CN102421481B - 粒子射线照射装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种既能抑制带电粒子束的最大可利用射程的减少、又能扩大束点的剂量分布的粒子射线照射装置。本发明的粒子射线照射装置包括：粒子射线加速单元；粒子射线输送单元；扫描装置，该扫描装置包括第一扫描单元和第二扫描单元，将所述带电粒子束进行二维扫描；以及照射控制单元，该照射控制装置控制所述扫描装置，使得将所述带电粒子束照射到包含多个伪扩大束点的目标区域，所述照射控制单元控制所述第一扫描单元，使得所述带电粒子束对所述多个伪扩大束点中的成为照射对象的伪扩大束点进行扫描，并控制所述第二扫描单元，使得将成为所述照射对象的伪扩大束点改变为所述多个伪扩大束点中的其他伪扩大束点。

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。

背景技术

在将质子、碳离子等带电粒子束照射至体内的情况下，带电粒子束对体内的每单位质量所施加的能量(吸收剂量)具有在带电粒子束的射程终端附近的能量成为最大的性质。粒子射线照射装置能够利用该性质，既将剂量集中到患部，又将对患部周围的正常组织的影响抑制到最小。通常，从加速器中射出的带电粒子束的横截面是直径为大约1cm以下的圆形或椭圆形。另一方面，肿瘤等患部的尺寸也有的为十几cm左右。因此，作为将从加速器中射出的较小直径的带电粒子束均匀地照射到较大的患部的方法，具有将带电粒子束对患部进行扫描的被称之为扫描照射法的方法。

具体而言，利用扫描电磁铁对带电粒子束束点进行控制，使其对位于与照射方向相垂直的面上的照射目标的截面进行扫描，并同时对各扫描位置的带电粒子束的照射量进行控制。最后，尽可能使经过扫描的所有位置的带电粒子束束点的总剂量的分布与肿瘤的形状相一致。此外，通过改变带电粒子束的动能来实现对束点的深度方向上的扫描。专利文献1中记述了一种粒子射线照射装置，该粒子射线照射装置如上述那样将带电粒子束进行扫描来形成三维剂量分布，以使得与患部的三维形状一致。

在专利文献1中，揭示了以下照射装置和照射方法：即，利用扫描电磁铁将由加速器进行了加速的射束能量大约为200MeV的质子射线束在与射束前进方向正交的方向上形成为具有任意形状的剂量分布。此处，通过插入被称之为射程移位器的板来改变质子射线束的能量，也在深度方向上将质子射线束进行扫描。另外，根据需要，在照射系统中插入铅等散射物质来改变照射位置的束点尺寸。此外，增大束点尺寸的目的在于能够利用更少的束点进行照射而在相同大小的目标区域中形成足够的剂量分布。

现有技术文献

专利文献

特許文献1：专利文献1：日本专利特开2001-212253号公报

专利文献2：专利文献2：日本专利特表2005-516634号公报

发明内容

由此，在专利文献1所揭示的现有粒子射线治疗装置中，根据被照射体即肿瘤的大小，来改变照射中所使用的带电粒子束束点的尺寸。作为束点尺寸的改变方法，使用将铅等散射物质插入射束路径中的方法。所谓通过插入散射物质来扩大束点尺寸，是指利用由散射来增大射束角度散射。然而，在利用该现有的束点改变方法来扩大束点尺寸的情况下，由于需要插入一定厚度的散射物质，因此，会导致带电粒子束的最大射程减小了相当于所插入的散射物质的厚度的量。因而，存在治疗中所能利用的最大射束能量减少的问题。特别在带电粒子束是碳射线束的情况下，由于碳射线束比质子射线束要重因而不易发生散射，因此需要插入更重的散射物质。因而，存在因插入散射物质而导致射束能量损失会更大的问题。

而且，因插入散射物质而获得的扩大束点的横向密度分布(近似地与形成束点的剂量分布成正比)一般具有接近高斯分布的分布，在将该扩大后的束点的分布的标准偏差设为σ1的情况下，表示使用该扩大束点对肿瘤区域进行扫描而形成的剂量分布的边缘部的斜度的80%-20%宽度(以下称为半影)的最小值为1.12×σ1。即，σ1越大，所获得的最终剂量分布的斜率与σ1成正比地增大。一般而言，在使用粒子射线的治疗中，所形成的剂量分布的半影越小，则照射至照射目标即肿瘤以外的正常组织的多余的剂量就越小。因而，存在以下问题：即，对于由利用该现有的束点尺寸扩大法获得的束点所形成的剂量分布，半影与束点尺寸σ1呈正比地增大，照射至肿瘤周边的正常组织的多余的剂量增大。

另外，在专利文献2中，揭示有以下方法：即，改变设置于射束输送系统中的四极电磁铁等的设定，来改变用于照射的束点尺寸。此处，由于需要改变射束输送系统中的几乎所有的电磁铁的设定，因此存在照射控制单元变复杂的问题，且存在所能够改变的最大束点尺寸受到传输系统的电磁铁间隙尺寸限制的问题。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其第一目的在于提供一种粒子射线照射装置，该粒子射线照射装置能够既抑制带电粒子束的最大可利用射程的减少，又扩大束点的剂量分布。

另外，本发明的第二目的在于提供一种束点的剂量分布的改变单元，该束点的剂量分布的改变单元能够抑制因进行扫描照射而形成的剂量分布的半影增大。

本发明的粒子射线照射装置包括：粒子射线加速单元，该粒子射线加速单元将带电粒子束进行加速；粒子射线输送单元，该粒子射线输送单元输送从上述粒子射线加速单元射出的带电粒子束；扫描装置，该扫描装置包括生成与上述带电粒子束的前进方向相正交的方向上的偏转磁场或偏转电场的第一扫描单元和第二扫描单元，将上述粒子射线输送单元输送来的上述带电粒子束进行二维扫描；以及照射控制单元，该照射控制装置控制上述扫描装置，使得将上述带电粒子束照射到包含多个伪扩大束点的目标区域，上述照射控制单元控制上述第一扫描单元，使得上述带电粒子束对上述多个伪扩大束点中的成为照射对象的伪扩大束点进行扫描，并控制上述第二扫描单元，使得将成为上述照射对象的伪扩大束点改变为上述多个伪扩大束点中的其他伪扩大束点。

另外，本发明的粒子射线照射装置包括：粒子射线加速单元，该粒子射线加速单元将带电粒子束进行加速；粒子射线输送单元，该粒子射线输送单元输送从上述粒子射线加速单元射出的带电粒子束；扫描装置，该扫描装置生成与上述带电粒子束的前进方向相正交的方向上的偏转磁场或偏转电场，将上述粒子射线输送单元输送来的上述带电粒子束进行二维扫描；以及照射控制单元，该照射控制装置控制上述扫描装置，使得将上述带电粒子束照射到包含多个伪扩大束点的目标区域，上述照射控制单元向上述扫描装置输出第一控制信号和第二控制信号，该第一控制信号控制上述扫描装置，使得上述带电粒子束对上述多个伪扩大束点中成为照射对象的伪扩大束点进行扫描，上述第二控制信号控制上述扫描装置，使得将成为上述照射对象的伪扩大束点改变为上述多个伪扩大束点中的其他伪扩大束点。

根据本发明的粒子射线照射装置，由于束点的扩大是使用扫描装置来实现的，因此，能够消除射束能量的无用损耗。因而，与具有相同最大射束能量的粒子射线加速单元相比，能照射到位于更深位置的目标区域。

另外，由于能够使用扫描装置来扩大束点尺寸，因此，能够使构成伪扩大束点的各束点的剂量分布的标准偏差σ1与束点尺寸扩大前大致保持相同。因此，与该标准偏差σ1具有正比关系的伪扩大束点的剂量分布的半影也不会变大，能够使照射至肿瘤周边的正常组织的多余的剂量最小化。

此外，由于能够利用更少的束点进行照射而在相同大小的目标区域中形成足够的剂量分布,因此，能减少照射管理的耗时。

附图说明

图1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2是表示实施方式2中的粒子射线照射装置的结构图。

图3是说明实施方式1中的扩大前的带电粒子束束点的剂量分布的图。

图4是说明利用现有技术的扩大后的带电粒子束束点的剂量分布的图。

图5是说明实施方式1中的利用第一扫描单元来扩大带电粒子束束点的原理的图。

图6是说明实施方式1中的利用第一扫描单元来扩大带电粒子束束点的原理的图，表示进行扫描的扩大前的束点的状态。

图7是说明实施方式1中的利用第一扫描单元的伪扩大束点的剂量分布和束点位置的图。

图8是说明实施方式1中的利用第一扫描单元来扩大其他带电粒子束束点的原理的图，表示进行扫描的扩大前的束点的状态。

图9是说明实施方式1中的利用第一扫描单元的其他的伪扩大束点的剂量分布和束点位置的图。

图10是说明实施方式1中的利用第一扫描单元来扩大另外其他的带电粒子束束点的原理的图，表示进行扫描的扩大前的束点的状态。

图11是说明实施方式1中的利用第一扫描单元的另外其他的伪扩大束点的剂量分布和束点位置的图。

图12是表示使用实施方式1中的第二扫描单元来将由第一扫描单元扩大后的各种束点进行扫描、而在患部形成规定剂量分布的状态的示意图。

图13是表示使用实施方式1中的第二扫描单元来将由第一扫描单元扩大后的各种束点进行扫描、而在患部形成规定剂量分布的状态的示意图。

图14是表示从加速器中射出的扩大前的束点的剂量分布及其形状的图。

图15是表示实施方式3中的伪扩大束点的剂量分布及其形状的图。

图16是表示实施方式5中的粒子射线照射装置的结构图。

图17是表示实施方式6中的粒子射线照射装置的结构图。

图18是表示实施方式6中的其他粒子射线照射装置的结构图。

具体实施方式

实施方式1.

图1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。在图1中，1是将入射的带电粒子束进行加速的粒子射线加速单元，2是输送加速而射出的带电粒子束的粒子射线输送单元。3是具有带电粒子束扫描电磁铁12的第一扫描单元，4是具有带电粒子束扫描电磁铁13的第二扫描单元，从扫描电源11对带电粒子束扫描电磁铁12、13施加功率来进行扫描。用第一扫描单元3、第二扫描单元4、及扫描电源11构成扫描装置。扫描装置在图1中相对于粒子射线输送单元2配置在带电粒子束路径的下游侧。5表示射束射出窗，6表示带电粒子束的剂量监控器和射束位置监控器，7表示照射对象即目标区域。14是照射控制单元，该照射控制单元对整个粒子射线照射装置进行控制，控制从加速器1射出的射束能量，控制带电粒子束的射出和停止，控制对目标区域的照射。15是能由操作者进行操作的、向照射控制单元14输入指令的接口，包括显示器和键盘等。另外，10表示由加速器1加速至规定射束能量、并由粒子射线输送单元2输送到扫描装置的带电粒子束。26表示利用第一扫描单元使照射区域扩大后的伪扩大束点。此外，射束射出窗5配置在第二扫描单元4或第一扫描单元3的上游侧。剂量监控器和射束位置监控器6也可配置在第二扫描单元4的上游侧。

图3是说明实施方式1中的扩大前的带电粒子束束点的目标区域7的剂量分布和束点位置的图。在图3(a)中21表示扩大前的带电粒子束束点的目标区域7中的剂量分布，在图3(b)中21表示该束点位置。此外，以下，在目标区域7中，以Z方向表示深度方向，以X方向和Y方向表示与Z方向正交的方向。

图4是说明利用现有技术的插入散射体的情况下的扩大后的带电粒子束束点的剂量分布的图。在图4(a)中22表示因插入散射体而扩大后的带电粒子束束点的目标区域7中的剂量分布，在图4(b)中22表示该束点位置。23表示剂量分布倾斜部宽度，也称为剂量分布的半影。

图5是说明实施方式1中的扩大前的带电粒子束束点的目标区域7的剂量分布和束点位置的图，是说明利用第一扫描单元3来扩大带电粒子束束点的原理的图。在图5(a)中21a表示扩大前的带电粒子束束点的目标区域7中的剂量分布，在图5(b)中21a表示该束点位置。图6是说明实施方式1中的利用第一扫描单元3来扩大带电粒子束束点的原理的图，表示进行扫描的扩大前的束点21a的状态。在图中，在图6(a)中21a同样表示扩大前的带电粒子束束点的剂量分布，在图6(b)中21a同样表示该束点位置。24a表示利用第一扫描单元3的扫描图案的例子。25a表示利用第一扫描单元3的最大扫描宽度的例子。

图7是说明根据图6所示的第一扫描图案24a、由第一扫描单元3的高速扫描所形成的扩大后的带电粒子束束点的剂量分布和束点位置的图。在图中，在图7(a)中26a表示扩大后的带电粒子束束点(伪扩大束点)的剂量分布，在图7(b)中26a表示该束点位置。

图8是说明实施方式1中的利用第一扫描单元3来扩大带电粒子束束点的原理的图，表示根据其他第一扫描图案24b来进行扫描的扩大前的其他束点21b的状态。在图中，在图8(a)中21b同样表示扩大前的带电粒子束束点的剂量分布，在图8(b)中21b同样表示该束点位置。图9是说明根据图8所示的扫描图案24b、由第一扫描单元3的高速扫描所形成的扩大后的带电粒子束束点(伪扩大束点)的剂量分布和束点位置的图。在该图中，21b表示扩大前的束点的剂量分布，在图9(a)中26b表示扩大后的带电粒子束束点(伪扩大束点)的剂量分布，在图9(b)中26b表示该束点位置。

图10是说明实施方式1中的利用第一扫描单元3来扩大带电粒子束束点的原理的图，是表示根据另外其他第一扫描图案24c来进行扫描的扩大前的其他束点21c的状态。在图中，在图10(a)中21c同样表示扩大前的带电粒子束束点的剂量分布，在图10(b)中21c同样表示该束点位置。图11是说明根据图10所示的扫描图案24c、由第一扫描单元3的高速扫描所形成的伪扩大束点的剂量分布和束点位置的图。在该图中，21c表示扩大前的束点的剂量分布，在图11(a)中26c表示伪扩大后的束点的剂量分布，在图11(b)中26c表示该束点位置。此外，根据治疗计划预先设定利用第一扫描单元的扫描图案24a、24b、24c、及其组合，但是也可以利用接口15向照射控制单元14输入指令来进行选择。

图12是表示在实施方式1中使用第二扫描单元4将具有由第一扫描单元3进行了扩大后的带电粒子束(伪扩大束点)的各种剂量分布的束点进行扫描、在目标区域7中形成规定第二扫描图案时的各扩大束点(伪扩大束点)的位置和目标区域的关系的图。在图中，27是伪扩大束点26的较小尺寸的例子，28是伪扩大束点26的较大束点的例子，29是具有四边形的伪扩大束点的例子。30表示希望尽可能减少位于目标区域7的周围的照射剂量的重要内脏。33表示利用第二扫描单元4的扫描宽度。

另外，为了在图12的目标区域7中形成规定的第二扫描图案，各伪扩大束点(即，小束点、大束点、四边形束点等)可利用第一扫描单元3进行连续扫描来形成，规定的第二扫描图案可利用第二扫描单元4进行连续扫描(光栅扫描)、非连续扫描(束点扫描)、或连续非连续混合扫描(混合扫描)来形成。因而，照射控制单元14也可对第一扫描单元3进行控制，使得从带电粒子束形成伪扩大束点，之后，对第二扫描单元4进行控制，使得将上述伪扩大束点的位置进行扫描。另外，照射控制单元14也可一边对第一扫描单元3进行控制，使得从带电粒子束形成伪扩大束点，一边对第二扫描单元4进行控制，使得将上述伪扩大束点的位置进行扫描。

图13是表示在实施方式1中使用第二扫描单元4将具有由第一扫描单元3进行了扩大后的带电粒子束的各种剂量分布的束点进行扫描、在目标区域7中形成规定第二扫描图案时所获得的最终剂量分布(所照射的所有伪扩大束点剂量分布的合成剂量分布)的图。在该图中，31表示由第一扫描单元3形成的各种伪扩大束点的剂量分布。32表示由第二扫描单元形成的最终合成剂量分布。

接下来，说明实施方式1的粒子射线照射装置(或粒子射线治疗装置)的基本结构和动作。参照图1，由粒子射线加速器等构成的粒子射线加速单元1将入射的带电粒子束加速到治疗所需要的射束能量后射出。射出的带电粒子束从加速器室起经由包含电磁铁系统的粒子射线输送单元2而被输送照射室，该照射室包括第一扫描单元3、第二扫描单元4、将射束从真空导管射出到大气中的射束射出窗5、以及对各束点的剂量进行管理的剂量监控器和对束点位置进行管理的射束位置监控器6。

第一扫描单元3包括例如在与射束前进方向正交的方向上使带电粒子束发生偏转的方向相互正交的两台高速扫描电磁铁。第二扫描单元4采用与第一扫描单元1分开的独立结构，例如，包括在与射束前进方向正交的方向上使带电粒子束发生偏转的方向相互正交的两台扫描电磁铁。其中，第一扫描单元3的扫描速度f1(扫描的重复频率f1)比第二扫描单元的扫描速度f2(扫描的重复频率f2)要快(作为频率要高)。另外，第一扫描单元3的扫描宽度A1(目标区域7中的扫描范围)比第二扫描单元的扫描宽度A2(目标区域7的扫描范围)要小。输送到照射室的带电粒子束10首先由第一扫描单元3根据按照治疗计划(未图示)而预先设定的第一扫描图案24a、24b、24c进行高速扫描，在目标区域7中形成分布得比原始的束点的范围疑似要大的伪扩大束点。

图6、图7表示第一扫描图案24a为圆形轨道的情况下形成的伪扩大束点的剂量分布。根据该例，扩大前的束点21a由第一扫描单元3根据图6所示的第一扫描图案24a进行扫描，使得描绘出具有半径与扩大前的束点21a的射束直径为相同程度的圆轨道。作为结果，能获得图7所示的伪扩大束点的剂量分布26a。此外，由于第一扫描单元3所需的扫描宽度25a只要与原始的束点尺寸为相同程度就已足够大，因此，所需的扫描磁场可以较小，能进行非常高速的扫描。

另外，对于图7所示的伪扩大束点的剂量分布26a，构成该伪扩大束点的尺寸的各束点的剂量分布的标准偏差σ1与束点尺寸扩大前保持一致不变。因此，与该标准偏差σ1具有正比关系的伪扩大束点的剂量分布26a的半影也不会变大。另外，即使从粒子射线加速单元1射出的带电粒子束10的射束电流随着时间发生变化，但只要使第一扫描单元3的扫描周期(重复第一扫描图案24a的时间)比射束电流的时间变化率要短很多，就能使所形成的伪扩大束点的剂量分布26a大致保持一定。在带电粒子束10的射束电流不随时间发生变化而大致保持一定的情况下，第一扫描单元3的扫描速度无需特别快，但只需比之后叙述的第二扫描单元4要快得多即可。另外，反之，对于照射至照射区中心区域的束点，通过有意地使用半影较大的伪扩大束点进行照射，从而获得能够减小由所照射的束点的位置变动而引起的最终剂量分布的误差的效果。这能够使用粒子射线照射装置的第一扫描单元来实现。例如，在以呼吸移动性目标作为对象的情况下，能够利用该效果来以更高的精度对目标施加三维剂量分布。

对于由第一扫描单元3扩大的具有规定剂量分布26的伪扩大束点，利用设置于第一扫描单元3的下游侧的第二扫描单元4根据按照治疗计划(未图示)设定的第二扫描图案，来如图1所示的那样在目标区域7中进行扫描照射。此时，由剂量监控器6对第二扫描图案的各照射位置的各伪扩大束点的照射剂量进行管理，利用照射控制单元执行第二扫描动作，使得所有伪扩大束点26的合计剂量成为由治疗计划决定的剂量分布。此外，在执行第二扫描动作时，利用位置监控器6对伪扩大束点26的位置进行监控、控制。

此外，带电粒子束10通过第二扫描单元4，之后，通过射束射出窗5，从真空区域进入大气中，通过剂量监控器和射束位置监控器6，之后，照射到目标区域7。带电粒子束10由第一扫描单元3扩大其束点的剂量分布，成为伪扩大束点26，伪扩大束点26由第二扫描单元4对目标区域7的任意位置进行扫描，在目标区域7中形成由治疗计划决定的三维剂量分布。此外，尽管未图示，但使用带电粒子束10的射束能量改变单元，在目标区域7中进行深度方向的位置扫描。

在上述说明中，由于第二扫描单元4的扫描的重复频率f2(有X方向和Y方向，是指扫描速度较快方向的扫描的重复频率)一般是从10Hz到100Hz，因此，希望第一扫描单元3的扫描的重复频率f1(有X方向和Y方向，是指扫描速度较慢方向的扫描的重复频率)为数百Hz到数kHz以上。一般而言，所需的扫描电磁铁的偏转角度(与目标区域7的扫描宽度成正比)越大，则扫描速度(扫描的重复频率)越大，因而，越导致扫描电磁铁的驱动电源大型化。另外，由于第二扫描单元4所需的扫描宽度A2与肿瘤宽度为相同程度，因此，为数cm到数十cm。另一方面，第一扫描单元3所需的扫描宽度A1与扩大前的束点尺寸为相同程度，因此，小于数cm。因而，由于一般A1为A2的十分之一，因此，使f1比f2要高是相对比较容易的。

另外，如图1所示，对于将第一扫描单元3设置在第二扫描单元4的上游的情况(并不限于此)，与将第一扫描单元3设置于第二扫描单元4的下游的情况相比，在以两台双极性扫描电磁铁构成第一扫描单元时，由于扫描电磁铁所需的磁极间隔(带电粒子束10通过的空间)可以较小，因此，具有易于提高第一扫描单元的扫描重复频率f1的效果。此外，在上述说明中，作为扩大原来束点的单元，仅使用第一扫描单元3，但是，实际上，在如碳射线那样在目标中散射较小的粒子射线的情况下，也可预先插入无需在意能量损耗那样程度的厚度一定的的散射物质，以形成稍大的扩大前的束点21，之后，使用任意可变的第一扫描单元3，来高速地改变任意的剂量分布。

说明实施方式1的粒子射线照射装置的效果。由于扩大束点的剂量分布是使用第一扫描单元3来实现的，因此，能够消除射束能量的无用损耗。换言之，由于根据第一扫描单元3形成的第一扫描图案，使用由高速且小振幅扫描动作而扩大的束点剂量分布，并使用第二扫描单元，将扩大后的束点的剂量分布在患部进行扫描照射，从而能够形成所需的三维剂量分布，因此，能够抑制带电粒子束能量的无用损耗。因而，与现有技术相比，具有以下效果：即，具有相同最大射出射束能量的粒子射线加速单元1能照射位于更深位置的患部。

另外，通过将包含第一扫描单元3的扫描图案24a、24b、24c的动作参数进行适当设定，从而形成的伪扩大束点26a、26b、26c能既维持与扩大前的束点21大致相同程度的80%-20%宽度，又能形成比扩大前的束点21要大的束点的剂量分布。因而，对于利用第二扫描单元在目标区域7中将伪扩大束点26a、26b、26c进行扫描而形成的最终剂量分布，能在目标区域7和周围正常组织的边界处形成与扩大前的束点21的半影相同的程度。换言之，具有比现有剂量分布更陡的剂量分布(较小的半影)。因而，与现有技术相比，能减少照射到正常组织的不必要的剂量，能提高治疗效果。

而且，通过改变包含第一扫描单元3的第一扫描图案24a、24b、24c的动作参数，从而能够在扫描照射中根据控制信号来高速地改变扩大后的束点的剂量分布形状和尺寸，即使对复杂的肿瘤形状也能够形成高精度的三维剂量分布。而且，能够实现一种能够减少射束输送系统的参数变动而能高速地改变束点的剂量分布的单元。

接下来，对于第一扫描图案，图6、图7中示出了第一扫描单元3的扫描图案24a大致为圆形的情况。然而，由于第一扫描单元3的目的在于根据需要来扩大从粒子射线加速器1输送来的带电粒子束10的尺寸(根据治疗计划的指示)，因此，伪扩大束点26的形状不一定必须为圆形。例如，如图8、图9所示，将第一扫描单元3的扫描图案24设为螺旋轨道，其结果是也能够形成图9所示那样的中心部大致平坦、边缘部的80%-20%宽度尽可能与扩大前的束点21为相同程度那样的伪扩大束点26b。在这种情况下，由于能形成比图7所示的伪扩大束点更大的伪扩大束点26b，因此，在对较大的患部7进行照射时，能力图缩短利用第二扫描单元的照射时间。

另外，在图10、图11所示的情况下，第一扫描单元3的扫描图案24c为锯齿波，由此，能够获得如图11所示的矩形的伪扩大束点26c。例如，在目标区域7具有图12所示那样的拐角的情况下，使用第二扫描单元4将该矩形的伪扩大束点26c(在图12中表示为四边形束点29)进行扫描，具有能够形成更接近目标区域7的形状的剂量分布的效果。换言之，对于用于扩大带电粒子束10的束点尺寸的第一扫描单元3，能根据照射控制单元调出预先存放在照射控制单元的存储媒体等中的多个任意形状的第一扫描图案3，来进行束点的扩大。

目前是通过在射束路径中插入散射物质来改变束点尺寸，但是通过机械方法来移动该散射物质则需要较多的时间，因此，在射束照射中改变束点尺寸是不现实的。与此不同的是，根据实施方式1，在制定治疗计划的阶段，若根据目标区域7的形状对于第二扫描单元4的各扫描位置来预先决定使用哪个第一扫描图案24，则能够在照射中高速地改变束点尺寸和形状。因而，如图12所示，能分别使用多种伪扩大束点27、28、29等。在实际运用中，若对由第二扫描单元4进行扫描的这些扩大束点进行配置，使得在目标区域7中，其分布相互充分地重叠，则能够优化各扩大束点的位置和照射剂量，能够如图13所示那样在目标区域7中形成所需的三维剂量分布。

另外，如上所述，由于利用束点扩大单元能够实现与原来的束点尺寸为相同程度的较小的剂量分布半影，因此，即使是图12所示的存在重要内脏30的情况下，也能够在目标区域7集中必要的剂量，并同时能够将照射到重要内脏30的剂量抑制到最小。实际上，根据患部的大小，由第二扫描单元进行扫描照射的上述伪扩大束点的数量有数百到数十万。

在实施方式1中，对第一扫描单元3为两台扫描方向正交的扫描电磁铁的情况进行了说明，但是上述两台扫描电磁铁也可以是由空芯线圈构成的电磁铁。第一扫描单元3所需的扫描宽度(扫描范围)较小，因此，即使是由空芯线圈构成的电磁铁也能获得足够的扫描宽度。由此，具有能够实现更高的扫描重复频率f1的效果。另外，为了实现高速性，上述两台扫描电磁铁还能使用高响应的磁体等的扫描电磁铁。例如，还能组合铁氧体芯等有高响应性的磁性体和线圈，来构成能进行高速扫描的第一扫描单元3的扫描电磁铁。

作为第一扫描单元3，即使使用扫描电场，也能获取与上述效果相同的效果。另外，作为第一扫描单元3的扫描电源，还能使用图案电源或高速振动的共振电源。另外，还能使用以高速振动的随机(Random)信号源驱动的电源。

另外，第一扫描单元3和第二扫描单元4相对于粒子射线输送单元2配置在带电粒子束路径的下游侧，第一扫描单元3配置在第二扫描单元4的上游侧，但是即使交换第一扫描单元3和第二扫描单元4的设置顺序，也能获得与上述效果大致相同的效果。而且，即使将第一扫描单元3和第二扫描单元4的设置位置进行组合配置，或配置在相同位置，也能获得与上述相同的效果。总而言之，若比较第一扫描单元3和第二扫描单元4，则第一扫描单元的扫描重复频率f1比第二扫描单元的扫描重复频率f2要高，且其扫描宽度A1比第二扫描单元的扫描宽度A2要小。由此，能够利用第一扫描单元3获得稳定的扩大束点。

优选使第一扫描单元3的最大扫描宽度A1为第二扫描单元4的最大扫描宽度A2的三分之一以下，并使第一扫描单元3的扫描重复频率f1为第二扫描单元4的扫描重复频率f2的三倍以上。另外，为了避免不必要的同步现象，优选f1和f2之比不为整数。若第一扫描单元3采用对粒子射线输送单元2所具有的电磁铁追加规定的高速信号来形成伪扩大束点的结构，也能获得相同的效果。在这种情况下，由于作为第一扫描单元3也可不设置专用的电磁铁，因此能够获得进一步简化粒子射线照射装置的结构、并能削减成本的效果。

另外，还能利用高速旋转的至少一台电磁铁、永磁体、或偏转电极形成的偏转磁场或偏转电场来构成第一扫描单元。即，能利用旋转的电场或磁场来实现图6所示的扫描图案24a的圆形轨道扫描。当然，为了形成光滑的伪扩大束点26，需要使上述磁场或电场形成的扫描宽度与扩大前的束点21的尺寸为相同程度。此时，上述每秒转速相当于f1。此时，同样能获得上述效果。

实施方式2

图2是说明实施方式2的粒子射线照射装置(或粒子射线治疗装置)的基本结构和动作的图。图2中，与图1相同的附图标号表示相同或者相当的部分。2是粒子射线输送单元，包括第一输送单元2a和第二输送单元2b。3表示第一扫描单元。与图1的不同之处在于，将第一扫描单元3配置在粒子射线加速单元1的下游侧，并配置在粒子射线输送单元2的粒子射线路径中。此处所谓的粒子射线输送单元2被称为普通HEBT(High Energy BeamTransport System：高能量射束传输系统)，包括多个偏转、聚焦用电磁铁。一般而言，使第一扫描单元3远离目标区域7，并尽可能配置在HEBT系统的上游，从而即使在偏转角(摆动角)较小的情况下，也能在目标区域7中获得较大的偏转距离(扫描宽度)。

此处，由于目标区域7的偏转距离和第一扫描单元3的偏转角之比越大，则所需要的第一扫描单元3的偏转角(励磁量)越小即可，因此，能够使第一扫描单元3的扫描速度(扫描重复频率)更为高速。因而，在HEBT系统的配置位置中，如果尽可能选择使得目标区域7的偏转距离和第一扫描单元3的偏转角之比(偏转距离/偏转角)较大的配置位置，来配置第一扫描单元3，则能够获得重复频率f1更大的第一扫描图案。实际上，配置在粒子射线输送单元中的第一扫描单元配置在以下位置：即，因第一扫描单元所引起的带电粒子束的微小偏转而产生的目标区域中的粒子射线束点的位置偏置量、与所述微小偏转量之比大于所需值的位置。

接着，说明实施方式2的粒子射线照射装置的动作。由粒子射线加速单元1进行了加速的带电粒子束10经由粒子射线输送单元2输送至照射系统，但是，此时，利用设置于粒子射线输送单元2的路径中的第一扫描单元3，尽管振幅(扫描宽度)较为微小，但能进行高速扫描，并在目标区域7中形成伪扩大束点26。扩大伪束点26由第一扫描单元3进行控制，形成对应于预先存放的多个第一扫描图案中所被选择的图案的伪扩大束点剂量分布。因而，例如通过利用接口15向第一扫描单元3发送指令，从而能够迅速地改变伪扩大束点26的剂量分布。此时，无需如专利文献2那样、改变HEBT系统的所有电磁铁的设定值。另外，无需如专利文献1那样、在带电粒子束10的路径中插入散射物质。根据治疗计划，利用由照射控制单元控制的第二扫描单元4将扩大为规定的剂量分布的束点26在目标区域7中进行扫描，根据目标区域7形成三维剂量分布。

通过改变带电粒子束10的射束能量来进行目标区域7的深度方向扫描。作为改变方法，具有以下两种方法：即，直接改变粒子射线加速单元1的射束能量的方法；及在带电粒子束的路径中插入射程移位器的方法。在实施方式2的粒子射线照射装置中，除了实施方式1所述的效果之外，通过将第一扫描单元3设置在HEBT系统中所希望的位置，从而还具有能够减小所需的第一扫描单元3的偏转角的新效果。由此，不仅能够简单地提高第一扫描单元3的扫描速度(扫描重复频率)f1，还能够降低第一扫描单元3的扫描电源的成本。

也可有多个位于HEBT系统及照射系统的多个部位的第一扫描单元3。在这种情况下，能够切换在该部位设置的各第一扫描单元3，来切换第一扫描图案。具有能够更简单、可靠地切换第一扫描图案的效果。

实施方式3

图14是表示从加速器中射出的扩大前的束点的剂量分布及其形状的图。图15是表示实施方式3的伪扩大束点的剂量分布及其形状的图。在图14、图15中，34表示从加速器1射出的扩大前的束点的剂量分布，34a表示其形状。35表示伪扩大束点的剂量分布，35a表示伪扩大束点的形状。在粒子射线照射装置中，往往使用同步加速器作为粒子射线源。从同步加速器中射出的带电粒子束一般在X-Y平面上的形状为非对称的。例如，图14(b)所示那样，具有沿Y方向延伸的非对称的截面形状。在将上述那样非对称的射束导入旋转台架照射装置(未图示)等的情况下，在被照射体中，会产生图14(b)所示的形状根据旋转台架的旋转角度发生旋转的现象。

因此，为了简化照射步骤和提高照射精度，尽可能使从加速器1射出的扩大前的束点的剂量分布为对称形状就很重要。因此，使用第一扫描单元3，将从加速器1射出的非对称的扩大前的束点34a沿X方向在规定的扫描图案中进行扫描，其结果是能够扩大X方向的分布。另外，通过调整扫描的详细图案和范围，从而能获得图15的伪扩大束点的剂量分布35和伪扩大束点的形状35a所示那样的更对称的伪扩大束点。作为具体的例子，在将X方向的扫描速度设为V(x)的情况下，将V(x)作为扫描量x的函数，若在x=0的附近较慢，随着x的绝对值变大，使V(x)变大，则能扩大束点在X方向上的分布。例如，能将V(x)设为高斯分布的倒数。其结果是，即使在使用旋转台架的粒子射线照射装置中，旋转台架的旋转角度发生变化，但由于照射至照射位置的伪扩大束点的形状也能大致保持一定，因此，具有能提高扫描照射精度的效果。

实施方式4.

说明实施方式4的粒子射线照射装置。在实施方式4中，与由第一扫描单元能够形成的多种伪扩大束点分布相对应，来准备多种扫描模式。另外，在照射控制单元(扫描照射控制单元)中，准备操作员能够操作的接口，操作员能使用该接口来选择在实际照射中使用的扫描图案、扫描模式。由此，能根据所照射的目标区域的状况，来实施使用预先由治疗计划所决定的伪扩大束点分布的扫描照射。

其结果是，在实施方式1和实施方式2所述那样的一次照射中，在无需同时使用多个伪扩大束点的情况下，具有能简单并可靠地使用所选择的规定的扫描模式来实施扫描照射的效果。此外，第一扫描单元能将从加速器射出的带电粒子束进行一维扫描或二维扫描。第一扫描单元的扫描图案在使用高速的扫描信号或白噪音扫描信号时是有效的，使得第二扫描单元中所使用的伪扩大束点的分布的因加速器的射束电流的时间构造而引起的分布变化足够的小。在使用白噪音扫描信号的情况下，由于原理上束点在第一扫描单元的扫描范围内呈均匀分布，因此，能获得不易受射束电流的时间变化的影响的、具有稳定分布(分布主体并不一定呈均匀分布)的伪扩大束点。其结果是，能够获得高精度的扫描照射剂量分布。

实施方式5.

图16是表示实施方式5中的粒子射线照射装置的结构图。图1的照射控制单元14和扫描电源11也可以采用图16所示那样的分离的结构。照射控制单元14中，包括：第一照射控制单元14a，该第一照射控制单元14a输出将带电粒子束进行扫描而形成伪扩大束点的扩大束点形成信号；以及第二照射控制单元14b，该第二照射控制单元14b输出使伪扩大束点的位置与目标区域一致来进行扫描的扩大束点扫描信号。扫描电源11中，设置有接收第一照射控制单元14a的输出使第一扫描单元3进行扫描的第一扫描电源11a。而且，扫描电源11中，设置有接收第二照射控制单元14b的输出使第二扫描单元4进行扫描的第二扫描电源11b。由此，将照射控制单元14和扫描电源11分成第一扫描单元3用和第二扫描电源4用，从而容易进行控制，容易控制扫描电源的功率和频率。

实施方式6

本发明所示的形成伪扩大束点的第一扫描单元的作用、和将伪扩大束点进行扫描的第二扫描单元的作用也可以由一组X方向、Y方向扫描电磁铁17即扫描装置16(参照图17)来实现。扫描装置16能在与带电粒子束的射束前进方向相正交的方向上进行二维扫描。图17是表示实施方式6中的粒子射线照射装置的结构图。照射控制单元14中，包括：第一照射控制单元14a，该第一照射控制单元14a输出将带电粒子束进行扫描而形成伪扩大束点的扩大束点形成信号；以及第二照射控制单元14b，该第二照射控制单元14b输出使伪扩大束点的位置与目标区域一致来进行扫描的扩大束点扫描信号。扫描电源11中，设置有：接收来自第一照射控制单元14a的输出的第一扫描电源11a；和接收来自第二照射控制单元14b的输出的第二扫描电源11b。在加法器18中叠加来自第一扫描电源11a的扩大束点形成信号、和来自第二扫描电源11b的扩大束点扫描信号，来输出到一个扫描装置16。换言之，将在扩大束点扫描信号上重叠了扩大束点形成信号的信号输出到一个扫描装置16。由此，若将扫描电源11分开，则容易控制扫描电源的功率和频率。

图18是表示实施方式6中的其他粒子射线照射装置的结构图。与图17相同，有一个扫描装置16。在加法器19中叠加来自第一照射控制单元14a的扩大束点形成信号的输出、和来自第二照射控制单元14b的扩大束点扫描信号的输出，经由扫描电源11，来输出到扫描装置16，对扫描装置16进行控制。在实施方式6中，由于有一个扫描装置16，因此结构简单。

另外，在实施方式6中，为了在图12的目标区域7形成规定的第二扫描图案，各伪扩大束点(即，小束点、大束点、四边形束点等)也可利用扫描单元16进行连续扫描来形成，规定的第二扫描图案可利用扫描单元16进行连续扫描(光栅扫描)、非连续扫描(束点扫描)、或连续非连续混合扫描(混合扫描)来形成。换言之，照射控制单元也能在输出将带电粒子束进行扫描而形成伪扩大束点的扩大束点形成信号之后，输出使所述伪扩大束点的位置与目标区域一致来进行扫描的扩大束点扫描信号。

另外，照射控制单元也能一边输出将带电粒子束进行扫描而形成伪扩大束点的扩大束点形成信号，一边输出使所述伪扩大束点的位置与目标区域一致来进行扫描的扩大束点扫描信号。

Claims (19)

1.一种粒子射线治疗装置，包括：

粒子射线加速单元(1)，该粒子射线加速单元(1)将带电粒子束进行加速；

粒子射线输送单元(2)，该粒子射线输送单元(2)输送从所述粒子射线加速单元(1)射出的带电粒子束；

扫描装置，该扫描装置包括生成与所述带电粒子束的前进方向相正交的方向上的偏转磁场或偏转电场的第一扫描单元(3)和第二扫描单元(4)，将所述粒子射线输送单元(2)输送来的所述带电粒子束分别进行二维扫描；以及

照射控制单元(14)，该照射控制单元(14)控制所述扫描装置，使得将所述带电粒子束照射到目标区域，其特征在于，

所述照射控制单元(14)控制所述第一扫描单元(3)，以对所述带电粒子束进行扫描从而形成伪扩大束点，

并控制所述第二扫描单元(4)，使得所述伪扩大束点的位置与所述目标区域一致来进行扫描，在所述目标区域形成多个伪扩大束点，

所述多个伪扩大束点配置成具有剂量分布彼此重叠的部分，在所述目标区域中形成合成剂量分布。

2.如权利要求1所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述照射控制单元(14)进行控制，使得利用所述第一扫描单元(3)的最大扫描宽度比利用所述第二扫描单元(4)的最大扫描宽度要小。

3.如权利要求1或2任一项所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述照射控制单元(14)控制所述第一扫描单元(3)，以对所述带电粒子束进行扫描来形成伪扩大束点，之后，

控制所述第二扫描单元(4)，使得所述伪扩大束点的位置与所述目标区域相一致来进行扫描。

4.如权利要求1或2任一项所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述照射控制单元(14)控制所述第一扫描单元(3)，以对所述带电粒子束进行扫描来形成伪扩大束点，

同时控制所述第二扫描单元(4)，使得所述伪扩大束点的位置与所述目标区域相一致来进行扫描。

5.如权利要求1或2所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述第一扫描单元(3)相对于所述第二扫描单元(4)配置在带电粒子束路径的上游侧。

6.如权利要求5所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述第一扫描单元(3)和所述第二扫描单元(4)相对于所述粒子射线输送单元(2)配置在带电粒子束路径的下游侧。

7.如权利要求1或2所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述第一扫描单元(3)配置在所述粒子射线输送单元(2)的带电粒子束路径中。

8.如权利要求1或2所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述第一扫描单元(3)由所述粒子射线输送单元(2)所具有的电磁铁构成。

9.如权利要求1或2所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

在带电粒子束路径中配置多个所述第一扫描单元(3)，选定所述多个所述第一扫描单元(3)中的某一个扫描单元并使其工作。

10.如权利要求1或2所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述照射控制单元(14)中，包括操作员能进行操作的向所述照射控制单元(14)输入指令的接口，

所述接口(15)能选择由对所述带电粒子束进行扫描来形成所述多个伪扩大束点的所述第一扫描单元的多个扫描图案或扫描模式，并输入到所述照射控制单元(14)。

11.如权利要求10所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述接口(15)能够指定所述多个伪扩大束点的形状及大小。

12.一种粒子射线治疗装置，包括：

粒子射线加速单元(1)，该粒子射线加速单元(1)将带电粒子束进行加速；

粒子射线输送单元(2)，该粒子射线输送单元(2)输送从所述粒子射线加速单元(1)射出的带电粒子束；

一组X方向、Y方向上的扫描装置，该扫描装置生成与所述带电粒子束的前进方向相正交的方向上的偏转磁场或偏转电场，将所述粒子射线输送单元(2)输送来的所述带电粒子束进行二维扫描；以及

照射控制单元(14)，该照射控制单元(14)控制所述扫描装置，使得将所述带电粒子束照射到包含多个伪扩大束点的目标区域，其特征在于，

所述照射控制单元(14)向所述扫描装置输出第一控制信号和第二控制信号，该第一控制信号控制所述扫描装置，以对所述带电粒子束进行二维扫描来形成伪扩大束点，

所述第二控制信号控制所述扫描装置，使得所述伪扩大束点的位置与所述目标区域相一致来进行二维扫描，从而在所述目标区域形成多个伪扩大束点，

所述多个伪扩大束点配置成具有剂量分布彼此重叠的部分，在所述目标区域中形成合成剂量分布。

13.如权利要求12所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述照射控制单元(14)输出所述第一控制信号，之后，输出所述第二控制信号。

14.如权利要求12所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述照射控制单元(14)输出所述第一控制信号，同时输出所述第二控制信号。

15.一种粒子射线治疗装置，包括：粒子射线加速单元(1)，该粒子射线加速单元(1)将带电粒子束进行加速；粒子射线输送单元(2)，该粒子射线输送单元(2)输送从所述粒子射线加速单元(1)射出的带电粒子束；

扫描装置，该扫描装置将所述粒子射线输送单元(2)输送来的所述带电粒子束分别进行扫描，包括生成与所述带电粒子束的前进方向正交的方向的偏转磁场或偏转电场的第一扫描单元(3)和第二扫描单元(4)；以及

照射控制单元(14)，该照射控制单元(14)控制所述扫描装置，使得将所述带电粒子束照射到目标区域，其特征在于,

所述照射控制单元(14)控制所述第一扫描单元(3)，以对所述带电粒子束进行扫描来形成伪扩大束点，

并控制所述第二扫描单元(4)，使得所述伪扩大束点的位置与所述目标区域相一致来进行扫描，从而在所述目标区域中形成多个伪扩大束点，

并进行控制，使得利用所述第二扫描单元(4)的所述目标区域的所述带电粒子束的扫描速度比利用所述第一扫描单元(3)的所述目标区域的所述带电粒子束的扫描速度要慢，

所述多个伪扩大束点配置成具有剂量分布彼此重叠的部分，在所述目标区域中形成合成剂量分布。

16.如权利要求15所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述照射控制单元(14)进行控制，使得利用所述第一扫描单元(3)的最大扫描宽度比利用所述第二扫描单元(4)的最大扫描宽度要小。

17.如权利要求15或16所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

将所述第一扫描单元(3)配置在所述粒子射线输送单元(2)的带电粒子束路径中。

18.如权利要求15或16所述的粒子射线治疗装置，其特征在于，

所述照射控制单元(14)中包括操作员能进行操作的向所述照射控制单元(14)输入指令的接口(15)，

所述接口(15)能选择利用对所述带电粒子束进行扫描来形成所述多个伪扩大束点的所述第一扫描单元(3)的多个扫描图案或扫描模式，并输入到所述照射控制单元(14)。

19.一种粒子射线治疗装置，包括：

粒子射线加速单元(1)，该粒子射线加速单元(1)将带电粒子束进行加速；

粒子射线输送单元(2)，该粒子射线输送单元(2)输送从所述粒子射线加速单元(1)射出的带电粒子束；

一组X方向、Y方向上的扫描装置，该扫描装置生成与所述带电粒子束的前进方向正交的方向上的偏转磁场或偏转电场，将所述粒子射线输送单元所输送的所述带电粒子束进行二维扫描；以及

照射控制单元(14)，该照射控制单元(14)控制所述扫描装置，使得将所述带电粒子束照射到包含多个伪扩大束点的目标区域，其特征在于，

所述照射控制单元(14)向所述扫描装置输出第一控制信号和第二控制信号，并使得利用所述第二控制信号的所述目标区域的所述带电粒子束的扫描速度比利用所述第一控制信号的所述目标区域的所述带电粒子束的扫描速度要慢，所述第一控制信号控制所述扫描装置，以对所述带电粒子束进行二维扫描来形成伪扩大束点，所述第二控制信号控制所述扫描装置，使得所述伪扩大束点的位置与所述目标区域相一致来进行扫描，在所述目标区域中形成多个伪扩大束点，

所述多个伪扩大束点配置成具有剂量分布彼此重叠的部分，在所述目标区域中形成合成剂量分布。