JP2005516634A - 腫瘍放射線照射においてイオンビームスポットのサイズを適合させる装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、腫瘍放射線照射においてイオンビームスポットのサイズを適合させる装置および方法に関する。そのために、装置は、イオンビーム（１９）をラスタ走査するラスタ走査電磁石（２０）からなるラスタ走査デバイスを有する。さらに、装置は、ラスタ走査電磁石（２０）の直前に配置されて、イオンビームスポットのサイズを決定する４極子電磁石（１０）、および、最後に、イオンビームスポットのサイズを決定する４極子電磁石（１０）の４極子対用の２つの電磁石電源ユニット（１８）を備えており、装置は、イオンビームスポットサイズの限定された均質化を得るための、かつ／または限定された変動を得るために、ビームの行き渡っている寸法の所望値と実際値を比較することによって、ラスタ走査電磁石（２０）の直前に配置された４極子対の２つの電磁石電源ユニット（１８）に対する電流補正値を得るための制御ループを有している。

Description

本発明は、前もって特徴を記述する(precharacterizing)請求項１の条項による、腫瘍放射線照射においてイオンビームスポットのサイズを適合させる装置、および独立の方法請求項による、イオンビームスポットのサイズを適合させる方法に関する。

前もって特徴を記述する請求項１の条項による装置、および強度が制御されるラスタ走査プロセスは、Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A330,pp206-305,1993で発表された、Th. Haberer, W. Becher, D. SchardtおよびG. Kraftによる論文「Magnetic scanning system for heavy ion therapy」（非特許文献１）から知られている。さらに、ラスタ走査プロセスによって、患者の腫瘍体積(volume)の走査を有望で、信頼性のあるものにする、制御システムに基づく装置および方法が、特許出願ＤＥ １９８ ３５ ２０９．３「Apparatus and method for controlling an irradiation device」（特許文献１）から知られている。しかし、こうした装置は欠点を有しており、その欠点は、複数の放射線照射時点(point)の最中またはそれらの間で、イオンビームスポットのサイズを調整することはかなりの努力なしでは可能でない、したがって、イオンビームスポットのサイズは、腫瘍体積を通る全ての断面にわたって同じ幅のままであり、その結果、特に縁部部位で鋭利な輪郭が得られない。
特許出願第ＤＥ １９８ ３５ ２０９．３号「Apparatus and method for controlling an irradiation device」 Th. Haberer, W. Becher, D. SchardtおよびG. Kraft 「Magnetic scanning system for heavy ion therapy」Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A330,pp206-305,1993

そうした制御システムをさらに開発する目的は、特に、一体化されたラスタ走査技術を有する回転可能なビームガイド（ガントリ）を将来使用することも考えて、照射線量適用の幾何学的精度の向上およびビーム位置変動に対するプロセスの頑強性の著しい増強を得ることである。

回転可能なビームガイド（ガントリ）の場合、より難しいイオン−光学条件(conditions)によって生ずる、避けられないビーム位置変動の大きさが増す。たとえ治療ビームの強度が最大値と最小値の間で３０倍変動しても、加速器によって供給される治療ビームのビーム位置変動は、±２ｍｍの範囲内であるはずであるし、またそうでなければならない。したがって、本発明の目的はまた、全放射線照射から生ずる線量分布が、計画された線量分布から平均して５％未満だけ離れるような、精密な放射線照射計画を実施することである。

その目的は独立請求項の主題によって達成される。本発明の有利な開発の特徴は、従属請求項から明らかになるであろう。

本発明によれば、腫瘍放射線照射においてイオンビームスポットのサイズを適合させる装置は、イオンビームをラスタ走査するラスタ走査電磁石からなるラスタ走査デバイスを有する。さらに、イオンビームスポットのサイズを決定する４極子電磁石が、ラスタ走査電磁石の直前に設けられる。イオンビームスポットのサイズを決定する４極子電磁石の４極子対(doublet)は、本発明によれば、２つの電磁石電源ユニットによって給電されている。

これまで使用された装置では、シンクロトロンなどの適当な加速器からの治療ビームの抽出中に、加速器の、または後続のビームガイドのイオン−光学パラメータの時間変動が、ビーム位置変動およびビームスポットサイズの時間変動の両方を生ずる可能性がある。ビーム位置変動の一部の問題は、一方では、非常に効率良く解決されてきたが、ビームスポットのサイズの変動を低減ずる、すなわち、制御する方法はこれまでのところ全くない。

しかし、腫瘍のイオン放射線照射の目的は、できるだけ正確な粒子配置を生成することである。すなわち、標的体積内で、計画された線量分布からの逸脱が最小にされるべきであり、ビーム幅変動は制限された範囲に対してのみ許容可能である。その理由は、普通なら(otherwise)、放射線照射の計画時に前もって指定されてきたビーム位置の幾何学的パターンは、限定されたビ−ム幅の範囲に対してのみ十分に正確な放射線照射成果をもたらすことができるためである。

こうした理由で、本発明によれば、装置は、主なビームカウントの所望値と実際値を比較することにより、ラスタ走査電磁石の直前に配置されている４極子対の２つの電磁石電源ユニットに対する電流補正値を供給し、ビーム抽出中に、かつ／または、測定サイクルから測定サイクルまでの間に、かつ／または、ビーム位置からビーム位置までの間に、前記ビームスポットサイズの限定された均質化および／または限定された変動を実現する制御ループを有する。

本発明による解決策が有する利点は、放射線照射中に、ビーム位置間隔に対するビームプロファイル幅の実用的な(sensible)比を維持でき、それによって、図２に示す、医療要件を満たす均一な線量分布が実現されるということである。

こうした均一なビーム分布を得るために、装置は、生検出器データからイオンビーム幅の実際値を計算するリアルタイムソフトウェアを有することが好ましい。さらに、装置は、イオンビーム幅を検出し、イオンビーム幅に関する生検出器データを生成する位置敏感型検出器を有する。本発明のこの実施形態の利点は、縁部に向かってイオンビームの幅を変えることによって、放射線照射される体積の縁部で非常に急峻な線量勾配が生成されることを可能にすることである。

ビームスポットのサイズは、線量が縁部で急峻に降下するように縁部に向かって最小にされるため、治療(therapy)ビームの半値幅を用いてスケーリングされたその線量降下の範囲が得られる(possible)。ビームスポットのサイズを調節するための、その装置に関連する利点は、患者を固定した位置に置いた状態で、放射線照射室における患者に対する照射持続期間を最小にできることである。その理由は、大きなイオンビームスポットサイズは、腫瘍体積の広い部位で実施することができ、イオンビームスポットのサイズが減ぜられ、ビーム位置が単位面積当たり、より高密度にされるのは、図３に示すように、縁部に向かってのみであり、それによって、より精密な縁部追跡が行なわれる。

照射持続期間、したがって、システムの患者処理量もまた、腫瘍の体積内のビーム位置の密度の低下によって減る。その理由は、ビーム位置の密度が減ると、照射持続期間もまた減るためである。したがって、ビームスポットのサイズを調整できる可能性があることの結果として、照射持続期間の低下が得られるのは有利である。その理由は、腫瘍の内部体積内で、より大きな間隔でより少ないビーム位置を計画することができるからである。しかし、一方で、腫瘍の断面にわたって粒子配置の十分な品質を確保するためには、所与のビーム位置間隔についてビームスポットの最小幅が必要とされる。次に、それは、本発明による装置によって確保される。

装置の別の好ましい実施形態において、装置は、制御および複数の読み出しモジュール、および関連するデータ接続を有して、イオンビーム幅の実際値に関する情報を格納、制御および読み出しモジュールに送出し、測定データを格納するようにする。本発明のその実施形態が有する利点は、制御および読み出しモジュールと、イオンビームスポットのサイズを決定する４極子電磁石の４極子対の電磁石電源ユニットとの対話（interaction）によって、イオンビームスポットのサイズの迅速な変化を得ることができることである。

本発明の別の実施形態において、読み出しモジュールは、いくつかの自由インタフェース、およびそれによってイオンビーム幅の追跡を行うことができる計算能力を有する。したがって、照射持続期間を最小にしながら、急峻で、かつ精密な縁部降下を行なうという要求（医療技術の観点から理解できる）が、照射スポットのサイズに関して達成されるのが有利である。その要求は、イオンビームスポットのサイズが固定されているために、現行の技術水準では達成することができない。ビームスポットのサイズおよびビームスポットの位置を追跡し、調整する能力によって、腫瘍体積の照射中における動的適応が得られるのが有利であり、それによって、放射線照射を計画する人はまた、ビーム位置パターンを指定する時により大きな柔軟性が与えられ、線量分布の質をより高めることができる。

本装置の別の実施形態において、１つの制御および読み出しモジュールによって拡張することができる制御システムが設けられ、その付加的な制御および読み出しモジュールは、イオンビーム幅調節の機能を専用に行なうことができる。その実施形態を用いれば、通常の加速器サイクル時間より大幅に短い期間で迅速な調整が可能になる。

本発明の別の好ましい実施形態において、装置は、取り付けられた制御および読み出しモジュールを有するマルチワイヤイオン化室から始まって、グラフィカル表示用の測定データを供給し、ラスタ走査電磁石の直前の４極子対の水平合焦および垂直合焦用の２つの電磁石電源を作動させる制御および読み出しモジュールに導く制御ループを有する。それによって、補正されたフィールド設定が生成されるのが有利であり、その設定によって、システムの合焦状態が改善される。制御は、放射線照射計画手法に従って、走査プロセス中にイオンビームスポットの一定サイズを維持すること、およびイオンビームスポットのサイズを限定した変動(variation)に維持することの両方を確保することができるのは有利である。その制御プロセスにおいて、ラスタ走査システムの位置測定から入手される、時間経過に伴うビーム幅の変動に関する情報は、たとえば、４極子電磁石などの、イオンビ−ムスポットのサイズに影響を与える電磁石の電磁石電源ユニットに新たな所望値を迅速に連続して適用する制御システムの能力と組み合わされて、その結果、行き渡るビーム寸法の所望値と実際値のその時の比較から、ラスタ走査電磁石の直前の４極子対の両方の電磁石電源ユニットに対する電流補正値を計算することが可能である。

腫瘍治療においてイオンビームスポットのサイズを適合させる方法は、方法ステップ、すなわち、
−イオンビームスポットのサイズを、リアルタイムで、動的に適合させるステップであって、
−２つの連続する加速器サイクルの間で、または加速器サイクル内で、および／または隣接するビーム位置内で調整可能周波数によって、種々のイオンビームスポットサイズに対する所望値を、ビームスポットのサイズを決定する上記４極子電磁石に与えるステップと、
−上記ビームの行き渡っている寸法(dimension)の所望値と実際値を比較することによって、上記イオンビームスポットのサイズを決定する上記４極子電磁石の４極子対の２つの電磁石電源ユニットに対する電流補正値を得るステップであって、それによって、ビーム抽出中、かつ／または、測定サイクルから測定サイクルまでの間に、かつ／または、ビーム位置からビーム位置までの間に、上記イオンビームスポットサイズの限定された均質化を得るようにする、かつ／または限定された変動を得るようにする、電流補正値を得るステップと、
−腫瘍の体積(volume)部位におけるよりも、縁部部位において、より高密度のイオンビーム位置ラスタで、と同時に、より小さなイオンビームスポットサイズで、腫瘍組織を放射線照射(irradiating)するステップとによる、動的に適合させるステップを特徴とする方法である。

したがって、本発明による方法は、上述のラスタ走査プロセスをいくつかの点で改善する。イオンビームスポットのサイズをリアルタイムで設定できる可能性があるために、制御プロセスによって、その時のビーム幅を、放射線照射計画の仕様に積極的に適合させることによって、ラスタ走査によって生成される粒子配置の品質を向上させることができる。それによって、ビーム位置の幾何学的密度は、以前の放射線照射モードと比較して減らすことができる。その理由は、特に、以前は、常に起こったビーム幅の変動を補償するために、予備品を有する必要があったためである。こうした変動を最小にする本発明による制御プロセスは、より少数のビーム位置を計画する可能性を提供し、それによって、より短い照射時間およびより高い患者処理量がもたらされる。

本方法の好ましい実施例において、縁部部位における微細イオンビーム位置ラスタの場合、腫瘍の体積部位において粗いイオンビーム位置パターンを用いるのに比べて、より狭いビームの半値幅が設定されるように、ビームの半値幅はイオンビーム位置ラスタに適合する。結果として、同時に、ビームの半値幅がより狭く設定され、したがって、腫瘍の体積部位におけるよりもより急俊に画定されるように設定されるために、縁部部位において、腫瘍組織と健康な組織の間の、より正確な分離(denarcation)を得る可能性があることは有利である。粗いイオンビームパターンを用いた、腫瘍の体積部位におけるより広いビームの半値幅によって、等エネルギー断面(section)当たり、すなわち、放射線照射面当たりのビーム位置の総数が減ぜられることは有利であり、したがって、放射線照射治療時間を低減することができる。一方、腫瘍組織の縁部の線量勾配は非常に急俊で、したがって、腫瘍組織と健康な組織の間の正確な境界が確保される。

本方法の別の好ましい実施例は、全ての測定サイクルについて、マルチワイヤイオン化室内の制御および読み出しモジュールのリアルタイムソフトウェアは、マルチワイヤイオン化室の生検出器データからイオンビーム幅の実際値を計算する。その場合、ビームの半値幅は、測定サイクルから測定サイクルの間に変わり、かつ設定され、ビームの半値幅の計算が、マルチワイヤイオン化室の生検出器データを収集することによって実行される手法が行なわれることが好ましい。こうしたリアルタイムソフトウェアは、測定サイクルと測定サイクルの間に、かつ／または、隣接するビーム位置の間に、適切な設定データを適合した形態で再計算するのに十分な時間を有する。

本方法の別の好ましい実施例において、ビーム幅に関する情報は、測定データを格納し、制御および読み出しモジュールに供給される。一方、そのモジュールは、最初は、生検出器データを格納し、また、ビーム位置からビーム位置までの間に、または、測定サイクルから測定サイクルまでの間に生検出器データを再計算するのに役立つ。

本方法の別の好ましい実施例において、イオンビームスポットサイズの実際値が、放射線照射計画からのイオンビームスポットサイズの所望値に関する情報とリアルタイムで比較される。こうしたモジュールを用いて、イオンビームスポットのサイズが、検出されて、測定サイクルと測定サイクルの間に、かつ／または、ビーム位置とビーム位置の間に変えられることができるだけでなく、ビーム抽出中におよびビーム抽出内で変えられることもできる。このために、本方法の別の実施例において、ラスタ走査の直前にある高エネルギー放射線ガイド用の、イオンビームスポットのサイズを決定する４極子電磁石の４極子対の電磁石電源ユニットに対する補正値が決定され、それに従って設定されることができる。

本方法の別の実施例において、測定サイクルから測定サイクルまでの間に、この手法が行なわれる場合、位置測定システムは、放射線照射計画の１つのイオンビーム位置から次のイオンビーム位置までの間に、補正および再設定を行なうことができる。その再設定は、４極子対に対する補正値を決定し、実行するリアルタイムソフトウェアのパラメータの形態で、イオンビーム追跡周波数を設定することによって、最初に既に指定されている。イオンビーム幅の減衰もまた同様に、パラメータによって適合周波数に対して調整可能である。最後に、最初から調整不良になる可能性を排除するために、最大および最小のイオンビーム幅に関するイオンビーム幅について、しきい値を設けることができる。

したがって、本発明による方法および本発明による装置は、リアルタイムでのビーム幅の再調整に関する。そのために、ラスタ走査システムの位置測定から入手できる、時間に伴うビーム幅の推移(course)に関する情報は、イオンビームスポットのサイズに影響を与える、４極子電磁石などの電磁石の電磁石電源ユニットに、新たな所望値を間断なく与える制御システムの能力と組み合わされる。それによって、制御ループが形成され、制御ループによって、ラスタ走査電磁石の直前の４極子対の２つの電磁石電源ユニットに対する電流補正値が、行き渡るビームの寸法の所望値と実際値の比較から計算されること、したがって、イオンビーム治療システムの合焦状態を改善する補正されたフィールド設定が生成されることが可能になる。したがって、制御(control)が、一定のイオンビームスポットサイズを提供し、走査プロセス中により確実に維持されることが可能になり、また、かなりより柔軟性のあるようにされる可能性のある放射線照射計画の仕様に従って、イオンビームスポットのサイズの限定された変更が行われることが可能になる。

図１は、狭すぎるビーム半値幅での不均一線量分布の例を示す。そのために、図１において、座標系がＸ、Ｙ、Ｚ方向に作られ、ＸおよびＹ軸の単位はミリメータで、照射線量は、Ｚ軸の方向にプロットされている。図１は、放射線照射計画の仕様に一致しないビームプロファイル幅が線量分布の均一性に及ぼす影響を示す。腫瘍放射線照射にとって許容されない不均一性がＺ方向に投影する照射線量最大値で見られる。

原理上、ビームプロファイル幅は、ビーム位置間隔に対して狭すぎるか、または逆に、ビーム位置間隔が、設定されたビームプロファイル幅に対して広すぎる。ビーム適用のきわめて重要な目的、したがって、すなわち、できる限り正確である、言い換えれば、標的体積において、計画されている線量分布からの逸脱が最小にされているはずの、ある粒子配置の生成は得られない。したがって、図１で設定されたビームプロファイル幅に対して放射線照射不均一性が生じ、放射線照射計画の仕様を満たすことができない。

図２は、適度のビーム半値幅での均一な線量分布の例を示す。図２において、再びＸ、Ｙ、Ｚ座標系が示され、ＸおよびＹ軸上にミリメータ目盛りを、Ｚ軸の方向に線量を有する。この実施形態において、放射線照射中、ビームプロファイル幅のビーム位置間隔に対する実用的な(sensible)比が維持され、その結果として、医療要件を満足させる均一な線量分布が腫瘍体積において得られ、照射の縁部に向かって比較的急俊な降下を達成することができる。しかし、急俊な降下が起こるためには、かなり狭いビーム位置間隔、その上、図１よりもかなり多いビーム位置が図２において計画されねばならず、その結果、図２の治療時間は、図１の治療時間より何倍も大きくなるであろう。しかし、本発明によれば、ビーム幅をビーム位置とビーム位置の間で変えることができるため、ビーム位置間隔が広くなると、ビームプロファイル幅は広く設定されることができ、縁部に向かって、同時にビームプロファイル幅を減らしながら、ビーム位置間隔を減ずることができる。

したがって、本発明による装置によれば、図２のように、かなり均一な線量分布を得ることができ、同時に、腫瘍組織を通る等断面当たりのビーム位置の数を減らすことができ、図３が示すように、腫瘍の縁部に向かって、ビーム位置間隔を減らし、同時にビームプロファイル幅を減らし、その結果、急俊な縁部降下および健康な組織からのより正確な分離が可能になる。

図３は、本発明による装置を使用することによって可能になる、ビーム位置分布の例示的な実施形態を示す。本発明による装置は、イオンビームをラスタ走査するラスタ走査電磁石からなるラスタ走査デバイスと、ラスタ走査電磁石の直前に配置されており、イオンビームスポットのサイズを決定する４極子電磁石と、イオンビームスポットのサイズを決定する４極子電磁石の４極子対の２つの電磁石電源ユニットとによって、腫瘍放射線照射におけるイオンビームスポットのサイズの適合を可能にし、装置は、行き渡るビーム寸法の所望値と実際値を比較することによって、ラスタ走査電磁石の直前に配置されている４極子対の２つの電磁石電源ユニットに対する電流補正値を供給し、ビーム抽出中に、かつ／または、測定サイクルから測定サイクルまでの間に、かつ／または、ビーム位置からビーム位置までの間に、イオンビームスポットサイズの限定された均質化および／または限定された変動を実現する制御ループとを有する。

図３は、健康な組織２によって囲まれた腫瘍組織１および腫瘍組織１と健康な組織２の間の境界組織を表すはっきりと画定された縁部３のために示す。本発明による上述の装置を用いて、ビームプロファイル幅は、腫瘍組織１の縁部部位９においてよりも、腫瘍組織の体積部位４においてより広く設定される。次に、この微細なビーム位置ラスタが縁部部位９に供給され、微細なビーム位置ラスタは、本実施形態であり、体積部位４の単位面積当たりの密度と比較して、縁部部位９の単位面積当たりの密度が４倍である。

ラスタ走査電磁石の直前に配置された４極子対に対して、水平方向と垂直方向の両方へ直に作用する、本発明によるビーム幅の調節によって、腫瘍組織の体積部位４ではビーム位置ラスタが粗いにもかかわらず、線量分布の均質化を得ること、同時に、縁部部位９においても均一な線量分布を得ることが可能であり、また、放射線照射中のビーム位置からビーム位置までの間で、イオンビームスポットのサイズを適合させることによって、腫瘍組織１の縁部部位を健康な組織２からかなり正確に分離できる。その適合は、ビーム位置からビーム位置までの間でばかりでなく測定サイクルから測定サイクルまでの間でも、さらにビーム抽出中においても行え、線量分布を安定化させることができる。そのために、制御および読み出しモジュールと、走査電磁石の直前に配置された水平および垂直４極子用の電磁石電源ユニットの間に付加的な制御ループが設けられる。

したがって、縁部部位における等エネルギー断面の放射線照射については、密な間隔で配置したビーム位置ラスタにわたって、狭いイオンビームスポットが実施され、中央部については、粗いビーム位置ラスタにわたって、広いビームスポットが実施される。それによって、等エネルギー断面当たりのビーム位置の総数、したがって、放射線照射期間を著しく低減できることが有利であり、放射線照射計画を特定する(specify)時に、縁部での線量勾配を非常に急俊になるように選択することができる。

図４は、本発明による装置を使用することができる、放射線照射システムの実施形態を示す。放射線照射システムの制御および監視は、この場合、複雑な電子システムによって確保される。

制御および監視システムは、３つのレベル、すなわち、シーケンス制御部５、システム制御部６およびオペレータ制御部７からなる。これらは互いに独立に動作する。３つの全てのレベルにわたって、システムの故障時にビームを確実に即座にオフする安全システム８が割り当てられて(distribute)いる。

シーケンス制御部５によって、スタート時の初期化および緊急停止時のみにオペレータ制御部７によるアクセスが可能になる。放射線照射中、シーケンス制御部５は自動で動作する。制御機能に加えて、シーケンス制御部はまた安全機能を果たし、それによって、測定データは放射線照射計画の仕様と比較され、万一、一定の限度を超える逸脱が生じた場合、ビームがオフされる。

システム制御部６によって、動作パラメータ、たとえば、検出器電圧の設定が可能になる。さらに、システム制御部６は、多数のシステム状態を読み出すことによって、「ゆっくりと」起こるプロセスを監視し、適当なところでビームをオフする。

オペレータ制御部７によって、オペレータが制御および監視システムと対話することが可能になる。オペレータ制御部から、放射線照射計画がシーケンス制御部５にローディングされ、照射がスタートし、停止し、または中断され、オペレータアクションおよびシステムパラメータのログがとられ、放射線照射プロセスおよびシステム状態が測定データを参照して視覚化され、測定データが文書シナリオ(scenario)を作成するために記録保管される。

制御および監視システムは、ＶＭＥ環境の形態で実施され、入出力デバイス（ターミナル）などの操作(operating)デバイスおよび通常(customary)周辺機器を有するいくつかの個別のコンピュータからなるコンピュータシステムを有する。位置、幅および強度に関してビームを監視するデバイス、およびビームを要求し、偏向させるデバイスは、バスラインを介してＶＭＥ環境に結合される。

シーケンス制御部５と独立に動作する安全システムは、全放射線照射期間にわたる、総合の照射プロセスを監視する。安全システムは、故障のため、ビーム偏向が不完全であるか、または、ある点またはある層に対する粒子数あるいは印加される粒子の総数が超過する場合、照射プロセスを自動的に中断する。故障の原因は、ビームの実際の生成にあるかもしれないし、シーケンス制御部５にその根拠を有するかもしれないが、シーケンス制御部５は放射線照射プロセスを中断する自動監視手段を有する。

シーケンス制御部５は、共通システムバスによって操作デバイスに接続される回路モジュール（制御および読み出しモジュール１１〜１７）を有する。システムバスはＶＭＥバスの形態である。

制御モジュール１１〜１７のそれぞれは、各分離デバイスバスによって測定デバイス（イオン化室、マルチワイヤ室など）に、また外部格納デバイス２７に接続される。デバイスバスはシステムバスとは独立している。したがって、図４に示すブロック図はイオンビーム治療(therapy)ユニット用の制御システムに属する。

したがって、イオンビーム治療ユニット用の制御システムは、実質的に、イーサネット（登録商標）の加速器データの全てが加速器操作コンソール上に集められる、テクニカルコントロール室（ＴＫＲ）からなり、イーサネットのルータデータは、治療中に、イオンビーム治療ユニット用の、次に大きな制御システムのユニットであるテクニカル操作コンソールに渡される。テクニカル操作コンソールの中央デバイスは、バーコードリーダ（ＢＣＬ）を有し、治療イーサネットを介してターミナルの操作要素と通信する治療操作コンピュータ（ＴＯＲＴ）である。治療ドメイン(domain)におけるテクニカル操作コンソールは、治療ドメイン（Ｃａｖｅ Ｍ）と通信し、加速器のビーム終了をトリガーする直接接続部(direct connection)を有する医療操作コンソール（ＭＢＤＫ）を有する。ビームを終了させるために、ゆっくりとビームを抽出する共鳴４極子（Ｓ０２１Ｑ１Ｅ）が、治療制御システムのバスシステム内のインターロックユニット経由で電源ユニットを介してゼロにされる。故障時にビームすなわち抽出を終了するために、治療測定位置へのビ−ムガイド用の偏向ダイポ−ル電磁石（ＴＨ３ＭＵ１）は、治療制御システムのバスシステム（ＶＭＥ）内のインターロックユニット（ＩＬＥ）によって同様にゼロにされる。

システム制御部（ＶＭＥＳＫ）については、本来いくつかのマイクロプロセッサがバスシステム接続フレーム（ＶＭＥ crate）上で一緒に動作する。上述し、図４に示すオンライン表示用のデータ格納部（ＯＤＳ）に加えて、システム制御部は、とりわけイオン化室と協働する強度モニター（ＩＭＯＮ）、および粒子総数を監視する読み出し電子機器を含む。さらに、プロセッサの動作(operating)能力を監視するトロットマン(Trottmann)回路ユニット（ＴＭＥ）がシステム制御部に存在する。既に述べたインターロックユニット（ＩＬＥ）および制御バスアダプタ（ＫＢＡ）に加えて、システム制御部は、システム制御部のバスシステム（ＶＭＥ）内にアナログ／デジタルモジュール（ＡＤＩＯ）とシステム制御コンピュータ（ＳＫＲ）を有する。

シーケンス制御部（ＶＭＥＡＳ）の構成要素は、図５に示すデータフロー図の構成要素と同じであり、図４に示す制御システムのシーケンス制御部は、デジタル入出力モジュール（ＤＩＯ）およびシーケンス制御コンピュータ（ＡＳＲ）をさらに備える。治療ドメイン（Ｃａｖｅ Ｍ）内には、それによって患者カウチ上の患者に対する放射線照射の効果が検出できる、ポジトロン・エミッション放射によって粒子範囲の空間的確定を行なうポジトロン・エミッション・トモグラフ（ＰＥＴ）がある。

イオンビームの治療ドメイン（Ｃａｖｅ Ｍ）内への誘導は、図４の下部に概略的に示されている。ビームは、局所走査するようにＸおよびＹ用のスキャナ電磁石（ＭＧＭ）によって誘導され、スキャナ電磁石は、ラスタスキャナの電磁石電源ユニット（ＭＧＭ）によって、水平方向（Ｘ）および垂直方向（Ｙ）にビームを偏向させる。

ビームが最後の偏向電磁石を去った後（図示せず）、ビームはさらに、患者カウチに達する前に複数の検出器を通過する。制御ループは、第１位置敏感型検出器（ＭＷＰＣ１）を介してラスタスキャナ用のスキャナ電磁石の電磁石電源ユニット（ＭＧＭ）上に作用し、その結果、ビーム位置は、ビーム位置からビーム位置までの間を追跡することによって、または、測定サイクルから測定サイクルまでの間を追跡することによって補正されることができ、また、ビーム抽出中に単一ビーム位置内で補正されることができる。

本発明の装置を用いて、水平方向（Ｘ）および垂直方向（Ｙ）用のラスタ走査電磁石の直前の４極子対のための制御ループがさらに使用される。水平方向および垂直方向用の４極子対の電磁石電源ユニット１８は、行き渡るビーム寸法の所望値と実際値を比較することによって、ラスタスキャナの直前に配置された４極子対の２つの電磁石電源ユニット１８に対する電流補正値を供給する制御ループによって適切に作動される。

したがって、ハードウェアのこの全体的な説明によって、さらに有利に本システムの開発が行なえる。本発明による放射線照射システムにおける重要な革新は、取り付けられた制御および読み出しモジュール（ＳＡＭ０１）を有するマルチワイヤイオン化室（ＭＷＰＣ１）から、グラフィカル表示用の測定データを供給し、かつ、上記ラスタ走査電磁石の直前の４極子対の電磁石電源ユニット１８を作動させる制御および読み出しモジュール（ＳＡＭＤ）へと続く制御ループを含むことであり、それによって、ビーム幅のリアルタイム調整が可能になる。

図５は、本発明の例示的な実施形態のデータフロー図を示す。シーケンス制御システム（ＶＭＥＡＳ）の一番上のマイクロプロセッサは、図５の図の右側の半分に示す隣接するシステム制御部内のデータ格納部（ＯＤＳ）へオンラインでデータ伝送する制御および読み出しモジュール（ＳＡＭＤ）の役をする。オンラインデータ伝送用の制御および読み出しモジュール（ＳＡＭＤ）は、デバイスバスを介してオンライン表示用のデータ格納部（ＯＤＳ）に接続され、デバイスバスは、制御および読み出しモジュールとその各フロントエンド電子機器の間の差動データバスである。

オンライン表示用のデータ格納部（ＯＤＳ）は、システム制御部のオペレーティングシステム（ＡＥＸ）の制御下で、システム制御部（ＳＫ）のバス、ならびにプロセッサおよびデータモジュールを、一方でディスプレイに、他方でイーサネットに接続するバスシステム（ＶＭＥ）上のシステム制御コンピュータを介して、図５に示すデータフロー図に従ってデータを供給する。

図５に示す実施形態において、イオンビーム治療における調節システムは、少なくとも１つのイオン化室（ＩＣ１）を有し、イオン化室は、イオンビームの強度を測定するのに役立ち、ビーム位置についての線量が満たされるまでイオンビーム粒子の数を増加させ、その結果、次に、パルス中央制御部（ＰＺＡ）を用いて次のビーム位置への切り換えを行わせる命令を、パルス中央制御部(pulse centre)用の制御および読み出しモジュール（ＳＡＭＰ）に送ることができ、その命令は、次に、リアルタイム再調整ループを介して、ラスタスキャナの電磁石電源ユニット（ＭＧＮ）に送られる。回路エンジニアリングおよびシーケンス制御部（ＶＭＥＡＳ）内のシーケンスによって、制御および読み出しモジュール（ＳＡＭＩ１）は、位置敏感型検出器（ＭＷＰＣ１）の制御および読み出しモジュール（ＳＡＭ０１）の上流に配置される。したがって、図５のデータフロー図は本発明の例示的な実施形態を示す。

システムのリアルタイム制御部（ＶＭＥ−Ｃｒａｔｅ）内で、一連の制御および読み出しモジュール（ＳＡＭ）はインタフェースを介して互いに接続される。調節装置(arrangement）の本発明による例示的な実施形態について、位置測定検出器１（ＳＡＭ０１）を制御し、読み出す２つのＳＡＭ、および測定データを格納するモジュール（ＳＡＭＤ）は関連している。制御ループは、取り付けられた制御および読み出しモジュール（ＳＡＭ０１）を有するマルチワイヤイオン化室（ＭＷＰＣ１）から、制御および読み出しモジュール（ＳＡＭＤ）へ続き、ＳＡＭモジュールは、中間にあって、ＳＡＭ０１からＳＡＭＤへのデータ伝送にのみ役立つ。ＳＡＭＤは、イオンビーム幅の追跡を実行するために、十分な数の自由インタフェースと十分な計算能力を有する。

一般に、モジュラー構成の制御システムの場合、幅調節の機能を専用に行なう付加的な制御および読み出しモジュール（図示せず）を、制御装置に一体化する可能性も存在する。しかし、イオンビームの幅調節という付加的なタスクを、電磁石電源ユニット１８、およびＳＡＭＤとＳＡＭ０１の間の制御ループ、および水平および垂直４極子電磁石１０の電磁石電源ユニット１８と協働して行うのに、示される配置構成の能力は十分に適切である。

小さすぎるビーム半値幅の不均一線量分布の例を示す図である。 適度の半値幅を有する均一な線量分布の例を示す図である。 本発明による装置を使用することによって可能になるビーム位置分布の例示的な実施形態を示す図である。 本発明による装置を使用することができる、放射線照射システムの実施形態を示す図である。 本発明の例示的な実施形態のデータフロー図である。

符号の説明

１ 腫瘍組織
２ 健康な組織
３ 腫瘍組織の縁部
４ 腫瘍組織の体積部位
５ シーケンス制御システム
６ システム制御部
７ オペレータ制御部
８ 安全システム
９ 縁部部位
１０ 水平合焦および垂直合焦用の４極子電磁石
１１ 制御および読み出しモジュールＳＡＭＩ１
１２ 制御および読み出しモジュールＳＡＭＩ２
１３ 制御および読み出しモジュールＳＡＭＰ
１４ 制御および読み出しモジュールＳＡＭＯ１
１５ 制御および読み出しモジュールＳＡＭＳ
１６ 制御および読み出しモジュールＳＡＭＯ２
１７ 制御および読み出しモジュールＳＡＭＤ
１８ 水平方向および垂直方向用の４極子対の電磁石電源ユニット
１９ イオンビーム
２０ ラスタ走査電磁石
２７ ＯＤＳ（データ格納部）
２８ ＳＫＲ（システム制御コンピュータ）
２９ ＴＫＲにおける加速器操作コンソール
３０ 加速器イーサネット
３１ テクニカルコントロール室、治療、ＴＫＲ
３２ イーサネットルータ
３３ バーコードリーダ、ＢＣＬ
３４ 治療操作コンピュータ、ＴＯＲＴ
３５ 操作要素、ターミナル
３６ テクニカル操作コンソール、治療
３７ 医療操作コンソール、ＭＢＤＫ
３８ 治療操作コンピュータ、ＴＯＲＭ
３９ イーサネットブリッジ
４０ 治療イーサネット
４１ アナログ／デジタルＩＯモジュール、ＡＤＩＯ
４２ 制御バスアダプタ、ＫＢＡ
４３ インターロックユニット、ＩＬＥ
４４ トロットマンユニット、ＴＭＥ
４５ 強度モニター、ＩＭＯＮ
４６ シーケンス制御コンピュータ、ＡＳＲ
４７ デジタルＩＯモジュール、ＤＩＯ
４８ 治療 ＣＡＶＥ Ｍ
４９ 加速器のビームを終了させるための別個の電磁石電源ユニット制御部（Ｓ０２ＫＱ１Ｅ、ＴＨ３ＭＵ１）
５０ パルス中央制御部、ＰＺＡ
５１ ＰＥＴカメラ
５２ ＣＡＶＥ Ｍへの加速器のビームガイド
５３ 患者カウチ
５４ ミニリッジフィルタ
５５ 強度モニターのためのイオン化室
５６ マルチワイヤ室（マルチワイヤプロポーショナル室、ＭＷＰＣ）
５７ 強度を測定するためのイオン化室（ＩＣ）

Claims (17)

1. 腫瘍放射線照射においてイオンビームスポットのサイズを適合させる装置であって、
   該イオンビーム（１９）をラスタ走査するラスタ走査電磁石（２０）からなるラスタ走査デバイスを備えており、
   前記イオンビームスポットのサイズを決定する４極子電磁石（１０）が、前記ラスタ走査電磁石（２０）の直前に配置されていること、ならびに装置が、
   前記イオンビームスポットのサイズを決定する前記４極子電磁石（１０）の４極子(quadrupole)対(doublet)の２つの電磁石電源ユニット（１８）と、
   制御ループ（２１）であって、行き渡るビームカウントの所望値と実際値を比較することによって、前記ラスタ走査電磁石（２０）の直前に配置されている４極子対の２つの電磁石電源ユニット（１８）に対する電流補正値を供給し、ビーム抽出中に、かつ／または、測定サイクルから測定サイクルまでの間に、かつ／または、ビーム位置からビーム位置までの間に、前記ビームスポットサイズの限定された均質化および／または限定された変動を実現する、制御ループとを有することを特徴とする装置。
2. 生検出器データから前記イオンビーム幅の実際値を計算するリアルタイムソフトウェアを有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記イオンビーム幅を検出し、生検出器データを生成する位置敏感型検出器（ＷＭＰＣ１）を有することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の装置。
4. 制御および読み出しモジュール（ＳＡＭ０１およびＳＡＭＤ）、および関連するデータ接続部を有して、格納、制御および読み出しモジュール（ＳＡＭＤ）にイオンビーム幅の実際値に関する情報を送出して、前記測定データを格納するようにすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. １つの読み出しモジュール（ＳＡＭＤ）は、いくつかの自由(free、固定していない)インタフェース、およびそれによって前記イオンビーム幅の追跡を行うことができる計算能力を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. １つの制御および読み出しモジュールによって拡張される制御システムを有しており、該付加的な制御および読み出しモジュールによって、イオンビーム幅調整機能を専用に果たすことができることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 取り付けられた制御および読み出しモジュール（ＳＡＭ０１）を有するマルチワイヤイオン化室（ＭＷＰＣ１）から始まって、グラフィカル表示用の測定データを供給し、かつ、前記ラスタ走査電磁石（２０）の直前の４極子対の水平合焦および垂直合焦用の２つの電磁石電源ユニット（１８）を作動させる制御および読み出しモジュール（ＳＡＭＤ）に導く、制御ループを有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 腫瘍治療(treatment)において、イオンビームスポットのサイズを適合させる方法であって、方法ステップ、すなわち、
   ビームスポットのサイズを、リアルタイムで、動的に適合させるステップであって、
   調整可能周波数による２つの連続する加速器サイクルの間で、または加速器サイクル内で、種々のイオンビームサイズに対する所望値を、ビームサイズを決定する前記４極子電磁石（１０）に与えるステップと、
   前記ビームの行き渡っている寸法(dimension)の所望値と実際値を比較することによって、前記イオンビームスポットのサイズを決定する前記４極子電磁石（１０）の４極子対の２つの電磁石電源ユニット（１８）に対する電流補正値を得るステップであって、それによって、ビーム抽出中、かつ／または、測定サイクルから測定サイクルまでの間に、かつ／または、ビーム位置からビーム位置までの間に、前記イオンビームスポットサイズの限定された均質化を得るようにする、かつ／または限定された変動を得るようにする、電流補正値を得るステップと、
   腫瘍の体積(volume)部位（４）におけるよりも、縁部部位（３）において、より高密度のイオンビーム位置ラスタで、と同時に、より小さなイオンビームスポットサイズで、腫瘍組織（１）を放射線照射(irradiating)するステップとによる、動的に適合させるステップを特徴とする方法。
9. 縁部部位（３）における微細イオンビーム位置ラスタの場合、腫瘍の体積部位（４）において粗いイオンビーム位置パターンを用いるのに比べて、より小さなビーム半値幅が設定されるように、ビーム半値幅は前記イオンビーム位置ラスタに適合することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 全ての測定サイクルについて、マルチワイヤイオン化室（ＭＷＰＣ１）の制御および読み出しモジュール（ＳＡＭ０１）内のリアルタイムソフトウェアは、前記マルチワイヤイオン化室（ＭＷＰＣ１）の生検出器データから前記イオンビーム幅の実際値を計算することを特徴とする請求項８または９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記ビーム幅に関する情報は、前記測定データを格納し、制御し、読み出す前記モジュール（ＳＡＭＤ）に供給されることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 格納し、制御し、読み出す前記モジュール（ＳＡＭＤ）において、前記イオンビームスポットサイズの実際値は、放射線照射計画からの前記イオンビームスポットサイズの所望値に関する情報とリアルタイムで比較されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記ラスタスキャナの直前にある高エネルギービームガイド用の、前記イオンビームスポットのサイズを決定する前記４極子電磁石（１０）の４極子対の電磁石電源ユニット（１８）に対する補正値が決定され、設定されることを特徴とする請求項８から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 位置測定システムの測定サイクルから測定サイクルまでの間、または放射線照射計画の１つのイオンビーム位置から次のイオンビーム位置までの間に補正または再設定が行なわれることを特徴とする請求項８から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記４極子対に対する前記補正値を決定するリアルタイムソフトウェアのパラメータの形態で、前記イオンビーム幅を追跡する周波数の設定が実行されることを特徴とする請求項８から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記イオンビーム幅の追跡は調整可能に弱められることを特徴とする請求項８から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記イオンビーム幅に対するしきい値が設けられることを特徴とする請求項８から１６のいずれか一項に記載の方法。

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