JP6174983B2 - ビーム監視システムおよび粒子線照射システム - Google Patents

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Description

本発明は荷電粒子ビーム(粒子線、イオンビーム)の照射システムにおけるビーム位置の監視システムに係り、特に、陽子や炭素イオン等の粒子線を患部に照射して治療する粒子線治療装置に適用するのに好適な粒子線照射システムのビーム監視システムに関する。
がん等の患者の患部に陽子および炭素イオン等の荷電粒子ビームを照射する治療方法が知られている。この治療に用いる荷電粒子ビーム照射システム(粒子線出射装置或いは荷電粒子ビーム出射装置)は、荷電粒子ビーム発生装置を備え、荷電粒子ビーム発生装置で加速されたイオンビームは、第1ビーム輸送系および回転ガントリに設けられた第2ビーム輸送系を経て回転ガントリに設置された照射装置に達する。イオンビームは照射装置より出射されて患者の患部に照射される。
照射装置の照射方式としては、例えば非特許文献1に記載のような、散乱体によってビームを広げた後に患部形状に合せて切り出す二重散乱体方式(非特許文献1の2081頁、図35)、ウォブラ法(非特許文献1の2084頁、図41)、細かいビームを患部領域内に走査させるスキャニング方式(非特許文献1の2092頁および2093頁)が知られている。
REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS、 VOLUME.64、 NUMBER 8、(AUGUST 1993)、P2074-2093.
上記ビーム照射法の中でも、正常細胞に対する影響が少なく、ノズル内蔵機器が不要であるという特徴からスキャニング方式に注目が集まっている。このスキャニング方式は、照射対象への照射量に対応して、荷電粒子ビームの出力を停止させ、エネルギーおよび走査電磁石を制御することによりスポットと呼ばれる荷電粒子ビームの照射位置を変更し、変更完了後に荷電粒子ビームの出射を再開することで、順次照射位置を切り替えながら照射対象(患部)の形状に合わせてビームを照射することが特徴である。
荷電粒子照射システムにおいて、患部の形状に合わせて照射するために走査電磁石下流側、かつ照射対象である患者の直前にビーム位置監視モニタ(以降、スポット位置モニタと呼ぶ)が設置されている。
このスポット位置モニタは、マルチワイヤと呼ばれる検出器(以降、チャンネルと呼ぶ)からなり、チャンネル毎にビームの通過によって発生した電荷量をコンデンサに蓄積し、誘起された電圧を読み出す方式である。各チャンネルで検出する信号は微弱であることからチャンネルの下流側には増幅器が設置され、チャンネルで検出した信号は増幅器を介し信号処理装置に送られ、ビームの位置および幅を検出することができる。
ここで、非特許文献1に記載されたような従来のビームモニタの計測ワイヤ間隔は広く、位置幅特定の計測精度を上げるためには、計測ワイヤの間隔を狭め、計測点を増加させる必要がある。そのため、従来のスポット位置モニタではチャンネル数に伴い信号増幅器および信号処理装置が必要であること、ビームの位置および幅検出には全てのチャンネルに対して信号増幅および信号処理を行う為にチャンネル数が増えるほどモニタシステムが大規模かつ複雑な構成としなければならないこと等により、コストが高くなってしまうとの課題があった。
本発明は、スキャニング方式のスポット照射において、位置幅特定の計測精度を向上するためのシンプルな構成を備えたビーム監視システムとそれを備えた粒子線照射システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、隣り合う複数のワイヤ電極を一つのグループとした前記グループを複数有し、通過する荷電粒子ビームを検出する収集電極と、この収集電極の前記グループのうち一つのワイヤ電極を代表ワイヤ電極として、この代表ワイヤ電極から出力される検出信号を受け取って信号処理する第1信号処理装置と、前記第1信号処理装置からの処理信号に基づいて前記ワイヤ電極を通過した前記荷電粒子ビームのビーム位置を求めるビームモニタ制御装置と、前記収集電極の前記グループの前記代表ワイヤ電極以外の全てのワイヤ電極から出力される検出信号を受け取って信号処理する第2信号処理装置と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、計測ワイヤ点数の多いビーム監視システムにおいて、シンプルな構成でビーム照射の位置幅を正確に検出するためのシステムを実現できる。また、従来モニタ同様、計測値のみからビーム照射位置を特定できるため、誤ったビーム照射時にも瞬時に照射位置が特定でき、複雑な処理を必要とせずとも、正確な照射位置を特定することができる。
本発明の粒子線照射システムの第1の実施形態の全体構成を示す構成図である。 本発明の粒子線照射システムの第1の実施形態を構成するスキャニング照射システムおよび照射制御システムの概略を示す構成図である。 スキャニング照射方式による荷電粒子ビーム照射の制御のフローチャート図である。 本発明の粒子線照射システムの第1の実施形態におけるビーム監視システムの概略図である。 本発明の粒子線照射システムの第1の実施形態のビーム監視システムにおけるワイヤの接続構成の一例を示す概略図である。 本発明の粒子線照射システムの第1の実施形態のビーム監視システムにおけるビームモニタに関する分布特定までの概略を示した図である。 ラスタースキャン方式による荷電粒子ビーム照射の制御のフローチャート図である。
以下に本発明のビーム監視システムおよび粒子線照射システムの実施形態を、図面を用いて説明する。
<第1の実施形態>
本発明のビーム監視システムおよび粒子線照射システムの第1の実施形態を、図1乃至図6を用いて説明する。
なお、本発明において、粒子線照射システムとは、治療室内の治療台(ベッド装置)10上に固定された患者の患部に対して荷電粒子ビーム12(例えば、陽子線や炭素線等)を照射するシステムのことを意味する。
まず、本発明の粒子線照射システムの構成について、図1乃至図3を用いて説明する。
図1は本実施形態の概略図であり、図2は本実施形態の荷電粒子ビーム照射システムを構成するスキャニング照射装置の概略図、図3はスキャニング照射方式による荷電粒子ビーム照射の制御のフローチャート図である。
図1において、本実施形態の粒子線照射システムは、荷電粒子ビーム発生装置1、ビーム輸送系2、スキャニング照射装置3および制御システム4を概略備えている。
荷電粒子ビーム発生装置1は、イオン源(図示せず)、前段加速器15および円形加速器(シンクロトロン)16を有する。本実施形態では、円形加速器16としてシンクロトロンを例に説明するが、サイクロトロン等の他の加速器であってもよい。前段加速器15の上流側にイオン源が接続され、前段加速器15の下流側に円形加速器16が接続される。
ビーム輸送系2は、荷電粒子ビーム発生装置1の下流側に接続されており、荷電粒子ビーム発生装置1とスキャニング照射装置3とを接続する。
スキャニング照射装置3は、荷電粒子ビーム12を患者の患部に照射するための装置であり、図2に示すように、患者13を載せる治療台10、照射ノズル(ノズル装置)11および回転ガントリ14とを概略備えている。
治療台10は、治療室内に配置されており、患者13を載せて患部の位置決めを行う。
図2に示すように、照射ノズル11には荷電粒子ビーム12の進行方向の上流側から順番に、上流ビーム位置モニタ11a、走査電磁石11b、線量モニタ11cおよび下流ビームモニタ11dがビーム経路に沿って配置される。照射ノズル11は、スキャニングビームの照射野を形成する。
上流ビームモニタ11aは、照射ノズル11内に入射された荷電粒子ビーム12の通過位置およびビーム幅(ビーム径)を計測する。
走査電磁石11bは、通過する荷電粒子ビームを第一の方向(例えば、X軸方向)に偏向・走査する第1走査電磁石11b1と、第一の方向と垂直な第二の方向(例えば、Y軸方向)に荷電粒子ビームを偏向・走査する第二走査電磁石11b2を備えている。ここで、X軸方向とは、照射ノズル11に入射された荷電粒子ビームの進行方向に垂直な平面内の一方向であり、Y軸方向とは、当該平面内であってX軸と垂直な方向を示す。
線量モニタ11cは、通過する荷電粒子ビームの照射線量を計測する。すなわち、線量モニタ11cは、患者に照射された荷電粒子ビームの照射線量を監視するモニタである。
下流ビームモニタ11dは、走査電磁石11bの下流側に設置され、通過する荷電粒子ビームの位置およびビーム幅を計測する。すなわち、下流ビームモニタ11dは、走査電磁石11bによって走査された荷電粒子ビームの位置およびビーム幅を計測するモニタである。
回転ガントリ14は、アイソセンタ(図示せず)を中心に回転可能な構成であり、ビームの照射角度を決める。回転ガントリ14が回転することによって、患者1に照射する荷電粒子ビーム12の照射角度を変更することができる。
制御システム4は、図1に示すように、中央制御装置5、加速器・輸送系制御システム7および照射制御システム8を概略備えている。
中央制御装置5は、治療計画装置6、加速器・輸送系制御システム7、照射制御システム8および操作端末40に接続される。この中央制御装置5は、治療計画装置6からの設定データに基づいて、加速器運転のための運転パラメータの設定値、照射野を形成するための運転パラメータ、計画されるビーム位置およびビーム幅、線量の設定値を算出する機能を備えている。これらの運転パラメータおよびモニタ設定値は、中央制御装置5から加速器・輸送系制御システム7および照射制御システム8に出力される。
加速器・輸送系制御システム7は、荷電粒子ビーム発生装置1およびビーム輸送系2に接続され、荷電粒子ビーム発生装置1およびビーム輸送系2を構成する機器を制御する。
照射制御システム8は、スキャニング照射装置3に接続され、スキャニング照射装置3を構成する機器を制御する。
操作端末40は、操作者(医者、オペレータ等の医療従事者)がデータや指示信号を入力する入力装置および表示画面を備えている。
照射制御システム8について、図2を用いて説明する。
照射制御システム8は、患者機器制御装置8a、モニタ監視制御装置8bおよび走査電磁石電源制御装置8cを備えている。
患者機器制御装置8aは、回転ガントリ14を構成する各機器を制御する回転ガントリ制御装置8a1、治療台10を移動して位置決め制御する治療台制御装置8a2、ノズル11内に配置された機器を制御するノズル内機器制御装置8a3を備えている。このうち、回転ガントリ制御装置8a1は、回転ガントリ14の回転角度を制御することで、患者1に照射する荷電粒子ビームの照射角度を制御する。
モニタ監視制御装置8bは、上流ビームモニタ11aを監視制御する上流ビームモニタ監視制御装置8b1、下流ビームモニタ11dを監視制御する下流ビームモニタ監視制御装置8b2、線量モニタ11cを監視制御する線量監視制御装置8b3を概略備えている。
上流ビームモニタ監視制御装置8b1は上流ビームモニタ11aに入射された荷電粒子ビームのビーム位置およびビーム幅を計測する機能を有し、荷電粒子ビームに異常がないか否かを判定する機能(異常判定処理)を有する。
下流ビームモニタ監視制御装置8b2は、走査電磁石11bによって走査され、下流ビームモニタ11dに入射された荷電粒子ビームのビーム位置およびビーム幅を計測する機能を有する。すなわち、走査された荷電粒子ビームのビーム位置およびビーム幅に異常がないか否かを判定する機能(異常判定処理)を有する。上流ビームモニタ監視制御装置8b1や下流ビームモニタ監視制御装置8b2の機構は、具体的には以下の通りである。
上流ビームモニタ監視制御装置8b1は、上流ビームモニタ11aで計測された計測データを受信して演算処理し、荷電粒子ビームが通過した位置およびビーム幅を求める。求めたビーム位置が予め定められた範囲外の場合、またはビーム幅が予め定められた範囲外の場合は、上流ビームモニタ監視制御装置8b1はビーム異常と判定し、中央制御装置5に異常信号を出力する。
下流ビームモニタ監視制御装置8b2は、下流ビームモニタ11cで計測した計測データを受信して演算処理し、荷電粒子ビームが通過した位置およびビーム幅を求める。求めたビーム位置が予め定められた範囲外の場合、またはビーム幅が予め定められた範囲外の場合は、下流ビームモニタ監視制御装置8b2はビーム異常と判定し、中央制御装置5に異常信号を出力する。
中央制御装置5は、上流ビームモニタ監視制御装置8b1または下流ビームモニタ監視制御装置8b2から異常信号を入力すると、加速器・輸送系制御装置7にビーム停止指令信号を出力し、荷電粒子ビーム発生装置1から出射する荷電粒子ビームを停止させる。
本実施形態では、荷電粒子ビーム発生装置1から出射する荷電粒子ビームを停止するように制御したが、中央制御装置5がビーム輸送系2を制御し、照射ノズル11に入射される荷電粒子ビームを停止するように制御してもよい。
ここで、荷電粒子ビームのビーム位置とは、例えば、ビームモニタ(上流ビームモニタ11aまたは下流ビームモニタ11c)を通過する荷電粒子ビームの重心位置のことである。
また、荷電粒子ビームのビーム幅とは、ビームモニタ(上流ビームモニタ11aまたは下流ビームモニタ11c)を通過した荷電粒子ビームの領域を示す。ビーム幅の求め方には、例えば、ビーム進行方向に垂直な平面上に配置されたビームモニタ(上流ビームモニタ11aまたは下流ビームモニタ11c)で荷電粒子ビームを検出した領域の面積を算出する方法や、このようなビームモニタでの荷電粒子ビームの検出領域の面積および当該検出領域の幅を算出する方法などがある。
走査電磁石電源制御装置8cは、走査電磁石11bの電源装置(図示せず)を制御することによって走査磁石11bに励磁する励磁電流を制御し、患者1への荷電粒子ビームの照射位置を変更する。
次に、図3を用いて患者に対する治療開始から治療終了までの流れを説明する。
本実施形態では、患者13の患部をビーム進行方向(患者13の体表面からの深さ方向)に対して複数の層(以下、レイヤーという)に分割し、各レイヤーを複数のスポットである小領域に分けてビーム照射するスポットスキャニング照射法を例に説明する。
治療計画装置6は、予め取得された患者の治療計画情報を記憶している。治療計画情報は、照射データ(ビームエネルギー情報、照射位置情報、各照射位置に対する荷電粒子ビームの目標線量値等)および許容値データ(上流ビームモニタ11aでの許容ビーム位置情報および許容ビーム幅情報や、各照射位置に対する下流ビームモニタ11dでの許容ビーム位置情報および許容ビーム幅情報等)を含んでいる。
なお、本実施形態では、治療計画装置6が照射データおよび許容値データを求める構成としたが、治療計画装置6が照射データを求め、中央制御装置5が許容値データを求める構成としても良い。この場合、治療計画装置6は、許容値データを求めるのに必要なデータを中央制御装置5に送信し、中央制御装置5は受け取ったデータに基づいて許容値データを算出する。照射データである目標線量値は、各レイヤー内のスポット位置毎に定められる。
患者13が治療台(ベッド)上に固定されると、医師は操作端末40の入力装置から準備開始信号を入力する。
準備開始信号を受信した中央制御装置5は、該当する患者の治療計画情報を治療計画装置6から受け取り、治療台制御装置8a2にベッド位置情報を出力する。治療台制御装置8a2は、ベッド位置情報に基づいて患者13をビーム軸の延長線上の所定位置に配置するように治療台10を移動し、位置決めする。また、中央制御装置5は、回転ガントリ制御装置8a1にガントリ角度情報を出力する。回転ガントリ制御装置8a1は、ガントリ角度情報に基づいて回転ガントリ14を回転させて所定の角度に配置する。また、中央制御装置5は、照射位置毎の荷電粒子ビームの目標線量値や許容値データをモニタ監視制御装置8bに送信する。中央制御装置5は、照射データに含まれるビームエネルギー情報および照射位置情報に基づいて、走査電磁石11bに励磁すべき励磁電流値を算出し、励磁電流パラメータを求め、走査電磁石電源制御装置8cに励磁電流パラメータを送信する。さらに、中央制御装置5は、治療計画情報に基づいて円形加速器16の加速運転のための運転パラメータや、円形加速器16から出射された荷電粒子ビームを照射ノズル11に輸送するためのビーム輸送系2の運転パラメータを求め、加速器・輸送系制御システム7にこれらの運転パラメータを送信する。
治療の準備が完了すると、医師は操作端末40の入力装置から治療開始信号を入力する。
治療開始信号が入力された中央制御装置5は、加速器・輸送系制御システム7に指令信号を送信する。
次いで、加速器・輸送系制御システム7は、最初に照射するレイヤー(最初のビームエネルギー情報)に相当する運転パラメータを円形加速器16およびビーム輸送系2に設定する。円形加速器16およびビーム輸送系2の運転パラメータが設定されて運転開始準備が完了すると(ステップS30)、走査電磁石電源制御装置8cは励磁電流パラメータに基づいて走査電磁石11bを励磁する(ステップS31)。最初の照射スポットに対応する励磁電流が走査電磁石11bに励磁された後、モニタ監視制御装置8bの線量監視制御装置8b3が、当該スポット位置に対する目標線量値に基づいてビームの照射線量の監視を開始し(ステップS32)、照射準備が完了する。
中央制御装置5がビーム出射開始指令を送信すると(ステップS33)、加速器・輸送系制御装置7はイオン源を起動し、荷電粒子(陽子または重粒子)を生成する。前段加速器15は、イオン源からの荷電粒子を加速し、円形加速器16に出射する。円形加速器16は、荷電粒子ビームを更に加速する。周回する荷電粒子ビームは目標エネルギーまで加速され、円形加速器16からビーム輸送系2に出射される。荷電粒子ビームは、ビーム輸送系2を経てスキャニング照射装置3に到達する。荷電粒子ビームは、照射ノズル11内をビーム軸に沿って進行し、上流ビームモニタ11a,走査電磁石11b,線量モニタ11cおよび下流ビームモニタ11dを通過する。照射ノズル11から出射された荷電粒子ビームが患者13の患部に照射される。
線量監視制御装置8b3は、線量モニタ11cで計測した計測データを受け取って演算処理し、当該照射スポットに対する照射線量を求める。最初の照射スポットに対する照射線量値が目標線量値に達するまで荷電粒子ビームの照射を続ける。線量監視制御装置8b3は、照射線量値が目標線量値に達したと判定すると、中央制御装置5に対して照射満了信号を出力する(ステップS34)。中央制御装置5は、照射満了信号を受けて荷電粒子ビームの出射を停止する(ステップS35)。
次いで、上流ビームモニタ11aで検出した第1検出データを上流ビームモニタ監視制御装置8b1で取り込むとともに、下流ビームモニタ11dで検出した第2検出データを下流ビームモニタ監視制御装置8b2で取り込む。そして、照射された荷電粒子ビームの位置およびビーム幅を求める(ステップS36)。
演算処理が終了し、ビームの位置およびビーム幅に異常がなければ(ビーム位置が許容ビーム位置の範囲内であり、ビーム幅が許容ビーム幅の範囲内と判定されれば)、照射満了した照射スポットがレイヤー内での最後のスポット位置であるか否かを判定する。最後の照射スポット位置でないと判定された場合(Noの場合)はステップS31に戻り、走査電磁石電源制御装置8cは、次のスポットに荷電粒子ビームを照射するように走査電磁石11の励磁電流値を変更する。
走査電磁石電源制御装置8cは励磁電流パラメータに基づいて走査電磁石11bを励磁すると(ステップS31)、モニタ監視制御装置8bの線量監視制御装置8b3は、次の照射スポット位置に対する目標線量値に基づいてビーム線量の監視を再開する(ステップS32)。その後、中央制御装置5がビーム出射開始指令を送信することで次の照射スポット位置に対する荷電粒子ビームの照射が開始される(ステップS33)。
照射満了した照射スポットがレイヤー内での最後のスポット位置であると判定されるまで(Yesと判定されるまで)、走査電磁石設定(ステップS31)から最後のスポットであるか否かの判定までの制御フロー(ステップS37)を繰り返し行う。
レイヤー内の全てのスポットへの照射が完了すると、中央制御装置5は、照射完了したレイヤーが患者13に対する最後のレイヤーであるか否かを判定する。最後のレイヤーでない場合(Noの場合)、中央制御装置5は加速器・輸送系制御システム7に指令信号を送信する。加速器・輸送系制御システム7は、次に照射するレイヤーに相当する運転パラメータを円形加速器16およびビーム輸送系2に設定し、次の運転準備を開始する(ステップS30)。
この制御フロー(ステップS38)を全てのレイヤーが照射完了するまで繰り返す。全てのスポットおよび全てのレイヤーの照射が完了すると治療終了となる(ステップS39)。
ここで、従来方式の下流ビームモニタ監視制御装置におけるビーム位置およびビーム幅計測について説明する。
下流ビームモニタ監視制御装置では、ビーム位置および幅計測処理にて、下流ビームモニタの全チャンネル数の計測データを取り込んだ後、各チャンネルにおけるオフセット分を差し引き、ピークチャンネルを検索している。検索終了後、ピークチャンネルの出力のN%(例えば30%)以下のデータは除外し、フィッティング処理を行う。その後、照射したビームの位置およびビーム幅を算出する。このような処理は上流ビームモニタ監視制御装置も同様である。
従来方式では、実際にビーム位置およびビーム幅の算出に必要なチャンネルはピークチャンネル出力のN%以上のチャンネルのみであるにもかかわらず、全チャンネルのデータを取り込み処理する。このため、モニタ信号処理装置内のパルスカウンタ、および下流ビームモニタ監視制御装置内の積算パルス取込装置をチャンネル数に応じて設置する必要があった。そのため、モニタシステムが従来よりも多数チャンネルで構成されるほど、装置の員数もその分多く設置しなければならないとの問題があった。
本実施形態のビーム監視システムは、このような課題を解決するために見出されたものである。以下、図4乃至図6を参照して本実施形態のビーム監視システムについて説明する。
図4はビーム監視システムの概略図、図5は高精度モニタのワイヤ接続構成の一例の詳細を示す図、図6はビーム監視システムにおけるビームモニタに関する分布特定までの概略を示した図である。
まずは、ビーム監視システムの構成について図4を用いて説明する。ここで、図4ではビーム監視システムとして下流ビーム監視システムの構成を例に説明する。なお、上流ビーム監視システムは、下流ビーム監視システムと同様の構成を有し、ビームモニタのチャンネル数のみが異なる構成となるため、その詳細は省略する。
本実施形態のビーム監視システムは、上述した従来方式のモニタの構成と比較して、モニタ信号処理装置22を位置特定用とデータ取得用の2種類の用途に分け、ビームモニタ部分の計測ワイヤと電流周波数変換器との接続を工夫することで、正確なビーム位置計測性能を持ち、機器員数を低減したシンプルなシステム構成が可能となっているものである。
図4に示すように、下流ビームモニタ11dは、デジタル信号処理を行うモニタ信号処理装置22を介して下流ビームモニタ監視制御装置8b2に接続されている。
下流ビームモニタ11dは、マルチワイヤイオンチェンバ型のビームモニタである。この下流ビームモニタ11dは、荷電粒子ビームのX方向の通過位置を検出するX電極11d1、Y方向の通過位置を検出するY電極11d2、電圧を印加する高圧電極(電圧印加電極、図示せず)および電流・周波数変換器(パルス発生器)24,25を備えている。
本実施形態では、荷電粒子ビームの進行方向の上流側からX電極,Y電極の順番で配置された構成を例に説明するが、Y電極,X電極の順番で配置される構成であっても良い。
X電極11d1およびY電極11d2は、ワイヤ電極(タングステンワイヤ等)が等間隔で張られた構成を有する電荷収集電極である。X電極11d1およびY電極11d2を構成するワイヤ電極は、荷電粒子ビームのビーム軌道上に配置され、荷電粒子ビームを検出する。高圧電極に電圧を印加することによって、X電極と高圧電極の間に電場を発生し、Y電極と高圧電極の間に電場を発生させる。荷電粒子ビームがイオンチェンバを通過すると、高圧電極とX電極の間の気体および高圧電極とY電極の間の気体が電離し、イオンペアが生成される。生成されたイオンペアは、電場によってX電極およびY電極に移動して、ワイヤ(以降、チャンネルと呼ぶ)により回収される。従って、各チャンネルの検出電荷量を計測することにより、ビーム形状21を測定することができる。また、各チャンネルの検出電荷量を演算処理することにより、ビームの重心位置およびビーム幅を算出できる。
各チャンネルで検出された電荷は、電流・周波数変換器24,25に入力される。電流・周波数変換器24,25は、受け取った電荷をパルス信号に変換した後、モニタ信号処理装置22にパルス信号(検出信号)を出力する。
モニタ信号処理装置22は、複数のパルスカウンタ22aを備えており、電流・周波数変換器24,25から入力したパルス信号を受け取って信号処理する。
具体的には、モニタ信号処理装置22のパルスカウンタは入力したパルス信号に基づいてパルス数を積算し、積算されたパルス数を下流ビームモニタ監視制御装置8b2の積算パルス込装置8b2−1,8b2−2,8b2−3に出力する。
本実施形態においては、電流周波数変換器およびモニタ信号処理装置の役割を新しく2種類に分け、位置特定用とデータ取得用との2種類を用意する。
具体的には、図4に示すように、位置特定用として、X電極11d1,Y電極11d2の全計測ワイヤの中から代表点をchの並び順にある間隔で抜き出して代表ワイヤ電極とし、この代表ワイヤ電極を1対1の関係で位置特定用電流周波数変換器24と接続し、モニタ信号処理装置22、下流ビームモニタ監視制御装置8b2の順に接続する。
またデータ取得用では、図4に示すように、位置特定用の代表ワイヤ電極以外の計測ワイヤを、複数対1でデータ取得用電流周波数変換器25と接続し、モニタ信号処理装置22、下流ビームモニタ監視制御装置8b2とに順に接続する。
下流ビームモニタ監視制御装置8b2は、3つの積算パルス取込装置(第1の位置特定用積算パルス取込装置8b2−1と第2の位置特定用積算パルス取込装置8b2−2、データ取得用積算パルス取込装置8b2−3)およびCPU8b2−4を備えている。
このうち、第1の位置特定用積算パルス取込装置8b2−1は、X電極の位置特定用の代表ワイヤ電極につながるパルスカウンタ22aに接続され、X電極中の代表ワイヤ電極で検出された信号に基づくパルス数のデータ収集を行う。
第2の位置特定用積算パルス取込装置8b2−2は、Y電極の位置特定用の代表ワイヤ電極につながるパルスカウンタ22aに接続され、Y電極中の代表ワイヤ電極で検出された信号に基づくパルス数のデータ収集を行う。
また、データ取得用積算パルス取込装置8b2−3は、X電極またはY電極の代表ワイヤ電極以外のワイヤ電極につながるパルスカウンタに接続され、X電極またはY電極で検出された信号に基づくパルス数のデータ収集を行う。
これらの積算パルス取込装置8b2−1,8b2−2,8b2−3は、下流ビームモニタ監視制御装置8b2内のCPU8b2−4に接続されており、これら積算パルス取込装置8b2−1,8b2−2,8b2−3で収集されたデータ(処理信号)は、CPU8b2−4にて取り込まれる。
CPU8b2−4は、第1の位置特定用積算パルス取込装置8b2−1と第2の位置特定用積算パルス取込装置8b2−2からの処理信号から、ワイヤ電極を通過した荷電粒子ビームのビーム重心位置を算出する。また、CPU8b2−4は、データ取得用積算パルス取込装置8b2−3からの処理信号に加えて第1の位置特定用積算パルス取込装置8b2−1と第2の位置特定用積算パルス取込装置8b2−2からの処理信号からワイヤ電極を通過した荷電粒子ビームのビーム形状およびビーム幅を算出する。
ここで、荷電粒子ビームのビーム形状とは、荷電粒子ビームのビーム軌道に垂直な平面内(X−Y平面)でのビームの強度分布を示す。
次に、図5および図6を用いて、本実施形態の下流ビームモニタ11dを用いたビーム位置およびビーム幅の測定方法について説明する。
なお、X軸ビームモニタ11d1から信号処理装置22の間までの構成は、Y軸ビームモニタ11d2の場合と同様の構成であるため、ここでは下流ビームモニタ11dのうちX軸ビームモニタ11d1を例に説明する。
図5において、位置幅精度の高精度化のため、計測ワイヤの間隔を従来モニタの間隔から1/4に狭め、従来モニタの計測ワイヤの間に3本分のワイヤが増加する場合を考えている。
図5に示すように、X軸ビームモニタ11d1は、512本のワイヤ電極(X電極)が等間隔に張られた構成であり、512チャンネルを有する構成となっている。このうち、計測点を128ch毎の4つのグループに分けておく。
この全512chの計測ワイヤのうち、従来の計測点数128ch分を代表ワイヤ電極として、位置特定用電流周波数変換器24に1対1で接続する。図5では、全計測ワイヤのうちchの並びで3chを1点目として、4chごとに1点を代表ワイヤ電極としている。従って、図5に示すように、3ch、7ch、・・・、127ch、・・・が代表ワイヤ電極として位置特定用電流周波数変換器24に接続される。これら代表ワイヤ電極の計測値情報により、正確な照射位置が特定可能となる。
また、図5に示すように、位置特定用電流周波数変換器24に接続されない残りの384chは、データ取得用電流周波数変換器25に接続されている。
この際、4つのグループそれぞれから、chの並び順に同じ位置の計測ワイヤをデータ取得用電流周波数変換器25の同じ入力部に接続している。このように接続することで、384点分の計測ワイヤがデータ取得用電流周波数変換器25およびモニタ信号処理装置22では96ch分に集約される。
ビーム幅が1グループ内に収まる幅であれば、他グループの相対的に同じ位置での計測ワイヤでの計測値はバックグラウンドレベルである。このため、データ取得用電流周波数変換器25においては、複数接続されている計測ワイヤのうちの1点のみの計測値が得られる。これら多数の計測値をモニタ信号処理装置22への接続で集約することで、モニタ信号処理装置22の員数を従来方式に比べ削減可能となる。
本実施例では、全512chを4グループに分け、4点毎に代表ワイヤ電極を取り出し位置特定用電流周波数変換器24に接続する構成を考えているが、任意のch数、任意のグループ数、任意の代表ワイヤ電極での構成が可能である。
なお、位置特定用電流周波数変換器24に接続される代表ワイヤ電極同士の間隔を4ch毎としたが、代表ワイヤ電極同士の間隔は、照射される荷電粒子ビームの通過位置を確実に検出するために、ビーム幅より狭いことが望ましい。
また、代表ワイヤ電極を、複数のワイヤ電極の中から周期的に選択したが、これに限定されず、任意の間隔とすることが可能である。なお、本実施形態のように代表ワイヤ電極を、複数のワイヤ電極の中から4ch毎に周期的に選択することで、代表ワイヤ電極同士の間隔が必要以上に狭くなる箇所や広くなる箇所が生じることが避けられ、安定したビーム位置、ひいてはビーム幅やビーム形状の検出が可能となる。
次に、図6を用いて、本実施形態におけるビーム位置およびビーム幅検出の具体的な処理の流れについて説明する。
なお、図6においては、説明の簡略化のため、1グループ8chの計測ワイヤが4グループ分存在し、全32chの計測ワイヤを持つビームモニタとしている。また、代表ワイヤ電極として1ch、5ch、9ch、・・・、29chが位置特定用電流周波数変換器24に接続され、その他の2ch、3ch、4ch、6ch、7ch、8ch、・・・、30ch、31ch、32chはデータ取得用電流周波数変換器25にグループ数分まとめて接続されているものとする。
図6において、グループ1,2の5ch〜9chにビームが照射された場合、位置特定用電流周波数変換器24に1対1で接続されている5ch、9chに計測値が伝達される。また、上述のように、計測ワイヤは、1対1で電流周波数変換器24,25を介して上流ビームモニタ監視制御装置8b1や下流ビームモニタ監視制御装置8b2内のCPU8b2−4まで接続されている。このため、CPU8b2−4では、5chおよび9ch部分に計測値を得られたと判定する。この判定結果を基にして、CPU8b2−4では、5chと9chとの間に照射ビームの分布が存在すると判定する。
ここで、グループ1の6ch〜8chの計測値データが得られるが、データ取得用電流周波数変換器25では複数グループの計測ワイヤを電流周波数変換器の同じchにまとめて接続しているため、データ取得用電流周波数変換器25からの処理信号だけでは、6ch〜8ch,14ch〜16ch,22ch〜24ch,30ch〜32chのいずれかで計測された計測値であることしか分からない。
しかし、CPU8b2−4では、先ほど位置特定用電流周波数変換器24にて得られた5ch〜9chの間に照射ビームの分布が存在するという判定から、データ取得用電流周波数変換器25から得られたデータの位置が6ch〜8chのものであると特定することができる。この処理により、計測ワイヤ部分での照射ビームの分布を特定し、ビーム位置およびビーム幅の算出を実施する。
ビーム位置およびビーム幅の計算には、計測ワイヤ部分で計測された実照射ビームの情報のみを元にしているため、誤照射時の照射場所の特定も上述したような従来方式と同様の方法で実施する。
上述したように、本発明のビーム監視システムおよび粒子線照射システムの実施形態は、位置特定用電流周波数変換器24やデータ取得用電流周波数変換器25は、X電極11d1やY電極11d2のグループのうち一つのワイヤ電極を代表ワイヤ電極として、代表ワイヤ電極から出力される検出信号を受け取って信号処理する。また、データ取得用電流周波数変換器25は、グループの各々から選択された一つのワイヤ電極から出力される検出信号を同一の配線から入力するように、グループに属するワイヤ電極と同数の配線によって代表ワイヤ電極以外の全てのワイヤ電極と接続されており、データ取得用電流周波数変換器25およびデータ取得用積算パルス取込装置8b2−3は、X電極11d1やY電極11d2のグループの代表ワイヤ電極以外の全てのワイヤ電極から出力される検出信号を受け取って信号処理する。その上で、上流ビームモニタ監視制御装置8b1や下流ビームモニタ監視制御装置8b2は、第1の位置特定用積算パルス取込装置8b2−1と第2の位置特定用積算パルス取込装置8b2−2からの処理信号に基づいてワイヤ電極を通過した荷電粒子ビームのビーム位置を求め、求めたビーム位置の情報と第1の位置特定用積算パルス取込装置8b2−1と第2の位置特定用積算パルス取込装置8b2−2からの処理信号とデータ取得用積算パルス取込装置8b2−3からの処理信号とに基づいてワイヤ電極を通過した荷電粒子ビームのビーム幅等を求める。
このように、荷電粒子ビームの位置およびビーム幅の算出に利用するチャンネルを限定しているため、従来方式のように位置幅特定の計測精度を向上するために全チャンネルに対応した増幅器および信号処理装置を準備する必要がなく、信号処理系の装置の数を削減することができる。また、位置特定用の代表ワイヤ電極が設けられていることから、正確なビーム照射位置の特定が可能であり、シンプルな構成で計測値から正確なビームの位置および幅を特定することができる。
また、本実施形態では、上流ビームモニタ監視制御装置8b1や下流ビームモニタ監視制御装置8b2は、第1の位置特定用積算パルス取込装置8b2−1と第2の位置特定用積算パルス取込装置8b2−2からの処理信号のみに基づいてワイヤ電極を通過した荷電粒子ビームのビーム位置を求めることができるため、治療計画装置6での照射計画位置に基づいて通過した荷電粒子ビームのビーム位置を求める必要がなく、装置構成をよりシンプルにすることができ、更なるコスト低減を図ることができる。
<第2の実施形態>
本発明のビーム監視システムおよび粒子線照射システムの第2の実施形態を図7を用いて説明する。
図7はラスタースキャン方式による荷電粒子ビーム照射の制御のフローチャート図である。
第1の実施形態はスポットスキャニング照射法におけるビーム位置およびビーム幅を監視するビーム監視システムを備える粒子線照射システムであるのに対し、本実施形態の粒子線照射システムはラスタースキャニング照射法におけるビーム位置およびビーム幅を監視するビーム監視システムを備えている。
本実施形態の粒子線照射システムは、患者13の患部をビーム進行方向に複数のレイヤーに分割し、各レイヤーにおいて荷電粒子ビームの照射を継続したまま(ビームONのまま)、荷電粒子ビームを走査するラスタースキャニング照射法におけるビーム位置およびビーム幅を監視するビーム監視システムを備えている。
以下、本実施形態の粒子線照射システムについて、図7を参照して、第1の実施形態と異なる構成、動作を説明する。
治療の準備が完了すると、医師は操作端末40の入力装置から治療開始信号を入力する。
治療開始信号を入力した中央制御装置5は、加速器・輸送系制御システム7に指令信号を送信する。
加速器・輸送系制御システム7は、最初に照射するレイヤー(最初に照射するビームエネルギー情報)に相当する運転パラメータを円形加速器16およびビーム輸送系2に設定する。円形加速器16およびビーム輸送系2の運転パラメータが設定されて準備完了すると(ステップS30)、走査電磁石電源制御装置8cは励磁電流パラメータに基づいて走査電磁石11bを励磁する(ステップS31A)。最初の照射位置に対応する励磁電流が走査電磁石11bに励磁された後、モニタ監視制御装置8bの線量監視制御装置8b3が、当該スポット位置に対する目標線量値に基づいてビーム線量の監視を開始し(ステップS32A)、照射準備が完了する。
中央制御装置5がビーム出射開始指令を送信すると(ステップS33)、加速器・輸送系制御装置7はイオン源を起動し、荷電粒子(陽子または重粒子)を生成する。前段加速器15は、イオン源からの荷電粒子を加速し、円形加速器16に出射する。円形加速器16は、荷電粒子ビームを更に加速する。周回する荷電粒子ビームは目標エネルギーまで加速され、円形加速器16からビーム輸送系2に出射される。荷電粒子ビームは、ビーム輸送系2を経てスキャニング照射装置3に到達する。さらに、荷電粒子ビームは、照射ノズル11内をビーム軸に沿って進行し、上流ビームモニタ11a,走査電磁石11b,線量モニタ11cおよび下流ビームモニタ11dを通過する。照射ノズル11から出射された荷電粒子ビームが患者13の患部に照射される。
線量監視制御装置8b3は、線量モニタ11cで計測した計測データを受け取って演算処理して当該照射位置に対する照射線量を求めるとともに、最初の照射位置に対する照射線量値が目標線量値に達するまで荷電粒子ビームの照射を続ける。線量監視制御装置8b3は、照射線量値が目標線量値に達したと判定すると、中央制御装置5に対して照射満了信号を出力する(ステップS34)。
上流ビームモニタ11aで検出した第1検出データを上流ビームモニタ監視制御装置8b1で取り込み、下流ビームモニタ11dで検出した第2検出データを下流ビームモニタ監視制御装置8b2で取り込み、照射された荷電粒子ビームの位置およびビーム幅を求める(ステップS35A)。演算処理が終了し、ビームの位置およびビーム幅に異常がなければ(ビーム位置が許容ビーム位置の範囲内であり、ビーム幅が許容ビーム幅の範囲内と判定されれば)、照射満了した照射位置がレイヤー内での最後の照射位置であるか否かを判定する。最後の照射位置でないと判定された場合(Noの場合)、走査電磁石電源制御装置8cが励磁電流パラメータに基づいてスポット走査電磁石の設定を行い(ステップS35B)、モニタ監視制御装置8bがスポット線量目標値設定を行う(ステップS35C)。
ステップS34に戻り、照射満了した照射スポットがレイヤー内での最後のスポット位置であると判定されるまで(Yesと判定されるまで)、線量満了の判定ステップS34から最後のスポットであるか否かの判定までの制御フロー37Aを繰り返し行う。
レイヤー内の全てのスポットへの照射が完了すると、中央制御装置5は、照射完了したレイヤーが患者13に対する最後のレイヤーであるか否かを判定する(ステップS36A)。最後のレイヤーでない場合(Noの場合)、中央制御装置5は加速器・輸送系制御システム7に指令信号を送信する。加速器・輸送系制御システム7は、次に照射するレイヤーに相当する運転パラメータを円形加速器16およびビーム輸送系2に設定し、次の運転準備を開始する(ステップS30)。
この制御フロー38Aを全てのレイヤーが照射完了するまで繰り返す。全てのスポットおよび全てのレイヤーの照射が完了すると治療終了39となる。
上述のフローにおいて、上流ビームモニタ監視制御装置8b1および下流ビームモニタ監視制御装置8b2は、第1の実施形態と同様の処理を実施する。
このように、本実施形態の粒子線照射システムは、荷電粒子ビームを出射させた状態で照射位置を変更して、患部に対してビーム照射するラスタースキャニング照射法を実現する。
本発明のビーム監視システムおよび粒子線照射システムの第2の実施形態においても、前述したビーム監視システムおよび粒子線照射システムの第1の実施形態とほぼ同様な効果が得られる。
すなわち、シンプルな構成でモニタシステムを構築することができ、低コストかつ信頼性の高いモニタシステムを実現することができる。
<その他>
なお、本発明は上記の実施形態に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。
例えば、モニタのチャンネル、区分、およびグループは任意の数で構成することができる。
また、実施形態において、信号処理装置は電流・周波数変換器およびパルスカウンタを含むデジタルモニタ信号処理装置で構成されているが、電荷を積分し、電圧に変換して出力する回路や電流を電圧に変換し出力するアナログモニタ信号処理装置によって構成することができる。
更に、信号処理装置とビームモニタ制御装置とを別個の装置に搭載されている場合を例示したが、同一装置内に搭載することができる。
1…荷電粒子ビーム発生装置、
2…ビーム輸送系、
3…スキャニング照射装置、
4…制御システム、
5…中央制御装置、
6…治療計画装置、
7…加速器・輸送系制御システム、
8…照射制御システム、
8a…患者機器制御装置、
8a1…回転ガントリ制御装置、
8a2…治療台制御装置、
8a3…ノズル内機器制御装置、
8b…モニタ監視制御装置、
8b1…上流ビームモニタ監視制御装置、
8b2…下流ビームモニタ監視制御装置、
8b2−1,8b2−2,8b2−3…積算パルス取込装置、
8b2−4…CPU、
8b3…線量監視制御装置、
8c…走査電磁石電源制御装置、
10…治療台、
11…照射ノズル、
11a…上流ビームモニタ、
11b…走査電磁石、
11c…線量モニタ、
11d…下流ビームモニタ、
11d1…下流ビームモニタ(X軸方向)、
11d2…下流ビームモニタ(Y軸方向)、
12…荷電粒子ビーム、
13…患者・患部、
14…回転ガントリ、
15…前段加速器、
16…円形加速器
21…ワイヤ電極で計測された計測分布、
22…モニタ信号処理装置(デジタル信号処理)、
24…位置特定用電流周波数変換器、
25…データ取得用電流周波数変換器、
40…操作端末、
S30…スキャニング照射方式の加速器準備、
S31…スキャニング照射方式の走査電磁石設定、
S32…スキャニング照射方式のスポット線量目標設定、
S33…スキャニング照射方式のビームON、
S34…スキャニング照射方式の線量満了、
S35…スキャニング照射方式のビームOFF、
S36…スキャニング照射方式のビーム位置・幅計算、
S37…スキャニング照射方式のスポット照射制御フロー部、
S38…スキャニング照射方式のレイヤー・エネルギー変更制御フロー部、
S39…スキャニング照射方式の治療終了、
S31A…ラスタースキャン方式の走査電磁石設定、
S32A…ラスタースキャン方式のスポット線量目標設定、
S35A…ラスタースキャン方式のビームOFF、
S35B…ラスタースキャン方式のGスポット走査電磁石設定、
S35C…ラスタースキャン方式のGスポット線量目標値設定、
S36A…ラスタースキャン方式のビーム位置・幅計算、
S37A…ラスタースキャン方式のスポット照射制御フロー部、
S38A…ラスタースキャン方式のレイヤー・エネルギー変更制御フロー部。

Claims (6)

  1. 隣り合う複数のワイヤ電極を一つのグループとした前記グループを複数有し、通過する荷電粒子ビームを検出する収集電極と、
    この収集電極の前記グループのうち一つのワイヤ電極を代表ワイヤ電極として、この代表ワイヤ電極から出力される検出信号を受け取って信号処理する第1信号処理装置と、
    前記第1信号処理装置からの処理信号に基づいて前記ワイヤ電極を通過した前記荷電粒子ビームのビーム位置を求めるビームモニタ制御装置と
    前記収集電極の前記グループの前記代表ワイヤ電極以外の全てのワイヤ電極から出力される検出信号を受け取って信号処理する第2信号処理装置と、を備えた
    ことを特徴とするビーム監視システム。
  2. 請求項1に記載のビーム監視システムにおいて、
    前記第2信号処理装置は、前記グループの各々から選択された一つのワイヤ電極から出力される検出信号を同一の配線から入力するように、前記グループに属するワイヤ電極と同数の配線によって前記代表ワイヤ電極以外の全ての前記ワイヤ電極と接続され、
    前記ビームモニタ制御装置は、求めたビーム位置の情報と前記第2信号処理装置からの処理信号と前記第1信号処理装置からの処理信号とに基づいて前記ワイヤ電極を通過した前記荷電粒子ビームのビーム幅を求める
    ことを特徴とするビーム監視システム。
  3. 請求項1に記載のビーム監視システムにおいて、
    前記ビームモニタ制御装置は、前記第1信号処理装置からの処理信号のみに基づいて前記ワイヤ電極を通過した前記荷電粒子ビームのビーム位置を求める
    ことを特徴とするビーム監視システム。
  4. 請求項1に記載のビーム監視システムにおいて、
    前記代表ワイヤ電極同士の間隔が、前記荷電粒子ビームのビーム幅より狭い
    ことを特徴とするビーム監視システム。
  5. 請求項1に記載のビーム監視システムにおいて、
    前記収集電極の前記代表ワイヤ電極を、複数のワイヤ電極の中から周期的に選択した
    ことを特徴とするビーム監視システム。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載のビーム監視システムを備えた
    ことを特徴とする粒子線照射システム。
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