TW201406424A - 粒子束照射裝置及粒子束治療裝置 - Google Patents

粒子束照射裝置及粒子束治療裝置 Download PDF

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Abstract

本發明之目的在於得到一種可排除掃瞄電磁鐵之磁滯的影響，在行式掃瞄或混成掃瞄中可實現高精度射束照射之粒子束照射裝置。該粒子束照射裝置係具備：輸出掃瞄電磁鐵(3)的激磁電流之掃瞄電源(4)、以及控制掃瞄電源(4)之照射控制裝置(5)，照射控制裝置(5)係具有掃瞄電磁鐵指令值學習生成器(37)，該掃瞄電磁鐵指令值學習生成器(37)，係在無患者之狀態下，評估依據被輸出至掃瞄電源(4)之激磁電流的指令值(Ik)所進行之一連串照射動作之演練的結果，當評估結果未滿足預定條件時，更新激磁電流的指令值(Ik)並執行演練，並將評估結果滿足預定條件之激磁電流的經更新之指令值(Ik)輸出至掃瞄電源(4)。

Description

粒子束照射裝置及粒子束治療裝置
本發明係關於使用在醫療用或研究用之粒子束治療裝置，尤其關於行式掃瞄(raster scanning)式之掃瞄型的粒子束照射裝置及粒子束治療裝置。
一般而言，粒子束治療裝置係具備：產生荷電粒子束之粒子束產生裝置、連結於粒子束產生裝置並將所產生之荷電粒子束予以加速之加速器、輸送由加速器加速至所設定的能量後射出之荷電粒子束之粒子束輸送系、以及設置在粒子束輸送系的下游且用以將荷電粒子束照射於照射對象之粒子束照射裝置。粒子束照射裝置，大致有藉由散射體使荷電粒子束散射擴大，並將擴大後的荷電粒子束配合照射對象的形狀來形成照射區域之寬(broad)照射方式；以及以配合照射對象的形狀之方式掃瞄尖細鉛筆狀的粒子束來形成照射區域之掃瞄照射方式(點掃瞄、行式掃瞄等)。
點掃瞄，簡單來說是以點瞄繪方式將粒子束射束照射為小點狀來形成照射區域之方法。亦即重覆進行射束供給(點形成)、射束停止、移動。此為因應點位置來改變照射 劑量之自由度高的照射方法，近年來極受到矚目。
行式掃瞄，簡單來說是以一筆畫線的方式持續照射粒子束射束來形成照射區域之方法。亦即一邊持續照射射束，一邊以等速來移動目標劑量於一定之區域。由於不需頻繁地重複進行射束的供給/停止，所以具有可縮短治療時間之優點。
亦有人提出介於點掃瞄與行式掃瞄中間的照射方法。亦即以行式掃瞄的方式一邊持續照射射束，一邊以點掃瞄的方式使射束照射位置在點位置間逐漸移動。此方法係取得點掃瞄與行式掃瞄兩者的優點。本說明書中，將此中間的照射方法稱為混成掃瞄。
寬照射方式，係使用射線調準器(collimator)或射束照射限制模(bolus)來形成配合患部形狀之照射區域。形成配合患部形狀之照射區域來防止對正常組織的不必要照射，為最被廣泛使用之優異照射方式。然而，對每一位患者均需製作射束照射限制模或是配合患部使射線調準器變形。
另一方面，掃瞄照射方式，為不需使用射線調準器或射束照射限制模之自由度高的照射方式。然而，由於未使用防止對患部以外之正常組織的照射之此等零件，故需要求較寬照射方式更高之射束照射位置精度。
粒子束治療裝置中，乃提出有各種可提高照射位置或照射劑量的精度之發明。專利文獻1中，係以提供一種可正確地照射患部之粒子束治療裝置者為目的而揭示下列發明。專利文獻1的發明，係將掃瞄裝置之荷電粒子射束的 掃瞄量與此時藉由射束位置偵測器所偵測之荷電粒子射束的射束位置記憶在記憶裝置中，並使用該被記憶之掃瞄量及射束位置，藉由控制裝置，因應依據治療計畫資訊之射束位置來設定掃瞄裝置的掃瞄量。由於實際照射所得之掃瞄量與射束位置之關係被記憶在記憶裝置中，故可期待能夠正確地照射患部。
專利文獻2中，係以提供一種可確保高安全性，且以高精度照射荷電粒子射束之粒子治療裝置者為目的而揭示下列發明。專利文獻2的發明，係將從荷電粒子射束產生裝置所射出之荷電粒子射束，供給至在與射束行進方向垂直之照射面上掃瞄之掃瞄電磁鐵，根據在通過該掃瞄電磁鐵之荷電粒子射束的照射面上之位置及劑量，來控制從荷電粒子射束產生裝置所射出之荷電粒子射束的射出量。具體而言，在照射面上分割形成之複數個區域中，對達到目標劑量之區域停止供給荷電粒子射束，對未達到目標劑量之其他區域供給荷電粒子射束。如此，將各區域的照射劑量與目標劑量比較，來進行荷電粒子射束射出量的ON/OFF控制(供給/停止)，藉此可期待高安全性。
專利文獻3中，對於位在掃瞄電磁鐵的電流與磁場間之磁滯特性導致射束照射位置精度的降低之課題，係揭示下列發明。專利文獻3的發明，係具有：對應於依據照射計畫之射束照射位置，運算出未考慮磁滯的影響之掃瞄電磁鐵的電流值之第1運算手段；以及考量磁滯的影響，對由第1運算手段所運算之掃瞄電磁鐵的電流值進行補償運 算之第2運算手段，照射控制裝置係根據第2運算手段的運算結果來控制掃瞄電磁鐵的電流。如此，藉由在第2運算手段中實施排除了磁滯的影響之補償運算，亦即使第2運算手段具有表示出磁滯特性之數學模型，可期待經由運算來提升射束照射位置的精度。
(先前技術文獻) (專利文獻)
(專利文獻1)日本特開2005-296162號公報
(專利文獻2)日本特開2008-272139號公報
(專利文獻3)日本特開2007-132902號公報
專利文獻1所揭示之發明中，係根據實際照射所得之荷電粒子射束的掃瞄量及射束位置之實際數據來製作轉換表，並使用該轉換表來運算掃瞄電磁鐵的設定電流值。
然而，實際上如專利文獻3所示，掃瞄電磁鐵的電流與磁場之間存在有磁滯特性，在電流值增加時與電流值減少時，會成為不同磁場。亦即，即使得知某瞬間之掃瞄電磁鐵的電流值，亦無法僅從該資訊中特定出磁場的正確值。因此在專利文獻1所揭示之發明中，乃具有因電磁鐵之磁滯的影響而無法正確地照射患部之問題。
專利文獻2所揭示之發明中，係以使所定義之各區域的照射劑量成為目標劑量之方式，來進行荷電粒子射束射出量的ON/OFF控制(供給/停止)。
然而，專利文獻2所揭示之發明中所記載之在照射面上分割形成之複數個區域，為藉由所對應之掃瞄電磁鐵的激磁電流的範圍而定義之激磁電流空間內的區域(激磁區域)，並不與實際照射空間內的區域(照射區域)一致。若未考量掃瞄電磁鐵的磁滯，則無法使激磁區域與照射區域正確地對應為1對1。因此，即使在此種以激磁區域單位來管理照射劑量以提高安全性之裝置或方法中，若未排除掃瞄電磁鐵之磁滯的影響，則無法發揮以小區域來管理劑量之效果。亦即，具有因掃瞄電磁鐵的磁滯而使射束照射位置的精度惡化之問題。
專利文獻3所揭示之發明中，係在運算手段的內部製作磁滯的數學模型，並藉由運算來補償掃瞄電磁鐵的電流值。
然而即使考慮到磁滯，專利文獻3的發明之考量方式仍具有以下數項問題。第1問題，在於使用運算手法以高精度地補償磁滯特性之方式，實際上極難進行者。例如，表示出電流與磁場之磁滯特性的曲線，不僅因輸入(電流)的振幅，亦因改變輸入(電流)之速度或所改變之模式的不同，而有種種型態。以運算手法，亦即數學模型來表示該複雜的磁帶現象者，多年來在許多領域中已下過許多工夫研究，但現實上仍難以達成。此外，第2問題在於射束照射位置的偵測方法。以往許多情況，如該專利文獻3所揭示之發明，係僅藉由1台或複數台射束位置監測器來偵測粒子束照射位置。粒子束位置監測器，是在照射荷電粒子 射束後才得知射束照射位置。因此，當射束偏離目標而照射至正常組織等時，僅能停止射束，而具有無法將射束照射位置控制至原先應予照射之正確的照射位置之問題。
本發明係用以解決上述課題而完成之發明，其目的在於得到一種可排除掃瞄電磁鐵之磁滯的影響，在行式掃瞄或混成掃瞄中可實現高精度射束照射之粒子束照射裝置。
本發明之粒子束照射裝置係具備：輸出掃瞄電磁鐵的激磁電流之掃瞄電源、以及控制掃瞄電源之照射控制裝置。照射控制裝置係具有掃瞄電磁鐵指令值學習生成器，該掃瞄電磁鐵指令值學習生成器，係在無患者之狀態下，評估依據被輸出至掃瞄電源之激磁電流的指令值所進行之一連串照射動作之演練(run through)的結果，當評估結果未滿足預定條件時，更新激磁電流的指令值並執行演練，並將評估結果滿足預定條件之激磁電流的經更新之指令值記憶於指令值記憶裝置，在對於患者治療時，將前述激磁電流的經更新之指令值輸出至掃瞄電源。
本發明之粒子束照射裝置中，掃瞄電磁鐵指令值學習生成器可根據演練的結果來學習將輸出至掃瞄電源之激磁電流的指令值構成為較佳值，故可排除掃瞄電磁鐵之磁滯的影響，在行式掃瞄或混成掃瞄中可實現高精度射束照射。
1‧‧‧荷電粒子束
1a‧‧‧入射荷電粒子射束
1b‧‧‧射出荷電粒子射束
2‧‧‧射束輸送管
3‧‧‧掃瞄電磁鐵
3a‧‧‧X方向掃瞄電磁鐵
3b‧‧‧Y方向掃瞄電磁鐵
4‧‧‧掃瞄電源
5‧‧‧照射控制裝置
7‧‧‧射束位置監測器
11‧‧‧劑量監測器
15‧‧‧照射對象
20‧‧‧磁場感測器
20a‧‧‧X方向電磁鐵用磁場感測器
20b‧‧‧Y方向電磁鐵用磁場感測器
21‧‧‧磁場數據轉換器
22‧‧‧反映射運算器
33‧‧‧指令評估器
34‧‧‧指令更新器
35‧‧‧掃瞄電磁鐵指令值系列生成器
35a‧‧‧掃瞄電磁鐵指令值系列生成器
35b‧‧‧掃瞄電磁鐵指令值系列生成器
37‧‧‧掃瞄電磁鐵指令值學習生成器
37a‧‧‧掃瞄電磁鐵指令值學習生成器
37b‧‧‧掃瞄電磁鐵指令值學習生成器
37c‧‧‧掃瞄電磁鐵指令值學習生成器
37d‧‧‧掃瞄電磁鐵指令值學習生成器
37e‧‧‧掃瞄電磁鐵指令值學習生成器
38‧‧‧參數更新器
51‧‧‧射束產生裝置
52‧‧‧加速器
53‧‧‧射束輸送裝置
54‧‧‧粒子束照射裝置
55‧‧‧治療計畫裝置
56‧‧‧數據伺服器
60‧‧‧NN(類神經網路)
aBk‧‧‧測定磁場
Best‧‧‧磁場推測值
Bk‧‧‧磁場推測值
B1‧‧‧測定磁場
Bs‧‧‧測定磁場
aDk‧‧‧測定劑量
de‧‧‧劑量誤差
Di‧‧‧目標劑量
Dj‧‧‧目標劑量
Ds‧‧‧測定劑量
Dsc‧‧‧區域劑量計算值
Dss‧‧‧區域測定劑量
Ik‧‧‧指令電流
I1‧‧‧指令電流
aPk‧‧‧照射位置
Pk‧‧‧照射位置
P1‧‧‧照射位置座標
Ps‧‧‧測定位置座標
Si,j‧‧‧磁場小區域
T‧‧‧點數表
Xk、Yk‧‧‧照射位置
Xj、Yj‧‧‧點座標
Zi‧‧‧照射層(layer)
第1圖為本發明之實施形態1的粒子束治療裝置之概 略構成圖。
第2圖為第1圖的照射控制裝置之構成圖。
第3圖為第1圖的另一種照射控制裝置之構成圖。
第4圖係顯示由磁場空間所定義之複數個區域之圖。
第5圖係顯示學習照射時之點數表的例子之圖。
第6圖為本發明之實施形態2的照射控制裝置之構成圖。
第7圖為本發明之實施形態2的另一種照射控制裝置之構成圖。
第8圖為本發明之實施形態3的生成指令電流之數學模型的例子。
第9圖為本發明之實施形態3的照射控制裝置之構成圖。
實施形態1
第1圖為本發明之實施形態1之粒子束治療裝置之概略構成圖。粒子束治療裝置，係具備：射束產生裝置51、加速器52、射束輸送裝置53、粒子束照射裝置54、治療計畫裝置55、及數據伺服器56。治療計畫裝置55亦可不視為粒子束治療裝置的構成構件而獨立準備。射束產生裝置51，係將由離子源所產生之荷電粒子予以加速來產生荷電粒子束。加速器52係連接於射束產生裝置51，並將所產生之荷電粒子射束予以加速。射束輸送裝置53，係輸送由加速器52加速至所設定的能量後射出之荷電粒子射 束。粒子束照射裝置54，係設置在射束輸送系53的下游且將荷電粒子射束照射於照射對象15。
治療計畫裝置55係根據為照射對象之患部15的3維數據，而可訂定照射條件等數個治療計畫，並模擬粒子束治療。進行粒子束治療之醫師最終所選擇的治療計畫，在此被轉換為驅動粒子束治療裝置用之編碼。所謂進行驅動用之編碼，例如在點掃瞄時，為每個照射層(layer)Zi(下標字i為層號碼)的點座標Xj、Yj(下標字j為點號碼)及照射在該點之目標劑量Dj，此外，在行式掃瞄等時，為以每個取樣週期的照射位置Xk、Yk(下標字k為序列號碼)來表示每個照射層(layer)Zi的照射軌道之時間序列數據等。在此設為照射在點之目標劑量者，是由於從布勒格峰值(bragg peak)的特性中，上層受到下層照射的影響之故，該處並非必要的目標劑量。數據伺服器56，係記憶治療計畫裝置55中對每位患者所生成之治療計畫數據以及用以驅動此之編碼。
粒子束照射裝置54，係具備：用以輸送從射束輸送裝置53所入射之入射荷電粒子束1a之射束輸送管2；在為垂直於入射荷電粒子射束1a之方向的X方向及Y方向上掃瞄入射荷電粒子射束1a之掃瞄電磁鐵3a、3b；偵測出掃瞄電磁鐵3a、3b所產生之磁場的磁場感測器20a、20b；磁場數據轉換器21；射束位置監測器7；位置數據轉換器8；劑量監測器11；劑量數據轉換器12；照射控制裝置5；以及掃瞄電源4。磁場感測器20a、20b，例如為具有拾波 線圈之磁場感測器。如第1圖所示，入射荷電粒子射束1a的行進方向為Z方向。
掃瞄電磁鐵3a為在X方向上掃瞄入射荷電粒子射束1a之X方向掃瞄電磁鐵，掃瞄電磁鐵3b為在Y方向上掃瞄入射荷電粒子射束1a之Y方向掃瞄電磁鐵，磁場感測器20a為偵測X方向的磁場之X方向磁場感測器，磁場感測器20b為偵測Y方向的磁場之Y方向磁場感測器。磁場數據轉換器21，係將表示出磁場感測器20a、20b所偵測之磁場之感測器的電訊號，轉換為數位數據的測定磁場Bs。射束位置監測器7，係偵測出藉由掃瞄電磁鐵3a、3b產生偏向之射出荷電粒子射束1b的通過位置。位置數據轉換器8，係從表示出射束位置監測器7所偵測之通過位置之感測器的電訊號中，計算出照射層(layer)上的照射位置，並生成數位數據的測定位置座標Ps。劑量監測器11係偵測出射出荷電粒子射束1b的劑量。劑量數據轉換器12，係將表示出由劑量監測器11所偵測出之劑量之感測器的電訊號，轉換為數位數據的測定劑量Ds。
照射控制裝置5係輸出往掃瞄電源4之激磁電流的指令值之指令電流Ixk、Iyk，並控制各照射層(layer)Zi上的照射位置。掃瞄電源4係根據從照射控制裝置5所輸出之指令電流Ixk、Iyk，將實際驅動的激磁電流輸出至掃瞄電磁鐵3a、3b。
第2圖為照射控制裝置5之構成圖。照射控制裝置5，係具有：反映射生成器(inverse map generator)30、反映射 運算器22、指令值輸出器25、指令評估器33、指令更新器34、掃瞄電磁鐵指令值系列生成器35、及射束供給指令輸出器26。掃瞄電磁鐵指令值系列生成器35係具有指令值記憶裝置36。指令值輸出器25、指令評估器33、指令更新器34、掃瞄電磁鐵指令值系列生成器35，係構成掃瞄電磁鐵指令值學習生成器37。掃瞄電磁鐵指令值學習生成器37，係評估依據被輸出至掃瞄電源4之指令電流Ik=(Ixk、Iyk)所進行之一連串照射動作之演練的結果，當評估結果未滿足預定條件時，更新指令電流Ik=(Ixk、Iyk)並執行演練，並將評估結果滿足預定條件之指令電流Ik=(Ixk、Iyk)輸出至掃瞄電源4。
接著說明照射控制裝置5的動作。粒子束治療裝置的照射時，可大致分為校正時的試照射，以及治療時的主照射。一般來說，校正時的試照射，為所謂校正用的照射，僅在無患者之狀態下須進行校正時來進行。將輸出至X方向掃瞄電磁鐵3a之控制輸入(電流Ix)與輸出至Y方向掃瞄電磁鐵3b之控制輸入(電流Iy)設定各種值來進行試照射，並測定此時之射束照射位置。實施形態1之校正時的試照射，係與以往相同地進行如點掃瞄般之進行荷電粒子射束的供給及停止，並且在試照射時，不僅射束的測定位置座標Ps(xs、ys)，亦藉由磁場感測器20a、20b測定出測定磁場Bs(Bxs、Bys)。藉由以點掃瞄般地進行試照射，可明確地測定射束的測定位置座標Ps(xs、ys)。此時之掃瞄電磁鐵3的測定磁場Bs(Bxs、Bys)與射束的測定位置座標 Ps(xs、ys)之關係，係作為藉由反映射生成器30所生成之反映射運算器22的數學式模型來實現。
預先準備試照射用的指令電流I1=(Ix1、Iy1)(下標字1為試照射的點號碼)(步驟S001)。試照射用的指令電流I1=(Ix1、Iy1)，係以使所照射之點位於粒子束照射裝置54所假定之照射範圍內之方式來準備。指令值輸出器25，係將指令電流I1=(Ix1、Iy1)輸出至掃瞄電源4(步驟S002)。掃瞄電源4，係依循指令電流I1=(Ix1、Iy1)來控制掃瞄電磁鐵3(步驟S003)。
射束供給指令輸出器26，與指令值輸出器25同步，係等待使掃瞄電磁鐵3a、3b的磁場達到穩定之充分的穩定時間，而對射束產生裝置51輸出指示射束產生之射束供給指令Sstart。射束產生裝置51開始進行荷電粒子射束的照射。經過試照射所需的照射時間Ton後，對射束產生裝置51輸出指示射束停止之射束停止指令Sstop，射束產生裝置51停止荷電粒子射束的照射。
藉由磁場感測器20a、20b來測定由指令電流I1=(Ix1、Iy1)所控制之掃瞄電磁鐵3a、3b的磁場。對試照射的每個點所測得之測定磁場B1(Bx1、By1)，係經由磁場數據轉換器21被輸入至反映射生成器30。
藉由射束位置監測器7來算出以掃瞄電磁鐵3對每個點所掃瞄之射出荷電粒子射束1b的照射位置座標P1=(X1、Y1)。照射位置座標P1=(X1、Y1)，係經由位置數據轉換器8被輸入至反映射生成器30。
反映射生成器30，係將全部點的測定磁場B1(Bx1、By1)及照射位置座標P1=(X1、Y1)，記憶在內建的記憶裝置之記憶體中(步驟S004)。
反映射生成器30，係根據所記憶之測定磁場B1(Bx1、By1)及照射位置座標P1=(X1、Y1)來生成數學式模型，並將所生成之數學式模型儲存於反映射運算器22(步驟S005)。
反映射運算器22的數學式模型，較佳例子有使用多項式來實現者。與以往的轉換表不同，以下說明反映射運算器22。在掃瞄電磁鐵3的規格、掃瞄電源4的規格、及照射射束的規格(照射能量、入射射束位置等)為一定之假設下，若掃瞄電磁鐵3的磁場B(Bx、By)已定，則可單一地決定射束的照射位置座標P=(x、y)，所以關於磁場B與射束的照射位置座標P之關係的物理現象，可獲取為雙輸入雙輸出之正映射。
然而，在治療的主照射時，射束的目標照射位置座標Pobj=(Pxobj、Pyobj)先被賦予，並且須以實現該射束的目標照射位置座標Pobj=(Pxobj、Pyobj)之方式來控制掃瞄電磁鐵3的磁場B(Bx、By)。亦即，在治療的主照射中，必須從射束的目標照射位置座標Pobj=(Pxobj、Pyobj)中，以實現該目標照射位置座標Pobj=(Pxobj、Pyobj)之方式算出掃瞄電磁鐵3的磁場B(Bx、By)之推測值Best=(▲Bx▼、▲By▼)。(▲Bx▼、及▲By▼的說明可參照數學式(1)及數學式(2))。如此，主照射中，必須注意從位置往磁場之反向的映射像。因此，為了得到磁場B(Bx、By)的推測值Best，必須設置反映射運 算器22。
接著說明以多項式來實現反映射運算器22的數學式模型之方法的概略內容。在此，所謂的多項式，為數學上所一般定義的多項式(polynominal)，並且定義為「僅由常數及未定元的和與積所構成之式」等。具體而言，例如有下列數學式所示者。
在此，m00、m01、m02、m10、m11、m20、n00、n01、n02、n10、n11、n20為未知參數常數。此外，Pxobj、Pyobj)相當於多項式的未定元。此外，數學式(1)的左邊(B上方附有小︵之Bx，將此表示為▲Bx▼︶為Bx的推測值，數學式(2)的左邊(B上方附有小︵之By，將此表示為▲By▼︶為By的推測值。磁場B(Bx、By)的推測值Best為(▲Bx▼、▲By▼)。
多項式的未知參數常數，可根據試照射時的測定磁場B1=(Bx1、By1)及照射位置座標P1=(X1、Y1)，藉由最小平方法等來求取。
實現目標照射位置座標Pobj=(Pxobj、Pyobj)之磁場B(Bx、By)的推測值Best，可藉由代入有所求取之未知參數常數之數學式(1)、數學式(2)來求取。
先前技術中，係採取下列方式，亦即製作出校正時對掃瞄電磁鐵3之控制輸入(指令電流I1=(Ix1、Iy1))與射束的 照射位置座標P1=(X1、Y1)之關係作為轉換表，並將此轉換表預先記憶在掃瞄電磁鐵指令值生成器6。
亦即，對X方向掃瞄電磁鐵3a之控制輸入(指令電流Ix1)及對Y方向掃瞄電磁鐵3b之控制輸入(指令電流Iy1)，係分別從射束的目標照射位置Pobj的x座標(Pxobj)及射束的目標照射位置Pobj的y座標(Pyobj)獨立地求取。
然而，實際上對X方向掃瞄電磁鐵3a之控制輸入(指令電流Ix1)，不論對射束的照射位置P的x座標及y座標均會產生影響，此外，對Y方向掃瞄電磁鐵3b之控制輸入(指令電流Iy1)，不論對射束的照射位置P的x座標及y座標均會產生影響，亦即為干涉項，所以在依據獨立求取的轉換表之手法中，會導致照射位置精度的惡化。
實施形態1之粒子束照射裝置54，在求取用以實現目標照射位置座標Pobj=(Pxobj、Pyobj)之磁場B=(Bx、By)的推測值Best時，是在反映射運算器22來實現考量前述干涉項後的數學式模型，故與以往不同，可提升射出荷電粒子射束1b的照射位置精度。
接著說明實施形態1之粒子束治療裝置的主照射。主照射可分為使射束照射位置及劑量的控制達到最適化之學習照射，以及將射束照射於患者的照射對象15之治療照射。學習照射係以下列步驟來進行。
對於某照射對象15，在治療計畫裝置55所製作之治療計畫中，醫師最終所選擇的計畫被轉換用以驅動粒子束治療裝置之編碼，並被傳送至照射控制裝置5(步驟S101)。 在此，學習照射及治療照射，係假定為行式掃瞄之情形，並且用於驅動之編碼為以每個取樣週期的照射位置Xk、Yk(下標字k為序列號碼)來表示每個照射層(layer)Zi(下標字i為層號碼)的照射軌道之時間序列數據者進行說明。
用於學習照射之指令電流Ik=(Ixk、Iyk)(下標字k為序列號碼)，係藉由後述方法來製作(步驟S102)。學習照射，是在無患者之狀態下，依循用於學習照射之指令電流Ik=(Ixk、Iyk)來進行演練。
用於學習照射之指令電流Ik=(Ixk、Iyk)，以其候選值或是學習的初始值，極端來說可為任意值。在此，係以依據先前技術的方法所求取者作為初始值。用於學習照射之指令電流，係表示為aIk=(aIxk、aIyk)(a為學習次數，初始值時a設為0)，並明確記載藉由學習使指令電流被更新。
此外，掃瞄電磁鐵指令值系列生成器35係將指令電流aIk=(aIxk、aIyk)記憶在指令值記憶裝置36。指令電流aIk=(aIxk、aIyk)，該下標字k為序列號碼，並成為每個取樣週期的控制輸入。在無患者之狀態下，係進行初始值的指令電流0Ik=(0Ixk、0Iyk)之演練(步驟S103)。
藉由粒子束治療裝置的操作者之學習照射起始指示，訊號生成器29所生成之主照射起始訊號St被傳送至掃瞄電磁鐵指令值系列生成器35及射束供給指令輸出器26。掃瞄電磁鐵指令值系列生成器35，對於每個取樣週期，係依照序列號碼的順序來輸出學習第0次的指令電流0Ik=(0Ixk、0Iyk)。
射束供給指令輸出器26收到該主照射起始訊號St，對射束產生裝置51輸出產生射束之射束供給指令Sstart。射束產生裝置51開始進行荷電粒子射束的照射。
藉由射束位置監測器7來偵測出射出荷電粒子射束1b的通過位置，藉由位置數據轉換器8所計算出之測定位置座標Ps的aPk輸入至指令評估器33。指令評估器33係比較目標照射位置之照射位置座標Pk=(Xk、Yk)與測定位置座標Ps之aPk(aXk、aYk)，並進行初始值的指令電流0Ik=(0Ixk、0Iyk)之演練的計點(步驟S104)。演練的計點方法將於之後詳述。
訊號生成器29，在主照射結束之時間，傳送主照射結束訊號Se。所謂主照射結束之時間，是指從主照射起始之時間僅經過取樣週期×k(序列總數)之時間。射束供給指令輸出器26收到該主照射結束訊號Se，對射束產生裝置51輸出指示射束停止之射束停止指令Sstop。射束產生裝置51收到射束停止指令Sstop，而將荷電粒子射束1a停止(步驟S105)。
指令更新器34，係根據從指令評估器33所輸出之評估結果的計點結果，將學習a=第0次之指令電流aIk=(aIxk、aIyk)的一部分序列決定為變更的對象，並且變更該序列(步驟S106)。例如將學習a=第0次之指令電流0Ik=(0Ixk、0Iyk)的第3序列0I3=(0Ix3、0Iy3)，從0Ix3稍微變更為0Ix3+△I。
接著在無患者之狀態下，使用稍微變更一部分序列後之指令電流，再次進行演練(步驟S107)。亦即執行步驟S103 至步驟S107作為第2次演練。
藉由稍微變更一部分序列，使計點結果從J點僅改變為△J點。如此，得知指令電流的第3序列0Ix3，只需採用△J/△I之資訊來進行更新即可。與一般的學習功能相同，當△I為正時，若計點結果變差，則只需進行使△I成為負之更新即可。該作業可對計點結果受到影響之所有序列進行。此更新中，將該學習計數為1次(將a遞增為(a+1))。
指令更新器34，係製作更新後之學習a=第1次之指令電流aIk=(aIxk、aIyk)(步驟S108)。在確認到第2次演練之計點結果較前一次演練更佳時，乃持續學習。學習係重複進行至滿足預先設定的條件(及格點等)為止。最終學習結束之指令電流aIk=(aIxk、aIyk)，被記憶在指令值記憶裝置36。此外，當學習的結果為計點結果較前一次演練更差時，則可設法降低更新速度(1次更新的量)或是如上述所說明之更新指令電流等。
治療照射係以下列步驟來進行。藉由粒子束治療裝置的操作者之治療照射起始指示，主照射起始訊號St被傳送至射束供給指令輸出器26及掃瞄電磁鐵指令值系列生成器35。掃瞄電磁鐵指令值系列生成器35，對於每個取樣週期，係依照序列號碼的順序來輸出結束學習之指令電流aIk=(aIxk、aIyk)。
射束供給指令輸出器26收到該主照射起始訊號St，對射束產生裝置51輸出指示射束產生之射束供給指令Sstart。射束產生裝置51開始進行荷電粒子射束的照射(步 驟S109)。
訊號生成器29，在主照射結束之時間，傳送主照射結束訊號Se。所謂主照射結束之時間，是指從主照射起始之時間僅經過取樣週期×k(序列總數)之時間。射束供給指令輸出器26收到該主照射結束訊號Se，對射束產生裝置51輸出指示射束停止之射束停止指令Sstop。射束產生裝置51收到射束停止指令Sstop，而將荷電粒子射束1a停止(步驟S110)。
接著說明演練的計點方法。最直接的計點方法(第1計點方法)，係將行式掃瞄用之用於驅動之編碼，亦即以每個取樣週期的照射位置Pk(Xk、Yk))(下標字k為序列號碼)來表示每個照射層(layer)Zi的照射軌道之時間序列數據、與實際進行演練時之每個取樣週期的照射位置aPk(aXk、aYk)(a為學習次數)進行比較，並考量下列評估函數。當該評估函數之值為預定值時(滿足預定條件時)，結束學習。
此外，演練的計點，亦可著眼於照射劑量而藉由下列方法(第2計點方法)來進行。演練的計點，如第4圖所示，對每個由磁場空間內所定義之複數個小區域，比較目標劑量Di與測定劑量Ds，並依循第5圖所示之點數表T來進行計點。演練的評估，例如可將加上每個由磁場空間內所定義之複數個小區域的點數者定義為評估函數，並藉由該 評估函數的點數來進行評估。評估函數的點數較高之演練，係判定為較點數低者更佳。第4圖係顯示由磁場空間(Bx、By)所定義之磁場小區域Si、j之圖，第5圖係顯示學習照射時之點數表T的例子圖。對應於小區域之目標劑量Di，係藉由治療計畫裝置計算出所賦予。測定劑量Ds，係從射束位置監測器7的測定結果與荷電粒子射束1b通過前述小區域之時間等來求取。
演練的第2計點方法中，如第3圖所示，輸入於指令評估器33之訊號有所不同。伴隨於此，步驟S104亦不同。第3圖為採用演練的第2計點方法之照射控制裝置之構成圖。於照射控制裝置5b之掃瞄電磁鐵指令值學習生成器37b的指令評估器33b，輸入有目標劑量Di與測定劑量Ds(aDk)。步驟S104中，係藉由劑量監測器11偵測出劑量，藉由劑量數據轉換器12所轉換之測定劑量Ds，被輸入至指令評估器33b。指令評估器33b係比較目標劑量Di與測定劑量Ds，並進行初始值的指令電流0Ik=(0Ixk、0Iyk)之演練的計點。
第4圖中，表的左行的(B0、B1)，係簡略地表示磁場B的X成分Bx滿足B0≦Bx<B1之關係者，同樣的，(Bm-1、Bm)，係簡略地表示磁場B的X成分Bx滿足Bm-1≦Bx<Bm之關係者。表的上段的(B0、B1)，係簡略地表示磁場B的Y成分By滿足B0≦By<B1之關係者，同樣的，(Bm-1、Bm)，係簡略地表示磁場B的Y成分By滿足Bm-1≦By<Bm之關係者。區域S0、0為滿足B0≦Bx<B1及B0≦By<B1之關係 的區域，區域Sm-1、m-1為滿足Bm-1≦Bx<Bm及Bm-1≦By<Bm之關係的區域。
演練的計點，可在對應於粒子束照射裝置54的可照射範圍之磁場空間的全部區域中進行。藉此，患者的照射對象15可由目標劑量Di來管理，在非照射對象15之相當於正常組織之處使劑量成為零來管理，故可精度佳地進行照射對象15及非照射對象之荷電粒子射束的劑量管理。
若掃瞄電磁鐵3的磁場已決定，則可單一地決定荷電粒子射束的照射位置。換言之，掃瞄電磁鐵3的磁場與荷電粒子射束的照射位置為1對1的關係。因此，並不會如先前技術之以指令值電流空間所定義的區域之受到掃瞄電磁鐵之磁滯的影響。此外，校正時的照射荷電粒子射束所得之依據磁場感測器20所測得的磁場與依據射束位置監測器7所測得的射束位置之關係，與校正時相同，在掃瞄荷電粒子的情況下進行主照射時之磁場與射束位置之關係，乃極為一致。實際照射空間，可藉由荷電粒子射束的射出位置、射束位置監測器7的通過位置、粒子束照射裝置54與照射對象15之位置關係來求取，所以實際照射空間的區域與由磁場空間所定義之區域具有映射關係，於主照射時，該映射關係亦幾乎不變。因此，係對每個由磁場空間內所定義之複數個磁場小區域Si、j進行演練計點，並對每個該磁場小區域Si、j進行荷電粒子射束的劑量管理，所以可精度佳地進行照射對象15之實際照射空間中的劑量管理。
第5圖所示之學習照射時的點數表T為扣點方式之例。劑量誤差de為從區域測定劑量Dss減去目標劑量Di之差。區域測定劑量Dss為由磁場空間(Bx、By)所定義之磁場小區域Si、j的實際照射劑量，並藉由以磁場感測器20所測得之測定磁場Bs與以劑量監測器11所測得之測定劑量Ds來製作。△d為劑量誤差的幅度，被設定在為容許範圍內之預定值。測定劑量Ds超過目標劑量Di時之點數變化率的絕對值，係設定較測定劑量Ds未達目標劑量Di時之點數變化率的絕對值更大。藉此可迅速且正確地進行測定劑量Ds超過目標劑量Di時之修正。
實施形態1之應用第1計點方法之粒子束照射裝置54，由於將實際照射位置設為評估函數，所以可學習將輸出至掃瞄電源3之指令電流aIk=(aIxk、aIyk)構成為較佳值。此外，實施形態1之應用第2計點方法之粒子束照射裝置54，由於對每個由磁場空間(Bx、By)所定義之磁場小區域Si、j，從目標劑量Di與區域測定劑量Dss予以計點，並藉由該點數來定義評估函數，所以可學習將輸出至掃瞄電磁鐵3之指令電流aIk=(aIxk、aIyk)構成為較佳值。因此可提供一種高精度且安全性高之粒子束照射裝置。
粒子束照射裝置54，在第1計點方法中，由於將反映了掃瞄電磁鐵3的電流與磁場間所產生之磁滯的影響之實際照射位置設為評估函數，來學習將輸出至掃瞄電磁鐵3之指令電流aIk=(aIxk、aIyk)構成為較佳值，所以可排除掃瞄電磁鐵3的電流與磁場間所產生之磁滯的影響。此外，在 第2計點方法中，由於粒子束照射裝置54對每個由磁場空間(Bx、By)所定義之磁場小區域Si、j進行荷電粒子射束的劑量管理，所以可排除掃瞄電磁鐵3的電流與磁場間所產生之磁滯的影響。因此可排除掃瞄電磁鐵之磁滯的影響而實現高精度的粒子束照射。
磁場感測器20亦可為具有霍爾元件之磁場感測器。藉由使用霍爾元件，可測定掃瞄電磁鐵3所產生之磁場的絕對值，而不須對以拾波線圈所測量之電壓進行積分等運算。因此可簡化磁場數據轉換器21並達成小型化。
磁場感測器20的最佳者，為具備拾波線圈與霍爾元件兩者之磁場感測器。此係由於可擷取霍爾元件之可測定磁場的絕對值之優點，以及拾波線圈之可在無磁滯下測定磁場的變化份之優點兩者之故。
以往的粒子束照射裝置，係僅藉由1台或複數台射束位置監測器來偵測射束照射位置，並藉由測定位置座標來進行荷電粒子射束的回饋控制。當配置較多位置監測器等之會遮蔽荷電粒子射束者時，會導致射束的散射擴大，而具有無法得到期望的射束點徑之問題。
實施形態1之粒子束照射裝置54，治療照射時，掃瞄電磁鐵指令值系列生成器35，對於每個取樣週期，係依照序列號碼的順序來輸出結束學習之指令電流aIk=(aIxk、aIyk)，而進行荷電粒子射束之照射位置及照射劑量的控制，所以於主照射時，可藉由未圖示的移動裝置使射束位置監測器7移動，以使射出荷電粒子射束1b不會通過射束 位置監測器7。藉此，可藉由射束位置監測器7來防止射出荷電粒子射束1b的散射擴大。藉此可縮小射束點徑。因此，當以較小射束徑照射者為佳時，可藉由適合的點徑來進行治療。
此外，指令值輸出器25亦可根據掃瞄電磁鐵3的磁場B(Bx、By)的推測值Best來生成指令電流Ik=(Ixk、Iyk)，並以此值作為初始值來進行演練並藉此學習。
以上係以照射控制裝置5具有反映射生成器30、反映射運算器22者為例來進行說明，但即使不具有反映射生成器30、反映射運算器22，當然亦可排除掃瞄電磁鐵之磁滯的影響，在行式掃瞄或混成掃瞄中可實現高精度粒子束照射。
如以上所述，根據實施形態1之粒子束照射裝置54，係具備：輸出掃瞄電磁鐵3的激磁電流之掃瞄電源4、以及控制掃瞄電源4之照射控制裝置5，照射控制裝置5係具有掃瞄電磁鐵指令值學習生成器37，該掃瞄電磁鐵指令值學習生成器37，係評估依據被輸出至掃瞄電源4之激磁電流的指令值Ik所進行之一連串照射動作之演練的結果，當評估結果未滿足預定條件時，更新激磁電流的指令值Ik並執行演練，並將評估結果滿足預定條件之激磁電流的指令值Ik輸出至掃瞄電源4，因此，掃瞄電磁鐵指令值學習生成器37可根據演練的結果，來學習將輸出至掃瞄電源4之激磁電流的指令值Ik構成為較佳值，故可排除掃瞄電磁鐵之磁滯的影響，在行式掃瞄或混成掃瞄中可實現高精度 粒子束照射。
根據實施形態1之粒子束治療裝置，係具備：產生荷電粒子射束之射束產生裝置51、將射束產生裝置51所產生之荷電粒子射束予以加速之加速器52、輸送由加速器52所加速之荷電粒子射束之射束輸送裝置53、以及以掃瞄電磁鐵3來掃瞄由射束輸送裝置53所輸送之荷電粒子射束並照射於照射對象15之粒子束照射裝置54；粒子束照射裝置54，係具備：輸出掃瞄電磁鐵3的激磁電流之掃瞄電源4、以及控制掃瞄電源4之照射控制裝置5，照射控制裝置5係具有掃瞄電磁鐵指令值學習生成器37，該掃瞄電磁鐵指令值學習生成器37，係評估依據被輸出至掃瞄電源4之激磁電流的指令值Ik所進行之一連串照射動作之演練的結果，當評估結果未滿足預定條件時，更新激磁電流的指令值Ik並執行演練，並將評估結果滿足預定條件之激磁電流的指令值Ik輸出至掃瞄電源4，因此，掃瞄電磁鐵指令值學習生成器37可根據演練的結果，來學習將輸出至掃瞄電源4之激磁電流的指令值Ik構成為較佳值，故可排除掃瞄電磁鐵之磁滯的影響，在行式掃瞄或混成掃瞄中可實現高精度粒子束照射。
實施形態2
實施形態1中，係在主照射的學習照射中進行荷電粒子射束的照射，但亦可不進行荷電粒子射束的照射來學習，並且使指令電流Ik=(Ixk、Iyk)達到最適化。以下進行說明。實施形態2之粒子束治療裝置中，學習照射之演練的 計點，可使用2種演練的計點方法(第3計點方法、第4計點方法)。第3計點方法，係將行式掃瞄用之用於驅動之編碼，亦即以對應於每個取樣週期的照射位置Pk(Xk、Yk))(下標字k為序列號碼)之磁場B(Bx、By)的推測值Best之Bk(Bxk、Byk)，來表示每個照射層(layer)Zi的照射軌道之時間序列數據、與實際進行演練時之每個取樣週期的測定磁場aBk(aBxk、aByk)(a為學習次數)進行比較，並考量下列評估函數。磁場的推測值Bk，是由反映射運算器22所運算出。
第4計點方法，係依循第5圖所示之點數表T來進行計點之方法。然而，由於在學習照射時不進行荷電粒子射束的照射，故與實施形態1不同，係將劑量誤差de設為從區域劑量計算值Dsc減去目標劑量Di之差。區域劑量計算值Dsc是從由磁場感測器20所測得之測定磁場aBk(aBxk、aByk)中，以射出荷電粒子射束1b滯留在每個由磁場空間(Bx、By)所定義之磁場小區域Si、j中之時間份，將劑量進行積分而求取。
第6圖為本發明之實施形態2之照射控制裝置之構成圖，並採用第3計點方法作為學習照射之演練的計點。與實施形態1之照射控制裝置相比，就輸入於指令評估器33之訊號上有所不同。於照射控制裝置5c之掃瞄電磁鐵指令 值學習生成器37c的指令評估器33c，輸入有磁場的推測值Bk=(Bxk、Byk)及測定磁場aBk(aBxk、aByk)。接著說明實施形態2之照射控制裝置5c的動作。校正時的試照射，與實施形態1之步驟S001至S005相同。學習照射，基本上與實施形態1之步驟S101至S108相同，但由於不進行荷電粒子射束的照射，所以步驟S104有所不同。在此執行步驟S201來取代實施形態1之步驟S104。
係藉由磁場感測器20a、20b，來測定由指令電流Ik=(Ixk、Iyk)所控制之掃瞄電磁鐵3a、3b所產生之磁場。由磁場感測器20所測得並由磁場數據轉換器21所轉換之測定磁場aBk(aBxk、aByk)，被輸入至指令評估器33c。指令評估器33c對於每個序列號碼，係比較由反映射運算器22所運算出之磁場的推測值Bk=(Bxk、Byk)與測定磁場aBk(aBxk、aByk)，並進行初始值的指令電流0Ik=(0Ixk、0Iyk)之演練的計點(步驟S201)。
接著說明採用第4計點方法作為學習照射之演練的計點時之照射控制裝置及動作。第7圖為本發明之實施形態2之另一照射控制裝置之構成圖，並採用第4計點方法作為學習照射之演練的計點。與實施形態1之照射控制裝置相比，就輸入於指令評估器33之訊號上有所不同。於照射控制裝置5d之掃瞄電磁鐵指令值學習生成器37d的指令評估器33d，輸入有目標劑量Di與區域劑量計算值Dsc。接著說明實施形態2之照射控制裝置5d的動作。校正時的試照射，與實施形態1之步驟S001至S005相同。學習照射， 基本上與實施形態1之步驟S101至S108相同，但由於不進行荷電粒子射束的照射，所以步驟S104有所不同。在此執行步驟S202來取代實施形態1之步驟S104。
係以由指令電流Ik=(Ixk、Iyk)所控制之荷電粒子射束1滯留在每個磁場小區域Si、j中之時間份進行積分，來計算區域劑量計算值Dsc，並被輸入至指令評估器33d。指令評估器33c係比較目標劑量Di與區域劑量計算值Dsc，並進行初始值的指令電流0Ik=(0Ixk、0Iyk)之演練的計點(步驟S202)。
實施形態2之應用第3計點方法之粒子束照射裝置54，由於將測定磁場設為評估函數，即使不照射荷電粒子射束，亦可學習將輸出至掃瞄電磁鐵3之指令電流aIk=(aIxk、aIyk)構成為較佳值。此外，實施形態2之應用第4計點方法之粒子束照射裝置54，由於對每個由磁場空間(Bx、By)所定義之磁場小區域Si、j，從所計算之區域劑量計算值Dsc與目標劑量Di予以計點，並藉由該點數來定義評估函數，即使不照射荷電粒子射束，亦可學習將輸出至掃瞄電磁鐵3之指令電流aIk=(aIxk、aIyk)構成為較佳值。因此可提供一種高精度且安全性高之粒子束照射裝置。
粒子束照射裝置54，在第3計點方法中，由於將測定磁場設為評估函數來學習將輸出至掃瞄電磁鐵3之指令電流aIk=(aIxk、aIyk)構成為較佳值，所以可排除掃瞄電磁鐵3的電流與磁場間所產生之磁滯的影響。此外，在第4計點方法中，由於粒子束照射裝置54對每個由磁場空間(Bx、 By)所定義之磁場小區域Si、j進行荷電粒子射束的劑量管理，所以可排除掃瞄電磁鐵3的電流與磁場間所產生之磁滯的影響。因此可排除掃瞄電磁鐵之磁滯的影響而實現高精度的粒子束照射。
此外，由於學習照射的演練可在不進行荷電粒子射束的照射下進行，故可抑制不必要的能量損耗。
實施形態3
所謂學習功能，可解釋為「對於某一課題提出更接近於理想解之功能」。實施形態1及2中，係說明對於在治療計畫裝置55中如何使實際的照射更接近於對每位患者所生成之1個治療計畫數據之課題，乃生成可實現更理想的照射之指令電流Ik=(Ixk、Iyk)之功能進行說明。
控制工程中所謂更高階的學習功能(或是更具智慧的學習功能)，可解釋為「藉由過去經驗的累積，對於未來未知的課題可導出更理想的解之功能」，因此，實施形態3中，係更應用實施形態1或2中所說明之學習功能，來說明具備更高階的學習功能之粒子束照射裝置及粒子束治療裝置。
實施形態1中，學習照射係進行演練的計點，並根據計點結果，將指令電流Ik本身更新為最適者。此方法對於1個治療計畫數據可生成能夠實現更理想的照射之指令電流Ik，但此處的經驗無法反映至其他治療計畫數據。
實施形態3中，學習照射係與實施形態1或2相同來進行演練的計點。然而，根據演練的計點結果，並不會更 新指令電流Ik=(Ixk、Iyk)本身，而是構成為具備可生成指令電流Ik=(Ixk、Iyk)之數學模型，並將該數學模型的參數更新為最適者。以下說明該詳細內容。
第8圖係表示實施形態3之生成前述指令電流Ik=(Ixk、Iyk)之數學模型的例子圖。根據第8圖來說明生成指令電流Ik=(Ixk、Iyk)之機制。
具有單層的隱藏層之前授型NN(類神經網路，以下稱為「NN」)60，為生成前述指令電流Ik=(Ixk、Iyk)之數學模型的一例。輸入層61為NN60的輸入部，本發明之實施形態3中，相當於作為目標之每個取樣週期的照射位置Pk(Xk、Yk))。Xk被輸入於輸入層61a，Yk被輸入於輸入層61b。輸出層63為NN60的輸出部，本發明之實施形態3中，相當於指令電流Ik=(Ixk、Iyk)。Ixk被輸出於輸出層63a，Iyk被輸出於輸出層63b。隱藏層62為NN60的基礎函數(活化函數)，藉由複數個隱藏層62a至62n，將權值賦予至來自輸入層61a、61b的輸入訊號，並輸出至輸出層63a、63b。
粒子束治療裝置中，係藉由掃瞄電磁鐵3使荷電粒子射束1偏向，並決定其照射位置。亦即，若輸出至掃瞄電磁鐵3之一連串指令電流Ik=(Ixk、Iyk)已決定，則可單一地決定射束的照射位置座標P=(X、Y)，所以從一連串指令電流Ik=(Ixk、Iyk)朝向射束的照射位置座標P之物理現象，可視為具有磁滯特性的動力學之雙輸入雙輸出的系統。藉由NN60所欲實現者，正是欲以數學方式來實現具有該磁滯特性的動力學之雙輸入雙輸出的反系統。
實施形態1及2中，學習照射的更新，係對指令電流Ik=(Ixk、Iyk)本身所進行。相對於此，實施形態3中，係更新NN60中之隱藏層62的權值。第9圖係顯示具備具有NN60之掃瞄電磁鐵指令值系列生成器35b的照射控制裝置5(5e)。照射控制裝置5e，為從實施形態1之照射控制裝置5a中去除反映射生成器30、反映射運算器22、指令值輸出器25、指令更新器34，並於掃瞄電磁鐵指令值學習生成器37e中具有參數更新器38，並將NN60裝載於掃瞄電磁鐵指令值系列生成器35之例子。照射控制裝置5e，係將學習照射之演練的計點方法設為第1計點方法。參數更新器38，係以使指令評估器33的評估結果成為預定條件之方式，對作為NN60的參數之隱藏層62的權值進行更新。具備具有NN60之掃瞄電磁鐵指令值系列生成器35b的照射控制裝置5，亦可將學習照射之演練的計點方法設為第2至第4計點方法。此時，可分別使用指令評估器33b至33d來取代第9圖的指令評估器33a。為第3計點方法時，照射控制裝置5具備反映射生成器30及反映射運算器22，並藉由反映射運算器22來運算磁場的推測值Bk。
藉由上述構成，本發明之實施形態3的粒子束治療裝置中，可對過去進行之治療計畫數據，累積學習照射之演練(學習演練)的經驗。當累積較多學習演練的經驗後，不須每次對新治療計畫數據進行學習演練，而能夠有效率地得到不易受到掃瞄電磁鐵之磁滯的影響而進行高精度照射之粒子束治療裝置。
實施形態1至3中所說明之學習演算法僅為一例，亦可運用最陡下降法、基因學演算法等其他技術領域中所實施之其他演算法。
此外，演練的評估中之評估函數，並不限定於在此所說明者，亦可使用其他評估函數。可對數學式(3)或數學式(4)的每個序列號碼k附加權值。此外，在對每個由磁場空間內所定義之複數個小區域予以計點時，亦可將加上對每個小區域的點數Sci、j賦予權值wi、j者，構成為評估函數。此等情況下，可精度佳地使重要的位置或區域達到最適化。
[產業利用可能性]
本發明之粒子束照射裝置及粒子束治療裝置，可適當地使用在醫療用或研究用之粒子束治療裝置。
1a‧‧‧入射荷電粒子射束
1b‧‧‧射出荷電粒子射束
2‧‧‧射束輸送管
3a‧‧‧X方向掃瞄電磁鐵
3b‧‧‧Y方向掃瞄電磁鐵
4‧‧‧掃瞄電源
5‧‧‧照射控制裝置
7‧‧‧射束位置監測器
11‧‧‧劑量監測器
15‧‧‧照射對象
20a‧‧‧X方向電磁鐵用磁場感測器
20b‧‧‧Y方向電磁鐵用磁場感測器
21‧‧‧磁場數據轉換器
51‧‧‧射束產生裝置
52‧‧‧加速器
53‧‧‧射束輸送裝置
54‧‧‧粒子束照射裝置
55‧‧‧治療計畫裝置
56‧‧‧數據伺服器
aBk‧‧‧測定磁場
B1‧‧‧測定磁場
Bs‧‧‧測定磁場
aDk‧‧‧測定劑量
Dj‧‧‧目標劑量
Ds‧‧‧測定劑量
Ik‧‧‧指令電流
I1‧‧‧指令電流
aPk‧‧‧照射位置
P1‧‧‧照射位置座標
Ps‧‧‧測定位置座標
Xk、Yk‧‧‧照射位置
Xj、Yj‧‧‧點座標
Zi‧‧‧照射層(layer)

Claims (31)

  1. 一種粒子束照射裝置，其係具備：掃瞄由加速器所加速之荷電粒子射束並具有磁滯之掃瞄電磁鐵、輸出用以驅動前述掃瞄電磁鐵之激磁電流的掃瞄電源、以及控制前述掃瞄電源之照射控制裝置者，其特徵為：前述照射控制裝置係具有掃瞄電磁鐵指令值學習生成器，該掃瞄電磁鐵指令值學習生成器係在無患者之狀態下，評估依據被輸出至前述掃瞄電源之前述激磁電流的指令值所進行之一連串照射動作之演練的結果，當前述評估結果未滿足預定條件時，更新前述激磁電流的指令值並執行前述演練，並將前述評估結果滿足預定條件之前述激磁電流的經更新之指令值記憶於指令值記憶裝置，在對於前述患者治療時，將前述激磁電流的前述經更新之指令值輸出至前述掃瞄電源。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之粒子束照射裝置，其中，前述掃瞄電磁鐵指令值學習生成器係具有：指令評估器，評估依據前述激磁電流的指令值所進行之前述演練的結果；指令更新器，當前述指令評估器的評估結果未滿足前述預定條件時，更新前述激磁電流的指令值；以及掃瞄電磁鐵指令值系列生成器，藉由經前述指令更新器所更新之前述激磁電流的指令值來執行前述演 練，並將前述評估結果滿足前述預定條件之前述激磁電流的指令值輸出至前述掃瞄電源。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之粒子束照射裝置，其中，前述掃瞄電磁鐵指令值學習生成器，係具備生成前述激磁電流的指令值並具有參數之數學模型，並且具有：指令評估器，評估依據前述激磁電流的指令值所進行之演練的結果；參數更新器，當前述指令評估器的評估結果未滿足前述預定條件時，更新前述數學模型的參數；以及掃瞄電磁鐵指令值系列生成器，藉由前述參數已更新之前述數學模型所生成之前述激磁電流的指令值來執行前述演練，並將前述評估結果滿足前述預定條件之前述激磁電流的指令值輸出至前述掃瞄電源。
  4. 如申請專利範圍第2或3項所述之粒子束照射裝置，其中，前述荷電粒子射束係朝照射對象被照射，並具備偵測出前述荷電粒子射束的通過位置之射束位置監測器；前述指令評估器，係比較：從前述通過位置所計算出之前述照射對象上的照射位置座標之測定位置座標、與前述照射對象上之前述荷電粒子射束的目標照射位置座標，來進行評估。
  5. 如申請專利範圍第2或3項所述之粒子束照射裝置，其中，具備測定前述荷電粒子射束的劑量之劑量監測器； 前述指令評估器，係比較：由前述劑量監測器所測得之測定劑量、與相對於前述荷電粒子射束所照射之照射對象之目標劑量，來進行評估。
  6. 如申請專利範圍第2或3項所述之粒子束照射裝置，其中，具備測定出由前述激磁電流所驅動之前述掃瞄電磁鐵的磁場之磁場感測器；前述指令評估器，係比較：由前述磁場感測器所測得之測定磁場、與對應於前述荷電粒子射束所照射之照射對象上之前述荷電粒子射束的目標照射位置座標之前述掃瞄電磁鐵的磁場的推測值，來進行評估。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之粒子束照射裝置，其中，照射前述荷電粒子射束之照射對象，被分成以由前述激磁電流所驅動之前述掃瞄電磁鐵所產生之X方向及Y方向的磁場來定義之磁場小區域；前述指令評估器，係對每個前述磁場小區域，比較前述測定劑量與前述目標劑量來進行評估。
  8. 如申請專利範圍第2或3項所述之粒子束照射裝置，其中，具備測定出由前述激磁電流所驅動之前述掃瞄電磁鐵的磁場之磁場感測器；照射前述荷電粒子射束之照射對象，被分成以由前述激磁電流所驅動之前述掃瞄電磁鐵所產生之X方向及Y方向的磁場來定義之磁場小區域；前述指令評估器，係對每個前述磁場小區域，比較：根據前述荷電粒子射束滯留在前述磁場小區域之 滯留時間所計算之區域劑量計算值、與相對於前述荷電粒子射束所照射之照射對象之目標劑量，來進行評估。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之粒子束照射裝置，其中，前述指令評估器，係具有將前述磁場小區域中的前述測定劑量之區域測定劑量與前述目標劑量之差的劑量誤差予以點數化之點數表，並藉由前述點數表來進行評估。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之粒子束照射裝置，其中，前述指令評估器，係具有將前述區域劑量計算值與前述目標劑量之差的劑量誤差予以點數化之點數表，並藉由前述點數表來進行評估。
  11. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之粒子束照射裝置，其中，前述演練的評估，是在包含前述荷電粒子射束所照射之照射對象的可照射範圍內進行。
  12. 如申請專利範圍第1或2項所述之粒子束照射裝置，其中，具有：從前述荷電粒子射束所照射之照射對象之前述荷電粒子射束的目標照射位置座標，運算出目標磁場之反映射運算器；在前述演練的初次中被輸出至前述掃瞄電源之前述激磁電流的指令值，係根據前述目標磁場所生成。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之粒子束照射裝置，其中，前述反映射運算器是由前述目標照射位置座標的多項式所構成。
  14. 如申請專利範圍第4項所述之粒子束照射裝置，其中，前述演練的評估，是在包含前述荷電粒子射束所照射之照射對象的可照射範圍內進行。
  15. 如申請專利範圍第5項所述之粒子束照射裝置，其中，前述演練的評估，是在包含前述荷電粒子射束所照射之照射對象的可照射範圍內進行。
  16. 如申請專利範圍第6項所述之粒子束照射裝置，其中，前述演練的評估，是在包含前述荷電粒子射束所照射之照射對象的可照射範圍內進行。
  17. 如申請專利範圍第7項所述之粒子束照射裝置，其中，前述演練的評估，是在包含前述荷電粒子射束所照射之照射對象的可照射範圍內進行。
  18. 如申請專利範圍第8項所述之粒子束照射裝置，其中，前述演練的評估，是在包含前述荷電粒子射束所照射之照射對象的可照射範圍內進行。
  19. 如申請專利範圍第9項所述之粒子束照射裝置，其中，前述演練的評估，是在包含前述荷電粒子射束所照射之照射對象的可照射範圍內進行。
  20. 如申請專利範圍第10項所述之粒子束照射裝置，其中，前述演練的評估，是在包含前述荷電粒子射束所照射之照射對象的可照射範圍內進行。
  21. 一種粒子束治療裝置，其特徵為具備：產生荷電粒子射束之射束產生裝置、將前述射束產生裝置所產生之前述荷電粒子射束予以加速之加速器、輸送由前述加 速器所加速之荷電粒子射束之射束輸送裝置、以及以掃瞄電磁鐵來掃瞄由前述射束輸送裝置所輸送之荷電粒子射束並照射於照射對象之粒子束照射裝置；前述粒子束照射裝置係如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之粒子束照射裝置。
  22. 一種粒子束治療裝置，其特徵為具備：產生荷電粒子射束之射束產生裝置、將前述射束產生裝置所產生之前述荷電粒子射束予以加速之加速器、輸送由前述加速器所加速之荷電粒子射束之射束輸送裝置、以及以掃瞄電磁鐵來掃瞄由前述射束輸送裝置所輸送之荷電粒子射束並照射於照射對象之粒子束照射裝置；前述粒子束照射裝置係如申請專利範圍第4項所述之粒子束照射裝置。
  23. 一種粒子束治療裝置，其特徵為具備：產生荷電粒子射束之射束產生裝置、將前述射束產生裝置所產生之前述荷電粒子射束予以加速之加速器、輸送由前述加速器所加速之荷電粒子射束之射束輸送裝置、以及以掃瞄電磁鐵來掃瞄由前述射束輸送裝置所輸送之荷電粒子射束並照射於照射對象之粒子束照射裝置；前述粒子束照射裝置係如申請專利範圍第5項所述之粒子束照射裝置。
  24. 一種粒子束治療裝置，其特徵為具備：產生荷電粒子射束之射束產生裝置、將前述射束產生裝置所產生之前述荷電粒子射束予以加速之加速器、輸送由前述加 速器所加速之荷電粒子射束之射束輸送裝置、以及以掃瞄電磁鐵來掃瞄由前述射束輸送裝置所輸送之荷電粒子射束並照射於照射對象之粒子束照射裝置；前述粒子束照射裝置係如申請專利範圍第6項所述之粒子束照射裝置。
  25. 一種粒子束治療裝置，其特徵為具備：產生荷電粒子射束之射束產生裝置、將前述射束產生裝置所產生之前述荷電粒子射束予以加速之加速器、輸送由前述加速器所加速之荷電粒子射束之射束輸送裝置、以及以掃瞄電磁鐵來掃瞄由前述射束輸送裝置所輸送之荷電粒子射束並照射於照射對象之粒子束照射裝置；前述粒子束照射裝置係如申請專利範圍第7項所述之粒子束照射裝置。
  26. 一種粒子束治療裝置，其特徵為具備：產生荷電粒子射束之射束產生裝置、將前述射束產生裝置所產生之前述荷電粒子射束予以加速之加速器、輸送由前述加速器所加速之荷電粒子射束之射束輸送裝置、以及以掃瞄電磁鐵來掃瞄由前述射束輸送裝置所輸送之荷電粒子射束並照射於照射對象之粒子束照射裝置；前述粒子束照射裝置係如申請專利範圍第8項所述之粒子束照射裝置。
  27. 一種粒子束治療裝置，其特徵為具備：產生荷電粒子射束之射束產生裝置、將前述射束產生裝置所產生之前述荷電粒子射束予以加速之加速器、輸送由前述加 速器所加速之荷電粒子射束之射束輸送裝置、以及以掃瞄電磁鐵來掃瞄由前述射束輸送裝置所輸送之荷電粒子射束並照射於照射對象之粒子束照射裝置；前述粒子束照射裝置係如申請專利範圍第9項所述之粒子束照射裝置。
  28. 一種粒子束治療裝置，其特徵為具備：產生荷電粒子射束之射束產生裝置、將前述射束產生裝置所產生之前述荷電粒子射束予以加速之加速器、輸送由前述加速器所加速之荷電粒子射束之射束輸送裝置、以及以掃瞄電磁鐵來掃瞄由前述射束輸送裝置所輸送之荷電粒子射束並照射於照射對象之粒子束照射裝置；前述粒子束照射裝置係如申請專利範圍第10項所述之粒子束照射裝置。
  29. 一種粒子束治療裝置，其特徵為具備：產生荷電粒子射束之射束產生裝置、將前述射束產生裝置所產生之前述荷電粒子射束予以加速之加速器、輸送由前述加速器所加速之荷電粒子射束之射束輸送裝置、以及以掃瞄電磁鐵來掃瞄由前述射束輸送裝置所輸送之荷電粒子射束並照射於照射對象之粒子束照射裝置；前述粒子束照射裝置係如申請專利範圍第11項所述之粒子束照射裝置。
  30. 一種粒子束治療裝置，其特徵為具備：產生荷電粒子射束之射束產生裝置、將前述射子束產生裝置所產生之前述荷電粒子射束予以加速之加速器、輸送由前述 加速器所加速之荷電粒子射束之射束輸送裝置、以及以掃瞄電磁鐵來掃瞄由前述射束輸送裝置所輸送之荷電粒子射束並照射於照射對象之粒子束照射裝置；前述粒子束照射裝置係如申請專利範圍第12項所述之粒子束照射裝置。
  31. 一種粒子束治療裝置，其特徵為具備：產生荷電粒子射束之射束產生裝置、將前述射束產生裝置所產生之前述荷電粒子射束予以加速之加速器、輸送由前述加速器所加速之荷電粒子射束之射束輸送裝置、以及以掃瞄電磁鐵來掃瞄由前述射束輸送裝置所輸送之荷電粒子射束並照射於照射對象之粒子束照射裝置；前述粒子束照射裝置係如申請專利範圍第13項所述之粒子束照射裝置。
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