CN1299782C - 电荷粒子射线的辐射剂量分布调整机构和辐射装置 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于以双重散射体入射方式、在较短时间获得精度良好的辐射剂量分布，即使在治疗的辐射过程中，仍可实时地对辐射剂量进行调整。通过下述射束轴调整装置(22)、保证射束轴的精度，并根据辐射剂量分布的平坦度监视器(20D)的测定结果、对第2散射体(20B)的位置进行细微调整，由此确保平坦的辐射剂量分布，该射束轴调整装置(22)包括设置于电荷粒子射线的射束输送系统中的射束位置检测器(26)；设置于其进入侧的转向电磁铁(24X、24Y)或偏转电磁铁(27)。

Description

电荷粒子射线的辐射剂量分布调整机构和辐射装置

技术领域

本发明涉及用于调整电荷粒子射线的辐射剂量分布的电荷粒子射线的辐射剂量分布调整机构、采用该机构的电荷粒子射线的辐射装置、以及采用该辐射装置，对患部辐射电荷粒子射线的粒子射线治疗装置。

背景技术

作为采用质子等的粒子射线的癌等的治疗系统，如图1所示，人们知道有比如下述系统，该系统包括治疗设备10，该治疗设备10包括：粒子射线加速装置12，该装置12由将质子加速到规定能量的回旋加速器以及能量分析装置(ESS)形成，该能量分析装置(ESS)根据需要用于在限制能量分散的同时、改变从该回旋加速器辐射的粒子射束的能量；射束输送装置(BTS)14，其用于确保从该粒子射线加速装置12取出的粒子射束的稳定轨道，在损失的情况下将其输送给辐射室；旋转辐射装置(台架)30，其用于形成处理通过上述射束输送装置14输送的粒子射束，确实对身体的病灶位置进行辐射，在该装置中，粒子射线的辐射方向是可改变的；固定辐射装置40，该固定辐射装置40中的粒子射线的辐射方向是固定的。该系统还包括附属装置42和附带设备装置44，该附属装置42包括用于计划辐射治疗的诊断装置、治疗计划系统和治疗工具工作机械；该附带设备装置44包括以向加速器、射束输送装置供电的直流电流电源为主体的各种电源、电流导体(线圈)直接冷却用的纯水冷却供给设备等。

另外，作为粒子射线加速装置12，人们还知道有不需要能量分析装置的同步加速器。

由于比如如图2所示，上述旋转台架30用于从任意角度对患者辐射粒子射线33，故其由实现辐射范围、辐射深度等的辐射要求条件的辐射嘴32、以及将射束输送到其入口的BTS14的末端部(图中未示出)、用于使安装于该BTS14的末端上的辐射嘴32回旋的结构体36形成，与其相邻接，设置有包括患者的患部位置确定装置的治疗用床34。

在采用这样的治疗装置进行治疗时，必须将细微的粒子射线束对应于患部的大小、并扩大到最大的30cm角度。

于是，如图3所示，通过设置于最终偏转电磁铁18的射出侧的辐射嘴32，将通过图中未示出的4个重极电磁铁(Q磁铁)约束，通过偏转电磁铁16、18偏转的电荷粒子射线扩大，可获得均匀的辐射剂量分布。

作为形成平面方向的辐射范围的代表性方法，包括有通过散射体扩大射束的散射体法、以及调整电磁铁对射束进行扫描的射束扫描方法，前者具有结构简单、所要求的设置空间较窄、辐射范围不随时间变化、时间轴方向的稳定性较高等特征，后者具有侧方的散射很少(半影少)、射束的利用效率高的特征。

上述辐射嘴32在比如属于前者的双重散射体方式的场合，如图4具体所示的那样包括辐射剂量分布调整机构20，该机构20包括：透射厚度可改变的第1散射体20A；第2散射体20B，该第2散射体20B用于调整通过该第1散射体20A扩大的粒子射束的辐射剂量分布，在中心部设置有散射效果较高的铅等的原子序号较大的物质；监视器(比如平坦度监视器)20D，其用于检测由上述散射体20A、20B形成的辐射剂量分布的重心位置。

按照该双重散射体方式，在通过第1散射体20A使粒子射线束发生散射后，将其射入第2散射体20B，使图5(A)所示的那样的呈高斯分布的射束的辐射剂量分布的中心部分朝向外侧散射，如图5(B)所示，对分布进行平坦化处理，在第2散射体20B的中心部设置有散射的效果较大的物质。

但是，如果射束轴和第2散射体轴的偏离，即第2散射体20B和呈入射的高斯分布的射束的中心部分发生偏离，则如图5所示，在第2散射体20B的中心部分发生散射的射束与周边部的射束的强度分布的平衡破坏，辐射剂量分布的平坦度受到损坏。因此，必须相对作为目标的辐射范围正确地调整射束轴和第2散射体的位置关系。此时，为了调整射束轴，采用高精度的射束监视器和台架30内的电磁铁，以良好的精度对射入第2散射体的射束轴进行调整的功能是不缺少的。另外，由于该射束轴的调整花费较长时间，治疗中的调整困难，故在治疗前，还必须精密地对辐射剂量分布或射束轴位置进行测定、评价。

另外，由于在使用图2所示的那样的旋转台架30进行治疗的场合，设置于台架30的内部的电磁铁和电荷粒子射线的位置关系伴随台架的旋转角度，因台架30的挠度，精度误差等而变化，故必须沿台架旋转方向按照射束位置/扩展程度保持对称的方式调整射入台架30的电荷粒子射线，或另外按照台架的的旋转角度调整台架内部的电磁铁，分别设定条件。

发明内容

本发明是为了解决上述已有的问题而提出的，本发明的第1课题在于：简单地获得均匀的辐射剂量分布。

本发明的第2课题在于：在比如治疗辐射中，可实时地调整辐射剂量分布。

本发明的第1课题是通过下述方式解决的，该方式为：电荷粒子射线的辐射剂量分布调整机构具备：第1散射体，用于扩大电荷粒子射线的射束；第2散射体，用于调整由该第1散射体扩大的射束的辐射剂量分布；监视器，用于测定通过第1及第2散射体形成的射束的重心位置；以及补偿机构，根据该监视器的测定值，对上述第2散射体的位置进行调整，对射束轴的变化、台架的旋转造成的第2散射体的位置误差进行补偿。

本发明的第1课题同样可以通过下述方式解决的，该方式为：电荷粒子射线的辐射剂量分布调整机构具备：第1散射体，用于扩大电荷粒子射线的射束；第2散射体，用于调整由该第1散射体扩大的射束的辐射剂量分布；监视器，用于测定通过第1及第2散射体形成的射束的重心位置；以及在上述已测定的射束的重心位置不在规定位置时，根据其偏差使上述第2散射体移动，从而获得平坦的辐射剂量分布的机构。

本发明还提供一种电荷粒子射线的辐射装置，其特征在于：其具备上述的辐射剂量分布调整机构。

本发明的上述电荷粒子射线的辐射装置，还具备射束轴调整装置，该射束轴调整装置具备：射束位置检测器，其被设置于电荷粒子射线的射束输送系统中；以及转向机构，其用于对应于该射束位置检测器的输出来调整射束轴的位置，该机构设置于该射束轴位置检测器的进入侧，其由可调整射束轴的位置的转向电磁铁或偏转电磁铁构成。

另外，在射束的辐射过程中实时地进行采用上述射束轴调整机构和辐射剂量分布调整机构的调整中的至少一种。

另外，采用从粒子射线加速器射出的短脉冲射束，使采用射束轴调整机构和辐射剂量分布调整机构的调整中的至少一种与该脉冲的射出定时同步。

另外，通过上述射束轴调整机构将射束轴粗略地调整到预定的允许范围内之后，还通过上述辐射剂量分布调整机构使第2散射体移动、并进行细微调整。

此外，本发明提供一种粒子射线治疗装置，其采用上述的辐射装置，对患部辐射电荷粒子射线。

附图说明

图1为表示本发明的适用对象的一个实例的质子束治疗装置的整体组成的方框图；

图2为表示上述质子束治疗装置的旋转台架的一个实例的透视图；

图3为表示适用本发明的旋转台架的射束输送系统的实施例的光路图；

图4为表示设置于射束输送系统的最终段的辐射嘴的一个实例的组成的透视图；

图5为表示用于说明已有问题的射束轴与第2散射体的轴的偏离与最终的辐射剂量分布的关系的实例的曲线图；

图6为表示本发明的射束轴调整装置的实施例的组成的透视图

图7为表示相同辐射剂量分布调整机构的大致结构的透视图；

图8为表示图6所示的射束轴调整装置中的转向电磁铁或偏转电磁铁补偿线圈的电流值与射束位置检测器测定值的关系的实例的曲线图；

图9为图7所示的辐射剂量分布调整机构中的辐射剂量分布的斜率和平坦度监视器测定值与第2散射体位置的关系的实例的曲线图；

图10为短脉冲束的射束轴补偿的示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施例进行具体描述。

在本实施例中，如图3所示，将多个射束轴调整装置22串联地设置于包括具有旋转台架30的射束输送系统的辐射嘴入口的各部位(图3中为4个部位)，该射束轴调整装置22由如图6所示的射束位置检测器(比如射束剖面监视器：BPM)26、以及设置于该BPM26的进入侧的、用于沿相互垂直的方向对射束轨迹进行补偿的X方向补偿转向电磁铁24X、Y方向补偿转向电磁铁24Y形成，保证射入设置于最终段的辐射嘴32内的第2散射体20B的射束轴的精度。多个串联地设置的目的在于：具有在射束输送系统的任意的部位产生射束轴偏离的可能性，更加确实地应对射束轴的偏离。此外，通过根据辐射剂量分布的平坦度监视器20D的测定结果，对第2散射体20B的位置进行细微调整，对射束轴的时间变化、台架的旋转造成的第2散射体20B的位置误差进行调整，确保平坦的辐射剂量分布。

另外，还具有仅仅设置电磁铁24X、24Y中的任何一个的情况。

此外，在射束轴调整装置22中，在转向电磁铁24X、24Y与BPM26之间，还插入有用于切换射束轨迹的方向的偏转电磁铁、4块重极电磁铁等的其它的电磁铁27。

还有，在其它的电磁铁27为偏转电磁铁的场合，也可使用偏转电磁铁(27)，代替转向电磁铁24X或24Y。比如，也可将图3的偏转电磁铁18用作转向电磁铁。在此场合，也可在该偏转电磁铁(27)的主线圈上缠绕补偿用线圈，调整该补偿用线圈的电流值。

上述辐射嘴32所具有的辐射剂量分布调整机构20比如在双重散射体方式的场合，象图7具体所示的那样，包括：透射厚度可改变的第1散射体20A；第2散射体20B，该第2散射体20B用于对通过上述第1散射体20A扩大的粒子射束的辐射剂量分布进行调整，在中心部设置有散射效果较高的铅等的原子序号较大的物质；散射体驱动机构20C，该散射体驱动机构20C用于至少沿双轴方向(X，Y方向)调整该第2散射体20B的位置；监视器20D，该监视器20D用于检测由上述散射体20A、20B形成的(辐射剂量分布的)重心位置。

在这里作为监视器20D，可使用平坦度监视器、剖面监视器。

另外，患部的实际的辐射剂量分可通过比如下述水影象型辐射剂量分布测定仪测定，该测定仪是本申请人在日本特开平11-64530文献中提出的，其在使剂量监视器在水中移动的同时，以图表画出各测定值。

由于在上述BPM26的测定值与转向电磁铁24X，24Y或上述偏转电磁铁(27)的补偿线圈的电流值之间，具有象图8所示的那样的比例关系，故可根据当前的射束位置和目标位置的差，计算转向电磁铁24X，24Y或上述偏转电磁铁(27)的补偿线圈的电流值调整量。

再有，在根据第2散射体20B的位置与平坦度监视器20D的测定值计算的辐射剂量分布的重心位置和患部的辐射剂量分布的平坦度之间，分别相对X方向，Y方向，也具有图9所示的那样的比例关系。因此，如果未将专用的测定仪设置于粒子射线辐射位置，则不能够测定辐射剂量分布的平坦度，但是，可利用监视器20D的测定值与辐射剂量分布之间的比例关系，按照监视器20D的测定值到达目标位置的方式，调整第2散射体20B的位置，由此可获得平坦的辐射剂量分布。

具体来说，根据BPM26的测定结果，以其与基准位置的差确定相对应的转向电磁铁24X，或24Y或者上述偏转电磁铁(27)的补偿线圈的电流值的变化量。通过从上游侧依次实现该处理，按照在规定的允许范围内的方式对最下游(散射体的入射位置)的射束轴进行粗调整。由于该处理在短时间内完成，故可相对台架30的旋转，快速地保证射束轴。依次实现从上游侧到下游侧的处理的目的在于：由于射束轴的偏离的效果从上游侧传递到下游侧，故射束轴的偏离量在下游侧不过大。

此后，相对射束轴随时间的变化、第2散射体20B的位置误差，在插入第1散射体20A和第2散射体20B的状态下，通过监视器20D测定辐射剂量分布的重心位置，在重心位置不在监视器20D的中间的场合，可根据其偏差移动第2散射体20B，对射束轴位置进行细微调整，确保平坦的辐射剂量分布。

由于上述射束轴和第2散射体20B的位置调整可在极短时间内实施，故即使在治疗辐射的过程中，仍可实时地调整辐射剂量分布。

此时，如图10所示，通过采用短脉冲束，使调整中的辐射剂量减少，可通过很少的辐射剂量，确保平坦的辐射剂量分布。

如上所述，可特别是相对旋转台架进行本发明的处理，因此相对台架的任意角度，容易保证射束轴的精度。

另外，在上述描述中，本发明适合用于质子束治疗装置的旋转台架，但是本发明的适合对象不限于此，显然，本发明还同样地适合用于采用质子束以外的电荷粒子射线的治疗装置、辐射装置、或治疗装置以外的装置。

本发明的效果

按照本发明，可容易地对射束轴的位置进行调整，无论台架的旋转角度等因素，仍可简单地保证射入散射体等中的射束轴的精度。

尤其，通过与辐射剂量分布调整机构的第2散射体位置的细微调整机构相组合，对射束轴随时间的变化、或第2散射体的位置设定误差进行补偿，可简单地获得均匀的辐射剂量分布。

此外，由于可通过短时间的测定/调整确保辐射剂量分布的平坦度，故即使在比如治疗辐射中的情况下，仍可实时地调整辐射剂量分布。

按照本发明，可简单地获得均匀的辐射剂量分布。

Claims (8)

1、一种电荷粒子射线的辐射剂量分布调整机构，其特征在于，其具备：

第1散射体，用于扩大电荷粒子射线的射束；

第2散射体，用于调整由该第1散射体扩大的射束的辐射剂量分布；

监视器，用于测定通过第1及第2散射体形成的射束的重心位置；以及

补偿机构，根据该监视器的测定值，对上述第2散射体的位置进行调整，对射束轴的变化、台架的旋转造成的第2散射体的位置误差进行补偿。

2、一种电荷粒子射线的辐射剂量分布调整机构，其特征在于，其具备：

第1散射体，用于扩大电荷粒子射线的射束；

第2散射体，用于调整由该第1散射体扩大的射束的辐射剂量分布；

监视器，用于测定通过第1及第2散射体形成的射束的重心位置；以及

在上述已测定的射束的重心位置不在预定位置时，根据其偏差使上述第2散射体移动，而获得平坦的辐射剂量分布的机构。

3、一种电荷粒子射线的辐射装置，其特征在于：其具备权利要求1或2所述的辐射剂量分布调整机构。

4、根据权利要求3所述的电荷粒子射线的辐射装置，其特征在于：其还具备射束轴调整装置，该射束轴调整装置具备：

射束位置检测器，其被设置于电荷粒子射线的射束输送系统中；以及

转向机构，其用于对应于该射束位置检测器的输出来调整射束轴的位置，该机构设置于该射束轴位置检测器的进入侧，其由可调整射束轴的位置的转向电磁铁或偏转电磁铁构成。

5、根据权利要求3或4所述的电荷粒子射线的辐射装置，其特征在于：在射束的辐射过程中实时地进行采用射束轴调整机构和辐射剂量分布调整机构的调整中的至少一种。

6、根据权利要求3或4所述的电荷粒子射线的辐射装置，其特征在于：采用从粒子射线加速器射出的短脉冲射束，使采用射束轴调整机构和辐射剂量分布调整机构的调整中的至少一种与该脉冲的射出定时同步。

7、根据权利要求4所述的电荷粒子射线的辐射装置，其特征在于：通过上述射束轴调整机构将射束轴粗略地调整到预定的允许范围内之后，还通过上述辐射剂量分布调整机构使第2散射体移动、并进行细微调整。

8、一种粒子射线治疗装置，其特征在于：采用权利要求3～7中任意一项所述的辐射装置，对患部辐射电荷粒子射线。

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