CN103768730B - 粒子射线照射装置 - Google Patents

Abstract

本发明的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不使用IF条件句(区分情况的条件式)，就能运算控制指令值，能提高照射位置精度。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，根据基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标、使用上述逆映射数学模型而生成的上述指令值，来对上述扫描电磁铁进行控制，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

本申请是发明名称为“粒子射线照射装置”、国际申请日为2009年6月9日、申请号为200980159044.6(国际申请号为PCT/JP2009/060531)的发明专利申请的分案申请。

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

在现有的进行扫描式照射的粒子射线照射装置中，如专利文献1所示的那样，为了将带电粒子束进行扫描，使扫描单元即扫描电磁铁的设定电流随时间发生变化。该扫描电磁铁的设定电流值能够基于扫描电磁铁的规格、扫描电磁铁电源的规格、及照射粒子束的规格(照射能量、入射粒子束位置等)利用理论公式求出。然而，由该理论公式计算出的扫描电磁铁的设定电流值是以扫描电磁铁的规格、扫描电源的规格、及照射粒子束的规格完全不变为前提条件得出的理论值，但是由于在现实中会因为各种原因发生变动，因此照射位置可能会发生偏移而导致产生错误照射。

例如，由于扫描电磁铁一般是双极性电磁铁，因此，因电磁铁的磁滞而导致尽管提供给电磁铁的电流为零但也会有残留的磁场，有可能因该残留的磁场而导致射束照射位置偏移设定的位置。另外，因其他某些设备的老化等原因，尽管以相同条件进行照射，但射束照射位置也可能会发生偏移。因此，提出有以下方法(专利文献1)：即，首先在进行治疗之前，在没有患者的状态下，设定适当的多个照射条件(照射能量等)进行试照射，将在射束位置监控器上检测出的射束位置数据(x_a，y_a)和扫描电磁铁的设定电流值(I_a，I_b)的变换表预先存储在存储装置中，在进行治疗照射时，使用上述变换表来对扫描电磁铁的设定电流值进行运算。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本国专利特开2005-296162号公报

发明内容

由于现有的扫描式粒子射线照射装置如上述那样使用变换表来运算扫描电磁铁的设定电流值(二维)，因此在基于治疗照射的目标照射位置坐标(二维)参照变换表时，需要大量使用IF条件句(区分情况的条件式)，或在想要增加试照射的照射部位等的情况下，需要改变与变换表的大小变化相对应的程序本身。另外，在将粒子射线照射装置的控制输入扩展为三维(二维的扫描电磁铁的设定电流值和一维的带电粒子束的设定能量)的情况下，存在利用变换表的方法变得更复杂、难以实现的问题。特别是在因呼吸等而引起照射目标(患部)的位置、姿势、形状时刻发生变化的情况下，在利用现有变换表的方法中，难以实时地生成指令值。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其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不使用IF条件句(区分情况的条件式)，就能运算控制指令值，能提高照射位置精度。

本发明的粒子射线照射装置利用扫描电磁铁将由加速器进行了加速的带电粒子束进行扫描并照射至照射对象，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上述扫描电磁铁的指令值，根据基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标、使用上述逆映射数学模型而生成的上述指令值，来对上述扫描电磁铁进行控制，以将带电粒子束进行扫描，来照射至照射对象。

另外，本发明的粒子射线照射装置基于摄像中的照射目标信息对上述目标照射位置坐标进行校正，根据基于校正后的上述目标照射位置坐标、使用上述逆映射数学模型而生成的指令值，来对上述扫描电磁铁进行控制，以将带电粒子束进行扫描，来照射至照射对象。

根据本发明的粒子射线照射装置，由于包括具有逆映射数学模型的逆映射单元，上述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，因此不使用IF条件句(区分情况的条件式)，就能运算控制扫描电磁铁的指令值，能提高照射位置精度。

另外，由于基于摄像中的照射目标信息对目标照射位置坐标进行校正，基于校正后的上述目标照射位置坐标，使用逆映射数学模型来运算对扫描电磁铁进行控制的指令值，因此，能够实时地生成上述指令值。

附图说明

图1是表示一维情况下的控制输入和控制输出之间的关系的示意图。

图2是表示基于变换表的控制输入的生成流程(一维)的流程图。

图3是表示基于变换表的控制输入的生成方法(二维)的校准时的图。

图4是表示基于变换表的控制输入的生成方法(二维)的正式照射时的图。

图5是表示基于变换表的控制输入的生成流程(二维)的流程图。

图6是表示本发明的实施方式1的粒子射线照射装置的结构图。

图7是说明在本发明中基于校准时的实际数据来计算系数(未知参数)的方法的图。

图8是说明在本发明中计算系数(未知参数)的方法的框图。

图9是说明在本发明中计算系数(未知参数)的方法的流程图。

图10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11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12是表示本发明的实施方式3中的粒子射线照射装置的结构图。

图13是说明本发明的实施方式4的对应于运动内脏的动作的图。

具体实施方式

此处，详细讨论使用现有的变换表的粒子射线照射装置所存在的问题。首先，为了简单起见，基于图1说明粒子射线照射装置的扫描电磁铁(scanning电磁铁)为一台的情况(沿X方向进行一维扫描的情况)。图1是表示一维情况下的控制输入和控制输出之间的关系的示意图。为了提高带电粒子束的照射位置精度，除了正式照射(治疗照射)以外，还在没有患者的状态下进行用于校准的试照射。图(a)是表示试照射的结果的一个例子，将横轴设为控制输入即扫描电磁铁的设定电流值，将纵轴设为控制输出即照射位置X坐标。若扫描电磁铁的规格、扫描电磁铁电源的规格、及照射粒子束的规格(照射能量、入射粒子束位置等)不发生变化，则由于根据设定电流值来唯一地决定照射位置X坐标，因此，能够将其解释为映射。

在进行正式照射(治疗照射)时，则相反，必须对目标照射位置坐标生成控制输入(扫描电磁铁的设定电流值)。基于图1(b)说明使用现有变换表的方法。由于图1(b)与图1(a)的输入输出关系是相反的，因此，需要注意横轴和纵轴是相互交换的。设能够如下表1所示那样，获得试照射时的控制输入(扫描电磁铁的设定电流值)和控制输出(照射位置X坐标)的结果。

表1用于校准的试照射结果

(表中，表示控制输入和控制输出的字母使用在控制工程学中常用的u和y)

如果，在进行正式照射(治疗照射)时想要照射的目标照射位置X坐标恰巧与试照射时的照射位置X坐标中的某一个相等的情况下，例如，若目标照射位置X坐标为y₁，则根据表1的结果，只要将扫描电磁铁的设定电流值设为u₁即可。在正式照射(治疗照射)时想要照射的目标照射位置X坐标不同于试照射的照射位置X坐标的情况下(大部分相当于这种情况)，广泛地使用称为线性插补的方法来计算设定电流值。基于图1(b)和图2的流程图来说明利用线性插补的方法。

将目标照射位置X坐标设为y_obj。比较目标照射位置X坐标y_obj、与以校准的试照射结果的照射位置X坐标y₀，y₁，…，y_n为边界的区域，来求出目标照射位置X坐标属于哪个区域。若校准的试照射结果的照射位置X坐标y₀，y₁，…，y_n按照大小顺序排列，则利用图2的流程图所示的方法，能够求出目标照射位置X坐标y_obj所属的区域。例如，目标照射位置X坐标y_obj属于由y₀和y₁构成的区域的情况下，即，在y₀≤y_obj≤y₁的情况下，假定在该区域内照射位置坐标和设定电流值的关系为线性，利用直线近似来计算用于实现目标照射位置X坐标y_obj的设定电流值的推定值u_obj。

[数学式1]

$\mathrm{\λ}=\frac{y_{\mathrm{obj}}-y_1}{y_0-y_1}$ （数学式1）

u_obj＝λu₀+(1-λ)u₁

在要实现图2所示的流程的情况下，在求出目标照射位置X坐标y_obj属于哪个局域的步骤中，需要使用很多IF条件句(区分情况的条件式)。

为了简单起见而对一维的情况进行了说明，但是实际的粒子射线照射装置要求使用两个扫描电磁铁来进行二维扫描。基于图3、图4来说明在二维的情况下如何应用使用变换表的方法。校准时的试照射例如图3(a)所示那样，使控制输入即两台扫描电磁铁3a、3b(参照图6)的设定电流值I_a、I_b呈栅格状进行变化。试照射的结果是如图3(b)所示的那样，获得对应于各控制输入的控制输出即照射位置坐标。若扫描电磁铁的规格、扫描电磁铁电源的规格、及照射粒子束的规格(照射能量、入射粒子束位置等)不发生变化，则由于相对于控制输入，唯一地决定控制输出，因此，能够将其解释为映射。特别是，将物理现象的从控制输入向着控制输出的映射称为正映射。

在进行正式照射(治疗照射)时，则相反，必须对目标照射位置生成实现该目标照射位置的控制输入(两台扫描电磁铁的设定电流值I_a和I_b)。基于图4(a)、(b)来说明也使用变换表来进行上述过程的方法。在一维的情况下，生成以校准的试照射结果的照射位置X坐标y₀，y₁，…，y_n为边界的区域，来求出目标照射位置X坐标y_obj属于哪个区域。在二维的情况下，也利用以校准的试照射结果的照射位置y₀，y₁，…，y_n为顶点的多边形来将照射位置平面分割成多个区域，来求出目标照射位置y_obj属于哪个区域。

此外，试照射结果的照射位置y₀，y₁，…，y_n和目标照射位置y_obj是矢量(二维)。在求出属于哪个区域的步骤中，需要使用很多IF条件句(区分情况的条件式)。如图4(a)所示，能较好地求出目标照射位置y_obj所属的区域。以图4(a)为例，在目标照射位置y_obj所属的区域的顶点为y₂₀、y₂₁、y₂₇的情况下，能够以下式表示目标照射位置y_obj。

[数学式2]

y_obj＝y₂₀+k{(1-λ)(y₂₁-y₂₀)+λ(y₂₇-y₂₀)} （数学式2）

式中，

0≤k≤1

0≤λ≤1

[数学式3]

或者将数学式2进行变形，得到下式：

$y_{\mathrm{obj}}=y_{20}+k\{(1-\mathrm{\λ})(y_{21}-y_{20})+\mathrm{\λ}(y_{27}-y_{20})\}$

∴y_obj＝αy₂₀+βy₂₁+δy₂₇　且α+β+δ＝1 （数学式3）

式中，

0≤α≤1

0≤β≤1

0≤δ≤1

数学式2的几何学意义在于，如图4(a)所示那样，求出满足数学式2的k，λ，若不在0≤k≤1且0≤λ≤1的范围内，则可知目标照射位置y_obj不属于由顶点为y₂₀、y₂₁、y₂₇构成的区域。所谓的求出目标照射位置y_obj输入哪个区域的步骤，实际上是对所有的区域来求出k，λ，并确认是否处于0≤k≤1且0≤λ≤1的范围内。k，λ可由以下数学式求出。

[数学式4]

(求λ的方法)

det[y_obj-y₂₀,y₂₁-y₂₀+λ(y₂₇-y₂₁)]＝0 （数学式4）

只要求出满足数学式4的λ即可。通过将y₂₀，y₂₁，y₂₇及y_obj的具体坐标代入数学式4的矩阵，能够表示为以下形式。

〔数学式5〕

$\det \left[\begin{array}{cc}{x}_{\mathrm{obj}-20},& x_{21-20}+{\mathrm{\λx}}_{27-21}\\ y_{\mathrm{obj}-20},& y_{21-20}+{\mathrm{\λy}}_{27-21}\end{array}\right]=0$

$\⇒$

x_obj-20(y_21-20+λy_27-21)-(x_21-20+λx_27-21)y_obj-20＝0

$\⇒$

λ(x_obj-20y_27-21-x_27-21y_obj-20)+x_obj-20y_21-20-x_21-20y_obj-20＝0

$\⇒$

∴ $\mathrm{\λ}=\frac{x_{\mathrm{obj}-20}{y}_{21-20}-x_{21-20}{y}_{\mathrm{obj}-20}}{x_{\mathrm{obj}-20}{y}_{27-21}-x_{27-21}{y}_{\mathrm{obj}-20}}$ （数学式5）

[数学式6]

(求k的方法)

使用由数学式5求出的λ。

p＝y_obj-y₂₀

q＝y₂₁-y₂₀+λ(y₂₇-y₂₁)

$k=\frac{\left|p\right|}{\left|q\right|}$

（数学式6）

式中，“‖”表示矢量的大小。

$\left|p\right|=\sqrt{P^{T}P}$

由此，在使用变换表的方法中，为了求出目标照射坐标属于哪个区域，需要对所有的区域求出上述k，λ，存在该步骤中需要较多的运算和IF条件句(区分情况的条件式)的问题。(参照图5的二维流程图)

实施方式1.

图6是表示本发明的实施方式1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11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，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(beam damper)、及照射路线偏转电磁铁等。实施方式1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，并被引导向照射部。进而，带电粒子束1从射束射出窗4射出，设计成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)。对上述射束照射位置进行控制的方法有：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10)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。

在实施方式1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由目标照射位置坐标构成的多项式模型。以下的数学式7中示出了最高次数为2的情况下的多项式模型。此外，在实施方式1中，假设射束照射位置的z方向(深度方向)是根据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7]

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

（数学式7）

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7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6的8示出了正映射(实际物理现象)的方向。图8是说明计算系数(未知参数)的方法的框图。图9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并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，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8)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的。例如，将对X方向扫描电磁铁的指令值Ia改变为I_a+ΔI_a、…，将对Y方向扫描电磁铁的指令值Ib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7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8]

（数学式8）

式中，矩阵A_c是由照射位置坐标构成的逆映射的输入矩阵，矩阵X_c是逆映射的未知参数矩阵，矩阵B_e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X_c的值尚未求出。将校准的试照射时的指令值B_carib及所获得的照射位置A_carib的实际数据根据数学式8的形式，来沿纵向进行排列以构成纵向矩阵。

[数学式9]

（数学式9）

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10]

Xc＝(A_carib ^TA_carib)^-1A_carib ^TB_carib

（数学式10）

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7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(7)所示那样的次数=2。可以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。另外，逆映射数学模型只要是能够近似的数学式即可，也能够是多项式以外的数学式。

粒子射线照射装置要求照射三维的带电粒子束，如图6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10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。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。此外，在实施方式2中将对图10的逆映射数学模型和动能指令值E_be进行说明。在实施方式1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，若对于扫描电磁铁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7)，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)。

在实施方式1中，对各不相同的多个带电粒子束动能的每个带电粒子束动能求出逆映射。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，…是通过将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，…是通过将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，在实施方式1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发送到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，不需要如使用变换表时那样，为了从基于校正数据而生成的多个区域中求出目标照射坐标所属的区域而使用大量的计算、大量的IF条件句(区分情况的条件式)，能够获得根据作为对象的粒子射线照射装置的个体差异、使用环境、老化来补偿射束位置精度的、高精度、高可靠性的粒子射线照射装置。

实施方式2.

图11是表示实施方式2中的粒子射线照射装置的结构图。在实施方式1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2中，如图11、数学式11(后述)所示那样，将逆映射数学模型设为三个输入三个输出。以下的数学式11中示出了三个输入三个输出、最高次数为2的情况下的由目标照射位置坐标构成的多项式模型。

[数学式11]

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

（数学式11）

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)时的对X、Y方向扫描电磁铁的指令值的推定值、及对加速器的带电粒子束的动能的指令值的推定值。决定逆映射数学模型的特性的系数(未知参数)与实施方式1相同，可通过以下方法求出：即，预先进行用于校准的试照射，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Eb。

参照图7、图8、图9，接收到上述指令值，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)。而且，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11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12〕

（数学式12）

式中，矩阵A_c是由照射位置坐标构成的逆映射的输入矩阵，矩阵X_c是逆映射的未知参数矩阵，矩阵B_e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X_c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12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B_carib及所获得的照射位置A_carib的实际数据根据数学式12的形式，来沿纵向进行排列以构成纵向矩阵。

[数学式13]

（数学式13）

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+1个部位试照射)。与实施方式1相同，利用最小二乘法的式子10来求出逆映射的未知参数矩阵X_c。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11所示那样的次数=2。在实施方式2中，也可以预先准备了多个多项式模型，从而使操作者能够选择多项式模型。

在实施方式2中，也参照图10，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11)，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1)中并未考虑Z方向的影响，但是在实施方式2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。

实施方式3.

图12是表示实施方式3中的粒子射线治疗装置的结构图。31是设置于射束输送系统中的最后偏转电磁铁，配置于Y方向的扫描电磁铁3b的上游，使带电粒子束偏转至路经A、B、C。在实施方式1的图6中，示出了扫描电磁铁3位于最下游的简单的情况，省略了在扫描电磁铁(摇摆电磁铁)的下游设置有偏转电磁铁的情况、及通过较好地利用偏转电磁铁而省略扫描电磁铁的情况。也能对上述结构例应用本发明，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12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4.

图13是说明实施方式4的对应于运动内脏的动作的图。本发明特别对在因呼吸等而运动的内脏中生成的肿瘤等照射目标的移动、变形想要实时地进行跟踪并应对的情况下发挥效果。基于图13进行说明。在使用粒子射线照射装置进行粒子射线治疗的情况下，首先，需要掌握照射对象即患部是什么形状、位于哪个位置。因此，使用CT、MRI、X射线等摄像装置对患部进行三维拍摄。粒子射线治疗计划装置基于所拍摄的三维视频信息(下文中称为治疗计划时的基准摄像)来辅助制定、生成治疗计划。

粒子射线治疗装置基于治疗计划来进行粒子射线照射。因此，以往需要进行所谓的“定位操作”，上述定位操作是使得患者位于粒子射线治疗室的床等患者保持装置上，尽可能与用摄像装置进行拍摄时的姿势保持相同的姿势，放射线技师对床等患者保持装置进行移动调整，使其与治疗计划时的基准摄像完全一致。例如，若将图13的右下方的图设为进行治疗时的拍摄画面，则其不同于图13的左下方所示的基准摄像，需要移动调整床等患者保持装置，直到两者完全一致为止。

另外，因呼吸等也可能会引起内脏运动，照射目标(患部)的形状发生变形(图13的右上方的图)。一直以来，对于该问题，需要设法通过使用呼吸同步装置等、来使呼吸的时刻与照射的时刻相一致等。在整个治疗过程中都需要进行所述定位及呼吸同步，因而是十分耗时的操作，且会增加每个人的治疗时间，存在也会加重患者的负担的问题。

本发明的实施方式4所示的粒子射线照射装置中，无需使进行治疗的正式照射时的患部的位置、姿势与治疗计划时的基准摄像相一致，而采用根据进行治疗的正式照射时的患部的位置、姿势来实时地变换目标照射坐标的策略。如图13所示，对照射目标预先决定路标(特征部位或插入标记)。通过比较治疗计划时的基准摄像的路标位置、和正式照射时的摄像的路标位置，从而了解如何转换目标照射坐标为好。具体而言，假设对治疗计划时的基准摄像中所拍摄的照射目标(患部)进行平行移动、旋转移动、放大缩小(沿某方向放大、沿其他方向缩小变形)，来获得正式照射时的摄像中所拍摄的照射目标(患部)。即，将此也作为一种映射，基于路标的位置变化信息，可假设照射目标的所有点都根据同一映射进行移动。

基于上述映射，只需将治疗计划时的目标照射位置坐标变换为正式照射时的目标照射位置坐标即可。由于因呼吸而使照射目标时刻都发生变动，因此，还需要对该目标照射坐标进行实时的转换。对于现有的基于变换表来生成指令值的方法，由于使用大量的IF条件句(区分情况的条件式)，因此，难以对时刻变化的目标照射坐标实时地生成指令值。

若使用本发明所示的使用多项式来生成指令值的方法，由于多项式中仅使用加法和减法运算，因此，在实时处理中具有优势，不需要定位操作，即使在因呼吸等而导致照射目标(患部)发生移动、变形的情况下，也能灵活地应对，能够发挥缩短治疗时间、不加重患者负担的现在所没有的效果。

如上所述，由于基于摄像中的照射目标信息对目标照射位置坐标进行校正，根据基于校正后的上述目标照射位置坐标、使用逆映射数学模型而生成的指令值，来对扫描电磁铁进行控制，以将带电粒子束进行扫描，来照射至照射对象，因此，能够实时地生成上述指令值。另外，由于基于摄像中的照射目标信息对目标照射位置坐标进行校正，根据基于校正后的上述目标照射位置坐标、使用逆映射数学模型而生成指令值，来对扫描电磁铁及带电粒子束的动能进行控制，以将带电粒子束进行扫描，来照射至照射对象，因此，能够实时地生成上述指令值。

实施方式5.

在实施方式1和实施方式2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)的情况下，还能够使用加权最小二乘法。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)中、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，对校准的试照射时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 (2)

1.一种用于治疗的粒子射线照射装置，

包括加速器(11)、扫描电磁铁(3)、以及对所述加速器(11)和所述扫描电磁铁(3)进行控制并将从所述加速器(11)射出的带电粒子束照射至照射对象的控制器(10)，

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分别是包含以两个变量来表示带电粒子束的照射位置平面上的所述目标照射位置坐标时的所述两个变量中的任意一个的多项式，

所述多项式中所包含的未知系数通过以下方式求出：即，对所述X方向扫描电磁铁(3a)和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，

所述用于治疗的粒子射线照射装置具有摄像装置，根据所述摄像装置摄像过程中照射目标的移动或变形的信息，对所述目标照射位置坐标进行修正，根据修正后的所述目标照射位置坐标，并利用基于作为多项式的所述X方向和Y方向逆映射数学模型所分别生成的所述X方向和Y方向指令值，跟踪所述照射目标的移动或变形，由此控制所述X方向扫描电磁铁(3a)和Y方向扫描电磁铁(3b)来对带电粒子束进行扫描并照射到照射对象上。

2.如权利要求1所述的用于治疗的粒子射线照射装置，其特征在于，

所述X方向和Y方向逆映射数学模型有多组，能够从所述多组中选择要使用的所述X方向和Y方向逆映射数学模型。