JP6640675B2 - Charged particle irradiation system and beam monitoring system - Google Patents
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Description
本発明は粒子線治療システムにおける荷電粒子照射システムのビーム監視システムに係り、特に、陽子や炭素イオン等の荷電粒子ビームを患部に照射して治療するための粒子線治療システムに好適な荷電粒子照射システムおよびビーム監視システムに関する。 The present invention relates to a beam monitoring system of a charged particle irradiation system in a particle beam therapy system, and more particularly to a charged particle beam irradiation system suitable for a particle beam therapy system for irradiating a diseased part with a charged particle beam such as protons or carbon ions for treatment. System and beam monitoring system.
放射線治療法の１つとして、陽子や炭素イオン等の荷電粒子ビームを加速し、がんの病巣に照射してがん細胞のＤＮＡを破壊する粒子線治療法が知られている。粒子線治療法は、低侵襲で体に負担が少なく、治療後の生活の質を高く維持できることから、近年注目されている。 As one of the radiotherapy methods, a particle beam therapy method in which a charged particle beam such as a proton or a carbon ion is accelerated and irradiated to a cancer lesion to destroy DNA of a cancer cell is known. Particle beam therapy has attracted attention in recent years because it is minimally invasive, has a small burden on the body, and can maintain a high quality of life after treatment.
特許文献１には、スキャニング照射方式で荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線治療システムであって、荷電粒子ビームを走査する走査電磁石の下流側、かつ照射対象である患者の直前にビームモニタを設置する構成が開示されている。
スキャニング照射方式では、患部の形状に合わせて荷電粒子ビームを照射するために、照射対象に照射する荷電粒子ビームの位置を監視するビーム監視システムを用いる。正確にビーム位置を検出するためには、ビームモニタに備えられたマルチワイヤの計測点を増加させることが望ましい。 In the scanning irradiation method, in order to irradiate a charged particle beam according to the shape of an affected part, a beam monitoring system that monitors a position of the charged particle beam to be irradiated on an irradiation target is used. In order to accurately detect the beam position, it is desirable to increase the number of multi-wire measurement points provided in the beam monitor.
しかし、従来のビーム監視システムでは、アナログ-デジタル変換器と信号処理装置との接続数に制約があったため、計測可能なチャンネル数が限られていた。 However, in the conventional beam monitoring system, the number of channels that can be measured is limited because the number of connections between the analog-digital converter and the signal processing device is limited.
本発明は、スポットスキャニング法のスポット照射において、計測可能なチャンネル数を増加させ、より正確にビーム位置を監視することで、安全に荷電粒子ビームを照射するための構成を供えた荷電粒子照射システムおよびビーム監視システムを提供することを目的とする。 The present invention provides a charged particle irradiation system having a configuration for safely irradiating a charged particle beam by increasing the number of measurable channels and more accurately monitoring a beam position in spot irradiation in a spot scanning method. And a beam monitoring system.
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、荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、荷電粒子ビームを治療室へ導くビーム輸送系と、荷電粒子ビームの位置を求めるビーム監視システムとを備えた荷電粒子照射システムであって、ビーム監視システムは、通過する荷電粒子ビームを検出して検出信号を出力するビームモニタと、検出信号に基づき、第一のデジタル信号を出力する第一のＡＤ変換器と、検出信号に基づき、第二のデジタル信号を出力する第二のＡＤ変換器と、第一のデジタル信号または第二のデジタル信号に基づき、荷電粒子ビームがビームモニタを通過した位置を演算する信号処理装置とを備え、信号処理装置は、第一のＡＤ変換器から出力された第一のデジタル信号および第二のデジタル信号が入力されることを特徴とする。
In order to solve the above problem, for example, a configuration described in the claims is adopted.
The present invention includes a plurality of means for solving the above problems, but, for example, a charged particle beam generator that generates a charged particle beam, and a beam transport system that guides the charged particle beam to the treatment room, to name an example, A charged particle irradiation system including a beam monitoring system that determines the position of the charged particle beam, the beam monitoring system detects a passing charged particle beam and outputs a detection signal, and based on the detection signal, A first AD converter that outputs a first digital signal, a second AD converter that outputs a second digital signal based on a detection signal, and a first digital signal or a second digital signal based on the second digital signal. A signal processing device for calculating the position at which the charged particle beam has passed through the beam monitor, wherein the signal processing device comprises a first digital signal output from the first AD converter. Preliminary second digital signal and wherein the input.
本発明によれば、より安全に荷電粒子ビームを照射できる荷電粒子照射システムをシンプルな構成で実現できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the charged particle irradiation system which can irradiate a charged particle beam more safely can be implement | achieved with a simple structure.
以下に本発明の荷電粒子照射システムおよび荷電粒子照射システムの制御方法の実施形態について図面を用いて説明する。
＜第１の実施形態＞
本発明の荷電粒子照射システムおよびビーム監視システムの第１の実施形態を、図１乃至図７を用いて説明する。
なお、本実施形態において、荷電粒子照射システムとは、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。
Hereinafter, an embodiment of a charged particle irradiation system and a control method of the charged particle irradiation system of the present invention will be described with reference to the drawings.
<First embodiment>
First Embodiment A charged particle irradiation system and a beam monitoring system according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the present embodiment, the charged particle irradiation system applies a charged particle beam 12 (for example, a proton beam or a carbon beam) to an affected part of a patient fixed on a treatment table (bed apparatus) 10 in a treatment room. It means the irradiation system.
まず、本実施形態の荷電粒子照射システムの構成について、図１および図２を用いて説明する。 First, the configuration of the charged particle irradiation system according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図１において、本実施形態の荷電粒子照射システムは、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を備える。
In FIG. 1, the charged particle irradiation system of the present embodiment includes a charged
荷電粒子ビーム発生装置１は、イオン源、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。
The charged
ビーム輸送系２は、荷電粒子ビーム発生装置１とスキャニング照射装置３を接続し、荷電粒子ビーム発生装置１で発生した荷電粒子ビーム１２を治療室まで導く。
The
スキャニング照射法では、患部となる照射対象を体表からの深さ毎にレイヤーと呼ばれる照射領域に分割し、このレイヤーの平面上をスポットと呼ぶ細かな線量管理領域に分割する。その上で、荷電粒子ビームの照射は、照射平面上のスポット毎に線量を管理しながら荷電粒子ビームを走査し、照射平面の変更は照射する荷電粒子ビームのエネルギーの変更により実現する。 In the scanning irradiation method, an irradiation target to be an affected part is divided into irradiation regions called layers at each depth from the body surface, and the plane of this layer is divided into fine dose management regions called spots. Then, the charged particle beam is irradiated by scanning the charged particle beam while controlling the dose for each spot on the irradiation plane, and the irradiation plane is changed by changing the energy of the charged particle beam to be irradiated.
具体的には、走査電磁石の電流値を設定し、目標スポットへ到達すると、設定された線量の照射を行い、照射線量が設定値に達すると次のスポットへ移動する。照射位置の移動が完了すると再び荷電粒子ビームを出射し、１つのレイヤー内の照射が終わるまで繰り返す。１つのレイヤーへの照射が完了すると、次のレイヤーのエネルギーに変更して、同様の照射を繰り返す。このように照射スポット間の移動中に照射荷電粒子ビームをＯＦＦする方法をスポットスキャニング法と称する。 Specifically, the current value of the scanning electromagnet is set, and when reaching the target spot, irradiation of the set dose is performed. When the irradiation dose reaches the set value, the spot moves to the next spot. When the movement of the irradiation position is completed, the charged particle beam is emitted again, and this operation is repeated until the irradiation in one layer is completed. When the irradiation of one layer is completed, the energy is changed to the energy of the next layer, and the same irradiation is repeated. Such a method of turning off the irradiation charged particle beam during movement between irradiation spots is referred to as a spot scanning method.
スポットスキャニング法では、患部形状に合わせた荷電粒子ビームの照射が可能であり、従来の散乱体照射法のようにボーラスやコリメータ等の患部形状に合わせた患者固有具が不要となる。よって、荷電粒子ビーム発生装置１からスキャニング照射装置３に供給される荷電粒子ビームを効率よく患部に照射することが可能である。本実施形態ではスポットスキャニング法を例に説明するが、例えばラスタースキャニング法やラインスキャニング法のように他のスキャニング法による照射であってもよい。
In the spot scanning method, it is possible to irradiate the charged particle beam according to the shape of the affected part, and it is not necessary to use a patient-specific tool such as a bolus or a collimator that is adapted to the shape of the affected part as in the conventional scatterer irradiation method. Therefore, it is possible to efficiently irradiate the affected part with the charged particle beam supplied from the charged
図２は本実施形態におけるスキャニング照射装置および照射制御システムを示す。 FIG. 2 shows a scanning irradiation apparatus and an irradiation control system according to the present embodiment.
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を備えている。
The
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。
The treatment table 10 is arranged in a treatment room, and positions the affected part with the
照射ノズル１１は、荷電粒子ビームの照射野を形成する。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（以降、上流ビームモニタと呼ぶ）１１ａ、走査電磁石１１ｂ、線量モニタ１１ｃおよび下流ビームモニタ（以降、下流ビームモニタと呼ぶ）１１ｄがビーム経路に沿って配置される。
The
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を検出する。
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、走査電磁石１１ｂによって走査された荷電粒子ビームを検出するモニタである。
The upstream beam monitor 11 a detects the
The scanning electromagnet 11b deflects and scans the passing charged particle beam in a first direction (for example, X-axis direction), and a second scanning direction perpendicular to the first direction (for example, Y-axis). Direction) and a second scanning electromagnet 11b2 for deflecting and scanning the charged particle beam in the second direction. Here, the X-axis direction is one direction in a plane perpendicular to the traveling direction of the charged particle beam incident on the
The
The
回転ガントリ１４は、アイソセンタ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１０に荷電粒子ビーム１２を照射する方向を変更することができる。
The rotating
図１に戻り、制御システム４について説明する。制御システム４は、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から受信した設定データに基づいて、加速器運転に用いる偏向電磁石等の運転パラメータの設定値、照射野を形成に用いる線量モニタ等の運転パラメータの設定値、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。
Returning to FIG. 1, the
The
The accelerator / transportation system control system 7 is connected to the charged
The
The
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。
The
The
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、照射ノズル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１０に照射する荷電粒子ビームの照射角度を制御する。
The patient
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を備えている。
The monitor
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に検出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、荷電粒子ビームの異常の有無を判定する機能を有する。
The upstream beam monitor monitoring controller 8b1 has a function of measuring the beam position and the beam width of the charged particle beam detected by the
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に検出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の異常の有無を判定する機能を有する。
The downstream beam monitor monitoring controller 8b2 has a function of measuring the beam position and beam width of the charged particle beam scanned by the scanning electromagnet 11b and detected by the
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などである。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。
Here, the beam position of the charged particle beam is, for example, the position of the center of gravity of the charged particle beam passing through the beam monitor (
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。 The mechanism of the upstream beam monitor monitoring and control device 8b1 and the downstream beam monitor monitoring and control device 8b2 are specifically as follows.
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で検出された検出信号に基づいて演算処理し、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。求めたビーム位置およびビーム幅が予め定められた範囲内の場合は、上流ビームモニタ監視制御装置８ｂ１はビーム正常と判定し、中央制御装置５に信号を出力する。一方、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。
The upstream beam monitor monitoring and control device 8b1 performs arithmetic processing based on the detection signal detected by the
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で検出した検出信号に基づいて演算処理し、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。求めたビーム位置およびビーム幅が予め定められた範囲内の場合は、下流ビームモニタ監視制御装置８ｂ２はビーム正常と判定し、中央制御装置５に信号を出力する。一方、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から異常信号が入力されると、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。 走査電磁石電源制御装置８ｃは、走査電磁石１１ｂの電源装置を制御することによって走査電磁電磁石１１ｂに励磁する励磁電流を制御し、患者１０への荷電粒子ビームの照射位置を変更する。
The downstream beam monitor monitoring and control device 8b2 performs an arithmetic process based on the detection signal detected by the
When an abnormal signal is input from the upstream beam monitor monitoring controller 8b1 or the downstream beam monitor monitoring controller 8b2, the
In the present embodiment, the charged particle beam emitted from the charged
ビーム監視システムの一例として、図３に示すような構成がある。図３では、ビーム監視システムとして下流ビームモニタ監視システムの構成を例にして説明する。 As an example of the beam monitoring system, there is a configuration as shown in FIG. FIG. 3 illustrates a downstream beam monitor monitoring system as an example of a beam monitoring system.
下流ビームモニタ監視システムは、下流ビームモニタ１１ｄ、アナログ信号処理装置１９、下流ビームモニタ制御装置８ｂ２を備える。
The downstream beam monitor monitoring system includes a
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り、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）を備えている。
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。
The
A configuration in which the X electrode and the Y electrode are arranged in this order from the upstream side in the traveling direction of the charged particle beam will be described as an example, but a configuration in which the Y electrode and the X electrode are arranged in this order may be used.
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、荷電粒子ビームの軌道上に配置され、荷電粒子ビームを検出する。具体的には、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）により回収されることで、荷電粒子ビームが検出される。また、各チャンネルの検出電荷量を計測することにより、ビーム形状を測定する。さらに、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する。 The X electrode 11d1 and the Y electrode 11d2 are charge collecting electrodes having a configuration in which wire electrodes (such as tungsten wires) are stretched at equal intervals. The wire electrodes constituting the X electrode 11d1 and the Y electrode 11d2 are arranged on the trajectory of the charged particle beam, and detect the charged particle beam. Specifically, an electric field is generated between the X electrode and the high voltage electrode by applying a voltage to the high voltage electrode, and an electric field is generated between the Y electrode and the high voltage electrode. When the charged particle beam passes through the ion chamber, the gas between the high-voltage electrode and the X electrode and the gas between the high-pressure electrode and the Y electrode are ionized, and an ion pair is generated. The generated ion pair moves to the X electrode and the Y electrode by the electric field, and is collected by a wire (hereinafter, referred to as a channel), whereby a charged particle beam is detected. In addition, the beam shape is measured by measuring the detected charge amount of each channel. Further, by calculating the amount of charge detected in each channel, the position of the center of gravity of the beam and the beam width are calculated.
各チャンネルで検出された電荷量は、アナログ信号処理装置１９内の各増幅器９にて増幅され、アナログ信号（検出信号）として、アナログ-デジタル変換器１７（以降、ＡＤ変換器、もしくはＡＤＣと呼ぶ）に入力される。
The amount of charge detected in each channel is amplified by each
各チャンネルの検出信号を増幅器９から受け取ったＡＤＣ１７は、アナログ信号をデジタル信号に変換し、各ＡＤＣ１７からシリアル通信で信号処理装置１８へ送信する。検出信号を取得するタイミングは、信号処理装置１８から各ＡＤＣ１７へ計測トリガ信号（以降、トリガ信号とも呼ぶ）である計測開始信号または計測終了信号を同時に送信することで、検出信号の同時性を担保している。
The
ここで、図３のようなビーム監視システムでは、各ＡＤＣ１７と信号処理装置１８が一対一でケーブル接続されているため、信号処理装置１８の物理的な接続部の上限およびＡＤＣ１７のアナログ信号処理点数の上限によって、全チャンネルを同時タイミングで計測（同時サンプリング）可能な計測点数の上限が決まってしまうという課題があった。
Here, in the beam monitoring system as shown in FIG. 3, since each
例えば、信号処理装置１８の接続部が８箇所、ＡＤＣ１７の計測点が１６チャンネルの場合、１つの信号処理装置１８で同時サンプリングとして処理できる計測点の上限は、８×１６＝１２８チャンネルとなる。
For example, when the number of connection points of the
次に、図４〜図７を用いて本実施形態における制御方法を説明する。本実施形態においては、図４に示すようにＡＤＣ１７をシリアル通信にて多段に接続（以降、カスケード接続と呼ぶ）することで、信号処理装置１８への接続点一点に対し送信できるＡＤＣ１７からの計測点の拡張を図ることができる。
Next, a control method according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In this embodiment, as shown in FIG. 4, by connecting the
各チャンネルで検出された電荷量の検出信号が増幅器９にて増幅され、アナログ信号としてＡＤＣ１７に入力されると、各ＡＤＣ１７は入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。各ＡＤＣ１７の計測点数分纏めた計測データとしてシリアル通信にて上位のＡＤＣ１７へ送信される。上位のＡＤＣ１７は、下位からのＡＤＣ１７よりデータを受け取ると、そのままさらに上位のＡＤＣにデータを送り、信号処理装置１８まで計測データを送信する。
When the detection signal of the charge amount detected in each channel is amplified by the
信号処理装置１８では、計測に用いる全ての計測点からの検出信号が揃った段階もしくはある時間において、計測データを元にビーム位置およびビーム幅を演算し、計画した位置に対して正しくビームが照射されているか否かを監視する。
The
本実施形態において、例えば、信号処理装置１８の接続部が８箇所、ＡＤＣ１７の計測点が１６チャンネルの場合、ＡＤＣ１７にて８段のカスケード接続を実施すると、１つの信号処理装置１８で処理できる計測点の上限は、１６×８×８＝１０２４チャンネルとなる。１つの信号処理装置１８にて、従来構成の数倍の計測点数まで処理可能となるため、計測エリアの拡張、もしくは計測ワイヤのピッチを狭めて計測精度の向上を実現可能となる。
In the present embodiment, for example, when the
ただし、信号処理装置１８とＡＤＣ１７との接続点数には制限があるため、計測点数が多くなるにつれてより多くのＡＤＣ１７を多段に接続することになる。そのため、信号処理装置１８とＡＤＣ１７が接続されるラインを利用して計測トリガ信号を送信した場合、信号処理装置１８から下位のＡＤＣ１７へ送信された計測トリガ信号の到着に遅延が発生する懸念がある。
However, since the number of connection points between the
これに対して、本実施形態では、図５に示すように信号処理装置１８から各ＡＤＣ１７へ計測トリガ信号を送る別ラインを接続しておく。これにより、各ＡＤＣ１７へ計測期間を同時に知らせることができ、複数のチャンネルを所定の時間内にサンプリングできる。本実施例では、全チャンネルを同時に計測する場合を例に説明する。
On the other hand, in the present embodiment, another line for transmitting a measurement trigger signal from the
図５にてＡＤＣ１７が３段カスケード接続された構成の例を示す。信号処理装置１８とＡＤＣ-１が接続され、ＡＤＣ-１とＡＤＣ-２、ＡＤＣ-２とＡＤＣ-３がカスケード接続されている。ＡＤＣ-１〜３へは計測トリガ信号である計測開始信号と計測終了信号を計測データとは別ラインで与え、ビーム照射中の電荷量の計測期間を知らせる。ＡＤＣ-１〜３は計測開始信号、計測終了信号を元に計測値をデジタル変換し、上位に接続される機器へデータを送信する。ＡＤＣ-３はＡＤＣ-２へ、ＡＤＣ−２はＡＤＣ-１へ、ＡＤＣ-１は信号処理装置１８へデータを送信する。
FIG. 5 shows an example of a configuration in which the
次に、図６と図７を用いて、信号処理装置１８におけるデータ取り込みタイミングについて説明する。上述したように、計測点数が多くなるにつれてより多くのＡＤＣ１７を多段に接続することになる。したがって、図６で説明する結合型伝送方式で計測データを送信すると、信号処理装置１８が下位のＡＤＣ１７からデータを取り込むために要する時間が長くなってしまう。
Next, the data fetch timing in the
図６は、結合型伝送方式による信号処理装置１８のデータ取り込みタイミングを示す。前述した下流ビームモニタ１１ｄの計測開始信号は、円形加速器１６で加速された荷電粒子ビームを高速に偏向させる高速ステアリング電磁石のＯＦＦ完了信号を取得したタイミングで各ＡＤＣ１７に送信され、スポット毎に下流ビームモニタ１１ｄの積分を開始する。一方、計測終了信号は、照射された荷電粒子ビームのスポット満了のタイミングで各ＡＤＣに送信される。これらのトリガ信号（計測開始信号、計測終了信号）により、Ｘ電極，Ｙ電極の計測信号を全チャンネル同時サンプリングする。
FIG. 6 shows the data fetch timing of the
信号処理装置１８のデータの取り込みタイミングが結合型伝送方式の場合、トリガ信号によってサンプリングしたＸ電極，Ｙ電極の計測データは、下位のＡＤＣ１７から上位のＡＤＣ１７へデータを集約した後、信号処理装置１８へ取り込まれる。
When the data acquisition timing of the
例えば、図６に示すＡＤＣ-３は、前述したトリガ信号によりサンプリングしたデータのうち、ある一定の容量に分割されたデータ３をＡＤＣ-２へと送信する。ＡＤＣ-２はＡＤＣ-３よりデータ３を受信したことを検知し、自身のもつデータ２と結合した後、データ２, ３としてＡＤＣ-１へとデータを送信する。ＡＤＣ-１も、同様にして、受信したデータ２, ３と、自身のもつデータ１とを結合し、データ１, ２, ３と集約したところで当該のデータを信号処理装置１８へ送信する。
For example, the ADC-3 illustrated in FIG. 6 transmits, to the ADC-2, the
ここでいうある一定の容量に分割されたデータとは、ＡＤＣ１７が取り込むことのできるＸ電極，Ｙ電極の検出信号のデータ量（例えば、１６チャンネル分）を示す。
Here, the data divided into a certain capacity indicates the data amount (for example, for 16 channels) of the detection signals of the X electrode and the Y electrode which can be taken in by the
従来の結合型伝送方式の場合、ある一定の容量に分割されたデータの伝送時間をｘ時間とすると、図６に示す例では、下位のＡＤＣ-３から上位のＡＤＣ-２、ＡＤＣ-１へデータを集約していき、信号処理装置１８に送信完了するまでに７ｘ時間を要する。
In the case of the conventional combined transmission method, assuming that the transmission time of data divided into a certain capacity is x time, in the example shown in FIG. 6, from lower ADC-3 to upper ADC-2 and ADC-1. It takes 7x time to aggregate the data and complete the transmission to the
これに対して、本実施形態では、図７で説明する逐次型伝送方式によりＡＤＣ１７から信号処理装置１８に計測データを送信する。
On the other hand, in the present embodiment, the measurement data is transmitted from the
図７に示すように、信号処理装置１８へのデータの取り込みタイミングが逐次型伝送方式である場合、前述した荷電粒子ビームのスポット満了のタイミングで出力されるトリガ信号（計測終了信号）をＡＤＣ１７が受け取ると、各ＡＤＣ１７が下位のＡＤＣ１７から計測データを取得しているか否かによらず、自身の計測データのデジタル化が完了した段階で上位のＡＤＣ１７または信号処理装置１８へデータを送信する。そのため、各ＡＤＣ１７は下位のＡＤＣ１７からの信号を待たずに並行してデータ伝送を開始できる。
As shown in FIG. 7, when the data acquisition timing to the
図７に示すカスケード接続末端のＡＤＣ-３は、計測トリガ信号を受け取ると、自身のもつある一定の容量に分割されたデータ３を上位のＡＤＣ-２へ送信する。それと同時に、ＡＤＣ-２は自身のもつデータ２を上位のＡＤＣ-１へ、ＡＤＣ-１は自身のもつデータ１を信号処理装置１８へ送信する。すなわち、各ＡＤＣは、自身のもつデータを上位のＡＤＣへ送信するとともに、下位のＡＤＣから送信されてきたデータも受信する。そして、下位のＡＤＣから受信したデータは各ＡＤＣ-２、ＡＤＣ-１にて受信完了後に、さらに上位のＡＤＣ-１、信号処理装置１８へデータ送信を行う。これを全てのデータが信号処理装置１８に送信できるまで繰り返す。
Upon receiving the measurement trigger signal, the ADC-3 at the end of the cascade connection shown in FIG. 7 transmits the
したがって、逐次型伝送方式の場合、ある一定の容量に分割されたデータの伝送時間をｘ時間（図６と同様）とすると、全ての計測データＡＤＣ-１〜３のデータを信号処理装置１８へ送信するまでにかかる時間は、４ｘ時間となる。
Therefore, in the case of the sequential transmission method, if the transmission time of the data divided into a certain capacity is x time (similar to FIG. 6), the data of all the measurement data ADC-1 to ADC-3 is sent to the
まとめると、図６に示す結合型伝送方式では自身のもつデータと、下位のＡＤＣ１７から受信したデータを結合しながら、上位のＡＤＣ１７へデータを送信する。一方、図７に示す本実施形態を適用した逐次型伝送方式では、下位のＡＤＣ１７から上位のＡＤＣ１７へデータを送信することに違いはないが、ＡＤＣ１７同士で逐次的にデータを授受しながら信号処理装置１８へと送信するため、結合型伝送方式と比較して、短時間でデータ送信を実施することが可能となる。
In summary, in the combined transmission method shown in FIG. 6, data is transmitted to the
このように、本実施形態における荷電粒子照射システムのビーム監視システムは、計測点数の多いビームモニタにおいてもシンプルなビームモニタ構成を実現できる。したがって、従来より、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範囲の拡張、もしくは計測点数の増加によるビーム位置およびビーム幅特定の高精度化が可能なビーム監視システムを備えた荷電粒子照射システムを実現でき、より安全な荷電粒子ビームの照射を行うことができる。
＜第２の実施形態＞
本発明の荷電粒子照射システムおよびビーム監視システムの第２の実施形態を、図８乃至図１０を用いて説明する。なお、荷電粒子照射システムの全体構成は図１と同様である。
As described above, the beam monitoring system of the charged particle irradiation system according to the present embodiment can realize a simple beam monitor configuration even in a beam monitor having a large number of measurement points. Therefore, conventionally, a charged particle irradiation system including a beam monitoring system capable of extending the range of measuring the beam position and the beam width of the charged particle beam or increasing the number of measurement points and enabling the beam position and the beam width to be specified with higher precision. Can be realized, and more secure charged particle beam irradiation can be performed.
<Second embodiment>
Second Embodiment A charged particle irradiation system and a beam monitoring system according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The overall configuration of the charged particle irradiation system is the same as in FIG.
第２の実施形態の特徴は、信号処理装置１８の複数の口にＡＤＣ１７が接続されていることにある。
The feature of the second embodiment is that the
図８は、本実施形態におけるＡＤＣ１７および信号処理装置１８の接続構成例を示す。信号処理装置１８にはＡＤＣ−１、ＡＤＣ−４が接続される。ＡＤＣ−１には、ＡＤＣ−２、ＡＤＣ−３が順に接続されている。ＡＤＣ−４には、ＡＤＣ−５が接続されている。各チャンネルで計測された電荷量が増幅器９にて増幅され、アナログ信号としてＡＤＣ１７に入力されると、各ＡＤＣ１７の計測点数分纏めたデータとしてシリアル通信にて上位のＡＤＣ１７へ送信されるのは第１の実施形態と同じである。上位のＡＤＣ１７は、下位からのＡＤＣ１７よりデータを受け取ると、そのままさらに上位のＡＤＣにデータを送り、信号処理装置１８まで計測データを送信する。
FIG. 8 shows a connection configuration example of the
信号処理装置１８は、ＡＤＣ−１とＡＤＣ−４から各計測点における計測信号を受け取る。信号処理装置１８は、計測に用いる全ての計測点からの計測信号が揃った段階もしくはある時間において、計測信号データを元にビームの位置およびビーム幅を演算し、計画位置に対して正しくビームが照射されているか否かを監視する。
The
ここで、図９を用いて、信号処理装置１８とＡＤＣ−１〜５が一対一でケーブル接続された場合の結合型伝送方式によるデータ取り込みタイミングを説明する。本実施形態では、ある一定の容量に分割されたデータの伝送時間をｘ時間とすると、図９に示す例では、下位のＡＤＣ−５から上位のＡＤＣ−１へデータを集約していき、信号処理装置１８に送信完了するまでに１６ｘ時間を要する。
Here, with reference to FIG. 9, a description will be given of the data fetch timing by the coupled transmission method when the
図１０は、本実施形態におけるＡＤＣ１７から信号処理装置１８へのデータ取り込みタイミングを示す。本実施形態において、ＡＤＣ１７から信号処理装置１８へのデータ取り込みタイミングは、逐次型伝送方式を適用する。
FIG. 10 shows the timing of capturing data from the
図１０に示すＡＤＣ-１〜３は、図７と同様にして下位のＡＤＣ-３から上位のＡＤＣ-１へデータを集約し、信号処理装置１８に送信する。また、ＡＤＣ-１〜３とは別ラインで信号処理装置１８と接続されているカスケード接続末端のＡＤＣ−５は、トリガ信号により自身のもつある一定の容量に分割されたデータ５を上位であるＡＤＣ−４へ送信すると同時に、ＡＤＣ−４は自身のもつデータ４を信号処理装置１８へ送信する。ＡＤＣ−４は、ＡＤＣ−５からデータ５を受信した後、信号処理装置１８へデータ送信を行う。
The ADC-1 to ADC-3 shown in FIG. 10 aggregates data from the lower ADC-3 to the higher ADC-1 in the same manner as in FIG. The ADC-5 at the end of the cascade connection, which is connected to the
図１０に示す逐次型伝送方式の場合、ある一定の容量に分割されたデータの伝送時間をｘ時間（図９と同様）とすると、全ての計測信号ＡＤＣ−４〜５のデータを信号処理装置１８へ送信するまでにかかる時間は、４ｘ時間となる。 In the case of the sequential transmission method shown in FIG. 10, if the transmission time of data divided into a certain fixed capacity is x time (similar to FIG. 9), the data of all the measurement signals ADC-4 to 5 are processed by the signal processing device. The time it takes to transmit to 18 is 4x hours.
以上の通り、本実施形態においては、１つの信号処理装置１８にて、従来構成の数倍の計測点数まで処理可能となるため、計測エリアの拡張、計測ワイヤのピッチを狭めて計測精度の向上を実現可能となる。
As described above, in the present embodiment, since one
また、信号処理装置１８の複数の口にＡＤＣ１７を接続するため、ＡＤＣ−１〜５が信号処理装置１８と一対一でケーブル接続された結合型伝送方式と比較して、伝送時間をより短縮することができる。具体的には、ＡＤＣ−１〜５が信号処理装置１８と一対一でケーブル接続された結合型伝送方式の場合は、末端のＡＤＣから信号処理装置１８へデータを転送するまでに１６ｘ時間を要する。一方、本実施例では４ｘ時間でデータを転送することが可能である。
Further, since the
なお、本実施形態では３段カスケード接続されたＡＤＣ１７と２段カスケード接続されたＡＤＣ１７とが信号処理装置１８と接続されている例を示したが、ＡＤＣ１７が接続される信号処理装置１８の口数は２つに限られない。また、複数接続されたＡＤＣのうち、すべてのＡＤＣ１７が他のＡＤＣ１７とカスケード接続されている必要はない。例えば、５つのＡＤＣ１７を備える場合、ＡＤＣ−１、ＡＤＣ−２とが２段カスケード接続、ＡＤＣ−３とＡＤＣ−４とが２段カスケード接続されており、ＡＤＣ−５は信号処理装置１８と直接接続されているような構成であってもよい。カスケード接続の段数を小さくすることで、データの伝送時間をより小さくすることができる。
＜その他＞
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示したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されない。
In the present embodiment, an example is shown in which the
<Others>
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications and applications are possible. The embodiments described above are shown in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described above.
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、
８ｂ３…線量監視制御装置、
８ｃ…走査電磁石電源制御装置、
９…増幅器、
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電極）、
１１ｄ２…下流ビームモニタ（Ｙ電極）、
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、
１７…アナログ-デジタル変換器（ＡＤＣ）、
１８…信号処理装置、
１９…アナログ信号処理装置
４０…操作端末、
1. Charged particle beam generator
2 ... Beam transport system
3. Scanning irradiation device
4 ... Control system,
5 Central control unit,
6. Treatment planning device
7. Accelerator / transport system control system
8. Irradiation control system
8a: Patient device controller,
8a1 ... Rotating gantry controller,
8a2 ... treatment table controller,
8a3: Device control device in nozzle,
8b monitor monitor control device,
8b1 ... upstream beam monitor monitoring and control device,
8b2: Downstream beam monitor monitoring and control device,
8b3: dose monitoring control device,
8c: Scanning magnet power supply control device,
9 ... amplifier,
10 ... treatment table,
11 irradiation nozzle,
11a ... upstream beam monitor,
11b: scanning electromagnet,
11c: dose monitor,
11d: Downstream beam monitor,
11d1 downstream beam monitor (X electrode)
11d2: Downstream beam monitor (Y electrode),
12 ... charged particle beam,
13 ... patient / affected area,
14 ... rotating gantry,
15: Pre-stage accelerator,
16 ... Circular accelerator,
17 ... analog-digital converter (ADC),
18 ... signal processing device,
19 ... analog
Claims (12)
前記荷電粒子ビームを治療室へ導くビーム輸送系と、
前記荷電粒子ビームの位置を求めるビーム監視システムとを備えた荷電粒子照射システムであって、
前記ビーム監視システムは、
通過する前記荷電粒子ビームを検出して検出信号を出力するビームモニタと、
前記検出信号に基づき、第一のデジタル信号を出力する第一のＡＤ変換器と、
前記検出信号に基づき、第二のデジタル信号を出力する第二のＡＤ変換器と、
前記第一のデジタル信号または前記第二のデジタル信号に基づき、前記荷電粒子ビームが前記ビームモニタを通過した位置を演算する信号処理装置と、
前記信号処理装置から前記第一のＡＤ変換器に対してトリガ信号を出力する接続ラインおよび前記信号処理装置から前記第二のＡＤ変換器に対してトリガ信号を出力する接続ラインとを備え、
前記信号処理装置は、
前記第一のＡＤ変換器から出力された前記第一のデジタル信号および前記第一のＡＤ変換器から出力された前記第二のデジタル信号が入力されることを特徴とする荷電粒子照射システム。 A charged particle beam generator for generating a charged particle beam,
A beam transport system that guides the charged particle beam to a treatment room,
A charged particle irradiation system comprising a beam monitoring system that determines the position of the charged particle beam,
The beam monitoring system comprises:
A beam monitor that detects the passing charged particle beam and outputs a detection signal,
A first AD converter that outputs a first digital signal based on the detection signal;
A second AD converter that outputs a second digital signal based on the detection signal;
Based on the first digital signal or the second digital signal, a signal processing device that calculates the position where the charged particle beam has passed the beam monitor ,
A connection line that outputs a trigger signal from the signal processing device to the first AD converter and a connection line that outputs a trigger signal from the signal processing device to the second AD converter ,
The signal processing device,
A charged particle irradiation system, wherein the first digital signal output from the first AD converter and the second digital signal output from the first AD converter are input.
前記トリガ信号は、前記第一のＡＤ変換器および前記第二のＡＤ変換器が前記検出信号を取得するタイミングを指示することを特徴とする荷電粒子照射システム。 The charged particle irradiation system according to claim 1 ,
The charged particle irradiation system according to claim 1, wherein the trigger signal indicates a timing at which the first AD converter and the second AD converter acquire the detection signal.
前記信号処理装置は、前記第一のＡＤ変換器および前記第二のＡＤ変換器が所定の時間内に前記検出信号を取得するように前記トリガ信号を出力することを特徴とする荷電粒子照射システム。 It is a charged particle irradiation system according to claim 2,
The charged particle irradiation system, wherein the signal processing device outputs the trigger signal so that the first AD converter and the second AD converter acquire the detection signal within a predetermined time. .
前記第一のＡＤ変換器は、前記第二のデジタル信号が入力され、その入力が完了する前に、第一のデジタル信号を出力し始めることを特徴とする荷電粒子照射システム。 The charged particle irradiation system according to any one of claims 1 to 3,
The charged particle irradiation system according to claim 1, wherein the first AD converter receives the second digital signal, and starts outputting the first digital signal before the input is completed.
前記荷電粒子ビームの通過した位置が所定の範囲外であると判定された場合は、前記荷電粒子ビーム発生装置または前記ビーム輸送系からの前記荷電粒子ビームの出射を停止する制御装置を備えることを特徴とする荷電粒子システム。 The charged particle irradiation system according to any one of claims 1 to 4,
When it is determined that the position at which the charged particle beam has passed is outside a predetermined range, the charged particle beam generating device or a control device for stopping emission of the charged particle beam from the beam transport system may be provided. Characterized charged particle system.
前記ビーム監視システムは、複数の前記第一のＡＤ変換器を備えることを特徴とする荷電粒子照射システム。 It is a charged particle irradiation system according to any one of claims 1 to 5,
The charged particle irradiation system, wherein the beam monitoring system includes a plurality of the first AD converters.
前記荷電粒子ビームが前記ビームモニタを通過した位置を演算する信号処理装置と、
前記ビームモニタから出力された第一の検出信号が入力された後、前記信号処理装置に第一のデジタル信号を出力する第一のＡＤ変換器と、
前記ビームモニタから出力された第二の検出信号が入力された後、前記第一のＡＤ変換器に第二のデジタル信号を出力する第二のＡＤ変換器と、
前記信号処理装置から前記第一のＡＤ変換器に対してトリガ信号を出力する接続ラインおよび前記信号処理装置から前記第二のＡＤ変換器に対してトリガ信号を出力する接続ラインと、
を備えることを特徴とするビーム監視システム。 A beam monitor that measures the amount of charge of the passed charged particle beam and outputs it as a detection signal,
A signal processing device that calculates a position at which the charged particle beam has passed through the beam monitor,
After the first detection signal output from the beam monitor is input, a first AD converter that outputs a first digital signal to the signal processing device,
After the second detection signal output from the beam monitor is input, a second AD converter that outputs a second digital signal to the first AD converter,
A connection line that outputs a trigger signal to the first AD converter from the signal processing device and a connection line that outputs a trigger signal to the second AD converter from the signal processing device,
A beam monitoring system, comprising:
前記トリガ信号は、前記第一のＡＤ変換器および前記第二のＡＤ変換器が前記検出信号を取得するタイミングを指示することを特徴とするビーム監視システム。 The beam monitoring system according to claim 7 , wherein
The beam monitoring system according to claim 1, wherein the trigger signal indicates a timing at which the first AD converter and the second AD converter acquire the detection signal.
前記信号処理装置は、前記第一のＡＤ変換器および前記第二のＡＤ変換器が所定の時間内に前記検出信号を取得するように前記トリガ信号を出力することを特徴とするビーム監視システム。 The beam monitoring system according to claim 8, wherein
The beam monitoring system, wherein the signal processing device outputs the trigger signal so that the first AD converter and the second AD converter acquire the detection signal within a predetermined time.
前記第一のＡＤ変換器は、前記第二のデジタル信号が入力され、その入力が完了する前に、第一のデジタル信号を出力し始めることを特徴とするビーム監視システム。 The beam monitoring system according to any one of claims 7 to 9, wherein
The beam monitoring system according to claim 1, wherein the first AD converter receives the second digital signal and starts outputting the first digital signal before the input is completed.
前記信号処理装置は、求めた前記荷電粒子ビームの位置に基づいて、前記荷電粒子ビームに異常があると判定した場合に異常信号を出力することを特徴とするビーム監視システム。 The beam monitoring device according to any one of claims 7 to 10, wherein
The beam monitoring system according to claim 1, wherein the signal processing device outputs an abnormal signal when the charged particle beam is determined to be abnormal based on the obtained position of the charged particle beam.
複数の前記第一のＡＤ変換器を備えることを特徴とするビーム監視システム。 It is a charged particle irradiation system according to any one of claims 7 to 11, wherein
A beam monitoring system comprising a plurality of the first AD converters.
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