CN101903063B - 粒子束辐照设备 - Google Patents

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Abstract

一种粒子束辐照设备，包括：束生成单元，生成粒子束；束发射控制单元，控制所述粒子束的发射；束扫描指令单元，顺序地二维指示所述粒子束的位置，使得所述粒子束在整个切片上扫描；束扫描单元，二维地扫描所述粒子束；呼吸门生成单元，生成与所述患者的呼吸周期同步的呼吸门；以及脉冲生成单元，在所述呼吸门中以基本相等地隔开的时间间隔生成预定数量的扫描开始脉冲。所述束扫描指令单元通过基于来自每个所述扫描开始脉冲的设定剂量的模式辐照来指示扫描所述整个切片，使得相同切片的扫描重复所述预定数量的次数。

Description

粒子束辐照设备
技术领域
本发明涉及粒子束辐照设备和粒子束辐照方法，并且更具体地涉及用于利用诸如碳束或中子束的重粒子束辐照身体的受侵袭的区域以进行癌症治疗的粒子束辐照设备和粒子束辐照方法。
背景技术
癌症现在是日本死亡的主要原因，每年超过30万人死于癌症。在此情况下，使用诸如碳束、中子束的重粒子束的粒子束治疗方法因为其出众的特征已引起了注意，该出众的特征诸如是好的治疗效果、小的副作用、或少的身体负担。利用此治疗方法，将从加速器发出的粒子束施加于癌细胞，以杀死癌细胞而对正常组织只有很小影响。
此治疗方法中当前所使用的粒子束辐照方法称作扩展束方法。在扩展束方法中，通过称作摇动器方法或双散射体方法的方法将粒子束的束直径扩展至受侵袭区域的大小或更大。然后，使用称作形状准直器的黄铜准直器来限定辐照区域，以使束形状基本与受侵袭的区域的形状匹配。在束传播方向上（束轴线方向），由称作脊形滤波器的束范围扩展装置扩展束，并且由聚乙烯制成的称作填塞物（bolus）的束范围整形装置使束停止位置与受侵袭的区域的形状（轮廓）在用于辐照的深的位置匹配。
然而，扩展束方法不能使束与受侵袭的区域的形状严格地三维匹配，并且在减小对受侵袭的区域周围的正常组织的影响方面也存在限制。另外，针对每个受侵袭的区域（并且进一步，针对受侵袭的区域的每个辐照方向）制造形状准直器和填塞物，形状准直器和填塞物从而在治疗辐照后作为辐射废物而剩下。
于是，作为更先进的粒子束治疗辐照方法，发展了三维辐照体内受侵袭的区域来以较高精度指向癌细胞的三维辐照方法（见专利文献1：日本专利特开2001-212253号；非专利文献2：Yasuyuki Futami和八个其它人；“Broad-beam three-dimensional irradiation system for heavy-ion radiotherapyat HIMAC”；Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 430(1999)143-153；19，January 1999等）。
一种三维辐照方法是称作扫描辐照方法的方法。此方法将治疗区虚拟地分成三维晶格点并对每个晶格点进行辐照。利用该三维辐照方法，还能够在束轴线方向上以高精度使束与受侵袭的区域匹配，而无需使用形状准直器或填塞物，并且与常规二维辐照方法相比，能够防止正常组织的曝光。
然而，扫描辐照方法具有下述问题。常规地，在粒子束治疗中，对于其区域随呼吸（respiration）而移动的器官来说，该器官诸如是肺或肝，获得呼吸波形信号，并且执行输入门辐照，仅当该区域在某一位置范围内时才执行该辐照。然而，在扫描辐照方法中，顺序地切换辐照点，以随呼吸引起的区域的移动而引起辐照点的相对移位，在辐照区中引起不一致的剂量分布。为了解决此问题，非专利文献1提出了下述呼吸同步辐照方法。在此方法中，一个切片（在束轴线方向上分割的受侵袭的区域的平面分割单元）中的一个辐照时间（用于待辐照的切片中整个辐照区域的一个辐照的时间）设定为一个呼吸的门宽度的1/m。然后，在一个呼吸中重复相同切片的扫描辐照m次（例如m＝8次）。在完成目标的m次扫描辐照后，改变待辐照的切片，并且以相同方式执行下一待辐照的切片的m次扫描辐照。在此方法中，将一个呼吸的门宽度分割成m个部分，相同切片的扫描开始时间分散于该一个呼吸的门宽度中（非专利文献1中称作相位控制），并且重复相同切片的辐照m次（非专利文献1中称作重复扫描。非专利文献1：Takuji，Furukawa，及其它八个人，“Design review of three-dimensionalscanning irradiation apparatus”，HIMAC report of National Institute ofRadiological Sciences:HIMAC-124，Independent administrative institute，National Institute of Radiological Sciences发行，2007年4月）。结果，即使在一个呼吸的门宽度中辐照区域移动了，由于该移动，也能够通过整体效果减小用于辐照区的剂量的改变，能够根据统计误差1/√m改善剂量一致性。
然而，非专利文献1中提出的相位控制重复扫描辐照具有下述问题。通常，患者的受侵袭的区域的大小在束轴线方向上不一致。具体地，每个切片具有不同面积，并且每个切片具有不同数量的晶格点。
相反，虽然存在一些变化，但是一个呼吸的门宽度不显著改变。然而，只要一个切片的数量m是固定的，则一个呼吸的门宽度的m个分割的部分之一的扫描时间对每个切片是相同的。这暗示对于具有许多晶格点的切片（具有大面积的切片），减小了用于一个晶格点的辐照时间，而对于具有较少晶格点的切片（具有小面积的切片），增大了用于一个晶格点的辐照时间。
另一方面，由辐照时间和束强度的乘积来确定剂量。从而，例如，在治疗计划中每个切片需要相同剂量时，需要将高的束强度设定给具有许多晶格点的切片（具有大面积的切片），而将低的束强度设定给具有较少晶格点的切片（具有小面积的切片）。具体地，在非专利文献1中提出的相位控制重复扫描辐照中，需要对每个切片改变束强度。还有，为了以高精度获得治疗计划确定的剂量，需要以高精度调整束强度。
然而，通过控制诸如加速器的上游装置来调整束强度。调整束强度需要时间，并且一旦束强度改变了，则在将束引入辐照设备时，难以确保束性质（实际的束强度、束位置、或束大小）的再现性。能够假定对束性质进行检查并且通过控制上游装置来调整结果，但是因为治疗时间增加，这是不现实的。
在相位控制重复扫描辐照中，预先获得患者的呼吸波形信号，并且基于预先获得的呼吸波形的幅度和周期设定一次呼吸的门宽度。然后，基于设定的门宽度，给每个切片计算合适的束强度，以设计辐照模式（治疗计划）。因此，如果预先获得的呼吸波形与治疗辐照中患者躺在治疗床上时的呼吸波形不匹配时，则一个计划的切片表面中的剂量分布的一致性会失去。特别是，在实际治疗中，在治疗辐照中呼吸波形可以改变，并且因此，该情况中剂量分布的非一致性可能会成为严重问题。
（常规设备的配置和操作）
基于上述点，将描述常规设备的具体配置和操作。
图1示出了使用呼吸同步辐照方法的常规粒子束辐照设备300的示例性配置。粒子束辐照设备300包括束生成单元10、束发射控制单元20、束扫描单元30、束扫描指令单元40、剂量监控器单元50、位置监控器单元51、脊形滤波器60、范围变换器70、控制单元80、呼吸测量单元81、呼吸门生成单元82等。
粒子束辐照设备300是利用通过将碳粒子等或中子加速至高速而获得的粒子束来辐照癌症患者100的受侵袭的区域200以进行癌症治疗的设备。粒子束辐照设备300能够将受侵袭的区域200离散化成三维晶格点，并执行利用小直径的粒子束顺序地扫描晶格点的三维扫描辐照方法。具体地，通过称作切片的平板单元在粒子束轴线方向上（图1中右上方的坐标系中的Z轴方向）分割受侵袭的区域200，以三维扫描对诸如切片N、切片N＋1、以及切片N＋2的分割的切片的二维晶格点（图1中右上方的坐标系中的X轴和Y轴方向）进行顺序扫描。
束生成单元10生成碳离子或中子的粒子，诸如同步加速器的加速器将粒子加速至能够深达受侵袭的区域200中的能量，以生成粒子束90。
束发射控制单元20基于从控制单元80输出的控制信号执行生成的粒子束90的发射的开/关控制。
束扫描单元30在X方向和Y方向上偏转粒子束90，并二维地扫描切片表面，并包括用于X方向上的扫描的X电磁铁30a和用于Y方向上的扫描的Y电磁铁30b。从束扫描指令单元40向X电磁铁30a和Y电磁铁30b施加每个电磁铁的驱动电流，作为指示扫描位置的指令信号。
范围变换器70控制受侵袭的区域200的Z轴方向上的位置。范围变换器70由例如具有不同厚度的丙烯酸板构成。通过组合丙烯酸板，能够逐渐改变通过范围变换器70的粒子束的能量。即，能够依赖于受侵袭的区域200的切片的Z轴方向上的位置改变体内范围。范围变换器70变换的体内范围通常被控制为以规则的空间间隔改变，并且该间隔对应于Z轴方向上晶格点之间的间隔。如上述，通过在粒子束的路径上插入诸如范围变换器70的用于衰减的物体，可以切换体内范围，或者替代地，可以通过控制上游装置来改变粒子束的能量本身来切换体内范围。
设置脊形滤波器60，以在体内深度方向上扩散称作剂量的布拉格峰的尖峰。脊形滤波器得到的布拉格峰的扩散宽度设定为等于切片的厚度，即，等于Z轴方向上晶格点之间的间隔。用于三维扫描辐照的脊形滤波器60由多个铝棒部件构成，每个铝棒部件具有基本等腰的三角形截面。粒子束通过等腰三角形时引起的路径长度的差异容许扩散布拉格峰，并且等腰三角形的形状容许将扩散宽度设定为期望值。
剂量监控器单元50监控辐照剂量，并且在其外壳中包括电离室、SEM（二次电子监控器）装置等，该电离室以平行电极收集由粒子束的电离作用生成的电荷，该SEM装置测量从放置在外壳中的二次电子发射膜发射的二次电子。
位置监控器单元51识别束扫描单元30扫描的粒子束是否位于合适位置，其包括与剂量监控器单元50类似的配置，并使用电荷收集电极，电荷收集电极例如被分割成条或包括多个电线。
控制单元80控制整个粒子束辐照设备1，执行至束发射控制单元20的束发射的开/关控制，向束扫描指令单元40发送关于束扫描的指令，并随范围变换器70的切片改变执行范围变换量的控制，等等。
束扫描指令单元40基于来自控制单元80的指令确定每个切片的扫描定时或X方向和Y方向上的扫描位置，并向束扫描单元30输出X电磁铁30a或Y电磁铁30b的驱动电流。
呼吸测量单元81和呼吸门生成单元82均用于使用呼吸同步辐照方法的操作，并且其功能将在后面描述。
图2是示出利用常规设备的三维扫描辐照的基本过程（没有呼吸同步的过程）的范例的流程图。
首先，将受侵袭的区域沿束轴线虚拟地分成多个切片，并且选择一个分割的切片。例如，首先选择受侵袭的区域中的最深位置的切片。还有，依赖于所选切片的位置选择并设定粒子束的入射能量和范围变换器70中的丙烯酸板的组合（步骤ST1）。
然后，依赖于最深切片中受侵袭的区域的形状，选择要用粒子束辐照的晶格点的数量M和晶格点位置（Xi，Yi）[i=1至M]，晶格点位置为待辐照的斑点，并且束扫描单元30将粒子束的方向设定为至切片上晶格点位置（Xi，Yi）（步骤ST2）。然后，开始粒子束的发射（步骤ST3）。由脊形滤波器60在Z轴方向上扩展从束扫描单元30输出的粒子束的能量分布，使得体内范围分布宽度对应于切片宽度。
由剂量监控器4监控用于晶格点（Xi，Yi）的辐照剂量，并且在用于目标晶格点的辐照剂量达计划的剂量时，将剂量完成信号输出至控制单元80，并且控制单元80接收信号（步骤ST4）。
三维扫描辐照方法主要分类成点扫描方法和光栅扫描方法。点扫描方法是在粒子束的位置从某一晶格点移动至下一晶格点时，停止束发射，并且在完成移动后重新开始束发射的方法。从而，在相同切片的扫描期间，间歇地执行束发射。
另一方面，光栅扫描方法是即使粒子束的位置从某一晶格点移动至下一晶格点时也继续束发射而不停止的方法。具体地，在相同切片的扫描期间，连续地执行束发射。
在点扫描方法和光栅扫描方法中，粒子束的位置保持在一晶格点，直至达到每个晶格点处计划的剂量，并且在达到计划的剂量后，移动至下一晶格点。
在步骤ST5，确定使用点扫描方法和光栅扫描方法中的哪一个。当使用点扫描方法时，束发射一度停止（步骤ST6），并且束位置移动至下一点。重复此过程至目标切片的最后点（步骤ST7）。
同时，在不使用点扫描方法时，即当使用光栅扫描方法时，继续束发射至最后点，而不停止束发射。
当完成一个切片的辐照时（步骤ST7中：是），在点扫描方法和光栅扫描方法中，束发射均一度停止，过程回到步骤ST1，并且选择下一切片且改变范围变换器70的设定。重复上述过程直至达到最后切片（步骤ST9）。
在例如称作辐照模式文件的数据文件中描述上述辐照程序所需的指标，并且在开始治疗辐照之前将数据文件传送至控制单元80。在辐照模式文件中，按照辐照顺序对每个晶格点描述如下参数：提供切片位置的范围变换器厚度、提供对应于晶格点（X，Y）的束位置的X电磁铁30a和Y电磁铁30b的驱动电流值、用于每个晶格点的辐照剂量等。
图3示出对切片的常规扫描模式的范例。由治疗计划预先确定从开始晶格点A至最后晶格点B的路径模式，并且在沿路径模式的一个方向上顺序地扫描粒子束。
接下来，将描述常规提出的呼吸同步辐照方法。在受侵袭的区域200在由呼吸同步辐照方法处理的诸如肺或肝的器官中的情况下，将LED（未示出）等联接至患者胸部（图1中未示出）。通过由视频相机等构成的呼吸测量单元81获得LED的移动图像，并且将LED的移动进一步做成一维数据，以获得呼吸波形信号。将呼吸波形信号发送至呼吸门生成单元82，并且仅在呼吸波形小于预定阈值时的时间段中生成呼吸门。将呼吸门发送至束发射控制单元20，仅在呼吸门为开的时间段中发射束，并且在呼吸门为关的时间段中停止束发射。
图4A至4C示出了呼吸波形信号（对应于呼吸引起的受侵袭的区域的位置改变的信号）、阈值、呼吸门和束发射之间的关系。对于点扫描辐照，束发射和束停止也在点位置的移动中切换（此时间间隔比呼吸同步门信号短的多），在此对其进行了省略（以下同样）。
接下来，将参照图5A至5G中的定时图描述非专利文献1中提出的三维扫描辐照中的呼吸同步辐照方法（相位控制重复扫描辐照方法）。在此辐照方法中，对一个呼吸门，将一个切片表面的辐照重复m次，以执行辐照。在此情况下，调整强度，使得一个切片表面的m次辐照正好与一个呼吸门宽度Gw的时间匹配。图5A至5G示例对一个呼吸门执行四（m=4）次重复辐照的情况。
首先，设定范围变换器70的丙烯酸板的组合，使得束范围与下一切片位置匹配。同时，由加速器等构成的束生成单元10调整束强度。在束发射控制单元20从控制单元80接收范围变换器70的设定完成信号、并从束生成单元10接收束强度设定完成信号时，束发射控制单元20进入束发射备用状态。然后，束发射与呼吸门和束发射的开始同步开始。其后，在每次接收到来自剂量监控器50的剂量完成信号时，束扫描单元30执行束扫描，并且顺序地执行切片表面中的晶格点的辐照和扫描。在点扫描方法中，在粒子束从某一晶格点移动至下一晶格点时停止束发射，而在光栅扫描方法中，即使在晶格点之间移动期间也不停止束发射。执行辐射直至最后的晶格点，于是完成第一切片的第一扫描。对切片自动重复此过程m次，并且在对所有晶格点完成m次辐照时，控制单元80向束发射控制单元20发送一个切片表面辐照完成信号，以停止束发射。用于提供该一个切片表面辐照完成信号的定时设定为呼吸门关闭之前的短时间（见图5B、5C以及5D）。
然后，重置范围变换器70，使得束范围与下一个切片位置匹配。同时，重新调整束生成单元10的束强度。当束发射控制单元20从控制单元80接收范围变换器70的设定完成信号、并从束生成单元10接收束强度设定完成信号时，束发射控制单元20重新进入束发射备用状态，并且开始下一个呼吸门及开始用于新的切片的束发射。
在此辐照方法中，如下述确定每个切片的束强度。首先，预先获得患者的呼吸波形，并且根据波形和阈值计算呼吸门宽度Gw。然后，确定每个切片的束强度，使得在每个切片表面中执行m次重复扫描时的总的时间基本与呼吸门宽度Gw匹配。这在治疗计划阶段确定。
如上述，通常，患者的受侵袭的区域的大小在束轴线方向上是不一致的。具体地，如图6A至6E所示，每个切片具有不同的面积，并且切片中晶格点的数量随切片的面积的增加而增加。同时，虽然一个呼吸的门宽度有一些改变，但是不会显著改变。从而，用于一个呼吸的门宽度的m个分割的部分的一个切片的扫描时间对每个切片是相同的（见图6D）。这意味着对如图6A中所示的切片N＋2的具有许多晶格点的切片（具有大面积的切片），用于一个晶格点的辐照时间减小了，而对于如切片N的具有较少晶格点的切片（具有小面积的切片），用于一个晶格点的辐照时间增大了。
另一方面，由切片中晶格点处辐照时间和束强度的乘积确定用于每个切片的剂量。从而，例如在治疗计划中每个切片需要相同剂量时，需要给具有许多晶格点的切片（具有大面积的切片）设定高的束强度，而需要给具有较少晶格点的切片（具有小面积的切片）设定低的束强度（见图6E）。具体地，在非专利文献1中提出的相位控制重复扫描辐照中，需要对每个切片改变束强度。从而，非专利文献1提出的呼吸同步辐照方法具有下述问题。
首先，束生成单元20需要对每个切片调整束强度。当给设备新设定治疗开始前确定的束强度时，在通常的程序中，检查束性质，束性质诸如是真实的束强度、束位置（轴向偏转）、或束大小。然而，在每次束强度改变时检查这些束性质极大地增加了治疗时间，这是不现实的。从而，可以执行具有不充分的束性质检查的治疗辐照。这妨碍了确保切片表面上剂量分布的一致性。
还有，因为基于预先获得的呼吸波形设定呼吸门宽度，并且基于设定的呼吸门宽度确定束强度，所以在以下情况不能获得一致的剂量分布：在呼吸波形与紧邻治疗开始之前患者的呼吸波形不匹配时，和在治疗期间呼吸波形改变时。
此外，使用束强度作为参数执行治疗计划，其可以提供治疗计划的复杂的计算方法。复杂的治疗计划妨碍了优化的方案的获得。
还有，需要调整束强度，这需要例如剂量监控器50的大的动态范围等，且增加了成本。特别是，对于具有短的辐照时间的切片，以减小的束强度执行辐照，其可以减小监控器的S/N比率。
发明内容
基于上述背景实现了本发明，其目的是要提供粒子束辐照设备和粒子束辐照方法，其使用呼吸同步辐照方法来消除对改变束强度的需求，以实现高的剂量设定精度和减小的治疗时间，并且甚至在治疗辐照期间呼吸波形改变时，也能够获得高度一致的剂量分布。
为了实现上述目的，根据本发明的一种粒子束辐照设备，包括：束生成单元，生成粒子束；束发射控制单元，控制所述粒子束的发射；束扫描指令单元，顺序地二维指示所述粒子束的位置，使得所述粒子束在整个切片上扫描，通过在所述粒子束的轴线方向上分割待辐照的受侵袭的区域而获得所述切片；束扫描单元，基于来自所述束扫描指令单元的指令信号二维地扫描所述粒子束；呼吸测量单元，获得患者的所述受侵袭的区域的移动量或患者的呼吸波形；呼吸门生成单元，基于从所述呼吸测量单元输出的信号生成与所述患者的呼吸周期同步的呼吸门；以及脉冲生成单元，在所述呼吸门中以基本相等地隔开的时间间隔生成预定数量的扫描开始脉冲，其中，所述时间间隔等于所述呼吸门的门宽度与所述预定数量之比，其中，所述束扫描指令单元通过基于来自每个所述扫描开始脉冲的设定剂量的模式辐照来指示扫描所述整个切片，使得相同切片的扫描重复所述预定数量的次数，所述束发射控制单元仅在所述呼吸门中容许所述粒子束的发射，并且发射所述粒子束直至基于来自每个所述扫描开始脉冲的所述设定剂量的所述模式辐照完成。
为了获得上述目的，根据本发明的一种粒子束辐照方法，包括以下步骤：（a）生成粒子束；（b）控制所述粒子束的发射；（c）顺序地二维指示所述粒子束的位置，使得所述粒子束在整个切片上扫描，通过在所述粒子束的轴线方向上分割待辐照的受侵袭的区域而获得所述切片；（d）基于指令信号二维地扫描所述粒子束；（e）获得患者的所述受侵袭的区域的移动量或患者的呼吸波形；（f）基于获得的信号生成与所述患者的呼吸周期同步的呼吸门；以及（g）在所述呼吸门中以基本相等地隔开的时间间隔生成预定数量的扫描开始脉冲，其中，在步骤（c）中，通过基于来自每个所述扫描开始脉冲的设定剂量的模式辐照来指示扫描所述整个切片，使得相同切片的扫描重复所述预定数量的次数，并且在步骤（b）中，仅在所述呼吸门中容许所述粒子束的发射，并且发射所述粒子束直至基于来自每个所述扫描开始脉冲的所述设定剂量的所述模式辐照完成。
为了获得上述目的，根据本发明的另一种粒子束辐照方法，包括以下步骤：（a）生成粒子束；（b）控制所述粒子束的发射；（c）顺序地二维指示所述粒子束的位置，使得所述粒子束在整个切片上扫描，通过在所述粒子束的轴线方向上分割待辐照的受侵袭的区域而获得所述切片；（d）基于指令信号二维地扫描所述粒子束；（e）获得患者的所述受侵袭的区域的移动量或患者的呼吸波形；（f）基于获得的信号生成与所述患者的呼吸周期同步的呼吸门；以及（g）将所述呼吸门的宽度分割成四个或更多个时间段，其中，在步骤（b）中，在所述呼吸门中与在步骤（g）中分割的所述时间段的每个开始时间同步地顺序开始束发射。
上述根据本发明的粒子束辐照设备和粒子束辐照方法，使用呼吸同步辐照方法来消除对改变用于每个切片的束强度的需求，以实现高的剂量设定精度和减小的治疗时间，并且甚至在治疗辐照期间呼吸波形改变时，也能够获得高度一致的剂量分布。
附图说明
图1示出了使用呼吸同步辐照方法的常规粒子束辐照设备的示例性配置；
图2是示出常规束扫描和束发射的处理范例的流程图；
图3示例常规束扫描概念；
图4A至4C示出了呼吸门和束发射之间的定时关系；
图5A至5G是示出常规呼吸同步辐照方法的基本处理定时的定时图；
图6A至6E示出常规呼吸同步辐照方法和基本操作概念；
图7示出了根据本发明第一实施例的粒子束辐照设备的示例性配置；
图8A至8E示出了根据本发明第一实施例的粒子束辐照设备的基本操作概念；
图9A至9K是根据第一实施例的粒子束辐照设备的第一具体操作定时图；
图10A至10D示例扫描开始脉冲的生成方法的范例；
图11A至11L是根据第一实施例的粒子束辐照设备的第二具体操作定时图；
图12示出了根据第二实施例的粒子束辐照设备的往复扫描方法的范例；
图13A至13H是根据第二实施例的粒子束辐照设备的具体操作定时图。
具体实施方式
将参照附图描述根据本发明的粒子束辐照设备和粒子束辐照方法的实施例。
（第一实施例）
图7示出了根据此实施例的粒子束辐照设备的示例性配置。根据本发明第一实施例的粒子束辐照设备1能够以相同的束强度给每个切片确保期望的剂量，即使切片具有不同的切片面积（即，切片中不同的晶格点数量），并且无需调整用于每个切片的束强度。
图7中所示的根据此实施例的粒子束辐照设备1不同于常规粒子束辐照设备300（见图1），因为其包括脉冲生成单元83。
脉冲生成单元83在呼吸门中以基本相等地隔开的时间间隔生成预定数量（相同切片的重复扫描的数量）的扫描开始脉冲。扫描开始脉冲是用于确定每个重复扫描的开始定时的定时脉冲。
图8A至8E示出了根据此实施例的粒子束辐照设备1的操作概念。
根据此实施例的粒子束辐照设备1不根据切片面积（即切片中晶格点的数量）来改变束强度，但是通过基于治疗计划预先确定的设定剂量的模式辐照来执行辐照。确保设定剂量而不改变束强度，并且结果，切片扫描时间T根据切片中受侵袭的区域的面积而改变。切片扫描时间T是用于重复扫描中的一个的扫描时间。切片扫描时间T由晶格点的辐照时间的总和（包括晶格点之间的移动时间）确定。图8A至8E示出了执行三个切片中的每一个的四个重复扫描的范例：切片N、切片N＋1、以及切片N＋2，这三个切片的面积按顺序增大。切片扫描时间为TN<TN＋1<TN＋2，基本与切片面积成比例。从而，如图8E中所示，能够对具有不同面积的切片执行具有相同剂量的辐照，无需改变束强度P。
接下来，将使用图9A至9K中的定时图描述根据此实施例的粒子束辐照设备1的呼吸同步辐照方法的更具体的操作。在下述范例中，给相同切片执行四个重复扫描。
图9A至9K示例切片扫描时间相对短、且在一个呼吸门中完成四个重复扫描的情况，诸如是受侵袭的区域的大小小或需要低剂量的情况。
图9A示出了呼吸波形，图9B示出了通过给呼吸波形施加合适的阈值而生成的呼吸门（A）。从呼吸测量单元81输出呼吸波形，且由呼吸门生成单元82生成呼吸门（A）。
脉冲生成单元83将呼吸门宽度Gw除以重复扫描的数量m，以获得重复扫描的开始定时之间的间隔Gw/m，并生成以间隔Gw/m生成的定时脉冲，即扫描开始脉冲（B）。
图10A至10D示出了扫描开始脉冲（B）的具体生成方法。生成第一扫描开始脉冲（1），其相对于呼吸门（A）的前沿具有微小的延迟时间t1（余裕时间（margin time））。然后，在相对于第一扫描开始脉冲（1）的前沿t2（t2＝Gw/m）延迟后生成第二扫描开始脉冲（2）。其后以相同方式生成第三和第四扫描开始脉冲（3）和（4）。
然后，通过例如或逻辑合成四个脉冲，以生成如图10D中所示的扫描开始脉冲（B）。
在治疗辐照中，首先设定范围变换器70，使得粒子束范围与下一切片位置相匹配（见图9G）。控制单元80识别范围变换器的设定的完成，然后生成装置备用信号（E）（见图9H）。
当在此时生成一个扫描开始脉冲（B）时，开始第一切片扫描。实际上由辐照开始脉冲开始切片扫描（见图9I），且在装置备用状态（E）由扫描开始脉冲（B）生成辐照开始脉冲，而不在辐照开始禁止（C）状态生成辐照开始脉冲（见图9F）。辐照开始禁止（C）是用于在一个切片扫描开始后且该切片扫描完成前禁止下一切片扫描的开始的信号。在辐照开始禁止（C）状态，即使生成了扫描开始脉冲（B），也不生成辐照开始脉冲。
与第一切片扫描的开始的同时，开启束发射门（见图9E），以执行对应于切片的束发射（见图9J）。其后，在每次接收到切片中每个晶格点处的剂量完成信号时，移动粒子束的位置，以顺序扫描切片表面。
在点扫描方法中，在晶格点之间的移动期间停止束发射，而在光栅扫描方法中，即使在晶格点之间的移动期间也不停止束发射。当执行辐照直至最后的晶格点（最后点）时，输出最后点的剂量完成（见图9D），关闭束发射门，然后重置辐照开始禁止（C）。然后，完成第一切片扫描。
当受侵袭的区域的大小小或需要低剂量时，切片扫描时间（对应于图9E中束发射门的宽度的时间）短，并且例如，如图9A至9K中所示例，切片扫描时间比扫描开始脉冲（B）之间的间隔短。
在此情况下，已经完成了第一切片扫描，且在生成第二扫描开始脉冲（B）时已重置了辐照开始禁止（C），并且从而，在第二扫描开始脉冲（B）的生成定时开始第二切片扫描。
其后以相同方式执行第三和第四切片扫描，且自动执行相同切片的四个重复扫描。
在完成四个重复扫描时，一度重置装置备用（E）信号，且执行用于改变至下一切片的范围变换器的设定。在完成范围变换器的设定时，再次设定装置备用状态，使得能够执行下一切片的重复扫描。
常规呼吸同步辐照方法根据预先获得的呼吸波形预先确定呼吸门宽度，且根据治疗计划阶段中的呼吸门宽度确定切片扫描的束强度或定时参数。
相反，根据此实施例的粒子束辐照设备1在治疗期间获得患者的呼吸波形，并且能够在治疗期间更新呼吸门宽度。
具体地，优选的方法是获得多个最新呼吸波形，使得不响应于突然的呼吸改变，并且通过例如用于更新的移动平均处理顺序地生成呼吸门。将阈值施加至多个呼吸波形的平均呼吸波形以生成呼吸门，或者将阈值施加于多个呼吸波形的每一个以生成多个呼吸门，并生成多个呼吸门的平均呼吸门是可设想的。
根据呼吸门的门宽度Gw计算扫描开始脉冲（B）之间的间隔Gw/m，并从而将其更新，以生成扫描开始脉冲（B）的脉冲系列。
基于扫描开始脉冲（B）的新生成的脉冲系列，如上述处理中那样执行下一切片的重复扫描。当切片中晶格点的数量与先前切片中的不同时，切片扫描时间不同于图9A至9K中所示例的。
图9A至9K示出了一个切片扫描时间T短于扫描开始脉冲之间的间隔Gw/m的情况。接下来，将参照图11A至11L描述切片扫描时间T长于扫描开始脉冲之间的间隔Gw/m的情况。在此情况下，对多个呼吸门执行m个重复扫描，并且在此实施例中，重复扫描的开始定时一致地分散于呼吸门中，而没有集中于呼吸波形的一个特定点。
在图11A至11L中的范例中，第一切片扫描不是在一个呼吸门中完成，而是继续至下一呼吸门的扫描开始脉冲（2）（第二扫描开始脉冲（B））的完成时间。从而，辐照开始禁止（C）信号也继续至扫描开始脉冲（2）的完成时间，并且新的切片扫描不在此时间段中开始。在此情况下，下一切片扫描的开始定时是扫描开始脉冲（3）（第三扫描开始脉冲（B）），且在此定时开始第二切片扫描。
在相同切片的重复扫描中，为避免相同相位（phase）（呼吸门中相同的开始定时）中扫描开始脉冲的交叠使用，将曾用作相同切片的切片扫描开始定时的扫描开始脉冲的输出设定为关。
在图11A至11L中的范例中，扫描开始脉冲（1）用作第一切片扫描的开始定时，并且从而在第一切片扫描的开始之后立刻将扫描开始脉冲（1）的输出设定为关。在第二切片扫描中，使用扫描开始脉冲（3），并且在第二切片扫描的开始之后立刻将扫描开始脉冲（3）的输出设定为关。
从而，在剩余的扫描开始脉冲（2）或扫描开始脉冲（4）的定时开始接下来的第三切片扫描。在图11A至11L中的范例中，在扫描开始脉冲（4）的定时开始第三切片扫描。结果，在扫描开始脉冲（2）开始最后的第四切片扫描。
同样，利用根据此实施例的粒子束辐照设备1，通过最终改变切片扫描时间来调整依赖于切片的晶格点的不同数量。甚至是对于依赖于切片的不同剂量，也能够通过改变切片扫描时间而不改变束强度来改变剂量。从而，没有必要改变和调整用于每个切片的束强度、由此解决归因于束强度的改变的各种问题。
当受侵袭的区域的大小大或需要高剂量时，假定m个切片扫描时间的总值或一个切片扫描时间超过一个呼吸门宽度。甚至能够处理该情况，而无需改变图11A至11L中所示硬件或软件的配置。
即使在对多个呼吸门执行扫描时，每个切片扫描中的开始定时也一致地分散于呼吸门中。这能够避免粒子束集中于受侵袭的区域中的特定位置的状况或存在完全没有被粒子束辐照的区域的状况，即使受侵袭的区域的位置在呼吸门中稍微改变。
还有，在不同的切片的辐照中使用最新呼吸波形，由此容许具有一致剂量分布的稳定的辐照，甚至在患者的呼吸波形随时间改变时。
如从图11A至11L明显的，在先前切片扫描完成后立刻使用扫描开始脉冲开始切片扫锚。与按扫描开始脉冲的脉冲系列的顺序执行辐照相比，这减小了等待时间，并从而减小了治疗时间。
对于重复辐照的数量m，归因于受侵袭的区域的移动的辐照剂量的随机性统计地减小了1/√m。具体地，用于将随机性减小一半的重复辐照m的数量m是m＝4。从而，重复辐照的数量优选地至少为m≥4。
（第二实施例）
在上述实施例中，切片中的扫描方向是图3中所示的一个方向。
在第二实施例中，如图12中所示，使用遵循正向方向上（正向路径）切片上的路径模式并然后遵循相反方向上（反向路径）的相同路径模式的扫描方法。硬件配置与图7中所示的第一实施例中的相同。
图13A至13H是示出根据第二实施例的粒子束辐照设备1的操作的定时图。
首先，生成如第一实施例中的扫描开始脉冲（B）的扫描开始脉冲（用于正向路径）。此脉冲系列用于正向路径。使用此定时以开始第一正向路径的切片扫描。
在图13A至13H中所示的范例中，将正向路径的切片扫描时间设定为扫描开始脉冲之间（对于正向路径）的间隔Gw/m的约两倍或更小。
当完成第一正向路径的切片扫描时，开始逆向地遵循路径模式的反向路径的切片扫描，并且由第二扫描开始脉冲（用于反向路径）确定开始定时。以相对于第一正向路径的切片扫描的完成时间以某一延迟时间设定第二扫描开始脉冲（用于反向路径）。将该延迟时间设置为具有余量，使得即使正向路径的切片辐照时间稍微改变也能够正常地开始反向路径的切片扫描。
还有，与扫描开始脉冲（用于正向路径）分开地生成第二扫描开始脉冲（用于反向路径），使得在完成正向路径的切片扫描（包括上述延迟时间）后能够立刻开始反向路径的切片扫描。
当完成第一正向和反向路径的切片扫描时，开始第二正向和反向路径的切片扫描。这重复m次，以完成相同切片的重复扫描。在完成一个切片的重复扫描后，执行下一切片的扫描，并且这重复，直至利用粒子束辐照了整个受侵袭的区域。
（另一实施例）
上述第一和第二实施例涉及三维扫描辐照方法中的呼吸同步辐照方法。在这些实施例中，使用具有小直径的笔形粒子束。
然而，根据本发明的另一实施例也是有效的，例如在通过使用扩展束辐照方法（见非专利文献2）中的范围调整装置来切换体内范围以执行三维辐照的三维扩展束辐照方法中是有效的。在此实施例中，通过扩展束的辐照替代第一实施例中的一个切片扫描。根据扫描开始脉冲（B）的脉冲系列重复执行用于相同切片的扩展束辐照，由此容许具有一致辐照剂量分布的稳定辐照。
在另一辐照方法中，例如，在执行仅包括一个切片的受侵袭的区域的治疗辐照的情况下，上述重复扫描技术是有效的。
如上述，利用根据实施例的粒子束辐照设备1和粒子束辐照方法，能够在呼吸门中以分散的定时执行重复辐照，无需在治疗辐照期间调整束强度。这能够减小治疗时间，并容许具有稳定性质的束辐照。此外，例如，即使患者的呼吸波形在治疗期间改变，也基于最新呼吸波形执行同步辐照，由此容许以稳定的辐照定时进行辐照。
本发明不限于上述实施例，而是能够在实施中不脱离本发明的精神的情况下以更改的元件来实施。可以通过实施例中公开的多个元件的组合来形成本发明的各种实施例。例如，可以从实施例中公开的所有元件中删除一些元件。此外，不同实施例中的元件可以被组合。

Claims (7)

1.一种粒子束辐照设备，包括：
束生成单元，生成粒子束；
束发射控制单元，控制所述粒子束的发射；
束扫描指令单元，顺序地二维指示所述粒子束的位置，使得所述粒子束在整个切片上扫描，通过在所述粒子束的轴线方向上分割待辐照的受侵袭的区域而获得所述切片；
束扫描单元，基于来自所述束扫描指令单元的指令信号二维地扫描所述粒子束；
呼吸测量单元，获得患者的所述受侵袭的区域的移动量或患者的呼吸波形；
呼吸门生成单元，基于从所述呼吸测量单元输出的信号生成与所述患者的呼吸周期同步的呼吸门；以及
脉冲生成单元，在所述呼吸门中以相等地隔开的时间间隔生成预定数量的扫描开始脉冲，其中，所述时间间隔等于所述呼吸门的门宽度与所述预定数量之比，
其中，所述束扫描指令单元通过基于来自每个所述扫描开始脉冲的设定剂量的模式辐照来指示扫描所述整个切片，使得相同切片的扫描重复所述预定数量的次数，所述束发射控制单元仅在所述呼吸门中容许所述粒子束的发射，并且发射所述粒子束直至基于来自每个所述扫描开始脉冲的所述设定剂量的所述模式辐照完成。
2.根据权利要求1所述的粒子束辐照设备，其中，针对待辐照的切片设定基于所述设定剂量的所述模式辐照，并且针对待辐照的不同切片，所述粒子束的束强度保持恒定。
3.根据权利要求1所述的粒子束辐照设备，其中，能够对多个呼吸门执行所述相同切片的所述预定数量的扫描，并且在完成基于所述设定剂量的所述模式辐照之前完成所述呼吸门时，停止所述切片的扫描和所述粒子束的发射，并且从下一呼吸门的开始点重新开始所停止的扫描和发射。
4.根据权利要求1所述的粒子束辐照设备，其中，能够对多个呼吸门执行所述相同切片的所述预定数量的扫描，并且由选自无交叠的所述预定数量的所述扫描开始脉冲中的脉冲确定用于所述相同切片的每个扫描和每个发射的开始定时。
5.根据权利要求1所述的粒子束辐照设备，其中，扫描覆盖所述整个切片的路径模式中的正向路径和反向路径，在完成所述正向路径的所述扫描后，所述脉冲生成单元在所述呼吸门中以相等地隔开的时间间隔生成用于所述反向路径的预定数量的第二扫描开始脉冲，所述束扫描指令单元通过基于来自每个所述扫描开始脉冲或每个所述第二扫描开始脉冲的设定剂量的模式辐照来指示扫描所述整个切片，使得所述相同切片的所述正向路径和所述反向路径的所述扫描分别重复所述预定数量的次数，所述束发射控制单元仅在所述呼吸门中容许所述粒子束的发射并发射所述粒子束直至基于来自每个所述扫描开始脉冲或每个所述第二扫描开始脉冲的所述设定剂量的所述模式辐照完成。
6.根据权利要求1所述的粒子束辐照设备，其中，基于从所述呼吸测量单元输出的信号更新所述呼吸门。
7.根据权利要求6所述的粒子束辐照设备，其中，由从紧邻更新之前的多个呼吸波形获得的平均波形和预定阈值来确定所述呼吸门的门宽度，或由从紧邻所述更新之前的所述多个呼吸波形获得的多个门宽度的平均值和所述预定阈值来确定所述呼吸门的门宽度。
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