呼吸引导装置、呼吸引导程序及粒子射线治疗装置的制作方法

专利名称：呼吸引导装置、呼吸引导程序及粒子射线治疗装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将包含质子射线或碳射线等重粒子射线的带电粒子束照射到癌症等的患部进行治疗的医疗装置即粒子射线治疗装置，尤其涉及对患者的呼吸进行引导的呼吸引导装置。
背景技术：
粒子射线治疗是将带电粒子束(下文称为粒子束)照射到治疗对象即患部，通过给患部组织造成损伤来进行治疗，需要对照射对象即患部组织给予充足的剂量，同时需要抑制照射到周围组织的剂量。因此，根据预先测定的照射对象的形状来制定用于控制照射剂量和照射范围(以下称为照射野)的治疗计划。然而，由于治疗计划是以照射对象的形状和位置不会变形(移位)为前提制定的，因此对于照射对象随着呼吸而发生移位的情况，无法按照计划来进行照射。因此，对于随着呼吸而发生移位的照射对象，提出了一种粒子射线治 疗装置(例如，参照专利文献I及2)，该装置测量呼吸相位，在位置和形态稳定的呼吸相位下照射粒子束，通过所谓的呼吸同步对射束照射进行控制。此外，为了能够对呼吸有意识地进行控制，还提出了一种粒子射线治疗装置(例如，参照专利文献3至6)，该装置具有示出呼气或吸气的时序以引导患者的呼吸使其具有规定周期的呼吸引导功能。现有技术文献专利文献专利文献I :日本专利特开2006-288875号公报(

段，图7 图9)专利文献2 :国际公开号 W02006/082651A1 (

段，图 16)专利文献3 :日本专利特开2001-346773号公报(

段，图I)专利文献4 :日本专利特开2008-119449号公报(

段，图4、图5)专利文献5 :日本专利特开2008-259604号公报(

段，图3)专利文献6 :国际公开号 W02009/150708A1 (

段，图 I、图 6)

发明内容
发明所要解决的技术问题上述呼吸引导功能是引导患者的呼吸使其具有适合于加速器等设备的运转周期的周期，以进行高效的射束照射，对于实际的呼吸与示出的时序有偏离的情况，进行用于对快慢、深度等进行校正的指示等。然而，无论在哪个粒子射线治疗装置中，在进行呼吸评估时，都是将呼吸信号的时间变化即呼吸波形的顶点或底边的位置(最大/最小值)、或者呼吸波形中超过(或低于)阈值的那部分的位置、长度等作为评估对象，除此以外的部分不会被列入评估对象。因此，例如，对于呼吸不规则的情况或叠加了噪音等情况，在产生设想外的波形时无法准确地对呼吸进行评估，因此无法执行合适的控制或指示。即，无法在对呼吸最理想的时序下进行照射。为解决上述问题，现提出本发明，其目的在于提供一种呼吸引导装置及粒子射线治疗装置，通过对呼吸进行准确的评估，可以对呼吸进行适当的引导。解决技术问题所采用的技术方案本发明的呼吸引导装置是在粒子射线治疗过程中对患者的呼吸进行引导，包括目标呼吸信号生成部，该目标呼吸信号生成部生成用于对所述患者的呼吸进行引导的目标呼吸信号；实际呼吸测定部，该实际呼吸测定部测定所述患者的实际呼吸，并输出测定到的实际呼吸信号；及呼吸评估部，该呼吸评估部将所述目标呼吸信号一个周期的数据作为计算单位，对所述目标呼吸信号的数据、和与所述目标呼吸信号的数据同步地收集到的所述实际呼吸信号的数据分别进行傅立叶级数展开，计算与展开后的一次项相当的三角函数对的系数，将从计算出的系数中求得的各个增益和相位进行比较，然后对所述实际呼吸和所述目标呼吸信号的偏差进行评估。 此外，本发明的呼吸引导程序用于在计算机上构建在粒子射线治疗过程中对患者的呼吸进行引导的呼吸引导装置，其特征在于，包括目标呼吸信号生成步骤，该目标呼吸信号生成步骤生成用于对所述患者的呼吸进行引导的目标呼吸信号；实际呼吸测定步骤，该实际呼吸测定步骤测定所述患者的实际呼吸，并输出测定到的实际呼吸信号；及呼吸评估步骤，该呼吸评估步骤是将所述目标呼吸信号一个周期的数据作为计算单位，对所述目标呼吸信号的数据、和与所述目标呼吸信号的数据同步地收集到的所述实际呼吸信号的数据分别进行傅立叶级数展开，计算与展开后的一次项相当的三角函数对的系数，将从计算出的系数中求得的各个增益和相位进行比较，然后对所述实际呼吸和所述目标呼吸信号的偏差进行评估。此外，本发明的粒子射线治疗装置的特征在于，包括加速器，该加速器产生粒子束；多个治疗室；粒子束的输送路径，该粒子束的输送路径将所述加速器和所述多个治疗室分别进行连接；切换装置，该切换装置设置在所述输送路径中，切换所述粒子束的轨道使得所述加速器产生的粒子束被提供至所述多个治疗室中的任意一个治疗室；分别设置在所述多个治疗室中的所述呼吸引导装置；及分别设置在所述多个治疗室中的照射装置，该照射装置用所提供的粒子束形成对应于照射对象的照射野，并至少与所述目标呼吸信号同步来控制对所述照射对象的照射。发明效果根据本发明的呼吸引导装置及粒子射线治疗装置，以明确的周期函数即目标呼吸信号的周期对实际呼吸信号和目标呼吸信号分别进行收集，并对收集到的信号数据进行傅立叶级数展开，使用与展开后的一次项相当的三角函数对的系数来计算增益和相位，并利用该增益和相位对呼吸进行评估，因此，其目的在于获得一种通过对呼吸进行准确的评估，可以对呼吸进行适当的引导的呼吸引导装置及粒子射线治疗装置。


图I是用于说明本发明实施方式I所涉及的包括呼吸引导装置的粒子射线治疗装置的整体结构的图。图2是用于说明本发明实施方式I所涉及的包括呼吸引导装置的粒子射线治疗装置的控制系统结构的功能框图。图3是表示本发明实施方式I所涉及的呼吸引导装置中所使用的目标呼吸信号与评估函数及呼吸门控信号的关系的波形图。图4是表示本发明实施方式I所涉及的呼吸引导装置中使用评估函数对呼吸信号进行评估时的增益和相位的关系的复平面图。图5是表示本发明实施方 式I所涉及的呼吸引导装置的呼吸信息演示装置在呼吸引导时显示的显示画面示例的图。图6是用于说明本发明的实施方式I所涉及的呼吸引导装置的结构的框图。图7是用于说明本发明的实施方式I所涉及的呼吸引导装置的一部分即呼吸评估部的结构的框图。图8是用于说明本发明实施方式I所涉及的呼吸引导装置及实施方式2所涉及的呼吸引导程序的动作的流程图。图9是用于说明为了实现本发明实施方式2所涉及的呼吸引导装置而在计算机上构建的呼吸引导程序的结构的框图。图10是用于说明本发明的实施方式3所涉及的呼吸引导装置的一部分即呼吸评估部的结构的框图。图11是表示本发明实施方式3所涉及的呼吸引导装置的呼吸信息演示装置在呼吸引导时显示的显示画面示例的图。图12是用于说明本发明的实施方式4所涉及的呼吸引导装置的一部分即呼吸评估部的结构的框图。图13是用于说明本发明的实施方式5所涉及的呼吸引导装置的一部分即呼吸评估部的结构的框图。
具体实施例方式实施方式I下文对本发明实施方式I所涉及的呼吸引导装置(呼吸导航装置)及具备呼吸引导装置的粒子射线治疗装置的结构进行说明。图I 图7用于说明本发明实施方式I所涉及的呼吸引导装置及粒子射线治疗装置的结构，图I是表示粒子射线治疗装置整体结构的图，图2是用于说明与粒子射线治疗装置的控制有关的结构的功能框图，图3是表示呼吸引导中使用的(目标)呼吸信号与评估函数及呼吸门控信号的关系的波形图，图4是表示使用评估函数评估呼吸信号时的增益和相位的关系的复平面图，图5是表示呼吸引导时在构成呼吸引导装置的呼吸信息演示装置中显示的显示画面示例的图。图6是用于说明呼吸引导装置的结构的框图，图7是用于说明呼吸引导装置的一部分即呼吸评估部的结构的框图，图8是用于说明呼吸引导装置的动作的流程图。首先，利用图I对粒子射线治疗装置的大致结构进行说明。图I中，粒子射线治疗装置包括作为带电粒子束提供源的同步加速器即圆形加速器I (下文简称为加速器);包括设置在每个治疗室中的照射装置的照射系统2 ;与加速器I和各治疗室相连以将带电粒子束从加速器输送至各治疗室的照射装置的输送系统3;以及协同控制这些系统(后文称为子系统)的控制系统4。而且，本发明实施方式所涉及的粒子射线治疗装置的特征结构在于，在设置于各治疗室的呼吸引导装置中，按照规定周期的目标呼吸信号的周期来对实际呼吸信号收集数据，从与傅立叶级数展开后的一次项相当的三角函数对的系数导出实际呼吸信号的时间位置和深度，即相位和增益，并与用于呼吸引导的目标呼吸信号进行定量比较。后文会对定量比较及基于比较结果进行的控制进行详细说明，在此先对各个结构进行说明。〈加速器〉加速器I包括成为带电粒子束进行环绕的轨道路径的真空管道11 ;用于将前置级加速器5提供的带电粒子入射到真空管道11内的入射装置12 ;使带电粒子的轨道发生偏转以形成带电粒子沿真空管道11内的环绕轨道环绕的带电粒子束的偏转电磁铁13a、13b、13c、13d (统称为13);使形成于环绕轨道上的带电粒子束收敛以防止其发散的收敛用电磁铁14a、14b、14c、14d (统称为14);对进行环绕的带电粒子施加同步的高频电压来加速的高频加速腔15 ;用于将在加速器I内加速后的带电粒子束取出到加速器I外并向输送系统3射出的射出装置16 ;以及为了使带电粒子束从射出装置16射出而对带电粒子束的环绕轨道进行共振激励的六极电磁铁17。另外，还包括用于对各部分进行控制的未图示的装置，例如偏转电磁铁13包括对偏转电磁铁13的励磁电流进行控制的偏转电磁铁控制装置；高频加速腔15包括用于向高频加速腔15提供高频电压的高频源、以及用于控制高频源的高频控制装置，在控制部4内包括对偏转电磁铁控制装置、高频控制装置、收敛用电磁铁14等其它部分进行控制来控制整个加速器I的加速器控制装置41。然而，在本发明的技术思想中，对加速器I本身的控制没有限定，因此并不限于上述结构，而且理所当然地，只要是可以使带电粒子束稳定射出到输送系统3中的变形例，都是允许的。此外，为了简化，在图中将前置级加速器5描述为一个设备，但实际上，前置级加速器包括产生质子、碳(重粒子)等带电粒子(离子)的离子源(离子束产生装置)、以及对所产生的带电离子进行初始加速的线性加速器系统。而且，从前置级加速器5入射到加速器I的带电粒子被高频电场加速，在被磁铁偏转的同时，被加速到大约光速的70% 80%。<输送系统>由加速器I加速后的带电粒子束被射出到称为HEBT(高能射束输送High EnergyBeam Transport)系统的输送系统3中。输送系统3包括成为带电粒子束的输送路径的真空管道(主管道31m、治疗室A用管道31A、治疗室B用管道31B，统称为真空管道31);对带电粒子束的射束轨道进行切换的切换装置即切换电磁铁32 ;以及使射束偏转规定角度的偏转电磁铁33。根据需要利用切换电磁铁32来改变轨道(31A方向、31B方向)，以将由加速器I提供了充分能量并在由真空管道31形成的输送路径内环绕的带电粒子束，导向设置于指定治疗室中的照射装置。<照射系统>照射系统2包括照射装置21，该照射装置21用由输送系统3提供的带电粒子束形成与照射对象即患者的患部的大小、深度相对应的照射野，以对患部进行照射；以及具有在照射时进行呼吸引导的呼吸导航功能的呼吸引导装置7。与呼吸引导及实际呼吸联动(根据目标呼吸信号及实际呼吸信号的相位)地控制对照射对象即患部的照射的开/关。另夕卜，对于输送系统的说明中记载的“设置于指定治疗室中的照射装置”，从治疗效率的观点出发，粒子射线治疗装置一般包括多个治疗室(图中为6A、6B，统称为治疗室6)。S卩，对于此处所示的照射系统2，每个治疗室6中均设有照射装置21和呼吸引导装置7，例如，治疗室6A用的照射系统2A包括照射装置21A和呼吸引导装置7A。为了实现呼吸导航(下文在设备的结构中称为“呼吸引导”，对于单独使用的情况，一般称为“呼吸导航”)功能，呼吸引导装置7包括用于测定患者的呼吸状态的呼吸测定装置7a ;呼吸引导装置主体7c，该呼吸引导装置主体7c基于由呼吸测定装置7a所测定的实际呼吸波形和用于呼吸引导的目标呼吸波形来判断是否对患者进行粒子射线照射，并且对呼吸引导装置7整体进行管理；以及用于向患者演示与呼吸同步有关的信息的呼吸信息演示装置7b。特别地，对于呼吸状态的评估，如后文所述，呼吸引导装置主体7c包括呼吸评估部7cE，该呼吸评估部7cE基于从实际呼吸波形和用于呼吸引导的目标呼吸波形经数学运算得出的相位和振幅(增益)，来对呼吸状态进行定量的评估，并基于该评估结果判断是否对呼吸引导进行校正。<治疗室> 另外，图示的治疗室A (6A)是包括从偏转电磁铁33G部分到照射装置21A在内的整个照射系统以患者(治疗台)为中心旋转，从而可以使粒子束对患者的照射角度自由旋转的旋转照射室，也称为旋转机架。而治疗室B (6B)是从照射装置21B沿水平方向对坐在可以自由设定角度、位置的椅子上的患者进行粒子束照射的水平照射室。此处虽然以两种不同类型的治疗室为例进行记载，但对于呼吸导航功能，可以应用相同功能的设备，而与治疗室的类型无关。因此，即使是描述以外的类型的治疗室，或者治疗室数量不同，也可以适用。<控制系统>对于像这样由多个子系统构成的大型且复杂的系统的控制系统，一般而言，大多由专门控制各个子系统的子控制器和对整体进行指挥控制的主控制器构成。在本发明的实施方式I所涉及的粒子射线治疗装置的控制系统4中，也采用该主控制器和子控制器的结构。为简单起见，对粒子射线治疗装置的控制系统中，与加速器I、输送系统3、照射系统2这三个子系统的控制有关的控制系统，即，如图所示，包括加速器控制部41、输送系统控制部43、照射系统控制部42及整体控制部40的控制系统4进行说明。接下来，利用示意性表示控制系统结构的图2对控制系统4进行说明。另外，粒子射线治疗装置中的控制器一般使用工作站、计算机。因此，很多情况下也将控制器称为“计算机”。例如，图2中的主控制器40实际上是在多数情况下被称为照射系统公共计算机的计算机上的功能，此处将其作为具有某种功能的控制器对待。此外，设备控制计算机相当于对子系统即照射系统2进行控制的子控制器42，并将对应于分散配置在各治疗室6A、6B中的照射系统2A、2B的控制器所对应的部分区分为42A、42B。由此，在粒子射线治疗装置(系统)的控制系统4中，包括主控制器40和加速器I用的控制器、照射系统2用的控制器、输送系统3用的控制器，即子控制器41、42、43。并且，各子控制器41、42、43通过设置在主控制器40内的时序指示功能进行协同控制动作。另外，时序指示功能本身也可以输出用于同步的时序信号。此外，在图I和图2中子控制器的位置等不同，这是因为，在图I中，将具有控制功能的部分统一记载为控制器4，而在图2中是以控制对象为基准进行描述，因此，并不代表其物理位置是否有不同。即，作为控制器，物理上如何配置并不是本质问题。另外，后文将对为构成这些控制器而在计算机中安装的程序、该程序的模块等结构进行说明。
与设备控制计算机(子控制器42A、42B)相连的“操作台”是所谓的键盘、显示器等，或者是控制箱等终端，即人机接口部。操作台设置在治疗室6及大多与治疗室分开设置的照射操作室中。设备控制计算机的下一级与控制板相连。具体地，如括号中所描述，控制板是控制对象即各种设备的驱动器、放大器及PLC (Programmable Logic Controller :可编程逻辑控制器)等。设备经由控制板进一步连接到下一级。设备包括用于使治疗台的各轴移动的电动机、驱动照射装置内的X射线摄像装置的电动机等，通常，上述照射装置21、呼吸引导装置7也包含在内。此外，在旋转机架类型的治疗室6A中，与整个照射系统的旋转位置等控制有关的电动机也是对象之一。此处，在本实施方式I所涉及的粒子射线治疗装置中，对于与呼吸引导装置7有关的控制，不经由设置于各治疗室6中的控制板进行控制，而是直接通过主控制器40进行控制。这是因为，如后文所述，本实施方式I所涉及的粒子射线治疗装置可以定量地对呼吸状态进行评估。因此，特别是因为可以准确掌握呼吸相位，故不仅仅是在一个治疗室中实现最佳的呼吸导航，还能与加速器的运转周期同步来进行呼吸引导，或者与其它治疗室中的呼吸引导同步，在这样的协同控制的情况下能进一步发挥其价值。这是因为通过进一步减少 涉及的设备，可以避免由浪费时间(延迟)所导致的时序偏差，故可以使协同控制顺利地进行。然而，并不一定要像这样进行直接连接，理所当然地，对于协同动作的情况，只要能确保时序，也可以进行适当的变更。照射系统公共计算机(主控制器40)的其它作用包括如上所述的指挥整个粒子射线治疗装置，本身有时也承担子控制器42的功能，以作为需要与加速器系统I、输送系统3进行同步控制的控制器的控制。这也是为什么图I中将42记在括号中。由此，子控制器42中与呼吸引导装置7有关的控制功能由主控制器40来承担。其它的，例如，对于用来使旋转机架、治疗台的各轴移动的电动机、驱动照射装置内的X射线摄像装置的电动机等设备，通常经由子控制器42进行控制。这些机架、治疗台用的电动机、X射线摄像装置用的电动机在射束照射过程中不会移动。即，这是因为不需要与加速器系统I、输送系统3的控制进行同步控制。照射系统公共计算机(主控制器40)和照射系统的设备控制计算机(子控制器42)之间进行的交流是为了相互了解彼此的状态，例如表示哪个治疗室6的照射系统2完成了定位并可以进行照射的状态的准备(Ready)信号、告知哪个治疗室6的照射系统2照射了射束并完成了照射的信号等。简单来说，就是进行连续事件的图像。即，照射系统公共计算机(主控制器40)的作用中与子控制器42相关联的作用是对“哪个治疗室6的照射系统2在争夺从加速器产生的射束”这样的照射进行管理，一旦对此作出决定，之后每个治疗室6中的子控制器42就可以决定顺序。然而，如后文所述，为了充分利用可以对呼吸进行适当引导的本发明实施方式I所涉及的粒子射线治疗装置的特性，有时将呼吸引导与其它治疗室内的呼吸引导、加速器的运转周期同步来进行控制。即，对于仅靠每个治疗室的子控制器不能决定顺序的情况，优选从照射系统公共计算机(主控制器40)直接向呼吸引导装置7发烧指令值，而不从设备控制计算机(子控制器42)发送。另外，对于照射系统2的功能中形成照射野的功能，并不是本发明的本质部分。因此，省略对照射装置21结构的描述。另一方面，对于与呼吸导航联动地控制对照射对象的照射的开/关的射束开关(beam gate),需要与输送系统3同步，因此，虽然未标记在图2中，但该射束开关由主控制器40直接控制。而且，需要与加速器系统I同步进行控制的摆动电磁铁或者扫描电磁铁等虽然也是照射装置21的设备，但基于相同的理由由照射系统公共计算机40直接进行控制。<呼吸的定量评估>通过上述结构，可以用由加速器提供的所谓细束状粒子射束形成与照射对象的位置、形状相对应的照射野来进行照射。另一方面，对于照射对象伴随呼吸发生移位的情况，需要利用呼吸导航功能来测量呼吸状态，然后进行控制以利用位置、形态稳定的呼吸相位来照射粒子束。此处存在一个问题，即如何对成为控制基准的呼吸状态进行定量评估。由于呼吸评估的目的在于对照射对象的移位进行评估，因此评估项目为相对于引导后节律(目标呼吸波形)的延迟、提前(时序偏差)、大小(深度)偏差。由于基本认为呼吸是周期运动，因此以利用呼吸传感器等测定到的呼吸信号随时间的变化即呼吸波形为基础，通过对周期、相位、振幅的评估，可以对呼吸进行定量的评估。然而，在现有技术的呼吸导航中，如背景技术中所述，仅从呼吸波形中最大值或最小值的位 置、或者超过或低于阈值的位置来评估相位和增益。S卩，由于仅将峰-峰(Peak to Peak)那样的呼吸波形中的特定位置作为评估对象，因此即使在中途发生例如窒息那样的情况，也无法评估这种状态。而且，对于以下情况，也无法进行评估，例如由于混入噪声导致呼吸波形中产生多个峰；由于身体姿势不一样等导致偏移产生变化；由于传感器达到饱和而产生表示为恒定值的部分。另一方面，一般人类的呼吸周期并不是恒定的，且其长度也因人而异。而且，由于呼吸波形并非是理想的正弦波，因此单单对呼吸波形整体进行数学处理，也很难得到所期望的相位和增益。然而，如果可以根据呼吸特性进行适当的处理，则可以对不稳定的呼吸进行数学上的评估。因此，本发明中，着眼于以下特性，即，尽管呼吸由自主神经支配，但例外的，也可能是有意识的动作，因此，对于通常不规则的呼吸，像呼吸导航装置那样通过示出规定的节律(目标呼吸波形)来进行呼吸引导，至少能将其引导成具有固定周期。即，发明人发现对于进行了呼吸引导的情况，通过将实际呼吸波形视为与呼吸引导中使用的目标呼吸波形相同周期的波形，可以进行后文所述的数学上的评估，并可以对实际呼吸波形的相位和振幅进行定量的评估。此处，为了使本发明的说明更清楚，以及为了对呼吸波形(形成呼吸波形的呼吸信号)进行数学上的处理，对一些术语和重要的概念进行严密的定义。<呼吸信号、目标呼吸信号和实际呼吸信号>呼吸信号(Respiratorysignal)R(t)是表示呼吸状态的信号，通过利用传感器对呼气的动作、伴随着呼气的温度变化、伴随着呼吸的例如腹部的运动等进行测定，可以得到作为信号的呼吸状态。具体地，可以考虑如下方式，即检测由流量传感器得到的呼出的气体流量；使用由热敏电阻或红外线相机进行的图像处理来测量伴随着吸气的鼻腔附近的温度变化；利用位置灵敏探测器(位置传感器)来感应安装在腹部的激光光源从而检测出患者腹部的运动；通过激光位移计将患者的腹部运动信号化。该呼吸信号随时间的变化就是呼吸波形。并且，将呼吸引导时成为目标的信号作为目标呼吸信号，并将其随时间的变化记为目标呼吸波形。为了使说明更清楚，目标呼吸信号用附加了下标“tj (trajectory的缩写)”的Rtj⑴来表示，实际呼吸信号用附加了下标“rl (real的缩写)”的Rrl(t)来表示。<目标呼吸信号的获取>使用呼吸导航装置的粒子射线治疗大致需要两个阶段。一个是获取目标呼吸信号的阶段，另一个是利用该目标呼吸信号进行治疗的阶段。治疗阶段中的实际呼吸信号、即呼吸引导时的评估对象是对基于目标呼吸信号Rw(t)进行呼吸引导后的患者的呼吸状态进行测定而得到的实际呼吸信号Rri(t)。然而，目标呼吸信号Rjt)本身也是基于治疗前对患者的呼吸进行测定得到的所谓的实际呼 吸信号(下文称为原始实际呼吸信号)获得的。接下来对获取目标呼吸信号的阶段进行说明。目标呼吸信号的获取可以采用与通常所使用的相同的方法，例如，可以通过专利文献6的

段中所记载的方法获取。然而，在本发明实施方式所涉及的粒子射线治疗装置的呼吸引导中，目标呼吸信号并不仅仅用于对呼吸进行引导的时序设定，如后文所述，也被用作对实际呼吸信号的相位、振幅进行数学上的定量评估时的比较对象，因此在获取时需要严格遵守以下几点。<获取目标呼吸信号时需严格遵守的事项>I :使用与对治疗时的实际呼吸信号进行测定的传感器相同的传感器，并用相同方法获取原始实际呼吸信号。2:为了进行必要的平均化处理以及调整周期，实施伸缩处理、截断处理。3:原则上，从被治疗的患者本身的原始实际呼吸信号来生成目标呼吸信号。也有例外的情况，如从其他人的呼吸信号生成或采用Artificial (人工)方式生成的情况。然而，对于这种情况，需要使用呼吸行为可以视为与治疗对象的患者相同的呼吸信号，或者，对于后文所述的在增益、相位产生规定差值的情况，需要将该值作为修正值加以保持，使得在评估呼吸状态时可以将“规定差值”考虑在内。此外，在本实施方式中，利用呼吸导航装置，以和加速器同步的时序来演示由此生成(获取)的目标呼吸信号Rw (t)。接下来，对与呼吸及呼吸引导有关的用于评估如上文定义的呼吸信号的参数进行定义。<呼吸的频率、周期>呼吸周期Tres广泛意义上的呼吸周期是指“吸气呼气”一个周期所需的时间。本发明实施方式的呼吸引导装置进行呼吸导航的目标呼吸信号Rtj(t)使用具有规定的周期并可以表示为周期函数(f(t) = f(t + T))的信号。因此，狭义上的呼吸周期是指该周期性信号的周期T。即，周期性目标呼吸信号Rt^t)的一个周期所需的时间。单位使用一般的时间单位即[秒]。呼吸频率Fres为呼吸周期Tms的倒数(Fms = I/Tres)ο单位是[I/秒]。此外，将呼吸频率的2倍(GJres = 2 JiFres)作为呼吸角频率。<呼吸的增益及相位、表达函数>呼吸增益Gres将呼吸信号R(t)的增益简称为“呼吸增益”。必需对这里所说的增益给予严格的定义。如果用三角函数来表示呼吸信号R(t)，则其增益是所谓的振幅。即，如果R(t) =Acos(corest+ Φ res),则 Gres = A呼吸相位Φ·
将呼吸信号的相位简称为“呼吸相位”。数学上，呼吸相位表示对于上式中cos (Wrest)的相位超前，单位使用角度单位即“弧度”或者“度(° )”。另外，“相位超前”的相反意义表示为“相位延迟”。然而，如上所述，呼吸信号R(t)并非是理想的三角函数。但是，至少目标呼吸信 Rtj(t)是恒定周期的信号，因此可以考虑将目标呼吸信号Rt^t)变换为与目标呼吸信号
Rtj(t)最接近的三角函数来计算增益及相位。因此，例如式(I)所示，对目标呼吸信号Rtj(t)进行傅立叶级数展开，计算出与展开后得到的零次项到η次项中的一次项相当的三角函数对的系数士、!^，如式(2)所示，并将计算出的系数Bpb1指定为表示呼吸信号状态的表达函数。即，计算目标呼吸波形中构成除常数项和高频分量以外的基本波形分量的余弦函数和正弦函数的系数aplv图3表示由目标呼吸信号Rtj (t)和式(2)中得到的^、!^所构成的表达函数。[数学式1权利要求
1.一种呼吸引导装置，在粒子射线治疗过程中对患者的呼吸进行引导，其特征在于，包括 目标呼吸信号生成部，该目标呼吸信号生成部生成用于对所述患者的呼吸进行引导的目标呼吸信号； 实际呼吸测定部，该实际呼吸测定部测定所述患者的实际呼吸，并输出测定到的实际呼吸信号；及 呼吸评估部，该呼吸评估部将所述目标呼吸信号一个周期的数据作为计算单位，对所述目标呼吸信号的数据和与所述目标呼吸信号的数据同步收集到的所述实际呼吸信号的数据分别进行傅立叶级数展开，计算与展开后的一次项相当的三角函数对的系数，并将从计算出的系数求得的各个增益和相位进行比较，对所述实际呼吸和所述目标呼吸信号的偏差进行评估。
2.如权利要求I所述的呼吸引导装置，其特征在于， 所述呼吸评估部根据比较得到的目标呼吸信号的相位和实际呼吸信号的相位差、及/或比较得到的目标呼吸信号的增益和实际呼吸信号的增益之比的变化率，来对所述实际呼吸的状态进行判断。
3.如权利要求I或2所述的呼吸引导装置，其特征在于， 若所述呼吸评估部判断所述相位差在规定时间内保持为一定值，则所述目标呼吸信号生成部生成目标呼吸信号并使其相位错开所述一定值。
4.如权利要求I至3中任一项所述的呼吸引导装置，其特征在于， 所述呼吸评估部计算在规定时间内所述目标呼吸信号和所述实际呼吸信号间的误差，并将计算出的误差包括在内地对实际呼吸和所述目标呼吸信号的偏差进行评估。
5.如权利要求I至3中任一项所述的呼吸引导装置，其特征在于， 包括呼吸门控信号变换部，该呼吸门控信号变换部分别将所述目标呼吸信号和所述实际呼吸信号变换为表示其是否低于预定阈值的呼吸门控信号， 所述呼吸评估部计算变换后的各个呼吸门控信号间的误差，并将计算出的误差包括在内地对实际呼吸和所述目标呼吸信号的偏差进行评估。
6.如权利要求I至3中任一项所述的呼吸引导装置，其特征在于， 所述呼吸评估部使用分别对所述目标呼吸信号和所述实际呼吸信号计算出的增益和相位来分别定义三角函数，计算所定义的各个三角函数间的误差，并将计算出的误差包括在内地对实际呼吸和所述目标呼吸信号的偏差进行评估。
7.—种呼吸引导程序，该呼吸引导程序是用于在计算机上构建粒子射线治疗构成中对患者的呼吸进行引导的呼吸引导装置的呼吸引导程序，其特征在于，包括 目标呼吸信号生成步骤，该目标呼吸信号生成步骤生成用于对所述患者的呼吸进行引导的目标呼吸信号； 实际呼吸测定步骤，该实际呼吸测定步骤测定所述患者的实际呼吸，并输出测定到的实际呼吸信号；及 呼吸评估步骤，该呼吸评估步骤将所述目标呼吸信号一个周期的数据作为计算单位，对所述目标呼吸信号的数据和与所述目标呼吸信号的数据同步收集到的所述实际呼吸信号的数据分别进行傅立叶级数展开，并计算与展开后的一次项相当的三角函数对的系数，将从计算出的系数求得的各个增益和相位进行比较，对所述实际呼吸和所述目标呼吸信号的偏差进行评估。
8.一种粒子射线治疗装置，其特征在于，包括 加速器，该加速器产生粒子束； 多个治疗室； 粒子束的输送路径，该粒子束的输送路径将所述加速器和所述多个治疗分别进行连接; 切换装置，该切换装置设置在所述输送路径中，切换所述粒子束的轨道使得所述加速器产生的粒子束被提供至所述多个治疗室中的任意一个治疗室； 分别设置在所述多个治疗室中的如权利要求I至6中任一项所述的呼吸引导装置；及照射装置，该照射装置分别设置在所述多个治疗室中，用所提供的粒子束形成与照射对象相对应的照射野，并至少与所述目标呼吸信号同步来控制对所述照射对象的照射。
9.如权利要求8所述的粒子射线治疗装置，其特征在于， 所述目标呼吸信号生成部与所述加速器的动作同步来生成所述目标呼吸信号。
10.如权利要求8所述的粒子射线治疗装置，其特征在于， 所述切换装置基于所述多个治疗室中的各呼吸评估部所评估得到的所述实际呼吸与所述目标呼吸信号的偏差，来对所述粒子束的轨道进行切换。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种呼吸引导装置及粒子射线治疗装置，通过对呼吸进行准确的评估，以对呼吸进行适当的引导。该呼吸引导装置包括生成呼吸引导用的目标呼吸信号(Rtj(t))的呼吸引导控制部(7cC)；输出对患者的实际呼吸进行测定后得到的实际呼吸信号(Rrl(t))的实际呼吸测定部(7a)；将目标呼吸信号(Rtj(t))的一个周期(Tres)作为单位，对目标呼吸信号(Rtj(t))的数据和与目标呼吸信号(Rtj(t))的数据同步收集到的实际呼吸信号(Rrl(t))的数据分别进行傅立叶级数展开，并计算与展开后的一次项相当的三角函数对的系数(a1、b1)，将从系数(a1、b1)求得的增益(Gtj、Grl)和相位(φtj、φrl)进行比较，对实际呼吸和目标呼吸信号的偏差进行评估的呼吸评估部(7cE)。
文档编号A61N5/10GK102985137SQ20108006801
公开日2013年3月20日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者岩田高明 申请人:三菱电机株式会社