WO2013069090A1 - 粒子線治療システムおよびそのビーム位置補正方法 - Google Patents

粒子線治療システムおよびそのビーム位置補正方法 Download PDF

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和之 花川
原田　久
昌広 池田
利宏 大谷
泰三 本田
克久 吉田
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三菱電機株式会社
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    • H05H2277/11—Radiotherapy

Definitions

  • the present invention relates to a particle beam therapy system for irradiating an affected area such as cancer with a charged particle beam such as proton or carbon, and more particularly to correcting a beam position in a particle beam therapy system using a scanning irradiation (scanning) method. It is related.
  • the irradiation field formation method in the particle beam therapy system is broadly divided into a broad beam irradiation method that irradiates the entire affected area of a patient to be irradiated with a scatterer and irradiates all at once, and a thin beam is scanned with an electromagnet. Then, there is a scanning irradiation method (scanning method) in which the affected area is directly irradiated. In any case, the position and angle (inclination) of the charged particle beam emitted from the accelerator is not stable, and the beam made of various electromagnets in the irradiation device provided near the patient or in the beam transport path to the irradiation device.
  • Axis adjustment means is required, but in the broad beam irradiation method, due to the use of a scatterer, even if there is a slight deviation of the beam axis, the influence is relatively small, and highly accurate beam axis correction means is not required. However, in the scanning irradiation method, since the beam axis shift in the beam transport system directly affects the irradiation field to the affected area, more precise beam axis correction means is required.
  • JP 2009-347 A Japanese Patent Laid-Open No. 2003-282300
  • the present invention was made in order to eliminate the influence of these periodic fluctuation factors, and by observing the periodic fluctuation by a beam position detection device and generating an excitation pattern for correction in the steering electromagnet, It is an object of the present invention to provide a novel particle beam therapy system capable of correcting the influence of position fluctuation and angle fluctuation of the emitted beam by feedforward and a correction method thereof.
  • the particle beam therapy system of the present invention is a particle beam therapy system comprising an accelerator system for accelerating a charged particle beam and a beam transport system for transporting a high energy beam emitted from the accelerator to an irradiation position. At least one steering electromagnet and at least one beam position monitor corresponding thereto, and the beam position monitor supplies the steering electromagnet with an excitation current for correcting a periodically changing beam position. To do.
  • the beam position correcting method of the particle beam therapy system according to the present invention is a beam position correcting method of a particle beam therapy system comprising at least one steering electromagnet and at least one beam position monitor corresponding to the beam transport system.
  • a flowchart for explaining a beam correction procedure by the steering electromagnet power source in the first embodiment Basic conceptual diagram explaining the method of calculating the kick angle in each steering electromagnet, Functional block diagram showing a state of beam trajectory correction control including a correction current pattern due to a periodic variation factor and a correction current pattern accompanying a device arrangement error, A characteristic diagram for explaining a state in which the effect of the beam trajectory correction control changes according to a correction procedure, Functional block diagram showing the state of beam trajectory correction control in respiratory synchronized irradiation, Characteristic diagram explaining the case of correcting the beam position variation in consideration of the position variation due to the apparatus accompanying the respiratory synchronized irradiation, FIG.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a particle beam therapy system according to a second embodiment of the present invention; Schematic diagram explaining the state of beam trajectory control according to the second embodiment, A flowchart for explaining a beam correction procedure by the steering electromagnet power source in the second embodiment, Schematic configuration diagram of monitor equipment that measures the beam position at the irradiation position,
  • FIG. 6 is a schematic diagram for explaining another method of beam trajectory control in the preparation stage of the particle beam therapy system according to Embodiment 4 of the present invention; It is a schematic diagram explaining still another method of beam trajectory control in the preparation stage of the particle beam therapy system according to the fifth embodiment of the present invention.
  • a charged particle beam generated by an injector 1 is incident on a particle accelerator 2 such as a synchrotron, where it is accelerated to a required beam energy and emitted from a deflecting electromagnet 30 for emission to a beam transport system 3.
  • the beam trajectory is adjusted via various electromagnets to reach the irradiation position T, and the irradiation target is irradiated.
  • a quadrupole electromagnet 32 that adjusts the beam size, steering electromagnets 33a and 33b for beam trajectory correction, and a deflection electromagnet 31 that deflects the beam direction are arranged in the illustrated order.
  • 33b controls the excitation current by the respective steering electromagnetics 41 and 42 so that the energy beam passes through a predetermined beam trajectory in the beam transport system and reaches the irradiation target.
  • two beam position monitors 34a and 34b are provided at predetermined positions on the beam axis.
  • a fluorescent screen monitor is used as the beam position monitors 34a and 34b, and the beam position monitors 34a and 34b can be freely put into and out of the beam path.
  • Reference numerals 41 and 42 denote power sources for the steering electromagnets 33a and 33b, which calculate and store correction excitation current values for the steering electromagnets 33a and 33b according to the detected value of the beam position in the beam position monitor. Includes control device.
  • FIG. 3 explains the temporal change of the beam current (amount) of the charged particle beam emitted to the beam transport system 3, and FIG. 3 shows a high level from the synchrotron 2 during the period from t1 to t2, which is called a beam pills.
  • An energy beam is emitted to the beam transport system 3, and then is paused for a predetermined time to repeat the next emission.
  • the length of the beam pill period varies depending on the patient's respiratory condition and other conditions, the synchrotron operating condition, etc.
  • the beam trajectory is adjusted by the deflection electromagnet 31, the quadrupole electromagnet 32, etc. according to the respective emission conditions. Then, the light is guided to the irradiation device, and finally, the irradiation target is irradiated on the predetermined beam axis Z.
  • the beam center is bent by the second steering electromagnet 33b so as to pass the beam axis Z using the first steering electromagnet 33a. Subsequently, the second steering electromagnet 33b is bent so that the inclination of the beam center is parallel to the beam axis Z, and thereafter, the beam center advances along the beam axis Z.
  • a first beam position monitor 34a is installed in front of the second steering electromagnet 33b, and further, a second beam is monitored behind the second steering electromagnet 33b.
  • a beam position monitor 34b is installed to adjust the second steering electromagnet 33b.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a specific beam correction procedure
  • FIG. 5 is a basic conceptual diagram for explaining a method of calculating a kick angle in each steering electromagnet.
  • step S ⁇ b> 1 a detection signal X ⁇ b> 1 (t) indicating a beam position variation at each timing t is detected by the first beam position monitor 34 a located on the upstream side and input to the steering electromagnet power supply 41.
  • step S4 the current pattern I1 (t) is used as the excitation current of the steering electromagnet 33a, and the beam center of the beam trajectory is operated so as to be bent so as to pass the beam axis Z in the second steering electromagnet 33b.
  • the detection signal X2 (t) indicating the beam position variation at the timing t (t1 to t2) is detected by the second beam position monitor 34b located on the downstream side, and the second steering electromagnetic power source located on the downstream side is detected. 42.
  • FIG. 6 shows a functional block diagram of the beam trajectory correction control including the correction current pattern due to the periodic variation factor and the correction current pattern accompanying the device arrangement error.
  • FIG. 6 shows an adder 10 that adds a correction current pattern signal L (t) that accompanies a fluctuation in the periodic error of the device to a correction current pattern signal M (t) that accompanies a device placement error and the like, and a current Is that is proportional to the addition signal.
  • the power source 20 can output (t), and the steering electromagnet 33 can give a kick to the beam trajectory.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram illustrating a state in which the effect of the correction control changes according to the correction procedure.
  • FIG. 7A shows the beam behavior when no correction by the steering electromagnet is performed.
  • the beam emitted from the accelerator is the upper stage
  • the steering electromagnet current Is (t) is the middle stage
  • the beam at the irradiation position is shown in the lower part, and the same applies to (B) and (C) of FIG.
  • the beam position (x (t), y (t)) (bottom stage) of the beam irradiation position emitted in accordance with the periodic operation of the synchrotron includes the irradiation position s and the device arrangement.
  • DC orbital movements such as errors and orbital fluctuations that include periodic orbital movements associated with periodic error fluctuations of the equipment are included, and this is observed by the beam position monitor.
  • a steering electromagnet current M (t) at which the average value of the fluctuation is zero is obtained from measurement and calculation, and is temporarily stored.
  • FIG. 9 illustrates a case where the beam position fluctuation is corrected in consideration of the position fluctuation due to the apparatus accompanying the respiratory synchronous irradiation.
  • (A) in FIG. 9 shows a case where correction is performed with M (t) + L (t).
  • M (t) + L (t) When correction is performed with M (t) + L (t), if an irradiation function based on respiratory synchronization is used, Variations in the beam position (x (t), y (t)) due to synchronized emission occur (see the bottom row).
  • a respiratory gate signal is output at a delay of ⁇ t from the beam emission, the beam position variation is similarly observed by the beam position monitor under this condition, and a current value pattern N (t) that does not vary is obtained and stored from the result. .
  • (t) + N (t ⁇ t) is allowed to flow, and the fluctuation of the beam position (x (t), y (t)) can be set to 0 (refer to the lowermost stage).
  • FIG. A schematic configuration of a particle beam therapy system 100 according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the particle beam therapy system of the present embodiment has the same system configuration as that described in the first embodiment, but in the first embodiment, two steering electromagnets and two corresponding magnets are used in the beam transport system 3.
  • the present embodiment is different in that one steering electromagnet 33 and one beam position monitor 34 corresponding thereto are used.
  • the single beam position monitor 34 is shown as being installed on the irradiation position T in the test irradiation (preparation stage).
  • FIG. 11 is a schematic diagram for explaining the state of beam trajectory control in the preparation stage, and each electromagnet is shown corresponding to that in FIG. FIG. 11A shows the beam trajectory before beam trajectory correction, and FIG. 11B shows the beam trajectory showing the beam trajectory correction result. That is, the steering electromagnet current is controlled according to time while being monitored by the beam position monitor 34, and as a result, the steering electromagnet current is detected and stored in a state where there is no fluctuation in the irradiation position. Subsequently, during actual irradiation (during treatment), the beam position monitor 34 is removed, and the kicking angle is controlled according to the time by flowing the steering electromagnetic current detected and stored earlier.
  • a current pattern I (t) corresponding to the calculated kick angle is created and stored.
  • the current pattern for each kick angle is also prepared in the control device of the steering electromagnet power supply 41 in the form of a time table, and linear current is applied to the current pattern corresponding to the calculated kick angle, for example.
  • a pattern I (t) is set, and this is output as an exciting current of the steering electromagnet 33 in step S4, so that the beam position is finally corrected to be on the beam axis.
  • FIG. 14 is a schematic diagram for explaining another method of beam trajectory control in the preparation stage of the particle beam therapy system according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 14 (a) is an example of a beam trajectory when there is no disturbance.
  • FIG. 14B shows the beam trajectory when there is a disturbance.
  • FIG. 14C shows a correction method according to this embodiment.
  • the description of the same components as those in the first and second embodiments is omitted, the motion of the periodically accelerated and emitted beam of the synchrotron is observed by the beam position monitor 34 installed downstream of the last deflection electromagnet 31. Shall.

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Abstract

　本発明の粒子線治療システムは、荷電粒子ビームを加速する加速器系と、この加速器から出射された高エネルギービームを照射位置まで輸送するビーム輸送系とからなり、前記ビーム輸送系に少なくとも１個のステアリング電磁石とこれに対応する少なくとも１個のビーム位置モニタを備え、前記ビーム位置モニタは前記ステアリング電磁石に周期的に変動するビーム位置を補正する励磁電流を供給するようにしたものである。

Description

粒子線治療システムおよびそのビーム位置補正方法
　この発明は、陽子や炭素などの荷電粒子ビームを癌等の患部に照射して治療する粒子線治療システムに関し、特に、走査式照射（スキャニング）法を用いる粒子線治療システムにおけるビーム位置の補正に係わるものである。
　粒子線治療システムにおける照射野形成方法には、大きく分けて、照射対象である患者の患部全体に対して散乱体によってビームを拡大し一斉に照射するブロードビーム照射法と、細いビームを電磁石により走査して患部へ直接照射する走査式照射法（スキャニング法）とがある。いずれの場合も加速器から出射された荷電粒子ビームの位置および角度（傾き）は安定しておらず、患者の直近に設けられる照射装置内あるいは照射装置に至るビーム輸送経路に、各種電磁石からなるビーム軸調整手段を必要とするが、ブロードビーム照射法においては散乱体を用いる関係上、ビーム軸の若干のずれがあってもその影響は比較的少なく、高精度なビーム軸補正手段を必要としないが、走査式照射法にあっては、ビーム輸送系におけるビーム軸のずれがそのまま患部への照射野に影響するため、より精密なビーム軸補正手段が要求される。
　このため、走査式照射法におけるビーム軸補正方法として、従来、例えば照射装置内に走査電磁石とビーム位置検出器を備え、ビーム位置検出器からの信号に基づき、目標照射位置でのビーム位置を算出し、走査電磁石を制御して走査ビームを目標照射位置へ照射できるように補正する方法が提案されている（例えば特許文献１を参照）。上記走査電磁石はz方向に進むビームに対し、x方向とy方向に独立して制御する２個の走査電磁石からなり、それらの電磁石にそれぞれ上記ビーム位置検出器からの信号に基づく励磁電流を流し、それぞれの電磁石に発生する磁場を時間的に変化させ、ビームをx方向とy方向に走査するものである。
　また、加速器から出射した荷電粒子ビームを照射装置まで輸送するビーム輸送手段に２台のビーム位置検出手段と２台のステアリング電磁石を備え、前記ビーム位置検出手段のそれぞれから出力される検出信号に基づいて変位量を算出し、この変位量に基づいて前記ステアリング電磁石のそれぞれの励磁電流を制御する方法も提案されている（例えば特許文献２を参照）。
　しかしながら、これらのいずれのものも、ビーム位置検出手段の検出信号に基づいて算出した信号を何らかの方法で電磁石の励磁電流としてフィードバックすることにより所定のビーム軌道を実現しようとするもので、フィードバックによる制御系の時間遅れのため補正の精度に影響が及ぶという構造的問題点があった。また、加速器から荷電粒子ビームを取り出すとき加速器中の電磁石の磁場や高周波電力の周期的変動が存在すると、それによる出射ビームの位置変動や角度変動に複雑な影響が生じ、従前のフィードバックによるビーム軌道の調整手段だけでは充分な精度で出射ビームの位置変動や角度変動を抑制することができなかった。
特開２００９―３４７号公報 特開２００３―２８２３００号公報
　本発明は、これらの周期的変動要因の影響を解消するためになされたもので、ビーム位置検出装置により上記周期的変動を観測してステアリング電磁石に補正のための励磁パターンを発生させることにより、出射されたビームの位置変動や角度変動の影響をフィードフォワードにより補正することが可能となる新規な粒子線治療システムおよびその補正方法を提供することを目的とする。
　本発明の粒子線治療システムは、荷電粒子ビームを加速する加速器系と、この加速器から出射された高エネルギービームを照射位置まで輸送するビーム輸送系とからなる粒子線治療システムにおいて、前記ビーム輸送系に少なくとも１個のステアリング電磁石とこれに対応する少なくとも１個のビーム位置モニタを備え、前記ビーム位置モニタは前記ステアリング電磁石に周期的に変動するビーム位置を補正する励磁電流を供給することを特徴とするものである。
　また、本発明の粒子線治療システムのビーム位置補正方法は、ビーム輸送系に少なくとも１個のステアリング電磁石とこれに対応する少なくとも１個のビーム位置モニタを備えた粒子線治療システムのビーム位置補正方法において、試験照射時に前記ビーム位置モニタを照射位置に着脱自在に設置した状態でビーム照射することにより、ビーム位置の周期的変動を捉え、この変動を無くすように前記ステアリング電磁石の励磁電流値を位置変動の周期に合わせて供給し、その周期的励磁電流値を取得・保存し、実照射時に前記ビーム位置モニタを取り外した状態で前記周期的励磁電流を前記ステアリング電磁石に供給するようにしたことを特徴とするものである。
　この発明に係る粒子線治療システムは、出射されたビームの周期的に変化する位置変動や角度変動をフィードフォワードにより補正することにより荷電粒子ビームの照射位置の精度を、より効率的且つ確実に向上させることができる。
本発明の実施の形態１による粒子線治療システムの概略構成図、 本発明の実施の形態１によるビーム輸送系におけるビーム軌道制御の状態を説明する模式図、 上記実施の形態１におけるビーム輸送系に出射された荷電粒子ビームのビーム電流（量）の時間的変化を説明する図、 上記実施の形態１におけるステアリング電磁石電源によるビーム補正手順を説明するフローチャート、 各ステアリング電磁石におけるキック角算出の方法を説明する基本的概念図、 周期的変動要因による補正電流パターンおよび機器配置誤差などに伴う補正電流パターンを含んだビーム軌道補正制御の状態を示す機能ブロック図、 上記ビーム軌道補正制御の効果が補正手順に応じて変化する状態を説明する特性図、 呼吸同期照射におけるビーム軌道補正制御の状態を示す機能ブロック図、 上記呼吸同期照射に伴う機器による位置変動をも考慮したビーム位置変動を補正する場合を説明する特性図、 本発明の実施の形態２による粒子線治療システムの概略構成図、 上記実施の形態２によるビーム軌道制御の状態を説明する模式図、 上記実施の形態２におけるステアリング電磁石電源によるビーム補正手順を説明するフローチャート、 照射位置でビーム位置を測定するモニタ機器の概略構成図、 本発明の実施の形態４による粒子線治療システムの準備段階におけるビーム軌道制御の他の方法を説明する模式図、 本発明の実施の形態５による粒子線治療システムの準備段階におけるビーム軌道制御の更に他の方法を説明する模式図である。
実施の形態１．
　本発明の実施の形態１による粒子線治療システム１００の概略構成を図１に基づいて説明する。本実施形態の粒子線治療システム１００は、イオン源（図示せず）や入射器１１等からなる入射系１と、入射器１１から出射された荷電粒子ビームを周回させることにより必要なエネルギービームまで加速するシンクロトロン等の加速器系２と、このシンクロトロン２により加速されたエネルギービームを患者近傍の照射装置Ｔまで輸送するビーム輸送系３とからなっている。
　図１において、入射器１で発生した荷電粒子ビームは、シンクロトロン等の粒子加速器２に入射され、ここで必要なビームエネルギーまで加速されて出射用偏向電磁石３０からビーム輸送系３に出射され、各種電磁石を経由してビーム軌道が調整されて照射位置Ｔに至り、照射対象に照射される。ビーム輸送系３はビームサイズを調整する四極電磁石３２、ビーム軌道補正用のステアリング電磁石３３a、３３b、ビームの方向を偏向する偏向電磁石３１、を図示の順序で配置されており、上記ステアリング電磁石３３a、３３bはそれぞれのステアリング電磁４１、４２により励磁電流を制御して、エネルギービームがビーム輸送系において所定のビーム軌道を通過して照射対象に到達するようになされる。
　この他、ビーム軸上の所定位置に２個のビーム位置モニタ３４a、３４bを備えている。このビーム位置モニタ３４a、３４bは例えば蛍光板モニタが用いられ、ビーム経路に自由に出し入れ可能に構成されている。４１、４２は上記ステアリング電磁石３３a、３３b用の電源であって、上記ビーム位置モニタにおけるビーム位置の検出値に応じて上記ステアリング電磁石３３a、３３bの補正用励磁電流の値を算出しこれを保存する制御装置を含んでいる。
　ステアリング電磁石３３a、３３bは、少なくとも１個あれば良いが、必要により２個以上のステアリング電磁石を設けても良い。また、ここで説明する２個のステアリング電磁石３３a、３３bは、それぞれ、ビームの進行方向ｚに対して互いに直角な方向であるｘ方向とｙ方向について各別に作用するｘ軸用およびｙ軸用ステアリング用電磁石からなっているが、図ではそれぞれ１個として表示している。また、シンクロトロン２からのイオンビームの照射は、少なくとも治療に必要なエネルギーレベルに到達するまでの所定の時間間隔で間歇的に行われ、シンクロトロンの軌道内に設けられた高周波加速空洞（図示していない）によりＯＮ/ＯＦＦ制御がなされる。このＯＮ/ＯＦＦ周期を出射周期と呼ばれ、そのうちのＯＮ期間を治療用に供されるビームスピルと称している。
　図２は上記図１に示す実施の形態１のビーム輸送系３におけるビーム軌道制御の状態を説明する模式図であり、各電磁石は図１のものと対応して示している。図２（a）はこの発明によるビーム軌道補正前のビーム軌道を示し、図２（b）はこの発明によるビーム軌道補正結果を示すビーム軌道を示している。以下これを用いて周期的に変化するビーム位置変動・角度変動の影響を補正する原理を説明する。なお、図中、Ｚは照射位置Ｔに向かって進行する理想的なビーム軸線を、ＳＴ１は時間ｔ１でのビーム軌道を、ＳＴ２は時間ｔ２でのビーム軌道を示している。
　図３はビーム輸送系３に出射された荷電粒子ビームのビーム電流（量）の時間的変化を説明するもので、図３は、ビームピルスと称されるｔ１－ｔ２の間、シンクロトロン２から高エネルギービームがビーム輸送系３に出射され、その後、所定時間休止して次の出射を繰り返す状態を示している。このビームピルスの期間の長さは患者の呼吸状態その他の状況、シンクロトロンの運転状況等により変動するもので、通常はそれぞれの出射状況に応じて偏向電磁石３１、四極電磁石３２等によりビーム軌道を調整して照射装置に導かれ、最終的には所定のビーム軸線Ｚ上において照射対象に照射されるようになされている。
　しかしながら、上述したシンクロトロン２から荷電粒子ビームを取り出すとき、シンクロトロン中の電磁石の磁場や高周波電力の周期的変動が存在すると、上記ビーム電流（量）はそれによる通常状態Ｍに周期的変動分Ｌが重畳されることになり、それが上記出射ビームの位置変動や角度変動により複雑に絡むこととなり、従来のフィードバック系を利用した補正方式では図２（a）のようなビーム軌道ＳＴ１、ＳＴ２となり、上記周期的変動要因によるズレの影響を完全には補正することができなかった。
　この発明の実施の形態１では、図２（b）に示すように、上記第１のステアリング電磁石３３aを用いてビーム中心が第２のステアリング電磁石３３bにおいてビーム軸線Ｚを通過するように曲げられ、続いて第２のステアリング電磁石３３bでビーム中心の傾きがビーム軸線Ｚと平行になるように曲げられるようにし、以後、ビーム軸線Ｚに沿ってビーム中心が進行するようになされている。
　このため、上記第１のステアリング電磁石３３aを調整するために上記第２のステアリング電磁石３３bの前方に第１のビーム位置モニタ３４aが設置され、更に上記第２のステアリング電磁石３３bの後方に第２のビーム位置モニタ３４bが設置され、これにより第２のステアリング電磁石３３bを調整するようになされている。
　次に図４、図５を用いて本実施の形態におけるステアリング電磁石電源４１、４２による具体的なビーム補正方法の概要を説明する。図４は具体的なビーム補正手順を示すフローチャート、図５は各ステアリング電磁石におけるキック角算出の方法を説明する基本的概念図である。図４において、先ず、ステップＳ１で、上流側に位置する第１のビーム位置モニタ３４aによって各タイミングｔにおけるビーム位置変動を示す検出信号Ｘ１（ｔ）を検出し、ステアリング電磁石電源４１に入力する。
　タイミングｔはビームスピル期間ｔ１～ｔ２の間の複数の時点を指し、それぞれの時点におけるビーム位置の検出を意味する。図５（a）は、ビームの進行方向ｚを紙面に垂直な方向としてｚ軸に対してそれぞれ互いに直角なｘ軸、ｙ軸上の上記タイミングｔ（ｔ１～ｔ２）におけるビーム位置を第１のビーム位置モニタ３４aで観察した場合のビーム位置Ｂ１からＢ５の変動の一例を示したものである。上記周期的変動要因によりビーム位置はビーム軸ｚを外れた挙動となっている。
　図５（a）は上記ビーム位置におけるｘ軸成分のみ表示しているがｙ軸成分も存在することは言うまでもない。
　ステップＳ２では、ステアリング電磁石電源４１において、上記第１のビーム位置モニタ３４aの検出信号Ｘ１を入力し、ここで、Ｘ１＝０となるステアリング電磁石３３aのキック角を各タイミングにおいて算出する。この算出に当っては、予め検出信号Ｘ１に対してキック角を関連付けた経験値を時間テーブルの形でステアリング電磁石電源４１の制御装置内に用意しておき、各タイミングにおけるＸ１に応じて、Ｘ１＝０となるステアリング電磁石３３aのキック角として導出するものである。
　続いてステップＳ３において、算出されたキック角に応じた電流パターンＩ１（ｔ）を作成し、保存する。これも各キック角に対する電流パターンを時間テーブルの形でステアリング電磁石電源４１の制御装置内に用意しておき、例えば、算出されたキック角に応じた電流パターンに線形補間を施すことによりリニアな電流パターンＩ１（ｔ）とし、これをステアリング電磁石３３aの励磁電流として出力し、ビーム位置を矯正する。
　ステップＳ４では、この電流パターンＩ１（ｔ）をステアリング電磁石３３aの励磁電流として使用して、ビーム軌道のビーム中心が第２のステアリング電磁石３３bにおいて、ビーム軸線Ｚを通過するように曲げられるように運転しながら、下流側に位置する第２のビーム位置モニタ３４bによってタイミングｔ（ｔ１～ｔ２）におけるビーム位置変動を示す検出信号Ｘ２（ｔ）を検出し、下流側に位置する第２のステアリング電磁石電源４２に入力する。
　ステップＳ５では第２のステアリング電磁石電源４２において、検出信号Ｘ２＝０となるステアリング電磁石ＳＴ２のキック角を算出する。図５（b）はｘ軸、ｙ軸上の上記タイミングｔ（ｔ１～ｔ２）におけるビーム位置を第２のビーム位置モニタ３４bで観察した場合のビーム位置Ｂ１からＢ７の変動の一例を示したものである。上記周期的変動要因により、やはりビーム位置Ｂはビーム軸ｚを外れた挙動となっている。上記ステップＳ４、Ｓ５における算出方法は上述したステップＳ１、ステップＳ２の場合と同様である。
　更にステップＳ６において、算出されたキック角に応じた電流パターンＩ２（ｔ）を作成し、保存する。これも各キック角に対する電流パターンを時間テーブルの形でステアリング電磁石電源４２の制御装置内に用意しておき、例えば、算出されたキック角に応じた電流パターンに線形補間を施すことによりリニアな電流パターンＩ２（ｔ）とし、ステップＳ７にてこれをステアリング電磁石３３bの励磁電流として出力し、ビーム位置を最終的にビーム軸上に来るように矯正する。
　以上は試験照射時の準備操作であり、更に、実照射時には、保存した各電流パターンを、周期的に運転するシンクロトロンに同期して上流側ステアリング電磁石と下流側ステアリング電磁石に流すことで、ビームの位置とビームの角度を変動しない状態で患者に照射して治療を行うものである。
　次に、上記周期的変動要因による補正電流パターンおよび機器配置誤差などに伴う補正電流パターンを含んだビーム軌道補正制御の機能ブロック図を図６に示す。
図６は機器配置誤差などに伴う補正電流パターン信号Ｍ(t)に、機器の周期誤差変動に伴う補正電流パターン信号Ｌ(t)を足し合わせる加算器１０と、この加算信号に比例した電流Ｉs(t)を出力できる電源２０と、ビーム軌道にキックを与えることのできるステアリング電磁石３３から構成される。
　図７は上記補正制御の効果が補正手順に応じて変化する状態を説明する特性図である。
図７の（Ａ）は、ステアリング電磁石による補正を全く行われないときのビーム挙動を示す図であり、加速器出射ビーム電流を上段に、ステアリング電磁石電流Ｉs(t)を中段に、照射位置におけるビーム位置（ｘ(t),ｙ(t)）を下段にそれぞれ示しており、図７の（Ｂ）、（Ｃ）においても同様である。
　図７の（Ａ）において、シンクロトロンの周期運転に合わせて出射されるビーム照射位置のビーム位置（x(t),y(t)）（最下段）には、照射位置s、機器配置の誤差などの直流的軌道の動きと、機器の周期的誤差変動に伴う周期的軌道の動きを合わせたような軌道変動が含まれ、これがビーム位置モニタで観測される。上記ビーム位置モニタにより周期的変動があるが、変動の平均値が０となるステアリング電磁石電流Ｍ(t)を測定及び計算から求め、一旦保存する。
　図７の（Ｂ）は、上記ステアリング電磁石電流Ｍ(t)による補正を実施した場合のビーム挙動を示した図で、上記過程で求めたステアリング電磁石電流Ｍ(t)を流すことにより、ビーム位置変動（ｘ(t),ｙ(t)）の平均値は０となる。更に、加速ビーム出射の間に変動するビーム位置をビーム位置モニタで観測し、その結果から、ビーム位置が変動しないようするためのステアリング電磁石電流Ｌ(t)を算出し保存する。
図７の（Ｃ）は、上記Ｍ(t)＋Ｌ(t)の補正を実施した場合のビーム挙動を示した図で、上記過程で求めたステリング電磁石電流Ｌ(t)を、Ｍ(t)に足し合わせたＭ(t)＋Ｌ(t)をステアリング電磁石に流すことにより、ビーム位置（ｘ(t),ｙ(t)）の変動は０になる。
　図８は更に呼吸同期照射におけるビーム軌道補正制御機能を示すブロック図である。図６の加算器１０に加え更にもう一台の加算器１１を追加し、呼吸同期信号トリガ信号（加速器出射時間よりΔt遅れ）に伴う補正電流パターン信号Ｎ(t－Δt)を更に加えることにより、呼吸同期照射による位置の変動も補正できる電流信号（Ｍ(t)　＋Ｌ(t)　＋Ｎ(t－Δt))を流すことにより、ビーム位置変動を補正できる。
　図９は上記呼吸同期照射に伴う機器による位置変動をも考慮したビーム位置変動を補正する場合を説明する。図９の（Ａ）はＭ(t)　＋Ｌ(t)で補正している場合であり、Ｍ(t)　＋Ｌ(t)で補正しているときに、呼吸同期による照射機能を使用すると、呼吸同期出射に伴う機器によるビーム位置（ｘ(t),ｙ(t)）の変動が発生する（最下段を参照）。ビーム出射からΔt遅れたところで、呼吸ゲート信号が出たと仮定し、この条件で同様にビーム位置モニタによりビーム位置変動を観測し、その結果から変動しない電流値パターンＮ(t)を取得・保存する。次に、実照射では図９の（Ｂ）に示すように、Δt　＝Δt1　＝Δt2でタイミングをずらした補正電流Ｎ(t－Δt)を加算することで、ステアリング電磁石電流（Ｍ(t)＋Ｌ(t)＋Ｎ(t－Δt)を流し、ビーム位置（ｘ(t),ｙ(t)）の変動を０（最下段を参照）とすることができる。
　なお、図１では上流側ビーム位置モニタを下流側ステアリング電磁石の上流側に近接して設置したものを示した。しかし、上記上流側ビーム位置モニタは下流側ステアリング電磁石の位置でのビーム位置をモニタするのが理想であるが、下流側ステアリング電磁石の中に設置できないために、下流側ステアリング電磁石の上流側に近接して設置したものである。これに代えて、上流側ビーム位置モニタを２つ設置して、一方を下流側ステアリング電磁石の上流側に、他方を下流側ステアリング電磁石の下流側にそれぞれ近接して設置することにより、２つのビーム位置モニタの計測値から下流側ステアリング電磁石の中のビーム位置を計算により求めることもでき、これによりビーム位置の補正精度を向上させることができる。
実施の形態２．
　本発明の実施の形態２による粒子線治療システム１００の概略構成を図１０に基づいて説明する。本実施形態の粒子線治療システムは、実施の形態１で説明したと同様のシステム構成からなっているが、実施の形態１ではビーム輸送系３において２個のステアリング電磁石とこれに対応する２個のビーム位置モニタを使用した例を示したが、本実施の形態では１個のステアリング電磁石３３とこれに対応する１個のビーム位置モニタ３４を使用した点が相違している。なお、上記１個のビーム位置モニタ３４は、試験照射（準備段階）において、照射位置Ｔ上に設置される場合を示している。
　図１１は上記準備段階におけるビーム軌道制御の状態を説明する模式図であり、各電磁石は図１０のものと対応して示している。図１１（a）はビーム軌道補正前のビーム軌道を示し、図１１（b）はビーム軌道補正結果を示すビーム軌道を示している。すなわち、ビーム位置モニタ３４でモニタしながら時間に従いステアリング電磁石電流を制御し、結果的にビームが照射位置上で変動がなくなる状態でのステアリング電磁石電流を検出・保存する。続いて実照射（治療時）では上記ビーム位置モニタ３４を外し、先に検出・保存したステアリング電磁石電流を流すことによって時間に合わせてキック角を制御するものである。
　図１２は具体的なビーム補正手順を示すフローチャートであり、ステップＳ１では、照射位置Ｔ上にあるビーム位置モニタ３４でビーム軌道のビーム中心が照射位置Ｔを運転しながら、タイミングｔ（ｔ１～ｔ２）におけるビーム位置変動を示す検出信号Ｘ（ｔ）を検出し、ステアリング電磁石電源４１に入力する。
　ステップＳ２ではステアリング電磁石電源４１において、検出信号Ｘ＝０となるステアリング電磁石３３のキック角を算出する。
　更にステップＳ３において、算出されたキック角に応じた電流パターンＩ（ｔ）を作成し、保存する。これも各キック角に対する電流パターンを時間テーブルの形でステアリング電磁石電源４１の制御装置内に用意しておき、例えば、算出されたキック角に応じた電流パターンに線形補間を施すことによりリニアな電流パターンＩ（ｔ）とし、ステップＳ４にてこれをステアリング電磁石３３の励磁電流として出力し、ビーム位置を最終的にビーム軸上に来るように矯正する。
　以上は試験照射時の準備操作であり、更に、実照射時には、保存した電流パターンを、周期的に運転するシンクロトロンに同期してステアリング電磁石３３に流すことで、ビームの位置とビームの角度を変動しない状態で患者に照射して治療を行うものである。これにより実施の形態１の場合より簡単にビーム軌道制御を行うことが出来る。
　なお、図１３は上記照射位置でビーム位置を測定するモニタ機器の概略構成図であり、ノズル４の外側から例えばボルト・ナットからなる固定具５１でビーム位置モニタ３４や蛍光版５２を内蔵したアタッチメント５０を着脱自在に取付ける構成とし、ビーム軌道ＳＴが照射位置Ｔ上にあるときのビーム位置をビーム位置モニタ３４（カメラ）で撮像できるようにしている。このような照射位置でビーム位置を測定するモニタ機器を用いることにより、上述した試験照射時（準備段階）にはビーム位置モニタ３４を照射位置Ｔ上に設置し、実照射（治療時）には上記ビーム位置モニタ３４を取り外すようにしている。
実施の形態３．
　図１４は本発明の実施の形態３による粒子線治療システムの準備段階におけるビーム軌道制御の他の方法を説明する模式図であり、図１４（a）は外乱がない時のビーム軌道の一例を示し、図１４（b）は外乱がある時のビーム軌道を示している。図１４(c)はこの実施の形態による補正方法を示している。実施の形態１、２と同一部品はその説明を省略するが、最終段の偏向電磁石３１の下流に設置したビーム位置モニタ３４によりシンクロトロンの周期的に加速・出射されたビームの動きを観測するものとする。
　その観測結果からこのビーム輸送系３のビーム軌道を計算し、外乱がない時の位置sにおけるビーム位置X0(s)と、外乱がある時の位置sにおけるビーム位置X1(s)が等しくなる位置（点Ａ）、すなわちX0(s)＝X1(s)となる位置sに、　図１４(c)のようにステアリング電磁石３３を配置する。次に、試験照射で上記ステアリング電磁石３３に電流を流し、上記ビーム位置モニタ３４でビーム位置が変動しない電流パターンを取得・保存し、更に実照射では上記電流パターンに従った電流を流すことにより、ビーム位置およびビーム角度を変動させないようにすることができる。
実施の形態４．
　図１５は本発明の実施の形態４による粒子線治療システムの準備段階におけるビーム軌道制御の更に他の方法を説明する模式図であり、図１５（a）は外乱がない時のビーム軌道の一例を示し、図１５（b）は外乱がある時のビーム軌道を示している。最終段の偏向電磁石３１の下流であって最終段の四極電磁石３２の後段に設置したビーム位置モニタ３４によりシンクロトロンの周期的に加速・出射されたビームの動きを観測するものとする。
　その観測結果からこのビーム輸送系３のビーム軌道を計算し、外乱がない時の位置sにおけるビーム位置X0(s)と外乱がある時の位置sにおけるビーム位置X1(s)が互いに等しく且つ０になる位置s（すなわちX0(s)＝X1(s)＝0となる点Ａ）にステアリング電磁石３３を配置する（図１５(c)）。次に、試験照射で上記ステアリング電磁石３３に電流を流し、時間に合わせてキック角を制御して上記ビーム位置モニタ３４でビーム位置が変動しない電流パターンを取得・保存し、更に実照射では上記電流パターンに従った電流を流すことにより、ビーム位置およびビーム角度を変動させないようにすることができる。
１　入射系、　２　加速器系、　３　ビーム輸送系、　４　ノズル、
１０　加算器、　１１　入射器、　２０　電源、　
３０、３１　偏向電磁石、　３２　四極電磁石、　
３３、３３a、３３b　ステアリング電磁石、
３４、３４a、３４b　ビーム位置モニタ、　
４１、４２　ステアリング電磁石電源　、　
１００　粒子線治療システム。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　

Claims (8)

  1. 荷電粒子ビームを加速する加速器系と、この加速器から出射された高エネルギービームを照射位置まで輸送するビーム輸送系とからなる粒子線治療システムにおいて、前記ビーム輸送系に少なくとも１個のステアリング電磁石とこれに対応する少なくとも１個のビーム位置モニタを備え、前記ビーム位置モニタは前記ステアリング電磁石に周期的に変動するビーム位置を補正する励磁電流を供給することを特徴とする粒子線治療システム。
  2. 前記ビーム輸送系に２個のステアリング電磁石とこれに対応する２個のビーム位置モニタを備え、第１のビーム位置モニタは第２のステアリング電磁石の前方に設置され第１のステアリング電磁石に周期的に変動するビーム位置を補正する励磁電流を供給すると共に、第２のビーム位置モニタは第２のステアリング電磁石の後方に設置され前記第２のステアリング電磁石に周期的に変動するビーム位置を補正する励磁電流を供給することを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療システム。
  3. 前記第１のビーム位置モニタを前記第２のステアリング電磁石の前方に近接して設置され、第３のビーム位置モニタを前記第２のステアリング電磁石の後方に近接して設置し、前記第１および第３のビーム位置モニタの計測値から前記第２のステアリング電磁石の位置を計算により求めることを特徴とする請求項２に記載の粒子線治療システム。
  4. ビーム輸送系に少なくとも１個のステアリング電磁石とこれに対応する少なくとも１個のビーム位置モニタを備えた粒子線治療システムのビーム位置補正方法において、試験照射時に前記ビーム位置モニタを照射位置に着脱自在に設置した状態でビーム照射することにより、ビーム位置の周期的変動を捉え、この変動を無くすように前記ステアリング電磁石の励磁電流値を位置変動の周期に合わせて供給し、その周期的励磁電流値を取得・保存し、実照射時に前記ビーム位置モニタを取り外した状態で前記周期的励磁電流を前記ステアリング電磁石に供給するようにしたことを特徴とする粒子線治療システムのビーム位置補正方法。
  5. ビーム輸送系に２個のステアリング電磁石とこれに対応する２個のビーム位置モニタを備え、試験照射時に上流側ステアリング電磁石と下流側ステアリング電磁石の間であって下流側ステアリング電磁石の近くに配置した上流側ビーム位置モニタによりビーム位置が変動しない上流側ステアリング電磁石の電流パターンデータを取得・保存し、次に、上記の保存した電流パターンで上流側ステアリング電磁石電流を運転し、下流側ステアリング電磁石の下流に配置したビーム位置モニタによりビーム位置を観測し、下流側ステアリング電磁石電流を変化させて、時間によりビーム位置が変動しない下流ステアリング電磁石の電流パターンデータを取得・保存し、さらに、実照射時には、保存した電流パターンを、周期的に運転するシンクロトロンに同期して、上流側ステアリング電磁石と下流側ステアリング電磁石に流すことにより、ビームの位置とビームの角度を変動しないようにしたことを特徴とする請求項４に記載の粒子線治療システムのビーム位置補正方法。
  6. 時間によりビーム位置が変動しない下流ステアリング電磁石の電流パターンデータは機器の周期誤差変動および／あるいは加速器以外の同期信号に伴う機器による周期的誤差変動を含む補正パターンを上記ステアリング電磁石電流として流すことを特徴とする請求項４に記載の粒子線治療システムのビーム位置補正方法。
  7. ビーム輸送系の最終段の偏向電磁石の下流に設置したビーム位置モニタによりシンクロトロンの周期的に加速・出射されたビーム位置変動を観測し、その観測結果からビーム輸送系のビーム軌道を計算し、外乱がないときの位置ｓにおけるビーム位置Ｘ0(s)と外乱があるときの位置ｓにおけるビーム位置Ｘ1(s)が等しくなる、すなわちＸ0(s)＝Ｘ1(s)となる位置sにステアリング電磁石を配置し、試験照射時に上記ステアリング電磁石に電流を上記ビームモニタにて、ビーム位置が変動しない電流パターンを取得保存し、さらに、実照射時には上記パターンに従った電流を流すことにより、ビーム位置およびビーム角度を変動させないことを特徴とする粒子線治療システムのビーム位置補正方法。
  8. 外乱がないときの位置ｓにおけるビーム位置Ｘ0(s)と外乱があるときの位置ｓにおけるビーム位置Ｘ1(s)が０なる、すなわちＸ0(s)＝Ｘ1(s)＝０となる位置sにステアリング電磁石を配置したことを特徴とする請求項７に記載の粒子線治療システムのビーム位置補正方法。
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