TWI459406B - Line scanning apparatus - Google Patents

Description

線掃描裝置

本發明係關於一種對線掃描射束進行掃描控制之線掃描裝置。

以往，作為有關該領域之技術文獻，已知有日本特開2009-243891號公報。於該公報中記載之帶電粒子束照射裝置係具備：用於掃描帶電粒子束之掃描電磁鐵、對掃描電磁鐵的動作進行控制之控制裝置、以及檢測射束的位置之監控器，並且係沿著設定在照射對象的照射區域的照射線，一邊掃描帶電粒子束一邊進行連續照射。

專利文獻1：日本特開2009-243891號公報

然而，於上述照射裝置中，需要避免帶電粒子束照射到照射區域以外部位之事態或過量照射到相同部位之事態。故，被要求製作成可高精度控制帶電粒子束之高可靠性之照射裝置。

因此，本發明是鑒於這種情況而完成的，其目的在於提供一種可以謀求提高可靠性之線掃描裝置。

本發明之特徵在於，具備：射束照射機構，係照射線掃描射束；照射位置檢測機構，係檢測線掃描射束之照射位置；停留時間測定機構，係測定在照射位置檢測機構所檢測出的照射位置處之線掃描射束的停留時間；掃描控制機構，係利用照射位置檢測機構所檢測出的照射位置和停留時間測定機構所測定出的停留時間，對線掃描射束進行掃描控制。

根據本發明之線掃描裝置，係在檢測線掃描射束之照射位置的同時，測定與該照射位置對應之停留時間，並利用這些結果對線掃描射束進行掃描控制，藉此可以更確實地防止線掃描射束向錯誤位置之照射或過量照射，從而可以謀求提高線掃描裝置的可靠性。

於本發明之線掃描裝置中，係進一步具備：聯鎖控制機構為宜，該聯鎖控制機構係利用照射位置檢測機構所檢測出的照射位置和停留時間測定機構所測定出的停留時間，進行聯鎖控制。

在這種情況下，當線掃描射束照射到錯誤位置或超過預定時間而過量照射時，藉由進行使線掃描射束停止照射之聯鎖控制，可以防止線掃描射束之錯誤照射。

又，於本發明之線掃描裝置中，掃描控制機構係利用照射位置檢測機構所檢測出的照射位置和停留時間測定機構所測定出的停留時間，來對線掃描射束之掃描進行反饋控制為宜。

在這種情況下，藉由反饋控制可達成線掃描射束的高精度之掃描控制，從而可以謀求提高線掃描裝置的可靠性。

根據本發明，係可以謀求可靠性的提高。

以下，將參照附圖對本發明之線掃描裝置之較佳實施方式進行詳細說明。

如第1圖所示般，本實施方式之線掃描裝置1係被利用在粒子束治療設備中，用來進行線掃描射束的掃描控制，前述粒子束治療設備係藉由掃描質子束或碳離子束等的線掃描射束來對患者的患部進行照射以資進行癌症等之治療。線掃描裝置1係具備有：對設定在患者患部之照射區域照射線掃描射束之照射噴嘴(射束照射機構)2。於使用這種線掃描射束之粒子束治療中，為了降低由於線掃描射束之錯誤照射所引起之風險，係藉由將降低強度之射束分成多次照射到照射區域內來進行治療。

照射噴嘴2係通過射束傳輸系統3與加速器4連接。加速器4係對質子或碳離子等的帶電粒子進行加速之迴旋加速器或同步加速器等。利用加速器4加速後之帶電粒子成為數mm直徑之筆形射束而入射到射束傳輸系統3。通過射束傳輸系統3供給至照射噴嘴2的供給口2a的帶電粒子之射束L，係從照射噴嘴2前端的照射口2b射出，照射到設定在患者患部之照射區域P。

於照射噴嘴2內設有：用於使供給之射束L偏向而進行掃描控制之掃描電磁鐵5、6。掃描電磁鐵5、6係被構成為如下：可以朝向在於與被供給的射束L的直進方向垂直的平面內呈正交之兩個方向掃描射束L。將在於與射束L的直進方向垂直的平面內呈正交之兩個方向設為X軸方向、Y軸方向。掃描電磁鐵5係使射束L朝向X軸方向偏向之X軸用掃描電磁鐵，掃描電磁鐵6係使射束L朝向Y軸方向偏向之Y軸用掃描電磁鐵。射束L係藉由這些掃描電磁鐵5、6而在於與直進方向正交之平面內偏向，並作為線掃描射束進行掃描。

於照射噴嘴2內設有：兩個劑量監控器7、8，係與射束L之路線相交叉。劑量監控器7、8係設置在比掃描電磁鐵5、6更靠近照射口2b側，用來檢測所通過的射束L劑量。劑量監控器7、8係將所檢測出的劑量輸出至電磁鐵控制部9。

電磁鐵控制部9係設置在照射噴嘴2外，係與掃描電磁鐵5、6、劑量監控器7、8、以及向它們供給電流之電源10形成電性連接。又，電磁鐵控制部9係與統管有關射束L的照射的控制之照射控制部(掃描控制機構)14形成電性連接(參照第3圖)。電磁鐵控制部9係對照射控制部14輸出劑量監控器7、8之檢測結果。電磁鐵控制部9係按照來自照射控制部14之指令控制掃描電磁鐵5、6，以使射束L沿著後述之掃描模式進行掃描。

如第1圖及第2圖所示般，於照射噴嘴2內設有：檢測射束L的照射位置之照射位置傳感器(照射位置檢測機構)11。照射位置傳感器11係設置在比劑量監控器7、8更靠近照射口2b側。照射位置傳感器11係從電源10供給高電壓，且具備有內藏在電離室之穿透型多條電線11A、11B。

電線11A、11B係分別設有128條，構成從射束L之直進方向來觀察時係呈網格狀之線柵。電線11A係配置成朝向上述X軸方向延伸，電線11B係配置成朝向上述Y軸方向延伸。電線11A和電線11B係配置成：於射束L的直進方向上之高度不同。再者，電線11A、11B之條數不限於128條，亦可少於或多於128條。

於這種結構之電線11A、11B中，能夠以從射束L之直進方向來觀察時之電線11A、11B之各交點作為座標來表示平面內之位置。由於在接受射束L的照射之電線11A、11B中發生電荷，故藉由探測該電荷可以進行包含在射束L的照射範圍內的交點之分布，亦即可執行射束L的照射位置之檢測。

如第1圖、第3圖及第4圖所示般，照射位置傳感器11係透過前端電路部12與運算處理電路部(停留時間測定機構)13形成電性連接。前端電路部12係分別具有：128×2個(256個)I/V放大器21、放大器22、及A/D轉換器23。I/V放大器21、放大器22、及A/D轉換器23係對應於每一條照射位置傳感器11之電線11A、11B而形成串聯連接。

於前端電路部12中，若根據射束L之照射而在於電線11A、11B產生電荷的話，則電流將流入與各電線11A、11B連接之I/V放大器21中，於I/V放大器21轉換成電壓信號。之後，電壓信號藉由放大器22增幅，增幅後之電壓信號輸入到A/D轉換器23。又，從運算處理電路部13的閘陣列34輸出之信號通過收發器33及接收器27輸入到放大器22中。

A/D轉換器23係將被放大器22輸入之信號轉換成數位信號並輸出。A/D轉換器23所輸出之數位信號通過收發器24被送至運算處理電路部13之閘陣列34中。再者，於該前端電路部12中，每0.2ms進行信號處理，從而可確保射束L的照射位置之檢測精確度。

運算處理電路部13係具有：閘陣列34、記憶體35、處理器36。閘陣列34係具有：資料暫存器51和運算電路52。於閘陣列34中，從A/D轉換器23輸出之數位信號通過接收器31輸入到資料暫存器51。

資料暫存器51係對應於從射束L之直進方向來觀察時的電線11A、11B之各交點而配置有128×128個(16384個)。於各資料暫存器51之輸入端子係連接有分別與電線11A及電線11B對應之A/D轉換器23。若於所對應之電線11A、11B之交點接受到射束L之照射的話，則從連接於輸入端子之A/D轉換器23每一次被輸入一個數位信號而符合輸出條件，並從資料暫存器51輸出照射位置信號。從資料暫存器51輸出之照射位置信號將被送至運算電路52。

於運算電路52中，從由資料暫存器51輸出之照射位置信號檢測出已接受射束L的照射的電線11A、11B的交點之位置，將其檢測結果作為照射位置資訊而暫時存儲。以這種方式，於閘陣列34中，係依據從照射位置傳感器11的各電線11A、11B輸出之電流，即時地檢測出射束L之照射位置。閘陣列34係將檢測出的射束L的照射位置之中心作為重心位置來進行計算。又，閘陣列34針對於每個已計算出來之重心位置測定射束L之停留時間。

於記憶體35中存儲著有關射束L的掃描控制之掃描模式。掃描模式是指：射束L對設定在患者患部的照射區域之掃描模式，包括有關射束L之照射位置、停留時間、及重心位置的軌跡之資訊。記憶體35係將所要求之掃描模式輸出至閘陣列34。

閘陣列34係藉由比較掃描模式與檢測出的射束L之照射位置及停留時間，進行射束L之掃描控制是否從掃描模式之範圍偏離之有無異常的判定。當閘陣列34判定為射束L之掃描控制從掃描模式偏離時，就透過收發器37向照射控制部14的ICU[Irradiation Control Unit，照射控制單元](聯鎖控制機構)43輸出聯鎖信號。當從閘陣列34輸出聯鎖信號時，ICU43就進行強制停止射束L的照射之聯鎖(interlock)。

處理器36係具有：輸入來自照射控制部14的信號之指令譯碼器41和向照射控制部14輸出信號之狀態編碼器42。用於與照射控制部14取得同步之同步信號通過接收器38輸入至指令譯碼器41。指令譯碼器41係將所輸入之同步信號輸出至閘陣列34。於閘陣列34檢測出的射束L之照射位置係被輸入到狀態編碼器42。狀態編碼器42係將所輸入之射束L之照射位置輸出至照射控制部14。

接著，參照附圖對運算處理電路部13中之射束L的掃描控制之有無異常的判定處理進行說明。第5圖係表示運算處理電路部13中之實測值的輸出處理之流程圖，第6圖係表示運算處理電路部13中之掃描模式的輸出處理之流程圖。第7圖係表示運算處理電路部13中之有無異常的判定處理之流程圖。

如第5圖所示般，於運算處理電路部13(閘陣列34)中，首先，係利用按照由照射位置傳感器11產生之電流而從前端電路部12輸出之數位信號，檢測出射束L之照射位置(步驟S1)。之後，射束L的照射位置之中心係作為重心位置而被計算出來(步驟S2)。

若計算出重心位置，則比較所計算出來之重心位置和前一次計算出來之重心位置，判定重心位置是否移動(步驟S3)。當判定為重心位置沒有移動時，就使該重心位置處的計時值(Timecount)之值增加1(步驟S4)。之後，返回步驟S1，重複各步驟。再者，當重心位置之計算為第一次時，係判定為重心位置已經移動過。又，將計時值(Timecount)之初始值設為“0”。

另一方面，當判定為重心位置已經移動時，就產生用於進行後述之掃描模式的讀取之變換觸發(步驟S5)。又，計時值(Timecount)被重新設定，再次從“0”開始計數。之後，返回步驟S1，重複各步驟。

如第6圖所示般，於運算處理電路部13(閘陣列34)中，當於第5圖所示之步驟S4中產生變換觸發時，就從記憶體35讀取出與重心位置對應的掃描模式(步驟S11)。若讀取出掃描模式的話，則暫時結束處理直到再次產生變換觸發為止。

如第7圖所示般，於運算處理電路部13(閘陣列34)中，當於第5圖所示之步驟S5中產生了變換觸發時，就進行在步驟S2中所計算出來之重心位置是否在掃描模式的範圍內之有無異常的判定(步驟S21)。在該步驟S21中所使用之掃描模式係在第6圖的步驟S11中每次進行掃描模式之讀入時就被更新。

當於步驟S2中所計算出來的重心位置在掃描模式之範圍內時，亦即，所檢測出的照射位置與掃描模式之照射位置一致，且測定出的停留時間係在掃描模式中所規定之停留時間以下，並且重心位置之移動軌跡係在掃描模式中所規定之軌跡範圍內時，就判定為射束L被正常地執行掃描控制。當判定為射束L被正常地執行掃描控制時，運算處理電路部13就結束處理。

另一方面，當實測值不在掃描模式之範圍內時，亦即，所檢測出的照射位置係與掃描模式之照射位置不同，或者測定出的停留時間超過掃描模式中所規定之停留時間，或者重心位置之移動軌跡係在掃描模式中所規定之軌跡範圍之外時，就判定為射束L之掃描控制係存有異常。當判定為射束L之掃描控制存有異常時，就進行聯鎖處理(步驟S22)。於聯鎖處理中，係產生聯鎖信號而且輸出至照射控制部14之ICU43，之後就結束處理。輸出聯鎖信號之ICU43係進行強制停止射束L的照射之聯鎖。

接著，參照附圖對線掃描裝置1中的狀態轉移進行說明。第8圖係線掃描裝置之狀態轉移圖。

如第8圖所示般，線掃描裝置1若在啟動之後，結束運轉準備的話，則轉移至怠速狀態(步驟S31)。於怠速狀態下，首先判定是否被醫生等的治療者或被結束程式輸入了照射結束信號(步驟S32)。當判定為被輸入了照射結束信號時，線掃描裝置1就結束運轉。

另一方面，當判定為尚未輸入照射結束信號時，接著就判定是否被輸入了照射開始信號(步驟S33)。當判定為尚未輸入照射開始信號時，就返回步驟S32而繼續怠速狀態。當判定為已被輸入了照射開始信號時，就轉移至待機狀態(步驟S34)。

若轉移至待機狀態，則判定是否已結束了射束L對照射區域之掃描控制(步驟S35)。當判定為已結束了射束L對照射區域之掃描控制時，就返回步驟S31而轉移至怠速狀態。另一方面，當判定為尚未結束射束L對照射區域之掃描控制時，則從轉移至待機狀態後經過0.2ms之後，轉移至保持射束L的照射位置之保持狀態(步驟S36)。

之後，計算出在被保持的照射位置處之重心位置的同時，開始該重心位置處的停留時間之計數，並轉移至判定該停留時間是否在掃描模式的範圍內之停留時間判定狀態(步驟S37)。當判定為停留時間不在掃描模式的範圍內時，就移行到步驟S41。當判定為停留時間係在掃描模式的範圍內時，就進行判定重心位置是否移動(步驟S38)。

於步驟S38中，當判定為重心位置沒有移動時，就進行停留時間之計數，並返回步驟S38進行判定新的停留時間是否在掃描模式之範圍內。另一方面，當判定為重心位置已經移動時，就轉移至進行判定所檢測出的射束L之照射位置是否在掃描模式的範圍內之位置判定狀態(步驟S39)。

於步驟S39中，當判定為射束L之照射位置不在掃描模式之範圍內時，就移行到步驟S41。另一方面，當判定為射束L之照射位置係在掃描模式之範圍內時，就轉移至進行判定重心位置之軌跡是否在掃描模式的範圍內之軌跡判定狀態(步驟S40)。

於步驟S40中，當判定為重心位置之軌跡係在掃描模式之範圍內時，就返回步驟S34而轉移至待機狀態。另一方面，當判定為重心位置之軌跡不在掃描模式之範圍內時，就移行到步驟S41。

於步驟S41中，當判定為與射束L的掃描控制相關之實測值不在掃描模式之範圍內且掃描控制存有異常時，就轉移至強制地停止射束L的照射之聯鎖狀態。

轉移至聯鎖狀態時，進行判定是否被輸入了解除信號(步驟S42)。當判定為尚未輸入解除信號時，就繼續聯鎖狀態，在預定時間之後再次進行步驟S42之判定。另一方面，當判定為已被輸入了解除信號時，就返回步驟S31而轉移至怠速狀態。

接著，參照附圖對被判定為射束L之掃描控制存有異常時之例子進行說明如下。

如第9圖(a)所示般，對在照射區域N內按照箭頭A、箭頭B、箭頭C之順序掃描控制射束L之情況進行考慮。針對於這種情況下的實測值及掃描模式，將重心位置(X軸、Y軸)之軌跡及在各重心位置處之停留時間(Time)之數據顯示於第9圖(b)。再者，為了使說明明確化，於第9圖(a)中，並不是以檢測電線11A、11B之交叉點的情況，而是以作為檢測出與框內對應之照射位置的情況來進行說明。

如第9圖(a)及第9圖(b)所示般，針對於：射束L之重心位置從(2，2)朝向(5，5)移動的箭頭A及重心位置從(5，3)朝向(3，3)移動的箭頭B之間的掃描，係被判定為：重心位置之軌跡及停留時間之實測值係在掃描模式之範圍內且射束L之掃描控制被正常進行。之後，於箭頭C的掃描中，因實測值之重心位置(2，4)係從掃描模式中的重心位置(4，3)偏離，故被判定為射束L之掃描控制存有異常。這時，於線掃描裝置1中，由於進行了聯鎖處理並強制地停止射束L之掃描，故可以進一步謀求防止射束L的錯誤照射。

根據以上說明的線掃描裝置1，係在檢測線掃描射束L之照射位置的同時，測定與該照射位置的重心位置對應之停留時間，並利用這些結果來對線掃描射束L進行掃描控制，藉此可以更確實地防止線掃描射束L朝向錯誤位置之照射或過量照射，從而可以謀求提高線掃描裝置1的可靠性。

又，於線掃描裝置1中，當線掃描射束L照射到錯誤位置或超過預定的時間而過量照射時，則是藉由進行使線掃描射束停止照射之聯鎖控制，而可以更確實地防止線掃描射束之錯誤照射。

本發明並不限於上述之實施方式。

例如，線掃描裝置1亦可為如下之形態：利用檢測出的照射位置及測定出的停留時間，對線掃描射束之掃描進行反饋控制。具體而言，可以舉出如下形態等：為了降低由於線掃描射束之錯誤動作引起的風險，將降低強度之射束分成多次向照射區域照射時，進行掃描模式之再設定控制，以使曾經產生過一次錯誤照射的部位不再產生錯誤照射。

又，亦可舉出如下形態：當線掃描射束之重心位置移動時，將移動前後的停留時間及重心座標保持在運算電路13(閘陣列34)內，使用移動前後的停留時間及重心座標來計算出線掃描射束之移動速度，將計算出來的移動速度向電磁鐵控制部9反饋，從而進行射束控制。

又，於上述實施形態中，係將線掃描射束之重心位置進行移動之前的時間作為停留時間來進行了測定，但亦可為：並非重心位置的移動，而是將照射位置產生變化之前的時間作為停留時間來進行測定之形態。又，本發明之線掃描裝置1亦可利用在粒子束治療設備以外的設備或器具。

1．．．線掃描裝置

2．．．照射噴嘴(射束照射機構)

4．．．加速器

5．．．X軸用掃描電磁鐵

6．．．Y軸用掃描電磁鐵

7．．．劑量監控器

8．．．劑量監控器

9．．．電磁鐵控制部

10．．．電源

11．．．照射位置傳感器(照射位置檢測機構)

12．．．前端電路部

13．．．運算處理電路部(停留時間測定部)

14．．．照射控制部(掃描控制機構)

21．．．I/V放大器

22．．．放大器

23．．．A/D轉換器

34．．．閘陣列

35．．．記憶體

36．．．處理器

41．．．指令譯碼器

42．．．狀態編碼器

43．．．ICU(聯鎖控制機構)

52．．．運算電路

L．．．射束

第1圖係表示本發明之線掃描裝置的一實施方式之結構圖。

第2圖係用於說明第1圖的照射位置傳感器結構之圖。

第3圖係表示線掃描裝置的功能結構之功能方塊圖。

第4圖係表示第1圖的前端電路部及運算處理電路部之圖。

第5圖係表示運算處理電路部中的實測值輸出處理之流程圖。

第6圖係表示運算處理電路部中的掃描模式輸出處理之流程圖。

第7圖係表示運算處理電路部中的有無異常判定處理之流程圖。

第8圖係表示線掃描裝置的狀態轉移之流程圖。

第9圖(a)係表示線掃描射束軌跡之圖，第9圖(b)係用於比較第9圖(a)的實測值和掃描模式之圖。

Claims (1)

1. 一種線掃描裝置，其特徵在於，具備：射束照射機構，係照射線掃描射束；記憶體，儲存著掃描模式，該掃描模式包含關於：前述線掃描射束之照射位置、停留時間、及軌跡之資訊；照射位置檢測機構，係檢測前述線掃描射束之照射位置；停留時間測定機構，係測定在前述照射位置檢測機構所檢測出的前述照射位置處之前述線掃描射束的停留時間；運算處理電路部，將前述照射位置檢測機構檢測出的前述照射位置及前述停留時間測定機構測定的前述停留時間、與前述記憶體儲存的前述掃描模式進行比較，判斷前述掃描射束是否偏離前述記憶體儲存的前述掃描模式的範圍；以及聯鎖控制機構，當前述運算處理電路部判斷前述掃描射束偏離前述掃描模式的範圍時，則停止前述掃描射束之照射。