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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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の積算パルス取込装置8b2−1,8b2−2,8b2−3に出力する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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