JP2002043099A - 加速器及び医療システムとその運転方法 - Google Patents

加速器及び医療システムとその運転方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】強度変化が少ない荷電粒子ビームを出射できる
加速器とそれを用いて患部を所望の線量分布で照射する
のに好適な医療用加速器システムを提供する。 【解決手段】荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石２
及び４極電磁石５，６と、荷電粒子ビームを出射するた
めのベータトロン振動の共鳴の安定限界を発生させる多
極電磁石９と、荷電粒子ビームに高周波電磁界を加えて
荷電粒子ビームを安定限界の外側に移動させてベータト
ロン振動に共鳴を発生させるための高周波電源２４を備
える周回型加速器において、高周波電源２４で、瞬時周
波数が時間的に変化し、前記瞬時周波数の時間的平均値
が異なる複数種類の信号の加算信号を発生させ、加算信
号を電極２５を介して荷電粒子ビームに印加する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子ビームを
加速した後、出射して利用する加速器とそのビーム出射
方法及び医療用システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の加速器システム及びその荷電粒子
ビーム出射方法に関しては特許第２５９６２９２号公報
に記されている。
【０００３】特許第２５９６２９２号公報に記されてい
るように、前段加速器からの荷電粒子ビームを入射器か
ら後段加速器に入射する。後段加速器では、荷電粒子ビ
ームを治療に必要なエネルギーまで加速し、出射する。
荷電粒子は、左右或いは上下に振動しながら周回する。
これをベータトロン振動という。ベータトロン振動の周
回軌道一周あたりの振動数をチューンという。収束用４
極電磁石，発散用４極電磁石を用い、チューンを整数＋
１／３もしくは整数＋２／３に近付けるかあるいは整数
＋１／２に近づけると同時に、周回軌道上に設けられた
共鳴発生用多重極電磁石を励磁すると、多数周回してい
る荷電粒子のうち、ある一定以上のベータトロン振動振
幅を持つ荷電粒子のベータトロン振動の振幅が急激に増
加する。この現象をベータトロン振動の共鳴という。共
鳴が発生する前記境界を安定限界と呼び、その大きさ
は、共鳴発生用多極磁場と４極磁場の強度との関係によ
り変化する。チューンを整数＋１／２に近付けた時の共
鳴を２次共鳴、チューンを整数＋１／３もしくは整数＋
２／３に近付けた時の共鳴を３次共鳴とよび、以下３次
共鳴でチューンを整数＋１／３に近付ける場合を例にと
って説明する。共鳴の安定限界の大きさは、チューンの
整数＋１／３からの偏差が小さい程小さくなる。そこで
従来技術では、共鳴発生用多極電磁石の強度を一定にし
たままで、チューンをまず整数＋１／３に近付け、偏向
電磁石の強度や共鳴発生用多極電磁石の強度を一定にす
るだけでなく、チューン一定、即ち、４極電磁石の磁場
強度を一定としておき、複数の周波数成分あるいは周波
数帯域を有する高周波電磁界をビームに加えてベータト
ロン振動振幅を増加させて共鳴を発生させる。前記共鳴
によるベータトロン振動の増大を利用して出射用デフレ
クタから出射する。出射したイオンビームは、イオンビ
ーム輸送系の電磁石を用いて治療室へ輸送される。
【０００４】従来の加速器で使用されてきた出射用高周
波源については、特開平７−14699号公報に記されてい
る。荷電粒子ビームは、共鳴発生用多極電磁石の作用に
より、チューンがベータトロン振動の振幅に依存して変
化する。そのため、ビーム出射のための高周波は、周波
数帯域ないし複数の周波数を有する必要がある。従来技
術では、周波数帯域内に周回型加速器から出射する荷電
粒子ビームのチューンの小数部と周回周波数の積を含ん
で周波数幅が数１０ｋＨｚ程度にわたる高周波を荷電粒
子ビームに加えていた。
【０００５】加速器から出射した荷電粒子ビームは、特
開平１０−１１８２０４号公報に記されているように、
治療室に輸送され、照射室には、照射装置が設置され
る。照射装置には、ビーム径を増加させる散乱体と径を
増加させたビームを円形に走査するビーム走査電磁石が
設置されている。この散乱体により径を増加させたビー
ムを円形に走査することにより、走査するビーム中心の
軌跡の内側の積算ビーム強度が平坦化される。強度分布
を平坦化したビームから、患者コリメータにより照射ビ
ーム形状を患部形状に合致させて患者に照射されてき
た。
【０００６】また、上記とは異なり、ビーム走査電磁石
を使って小径ビームを患部形状に合わせて走査する方法
での照射も行われるようになっている。この小径ビーム
の走査方法では、予め定めた位置でビームを照射するよ
うにビーム走査電磁石の電流を制御し、ビーム強度モニ
タで所定線量を照射したことを確認して、前記高周波の
ビームへの印加を停止することによりビームの照射を停
止し、ビーム走査電磁石の電流を変化させて照射位置を
変えてまた照射することを繰り返す。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来、
医療用加速器システムでは、ビームを照射するときに散
乱体で径を増加させたビームを円形に走査して、走査円
の内側領域の積算強度分布を平坦化していた。ビーム走
査で照射する場合は、この強度分布を平坦化するため
に、ビームの強度の変化が小さいことが望ましく、特
に、数１０Ｈｚから数１０ｋＨｚ程度までの周波数成分
を小さく抑えることが望ましい。しかし、従来の医療用
加速器システムでは、荷電粒子ビームに加える高周波が
出射のために周波数帯域あるいは複数の周波数を有して
いることに起因して、加速器から出射されるビームの強
度が数１０Ｈｚから数１０ｋＨｚ程度までの周波数成分
を持って時間的に変化していた。そのため、一様な照射
能強度分布を得るために、円形走査の速さをビーム強度
の時間変化に応じて適切に選択すること、即ち、ビーム
強度の変化の周波数からずれた走査周波数を選ぶことに
より照射能強度分布を平坦化する必要があった。円形走
査周波数の十分高くすれば、上述のビーム強度の変化の
問題は解決できるが、走査用の電磁石、電源のコストが
大幅に上昇する。また、ビーム強度の時間的変化が大き
いと、ビーム強度の時間変化が小さい場合に比べて、照
射能内の強度分布の変化を許容範囲に抑えるために必要
な走査電磁石の電流の再現性，安定性等の条件が厳しく
なる。
【０００８】また、従来技術では、径が大きなビームお
よび径が小さなビームいずれの走査においても、ビーム
強度が時間的に変化すると、所定の照射能強度分布を確
認するために、ビーム強度モニタの時間分解能を高める
必要があった。
【０００９】本発明の目的は、出射ビーム電流の変化、
特に数１０Ｈｚから１０ｋＨｚ程度の周波数のビーム電
流の変化を抑えた加速器とそれを用いた医療用加速器シ
ステム及びその運転方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の請求項１の特徴は、荷電粒子ビームを周回させる偏
向電磁石及び４極電磁石と、荷電粒子ビームを出射する
ためにベータトロン振動の共鳴の安定限界を発生させる
多極電磁石と、荷電粒子ビームに高周波電磁界を加えて
荷電粒子ビームを前記安定限界の外側に移動させてベー
タトロン振動に共鳴を励起するための高周波源を備え、
前記高周波源が、複数の周波数成分を含み、前記複数周
波数成分の周波数の差の最小値が５００Ｈｚ以上１０ｋ
Ｈｚ以下で、前記複数の周波数成分の位相が、各周波数
成分間の位相の差に整数×π以外の値を含む位相となる
交流信号を発生させることにある。
【００１１】高周波により荷電粒子ビームのベータトロ
ン振動振幅を増加させて安定限界の外側へ移動させる為
には、高周波の周波数が、荷電粒子ビームのチューン
（荷電粒子ビームが周回型加速器を１周する間に行うベ
ータトロン振動の数）の小数部と周回周波数の積、ある
いは、チューンの小数部と周回周波数の積に周回周波数
の積の整数倍に近いことが望ましい。チューンは、ベー
タトロン振動の振幅に依存して変化する。そのため、出
射のための安定限界を越えさせる為に、ベータトロン振
動振幅を増加させるためには、複数の周波数を有する高
周波が必要になる。
【００１２】上記本発明では、高周波源から、複数の周
波数成分を含み、前記複数周波数成分間の周波数の差の
最小値が５００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の交流信号を荷
電粒子ビームに印加するため、荷電粒子ビームのベータ
トロン振動振幅の変化の周波数成分の最小値は、５００
Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下となり、特に、径が小さなビー
ムを走査する照射法で抑えることが必要な数１００Ｈｚ
以下の出射電流の変化を抑えることが出来る。また、各
周波数成分の位相は、その差が整数×πであると、周波
数成分の異なる信号の重なりに起因する信号強度の増
大，減少が大きくなるが、各周波数成分の位相の差に整
数×πを除いた値を含むように選ぶことにより、出射ビ
ーム強度の変化を抑えることができる。
【００１３】上記目的を達成する本発明の請求項２の特
徴は、荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石及び４極
電磁石と、荷電粒子ビームを出射するためのベータトロ
ン振動の共鳴の安定限界を発生させる多極電磁石と、荷
電粒子ビームに高周波電磁界を加えて荷電粒子ビームを
前記安定限界の外側に移動させてベータトロン振動に共
鳴を励起するための高周波源を備え、前記高周波源で、
瞬時周波数が時間的に変化し、前記瞬時周波数の時間的
平均値が異なる複数種類の交流信号の加算信号を発生さ
せ、前記加算信号を荷電粒子ビームに印加することにあ
る。
【００１４】複数の周波数成分を持つ高周波を荷電粒子
ビームに加えると、荷電粒子ビームは、加速器の電磁石
の強度で決まるベータトロン振動周波数（荷電粒子ビー
ムの周回周波数とチューンの積）と出射のために加えた
高周波の周波数成分を持ってベータトロン振動し、さら
に、ベータトロン振動の振幅は、前記ベータトロン振動
周波数と出射のために加えた高周波の周波数成分の和と
差、及び、複数ある出射用高周波の周波数の和，差の周
波数で変化する。その結果、安定限界を越える荷電粒子
ビームの粒子数、即ち、出射荷電粒子ビーム強度も同様
の周波数変化を示す。このうち、医療用等の荷電粒子ビ
ームの利用で最も重要になる数１０kＨz以下の周波数成
分は、前記ベータトロン振動周波数と出射のために加え
た高周波の周波数成分の差、及び、複数ある出射用高周
波の周波数の差により生じている。この数１０ｋＨｚ以
下の出射ビームの時間変化は本発明の上記特徴により、
以下の原理により低減される。
【００１５】交流信号は、時間をｔ、振幅をＡｉ、位相
をθｉとして、Ａｉsin(２πｆｉｔ＋θｉ）と表され、
瞬時周波数は、ｆｉ＋（ｄθｉ／ｄｔ）／（２π）と表
される。瞬時周波数が時間的に変化する時、ｄθｉ／ｄ
ｔ≠０である。ｄθｉ／ｄｔの平均値がゼロになるよう
に予め定めると瞬時周波数の時間的平均値は、ｆｉであ
る。荷電粒子ビームは、ベータトロン振動振幅が、ベー
タトロン振動周波数と加えた高周波の差の周波数で変化
する。上記特徴によると、異なるｆｉ（ただし、ｉ＝
１，２…ｎ：ｎは２以上）について位相θｉが時間変化
する交流信号の加算信号ΣＡｉsin（２πｆｉｔ＋θｉ
(ｔ)）を発生させて、荷電粒子ビームに加える。
【００１６】荷電粒子ビームは、ベータトロン振動振幅
が、ベータトロン振動周波数と加えた高周波の差の周波
数で変化する。加えた周波数ｆｉの高周波により、ベー
タトロン振動の振幅は、ｆｉ−ｆβで変化するが、周波
数ｆｉの交流信号の位相θｉは、時間的に変化するた
め、周波数がｆｉ−ｆβのベータトロン振動振幅の変化
は、位相が荷電粒子ビームの加速器を周回する周回方向
位置、即ち、前後関係によって異なる。その結果、加速
器を周回する周回方向位置、即ち、前後関係によって、
出射されるかどうが異なり、また、出射される周回方向
位置は、周回毎に変化していく。即ち、ある時刻におい
ては、荷電粒子ビームの周回方向の先頭が出射され、周
回方向の中心から後半は出射されないが、時刻の経過と
ともに、荷電粒子ビームの周回方向中心が出射され、周
回方向の前半と後半は出射されないことが生じる。この
ように、周回方向の位置でベータトロン振動振幅の増加
の位相が異なり、さらに、ビームが出射される周回方向
位置が変化していく。従来技術では、ビームが出射され
る時は周回方向の全位置から出射され、出射が少なくな
る場合は、周回方向全位置が同様に振る舞う。従って、
本発明は、全荷電粒子ビーム数の時間的変化が極めて小
さくなる。
【００１７】本発明の請求項３の周回型加速器は、荷電
粒子ビームを周回させる偏向電磁石及び４極電磁石と、
荷電粒子ビームを出射するためのベータトロン振動の共
鳴の安定限界を発生させる多極電磁石と荷電粒子ビーム
に高周波電磁界を加えて荷電粒子ビームを前記安定限界
の外側に移動させてベータトロン振動に共鳴を励起する
ための高周波源を備え、前記高周波源で、瞬時周波数が
時間的に変化し、前記瞬時周波数の時間的平均値、及
び、前記瞬時周波数と前記瞬時周波数の時間変化平均値
の差が複数種類の信号の加算信号を発生させ、前記加算
信号を荷電粒子ビームに印加することに特徴がある。
【００１８】交流信号は、時間をｔ、振幅をＡｉ、位相
をθｉとして、Ａｉsin(２πｆｉｔ＋θｉ）と表され、
瞬時周波数は、ｆｉ＋（ｄθｉ／ｄｔ）／（２π）と表
される。瞬時周波数が時間的に変化する時、ｄθｉ／ｄ
ｔ≠０である。ｄθｉ／ｄｔの平均値がゼロになるよう
に予め定めると瞬時周波数の時間的平均値は、ｆｉであ
る。上記特徴によると、異なるｆｉ（ただし、ｉ＝１，
２…ｎ：ｎは２以上）について、（ｄθｉ／ｄｔ），
（ｄθｊ／ｄｔ）（ｉ≠ｊ）が異なる、即ち、位相θｉ
とθｊの時間変化が異なる交流信号の加算信号ΣＡｉsi
n（２πｆｉｔ＋θｉ(ｔ)）を発生させて、荷電粒子ビ
ームに加える。
【００１９】荷電粒子ビームは、ベータトロン振動振幅
が、加えた高周波の差の周波数で変化する。即ち、加え
た高周波の周波数ｆｉとｆｊについて、ベータトロン振
動の振幅は、ｆｉ−ｆｊで変化するが、それぞれ周波数
ｆｉとｆｊを発生させる交流信号の位相θｉとθｊは、
時間的に異なる時間変化をするため、周波数がｆｉ−ｆ
ｊのベータトロン振動振幅の変化は、位相が荷電粒子ビ
ームの加速器を周回する周回方向位置、即ち、前後関係
によって異なる。このように、周回方向の位置でベータ
トロン振動振幅の増加の位相が異なり、さらに、それぞ
れが変化するため、本発明の請求項１と同様に出射され
る全荷電粒子ビーム数の時間的変化が極めて小さくな
る。
【００２０】また、本発明の請求項４の周回型加速器
は、荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石及び４極電
磁石と、荷電粒子ビームを出射するためのベータトロン
振動の共鳴の安定限界を発生させる多極電磁石と荷電粒
子ビームに高周波電磁界を加えて荷電粒子ビームを前記
安定限界の外側に移動させてベータトロン振動に共鳴を
励起するための高周波源を備え、前記高周波源は、前記
高周波源が、時間をｔ、複数種類の周波数をｆｉ、それ
ぞれの周波数ｆｉに対応する位相をθｉ、振幅をＡｉと
して複数の各周波数の交流信号の加算信号ΣＡｉsin(２
πｆｉｔ＋θｉ）を発生し、位相θｉを予め定めた周期
で変化させる高周波源であることに特徴がある。
【００２１】交流信号は、時間をｔ、振幅をＡｉとし
て、Ａｉsin(２πｆｉｔ＋θｉ）と表され、瞬時周波数
は、２πｆｉ＋ｄθｉ／ｄｔと表される。従って、上記
特徴のように各ｆｉに対応するθｉを予め定めた周期で
変化させると、請求項１の加速器と同様に、出射のため
のベータトロン振動の振幅の増加の位相も時々刻々変化
し、出射ビーム強度が平均化され、時間的に強度変化の
少ない荷電粒子ビームが出射される。
【００２２】また、本発明の請求項５の周回型加速器
は、荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石及び４極電
磁石と、荷電粒子ビームを出射するためのベータトロン
振動の共鳴の安定限界を発生させる多極電磁石と荷電粒
子ビームに高周波電磁界を加えて荷電粒子ビームを前記
安定限界の外側に移動させてベータトロン振動に共鳴を
励起するための高周波源を備え、前記高周波源が複数の
熱雑音発生装置と、それらの出力の後段に予め定めた時
間間隔で前記複数の熱雑音発生装置の出力を切り替える
手段を備え、前記熱雑音発生装置からの出力に基づく高
周波をビームに加えることに特徴がある。
【００２３】上記特徴により、荷電粒子ビームに加える
高周波の異なる周波数の位相差が予め定めた周期で変化
する。その結果、前記ベータトロン振動の振幅の変化の
位相も時々刻々変化し、出射ビーム強度が平均化され、
時間的に強度変化の少ない荷電粒子ビームが出射され
る。
【００２４】本発明の請求項６の医療用加速器システム
は、周回型加速器と前記周回型加速器から出射された荷
電粒子ビームを輸送するシステムと前記輸送された荷電
粒子ビームを患者に照射する照射装置を備え、周回型加
速器に請求項１の周回型加速器を用いる点に特徴があ
る。
【００２５】上記特徴により、前記周回型加速器内のベ
ータトロン振動の振幅の変化の低周波成分が小さくな
り、時間的に強度変化の少ない荷電粒子ビームが出射さ
れて、治療装置から時間的強度の変化の少ない荷電粒子
ビームを照射できる医療用加速器システムを得る。
【００２６】本発明の請求項７の医療用加速器システム
は、周回型加速器と前記周回型加速器から出射された荷
電粒子ビームを輸送するシステムと前記輸送された荷電
粒子ビームを患者に照射する照射装置を備え、周回型加
速器に請求項２の周回型加速器を用いる点に特徴があ
る。
【００２７】上記特徴により、前記周回型加速器内のベ
ータトロン振動の振幅の変化の位相も時々刻々変化し、
出射ビーム強度が平均化され、時間的に強度変化の少な
い荷電粒子ビームが出射されて、治療装置から時間的強
度の変化の少ない荷電粒子ビームを照射できる医療用加
速器システムを得る。
【００２８】本発明の請求項８の医療用加速器システム
は、周回型加速器と、前記周回型加速器から出射された
荷電粒子ビームを輸送するシステムと、前記輸送された
荷電粒子ビームを患者に照射する照射装置を備え、周回
型加速器に請求項４の周回型加速器を用いる点に特徴が
ある。
【００２９】上記の本発明により、加速器からの荷電粒
子ビームの出射のために荷電粒子ビームに印加する高周
波の位相が時間変化する。その結果、前記ベータトロン
振動の振幅の変化の位相も時々刻々変化し、出射ビーム
強度が平均化され、時間的に強度変化の少ない荷電粒子
ビームが出射されて、治療装置から時間的強度の変化の
少ない荷電粒子ビームを照射できる。
【００３０】本発明の請求項９の運転方法は、荷電粒子
ビームを周回させる偏向電磁石及び４極電磁石と、荷電
粒子ビームを出射するためのベータトロン振動の共鳴の
安定限界を発生させる多極電磁石と、荷電粒子ビームに
高周波電磁界を加えて荷電粒子ビームを前記安定限界の
外側に移動させてベータトロン振動に共鳴を発生させる
ための高周波源を備える周回型加速器と、前記周回型加
速器から出射された荷電粒子ビームを輸送するシステム
と、前記輸送された荷電粒子ビームを患者に照射する照
射装置を備えた医療用加速器システムの運転方法におい
て、前記高周波源で、荷電粒子ビームを前記安定限界の
外側に移動させるための高周波電磁界を発生させるた
め、複数の周波数成分を含み、前記複数周波数成分の周
波数の差の最小値が５００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下で、
前記複数の周波数成分の位相は、各周波数成分間の位相
の差に整数×π以外の値を含む位相である交流信号を荷
電粒子ビームに加えて荷電粒子ビームを出射し、治療装
置から照射することに特徴がある。
【００３１】上記特徴により、前記周回型加速器内のベ
ータトロン振動の振幅の変化の低周波成分が小さくな
り、時間的に強度変化の少ない荷電粒子ビームが出射さ
れて、治療装置から時間的強度の変化の少ない荷電粒子
ビームが出射されて、治療装置から時間的強度の変化の
少ない荷電粒子ビームを照射できる。特に、径が小さな
ビームを走査する照射法で抑えるべき数１００Ｈｚ以下
の出射電流の変化を小さく出来る。
【００３２】本発明の請求項１０の運転方法は、荷電粒
子ビームを周回させる偏向電磁石及び４極電磁石と、荷
電粒子ビームを出射するためのベータトロン振動の共鳴
の安定限界を発生させる多極電磁石と荷電粒子ビームに
高周波電磁界を加えて荷電粒子ビームを前記安定限界の
外側に移動させてベータトロン振動に共鳴を発生させる
ための高周波源を備える周回型加速器と前記周回型加速
器から出射された荷電粒子ビームを輸送するシステムと
前記輸送された荷電粒子ビームを患者に照射する照射装
置を備えた医療用加速器システムの運転方法において、
前記高周波源で、瞬時周波数が時間的に変化し、前記瞬
時周波数の時間的平均値が異なる複数種類の信号の加算
信号を発生させ、前記加算信号を荷電粒子ビームに加え
て荷電粒子ビームを出射し、治療装置から照射すること
に特徴がある。
【００３３】上記の本発明により、加速器からの荷電粒
子ビームの出射ために荷電粒子ビームに印加する、複数
の周波数成分の高周波の位相が時間変化する。その結
果、前記ベータトロン振動振幅の変化の位相も時々刻々
変化し、出射ビーム強度が平均化され、時間的に強度変
化の少ない荷電粒子ビームが出射されて、治療装置から
時間的強度の変化の少ない荷電粒子ビームを照射でき
る。
【００３４】本発明の請求項１１の運転方法は、荷電粒
子ビームを周回させる偏向電磁石及び４極電磁石と、荷
電粒子ビームを出射するためのベータトロン振動の共鳴
の安定限界を発生させる多極電磁石と荷電粒子ビームに
高周波電磁界を加えて荷電粒子ビームを前記安定限界の
外側に移動させてベータトロン振動に共鳴を発生させる
ための高周波源を備える周回型加速器と前記周回型加速
器から出射された荷電粒子ビームを輸送するシステムと
前記輸送された荷電粒子ビームを患者に照射する照射装
置を備えた医療用加速器システムの運転方法において、
前記荷電粒子ビームに、時間をｔ、複数種類の周波数を
ｆｉ（ｉ＝１，２…ｎ）、それぞれの周波数ｆｉに対応
する位相をθｉ、振幅をＡｉとして複数の各周波数の交
流信号の加算信号ΣＡｉsin(２πｆｉｔ＋θｉ）を発生
し、θｉが予め定めた周期で時間変化する高周波を加
え、前記高周波を加えて出射した荷電粒子ビームを前記
輸送システムで輸送し、前記照射装置から照射すること
に特徴がある。
【００３５】上記の本発明により、加速器からの荷電粒
子ビームの出射ために荷電粒子ビームに印加する複数の
周波数成分の高周波の位相が予め定めた時間毎に変化す
る。その結果、前記ベータトロン振動の振幅の変化の位
相も時々刻々変化し、出射ビーム強度が平均化され、時
間的に強度変化の少ない荷電粒子ビームが出射されて、
治療装置から時間的強度の変化の少ない荷電粒子ビーム
を照射できる。
【００３６】
【発明の実施の形態】実施例１ 本発明の第１の実施例の医療用加速器システムを図１を
用いて説明する。
【００３７】図１は、本発明の医療用加速器システムの
第１の実施例で、プロトンを入射・加速し、その後、出
射する加速器１１１と出射したビームを治療室９８へ輸
送して癌治療を行うシステムを示す図である。治療にあ
たっては、患者の情報に基づき予め治療計画装置１３１
で定めたビームエネルギー，ビーム照射線量，ビーム照
射時間を制御装置１３２に伝送し、これに基づき、加速
器１１１の各機器の電源１１３，出射ビーム輸送系機器
の電源１１２と治療照射系の照射装置２００の電源２０
１を制御する。
【００３８】本発明の加速器１１１では、前段加速器１
６，ビームを加速器１１１へ輸送する入射ビーム輸送系
１７，入射器１５、また、入射されたビームにエネルギ
ーを与える高周波加速空胴８，ビーム軌道を曲げる偏向
電磁石２，ビームのベータトロン振動を制御する４極電
磁石５，６、さらに、出射時の共鳴を励起するための６
極電磁石９，共鳴の安定限界内粒子のベータトロン振動
振幅の増加を目的に、ビームに時間変化する高周波電磁
界を加えるための電極２５、及びベータトロン振動振幅
が増加した粒子を出射用ビーム輸送系１０２に出射する
ための出射器４から構成されている。出射ビーム輸送系
１０２は、偏向電磁石１０５，４極電磁石１０４等で構
成される。これらの機器のうち、共鳴発生用の６極電磁
石９とビームに高周波電磁界を加えるための電極２５，
出射器４，出射ビーム輸送系の４極電磁石１０４及び偏
向電磁石１０５は、加速したビームを出射する過程での
み使用する。
【００３９】入射器１５から入射されたビームは、周回
する過程で偏向電磁石２で軌道が曲げられる。また、４
極電磁石の働きにより、ビームは設計軌道のまわりをベ
ータトロン振動しながら周回し、ベータトロン振動の振
動数は、収束用の４極電磁石５と発散用の４極電磁石６
の励磁量により制御できる。入射と加速時の過程でビー
ムを安定に周回させるには、加速器一周あたりのベータ
トロン振動数（チューン）が共鳴を生じない値にしてお
く必要がある。本実施例では水平方向チューンνｘ、垂
直方向チューンνｙを整数＋０.２５ないし整数＋０.７
５に近い値になるように４極電磁石５，６を調整してお
く。この状態でビームは加速器内を安定に周回するが、
その過程で高周波加速空胴８からエネルギーを与え、ま
た、偏向電磁石２及び４極電磁石５，６、各々の磁場強
度比を一定に保ちながら偏向電磁石２及び４極電磁石
５，６、各々の磁場強度を増加させ、ビームを加速す
る。各々の磁場強度比が一定であることから、加速器一
周あたりのベータトロン振動数、即ち、チューンは、一
定に保たれる。
【００４０】出射する過程では、収束用の４極電磁石５
の電源と発散用の４極電磁石６の電源を調整し、水平方
向チューンνｘを整数＋１／３＋Δないし整数＋２／３
＋Δ(Δは０.０１程度の小さな値）にする。以下では、
水平方向チューンνｘを整数＋１／３＋Δとする場合を
例に説明する。次に６極電磁石９に共鳴励起のための電
流を流す。６極電磁石９に流す電流は、周回中のビーム
でベータトロン振動振幅が大きい粒子が安定限界内に納
まる程度の値にしておくが、その値は、あらかじめ計算
で求めるか、出射の運転の繰り返しを通じて求める。
【００４１】次に、電極２５より高周波電源２４で発生
させた高周波信号を印加する。図３に、高周波電源２４
の構成を示す。図３のに示すように、電極２５は板状電
極で、水平方向に対向させて時間変化信号を印加する。
電極２５には、符号が逆の電流を高周波電源２４から流
すようにすることにより、図３に示す方向の電界が荷電
粒子ビームに加わる。
【００４２】図３の高周波電源２４は、治療計画装置１
３１からの情報により制御装置132から、ビームエネル
ギーＥ，周回周波数ｆｒ，取り出し時間ｔｅｘ，目標照
射線量に関する信号を受けて、電極２５に以下のような
時間変化信号を加える。即ち、制御装置１３２からの信
号に基づき、複数種類の周波数をｆ１，ｆ２，…ｆｎ
（ｆ１，＜ｆ２＜…＜ｆｎ）、それぞれの周波数ｆｉ
（ｉ＝１，２…ｎ）に対応する位相をθｉ（ｉ＝１，２
…ｎ），振幅Ａｉ（ｉ＝１，２…ｎ）、時間をｔとして
複数の周波数の交流信号の合成信号ΣＡｉsin(２πｆｉ
ｔ＋θｉ）を発生し、かつ瞬時周波数を時間的に変化さ
せる、即ち、前記の位相θｉを予め定めた時間間隔で繰
り返し変更して電極２５に加える。なお、θｉの時間変
化は、θｉ，θｊ(ｉ≠ｊ，ｉ，ｊ＝１，２，…ｎ)につ
いてθｉ，θｊ，θｉ−θｊが予め定めた周期で変化す
るように選定する。複数種類の周波数ｆ１，ｆ２，…ｆ
ｎは、周回周波数ｆｒを基に、最小値から最高値の間に
ｆｒ／３から(１／３＋δ)ｆｒを含むようにする。周波
数ｆ１，ｆ２，…ｆｎは、周波数ｆｉ＋１と隣接する周
波数ｆｉの間の周波数差が１ｋＨｚ以上で１０ｋＨｚ以
下になるように設定する。周波数このような周波数成分
を持たせるのは、下記の考察に基づく。 （ａ）ベータトロン振動振幅が極めて小さいビームのチ
ューンは、四極電磁石で設定した整数＋１／３＋δにな
っているが、共鳴発生用の多重極電磁石９の効果によ
り、安定限界近くのベータトロン振動振幅の大きな粒子
のチューンは、この値からδ程度ずれ、整数＋１／３に
近い値になっており、振動振幅がこれらの間にあるビー
ムのチューンも整数＋１／３＋δから整数＋１／３の間
に連続的に分布する。 （ｂ）荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を効率的
に増加させるためには、ベータトロン振動の周波数に近
い周波数の高周波を荷電粒子ビームに加える必要があ
る。 （ｃ）荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅には、高
周波の周波数ｆ１，ｆ２，…ｆｎの差の周波数ｆｉ−ｆ
ｊ（ｉ，ｊ＝１，２…ｎ）の成分の変化が生じ、同様の
周波数変化で出射ビーム電流が変化する。従って、ｆｉ
＋１−ｆｉが、小径ビームの走査で抑えるべき５００Ｈ
ｚ以上の周波数になるようにｆｉ（ｉ＝１，２…ｎ）を
決める。一方、ｆｉ＋１−ｆｉを１０ｋＨｚ以上にする
と、実用的な電力の高周波では、ベータトロン振動振幅
を有効に増加させることが困難になる。
【００４３】なお、ベータトロン振動の共鳴に２次共鳴
を用いる場合には、チューンを整数＋１／２に近い値と
する。周波数幅は上記と同様である。
【００４４】位相θｉ（ｉ＝１，２…ｎ）を変更する時
間をΔｔとし、各周波数ｆｉに対応する信号Ａｉsin
（２πｆｉｔ＋θｉ）の位相θｉをΔｔ毎にｍ回（ｍ：
整数）、θ１，θ２，…θｍと変化させる。ｍ回変更し
た後は、Ｔexrf＝ｍΔｔを１周期として、同様の位相変
更を繰り返す。
【００４５】Ｔexrfについては、後述するが、本実施例
では、位相を変更する周期Ｔexrfを荷電粒子ビームの加
速器の周回周期Ｔ（＝１／ｆｒ）とし、分割数ｍはｍ＝
４とする。周波数ｆｉについて位相θｉ，周波数ｆｉ
（ｉ＝１，２…ｎ）の信号強度の変化を図４に示す。図
４は、ＴexrfをＴとして記している。各周波数ｆｉにつ
いて時刻ｔ＝ｔ０＋ｋＴexrf（ｋ：整数）における位相
をθｉ１とし、Δｔ後、即ち時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔ＋ｋＴ
exrfに位相をθｉ２に変える。これを、各周波数ｆｉに
ついて行い、時刻ｔ＝ｔ０＋２Δｔ＋ｋＴexrfで初期位
相をθｉ３、ｔ＝ｔ０＋３Δｔ＋ｋＴexrfで位相をθｉ
４と変化させる。ｍ＞４の場合は、さらにΔｔ毎に位相
を変化させ、…ｔ＝ｔ０＋Δｔ（ｍ−１）＋ｋＴexrf＝
ｔ０＋Ｔ−Δｔ＋ｋＴexrfでθｉｍと変化させる。そし
て位相変更を行う周期Ｔexrfが経過した後は、各周波数
ｆｉについてθｉを再びθｉ１として上記の位相変更を
繰り返す。他の周波数ｆｊについても、上記と同様に、
位相θｊを図５のように変化させる。なお、変化させる
位相θｊは、異なる各周波数ｆｉ，ｆｊ間の位相差θｉ
ｋ―θｊｋ（ただしｉ≠ｊ）が、Δｔ毎に変化するよう
に選定する。そして、各周波数の信号の和算ΣＡｉsin
（２πｆｉｔ＋θｉ）を求めて電極２５から荷電粒子ビ
ームに印加する。
【００４６】このように、電極２５から高周波を加える
ことにより、ビームの軌道勾配が電場，磁場の効果で変
化し、ビームのベータトロン振動の振幅が増加し始め、
安定限界をこえた粒子は、共鳴によりベータトロン振動
の振幅が急激に増加する。ベータトロン振動に共鳴が発
生した粒子は、振動が増加した後、出射器４から出射さ
れる。このベータトロン振動振幅の変化の周波数に、ベ
ータトロン振動周波数ｆβと外部から加える高周波の周
波数の差、及び、外部から加える高周波の周波数間の差
の成分が生じる。即ち、荷電粒子ビームに加える高周波
の周波数をｆ１，ｆ２…ｆｎ（ｆ１＜ｆ２…＜ｆｎ）と
すると、ベータトロン振動周波数ｆβと外部から加える
高周波の周波数の差については、ｆ１−ｆβ，ｆ２−ｆ
β…ｆｎ−ｆβの周波数が生じ、外部から加える高周波
の周波数間の差については、最高ｆｎ−ｆ１、最小はｆ
１，ｆ２…ｆｎのうちの周波数の差ｆｉ−ｆｊ（ｉ，
ｊ：１，２…ｎでｉ≠ｊ）のうちの最小周波数のベータ
トロン振動の振幅変化成分が生じる。医療用加速器シス
テムでは、周波数差の最大値ｆｎ−ｆ１がおよそ数１０
ｋＨｚ程度である。
【００４７】本実施例では、Δｔ時間毎に、周波数ｆ
１，ｆ２，…ｆｎの高周波の位相を変化させることによ
り、上記のベータトロン振動振幅のｆｉ−ｆβ，ｆｉ−
ｆｊ（ｉ，ｊ＝１，２…ｎ，ｉ≠ｊ）の周波数成分の位
相もΔｔ毎に変化する。従って、例えば、時刻ｔ＝ｔ０
＋ｋＴexrf（ｋ：０，１，２…，ｍ）において位相θｉ
１の高周波を加えた荷電粒子ビームと、時刻ｔ＝ｔ０＋
Δｔ＋ｋＴexrf（ｋ：０，１，２…，ｍ）に位相θｉ２
の高周波を加えた荷電粒子ビームそれぞれのベータトロ
ン振動の振幅変化の周波数成分ｆｉ−ｆβ，ｆｉ−ｆｊ
（ｉ，ｊ＝１，２…ｎ，ｉ≠ｊ）の位相が異なる。この
位相の変化を繰り返し結果、ベータトロン振動振幅が安
定限界よりわずかに小さい荷電粒子ビームについて、時
刻ｔ＝ｔ０＋ｋＴexrf，ｔ＝ｔ０＋Δｔ＋ｋＴexrf，ｔ
＝ｔ０＋２Δｔ＋ｋＴexrf，…ｔ＝ｔ０＋(ｋ−１)Δｔ
＋ｋＴexrf（ｋ：０，１，２…，ｍ）に出射用高周波電
極位置を通過した荷電粒子ビームには、高周波の位相の
差異に起因して安定限界を越えるビームと安定限界を越
えないビームがある。例えば、ｔ＝ｔ０＋Δｔ＋ｋＴex
rfに高周波電極を通過したビームは、ベータトロン振動
振幅が増加する位相になり出射されるが、ｔ＝ｔ０＋
（ｋ−１）Δｔ＋ｋＴexrfに高周波電極を通過したビー
ムは、ベータトロン振動振幅が減少する位相になり、出
射され無い状況が生じる。即ち、高周波電極を通過する
時間がΔｔ違うと荷電粒子ビームが出射されるかどうか
が替わる。さらに時間が経過すると、逆の現象が生じ、
Δｔ直前に出射されてもΔｔ後には、出射されないこと
が生じる。従って、ｔ＝ｔ０＋ｋＴexrfからｔ＝ｔ０＋
（ｋ＋１）Ｔexrfまでの時間内、ｔ＝ｔ０＋（ｋ＋１）
Ｔexrfからｔ＝ｔ０＋（ｋ＋２）Ｔexrfまで時間内、さ
らにｔ＝ｔ０＋(ｎ＋２)Ｔexrfからｔ＝ｔ０＋（ｎ＋
３）Ｔexrfまでの各時間内に出射されるビーム強度の変
化は小さくなる。上記の瞬時周波数の変化、即ち、位相
の変化は、各ｆｉ（ｉ＝１，２…ｎ）に対して行うた
め、出射ビーム電流の周波数成分ｆｉ−ｆβ，ｆｉ−ｆ
ｊ（ｉ，ｊ＝１，２…ｎ，ｉ≠ｊ）、即ち、数１０ｋＨ
ｚ以下の時間変化が極めて小さくなる。
【００４８】図３の１３３は高周波電源２４の計算機
で、図１の加速器１１１の制御装置１３２からのビーム
エネルギーＥ，周回周波数ｆｒの情報に基づき、出射の
ために加える高周波の周波数ｆｉ（ｉ＝１，２…ｎ）を
計算する。同時に制御装置１３２から荷電粒子ビームが
周回型加速器を１周する時間Ｔの分割数ｍを計算機１３
３に入力する。上記入力から位相変更時間Δｔは、Δｔ
＝Ｔexrf（＝Ｔ）／ｍとなる。計算機１３３で、周波数
成分の数ｎと分割数ｍに基づいて周波数ｆｉ（ｉ＝１，
２…ｎ）に対する位相θｉｋ（ｉ＝１，２…ｎ；ｋ＝
１，２，…ｍ）データを生成する。本実施例では、位相
θｉｋ（ｉ＝１，２…ｎ；ｋ＝１，２，…ｍ）を０から
２πまでの間で平均がπになる乱数から生成する。ただ
し、次に、周波数ｆｉ（ｉ＝１，２…ｎ）に対する振幅
をＡｉとして、上記データから、ｔ＝０からΔｔまでの
区間について複数の各周波数の交流信号の合成信号ΣＡ
ｉsin（２πｆｉｔ＋θｉ１）を計算、次に、ｔ＝Δｔ
から２ΔｔまでΣＡｉsin（２πｆｉｔ＋θｉ２）を計
算、これを繰り返してｔ＝(ｍ−１)ΔｔからｍΔｔまで
の時間についてΣＡｉsin（２πｆｉｔ＋θｉｍ）を求
める。次にｔ＝ＴexrfからΔｔ＋ＴexrfまでΣＡｉsin
（２πｆｉｔ＋θｉ１）を求め、ｔ＝Ｔexrf＋Δｔから
Ｔexrf＋２ΔｔまでΣＡｉsin(２πｆｉｔ＋θｉ２）を
計算する手順を繰り返していく。これらの計算結果は、
波形データのメモリー３０にストアされる。波形データ
のメモリー３０の出力をＤＡコンバータ２７によりアナ
ログ信号に変換し、増幅器２８で増幅された後、電極２
５から荷電粒子ビームに加えられる。位相変更時間Δｔ
は、小さいほど出射ビーム電流の時間変化を小さく抑え
ることができるが、波形データのメモリー３０の必要サ
イズが大きくなること、ＤＡコンバータ２７でのサンプ
リング時間を短くする必要があること、さらに、増幅器
２８や電極２５に広い周波数帯域を持たせる必要があ
り、これらの特性を考慮して、位相変更時間Δｔを定め
ることが必要である。
【００４９】波形データのメモリー３０に蓄積するデー
タは、出射するビームのエネルギー毎に生成しておく。
出射のために加える高周波の周波数ｆ１からｆｎまでの
周波数ｆｉ（ｉ＝１，２…ｎ）は、前記周期Ｔの逆数で
ある周回周波数ｆｒに基づき、ｆｒ／３から（１／３＋
δ）ｆｒ程度を含む範囲に設定する。δは、ビームの運
動量差に起因するチューンの変化を考慮して、十分大き
い値にする。荷電粒子ビームを加速し、出射する際に、
制御装置１３２からのビームエネルギー情報に基づきメ
モリー３０から波形データを読み出し、ＤＡコンバータ
２７に送る。
【００５０】ＤＡコンバータ２７でアナログ信号に変換
された高周波は、図３の増幅器２８により増幅されて電
極２５から荷電粒子ビームに加えられる。ビームを出射
する際には、増幅器２８の増幅度を制御装置１３４から
の信号によりメモリー３１から得て変化させる。この時
間変化のパターンも、各ビームエネルギーＥや、出射時
間ｔｅｘ毎にメモリー３１に記憶しておく。このように
ビームに加える高周波電圧を時間的に変化させるのは、
単位時間当たりに出射される粒子数を一定に保つことが
その目的である。出射開始直後は、安定限界の内側に多
数の粒子があり、出射の経過とともに安定限界の内部の
粒子数が減少する。単位時間に出射される粒子数は、安
定限界にある粒子とベータトロン振動が安定限界をこえ
る速さの積に比例するから、出射の経過とともにビーム
に加える高周波電圧を増加していくことにより、単位時
間当たりに出射される粒子数を一定に保つことができ
る。患者及び患部情報により、必要なビームエネルギー
や照射線量，照射時間がきまるから、それを基に制御装
置１３２から制御装置１３４へ信号を送り、予め増幅度
バターンを覚えさせたメモリー３１に記憶したデータか
ら適切なパターンを選んで増幅器２８に与えてビームを
出射する。
【００５１】なお、本実施例では、位相を変更する周期
Ｔexrfは、荷電粒子ビームの周回周期Ｔとして、Δｔ
は、Ｔの１／正整数としている。これにより、高周波電
源２４から荷電粒子ビームに加えるための交流信号に
は、ｆ１からｆｎまでの範囲だけでなく、周回周波数を
ｆｒとして、ｆｒ＋ｆ１からｆｒ＋ｆｎ，２ｆｒ＋ｆ１
から２ｆｒ＋ｆｎ，３ｆｒ＋ｆ１から３ｆｒ＋ｆｎ，…
と周波数幅が同じで、周波数がｆｒずつずれた位置に周
波数成分が生じる。この周波数成分は、最高１／（２Δ
ｔ）程度までに及ぶ。したがって、荷電粒子ビームに加
える周波数成分は、周回周波数の整数倍＋ベータトロン
振動周波数に概ね近く、ベータトロン振動の振幅を効率
良く増加できる。従って、高周波電源２４の増幅器２８
や電極２５は、これらの周波数の高周波を減衰させるこ
となく荷電粒子ビームに加えることができる周波数特性
を持つ必要がある。前述の分割数ｍを大きくし、Δｔを
小さくすると、さらに高い周波数成分を持つようにな
り、これに応じた増幅器２８や電極２５を使用する必要
がある。
【００５２】高周波電源２４の増幅器２８や電極２５
は、これらの周波数の高周波を減衰させることなく荷電
粒子ビームに加えることができる周波数特性を持つ必要
がある。前述の分割数ｍを大きくし、Δｔを小さくする
と、さらに高い周波数成分を持つようになり、これに応
じた増幅器２８や電極２５を使用する必要がある。
【００５３】位相を変更する周期Ｔexrfは、荷電粒子ビ
ームの周回周期Ｔ（＝１／ｆｒ）程度とするか、あるい
は、荷電粒子ビームの出射電流の時間変化で重要となる
周波数成分、即ち、数１０ｋＨｚに対応する周期、即
ち、数１０μｓ程度とすることが望ましい。これは、そ
れ以外の周期で位相を変更した場合、荷電粒子ビームに
加える高周波周波数成分にベータトロン振動の振幅を効
率良く増加できない成分が含まれ、高周波電源の電力が
有効に使われなくなるためである。前記のＴexrf＝Ｔ
（荷電粒子ビームの周回周期）とした場合には、上記の
高周波電源２４で発生させた高周波の周波数スペクトル
は、瞬時周波数が時間的に変化することから、ｆ１から
ｆｎまでの範囲だけでなく、ｆｒ＋ｆ１からｆｒ＋ｆ
ｎ，２ｆｒ＋ｆ１から２ｆｒ＋ｆ１，…，６ｆｒ＋ｆ１
から６ｆｒ＋ｆｎ程度までの範囲に及ぶ。ここで、ｆｒ
は、荷電粒子ビームの周回周波数で、瞬時周波数を変化
させる周期Ｔの逆数である。高周波電源２４の増幅器２
８や電極２５は、これらの周波数の高周波を減衰させる
ことなく荷電粒子ビームに加えることができる周波数特
性を持つ必要がある。前述の分割数ｍを大きくし、Δｔ
を小さくすると、さらに高い周波数成分を持つようにな
り、これに応じた増幅器２８や電極２５を使用する必要
がある。
【００５４】位相変更の周期Ｔexrfを、出射ビーム電流
の時間変化を抑える周波数（数１０ｋＨｚ）に対応する
５０μｓ程度にした場合、高周波電源２４で発生させた
高周波の周波数スペクトルは、最小周波数がｆ１より前
述の数１０ｋＨｚの数倍程度小さくなり、最高周波数は
ｆｎより同様に数１０ｋＨｚの数倍程度高くなり、ベー
タトロン振動振幅を変化させる場合の高周波電力の効率
は若干減少する。しかし、Ｔexrf＝Ｔとした前述のよう
なｆｒ＋ｆ１からｆｒ＋ｆｎ，２ｆｒ＋ｆ１から２ｆｒ
＋ｆ１のような高い周波数成分は生じない。従って、高
周波電源２４の増幅器２８や電極２５について、位相変
更の周期Ｔexrfを荷電粒子ビームの周回周期Ｔとした場
合のような広い周波数帯域は不要である。
【００５５】加速器１１１から出射されて、輸送系１０
２で治療室９８に輸送されたビームは回転照射装置１１
０で患者に照射される。輸送系１０２には、ビーム電流
ないしビーム電流に概ね比例する放射線量を計測するモ
ニタ３２を設置し、このモニタ３２からの出力と制御装
置１３２さらに計算機１３３から伝送されるビーム電流
の目標値３３を、図３の比較器３４で比較する。その差
に基づき、高周波電源２４の増幅器２８を制御し、荷電
粒子ビームに加える高周波電力を制御し、目標のビーム
電流を得る。比較器３４から増幅器２８を制御する信号
は、出射電流の実測値と目標値の差に応じて、増幅器２
８の増幅度を増減するが、出射電流の実測値と目標値の
差が同一でもビームエネルギーＥが異なる場合には、増
幅度の増減量を計算機１３３から送られるビームエネル
ギーＥに応じて変更する。このように、本発明では、出
射のために加える高周波が発生するビーム電流の時間変
化を高周波の位相、即ち、瞬時周波数を時間変化させる
ことにより低減し、それ以外の原因で出射電流が変化す
る場合を上記の制御により解決し電流を一定化する。
【００５６】治療室９８に配置される回転照射装置１１
０について説明する。回転照射装置１１０は、図１の回
転軸の周りの任意の角度から患者に照射することがで
き、加速器１１１から出射された出射ビームを照射対象
まで輸送するための４極電磁石１０４および偏向電磁石
１０５、および４極電磁石１０４および偏向電磁石105
に電流を供給する電源装置１１２を備える。
【００５７】回転照射装置１１０は、照射ノズル２００
を備える。照射ノズル２００には、照射位置をｘ方向お
よびｙ方向に動かすための電磁石２２０，２２１を備え
る。ここで、ｘ方向は偏向電磁石１０５の偏向面に平行
な方向、ｙ方向は偏向電磁石１０５の偏向面に垂直な方
向である。電磁石２２０，２２１には電流を供給する電
源装置２０１が接続されている。照射ノズルを図２に示
す。電磁石２２０，２２１の下流には、ビーム径を増加
させるための散乱体３００を設置する。また、散乱体３
００のさらに下流には、ビームの照射線量分布を測定す
る照射線量モニタ３０１を設置している。また、患部の
周囲の正常組織を傷めないように、照射対象である患者
の直前には、コリメータ２２６を設置する。
【００５８】図６に散乱体３００で拡大されたビーム強
度分布を示す。散乱体で広げられたビームは、ほぼガウ
ス分布をしており、これを電磁石２２０，２２１を使っ
て円形に走査する。走査する円の半径ｒは、散乱体で広
げた荷電粒子ビームの半径の１.１倍から１.２倍程度に
設定する。その結果、走査中心の軌跡である円の内側に
照射された荷電粒子ビームの積算強度分布は平坦にな
る。従って、予め、ビームの照射位置（Ｘｉ，Ｙｉ）
（ｉ＝１，２，…ｎ）と必要な照射線量を治療計画装置
１３１で定め、必要線量を照射したことを線量モニタ３
０１で確認した後、照射位置を移動して、照射する手順
を繰り返していくことにより患部を均一に照射できる。
【００５９】なお、患者が呼吸等で動いた場合は患者の
体の動きを検知する信号に基づき、緊急に荷電粒子ビー
ムの照射を停止する場合には、照射系からの緊急停止信
号に基づき、さらに、照射系の線量計で目標とする線量
を照射したことを検知した場合に発信される線量満了信
号に基づき、高周波電源２４の割り込み発生装置３５に
より高周波を停止する制御信号を制御装置１３４に送る
ほか、高周波スイッチ３６で電極２５への高周波の印加
を停止する。このように、高周波電源２４からの高周波
印加を停止することにより、短時間で荷電粒子ビームの
出射を停止できる。また、高周波電源２４内に複数の高
周波印加停止手段を設けることにより、より確実に荷電
粒子ビームの出射を停止できる。 実施例２ 次に、本発明の第２の実施例を示す。
【００６０】第２の実施例では、第１の実施例と機器構
成は同一である。図３の高周波源２４で、計算機１３３
で時間をｔ、荷電粒子ビームの周回周波数をｆｒ、複数
の周波数をｆｉ（ｉ＝１，２，…ｎ）、それぞれの各周
波数ｆｉに対応する位相をφｉ、振幅をＡｉ，Ｂｉを定
数として異なる周波数ｆｉに対する信号の和ΣＡｉsin
（２πｆｉｔ＋Ｂｉsin（２πｔ／Ｔexrf＋φｉ））の
和で表される高周波信号を発生させて、メモリー３０に
データをストアする。この信号は、実施例１と同様に、
周期Ｔexrfで位相を変更し、瞬時周波数を変化させてい
る。ビームを出射する際に、メモリー３０からデータを
ＤＡコンバータ２７に送り、アナログ信号に変換して、
さらに増幅器２８で増幅した後、電極２５から荷電粒子
ビームに印加する。複数の周波数をｆｉ（ｉ＝１，２，
…ｎ）の選び方は、実施例１とまったく同一である。φ
ｉ（ｉ＝１，２，…ｎ）については、平均値がπで、０
から２πまでの乱数からｎ個選ぶ。Ｂｉは、大きいほう
が望ましく、本実施例では２πと選ぶ。
【００６１】Ｔexrfを荷電粒子ビームが周回する周期Ｔ
に選んだときは、Ａｉsin（２πｆｉｔ＋２πsin(２π
ｔ／Ｔexrf＋φｉ) ）の信号は、Ｌ／Ｔexrf±ｆＩ＝Ｌ
・ｆｒ±ｆｉ（Ｌ＝１，２…，Ｂｉに近い整数まで）の
周波数スペクトルを有する。即ち、もとのｆｉから周回
周波数ｆｒの整数倍だけ離れたら周波数スペクトルであ
り、荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増加させ
る速さは低下しないが、実施例１と同様に増幅器２８や
電極２５はこれらの周波数成分を減衰させない周波数特
性が必要である。
【００６２】Ｔexrfを５０μ秒程度、即ち、１／Ｔexrf
＝２０ｋＨｚ程度に選んだときは、Ａｉsin（２πｆｉ
ｔ＋２πsin(２πｔ／Ｔexrf＋φｉ)）の信号は、Ｌ／
Ｔexrf±ｆｉ＝Ｌ・ｆｒ±ｆｉ（Ｌ＝１，２…，Ｂｉに
近い整数まで）の周波数スペクトルを有する。即ち、も
とのｆｉから２０ｋＨｚの整数倍に及ぶ周波数スペクト
ルを有し、荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅の増
加速さが低下する。Ｔexrf＝Ｔとした場合について、信
号sin（２πｆｉｔ＋２πsin（２πｆｒｔ＋φｉ））
（ｉ＝１，２，…ｎ）の瞬時周波数を変化させる位相に
ついて、２πsin（２πｆｒｔ＋φ１）と２πsin（２π
ｆｒｔ＋φ２）を各々位相１，位相２として図７に示
す。また、これに対応する信号１＝sin（２πｆ１ｔ＋
２πsin（２πｆｒｔ＋φ１）と信号２＝sin(２πｆ２
ｔ＋２πsin（２πｆｒｔ＋φ２）の強度変化を図８に
示す。図７と図８の横軸は、荷電粒子ビームの周回周期
Ｔに基づき記しており、これらから、荷電粒子ビームに
加える高周波信号の位相が周回方向位置で変化し、その
結果、ベータトロン振動振幅の変化の位相も周回方向位
置で変化する。
【００６３】本実施例の高周波を荷電粒子ビームに加え
た時に出射される荷電粒子ビームの強度変化の数値シミ
ュレーション結果を図９に示す。さらに図１０に、出射
用の高周波の位相を一定にした従来技術の数値シミュレ
ーション結果を記す。図９，図１０とも横軸は、周回数
で時間を表し、縦軸は、出射粒子数の相対値である。本
発明による出射粒子数の一定化の効果が明確である。即
ち、従来は、周波数ｆｉの交流信号の瞬時周波数が一定
で、位相が変化しないから、ベータトロン振動の振幅の
増加の位相は、周回方向位置に依存しない。従って、ビ
ームが出射される時は、荷電粒子ビームの周回方向の先
頭から後半まで出射され、逆に、出射されない時は、周
回方向の先頭から後半まで出射されない。それゆえ、出
射ビームの時間強度変化に、周波数がｆｉ−ｆβ，ｆｉ
−ｆｊの成分がはっきり生じていた。 実施例３ 次に、本発明の第３の実施例を示す。
【００６４】本実施例は、高周波電源の構成以外は第
１，第２の実施例と同一である。図１１は、本実施例の
高周波電源２４を示す。本実施例の高周波源２４は、ｎ
台の発振器ｆｉ／ｋ（ｉ＝１，２，…ｎ）４００を用い
る。ｋは十分大きい整数である。周波数ｆｉ／ｋの発振
器４００を用い、これを移相器４０１により９０度位相
をずらした信号を発生させる。周波数ｆ１／ｋの発振器
４００の信号をsin（２π(ｆｉ／ｋ)ｔ）とすると９０
度位相をずらした信号は、cos(２π(ｆｉ／ｋ)ｔ）とな
る。発振器４０２を用いて信号２πsin(２πｔ／Ｔexrf
＋φｉ)／ｋの積の信号を発生させる。Ｔexrfは、実施
例１，２と同様の値で、位相を変更する周期、φｉは位
相である。信号２πsin(２πｔ／Ｔexrf＋φｉ）／ｋと
信号cos(２π(ｆｉ／ｋ）ｔ）の積２πsin(２πｔ／Ｔe
xrf＋φｉ）・cos(２π(ｆｉ／ｋ）ｔ）／ｋを求めた
後、信号sin（２π（ｆｉ／ｋ）×ｔ）と加えると、sin
（２π(ｆｉ／ｋ)ｔ）＋２πsin(２πｔ／Ｔexrf＋φ
ｉ）・cos（２π（ｆｉ／ｋ）ｔ）／ｋとなる。これ
は、２π／ｋが十分小さいことを考慮するとsin（２π
（ｆｉ／ｋ）ｔ＋２πsin（２πｔ／Ｔexrf＋φｉ）／
ｋ）と表される。従って、上記を周波数をｋ倍に逓倍す
る逓倍器４０３に入力することにより、出力sin（２π
ｆｉｔ＋２πsin（２πｔ／Ｔexrf＋φｉ））を得る。
発振器ｆｉ／ｋ（ｉ＝１，２，…ｎ）の出力についてま
ったく同様の処理を施し、最終的にそれらを加算器４０
４により加え合わせることにより、ΣＡｉsin（２πｆ
ｉｔ＋２πsin(２πｔ／Ｔexrf＋φｉ））の信号を得
る。Ｔexrfを荷電粒子ビームの周回周期Ｔと選ぶ、ある
いは、およそ５０μ秒程度いずれにしても良いことも、
実施例１，２と同様である。加算器４０４で同時に加算
後、増幅器２８で増幅して電極２５に加えることによ
り、実施例１，２と同様の効果を得ることができる。本
実施例は、アナログ回路素子で構成することができ、デ
ジタル回路に基づく実施例１，２のようなメモリーのサ
イズやＤＡコンバータのサンプリング時間に対する条件
が無くなる長所がある。増幅器２８や電極２５の周波数
特性については、実施例１，２と同じである。 実施例４ 次に、本発明の第４の実施例を示す。
【００６５】本実施例は、高周波電源の構成以外は第
１，第２の実施例と同一である。図１２は、本実施例の
高周波電源２４を示す。本実施例の高周波電源２４は、
異なる白色ノイズ源４０をｍ台用いる。それぞれの白色
ノイズ源４０からの出力をバンドパスフィルタ４１を用
いて、最低周波数ｆ１，最高周波数ｆｎの連続スペクト
ルの高周波を得る。ｍ台の白色ノイズ源４０からの出力
は、周波数スペクトルは同一であるが、位相は、周波数
帯域のそれぞれについて異なる。本実施例では、ｍ台の
白色ノイズ源４０からの出力を、制御装置１３４からの
信号に基づき、４２のスイッチで、時間Δｔ（＝Ｔ／
ｍ）毎に切り替え、その出力を増幅器２８で必要な電圧
まで増幅して電極２５から荷電粒子ビームに加える。実
施例１と同様の周波数を荷電粒子ビームに加える必要か
ら、バンドパスフィルタ４１は、ｆ１からｆｎまでの範
囲、ｆｒ＋ｆ１からｆｒ＋ｆｎ，２ｆｒ＋ｆ１から２ｆ
ｒ＋ｆ１，…，６ｆｒ＋ｆ１から６ｆｒ＋ｆｎまでの周
波数の高周波を通過させ、通過させる帯域は、制御装置
１３４から荷電粒子ビームのエネルギー、チューンに基
づき通過周波数帯域を変更する。
【００６６】本実施例の高周波源で、異なる白色ノイズ
源４０を使っており、それらを切り替えていくことによ
り、荷電粒子ビームに加える高周波の各周波数の位相が
時間的に変化する。即ち、実施例１と同様の作用をビー
ムに及ぼすことができる。本実施例では、メモリーやＤ
Ａコンバータを用いることなく実施例１と同様の作用を
持つ高周波電源を得ることができる。
【００６７】
【発明の効果】時間的強度変化の小さな荷電粒子ビーム
を出射できる加速器を提供できる。加速器から出射した
荷電粒子ビームを照射装置に輸送し、照射装置から治療
に適用する医療用加速器システムにおいて、患部をより
均一に照射することができる。また、逆に、照射量を位
置によって変化させる場合においても制御が容易にな
る。さらに、照射量を制御することに必要となるビーム
モニタに必要な時間分解能を低減することができ、ビー
ムモニタとその制御系を簡素化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である医療用加速器シ
ステムの構成図である。
【図２】図１の照射ノズル２００の構成図である。
【図３】図１の高周波電源２４の構成図である。
【図４】電極２５に印加する高周波信号における位相の
時間変化と信号強度の時間変化を示す図である。
【図５】電極２５に印加する高周波信号における位相の
時間変化を示す図である。
【図６】散乱体を用いた照射方法を示す図である。
【図７】本発明の他の実施例である医療用加速器システ
ムの高周波信号における位相の時間変化を示す図であ
る。
【図８】本発明の他の実施例である医療用加速器システ
ムにおける高周波信号の信号強度の時間変化を示す図で
ある。
【図９】図７及び図８の実施例による荷電粒子ビームの
強度変化の数値シミュレーション結果を示す図である。
【図１０】従来技術による荷電粒子ビームの強度変化の
数値シミュレーション結果を示す図である。
【図１１】本発明の他の実施例である医療用加速器シス
テムの高周波電源２４の構成図である。
【図１２】本発明の他の実施例である医療用加速器シス
テムの高周波電源２４の構成図である。
【符号の説明】
１６…前段加速器、２４…高周波電源、２５…電極、９
８…治療室、１１０…回転照射装置、１１１…加速器、
１３２…制御装置。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石及
    び４極電磁石と、荷電粒子ビームを出射するためにベー
    タトロン振動の共鳴の安定限界を発生させる多極電磁石
    と、荷電粒子ビームに高周波電磁界を加えて荷電粒子ビ
    ームを前記安定限界の外側に移動させてベータトロン振
    動に共鳴を励起するための高周波源を備える周回型加速
    器において、 前記高周波源は、荷電粒子ビームを前記安定限界の外側
    に移動させるための高周波電磁界を発生させるため、複
    数の周波数成分を含み、前記複数周波数成分の周波数の
    差の最小値が５００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下で、前記複
    数の周波数成分の位相は、各周波数成分間の位相の差に
    整数×π以外の値を含む位相である交流信号を発生させ
    ることを特徴とする周回型加速器。
  2. 【請求項２】荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石及
    び４極電磁石と、荷電粒子ビームを出射するためにベー
    タトロン振動の共鳴の安定限界を発生させる多極電磁石
    と、荷電粒子ビームに高周波電磁界を加えて荷電粒子ビ
    ームを前記安定限界の外側に移動させてベータトロン振
    動に共鳴を励起するための高周波源を備える周回型加速
    器において、 前記高周波源で、瞬時周波数が時間的に変化し、前記瞬
    時周波数の時間的平均値が異なる複数種類の信号の加算
    信号を発生させ、前記加算信号を荷電粒子ビームに印加
    することを特徴とする周回型加速器。
  3. 【請求項３】荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石及
    び４極電磁石と、荷電粒子ビームを出射するためにベー
    タトロン振動の共鳴の安定限界を発生させる多極電磁石
    と、荷電粒子ビームに高周波電磁界を加えて荷電粒子ビ
    ームを前記安定限界の外側に移動させてベータトロン振
    動に共鳴を励起するための高周波源を備える周回型加速
    器において、 前記高周波源で、瞬時周波数が時間的に変化し、前記瞬
    時周波数の時間的平均値、及び、時間変化する値が異な
    る複数種類の信号の加算信号を発生させ、前記加算信号
    を荷電粒子ビームに印加することを特徴とする周回型加
    速器。
  4. 【請求項４】荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石及
    び４極電磁石と、荷電粒子ビームを出射するためにベー
    タトロン振動の共鳴の安定限界を発生させる多極電磁石
    と、荷電粒子ビームに高周波電磁界を加えて荷電粒子ビ
    ームを前記安定限界の外側に移動させてベータトロン振
    動に共鳴を励起するための高周波源を備える周回型加速
    器において、 前記高周波源が、時間をｔ、複数種類の周波数をｆｉ
    (ｉ＝１，２…ｎ)、それぞれの周波数ｆｉに対応して予
    め定めた周期で時間変化する信号θｉ(ｔ)、振幅をＡｉ
    として複数の各周波数ｆｉ(ｉ＝１，２…ｎ）に対応す
    る交流信号Ａｉsin（２πｆｉｔ＋θｉ(ｔ)）の加算信
    号ΣＡｉsin(２πｆｉｔ＋θｉ(ｔ)）を発生させる高周
    波源であることを特徴とする周回型加速器。
  5. 【請求項５】荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石及
    び４極電磁石と、荷電粒子ビームを出射するためのベー
    タトロン振動の共鳴の安定限界を発生させる多極電磁石
    と、荷電粒子ビームに高周波電磁界を加えて荷電粒子ビ
    ームを前記安定限界の外側に移動させてベータトロン振
    動に共鳴を励起するための高周波源を備える周回型加速
    器において、 前記高周波源が、複数の熱雑音発生装置と前記複数の熱
    雑音発生装置のうちの一つを選定し前記熱雑音の出力を
    荷電粒子ビームに加える切り替え手段と荷電粒子ビーム
    出射過程で前記選定する熱雑音発生装置を変更するよう
    前期切り替え手段を制御する制御手段を備えていること
    を特徴とする周回型加速器。
  6. 【請求項６】荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石及
    び４極電磁石と、荷電粒子ビームを出射するためのベー
    タトロン振動の共鳴の安定限界を発生させる多極電磁石
    と、荷電粒子ビームに高周波電磁界を加えて荷電粒子ビ
    ームを前記安定限界の外側に移動させてベータトロン振
    動に共鳴を発生させるための高周波源を備える周回型加
    速器と、前記周回型加速器から出射された荷電粒子ビー
    ムを輸送するシステムと、前記輸送された荷電粒子ビー
    ムを患者に照射する照射装置を備えた医療用加速器シス
    テムにおいて、 前記高周波源が、荷電粒子ビームを前記安定限界の外側
    に移動させるための高周波電磁界を発生させるため、複
    数の周波数成分を含み、前記複数周波数成分の周波数の
    差の最小値が５００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下で、前記複
    数の周波数成分の位相は、各周波数成分間の位相の差に
    整数×π以外の値を含む位相である交流信号を発生させ
    ることを特徴とする医療用加速器システム。
  7. 【請求項７】荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石及
    び４極電磁石と、荷電粒子ビームを出射するためのベー
    タトロン振動の共鳴の安定限界を発生させる多極電磁石
    と、荷電粒子ビームに高周波電磁界を加えて荷電粒子ビ
    ームを前記安定限界の外側に移動させてベータトロン振
    動に共鳴を発生させるための高周波源を備える周回型加
    速器と、前記周回型加速器から出射された荷電粒子ビー
    ムを輸送するシステムと、前記輸送された荷電粒子ビー
    ムを患者に照射する照射装置を備えた医療用加速器シス
    テムにおいて、 前記高周波源で、瞬時周波数が時間変化し、かつ、前記
    瞬時周波数の平均値が異なる複数種類の信号の加算信号
    を発生させ、前記加算信号を荷電粒子ビームに加えるこ
    とを特徴とする医療用加速器システム。
  8. 【請求項８】荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石及
    び４極電磁石と、荷電粒子ビームを出射するためのベー
    タトロン振動の共鳴の安定限界を発生させる多極電磁石
    と、荷電粒子ビームに高周波電磁界を加えて荷電粒子ビ
    ームを前記安定限界の外側に移動させてベータトロン振
    動に共鳴を発生させるための高周波源を備える周回型加
    速器と、前記周回型加速器から出射された荷電粒子ビー
    ムを輸送するシステムと、前記輸送された荷電粒子ビー
    ムを患者に照射する照射装置を備えた医療用加速器シス
    テムにおいて、 前記高周波源が、時間をｔ、複数種類の周波数をｆｉ
    （ｉ＝１，２…ｎ）、それぞれの周波数ｆｉに対応する
    位相をθｉ、振幅をＡｉとして複数の各周波数の交流信
    号の加算信号ΣＡｉsin（２πｆｉｔ＋θｉ）を発生
    し、θｉが予め定めた周期で時間変化する高周波源であ
    ることを特徴とする医療用加速器システム。
  9. 【請求項９】荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石及
    び４極電磁石と、荷電粒子ビームを出射するためのベー
    タトロン振動の共鳴の安定限界を発生させる多極電磁石
    と、荷電粒子ビームに高周波電磁界を加えて荷電粒子ビ
    ームを前記安定限界の外側に移動させてベータトロン振
    動に共鳴を発生させるための高周波源を備える周回型加
    速器と、前記周回型加速器から出射された荷電粒子ビー
    ムを輸送するシステムと、前記輸送された荷電粒子ビー
    ムを患者に照射する照射装置を備えた医療用加速器シス
    テムの運転方法において、 前記高周波源が、複数の周波数成分を含み、前記複数周
    波数成分の周波数の差の最小値が５００Ｈｚ以上１０ｋ
    Ｈｚ以下で、前記複数の周波数成分の位相は、各周波数
    成分間の位相の差に整数×π以外の値を含む位相となる
    交流信号を発生させ、前記交流信号に基づく高周波電磁
    界により荷電粒子ビームを前記安定限界の外側に移動さ
    せて前記周回型加速器から出射し、出射した荷電粒子ビ
    ームを前記輸送システムで輸送し、前記照射装置から照
    射することを特徴とする医療用加速器システムの運転方
    法。
  10. 【請求項１０】荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石
    及び４極電磁石と、荷電粒子ビームを出射するためのベ
    ータトロン振動の共鳴の安定限界を発生させる多極電磁
    石と、荷電粒子ビームに高周波電磁界を加えて荷電粒子
    ビームを前記安定限界の外側に移動させてベータトロン
    振動に共鳴を発生させるための高周波源を備える周回型
    加速器と、前記周回型加速器から出射された荷電粒子ビ
    ームを輸送するシステムと、前記輸送された荷電粒子ビ
    ームを患者に照射する照射装置を備えた医療用加速器シ
    ステムの運転方法において、 前記高周波源から、瞬時周波数が時間的に変化し、前記
    瞬時周波数の時間的平均値が異なる複数種類の信号の加
    算信号を発生させて荷電粒子ビームに印加することによ
    り荷電粒子ビームを前記周回型加速器から出射し、出射
    した荷電粒子ビームを前記輸送システムで輸送し、前記
    照射装置から照射することを特徴とする医療用加速器シ
    ステムの運転方法。
  11. 【請求項１１】荷電粒子ビームを周回させる偏向電磁石
    及び４極電磁石と、荷電粒子ビームを出射するためのベ
    ータトロン振動の共鳴の安定限界を発生させる多極電磁
    石と、荷電粒子ビームに高周波電磁界を加えて荷電粒子
    ビームを前記安定限界の外側に移動させてベータトロン
    振動に共鳴を発生させるための高周波源を備える周回型
    加速器と、前記周回型加速器から出射された荷電粒子ビ
    ームを輸送するシステムと、前記輸送された荷電粒子ビ
    ームを患者に照射する照射装置を備えた医療用加速器シ
    ステムの運転方法において、 前記荷電粒子ビームに、時間をｔ、複数種類の周波数を
    ｆｉ(ｉ＝１，２…ｎ)、それぞれの周波数ｆｉに対応す
    る位相をθｉ、振幅をＡｉとして複数の各周波数の交流
    信号の加算信号ΣＡｉsin(２πｆｉｔ＋θｉ）で表わさ
    れ、かつ、前記位相θｉ（ｉ＝１，２…ｎ）を各々予め
    定めた周期で時間変化させる高周波を加え、前記高周波
    を加えて出射した荷電粒子ビームを前記輸送システムで
    輸送し、前記照射装置から照射することを特徴とする医
    療用加速器システムの運転方法。
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