CN103083828B - 粒子线照射系统以及带电粒子束的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种粒子线照射系统以及带电粒子束的修正方法，能够不降低照射剂量一致度地提高射束利用效率。该粒子线照射系统具备：将离子束（10）加速后射出的同步加速器（13）、照射从同步加速器（13）射出的离子束（10）的照射装置（30），从照射装置（30）多次进行一个单位的照射，其特征在于，具备：测量同步加速器（13）内的积蓄射束电荷量（Q_meas）的积蓄射束电荷量测量单元（15）；目标电流设定单元，其根据通过积蓄射束电荷量测量单元测量出的积蓄射束电荷量（Q_meas），设定从同步加速器（13）射出的目标射束电流值（I_fb）；出射射束电流修正控制单元，其根据由上述目标电流设定单元求出的出射射束电流的目标值（I_fb）控制射束电流。

Description

粒子线照射系统以及带电粒子束的修正方法

技术领域

本发明涉及一种粒子线照射系统以及带电粒子束的修正方法，特别涉及适应于向患部照射质子或重离子等的带电粒子束(离子束)来治疗癌症的粒子线治疗装置的适合的粒子线照射系统以及带电粒子束出射方法。

背景技术

作为癌症的放射线治疗，已知向患者的癌症的患部照射质子、重离子等的离子束来进行治疗的粒子线治疗。作为离子束的照射方法，有专利文件1～3、非专利文件1、2所揭示的那样的均匀扫描照射法。

在均匀扫描照射法中，为了保持照射剂量的一致度，需要在预定区域的一个单位的照射的途中使射束不枯竭。另一方面，积蓄在同步加速器中的离子束的电荷量并不固定，与从前级加速器供给的离子束的电流变动对应地变动。

在积蓄电荷量不满足一个单位的照射量的情况下，如果直接进行照射，则射束会在中途枯竭，照射剂量一致度降低。相反，如果不利用不满足一个单位的照射量的积蓄射束，则在射束利用效率这一点上不利。

现有技术文件

专利文件

专利文件1：日本特许第2596292号公报

专利文件2：日本特开2009-28500号公报

专利文件3：日本特许第4158931号公报

专利文件4：日本特开2010-238463号公报

专利文件5：日本特许第4691583号公报

非专利文件

非专利文件1：メディカルフィジックス36卷8号(2009年8月)的第3560～3567页(MEDICALPHYSICSVOLUME36NUMBER8(AUGUST2009)P3560～3567)

非专利文件2：レビューオブサイエンティフィックインスツルメンツ64卷8号(1993年8月)的第2074～2093页(REVIEWOFSCIENTIFICINSTRUMENTSVOLUME64NUMBER8(AUGUST1993)P2074～2093)

发明内容

本发明的目的在于提供一种粒子线照射系统，其能够不降低照射剂量一致度地提高射束利用效率。

一种粒子线照射系统，具备将离子束加速后射出的同步加速器、照射从上述同步加速器射出的上述离子束的照射装置，从上述照射装置多次进行一个单位的照射，其中具备：测量上述同步加速器内的积蓄射束电荷量(Q_meas)的积蓄射束电荷量测量单元；目标电流设定单元，其根据通过上述积蓄射束电荷量测量单元测量出的积蓄射束电荷量(Q_meas)，设定从上述同步加速器射出的目标射束电流值(I_fb)；出射射束电流修正控制单元，其根据由上述目标电流设定单元求出的出射射束电流的目标值(I_fb)，控制射束电流。

根据本发明，能够提供一种可以不降低照射剂量一致度地提高射束利用效率的粒子线照射系统。

附图说明

图1表示作为本发明的实施例的粒子线照射系统的结构。

图2表示作为本发明的实施例的同步加速器的运转周期中的旋绕射束的能量变化和积蓄射束电荷量的变化。

图3表示作为本发明的实施例的照射装置的结构。

图4表示作为本发明的实施例的均匀扫描照射法中的射束的扫描路径。

图5表示作为本发明的实施例的照射控制开始前的控制准备流程。

图6表示作为本发明的实施例的射束照射控制时的流程。

图7表示作为本发明的实施例的根据射束照射控制流程进行射束照射控制时的目标射束电流值和与之伴随的积蓄射束电荷量的时间变化。

图8表示作为本发明的实施例的与出射射束电流对应的反馈控制系统的结构。

图9表示作为本发明的实施例的追加了提前照射控制的射束的照射控制流程。

图10表示作为本发明的实施例的根据追加了提前照射控制的射束的照射控制流程进行射束照射控制时的目标射束电流值和与之伴随的积蓄射束电荷量的时间变化。

符号说明

1：粒子线照射系统；10a、10b、10c、10d：射束；11：离子束产生装置；12：前级加速器；13：同步加速器；14：射束输送装置；15：积蓄射束电荷量检测单元；16：高频电极；17：高频功率放大器；18：偏向电磁铁；20：出射用控制装置；21：出射用的高频振荡器(高频振荡器)；22：频带限制高频信号产生部；23：振幅调制器；24：射束电流反馈控制电路；25、26：高频开关；27：出射用高频信号处理部；29：目标射束电流修正计算部；30：照射装置；31：剂量监视器；32：扫描电磁铁；33：能量吸收体；34：准直器；35：组织填充模体；36：患者；37：患部形状；38：射束扫描路径；40：加速器控制装置；41：集中控制装置；42：存储装置；43：治疗计划装置；44：照射控制装置；50：定时系统；60：联锁系统；221：高频混频器；241、242：反馈环路增益调整器；243：加法计算电路；252：射束出射控制信号；311：剂量监视器检测信号；501：积蓄射束电荷量确认信号；502：射束出射控制信号；Q_target：总照射电荷量；Q_scan：一个单位的照射所需要的电荷量；Q_rest：剩余照射电荷量；Q_sum：累计照射电荷量；Q_meas：积蓄射束电荷量；Q_comp：比较电荷量；Q_carry：提前照射电荷量；Q_ext：来自同步加速器的出射射束电荷量；T_ext：出射控制时间；T_scan：一个单位的扫描时间；T_off：一个单位的照射期间中的照射停止时间；N_r：重绘次数；N_scan：出射控制时间内的一个单位的照射次数；I_scan：一个单位的照射中的基准射束电流值；I_fb：目标射束电流值；I_dose：射束电流值。

具体实施方式

用于粒子线治疗的粒子线照射装置具备离子束产生装置、射束输送系统、照射装置。离子束产生装置具有使沿着旋绕轨道旋绕的离子束加速到希望的能量的同步加速器、回旋加速器。

同步加速器具备：向沿着旋绕轨道旋绕的离子束施加高频电压而加速到目标能量的高频加速装置(加速空腔)；使旋绕的离子束的电子感应加速器振动振幅增大的出射用高频电极；从旋绕轨道取出离子束的出射用偏转器(例如专利文件1)。在从同步加速器向射束输送系统出射加速到目标能量的离子束时，向出射用高频电极施加高频磁场或高频电场(以下记载为高频信号)，使旋绕的离子束的固有振动即电子感应加速器振动振幅增大。电子感应加速器振动振幅增大了的离子束移动到稳定边界外，从同步加速器出射到射束输送系统，输送到照射装置。

照射装置与离开患者的体表面的深度和患部形状一致地对从上述离子束产生装置导入的离子束进行整形，照射到治疗用床上的患者的患部。作为照射法，有均匀扫描照射法(非专利文件1的3561页，图1)。

均匀扫描照射法通过扫描电磁铁使离子束在照射平面上扫描，因此，相对于通过两种散射体将射束扩展到照射面整个区域的二重散射体照射系统，能量损失少，因此具有与二重散射体照射法相比能够使离子束的射程变长的特征。

均匀扫描照射装置由以下部分构成：使射束在照射平面上扫描的2个扫描电磁铁(水平扫描电磁铁、垂直扫描电磁铁)；形成使通过扫描电磁铁扫描的离子束与患部的深度方向厚度一致的吸收剂量范围(扩展布拉格峰(Spread-OutBraggPeak)，以下记载为SOBP)的能量吸收体；与患部形状一致地形成照射野的组织填充模体(bolus)和准直器。在均匀扫描照射装置中，在形成SOBP的能量吸收体中使用隆起滤波器(ridgefilter)(非专利文件2的2078页，图31)。隆起滤波器是在平面上配置离子束所通过的区域的厚度不同的楔形形状的多个能量吸收体而成的构造体，通过了隆起滤波器的射束与隆起滤波器的通过部的厚度对应地能量衰减。由于该能量衰减后的离子束的重叠，而形成SOBP。

在均匀扫描照射法中，如非专利文件2也记载的那样，在将峰值电流值抑制得低的基础上，在照射平面上多次循环地照射离子束(以下称为重绘)，由此达到预定的剂量一致度。因此，通过以固定值控制射束电流值，能够抑制照射平面上的剂量一致度的恶化，因此能够减少重绘次数来提高剂量率。

另外，使用图4说明均匀扫描照射法的射束的扫描方法。对于均匀扫描照射法，可以考虑单圆摇摆(wobbler)法(例如专利文件2的记载)、螺旋摇摆法(例如专利文件3的记载)、光栅扫描法(非专利文件1的3564页、图7)以及行扫描法。如图4(a)所记载的那样，单圆摇摆法通过扫描电磁铁单圆扫描照射射束，从而通过扫描的射束的高斯分布的重叠来形成平坦的一致度。螺旋摇摆法(未图示)是为了相对于单圆摇摆法在确保射程的基础上提高射束利用效率而提出的扫描法，通过使改变了初始相位的扫描轨迹重叠而在照射平面上进行扫描。光栅扫描法与前面所示的摇摆法不同，如图4(b)所记载的那样，是直线地连续扫描射束的方法。另外，行扫描法如图4(c)所记载的那样，是以下的方法，即在通过光栅扫描法照射的向短扫描方向的扫描过程中停止射束的照射，提高有效射束的利用效率。

在此，说明一个单位的照射所需要的射束扫描。首先，在说到一个单位的照射所需要的射束扫描的范围的情况下，为从扫描开始点到结束点进行扫描的轨迹。如图4所示那样，在单圆摇摆法以及螺旋摇摆法(未图示)中，扫描开始点与结束点是同一点。另外，在光栅扫描法和行扫描法中，扫描开始点与结束点不同。这些一个单位的照射所需要的扫描时间是每一个扫描数十毫秒～100毫秒，因此，相对于同步加速器的出射控制时间(约0.5秒～数秒)充分地短。

接着，说明在使用各文件的记载的同时需要研究的事项。在均匀扫描照射法中，为了保证照射剂量的一致度，理想的是在出射控制中到对预定的区域的照射结束为止不使射束枯竭地进行照射。在非专利文件1中，采用回旋加速器作为离子束产生装置。在回旋加速器的情况下，向照射装置供给的离子束为直流射束。但是，在对离子束产生装置采用同步加速器时，向照射装置供给与同步加速器的运转周期一致地积蓄在同步加速器内的离子束。因此，通过持续进行出射控制，积蓄在同步加速器中的离子束有可能枯竭。因此，需要在同步加速器的积蓄射束枯竭时停止出射控制并且停止扫描电磁铁的射束扫描控制，然后再次从下一运转周期开始继续积蓄离子束并进行出射控制和扫描电磁铁的射束扫描控制。

在伴随着该积蓄射束电荷量的枯竭而产生了射束照射的停止的情况下，为了不对剂量一致度产生影响，也将从同步加速器供给到照射装置的离子束的电流值设定得低，并实施100次左右的重绘，由此抑制射束照射停止位置处的剂量一致度的恶化(非专利文件1的3562页的记载)。因此，照射预定的剂量需要花费时间，因此有治疗时间延长的问题。

另外，作为抑制从同步加速器供给的离子束的时间变动的手段，考虑了出射射束电流反馈控制。出射射束电流反馈控制，将通过设置在照射装置中的剂量监视器等检测出的电离电荷量变换为离子束的电流值，对该检测电流值与目标电流值之间的偏差修正出射用高频电压的振幅值，由此修正为希望的射束电流值。在将出射射束电流反馈控制应用于均匀扫描照射法时，以固定值控制目标射束电流值。但是，可知积蓄在同步加速器中的离子束的电荷量因从同步加速器的前级加速器供给的离子束的电流变动而变动。因此，在实施出射射束电流反馈控制时，如果相对于一个单位的照射所需的时间与出射射束的目标电流值的积所示的出射射束电荷量，积蓄在同步加速器中的离子束电荷量减少，则伴随着积蓄射束电荷量的枯竭，与正在进行出射射束电流反馈控制无关地，会在出射控制后半的射束电流波形中产生欠缺，剂量一致度有可能恶化。

在专利文件4中记载有：作为抑制出射控制中的射束枯竭的对策，在从同步加速器对射束进行出射控制后测量积蓄射束电荷量，在积蓄射束电荷量不满足一个单位的照射所需的电荷量的情况下转移到减速控制。通过实施这样的控制，在一个单位的照射中不会产生射束的枯竭，但存在积蓄在同步加速器中的射束电荷量的利用效率变低的问题。

另外，在专利文件5中记载有：在出射控制前测量积蓄射束电荷量，对出射射束电流反馈控制的目标值进行修正。在反馈控制的目标值的修正时，预先设定在同步加速器中旋绕的离子束的积蓄电荷量的标准值，根据在同步加速器的出射控制之前刚刚测定的积蓄射束电荷量与积蓄电荷量的标准值的比较结果，修正出射射束电流值。在专利文件5中，以在一次出射控制中高效地出射所积蓄的离子束电荷量为前提，因此并没有设想以下这样的照射方法，即如均匀扫描照射法那样将供给照射装置的离子束的电流值设定得低，分为多次地进行扫描照射。

在以下说明的本发明的各实施例中，即使同步加速器内的积蓄射束电荷量产生了变动，在一个单位的照射中也不产生射束枯竭，并且能够保证照射剂量的平坦度。另外，通过高效地利用同步加速器内的积蓄射束电荷量，能够缩短预定的剂量的照射所需要的时间，缩短治疗时间。

另外，以下说明的各实施例涉及从照射装置多次进行一个单位的照射的均匀扫描照射法。多次进行一个单位的照射、即重绘(re-paint)，典型地表示重复多次进行向某照射平面进行的一面的照射。在各实施例中，将均匀扫描照射法中的“一面的照射”记载为“一个单位的照射”，但这是为了明确与如专利文件5那样一次地将积蓄在同步加速器中的离子束照射到一面的情况的不同。

[实施例1]

使用图1、图2以及图3说明作为本发明的优选的一个实施例的粒子线照射系统。本实施例的粒子线照射系统1如图1所示，具备离子束产生装置11、射束输送装置14、照射野形成装置(带电粒子束照射装置，以下称为照射装置)30，射束输送装置14将离子束产生装置11与配置在治疗室内的照射装置30连接起来。

上述粒子线照射系统1的控制系统包括：控制离子束产生装置11和射束输送装置14的加速器控制装置40；集中控制粒子线照射系统1全体的集中控制装置41；计划向患者的射束照射条件的治疗计划装置43；存储通过治疗计划装置43计划的信息、作为离子束产生装置的同步加速器13和射束输送装置14的控制信息等的存储装置42；实现构成同步加速器13的设备的同步控制的定时系统50；为了保证患者的安全而与集中控制装置41独立的联锁系统60。另外，通过出射用控制装置20对在从离子束产生装置11向射束输送装置14出射射束时利用的高频电压进行控制。

离子束产生装置11具备离子源(未图示)、前级加速器12、同步加速器13。离子源与前级加速器12连接，前级加速器12与同步加速器13连接。前级加速器12将通过离子源产生的离子束10加速到能够入射到同步加速器13的能量。通过前级加速器12加速了的离子束10a入射到同步加速器13。

图2(a)表示同步加速器13的运转周期中的旋绕射束的能量的变化，图2(b)表示积蓄射束电荷量的变化。同步加速器13以2秒～3秒的周期实施入射、加速、出射、减速这样的一连串的运转控制。另外，在进行出射控制时，事先实施出射准备控制。

入射到同步加速器13的射束10b通过施加在加速空腔(未图示)的高频电压而被赋予能量，由此加速到希望的能量。这时，与离子束10b的旋绕能量的增加相对应地提高偏向电磁铁18、四极电磁铁(未图示)等的磁场强度、施加在加速空腔的高频电压的频率，使得在同步加速器13内旋绕的离子束10b的旋绕轨道固定。

通过出射准备控制，加速到希望的能量的离子束10b满足能够通过四极电磁铁和六极电磁铁(未图示)的励磁量使旋绕射束10b出射的条件(旋绕射束的稳定边界条件)。在出射准备控制结束后，从出射用控制装置20向出射用高频电极16施加高频电压，使在同步加速器13内旋绕的射束10b的电子感应加速器振动振幅增大。通过该电子感应加速器振动振幅的增大，超过了稳定边界条件的旋绕射束10b从同步加速器13出射到射束输送装置14，输送到照射装置30。通过由出射用控制装置20施加到出射用高频电极16的高频电压的开/关控制，能够高速地实现从同步加速器13的射束出射控制。

如图2(b)所示，同步加速器13内的积蓄射束电荷量70与同步加速器13的运转时序(图2(a))相匹配地变化。如果离子束10a入射到同步加速器13，则积蓄射束电荷量逐渐提高。在加速控制的初期，由于空间电荷效应等而使离子束损失，因此，积蓄射束电荷量衰减，但从加速中期到加速后期成为大致固定。同步加速器13每次从同步加速器13出射一个单位的照射所需的电荷量(Q_scan)的离子束10b。当一个单位的照射结束时，为了准备向后述的照射装置30的扫描电磁铁32的照射开始点的移动等而停止射束的出射。重复进行这样的射束的出射和停止，没有全部出射到出射控制区间而残存在同步加速器13内的射束电荷量(Q_loss)通过其后的减速控制，减速到低能量而消灭。

图3表示照射装置的结构。在照射装置30中，通过扫描电磁铁32在照射平面上扫描，通过测量对患者照射的射束10d的照射剂量的剂量监视器31、射束形状监视器(未图示)，逐次地确认所照射的射束10d的剂量强度、射束形状。通过扫描电磁铁32扫描的射束10d通过了能量吸收体33，从而形成与患部深度方向的厚度匹配的SOBP。形成了SOBP的射束通过准直器34、组织填充模体35这样的与患者36的患部形状37匹配的固有夹具，形成与患部形状匹配的照射野。

使用图8说明出射用控制装置20中的出射用高频电压的控制方法。高频振荡器21输出与能量对应地被控制的出射用高频电压的中心频率Fc的高频信号。从高频振荡器21输出的高频信号通过高频混频器221与从频带限制高频信号产生部22输出的频带限制高频信号混频。由此，得到中心频率为Fc、频率宽度为2Fw的频带限制高频信号。对于混频后的频带限制高频信号，通过射束电流反馈控制电路24控制高频电压的振幅值，使得实现通过目标射束电流修正计算部29得到的射束电流强度波形(射束电流强度的目标值)。射束电流反馈控制电路24包括振幅调制器23、反馈环路增益调整器241、反馈环路增益调整器242、加法计算电路243、高频开关25。首先，通过反馈环路增益调整器241计算由剂量监视器31检测出的剂量监视器检测信号311与从目标射束电流修正计算部29设定的目标射束电流值(I_fb)之间的偏差。通过反馈环路增益调整器241根据反馈增益，针对该计算结果计算反馈修正信号。通过加法计算电路243将振幅调制信号(Am)和反馈修正信号相加，由此对振幅调制信号进行修正。通过将该加法结果设定到振幅调制器23中，实现射束电流反馈控制。

通过射束电流反馈控制电路24控制了振幅值的高频信号，经由被联锁系统60控制的高频开关26传送到高频功率放大器17。通过高频功率放大器17放大后的频带限制高频信号施加到出射用高频电极16。通过施加在出射用高频电极16上的高频信号，在同步加速器13内旋绕的射束10b的电子感应加速器振动振幅增大，从同步加速器13出射到射束输送装置14。

使用图5、图6、图7以及图8，说明作为本实施例的特征的构成出射用控制装置20的目标射束电流修正计算部29中的目标射束电流的计算处理方法。图5表示照射控制开始前的控制准备流程，图6表示射束照射控制时的流程。图7表示根据图6所示的射束照射时的控制流程进行射束照射控制时的目标射束电流值和与之伴随的积蓄射束电荷量的时间变化。图8表示与出射射束电流对应的反馈控制系统的结构。

使用图5说明在照射前的出射射束电流反馈控制中使用的目标射束电流值的计算设定流程。首先，说明在开始向患者进行照射治疗前在出射射束电流反馈控制中使用的目标射束电流值(I_fb)的初始值的设定方法。治疗计划装置43计算向患者47的患者36的总照射剂量，并登记在存储装置42中。在存储装置42中预先准备了与照射剂量对应的照射电荷量的换算表数据。集中控制装置41根据来自治疗调度器(未图示)的照射条件，读入通过治疗计划装置43计算出的总照射剂量，根据预先在集中控制装置41中准备的换算表数据，计算出为了得到治疗计划装置43所要求的总照射剂量而需要的总照射电荷量(Q_target)。集中控制装置41向照射控制装置44传送总照射电荷量(Q_target)、照射装置的设定条件，照射控制装置通过接收单元接收总照射电荷量(Q_target)等信息。

照射控制装置44根据通过同步加速器能够出射的射束电流控制范围，计算一个单位的照射中的基准射束电流值(I_scan)，根据扫描电磁铁32的扫描速度，设定一个单位的照射所需要的扫描时间(T_scan)(801)。

接着，计算一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)、重绘次数(N_r)(802)。如公式(1)所示那样，通过将一个单位的照射中的基准射束电流值(I_scan)和一个单位的照射所需要的扫描时间(T_scan)相乘，能够求出一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)。另外，如公式(2)所示那样，通过将总照射电荷量(Q_target)除以一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)，能够计算出重绘次数(N_r)。

公式1

Q_scan＝I_scan·T_scan公式(1)

公式2

$N_r=\frac{Q_{t\arg et}}{Q_{scan}}$ 公式(2)

通过对向照射区域的剩余照射电荷量(Q_rest)设定总照射电荷量(Q_target)来进行初始化(803)。从总照射电荷量(Q_target)减去对患部照射的电荷量的累计值(累计照射电荷量(Q_sum))而得到剩余照射电荷量(Q_rest)。另外，通过将累计照射电荷量(Q_sum)设定为0来进行初始化(804)。

作为出射射束电流反馈控制的目标射束电流值(I_fb)的初始值，将一个单位的照射中的基准射束电流值(I_scan)设定到出射用控制装置20中(805)。通过照射控制装置44实施上述的控制流程(801～805)。另外，只在开始向患者照射时的运转周期中实施图5所示的照射准备控制，在第二次以后的运转周期中不实施。

使用图6说明射束的照射控制流程。同步加速器13将从前级加速器12入射的射束加速到预定的能量(811)。在射束加速控制结束后，测量积蓄在同步加速器内的积蓄射束电荷量(Q_meas)(812)。使用设置在同步加速器13内的DCCT等积蓄射束电荷量检测单元15，测量积蓄射束电荷量(Q_meas)。将积蓄射束电荷量(Q_meas)的测量结果取入到出射用控制装置20，通过构成出射用控制装置20的目标射束电流修正计算部29实施以下的控制流程所示的处理。

在目标射束电流修正计算部29中，首先判断同步加速器13内的积蓄射束电荷量(Q_meas)是否枯竭(813)。在积蓄射束电荷量枯竭了的情况下(Q_meas≤0)，转移到射束的减速控制(814)。

如果积蓄射束电荷量没有枯竭(Q_meas>0)，则对剩余照射电荷量(Q_rest)和积蓄射束电荷量(Q_meas)进行比较，决定对比较电荷量(Q_comp)设定的电荷量(815)。比较电荷量(Q_comp)是后述的一个单位的照射中的作为基准射束电流值(I_scan)的修正控制时的基准的电荷量。在剩余照射电荷量(Q_rest)相对于积蓄射束电荷量(Q_meas)多的情况下，将积蓄射束电荷量(Q_meas)设定为比较电荷量(Q_comp)(816)，在剩余照射电荷量(Q_rest)相对于积蓄射束电荷量(Q_meas)少的情况下，将剩余照射电荷量(Q_rest)设定为比较电荷量(Q_comp)(817)。即，将剩余照射电荷量(Q_rest)和积蓄射束电荷量(Q_meas)中的少的一方作为比较电荷量(Q_comp)。

接着，对比较电荷量(Q_comp)和一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)进行比较(818)。在比较电荷量(Q_comp)比一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)多的情况下(Q_comp≥Q_scan)，不实施成为出射射束电流反馈控制的目标值的目标射束电流值(I_fb)的修正(819)。另外，在比较电荷量(Q_comp)比一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)少的情况下(Q_comp<Q_scan)，对目标射束电流值(Ifb)进行修正，使得比一个单位的照射中的基准射束电流值(I_scan)小(820)。

通过这样由作为目标电流设定单元的目标射束电流修正计算部29根据一个单位的照射中的基准射束电流值(I_scan)，通过修正而决定射束电流的目标值(I_fb)，能够进行通过修正适当地对因前级加速器造成的射束电流的变动量进行了调整的控制。在本实施例中，在实施一个单位的照射之前，逐次地确认一个单位的照射所需要的电荷量是否积蓄在同步加速器内，在同步加速器内的积蓄射束电荷量少的情况下，通过修正出射射束电流值进行控制，来抑制一个单位照射中的射束枯竭，从而保证了照射剂量一致度。

如公式(3)所示，通过根据比较电荷量(Q_comp)相对于一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)的比例对一个单位的照射中的基准射束电流值(I_scan)进行修正，得到目标射束电流值(I_fb)。

公式3

$I_{fb}=\frac{Q_{comp}}{Q_{scan}}\&CenterDot;I_{scan}$ 公式(3)

这样，在通过作为目标电流设定单元的目标射束电流修正计算部29决定目标射束电流值(I_fb)时，利用比较电荷量(Q_comp)。由此，能够适当地设定射束电流，使得在一面的照射中不会产生射束枯竭，提高射束利用效率。通过高效地利用同步加速器内的积蓄射束电荷量，能够缩短预定的剂量的照射所需要的时间，缩短治疗时间。如果能够在一个单位的照射中抑制射束枯竭，则能够提高一个单位的照射时的射束电流值，削减重绘次数，因此，能够缩短预定的剂量的照射所需要的时间，缩短治疗时间。

根据上述的目标射束电流值(I_fb)，由作为出射用控制装置20的一部分的射束电流反馈控制电路24实施出射射束电流反馈控制，实施从同步加速器13向照射装置30的射束出射控制(821)。如果一个单位的照射结束，则将累计照射电荷量(Q_sum)与所照射的电荷量相加(822)。这时，如公式(4)所示，通过将目标射束电流值(I_fb)与一个单位的扫描时间(T_scan)的相乘结果与累计照射电荷量(Q_sum)相加，能够求出累计照射电荷量(Q_sum)。与之对应地更新剩余照射电荷量(Q_rest)(823)。如公式(5)所示，通过从总照射电荷量(Q_target)减去累计照射电荷量(Q_sum)，求出剩余照射电荷量(Q_rest)。

公式4

Q_sum＝Q_sum+(I_fb·T_scan)公式(4)

公式5

Q_rest＝Q_target-Q_sum公式(5)

最后，对累计照射电荷量(Q_sum)和总照射电荷量(Q_target)进行比较(824)。如果累计照射电荷量(Q_sum)达到了总照射电荷量(Q_target)(Q_sum≥Q_target)，则结束射束照射控制，在累计照射电荷量(Q_sum)没有达到总照射电荷量(Q_target)的情况下(Q_sum<Q_target)，返回控制流程(812)，继续进行射束照射控制。

在此，以下说明也是本实施例的特征的在控制流程(815)中所示的剩余照射电荷量(Q_rest)和积蓄射束电荷量(Q_meas)的比较理由。

首先，如果成为同步加速器的出射控制时间(T_ext)的后半，则积蓄射束电荷量(Q_meas)变得比一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)少。如果在积蓄射束电荷量(Q_meas)比一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)少的状态下继续进行出射控制，则射束会在一个单位的照射结束之前枯竭，照射区域内的剂量一致度恶化。因此，以前通过降低一个单位的照射时的射束电流值，取充分多的重绘次数(N_r)，来减小射束枯竭时产生的剂量一致度的不均匀的影响。因此，未提高剂量率，而花费治疗时间。

另外，如果射束照射控制结束，则剩余照射电荷量(Q_rest)减小。即，接近满足必要的照射剂量的总照射电荷量(Q_target)。在该状态下，接近一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)，通过照射控制的经过，剩余照射电荷量(Q_rest)变得比一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)小。在现有技术中，如专利文件4所示那样，在积蓄射束电荷量(Q_meas)小于一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)的情况下转移到减速控制，因此，在照射中不利用比一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)少的积蓄射束电荷量(Q_meas)而减速，因此未提高射束利用效率。

在根据这两个状况，实施出射射束电流反馈控制时的目标射束电流值(I_fb)的修正时(820)，通过将剩余照射电荷量(Q_rest)和积蓄射束电荷量(Q_meas)的任意一较小的一方作为比较电荷量(Q_comp)来修正，能够在满足剂量一致度的同时，伴随着射束利用效率的提高而提高剂量率，因此能够缩短治疗时间。

使用图7说明根据射束照射时的控制流程进行射束照射控制时的目标射束电流值和与之伴随的积蓄射束电荷量的时间变化。在本实施例中，表示在出射控制时间(T_ext)内5次测量积蓄射束电荷量(Q_meas)并进行出射控制的情况，设想了剩余照射电荷量(Q_rest)充分多的情况。

在同步加速器13的加速控制结束后，根据积蓄射束电荷量确认信号501(图7(b))，通过设置在同步加速器13内的积蓄射束电荷量检测单元15测量积蓄射束电荷量(图7(a))。这时，积蓄射束电荷量是Q_meas1。积蓄射束电荷量比一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)多，因此，将比较电荷量(Q_comp)作为Q_meas1，不实施目标射束电流值(I_fb)的修正。由此，目标射束电流值(图7(c))成为作为初始设定值的一个单位的照射中的基准射束电流值(I_scan)。

根据射束出射控制信号(图7(d))开始基于出射射束电流反馈控制进行出射控制。其结果是向照射装置30供给固定电流的射束10d，确认根据剂量监视器31中的检测信号换算所得的射束电流值(I_dose)(图7(e))。在一个单位的扫描时间(T_scan)中的射束照射结束后，停止射束出射控制，测量积蓄射束电荷量。在本实施例中，同样地从射束测量开始到出射控制为止重复进行3次(Q_meas2～4)。

根据第五次的积蓄射束电荷量的确认信号，测量积蓄射束电荷量(Q_meas)。这时的积蓄射束电荷量是Q_meas5比一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)少，因此，比较电荷量(Q_comp)为Q_meas5，需要进行目标射束电流值(I_fb)的修正。因此，根据公式(3)实施目标射束电流值(I_fb)的修正，由此将目标射束电流值(I_fb)设定得比一个单位的照射中的基准射束电流值(_Iscan)低。通过根据该目标射束电流值(I_fb)实施基于出射射束电流反馈控制的出射控制，照射根据剂量监视器检测信号换算的射束电流值(I_dose)。

接着，使用图8说明应用了本实施例的粒子线照射装置的运转方法。医生将患者信息(患部的位置和大小、射束的照射方向、最大照射深度)输入到治疗计划装置43中。治疗计划装置43利用治疗计划软件，根据所输入的患者信息计算出治疗所需要的SOBP宽度、照射野大小、对患部的目标剂量等。

通过治疗计划装置43计算出的结果被记录在存储装置42中。集中控制装置41根据来自治疗调度器(未图示)的照射条件，将总照射电荷量(Q_target)、照射条件传送到照射控制装置44。照射控制装置44选择构成照射装置的设备的设定条件，与之对应地向出射用控制装置20传送总照射电荷量(Q_target)、一个单位的照射中的基准射束电流值(I_scan)、一个单位的照射所需要的扫描时间(T_scan)、一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)、重绘次数(N_r)等。根据来自治疗计划装置43的信息，由照射控制装置44来实施作为本实施例的特征的对一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)的计算等。

将治疗计划信息显示在进行了治疗的准备的治疗室的控制室内配置的显示装置(未图示)上。放射线技师确认其显示画面，将根据显示所指定的能量吸收体33配置在照射装置30内。

治疗床控制装置(未图示)根据来自集中控制装置41的指示，移动由放射线技师固定了患者的治疗床，并进行定位使得患者的患部(照射对象)位于射束轴的延长线上。

加速器控制装置40根据来自集中控制装置41的治疗计划信息，决定照射射束能量，设定构成同步加速器13和射束输送装置14的设备的运转控制参数。针对出射用控制装置20，与出射射束的能量对应地设定作为出射用高频信号的运转控制参数的中心频率Fc、频率宽度Fw、振幅调制数据Am、反馈增益G_fb。

医生从上述的控制室内的操作盘向集中控制装置41指示照射开始信号。根据照射开始信号，前级加速器12对由离子源产生的离子束(例如质子(或碳离子等重粒子))进行加速，并供给同步加速器13。

同步加速器13使从前级加速器入射的离子束10a一边在同步加速器13内旋绕一边加速到希望的能量。离子束10b在被加速到目标的射束能量后，根据从定时系统50输出的积蓄射束电荷量确认信号501，通过积蓄射束电荷量检测单元15测量积蓄射束电荷量(Q_meas)。根据该积蓄射束电荷量(Q_meas)，通过目标射束电流修正计算部29设定出射射束电流反馈控制电路24的目标射束电流值(I_fb)。然后，根据从定时系统50输出的射束出射控制信号502，将出射用高频信号施加到出射用高频电极16，由此从同步加速器13出射根据目标射束电流值(I_fb)控制后的射束。

另外，在本实施例中，在积蓄射束电荷量的检测中，根据从定时系统50输出的积蓄射束电荷量确认信号501检测最初的与一个单位的照射对应的积蓄射束电荷量，以从定时系统50输入的射束出射控制信号502的输入为起点，根据一个单位的扫描时间(T_scan)和照射停止时间(T_off)，根据由出射用控制装置20计算出的信号，检测下一个单位以后的积蓄射束电荷量确认信号501，但即使设置向照射控制装置44等出射用控制装置20的外部产生与所有照射面对应的积蓄射束电荷量确认信号501的装置，效果也一样。

另外，本实施例中的射束出射控制，将来自定时系统50的射束出射控制信号502输入到出射用控制装置20，在每次一个单位的照射结束时，根据射束出射控制信号502从目标射束电流修正计算部29接通高频开关25，由此，在一个单位的照射期间中的照射停止时间(T_off)中，停止从同步加速器13向照射装置30供给射束。

从同步加速器13出射的离子束10c通过射束输送装置14到达照射装置30。进而，离子束10d沿着照射装置30内的射束路径前进，通过扫描电磁铁32使离子束10d扫描，通过能量吸收体33形成SOBP，照射到患者的患部。

通过剂量监视器31测量对患部照射的离子束的剂量。将剂量监视器31中的检测信号311输入到出射射束电流反馈控制电路24，通过根据目标射束电流值(I_fb)与剂量监视器31中的检测射束电流值(I_dose)之间的偏差对高频电压的振幅控制值进行反馈修正，将出射射束电流控制为固定值。

如果对患部的一个单位的照射结束，则停止射束出射控制，使扫描电磁铁的励磁量恢复为照射开始位置，并记录累计照射电荷量(Q_sum)。然后，测量积蓄射束电荷量。根据测量结果修正目标射束电流值，再次开始进行一个单位的照射。重复进行这些控制，直到累计照射电荷量(Q_sum)达到总照射电荷量(Q_target)为止，照射射束。

另外，在构成粒子线照射系统1的设备中，在照射控制中产生了妨碍向患者照射射束的任意故障的情况下，联锁系统60与集中控制装置41并联地向出射用控制装置20的联锁用高频开关26输出表示设备的状态是异常的信号(异常信号)601。出射用控制装置20接收来自联锁系统60的异常信号601作为射束出射停止指令，立即接通联锁用高频开关26。通过接通联锁用高频开关26，停止向高频电极16施加出射用高频信号。由此，同步加速器13能够实现停止离子束10b的出射的联锁控制。

根据本实施例，能够得到以下所示的效果。

(1)在本实施方式中，将照射区域内从照射开始位置到结束位置作为一个单位的扫描范围，将该一个单位的扫描范围作为照射单位来进行管理。另外，在开始向该一个单位的照射范围照射射束之前，逐次测量同步加速器13内的积蓄射束电荷量(Q_meas)，根据与一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)对应的积蓄射束电荷量(Q_meas)，通过目标射束电流修正计算部29对出射射束电流反馈控制电路24的目标射束电流值进行修正，由此控制从同步加速器13出射的射束电流值。由此，能够抑制在一个单位的照射中产生同步加速器13内的积蓄射束电荷量的枯竭的情况。

(2)在本实施方式中，如前面说明的那样，在对一面进行照射之前，逐次测量同步加速器13内的积蓄射束电荷量，根据测量结果修正出射射束电流反馈控制的目标射束电流值，因此在一面的照射中不会产生枯竭。因此，不需要如现有技术那样考虑到积蓄射束电荷量在中途枯竭时的剂量一致度的恶化来降低出射射束电流反馈控制的目标射束电流值。由此，能够提高对一面进行照射时的出射射束电流反馈控制的目标射束电流值，能够提高剂量率，而且能够缩短治疗时间。

(3)在本实施方式中，不需要逐次地监视积蓄射束电荷量70的枯竭，不需要进行伴随着积蓄射束电荷量70的枯竭而进行的射束出射控制和射束扫描控制的停止处理，因此能够简化构成粒子线照射系统的控制装置的结构和控制方法。在对一面的照射中同步加速器13内的积蓄射束电荷量70是否枯竭进行逐次监视的系统中，在射束10b枯竭的情况下，停止射束10b的出射控制，并且停止通过扫描电磁铁32进行的射束扫描控制。然后，在通过同步加速器13再次入射、加速射束后，需要继续开始从同步加速器13的射束出射控制、通过扫描电磁铁32进行的射束扫描控制。

[实施例2]

表示本发明的第二实施例。本实施例的设备结构与第一实施例相同，但通过目标射束电流修正计算部29进行的目标射束电流值(I_fb)的修正方法不同。

使用图9说明射束的照射控制流程。与图6的不同在于：代替基于比较电荷量(Q_comp)的目标射束电流值(I_fb)的修正控制(图6的818～820)，而设置基于提前照射电荷量(Q_carry)的目标射束电流值(I_fb)的提前修正控制(图9的825～828)。

在第一实施例的情况下，伴随着同步加速器的出射控制时间(T_ext)的经过，积蓄射束电荷量(Q_meas)减少。另外，在成为出射控制时间(T_ext)的后半时，认为产生积蓄射束电荷量(Q_meas)相对于一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)非常少的情况。这与进行照射控制而剩余照射电荷量(Q_rest)减少的情况一样，有必要照射微小的电荷量。因此，为了有效利用积蓄射束电荷量(Q_meas)或者为了满足总照射电荷量(Q_target)，而需要实施一个单位的照射控制。

在加速控制结束后积蓄在同步加速器13中的射束电荷量(Q_meas)不为一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)的整数倍的情况下，在每个同步加速器的运转周期中都会进行这样的处理。

因此，在本实施例中，在设定了比较电荷量(Q_comp)后(图9的815～817的控制流程)，计算公式(6)所示的提前照射电荷量(Q_carry)(825)。

公式6

Q_carry＝Q_comp-Q_scan公式(6)

从比较电荷量(Q_comp)减去一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)而得到公式(6)所示的提前照射电荷量(Q_carry)。对该提前照射电荷量(Q_carry)和一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)进行比较(826)。

在提前照射电荷量(Q_carry)比一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)多的情况下(Q_carry＞Q_scan)，不实施目标电流值的提前修正(827)，在提前照射电荷量(Q_carry)比一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)少的情况下(Q_carry＜Q_scan)，实施公式(7)所示的目标电流值的提前修正(828)。

公式7

$I_{fb}=\frac{Q_{\mathrm{carry}}}{T_{scan}}$ 公式(7)

从在实施例1中在目标电流值的修正的判断中使用的比较电荷量(Q_comp)进一步减去一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)而得到提前照射电荷量(Q_carry)。即，通过二次减去一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)，在积蓄射束电荷量(Q_meas)二次不满足一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)的情况下，在一次照射中提前照射积蓄射束电荷量(Q_meas)，从而能够实现照射时间的缩短。

以上也能够表现为对一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)的2倍和比较电荷量(Q_comp)进行比较。在比较电荷量(Q_comp)比一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)的2倍少的情况下，对目标射束电流值(I_fb)进行修正，使其比一个单位的照射所需要的射束电流值(I_scan)大，由此通过提前照射能够缩短照射时间。具体地说，如公式(7)所示那样，将积蓄射束电荷量(Q_meas)除以一个单位的照射所需要的扫描时间(T_scan)而得到目标射束电流值(I_fb)。

这样，通过利用比较电荷量(Q_comp)与一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)的比较值作为是否需要修正的判断基准，能够与积蓄射束电荷量(Q_meas)对应地进行适当的控制。即，如实施例1那样，在比较电荷量(Q_comp)比一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)少的情况下，能够进行在避免一面照射中的射束枯竭的同时提高射束效率的控制。另外，如实施例2所示那样，在比较电荷量(Q_comp)与一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)相比适当地高的情况下，通过提前照射能够缩短照射时间。也可以采用组合了实施例1的判断基准和实施例2的判断基准所得的判断基准。在该情况下，能够享受两者的优点。

另外，在实施例2中，对一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)的2倍和比较电荷量(Q_comp)进行比较，但如果不是2倍而比1倍大，则能够得到同样的效果。可以根据在一个单位的照射中能够照射怎样多量的电荷量来决定设为几倍。在出射控制期间的后半，同步加速器内的积蓄射束电荷量比一个单位的照射所需要的电荷量稍多的情况下，如果通过照射电荷量提前单元一次地完成射束照射，则与分为二次照射射束的情况相比，能够缩短照射预定的剂量所需要的时间，能够缩短治疗时间。

使用图10说明根据射束照射时的控制流程进行射束照射控制时的目标射束电流值和与之伴随的积蓄射束电荷量的时间变化。为了容易理解说明，图10的加速控制结束后的积蓄射束电荷量(Q_meas1)和一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)与图7相同。

在图10中，在积蓄射束电荷量的第一次～第三次的测量(Q_meas1～Q_meas3)中，不实施提前照射，但在第四次测量(Q_meas4)时实施提前照射，由此一次就提前照射在图7中分为2次照射的电荷量。由此，与图7相比，第四次的照射的目标射束电流值(I_fb)变得比一个单位的照射中的基准射束电流值(I_scan)高，不实施第五次的照射控制而转移到减速控制，由此，能够缩短一个单位的扫描时间(T_scan)和一个单位的照射期间中的照射停止时间(T_off)量的照射时间。

根据本实施例，提前照射在加速控制结束后的积蓄射束电荷量(Q_meas)不为一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)的整数倍的情况下产生的比一个单位的照射所需要的电荷量(Q_scan)少的积蓄射束电荷量，由此能够实现照射时间的缩短。在同步加速器的每个运转周期中都进行这样的提前处理，因此照射时间的缩短效果大，能够实现进一步的治疗时间的缩短。

由此，在出射控制期间的后半，同步加速器内的积蓄射束电荷量比一个单位的照射所需要的电荷量稍多的情况下，针对分为2次照射射束的情况，能够通过照射电荷量提前单元一次就完成射束照射，因此，能够缩短预定的剂量的照射所需要的时间，能够缩短治疗时间。

在以上说明的各实施例的粒子线照射系统中，由照射控制装置44计算一个单位的照射所需要的射束电流值(I_scan)，由积蓄射束电荷量测量单元测量所述同步加速器内的积蓄射束电荷量(Q_meas)，由目标电流设定单元根据积蓄射束电荷量(Q_meas)对一个单位的照射所需要的射束电流值(I_scan)进行修正，由此设定从同步加速器13出射的目标射束电流值(I_fb)，由具有出射射束电流修正控制单元的出射用控制装置20根据目标射束电流值(I_fb)控制射束电流，由此来修正带电粒子束。通过这样修正带电粒子束，能够实现不降低照射剂量一致度就能够提高射束利用效率的粒子线照射系统。

Claims (8)

1.一种粒子线照射系统，具备将离子束加速后射出的同步加速器、照射从上述同步加速器射出的上述离子束的照射装置，从上述照射装置多次进行一个单位的照射，其特征在于，包括：

接收单元，其接收上述多次照射所需的总照射电荷量；

出射用控制装置，其计算累计照射电荷量；

积蓄射束电荷量测量单元，其测量上述同步加速器内的积蓄射束电荷量；

目标电流设定单元，其在将从上述总照射电荷量中减去上述累计照射电荷量所得的剩余照射电荷量和上述积蓄射束电荷量中的少的一方作为比较电荷量的情况下，使用上述比较电荷量来设定从上述同步加速器射出的目标射束电流值；以及

出射射束电流修正控制单元，其根据由上述目标电流设定单元求出的上述目标射束电流值，控制射束电流。

2.根据权利要求1所述的粒子线照射系统，其特征在于，

具备计算一个单位的照射所需的电荷量的照射控制装置，

上述目标电流设定单元利用上述比较电荷量与上述一个单位的照射所需的电荷量的比较值来作为是否需要修正的判断基准。

3.根据权利要求1或2所述的粒子线照射系统，其特征在于，

具备计算一个单位的照射所需的射束电流值的照射控制装置，

上述目标电流设定单元，基于上述一个单位的照射所需的射束电流值修正上述射束电流的目标值，由此决定上述射束电流的目标值。

4.根据权利要求1或2所述的粒子线照射系统，其特征在于，

上述目标电流设定单元在上述比较电荷量比上述一个单位的照射所需的电荷量少的情况下，对上述目标射束电流值进行修正以使其比上述一个单位的照射所需的射束电流值小。

5.根据权利要求4所述的粒子线照射系统，其特征在于，

上述目标射束电流值，是按照上述比较电荷量相对于上述一个单位的照射所需的电荷量的比例，对上述一个单位的照射所需的射束电流值进行修正所得的射束电流值。

6.根据权利要求1或2所述的粒子线照射系统，其特征在于，

上述目标电流设定单元，在上述比较电荷量比上述一个单位的照射所需的电荷量的2倍少的情况下，对上述目标射束电流值进行修正以使其比上述一个单位的照射所需的射束电流值大。

7.根据权利要求6所述的粒子线照射系统，其特征在于，

上述目标射束电流值，是将上述积蓄射束电荷量除以一个单位的照射所需的扫描时间而得的射束电流值。

8.一种粒子线照射系统的带电粒子束的修正方法，该粒子线照射系统具备将离子束加速后射出的同步加速器、照射从上述同步加速器射出的上述离子束的照射装置，从上述照射装置多次进行一个单位的照射，该粒子线照射系统的带电粒子束的修正方法的特征在于，包括：

接收步骤，接收上述多次照射所需的总照射电荷量；

出射用控制步骤，计算累计照射电荷量；

照射控制步骤，计算一个单位的照射所需的射束电流值，

积蓄射束电荷量测量步骤，测量上述同步加速器内的积蓄射束电荷量，

目标电流设定步骤，在将从上述总照射电荷量中减去上述累计照射电荷量所得的剩余照射电荷量和上述积蓄射束电荷量中的少的一方作为比较电荷量的情况下，使用上述比较电荷量来设定从上述同步加速器射出的目标射束电流值，以及

出射射束电流修正控制步骤，根据上述目标射束电流值控制射束电流。