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1、(10)申请公布号 CN 102917755 A (43)申请公布日 2013.02.06 CN 102917755 A *CN102917755A* (21)申请号 201180026450.2 (22)申请日 2011.04.13 PCT/2010/061876 2010.07.14 JP A61N 5/10(2006.01) (71)申请人 三菱电机株式会社 地址 日本东京 (72)发明人 岩田高明 蒲越虎 (74)专利代理机构 上海专利商标事务所有限公 司 31100 代理人 张鑫 (54) 发明名称 粒子射线照射装置及粒子射线治疗装置 (57) 摘要 本发明的目的在于提供一种使用多组。
2、扫描电 磁铁的、 精度较高的、 能进行从低速到高速的高自 由度的带电粒子束扫描的粒子射线照射装置。粒 子射线照射装置使所射入的带电粒子束沿与带电 粒子束的前进方向相垂直的 X 方向及 Y 方向这两 个方向的目标轨道进行扫描， 以对照射对象进行 照射， 上述粒子射线照射装置包括多组使带电粒 子束在两个方向上进行扫描的扫描电磁铁组， 目 标轨道由取决于与时间相对应的目标照射位置 的时间序列目标轨道数据所给出， 基于对时间序 列目标轨道数据进行分频而得的多个数据， 来生 成发送给多组扫描电磁铁的各扫描电磁铁的指令 值。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2012.11.28 (8。
3、6)PCT申请的申请数据 PCT/JP2011/059169 2011.04.13 (87)PCT申请的公布数据 WO2012/008190 JA 2012.01.19 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 15 页 附图 15 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 15 页 附图 15 页 1/2 页 2 1. 一种粒子射线照射装置， 该粒子射线照射装置使所射入的带电粒子束沿与所述带电 粒子束的前进方向相垂直的 X 方向及 Y 方向这两个方向的目标轨道进行扫描， 以对照射对 象进行照射， 其特征在于， 所述粒子射线照射装置包。
4、括多组使所述带电粒子束在所述两个方向上进行扫描的扫 描电磁铁组， 所述目标轨道由取决于与时间相对应的目标照射位置的时间序列目标轨道数据所给 出， 基于对所述时间序列目标轨道数据进行分频而得的多个数据， 来生成发送给所述多组 扫描电磁铁的各扫描电磁铁的指令值。 2. 如权利要求 1 所述的粒子射线照射装置， 其特征在于， 不同组的扫描电磁铁的电学的频率响应特性不同。 3. 如权利要求 2 所述的粒子射线照射装置， 其特征在于， 扫描电磁铁的组数为两组。 4. 如权利要求 3 所述的粒子射线照射装置， 其特征在于， 配置在带电粒子束的上游侧的扫描电磁铁组的频率响应特性高于配置在下游侧的扫 描电磁铁。
5、组的频率响应特性。 5. 如权利要求 1 所述的粒子射线照射装置， 其特征在于， 基于将时间序列目标轨道数据进行分频而得的多个数据， 利用逆映射数学式模型来生 成发送到多组扫描电磁铁的各扫描电磁铁的指令值。 6. 一种粒子射线照射装置， 该粒子射线照射装置使所射入的带电粒子束沿与所述带电粒子束的前进方向相垂直 的 X 方向及 Y 方向这两个方向的目标轨道进行扫描， 以对照射对象进行照射， 其特征在于， 包括 ： 使所述带电粒子束在所述 X 方向上进行扫描的 X 方向扫描电磁铁 ； 用于对该 X 方向扫 描电磁铁进行励磁的响应速度不同的多个 X 方向扫描电磁铁电源 ； 使所述带电粒子束在所述 Y。
6、 方向上进行扫描的 Y 方向扫描电磁铁 ； 以及用于对该 Y 方 向扫描电磁铁进行励磁的响应速度不同的多个 Y 方向扫描电磁铁电源， 所述目标轨道由取决于与时间相对应的目标照射位置的时间序列目标轨道数据所给 出， 基于对所述时间序列目标轨道数据进行分频而得的多个数据， 来生成发送给所述多个 X 方向扫描电磁铁电源及所述多个 Y 方向扫描电磁铁电源的指令值。 7. 如权利要求 6 所述的粒子射线照射装置， 其特征在于， 对用于对所述 X 方向扫描电磁铁进行励磁的一个励磁线圈， 重叠流过来自所述多个 X 方向扫描电磁铁电源的电流， 对用于对所述 Y 方向扫描电磁铁进行励磁的一个励磁线圈， 重叠流过。
7、来自所述多个 Y 方向扫描电磁铁电源的电流。 8. 如权利要求 6 所述的粒子射线照射装置， 其特征在于， 所述粒子射线照射装置包括 ： 用于对所述 X 方向扫描电磁铁进行励磁的、 电感值不同 的多个X方向励磁线圈 ； 以及用于对所述Y方向扫描电磁铁进行励磁的、 电感值不同的多个 Y 方向励磁线圈， 权 利 要 求 书 CN 102917755 A 2 2/2 页 3 所述多个X方向扫描电磁铁电源的各扫描电磁铁电源向所述多个X方向励磁线圈的各 励磁线圈提供电流， 所述多个Y方向扫描电磁铁电源的各扫描电磁铁电源向所述多个Y方向励磁线圈的各 励磁线圈提供电流。 9. 一种粒子射线治疗装置， 其特征。
8、在于， 包括 ： 权利要求 1 至 6 的任一项所述的粒子射线照射装置 ； 以及生成所述目标轨道的 治疗计划装置。 权 利 要 求 书 CN 102917755 A 3 1/15 页 4 粒子射线照射装置及粒子射线治疗装置 技术领域 0001 本发明涉及将带电粒子束照射至肿瘤等患部来进行治疗的粒子射线治疗装置中 的、 用于使带电粒子束对应于患部的三维形状来进行照射的粒子射线照射装置。 背景技术 0002 利用粒子射线进行治疗的治疗方法中， 使用加速至光速的大约 70% 的质子、 碳射 线等高能量的带电粒子束。 在将这些高能量的带电粒子束照射到体内时， 具有以下特征。 第 一， 所照射的带电粒子。
9、大部分都停止在深度与带电粒子能量的约 1.7 次方成正比的位置。 第二， 对于施加于所照射的带电粒子在患者体内停止之前所通过的路径的能量密度 ( 称为 剂量)， 在带电粒子的停止位置具有最大值。 将沿着经过的路径而形成的特有的深部剂量分 布曲线称为布拉格曲线。将剂量值最大的位置称为布拉格峰。 0003 在三维的粒子射线照射系统中， 设法使该布拉格峰的位置对应于肿瘤的三维形状 来进行扫描， 一边调整各扫描位置的峰值剂量， 一边在由预先图像诊断所决定的目标即肿 瘤区域中形成规定的三维剂量分布。对带电粒子束进行的扫描包括以下两个方向上的扫 描 ： 即， 大致与带电粒子束的照射方向垂直的横向(X、 Y。
10、方向) ； 以及带电粒子束的照射方向 即深度方向 (Z 方向 )。横向上的扫描包括使患者相对于带电粒子束移动的方法、 以及使用 电磁铁等来使带电粒子束的位置移动的方法， 一般使用利用电磁铁的方法。对于深度方向 上的扫描， 唯有改变带电粒子束能量这一方法。 改变能量的方法中包括 ： 利用加速器来改变 带电粒子束的能量的方法 ； 以及在带电粒子束通过的路径上插入能量衰减器， 并改变衰减 器的衰减量的方法。 0004 例如专利文献 1 中记载有使用电磁铁来使带电粒子束位置移动 ( 也称为扫描 ) 的 方法。如专利文献 1 的图 2 所示， 在现有的粒子射线治疗装置的粒子射线照射系统中， 作为 进行束。
11、点的位置移动的单元， 使用使带电粒子束向着与射束前进方向(Z轴方向)相垂直的 方向即 X Y 方向偏转的扫描磁体 ( 扫描电磁铁 )。 0005 另外， 在专利文献 2 所记载的粒子射线照射装置中， 采用以下结构 ： 即， 在最终偏 转电磁铁与其射入侧的偏转电磁铁之间配置多台 X 方向、 Y 方向独立的扫描电磁铁， 通过叠 加该多台扫描电磁铁的摆动， 来形成平行照射野。 0006 在专利文献 3 中揭示了以下结构 ： 即， 在使用旋转机架的粒子射线照射装置中， 将 照射野移动用电磁铁设置在偏转电磁铁的上游， 在下游设置一组 X 方向、 Y 方向的扫描电磁 铁， 利用照射野移动电磁铁来大幅移动照。
12、射野， 在所移动到的区域中， 利用扫描电磁铁使射 束沿 X 方向、 Y 方向进行扫描。 0007 现有技术文献 0008 专利文献 0009 专利文献 1 ： 日本专利特开 2008 154627 号公报 ( 第 0024 段及图 2) 0010 专利文献 2 ： 日本专利特开 2002 22900 号公报 0011 专利文献 3 ： 日本专利特开平 8 257148 号公报 说 明 书 CN 102917755 A 4 2/15 页 5 发明内容 0012 在专利文献 1 的图 2 所记载的粒子射线照射系统中， 在将粒子射线的扫描速度设 为高速的情况下， 需要与扫描电磁铁X和扫描电磁铁Y的电。
13、感值和扫描速度成正比的、 大容 量的扫描电磁铁电源。因此， 粒子射线照射系统的电源容量会与所要求的照射野尺寸 ( 与 照射目标尺寸成正比 )、 及所要求的扫描速度一起增大。另外， 在专利文献 2 所记载的粒子 射线照射装置中， 使用多台扫描电磁铁来扫描粒子射线， 但是该结构的特定在于形成将带 电粒子束平行照射到照射位置的平行照射野， 形成照射野的自由度较小。而且， 在专利文 献 3 所记载的粒子射线照射装置中， 采用以下结构 ： 即， 将照射野移动用的电磁铁配置在上 游， 大幅移动照射野， 利用配置于下游的扫描电磁铁来扫描带电粒子束， 从而只揭示出了使 照射野移动用电磁铁与扫描电磁铁分别进行动。
14、作的思想。 0013 本发明的目的在于相对于上述现有的带电粒子束的扫描方法， 提供一种粒子束照 射装置， 该粒子束照射装置能将多个扫描电磁铁的各扫描电磁铁的能力发挥到最大， 能增 大带电粒子束的扫描自由度， 且精度较高， 能进行从低速到高速的高自由度的带电粒子束 扫描。 0014 本发明是一种粒子射线照射装置， 该粒子射线照射装置使所射入的带电粒子束沿 与带电粒子束的前进方向相垂直的 X 方向及 Y 方向这两个方向的目标轨道进行扫描， 以对 照射对象进行照射， 上述粒子射线照射装置包括多组使带电粒子束在两个方向上进行扫描 的扫描电磁铁组， 目标轨道由取决于与时间相对应的目标照射位置的时间序列目。
15、标轨道数 据所给出， 基于对时间序列目标轨道数据进行分频而得的多个数据， 来生成发送给多组扫 描电磁铁的各扫描电磁铁的指令值。 0015 本发明的粒子射线照射装置具有以下效果 ： 即， 能将多组扫描电磁铁的各扫描电 磁铁的能力发挥到最大， 精度较高， 能进行从低速到高速的高自由度的带电粒子束扫描。 附图说明 0016 图1是表示包含本发明的实施方式1的粒子射线照射装置的粒子射线治疗装置的 简要结构的框图。 0017 图2是表示利用本发明的实施方式1的粒子射线照射装置来使带电粒子束进行扫 描的状态的概要图。 0018 图 3 是说明利用一组 X 方向及 Y 方向的扫描电磁铁来使带电粒子束进行扫描。
16、的状 态的示意图。 0019 图 4 是说明扫描电磁铁的指令值与带电粒子束的移动量之间的关系的框图。 0020 图 5 是本发明的实施方式 1 的粒子射线照射装置的分频部的框图。 0021 图 6 是本发明的实施方式 1 的粒子射线照射装置的其他分频部的框图。 0022 图 7 是本发明的实施方式 1 的粒子射线照射装置的指令值变换部的框图。 0023 图 8 是本发明的实施方式 1 的粒子射线照射装置的其他指令值变换部的框图。 0024 图 9 是本发明的实施方式 2 的粒子射线照射装置的分频部的框图。 0025 图 10 是表示本发明的实施方式 3 的粒子射线照射装置的简要结构的框图。 0。
17、026 图 11 是表示本发明的实施方式 4 的粒子射线照射装置的简要结构的框图。 说 明 书 CN 102917755 A 5 3/15 页 6 0027 图 12 是表示本发明的实施方式 4 的其他粒子射线照射装置的简要结构的框图。 0028 图 13 是说明扫描电磁铁的指令值与带电粒子束的移动量之间的关系的不同于图 4 的框图。 0029 图 14 是表示图 4 的输入及输出的例子的表。 0030 图 15 是表示图 13 的输入及输出的例子的表。 0031 图 16 是表示式 (3) 及式 (4) 的各变量、 系数等的表。 0032 图 17 是表示本发明的实施方式 5 的粒子射线照射。
18、装置的指令值变换部的一个例 子的框图。 0033 图 18 是表示本发明的实施方式 5 的粒子射线照射装置的指令值变换部的另一个 例子的框图。 0034 图 19 是表示式 (5) 及式 (6) 的各变量、 系数等的表。 0035 图 20 是表示式 (7) 及式 (8) 的各变量、 系数等的表。 0036 图 21 是表示包含本发明的实施方式 6 的粒子射线照射装置的粒子射线治疗装置 的简要结构的框图。 0037 图 22 是表示包含本发明的实施方式 7 的粒子射线照射装置的粒子射线治疗装置 的简要结构的框图。 具体实施方式 0038 实施方式 1. 0039 图1是表示包含本发明的实施方式。
19、1的粒子射线照射装置的粒子射线治疗装置的 简要结构的框图。 在图1中， 从加速器1射出质子射线、 碳射线等带电粒子束2， 由电磁铁组 等构成的射束传输系统 3 将带电粒子束 2 导向射束照射系统 4。射束照射系统 4 中包括第 一扫描电磁铁 5 和第二扫描电磁铁 6 这两组扫描电磁铁， 上述两组扫描电磁铁使射入的带 电粒子束 2 在与带电粒子束 2 的前进方向相垂直的方向即 X Y 方向上进行二维扫描。第 一扫描电磁铁 5 包括 X 方向扫描电磁铁 52 和 Y 方向扫描电磁铁 51， 第二扫描电磁铁 6 包括 X 方向扫描电磁铁 62 和 Y 方向扫描电磁铁 61。由此， 第一扫描电磁铁 5。
20、 及第二扫描电磁铁 6 构成 X 方向扫描电磁铁和 Y 方向扫描电磁铁的两个电磁铁组。第一扫描电磁铁 5 的各励 磁线圈由第一扫描电磁铁电源53所驱动， 第二扫描电磁铁6的各励磁线圈由第二扫描电磁 铁电源 63 所驱动。对于第一扫描电磁铁电源 53 和第二扫描电磁铁电源 63， 由粒子射线治 疗控制器 9 所具备的协调控制用扫描控制部 7 来进行控制， 使得第一扫描电磁铁 5 和第二 扫描电磁铁 6 相互协调来使带电粒子束进行扫描， 上述粒子射线治疗装置控制器 9 对加速 器1、 射束照射系统4等粒子射线治疗装置整体进行控制。 协调控制用扫描控制部7从例如 在治疗计划阶段生成数据的治疗计划装置。
21、 8 等获取照射带电粒子束位置的时间序列数据， 在治疗阶段 ( 或治疗准备阶段 ) 利用分频部 71 对该数据进行分频， 利用指令值变换部 72 将其变换为发送到第一扫描电磁铁电源53和第二扫描电磁铁电源63的励磁线圈的励磁电 流的指令值。将由第一扫描电磁铁 5 和第二扫描电磁铁 6 进行扫描的带电粒子束 21 在规 定的时间照射到照射对象 22 的规定位置。 0040 此处， 受到第一扫描电磁铁 5 作用而产生的带电粒子束的扫描区域比受到第二扫 描电磁铁 6 作用而产生的带电粒子束的扫描区域要窄。即， 利用第一扫描电磁铁 5 使带电 说 明 书 CN 102917755 A 6 4/15 页。
22、 7 粒子束发生偏转的最大偏转角度小于利用第二扫描电磁铁 6 使带电粒子束发生偏转的最 大偏转角度。 另外， 一般而言， 因扫描电磁铁而产生的偏转角度越小则电磁铁所产生的磁场 越小， 则较为优选， 优选为使用较小的电磁铁、 即所流过的电流、 电感值较小的电磁铁。因 而， 第一扫描电磁铁 5 能采用比第二扫描电磁铁 6 的电感值要小的电磁铁。例如， 第一扫描 电磁铁 5 有可能能由空芯线圈构成， 从而能简化第一扫描电磁铁 5 的结构。电感值较小的 电磁铁能高速地改变磁场， 因此， 第一扫描电磁铁5能比第二扫描电磁铁6更高速地改变磁 场。若以电学特性进行表示， 则与第二扫描电磁铁相比， 第一扫描电。
23、磁铁 5 更高速， 且具有 能对更高的频率进行频率响应的频率响应特性。 0041 另外， 在图 1 中， 相比最大偏转角度较大的第二扫描电磁铁 6， 将最大偏转角度较 小的第一扫描电磁铁 5 配置在带电粒子束 2 的上游侧。一般而言， 能减小最大偏转角度较 小的电磁铁的形状， 因此， 若考虑到带电粒子束射入到各电磁铁的射入开口， 则为了便于配 置及设计电磁铁形状， 更优选将最大偏转角度较小的第一扫描电磁铁 5 配置在上游侧。但 是， 也能将最大偏转角度较大的第二扫描电磁铁 6 配置在带电粒子束 2 的上游侧。 0042 图 2 是表示在图 1 的粒子射线治疗装置中使带电粒子束进行扫描的状态的概。
24、要 图， 图 2(a) 是侧视图， 表示 Y 方向。图 2(b) 是主视图， 表示 X 方向。图 2(c) 是表示图 2(b) 的 A A 面的带电粒子束的扫描范围等的图。另外， 图 3 是说明利用一组 X 方向及 Y 方向 的扫描电磁铁来使带电粒子束进行扫描的状态的示意图。图 3(A) 示出立体图， 图 3(B) 以 主视图和侧视图来示出立体图。例如第一扫描电磁铁 5 中， 在上游侧配置有使带电粒子束 在 Y 方向上进行扫描的 Y 方向扫描电磁铁 51， 在下游侧配置有使带电粒子束在 X 方向上进 行扫描的 X 方向扫描电磁铁 52。所射入的带电粒子束 2 首先会因上游侧的 Y 方向扫描电 。
25、磁铁 51 的作用而以带电粒子束的扫描作用轴 100 为中心偏向 Y 方向。偏转后的带电粒子 束会因下游侧的 X 方向扫描电磁铁 52 的作用而以带电粒子束的扫描作用轴 200 为中心偏 向 X 方向。由此， 能将带电粒子束照射到在 X Y 的二维空间上扩展的区域。在本发明的 实施方式 1 中， 图 3 所示的扫描分两段进行。 0043 接下来， 参照图 1 及图 2 说明本发明的实施方式 1 的粒子束照射装置的动作。首 先， 使构成装置对准， 使得在第一扫描电磁铁 5 及第二扫描电磁铁 6 不进行动作的、 即带电 粒子束不会因这两个扫描电磁铁而受到偏转作用的情况下， 将带电粒子束向着基准点即。
26、等 中心 O 进行照射。以标号 20 示出此时的带电粒子束的射束轴。射束轴 20 表示在第一及第 二扫描电磁铁 5、 6 不进行动作的情况下、 带电粒子束所通过的轨迹。另外， 为了决定带电粒 子束照射位置， 而设定坐标系。例如， 如图 1 所示， 将等中心 O 设为原点， 将与射束轴相垂直 的方向设为 X 轴、 Y 轴， 将射束轴方向设为 Z 轴。此外， 图 2 的 X、 Y、 Z 只表示方向。 0044 所射入的带电粒子束 2 会因第一扫描电磁铁 5 及第二扫描电磁铁 6 的作用而在 XY二维方向上进行扫描。 对于射束照射位置在Z方向上的设定， 能通过调整带电粒子的 能量来改变射程， 即通过。
27、改变布拉格峰的位置来进行控制。在这种情况下， Z 方向上的照射 位置由所照射的剂量分布的代表点、 例如布拉格峰的位置来表示。 0045 在第一扫描电磁铁 5 及第二扫描电磁铁 6 不工作的状态下， 将射束照射位置设定 为等中心 O。此处， 仅使第一扫描电磁铁 5 进行动作， 考虑可进行射束扫描的范围。如图 3 所示， 能利用 Y 方向扫描电磁铁 52 来使射束在 Y 轴方向上呈扇形扩展的范围内进行扫描。 还能利用 X 方向扫描电磁铁 51 来使射束在 X 轴方向上呈扇形扩展的范围内进行扫描。其 说 明 书 CN 102917755 A 7 5/15 页 8 结果是， 能扫描的范围是图 2(c)。
28、 的标号为 24 的由斜线示出的区域、 即第一扫描电磁铁 5 的 扫描区域 ( 默认 )。 0046 接下来， 说明在使位于下游的第二扫描电磁铁 6 工作的情况下、 上述扫描区域 24 会发生的变化。仍然利用 Y 方向扫描电磁铁 61， 来使射束在 Y 轴方向上呈扇形扩展的范围 内进行扫描。并利用 X 方向扫描电磁铁 62， 来使射束在 X 轴方向上呈扇形扩展的范围内进 行扫描。最后， 上述扫描区域会移动到由图 2(c) 的斜线示出的区域 25。另外， 标号 23 所示 出的区域是通过使第一扫描电磁铁5和第二扫描电磁铁6工作来进行扫描时所能扫描的区 域。 0047 若输入仅使第一扫描电磁铁 5。
29、 工作的指令值， 则射束照射位置会从 O 向 P1移动。 此时的射束照射位置的移动量 OP1是仅受到第一扫描电磁铁 5 的作用而产生的移动量。接 着， 若输入使第二扫描电磁铁 6 工作的指令值， 则最终的射束照射位置会成为 P2。最终的射 束照射位置的移动量 OP2能由下式表示。 0048 数学式 1 0049 OP2 OP1+P1P2 (1) 0050 即， 射束移动量能分为受到第一扫描电磁铁 5 的作用而产生的移动量和受到第二 扫描电磁铁 6 的作用而产生的移动量。 0051 图 4 使用框图来图示地表示上述说明。在图 4 中， 作为输入的指令值是扫描电磁 铁的励磁线圈的励磁电流值， 根据。
30、该励磁电流值， 来输出驱动扫描电磁铁的结果即射束照 射位置的移动量。图 4 中示出以下情况 ： 在第一扫描电磁铁 5 的指令值 (I1x、 I1y) 时， 受到 第一扫描电磁铁 5 的作用而产生的移动量为 OP1， 且在第二扫描电磁铁 6 的指令值 (I2x、 I2y) 时， 最终的射束照射位置的移动量变为 OP2( 射束照射位置 P2 的坐标 (x， y)。由此， 一旦决 定发送到各扫描电磁铁的指令值， 就唯一决定了 OP1(x1、 y1)、 OP2(x、 y)。这能被描述为由物 理现象决定的、 四个输入四个输出的映射。 0052 但是， 对于实际治疗而言， 最终的射束照射位置才是有意义的。。
31、 至于在哪个位置照 射多少剂量， 则由治疗计划装置根据每个患者的情况下进行计算。根据治疗计划装置的计 算结果来进一步计算射束照射位置的目标轨道。 0053 若只有一组扫描电磁铁， 则只需提供射束照射位置的目标轨道即可， 但是本发明 中具有多组扫描电磁铁， 因此， 获得目标轨道的解决方案并不是唯一的。即， 为了实现某个 射束照射位置， 存在无限种第一扫描电磁铁 5 和第二扫描电磁铁 6 的作用分担。其原因是， 无限种 OP1、 OP2的组合都能满足式 (1) 的 OP2( 左边 )。 0054 图 5 表示本发明的实施方式 1 的协调控制用扫描控制部 7 中的分频部 71 的框图。 由治疗计划装。
32、置发送来的目标轨道是在按照时间序列来排列有与时间相对应的目标照射 位置的数据。即， 目标轨道是例如图 5 的左侧所示的时间序列数据 ( 信号 )。图 5 所示的 信号仅对一个坐标进行了例示， 但是存在 X 坐标分量和 Y 坐标分量。该目标轨道是利用点 扫描照射方法的目标轨道的例子， 上述点扫描照射方法是通过重复以下动作来照射较宽的 区域的方法 ： 即， 使射束在规定的位置滞留一定时间来进行照射之后， 使射束移动到其他位 置， 并在该位置滞留一定时间来进行照射。对于该目标轨道， 为了获得第一扫描电磁铁 5 和 第二扫描电磁铁 6 的位置指令值， 需要在考虑了第一扫描电磁铁 5 和第二扫描电磁铁 。
33、6 的 特性的基础上进行以下动作。利用滤波器将分频部 71 的输入即图 5 的左侧所示的目标轨 说 明 书 CN 102917755 A 8 6/15 页 9 道的信号分为第一扫描电磁铁 5 用和第二扫描电磁铁 6 用。第一扫描电磁铁 5 具有小型、 高速的特性， 且具有较高频的响应特性， 因此， 负责目标轨道的高频分量。 第二扫描电磁铁6 具有大型且扫描幅度大的特性， 且具有较低频的响应特性， 因此， 负责低频分量等。图 5 示 出了使用滤波器来分离目标轨道的信号的情况。此处， 最终获得的目标轨道应当与最初计 划的目标轨道相同。因而， 如图 5 所示， 此处所使用的滤波器选用互补的 (F(s。
34、) G(s) 1) 的滤波器。 0055 图 5 的 F(s) 是第二扫描电磁铁 6 用的滤波器， 是低通滤波器 73， G(s)( 1 F(s) 是第一扫描电磁铁 5 用的滤波器， 是高通滤波器 74。由这些滤波器分离出的目标轨 道的信号 ( 位置指令值 ) 是图 5 的右侧所示的两个信号。另外， 如图 6 所示， 也能仅设置低 通滤波器 73 而不设置高通滤波器， 利用运算器 76 来从输入信号即目标轨道的信号中去除 由低通滤波器 73 所分离出的低频分量的信号， 从而获得高频分量。相反， 也能仅设置高通 滤波器而不设置低通滤波器， 从输入信号即目标轨道的信号中去除由高通滤波器所分离出 的。
35、高频分量的信号， 从而获得低频分量。 0056 在指令值变换部 72 中， 以受各扫描电磁铁影响的射束位置成为各位置指令值的 方式， 将各扫描电磁铁的励磁电流作为指令值输出， 来控制第一扫描电磁铁电源 53 及第二 扫描电磁铁电源 63。图 7 表示最简单的指令值变换部 72 的结构。通过线性近似来获得目 标照射坐标与扫描电磁铁的励磁电流指令值之间的关系， 在指令值运算部 721 724 中运 算发送到各电磁铁的指令值的推定值。例如， 对第一扫描电磁铁的 X 方向的电磁铁的指令 值的推定值进行运算的指令值运算部 721 根据下式求出指令值的推定值。 0057 数学式 2 0058 0059 式。
36、中， k1x是比例常数， 是进行直线近似后的直线的斜率。 0060 另外， 图 8 是表示指令值变换部 72 的其他例子的框图。标号 725 728 是利用表 格来保持目标照射坐标与扫描电磁铁的励磁电流指令值之间的关系的查找表 ( 快速转换 表 )。在对目标照射坐标与扫描电磁铁的励磁电流指令值之间的关系进行直线近似而无法 获得足够精度的情况下， 进行折线近似， 利用查找表来获得转换结果。上述指令值变换 ( 生 成 ) 方法都是一般的方法， 但是在位置精度上还有改善的余地。后述的实施方式 5 将叙述 优选的指令值变换 ( 生成 ) 方法。 0061 此处， 作为目标轨道举例示出了点扫描照射法的例。
37、子， 但是本发明的实施方式 1 的粒子射线照射装置并不限于点扫描照射法， 能应用于各种目标轨道。 因而， 根据实施方式 1 的粒子射线照射装置， 能利用仅对目标轨道的信号进行分频的简单结构， 来生成发送给各 电磁铁的用于利用两组扫描电磁铁来实现各种目标轨道的指令值， 能进行从低速到高速的 高自由度的带电粒子束的扫描。 另外， 若将该粒子射线照射装置应用到粒子射线治疗装置， 则能对每个患者形成适当的目标轨道， 能进行考虑了各组扫描电磁铁的特性的扫描， 因此， 能例如力图缩短扫描时间。 0062 实施方式 2. 0063 图9是示出本发明的实施方式2所涉及的粒子射线照射装置的协调控制用扫描控 制器。
38、 7 中的分频部 71 的结构的框图。在实施方式 1 中， 使用了两组扫描电磁铁， 但是在本 实施方式 2 中， 在图 1 的射束照射系统 4 中， 从带电粒子束的上游到下游配置有第一扫描电 说 明 书 CN 102917755 A 9 7/15 页 10 磁铁、 第二扫描电磁铁、 第三扫描电磁铁这三组扫描电磁铁。例如， 第一扫描电磁铁为最大 偏转角度较小、 但能高速地改变磁场的电磁铁， 第三扫描电磁铁为最大偏转角度较大而能 扫描较大区域、 但仅能在低速的情况下改变磁场的电磁铁， 第二扫描电磁铁是所具有的最 大偏转角度、 磁场的改变速度都具有第一扫描电磁铁与第三扫描电磁铁中间的特性的电磁 铁。。
39、因而， 各扫描电磁铁的电感值按照第一扫描电磁铁、 第二扫描电磁铁、 第三扫描电磁铁 的顺序增大， 各电磁铁的频率响应特性也各不相同。 0064 在使用上述三组扫描电磁铁对带电粒子束进行扫描的情况下， 协调控制用扫描控 制部 7 中的分频部 71 将从治疗计划装置 8 接收到的目标轨道的信号分离为三组扫描电磁 铁的位置指令信号。在这种情况下， 如图 9 所示， 使用三个滤波器来分割目标轨道的信号。 在图 9 中， F(s) 是第三扫描电磁铁用的滤波器， 是低通滤波器 73， H(s) 是第二扫描电磁铁 用的滤波器， 是带通滤波器 75， G(s)( 1 F(s) H(s) 是第一扫描电磁铁用的滤。
40、波器， 是高通滤波器 74。在指令值变换部 72 中， 输出各扫描电磁铁的励磁电流作为指令值， 使得 成为由上述滤波器所分离的目标轨道的信号 ( 位置指令值 )， 来控制各扫描电磁铁电源。 0065 此外， 与实施方式 1 所说明的相同， 即使缺少低通滤波器 73、 带通滤波器 75、 或高 通滤波器 74 中的任一个， 也能通过从目标轨道的信号中去除由另两个滤波器所分离出的 信号， 从而获得与所缺滤波器能分离出的信号相同的信号。 0066 如上所述， 在实施方式 2 中， 对使用三组扫描电磁铁的情况进行了说明， 但也能使 用更多组的扫描电磁铁。 由此， 本发明能应用于使用多组扫描电磁铁的情况。
41、， 能以简单的结 构生成发送到各电磁铁的、 用于利用多组扫描电磁铁来实现各种目标轨道的指令值， 能进 行从低速到高速的高自由度的带电粒子束的扫描。 0067 实施方式 3. 0068 图 10 是表示本发明的实施方式 3 的粒子射线照射装置的简要结构的框图。在图 10 中， 与图 1 相同的标号表示相同或相当的部分。在实施方式 1 中， 将从治疗计划装置 8 输 出的目标轨道信号暂时传送、 保存到粒子射线治疗装置控制器 9， 在治疗阶段， 在上述粒子 射线治疗装置控制器9所具备的协调控制用扫描控制部7中， 利用滤波器来进行分频， 实时 地生成第一扫描电磁铁 53 的位置指令值及第二扫描电磁铁 。
42、63 的位置指令值。在本实施方 式3中， 在治疗计划装置80的内部设置有协调控制用扫描控制部7， 该协调控制用扫描控制 部 7 具有生成发送给第一扫描电磁铁电源 53 及第二扫描电磁铁电源 63 的指令值的功能。 协调控制用扫描控制部 7 从治疗计划装置 80 的内部所具有的治疗计划部 81 获取目标轨道 信号， 利用分频部 71 的滤波器进行分频， 生成第一扫描电磁铁 5 的位置指令值及第二扫描 电磁铁 6 的位置指令值， 在指令值变换部 72 中， 将这些位置指令值变换为发送到各扫描电 磁铁电源的指令值。即， 治疗计划装置 8 在治疗计划阶段， 预先分别生成第一扫描电磁铁 5 及第二扫描电。
43、磁铁 6 的各指令值。 0069 由此， 能在任意部分利用滤波器对根据治疗计划生成的目标轨道信号进行分频， 以生成发送到各扫描电磁铁的指令值， 也能在现有的粒子射线照射装置所具备的计算机内 部包括实施方式 1、 2 所说明的分频部 71。 0070 实施方式 4. 0071 实施方式4说明也能将本发明应用于随着呼吸等的患部运动或变形的情况。 图11 及图 12 是表示本发明的实施方式 4 的粒子射线治疗装置的简要结构的框图。在图 11 及图 说 明 书 CN 102917755 A 10 8/15 页 11 12中， 与图1相同的标号表示相同或相当的部分。 在使用粒子射线治疗装置的治疗中， 照。
44、射 对象即患部可能会随着患者的呼吸等生理活动而运动或发生变形。因此， 为了进行有效且 安全的治疗， 设法提出了各种 “呼吸同步照射” 、“患部跟踪照射” 等提案。 0072 图11是表示具有对患者体表的运动进行监视的摄像机30的粒子射线治疗装置的 结构的图。此外， 在图 11 中， 仅示出了一组监视摄像机， 但是由于目的在于获得患部的三维 位置信息， 因此， 通常使用两组或两组以上的监视摄像机。在患者的体表预设多个标记， 将 该标记作为所谓的界标(landmark)， 利用图像处理装置31来求出三维位置信息。 协调控制 用扫描控制部 7 根据由图像处理装置 31 求出的界标的三维位置信息， 来。
45、推测患部的位置、 姿势， 以修正目标照射位置。对于由协调控制用扫描控制部 7 进行修正后的目标照射位置， 也由分频部 71 进行分频， 因此， 能够协调第一扫描电磁铁和第二扫描电磁铁来控制射束位 置。 0073 图 12 是表示以与图 11 相同的目的来构成的粒子射线治疗装置的结构的图。在图 12中， 使用X射线摄影装置， 该X射线摄影装置包括X射线管32、 FPD(Fat Panel Detector ： 平板探测器 )33、 及包含图像处理功能的 X 射线控制装置 34 等。此外， 在图 12 中， 仅示出了 一组 X 射线摄影装置， 但是由于目的在于获得患部的三维位置信息， 因此， 通常。
46、使用两组或 两组以上的 X 射线摄影装置。若使用 X 射线摄影装置， 则能获得包含患部的周边部的透视 图像。因而， 在该情况下， 具有骨骼的特征性形状的部分等成为界标。至于之后的、 X 射线 控制装置 34 求出界标的三维位置信息之后的流程， 都与上述图 11 的情况相同。 0074 在本实施方式 4 的粒子射线治疗装置中， 采用以下结构 ： 即， 如上所述那样对照射 对象即患部的运动进行检测， 根据该运动来校正目标照射位置， 即进行反馈补偿， 因此， 能 实现更高精度的照射。 0075 实施方式 5. 0076 在实施方式14中， 对于由多组扫描电磁铁构成的射束照射系统， 说明了用于生 成发。
47、送到各扫描电磁铁的指令值的、 各扫描电磁铁的目标扫描量的决定方法。 具体而言， 使 用滤波器生成各扫描电磁铁所分担的射束扫描量， 以获得最终所给出的目标轨道。一般可 能会持有以下想法 ： 即， 一旦决定了各扫描电磁铁所分担的射束扫描量， 则很容易就能生成 发送给各扫描电磁铁的指令值。但是， 实际上， 即使决定了射束扫描量， 也不易正确地求出 发送给扫描电磁铁以达成该射束扫描量的指令值 ( 励磁电流值 )。特别是设置在下游的扫 描电磁铁会受到上游的扫描电磁铁的影响， 因此， 需要设法生成该指令值。因此， 在本实施 方式 5 中， 详细说明不易求出用于达成目标轨道的指令值这一课题， 并说明解决该课。
48、题的 方法。 0077 基于实施方式 1 所说明的图 4， 来说明不易求出用于达成目标轨道的、 发送给扫描 电磁铁的指令值这一技术课题。图 4 的左侧示出了将指令值输入到各扫描电磁铁的情况 ( 主要原因 )。图 4 的右侧示出了其结果、 即、 扫描射束 ( 移动照射位置 ) 来输出唯一确定 的照射位置 ( 结果 )。 0078 作为整体， 能将该物理现象把握为四个输入四个输出的 “映射” 。 0079 另外， 根据有因必有果的思路， 即 “先因后果” 的顺序， 也能将 “正方向的映射” 特 称为 “正映射” 。但是， 此处的 “指令值” 的含义如下。用于驱动扫描电磁铁的控制量一般是 电流。因此。
49、， 此处所谓的指令值是控制量的目标值， 一般附加电流的单位。 说 明 书 CN 102917755 A 11 9/15 页 12 0080 该物理现象， 除了图 4 之外， 还能如图 13 那样进行解释。在图 4 中， 正映射的输入 和输出如图 14 所示的表 1 那样设定。如表 1 那样， 由于基于四个输入获得四个输出， 因此， 获得四个输入四个输出的映射。然而， 输出 1 和输出 2 仅取决于第一扫描电磁铁， 因此， 即， 仅取决于输入1和输入2， 因而， 从局部来看该映射为两个输入两个输出。 但是， 当作为整体 来看时， 能获得四个输入四个输出。此处， 根据式 (1)， OP1、 OP2、 P1P2这三个矢量中， 只要知 道任意两个， 就能计算剩下的一个矢量。在图 4 所示的正映射中， 将输出设为 OP1、 OP2这两 个矢量， 但是， 也能如图 13 所示那样， 。