粒子射线照射装置的制作方法

专利名称：粒子射线照射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于癌症治疗等医疗用或研究用的粒子射线照射装置。特别涉及进行点扫描、光栅扫描等扫描式照射的粒子射线照射装置。
背景技术：
在用于癌症治疗等医疗用或研究用的粒子射线照射装置中，最广泛使用的照射方式是广域照射方式。广域照射方式使用散射体、摇摆电磁铁来加宽带电粒子束，使用准直器、团块来减少照射到患部以外的部位。与该一下子照射至照射对象区域的广域照射方式不同，提出有所谓的点扫描、光栅扫描那样的扫描式照射方法，上述扫描式照射方法是将带电粒子束进行扫描，来对照射对象即患部进行逐个小区域的照射(例如非专利文献1)。还提出有以下方案即，进一步应用非专利文献1中所示的进行扫描式照射的现有的粒子射线照射装置，将扫描电磁铁放置在最后偏转电磁铁的上游侧，从而能够显著地减少机架的半径(专利文献1)，或能够省略扫描电磁铁(专利文献幻。另外，尽管不是医疗用或研究用的粒子射线照射装置，但是对于将照射至试样上为目的的带电粒子束扫描式装置，提出有对偏转扫描位置偏移进行校正的方法(专利文献3)。扫描式照射方法中，一般不具有广域照射方式中所使用的准直器、团块等防止照射至患部以外的正常组织的部件，因此，要求具有比广域照射方式更高的射束位置精度。由此，尽管扫描式照射方法要求比广域照射方式更高的射束位置精度，但是却没有揭示出对其射束位置精度进行补偿的装置。另外，若质子或碳离子等带电粒子束入射到体内等物质中，则在物质中前进至对应于带电粒子束的能量的特定的深度(称为射程)，在射程终端附近具有对物质施加的能量成为最大的峰值(称为布喇格峰值)，与X射线等其他放射线相比，具有形成布喇格峰值特别尖锐的深层照射剂量分布的特征。粒子射线照射装置利用该性质来极力抑制对正常组织的影响，使照射剂量集中照射到患部。由此，在进行点扫描或光栅扫描的扫描型粒子射线照射装置或治疗计划装置中，一直以来都是假定分别进行以下过程即，通过调整带电粒子束的能量来调整目标照射位置的体内深度方向(Z方向)，通过控制扫描电磁铁等扫描单元来控制与Z方向正交的X方向和Y方向，分别计算扫描单元和加速器的控制量。现有技术文献专利文献专利文献1 日本国专利特表2007-534391号公报(图4)专利文献2 日本国专利特开2006-166947号公报专利文献3 国际公开第WOO1/69643号刊物非专利文献非专利文献 1 :Tatsuaki Kanai, et al. , "Spot scanning system for proton radiotherapy", Medical Physics, Jul. /Aug. 1980, Vol. 7, No. 4,pp365-369

发明内容
的确，若带电粒子束的前进方向始终是一定的平行射束，则射束照射位置的ζ坐标能够仅由带电粒子束的能量来唯一决定。但是，在利用实际的扫描电磁铁等扫描单元来控制射束的方向的粒子射线照射装置中，由于带电粒子束成为呈扇形展开的扇形射束(一维扫描)或呈圆锥状展开的圆锥形射束(二维扫描)，因此射束照射位置的ζ坐标不能由带电粒子束的能量来唯一地决定。将该扇形射束对照射位置的影响称为扇形射束效应，将该圆锥形射束对照射位置的影响称为圆锥形射束效应。图8是说明扇形射束效应和圆锥形射束效应的图。图中，1表示带电粒子束，31表示患者的身体，31表示患者的身体表面。图8(a)说明扇形射束效应，若带电粒子束1进行一维扫描，则照射位置的端部33的ζ坐标和中心部34的ζ坐标不固定。图8(b)说明圆锥形射束效应，若带电粒子束1进行二维扫描，则照射位置的端部33的ζ坐标和中心部34的 ζ坐标不固定。本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于获得一种能够实现高精度的射束照射位置的粒子射线照射装置。本发明的粒子射线照射装置利用扫描电磁铁将由加速器进行了加速的带电粒子束进行扫描并照射至照射对象，包括逆映射单元，该逆映射单元具有逆映射模型，该逆映射模型基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标，来生成实现上述照射的上述扫描电磁铁的指令值及带电粒子束的动能的指令值，根据基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标、使用上述逆映射模型而生成的上述指令值，来对上述扫描电磁铁及带电粒子束的动能进行控制，以将带电粒子束进行扫描，来照射至照射对象。另外，本发明的粒子射线照射装置的上述逆映像模型是逆映射数学模型的多项式，上述多项式中存在的未知系数可通过以下方法求出即，向上述扫描电磁铁输入预先设定的多组指令值，并向上述加速器输入预先设定的动能的多个指令值，来控制带电粒子束， 基于实际照射的各照射位置坐标的实际数据来应用最小二乘法或加权最小二乘法。根据本发明的粒子射线照射装置，由于包括逆映射单元，该逆映射单元具有逆映射模型，该逆映射模型基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标，来生成实现该照射的扫描电磁铁的指令值及带电粒子束的动能的指令值，因此，能够获得能实现高精度的射束照射位置的粒子射线照射装置。另外，根据本发明的粒子射线照射装置，由于上述逆映像模型是逆映射数学模型的多项式，上述多项式中存在的未知系数可通过以下方法求出即，向上述扫描电磁铁输入预先设定的多组指令值，并向上述加速器输入预先设定的动能的多个指令值，来控制带电粒子束，基于实际照射的各照射位置坐标的实际数据来应用最小二乘法或加权最小二乘法，因此，由于是基于实际数据，从而能够获得能实现高精度的射束照射位置的粒子射线照射装置。因而，能够实现还考虑了取决于扇形效应、圆锥形效应的照射位置坐标的变动的高精度的射束照射位置。


图1是表示构成本发明的基础的技术中的粒子射线照射装置的结构图。
图2是说明在本发明中基于校正时的实际数据来计算系数(未知参数)的方法的图。图3是说明在本发明中计算系数(未知参数)的方法的框图。图4是说明在本发明中计算系数(未知参数)的方法的流程图。图5是在本发明中、根据治疗计划值来求出扫描电磁铁的指令值和带电粒子束的动能的指令值的框图。图6是表示本发明的实施方式1中的粒子射线照射装置的结构图。图7是表示本发明的实施方式2中的粒子射线照射装置的结构图。图8是说明扇形射束效应和圆锥形射束效应的图。
具体实施例方式图1是表示构成本发明的基础的技术中的进行扫描式照射的粒子射线照射装置的结构图。粒子射线照射装置包括加速器11，该加速器将带电粒子束1加速成为具有所希望的动能的带电粒子束1 ；射束输送管道2，该射束输送管道2输送带电粒子束1 ；扫描电磁铁3，该扫描电磁铁3将带电粒子束1进行扫描；射束射出窗4，该射束射出窗4射出射束； 以及扫描控制器10等，该扫描控制器10对扫描电磁铁3发送指令值。具有射束输送管道 2的射束输送系统中设置有偏转电磁铁、射束监控器、屏蔽电磁铁、射束阻尼器、及照射路线偏转电磁铁等。构成发明的基础的技术中的粒子射线照射装置在扫描控制器10中具有从射束照射位置坐标空间7对扫描电磁铁指令值空间6的逆映射数学模型。换言之，扫描控制器10中具有逆映射单元9，该逆映射单元9对目标射束照射位置坐标生成实现该目标射束照射位置坐标的扫描电磁铁3的指令值的推定值。接着，说明粒子射线照射装置的动作。由加速器11加速到具有所希望的动能的带电粒子束1通过射束输送管道2中，并被导向照射部。进而，带电粒子束1从射束射出窗4 射出，向着照射基准点的等中心5进行照射。一般而言，为了选择性地对照射对象即患部进行扫描来进行照射，带电粒子束1利用设置于射束输送管道2的外侧的X方向的扫描电磁铁(X方向扫描电磁铁)3a和Y方向的扫描电磁铁(Y方向扫描电磁铁)3b，来控制射束照射位置的XY方向，并利用加速器11来改变带电粒子束1的动能，从而控制射束照射位置的Z 方向(患部的深度方向)。为了对上述射束照射位置进行控制，有如下的方法即，利用对整个粒子射线照射装置进行控制的照射控制装置23(参照图5)进行集中控制的方法；以及利用对扫描电磁铁和加速器的带电粒子束1的动能进行控制的扫描控制器10进行分散控制的方法。在构成发明的基础的技术中，在对带电粒子束1的照射位置进行控制的扫描控制器10中设置有逆映射单元9，该逆映射单元9中具有从射束照射位置坐标空间7对扫描电磁铁指令值空间6的逆映射数学模型。逆映射数学模型的优选的一个例子是多项式模型。 以下的数学式1中示出了最高次数为2的情况下的多项式模型。此外，在构成发明的基础的技术中，假设射束照射位置的ζ方向(深度方向)是由带电粒子束的动能来唯一地决定， 对不同的动能生成多个逆映射数学模型。[数学式1]
权利要求
1.一种粒子射线照射装置，利用扫描电磁铁将由加速器进行了加速的带电粒子束进行扫描并照射至照射对象，其特征在于，包括逆映射单元，该逆映射单元具有逆映射模型，该逆映射模型基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标，来生成实现该照射的所述扫描电磁铁的指令值及带电粒子束的动能的指令值，根据基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标、使用所述逆映射数学模型而生成的所述指令值，来对所述扫描电磁铁及带电粒子束的动能进行控制，以将带电粒子束进行扫描，来照射至照射对象。
2.如权利要求1所述的粒子射线照射装置，其特征在于，所述逆映射模型是逆映射数学模型。
3.如权利要求2所述的粒子射线照射装置，其特征在于，所述逆映射数学模型是多项式，且是三个输入三个输出。
4.如权利要求2所述的粒子射线照射装置，其特征在于，所述逆映射数学模型是由所述目标照射位置坐标构成的多项式。
5.如权利要求2至4的任一项所述的粒子射线照射装置，其特征在于，所述逆映射数学模型是多项式，所述多项式中存在的未知系数能够通过以下方法求出即，向所述扫描电磁铁输入预先设定的多组指令值，并向所述加速器输入预先设定的动能的多个指令值，对带电粒子束进行控制，基于实际照射的各照射位置坐标的实际数据来应用最小二乘法或加权最小二乘法。
6.如权利要求2至4的任一项所述的粒子射线照射装置，其特征在于，所述逆映射数学模型具有多个，能够选择所述多个逆映射数学模型。
7.如权利要求1至4的任一项所述的粒子射线照射装置，其特征在于，使所述偏转电磁铁具有所述扫描电磁铁的功能。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种能够实现高精度的射束照射位置的粒子射线照射装置。包括逆映射单元，该逆映射单元具有逆映射数学模型，该逆映射数学模型基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标，来生成实现该照射的扫描电磁铁的指令值及带电粒子束的动能的指令值，根据基于照射对象的带电粒子束的目标照射位置坐标、使用所述逆映射数学模型而生成的所述指令值，来控制上述扫描电磁铁及带电粒子束的动能，以将带电粒子束进行扫描，来照射至照射对象。
文档编号A61N5/10GK102414760SQ20098015904
公开日2012年4月11日 申请日期2009年6月9日 优先权日2009年6月9日
发明者岩田高明 申请人:三菱电机株式会社