TWI517873B - 粒子線掃描照射系統 - Google Patents

Description

粒子線掃描照射系統

本發明係關於一種粒子線治療裝置，尤有關於一種配合患部的3維形狀來照射粒子線的粒子線掃描照射系統。

在粒子線治療中，係將加速至光速之約70%的陽子線或碳線等照射於患部。此等高能量的粒子線，在照射於體內的腫瘤等時，會顯示以下的特徵。第一，所照射之粒子線，大部分都會在與粒子線能量之約1.7乘方成比例的深度位置停止。第二，對於所照射之粒子線直到在體內停止為止所通過的路徑所賦予之能量的密度，會在粒子線的停止位置成為最大。粒子線的能量密度係稱為劑量。沿著粒子線通過體內之路徑所形成之特有的深部劑量分布曲線，係稱為布拉格曲線(Bragg Curve)。

茲將粒子線之劑量顯示最大值的部位稱為布拉格峰值(Bragg peak)。粒子線掃描照射系統係將該布拉格峰值的位置配合腫瘤的3維形狀進行掃描。各掃描位置中之峰值的劑量，係在預先以圖像診斷所決定的標的(腫瘤區域)中，調整成形成預定的3維劑量分布。

粒子線之停止位置的掃描方法，係區分為朝與粒子線之照射方向大致垂直的橫方向(X、Y方向)掃描的方法、及朝屬於粒子線之照射方向的深度方向(Z方向)掃描的方法。在朝橫方向進行的掃描中，存在有使患者相對於粒子線移動的方法、及使用電磁鐵等使粒子線之位置移動的方 法。一般而言，係採用使用後者之電磁鐵的方法。

朝深度方向進行的掃描方法，係以改變粒子線之能量者為唯一的方法。在改變能量的方法中，可考慮以加速器來改變粒子線之能量的方法、及使用設置在射束(beam)輸送系統或照射系統之被稱為射程移位器(range shifter)之能量變更裝置之方法等2種方法。目前大多係採用使用能量變更裝置之方法。在射程移位器中包括有進行能量之變更與分析之被稱為能量選擇系統(Energy Selection System)的裝置。

使粒子線射束朝橫方向掃描的方法，可區分成點(spot)掃描照設法與混合(hybrid)掃描照射法之2種基本的照射方法。點掃描照射方法係當照射粒子線，且於預定照射位置之照射量到達計劃值時，暫時減弱粒子線的射束強度(參照非專利文獻1)。此時，一般而言粒子線的射束強度係設為零。若欲將粒子線照射於下一個照射位置，要變更掃描電磁鐵的電流值，並再度增加粒子線射束的強度後，再進行粒子線的照射。亦有從加速器再度射出粒子線，來取代增加粒子線的射束強度。

混合掃描照射方法之將粒子線照射於所計劃之位置達計劃量的基本做法，雖與點掃描照射法相同，但在使粒子線的位置移動至下一個照射位置時，係不使粒子線射束停止，而是一面照射粒子線射束一面進行粒子線的掃描(參照非專利文獻1)。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本特開2006-145213號公報

專利文獻2：日本特開2008-136523號公報

專利文獻3：日本特開2011-156340號公報

[非專利文獻]

非專利文獻1：T. Inaniwa et al., Medical Physics, 34(2007)3302

在粒子線掃描照射系統中，於正當變更照射位置的期間會產生粒子線的移動。移動中之粒子線的劑量會影響實際照射時之劑量的分布。在非專利文獻1中，係將粒子線之移動中的劑量貢獻納入於治療計劃之最佳化計算，藉此欲減輕對於移動中之劑量對於最終劑量分布所造成的影響。在此方法中，係要求預先決定移動中的劑量貢獻。

實際照射時之移動中的劑量貢獻，係取決於粒子線照射中從加速器所獲得之粒子線之射束強度的時間變動，因此在上述方法中乃需要將移動中之劑量貢獻的平均值納入於治療計劃之最佳化計算。從加速器所得之射束電流波形I(t)之時間變動較大時，難以將移動中之粒子線的貢獻予以完全去除。再者，在治療計劃之最佳化計算中需考慮移動中之劑量貢獻的平均，使得治療計劃的策劃相對地變得複雜。

本發明係有鑑於解決上述課題而研創者，其目的在減 輕粒子線之移動中之劑量對於最終劑量分布所造成的影響。

本發明提供一種粒子線掃描照射裝置，其係具備：第1計算裝置，以粒子線之相對照射量與射束電流波形為依據來求出各照射點之計劃照射粒子數；第2計算裝置，模擬各照射點之粒子線的照射過程來求出粒子線掃描移動之期間照射於患部之粒子數；第3計算裝置，使用掃描移動之期間所照射之粒子數來修正各照射點之計劃照射粒子數；第4計算裝置，將經修正之計劃照射粒子數換算為劑量監控器之計數數；及粒子線照射裝置，根據所換算之計數數進行粒子線的照射。

依據本發明之粒子線掃描照射系統，係可將在治療計劃中所決定之各照射點(照射位置)之計劃照射粒子數，以簡單的修正方法修正為依循考慮到照射中所產生之移動中之照射粒子數之貢獻之治療計劃的劑量分布。

(實施形態1)

第1圖係顯示粒子線掃描照射系統之整體構成。粒子線掃描照射系統100係由治療計劃系統10、粒子線治療照射控制系統20及粒子線照射裝置30所構成。治療計劃系統10係由治療計劃資料管理裝置1、計劃照射粒子數修正裝置3、治療計劃裝置4、及掃描照射模擬裝置5等所構成。 粒子線治療照射控制系統20係由照射系統資料管理裝置2、治療控制裝置6、機器控制裝置7、及定位裝置8所構成。治療控制裝置6係包括劑量監控器。粒子線照射裝置30係包括掃描磁鐵、掃描電源。

治療計劃裝置4係作成治療計劃，且以治療計劃為依據來進行劑量計算的模擬。治療控制裝置6係控制粒子線照射裝置30，且依照從照射系統資料管理裝置2所取得之治療計劃的條件來照射粒子線。實際所照射之粒子線的劑量係由治療控制裝置6來測量。測量的結果係傳送至治療計劃資料管理裝置1。治療計劃資料管理裝置1係進行由計劃照射粒子數修正裝置3、治療計劃裝置4、掃描照射模擬裝置5所作成之資料的管理。照射系統資料管理裝置2係管理由治療控制裝置6、機器控制裝置7、定位裝置8所使用之資料、治療記錄、測量記錄等。

在粒子線治療中，由於係將粒子線之布拉格峰值的位置配合腫瘤的3維形狀進行掃描，因此按照治療計劃將患部朝深度方向輪切成薄片。第2圖係顯示經輪切之腫瘤等之患部25的示意圖。茲將在深度方向分割之患部25的一層份稱為薄切片(slice)。患部25係分割成複數個薄切片(˙˙˙W、X、Y、Z˙˙˙)。

接著，根據第3圖來說明掃描照射時之粒子線的照射順序。粒子線的照射順序係預先以治療計劃系統10來計算。圖中係顯示經特別指定之薄切片X之照射點的配置、及粒子線的照射路徑。粒子線原則上從照射開始點至照射 結束點為止，行經一筆劃的路徑。粒子線通常會依照掃描移動而移動至相鄰的照射點。當照射點之間隔開時，為了隔開間隔粒子線係空白移動而移動至下一個照射點。因為空白移動而省略照射之點的數量係依照射條件而有所不同。空白移動係自空白開始點的點開始直到空白終點的點結束。

接著根據第4圖所示的方塊圖來說明本發明之實施形態1之粒子線掃描照射方法。計劃照射粒子數Ni係顯示在治療計劃中所決定之照射點(i)之照射粒子數的計劃值(處方劑量)。點編號i(=1、2、3˙˙˙Nspot)係顯示照射點的ID。粒子線係在相同薄切片內依照點編號i而照射。計劃照射粒子數Ni係根據治療計劃而依每一個薄切片求出。計劃照射粒子數Ni係以治療計劃系統10所輸出之各點的相對照射粒子數Ri與處方劑量DO為依據來算出，且儲存於治療計劃資料管理裝置1。處方劑量DO係顯示對於患部以一次照射方式照射之粒子線的劑量。

射束電流波形I(t)係顯示照射時從粒子線加速器所獲得之基本之射束的電流形狀，且儲存於照射系統資料管理裝置2。第5圖係顯示掃描照射時所使用之射束電流波形I(t)的1例。射束電流波形I(t)係為從加速器射出之粒子線之射束電流的時間變動資訊。使用於掃描照射的加速器雖係以同步(synchrotron)加速器、迴旋(cyclotron)加速器為主，但即使是任何一種形態的加速器，在本發明中均具有相同的功效。掃描照射模擬裝置5係用以算出粒子線 移動於點間之期間照射於患部之粒子線數的預測資料。計劃照射粒子數Ni係藉由計劃照射粒子數修正裝置3來修正。治療計劃係包括掃描照射治療計劃。經修正之計劃照射粒子數Ni係換算為MU(Monitor Unit，監控單元)以與劑量監控器對應。

接著，使用第1圖至第4圖來說明本發明實施形態1之粒子線掃描照射系統100的動作。首先，根據患者的CT(Computed Tomography，電腦斷層掃描)資料等，利用治療計劃系統10來作成掃描照射治療計劃。結果，輸出粒子線的照射方向、與照射方向對應的照射薄切片資訊、與各薄切片對應的照射位置資訊、各照射位置之點的相對照射量資訊。照射方向亦可考慮複數種情形。在照射位置資訊中，係與照射位置對應來定義照射點。

接著，治療計劃裝置4係根據處方劑量DO與治療計劃來算出計劃照射粒子數Ni。在計劃照射粒子數Ni的算出中，係活用包含在治療計劃中之各點的相對照射粒子數、與水中之劑量分布絕對值的測量資訊。對於掃描照射模擬裝置5，係賦予各照射點之計劃照射粒子數Ni與射束電流波形I(t)。

掃描照射模擬裝置5係由模擬軟體(similation soft)與計算機所構成。掃描照射模擬裝置5係在實施掃描照射之情形下，於粒子線從照射點(i)往照射點(i+1)移動時，算出照射於患部之粒子線的數量△Ni(i=1、2、3、˙˙˙Nspot-1)。當模擬掃描照射過程時，考慮劑量監控器、掃 描電源、掃描控制裝置等的時間響應與動作。

在掃描照射模擬裝置5中，係以數μsec的時間步驟將射束電流波形I(t)進行積分。當電流積分值達到照射點(i)之計劃照射粒子數Ni時，將各機器的時間響應列入考慮，將粒子線的照射位置朝向照射點(i+1)進行變更。進一步針對照射點(i+1)，將射束電流波形I(t)進行積分，當電流積分值達到計劃照射粒子數Ni+1時，將照射位置變更為照射點(i+2)。如此，從照射點(i=1)至照射點(i=Nspot)，模擬將粒子線照射於所有照射點的過程，藉此即可獲得射束移動於照射點間之期間照射於患部之粒子線的數量(移動中粒子數△Ni)。算出計劃照射粒子數Ni時，並未考慮移動中粒子數△Ni。由於實際照射時係在達到計劃照射粒子數Ni之後才產生射束的移動，因此直到粒子線移動至下一個照射點為止，粒子線都會多餘地照射至患部(參照第7圖)。

接著，計劃照射粒子數修正裝置3係使用移動中粒子數△Ni來修正照射點(i)之計劃照射粒子數Ni。具體而言，係實施(Ni_修正後=Ni-△Ni/2)與(Ni+1_修正後=Ni+1-△Ni/2)。從此處理求出計劃照射粒子數Ni_修正後。計劃照射粒子數Ni_修正後，係成為考慮到在點間移動中所照射之粒子數之影響的計劃照射粒子數。著眼於照射點(i)，以下公式成立(參照第7圖)。

計劃照射粒子數Ni_修正後=計劃照射粒子數Ni-△Ni/2-△Ni-1/2

計劃照射粒子數Ni_修正後，係使用照射中管理(或測量)粒子數之劑量監控器的靈敏度，換算為計劃計數數Mui。劑量監控器的靈敏度係取決於粒子線射束的能量。最後，將所獲得之各點的計劃計數數Mui，交付給粒子線治療照射控制系統20及粒子線照射裝置30，來實施實際的掃描照射。使用粒子線治療照射控制系統20執行掃描照射時，係使用與在掃描照射模擬裝置5模擬掃描照射時所使用者相同強度的射束電流波形I(t)。

實際照射至照射點(i)之粒子線的量，係根據計劃計數數Mui來控制。第7圖係顯示在薄切片Y中照射粒子線被計數之情形的示意圖。射束係以照射點(i-1)、照射點(i)、照射點(i+1)的順序移動。照射粒子線的計數，係在從始點Ti(s)至終點Ti(e)之間均一致。此計數的循環(cycle)係連續地反覆進行。實際照射時，於計數開始時，係在先前的循環中藉由移動中的粒子線進行照射。於計數結束時，粒子線係在下一個照射點開始移動。

如此，依據本發明之實施形態1所示之粒子線掃描照射系統，係考慮了掃描照射時，於點間移動的期間中由於照射至標的之移動中粒子對於劑量分布所造成的影響。使用可模擬實際之照射時間點(timing)之掃描照射模擬裝置，於照射前算出其移動中粒子數△Ni，且使用計劃照射粒子數修正裝置來求出修正後之計劃照射粒子數(計劃照射粒子數Ni_修正後)而進行實際的掃描照射，藉此不需要藉由治療計劃系統所進行的再計劃處理。結果，可使粒子 線掃描照射的治療計劃變得簡單，因此可提升粒子線掃描照射系統的運用效率。此外，由於可考慮移動中粒子的影響來實施掃描照射，因此可將更高精確度的劑量賦予施予患部。

(實施形態2)

接著說明本發明實施形態2之粒子線掃描照射系統的動作。在實施形態2中，其特徵為使用將第6圖所示之快速的變動成分去除的射束電流波形以取代第5圖所示之經實測之射束電流波形，來作為在掃描照射模擬裝置5使用的射束電流波形I(t)。

第6圖所示之射束電流波形I(t)係透過低通濾波器(low pass filter)而將第5圖所示之射束電流波形I(t)予以平滑處理者。結果，可將在點間移動時的移動中粒子數△Ni，求出作為更穩定之射束電流波形的平均值。藉此，不會再受到缺乏再現性之快速的射束電流變化影響，而可更高精確度地求出移動中粒子數△Ni。實施形態2之粒子線掃描照射系統，具有可更高精確度將粒子線照射於患部的效果。

(實施形態3)

接著說明本發明之實施形態3之粒子線掃描照射系統的動作。雖然射束電流愈大愈可將照射時間縮短，但由於移動中粒子數△Ni會佔據相對較大的比重(weight)，因此計劃照射粒子數Ni_修正後會變成負值。第8圖係為顯示本發明實施形態3之粒子線掃描照射系統之構成的方塊 圖。第8圖所使用之符號與第4圖相同者，基本上係顯示與第4圖相同的意義。

在實施形態3中，為了防止計劃照射粒子數Ni_修正後成為負值，於照射各薄切片時，係限制在各薄切片之照射中所使用之最大射束電流的大小，以使移動中粒子數△Ni的一半比移動前後之點的計劃照射粒子數還小。由於射束電流值實際上係由波形所決定，因此使用經平滑化之平均值的情形亦相同。

具體而言，於掃描照射模擬時，為了使移動中粒子數△Ni的一半(△Ni/2)不超過照射點(i)之計劃照射粒子數Ni與照射點(i+1)之計劃照射粒子數Ni+1，乃預先決定用於各薄切片之照射之射束電流波形I(t)的最大值(某時刻之最大射束電流)。於照射薄切片時，雖以使用較大射束電流值較能縮短照射時間，但作為基準，係以在此所算出之最大射束電流值之一半以下的射束電流進行照射為佳。

在實施形態3中，由於係限制預先在照射各薄切片時所使用之射束電流的最大值，因此可將在照射各薄切片時所使用之射束電流的範圍予以設定在適當的值。於修正計劃照射粒子數時，可保證計劃照射粒子數Ni_修正後不會再成為負值，而必然會成為正值。因此，相較於將負的粒子數設為零而進行照射之情形，可以更高精確度將誤差粒子數的影響列入考慮來進行粒子線掃描照射。

(實施形態4)

接著說明本發明實施形態4之粒子線掃描照射系統的 動作。第9圖係顯示將患部朝深度方向薄切並將患部掃描照射時，特定薄切片之照射點的配置與照射路徑。掃描照射係在位於最上部之右端的點開始，且在位於最下部之右端部的點結束。照射開始點與照射結束點的途中，係經由複雜的路徑而照射薄切片內的各點。圖中，係存在有將鄰接之點間相連的點間移動、及將未鄰接之點間相連的點間移動。

在實施形態4中，係著眼於將鄰接之照射點相連的點間移動、與將未鄰接之點間相連的點間移動。移動為鄰接的點間時，雖以實施形態1所說明之方式進行，但移動在未鄰接之點間產生時，以實施形態1之修正方法而言，會有很大的誤差。因此，在實施形態4中，首先要確認計劃照射粒子數修正裝置3是在鄰接的點間移動，還是在未鄰接的點間移動。只有針對鄰接之點間的移動，才實施從移動前之照射點(i)之計劃照射粒子數Ni、與移動後之照射點(i+1)之計劃照射粒子數Ni+1將移動中粒子數△Ni之一半扣除掉的修正處理。

依據實施形態4，在計劃照射粒子數Ni的修正處理中，僅在粒子線移動於鄰接的點間時，才從計劃照射粒子數Ni扣除移動中粒子數△Ni的一半。在粒子線移動於未鄰接的點間時，則不進行任何動作，因此不會產生因為修正處理所導致的誤差。實際上，粒子線移動於未鄰接之點間的情況，遠較粒子線移動於鄰接之點間的情況還少。視情形而進行的處理，可實現更高精確度下的掃描照射。

(實施形態5)

接著說明本發明之實施形態5之粒子線掃描照射系統的動作。在實施形態5之粒子線掃描照射系統中，係在第9圖所示之鄰接之點間的移動(掃描移動)、與未鄰接之點間的移動(空白移動)之情形下，使用計劃照射粒子數修正裝置3，來實施不同的計劃照射粒子數修正處理。具體而言，在鄰接之點間的移動中，與實施形態1相同，係實施從移動前之照射點(i)之計劃照射粒子數Ni、及移動後之照射點(i+1)之計劃照射粒子數Ni+1，扣除掉移動中粒子數△Ni之一半的修正處理。

未鄰接之點間之移動時，首先算出移動軌跡。從所算出的移動軌跡，推算出與點尺寸離開相同程度的所有點(i=ik，k=1、2、3、˙˙˙nk；全nk個；i1=1、ink=i+1)。將所推算出之點的數量設為空白點數(nk)。接著，進行將移動中粒子數△Ni除以空白點數(nk)，且從點編號i之移動前點、點編號i+1之移動後點及移動中貢獻之空白點的計劃照射粒子數N分別扣除掉△Ni/nk的修正。

依據本實施形態，由於未鄰接之點間之移動時，亦可實施更為正確之移動中粒子數的修正，因此相較於實施形態4，可更進一步提高掃描照射的精確度。另外，在上述實施形態的說明中，係將掃描照射模擬裝置、治療計劃裝置、計劃照射粒子數修正裝置記載為個別的構件(component)並加以說明。實際上，即使將此等裝置搭載於相同的電腦碼或相同的電腦，效果仍與上述說明者相同， 在掃描照射中，可利用較高的精確度及簡單的方法來考慮因為移動中粒子所引起之劑量的影響。

另外，本發明係在發明之範圍內，均可自由地組合各實施形態，亦可將各實施形態予以適當變形及省略。

1‧‧‧治療計劃資料管理裝置

2‧‧‧照射系統資料管理裝置

3‧‧‧計劃照射粒子數修正裝置

4‧‧‧治療計劃裝置

5‧‧‧掃描照射模擬裝置

6‧‧‧治療控制裝置

7‧‧‧機器控制裝置

8‧‧‧定位裝置

10‧‧‧治療計劃系統

20‧‧‧粒子線治療照射控制系統

25‧‧‧患部

30‧‧‧粒子線照射裝置

100‧‧‧粒子線掃描照射系統

DO‧‧‧處方劑量

I(t)‧‧‧射束電流波形

Mui‧‧‧計劃計數數

Ni‧‧‧計劃照射粒子數

Ri‧‧‧相對照射粒子數

Ti(s)‧‧‧始點

Ti(e)‧‧‧終點

X‧‧‧薄切片

第1圖係為顯示本發明之粒子線掃描照射系統之裝置構成的整體圖。

第2圖係為說明患部被薄切(slice)之狀態的圖。

第3圖係為顯示照射開始點與照射結束點之位置關係的圖。

第4圖係為顯示本發明實施形態1之粒子線掃描照射方法之過程的方塊圖。

第5圖係為顯示在本發明實施形態1之掃描照射模擬中所使用之射束電流波形的圖。

第6圖係為顯示在本發明實施形態2之掃描照射模擬中所使用之經平滑化之射束電流波形的圖。

第7圖係為說明移動中之照射點之情形的圖。

第8圖係為顯示在本發明實施形態3之粒子線掃描照射方法之過程的方塊圖。

第9圖係為顯示本發明實施形態4及實施形態5之粒子線掃描照射系統之動作的圖。

該代表圖無元件符號及其所代表之意義。

Claims (5)

1. 一種粒子線掃描照射系統，係具備以粒子線治療計劃為依據而求出粒子線之各照射點之計劃照射粒子數的計算機、及將前述粒子線照射於患部的粒子線照射裝置；前述計算機係進行下列步驟：第1步驟，以前述計劃照射粒子數與前述粒子線之射束電流波形為依據來模擬前述各照射點之粒子線的照射過程，而求出前述粒子線掃描移動之期間照射於前述患部之粒子數；第2步驟，使用前述掃描移動之期間所照射的粒子數來修正前述各照射點之計劃照射粒子數；及第3步驟，將前述經修正之計劃照射粒子數換算為劑量監控器(monitor)之計數(count)數；前述粒子線照射裝置係根據在前述第3步驟中所換算的計數數而將前述粒子線照射於患部，前述第2步驟係包括：從掃描移動前之照射點之計劃照射粒子數及掃描移動後之照射點之計劃照射粒子數，扣除掉前述掃描移動之期間所照射之粒子數之一半的處理。
2. 如申請專利範圍第1項所述之粒子線掃描照射系統，其中，復具備將粒子線之射束電流波形予以平滑化處理的第4步驟，且在第2步驟中使用經該平滑化處理的射束電流波形。
3. 如申請專利範圍第1項所述之粒子線掃描照射系統，其 中，復具備第5步驟，其係以前述射束電流波形為依據來設定射束電流的大小，以使前述掃描移動前之照射點之計劃照射粒子數及前述掃描移動後之照射點之計劃照射粒子數，成為恆常地比前述掃描移動中所照射之粒子數之一半還大的值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之粒子線掃描照射系統，其中，復具備第6步驟，其係在照射點進行空白(blank)移動時，從前述照射點之移動軌跡求出空白移動前之照射點與空白移動後之照射點之間的距離。
5. 如申請專利範圍第4項所述之粒子線掃描照射系統，其中，復具備第7步驟，其係比較在前述第6步驟中所求出之空白移動的距離與掃描移動的距離，而推算出前述空白移動的距離的空白點數(n)，且進行從包含在前述空白移動之照射點的各者，將空白移動中所照射之粒子數之n分之一予以扣除的處理。