粒子射線照射裝置及粒子射線治療裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于獲得可消除掃描電磁鐵的磁滯影響且可實(shí)現(xiàn)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(duì)掃描電磁鐵(3)的磁場進(jìn)行測定；以及照射控制裝置(5)，該照射控制裝置(5)對(duì)通過掃描電磁鐵(3)的帶電粒子束(1b)的射出量進(jìn)行控制。照射控制裝置(5)對(duì)于多個(gè)矩形區(qū)域(Si,j)的每一個(gè)求出通過多個(gè)矩形區(qū)域(Si,j)的帶電粒子束(1b)的劑量的累計(jì)值，并基于每個(gè)矩形區(qū)域(Si,j)的累計(jì)值對(duì)帶電粒子束(1b)的射出量進(jìn)行控制。
【專利說明】粒子射線照射裝置及粒子射線治療裝置
[0001]本發(fā)明申請(qǐng)是國際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/JP2009/064969，國際申請(qǐng)日為2009年8月27日，進(jìn)入中國國家階段的申請(qǐng)?zhí)枮?00980160948.0，名稱為“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”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及用于醫(yī)療用途或研究用途的粒子射線治療裝置，尤其涉及所謂點(diǎn)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(shù)】
[0003]一般而言，粒子射線治療裝置包括:射束產(chǎn)生裝置，該射束產(chǎn)生裝置產(chǎn)生帶電粒子束；加速器，該加速器與射束產(chǎn)生裝置相連接，且對(duì)所產(chǎn)生的帶電粒子束進(jìn)行加速；射束輸送系統(tǒng)，該射束輸送系統(tǒng)輸送加速到在加速器中所設(shè)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(shè)置在射束輸送系統(tǒng)的下游，且用于將帶電粒子束射向照射對(duì)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(diǎn)掃描、光柵掃描等)，廣域照射方式利用散射體對(duì)帶電粒子束進(jìn)行散射放大，使經(jīng)放大的帶電粒子束與照射對(duì)象的形狀相一致來形成照射野，而掃描照射方式以細(xì)鉛筆狀射束進(jìn)行掃描來形成照射野以使其與照射對(duì)象的形狀相一致。
[0004]廣域照射方式利用準(zhǔn)直器和團(tuán)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(jìn)行不需要的照射，因此成為了最廣泛采用的、優(yōu)異的照射方式。然而，需要針對(duì)每一位患者制作團(tuán)塊，與患部相配合地使準(zhǔn)直器進(jìn)行變形。
[0005]另一方面，掃描照射方式是不需要準(zhǔn)直器和團(tuán)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(jìn)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。
[0006]針對(duì)粒子射線治療裝置，進(jìn)行著用來提高照射位置或照射劑量的精度的各種發(fā)明。專利文獻(xiàn)I的目的在于提供能準(zhǔn)確地照射患部的粒子射線治療裝置，并公開了以下發(fā)明。專利文獻(xiàn)I的發(fā)明將掃描裝置所進(jìn)行的帶電粒子束的掃描量和此時(shí)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(chǔ)到存儲(chǔ)裝置中，使用該存儲(chǔ)的掃描量和射束位置，根據(jù)基于治療計(jì)劃信息的射束位置，利用控制裝置來設(shè)定掃描裝置的掃描量。由于將實(shí)際照射獲得的掃描量與射束位置之間的關(guān)系存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中，因此可期待準(zhǔn)確地對(duì)患部進(jìn)行照射。
[0007]專利文獻(xiàn)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(fā)明。專利文獻(xiàn)2將從帶電粒子束產(chǎn)生裝置射出的帶電粒子束提供給在與射束前進(jìn)方向相垂直的照射面上進(jìn)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(chǎn)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(gè)區(qū)域中，停止對(duì)達(dá)到目標(biāo)劑量的區(qū)域供給帶電粒子束，對(duì)未達(dá)到目標(biāo)劑量的其它區(qū)域供給帶電粒子束。這樣，對(duì)各區(qū)域中的照射劑量和目標(biāo)劑量進(jìn)行比較，對(duì)帶電粒子束的射出量進(jìn)行ΟΝ/OFF(開通/關(guān)閉)控制(供給/停止)，從而可期待高安全性。
[0008]在專利文獻(xiàn)3中，針對(duì)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(fā)明。專利文獻(xiàn)3的發(fā)明包括:第一運(yùn)算單元，該第一運(yùn)算單元對(duì)應(yīng)于基于照射計(jì)劃的射束照射位置，運(yùn)算出未考慮磁滯影響的掃描電磁鐵的電流值；以及第二運(yùn)算單元，該第二運(yùn)算單元考慮磁滯影響對(duì)第一運(yùn)算單元所運(yùn)算出的掃描電磁鐵的電流值進(jìn)行校正運(yùn)算，照射控制裝置基于第二運(yùn)算單元的運(yùn)算結(jié)果來控制掃描電磁鐵的電流。這樣，通過在第二運(yùn)算單元中實(shí)施校正運(yùn)算以消除磁滯影響，即通過使第二運(yùn)算單元具備表示磁滯特性的數(shù)學(xué)模型，可期待通過運(yùn)算來提高射束照射位置的精度。
[0009]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0010]專利文獻(xiàn)
[0011]專利文獻(xiàn)1:日本國專利特開2005-296162號(hào)公報(bào)
[0012]專利文獻(xiàn)2:日本國專利特開2008-272139號(hào)公報(bào)
[0013]專利文獻(xiàn)3:日本國專利特開2007-132902號(hào)公報(bào)
[0014]發(fā)明所要解決的技術(shù)問題
[0015]在專利文獻(xiàn)I所公開的發(fā)明中，基于通過進(jìn)行實(shí)際照射所獲得的帶電粒子束的掃描量和射束位置的實(shí)際數(shù)據(jù)來制作轉(zhuǎn)換表，并利用該轉(zhuǎn)換表來運(yùn)算出掃描電磁鐵的設(shè)定電流值。
[0016]然而，實(shí)際情況如專利文獻(xiàn)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(shí)以及電流值減小時(shí)，會(huì)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(zhǔn)確值。因而，專利文獻(xiàn)I所公開的發(fā)明中存在如下問題:因電磁鐵的磁滯影響而不能準(zhǔn)確地對(duì)患部進(jìn)行照射。
[0017]在專利文獻(xiàn)2所公開的發(fā)明中，對(duì)帶電粒子束的射出量進(jìn)行0N/0FF控制(供給/停止)，以使所定義的各區(qū)域中的照射劑量達(dá)到目標(biāo)劑量。
[0018]然而，專利文獻(xiàn)2所公開的發(fā)明所記載的在照射面上分割所形成的多個(gè)區(qū)域是根據(jù)對(duì)應(yīng)的掃描電磁鐵的勵(lì)磁電流的范圍來定義的勵(lì)磁電流空間內(nèi)的區(qū)域(勵(lì)磁區(qū)域)，而與實(shí)際的照射空間內(nèi)的區(qū)域(照射區(qū)域)不一致。這是由于如果不考慮掃描電磁鐵的磁滯，該勵(lì)磁區(qū)域和照射區(qū)域不會(huì)準(zhǔn)確地一一對(duì)應(yīng)。因而，即使在想要這樣以勵(lì)磁區(qū)域?yàn)閱挝粚?duì)照射劑量進(jìn)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。
[0019]在專利文獻(xiàn)3所公開的發(fā)明中，在運(yùn)算單元內(nèi)部制作磁滯的數(shù)學(xué)模型，通過運(yùn)算對(duì)掃描電磁鐵的電流值進(jìn)行校正。
[0020]然而，即使考慮磁滯，也存在若干問題。第一個(gè)問題是:利用運(yùn)算的方法高精度地對(duì)磁滯特性進(jìn)行校正實(shí)際上相當(dāng)困難。例如，表示電流與磁場的磁滯特性的曲線不僅根據(jù)輸入(電流)的振幅，還根據(jù)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(tài)。雖然在多個(gè)領(lǐng)域長時(shí)間地對(duì)利用運(yùn)算方法、即利用數(shù)學(xué)模型表示該復(fù)雜的磁滯現(xiàn)象進(jìn)行了各種研究，但現(xiàn)實(shí)情況是依然相當(dāng)?shù)乩щy。此外，第二個(gè)問題在于射束照射位置的檢測方法。在以往的多種技術(shù)中，如該專利文獻(xiàn)3所公開的發(fā)明那樣，想要僅利用I臺(tái)或多臺(tái)射束位置監(jiān)視器，來檢測出射束照射位置。而只有向射束位置監(jiān)視器照射帶電粒子束，射束位置監(jiān)視器才能獲知射束照射位置。因而，存在如下問題:當(dāng)射束偏離目標(biāo)而照射正常組織等時(shí)，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(fā)明內(nèi)容】

[0021]本發(fā)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(shí)現(xiàn)高精度射束照射的粒子射線照射裝置。
[0022]用于解決技術(shù)問題的技術(shù)手段
[0023]包括:磁場傳感器，該磁場傳感器對(duì)掃描電磁鐵的磁場進(jìn)行測定；以及照射控制裝置，該照射控制裝置對(duì)通過掃描電磁鐵的帶電粒子束的射出量進(jìn)行控制，照射控制裝置對(duì)于多個(gè)矩形區(qū)域的每一個(gè)求出通過多個(gè)矩形區(qū)域的帶電粒子束的劑量的累計(jì)值，其中矩形區(qū)域由磁場傳感器所測定出的X方向及Y方向的磁場來定義。
[0024]發(fā)明的技術(shù)效果
[0025]由于本發(fā)明所涉及的粒子射線照射裝置基于由磁場傳感器所測定出的磁場來定義的多個(gè)矩形區(qū)域、即不受掃描電磁鐵的磁滯影響的空間中的多個(gè)矩形區(qū)域的每一個(gè)的累計(jì)值來控制帶電粒子束的射出量，因此能消除掃描電磁鐵的磁滯影響，且能實(shí)現(xiàn)高精度的射束照射。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式I中的粒子射線治療裝置的簡要結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖2是圖1的照射控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0028]圖3是表示在磁場空間中定義的多個(gè)區(qū)域的圖。
[0029]圖4是表不其它磁場傳感器的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030]實(shí)施方式1.
[0031]圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式I中的粒子射線治療裝置的簡要結(jié)構(gòu)圖。粒子射線治療裝置包括:射束產(chǎn)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(jì)劃裝置55 ;以及數(shù)據(jù)服務(wù)器56。射束產(chǎn)生裝置51對(duì)離子源中產(chǎn)生的帶電粒子進(jìn)行加速來產(chǎn)生帶電粒子束。加速器52與射束產(chǎn)生裝置51相連接，對(duì)所產(chǎn)生的帶電粒子束進(jìn)行加速。射束輸送裝置53輸送加速到在加速器52中設(shè)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(shè)置在射束輸送裝置53的下游，對(duì)照射對(duì)象15照射帶電粒子束。治療計(jì)劃裝置55生成針對(duì)患者的照射對(duì)象15的治療計(jì)劃數(shù)據(jù)即目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi和目標(biāo)劑量Di等。數(shù)據(jù)服務(wù)器56存儲(chǔ)有利用治療計(jì)劃裝置55針對(duì)每一位患者生成的治療計(jì)劃數(shù)據(jù)。
[0032]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Ia ;掃描電磁鐵3a、3b，該掃描電磁鐵3a、3b在與入射帶電粒子束Ia相垂直的方向即X方向和Y方向上用入射帶電粒子束Ia進(jìn)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(chǎn)生的磁場；磁場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器21 ;射束位置監(jiān)視器7 ;位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器8 ;劑量監(jiān)視器11 ;劑量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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Ia的前進(jìn)方向?yàn)閆方向。
[0033]掃描電磁鐵3a是沿X方向?qū)θ肷鋷щ娏Ｗ邮鳬a進(jìn)行掃描的X方向掃描電磁鐵，掃描電磁鐵3b是沿Y方向?qū)θ肷鋷щ娏Ｗ邮鳬a進(jìn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器21將由磁場傳感器20a、20b檢測出的磁場轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，生成測定磁場Bs。射束位置監(jiān)視器7檢測出由掃描電磁鐵3a、3b進(jìn)行偏轉(zhuǎn)后的射出帶電粒子束Ib的通過位置。位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器8將由射束位置監(jiān)視器7檢測出的通過位置轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，生成測定位置坐標(biāo)Ps。劑量監(jiān)視器11檢測出射出帶電粒子束Ib的劑量。劑量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器12將由劑量監(jiān)視器11檢測出的劑量轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，生成測定劑量Ds。
[0034]照射控制裝置5基于測定磁場Bs來控制照射對(duì)象15中的照射位置，若測定劑量Ds達(dá)到目標(biāo)劑量Di，則對(duì)射束產(chǎn)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(duì)掃描電磁鐵3的控制輸入即指令電流1，輸出對(duì)掃描電磁鐵3a、3b進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的勵(lì)磁電流。
[0035]圖2是照射控制裝置5的結(jié)構(gòu)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(yùn)算器22 ;誤差運(yùn)算器24 ;掃描電磁鐵指令值補(bǔ)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。
[0036]對(duì)照射控制裝置5的動(dòng)作進(jìn)行說明。粒子射線治療裝置的照射大致分為校準(zhǔn)時(shí)的試照射和治療時(shí)的正式照射。一般而言，校準(zhǔn)時(shí)的試照射是所謂用于進(jìn)行校正的照射，在沒有患者的狀態(tài)下，僅在需要進(jìn)行校正時(shí)進(jìn)行試照射。將對(duì)X方向掃描電磁鐵3a的控制輸入(電流Ixo)和對(duì)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(jìn)行試照射，并測定此時(shí)的射束照射位置。與現(xiàn)有技術(shù)同樣地進(jìn)行實(shí)施方式I中的校準(zhǔn)時(shí)的試照射，但在試照射時(shí)，不僅測定射束的測定位置坐標(biāo)Ps (xs, ys)，還利用磁場傳感器20a、20b對(duì)測定磁場Bs (Bxs, Bys)進(jìn)行測定。將此時(shí)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(biāo)Ps (xs，ys)之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)成作為由逆映射生成器30所生成的逆映射運(yùn)算器22的數(shù)學(xué)式模型。
[0037]將由治療計(jì)劃裝置55制作的試照射用的目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi的數(shù)據(jù)串和目標(biāo)劑量Di的數(shù)據(jù)串發(fā)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(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi是粒子射線照射裝置54的可照射范圍的坐標(biāo)，試照射用的目標(biāo)劑量Di是任意的劑量。掃描電磁鐵指令值生成器6針對(duì)每個(gè)目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi，生成作為基礎(chǔ)的指令電流Ig(Ixg，Iyg)(步驟S002)。指令值輸出器25將作為基礎(chǔ)的指令電流Ig作為指令電流1(IXO，Iyo)輸出到掃描電源4。掃描電源4根據(jù)指令電流1，對(duì)掃描電磁鐵3進(jìn)行控制(步驟S003)。
[0038]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1這一情況的輸出信號(hào)，向射束產(chǎn)生裝置51輸出用來產(chǎn)生射束的射束供給指令Ssto。射束產(chǎn)生裝置51開始進(jìn)行帶電粒子束照射。利用磁場傳感器20a、20b、對(duì)由指令電流1控制的掃描電磁鐵3的磁場進(jìn)行測定，并經(jīng)由磁場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器21向逆映射生成器30輸入測定磁場Bs(BxsjBys)0利用射束位置監(jiān)視器7對(duì)用掃描電磁鐵3進(jìn)行了掃描的射出帶電粒子束Ib的測定位置坐標(biāo)Ps(Xs，ys)進(jìn)行測定，經(jīng)由位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器8、向逆映射生成器30輸入測定位置坐標(biāo)Ps。逆映射生成器30將測定磁場Bs (Bxs, Bys)及測定位置坐標(biāo)Ps (xs, ys)存儲(chǔ)到作為內(nèi)置的存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)器中(步驟S004)。
[0039]利用劑量監(jiān)視器11對(duì)用掃描電磁鐵3進(jìn)行了掃描的射出帶電粒子束Ib的測定劑量Ds進(jìn)行測定，并經(jīng)由劑量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(duì)目標(biāo)劑量Di和測定劑量Ds進(jìn)行比較，當(dāng)測定劑量Ds超過目標(biāo)劑量Di時(shí)，向射束產(chǎn)生裝置51輸出使射束停止的射束停止指令Sspo。射束產(chǎn)生裝置51接收射束停止指令Sspo，使帶電粒子束Ia停止。接著，回到步驟S002。變更到下一目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi，開始進(jìn)行帶電粒子束照射，重復(fù)進(jìn)行從步驟S002到該步驟S006的步驟直到試照射用的照射對(duì)象范圍結(jié)束為止(步驟S006)。
[0040]逆映射生成器30基于存儲(chǔ)的一連串的測定磁場Bs (Bxs，Bys)及測定位置坐標(biāo)Ps(xs,ys)來制作數(shù)學(xué)式模型，并將制作的數(shù)學(xué)式模型存放到逆映射運(yùn)算器22中(步驟S007)。
[0041]作為優(yōu)選的一個(gè)示例，利用多項(xiàng)式來實(shí)現(xiàn)逆映射運(yùn)算器22的數(shù)學(xué)式模型。對(duì)與以往的轉(zhuǎn)換表不同而采用逆映射運(yùn)算器22的原因進(jìn)行說明。在假定掃描電磁鐵3的規(guī)格、掃描電源4的規(guī)格、以及照射束的規(guī)格(照射能量、入射射束位置等)為一定的基礎(chǔ)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(biāo)P (x, y)便唯一確定，因此可認(rèn)為與磁場B和射束的照射位置坐標(biāo)P的關(guān)系相關(guān)的物理現(xiàn)象是2輸入2輸出的正映射。然而，在治療中的正式照射時(shí)，預(yù)先提供射束的目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi (xi, yi)，必須將掃描電磁鐵3的磁場B(Bx，By)控制成使得實(shí)現(xiàn)該射束的目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi (xi, yi)。即，在治療中的正式照射中，必須根據(jù)射束的目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi (xi, yi)，計(jì)算出掃描電磁鐵3的磁場B(Bx，By)的推定值以使得實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi (xi，yi)。因而，為了獲得磁場B (Bx, By)的推定值，需要逆映射運(yùn)算器22。
[0042]對(duì)利用多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)逆映射運(yùn)算器22的數(shù)學(xué)式模型的方法進(jìn)行簡要說明?；谠谛?zhǔn)時(shí)的試照射中測定的多個(gè)射束的測定位置坐標(biāo)Ps(xs, ys)及多個(gè)測定磁場Bs (Bxs, Bys)，求出滿足PscAc = Bsc的逆映射的未知參數(shù)矩陣Ac。此處，矩陣Psc是在行方向上排列多個(gè)根據(jù)射束的測定位置坐標(biāo)Ps (xs，ys)計(jì)算出的行元素、例如具有6個(gè)元素的[I, xs, xs2, ys, xsys, ys2]的照射位置坐標(biāo)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(gè)該行元素的磁場矩陣。
[0043]能夠利用以下⑴式表示的最小二乘法的式子來求出逆映射的未知參數(shù)矩陣Ac。
[0044]Ac = (PsctPsc) ^1PsctBsc...(]_)
[0045]式中，Psct是矩陣Psc的轉(zhuǎn)置矩陣。
[0046]能夠利用如上所述地求出的參數(shù)矩陣Ac，根據(jù)以下⑵式來求出目標(biāo)磁場Bi (Bxi, Byi),該目標(biāo)磁場Bi (Bxi, Byi)是用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi (xi, yi)所需的磁場B。
[0047]Bi = PipAc...(2)
[0048]式中，Pip是根據(jù)射束的目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi (xi, yi)計(jì)算出的行元素，是在求出參數(shù)矩陣Ac時(shí)所采用的元素，在上述情況下是具有6個(gè)元素的矩陣[I, xi, xi2, yi, xiyi, yi2]。
[0049]在現(xiàn)有技術(shù)中，將校準(zhǔn)的對(duì)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(biāo)Ps(Xs，ys)的關(guān)系制作成轉(zhuǎn)換表，在掃描電磁鐵指令值生成器6中預(yù)先存儲(chǔ)該轉(zhuǎn)換表。分別獨(dú)立地，根據(jù)射束的目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi的X坐標(biāo)(xi)求出對(duì)X方向掃描電磁鐵3a的控制輸入(電流Ixo)，根據(jù)射束的目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi的y坐標(biāo)(yi)求出對(duì)Y方向掃描電磁鐵3b的控制輸入(電流Iyo)。但是,實(shí)際上,對(duì)X方向掃描電磁鐵3a的控制輸入(電流Ixo)對(duì)射束的目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi的xi和yi都產(chǎn)生影響，而且對(duì)Y方向掃描電磁鐵3b的控制輸入(電流Iyo)也對(duì)射束照射位置的xi和yi都產(chǎn)生影響，即存在干涉項(xiàng)，因此，利用獨(dú)立求出的轉(zhuǎn)換表的方法中照射位置精度較差。
[0050]實(shí)施方式I的粒子射線照射裝置54在逆映射運(yùn)算器22中對(duì)目標(biāo)磁場Bi的各Bxi及Byi實(shí)現(xiàn)了考慮了目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi的xi和yi的干涉項(xiàng)后的數(shù)學(xué)式模型，因此與以往不同，能提高射出帶電粒子束Ib的照射位置精度。
[0051]接著，對(duì)實(shí)施方式I的粒子射線治療裝置中的治療時(shí)的正式照射進(jìn)行說明。按照以下順序來進(jìn)行治療時(shí)的正式照射。
[0052]針對(duì)每個(gè)照射對(duì)象15，將由治療計(jì)劃裝置55制作的目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi的數(shù)據(jù)串和目標(biāo)劑量Di的數(shù)據(jù)串發(fā)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(duì)每個(gè)目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi，生成作為基礎(chǔ)的指令電流Ig(Ixg, Iyg)(步驟S102)。指令值輸出器25將作為基礎(chǔ)的指令電流Ig作為指令電流1(Ixo, Iyo)輸出到掃描電源4。掃描電源4根據(jù)指令電流Ιο，對(duì)掃描電磁鐵3進(jìn)行控制(步驟 S103)。
[0053]逆映射運(yùn)算器22根據(jù)目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi利用數(shù)學(xué)式模型運(yùn)算出用于使射束通過該目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi的目標(biāo)磁場Bi (Bxi, Byi)，并輸出目標(biāo)磁場Bi (Bxi, Byi)(步驟S104)。
[0054]利用磁場傳感器20a、20b，對(duì)由指令電流1控制的掃描電磁鐵3的磁場進(jìn)行測定，并經(jīng)由磁場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器21向誤差運(yùn)算器24輸入測定磁場Bs (Bxs，Bys)(步驟S105)。誤差運(yùn)算器24對(duì)目標(biāo)磁場Bi和測定磁場Bs進(jìn)行比較，計(jì)算出磁場誤差Be (步驟S106)。
[0055]掃描電磁鐵指令值補(bǔ)償器23根據(jù)從誤差預(yù)算器24輸出的磁場誤差Be，以與PID(比例積分微分)補(bǔ)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)。
[0056]Ie = KpBe...(3)
[0057]式中，Kp是比例增益。
[0058]指令值輸出器25將以電流校正值Ie對(duì)作為基礎(chǔ)的指令電流Ig進(jìn)行校正后的指令電流Ig -1e作為指令電流l0(IX0，Iyo)輸出到掃描電源4。掃描電源4根據(jù)指令電流1，對(duì)掃描電磁鐵3進(jìn)行控制(步驟S108)。當(dāng)從誤差運(yùn)算器24輸出的磁場誤差Be變成規(guī)定的閾值以下時(shí)，射束供給開始指令輸出器26向射束產(chǎn)生裝置51輸出用來產(chǎn)生射束的射束供給指令Ssto。射束產(chǎn)生裝置51開始進(jìn)行帶電粒子束照射(步驟S109)。
[0059]利用劑量監(jiān)視器11，對(duì)用掃描電磁鐵3進(jìn)行了掃描的射出帶電粒子束Ib的測定劑量Ds進(jìn)行測定，經(jīng)由劑量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(duì)目標(biāo)劑量Di和測定劑量Ds進(jìn)行比較，當(dāng)測定劑量Ds超過目標(biāo)劑量Di時(shí)，向射束產(chǎn)生裝置51輸出使射束停止的射束停止指令Sspo。射束產(chǎn)生裝置51接收射束停止指令Sspo，使帶電粒子束Ia停止。接著，回到步驟S102。變更到下一目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi，開始進(jìn)行帶電粒子束照射，重復(fù)進(jìn)行從步驟S102到該步驟Slll的步驟直到照射對(duì)象范圍結(jié)束為止(步驟S111)。
[0060]通過改變?nèi)肷鋷щ娏Ｗ邮鳬a的能量，從而對(duì)照射對(duì)象15中的深度方向(Z方向)的位置坐標(biāo)進(jìn)行控制。若將照射對(duì)象15中的深度方向(Z方向)也包含在內(nèi)的所有的照射對(duì)象范圍都結(jié)束時(shí)，則治療時(shí)的正式照射結(jié)束。
[0061]在步驟Slll中，針對(duì)如圖3所示那樣在磁場空間內(nèi)定義的多個(gè)小區(qū)域的每一個(gè)區(qū)域，進(jìn)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(qū)域Si；J的圖。表左列的(B。，B1)簡要表示磁場B的X分量Bx滿足B。彡Bx < B1的關(guān)系，同樣，GV1, Bm)簡要表不Bx滿足Bnrl ^ Bx < Bm的關(guān)系。表上段的(Btl, B1)簡要表不磁場B的Y分量By滿足B0 ^ By < B1的關(guān)系，同樣，(Bm^1, Bm)簡要表示By滿足Bnrl ^ By < Bm的關(guān)系。區(qū)域S。，。是滿足B。彡Bx < B1和B。彡By < B1的關(guān)系的區(qū)域，區(qū)域Sm^1是滿足Blrt ( Bx< Bm和Bnrl ^ By < Bm的關(guān)系的區(qū)域。
[0062]由于在磁場空間中定義的區(qū)域是在包含掃描電磁鐵3的電流與磁場之間產(chǎn)生的磁滯在內(nèi)的狀態(tài)下的磁場中定義的，因此，在磁場空間中定義的區(qū)域不受掃描電磁鐵3的磁滯的影響，校準(zhǔn)時(shí)進(jìn)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(jiān)視器7所得到的射束位置之間的關(guān)系、與正式照射時(shí)的磁場和射束位置之間的關(guān)系極其良好地相一致，其中，該正式照射是與校準(zhǔn)時(shí)相同地進(jìn)行帶電粒子掃描的情況下的正式照射。能夠根據(jù)帶電粒子束的射出位置、射束位置監(jiān)視器7中的通過位置、粒子射線照射裝置54和照射對(duì)象15的位置關(guān)系，來求出實(shí)際照射空間，因此，實(shí)際照射空間的區(qū)域與在磁場空間中定義的區(qū)域具有映射關(guān)系，在正式照射時(shí)，該映射關(guān)系也基本不變。因而，在步驟Slll中，針對(duì)在磁場空間內(nèi)定義的多個(gè)磁場小區(qū)域Su的每一個(gè)區(qū)域進(jìn)行帶電粒子束的劑量管理，因此，能高精度地進(jìn)行照射對(duì)象15中的在實(shí)際照射空間中的劑量管理。
[0063]實(shí)施方式I的粒子射線照射裝置54基于掃描電磁鐵3所產(chǎn)生的磁場,對(duì)入射帶電粒子束Ia進(jìn)行反饋控制，S卩，直接對(duì)包含掃描電磁鐵3的電流與磁場之間產(chǎn)生的磁滯在內(nèi)的狀態(tài)進(jìn)行檢測并進(jìn)行控制，因此，能消除掃描電磁鐵3的磁滯影響，能實(shí)現(xiàn)高精度的射束照射。此外，由于將作為對(duì)掃描電磁鐵3的控制輸入(指令電流1)進(jìn)行校正的基礎(chǔ)的物理量設(shè)為掃描電磁鐵3的磁場，因此，即使不供給入射帶電粒子束la，也能對(duì)帶電粒子束Ia的照射位置進(jìn)行控制。因而，在不供給入射帶電粒子束Ia的情況下使入射帶電粒子束Ia的照射位置坐標(biāo)與目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi相一致之后供給帶電粒子束，因此，能高精度地向照射對(duì)象15照射安全性高的粒子射線。
[0064]粒子射線照射裝置54利用磁場傳感器20所測定的磁場對(duì)在磁場中定義的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行反饋控制，并在該磁場區(qū)域中進(jìn)行劑量管理，因此，與以往的利用劑量監(jiān)視器11中測定的位置坐標(biāo)進(jìn)行的反饋控制中消耗時(shí)間不同，能高速地進(jìn)行反饋控制。因而，能縮短對(duì)照射對(duì)象15整體的照射時(shí)間。
[0065]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(dòng)，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(jìn)行反饋控制，能進(jìn)行帶電粒子束的高速掃描。由此，能縮短對(duì)照射對(duì)象15整體的照射時(shí)間。
[0066]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是表不其它磁場傳感器20的圖，是對(duì)掃描電磁鐵3和磁場傳感器20進(jìn)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(jìn)行掃描之前的帶電粒子束Ia的前進(jìn)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(duì)使帶電粒子束進(jìn)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(jìn)行測定。通過使用磁場的積分值，從而能高精度地對(duì)使帶電粒子束偏轉(zhuǎn)的磁場進(jìn)行測定，能對(duì)帶電粒子束進(jìn)行進(jìn)一步高精度的反饋控制。另外，在Z方向上配置多個(gè)磁場傳感器20,從而構(gòu)成X方向用的磁場傳感器20a、Y方向用的磁場傳感器20b。
[0067]在緩慢進(jìn)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(duì)由掃描電磁鐵3產(chǎn)生的磁場的絕對(duì)值進(jìn)行測定，而無需對(duì)拾取線圈所測量的電壓進(jìn)行積分等運(yùn)算。因而，能使磁場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(duì)測定磁場Bs的初始值進(jìn)行測定，利用拾取線圈對(duì)變化量進(jìn)行測定，從而能在任意定時(shí)進(jìn)行磁場測定，能縮短磁場測定時(shí)間。因而，能高速地進(jìn)行反饋控制。由此，能縮短對(duì)照射對(duì)象15整體的照射時(shí)間。
[0068]以往的粒子射線照射裝置僅利用I臺(tái)或多臺(tái)射束位置監(jiān)視器來檢測出射束照射位置，利用測定位置坐標(biāo)對(duì)帶電粒子束進(jìn)行反饋控制。配置多個(gè)位置監(jiān)視器等遮擋帶電粒子束的物體會(huì)帶來如下問題:隨著射束散射放大，會(huì)無法獲得期望的射束點(diǎn)直徑。
[0069]實(shí)施方式I的粒子射線照射裝置54在正式照射時(shí)，利用由磁場傳感器20所測定的測定磁場Bs對(duì)帶電粒子束進(jìn)行反饋控制，因此，也可在正式照射時(shí)，利用未圖示的移動(dòng)裝置來移動(dòng)射束位置監(jiān)視器7，使射出帶電粒子束Ib不會(huì)通過射束位置監(jiān)視器7。通過這樣，能防止射出帶電粒子束Ib因射束位置監(jiān)視器7而散射放大。由此，能減小射束點(diǎn)直徑。因而，當(dāng)以小射束直徑來進(jìn)行照射較佳時(shí)，能夠以適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)直徑來進(jìn)行治療。
[0070]如上所述，根據(jù)實(shí)施方式I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(duì)掃描電磁鐵3的磁場進(jìn)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Ib的目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi對(duì)掃描電磁鐵3進(jìn)行控制，照射控制裝置5具有:逆映射運(yùn)算器22，該逆映射運(yùn)算器22根據(jù)帶電粒子束Ib的目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi運(yùn)算出目標(biāo)磁場Bi ;以及補(bǔ)償器23，該補(bǔ)償器23輸出對(duì)掃描電磁鐵的控制輸入1,其中，該控制輸入1將目標(biāo)磁場Bi與測定磁場Bs的磁場誤差Be控制在規(guī)定的閾值以下，因此，能消除掃描電磁鐵的磁滯影響，能實(shí)現(xiàn)高精度的射束照射。
[0071]根據(jù)實(shí)施方式I的粒子射線治療裝置，包括:射束產(chǎn)生裝置51，該射束產(chǎn)生裝置51產(chǎn)生帶電粒子束；加速器52，該加速器52對(duì)由射束產(chǎn)生裝置51產(chǎn)生的帶電粒子束進(jìn)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(jìn)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(duì)由射束輸送裝置53輸送的帶電粒子束進(jìn)行掃描以向照射對(duì)象15進(jìn)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(duì)掃描電磁鐵3的磁場進(jìn)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Ib的目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi，對(duì)掃描電磁鐵3進(jìn)行控制，照射控制裝置5具有:逆映射運(yùn)算器22，該逆映射運(yùn)算器22根據(jù)帶電粒子束Ib的目標(biāo)照射位置坐標(biāo)Pi運(yùn)算出目標(biāo)磁場Bi ;以及補(bǔ)償器23，該補(bǔ)償器23輸出對(duì)掃描電磁鐵3的控制輸入1,該控制輸入1將目標(biāo)磁場Bi與測定磁場Bs的磁場誤差Be控制在規(guī)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(shí)現(xiàn)高精度的粒子射線治療。
[0072]另外，盡管在實(shí)施方式I中，作為掃描型的粒子射線治療裝置以點(diǎn)掃描為例進(jìn)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(duì)帶電粒子束進(jìn)行反饋控制也可應(yīng)用于光柵掃描。
[0073]工業(yè)上的實(shí)用性
[0074]本發(fā)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(dāng)?shù)貞?yīng)用于用于醫(yī)療或研究的粒子射線治療裝置。
[0075]標(biāo)號(hào)說明
[0076]Ia入射帶電粒子束
[0077]Ib射出帶電粒子束
[0078]3 掃描電磁鐵
[0079]3a X方向掃描電磁鐵
[0080]3b Y方向掃描電磁鐵
[0081]7 射束位置監(jiān)視器
[0082]11劑量監(jiān)視器
[0083]15照射對(duì)象
[0084]20磁場傳感器
[0085]20a X方向電磁鐵用磁場傳感器
[0086]20b Y方向電磁鐵用磁場傳感器
[0087]22逆映射運(yùn)算器
[0088]23掃描電磁鐵指令值補(bǔ)償器
[0089]30逆映射生成器
[0090]51射束產(chǎn)生裝置
[0091]52加速器
[0092]53射束輸送裝置
[0093]54粒子射線照射裝置
[0094]Bi目標(biāo)磁場
[0095]Bs測定磁場
[0096]Pi目標(biāo)照射位置坐標(biāo)
[0097]Ps測定位置坐標(biāo)
[0098]Di目標(biāo)劑量
[0099]Ds測定劑量
[0100]1指令電流
[0101]Sij J磁場小區(qū)域
[0102]Be磁場誤差
【權(quán)利要求】
1.一種粒子射線照射裝置，其對(duì)由加速器進(jìn)行加速的帶電粒子束進(jìn)行掃描，具備具有磁滯的掃描電磁鐵，將通過所述掃描電磁鐵的所述帶電粒子束照射至照射對(duì)象，其特征在于，該粒子射線照射裝置包括: 磁場傳感器，該磁場傳感器對(duì)所述掃描電磁鐵的磁場進(jìn)行測定；以及 照射控制裝置，該照射控制裝置對(duì)通過所述掃描電磁鐵的所述帶電粒子束的射出量進(jìn)行控制， 所述照射控制裝置對(duì)于多個(gè)矩形區(qū)域的每一個(gè)求出通過多個(gè)所述矩形區(qū)域的所述帶電粒子束的劑量的累計(jì)值，其中所述矩形區(qū)域由所述磁場傳感器所測定出的X方向及Y方向的磁場來定義。
2.如權(quán)利要求1所述的粒子射線照射裝置，其特征在于， 在所述累計(jì)值達(dá)到目標(biāo)劑量的所述矩形區(qū)域位于射束路徑時(shí)，所述照射控制裝置停止射出來自所述加速器的所述帶電粒子束，而在所述累計(jì)值未達(dá)到所述目標(biāo)劑量的所述矩形區(qū)域位于所述射束路徑時(shí)，所述照射控制裝置射出所述帶電粒子束。
3.如權(quán)利要求1或2所述的粒子射線照射裝置，其特征在于， 包括劑量監(jiān)視器，該劑量監(jiān)視器對(duì)所述帶電粒子束的劑量進(jìn)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(jiān)視器所測定的測定劑量及目標(biāo)劑量，對(duì)于每個(gè)所述矩形區(qū)域，進(jìn)行照射劑量的管理。
4.一種粒子射線治療裝置，其特征在于，包括: 射束產(chǎn)生裝置，該射束產(chǎn)生裝置產(chǎn)生帶電粒子束； 加速器，該加速器對(duì)由所述射束產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的所述帶電粒子束進(jìn)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(jìn)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(duì)由所述射束輸送裝置輸送的帶電粒子束進(jìn)行掃描，以向照射對(duì)象進(jìn)行照射， 所述粒子射線照射裝置是如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的粒子射線照射裝置。
【文檔編號(hào)】A61N5/10GK104324449SQ201410648274
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2009年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2009年8月27日
【發(fā)明者】巖田高明 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社