CN102414760B - 粒子射线照射装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种能够实现高精度的射束照射位置的粒子射线照射装置。包括逆映射单元，该逆映射单元具有逆映射数学模型，该逆映射数学模型基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标，来生成实现该照射的扫描电磁铁的指令值及带电粒子束的动能的指令值，根据基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标、使用所述逆映射数学模型而生成的所述指令值，来控制上述扫描电磁铁及带电粒子束的动能，以将带电粒子束进行扫描，来照射至照射对象。

Description

粒子射线照射装置

技术领域

本发明涉及用于癌症治疗等医疗用或研究用的粒子射线照射装置。特别涉及进行点扫描、光栅扫描等扫描式照射的粒子射线照射装置。

背景技术

在用于癌症治疗等医疗用或研究用的粒子射线照射装置中，最广泛使用的照射方式是广域照射方式。广域照射方式使用散射体、摇摆电磁铁来加宽带电粒子束，使用准直器、团块来减少照射到患部以外的部位。

与该一下子照射至照射对象区域的广域照射方式不同，提出有所谓的点扫描、光栅扫描那样的扫描式照射方法，上述扫描式照射方法是将带电粒子束进行扫描，来对照射对象即患部进行逐个小区域的照射(例如非专利文献1)。还提出有以下方案：即，进一步应用非专利文献1中所示的进行扫描式照射的现有的粒子射线照射装置，将扫描电磁铁放置在最后偏转电磁铁的上游侧，从而能够显著地减少机架的半径(专利文献1)，或能够省略扫描电磁铁(专利文献2)。另外，尽管不是医疗用或研究用的粒子射线照射装置，但是对于将照射至试样上为目的的带电粒子束扫描式装置，提出有对偏转扫描位置偏移进行校正的方法(专利文献3)。

扫描式照射方法中，一般不具有广域照射方式中所使用的准直器、团块等防止照射至患部以外的正常组织的部件，因此，要求具有比广域照射方式更高的射束位置精度。由此，尽管扫描式照射方法要求比广域照射方式更高的射束位置精度，但是却没有揭示出对其射束位置精度进行补偿的装置。

另外，若质子或碳离子等带电粒子束入射到体内等物质中，则在物质中前进至对应于带电粒子束的能量的特定的深度(称为射程)，在射程终端附近具有对物质施加的能量成为最大的峰值(称为布喇格峰值)，与X射线等其他放射线相比，具有形成布喇格峰值特别尖锐的深层照射剂量分布的特征。粒子射线照射装置利用该性质来极力抑制对正常组织的影响，使照射剂量集中照射到患部。由此，在进行点扫描或光栅扫描的扫描型粒子射线照射装置或治疗计划装置中，一直以来都是假定分别进行以下过程：即，通过调整带电粒子束的能量来调整目标照射位置的体内深度方向(Z方向)，通过控制扫描电磁铁等扫描单元来控制与Z方向正交的X方向和Y方向，分别计算扫描单元和加速器的控制量。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本国专利特表2007-534391号公报(图4)

专利文献2：日本国专利特开2006-166947号公报

专利文献3：国际公开第WO01/69643号刊物

非专利文献

非专利文献1：Tatsuaki Kanai，et al.，“Spot scanning system for protonradiotherapy”，Medical Physics，Jul./Aug.1980，Vol.7，No.4，pp365-369

发明内容

的确，若带电粒子束的前进方向始终是一定的平行射束，则射束照射位置的z坐标能够仅由带电粒子束的能量来唯一决定。但是，在利用实际的扫描电磁铁等扫描单元来控制射束的方向的粒子射线照射装置中，由于带电粒子束成为呈扇形展开的扇形射束(一维扫描)或呈圆锥状展开的圆锥形射束(二维扫描)，因此射束照射位置的z坐标不能由带电粒子束的能量来唯一地决定。将该扇形射束对照射位置的影响称为扇形射束效应，将该圆锥形射束对照射位置的影响称为圆锥形射束效应。

图8是说明扇形射束效应和圆锥形射束效应的图。图中，1表示带电粒子束，31表示患者的身体，31表示患者的身体表面。图8(a)说明扇形射束效应，若带电粒子束1进行一维扫描，则照射位置的端部33的z坐标和中心部34的z坐标不固定。图8(b)说明圆锥形射束效应，若带电粒子束1进行二维扫描，则照射位置的端部33的z坐标和中心部34的z坐标不固定。

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能够实现高精度的射束照射位置的粒子射线照射装置。

本发明的粒子射线照射装置，利用控制器对加速器和扫描电磁铁进行控制，将来自上述加速器的带电粒子束照射至照射对象，上述扫描电磁铁包括：X方向扫描电磁铁；以及Y方向扫描电磁铁，该Y方向扫描电磁铁在与上述X方向扫描电磁铁的扫描方向相正交的方向上进行扫描，上述控制器具有X方向、Y方向、及动能逆映射数学模型，该X方向、Y方向、及动能逆映射数学模型分别基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标来生成X方向指令值、Y方向指令值、及动能指令值，以实现照射至照射对象的照射，上述X方向指令值是用于对上述X方向扫描电磁铁进行励磁的X方向指令值，上述Y方向指令值是用于对上述Y方向扫描电磁铁进行励磁的Y方向指令值，上述动能指令值是对将带电粒子束进行加速的上述加速器的动能指令值，上述X方向、Y方向、及动能逆映射数学模型在以三个变量来表示上述目标照射位置坐标时分别都包含上述三个变量，根据基于照射对象的带电粒子束的上述目标照射位置坐标、使用上述X方向、Y方向、及动能逆映射数学模型而生成的上述X方向、Y方向、及动能指令值，来控制上述X方向和Y方向扫描电磁铁(3a，3b)及上述加速器(11)，以控制带电粒子束，来照射至照射对象。

另外，本发明的粒子射线照射装置对于分别存在于多项式即上述X方向、Y方向、及动能逆映射数学模型中的未知系数，可通过以下方法求出：：即，向上述X方向、Y方向扫描电磁铁输入预先设定的多组X方向和Y方向指令值，并向上述加速器输入预先设定的多个动能的指令值，来控制带电粒子束，基于实际照射的各照射位置坐标的实际数据来应用最小二乘法或加权最小二乘法。根据本发明的粒子射线照射装置，由于控制器具有X方向、Y方向、及动能逆映射数学模型，该X方向、Y方向、及动能逆映射数学模型分别基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标来生成X方向指令值、Y方向指令值、及动能指令值，以实现照射至照射对象的照射，上述X方向指令值是用于对上述X方向扫描电磁铁进行励磁的X方向指令值，上述Y方向指令值是用于对上述Y方向扫描电磁铁进行励磁的Y方向指令值，上述动能指令值是对将带电粒子束进行加速的上述加速器的动能指令值，上述X方向、Y方向、及动能逆映射数学模型在以三个变量来表示上述目标照射位置坐标时分别都包含上述三个变量，因此，能够获得能实现高精度的射束照射位置的粒子射线照射装置。另外，能够实现还考虑了取决于扇形效应、圆锥形效应的照射位置坐标的变动的高精度的射束照射位置。

另外，根据本发明的粒子射线照射装置，由于对于分别存在于多项式即X方向、Y方向、及动能逆映射数学模型中的未知系数，可通过以下方法求出：即，向上述X方向、Y方向扫描电磁铁输入预先设定的多组X方向和Y方向指令值，并向上述加速器输入预先设定的多个动能的指令值，来控制带电粒子束，基于实际照射的各照射位置坐标的实际数据来应用最小二乘法或加权最小二乘法，因此，由于是基于实际数据，从而能够获得能实现高精度的射束照射位置的粒子射线照射装置。因而，能够实现还考虑了取决于扇形效应、圆锥形效应的照射位置坐标的变动的高精度的射束照射位置。

附图说明

图1是表示构成本发明的基础的技术中的粒子射线照射装置的结构图。

图2是说明在本发明中基于校正时的实际数据来计算系数(未知参数)的方法的图。

图3是说明在本发明中计算系数(未知参数)的方法的框图。

图4是说明在本发明中计算系数(未知参数)的方法的流程图。

图5是在本发明中、根据治疗计划值来求出扫描电磁铁的指令值和带电粒子束的动能的指令值的框图。

图6是表示本发明的实施方式1中的粒子射线照射装置的结构图。

图7是表示本发明的实施方式2中的粒子射线照射装置的结构图。

图8是说明扇形射束效应和圆锥形射束效应的图。

具体实施方式

图1是表示构成本发明的基础的技术中的进行扫描式照射的粒子射线照射装置的结构图。粒子射线照射装置包括：加速器11，该加速器将带电粒子束1加速成为具有所希望的动能的带电粒子束1；射束输送管道2，该射束输送管道2输送带电粒子束1；扫描电磁铁3，该扫描电磁铁3将带电粒子束1进行扫描；射束射出窗4，该射束射出窗4射出射束；以及扫描控制器10等，该扫描控制器10对扫描电磁铁3发送指令值。具有射束输送管道2的射束输送系统中设置有偏转电磁铁、射束监控器、屏蔽电磁铁、射束阻尼器、及照射路线偏转电磁铁等。构成发明的基础的技术中的粒子射线照射装置在扫描控制器10中具有从射束照射位置坐标空间7对扫描电磁铁指令值空间6的逆映射数学模型。换言之，扫描控制器10中具有逆映射单元9，该逆映射单元9对目标射束照射位置坐标生成实现该目标射束照射位置坐标的扫描电磁铁3的指令值的推定值。

接着，说明粒子射线照射装置的动作。由加速器11加速到具有所希望的动能的带电粒子束1通过射束输送管道2中，并被导向照射部。进而，带电粒子束1从射束射出窗4射出，向着照射基准点的等中心5进行照射。一般而言，为了选择性地对照射对象即患部进行扫描来进行照射，带电粒子束1利用设置于射束输送管道2的外侧的X方向的扫描电磁铁(X方向扫描电磁铁)3a和Y方向的扫描电磁铁(Y方向扫描电磁铁)3b，来控制射束照射位置的XY方向，并利用加速器11来改变带电粒子束1的动能，从而控制射束照射位置的Z方向(患部的深度方向)。为了对上述射束照射位置进行控制，有如下的方法：即，利用对整个粒子射线照射装置进行控制的照射控制装置23(参照图5)进行集中控制的方法；以及利用对扫描电磁铁和加速器的带电粒子束1的动能进行控制的扫描控制器10进行分散控制的方法。

在构成发明的基础的技术中，在对带电粒子束1的照射位置进行控制的扫描控制器10中设置有逆映射单元9，该逆映射单元9中具有从射束照射位置坐标空间7对扫描电磁铁指令值空间6的逆映射数学模型。逆映射数学模型的优选的一个例子是多项式模型。以下的数学式1中示出了最高次数为2的情况下的多项式模型。此外，在构成发明的基础的技术中，假设射束照射位置的z方向(深度方向)是由带电粒子束的动能来唯一地决定，对不同的动能生成多个逆映射数学模型。

[数学式1]

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{ae}}=a_{00}+a_{01}x+a_{02}{x}^2+a_{10}y+a_{11}\mathrm{xy}+a_{20}{y}^2\\ I_{\mathrm{be}}=b_{00}+b_{01}x+b_{02}{x}^2+b_{10}y+b_{11}\mathrm{xy}+b_{20}{y}^2\end{array}\right.$

(数学式1)

式中，a₀₀，a₀₁，a₀₂，…，b₀₀，b₀₁，b₀₂，…是决定逆映射数学模型的特性的系数(未知参数)。I_ae、I_be是带电粒子束的照射位置坐标成为(x，y)时的X、Y方向扫描电磁铁指令值的推定值。决定逆映射数学模型的特性的系数(未知参数)可通过以下方法求出：即，预先进行用于校准(calibration)的试照射，基于该试照射的实际数据来应用最小二乘法等求出即可。

图2是说明基于校准时的实际数据来计算系数(未知参数)的方法的图。此外，图1的8示出了正映射(实际物理现象)的方向。图3是说明计算系数(未知参数)的方法的框图。图4是说明计算系数(未知参数)的方法的流程图。此外，在各图中，相同标号表示相同或相当部分。在图中，12是第一射束剖面监控器，垂直于带电粒子束的基准照射轴15进行设置，输出照射的带电粒子束的二维的通过位置坐标(x_a，y_a)。13是第二射束剖面监控器，与第一射束剖面监控器12之间隔开规定的间隔来垂直于带电粒子束的基准照射轴15进行设置，输出照射的带电粒子束的二维的通过位置坐标(x_b，y_b)。14是水模体，使其表面与患者的身体表面16一致并垂直于带电粒子束的基准照射轴15进行配置，输出照射的带电粒子束到达的位置坐标的深度方向的坐标z_p。此外，在对未知参数进行计算时、和在对带电粒子束进行校准、确认时，配置第一、第二射束剖面监控器12、13、及水模体14，而在对患者照射带电粒子束时则使其移走。

校准的试照射是利用扫描控制器10改变以下的值来进行的。

对X方向扫描电磁铁的指令值I_a(＝电流值，是在考虑了磁滞的基础上进行了校正计算的电流值或设定磁场强度等)。

对Y方向扫描电磁铁的指令值I_b(＝电流值，是在考虑了磁滞的基础上进行了校正计算的电流值或设定磁场强度等)。

对加速器的动能指令值E_b。

接收到上述指令值并进行照射的带电粒子束1通过第一、第二射束剖面监控器12、13，由第一、第二射束剖面监控器12、13分别输出所测定的通过位置坐标(x_a，y_a)，(x_b，y_b)。另外，假设所照射的带电粒子束1是基于带电粒子的动能来唯一地决定到达位置的深度方向坐标z。基于上述值(x_a，y_a)、(x_b，y_b)及z，数据处理单元17(图3)计算照射位置坐标(x，y，z)。

如上所述，校准的试照射是通过改变各指令值的值来进行。例如，将对X方向扫描电磁铁的指令值I_a改变为I_a+ΔI_a、…，将对Y方向扫描电磁铁的指令值I_b改变为I_b+ΔI_b、…。此处，示出了基于试照射的实际数据来求出逆映射的系数(未知参数)的方法的一个例子。对于数学式1所示的多项式模型，若使用矩阵和矢量，则能够表示为下式。

[数学式2]

(数学式2)

式中，矩阵Ac是由照射位置坐标构成的逆映射的输入矩阵，矩阵Xc是逆映射的未知参数矩阵，矩阵Be是由指令值的推定值构成的逆映射的输出矩阵。但是，在该阶段，未知参数矩阵Xc的值尚未求出。将校准的试照射时的指令值Bcarib及所获得的照射位置Acarib的实际数据根据数学式2的形式，来沿纵向进行排列以构成纵向矩阵。

[数学式3]

(数学式3)

式中，下标数字表示校准的试照射编号(在上例中，表示进行n部位试照射)。利用以下最小二乘法的式子来求出逆映射的未知参数矩阵Xc。

〔数学式4〕

X_c＝(A_carib ^TA_carib)^-1A_carib ^TB_carib(数学式4)

式中，上标T表示转置矩阵。

在利用上述校准来求出多项式的各系数后，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)来确认入射到扫描电磁铁3a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。

对于数学式1等的多项式模型的次数，根据所使用的粒子射线照射装置的特性，在非线性较强的情况下可以适当地提高次数，不一定是数学式(1)所示那样的次数＝2。可事先准备多个多项式模型(逆映射数学模型)，从而使得操作者能够选择多项式模型。此外，在专利文献3中所揭示的方法是对校正量进行计算，但与本发明的不同点在于，本发明的逆映射数学模型是求出指令值本身。

粒子射线照射装置要求照射三维的带电粒子束，如图1所示，一般目标射束照射位置坐标的(x，y，z)是以(x₀，y₀，z₀)(x₁，y₁，z₁)(x₂，y₂，z₂)……的形式发送至扫描控制器10。

图5是在根据治疗计划值来求出扫描电磁铁的指令值和带电粒子束的动能的指令值的框图。对于患者的治疗计划装置21将目标射束照射位置坐标(x₀，y₀，z₀)(x₁，y₁，z₁)(x₂，y₂，z₂)……经由数据服务器22、照射控制装置23发送至扫描控制器10。此外，在实施方式1中对图5的逆映射数学模型和动能指令值E_be进行说明。在构成发明的基础的技术中，如上所述，由于将加速器的带电粒子束的动能作为设定值而未包含射束照射位置的Z方向的控制，因此，若入射到扫描电磁铁3a的射束入射点未发生变动，则将所发送的目标射束照射位置坐标(x₀，y₀)(x₁，y₁)(x₂，y₂)……分别代入扫描控制器10的逆映射数学模型(数学式1)，分别对各目标射束照射位置坐标计算扫描电磁铁指令值的推定值(I_ae，I_be)……。

在构成发明的基础的技术中，对互不相同的多个带电粒子束动能的每个带电粒子束的动能求出逆映射。具体而言，例如不仅准备对包含照射基准即等中心5的平面A₀-A₀的逆映射数学模型，还准备来自以下平面的逆映射数学模型：即，位于等中心5前方的平面A_-1-A_-1，A_-2-A_-2，…，该平面A_-1-A_-1，A_-2-A_-2，…是通过对带电粒子束的动能依次改变-ΔE_b(不需要是等间隔)而固定的；以及位于等中心5后侧的平面A₁-A₁，A₂-A₂，…，该平面A₁-A₁，A₂-A₂，…是通过对带电粒子束的动能依次改变+ΔE_b而固定的，在照射对象的射束照射位置坐标位于平面与平面之间时进行线性插补。

由此，在构成发明的基础的技术中，设定计算单元(逆映射单元)，该计算单元对照射基准平面上的目标照射位置坐标(x，y)，计算用于实现该目标照射位置坐标而对扫描电磁铁的指令值的推定值(I_ae，I_be)。具体而言，该逆映射单元具有两个输入两个输出的多项式模型。因此，能够获得能根据作为对象的粒子射线照射装置的个体差异、使用环境、老化来对射束位置精度进行补偿的、高精度、高可靠性的粒子射线照射装置。

实施方式1.

图6是表示实施方式1中的粒子射线照射装置的结构图。在构成发明的基础的技术中，将逆映射数学模型设为两个输入两个输出，但在实施方式1中，如图6、数学式5(后述)所示那样，将逆映射数学模型设为由目标照射位置坐标构成的三个输入三个输出。以下的数学式5中示出了由三个输入三个输出、最高次数为2的情况下的多项式模型。

〔数学式5〕

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

(数学式5)

式中，a₀₀₀，a₀₀₁，a₀₀₂，…，b₀₀₀，b₀₀₁，b₀₀₂，…，c₀₀₀，c₀₀₁，c₀₀₂，…是决定逆映射数学模型的特性的系数(未知参数)。I_ae、I_be、E_be是带电粒子束的照射位置坐标成为(x，y，z)时对X、Y方向扫描电磁铁的X方向和Y方向指令值的推定值、及对加速器的带电粒子束的动能的指令值的推定值。即，生成X方向指令值I_ae、Y方向指令值I_be、即动能指令值E_be的X方向、Y方向、动能逆映射数学模型(数学式5)在以三个变量(x，y，z)来表示目标照射位置坐标时都包含上述三个变量。决定逆映射数学模型的特性的系数(未知参数)与构成发明的基础的技术相同，可通过以下方法求出：即，预先进行用于校准(calibration)的试照射，基于该试照射的实际数据来应用最小二乘法等求出。

校准的试照射是利用扫描控制器10改变以下的值来进行的。

对X方向扫描电磁铁的指令值I_a(＝电流值，是在考虑了磁滞的基础上进行了校正计算的电流值或设定磁场强度等)。

对Y方向扫描电磁铁的指令值I_b(＝电流值，是在考虑了磁滞的基础上进行了校正计算的电流值或设定磁场强度等)。

对加速器的动能指令值E_b。

参照图2、图3、图4，接收上述指令值，所照射的带电粒子束1通过第一、第二射束剖面监控器12、13，由第一、第二射束剖面监控器12、13分别输出所测定的通过位置坐标(x_a，y_a)，(x_b，y_b)。进而，照射的带电粒子束1到达水模体14，输出其到达的位置坐标的深度方向的坐标z_p。获得这些输出值的数据处理单元17(图3)基于(x_a，y_a)、(x_b，y_b)、z_p来求出到达位置坐标的(x_p，y_p)，并决定到达位置坐标(x_p，y_p，z_p)。

如上所述，校准的试照射是通过改变各指令值的值来进行。例如，将对X方向扫描电磁铁的指令值I_a改变为I_a+ΔI_a、…，将对Y方向扫描电磁铁的指令值I_b改变为I_b+ΔI_b、…将对加速器的动能指令值E_b改变为E_b+ΔE_b、…。此处，示出了基于试照射的实际数据来求出三个输入三个输出的情况下的逆映射的系数(未知参数)的方法的一个例子。对于数学式5所示的多项式模型，若使用矩阵和矢量，则能够表示为下式。

[数学式6]

(数学式6)

式中，矩阵Ac是由照射位置坐标构成的逆映射的输入矩阵，矩阵Xc是逆映射的未知参数矩阵，矩阵Be是由指令值的推定值构成的逆映射的输出矩阵。但是，在该阶段，未知参数矩阵Xc的值尚未求出。将校准的试照射时所获得的指令值及照射位置的实际数据根据数学式6的形式，来沿纵向进行排列以构成纵向矩阵。将校准的试照射时的指令值Bcarib及所获得的照射位置Acarib的实际数据根据数学式6的形式，来沿纵向进行排列以构成纵向矩阵。

[数学式7]

(数学式7)

式中，下标数字表示校准的试照射编号(在上例中，表示进行n个部位试照射)。与构成发明的基础的技术相同，利用最小二乘法的数学式4来求出逆映射的未知参数矩阵Xc。在利用上述校准来求出多项式的各系数后，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)来确认入射到扫描电磁铁3a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。

对于逆映射数学模型即多项式模型的次数，根据所使用的粒子射线照射装置的特性，在非线性较强的情况下可以适当地提高次数，不一定是数学式5所示那样的次数＝2。在实施方式1中，也能够预先准备多个多项式模型，从而使操作者能够选择多项式模型。

在实施方式1中，参照图5，也由对于患者的治疗计划装置21将目标射束照射位置坐标(x₀，y₀，z₀)(x₁，y₁，z₁)(x₂，y₂，z₂)……经由数据服务器22、照射控制装置23发送至扫描控制器10。若使得入射到扫描电磁铁3a的射束入射点不发生变动，则将所发送的目标射束照射位置坐标(x₀，y₀，z₀)(x₁，y₁，z₁)(x₂，y₂，z₂)……分别代入扫描控制器10的逆映射数学模型(数学式5)，分别对各目标射束照射位置坐标来计算扫描电磁铁的指令值的推定值(I_ae，I_be)(……与动能指令值的推定值(E_be)(……。

关于带电粒子束的位置的控制，大体上是利用扫描电磁铁3来控制带电粒子束的XY方向，利用带电粒子束的动能调整来控制Z方向，但严格来说并不能完全分离XY方向和Z方向。若利用扫描电磁铁3对带电粒子束进行控制，则不仅XY方向受到影响，Z方向也会受到影响。同样地，若对带电粒子束的动能进行控制，则不仅Z方向受到影响，有时XY方向也会受到影响。此处，将上述影响称为“XY和Z的干涉项的影响”。三个输入三个输出的逆映射数学模型能够在也考虑了该XY和Z的干涉项的影响的基础上来生成指令值。

在利用现有的偏转校正的方法(例如专利文献3)中，并未考虑Z方向的影响，但是在实施方式1中，能够通过如上述那样准备多个逆映射数学模型从而也考虑Z方向的影响。

由此，由于将扫描控制器10的逆映射数学模型设为由目标照射位置坐标构成的三个输入三个输出，因此，能够一次性求出对扫描电磁铁3的指令值和带电粒子束1的动能指令值，能够在也考虑了XY和Z的干涉项的影响的基础上生成指令值，所以，能够实现更高精度的射束位置控制。另外，能够实现也考虑了取决于扇形效应、圆锥形效应的照射位置坐标的变动的高精度的射束照射位置。另外，作为逆映射数学模型，也可以准备变换表，根据基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标、使用上述变换表而生成的上述指令值，来控制上述扫描电磁铁及带电粒子束的动能，以将带电粒子束进行扫描，来照射至照射对象，上述逆映射模型基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标，来生成实现该照射的扫描电磁铁的指令值及带电粒子束的动能的指令值。

实施方式2.

图7是表示实施方式2中的粒子射线照射装置的结构图。31是设置于射束输送系统中的最后偏转电磁铁，配置于Y方向扫描电磁铁3b的上游，将带电粒子束偏转至路径A、B、C。在构成发明的基础的技术的图1中，尽管示出了扫描电磁铁3位于最下游的简单情况，但是省略了如专利文献1的粒子射线照射装置那样在扫描电磁铁(扫描电磁铁、摇摆电磁铁)的下游设置有偏转电磁铁的情况、或如专利文献2的粒子射线照射装置那样通过较好地利用偏转电磁铁而省略扫描电磁铁的情况。也能对上述结构应用本发明，或者说在采用上述结构的情况下，由于从指令值坐标空间6对射束照射位置坐标空间7的正映射变得更加复杂，因此本发明的效果更加明显。

在图7中，使用Y方向扫描电磁铁3b，使最后偏转电磁铁31具有X方向扫描电磁铁的功能。产生从最后偏转电磁铁31对X方向扫描电磁铁的指令值I_a，将带电粒子束进行扫描，向最后偏转电磁铁31输入X方向扫描电磁铁的指令值的推定值I_ae。由此，最后偏转电磁铁31也具有与X方向扫描电磁铁相同的功能。

实施方式3.

在实施方式1中，作为求出多项式的系数(未知参数)的方法，说明了最小二乘法。在求出该多项式的系数(未知参数)的方法中，还能够使用加权最小二乘法。所谓该加权最小二乘法，是在求出多项式的系数(未知参数)的原始数据(校准时的实际数据)时，对各数据进行加权来进行计算。例如，在进行校准的试照射时，可能会因某种原因(例如电学噪声等)而获得可靠性较低的数据。在这种情况下，通过对可靠性较低的数据加上接近0的权重，从而能够抑制该数据的影响。

另外，也可以将照射对象分割为多个区域，分别对各个区域来求出多项式的未知参数。在这种情况下，在计算某区域A的多项式时，对校准的试照射的实际数据中属于区域A的数据附加权重1、对不属于区域A的数据附加权重0来进行计算，从而能够更接近实际现象，即能够实现更高精度的照射。

Claims (9)

1.一种粒子射线照射装置，

利用控制器（10）对加速器（11）和扫描电磁铁（3）进行控制，将来自所述加速器（11）的带电粒子束照射至照射对象，所述扫描电磁铁（3）包括：Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ）；以及Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ），该Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ）在与所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ）的扫描方向相正交的方向上进行扫描，其特征在于，

所述控制器（10）具有Ｘ方向逆映射数学模型、Ｙ方向逆映射数学模型、及动能逆映射数学模型，该Ｘ方向逆映射数学模型、Ｙ方向逆映射数学模型、及动能逆映射数学模型分别基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标来生成Ｘ方向指令值、Ｙ方向指令值、及动能指令值，以实现照射至照射对象的照射，所述Ｘ方向指令值是用于对所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ）进行励磁的Ｘ方向指令值，所述Ｙ方向指令值是用于对所述Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ）进行励磁的Ｙ方向指令值，所述动能指令值是对将带电粒子束进行加速的所述加速器（11）的动能指令值，

所述Ｘ方向逆映射数学模型、所述Ｙ方向逆映射数学模型、及所述动能逆映射数学模型在以三个变量来表示所述目标照射位置坐标时分别都包含所述三个变量，

根据基于照射对象的带电粒子束的所述目标照射位置坐标、使用所述Ｘ方向逆映射数学模型、所述Ｙ方向逆映射数学模型、及所述动能逆映射数学模型而生成的所述Ｘ方向指令值、所述Ｙ方向指令值、及所述动能指令值，来控制所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ)和所述Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ）及所述加速器（11），以控制带电粒子束，来照射至照射对象。

2.如权利要求1所述的粒子射线照射装置，其特征在于，

所述Ｘ方向逆映射数学模型、所述Ｙ方向逆映射数学模型、及所述动能逆映射数学模型分别是多项式。

3.如权利要求2所述的粒子射线照射装置，其特征在于，

对于分别存在于多项式即所述Ｘ方向逆映射数学模型、所述Ｙ方向逆映射数学模型、及所述动能逆映射数学模型中的未知系数，可通过以下方法求出：即，

向所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ)和所述Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ）输入预先设定的多组Ｘ方向和Ｙ方向指令值，并向所述加速器（11）输入预先设定的多个动能指令值，

对带电粒子束进行控制，基于实际照射的各照射位置坐标的实际数据来应用最小二乘法或加权最小二乘法。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的粒子射线照射装置，其特征在于，

具有多组所述Ｘ方向逆映射数学模型、所述Ｙ方向逆映射数学模型、及所述动能逆映射数学模型，能够从所述多组之中选择所使用的所述Ｘ方向逆映射数学模型、所述Ｙ方向逆映射数学模型、及所述动能逆映射数学模型。

5.如权利要求1至3的任一项所述的粒子射线照射装置，其特征在于，

使设置于射束输送系统中的偏转电磁铁（31）具有所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ）的功能。

6.一种粒子射线照射装置，

利用控制器（10）对加速器（11）和扫描电磁铁（3）进行控制，将来自所述加速器（11）的带电粒子束照射至照射对象，所述扫描电磁铁（3）包括：Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ）；以及Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ），该Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ）在与所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ）的扫描方向相正交的方向上进行扫描，其特征在于，

所述控制器（10）具有Ｘ方向和Ｙ方向逆映射数学模型，该Ｘ方向和Ｙ方向逆映射数学模型分别基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标来生成Ｘ方向指令值和Ｙ方向指令值，以实现照射至照射对象的照射，所述Ｘ方向指令值是用于对所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ）进行励磁的Ｘ方向指令值，所述Ｙ方向指令值是用于对所述Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ）进行励磁的Ｙ方向指令值，

所述Ｘ方向和Ｙ方向逆映射数学模型是包含表示所述目标照射位置坐标的变量的多项式，

对于所述多项式中所包含的未知系数，可通过以下方法求出：即，对所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ)和所述Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ）输入预先设定的多组Ｘ方向和Ｙ方向指令值，并对所述加速器（11）输入预先设定的多个动能指令值，对带电粒子束进行控制，对于实际照射的各照射位置坐标的实际数据，利用对其部分数据附加较小权重的加权最小二乘法来求出，以提高可靠性。

7.如权利要求6所述的粒子射线照射装置，其特征在于，

所述控制器（10）具有Ｘ方向逆映射数学模型、Ｙ方向逆映射数学模型、及动能逆映射数学模型，该Ｘ方向逆映射数学模型、Ｙ方向逆映射数学模型、及动能逆映射数学模型分别基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标来生成Ｘ方向指令值、Ｙ方向指令值、及动能指令值，以实现照射至照射对象的照射，所述Ｘ方向指令值是用于对所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ）进行励磁的Ｘ方向指令值，所述Ｙ方向指令值是用于对所述Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ）进行励磁的Ｙ方向指令值，所述动能指令值是对将带电粒子束进行加速的所述加速器（11）的动能指令值，

所述Ｘ方向逆映射数学模型、所述Ｙ方向逆映射数学模型、及所述动能逆映射数学模型是包含表示所述目标照射位置坐标的变量的多项式，

对于所述多项式中所包含的未知系数，可通过以下方法求出：即，对所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ)和所述Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ）输入预先设定的多组Ｘ方向和Ｙ方向指令值，并对所述加速器（11）输入预先设定的多个动能指令值，对带电粒子束进行控制，对于实际照射的各照射位置坐标的实际数据，利用对其部分数据附加较小权重的加权最小二乘法来求出，以提高可靠性。

8.一种粒子射线照射装置，

利用控制器（10）对加速器（11）和扫描电磁铁（3）进行控制，将来自所述加速器（11）的带电粒子束照射至照射对象，

所述扫描电磁铁（3）包括：Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ）；以及Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ），该Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ）在与所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ）的扫描方向相正交的方向上进行扫描，其特征在于，

所述控制器（10）具有Ｘ方向和Ｙ方向逆映射数学模型，该Ｘ方向和Ｙ方向逆映射数学模型分别基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标来生成Ｘ方向指令值和Ｙ方向指令值，以实现照射至照射对象的照射，所述Ｘ方向指令值是用于对所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ）进行励磁的Ｘ方向指令值，所述Ｙ方向指令值是用于对所述Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ）进行励磁的Ｙ方向指令值，

所述Ｘ方向和Ｙ方向逆映射数学模型是包含表示所述目标照射位置坐标的变量的多项式，

在求解所述多项式所包含的未知系数时，

将所述照射对象分割成多个区域，对于各区域中的每个区域的所述多项式中所包含的未知系数，通过以下方法求解：即，

对所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ)和所述Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ）输入预先设定的多组Ｘ方向和Ｙ方向指令值，对所述加速器（11）输入预先设定的多个动能指令值，对带电粒子束进行控制，对于实际照射的各照射位置坐标的实际数据，利用对属于该区域的实际数据附加比不属于该区域的实际数据的权重要大的权重的加权最小二乘法来求出。

9.如权利要求8所述的粒子射线照射装置，其特征在于，

所述控制器（10）具有Ｘ方向逆映射数学模型、Ｙ方向逆映射数学模型、及动能逆映射数学模型，该Ｘ方向逆映射数学模型、Ｙ方向逆映射数学模型、及动能逆映射数学模型分别基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标来生成Ｘ方向指令值、Ｙ方向指令值、及动能指令值，以实现照射至照射对象的照射，所述Ｘ方向指令值是用于对所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ）进行励磁的Ｘ方向指令值，所述Ｙ方向指令值是用于对所述Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ）进行励磁的Ｙ方向指令值，所述动能指令值是对将带电粒子束进行加速的所述加速器（11）的动能指令值，

所述Ｘ方向逆映射数学模型、所述Ｙ方向逆映射数学模型、及所述动能逆映射数学模型是包含表示所述目标照射位置坐标的变量的多项式，

在求解所述多项式所包含的未知系数时，

将所述照射对象分割成多个区域，对于各区域中的每个区域的所述多项式中所包含的未知系数，通过以下方法求解：即，

对所述Ｘ方向扫描电磁铁（3ａ)和所述Ｙ方向扫描电磁铁（3ｂ）输入预先设定的多组Ｘ方向和Ｙ方向指令值，并对所述加速器（11）输入预先设定的多个动能指令值，对带电粒子束进行控制，对于实际照射的各照射位置坐标的实际数据，利用对属于该区域的实际数据附加比不属于该区域的实际数据的权重要大的权重的加权最小二乘法来求出。

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