CN103917274B - 粒子射线治疗系统及其射束位置校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明的粒子射线治疗系统包括对带电粒子射束进行加速的加速器系统、以及将从该加速器射出的高能量射束输送到照射位置的射束输送系统，所述射束输送系统中具备至少一个转向电磁铁和与该转向电磁铁相对应的至少一个射束位置监视器，所述射束位置监视器向所述转向电磁铁提供对周期性变动的射束位置进行校正的励磁电流。

Description

粒子射线治疗系统及其射束位置校正方法

技术领域

本发明涉及将质子或碳等带电粒子射束照射于癌等患部来进行治疗的粒子射线治疗系统，尤其涉及对使用扫描式照射(扫描)法的粒子射线治疗系统中的射束位置的校正。

背景技术

粒子射线治疗系统中的照射区形成方法大致可分为宽射束照射法与扫描式照射法(扫描法)，其中，该宽射束照射法利用散射体使射束扩大并同时对照射对象即患者的整个患部进行照射，该扫描式照射法利用电磁铁扫描较细的射束并直接照射到患部。无论是哪一种情况，从加速器射出的带电粒子射束的位置以及角度(倾斜)都不稳定，在延伸至患者附近所设置的照射装置内或照射装置的射束输送路径上需要由各种电磁铁构成的射束轴调整单元，但由于在宽射束照射法中使用散射体，因此即使射束轴稍稍发生偏离，其影响也较少，不需要高精度的射束轴校正单元，但在扫描式照射法中，射束输送系统中的射束轴的偏离会直接影响对患部的照射区，因此要求更为精密的射束轴校正单元。

因此，作为扫描式照射法中的射束轴校正方法，以往提出了如下方法：即，例如在照射装置内具备扫描电磁铁与射束位置检测器，基于来自射束位置检测器的信号计算出目标照射位置的射束位置，控制扫描电磁铁来进行校正，使得扫描射束能照射到目标照射位置(例如参照专利文献1)。上述扫描电磁铁由在x方向与y方向上独立地对在z方向上前进的射束进行控制的2个扫描电磁铁构成，且基于来自上述射束位置检测器的信号的励磁电流分别流过这些电磁铁，使各个电磁铁中产生的磁场随时间变化，并在x方向与y方向上对射束进行扫描。

此外，也提出了如下方法：即，将从加速器射出的带电粒子射束输送至照射装置的射束输送单元包括2台射束位置检测单元与2台转向电磁铁，基于分别从所述射束位置检测单元输出的检测信号计算位移量，基于该位移量对各个所述转向电磁铁的励磁电流进行控制(例如参照专利文献2)。

然而，上述的任一种方法均利用某种方法将基于射束位置检测单元的检测信号计算出的信号作为电磁铁的励磁电流，通过反馈来实现规定的射束轨道，因此具有以下结构性问题，即、由反馈而产生控制系统的时间延迟因此会对校正的精度造成影响。此外，若在从加速器取出带电粒子射束时加速器中的电磁铁的磁场或高频功率中存在周期性变动，则由此对射出射束的位置变动、角度变动产生复杂的影响，仅利用现有的基于反馈的射束轨道的调整单元无法以足够的精度抑制射出射束的位置变动与角度变动。

专利文献1：日本专利特开2009-347号公报

专利文献2：日本专利特开2003-282300号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明是为了解决这些周期性变动原因的影响而完成的，其目的在于提供一种新的粒子射线治疗系统及其校正方法，该粒子射线治疗系统通过利用射束位置检测装置观测上述周期性变动，使转向电磁铁产生用于校正的励磁图案，从而能利用前馈对所射出的射束的位置变动、角度变动的影响进行校正。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的粒子射线治疗系统包括对带电粒子射束进行加速的加速器系统、以及将从该加速器系统射出的高能量射束输送到照射位置的射束输送系统，其特征在于，所述射束输送系统中具备至少一个转向电磁铁和与该转向电磁铁相对应的至少一个射束位置监视器，所述射束位置监视器向所述转向电磁铁提供对周期性变动的射束位置进行校正的励磁电流。

此外，本发明的粒子射线治疗系统的射束位置校正方法中，该粒子射线治疗系统的射束输送系统中具备至少一个转向电磁铁和与该转向电磁铁相对应的至少一个射束位置监视器，该粒子射线治疗系统的射束位置校正方法的特征在于，试验照射时，在将所述射束位置监视器以自由装卸的方式设置于照射位置的状态下进行射束照射，从而捕捉到射束位置的周期性变动，按照位置变动的周期提供所述转向电磁铁的励磁电流值，以去除该变动，取得并保存该周期性励磁电流值，实际照射时，在拆卸了所述射束位置监视器的状态下将所述周期性励磁电流提供给所述转向电磁铁。

发明效果

本发明所涉及的粒子射线治疗系统利用前馈对所射出的射束的周期性变化的位置变动、角度变动进行校正，从而能更高效且可靠地提高带电粒子射束的照射位置的精度。

附图说明

图1是本发明的实施方式1所涉及的粒子射线治疗系统的简要结构图。

图2是说明本发明的实施方式1所涉及的射束输送系统中的射束轨道控制的状态的示意图。

图3是说明上述实施方式1中、射出至射束输送系统的带电粒子射束的射束电流(量)的时间变化的图。

图4是说明上述实施方式1中的转向电磁铁电源所进行的射束校正步骤的流程图。

图5是说明各转向电磁铁中的摆动角计算方法的基本概念图。

图6是表示包含由于周期性变动原因而产生的校正电流图案以及伴随设备配置误差等而产生的校正电流图案的射束轨道校正控制的状态的功能框图。

图7是说明上述射束轨道校正控制的效果根据校正步骤而变化的状态的特性图。

图8是表示呼吸同步照射中的射束轨道校正控制的状态的功能框图。

图9是说明对也考虑了伴随上述呼吸同步照射的设备所产生的位置变动的射束位置变动进行校正的情况的特性图。

图10是本发明的实施方式2所涉及的粒子射线治疗系统的简要结构图。

图11是说明上述实施方式2所涉及的射束轨道控制的状态的示意图。

图12是说明上述实施方式2中的转向电磁铁电源所进行的射束校正步骤的流程图。

图13是在照射位置对射束位置进行测定的监视器设备的简要结构图。

图14是说明本发明的实施方式4所涉及的粒子射线治疗系统的准备阶段的射束轨道控制的其它方法的示意图。

图15是说明本发明的实施方式4所涉及的粒子射线治疗系统的准备阶段的射束轨道控制的另一其它方法的示意图。

图16是本发明的实施方式5所涉及的粒子射线治疗系统的简要结构图。

图17是说明本发明的实施方式5所涉及的射束输送系统中的射束轨道控制的状态的示意图。

图18是说明上述实施方式5中的转向电磁铁电源所进行的射束校正步骤的流程图。

图19是表示本发明的实施方式6所涉及的粒子射线治疗系统在接近实际的状态下的简要结构图。

图20是表示在本发明的实施方式6所涉及的粒子射线治疗系统中、相对于沿着设计轨道的轴s的x轴或者y轴的运动量分散函数的图。

图21是表示在上述实施方式6中、用于提供给动态转向电磁铁33a、33b的励磁电流的摆动角的图。

图22是表示进行本发明的实施方式6所涉及的控制时所获得的运动量分散函数的图。

具体实施方式

实施方式1

基于图1说明本发明的实施方式1所涉及的粒子射线治疗系统100的简要结构。本实施方式的粒子射线治疗系统100包括：由离子源(未图示)或入射器11等构成的入射系统1；通过使从入射器11射出的带电粒子射束进行环绕，从而加速至所需的能量射束的同步加速器等加速器系统2；以及将由该同步加速器2加速的能量射束输送至患者附近的照射装置T为止的射束输送系统3。

图1中，入射器11产生的带电粒子射束入射至同步加速器等加速器系统2，在此处加速至所需的射束能量并从射出用偏转电磁铁30射出到射束输送系统3，经由各种电磁铁对射束轨道进行调整，从而到达照射位置T，对照射对象进行照射。射束输送系统3配置有调整射束尺寸的四极电磁铁32、射束轨道校正用的转向电磁铁33a、33b、偏转射束的方向的偏转电磁铁31等，上述转向电磁铁33a、33b分别利用转向电磁铁电源41、42来控制励磁电流，使得能量射束在射束输送系统中通过规定的射束轨道到达照射对象。

除此以外，在射束轴上的规定位置具有2个射束位置监视器34a、34b。该射束位置监视器34a、34b例如使用荧光板监视器，构成为能自由出入于射束路径中。41、42是上述转向电磁铁33a、33b用的电源，且包括控制装置，该控制装置根据上述射束位置监视器34a、34b中的射束位置的检测值来计算上述转向电磁铁33a、33b的校正用励磁电流的值，并对其进行保存。

转向电磁铁33a、33b至少具有一个即可，但也可以根据需要设置2个以上的转向电磁铁。此外，此处说明的2个转向电磁铁33a、33b分别由x轴用以及y轴用转向用电磁铁构成，该x轴用以及y轴用转向用电磁铁分别作用于与射束的前进方向Z互相成直角的方向即x方向与y方向上，但图中分别表示为1个。来自同步加速器2的离子射束的照射以至少达到治疗所需的能量级别为止的规定时间间隔来间歇性地进行，利用设置于同步加速器的轨道内的高频加速空洞(未图示)进行开/闭控制。该开/闭周期称为射出周期，其中的打开期间称为提供于治疗用的射束溢出。

图2是说明上述图1所示的实施方式1的射束输送系统3中的射束轨道控制的状态的示意图，各电磁铁与图1的电磁铁相对应地表示。图2(a)示出了本发明的射束轨道校正前的射束轨道，图2(b)示出了表示本发明的射束轨道校正结果的射束轨道。下面，利用它们对校正周期性变化的射束位置变动、角度变动的影响的原理进行说明。另外，图中，z表示朝着照射位置T前进的理想的射束轴线，ST1表示例如时间t1的射束轨道，ST2表示与时间t1不同的时间t2的射束轨道。

图3是用于说明射出到射束输送系统3的带电粒子射束的射束电流(量)的时间变化的图，示出了在被称为射束溢出的t1-t2的期间，来自同步加速器2的高能量射束射出到射束输送系统3，之后停止规定时间，重复下一个射出的状态。该射束溢出的期间的长度根据患者的呼吸状态或其它状况、同步加速器的运行状况等而变动，通常根据各射出状况利用偏转电磁铁31、四极电磁铁32等对射束轨道进行调整，从而导入到照射装置，最终在规定的射束轴线z上对照射对象进行照射。

然而，在从上述同步加速器2取出带电粒子射束时，若存在同步加速器中的电磁铁的磁场或高频功率的周期性变动，则上述射束电流(量)由此在通常状态M上叠加周期性变动量L，它们通过上述射出射束的位置变动、角度变动而复杂地相互关联，在利用现有的反馈系统的校正方式中，成为图2(a)所示的射束轨道ST1、ST2，无法完全校正由于上述周期性变动原因而产生的偏差的影响。

本发明的实施方式1中，如图2(b)所示，利用上述第一转向电磁铁33a使射束中心弯曲，使得射束中心通过第二转向电磁铁33b中的射束轴线z，然后，利用第二转向电磁铁33b以射束中心的倾斜与射束轴线z平行的方式进行弯曲，之后射束中心沿着射束轴线z前进。

因此，为了调整上述第一转向电磁铁33a，在上述第二转向电磁铁33b的前方设置第一射束位置监视器34a，并且在上述第二转向电磁铁33b的后方设置第二射束位置监视器34b，由此来调整第二转向电磁铁33b。

接着，利用图4、图5对本实施方式中的转向电磁铁电源41、42所进行的具体的射束校正方法的概要进行说明。图4是表示具体的射束校正步骤的流程图，图5是说明各转向电磁铁中的摆动角计算方法的基本概念图。图4中，首先，在步骤S1中，利用位于上游侧的第一射束位置监视器34a检测出表示各时刻t的射束位置变动的检测信号X1(t)，并输入至转向电磁铁电源41。

时刻t是指射束溢出期间t1～t2之间的多个时刻，意味着检测出各个时刻的射束位置的动态变动。图5(a)是表示在将射束的前进方向Z作为与纸面垂直的方向，以第一射束位置监视器34a观察分别与z轴互相成直角的x轴、y轴上的上述时刻t(t1～t2)的射束位置时、从射束位置B1至B5的变动的一个示例的图。由于上述周期性变动原因而导致射束位置产生远离射束轴z的动作。

图5(a)仅表示了上述射束位置的x轴分量，但当然也存在y轴分量。

在步骤S2中，在转向电磁铁电源41中输入上述第一射束位置监视器34a的检测信号X1，这里在各时刻计算出使X1＝0成立的转向电磁铁33a的摆动角。在该计算中，预先在转向电磁铁电源41的控制装置内以时间表的形式准备与检测信号X1建立关联的摆动角的经验值，根据各时刻的X1，作为使X1＝0成立的转向电磁铁33a的摆动角来导出。

接着，在步骤S3中，根据计算出的摆动角生成电流图案I1(t)，并保存。这也预先在转向电磁铁电源41的控制装置内以时间表的形式准备相对于各摆动角的电流图案，例如，通过对计算得到的摆动角所对应的电流图案实施线性插值从而得到线性的电流图案I1(t)，并将该电流图案I1(t)作为转向电磁铁33a的励磁电流进行输出，来校正射束位置。

在步骤S4中，将该电流图案I1(t)作为转向电磁铁33a的励磁电流使用，以使射束轨道的射束中心弯曲、使得射束轨道的射束中心通过第二转向电磁铁33b中的射束轴线z的方式进行运行，并利用位于下游侧的第二射束位置监视器34b检测出表示时刻t(t1～t2)的射束位置变动的检测信号X2(t)，输入至位于下游侧的第二转向电磁铁电源42。

在步骤S5中，在第二转向电磁铁电源42中计算出使检测信号X2＝0成立的转向电磁铁ST2的摆动角。图5(b)是表示以第二射束位置监视器34b观察x轴、y轴上的上述时刻t(t1～t2)的射束位置时、从射束位置B1至B7的变动的一个示例的图。由于上述周期性变动原因，射束位置B仍然会产生远离射束轴z的动作。上述步骤S4、S5中的计算方法与上述步骤S1、步骤S2的情况相同。

并且，在步骤S6中，根据计算出的摆动角生成电流图案I2(t)，并保存。这也预先在转向电磁铁电源42的控制装置内以时间表的形式准备相对于各摆动角的电流图案，例如，通过对计算得到的摆动角所对应的电流图案实施线性插值从而作为线性的电流图案I2(t)，并在步骤S7中将该电流图案I2(t)作为转向电磁铁33b的励磁电流进行输出，来校正射束位置，使其最终到达射束轴上。

以上是试验照射时的准备操作，并且在实际照射时，使保存的各电流图案与周期性运行的同步加速器同步，并流过上游侧转向电磁铁与下游侧转向电磁铁，从而在射束的位置与射束的角度不变动的状态下照射至患者来进行治疗。

接着，图6中示出了包含由上述周期性变动原因而产生的校正电流图案以及伴随设备配置误差等而产生的校正电流图案的射束轨道校正控制的功能框图。

图6由将伴随设备配置误差等而产生的校正电流图案信号M(t)与伴随设备的周期性误差变动而产生的校正电流图案信号L(t)相加的加法器10、能输出与该加法信号成比例的电流Is(t)的电源20、以及能将摆动提供给射束轨道的其它的转向电磁铁33构成。

图7是说明上述校正控制的效果根据校正步骤而变化的状态的特性图。

图7(A)是表示完全不进行转向电磁铁的校正时的射束动作的图，分别在上段示出了加速器射出射束电流，在中段示出了转向电磁铁电流Is(t)，在下段示出了照射位置上的射束位置(x(t)，y(t))，图7的(B)、(C)中也相同。

图7(A)中，按照同步部加速器的周期运行而射出的射束照射位置的射束位置(x(t),y(t))(最下段)包含照射位置s、以及使设备配置的误差等直流轨道的动作与伴随设备的周期性误差变动而产生的周期性轨道的动作相一致的轨道变动，它们由射束位置监视器来观测。虽然由于上述射束位置监视器而具有周期性变动，但根据测定及计算求出变动的平均值为0时的转向电磁铁电流M(t)，并暂时保存。

图7(B)是表示利用上述转向电磁铁电流M(t)实施校正时的射束动作的图，通过流过上述过程中求出的转向电磁铁电流M(t)，从而射束位置变动(x(t)，y(t))的平均值成为0。并且，以射束位置监视器来观测在加速射束射出期间变动的射束位置，根据该结果计算出使射束位置不产生变动的转向电磁铁电流L(t)并进行保存。

图7(C)是表示实施上述M(t)+L(t)的校正时的射束动作的图，通过在转向电磁铁中流过将上述过程中求出的转向电磁铁电流L(t)加上M(t)后得到的M(t)+L(t)，从而射束位置(x(t)，y(t))的变动成为0。

图8是进一步表示呼吸同步照射中的射束轨道校正控制功能的框图。除了图6的加法器10以外还添加了一台加法器11，通过进一步加上伴随呼吸同步信号触发信号(比加速器射出时间延迟Δt)而产生的校正电流图案信号N(t-Δt)，来流过也能对由呼吸同步照射而产生的位置变动进行校正的电流信号(M(t)+L(t)+N(t-Δt))，从而能对射束位置变动进行校正。

图9说明了对也考虑了伴随上述呼吸同步照射的设备所产生的位置变动的射束位置变动进行校正的情况。图9(A)是以M(t)+L(t)进行校正的情况，在以M(t)+L(t)进行校正时，若使用呼吸同步的照射功能，则会发生伴随呼吸同步射出的设备所产生的射束位置(x(t)，y(t))的变动(参照最下段)。假设在从射束射出开始延迟了Δt后的时刻生成呼吸门控信号，在该条件下同样地通过射束位置监视器观测射束位置变动，根据该结果取得、保存不变动的电流值图案N(t)。接着，在实际照射中，如图9(B)所示，通过加上时刻延迟了Δt＝Δt1＝Δt2后的校正电流N(t-Δt)，从而流过转向电磁铁电流(M(t)+L(t)+N(t-Δt)，能使射束位置(x(t),y(t))的变动为0(参照最下段)。

另外，图1中示出了接近下游侧转向电磁铁的上游侧来设置上游侧射束位置监视器的情况。然而，上述上游侧射束位置监视器对下游侧转向电磁铁的位置的射束位置进行监视的情况虽然较为理想，但不能设置在下游侧转向电磁铁中，因此接近设置在下游侧转向电磁铁的上游侧。取而代之，设置2个上游侧射束位置监视器，一个接近设置在下游侧转向电磁铁的上游侧，另一个接近设置在下游侧转向电磁铁的下游侧，由此也能通过更准确的计算来根据2个射束位置监视器的测量值求出下游侧转向电磁铁中的射束位置，由此能够提高射束位置的校正精度。

实施方式2

基于图10说明本发明的实施方式2所涉及的粒子射线治疗系统100的简要结构。本实施方式的粒子射线治疗系统与实施方式1中所说明的系统具有同样的结构，而不同点在于：实施方式1的射束输送系统3中示出了使用2个转向电磁铁和它们所对应的2个射束位置监视器的示例，但本实施方式中使用1个转向电磁铁33和其所对应的1个射束位置监视器34。另外，示出了上述1个射束位置监视器34在试验照射(准备阶段)中被设置在照射位置T上的情况。

图11是说明上述准备阶段中的射束轨道控制的状态的示意图，各电磁铁与图10的电磁铁相对应地表示。图11(a)示出了射束轨道校正前的射束轨道，图11(b)示出了表示射束轨道校正结果的射束轨道。即，在利用射束位置监视器34进行监视的同时，根据时间控制转向电磁铁电流，其结果是检测并保存射束在照射位置上不产生变动的状态下的转向电磁铁电流。接着，在实际照射中(治疗时)去除上述射束位置监视器34，通过流过之前检测并保存的转向电磁铁电流，从而根据时间控制摆动角。

图12是表示具体的射束校正步骤的流程图，在步骤S1中，使位于照射位置T上的射束位置监视器34运行，使得射束轨道的射束中心通过照射位置T，并且检测出表示时刻t(t1～t2)的射束位置变动的检测信号X(t)，输入至转向电磁铁电源41。

在步骤S2中，在转向电磁铁电源41中计算出使检测信号X＝0成立的转向电磁铁33的摆动角。

并且，在步骤S3中，根据计算出的摆动角生成电流图案I(t)，并保存。这也预先在转向电磁铁电源41的控制装置内以时间表的形式准备相对于各摆动角的电流图案，例如，通过对计算得到的摆动角所对应的电流图案实施线性插值来作为线性的电流图案I(t)，并在步骤S4中将该电流图案I(t)作为转向电磁铁33的励磁电流进行输出，来校正射束位置，使其最终到达射束轴上。

以上是试验照射时的准备操作，并且在实际照射时，使保存的电流图案与周期性运行的同步加速器2同步，并流过转向电磁铁33，从而在射束的位置与射束的角度不变动的状态下照射至患者来进行治疗。由此，与实施方式1的情况相比能更简单地进行射束轨道控制。

另外，图13是在上述照射位置测定射束位置的监视器设备的简要结构图，具有如下结构：即，从喷嘴4的外侧利用例如由螺栓、螺母构成的固定件51以自由装卸的方式安装内置有射束位置监视器34和荧光板52的配件50，从而能够利用射束位置监视器34(照相机)拍摄射束轨道ST位于照射位置T上时的射束位置。通过利用上述那样在照射位置测定射束位置的监视器设备，在上述试验照射时(准备阶段)将射束位置监视器34设置在照射位置T上，在实际照射(治疗时)利用上述固定件51拆除射束位置监视器34。

实施方式3

图14是说明本发明的实施方式3的粒子射线治疗系统的准备阶段中的射束轨道控制的其它方法的示意图，图14(a)示出了不存在扰动时的射束轨道的一个例示，图14(b)示出了存在扰动时的射束轨道。图14(c)示出了本实施方式的校正方法。省略了与实施方式1、2相同的元器件的说明，通过设置于最终段的偏转电磁铁31的下游的射束位置监视器34观测被同步加速器周期性加速、射出的射束的动作。

根据该观测结果计算该射束输送系统3的射束轨道，在使不存在扰动时的位置s的射束位置X0(s)与存在扰动时的位置s的射束位置X1(s)相等的位置(点A)、即在X0(s)＝X1(s)成立的位置s如图14(c)那样配置转向电磁铁33。接着，在试验照射中，电流流过上述转向电磁铁33，利用上述射束位置监视器34取得并保存射束位置不产生变动的电流图案，并且在实际照射中，通过流过基于上述电流图案的电流，从而能够使射束位置以及射束角度不变动。

实施方式4

图15是说明本发明的实施方式4的粒子射线治疗系统的准备阶段中的射束轨道控制的另一其它方法的示意图，图15(a)示出了不存在扰动时的射束轨道的一个例示，图15(b)示出了存在扰动时的射束轨道。利用最终段的偏转电磁铁31的下游即最终段的四极电磁铁32的后段所设置的射束位置监视器34来观测被同步加速器周期性加速、射出的射束的动作。

根据该观测结果计算该射束输送系统3的射束轨道，在使不存在扰动时的位置s的射束位置X0(s)与存在扰动时的位置s的射束位置X1(s)彼此相等且等于0的位置s(即，在X0(s)＝X1(s)＝0成立的点A)配置转向电磁铁33(图15(c))。接着，在试验照射中，电流流过上述转向电磁铁33，根据时间控制摆动角，并利用上述射束位置监视器34取得并保存射束位置不变动的电流图案，并且在实际照射中，通过流过基于上述电流图案的电流，能够使射束位置以及射束角度不变动。

实施方式5

基于图16说明本发明的实施方式5所涉及的粒子射线治疗系统的简要结构。本实施方式的粒子射线治疗系统100基本与图1所示的实施方式1具有大致相同的结构，不同点在仅于转向电磁铁33a、33b与射束位置监视器34a、34b的插入位置。即，实施方式1中在射束输送方向上以第一转向电磁铁33a、第一射束位置监视器34a、第二转向电磁铁33b、第二射束位置监视器34b的顺序进行配置，与此相对，本实施方式中以第一转向电磁铁33a、第二转向电磁铁33b、第一射束位置监视器34a、第二射束位置监视器34b的顺序进行配置。

图17是说明上述图16所示的实施方式的射束输送系统3中的射束轨道控制的状态的示意图，各电磁铁与图16的电磁铁相对应地表示。各转向电磁铁的摆动角的计算方法与图5的说明相同，因此此处省略说明。

17(a)示出了不进行本发明的控制时的射束轨道，图17(b)示出了进行本发明的控制时的射束轨道。另外，图中，z表示朝着照射位置T前进的理想的射束轴线，ST1表示时间t1的射束轨道，ST2表示时间t2的射束轨道。下面，利用它们对求取转向电磁铁的摆动量(角)的原理进行说明，该转向电磁铁的摆动量(角)用于对周期性变化的射束位置变动、角度变动的影响进行校正。

本发明的实施方式1中，在上述第一转向电磁铁33a与第二转向电磁铁33b的后方(下游)设置有第一射束位置监视器34a与第二射束位置监视器34b。如图17(b)所示，使用上述第一转向电磁铁33a与第二转向电磁铁33b两台，利用第二转向电磁铁33b以射束中心的倾斜与射束轴线z平行的方式进行弯曲，之后射束中心沿着射束轴线z前进。

至少分别需要2台转向电磁铁与射束位置监视器的原因在于为了能将位置、倾斜一起校正成0。

接着，对利用本实施方式中的转向电磁铁电源41、42进行的具体的射束校正方法进行说明。图18是表示具体的射束校正步骤的流程图。图中，首先在步骤S1中，利用第一射束位置监视器34a检测出各时刻t的射束位置的检测信号X1(t)，同时利用第二射束位置监视器34b检测出各时刻t的射束位置的检测信号X2(t)。

接着，在步骤S2中，利用调整支援终端即计算机(未图示)来求解联立方程式或者应用重复法来计算使X1与X2能一起变成0的各时刻的摆动角。

接着，在步骤S3中，根据计算出的摆动角生成电流图案I1(t)与I2(t)。这也预先在转向电磁铁电源41及42的控制装置内以时间表的形式准备相对于各摆动角的电流图案，例如，通过对计算得到的摆动角所对应的电流图案实施线性插值来作为线性的电流图案I1(t)与I2(t)，并将该电流图案I1(t)与I2(t)作为转向电磁铁33a、33b的励磁电流进行输出，来校正射束位置，使其最终到达射束轴上。

这样的实施方式中也能获得与实施方式1相同的效果，并且由于建筑配置等限制条件而产生对于设备配置的限制条件，因此本实施方式有时较为有利。

实施方式6

在粒子射线治疗系统中，一般在射束输送系统中分别配置有多个变更带电粒子射束的前进方向的偏转电磁铁或转向电磁铁、以及通过使带电粒子射束收束、发散来控制射束宽度的四极电磁铁等。因此，收纳这些装置的空间非常大，需要用于收纳这些装置的充足的建筑面积。例如较大的偏转电磁铁的高度达到2.5m，偏转半径达到1.5m，根据其使用目的有时需要设置多个这样的偏转电磁铁。因此在无法确保较大的建筑的各种设备中，只要能减少一个上述偏转电磁铁，也能对粒子射线治疗系统的小型化产生较大的贡献，此外，配置上的限制也会有所减少。

本实施方式6说明了在射束输送系统3的上述实施方式1～5所说明的粒子射线治疗系统中，进一步省略至少一个偏转电磁铁，即使不使用偏转电磁铁也能消除运动量分散函数的相关性，从而达到相同目的的情况。图19示出了射束输送系统中本实施方式所涉及的粒子射线治疗系统的结构图。

图中，与图1、图10相同或相当的部分标注相同的标号，5表示作为患者的治疗室的台架。图中以与实际接近的状态示出从加速器系统2的射出用偏转电磁铁30射出的射束在到达台架5为止的射束输送系统3中，没有利用公知的四极电磁铁与偏转电磁铁的组合来消除运动量分散函数的相关性，而是仅利用四极电磁铁32与转向电电磁铁33a、33b来消除运动量分散函数的相关性。

运动量分散函数是指运动量与位置之间的相关函数，从加速器系统2射出的带电粒子射束中存在运动量与位置的相关性，因此，为了确保治疗品质，在输送至台架入口时去除该相关性较为重要。上述射束输送系统3的作用不仅仅在于将带电粒子射束输送到台架5，还在于去除运动量分散函数来进行输送。通常在由加速器产生x方向的运动量分散时，需要消除该x方向的分散的x方向偏转电磁铁与四极电磁铁的组合，此外，在从加速器中取出而产生y方向的运动分散量时，需要消除该y方向的分散的y方向偏转电磁铁与四极电磁铁的组合。

从加速器射出的方式具有各种方式，其中包括如下方式，该方式具有时间与运动量分布呈强相关性的性质，即、中心运动量随着时间较大变化的趋势。

这考虑是由上述加速器中的电磁铁的磁场或高频功率的周期性变动等而引起的，通过如实施方式1～5所说明的那样在射束位置监视器上监视与这些加速器的运行周期联动的周期性变动，对轨道进行校正，以消除射束位置监视器的输出的动态变动，从而能够消除它们的周期性变动，即、时间与运动量分布的强相关性。

以下基于图19的示例对此进行具体说明。

从同步加速器射出的射束通常在x方向与y方向上均具有运动量分散函数。图20(a)、(b)是表示x轴或者y轴的运动量分散函数(纵轴)相对于沿着设计轨道的轴s(横轴)的距离(m)，即与设计轨道的偏离x(mm)、y(mm)的图，示出了运动量分散函数随着时间而较大变化的状态。图的下侧(t＝0)表示射出开始的状态，随着时间而成为上侧的轨迹。图中示出了到t＝1为止的时间间隔。沿设计轨道的轴s(m)是将加速器系统2的射出口设为0，将到台架5的入口为止的距离设为15m时的示例，图的下部所示的较大的四方形表示射出用偏转电磁铁30，上半部分的较小的四方形表示收束四极电磁铁、下半部分的较小的四方形表示发散四极电磁铁。

通过对上述进行理解可知，时间与运动量具有强相关性，射束的运动量随时间而增大。在x方向的s＝15m的位置上射束基本不动，因此运动量分散函数η＝0，但倾斜随着时间而变化，因此在s方向对上述η进行微分后的值η'满足η'≠0。

另一方面，在y方向的s＝13m的位置射束基本不动，因此η＝0，但倾斜随着时间而变化，因此仍然满足η'≠0。

粒子射线治疗装置中，优选旋转的台架入口和等中心位置上的运动量分散函数为η＝0、η'＝0。

因此，在s＝5m的位置与s＝11m的位置上设置2组x方向与y方向上的转向电磁铁33a、33b的组合，例如在s＝12m的位置与s＝15m的位置放置监视器34a、34b。此处，使用上述实施方式5所说明的、对周期性变化的射束位置变动、角度变动进行校正的原理，能够求出使得上述监视器34a、34b的位置的射束重心移动量变为0的动态转向电磁铁的电流图案。例如，若利用图21所示的电流图案对上述动态转向电磁铁33a、33b进行励磁，则能获得图22所示的运动量分散函数。即，可知能在台架入口处实现x(t)＝0、x’(t)＝0、y(t)＝0、y’(t)＝0。由于时间与运动量具有强相关性，因此同时也能实现ηx＝0、η’x＝0、ηy＝0、η’y＝0。

在这样时间与运动量具有强相关性的情况下，通过组合监视器与动态转向电磁铁，与现有的偏转电磁铁与四极电磁铁的组合相比能省略偏转电磁铁，能利用小型且低价的装置实现运动量分散函数为0的输送路径。

标号说明

1入射系统、2加速器系统、3射束输送系统、4喷嘴、

5台架、10加法器、11入射器、20电源、

30、31偏转电磁铁、32四极电磁铁

33、33a、33b转向电磁铁、

34、34a、34b射束位置监视器、

41、42转向电磁铁电源、

100粒子射线治疗系统。

Claims (8)

1.一种粒子射线治疗系统，

包括对带电粒子射束进行加速的同步加速器、以及将从该同步加速器射出的高能量射束输送到照射位置的射束输送系统，其特征在于，所述射束输送系统中具备2个转向电磁铁和与这些转向电磁铁相对应的2个射束位置监视器，第一射束位置监视器设置于第二转向电磁铁的前方，利用所述第一射束位置监视器的检测信号对第一转向电磁铁的励磁电流进行调整，并且第二射束位置监视器设置于第二转向电磁铁的后方，利用所述第二射束位置监视器的检测信号对所述第二转向电磁铁的励磁电流进行调整，进而与周期性运行的所述同步加速器同步地分别对应于所述第一转向电磁铁和所述第二转向电磁铁加上校正电流图案信号，其中，所述校正电流图案信号对周期性变动的射束位置变动进行校正。

2.如权利要求1所述的粒子射线治疗系统，其特征在于，

所述第一射束位置监视器接近设置在所述第二转向电磁铁的前方，第三射束位置监视器接近设置在所述第二转向电磁铁的后方，根据所述第一以及第三射束位置监视器的测量值,通过计算求出所述第二转向电磁铁的位置。

3.一种粒子射线治疗系统的射束位置校正方法，

该粒子射线治疗系统包括对带电粒子射束进行加速的同步加速器、以及将从该同步加速器射出的高能量射束输送到照射位置的射束输送系统，该射束输送系统中具备至少一个转向电磁铁和与该转向电磁铁相对应的至少一个射束位置监视器，其特征在于，

试验照射时，在将所述射束位置监视器以自由装卸的方式设置于照射位置的状态下进行射束照射，从而捕捉到射束位置的周期性变动，按照位置变动的周期提供所述转向电磁铁的励磁电流值，以去除该变动，取得并保存该周期性励磁电流值，实际照射时，在拆卸了所述射束位置监视器的状态下将所保存的所述周期性励磁电流提供给所述转向电磁铁。

4.一种粒子射线治疗系统的射束位置校正方法，该粒子射线治疗系统包括对带电粒子射束进行加速的同步加速器、以及将从该同步加速器射出的高能量射束输送到照射位置的射束输送系统，其特征在于，

射束输送系统中具备2个转向电磁铁和与这些转向电磁铁相对应的2个射束位置监视器，试验照射时，利用配置在上游侧转向电磁铁与下游侧转向电磁铁之间、且接近下游侧转向电磁铁的上游侧射束位置监视器来取得并保存射束位置不随时间变动的上游侧转向电磁铁的电流图案数据，接着，以上述所保存的电流图案来运行上游侧转向电磁铁电流，利用配置在下游侧转向电磁铁的下游的射束位置监视器来观测射束位置，使下游侧转向电磁铁电流变化，取得并保存射束位置不随时间变动的下游侧转向电磁铁的电流图案数据，并且，在实际照射时，使所保存的电流图案与周期性运行的同步加速器同步，使其流过上游侧转向电磁铁与下游侧转向电磁铁，从而使得射束位置与射束角度不发生变动。

5.如权利要求4所述的粒子射线治疗系统的射束位置校正方法，其特征在于，

作为射束位置不随时间变动的下游侧转向电磁铁的电流图案数据，使用包含伴随设备的周期误差变动以及/或者呼吸同步信号的、由设备所产生的周期性误差变动在内的校正电流图案信号。

6.一种粒子射线治疗系统的射束位置校正方法，该粒子射线治疗系统包括对带电粒子射束进行加速的同步加速器、以及将从该同步加速器射出的高能量射束输送到照射位置的射束输送系统，其特征在于，

利用设置在射束输送系统的最终段的偏转电磁铁的下游的射束位置监视器来观测被同步加速器周期性加速、射出的射束位置变动，根据该观测结果计算射束输送系统的射束轨道，在不存在扰动时的位置s的射束位置X0(s)与存在扰动时的位置s的射束位置X1(s)相等的位置，即X0(s)＝X1(s)的位置s上配置转向电磁铁，试验照射时，使电流流过所述转向电磁铁，并利用所述射束位置监视器取得并保存射束位置不变动的电流图案，并在实际照射时根据所述电流图案使电流流过所述转向电磁铁，从而使射束位置以及射束角度不变动。

7.如权利要求6所述的粒子射线治疗系统的射束位置校正方法，其特征在于，

在不存在扰动时的位置s的射束位置X0(s)与存在扰动时的位置s的射束位置X1(s)为0、即X0(s)＝X1(s)＝0的位置s上配置转向电磁铁。

8.一种粒子射线治疗系统的射束位置校正方法，该粒子射线治疗系统包括对带电粒子射束进行加速的同步加速器、以及将从该同步加速器射出的高能量射束输送到照射位置的射束输送系统，其特征在于，

射束输送系统中具备2个转向电磁铁和在这些转向电磁铁后方的2个射束位置监视器，利用第一射束位置监视器检测各时刻t的射束位置的检测信号X1(t)，并利用第二射束位置监视器检测各时刻t的射束位置的检测信号X2(t)，接着，计算出能使X1与X2均为0的各时刻的摆动角，然后，根据计算得到的摆动角生成电流图案I1(t)与I2(t)，并将它们分别作为上述2个转向电磁铁的励磁电流输出，从而进行校正，使得射束位置最终到达射束轴上。