专利名称：粒子射线照射装置及具备该装置的粒子射线治疗装置的制作方法在粒子射线治疗方法中，使用加速至光速的约70%的质子束或碳射线等高能粒子束。在向体内照射这些高能粒子束时，具有以下特征。第一，所照射的粒子束大部分都停止在深度为与粒子能量的约I. 7次方成比例的位置。第二，对于提供给所照射的粒子束在体内停止之前所通过的路径的能量密度(称为剂量)而言，在粒子束的停止位置处具有最大值。将沿所通过的路径所形成的特有的深部剂量分布曲线称为布拉格曲线(Bragg curve),将剂量值最大的位置称为布拉格峰。 在利用常用的、被称为二维照射法的照射野形成法的粒子射线照射系统中，首先，沿横向扩展粒子束，以形成横向的均匀照射野。然后，利用患者准直器或多叶准直器等准直器，根据患部的形状来调整照射野的形状。另外，使粒子束通过为每个患者制成的能量补偿滤过板(称为患者组织等效物或Bolus)，使得作为粒子束的体内停止位置(布拉格峰的位置)的最大深度位置与横向位置无关而与患部的边缘附近相一致。然后，利用被称为隆起滤过板的装置，来扩展布拉格峰的宽度，使得覆盖整个患部深度宽度。由此，能在患部体积内形成基本均匀的剂量分布。作为沿横向扩展粒子束的方法，有使用散射体的方法、使用摆动电磁铁的方法等。对于使用摆动电磁铁的摆动法，有使不到10厘米的射束点沿圆形轨道以50Hz左右的频率进行旋转、从而在中心部形成均勻的剂量分布的单圆摆动法(single circular wobblermethod)、以及将O. 5 — 2cm左右的射束点沿复杂的扫描图案进行高速扫描、从而在中心部形成均匀的剂量分布区域的方法。由于将较细的射束点沿一定的周期图案进行扫描从而形成均匀的横向剂量分布，因此，该方法也被称为均匀扫描。作为扫描图案，已知有螺旋图案和锯齿波图案。在扫描图案为螺旋图案的情况下，称为螺旋摆动法。现有技术文献专利文献专利文献I :日本专利特开2002 - 191709号公报非专利文献非专利文献I :Masataka Komori, et al, “Optimization of spiral-ffobblerSystem for Heavy-Ion Radiotherapy (重离子放射线疗法的螺旋摆动系统的优化)”，“Japanese Journal of Applied Physics (日本应用物理杂志)”, 2004, Vol. 43, No. 9A,pp.6463-646
发明所要解决的问题在非专利文献I或专利文献I所记载的粒子射线照射装置中，由于使用螺旋摆动法，因此，与单圆摆动法相比，使射束点沿更复杂的扫描图案进行扫描。因此，在照射中对螺旋摆动系统是否正常动作进行监视更为复杂。本发明的目的在于提供一种粒子射线照射装置，该粒子射线照射装置在利用摆动系统或其他扫描机构来扫描粒子束以形成横向照射野，能以简单的结构来检查扫描机构等的动作，从而可靠性更高。用于解决技术问题所采用的技术方案本发明所涉及的粒子射线照射装置包括粒子束屏蔽体，该粒子束屏蔽体对扫描出的粒子束的一部分进行屏蔽；即时信号检测器，该即时信号检测器对扫描出的粒子束与该粒子束屏蔽体发生碰撞时所产生的即时信号进行检测；以及信号比较装置，该信号比较装置预测并求出由预先决定的扫描图案所产生的即时信号的产生图案，并将其作为比较用信号时间图案来进行存放，该信号比较装置将检测信号时间图案与所存放的比较用信号时间图案进行比较，以对粒子束的扫描或粒子束屏蔽体的异常进行检测，其中，所述检测信号时间图案是根据预先决定的扫描图案来将粒子束进行扫描并对目标照射粒子束时由即时信号检测器所检测出的信号的时间图案。发明的效果作为本发明的粒子射线照射装置，可以提供能以简单的结构来检测出扫描机构等的异常的、可靠性较高的装置。图I是表示本发明的实施方式I的粒子射线照射装置的简要结构的框图。图2是从粒子束的射入方向观察本发明的实施方式I的粒子射线照射装置的准直器的俯视图。图3是表示本发明的实施方式I的粒子射线照射装置的、由计算所获得的比较用信号时间图案的例子的线图。图4是表示由本发明的实施方式I的粒子射线照射装置的即时放射线检测器所检测出的检测信号时间图案的例子的线图。图5是从粒子束的射入方向观察本发明的实施方式I的粒子射线照射装置发生异常情况下的准直器的俯视图。图6是表示本发明的实施方式I的粒子射线照射装置发生图5的异常情况下的、由即时放射线检测器所检测出的检测信号时间图案的例子的线图。图7是从粒子束的射入方向观察本发明的实施方式I的粒子射线照射装置发生其他异常情况下的准直器的俯视图。图8是表示本发明的实施方式I的粒子射线照射装置发生图7的异常情况下的、由即时放射线检测器所检测出的检测信号时间图案的例子的线图。图9是从粒子束的射入方向观察本发明的实施方式I的粒子射线照射装置的其他准直器的俯视图。图10是表示本发明的实施方式2的粒子射线照射装置的简要结构的框图。图11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。图12是表示由本发明的实施方式3的粒子射线照射装置的即时放射线检测器所获得的即时放射线信号的例子的线图。图13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。图14是表示本发明的实施方式4的粒子射线照射装置的显示装置的画面的例子的示意图。图15是表示本发明的实施方式5的粒子射线照射装置的主要部分的示意图。
接下来，对本发明的实施方式I的粒子射线照射装置的动作进行说明。首先，按照治疗计划来为每个患者决定准直器的开口形状，使得粒子束只对患部体积进行照射。在图
2中，为了简单起见而示出了最简单的准直器6，但实际上多为以下情况S卩，从金属等的板材挖出并制成准直器；或使用叶片位置可变的自动控制式多叶准直器。另外，按照治疗计划，来决定患部的照射中所需要的粒子束的扫描图案。在扫描参数中，包含所使用的扫描图案、以及也被称为扫描半径的扫描图案的最大范围等。通过粒子束的扫描而获得的均匀照射范围必须比准直器6的开口部65要大。最终，只有穿过准直器的粒子束到达患部，从而形成与患部形状相一致的照射野。接着，利用包含所决定的准直器6的朝向的准直器的开口部形状、粒子束扫描图案、以及扫描范围的信息，来计算即时放射线信号的时间图案，即时放射线信号被认为是即时放射线检测器11对因粒子束5与准直器6发生碰撞而产生的即时放射线进行检测并输 出的。通过该计算而求出的即时放射线信号的时间图案是比较用信号时间图案。具体而言，粒子束轨道完全通过准直器的开口部65的期间，即时放射线信号为O。在粒子束轨道被准直器6所屏蔽的期间内，即时放射线信号具有规定的值。这里，即时放射线信号的大小与此时的粒子束电流强度成比例，但由于粒子束电流本身在多数情况下会随着时间而变动，因此，在计算中首先将即时放射线信号的有无设为参数。以准直器为图2所示的简单的四片挡块准直器(block collimator)、扫描图案呈图2所示的锯齿形的情况为例进行说明。图3是根据准直器6的开口部65的形状和粒子束的扫描图案的信息进行计算而获得的即时放射线信号的时间图案、即比较用信号时间图案的例子。示出了以下情况即，在粒子束4通过准直器的开口部65的期间内，观测不到准直器6所产生的即时放射线，在粒子束5被准直器6 (准直器叶片61)所屏蔽的期间内，检测到即时放射线并输出信号。另夕卜，在粒子束加速器为同步加速器的情况下，由于粒子束电流呈脉冲状，因此，在图3中用T来表示的射束中断期间内，观测不到准直器6所产生的即时放射线。图3所示的SI信号的宽度与图2所示的区域Al内的粒子束轨道的长度成比例。同样，可以通过计算来对测定即时放射线的时刻和时间宽度进行预测，所述即时放射线由被准直器61所屏蔽的粒子束5所产生。然后，将图3所示的比较用信号时间图案存放于图I所示的信号比较装置12。接着，设定准直器61的位置，使其成为按照治疗计划来决定的形状，还事先对其他照射设备和参数进行调整和设定。以此完成治疗开始的准备。接着，摆动电磁铁2的扫描电源3根据计划好的扫描图案向摆动电磁铁2传送电流，从而沿扫描图案对摆动电磁铁2进行励磁。然后，从加速器射出粒子束，将其经射束输送系统射入摆动电磁铁2。射入到摆动电磁铁2的粒子束I沿扫描图案进行扫描，成为粒子束4。粒子束4通过准直器6的开口部65并穿过患者组织等效物7和患者体表8后，对患部9进行照射。另一方面，被准直器6所屏蔽的粒子束5与准直器6发生碰撞，与准直器中的原子核发生反应，瞬间产生即时Y射线等即时放射线。由于在粒子束5与准直器6发生碰撞的瞬间产生即时放射线，因此，其产生时刻由粒子束4在准直器的面上的轨道图案41和准直器6的开口部65的形状唯一决定。即时放射线检测器11对产生自准直器6的即时放射线进行检测。图4表示用即时放射线检测器11对即时放射线进行检测而得的即时放射线信号、即检测信号时间图案的例子。在图4中，SI、S2、S3、S4、S5、S6分别是由与图2所示的区域Al、A2、A3、A4、A5、A6相对应的部分所产生的即时放射线信号。此外，例如在向患部9照射粒子束时，患部9也会产生即时放射线，但其强度与准直器6所产生的强度相比非常弱。在图4中，较弱的像噪音那样的信号是由即时放射线检测器11对患部9所产生的即时放射线进行检测而得的信号，能简单地区分所检测出的即时放射线是否为准直器6所产生的即时放射线。将该所检测出的检测信号时间图案传送至信号比较装置12。信号比较装置12将检测信号时间图案与所存放的比较用信号时间图案进行对照，以对扫描图案是否与计划相一致进行监视。例如，在扫描图案呈周期性的情况下，在粒子束开启的期间(从加速器输出粒子束的期间)内，将比较用信号时间图案上的相邻信号脉冲的最大时间间隔设为AT，在这种情况下，在检测信号时间图案上的相邻信号脉冲的时间间隔比AT要长的情况下，可以判断为粒子束的扫描机构发生了某种异常。根据图2容易获知，AT基本由准直器6的开口部65的最大开度以及扫描图案的 详细形状来决定，因此，若相邻即时放射线信号脉冲的时间间隔比ΛΤ更长，则意味着粒子束轨道的范围变至准直器的开口部65的内侧。另外，当正在进行照射时，准直器6的开口部65发生变动的情况下，由于即时放射线检测器11所检测出的即时放射线的检测信号时间图案(脉冲的时间宽度、间隔)也会发生变化，因此，在照射中准直器发生异常的情况下，信号比较装置12也能检测出异常。在粒子射线照射装置所使用的周期性扫描图案的扫描周期为从20Hz至60Hz左右的情况下,信号脉冲的时间间隔ΔΤ为从25msec至8. 3msec左右。由于即时放射线检测器11的响应时间为10 μ sec左右，与Λ T相比足够快，因此，能以足够高的精度来检测出粒子束通过准直器边缘的时刻。图5示意性地示出了在粒子束的扫描图案上发现异常的情况下、Y方向上的扫描量成为O、粒子束轨道42成为沿X方向的线状的情况。图6表示与图5相对应的即时放射线检测器11所检测出的即时放射线的检测信号时间图案。只有在粒子束在两端(例如粒子束位置50)上被准直器6所屏蔽的期间内，才能观测到较强的即时放射线。图6的检测信号时间图案与图3所示的比较用信号时间图案之间的差异很明显，利用信号比较装置12能容易地判断异常。图7表示在摆动电磁铁2产生异常、粒子束的扫描完全停止的情况下的粒子束51与准直器的开口部65之间的位置关系的一个例子。图8表示与图7相对应的即时放射线检测器11所检测出的即时放射线的检测信号时间图案。正在进行照射时，粒子束的扫描停止、粒子束43的位置成为如图7所示的位置的情况下，如图8所示，由于无法用即时放射线检测器11来观测准直器6所产生的即时放射线信号，因此，在信号比较装置12中，通过将检测信号时间图案与比较用信号时间图案相比较，能检测出扫描图案的异常。这样，由于在本发明的实施方式I的粒子射线照射装置中，除了以往的摆动扫描电源的异常监视和由粒子束监视器所进行的异常监视的功能之外，还能以简单的系统结构来实现对扫描图案的异常的检测，因此，具有能进一步提高粒子射线照射装置的可靠性的效果。另外，根据本发明，还具有能检测出准直器6的异常的效果。另外，以上以准直器6由四片准直器叶片61所构成的情况为例进行了说明，但并不局限于此，不言而喻，即使在如图9所示的、使用多片准直器叶片62来形成开口部65的多叶准直器的情况下，也能获得本发明的效果。此外，在图I中，示出了即时放射线检测器11配置于准直器6的上游侧的情况，但即使将即时放射线检测器11配置于准直器6的下游侧，效果也相同。在将即时放射线检测器11配置于患者背后的、治疗台的下游的情况下，具有能高效地检测出准直器中所发生的原子核反应所产生的即时Y射线或即时中子射线的效果。另外，在上述说明中，以粒子束的扫描图案为锯齿形图案的情况为例进行了说明，但并不局限于此，即使在扫描图案为专利文献I或非专利文献I所记载的螺旋形扫描图案的情况下，也能获得相同的效果。另外，在上述说明中，以使用隆起滤过板将粒子束布拉格峰扩展至患部的深度方向的宽度的情况为例进行了说明，但即使在像将患部沿深度方向分割成多个层状区域并对每层改变粒子束的能量进行照射的层叠原体照射(层叠一致照射stacked conformationirradiation)那样、利用宽度较窄的放大布拉格峰来进行照射的治疗装置的情况下，本发·明的效果也相同。另外，在上述说明中，以从同步加速器获得粒子束的情况为例，但即使在使用回旋加速器的粒子射线照射装置的情况下，效果也相同。此外，在上述说明中，将即时放射线检测器11作为检测即时放射线信号的检测器来进行了说明，但即使即时放射线检测器11由以下检测器所构成，也与上述所说明的效果基本相同，其中，所述检测器对粒子束与由黄铜、铁等所构成的准直器6发生碰撞而产生的即时信号(Prompt Signal)内的、全部或部分包含Y射线或中子信号的即时信号进行检测。重要的是，检测出与准直器发生碰撞后所立即产生的信号，并将其检测信号时间图案与通过计算等求出的比较用信号时间图案进行比较。其原因在于，这样的即时信号的时间图案是根据准直器6的开口形状、相对于其粒子束照射方向的旋转角度位置、粒子束4、5的扫描轨道、以及粒子束I的强度的时间信息来决定的。另外，对准直器6涂布或添加特别的材料，使得在粒子束5进行碰撞时容易产生信号，并对这些信号进行检测，这样也能获得本发明的效果。例如，信号可以是声波信号、可视光信号、非可视光信号、或二次电子信号。在本发明中，将这些Y射线、中子射线等放射线、二次电子、声波、光等粒子束5与准直器(粒子束屏蔽体)6发生碰撞而产生的信号定义为即时信号。若将即时放射线检测器11设为检测这些作为目标的即时信号的即时信号检测器11，则同样能获得上述说明的效果。另外，在本发明中，在准直器为多叶准直器的情况下，由于以其开口形状对每个患者都不同的多叶准直器的形状为基础来制成即时信号的比较用时间图案，因此，除了能监视照射中的螺旋摆动系统的动作以外，还能对照射中多叶准直器的形状发生变化的情况进行检测。另外，在本发明中，由于对从准直器发出的即使Y射线信号等的、粒子束与准直器发生碰撞后所立即产生的即时信号的时间图案进行监视，因此，能在粒子束与准直器发生碰撞时刻的几乎同时检测出即时信号。因此，能高精度地检测出粒子束发生碰撞的时刻，而不用担心时间延迟。另外，由于本发明检测从与粒子束发生碰撞的准直器飞出的Y射线或光等即时信号，并检测粒子束发生碰撞的时刻，因此，即使在粒子射线治疗所使用的几纳安(nA =I. 0E-9A)的粒子束电流的情况下，也能高精度地检测出粒子束与准直器发生碰撞的时刻，而无需例如对准直器主体进行使其绝缘悬空等特别的改造。这具有避免粒子射线照射装置所使用的准直器变复杂的效果。即，即使设置于照射嘴的多叶准直器等准直器保存以往状态不变，也能发挥本发明的效果。另外，在将即时信号设为即时Y射线等即时放射线的情况下，例如即使将即时放射线检测器11设置于像隔着治疗台、或照射嘴的相反侧那样的远离准直器的位置，也能检测出由准直器所产生的即时放射线信号。实施方式2.图10是表示本发明的实施方式2的粒子射线照射装置的简要结构的框图。在图10中，与图I相同的标号表示与图I相同或相当的部分。本实施方式2是将本发明运用于具有旋转台机构的粒子射线照射装置的实施方式。图10所示的粒子射线照射装置包括用于减轻旋转台转矩的平衡锤31、治疗台32、治疗室地板33、旋转台转轴34、以及输送粒子束以构成旋转台的旋转台电磁铁组35。
在该实施方式2中，将即时放射线检测器11与平衡锤31 —起设置于进行旋转的框架上。其他部分与实施方式I相同。因而，本实施方式2的基本动作与实施方式I相同。在本实施方式2中，由于将即时放射线检测器11与旋转台的平衡锤31 —起设置于进行旋转的框架上，因此，无论旋转台的旋转角度如何，都能始终捕捉到由准直器6所产生的即时放射线信号(Y射线、中子射线等)的前方集中分量(concentrated component in frontdirection)。因此，无论在旋转台的哪种照射角度下，都能检测出信噪比较好的即时放射线信号。实施方式3.图11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11中，与图I相同的标号表示相同或相当的部分。在本实施方式3中，通过作为将即时放射线检测器11所检测出的即时放射线信号与规定阈值Th进行比较的电路的比较器14，将即时放射线信号转换成高度一定的信号，即，对即时放射线信号进行二值化。图12(A)所示的图案是图3所示的、即时放射线检测器11所测定出的即时放射线信号本身。对于该即时放射线信号，在测定出图12(A)的Th所示的电平以上的信号的情况下，进行输出处理。例如，若将图12(A)的信号输入到作为比较器14的一般比较器(comparator)的输入端，将相当于Th的电平设定为比较器14的比较电平，则作为比较器的输出，能获得像图12⑶那样的二值化后的输出。由于阈值Th以下的电平的检测即时放射线信号的即时放射线是除准直器6所产生的以外的即时放射线、例如照射对象物即患部所产生的即时放射线，因此，能进行将这样的信号电平的即时放射线从检索对象去除的处理。根据本实施方式3，由于能根据所处理的即时放射线信号的有无来判断粒子束是否与准直器6发生碰撞，因此，能进一步容易地掌握检测信号时间图案，并容易地将其与比较用信号时间图案进行比较。由此，能获得以下效果即，能容易地在照射中对照射系统的动作进行监视。实施方式4.图13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。在图13中，与图11相同的标号表示相同或相当的部分。在图13中，标号15是显示装置，例如，将检测信号时间图案和比较用信号时间图案显示于显示装置15。图14是显示于显示装置15的画面的示意图。在本实施方式4中，将照射中所测定出的检测信号时间图案显示于治疗室或操作室等中所设置的显示装置15，从而能在照射中直观地对粒子射线照射装置的动作的状态进行监视。此外，将基于照射所使用的准直器形状、旋转角度位置、粒子束的扫描图案、以及粒子束电流时间信息等进行计算而获得的比较用信号时间图案与检测信号时间图案一起显示于显示装置15，从而能在照射中更容易地对粒子射线照射系统的动作进行监视。在图14中，示出了上段显示检测信号时间图案、下段显示比较用信号时间图案的情况的例子，但并不局限于此，也可以使两者重合来进行显示，或显示其差(差异)。实施方式5.图15是表示本发明的实施方式5的粒子射线照射装置的主要部分的示意图。图15是表示相当于实施方式I中的图2的位置处的粒子束的轨道等的图。在粒子射线照射装置中，存在只通过将粒子束进行扫描的扫描电磁铁来形成横向照射野的分步扫描照射方法(step scan irradiation method)等用粒子束本身来形成横向照射野而不使用准直器的照射方法。在这种情况下，由于没有准直器，因此，不存在与粒子束发生碰撞而产生即时 信号的构件，因而，无法获得像实施方式I 4那样的即时信号。因此，在本实施方式5中的粒子射线照射装置中，在未使用准直器的结构中，在扫描电磁铁的下游设置至少一个以不对照射野形成造成影响的程度对粒子束的极小一部分进行屏蔽来产生即时信号的粒子束屏蔽体。即，如图15所示，在由扫描出的粒子束轨道44所形成的扫描区域66的边界上，例如如在图15中用粒子束51来表示的那样，在只与粒子束的一部分发生碰撞的位置上设置粒子束屏蔽体63。可以根据扫描图案和扫描开始时间等时刻信息，来事先预测并计算粒子束在什么时刻与粒子束屏蔽体63发生碰撞。将所预测出的、粒子束屏蔽体63所产生的即时Y射线等即时信号作为比较用信号时间图案来存放于信号比较装置12中。将该比较用信号时间图案与照射中由即时信号检测器11所检测出的检测信号时间图案进行比较，从而能对照射系统的健全性进行交互核对。如上所述，本发明并不局限于摆动系统，而是可以适用于所有根据预先决定的扫描图案来将粒子束进行扫描的粒子射线照射装置。标号说明I :粒子束2:摆动电磁铁4:扫描出的粒子束5 :被准直器所屏蔽的粒子束6 :准直器(粒子束屏蔽体)11 :即时放射线检测器(即时信号检测器)12:信号比较装置14 比较器15 :显示装置21 :X方向扫描电磁铁22 Y方向扫描电磁铁41 :粒子束在准直器6的面上的轨道图案61、62:准直器叶片
63 :粒子束屏蔽体
65:准直器的开口部


本发明的目的在于提供一种能以简单的结构来检查扫描机构等的动作、从而可靠性更高的粒子射线照射装置。包括对扫描出的粒子束(4)的一部分进行屏蔽的粒子束屏蔽体(6)；对扫描出的粒子束(4)与该粒子束屏蔽体(6)发生碰撞时所产生的即时信号进行检测的即时信号检测器(11)；以及信号比较装置(12)，该信号比较装置(12)预测并求出由预先决定的扫描图案所产生的即时信号的产生图案，并将其作为比较用信号时间图案来进行存放，该信号比较装置(12)将检测信号时间图案与所存放的比较用信号时间图案进行比较，以对粒子束的扫描或粒子束屏蔽体(6)的异常进行检测，其中，所述检测信号时间图案是根据预先决定的扫描图案来将粒子束进行扫描并对目标照射粒子束时由即时信号检测器(11)所检测出的信号的时间图案。