TWI510267B - 粒子射線治療系統及該粒子射線束位置補正方法 - Google Patents

Description

粒子射線治療系統及該粒子射線束位置補正方法

本發明係有關於將質子或碳等之帶電荷粒子光束照射於癌症等之患部而治療之粒子射線治療系統，特別是有關於使用掃描式照射(scanning)法的粒子射線治療系統之光束位置的補正之相關技術。

粒子射線治療系統之照射範圍形成方法，大致可分為：寬光束照射法(broad beam irradiation)，其係藉由分散體而將光束予以放大，並一齊對照射對象之患者的全體患部照射；以及掃描式照射法(scanning法)，其係藉由電磁鐵而掃描細微的光束，且直接照射於患部。

其中任意之一種情形，其自加速器射出之帶電荷粒子光束的位置和角度(傾斜度)均不安定，設置於患者最近處之照射裝置內或到達照射裝置的光束輸送路徑，雖必須具備由各種電磁鐵所構成之光束軸調整手段，但，在寬光束照射法中，由於使用分散體的關係，即使光束軸有若干的偏移而其影響亦較小，而不需要高精度的之光束軸補正手 段，在掃描式照射法中，由於光束輸送系統之光束軸的偏移將影響對患部之照射範圍，故被要求更精密之光束軸補正手段。

因此，掃描式照射法之光束軸補正方法，在習知技術中係提案有例如於照射裝置內具備掃描電磁鐵、以及光束位置檢測器，根據來自光束位置檢測器的信號而算出目標照射位置之光束位置，並控制掃描電磁鐵而將掃描光束照射於目標照射位置之補正方法(例如參考專利文獻1)。上述掃描電磁鐵係由對進人z方向的光束，且獨立於x方向和y方向而進行控制之2個的掃描電磁鐵所構成，分別根據來自上述光束位置檢測器的信號而將激磁電流流通於此類之電磁鐵，並將各個電磁鐵所產生的磁場進行時間性的改變，於x方向和y方向進行光束的掃描。

此外，亦提案有於將加速器所射出之帶電荷粒子光束輸送至照射位置為止之光束輸送系統具備2台的光束位置檢測手段、以及2台的操縱電磁鐵，根據前述光束位置檢測手段所分別輸出的檢測信號而算出變位量，並根據該變位量而控制前述操縱電磁鐵之各個激磁電流之方法(例如參考專利文獻2)。

但，由於其中之任意一項，均以任何的方法將根據光束位置檢測手段的檢測信號所算出的信號作為電磁鐵之激磁電流而進行回授，藉此而能實現特定的光束軌道，故具有因回授的控制系統之時間延遲而影響補正的精度之構造的問題點。此外，自加速器而取出帶電荷粒子光束時，當 加速器中之電磁鐵的磁場或高頻電力存在著周期性的變動時，則其所射出光束的位置變動或角度變動即產生複雜的影響，且僅藉由習知的回授之光束軌道的調整手段並無法以充分的精度而抑制射出光束的位置變動或角度變動。

專利文獻1：特開2009-347號公報

專利文獻2：特開2003-282300號公報

本發明係為了解除此等之周期性的變動要因之影響而創作，其目的係提供新穎的粒子射線治療系統及其補正方法，其係藉由光束位置檢測裝置而觀測上述周期性的變動，並於操縱電磁鐵產生補正用之激磁圖案，即可藉由前饋作用而補正射出之光束的位置變動或角度變動的影響。

本發明之粒子射線治療系統係由將帶電荷粒子光束予以加速之加速器系統、以及將該加速器系統所射出之高能量光束輸送至照射位置為止之光束輸送系統所組成，於前述光束輸送系統具備至少1個操縱電磁鐵(steering electromagnet)、以及對應於該操縱電磁鐵的至少1個光束位置監視器，前述光束位置監視器係對前述操縱電磁鐵供應用以補正周期性變動的光束位置之激磁電流。

此外，本發明之粒子射線治療系統之光束位置補正方法係於光束輸送系統具備至少1個操縱電磁鐵、以及對應於該操縱電磁鐵的至少1個光束位置監視器，於試驗照射 時，以將前述光束位置監視器裝卸自如的方式設置於照射位置的狀態進行光束照射，藉此而掌握光束位置之周期性的變動，並以消除該變動之方式，將前述操縱電磁鐵的激磁電流值配合於位置變動的周期而供應，而取得並保存該周期的激磁電流值，並於實際照射時，則以卸下前述光束位置監視器之狀態，將前述周期的激磁電流供應於前述操縱電磁鐵。

本發明之粒子射線治療系統係藉由前饋作用而補正射出之光束的周期性的改變之位置變動或角度變動，藉此而能更有效且確實的提升帶電荷粒子光束之照射位置的精度。

1‧‧‧射入系統

2‧‧‧加速器系統

3‧‧‧光速輸送系統

4‧‧‧噴嘴

5‧‧‧起重架

10‧‧‧加算器

11‧‧‧射入器

20‧‧‧電源

30、31‧‧‧偏向電磁鐵

32‧‧‧四極電磁鐵

33、33a、33b‧‧‧操縱電磁鐵

34、34a、34b‧‧‧光束位置監視器

41、42‧‧‧操縱電磁鐵電源

100‧‧‧粒子射線治療系統

第1圖係本發明之實施形態1的粒子射線治療系統之概略構成圖。

第2圖(a)及(b)係說明本發明之實施形態1的光束輸送系統之光束軌道控制之狀態的模式圖。

第3圖係說明上述實施形態1的光束輸送系統所射出之帶電荷粒子光束之光束電流(量)的時間性變化之圖示。

第4圖係說明上述實施形態1的操縱電磁鐵電源之光束補正順序之流程圖。

第5圖(a)及(b)係說明算出各操縱電磁鐵之反衝角的方法之基本的概念圖。

第6圖係表示含有周期性的變動要因之補正電流圖 案、以及伴隨著機器配置誤差等之補正電流圖案之光束軌道補正控制之狀態的功能區塊圖。

第7圖(A)至(C)係說明因應於補正順序而使上述光束軌道補正控制的功效產生變化之狀態之特性圖。

第8圖係表示呼吸同步照射之光束軌道補正控制之狀態的功能區塊圖。

第9圖(A)及(B)係說明補正亦有考量伴隨著上述呼吸同步照射的機器的位置變動之光束位置變動時之特性圖。

第10圖係本發明之實施形態2的粒子射線治療系統之概略構成圖。

第11圖(a)及(b)係說明上述實施形態2的光束軌道控制之狀態的模式圖。

第12圖係說明上述實施形態2的操縱電磁鐵電源之光束補正順序之流程圖。

第13圖係於照射位置測量光束位置之監視機器的概略構成圖。

第14圖(a)至(c)係說明本發明之實施形態4的粒子射線治療系統之準備階段之光束軌道控制之另外的方法之模式圖。

第15圖(a)至(c)係說明本發明之實施形態4的粒子射線治療系統之準備階段之光束軌道控制之更另外的方法之模式圖。

第16圖係本發明之實施形態5的粒子射線治療系統之概略構成圖。

第17圖(a)及(b)係說明本發明之實施形態5的光束輸送系統之光束軌道控制之狀態的模式圖。

第18圖係說明上述實施形態5的操縱電磁鐵電源之光束補正順序之流程圖。

第19圖係以實際接近的狀態而表示本發明之實施形態6的粒子射線治療系統之概略構成圖。

第20圖(a)及(b)係表示在本發明之實施形態6的粒子射線治療系統中，對沿著設計軌道之軸s的x軸或y軸的運動量分散函數之圖示。

第21圖(a)及(b)係表示在上述實施形態6中，用以供應於動的操縱電磁鐵33a、33b的激磁電流的反衝角(kick angle)之圖示。

第22圖(a)及(b)係表示進行本發明之實施形態6的控制時所取得的運動量分散函數之圖示。

用以實施本發明之最佳形態： 實施形態1.

根據第1圖而說明本發明之實施形態1的粒子射線治療系統100之概略構成。本實施形態的粒子射線治療系統100係由下列所形成：射入系統1，其係由離子源(未圖示)或射入器11等所構成；同步加速器等之加速器系統2，其係將射入器11所射出之帶電荷粒子光束予以旋轉，據此而加速至必需的能量 光束為止；以及光速輸送系統3，其係將藉由該同步加速器2而加速之能量光束輸送至患者近旁之照射裝置T為止。

在第1圖中，射入系統1所產生之帶電荷粒子光束係射入於同步加速器等之加速器系統2，加速至此處所必需的能量光束為止，並自射出用偏向電磁鐵30射出於光速輸送系統3，經由各種電磁鐵而調整光束軌道且達於照射裝置T，進而照射於照射對象。光速輸送系統3係配置有調整光束尺寸之四極電磁鐵32、光束軌道補正用之操縱電磁鐵33a、33b、以及使光束的方向偏向之偏向電磁鐵31等，上述操縱電磁鐵33a、33b係分別藉由操縱電磁鐵電源41、42而控制著激磁電流，能量光束則於光速輸送系統中，通過特定的光束軌道而到達照射對象。

另外，光束軸上的特定位置係具備2個光束位置監視器34a、34b。該光束位置監視器34a、34b係例如使用螢光板監視器，能自由進出於光束路徑之構成。41、42為上述操縱電磁鐵33a、33b所用的電源，且包含因應於上述光束位置監視器34a、34b之光束位置的檢測值而算出上述操縱電磁鐵33a、33b的補正用激磁電流之值，並將此予以保存之控制裝置。

操縱電磁鐵33a、33b雖然為至少1個即可，但，根據其需要亦可設置2個以上之操縱電磁鐵。此外，此處所說明之2個之操縱電磁鐵33a、33b雖係由分別對光束的進行方向z互相成為直角的方向之x方向和y方向作用之x軸 用和y軸用操縱用電磁鐵所構成，但，圖中係表示各1個。此外，來自同步加速器2之離子光束的照射係以至少到達治療所必需之能量準位為止之特定的時間間隔而間歇性地進行，並藉由設置於同步加速器的軌道內之高頻加速空洞(未圖示)而進行ON/OFF控制。將該ON/OFF周期稱為射出周期，並將其中的ON期間稱為供應於治療用之光束溢出。

第2圖係說明上述第1圖所示之實施形態1的光束輸送系統3之光束軌道控制之狀態的模式圖，各電磁鐵係和第1圖相對應而予以表示。第2圖(a)係表示本發明之光束軌道補正前之光束軌道，第2圖(b)係表示本發明之光束軌道補正結果之光束軌道。以下使用此而說明補正周期性變化之光束位置變動．角度變動的影響之原理。又，圖中，z係表示朝向照射位置T而進行之理想的光束軸線，ST1係表示例如時間t1的光束軌道，ST2係表示和時間t1不同之時間t2的光束軌道。

第3圖係說明光束輸送系統3所射出之帶電荷粒子光束之光束電流(量)的時間性的變化，稱為光束(beam)溢出的t1-t2之間，高能量光束係自同步加速器2而射出於光束輸送系統3，此後，休息特定時間之後則重覆續接的射出之狀態。該光束溢出的期間之長度係根據患者的呼吸狀態及其他的狀況、同步加速器的運轉狀況等而有所變動，通常係因應於各射出狀況並藉由偏向電磁鐵31、四極電磁鐵32等而調整光束軌道並導入於照射裝置，最後則於特定的 光束軸線z上照射於照射對象。

但，由上述之同步加速器2而取出帶電荷粒子光束時，當存在著同步加速器中之電磁鐵的磁場或高頻電力之周期性的變動時，則上述光束電流(量)係周期的變動分L為重疊於其通常狀態M，其係因上述射出光束之位置變動或角度變動而趨於複雜，利用習知之回授系統的補正方式係形成如第2圖(a)之光束軌道ST1、ST2，且完全無法補正上述周期性的變動要因所導致之偏移的影響。

本發明之實施形態1係如第2圖(b)所示，使用上述第1操縱電磁鐵33a而光束中心在第2操縱電磁鐵33b中，以能通過光束軸線z之方式而予以彎曲，繼而以第2操縱電磁鐵33b使中心的傾斜度能和光束軸線z平行之方式而予以彎曲，此後，即能沿著光束軸線z而使光束中心能進行。

因此，為了調整上述第1操縱電磁鐵33a，則設置第1光束位置監視器34a於上述第2操縱電磁鐵33b的前方，更設置第2光束位置監視器34b於上述第2操縱電磁鐵33b的後方，據此即能調整第2操縱電磁鐵33b。

使用第4圖、第5圖而說明本實施形態之操縱電磁鐵電源41、42之具體的光束補正方法之概要。第4圖係表示具體的光束補正順序之流程圖，第5圖係說明算出各操縱電磁鐵之反衝角的方法之基本的概念圖。在第4圖中，首先在步驟S1中，藉由位於上游側之第1光束位置監視器34a而檢測表示各時序t的光束位置變動之檢測信號 X1(t)，並輸入於操縱電磁鐵電源41。

時序t係指光束溢出期間t1至t2之間之複數的時點，並意味著檢測各時點的光束位置之動態的變動。第5圖(a)係表示將光束的進行方向Z作為垂直於紙面的方向，並以第1光束位置監視器34a分別觀察對z軸互相為直角之x軸、y軸上之上述時序t(t1至t2)之光束位置時的光束位置B1至B5的變動之一例。藉由上述周期性的變動要因而光束位置係形成將光束軸z予以除外的舉動。

第5圖(a)雖係僅表示上述光束位置之x軸成分，但，亦存在著y軸成分，則自無爭議。

步驟S2係在操縱電磁鐵電源41中，輸入上述第1光束位置監視器34a的檢測信號X1，此處，在各時序中，算出X1=0之操縱電磁鐵33a的反衝角。該算出動作係預先以時間表之形式而對檢測信號X1將反衝角的相關之經驗值準備於操縱電磁鐵電源41的控制裝置內，並因應於各時序之X1而導出X1=0之操縱電磁鐵33a的反衝角。

繼而在步驟S3中，作成因應於算出之反衝角的電流圖案11(t)，並予以保存。此亦以時間表之形式而將對各反衝角的電流圖案準備於操縱電磁鐵電源41的控制裝置內，例如於因應於算出之反衝角的電流圖案施以線形補足措施，藉此而作成線性之電流圖案11(t)，且將此作為操縱電磁鐵33a的激磁電流而輸出，並矯正光束位置。

步驟S4係將該電流圖案11(t)作為操縱電磁鐵33a的激磁電流而使用，且光束軌道的光束中心係於第2操縱電 磁鐵33b中，以能通過光束軸線z且予以彎曲之方式而作運轉，且藉由位於下游側之第2光束位置監視器34b而檢測表示時序t(t1至t2)之光束位置變動的檢測信號X2(t)，並輸入於位於下游側之第2操縱電磁鐵電源42。

步驟S5係在第2操縱電磁鐵電源42中，算出檢測信號X2=0之操縱電磁鐵ST2的反衝角。第5圖(b)係表示以第2光束位置監視器34b而觀察x軸、y軸上之上述時序t(t1至t2)之光束位置時的光束位置B1至B7的變動之一例。藉由上述周期性的變動要因而光束位置B仍然形成將光束軸z予以除外的舉動。上述步驟S4、S5的算出方法和上述之步驟S1、S2之情形時相同。

繼而在步驟S6中，作成因應於算出之反衝角的電流圖案12(t)，並予以保存。此亦以時間表之形式而將對各反衝角的電流圖案準備於操縱電磁鐵電源42的控制裝置內，例如於因應於算出之反衝角的電流圖案施以線形補足措施，藉此而作成線性之電流圖案12(t)，且在步驟S7中，將此作為操縱電磁鐵33b的激磁電流而輸出，並以能使光束位置成為最後到達光束軸上之方式而予以矯正。

以上為試驗照射時之準備操作，進而於實際照射時，將保存之各電流圖案同步於周期性的運轉之同步加速器而流通於上游側操縱電磁鐵、以及下游側操縱電磁鐵，藉此即可以光束的位置和光束的角度不產生變動之狀態，照射患者而進行治療。

繼而將含有上述周期性的變動要因之補正電流圖案、 以及伴隨著機器配置誤差等之補正電流圖案的光束軌道補正控制的功能區塊圖表示於第6圖。

第6圖係由下列所構成：加算器10，其係將伴隨著機器的周期誤差變動之補正電流圖案信號L(t)加上伴隨著機器配置誤差等之補正電流圖案信號M(t)；電源20，其係能將比例於該加算信號之電流Is(t)予以輸出；以及另外的操縱電磁鐵33，其係能提供反衝角度於光束軌道。

第7圖係說明因應於補正順序而使上述補正控制的功效產生變化的狀態之特性圖。

第7圖(A)係表示完全不進行操縱電磁鐵的補正時之光束舉動之圖示，分別將加速器射出光束電流表示於上段，操縱電磁鐵電流Is(t)表示於中段，照射位置之光束位置(x(t),y(t))表示於下段，在第7圖(B)、(C)中亦相同。

在第7圖(A)中，配合同步加速器的周期運轉而射出之光束照射位置之光束位置(x(t),y(t))(最下段)係當照射位置s、機器配置的誤差等之直流軌道的動作時，則包含能配合伴隨著機器的周期性誤差變動之周期性的軌道動作之軌道變動，此係以光束位置監視機器而予以觀測。藉由上述光束位置監視機器而雖具有周期性的變動，但，根據測量和計算變動的平均值成為0之操縱電磁鐵電流M(t)而求得，且暫時予以保存。

第7圖(B)係表示實施上述操縱電磁鐵電流M(t)的補正時之光束舉動之圖示，藉由流通上述過程所求得之操縱電磁鐵電流M(t)，則光束位置變動(x(t),y(t))之平均值成為0。此外，以光束位置監視機器而觀測於加速光束射出之間產生變動之光束位置，並根據其結果而算出光束位置不產生變動用之操縱電磁鐵電流L(t)，且予以保存。

第7圖(C)係表示實施上述M(t)+L(t)的補正時之光束舉動之圖示，藉由流通將上述過程所求得之操縱電磁鐵電流L(t)加上M(t)之M(t)+L(t)於操縱電磁鐵，則光束位置(x(t),y(t))之變動成為0。

第8圖係進而表示呼吸同步照射之光束軌道補正控制功能之區塊圖。除了第6圖之加算器10之外，更追加另一台之加算器11，且藉由更增加伴隨著呼吸同步信號觸發信號(較加速器射出時間更延遲△t)之補正電流圖案信號N(t-△t)，流通亦可補正呼吸同步照射之位置變動之電流信號(M(t)+L(t)+N(t-△t)，藉此即能補正光束位置變動。

第9圖係說明補正亦考量伴隨著上述呼吸同步照射的機器的位置變動之光束位置變動之情形。第9圖(A)係以(M(t)+L(t)而補正之情形，以(M(t)+L(t)而補正時，當使用呼吸同步之照射功能時，則產生伴隨著呼吸同步射出的機器之光束位置(x(t),y(t))的變動(參考最下段)。在自光束射出而延遲△t之處所，假設出現呼吸閘極信號，則以該條件同樣地藉由光束位置監視器而觀測光束位置變動，並根據該結果而取得未變動之電流值圖案N(t)，並予以保存。 此外，於實際照射係如第9圖(B)所示，以△t=△t1=△t2而加上未偏移時序之補正電流N(t-△t)，藉此而能流通操縱電磁鐵電流(M(t)+L(t)+N(t-△t)，且將光束位置(x(t),y(t))之變動作成0(參考最下段)。

又，第1圖係表示將上游側光束位置監視器接近於下游側操縱電磁鐵的上游側而設置之圖示。但，上述上游側光束位置監視器雖以監視下游側操縱電磁鐵的位置之光束位置為理想狀態，但，由於無法設置於下游側操縱電磁鐵之中，故需接近於下游側操縱電磁鐵的上游側而設置。設置2個之上游側光束位置監視器以取代該情形，分別將一方接近於下游側操縱電磁鐵的上游側，將另一方接近於下游側操縱電磁鐵的下游側而設置，據此即可根據2個之光束位置監視器的測量值而更正確地計算下游側操縱電磁鐵之中的光束位置而求得，藉此而能提升光束位置之補正精度。

實施形態2.

根據第10圖而說明本發明之實施形態2的粒子射線治療系統100之概略構成圖。本實施形態的粒子射線治療系統雖由和實施形態1所說明之相同的系統構成所形成，但，實施形態1係表示在光速輸送系統3中，使用2個之操縱電磁鐵、以及相對應之2個之光束位置監視器之例，本實施形態係使用1個之操縱電磁鐵33、以及相對應之1個之光束位置監視器34，此點則不相同。又，上述1個之光束位置監視器34係表示在試驗照射(準備階段)中，設置 於照射位置T上之情形。

第11圖係說明上述準備階段的光束軌道控制之狀態的模式圖，且各電磁鐵係和第10圖相對應而表示。第11圖(a)係表示光束軌道補正前之光束軌道，第11圖(b)係表示顯示光束軌道補正結果之光束軌道。亦即，以光束位置監視器34予以監視，並依時間而控制操縱電磁鐵電流，其結果，檢測光束係於照射位置上未變動之狀態的操縱電磁鐵電流，並予以保存。繼而在實際照射(治療時)，將上述光束位置監視器34予以除外，藉由流通先前檢測．保存之操縱電磁鐵電流，配合時間而控制反衝角。

第12圖係表示具體的光束補正順序之流程圖，步驟S1係以由照射位置T上之光束位置監視器34，而光束軌道的光束中心能通過照射位置T之方式予以運轉，且檢測表示時序t(t1至t2)之光束位置變動的檢測信號X(t)，並輸入於操縱電磁鐵電源41。

步驟S2係在操縱電磁鐵電源41中，算出檢測信號X=0之操縱電磁鐵33的反衝角。

繼而在步驟S3中，作成因應於所算出之反衝角的電流圖案1(t)，並予以保存。此亦以時間表之形式而將對各反衝角的電流圖案準備於操縱電磁鐵電源41的控制裝置內，例如於因應於算出之反衝角的電流圖案施以線形補足措施，藉此而作成線性之電流圖案1(t)，且在步驟S4中，將此作為操縱電磁鐵33的激磁電流而輸出，並矯正光束位置使其能於最後到達光束軸上。

以上為試驗照射時之準備操作，且於實際照射時，將保存之各電流圖案同步於周期性的運轉之同步加速器2而流通於操縱電磁鐵33，藉此即可以不變動光束的位置和光束的角度之狀態而照射患者並進行治療。據此，即能進行較實施形態1之情形更簡單的光束軌道控制。

又，第13圖係於上述照射位置測量光束位置之監視機器的概略構成圖，自噴嘴4的外側以例如螺栓．螺帽所組成之固定工具51而裝卸自在的安裝內藏光束位置監視器34或螢光版52之附屬裝置50之構成，能以光束位置監視器34(攝影機)而拍攝光束軌道ST為照射位置T上時之光束位置。在如此之照射位置使用測量光束位置之監視機器，據此而上述之試驗照射時(準備階段)係將光束位置監視器34設置於照射位置T上，實際照射時(治療時)則使用上述固定工具51而卸下光束位置監視器34。

實施形態3.

第14圖係說明本發明之實施形態3的粒子射線治療系統之準備階段之光束軌道控制之另外的方法之模式圖，第14圖(a)係表示無外亂成分時的光束軌道之一例，第14圖(b)係表示有外亂成分時的光束軌道。第14圖(c)係表示本實施形態之補正方法。和實施形態1、2相同的零件雖係省略其說明，但，藉由設置於最後段之偏向電磁鐵31的下游之光束位置監視器34而觀測同步加速器之周期性的加速‧射出之光束的動態。

根據該觀測結果而計算該光速輸送系統3的光束軌 道，並如第14圖(c)而配置操縱電磁鐵33於無外亂成分時的位置s之光束位置X0(s)、以及有外亂成分時的位置s之光束位置X1(s)為相等之位置(點A)，亦即X0(s)=X1(s)之位置s。此外，以試驗照射而將電流流通於上述操縱電磁鐵33，且以上述光束位置監視器34而取得光束位置未變動之電流圖案，並予以保存，此外，實際照射時係流通根據上述電流圖案的電流，據此而使光束位置和光束角度不會產生變動。

實施形態4.

第15圖係說明本發明之實施形態4的粒子射線治療系統之準備階段之光束軌道控制之更另外的方法之模式圖，第15圖(a)係表示無外亂成分時的光束軌道之一例，第15圖(b)係表示有外亂成分時的光束軌道。藉由設置於最後段之偏向電磁鐵31的下游且為最後段的四極電磁鐵32的後段之光束位置監視器34而觀測同步加速器之周期性的加速‧射出之光束的動態。

根據該觀測結果而計算該光速輸送系統3的光束軌道，並配置操縱電磁鐵33於無外亂成分時的位置s之光束位置X0(s)、以及有外亂成分時的位置s之光束位置X1(s)互為相等且成為0之位置s(亦即X0(s)=X1(s)=0之點A)(第15圖(c))。此外，以試驗照射而將電流流通於上述操縱電磁鐵33，配合時間而控制反衝角，且以上述光束位置監視器34而取得光束位置未變動之電流圖案，並予以保存，此外，實際照射時係流通根據上述電流圖案的電流，據此 而使光束位置和光束角度不會產生變動。

實施形態5.

根據第16圖而說明本發明之實施形態5的粒子射線治療系統之概略構成圖。本實施形態的粒子射線治療系統100，其基本上係和第1圖所示之實施形態1大致為相同的構成，不同之點僅在於操縱電磁鐵33a、33b、以及光束位置監視器34a、34b的插入位置。亦即，相對於實施形態1係對光束輸送方向而依序配置第1操縱電磁鐵33a、第1光束位置監視器34a、第2操縱電磁鐵33b、第2光束位置監視器34b，而本實施形態則依序配置第1操縱電磁鐵33a、第2操縱電磁鐵33b、第1光束位置監視器34a、第2光束位置監視器34b。

第17圖係說明上述第16圖所示之實施形態的光束輸送系統3之光束軌道控制之狀態的模式圖，且各電磁鐵和第16圖為相對應而表示。由於各操縱電磁鐵之反衝角之算出方法和第5圖之說明相同，故此處係予以省略。

第17圖(a)係表示不進行本發明的控制時之光束軌道，第17圖(b)係表示進行本發明的控制時之光束軌道。又，圖中，z係表示朝向照射位置T而進行之理想的光束軸線，ST1係表示時間t1之光束軌道，ST2係表示時間t2之光束軌道。以下，使用此而說明求得用以補正周期性的變化之光束位置變動‧角度變動的影響之操縱電磁鐵之反衝量(角)之原理。

本發明之實施形態1係設置第1光束位置監視器34a 和第2光束位置監視器34b於上述第1操縱電磁鐵33a和第2操縱電磁鐵33b的後方(下游)。如第17圖(b)所示，使用上述2台之第1操縱電磁鐵33a和第2操縱電磁鐵33b，以第2操縱電磁鐵33b而使光束中心的傾斜度能和光束軸線z平行之方式而予以彎曲，此後，沿著光束軸線z而使光束中心能進行。

分別必需至少2台之操縱電磁鐵和光束位置監視器，其係因為能進行使位置．傾斜度均成為0的補正之故。

繼而說明本實施形態之操縱電磁鐵電源41、42之具體的光束補正法。第18圖係表示具體的光束補正順序之流程圖。在圖中，首先在步驟S1中，藉由第1光束位置監視器34a而檢測各時序之光束位置的檢測信號X1(t)，同時藉由第2光束位置監視器34b而檢測各時序之光束位置的檢測信號X2(t)。

繼而在步驟S2中，解出X1和X2均能成為0之各時刻的反衝角之連立方程式，或使用重覆反復之反復法等之順序而算出。

繼而在步驟S3中，作成因應於所算出之反衝角的電流圖案11(t)和12(t)。分別以時間表之形式而將對各反衝角的電流圖案準備於操縱電磁鐵電源41和42的控制裝置內，例如於因應於算出之反衝角的電流圖案施以線形補足措施，藉此而作成線性之電流圖案11(t)和12(t)，將此作為操縱電磁鐵33a、33b的激磁電流而輸出，並矯正光束位置使成為最後到達光束軸上。

如此之實施形態亦能取得和實施形態1相同的功效，且因根據建屋配置等的限制條件，而於機器配置上產生限制條件，故該實施形態亦具有有利之情形。

實施形態6.

粒子射線治療系統係分別設置複數的一般在光束輸送系統中變更帶電荷粒子光束的進行方向之偏向電磁鐵或操縱電磁鐵、以及收斂．發散帶電荷粒子光束而控制光束的寬幅之四極電磁鐵等。因此，收容此等的裝置之空間則相當大，且需要用以收容此等的裝置之充分的建屋面積。例如，僅偏向電磁鐵而其大小為高度2.5m，偏向半徑達於1.5m，根據其使用目的而產生必須設置複數的此等偏向電磁鐵。因此，在無法確保較大的建屋之各種設備中，即使缺少一個上述偏向電磁鐵而亦對粒子射線治療系統的小型化具有大的貢獻，此外，不易受到配置上的限制。

該實施形態6係說明有關於在光速輸送系統3中，上述實施形態1至5中所說明之粒子射線治療系統中，進而省略至少1個之偏向電磁鐵，且即使不使用偏向電磁鐵亦能解除運動量分散函數之相關性，藉此而能達成相同之目的之情形。第19圖係表示在光速輸送系統中，該實施形態的粒子射線治療系統之構成圖。

在圖中，和第1圖、第10圖相同或相當部分係賦予相同符號，5係表示患者的治療室之起重架。圖中，以實際接近之狀態而表示在加速器系統2的射出用偏向電磁鐵30所射出之光束到達起重架5為止之光速輸送系統3中，並 不以眾所皆知的四極電磁鐵和偏向電磁鐵的組合而解除運動量分散函數之相關性，而僅藉由操縱電磁鐵33a、33b予以解除運動量分散函數之相關性。

運動量分散函數係指運動量和位置之相關函數，由於自加速器系統2所射出之帶電荷粒子光束係具有運動量和位置之相關性，故輸送至起重架入口為止時，使該相關性消失之狀態在確保治療品質上極為重要。上述光速輸送系統3的任務為不僅將帶電荷粒子光束輸送至起重架5為止而已，亦必須使運動量分散函數消失而進行輸送。一般而言，以加速器而於x方向產生運動量分散時，則必需具備能消除該x方向的分散之x方向偏向電磁鐵和四極電磁鐵的組合，此外，藉由來自加速器的取出而於y方向產生運動量分散時，則必需具備能消除該y方向的分散之y方向偏向電磁鐵和四極電磁鐵的組合。

來自加速器之射出方式雖有各種方式，但，其中之時間和運動量分布為強相關性之性質，亦即，具有時間和中心運動量均產生大的變化之傾向。

此係考量起因於上述之加速器中之電磁鐵的磁場或高頻電力之周期性變動等，如實施形態1至5所說明，在光束位置監視器上而監視連動於此等之加速器的運轉周期之周期性的變動，且能消除光束位置監視器的輸出之動態變動而進行軌道補正，藉此即能解除此等之周期性的變動，亦即能解除時間和運動量分布之強相關性。

以下根據第19圖之例而具體說明該情形。

自同步加速器所射出之光束，其一般係於x方向和y方向均具有運動量分散函數。第20圖(a)(b)係表示相對於沿著設計軌道之軸s(橫軸)的距離(m)之x軸或y軸的運動量分散函數(縱軸)，亦即來自設計軌道的偏移量x(mm)、y(mm)之圖示，且表示時間和運動量分散函數均產生大的變化之狀態。圖示的下側(t=0)為射出初始，追尋時間和上側的軌跡。圖中係表示t=1為止之時間間隔。沿著設計軌道之軸s(m)係將加速器系統2的射出口作成0，起重架5入口為止的距離作成15m時之例，圖示之下部所示之大的四角係表示射出用偏向電磁鐵30，上半部之小的四角係表示收斂四極電磁鐵，下半部之小的四角係表示發散四極電磁鐵。

由此而得以理解，時間和運動量上具有強的相關性，且為增加時間和光束的運動量而進行。由於在x方向之s=15m的位置，其光束幾乎為不動之狀態，雖形成運動量分散函數η=0，但，由於傾斜度係隨著時間而產生變化，故將上述η於s方向進行微分之值η’為η’≠0。

另一方面，由於在y方向之s=13m的位置，其光束幾乎為不動之狀態，雖形成η=0，但，由於傾斜度係隨著時間而產生變化，故仍然為η’≠0。

粒子射線治療裝置係以旋轉之起重架入口或等量點位置其運動量分散函數η=0，且η’=0為佳。

因此，將2組之操縱電磁鐵33a、33b之x方向和y方向裝入於s=5m的位置和s=11m的位置，例如放置監視 器34a、34b於s=12m的位置和s=15m的位置。此處，已於上述實施形態5所說明，使用補正周期性變化之光束位置變動．角度變動之原理，即能求得在上述監視器34a、34b的位置，其光束重心的移動量能成為0之動態的操縱電磁鐵之電流圖案。例如，以第21圖之電流圖案而於上述動態的操縱電磁鐵33a、33b進行激磁動作時，即可取得如第22圖之運動量分散函數。亦即，在起重架入口中，可實現x(t)=0、x’(t)=0、y(t)=0、y’(t)=0。由於時間和運動量上具有強的相關性，故同時亦能實現ηx=0、η’x=0、ηy=0、η’y=0。

如此，當時間和運動量上具有強的相關性時，藉由將監視器和動態的操縱電磁鐵予以組合，則相較於習知之偏向電磁鐵和四極電磁鐵的組合，其係能省略偏向電磁鐵，並可藉由小型且廉價的裝置而實現運動量分散函數為0之輸送路徑。

1‧‧‧射入系統

2‧‧‧加速器系統

3‧‧‧光速輸送系統

4‧‧‧噴嘴

11‧‧‧射入器

30、31‧‧‧偏向電磁鐵

32‧‧‧四極電磁鐵

33‧‧‧操縱電磁鐵

34‧‧‧光束位置監視器

41‧‧‧操縱電磁鐵電源

100‧‧‧粒子射線治療系統

Claims (10)

1. 一種粒子射線治療系統，包括：將帶電荷粒子光束予以加速之加速器系統、以及將由該加速器所射出之高能量光束輸送至照射位置為止之光束輸送系統，其中，於前述光束輸送系統具備至少1個操縱電磁鐵、對應於該操縱電磁鐵的至少1個光束位置監視器、以及電源裝置，該電源裝置係包含因應於前述光束位置監視器之光束位置的檢測值而算出前述操縱電磁鐵的補正用激磁電流之值並予以保存之控制裝置，並且，前述電源裝置係對前述操縱電磁鐵供應用以補正連動於前述加速器的運轉周期而周期性地變動的光束位置之激磁電流。
2. 如申請專利範圍第1項所述之粒子射線治療系統，其中於前述光束輸送系統具備2個操縱電磁鐵以及對應於該操縱電磁鐵的2個之光束位置監視器，第1光束位置監視器係設置於第2操縱電磁鐵的前方而對第1操縱電磁鐵供應用以補正周期性變動的光束位置之激磁電流的同時，第2光束位置監視器係設置於第2操縱電磁鐵的後方而對前述第2操縱電磁鐵供應用以補正周期性變動的光束位置之激磁電流。
3. 如申請專利範圍第2項所述之粒子射線治療系統，其中，更具備與前述第1操縱電磁鐵對應之第3光束位 置監視器；將前述第1光束位置監視器接近於前述第2操縱電磁鐵的前方而設置，將前述第3光束位置監視器接近於前述第2操縱電磁鐵的後方而設置，根據前述第1和前述第3光束位置監視器的測量值計算而求得前述第2操縱電磁鐵的位置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之粒子射線治療系統，其中於前述光束輸送系統具備2個操縱電磁鐵、以及對應於該2個操縱電磁鐵的2個光束位置監視器，第1光束位置監視器係設置於第2操縱電磁鐵的後方而對第1操縱電磁鐵供應用以補正周期性變動的光束位置之激磁電流的同時，第2光束位置監視器係設置於第1光束位置監視器的後方而對前述第2操縱電磁鐵供應用以補正周期性變動的光束位置之激磁電流。
5. 一種粒子射線治療系統之光束位置補正方法，包括：於光束輸送系統具備至少1個操縱電磁鐵以及對應於該操縱電磁鐵的至少1個光束位置監視器，試驗照射時，以將前述光束位置監視器裝卸自如的方式設置於照射位置的狀態進行光束照射，藉此而掌握光束位置之周期性的變動，並以消除該變動之方式，將前述操縱電磁鐵的激磁電流值配合位置變動的周期而供應，而取得並保存該周期的激磁電流值，並於實際照射時，則以卸下前述光束位置監視器之狀態，將前述 周期性的激磁電流供應於前述操縱電磁鐵。
6. 如申請專利範圍第5項所述之粒子射線治療系統之光束位置補正方法，其中於前述光束輸送系統具備2個操縱電磁鐵、以及對應於該操縱電磁鐵的2個光束位置監視器，試驗照射時，藉由配置在上游側操縱電磁鐵和下游側操縱電磁鐵之間且靠下游側操縱電磁鐵的附近之上游側光束位置監視器，取得並保存光束位置不依時間產生變動之上游側操縱電磁鐵的電流圖案資料，接著，藉由上述保存之電流圖案而將上游側操縱電磁鐵電流予以運轉，並藉由配置於下游側操縱電磁鐵的下游之光束位置監視器而觀測光束位置，使下游側操縱電磁鐵電流產生變化，而取得並保存光束位置不依時間產生變動之下游側操縱電磁鐵的電流圖案資料，接著，實際照射時，將保存之電流圖案同步於周期性運轉的同步加速器，而流通於上游側操縱電磁鐵和下游側操縱電磁鐵，藉此而使光束的位置和光束的角度不會產生變動。
7. 如申請專利範圍第6項所述之粒子射線治療系統之光束位置補正方法，其中光束位置不依時間產生變動之下游側操縱電磁鐵的電流圖案資料係將包含由於機器的周期誤差變動及/或伴隨著呼吸同步信號之機器的周期性的誤差變動之補正圖案作為上述操縱電磁鐵電流而流通。
8. 一種粒子射線治療系統之光束位置補正方法，其特徵 在於：其係藉由設置於光束輸送系統的最後段之偏向電磁鐵的下游之光束位置監視器而觀測同步加速器之周期性的加速．射出之光束位置變動，並根據該觀測結果而計算該光速輸送系統的光束軌道，且配置操縱電磁鐵於無外亂成分時的位置s之光束位置X0(s)和有外亂成分時的位置s之光束位置X1(s)成為相等之位置亦即，X0(s)=X1(s)之位置，於試驗照射時，以上述光束位置監視器而將電流流通於上述操縱電磁鐵，而取得並保存光束位置不變動之電流圖案，繼而，於實際照射時，則流通根據上述電流圖案的電流，據此而使光束位置和光束角度不會產生變動。
9. 如申請專利範圍第8項所述之粒子射線治療系統之光束位置補正方法，其中無外亂成分時的位置s之光束位置X0(s)、以及有外亂成分時的位置s之光束位置X1(s)係成為0，亦即配置操縱電磁鐵於X0(s)=X1(s)=0的位置s。
10. 一種粒子射線治療系統之光束位置補正方法，其特徵在於：其係於光束輸送系統具備2個操縱電磁鐵、以及於此等的後方具備2個光束位置監視器，藉由第1光束位置監視器而檢測各時序t之光束位置的檢測信號X1(t)的同時，亦藉由第2光束位置監視器而檢測各時序t之光束位置的檢測信號X2(t)，繼之，算出使X1 和X2均能成為0之各時刻之反衝角，繼而作成因應於所算出之反衝角的電流圖案11(t)和12(t)，且分別將該電流圖案作為上述2個之操縱電磁鐵的激磁電流而予以輸出，並矯正光束位置使其能於最後到達光束軸上。