本発明の粒子線治療装置の実施の形態に� ��いて図1の主要構成図を用いて説明する。図 1は複数ある治療室のうち1室(例えばA)につい� ��示したもので、治療室と、位置決め制御卓� ��、治療照射制御卓の3つの作業場所から構成 されている例を示している。治療技師はこの 3つの場所のいずれかで作業する。図中、1は� ��子線を加速するための例えばシンクロトロ� ��等の加速器系で、さらに内部にシンクロト� ��ン偏向電磁石電源11や加速器タイミングシ� �テム12を備えている。2は呼吸同期装置で、� �療室に患者の呼吸状態を検出する患者呼吸� �定装置となる呼吸同期センサ21と、上記セン サ21からの信号を変換処理し増幅するための� ��ンサアンプ22とが設置され、位置決め制御� �に呼吸同期表示装置26Bが設置されている。

 更に治療照射制御卓には、上記センサア� ��プ22で増幅した信号を処理し、呼吸同期信� �の出力を制御する呼吸同期信号発生器23と、 上記呼吸同期信号発生器23の動作時のパラメ� ��タ設定や同期信号を発生させるタイミング� ��設定する呼吸同期制御計算機24と、上記信� �発生器23から出力される呼吸波形や呼吸同期 制御計算機24から出力される呼吸同期波形を� ��号変換し、加速器系1や表示装置26Bに分配す る呼吸同期信号制御ユニット25と、上記呼吸� ��期信号と粒子線治療装置の動作状態をオペ� ��ータに表示する呼吸同期表示装置26Cとが設� ��されている。

 3は呼吸ナビゲーション装置であり、上記 呼吸同期制御計算機24から呼吸波形、呼吸ゲ� ��ト信号、加速器情報等を入力し、記憶、処� ��、管理するための呼吸ナビ計算機31と、呼� �ナビ計算機31からの情報を編集したり変更し たりするための情報編集端末32B、32Cと、患者 に情報を教示するための呼吸情報教示装置33A 、33B、33Cとから構成されている。4はコンピ� �ータ、シーケンサ等で構成され、患者の治� �データを保存する治療情報サーバである。� �吸ナビに関する情報は上記治療情報治療情� �サーバ4にて上記患者の治療データと共に保� ��し管理される。

 呼吸情報教示装置33や情報編集端末32は複 数の箇所に設けておくとよい。例えば呼吸情 報教示装置は治療室、位置決め操作卓、およ び治療照射制御卓に設置する。また、治療計 画情報の取得作業はX線CT撮影制御室で行われ るのでX線CT撮影制御室にも設置するとよい。 複数の治療室A、B、Cおよび治療計画作成前に 用いるX線CT撮影室に本装置を設置する場合の 構成例を図3に示している。これらの端末は� �療関係者によって使用され、治療照射前の� �御データの取得、作成、編集の各作業、お� �び治療照射時の呼吸同期状態の確認、呼吸� �相の調整などに使用される。

 なお、本実施の形態では呼吸ナビ計算機� ��呼吸同期制御計算機と別に設けることによ� ��て機能の追加を容易にする構成としたが、� ��吸同期制御計算機と呼吸ナビ計算機を1台の 計算機で共有することも可能である。また、 呼吸同期表示装置を呼吸情報教示装置とは別 に設けたが、1台の表示装置を切り替えるこ� �によって、本実施の形態で述べる機能を実� �することも可能である。

 呼吸同期センサ21による呼吸の測定方法� �しては、患者の腹部の動きを腹部に取り付� �たレーザ光源をポジションセンシティブデ� �テクタで検出する方式や、患者の吸気に伴� �鼻腔付近の温度変化をサーミスタや赤外線� �メラによる画像処理を用いて計測する方式� �ど、既知の方式がいくつかある。

 図3は上記粒子線治療装置の各部動作波形図 であり、(a)は呼吸波形、(b)は呼吸ゲート、(c) はシンクロトロン偏向電磁石電流、(d)はシン クロトロン出射可ゲート、(e)はシンクロトロ ン出射ビーム信号のタイミングを模式的に示 したものである。
 図に示すように、呼吸同期センサ21で検出� �る呼吸波形(a)に対して閾値を設定して、呼� �の安定した状態の時に呼吸ゲート(b)をONにし て、呼吸ゲート幅(矢印)にて加速器に照射可� ��であることを指示する。

 加速器側では偏向電磁石の電流(c)が、入� ��、加速、出射、減速のサイクルを一定周期� ��反復するのに対し、シンクロトロン出射可� ��ート(d)と呼吸ゲート信号(b)に応じて、ビー� ��出射の入り切り(位相制御)を行い、照射に� �した呼吸位相でのみ出射ビーム(e)を患部の� �的に所定線量付与する。

 次にシンクロトロンの運転について詳細� ��説明する。シンクロトロン運転は上述した� ��うに、入射、加速、出射、減速のサイクル� ��ある一定の周期で繰り返す。運転の周期は� ��速時間、出射時間、およびシンクロトロン� ��運転エネルギーに依存し、概ね1秒~数秒で� �る。シンクロトロンには入射器と呼ばれる� �置から粒子線が入射され、十分な粒子数が� �積された時点でシンクロトロンの加速が開� �される。加速が終了後に出射機器の準備を� �い、準備完了した時点でシンクロトロンの� �御系によって出射可ゲート信号(d)がONになる 。

 出射可の状態のとき、呼吸ゲートがONで� �ればシンクロトロンからビームが出射され� �。シンクロトロンが連続してビームを出射� �きる最大時間をスピル時間というが、スピ� �時間が経過した後に出射可ゲートがOFFにな� �、シンクロトロンの装置は減速準備を開始� �る。減速が完了した後、次の運転周期の入� �が実施される。

 この発明は、目標となる呼吸のタイミン� ��(以下目標呼吸情報という)を予め上記シン� �ロトンの運転周期に適した周期を患者に提� �して、患者にこれに同期して呼吸してもら� �ようにすることに主眼がある。次に上記目� �呼吸情報を作成する際に望ましい特性につ� �て述べる。ここでは呼吸周期の方がシンク� �トロンの運転周期より長い場合を想定して� �べる。通常の呼吸周期は3秒以上であり、安� ��時の周期は4秒前後かそれより長いものが普 通であるのに対し、シンクロトロンの運転周 期は3秒程度で、短い場合は2秒以下となる。� ��ってこの仮定条件は通常満足されるが、本� ��明の効果はこの仮定に依存するものではな� ��。

 目標呼吸周期はシンクロトロン運転周期� ��整数倍とすることが考えられる。こうする� ��とによって、呼吸周期毎のシンクロトロン� ��動きを一定に保つことができる。前記整数� ��なるべく低い倍数で選ぶ方が高い効率が得� ��れる。すなわちシンクロトロンの運転周期� ��呼吸周期が1対1であれば、呼吸周期毎に照� �ができ、かつシンクロトロンで加速された� �ームを毎回使うことができるため、効率的� �運転が実現できる。但し、目標呼吸周期が� �者の自然呼吸からあまりかけ離れると、患� �にとって合わせ難くなり、望ましくない。

 また以下で述べるように、呼吸ゲートの� ��間幅も重要な場合があり、その際に所望の� ��吸ゲートが得られやすいように呼吸周期を� ��択する必要がある。呼吸周期がシンクロト� ��ン運転周期の半整数倍(0.5倍、1.5倍など)の� �きは、呼吸1周期おきに異なる運転動作とな� ��。この場合、やや効率が落ちるが、そのと� ��でも本発明の効果は得られる。

 次に、目標呼吸ゲート幅については、シ� ��クロトロンのスピル時間幅と同じか、呼吸� ��変動を考慮してそれより少し長く設定する� ��とが望ましい。こうすることによって、1回 の出射で、シンクロトロンで加速された粒子 を最大限に利用することができる。例えばシ ンクロトロンのスピル時間幅が0.5秒程度に設 定された場合、自然呼吸でもこの程度の呼吸 ゲート幅を実現するのは患者にとって難しく ない。

 図6は2種類のシンクロトロンA、Bの運転パ ラメータに対する目標呼吸周期と目標呼吸ゲ ート幅の設定例を示す表で、呼吸周期につき 1回照射する場合を示している。図6において� ��「呼吸ゲート効率」は呼吸ゲートがONの時� �を呼吸周期で割った値として計算している� �また、「照射効率」は呼吸同期でない運転� �すなわちシンクロトロンの全ての運転周期� �無駄なく照射できる場合を1としてシンクロ� ��ロンのビームが使える割合を示している。

 加速器パラメータAではシンクロトロン運 転周期が2秒で、スピル時間が0.4秒である場� �を示している。このとき目標呼吸周期は2秒� ��4秒、6秒、8秒となるが、2秒はやや周期が短 すぎるため対象外とした。目標呼吸ゲートと しては0.4秒以上確保できればシンクロトロン のスピル全てが照射できる。この程度の呼吸 ゲートは呼吸ナビゲーション機能を用いれば 患者にとっても容易に実現できる。ケース(1) ~ケース(3)の中では、ケース(1)の4秒周期が安� ��時の呼吸周期に近いうえ、他のケースより� ��照射効率が高いので最も好ましい。

 加速器パラメータBでは、前記パラメータA� �場合と同様にケース(4)が最も照射効率が高� �が、3.2秒周期の呼吸が患者にとって短すぎ� �と感じるようであれば、ケース(5)の使用も� �えられる。
 以上のようにシンクロトロンの運転周期に� ��づいて、あらかじめ周期が定められた目標� ��吸情報を呼吸情報教示装置33により患者に� �示し、患者が上記目標呼吸情報に意識的に� �吸状態を合わせるよう誘導するものである� �

 次に呼吸とシンクロトロン間の位相の設� ��について記載する。呼吸波形とシンクロト� ��ンの運転パターンの位相は、呼吸波形の振� ��が最大値となる点の中間付近、すなわち呼� ��波形の谷間の中央部にシンクロトロンの出� ��可能ゲートがくるように位相を選択するこ� ��が望ましい。図1の構成においては、シンク ロトロンのタイミング情報(加速器情報)が呼� ��同期制御計算機24を経由して電送されるよ� �になっているが、シンクロトロンや加速器� �イミングシステム11、12から呼吸ナビ装置31� �直接ハードワイヤでタイミング情報を電送� �てもよい。目標呼吸パターンは、あらかじ� �最適な位相で作成しておく。

 更に本発明の実装においては、情報編集端� ��32上で位相を自由に設定できるような機能� �設けておくと、リアルタイムで位相を微調� �することができ、便利である。例えば、呼� �ナビ計算機31にて目標呼吸パターンの教示の タイミングを遅延させ、その遅れを時間(秒)� ��設定できるようにしておけば、治療技師が� ��者に教示する呼吸のタイミングを適宜修正� ��ることができる。
ここまでは1回の呼吸につき1回照射する方法� ��ついて述べてきたが、次に1回の呼吸につき 2回照射する方法について述べる。一般的に1� ��の呼吸につきn回の照射をするためには、呼 吸ゲートの長さが少なくとも(n-1)・Tsync+Tspill� ��要となる。なお、Tsyncは1回の呼吸周期を、T spillは上述したスピル時間を表している。

 図7は2種類のシンクロトロンの運転パラ� �ータA、Bに対する呼吸ゲート幅の設定例を示 す表で、呼吸周期につき2回照射する場合を� �している。目標呼吸ゲート幅を2.4秒以上に� �定した場合、ケース(7)は照射効率が最も高� �が、呼吸周期の4秒の中で2.4秒の呼吸ゲート� ��確保するような呼吸は患者にとって困難な� ��合もある。呼吸波形の閾値を高く設定すれ� ��呼吸ゲートを長くすることができるが、精� ��が犠牲になり不都合な場合もある。そのよ� ��な場合はケース(8)を使えばよい。加速器パ� ��メータBの場合、ケース(10)では呼吸周期の3. 2秒の中で2.4秒の呼吸ゲートを確保するよう� �呼吸は患者にとってケース(7)より更に厳し� �なってしまうので、ケース(11)のほうが現実� ��と思われる。

 このように、目標呼吸情報の設定におい� ��は、上記の手法に従って呼吸周期を3秒から 6秒近辺のシンクロトロン運転周期の整数倍� �し、なるべく患者の自然呼吸周期に近い周� �で、かつ患者にとって苦痛なく実現できる� �期を選択すればよい。呼吸ゲートは1回の呼� ��周期につき2回照射の場合は呼吸ゲート効率 が50%程度以下になるように設定する。1回の� �吸周期につき1回照射の場合は、呼吸ゲート� ��への制約は気にしなくてもよい。これらの� ��件から、最も効率がよい呼吸パターンを目� ��呼吸情報として選べばよい。

 次に、目標呼吸情報の作成手順について� ��明する。治療フローの中のどの時点で目標� ��吸情報を作成するかについては、治療計画� ��報を取得する前が適切である。粒子線治療� ��は治療照射を行う前に治療計画を作成する� ��、治療計画には患部のX線CT画像を取得する� ��要がある。このとき、治療照射が呼吸同期� ��射となるような肺や肝臓といった部位では� ��治療計画用X線CT画像の取得も同様に呼吸同� ��を用いて行う必要がある。このため、治療� ��画用X線CT画像取得前に目標呼吸情報を作成� ��ておき、X線CT撮影時も治療照射と同様の呼� ��状態にしておくことが望ましい。

 まずは患者に楽な呼吸をしてもらい、呼� ��波形を取得し、その平均的な周期を求める� ��このとき連続的に取得される呼吸波形のど� ��部分を使用するかを治療技師が開始時点と� ��了時点によって指定できるようにしておく� ��よい。次に求まった平均的な周期に基づき� ��シンクロトロンの運転周期の整数倍となる� ��うな目標呼吸周期を治療技師が設定する。

 この周期を患者に教示して患者に呼吸し� ��もらい、再度呼吸波形を取得し、取得され� ��呼吸波形を図4のAのように平均化する。平� �化する際に、呼吸波形の異なる部分によっ� �呼吸周期にばらつきがあるので、図の上段� �呼吸波形Aを下段Bに示すように伸縮(この場� �は伸張)することによって呼吸の周期を目標� ��吸周期に合わせてから呼吸波形の振幅を図� ��点線のように平均化するとよい。このよう� ��して取得された、かつ平均化された呼吸1周 期分の呼吸波形を目標呼吸波形(情報)とする� ��このとき、前記と同様に、連続的に取得さ� ��る呼吸波形のどの部分を平均化に使用する� ��を治療技師が開始時点と終了時点によって� ��定できるようにしておくとよい。

 上記のように作成された目標呼吸情報は� ��情報編集端末上で編集し、微調整ができる� ��うにしておくとよい。例えば、目標呼吸波� ��を複数の線分に自動分割し(編集用の分割点 )、線分の分割点を画面上でマウスを使って� �ラッグして編集できるような機能を設けて� �く。このような編集機能を設けておくと、� �吸ゲートを目標値に設定する場合に便利で� �る。また、目標呼吸波形の振幅に係数をか� �ることによって調整する機能や、ベースラ� �ンを上下させる調整機能を設けておくと便� �である。

 目標呼吸情報を作成する別の手順として� ��患者の呼吸を計測し、上記で述べた手法に� ��って呼吸の時系列的な情報を周期単位で平� ��化することで標準呼吸波形を生成する。そ� ��目標呼吸波形の周期とシンクロトロンの運� ��周期から、効率のよい目標呼吸周期を設定� ��、上記標準呼吸波形の周期を伸縮すること� ��目標呼吸情報とする。そして、この波形の� ��吸ゲート幅や振幅などは前記のとおり、患� ��の呼吸のしやすさを考慮して編集してもよ� ��。

 位相の設定は前述のように呼吸ゲートの� ��心とシンクロトロンのスピル中心が重なる� ��うにすればよい。また、患者の反応時間に� ��る呼吸の遅れを考慮して設定しておくこと� ��考えられる。前述のように情報編集端末32� �で目標呼吸情報の位相調整がリアルタイム� �できる機能を設けておくと、治療現場での� �相調整ができるので治療中に位相がずれた� �合でも回復することができる。

 1回の呼吸周期につき2回照射するような� �合は、目標呼吸周期だけでなく、目標呼吸� �ート幅が確保できていることを確認する必� �がある。上記で作成した目標呼吸波形に閾� �を適用して得られた呼吸ゲート幅が十分長� �れば目標呼吸波形をそのまま使用できる。� �し、呼吸ゲート幅の長さが不十分であれば� �情報編集端末上の目標呼吸波形の情報編集� �末上で必要な呼吸ゲート幅を指示して目標� �吸波形を編集すればよい。

 次に呼吸情報教示装置による目標呼吸情報� ��呼吸状態情報、シンクロトロン運転状態な� ��の情報の教示方法について図5を参照して説 明する。
 患者に教示する情報として、呼吸波形では� ��く、呼気、吸気などのタイミングのみをほ� ��リアルタイム教示することも考えられるが� ��呼吸波形のように、呼吸の振幅情報も含む� ��報、すなわち目標値と現状値と両方をリア� ��タイムで教示した方が、患者の呼吸が安定� ��されるので望ましい。

 一部の患者においては、呼吸波形の振幅� ��小さくなったりして不安定となって、呼吸� ��期照射がし難くなる場合があるが、呼吸振� ��の目標値と現状値を患者に教示することで� ��患者が自身の呼吸を照射に適した状態に制� ��することができる。さらに呼吸波形を時間� ��グラフとして教示し、患者が過去と未来を� ��別しやすく表示すれば、患者にとっても予� ��がつくので目標呼吸情報に合わせやすくな� ��。

 図5はこのような教示を行うための表示画面 の例を示しており、(a)から(e)は図3で説明し� �ものと同一である。図中の波形はリアルタ� �ムで左から右にスクロールする。画面中央� �ら左は過去の実績で右は未来の波形を示す� �太い呼吸波形は患者の実際の波形を、細い� �吸波形は目標呼吸情報を示す。
 視覚的な表示方法としては、治療台に寝た� ��者から見える位置に液晶表示画面を設置し� ��り、治療装置壁面や治療室壁面などに投影� ��たり、ヘッドマウントディスプレイを使う� ��法が考えられる。

 視覚的に表示する情報としては呼吸波形� ��シンクロトロンの運転パターンを時系列の� ��ターン情報として画面に左から右に流れる� ��で表示することが考えられる。呼吸波形の� ��うな時系列なデータ曲線による表示、ある� ��は目標呼吸情報と患者の実際の呼吸状態を� ��ー表示など表示されたオブジェクトの位置� ��化によって表示することも考えられる。同� ��情報をオブジェクトの形状変化、寸法変化� ��色変化、又は明るさの変化で表すなど、様� ��な類似の方法が考えられる。

 また、視覚的でない情報の教示方法とし� ��患者の近くにスピーカを設置し、音声ガイ� ��ンスによって呼気や吸気のタイミングを指� ��することが考えられる。同様に音楽を使っ� ��、既知のデジタル加工技術を使って音楽の� ��ート(拍の時間間隔)の整数倍を呼吸周期に� �わせることも考えられる。音楽ではなく音� �トーンを使う場合には音程の高低の変化、� �弱の変化、音色の変化などで呼吸周期を患� �に指示する方法が考えられる。このとき音� �高低を使って呼吸波形の振幅を表現するこ� �ができる。また、視覚、聴覚以外にも、振� �する装置を患者に握ってもらうなど患者に� �接接触する振動装置の振動を制御すること� �より呼吸周期を患者に用いるなどの方法が� �えられる。聴覚的な教示方法は視覚的な教� �方法と併用することも考えられる。

シンクロトロンの運転情報として患者に教 示する情報としては、シンクロトロンの主偏 向電磁石の励磁電流が適している。これ以外 にもシンクロトロンの運転パターンの最初を 示すマスタ信号というものがあり、マスタ信 号以外にも、入射開始、加速開始、加速終了 、出射可時期開始などのシンクロトロン運転 サイクル内の特定なイベントに対応するタイ ミング信号を患者に教示する情報として用い ることが考えられるが、これらのタイミング 信号はいずれもシンクロトロンの運転パター ンに基づいてマスタ信号から適切な遅延を設 けることで発生することもできるので基本的 にはマスタ信号と同等である。

 シンクロトロンの運転情報を患者に教示� ��ることで、患者はシンクロトロンの運転状� ��を理解することができ、目標呼吸パターン� ��近づけることの支援情報として役に立つ。� ��ンクロトロンの運転情報の電送は呼吸同期� ��号発生装置を経由して呼吸ナビ装置に入力� ��ればよいが、加速器タイミングシステムお� ��びシンクロトロン偏向電磁石電源から直接� ��岐して呼吸ナビ装置に電送する方法もある� ��

 前述の目標呼吸情報をノート型パソコン� ��ように記録と表示ができる可搬型の装置に� ��存したり、CD-ROMのような記憶媒体に保存す� ��ば、患者が自宅や病室などでパソコンを使� ��て事前に呼吸のトレーニングに使用するこ� ��もできる。これによって患者はより忠実に� ��吸を目標呼吸パターン近づけることができ� ��。トレーニングの時には呼吸測定装置まで� ��うことが容易でないため、目標呼吸情報の� ��を患者に教示すればよい。