CN104918657A - 粒子射线照射装置及具备该粒子射线照射装置的粒子射线治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明的粒子射线照射装置具有：扫描电磁铁(2)，该扫描电磁铁(2)用于使粒子射线对照射对象进行扫描；扫描信息存储部(4)，该扫描信息存储部(4)中存储有扫描位置信息和扫描顺序信号，所述扫描位置信息与粒子射线对照射对象进行扫描时的多个扫描位置有关，所述扫描顺序信息是对多个扫描位置进行扫描的顺序；以及扫描电磁铁控制部(8)，该扫描电磁铁控制部(8)根据存储于该扫描信息存储部中的扫描位置信息和扫描顺序信息来控制扫描电磁铁，存储于扫描信息存储部中的扫描位置信息包含顺序相邻的扫描位置信息为同一扫描位置信息的部分。

Description

粒子射线照射装置及具备该粒子射线照射装置的粒子射线治疗装置

技术领域

本发明涉及粒子射线治疗装置中的、用于使粒子射线与患部的三维形状相吻合地进行照射的粒子射线照射装置，所述粒子射线治疗装置对肿瘤等患部照射粒子射线来进行治疗。

背景技术

在利用粒子射线的治疗方法中，采用被加速为光速的约70％的质子、碳粒子射线等高能量粒子射线。在向体内照射这些高能量粒子射线时，具有如下特征。第一，被照射的粒子几乎都停留在与粒子能量的约1.7次幂成正比的深度位置。第二，向直到被照射的粒子在体内停止时所通过的路径所提供的能量密度(称为剂量)在粒子的停止位置具有最大值。沿着粒子射线通过的路径而形成的特有的深部剂量分布曲线被称为布拉格曲线，剂量值为最大的位置被称为布拉格峰。

对于三维粒子射线照射系统想到了如下的方法：使该布拉格峰的位置与肿瘤的三维形状相吻合地进行扫描，一边对各个扫描位置的峰值剂量进行调整，一边在预先根据图像诊断所决定的目标即肿瘤区域形成规定的三维剂量分布。对粒子射线的停止位置进行的扫描包括与粒子射线的照射方向几乎垂直的横向(X、Y方向)上的扫描、以及粒子射线的照射方向即深度方向(Z方向)上的扫描。横向上的扫描包括使患者相对于粒子射线进行移动的方法，以及使用电磁铁等使粒子射线的位置发生移动的方法，使用电磁铁的方法属于一般方法。深度方向上的扫描是改变粒子能量的唯一方法。对于改变能量的方法中，具有如下2种方法：用加速器来改变粒子能量的方法；以及被称为设置于射束传输系统或照射系统的量程转换器(rangeshifter)(包含被称为能量变更和分析装置即Energy Selection System(能量选择系统)的装置)的能量变更装置。常用的是使用量程转换器的方法。

在与粒子射线的前进方向垂直的方向、即横向上，使粒子射线扫描的方法大致分为如下2种基本方法。一种是如下的点扫描照射法：在照射粒子射线以使规定照射位置处的照射剂量达到计划值时，暂时减弱粒子射线强度(一般使其变为零)，再变更扫描电磁铁的电流值以使粒子射线照射下一个照射位置，然后，再次增加粒子射线强度(或者从加速器再次射出粒子射线)，从而照射粒子射线。例如，非专利文献1中示出了这样的示例。另一种是混合扫描照射法，其与向各个计划好的位置照射计划好的量的粒子射线的基本做法是相同的，但是在使粒子射线的位置移动到下一个照射位置时，不停止粒子射线，而一边照射粒子射线一边使粒子射线进行扫描。例如，非专利文献2所揭示的内容是其中一个示例。

还具有如下方法：在横向上对粒子射线实施二维扫描，形成具有规定分布的横向剂量分布，在深度方向上变更粒子能量，形成多个在照射区域的不同深度位置具有层状的规定分布的横向剂量分布，这些层状的剂量分布重叠，在照射区域制作规定的三维剂量分布。此时，各个层状剂量分布通常为均匀的剂量分布。因此，根据治疗计划来计算各层中预先决定的照射位置上的计划照射粒子量。

在上述的任一个方法中，为了形成规定的二维或三维剂量分布，利用治疗计划装置等来决定所计划的各个照射位置处的计划照射剂量。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特许第3874766号公报

专利文献2：美国专利申请公开第US2006/0231775A1号说明书

非专利文献

非专利文献1：T.Inaniwa et al.,Medical Physics 34(2007)3302

非专利文献2：J.H.Kang et al.,”Demonstration of scan path optimizationin proton therapy”Medical Physics 34(9)2007,page 3457-3464

发明内容

发明所要解决的技术问题

在专利文献1所记载的粒子射线扫描照射装置中，将用扫描照射来进行照射的各个点(位置)的计划照射粒子数(照射剂量)设为复位值而预先存储于照射装置的规定存储器中，同时需要将与各个点的位置相当的信息(例如，电磁铁的励磁电流对(IXi,IYi),i＝1,2,3…Nspot等)也预先存储于照射装置的规定存储器中。而且，在实施照射时，采用以下结构：即，用射束监视器等对各个照射位置处的照射剂量进行计数，当该计数值达到与该位置相对应的预设值时，判断为该位置的照射已完成，转移至下一个照射位置。利用通过对照该预设值和计数值的方法来构筑以往的粒子射线或者X射线的治疗装置中的照射装置。

如上所述，在以往的粒子射线治疗装置中的粒子射线照射装置中，在向各个照射位置照射粒子射线时，必需进行如下动作：即，将用射束监视器对照射至该位置的粒子量进行计数而得到的计数值与预设值进行对照。通常，对计数值与预设值进行对照的动作需要数10μ秒。当希望通过增强粒子射线而在短时间内照射所有照射位置时，有时会出现对计数值与预设值进行对照的动作成为高速化的瓶颈的情况。因此，在以往的照射装置中，还存在难以实现非常高的剂量率(每单位时间能够照射的剂量)的问题。

本发明志在解决如上所述的以往的粒子射线照射装置的问题，其目的在于，提供一种能够完全灵活运用粒子射线治疗装置的射束电流、从而能够在短时间内完成照射的剂量率较高的粒子射线治疗装置及粒子射线照射装置。

用于解决技术问题的技术手段

本发明的粒子射线照射装置具有：扫描电磁铁，该扫描电磁铁用于使粒子射线对照射对象进行扫描；扫描信息存储部，该扫描信息存储部中存储有扫描位置信息和扫描顺序信号，所述扫描位置信息与粒子射线对照射对象进行扫描时的多个扫描位置有关，所述扫描顺序信息是对多个扫描位置进行扫描的顺序；以及扫描电磁铁控制部，该扫描电磁铁控制部根据存储于该扫描信息存储部中的扫描位置信息和扫描顺序信息，来控制扫描电磁铁，在所述粒子射线照射装置中，存储于扫描信息存储部中的扫描位置信息包含顺序相邻的扫描位置信息为同一扫描位置信息的部分。

发明效果

根据本发明的装置，由于包含有顺序相邻的扫描位置信息为同一扫描位置信息的部分，因此，能够提供可在短时间内结束照射的剂量率较高的粒子射线照射装置。

附图说明

图1是表示本发明实施方式所涉及的粒子射线照射装置的简要结构的框图。

图2是表示治疗计划装置中计划好的扫描位置与计划照射剂量的示例的表的图。

图3是表示本发明的实施方式所涉及的粒子射线照射装置的扫描信息存储部中所存储的扫描信息的示例的表的图。

图4是用于说明本发明的实施方式所涉及的粒子射线照射装置的动作的概念图。

图5是表示本发明的实施方式所涉及的粒子射线照射装置的其他简要结构的框图。

具体实施方式

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的粒子射线照射装置的简要结构的框图。具有如下结构：利用使粒子射线1偏向一个方向的X方向扫描电磁铁21和使粒子射线1偏向与该一个方向垂直的一个方向的Y方向扫描电磁铁22，使由未图示的粒子射线加速器生成并由未图示的粒子射线传输系统传输来的粒子射线1对患者的患部等被照射体11进行扫描。此处，X方向扫描电磁铁21和Y方向扫描电磁铁22组成扫描电磁铁2。

利用由扫描电磁铁电源控制部5所控制的扫描电磁铁驱动电源3，来驱动扫描电磁铁2。在扫描信息存储部4中，存储有与多个扫描位置相关的扫描位置信息、以及作为进行扫描的顺序的扫描顺序信息，来作为扫描信息。扫描电磁铁电源控制部5与由粒子射线监视传感器6所检测出的粒子剂量相对应地接收监视脉冲发生部7所输出的监视脉冲，对扫描电磁铁驱动电源3进行控制，扫描电磁铁驱动电源3根据存储于扫描信息存储部4中的信息，来驱动扫描电磁铁2。扫描电磁铁驱动电源3和扫描电磁铁电源控制部5统称为扫描电磁铁控制部8，粒子射线监视传感器6和监视脉冲发生部统称为粒子射线监视器9。

图2是表示本实施方式所涉及的粒子射线照射装置的、对各个扫描位置所计划好的计划照射剂量的示例的列表的图。图3是表示本实施方式所涉及的粒子射线照射装置的扫描信息存储部4中所存储的扫描信息的内容的示例的概念图。图4是表示本实施方式所涉及的粒子射线照射装置的、由监视脉冲发生部7与从粒子射线监视传感器6所输入的规定的电荷量(例如Q0)相对应地进行输出的监视脉冲及其序列、以及存储于扫描信息存储部4的扫描信息的示例。

下面，利用图1至图4，对本发明的实施方式所涉及的粒子射线照射装置的动作进行说明。首先，根据患者的CT数据等确立治疗计划，在图1的被照射体11中，决定多个全照射位置(在图1中，为了后述的说明，在照射位置Ai、照射位置Ai+1、照射位置Ai+2这3个照射位置上标注标号)、扫描照射位置的顺序、以及各个照射位置处的计划照射剂量。作为与照射位置相对应的位置信息，具有其横向上的位置坐标和位于被照射体体内的深度位置。横向上的位置信息基本由扫描电磁铁2的X方向扫描电磁铁21的励磁电流IX和Y方向扫描电磁铁22的励磁电流IY等来进行定义。深度位置信息能够用射入至被照射体11的粒子射线的粒子能量来进行定义。这是因为粒子射线停止在体内的、即照射粒子射线的深度位置是由粒子的能量来决定的。

向被照射体11照射粒子射线的方法包括扫描照射法、均匀扫描法(uniform scanning method)、模拟散射(simulated scattering)等多种方法，但无论在哪种情况下，都由治疗计划装置10来决定多个照射位置、扫描照射位置的顺序、以及在各个照射位置进行照射的照射剂量(这能单纯地看作为进行照射的粒子射线的粒子个数)。照射方法的不同点在于，照射位置的个数、供给方法、照射顺序、各个照射位置上的照射剂量等的不同。此处，以扫描照射法为例，进行如下说明，但是本发明当然也适用于指定多个照射位置、扫描照射位置的顺序、以及各个照射位置上的照射剂量来进行照射的其他照射方法。

在扫描照射法中，反复进行如下动作，从而在由治疗计划装置10所决定的所有照射位置照射粒子射线：照射粒子射线，使得粒子射线在各个照射位置停留并使照射剂量达到该照射位置处的计划照射剂量，使粒子射线移动到下一个照射位置，照射粒子射线，使得照射剂量达到该照射位置处的计划照射剂量。在粒子射线治疗中，照射位置的个数有时达到数千个。下面，以按顺序进行照射的深度方向位置相同的数个照射位置(下面称为扫描位置)为例，对本发明的实施方式所涉及的粒子射线照射装置的动作进行说明。

在图2的表格中示出了由治疗计划装置10所计划好的各个扫描位置处的照射剂量、即计划照射剂量的示例。如图2所示，根据治疗计划来决定要对各个扫描位置进行照射的计划照射剂量，使得扫描位置Ai的计划照射剂量为1个单位，扫描位置Ai+1的计划照射剂量为3个单位，扫描位置Ai+2的计划照射剂量为2个单位。然后，根据该图2的表格中所示的各个扫描位置的计划照射剂量，在例如治疗计划装置10中制作图3所示的扫描信息的列表，并将其存储于扫描信息存储部4中。

如图3所示，存储于扫描信息存储部4中的扫描信息包含表示扫描位置的扫描位置信息、以及扫描信息ID即表示该扫描位置的扫描顺序的扫描顺序信息。例如作为扫描信息ID为k、即表示扫描顺序为第k个的扫描位置信息，存储有与扫描位置Ai相对应的X和Y的成对信息(1.5，1.5)。该(1.5，1.5)是指与扫描电磁铁2的扫描位置Ai相对应的X方向扫描电磁铁21的励磁电流IX_i及Y方向扫描电磁铁22的励磁电流IY_i的对(IX_i,IY_i)。也就是说，若将X方向扫描电磁铁21的励磁电流设定为1.5，将Y方向扫描电磁铁的励磁电流设定为1.5，则粒子射线1对扫描位置Ai进行照射。

接着，在扫描顺序第k+1、第k+2、以及第k+3，作为与扫描位置Ai+1相对应的扫描位置信息，存储有X方向扫描电磁铁的励磁电流IX_i+1和Y方向扫描电磁铁的励磁电流IY_i+1的对(2.0，1.5)。图2的示例所示的扫描位置Ai的计划照射剂量为1，因此，在图3的扫描信息列表中，与扫描位置Ai相对应的扫描位置信息仅为第k这一个。扫描位置Ai+1的计划照射剂量为3，因此，在扫描顺序为第k+1、第k+2、第k+3的连续3个扫描顺序的扫描位置信息中，存储有与扫描位置Ai+1相对应的相同的励磁电流的对(2.0，1.5)。同样地，关于扫描位置Ai+2，计划照射剂量为2，因此，在第k+4、第k+5的连续2个扫描顺序的扫描位置信息中，存储有与扫描位置Ai+2相对应的相同的励磁电流对(2.5，1.5)。由此，在本发明的粒子射线照射装置中，存储于扫描信息存储部4中的扫描位置信息包含顺序相邻的扫描位置信息为同一扫描位置信号的部分。而且，在进行照射时，每当扫描电磁铁控制部8接收到监视脉冲，根据存储于扫描信息存储部4的图3的扫描信息列表的顺序，来对扫描电磁铁2进行励磁，使粒子射线进行扫描。

图4中示出了具体如何对扫描电磁铁2进行励磁的情况。在图4中示出了按照射途中的照射位置Ai、照射位置Ai+1、照射位置Ai+2的顺序来扫描粒子射线的情况的示例。在照射粒子射线1的过程中，粒子射线1通过粒子射线监视传感器6，被照射至被照射体11。若粒子射线1通过粒子射线监视传感器6，则在粒子射线监视传感器6中产生与所通过的粒子的个数成正比的电离电流。由监视脉冲发生部7对该电离电流进行积分，当积分值达到一定量的电荷量Q0后，监视脉冲发生部7输出一个监视脉冲。通过适当地设定监视脉冲发生部7的增益，对于每个必需的Q0的值，能够输出监视脉冲。在将本实施方式所涉及的粒子射线照射装置应用于粒子射线治疗装置的情况下，作为Q0的值，0.01pC至100pC是典型的示例，但并不仅限于此。

将监视脉冲发生部7即粒子射线监视器9所输出的监视脉冲输入至图1的扫描电磁铁控制部8的扫描电磁铁电源控制部5中。每当接收到监视脉冲时，扫描电磁铁电源控制部5向扫描电磁铁驱动电源3输出指令信号，扫描电磁铁驱动电源3将励磁电流值依次更新成与存储于扫描信息存储部4中的扫描信息列表中的下一个编号(k，k+1，k+2，k+3，…)相对应的励磁电流值，依次更新扫描电磁铁2的励磁量，使粒子射线1在被照射体11上进行扫描。由此，粒子射线监视器9所输出的监视脉冲成为一种时钟脉冲、即剂量时钟(dose clock)脉冲，对于每个剂量时钟脉冲，根据扫描信息列表的扫描位置信息即励磁电流依次对扫描电磁铁2进行励磁。其结果是，无需直接对各个照射位置上的照射粒子的量进行计数，而能够在各个照射位置上照射与计划照射剂量相同或者与其成正比的粒子射线。其结果是，在被照射体11上能够形成如治疗计划那样的剂量分布。

如上所述，除了扫描电磁铁驱动电源3以外，还设置有扫描电磁铁电源控制部5，但是也可以不设置扫描电磁铁电源控制部5，而是使扫描电磁铁驱动电源3成为本身具有控制功能的结构。该结构如图5所示。在此情况下，扫描电磁铁驱动电源3即为扫描电磁铁控制部8。在图5的粒子射线照射装置的结构中，每当扫描电磁铁驱动电源3接收到粒子射线监视器9所输出的监视脉冲时，扫描电磁铁驱动电源3本身从扫描信息存储部4依次获取扫描位置信息、即X方向扫描电磁铁21的励磁电流和Y方向扫描电磁铁22的励磁电流的信息，从而驱动扫描电磁铁2。

另外，如上所述，以存储于扫描信息存储部4中的扫描位置信息是扫描电磁铁的励磁电流对的情况为例进行了说明，但是作为存储于扫描信息存储部4中的扫描位置信息，例如可以是以等深点(isocenter)为基准坐标位置本身，在此情况下，扫描电磁铁驱动电源3具有坐标位置和扫描电磁铁2的励磁电流的对应表即可。另外，作为扫描位置信息，只要是磁场强度即可。例如，具有分别测量由X方向扫描电磁铁21和Y方向扫描电磁铁22所生成的磁场的磁场传感器，驱动X方向扫描电磁铁21和Y方向扫描电磁铁22以使得磁场传感器的输出成为作为扫描位置信息的磁场强度即可。而且，在采用利用电场使粒子射线偏向、即利用扫描电极来使粒子射线偏向的结构的情况下，作为扫描位置信息，只要设定电场强度或者电极电压即可。

本实施方式所涉及的粒子射线照射装置如上所述，首先预先使各个照射位置处的计划照射剂量反映在存储于扫描信息存储部4中的扫描位置信息中。利用从粒子射线监视器9输出的监视脉冲，基于存储于扫描信息存储部4中的扫描位置信息来直接驱动扫描电磁铁驱动电源3，从而能够对各个扫描位置照射计划好的粒子剂量。因此，如以往的粒子射线治疗装置那样，无需将与各个照射位置处的计划照射剂量相对应的监视预先调整值存储于控制装置中，也不要将粒子射线监视传感器6的输出与预先调整值进行比较的动作。因而，能够更为高速地扫描粒子射线来进行照射。其结果是，具有能够缩短治疗时间的效果。另外，由于能够提高每单位时间的照射剂量即剂量率，因此，在对呼吸移动性的目标(肿瘤)进行照射时，能够在短时间内结束照射，所以可以期待获得减小因位置变动而产生的剂量误差的效果。其结果是，能够提供精度更高的粒子射线治疗装置。

另外，本发明能在其发明的范围内可对实施方式进行适当变形、省略。

标号说明

1粒子射线，2扫描电磁铁，3扫描电磁铁驱动电源，4扫描信息存储部，5扫描电磁铁电源控制部，6粒子射线监视传感器，7监视脉冲发生部，8扫描电磁铁控制部，9粒子射线监视器，10治疗计划装置，11被照射体。

Claims (6)

1.一种粒子射线照射装置，包括：

扫描电磁铁，该扫描电磁铁用于使粒子射线对照射对象进行扫描；

扫描信息存储部，该扫描信息存储部中存储有扫描位置信息和扫描顺序信息，所述扫描位置信息与粒子射线对所述照射对象进行扫描时的多个扫描位置有关，所述扫描顺序信息是对所述多个扫描位置进行扫描的顺序；以及

扫描电磁铁控制部，该扫描电磁铁控制部根据存储于该扫描信息存储部中的所述扫描位置信息和所述扫描顺序信息，来控制所述扫描电磁铁，所述粒子射线照射装置的特征在于，

存储于所述扫描信息存储部中的所述扫描位置信息包含顺序相邻的所述扫描位置信息为同一扫描位置信息的部分。

2.如权利要求1所述的粒子射线照射装置，其特征在于，

连续地存储有所述同一扫描位置信息时的、该同一扫描位置信息所连续的个数与该同一扫描位置信息所对应的扫描位置处的粒子射线的计划照射剂量成正比。

3.如权利要求2所述的粒子射线照射装置，其特征在于，

包括粒子射线监视器，每当规定量的所述粒子射线通过时，该粒子射线监视器产生监视脉冲，每当产生所述监视脉冲时，所述扫描电磁铁控制部获取存储于所述扫描信息存储部中的顺序为下一个的扫描位置信息，并根据该顺序为下一个的扫描位置信息来控制所述扫描电磁铁。

4.如权利要求1至3的任一项所述的粒子射线照射装置，其特征在于，

所述扫描位置信息是与所述扫描电磁铁的所述扫描位置相对应的励磁电流值。

5.如权利要求1至3的任一项所述的粒子射线照射装置，其特征在于，

所述扫描位置信息是与所述扫描电磁铁所产生的所述扫描位置相对应的磁场强度。

6.一种粒子射线治疗装置，

该粒子射线治疗装置具有如权利要求2或3所述的粒子射线照射装置，其特征在于，包括：

治疗计划装置，该治疗计划装置用于决定所述多个扫描位置、对所述多个扫描位置进行扫描的顺序、以及针对每个所述扫描位置的所述粒子射线的计划照射剂量。