JP4981940B2 - Particle beam irradiation equipment - Google Patents
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Description
この発明は、がん治療等の医療用や研究用に用いられる粒子線照射装置に関する。特にスポットスキャニングやラスタスキャニングなどの走査式照射を行う粒子線照射装置に関する。 The present invention relates to a particle beam irradiation apparatus used for medical treatment such as cancer treatment and research. In particular, the present invention relates to a particle beam irradiation apparatus that performs scanning irradiation such as spot scanning and raster scanning.
がん治療等の医療用や研究用に用いられる粒子線照射装置において、もっとも広く用いられている照射方式はブロード照射方式である。ブロード照射方式は、散乱体やワブラー電磁石を使って荷電粒子ビームを広げ、コリメータやボーラスを使って患部以外の場所への照射を減らす方法である。 In the particle beam irradiation apparatus used for medical treatment such as cancer treatment and research, the irradiation method most widely used is the broad irradiation method. The broad irradiation method is a method of expanding a charged particle beam using a scatterer or a wobbler electromagnet, and reducing irradiation to a place other than an affected part using a collimator or a bolus.
この一気に照射対象領域を照射するブロード照射方式に対して、スポットスキャニングやラスタスキャニングといった、荷電粒子ビームを走査して照射対象である患部を小領域ずつ照射する走査式照射方法が提案されている(例えば非特許文献1)。非特許文献1に示された走査式照射を行う従来の粒子線照射装置を更に応用して、最終偏向電磁石よりも上流側に走査電磁石を置くことにより、ガントリの半径を著しく減少させたもの(特許文献1)や、走査電磁石を省略できることを示したもの(特許文献2)も提案されている。また、医療用や研究用の粒子線照射装置ではないが、試料上に照射する目的の荷電粒子ビーム走査式装置において、偏向走査位置ずれを補正する手段が提案されている(特許文献3)。
In contrast to the broad irradiation method for irradiating the irradiation target region at once, a scanning irradiation method such as spot scanning or raster scanning, which scans a charged particle beam and irradiates the affected area, which is an irradiation target, for each small region has been proposed ( For example, Non-Patent Document 1). A further application of the conventional particle beam irradiation apparatus that performs scanning irradiation shown in
走査式照射方法は、ブロード照射方式で用いるコリメータやボーラスといった患部以外の正常組織への照射を防ぐ部品がないのが一般的なため、ブロード照射方式以上にビーム位置精度が要求される。このように、走査式照射方法はブロード照射方式以上にビーム位置精度が要求されているにもかかわらず、そのビーム位置精度を補償する装置はあまり開示されていない。 Since the scanning irradiation method generally has no parts such as a collimator and a bolus used for the broad irradiation method to prevent irradiation to normal tissues other than the affected part, the beam position accuracy is required more than the broad irradiation method. As described above, although the scanning irradiation method requires a beam position accuracy higher than that of the broad irradiation method, a device for compensating the beam position accuracy is not so much disclosed.
また、陽子、炭素イオンなどの荷電粒子ビームは、体内など物質に入射すると、荷電粒子ビームのエネルギーに応じた特定の深さ(飛程という)まで物質中を進み、飛程終端付近で物質に対するエネルギー付与が最大となるピークがあり(ブラッグピークと呼ぶ)、X線など他の放射線に比べてブラッグピークがとてもシャープな深部線量分布を形成する特徴を有する。粒子線照射装置はこの性質を利用して、正常組織への影響を極力抑え、患部に線量を集中照射させるものである。このことから、スポットスキャニングやラスタスキャニングを行う走査型の粒子線照射装置や治療計画装置において従来は、目標照射位置の体内深さ方向(Z方向)は荷電粒子ビームのエネルギーを調整することで、Z方向と直交するX方向とY方向は走査電磁石等の走査手段を制御することで、というふうに分離して行えると仮定して、走査手段と加速器それぞれの制御量を計算していた。 In addition, when a charged particle beam such as protons or carbon ions is incident on a substance such as the inside of the body, it travels through the substance to a specific depth (referred to as a range) according to the energy of the charged particle beam, and is applied to the substance near the end of the range. There is a peak that gives the maximum energy (referred to as a Bragg peak), and the Bragg peak has a feature that forms a very sharp deep dose distribution compared to other radiation such as X-rays. The particle beam irradiation apparatus uses this property to suppress the influence on normal tissue as much as possible and to irradiate the affected area with a concentrated dose. From this, in the scanning particle beam irradiation apparatus and treatment planning apparatus that perform spot scanning and raster scanning, conventionally, the body depth direction (Z direction) of the target irradiation position is adjusted by adjusting the energy of the charged particle beam, Assuming that the X direction and the Y direction orthogonal to the Z direction can be separated by controlling the scanning means such as a scanning electromagnet, the control amounts of the scanning means and the accelerator have been calculated.
たしかに、荷電粒子ビームが常に進行方向が一定な平行ビームであれば、ビーム照射位置のz座標は荷電粒子ビームのエネルギーのみによって一意に決めることができる。しかし、実際の走査電磁石等の走査手段によってビームの向きが制御される粒子線照射装置においては、荷電粒子ビームは扇状に広がるファンビーム(1次元走査)や円錐状に広がるコーンビーム(2次元走査)となるため、ビーム照射位置のz座標は荷電粒子ビームのエネルギーによって一意に決められない。このファンビームであることによる照射位置への影響はファンビーム効果と呼ばれ、コーンビームであることによる照射位置への影響はコーンビーム効果と呼ばれている。 Certainly, if the charged particle beam is a parallel beam whose traveling direction is always constant, the z coordinate of the beam irradiation position can be uniquely determined only by the energy of the charged particle beam. However, in a particle beam irradiation apparatus in which the beam direction is controlled by a scanning means such as an actual scanning magnet, a charged particle beam is a fan beam that spreads in a fan shape (one-dimensional scanning) or a cone beam that spreads in a cone shape (two-dimensional scanning). Therefore, the z coordinate of the beam irradiation position cannot be uniquely determined by the energy of the charged particle beam. The influence of the fan beam on the irradiation position is called a fan beam effect, and the influence of the cone beam on the irradiation position is called a cone beam effect.
図8はファンビーム効果とコーンビーム効果を説明する図である。図中、1は荷電粒子ビーム、31は患者の体、32はその体表面を示す。図8(a)はファンビーム効果を説明しており、荷電粒子ビーム1が1次元走査されると照射位置の端部33のz座標と中心部34のz座標が一定にならない。図8(b)はコーンビーム効果を説明しており、荷電粒子ビーム1が2次元走査されると照射位置の端部33のz座標と中心部34のz座標が一定にならない。
FIG. 8 is a diagram for explaining the fan beam effect and the cone beam effect. In the figure, 1 is a charged particle beam, 31 is a patient's body, and 32 is the body surface. FIG. 8A illustrates the fan beam effect. When the
この発明は前述のような課題を解決するためになされたものであり、高精度なビーム照射位置を実現できる粒子線照射装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a particle beam irradiation apparatus capable of realizing a highly accurate beam irradiation position.
この発明の粒子線照射装置は、制御器で加速器とスキャニング電磁石とを制御して前記加速器からの荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線照射装置において、前記スキャニング電磁石は、X方向スキャニング電磁石と、前記X方向スキャニング電磁石の走査方向と直交する方向に走査するY方向スキャニング電磁石とを有し、前記制御器は、照射対象における荷電粒子ビームの目標照射位置座標から、その照射を実現する前記X方向スキャニング電磁石を励磁するためのX方向指令値,及び前記Y方向スキャニング電磁石を励磁するためのY方向指令値をそれぞれ生成する逆写像数式モデルを有し、前記逆写像数式モデルは、前記目標照射位置座標を表す変数を含む多項式であり、前記多項式に含まれる未知の係数は、前記X方向とY方向スキャニング電磁石に予め設定した複数組のX方向とY方向指令値を入力すると共に、前記加速器に予め設定した複数の運動エネルギー指令値を入力して、荷電粒子ビームを制御し、実際に照射されたそれぞれの照射位置座標の実データに対して、一部のデータに低い重み付けをする重み付け最小二乗法により求め、信頼性を向上させるものである。 The particle beam irradiation apparatus according to the present invention is a particle beam irradiation apparatus that irradiates an irradiation target with a charged particle beam from the accelerator by controlling an accelerator and a scanning electromagnet with a controller, wherein the scanning electromagnet includes an X-direction scanning electromagnet and A Y-direction scanning electromagnet that scans in a direction perpendicular to the scanning direction of the X-direction scanning electromagnet, and the controller realizes the irradiation from the target irradiation position coordinates of the charged particle beam on the irradiation target. An inverse mapping equation model for generating an X-direction command value for exciting the direction-scanning electromagnet and a Y-direction command value for exciting the Y-direction scanning electromagnet, respectively. A polynomial including a variable representing a position coordinate, and the unknown coefficient included in the polynomial includes the X direction and Y A plurality of preset X-direction and Y-direction command values are input to the direction-scanning electromagnet, and a plurality of preset kinetic energy command values are input to the accelerator to control the charged particle beam and are actually irradiated. In addition, the actual data of each irradiation position coordinate is obtained by a weighted least square method in which a part of the data is weighted low, and the reliability is improved.
また、この発明の粒子線照射装置は、制御器で加速器とスキャニング電磁石とを制御して前記加速器からの荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線照射装置において、前記スキャニング電磁石は、X方向スキャニング電磁石と、前記X方向スキャニング電磁石の走査方向と直交する方向に走査するY方向スキャニング電磁石とを有し、前記制御器は、照射対象における荷電粒子ビームの目標照射位置座標から、その照射を実現する前記X方向スキャニング電磁石を励磁するためのX方向指令値,及び前記Y方向スキャニング電磁石を励磁するためのY方向指令値をそれぞれ生成する逆写像数式モデルを有し、前記逆写像数式モデルは、前記目標照射位置座標を表す変数を含む多項式であり、前記多項式に含まれる未知の係数を求めるにあたっては、前記照射対象を複数のエリアに分割し、それぞれのエリア毎の前記多項式に含まれる未知の係数を、前記X方向とY方向スキャニング電磁石に予め設定した複数組のX方向とY方向指令値を入力すると共に、前記加速器に予め設定した複数の運動エネルギー指令値を入力して、荷電粒子ビームを制御し、実際に照射されたそれぞれの照射位置座標の実データに対して、当該エリアに属する実データの重みが当該エリアに属さない実データの重みよりも大きい重み付けをする重み付け最小二乗法により求めるものである。 Moreover, the particle beam irradiation apparatus of the present invention is a particle beam irradiation apparatus that controls an accelerator and a scanning electromagnet with a controller to irradiate a charged particle beam from the accelerator onto an irradiation target. The scanning electromagnet includes an X-direction scanning. An electromagnet and a Y-direction scanning electromagnet that scans in a direction orthogonal to the scanning direction of the X-direction scanning electromagnet, and the controller realizes the irradiation from the target irradiation position coordinates of the charged particle beam on the irradiation target. An inverse mapping formula model for generating an X direction command value for exciting the X direction scanning electromagnet and a Y direction command value for exciting the Y direction scanning electromagnet, respectively; This is a polynomial that includes a variable that represents the target irradiation position coordinates. That is, the irradiation target is divided into a plurality of areas, and unknown coefficients included in the polynomial for each area are set in advance in the X direction and Y direction scanning electromagnets in a plurality of sets of X direction and Y direction. A command value is input, and a plurality of preset kinetic energy command values are input to the accelerator to control the charged particle beam, and for the actual data of each irradiation position coordinate actually irradiated, the area concerned Is obtained by a weighted least square method in which the weight of the actual data belonging to is greater than the weight of the actual data not belonging to the area.
この発明に係る粒子線照射装置よれば、前記制御器は、照射対象における荷電粒子ビームの目標照射位置座標から、その照射を実現する前記X方向スキャニング電磁石を励磁するためのX方向指令値,及び前記Y方向スキャニング電磁石を励磁するためのY方向指令値をそれぞれ生成する逆写像数式モデルを有し、前記逆写像数式モデルは、前記目標照射位置座標を表す変数を含む多項式であり、前記多項式に含まれる未知の係数は、前記X方向とY方向スキャニング電磁石に予め設定した複数組のX方向とY方向指令値を入力すると共に、前記加速器に予め設定した複数の運動エネルギー指令値を入力して、荷電粒子ビームを制御し、実際に照射されたそれぞれの照射位置座標の実データに対して、一部のデータに低い重み付けをする重み付け最小二乗法により求めるため、信頼性の低いデータの影響を抑えることができ、高精度なビーム照射位置を実現できる粒子線照射装置が得られる。 According to the particle beam irradiation apparatus according to the present invention, the controller, based on the target irradiation position coordinates of the charged particle beam on the irradiation target, the X direction command value for exciting the X direction scanning electromagnet that realizes the irradiation, and Each having a reverse mapping mathematical model for generating Y-direction command values for exciting the Y-direction scanning electromagnet, wherein the reverse mapping mathematical model is a polynomial including a variable representing the target irradiation position coordinates; The unknown coefficients included include a plurality of preset X-direction and Y-direction command values inputted to the X-direction and Y-direction scanning electromagnets, and a plurality of preset kinetic energy command values inputted to the accelerator. , Weight to control the charged particle beam and to give some weight to the actual data of each irradiation position coordinate actually irradiated To determine the only method of least squares, it is possible to suppress the influence of unreliable data, the particle beam irradiation apparatus which can realize highly accurate beam irradiation position can be obtained.
また、この発明に係る粒子線照射装置よれば、前記多項式に含まれる未知の係数を求めるにあたっては、前記照射対象を複数のエリアに分割し、それぞれのエリア毎の前記多項式に含まれる未知の係数を、前記X方向とY方向スキャニング電磁石に予め設定した複数組のX方向とY方向指令値を入力すると共に、前記加速器に予め設定した複数の運動エネルギー指令値を入力して、荷電粒子ビームを制御し、実際に照射されたそれぞれの照射位置座標の実データに対して、当該エリアに属する実データの重みが当該エリアに属さない実データの重みよりも大きい重み付けをする重み付け最小二乗法により求めるため、実データに基づいたより実現象に近い高精度なビーム照射位置を実現できる粒子線照射装置が得られる。 Further, according to the particle beam irradiation apparatus according to the present invention, in determining the unknown coefficient included in the polynomial, the irradiation target is divided into a plurality of areas, and the unknown coefficient included in the polynomial for each area. The X-direction and Y-direction scanning electromagnets are inputted with a plurality of preset X-direction and Y-direction command values, and a plurality of preset kinetic energy command values are inputted into the accelerator. The weight is calculated by a weighted least square method in which the weight of the actual data belonging to the area is greater than the weight of the actual data not belonging to the area with respect to the actual data of each irradiation position coordinate actually controlled. Therefore, a particle beam irradiation apparatus capable of realizing a highly accurate beam irradiation position closer to the actual phenomenon based on actual data can be obtained.
発明の基礎となる技術
図1はこの発明の基礎となる技術における走査式照射をする粒子線照射装置を示す構成図である。粒子線照射装置は、荷電粒子ビーム1を所望の運動エネルギーを有する荷電粒子ビーム1に加速する加速器11、荷電粒子ビーム1を輸送するビーム輸送ダクト2、荷電粒子ビーム1を走査するスキャニング電磁石(走査電磁石)3、ビームを取出すビーム取出し窓4、及び、スキャニング電磁石3へ指令値を送るスキャニング制御器10などから構成されている。ビーム輸送ダクト2を有するビーム輸送系には、偏向電磁石、ビームモニタ、遮蔽電磁石、ビームダンパ、照射路偏向電磁石などが設けられている。発明の基礎になる技術における粒子線照射装置は、スキャニング制御器10にビーム照射位置座標空間7からスキャニング電磁石指令値空間6への逆写像数式モデルを有するものである。換言すれば、スキャニング制御器10には目標ビーム照射位置座標に対して、それを実現するスキャニング電磁石3の指令値の推定値を生成する逆写像手段9を有している。
FIG. 1 is a block diagram showing a particle beam irradiation apparatus that performs scanning irradiation in the technology that is the basis of the present invention. The particle beam irradiation apparatus includes an
次に粒子線照射装置の動作について説明する。加速器11により所望の運動エネルギーを有する荷電粒子ビーム1にまで加速された荷電粒子ビーム1は、ビーム輸送ダクト2の中をとおり、照射部へと導かれる。荷電粒子ビーム1はさらにビーム取出し窓4から取出され、照射基準点であるアイソセンタ5に向けて照射されるように設計されている。一般的に、照射対象である患部を選択的に走査して照射するために、荷電粒子ビーム1は、ビーム輸送ダクト2の外側に設けられたX方向スキャニング電磁石(X方向走査電磁石)3aとY方向スキャニング電磁石(Y方向走査電磁石)3bとによって、ビーム照射位置のXY方向が制御されると共に、加速器11で荷電粒子ビーム1の運動エネルギーを変えることによってビーム照射位置のZ方向(患部の深さ方向)が制御される。これらのビーム照射位置の制御を行うのは、粒子線照射装置全体を制御する照射制御装置23(図5参照)により集中制御する方法と、スキャニング電磁石と、加速器の荷電粒子ビーム1の運動エネルギーを制御するスキャニング制御器10によって分散制御する方法がある。
Next, the operation of the particle beam irradiation apparatus will be described. The
発明の基礎になる技術において、荷電粒子ビーム1の照射位置制御を行うスキャニング制御器10には、ビーム照射位置座標空間7からスキャニング電磁石指令値空間6への逆写像数式モデルを有する逆写像手段9を設けた。逆写像数式モデルの好適な一例は多項式モデルである。以下の数式1に最高次数=2の場合の多項式モデルを示す。なお、発明の基礎になる技術では、ビーム照射位置のZ方向(深さ方向)は、荷電粒子ビームの運動エネルギーにより一意に決まると仮定し、逆写像数式モデルは複数個、異なった運動エネルギーに対して作成する。
In the technology that forms the basis of the invention, the
ただし、a00,a01,a02,…,b00,b01,b02,…は逆写像数式モデルの特性を決定する係数(未知パラメータ)である。Iae,Ibeは荷電粒子ビームの照射位置座標が(x,y)となるX,Y方向スキャニング電磁石指令値の推定値である。逆写像数式モデルの特性を決定する係数(未知パラメータ)は、あらかじめキャリブレーション(calibration)用に試し照射を行い、その試し照射の実データから最小二乗法などにより求めればよい。 Here, a 00 , a 01 , a 02 ,..., B 00 , b 01 , b 02 ,... Are coefficients (unknown parameters) that determine the characteristics of the inverse mapping mathematical model. I ae and I be are estimated values of X, Y direction scanning electromagnet command values at which the irradiation position coordinates of the charged particle beam are (x, y). Coefficients (unknown parameters) that determine the characteristics of the inverse mapping mathematical model may be obtained by performing trial irradiation for calibration in advance and using the least square method or the like from the actual data of the trial irradiation.
図2はキャリブレーション時の実データから、係数(未知パラメータ)を計算する手法を説明する図である。なお、図1の8は正写像(実物理現象)の方向を示している。図3は係数(未知パラメータ)を計算する手法を説明するブロック図である。図4は係数(未知パラメータ)を計算する手法を説明するフローチャートである。なお、各図において、同一符号は同一又は相当部分を示す。図において、12は第1ビームプロファイルモニタで、荷電粒子ビームの基準照射軸15に垂直に設置され、照射される荷電粒子ビームの2次元の通過位置座標(xa,ya)を出力する。13は第2ビームプロファイルモニタで、第1ビームプロファイルモニタ12との間に所定の間隔を空けて荷電粒子ビームの基準照射軸15に垂直に設置され、照射される荷電粒子ビームの2次元の通過位置座標(xb,yb)を出力する。14は水ファントムで、その表面を患者の体表面16に合わせ荷電粒子ビームの基準照射軸15に垂直に配置され、照射される荷電粒子ビームの到達する位置座標の深さ方向の座標zpを出力する。なお、第1,第2ビームプロファイルモニタ12,13及び水ファントム14は、未知パラメータを計算するときや、荷電粒子ビームの校正,確認のときに配置し、患者への荷電粒子ビーム照射時は移動させるものである。
FIG. 2 is a diagram for explaining a method of calculating a coefficient (unknown parameter) from actual data at the time of calibration. In addition, 8 of FIG. 1 has shown the direction of the normal mapping (real physical phenomenon). FIG. 3 is a block diagram illustrating a method for calculating coefficients (unknown parameters). FIG. 4 is a flowchart illustrating a method for calculating a coefficient (unknown parameter). In each figure, the same numerals indicate the same or corresponding parts. In the figure,
キャリブレーションの試し照射は、スキャニング制御器10により、以下の値をふって行う。
X方向スキャニング電磁石への指令値Ia(=電流値,ヒステリシスを考慮して補正計算した電流値や設定磁場強度等)。
Y方向スキャニング電磁石への指令値Ib(=電流値,ヒステリシスを考慮して補正計算した電流値や設定磁場強度等)。
加速器への運動エネルギー指令値Eb
Calibration test irradiation is performed by the
Command value I a in the X-direction scanning electromagnet (= current value, the current value was corrected calculated taking into account the hysteresis and setting the magnetic field strength, etc.).
Command value I b to the Y-direction scanning electromagnet (= current value, current value corrected and calculated considering the hysteresis, set magnetic field strength, etc.).
Kinetic energy command value E b to accelerator
前記指令値を受けて、照射された荷電粒子ビーム1は、第1,第2ビームプロファイルモニタ12,13を通過し、第1,第2ビームプロファイルモニタ12,13よりそれぞれ測定された通過位置座標(xa,ya),(xb,yb)を出力する。また、照射された荷電粒子ビーム1は、荷電粒子の運動エネルギーから到達する位置の深さ方向座標zが一意に決まると仮定する。これらの値(xa,ya),(xb,yb)及びzから、データ処理手段17(図3)は、照射位置座標(x,y,z)を算出する。
In response to the command value, the irradiated charged
前述したように、キャリブレーションの試し照射は、各指令値の値をふって行う。例えば、X方向スキャニング電磁石への指令値IaをIa+ΔIa、…に、Y方向スキャニング電磁石への指令値IbをIb+ΔIb、…にふる。ここで、試し照射の実データから、逆写像の係数(未知パラメータ)を求める方法の一例を示す。数式1で示した多項式モデルは、行列とベクトルを用いると以下のように表現できる。
As described above, the calibration test irradiation is performed using the values of the command values. For example, it shakes the command value I a in the X-direction scanning electromagnet I a + [Delta] I a, ... a, the command value I b in the Y-direction scanning electromagnet I b + [Delta] I b, ... to. Here, an example of a method for obtaining a reverse mapping coefficient (unknown parameter) from actual data of trial irradiation will be described. The polynomial model expressed by
以上のキャリブレーションにより多項式の各係数を求めた後、本照射を実施する。まずスキャニング電磁石3aへのビーム入射点がキャリブレーション時から変動していないことを、ビーム輸送ダクト1に設けられたビームモニタ(図示しない)により確認する。この時ビーム入射点が変動していることが認められた場合には、前記キャリブレーション手順を再度行い、各係数を再び求めればよい。
After obtaining each coefficient of the polynomial by the above calibration, the main irradiation is performed. First, it is confirmed by a beam monitor (not shown) provided in the
数式1等の多項式モデルの次数は、扱う粒子線照射装置の特性によって、非線形性が強いものは適宜次数を上げていけばよく、数式1に示した次数=2のものである必要はない。いくつかの多項式モデル(逆写像数式モデル)をあらかじめ用意し、オペレータが多項式モデルを選択できるようにするとよい。なお、特許文献3等に開示されている方法は、補正量を計算するものであるが、この発明における逆写像数式モデルは指令値そのものを求めるものである点が異なる。
As for the order of the polynomial model such as
粒子線照射装置は、3次元的に荷電粒子ビームを照射することが求められ、図1に示すように、一般的に、目標ビーム照射位置座標の(x,y,z)は(x0,y0,z0)(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)……という形でスキャニング制御器10に送られる。
The particle beam irradiation apparatus is required to irradiate a charged particle beam three-dimensionally. As shown in FIG. 1, generally, (x, y, z) of target beam irradiation position coordinates is (x 0 , y 0 , z 0 ) (x 1 , y 1 , z 1 ) (x 2 , y 2 , z 2 )... are sent to the
図5は治療計画値よりスキャニング電磁石の指令値と荷電粒子ビームの運動エネルギーの指令値を求めるブロック図である。患者に対する治療計画装置21より目標ビーム照射位置座標(x0,y0,z0)(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)……が、データサーバ22,照射制御装置23を経由して、スキャニング制御器10に送られる。なお、図5の、逆写像数式モデルと運動エネルギー指令値Ebeについては実施の形態1で説明する。発明の基礎になる技術では、前述したように、加速器の荷電粒子ビームの運動エネルギーを設定値としてビーム照射位置のZ方向の制御を含めていないため、スキャニング電磁石3aへのビーム入射点が変動しないようにすると、送られた目標ビーム照射位置座標(x0,y0)(x1,y1)(x2,y2)……が、それぞれスキャニング制御器10の逆写像数式モデル(数式1)に代入され、それぞれ各目標ビーム照射位置座標について、スキャニング電磁石指令値の推定値(Iae,Ibe)(……が算出される。
FIG. 5 is a block diagram for obtaining the command value of the scanning electromagnet and the command value of the kinetic energy of the charged particle beam from the treatment plan value. The target beam irradiation position coordinates (x 0 , y 0 , z 0 ) (x 1 , y 1 , z 1 ) (x 2 , y 2 , z 2 )... It is sent to the
発明の基礎になる技術においては、異なる複数の荷電粒子ビーム運動エネルギーごとに逆写像を求めた。具体的には、例えば、照射基準であるアイソセンタ5を含む平面A0−A0への逆写像数式モデルだけではなく、荷電粒子ビームの運動エネルギーを−ΔEbずつ変更して(等間隔である必要はない)固定したアイソセンタ5よりも手前の平面A-1−A-1,A-2−A-2,…、逆に、荷電粒子ビームの運動エネルギーを+ΔEbずつ変更して固定したアイソセンタ5よりも奥の平面A1−A1,A2−A2,…、からの逆写像数式モデルも準備し、照射対象におけるビーム照射位置座標が平面と平面との間にある場合は線形補間するようにした。
In the technology that forms the basis of the invention, inverse mapping is obtained for each of a plurality of different charged particle beam kinetic energies. Specifically, for example, not only the inverse mapping mathematical model to the plane A 0 -A 0 including the
このように、発明の基礎となる技術では、照射基準平面上の目標照射位置座標(x,y)に対して、それを実現するスキャニング電磁石への指令値の推定値(Iae,Ibe)を計算する計算手段(逆写像手段)を設けている。具体的には、その逆写像手段は2入力2出力の多項式モデルを有している。そのため、対象とする粒子線照射装置の個体差、使用環境や経年変化に応じてビーム位置精度を補償し、高精度、高信頼度の粒子線照射装置が得られる。 As described above, in the technology that is the basis of the invention, the estimated value (I ae , I be ) of the command value to the scanning electromagnet that realizes the target irradiation position coordinate (x, y) on the irradiation reference plane. There is provided a calculation means (inverse mapping means) for calculating. Specifically, the inverse mapping means has a 2-input 2-output polynomial model. Therefore, the beam position accuracy is compensated according to the individual difference of the target particle beam irradiation apparatus, the use environment, and the secular change, and a highly accurate and highly reliable particle beam irradiation apparatus can be obtained.
実施の形態1.
図6は実施の形態1における粒子線照射装置を示す構成図である。発明の基礎となる技術では、逆写像数式モデルを2入力2出力として捉えたが、実施の形態1では、図6,数式5(後述)に示すように、逆写像数式モデルを目標照射位置座標からなる3入力3出力とした。以下の数式5に3入力3出力、最高次数=2の場合の多項式モデルを示す。
FIG. 6 is a configuration diagram illustrating the particle beam irradiation apparatus according to the first embodiment. In the technology that forms the basis of the invention, the inverse mapping mathematical model is regarded as two inputs and two outputs. However, in the first embodiment, as shown in FIG. 3 inputs and 3 outputs.
ただし、a000,a001,a002,…,b000,b001,b002,…,c000,c001,c002,…は逆写像数式モデルの特性を決定する係数(未知パラメータ)である。Iae,Ibe,Ebeは荷電粒子ビームの照射位置座標が(x,y,z)となるX,Y方向スキャニング電磁石への指令値の推定値、加速器への荷電粒子ビームの運動エネルギーの指令値の推定値である。逆写像数式モデルの特性を決定する係数(未知パラメータ)は、発明の基礎となる技術と同様に、あらかじめキャリブレーション(calibration)用に試し照射を行い、その試し照射の実データから最小二乗法などにより求める。 However, a 000 , a 001 , a 002 , ..., b 000 , b 001 , b 002 , ..., c 000 , c 001 , c 002 , ... are coefficients (unknown parameters) that determine the characteristics of the inverse mapping mathematical model. is there. I ae , I be , and E be are the estimated values of the command values to the X and Y direction scanning electromagnets where the irradiation position coordinates of the charged particle beam are (x, y, z), and the kinetic energy of the charged particle beam to the accelerator. This is an estimated value of the command value. The coefficient (unknown parameter) that determines the characteristics of the inverse mapping mathematical model is preliminarily subjected to test irradiation for calibration (calibration) in the same manner as the technology that forms the basis of the invention, and the least square method is obtained from the actual data of the test irradiation. Ask for.
キャリブレーションの試し照射は、スキャニング制御器10により、以下の値をふって行う。
X方向スキャニング電磁石への指令値Ia(=電流値,ヒステリシスを考慮して補正計算した電流値や設定磁場強度等)。
Y方向スキャニング電磁石への指令値Ib(=電流値,ヒステリシスを考慮して補正計算した電流値や設定磁場強度等)。
加速器への運動エネルギー指令値Eb
Calibration test irradiation is performed by the
Command value I a in the X-direction scanning electromagnet (= current value, the current value was corrected calculated taking into account the hysteresis and setting the magnetic field strength, etc.).
Command value I b to the Y-direction scanning electromagnet (= current value, current value corrected and calculated considering the hysteresis, set magnetic field strength, etc.).
Kinetic energy command value E b to accelerator
前記指令値を受けて、図2,図3,図4を参照して、照射された荷電粒子ビーム1は、第1,第2ビームプロファイルモニタ12,13を通過し、第1,第2ビームプロファイルモニタ12,13よりそれぞれ測定された通過位置座標(xa,ya),(xb,yb)を出力する。さらに、照射された荷電粒子ビーム1は、水ファントム14に到達し、その到達する位置座標の深さ方向の座標zpを出力する。これらの出力値を得たデータ処理手段17(図3)は、(xa,ya),(xb,yb)とzpから到達位置座標の(xp,yp)を求め、到達位置座標(xp,yp,zp)を決定する。
Upon receiving the command value, referring to FIGS. 2, 3, and 4, the irradiated charged
前述したように、キャリブレーションの試し照射は、各指令値の値をふって行う。例えば、X方向スキャニング電磁石への指令値IaをIa+ΔIa、…に、Y方向スキャニング電磁石への指令値IbをIb+ΔIb、…に、加速器への運動エネルギー指令値EbをEb+ΔEb、…にふる。ここで、試し照射の実データから、3入力3出力の場合の逆写像の係数(未知パラメータ)を求める方法の一例を示す。数式5で示した多項式モデルは、行列とベクトルを用いると以下のように表現できる。
As described above, the calibration test irradiation is performed using the values of the command values. For example, the command value I a to I a + [Delta] I a in the X-direction scanning electromagnet, to ..., the command value I b a I b + [Delta] I b in the Y direction scanning electromagnet, ..., the kinetic energy instruction value E b to the accelerator E b + ΔE b ,... Here, an example of a method for obtaining the inverse mapping coefficient (unknown parameter) in the case of 3 inputs and 3 outputs from actual data of trial irradiation will be shown. The polynomial model expressed by
逆写像数式モデルである多項式モデルの次数は、扱う粒子線照射装置の特性によって、非線形性が強いものは適宜次数を上げていけばよく、数式5に示した次数=2のものである必要はない。実施の形態1でも、いくつかの多項式モデルをあらかじめ用意し、オペレータが多項式モデルを選択できるようにてもよい。 The order of the polynomial model, which is the inverse mapping mathematical model, can be appropriately increased if the degree of nonlinearity is strong, depending on the characteristics of the particle beam irradiation apparatus to be handled. Absent. Also in the first embodiment, several polynomial models may be prepared in advance so that the operator can select a polynomial model.
実施の形態1においても、図5を参照して、患者に対する治療計画装置21より目標ビーム照射位置座標(x0,y0,z0)(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)……が、データサーバ22,照射制御装置23を経由して、スキャニング制御器10に送られる。スキャニング電磁石3aへのビーム入射点が変動しないようにすると、送られた目標ビーム照射位置座標(x0,y0,z0)(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)……が、それぞれスキャニング制御器10の逆写像数式モデル(数式5)に代入され、それぞれ各目標ビーム照射位置座標について、スキャニング電磁石の指令値の推定値(Iae,Ibe)(……と運動エネルギー指令値の推定値(Ebe)(……が算出される。
Also in the first embodiment, referring to FIG. 5, target beam irradiation position coordinates (x 0 , y 0 , z 0 ) (x 1 , y 1 , z 1 ) (x 2 , y 2 , z 2 )... are sent to the
荷電粒子ビームの位置の制御は、おおよそ、XY方向はスキャニング電磁石3により、Z方向は荷電粒子ビームの運動エネルギー調整により行うが、厳密にはこのようにきれいにXYとZとを分離できるわけではない。スキャニング電磁石3により荷電粒子ビームを制御すると、XY方向だけではなく、Z方向をも影響を受ける。同様に、荷電粒子ビームの運動エネルギーを制御すると、Z方向だけではなく、XY方向をも影響を受ける場合がある。このような影響をここでは「XYとZとの干渉項の影響」と呼ぶことにする。3入力3出力の逆写像数式モデルは、このXYとZとの干渉項の影響も考慮して指令値を生成することができる。
Control of the position of the charged particle beam is roughly performed by the
従来の偏向補正による方法(例えば特許文献3)においては、Z方向を考慮しているものをみないが、実施の形態1ではこのように複数の逆写像数式モデルを用意することにより、Z方向をも考慮することができる。
このように、スキャニング制御器10における逆写像数式モデルを目標照射位置座標からなる3入力3出力としたので、スキャニング電磁石3への指令値と荷電粒子ビーム1の運動エネルギー指令値を一度に求めることができ、XYとZとの干渉項の影響をも考慮して指令値を生成するので、より高精度なビーム位置制御を実現できる。また、ファンビーム効果やコーンビーム効果に依存する照射位置座標の変動も考慮された高精度なビーム照射位置を実現できる。また、照射対象における荷電粒子ビームの目標照射位置座標から、その照射を実現するスキャニング電磁石の指令値及び荷電粒子ビームの運動エネルギーの指令値を生成する逆写像モデルとして、変換テーブルを用意して、照射対象における荷電粒子ビームの目標照射位置座標から、前記変換テーブルを使用して生成した前記指令値により前記スキャニング電磁石及び荷電粒子ビームの運動エネルギーを制御して荷電粒子ビームを走査し照射対象に照射するようにしてもよい。
The conventional deflection correction method (for example, Patent Document 3) does not consider the Z direction, but in the first embodiment, by preparing a plurality of inverse mapping mathematical models in this way, the Z direction is obtained. Can also be considered.
As described above, since the inverse mapping mathematical model in the
実施の形態2.
図7は実施の形態2における粒子線照射装置を示す構成図である。31はビーム輸送系に設けられた最終偏向電磁石で、Y方向スキャニング電磁石3bより上流に配置され、荷電粒子ビームをA,B、C経路に偏向する。発明の基礎となる技術の図1では、スキャニング電磁石3が最下流にある単純な場合を示したが、特許文献1の粒子線照射装置のように、スキャニング電磁石(スキャニング電磁石,ワブラー電磁石)の下流に偏向電磁石があるような場合や、特許文献2の粒子線照射装置のように、偏向電磁石をうまく利用してスキャニング電磁石を省略したものがある。かような構成例にもこの発明を適用することができ、むしろ、これらの場合は、指令値座標空間6からビーム照射位置座標空間7への正写像がより複雑になるため、この発明の効果は大きい。
FIG. 7 is a configuration diagram illustrating the particle beam irradiation apparatus according to the second embodiment. 31 is a final deflection electromagnet provided in the beam transport system, which is arranged upstream of the Y-
図7では、Y方向スキャニング電磁石3bは使用し、最終偏向電磁石31にX方向スキャニング電磁石の機能を持たせたものである。最終偏向電磁石31からX方向スキャニング電磁石への指令値Ia、を発生させ、荷電粒子ビームを走査し、最終偏向電磁石31にX方向スキャニング電磁石の指令値の推定値Iaeを入力する。このように、最終偏向電磁石31にX方向スキャニング電磁石と同様な機能をも持たせるものである。
In FIG. 7, the Y-
実施の形態3.
実施の形態1において、多項式の係数(未知パラメータ)の求め方として、最小二乗法について説明した。この多項式の係数(未知パラメータ)の求め方において、重み付け最小二乗法を用いてもよい。この重み付け最小二乗法とは、多項式の係数(未知パラメータ)を求めるもとのデータ(キャリブレーション時の実データ)において、各データに重みをつけて計算するものである。例えば、キャリブレーションの試し照射を行う際、何らかの理由により(例えば電気的ノイズ等)、信頼性の低いデータが得られる場合がある。この場合、信頼性の低いデータには0に近い重みをかけることによって、このデータの影響を抑えることができる。
また、照射対象をいくつかのエリアに分割して、それぞれのエリアごとに多項式の未知パラメータを求めても良い。この場合、あるエリアAの多項式を計算する場合、キャリブレーションの試し照射の実データにおいてエリアAに属するデータは重み1を、エリアAに属さないデータは0に近い重みをかけて計算することによって、より実現象に近い、すなわち高精度な照射を実現することができる。
In the first embodiment, the least square method has been described as a method for obtaining a coefficient (unknown parameter) of a polynomial. A weighted least square method may be used in the method of obtaining the coefficient (unknown parameter) of this polynomial. In this weighted least square method, each data is weighted and calculated in the original data (actual data at the time of calibration) for obtaining a polynomial coefficient (unknown parameter). For example, when performing calibration test irradiation, unreliable data may be obtained for some reason (for example, electrical noise). In this case, the influence of this data can be suppressed by applying a weight close to 0 to data with low reliability.
Further, the irradiation target may be divided into several areas, and polynomial unknown parameters may be obtained for each area. In this case, when calculating the polynomial of a certain area A, the data belonging to the area A in the actual data of the trial irradiation of the calibration is calculated by applying a weight of 1 and the data not belonging to the area A is applied with a weight close to 0. Therefore, it is possible to realize irradiation that is closer to the actual phenomenon, that is, highly accurate irradiation.
Claims (2)
前記スキャニング電磁石は、X方向スキャニング電磁石と、前記X方向スキャニング電磁石の走査方向と直交する方向に走査するY方向スキャニング電磁石とを有し、
前記制御器は、照射対象における荷電粒子ビームの目標照射位置座標から、その照射を実現する前記X方向スキャニング電磁石を励磁するためのX方向指令値,及び前記Y方向スキャニング電磁石を励磁するためのY方向指令値をそれぞれ生成する逆写像数式モデルを有し、
前記逆写像数式モデルは、前記目標照射位置座標を表す変数を含む多項式であり、
前記多項式に含まれる未知の係数は、前記X方向とY方向スキャニング電磁石に予め設定した複数組のX方向とY方向指令値を入力すると共に、前記加速器に予め設定した複数の運動エネルギー指令値を入力して、荷電粒子ビームを制御し、実際に照射されたそれぞれの照射位置座標の実データに対して、一部のデータに低い重み付けをする重み付け最小二乗法により求め、信頼性を向上させるようにしたことを特徴とする粒子線照射装置。 In a particle beam irradiation apparatus that controls an accelerator and a scanning electromagnet with a controller to irradiate an irradiation target with a charged particle beam from the accelerator,
The scanning electromagnet includes an X-direction scanning electromagnet and a Y-direction scanning electromagnet that scans in a direction orthogonal to a scanning direction of the X-direction scanning electromagnet,
The controller, based on a target irradiation position coordinate of the charged particle beam on the irradiation target, an X-direction command value for exciting the X-direction scanning electromagnet for realizing the irradiation, and Y for exciting the Y-direction scanning electromagnet. It has a reverse mapping mathematical model that generates each direction command value,
The inverse mapping mathematical model is a polynomial including a variable representing the target irradiation position coordinates,
The unknown coefficient included in the polynomial inputs a plurality of preset X direction and Y direction command values to the X direction and Y direction scanning electromagnets, and a plurality of preset kinetic energy command values to the accelerator. Input, control the charged particle beam, and obtain the actual data of each irradiation position coordinate actually irradiated by the weighted least square method that weights some data low, so as to improve the reliability A particle beam irradiation apparatus characterized by that.
前記スキャニング電磁石は、X方向スキャニング電磁石と、前記X方向スキャニング電磁石の走査方向と直交する方向に走査するY方向スキャニング電磁石とを有し、
前記制御器は、照射対象における荷電粒子ビームの目標照射位置座標から、その照射を実現する前記X方向スキャニング電磁石を励磁するためのX方向指令値,及び前記Y方向スキャニング電磁石を励磁するためのY方向指令値をそれぞれ生成する逆写像数式モデルを有し、
前記逆写像数式モデルは、前記目標照射位置座標を表す変数を含む多項式であり、
前記多項式に含まれる未知の係数を求めるにあたっては、
前記照射対象を複数のエリアに分割し、それぞれのエリア毎の前記多項式に含まれる未知の係数を、
前記X方向とY方向スキャニング電磁石に予め設定した複数組のX方向とY方向指令値を入力すると共に、前記加速器に予め設定した複数の運動エネルギー指令値を入力して、荷電粒子ビームを制御し、実際に照射されたそれぞれの照射位置座標の実データに対して、当該エリアに属する実データの重みが当該エリアに属さない実データの重みよりも大きい重み付けをする重み付け最小二乗法により求めるようにしたことを特徴とする粒子線照射装置。 In a particle beam irradiation apparatus that controls an accelerator and a scanning electromagnet with a controller to irradiate an irradiation target with a charged particle beam from the accelerator,
The scanning electromagnet includes an X-direction scanning electromagnet and a Y-direction scanning electromagnet that scans in a direction orthogonal to a scanning direction of the X-direction scanning electromagnet,
The controller, based on a target irradiation position coordinate of the charged particle beam on the irradiation target, an X-direction command value for exciting the X-direction scanning electromagnet for realizing the irradiation, and Y for exciting the Y-direction scanning electromagnet. It has a reverse mapping mathematical model that generates each direction command value,
The inverse mapping mathematical model is a polynomial including a variable representing the target irradiation position coordinates,
In determining the unknown coefficient included in the polynomial,
Dividing the irradiation target into a plurality of areas, unknown coefficients included in the polynomial for each area,
A plurality of preset X direction and Y direction command values are input to the X direction and Y direction scanning electromagnets, and a plurality of preset kinetic energy command values are input to the accelerator to control the charged particle beam. In addition, the weight of the actual data belonging to the area is determined by the weighted least square method, in which the weight of the actual data belonging to the area is larger than the weight of the actual data not belonging to the area. A particle beam irradiation apparatus characterized by that.
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