JP3873493B2 - Charged particle beam extraction apparatus and charged particle beam irradiation method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、がん治療や患部の診断に用いられる荷電粒子ビームを出力する荷電粒子ビーム出射装置に係り、特に照射対象における照射線量が均一となるように荷電粒子ビームを出力できる荷電粒子ビーム出射装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
照射対象に対する荷電粒子ビーム(以下、ビームという)の照射方法としては、照射対象を複数の領域に分け、その領域毎にビームを照射する方法が知られている。その一例として、特開平9−223600 号公報には、照射対象をビームの進行方向に複数の層状の領域に分け、その層状の領域を更に複数の小さな領域に分けて、その小さな領域毎にビームを照射することが記載されている。
【0003】
また、ビームをがん治療等に用いる場合、患部における照射線量は均一であることが望まれる。照射線量を均一にするために、ビームの照射線量がガウス分布であることを利用して、ビームの照射範囲を重ね合せる照射方法が知られている。図8にその照射方法による照射線量の分布の例を示す。図8に示すように、ビームの照射線量(点線)はガウス分布となっているため、ビームの照射範囲を複数重ね合せることによって、照射線量の総和(実線)を均一な分布とすることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明した2つの従来技術より、照射対象を複数の層に分け、その層を更に複数の領域に分けて、その領域毎にビームを照射する場合に、複数の領域を重ね合せて設定し、層における照射線量を均一にすることが考えられる。
【0005】
しかしながらこの照射方法では、ビームの照射範囲が目標とする領域から少しでもずれると層における照射線量が不均一になるため、層における照射線量を均一にするにはビームの照射範囲を精度良く制御しなければならない。よって、ビームの照射範囲の制御が複雑になるという問題があった。
【0006】
本発明の目的は、簡単な制御で、照射対象における照射線量の不均一を抑制することができる荷電粒子ビーム出射装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特徴は、荷電粒子ビームを加速した後出射する加速器と、前記加速器から出射された荷電粒子ビームの照射位置を制御する走査電磁石を有し荷電粒子ビームを出力する照射手段と、値が時間変化する期間と時間変化しない期間とを繰り返す電流を前記走査電磁石に供給する電源とを備える荷電粒子ビーム出射装置において、前記電源は、第1のエネルギーを有する荷電粒子ビームが前記照射手段から出力される場合に比べて、第1のエネルギーよりも低い第2のエネルギーを有する荷電粒子ビームが前記照射手段から出力される場合に、前記走査電磁石に供給する電流が時間変化する期間における電流変化量を大きくすることにある。
【0008】
照射手段から出力される荷電粒子ビームのエネルギーが低くなるほど、走査電磁石に供給する電流が時間変化する期間における電流変化量を大きくすることにより、荷電粒子ビームのエネルギーが低い場合、すなわち荷電粒子ビームの照射位置が浅い位置となる場合に比べて、荷電粒子ビームのエネルギーが高い場合、すなわち荷電粒子ビームの照射位置が深い位置となる場合に、走査電磁石に供給する電流が時間変化する期間における電流変化量を大きくすることとなる。また、走査電磁石に供給する電流が時間変化する期間における電流変化量を大きくすることにより、荷電粒子ビームの照射位置は荷電粒子ビームの進行方向に対して垂直な方向に大きく移動し、逆に電流変化量が小さければ照射位置の移動量も小さくなる。
【0009】
従って、上記特徴を備える本発明によれば、荷電粒子ビームの照射位置が深い位置にあるほど、荷電粒子ビームの進行方向に対して垂直な方向への照射位置の移動量を小さくするため、荷電粒子ビームが照射される照射領域が密集し、照射位置がずれた場合の照射対象における照射線量分布の変化を小さくできる。このように本発明によれば、簡単な制御で、照射対象における照射線量の不均一を抑制することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
【0011】
図1は、本発明の好適な一実施例である荷電粒子ビーム出射装置を示す。なお、図1の荷電粒子ビーム出射装置は、がん患者の患部に荷電粒子ビーム(以下、ビームという)を照射することにより、がんの治療を行うものである。
【0012】
図1の荷電粒子ビーム出射装置によるがん患者の治療においては、まず、患部の体表からの深さ位置,患部の形状,患部に照射すべき照射線量等の患者情報が、制御装置3内の演算部31に入力される。演算部31は、入力された患者情報に基づいて加速器1から出射するビームのエネルギー、患部におけるビームの照射位置及び患部におけるビームの照射線量を決定する。
【0013】
以下、演算部31におけるビームのエネルギー、照射位置及び照射線量の決定方法について説明する。なお、本実施例では、図2に示すように、患部をビームの進行方向(Z方向)に9つに分けて得られる層状の領域L1〜L9(以下、層Lnという。n=1〜9)を、更に複数の領域A11,A12,…(以下、照射領域Aniという。i=1,2,…)に分け、その照射領域Ani毎にビームを照射する。なお、本実施例における層Lnは、nが大きくなるほど体表から遠い位置、すなわち深い位置にあることを示す。また、各照射領域Aniは、ビームの照射位置を移動せずに照射できる大きさであり、その大きさは全て等しい。
【0014】
まず演算部31は、前述の患者情報に基づいて、患部をいくつの層に分けるのか決定する。なお、本実施例では前述のように患部を9つの層に分ける。次に、最も深い位置にある層L9の深さ位置を求め、その深さ位置にブラッグピークがくるビームのエネルギーE9を計算する。また、他の層L1〜L8についても、各層の深さ位置にブラッグピークが来るようなビームのエネルギーE1〜E8をそれぞれ求める。以下、エネルギーE9のビームのことを層L9に照射するビーム、エネルギーE8のビームのことを層L8に照射するビーム、というように各々のビームを呼ぶ。実際には、エネルギーE9のビームは層L1〜L9の全てに照射される。
【0015】
次に演算部31は、患部の形状に基づいて、各層Lnに照射するビームの照射位置、つまり各層Lnにおける複数の照射領域Ani(円形)の中心位置を決定する。図3(a)は層L9における各照射領域A91,A92,…を示す。図3(a)では、層L9における照射領域A9iの一部のみ示しているが、実際には層L9全体を覆うように照射領域A9iが設定される。なお、層L9の各照射領域A9iは、その中心位置P9iがX方向及びY方向にD9の間隔をおいて設定される。この間隔D9は(数1)により求められる。
【0016】
【数1】
【0017】
ここで、R:照射領域の半径,m:層の総数である。
【0018】
(数1)より、本実施例の層L9における各照射領域A9iの中心位置P9iの間隔D9は、
【0019】
【数2】
【0020】
となる。(数1)に従って、その他の層L1〜L8についてもそれぞれに間隔D1〜D8が求められる。求められた間隔Dnに基づいて各照射領域Aniの位置が設定され、その中心位置Pniが決定される。なお(数1)によれば、層Lnが浅い位置にあるほど間隔Dnは広くなる。この間隔Dnが最も広い層L1では、間隔D1が照射領域Aniの半径と等しくなる。層L1における各照射領域A1iを図3(b)に示す。このように、各層Lnにおいて照射領域Aniの間隔Dnを照射領域Aniの半径R以下に設定することによって、ガウス分布をもつビームの照射線量の重ね合わせにより、ビームを照射したときの各層Lnにおける照射線量の分布が均一となる。
【0021】
次に、演算部31は、各層Lnに照射するビームの照射線量を決定する。まず最初に、層L9に照射するビームの照射線量を決める。層L9に照射される照射線量としては、層L9の各照射領域A9iにビームを照射して得られる照射線量の分布(各照射領域A9iにおける照射線量を重ね合せた結果)が、演算部31に入力された患部に照射すべき照射線量と等しくなるように、照射領域の重ね合わせを考慮して、各照射領域A9iに照射するビームの照射線量が決定される。当然のことながら、各照射領域A9iに照射するビームの照射線量は、演算部31に入力された患部に照射すべき照射線量よりも小さくなる。
【0022】
続いて、層L8における照射線量を決定するが、層L8はエネルギーE9のビームが照射されるときにいくらか照射されるので、その照射線量を考慮しなければならない。ここで図4を用いて、本実施例における、ビームのエネルギーEnと照射線量との関係について説明する。図4は、横軸に体表からの深さ位置、縦軸に照射線量を示し、エネルギーE6〜E9のビームによる照射線量の分布と、その総和の分布を表わす。図に示すように、エネルギーE9のビームを照射した場合、層L9位置で最も照射線量が大きくなっているが、層L8位置でもいくらかは照射される。従って、層L9位置と層L8位置とで照射線量を均一にするためには、図に示すように、エネルギーE8のビームによる照射線量をエネルギーE9のビームの照射線量に比べて低くしなければならない。具体的には、エネルギーE9のビームの照射線量分布において、層L9位置における照射線量(ピーク値)から層L8位置における照射線量を引いた値を、層L8に照射される線量とすれば良い。
【0023】
演算部31は、この層L8に照射される線量に基づき、かつ照射領域の重ね合わせを考慮して、各照射領域A8iに照射するビームの照射線量、すなわちエネルギーE8のビームによる照射線量(ピーク値)を決定する。このようにしてエネルギーE8のビームによる照射線量を決定することにより、層L8位置における照射線量は、層L9位置における照射線量と等しくなる。その他のエネルギーE1〜E7のビームについてもエネルギーE8のビームの場合と同様に、エネルギーの高いビームによる照射線量と、照射領域の重ね合わせとを考慮した上で、照射線量(ピーク値)を決定する。
【0024】
以上説明したように、各層Lnに照射するビームのエネルギーEn、各層Lnにおける各照射領域Aniの中心位置Pni、及び各層Lnの照射領域Aniにおける照射線量を決定する。本実施例によれば、層Lnの位置が浅くなるにしたがって、ビームのエネルギーEn及び照射線量は低く設定され、照射領域Aniの間隔Dnは広く設定される。
【0025】
演算部31で求められたビームのエネルギーEn,各照射領域Aniの中心位置Pni及び照射線量は、制御部32に出力され、制御部32に記憶される。また、制御部32は、入力されたエネルギーEnを制御部33に出力する。
【0026】
制御部32は、入力されたビームのエネルギーEnに基づいて、それらのビームを加速器1から出射するために電源16から高周波印加装置11に出力する電流値を求める。求めた電流値は、層L1〜L9に対応づけた形式で記憶する。また、制御部32は、入力された各照射領域Aniの中心位置Pniに基づいて、ビームをその中心位置Pniに照射するために電源28から走査電磁石24,25それぞれに出力する電流値を求める。この電流値は、各照射領域Aniに対応づけた形式で記憶される。なお、前述したように、層の位置が浅いほど隣り合う照射領域の間隔Dnは大きくなるので、走査電磁石に供給する電流値の照射領域変更時の変化量も大きくなる。
【0027】
一方、制御部33は、入力されたビームのエネルギーEnに基づいて、前段加速器4から出射されるビーム(エネルギー一定)をエネルギーEnまで加速する際に偏向電磁石12,四極電磁石13,六極電磁石14および高周波加速空胴15で必要とされる電流値を求める。求められた電流値は、層L1〜L9に対応づけた形式で偏向電磁石12,四極電磁石13,六極電磁石14および高周波加速空胴15毎に記憶される。また、制御部33は、加速器1から出射したビームを走査電磁石24,25に導くために四極電磁石22及び偏向電磁石21,23で必要とされる電流値を求める。求めた電流値は、層L1〜L9に対応づけた形式で四極電磁石22及び偏向電磁石21,23毎に記憶される。
【0028】
なお、制御部32,33は、各電流値を求めるために、予めビームのエネルギーや照射領域の中心位置と各電流値とを対応づけたテーブルを用意しておき、そのテーブルを用いて各電流値を求める。
【0029】
次に、ビームを患部に照射するまでの手順について説明する。なお、本実施例では、体表から最も深い位置にある層L9から最も浅い位置にある層L1へと順にビームを照射する。まず、層L9にビームを照射する手順を説明する。
【0030】
最初に、制御部33から前段加速器4に対してビーム出射指令が出力される。前段加速器4は、ビーム出射指令が入力されると、ビームを出射する。前段加速器4から出射されたビームは、加速器1に入射される。
【0031】
また、制御部33は、前段加速器4にビーム出射指令を出力すると共に、電源17に対して層L9に対応づけて記憶された偏向電磁石12,四極電磁石13,六極電磁石14及び高周波加速空胴15の各電流値を出力する。電源17は、入力された値の電流を偏向電磁石12,四極電磁石13,六極電磁石14及び高周波加速空胴15のそれぞれに供給する。ここで、それぞれに供給される電流は、ビームの加速と共に変化するように設定されている。
【0032】
ここで、加速器1における各構成の役割を説明する。まず、偏向電磁石12は、供給された電流に応じた磁場を発生し、ビームが加速器1の周回軌道に沿って周回するように磁場でビームを偏向する。四極電磁石13は、供給された電流に応じた磁場によりビームの安定限界を制御する。高周波加速空胴15は、供給された電流に応じてビームに高周波の電場を印加し、ビームを加速する。すなわち、ビームのエネルギーを上昇させる。六極電磁石14は、供給された電流に応じてビームに磁場を印加することにより、ビームを共鳴させる。この共鳴は、ビームを加速器1から出射するときに用いる。
【0033】
加速器1においてビームがエネルギーE9まで加速されると、制御部32は層L9に対応づけて記憶された高周波印加装置11の電流値を電源16に出力する。電源16は入力された値の電流を、高周波印加装置11に供給する。高周波印加装置11は、供給された電流に応じた高周波電場を発生し、その高周波電場をビームに印加することより、ビームを加速器100から出射する。具体的には、本実施例の加速器1では、ビーム出射時に四極電磁石13により安定限界を一定に保ち、その状態で高周波印加装置11によりビームに高周波電場を印加する。高周波電場の印加により、ビームが安定限界を超え、安定限界を超えたビームは、六極電磁石14の磁場により共鳴を起こし、加速器1から出射される。加速器1から出射されたビームは、回転照射装置2に導かれる。
【0034】
制御部33は、加速器1においてビームを加速中に、層L9に対応づけて記憶された四極電磁石22及び偏向電磁石21,23の各電流値を電源27に出力する。電源27は入力された値の電流を、四極電磁石22及び偏向電磁石21,23にそれぞれ供給する。回転照射装置2に入力されたビームは、四極電磁石22及び偏向電磁石21,23により予め設定された軌道に沿って走査電磁石24,25に導かれる。
【0035】
また、制御部32は、制御部33が電源27に電流値を出力するのと共に、照射領域A91の中心位置P91に対応づけて記憶された電流値を電源28に出力する。電源28は、入力された値の電流を走査電磁石24,25それぞれに供給する。走査電磁石24,25は、それぞれに供給された電流に応じて磁場を発生し、走査電磁石24はX方向に、走査電磁石25はY方向にビームを偏向する。走査電磁石24,25により偏向されたビームは、照射領域A91の中心位置P91に照射される。
【0036】
線量モニター26は、患部に照射されるビームの照射線量を計測する。線量モニター26において計測されたビームの照射線量の実測値は、制御部32に入力される。制御部32は、層L9に対応づけて記憶された照射線量の値(設定値)と、入力された実測値とを比較し、実測値が設定値に達した時点で電源16に対して出射停止指令を出力する。電源16は、出射停止指令が入力されると高周波印加装置11に対する電流の供給を停止する。従って、高周波印加装置11による高周波電場の発生が停止し、加速器1からのビームの出射も停止する。なお、実測値が設定値に達する前に加速器1を周回するビームがなくなった場合には、新たに前段加速器4からビームを入射し、加速器1においてエネルギーE9まで加速した後、再度ビームを加速器1から出射すれば良い。
【0037】
このようにして照射領域A91に対するビームの照射が終了したら、次に照射領域A92にビームを照射する。照射領域A92にビームを照射する際には、加速器1からのビームの出射を停止した状態で、制御部32から電源28に対して、照射領域A92に対応づけて記憶された走査電磁石24,25のそれぞれの電流値が出力される。電源28は入力された値の電流を走査電磁石24,25それぞれに供給し、走査電磁石24,25は供給された電流に応じた磁場を発生する。なお、図3(a)に示すように、照射領域A92の位置は、照射領域A91をX方向にD9だけずらした位置に相当するので、ビームをY方向に偏向する走査電磁石25に供給される電流は、照射領域A91を照射するときと照射領域A92を照射するときとで変化はなく、ビームをX方向に偏向する走査電磁石24に供給される電流のみが変化する。
【0038】
電源28から走査電磁石24,25に電流が供給された時点で、制御部32は、層L9に対応づけて記憶された高周波印加装置11の電流の値を電源16に出力する。電源16は、入力された値の電流を高周波印加装置11に供給する。高周波印加装置11は、供給された電流に応じた高周波電場を加速器1を周回中のビームに印加し、ビームを加速器1から出射する。加速器1から出射されたビームは、走査電磁石24,25に導かれて走査電磁石24,25により偏向された後、照射領域A92に照射される。照射領域A91にビームを照射する場合と同様に、照射領域A92にビームを照射する際にも、線量モニター26による実測値と制御部32に記憶された設定値とを比較し、実測値が設定値に達した時点で加速器1からのビームの出射を停止する。
【0039】
このような手順を繰り返すことにより、層L9の各照射領域A91,A92,…に対して、設定された照射線量のビームが照射される。なお、照射領域A91から照射領域A92にビームの照射位置を変更する際には走査電磁石25に供給する電流に変化はなかったが、ビームの照射位置をY方向に移動する場合には走査電磁石25に供給する電流も変化させる。
【0040】
層L9における全ての照射領域A9iにビームを照射し終えたら、次に層L8の各照射領域A8iを照射する。層L8にビームを照射する手順は、層L9の場合と同様であり、層L8に対応づけて記憶された各電流値等を各々の装置に供給することにより加速器1,回転照射装置2を制御して、層L8にビームを照射する。以降、層L1まで同じ手順を繰り返すことにより患部全体にビームを照射する。
【0041】
図5は、患部に対してビームを照射する手順をフローチャートで示す。まず、ビームを照射する層Lnとして層L9を設定し、ビームを照射する照射領域Aniとして照射領域A91を設定する(ステップ501)。次に、前段加速器4からビームを出射し、加速器1にそのビームを入射する(ステップ502)。加速器1は、入射されたビームをエネルギーEnまで加速する(ステップ503)。またステップ502と並行して、走査電磁石24,25に対して、照射領域Aniにビームを照射するための電流を供給する(ステップ504)。
【0042】
次に、加速器1からビームを出射し、照射領域Aniにそのビームを照射する(ステップ505)。続いて、照射されたビームの照射線量の実測値が、層Lnに対して設定された照射線量の設定値に達したかを判定する(ステップ506)。ステップ506において「Yes」と判定された場合にはステップ507へ進み、「No」と判定された場合にはステップ508へ進む。ステップ508では、加速器1にビームがあるかを判定し、「Yes」と判定した場合にはステップ506へ進み、「No」と判定した場合にはステップ502へ進む。すなわち、加速器1にビームがなくなった時点で、ステップ502,503でエネルギーEnのビームを生成し、ステップ505により再度ビームを照射する。
【0043】
ステップ506においてビームの照射線量の実測値が、設定値に達したと判定されたら、ビームの出射を停止する(ステップ507)。次に層Lnの全ての照射領域Aniを照射したかを判定し、「Yes」と判定した場合にはステップ510へ、「No」と判定した場合にはステップ511へ進む(ステップ509)。ステップ511では、iに1を加算し、ステップ512へ進む。なお、iに1が加算されたことによってビームを照射する照射領域Aniが変更される。ステップ512では、加速器1にビームがあるかを判定し、「Yes」と判定した場合にはステップ504へ進む。一方「No」と判定した場合には、ステップ502へ進む。このようにして、新たな照射領域Aniにビームが照射される。
【0044】
ステップ510では、層Lnが層L1かを判定し、「Yes」と判定した場合には患部に対するビームの照射を終了する。「No」と判定した場合には、ステップ513へ進む。ステップ513では、nに1を加算し、ステップ502へ進む。nに1が加算されたことによってビームを照射する層Lnが変更される。
【0045】
以上説明したように、本実施例では、予め決定した照射計画に従って、各層Lnにおける各照射領域Ani毎にビームを照射する。このような本実施例によっても従来の技術と同様に、ビームの照射位置が照射領域Aniからずれてしまうことがある。しかしながら、本実施例によれば、照射位置がずれた場合でも、線量の不均一を抑制することができる。なぜならば、本実施例では、前述のように位置が深い層においては各照射領域Aniの間隔Dnが狭い、すなわち照射領域Aniが密集しているため、そのうちの1つの位置がずれたとしても、全体の照射線量から見て位置のずれた照射領域の照射線量の割合は非常に小さく、照射線量の分布に大きな影響はない。よって、位置が深い層におけるビームの照射位置のずれは、患部における照射線量の均一性に大きな影響を及ぼさない。また、位置が浅い層ではビームの照射線量が小さいため、照射位置がずれても全体の照射線量に比べればその割合は小さい。よって、位置が浅い層におけるビームの照射位置のずれも、患部における照射線量の均一性に大きな影響を及ぼさない。このように、本実施例では、深い位置にある層ほど照射領域の間隔を狭めること、および浅い位置にある層ほど照射線量を小さくすることにより、照射位置のずれが原因で発生する照射線量の不均一を抑制することができる。
【0046】
なお、本実施例において、各層毎に照射領域を移動する方向を変えることにより、ビームが照射領域からずれることによって起こる照射線量の不均一を相殺することができる。
【0047】
また、本実施例では、照射領域を直線状に移動させているが、照射領域の移動のしかたは本実施例に限られるものではなく、例えばうずまき状に移動させても良い。
【0048】
(実施例2)
本発明の他の実施例である荷電粒子ビーム出射装置について、実施例1と異なる箇所を以下説明する。本実施例の荷電粒子ビーム出射装置は、図6に示すように、各層をY方向に複数の領域に分けて、その領域毎にビームを照射する。つまり、実施例1では点であった照射領域を、本実施例ではX方向に伸びる線とし、その照射領域AniにおいてビームをX方向に複数回走査して照射する。なお、本実施例の荷電粒子線ビーム出射装置の装置構成は、実施例1と同様である。
【0049】
本実施例において、演算部31は、(数1)によりY方向における照射領域Aniの中心位置Pniの間隔Dnを決定し、その間隔Dnに基づいてY方向における各照射領域Aniの中心位置Pniを設定する。その後、層Ln全体を照射領域Aniで覆うように各照射領域AniのX方向の長さと位置を決定し、その長さと位置からX方向における各照射領域Aniの両端位置を設定する。演算部31で設定された各照射領域AniのY方向における中心位置PniとX方向における両端位置は、制御部32に入力される。
【0050】
制御部32は、ビームをY方向における中心位置Pniに照射するために走査電磁石25で必要とされる電流値と、ビームをX方向における両端位置の間で走査して照射するために走査電磁石24で必要とされる電流値とを求める。求めた各電流値は、照射領域Aniと対応づけた形で記憶する。なお、X方向にはビームを走査するため、走査電磁石24で必要とされる電流値は周期的に正負が反転する交流電流となる。また、Y方向における中心位置Pni及びX方向における両端位置と走査電磁石24、25で必要とされる電流値とは、その対応関係を予めテーブル化しておき、制御部32はそのテーブルを用いることにより各電流値を求める。
【0051】
以上説明した点以外は図1の実施例と同様である。
【0052】
本実施例によれば、照射領域AniにおいてビームはX方向に複数回走査され、予め設定された照射線量に達した時点で照射位置がY方向に移動されて照射領域Aniが変更される。このような本実施例でも、Y方向における中心位置の間隔Dnが各層毎に異なり(層の位置が浅いほど間隔Dnは広くなる)、各層における照射線量が異なる(層の位置が浅いほど照射線量は少ない)ので、図1の実施例と同様に、患部における照射線量の不均一を抑制できる。
【0053】
(実施例3)
本発明の他の実施例である荷電粒子ビーム出射装置について、実施例2と異なる箇所を以下説明する。本実施例の荷電粒子ビーム出射装置は、図9に示すように各層を複数の領域に分けて、その領域毎にビームを出射する。つまり、実施例2では、ビームをX方向に伸びる線状に走査したが、本実施例では、X方向及びY方向に斜めに延びる線にそって走査する。即ち、各照射領域Aniの中心がX方向及びY方向に斜めに延びる線である。図10に走査する時のビーム中心の移動を実線で示す。本実施例において、走査電磁石24と25の電流は同時に変化させる。各照射領域Aniのビーム中心の走査角度は、走査電磁石24と25の電流変化率の比できまるため、走査ビームサイズに応じ適切に走査電磁石24と25の電流変化率を定める。演算部31は、照射領域AniのX方向及びY方向の中心位置PniのY方向における間隔Dnを(数1)により決定し、それに基づいて、X方向,Y方向における各照射領域Aniの中心位置Pniを設定する。その後、層Ln全体を照射領域Aniで覆うようにX方向,Y方向における各照射領域Aniの両端位置を設定する。演算部31で設定された各照射領域Aniの中心位置PniとX方向,Y方向における両端位置は、制御部32に入力される。
【0054】
制御部32は、ビームを照射領域AniのX方向及びY方向における両端間で照射するために走査電磁石24,25で必要とされる電流値を求め、求めた各電流値は、照射領域Aniと対応づけた形で記憶する。なお、X方向,Y方向にビームを走査するため、走査電磁石24,25で必要とされる電流値は、周期的に正負が反転する交流電流となる。
【0055】
以上説明した点以外は実施例2と同様である。
【0056】
以上説明した各実施例では、照射領域Aniを変更する際に加速器1からのビームの出射を停止しているが、照射領域Aniの変更を高速で行うことができる場合には、加速器1からビームを出射しながら照射領域Aniの変更を行っても良い。なお、ここでいう高速とは、照射領域Aniを変更する間に照射される照射線量を患部全体に照射される照射線量よりも十分に小さくできる程度の速さである。更に、照射領域Aniの変更時にビームの照射線量を低下させれば、照射領域Ani変更時の照射線量をより小さくすることができる。なお、ビームの照射線量を低下させるには、加速器1において高周波印加装置11からビームに印加される高周波電場の強度を低下させれば良い。
【0057】
また、前述の各実施例では患部に照射するビームのエネルギーEnを加速器1において変更しているが、加速器1からは常に同じエネルギーのビームを出射し、ビームが加速器1から出射されて患者に照射されるまでに通る経路(ビームの軌道)にビームのエネルギーを変更する手段を設けることによってビームのエネルギーを変更しても良い。図7にその一例として、偏向電磁石23と走査電磁石24との間にレンジシフター7を設けた例を示す。
【0058】
レンジシフター7は、図に示すように、Y方向に厚さが変化する構造物71,72からなる。この構造物71,72は、ビームのエネルギーをその厚さに応じて減衰させる材料からなり、Y方向に移動させることによりビームが通過する位置における厚さを変えてビームのエネルギーを調節する。
【0059】
このようなレンジシフター7を用いる場合は、ビームを照射する層によらず加速器1から出射するビームのエネルギーを一定にし、各層に対して求められたビームのエネルギーEnをレンジシフター7の駆動装置(図示せず)に与えて、エネルギーEnに合わせて駆動装置により構造物71,72の位置を調節する。なお、加速器1から出射するビームのエネルギーの値は、層Lnのうち最も深い位置にある層L9の位置にブラッグピークが来るように設定する。従って、層L9にビームを照射する場合には構造物71,72をビームの軌道上からはずし、層L8から層L1へと層の位置が浅くなるのにしたがって、ビーム軌道上の構造物71,72の厚さが厚くなるように構造物71,72の位置を調節する。このようにして、ビームのエネルギーを変更することもできる。
【0060】
なお、以上説明した各実施例では層の数を9つとしているが、層の数は9つに限られるものではなく、患部の深さ方向の大きさに応じて適切な数を設定すれば良い。
【0061】
また、前述の各実施例では、加速器1においてビームの出射及び停止を制御しているが、ビームを完全に遮断する遮蔽物を用いて患部に対するビームの照射を制御しても良い。
【0062】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡単な制御で、照射対象における照射線量の不均一を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適な一実施例である荷電粒子ビーム出射装置の構成図である。
【図2】患部における層と照射領域の設定例を示す図である。
【図3】図3(a)は層L9における各照射領域の位置を示す図であり、図3(b)は層L1における各照射領域の位置を示す図である。
【図4】エネルギーE6〜E9のビームの照射線量の分布を示す図である。
【図5】患部にビームを照射する手順を示すフローチャートである。
【図6】患部における層と照射領域の他の設定例を示す図である。
【図7】レンジシフター7の構成図である。
【図8】ガウス分布をもつビームの照射線量分布と、その総和の照射線量分布を示す図である。
【図9】患部における層と照射領域の他の設定例を示す図である。
【図10】図9におけるビーム中心の移動を示す図である。
【符号の説明】
1…加速器、2…回転照射装置、3…制御装置、4…前段加速器、11…高周波印加装置、12,21,23…偏向電磁石、13,22…四極電磁石、14…六極電磁石、15…高周波加速空胴、16,17,27,28…電源、24,25…走査電磁石、26…線量モニター、31…演算部、32,33…制御部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a charged particle beam extraction apparatus that outputs a charged particle beam used for cancer treatment or diagnosis of an affected area, and more particularly, a charged particle beam extraction capable of outputting a charged particle beam so that an irradiation dose on an irradiation target is uniform. Relates to the device.
[0002]
[Prior art]
As a method of irradiating a charged particle beam (hereinafter referred to as a beam) to an irradiation target, a method is known in which the irradiation target is divided into a plurality of regions and the beam is irradiated for each region. As an example, Japanese Patent Laid-Open No. 9-223600 discloses that an irradiation target is divided into a plurality of layered regions in the beam traveling direction, the layered region is further divided into a plurality of small regions, and a beam is divided into each small region. Is described.
[0003]
Moreover, when using a beam for cancer treatment etc., it is desirable that the irradiation dose in an affected part is uniform. In order to make the irradiation dose uniform, there is known an irradiation method in which the beam irradiation ranges are overlapped using the fact that the beam irradiation dose has a Gaussian distribution. FIG. 8 shows an example of an irradiation dose distribution according to the irradiation method. As shown in FIG. 8, since the beam irradiation dose (dotted line) has a Gaussian distribution, the total irradiation dose (solid line) can be made uniform by overlapping a plurality of beam irradiation ranges. .
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
From the two conventional techniques described above, the irradiation target is divided into a plurality of layers, the layer is further divided into a plurality of regions, and when the beam is irradiated for each region, the plurality of regions are overlapped and set, It is conceivable to make the radiation dose in the layer uniform.
[0005]
However, with this irradiation method, if the irradiation range of the beam slightly deviates from the target region, the irradiation dose in the layer becomes non-uniform. There must be. Therefore, there is a problem that the control of the beam irradiation range becomes complicated.
[0006]
An object of the present invention is to provide a charged particle beam extraction apparatus capable of suppressing non-uniform irradiation dose in an irradiation target with simple control.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A feature of the present invention that achieves the above object is that irradiation includes outputting an accelerator that emits a charged particle beam after accelerating, and a scanning electromagnet that controls an irradiation position of the charged particle beam emitted from the accelerator. In the charged particle beam extraction apparatus comprising: means; and a power source that supplies the scanning electromagnet with a current that repeats a period in which the value changes over time and a period in which the value does not change over time, When a charged particle beam having a second energy lower than the first energy is output from the irradiation unit, compared to a case where a charged particle beam having a first energy is output from the irradiation unit, The purpose is to increase the amount of current change during a period in which the current supplied to the scanning electromagnet changes.
[0008]
As the energy of the charged particle beam output from the irradiation means decreases, the amount of current change in the period in which the current supplied to the scanning electromagnet changes over time is increased, so that the charged particle beam energy is low. When the charged particle beam energy is high compared to when the irradiation position is shallow, that is, when the irradiation position of the charged particle beam is deep, the current change during the period when the current supplied to the scanning electromagnet changes over time The amount will be increased. In addition, by increasing the amount of current change during the period when the current supplied to the scanning electromagnet changes over time, the irradiation position of the charged particle beam moves greatly in the direction perpendicular to the traveling direction of the charged particle beam, and conversely If the amount of change is small, the amount of movement of the irradiation position is also small.
[0009]
Therefore, according to the present invention having the above characteristics, the deeper the irradiation position of the charged particle beam, the smaller the amount of movement of the irradiation position in the direction perpendicular to the traveling direction of the charged particle beam. Changes in the irradiation dose distribution in the irradiation target when the irradiation region irradiated with the particle beam is dense and the irradiation position is shifted can be reduced. As described above, according to the present invention, it is possible to suppress non-uniformity of the irradiation dose in the irradiation target with simple control.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Example 1
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0011]
FIG. 1 shows a charged particle beam extraction apparatus according to a preferred embodiment of the present invention. Note that the charged particle beam extraction apparatus in FIG. 1 performs cancer treatment by irradiating an affected area of a cancer patient with a charged particle beam (hereinafter referred to as a beam).
[0012]
In the treatment of a cancer patient using the charged particle beam extraction apparatus of FIG. To the
[0013]
Hereinafter, a method for determining the beam energy, the irradiation position, and the irradiation dose in the
[0014]
First, the
[0015]
Next, the
[0016]
[Expression 1]
[0017]
Here, R: radius of irradiation region, m: total number of layers.
[0018]
From (Equation 1), the distance D9 of the center position P9i of each irradiation region A9i in the layer L9 of the present embodiment is:
[0019]
[Expression 2]
[0020]
It becomes. According to (Equation 1), the distances D1 to D8 are obtained for the other layers L1 to L8, respectively. The position of each irradiation region Ani is set based on the obtained interval Dn, and the center position Pni is determined. According to (Equation 1), the distance Dn becomes wider as the layer Ln is at a shallower position. In the layer L1 having the widest distance Dn, the distance D1 is equal to the radius of the irradiation region Ani. Each irradiation area A1i in the layer L1 is shown in FIG. In this way, by setting the interval Dn between the irradiation regions Ani in each layer Ln to be equal to or less than the radius R of the irradiation region Ani, the irradiation in each layer Ln when the beams are irradiated by superimposing the irradiation doses of the beams having a Gaussian distribution. The dose distribution is uniform.
[0021]
Next, the calculating
[0022]
Subsequently, the irradiation dose in the layer L8 is determined. Since the layer L8 is irradiated somewhat when the beam of energy E9 is irradiated, the irradiation dose must be taken into consideration. Here, the relationship between the beam energy En and the irradiation dose in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows the depth position from the body surface on the horizontal axis and the irradiation dose on the vertical axis, and shows the distribution of the irradiation dose by the beams of energy E6 to E9 and the distribution of the sum. As shown in the figure, when the beam of energy E9 is irradiated, the irradiation dose is highest at the position of the layer L9, but some irradiation is also performed at the position of the layer L8. Therefore, in order to make the irradiation dose uniform at the position of the layer L9 and the position of the layer L8, as shown in the figure, the irradiation dose by the beam of energy E8 must be lower than the irradiation dose of the beam of energy E9. . Specifically, in the irradiation dose distribution of the beam of energy E9, a value obtained by subtracting the irradiation dose at the layer L8 position from the irradiation dose (peak value) at the layer L9 position may be set as the dose irradiated to the layer L8.
[0023]
The
[0024]
As described above, the energy En of the beam irradiated to each layer Ln, the center position Pni of each irradiation region Ani in each layer Ln, and the irradiation dose in the irradiation region Ani of each layer Ln are determined. According to the present embodiment, as the position of the layer Ln becomes shallower, the beam energy En and the irradiation dose are set lower, and the interval Dn between the irradiation areas Ani is set wider.
[0025]
The beam energy En, the center position Pni of each irradiation area Ani, and the irradiation dose obtained by the
[0026]
Based on the energy En of the input beam, the
[0027]
On the other hand, the
[0028]
In addition, in order to obtain | require each electric current value, the
[0029]
Next, a procedure until the affected part is irradiated with the beam will be described. In this embodiment, the beam is irradiated in order from the layer L9 at the deepest position to the layer L1 at the shallowest position from the body surface. First, a procedure for irradiating the layer L9 with a beam will be described.
[0030]
First, a beam extraction command is output from the
[0031]
Further, the
[0032]
Here, the role of each component in the
[0033]
When the beam is accelerated to energy E9 in the
[0034]
The
[0035]
In addition, the
[0036]
The dose monitor 26 measures the irradiation dose of the beam irradiated to the affected area. An actual measurement value of the beam irradiation dose measured by the
[0037]
When the irradiation of the irradiation area A91 is thus completed, the irradiation area A92 is then irradiated with the beam. When irradiating the irradiation area A92 with the beam, the
[0038]
When a current is supplied from the power supply 28 to the
[0039]
By repeating such a procedure, a beam having a set irradiation dose is irradiated to each irradiation region A91, A92,... Of the layer L9. Note that when changing the irradiation position of the beam from the irradiation area A91 to the irradiation area A92, the current supplied to the
[0040]
When all the irradiation areas A9i in the layer L9 have been irradiated with the beam, each irradiation area A8i in the layer L8 is then irradiated. The procedure for irradiating the layer L8 with the beam is the same as that for the layer L9, and the
[0041]
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for irradiating the affected area with a beam. First, the layer L9 is set as the layer Ln to be irradiated with the beam, and the irradiation region A91 is set as the irradiation region Ani to be irradiated with the beam (step 501). Next, a beam is emitted from the front stage accelerator 4 and incident on the accelerator 1 (step 502). The
[0042]
Next, a beam is emitted from the
[0043]
When it is determined in
[0044]
In
[0045]
As described above, in this embodiment, a beam is irradiated for each irradiation region Ani in each layer Ln according to a predetermined irradiation plan. Even in this embodiment, the irradiation position of the beam may deviate from the irradiation area Ani as in the conventional technique. However, according to the present embodiment, it is possible to suppress dose non-uniformity even when the irradiation position is shifted. This is because, in the present embodiment, as described above, in the layer where the position is deep, the interval Dn between the irradiation regions Ani is narrow, that is, the irradiation regions Ani are dense, so even if one of them shifts, The ratio of the irradiation dose in the irradiation region whose position is shifted from the whole irradiation dose is very small, and the distribution of the irradiation dose is not greatly affected. Therefore, the deviation of the irradiation position of the beam in the deep layer does not greatly affect the uniformity of the irradiation dose in the affected area. In addition, since the irradiation dose of the beam is small in the shallow layer, even if the irradiation position is shifted, the ratio is small compared to the entire irradiation dose. Therefore, the deviation of the irradiation position of the beam in the shallow layer does not greatly affect the uniformity of the irradiation dose in the affected area. As described above, in this embodiment, the irradiation dose generated due to the shift of the irradiation position is reduced by narrowing the interval between the irradiation regions in the deeper layer and decreasing the irradiation dose in the shallower layer. Nonuniformity can be suppressed.
[0046]
In the present embodiment, by changing the direction in which the irradiation region is moved for each layer, it is possible to cancel out the non-uniformity of the irradiation dose that occurs when the beam deviates from the irradiation region.
[0047]
In this embodiment, the irradiation area is moved linearly. However, the movement of the irradiation area is not limited to this embodiment, and may be moved, for example, in a spiral manner.
[0048]
(Example 2)
The charged particle beam extraction apparatus according to another embodiment of the present invention will be described in the following points different from the first embodiment. As shown in FIG. 6, the charged particle beam emitting apparatus of the present embodiment divides each layer into a plurality of regions in the Y direction, and irradiates a beam for each region. In other words, the irradiation area that was a point in the first embodiment is a line extending in the X direction in the present embodiment, and irradiation is performed by scanning the beam several times in the X direction in the irradiation area Ani. The device configuration of the charged particle beam extraction apparatus of the present embodiment is the same as that of the first embodiment.
[0049]
In the present embodiment, the
[0050]
The
[0051]
Except for the points described above, the embodiment is the same as the embodiment of FIG.
[0052]
According to the present embodiment, the beam is scanned in the X direction a plurality of times in the irradiation area Ani, and when the preset irradiation dose is reached, the irradiation position is moved in the Y direction to change the irradiation area Ani. Also in this embodiment, the distance Dn between the center positions in the Y direction is different for each layer (the distance Dn is wider as the layer position is shallower), and the irradiation dose in each layer is different (the irradiation dose is smaller as the layer position is shallower). Therefore, as in the embodiment of FIG. 1, it is possible to suppress uneven irradiation dose in the affected area.
[0053]
(Example 3)
A charged particle beam extraction apparatus according to another embodiment of the present invention will be described below with respect to points different from the second embodiment. The charged particle beam emitting apparatus of the present embodiment divides each layer into a plurality of regions as shown in FIG. 9, and emits a beam for each region. That is, in the second embodiment, the beam is scanned in a line extending in the X direction, but in the present embodiment, scanning is performed along lines extending obliquely in the X direction and the Y direction. That is, the center of each irradiation area Ani is a line extending obliquely in the X direction and the Y direction. FIG. 10 shows the movement of the beam center during scanning with a solid line. In this embodiment, the currents of the
[0054]
The
[0055]
Except for the points described above, the second embodiment is the same as the second embodiment.
[0056]
In each of the embodiments described above, the emission of the beam from the
[0057]
In each of the above-described embodiments, the energy En of the beam irradiated to the affected area is changed in the
[0058]
As shown in the figure, the
[0059]
When such a
[0060]
In each of the embodiments described above, the number of layers is nine. However, the number of layers is not limited to nine, and an appropriate number may be set according to the depth direction size of the affected area. good.
[0061]
In each of the above-described embodiments, the emission and stop of the beam are controlled by the
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to suppress non-uniform irradiation doses in the irradiation target with simple control.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a charged particle beam extraction apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a setting example of a layer and an irradiation area in an affected area.
FIG. 3A is a diagram showing the position of each irradiation region in the layer L9, and FIG. 3B is a diagram showing the position of each irradiation region in the layer L1.
FIG. 4 is a diagram showing a distribution of irradiation doses of beams of energy E6 to E9.
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for irradiating an affected area with a beam;
FIG. 6 is a diagram illustrating another setting example of a layer and an irradiation region in an affected area.
7 is a configuration diagram of a
FIG. 8 is a diagram showing an irradiation dose distribution of a beam having a Gaussian distribution and a total irradiation dose distribution.
FIG. 9 is a diagram illustrating another setting example of a layer and an irradiation region in an affected area.
10 is a diagram showing the movement of the beam center in FIG. 9. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記電源は、第1のエネルギーを有する荷電粒子ビームが前記照射手段から出力される場合に比べて、第1のエネルギーよりも低い第2のエネルギーを有する荷電粒子ビームが前記照射手段から出力される場合に、前記走査電磁石に供給する電流が時間変化する期間における電流変化量を大きくすることを特徴とする荷電粒子ビーム出射装置。An accelerator that emits a charged particle beam after being accelerated, an irradiation unit that has a scanning electromagnet that controls the irradiation position of the charged particle beam emitted from the accelerator, and outputs a charged particle beam; a period and a time during which the value changes In a charged particle beam extraction apparatus comprising a power source that supplies a current that repeats a period that does not change to the scanning electromagnet,
The power source outputs a charged particle beam having a second energy lower than the first energy from the irradiation unit as compared with a case where a charged particle beam having a first energy is output from the irradiation unit. In this case, the charged particle beam extraction apparatus is characterized in that the amount of current change during a period in which the current supplied to the scanning electromagnet changes with time is increased.
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