CN104338243A - 粒子线照射系统及其运转方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种粒子线照射系统及其运转方法，其在短时间内实现同步加速器的出射射束能量的变更控制的多级出射控制运转中，在中断了离子束的照射的情况下在短时间内实现运转周期的更新，提高剂量率。构成同步加速器(13)的设备的控制数据由初始加速控制数据(701)、多个出射控制数据(702)、将多个出射控制数据之间连接的多个能量变更控制数据(705)以及与多个出射控制数据对应的多个减速数据(706)构成，并且设置患部位置检测单元(35)和出射许可判定单元(354)，判定透视图像信息所示的标记(352)的位置是否包含在射束照射允许范围(353)内，在包含的情况下，出射许可判定单元(354)向联锁系统(60)输出许可射束出射的出射许可判定信号(355)。

Description

粒子线照射系统及其运转方法
技术领域
本发明涉及一种利用了质子、重离子等带电粒子束(离子束)的适合于粒子线治疗的粒子线照射系统，特别涉及能够短时间地实现射束能量的变更控制和运转周期的更新的粒子线照射系统及其运转方法。
背景技术
作为癌的放射线治疗，已知向患者的癌的患部照射质子或重离子等离子束来进行治疗的粒子线治疗。作为离子束照射法，有扫描照射法。
作为在采用同步加速器作为离子束产生装置的情况下短时间地实现在该扫描照射法中要求的射束能量的变更控制的控制方法，有专利文献1、专利文献2以及非专利文献2所公开的、通过离子同步加速器在一次的运转周期内实现多个能量的离子束的照射的多级出射控制运转。
另外，作为向由于患者的呼吸等生理活动患部随着时间移动的呼吸移动性脏器进行照射的射束照射法，有专利文献3和专利文献4所记载的照射法。
在扫描照射法中，通过控制照射的离子束的能量，来实现向患部的深度方向的照射野(以下记载为层)的照射控制。因此，为了提高应用了扫描照射法时的剂量率，需要短时间实现从离子束产生装置供给的离子束的能量变更。另外，在扫描照射法中，需要控制与患部的大小(从体表面开始的深度)对应地照射的射束能量，因此需要对照射的每个患者或照射的每个患部控制照射的射束的能量组合。
在采用同步加速器作为离子束产生装置的情况下，将入射、加速、出射、减速这样的一连串的运转作为一次的运转周期来控制。如扫描照射法那样，在重复实施离子束的能量变更控制时，同步加速器需要更新运转周期，因此存在花费能量的变更时间的问题。作为其对策，公开了专利文献1和非专利文献2所示的在一次的运转周期内出射多个能量的射束的多级出射运转。例如，在非专利文献2中，准备将能够通过同步加速器照射的全部能量范围合并为一个的运转控制数据，只用照射射束的能量来延长平顶从而出射射束，由此能够通过一次的运转控制向患部照射所照射的全部能量的射束。并且，能够通过一次的运转控制照射全部能量的射束，因此同步加速器能够始终根据相同的运转控制数据实现照射，因此，具有粒子线治疗系统的同步加速器的运转控制简单的效果。
但是，为了有效地实现专利文献1和非专利文献2所示的运转控制，要求同步加速器的积蓄射束电荷量是对于在一次的运转周期中向患部照射的全部能量的照射足够的电荷量。
例如，在同步加速器的加速控制时因某种的原因没有得到治疗照射所需要的积蓄射束电荷量的情况下，在预先设定的照射能量范围的途中，同步加速器内的积蓄射束电荷量枯竭。在同步加速器内的积蓄射束电荷量枯竭的情况下，需要中断离子束的照射，从出射控制转移到减速控制，更新同步加速器的运转控制。在应用了将能够通过同步加速器照射的全部的能量范围合并为一个的运转控制数据作为同步加速器的运转控制数据的情况下，为了保证设定值的连续性，无法从该出射能量直接转移到减速控制。因此，需要更新从该出射能量到减速控制之间的能量变更控制数据。可以列举用于从该出射能量转移到减速控制的时间，来作为使剂量率降低无法缩短治疗时间的主因之一。同样存在以下的问题，即在构成粒子线治疗装置的设备中产生异常，中断了离子束照射的情况下，也无法从该出射能量直接转移到减速控制。
另外，在应用将能够通过同步加速器照射的全部的能量范围合并为一个的运转控制数据的情况下，在与患部的厚度相符的吸收剂量范围(扩展布拉格峰(Spread-Out Bragg Peak)，以下记载为SOBP)窄的照射条件下，存在相对于射束的照射时间，对于射束照射没有帮助的无用时间，即从同步加速器的入射射束能量到照射开始能量为止的控制时间以及从照射结束能量到减速结束能量为止的控制时间的比例变多的倾向，因此无法在短的运转周期内进行希望的能量范围的射束照射，也可以将它列举为使剂量率降低无法缩短治疗时间的主因之一。SOBP对所照射的每个患者和患部不同，因此需要选择形成规定的SOBP所需要的照射能量来作为同步加速器的运转控制数据，进行与该选择出的照射能量对应的运转控制数据的更新控制。
在专利文献2中，表示了以下的加速器的控制装置，其具备：磁场基准产生部，其对于在加速器的磁场线圈中进行励磁的线圈电流，输出与经过时间对应的磁通密度信息；电流基准变换部，其求出产生与磁通密度信息对应的磁场的线圈电流。另外，表示了以下的控制方法，即通过组合4种模式(初始上升模式、减少模式、增加模式、结束模式)来输出磁场基准产生部所输出的磁通密度信息，由此在一次的运转周期内实现多个能量的射束的出射。根据专利文献2，能够组合4种磁通密度模式，在一次的运转周期内出射多个能量的离子束。根据该功能，能够选择形成规定的SOBP所需要的照射能量，但另一方面，预先将选择并输出4种模式的定时写入到定时控制装置中，因此，与专利文献1和非专利文献2同样地，无法解决以下的问题，即在中断离子束的照射的情况下，无法从该出射能量直接转移到减速控制，如果不更新从该出射能量到减速控制之间的能量变更控制数据，则无法转移到减速控制(在专利文献2中所述的结束模式)。
另外，在对呼吸移动性脏器应用扫描照射法时，需要以下的控制，即检测由于患者的生理活动造成的患部的移动，在判定为射束照射位置包含在患部的照射区域中的情况下进行照射。这时，在输出表示射束照射位置包含在患部的照射区域中的出射许可控制信号，并且为同步加速器的出射条件的设定完成的状态的情况下，实施从同步加速器出射射束的控制，由此能够针对呼吸移动性脏器提高射束照射精度。即，通过根据出射许可控制信号从同步加速器出射射束，能够针对呼吸移动性脏器提高射束照射精度。
在这样的向呼吸移动性脏器的射束照射控制中，在根据出射许可信号从同步加速器出射射束时，如专利文献3所示那样，出射许可控制信号的输出停止并且使同步加速器转移到减速控制，接着，实施下一个照射所需要的射束的加速和出射条件设定。当出射许可控制信号的输出停止，并且转移到减速控制时，即使剩余有在同步加速器内环绕的射束也进行减速，因此存在在同步加速器内环绕的射束的利用效率低的问题。
在专利文献4中，表示了为了提高作为专利文献3的问题的在同步加速器内环绕的射束的利用效率，不在出射许可信号的输出停止的同时转移到减速控制，而是在预先设定的待机时间的期间，在停止了射束出射控制的状态下保持运转控制。如果在该待机时间的期间再次输出出射许可控制信号，则实施射束出射控制，由此具有提高在同步加速器内环绕的射束的利用效率的效果。
但是，在多级出射控制运转时根据出射许可控制信号从同步加速器出射射束的情况下，即使根据专利文献4所示的出射许可控制信号的输出停止而停止射束出射控制并转移到待机控制，在超过规定的待机时间的情况下，也需要转移到减速控制。因此，没有表示出怎样实现在多级出射控制运转中要求的能量变更控制等。
另外，在同步加速器内环绕的射束不充分的情况下转移到减速控制时，与专利文献1、专利文献2、以及非专利文献2同样地，没有解决以下的问题，即在中断了离子束的照射的情况下，无法从该出射能量直接转移到减速控制，如果不更新从该出射能量到减速控制之间的能量变更控制数据，则无法转移到减速控制。
专利文献1：专利第4873563号公报
专利文献2：日本特开2011-124149号公报
专利文献3：专利第2921433号公报
专利文献4：日本特开2013-111406号公报
非专利文献1：原子能设备和方法的物理研究A624号(2010年9月)的第33～38页(Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A624(2010)33～38)
发明内容
本发明的目的在于，提供一种粒子线照射系统及其运转方法，其在短时间内实现同步加速器的出射射束能量的变更控制的多级出射控制运转中，以短的运转周期进行希望的能量范围的射束照射，提高剂量率。
本发明的另一个目的在于，提供一种粒子线照射系统及其运转方法，其在短时间内实现同步加速器的出射射束能量的变更控制的多级出射控制运转中，在中断了离子束照射的情况下在短时间内实现运转周期的更新，提高剂量率。
本发明的另一个目的在于，提供一种粒子线照射系统及其运转方法，其在短时间内实现同步加速器的出射射束能量的变更控制的多级出射控制运转中，实现了检测由于患者的生理活动造成的患部的移动，在判定为射束照射位置包含在患部的照射区域中的情况下进行照射的控制，提高剂量率以及射束照射精度。
为了解决上述问题，例如采用权利要求书中记载的结构。
本发明包含多个解决上述问题的手段，如果列举其中一个例子，则具备：同步加速器，其将离子束加速后进行出射；照射装置，其照射从该同步加速器出射的上述离子束；检测单元，其检测因患者的生理活动造成的患部的移动；出射许可判定单元，其根据来自该检测单元的输出值，输出出射许可判定信号；控制装置，通过一个以上的初始加速控制数据、出射多个能量的离子束的多个出射控制数据、将上述多个出射控制数据之间连接的多个能量变更控制数据、与上述多个出射控制数据对应的多个减速控制数据构成构成上述同步加速器的设备的运转控制数据，通过组合这些控制数据来进行多个能量的射束的出射控制，上述控制装置根据从上述出射许可判定单元输出的出射许可判定信号，实施从上述同步加速器的射束出射控制。
由此，能够短时间实现从同步加速器出射的射束能量的变更控制。另外，在多级出射控制运转中从哪个能量都能够迅速地转移到减速控制，由此能够在中断了离子束的照射的情况下短时间内实现运转周期的更新，提高剂量率缩短治疗时间。并且，通过根据出射许可判定信号实施从同步加速器的射束出射控制，能够提高向呼吸移动性脏器的射束照射精度。
另外，更详细的说，本发明具有以下这样的特征。
例如，上述控制装置在从上述同步加速器的射束出射控制时，根据从上述出射许可判定单元输出的出射许可判定信号，用同一能量实施多次的射束出射控制。
另外，上述出射许可判定单元在上述检测单元检测出上述患部位于出射许可范围内时，输出上述出射许可判定信号，在上述患部不位于出射许可范围内时，不输出上述出射许可判定信号。
由此，即使检测到因患者的生理活动造成的患部的移动而中断射束照射，也能够再开始同一能量的射束照射，高效地执行射束照射。
另外，上述控制装置具备：定时系统，其输出用于对构成上述同步加速器的设备的控制定时进行管理的多个控制定时信号；以及电源控制装置，其控制构成上述同步加速器的设备，将构成上述运转控制数据的上述初始加速控制数据、上述多个出射控制数据、上述多个能量变更控制数据以及上述多个减速控制数据存储在上述电源控制装置中，上述电源控制装置输入从上述定时系统输出的上述多个控制定时信号，根据这些控制定时信号，选择并更新上述初始加速控制数据、上述多个出射控制数据、上述多个能量变更控制数据以及上述多个减速控制数据。
另外，还具备射束量检测单元，其检测上述同步加速器内的积蓄射束量，上述控制装置接受从上述出射许可判定单元输出的出射许可判定信号的输入，在对上述同步加速器的运转控制设定出射条件，并且输入了出射许可判定信号时指令射束出射控制，在停止了上述出射许可判定信号时，根据从上述射束量检测单元输入的上述同步加速器内的积蓄射束量的检测结果、照射中的能量的射束照射是否完成的判定结果，判定是进行待机以便在再次输出了出射许可判定信号时能够进行该能量的射束出射，还是转移到能量变更控制以便能够照射下一个能量的射束、还是转移到减速控制，对上述定时系统输出与前面判定出的各个控制对应的控制指令。
另外，上述控制装置还具备联锁系统，其输出将射束从入射到上述同步加速器的射束能量加速到初级的出射能量的初始加速指令、在上述同步加速器中进行初始加速乃至在能量变更后设定出射条件的照射准备开始指令、表示在上述同步加速器中出射条件的设定完成的照射待机指令、根据从上述出射许可判定单元输出的出射许可判定信号和上述同步加速器的出射条件设定状态输出的射束出射指令、停止向上述患部的射束照射的照射停止指令、根据向上述患者照射的离子束的照射经过信息而输出的能量变更指令、根据构成包含上述同步加速器和上述照射装置的粒子线照射系统的设备的状态而输出的减速控制指令以及表示完成了照射的照射完成指令，上述定时系统根据从上述联锁系统输出的上述初始加速指令、上述照射准备开始指令、上述照射待机指令、上述照射停止指令、上述能量变更指令以及上述减速控制指令，从上述多个控制定时信号中选择并输出对应的控制定时信号。
另外，上述电源控制装置进行控制，以便在输入了从上述定时系统输入的上述多个定时信号中的减速控制开始定时信号时，从多个减速控制数据中选择与出射控制完成时的能量对应的减速控制数据，转移到减速控制。
由此，在同步加速器内的积蓄射束量不足而中断了离子束的照射的情况下，能够直接转移到减速控制，短时间内实现运转周期的更新。
并且，上述联锁系统还在构成包含上述同步加速器和上述照射装置的粒子线照射系统的设备发生了异常的情况下，输出上述减速控制指令，上述电源控制装置进行控制，以便在从上述定时系统输入了上述减速控制开始定时信号时，在更新了当前的控制数据后，从上述多个减速控制数据中选择与该更新控制结束后的达到能量对应的减速控制数据，转移到减速控制。
由此，在构成粒子线照射系统的设备发生异常而中断了离子束的照射的情况下，也能够直接转移到减速控制，短时间并且安全地实现运转周期的更新。
另外，上述联锁系统在某个能量的出射控制完成后存在下一个目标能量的情况、或在初始加速控制结束后和能量变更控制结束后达到的能量和下一个目标能量不一致的情况下，输出能量变更指令，上述定时系统在输入了上述能量变更指令时，从上述多个控制定时信号中选择输出能量变更控制定时信号，上述电源控制装置进行控制，以便在输入了上述能量变更控制定时信号时，从上述多个能量变更控制数据中选择与上述某个能量或达到能量对应的能量变更控制数据，转移到能量变更控制。
由此，在不进行射束出射而进行能量变更的情况下，可以不进行出射控制数据的更新控制(出射条件设定控制以及出射条件解除控制)，因此能够实现短时间的能量变更控制，提高剂量率。
另外，构成上述运转控制数据的上述初始加速控制数据、上述多个出射控制数据、上述多个能量变更控制数据、以及上述多个减速控制数据由向构成上述同步加速器的设备直接赋予的控制量即电流/电压的时序数据构成。
由此，不需要参数的变更计算，能够简化设备结构和控制单元。
另外，为了达到上述目的，上述控制装置具备：存储装置，其将控制数据作为模块数据进行存储，所述控制数据包含构成上述运转控制数据的上述初始加速控制数据、上述多个出射控制数据、上述多个能量变更控制数据以及上述多个减速控制数据，能够进行与假定的多个患者的照射条件对应的全部能量的射束出射；以及电源控制装置，其控制构成上述同步加速器的设备，上述控制装置在照射准备时赋予了特定的患者的照射条件时，从存储在上述存储装置中的模块数据中选择相应的控制数据来存储在上述电源控制装置中，构成上述运转控制数据。
由此，没有对射束照射不起作用的浪费时间(从同步加速器的入射射束能量到照射开始能量为止的控制时间以及从照射结束能量到减速结束能量为止的控制时间)，因此能够以短的运转周期进行希望的能量范围的射束照射，提高剂量率缩短治疗时间，并且能够检测因患者的生理活动造成的患部的移动，实现在判定为射束照射位置包含在患部的照射区域中的情况下进行照射的控制。
根据本发明，在短时间内实现同步加速器的出射射束能量的变更控制的多级出射控制运转中，能够以短的运转周期进行希望的能量范围的射束照射，提高剂量率缩短治疗时间。
另外，根据本发明，在短时间内实现同步加速器的出射射束能量的变更控制的多级出射控制运转中，能够在中断了离子束的照射的情况下，短时间内实现运转周期的更新，提高剂量率缩短治疗时间。
另外，根据本发明，在短时间内实现同步加速器的出射射束能量的变更控制的多级出射控制运转中，通过检测因患者的生理活动造成的患部的移动，实现在判定为射束照射位置包含在患部的照射区域中的情况下进行照射的控制，能够提高剂量率以及射束照射精度。
附图说明
图1是表示作为本发明的一个优选实施例的粒子线照射系统的结构的图。
图2是表示作为本发明的一个实施例的基于扫描照射法的照射装置的结构的图。
图3是表示作为本发明的一个实施例的构成同步加速器的多个设备的控制数据的结构的图。
图4是表示作为本发明的一个实施例的实现多级出射运转的控制系统(控制装置)的结构和各装置间的信息传送的图。
图5是表示作为本发明的一个实施例的开始多级出射运转之前的照射准备流程的图。
图6是表示作为本发明的一个实施例的多级出射运转时的控制流程(状态转移)的图。
图7A是表示作为本发明的一个实施例的通过图3所示的控制数据的组合进行的多级出射运转时的控制数据的输出例的图。
图7B是表示作为本发明的一个实施例的通过图3所示的控制数据的组合进行的多级出射运转时的控制数据的输出例子的图。
图8是表示作为本发明的一个实施例的在通过图3所示的控制数据的组合进行的多级出射运转时实施向呼吸移动性脏器的照射时的控制数据的输出例子的图。
图9是表示现有的同步加速器的运转顺序的图。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明的实施方式。
图1是表示作为本发明的一个优选实施例的粒子线照射系统的结构的图。
本实施例的粒子线照射系统1如图1所示具备离子束产生装置11、射束输送装置14、照射野形成装置(带电粒子束的照射装置，以下称为照射装置)30。
射束输送装置14将离子束产生装置11和配置在治疗室内的照射装置30连接起来。
离子束产生装置11具备离子源(未图示)、前级加速器12以及同步加速器13。离子源与前级加速器12连接，前级加速器12与同步加速器13连接。前级加速器12将通过离子源产生的离子束10加速到能够入射到同步加速器13的能量。通过前级加速器12加速后的离子束10a入射到同步加速器13。
同步加速器13具备：高频加速装置(加速空腔)17，其向沿着环绕轨道进行环绕的离子束10b施加高频电压，加速到目标的能量；出射用高频电极20a，其增大环绕的离子束的电子感应加速器振动振幅；以及出射用偏转器20b，从环绕轨道取出离子束。
入射到同步加速器13的射束10b通过施加给高频加速空腔17的加速高频电压被赋予了能量，由此加速到希望的能量。这时，与离子束10b的环绕能量的增加相符地，提高偏向电磁铁18、四极电磁铁19等的磁场强度以及施加到加速空腔17的高频电压的频率，使得在同步加速器13内环绕的离子束10b的环绕轨道固定。
在将离子束10b加速到希望的能量后，通过出射条件的设定控制来控制四极电磁铁19以及六极电磁铁(未图示)的励磁量，由此使能够出射环绕射束10b的条件(环绕射束的稳定限界条件)成立。
在出射条件设定控制结束后，向出射用高频电极20a施加出射高频电压，增大在同步加速器13内环绕的射束10b的电子感应加速器振动振幅。由于该电子感应加速器振动振幅的增大，超过稳定限界条件的环绕射束10b从同步加速器13出射到射束输送装置14，输送到照射装置30。从同步加速器13的射束出射控制通过高频开关21的开/关控制，能够高速地实现施加到出射用高频电极20a的高频电压。
在从同步加速器13的射束出射控制结束后，通过出射条件的解除控制来控制四极电磁铁19以及六极电磁铁(未图示)的励磁量，由此解除在设定出射条件时形成的环绕射束10b的稳定限界条件。
在出射条件的解除控制完成后，降低偏向电磁铁18、四极电磁铁19等的磁场强度以及施加到加速空腔17的高频电压的频率，由此使在同步加速器13内环绕的离子束10b减速，转移到下一个运转周期。
照射装置30与从患者36的体表面开始的深度和患部形状相符地控制通过上述射束输送装置14引导的离子束10c，向治疗床上的患者36的患部37照射。照射装置30基于扫描照射法。扫描照射法具有以下特征：由于直接向患部37照射离子束10d所以离子束10d的利用效率高，与现有的散射体照射法相比，能够进行与患部形状相匹配的离子束10d的照射。
向患部的深度方向的射束距离调整通过变更离子束的能量，实现向希望的患部的照射。特别在扫描照射法中，通过在调整在同步加速器13内环绕的离子束10b的能量后出射，使离子束的距离与患部37的深度相符，因此在向患者的照射治疗中要求多次的能量的变更控制。
另外，作为向患部平面方向的射束照射方法，具有点扫描照射法、光栅扫描照射法等。
点扫描照射法在患部的照射平面上分割为被称为点的剂量管理区域，在对每个点停止扫描直到达到所设定的照射剂量为止照射射束后停止射束，移动到下一个照射点位置。这样，点扫描照射法是对每个点更新照射开始位置的照射法。
另外，光栅扫描照射法与点扫描照射法同样地设定剂量管理区域，但不对每个点停止射束扫描，而是在扫描路径上一边扫描一边照射射束。因此，通过降低每次的照射剂量，实施重复多次地进行照射的重绘照射，由此提高照射剂量的均匀度。这样，光栅扫描照射法是对每个扫描路径更新照射开始位置的照射法。
此外，在点扫描法中，也可以与光栅扫描法同样地进行控制，将在对一个点位置的一次照射中提供的照射剂量设定得低，多次扫描照射平面，由此达到最终的照射剂量。
在图2中表示照射装置30的结构。照射装置30具有扫描电磁铁32a、32b。扫描电磁铁32a、32b与患部形状相符地在患部平面上扫描射束。另外，照射装置30具有测量向患者照射的射束10d的照射剂量的剂量监视器31、射束形状监视器(未图示)，通过它们逐次地确认所照射的射束10d的剂量强度、射束形状。通过扫描电磁铁32扫描的射束10d通过准直仪34与患者36的患部37相符地形成照射野。
另外，在患部37是呼吸移动性脏器的情况下，为了高精度地向患部37照射射束，要求检测患部37的移动，进行只在患部37位于规定的位置的情况下进行照射的控制。
因此，如图2所示，设置患部位置检测单元35和出射许可判定单元354。另外，设置在患部37附近确定患部位置的标记352，通过透视图像取得单元351检测该标记352。将通过该透视图像取得单元351取得的透视图像信息输入到出射许可判定单元354，判定透视图像信息所示的标记352的位置是否包含在射束照射允许范围353内。在透视图像信息所示的标记352的位置包含在射束照射允许范围353内的情况下，出射许可判定单元354向联锁系统60输出许可射束出射的出射许可判定信号355。另外，在透视图像信息所示的标记352的位置不包含在射束照射允许范围353内的情况下，无法许可射束出射，因此出射许可判定单元354不输出出射许可判定信号355。
设置这样的患部位置检测单元35和出射许可判定单元354，根据出射许可判定信号355实施从同步加速器13的射束出射控制，由此能够实现只在患部37的位置位于规定的位置的情况下照射射束的控制。
返回到图1，本实施例的粒子线照射系统1具备控制系统100(控制装置)。
控制系统100由加速器控制装置40、综合控制装置41、治疗计划装置43、存储装置42、照射控制装置44、定时系统50、联锁系统60、电源控制装置45、积蓄射束量测量单元151、出射许可判定单元354构成。
加速器控制装置40控制离子束产生装置11和射束输送装置14。综合控制装置41综合控制粒子线照射系统1整体。治疗计划装置43计划向患者的射束照射条件。存储装置42存储通过治疗计划装置43计划的信息、作为离子束产生装置的同步加速器13和射束输送装置14的控制信息等。照射控制装置44控制构成照射装置30的设备和向患部37照射的离子束10d的照射剂量，并且根据通过剂量监视器31逐次测量出的剂量测量数据311，计算各剂量管理区域中的累计剂量，根据该累计剂量和向患部照射的目标剂量，求出剩余照射剂量。定时系统50实现构成同步加速器13的设备的同步控制。联锁系统60为了保证患者36的安全而与综合控制装置41相独立。电源控制装置45控制构成同步加速器13的各设备的电源46。积蓄射束量测量单元151制作与使用积蓄射束量检测单元15测量出的同步加速器13内的积蓄射束量有关的数据(积蓄射束量测量数据152)。
存储装置42也可以作为综合控制装置41的一部分而在综合控制装置41中具备。
电源46是构成同步加速器13的多个设备的电源的总称。在图1中，作为多个设备的电源表示出偏向电磁铁18的电源46B、四极电磁铁19的电源46Q、高频加速空腔17的电源46F以及出射用高频电极20a的电源46E。
电源控制装置45也与电源46同样地，是与多个设备的电源对应的多个电源控制装置的总称。在图1中，表示出电源46B的控制装置45B、电源46Q的控制装置45Q、电源46F的控制装置45F、以及电源46E的控制装置45E。
在此，使用各文献的记载说明本发明人等研究的事项。
在图9中表示现有的同步加速器13的运转时序。同步加速器13在一次的运转周期中实施加速、出射、减速这样的一连串的控制。在出射控制的前后，必须进行出射条件设定以及出射条件解除这样的、出射同步加速器内的离子束所需要的出射条件设定控制、出射控制结束后的出射条件解除控制。
在现有的同步加速器13的运转控制中，在电源控制装置45的存储器中准备有与一连串的控制对应的控制数据作为模式数据，电源控制装置45根据从对构成同步加速器13的设备的控制定时进行管理的定时系统50输出的定时信号51，更新控制数据。
如图9所示，同步加速器13在一次的运转周期中，控制从加速到减速，因此为了变更出射的离子束10c的能量，需要在出射控制结束后转移到减速控制，使剩余射束减速后，更新运转周期。另外，在更新运转周期后再次加速离子束10b，由此实现向希望的能量的变更控制。
因此，在现有的同步加速器13的运转控制中，在离子束10b的能量变更时间中花费与一次的运转周期大致相同的时间，因此治疗时间变长，存在提高剂量率方面的问题。
在专利文献1中，表示了在一次的运转周期内实现多个能量的离子束的出射的、离子同步加速器的多级出射控制运转。通过这样的多级出射控制运转，能够实现扫描照射法中的能量变更时间的缩短。
另外，在专利文献2中，表示了以下的运转，即与从离子同步加速器出射的多个能量对应地，预先准备由能量变更控制和出射控制构成的阶段性的运转控制数据(非专利文献2的34页、图2)，延长与出射的离子束能量对应的出射控制部的运转控制数据的平坦部(非专利文献2的35页、图3)。
如非专利文献2所记载的那样，在应用了预先准备能够进行多个能量的出射的运转控制数据作为模式数据的控制的情况下，在完成全部照射所需要的离子束量已经积蓄在同步加速器中的情况下，具有能够在一次的运转周期中完成全部的能量的照射的效果，但在完成全部照射所需要的离子束量没有积蓄在同步加速器中的情况下，在离子束量枯竭的时刻实施减速控制后，需要更新运转周期而再次实施离子束10b的入射和加速。这时，在从离子束枯竭的能量的出射控制转移到减速控制时，需要考虑运转控制数据的连续性，因此需要更新在离子束10b枯竭的能量之后存储的全部能量变更控制的运转控制数据，无法根据该运转控制数据直接转移到减速控制。因此，存在同步加速器13的运转周期的更新花费时间的问题。在构成粒子线照射系统1的设备发生了异常的情况下，也同样地存在无法直接根据该运转控制数据转移到减速控制的问题。
另外，在专利文献2中，表示出以下的加速器的控制装置，其具备：磁场基准产生部，其针对在加速器的磁场线圈中励磁的电流，输出与经过时间对应的磁通密度信息；电流基准变换部，其求出产生与磁通密度信息对应的磁场的线圈电流，其中，表示了以下的控制方法，即通过组合4种模式(初始上升模式、减少模式、增加模式、结束模式)地输出磁场基准产生部输出的磁通密度信息，来实现在一次的运转周期内出射多个能量的射束。
根据专利文献2，能够组合4种磁通密度模式，在一次的运转周期内出射多个能量的离子束，但另一方面，预先将选择同步加速器的运转控制数据指示这些4种模式的组合顺序的定时信号写入到定时控制装置中，因此为了保证设定值的连续性，无法直接从该出射能量转移到减速控制。因此，在射束枯竭时以及设备异常时间，无法迅速地成为减速控制，因此，同步加速器的运转周期的更新花费时间。另外，电流基准变换器一边逐次地计算偏向电磁铁和四极电磁铁的励磁电流一边逐次地输出，因此需要在每次变更模式时变更计算参数，还存在设备结构和控制单元变得复杂的问题。
在专利文献3和专利文献4中，记载了以下的射束出射控制方法，即为了在患部37是呼吸移动性脏器的情况下也高精度地照射射束，根据检测因患部37的生理活动造成的患部37的移动的结果，从同步加速器13出射射束。
在专利文献3中，在控制从同步加速器13的射束出射时检测到患部37的移动的情况下，在停止射束出射控制后转移到减速控制，接着实施下一个照射所需要的射束的加速和出射条件设定。如果在出射许可控制信号的输出停止同时转移到减速控制，则在同步加速器内环绕的射束即使有剩余也减速，因此存在无法实施本发明所希望的在运转周期内通过环绕射束的能量变更进行的多级出射控制运转。
另外，在专利文献4中，不与出射许可控制信号的输出停止同时地转移到减速控制，转移到一定期间的待机状态，在待机状态后再次输入了出射许可信号的情况下，再次开始射束出射，由此与专利文献3相比能够改善射束利用效率，但在该情况下，如果超过待机时间，则也转移到减速控制，因此与专利文献3同样地，无法实现在运转周期内通过环绕射束的能量变更进行的多级出射控制运转，无法改善在同步加速器内环绕的射束的利用效率低的问题。
本发明涉及在离子同步加速器中在一次的运转周期内能够出射多个能量的离子束的多级出射控制运转，根据本发明，能够提供一种离子同步加速器，其能够实现射束能量的变更控制和运转周期的更新以及在患部37是呼吸移动性脏器的情况下也能够高精度地进行射束照射。以下，进行详细的说明。
首先，使用图3～图8说明作为本发明的特征的、多级出射运转时的控制数据构造和使用了该控制数据的运转顺序。
图3是表示构成同步加速器的多个设备的控制数据的结构的图，作为设备的控制数据的代表例子，表示了偏向电磁铁18的励磁电流。实际上，如非专利文献1所示那样，准备了与照射的射束的能量数对应的级数的数据，但在本实施例中以3级进行说明。另外，在本实施例中，表示出从低能量到高能量按顺序照射射束那样的运转控制数据，但在从高能量到低能量按顺序照射射束的情况下，也能够得到同样的效果。
图4是表示作为本发明的特征的实现多级出射运转的控制系统100(控制装置)的结构和各装置之间的信息传送的图。图5是表示开始多级出射运转之前的照射准备流程的图。图6是表示多级出射运转时的控制流程(状态转移)的图。图7A和图7B是表示基于图3所示的控制数据的组合进行的多级出射运转时的控制数据的输出例子的图。图8是表示在多级出射运转时实施向呼吸移动性脏器的照射时的控制数据的输出例子的图。
如图3所示，构成同步加速器的设备(在图示的例子中为偏向电磁铁18)的运转控制数据70由初始加速控制数据701a(以下用701代表)、用于出射多个能量(在图示的例子中为3种能量Ea、Eb、Ec)的离子束的多个出射控制数据702a～702c(以下用702代表)、将多个出射控制数据702之间连接起来的多个能量变更控制数据705ab、705bc(以下用705代表)、与多个出射控制数据702对应的多个减速控制数据706a～706c(以下用706代表)构成。
出射控制数据702由用于设定从同步加速器13出射射束所需要的运转条件的出射条件设定数据703a～703c(以下用703代表)、用于在从同步加速器13的射束出射停止后为了变更环绕射束的能量或转移到减速控制而解除出射条件的出射条件解除数据704a～704c(以下用704代表)构成。
多个减速控制数据706构成为将与多个出射控制数据702各自的出射能量对应的值作为初始值，将与同步加速器13的入射能量对应的值作为最终值。由此，在中断了离子束的照射的情况下，能够从出射能量直接转移到减速控制。
通过组合这些控制数据701、702、705，进行多个能量的射束的出射控制。并且，通过具有与多个出射能量对应的减速控制数据706，从哪个出射能量都能迅速地转移到减速控制。
作为向对应的设备直接赋予的控制量即电流/电压的时序数据，分别准备这些控制数据701、702、705、706。
例如，如果是偏向电磁铁18的控制数据，则由对产生规定的偏向磁场强度时需要的偏向电磁铁电源46B设定的励磁电流和电压(未图示)的时序数据来构成。
另外，将这些控制数据701、702、705、706存储在存储装置42中。在存储装置42中，将包含图3所示的控制数据，能够进行与假定的所有患者的照射条件对应的全部能量的射束出射的控制数据作为模块数据进行存储。
例如，在设为与假定的多个患者的照射条件对应的出射能量数是100的情况下，将100个初始加速控制数据701、100个出射控制数据702、99个能量变更控制数据705、100个减速控制数据706作为模块数据存储在存储装置42中。在照射准备时，在赋予了特定的患者的照射条件时，综合控制装置41从存储在存储装置42中的控制数据中选择相应的数据，存储在电源控制装置45中。
此外，也可以将能够进行全部能量的射束出射的模块数据存储在综合控制装置41的内部存储装置中。
运转控制数据70的控制数据分别与从定时系统50输出的定时信号51关联。
本实施例的定时信号51由加速控制开始定时信号511、出射条件设定定时信号512、出射控制待机定时信号513、出射条件解除定时信号514、能量变更控制定时信号515、减速控制开始定时信号516、减速控制结束定时信号517构成。
如果向电源控制装置45输入了定时信号51，则电源控制装置45选择与定时信号51关联的控制数据，根据选择出的控制数据的初始地址开始数据的更新。
使用图3说明针对定时信号51的输入的运转控制数据70的更新控制。
电源控制装置45根据加速控制定时信号511的输入，更新从入射能量(Einj)到初级的出射能量(Ea)的初始加速控制数据701a来加速射束。
根据出射条件设定定时信号512的输入，更新出射条件设定数据703a。
在射束出射控制时，通过固定值控制偏向电磁铁18、四极电磁铁19、六极电磁铁(未图示)的励磁量和施加到高频加速空腔17的高频电压，由此实现稳定的射束出射，因此根据出射控制待机定时信号513的输入，停止出射条件设定数据703a的更新，直到输入出射条件解除定时信号514为止进行待机。关于从同步加速器13的射束出射，根据出射许可判定信号355的输入将高频开关21闭合，由此向出射用高频电极20a供给出射用高频电压。
在射束出射控制结束后，转移到减速或能量变更控制的情况下，为了解除出射条件，根据出射条件解除定时信号514的输入开始更新出射条件解除数据704a。
联锁系统60直到出射条件解除数据704a的更新结束为止，根据同步加速器13内的积蓄射束量的检测结果152、当前的能量下的目标剂量和照射剂量之间的差分所示的剩余照射剂量，选择输出能量变更控制定时信号515和减速控制开始定时信号516中的哪个。根据联锁系统60的选择结果，向定时系统50指示能量变更控制定时信号515或减速控制开始定时信号516的输出。
将构成运转控制数据70的各控制数据设为相同的值，以便能够连续地连接出射条件解除数据704的结束值和转移到下一个照射能量的能量变更控制数据705的开始值(例如图3的704a的结束值和705ab的开始值)、以及出射条件解除数据704的结束值和减速到入射能量的加速控制数据的开始值(例如图3的704a的结束值和706a的开始值)。
通过实现这样的基于定时信号51的输入的运转控制，能够容易地实现与定时信号51的输入对应的运转控制数据70的变更和更新。
另外，在实施上述多级出射运转时，联锁系统60根据从加速器控制装置40输出的射束能量信息402、从照射控制装置44输出的能量变更要求信号443、减速控制要求信号444、照射完成信号445、从电源控制装置45输出的表示设备健全性的状态信息452、基于积蓄射束量检测单元15的积蓄射束量测量数据152、以及基于患部位置检测单元35的出射许可判定信号355，输出联锁控制指令61。
在该联锁控制指令61中，包含初始加速指令611、照射准备指令612、照射待机指令613、照射停止指令614、能量变更指令615、减速控制指令616、以及照射完成指令617。
定时系统50根据从联锁系统60输出的能量变更指令615，输出能量变更定时信号515。另外，根据从联锁系统60输出的照射准备指令612，输出出射条件设定定时信号512。另外，根据从联锁系统60输出的照射停止指令614，输出出射条件解除定时信号514。另外，根据减速控制指令616，输出减速控制开始定时信号516。并且，根据从出射许可判定单元353输出的出射许可判定信号355，向高频开关21输出出射控制指令62，控制向出射用高频电极20a的出射用高频电压的供给。
一并使用图4和图5说明使用图3所示的构成同步加速器的设备的控制数据实施多级出射运转时的照射准备流程。
首先，治疗计划装置43将包含患者的治疗所需要的照射条件等的治疗计划信息431登记到存储装置42中。综合控制装置41根据照射条件的设定信息，从存储装置42读入照射条件421(步骤S801)。
接着，综合控制装置41根据照射条件从存储装置42中选择照射所需要的能量和各照射剂量、照射顺序以及控制数据(步骤S802)。在存储装置42中，如上述那样，将包含图3所示的初始加速控制数据701、出射控制数据702、出射条件设定数据703、出射条件解除数据704、能量变更控制数据705、减速控制数据706，能够进行与假定的所有患者的照射条件对应的全部能量的射束出射的控制数据存储为模块数据，综合控制装置41根据照射条件421选择读入控制数据701～706。
接着，综合控制装置41向定时系统50传送照射所需要的能量信息、照射顺序、以及与该能量对应的定时信号数据411a(步骤S803)。
接着，定时系统50将从综合控制装置41传送的照射所需要的能量信息、照射顺序、以及与该能量对应的定时信号数据411a存储在存储器内(步骤S804)。综合控制装置41同样向加速器控制装置40和照射控制装置44传送照射所需要的能量信息、照射顺序、以及与该能量对应的控制数据411b、411c(步骤S805)。其中，在向加速器控制装置40传送的控制数据411b中包含各设备的运转控制数据(控制数据701～706)、与运转控制数据对应的定时信号(定时信号511～517)，在向照射控制装置44传送的控制数据411c中包含各照射能量的照射顺序和目标照射剂量。
接着，加速器控制装置40向构成同步加速器13和射束输送装置14的设备的各电源控制装置45，传送各设备的运转控制数据(控制数据701～706)、与运转控制数据对应的定时信号(定时信号511～517)的数据401(步骤S806)，电源控制装置45将各设备的运转控制数据、与运转控制数据对应的定时信号的数据401存储在存储器内(步骤S807)。
然后，照射控制装置44将各照射能量的照射顺序和目标照射剂量存储在存储器内(步骤S808)。
接着，使用图4和图6说明使用图3所示的构成同步加速器的设备的控制数据实施多级出射运转时的照射流程。
如果从用户向综合控制装置41输入照射开始指令(未图示)，则开始同步加速器13的运转控制。
首先，综合控制装置41向定时系统50、加速器控制装置40、照射控制装置44，输出表示同步加速器13的运转周期的开始的控制开始指令412。定时系统50、加速器控制装置40、照射控制装置44根据控制开始指令412，设定目标能量(步骤S809)。
接着，联锁系统60在确认了设备的正常动作后，根据所设定的目标能量，输出初始加速指令611。另外，定时系统50设定此后出射的射束的目标能量信息，加速器控制装置40向各电源控制装置设定目标能量。照射控制装置44根据目标能量，设定该能量的各剂量管理区域的目标剂量值。
此外，在图6中没有表示，但设置有以下的功能，即在电源控制装置45根据电源装置46等设备的状态信息452检测出异常的情况下，联锁系统60停止射束的照射，使同步加速器13转移到减速控制。
接着，定时系统50根据控制开始指令412，输出加速控制开始定时信号511，电源控制装置45开始初始加速控制数据701的更新(步骤S810)。
然后，加速器控制装置40在初始加速控制结束的时刻，向联锁系统60输出射束能量信息402。联锁系统60根据从加速器控制装置40传送的射束能量信息402，确认加速结束后的达到能量和目标能量是否一致(步骤S811)。
列举以下的情况等，即在步骤S811中在初始加速控制结束后目标能量和达到能量不一致的情况下，在实施多级出射控制运转时，在从初始加速能量实施了后述的能量变更控制后，根据积蓄射束量的枯竭或设备的异常等实施减速控制，然后再次通过能量变更控制后的能量实施射束照射。在这样的加速结束后的达到能量和目标能量不一致的情况下，定时系统50输出能量变更指令615，定时系统50向电源控制装置45输出能量变更控制定时信号515，电源控制装置45实施能量变更控制数据705的更新(步骤S827)。
在步骤S811中加速结束后的达到能量和目标能量一致的情况下，联锁系统60根据积蓄射束量检测单元15对积蓄射束量的测量值152，确认是否有为了照射下一个点而充分的积蓄射束量、积蓄射束量的剩余量(步骤S812)。如果积蓄射束量的剩余量充分(是的情况)，则联锁系统60向定时系统50输出照射准备指令612，定时系统50向电源控制装置45输出出射条件设定定时信号512，电源控制装置45开始出射条件设定数据703的更新(步骤S813)。与此相对，在步骤S812的判定中积蓄射束量的剩余量不充分时，处理前进到步骤S819。
接着，定时系统50与出射条件设定数据的更新完成相匹配地输出出射控制待机定时信号513，结束电源控制装置45中的出射条件设定数据703的更新，保存最终更新值。联锁系统60输出照射待机指令613，根据从各电源控制装置45输出的设备的健全性、能量确认信号这样的状态信息452、同步加速器13内的积蓄射束量检测单元15对于积蓄射束量的测量值152、以及从照射控制装置44输出的出射控制许可信号441等，判定射束的出射条件是否成立(步骤S814)。
在根据没有积蓄射束照射所需要的射束量等，在步骤S814中判定为不成立(NG)的情况下，联锁系统60向定时系统50输出照射停止指令614，从定时系统50向电源控制装置45输出出射条件解除定时信号514。电源控制装置45更新出射条件解除数据704(步骤S819)。在出射条件解除数据704的更新完成后，判定出射条件设定是否异常(步骤S820)。
现在，在步骤S814中射束的出射条件不成立，为了转移到出射条件解除，判定为出射条件设定异常，联锁系统60输出减速控制指令616，从定时系统50向电源控制装置45输出减速控制开始定时信号516。然后，在进行了射束的减速后，电源控制装置45更新减速控制数据706(步骤S821)。
接着，定时系统50与减速控制数据的更新完成相匹配地输出减速控制结束定时信号517，电源控制装置45结束减速控制数据706的更新，保存最终更新值。
接着，联锁系统60确认全部层的照射是否完成(步骤S822)，在全部层的照射完成的情况下，输出照射完成指令617，结束射束照射运转。与此相对，在全部层的照射没有完成的情况下，输出初始加速指令611，从初始加速控制开始再次开始运转(再次从步骤S809开始进行处理)。
在步骤S814中射束出射条件成立的情况下(OK的情况)，联锁系统60判定是否根据患部位置检测单元35的检测信号输入了出射许可判定信号355、即判定是否实施射束出射控制(步骤S815)。
在判定为输入了出射许可判定信号355，实施射束出射控制的情况下(是的情况)，联锁系统60输出射束出射指令62，将高频开关21闭合，由此向高频电极20a施加出射用高频电压，来实施射束出射控制(步骤S816)。
与此相对，在没有输入出射许可判定信号355的情况下(否的情况)，继续确认出射条件是否成立(步骤S823)。在出射条件成立的情况下(OK的情况)，处理返回到步骤S815，继续等待出射许可判定信号355的输入。另一方面，在没有输入出射许可判定信号355，出射条件不成立的情况下(NG的情况)，联锁系统60向定时系统50输出照射停止指令614，从定时系统50向电源控制装置45输出出射条件解除定时信号514。电源控制装置45更新出射条件解除数据704(步骤S819)。
这样，在出射条件成立(步骤S814为OK的情况)，出射条件继续成立(步骤S823为OK的情况)情况下，采用根据出射许可判定信号的输入(步骤S815为是的情况)实施射束出射控制(步骤S816)的运转流程，由此如专利文献4所示那样，在出射许可判定信号的输入停止后(步骤S815为否的情况)，不使用下一个出射许可判定信号的输入待机计时器，通过简单的控制就能够重复进行同一能量下的射束出射控制。
在步骤S816中的射束出射控制中，通过设置在照射装置30中的剂量监视器31逐次地测量照射射束的剂量测量数据311，照射控制装置44计算各剂量管理区域中的累计剂量。在本实施例中，将剂量管理区域称为点，将向点照射的累计剂量记载为点剂量。
这时，照射控制装置44判定点剂量是否达到了目标剂量(以下称为剂量满足)(步骤S817)。在点剂量不满足的情况下(否的情况)，处理返回到步骤S815，接着同步加速器13继续进行射束出射控制(步骤S815、S816、以及823)。与此相对，在点剂量满足的情况下(是的情况)，确认构成该能量下的照射区域的全部点剂量(以下称为层内的剂量)是否满足(步骤S818)。
在层内的剂量不满足的情况下(否的情况)，确认是否有照射下一个点所充分的积蓄射束量、积蓄射束量的剩余量(步骤S824)。如果积蓄射束量的剩余量成分(是的情况)，则照射控制装置44通过变更扫描电磁铁31的励磁量，变更射束照射位置(步骤S825)，继续向下一个点照射射束。与此相对，在积蓄射束量的剩余量不充分时，处理前进到步骤S819，联锁系统60向定时系统50输出照射停止指令614，从定时系统50向电源控制装置45输出出射条件解除定时信号514，电源控制装置45更新出射条件解除数据704(步骤S819)。
在步骤S817中层内的剂量满足的情况下(是的情况)，实施向下一层的照射，联锁系统60向定时系统50输出照射停止指令614，从定时系统50向电源控制装置45输出出射条件解除定时信号514。电源控制装置45更新出射条件解除数据704(步骤S819)。另外，判定出射条件设定是否异常(步骤S820)。此次向出射条件解除的转移不依存于出射条件设定是否异常(不是否)，因此，首先联锁系统60判定是否存在下一个目标能量数据(步骤S830)。在存在下一个目标能量的情况下，确认是否有向下一个点的照射所需要的积蓄射束量(步骤S826)。另一方面，在步骤S830中不存在下一个目标能量数据，即全部层的照射完成的情况下，联锁系统60输出照射完成指令617，结束射束照射运转。此外，步骤S830也可以在步骤S819和S820之间。
如果在步骤S826中积蓄射束量充分(是的情况)，联锁系统60向定时系统50输出能量变更指令615，从定时系统50向电源控制装置45输出能量变更定时信号515。与此相对，在步骤S826中积蓄射束量的剩余量不充分时(否的情况)，联锁系统60输出减速控制指令616，使处理前进到步骤S821一方。
接着，电源控制装置45更新能量变更数据705(步骤S827)。
接着，加速器控制装置40在能量变更结束的时刻，向联锁系统60输出射束能量信息402。联锁系统60根据从加速器控制装置40传送的射束能量信息402，确认能量变更结束后的达到能量和目标能量是否一致(步骤S828)。
在步骤S828中能量变更结束后的达到能量和目标能量一致的情况下(是的情况)，联锁系统60向定时系统50输出射准备指令612，定时系统50向电源控制装置45输出出射条件设定定时信号512，电源控制装置45开始出射条件设定数据703的更新(步骤S813)。
与此相对，在步骤S828中加速结束后的达到能量和目标能量不一致的情况下，联锁系统60再次向定时系统50输出能量变更指令615，定时系统50向电源控制装置45输出能量变更控制定时信号515，电源控制装置45实施能量变更控制数据705的更新(步骤S827)。
在重复进行以上那样的控制(步骤S813～步骤S820)后，联锁系统60向定时系统50输出减速控制指令616，定时系统50向电源控制装置45输出减速控制定时信号512，电源控制装置45开始减速控制数据703的更新(步骤S821)。
接着，在减速控制数据的更新完成后，确认全部层的照射是否完成(步骤S822)。在全部层的照射完成的情况下(是的情况)，结束同步加速器13的运转控制。另外，在有未照射的层的情况下，联锁系统60在确认设备的正常动作后，变更目标能量，输出初始加速指令611(再次从步骤S809开始进行处理)。
接着，在图7A和图7B中表示作为本实施例的特征之一的多级出射运转时的控制数据的输出例子。在图7A和图7B中，表示使用图3所示的运转控制数据70的输出例子，能够在一次的运转周期内出射的能量数是Ea、Eb、Ec这3种。
图7A表示在一次的运转周期中对3种(Ea、Eb、Ec)的全部能量的离子束进行出射控制的情况下的偏向电磁铁的励磁电流值的变化。图7B表示在初始的运转周期中出射2种(Ea、Eb)的能量的离子束后，由于积蓄离子束枯竭，转移到减速控制来更新运转周期，在下一个运转周期中出射第3种(Ec)的离子束的情况下的偏向电磁铁的励磁电流值的变化。
一般，偏向电磁铁的励磁电流值和射束能量大致具有正比关系，因此图7A和图7B也能够看作为多级出射运转时的射束能量变化。
图7A和图7B所共通的是预先设定有与各控制数据701～706对应的定时信号511～517，根据各定时信号511～517的输入，更新各控制数据701～706。
首先，使用图7A说明多级出射控制的输出例子。
电源控制装置45在从定时系统50输入了加速控制定时信号511时，选择初始加速数据701，开始励磁电流数据更新控制。
如果初始加速控制结束，则定时系统50向电源控制装置45输入出射条件设定定时信号512。电源控制装置45输出与初级的出射能量Ea对应的出射条件设定数据703a。
然后，根据出射控制待机定时信号513的输入，电源控制装置45保存最终更新值，实施出射控制。
如果出射控制完成，则定时系统50向电源控制装置45输出出射条件解除定时信号514，电源控制装置45开始出射条件解除数据704a的更新输出。
在出射条件解除数据704a的更新控制结束的同时，测量同步加速器13内的积蓄射束量。在确认了积蓄射束量满足下一个能量的射束出射量的基础上，定时系统50输出能量变更控制定时信号515。电源控制装置45选择将当前的出射能量Ea和下一个出射能量Eb连接的能量变更控制数据705a，开始控制数据的更新输出。
这以后，到最终的能量Ec的出射控制结束为止，重复进行上述的出射条件设定控制、出射控制、出射条件解除控制、能量变更控制。
在最终的能量Ec的出射条件解除数据704c的更新控制结束后，定时系统50输出减速控制开始定时信号516。伴随减速控制定时信号516的输入，电源控制装置45选择与紧前的出射条件解除数据704c对应的减速控制数据706c，开始减速控制数据的更新输出。
此外，在本实施例的减速控制中，进行从低能量到高能量出射射束的控制(Ea<Eb<Ec)，因此在减速控制中到最大能量(Einit)为止进行初始化励磁。
与减速控制的结束相匹配，定时系统50输出减速控制结束定时信号517，确认全部能量的出射控制是否完成。在全部能量的出射控制完成的情况下，结束同步加速器的运转周期。
接着，如图7B所示说明在多级出射运转时更新运转周期的情况。在此，图中的符号与图7A相同，说明图7B中的第2个能量Eb的出射控制结束后。
在第2个能量Eb的出射控制结束的时刻，测量同步加速器13内的积蓄射束量。根据该测量结果，如果判定为由于射束的枯竭等积蓄在同步加速器13内的射束量无法满足下一个射束出射量，则定时系统50输出与结束了出射控制的能量对应的减速控制开始定时信号516。电源控制装置45根据减速控制开始定时信号516的输入，开始能够与紧前的出射条件解除数据704b连续地连接的减速控制数据706b的更新控制。
与减速控制结束定时信号517的输入相匹配，确认全部的能量的出射控制是否完成。在全部的能量的出射控制没有完成的情况下，接着，在将目标能量从Eb变更为Ec的基础上，再次输出加速控制定时信号511。
根据加速控制定时信号511的输入，开始初始加速控制数据701的更新。在初始加速控制结束后，将达到能量和目标能量进行比较。这时，初始加速控制数据701的达到能量是Ea，目标能量是Ec，因此需要进一步加速射束。因此，输出能量变更控制定时信号515。电源控制装置45根据能量变更控制定时信号515，更新能量变更数据705b，实施能量变更控制。在能量变更控制结束后，再次将达到能量和目标能量进行比较。能量变更控制后的达到能量是Eb，目标能量是Ec，因此接着输出能量变更控制定时信号515，更新能量变更控制数据705bc。通过重复进行这样的控制，将达到能量加速到与目标能量相同的Ec。然后，实施与上述所示的出射控制和加速控制相同的控制。
此外，与后述的图8(d)、8(e)所示同样地，也可以在为了达到Ec而进行加速时，使用直接从入射能量Einj加速到Ec为止的初始加速控制数据来加速射束。由此，能够进一步缩短加速所需要的时间，能够实现剂量率的进一步提高，能够进一步缩短治疗时间。
接着，在图8中表示作为本实施例的特征的在多级出射运转时实施向呼吸移动性脏器的照射时的控制数据的输出例子。在图8中，与图7A和图7B同样地，表示使用了图3所示的运转控制数据70的输出例子，在图8中，假定向呼吸移动性脏器照射6种能量(Ea～Ef)的情况来记载。在本实施例中，能够在一次的运转周期内出射的能量数为3种，由能够出射Ea、Eb、Ec的能量的射束的运转控制数据70ac和能够出射Ed、Ee、Ef的能量的射束的运转控制数据70df构成。
图8(a)表示通过患部位置检测单元35观测到的患部位置检测信号353的时间变化，图8(b)表示出射许可判定信号355的输出。图8(b)的出射许可判定信号355在患部位置处于患部位置变化稳定的区域(图8(a)所示的比虚线低的区域)中的情况下照射射束，由此实现向患部37的正确的照射。
图8(c)表示从联锁系统60输出的射束出射指令62。根据同步加速器13的出射条件的设定状态、出射许可判定信号355，输出射束出射指令62。
图8(d)表示构成同步加速器13的偏向电磁铁18的运转控制数据70ac和70df，图8(e)表示构成同步加速器的四极电磁铁19的运转控制数据70ac和70df。图8(e)所示的四极电磁铁19的运转控制数据与图8(d)所示的偏向电磁铁18的运转控制数据不同，需要从同步加速器13的加速控制时的运转条件转移到出射控制时的运转条件，因此通过出射条件设定703和出射条件解除704变更励磁量。
在此，能够从同步加速器13进行射束出射控制的区域是在图8(d)和图8(e)中用虚线表示的区间，是从出射控制待机定时信号513到出射条件解除定时信号514的区间。
说明图8(c)所示的射束出射指令62的输出方法。根据以下所示的4个条件决定射束出射指令62。
分为出射许可判定信号355为ON并且没有从出射控制待机定时信号513进入出射条件解除定时信号514的区间的区域(901(901a、901b、901c、901d、……))、出射许可判定信号355为OFF并且从出射控制待机定时信号513进入到出射条件解除定时信号514的区间的区域(902(902a、902b……))、出射许可判定信号355为OFF并且没有从出射控制待机定时信号513进入到出射条件解除定时信号514的区间的区域(903(903a、903b、……))、出射许可判定信号355为ON并且从出射控制待机定时信号513进入到出射条件解除定时信号514的区间的区域(904(904a、904b、904c、……))。
其中，只在出射许可判定信号355是ON，并且位于从出射控制待机定时信号513进入到出射条件解除定时信号514的区间的区域(904)之间时，作为射束出射指令62输出射束ON。
在此，依照图8所示的时序图，说明射束出射指令62的输出。
首先，向同步加速器13入射入射能量Einj的射束，更新初始加速数据701。通过初始加速数据的更新，射束能量达到Ea，更新出射条件设定数据703。直到出射条件设定数据703的更新完成为止，射束出射指令62为OFF(901a)。
接着，如果出射条件设定数据的更新被解除，则只在出射许可判定信号355为ON的区域中，射束出射指令62为ON(904a)。这时，在出射许可判定信号355为OFF的情况下，在同步加速器13内的积蓄射束量充分的情况和设备正常动作的情况下，能够进行从同步加速器13的射束出射控制，因此同步加速器13的运转成为待机状态(902a)。出射许可判定信号355再次成为ON，射束出射指令62成为ON(904b)。
这样，通过依照图6所示的控制流程，在同步加速器13从出射控制待机定时信号513进入到出射条件解除定时信号514的区间的区域中，能够根据出射许可判定信号355进行多次的射束出射控制。
如果层剂量满足，则变更为与下一个层对应的射束能量Eb，因此实施出射条件解除、能量变更、出射条件设定。
如图8(e)所示，在出射条件解除、能量变更、出射条件设定中，逐次变更四极电磁铁18的励磁量，由此在多级出射控制运转时能够不产生射束损失地高效地实现。
在从出射条件解除到出射条件设定的区间中，无法从同步加速器实施射束出射控制，因此如图8(a)所示，即使出射许可判定信号355为ON，射束出射指令62也为OFF(901b)。
在同步加速器13的能量变更和出射条件设定完成后，在出射许可判定信号355为ON的区域中射束出射指令62为ON(904c)。
这时，在由于患者的生理现象等，在通过患部位置检测单元35观测到的患部位置产生瞬时的变动(图8(a)的353a)的情况下，出射许可判定信号355瞬时地成为OFF。然后，如果患部37的位置恢复为射束照射允许范围，则出射许可判定信号355成为ON，射束出射指令62也同步地变化(902b→904d)。
这样，通过依照图6所示的控制流程，针对这样的由于患者的生理现象等造成的患部位置的瞬时变动，也能够实现稳定的射束照射。
然后，在实施将射束能量从Eb变更为Ec的控制(903a)后，射束出射指令62再次成为ON(904e)。
在本实施例中，假定通过904e所示的射束出射控制，判定为当前的照射层的剂量变得满足，并且不满足下一个能量的射束照射所需要的积蓄射束量的情况，解除出射条件(704c)，实施减速控制(706c)。
然后，照射下一个照射能量Ed，因此从入射能量Einj到Ed为止，通过初始加速控制来加速射束(701d)，设定出射条件(703d)。其间，射束出射指令62的输出始终为OFF(901c)。如果出射条件的设定完成，则在输入了出射许可判定信号355的定时射束出射指令62再次成为ON(904f)。然后，同样地进行将射束能量变更为射束能量Ee后的照射、射束能量Ef的照射、减速控制。
此外，在射束能量Eb、Ed、Ee、Ef之间积蓄射束量不满足必要量时，也进行与上述从Ec到Ed的减速和加速控制相同的控制。
另外，使用了将射束能量从入射能量Einj直接加速到Ed的初始加速控制数据701d，但也可以与图7B所示同样地，通过从入射能量Einj直接加速到Ea的初始加速控制数据701a和Ea→Eb(705ab)、Eb→Ec(705bc)、Ec→Ed的组合来加速。但是，如果如图8所示将射束能量从入射能量Einj直接加速到Ed，则能够进一步缩短加速所需要的时间。
如上所述，在本实施方式中，作为构成同步加速器13的设备、其控制单元(控制系统100)，具备：选择运转控制数据70更新输出到电源46的单元(电源控制装置45)；控制从同步加速器13的射束出射的单元(定时系统50)；检测在同步加速器13内环绕的射束量(积蓄射束量)的单元(积蓄射束量检测单元15、积蓄射束量测量单元151)；检测向患部37照射的剂量的单元(剂量监视器31)；根据向患部37照射的目标剂量和实际向患部37照射的剂量，求出剩余照射剂量的单元(照射控制装置44)；检测因患者36的生理活动造成的患部37的移动的单元(患部位置检测单元、透视图像取得单元351)；根据来自检测该患部37的移动的单元的输出值，输出出射许可判定信号355的单元(出射许可判定单元354)；根据出射许可判定信号355、同步加速器13内的积蓄射束量的检测值、向患部照射的剩余照射剩余量、表示能够从同步加速器13进行射束出射控制的状态的出射准备完成信号445，切换同步加速器13的运转控制的单元(联锁系统60)。
另外，在短时间内实现同步加速器的出射射束能量的变更控制的多级出射控制运转中，控制数据701～706具有与多个能量对应的减速控制数据706，从哪个能量都能够迅速转移到减速控制，由此在同步加速器内的积蓄射束量不足而中断了离子束的照射的情况下，能够短时间实现运转周期的更新，提高剂量率，缩短治疗时间。
另外，在构成粒子线照射系统的设备发生异常，中断了离子束的照射的情况下，也能够从出射能量直接转移到减速控制，短时间并且安全地实现运转周期的更新。
并且，在因发生射束的枯竭等射束照射中断原因而产生的减速控制结束后，在存在射束未照射的能量，更新运转周期的情况下，在初始加速控制结束后或能量变更控制结束后的达到能量与下一个目标能量不一致的情况下，不进行出射控制数据的更新控制(出射条件设定控制和出射条件解除控制)，而是立即实施能量变更控制将达到能量加速到目标能量，因此，能够实现短时间的能量变更控制，提高剂量率，缩短治疗时间。
另外，构成运转控制数据的控制数据701～706由直接向构成同步加速器13的设备提供的控制量即电流/电压的时序数据构成，因此不需要进行参数的变更计算，能够简化设备结构和控制单元。
并且，将能够进行与假定的全部患者的照射条件对应的全部能量的射束出射的控制数据作为模块数据存储在存储装置42中，综合控制装置41根据照射条件421选择控制数据701～706存储在电源控制装置45中，构成运转控制数据70，因此没有对射束照射不起作用的浪费时间(从同步加速器13的入射射束能量到照射开始能量为止的控制时间、以及从照射结束能量到减速结束能量为止的控制时间)，因此能够以短的运转周期进行希望的能量范围的射束照射，提高剂量率缩短治疗时间。
另外，通过应用依照图6所示的控制流程的控制，能够在多级出射控制运转时稳定地实现与呼吸移动性脏器的移动对应的射束照射。
此外，本发明并不限于上述实施方式，能够进行各种变形、应用。为了容易理解地说明本发明，详细说明了上述实施方式，但上述实施方式并不限于具备所说明的全部结构。
例如，说明了检测标记352的方法作为患部37的检测方法，但检测患部37的方法并不限于此，既可以直接检测患部37，也可以使用其他公知的方法。
附图标记说明
1：粒子线照射系统；100：控制系统(控制装置)；10a、10b、10c、10d：射束；11：离子束产生装置；12：前级加速器；13：同步加速器；14：射束输送装置；15：积蓄射束量检测单元；151：积蓄射束量测量单元；152：积蓄射束量测量数据；16：高频电极；17：高频加速空腔；18：偏向电磁铁；19：四极电磁铁；20a：出射用高频电极；20b：出射用偏转器；21：高频开关；30：照射装置；31：剂量监视器；311：剂量测量数据；32：扫描电磁铁；34：准直仪；35：患部位置检测单元；351：透视图像取得单元；352：标记；353：患部位置检测信号；354：出射许可判定单元；355：出射许可判定信号；36：患者；37：患部；371：患部位置检测标记；38：出射许可判定单元；381：出射许可判定信号；40：加速器控制装置；401：各设备的控制数据；402：目标能量达到信号；41：综合控制装置；411：控制数据；412：设备信息数据；42：存储装置；421：照射信息数据；43：治疗计划装置；431：治疗计划信息；44：照射控制装置；441：出射控制许可信号；442：剂量满足信号；443：能量变更要求信号；444：减速控制要求信号；445：照射完成信号；45：电源控制装置；451：电源控制指令值；452：状态信息；46：电源；50：定时系统；51：定时信号；511：加速控制开始定时信号；512：出射条件设定定时信号；513：出射控制待机定时信号；514：出射条件解除定时信号；515：能量变更控制定时信号；516：减速控制开始定时信号；517：减速控制结束定时信号；60：联锁系统；61：联锁信号；611：初始加速指令；612：照射准备指令；613：照射待机指令；614：照射停止指令；615：能量变更指令；616：减速控制指令；617：照射完成指令；62：射束出射指令；70：运转控制数据；701：初始加速控制数据；702：出射控制数据；703：出射条件设定数据；704：出射条件解除数据；705：能量变更控制数据；706：减速控制数据。

Claims (14)

1.一种粒子线照射系统，其特征在于，具备：
同步加速器，其将离子束加速后进行出射；
照射装置，其照射从该同步加速器出射的上述离子束；
检测单元，其检测因患者的生理活动造成的患部的移动；
出射许可判定单元，其根据来自该检测单元的输出值，输出出射许可判定信号；以及
控制装置，通过一个以上的初始加速控制数据、出射多个能量的离子束的多个出射控制数据、将上述多个出射控制数据之间连接的多个能量变更控制数据、与上述多个出射控制数据对应的多个减速控制数据构成构成上述同步加速器的设备的运转控制数据，通过组合这些控制数据来进行多个能量的射束的出射控制，
上述控制装置根据从上述出射许可判定单元输出的出射许可判定信号，实施从上述同步加速器的射束出射控制。
2.根据权利要求1所述的粒子线照射系统，其特征在于，
上述控制装置在从上述同步加速器的射束出射控制时，根据从上述出射许可判定单元输出的出射许可判定信号，用同一能量实施多次的射束出射控制。
3.根据权利要求2所述的粒子线照射系统，其特征在于，
上述出射许可判定单元在上述检测单元检测出上述患部位于出射许可范围内时，输出上述出射许可判定信号，在上述患部不位于出射许可范围内时，不输出上述出射许可判定信号。
4.根据权利要求1所述的粒子线照射系统，其特征在于，
上述控制装置具备：
定时系统，其输出用于对构成上述同步加速器的设备的控制定时进行管理的多个控制定时信号；以及
电源控制装置，其控制构成上述同步加速器的设备，
将构成上述运转控制数据的上述初始加速控制数据、上述多个出射控制数据、上述多个能量变更控制数据以及上述多个减速控制数据存储在上述电源控制装置中，
上述电源控制装置输入从上述定时系统输出的上述多个控制定时信号，根据这些控制定时信号，选择并更新上述初始加速控制数据、上述多个出射控制数据、上述多个能量变更控制数据以及上述多个减速控制数据。
5.根据权利要求4所述的粒子线照射系统，其特征在于，
还具备射束量检测单元，其检测上述同步加速器内的积蓄射束量，
上述控制装置接受从上述出射许可判定单元输出的出射许可判定信号的输入，在对上述同步加速器的运转控制设定出射条件，并且输入了出射许可判定信号时指令射束出射控制，
在停止了上述出射许可判定信号时，根据从上述射束量检测单元输入的上述同步加速器内的积蓄射束量的检测结果、照射中的能量的射束照射是否完成的判定结果，判定是进行待机以便在再次输出了出射许可判定信号时能够进行该能量的射束出射，还是转移到能量变更控制以便能够照射下一个能量的射束、还是转移到减速控制，对上述定时系统输出与前面判定出的各个控制对应的控制指令。
6.根据权利要求4所述的粒子线照射系统，其特征在于，
上述控制装置还具备联锁系统，其输出将射束从入射到上述同步加速器的射束能量加速到初级的出射能量的初始加速指令、在上述同步加速器中进行初始加速或者在能量变更后设定出射条件的照射准备开始指令、表示在上述同步加速器中出射条件的设定完成的照射待机指令、根据从上述出射许可判定单元输出的出射许可判定信号和上述同步加速器的出射条件设定状态输出的射束出射指令、停止向上述患部的射束照射的照射停止指令、根据向上述患者照射的离子束的照射经过信息而输出的能量变更指令、根据构成包含上述同步加速器和上述照射装置的粒子线照射系统的设备的状态而输出的减速控制指令以及表示完成了照射的照射完成指令，
上述定时系统根据从上述联锁系统输出的上述初始加速指令、上述照射准备开始指令、上述照射待机指令、上述照射停止指令、上述能量变更指令以及上述减速控制指令，从上述多个控制定时信号中选择并输出对应的控制定时信号。
7.根据权利要求4所述的粒子线照射系统，其特征在于，
上述电源控制装置进行控制，以便在输入了从上述定时系统输入的上述多个定时信号中的减速控制开始定时信号时，从多个减速控制数据中选择与出射控制完成时的能量对应的减速控制数据，转移到减速控制。
8.根据权利要求6所述的粒子线照射系统，其特征在于，
上述联锁系统还在构成包含上述同步加速器和上述照射装置的粒子线照射系统的设备发生了异常的情况下，输出上述减速控制指令，
上述电源控制装置进行控制，以便在从上述定时系统输入了上述减速控制开始定时信号时，在更新了当前的控制数据后，从上述多个减速控制数据中选择与该更新控制结束后的达到能量对应的减速控制数据，转移到减速控制。
9.根据权利要求6所述的粒子线照射系统，其特征在于，
上述联锁系统在某个能量的出射控制完成后存在下一个目标能量的情况、或在初始加速控制结束后和能量变更控制结束后达到的能量和下一个目标能量不一致的情况下，输出能量变更指令，
上述定时系统在输入了上述能量变更指令时，从上述多个控制定时信号中选择输出能量变更控制定时信号，
上述电源控制装置进行控制，以便在输入了上述能量变更控制定时信号时，从上述多个能量变更控制数据中选择与上述某个能量或达到能量对应的能量变更控制数据，转移到能量变更控制。
10.根据权利要求1所述的粒子线照射系统，其特征在于，
构成上述运转控制数据的上述初始加速控制数据、上述多个出射控制数据、上述多个能量变更控制数据、以及上述多个减速控制数据由向构成上述同步加速器的设备直接赋予的控制量即电流/电压的时序数据构成。
11.根据权利要求1所述的粒子线照射系统，其特征在于，
上述控制装置具备：
存储装置，其将控制数据作为模块数据进行存储，所述控制数据包含构成上述运转控制数据的上述初始加速控制数据、上述多个出射控制数据、上述多个能量变更控制数据以及上述多个减速控制数据，能够进行与假定的多个患者的照射条件对应的全部能量的射束出射；以及
电源控制装置，其控制构成上述同步加速器的设备，
上述控制装置在照射准备时赋予了特定的患者的照射条件时，从存储在上述存储装置中的模块数据中选择相应的控制数据而存储在上述电源控制装置中，构成上述运转控制数据。
12.一种粒子线照射系统，其特征在于，具备：
同步加速器，其将离子束加速后进行出射；
照射装置，其照射从上述同步加速器出射的上述离子束；
检测单元，其检测因患者的生理活动造成的患部的移动；
出射许可判定单元，其根据来自该检测单元的输出值，输出出射许可判定信号；
存储装置，其将能够进行与假定的多个患者的照射条件对应的全部能量的射束出射的控制数据、即包含与多个能量的离子束对应的一个以上的初始加速控制数据、多个出射控制数据、多个能量变更控制数据、以及多个减速控制数据的控制数据作为模块数据进行存储；
电源控制装置，其控制构成上述同步加速器的设备；以及
控制装置，其在照射准备时，在赋予了特定的患者的照射条件时，从存储在上述存储装置中的模块数据中选择相应的控制数据而存储在上述电源控制装置中，来构成构成上述同步加速器的设备的运转控制数据，
上述控制装置根据从上述出射许可判定单元输出的出射许可判定信号，实施从上述同步加速器的射束出射控制。
13.一种粒子线照射系统的运转方法，该粒子线照射系统具备：
同步加速器，其将离子束加速后进行出射；
照射装置，其照射从上述同步加速器出射的上述离子束；
检测单元，其检测因患者的生理活动造成的患部的移动；
出射许可判定单元，其根据来自该检测单元的输出值，输出出射许可判定信号，
所述粒子线照射系统的运转方法的特征在于，
用初始加速控制数据、出射多个能量的离子束的多个出射控制数据、将上述多个出射控制数据之间连接的多个能量变更控制数据、与上述多个出射控制数据对应的多个减速控制数据构成构成上述同步加速器的设备的运转控制数据，通过组合这些控制数据来进行多个能量的射束的出射控制，并且通过具有与上述多个能量对应的减速控制数据，无论从哪个能量都能够快速地转移到减速控制，并且根据从上述出射许可判定单元输出的出射许可判定信号，实施从上述同步加速器的射束出射控制。
14.根据权利要求13所述的粒子线照射系统的运转方法，其特征在于，
准备控制数据来作为模块数据，该控制数据包含构成上述运转控制数据的上述初始加速控制数据、上述多个出射控制数据、上述多个能量变更控制数据以及上述多个减速控制数据，能够进行与假定的多个患者的照射条件对应的全部能量的射束出射，
在赋予了特定的患者的照射条件时，从上述模块数据中选择相应的控制数据来构成上述运转控制数据。
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