CN102883777A - 粒子束流照射装置及粒子束流照射装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够对每一粒子束流的剂量进行高可靠性测量并且能够对由瞬间粒子束流发射导致的泄露剂量进行高灵敏度测量的粒子束流照射装置。根据本发明的粒子束流照射装置包括：发射控制部分，其控制粒子束流的发射和终止；控制部分，其顺次改变相对于患区的粒子束流的照射位置；第一和第二放射量测定器，其测量被引导到患区的粒子束流的放射剂量率；以及异常确定部分，其累积在每一预定的确定时间段内从第一和第二放射量测定器输出的放射剂量率，以计算第一和第二部分剂量测量值，并且执行第二异常确定，所述第二异常确定在以下的至少一种情况下确定存在异常并且输出用于终止粒子束流的发射的互锁信号：第一部分剂量测量值超出预定的第一参考范围的情况，以及第二部分剂量测量值超出预定的第二参考范围的情况。

Description

粒子束流照射装置及粒子束流照射装置的控制方法

技术领域

本发明涉及一种粒子束流照射装置及所述粒子束流照射装置的控制方法，特别用于将碳的重粒子束流、质子束流等引导到患区（affected area）以治疗癌症。

背景技术

现今，癌症是最高的致死原因，每年死于癌症人的多于30万。在此情况下，使用碳束流和质子束流的粒子照射疗法由于其高的治疗效果、较少的副作用的优良特性而备受关注。在这种疗法中，从加速器发射的粒子束流被引导到癌细胞以杀死癌细胞，同时降低对正常细胞的影响。

在治疗方法中，当前使用的粒子束流照射方法是一种称为宽束流方法的方法。在所述宽束流方法中，基于被称为摇摆（wobbler）方法或者双散射（double scatter）方法的方法，将粒子束流的直径扩张至比患区大的尺寸。被称为几何准直器的黄铜准直器限制照射区域，以便根据患区的形状引导束流。被称为脊形过滤器的束流范围扩展装置在束流行进方向（束流轴方向）上扩展束流。被称为补偿器的聚乙烯束流范围成形装置根据在深的位置处的患区的形状（轮廓）调整束流的终止位置，以便引导束流。

然而，所述宽束流方法不能根据患区的形状对束流进行精确的三维调整，并且存在对减小对患区周围的正常细胞的影响的限制。需要制造用于每个患区（以及用于相对于所述患区的每一照射方向）的几何准直器和补偿器，并且存在治疗照射后产生放射性废弃物的问题。

因此，照射前将体内的患区划分为三维格子的扫描照射正在发展成为粒子束流治疗中的照射的更为先进的形式。在所述扫描照射中，能够在束流轴向上将束流精确调整至患区而不需使用几何准直器或者补偿器，并且和常规的二维照射相比，能够减少对正常细胞的暴露。

例如，如下所述，在被称为点扫描照射（spot scanning irradiation）的三维照射中照射每个点。

当引导预定的剂量到一点（为每个照射点确定照射剂量的操作被称为治疗计划）时，扫描控制装置从放射量测定器接收完成信号，并且输出点切换指令。束流发射控制装置基于点切换指令终止束流发射。同时，扫描电磁体的电源开始设置对应于下一个照射点的坐标的电流值。当接收到电磁电源的电流设置的完成信号时，扫描照射装置向束流发射控制装置输出束流开始指令，并且开始对下一个点的照射。这被依次地反复执行以针对一个照射切片（表面）照射治疗区域。当照射完成后，束流发射暂时终止。改变从加速器发射的束流能量，或者控制被称为范围移位器（shifter）的范围调节装置以在束流行进方向上改变束流终止位置（切片）。通过这种方式，依次执行扫描照射和切片切换，从而照射整个治疗区域。

粒子束流在被称作同步加速器的加速器中累积到一特定的粒子束流能量状态。在粒子束流发射时，布置在加速器的束流提取端口上的粒子束流发射控制装置向所述束流提供高频电场以提取束流，从而在照射装置中实施束流。通过终止高频电场的施加来终止点切换和片切换中的粒子束流发射。

所述点扫描照射的弱点是：即使所述束流发射控制装置输出束流终止指令，束流发射实际上也不能立即终止。因此，当改变电磁体的励磁电流时，即当移动照射位置时，泄漏剂量会被引导至患区。当每个点的照射剂量（设定剂量）很小时，这尤其成为一个问题，因为泄漏剂量的比例（泄漏剂量/设定剂量）很大。为了防止该问题，需要降低束流强度，以便使泄漏剂量的比例相对较小。然而，束流强度的降低导致治疗时间的增加，并且会增加病人的身体负担。

研发了一种被称为光栅扫描方法的方法以解决在所述点扫描方法中不能增加束流强度的问题（参见非专利文献1等）。在所述方法中，与在所述点扫描方法中不同，当照射点移动时，所述束流并不终止。因此，当束流位置在终止照射位置（用于在照射位置终止时，而不是在照射位置移动时引导设定的剂量的点将被称为终止照射点）与终止照射点之间移动时，照射束流。优化治疗计划，其中治疗计划包括在照射过程中的照射总量，即在每个终止点的照射剂量。

作为粒子束流治疗的目标的区域的范例包括随呼吸移动的区域，例如肺和肝。对这样的区域实施输入门（In-gate）照射，其中需要获取呼吸波形信号，并且只有当所述区域在一特定范围内的位置时才实施所述照射。然而，在扫描照射中，照射点是顺次切换的。因此，照射点随着由呼吸引起的区域移动而相对偏离，并且剂量分布变得不均匀。为了解决这个问题，非专利文献1提出下述的呼吸同步照射。

在呼吸同步照射中，设置束流强度以使得一个切片的一次照射时间（用于在目标片的整个照射区域上进行一次照射的时间）变为一次呼吸的门宽度的1/n。在一次呼吸期间，反复执行n次（例如，n=8次）的照射。当在目标切片中的照射结束时，改变照射切片，并且用于下一个照射切片的束流强度被重置以执行在所述切片中的照射。

这样，能够执行在一个切片内的照射时间控制（在非专利文献1中称为相位控制）和重复照射（在非专利文献1中称为重扫描）以相对于区域移动分散照射区域，并且剂量一致性可以按照静态误差而得到改善。

引用列表

非专利文献

非专利文献1：Takuji Furukawa及其他八人，“Design Study ofThree-Dimensional Scanning Irradiation Apparatus”，National Institute ofRadiological Sciences HIMAC Report：HIMAC-124，Naional Institute ofRadiological Sciences（国家放射科学研究所）2007年4月发行。

发明内容

技术问题

在照射装置的设备产生异常后，可能不能执行正常的照射时，粒子束流治疗装置需要互锁机制以迅速确认这一点，以便终止束流发射。

例如，扫描照射装置通常包括两个放射量测定器（主放射量测定器和副放射量测定器）。当由主放射量测定器测量的在粒子束流位置处的剂量达到预定参考剂量时，扫描照射装置执行输出剂量完成信号的过程，以改变束流位置。扫描放射装置也比较由主/副放射量测定器测量到的每一点的剂量与主/副放射量测定器的预定参考值（预先设定值），以便总是确定装置在正常运转。当主/副放射量测定器中的一个存在异常时，扫描照射装置产生互锁信号以终止束流发射。

在扫描放射装置中发生异常的另一例子包括：在切片切换期间，尽管束流发射设置在终止状态，仍发射束流的异常。举例来说，所述异常发生在电子噪声进入束流发射装置，并且由于所述电子噪声而产生了非计划性的束流发射时。由非计划性的束流发射导致的剂量提供被称作泄露剂量。举例来说，通过累积和测量在束流终止期间从主放射量测定器输出的脉冲信号的脉冲数目，来监控泄露剂量。

然而，本发明人已经研究了光栅扫描照射装置，并且结果是，所述监控方法是明显不够的。

举例来说，高电压电源连接到主/副放射量测定器，由于在实际治疗场景下的误操作等，高电压电源的输出可能被关闭。如果启动照射后，当忘记打开主/副放射量测定器的高电压电源时，将不会有来自主/副放射量测定器的输出，指示剂量完成的信号无法从主/副放射量测定器的测量值输出。因此，可能产生过多的照射。

电流异常确定逻辑是用于在从主/副放射量测定器输出的测量的剂量值达到分配给每一点的预先设定值时，确定在主/副放射量测定器中存在/不存在异常的逻辑。因此，直到所述点的照射完成时才能依据异常确定逻辑确定所述异常。

关于泄露剂量，无法获得足够的测量灵敏度。在束流发射装置中由噪声等引起的误操作的时间大约为0.1毫秒，而在呼吸同步照射中终止束流发射需要的时间是1至2秒（在呼吸的吸气期间）。因此，假设在束流发射期间的放射量测定器的输出是S（信号），而在终止期间的放射量测定器的输出是N（噪声），则放射量测定器的S/N必须达到四位数（four digits）。在放射量测定器中这样的灵敏度事实上很难达到。因此，即便存在在呼吸同步束流关闭时间期间内的泄露剂量，所述泄露剂量也淹没在噪声的累积测量值中，并且难以分辨所述泄露剂量。

考虑到所述情况而做出本发明，并且本发明的目标是提供一种粒子束流照射装置和粒子束流照射装置的控制方法，所述粒子束流照射装置能够高可靠性地测量每个束流的剂量，并且能够高灵敏度地测量由瞬间束流发射带来的泄露剂量。

问题的解决方案

为了解决所述问题，本发明提供了一种将粒子束流引导到患者的患区的粒子束流照射装置，所述粒子束流照射装置包括：发射控制部分，其控制所述粒子束流的发射和终止；控制部分，其顺次改变用于所述患区的所述粒子束流的照射位置；第一和第二放射量测定器，所述第一和第二放射量测定器测量被引导到所述患区的所述粒子束流的放射剂量率；以及异常确定部分，其使用通过累积从所述第一和第二放射量测定器输出的放射剂量率而获得的剂量测量值，来执行所述装置的异常确定，并且当确定存在异常时，将用于终止所述粒子束流的发射的互锁信号输出至所述发射控制部分，其中所述控制部分针对所述粒子束流的每一照射位置累积从所述第一放射量测定器输出的放射剂量率，以计算第一束流剂量测量值，并且当所述第一束流剂量测量值达到预定的用于每一所述照射位置的第一计划剂量值时，改变所述粒子束流的所述照射位置，并且异常确定部分执行：第一异常确定，该第一异常确定针对所述粒子束流的每一所述照射位置累积从所述第二放射量测定器输出的放射剂量率，以计算第二束流剂量测量值，并且如果所计算的第二束流剂量测量值超出第二计划剂量值，则确定存在异常，或者如果第二束流剂量值相对于第二计划剂量值的比例在第一束流剂量测量值达到第一计划剂量值时比预定比例小，则确定存在异常，其中所述第二计划剂量值设定为比第一计划剂量值大的值，以及第二异常确定，该第二异常确定累积在每一预定的确定时间段内从所述第一和第二放射量测定器输出的放射剂量率，以计算第一和第二部分剂量测量值，并且在以下的至少一种情况下确定存在异常：所述第一部分剂量测量值超出预定的第一参考范围的情况，以及第二部分剂量测量值超出预定的第二参考范围的情况。

本发明提供了一种将粒子束流引导到患者的患区的粒子束流照射装置的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：控制所述粒子束流的发射和终止；顺次改变用于所述患区的所述粒子束流的照射位置；通过第一和第二放射量测定器测量被引导到所述患区的所述粒子束流的放射剂量率；使用通过累积从所述第一和第二放射量测定器输出的所述放射剂量率而获得的剂量测量值，来执行所述装置的异常确定；以及当确定存在异常时，使用互锁信号来终止所述粒子束流的发射，其中在改变所述粒子束流的照射位置的步骤中，针对所述粒子束流的每一照射位置累积从所述第一放射量测定器输出的所述放射剂量率，以计算第一束流剂量测量值，并且当所述第一束流剂量测量值达到预定的用于每一所述照射位置的第一计划剂量值时，改变所述粒子束流的照射位置，并且执行所述异常确定的步骤包括：执行第一异常确定，该第一异常确定针对每一所述粒子束流的照射位置累积从所述第二放射量测定器输出的放射剂量率，以计算第二束流剂量测量值，并且如果所计算的第二束流剂量测量值超出第二计划剂量值，则确定存在异常，或者如果第二束流剂量值相对于第二计划剂量值的比例在第一束流剂量测量值达到第一计划剂量值时比预定比例小，则确定存在异常，其中所述第二计划剂量值设定为比第一计划剂量值大的值，以及执行第二异常确定，该第二异常确定累积在每一预定的确定时间段内从所述第一和第二放射量测定器输出的放射剂量率，以计算第一和第二部分剂量测量值，并且在以下的至少一种情况下确定存在异常：所述第一部分剂量测量值超出预定的第一参考范围的情况，以及第二部分剂量测量值超出预定的第二参考范围的情况。

发明的有益效果

根据本发明的粒子束流照射装置和粒子束流照射装置的控制方法，可以对每一束流的剂量进行高可靠性测量，并且可以对由瞬间束流发射带来的泄露剂量进行高灵敏度测量。

附图说明

图1是示出粒子束流照射装置的结构的例子的示图。

图2是示出三维扫描照射的基本处理的例子的流程图。

图3是示出在切片上的扫描模式（pattern）的例子的示图。

图4是示出常规的异常确定部分的结构的例子的示图。

图5是示出用在常规的异常确定部分中的照射模式文件的例子的示图。

图6是示出常规的照射剂量的控制和管理的状态的第一时序图。

图7是示出常规的照射剂量的控制和管理的状态的第二时序图。

图8是示出常规的照射剂量的控制和管理的状态的第三时序图。

图9是示出根据第一实施例的异常确定部分的结构的例子的示图。

图10是示出在第一实施例中使用的照射模式文件的例子的示图。

图11是示出根据第一实施例的照射剂量的控制和管理的状态的时序图。

图12是示出根据第二实施例的照射剂量的控制和管理的状态的时序图。

图13是示出根据第三实施例的异常确定部分的结构的例子的示图。

图14是示出在第三实施例中使用的照射模式文件的例子的示图。

图15是示出根据第三实施例的照射剂量的控制和管理的状态的时序图。

具体实施方式

将参考附图描述根据本发明的粒子束流照射装置和粒子束流照射装置的控制方法的实施例。（1）结构和基本操作

图1是示出根据第一实施例的粒子束流照射装置1的结构的例子的示图。粒子束流照射装置1包括：束流产生部分10，发射控制部分20，束流扫描部分30，X电磁体30a，Y电磁体30b，真空导管31，主放射量测定器（第一放射量测定器）50a，副放射量测定器（第二放射量测定器）50b，位置监控部分51，脊形过滤器60，范围移动装置（range shifter）70，控制部分80，异常确定部分90等。

粒子束流照射装置1是将粒子束流引导到癌症患者100的患区200以治疗癌症的装置，所述粒子束流是通过使碳离子、质子等加速至高速度而获得的。粒子束流照射装置1能够执行三维扫描照射，其将患区200分解为三维格点，并且通过带有小直径的粒子束流顺次扫描所述格点。特别地，粒子束流照射装置1在粒子束流的轴向（在图1的右上角示出的坐标系中的Z轴方向）上将患区200分割成被称作切片的板，并且顺次扫描所分割的切片的二维格点，所述切片例如是切片Zi，切片Zi+1和切片Zi+2（格点在如图1右上角所示的坐标系中的X轴和Y轴方向上），从而执行三维扫描。

束流产生部分10通过产生粒子（例如碳离子和质子），并且使用加速器（主加速器），例如同步加速器，将粒子加速至允许达到患区200的深层的能量，来产生粒子束流。

发射控制部分20基于从控制部分80输出的控制信号来控制所产生的粒子束流的发射的开启/关闭。

束流扫描部分30配置为使粒子束流在X方向和Y方向上偏转，并且二维地扫描切片表面。所述束流扫描部分30控制用于X方向扫描的X电磁体30a的激励电流，以及用于Y方向扫描的Y电磁体30b的激励电流。

范围移动装置70控制患区200在Z轴方向上的位置。例如，范围移动装置70包括：多个不同厚度的丙烯酸板。可以组合所述丙烯酸板，以便根据患区200的切片在Z轴方向上的位置而逐步改变穿过范围移动装置70的粒子束流的能量，即内部范围。基于范围移动装置70的内部范围的尺寸通常被控制为以等距改变，并且间隔相当于在Z轴方向上格点之间的间隔。切换内部范围的方法的例子包括如在范围移动装置70中在粒子束流路径上插入衰减对象的方法以及基于对上游器件的控制来改变粒子束流的能量的方法。

脊形过滤器60设置成在体内的深度方向上传播剂量的尖锐峰，该尖锐峰被称为布拉格峰。基于脊形过滤器60的布拉格峰的传播宽度设定为与切片的厚度，即在Z轴方向上格点之间的间隔相等。用于三维扫描照射的脊形过滤器60通过布置多个横截面形状实质上为等腰三角形的铝棒状构件来形成。布拉格峰的峰能够基于当粒子束流穿过等腰三角形时产生的路径长度之间的差值来传播。传播宽度可以基于等腰三角形的形状设定为所期望的值。

主放射量测定器50a和副放射量测定器50b配置为监控照射剂量。主放射量测定器50a和副放射量测定器50b的每一壳体包括：电离腔室，其包括收集由粒子束流的电离产生的电荷的平行电极；和SEM（二次电子监控器）装置，其测量从布置在壳体内的二次电子发射膜发射的二次电子。

位置监控部分51配置为识别由束流扫描部分30扫描的粒子束流是否在正确的位置。位置监控部分51包括用于电荷收集的类似于主放射量测定器50a和副放射量测定器50b的那些平行电极的平行电极。位置监控部分51的用于电荷收集的电极包括在X方向和Y方向平行对齐的线电极（例如，多个条状电极或者由多个导线制成的电极）。多个对齐的条电极被称为条型电极，且多个对齐的导线电极被称为多导线型电极。

控制部分80配置为控制整个粒子束流照射装置1。控制部分80控制用于发射控制部分20的束流发射的开启/关闭，向束流扫描部分30发出与束流扫描有关的指令，并且控制与切片改变相关联的范围移动装置70的范围移动量。

呼吸同步门产生部分85根据从患区200附近安装的位移传感器输出的患区位移信号来产生呼吸同步门。呼吸同步门用来将粒子束流引导到因呼吸而移位的患区，例如肺和肝。如果患区的位移大于预定值，则关闭呼吸同步门以便终止粒子束流的发射。如果患区的位移小于预定值，则开启呼吸同步门以便发射粒子束流。

异常确定部分90不但输入主放射量测定器50a和副放射量测定器50b的输出信号，而且输入指示束流发射条件的信号，并且基于所述信号，执行引导到患者的粒子束流的剂量的异常确定。如果剂量确认为是异常的，则立即输出互锁信号至发射控制部分20，并且终止粒子束流的发射。

根据本发明的实施例的粒子束流照射装置1以异常确定部分90的结构和处理为特征，并且与常规的技术相比，执行异常确定的可靠性更高。随后将描述具体的异常确定过程。

图2是示出由粒子束流照射装置1执行的三维扫描照射的基本处理的例子的流程图。

患区实质上被分割成多个相对于束流轴的切片，并且选择所分割的切片中的一个。例如，首先选择在患区的最深的位置处的切片Zi。根据所选择的切片的位置，对粒子束流的入射能量以及范围移动装置70中的丙烯酸板的组合进行选择和设定（步骤ST1）。

根据患区在最深处的切片中的形状来选择要通过粒子束照射的格点的数目M和格点的位置（Xi,Yi）[i=1至M]，即要照射的点，并且束流扫描部分30设定指向切片上的格点位置（Xi，Yi）的粒子束流方向（步骤ST2）。开始粒子束流的发射（步骤ST3）。脊形过滤器60扩展了粒子束流在Z轴方向上的能量分布，从而使内部范围的分布宽度对应于切片的宽度。

主放射量测定器50a和副放射量测定器50b监控用于格点（Xi,Yi）的照射剂量。主放射量测定器50a和副放射量测定器50b输出脉冲信号，所述脉冲信号的脉冲重复频率与通过的粒子束流的放射剂量率成比例。计数器能够对在预定时间段内的脉冲数量进行计数，以便测量在预定时间段内的剂量。

尽管主放射量测定器50a和副放射量测定器50b通常具有相同的结构，但结构并非必须限制为相同的结构。如果主放射量测定器50a和副放射量测定器50b具有不同的结构，则能够预先校正测量值，例如输出脉冲的数目，从而可以针对相同的粒子束流获得相同的物理量（放射剂量率）的测量值。

用于切片里的每一格点的照射剂量是预先计划好的。当对从主放射量测定器50a输出的脉冲的数目进行计数来测量剂量，并且用于目标格点的照射剂量达到所计划的剂量时，产生剂量完成信号。当控制部分80检测到信号时（步骤ST4），控制部分80执行改变束流位置的过程。虽然控制部分80产生剂量完成信号，但是主放射量测定器50a可以产生剂量完成信号。

三维扫描照射分类为点扫描方法和光栅扫描方法。点扫描方法是在粒子束流的位置正在从一个格点移动到下一个格点时终止束流发射，并且在移动完成后，重启束流发射。因此，在切片的扫描期间，束流发射是间歇性的。

另一方面，在光栅扫描方法中，当粒子束流的位置正在从一个格点移动至下一个格点时，束流发射继续进行而不终止。因此，在切片扫描期间束流发射是连续的，而未被中断。

在点扫描方法和光栅扫描方法中，保持粒子束流的位置，直到剂量达到每个格点的计划剂量，并且在剂量达到所计划的剂量之后，所述位置移动到下一格点。

在步骤ST5，确定所述方法是点扫描方法还是光栅扫描方法。如果所述方法是点扫描方法，则束流发射暂时终止（步骤ST6），并且束流位置移动到下一个点。重复该过程直至到达目标切片的最后的点（步骤ST7）。

另一方面，如果该方法不是点扫描方法，即如果该方法是光栅扫描方法，则束流发射持续到最后的点而不终止束流发射。

当一个切片的照射结束时（步骤ST7中为“是”），在点扫描方法和光栅扫描方法中的束流发射都暂时终止（步骤ST8），并且所述过程返回到步骤ST1。选择下一切片，改变范围移动装置70的设置。重复该过程至最后的切片（步骤ST9）。

例如，在被称为照射模式文件（在下文中可简称为“模式文件”）的数据文件中描述用于照射过程的必要的参数，并且在治疗照射开始之前将参数传送到控制部分80。所述照射模式文件依照射次序为每个格点描述了：用于提供切片的位置的范围移动装置的厚度，用于提供对应于格点（X，Y）的束流位置的X电磁体30a和Y电磁体30b的驱动电流值，用于格点的照射剂量，等等。

图3是示出切片上的扫描模式的例子的示图。在治疗计划中，预先确定从左上方的开始格点到右下方的最终格点的轨迹模式，并且以沿着轨迹模式的一条路径依次扫描粒子束流。（2）常规的粒子束流照射方法和异常确定方法（比较例）

常规的异常确定方法将作为根据本实施例的粒子束流照射装置1的异常确定方法的比较例进行描述。

图4是示出与粒子束流位置的改变过程相关的控制部分80的功能块和与常规地执行异常确定（第一异常确定）的过程相关的功能块的框图。

在照射模式文件40中描述了照射进程，并且根据在文件40中描述的模式数据执行所述照射。在治疗照射开始前，在粒子束流照射装置1中设定所述模式数据。

图5是示出照射模式文件40的例子的示图。用于每一照射点（point）（点（spot））的照射模式文件40描述了：用于提供照射切片的位置的范围移动装置厚度的设定值，用于提供照射位置（X,Y）的扫描电磁体激励电流值（用于X和Y的两个值），用于主放射量测定器50a在束流发射期间管理剂量的设定值（主放射量测定器预设的计数值A1：第一计划剂量值），用于主放射量测定器50a在束流终止期间监控剂量（泄露剂量）的设定值（主放射量测定器预设的计数值A2），用于副放射量测定器50b在束流发射期间监控剂量的设定值（副放射量测定器预设的计数值B1：第二束流剂量计划值），用于副放射量测定器50b在束流终止期间监控剂量（泄露剂量）的设定值（副放射量测定器预设的计数值B2），等等。

图6是示出在光栅扫描照射中照射剂量的控制和管理状态的时序图。控制部分80的主放射量测定器计数器81对从主放射量测定器50a输出的脉冲的数量进行计数。当积分（integrated）计数值a1（第一束流剂量测量值）达到设定值（主放射量测定器预设的计数值A1）时，控制部分80的束流照射位置改变确定部分82输出点切换指令（用于改变粒子束流照射位置的指令）。扫描磁体电源基于点切换指令改变电流。束流照射点根据电源的电流，也就是扫描磁体的磁场中的改变，来移动。在光栅扫描照射中，在电源的电流改变期间，束流的发射不终止。因此，当计数值a1达到主放射量测定器预设的计数值A1时，主放射量测定器计数器81立刻重置计数值，并且开始下一次计数。

与此同时，从副放射量测定器50b输出的脉冲信号输入到异常确定部分900的副放射量测定器计数器91。副放射量测定器计数器91对从副放射量50b输出的脉冲输出进行计数，并且传输计数值b1（第二束流剂量测量值）到第一异常确定部分93。照射模式文件40的副放射量测定器预设的计数值B1通常比图5所示的主放射量测定器50a的设定值（主放射量测定器预设的计数值A1）高5-10%。因此，只要主放射测定器502和用于主放射量测定器的主放射量测定器计数器81正常操作，则当主放射量测定器计数器81的计数值a1达到主放射量测定器预设的计数值A1时，副放射量测定器计数器91的计数值b1不会达到副放射量测定器预设的计数B1。然而，如果由于在主放射量测定器50a中发生异常而没有执行正常的输出，或者如果在主放射量测定器计数器81中存在异常，则副放射量测定器计数器91的计数值b1达到副放射量测定器预设的计数B1。在这种情况下，第一异常确定部分93确定存在异常，并且输出互锁信号以终止束流发射。

就在点切换前，第一异常确定部分93能够比较副放射量测定器计数器91的计数值b1和副放射量测定器预设的计数B1的值。如果值之间的比例小于特定比例（比例为1或更小），第一异常确定部分93能够确定在副放射量测定器50b或副放射量测定器计数器91中存在异常，并且输出所述互锁以终止束流发射。

然而，当主放射量测定器50a和副放射量测定器50b都处于异常状态时，或者例如，当主放射量测定器50a和副放射量测定器50b的高电压电源不在电压输出状态时，仅仅基于由第一异常确定部分93执行的常规异常确定，主/副放射量测定器50a和50b不输出信号。因此，即使束流发射启动了，主放射量测定器计数器81的计数值吧a1和副放射量测定器计数器91的计数值b1也不相应地达到预设的计数值A1和B1。不输出剂量完成信号和互锁信号，并且发生超量照射。

图7是描绘在切片切换期间的照射剂量的常规的控制和管理的状态的时序图。当就在切片切换之前，主放射量测定器计数器81的计数值a1达到在点处的预设的计数A1时，控制部分80向范围移动装置70输出切片切换指令，并且向发射控制部分20输出用于终止束流发射的控制指令。当终止束流发射后，控制部分80的主放射量测定器计数器81终止（重置）积分（integration）

另一方面，当束流发射终止后，异常确定部分900的主放射量测定器计数器（用于泄露剂量）92开始积分。主放射量测定器计数器（用于泄露剂量）92继续累计操作，直至接收到切片切换完成信号。当接收到切片切换完成信号后，异常确定部分900重置主放射量测定器计数器（用于泄露剂量）92。

控制部分80的主放射量测定器计数器81基于切片切换完成信号开始积分，并且向发射控制部分20输出束流发射开始指令。

当在基于切片切换的束流发射终止期间，主放射量测定器计数器（用于泄露剂量）92超出预设的计数A2时，第一异常确定部分93确定存在泄漏剂量，并且输出互锁以禁止束流发射。副放射量测定器同样以类似的机制监控剂量。当在束流发射的终止期间，副放射量测定器计数器（用于泄露剂量）的计数值b2（未示出）超出预设的计数B2时，副放射量测定器确定存在泄漏剂量，并且输出互锁以禁止束流发射。

图8是描述当束流发射由呼吸同步门终止时，照射剂量的控制和管理的状态的时序图。当呼吸同步门关闭时，即使在点照射期间也终止束流发射。在这种情况下，主放射量测定器计数器81和副放射量测定器计数器91在分别保持住计数值a1和b1的同时结束累计操作。另一方面，当呼吸同步门关闭时，主放射量测定器（用于泄露剂量）计数器92开始积分，并且输出计数值a2。所述状态持续直到呼吸同步门再次开启。当呼吸同步门开启时，主放射量测定器（用于泄露剂量）计数器92的积分终止，并且主放射量测定器计数器81和副放射量测定器计数器91的积分重新启动。

在呼吸同步门关闭期间，当主放射量测定器（用于泄露剂量）计数器92的计数值a2超出预设的计数A2时，第一异常确定部分93确定存在泄露剂量。第一异常确定部分93产生互锁信号，并且禁止束流发射。副放射量测定器也通过类似的机制监控剂量。当在束流发射终止期间，副放射量测定器计数器（用于泄露剂量）（未示出）的计数值b2超出预设的计数B2时，副放射量测定器确定存在泄露剂量，并且输出互锁以禁止束流发射。

由范围切换导致的束流发射的终止的时间通常大约是0.5秒，由呼吸同步门导致的束流发射的终止的时间大约是1到2秒。当发射控制部分20等由于噪声等发生故障时，发生尖峰状（spike-like）错误发射。由错误发射导致的泄露剂量的产生的时间宽度大约是0.1毫秒。

与此同时，低水平的噪声经常在主放射量测定器50a内部产生（副放射量测定器50b的情况相同）。因此，即使尖峰状泄露剂量的峰强度大约是主放射量测定器50a的内部噪声的水平的10000倍（1秒/0.1毫秒）高，在束流发射终止期间积分的内部噪声的量（时间积分值）变得和泄露剂量相等。这意味着如果泄露剂量的强度比产生在主放射量测定器50a内的内部噪声的水平的10000倍小，则主放射量测定器（用于泄露剂量）计数器92不能准确地检测到泄露剂量。

为了解决常规的异常确定方法的问题，根据本实施例的粒子束流照射装置1不仅执行第一异常确定，而且执行作为第一异常确定的补充的不同类型的第二异常确定。（3）第一实施例（第二异常确定（部分1））

图9是主要示出根据第一实施例的异常确定部分90的结构的例子的框图。根据第一实施例的异常确定部分90包括作为常规的异常确定部分900（图4）的结构的补充的：第二主放射量测定器计数器95、第二副放射量测定器计数器91和第二异常确定部分96。

尽管第二主放射量测定器计数器95和主放射量测定器计数器81一样在粒子束流发射期间对从主放射量测定器50a输出的脉冲的数量进行计数，但是所述计数器的积分周期比主放射量测定器计数器81的积分周期小。

尽管第二副放射量测定器计数器94和副放射量测定器计数器91一样在束流发射期间对从副放射量测定器50b输出的脉冲的数量进行计数，但是所述计数器的积分周期比副放射量测定器计数器91的积分周期小。

从第二主放射量测定器计数器95输出的计数值a3（第一部分剂量测量值）和从第二副放射量测定器计数器94输出的计数值b3（第二部分剂量测量值）被输入到第二异常确定部分96中。

与此同时，如图10所示，在第一实施例中使用的模式文件40a中，用于第二异常确定的预设的计数值A3和B3被添加至常规的模式文件40的数据（图5）中。用于第二异常确定的预设的计数值A3和B3被用来确定在束流发射期间，从主放射量测定器计数器50a和副放射量测定器计数器50b输出的脉冲的数量的计数值a3和b3的正常/异常。如果计数值a3和b3在预定的确定范围（第一和第二参考范围）内，则第二异常确定部分96确定脉冲的数量的计数值a3和b3正常，并且如果计数值a3和b3超出了所述确定范围，则确定计数值a3和b3是异常的，所述预定的确定范围是通过基于预设的计数值A3和B3获得的上限和下限确定的。作为预设的计数值A3和B3的替代，可以单独限定用于设定所述确定范围的上限和下限。

如果第二异常确定部分96和第一异常确定部分93中的至少一个确定存在异常，则输出互锁信号到发射控制部分20，并且终止束流发射。

图11是示出根据第一实施例的照射剂量的控制和管理的状态的时序图。

在控制部分80中，主放射量测定器计数器81对从主放射量测定器50a输出的脉冲的数量进行计数，并且和常规技术一样，当计数值a1达到预设的计数A1时，输出点切换指令。

与此同时，异常确定部分90使用第二主放射量测定器计数器95的计数值a3和第二副放射量测定器计数器94的计数值b3来执行第二异常确定（部分1），其作为与常规技术一样的使用副放射量测定器计数器91的计数值b1和主放射量测定器（用于泄露剂量）计数器92的第一异常确定的补充。

如上所述，在第一异常确定中，就在点切换之前，将副放射量测定器91的计数值b1与副放射量测定器预设的计数B1的值相比较。如果计数值b1超出预设的计数B1，或者如果计数值b1与预设的计数B1之间的比例在特定比例以下，则确定存在异常。如果在束流发射的终止期间，主放射量测定器计数器（用于泄露剂量）92的计数值a2超出预设的计数A2，则也确定存在异常。

与此同时，在第二异常确定（部分1）中，独立于第一异常确定，将计数主放射量测定器50a的脉冲的数量的第二主放射量测定器计数器95的计数值a3与用于第二异常确定的通过模式文件90a定义的预设的计数值A3相比较。如果计数值a3超出了基于预设的计数值A3的预定参考范围，则确定存在异常。类似地，将计数副放射量测定器50b的脉冲的数量的第二副放射量测定器计数器94的计数值b3与用于第二异常确定的在模式文件90a定义的预设的计数值B3（B3和A3通常设定为相同值）相比较。如果计数值b3超出了基于预设的计数值B3的预定参考范围，则同样确定存在异常。

作为增加第二异常确定（部分1）的结果，即使主放射量测定器50a和副放射量测定器50b都处于异常状态，例如当主放射量测定器50a和副放射量测定器50b的高压电源没有处在电压输出状态时，仍然能够检测到异常。超量照射不会发生，并且可以提供安全的粒子束流照射装置。

第二异常确定（部分1）的确定时间段通常比第一异常确定的确定时间段短。在第一异常确定中，所述确定基于改变粒子束流点位置的时间段（例如，100μs至100ms的时间段，尽管所述时间段根据治疗计划等变化）。与此同时，第二异常确定的确定时间段比束流点的平均改变时间段短得多，例如，比束流点的平均改变时间段的1/10更短的特定时间段（例如100μs至1ms）。因此，在每一确定时间段中，重置第二主/副放射量测定器计数器95和94。当照射剂量存在异常时，短的确定时间段允许在短时间内输出互锁信号以终止束流发射，而不必等待束流点的更新时间。能够进一步降低超量照射的可能性。

（4）第二实施例（第二异常确定（部分2））

根据第二实施例的异常确定是与在第一实施例中的异常确定（第一异常确定和第二异常确定（部分1））并行执行的。特别是，当第二主放射量测定器计数器95的计数值a3与第二副放射量测定器计数器94的计数值b3之间的差值的绝对值超出预定阈值时，确定存在异常。主放射量测定器50a和副放射量测定器50b通常具有相同的结构。因此，如果主放射量测定器50a和副放射量测定器50b都正常，将测得相同数量的脉冲。因此，如果计数值a3与计数值b3之间的差值的绝对值超出预定阈值，则确定在主/副放射量测定器50a和50b之一中，或者在第二主/副放射量测定器计数器95和94之一中，存在异常。产生互锁信号以终止束流发射。第二实施例进一步改进了所述异常确定的可靠性。

图12是描绘照射剂量的控制和管理的状态的时序图。如前所述，在光栅扫描照射中，束流的发射在电磁电源的电流的改变期间并不终止。尽管如此，束流的发射在切片切换期间或者当呼吸同步门关闭时被终止。如果异常监控在束流发射的终止期间是有效的，因为计数值a3和b3是小的，所以其差值（绝对值）超出了阈值。存在互锁信号的错误输出的高的可能性。因此，仅仅在束流发射状态执行异常确定。结果是，能够改进异常确定的可靠性，且在由于切片切换或者当呼吸同步门关闭时的束流发射终止期间不会产生不必要的互锁信号。虽然图12示出的是当束流由于呼吸同步门而关闭时的确定条件，但是该确定条件与当束流由于切片切换而关闭时的确定条件是类似的。（5）第三实施例（第二异常确定（部分3））

图13是示出根据第三实施例的异常确定部分90b的结构的例子的示图。第三主/副放射量测定器计数器98和97以及执行泄露剂量确定的第三异常确定部分99，被添加到第一和第二实施例的异常确定部分90中，以形成异常确定部分90b。

第三异常确定部分99将在束流发射终止期间从第三主/副放射量测定器计数器98和97输出的脉冲（由泄露剂量导致的脉冲）的计数值a4（第三部分剂量测量值）和b4（第四部分剂量测量值）分别与在模式文件40b中定义的用于第三异常确定的计数值A4（第三参考值）和B4（第四参考值）相比较。如果在所述比较的至少一个中，计数值超出预设置的计数值，则第三异常确定部分99确定在泄露剂量中存在异常（产生了比预期的泄露剂量更大的泄露剂量），并且向发射控制部分20输出互锁信号。以上描述的用于泄露剂量的异常确定是第二异常确定（部分3）。

图14是示出在第三实施例中使用的照射模式文件40b的例子的示图，并且用于第三异常确定的预设置的计数值A4和B4被添加至右端。用于第三异常确定的预设置计数值A4和B4是用于在束流发射的终止期间确定泄露剂量的阈值。因此，设置了比其他预设置计数值小的值。

图15是根据第三实施例的照射剂量的控制和管理的状态的时序图。

第三主/副放射量测定器计数器98和97具有以下的特征：在比束流发射终止时间足够更短的间隔（第二确定时间段）（例如大约100μs至1ms）内对来自主/副放射量测定器50a和50b的脉冲信号的脉冲数量进行积分。如果所积分的计数值a4和b4超出了在照射模式文件40b中设定的预设置计数值A4和B4，则确定产生了比所定义的泄露剂量更大的泄露剂量，并且输出互锁信号以终止束流发射。

如图7、8等所示，在常规的泄露剂量确定中，在束流发射终止的时间段期间，对脉冲的数量持续积分，且不进行重置。因此，如前所述，在束流发射的终止的时间段期间对由主放射量测定器50a的内部噪声导致的脉冲不断积分。尖峰状泄露剂量淹没于内部噪声中，并且用于瞬间泄露剂量的检测灵敏度不能得到显著的增加。

另一方面，第二异常确定（部分3）的第三实施例，第三主/副放射量测定器98和97的积分时间段（也就是第二确定时间段）比束流发射的终止时间段短得多。因此，显著降低了由主/副放射量测定器50a和50b的内部噪声导致的脉冲数量的积分的量，并且尖峰状泄露剂量的高灵敏度检测成为可能。因此，不仅可以对累积的束流发射进行泄露剂量的高灵敏度监控，而且可以对当束流发射由于范围切换或者呼吸同步门的关闭状态而终止时的瞬间束流发射进行泄露剂量的高灵敏度监控。能够提供安全的粒子束流照射装置1。

在第二异常确定（部分3）中，与在第二异常确定（部分1）（或者第二异常确定（部分2））中使用的第二主/副放射量测定器计数器95和94不同的第三主/副放射量测定器计数器98和97是分别布置的。尽管如此，第二主/副放射量测定器计数器95和94以及第三主/副放射量测定器计数器98和97可以被集成，并且第二主/副放射量测定器计数器95和94可以用在第二异常确定（部分3）中。在这种情况下，在粒子束流的发射的终止期间，从第二主/副放射量测定器计数器95和94输出的计数值分别充当计数值a4和b4。

第二异常确定（部分3）和第二异常确定（部分1）可以独立地与第一异常确定相结合或者可以同时均与第一异常确定相结合。

如前所述，根据依据本实施例的粒子束流照射装置和粒子束流照射装置的控制方法，可以对每一束流的剂量进行高可靠性测量，并且可以对由瞬间束流发射导致的泄露剂量进行高灵敏度测量。

本发明并不局限于所述实施例，并且在不脱离本发明的概念的情况下，可以通过修改在执行阶段中的构成要素来实现本发明。基于在所述实施例中公开的多个构成要素的适当结合，能够形成各种发明。例如，可以删除在实施例中示出的全部构成要素中的一些构成要素。不同实施例中的构成要素也可以适当地结合。

附图标记列表：

1   粒子束流照射装置

10  束流产生部分

20  发射控制部分

30  束流扫描部分

50a 主放射量测定器

50b 副放射量测定器

80  控制部分

90、90a、90b异常确定部分

Claims (12)

1.一种粒子束流照射装置，其将粒子束流引导到患者的患区，所述粒子束流照射装置包括：

发射控制部分，其控制所述粒子束流的发射和终止；

控制部分，其顺次改变用于所述患区的所述粒子束流的照射位置；

第一和第二放射量测定器，所述第一和第二放射量测定器测量被引导到所述患区的所述粒子束流的放射剂量率；以及

异常确定部分，其使用通过累积从所述第一和第二放射量测定器输出的放射剂量率而获得的剂量测量值，来执行对所述装置的异常确定，并且当确定存在异常时，将用于终止所述粒子束流的发射的互锁信号输出至所述发射控制部分，其中

所述控制部分

针对所述粒子束流的每一照射位置累积从所述第一放射量测定器输出的放射剂量率，以计算第一束流剂量测量值，并且当所述第一束流剂量测量值达到预定的用于每一所述照射位置的第一计划剂量值时，改变所述粒子束流的所述照射位置，并且

所述异常确定部分执行：

第一异常确定，该第一异常确定针对所述粒子束流的每一所述照射位置累积从所述第二放射量测定器输出的放射剂量率，以计算第二束流剂量测量值，并且当所述第一束流剂量测量值达到所述第一计划剂量值时，如果所述第二束流剂量测量值超出第二计划剂量值，则确定存在异常，所述第二计划剂量值设定为比所述第一计划剂量值大的值；以及

第二异常确定，该第二异常确定对应每一预定的确定时间段累积从所述第一和第二放射量测定器输出的放射剂量率，以计算部分剂量测量值，并且基于所述部分剂量测量值来确定存在所述异常。

2.根据权利要求1所述的粒子束流照射装置，其中

在所述第二异常确定中，

对应每一所述预定的确定时间段累积在所述粒子束流的发射时间段期间从所述第一和第二放射量测定器输出的放射剂量率，以计算第一和第二部分剂量测量值，并且在以下的至少一种情况下确定存在所述异常：所述第一部分剂量测量值超出预定的第一参考范围的情况，以及第二部分剂量测量值超出预定的第二参考范围的情况。

3.根据权利要求2所述的粒子束流照射装置，其中

在所述第二异常确定中，

当所述第一部分剂量测量值与所述第二部分剂量测量值之间的差值的绝对值超出预定的确定范围时，进一步确定存在所述异常。

4.根据权利要求2或3所述的粒子束流照射装置，其中

所述预定的确定时间段设定为比所述粒子束流照射位置的平均改变间隔短。

5.根据权利要求1所述的粒子束流照射装置，其中

在所述第二异常确定中

对应每一所述预定的确定时间段累积在所述粒子束流的发射终止时间段内从所述第一和第二放射量测定器输出的放射剂量率，以计算第三和第四部分剂量测量值，并且在以下的至少一种情况下确定存在所述异常：所述第三部分剂量测量值超出预定的第三参考值的情况，以及所述第四部分剂量测量值超出预定的第四参考值的情况。

6.根据权利要求5所述的粒子束流照射装置，其中

所述预定的确定时间段设定为比所述粒子束流的所述发射终止时间段短。

7.一种将粒子束流引导到患者的患区的粒子束流照射装置的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

控制所述粒子束流的发射和终止；

顺次改变用于所述患区的所述粒子束流的照射位置；

通过第一和第二放射量测定器测量被引导到所述患区的所述粒子束流的放射剂量率；

使用通过累积从所述第一和第二放射量测定器输出的所述放射剂量率而获得的剂量测量值，来执行对所述装置的异常确定；以及

当确定存在异常时，使用互锁信号来终止所述粒子束流的发射，其中

在改变所述粒子束流的所述照射位置的步骤中，

针对所述粒子束流的每一照射位置累积从所述第一放射量测定器输出的所述放射剂量率，以计算第一束流剂量测量值，并且当所述第一束流剂量测量值达到预定的用于每一所述照射位置的第一计划剂量值时，改变所述粒子束流的所述照射位置，并且

执行所述异常确定的步骤包括：

执行第一异常确定，该第一异常确定针对每一所述粒子束流的所述照射位置累积从所述第二放射量测定器输出的放射剂量率，以计算第二束流剂量测量值，并且当所述第一束流剂量测量值达到所述第一计划剂量值时，如果所述第二束流剂量测量值超出第二计划剂量值，则确定存在所述异常，所述第二计划剂量值设定为比所述第一计划剂量值大的值；以及

执行第二异常确定，第二异常确定对应每一预定的确定时间段累积从所述第一和第二放射量测定器输出的放射剂量率，以计算部分剂量测量值，并且基于所述部分剂量测量值来确定存在所述异常。

8.根据权利要求7所述的粒子束流照射装置的控制方法，其中

在所述第二异常确定中

对应每一所述预定的确定时间段累积在所述粒子束流的发射时间段期间从所述第一和第二放射量测定器输出的放射剂量率，以计算第一和第二部分剂量测量值，并且在以下的至少一种情况下确定存在所述异常：所述第一部分剂量测量值超出预定的第一参考范围的情况，以及所述第二部分剂量测量值超出预定的第二参考范围的情况。

9.根据权利要求8所述的粒子束流照射装置的控制方法，其中

在所述第二异常确定中，

当所述第一部分剂量测量值与所述第二部分剂量测量值之间的差值的绝对值超出预定的确定范围时，进一步确定存在所述异常。

10.根据权利要求8或9所述的粒子束流照射装置的控制方法，其中

所述预定的确定时间段设定为比所述粒子束流照射位置的平均改变间隔短。

11.根据权利要求7所述的粒子束流照射装置的控制方法，其中

在所述第二异常确定中

对应每一所述预定的确定时间段累积在所述粒子束流的发射终止时间段内从所述第一和第二放射量测定器输出的放射剂量率，以计算第三和第四部分剂量测量值，并且在以下的至少一种情况下确定存在所述异常：所述第三部分剂量测量值超出预定的第三参考值的情况，以及所述第四部分剂量测量值超出预定的第四参考值的情况。

12.根据权利要求11所述的粒子束流照射装置的控制方法，其中

所述预定的确定时间段设定为比所述粒子束流的所述发射终止时间段短。

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