CN114025839A - 带电粒子的射出控制装置、方法及程序 - Google Patents

带电粒子的射出控制装置、方法及程序 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种带电粒子的射出控制技术，即使在未实施或者未完成波束调整的状态下，也能够从同步加速器稳定地进行带电粒子束的慢引出。带电粒子的射出控制装置(10)具有：第一接收部(11)，接收对在同步加速器(20)回旋的带电粒子的电流值进行检测而得到的第一检测信号(S1)；运算处理部(16)，对该第一检测信号(S1)进行时间微分并输出波束强度相当值(D)；射出控制部(18)，输出以波束强度相当值(D)与目标值(17)一致的方式使带电粒子束(51)从同步加速器(20)向波束输送系统(30)射出的控制信号(G)。

Description

带电粒子的射出控制装置、方法及程序
技术领域
本发明的实施方式涉及在同步加速器回旋的带电粒子的射出控制技术。
背景技术
近年来，在工学和医学等广泛领域中应用将带电粒子(离子)供给至加速器加速使其成为高能状态的带电粒子束的研究得到推进。目前被广泛运用的加速器系统大致由离子源和线性加速器(直线加速器)和圆形加速器(同步加速器)构成，按照该顺序将带电粒子阶段性地加速。并且，在同步加速器回旋的带电粒子达到规定的能量后使射出控制装置进行动作，将从回旋轨道变更了行进方向的带电粒子束引出到波束输送系统。
从同步加速器引出带电粒子束的射出控制装置按规格分类为快引出(fastextraction)和慢引出(slow extraction)。“快引出”是指将在同步加速器回旋的带电粒子的集团(束)在一圈所需的时间内全部引出的方法。
与此相对，“慢引出”是指一边使在同步加速器回旋一边一点一点地引出带电粒子的波束的方法。因此，通过“慢引出”照射的带电粒子束与“快引出”的情况相比，能够经过多次回旋一点一点地引出波束。
在粒子束治疗装置向病灶扫描照射带电粒子束的情况下等，需要以波束强度的变动减少的方式从同步加速器引出带电粒子束。并且，为了监视稳定的强度的带电粒子束供给到波束输送系统，在治疗室的照射端口或者波束输送系统的至少一个设置波束强度监视器，检测带电粒子的波束强度。并且，将该检测值反馈给射出控制装置，以使该检测值成为预先设定的值的方式适当控制从同步加速器引出的带电粒子的波束强度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-112021号公报
发明内容
然而，在现场安装加速器系统及粒子束治疗装置或进行系统维护的情况下，进行各种设备的调整作业。该调整作业有时一边从同步加速器进行带电粒子束的慢引出一边实施。但是，有时在波束输送系统的调整未完成时，不能使带电粒子束到达设置在治疗室的照射端口或者波束输送系统的监视器。在这种情况下，在上述的公知技术中，反馈控制不能发挥功能，所以不能从同步加速器稳定地进行带电粒子束的慢引出。
可是，波束输送系统的调整内容之一是以使带电粒子束穿过管内的中心而且波束的尺寸达到目标值的方式逐渐调整电磁铁的电流值的波束调整作业。因此，如果将波束强度控制为一定值的带电粒子束的慢引出不能稳定进行，则存在调整作业极其困难且调整时间长的问题。
本发明的实施方式正是考虑到这些情况而提出的，其目的是，提供一种带电粒子的射出控制技术，即使在未实施或者未完成波束调整的状态下，也能够从同步加速器稳定地进行带电粒子束的慢速引出。
附图说明
图1是有关本发明的第一实施方式的带电粒子的射出控制装置的框图。
图2的(A)、(B)、(C)、(D)、(E)是说明有关实施方式的带电粒子的射出控制的时序图。
图3是有关第二实施方式的带电粒子的射出控制装置的框图。
图4是说明有关第一实施方式的带电粒子的射出控制方法及射出控制程序的流程图。
图5是说明有关第二实施方式的带电粒子的射出控制方法及射出控制程序的流程图。
具体实施方式
(第一实施方式)
下面，根据附图对本发明的实施方式进行说明。图1是有关本发明的第一实施方式的带电粒子的射出控制装置10A(下面，简称为“射出控制装置10A”)的框图。这样的射出控制装置10A(10)具有：第一接收部11，接收对在同步加速器20回旋的带电粒子的电流值进行检测而得到的第一检测信号S1；运算处理部16，对该第一检测信号S1进行至少包含时间微分的运算，并输出波束强度相当值D；射出控制部18，输出控制信号G，该控制信号G以波束强度相当值D与目标值17a一致的方式使带电粒子束51从同步加速器20向波束输送系统30射出。
并且，射出控制装置10A(10)具有噪声滤波器15，在通过运算处理部16对第一检测信号S1进行时间微分的前级，将第一检测信号S1中所含的噪声成分去除。并且，还设置有放大器(省略图示)，在输入噪声滤波器15之前，将作为模拟信号的第一检测信号S1放大。另外，经过放大的第一检测信号S1此后有时直接以模拟信号在噪声滤波器15及运算处理部16进行处理，也有时转换为数字信号之后在噪声滤波器15及运算处理部16进行处理。
这样，通过从第一检测信号S1去除噪声成分，运算处理部16的微分处理的正确性提高，如后面所述那样带电粒子束51的波束强度与波束强度相当值D的匹配性提高。另外，该运算处理部16既可以将第一检测信号S1的时间微分值设为波束强度相当值D，也可以进一步向第一检测信号S1的时间微分值乘以换算系数等而设为波束强度相当值D。
加速器系统由离子源21和直线加速器22和同步加速器20构成，按照该顺序将带电粒子分阶段地加速。并且，在同步加速器20回旋的带电粒子达到规定的能量后，在保持该能量的状态下使射出设备29进行动作，将从回旋轨道改变了行进方向的带电粒子束51引出到波束输送系统30。另外，在本说明中“能量”是指“核子所占的能量”。
离子源21除ECR(Electron Cyclotron Resonance，电子回旋共振)离子源、PIG(Penning Ionization Gauge，潘宁电离真空计)离子源这样的高频(包含微波)照射型以外，还可以举出激光照射型的离子源等，但不限于此。
直线加速器22将彼此相邻且具有反向的电场成分的多个加速电场排列成直线状，使电场方向以高频频率反复反转，将穿过加速电场的带电粒子始终仅沿一个方向加速。并且，该直线加速器22将从离子源21入射的离子加速到规定的能量后射出至同步加速器20。
同步加速器20由高频加速空腔25、多个偏转电磁铁26、多个四极电磁铁27、电流检测器28、射出设备29构成，高频加速空腔25使从直线加速器22入射的带电粒子通过高频电力而加速；多个偏转电磁铁26产生对回旋的带电粒子赋予向心力的磁场；多个四极电磁铁27产生使回旋的带电粒子发散/收敛并控制在回旋轨道内的磁场；电流检测器28检测进行回旋的带电粒子的波束的电流值；射出设备29使围绕同步加速器20回旋的带电粒子的波束一点一点地射出到波束输送系统30。
这样构成的同步加速器20能够使从直线加速器22以低能量入射的带电粒子的波束回旋而最终加速到光速的70～80％的上限能量为止。并且，同步加速器20能够以比该上限能量的能量低的任意的能量保持进行回旋的带电粒子的波束的能量。并且，加速器控制部23以上述的带电粒子的波束的加速正确进行的方式联动离子源21、直线加速器22及同步加速器20而进行控制。
另外，在波束输送系统30还设置有用于将直线行进的带电粒子控制在轨道内的四极电磁铁27、和用于对带电粒子赋予向心力而使轨道弯曲的偏转电磁铁26。并且，在该波束输送系统30之后连接着通过照射带电粒子束51来治疗患者的肿瘤的照射装置50。另外，该照射装置50是示例，在波束输送系统30之后连接的设施不作特别限定。
在实施方式中采用的射出设备29是将在同步加速器20回旋的带电粒子的集团(波束)一点一点地引出的“慢引出”规格。射出设备29根据从射出控制装置10输入的控制信号G使射出用电极(省略图示)激励，由此将迁移到不稳定区域的波束从同步加速器20向波束输送系统30引出。
另外，在波束输送系统30设置有波束强度监视器55a，在照射装置50设置有波束强度监视器55b，能够监视带电粒子束51的波束强度。
图2是说明有关实施方式的带电粒子的射出控制的时序图。在图2的(A)所示的定时，从加速器控制部23(图1)向离子源21发送指令信号61。然后，从离子源21输出带电粒子，在直线加速器22经过加速之后，将带电粒子的波束供给至同步加速器20。
图2的(B)表示从加速器控制部23(图1)赋予偏转电磁铁26的励磁电流的概略曲线(Profile)。偏转电磁铁26的励磁电流是与回旋的带电粒子的能量对应地唯一确定的值，所以也可以理解为图2的(B)表示在同步加速器20回旋的带电粒子的能量的概略曲线。
在发送指令信号61之前，将同步加速器20设定为对应于使刚从直线加速器22供给之后的具有入射能量E0的带电粒子进行回旋的初始状态。并且，自带电粒子的波束入射起，同步加速器20使设定状态变化为带电粒子的能量增加的方向，在稳定为规定的能量E1后保持设定状态。
图2的(C)表示在直线加速器22的设定状态是保持能量E1(或者E2、E3)的状态下，从射出控制装置10(图1)向射出设备29发送的控制信号G的期间T。这样，在将控制信号G向射出设备29发送的期间T中，将在同步加速器20回旋的带电粒子的波束一点一点地引出至波束输送系统30。
图2的(D)表示在电流检测器28(图1)检测在同步加速器20回旋的带电粒子的波束的电流值而得到的第一检测信号S1的概略曲线。图2的(E)表示在运算处理部16(图1)对第一检测信号S1进行时间微分而得到的波束强度相当值D的概略曲线。
另外，穿过波束输送系统30的带电粒子的数量在波束调整适当进行而没有损耗的情况下，与围绕同步加速器20回旋的带电粒子的减少数量一致。因此，波束强度相当值D与引出到波束输送系统30的带电粒子束51的波束强度对应。因此，通过实施从同步加速器20对第一检测信号S1的波束强度相当值D进行反馈使其与目标值17a(图1)一致的控制，能够在射出控制部18生成使波束强度稳定的带电粒子束51的控制信号G。这样，能够从同步加速器20一点一点地将带电粒子的波束引出到波束输送系统30。并且，能够使同步加速器20的能量的设定状态如E1、E2、E3那样阶段性地变化。
随着将控制信号G向射出设备29发送的期间T的时间经过，在同步加速器20回旋的带电粒子的波束减少或者消失。因此，使同步加速器20的设定状态从能量E1、E2、E3返回(减速)为初始设定的入射能量E0的状态，再次向离子源21发送指令信号61，重新向同步加速器20供给带电粒子的波束。另外，减少的旧的带电粒子的波束在该减速工序中偏离回旋轨道而完全消失。
另外，同步加速器20的设定状态能够保持为比上限能量低的任意的水平。因此，能够使重新供给的带电粒子的波束稳定而保持为不同的能量E1、E2、E3的状态。这样反复进行一系列的流程：将带电粒子的波束供给同步加速器20进行加速，将带电粒子束51射出至波束输送系统30，将带电粒子的波束减速，再次将带电粒子的波束向同步加速器20供给。
(第二实施方式)
图3是有关第二实施方式的带电粒子的射出控制装置10B(下面，简称为“射出控制装置10B”)的框图。另外，在图3中具有与图1相同的结构或者功能的部分通过相同的标号表示，并省略重复说明。
第二实施方式的射出控制装置10B(10)在射出控制装置10A的结构的基础上还具有：第二接收部12，接收对射出至波束输送系统30的带电粒子束51的强度进行检测而得到的第二检测信号S2；以及切换部19，切换所输入的波束强度相当值D及第二检测信号S2的任一个而输出，射出控制部18输出控制信号G，该控制信号G以第二检测信号S2与目标值17b一致的方式使带电粒子从同步加速器20向波束输送系统30射出。这里，切换部19可以关于第二检测信号S2还能够切换是否接收波束强度监视器55a的输出、波束强度监视器55b的输出。
此时，在射出控制装置10B，随着波束强度相当值D及第二检测信号S2的切换，也切换控制信号G的输出所需要的反馈系数14。另外，射出至波束输送系统30的带电粒子束51的强度能够在波束强度监视器55a、55b进行检测。
在第一实施方式中，根据在同步加速器20回旋的带电粒子的波束的电流值的第一检测信号S1的波束强度相当值D，生成发送给射出设备29的控制信号G。可以认为该第一实施方式的带电粒子束51的射出控制作为构成波束输送系统30的各种设备的调整作业用是充分的。但是，作为照射到患者52的带电粒子束51，在精度上还存在不稳。
因此，在患者52的治疗时，通过切换部19将反馈的对象从波束电流值的第一检测信号S1的波束强度相当值D切换为带电粒子束51的强度的第二检测信号S2。由此，能够进一步稳定控制实际照射患者52的带电粒子束51。
图4是说明有关第一实施方式的带电粒子的射出控制方法及射出控制程序的流程图(适当地参照图1、图2)。首先，在构成波束输送系统30的设备的调整阶段中(S10)，将同步加速器20设定为初始状态(S11)。并且，向离子源21发送使其输出带电粒子的指令信号61(S12)。
于是，带电粒子的波束在直线加速器22加速并供给至同步加速器20。进而，在同步加速器20将带电粒子的波束加速使其稳定为规定的能量E1(S13：否、是)。
然后，接收在电流检测器28检测在同步加速器20回旋的带电粒子的波束的电流值而得到的第一检测信号S1(S14)。并且，输出对该第一检测信号S1进行时间微分而得到的波束强度相当值D(S15)。
然后，将以与目标值17a一致的方式对波束强度相当值D进行反馈而生成的控制信号G输出至射出设备29(S16)，使带电粒子束51从同步加速器20向波束输送系统30射出(S17)。在这样将带电粒子束51向波束输送系统30射出的期间，实施波束调整(S18：是)。另外，有时使同步加速器20的能量的设定状态如E1、E2、E3那样阶段性地变化来实施波束调整。
并且，在同步加速器20回旋的带电粒子的波束减少、电流检测器28输出的第一检测信号S1达到下限值后(S19：否、是)，使同步加速器20返回到初始状态，反复进行(S11)～(S19)的流程。并且，在波束调整结束后(S18：否)，流程结束(END)。
图5是说明有关第二实施方式的带电粒子的射出控制方法及射出控制程序的流程图(适当地参照图1、图2)。在第二实施方式中，在第一实施方式的(S11)～(S19)的流程基础上，追加了通过切换部19(图3)的操作将反馈的对象从第一检测信号S1变更为第二检测信号S2的流程(S20：否、是)、以及(S21)～(S25)的流程。
在反馈的对象变更为第二检测信号S2后(S20：是)，在将带电粒子束51向波束输送系统30射出的期间，接收在波束强度监视器55a(或者55b)检测出的带电粒子束51的强度作为第二检测信号S2(S21)。并且，将以与目标值17b一致的方式对第二检测信号S2进行反馈而生成的控制信号G输出至射出设备29(S22)，使带电粒子束51从同步加速器20向波束输送系统30射出(S23)。在这样将带电粒子束51向波束输送系统30射出的期间，实施波束调整(S24：是)。
并且，在同步加速器20回旋的带电粒子的波束减少、电流检测器28输出的第一检测信号S1达到下限值后(S25：否、是)，使同步加速器20返回到初始状态，跳过(S11)～(S13)，反复进行(S21)～(S25)的流程。并且，在波束调整结束后(S24：否)，流程结束(END)。
根据以上叙述的至少一个实施方式的带电粒子的射出控制装置，通过对在同步加速器回旋的带电粒子的电流值的微分值进行反馈，即使在波束调整未实施或者未完成的状态下，也能够从同步加速器稳定地进行带电粒子束的慢引出。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提示的，并非意图限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种各样的形态实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种各样的省略、替换、变更、组合。这些实施方式及其变形被包含在发明的范围或主旨中，并且被包含在权利要求书所记载的发明和其等效的范围中。并且，带电粒子的射出控制装置的构成要素还能够通过计算机的处理器来实现，能够根据带电粒子的射出控制程序使进行动作。
以上说明的带电粒子的射出控制装置能够通过利用通常的计算机的硬件结构来实现，该硬件结构具有：控制装置，高度集成化专用的芯片、FPGA(Field ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列)、GPU(Graphics Processing Unit，图形处理单元)、或者CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)等处理器；ROM(Read Only Memory，只读存储器)或RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)等存储装置；HDD(Hard DiskDrive，硬盘驱动)或SSD(Solid State Drive，固态驱动)等外部存储装置；显示器等显示装置；鼠标和键盘等输入装置；以及通信I/F。
并且，在带电粒子的射出控制装置中执行的程序被预先装入ROM等中进行提供。或者，该程序还可以以可安装的格式或者可执行的格式的文件被存储在CD-ROM、CD-R、存储卡、DVD、软盘(FD)等计算机能够读取的存储介质中进行提供。
并且，在有关本实施方式的带电粒子的射出控制装置中执行的程序还可以被存储在与因特网等网络连接的计算机中，经由网络进行下载来提供。并且，装置还能够将独立发挥构成要素的各功能的分体的模块通过网络或者专用线路相互连接并进行组合而构成。

Claims (6)

1.一种带电粒子的射出控制装置，其具有：
第一接收部，接收对在同步加速器回旋的带电粒子的电流值进行检测而得到的第一检测信号；
运算处理部，对所述第一检测信号进行至少包含时间微分的运算，并输出波束强度相当值；
射出控制部，输出以所述波束强度相当值与目标值一致的方式使带电粒子束从所述同步加速器向波束输送系统射出的控制信号。
2.根据权利要求1所述的带电粒子的射出控制装置，其中，
所述射出控制装置具有噪声滤波器，在进行所述时间微分之前，将所述第一检测信号中所含的噪声成分去除。
3.根据权利要求1或2所述的带电粒子的射出控制装置，其中，
所述射出控制装置具有：
第二接收部，接收对射出至所述波束输送系统的所述带电粒子束的强度进行检测而得到的第二检测信号；
切换部，对于将所述波束强度相当值及所述第二检测信号的哪一个输入所述射出控制部进行切换，
所述射出控制部在输入所述第二检测信号的情况下，输出以所述第二检测信号与目标值一致的方式使所述带电粒子从所述同步加速器向波束输送系统射出的控制信号。
4.根据权利要求3所述的带电粒子的射出控制装置，其中，
随着所述波束强度相当值及所述第二检测信号的切换，所述控制信号的输出所需要的反馈系数也进行切换。
5.一种带电粒子的射出控制方法，其包括以下步骤：
接收对在同步加速器回旋的带电粒子的电流值进行检测而得到的第一检测信号；
对所述第一检测信号进行至少包含时间微分的运算，并输出波束强度相当值；
输出以所述波束强度相当值与目标值一致的方式使带电粒子束从所述同步加速器向波束输送系统射出的控制信号。
6.一种带电粒子的射出控制程序，其使计算机执行以下步骤：
接收对在同步加速器回旋的带电粒子的电流值进行检测而得到的第一检测信号；
对所述第一检测信号进行至少包含时间微分的运算，并输出波束强度相当值；
输出以所述波束强度相当值与目标值一致的方式使带电粒子束从所述同步加速器向波束输送系统射出的控制信号。
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