带电粒子束装置及其操作方法 本发明涉及使用带电粒子束治疗癌症和诊断受损部位的带电粒子束装置。
JP-A-198397公开了一种基于散射共振引出方法将绕带电粒子加速器运动的带电粒子束引出，以将由带电粒子加速器引出的带电粒子束用于疾病治疗的技术。
一种传统的带电粒子束装置见于1993年8月出版的Rev.Sci.Instrum。第64卷第8期第2088页的图45。下面结合图9说明该现有技术。
图9中，带电粒子束沿Z方向运动。当瞬变电流流经X方向扫描电磁铁101和Y方向扫描电磁铁102时，这些电磁铁产生瞬变磁场，使带电粒子束在X方向(水平方面)和Y方向(竖直方向)扫描。在图9中，X方向单位时间内扫描(往复运动操作的次数比Y方向单位时间内扫描操作的次数多，从而可构成辐照区99。辐照区99的宽度a和b分别由X方向扫描电磁铁101和Y方向扫描电磁铁102的最大电流确定。
但当辐照靶是复杂形状时，在带电粒子束辐照时必须改变X和Y方向的扫描宽度和扫描速度，使得带电粒子束可以高精度和均匀束流密度辐照在辐照靶上，因此，对提供给方向扫描电磁铁101和Y方向扫描电磁铁102的电流的控制是非常复杂的。
本发明的一个目的是提供一种带电粒子束装置及其操作方法，通过简单地控制，即使辐照靶形状复杂，该装置也能以高精度和均匀束流密度向辐照靶辐照带电粒子束。
为实现上述目的，按照本发明，带电粒子加速器有一用于打开和关闭带电粒子束的引出的开关装置，辐照单元有用于设置辐照到辐照靶上的带电粒子束的辐照点的电磁铁，而控制单元控制开关装置，使其打开和关闭带电粒子束的引出，并控制电磁铁，使其改变辐照点。
本发明中，当开关装置打开时，绕带电粒子加速器运动的带电粒子束被引出，并进入辐照单元，带电粒子束在辐照单元辐照到辐照靶上。当开关装置关闭由带电粒子束加速器到辐照单元的引出时，带电粒子束在辐射靶上的辐射也被停止。同样，当控制单元控制这个开关装置使其打开和关闭束流引出时，到辐照靶上的辐照也可被打开和关闭。由于在辐照单元中电磁铁设置带电粒子束的辐照点，从带电粒子加速器引出到辐照单元的带电粒子束可辐照到辐照靶上。由于控制单元控制电磁铁使其改变辐照点，带电粒子束可被辐照到辐照靶的另一辐照点。
而且，在本发明中，辐射剂量目标设置单元将辐照靶分成多个辐照区，并确定各辐照区辐照剂量的目标，辐照剂量测量单元测量各辐照区带电粒子束的辐照剂量，而控制单元则根据辐照剂量的目标和由辐照剂量测量单元测得的辐照剂量控制开关装置。由于控制单元控制电磁铁使带电粒子束在辐照区改变的时候辐照在各辐照区域，即使辐照靶形状复杂带电粒子束也能以高精度和均匀的束流密度辐照。此外，由于控制单元使辐照一直持续到辐照区的辐照剂量达到辐射剂量目标，即使带电粒子束的强度是瞬变的，辐照靶也能以均匀的束流密度被辐照。
当开关装置是一射频功率供给单元，向带电粒子束施加包含带电粒子束绕带电粒子加速器运动的自由振动(betatron oscillation)频率的射频电磁场时，绕带电粒子加速器运动的带电粒子束的自由振动由于施加的射频电磁场而进入共振状态，从而使带电粒子束的自由振动的幅度加大而超过共振的稳定极限，使带电粒子束从带电粒子加速器中引出。这种引出方法称为散射共振引出方法，使用该方法，可保证对带电粒子束的持续引出，从而使带电粒子束可以均匀束流密度辐照。
另外，在基于带电粒子束的癌症治疗中，辐照的带电粒子束的能量必须根据辐照靶深度加以改变。为满足这一要求，在引出的带电粒子束被辐照时，可通过在加速阶段改变绕带电粒子加速器运动的带电粒子的能量或在辐照单元放置使带电粒子束通过的诸如石墨的板状材料的方法改变带电粒子束的能量。
图1是表示本发明的带电粒子束装置的第一实施例的示意图。
图2是表示受损部位深度和粒子束剂量间的关系的一个例子的图形。
图3是表示层和辐照区的第一实施例的透视图。
图4是操作单元的框图。
图5是操作带电粒子束装置的方法的第一实施例的流程图。
图6是表示射程转换器的示意图。
图7是表示辐照区的第二实施例的透视图。
图8是表示操作带电粒子束装置的方法的第二实施例的流程图。
图9是表示一种传统的带电粒子束装置的示意透视图。
(实施例1)
下面参考图1说明本发明的带电粒子束装置的第一实施例。
该实施例的带电粒子束装置主要包括预加速器98、同步加速器100、转动台架110和控制装置组140。由预加速器98引出的低能离子被注入加速器100，并被加速器100加速，然后被入出到治疗室103内的转动台架110，使离子束可用作医疗。
现在说明加速器100的主要组成部件。加速器100利用散射共振引出方法，其中绕加速器100运动的带电粒子束的自由振动进入共振状态，并向旋转运动的带电粒子束施加一射频电磁场，以增大其自由振动，从而保证超过共振的稳定极限，将带电粒子束由加速器引出。
加速器100包括用于偏转旋转运动的带电粒子束的偏转电磁铁146，用于向旋转运动的带电粒子束施加能量的射频加速腔147，用于产生施加于旋转运动的带电粒子束从而产生自由振动共振的稳定极限的四极电磁铁145和多极电磁铁11，和向旋转运动的带电粒子束施加射频功率以增大自由振动的引出用射频施加单元120。加速器100还包括加速用功率源165和引出用射频功率源166，加速用功率源165向偏转电磁铁146、四极电磁铁145和多极电磁铁11提供电流，并向射频加速腔147提供功率，而引出用射频功率源166向引出用射频施加单元120提供功率。
现在描述转动台架110。转动台架110包括用于将束流由加速器100传输至辐照靶的四极电磁铁150和偏转电磁铁151，以及向四级电磁铁150和偏转磁铁151供电的电源170。
转动台架110还包括安置在偏转电磁铁151之一的后边用于使引出束流在X和Y方向偏转的电磁铁220和221。这里，X方向与该偏转电磁铁151的偏转平面平行，而Y方向与该偏转电磁铁151的偏转平面垂直。电磁铁220和221与向其提供电流的电源160相连。用于测量束流的辐照剂量分布的辐照剂量监测器200安置在电磁铁220和221之后并紧靠在辐照靶病人站立处前边的位置。
现在描述控制单元组140。控制单元组140包括辐照控制单元130，操作单元131和加速器控制单元132。
辐照控制单元130是控制将带电粒子速从加速器100的引出及输向转动台架110的控制单元。由于从加速器100引出到转动台架110的带电粒子束是辐照到辐照靶上的，对从加速器100引出的控制是控制带电粒子束到受损部位的辐照。
操作单元131确定辐照控制单元130控制带电粒子束辐照到受损部位所必需的数据。
加速器控制单元控制带电粒子束由预加速器98到加速器100的引出，绕加速器100运动的带电粒子束的加速，以及带电粒子束在转动台架110中的输送。
下面将首先说明操作单元130的作用，然后说明通过辐照控制单元130和加速器控制单元132操作带电粒子束流装置的方法。
受损部位信息，如受损部位的形状、深度和必需的辐照剂量R等通过操作员输入操作单元131。在输入的受损部位信息的基础上，操作单元计算并确定辐照区域，辐照到受损部位的带电粒子束的能量，以及提供给电磁铁220和221的电流幅度。
这里说明受损部位深度和带电粒子束能量间的关系。图2表示体内深度与带电粒子束能量间的关系。图2表示体内深度与带电粒子辐照剂量之间的关系的一个例子。图2所示的辐照剂量的峰称为布拉格峰。带电粒子束的辐照效果发生在布拉格峰处。布拉格黑峰的位置随带电粒子束的能量的改变而改变。这样，通过按照受损部位的体内深度改变能量，带电粒子束可被辐照在受损部位在深度方向具有不同厚度的任何地方。
图4示出了操作单元131。
操作单元131的辐照区构成单元133在输入的受损部位信息基础上在深度方向将受损部位分成多个层，通常由Li(i＝1，2，…，N)表示；如图3所示。能量计算器134根据各层的深度确定适当的束流能量大不小，通常由Ei表示。
而且，辐照区构造单元133根据各层Li的形状确定多个辐照区，通常表示为Ai，j(i＝1，2，…N，J＝1，2，…，M)，辐照区Ai，j的中点Pi，j和中点的座标值(Xij，Yij)。由于带电粒子束的强度空间分布遵从高斯分布，操作单元131以这样的方式按照带电粒子束的大小来确定各辐照区Ai，j及其中点Pi，j，使辐照区Ai，j稍微覆盖相邻的辐照区。辐照剂量计算器135根据必需的辐照剂量R确定各层中点Pi，j处的辐照剂量目标。
电磁铁电流计算器136确定供给电磁铁220和221的电流IXij和IYij，以使带电粒子束的中心与各中点Pi，j对齐。
操作单元131将相对于各层Li确定的束流能量Ei，各辐照区Ai，j，中点Pi，j，辐照剂量Ri，j的目标和电流IXij和IYij等信息传达给辐照控制单元130。
图5给出了操作本实施例的带电粒子束装置的一种方法。
(1)加速器控制单元132控制预加速器98使其输出带电粒子束。
(2)辐照控制单元130将其中存储的束流能量大小Ei传送给加速器控制单元132。
(3)加速器控制单元132向偏转电磁铁146、四极电磁铁145和多极电磁铁11供电以将旋转运动的带电粒子束加速到能量Ei，并控制加速器功率源165使其向射频加速腔147提供功率。
(4)当回旋运动的带电粒子束被加速到能量Ei时，加速器控制单元132控制加速器功率源165使其向四极电磁铁145和多极电磁铁11供电，以产生自由振动共振的稳定极限。
当向引出用射频施加单元120施加功率时，回旋运动的带电粒子的自由振动幅度增加，从而导致带电粒子束的自由振动的共振状态超出稳定极限。
(5)辐照控制单元130控制电源160使其向电磁铁220和221供电流Ixij及IYij，以使带电粒子束中心与所选择的中点Pi，j对齐。
(6)加速器控制单元132控制电源170使其向四极电磁铁150和偏转电磁铁151供电，以使从加速器100引向转动台架110的带电粒子束传输至用作辐照靶的受损部位处。
(7)辐照控制单元130将辐照剂量的目标Rij与由辐照剂量监测器200测量的某具体中点Pi，j的剂量进行比较。
(8)若某具体中点Pi，j的辐照剂量小于辐照剂量目标Rij时，辐照控制单元130控制引出用射频功率源166使其向引出用射频施加单元120提供功率，以使束流由加速器100引出到转动台架110。
当向引出用射频施加单元120提供功率时，一射频电磁场施加到回旋运动的带电粒子束，以增加回旋运动的带电粒子束的自由振动幅度。当自由振动幅度增加足够大使自由振动共振稳定极限被超过时，带电粒子束就从加速器100被引出到转动台架110。在转动台架110中，带电粒子束被辐照到选择的辐照区Ai，j。
(9)辐照控制单元130将辐照剂量目标Rij与由辐照剂量监测器200测得的另一中点Pij的辐照剂量进行比较。当该中点Pi，j处的辐照剂量小于辐照剂量目标Rij时，继续引出粒子。
(10)当不同中点Pi，j处的辐照剂量达到辐照剂量目标Rij时，辐照控制单元130控制引出用射频功率源166使其关闭引出。接着辐照控制单元130控制电源160使带电粒子束中心与下一辐照区Ai，i＋1的中点Pi，j＋1对齐。
(11)当辐照由辐照区Ai，j转向辐照区Ai，j＋1时，在绕加速器100运动的束流足够的情况下，运行由第(5)步开始，但当束流强度和引出时间不够时，运行则由第(1)步开始以补充带电粒子束。
(12)当选择层Li的所有辐照区Ai，j的辐照剂量均达到目标时，运行由第(1)步开始以辐照下一层Li＋1，并且以与层Li中同样的方式辐照所有辐照层Ai＋1，j。
(13)当对受损部位的所有层Li的辐照完成以后，对带电粒子束装置的操作结束。
虽然本实施例中带电粒子束的能量在加速器100中被设为Ei，带电粒子束的能量可在转动台架110中被改变。例如，如图6所示的射程转换器500被放置在紧靠设置束流辐照点的电磁铁220之前的地方。这样，通过使辐照控制单元130驱动射程转换器500以改变其厚度，可改变通过射程转换器500的带电粒子束的能量。
按照本实施例，即使辐照靶形状复杂，受损部位也能以高精度辐照。而且，由于辐照一至持续到辐照剂量达到目标，所以，即使束流强度随时间改变，受损部位也能以均匀束流密度被辐照。
(实施例2)
下面说明本发明的第二实施例。本实施例的组件构成与第一实施例相似。但在实施例中，受损部位的每层Li在X方向不被分成辐照区，而只在Y方向被划分，如图7所示。换言之，辐照区Ai，j在X方向宽度相同。另一个辐照区Ai，j通过改变电磁铁220产生的磁场强度以在X方向对带电粒子束进行扫描。
操作单元131根据每辐照区Ai，j在X方向的宽度确定改变电磁铁220的磁场强度所必需的量ΔIxij的大小。与实施例1相同，操作单元根据每层Li确定束流能量Ei，各辐照区Ai，j及其中点Pi，j(Xij，Yij)，辐照剂量目标Rij和电流IXij和IYij，并将这些信息与ΔIxij一起传送给辐照控制单元130。
图8示出了操作本实施例的带电粒子束装置的一种方法。除步骤(8)外，其他操作步骤与第一实施例相同。
在步骤(8)中，辐照控制单元130控制引出用射频功率源166使其向引出用射频施加单元120提供功率，以开始从加速器100中将束流引出到转动台架110，以外，还控制电源160以在范围ΔIXij内改变加给电磁铁220的电流Iij，以使带电粒子束在X方向扫描的同时被辐照。
在本实施例中，与实施例1中所描述的一样，也可以通过使用射程转换器500在转动台架110中改变带电粒子束的能量。
虽然在本实施例中是通过改变由电磁铁220产生的磁场强度以在X方向对带电粒子束进行扫描将其辐照到辐照区Ai，j上的，也可以通过改变由电磁铁221产生的磁场强度以在Y方向对带电粒子束进行扫描进行带电粒子束的辐照。