具体实施方式
下面将通过参考附图描述根据本发明的粒子束辐射装置和粒子束辐射方法的实施例。
(1)常规装置的配置和操作
为了与根据本发明实施例的粒子束辐射装置1(图5)进行比较的目的，图1图示说明了常规粒子束辐射装置300的配置示例。粒子束辐射装置300被配置为包括束生成单元10、束发射控制单元20、束扫描单元30、真空管31、束扫描指示单元40、剂量监测单元50、位置监测单元51、隆起过滤板60以及范围调整器(range shifter)70。
粒子束辐射装置300是利用通过加速诸如碳、质子等粒子至高速度而获得的粒子束来辐射癌症患者100的患病区域200的癌症治疗装置。粒子束辐射装置300可以实现3D扫描辐射方法，通过该方法可以将患病区域200离散化为3D格点，并且具有小直径的粒子束在每个格点上顺序扫描。更具体地说，在粒子束轴线方向上(在图1右上部分中所图示说明的坐标系统中的z轴方向上)将患病区域200划分成切片、或者平板状单元。随后，通过顺序扫描诸如所划分的切片Zi、切片Zi+1和切片Zi+2的切片中的每个的2D格点(在图1右上部分中所图示说明的坐标系中的X和Y轴方向上的格点)来执行3D扫描。
束生成单元10生成诸如碳离子和质子的粒子，以及通过使用诸如同步加速器的加速器(主加速器)将粒子加速到可以深入到达患病区域200中的能量来生成粒子束。
束发射控制单元20基于从控制单元80输出的控制信号执行对所生成粒子束的发射的开/关控制。
束扫描单元30通过在X和Y轴方向上偏转粒子来二维扫描切片表面。束扫描单元30包括用于在Y方向中扫描的Y电磁体30a和用于在X方向中扫描的X电磁体30b。将每个电磁体的驱动电流从束扫描指示单元40施加给Y电磁体30a和X电磁体30b，作为指示扫描位置的指示信号。
范围调整器70控制患病区域200在Z轴方向上的位置。例如，将范围调整器70配置为具有不同厚度的多个丙烯酸板。根据切片在患病区域200的Z轴方向上的位置，这些丙烯酸板的组合可以逐渐改变经过范围调整器70的粒子束的能量或内部范围。一般通过范围调整器70控制内部范围使其等间隔改变。该间隔对应于在Z轴方向中格点之间的间隔。注意到，控制内部范围的方法不仅可以是沿着粒子束路径插入类似范围调整器70的衰减对象的方法，还可以是通过控制上游装置改变粒子束能量本身的方法。
提供隆起过滤板60以在内部深度方向上延展称为布拉格峰的剂量尖峰。此处，隆起过滤板60对布拉格峰的延展宽度进行设置，以使其等于切片的厚度或者Z轴方向上的格点间隔。通过布置多个具有大体等腰三角形横截面的铝条形组件配置用于3D扫描辐射的隆起过滤板60。可以使用当粒子束经过等腰三角形时发生的路径长度的差异延展布拉格峰的峰，并且可以使用等腰三角形形状将延展宽度设置为所期望的值。
剂量监测单元50对辐射剂量进行监测，并且剂量监测单元50被配置为使得在其外壳和SEM(次级电子监测器)装置中提供对由平行电极通过粒子束电离所生成的电荷进行收集的电离室，其中，SEM装置测量从布置在外壳内的次级电子释放薄膜所释放出的次级电子。
位置监测单元51确定通过束扫描单元30所扫描的粒子束是否位于正确位置。位置监测单元51具有与剂量监测单元50的配置类似的配置，可以具有用于收集电荷的被划分成诸如条形的电极，或者可以具有由在X和Y方向中并列布置的多条金属丝制成的电极。
控制单元80对粒子束辐射装置1进行整体控制，并且对束发射控制单元20执行束发射开/关控制，将束扫描指示提供给束扫描指示单元40，以执行由于范围调整器70的切片改变引起的范围调整量控制等。
束扫描指示单元40基于来自控制单元80的指示确定在切片中的每个的X和Y方向上的扫描位置和扫描定时，并且将驱动电流输出到束扫描单元30的Y电磁体30a和X电磁体30b。
图2是图示说明了通过常规装置的3D扫描辐射的基本处理示例的流程图。
首先，将患病区域关于束轴线虚拟分割成多个切片，并且选择所分割切片之一。例如，首先选择位于患病区域最深位置处的切片Zi。另外，根据所选切片的位置，选择并设置粒子束入射能量以及范围调整器70中丙烯酸板的组合(步骤ST1)。
随后，根据最深切片中患病区域的形状，选择以粒子束辐射的格点数目(M)以及称为辐射目标点的格点(Xi，Yi)[i＝1至M]的位置，并且束扫描单元30将粒子束方向设置为切片上的格点位置(Xi，Yi)(步骤ST2)。随后，粒子束发射开始(步骤ST3)。通过隆起过滤板60对从束扫描单元30输出的粒子束进行扩展，使得在Z轴线方向上扩展能量分布，以便将内部范围分布宽度与切片宽度相匹配。
通过剂量监测单元50对到格点(Xi，Yi)的辐射剂量进行监测。当给目标格点的辐射剂量达到所计划的剂量的量时，将剂量终止信号输出给控制单元80。随后，控制单元80接收该信号(步骤ST4)。
将3D扫描辐射方法大致划分为点扫描方法和光栅扫描方法。点扫描方法在粒子束位置从一个格点移动到下一个格点时停止束发射，并且在移动完成后恢复束发射。因此，在扫描相同切片时中断束发射。
与此相反，光栅扫描方法在粒子束位置从一个格点移动到下一个格点时继续束发射而不停止。换言之，在扫描相同切片时束发射持续而不停止。
注意到，无论方法是点扫描方法还是光栅扫描方法，粒子束位置都会停在每个格点上，直到粒子束达到所计划的剂量为止，并且当粒子束达到所计划的剂量，就移动到下一个格点。
在步骤ST5中，对方法是点扫描方法还是光栅扫描方法进行确定。如果方法是点扫描方法，就暂时停止束发射(步骤ST6)，并且将束位置移动到下一个点。重复该过程，直到到达目标切片的最后一个点为止(步骤ST7)。
反之，如果方法不是点扫描方法，也就是说，如果方法是光栅扫描方法，束发射继续而不停止束发射，直到到达最后一个点为止。
当完成对一个切片的辐射(步骤ST7：是)时，无论方法是点扫描方法还是光栅扫描方法，束发射都暂时停止(步骤ST8)，并且过程返回步骤ST1，在步骤ST1中选择下一个切片并且改变范围调整器70的设置。重复上述过程直到到达最后一个切片为止(步骤ST9)。
将上述辐射程序所需的每个参数写入称为辐射图案文件的数据文件中，并且在治疗辐射开始之前将其传送给控制单元80。辐射图案文件包含为每个格点提供切片位置的范围调整器厚度、为Y电磁体30a和X电磁体30b提供对应于格点(X，Y)的束位置的驱动电流值、每个格点的辐射剂量等，这些都以辐射的次序写入。
图3图示说明了切片上扫描图案的示例。通过治疗计划确定从起始格点”A”到最终格点”B”的轨迹图案，并且粒子束沿该轨迹图案顺序单向扫描。
图4图示说明了常规粒子束位置监测方法的概念。如上所述，基于来自位置监测单元51的信号监测束位置。图4A示意性地图示说明了位置监测单元51使用电离室系统将信号电极划分为多条。在该系统中，在一条上的大量电极布置在X和Y方向中，并且从每条输出具有对应于发送粒子束剂量的电平的信号。粒子束经过多个条，并且因此从多个条输出信号。控制单元80通过计算多个信号的重心估计粒子束在X和Y方向上的中心位置。此外，如在图4B中所图示说明的，可以可视地将所估计的中心位置与束扫描位置的计划值进行比较。
然而，从位置监测单元51获得的信息仅仅是离散指示所估计的每个束点的中心位置的信息，并且因此，不能从位置监测单元51获得形成为重叠点束形状的连续剂量分布。
实际上，医生或操作者想要能够在辐射期间可视地确认剂量分布图(在X和Y方向上的剂量的2D分布或者从2D分布中提取的在X或Y方向上的剂量的1D分布)。例如，如果为切片中的每个显示剂量分布图，医生或操作者就可以在执行治疗同时确认辐射被正确地执行，并且因此，医生或操作者就可以有安全感地执行治疗。
为了获得切片中的每个的剂量分布图，需要另一个位置监测器以在一个切片处理期间(从ST1至ST9)对从每个通道(每个条)输出的信号进行积分。结果，大幅增加了成本。另外，由于增大了由位置监测器引起的束散射，所以难以在辐射目标部分处获得尖锐的剂量分布。
鉴于此，根据本实施例的粒子束辐射装置1提供了与位置监测单元51不同的监测单元，并且在辐射期间以高精度监测连续剂量分布图。
(2)根据本实施例(第一实施例)的粒子束辐射装置
图5图示说明了根据第一实施例的粒子束辐射装置1的配置示例。除了常规粒子束辐射装置300的配置之外，粒子束辐射装置1具有荧光体膜90、成像单元91、显示单元92、以及辐射状态监测单元93。
在束扫描单元和患者之间提供荧光体膜90，并且荧光体膜90粘附到诸如包含范围调整器70的外壳(未图示)上，使其大体垂直于束轴线。荧光体膜90配置使得将诸如蓝荧光体(ZnS:Ag)和红荧光体(Y2O3:Eu)的荧光体施加在由PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、纤维素等制成的几微米厚的薄板上。当粒子束透射经过荧光体膜90时，这些荧光体以对应于粒子束的粒子剂量的量来发光，并且该光在特定波长处具有峰值。
例如，在患者治疗台附近提供成像单元91，并且其光接收单元朝向荧光体膜90。
图6示意地图示说明了成像单元91的配置示例。成像单元91具有波长选择滤光器910、镜头911、放大光的图像增强器912、诸如CCD或CMOS的成像元件913、成像控制单元914等。注意到，该配置可以使得在成像元件913前面提供快门，来代替图像增强器912或者作为对图像增强器912的附加。
成像控制单元914对成像元件913和图像增强器912(或快门)进行控制。成像元件913不耐辐射。因此，成像单元91位于远离粒子束轴线的位置，以尽可能防止成像元件913暴露于散射的粒子束或者次生辐射。这样，成像单元91在预定倾角对荧光体膜90的表面成像。
当粒子束透射经过荧光体膜90时，荧光体发光。因此，可以通过对从荧光体发出的光进行照相来测量剂量分布图。
然而，在治疗室中需要通过监测摄像机监测患者状况，并且因此不能关闭室内光。然而，当室内光打开同时对荧光体膜90进行照相时，从荧光体膜90发出的光与来自室内光的光混合，导致图像具有非常差的S/N比并且缺乏锐度。
鉴于此，根据第一实施例的成像单元91配置使得在镜头911前面提供波长选择滤光器910。基于作为背景的治疗室光波长、从荧光体膜90发出的光的波长、以及成像元件913波长灵敏度，来确定波长选择滤光器910的通过波长。
图7和图8图示说明了治疗室灯光和从荧光体膜90发出的光的强度分布、以及波长选择滤光器的透射波长带宽。一般而言，通过将荧光体的峰值波长调整到波长选择滤光器910的透射波长带可以改善S/N比。
图7是图示说明了室内光波长、蓝荧光体(例如，ZnS:Ag)的波长以及波长选择滤光器的透射波长带宽之间的关系的图。图7示出了通过将波长选择滤光器910的透射波长设置为偏离室内光(白炽灯和荧光灯)的波长峰值、并且将其透射波长调整到蓝荧光体的波长来改善S/N比。
当仅使用荧光灯作为治疗室光时，红外区域的强度快速减小。在该情况下，使用红荧光体(Y2O3:Eu)作为荧光体，并且对波长选择滤光器910进行设置使其透射红外区域(大约700nm波长)。那么，如在图8中所图示说明的，可以大大改善S/N。备选地，优选使用诸如CdS:Ag的、在红外区域内具有强度峰值的荧光体。
配置图5中所图示说明的第一实施例包括用于调整内部范围的范围调整器70。然而，最新的粒子束放射装置可以通过调整从主加速器发射的束能量调整内部范围，而不使用范围调整器70。在这种情况下，可以将荧光体膜90粘附到隆起过滤板60发射侧上的表面，该荧光体膜位于图5中的范围调整器70的前面。
下面，将通过参考图9所图示说明的流程图和图10所图示说明的时序图对根据第一实施例的粒子束辐射装置1的辐射方法具体进行描述。在图9所图示说明的流程图中，将相同的步骤数目分配给与常规辐射方法的过程(图2的流程图)相同的过程。
在步骤ST1中，执行切片选择和切换。在选择和切换切片期间，将丙烯酸板的组合放置在范围调整器70中。这个时期对应于图10B中所图示说明的“切片切换信号”的开时期。当切片切换完成时(即，当切片切换信号从开改变到关时)，从控制单元80将辐射开始指令输出到成像单元91。当对一个切片的扫描完成时，切片切换信号从关改变到开，并且从控制单元80将辐射结束指令输出到成像单元91。辐射开始指令和辐射结束指令包括在从控制单元80输出到成像单元91的控制信号中。
在辐射开始指令和辐射结束指令之间执行由成像单元91的成像元件913进行的成像，以生成切片中的每个的图像(图10D)。更具体地说，如在图9中所图示说明的，当束发射开始时(步骤ST3)，切片的测量开始(步骤ST10)，并且当切片的测量结束时(步骤ST11)，显示切片的剂量分布图(步骤ST12)。随后，检查所显示的剂量分布图(步骤ST13)。如果在剂量分布图中不存在异常(步骤ST14：否)，就选择下一个切片。另一方面，如果在剂量分布图中存在异常(步骤ST14：是)，如后所述，就从辐射状态监测单元93将互锁信号输出到控制单元80(步骤ST15)。
同时，指示将主加速器的束状态的“主加速器束状态信号”(图10A)被从束生成单元10输入到控制单元80。控制单元80生成“束发射启动信号”(图10C)，当“主加速器束状态信号”为开并且“切片切换信号”为关时“束发射启动信号”打开。“束发射启动信号”为开的时期对应于把粒子束实际发射到患者的时期。控制单元80将“束发射启动信号”作为控制信号的一部分输出给成像单元91。
当“束发射启动信号”为开时，成像单元91打开图像增强器912，并且当“束发射启动信号”为关时，关闭图像增强器912(图10E)。因此，可以通过打开或关闭图像增强器912与“束发射启动信号”的开或关结合来改善成像元件913的S/N比。备选地，作为打开或关闭图像增强器912的替代，可以通过打开或关闭快门与“束发射启动信号”的开或关结合来改善S/N比。
注意到，可以把“主加速器束状态信号”和“切片切换信号”输入到成像单元91，并且随后，可以在成像单元91内部生成“束发射启动信号”。
可以通过施加到图像增强器912的电压改变图像增强器912的光放大增益。基于初步确定的束强度以及从切片中每点的预置值计算的切片辐射时间为切片中的每个设置增益。这样，可以改善成像元件913的灵敏度和分辨率，并且可以通过为切片中的每个最佳控制图像增强器912的增益来防止成像元件913的输出饱和。还把该增益控制信号作为控制信号的一部分从控制单元80输出到成像单元91。
在从一个切片切换到下一个切片期间，把通过成像单元91生成图像的图像数据从成像单元91输出到显示单元92。显示单元92将剂量分布图显示为2D分布。
如上所述，成像单元91在预定倾斜角度对荧光体膜90成像。因此，原始图像呈现根据图11A中所图示说明的倾斜角度的压缩。为了显示对应于扫描角度的剂量分布图，需要对倾斜角度进行校正，从而将原始图像转换成水平轴和垂直轴(在X和Y方向中)对应于束扫描角度的图像(图11B)。此外，提前获取用于校准图像亮度和粒子束剂量之间的关系的校准数据，并且需要使用校准数据将图像的亮度转换到粒子束的剂量。注意到，可以通过成像单元91或者显示单元92执行这种校正和转换。备选地，可以通过稍后所述的辐射状态监测单元93执行这种校正和转换。
辐射状态监测单元93从由成像单元91所成像的图像数据中获得对应于对于切片中的每个的粒子束扫描位置的辐射剂量分布。随后，在提前设置为计划值的切片中的每个的参考辐射剂量分布和所获得的辐射剂量分布之间进行比较。如果确定其间的差异大于预定的阈值，就将用于停止粒子束发射的互锁信号输出到控制单元80。可以将互锁信号直接输出到束发射控制单元20。
图11C示意性地图示说明了一维剂量分布图。在所测得的辐射剂量分布(剂量分布图)和参考辐射剂量分布之间进行比较，例如如下所述。
首先，对所测得的剂量分布图的所有信道的输出(所有像素)进行积分，并且用积分值除每个信道的输出，以获得归一化的测得剂量。同样地，对参考辐射剂量分布的所有信道的输出(所有像素)进行积分，并且用积分值除每个信道的参考辐射剂量，以获得归一化的参考剂量。当所有信道的归一化的测得剂量和归一化的参考剂量之间的偏差的均方值超过最初确定的阈值时，就输出互锁信号。可以通过下列公示表达上述确定：
∑(P(i)-R(i))2/N＞K (公式1)
当上述公式为真时，确定为异常并且输出互锁信号。这里，P(i)表示每个信道(对于每个像素)的归一化的测得剂量，R(i)表示每个信道(对于每个像素)的归一化的参考剂量，N表示信道(像素)总数，并且∑是求和算子。K是阈值并且例如设置为K＝(0.1)2。
注意到，所测得的剂量分布图是在荧光体膜90的位置处的剂量分布图，而不是切片上的分布图。然而，可以基于以下来计算在荧光体膜90位置处的参考辐射剂量分布：扫描电磁体、荧光体膜90和患病区域的各自位置；以及患病区域的偏离位置(Xi，Yi)和在偏离位置处各自指定的参考辐射剂量。
(3)其它实施例
图12图示说明了根据第二实施例的粒子束辐射装置1a的配置示例。其与根据第一实施例的粒子束辐射装置1的差别在于还包括呼吸门控单元94。
如对于肺和肝的情况，当患病区域随着人呼吸而移动时，从以良好精度来辐射束位置的观点看，在受呼吸影响较少时发射粒子束的方法是有效的。出于该原因，将LED等粘附到患者，并且通过摄像机等监测LED的位置，并且根据由呼吸门控单元94所监测的信号生成“呼吸门控信号”。“呼吸门控信号”为开的时期是指认为患病区域较少受呼吸影响的时期。这样，“呼吸门控信号”为开是用于将粒子束发射到患者的条件。
如在图13中所图示说明的，根据第二实施例的粒子束辐射装置1a生成“外部束发射启动信号”(图13C)，当“呼吸门控信号”为开并且“主加速器束状态信号”为开时“外部束发射启动信号”打开。当“外部束发射启动信号”为开并且“切片切换信号”为关时(图13D)，指示实际束辐射时期的“束发射启动信号”为开。以与第一实施例中相同的方式，结合“束发射启动信号”打开或者关闭图像增强器912或快门。
图14图示说明了根据第三实施例的粒子束辐射装置1b的配置示例。其与根据第一实施例的粒子束辐射装置1的差别在于荧光体膜90和成像单元91的位置。
根据第三实施例的粒子束辐射装置1b，荧光体膜90以斜向倾斜大约45度的状态安装在位于束扫描单元30下游处的真空管31内。另外，在真空管31的侧壁的部分上提供成像窗口31a。成像单元91配置为经过成像窗口31a对真空管31内的荧光体膜90成像。治疗室的照明不到达真空管31内。因此，成像单元91可以仅对从荧光体膜90发射的光成像，而不受室内光影响，并且可以不使用波长选择滤光器910就获得具有良好S/N比的图像。
如上所述，根据第一至第三实施例的粒子束辐射装置1、1a、1b和粒子束辐射方法可以提供关于在粒子束辐射期间如何通过监测剂量分布图实际执行辐射的可视和定量确认。这样，当所计划的辐射剂量和实际辐射剂量之间的差异增大时，停止粒子束辐射，这可以增大安全性。
注意到，本发明不限于上述实施例，但是在执行阶段，可以通过修改部件实现本发明，而不脱离本发明的精神和范围。此外，可以通过恰当组合上述实施例中所公开的多个部件制造本发明的各个实施例。例如，可以从在实施例中所公开的所有部件中省略一些部件。此外，可以恰当组合在不同实施例中使用的部件。