みづけを行うことを特徴とする請求項５に記載の線量校正係数の設定方法。
7. 前記粒子線治療では、前記粒子線のエネルギーがレンジシフタを用いて調整され、
   前記補間値生成工程では、加速器から出射された粒子線のエネルギー、前記レンジシフタの厚みと材質のうち、少なくともいずれかの条件に基づいて、前記重みづけを行うことを特徴とする請求項５または６に記載の線量校正係数の設定方法。
8. 前記粒子線治療では、ワブラー電磁石によって、前記粒子線の照射野の径が拡大され、
   前記補間値生成工程では、前記拡大された径に基づいて、前記重みづけを行うことを特徴とする請求項５から７までのいずれか１項に記載の線量校正係数の設定方法。
9. 前記補間値生成工程では、当該層に対応する照射条件に基づいて、前記照射条件を構成する複数の条件ごとに定めた単位係数を乗じた値を用いて前記重みづけを行うことを特徴とする請求項５から８までのいずれか１項に記載の線量校正係数の設定方法。

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