CN102292122A - 粒子射线治疗装置及粒子射线治疗装置的调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于获得一种照射自由度较高、能够减小照射到正常组织的照射量的粒子射线治疗装置。包括：扫描电磁铁(2)，该扫描电磁铁(2)对所提供的带电粒子束B_ec进行扫描输出，使其整形为基于治疗计划的三维的照射形状；以及偏转电磁铁(4、5)，该偏转电磁铁(4、5)切换所述带电粒子束B_ec的轨道，以使得由扫描电磁铁(2)进行了扫描后输出的带电粒子束B_ec经过从扫描电磁铁(2)到等中心C之间设定的多条轨道(7a、7b、7c)中的、所选择的一条轨道，而到达等中心C。

Description

粒子射线治疗装置及粒子射线治疗装置的调整方法

技术领域

本发明涉及以治疗癌等为目的来照射质子射线、重离子射线的粒子射线治疗装置及粒子射线治疗装置的调整方法，特别涉及应用点扫描、光栅扫描等扫描式照射的粒子射线治疗装置。

背景技术

若从体外照射X射线、γ射线，则在身体的表面附近剂量最大，之后，随着深度变深而逐渐减小。因此，若想对位于深处的癌病灶照射足够的剂量，则会对位于比癌病灶要浅的正常细胞造成较大的损伤。另外，在粒子射线照射中，存在被称为布喇格峰值的现象，该布喇格峰值现象是指由照射能量决定进入人体内的深度、在该深度前后急剧地放出能量后停止的现象。因此，若利用该现象来适当地调节粒子射线的能量，则能够抑制对位于从体表到癌病灶为止的路径上的正常细胞的影响，能够仅杀伤肿瘤细胞。因而，由于能够使粒子射线集中照射到癌病灶，因此，可以将其期待作为一种对患者的负担较少且对高龄者也较为有利的治疗方法。

另一方面，在粒子射线照射中，由于需要如加速器那样大规模的射线源，因此，不能像X射线源那样射线源(beam-source)本身容易移动，因而，为了以适当的角度来照射至患部，而提出有各种提案。例如，在治疗位于脑或眼球中的肿瘤的情况下，一般是患者坐在椅子型的患者保持装置中，利用水平照射室来水平照射带电粒子束。提出有一种用于放射线治疗的椅子型患者保持装置，设计该椅子型患者保持装置，使得将带电粒子束照射到被称为等中心的照射目标位置，且患部的定位是通过一边观看X射线摄影图像一边移动椅子型的患者保持装置来实现的(例如，参照专利文献1)。另外，还提出有在椅子型患者保持装置中包括能将患部移动到旋转中心的调节装置(例如，参照专利文献2)。

另外，在粒子射线照射中，即使如上所述具有布喇格峰值，但是从体外进行照射的带电粒子束还是会对身体表面侧造成一定程度的影响。因此，在粒子射线治疗装置中，为了避免照射到重要的正常组织，要求能够根据患部来适当地设定照射角度。另外，提出有以下方案：即，从多个方向向癌病灶进行照射的多门照射，并已知有能够减小对正常组织进行照射的效果。

然而，在使用现有的椅子型患者保持装置的水平照射方法中，在改变照射角度时，需要在患者乘坐后对每个椅子型患者保持装置改变姿势，因此，存在会对患者产生负担的问题。例如，在椅子型患者保持装置向前方或横向倾倒时，特别会对高龄的患者带来较大的负担。

因此，为了实现高自由度的照射角度，众所周知还有不使用固定端口照射(fix-port-irradiation)、而使用被称为旋转机架的旋转照射型的粒子射线治疗装置与床型患者保持装置(bed-type patient holdingapparatus)相组合的方法。然而，在该方法中，装置变得十分大型化，会产生需要最初成本(导入费用)、运转成本、及为了进行设置而占用较大的空间等问题。此外，在使用旋转机架的粒子射线治疗装置中，常使用质子射线，但在使用碳离子等重离子作为带电粒子的情况下，由于使射束轨道弯曲的曲率半径变大，需要使巨大的电磁铁旋转，因此，难以实现装置化。另外，尽管能使用旋转机架进行多门照射，但为了在改变照射角度时同时旋转驱动旋转机架和照射装置，存在技师必须进入照射室来确认照射装置和患者不会发生碰撞之后才能改变照射角度的问题。

因此，为了不使用旋转机架也能使照射角度具有自由度，提出有以下射束照射装置，该射束照射装置使照射喷头、扫掠电磁铁相对于由偏转电磁铁规定的多条射束轨道的每条射束轨道进行移动(例如，参照专利文献3、4)。

此处，若对粒子射线治疗装置的照射系统进行说明，大致需要以下两种功能。一种是用于将带电粒子束以所希望的角度向着所希望的位置进行照射的功能，另一种是用于对选择性地照射肿瘤等照射对象用的照射形状进行整形的功能。而且，根据用于对照射形状进行整形的功能的实现方式，粒子射线治疗装置大致可分为两类。一种是使用由摆动电磁铁(wobblermagnet)、散射体、射程调节器、患者准直器、患者团块(patient bolus)等构成的照射喷头来同时进行照射的广域照射型，另一种是使用扫掠电磁铁等对较小的照射区域进行扫描、来阶梯式地对照射区域进行照射的扫掠照射型。无论是哪一种情况，由于粒子射线从照射喷头或扫掠电磁铁向着照射对象以沿着发散方向不断变宽的方式前进，因此，若照射喷头或扫掠电磁铁与照射对象之间的距离较近，则发散角变大，即使照射到同一照射对象，但与发散角较小的情况相比，带电粒子通过体表的面积要小，因此，体表的照射密度变大，对正常组织的体表的损伤增大。

现有技术文献

专利文献

专利文献1日本国专利特开2007-89928号公报(第0012段，图1)

专利文献2日本国专利特开平5-111540号公报(第0018段，图3)

专利文献3日本国专利特开2002-113118号公报(第0013段，图1)

专利文献4日本国专利特表2003-528659号公报(第0055段，图6)

发明内容

如上所述，在使照射喷头、扫掠电磁铁按照由偏转电磁铁规定的射束轨道移动的情况下，将照射喷头、扫掠电磁铁设置在偏转电磁铁的下游。因此，不得不减小从照射喷头或扫掠电磁铁到照射对象的距离。因而，由于粒子射线的发散角增大，因此存在体表的照射密度增大、照射到正常组织的照射量增大的问题。而且，为了移动很重的照射喷头或扫掠电磁铁，而存在装置变复杂的问题。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于获得一种照射自由度较高、能够减小照射到正常组织的照射量的粒子射线治疗装置。

本发明的粒子射线治疗装置包括：扫描电磁铁，该扫描电磁铁对所提供的带电粒子束进行扫描，使其整形为基于治疗计划的三维的照射形状；以及偏转电磁铁，该偏转电磁铁切换上述带电粒子束的轨道，以使得由上述扫描电磁铁进行了扫描后的带电粒子束经过从上述扫描电磁铁到等中心之间设定的多条射束轨道中的、所选择的一条射束轨道，而到达上述等中心。

另外，本发明的粒子射线治疗装置的调整方法包括：设定射束轨道、并设置射束测量部的步骤，该射束测量部根据所设定的射束轨道来测量带电粒子束的实际照射位置坐标；读入步骤，该读入步骤读入互不相同的多个照射控制值；测量步骤，该测量步骤根据所读入的照射控制值来实际照射带电粒子束，并测量上述等中心部中的上述带电粒子束的实际照射位置坐标；以及设定步骤，该设定步骤基于所测量出的实际照射位置坐标的多个测量结果和上述多个照射控制值的组合，来设定上述逆映射数学式模型的未知参数。

另外，本发明的粒子射线治疗装置还包括逆映射计算部，该逆映射计算部执行以下步骤：读入步骤，该读入步骤读入互不相同的多个照射控制值；测量步骤，该测量步骤对根据读入的照射控制值进行实际照射的带电粒子束在上述等中心部中的实际照射位置坐标进行测量；以及设定步骤，该设定步骤基于测量出的实际照射位置坐标的多个测量结果和上述多个照射控制值的组合，来设定上述逆映射数学式模型的未知参数。

本发明的粒子射线治疗装置由于将扫掠电磁铁设置在切换射束轨道的偏转电磁铁的上游侧，因此，能够延长带电粒子束的发散距离，从而能够获得照射自由度高、能够减少对正常组织的照射量的粒子射线治疗装置。

另外，利用本发明的粒子射线治疗装置的调整方法，由于读入对于每个射束轨道的照射控制值的数据列来实际照射带电粒子束，基于等中心部的带电粒子束的实际照射位置坐标的数据列和照射控制值的数据列的组合来设定从照射位置坐标到控制值的逆映射模型的未知参数，因此，能够获得无论选择哪条轨道都能进行正确照射的粒子射线治疗装置。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1中的粒子射线治疗装置的结构图。

图2是表示本发明的实施方式1中的粒子射线治疗装置的功能的框图。

图3是表示本发明的实施方式2中的粒子射线治疗装置的结构图。

图4是表示本发明的实施方式2中的粒子射线治疗装置的功能的框图。

图5是表示本发明的实施方式2中的粒子射线治疗装置的调整方法的流程图。

图6是表示本发明的实施方式2的变形例中的粒子射线治疗装置的调整方法的流程图。

图7是表示本发明的实施方式3中的粒子射线治疗装置的结构图。

图8是表示本发明的实施方式3中的粒子射线治疗装置的功能的框图。

图9是表示本发明的实施方式3的变形例中的粒子射线治疗装置的结构图。

图10是表示本发明的实施方式4中的粒子射线治疗装置的结构图。

图11是表示本发明的实施方式5中的粒子射线治疗装置的结构图。

图12是表示本发明的实施方式5的变形例中的粒子射线治疗装置的结构图。

附图标记

1 射束输送管道

2 扫掠电磁铁(扫描电磁铁)

2a X方向扫掠电磁铁

2b Y方向扫掠电磁铁

3 射束射出窗

4 射束切换偏转电磁铁(第一偏转电磁铁)

5 偏转电磁铁(第二偏转电磁铁)

5a 偏转电磁铁(射束轨道7a用)

5b 偏转电磁铁(射束轨道7b用)

15v 偏转电磁铁(移动式)

6 椅子型患者保持装置

7 射束轨道：7a，7va，7b，7vb，7c，7vc

8 照射控制部

9 照射计划指示部

10 射束测量部

10a、10b 射束剖面监控器

10c 水模体

20、30 射束输送管道

C 等中心

f₁ 函数

f₂ ^-1 逆映射数学式模型

I_a、I_b、E_b 控制值：(I_a、I_b、E_b)照射控制值

(x，y，z) 照射位置坐标

具体实施方式

实施方式1.

下面，说明本发明的粒子射线治疗装置的实施方式1。图1、图2用于说明本发明的实施方式1的粒子射线治疗装置，图1是表示粒子射线治疗装置的整体结构的图，图2是表示粒子射线治疗装置的功能的框图。如图1所示，粒子射线治疗装置包括：射束输送管道1，该射束输送管道1用于输送加速后的带电粒子束B_ec而不使其发生扩散；扫掠电磁铁2(2a、2b)，该扫掠电磁铁2以夹着射束输送管道1的方式配置在射束输送管道1的外侧，使输送的带电粒子束B_ec进行扫描；射束射出窗3，该射束射出窗3用于射出扫描后的带电粒子束B_ec；偏转电磁铁4，该偏转电磁铁4配置在扫掠电磁铁2的下游，用于将从射束射出窗3射出的带电粒子束B_ec切换到之后的多条射束轨道(7a、7b、7c)；偏转电磁铁5(5a、5b(7c中不需要))，该偏转电磁铁5用于使带电粒子束B_ec偏转，以在多条射束轨道(7a、7b、7c)中照射到最终照射目标位置的等中心C；以及椅子型患者保持装置6，该椅子型患者保持装置6用于保持患者K在座位上。

而且，粒子射线治疗装置还包括照射控制部8，该照射控制部8用于根据照射计划指示部9所指示的照射方法，来控制未图示的上流侧的带电粒子束提供部的动作，以调整上述扫掠电磁铁2(2a、2b)、偏转电磁铁4、偏转电磁铁5(5a、5b)的动作、及带电粒子束B_ec的动能。

接下来，参照图2说明各部分的控制。在本实施方式1中，照射计划指示部9是独立于粒子射线治疗装置的装置，包括：治疗计划装置9a，该治疗计划装置9a针对患部生成适当的治疗计划；以及服务器9b，该服务器9b保持各种数据，根据生成的治疗计划，输出具体的照射角度、照射形状的等数据。而且，在本实施方式1的粒子射线治疗装置的照射控制部8中，根据基于从照射计划指示部9输出的照射角度(射束轨道)、照射形状等而生成的目标照射坐标(x，y，z)的点序列数据等数据，以综合控制部8a为中心来进行照射控制。为了实现对等中心C中形成所指定的照射形状的坐标(x，y，z)进行照射，照射控制部8的控制值生成部8b从目标照射坐标(x，y，z)根据照射角度(射束轨道7a、7b、7c)来选择用于计算扫描电磁铁2a、2b及带电粒子束B_ec的能量(带电粒子的动能)的控制值(I_a，I_b，E_b)的函数f₁(x，y，z)。而且，控制值生成部8b使用根据射束轨道(7a、7b、7c)所选择的函数f₁(函数f₁也可以是查找表)，从目标照射坐标(x，y，z)计算出控制值(I_a，I_b，E_b)，将计算出的控制值(I_a，I_b，E_b)输出到综合控制部8a，最后控制扫掠电磁铁2(2a，2b)和加速器。此处，目标照射坐标(x，y，z)是由与照射对象即等中心C附近的射束轨道中心轴垂直的平面内的坐标轴x，y、和照射深度方向上的坐标轴z构成的坐标系中的坐标。另外，控制值包括对用于实现照射形状的扫掠电磁铁2(2a，2b)进行控制的控制值(I_a，I_b)、及对决定带电粒子束B_ec的能量的加速器进行控制的控制值(E_b)，特别在下文中将三维的控制值(I_a，I_b，E_b)称为照射控制值。

而且，为了设定射束轨道(7a、7b、7c)，综合控制部8a向射束切换控制部8c输出对于偏转电磁铁4、5a、5b的控制指示信号。另外，由控制值生成部8b生成的照射控制值(I_a，I_b，E_b)被分别输出到扫描电磁铁2a、2b、及带电粒子束提供部即加速器。作为补充，对于扫描电磁铁2a、2b的控制值，具体而言，是在考虑了电流值、磁滞的基础上进行了校正计算而获得的电流值或设定磁场强度等，对于加速器的控制值，具体而言，是带电粒子的目标动能等。

此外，尽管未图示，但是椅子型患者保持装置6能够以通过等中心C的旋转轴为中心进行旋转，也能够由综合控制部8a控制其旋转角度、高度等位置、及姿势。

接下来，对动作进行说明。由未图示的加速器进行了加速的带电粒子束B_ec经由未图示的输送系统而被引导至射束输送管道1。被引导至射束输送管道1的带电粒子束B_ec利用扫掠电磁铁2进行扫描(扫描(例如，利用2a进行x方向的扫描，利用2b进行y方向的扫描))控制，对上述扫描电磁铁2输入控制值(I_a，I_b)，为了实现选择性地且以所希望的剂量来照射肿瘤等照射对象的照射形状。进行了扫描控制后的带电粒子束B_ec从射束射出窗3射出，此处被引导向射束轨道切换用的偏转电磁铁4。利用偏转电磁铁4使被引导至偏转电磁铁4的带电粒子束B_ec根据所设定的轨道发生偏转。此处，在轨道7a的情况下，向图中的上方偏转，在轨道7b的情况下，向图中的下方偏转，在轨道7c的情况下，不发生偏转而变成直线前进。在轨道7a的情况下，偏转电磁铁5a工作，使带电粒子束B_ec向下方发生偏转，从上方向等中心C进行照射。在轨道7b的情况下，偏转电磁铁5b工作，使带电粒子束B_ec向上方发生偏转，从下方向等中心C进行照射。在轨道7c的情况下，从水平方向向等中心C照射带电粒子束B_ec。

即，由于将扫描电磁铁2a、2b配置在规定射束轨道的偏转电磁铁4、5a、5b的上游侧，上述扫掠电磁铁2a、2b用于将带电粒子束B_ec整形为三维的照射形状，因此即使最短，带电粒子束B_ec也会在从射束射出窗3到等中心C之间这较长的距离间发散。例如，在等中心C的照射区域的大小为10cm、从射束射出窗3到等中心C之间的距离为5m的情况下，发散角成为2.3度，在从射束射出窗3到等中心C之间的距离为10m的情况下，发散角成为1.1度。另外，如专利文献3、4所示，在将扫掠单元配置在偏转电磁铁的下游的情况下，由于若想延长从开始发散的位置到等中心C位置之间的距离，则装置会变成大型化，因此，实际上难以使上述从开始发散的位置到等中心C位置之间的距离变长。因此，在例如上述距离成为1m的情况下，发散角扩大至11度，在距离拉近至50cm的情况下，发散角扩大至23度。在这种情况下，例如在将粒子射线照射到距离体表为10cm深度的患部时，关于这时的体表部分的照射密度比(体表的照射密度/患部的照射密度)，如本实施方式那样在距离为10m或5m的情况下，都分别为1.0，但是在该距离为1m的情况下，该照射密度比增大至1.2，该距离为50cm的情况下，该照射密度比增大至1.6，对正常组织的损伤变大。

另外，在本实施方式1的粒子射线治疗装置中，由于无需增大利用扫掠电磁铁2a、2b使射束弯曲的角度，因此，能够减小扫掠电磁铁的大小，也能够降低功耗。

如上所述，根据本实施方式1的粒子射线治疗装置，由于包括：扫描(扫掠)电磁铁2a、2b，该扫描电磁铁2a、2b对所提供的带电粒子束B_ec进行扫描，使得将其整形为基于治疗计划的三维的照射形状；以及偏转电磁铁4、5a、5b，该偏转电磁铁4、5a、5b切换带电粒子束B_ec的轨道，使得利用扫描电磁铁2a、2b进行了扫描后的带电粒子束B_ec经过在扫描电磁铁2a、2b到等中心C之间设定的多条射束轨道7a、7b、7c中的被选择的一条射束轨道后到达等中心C，因此，带电粒子束B_ec从远离照射对象即等中心的位置就开始发散，从而能够抑制发散角。因此，照射自由度增加，能够防止体表的照射密度增大，能够降低对正常组织的照射量。

即，通过在以往配置在最下游侧的扫掠电磁铁2的下游侧配置偏转电磁铁4、5，从而能够不使用大型的旋转机架，就能够获得照射角度的自由度较高的、紧凑型的粒子射线治疗装置。由于照射角度的自由度较高，因此不需要改变患者的姿势(也可以进行改变，但与现有的固定端口的水平照射相比，无需进行较大的改变)，能够获得对于高龄的患者的负担也较少的粒子射线治疗装置。另外，无需使用大型的旋转机架，或也无需移动扫掠电磁铁，就能够获得照射自由度较高的紧凑型的粒子射线治疗装置。

特别是包括照射控制部8，该照射控制部8使用根据所选择的射束轨道7a、7b、7c而设定的函数f₁来转换形成三维的照射形状的照射位置坐标(x，y，z)，转换后获得照射控制值(I_a，I_b，E_b)，使用该转换后的照射控制值(I_a，I_b，E_b)来控制扫描电磁铁2a、2b及带电粒子束B_ec的能量。

实施方式2中将详细叙述生成控制值的具体方法，但即使是在具有形成照射形状的功能的扫描电磁铁不是位于最下游的复杂系统中，在射束轨道有多条的情况下，也能够生成用于实现对目标照射坐标进行高精度的照射的控制值。由此，由于无论选择哪条轨道都能进行正确的照射，因此，能够保持高照射精度，并能够具有照射系统设备在配置上的自由度。

而且，由于用于切换位于扫描电磁铁2的下游的射束轨道的偏转电磁铁包括：第一偏转电磁铁即射束切换电磁铁4，该射束切换电磁铁4使得从扫描电磁铁2输出的进行了扫描后的带电粒子束B_ec根据所选择的轨道(7a，7b，7c)进行偏转；以及第二偏转电磁铁即偏转电磁铁5a，5b(对轨道7c无需配置，但是基本上称为对每条轨道都进行设置)，该偏转电磁铁5a，5b位于射束切换电磁铁4的下游，对多条射束轨道的每条轨道进行设置，使得由射束切换电磁铁4进行了偏转的带电粒子束B_ec向着等中心C发生偏转，因此，在切换射束轨道时无需移动位置，就能容易地切换照射角度。

另外，根据上述实施方式，无需根据多条射束轨道来准备多个扫掠电磁铁2，或者不需使其能够移动。而且，由于不具备如使用旋转机架方式那样的在改变照射角度时在患者的附近进行驱动的照射部，因此，能够获得一种每次改变照射角度时无需技师进入照射室内、而远程进行多门照射的粒子射线治疗装置。

此外，在本实施方式1的粒子射线治疗装置中，举例示出了：作为偏转电磁铁5是在纸面的上下方向配置两个偏转电磁铁5a、5b，且偏转电磁铁4仅改变纸面的上下方向的轨道，但是本发明并不限于此。例如，可以改变纸面的上下方向的轨道的数量，也可以将电磁铁5a、5b配置在以轨道7c为中心的圆周方向的任何位置。在这种情况下，也可以根据所设定的射束轨道，使射束切换偏转电磁铁4以轨道7c为中心进行适当地旋转。

另外，在本实施方式1中，未特别明确示出函数f₁的导出方法，但是可以根据偏转电磁铁4、5的性质来对每条射束轨道进行仿真，从而进行设定。另外，也可以如后述的实施方式2那样，使用基于实测值所生成的逆映射数学式模型(inverse-map mathematical expression model)。

实施方式2.

下面，说明本发明的实施方式2的粒子射线治疗装置及粒子射线治疗装置的调整方法。图3～图5用于说明本发明的实施方式2的粒子射线治疗装置及粒子射线治疗装置的调整方法，图3是表示粒子射线治疗装置的整体结构的图，图4是表示粒子射线治疗装置的功能的框图，图5是表示粒子射线治疗装置的调整方法的流程图。在实施方式2的粒子射线治疗装置中，对以下情况进行了详细记载：即，作为用于根据射束轨道、基于形成照射形状的目标照射坐标(x，y，z)的点序列数据来计算三维的照射控制值(I_a，I_b，E_b)的函数，而使用基于实测值的逆映射数学式模型f₂ ^-1；以及用于设定逆映射数学式模型的未知参数的功能，其他部分与实施方式1相同。另外，在图3中，省略了在说明粒子射线治疗装置的调整中未使用的患者K和椅子型患者保持装置6。

在本实施方式2中，包括：射束测量部10(射束剖面监控器10a、10b及水模体10c)，该射束测量部10用于测量等中心C的附近的粒子射线束B_ec的照射位置(与射束轨道的中心垂直的平面内的坐标(x，y)、及与射束轨道平行的深度Z)；以及逆映射计算部12，该逆映射计算部12基于照射控制值和实测值来对每条轨道的逆映射数学式模型f₂ ^-1设定未知参数。

射束测量部10是对每条射束轨道都进行设置的，在图3中仅示出了测量射束轨道7a的照射形状的情况。设置射束测量部10，使得连接10a、10b、10c的各中心的线(射束测量部10的z轴)基本上与射束轨道的中心一致，配置水模体，使得能够包含等中心C并能够覆盖整个照射范围，射束剖面监控器10a和10b配置在射束轨道上的水模体10c的上流侧、且其沿着射束轨道方向的深度(z方向)不同的位置，对与射束轨道方向相垂直的平面内的射束的位置(将纸面中与z方向相垂直的方向设为x，将与纸面垂直的方向设为y)进行测量。

此外，在图3、4中示出了以下情况：即，配置逆映射计算部12，使其独立于照射控制部8及照射计划指示部9，将由逆映射计算部12计算出的逆映射数学式模型f₂ ^-1的未知参数保存在数据服务器9b中，在进行实际治疗时，控制值生成部8b将保存在数据服务器9b中的逆映射数学式模型f^-1的未知参数调出进行使用。然而，也可将逆映射计算部12内置于照射控制部8及照射计划指示部9内，只要能获得或使用逆映射数学式模型f₂ ^-1的未知参数，则保存地点和数据的传送方法等可以是任何方式。而且，由于利用逆映射数学式模型f₂ ^-1来将照射形状(x，y，z)转换为照射控制值(I_a、I_b、E_b)的情况与实施方式1的使用函数f₁的情况相同，因此，此处仅对获取逆映射数学式模型f₂ ^-1的未知参数进行说明。

将X方向扫掠电磁铁2a的控制值设为I_a，将Y方向扫掠电磁铁2b的控制值设为I_b，将与带电粒子束的能量相关的控制值设为E_b，将进行照射的带电粒子束的照射位置设为(x，y，z)。若不改变带电粒子束B_ec对扫掠电磁铁2a的入射点，则由于如果决定了(I_a，I_b，E_b)，也就唯一决定了(x，y，z)，因此，能够将该物理现象考虑为从(I_a，I_b，E_b)向(x，y，z)进行映射。若用于对照射形状进行整形的功能(例如扫掠电磁铁)位于最下游(离开等中心C最近)，则能够直观地理解该映射，且获得简单的映射。因此，一直以来将用于对照射形状进行整形的功能配置在最下游。然而，在本发明的粒子射线治疗装置中，由于为了抑制发散角，使得用于对照射形状进行整形的扫掠电磁铁和等中心C之间的距离变长，或使偏转电磁铁位于其之间，因此，在实施方式1中，是例如利用仿真等来求出函数f₁作为映射。另一方面，在本发明的实施方式2中，如图3、4所示，是基于实测值来求出逆映射数学式模型f₂ ^-1的未知参数，上述逆映射数学式模型f₂ ^-1基于形成所希望的照射形状的目标照射坐标(x，y，z)的点序列数据而生成假设的照射控制值(I_ae，I_be，E_be)。

接下来，说明具体的校准方法(粒子射线治疗装置的调整方法)。此外，在本实施方式2中，使用图5的流程图说明作为逆映射计算部12进行用于获得逆映射数学式模型f₂ ^-1的未知参数的主控制的一个例子。

在使逆映射计算部12起动来开始校准(步骤ST10)时，设定射束轨道，并设置射束测量部10，该射束测量部根据所设定的射束轨道来测量带电粒子束的实际照射位置(步骤ST20)。射束测量部10的设置可以是手动的，也可以通过设置未图示的装置，以根据逆映射计算部12的指令来进行设定，上述未图示的装置能够以等中心C为中心进行旋转，根据所设定的射束轨道使中心轴(通过各射束剖面监控器10a、射束剖面监控器10b、水模体10c的中心的直线)与射束轨道的中心一致。

接着，从数据服务器9读入校准所需的互不相同的多个照射控制值(I_a，I_b，E_b)的组合(数据列：(式1))(步骤S100)，沿着读入的数据列，依次(i＝0～n)进行实际照射(步骤S110)并测量实际照射位置坐标(步骤S120)。具体而言，例如，按照数据编号(i)的顺序，综合控制部8a向扫描控制部8d发送照射控制值，扫描控制部8d根据照射控制值(I_ai，I_bi，E_bi)(在第i个的情况)来控制扫描电磁铁2a、2b及带电粒子束的能量，进行实际的试照射。

式1

$\begin{array}{c}(I_{a0},I_{b0},E_{b0})\\ (I_{a1},I_{b1},E_{b1})\\ \·\\ \·\\ \·\\ (I_{\mathrm{an}},I_{\mathrm{bn}},E_{\mathrm{bn}})\end{array}\·\·\·\left(1\right)$

式中，下标数字表示数据编号(数据数＝n+1个的情况)。此外，照射控制值的数据列也可保存在照射控制部8的存储器中。

以下那样进行实际照射位置坐标的测量。利用射束剖面监控器10a可以获得从水模体10c的z方向基准点起沿z方向离开za距离的、射束的在与射束轨道相垂直的平面内的坐标(x_a，y_a，z_a)。利用射束剖面监控器10b可以获得从水模体10c的z方向基准点起沿z方向离开zb距离、射束的坐标(x_b，y_b，z_b)。若在水模体10c中获得生成布喇格峰值的深度z，则能够获得生成布喇格峰值部分的坐标(x，y，z)。由此，能够获得对应于第i个照射控制值(I_ai，I_bi，E_bi)的实际照射形状(x_i，y_i，z_i)。

重复上述实际测量(步骤S110，S120)预定次数(i＝0～n)，最终获得与互不相同的n+1组的照射控制值(I_a，I_b，E_b)的数据列相对应的实际照射位置坐标(x，y，z)的数据列(步骤S200)。如上所述，由于能够将从照射控制值(I_a，I_b，E_b)向实际照射坐标位置(x，y，z)的映射作为是正方向的映射，因此，通过改变照射控制值(I_a，I_b，E_b)的值，并测量分别与之对应的实际照射坐标位置(x，y，z)，从而基于控制值的数据列和测量值的数据列的组合来求出反方向的映射。

基于上述多个(n+1个)试照射的实际数据列的组合，来生成逆映射数学式f₂ ^-1。举出多项式模型来作为逆映射数学式模型的优选的例子。式(2)示出了作为多项式的一个例子的最高次数为2次的情况下的多项式。

式2

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{ae}}=a_{000}+a_{001}x+a_{002}{x}^2+a_{010}y+a_{011}\mathrm{xy}+a_{020}{y}^2+a_{100}z+a_{101}\mathrm{xz}+a_{110}\mathrm{yz}+a_{200}{z}^2\\ I_{\mathrm{be}}=b_{000}+b_{001}x+b_{002}{x}^2+b_{010}y+b_{011}\mathrm{xy}+b_{020}{y}^2+b_{100}z+b_{101}\mathrm{xz}+b_{110}\mathrm{yz}+b_{200}{z}^2\\ E_{\mathrm{be}}=c_{000}+c_{001}x+c_{002}{x}^2+c_{010}y+c_{011}\mathrm{xy}+c_{020}{y}^2+c_{100}z+c_{101}\mathrm{xz}+c_{110}\mathrm{yz}+c_{200}{z}^2\end{array}\right.\·\·\·\left(2\right)$

式中，x、y、z是目标照射位置的坐标，I_ae、I_be、E_be分别是对扫描电磁铁进行控制的控制值的推算值及带电粒子束的能量的控制值的推算值。另外，a₀₀₀，a₀₀₁，a₀₀₂，…，a₂₀₀，b₀₀₀，b₀₀₁，b₀₀₂，…，b₂₀₀，c₀₀₀，c₀₀₁，c₀₀₂，…，c₂₀₀是决定逆映射数学式模型f₂ ^-1的特性的系数(未知参数)。

求出未知参数即多项式的系数的优选例是最小二乘法。式(3)、式(4)示出了利用最小二乘法求出多项式的系数的式子。

式3

式4

      X＝(A_carib ^TA_carib)^-1A_carib ^TB_carib    …(4)

式中，上标T表示转置矩阵。

如上所述，能够设定每条射束轨道的逆映射数学式模型f₂ ^-1的未知参数(步骤S210)。

对于这些动作，若在步骤S300中未完成所需的射束轨道的参数设定(否)，则设定下一射束轨道(7b，7c)(步骤S20)。然后，若获得了所需的每条射束轨道的逆映射数学式模型f₂ ^-1的未知参数(是)，则完成校准(步骤S400)。

利用上述校准来求出逆映射数学式模型f₂ ^-1的未知参数(多项式的各系数)后，实施正式照射。首先，利用设置于射束输送管道1的射束监控器(未图示)来确认对于扫掠电磁铁2a的射束入射点是否从校准时的位置发生了变动。在确认此时的射束入射点发生了变动的情况下，再次进行上述校准程序，再次求出各系数即可。接着，从治疗计划装置读入每条射束轨道的目标照射位置坐标(步骤S500)，还可将目标照射位置坐标设为式(1)所示那样的(x₀，y₀，z₀)…(x_m，y_m，z_m)的数据列，例如，按照数据编号顺序，设定目标照射位置坐标(步骤S510)，使用根据射束轨道所选择的逆映射数学式模型f₂ ^-1的未知参数来生成照射控制值(I_aj，I_bj，E_bj)(第j个的情况)。(步骤S520)。然后，利用生成的控制值进行照射(步骤S530)。按照所需要的个数(m+1个)来依次实施这些步骤，能够进行正确地再现设定于每条射束轨道的目标照射位置的照射。

如上所述，在本实施方式2的粒子射线治疗装置中，由于采用以下结构：即，根据射束轨道(7a，7b，7c)，使用基于(三维的)照射控制值(I_a，I_b，E_b)和实际数据来生成的照射控制值推算值(I_ae，I_be，E_be)的逆映射数学式模型f₂ ^-1，上述照射控制值(I_a，I_b，E_b)包括对于扫描电磁铁2a、2b的控制值(I_a，I_b)及带电粒子束B_ec的能量的控制值E_b，上述实际数据是对使用三维的照射控制值进行控制的带电粒子束B_ec进行试照射时的等中心C部的实际照射位置坐标的测量值(x，y，z)，因此即使是在扫掠电磁铁并非位于最下游、扫掠电磁铁2a、2b和等中心C间的轨道会发生变化的复杂的系统，也能够对患部进行正确的照射。

另外，在本实施方式2的粒子射线治疗装置的调整方法中，由于包括：设定射束轨道、并设置射束测量部10的步骤(步骤S20)，该射束测量部10根据所设定的射束轨道(7a，7b，7c)来测量带电粒子束B_ec的实际照射位置坐标(x，y，z)；读入步骤(步骤S100)，该读入步骤读入包括对于扫描电磁铁2a、2b的二维的控制值(I_a，I_b)及带电粒子束B_ac的能量的控制值E_b的照射控制值(I_a，I_b，E_b)、即互不相同的多个照射控制值(数据列)；测量步骤(步骤S110，S120)，该测量步骤根据读入的照射控制值来实际照射带电粒子束B_ec，并测量等中心C部中的带电粒子束B_ec的实际照射位置坐标(x，y，z)；以及设定步骤(步骤S210)，该设定步骤基于测量出的实际照射位置坐标的多个测量结果(数据列)与相对应的多个照射控制值(数据列)的组合，来设定逆映射数学式模型f₂ ^-1的未知参数，因此，能够获得可以正确地对每条射束轨道进行照射的粒子射线治疗装置。

另外，在本实施方式2的粒子射线治疗装置中，由于包括逆映射计算部12，该逆映射计算部12执行以下步骤：即，读入步骤(步骤S100)，该读入步骤读入包括对于扫描电磁铁2a、2b的二维的控制值(I_a，I_b)及带电粒子束B_ec的能量的控制值E_b的照射控制值(I_a，I_b，E_b)、即互不相同的多个照射控制值(数据列)；测量步骤(步骤S120)，该测量步骤对根据读入的照射控制值进行实际照射的带电粒子束B_ec在等中心C部中的实际照射位置坐标(x，y，z)进行测量；以及设定步骤(步骤S210)，该设定步骤基于测量出的实际照射位置坐标的多个测量结果(数据列)与相对应的多个照射控制值(数据列)的组合，来设定逆映射数学式模型f₂ ^-1的未知参数，因此，能够持续进行高自由度的正确的照射。

此外，在本发明的实施方式2中，设置有以下计算功能：即，若向逆映射计算部12提供校准时的实际数据，就利用最小二乘法计算多项式的系数(未知参数)，但上述计算功能也可设置于照射控制部8、或照射计划指示部9那样的其他部分。

另外，对于多项式模型的次数，根据所使用的粒子射线治疗装置的特性，在非线性较强的情况下可以适当地提高次数，不一定是式(2)所示那样的最高次数＝2。在本发明的实施方式2中，是预先准备了多个多项式模型，操作者能够选择多项式模型。例如，在上述式(2)中，尽管对x、y、z分别进行相同处理，但是由于z相对于x、y的影响要小，因此，为了简化运算处理，也可以设置z的次数比x、y的次数要低的多项式模型，并根据需要来进行选择。

另外，在本实施方式2中，说明了对一条射束轨道网罗了照射区域的n+1个数据列，但是在对曾进行了校准的轨道加以校正的情况下，也可适当地减少测量点数。

另外，特别是在非线性较强的情况下，将照射区域分割为多个小区域、并对每个小区域来求出映射的方式也十分有效。在这种情况下，照射控制部8也可以根据读入的照射位置坐标来切换使用的未知参数，还能够切换逆映射数学式模型本身(例如，多项式的次数)。

实施方式2的变形例

此外，在本实施方式2中，示出了将实施校准时的照射控制值作为数据列读入、按照每个所读入的数据列进行实际照射的例子(图5中的步骤S100～步骤S200)，但是在使控制值的各变量每隔一定间隔变化的情况下，也可实施图6所示的流程。在图6所示的流程中，示出了使相当于图5中的步骤S100～步骤S200的部分变形的例子，由于在步骤S20之前及S210之后都与图5相同，因此，省略记载。

首先，将主要对z方向(深度)产生影响的带电粒子束B_ec的能量的控制值E_b设定为初始值(例如，E_b1，E_b2，…E_br中为E_b1)(步骤S1010)。接着，将扫掠电磁铁2b的控制值I_b设定为初始值(例如I_b1，I_b2，…I_bq中为I_b1)(步骤S1020)。接着，将扫掠电磁铁2a的控制值I_a设定为初始值(例如I_a1，I_a2，…I_ap中为I_a1)(步骤S1030)。然后，以所设定的照射控制值进行实际照射(步骤S1100)，测量等中心C附近的实际照射位置坐标(x，y，z)。

若在步骤S1200～S1220中，对于每个控制值未完成所需设定数，则将控制值设定为接下去的值(I_a2，…，I_ap、I_b2，…，I_bq、E_b2，…，E_br)(步骤S1030、S1020、S1010)，若控制值依次增加(例如，设I_a1，…，I_ap、I_b1，…，I_bq、E_b1，…，E_br分别以相等间隔进行变化)，则能够获得p×q×r个三维格子状的照射控制值(I_a，I_b，E_b)的数据列和照射形状(x，y，z)的数据列的组合(步骤S1220)。然后，利用最小二乘法能够根据上述数据的组合来设定逆映射数学式模型f₂ ^-1的未知参数(步骤S210)。

根据本实施方式2的变形例，由于在一连串的测量中使两个变量保持一定、而改变一个变量(在本例中为I_a)来进行测量，因此在利用水模体来测量照射深度时，能够使剂量传感器容易地追踪到产生布喇格峰值的位置，能够有效地测量实际照射位置坐标。

在上述变形例中，说明了对一条射束轨道获取网罗了照射区域的精细的大致为格子状的数据(p×q×r点)的情况，但是在对曾进行了校准的轨道加以校正的情况下，也可适当地减少测量点数。例如，也可以增大各控制值的增加量来使网格变粗。或者，也可将照射区域分割为多个区域。在这种情况下，由于各变量的增加量、起点、终点已决定，因此容易从视觉上把握如何减少测量点数(使精度下降，或减小区域等)。

实施方式3.

在上述实施方式1、2中，对以下情况进行了描述：即，在扫掠电磁铁2的下游设置多条射束轨道，利用射束轨道切换用的偏转电磁铁4来切换带电粒子束，对每条射束轨道设置所需的偏转电磁铁5a、5b。在本实施方式3中，能够使偏转电磁铁根据射束轨道进行移动，并能够以一个偏转电磁铁来对应多条射束轨道。图7、图8用于说明本发明的实施方式3的粒子射线治疗装置，图7是表示粒子射线治疗装置的整体结构的图，图8是表示粒子射线治疗装置的功能的框图，偏转电磁铁15v能够根据射束轨道7v进行移动。其他部分与实施方式1、2相同。

此外，尽管图7中未图示，但偏转电磁铁15v设置于可动支承部，使得可以进行移动，如图8所示，在切换射束轨道时，根据射束切换控制部8cv的指示，根据所选择的射束轨道7v而将偏转电磁铁15v移动到最合适的位置。

即，在本实施方式3中，通过使偏转电磁铁15v能够移动，从而使多条射束轨道7v共用一个偏转电磁铁15v。在这种情况下，由于在改变照射角度时，物体自身的位置移动的部分仅为偏转电磁铁15v，位于非常远离患者的位置，因此，利用本实施方式3所示的方法，容易进行远程多门照射。

此外，使用实施方式2所示的逆映射数学式模型f₂ ^-1进行调整的方法，也能够用于本实施方式3。

如上所述，根据本实施方式3所述的粒子射线治疗装置，由于用于切换射束轨道的偏转电磁铁设置于扫描电磁铁2的下游，包括：第一偏转电磁铁即射束切换偏转电磁铁4，该第一偏转电磁铁使得由扫描电磁铁2进行了扫描后输出的带电粒子束B_ec根据所选择的射束轨道7v发生偏转；以及第三偏转电磁铁即偏转电磁铁15v，该第三偏转电磁铁位于射束切换偏转电磁铁4的下游，根据所选择的射束轨道7v移动，将利用射束切换偏转电磁铁4进行了偏转后的带电粒子束B_ec向着等中心C偏转，因此，能够驱动射束轨道偏转用的偏转电磁铁15v，且能够多条射束轨道共用一个偏转电磁铁，即使偏转电磁铁及其驱动电源的个数少，但也能获得实施方式1、实施方式2中所记载的效果。

此外，图7中仅表示了偏转电磁铁15v沿纸面的上下方向移动的状态，但也可使其沿纸面的进深方向进行移动。此时，偏转电磁铁4也可根据需要向偏转方向倾斜。

另外，如图9的变形例所示，也可使偏转电磁铁15v例如以射束轨道7vc为中心进行旋转移动。在这种情况下，也可使偏转电磁铁4与偏转电磁铁15v联动移动，以射束轨道7vc为中心进行旋转。

实施方式4.

在上述实施方式1中，对以下情况进行了描述：即，在扫掠电磁铁2的下游设置多条射束轨道，利用射束轨道切换用的偏转电磁铁4来切换射束轨道，对每条射束轨道设置所需的偏转电磁铁5，但在本实施方式4的粒子射线治疗装置中，如图10所示，对各射束轨道设置射束输送管道20。由于其他功能和结构与实施方式1相同，因此省略说明。

设置射束输送管道20的目的在于，抑制带电粒子束B_ec因通过空气而引起的扩散，抑制束点尺寸增大。由于扫掠照射型的粒子射线治疗装置按照逐个小区域来对照射对象的癌病灶进行照射，因此，需要将束点尺寸抑制在数mm左右。利用射束输送管道20，由于能够将射束轨道保持为真空或氦气的状态下，因此，能够抑制带电粒子束的扩散(不同于由扫描引起的扩散)。

另外，能够具有防护功能，使得即使在管道与外界气体能够通气的情况下，也能防止异物或人等进行带电粒子束的轨道。

此外，使用实施方式2所示的逆映射数学式模型f₂ ^-1的方法，也能够用于本实施方式4，由于能够抑制外界气体的影响，因此能够进行更正确的调整。

如上所述，通过从第一偏转电磁铁4到等中心C设置多个与射束轨道相对应的输送管20，从而能够获得可将带电粒子束的轨道保持在真空或氦气的气氛中、可照射适合点扫描的数mm大小的非常小的束点尺寸的粒子射线治疗装置。

实施方式5.

在上述实施方式3中，对以下情况进行了描述：即，在扫掠电磁铁2的下游设置多条射束轨道，利用射束轨道切换用的偏转电磁铁4来切换射束轨道，根据所切换的射束轨道来移动偏转电磁铁15v，但在本实施方式5的粒子射线治疗装置中，如图11所示，设置有射束输送管道30，该射束输送管道30可根据所设定的射束轨道进行移动、或移动变形。由于其他功能和结构与实施方式3相同，因此省略说明。

输送管道30包括：射束导入口30i，该射束导入口30i与射束射出窗3相连接；射束出射口30e，该射束出射口30e设置在等中心C的附近，向等中心C输出带电粒子束；接头部30j1，该接头部30j1与偏转电磁铁4对应设置；移动接头部30j2，该移动接头部30j2与偏转电磁铁15v对应移动；直管部30t1，该直管部30t1连接接头部30j1和接头部30j2之间；以及直管部30t2，该直管部30t2连接接头部30j2和射束出射口30e，直管部30t1、30t2能够分别改变相对于接头的连接角，并能够分别保持直线性而改变(变形)长度。然后，在输送管道30内，通过使接头部和直管部进行气密接合，从而能够确保真空或氦气的状态。

另外，本实施方式5的能够与偏转电磁铁15v联动地移动或移动变形的射束输送管道30也能如实施方式3的变形例那样，应用于偏转电磁铁15v旋转移动的情况。图12是表示设置了可与偏转电磁铁15v的旋转移动联动地进行移动或移动变形的射束输送管道30的粒子射线治疗装置的结构，由于动作与图11所示的情况相同，因此省略说明。

此外，使用实施方式2所示的逆映射数学式模型f₂ ^-1的方法，也能够用于本实施方式5，由于能够抑制外界气体的影响，因此能够进行更正确的调整。

如上所述，通过从第一偏转电磁铁4到等中心C设置根据所选择的射束轨道来进行移动或移动变形的输送管道30，从而能够获得可将射束轨道保持在真空或氦气的状态下、可照射适合点扫描的数mm大小的非常小的束点尺寸的粒子射线治疗装置。

Claims (9)

1.一种粒子射线治疗装置，包括：

扫描电磁铁，该扫描电磁铁对所提供的带电粒子束进行扫描，使其整形为基于治疗计划的三维的照射形状；以及

偏转电磁铁，该偏转电磁铁切换所述带电粒子束的轨道，以使得由所述扫描电磁铁进行了扫描后的带电粒子束经过从所述扫描电磁铁到等中心之间设定的多条射束轨道中的、所选择的一条射束轨道，而到达所述等中心。

2.如权利要求1所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

包括照射控制部，该照射控制部使用根据所述选择的射束轨道而设定的函数来转换形成所述三维的照射形状的照射位置坐标，使用转换后得到的控制值来控制所述扫描电磁铁及所述带电粒子束的能量。

3.如权利要求2所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

作为根据所述射束轨道而设定的函数，

使用从基于照射控制值和实际照射位置坐标的测量值而获得的照射位置坐标转换为照射控制值的逆映射数学式模型，所述照射控制值包括对于所述扫描电磁铁的二维的控制值及所述带电粒子束的能量的控制值，所述实际照射位置坐标的测量值是使用所述照射控制值进行控制的所述带电粒子束在所述等中心部中的实际照射位置坐标的测量值。

4.如权利要求1至3的任一项所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述偏转电磁铁包括：

第一偏转电磁铁，该第一偏转电磁铁设置于所述扫描电磁铁的下游，使得由所述扫描电磁铁进行了扫描后的带电粒子束根据所述选择的轨道发生偏转；以及

第二偏转电磁铁，该第二偏转电磁铁位于所述第一偏转电磁铁的下游，对所述多条射束轨道的每条射束轨道进行设置，使得由所述第一偏转电磁铁进行了偏转后的带电粒子束向着所述等中心发生偏转。

5.如权利要求1至3的任一项所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述偏转电磁铁包括：

第一偏转电磁铁，该第一偏转电磁铁设置于所述扫描电磁铁的下游，使得由所述扫描电磁铁进行了扫描后的带电粒子束根据所述选择的轨道发生偏转；

第三偏转电磁铁，该第三偏转电磁铁位于所述第一偏转电磁铁的下游，根据所选择的射束轨道进行移动，使得由所述第一偏转电磁铁进行了偏转后的带电粒子束向着所述等中心发生偏转。

6.如权利要求4所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

从所述第一偏转电磁铁到所述等中心设置有与所述多条射束轨道相对应的输送管道。

7.如权利要求5所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

从所述第一偏转电磁铁到所述等中心设置有与所述选择的射束轨道相对应地进行移动或移动变形的输送管道。

8.一种粒子射线治疗装置的调整方法，

是权利要求3所述的粒子射线治疗装置的调整方法，其特征在于，包括：

设定射束轨道、并设置射束测量部的步骤，该射束测量部根据所设定的射束轨道来测量所述实际照射位置坐标；

读入步骤，该读入步骤读入互不相同的多个照射控制值；

测量步骤，该测量步骤根据所读入的照射控制值来实际照射带电粒子束，并测量所述等中心部中的所述带电粒子束的实际照射位置坐标；以及

设定步骤，该设定步骤基于所测量出的实际照射位置坐标的多个测量结果和所述多个照射控制值的组合，来设定所述逆映射数学式模型的未知参数。

9.如权利要求3所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，包括逆映射计算部，该逆映射计算部执行以下步骤：

读入步骤，该读入步骤读入互不相同的多个照射控制值；

测量步骤，该测量步骤对根据读入的照射控制值进行实际照射的带电粒子束在所述等中心部中的实际照射位置坐标进行测量；以及

设定步骤，该设定步骤基于所测量出的实际照射位置坐标的多个测量结果和所述多个照射控制值的组合，来设定所述逆映射数学式模型的未知参数。

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