JP2011191184A - ラインスキャニング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、信頼性の向上を図ることができるラインスキャニング装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、ラインスキャニングビームを照射する照射ノズル2と、ラインスキャニングビームの照射位置を検出する照射位置センサ11と、照射位置センサ11が検出した照射位置でのラインスキャニングビームの滞在時間を測定する演算処理回路部13と、照射位置センサ11の検出した照射位置と演算処理回路部13の測定した滞在時間とを利用して、ラインスキャニングビームを走査制御する照射制御部14と、を備える。このラインスキャニング装置1によれば、ラインスキャニングビームの照射位置及び当該照射位置に対応する滞在時間を利用してラインスキャニングビームを走査制御することで、ビームの誤った位置への照射や過剰な照射をより確実に防止することができ、これによってラインスキャニング装置の信頼性の向上を図ることができる。
【選択図】図8

Description

本発明は、ラインスキャニングビームを走査制御するラインスキャニング装置に関する。
従来、この分野に関する技術文献として特開2009−243891号公報が知られている。この公報に記載された荷電粒子線照射装置は、荷電粒子線を走査するための走査電磁石と、走査電磁石の動作を制御する制御装置と、ビームの位置を検出するモニタとを備え、照射対象に設定された照射野の照射ラインに沿って荷電粒子線を走査しながら連続照射を行う。
特開2009−243891号公報
ところで、上述のような照射装置においては、照射野以外の部位に荷電粒子線が照射される事態や同じ部位に過剰に照射される事態を避ける必要がある。このため、高精度な荷電粒子線の制御が可能な信頼性の高い照射装置が求められている。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、信頼性の向上を図ることができるラインスキャニング装置を提供することを目的とする。
本発明は、ラインスキャニングビームを照射するビーム照射手段と、ラインスキャニングビームの照射位置を検出する照射位置検出手段と、照射位置検出手段が検出した照射位置でのラインスキャニングビームの滞在時間を測定する滞在時間測定手段と、照射位置検出手段の検出した照射位置と滞在時間測定手段の測定した滞在時間とを利用して、ラインスキャニングビームを走査制御する走査制御手段と、を備えることを特徴とする。
本発明に係るラインスキャニング装置によれば、ラインスキャニングビームの照射位置を検出すると共に当該照射位置に対応する滞在時間を測定し、これらの結果を利用してラインスキャニングビームを走査制御することで、ラインスキャニングビームの誤った位置への照射や過剰な照射をより確実に防止することができ、これによってラインスキャニング装置の信頼性の向上を図ることができる。
本発明に係るラインスキャニング装置においては、照射位置検出手段の検出した照射位置と滞在時間測定手段の測定した滞在時間とを利用して、インターロック制御を行うインターロック制御手段を更に備えることが好ましい。
この場合、ラインスキャニングビームが誤った位置に照射されたり、予定された時間を越えて過剰に照射されたりした場合に、ラインスキャニングビームを照射停止させるインターロック制御を行うことで、ラインスキャニングビームの誤照射を防止することができる。
また、本発明に係るラインスキャニング装置においては、走査制御手段は、照射位置検出手段の検出した照射位置と滞在時間測定手段の測定した滞在時間とを利用して、ラインスキャニングビームの走査をフィードバック制御することが好ましい。
この場合、フィードバック制御によりラインスキャニングビームの高精度な走査制御が実現され、これによってラインスキャニング装置の信頼性の向上を図ることができる。
本発明によれば、信頼性の向上を図ることができる。
本発明に係るラインスキャニング装置の一実施形態を示す構成図である。 図1の照射位置センサの構成を説明するための図である。 ラインスキャニング装置の機能構成を示す機能ブロック図である。 図1のフロントエンド回路部及び演算処理回路部を示す図である。 演算処理回路部における実測値出力処理を示すフローチャートである。 演算処理回路部におけるスキャニングパターン出力処理を示すフローチャートである。 演算処理回路部における異常有無判定処理を示すフローチャートである。 ラインスキャニング装置の状態遷移を示すフローチャートである。 (a)はラインスキャニングビームの軌跡を示す図であり、(b)は(a)の実測値とスキャニングパターンとを比較するための図である。
以下、本発明に係るラインスキャニング装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1に示すように、本実施形態に係るラインスキャニング装置1は、陽子線や炭素イオン線等のラインスキャニングビームを走査して患者の患部に照射することで癌等の治療を行う粒子線治療設備において利用され、ラインスキャニングビームの走査制御を行うものである。ラインスキャニング装置1は、患者の患部に設定された照射野に対してラインスキャニングビームを照射する照射ノズル(ビーム照射手段)2を備えている。このようなラインスキャニングビームを用いた粒子線治療では、ラインスキャニングビームの誤照射によるリスクを低減するため、強度を抑えたビームを複数回に分けて照射野内に照射することで治療が進められる。
照射ノズル2は、ビーム輸送系3を通じて加速器4と接続されている。加速器4は、陽子や炭素イオン等の荷電粒子を加速するサイクロトロンやシンクロトロン等である。加速器4で加速された荷電粒子は、直径数mmのペンシルビームに成形されてビーム輸送系3に入射する。ビーム輸送系3を通じて照射ノズル2の供給口2aに供給された荷電粒子のビームLは、照射ノズル2先端の照射口2bから出射され、患者の患部に設定された照射野Pに照射される。
照射ノズル2内には、供給されたビームLを偏向させて走査制御するための走査電磁石5,6が設けられている。走査電磁石5,6は、供給されたビームLの直進方向に垂直な平面内において直交する2方向にビームLを走査できるように構成されている。ビームLの直進方向に垂直な平面内において直交する2方向をX軸方向、Y軸方向とする。走査電磁石5は、X軸方向にビームLを偏向させるX軸用走査電磁石であり、走査電磁石6は、Y軸方向にビームLを偏向させるY軸用走査電磁石である。ビームLは、これらの走査電磁石5,6によって直進方向と直交する平面内で偏向され、ラインスキャニングビームとして走査される。
照射ノズル2内には、ビームLの進路と交差するように2つのドーズモニタ7,8が設けられている。ドーズモニタ7,8は、走査電磁石5,6より照射口2b側に設けられており、通過したビームLの線量の検出を行う。ドーズモニタ7,8は、検出した線量を電磁石制御部9に出力する。
電磁石制御部9は、照射ノズル2外に設けられており、走査電磁石5,6、ドーズモニタ7,8、及びこれらに電流を供給する電源10と電気的に接続されている。また、電磁石制御部9は、ビームLの照射に関する制御を統括する照射制御部(走査制御手段)14と電気的に接続されている(図3参照)。電磁石制御部9は、照射制御部14に対してドーズモニタ7,8の検出結果を出力する。電磁石制御部9は、後述するスキャニングパターンに沿ってビームLが走査するように、照射制御部14からの指令に応じて走査電磁石5,6を制御する。
図1及び図2に示すように、照射ノズル2内には、ビームLの照射位置を検出する照射位置センサ(照射位置検出手段)11が設けられている。照射位置センサ11は、ドーズモニタ7,8よりも照射口2b側に設けられている。照射位置センサ11は、電源15から高電圧を供給されており、電離箱に内蔵された透過型のマルチストリップワイヤー11A,11Bを備えている。
ワイヤー11A,11Bは、それぞれ128本ずつ設けられており、ビームLの直進方向から見て格子状をなすワイヤーグリッドを構成している。ワイヤー11Aは、上述したX軸方向に延在するように配置され、ワイヤー11Bは、上述したY軸方向に延在するように配置されている。ワイヤー11Aとワイヤー11Bとは、ビームLの直進方向で高さが異なるように配置されている。なお、ワイヤー11A,11Bの本数が128本に限られることはなく、128本より少なくても多くても良い。
このように構成されたワイヤー11A,11Bでは、ビームLの直進方向から見たときのワイヤー11A,11Bの各交点を座標として平面内の位置を表すことができる。ビームLの照射を受けたワイヤー11A,11Bでは電荷が発生するため、この電荷を検知することでビームLの照射範囲に含まれる交点の分布すなわちビームLの照射位置の検出を行うことができる。
図1、図3及び図4に示すように、照射位置センサ11は、フロントエンド回路部12を介して演算処理回路部(滞在時間測定手段)13と電気的に接続されている。フロントエンド回路部12は、I/Vアンプ21、アンプ22、及びA/Dコンバータ23をそれぞれ128×2個(256個)ずつ有している。I/Vアンプ21、アンプ22、及びA/Dコンバータ23は、照射位置センサ11のワイヤー11A,11Bの一本一本に対応して直列的に接続されている。
フロントエンド回路部12では、ビームLの照射によりワイヤー11A,11Bで電荷が生じると、各ワイヤー11A,11Bと接続されたI/Vアンプ21に電流が流れ込み、I/Vアンプ21で電圧信号に変換される。その後、電圧信号はアンプ22によって増幅され、増幅した電圧信号がA/Dコンバータ23に入力される。また、アンプ22には、演算処理回路部13のゲートアレイ34から出力された信号がトランシーバ33及びレシーバ27を通じて入力されている。
A/Dコンバータ23は、アンプ22により入力された信号をデジタル信号に変換し、出力する。A/Dコンバータ23が出力したデジタル信号は、トランシーバ24を通じて演算処理回路部13のゲートアレイ34に送られる。なお、このフロントエンド回路部12では、0.2ms毎に信号処理が行われ、これによってビームLの照射位置の検出精度を確保している。
演算処理回路部13は、ゲートアレイ34、メモリ35、プロセッサ36を有している。ゲートアレイ34は、データレジスタ51と演算回路52とを有している。ゲートアレイ34では、A/Dコンバータ23から出力されたデジタル信号がレシーバ31を通じてデータレジスタ51に入力される。
データレジスタ51は、ビームLの直進方向から見たときのワイヤー11A,11Bの各交点に対応して128×128個(16384個)配置されている。各データレジスタ51の入力端子には、ワイヤー11A及びワイヤー11Bにそれぞれ対応するA/Dコンバータ23が接続されている。対応するワイヤー11A,11Bの交点にビームLの照射を受けると、入力端子に接続されたA/Dコンバータ23からデジタル信号が1つずつ入力されて出力条件を満たし、データレジスタ51から照射位置信号が出力される。データレジスタ51から出力された照射位置信号は、演算回路52に送られる。
演算回路52では、データレジスタ51から出力された照射位置信号から、ビームLの照射を受けたワイヤー11A,11Bの交点の位置を検出し、その検出結果を照射位置情報として一時的に記憶する。このようにして、ゲートアレイ34では、照射位置センサ11の各ワイヤー11A,11Bから出力された電流に基づいて、ビームLの照射位置がリアルタイムで検出される。ゲートアレイ34は、検出したビームLの照射位置の中心を重心位置として算出する。また、ゲートアレイ34は、算出した重心位置毎にビームLの滞在時間を測定する。
メモリ35には、ビームLの走査制御に関するスキャニングパターンが記憶されている。スキャニングパターンとは、患者の患部に設定された照射野に対するビームLの走査パターンであり、ビームLの照射位置、滞在時間、及び重心位置の軌跡に関する情報が含まれている。メモリ35は、要求されたスキャニングパターンをゲートアレイ34に出力する。
ゲートアレイ34は、スキャニングパターンと検出したビームLの照射位置及び滞在時間とを比較することで、ビームLの走査制御がスキャニングパターンの範囲から外れているか否かの異常有無判定を行う。ゲートアレイ34は、ビームLの走査制御がスキャニングパターンから外れていると判定した場合、トランシーバ37を介して照射制御部14のICU[Irradiation Control Unit、照射制御ユニット](インターロック制御手段)43にインターロック信号を出力する。ICU43は、ゲートアレイ34からインターロック信号が出力された場合、ビームLの照射を強制的に停止するインターロックを行う。
プロセッサ36は、照射制御部14からの信号が入力されるコマンドデコーダ41と、照射制御部14に信号を出力するステータスエンコーダ42とを有している。コマンドデコーダ41には、照射制御部14と同期を取るための同期信号がレシーバ38を通じて入力される。コマンドデコーダ41は、入力された同期信号をゲートアレイ34に出力する。ステータスエンコーダ42には、ゲートアレイ34で検出されたビームLの照射位置が入力される。ステータスエンコーダ42は、入力されたビームLの照射位置を照射制御部14に出力する。
次に、演算処理回路部13におけるビームLの走査制御の異常有無判定処理について図面を参照して説明する。図5は、演算処理回路部13における実測値の出力処理を示すフローチャートであり、図6は、演算処理回路部13におけるスキャニングパターンの出力処理を示すフローチャートである。図7は、演算処理回路部13における異常有無判定処理を示すフローチャートである。
図5に示すように、演算処理回路部13(ゲートアレイ34)では、まず、照射位置センサ11で生じた電流に応じてフロントエンド回路部12から出力されたデジタル信号を利用して、ビームLの照射位置が検出される(ステップS1)。その後、ビームLの照射位置の中心が重心位置として算出される(ステップS2)。
重心位置が算出されると、算出した重心位置と前回算出した重心位置とが比較され、重心位置が移動したか否かが判定される(ステップS3)。重心位置が移動していないと判定された場合、当該重心位置におけるTimecountの値を1増やす(ステップS4)。その後、ステップS1に戻り、各ステップを繰り返す。なお、重心位置の算出が1回目の場合には、重心位置が移動したものと判定される。また、Timecountの初期値を「0」とする。
一方、重心位置が移動したと判定された場合、後述のスキャニングパターンの読み出しを行うためのチェンジトリガーが生成される。(ステップS5)。また、Timecountがリセットされ、再び「0」からカウントが開始される。その後、ステップS1に戻り、各ステップを繰り返す。
図6に示すように、演算処理回路部13(ゲートアレイ34)では、図5に示すステップS4においてチェンジトリガーが生成された場合、メモリ35から重心位置に対応するスキャニングパターンの読み出しが行われる(ステップS11)。スキャニングパターンの読み出しが行われると、再びチェンジトリガーが生成されるまで処理が一度終了する。
図7に示すように、演算処理回路部13(ゲートアレイ34)では、図5に示すステップS5においてチェンジトリガーが生成された場合、ステップS2で算出された重心位置がスキャニングパターンの範囲内であるか否かの異常有無判定が行われる(ステップS21)。このステップS21で用いられるスキャニングパターンは、図6のステップS11においてスキャニングパターンの読み込みが行われる度に更新される。
ステップS2で算出された重心位置がスキャニングパターンの範囲内である場合、すなわち検出された照射位置がスキャニングパターンの照射位置と一致し、かつ、測定された滞在時間がスキャニングパターンに規定された滞在時間以下であり、かつ、重心位置の移動の軌跡がスキャニングパターンに規定された軌跡の範囲内である場合、ビームLは正常に走査制御されていると判定される。ビームLが正常に走査制御されていると判定された場合、演算処理回路部13は処理を終了する。
一方、実測値がスキャニングパターンの範囲内ではない場合、すなわち検出された照射位置がスキャニングパターンの照射位置と異なっている、又は測定された滞在時間がスキャニングパターンに規定された滞在時間を超えている、又は、重心位置の移動の軌跡がスキャニングパターンに規定された軌跡の範囲外である場合、ビームLの走査制御に異常があると判定される。ビームLの走査制御に異常があると判定された場合、インターロック処理が行われる(ステップS22)。インターロック処理では、インターロック信号が生成されて照射制御部14のICU43に出力され、その後処理を終了する。インターロック信号が出力されたICU43は、ビームLの照射を強制的に停止するインターロックを行う。
続いて、ラインスキャニング装置1における状態遷移について図面を参照して説明する。図8は、ラインスキャニング装置の状態遷移図である。
図8に示すように、ラインスキャニング装置1は、起動後、運転準備が終了するとアイドル状態に遷移する(ステップS31)。アイドル状態では、まず医師等の治療者や終了プログラムにより照射終了信号が入力されたか否かが判定される(ステップS32)。照射終了信号が入力されたと判定された場合、ラインスキャニング装置1は運転を終了する。
一方、照射終了信号が入力されていないと判定された場合、続いて照射開始信号が入力されたか否かが判定される(ステップS33)。照射開始信号が入力されていないと判定された場合、ステップS32に戻りアイドル状態が継続される。照射開始信号が入力されたと判定された場合、待機状態に遷移する(ステップS34)。
待機状態に遷移すると、照射野に対するビームLの走査制御が終了したか否かが判定される(ステップS35)。照射野に対するビームLの走査制御が終了したと判定された場合、ステップS31に戻りアイドル状態に遷移する。一方、照射野に対するビームLの走査制御が終了していないと判定された場合は、待機状態への遷移から0.2ms経過後にビームLの照射位置をホールドするホールド状態に遷移する(ステップS36)。
その後、ホールドされた照射位置における重心位置が算出されると共に当該重心位置における滞在時間のカウントが開始され、この滞在時間がスキャニングパターンの範囲内であるか否かが判定される滞在時間判定状態に遷移する(ステップS37)。滞在時間がスキャニングパターンの範囲内ではないと判定された場合、ステップS41に移行する。滞在時間がスキャニングパターンの範囲内であると判定された場合、重心位置が移動したか否かが判定される(ステップS38)。
ステップS38において、重心位置が移動していないと判定された場合、滞在時間のカウントは進められ、ステップS38に戻って新たな滞在時間がスキャニングパターンの範囲内であるか否かが判定される。一方、重心位置が移動したと判定された場合、検出されたビームLの照射位置がスキャニングパターンの範囲内であるか否かが判定される位置判定状態に遷移する(ステップS39)。
ステップS39において、ビームLの照射位置がスキャニングパターンの範囲内ではないと判定された場合、ステップS41に移行する。一方、ビームLの照射位置がスキャニングパターンの範囲内であると判定された場合、重心位置の軌跡がスキャニングパターンの範囲内であるか否かを判定する軌跡判定状態に遷移する(ステップS40)。
ステップS40において、重心位置の軌跡がスキャニングパターンの範囲内であると判定された場合、ステップS34に戻って待機状態に遷移する。一方、重心位置の軌跡がスキャニングパターンの範囲内ではないと判定された場合、ステップS41に移行する。
ステップS41では、ビームLの走査制御に関する実測値がスキャニングパターンの範囲内ではなく、走査制御に異常があると判断され、ビームLの照射を強制的に停止するインターロック状態に遷移する。
インターロック状態に遷移した場合、解除信号が入力されたか否かが判定される(ステップS42)。解除信号が入力されていないと判定された場合、インターロック状態が継続され、所定時間後に再びステップS42の判定が行われる。一方、解除信号が入力されたと判定された場合、ステップS31に戻りアイドル状態に遷移する。
次に、ビームLの走査制御に異常があると判定される場合の例について図面を参照して説明する。
図9(a)に示すように、照射野N内で矢印A、矢印B、矢印Cの順にビームLが走査制御された場合を考える。この場合の実測値及びスキャニングパターンについて、重心位置(X軸、Y軸)の軌跡及び各重心位置における滞在時間(Time)のデータを図9(b)に示す。なお、説明の明確化のため、図9(a)では、ワイヤー11A,11Bの交点ではなく、枠内に対応する照射位置が検出されるものとして説明する。
図9(a)及び図9(b)に示すように、ビームLの重心位置が(2,2)から(5,2)に移動する矢印A、及び、重心位置が(5,3)から(3,3)に移動する矢印Bの間の走査については、重心位置の軌跡及び滞在時間の実測値はスキャニングパターンの範囲内であり、ビームLの走査制御が正常に行われていると判定される。その後、矢印Cの走査では、実測値の重心位置(2,4)がスキャニングパターンにおける重心位置(4,3)から外れているため、ビームLの走査制御に異常があると判定される。このとき、ラインスキャニング装置1では、インターロック処理が行われ、ビームLの走査が強制的に停止させられるので、更なるビームLの誤照射の防止が図られる。
以上説明したラインスキャニング装置1によれば、ラインスキャニングビームLの照射位置を検出すると共に当該照射位置の重心位置に対応する滞在時間を測定し、これらの結果を利用してラインスキャニングビームLを走査制御することで、ラインスキャニングビームLの誤った位置への照射や過剰な照射をより確実に防止することができ、これによってラインスキャニング装置1の信頼性の向上を図ることができる。
また、ラインスキャニング装置1においては、ラインスキャニングビームLが誤った位置に照射されたり、予定された時間を越えて過剰に照射されたりした場合に、ラインスキャニングビームを照射停止させるインターロック制御を行うことで、ラインスキャニングビームの誤照射をより確実に防止することができる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、ラインスキャニング装置1は、検出した照射位置及び測定した滞在時間を利用してラインスキャニングビームの走査をフィードバック制御する態様であっても良い。具体的には、ラインスキャニングビームの誤動作によるリスクを低減するため、強度を抑えたビームを複数回に分けて照射野に照射する際に、一度誤照射が生じた箇所では再び誤照射が生じないようにスキャニングパターンの再設定制御を行う態様等が挙げられる。
また、ラインスキャニングビームの重心位置が移動した場合、移動前後の滞在時間及び重心座標を演算回路13(ゲートアレイ34)内で保持し、移動前後の滞在時間及び重心座標を用いてラインスキャニングビームの移動速度を算出し、算出した移動速度を電磁石制御部9へフィードバックしてビーム制御を行う態様も挙げられる。
また、上述した実施形態では、ラインスキャニングビームの重心位置が移動するまでの時間を滞在時間として測定したが、重心位置ではなく照射位置が変化するまでの時間を滞在時間として測定する態様であっても良い。また、本発明に係るラインスキャニング装置1は、粒子線治療設備以外の設備や機器に対しても利用可能である。
1…ラインスキャニング装置、2…照射ノズル(ビーム照射手段)、4…加速器、5…X軸用走査電磁石、6…Y軸用走査電磁石、9…電磁石制御部、11…照射位置センサ(照射位置検出手段)、12…フロントエンド回路部、13…演算処理回路部(滞在時間測定部)、14…照射制御部(走査制御手段)、43…ICU(インターロック制御手段)、L…ビーム。

Claims (3)

  1. ラインスキャニングビームを照射するビーム照射手段と、
    前記ラインスキャニングビームの照射位置を検出する照射位置検出手段と、
    前記照射位置検出手段が検出した前記照射位置での前記ラインスキャニングビームの滞在時間を測定する滞在時間測定手段と、
    前記照射位置検出手段の検出した前記照射位置と前記滞在時間測定手段の測定した前記滞在時間とを利用して、前記ラインスキャニングビームを走査制御する走査制御手段と、
    を備えることを特徴とするラインスキャニング装置。
  2. 前記照射位置検出手段の検出した前記照射位置と前記滞在時間測定手段の測定した前記滞在時間とを利用して、インターロック制御を行うインターロック制御手段を更に備えることを特徴とする請求項1に記載のラインスキャニング装置。
  3. 前記走査制御手段は、前記照射位置検出手段の検出した前記照射位置と前記滞在時間測定手段の測定した前記滞在時間とを利用して、前記ラインスキャニングビームの走査をフィードバック制御することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のラインスキャニング装置。
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