CN104411361B - 加速器的高频控制装置及粒子射线治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明具备：硬盘驱动器存储器(31)，该硬盘驱动器存储器(31)按产生的粒子射线的能量与强度的每个组合存储所施加的高频的模式数据；以及本地存储器(32)，为了执行扫描式照射法，该本地存储器(32)对于每个患者，从硬盘驱动器存储器(31)读取高频的多个模式数据以及改变能量和强度的顺序并进行存储，且该本地存储器(32)与硬盘驱动器存储器相比数据的读取速度较快，所述扫描式照射法中，通过依次改变粒子射线的能量和强度来对照射对象即患者的患部照射粒子射线，从而在患者的患部的深度方向依次形成层状的粒子射线照射区域。

Description

加速器的高频控制装置及粒子射线治疗装置

技术领域

本发明涉及粒子射线治疗装置的射线源即同步加速器这样的加速器用的高频控制装置以及粒子射线治疗装置。

背景技术

粒子射线治疗是通过对患部组织照射粒子射线，对其进行破坏来进行治疗的广义的放射线治疗的一种。质子射线、重离子射线等粒子射线与γ射线、X射线这样的其他放射线不同，能够通过粒子射线的能量来调整提供剂量的深度范围，并且能够实现与患部的立体形状相对应的提供剂量。因此，对于粒子射线治疗装置用的加速器，尤其需要以正确的能量、轨道来提供粒子射线。

加速器由用于形成环绕轨道的偏转电磁铁、使用高频对粒子射线进行加速的加速腔、以及作为用于供粒子射线通过的通路的真空管道等构成。偏转电磁铁的磁场伴随着粒子射线的加速(能量增大)，按照所设定的模式进行变化。同时，由于粒子射线的环绕频率也发生变化，因此，为了进行稳定的加速，也需要根据所设定的模式对施加到上述加速腔的高频信号的频率、振幅(强度)进行控制。

为了使这种控制简单化，例如，提出了以下RF控制装置，在该RF控制装置中，在计算机中存储预先生成的高频信号的频率参考信号，在运转过程中依次读取来进行控制(例如，参照专利文献1。)。然而，在这种方式中，数据量会变得庞大，数据调整不再容易，且结构要素也非常多。因此，提出了以下高频加速控制装置，在该高频加速控制装置中，对于控制所使用的波形数据，将加速器的运转模式分为平坦的稳定区域和具有平坦的加速部分的区域，使用每个区域的数据来进行控制(例如，参照专利文献2。)。

另一方面，粒子射线治疗的照射方式大致可分为：宽射束照射法，该宽射束照射法对照射对象即患者的整个患部同时照射粒子射线；以及扫描式照射法，该扫描式照射法通过扫描粒子射线来进行照射。在宽射束照射法的情况下，照射的粒子射线是具有一定能量的粒子射线。与此相对应，在扫描式照射法的情况下，采用的是通过改变粒子射线的能量来照射深度方向的较大范围的方法。粒子射线的能量的改变可通过改变加速器的磁场和高频的模式来进行。因此，在扫描式照射法的情况下，需要对每个能量和强度设定与该能量和强度相对应的加速器的运转模式，因此，与宽射束照射法相比，需要存储更多的运转模式。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2000－232000号公报(段落0031～0050段，图1)

专利文献2：日本专利特开2010-3538号公报(段落0018～0024、图2～图5)

发明内容

发明所要解决的技术问题

在扫描式照射法中，为了使高频控制装置高速地切换模式，需要预先将数据展开到能够高速读取的本地存储器中。但是，另一方面，由于需要保存大量的数据，因此，需要确保本地存储器具有较大容量，但能够进行高速读取的存储器与可确保相同容量的HDD(硬盘驱动器)存储器相比，存在价格较高的问题。并且，在使用RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)等易失性存储器作为本地存储器的情况下，当因故障等原因导致电源关断，从而存储器的数据丢失时，存在数据的重新下载、恢复需要较长时间的问题。此外，有时为了防止误照射，需要高速且无误地切换模式，但在如现有技术那样经由上级计算机等的情况下，由于增加了这部分的处理时间，从而存在无法应用于扫描式照射法的问题。

本发明是为了解决上述这样的问题而完成的，其目的在于提供一种能够以更少的本地存储器容量来执行扫描式照射法的高频控制装置。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的加速器的高频控制装置对施加于加速器的加速腔的高频进行控制，该加速器利用高频对带电粒子进行加速、从而产生用于粒子射线治疗的粒子射线，本发明的特征在于，该加速器的高频控制装置包括：硬盘驱动器存储器，该硬盘驱动器存储器按产生的粒子射线的能量与强度的每个组合存储所施加的高频的模式数据；以及本地存储器，为了执行扫描式照射法，该本地存储器对于每个患者，从硬盘驱动器存储器读取高频的多个模式数据以及改变能量和强度的顺序并进行存储，且该本地存储器与硬盘驱动器存储器相比数据的读取速度较快，所述扫描式照射法中，通过依次改变粒子射线的能量和强度来对照射对象即患者的患部照射粒子射线，从而在患者的患部的深度方向依次形成层状的粒子射线照射区域。

发明效果

根据本发明的高频控制装置，能够提供一种可以更少的本地存储器容量来执行扫描式照射法的高频控制装置。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的高频控制装置的结构的框图。

图2是用于说明本发明的实施方式1所涉及的高频控制装置的控制中加速循环中的高频的控制模式的图。

图3是用于说明粒子射线治疗中的扫描式照射法的图。

图4是用于说明粒子射线治疗中的扫描式照射法的照射步骤的图。

图5是用于说明本发明的实施方式1所涉及的高频控制装置的运转的流程图。

图6是表示本发明的实施方式1所涉及的高频控制装置的本地存储器中所保存的数据结构的一个示例的图。

图7是表示本发明的实施方式2和实施方式3所涉及的高频控制装置的结构的框图。

图8是用于说明本发明的实施方式2所涉及的高频控制装置的运转的流程图。

图9是用于说明本发明的实施方式3所涉及的高频控制装置的运转的流程图。

具体实施方式

实施方式1.

下面，对本发明的实施方式1所涉及的高频控制装置的结构进行说明。图1～图5是用于说明本发明的实施方式1所涉及的高频控制装置的图。图1是表示高频控制装置的主要部分结构、包含有加速器和粒子射线照射装置的粒子射线治疗装置整体的概要的框图，图2是用于说明加速器的加速循环的图。

高频控制装置1如图1所示，是用于对施加在同步加速器这样的环状加速器6(以下，简称为加速器6)中的主要结构要素即加速腔62上的高频的频率、输出进行控制的装置。为了保存用于进行高频发生部4的控制的数据，高频控制装置1具备HDD(硬盘驱动器)存储器31、以及RAM等与HDD存储器相比能进行高速读取的本地存储器32。

首先，以将同步加速器作为加速器为例，对加速器6的概要进行说明。加速器6由用于形成环绕轨道的偏转电磁铁61、使用高频对粒子射线进行加速的加速腔62、以及作为用于供粒子射线通过的通路的真空管道63等构成。作为除上述以外的设备，还包括预先对带电粒子进行加速的前级加速器66、将经过前级加速器66加速的带电粒子射入加速器6的入射装置65、对带电粒子成为射束状后的粒子射线的位置等进行测量的射束监视器64、以及将粒子射线从加速器6送出至由输送系统偏转电磁铁71和真空管道72等构成的粒子射线输送系统7的出射装置67等。由粒子射线输送系统7输送的粒子射线从粒子射线照射装置8照射到照射对象即治疗台11上的患者10的患部。粒子射线照射装置8的动作需要与加速器6的动作相联动，使其协同动作的控制信号例如从照射系统控制装置3输出到粒子射线照射装置8和高频控制装置1。

粒子射线在加速器6内被加速到规定的能量。为了将其加速到规定的能量，需要改变加速器6的偏转电磁铁61的磁场强度，并且改变施加到加速腔62的高频的频率和振幅。图2示出该变化的情形的一个示例。如图2的最上段所示，使加速器6的偏转电磁铁61的磁场、即偏转磁场按照规定的模式进行变化。此时，由于粒子射线的环绕频率发生变化，因此，为了稳定地进行加速，如图2的第2段和第3段所示那样，对于施加到加速腔62的高频信号，也需要根据所设定的模式来控制频率和振幅。

下面说明加速器从加速到射出为止的动作的概要。首先，具有同步加速器的最低能量的状态，该状态被称为平底(flat bottom)。在平底中从前级加速器66射入射束，在同步加速器内进行积蓄。接着，将处于OFF状态的高频信号置为ON，通过使电压增加，从而以射束聚集于高频信号的一定相位的方式进行捕获。

接着，在加速期间，基于电磁铁的磁场变化来控制高频信号的频率和振幅，由此进行射束的加速。在磁场的励磁变化速度基本一定的情况下，对加速的开始和结束部分进行区分，将其称为平滑(smoothing)。

接着，在射束达到规定的能量的时刻结束加速，从而进入磁场没有变化的平顶(flat top)的状态。在平顶中，为了得到适于将射束从同步加速器射出的条件，对高频信号的振幅、频率等进行微调。在平顶的期间中，根据射束利用者的要求将射束射出至同步加速器的外部。接着，在经过规定的时间后，或在射束用尽的时刻进行用于减弱同步加速器的磁场的准备。

接着为减速期间，在该期间将同步加速器的磁场减弱到最低值。同步加速器再次处于平底的状态，电源恢复至初始状态。将上述运转模式的周期称为加速循环。

与表示加速器6的偏转磁场的变化的平底期间、加速期间、平顶期间以及减速期间相对应，施加于加速腔62的高频的频率和振幅也如图2的第2段和第3段所示那样发生变化。偏转磁场和高频的变化模式由能量、强度的组合来决定。

用于控制能量、强度的所谓组合中的运转模式的高频信号的模式数据存储在HDD存储器31中。在扫描式照射法的情况下，例如，能量有60种，针对各能量的强度有8种，因此，总共有60×8＝480种运转模式。对于各运转模式，需要存储对应于平底期间、加速期间、平顶期间、及减速期间的用于驱动加速腔62的高频信号的控制数据以作为模式数据。这些模式数据按每个能量和强度的组合存储在HDD存储器31中，例如，能量400MeV、强度1为模式数据1，能量400MeV、强度2为模式数据2。

这里，图3示出通过扫描式照射法对患者10的患部100照射粒子射线的图像。利用粒子射线照射装置8在横向扫描细束状的粒子射线PB，并对患部100进行照射。此时，在粒子射线PB的行进方向、即深度方向上照射粒子射线的最大吸收深度的部分，该粒子射线的最大吸收深度的部分被称为布拉格峰(Bragg Peak)，其取决于粒子射线的能量。因此，通过改变粒子射线的能量，能够改变深度方向的照射位置。即，通过在横向扫描某能量的粒子射线，使得与该能量相对应的深度方向的部分被照射。因此，通过对某能量的粒子射线进行扫描和照射，使得层状的部分被照射。接着，通过改变能量，并在横向扫描粒子射线PB，能够对深度不同的层状的部分进行照射。

若粒子射线的能量较高，则布拉格峰产生在较深的部分。首先，通过在横向扫描具有规定的较高能量的粒子射线PB，来对图3的S1的层状区域进行照射。接着，降低粒子射线的能量，对S2的层状区域进行照射。然后，通过进一步降低粒子射线的能量，可对S3的层状区域进行照射。由此，能够在每次改变能量时对深度不同的层状的区域进行照射，因此，利用能量的变化和横向的扫描的组合，能够对三维的患部区域照射粒子射线。

对于每个患者进行怎样的照射，即照射步骤由治疗计划来决定。该照射步骤从治疗计划装置2发送到加速器系统控制计算机21和照射系统控制计算机22，在各计算机进行保存后，分别发送给高频控制装置1和照射系统控制装置3。照射步骤的信息中还包含有照射的粒子射线的能量、强度。图4示出各照射顺序的能量、强度的组合的示例。第1步用能量400MeV、强度3的粒子射线进行照射。即，对层状中相当于400MeV的深度部分进行照射。第2步用能量380MeV、强度3的粒子射线进行照射。即，对层状中比第1步所照射的部分浅的部分进行照射。由此，通过依次降低粒子射线的能量，依次使照射部分变浅，从而对患部整体进行照射。

根据图5的流程图来说明执行上述照射的流程。作为前阶段，首先将与所谓的能量与强度的组合相对应的所有的模式数据从加速器系统控制计算机21发送到HDD存储器31进行保存(ST1)。在对患者进行照射之前，根据基于该患者的治疗计划而得到的照射步骤，从HDD存储器31将所需的多个模式数据与照射顺序(运转顺序)一起读入到本地存储器32(ST2)。图6示出表示所读入的模式数据的结构的一个示例的图像。本地存储器32中按运转顺序保存有模式数据、即高频控制信息。

由此，照射的准备完成。在照射时，从照射系统控制装置3将用于照射的控制信号发送给高频控制装置1、粒子射线照射装置8。首先，若从照射系统控制装置3发出照射开始的信号，则高频发生部4根据本地存储器32中所保存的运转顺序1的模式数据开始产生高频，利用加速器6对粒子射线进行加速(ST3)。从达到规定能量的时刻、即从图2的平顶期间的规定时刻起开始射出粒子射线，并与其同步地利用粒子射线照射装置8在横向扫描粒子射线。在基于运转顺序1的能量的照射完成之后，加速器6进行下一次加速的准备，以进行运转顺序2的照射。若从照射系统控制装置3发出运转顺序2的照射开始的信号，则高频发生部4根据本地存储器32中所保存的运转顺序2的模式数据开始产生高频，利用加速器6对粒子射线进行加速(ST4)。从达到规定能量的时刻、即从图2的平顶期间的规定时刻起开始射出粒子射线，并与其同步地利用粒子射线照射装置8在横向扫描粒子射线。由此，基于治疗计划按每个运转顺序来改变能量和强度，并按各能量来对患部中层状的区域进行照射，由此来进行患部整体的照射。

如上所述，根据实施方式1的高频控制装置，从HDD存储器31所保存的大量的模式数据中，将基于每个患者的治疗计划的运转顺序的模式数据读入并保存到可进行高速读取的本地存储器32中。根据来自照射系统控制装置3的控制信号，利用本地存储器32中所保存的模式数据对高频发生部4进行控制使其产生高频，由此，与在每次运转时从HDD存储器31将模式数据读入到本地存储器32来进行运转的方式相比，能进行高速的控制。并且，与不具备HDD存储器，而将大量的模式数据保存到本地存储器的情况相比，所需的本地存储器只要是小容量的存储器即可，结构变得简单。

实施方式2.

图7是包含本发明的实施方式2的高频控制装置、且包含加速器的框图。在图7中，与图1相同的标号表示相同或相当的部分。实施方式2中，除了实施方式1所示结构之外还设置有指令值确认部33。本发明中，按每个患者从HDD存储器31获取模式数据并保存到本地存储器32。在照射时，根据来自照射系统控制装置3的指令，从本地存储器32将所保存的模式数据、即高频控制信息依次发送给高频发生部4。在指令值确认部33中，对发送出的数据是否正确进行确认。

根据图8的流程图来说明指令值确认部33中的确认步骤。例如，在运转顺序i的运转完成的时刻(ST10)，从照射系统控制装置3将下一个运转顺序i+1的运转信息、即能量和强度的组合发送到指令值确认部(ST11)。对该运转信息是否与本地存储器32内所保存的运转顺序i+1的运转信息(能量和强度)一致进行确认(ST12)。在一致的情况下(ST12：是)，根据本地存储器32内所保存的运转顺序i+1的模式数据，开始进行运转顺序i+1的运转(ST14)。在不一致的情况下(ST12：否)，不开始进行运转顺序i+1的运转，而再次从例如HDD存储器31获取运转顺序i+1的模式数据(ST13)。然后，再次执行ST12的确认步骤。如果再次确认为不一致，则从加速器系统控制计算机21直接获取运转顺序i+1的模式数据(ST13)。由此，不断尝试获取数据直到从照射系统控制装置3获取的运转信息与本地存储器32内的运转信息相一致。

由此，在实施方式2中，通过设置指令值确认部33，对指令值是否与本地存储器32内的数据一致进行确认，能够防止基于错误的数据来进行运转。

实施方式3.

图9是表示本发明的实施方式3所涉及的高频控制装置的动作步骤的流程图。高频控制装置1的结构与图7相同。在指令值确认部33中，对高频控制装置1发送出的数据是否正确进行确认。在步骤ST12中从照射系统控制装置3获取的运转顺序i+1的运转信息与本地存储器32内所保存的运转顺序i+1的运转信息不一致的情况下(ST12：否)，首先从照射系统控制装置获取其下一个运转顺序i+2的运转信息(ST15)，将其与本地存储器32内所保存的运转顺序i+2的运转信息进行比较(ST16)。在两者一致的情况下(ST16：是)，跳过运转顺序i+1的运转而执行运转顺序i+2的运转(ST17)。另一方面，在执行运转顺序i+2的运转的过程中，再次从HDD存储器31获取运转顺序i+1的数据(ST19)。在确认本地存储器内的运转顺序i+1的数据与来自照射系统控制装置的数据相一致的情况下(ST20：是)，在运转顺序i+2的运转结束后执行运转顺序i+1的运转(ST21)。

在ST16中确认数据不一致的情况下(ST16：否)，不开始进行运转顺序i+2的运转，而再次从例如HDD存储器31获取运转顺序i+2的模式数据(ST18)。该情况下，同时对运行顺序i+3的数据进行确认，若确认到运转顺序i+3的数据正确，则可以在进行再次获取运转顺序i+1和运转顺序i+2的数据的期间进行运转顺序i+3的运转。

由此，即使改变运转顺序，也不会影响粒子射线治疗。在粒子射线治疗中，只要对各照射部位进行照射，使得累计照射剂量达到计划值即可。因此，采用何种顺序来对图3的S1、S2、S3所示的各照射层进行照射是随意的。即，可以在照射S1层后照射S3层，最后照射S2层。因此，在扫描式照射法中，可以不按照治疗计划中所计划的能量顺序来进行照射，而改变顺序进行照射。在存储器内数据的确认需要花费时间的情况下，可以如上述那样，在执行其他运转顺序的运转的期间执行使存储器内的数据成为正确数据的步骤，从而能够在不增加整体的照射时间的情况下，按照治疗计划的累计照射剂量对照射部位、即患部进行照射。

标号说明

1：高频控制装置

2:治疗计划装置

3：照射系统控制装置

4：高频发生部

6：环状加速器(加速器)

7：粒子射线输送系统

8:粒子射线照射装置

10：患者

21：加速器系统控制计算机

22：照射系统控制计算机

61：偏转电磁铁

62：加速腔

63：真空管道

64：射束监视器

65：入射装置

66：前级加速器

67：出射装置

71：输送系统偏转电磁铁

100：患部

Claims (3)

1.一种加速器的高频控制装置，对施加于加速器的加速腔的高频进行控制，该加速器利用高频对带电粒子进行加速、从而产生用于粒子射线治疗的粒子射线，该加速器的高频控制装置的特征在于，包括：

硬盘驱动器存储器，该硬盘驱动器存储器按产生的所述粒子射线的能量与强度的每个组合存储施加的所述高频的模式数据；

本地存储器，为了执行扫描式照射法，该本地存储器对于每个患者，从所述硬盘驱动器存储器读取所述高频的多个模式数据以及改变能量和强度的顺序并进行存储，且该本地存储器与所述硬盘驱动器存储器相比数据的读取速度较快，所述扫描式照射法中，通过依次改变所述粒子射线的能量和强度来对照射对象即患者的患部照射所述粒子射线，从而在所述患者的患部的深度方向依次形成层状的粒子射线照射区域；以及

指令值确认部，该指令值确认部在每次改变所述粒子射线的能量和强度时，对来自照射系统控制装置的指令值与从所述本地存储器发送出的模式数据是否一致进行确认，所述照射系统控制装置对用于对所述照射对象即患部进行照射的粒子射线照射装置进行控制。

2.如权利要求1所述的加速器的高频控制装置，其特征在于，

所述指令值确认部在判断为来自所述照射系统控制装置的指令值与从所述本地存储器发送出的模式数据不一致的情况下，基于下一个能量和强度的模式数据使所述加速器运转，在该运转期间再次读取所述本地存储器内的数据直到与所述指令值不一致的所述模式数据变为与所述指令值一致。

3.一种粒子射线治疗装置，其特征在于，

包括：加速器、对从所述加速器射出的粒子射线进行输送的粒子射线输送系统、以及用于对照射对象照射所输送的粒子射线的粒子射线照射装置，并利用权利要求1或2所述的加速器的高频控制装置对施加在所述加速器的加速腔上的高频进行控制。