JP4466986B2 - イオンビーム療法において格子スキャナをフィードバック制御するための装置および方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１および４の前提部に記載の、イオンビーム療法において格子スキャナをフィードバック制御するための装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記の種類のフィードバック制御装置は、少なくとも、
スキャナ磁石のための制御および読出しモジュールによって制御される、イオンビームの中央に対して水平および垂直方向に偏向するイオンビームスキャナ磁石のためのスキャナ磁石電流供給デバイスと、
制御および読出しモジュールによって制御される、ロケーション測定のためのロケーションに敏感な検出器と、
装置のデバイス中での駆動および読出しシーケンスを制御するシーケンス制御デバイスとを有する。
【０００３】
上記の種類の格子スキャナは、欧州特許出願第９８ １１７ ２５６．２号から既知である。この公開公報は、強度をフィードバック制御する格子走査方法について記載している。イオンからなり、最大値と平均値との間で３０倍の強度変化がある療法ビームの強度はかなり変化するにもかかわらず、この方法では、照射プランの規定が非常に精度よく適用されるため、全照射から生じる投与量分布は、計画された投与量分布とは平均して５％未満しか異ならない。従って、強度のフィードバック制御によると、イオンビームの強度がかなり変化するにもかかわらず、ビーム位置毎の全ビーム投与量は非常に正確に固定され得る。
【０００４】
しかし、投与量分布の幾何学的に正確な適用を実現するのには問題がある。なぜなら、療法ビームの強度だけでなく、集束された療法ビームのビーム位置は、ビームの適用時にかなり変化するからである。このような問題に対する完全かつ効率的な解決法は現在のところ存在しない。これらの位置の変化を測定し、考えられるそれぞれの加速器および高エネルギービームガイダンスの設定のための補正表を作成するのに、かなりの作業が現在行われている。例えば、２５５のエネルギー段階があり、それぞれは、７つの集束段階および１５の強度ステップを考慮しなければならない。従って、約２５、０００の組み合わせが各ビーム位置のために測定されなければならず、補正表は対応する療法デバイスのために作成されなければならない。このような補正表は、システムのための制御データを生成するために用いられ得るが、このようなかなりの作業を行っても、ビーム位置の相違が各ビーム位置に対して再生可能である場合（しかし、一般にはそのようには想定されない）においてのみプラスの結果が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、補正作業を著しく減少させ、幾何学上の精度をかなり増加させるという課題に基づいている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、請求項１および４の主題によって成し遂げられる。好ましい実施形態のさらなる特徴については、請求項１および４に従属する従属請求項に記載されている。
【０００７】
イオンビーム療法において格子スキャナをフィードバック制御するための本発明による装置は、少なくとも、
スキャナ磁石のための制御および読出しモジュールによって制御される、イオンビームの中央に対して水平および垂直方向に偏向するイオンビームスキャナ磁石のためのスキャナ磁石電流供給デバイスと、
制御および読出しモジュールによって制御される、ロケーション測定のためのロケーションに敏感な検出器と、
装置のデバイス中での駆動および読出しシーケンスを制御するシーケンス制御デバイスとを有し、装置はまた、シーケンス制御デバイス中に、スキャナ磁石のための制御および読出しモジュールと、ロケーションに敏感な検出器の制御および読出しモジュールとの間にフィードバックループを有する回路配置を有し、回路およびシーケンスにおいて、シーケンス制御デバイス中のスキャナ磁石のための制御および読出しモジュール、ならびにロケーションに敏感な検出器の制御および読出しモジュールは、スキャナ磁石のための制御および読出しモジュールが、ロケーションに敏感な検出器の制御および読出しモジュールの後に直列に位置するように技術的に配置されている。
【０００８】
投与量適用の品質に加えて、この装置はまた、患者のスループットを向上させ、その結果、装置の経済的性質も向上させる。なぜなら、幾何学的精度が増加すると、ロケーション測定システムのインターロックによる照射の妨害数が減少するからである。さらに、この解決法は、任意の所望の角度を有する固定されたビームガイドにおける格子走査システムだけでなく、特に、回転可能なビームガイド（ガントリ）と組み合わせた格子走査技術に利点をもたらすが、位置エラーの増加が予想され得る。なぜなら、このようなガントリシステムは、非常に重いため、ビームガイドが機械的に変形する傾向があるからである。
【０００９】
さらに、イオン光学素子は、位置の変化に対して非常に敏感である。特に最終偏向ダイポール磁石における磁界の均質性を成し遂げるのは非常に困難であるため、本発明による格子スキャナをフィードバック制御するための本装置は、このようなガントリシステムに対してかなりの利点をもたらす。なぜなら、本発明による装置の照射プランによると、照射位置におけるイオン療法ビームは再調整および再位置合わせされ得るからである。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態では、マルチワイヤ比例チャンバは、ロケーションに敏感な検出器として用いられる。このような検出器は、一方では、ビーム位置の実際の状態がそのロケーション座標において正確に決定され、他方では、ロケーションに敏感な検出器がフィードバック制御ループに接続される結果、照射ロケーションは、照射プランに一致され、実際の値と望ましい値との間の正確な一致が照射ロケーションに対して成し遂げられ得るという利点を有する。
【００１１】
強度の同時フィードバック制御を目的として、装置は、好ましくは、制御および読出しモジュールと協働する少なくとも１つのイオン化チャンバを有し得る。好ましくは、イオン化チャンバの制御および読出しモジュールは、シーケンス制御内で、ロケーションに敏感な検出器の制御および読出しモジュールの前に回路およびシーケンスにおいて技術的に配置される。これにより、第１に、ビーム位置毎の照射投与量はモニタされ、その強度を制御することによって固定され、強度制御とは独立して、イオンビームの正確な位置決めはさらにロケーションに敏感な検出器を用いてフィードバック制御され得るという利点が得られる。
【００１２】
イオンビーム療法において格子スキャナをフィードバック制御するための方法については、格子スキャナは、
スキャナ磁石のための制御および読出しモジュールによって制御される、イオンビームの中央に対して水平および垂直方向に偏向するイオンビームスキャナ磁石のためのスキャナ磁石電流供給デバイスと、
制御および読出しモジュールによって制御される、ロケーション測定のためのロケーションに敏感な検出器と、
装置のデバイス中での駆動および読出しシーケンスを制御するシーケンス制御デバイスとを有し、以下のステップ、
監視制御システムのロケーション測定制御および読出しモジュールに配置され、ビームプランの望ましい位置に関連する情報と、ロケーションに敏感な検出器からのビーム位置の実際に測定された位置とのリアルタイムでの比較を行うステップと、
格子スキャナのスキャナ磁石供給デバイスのための補正値の決定するステップと、
格子スキャナの水平および垂直磁石供給デバイスのための補正位置の設定およびビーム位置の再位置合わせを行うステップと、が実行される。
【００１３】
本発明による方法の利点は、ビーム使用中にリアルタイムでビーム位置を再位置合わせするための、患者の前に配置された位置に敏感な検出器からのロケーション情報を用いて、品質保証および患者照射手順のための照射ユニットの調製において、加速器および／またはビームガイドにおける多数のシステム設定の測定値を著しく低減させることが可能なことである。さらに、本発明の結果、ビーム位置の再生に対する要求は、すべての高エネルギー放射設定に対してかなり緩和され、投与量適用の幾何学的精度は向上した。
【００１４】
ビーム位置の再位置合わせのために、監視制御システムのロケーション測定制御および読出しモジュールに配置され、ビームプランからの望ましい位置に関連する情報は、ロケーションに敏感な検出器からの実際に測定された位置とリアルタイムで比較され、格子スキャナの磁石供給デバイスのための補正値は決定および設定される。この補正は、ロケーション測定システムの測定サイクル毎に（例えば、１５０μｓ内で）、または照射プランにおける１つのビーム位置から次のビーム位置まで交互になされ得る。システムのリアルタイム制御では、一連の制御および読出しモジュールはインターフェースによって互いに接続されている。しかし、本発明に関連するのは、ロケーション測定検出器を制御し、読み出す２つの制御および読出しモジュールと、２つの格子スキャナ磁石電流供給デバイスである。
【００１５】
各測定サイクルでは、ロケーションに敏感な検出器の制御および読出しモジュール内のリアルタイムソフトウェアは、検出器生データからのビーム位置の実際の値を計算し、その情報をデータ接続によってスキャナ磁石の制御および読出しモジュールに送信する。各フィードバック制御サイクルでは、スキャナ磁石の制御および読出しモジュール内のリアルタイムソフトウェアは、望ましい位置と実際の位置とを比較し、格子スキャナの水平および垂直磁石電流供給デバイスのための電流補正値を計算し、補正された電流値を設定し、その結果、スキャナ磁石の磁界設定は向上し、また、ビーム位置も改善される。
【００１６】
好ましい実施形態では、ビームの再位置合わせは、制御磁石のための制御および読出しモジュール内のリアルタイムソフトウェアによって設定され得る減衰を用いて実施される。この結果、フィードバック制御発振は、有利に避けられ、持ち越されたエラーも低減される。
【００１７】
他の好ましい実施形態では、ロケーション補正を制限するために上側閾値が固定されるので、ビーム位置設定における主なエラーは、安全のために避けられる。万一このような上側閾値を超えることがある場合には、好ましくは、ロケーションに敏感な検出器の制御およびトリガモジュールによってビームの迅速なスイッチングオフが引き起こされ、その結果、スイッチオフコマンドのチェーンは、様々な加速器およびビームガイダンス構成要素に対してトリガされる。
【００１８】
本発明の他の利点、特徴、および可能な適用については、例示的な実施形態を参照しながら以下にさらに詳細に記載する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の好ましい実施形態における格子スキャナをフィードバック制御するためのデータフロープランを示す。データフロープランの最も左側の列は、好ましくは、検出器（ＩＣ１、ＩＣ２、ＭＷＰＣ１、およびＭＷＰＣ２）、磁石供給デバイス（ＭＧＮ）、およびパルス制御センターアクチベータ（ＰＺＡ）などのイオンビーム療法に用いられるデバイスの選択を示す。左から２番目の列は、検出器、磁石供給デバイス、およびパルス制御センターアクチベータと協働する、制御および読出しモジュール（ＳＡＭ）を有するシーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）内のデータフローを示し、制御および読出しモジュール（ＳＡＭＩ１およびＳＡＭＩ２）は、イオン化チャンバ（ＩＣ１およびＩＣ２）と協働して、イオンビーム粒子数を測定し、処理プランによって予め特定されたイオンビーム粒子数がビーム位置に到達した後、パルス制御センターアクチベータ（ＰＺＡ）のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＰ）によって、パルス制御センターアクチベータ（ＰＺＡ）を用いて、イオンビームを次のビーム位置に切り換える。
【００２０】
本発明によるイオンビーム療法において格子スキャナをフィードバック制御するために、デバイスならびに制御および読出しモジュールのうち少なくとも次のデバイスが必要である。即ち、制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）によって制御されるロケーション測定のためのロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）と、スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）によって制御される、スキャナ磁石によってイオンビームの中央からイオン療法ビームを水平（Ｘ）および垂直（Ｙ）方向に偏向させるためのスキャナ磁石電流供給デバイス（ＭＧＮ）である。シーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）は、本発明による装置に必要なデバイス中での駆動および読出しシーケンスを制御する。
【００２１】
この目的のため、図１のデータフロープランは、スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）と、ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）との間にフィードバックループを有するシーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）における回路配置を示す。このフィードバック制御ループのために、シーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）内の制御磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）、ならびにロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）は、シーケンスおよび回路において、スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）が、ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）の後に直列に位置するように技術的に配置されている。スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）、ならびにロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）は、非常に迅速なマイクロプロセッサからなり、これらのマイクロプロセッサは、対応するディジタル信号プロセッサリンク（ＤＳＰリンク）によって互いに通信する。スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）と、ロケーションに敏感な検出器の制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）との間のフィードバックループは、一方では、ディジタル信号プロセッサリンクおよびシーケンス制御バス（ＶＭＥ−Ｂｕｓ−ＡＳ）によって形成される。
【００２２】
制御磁石を水平（Ｘ）および垂直（Ｙ）方向に偏向させるための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）の下流方向の直列配置の結果、リアルタイム再調整ループは、位置のオンライン確認および各ビーム位置の補正のために有利に形成され得る。図３ａおよび図３ｂの場合に見られるように、１、１５６位置の中で個々のビーム位置において実際の位置との不一致がある場合、または図４ａおよび図４ｂの２、１１６の計画されたビーム位置の中で所望の位置に対して個々の実際の位置に不一致がある場合、図１のデータフロープランによるフィードバック制御ループが干渉し、ビーム位置からビーム位置までのリアルタイムの再調整の場合には、図３ｂに示されるように、次に来るビーム位置を補正する。
【００２３】
測定サイクルから測定サイクルまでのリアルタイム再調整の場合、図１に示すデータフロープランによるリアルタイム再調整ループは、ビーム位置の持続時間内で、イオンビームの位置を補正および制御する。なぜなら、測定サイクルの持続時間は、ビーム位置の持続時間よりも短いからである。この結果、各ビーム位置については、処理プランの所望の位置への実際の位置の再位置合わせが直接行われ、個々のビーム位置（この場合、２、１１６ビーム位置）における図４ｂに示す所定の制限内で、実際の値と望ましい値との完全な一致が成し遂げられる。
【００２４】
好ましい実施形態では、マルチワイヤ比例チャンバは、ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）として用いられる。このようなマルチワイヤ比例チャンバは、プロトンおよび比較的重いイオンの両イオンビームに対して、本実施形態のイオンビーム療法におけるイオンビームのロケーション位置をミリメートルの精度で解像することが可能になる。
【００２５】
図１に示す、シーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）における最も上側のマイクロプロセッサは、図１の右半分に示す隣接したシステム監視制御部におけるデータ格納部（ＯＤＳ）へのオンラインデータ転送のための制御および読出しモジュールとして作用する。オンラインデータ転送のためのこの制御および読出しモジュール（ＳＡＭＤ）は、デバイスバスによってオンライン表示用のデータ格納部（ＯＤＳ）に接続されている。デバイスバスは、制御および読出しモジュールと、それらのそれぞれのフロントエンド電子素子との間の差動データバスである。図１のデータフロープランによると、オンライン表示のためのデータ格納部（ＯＤＳ）は、そのデータを、システム監視制御部（ＳＫ）およびプロセッサおよびデータモジュールを接続するためのバスシステム（ＶＭＥ）におけるシステム監視制御コンピュータのバスによってディスプレイに送り、他方では、そのデータを、システム監視制御部における動作システム（ＡＥＸ）の案内下でイーサネットに送信する。
【００２６】
図１に示す実施形態では、イオンビーム療法におけるフィードバック制御システムは、少なくとも１つのイオン化チャンバ（ＩＣ１）を有する。イオン化チャンバは、イオンビーム強度を測定するために作用し、ビーム位置に対する投与量が、パルス制御センタのための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＰ）にコマンドが出され得るように到達するまで、イオンビーム粒子数を総計する。パルス制御センタは、パルス制御センタアクチベータ（ＰＺＡ）によって、次のビーム位置への切り換えを開始し、次に、これはリアルタイム再調整ループによって格子スキャナの磁石電流供給デバイス（ＭＧＮ）に搬送される。本発明の好ましい実施形態では、シーケンス制御部（ＶＭＥＡＳ）内で、制御および読出しモジュール（ＳＡＭＩ１）が、ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）の前に、回路およびシーケンスにおいて技術的に配置されている。
【００２７】
図２は、イオンビーム療法ユニットのための監視制御システム内の本発明の好ましい実施形態を示すブロック回路図である。イオンビーム療法ユニットのための監視制御システムは、基本的に、技術監視制御ルーム（ＴＫＲ）からなり、このルームでは、イーサネット上のすべての加速器データは、加速器動作コンソールに到達し、イーサネットルータは、イオンビーム療法ユニットのための監視制御システムの次に大きなユニット、即ち、療法自体における技術動作コンソールにデータを送信する。技術動作コンソールの中央デバイスは、療法動作コンピュータ（ＴＯＲＴ）であり、療法動作コンピュータは、バーコードリーダ（ＢＣＬ）を有し、療法イーサネットによって端末の動作素子と通信する。療法領域における技術動作コンソールには、医療動作コンソール（ＭＢＤＫ）が設けられ、医療動作コンソールは、療法領域（チャンバＭ）と通信し、加速器のビームの停止をトリガするために直接接続されている。ここで、ビームを停止するために、４重極共鳴（Ｓ０２ＫＱ１Ｅ）は、ゼロに設定され、療法監視制御システムのバスシステムにおけるインターロックユニットによって供給デバイスを介してビームを徐々に抽出し、障害がある場合には、療法測定ロケーションへのビームガイダンスの偏向ダイポール磁石ＴＨ３ＭＵ１も同様にゼロに設定され、ビームは停止されるか、または療法監視制御システムのバスシステム（ＶＭＥ）におけるインターロックユニット（ＩＬＥ）によって抽出される。
【００２８】
システム監視制御（ＶＭＥＳＫ）自体については、多数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）上で協働する。バスシステム接続フレームには、図１に示す上述したオンライン表示用のデータ格納部（ＯＤＳ）に加えて、とりわけイオン化チャンバと協働する強度モニタ（ＩＭＯＮ）および全粒子数をモニタするための読出し電子素子が属する。さらに、デッドマンズ回路ユニット（ＴＭＥ）は、プロセッサの機能性をモニタするためのシステム監視制御部に配置されている。上述したインターロックユニット（ＩＬＥ）および監視制御バスアダプタ（ＫＢＡ）に加えて、システム監視制御部には、アナログ−ディジタルモジュール（ＡＤＩＯ）およびシステム監視制御部のバスシステム（ＶＭＥ）におけるシステム監視制御コンピュータ（ＳＫＲ）が設けられている。
【００２９】
シーケンス制御部（ＶＭＥＡＳ）の構成要素は、図１に示すデータフロープランの構成要素と同一であり、図２に示す監視制御システムおけるシーケンス制御部は、さらに、ディジタル入力／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）を有する。
【００３０】
療法領域（チャンバＭ）には、ポジトロンを放出する放射線によって粒子範囲を空間的に決定するためのポジトロンエミッタ断層撮影機（ＰＥＴ）が配置され、これによって、診察台上の患者への照射作用を検出することが可能である。
【００３１】
治療領域（チャンバＭ）へのイオンビームのガイダンスは、図２の下部に図で示される。局部走査用のビームは、ＸおよびＹ用のスキャナ磁石によって案内され、スキャナ磁石は、格子スキャナの磁石電流供給デバイス（ＭＧＮ）を用いて水平（Ｘ）および垂直（Ｙ）方向にビームを偏向させる。ビームが最後の偏向磁石（図示せず）から離れると、ビームは、診察台に到達する前に複数の検出器を通して案内される。ここで、フィードバック制御ループは、第１のロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）によって、ビーム位置が、ビーム位置からビーム位置への再位置合わせによって補正され得るように、または測定サイクルから測定サイクルへの再位置合わせによって単一ビーム位置内にある間に補正され得るように、格子スキャナのスキャナ磁石のための磁石電流供給デバイス（ＭＧＮ）に作用する。
【００３２】
図３ａは、上記の目的のため、本発明による装置をスイッチオンする前の格子スキャナのイオン療法ビームの望ましい位置と実際の位置との比較を示す。この図における縦座標Ｙ上の位置はミリメートルで与えられ、同様に、横座標Ｘ上の位置もミリメートルで示される。これらの位置データの基準点は、座標の原点における等角点であり、この場合、図示される４９のビーム位置の外側に配置されている。他のロケーション解像検出器（ＭＷＰＣ２）は、等角点（即ち、座標の原点）における望ましい値と実際の値との間の一致をモニタする。
【００３３】
従って、所定の制限値までは、等角点における望ましい値と実際の値とが一致すると想定され得る。しかし、ここで示すように、等角点から離れると、計画された照射の周辺領域では、実際の値は、望ましい値とかなり異なる。従来技術では、これらの不一致を克服するために、これまで、非常に広範囲な補正表が測定および調整によって作成され、照射中に個別に格納および取得されてきた。２５５の異なるエネルギー段階の医療照射要件の場合、それぞれの段階は７つの集束段階および１５の強度ステップを有し、これだけで、ビーム位置毎に２５、０００の組み合わせができる。図３ａの例で与えられる１、１５６ビーム位置にわたる分布ならば、２５、０００、０００より多くのデータセットとなる。図４ａの例のように、図示される２、１１６ビーム位置にわたってビーム位置が緻密になると、データセットの数字は再び２倍になり、５０、０００、０００より多くなる。イオンビーム療法において格子スキャナをフィードバック制御するための本発明の装置および方法によると、考えられるすべての場合に対して位置変化を測定し、システム用の制御データを生成するのに用いられ得る補正表を作成するために従来技術で行われなければならない大量の作業を避けることができる。これは、特に、補正表によって制御が実行される、上述および定量化した従来技術における作業は、不一致が再生可能である場合のみ目的に到達するからである。しかし、一般には、このようなケースは、特に、ガントリなどの回転可能なビームガイドと組み合わせた格子走査技術を用いる場合には想定されない。
【００３４】
図３ｂは、本発明の実施形態による、ビーム位置からビーム位置への位置フィードバック制御のための装置をスイッチオンした後の、図３ａの望ましい値と実際の値との比較を示す。図３ａおよび図３ｂにおける図表を比較することによって得られる結果が示すように、最も左上の角（等角点から最も離れた角）のビーム位置において、望ましい位置に対する実際の位置の不一致が検出された後、次の５つのビーム位置について、実際の位置と望ましい位置との間で優れた一致が成し遂げられる。一番上の行の６番目のビーム位置の実際の位置のみが、望ましい位置とはかなり異なり、３行目は、特に、望ましい位置と比較した場合の実際の位置は図３ａよりも向上しているのにもかかわらず、計画された望ましい位置からは明らかに認識できるほど離れている。４行目では、ビーム位置からビーム位置へのフィードバック制御により、実際の位置と望ましい位置との間で非常に有利な一致が得られるが、図示する他の３行では、図３ａの図表よりもかなりの向上が見られるだけで、実際の位置と望ましい位置との間での一致が得られるのは希である。全体的には、計画された望ましい位置から計画された望ましい位置へのイオン療法ビームの位置の再調整または再位置合わせの結果、等角点のみでの一致が得られる図３ａの制御と比較して、図３ｂではかなりの向上が得られる。
【００３５】
図４ａは、格子スキャナをフィードバック制御するための本発明による装置をスイッチオンする前のイオン療法ビームの更なる望ましい値と実際の値との比較を示す。垂直Ｙ方向における縦座標および水平Ｘ方向における横座標もまた、等角点からミリメートルで測定される。明確に理解できるように、７５×７５ｍｍである図３ａの図表と比較して、より大きな９０×９０ｍｍの領域が走査され、さらに、ビーム位置密度は、図３ａの図表と比較してかなり増加しているため、全体として、２、１１６ビーム位置となり、ビーム位置はほぼ２倍になっている。この図表の場合もまた、本発明によるフィードバック制御を行わずに、実際の位置に対する所定および許容範囲内でビーム位置は等角点で一致することが想定される。明確に理解できるように、本発明による位置フィードバック制御が用いられない場合、実際の位置と望ましい位置との間の著しい不一致は、等角点に対して、一番左上の領域のビーム位置に対して発生する。すでに上述したように、ビーム位置を２倍にすることにより、測定および補正表の作成に伴われる作業量は、従来技術を用いた場合、図３ａと比較して２倍になる。本発明による格子スキャナフィードバック制御の結果、この作業量はかなり減少し得る。
【００３６】
他方、図４ｂは、本発明の更なる実施形態による測定サイクルから測定サイクルへのイオン療法ビームの位置をフィードバック制御するための装置をスイッチオンした後の、図４ａの望ましい値と実際の位置との比較を示す。測定サイクル持続時間は、イオンビームがビーム位置に保持されなければならない持続時間と比較してかなり短縮され、予め計算された投与量を病的腫瘍組織上のその位置に作用させることが可能になるために、ビーム位置におけるイオンビームの再位置合わせについて多数のフィードバック制御サイクルが可能であり、実際の位置は、ビーム位置の照射持続時間中に、望ましい位置と非常に精度よく一致され得る。これは、図４ｂに示す結果により明らかとなる。
【００３７】
Ｙ方向における垂直偏向およびＸ方向における水平偏向についての縦座標上のミリメートル分割は、ビーム位置についての図示される望ましい位置の数および位置のように、図４ａの図表の場合と同じである。ビームの実際の位置は、全く、測定サイクルから測定サイクルへの再位置合わせ後の計画された望ましい位置内にある。この目的のため、ロケーションに敏感な検出器のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）におけるリアルタイムソフトウェアは、各測定サイクルについての検出器生データからビーム位置の実際の値を計算し、２つの制御および読出しモジュールのデータ接続を介して、ビーム磁石および磁石電流供給デバイス（ＭＧＮ）のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）にその情報を送信する。ロケーション測定の測定サイクルまたはビーム位置からビーム位置へのサイクルのいずれかであり得る各フィードバック制御サイクルについては、スキャナ磁石のための制御および読み出しモジュール（ＳＡＭＳ）内のリアルタイムソフトウェアは、望ましい位置と実際の位置とを比較し、格子スキャナの水平および垂直磁石電力供給ユニット（ＭＧＮ）のための電流補正値を計算し、補正された電流値を設定し、この結果、スキャナ磁石内の磁界設定は向上し、また、ビーム位置も向上する。
【００３８】
フィードバック制御発振器を避けるために、ビーム位置の再位置合わせは、減衰様式で実施され得る。さらに、上側閾値は、補正を制限するために固定され得る。これは、イオンビーム療法のように安全性が関係する応用おいては非常の望ましい。図３ｂに示す結果と比較して図４ｂの結果を向上させるためには、測定サイクルの持続時間は、ビーム位置の照射持続時間よりも２桁まで小さくできる。この結果、フィードバック制御の精度は増加し得る。なぜなら、さらに高い周波数ビーム位置の変化を補償することも可能であるからである。
【００３９】
【発明の効果】
上記のように、本発明によると、補正作業を著しく減少させ、幾何学上の精度をかなり増加させることが可能なイオンビーム療法において格子スキャナをフィードバック制御するための装置および方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好ましい実施形態における格子スキャナをフィードバック制御するためのデータフロープランを示す図。
【図２】 本発明の好ましい実施形態を示すブロック回路図。
【図３ａ】 本発明による装置をスイッチオンする前の格子スキャナのイオン療法ビームの望ましい位置と実際の位置との比較を示す図。
【図３ｂ】 本発明の実施形態による格子スキャナのビーム位置からビーム位置までの位置をフィードバック制御するための装置をスイッチオンした後の、図３ａの望ましい位置と実際の位置との比較を示す図。
【図４ａ】 本発明による装置をスイッチオンする前のイオン療法ビームの更に望ましい位置と実際の位置との比較を示す図。
【図４ｂ】 本発明の更なる実施形態による測定サイクルから測定サイクルまでの位置をフィードバック制御するための装置をスイッチオンした後の、図４ａの望ましい位置と実際の位置との比較を示す図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１および４の前提部に記載の、イオンビーム療法において格子スキャナをフィードバック制御するための装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記の種類のフィードバック制御装置は、少なくとも、
スキャナ磁石のための制御および読出しモジュールによって制御される、イオンビームの中央に対して水平および垂直方向に偏向するイオンビームスキャナ磁石のためのスキャナ磁石電流供給デバイスと、
制御および読出しモジュールによって制御される、ロケーション測定のためのロケーションに敏感な検出器と、
装置のデバイス中での駆動および読出しシーケンスを制御するシーケンス制御デバイスとを有する。
【０００３】
上記の種類の格子スキャナは、欧州特許出願第９８ １１７ ２５６．２号から既知である。この公開公報は、強度をフィードバック制御する格子走査方法について記載している。イオンからなり、最大値と平均値との間で３０倍の強度変化がある療法ビームの強度はかなり変化するにもかかわらず、この方法では、照射プランの規定が非常に精度よく適用されるため、全照射から生じる投与量分布は、計画された投与量分布とは平均して５％未満しか異ならない。従って、強度のフィードバック制御によると、イオンビームの強度がかなり変化するにもかかわらず、ビーム位置毎の全ビーム投与量は非常に正確に固定され得る。
【０００４】
しかし、投与量分布の幾何学的に正確な適用を実現するのには問題がある。なぜなら、療法ビームの強度だけでなく、集束された療法ビームのビーム位置は、ビームの適用時にかなり変化するからである。このような問題に対する完全かつ効率的な解決法は現在のところ存在しない。これらの位置の変化を測定し、考えられるそれぞれの加速器および高エネルギービームガイダンスの設定のための補正表を作成するのに、かなりの作業が現在行われている。例えば、２５５のエネルギー段階があり、それぞれは、７つの集束段階および１５の強度ステップを考慮しなければならない。従って、約２５、０００の組み合わせが各ビーム位置のために測定されなければならず、補正表は対応する療法デバイスのために作成されなければならない。このような補正表は、システムのための制御データを生成するために用いられ得るが、このようなかなりの作業を行っても、ビーム位置の相違が各ビーム位置に対して再生可能である場合（しかし、一般にはそのようには想定されない）においてのみプラスの結果が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、補正作業を著しく減少させ、幾何学上の精度をかなり増加させるという課題に基づいている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、請求項１および４の主題によって成し遂げられる。好ましい実施形態のさらなる特徴については、請求項１および４に従属する従属請求項に記載されている。
【０００７】
イオンビーム療法において格子スキャナをフィードバック制御するための本発明による装置は、少なくとも、
スキャナ磁石のための制御および読出しモジュールによって制御される、イオンビームの中央に対して水平および垂直方向に偏向するイオンビームスキャナ磁石のためのスキャナ磁石電流供給デバイスと、
制御および読出しモジュールによって制御される、ロケーション測定のためのロケーションに敏感な検出器と、
装置のデバイス中での駆動および読出しシーケンスを制御するシーケンス制御デバイスとを有し、装置はまた、シーケンス制御デバイス中に、スキャナ磁石のための制御および読出しモジュールと、ロケーションに敏感な検出器の制御および読出しモジュールとの間にフィードバックループを有する回路配置を有し、回路およびシーケンスにおいて、シーケンス制御デバイス中のスキャナ磁石のための制御および読出しモジュール、ならびにロケーションに敏感な検出器の制御および読出しモジュールは、スキャナ磁石のための制御および読出しモジュールが、ロケーションに敏感な検出器の制御および読出しモジュールの後に直列に位置するように技術的に配置されている。
【０００８】
投与量適用の品質に加えて、この装置はまた、患者のスループットを向上させ、その結果、装置の経済的性質も向上させる。なぜなら、幾何学的精度が増加すると、ロケーション測定システムのインターロックによる照射の妨害数が減少するからである。さらに、この解決法は、任意の所望の角度を有する固定されたビームガイドにおける格子走査システムだけでなく、特に、回転可能なビームガイド（ガントリ）と組み合わせた格子走査技術に利点をもたらすが、位置エラーの増加が予想され得る。なぜなら、このようなガントリシステムは、非常に重いため、ビームガイドが機械的に変形する傾向があるからである。
【０００９】
さらに、イオン光学素子は、位置の変化に対して非常に敏感である。特に最終偏向ダイポール磁石における磁界の均質性を成し遂げるのは非常に困難であるため、本発明による格子スキャナをフィードバック制御するための本装置は、このようなガントリシステムに対してかなりの利点をもたらす。なぜなら、本発明による装置の照射プランによると、照射位置におけるイオン療法ビームは再調整および再位置合わせされ得るからである。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態では、マルチワイヤ比例チャンバは、ロケーションに敏感な検出器として用いられる。このような検出器は、一方では、ビーム位置の実際の状態がそのロケーション座標において正確に決定され、他方では、ロケーションに敏感な検出器がフィードバック制御ループに接続される結果、照射ロケーションは、照射プランに一致され、実際の値と望ましい値との間の正確な一致が照射ロケーションに対して成し遂げられ得るという利点を有する。
【００１１】
強度の同時フィードバック制御を目的として、装置は、好ましくは、制御および読出しモジュールと協働する少なくとも１つのイオン化チャンバを有し得る。好ましくは、イオン化チャンバの制御および読出しモジュールは、シーケンス制御内で、ロケーションに敏感な検出器の制御および読出しモジュールの前に回路およびシーケンスにおいて技術的に配置される。これにより、第１に、ビーム位置毎の照射投与量はモニタされ、その強度を制御することによって固定され、強度制御とは独立して、イオンビームの正確な位置決めはさらにロケーションに敏感な検出器を用いてフィードバック制御され得るという利点が得られる。
【００１２】
イオンビーム療法において格子スキャナをフィードバック制御するための方法については、格子スキャナは、
スキャナ磁石のための制御および読出しモジュールによって制御される、イオンビームの中央に対して水平および垂直方向に偏向するイオンビームスキャナ磁石のためのスキャナ磁石電流供給デバイスと、
制御および読出しモジュールによって制御される、ロケーション測定のためのロケーションに敏感な検出器と、
装置のデバイス中での駆動および読出しシーケンスを制御するシーケンス制御デバイスとを有し、以下のステップ、
監視制御システムのロケーション測定制御および読出しモジュールに配置され、ビームプランの望ましい位置に関連する情報と、ロケーションに敏感な検出器からのビーム位置の実際に測定された位置とのリアルタイムでの比較を行うステップと、
格子スキャナのスキャナ磁石供給デバイスのための補正値の決定するステップと、
格子スキャナの水平および垂直磁石供給デバイスのための補正位置の設定およびビーム位置の再位置合わせを行うステップと、が実行される。
【００１３】
本発明による方法の利点は、ビーム使用中にリアルタイムでビーム位置を再位置合わせするための、患者の前に配置された位置に敏感な検出器からのロケーション情報を用いて、品質保証および患者照射手順のための照射ユニットの調製において、加速器および／またはビームガイドにおける多数のシステム設定の測定値を著しく低減させることが可能なことである。さらに、本発明の結果、ビーム位置の再生に対する要求は、すべての高エネルギー放射設定に対してかなり緩和され、投与量適用の幾何学的精度は向上した。
【００１４】
ビーム位置の再位置合わせのために、監視制御システムのロケーション測定制御および読出しモジュールに配置され、ビームプランからの望ましい位置に関連する情報は、ロケーションに敏感な検出器からの実際に測定された位置とリアルタイムで比較され、格子スキャナの磁石供給デバイスのための補正値は決定および設定される。この補正は、ロケーション測定システムの測定サイクル毎に（例えば、１５０μｓ内で）、または照射プランにおける１つのビーム位置から次のビーム位置まで交互になされ得る。システムのリアルタイム制御では、一連の制御および読出しモジュールはインターフェースによって互いに接続されている。しかし、本発明に関連するのは、ロケーション測定検出器を制御し、読み出す２つの制御および読出しモジュールと、２つの格子スキャナ磁石電流供給デバイスである。
【００１５】
各測定サイクルでは、ロケーションに敏感な検出器の制御および読出しモジュール内のリアルタイムソフトウェアは、検出器生データからのビーム位置の実際の値を計算し、その情報をデータ接続によってスキャナ磁石の制御および読出しモジュールに送信する。各フィードバック制御サイクルでは、スキャナ磁石の制御および読出しモジュール内のリアルタイムソフトウェアは、望ましい位置と実際の位置とを比較し、格子スキャナの水平および垂直磁石電流供給デバイスのための電流補正値を計算し、補正された電流値を設定し、その結果、スキャナ磁石の磁界設定は向上し、また、ビーム位置も改善される。
【００１６】
好ましい実施形態では、ビームの再位置合わせは、制御磁石のための制御および読出しモジュール内のリアルタイムソフトウェアによって設定され得る減衰を用いて実施される。この結果、フィードバック制御発振は、有利に避けられ、持ち越されたエラーも低減される。
【００１７】
他の好ましい実施形態では、ロケーション補正を制限するために上側閾値が固定されるので、ビーム位置設定における主なエラーは、安全のために避けられる。万一このような上側閾値を超えることがある場合には、好ましくは、ロケーションに敏感な検出器の制御およびトリガモジュールによってビームの迅速なスイッチングオフが引き起こされ、その結果、スイッチオフコマンドのチェーンは、様々な加速器およびビームガイダンス構成要素に対してトリガされる。
【００１８】
本発明の他の利点、特徴、および可能な適用については、例示的な実施形態を参照しながら以下にさらに詳細に記載する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の好ましい実施形態における格子スキャナをフィードバック制御するためのデータフロープランを示す。データフロープランの最も左側の列は、好ましくは、検出器（ＩＣ１、ＩＣ２、ＭＷＰＣ１、およびＭＷＰＣ２）、磁石供給デバイス（ＭＧＮ）、およびパルス制御センターアクチベータ（ＰＺＡ）などのイオンビーム療法に用いられるデバイスの選択を示す。左から２番目の列は、検出器、磁石供給デバイス、およびパルス制御センターアクチベータと協働する、制御および読出しモジュール（ＳＡＭ）を有するシーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）内のデータフローを示し、制御および読出しモジュール（ＳＡＭＩ１およびＳＡＭＩ２）は、イオン化チャンバ（ＩＣ１およびＩＣ２）と協働して、イオンビーム粒子数を測定し、処理プランによって予め特定されたイオンビーム粒子数がビーム位置に到達した後、パルス制御センターアクチベータ（ＰＺＡ）のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＰ）によって、パルス制御センターアクチベータ（ＰＺＡ）を用いて、イオンビームを次のビーム位置に切り換える。
【００２０】
本発明によるイオンビーム療法において格子スキャナをフィードバック制御するために、デバイスならびに制御および読出しモジュールのうち少なくとも次のデバイスが必要である。即ち、制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）によって制御されるロケーション測定のためのロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）と、スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）によって制御される、スキャナ磁石によってイオンビームの中央からイオン療法ビームを水平（Ｘ）および垂直（Ｙ）方向に偏向させるためのスキャナ磁石電流供給デバイス（ＭＧＮ）である。シーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）は、本発明による装置に必要なデバイス中での駆動および読出しシーケンスを制御する。
【００２１】
この目的のため、図１のデータフロープランは、スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）と、ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）との間にフィードバックループを有するシーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）における回路配置を示す。このフィードバック制御ループのために、シーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）内の制御磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）、ならびにロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）は、シーケンスおよび回路において、スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）が、ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）の後に直列に位置するように技術的に配置されている。スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）、ならびにロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）は、非常に迅速なマイクロプロセッサからなり、これらのマイクロプロセッサは、対応するディジタル信号プロセッサリンク（ＤＳＰリンク）によって互いに通信する。スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）と、ロケーションに敏感な検出器の制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）との間のフィードバックループは、一方では、ディジタル信号プロセッサリンクおよびシーケンス制御バス（ＶＭＥ−Ｂｕｓ−ＡＳ）によって形成される。
【００２２】
制御磁石を水平（Ｘ）および垂直（Ｙ）方向に偏向させるための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）の下流方向の直列配置の結果、リアルタイム再調整ループは、位置のオンライン確認および各ビーム位置の補正のために有利に形成され得る。図３ａおよび図３ｂの場合に見られるように、１、１５６位置の中で個々のビーム位置において実際の位置との不一致がある場合、または図４ａおよび図４ｂの２、１１６の計画されたビーム位置の中で所望の位置に対して個々の実際の位置に不一致がある場合、図１のデータフロープランによるフィードバック制御ループが干渉し、ビーム位置からビーム位置までのリアルタイムの再調整の場合には、図３ｂに示されるように、次に来るビーム位置を補正する。
【００２３】
測定サイクルから測定サイクルまでのリアルタイム再調整の場合、図１に示すデータフロープランによるリアルタイム再調整ループは、ビーム位置の持続時間内で、イオンビームの位置を補正および制御する。なぜなら、測定サイクルの持続時間は、ビーム位置の持続時間よりも短いからである。この結果、各ビーム位置については、処理プランの所望の位置への実際の位置の再位置合わせが直接行われ、個々のビーム位置（この場合、２、１１６ビーム位置）における図４ｂに示す所定の制限内で、実際の値と望ましい値との完全な一致が成し遂げられる。
【００２４】
好ましい実施形態では、マルチワイヤ比例チャンバは、ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）として用いられる。このようなマルチワイヤ比例チャンバは、プロトンおよび比較的重いイオンの両イオンビームに対して、本実施形態のイオンビーム療法におけるイオンビームのロケーション位置をミリメートルの精度で解像することが可能になる。
【００２５】
図１に示す、シーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）における最も上側のマイクロプロセッサは、図１の右半分に示す隣接したシステム監視制御部におけるデータ格納部（ＯＤＳ）へのオンラインデータ転送のための制御および読出しモジュールとして作用する。オンラインデータ転送のためのこの制御および読出しモジュール（ＳＡＭＤ）は、デバイスバスによってオンライン表示用のデータ格納部（ＯＤＳ）に接続されている。デバイスバスは、制御および読出しモジュールと、それらのそれぞれのフロントエンド電子素子との間の差動データバスである。図１のデータフロープランによると、オンライン表示のためのデータ格納部（ＯＤＳ）は、そのデータを、システム監視制御部（ＳＫ）およびプロセッサおよびデータモジュールを接続するためのバスシステム（ＶＭＥ）におけるシステム監視制御コンピュータのバスによってディスプレイに送り、他方では、そのデータを、システム監視制御部における動作システム（ＡＥＸ）の案内下でイーサネットに送信する。
【００２６】
図１に示す実施形態では、イオンビーム療法におけるフィードバック制御システムは、少なくとも１つのイオン化チャンバ（ＩＣ１）を有する。イオン化チャンバは、イオンビーム強度を測定するために作用し、ビーム位置に対する投与量が、パルス制御センタのための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＰ）にコマンドが出され得るように到達するまで、イオンビーム粒子数を総計する。パルス制御センタは、パルス制御センタアクチベータ（ＰＺＡ）によって、次のビーム位置への切り換えを開始し、次に、これはリアルタイム再調整ループによって格子スキャナの磁石電流供給デバイス（ＭＧＮ）に搬送される。本発明の好ましい実施形態では、シーケンス制御部（ＶＭＥＡＳ）内で、制御および読出しモジュール（ＳＡＭＩ１）が、ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）の前に、回路およびシーケンスにおいて技術的に配置されている。
【００２７】
図２は、イオンビーム療法ユニットのための監視制御システム内の本発明の好ましい実施形態を示すブロック回路図である。イオンビーム療法ユニットのための監視制御システムは、基本的に、技術監視制御ルーム（ＴＫＲ）からなり、このルームでは、イーサネット上のすべての加速器データは、加速器動作コンソールに到達し、イーサネットルータは、イオンビーム療法ユニットのための監視制御システムの次に大きなユニット、即ち、療法自体における技術動作コンソールにデータを送信する。技術動作コンソールの中央デバイスは、療法動作コンピュータ（ＴＯＲＴ）であり、療法動作コンピュータは、バーコードリーダ（ＢＣＬ）を有し、療法イーサネットによって端末の動作素子と通信する。療法領域における技術動作コンソールには、医療動作コンソール（ＭＢＤＫ）が設けられ、医療動作コンソールは、療法領域（チャンバＭ）と通信し、加速器のビームの停止をトリガするために直接接続されている。ここで、ビームを停止するために、４重極共鳴（Ｓ０２ＫＱ１Ｅ）は、ゼロに設定され、療法監視制御システムのバスシステムにおけるインターロックユニットによって供給デバイスを介してビームを徐々に抽出し、障害がある場合には、療法測定ロケーションへのビームガイダンスの偏向ダイポール磁石ＴＨ３ＭＵ１も同様にゼロに設定され、ビームは停止されるか、または療法監視制御システムのバスシステム（ＶＭＥ）におけるインターロックユニット（ＩＬＥ）によって抽出される。
【００２８】
システム監視制御（ＶＭＥＳＫ）自体については、多数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）上で協働する。バスシステム接続フレームには、図１に示す上述したオンライン表示用のデータ格納部（ＯＤＳ）に加えて、とりわけイオン化チャンバと協働する強度モニタ（ＩＭＯＮ）および全粒子数をモニタするための読出し電子素子が属する。さらに、デッドマンズ回路ユニット（ＴＭＥ）は、プロセッサの機能性をモニタするためのシステム監視制御部に配置されている。上述したインターロックユニット（ＩＬＥ）および監視制御バスアダプタ（ＫＢＡ）に加えて、システム監視制御部には、アナログ−ディジタルモジュール（ＡＤＩＯ）およびシステム監視制御部のバスシステム（ＶＭＥ）におけるシステム監視制御コンピュータ（ＳＫＲ）が設けられている。
【００２９】
シーケンス制御部（ＶＭＥＡＳ）の構成要素は、図１に示すデータフロープランの構成要素と同一であり、図２に示す監視制御システムおけるシーケンス制御部は、さらに、ディジタル入力／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）を有する。
【００３０】
療法領域（チャンバＭ）には、ポジトロンを放出する放射線によって粒子範囲を空間的に決定するためのポジトロンエミッタ断層撮影機（ＰＥＴ）が配置され、これによって、診察台上の患者への照射作用を検出することが可能である。
【００３１】
治療領域（チャンバＭ）へのイオンビームのガイダンスは、図２の下部に図で示される。局部走査用のビームは、ＸおよびＹ用のスキャナ磁石によって案内され、スキャナ磁石は、格子スキャナの磁石電流供給デバイス（ＭＧＮ）を用いて水平（Ｘ）および垂直（Ｙ）方向にビームを偏向させる。ビームが最後の偏向磁石（図示せず）から離れると、ビームは、診察台に到達する前に複数の検出器を通して案内される。ここで、フィードバック制御ループは、第１のロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）によって、ビーム位置が、ビーム位置からビーム位置への再位置合わせによって補正され得るように、または測定サイクルから測定サイクルへの再位置合わせによって単一ビーム位置内にある間に補正され得るように、格子スキャナのスキャナ磁石のための磁石電流供給デバイス（ＭＧＮ）に作用する。
【００３２】
図３ａは、上記の目的のため、本発明による装置をスイッチオンする前の格子スキャナのイオン療法ビームの望ましい位置と実際の位置との比較を示す。この図における縦座標Ｙ上の位置はミリメートルで与えられ、同様に、横座標Ｘ上の位置もミリメートルで示される。これらの位置データの基準点は、座標の原点における等角点であり、この場合、図示される４９のビーム位置の外側に配置されている。他のロケーション解像検出器（ＭＷＰＣ２）は、等角点（即ち、座標の原点）における望ましい値と実際の値との間の一致をモニタする。
【００３３】
従って、所定の制限値までは、等角点における望ましい値と実際の値とが一致すると想定され得る。しかし、ここで示すように、等角点から離れると、計画された照射の周辺領域では、実際の値は、望ましい値とかなり異なる。従来技術では、これらの不一致を克服するために、これまで、非常に広範囲な補正表が測定および調整によって作成され、照射中に個別に格納および取得されてきた。２５５の異なるエネルギー段階の医療照射要件の場合、それぞれの段階は７つの集束段階および１５の強度ステップを有し、これだけで、ビーム位置毎に２５、０００の組み合わせができる。図３ａの例で与えられる１、１５６ビーム位置にわたる分布ならば、２５、０００、０００より多くのデータセットとなる。図４ａの例のように、図示される２、１１６ビーム位置にわたってビーム位置が緻密になると、データセットの数字は再び２倍になり、５０、０００、０００より多くなる。イオンビーム療法において格子スキャナをフィードバック制御するための本発明の装置および方法によると、考えられるすべての場合に対して位置変化を測定し、システム用の制御データを生成するのに用いられ得る補正表を作成するために従来技術で行われなければならない大量の作業を避けることができる。これは、特に、補正表によって制御が実行される、上述および定量化した従来技術における作業は、不一致が再生可能である場合のみ目的に到達するからである。しかし、一般には、このようなケースは、特に、ガントリなどの回転可能なビームガイドと組み合わせた格子走査技術を用いる場合には想定されない。
【００３４】
図３ｂは、本発明の実施形態による、ビーム位置からビーム位置への位置フィードバック制御のための装置をスイッチオンした後の、図３ａの望ましい値と実際の値との比較を示す。図３ａおよび図３ｂにおける図表を比較することによって得られる結果が示すように、最も左上の角（等角点から最も離れた角）のビーム位置において、望ましい位置に対する実際の位置の不一致が検出された後、次の５つのビーム位置について、実際の位置と望ましい位置との間で優れた一致が成し遂げられる。一番上の行の６番目のビーム位置の実際の位置のみが、望ましい位置とはかなり異なり、３行目は、特に、望ましい位置と比較した場合の実際の位置は図３ａよりも向上しているのにもかかわらず、計画された望ましい位置からは明らかに認識できるほど離れている。４行目では、ビーム位置からビーム位置へのフィードバック制御により、実際の位置と望ましい位置との間で非常に有利な一致が得られるが、図示する他の３行では、図３ａの図表よりもかなりの向上が見られるだけで、実際の位置と望ましい位置との間での一致が得られるのは希である。全体的には、計画された望ましい位置から計画された望ましい位置へのイオン療法ビームの位置の再調整または再位置合わせの結果、等角点のみでの一致が得られる図３ａの制御と比較して、図３ｂではかなりの向上が得られる。
【００３５】
図４ａは、格子スキャナをフィードバック制御するための本発明による装置をスイッチオンする前のイオン療法ビームの更なる望ましい値と実際の値との比較を示す。垂直Ｙ方向における縦座標および水平Ｘ方向における横座標もまた、等角点からミリメートルで測定される。明確に理解できるように、７５×７５ｍｍである図３ａの図表と比較して、より大きな９０×９０ｍｍの領域が走査され、さらに、ビーム位置密度は、図３ａの図表と比較してかなり増加しているため、全体として、２、１１６ビーム位置となり、ビーム位置はほぼ２倍になっている。この図表の場合もまた、本発明によるフィードバック制御を行わずに、実際の位置に対する所定および許容範囲内でビーム位置は等角点で一致することが想定される。明確に理解できるように、本発明による位置フィードバック制御が用いられない場合、実際の位置と望ましい位置との間の著しい不一致は、等角点に対して、一番左上の領域のビーム位置に対して発生する。すでに上述したように、ビーム位置を２倍にすることにより、測定および補正表の作成に伴われる作業量は、従来技術を用いた場合、図３ａと比較して２倍になる。本発明による格子スキャナフィードバック制御の結果、この作業量はかなり減少し得る。
【００３６】
他方、図４ｂは、本発明の更なる実施形態による測定サイクルから測定サイクルへのイオン療法ビームの位置をフィードバック制御するための装置をスイッチオンした後の、図４ａの望ましい値と実際の位置との比較を示す。測定サイクル持続時間は、イオンビームがビーム位置に保持されなければならない持続時間と比較してかなり短縮され、予め計算された投与量を病的腫瘍組織上のその位置に作用させることが可能になるために、ビーム位置におけるイオンビームの再位置合わせについて多数のフィードバック制御サイクルが可能であり、実際の位置は、ビーム位置の照射持続時間中に、望ましい位置と非常に精度よく一致され得る。これは、図４ｂに示す結果により明らかとなる。
【００３７】
Ｙ方向における垂直偏向およびＸ方向における水平偏向についての縦座標上のミリメートル分割は、ビーム位置についての図示される望ましい位置の数および位置のように、図４ａの図表の場合と同じである。ビームの実際の位置は、全く、測定サイクルから測定サイクルへの再位置合わせ後の計画された望ましい位置内にある。この目的のため、ロケーションに敏感な検出器のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）におけるリアルタイムソフトウェアは、各測定サイクルについての検出器生データからビーム位置の実際の値を計算し、２つの制御および読出しモジュールのデータ接続を介して、ビーム磁石および磁石電流供給デバイス（ＭＧＮ）のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）にその情報を送信する。ロケーション測定の測定サイクルまたはビーム位置からビーム位置へのサイクルのいずれかであり得る各フィードバック制御サイクルについては、スキャナ磁石のための制御および読み出しモジュール（ＳＡＭＳ）内のリアルタイムソフトウェアは、望ましい位置と実際の位置とを比較し、格子スキャナの水平および垂直磁石電力供給ユニット（ＭＧＮ）のための電流補正値を計算し、補正された電流値を設定し、この結果、スキャナ磁石内の磁界設定は向上し、また、ビーム位置も向上する。
【００３８】
フィードバック制御発振器を避けるために、ビーム位置の再位置合わせは、減衰様式で実施され得る。さらに、上側閾値は、補正を制限するために固定され得る。これは、イオンビーム療法のように安全性が関係する応用おいては非常の望ましい。図３ｂに示す結果と比較して図４ｂの結果を向上させるためには、測定サイクルの持続時間は、ビーム位置の照射持続時間よりも２桁まで小さくできる。この結果、フィードバック制御の精度は増加し得る。なぜなら、さらに高い周波数ビーム位置の変化を補償することも可能であるからである。
【００３９】
【発明の効果】
上記のように、本発明によると、補正作業を著しく減少させ、幾何学上の精度をかなり増加させることが可能なイオンビーム療法において格子スキャナをフィードバック制御するための装置および方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好ましい実施形態における格子スキャナをフィードバック制御するためのデータフロープランを示す図。
【図２】 本発明の好ましい実施形態を示すブロック回路図。
【図３ａ】 本発明による装置をスイッチオンする前の格子スキャナのイオン療法ビームの望ましい位置と実際の位置との比較を示す図。
【図３ｂ】 本発明の実施形態による格子スキャナのビーム位置からビーム位置までの位置をフィードバック制御するための装置をスイッチオンした後の、図３ａの望ましい位置と実際の位置との比較を示す図。
【図４ａ】 本発明による装置をスイッチオンする前のイオン療法ビームの更に望ましい位置と実際の位置との比較を示す図。
【図４ｂ】 本発明の更なる実施形態による測定サイクルから測定サイクルまでの位置をフィードバック制御するための装置をスイッチオンした後の、図４ａの望ましい位置と実際の位置との比較を示す図。
Claims (10)
- イオンビーム療法において格子スキャナをフィードバック制御するための装置であって、該装置は、少なくとも、 スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）によって制御される、イオンビームの中央に対して水平（Ｘ）および垂直（Ｙ）方向に偏向するイオンビームスキャナ磁石のためのスキャナ磁石電流供給デバイス（ＭＧＮ）と、 制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）によって制御される、イオンビームのロケーション測定のためのロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）と、 前記装置の前記デバイス中での駆動および読出しシーケンスを制御するシーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）とを有し、 前記装置は、前記シーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）中に、前記スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）と、前記ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の前記制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）との間にフィードバックループを有する回路配置を有し、 回路およびシーケンスにおいて、前記シーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）中の前記スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）、ならびに前記ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の前記制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）は、前記スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）が、前記ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の前記制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）の後に直列に位置するように技術的に配置されていることを特徴とする装置。
- マルチワイヤ比例チャンバは、前記ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）として用いられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 前記イオンビームの強度を測定するための少なくとも１つのイオン化チャンバ（ＩＣ１）を有し、前記イオン化チャンバの前記制御および読出しモジュール（ＳＡＭＩ１）は、前記シーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）内にあり、回路およびシーケンスにおいて、前記ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の前記制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）の前に技術的に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
- イオンビーム療法に用いる動作システムにおいて格子スキャナをフィードバック制御するための動作システムであって、該格子スキャナは、少なくとも、 スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）によって制御される、イオンビームの中央に対して水平（Ｘ）および垂直（Ｙ）方向に偏向するイオンビームスキャナ磁石のためのスキャナ磁石電流供給デバイス（ＭＧＮ）と、 制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）によって制御される、ロケーション測定のためのロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）と、 前記装置の前記デバイス中での駆動および読出しシーケンスを制御するシーケンス制御デバイス（ＶＭＥＡＳ）とを有し、 前記方法は、 監視制御システムの前記ロケーション測定制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）に配置され、ビームプランの望ましい位置に関連する情報と、前記ロケーションに敏感な検出器からのビーム位置の実際に測定された位置とをリアルタイムで比較するステップと、 前記格子スキャナの前記スキャナ磁石供給デバイス（ＭＧＮ）のための補正値を決定するステップと、 前記格子スキャナの水平および垂直磁石供給デバイス（Ｘ、Ｙ）のための補正値を設定し、ビーム位置を再位置合わせするステップと、を含むことを特徴とする動作システム。
- 前記再位置合わせは、ビーム位置からビーム位置へと実行されることを特徴とする請求項４に記載の動作システム。
- 前記再位置合わせは、測定サイクルから測定サイクルへと実行され、測定サイクルの持続時間は、ビーム位置の持続時間よりも短いことを特徴とする請求項４に記載の動作システム。
- 各測定サイクルに対して、前記ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の前記制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）におけるリアルタイムソフトウェアは、検出器データからビーム位置の実際の値を計算し、前記ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の前記制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）と、前記スキャナ磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）との間のデータ接続によって、その情報を送信することを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の動作システム。
- フィードバック制御サイクルに対して、リアルタイムソフトウェアは、前記ビーム位置の望ましい位置と実際の位置とを比較し、前記格子スキャナの前記水平および垂直磁石電流供給デバイス（ＭＧＮ）についての電流補正値を計算し、前記補正された電流値を設定する請求項４から７のいずれか１項に記載の動作システム。
- 前記ビーム再位置合わせは、前記制御磁石のための制御および読出しモジュール（ＳＡＭＳ）におけるリアルタイムソフトウェアによって設定されるように配置された減衰を用いて実行されることを特徴とする請求項４から８のいずれか１項に記載の動作システム。
- ビームの迅速なスイッチオフは、前記ビーム位置の前記測定された値と、前記望ましい値との間の差が、前記ロケーションに敏感な検出器（ＭＷＰＣ１）の前記制御および読出しモジュール（ＳＡＭＯ１）の前記リアルタイムソフトウェアにおいて設定されるように配置された閾値を超える場合に、前記ロケーションに敏感な検出器の前記制御およびトリガモジュール（ＳＡＭＯ１）によって、リアルタイムでトリガされることを特徴とする請求項４から９のいずれか１項に記載の動作システム。
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