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粒子射線照射裝置、粒子射線治療裝置及粒子射線照射方法.pdf

關 鍵 詞:
粒子 射線 照射 裝置 治療 方法
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摘要
申請專利號:

CN200980160948.0

申請日:

2009.08.27

公開號:

CN102470255B

公開日:

2014.11.26

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 專利權的轉移 IPC(主分類):A61N 5/10登記生效日:20190125變更事項:專利權人變更前權利人:三菱電機株式會社變更后權利人:株式會社日立制作所變更事項:地址變更前權利人:日本東京變更后權利人:日本東京|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):A61N 5/10申請日:20090827|||公開
IPC分類號: A61N5/10 主分類號: A61N5/10
申請人: 三菱電機株式會社
發明人: 巖田高明
地址: 日本東京
優先權:
專利代理機構: 上海專利商標事務所有限公司 31100 代理人: 張鑫
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法律狀態
申請(專利)號:

CN200980160948.0

授權公告號:

|||102470255B||||||

法律狀態公告日:

2019.02.19|||2014.11.26|||2012.07.04|||2012.05.23

法律狀態類型:

專利申請權、專利權的轉移|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明的目的在于獲得可消除掃描電磁鐵的磁滯影響且可實現高精度射束照射的粒子射線照射裝置。包括:磁場傳感器(20),該磁場傳感器(20)對掃描電磁鐵(3)的磁場進行測定;以及照射控制裝置(5),該照射控制裝置(5)基于由磁場傳感器(20)所測定的測定磁場(Bs)及帶電粒子束(1b)的目標照射位置坐標(Pi),對掃描電磁鐵(3)進行控制。照射控制裝置(5)具有:逆映射運算器(22),該逆映射運算器(22)根據帶電粒子束(1b)的目標照射位置坐標(Pi)運算出目標磁場(Bi);以及補償器(23),該補償器(23)輸出對掃描電磁鐵(3)的控制輸入(Io),該控制輸入(Io)將目標磁場(Bi)與測定磁場(Bs)的磁場誤差(Be)控制在規定的閾值以下。

權利要求書

1: 一種粒子射線照射裝置, 該粒子射線照射裝置向照射對象照射由加速器進行加速且 由掃描電磁鐵進行掃描的帶電粒子束, 其特征在于, 包括 : 磁場傳感器, 該磁場傳感器對所述掃描電磁鐵的磁場進行測定 ; 以及 照射控制裝置, 該照射控制裝置基于由所述磁場傳感器所測定的測定磁場和所述帶電 粒子束的目標照射位置坐標, 對所述掃描電磁鐵進行控制, 所述照射控制裝置具有 : 逆映射運算器, 該逆映射運算器根據所述帶電粒子束的目標 照射位置坐標運算出目標磁場 ; 以及 補償器, 該補償器輸出對所述掃描電磁鐵的控制輸入, 該控制輸入將所述目標磁場與 所述測定磁場的磁場誤差控制在規定的閾值以下。
2: 如權利要求 1 所述的粒子射線照射裝置, 其特征在于, 包括劑量監視器, 該劑量監視器對所述帶電粒子束的劑量進行測定, 所述照射控制裝置具有劑量管理器, 該劑量管理器基于由所述劑量監視器所測定的測 定劑量及目標劑量, 針對將所述照射對象分割而得到的每個小區域, 進行照射劑量的管理。
3: 如權利要求 2 所述的粒子射線照射裝置, 其特征在于, 所述劑量管理器所管理的所述小區域是在由所述磁場傳感器所測定的 X 方向及 Y 方向 的磁場中定義的區域。
4: 如權利要求 1 至 3 的任一項所述的粒子射線照射裝置, 其特征在于, 所述磁場傳感器具有拾取線圈。
5: 如權利要求 4 所述的粒子射線照射裝置, 其特征在于, 所述拾取線圈所具有的長度為所述帶電粒子束的前進方向上的所述掃描電磁鐵的鐵 心長度以上。
6: 如權利要求 1 至 5 的任一項所述的粒子射線照射裝置, 其特征在于, 所述逆映射運算器包括所述目標照射位置坐標的多項式。
7: 如權利要求 1 至 6 的任一項所述的粒子射線照射裝置, 其特征在于, 包括射束位置監視器, 該射束位置監視器對所述帶電粒子束的位置進行測定, 所述照射控制裝置具有逆映射生成器, 該逆映射生成器基于由所述射束位置監視器所 測定的測定位置坐標及由所述磁場傳感器所測定的測定磁場, 生成所述逆映射運算器的數 學式模型。
8: 如權利要求 1 至 7 的任一項所述的粒子射線照射裝置, 其特征在于, 所述補償器是 PID 補償器。
9: 一種粒子射線治療裝置, 其特征在于, 包括 : 射束產生裝置, 該射束產生裝置產生帶電粒子束 ; 加速器, 該加速器對由所述射束產生裝置所產生的所述帶電粒子束進行加速 ; 射束輸送裝置, 該射束輸送裝置輸送由所述加速器進行了加速的帶電粒子束 ; 以及 粒子射線照射裝置, 該粒子射線照射裝置用掃描電磁鐵對由所述射束輸送裝置輸送的 帶電粒子束進行掃描, 以向照射對象進行照射, 所述粒子射線照射裝置是如權利要求 1 至 8 的任一項所述的粒子射線照射裝置。

說明書


粒子射線照射裝置及粒子射線治療裝置

    技術領域 本發明涉及用于醫療用途或研究用途的粒子射線治療裝置, 尤其涉及所謂點掃描 或光柵掃描的掃描型的粒子射線照射裝置及粒子射線治療裝置。
     背景技術 一般而言, 粒子射線治療裝置包括 : 射束產生裝置, 該射束產生裝置產生帶電粒 子束 ; 加速器, 該加速器與射束產生裝置相連接, 且對所產生的帶電粒子束進行加速 ; 射束 輸送系統, 該射束輸送系統輸送加速到在加速器中所設定的能量為止之后射出的帶電粒子 束; 以及粒子射線照射裝置, 該粒子射線照射裝置設置在射束輸送系統的下游, 且用于將帶 電粒子束射向照射對象。粒子射線照射裝置大致分為廣域照射方式和掃描照射方式 ( 點掃 描、 光柵掃描等 ), 廣域照射方式利用散射體對帶電粒子束進行散射放大, 使經放大的帶電 粒子束與照射對象的形狀相一致來形成照射野, 而掃描照射方式以細鉛筆狀射束進行掃描 來形成照射野以使其與照射對象的形狀相一致。
     廣域照射方式利用準直器和團塊 (borus) 形成與患部形狀相一致的照射野。廣域 照射方式形成與患部形狀相一致的照射野, 防止向正常組織進行不需要的照射, 因此成為 了最廣泛采用的、 優異的照射方式。然而, 需要針對每一位患者制作團塊, 與患部相配合地 使準直器進行變形。
     另一方面, 掃描照射方式是不需要準直器和團塊的、 自由度高的照射方式。然而, 由于不使用防止向患部以外的正常組織進行照射的這些部件, 因此要求廣域照射方式以上 的、 高射束照射位置精度。
     針對粒子射線治療裝置, 進行著用來提高照射位置或照射劑量的精度的各種發 明。專利文獻 1 的目的在于提供能準確地照射患部的粒子射線治療裝置, 并公開了以下發 明。專利文獻 1 的發明將掃描裝置所進行的帶電粒子束的掃描量和此時利用射束位置檢測 器檢測出的帶電粒子束的射束位置存儲到存儲裝置中, 使用該存儲的掃描量和射束位置, 根據基于治療計劃信息的射束位置, 利用控制裝置來設定掃描裝置的掃描量。由于將實際 照射獲得的掃描量與射束位置之間的關系存儲在存儲裝置中, 因此可期待準確地對患部進 行照射。
     專利文獻 2 的目的在于提供確保高安全性、 能以高精度照射帶電粒子束的粒子射 線治療裝置, 并公開了以下發明。專利文獻 2 將從帶電粒子束產生裝置射出的帶電粒子束 提供給在與射束前進方向相垂直的照射面上進行掃描的掃描電磁鐵, 基于通過該掃描電磁 鐵的帶電粒子束的在照射面上的位置和劑量, 來控制來自帶電粒子束產生裝置的帶電粒子 束的射出量。 具體而言, 在照射面上分割形成的多個區域中, 停止對達到目標劑量的區域供 給帶電粒子束, 對未達到目標劑量的其它區域供給帶電粒子束。 這樣, 對各區域中的照射劑 量和目標劑量進行比較, 對帶電粒子束的射出量進行 ON/OFF( 開通 / 關閉 ) 控制 ( 供給 / 停止 ), 從而可期待高安全性。
     在專利文獻 3 中, 針對在掃描電磁鐵的電流與磁場之間存在的磁滯特性使射束照
     射位置的精度降低這一問題, 公開了以下的發明。專利文獻 3 的發明包括 : 第一運算單元, 該第一運算單元對應于基于照射計劃的射束照射位置, 運算出未考慮磁滯影響的掃描電磁 鐵的電流值 ; 以及第二運算單元, 該第二運算單元考慮磁滯影響對第一運算單元所運算出 的掃描電磁鐵的電流值進行校正運算, 照射控制裝置基于第二運算單元的運算結果來控制 掃描電磁鐵的電流。這樣, 通過在第二運算單元中實施校正運算以消除磁滯影響, 即通過 使第二運算單元具備表示磁滯特性的數學模型, 可期待通過運算來提高射束照射位置的精 度。
     現有技術文獻
     專利文獻
     專利文獻 1 : 日本國專利特開 2005-296162 號公報
     專利文獻 2 : 日本國專利特開 2008-272139 號公報
     專利文獻 3 : 日本國專利特開 2007-132902 號公報
     發明所要解決的技術問題
     在專利文獻 1 所公開的發明中, 基于通過進行實際照射所獲得的帶電粒子束的掃 描量和射束位置的實際數據來制作轉換表, 并利用該轉換表來運算出掃描電磁鐵的設定電 流值。
     然而, 實際情況如專利文獻 3 所示, 在掃描電磁鐵的電流與磁場之間存在磁滯特 性, 在電流值增大時以及電流值減小時, 會形成不同的磁場。換言之, 即使知道某一瞬間的 掃描電磁鐵的電流值, 僅靠該信息, 并不能確定磁場的準確值。因而, 專利文獻 1 所公開的 發明中存在如下問題 : 因電磁鐵的磁滯影響而不能準確地對患部進行照射。
     在專利文獻 2 所公開的發明中, 對帶電粒子束的射出量進行 ON/OFF 控制 ( 供給 / 停止 ), 以使所定義的各區域中的照射劑量達到目標劑量。
     然而, 專利文獻 2 所公開的發明所記載的在照射面上分割所形成的多個區域是根 據對應的掃描電磁鐵的勵磁電流的范圍來定義的勵磁電流空間內的區域 ( 勵磁區域 ), 而 與實際的照射空間內的區域 ( 照射區域 ) 不一致。 這是由于如果不考慮掃描電磁鐵的磁滯, 該勵磁區域和照射區域不會準確地一一對應。因而, 即使在想要這樣以勵磁區域為單位對 照射劑量進行管理來提高安全性的裝置或方法中, 如果不消除掃描電磁鐵的磁滯影響, 也 存在不能使射束照射位置的精度提高的問題。
     在專利文獻 3 所公開的發明中, 在運算單元內部制作磁滯的數學模型, 通過運算 對掃描電磁鐵的電流值進行校正。
     然而, 即使考慮磁滯, 也存在若干問題。第一個問題是 : 利用運算的方法高精度地 對磁滯特性進行校正實際上相當困難。例如, 表示電流與磁場的磁滯特性的曲線不僅根據 輸入 ( 電流 ) 的振幅, 還根據使輸入 ( 電流 ) 變化的速度以及使輸入 ( 電流 ) 變化的模式, 而成為各種形態。雖然在多個領域長時間地對利用運算方法、 即利用數學模型表示該復雜 的磁滯現象進行了各種研究, 但現實情況是依然相當地困難。 此外, 第二個問題在于射束照 想要僅利用 射位置的檢測方法。在以往的多種技術中, 如該專利文獻 3 所公開的發明那樣, 1 臺或多臺射束位置監視器, 來檢測出射束照射位置。 而只有向射束位置監視器照射帶電粒 子束, 射束位置監視器才能獲知射束照射位置。因而, 存在如下問題 : 當射束偏離目標而照 射正常組織等時, 只能單單停止射束, 而不能將射束照射位置控制到本來想要照射的正確的照射位置。 發明內容 本發明是為了解決上述問題而完成的, 其目的在于, 獲得可消除掃描電磁鐵的磁 滯影響且可實現高精度射束照射的粒子射線照射裝置。
     用于解決技術問題的技術手段
     包括 : 磁場傳感器, 該磁場傳感器對掃描電磁鐵的磁場進行測定 ; 以及照射控制 裝置, 該照射控制裝置基于由磁場傳感器所測定的測定磁場和帶電粒子束的目標照射位置 坐標, 對掃描電磁鐵進行控制。照射控制裝置具有 : 逆映射運算器, 該逆映射運算器根據帶 電粒子束的目標照射位置坐標運算出目標磁場 ; 以及補償器, 該補償器輸出對掃描電磁鐵 的控制輸入, 該控制輸入將目標磁場與測定磁場的磁場誤差控制在規定的閾值以下。
     發明的技術效果
     本發明所涉及的粒子射線照射裝置能消除掃描電磁鐵的磁滯影響, 且能實現高精 度的射束照射。
     附圖說明
     圖 1 是本發明的實施方式 1 中的粒子射線治療裝置的簡要結構圖。 圖 2 是圖 1 的照射控制裝置的結構圖。 圖 3 是表示在磁場空間中定義的多個區域的圖。 圖 4 是表示其它磁場傳感器的圖。具體實施方式
     實施方式 1.
     圖 1 是本發明的實施方式 1 中的粒子射線治療裝置的簡要結構圖。粒子射線治療 裝置包括 : 射束產生裝置 51 ; 加速器 52 ; 射束輸送裝置 53 ; 粒子射線照射裝置 54 ; 治療計劃 裝置 55 ; 以及數據服務器 56。射束產生裝置 51 對離子源中產生的帶電粒子進行加速來產 生帶電粒子束。 加速器 52 與射束產生裝置 51 相連接, 對所產生的帶電粒子束進行加速。 射 束輸送裝置 53 輸送加速到在加速器 52 中設定的能量為止之后射出的帶電粒子束。粒子射 線照射裝置 54 設置在射束輸送系統 53 的下游, 對照射對象 15 照射帶電粒子束。治療計劃 裝置 55 生成針對患者的照射對象 15 的治療計劃數據即目標照射位置坐標 Pi 和目標劑量 Di 等。數據服務器 56 存儲有利用治療計劃裝置 55 針對每一位患者生成的治療計劃數據。
     粒子射線照射裝置 54 包括 : 射束輸送管道 2, 該射束輸送管道 2 輸送從射束輸送 裝置 53 入射的入射帶電粒子束 1a ; 掃描電磁鐵 3a、 3b, 該掃描電磁鐵 3a、 3b 在與入射帶電 粒子束 1a 相垂直的方向即 x 方向和 Y 方向上用入射帶電粒子束 1a 進行掃描 ; 磁場傳感器 20a、 20b, 該磁場傳感器 20a、 20b 檢測出掃描電磁鐵 3a、 3b 所產生的磁場 ; 磁場數據轉換器 21 ; 射束位置監視器 7 ; 位置數據轉換器 8 ; 劑量監視器 11 ; 劑量數據轉換器 12 ; 照射控制裝 置5; 以及掃描電源 4。磁場傳感器 20a、 20b 是例如具有拾取線圈的磁場傳感器。另外, 如 圖 1 所示, 入射帶電粒子束 1a 的前進方向為 Z 方向。
     掃描電磁鐵 3a 是沿 X 方向對入射帶電粒子束 1a 進行掃描的 x 方向掃描電磁鐵,掃描電磁鐵 3b 是沿 Y 方向對入射帶電粒子束 1a 進行掃描的 Y 方向掃描電磁鐵。磁場傳感 器 20a 是檢測出 X 方向的磁場的 X 方向磁場傳感器, 磁場傳感器 20b 是檢測出 Y 方向的磁 場的 Y 方向磁場傳感器。磁場數據轉換器 21 將由磁場傳感器 20a、 20b 檢測出的磁場轉換 成數字數據, 生成測定磁場 Bs。射束位置監視器 7 檢測出由掃描電磁鐵 3a、 3b 進行偏轉后 的射出帶電粒子束 1b 的通過位置。位置數據轉換器 8 將由射束位置監視器 7 檢測出的通 過位置轉換成數字數據, 生成測定位置坐標 Ps。劑量監視器 11 檢測出射出帶電粒子束 1b 的劑量。劑量數據轉換器 12 將由劑量監視器 11 檢測出的劑量轉換成數字數據, 生成測定 劑量 Ds。
     照射控制裝置 5 基于測定磁場 Bs 來控制照射對象 15 中的照射位置, 若測定劑量 Ds 達到目標劑量 Di, 則對射束產生裝置 51 輸出射束停止指令 Sspo, 使帶電粒子束停止。 掃 描電源 4 基于從照射控制裝置 5 輸出的對掃描電磁鐵 3 的控制輸入即指令電流 Io, 輸出對 掃描電磁鐵 3a、 3b 進行驅動的勵磁電流。
     圖 2 是照射控制裝置 5 的結構圖。照射控制裝置 5 具有 : 掃描電磁鐵指令值生成 器6; 逆映射生成器 30 ; 逆映射運算器 22 ; 誤差運算器 24 ; 掃描電磁鐵指令值補償器 23 ; 指 令值輸出器 25 ; 射束供給開始指令輸出器 26 ; 以及劑量管理器 10。
     對照射控制裝置 5 的動作進行說明。粒子射線治療裝置的照射大致分為校準時的 試照射和治療時的正式照射。 一般而言, 校準時的試照射是所謂用于進行校正的照射, 在沒 有患者的狀態下, 僅在需要進行校正時進行試照射。將對 x 方向掃描電磁鐵 3a 的控制輸入 ( 電流 Ixo) 和對 Y 方向掃描電磁鐵 3b 的控制輸入 ( 電流 Iyo) 改變成各種值來進行試照 射, 并測定此時的射束照射位置。與現有技術同樣地進行實施方式 1 中的校準時的試照射, 但在試照射時, 不僅測定射束的測定位置坐標 Ps(xs, ys), 還利用磁場傳感器 20a、 20b 對測 定磁場 Bs(Bxs, Bys) 進行測定。將此時的掃描電磁鐵 3 的測定磁場 Bs(Bxs, Bys) 與射束的 測定位置坐標 Ps(xs, ys) 之間的關系實現成作為由逆映射生成器 30 所生成的逆映射運算 器 22 的數學式模型。
     將由治療計劃裝置 55 制作的試照射用的目標照射位置坐標 Pi 的數據串和目標劑 量 Di 的數據串發送到粒子射線照射裝置 54 的照射控制裝置 5( 步驟 S001)。試照射用的目 標照射位置坐標 Pi 是粒子射線照射裝置 54 的可照射范圍的坐標, 試照射用的目標劑量 Di 是任意的劑量。掃描電磁鐵指令值生成器 6 針對每個目標照射位置坐標 Pi, 生成作為基礎 的指令電流 Ig(Ixg, Iyg)( 步驟 S002)。指令值輸出器 25 將作為基礎的指令電流 Ig 作為 指令電流 Io(Ixo, Iyo) 輸出到掃描電源 4。掃描電源 4 根據指令電流 Io, 對掃描電磁鐵 3 進行控制 ( 步驟 S003)。
     射束供給開始指令輸出器 26 接收表示指令值輸出器 25 輸出了指令電流 Io 這一 情況的輸出信號, 向射束產生裝置 51 輸出用來產生射束的射束供給指令 Ssto。射束產生 裝置 51 開始進行帶電粒子束照射。利用磁場傳感器 20a、 20b、 對由指令電流 Io 控制的掃 描電磁鐵 3 的磁場進行測定, 并經由磁場數據轉換器 21 向逆映射生成器 30 輸入測定磁場 Bs(Bxs, Bys)。利用射束位置監視器 7 對用掃描電磁鐵 3 進行了掃描的射出帶電粒子束 1b 的測定位置坐標 Ps(xs, ys) 進行測定, 經由位置數據轉換器 8、 向逆映射生成器 30 輸入測 定位置坐標 Ps。逆映射生成器 30 將測定磁場 Bs(Bxs, Bys) 及測定位置坐標 Ps(xs, ys) 存 儲到作為內置的存儲裝置的存儲器中 ( 步驟 S004)。利用劑量監視器 11 對用掃描電磁鐵 3 進行了掃描的射出帶電粒子束 1b 的測定劑 量 Ds 進行測定, 并經由劑量數據轉換器 12 向劑量管理器 10 輸入測定劑量 Ds( 步驟 S005)。 劑量管理器 10 對目標劑量 Di 和測定劑量 Ds 進行比較, 當測定劑量 Ds 超過目標劑量 Di 時, 向射束產生裝置 51 輸出使射束停止的射束停止指令 Sspo。射束產生裝置 51 接收射束停 止指令 Sspo, 使帶電粒子束 1a 停止。接著, 回到步驟 S002。變更到下一目標照射位置坐標 Pi, 開始進行帶電粒子束照射, 重復進行從步驟 S002 到該步驟 S006 的步驟直到試照射用的 照射對象范圍結束為止 ( 步驟 S006)。
     逆映射生成器 30 基于存儲的一連串的測定磁場 Bs(Bxs, Bys) 及測定位置坐標 Ps(xs, ys) 來制作數學式模型, 并將制作的數學式模型存放到逆映射運算器 22 中 ( 步驟 S007)。
     作為優選的一個示例, 利用多項式來實現逆映射運算器 22 的數學式模型。對與以 往的轉換表不同而采用逆映射運算器 22 的原因進行說明。在假定掃描電磁鐵 3 的規格、 掃 描電源 4 的規格、 以及照射束的規格 ( 照射能量、 入射射束位置等 ) 為一定的基礎上, 如果 掃描電磁鐵 3 的磁場 B(Bx, By) 確定, 則射束的照射位置坐標 P(x, y) 便唯一確定, 因此可認 為與磁場 B 和射束的照射位置坐標 P 的關系相關的物理現象是 2 輸入 2 輸出的正映射。然 而, 在治療中的正式照射時, 預先提供射束的目標照射位置坐標 Pi(xi, yi), 必須將掃描電 磁鐵 3 的磁場 B(Bx, By) 控制成使得實現該射束的目標照射位置坐標 Pi(xi, yi)。即, 在治 療中的正式照射中, 必須根據射束的目標照射位置坐標 Pi(xi, yi), 計算出掃描電磁鐵 3 的 磁場 B(Bx, By) 的推定值以使得實現該目標照射位置坐標 Pi(xi, yi)。因而, 為了獲得磁場 B(Bx, By) 的推定值, 需要逆映射運算器 22。 對利用多項式實現逆映射運算器 22 的數學式模型的方法進行簡要說明。基于在 校準時的試照射中測定的多個射束的測定位置坐標 Ps(xs, ys) 及多個測定磁場 Bs(Bxs, Bys), 求出滿足 PscAc = Bsc 的逆映射的未知參數矩陣 Ac。此處, 矩陣 Psc 是在行方向上 排列多個根據射束的測定位置坐標 Ps(xs, ys) 計算出的行元素、 例如具有 6 個元素的 [1, 2 2 xs, xs , ys, xsys, ys ] 的照射位置坐標矩陣, 矩陣 Bsc 是將測定磁場 Bs(Bxs, Bys) 作為行 元素、 在行方向上排列多個該行元素的磁場矩陣。
     能夠利用以下 (1) 式表示的最小二乘法的式子來求出逆映射的未知參數矩陣 Ac。
     Ac = (PscTPsc)-1PscTBsc … (1)
     式中, PscT 是矩陣 Psc 的轉置矩陣。
     能 夠 利 用 如 上 所 述 地 求 出 的 參 數 矩 陣 Ac, 根 據 以 下 (2) 式 來 求 出 目 標 磁 場 Bi(Bxi, Byi), 該目標磁場 Bi(Bxi, Byi) 是用于實現目標照射位置坐標 Pi(xi, yi) 所需的 磁場 B。
     Bi = PipAc … (2)
     式中, Pip 是根據射束的目標照射位置坐標 Pi(xi, yi) 計算出的行元素, 是在求出 2 參數矩陣 Ac 時所采用的元素, 在上述情況下是具有 6 個元素的矩陣 [1, xi, xi , yi, xiyi, 2 yi ]。
     在現有技術中, 將校準的對掃描電磁鐵 3 的控制輸入 ( 電流 Ixo, 電流 Iyo) 與射 束的測定位置坐標 Ps(xs, ys) 的關系制作成轉換表, 在掃描電磁鐵指令值生成器 6 中預先 存儲該轉換表。分別獨立地, 根據射束的目標照射位置坐標 Pi 的 x 坐標 (xi) 求出對 X 方
     向掃描電磁鐵 3a 的控制輸入 ( 電流 Ixo), 根據射束的目標照射位置坐標 Pi 的 y 坐標 (yi) 求出對 Y 方向掃描電磁鐵 3b 的控制輸入 ( 電流 Iyo)。但是, 實際上, 對 X 方向掃描電磁鐵 3a 的控制輸入 ( 電流 Ixo) 對射束的目標照射位置坐標 Pi 的 xi 和 yi 都產生影響, 而且對 Y 方向掃描電磁鐵 3b 的控制輸入 ( 電流 Iyo) 也對射束照射位置的 xi 和 yi 都產生影響, 即 存在干涉項, 因此, 利用獨立求出的轉換表的方法中照射位置精度較差。
     實施方式 1 的粒子射線照射裝置 54 在逆映射運算器 22 中對目標磁場 Bi 的各 Bxi 及 Byi 實現了考慮了目標照射位置坐標 Pi 的 xi 和 yi 的干涉項后的數學式模型, 因此與以 往不同, 能提高射出帶電粒子束 1b 的照射位置精度。
     接著, 對實施方式 1 的粒子射線治療裝置中的治療時的正式照射進行說明。按照 以下順序來進行治療時的正式照射。
     針對每個照射對象 15, 將由治療計劃裝置 55 制作的目標照射位置坐標 Pi 的數據 串和目標劑量 Di 的數據串發送到粒子射線照射裝置 54 的照射控制裝置 5( 步驟 S101)。 掃描電磁鐵指令值生成器 6 針對每個目標照射位置坐標 Pi, 生成作為基礎的指令電流 Ig(Ixg, Iyg)( 步驟 S102)。指令值輸出器 25 將作為基礎的指令電流 Ig 作為指令電流 Io(Ixo, Iyo) 輸出到掃描電源 4。掃描電源 4 根據指令電流 Io, 對掃描電磁鐵 3 進行控制 ( 步驟 S103)。 逆映射運算器 22 根據目標照射位置坐標 Pi 利用數學式模型運算出用于使射束通 過該目標照射位置坐標 Pi 的目標磁場 Bi(Bxi, Byi), 并輸出目標磁場 Bi(Bxi, Byi)( 步驟 S104)。
     利用磁場傳感器 20a、 20b, 對由指令電流 Io 控制的掃描電磁鐵 3 的磁場進行測定, 并經由磁場數據轉換器 21 向誤差運算器 24 輸入測定磁場 Bs(Bxs, Bys)( 步驟 S105)。誤 差運算器 24 對目標磁場 Bi 和測定磁場 Bs 進行比較, 計算出磁場誤差 Be( 步驟 S106)。
     掃描電磁鐵指令值補償器 23 根據從誤差預算器 24 輸出的磁場誤差 Be, 以與 PID( 比例積分微分 ) 補償器相同的方式來生成電流校正值 Ie。例如, 利用以下的 (3) 式來 生成 ( 步驟 S107)。
     Ie = KpBe … (3)
     式中, Kp 是比例增益。
     指令值輸出器 25 將以電流校正值 Ie 對作為基礎的指令電流 Ig 進行校正后的指 令電流 Ig-Ie 作為指令電流 Io(Ixo, Iyo) 輸出到掃描電源 4。 掃描電源 4 根據指令電流 Io, 對掃描電磁鐵 3 進行控制 ( 步驟 S108)。當從誤差運算器 24 輸出的磁場誤差 Be 變成規定 的閾值以下時, 射束供給開始指令輸出器 26 向射束產生裝置 51 輸出用來產生射束的射束 供給指令 Ssto。射束產生裝置 51 開始進行帶電粒子束照射 ( 步驟 S109)。
     利用劑量監視器 11, 對用掃描電磁鐵 3 進行了掃描的射出帶電粒子束 1b 的測定劑 量 Ds 進行測定, 經由劑量數據轉換器 12, 向劑量管理器 10 輸入測定劑量 Ds( 步驟 S110)。 劑量管理器 10 對目標劑量 Di 和測定劑量 Ds 進行比較, 當測定劑量 Ds 超過目標劑量 Di 時, 向射束產生裝置 51 輸出使射束停止的射束停止指令 Sspo。射束產生裝置 51 接收射束停 止指令 Sspo, 使帶電粒子束 1a 停止。接著, 回到步驟 S102。變更到下一目標照射位置坐標 Pi, 開始進行帶電粒子束照射, 重復進行從步驟 S102 到該步驟 S111 的步驟直到照射對象范 圍結束為止 ( 步驟 S111)。
     通過改變入射帶電粒子束 1a 的能量, 從而對照射對象 15 中的深度方向 (Z 方向 ) 的位置坐標進行控制。若將照射對象 15 中的深度方向 (Z 方向 ) 也包含在內的所有的照射 對象范圍都結束時, 則治療時的正式照射結束。
     在步驟 S111 中, 針對如圖 3 所示那樣在磁場空間內定義的多個小區域的每一個 區域, 進行帶電粒子束的劑量管理。圖 3 是表示在磁場空間 (Bx, By) 中定義的磁場小區域 Si, B1) 簡要表示磁場 B 的 X 分量 Bx 滿足 B0 ≤ Bx < B1 的關系, 同樣, j 的圖。表左列的 (B0, (Bm-1, Bm) 簡要表示 Bx 滿足 Bm-1 ≤ Bx < Bm 的關系。表上段的 (B0, B1) 簡要表示磁場 B 的 Y 分量 By 滿足 B0 ≤ By < B1 的關系, 同樣, (Bm-1, Bm) 簡要表示 By 滿足 Bm-1 ≤ By < Bm 的關系。 區域 S0, 區域 Sm-1, 0 是滿足 B0 ≤ Bx < B1 和 B0 ≤ By < B1 的關系的區域, m-1 是滿足 Bm-1 ≤ Bx < Bm 和 Bm-1 ≤ By < Bm 的關系的區域。
     由于在磁場空間中定義的區域是在包含掃描電磁鐵 3 的電流與磁場之間產生的 磁滯在內的狀態下的磁場中定義的, 因此, 在磁場空間中定義的區域不受掃描電磁鐵 3 的 磁滯的影響, 校準時進行帶電粒子束照射所獲得的利用磁場傳感器 20 所得到的磁場和利 用射束位置監視器 7 所得到的射束位置之間的關系、 與正式照射時的磁場和射束位置之間 的關系極其良好地相一致, 其中, 該正式照射是與校準時相同地進行帶電粒子掃描的情況 下的正式照射。能夠根據帶電粒子束的射出位置、 射束位置監視器 7 中的通過位置、 粒子射 線照射裝置 54 和照射對象 15 的位置關系, 來求出實際照射空間, 因此, 實際照射空間的區 域與在磁場空間中定義的區域具有映射關系, 在正式照射時, 該映射關系也基本不變。因 而, 在步驟 S 111 中, 針對在磁場空間內定義的多個磁場小區域 Si,j 的每一個區域進行帶 電粒子束的劑量管理, 因此, 能高精度地進行照射對象 15 中的在實際照射空間中的劑量管 理。
     實施方式 1 的粒子射線照射裝置 54 基于掃描電磁鐵 3 所產生的磁場, 對入射帶電 粒子束 1a 進行反饋控制, 即, 直接對包含掃描電磁鐵 3 的電流與磁場之間產生的磁滯在內 的狀態進行檢測并進行控制, 因此, 能消除掃描電磁鐵 3 的磁滯影響, 能實現高精度的射束 照射。此外, 由于將作為對掃描電磁鐵 3 的控制輸入 ( 指令電流 Io) 進行校正的基礎的物 理量設為掃描電磁鐵 3 的磁場, 因此, 即使不供給入射帶電粒子束 1a, 也能對帶電粒子束 1a 的照射位置進行控制。因而, 在不供給入射帶電粒子束 1a 的情況下使入射帶電粒子束 1a 的照射位置坐標與目標照射位置坐標 Pi 相一致之后供給帶電粒子束, 因此, 能高精度地向 照射對象 15 照射安全性高的粒子射線。
     粒子射線照射裝置 54 利用磁場傳感器 20 所測定的磁場對在磁場中定義的多個區 域進行反饋控制, 并在該磁場區域中進行劑量管理, 因此, 與以往的利用劑量監視器 11 中 測定的位置坐標進行的反饋控制中消耗時間不同, 能高速地進行反饋控制。 因而, 能縮短對 照射對象 15 整體的照射時間。
     粒子射線照射裝置 54 采用具有拾取線圈的磁場傳感器以作為磁場傳感器 20, 因 此, 即使存在急劇的磁場波動, 也能高精度地測定掃描電磁鐵 3 的磁場。因而, 能利用磁場 傳感器 20 所測定的測定磁場 Bs, 來高速高精度地進行反饋控制, 能進行帶電粒子束的高速 掃描。由此, 能縮短對照射對象 15 整體的照射時間。
     作為磁場傳感器 20, 也可采用如圖 4 所示的具備拾取線圈的磁場傳感器。圖 4 是 表示其它磁場傳感器 20 的圖, 是對掃描電磁鐵 3 和磁場傳感器 20 進行放大的圖。掃描電磁鐵 3 具有鐵心 17 和繞組 16。圖 4 所示的磁場傳感器 20 具備拾取線圈, 該拾取線圈的長 度為利用掃描電磁鐵 3 進行掃描之前的帶電粒子束 1a 的前進方向 (Z 方向 ) 上的掃描電磁 鐵 3 的鐵心 17 的鐵心長度 L 以上。由此, 能對使帶電粒子束進行掃描的掃描電磁鐵 3 的磁 場中的 Z 方向的空間積分值進行測定。通過使用磁場的積分值, 從而能高精度地對使帶電 粒子束偏轉的磁場進行測定, 能對帶電粒子束進行進一步高精度的反饋控制。另外, 在Z方 向上配置多個磁場傳感器 20, 從而構成 X 方向用的磁場傳感器 20a、 Y 方向用的磁場傳感器 20b。
     在緩慢進行帶電粒子束掃描的情況下, 磁場傳感器 20 也可以是具有霍爾元件的 磁場傳感器。通過使用霍爾元件, 從而能對由掃描電磁鐵 3 產生的磁場的絕對值進行測定, 而無需對拾取線圈所測量的電壓進行積分等運算。因而, 能使磁場數據轉換器 21 簡化、 小 型化。此外, 磁場傳感器 20 也可以是具有拾取線圈和霍爾元件的磁場傳感器。通過利用霍 爾元件對測定磁場 Bs 的初始值進行測定, 利用拾取線圈對變化量進行測定, 從而能在任意 定時進行磁場測定, 能縮短磁場測定時間。因而, 能高速地進行反饋控制。由此, 能縮短對 照射對象 15 整體的照射時間。
     以往的粒子射線照射裝置僅利用 1 臺或多臺射束位置監視器來檢測出射束照射 位置, 利用測定位置坐標對帶電粒子束進行反饋控制。配置多個位置監視器等遮擋帶電粒 子束的物體會帶來如下問題 : 隨著射束散射放大, 會無法獲得期望的射束點直徑。
     實施方式 1 的粒子射線照射裝置 54 在正式照射時, 利用由磁場傳感器 20 所測定 的測定磁場 Bs 對帶電粒子束進行反饋控制, 因此, 也可在正式照射時, 利用未圖示的移動 裝置來移動射束位置監視器 7, 使射出帶電粒子束 1b 不會通過射束位置監視器 7。通過這 樣, 能防止射出帶電粒子束 1b 因射束位置監視器 7 而散射放大。由此, 能減小射束點直徑。 因而, 當以小射束直徑來進行照射較佳時, 能夠以適當的點直徑來進行治療。
     如上所述, 根據實施方式 1 的粒子射線照射裝置 54, 包括 : 磁場傳感器 20, 該磁場 傳感器 20 對掃描電磁鐵 3 的磁場進行測定 ; 以及照射控制裝置 5, 該照射控制裝置 5 基于 由磁場傳感器 20 所測定的測定磁場 Bs 及帶電粒子束 1b 的目標照射位置坐標 Pi 對掃描電 磁鐵 3 進行控制, 照射控制裝置 5 具有 : 逆映射運算器 22, 該逆映射運算器 22 根據帶電粒 子束 1b 的目標照射位置坐標 Pi 運算出目標磁場 Bi ; 以及補償器 23, 該補償器 23 輸出對掃 描電磁鐵的控制輸入 Io, 其中, 該控制輸入 Io 將目標磁場 Bi 與測定磁場 Bs 的磁場誤差 Be 控制在規定的閾值以下, 因此, 能消除掃描電磁鐵的磁滯影響, 能實現高精度的射束照射。
     根據實施方式 1 的粒子射線治療裝置, 包括 : 射束產生裝置 51, 該射束產生裝置 51 產生帶電粒子束 ; 加速器 52, 該加速器 52 對由射束產生裝置 51 產生的帶電粒子束進行加 速; 射束輸送裝置 53, 該射束輸送裝置輸送利用加速器 52 進行了加速的帶電粒子束 ; 以及 粒子射線照射裝置 54, 該粒子射線照射裝置 54 用掃描電磁鐵 3 對由射束輸送裝置 53 輸送 的帶電粒子束進行掃描以向照射對象 15 進行照射, 粒子射線照射裝置 54 具有 : 磁場傳感器 20, 該磁場傳感器 20 對掃描電磁鐵 3 的磁場進行測定 ; 以及照射控制裝置 5, 該照射控制裝 置 5 基于由磁場傳感器 20 所測定的測定磁場 Bs 及帶電粒子束 1b 的目標照射位置坐標 Pi, 對掃描電磁鐵 3 進行控制, 照射控制裝置 5 具有 : 逆映射運算器 22, 該逆映射運算器 22 根據 帶電粒子束 1b 的目標照射位置坐標 Pi 運算出目標磁場 Bi ; 以及補償器 23, 該補償器 23 輸 出對掃描電磁鐵 3 的控制輸入 Io, 該控制輸入 Io 將目標磁場 Bi 與測定磁場 Bs 的磁場誤差Be 控制在規定的閾值以下, 因此, 能消除掃描電磁鐵的磁滯影響, 能使用高精度的射束照射 來實現高精度的粒子射線治療。
     另外, 盡管在實施方式 1 中, 作為掃描型的粒子射線治療裝置以點掃描為例進行 了說明, 但是利用由磁場傳感器 20 所測定的測定磁場 Bs 對帶電粒子束進行反饋控制也可 應用于光柵掃描。
     工業上的實用性
     本發明所涉及的粒子射線照射裝置及粒子射線治療裝置可適當地應用于用于醫 療或研究的粒子射線治療裝置。
     標號說明
     1a 入射帶電粒子束
     1b 射出帶電粒子束
     3 掃描電磁鐵
     3a X 方向掃描電磁鐵
     3b Y 方向掃描電磁鐵
     7 射束位置監視器
     11 劑量監視器 15 照射對象 20 磁場傳感器 20a X 方向電磁鐵用磁場傳感器 20b Y 方向電磁鐵用磁場傳感器 22 逆映射運算器 23 掃描電磁鐵指令值補償器 30 逆映射生成器 51 射束產生裝置 52 加速器 53 射束輸送裝置 54 粒子射線照射裝置 Bi 目標磁場 Bs 測定磁場 Pi 目標照射位置坐標 Ps 測定位置坐標 Di 目標劑量 Ds 測定劑量 Io 指令電流 Si, j 磁場小區域 Be 磁場誤差

關于本文
本文標題:粒子射線照射裝置、粒子射線治療裝置及粒子射線照射方法.pdf
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