TWI450743B - 粒子線照射裝置及粒子線治療裝置 - Google Patents

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Description

粒子線照射裝置及粒子線治療裝置
本發明係關於使用粒子線治療癌症等之粒子線照射裝置及粒子線治療裝置。
於粒子線治療裝置之照射方法，係大致區分為有：加寬(broad)照射法，係將荷電粒子射束藉由散射體散射擴展，並將經擴展的荷電粒子射束配合照射對象的形狀形成照射場，而同時地對屬於照射對象之患者的患部整體照射射束；及掃掠式照射法，係以配合照射對象的形狀的方式，藉由掃掠電磁鐵掃掠細錐束(pencil)狀的射束而照射(點掃描(spot scanning)法或點線掃描(raster scanning)法)等。
近年來，為了治療複雜形狀的患部，已大幅要求射束成形的自由度。以此種患部的例子而言，可舉例腦腫瘤。因腦腫瘤的周圍被不能照射射束之重要部位所包圍，故患部形狀複雜。加寬照射法並不適用於此種患部之治療。其原因在於，因加寬照射法係將射束朝3維方向擴展之後，將不必要的部分使用射線調準器(collimator)或射束照射限制模(bolus)形成符合於患部形狀的照射場。加寬照射法在治療複雜形狀的患部時，難以在一次的照射中形成複雜形狀的照射場。因此，必須使用使來自各種方向的重疊照射的方法。此外，因要讓來自各種方向的照射重疊，故難以正確地進行重疊，且會有射束照射量產生不均的情形。此外，因射束具備一定的寬度，故亦會有對靠近重疊位置的部位之屬於正常組織投射過多的射束之虞。
另一方面，掃掠式照射法係將患部在3維空間分割為小的點(spot)，並將射束以必須的量分別對該小的點照射，以配合患部整體的形狀形成照射場，故就原理上而言，係藉由點的選擇而亦能對應於任何種的患部形狀，且為不需要射線調準器及射束照射限制模之高自由度的照射法。此外，因能對每個點調節所照射之射束的量，故即使在使來自各種方向的重疊照射的情況，亦能減少重疊部分的射束量。但是，因未使用防止朝患部以外之正常組織照射之射線調準器及射束照射限制模，故要求對照射位置的高精確度。亦即，要求比加寬照射法還高的射束照射位置精確度。
於專利文獻1中已揭示有一種發明，係於使用要求高的射束照射位置之精確度的掃掠式照射法之粒子線治療裝置中，儘可能將會產生射束之散射的障礙物置於射束的下游側，藉以縮小射束尺寸。專利文獻1之發明係具備：射束掃掠裝置，係掃掠荷電粒子射束；照射裝置，係具有於該射束掃掠裝置之下游側設置射束取出窗口的第1導管(duct)，且供荷電粒子射束通過該第1導管內部，以照射荷電粒子射束於照射對象；及射束輸送裝置，係具有第2導管，以供由加速器射出之荷電粒子射束通過第2導管內部，而輸送至照射裝置；測定荷電粒子射束之位置的射束位置監視器(monitor)(以下簡稱為位置監視器)，係透過保持構件安裝於射束取出窗口，且第1導管內部之真空區域與第2導管內部之真空區域係為連通。
藉由使第1導管朝射束軸方向伸縮之導管伸縮手段與驅動手段，將在射束取出窗口附近且設置於下游之位置監視器與導管的朝射束軸方向之移動一起移動，藉以抑制患者與射束取出窗口之空氣間隙(air gap)不必要的變大，而將射束尺寸縮小。
(先前技術文獻)
(專利文獻)
專利文獻1：日本特許4393581號公報(段落0014、0027至0029、及第2圖)
在掃掠式照射法中，為得到高的照射位置精確度，必須有高精確度的照射位置之控制，及高精確度的照射位置之測定。其原因在於，若不能測定照射位置，就不能確保治療精確度，且若能測定照射位置，就能將實際照射位置由設定值之偏移予以補正而再次照射等，亦能將照射位置反饋(feed back)於照射控制。
一般而言，因係將治療所必須之劑量分為複數次而進行粒子線射束的照射，故於每次的照射時，必須使屬於粒子線治療裝置之機器之掃掠電磁鐵以及位置監視器與患者之患部的位置以良好的精確度對準。在通常的粒子線治療裝置中，掃掠電磁鐵以及位置監視器的位置係為固定。但是，在專利文獻1的粒子線治療裝置中，係於每次的照射時移動患者的患部與位置監視器的位置，亦即移動掃掠電磁鐵以及位置監視器的位置，故於每次的照射時，患者的患部與位置監視器的位置呈變化，且掃掠電磁鐵以及位置監視器的位置亦變化。如此，當每次的照射時掃掠電磁鐵、位置監視器、及患者的患部各自之相對位置變化時，為了以高精確度計算照射位置，必須有特別的計算方法。
專利文獻1的發明，為了以小的射束尺寸對患者的患部照射，而於屬於粒子線照射裝置之前端部分的噴口(snout)部設置位置監視器，且藉由導管伸縮手段與趨動手段，使包含位置監視器之噴口部儘可能接近患者，而抑制患者與射束取出窗口之空氣間隙不必要的變大。然而，於專利文獻1的發明之中，並未揭示將患部之射束的照射位置予以高精確度地計算之計算方法。患部與位置監視器的位置關係會改變，亦即僅管掃掠電磁鐵與位置監視器的位置相對性地變化，在未將患部之射束的照射位置予以高精確度地計算的情況，會有無法以高的照射位置精確度進行照射之問題。
本發明係為解決前述問題所研創者，其目的在於得到一種粒子線照射裝置，即使在掃掠電磁鐵與位置監視器的位置相對性的變化之情況下，亦能藉由正確地計算射束照射位置而能高精確度地進行射束照射。
具備：掃掠電磁鐵，係將荷電粒子射束朝垂直於射束軸的方向掃掠；位置監視器，係以射束軸方向相對於掃掠電磁鐵的相對位置能變更為期望位置的方式配置，以檢測荷電粒子射束的通過位置；以及照射控制裝置，係根據朝照射對象照射之際時所確認之位置監視器之射束軸方向的位置資訊，算出由照射對象的照射面到該位置監視器之射束軸方向的距離之位置監視器距離資訊，並根據位置監視器的檢測訊號以及前述所算出之位置監視器距離資訊，計算照射對象之射束照射位置，而控制荷電粒子射束之照射。照射控制裝置係具有位置計算裝置，該位置計算裝置係根據由位置監視器所檢測之射束位置、由照射對象之照射面到掃掠電磁鐵之荷電粒子射束的掃掠起點為止的掃掠起點距離資訊、及位置監視器距離資訊，以計算根據離射束軸與照射面的交點之距離而表現之照射面的射束照射位置。
根據本發明之粒子線照射裝置，因係根據位置監視器所檢測之射束位置、掃掠起點距離資訊、及位置監視器距離資訊而計算射束照射位置，故即使在掃掠電磁鐵與位置監視器的位置相對性變化的情況下，亦能藉由正確地計算射束照射位置，而能高精確度地進行射束照射。
 (實施形態1)
第1圖係為本發明之粒子線治療裝置的概略構成圖。粒子線治療裝置51係具備射束產生裝置52、射束輸送系統59、粒子線照射裝置58a、及58b。射束產生裝置52係具有離子(ion)源(未圖示)、前段加速器53、及屬於同步加速器(synchrotron)之圓形加速器(以下簡稱為加速器)54。粒子線照射裝置58b係設置於回轉支架(gantry)(未圖示)。粒子線照射裝置58a係設置於不具有回轉支架之治療室。射束輸送系統59之作用係在於連接加速器54與粒子線照射裝置58a、及58b之間。射束輸送系統59之一部分係設置於回轉支架(未圖示)、且於該部分具有複數個偏向電磁鐵55a、55b、55c。
在離子源所產生之屬於質子線、碳粒子線(重粒子線)等粒子線的荷電粒子射束2係在前段加速器53加速，並朝加速器54射入。荷電粒子射束2係加速至預定的能量(energy)為止。在加速器54以高頻率之電場加速，並一面以磁鐵彎曲，一面加速至光速的大約70%至80%為止。由加速器54射出之荷電粒子射束2係經由射束輸送系統59而朝粒子線照射裝置58a、及58b輸送。射束輸送系統59係因應必要而以電磁鐵改變軌道，且將被給予充分能量之荷電粒子射束2經由真空導管所構成之通路，朝所指定之治療室的粒子線照射裝置58a、及58b引導。粒子線照射裝置58a、及58b係因應屬於照射對象25(參照第2圖)之患者24之患部的大小及深度而形成照射野，並將荷電粒子射束2朝照射對象25照射。
第2圖係為顯示本發明之實施形態1的粒子線照射裝置構成圖。在射束產生裝置52所產生，且加速至預定的能量為止之荷電粒子射束2係經由射束輸送系統59而被引導至粒子線照射裝置58。粒子線照射裝置58係具備：真空導管4以及真空導管6，係連通以確保來自射束輸送系統59之真空區域；X方向掃掠電磁鐵5x以及Y方向掃掠電磁鐵5y，係將荷電粒子射束2掃掠至垂直於荷電粒子射束2的方向之X方向以及Y方向；上游側之位置監視器3；射束取出窗口7，係取出荷電粒子射束2；劑量監視器8；下游側之位置監視器9；掃掠電磁鐵電源21；導管驅動裝置12，係將真空導管6朝射束軸方向移動；導管伸縮器11，係使真空導管4以及真空導管6伸縮；距離感測器22，係檢測位置監視器9的Z方向位置(離射束軸方向之任意地制定的基準點之距離)；劑量資料(data)變換器19；位置資料變換器20；及照射控制裝置23，係控制粒子線照射裝置58之照射系統機器。荷電粒子射束2係以沿著圖中記載的中心軸27之方式照射，且在X方向掃掠電磁鐵5x及Y方向掃掠電磁鐵5y皆未進行控制時，則最終係調整為朝向照射基準點(isocenter)26。又荷電粒子射束2的行進方向係Z方向。
X方向掃掠電磁鐵5x係為將荷電粒子射束2掃掠至X方向之掃掠電磁鐵，且Y方向掃掠電磁鐵5y係為將荷電粒子射束2掃掠至Y方向之掃掠電磁鐵。位置監視器3、及9係為檢測以X方向掃掠電磁鐵5x以及Y方向掃掠電磁鐵5y掃掠之荷電粒子射束2所通過的射束的重心及射束峰值(peak)位置(通過位置)。劑量監視器8係檢測荷電粒子射束2的劑量。掃掠電磁鐵電源21係根據由照射控制裝置23所輸出之朝X方向掃掠電磁鐵5x以及Y方向掃掠電磁鐵5y的控制輸入(指令電流)，而使X方向掃掠電磁鐵5x以及Y方向掃掠電磁鐵5y的設定電流變化。
照射控制裝置23係根據以未圖示之治療計畫裝置所做成之治療計畫資料，以控制照射對象25之荷電粒子射束2的照射位置，且當以劑量監視器8測定，並在劑量資料變換器19變換為數位資料(digital data)之劑量達到目標劑量時，即停止荷電粒子射束2。亦即，照射控制裝置23係控制照射對象25之照射點以及照射劑量。照射點係分割為：屬於在Z方向分割的層且為因應荷電粒子射束2之運動能量的層之切片(slice)、及各切片之XY方向的小區域。照射控制裝置23係對照射對象25將荷電粒子射束2掃掠至屬於因應運動能量的層的每個切片。
導管驅動裝置12係具有馬達(motor)15、及滾珠螺桿16，且藉由馬達15所轉動之滾珠螺桿16而透過固定於真空導管6的母螺紋機構，使真空導管6移動。導管伸縮器11係將真空導管4以及真空導管6連接，且使成為一體之真空導管4以及真空導管6伸縮。導管伸縮器11係例如為伸縮管(bellows)。17a、及17b係為導引(guide)棒，且導引棒的一端固定於真空導管6，並且另一端將固定於真空導管4的支持板13予以貫通。導引棒17a、及17b係藉由設置於支持板13的軸承(bearing)14a、及14b而被保持。在導管驅動裝置12使真空導管6移動之際，導管伸縮器11的Z方向移動藉由軸承14a、及14b而順暢的進行，且真空導管6順暢的移動。劑量監視器8以及位置監視器9係藉由保持構件10而被保持於真空導管6的前端部。真空導管6係為藉由凸緣(flange)18a、及18b連接2個導管的例子。導管驅動裝置12係為將掃掠電磁鐵5x、及5y與位置監視器9之於射束軸方向(中心軸27的方向)的相對位置予以變更之驅動裝置。
照射控制裝置23係具有計算照射對象25之荷電粒子射束2的照射位置之位置計算裝置30。第3圖係為顯示實施形態1之位置計算裝置30之構成的方塊(block)圖。位置計算裝置30係具有電流電壓轉換器(I/V轉換器)107、類比數位(analog digital)轉換器(AD轉換器)108、及信號處理裝置105。第2圖所示之距離感測器22係為檢測導管驅動裝置12之馬達15的轉動的編碼器(encoder)。來自距離感測器22的電流信號sig1係藉由通過I/V轉換器107而轉換為電壓，並在AD轉換器108由類比信號轉換為數位信號。轉換為數位信號之sighz信號係輸入至信號處理裝置105。
位置監視器3、及9係例如以多線式比例計數器所構成，該多線式比例計數器係為於將粒子線電離的氣體(gas)中張設垂直的線(wire)群。在位置監視器9上之屬於射束位置資訊的電流信號sig2，係通過I/V轉換器102而轉換為電壓，並在增幅器103增幅，且在AD轉換器104由類比信號轉換為數位信號。轉換為數位信號的sigPm信號係被輸入至信號處理裝置105。I/V轉換器102、增幅器103、及AD轉換器104係構成位置資料變換器20。在位置監視器3所檢測之電流信號係透過未圖示之其他位置資料變換器而轉換為數位信號。
信號處理裝置105係例如計算荷電粒子射束2的重心或射束峰值位置而導出在位置監視器上之射束位置Pm(Xpm,Ypm)。位置監視器9之Z軸方向的資訊，例如由X方向掃掠電磁鐵5x開始的距離hz1或由Y方向掃掠電磁鐵5y開始的距離hz2(參照第5圖)，係根據藉由距離感測器22所檢測之信號而計算。信號處理裝置105係根據位置監視器9之Z軸方向資訊、射束位置Pm(Xpm,Ypm)、由後述之基準點(例如，皮膚表面34)到位置監視器9b為止之距離D及荷電粒子射束2之能量等進行運算，而轉換為至患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)。
接著，說明計算至患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)的方法。第4圖係為說明本發明之實施形態1的位置計算方法的圖，第5圖係為顯示掃掠起點的圖。如同前述，荷電粒子射束2係藉由X方向掃掠電磁鐵5x以及Y方向掃掠電磁鐵5y進行掃掠。荷電粒子射束2係於通過掃掠電磁鐵5x(5y)之際，藉由掃掠電磁鐵5x(5y)產生之磁場而逐漸地偏向。於由掃掠電磁鐵5x(5y)出來之際之射出方向，係與進入掃掠電磁鐵5x(5y)之際之射入方向成為不同方向。為了計算至患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)，而考慮荷電粒子射束2係在掃掠電磁鐵5x(5y)的一點改變方向，而進行掃掠。在X方向掃掠電磁鐵5x方面，係將荷電粒子射束2改變方向之前述一點設為掃掠起點1x。同樣地，在Y方向掃掠電磁鐵5y方面，係將荷電粒子射束2改變方向之前述一點設為掃掠起點1y。例如，掃掠起點1x係設為X方向掃掠電磁鐵5x之Z方向的中心點。同樣地，掃掠起點1y係設為Y方向掃掠電磁鐵5y之Z方向的中心點。
第2圖所示之粒子線照射裝置58係為X方向掃掠電磁鐵5x配置於上游側，且Y方向掃掠電磁鐵5y配置於X方向掃掠電磁鐵5x之下游側的例子。如第5圖所示，掃掠起點1x係位於掃掠起點1y的上游側。第5圖(a)係為由Y方向觀視掃掠電磁鐵5x、5y之示意圖。第5圖(b)係為由X方向觀視掃掠電磁鐵5x、5y之示意圖。荷電粒子射束2係在掃掠起點1x進行掃掠，並以如同荷電粒子射束2a及荷電粒子射束2b的方式朝X方向掃掠。此外，荷電粒子射束2係在掃掠起點1y進行掃掠，並以如同荷電粒子射束2c及荷電粒子射束2d的方式朝Y方向掃掠。
使用第4圖，以詳細說明實施形態1之位置計算方法。第4圖係為藉由X方向掃掠電磁鐵5x掃掠荷電粒子射束2的例子。在掃掠起點1x掃掠之荷電粒子射束2，係如同軌跡32通過位置監視器9b，且朝患者24之患部(照射對象25)照射。34係為患者24之皮膚表面，且31係為通過某切片之照射面。由皮膚表面34至照射面31為止之長度L，係相當於對應照射患者24之荷電粒子射束2的能量而侵入之荷電粒子射束2的射程L。射程L係相當於由皮膚表面34到荷電粒子射束2的布拉格尖峰(Bragg Peak)為止的長度。從皮膚表面34到位置監視器9b為止的距離D，係於對患者進行定位作業之際予以測定。例如，藉由X光攝影裝置觀察患部位置與位置監視器9b，並根據該影像測量長度。定位作業係為一面藉由X光攝影裝置觀察患部位置，並且一面以粒子線根據在治療計畫階段所制定之方向照射患部的方式，進行固定患者24之治療台的姿勢調整(角度調整)，且以屬於照射中心的照射基準點(isocenter)作為基準位置，而使患部的位置及姿勢對準於計畫值之作業。
在此，位置監視器9係設為由以虛線表示之位置監視器9a的位置變化為以實線表示之位置監視器9b的位置者。此時，由患者的照射面31到位置監視器9的距離(位置監視器距離資訊)係由h2a變化為h2b。荷電粒子射束2係通過屬於位置監視器9b上之測定點的射束位置Pm，到達患部的照射面31之射束照射位置P。因是計算X方向之位置座標，故第4圖中的點，亦即掃掠起點1x、射束位置Pm、及射束照射位置P，係省略Y座標，並以X座標以及Z座標表示。將掃掠起點1x設為XZ座標系統之原點(0,0)。於XZ座標系統中，射束位置Pm、及射束照射位置P係分別設為(Xpm,Zpm)、及(Xp,Zp)。將通過掃掠起點1x(0,0)的中心軸27與至射束位置Pm(Xpm,Zpm)之間的X方向長度設為xb，且將中心軸27與至射束照射位置P(Xp,Zp)之間的X方向長度設為x3。當將中心軸27與軌跡32之角度(後述之掃掠角度)設為θ，且將由掃掠起點1x到照射面31為止之距離(掃掠起點距離資訊)設為h1時，長度x3、及xb係能以式(1)以及式(2)之方式表示。
x3=h1‧tan θ…(1)
xb=(h1-h2b)‧tan θ…(2)
將由式(1)求得之tan θ代入式(2)，而得到式(3)
x3=h1‧xb/(h1-h2b)…(3)
再者，中心軸27與至射束照射位置P之間的Y方向長度，亦能藉由與式(3)同樣的式子而計算。
如同前述，儘管由患者的照射面31到位置監視器9的距離由h2a變化為h2b，在不能使用位置監視器9的被照射的距離資訊的情況，係成為使用初期狀態之位置監視器9的距離，亦即使用位置監視器9a的距離h2a來計算。使用第6圖，說明本發明之實施形態1的位置計算方法之效果。位置監視器9係設為位於位置監視器9a之距離h2a而與前述進行同樣地計算。此時，荷電粒子射束2的軌跡32，係被誤認為假想軌跡33。將位置監視器9a的假想射束位置設為Pmf(Xpmf,Zpmf)，且將假想計算射束照射位置設為Pf(Xpf,Zpf)。當將中心軸27與假想軌跡33之角度設為α時，中心軸27與到假想計算射束照射位置Pf為止之X方向的長度xf，係能與求得式(3)的方法同樣地表現於式(4)。
xf=h1‧xb/(h1-h2b)…(4)
在此，藉由x3與xf的比考慮實施形態1之位置計算方法的效果。當使用式(3)以及式(4)來計算xf與x3的比，x3/xf時，即成為式(5)。
x3/xf=(h1-h2a)/(h1-h2b)　…(5)
典型的粒子線治療裝置之距離h1、及h2a係為3000mm、及600mm。當距離h2b為300mm時，亦即當藉由導管驅動裝置12而使真空導管6相對於患者接近300mm的情況時，計算式(5)則成為0.89。實施形態1的計算方法，因能反映掃掠電磁鐵與位置監視器之位置呈相對性變化之資訊，故相較於不能反映掃掠電磁鐵與位置監視器之位置呈相對性變化之資訊的方法，到患者24之患部的射束照射位置P的計算精確度能改善10%以上。
實施形態1的位置計算方法，因能反映掃掠電磁鐵與位置監視器之位置呈相對性變化之資訊，故能正確地計算射束照射位置。因此，應用該位置計算方法的粒子線照射裝置以及粒子線治療裝置，能對屬於照射對象25之患者24的患部高精確度地射束照射荷電粒子射束2。能治療腦腫瘤等要求高照射位置精確度的患部。
前面已敘述過，於掃掠式照射法中，係要求比加寬照射法高的高射束照射位置精確度。在此，詳細敘述要求高射束照射位置精確度的理由。在將荷電粒子射束於3維空間平坦地擴展之加寬照射法中，即使照射位置稍微偏移，除了擴展於3維空間的射束邊緣之外，都能適當地照射。但是，在掃掠式方法中，當照射位置偏移時，不僅無法將射束照射至目標的點，還會因錯誤而將射束照射至目標以外的點。若無法將射束照射至位於目標的點之癌細胞，則會降低治療的效果。此外，錯誤地照射射束的點，亦會有為不能接觸粒子線之重要部位的情況。在掃掠式照射法中，因每單位時間之每個照射體積的粒子線之照射量相較於加寬式照射法為多，故較加寬式照射法會成為更大的問題。此外，當照射位置偏移時，無法活用掃掠式照射法的在每個點調節照射射束量的優點。因此種理由，故雖重複再提，但對照射位置要求高的精確度。
位置計算裝置30之信號處理裝置105，係具備中央處理器(Central Processing Unit；CPU)及記憶體(memory)，且藉由軟體(software)執行前述之位置計算方法。信號處理裝置105係根據將來自距離感測器22的電流信號sig1轉換為數位信號之sighz信號，以計算由X方向掃掠電磁鐵5x之基準(如第5圖所示之電磁鐵的鐵心下部)到位置監視器9為止之距離hz1及由Y方向掃掠電磁鐵5y之基準(如第5圖所示之電磁鐵的鐵心下部)到位置監視器9為止之距離hz2。信號處理裝置105係使用保存於記憶體之由X方向掃掠電磁鐵5x之基準到掃掠起點1x為止之距離dh1及由Y方向掃掠電磁鐵5y之基準到掃掠起點1y為止之距離dh2，而進行以下計算。
信號處理裝置105係根據所照射之荷電粒子射束2之能量資訊與照射對象25之切片資訊而計算射程L。信號處理裝置105係根據距離hz1、距離dh1、射程L、及由位置監視器9到皮膚表面34為止之距離D，並藉由式(6)以及式(7)，以計算由掃掠起點1x到照射面31為止之距離h1以及由位置監視器9到照射面31為止之距離h2b。此外，信號處理裝置105亦同樣地根據距離hz2、距離dh2、射程L、及距離D，並藉由式(8)計算由掃掠起點1y至照射面31為止之距離h1y。再者，在此，掃掠起點1y係不考慮X方向掃掠電磁鐵5x所導致之影響，而設成位於中心軸27上。
h1=hz1+dh1+D+L　…(6)
h2b=D+L　…(7)
h1y=hz2+dh2+D+L　…(8)
信號處理裝置105係根據將來自位置監視器9之電流信號sig2(sig2x、sig2y)轉換為數位信號之sigPm信號(sigPmx、sigPmy)，以計算射束位置Pm(Xpm,Ypm)。計算由中心軸27到射束位置Pm為止之長度，而得到xb與yb。長度xb係為第4圖所示者，且為由中心軸27到射束位置Pm為止的X方向長度。長度yb為由中心軸到射束位置Pm為止之Y方向的長度。信號處理裝置105係使用式(3)以計算中心軸27與至射束照設位置P之間之X方向的長度x3。同樣地使用式(9)以計算Y方向的長度y3。
y3=h1y‧yb/(h1y-h2b)　…(9)
位置監視器3係藉由未圖示於第2圖之移動裝置而能夠設成在荷電粒子射束2不通過的位置。因實施形態1之粒子線照射裝置58，係於照射荷電粒子射束2之際，僅以1個位置監視器9測定屬於荷電粒子射束2之通過位置的射束位置Pm(Xpm,Ypm)，故能將產生荷電粒子射束2之散射的障礙物做成為最小限，且能將成為產生荷電粒子射束2之散射的障礙物之射束取出窗口7、劑量監視器8、及位置監視器9置於下游。因此，能縮小荷電粒子射束2之射束尺寸。進一步，因應用實施形態1之位置計算方法，故能將小的射束尺寸之荷電粒子射束2高精確度地照射射束於屬於照射對象25之患者24的患部。
能正確地計算射束照射位置的優點，亦有其他。例如，藉由前述計算方法計算某順序之照射點的位置，結果，即使在由治療計畫的目標照射點的位置偏移的情況，亦能讀取藉由計算而求得之位置的照射點劑量值，且當於該位置達到劑量值時，能掃掠原先計畫之照射點。此時，照射控制裝置23，係計算照射預定位置與實際的照射位置的差值，並補正往X方向掃掠電磁鐵5x以及Y方向掃掠電磁鐵5y之控制輸入(指令電流)而送至掃掠電磁鐵電源21，藉以於荷電粒子射束2的能量為相同之切片中，能以計畫之目標劑量將荷電粒子射束2對所計畫之目標位置照射。藉由此種方式，能以目標劑量管理偏移場所的點，且能不中止荷電粒子射束2的照射，而繼續朝患部照射。
如同前述，根據實施形態1之粒子線照射裝置58，因具備下述構成，故即使在掃掠電磁鐵5x、5y與位置監視器9的位置相對性變化的情況下，藉由正確地計算射束照設位置P，仍能高精確度地照射射束。該粒子線照射裝置58係具備：掃掠電磁鐵5x、5y，係將荷電粒子射束2掃掠至垂直於射束軸27的方向；位置監視器9，係配置成相對於掃掠電磁鐵5x、5y之於射束軸方向的相對位置可變更至期望的位置，以檢測荷電粒子射束2的通過位置；及照射控制裝置23，係根據位置監視器9之射束軸方向的位置資訊，以算出由預定的基準點到該位置監視器9的射束軸方向的距離D，並根據位置監視器9的檢測信號以及前述算出之距離D，而計算照射對象25的射束照射位置，以控制荷電粒子射束2的照射；該照射控制裝置23係具有位置計算裝置30，該位置計算裝置30係根據藉由位置監視器9而檢測之射束位置Pm、由照射對象25之照射面31到掃掠電磁鐵5x、5y之荷電粒子射束2的掃掠起點1x、1y為止的掃掠起點距離資訊、及根據前述算出之距離D而計算之由照射面31到位置監視器9為止的位置監視器距離資訊，以計算根據離射束軸27與照射面31之交點的距離所表現之照射面31中的射束照射位置P，故即使在掃掠電磁鐵5x、5y與位置監視器9的位置相對性地變化之情況，亦能藉由正確地計算射束照射設置P而高精確度的照射射束。
此外，根據實施形態1之粒子線治療裝置51，係具備：射束產生裝置52，產生荷電粒子射束2，並使該荷電粒子射束2以加速器54加速；射束輸送系統59，輸送藉由加速器54所加速之荷電粒子射束2；及粒子線照射裝置58，將以射束輸送系統59所輸送之荷電粒子射束2照射至照射對象25；該粒子線照射裝置58係具備：掃掠電磁鐵5x、5y，係將荷電粒子射束2朝垂直於射束軸27的方向掃掠；位置監視器9，係以相對於掃掠電磁鐵5x、5y的射束軸方向之相對位置能變更為期望位置的方式配置，以檢測荷電粒子射束2的通過位置；及照射控制裝置23，係根據位置監視器9之射束軸方向的位置資訊，算出由預定的基準點到該位置監視器9之射束軸方向的距離D，並根據位置監視器9的檢測訊號以及前述所算出之距離D，以計算照射對象25之射束照射位置，而控制荷電粒子射束2之照射；該照射控制裝置23係具有位置計算裝置30，故即使在掃掠電磁鐵5x、5y與位置監視器9的位置相對性變化之情況下，亦能藉由正確地計算射束照射位置P，而高精確度的照射射束。該位置計算裝置30係根據由位置監視器P所檢測出的射束位置Pm、從照射對象25的照射面至掃掠電磁鐵5x、5y的荷電粒子射束2的掃掠起點1x、1y為止的掃掠起點距離資訊、及根據前述算出的距離D所計算得到之由照射面31至位置監視器9為止的位置監視器距離資訊，而計算根據離射束軸27與照射面31的交點距離所表現的照射面31中之射束照射位置。
(實施形態2)
在實施形態1中，雖已敘述過僅使用在1個位置監視器9的測定結果而計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)的情況，但根據位置監視器3與位置監視器9的測定結果而得到掃掠角度(偏向角度)θ的資訊，藉以成為能補正位置計算結果，並能使在患者24之患部的射束照射位置計算精確度進一步上升。掃掠角度θ，係為藉由掃掠電磁鐵5x(5y)而掃掠之荷電粒子射束2的軌跡32與射束軸(中心軸27)之角度。
第7圖係為說明本發明之實施形態2的位置計算方法的圖。第7圖係為藉由X方向掃掠電磁鐵5x而掃掠荷電粒子射束2之例。荷電粒子射束2係在掃掠起點42x進行掃掠，且通過位置監視器3的射束位置Pm1與位置監視器9上的射束位置Pm2，而到達患部的照射面31之射束照射位置P。第7圖相較於說明實施形態1之位置計算方法的第4圖，係追加有由患部之照射面31到位置監視器3之距離h3、及通過掃掠起點1x(0,0)之中心軸27與射束位置Pm1(Xpm1,Y pm1)之間之X方向的長度x1。將中心軸27與至射束位置Pm2(Xpm2,Ypm2)為止的X方向長度設為x2，tanθ係能以式(10)的方式表示。
tanθ=(x2-x1)/(h3-h2)　…(10)
此外，中心軸27與至射束照射位置P(Xp,Zp)為止之X方向長度x3，係能以式(11)的方式表示。將式(10)代入式(11)，得到式(12)。
x3=x1+h3‧tanθ　…(11)
x3=x1+h3‧(x2-x1)/(h3-h2)　…(12)
因h2係與式(7)之h2b相同，故能根據射程L、及由位置監視器9至皮膚表面34為止之距離D來計算h2。即使真空導管6(位置監視器9)移動，位置監視器3於粒子線照射裝置58之位置亦不會變化。距離h3係為屬於裝置固有資訊之位置監視器3的Z軸方向資訊，係例如利用由X方向掃掠電磁鐵5x到位置監視器3為止之距離hz3或由Y方向掃掠電磁鐵5y到位置監視器3為止之距離hz4，並藉由式(13)或式(14)來計算。
h3=(hz1-hz2)+D+L　…(13)
h3=(hz2-hz4)+D+L　…(14)
位置計算裝置30之信號處理裝置105，係與實施形態1同樣地，根據將來自距離感測器22之電流信號sig1變換為數位信號之sighz信號，而計算由X方向掃掠電磁鐵5x之基準到位置監視器9為止之距離hz1及由Y方向掃掠電磁鐵5y之基準到位置監視器9為止之距離hz2。信號處理裝置105係藉由式(7)以及式(13)、或式(7)以及式(14)來計算距離h2、h3。
信號處理裝置105，係根據將來自位置監視器9的電流信號sig2(sig2x,sig2y)變換為數位信號之sigPm信號(sigPmx、sigPmy)，以計算射束位置Pm2(Xpm2,Ypm2)。同樣地根據將來自位置監視器3的電流信號sig3(sig3x,sig3y)變換為數位信號之sigPm3信號(sigPm3x,sigPm3y)，以計算射束位置Pm1(Xpm1,Ypm1)。信號處理裝置105，係計算由中心軸27到射束位置Pm1為止之長度，而得到x1與y1。此外，計算由中心軸27到射束位置Pm2為止之長度，而得到x2與y2。再者，y1、y2，係分別為由中心軸27到射束位置Pm1為止之Y方向的長度，且為由中心軸27到射束位置Pm2為止之Y方向的長度。
實施形態2之位置計算方法，係能得到掃掠角度θ之資訊，並將其利用而計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)，故相較於實施形態1之位置計算方法，能高精確度地計算射束照設位置P。在實施形態1中，X方向掃掠電磁鐵5x的掃掠起點1x以及Y方向掃掠電磁鐵5y的掃掠起點1y係恆常地作為固定而進行計算。因此，掃掠角度θ，係使用連接射束位置Pm2(Xpm2,Ypm2)與掃掠起點1x或掃掠起點1y的線、及通過掃掠起點1x以及掃掠起點1y的中心軸27之角度。相對於此，在實施形態2中，使用2個位置監視器3、9而能正確地得到掃掠角度θ。因此，即使假設第7圖所示之掃掠起點42x或掃掠起點42y(Y方向掃掠電磁鐵5y之掃掠起點)與所設想的點不同，亦能較高精確度地計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)。因實施形態2之位置計算方法能較實施形態1更高精確度地計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)，故應用實施形態2之位置計算方法的粒子線照射裝置58以及粒子線治療裝置51，能較實施形態1更高精確度地照射射束。
再者，實施形態2之位置計算方法，係於後述之實施形態3所示之掃掠起點因掃掠角度而導致變化的情況、或如實施形態4所示之因荷電粒子射束2相對於掃掠電磁鐵5x、5y所射入之角度而導致掃掠起點變化時，或因其他理由掃掠起點變化時亦能運用。
(實施形態3)
在實施形態1中，雖已敘述過X方向掃掠電磁鐵5x之掃掠起點1x以及Y方向掃掠電磁鐵5y之掃掠起點1y係恆常地作為固定而進行計算之情形，但嚴格來說，掃掠起點係因在掃掠起點的掃掠角度而變化。在實施形態3中，係根據在各掃掠角度的掃掠起點的位置及所掃掠之射束的軌跡之資料，以計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)。藉此，能使計算精確度進一步上升。
實施形態3之位置計算方法，係於治療時照射荷電粒子射束之際，僅使用1個位置監視器9而計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)。因此，使用2個的位置監視器3、9，以藉由實驗取得在各掃掠角度的掃掠起點的位置及所掃掠之射束的軌跡資料，並求得由如第8圖所示之掃掠電磁鐵5(不區分5x、5y，而適當地單使用5)之基準(任意制定之基準)，到掃掠起點1(1x,1y)為止之距離dh與掃掠角度θ的特性。
參照第7圖，說明以某個掃掠角度θ照射荷電粒子射束2的情況。藉由使用2個位置監視器3、9，而能如式(10)所示計算掃掠角度θ。因h1係為x3/tanθ，故當將該h1代入式(6)而變形時，dh1係能以式(15)的方式表示。
dh1=x3/tanθ-D-L-hz1　…(15)
將藉由實驗而得到之各掃掠角度θ與由X方向掃掠電磁鐵5x之基準到掃掠起點1x為止之距離dh1之關係以多項式表示。同樣地，將藉由實驗而得到之各掃掠角度θ與由Y方向掃掠電磁鐵5y之基準到掃掠起點1y為止之距離dh2之關係以多項式表示。距離dh與掃掠角度θ之特性，係成為例如第8圖。第第8圖係為顯示使用本發明之實施形態3的位置計算方法之掃掠起點位置特性的圖。橫軸係為掃掠角度θ，且縱軸係為由掃掠電磁鐵5的基準到掃掠起點1為止的距離dh。特性線35係為以前述之多項式所得到的數值所繪製者。
使用第9圖，以說明實施形態3之位置計算方法。第9圖係為說明本發明之實施形態3的位置計算方法的圖。於第9圖中，掃掠起點41x係為真的掃掠起點。由掃掠電磁鐵5x之基準到掃掠起點41x為止之距離dh，係為由掃掠電磁鐵5x之鐵心36的下部開始之距離。荷電粒子射束2係由掃掠起點41x開始，以掃掠角度θ通過位置監視器9之射束位置Pm(Xpm,Zpm)，而到達朝患者24之患部的射束照設位置P(Xp,Zp)。同樣地，由掃掠電磁鐵5y之基準到掃掠起點41y(Y方向掃掠電磁鐵5y之真的掃掠起點)為止之距離，係設為離掃掠電磁鐵5y的鐵心36之下部之距離。荷電粒子射束2係由掃掠起點41y開始，以掃掠角度θ通過位置監視器9之射束位置Pm(Xpm,Zpm)，而到達朝患者24之患部的射束照設位置P(Xp,Zp)。
在實施形態3中，荷電粒子射束2係設為由屬於掃掠起點的候補之掃掠起點候補Sn (Xs,Zsn )開始，並通過射束位置Pm(Xpm,Zpm)，而到達屬於設束照射位置的候補之射束照射位置候補Pn (Xpn ,Zp)，且使用特性線35，以更新屬於掃掠角度的候補之掃掠角度候補θn ，並計算到掃掠角度候補θn 收斂為止。在此，n係為整數，且表示第n筆之資料。由掃掠電磁鐵5之基準開始到掃掠起點候補Sn 為止之距離係設為dhn ，且將由掃掠起點候補Sn 開始到照射面31為止之距離(掃掠起點距離候補資訊)設為h1n 。關於Y方向亦做同樣地考量。荷電粒子射束2，係設為由掃掠起點候補Sn (Ys,Zsn )開始，並通過射束位置Pm(Ypm,Zpm)，而到達射束照射位置Pn (Ypn ,Zp)，且一面使用特性線35以更新掃掠角度候補θn ，並一面計算到掃掠角度候補θn 收斂為止。
掃掠起點候補Sn ，係例如能使用實施形態1所示之掃掠起點1x，或掃掠起點5之基準(dh=0)。首先，以第1個步驟(step)(步驟S1，掃掠角度計算步驟)而言，係根據由中心軸27到射束位置Pm為止之長度x2與h1n ，以計算掃掠角度候補θn 。掃掠角度候補θn 係能以式(16)表示。
θn =tan-1 (x2/(h1n -h2))　…(16)
接著，以第2個步驟(步驟S2)而言，係在掃掠角度候補θn 的候補使用特性線35，以計算距離dhn 。以第3個步驟(步驟S3，掃掠起點距離計算步驟)而言，係藉由更新h1n ，以得到式(17)。h1n+1 係為更新掃掠起點距離候補資訊。
h1n+1 =dhn +hz1+D+L　…(17)
再者，第9圖所示之d1，係為hz1、D、及L的合計之(hz1+D+L)。
以第4步驟(步驟S4)而言，係將h1n+1 代入式(16)之h1n ，以更新掃掠角度候補θn ，而得到掃掠角度候補θn+1 。以第5步驟(步驟S4)而言，係計算θn+1 -θn 之絕對值E，並判定絕對值E是否變成預定值δ以下。在絕對值E變成預定值δ以下的情況，係將計算θn+1 時之h1n+1 作為由掃掠起點41x到朝患者24之患部的射束照射位置P為止之距離h1。在絕對值E未變成預定值δ以下的情況，係由第2步驟重複到第5步驟為止。
實施形態3之位置計算方法，係藉由位置計算裝置30之信號處理裝置105而執行。雖已就由中心軸27到射束照射位置P之X方向長度x3進行說明，但亦能同樣地計算Y方向之長度y3。信號處理裝置105之記憶體係保存有表示各掃掠角度θ與由X方向掃掠電磁鐵5x的基準到掃掠起點1x為止的距離dh1之掃掠起點位置特性的多項式，以及表示各掃掠角度θ與由Y方向掃掠電磁鐵5y的基準到掃掠起點1y為止的距離dh2之掃掠起點位置特性的多項式。信號處理裝置105係於執行實施形態3之位置計算方法之際，使用保存於記憶體的多項式，以計算距離dhn 。
實施形態3之位置計算方法，係預先求得各掃掠角度θ與由X方向掃掠電磁鐵5x的基準到掃掠起點1x為止的距離dh1的關係(掃掠起點位置特性)以及各掃掠角度θ與由Y方向掃掠電磁鐵5y的基準到掃掠起點1y為止的距離dh2的關係(掃掠起點位置特性)，並使用掃掠起點位置特性而重複距離dh與掃掠角度θ的計算直到掃掠角度θ收斂為止，故能反映因掃掠角度所導致之掃掠起點的變化，而較實施形態1更能高精確度的計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp)。實施形態3的位置計算方法，係較實施形態1更能高精確度的計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)，故應用實施形態3之位置計算方法的粒子線照射裝置58以及粒子線治療裝置51，係較實施形態1更能高精確度地照射射束。
實施形態3的位置計算方法，係使用1個位置監視器9而能高精確度地計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)，故應用實施形態3的位置計算方法之粒子線照射裝置58及粒子線治療裝置51係能將產生荷電粒子射束之散射的障礙物做成為最小限，且能將成為產生荷電粒子射束2之散射的障礙物之射束取出窗口7、劑量監視器8、及位置監視器9置於下游。因此，能縮小荷電粒子射束2之射束尺寸。
再者，實施形態3之位置計算方法，亦能使用信號處理裝置105內的資訊，以取代實施形態2之位置計算方法之位置監視器3的資訊。使用實施形態2之位置計算方法，亦能反映掃掠起點因掃掠角度而導致變化，並較實施形態1更能高精確度地計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp)。
(實施形態4)
在實施形態1中，雖已敘述過荷電粒子射束2由掃掠電磁鐵5之上游垂直地對掃掠電磁鐵5射入射束之情況，但嚴格來說，亦有具備某種程度的傾斜而射入的情況。在實施形態4中，考量荷電粒子射束對掃掠電磁鐵5射入角度的傾斜，以計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)。藉此，能更進一步使計算精確度上升。
使用第10圖至第12圖，以說明實施形態4之位置計算方法。第10圖係為說明本發明之實施形態4的位置計算方法之掃掠起點的圖。第11圖係為說明本發明之實施形態4的位置計算方法的圖。第12圖係為說明本發明之實施形態4的位置計算方法之特性線的圖。如第10圖所示，會有荷電粒子射束2由偏向電磁鐵55c傾斜達角度γ，而朝掃掠電磁鐵5之鐵心36射入的情況。例如，會有因粒子線治療裝置之設置場所的建築物形狀及建築物構造的不同，而不得不將荷電粒子射束2傾斜達角度γ而朝掃掠電磁鐵5射入的情況。將朝X方向掃掠電磁鐵5x之鐵心36射入之角度γ設為γx，並將朝Y方向掃掠電磁鐵5y之鐵心36射入之角度γ設為γy。在荷電粒子射束2通過中心軸27的情況，位於由掃掠起點Sa(Xsa,Ysa,Zsa)偏移之位置的實際掃掠起點Sb即為一例。此種情況，荷電粒子射束2係如同入射射束37而朝掃掠電磁鐵5射入，並如同偏向射束38由掃掠起點Sb(Xsb,Ysb,Zsb)進行掃掠，而朝患者24之患部照射。
實施形態4之位置計算方法，係於治療時照射荷電粒子射束之際，僅使用1個位置監視器9而計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)。因此，使用位置監視器3，並藉由實驗求得掃掠起點Sb之座標。如第10圖所示，位置監視器3與偏向電磁鐵55c之間之長度hg1係為已知之裝置特有值。將粒子線照射裝置58之中心軸27通過位置監視器3的點設為Pm4。不控制掃掠電磁鐵5而照射荷電粒子射束2，並將通過位置監視器3的點設為Pm3(Xpm3,Y pm3,Zpm3)。X方向掃掠電磁鐵5x之角度γx係能使用∣Xpm3∣(Xpm3之絕對值)，而以式(18)的方式來表示。
γx=tan-1 (∣Xpm3∣/hg1)　…(18)
同樣地，Y方向掃掠電磁鐵5y之中心軸27與入射射束37之角度γy，亦能使用∣Ypm3∣(Ypm3之絕對值)，而以式(19)的方式來表示。
γy=tan-1 (∣Ypm3∣/hg1)　…(19)
為簡化說明，將掃掠起點Sa設為掃掠電磁鐵之Z方向的中心點。由掃掠起點Sa到偏向電磁鐵55c為止的長度hg2係為已知之裝置持有值。再者，因X方向掃掠電磁鐵5x之掃掠起點Sa、與Y方向掃掠電磁鐵5y之掃掠起點Sa實際上並不相同，故X方向掃掠電磁鐵5x之長度hg2與Y方向掃掠電磁鐵5y之長度hg2亦不相同，但在以下之說明係使用相同符號進行說明。Xsb係能作為hg2‧tanγx來計算，且Ysb係能作為hg2‧tanγy來計算。
如第11圖所示，荷電粒子射束2係由掃掠起點Sb開始，通過位置監視器9上的點Q，並到達朝患者24的患部之射束照射位置Pb。第11圖係為計算X方向掃掠電磁鐵5x之由中心軸27開始的X方向長度x3的例子，且各點的座標係省略Y座標而表示X座標以及Z座標。將通過中心軸27之掃掠起點Sa設為原點(Xsa,Zsa)=(0,0)，由Sa到Sb的方向為X的正方向，且由Sa到位置監視器9的方向為Z的正方向。荷電粒子射束2所通過之軌跡32e係為直線，且該軌跡32e上係存在有3個點，亦即掃掠起點Sb(Xsb,Zsb)、位置監視器9之射束位置Q(Xq,Zq)以及射束照射位置Pb(Xpb,Zpb)。
首先，以第1個步驟而言(步驟S11)，係從掃掠起點Sb(Xsb,Zsb)以及射束位置Q(Xq,Zq)求得屬於通過Sb及Q之直線的特性線39。第12圖係為顯示特性線39的圖。此特性線39係能以式(20)的方式來表示。
ax+bz+1=0　…(20)
再者，a、b係為常數。此常數a、b係將Sb、Q的X座標、及Z座標一起代入式(20)，而能由式(21)的行列式計算。常數a、b係能使用逆矩陣式而表現為式(22)。
以第2個步驟而言(步驟S12)，係將相當於由掃掠起點Sb到照射面31為止之距離h1的∣Zpb∣(座標Zpb的絕對值)的座標Zpb代入式(20)，以計算座標Xpb。在實施形態4的計算方法中，不須計算由中心軸27到射束照射位置Pb的X方向長度x3，即能直接計算射束照射位置Pb的X座標(-x3)。再者，當使用射束照射位置Pb的X方向長度x3來表現Xpb時，在第12圖的例子中，因Xpb為負，故Xpb成為-x3。
實施形態4的計算方法，係藉由位置計算裝置30的信號處理裝置105而執行。雖已說明過由X方向掃掠電磁鐵5x的中心軸27到射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)的X座標，亦即已說明過屬於Pb的X座標之Xpb，但亦能同樣地計算由Y方向掃掠電磁鐵5y的中心軸27到射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)的Y座標。信號處理裝置105的記憶體，係保存有荷電粒子射束2的能量(energy)Eb、及表示藉由實驗而求得之每個能量Eb的掃掠起點Sb的座標以及特性線39的多項式。信號處理裝置105係於執行實施形態4之位置計算方法之際，使用保存於記憶體的多項式，以計算射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)。再者，在偏向電磁鐵55c之出口的角度γ係因荷電粒子射束2的能量Eb而有所不同，故多項式之常數a、b亦因應能量Eb而改變。對應於荷電粒子射束2的能量Eb之多項式常數a、b，係因應於所照射的荷電粒子射束2的能量Eb，而使用所選擇之多項式，以計算射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)。
實施形態4的位置計算方法，係根據由分別之X方向掃掠電磁鐵5x以及Y方向掃掠電磁鐵5y的掃掠起點Sb(Xsb,Ysb,Zsb)與位置監視器9之射束位置Q(Xq,Yq,Zq)所求得之表示特性線39之多項式，以計算射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)，故即使在荷電粒子射束2傾斜射入於掃掠電磁鐵5x、5y的情況下，亦較實施形態1更能高精確度地計算射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)。實施形態4之位置計算方法，因係較實施形態1更能高精確度地計算對患者24的患部之射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)，故應用實施形態4之位置計算方法的粒子線照射裝置58以及粒子線治療裝置51，係較實施形態1更能高精確度地照射射束。
實施形態4的位置計算方法，係使用1個位置監視器9而能高精確度地計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)，故應用實施形態4之位置計算方法的粒子線照射裝置58以及粒子線治療裝置51，係能將產生荷電粒子射束2之散射的障礙物做成為最小限，且能將成為產生荷電粒子射束2之散射的障礙物之射束取出窗口7、劑量監視器8、及位置監視器9置於下游。因此，能縮小荷電粒子射束2之射束尺寸。
再者，實施形態4的位置計算方法，雖已說明過X方向掃掠電磁鐵5x之掃掠起點1x以及Y方向掃掠電磁鐵5y之掃掠起點1y係其Z座標作為固定而進行計算的例子，但亦能與實施形態3之位置計算方法組合。藉由與實施形態3之位置計算方法組合，而能考量荷電粒子射束2相對於掃掠電磁鐵5x、5y之射入角度的傾斜、與掃掠起點伴隨掃掠角度之移動，並能更高精確度地計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp,Zp)。因此，應用考量該2個因素之位置計算方法的粒子線照射裝置58以及粒子線治療裝置51，係能更高精確度地照射射束。
此外，實施形態4之位置計算方法，亦能使用位置計算裝置30內之資訊，以代替實施形態2之位置計算方法的位置監視器3之資訊者。即使使用實施形態2之位置計算方法，亦能反映掃掠起點因荷電粒子射束2對掃掠電磁鐵5x、5y射入之角度而導致變化，且較實施形態1更能高精確度地計算朝患者24之患部的射束照射位置P(Xp,Yp)。
再者，於實施形態1中，雖已說明過將距離感測器22作為檢測導管驅動裝置12之馬達15的轉動之編碼器，但亦可為以電阻值配合真空導管6的位置而變化的方式所連接之流動於可變電阻的電流計。該距離感測器22係亦能適用於實施形態2至實施形態4。
再者，在實施形態1至實施形態4中，雖已說明過掃掠電磁鐵與位置監視器之位置因移動位置監視器9而相對性地變化的例子，但並非限定於此，亦能應用於掃掠電磁鐵與位置監視器之位置因移動掃掠電磁鐵而相對性地變化的情況。此外，在實施形態1至實施形態4中，雖以荷電粒子射束2於每個照射點停止之點掃描法的例子進行過說明，但亦能不限定於此，而應用於在變更切片之際停止荷電粒子射束2，並在照射同一切片內之際持續照射荷電粒子射束2之照射方法，或點線掃描法等其他的掃掠式照射法。
1x、1y、42x、42y、41x、Sa、Sb．．．掃掠起點
2、2a、2b、2c、2d．．．荷電粒子射束
3、9、9a、9b．．．位置監視器
4、6．．．真空導管
5、5x、5y．．．掃掠電磁鐵
7．．．射束取出窗口
8．．．劑量監視器
10．．．保持構件
11．．．導管伸縮器
12．．．導管驅動裝置
13．．．支持板
14a、14b．．．軸承
15．．．馬達
16．．．滾珠螺桿
17a、17b．．．導引棒
18a、18b．．．凸緣
19．．．劑量資料變換器
20．．．位置資料變換器
21．．．掃掠電磁鐵電源
22．．．距離感測器
23．．．照射控制裝置
24．．．患者
25．．．照射對象
26．．．照射基準點
27．．．中心軸(射束軸)
30．．．位置計算裝置
31．．．照射面
32、32e．．．軌跡
33．．．假想軌跡
34．．．皮膚表面
35、39．．．特性線(掃掠起點位置特性)
36．．．鐵心
37．．．入射射束
38．．．偏向射束
51．．．粒子線治療裝置
52．．．射束產生裝置
53．．．前段加速器
54．．．加速器
55a、55b、55c．．．偏向電磁鐵
58、58a、58b．．．粒子線照射裝置
59．．．射束輸送系統
103．．．增幅器
105．．．信號處理裝置
104、108．．．AD轉換器
107、102．．．I/V轉換器
D、dh1、dh2、dhn ．．．距離
E．．．絕對值
h1、h2a、h2b、hz1、hz2、hz3、hz4、xb、x3．．．距離
h1n ．．．掃掠起點距離候補資訊
h1n+1 ．．．更新掃掠起點距離候補資訊
hg1、L、x1．．．長度
L．．．射程
P、Pb．．．射束照射位置
Pn ．．．射束照射位置候補
Pm、Pm1、Pm2、Q．．．射束位置
Pmf．．．假想射束位置
Sn ．．．掃掠起點候補
sig1、sig2．．．電流信號
sigPm．．．數位信號
θ、γ、γx、γy．．．角度
θn 、θn+1 ．．．掃掠角度候補
δ．．．預定值
第1圖係為本發明之粒子線治療裝置的概略構成圖。
第2圖係為顯示本發明之實施形態1的粒子線照射裝置構成圖。
第3圖係為顯示第2圖之位置計算裝置之構成的方塊圖。
第4圖係為說明本發明之實施形態1的位置計算方法的圖。
第5圖(a)及(b)係為顯示第4圖的掃掠起點的圖。
第6圖係為說明本發明之實施形態1的位置計算方法之效果的圖。
第7圖係為說明本發明之實施形態2的位置計算方法的圖。
第8圖係為顯示使用本發明之實施形態3的位置計算方法之掃掠起點位置特性的圖。
第9圖係為說明本發明之實施形態3的位置計算方法的圖。
第10圖係為說明本發明之實施形態4的位置計算方法之掃掠起點的圖。
第11圖係為說明本發明之實施形態4的位置計算方法的圖。
第12圖係為說明本發明之實施形態4的位置計算方法之特性線的圖。
2．．．荷電粒子射束
3、9．．．位置監視器
4、6．．．真空導管
5x、5y．．．掃掠電磁鐵
7．．．射束取出窗口
8．．．劑量監視器
10．．．保持構件
11．．．導管伸縮器
12．．．導管驅動裝置
13．．．支持板
14a、14b．．．軸承
15．．．馬達
16．．．滾珠螺桿
17a、17b．．．導引棒
18a、18b．．．凸緣
19．．．劑量資料變換器
20．．．位置資料變換器
21．．．掃掠電磁鐵電源
22．．．距離感測器
23．．．照射控制裝置
24．．．患者
25．．．照射對象
26．．．照射基準點
27．．．中心軸(射束軸)
30．．．位置計算裝置
58．．．粒子線照射裝置

Claims (17)

  1. 一種粒子線照射裝置，係將藉由加速器而加速之荷電粒子射束照射至照射對象者，係具備：掃掠電磁鐵，係將前述荷電粒子射束掃掠至垂直於射束軸的方向；位置監視器，係配置在前述掃掠電磁鐵之下游側，且相對於前述掃掠電磁鐵於前述射束軸方向的相對位置可變更至期望的位置，以檢測前述荷電粒子射束的通過位置；及照射控制裝置，係根據照射於前述照射對象之際所確定之前述位置監視器之射束軸方向的位置資訊，算出由前述照射對象之照射面到該位置監視器的射束軸方向之距離的位置監視器距離資訊，並根據前述位置監視器的檢測信號以及前述算出之位置監視器距離資訊，而計算前述照射對象的射束照射位置，以控制前述荷電粒子射束的照射；其中，前述照射控制裝置係具有位置計算裝置，該位置計算裝置係根據：藉由前述位置監視器所檢測之射束位置、由前述照射對象之照射面到前述掃掠電磁鐵之前述荷電粒子射束的掃掠起點為止的掃掠起點距離資訊、及前述位置監視器距離資訊，計算根據離前述射束軸與前述照射面之交點的距離所表現之前述照射面中的射束照射位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之粒子線照射裝置，其中， 前述位置計算裝置係具有記憶體，以保存屬於藉由前述掃掠電磁鐵所掃掠之前述荷電粒子射束的軌跡與前述射束軸之角度的掃掠角度θ、及屬於由前述掃掠電磁鐵之從任意地制定之基準點到前述掃掠起點為止之距離dh的特性之掃掠起點位置特性；並執行掃掠角度計算步驟與掃掠起點距離計算步驟，該掃掠角度計算步驟係根據藉由前述位置監視器所檢測之射束位置以及由前述照射對象之照射面到屬於前述掃掠起點之候補的掃掠起點候補Sn 為止之掃掠起點距離候補資訊h1n ，計算屬於前述掃掠角度θ之候補的掃掠角度候補θn ；該掃掠起點距離計算步驟係計算更新掃掠起點距離候補資訊h1n+1 ，該更新掃掠起點距離候補資訊h1n+1 係包含根據前述掃掠角度候補θn 以及前述掃掠起點位置特性所計算之屬於前述距離dh之候補的距離dhn 而更新者；且重複前述掃掠角度計算步驟以及前述掃掠起點距離計算步驟，直到根據前述更新掃掠起點距離候補資訊h1n+1 執行前述掃掠角度計算步驟所計算之掃掠角度候補θn+1 與前述掃掠角度候補θn 之掃掠角度差成為預定值以下為止；將在前述掃掠角度差成為前述預定值以下的情況之前述更新掃掠起點距離候補資訊h1n+1 作為由前述照射對象之照射面到前述掃掠電磁鐵之前述荷電粒子 射束的掃掠起點為止的掃掠起點距離資訊，以計算根據離前述射束軸與前述照射面之交點的距離而表現之前述照射面中的射束照射位置。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之粒子線照射裝置，其中，前述位置計算裝置係計算表示通過預先測定之前述掃掠電磁鐵之掃掠起點的位置座標、與藉由前述位置監視器而檢測出之前述射束位置的座標之直線的特性式；且根據前述特性式，以計算前述照射面之射束照射位置。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之粒子線照射裝置，其中，前述掃掠電磁鐵之掃掠起點的位置座標，係根據屬於前述荷電粒子射束朝前述掃掠電磁鐵射入之射入軸與前述射束軸之間的角度的傾斜角度而計算。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之粒子線照射裝置，其中，復具備上游側位置監視器，其係位於前述位置監視器之上游側，並以相對於前述掃掠電磁鐵之前述射束軸方向的相對位置為固定的方式配置，以檢測前述荷電粒子射束的通過位置；且前述位置計算裝置係根據：藉由前述上游側位置監視器所檢測之第1個射束位置以及藉由前述位置監視器所檢測之第2個射束位置、由前述照射對象之照射面到前述掃掠電磁鐵之前述荷電粒子射束之掃掠起點為止之前述掃掠起點距離資訊、由前述照射對象 之照射面到前述上游側位置監視器為止之上游側位置監視器距離資訊、及前述位置監視器距離資訊，計算根據離前述射束軸與前述照射面之交點之距離而表現之前述照射面中的射束照射位置。
  6. 如申請專利範圍第1項、第2項及第5項中任一項所述之粒子線照射裝置，其中，復具備將前述掃掠電磁鐵與前述位置監視器之前述射束軸方向之相對位置予以變更之驅動裝置；且前述位置監視器係配置於將前述荷電粒子射束由確保輸送前述荷電粒子射束之真空區域的真空導管朝向前述照射對象予以取出之射束取出窗口的下游側。
  7. 如申請專利範圍第1項、第2項及第5項中任一項所述之粒子線照射裝置，其中，復具有距離感測器，以檢測由前述射束軸方向之任意地制定之基準點到前述位置監視器之前述射束軸方向的距離，且前述位置計算裝置係根據藉由前述距離感測器所檢測之檢測信號而計算之前述位置監視器之射束軸方向的位置資訊、及由前述任意地制定之基準點到前述照射對象之照射面為止之距離，計算前述位置監視器距離資訊。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之粒子線照射裝置，其中，復具備將前述掃掠電磁鐵與前述位置監視器之前述射束軸方向之相對位置予以變更之驅動裝置；且前述位置監視器係配置於將前述荷電粒子射束 由確保輸送前述荷電粒子射束之真空區域的真空導管朝向前述照射對象予以取出之射束取出窗口的下游側。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之粒子線照射裝置，其中，復具備將前述掃掠電磁鐵與前述位置監視器之前述射束軸方向之相對位置予以變更之驅動裝置；且前述位置監視器係配置於將前述荷電粒子射束由確保輸送前述荷電粒子射束之真空區域的真空導管朝向前述照射對象予以取出之射束取出窗口的下游側。
  10. 如申請專利範圍第3項所述之粒子線照射裝置，其中，復具有距離感測器，以檢測由前述射束軸方向之任意地制定之基準點到前述位置監視器之前述射束軸方向的距離，且前述位置計算裝置係根據藉由前述距離感測器所檢測之檢測信號而計算之前述位置監視器之射束軸方向的位置資訊、及由前述任意地制定之基準點到前述照射對象之照射面為止之距離，計算前述位置監視器距離資訊。
  11. 如申請專利範圍第4項所述之粒子線照射裝置，其中，復具有距離感測器，以檢測由前述射束軸方向之任意地制定之基準點到前述位置監視器之前述射束軸方向的距離，且前述位置計算裝置係根據藉由前述距離感測器所檢測之檢測信號而計算之前述位置監視器之射束軸方向的位置資訊、及由前述任意地制定之基準點到前 述照射對象之照射面為止之距離，計算前述位置監視器距離資訊。
  12. 如申請專利範圍第6項所述之粒子線照射裝置，其中，復具有距離感測器，以檢測由前述射束軸方向之任意地制定之基準點到前述位置監視器之前述射束軸方向的距離，且前述位置計算裝置係根據藉由前述距離感測器所檢測之檢測信號而計算之前述位置監視器之射束軸方向的位置資訊、及由前述任意地制定之基準點到前述照射對象之照射面為止之距離，計算前述位置監視器距離資訊。
  13. 一種粒子線治療裝置，係具備：射束產生裝置，係產生荷電粒子射束，並使該荷電粒子射束以加速器加速；射束輸送系統，係輸送藉由前述加速器而加速之荷電粒子射束；以及粒子線照射裝置，係將以前述射束輸送系統所輸送之荷電粒子射束照射至照射對象；其中，該粒子線照射裝置係申請專利範圍第1項、第2項及第5項中任一項所述之粒子線照射裝置。
  14. 一種粒子線治療裝置，係具備：射束產生裝置，係產生荷電粒子射束，並使該荷電粒子射束以加速器加速；射束輸送系統，係輸送藉由前述加速器而加速之 荷電粒子射束；以及粒子線照射裝置，係將以前述射束輸送系統所輸送之荷電粒子射束照射至照射對象；其中，該粒子線照射裝置係申請專利範圍第3項所述之粒子線照射裝置。
  15. 一種粒子線治療裝置，係具備：射束產生裝置，係產生荷電粒子射束，並使該荷電粒子射束以加速器加速；射束輸送系統，係輸送藉由前述加速器而加速之荷電粒子射束；以及粒子線照射裝置，係將以前述射束輸送系統所輸送之荷電粒子射束照射至照射對象；其中，該粒子線照射裝置係申請專利範圍第4項所述之粒子線照射裝置。
  16. 一種粒子線治療裝置，係具備：射束產生裝置，係產生荷電粒子射束，並使該荷電粒子射束以加速器加速；射束輸送系統，係輸送藉由前述加速器而加速之荷電粒子射束；以及粒子線照射裝置，係將以前述射束輸送系統所輸送之荷電粒子射束照射至照射對象；其中，該粒子線照射裝置係申請專利範圍第6項所述之粒子線照射裝置。
  17. 一種粒子線治療裝置，係具備： 射束產生裝置，係產生荷電粒子射束，並使該荷電粒子射束以加速器加速；射束輸送系統，係輸送藉由前述加速器而加速之荷電粒子射束；以及粒子線照射裝置，係將以前述射束輸送系統所輸送之荷電粒子射束照射至照射對象；其中，該粒子線照射裝置係申請專利範圍第7項所述之粒子線照射裝置。
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