TWI426530B - 粒子束照射裝置及粒子束治療裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種使用粒子束治療癌症等的粒子束照射裝置及粒子束治療裝置。
一般而言，粒子束治療裝置係具備有：射束產生裝置，產生荷電粒子射束(beam)；加速器，連接到射束產生裝置、將所產生的荷電粒子射束予以加速；射束輸送系統，輸送在加速至以加速器所設定的能量後所出射的荷電粒子；以及粒子束照射裝置，設於射束輸送系統的下游，用以將荷電粒子射束照射至照射對象。粒子束照射裝置係具有：藉由散射體將荷電粒子射束廣大地散射擴大，並使經擴大的荷電粒子射束配合照射對象的形狀形成照射場的寬(broad)照射方式；以及以配合照射對象之形狀的方式，將細鉛筆狀的射束予以掃描並形成照射場的掃描(scanning)照射方式(點線掃描(spot scanning)、行式掃描(raster scanning))。
寬照射方式係使用射線調準器(collimator)及病灶模(bolus)以形成符合患部形狀的照射場。此為形成符合患部形狀的照射場，並防止對正常組織的非必要的照射上最常使用的理想照射方式。然而，有依每個患者製作病灶模，或配合患部使射線調準器變形的必要。
另一方面，掃描照射方式係不需要射線調準器及病灶模之高自由度的照射方式。然而，因為沒有使用防止對患部以外的正常組織的照射的該等構件，故要求寬照射方式以上的高度射束照射位置精度。
從加速器所輸送的射束的大小一般而言係為數mm左右，相對於此荷電粒子射束的照射範圍，在醫療的情形下係需要數十公分(cm)四方的大小。為了以較細的荷電粒子射束得到較寬照射場，而使用上文所述的掃描照射方式。
於專利文獻1中，目的為提供一種將掃描用電磁鐵的強度保持與習知相同之下，將平行於偏向面的方向的照射範圍加以擴大的旋轉支架(gantry)，並揭露以下的發明。專利文獻1的發明係藉由掃描用電磁鐵的上游的偏向電磁鐵及照射場用電磁鐵來變更下游側的射束位置，並將掃描用電磁鐵往此射束位置a、b移動，並照射可照射的區域A，若區域A的照射結束，則以使荷電粒子射束在偏向電磁鐵的下游通過其他的位置b的方式，將掃描用電磁鐵往射束位置b移動，並照射區域B，藉以在區域A及區域B兩者的區域擴大照射區域。
(專利文獻)
專利文獻1：日本特開平8-257148號公報
雖然依患部形狀有各種各樣的照射範圍(照射場)及照射位置精度，然有照射範圍較窄時要求較高之照射位置精度、照射範圍較廣時照射位置精度的要求較寬鬆的情形。於點線掃描照射方式中，一般而言，照射範圍較窄而要求較高的照射位置精度時，係以較小的間隔(點線間隔)照射尺寸較小的荷電粒子射束，而於照射位置較廣、照射位置精度的要求較寬鬆時，係以較大的間隔(點線間隔)照射尺寸較大的荷電粒子射束。
由於由荷電粒子射束所形成的照射範圍的最大照射範圍，係以掃描用電磁鐵的激磁電源的最大電流所致的掃描用電磁鐵的擺動角度來決定，故於專利文獻1之使用旋轉支架的照射方法中，區域A、B各自的最大照射範圍，係由掃描用電磁鐵與照射位置的距離來決定。此外，於荷電粒子射束的照射範圍內之最大位置精度，係由激磁電源之可控制的最小電流所產生的可控制的最小擺動角來決定，故於專利文獻1之使用旋轉支架的照射方法中，區域A、B各自的最大位置精度，係依據掃描用電磁鐵與照射位置的距離，來決定照射位置上的照射位置精度。
於專利文獻1之使用旋轉支架的照射方法中，藉由使掃描用電磁鐵的上游之偏向電磁鐵、照射場移動電磁鐵及掃描用電磁鐵移動，而可擴大照射範圍(照射場)。然而，必須使用掃描用電磁鐵的上游之偏向電磁鐵與照射場移動電磁鐵。此外，在專利文獻1之使用旋轉支架的照射方法中，由於掃描用電磁鐵與照射位置的距離為一定，故可控制的最小擺動角度為一定，而無法提升照射位置精度。因此，會有無法進行組合了照射場及照射位置精度等的各式各樣的照射變化(variation)之問題。
本發明係為了解決前述課題所研創者，其目的為得到一種粒子束照射裝置，該粒子束照射裝置係可將照射場及照射位置精度的組合等的粒子束照射的複數個參數之組合設為可變，並可進行各式各樣的照射變化之照射。
一種粒子束照射裝置，係將藉由加速器所加速的荷電粒子射束照射於照射對象者，具備有：掃描電磁鐵，用以掃描荷電粒子射束；以及掃描電磁鐵移動裝置，以變更在荷電粒子射束的射束軸方向之掃描電磁鐵與照射對象之距離的方式移動掃描電磁鐵。
本發明之粒子束照射裝置係將荷電粒子射束的射束軸方向之掃描電磁鐵與照射對象的距離予以變更，因此可將照射場及照射位置精度的組合等的粒子束照射中的複數個參數之組合設為可變，而可進行各式各樣的照射變化的照射。
第1圖係為本發明之粒子束治療裝置之概略構成圖。粒子束治療裝置51係具備有：射束產生裝置52；射束輸送系統59；以及粒子束照射裝置58a、58b(或60a、60b)。射束產生裝置52係有：離子(ion)源(未圖示)；前段加速器53；同步加速器(synchrotron)54。粒子束照射裝置58b(60b)係設置於旋轉支架(未圖示)。粒子束照射裝置58a(60a)係設置於沒有旋轉支架的治療室。射束輸送系統59的任務係在同步加速器54與粒子束照射裝置58a、58b的聯絡。射束輸送系統59的一部份係設置於旋轉支架(未圖示)，於此部分係具有複數個偏向電磁鐵55a、55b、55c。
屬於藉由離子源所產生的陽子束等的粒子束的荷電粒子射束3係藉由前段加速器53所加速，並入射至同步加速器54。荷電粒子射束3係被加速達預定之能量。從同步加速器54所出射的荷電粒子射束3係經由射束輸送系統59輸送至粒子束照射裝置58a(60a)、58b(60b)。粒子束照射裝置58a(60a)、58b(60b)係將荷電粒子射束3照射至照射對象11(參照第2圖)。
第2圖係顯示本發明第一實施形態之粒子束照射裝置之構成圖。藉由射束產生裝置52所產生、並被加速達預定能量的荷電粒子射束3，係經由射束輸送系統59被引導向粒子束照射裝置58。粒子束照射裝置58係具備有：X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2，在垂直於荷電粒子射束3的方向的X方向及Y方向掃描荷電粒子射束3；位置監視器9；劑量監視器5；掃描電磁鐵電源7；掃描電磁鐵移動裝置4，用以移動X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2；劑量資料變換器6；位置資料變換器10；以及照射控制裝置8，將粒子束照射裝置58的照射系統加以控制。掃描電磁鐵移動裝置4係具有馬達12及滾珠螺桿13，而X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2係透過藉由馬達12旋轉的滾珠螺桿13固定於X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2的母螺桿機構而移動。此外，X方向掃描電磁鐵1、Y方向掃描電磁鐵2、位置監視器9及劑量監視器5係構成照射系統。荷電粒子射束3的行進方向係為Z方向。
X方向掃描電磁鐵1係使荷電粒子射束3往X方向掃描的掃描電磁鐵，Y方向掃描電磁鐵2係使荷電粒子射束3往Y方向掃描的掃描電磁鐵。位置監視器9係檢測藉由X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2所掃描的荷電粒子射束3所通過的射束之射束峰值(peak)位置(通過位置)。劑量監視器5係檢測荷電粒子射束3的劑量。照射控制裝置8係依據以未圖示之治療計畫裝置所製作的治療計畫資料，控制於照射對象11的荷電粒子射束3的的照射位置，而當藉由劑量監視器5所測定、藉由劑量資料變換器6變換為數位資料的劑量到達目標劑量時停止荷電粒子射束3。掃描電磁鐵電源7係依據從照射控制裝置8所輸出的對X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2的控制輸入(指令電流)使X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2的設定電流加以變化。
接著，說明掃描電磁鐵的軸方向移動與照射場的寬度之關係，以及掃描電磁鐵的軸方向移動與照射位置誤差的關係。第3圖係為顯示掃描電磁鐵的軸方向移動與照射場之寬度之關係之圖式。於掃描照射方式中，將荷電粒子射束3於將照射對象11分割為複數層的此複數層的一層(切片(slice))平面地掃描並形成照射場。照射場係依據屬於照射位置的照射對象11的一層與掃描電磁鐵之間的射束軸方向之距離來變化。第3圖(a)係顯示一個切片與Y方向掃描電磁鐵2的距離為L1的情形，第3圖(b)係顯示與該Y方向掃描電磁鐵2的距離為L2的情形。於第3圖中係為L1＜L2的情形。於此，距離L1、L2係設為相距掃描荷電粒子射束3的掃描電磁鐵2之磁極中心的距離。於第3圖(a)中，以最大擺動角α掃描荷電粒子射束3時，係從Y方向的掃描範圍21之一端到另一端為止的長度之掃描範圍長度係成為D1。同樣地，於第3圖(b)中，以最大擺動角α掃描荷電粒子射束3時，從Y方向的掃描範圍21之一端到另一端為止的長度之掃描範圍長度係成為D2。
掃描範圍長度D1及掃描範圍長度D2係以數學式(1)及數學式(2)來表示。
D1=2×L1×tanα ...(1)
D2=2×L2×tanα ...(2)
由於距離L1＜L2，故形成掃描範圍長度D1＜掃描範圍長度D2。因此，使照射位置(照射對象11的一層)與掃描電磁鐵之間之射束軸方向的距離變大的情形係可擴大掃描範圍，並可延長掃描範圍長度。此外，將照射位置與掃描電磁鐵之間之射束軸方向的距離予以縮小時，係可窄化掃描範圍21，並可縮短掃描範圍長度。
使用第4圖，說明掃描電磁鐵的軸方向移動與照射位置誤差之關係。對於放射線或荷電粒子射束3風險較高的內臟器官鄰接於照射位置的情形時，照射位置精度係為重要。第4圖係為顯示掃描電磁鐵的軸方向移動與照射位置誤差之關係之圖式。照射位置誤差係為依據照射位置的荷電粒子射束3之位置精度所決定的移動寬度，並因為屬於照射位置的照射對象11之一層與掃描電磁鐵之間的射束軸方向的距離而產生變化。荷電粒子射束3的位置精度係依據X方向掃描電磁鐵1、Y方向掃描電磁鐵2的磁場產生精度來決定。依據掃描電磁鐵1、2的產生磁場精度，荷電粒子射束3係對於某個目標照射位置(目標擺動角度)，在擺動角的精度Δθ的範圍內進行變化。第4圖(a)係顯示一個切片與Y方向掃描電磁鐵2的距離為L3的情形，第3圖(b)係顯示與該切片與Y方向掃描電磁鐵2的距離為L4的情形。於第4圖中係為L4＜L3的情形。於此，距離L3、L4係設為相距掃描荷電粒子射束3的Y方向掃描電磁鐵2之磁極中心的距離。於第4圖(a)中，荷電粒子射束3的擺動角度之精度為Δθ時，照射位置誤差係成為ΔX3。相同地，於第4圖(b)中，荷電粒子射束3的擺動角度之精度為Δθ時，照射位置誤差係成為ΔX4。
擺動角度為Δθ時，例如擺動角β與擺動角β-Δθ的照射位置誤差ΔX3及照射位置誤差ΔX4，係以係以數學式(3)及數學式(4)來表示。
ΔX3=L3×A ...(1)
ΔX4=L4×A ...(2)
於此，A=tanβ-tan(β-Δθ)。由於距離L4＜距離L3，故形成照射位置誤差ΔX4＜照射位置誤差ΔX3。因此，當使照射位置(照射對象11的一層)與掃描電磁鐵之間的射束軸方向之距離變大時，照射位置誤差會變大、且照射位置精度會變差。另一方面，將照射位置與掃描電磁鐵之間的射束軸方向的距離予以縮小時，係可縮小照射位置誤差，並可提升照射位置精度。
一般而言，當荷電粒子射束3的照射位置之照射點(spot)(以下適當地簡稱為點)的尺寸較小時，為了無空隙地以預定的劑量來照射照射對象11，而以較小的間隔(點間隔)照射，對於各點之照射位置誤差要求則變得嚴格。於此，照射點係供控制照射劑量之用所分割的照射單位。例如點之直徑的尺寸為5mm時，照射位置誤差要求係設定為0.5mm(一成)以下。現在，若設定為當照射位置與掃描電磁鐵的射束方向之距離為5mm時，若照射位置誤差要求為1mm，則維持現狀下雖無法實現點直徑5mm時的照射位置誤差要求0.5mm以下，然藉由將這個距離設為2.5mm以下，能實現使照射位置誤差0.5mm以下。
此外，一般而言，照射位置誤差要求較不嚴格時，係將點的尺寸較大的荷電粒子射束3以較大的間隔(點間隔)進行照射。此時，將照射位置與掃描電磁鐵的射束軸方向的距離予以拉長。如上文所述，當將照射位置與掃描電磁鐵的射束軸方向的距離設為較長時，可擴大掃描範圍21，並可拉長掃描範圍長度。因此，將照射位置與掃描電磁鐵的射束軸方向的距離予以拉長，藉此可擴大點的尺寸，並形成寬廣的照射場。
第一實施形態之粒子束照射裝置58係藉由掃描電磁鐵移動裝置4變更X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2與照射對象11的距離，藉此可選擇適於照射對象11的最大照射場及照射位置精度。第5圖係為說明第一實施形態之粒子束照射裝置的照射之圖式。第5圖(a)至第5圖(c)係顯示X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2與照射對象11的距離為相異的三個情形，第5圖(a)係距離為中間的情形，第5圖(b)係距離相較於第5圖(a)更長的情形，而第5圖(c)係距離相較於第5圖(a)更短的情形。於圖中21a、21b、21c係各自的情形之最大掃描範圍，而22a、22b、22c係顯示各自的情形之射束點(beam spot)。
照射對象11較大，欲擴大最大照射場的情形時，係藉由掃描電磁鐵移動裝置4使X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2於荷電粒子射束3的射束軸方向，如第5圖(b)所示朝向遠離照射對象11的方向移動。不論是照射對象11較小，或者是較大的情形時，在欲縮小照射位置誤差時，係藉由掃描電磁鐵移動裝置4將X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2於荷電粒子射束3的射束軸方向，如第5圖(c)所示朝向接近照射對象11的方向，移動至可達成預定的照射位置精度之位置。
照射控制裝置8係依據治療計畫裝置所製作的治療計畫資料的照射位置精度、目標位置座標來產生對X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2的控制輸入(指令電流)。照射控制裝置8係為了對應於預定的照射位置精度，而具有複數個變換表(table)或指令產生多項式。變換表或指令產生多項式係用以產生控制輸入的控制輸入產生部。於此係將使用變換表的情形稱作變換表方式，而使用指令產生多項式的情形稱作多項式方法。
說明關於變換表方式。變換表係依據實際地照射所得到的控制輸入及所測量的照射位置座標的實際資料，將控制輸入及照射位置座標作成為表者。X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2的設定電流值，係從荷電粒子射束3的目標位置座標使用該變換表進行運算。傳送至掃描電磁鐵電源7的控制輸入係使運算而求得的設定電流值輸出的控制輸入(指令)。變換表係準備有複數個不同之照射位置精度者。亦即變換表係依各代表位置精度準備有複數個。當有與所指定的照射位置精度一致者時係使用此變換表，當沒有與所指定的照射位置精度一致者時，係增補(線性增補等)前後的變換表的資料，而照射控制裝置8係產生控制輸入。
說明關於多項式方式。指令產生多項式係依據將實際地照射時之X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2的磁場之測定值及所測定的照射位置座標的多項式，利用激磁電流與磁場為一對一之關係加以變形，以將荷電粒子射束3的目標位置座標與控制輸入的關係以多項式加以表示者。例如，控制輸入Ic(Ix，Iy)係將目標照射位置座標Pt=(xt,yt)當作輸入，並表示如數學式(1)、(2)。
Ix=m0
+m1
xt+m2
xt2
+m3
yt+m4
xtyt+m5
yt2
...(1)
Iy=n0
+n1
xt+n2
xt2
+n3
yt+n4
xtyt+n5
yt2
...(2)
於此，m0
至m5
、n0
至n5
係為藉由最小二乘法等所求得的參數常數。於該多項式方式中，亦可考慮如xtyt的干涉項，並可產生較變換表方式更高精度的控制輸入Ic。因此，藉由多項式方式的運用，可進一步地提升依存於照射位置與掃描電磁鐵之距離的照射位置精度。
多項式方式亦依各個依存於照射位置與掃描電磁鐵的照射位置精度準備複數個指令產生多項式。被選中的分別的照射位置精度係為代表位置精度。有與所指定的照射位置精度一致者時，係使用其指令值產生多項式，而沒有與所指定的照射位置精度一致者時，係增補(線性增補等)由前後的指令產生多項式所產生的資料，而照射控制裝置8係產生控制輸入。
接著使用第6圖的流程圖說明粒子束照射裝置58的運作。第6圖係為顯示第一實施形態之粒子束照射裝置的控制方法之流程圖。粒子束照射裝置58係依據治療計畫裝置所產生的治療計畫資料的照射位置精度，選定使用的變換表或指令值產生多項式等的控制輸入產生部(步驟ST1、控制輸入產生部選定程序)。接著依據治療計畫資料的目標位置座標，藉由經選定的控制輸入產生部來產生控制輸入Ic(Ix，Iy)(步驟ST2，控制輸入產生程序)。
於點線掃描方式中，由於藉由荷電粒子射束3將以治療計畫所訂定的劑量照射在照射對象之欲治療的部位中的某個點，故首先藉由對於某個點的控制輸入對掃描電磁鐵1、2予以激磁(步驟ST3)。具體而言，照射控制裝置8係將對應於某個點之位置的控制輸入傳送至掃描電磁鐵電源7，掃描電磁鐵電源7係依循X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵1的控制輸入，藉由控制輸入所指定的激磁電流對掃描電磁鐵1、2予以激磁。
若掃描電磁鐵1、2的設定完成，則從例如X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2接收設定完成之訊號，並將荷電粒子射束3入射至粒子束照射裝置58，並對該點開始照射(步驟ST4)。
照射控制裝置8係依據以劑量監視器5所檢測出的照射劑量是否到達(照射劑量是否到達計畫劑量)來判定是否於該點按照計畫進行了照射(步驟ST5)。為到達之情形時狀將荷電粒子射束3予以切斷(步驟ST6)。
照射控制裝置8係判斷是否有下一個點，有下一個點時，係轉移至步驟ST8，而沒有下一個點時係結束照射(步驟ST7)。於步驟ST8中，藉由對下一個點的控制輸入對掃描電磁鐵掃描電磁鐵1、2予以激磁。與步驟ST3同樣地動作。
若掃描電磁鐵1、2的設定結束，則解除荷電粒子射束3的切斷，並對該點開始照射(步驟ST9)。在進行了步驟ST9的動作後回到步驟ST5。如上文所述反覆進行上述步驟直到照射對象11的複數層的一層(切片)的點結束為止。若對一個切片的照射結束，則變更荷電粒子射束3的能量，執行步驟ST3至步驟ST9，並進行對其他切片的照射。
第一實施形態之粒子束照射裝置58係藉由掃描電磁鐵移動裝置4將X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2與照射對象11的距離予以變更，藉此可選擇適於照射對象11的最大照射場及照射位置精度。第一實施形態之粒子束照射裝置58係將掃描用電磁鐵與照射位置的距離固定為大致一定，與不能自由地變更照射位置上的照射位置精度的習知裝置不同，可相應於照射對象11適當地變更照射位置精度。此外，將照射場及照射位置精度的組合設為可變，以可進行各種各樣的照射變化之設定。
第一實施形態之粒子束照射裝置58係在不太有必要提高照射位置精度而希望擴大最大照射場的情形時，在可容許的照射位置精度以內移動掃描電磁鐵移動裝置4，並產生用以設定X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2之激磁電流的控制輸入(指令電流)Ic。此時，係如第5(b)圖所示，由於射束點22b變得較大，故相較於射束點較小的情形，照射在照射對象11的點數目變得較少，故可縮短合計的照射時間。
於粒子束照射裝置中，為了使荷電粒子射束3不在大氣中散射且射束尺寸不會變大，有讓荷電粒子射束3在真空管道(duct)中移動至照射對象11的附近之情形。此情形時，於X方向掃描電磁鐵1與Y方向掃描電磁鐵2之間，有很多真空管道的凸緣(flange)等之金屬的情形，於習知的粒子束照射裝置中，有因交變磁場(alternating)導致該金屬發熱的疑慮。然而，依據第一實施形態之粒子束照射裝置58，由於可自由地改變X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2的射束軸方向之間隔，故在會產生有發熱之疑慮的磁場的照射之際，係可暫時地放大該間隔，以防止發熱。
一般而言，收容粒子束照射裝置的建築物係由鋼筋水泥所建造，因為經年累月或地震等因素，而有地板或天花板的高度改變之情形。因此，為了定期地進行移位的觀測、使掃描用電磁鐵與照射位置的距離保持為一定，必須修正掃描用電磁鐵的射束軸方向之位置。第一實施形態的粒子束照射裝置58係可藉由掃描電磁鐵移動裝置4容易地進行前述的位置修正。
另外，掃描電磁鐵移動裝置4係共通地使用在X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2，亦即雖以同時地使X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2移動之例加以說明，然亦可具有分別獨立的掃描電磁鐵移動裝置4。就掃描電磁鐵移動裝置4而言，係不限於圖示例的馬達12及滾珠螺桿13之構成，而可採用適合的元件。
當作成為使X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2獨立地移動的構成時，則成為如下文所述的情形。照射對象11較大，欲擴大最大照射場時，係藉由掃描電磁鐵移動裝置4，將X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2的至少一者於荷電粒子射束3的射束軸方向如第5圖(b)所示朝遠離照射對象11的方向移動。在朝遠離照射對象11之方向移動的掃描電磁鐵之掃描方向，最大照射場會擴大。此外，不論是照射對象11較小或者較大的情形，欲縮小照射位置誤差時，係藉由掃描電磁鐵移動裝置4將X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2的至少一者於荷電粒子射束3的射束軸方向如第5圖(c)所示朝接近照射對象11的方向移動至可達成預定的照射位置精度的位置。在朝接近照射對象11的方向移動的掃描電磁鐵的掃描方向，可提高照射位置精度。
依據如上文所述的第一實施形態之粒子束照射裝置58，係具備有：掃描電磁鐵1、2用以掃描荷電粒子射束3；以及掃描電磁鐵移動裝置4，以變更在荷電粒子射束3的光束軸方向之掃描電磁鐵1、2與照射對象11的距離之方式，將掃描電磁鐵1、2加以移動；因此可變更荷電粒子射束的射束軸方向之掃描電磁鐵與照射對象的距離，並將照射場及照射位置精度的組合等之粒子束照射的參數組合設為可變，而可進行各式各樣的照射變化之設定。
依據第一實施形態的粒子束治療裝置51，係具備有：射束產生裝置52，產生荷電粒子射束3，並藉由加速器54加速該荷電粒子射束3；射束輸送系統59，輸送藉由加速器54所加速的荷電粒子射束3；以及粒子束照射裝置58，將藉由射束輸送系統59所輸送的荷電粒子射束3照射在照射對象11；其中，粒子束照射裝置58係具備有：用以掃描荷電粒子射束3的掃描電磁鐵1、2；以及掃描電磁鐵移動裝置4，係以變更在荷電粒子射束3的光束軸方向之掃描電磁鐵1、2與照射對象11的距離之方式，將掃描電磁鐵1、2加以移動；因此可變更荷電粒子射束的射束軸方向之掃描電磁鐵與照射對象的距離，並將照射場及照射位置精度的組合等之粒子束照射的參數組合設為可變，以可從各式各樣的照射變化來選擇，而可進行適當的粒子束治療。
於第一實施形態中，在使X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2的至少一者移動時，因上游側之掃描用電磁鐵1的最大擺動角而受到擺動的荷電粒子射束3，可能會與下游側的掃描用電磁鐵2之磁極干涉。於第二實施形態中具備磁極移動裝置29，其係例如在使X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2的至少一者移動時，使因上游側之掃描用電磁鐵1的最大擺動角而受到擺動的荷電粒子射束3不會與掃描用電磁鐵2的磁極干涉。第一實施形態的照射裝置係在至少於下游側的Y方向掃描電磁鐵2設置有磁極移動裝置29之點有所不同。
第7圖係為說明掃描電磁鐵的磁極與荷電粒子射束的關係之圖式。荷電粒子射束3係藉由上游側的X方向掃描電磁鐵1以擺動角γ於X方向掃描。下游側的Y方向掃描電磁鐵2係通過Y方向掃描電磁鐵2的磁極間隔g。荷電粒子射束3係通過Y方向掃描電磁鐵2上端之上端移動範圍db1，並通過Y方向掃描電磁鐵2下端之下端移動範圍db2。由於下端移動範圍db2係較上端移動範圍db1更寬，故為了使荷電粒子射束3不與Y方向掃描電磁鐵2的磁極干涉，磁極間隔g係有較下端移動範圍db2更寬的必要。磁極間隔g較下端移動範圍db2更窄的情形時，荷電粒子射束3會與Y方向掃描電磁鐵2的磁極干涉。
第8圖係為顯示本發明第二實施形態之掃描電磁鐵之構成圖。第8圖係Y方向掃描電磁鐵2及磁極移動裝置29的例子。Y方向掃描電磁鐵2係具有兩個固定磁軛(yoke)28a、28b及兩個可動鐵心23a、23b。於固定磁軛28a、28b係設有移動導件(guide)25a、25b、25c、25d，藉由磁極移動裝置29，可動鐵心23a、23b係一邊被支持於移動導件25a、25b、25c、25d一邊移動。磁極移動裝置29係由分別使兩個可動鐵心23a、23b移動的兩個移動部所構成。此移動部係分別具有小齒輪(pinion)27a(27b)、馬達26a(26b)、以及齒條(rack)24a(24b)。齒條24a係安裝於可動鐵心23a，而齒條24b係安裝於可動鐵心23ba。齒條24a係因安裝於馬達26a之小齒輪27a的旋轉而移動，同樣地齒條24b係因安裝於馬達26b之小齒輪27b的旋轉而移動。
第8圖係可動鐵心23a與可動鐵心23b的磁極間隔為g1的情形。此外，Y方向掃描電磁鐵2的線圈(coil)係設置於可動鐵心23a、23b的各個凸部35a、35b之周圍。設置於可動鐵心23a的線圈係與可動鐵心23a一起移動，而設置於可動鐵心23b的線圈係與可動鐵心23b一起移動。第9圖係為掃描電磁鐵的磁極間隔變得最大的例子。於第9圖中，可動鐵心23a、23b分別移動至最大限度，而可動鐵心23a與可動鐵心23b的磁極間隔成為g2。此外，g1＜g2。
第二實施形態之粒子束照射裝置58係至少於下游側的Y方向掃描電磁鐵2設置有磁極移動裝置29，且可改變下游側的Y方向掃描電磁鐵2之磁極間隔g，故於使X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2的至少一者移動的情形，亦可使荷電粒子射束3不會與下游側的掃描用電磁鐵2之磁極干涉。因此，第二實施形態之粒子束照射裝置58係可於X方向及Y方向的一者中，選擇適於照射對象11的最大照射場及照射位置精度。由於可於X方向及Y方向分別選擇最大照射場及照射位置精度，故相較於第一實施形態，可進行各式各樣的照射變化。
第10圖係為顯示本發明第三實施形態之粒子束照射裝置之構成圖。第三實施形態之粒子束照射裝置60係使照射對象11與X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2的距離離散地變更的例子。於第10圖中，係顯示有兩個X方向掃描電磁鐵及Y方向掃描電磁鐵之掃描電磁鐵對的例子。粒子束照射裝置60係與第一實施形態的粒子束照射裝置58在具有下列元件的點上有所不同：X方向掃描電磁鐵1a及Y方向掃描電磁鐵2a；X方向掃描電磁鐵1b及Y方向掃描電磁鐵2b；兩個掃描電磁鐵7a、7b；以及兩個掃描電磁鐵移動裝置30a、30b。
掃描電磁鐵移動裝置30a係具有：用以固定X方向掃描電磁鐵1a及Y方向掃描電磁鐵2a的固定板31a、連接到固定板31a的齒條33a、馬達32a、以及小齒輪34a。掃描電磁鐵移動裝置30b係具有：用以固定X方向掃描電磁鐵1b及Y方向掃描電磁鐵2b的固定板31b、連接到固定板31b的齒條33b、馬達32b、以及小齒輪34b。齒條33a係因安裝於馬達32a之小齒輪34a的旋轉而移動，同樣地齒條33b係因安裝於馬達32b之小齒輪34b的旋轉而移動。掃描電磁鐵移動裝置30a、30b係使荷電粒子射束3移動於從掃描荷電粒子射束3的位置到未掃描荷電粒子射束3的位置之間的裝置。
於第三實施形態中，由於藉由掃描電磁鐵移動裝置30a、30b離散地變更照射對象11與X方向掃描電磁鐵1及Y方向掃描電磁鐵2的距離，故只要準備相應於該離散的變更數的控制輸入產生部即可。第三實施形態之粒子束照射裝置60相較於第一實施形態之粒子束照射裝置58，係使用較少數量的控制輸入產生部，故可減少準備控制輸入產生部的作業量，並可縮短開始粒子束照射裝置的實際運用為止的期間。第三實施形態之粒子束照射裝置60相較於第一實施形態之粒子束照射裝置58雖多樣性減少，但不同於習知裝置，於照射場及照射位置精度的組合等的粒子束照射中的複數個參數之組合設為可變，而可進行各式各樣的照射變化的設定。
此外，雖以點線掃描方式為例作說明，惟亦可適用於行式掃描。
另外，亦可運用寬照射方式的搖擺(wobbler)電磁鐵。將掃描電磁鐵移動裝置4及掃描電磁鐵移動裝置30運用於寬照射方式，藉此可變更照射對象11與搖擺電磁鐵的距離，並擴大照射場。於掃描照射方式中，就粒子束照射的複數個參數之組合而言，可將照射場及照射位置精度的組合設為可變，而進行各種各樣的照射變化，惟於寬照射方式中，就粒子束照射的複數個參數之組合而言，可使照射場及射束之平坦度之組合設為可變，而可進行各式各樣的照射變化。
1、1a、1b．．．X方向掃描電磁鐵
2、2a、2b．．．Y方向掃描電磁鐵
3．．．荷電粒子射束
4．．．掃描電磁鐵移動裝置
5．．．劑量監視器
6．．．劑量資料變換器
7．．．掃描電磁鐵電源
7a、7b．．．掃描電磁鐵
8．．．照射控制裝置
9．．．位置監視器
10．．．位置資料變換器
11．．．照射對象
12．．．馬達
13．．．滾珠螺桿
21．．．掃描範圍
21a、21b、21c．．．最大掃描範圍
22a、22b、22c．．．射束點
23a、23b．．．可動鐵心
24a、24b．．．齒條
25a、25b、25c、25d．．．移動導件
26a、26b．．．馬達
27．．．小齒輪
28a、28b．．．固定磁軛
29．．．磁極移動裝置
30a、30b．．．掃描電磁鐵移動裝置
31a、32b．．．固定板
32a、32b．．．馬達
34a、34b．．．小齒輪
33a、33b．．．齒條
35a、35b．．．凸部
51．．．粒子束治療裝置
52．．．射束產生裝置
53．．．前段加速器
54．．．同步加速器
55a、55b、55c．．．偏向電磁鐵
58、58a、58b、60、60a、60b．．．粒子束照射裝置
59．．．射束輸送系統
a、b．．．射束位置
A、B．．．區域
db1．．．上端移動範圍
db2．．．下端移動範圍
D1、D2．．．掃描範圍長度
g、g1、g2．．．磁極間隔
L1、L2、L3、L4．．．距離
α、β、γ．．．擺動角
ΔX3、ΔX4．．．照射位置誤差
第1圖係為本發明之粒子束治療裝置之概略構成圖。
第2圖係顯示本發明第一實施形態之粒子束照射裝置之構成圖。
第3圖(a)及第3圖(b)係為顯示第2圖的掃描電磁鐵的軸方向移動與照射場之寬度之關係之圖式。
第4圖(a)及第4圖(b)係為顯示第2圖的掃描電磁鐵的軸方向移動與照射位置誤差之關係之圖式。
第5圖(a)至第5圖(c)係為說明第一實施形態之粒子束照射裝置的照射之圖式。
第6圖係為顯示第一實施形態之粒子束照射裝置的控制方法之流程圖。
第7圖係為說明掃描電磁鐵的磁極與荷電粒子射束的關係之圖式。
第8圖係為顯示本發明第二實施形態之掃描電磁鐵之構成圖。
第9圖係為第8圖的掃描電磁鐵的磁極間隔變得最大的例子。
第10圖係為顯示本發明第三實施形態之粒子束照射裝置之構成圖。
1．．．X方向掃描電磁鐵
2．．．Y方向掃描電磁鐵
3．．．荷電粒子射束
4．．．掃描電磁鐵移動裝置
5．．．劑量監視器
6．．．劑量資料變換器
7．．．掃描電磁鐵電源
8．．．照射控制裝置
9．．．位置監視器
10．．．位置資料變換器
11．．．照射對象
12．．．馬達
13．．．滾珠螺桿
58．．．粒子束照射裝置
Claims (27)
- 一種粒子束照射裝置，係將藉由加速器所加速的荷電粒子射束照射於照射對象者，該粒子束照射裝置係具備有：掃描電磁鐵，在垂直於射束軸的X方向及Y方向掃描前述荷電粒子射束；以及掃描電磁鐵移動裝置，以變更在前述荷電粒子射束之射束軸方向的前述掃描電磁鐵與前述照射對象之距離的方式移動前述掃描電磁鐵。
- 如申請專利範圍第1項所述之粒子束照射裝置，其中，具備有照射控制裝置，係依據前述荷電粒子射束的目標照射位置座標來控制前述掃描電磁鐵；並且，前述照射控制裝置係依據前述掃描電磁鐵與前述照射對象的距離，產生用以控制前述掃描電磁鐵的控制輸入。
- 如申請專利範圍第2項所述之粒子束照射裝置，其中，前述照射控制裝置係具有控制輸入產生部，其係依據前述掃描電磁鐵與前述照射對象的距離產生控制輸入。
- 如申請專利範圍第3項所述之粒子束照射裝置，其中，前述照射控制裝置具有複數個前述控制輸入產生部，其係依據前述掃描電磁鐵與前述照射對象的距離而有不同的照射位置精度。
- 如申請專利範圍第3項或第4項所述之粒子束照射裝置，其中，前述控制輸入產生部係為將前述控制輸入與 對應於前述控制輸入的前述目標照射位置座標賦予關聯之變換表。
- 如申請專利範圍第3項或第4項所述之粒子束照射裝置，其中，前述控制輸入產生部係為將前述控制輸入與前述目標照射位置座標賦予關聯之多項式。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之粒子束照射裝置，其中，前述掃描電磁鐵係包含：第一掃描電磁鐵，於X方向及Y方向掃描前述荷電粒子射束；以及第二掃描電磁鐵，配置於前述第一掃描電磁鐵的下游，於X方向及Y方向掃描前述荷電粒子射束；並且，前述掃描電磁鐵移動裝置係包含：掃描電磁鐵移動裝置，係使前述第一掃描電磁鐵從掃描前述荷電粒子射束的位置到未掃描前述荷電粒子射束的位置之間移動；以及掃描電磁鐵移動裝置，係使前述第二掃描電磁鐵從掃描前述荷電粒子射束的位置到未掃描前述荷電粒子射束的位置之間移動；並且，前述荷電粒子射束係藉由前述第一掃描電磁鐵或前述第二掃描電磁鐵的任一者來掃描。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之粒子束照射裝置，其中，前述掃描電磁鐵係包含：X方向掃描電磁鐵，用以於X方向掃描前述荷電粒子射束；以及 Y方向掃描電磁鐵，配置於前述X方向掃描電磁鐵的下游側，用以於Y方向掃描前述荷電粒子射束；並且，前述Y方向掃描電磁鐵係具有磁極間隔可變動的可動鐵心，並具備有：磁極移動裝置，用以移動前述Y方向掃描電磁鐵之前述可動鐵心。
- 如申請專利範圍第7項所述之粒子束照射裝置，其中，前述第一掃描電磁鐵或前述第二掃描電磁鐵係包含：X方向掃描電磁鐵，用以於X方向掃描前述荷電粒子射束；以及Y方向掃描電磁鐵，配置於前述X方向掃描電磁鐵的下游側，用以於Y方向掃描前述荷電粒子射束；並且，前述Y方向掃描電磁鐵係具有磁極間隔可變動的可動鐵心，並具備有：磁極移動裝置，用以移動前述Y方向掃描電磁鐵之前述可動鐵心。
- 如申請專利範圍第5項所述之粒子束照射裝置，其中，前述掃描電磁鐵係包含：第一掃描電磁鐵，於X方向及Y方向掃描前述荷電粒子射束；以及第二掃描電磁鐵，配置於前述第一掃描電磁鐵的下 游，於X方向及Y方向掃描前述荷電粒子射束；並且，前述掃描電磁鐵移動裝置係包含：掃描電磁鐵移動裝置，係使前述第一掃描電磁鐵從掃描前述荷電粒子射束的位置到未掃描前述荷電粒子射束的位置之間移動；以及掃描電磁鐵移動裝置，係使前述第二掃描電磁鐵從掃描前述荷電粒子射束的位置到未掃描前述荷電粒子射束的位置之間移動；並且，前述荷電粒子射束係藉由前述第一掃描電磁鐵或前述第二掃描電磁鐵的任一者來掃描。
- 如申請專利範圍第6項所述之粒子束照射裝置，其中，前述掃描電磁鐵係包含：第一掃描電磁鐵，於X方向及Y方向掃描前述荷電粒子射束；以及第二掃描電磁鐵，配置於前述第一掃描電磁鐵的下游，於X方向及Y方向掃描前述荷電粒子射束；並且，前述掃描電磁鐵移動裝置係包含：掃描電磁鐵移動裝置，係使前述第一掃描電磁鐵從掃描前述荷電粒子射束的位置到未掃描前述荷電粒子射束的位置之間移動；以及掃描電磁鐵移動裝置，係使前述第二掃描電磁鐵從掃描前述荷電粒子射束的位置到未掃描前述荷電粒子射束的位置之間移動；並且，前述荷電粒子射束係藉由前述第一掃描電磁鐵或 前述第二掃描電磁鐵的任一者來掃描。
- 如申請專利範圍第5項所述之粒子束照射裝置，其中，前述掃描電磁鐵係包含：X方向掃描電磁鐵，用以於X方向掃描前述荷電粒子射束；以及Y方向掃描電磁鐵，配置於前述X方向掃描電磁鐵的下游側，用以於Y方向掃描前述荷電粒子射束；並且，前述Y方向掃描電磁鐵係具有磁極間隔可變動的可動鐵心，並具備有：磁極移動裝置，用以移動前述Y方向掃描電磁鐵之前述可動鐵心。
- 如申請專利範圍第6項所述之粒子束照射裝置，其中，前述掃描電磁鐵係包含：X方向掃描電磁鐵，用以於X方向掃描前述荷電粒子射束；以及Y方向掃描電磁鐵，配置於前述X方向掃描電磁鐵的下游側，用以於Y方向掃描前述荷電粒子射束；並且，前述Y方向掃描電磁鐵係具有磁極間隔可變動的可動鐵心，並具備有：磁極移動裝置，用以移動前述Y方向掃描電磁鐵之前述可動鐵心。
- 如申請專利範圍第10項所述之粒子束照射裝置，其 中，前述第一掃描電磁鐵或前述第二掃描電磁鐵係包含：X方向掃描電磁鐵，用以於X方向掃描前述荷電粒子射束；以及Y方向掃描電磁鐵，配置於前述X方向掃描電磁鐵的下游側，用以於Y方向掃描前述荷電粒子射束；並且，前述Y方向掃描電磁鐵係具有磁極間隔可變動的可動鐵心，並具備有：磁極移動裝置，用以移動前述Y方向掃描電磁鐵之前述可動鐵心。
- 如申請專利範圍第11項所述之粒子束照射裝置，其中，前述第一掃描電磁鐵或前述第二掃描電磁鐵係包含：X方向掃描電磁鐵，用以於X方向掃描前述荷電粒子射束；以及Y方向掃描電磁鐵，配置於前述X方向掃描電磁鐵的下游側，用以於Y方向掃描前述荷電粒子射束；並且，前述Y方向掃描電磁鐵係具有磁極間隔可變動的可動鐵心，並具備有：磁極移動裝置，用以移動前述Y方向掃描電磁鐵之前述可動鐵心。
- 一種粒子束治療裝置，係具備有： 射束產生裝置，用以產生荷電粒子射束，並藉由加速器來加速該荷電粒子射束；射束輸送系統，用以輸送藉由前述加速器所加速的荷電粒子射束；以及粒子束照射裝置，用以將藉由前述射束輸送系統所輸送的荷電粒子射束照射於照射對象；前述粒子束照射裝置係為申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之粒子束照射裝置。
- 一種粒子束治療裝置，係具備有：射束產生裝置，用以產生荷電粒子射束，並藉由加速器來加速該荷電粒子射束；射束輸送系統，用以輸送藉由前述加速器所加速的荷電粒子射束；以及粒子束照射裝置，用以將藉由前述射束輸送系統所輸送的荷電粒子射束照射於照射對象；前述粒子束照射裝置係為申請專利範圍第5項所述之粒子束照射裝置。
- 一種粒子束治療裝置，係具備有：射束產生裝置，用以產生荷電粒子射束，並藉由加速器來加速該荷電粒子射束；射束輸送系統，用以輸送藉由前述加速器所加速的荷電粒子射束；以及粒子束照射裝置，用以將藉由前述射束輸送系統所輸送的荷電粒子射束照射於照射對象； 前述粒子束照射裝置係為申請專利範圍第6項所述之粒子束照射裝置。
- 一種粒子束治療裝置，係具備有：射束產生裝置，用以產生荷電粒子射束，並藉由加速器來加速該荷電粒子射束；射束輸送系統，用以輸送藉由前述加速器所加速的荷電粒子射束；以及粒子束照射裝置，用以將藉由前述射束輸送系統所輸送的荷電粒子射束照射於照射對象；前述粒子束照射裝置係為申請專利範圍第7項所述之粒子束照射裝置。
- 一種粒子束治療裝置，係具備有：射束產生裝置，用以產生荷電粒子射束，並藉由加速器來加速該荷電粒子射束；射束輸送系統，用以輸送藉由前述加速器所加速的荷電粒子射束；以及粒子束照射裝置，用以將藉由前述射束輸送系統所輸送的荷電粒子射束照射於照射對象；前述粒子束照射裝置係為申請專利範圍第8項所述之粒子束照射裝置。
- 一種粒子束治療裝置，係具備有：射束產生裝置，用以產生荷電粒子射束，並藉由加速器來加速該荷電粒子射束；射束輸送系統，用以輸送藉由前述加速器所加速的 荷電粒子射束；以及粒子束照射裝置，用以將藉由前述射束輸送系統所輸送的荷電粒子射束照射於照射對象；前述粒子束照射裝置係為申請專利範圍第9項所述之粒子束照射裝置。
- 一種粒子束治療裝置，係具備有：射束產生裝置，用以產生荷電粒子射束，並藉由加速器來加速該荷電粒子射束；射束輸送系統，用以輸送藉由前述加速器所加速的荷電粒子射束；以及粒子束照射裝置，用以將藉由前述射束輸送系統所輸送的荷電粒子射束照射於照射對象；前述粒子束照射裝置係為申請專利範圍第10項所述之粒子束照射裝置。
- 一種粒子束治療裝置，係具備有：射束產生裝置，用以產生荷電粒子射束，並藉由加速器來加速該荷電粒子射束；射束輸送系統，用以輸送藉由前述加速器所加速的荷電粒子射束；以及粒子束照射裝置，用以將藉由前述射束輸送系統所輸送的荷電粒子射束照射於照射對象；前述粒子束照射裝置係為申請專利範圍第11項所述之粒子束照射裝置。
- 一種粒子束治療裝置，係具備有： 射束產生裝置，用以產生荷電粒子射束，並藉由加速器來加速該荷電粒子射束；射束輸送系統，用以輸送藉由前述加速器所加速的荷電粒子射束；以及粒子束照射裝置，用以將藉由前述射束輸送系統所輸送的荷電粒子射束照射於照射對象；前述粒子束照射裝置係為申請專利範圍第12項所述之粒子束照射裝置。
- 一種粒子束治療裝置，係具備有：射束產生裝置，用以產生荷電粒子射束，並藉由加速器來加速該荷電粒子射束；射束輸送系統，用以輸送藉由前述加速器所加速的荷電粒子射束；以及粒子束照射裝置，用以將藉由前述射束輸送系統所輸送的荷電粒子射束照射於照射對象；前述粒子束照射裝置係為申請專利範圍第13項所述之粒子束照射裝置。
- 一種粒子束治療裝置，係具備有：射束產生裝置，用以產生荷電粒子射束，並藉由加速器來加速該荷電粒子射束；射束輸送系統，用以輸送藉由前述加速器所加速的荷電粒子射束；以及粒子束照射裝置，用以將藉由前述射束輸送系統所輸送的荷電粒子射束照射於照射對象； 前述粒子束照射裝置係為申請專利範圍第14項所述之粒子束照射裝置。
- 一種粒子束治療裝置，係具備有：射束產生裝置，用以產生荷電粒子射束，並藉由加速器來加速該荷電粒子射束；射束輸送系統，用以輸送藉由前述加速器所加速的荷電粒子射束；以及粒子束照射裝置，用以將藉由前述射束輸送系統所輸送的荷電粒子射束照射於照射對象；前述粒子束照射裝置係為申請專利範圍第15項所述之粒子束照射裝置。
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