JP2010005149A

JP2010005149A - 粒子線治療装置用マルチリーフコリメータ

Info

Publication number: JP2010005149A
Application number: JP2008168102A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Nomura; 明裕野村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: JP5027067B2

Abstract

【課題】安価なインクリメンタルエンコーダだけでリーフの動作異常を検出できる粒子線治療用マルチリーフコリメータの提供を目的とする。
【解決手段】リーフ８Ｌを開き、トルク算出手段が算出するモータ３Ｌのトルク値が所定の時間継続して所定の値を超えた時に、リーフ８Ｌがストッパ７Ｌに接触したと検知して、エンコーダ５Ｌの発生するパルスを積算するパルス積算値１２Ｐをクリアする。
再度ストッパ７Ｌにリーフ８Ｌを接触させて、パルス積算値が０近傍であるか否かでリーフ駆動装置３０の異常を判定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、粒子線治療装置に使用するマルチリーフコリメータに関するものである。

従来の粒子線治療では、治療計画により粒子線を照射する領域すなわち照射野が検討され、計画に従い粒子線を照射する。計画された照射野に粒子線を照射し、照射野外への照射を遮る装置として、マルチリーフコリメータが用いられている。

特許文献１では、駆動させた多分割絞りをメカストッパに当て、そのメカストッパにより停止したリーフの位置情報を計数し、原点位置を決定することにより短時間で正確な原点位置の設定を可能とした基本的なマルチリーフコリメータが示されている。このマルチリーフコリメータの中で、リーフの位置はエンコーダにより検出するが、エンコーダとは別にポテンショメータを搭載し、エンコーダとポテンショメータのそれぞれの検出に差が発生した場合は、インターロックにより治療を停止させることが述べられている。

特許文献２では、マルチリーフコリメータに備える複数のリーフの破損の防止を目的としたマルチリーフコリメータが示されている。このマルチリーフは、駆動装置を用いて複数位置に複数リーフをそれぞれ移動させるリーフ駆動部と、複数リーフのうちの第１リーフが移動するときに第１リーフの縁が第２リーフの縁に擦れ違うかどうかを判別する擦れ違い検出部とを備え、第１案内面に案内される第１リーフと、第１案内面に隣接する第２案内面に案内される第２リーフを含み、リーフ駆動部は、第１リーフの縁が第２リーフの縁に擦れ違うときに、第２リーフの縁に対する第１リーフの縁の相対速度が所定の速度以下になるよう第１リーフを移動させる。このような制御により、第１リーフと第２リーフとが衝突するときの衝撃を低減することができ、第１リーフと第２リーフとが変形・破損することを防止している。また、リーフの位置は、ロータリーエンコーダによる回転量から算出され、その位置が妥当であるかを画像より判断することを記している。

特許文献３では、被検体に放射線を曝射して治療する技術に関し、リーフブロックの変位又は位置の検出においてバックラッシュの影響を回避し、リーフブロックの変位又は位置を正確に検出する技術が示されている。この技術では、放射線の照射野を所定形状に絞るマルチリーフコリメータに、照射野方向に移動可能とされ、所定面に移動方向に沿って刻設されたパターン画像を有するリーフブロックと、所定面方向を定点観察して定点画像を取得し、この定点画像に存在するパターン画像の配置位置に基づき、リーフブロックの変位を検出する検出手段を備え、検出手段は、所定の照射部が形成する光学系に配置された光学フィルタにより、この照射部からの特有の波長を有する光を透過して、イメージセンサに受光させる方式でリーフブロックの変位又は位置を正確に検出することを記している。

特開２００３−０７９７５４号公報（段落００１７）特開２００７−３１９４９６号公報（段落００２３、００６７）特開２００７−２０２８０５号公報（段落００２５）

各特許文献に記載されている粒子線治療用マルチリーフコリメータにおいてもリーフの動作異常を検出する機能を備えているが、エンコーダとポテンショメータを併用するタイプでは検出精度が悪く、異常判断を厳密にできないという問題があった。
また画像情報により異常検出するタイプでは画像撮影装置を装置に組み込む必要があり装置が大型化してしまい、更にコストが高いという問題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、安価なインクリメンタルエンコーダだけでリーフの動作異常を検出できる粒子線治療用マルチリーフコリメータの提供を目的としている。

この発明に係る粒子線治療装置用マルチリーフコリメータは、粒子線を照射する照射野形状を形成するために正対して開閉する２枚のリーフと、それぞれのリーフを独立して移動させるモータと、そのモータの回転数を検出するエンコーダと、それぞれのリーフの移動を全開位置に規制するストッパとを接続してなるリーフ駆動装置を複数並列したリーフ駆動装置群及び、
エンコーダが発生させるパルスからリーフの絶対位置を算出するリーフ絶対位置算出手段と、リーフの現在の絶対位置と、リーフが移動すべき位置を指令するリーフ絶対目標位置指令から、それぞれのモータの出力すべきトルクを算出するトルク算出手段と、算出トルクをモータに流す電流に変換するトルク／電流変換手段とからなるリーフ制御装置
を備えた粒子線治療装置用マルチリーフコリメータにおいて、
リーフがストッパに接触する位置を原点とし、リーフを全開方向に移動しトルク算出手段が算出するトルク値が所定の時間継続して所定の値を超えたことにより、リーフがストッパに接触したことを検知した時、
リーフ絶対位置算出手段が算出するリーフ絶対位置が原点から所定の範囲内に無いときは、リーフ駆動装置は異常、所定の範囲内にあるときは正常であると判定するものである。

また、この発明に係る粒子線治療装置用マルチリーフコリメータは、粒子線を照射する照射野形状を形成するための正対して開閉する２枚のリーフと、それぞれのリーフを独立して移動させるモータと、そのモータの回転数を検出するエンコーダと、それぞれのリーフの移動を全開位置に規制するストッパとを接続してなるリーフ駆動装置を複数並列にしたリーフ駆動装置群及び、
リーフの現在の絶対位置と、リーフが移動すべき位置を指令するリーフ絶対目標位置指令からそれぞれのモータの出力すべきトルクを算出するトルク算出手段と、算出したトルクをモータに流す電流に変換するトルク／電流変換手段とからなるリーフ制御装置
を備えた粒子線治療装置用マルチリーフコリメータにおいて、
リーフがストッパに接触する位置を原点とし、正対する２枚のリーフを互いに閉じる方向へ移動させ、トルク算出手段が算出する一方又は両方のモータのトルク値が所定の時間継続して所定の値を超えたことにより２枚のリーフの接触を検知した時、
２枚のリーフに対応するリーフ絶対位置算出手段が算出する２つの絶対位置の和と、１枚のリーフの最大移動可能距離の差が、所定の範囲内に無いときはリーフ駆動装置は異常、所定の範囲にあるときは正常と判定するものである。

この発明に係る粒子線治療装置用マルチリーフコリメータは、粒子線を照射する照射野形状を形成するために正対して開閉する２枚のリーフと、それぞれのリーフを独立して移動させるモータと、そのモータの回転数を検出するエンコーダと、それぞれのリーフの移動を全開位置に規制するストッパとを接続してなるリーフ駆動装置を複数並列したリーフ駆動装置群及び、
エンコーダが発生させるパルスからリーフの絶対位置を算出するリーフ絶対位置算出手段と、リーフの現在の絶対位置と、リーフが移動すべき位置を指令するリーフ絶対目標位置指令から、それぞれのモータの出力すべきトルクを算出するトルク算出手段と、算出トルクをモータに流す電流に変換するトルク／電流変換手段とからなるリーフ制御装置
を備えた粒子線治療装置用マルチリーフコリメータにおいて、
リーフがストッパに接触する位置を原点とし、リーフを全開方向に移動しトルク算出手段が算出するトルク値が所定の時間継続して所定の値を超えたことにより、リーフがストッパに接触したことを検知した時、
リーフ絶対位置算出手段が算出するリーフ絶対位置が原点から所定の範囲内に無いときは、リーフ駆動装置は異常、所定の範囲内にあるときは正常であると判定するものなので、開方向への動作による診断処理を粒子線の照射前後におこなうことで、エンコーダの間欠故障、モータ軸のスリップ、歯車の欠損、リーフに刻まれた歯の欠損よる位置不良やエンコーダとリーフ制御装置２間の接触不良によるパルスの欠損による位置不良、エンコーダとリーフ制御装置間の外線に重畳したノイズによるパルスの追加による位置不良の検出が可能となり、信頼性の高いマルチリーフコリメータを安価に簡単に得ることができ、粒子線の誤照射を未然に防止することができる。

また、この発明に係る粒子線治療装置用マルチリーフコリメータは、粒子線を照射する照射野形状を形成するための正対して開閉する２枚のリーフと、それぞれのリーフを独立して移動させるモータと、そのモータの回転数を検出するエンコーダと、それぞれのリーフの移動を全開位置に規制するストッパとを接続してなるリーフ駆動装置を複数並列にしたリーフ駆動装置群及び、
リーフの現在の絶対位置と、リーフが移動すべき位置を指令するリーフ絶対目標位置指令からそれぞれのモータの出力すべきトルクを算出するトルク算出手段と、算出したトルクをモータに流す電流に変換するトルク／電流変換手段とからなるリーフ制御装置
を備えた粒子線治療装置用マルチリーフコリメータにおいて、
リーフがストッパに接触する位置を原点とし、正対する２枚のリーフを互いに閉じる方向へ移動させ、トルク算出手段が算出する一方又は両方のモータのトルク値が所定の時間継続して所定の値を超えたことにより２枚のリーフの接触を検知した時、
２枚のリーフに対応するリーフ絶対位置算出手段が算出する２つの絶対位置の和と、１枚のリーフの最大移動可能距離の差が、所定の範囲内に無いときはリーフ駆動装置は異常、所定の範囲にあるときは正常と判定するものなので、閉方向への動作による診断処理を粒子線の照射前後におこなうことで、エンコーダの間欠故障、軸のスリップ、歯車の欠損、リーフに刻まれた歯の欠損よる位置不良やエンコーダとリーフ制御装置間の接触不良によるパルスの欠損による位置不良、エンコーダとリーフ制御装置間の外線に重畳したノイズによるパルスの追加による位置不良の検出が可能となり、信頼性の高いマルチリーフコリメータを得ることができる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１はマルチリーフコリメータ２０の構成図である。上位計算機１にはリーフ駆動装置３０を制御するためのリーフ制御装置２が接続されている。リーフ駆動装置３０は、リーフを駆動するモータ３Ｌ、３Ｒ、モータの回転軸４Ｌ、４Ｒ、各モータの軸の回転が伝達され所定のパルスを発生するエンコーダ５Ｌ、５Ｒ及び歯車６Ｌ、６Ｒ、粒子線の照射野を形成するリーフ８Ｌ，８Ｒ及び、両リーフの最大開（図の上下方向に最大限開いた状態）位置を検出するためのストッパ７Ｌ、７Ｒで構成される。
粒子線は図１手前から、リーフ８Ｌ、８Ｒの間を通って奥側に照射され、リーフ８Ｌ、８Ｒに当たる部分では粒子線が遮断され通過しない。マルチリーフコリメータ２０のリーフ８Ｌ、８Ｒの間を通過して粒子線が照射される部分が照射野９となる。
実際のマルチリーフコリメータ２０は、このように対をなすリーフ８Ｌ、８Ｒが多数組、図１の左右方向に並設されていて複雑な照射野形状を作ることができる。
以下の説明では主にリーフ８Ｌ、必要に応じてリーフ８Ｌとリーフ８Ｒの動作について説明するが、他のリーフの動作も同様である。

図２はリーフ制御装置２のブロック図である。
リーフ制御装置２の処理の概略を説明する。リーフ制御装置２にはリーフの数だけリーフ制御ブロックがあり、１つの制御ブロックが１枚のリーフの動作を制御する。そしてリーフ制御ブロック１０Ｌはリーフ８Ｌの動作を制御する制御ブロックである。リーフ絶対位置算出手段１２Ｌはエンコーダ５Ｌが発生するパルス１１Ｌの回数を積算してリーフの現在の絶対位置情報となるパルス積算値１２ＬＰを算出する。
リーフ目標位置変換手段１３Ｌは上位計算機からリーフ絶対目標位置指令４０Ｌを受け、そのリーフ絶対目標位置を現在のリーフの位置からの相対位置であるリーフ相対目標位置１３ＬＰに変換する。トルク算出手段１４Ｌは、リーフ相対目標位置１３ＬＰとパルス積算値１２ＬＰから、現在モータ３Ｌが出力すべきトルク算出する。この値をトルク／電流変換手段１５Ｌでモータ３Ｌに印加する電流に変換してモータを駆動する。

このように、リーフ制御装置２はリーフ８Ｌが、リーフ目標位置変換手段１３Ｌで算出されたリーフ相対目標位置１３ＬＰへ移動するようモータ３Ｌに電流を流し制御する。モータ３Ｌが回転すると、モータ３Ｌに接続された軸４Ｌが回転し、軸に取り付けられた歯車６Ｌも回転する。リーフ８Ｌには歯が刻まれており、回転する歯車６Ｌによりリーフ８Ｌは位置を変化させる。リーフ８Ｌはストッパ７Ｌの位置まで移動することができるがストッパ７Ｌを越えて移動することはできない。リーフ８Ｌがストッパ７Ｌの方向へ移動することを開方向への移動、逆の方向に移動することを閉方向の移動と呼ぶ。リーフ８Ｌが最大に開いている状態（ストッパ７Ｌに接触している状態で最大開と呼ぶ）での各リーフの先端位置をそれぞれのリーフの原点（０）と呼ぶ。

軸４Ｌの回転にあわせてエンコーダ５Ｌも回転する。エンコーダ５Ｌは回転するとパルスを発生する。この実施の形態で使用するエンコーダが発生するパルスの波形は軸の回転の向きによって異なる、従って軸に接続されているモータがどちらに回転したかを判別できる。発生するパルスはリーフ絶対位置算出手段１２Ｌに入力される。リーフ絶対位置算出手段１２Ｌは、上記発生パルスを、リーフが閉方向に移動しているときは正の数で、開方向に移動しているときは負の数でカウントする。
このように、パルスは軸４Ｌの回転に合わせて規則正しく発生し、回転方向を判別できるので、パルスの正負の発生回数を最初から積算するとリーフの現在位置を特定できることになる。つまり、この実施の形態のマルチリーフコリメータ２０は、リーフの絶対位置を直接検出する手段は備えていないが、予め計測したリーフの移動距離とその移動距離に対してエンコーダが発生するパルスの発生回数の関係を表す関数を保持することにより、エンコーダが発生するパルスの積算値から間接的に現在のリーフの絶対位置を算出できることになる。

図１、図２を使用して、具体例をあげてリーフの「位置」について説明する。
モータ３Ｌを制御するリーフ制御ブロック１０Ｌのリーフ絶対位置算出手段１２Ｌには、エンコーダ５Ｌより得られるパルス１１Ｌが入力される。リーフ絶対位置算出手段１２Ｌはパルス１１Ｌの発生回数に、リーフの移動向きに応じた正負の符号付けて積算しパルス積算値１２ＬＰとして保持する。
リーフ絶対目標位置指令４０Ｌは上位計算機１より指示された、リーフが移動すべき絶対目標位置である。このリーフ絶対目標位置指令４０Ｌを元に、リーフ目標位置変換手段１３Ｌで、現在のリーフの絶対位置からのリーフの相対的な目標位置であるリーフ相対目標位置１３ＬＰを算出する。
リーフ絶対目標位置指令４０Ｌとリーフ相対目標位置１３ＬＰ（移動方向と距離）の関係について、「移動距離」と「リーフの絶対位置」と「パルス積算値」の関係に言及しながら説明する。

今、リーフ８Ｌ、８Ｒがストッパ７Ｌ、７Ｒに接触する原点にあるとする。またこの時、リーフ８Ｌ、８Ｒの制御モータに接続されたエンコーダ５Ｌ、５Ｒから発生するパルス回数を積算し保存するパルス積算値１２ＬＰ，１２ＲＰは共に０でリセットされているとする。
リーフ８Ｌ、８Ｒに対して仮に同時に閉方向に無限大に移動する指示を与えたとする。各リーフはそれぞれの原点から閉方向に等しく無限大に移動しようとし、それぞれのリーフの先端がストッパ７Ｌ、７Ｒの中間点で衝突して止まる。この時エンコーダ５Ｌ，５Ｒが発生する正のパルスの発生回数が共に５０００回であったとする。この場合、それぞれのリーフの先端の絶対位置は０−１００００範囲で指定できることになる。なぜなら、各リーフは中間位置を越えて移動できるので、１枚のリーフが原点から他のリーフの最大開位置まで移動する場合があるからである。
リーフが同一方向に動く場合のリーフの移動距離とエンコーダが発生するパルスの回数は比例し、この関数はリーフ制御装置２で保持している。ここでは説明の都合上パルス１回に対して、距離１が対応するとする。

リーフ８Ｌ，８Ｒがストッパ７Ｌ、７Ｒの中間点で接触して停止している状態で、パルス積算値１２ＬＰ、１２ＲＰはそれぞれ５０００である。この状態で上位計算機１がリーフ８Ｌに対する絶対目標位置指令４０Ｌとして２５００を与えると、リーフ目標位置変換手段１３Ｌはリーフ絶対位置算出手段１２Ｌから取得した現在のリーフ８Ｌの絶対位置５０００から、絶対位置２５００へ移動するためのリーフ相対目標位置１３ＬＰとして−２５００を算出する。リーフ制御装置２はリーフ８Ｌを移動方向＝開方向に、移動距離２５００だけ移動させるようにモータを制御する。この時、パルス積算値１２ＬＰは５０００−２５００＝２５００となる。更に、リーフ絶対目標位置指令０を与えると、リーフ相対目標位置１３ＬＰは−２５００となり、リーフ８Ｌは原点に戻る。この時、パルス積算値１２ＬＰは計算上０となる。パルス積算値１２ＲＰは５０００のままでリーフ８Ｒの先端は両ストッパの中間点のままである。
以上のように現在のリーフの絶対位置は、モータの軸に接続されたエンコーダが発生するパルス積算値１２ＬＰ、１２ＲＰとして間接的に求めることができ、次にリーフが取るべきリーフ相対目標位置１３ＬＰ（移動方向と距離）はリーフの現在位置からの相対位置（正負の符号とエンコーダのパルス発生回数）として与え得ることが分かる。

次に実施の形態１におけるマルチリーフコリメータの動作モードについて簡単に説明する。
この実施の形態でのマルチリーフコリメータには３種類の動作モードがある。
第１のモードは原点復帰モードである。装置の起動直後に各リーフを最大開位置まで移動し、この位置で各リーフの絶対位置算出手段のパルス積算値をクリアして０とする。これにより各リーフの原点（０）がそれぞれのリーフの最大開の位置にセットできる。
第２のモードは通常動作モードである。通常の装置の運用はこのモードで使用する。
第３のモードは診断モードである。診断モードではリーフ駆動装置に誤動作がないかを診断する。

各動作モードについて詳細を説明するが、説明の都合上、通常動作モードを先に説明する。従って、ここでは、原点復帰モードの実行により、各リーフの原点（０）で、各リーフのパルス積算値１２ＬＰ，１２ＲＰをすべて０としてリセットしているものとして説明する。
図３は通常モードでのトルク算出手段１４Ｌの処理を示しており、その処理は周期的（１ｍｓｅｃ／回）に行われている。
トルク算出手段１４Ｌは、まずステップＳ１４１でリーフ８Ｌの先述したリーフ相対目標位置１３ＬＰを取得する。
次にステップＳ１４２で、現時点目標位置を取得する。ここで取得する現時点目標位置とは、これまで説明してきたリーフ相対目標位置１３ＬＰとは異なる。現時点目標位置は具体的には、１ｍｓｅｃ後にリーフ８Ｌが在るべき位置を指し、トルク算出手段１４Ｌに内蔵する関数から取得できる。その関数を示したものが図４である。
図４は、リーフ８Ｌの移動速度と経過時間との関係を示すものである。リーフ８Ｌを移動させるとき、トルク算出手段１４Ｌは図４に示す関係に沿って、最初は加速して速度を上げ、一定速度に達すると均一速度を維持し、リーフ目標位置に近づくと減速して静止するようにリーフ８Ｌのスピードを制御する。
この時、図４のＸＹ両軸と速度を表す各線分で囲まれる台形部分の面積は、リーフ相対目標位置１３ＬＰまでの距離を表す。加速、減速時の加速度及び等速移動速度が予め決まっているとすると、リーフ相対目標位置１３ＬＰが決まれば、このグラフの関係から計算して移動開始から一定時間後のリーフの在るべき計算上の絶対位置を求めることができる。
トルク算出手段１４Ｌでは定期周期（１ｍｓｅｃ／回）で図３のフローチャートを実行するので、次の周期（１ｍｓｅｃ）後にリーフ８Ｌが存在すべき位置は算出できることになり、この位置を「現時点目標位置」として設定する。
この現時点目標位置は２回目以降は、ステップＳ１５０で更新されるが、処理の最初ではステップＳ１４２で与えてやらなければならない。

ステップＳ１４３では、リーフ絶対位置算出手段１２Ｌより得られる「現在のリーフ位置」を取り込む。現在のリーフ位置は前述の通りエンコーダ５Ｌの回転によって発生するパルスを積算したパルス積算値１２ＬＰから得られる。
現時点目標位置が１ｍｓｅｃ後にリーフ８Ｌが在るべき計算上の位置であるのに対して、エンコーダ５Ｌが発生するパルスの積算値であるパルス積算値１２ＬＰは現実にリーフ８Ｌが存在する絶対位置を表すことになる。

ステップＳ１４５では、取り込んだ「現在リーフ位置」と「現時点目標位置」との差分をとり、位置偏差を算出する。ステップＳ１４６では、「前回リーフ位置」と「今回リーフ位置」の差分をとるステップである。図３に示すフローチャートは、定周期（約１ｍｓｅｃ）で動作していることから、このステップＳ１４６により得られる差分より、リーフ８Ｌの現在速度が求められる。

ステップＳ１４７では、ステップＳ１４５で得られた位置偏差およびステップＳ１４６で得られた現在速度より、リーフ制御速度を求め、モータに出力するトルクを算出する。
リーフ制御速度は、現時点目標位置に到達していなければ速度を速め、現時点目標位置を超えていれば速度を落とし、さらにＰＩＤ制御によりトルクを算出する。
位置偏差と現在速度からモータトルクを算出する方法を図７を用いて簡単に説明する。
Ｋ１−Ｋ５はモータの特性に合わせて予め算出してある定数である。
（１）位置偏差から、Ｋ１×（１／時間）により、その位置偏差を埋め合わせるための速度指令を算出する。
（２）現在速度に定数Ｋ２を乗じ、（１）で求めた速度指令と合わせて速度偏差を求める。
（３）求められた速度偏差に対する積分値と比例値と微分値を算出し、その和を求めトルクとする。

また、速度が図４に示す速度を超えないようにトルクを算出する。万一、速度の計算値が、図４における、リーフ移動開始後の経過時間に対応する速度の値を超える場合は、グラフの上限値を制御速度として制御する。これにより、装置の安全性を確保できる。

ステップＳ１４８では、算出トルクが所定時間継続して所定トルクを超えていたかどうか判定する。超えていない場合は、ステップＳ１５０を実行する。このステップでは、「現時点目標位置」を次周期で使用する「現時点目標位置」に更新する。そして一定周期でこのフローが実行されるようにステップＳ１５１にて必要に応じてウェイトをかけてから処理をステップＳ１４３に戻す。ステップＳ１４４で現在位置がリーフ相対目標位置１３ＬＰで与えられた値と等しい場合は終了する。

ステップＳ１４８で算出トルクが所定時間以上、所定の値を超えていた場合は、ステップＳ１４９へ進む。
所定の時間以上モータ３Ｌの算出トルクが所定の値を超えるということは、リーフ８Ｌが予定通り動いていないことを意味する。リーフ８Ｌ又は他の部品に何らかの異常が発生していると考えられるので上位計算機１に異常発生を報告して処理を中止する。
なお、このような状態をトルク超過と呼ぶ。
以上が通常モードでのトルク算出手段１４Ｌの動作である。

トルク／電流変換手段１５Ｌは、トルク算出手段１４Ｌに連動して、トルク算出手段１４Ｌで算出されたトルクをモータ３Ｌが出力するために必要な電流を算出し、モータ３Ｌに流す。
通常モードでは各リーフは以上のような処理によってその位置取りを制御される。

次に原点復帰モードについて説明する。
本実施の形態におけるマルチリーフコリメータには、インクリメンタルエンコーダを採用していることから、本装置が起動した直後、リーフ制御装置２は各リーフの絶対位置を把握できない。そこで装置起動直後に各リーフを最大開位置まで開いて、その位置で各リーフの各リーフ絶対位置算出手段のパルス積算値を０に設定する必要がある。
この操作が原点復帰操作であり、マルチリーフコリメータの原点復帰モードでおこなう。
図８が本装置が原点復帰モードで稼働している時の、トルク算出手段１４Ｌの処理の流れを示す図である。図３の通常モードの場合とのフローとしての差異は、通常モードではステップＳ１４４で目標位置に到達したかどうかを判定するのに対して、原点復帰モードではその処理は存在しないという点と、ステップＳ１４８でトルク超過が発生した後の処理内容である。

この原点復帰モードでは、上位計算機１は、リーフ制御装置２に対して、実際にリーフが動作可能な最大値を超える負の数（例えば−１０００００）をリーフ絶対目標位置指令４０Ｌとして与える。こうすることにより、全てのリーフは各ストッパに接触するまで開方向に移動し、ストッパに衝突しても更にリーフを開こうとして必要トルクを算出する。
従って、リーフ８Ｌがストッパ７Ｌに接触すると図８のステップＳ１４８で必ずトルク超過状態を検出し、ステップＳ２４９に進む。
ステップＳ２４９では原点復帰処理として、パルス積算値１２ＬＰを０にクリアし、クリア終了を上位計算機１に通知して処理を終了する。
なお、原点復帰モードでは、現時点目標位置の算出のために使用する、速度と位置関係を表す関数は図５となる。ストッパにリーフを接触させる必要から、通常動作モードより遅い速度で安全に処理を行う必要があるためである。

次に診断モードについて説明する。
通常動作モードにおいてトルク算出手段１４Ｌが図３のステップＳ１４８、Ｓ１４９でリーフ動作の異常検出処理を用意していても、以下に示すような、リーフが間欠的に正常に移動する場合には、ステップＳ１４８の判定条件を満たさない場合がある。
（１）軸４Ｌとエンコーダ５Ｌ間が間欠的にスリップするような故障の場合。
（２）軸４Ｌと歯車６Ｌが間欠的にスリップするような故障の場合。
（３）歯車６Ｌやリーフ８Ｌに刻まれた歯の一部欠損しているような故障の場合。
（４）エンコーダ５Ｌとリーフ制御装置２間の外線接触不良によるパルスの欠損による位置情報不良の場合。
（５）エンコーダ５Ｌとリーフ制御装置２間の外線にノイズが入り、重畳したパルス挿入による位置情報不良の場合。
結果、実際にはリーフ８Ｌは目標とする位置に到達していないにも拘わらず、リーフ制御装置２は目標位置に到達したと判断してしまう場合がある。

そこで、マルチリーフコリメータに診断モードを設け、トルク算出手段１４Ｌ用の処理手順（図９）を別途設ける。
通常モードのトルク算出手段１４Ｌの処理手順を示す図３と図９との差異は、ステップＳ１４４（目標到達判定）でＹＥＳとなった後の処理であるステップＳ１４４１と、ステップＳ１４８でトルク超過を検出した後の処理である。

以下、順に説明する。
上位計算機１は粒子線を照射するための照射野を形成するためにリーフ制御装置２に、リーフ絶対目標位置指令４０Ｌを与えるのであるが、安全のため、事前に診断モードでの診断処理をおこなう。
診断モードでは上位計算機１は、リーフ８Ｌの絶対目標位置指令を−１として指示する。リーフ目標位置変換手段１３Ｌはリーフ８Ｌの現在位置からの相対目標位置（移動方向、距離）をリーフ相対目標位置１３ＬＰとして算出する。
絶対位置−１に移動するようリーフ相対目標位置１３ＬＰを与えるということは、ストッパの位置を越えた位置を目標位置として設定し、ストッパ７Ｌの位置より更に開方向への移動をおこなうようモータ３Ｌを制御することを意味する。
万一ステップＳ１４４でリーフ８Ｌが目標に到達したと判断されて、処理がＳ１４４１で終了した場合は、リーフ制御装置２はリーフ８Ｌが既に絶対位置−１に到達したと判断していることになる。正常であればリーフはストッパに接触し、目標に到達することは起こりえない。そこで、この場合は、ステップＳ１４４１で上位計算機１に異常発生を通知して処理を終了する。
この場合、上記（２）（３）（５）の異常発生が考えられる。
上記（１）（４）の異常の場合及び、装置が正常に動作している場合は、最後に必ずステップＳ１４８からＳ１５２に進む。ステップＳ１５２で、リーフ絶対位置算出手段１２Ｌのパルス積算値１２ＬＰの値が０近傍の許容誤差の範囲であればステップＳ１５２の条件を満足し、ステップＳ１５４へ進んで上位計算機１に診断ＯＫを通知して診断処理を終了する。条件を満足しない場合はステップＳ１５３へ進み上位計算機１に異常を通知して処理を終了する。

このように、リーフの開方向への動作による診断処理を粒子線の照射前後におこなうことで、エンコーダ５Ｌの間欠故障、軸４Ｌのスリップ、歯車６Ｌの欠損、リーフ８Ｌに刻まれた歯の欠損よる位置不良やエンコーダ５Ｌとリーフ制御装置２間の接触不良によるパルス１１Ｌの欠損による位置不良、エンコーダ５Ｌとリーフ制御装置２間の外線に重畳したノイズによるパルス１１Ｌの追加による位置不良の検出が可能となり、信頼性の高いマルチリーフコリメータを得ることができる。
なお、診断モードで「現時点目標位置」の設定のために使用するグラフは図５となる。これにより、通常動作モードより遅い速度で安全に診断処理をおこなえる。

実施の形態２．
実施の形態１では、リーフ制御装置２は図３のステップＳ１４７において、リーフの移動速度が図４に示す速度を超えないようにモータのトルクを算出していた。つまり、計算速度がグラフの値を超える場合は、図４によって求められるリーフの移動開始後の経過時間に対応する速度をリーフの上限速度としていた。

図４に示すグラフが、リーフの移動速度と移動開始後の経過時間の理想の関係であるから、現在のリーフ位置からリーフ相対目標位置１３ＬＰまでの時間と位置の関係は図６に示す関係となり、リーフ８Ｌが在るべき位置はリアルタイムで算出することができる。

図１０は、この発明の実施の形態２におけるトルク算出手段１４Ｌのフローチャートである。実施の形態１における通常モードでのトルク算出手段１４Ｌのフローチャートである図３との違いは、トルク超過を判定するステップＳ１４８の次に、ステップＳ１４８１として、現在リーフ位置が予想リーフ位置の近傍にあるか否かの判定を入れている点である。
実施の形態２におけるトルク算出手段１４Ｌには、位置と時間の関係を算出する機能を設けてある。上位計算機１よりリーフ絶対目標位置指令４０Ｌがリーフ制御装置２に指示され、リーフ目標位置変換手段１３Ｌでリーフ相対目標位置１３ＬＰが算出されると、リーフ相対目標位置までの距離から逆算して、図６のグラフからリーフ８Ｌが、ある時間にｘ１に取るべき位置ｙ１を求めることができる。これにより、計算上の理想位置と実際の位置の乖離が発生している場合は、リアルタイムにこれを検出することができる。

実施の形態１と相違する処理について説明する。
ステップＳ１４８１において、パルス積算値１２ＬＰの示す現在のリーフ位置が、図６から求められる移動開始後経過時間ｘ１に対応する予想位置ｙ１近傍であるかどうかを判定する。この判定条件を満足する場合、ステップＳ１５０を実行する。判定条件を満足しない場合、ステップＳ１４８２に進む。
リーフ８Ｌの位置が予想位置近傍に無い場合は故障が考えられる。この場合は、上位計算機１に異常発生を通知して処理を終了する。

このステップＳ１４８１の処理による異常検出により、エンコーダ５Ｌの間欠故障、軸４Ｌのスリップ、歯車６Ｌの欠損、リーフ８Ｌに刻まれた歯の欠損よる位置不良やエンコーダ５Ｌとリーフ制御装置２間の接触不良によるパルス１１Ｌの欠損による位置不良、エンコーダ５Ｌとリーフ制御装置２間の外線に重畳したノイズによるパルス１１Ｌの追加による位置不良の検出が可能となり、信頼性の高いマルチリーフコリメータを得ることができる。また、照射の前後にリーフの位置診断をおこなう際、現在のリーフの位置関係によって、総移動距離が短くて済む、開方向又は閉方向のいずれかの診断をすれば良く、診断時間を短縮できる。

実施の形態３．
実施の形態３のマルチリーフコリメータは図１に示す実施の形態１で説明したマルチリーフコリメータとハードウェア構成は同一である。違いは、この実施の形態３では、診断モード時に、実施の形態１における開方向の診断モードに加えて、閉方向の診断モードを追加している点である。
この違いを、この実施の形態３で使用するトルク算出手段の処理のフロー図である図１１に基づいて説明する。

実施の形態１における診断モードでのトルク算出手段１４Ｌのフローを示す図９と本実施の形態でのフローを示す図１１との差異はトルク超過を検出した後のステップＳ３４９とそのステップで閉方向診断モードに分岐する後の処理である。
閉方向診断モードについて説明する。
実施の形態１での例と同様にストッパ７Ｌ、７Ｒ間の中間点にリーフの先端がある場合のパルス積算値１２ＬＰ、１２ＬＲが示す値は、装置が正常に動作している場合はそれぞれ５０００であるとする。

閉方向診断の処理では上位計算機１は、リーフ８Ｌ，８Ｒが照射野の存在しない状態、すなわち閉状態を実現するために、リーフ制御手段２に対してリーフ絶対目標位置指令４０Ｌ、４０Ｒを与える。
説明を簡単にするために、ここでは先の例の続きとして、１枚のリーフが移動できる最大値１００００を両リーフの目標位置として与えるとする。
この場合は、例え現在の各リーフの位置が何処にあっても、万一、一方のリーフが故障でまったく動かない場合でも、２枚のリーフは衝突することになる。両リーフが衝突した時、それぞれのリーフのパルス積算値１２ＬＰ、１２ＲＰを合計した値が１枚のリーフとして移動できる最大値１００００近傍であれば、２枚分のパルス積算値の合計は正常値を示していることになる。
つまり、２枚のリーフ８Ｌ、８Ｒがどこで接触していても、両リーフが正常に動作している状態ではパルス積算値１２ＬＰ、１２ＲＰの合計は１００００となる。例えばリーフ８Ｌが絶対位置１０００の位置にある状態で両リーフが閉じている場合、リーフ絶対位置算出手段１２Ｒのパルス積算値は９０００となる。両リーフがそれぞれのストッパからの中間点で閉じているときは、１２Ｌ、１２Ｒのパルス積算値は共に５０００であるから合計はやはり１００００である。

実際の閉方向診断モードでは、上位計算機１はリーフ制御装置２に対して、両リーフ間の中間点＋１の位置を各リーフのリーフ絶対目標位置指令として与える。処理時間を最短にできるからである。
同時に、高速でのリーフ同士の衝突によってリーフが破損することを防止するためでもある。

この閉方向の診断によって次のような故障を診断できる。
例えば、ギア６Ｒが割れて脱落した状態で両リーフがストッパ７Ｌ、７Ｒに接触する位置にあるとする。
この場合、図２のリーフ絶対位置算出手段１２Ｌのパルス積算値は正常であれば０である。ここで閉方向の診断を開始すると、リーフ８Ｌは中間点＋１の５００１まで進んで停止する。目標位置に到達したからである。本来両リーフは接触してステップＳ１４８でトルク超過を検出するはずであるのにトルク超過が発生しないで終了したということは異常の発生と判断できる。したがってステップＳ１４４１で上位計算機１に異常を通知して終了する。

また、両リーフが接触しステップＳ１４８でトルク超過が発生しステップＳ３４９からＳ３５３へ進んだ場合を考える。
この場合は、パルス積算値１２ＬＰと１２ＲＰの値を積算してその値が１００００近傍であるか否かを確認する。
万一誤差が所定の範囲外の場合はリーフまたは周辺器機に異常が発生していると考えられるのでステップＳ３５４へ進んで上位計算機１に異常を通知して終了する。
パルス積算値１２ＬＰ、１２ＲＰの合計が１００００とほぼ等しければ正常である。この場合は診断ＯＫとして上位計算機１に通知して処理を終了する。
なお、運用中にパルス積算値が負の数になることは通常起こりえない。その場合のエラー処理は当然行うがここでの説明は省略する。
以上のように両リーフの絶対位置算出手段１２Ｌ、１２Ｒのパルス積算値１２ＬＰ、１２ＲＰの和とその和が設計上取るべき値の比較をおこなうことで、開方向だけでなく、閉方向の診断をおこなうことができる。

この実施の形態３によるマルチリーフコリメータは、閉方向の診断モードを設けることにより、粒子線の照射前後にリーフの位置診断をおこなう際、現在のリーフ位置に応じて近い方向に合わせて、開方向診断または閉方向診断をおこなえるので必要な診断時間の短縮化が可能となるという利点がある。

実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態１乃至実施の形態３で使用したリーフ駆動装置３０に、異常発生時に備え、一部の部品を二重化して装着し、リーフ駆動装置１３０としたものである。
図１２はこの実施の形態におけるマルチリーフコリメータ１２０の構成図。図１３はリーフ制御装置１０２のブロック図である。モータ３Ｌに対しては、二重化されたエンコーダ５Ｌと５１Ｌが接続され、モータ３Ｒに二重化されたエンコーダ５Ｒと５１Ｒが接続されている。エンコーダ５Ｌが発生させるパルス１１Ｌ用のリーフ絶対位置算出手段１２Ｌに加え、エンコーダ５１Ｌが発生させるパルス１１１Ｌ用のリーフ絶対位置算出手段１１２Ｌが追加されている。また、リーフ絶対位置算出手段１２Ｌとリーフ絶対位置算出手段１１２Ｌが保持する２つのパルス積算値１２ＬＰと１１２ＬＰを比較する比較回路１８Ｌを備えている。２つのパルス積算値の値に所定の範囲以上の差が発生した場合は、いずれかのエンコーダの異常として処理を中止し、診断モードをおこなうことにより、故障しているエンコーダを素早く特定できる。

この仕組みにより、実施の形態１乃至実施の形態３の効果に加えて、エンコーダの不良による位置不正の検出が可能となり、信頼性をさらに向上させることができる。

実施の形態５．
実施の形態５は、実施の形態１乃至実施の形態３で使用したリーフ駆動装置３０に、異常発生時に備え、一部の部品を三重化して装着し、リーフ駆動装置２３０としたものである。
図１４はこの実施の形態におけるマルチリーフコリメータ２２０の構成図。図１５はリーフ制御装置２０２のブロック図である。モータ３Ｌには、三重化されたエンコーダ５Ｌ、５１Ｌ、５２Ｌが接続され、モータ３Ｒには三重化されたエンコーダ５Ｒ、５１Ｒ、５２Ｒが接続されている。エンコーダ５Ｌが発生させるパルス１１Ｌ用のリーフ絶対位置算出手段１２Ｌに加え、エンコーダ５１Ｌ、５２Ｌが発生させるパルス１１１Ｌ、２１１Ｌ用のリーフ絶対位置算出手段１１２Ｌ、２１２Ｌが追加されている。また、３つのリーフ絶対位置算出手段が保持する３つのパルス積算値１２ＬＰ、１１２ＬＰ、２１２ＬＰの真偽を判定する多数決判定手段１９Ｌを備えている。

この仕組みにより、１つのエンコーダが不良となっても原因エンコーダを特定して装置の運用を継続させることが可能となり、装置の可動性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１のマルチリーフコリメータの構成図である。この発明の実施の形態１のリーフ制御装置のブロック図である。この発明の実施の形態１の通常モードでのトルク算出手段のフロー図である。この発明の実施の形態１の通常モードでのリーフの移動時間と速度の関係を示す図である。この発明の実施の形態１の診断・原点復帰モードでのリーフの移動時間と速度の関係を示す図である。この発明の実施の形態１の診断・原点復帰モードでのリーフの移動時間と距離（位置）の関係を示す図である。この発明の実施の形態１のトルク算出方法を示すブロック図である。この発明の実施の形態１の原点復帰モードでのトルク算出手段のフローを示す図である。この発明の形態１における診断モードでのトルク算出手段のフローを示す図である。この発明の実施の形態２におけるトルク算出手段のフローを示す図である。この実施の形態３におけるトルク算出手段のフローを示す図である。この発明の実施の形態４のマルチリーフコリメータの構成図である。この発明の実施の形態４のリーフ制御装置のブロック図である。この発明の実施の形態５のマルチリーフコリメータの構成図である。この発明の実施の形態５のリーフ制御装置のブロック図である。

符号の説明

１上位計算機、２，１０２，２０２リーフ制御装置、３Ｌ，３Ｒモータ、
４Ｌ，４Ｒ軸、５Ｌ，５１Ｌ，５２Ｌ，５Ｒ，５１Ｒ，５２Ｒエンコーダ、
６Ｌ，６Ｒ歯車、７Ｌ，７Ｒストッパ、８Ｌ，８Ｒリーフ、９照射野、
１０Ｌ，１０Ｒリーフ制御ブロック、
１１Ｌ，１１Ｒ，１１１Ｌ，１１１Ｒ，２１１Ｌ，２１１Ｒパルス、
１２Ｌ，１１２Ｌ，２１２Ｌリーフ絶対位置算出手段、
１２ＬＰ，１２ＲＰパルス積算値、１３Ｌリーフ目標位置変換手段、
１３ＬＰリーフ相対目標位置、１４Ｌトルク算出手段、
１５Ｌトルク／電流変換手段、１６Ｌ，１６Ｒ電流、１８Ｌ比較回路、
１９Ｌ多数決判定手段、２０，１２０，２２０マルチリーフコリメータ、
３０，１３０，２３０リーフ駆動装置、４０Ｌ，４０Ｒリーフ絶対目標位置指令。

Claims

粒子線を照射する照射野形状を形成するために正対して開閉する２枚のリーフと、
それぞれのリーフを独立して移動させるモータと、
前記モータの回転数を検出するエンコーダと、
前記それぞれのリーフの移動を全開位置に規制するストッパとを接続してなるリーフ駆動装置を複数並列したリーフ駆動装置群及び、
前記エンコーダが発生させるパルスから前記リーフの絶対位置を算出するリーフ絶対位置算出手段と、
前記リーフの前記絶対位置とリーフが移動すべき位置を指令するリーフ絶対目標位置指令から、それぞれの前記モータの出力すべきトルクを算出するトルク算出手段と、
前記トルクを前記モータに印加する電流に変換するトルク／電流変換手段とからなるリーフ制御装置
を備えた粒子線治療装置用マルチリーフコリメータにおいて、
前記リーフが前記ストッパに接触する位置を原点とし、
前記リーフを全開方向に移動し前記トルク算出手段が算出するトルク値が所定の時間継続して所定の値を超えたことにより、前記リーフが前記ストッパに接触したことを検知した時、
前記リーフ絶対位置算出手段が算出するリーフ絶対位置が前記原点から所定の範囲内に無いときは、リーフ駆動装置は異常、所定の範囲内にあるときは正常と判定することを特徴とする粒子線治療装置用マルチリーフコリメータ。
粒子線を照射する照射野形状を形成するための正対して開閉する２枚のリーフと、
それぞれのリーフを独立して移動させるモータと、
前記モータの回転数を検出するエンコーダと、
前記それぞれのリーフの移動を全開位置に規制するストッパとを接続してなるリーフ駆動装置を複数並列にしたリーフ駆動装置群及び、
前記リーフの現在の前記絶対位置と、
リーフが移動すべき位置を指令するリーフ絶対目標位置指令からそれぞれの前記モータの出力すべきトルクを算出するトルク算出手段と、
前記トルクを前記モータに印加する電流に変換するトルク／電流変換手段とからなるリーフ制御装置
を備えた粒子線治療装置用マルチリーフコリメータにおいて、
前記リーフが前記ストッパに接触する位置を原点とし、
前記正対する２枚のリーフを互いに閉じる方向へ移動させ、前記トルク算出手段が算出する一方又は両方のモータのトルク値が所定の時間継続して所定の値を超えたことにより前記２枚のリーフの接触を検知した時、
前記２枚のリーフに対応するリーフ絶対位置算出手段が算出する２つの絶対位置の和と、１枚のリーフの最大移動可能距離の差が、所定の範囲内に無いときは前記リーフ駆動装置は異常、所定の範囲にあるときは正常と判定することを特徴とする粒子線治療装置用マルチリーフコリメータ。
前記トルク算出手段は、前記リーフの加速度、等速移動速度、減速度を保持し、
前記計算機から指示された目標位置へ移動する前記リーフが、移動開始後、所定時間経過後に存在すべき予想位置を所定の周期で算出し、
前記リーフ絶対位置算出手段が算出する絶対位置と前記予想位置の差が所定の範囲を超えた場合は前記リーフ駆動装置は異常と判定する請求項１または請求項２に記載の粒子線治療装置用マルチリーフコリメータ。
１個の前記モータに対応して２個のエンコーダ及び２つのリーフ絶対位置算出手段を設け、それぞれの前記リーフ絶対位置算出手段から算出される２つ絶対位置を比較することにより前記リーフ駆動装置の異常を検出する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のマルチリーフコリメータ。
１個の前記モータに対応して３個のエンコーダ及び３つのリーフ絶対位置算出手段を設け、それぞれの前記リーフ絶対位置算出手段から算出される３つ絶対位置を比較することにより前記リーフ駆動装置の異常を検出する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のマルチリーフコリメータ。