多叶准直器、粒子射线治疗装置以及治疗计划装置制作方法

岩田高明

2013年4月24日

2010年8月17日

2010年8月17日

三菱电机株式会社

A61N5/10GK103068441SQ20108006842

多叶 准直 粒子 射线 装置 治疗 以及

1.一种多叶准直器，该多叶准直器配置在为了扩大照射野而照射出的粒子束中，且以与照射对象相符合的方式来形成所述照射野，其特征在于， 该多叶准直器包括 叶片列，该叶片列以使多个叶片板的一个端面对齐的方式排列在厚度方向上；以及叶片板驱动机构，该叶片板驱动机构以使所述一个端面向所述粒子束的射束轴靠近或远离所述粒子束的射束轴的方式，来分别驱动多个所述叶片板， 将各个所述叶片板和与其在厚度方向上相邻的叶片板的相对面形成于包括第I轴在内的平面上，该第I轴被设定于所述射束轴上的第I位置、且与该射束轴垂直， 所述叶片板驱动机构沿着以第2轴为中心的圆周轨道来驱动所述叶片板，该第2轴被设定于所述射束轴上的第2位置、且与该射束轴及所述第I轴垂直2.如权利要求1所述的多叶准直器，其特征在于， 所述叶片板分别具有4个端面，在所述4个端面之中，将与所述一个端面相邻的端面形成为以所述第2轴为中心的圆弧状3.一种粒子射线治疗装置，其特征在于，包括 照射嘴，该照射嘴利用扫描方向不同的2个电磁铁对由加速器提供的粒子束进行扫描，并进行照射以扩大照射野；以及 权利要求1或2中所述的多叶准直器，该多叶准直器配置于由所述照射嘴照射出的粒子束中， 以使所述第I轴与所述2个电磁铁中的一个电磁铁的扫描轴一致，并使所述第2轴与另一个电磁铁的扫描轴一致的方式，来配置所述多叶准直器4.如权利要求3所述的粒子射线治疗装置，其特征在于， 所述照射嘴利用螺旋摆动法来扩大所述照射野5.如权利要求3所述的粒子射线治疗装置，其特征在于， 所述照射嘴利用扫描法来扩大所述照射野6.如权利要求3所述的粒子射线治疗装置，其特征在于， 对于所述2个方向的扫描中的一个方向的扫描，利用使射束轴的方向偏转的偏转电磁铁来进行，并且，将设定所述第I位置及所述第2位置的射束轴设为入射到所述多叶准直器的射束的射束轴7.一种治疗计划装置，其特征在于，包括 三维数据生成单元，该三维数据生成单元根据照射对象的图像数据来生成三维数据； 照射条件设定单元，该照射条件设定单元基于所生成的三维数据来设定照射条件；以及 控制数据生成单元，该控制数据生成单元基于所设定的照射条件，来生成用于控制对权利要求3至6中任一项所述的粒子射线治疗装置中的多叶准直器的叶片所进行的驱动的控制数据， 所述三维数据生成单元至少利用以所述第I轴为中心的射束的偏转角度、以及以所述第2轴为中心的射束的偏转角度，来生成所述三维数据

本发明涉及多叶准直器、使用该多叶准直器的粒子射线治疗装置、以及确定该粒子射线治疗装置的工作条件的治疗计划装置，该多叶准直器适用于在使用带电粒子束的粒子射线治疗装置中形成照射野

实施方式1.下面，对本发明的实施方式I所涉及的多叶准直器以及粒子射线治疗装置的结构进行说明图1 图5是用于对本发明的实施方式I所涉及的多叶准直器以及粒子射线治疗装置的结构进行说明的图，图1是表示包括多叶准直器的粒子射线治疗装置的照射系统的结构的图，图2是为了表示粒子射线治疗装置及多叶准直器的结构而从与图1中的带电粒子束的中心(z方向)垂直的方向观察到的图，图2 Ca)是从y方向观察到的侧视图，图2 (b)是从X方向观察到的侧视图图3是用于对粒子射线照射装置的照射系统中的射束的形状进行说明的图，图3 (a)表示射束的整体外观的图；图3 (b)与图3 (c)是从与图3(a)中的带电粒子束的中心(z方向)垂直的方向观察到的图，图3 (b)是从y方向观察到的侧视图，图3 (c)是从X方向观察到的侧视图另外，图4与图5是为了对多叶准直器以及作为多叶准直器的主要构成体的叶片板的结构进行说明而从各个方向观察到的图 作为对多叶准直器的结构进行详细说明的前提，首先，对包括多叶准直器的粒子射线治疗装置的照射系统进行说明如图1、2所示，粒子射线治疗装置10包括摆动电磁铁I (上游la、下游lb)，该摆动电磁铁I起到照射嘴的作用，通过在圆形轨道上对由未图示的加速器提供的所谓笔形的带电粒子束B进行扫描，从而扩大照射野；脊形过滤器2，该脊形过滤器2用于根据照射对象的厚度来扩大布喇格峰的宽度；射程移位器3，该射程移位器3用于根据照射对象的深度(照射深度)来改变带电粒子束B的能量(射程)；档块准直器(block collimator) 4,该挡块准直器4用于将扩大后的照射野限制在规定范围内，以防止对正常组织进行不必要的照射；多叶准直器5，该多叶准直器5由多个叶片板及驱动各个叶片板的叶片驱动机构来构成，用于限制照射野以使其与患部形状一致；以及物块6，该物块6限制带电粒子束B的射程以使其与照射对象的深度形状一致接下来，对在通过使用摆动法的照射嘴将照射野扩大的照射系统中的工作以及原理进行说明带电粒子束B被未图示的加速器加速，并经由传输系统被导入至照射系统中，以作为直径在数mm以下的所谓笔形射束摆动电磁铁I对导入至照射系统中的射束进行扫描，以使其描绘出圆形轨道摆动电磁铁1 一般如图所示那样，准备X方向用电磁铁Ia和y方向电磁铁Ib，并且配置成使2个电磁铁沿着带电粒子束B的中心轴X B相连此处，为了使说明清楚，定义了 X方向和y方向坐标系可以根据各种标准来定义，本说明书根据如下标准来定义坐标系将带电粒子束B的前进方向设为z轴的正方向X轴和I轴是与z轴正交的轴，并且X轴与y轴互相正交并且，xyz坐标系是右手坐标系在图1、2的示例中，上游摆动电磁铁Ia沿X方向对射束进行扫描，下游摆动电磁铁Ib沿y方向对射束进行扫描通过2个电磁铁la、lb的扫描，照射野沿xy方向(平面方向)被扩大扩大照射野后的带电粒子束B通过脊形过滤器2以使多个例如锥形体或截面为三角形的板排列于面内的方式来形成脊形过滤器，若将照射野内分割成例如多个小区域，则存在相对于各个小区域而通过不同厚度的射束在图中，为了容易理解，记载为圆锥体如剑山那样地排列由此，布喇格峰的宽度S OBP (Spread-Out Bragg Peak)被扩大即，通过脊形过滤器2，还沿z方向对照射野进行了扩散接下来，扩大照射野后的带电粒子束B通过射程移位器3射程移位器3是用于改变带电粒子束B的能量的装置通过射程移位器3，能够将扩大后的照射野照射到所希望的体内深度接下来，通过射程移位器3后的射束通过挡块准直器4挡块准直器4是设置有通孔PH的金属块等，限制照射野在平面方向(xy平面)上的扩散这是因为，如果预先对照射范围进行限制，则能够防止对正常组织进行不必要的照射接下来，带电粒子束通过多叶准直器5如后面详细说明的那样，多叶准直器5用于利用根据多个叶片板5匸的位置而形成的透过形状PS，将照射野限制成与患部形状一致即，利用多叶准直器5，在xy方向上对照射野进行限制并使其成形此外，多叶准直器5中至少包括叶片板5 L (作为整体为叶片组5 J、以及叶片驱动机构5 D但是，如果叶片驱动机构5D能够表示叶片的驱动轨道，则其本身的结构并不重要另外，由于若用图来记载叶片驱动机构5D本身，则会使表示叶片板5J勺结构变得困难，因此，在上图1、2以及后面的附图中，为了将其简化，在多叶准直器5之中，仅将叶片板5匸或合并叶片板5匸后得到的叶片板组5 cj的部分抽出并记载最后，带电粒子束B通过物块6物块6是由树脂等制成的限制器，呈现为患部深度的形状，例如，形成为补 偿患部的末端(D i s t a I)形状的形态末端形状是指最深部的凹凸形状此处，照射野的能量被限制(在z方向上成形)，并具有与末端形状相同的形状即，利用物块6，在z方向上对照射野进行限制并使其成形粒子射线治疗装置的照射系统的作用在于，使进行照射的照射野形成为与患部一致作为该方法，在本实施方式I所涉及的粒子射线治疗装置中采用摆动法，在该摆动法中，仅利用摆动电磁铁I来扩大照射野该方法具体的示例是例如专利文献3中示出的“通过螺旋射束扫描而实现大面积且均匀的照射法”，在摆动法中也被称为螺旋摆动法简而言之，螺旋摆动法是以螺旋状对射束进行扫描来扩大照射野的方法，通过改进该照射野内的扫描轨道(扫描轨迹)来确保平坦度此外，由螺旋摆动法形成的射束的扫描轨道可以参看专利文献3的图1等另一方面，摆动法一般多指单圆摆动法，在此情况下，在扩大照射野时通过散射体来确保平坦度因此，即使在相同的摆动法中，也存在有使用散射体的情况和不使用散射体的情况，射束的方向性也因散射体的有无而不同在使用散射体的情况下，由于在散射体的整个面上射束发生扩散，因此，在通过某个点的射束的照射方向上产生宽度另一方面，如螺旋摆动法那样不使用散射体，且仅使用扫描电磁铁来扩散射束，在此情况下，通过某个点的射束的照射方向是主要由离开扫描电磁铁的位置而确定的一个方向图3是表示在本实施方式I所涉及的粒子射线治疗装置10的照射系统内，利用两级扫描电磁铁I所产生的射束的扩散方式(射束F B的形状)的示意图在螺旋摆动法中，射束如图3所示那样地扩散，而非点光源式扩散为了便于说明，将图3中示出的射束的扩散方式称为“两级扫描式扩散”在射束不是点光源，且进行两级扫描式扩散时，需要设计一个与此相适的限制器这里，对两级扫描式扩散追加一些详细的说明如图3所示，射束B从上方向下方(z方向)进行照射射束B原本以被称作为笔形射束的较细的状态被提供在射束轴XBi，设定有基准点C P a及基准点C P b基准点CP a可认为是配置上游摆动电磁铁Ia (严谨地说是扫描轴Asa)的位置，同样地，基准ACPb可认为是配置下游摆动电磁铁Ib (严谨地说是扫描轴A s b)的位置配置于基准点CPa的上游摆动电磁铁Ia以基准点CPa为基准对射束进行扫描上游摆动电磁铁Ia的射束的扫描方向是在图3 (b)的平面内(xz平面)进行扫描的方向，并且通过射束轴Xb上的基准点C P a，与射束轴XbS直的轴Asa成为上游摆动电磁铁Ia的作用轴(扫描轴)另外，配置于基准点C Pb的下游摆动电磁铁I b以基准点CPb为基准对射束进行扫描下游摆动电磁铁Ib的射束的扫描方向是在图3 (c)的平面内Cyz平面)进行扫描的方向，并且通过射束轴Xb上的基准点C P b，与射束轴Xb及轴Asa垂直的轴Asb成为下游摆动电磁铁I b的作用轴(扫描轴)也就是说，上游摆动电磁铁Ia的扫描方向(X)及下游摆动电磁铁Ib的扫描方向(y)与射束轴X B垂直，并且，下游摆动电磁铁Ib的扫描方向(y)与上游摆动电磁铁Ia的扫描方向(x)垂直另外，利用图3对上述射束F B的形状进行几何学说明如图3 (b)所示，引出以基准点C P a为上端点的垂直(z方向)线段，并在线段上除基准点CPa以外的位置设置基准点C P b以基准点CPa为中心使线段仅旋转土 α度，此时得到线段通过的扇形F s a该扇形F s a相当于在仅使用上游摆动电磁铁Ia时射束的扩散接下来，利用通过基准点CPb的基准轴人s b将扇形F s a分为上半部分及下半部分使扇形F s a的下 半部分相对于基准轴A s b仅旋转土 β度，此时得到扇形F sa下半部分通过的区域在图3 (c)中，该区域可看作为扇形F s b的区域，该区域示出了射束的扩散方式(射束能通过的区域射束Fb)也就是说，进行两级扫描式扩散的射束F3勺形状在X方向及I方向上形成为曲率半径不同的扇形考虑到如上所述通过利用扫描方向不同的2个扫描电磁铁la、lb来扩大照射野而产生的、对射束进行两级扫描式扩散后的射束F B的形状，本发明的实施方式所涉及的多叶准直器5用于在不受半影带影响的情况下正确地形成对比度较高的照射野即，在本发明的实施方式I所涉及的多叶准直器5之中，各个叶片板5 ^和与其在厚度方向上相邻的叶片板的实际的相对面形成在一个平面内，该平面在电粒子束B的射束轴X B上且包含设定在基准点C P a上的扫描电磁铁Ia的扫描轴人s a在内，沿着以设定在射束轴XBi的基准点C P b上的扫描电磁铁Ib的扫描轴A s b为中心的圆周轨道,对各个叶片板5^进行驱动，该扫描电磁铁Ib的扫描轴A s (3与射束轴乂13及扫描轴人s a垂直下面，利用图4、5进行详细说明图4是为了说明多叶准直器及在多叶准直器内进行驱动的叶片板的结构而示出的全封闭状态下的叶片的状态的图，图4 Ca)是多叶准直器的叶片组整体的外观透视图；图4 (b)是从图4 (a)的P方向观察到的上表面透视图，图4 (c)是从图4 (a)的F方向观察到的正面透视图，图4 (d)是从图4 (a)的S方向观察多叶准直器的左半部分的叶片列的侧面透视图另外，图5是表示形成预定形状的照射野的状态的图，图5 (a)是多叶准直器的叶片组整体的外观图；图5 (b)是从图5 (a)的P方向观察到的上表面透视图，图5 (c)是从图5 (a)的F方向观察到的正面透视图，图5 (d)是从图5 Ca)的S方向观察多叶准直器的左半部分的叶片列的侧面透视图如图4、5所示，多叶准直器5具有将多个叶片板5匸的一个端面E匸对齐且排列在厚度方向上的2排叶片列(52 合称为5)，并且包括叶片组5 Ci，该叶片组5 Ci配置成使得叶片列5i与52的一个端面E J皮此相对；以及未图示的叶片板驱动机构，该叶片板驱动机构驱动各个叶片板5 L以使其靠近或远离与其相对的叶片板,各个叶片板5 L的形状是作为各个叶片板的板材主面的实际形状，即与相邻的叶片板的相对面Pt形成于包含在X方向上扩大带电粒子束B的扫描电磁铁Ia的扫描轴A s a在内的平面也就是说，板材主面形成于包含扫描电磁铁Ia的扫描轴A s a在内的2个平面，在包含照射方向及板厚方向在内的平面中切断叶片板后的横截面的厚度随着从带电粒子束B的照射方向的上游侧向下游侧而变厚并且，将各个叶片5 J勺驱动轨道(yz平面内的方向)设为圆周轨道O u该圆周轨道O ^与距离下游电磁铁Ib的扫描轴A s b的距离相对应，该下游电磁铁Ib在y方向上对带电粒子束B进行扩大，而且，在叶片板5匸的4个端面中，与一个端面E匸相邻的入射侧的端面尸工的形状、以及射出侧的端面Px的形状分别形成为以扫描轴Asb为中心的圆弧，也就是说，通过形成以扫描轴A s b为中心的圆环的一部分，从而即使沿着圆周轨道Of驱动叶片板5 u沿着带电粒子束B的 照射方向的深度尺寸也不发生变化由此，无论将叶片板5 ^驱动至哪个位置，例如如图5所示，使形成透过形状PS在X方向上的轮廓的叶片板5 J勺端面E ^与通过端面E ^附近的带电粒子束B的照射方向平行，从而不产生半影另外，使形成透过形状PS在y方向上的轮廓的叶片板5匸的相对面P^与通过相对面P L附近的带电粒子束B的照射方向平行，从而不产生半影也就是说，在多叶准直器5所形成的透过形状PS的轮廓部分中没有产生半影带的部分，由此能够形成适合于患部形状且正确的照射野也就是说，只要本发明的实施方式I所涉及的多叶准直器5的各个叶片板5匸在厚度方向上的形状及驱动轨道O ^与带电粒子束B的射束F B的扩散形状相同即可即为在对两级扫描电磁铁la、lb的扫描角分别进行限制时可通过的范围甚至可以说是从射束源起的射束传播距离在某个范围内时的带电粒子束的位置由于多叶准直器5是通过层叠叶片板5匸而得到的，因此，形成后的透过形状PS也是带电粒子束的射束F B的扩散形状另外，由此，形成透过形状PS的开口(轮廓)不取决于开口形状，使作为开口的壁面的、面向叶片板5匸的照射野中心的端面E P及与相邻叶片板的相对面P u与通过该面附近的带电粒子束的照射方向相一致因此，能够解决在使用两级扫描电磁铁la、lb时引起的半影问题此夕卜，在以提高平坦度为目的而使用散射体来进行照射的情况下，在上述两级扫描式的照射方向的分布中产生宽度因此，即使在使用该多叶准直器5的情况下，一部分的带电粒子束也会照射到叶片板的端面E ^或相对面Pl上，与不使用散射体的情况相比，抑制半影带的效果有所降低，但是与现有的单纯的锥形体多叶准直器相比，可以得到抑制半影带的效果此外，在上述实施方式I所涉及的多叶准直器5中，以上游侧电磁铁Ia的位置为基准来设定厚度方向的形状，以下游侧电磁铁Ib的位置为基准来设定驱动轨道O U但并不仅限于此，也可以进行相反的设定因此，上游电磁铁Ia对X方向进行扫描，下游电磁铁Ib对y方向进行扫描，但也可以相反另外，图中显示了规定各个叶片板5 J勺厚度的相对面1之间的角度相等，但并不仅限于此即使不相等也可以得到抑制上述半影带的效果并且，用“实质上”来表现相对面是因为相对面层叠在厚度方向上，且是用于与实质上相邻的叶片区别的面，可理解为例如，即使在相对面内形成有用于形成驱动用轨道的沟或凹槽等，也形成于包括设定在基准点CPa上的扫描电磁铁Ia的扫描轴A s 3在内的平面内另夕卜，叶片列5 C1、5 C2的各个叶片5匸呈现为一对一的成对状态，但也并非必须成对另外，叶片列也并非必须为2列，例如，在仅有一列的情况下，只要在叶片板的端面E ^最靠近射束轴XB时，与固定面紧贴并阻挡射束B即可另外，也可以具有若干列另外，作为扩大照射野的方法，对扫描轨迹呈螺旋状的螺旋摆动法进行了说明，但如后述的实施方式中说明的那样，也可以采用其它的螺旋摆动法，而且并非仅限于螺旋摆动法另外，起照射嘴功能的电磁铁也并不仅限于摆动电磁铁1，只要是利用扫描方向不同的2个电磁铁来扩大照射野的照射嘴即可如上所述，根据本实施方式I所涉及的多叶准直器5，该多叶准直器配置于为利用扫描电磁铁I来扩大照射野后被照射出的带电粒子束B中，用于形成适合于照射对象即患部形状的照射野，并且该多叶准直器5包括叶片列5 c，该叶片列5 c使多个叶片板5 J勺一个端面E j寸齐并使其排列在厚度方向上；以及叶片板驱动机构5 D，该叶片板驱动机构5 D驱动各个叶片板5 u以使一个端面E匸相对于粒子束B的射束轴X B、或相对于与其相对的叶片板靠近或远离，各个叶片板5 L之中，叶片板和在厚度方向(X方向)上与该叶片板相邻的叶片板的相对面P ^形成在平面P s a上，平面P s a包含第I轴即扫描轴A s a，该第I轴设定于带电粒子束B的射束轴X B上的第I位置即基准点CPa、且与射束轴X B垂直，叶片板驱动机构5 D沿着以第2轴即扫描轴A s b为中心的圆周轨道O匸来驱动叶片板5 u该第2轴设定于射束轴Xb上的第2位置即基准点CPb、且与射束轴Xb及第I轴A s a垂直，由于多叶准直器5具有这样的结构，因此，形成多叶准直器5的透过形状PS的轮廓的相对面P匸或端面E L的方向与带电粒子束B的射束F B的扩散方式一致，从而能够抑制半影的影响并根据照射对象的形状来形成正确的照射野另外，由于在叶片板5 L主要的4个端面中，将与一个端面E J勺相邻面即带电粒子束B的入射侧的端面P1工及射出侧的端面Px的形状形成为以第2轴即扫描轴A s b为中心的圆弧形，因此，能够易于沿着圆周轨道O L来驱动叶片板5 P另外，无论如何驱动叶片板5 u沿着带电粒子束B的照射方向的深度尺寸也不发生变化，从而使得用于遮蔽带电粒子束的距离不变另外，本发明的实施方式I所涉及的粒子射线治疗装置10包含摆动电磁铁1，该摆动电磁铁I利用扫描方向不同的2个电磁铁I a、l b对由加速器提供的带电粒子束B进行扫描并进行照射以扩大照射野；以及上述多叶准直器5，该多叶准直器5配置于由照射嘴I照射出的带电粒子束B (即射束？中，多叶准直器5的第I轴与上述2个电磁铁中的一个电磁铁的扫描轴(A s a*A sn) 一致，并且第2轴与另一个电磁铁的扫描轴(A s ,或八s a)—致，根据这样的结构，能够抑制半影的影响并利用与照射对象的形状相应的照射野来照射带电粒子射线实施方式2.在实施方式I中，阐述了对射束进行螺旋状扫描的螺旋摆动法的应用然而，射束在照射野内的扫描轨道形状(扫描轨迹)并不仅限于本发明的技术思想，在其它射束扫描轨迹中，进行两级扫描式扩散的情况也能发挥出效果因此，在本实施方式2中，将本发明的多叶准直器应用到具有其它代表性的射束扫描轨迹的照射系统中，对该情况进行阐述首先，对利用实施方式I中所使用的螺旋摆动法而得到的射束扫描轨迹进行说明如专利文献3中记载的那样，螺旋状扫描轨迹根据包括如下3个等式在内的式(I)得到的(数学式I)