JP6099183B2 - Charged particle beam irradiation equipment - Google Patents
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Description
本発明は、荷電粒子線照射装置及び荷電粒子線の線量分布算出方法に関する。 The present invention relates to a charged particle beam irradiation apparatus and a charged particle beam dose distribution calculation method.
従来、患者の腫瘍に対して荷電粒子線の照射により治療を施す荷電粒子線照射装置が知られている。このような荷電粒子線照射装置では、アイソセンター位置に配置された腫瘍の形状に応じて荷電粒子線の線量分布を正確に設定する必要がある。 Conventionally, a charged particle beam irradiation apparatus for treating a patient's tumor by irradiation with a charged particle beam is known. In such a charged particle beam irradiation apparatus, it is necessary to accurately set the dose distribution of the charged particle beam according to the shape of the tumor arranged at the isocenter position.
例えば、特許文献１には、ＣＴ装置が得た患者の断面画像を用いて腫瘍の輪郭を決定し、腫瘍の形状から荷電粒子線の線量分布を計画する治療計画装置が開示されている。この治療計画装置では、腫瘍付近の断面画像から立体画像を構成し、計画した荷電粒子線の線量分布を立体画像へ投影することで線量分布計画の確認を行っている。 For example, Patent Literature 1 discloses a treatment planning apparatus that determines a contour of a tumor using a cross-sectional image of a patient obtained by a CT apparatus and plans a dose distribution of a charged particle beam from the shape of the tumor. In this treatment planning apparatus, a stereoscopic image is constructed from cross-sectional images near the tumor, and the dose distribution plan is confirmed by projecting the planned dose distribution of charged particle beams onto the stereoscopic image.
しかしながら、前述した治療計画装置においては、画像データ上で線量分布計画の確認を行っているが、実際に照射された荷電粒子線の線量分布を測定しておらず、確認に対する信頼性が高いとは言えない。荷電粒子線の径路上に線量分布モニタを設けることも考えられるが、この場合、測定できる線量分布は線量分布モニタ位置のものであり、アイソセンター位置における線量分布とは異なる。荷電粒子線の線量分布の確認は治療の信頼性を確保する上で重要であることから、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を精度良く確認するための技術が強く求められている。 However, in the treatment planning apparatus described above, the dose distribution plan is confirmed on the image data, but the dose distribution of the actually irradiated charged particle beam is not measured, and the confirmation is highly reliable. I can't say that. Although it is conceivable to provide a dose distribution monitor on the path of the charged particle beam, in this case, the measurable dose distribution is at the dose distribution monitor position and is different from the dose distribution at the isocenter position. Since confirmation of the dose distribution of the charged particle beam is important for ensuring the reliability of treatment, there is a strong demand for a technique for accurately confirming the dose distribution of the charged particle beam at the isocenter position.
そこで、本発明は、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を精度良く算出できる荷電粒子線照射装置及び荷電粒子線の線量分布算出方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a charged particle beam irradiation apparatus and a charged particle beam dose distribution calculation method capable of accurately calculating a dose distribution of a charged particle beam at an isocenter position.
上記課題を解決するため、本発明は、アイソセンター位置に配置された被照射体に対して荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射装置であって、被照射体に荷電粒子線を照射する照射部と、照射部に設けられ、荷電粒子線を走査する電磁石と、照射部に設けられ、荷電粒子線の線量分布を測定する線量分布測定手段と、線量分布測定手段よりも荷電粒子線の照射方向における下流側に設けられ、荷電粒子線の照射方向と垂直な平面における荷電粒子線の形状の成形を行うコリメータと、線量分布測定手段の測定結果とコリメータの開口の形状のデータとに基づいて、線量分布モニタの測定結果を補正してアイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を算出する線量分布算出手段と、を備え、線量分布算出手段は、照射部に入射した荷電粒子線の線量分布を荷電粒子線の照射方向と直交する方向の位置座標の関数とし、当該関数に対して電磁石の走査に対応する関数を畳み込み積分して得られる前記電磁石によって走査された直後の位置における荷電粒子線の線量分布の関数と、線量分布測定手段の測定結果から得られる線量分布の中心位置座標と、コリメータの効果と、に基づいて、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を算出し、照射方向と直交する方向をＸ軸方向とした場合に、照射部に入射した荷電粒子線の線量分布のＸ軸位置座標の関数ｆ（ｘ）が下記の式（１）で表され、電磁石の走査に対応する関数ｇ（ｘ）が下記の式（２）で表され、電磁石によって走査された直後の位置における荷電粒子線の線量分布の関数Ｄ Ｍ （ｘ）が下記の式（３）で表され、コリメータの効果が下記の式（４），（５）で表され、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布Ｄ Ｉ （ｘ）が下記の式（６）で表される、ことを特徴とする。
［数１］
［数２］
［数３］
［数４］
［数５］
但し、式（１）におけるＡは規格化定数、σ Ｍ は線量分布測定手段の位置における線量分布のＸ軸方向の広がり、μ Ｍ は線量分布測定手段の位置における線量分布のＸ軸上の中心位置座標である。また、式（２）におけるＲはワブリング半径である。また、式（４），（５）におけるａはコリメータの開口の幅（Ｘ軸方向における幅）に依存するパラメータ、ｓは入射した荷電粒子線の粒子エネルギー，電磁石の磁場強度，及びコリメータからアイソセンター位置までの距離に依存するパラメータである。
In order to solve the above-described problems, the present invention is a charged particle beam irradiation apparatus that irradiates a charged particle beam to an irradiation object arranged at an isocenter position, and irradiates the irradiation object with the charged particle beam. , An electromagnet that is provided in the irradiation unit and that scans the charged particle beam, a dose distribution measurement unit that is provided in the irradiation unit and that measures the dose distribution of the charged particle beam, and that the charged particle beam is irradiated more than the dose distribution measurement unit Based on the collimator which is provided downstream in the direction and shapes the shape of the charged particle beam in a plane perpendicular to the irradiation direction of the charged particle beam, the measurement result of the dose distribution measuring means, and the shape data of the collimator opening comprises a dose distribution calculating means for correcting the measurement results of the dose distribution monitor for calculating the dose distribution of the charged particle beam at the isocenter position, the dose distribution calculating means, the charged particles incident on the irradiated portion The position immediately after being scanned by the electromagnet obtained by convolving the function corresponding to the scanning of the electromagnet with the function corresponding to the position coordinate in the direction orthogonal to the irradiation direction of the charged particle beam as the dose distribution of the line Calculate the dose distribution of the charged particle beam at the isocenter position based on the function of the dose distribution of the charged particle beam at the center, the coordinates of the center position of the dose distribution obtained from the measurement results of the dose distribution measuring means, and the effect of the collimator When the direction orthogonal to the irradiation direction is the X-axis direction, the function f (x) of the X-axis position coordinate of the dose distribution of the charged particle beam incident on the irradiation unit is expressed by the following equation (1): The function g (x) corresponding to the scanning of the electromagnet is expressed by the following formula (2), and the function D M (x) of the dose distribution of the charged particle beam at the position immediately after being scanned by the electromagnet is expressed by the following formula (3) ) The effect of the collimator is expressed by the following formulas (4) and (5), and the dose distribution D I (x) of the charged particle beam at the isocenter position is expressed by the following formula (6). To do.
[Equation 1]
[Equation 2]
[Equation 3]
[Equation 4]
[Equation 5]
Where A is a normalization constant, σ M is the spread of the dose distribution in the X-axis direction at the position of the dose distribution measuring means , and μ M is the center on the X axis of the dose distribution at the position of the dose distribution measuring means Position coordinates. Moreover, R in Formula (2) is a wobbling radius. In equations (4) and (5), a is a parameter depending on the width of the collimator opening (width in the X-axis direction), s is the particle energy of the incident charged particle beam, the magnetic field strength of the electromagnet, and the collimator. This parameter depends on the distance to the center position.
本発明に係る荷電粒子線照射装置によれば、照射部を通過する荷電粒子線の線量分布の測定結果に基づいて、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を算出することができる。従って、この荷電粒子線照射装置によれば、実際に照射することでアイソセンター位置における線量分布を治療前に確認することが可能になる。しかも、この荷電粒子線照射装置では、実際に照射された荷電粒子線の線量分布の測定結果を用いることで、実際の測定結果を用いない場合と比べて、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を精度良く算出することができる。
また、電磁石によって走査された直後の位置における線量分布を表す関数に対して実際の荷電粒子線の線量分布の測定結果を利用することで、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を算出することができる。
この場合、線量分布を表す関数Ｄ Ｍ （ｘ）に対して実際の荷電粒子線の線量分布の測定結果を利用することで、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を精度良く算出することができる。
According to the charged particle beam irradiation apparatus according to the present invention, the dose distribution of the charged particle beam at the isocenter position can be calculated based on the measurement result of the dose distribution of the charged particle beam passing through the irradiation unit. Therefore, according to this charged particle beam irradiation apparatus, the dose distribution at the isocenter position can be confirmed before treatment by actually irradiating. Moreover, in this charged particle beam irradiation apparatus, the dose of the charged particle beam at the isocenter position is compared with the case where the actual measurement result is not used by using the measurement result of the dose distribution of the actually irradiated charged particle beam. The distribution can be calculated with high accuracy.
In addition, the charged particle beam dose distribution at the isocenter position can be calculated by using the measurement result of the actual charged particle beam dose distribution for the function representing the dose distribution at the position immediately after being scanned by the electromagnet. Can do.
In this case, it is possible to accurately calculate the dose distribution of the charged particle beam at the isocenter position by using the measurement result of the actual dose distribution of the charged particle beam with respect to the function D M (x) representing the dose distribution. it can.
本発明によれば、アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を精度良く算出できる。 According to the present invention, the dose distribution of the charged particle beam at the isocenter position can be calculated with high accuracy.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１に示されるように、照射部１は、荷電粒子線照射装置１００において、治療台１０５を取り囲むように設けられた回転ガントリ１０３に取り付けられ、この回転ガントリ１０３によって治療台１０５の回りに回転可能とされている。そして、治療台１０５に寝かされた患者の腫瘍等の被照射体に対して、荷電粒子線Ｐ（図２参照）を照射する。荷電粒子線Ｐは、電荷をもった粒子を高速に加速したものであり、荷電粒子線Ｐとしては、例えば陽子線、重粒子（重イオン）線等が挙げられる。 As shown in FIG. 1, the irradiation unit 1 is attached to a rotating gantry 103 provided so as to surround the treatment table 105 in the charged particle beam irradiation apparatus 100, and is rotated around the treatment table 105 by the rotation gantry 103. It is possible. Then, a charged particle beam P (see FIG. 2) is irradiated to an irradiated object such as a tumor of a patient who is laid on the treatment table 105. The charged particle beam P is obtained by accelerating charged particles at a high speed. Examples of the charged particle beam P include proton beams and heavy particle (heavy ion) beams.
なお、図１には示されていないが、荷電粒子線照射装置１００は、イオン源で生成した荷電粒子線を加速して荷電粒子線Ｐを出射するサイクロトロンを治療台１０５及び回転ガントリ１０３から離れた位置に備えている。サイクロトロンから出射された荷電粒子線Ｐはビーム輸送系を介して照射部１に供給される。この荷電粒子線照射装置１００は、制御装置１０によって統括的に制御されている。 Although not shown in FIG. 1, the charged particle beam irradiation apparatus 100 separates the cyclotron that accelerates the charged particle beam generated by the ion source and emits the charged particle beam P away from the treatment table 105 and the rotating gantry 103. Prepared in a different position. The charged particle beam P emitted from the cyclotron is supplied to the irradiation unit 1 through the beam transport system. The charged particle beam irradiation apparatus 100 is comprehensively controlled by the control apparatus 10.
図２に示されるように、照射部１は、荷電粒子線Ｐの照射方向に順に配列された四極磁石２、ワブリング磁石３、散乱体４、リッジフィルタ５、線量分布モニタ（線量分布測定手段）６、マルチリーフコリメータ７、及びスノート８を備えている。以下、照射部１を通る荷電粒子線Ｐの照射方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交する二方向をＸ軸方向及びＹ軸方向として説明に用いる。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は互いに直交する方向である。 As shown in FIG. 2, the irradiation unit 1 includes a quadrupole magnet 2, a wobbling magnet 3, a scatterer 4, a ridge filter 5 and a dose distribution monitor (dose distribution measuring means) arranged in order in the irradiation direction of the charged particle beam P. 6, a multi-leaf collimator 7 and a snout 8 are provided. Hereinafter, the irradiation direction of the charged particle beam P passing through the irradiation unit 1 will be used as an explanation in the Z axis direction, and two directions orthogonal to the Z axis will be used as an X axis direction and a Y axis direction. The X-axis direction and the Y-axis direction are directions orthogonal to each other.
照射部１の入口に最も近い四極磁石２は、ビーム輸送ラインを介して入力された荷電粒子線Ｐが発散するのを抑えて収束させる電磁石である。四極磁石２の下流には、ワブリング磁石３が配置されている。ワブリング磁石３は、正規分布状の荷電粒子線Ｐを円軌道で走査することで一様な照射野を形成するための電磁石である。 The quadrupole magnet 2 closest to the entrance of the irradiating unit 1 is an electromagnet that converges while suppressing the divergence of the charged particle beam P input through the beam transport line. A wobbling magnet 3 is disposed downstream of the quadrupole magnet 2. The wobbling magnet 3 is an electromagnet for forming a uniform irradiation field by scanning a normally distributed charged particle beam P in a circular orbit.
散乱体４は、ワブリング磁石３で走査された荷電粒子線Ｐの拡散を行う。このような散乱体４は、例えば鉛製の板から構成されている。散乱体４は、荷電粒子線Ｐを照射方向と直交する方向（ＸＹ平面内の方向）に広がりを持つ幅広のビームへと拡散させる。 The scatterer 4 diffuses the charged particle beam P scanned by the wobbling magnet 3. Such a scatterer 4 is composed of, for example, a lead plate. The scatterer 4 diffuses the charged particle beam P into a wide beam having a spread in a direction orthogonal to the irradiation direction (direction in the XY plane).
リッジフィルタ５は、散乱体４で散乱された荷電粒子線Ｐの線量分布の調整を行う。具体的には、リッジフィルタ５は、患者の体内の腫瘍の厚さ（照射方向における腫瘍の長さ）に対応するように、荷電粒子線Ｐに拡大ブラッグピーク（ＳＯＢＰ）を与える。 The ridge filter 5 adjusts the dose distribution of the charged particle beam P scattered by the scatterer 4. Specifically, the ridge filter 5 gives an enlarged Bragg peak (SOBP) to the charged particle beam P so as to correspond to the thickness of the tumor in the patient's body (the length of the tumor in the irradiation direction).
線量分布モニタ６は、通過する荷電粒子線Ｐの線量分布の測定を行う。線量分布モニタ６は、Ｘ軸方向又はＹ軸方向で延在して格子状に配列された複数の金属ワイヤを有しており、荷電粒子線Ｐが照射された金属ワイヤから発生する電子を検出する。これらの複数の金属線にはＸ軸及びＹ軸の位置座標に応じたチャネル番号が付されており、各チャネル番号の金属ワイヤから発生した電子を検出することで、荷電粒子線Ｐの線量分布の測定が行われる。 The dose distribution monitor 6 measures the dose distribution of the charged particle beam P that passes therethrough. The dose distribution monitor 6 has a plurality of metal wires extending in the X-axis direction or the Y-axis direction and arranged in a lattice pattern, and detects electrons generated from the metal wires irradiated with the charged particle beam P. To do. Channel numbers corresponding to the position coordinates of the X axis and the Y axis are assigned to the plurality of metal wires, and the dose distribution of the charged particle beam P is detected by detecting electrons generated from the metal wires of the respective channel numbers. Is measured.
マルチリーフコリメータ７は、照射方向と垂直な平面（ＸＹ平面）における荷電粒子線Ｐの形状の成形を行う。マルチリーフコリメータ７は、Ｘ軸方向で対向する二列の櫛歯を有しており、対向する櫛歯間の開口を調整することで、開口を通過する荷電粒子線Ｐの成形を行う。なお、マルチリーフコリメータ７に代えて、ブロックコリメータを用いても良い。ブロックコリメータとしては、患者の腫瘍形状に合わせて穴を形成された金属柱等が用いられる。 The multi-leaf collimator 7 forms the shape of the charged particle beam P on a plane (XY plane) perpendicular to the irradiation direction. The multi-leaf collimator 7 has two rows of comb teeth facing each other in the X-axis direction, and the charged particle beam P passing through the opening is formed by adjusting the opening between the facing comb teeth. Instead of the multi-leaf collimator 7, a block collimator may be used. As the block collimator, a metal column or the like in which a hole is formed according to the tumor shape of the patient is used.
スノート８は、照射方向（Ｚ軸方向）の奥行きについて荷電粒子線Ｐを腫瘍の形状に合わせて成形するボーラスを保持する部材である。ボーラスは、荷電粒子線Ｐの最大到達深さの部分の立体形状を、腫瘍の最大深さ部分の形状に合わせて成形する。 The snout 8 is a member that holds a bolus for shaping the charged particle beam P in accordance with the shape of the tumor with respect to the depth in the irradiation direction (Z-axis direction). The bolus is formed so that the three-dimensional shape of the portion where the charged particle beam P reaches the maximum depth is matched with the shape of the maximum depth portion of the tumor.
図１及び図２に示されるように、荷電粒子線照射装置１００は、その全体的な制御を行う制御装置１０を備えている。制御装置１０は、患者に対する荷電粒子線Ｐの照射制御やマルチリーフコリメータ７の位置制御を行う。また、制御装置１０は、アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布を算出するための線量分布算出部（線量分布算出手段）１１を有している。線量分布算出部１１は、線量分布モニタ６の測定結果に基づいて、アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布を算出する。 As shown in FIGS. 1 and 2, the charged particle beam irradiation apparatus 100 includes a control device 10 that performs overall control thereof. The control device 10 performs irradiation control of the charged particle beam P to the patient and position control of the multi-leaf collimator 7. Further, the control device 10 has a dose distribution calculation unit (dose distribution calculation means) 11 for calculating the dose distribution of the charged particle beam P at the isocenter position. The dose distribution calculation unit 11 calculates the dose distribution of the charged particle beam P at the isocenter position based on the measurement result of the dose distribution monitor 6.
次に、本実施形態に係る荷電粒子線照射装置１００における線量分布算出方法について説明する。 Next, a dose distribution calculation method in the charged particle beam irradiation apparatus 100 according to the present embodiment will be described.
図３に示されるように、本実施形態に係る線量分布算出方法は、線量分布モニタ６が荷電粒子線Ｐの線量分布を測定する線量分布測定ステップＳ１と、線量分布算出部１１がアイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布を算出する線量分布算出ステップＳ２と、を有している。 As shown in FIG. 3, the dose distribution calculation method according to the present embodiment includes a dose distribution measurement step S1 in which the dose distribution monitor 6 measures the dose distribution of the charged particle beam P, and the dose distribution calculation unit 11 in the isocenter position. A dose distribution calculating step S2 for calculating the dose distribution of the charged particle beam P at.
ここで、図４は、ＸＺ平面における荷電粒子線Ｐの線量分布の変化を説明するための概略図である。図４において、四極磁石２、リッジフィルタ５、及びスノート８の描写を省略する。照射部１における中心軸（照射部１を構成する機器２〜８の略中心を通る軸）をＣとして示す。 Here, FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a change in the dose distribution of the charged particle beam P in the XZ plane. In FIG. 4, the depiction of the quadrupole magnet 2, the ridge filter 5, and the snout 8 is omitted. A central axis in the irradiation unit 1 (an axis passing through the approximate center of the devices 2 to 8 constituting the irradiation unit 1) is indicated as C.
図４に示されるように、ビーム輸送ラインから入射した荷電粒子線Ｐは、四極磁石２により収束され、その線量分布はＷ１のような山なりの状態となる。この場合の線量分布Ｗ１は、位置座標ｘの関数ｆ（ｘ）として下記の式（１）で表すことができる。式（１）におけるＡは規格化定数である。また、μ Ｍ は線量分布モニタ６の位置における線量分布の中心位置座標である。σ Ｍ は線量分布モニタ６の位置における線量分布の広がりである。この関数ｆ（ｘ）はガウシアン（ガウス関数）となる。
線量分布Ｗ１の荷電粒子線Ｐがワブリング磁石３によって走査されると、線量分布はＷ２の状態（二つの山からなる状態）となる。この場合のワブリング半径をＲとする。ワブリング半径Ｒは、入射した荷電粒子線Ｐの粒子エネルギーＥ、ワブリング磁石３の磁場強度Ｂ、ワブリング磁石３から線量分布Ｗ２の現在位置までの距離Ｌｗに依存するパラメータである。ここで、線量分布Ｗ１に対するワブリング磁石３の走査の影響を表す関数ｇ（ｘ）を検討すると、下記の式（２）として表すことができる。この場合、線量分布Ｗ２の関数ＤＭ（ｘ）は、下記の式（３）として表すことができる。すなわち、関数ＤＭ（ｘ）は、関数ｆ（ｘ）及び関数ｇ（ｘ）を畳み込み積分することで求めることができる。
その後、荷電粒子線Ｐが散乱体４によってＸ軸方向及びＹ軸方向に拡散されると、線量分布はＷ３の状態となる。線量分布Ｗ３は、線量分布モニタ６の位置（線量分布測定位置）における荷電粒子線Ｐの線量分布である。この線量分布Ｗ３が線量分布測定ステップＳ１において線量分布モニタ６に測定される。
Thereafter, when the charged particle beam P is diffused by the scatterer 4 in the X-axis direction and the Y-axis direction, the dose distribution becomes W3. The dose distribution W3 is a dose distribution of the charged particle beam P at the position of the dose distribution monitor 6 (dose distribution measurement position) . Dose distribution W3 This is measured dose distribution monitor 6 in dose distribution measuring step S1.
図５は、線量分布モニタ６の測定結果の一例を示すグラフである。横軸は、線量分布モニタ６のＸ軸座標に対応するチャネル番号、縦軸は線量相当値を示している。線量相当値とは、荷電粒子線Ｐの線量に比例する値であり、所定の係数を乗じることで線量が得られる。 FIG. 5 is a graph showing an example of the measurement result of the dose distribution monitor 6. The horizontal axis represents the channel number corresponding to the X-axis coordinate of the dose distribution monitor 6, and the vertical axis represents the dose equivalent value. The dose equivalent value is a value proportional to the dose of the charged particle beam P, and the dose can be obtained by multiplying by a predetermined coefficient.
線量分布算出部１１は、図５に示す測定結果の線量分布データ（折れ線状のデータ）に対してフィッティングを行う。このようなフィッティングには、Levenberg−Marquardt法やNelder−Mead Simplex法等を利用することができる。フィッティング後の線量分布データの一例を図５に一点鎖線として示す。 The dose distribution calculation unit 11 performs fitting on the dose distribution data (string-line data) of the measurement results shown in FIG. For such fitting, the Levenberg-Marquardt method, the Nelder-Mead Simplex method, or the like can be used. An example of the dose distribution data after fitting is shown as a one-dot chain line in FIG.
ここで、線量分布モニタ６の位置における線量分布の広がりσＭと線量分布モニタ６の位置におけるワブリング半径ＲＭは、実測で決定することができる。従って、上記の式（３）におけるフリーパラメータは、規格化定数Ａと線量分布モニタ６の位置における線量分布の中心位置座標μＭのみである。Ａは規格化定数なので、物理的な意味はない。このため、フィッティングによってμＭが求められる。線量分布算出部１１は、フィッティングによって求めたμＭを、アイソセンター位置における線量分布Ｗ４の中心位置座標μＩとして用いる。
Here, wobbling radius R M in the spread sigma M and the position of the dose distribution monitor 6 of the dose distribution at the position of the dose distribution monitor 6 is able to determine the actual measurements. Thus, the free parameters in the above equation (3) is only the center position coordinates mu M of dose distribution at the position of the normalization constants A and dose distribution monitor 6. Since A is a normalization constant, there is no physical meaning. For this reason, the μ M is obtained by fitting. Dose distribution calculation unit 11, a mu M as determined by fitting, used as the center position coordinates mu I dose distribution W4 at isocenter position.
アイソセンター位置における線量分布Ｗ４は、上記の式（３）にマルチリーフコリメータ７の効果を乗じることで求められる。マルチリーフコリメータ７の効果は、下記の式（４），（５）として表わすことができる。下記の式（４），（５）において、ａはマルチリーフコリメータ７の開口の幅ｑ（Ｘ軸方向における幅）等に依存するパラメータである。また、ｓは、入射した荷電粒子線Ｐの粒子エネルギーＥ、ワブリング磁石３の磁場強度Ｂ、マルチリーフコリメータ７からアイソセンター位置までの距離ＬＣＩ等に依存するパラメータである。
アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布Ｗ４を表す関数ＤＩ（ｘ）は、ｆ（ｘ）とｇ（ｘ）とを畳み込み積分をしたものにｈ（ｘ）を乗じたものとなる。従って、関数ＤＩ（ｘ）を下記の式（６）として表すことができる。式（６）において、アイソセンター位置における線量分布Ｗ４の中心位置座標μＩにはフィッティングで求めたμＭを用いる。また、アイソセンター位置における線量分布Ｗ４の広がりσＩ及びアイソセンター位置におけるワブリング半径ＲＩには計算で決定した値を利用する。
線量分布算出部１１は、線量分布算出ステップＳ２において上記の式（６）に基づいて、アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布Ｗ４の関数ＤＩ（ｘ）を算出する。線量分布算出部１１は、線量モニタ６の測定結果のフィッティングデータと上記の式（６）とに基づいて、アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布Ｗ４を算出することができる。なお、線量分布をＸ軸位置座標の関数とした場合の算出について説明したが、線量分布をＹ軸位置座標の関数とした場合も同様に算出することができる。 The dose distribution calculation unit 11 calculates the function D I (x) of the dose distribution W4 of the charged particle beam P at the isocenter position based on the above formula (6) in the dose distribution calculation step S2. The dose distribution calculation unit 11 can calculate the dose distribution W4 of the charged particle beam P at the isocenter position based on the fitting data of the measurement result of the dose monitor 6 and the above equation (6). Although the calculation when the dose distribution is a function of the X-axis position coordinates has been described, the calculation can be similarly performed when the dose distribution is a function of the Y-axis position coordinates.
以上説明した荷電粒子線照射装置１００及び荷電粒子線の線量分布算出方法によれば、照射部１を通過する荷電粒子線Ｐの線量分布の測定結果に基づいて、アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布を算出することができる。従って、この荷電粒子線照射装置１００及び線量分布算出方法によれば、実際に照射することでアイソセンター位置における線量分布を治療前に確認することが可能になる。しかも、この荷電粒子線照射装置１００及び線量分布算出方法では、実際に照射部１を通過する荷電粒子線Ｐの線量分布の測定結果を用いるので、線量分布の測定結果を用いない場合と比べて、アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布を精度良く算出することができる。 According to the charged particle beam irradiation apparatus 100 and the charged particle beam dose distribution calculation method described above, the charged particle beam P at the isocenter position is based on the measurement result of the dose distribution of the charged particle beam P passing through the irradiation unit 1. The dose distribution can be calculated. Therefore, according to the charged particle beam irradiation apparatus 100 and the dose distribution calculation method, the dose distribution at the isocenter position can be confirmed before treatment by actually irradiating. Moreover, in the charged particle beam irradiation apparatus 100 and the dose distribution calculation method, since the measurement result of the dose distribution of the charged particle beam P that actually passes through the irradiation unit 1 is used, the measurement result of the dose distribution is not used. The dose distribution of the charged particle beam P at the isocenter position can be calculated with high accuracy.
また、この荷電粒子線照射装置１００及び線量分布算出方法によれば、上述した式（１）〜（６）を用い、実際の荷電粒子線Ｐの線量分布の測定結果を踏まえて線量分布を算出することで、アイソセンター位置における荷電粒子線Ｐの線量分布を一層精度良く算出することができる。 In addition, according to the charged particle beam irradiation apparatus 100 and the dose distribution calculation method, the dose distribution is calculated based on the measurement result of the actual dose distribution of the charged particle beam P using the above-described equations (1) to (6). Thus, the dose distribution of the charged particle beam P at the isocenter position can be calculated with higher accuracy.
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、アイソセンター位置における線量分布の中心位置座標μＩは、フィッティングにより求められたμＭと同じにする必要はない。照射部１の入口側のプロファイルモニタによって当該プロファイルモニタの位置における線量分布の中心位置座標μｐを測定した場合には、μｐを用いてアイソセンター位置における線量分布の中心位置座標μＩを算出することもできる。具体的には、μｐと、プロファイルモニタから線量分布モニタ６までの距離ＬＰＭと、線量分布モニタ６からアイソセンター位置までの距離ＬＭＩと、を用いて下記の式（７）から求めることができる。
また、本発明は、ワブラー法による荷電粒子線の線量分布算出に限られない。例えば、ワブリング磁石を使わずに、複数の散乱体により荷電粒子線を拡散させる二重散乱体法においても本発明を有効に適用することができる。更に、本発明は、上述したような関数を用いた算出方法に限られず、様々な方法によりアイソセンター位置の線量分布の算出を行うことができる。
The present invention is not limited to the calculation of the dose distribution of charged particle beams by the wobbler method. For example, the present invention can be effectively applied to a double scatterer method in which a charged particle beam is diffused by a plurality of scatterers without using a wobbling magnet . Further, the present invention is not limited to the calculation method using the function described above, it is possible to calculate the dose distribution of the isocenter position by various methods.
１…照射部 ２…四極磁石 ３…ワブリング磁石 ４…散乱体 ５…リッジフィルタ ６…線量分布モニタ ７…マルチリーフコリメータ ８…スノート １０…制御装置 １１…線量分布算出部（線量分布算出手段） １００…荷電粒子線照射装置 １０３…回転ガントリ １０５…治療台 Ｃ…中心軸 Ｐ…荷電粒子線 ｑ…開口幅 Ｒ…ワブリング半径 Ｗ１-Ｗ４…線量分布
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Irradiation part 2 ... Quadrupole magnet 3 ... Wobbling magnet 4 ... Scattering body 5 ... Ridge filter 6 ... Dose distribution monitor 7 ... Multi-leaf collimator 8 ... Snout 10 ... Control apparatus 11 ... Dose distribution calculation part (dose distribution calculation means) 100 ... charged particle beam irradiation apparatus 103 ... rotating gantry 105 ... couch C ... central axis P ... charged particle beam q ... opening width R ... wobbling radius W1-W4 ... wire weight distribution
Claims (1)
前記被照射体に荷電粒子線を照射する照射部と、
前記照射部に設けられ、荷電粒子線を走査する電磁石と、
前記照射部に設けられ、荷電粒子線の線量分布を測定する線量分布測定手段と、
前記線量分布測定手段よりも前記荷電粒子線の照射方向における下流側に設けられ、前記荷電粒子線の照射方向と垂直な平面における前記荷電粒子線の形状の成形を行うコリメータと、
前記線量分布測定手段の測定結果と前記コリメータの開口の形状のデータとに基づいて、前記線量分布モニタの測定結果を補正して前記アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を算出する線量分布算出手段と、を備え、
前記線量分布算出手段は、前記照射部に入射した荷電粒子線の線量分布を荷電粒子線の照射方向と直交する方向の位置座標の関数とし、当該関数に対して前記電磁石の走査に対応する関数を畳み込み積分して得られる前記電磁石によって走査された直後の位置における荷電粒子線の線量分布の関数と、前記線量分布測定手段の測定結果から得られる線量分布の中心位置座標と、前記コリメータの効果と、に基づいて、前記アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布を算出し、
前記照射方向と直交する方向をＸ軸方向とした場合に、前記照射部に入射した荷電粒子線の線量分布のＸ軸位置座標の関数ｆ（ｘ）が下記の式（１）で表され、前記電磁石の走査に対応する関数ｇ（ｘ）が下記の式（２）で表され、前記電磁石によって走査された直後の位置における荷電粒子線の線量分布の関数Ｄ Ｍ （ｘ）が下記の式（３）で表され、前記コリメータの効果が下記の式（４），（５）で表され、前記アイソセンター位置における荷電粒子線の線量分布Ｄ Ｉ （ｘ）が下記の式（６）で表される、
ことを特徴とする荷電粒子線照射装置。
［数１］
［数２］
［数３］
［数４］
［数５］
但し、式（１）におけるＡは規格化定数、σ Ｍ は線量分布測定手段の位置における線量分布のＸ軸方向の広がり、μ Ｍ は線量分布測定手段の位置における線量分布のＸ軸上の中心位置座標である。また、式（２）におけるＲはワブリング半径である。また、式（４），（５）におけるａはコリメータの開口の幅（Ｘ軸方向における幅）に依存するパラメータ、ｓは入射した荷電粒子線の粒子エネルギー，電磁石の磁場強度，及びコリメータからアイソセンター位置までの距離に依存するパラメータである。
A charged particle beam irradiation apparatus that irradiates an object to be irradiated arranged at an isocenter position with a charged particle beam,
An irradiation unit for irradiating the irradiated body with a charged particle beam;
An electromagnet that is provided in the irradiation unit and scans a charged particle beam;
A dose distribution measuring means for measuring a dose distribution of a charged particle beam provided in the irradiation unit;
A collimator that is provided downstream of the dose distribution measuring means in the irradiation direction of the charged particle beam and that shapes the shape of the charged particle beam in a plane perpendicular to the irradiation direction of the charged particle beam;
Based on the measurement result of the dose distribution measuring means and the shape data of the opening of the collimator, the dose distribution calculation for correcting the measurement result of the dose distribution monitor and calculating the dose distribution of the charged particle beam at the isocenter position and means, the,
The dose distribution calculating means uses the dose distribution of the charged particle beam incident on the irradiation unit as a function of position coordinates in a direction orthogonal to the irradiation direction of the charged particle beam, and a function corresponding to scanning of the electromagnet with respect to the function The function of the dose distribution of the charged particle beam at the position immediately after being scanned by the electromagnet obtained by convolution integration, the center position coordinate of the dose distribution obtained from the measurement result of the dose distribution measuring means, and the effect of the collimator And calculating a dose distribution of the charged particle beam at the isocenter position based on
When the direction orthogonal to the irradiation direction is the X-axis direction, the function f (x) of the X-axis position coordinate of the dose distribution of the charged particle beam incident on the irradiation unit is expressed by the following equation (1): The function g (x) corresponding to the scanning of the electromagnet is expressed by the following formula (2), and the function D M (x) of the dose distribution of the charged particle beam at the position immediately after being scanned by the electromagnet is expressed by the following formula. (3), the effect of the collimator is expressed by the following equations (4) and (5), and the dose distribution D I (x) of the charged particle beam at the isocenter position is expressed by the following equation (6): expressed,
The charged particle beam irradiation apparatus characterized by the above-mentioned.
[Equation 1]
[Equation 2]
[Equation 3]
[Equation 4]
[Equation 5]
Where A is a normalization constant, σ M is the spread of the dose distribution in the X-axis direction at the position of the dose distribution measuring means , and μ M is the center on the X axis of the dose distribution at the position of the dose distribution measuring means Position coordinates. Moreover, R in Formula (2) is a wobbling radius. In equations (4) and (5), a is a parameter depending on the width of the collimator opening (width in the X-axis direction), s is the particle energy of the incident charged particle beam, the magnetic field strength of the electromagnet, and the collimator. This parameter depends on the distance to the center position.
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