TWI395575B - 粒子射線治療裝置 - Google Patents

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Description

粒子射線治療裝置
本發明有關於使包含質子束或碳射線等之重粒子射線之帶電粒子射束，照射在癌等患部用來進行治療之屬於醫療裝置之粒子射線治療裝置。
粒子射線治療是將帶電粒子射束(以下稱為粒子射束)照射在成為治療對象之患部，對患部組織施加破壞以進行治療者，需要對屬於照射對象之患部組織施加充分之射線量，和抑制對周邊組織之射線量。因此，依照照射對象之形狀控制照射射線量與照射範圍(以下稱為照射區域)。另外，對於隨著呼吸變化位置或形態之照射對象，計測呼吸相位，在位置與形態穩定之呼吸相位照射粒子射束(參照例如專利文獻1和2)。
另一方面，屬於粒子射線治療之射束供給源之加速器之設備很巨大，即使在具備有複數間治療室之設施，一般亦是經由切換從一台之加速器輸出之粒子射束之行程(course)，用來將粒子射束供給到各個治療室。因此，提案有粒子射線治療裝置(參照例如專利文獻3)，要使多數之患者接受治療時，精巧地控制行程切換電磁鐵，用來縮短行程切換所需要之時間，或提案有粒子射線治療裝置(參照例如專利文獻4)，以成為依照加速器等之運轉週期之呼吸方式，誘導呼吸用來縮短治療時間。
(先前技術文獻) (專利文獻)
(專利文獻1)日本特開2006-288875號公報(段落0037至0040、第7圖至第9圖)
(專利文獻2)國際公開號碼WO2006/082651A1(段落0092至0096、第16圖)
(專利文獻3)日本特開2010-63725號公報(段落0069、第3圖)
(專利文獻4)國際公開號碼WO2009/150708A1(段落0021至0026、第1圖及第6圖)
但是，在任一種之粒子射線治療裝置中，於一個時間帶內可以進行治療之治療室在複數間治療室中，只有被設定行程之1個室，而在其他之治療室只能進行治療之準備或收拾等等待業務等。因此，即使將各個步驟縮短，可以接受治療之患者數之增加亦會有一定之極限。
本發明係為了解決上述之問題而研創出者，其目的是獲得粒子射線治療裝置，可藉由在相同之時間帶於複數間治療室進行粒子射線照射，而使多數之患者接受治療。
本發明之粒子射線治療裝置，係具備有：複數間治療室；粒子射束之輸送路徑，用來連結加速器和上述複數間治療室之各間；切換裝置，被設置在上述輸送路徑中，用以切換上述粒子射束之軌道俾使從上述加速器射出之粒子射束供給到上述複數間治療室中之任一間治療室；呼吸誘導裝置，被設在上述複數間治療室之各間，根據目標呼吸波形用來誘導患者之呼吸；照射裝置，被設在上述複數間治療室之各間，控制成使被供給之粒子射束形成在與照射對象對應之照射區域、並至少與上述目標呼吸波形同步地朝向上述照射對象照射；以及控制器，控制成使至少上述複數間治療室中之2間以上之預定數之治療室之呼吸誘導裝置和上述切換裝置同步；上述控制器以與上述預定數之治療室之上述目標呼吸波形同步之照射時間不重疊之方式，調整上述目標呼吸波形之週期和相位、並以對應上述預定數之治療室之各個之上述照射時間，切換上述粒子射束之軌道之方式，控制上述切換裝置之射束軌道之切換時間點。
依照本發明之粒子射線治療裝置時，藉由將從加速器供給之粒子射束，在呼吸週期內使複數間治療室分時地接受照射，可以在複數間治療室同時地照射粒子射線。因此，可以獲得能夠使多數之患者接受治療之粒子射線治療裝置。
 實施形態1
以下說明本發明實施形態1之粒子射線治療裝置之構造。第1圖至第4圖用來說明本發明實施形態1之粒子射線治療裝置之構造圖，第1圖表示粒子射線治療裝置之構造，第2圖是功能方塊圖，用來說明與粒子射線治療裝置之控制有關之構造，第3圖表示在粒子射線治療裝置中之各間治療室之呼吸導引(breath navigation)和輸送系統之控制時序。另外，第4圖是流程圖，用來說明粒子射線治療裝置之動作。
首先，使用第1圖來說明粒子射線治療裝置之大致構造。在該圖中，粒子射線治療裝置具備有：屬於同步加速器之圓形加速器1(以下簡稱為加速器)，作為帶電粒子射束之供給源；照射系統2，具備有照射裝置被設在每一間治療室；輸送系統3，用來連接加速器1和各間治療室，從加速器將帶電粒子射束輸送到各間治療室之照射裝置；以及控制系統4，用來協同和控制該等之各個系統(後面所述之副系統)。另外，本發明之實施形態之粒子射線治療裝置之特徵性構造是使各間治療室之照射裝置之呼吸誘導之相位控制形成與其他間治療室之照射裝置和輸送系統之行程切換同步。對於利用同步之協同動作將於後面進行詳細之說明，在此首先進行各個構造之說明。
<加速器>
加速器1具備有：真空導管11，成為帶電粒子射束進行繞圈之軌道路徑；射入裝置12，用來將從前段加速器5供給之帶電粒子射入到真空導管11；偏向電磁鐵13a、13b、13c、13d(總稱為13)，使帶電粒子沿著真空導管11內之繞圈軌道進行繞圈，用來形成帶電粒子射束，以此方式使帶電粒子之軌道偏向；收斂用電磁鐵14a、14b、14c、14d(總稱為14)，以形成在繞圈軌道上之帶電粒子射束不會發散之方式進行收斂；高頻加速空洞15，對繞圈之帶電粒子施加同步之高頻電壓而進行加速；射出裝置16，用來將在加速器1內加速之帶電粒子射束取出到加速器1外，並射出到輸送系統3；以及六極電磁鐵17，為著從射出裝置16射出帶電粒子射束，在帶電粒子射束之繞圈軌道激起共鳴。
另外，在偏向電磁鐵13具備有用以控制偏向電磁鐵13之激磁電流之偏向電磁鐵控制裝置，及在高頻加速空洞15具備有用以對高頻加速空洞15供給高頻電壓之高頻源，和用以控制高頻源之高頻控制裝置之類的用來控制各個部分之未圖示之裝置，在控制部4內具備有加速器控制裝置41，用來控制偏向電磁鐵控制裝置、高頻控制裝置及收斂用電磁鐵14等其他之組件，藉以控制整體加速器1。但是，在本發明之技術精神中，因為不只限定於加速器1本身之控制，所以不限於上述構成，只要可以穩定地將帶電粒子射束射出到輸送系統3，當然可以容許有各種之變化。
另外，前段加速器5在圖中為著簡化記載成為一個機器，但是實際上具備有：離子源(離子射束產生裝置)，用來產生質子、碳(重粒子)等帶電粒子(離子)；和線性加速器，對所產生之帶電粒子進行初期加速。另外，從前段加速器5射入到加速器1之帶電粒子被高頻率之電場加速，被磁鐵彎曲同時被加速至光速之大約70至80%。
<輸送系統>
被加速器1加速之帶電粒子射束射出到被稱為HEBT(高能量射束輸送：High Energy Beam Transport)系統之輸送系統3。輸送系統3具備有：真空導管(主導管31m、治療室A用導管31A、治療室B用導管31B，總稱為真空導管31)，成為帶電粒子射束之輸送路徑；切換電磁鐵32，屬於用來切換帶電粒子射束之射束軌道之切換裝置；和偏向電磁鐵33，用來使射束偏向預定角度。另外，利用加速器1充分地施加能量，使在真空導管31內製作之輸送路徑內前進之帶電粒子射束，利用切換電磁鐵32依照需要改變軌道(31A方向、31B方向)，導引到被設在指定之治療室之照射裝置。
<照射系統>
照射系統2具備有：照射裝置21，用來將從輸送系統3供給之帶電粒子射束，照射到成形在依照屬於照射對象之患者之患部大小或深度之照射區域之患部；和導引功能部22，具有照射時之被稱為呼吸誘導之呼吸導引功能。另外，使對屬於照射對象之患部之照射之ON/OFF至少與呼吸導引連動，依照呼吸導引所使用之目標呼吸波形之週期中之相位進行控制。另外，在輸送系統之說明中，如記載為「被設在指定之治療室之照射裝置」，粒子射線治療裝置從治療效率之觀點看，一般是具備有複數間治療室(在圖中為6A、6B，總稱為治療室6)。亦即，在此處所示之照射系統2在每間治療室6設有照射裝置21和導引功能部22，例如，治療室6A用之照射系2A具備有照射裝置21A和導引功能部22A。
為著實現呼吸導引功能，導引功能部22具備有：患者呼吸測定裝置22a，用來測定患者之呼吸狀態；呼吸同步裝置22c，根據患者呼吸測定裝置22a之測定資訊，許可對患者進行粒子射線照射；和呼吸資訊教導裝置22b，用來將與呼吸同步有關之資訊示範給患者。
<控制系統>
如此之由複數個副系統構成之大型且複雜之系統之控制系統，一般之構成大多包含有用來專門控制各個副系統之副控制器，和用來指揮控制全體之主控制器。在本發明之實施形態1之粒子射線治療裝置之控制系統4亦採用此種主控制器和副控制器之構成。為著簡化，所說明之控制系統4是與粒子射線治療裝置之控制系中之加速器1、輸送系統3、照射系統2之3個副系統之控制有關之控制系統，亦即，如圖所示，具備有加速器控制部41、輸送系統控制部43、照射系統控制部42和全體控制部40。
對於控制系統4，使用示意性表示控制系統之構造之第2圖進行說明。然而，粒子射線治療裝置之控制器一般是使用工作站或電腦。因此，在許多情況時是將控制器稱為「計算機」。例如，第2圖中之主控制器40其實態是大多被稱為照射系統共同計算機之電腦上之功能，在此係作為具有某種功能之控制器操作。另外，機器控制計算機相當於用以進行屬於副系統之照射系統之控制之副控制器42，對應於與分散配置到各間治療室6A、6B之照射系統2A、2B對應之控制器之部分，係區別為42A、42B。依照此種方式，在粒子射線治療裝置(系統)之控制系統4，具備有屬於主控制器40和加速器1用之控制器、照射系統2用之控制器、輸送系統3用之控制器之副控制器41、42、43。另外，各個副控制器41、42、43利用被設在主控制器40內之時序指示功能，協同地進行控制動作。另外，時序指示功能本身亦可以如專利文獻3所記載之方式，輸出同步用之時序信號。另外，在第1圖與第2圖中，副控制器之位置等不同，這是由於在第1圖中控制器4綜合地記載，在第2圖中記載成以控制對象作為基準，故並不是表示實體上之位置是否不同。亦即，以控制器而言在實體上如何配置並不是本質上之問題。
連接到機器控制計算機(副控制器42A、42B)之「操作桌」為所謂之鍵盤與顯示器等，或控制器盒等之終端機，且為人機介面部。操作桌被設置在治療室6，和多數被設置在與治療室分離之照射操作室。在機器控制計算機之下位部連接有控制盤。控制盤，實質上如括號中所記載，有屬於控制對象之各種機器之驅動器、放大器和PLC(Programmable Logic Controller)等。經由控制盤在更下部位連接有機器。該機器包含用來驅動治療台之各軸之馬達，與用來驅動照射裝置內之X射線攝像裝置之馬達等，通常，亦包含上述之照射裝置21與導引功能部22。
但是，在本實施形態1之粒子射線治療裝置中，所記載的是對於與導引功能部22有關之控制，係不經由被設置在各間治療室6之控制盤，而是直接以主控制器40控制。其原因是，如後面所述，在本實施形態1之粒子射線治療裝置中，呼吸導引並不是在一間治療室中獨立地控制，而是需要協同其他之治療室和輸送系統進行控制，所以使經由的機器變少，可以避免產生浪費時間(延遲)而產生時序之偏移。但是，此種直接連接不是必要條件，只要能夠取得時序亦可以適當變更。
導引功能部照射系統共同計算機(主控制器40)之其他之任務是以此種方式指揮整體粒子射線治療裝置，即本身亦擔任副控制器42之功能，俾進行控制需與加速器系統1與輸送系統3同步控制之機器。在第1圖中將42括號表示即意味具有此功能。
依照此種方式，副控制器42中之與導引功能部22有關之控制功能由主控制器40擔任。對於其他之，例如，驅動治療台之各軸用之馬達，與驅動照射裝置內之X射線攝影裝置用之馬達等之機器，係如通常之方式，經由副控制器42進行控制。該等之治療台用之馬達與X射線攝影裝置用之馬達，在射束之照射中時不動。亦即，不需要與加速器系統1或輸送系統3之控制同步地進行控制。照射系統共同計算機(主控制器40)和照射系統之機器控制計算機(副控制器42)之訊息交接之目的是使互相告知Ready信號和告知信號等狀態，Ready信號表示那一間治療室6之照射系統2定位完成可以照射之狀態，告知信號用來告知那一間治療室6之照射系統2照射射束，且完成照射。簡單而言，為進行了序列之事件之影像。亦即，與副控制器42關聯之照射系統共同計算機(主控制器40)之任務是管理所謂「那一間治療室6之照射系統2取得來自加速器之射束」之照射，在其決定後，之後可以在每一間治療室6之副控制器42之中決定順序。
然而，如後面所述，在本發明之實施形態1之粒子射線治療裝置中，需要同步地控制各間治療室之呼吸及射束之切換。亦即，無法僅靠各間治療室6之副控制器來決定順序。因此，對導引功能部22下達之指令值不是來自機器控制計算機(副控制器42)，而是直接送自照射系統共同計算機(主控制器40)。
另外，對於照射系統2之功能中之形成照射視區域之功能，不是本發明之本質之部分。因此，對於照射裝置21之構造係省略其記載。另一方面，對於與呼吸導引連動用以控制對照射對象之照射之ON/OFF之射束閘，因為需要與輸送系統3同步，所以第2圖中雖未記載，但利用主控制器40直接控制。另外，需要與加速器系統1同步控制之搖擺電磁鐵或掃描電磁鐵等亦為照射裝置21之機器，依同樣之理由利用照射系統共同計算機40直接控制。
接著，使用第3圖進行說明在本發明實施形態1之粒子射線治療裝置中，為著以分時在複數間治療室同時照射從加速器1供給之粒子射束，對呼吸導引進行協同動作控制之方法。在該圖中，上段表示治療室6A之呼吸導引波形WIb(A)，對WIb(A)之臨限值Th(A)和射束閘之ON/OFF信號BG(A)，中段表示治療室6B之呼吸導引波形WIb(B)，對WIb(B)之臨限值Th(B)和射束閘之ON/OFF信號BG(B)，BL表示基線。下段表示輸送系統3之切換電磁鐵32之射束軌道(行程)。另外，圖中之橫軸是數呼吸週期量之時序，表示全部之段共同(同步)，越右邊表示越未來。縱軸在呼吸導引波形(綜合WIb(A)和WIb(B)稱為WIb，綜合Th(A)和Th(B)稱為Th)之情況時表示呼吸之狀態，上面為吸狀態，下面為呼狀態。在射束閘之ON/OFF信號(綜合BG(A)和BG(B)稱為BG)之情況，上側表示ON狀態，下側表示OFF狀態，在軌道之情況，表示以上側朝向治療室6A，下側朝向治療室6B之方式，設定軌道(行程)。
另外，圖中之導引波形(目標呼吸波形)在被設置於各間治療室6之呼吸資訊教導裝置22b中，顯示隨著時間之經過從右向左被捲軸，患者利用該被捲軸之目標呼吸波形之顯示使呼吸被導引。這時，當呼吸測定裝置22a使用例如用以測定患者之腹部之動作之雷射變位計等之情況時，只要將縱軸設為表示雷射變位計之輸出量的單位，透過顯示成使實際之測定值重疊在目標呼吸波形，即可以對患者視覺地顯示與導引之偏差，同時可以導引呼吸。
一般而言，患者之患部臟器在呼狀態(縱軸之下方)時位置最為穩定，所以根據呼狀態之照射對象之位置與形狀進行治療計劃，和以呼狀態進行射束照射。圖中之臨限值Th表示成為許可照射射束之基準之值。呼吸閘信號BG表示目標呼吸波形WIb在臨限值Th以下時成為ON。在治療時，當目標呼吸波形和表示未圖示之實際呼吸狀態之波形雙方均在臨限值以下時，許可照射。在此，為著使同步控制之說明簡化，對根據表示實際呼吸狀態之波形之控制之說明予以省略。
在此，對於輸送系統之行程切換，在先前技術中，當在一間治療室開始治療時至其治療完成為止，於其途中不會切換行程至其他間治療室，如第3圖之下段所示，在一個呼吸週期內不會切換輸送系統之行程。亦即，至對一位患者完成照射為止，不會進行對其他患者之照射。在本實施形態之粒子射線治療裝置中，由於從加速器1供給之帶電粒子射束在時間上進行分享，所以在治療室6A和治療室6B，呼吸閘亦不會同時成為ON。但是，在本實施形態之粒子射線治療裝置中，於治療室6A和治療室6B之間，在1次之照射中切換複數次(以呼吸週期為單位)之行程，藉此在相同之時間帶可以同時對複數位患者進行照射粒子射束，亦即可使患者接受粒子射線治療。以下詳細地說明其實現方法。
一般而言，人之呼吸之週期並不一定，且其長度會隨個人而有差異。但是，利用呼吸導引裝置等可以將呼吸導引成為一定之週期。理由是呼吸雖為由自律神經所支配，但可以例外性地進行意識性動作。因此，在專利文獻4中，以適於加速器週期之週期進行呼吸導引。但是，在那種情況，在一間治療室進行照射之期間，在其他之治療室亦不會進行照射。因此，在本實施形態之粒子射線治療裝置中，在治療室6A和治療室6B，使目標呼吸之週期一致，使相位偏移預定量，以週期中之預定相位切換對治療室6A和治療室6B之帶電粒子射束之輸送行程，藉此可以於相同之時間帶在治療室6A和治療室6B進行粒子射線治療。對於週期，可以設定在平均之人之呼吸週期之2秒至20秒之間，以在治療室6A和治療室6B，呼吸閘不會同時ON之方式調整相位之偏移。以下，參考第4圖之流程圖進行說明。
目標呼吸之週期設定在適於同時接受治療之患者之週期(步驟S10)。當將設定之週期輸入到主控制器40時，主控制器40決定各個治療室之相位(偏移)，算出與偏移之相位對應之輸送系統3之行程切換時序TC(步驟S20)。然後，內建在主控制器40之時序指示器進行以下之指示。對各間治療室6A、6B之呼吸導引裝置22A、22B，指示使相位偏移之目標呼吸之時序。然後，以當治療室A之呼吸閘ON時可以在A室照射，當治療室B之呼吸閘ON時可以在B室照射之方式對行程切換裝置(第1圖中之切換電磁鐵32之控制裝置，或副控制器43)指示時序(步驟S30)。利用此種方式，只要每一間治療室之準備完備，如第3圖所示即可於治療室6A和治療室6B在一個時間帶同時進行粒子射束之照射(步驟S40)。
另外，這時在2間治療室，不需要勉強地配合開始照射，照射之開始與結束只要就各間治療室決定即可。不過，在各間治療室之治療，當只在呼吸導引之預定相位之部分進行照射之情況時，在複數間治療室(6A、6B)中，即使照射之時間帶重疊，亦由於在呼吸週期內分時來自加速器1的粒子射束，故可將在各個治療室之治療以如同在單獨之治療室進行治療之方式實行治療。
對於行程切換之時序TC，在第3圖中，例如，將從治療室6A切換行程到治療室6B之時序設為TCAB 、將治療室6A之閘從ON切換成為OFF之時序設為TfA 、將治療室6B之閘從OFF切換成為ON之時序設為ToB 、且雖未圖示但將從治療室6B切換行程到治療室6A之時序設為TCBA 、將治療室6B之閘從ON切換成為OFF之時序設為TfB 、將治療室6A之閘從OFF切換成為ON之時序設為ToA 時，最好使以下之式(1)、式(2)成立。
TCAB -TfA <ToB -TCAB ‧‧‧(1)
TCBA -TfB <ToA -TCBA ‧‧‧(2)
其理由是：2間治療室之雙方之閘成為OFF之時間PCAB (=ToB -TfA )、PCBA (=ToA -TfB )中，藉由將「從切換行程起至閘成為ON為止之時間」設成比「從成為OFF起至切換行程為止之時間」長，在操作輸送系統3之行程切換電磁鐵32時，即可以取得從切換行程起至軌道穩定為止之時間。
其次，說明目標呼吸波形之製作方法。目標呼吸波形雖可以artificial地作成，但是配合患者本身之呼吸最自然。顯示目標呼吸波形使呼吸配合其之目的是在計劃時和治療時，使患部之位置姿勢相同地重現。因此，首先使患者以輕鬆之姿勢進行呼吸，利用呼吸測定裝置22a進行測定。接著，對測定到之呼吸波形進行微調、時間伸縮、與平均化等，以設定適當之週期用來在治療室6A和治療室6B作成相同之週期。這時，在未圖示之治療計劃裝置記錄有患者之自然之呼吸波形之情況時，亦可以從所記錄之波形計算最佳之目標呼吸之週期。另外，在選定同時接受治療之患者時，亦可以選定自然之呼吸之週期較近者，亦即可以自動地選定週期容易配合之患者。
另外，在上述之說明中是對2間治療室以相同週期使相位偏移之方式進行調整，但是亦可以使用其他之方式，例如，週期即使為整數倍之關係，只要以照射時間不重疊之方式進行調整亦可以，不限於相同週期，藉由調整週期和相位以使照射時間不重疊亦可以。
如上所述，依照本實施形態1之粒子射線治療裝置時，具備有：複數間治療室6；導引功能部22，設在複數間治療室6之各間，並屬於根據目標呼吸波形WIb誘導患者之呼吸之呼吸誘導裝置；粒子射束之輸送路徑31，用來連結加速器1和複數間治療室6之各間；切換電磁鐵32，設置在輸送路徑31中，並屬於用以切換粒子射束之軌道之切換裝置，俾將從加速器1射出之粒子射束供給到複數間治療室6中之任一間治療室；照射裝置21，設在複數間治療室6之各間，使被供給之粒子射束成形為對應照射對象之照射區域，並至少與目標呼吸波形WIb同步地控制對照射對象之照射；和控制器4，控制成至少使上述複數間治療室6中之2間以上之預定數之治療室6A、6B之呼吸誘導裝置22和切換電磁鐵32同步；因為控制器4構成為：控制成以與預定數之治療室6A、6B中之目標呼吸波形WIb同步之照射時間(TI(A)和TI(B))不重疊之方式，對預定數之治療室之呼吸誘導裝置22，調整目標呼吸波形WIb(A)、WIb(B)之週期和相位，並對應預定數之治療室之各間的照射時間(TI(A)和TI(B))，切換粒子射束之軌道，以此方式控制切換電磁鐵32之切換時點TCAB ，所以從加速器1射出之粒子射束在呼吸週期中，在複數間治療室，利用分時接受供給而使粒子射束成為可以同時照射。因此，在相同之時間帶在複數間治療室進行粒子射線照射，藉此可以獲得使多數患者能夠接受治療之粒子射線治療裝置。
特別是控制器4因為構建成對預定數之治療室之呼吸誘導裝置，調整成於相同之週期使相位偏移以產生目標呼吸波形，所以可以容易地調整照射時間成為不重疊。
特別是控制器4構成為：當在預定數之治療室中，將從第1治療室(例如，6A)切換到第2治療室(例如，6B)之軌道之切換時點設為TC12 ，將第1治療室6A之照射從ON切換成OFF，亦即將照射停止之時點設為Tf1 ，將第2治療室6B之照射從OFF切換為ON，亦即將開始照射之時點設為To2 時，以使[TC12 -Tf1 <To2 -TC12 ]成立之方式控制切換時點，所以在操作輸送系統3之行程切換電磁鐵32時，從切換行程(軌道)到軌道穩定為止之時間變長，可以穩定地照射。
實施形態2
在實施形態1中是說明治療室為2間之情況。但是，一般而言粒子射線治療裝置大多是對1個主加速器1具備有3至4間之治療室。因此，在本實施形態2中說明治療室為3間以上之情況。
以下之用語雖視為與實施形態1相同，但是在說明多間治療室之相位偏移時，對一些用語重新下定義。
<呼吸週期>
如第3圖所示，目標呼吸波形由週期性重複相同之圖形之波形所構成。例如，表示吸最多氣之狀態之極大點係依一定之時間間隔出現。該一定之時間間隔稱為「呼吸週期」(C(A)或C(B)總稱為C)(單位為時間[sec])。
<呼吸相位>
如第3圖所示，目標呼吸波形WIb(A)和目標呼吸波形WIb(B)為相同之呼吸週期C，但是在目標呼吸波形WIb(A)和目標呼吸波形WIb(B)其極大點之位置出現偏移。如此，將重疊2個相同波形時之時間上之偏移稱為「相位偏移」。此情形亦可以視為與探討三角函數(sine、cosine)時完全相同。因此，相位之單位為弧度或度(°)。
<工作比(duty ratio)>
如第3圖所示，呼吸閘信號BG設為對應目標呼吸波形Wib而決定。在實施形態1中所說明之方法是在目標呼吸波形WIb低於臨限值Th時，將閘信號BG進行ON之方法。依照此種方式，呼吸閘信號BG為重複調整了幅度(時間)之ON和OFF之2進位之信號的PWM(Pulse Width Modulation)式之信號。呼吸閘信號之ON之時間和OFF之時間之比可以用工作比表示。具體而言，工作比定義為信號為ON之時間相對於全體週期之比例。例如，在ON和OFF之時間比為1：3之情況時，工作比成為0.25(=1/(1+3))。
現在，假定呼吸閘信號BG的工作比為以0.5(1/2)反覆ON/OFF。在此種情況時，只要使相位偏移180度，即可令2間治療室之閘信號BG不會同時成為ON。亦即，在上述之情況，以分時可以同時照射射束的治療室達2間。理想上在工作比為0.5時可以在2間以分時同時照射。但是，實際上亦需要考慮治療室之行程切換之時間，所以復有限制。
另外一方面，若考慮到患者之呼吸和患部臟器之位置姿勢之關係時，則有如以下所述之情形。臨限值Th越低時越可以使患部之位置姿勢相同地予以良好再現。相反地，若將臨限值Th降低時，則呼吸閘信號之工作比亦會因此而減低。
因此，對於治療室數為3以上之情況時之分時之方法使用第5圖之流程圖進行說明。作為前提係設成：與目標呼吸波形WIb對應之呼吸閘信號BG其工作比為0.5弱(1/2弱)，雖可以進行2間之同時間帶之照射，但是不能進行3間之同時間帶之照射，亦即，存在有將照射設為ON之時間重疊之治療室。並且準備作為目標呼吸波形WIb之使相位偏移180度之波形WIb(α)和波形WIb(β)之2個時序群組α、β(步驟S210)。
首先，對欲在治療室6A至6C中之某一治療室(例如6A)開始治療之醫生等，以可以確認其他之治療室(例如6B、6C)之治療狀況之方式，透過照射系統共同計算機(主控制器40)之操作桌進行顯示。在此，所謂治療狀況是指是否為治療中和所選擇之目標呼吸波形群組(α或β)。其次，依照其他治療室之治療狀況，受理自醫生等輸入之由照射系統共同計算機(主控制器)管理之目標呼吸波形之時序群組之α或β之選擇結果，並設定在被輸入之群組(步驟S220)。亦即，各間治療室選擇群組α或群組β所屬之群組。另外，亦可以在本步驟S220，不對醫生等顯示，而在與各間治療室對應之控制器內進行判斷，選擇適當群組。或是亦可以依各間治療室預先區分為群組α與群組β而設定。
對已設定群組之治療室(之副控制器42或導引功能部22)，輸出來自主控制器40之與該群組對應之時序之信號(步驟S230)。經由輸入該時序信號，在各間治療室顯示與被選擇之群組對應之目標呼吸波形WIb。
當目標呼吸波形WIb被顯示時，患者依照目標呼吸波形WIb，慢慢地調整自已之呼吸。在此，群組α或群組β之任一方在複數間治療室未被選擇，亦即，在沒有ON時間重疊之治療室之情況時(步驟S300為「N」)，與實施形態1之步驟S40同樣地，可以進行利用分時開始照射(步驟S240)。但是，如前提條件，在複數間治療室選擇相同群組之情況時，在選擇相同群組之治療室，ON時間會變成重疊。在此種情況時(步驟S300為「Y」)，以下面所述之方式，進行成為分時照射對象之治療室之限定。
具有時序指示器之主控制器40，至少將選擇相同群組之治療室之各個目標呼吸波形，和從患者呼吸測定裝置22a輸出之實際呼吸波形進行比較(步驟S310)。然後，根據比較結果將各間治療室之照射準備度點數化，當點數高於預先決定之值時，判斷為可照射，決定作為分時照射對象之治療室(步驟S320)。這時，當在選擇同一群組之治療室成為可照射之治療室為複數時，選擇點數最高者作為照射對象。或是依照治療內容等考慮同一點數之情況時，可以對治療室預先訂定優先順序。或是亦可以將點數設為「可照射」、「不可照射」之2進位(0或1)。
依照此種方式，從群組α和β決定各一間治療室作為分時照射對象，在被決定之治療室顯示成為治療對象，進入治療(步驟S240)。利用此種方式，即使在可分時之治療室為2間之情況時，亦可以從3間以上之治療室選定2間，進行分時治療。另一方面，未被選定之治療室，至相同群組之其他治療室之治療完成為止，成為等待狀態，並顯示該待狀態。
下面具體地說明步驟S250之照射準備度之點數化之方法。
最直覺之方法是計算目標呼吸波形和實際呼吸波形之誤差之平方總和之方法。具體而言，依照以下之方式進行。當將呼吸週期設為T時，第k號之呼吸週期之誤差之平方總和Se利用表示誤差之平方積分Ie之式(3)求得。
[數式1]
其中，b(t)為實際呼吸波形，bobj (t)為目標呼吸波形。
另外，進行離散時間化地表示時，成為如以下之式(4)所示。
[數式2]
其中，n為1個呼吸週期之樣本數。
得點亦可以，例如，從基準點減去該誤差之平方總和Se之減點方式求得。
另外，要更單純時有將目標呼吸波形和實際呼吸波形之呼吸閘進行比較而予以點數化之方法。這時，以在1個呼吸週期中，目標呼吸基準和實際呼吸基準之雙方中，呼吸閘成為ON之時間較長之一方為較佳。因此，亦可將在該目標波形基準呼吸閘成為ON之時間，和在實際呼吸基準呼吸閘成為ON之時間成為同時之時間作為點數。
在上述點數化時，除了現在之呼吸週期外，亦可以將過去之1至2週期量列入考慮。呼吸之狀態不變者可謂適於射束照射之狀態。
另外，上述之例中，為著容易明白ON時間重疊之治療室，使用預先準備之實例來說明ON時間未重疊之群組，但是並不只限於此種方式。例如，即使調整每一間治療室之相位，在ON時間為重疊之情況時(第5圖中之步驟S300)，可以從重疊之治療室之中選定應作為分時照射對象之治療室。
如上所述，依照本實施形態2之粒子射線治療裝置時，由於控制器4係構成為：在複數間治療室之中，例如，如選擇了相同群組時有與目標呼吸波形WIb同步之照射時間TI重疊之治療室之情況時，將照射時間TI重疊之各間治療室之目標呼吸波形WIb，和呼吸測定裝置22a所測定到之實際呼吸波形進行比較，再根據比較結果從照射時間TI重疊之治療室中，選定一間治療室作為同步控制對象，亦即作為以分時進行照射之對象，因此即使在治療室數多於可同時照射之治療室數之情況時，亦可以順暢地進行分時照射。
實施形態3
在上述實施形態1或2之前提中，所說明之情況是以分時可以同時照射之治療室為2間，呼吸閘信號BG之工作比為0.5弱。但是，如上所述當將工作比降低時，臨限值Th會變低，而將使患部之位置姿勢之再現性變好。在先前技術之粒子射線治療裝置中，若將工作比降低，則1次之治療時間會變長，可以接受診治之患者數將減少，所以需要保持高工作比。但是，在採用分時同時照射之本發明之粒子射線治療裝置之情況時，即使降低工作比，亦能增加可同時照射之治療室數，所以既可維持可接受診治之患者數，又可以使患部之位置姿勢之穩定性提升。因此，可以將呼吸閘信號之工作比設成可在3室進行分時同時照射之0.33弱(1/3弱)。在此種情況時，使相位各偏移120度，製作3個目標呼吸波形群組α、β、γ，可以以分時同時照射至治療室數=3。
另外，呼吸閘信號BG亦可以不使用臨限值Th來製作。因為目標呼吸波形Wib本來就是任意賦予者，所以對應之呼吸閘信號BG亦為任意者。例如，在目標呼吸波形Wib低於臨限值Th之區域中，為只使用後半部分之方式。其理由是欲使用目標呼吸波形WIb儘可能穩定且平坦之區域。相對於此，對於實際呼吸波形之呼吸閘信號之作成，利用臨限值Th之方法容易明白。
另外，若將目標呼吸波形之呼吸閘信號之工作比設定在更低之0.25弱(1/4)，並使相位各偏移90度，來製作4個目標呼吸波形群組α、β、γ、δ，則可以以分時同時照射至治療室數=4。
另外，在上述之例中亦是為著容易明白ON時間重疊之治療室，使用預先準備ON時間不重疊之群組之例進行說明，但是並不只限於此種方式。例如，在現時點設定之工作比，即使調整每一間治療室之相位，在ON時間有重疊之情況時亦可以將工作比適當地降低。
如上所述，依據本實施形態2之粒子射線治療裝置時，由於控制器4係構成為：在複數間治療室之中，在有與目標呼吸波形WIb同步之照射時間TI重疊之治療室之情況時，以照射時間TI不重疊之方式，調整與各個照射裝置22之目標呼吸波形WIb同步之照射時間TI之比例使其變小，因此即使成為對象之治療室數多於可同時照射之治療室數之情況時，亦可順暢地進行分時照射。
實施形態4
在上述各個實施形態1至3中，所說明之例是各個時序群組之工作比均等地分配。但是，依照屬於照射對象之患者之部位，存在有接近肺之容易受呼吸影響之部分，和頭部等之不容易受呼吸影響之部分。亦即，各時序群組之工作比未必一定為均等。因此，在本實施形態4之粒子射線治療裝置中，在照射系統共同計算機(主控制器40)，係設成預定準備工作比不同之時序群組。醫生等可以依照屬於照射對象之患者之部位，選擇適當之時序群組。或是亦可設成主控制器40從被記錄在治療計劃裝置之資訊抽出工作比資訊，從所抽出之工作比資訊選擇適當之群組。
在此種情況時，主控制器40依照所選擇之各間治療室之時序群組之工作比，以ON時間不重疊之方式，調整各個時序群組之相位之偏移。例如，在3間治療室之分別被選擇之群組α之工作比為0.15，群組β之工作比為0.4，群組γ之工作比為0.3之情況時，只要將β對α設為偏移72度，將γ對α設為偏移234度，則在各群組間保持18度量之切換時序，即可使ON時間偏移成為可以進行分時同時照射。
另外，在被選擇之群組之工作比之合計超過1之情況時，以合計不超過1之方式，如實施形態2所示地適當限定分時之對象治療室，或如實施形態3所示地調整工作比使其下降即可。
1．．．加速器(同步加速器)
2．．．照射系統(21：照射裝置、22：導引功能部(呼吸誘導裝置)(22a：呼吸測定裝置))
3．．．輸送系統(31：輸送路徑、32：切換電磁鐵(切換裝置))
4．．．控制系統(控制器)(40：主控制器)
6．．．治療室
C．．．週期
TC．．．利用切換電磁鐵之射束軌道之切換時序
Tf．．．利用照射裝置之與目標呼吸波形同步之停止照射之時序
TI．．．與目標呼吸波形同步之照射時間
To．．．利用照射裝置之與目標呼吸波形同步之開始照射之時序
WIb．．．目標呼吸波形
第1圖用來說明本發明實施形態1之粒子射線治療裝置之全體構造。
第2圖是功能方塊圖，用來說明本發明實施形態1之粒子射線治療裝置之控制系統之構造。
第3圖是時序圖，用來說明本發明實施形態1之粒子射線治療裝置之複數間治療室和輸送系統之協同控制。
第4圖是流程圖，用來說明本發明實施形態1之粒子射線治療裝置之動作。
第5圖是流程圖，用來說明本發明實施形態2之粒子射線治療裝置之動作。
1．．．加速器
4．．．控制系統
5．．．前段加速器
6A、6B．．．治療室
11．．．真空導管
12．．．射入裝置
13a、13b、13c、13d．．．偏向電磁鐵
14a、14b、14c、14d．．．收斂用電磁鐵
15．．．高頻加速空洞
16．．．射出裝置
17．．．六極電磁鐵
21A、21B．．．照射裝置
22A、22B．．．導引功能部
22a．．．患者呼吸測定裝置
22b．．．呼吸資訊教導裝置
22c．．．呼吸同步裝置
31A．．．治療室A用導管
31B．．．治療室B用導管
31m．．．主導管
32．．．切換電磁鐵
33．．．偏向電磁鐵
40．．．主控制器
41．．．加速器控制部
42．．．照射系統控制部
43．．．輸送系統控制部

Claims (7)

  1. 一種粒子射線治療裝置，係具備有：複數間治療室；粒子射束之輸送路徑，用來連結加速器和上述複數間治療室之各間；切換裝置，設置在上述輸送路徑中，以將從上述加速器射出之粒子射束供給到上述複數間治療室中之任一間治療室的方式，切換上述粒子射束之軌道；呼吸誘導裝置，設置在上述複數間治療室之各間，根據目標呼吸波形來誘導患者之呼吸；照射裝置，設置在上述複數間治療室之各間，控制成使被供給之粒子射束成形在與照射對象對應之照射區域，並至少與上述目標呼吸波形同步而朝向上述照射對象照射；以及控制器，控制成使至少上述複數間治療室中之2間以上之預定數之治療室之呼吸誘導裝置和上述切換裝置同步；上述控制器以與上述預定數之治療室之上述目標呼吸波形同步之照射時間不重疊之方式，調整上述預定數之治療室之上述目標呼吸波形之週期和相位，並以對應上述預定數之治療室之各間之上述照射時間，切換上述粒子射束之軌道之方式，控制上述切換裝置之切換時點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之粒子射線治療裝置，其中，上述控制器以相同週期使相位偏移之方式，調整上述預定數之治療室之呼吸誘導裝置之上述目標呼吸波形。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之粒子射線治療裝置，其中，上述控制器係在上述預定數之治療室中，當將從第1治療室朝向第2治療室之軌道之切換時點設為TC12 ，上述第1治療室之停止照射之時點設為Tf1 、上述第2治療室之開始照射之時點設為To2 時，以使TC12 -Tf1 <To2 -TC12 ‧‧‧(1)上述式(1)成立之方式控制上述切換時點。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之粒子射線治療裝置，其中，上述控制器係在上述預定數之治療室中，當將從第1治療室朝向第2治療室之軌道之切換時點設為TC12 ，上述第1治療室之停止照射之時點設為Tf1 、上述第2治療室之開始照射之時點設為To2 時，以使TC12 -Tf1 <To2 -TC12 ‧‧‧(1)上述式(1)成立之方式控制上述切換時點。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之粒子射線治療裝置，其中，上述呼吸誘導裝置具備有用來測定上述患者之實際呼吸之呼吸測定裝置；上述控制器係在上述複數間治療室中有與上述目標呼吸波形同步之照射時間重疊之治療室之情況時，使上述照射時間重疊之每一間治療室之上述目標呼吸波形和上述呼吸測定裝置所測定到之實際呼吸波形進行比較，根據比較之結果在上述照射時間重疊之治療室中，選定一間治療室進行上述同步作為控制對象。
  6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之粒子射線治療裝置，其中，上述控制器係在上述複數間治療室中有與上述目標呼吸波形同步之照射時間重疊之治療室之情況時，以上述照射時間不重疊之方式，使與上述照射裝置之上述目標呼吸波形同步之照射時間之比例減小，以此方式進行調整。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之粒子射線治療裝置，其中，上述控制器係在上述複數間治療室中有與上述目標呼吸波形同步之照射時間重疊之治療室之情況時，以上述照射時間不重疊之方式，使與上述照射裝置之上述目標呼吸波形同步之照射時間之比例減小，以此方式進行調整。
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