TWI499441B - 加速器的高頻控制裝置及粒子線治療裝置 - Google Patents

Description

加速器的高頻控制裝置及粒子線治療裝置

本發明係關於一種如屬於粒子線治療裝置之線源之同步加速器(synchrotron)之加速器用的高頻控制裝置及粒子線治療裝置。

粒子線治療係以對患部組織照射粒子線而對其造成損傷(damage)之方式進行治療者，為廣義的放射線治療的一種。質子束與重離子線等粒子線係與γ線、X線之類的其他放射線有所不同，可藉由粒子線的能量來調整賦予線量的深度範圍，而可賦予與患部之立體形狀對應的線量。因此，對於粒子線治療裝置的加速器，尤其要求要以正確的能量與軌道來供給粒子線。

加速器係由用以形成繞轉軌道的偏向電磁鐵、使用高頻將粒子線加速的加速空腔、及供粒子線通過之成為通路的真空管路(duct)等所構成。偏向電磁鐵之磁場係隨著粒子線的加速(能量增大)，依照所決定的模式(pattern)而變化。同時由於粒子線的繞轉頻率亦變化，因此為了穩定地加 速，以上所述之施加於加速空腔之高頻信號亦需依照所決定的模式來控制頻率與振幅(強度)。

為了使此種控制單純化，例如，已提出一種將在電腦預先作成之高頻信號的頻率參考(reference)信號先行記憶，而於運轉中依序讀取而進行控制的RF控制裝置(請參照例如專利文獻1)。然而，在此種方式中，資料量會變得龐大，資料亦不易調整，並且構成要素亦會大增。因此，乃提出一種將加速器的運轉模式區分為平坦的安定區域與具有平坦的加速部分的區域，且使用每一區域的資料來控制用於控制的波形資料的高頻加速控制裝置(參照例如專利文獻2)。

另一方面，在粒子線治療的照射方式中，大致上可區分為對於屬於照射對象之患者的患部整體同時照射粒子線的寬(broad)照射法、及進行粒子線掃描並照射的掃描式照射法。寬照射法之情形，所照射的粒子線係為具有固定能量的粒子線。相對於此，掃描式照射法之情形，係採取使粒子線的能量變化來照射深度方向之較寬闊範圍的方法。要改變粒子線的能量，係藉由改變加速器的磁場及高頻的模式來進行。因此，以掃描式照射法的情形而言，必須要依能量及強度來設定對應於能量與強度之加速器的運轉模式，因此相較於寬照射法，需要先行記憶更多的運轉模式。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本特開2000-232000號公報(段落0()31 至0050、第1圖)。

專利文獻2：日本特開2010-3538號公報(段落0018至0024、第2圖至第5圖)。

在掃描式照射法中，高頻控制裝置若要高速切換模式，必須先將資料展開於可高速讀取的區域記憶體(local memory)。然而，另一方面，由於必須先行儲存大量的資料，因此必須先確保大容量的區域記憶體，然而可高速讀取的記憶體相較於可確保相同容量的HDD(Hard Disk Drive，硬式磁碟機)記憶體，會有價格變貴的問題。再者，於使用RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)等之揮發性記憶體作為區域記憶體之情形下，當因為故障(trouble)等所導致之電源的關斷(off)而喪失記憶體的資料時，會有資料的再度下載(download)/復原需要長時間的問題。此外，為了防止誤照射，雖必須高速而且無錯誤地切換模式，但如以往經由上位電腦等的情形下，處理時間亦會隨之增加，因此會有無法適用於掃描式照射法的問題。

本發明係為了解決上述問題而研創者，其目的在提供一種能以更少的區域記憶體容量，執行掃描式照射法的高頻控制裝置。

本發明係提供一種加速器的高頻控制裝置，係控制施加於加速器之加速空腔的高頻，該加速器之加速空腔係藉 由高頻將荷電粒子加速，而產生用在粒子線治療之粒子線，該高頻控制裝置係具備：硬式磁碟機記憶體，用以記憶要產生之粒子線之能量與強度之每一組合之要施加的高頻的模式資料；及區域記憶體，為資料之讀取速度較硬式磁碟機還快者，其係為了執行依序變更粒子線的能量與強度而對屬於照射對象之患者的患部照射粒子線，以在患者之患部的深度方向依序形成層狀粒子線照射區域的掃描式照射法，而從硬式磁碟機記憶體依每一患者將高頻的複數個模式資料，隨同改變能量與強度的順序一同讀入並記憶。

依據本發明之高頻控制裝置，即可提供一種能以更少的區域記憶體容量，來執行掃描式照射法的高頻控制裝置。

1‧‧‧高頻控制裝置

2‧‧‧治療計劃裝置

3‧‧‧照射系統控制裝置

4‧‧‧高頻產生部

6‧‧‧環狀加速器(加速器)

7‧‧‧粒子線輸送系統

8‧‧‧粒子線照射裝置

10‧‧‧患者

11‧‧‧治療台

21‧‧‧加速器系統控制電腦

22‧‧‧照射系統控制電腦

31‧‧‧HDD記憶體

32‧‧‧區域記憶體

33‧‧‧指令值確認部

61‧‧‧偏向電磁鐵

62‧‧‧加速空腔

63‧‧‧真空管路

64‧‧‧射束監視器

65‧‧‧射入裝置

66‧‧‧前段加速器

67‧‧‧射出裝置

71‧‧‧輸送系統偏向電磁鐵

72‧‧‧真空管路

100‧‧‧患部

PB‧‧‧粒子線

第1圖係為顯示本發明之實施形態1之高頻控制裝置之構成的方塊圖。

第2圖係為用以說明本發明之實施形態1之高頻控制裝置之控制中之加速循環下高頻的控制模式圖。

第3圖係為用以說明粒子線治療中之掃描式照射法的圖。

第4圖係為用以說明粒子線治療中之掃描式照射法之照射程序的圖。

第5圖係為用以說明本發明之實施形態1之高頻控制裝置的運轉流程圖。

第6圖係為顯示保存於本發明之實施形態1之高頻控 制裝置之區域記憶體之資料構成的一例圖。

第7圖係為顯示本發明之實施形態2及實施形態3之高頻控制裝置的構成方塊圖。

第8圖係為用以說明本發明之實施形態2之高頻控制裝置的運轉流程圖。

第9圖係為用以說明本發明之實施形態3之高頻控制裝置的運轉流程圖。

(實施形態1)

以下說明本發明之實施形態1之高頻控制裝置的構成。第1圖至第5圖係為用以說明本發明之實施形態1之高頻控制裝置的圖。第1圖係為顯示高頻控制裝置之主要部分構成、及包括加速器與粒子線照射裝置之粒子線治療裝置整體之概要的方塊圖，第2圖係為用以說明加速器之加速循環(cycle)的圖。

如第1圖所示，高頻控制裝置1係為用以控制施加於加速空腔62之高頻之頻率及輸出的裝置，該加速空腔62係為同步加速器之類的環狀加速器6(以下簡稱加速器6)中的主要構成要素。高頻控制裝置1為了保存用以控制高頻產生部4的資料，具備有HDD記憶體31、及RAM等可較HDD記憶體更高速讀取的區域記憶體32。

首先，以同步加速器作為加速器為例來說明加速器6的概要。加速器6係設有用以形成繞轉軌道的偏向電磁鐵61、使用高頻進行粒子線加速的加速空腔62、及供粒子線 通過之成為通路的真空管路63。除上述以外的機器而言，係由預先將荷電粒子加速的前段加速器66、將藉由前段加速器66所加速的荷電粒子射入於加速器6的射入裝置65、用以測量荷電粒子呈射束(beam)狀之粒子線之位置等的射束監視器(beam monitor)64、及將粒子線從加速器6送出至由輸送系統偏向電磁鐵71及真空管路72等所構成之粒子線輸送系統7的射出裝置67等所構成。藉由粒子線輸送系統7所輸送的粒子線係從粒子線照射裝置8照射至屬於照射對象之治療台11上之患者10的患部。粒子線照射裝置8的動作與加速器6的動作必須要相關聯，而使之相關聯的控制信號係例如藉由照射系統控制裝置3而輸出於粒子線照射裝置8與高頻控制裝置1。

粒子線係在加速器6內加速至預定的能量。為了加速至預定的能量，需一面變化加速器6之偏向電磁鐵61的磁場強度，一面變化施加於加速空腔62之高頻的頻率及振幅。茲於第2圖顯示此等變化之情形的一例。如第2圖之最上段所示，使加速器6之偏向電磁鐵61的磁場，亦即使偏向磁場依據固定的模式變化。此時，由於粒子線的繞轉頻率變化，因此為了要穩定加速，施加於加速空腔2之高頻信號，亦如第2圖之第2段及第3段所示，要依據所決定的模式來控制頻率及振幅。

以下說明加速器從加速至射出之動作的概要。首先，有被稱為平底(flat bottom)之同步加速器的最低能量的狀態。在平底中，係從前段加速器66射入射束，且儲存於同 步加速器內。接著藉由使處於OFF狀態的高頻信號為ON(導通)，且增加電壓來進行捕獲以使射束集中於高頻信號之固定的相位。

接著在加速期間中係根據電磁鐵的磁場變化而控制高頻信號的頻率與振幅來進行射束的加速。磁場的激磁變化速度大部分固定之情形下，加速的開始與結束部分係加以區別而稱為平滑化(smoothing)。

接著在射束達到預定之能量的時點結束加速且進入磁場未變化的平頂(flat top)的狀態。在平頂中，為了製作適於從同步加速器射出射束的條件，係進行高頻信號的振幅、頻率等的微調整。在平頂的期間中，係依據射束利用者的要求而將射束射出至同步加速器的外部。接著在經過預定時間之後，或者在用盡射束的時點，進行用以降低同步加速器之磁場的準備。

接著為減速期間，且在此期間將同步加速器的磁場降低至最低值。同步加速器再度成為平底的狀態，且將電源恢復為初始狀態。茲將上述運轉模式的周期稱為加速循環。

對應於顯示加速器6之偏向磁場之變化的平底期間、加速期間、平頂期間及減速期間，使施加於加速空腔62之高頻的頻率與振幅變化為如第2圖之第2段及第3段所示。偏向磁場及高頻之變化的模式，係藉由能量及強度的組合來決定。

能量與強度之所有組合中之運轉模式之高頻信號控制用的模式資料，係記憶於HDD記憶體31。以掃描式照射 法的情形而言，例如，有能量為60種、相對於各個能量的強度為8種，全部總計為60×8=480種的運轉模式。關於各個運轉模式，必須將用以驅動與平底期間、加速期間、平頂期間及減速期間對應之加速空腔62之高頻信號的控制資料，先記憶作為模式資料。此等模式資料，例如以能量400MeV、強度1為模式資料1、能量400MeV、強度2為模式資料2之方式，依能量與強度的每一組合記憶於HDD記憶體31。

在此，於第3圖係顯示對患者10的患部100，藉由掃描式照射法照射粒子線的示意圖。藉由粒子線照射裝置8一面將細鉛筆(pencil)狀的粒子線PB朝橫方向掃描一面照射於患部100。此時，粒子線PB的行進方向，亦即深度方向係被照射由粒子線之能量所決定之被稱為布拉格峰值(Bragg Peak)之粒子線之最大吸收深度的部分。因此，藉由改變粒子線的能量，即可改變深度方向的照射位置。亦即，藉由將某能量之粒子線朝橫方向掃描，來照射與該能量對應之深度方向的部分。因此，藉由掃描某能量的粒子線進行照射來照射層狀的部分。接著，藉由改變能量再使粒子線PB朝橫方向掃描，即可照射深度不同之層狀的部分。

當粒子線的能量較高時，布拉格峰值會在深的部分產生。首先，藉由將預定之較高能量的粒子線PB朝橫方向掃描，來照射第3圖之S1的層狀區域。接著降低粒子線的能量，照射S2的層狀區域。再進一步降低粒子線的能量，藉此可照射S3的層狀區域。藉由以此方式，由於可每次改 變能量來照射深度不同之層狀的區域，因此能以能量的變化、與橫方向之掃描的組合來對3維的患部區域照射粒子線。

對於每一患者要進行怎樣的照射，亦即照射程序係依治療計劃來決定。此照射程序係從治療計劃裝置2被送至加速器系統控制電腦21及照射系統控制電腦22，且由各電腦保存之後，分別再送至高頻控制裝置1及照射系統控制裝置3。在照射程序的資訊中，亦包含有所照射之粒子線的能量及強度。第4圖係顯示每一照射程序的能量、強度之組合的例子。第1個是以能量400MeV、強度3的粒子線來照射。亦即將相當於能量400MeV之深度的部分層狀地照射。第2個是以能量380MeV、強度3的粒子線來照射。亦即，將較第1個還淺的部分層狀地照射。如此一來，藉由依序降低粒子線的能量，使照射部分依序變淺，來照射患部整體。

依照第5圖的流程圖來說明執行以上之照射的流程。以前階段而言，首先將與所有能量及強度之組合對應的所有模式資料，從加速器系統控制電腦21送至HDD記憶體31並加以保存(ST1)。在照射於患者之前，從HDD記憶體31，根據依照該患者之治療計劃的照射程序，將所需之複數個模式資料與照射程序(運轉順序)一同讀入於區域記憶體32(ST2)。茲於第6圖顯示所讀入之模式資料之構成之一例的示意圖。在區域記憶體32中，係依運轉順序保存有模式資料，亦即高頻控制資訊。

至此即完成照射的準備。於照射時，從照射系統控制裝置3將照射用的控制信號送至高頻控制裝置1與粒子線照射裝置8。首先，當從照射系統控制裝置3送出照射開始的信號時，高頻產生部4即依照保存在區域記憶體32之運轉順序1的模式資料而開始高頻的產生，且藉由加速器6將粒子線加速(ST3)。從到達預定之能量的時點，亦即第2圖的平頂期間之預定之時間點(timing)，開始粒子線的射出，且與其同步藉由粒子線照射裝置8將粒子線朝橫方向掃描。在運轉順序1所進行之能量的照射結束之後，為了進行運轉順序2的照射，加速器6係進行接著的加速準備。當從照射系統控制裝置3發出運轉順序2之照射開始的信號時，高頻產生部4即依照保存於區域記憶體32之運轉順序2的模式資料而開始高頻的產生，且藉由加速器6將粒子線加速(ST4)。從到達預定之能量的時點，亦即第2圖的平頂期間之預定之時間點，開始粒子線的射出，且與其同步藉由粒子線照射裝置8將粒子線朝橫方向掃描。藉由以此方式，依每一運轉順序按照治療計劃使能量及強度變化，且依每一能量照射患部的層狀區域，來進行患部整體的照射。

綜上所述，依據實施形態1之高頻控制裝置，係從保存於HDD記憶體31之大量的模式資料，將依每一患者的治療計劃之運轉順序的模式資料，取入至可高速讀取的區域記憶體32並加以保存。由於依照來自照射系統控制裝置3的控制信號，藉由保存於區域記憶體32的模式資料來控 制高頻產生部4而產生高頻，因此相較於從HDD記憶體31依每一運轉將模式資料取入於區域記憶體32進行運轉，可更高速地控制。此外，相較於不設置HDD記憶體，將大量的模式資料保存於區域記憶體的情形，所需的區域記憶體只要小容量的記憶體即可，故構成變得單純。

(實施形態2)

第7圖係為包括本發明之實施形態2之高頻控制裝置之包含加速器的方塊圖。第7圖中與第1圖相同的符號，係顯示相同或相等的部分。在實施形態2中，除實施形態1之裝置外還設有指令值確認部33。在本發明中，係依每一患者從HDD記憶體31將模式資料取入於區域記憶體32並加以保存。於照射時，係從區域記憶體32將所保存的模式資料，依照來自照射系統控制裝置3的指令，依序將模式資料，亦即高頻控制資訊送出至高頻產生部4。在指令值確認部33中，係確認所送出的資料是否正確。

茲依照第8圖的流程圖來說明指令值確認部33的確認程序。例如在運轉順序i的運轉結束的時點(ST10)，下一個運轉順序i+1的運轉資訊，亦即能量與強度的組合，係從照射系統控制裝置3送至指令值確認部(ST11)。確認該運轉資訊、與保存在區域記憶體32內之運轉順序i+1的運轉資訊(能量與強度)是否一致(ST12)。一致之情形下(ST12，是(YES))，則依照保存於區域記憶體32內之運轉順序i+1的模式資料而開始運轉順序i+1的運轉(ST14)。不一致的情形下(ST12，否(NO))，則不開始運轉順序i+1的 運轉，而例如從HDD記憶體31再度取得運轉順序i+1的模式資料(ST13)。之後，再度實施ST12的確認程序。假使再度不一致時，則從加速器系統控制電腦21直接取得運轉順序i+1的模式資料(ST13)。藉由此方式，嘗試取得資料直到從照射系統控制裝置3取得的運轉資訊與區域記憶體32內的運轉資訊一致。

綜上所述，在實施形態2中，係設置指令值確認部33，來確認指令值與區域記憶體32內的資料是否一致，藉此即可防止依照錯誤的資料運轉。

(實施形態3)

第9圖係為顯示本發明之實施形態3之高頻控制裝置的動作程序流程圖。高頻控制裝置1的構成係與第7圖相同。在指令值確認部33中，係確認高頻控制裝置1送出的資料是否正確。在步驟ST12中從照射系統控制裝置3取得的運轉順序i+1的運轉資訊、與保存於區域記憶體32內的運轉順序i+1的運轉資訊不一致時(ST12，否)，首先從照射系統控制裝置取得其下一個運轉順序i+2的運轉資訊(ST15)，且與保存於區域記憶體32內之運轉順序i+2的運轉資訊比較(ST16)。兩者一致時(ST16，是)，跳過運轉順序i+1的運轉而執行運轉順序i+2的運轉(ST17)。另一方面，運轉順序i+1的資料，在執行運轉順序i+2的運轉中從HDD記憶體31再度取得(ST19)。一旦經確認區域記憶體內之運轉順序i+1的資料與來自照射系統控制裝置之資料一致(ST20，是)，就在運轉順序i+2的運轉結束後執行運轉順 序i+1的運轉(ST21)。

在ST16中資料不一致時(ST16，否)，不開始運轉順序i+2的運轉，例如從HDD記憶體31再度取得運轉順序i+2的模式資料(ST18)。此時，亦可同時確認運轉順序i+3的資料，一經確認運轉順序i+3的資料正確，就在進行運轉順序i+1及運轉順序i+2的資料再取得期間，進行運轉順序i+3的運轉。

如此，即使變更運轉順序，也不會對粒子線治療造成妨礙。在粒子線治療中，只要以各照射部位中之累計照射線量成為計劃值之方式照射即可。因此，可自由地決定要以何種順序來照射第3圖之S1、S2、S3所示的各照射層。亦即，亦可在照射S1層後，照射S3層，最後再照射S2層。因此，在掃描式照射法中，亦可不依在治療計劃中所計劃的能量順序照射，而改變順序進行照射。在要花時間確認記憶體內的資料時，如上所述，只要在執行其他運轉順序的運轉期間實施記憶體內之資料會成為正確之資料的程序，就可在不增加整體的照射時間下，將依照治療計劃的累計照射線量照射至照射部位，亦即照射至患部。

1‧‧‧高頻控制裝置

2‧‧‧治療計劃裝置

3‧‧‧照射系統控制裝置

4‧‧‧高頻產生部

6‧‧‧環狀加速器(加速器)

7‧‧‧粒子線輸送系統

8‧‧‧粒子線照射裝置

10‧‧‧患者

11‧‧‧治療台

21‧‧‧加速器系統控制電腦

22‧‧‧照射系統控制電腦

31‧‧‧HDD記憶體

32‧‧‧區域記憶體

61‧‧‧偏向電磁鐵

62‧‧‧加速空腔

63‧‧‧真空管路

64‧‧‧射束監視器

65‧‧‧射入裝置

66‧‧‧前段加速器

67‧‧‧射出裝置

71‧‧‧輸送系統偏向電磁鐵

72‧‧‧真空管路

Claims (4)

1. 一種加速器的高頻控制裝置，係控制施加於加速器之加速空腔的高頻，該加速器之加速空腔係藉由高頻將荷電粒子加速，產生用在粒子線治療之粒子線，該高頻控制裝置係具備：硬式磁碟機記憶體，用以記憶前述要產生之粒子線之能量與強度之每一組合之前述要施加的高頻的模式資料；及區域記憶體，為資料之讀取速度較前述硬式磁碟機還快者，其係為了執行依序變更前述粒子線的能量與強度而對屬於照射對象之患者的患部照射前述粒子線，以在前述患者之患部的深度方向依序形成層狀粒子線照射區域的掃描式照射法，而從前述硬式磁碟機記憶體依每一患者將前述高頻的複數個模式資料，隨同改變能量與強度的順序一同讀入並記憶。
2. 如申請專利範圍第1項所述之加速器的高頻控制裝置，其具備指令值確認部，其係每次變更前述粒子線的能量與強度時，都確認來自控制用以照射至屬於前述照射對象之患部之粒子線照射裝置的照射系統控制裝置的指令值、與從前述區域記憶體送出的模式資料是否一致。
3. 如申請專利範圍第2項所述之加速器的高頻控制裝置，其中，前述指令值確認部判斷為來自前述照射系統控制裝置之指令值與從前述區域記憶體送出之模式 資料不一致時，藉由下一個能量與強度的模式資料來運轉前述加速器，且在該運轉期間再度讀取前述區域記憶體內的資料直到與前述指令值不一致的前述模式資料一致為止。
4. 一種粒子線治療裝置，其係具備加速器用以輸送從前述加速器射出之粒子線的粒子線輸送系統、及用以將所輸送之粒子線照射至照射對象的粒子線照射裝置，且藉由申請專利範圍第1至3項中任一項所述之加速器的高頻控制裝置來控制施加於前述加速器之加速空腔的高頻。