CN107077904B - 粒子射线照射设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的粒子射线照射设备(100)中，控制部(2)在最初对准时，将摄像机(10(10‑1、10‑2、…、10‑n))获取到的电磁体(1(1A、1B))的位置信息作为基准位置的位置信息存储到存储部(3)中，基于存储在存储部(3)中的基准位置的位置信息，并根据重新对准时由摄像机(10(10‑1、10‑2、…、10‑n))获取到的电磁体(1(1A、1B))的位置信息来获取位移量。

Description

粒子射线照射设备
技术领域
本发明涉及一种能高精度地对粒子射线照射装置所使用的电磁体的位置和姿态等进行控制的粒子射线照射设备。
背景技术
以往的粒子射线照射装置中，同步加速器等加速器与治疗室通常存在于同一平面上。近年来，伴随着粒子射线照射装置的大型化，外界气温的季节变动、地面下沉等地壳运动引起的建筑物的变形会导致对准变差，照射射束达不到规定的性能，因此，作为对策，需要在粒子射线照射装置的使用过程中，按照季节变更运行参数，或定期实施电磁体等的位置和姿态等的重新调整。在安装粒子射线照射装置时，作为对准的方法，公开了预先计算与成为建筑物内或装置上的基准点、即设定位置的偏移量来进行对准(例如参照专利文献1和专利文献2)。另一方面，在与医院等相邻的狭小的土地上建造粒子射线照射设施的情况下，倾向于采用将加速器和治疗室配置成上下关系的结构等(例如参照专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2006-344466号公报(0024段、图2)
专利文献2：日本专利特开2006-302818号公报(0025段、图2)
专利文献3：日本专利特开2011-182987号公报(0032段、图1)
发明内容
发明所要解决的技术问题
在将加速器和治疗室配置成上下关系的情况下，存在建筑物的结构会复杂、季节之间的温度变化等引起的建筑物的变形变大的问题。尤其是，在将加速器或射束输送系统装置配置于治疗室上部的情况下，存在如下问题：设置装置的地板与通过地面改良或打桩进行了强化的建筑物基础部分离，在设置装置的地板的下部存在治疗室等的空间，因此该变形更为显著。此外，在射束输送系统装置中，对射束的输送进行控制的电磁体分别设置于不同的地板，因此存在难以高精度地控制电磁体的相对位置和姿态的问题。
本发明为了解决上述课题而完成，其目的在于提供一种粒子射线照射设备，不仅在粒子射线照射装置的加速器等与治疗室存在于同一平面上的情况，在配置成上下关系的情况下，也能进行高精度的射束照射。
解决技术问题的技术方案
本发明的粒子射线照射设备包括：第一电磁体，该第一电磁体设置在高能射束照射系统线的上游侧；第二电磁体，该第二电磁体设置在高能射束照射系统线的下游侧；位置信息获取单元，该位置信息获取单元获取第一电磁体与第二电磁体的位置信息；存储部，该存储部预先存储最初对准时的第一电磁体与第二电磁体的位置信息来作为基准位置信息；调整机构，该调整机构对第一电磁体以及第二电磁体的位置和姿态进行调整；以及控制部，该控制部基于存储在存储部中的基准位置信息，根据在重新对准时由位置信息获取单元获取到的第一电磁体和第二电磁体的位置信息来计算从最初对准时到重新对准时的第一电磁体以及第二电磁体的位置和姿态的位移量，根据位移量并通过调整机构对第一电磁体和第二电磁体的位置和姿态进行调整控制。
发明效果
根据本发明，由于预先将设置在高能射束照射系统线的上游侧的第一电磁体与设置于下游侧的第二电磁体的基准位置信息存储在存储部中，在重新对准时，基于存储在存储部中的基准位置信息来调整第一电磁体以及第二电磁体的位置和姿态，从而即使在因外界气温的季节变动、地壳变动等导致建筑物变形的情况下，也能容易地调整电磁体的位置和姿态等。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1的粒子射线照射设备的结构的框图。
图2是表示本发明实施方式1的粒子射线照射设备的外观的立体图。
图3是对本发明实施方式1的粒子射线照射设备的调整方法进行说明的图。
图4是对本发明实施方式1的粒子射线照射设备的位置信息的获取进行说明的图。
图5是对本发明实施方式1的粒子射线照射设备的位置和姿态的控制方法进行说明的流程图。
图6是表示本发明实施方式2的粒子射线照射设备的结构的框图。
图7是表示本发明实施方式2的粒子射线照射设备的外观的立体图。
图8是表示本发明实施方式3的粒子射线照射设备的结构的框图。
图9是表示本发明实施方式3的粒子射线照射设备的外观的立体图。
具体实施方式
实施方式1.
图1是表示本发明实施方式1的粒子射线照射设备100的结构的框图。图2是具备粒子射线照射设备100的粒子射线照射装置用的电磁体1A的外观图。
如图1和图2所示，粒子射线照射设备100由以下部分构成：获取电磁体1(1A、1B)的位置以及姿态等位置信息的作为位置信息获取单元即测定部的多个摄像机10(10-1、10-2、…、10-n[n为整数])；将安装粒子射线照射装置时的电磁体1(1A、1B)的位置信息作为基准位置进行存储的存储部3；获取由摄像机10测定到的电磁体1(1A、1B)的测定位置和存储在存储部3中的电磁体1(1A、1B)的基准位置并输出控制信息的控制部2；以及根据来自控制部2的控制信息对电磁体1的位置和姿态进行调整的作为调整机构的致动器11(11A、11B)。
摄像机10使用立体摄像机，来对位于两个分开位置的第一电磁体1A与第二电磁体1B的相对位置和姿态进行测量。这里，对于加速器与照射室位于建筑物的不同楼层那样的粒子射线照射装置的情况，高能射束照射系统(High-Energy Beam Transport，以下称为HEBT)的线上的两处主要的电磁体1A和电磁体1B无法完全聚集在一个摄像机10的视野中。因此，需要精心设计使用摄像机10的测量。
本发明的实施方式1中，为了解决上述摄像机视野的问题，使用以下方法。假设对位于HEBT系统线的上游侧的主要的电磁体1A和位于HEBT系统线的下游侧的另一主要的电磁体1B进行测量。利用一台摄像机10-1对设置在电磁体1A上的目标12A(12A-1、12A-2、12A-3、12A-4)的位置进行测定。接着，利用另一台摄像机10-2对设置在电磁体1B上的目标12B(12B-1、12B-2、12B-3、12B-4)的位置进行测定。但是，如果像上述那样，则只不过是将电磁体1A的位置和姿态表现在摄像机10-1所具有的坐标系(x，y，z)上，将电磁体1B的位置和姿态表现在摄像机10-2所具有的坐标系(X，Y，Z)上。无法得知电磁体1A与电磁体1B的相对位置和姿态的关系。
为此，如图3所示，若摄像机10-A与摄像机10-B2的视野内存在重复部分，并能在该重复部分内的不同位置放置至少由四个(二维情况下为三个)构成的坐标变换用目标12M(12M-a、12M-b、12M-c、12M-d)，则能根据四个目标12M(12M-a、12M-b、12M-c、12M-d)在摄像机10-A上的坐标信息、以及在摄像机10-B上的坐标信息，来求出从摄像机10-A上的坐标系变换到摄像机10-B上的坐标系的坐标变换式。
具体内容如下所述。
从摄像机10-A上的坐标系(x，y，z)到摄像机10-B上的坐标系(X，Y，Z)的坐标变换式具有下式的结构。
[数学式1]
为了确定坐标变换式(1)，需要求出12个未知参数T11、··、T33、O1、··、O3。
若分别对坐标变换用目标12M(12M-a、12M-b、12M-c、12M-d)使用数学式1，则能归结为对由四个式组成的联立方程式求解的问题。若使用矩阵表达将这四个式统一成一个，则能表现成如下那样。
[数学式2]
此外，在考虑测定误差等而使用四个以上的目标来求出坐标变换的情况下，考虑利用最小二乘法来求取。
[数学式3]
这里，上标T表示是转置矩阵。
若摄像机10-A与摄像机10-B的视野内不存在重复部分，则如图4所示，考虑另外准备多个摄像机，并排成一排，使得从摄像机10-1到摄像机10-n为止，一点点地存在视野的重复部分。在相邻的摄像机的视野重复的位置上分别放置由四个目标构成的坐标变换用目标12M-1、12M-2、…、12M-(n-1)来进行测定，能通过各个摄像机的坐标系的坐标变换来最终求得从摄像机10-1上的坐标系(x1，y1，z1)到摄像机10-n上的坐标系(xn，yn，zn)的坐标变换式。
通过如上述那样利用多个摄像机10(10-1、10-2、…、10-n)来匹配坐标系，从而即使在位于HEBT系统线的上游侧的主要的电磁体1A与位于HEBT系统线的下游侧的另一主要的电磁体1B位于建筑物的不同楼层的情况下，也能测量电磁体1A与电磁体1B的相对位置以及姿态等。
存储部3由硬盘、可移动磁盘、存储器等存储介质构成，在安装粒子射线照射装置时(最初的对准时)，将摄像机10测定到的电磁体1的位置和姿态等位置信息作为基准位置进行存储。
控制部2利用摄像机10来获取最初对准时的电磁体1(1A、1B)的位置和姿态等位置信息，并作为基准位置存储到存储部3中。此外，控制部2通过摄像机10获取重新对准时的电磁体1(1A、1B)的位置和姿态等位置信息，与从存储部3获取的作为基准位置的电磁体1的位置信息进行比较，来计算伴随建筑物的变形等的位移量等，并根据算出的位移量等控制信息控制致动器11，调整电磁体1的位置和姿态。控制部2能利用常用的计算机系统等(例如个人计算机)来实现。
致动器11搭载于电磁体1的支架14(14A-1、14A-2、14B-1、14B-2)。如图2所示，致动器11A(11B)搭载于垂直方向(11A(B)-1、11A(B)-2、11A(B)-3)以及水平方向(11A(B)-4、11A(B)-5)的两个方向、总计三个方向(六自由度)。根据来自控制部2的控制信息来对致动器11(11A、11B)进行驱动。
接着，利用图5对本发明实施方式1的粒子射线照射设备100的动作进行说明。图5是表示粒子射线照射设备100的动作的流程图。
如图5所示，首先，在最初对准时，粒子射线照射设备100的控制部2利用摄像机10(10-1、10-2、…、10-n)来测定位于电磁体1(1A、1B)上的四个目标12A-1、12A-2、12A-3、12A-4的位置。根据所获得的位置坐标的数据来计算电磁体1(1A、1B)的位置和姿态等，获取最初对准时的位置信息(步骤S51)。
接着，控制部2将步骤S51中获取到的电磁体1(1A、1B)的最初对准时的位置信息作为电磁体1(1A、1B)的基准位置的位置信息存储到存储部3中(步骤S52)。此时，即使位于上游侧的主要的电磁体1A和位于下游侧的电磁体1B处于隔开的位置的情况下，也能使用多个摄像机10-1、10-2、…、10-n，在相邻的摄像机的视野重复的位置放置坐标变换用目标12M-1、12M-2、···、12M-(n-1)来进行测定，作为将电磁体1A以及电磁体1B的坐标轴匹配后的位置信息，从而成为作为相对的基准位置的位置信息。
并且，在因外界气温的季节变动、地壳变动等引起的建筑物的变形而重新进行对准时，控制部2利用摄像机10(10-1、10-2、…、10-n)来重新测定位于电磁体1(1A、1B)上的四个目标12A-1、12A-2、12A-3、12A-4的位置。根据所获得的位置坐标的数据来计算电磁体1(1A、1B)的位置和姿态等，获取重新对准时的位置信息(步骤S53)。
接着，在步骤S53中获取到电磁体1(1A、1B)重新对准时的位置信息后，控制部2从存储部3获取基准位置的位置信息，对电磁体1(1A、1B)重新对准时的位置信息和基准位置的位置信息进行比较来计算位移量(步骤S54)。此时，即使在电磁体1A和电磁体1B位于隔开的位置的情况下，也与最初对准时的情况同样，通过使用多个摄像机10-1、10-2、…、10-n，对放置在相邻的摄像机的视野重复的位置上的坐标变换用目标12M-1、12M-2、…、12M-(n-1)进行测定，并作为将电磁体1A以及电磁体1B的坐标轴匹配后的相对的位置信息，从而作为电磁体1A与电磁体1B的相对位置关系来与基准位置进行比较，因此能高精度地获得位移量。
最后，基于所获得的电磁体1(1A、1B)的位移量，控制部2向电磁体1(1A、1B)的垂直方向的致动器(11A-1、11A-2、11A-3、11B-1、11B-2、11B-3)以及水平方向的致动器(11A-4、11A-5、11B-4、11B-5)分别输出驱动量等控制信息来指示进行驱动，从而对电磁体1(1A、1B)的位置和姿态等进行调整。
如上所述，在本发明实施方式1的粒子射线照射设备100中，控制部2在最初对准时，将摄像机10(10-1、10-2、…、10-n)获取到的电磁体1(1A、1B)的位置信息作为基准位置的位置信息存储到存储部3中，基于存储在存储部3中的基准位置的位置信息，并根据重新对准时由摄像机10(10-1、10-2、…、10-n)获取到的电磁体1(1A、1B)的位置信息来获取位移量，因此，即使在因外界气温的季节变动、地壳变动等导致建筑物变形的情况下，也能容易地调整电磁体的位置以及姿态等。
此外，由于利用多个摄像机10(10-1、10-2、…、10-n)来获取相对的位置信息，因此即使在位于HEBT系统线中的上游侧的主要的电磁体与位于下游侧的电磁体位于例如建筑物的不同楼层等隔开的位置的情况下，也能在保持一定的状态下对电磁体的相对位置和姿态等进行高精度地调整，能实现高精度的射束照射。
实施方式2.
实施方式1中示出了通过摄像机10获取重新对准时的位置信息的情况，而实施方式2示出通过模拟器来获取的情况。
图6是表示本发明实施方式2的粒子射线照射设备200的结构的框图。图7是具备粒子射线照射设备200的粒子射线照射装置用的电磁体的外观图。
如图6和图7所示，粒子射线照射设备200具备分析部即变形模拟器4来代替实施方式1中的测定部即摄像机10((10-1、10-2、…、10-n)。变形模拟器4例如通过将所有建筑物以及装置等模型化后的有限要素分析来实施变形模拟。控制部2在最初对准时，将测定到的电磁体1(1A、1B)的位置和姿态等位置信息预先存储在存储部3中，在重新对准时，利用变形模拟器4来计算建筑物以及装置等的变形量，基于存储在存储部3中的作为基准位置的位置信息来获取电磁体1(1A、1B)重新对准时的位置信息。
通过如上述那样利用变形模拟器4计算重新对准时的建筑物以及装置等整体的变形量并获取位置信息，从而即使在位于HEBT系统线的上游侧的主要的电磁体1A与位于HEBT系统线的下游侧的另一主要的电磁体1B位于建筑物的不同楼层的情况下，也能容易地掌握电磁体1A与电磁体1B的相对位置和姿态等，并作为电磁体1A与电磁体1B的相对位置关系来与基准位置进行比较，因此能高精度地获得位移量。
粒子射线照射设备200的其它结构和动作与图1和图5所示的实施方式1的粒子射线照射设备100的结构和动作相同，因此对相同的部分标注相同的标号并省略其说明。
如上所述，在本发明实施方式2的粒子射线照射设备200中，控制部2在最初对准时，将测定到的电磁体1(1A、1B)的位置和姿态等位置信息预先存储到存储部3中，基于存储在存储部3中的作为基准位置的位置信息，并根据重新对准时由变形模拟器4获取到的电磁体1(1A、1B)的位置信息来获取位移量，因此，即使在因外界气温的季节变动、地壳变动等导致建筑物变形的情况下，也能容易地调整电磁体的位置以及姿态等。
此外，由于利用变形模拟器4来计算建筑物以及装置等整体的变形量，因此即使在位于HEBT系统线中的上游侧的主要的电磁体与位于下游侧的电磁体位于例如建筑物的不同楼层等隔开的位置的情况下，也能在保持一定的状态下对电磁体的相对位置和姿态等高精度地进行调整，能实现高精度的射束照射。
另外，在本实施方式2中，在重新对准时，利用变形模拟器4来获取电磁体1(1A、1B)重新对准时的位置信息，但并不限于此。在最初对准时，基于存储在存储部3中的基准位置、即位置信息来预测电磁体1(1A、1B)的位移量，从而也能掌握需要重新对准的时期，也能预先制定重新对准的计划。
实施方式3.
实施方式1中示出了通过摄像机10获取重新对准时的位置信息的情况，而实施方式3示出通过GPS接收机来获取的情况。
图8是表示本发明实施方式3的粒子射线照射设备300的结构的框图。图9是具备粒子射线照射设备300的粒子射线照射装置用的电磁体1A的外观图。
如图8和图9所示，粒子射线照射设备200具备接收部即GPS接收机5来代替实施方式1中的测定部即摄像机10((10-1、10-2、…、10-n)。此外，具备发送部即GPS发送机13(13A、13B)来代替实施方式1的目标12(12A、12B)。GPS发送机13(13A、13B)在电磁体1(1A、1B)上分别设置有三处，分别观测来自多个GPS卫星50的位置等来决定自身的位置，并发送位置信息。所发送的来自GPS发送机13(13A、13B)的位置信息被设置于建筑物内的原点(例如同步加速器的中心点)的GPS接收机5所接收。通过接收从各三处的GPS发送机13(13A、13B)发送的位置信息，从而从具有各三处的GPS发送机13(13A、13B)的电磁体1(1A、1B)观察的GPS接收机5的位置得以确定。若以GPS接收机5的位置为原点来倒推，则能求出以GPS接收机5为基准时的电磁体1A与电磁体1B的相对位置和姿态等。
控制部2在最初对准时利用GPS接收机5接收从GPS发送机13(13A、13B)发送的位置信息，以GPS接收机5的位置为原点来计算电磁体1(1A、1B)的位置和姿态等，从而获取最初对准时的位置信息。此外，在重新对准时也同样，利用GPS接收机5接收从GPS发送机13(13A、13B)发送的位置信息，以GPS接收机5的位置为原点来计算电磁体1(1A、1B)的位置和姿态等，从而获取重新对准时的位置信息。
通过如上述那样从由GPS发送机13(13A、13B)发送的位置信息中，以GPS接收机5的位置为原点来获取电磁体1(1A、1B)的位置信息，从而即使在位于HEBT系统线的上游侧的主要的电磁体1A与位于HEBT系统线的下游侧的另一主要的电磁体1B位于建筑物的不同楼层这样的情况下，也能容易地掌握电磁体1A与电磁体1B的相对位置和姿态等。
粒子射线照射设备300的其它结构和动作与图1和图5所示的实施方式1的粒子射线照射设备100的结构和动作相同，因此对相同的部分标注相同的标号并省略其说明。
如上所述，在本发明实施方式3的粒子射线照射设备300中，控制部2在最初对准时，从由GPS发送机13(13A、13B)发送的位置信息中，将GPS接收机5的位置作为原点来获取电磁体1(1A、1B)的位置信息，将获取到的位置信息作为基准位置的位置信息存储到存储部3中，基于存储在存储部3中的基准位置的位置信息，并根据重新对准时从GPS发送机13(13A、13B)发送的位置信息，从以GPS接收机5的位置为原点而获取到的电磁体1(1A、1B)的位置信息获取位移量，因此，即使在因外界气温的季节变动、地壳变动等导致建筑物变形的情况下，也能容易地调整电磁体的位置以及姿态等。
此外，由于利用GPS接收机5，以GPS接收机5的位置为原点来获取各电磁体1(1A、1B)的位置信息，因此即使在位于HEBT系统线中的上游侧的主要的电磁体与位于下游侧的电磁体位于例如建筑物的不同楼层等隔开的位置的情况下，也能在保持一定的状态下对电磁体的相对位置和姿态等进行高精度地调整，能实现高精度的射束照射。
另外，在上述实施方式1～3中，说明了对电磁体1A和电磁体1B双方的位置和姿态等进行调整，但并不限于此。通过调整其中任一方，使得电磁体1A与电磁体1B的相对位置和姿态得以保持，从而也能实现高精度的射束照射。对于电磁体的对准，在位于建筑物的不同楼层的情况下，通常不移动接近地面一侧的电磁体，而仅调整容易受建筑物伸缩的影响的上方楼层的电磁体，来使相对位置保持不变。
另外，本发明可以在发明范围内对各实施方式进行自由组合，或者对各实施方式适当地进行变形、省略。
标号说明
1、1A、1B 电磁体
2 控制部
3 存储部
4分析部
5 GPS接收机
10、10-1、10-2、··、10-n 摄像机
11、11A、11A-1、11A-2、11A-3、11A-4、11A-5、11B、11B-1、11B-2、11B-3、11B-4、11B-5 致动器
12、12A、12A-1、12A-2、12A-3、12A-4、12B、12B-1、12B-2、12B-3、12B-4 目标
13、13A、13A-1、13A-2、13A-3、13B、13B-1、13B-2、13B-3 GPS发送机
100、200、300 粒子射线照射设备

Claims (6)

1.一种粒子射线照射设备，其特征在于，包括：
第一电磁体，该第一电磁体设置在高能射束照射系统线的上游侧；
第二电磁体，该第二电磁体设置在所述高能射束照射系统线的下游侧；
位置信息获取单元，该位置信息获取单元获取所述第一电磁体与所述第二电磁体之间的相对位置信息；
存储部，该存储部预先存储最初对准时的所述第一电磁体与所述第二电磁体之间的相对位置信息来作为基准位置信息；
调整机构，该调整机构对所述第一电磁体以及所述第二电磁体的位置和姿态进行调整；以及
控制部，该控制部基于存储在所述存储部中的基准位置信息，根据在重新对准时由所述位置信息获取单元获取到的所述第一电磁体和所述第二电磁体之间的相对位置信息来计算从最初对准时到重新对准时的所述第一电磁体以及所述第二电磁体的位置和姿态的位移量，根据所述位移量并通过所述调整机构对所述第一电磁体和所述第二电磁体的位置和姿态进行调整控制。
2.如权利要求1所述的粒子射线照射设备，其特征在于，
所述控制部通过对所述第一电磁体或所述第二电磁体的任一方的位置和姿态进行调整，来控制所述第一电磁体与所述第二电磁体之间的相对位置和姿态。
3.如权利要求1或2所述的粒子射线照射设备，其特征在于，
所述位置信息获取单元由多个立体摄像机构成，所述立体摄像机排列成使得相邻的立体摄像机的视野角重叠，基于配置在所述视野角中的至少四个目标的位置坐标来对所述相邻的立体摄像机的位置坐标进行变换，以使坐标系一致，并获取所述第一电磁体与所述第二电磁体之间的相对位置信息。
4.如权利要求1或2所述的粒子射线照射设备，其特征在于，
所述位置信息获取单元由变形模拟器构成，利用所述变形模拟器并通过计算来获取所述第一电磁体与所述第二电磁体之间的相对位置信息。
5.如权利要求1或2所述的粒子射线照射设备，其特征在于，
所述位置信息获取单元由GPS发送机和GPS接收机构成，所述GPS发送机在所述第一电磁体和所述第二电磁体上分别配置有至少三个，所述GPS接收机仅配置有一个，获取从所述GPS发送机发送的所述第一电磁体和所述第二电磁体的位置信息，所述控制部根据所述GPS接收机接收到的位置信息，以所述GPS接收机的位置为基准来计算所述第一电磁体与所述第二电磁体之间的相对位置和姿态的位移量。
6.如权利要求1或2所述的粒子射线照射设备，其特征在于，
所述第一电磁体以及所述第二电磁体分别设置于建筑物的不同楼层。
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