JP2010238463A - 荷電粒子ビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子ビームを進行方向に垂直な方向に走査して照射する粒子線治療装置において、ビーム走査中に周回ビーム電荷量が不足することがなく、横方向の線量分布がシンクロトロンの二つ以上の運転周期にわたって形成されることによる横方向線量一様度の悪化を防止することができる荷電粒子照射システムを提供することにある。
【解決手段】イオンビームを加速して出射するシンクロトロン２と、走査電磁石２０２を通過したイオンビームを照射対象に照射する照射野形成装置２００と、走査電磁石２０２による荷電粒子ビームの照射位置の一回の走査が完了してから次の回の走査を開始するまでの期間におけるシンクロトロン２の周回ビーム電荷量に基づいて、シンクロトロン２の運転パターンを変更する制御装置を備えたことにより、上記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、荷電粒子ビーム照射システムに係り、特に、陽子及び炭素イオン等のイオンビームを患部に照射して治療する粒子線治療装置に適用するのに好適な荷電粒子ビーム照射システムに関する。

癌などの患者の患部に陽子及び炭素イオン等の荷電粒子ビーム（イオンビーム）を照射する治療方法（粒子線治療）が知られている。

粒子線治療に用いるイオンビーム照射システムは、例えば円形加速器を備えたイオンビーム発生装置，ビーム輸送系、及び照射野形成装置を備えた照射装置により構成される。円形加速器は、周回軌道に沿って周回するイオンビーム（周回ビーム）を目標のエネルギーまで加速した後に出射し、出射されたイオンビーム（出射ビーム）は、ビーム輸送系を経て照射野形成装置に輸送される。照射野形成装置は、患者の患部形状に合わせてイオンビームの線量分布を整形し患部に照射する。

円形加速器としては、例えば特許文献１に記載のある、周回ビームのベータトロン振動振幅を増大させる手段及びイオンビームを周回軌道から取り出す出射用デフレクタを備えたシンクロトロンが知られている。周回ビームのベータトロン振動振幅を増大することにより、イオンビームは共鳴の安定限界外に移動され、出射用デフレクタによってシンクロトロンからビーム輸送系へ出射される。シンクロトロンは、イオンビームの入射，周回ビームの加速，ビーム出射を一組とした周期運転を、患部に所望の線量分布が形成されるまで繰り返す。

通常、加速器から出射されるビームは進行方向と垂直な方向（以下、横方向という）にガウス分布をしており、ビームサイズ（ガウス分布の１σ）はおよそ１〜５mm程度である。通常、患部は横方向にビームサイズ以上の大きさを持っているため、患部の横方向全体に渡ってイオンビームを効果的に照射するには、横方向に患部大で一様度の高い線量分布を形成する必要がある。横方向に一様な線量分布を形成するため、ビームを走査電磁石により走査し、ビームの照射位置を離散的あるいは連続的に移動させて一様な線量分布を形成する方法（スキャニング照射法）が知られている（非特許文献１）。

患者の体内へ入射したイオンビームは、イオンが停止する直前にエネルギーの大部分を放出し、深さ方向（ビームの進行方向）にブラッグカーブと呼ばれる線量分布を形成する。ブラッグカーブの極大であるブラッグピークの位置は、体内に入射するイオンビームのエネルギーに依存することから、粒子線治療では、イオンビームのエネルギーを適切に選択することで、イオンビームを患部近傍で停止させてエネルギーの大部分を患部のがん細胞に与えるようにしている。ここで、ブラッグピークの深さ方向での幅は数mm程度であるが、通常、患部は深さ方向にブラッグピーク幅以上の厚みを持っている。このような場合に、患部の深さ方向全体に渡ってイオンビームを効果的に照射するには、深さ方向に患部大で一様度の高い線量分布（Spread Out Bragg Peak、以下ＳＯＢＰという）を形成する必要がある。ＳＯＢＰは、例えばイオンビームのエネルギー（ビームエネルギー）と照射量を適切に制御することで形成される。

患部へ照射されるイオンビーム（照射ビーム）のエネルギーをシンクロトロン運転の一周期の間に段階的に変更し、ビームの照射に要する時間を短縮する技術が非特許文献２に記載されている。照射ビームのエネルギーは、シンクロトロンの出射ビームエネルギーを一定に保ちながら輸送系に設置されたレンジシフタの厚みを変えるか、シンクロトロンの一周期の間に出射ビームのエネルギーを変えることにより変更する。レンジシフタはビーム輸送系に設置され、ビーム軌道に挿入する板の厚みを変えることによりレンジシフタを通過するビームのエネルギーを変更する。

特許第２５９６２９２号公報

REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS ６４巻８号 （１９９３年８月；Ｐ２０８４−２０８９） Proceedings of EPAC08 (European Particle Accelerator Conference 2008)（２００８年６月；Ｐ１８００−１８０２）

シンクロトロン運転の一周期の間に照射ビームのエネルギーを変更する上記従来技術には以下の課題がある。

スキャニング照射法において、あるエネルギーにおける走査の途中で周回ビームの電荷量が照射の継続が困難なほどに減少した場合、シンクロトロンからのビーム出射を停止し、再度ビームを入射・加速してから、同じエネルギーにおける照射を再開する必要がある。通常、患部は患者の体動や呼吸に伴って移動するため、ビーム出射を停止してから次の周期における出射が再開するまでの間に患部が移動してビームの照射位置が変化し、横方向の線量分布の一様性（線量一様度）が悪化する恐れがあった。

一般的な粒子線治療用のシンクロトロンは、周回ビームの加速あるいはエネルギーの変更が終了してからビーム出射を開始するまでの間に出射準備のための時間（出射準備期間）を設けている。シンクロトロンの一周期中に出射ビームのエネルギーを変化させて照射ビームのエネルギーを変更する場合、あるエネルギーにおける照射を二つの周期にわたって行うと、そのエネルギーについて二回の出射準備期間が必要となり、照射完了までに要する時間（照射時間）が増大する可能性があった。

本発明の第一の目的は、シンクロトロン運転の一周期の間に照射ビームのエネルギーを変更する際に、あるエネルギーにおける照射の途中で周回ビーム電荷量が不足することによる横方向線量一様度の悪化を防止することが可能な粒子線治療システムを提供することである。本発明の第二の目的は、シンクロトロンの一周期中に出射ビームのエネルギーを変化させて照射ビームのエネルギーを変更する場合に、あるエネルギーにおける照射が二つの運転周期にわたって行われることによる照射時間の増大を防止することが可能な粒子線治療システムを提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の特徴は、スキャニング照射法において一回の走査が完了した時点あるいはあるエネルギーにおける照射が完了した時点における周回ビームの電荷量を測定し、測定結果に基づいてシンクロトロンの運転パターンを変更することにある。さらに言えば、本発明の特徴は、一回の走査が完了した時点あるいはあるエネルギーにおける照射が完了した時点における周回ビーム電荷量が、次の回の走査あるいは次のエネルギーにおける照射を完了するために十分であるか否かを判定し、周回ビーム電荷量が十分である場合にはシンクロトロンの同じ運転周期内で次の回の走査あるいは次のエネルギーにおける照射を開始し、周回ビーム電荷量が十分でない場合には次の運転周期に移行することにある。

本発明は、周回ビーム電荷量が一回の走査を完了するのに十分である場合のみシンクロトロンの運転周期中に次の回の走査を開始するため、走査電磁石による走査の途中で周回ビーム電荷量が不足することがない。これにより、横方向の線量分布がシンクロトロンの運転周期二つにわたって形成されることによる横方向線量一様度の悪化が防止される。また、本発明は、照射ビームのエネルギーをシンクロトロンの同じ運転周期内でシンクロトロンの出射ビームのエネルギーを変化させることにより変更する場合に、ある照射エネルギーにおける照射の途中で周回ビーム電荷量が不足することがなくなるため、当該照射エネルギーにおいて出射準備を二回行うことによる照射時間の増大が防止される。

本発明によれば、横方向にビームを走査している途中で周回ビーム電荷量が不足することがなくなるため、横方向の線量一様度が向上する。

本発明の第一の実施例である粒子線治療装置の全体構成を表す概念図である。 本発明の第一の実施例である粒子線治療装置に備えられる照射野形成装置の詳細をあらわす概念図である。 本発明の第一の実施例である粒子線治療装置に備えられる照射制御システムの構成を表す概念図である。 本発明の第一実施例において、照射制御装置が備えるメモリに保存されるデータの概念図である。 本発明の第一実施例において、照射制御装置が備えるメモリに保存されるレンジシフタの厚さに関するデータの概念図である。 本発明の第一実施例において、照射制御システムの目標値メモリに保存されるデータの概念図である。 本発明の第一実施形態において、偏向電磁石の運転パターンを表す概念図である。 本発明の第一実施形態において、患部を連続的に走査する際の横方向ビーム照射位置を表す概念図である。 本発明の第二実施例において、偏向電磁石の運転パターンを表す概念図である。 本発明の第二実施例において、偏向電磁石の運転パターンを表す概念図である。 本発明の第二の実施例である粒子線治療装置の全体構成を表す概念図である。 本発明の第二の実施例におけるシンクロトロンの制御手法を表すフローチャート図である。 本発明の第三実施例において、偏向電磁石の運転パターンを表す概念図である。 本発明の第三の実施例におけるシンクロトロンの制御手法を表すフローチャート図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。

（実施形態１）
図１に示すように、本実施形態の粒子線治療装置（イオンビーム照射システム）は、治療ベッド２１７に固定された患者２１６の患部２１６ａに対してイオンビーム（例えば陽子線）を照射するものであり、イオンビーム発生装置１，高エネルギービーム輸送系１４，照射野形成装置２００，中央制御装置１００，照射制御システム３００を備える。

中央制御装置１００は、治療計画装置１０２で決められる患者２１６の患部２１６ａに適切な照射野を形成するための照射条件（ビーム照射方向，ＳＯＢＰ幅，照射線量，最大照射深さ，照射野サイズ等）を読み込み，機器の種類，設置位置，設定値、等のノズル機器パラメータの選択や、ビームエネルギー，ビーム強度パターン、等の加速器運転パラメータを選択するものである。中央制御装置１００は、メモリ１０１を備え、治療に必要な情報（照射ビームエネルギー，照射角度（ガントリー回転角度），走査電磁石パターン，レンジシフタ挿入量等）をメモリ１０１に記憶させる。照射制御システム３００は、メモリ１０１に記録された情報に基づいて、照射野形成装置２００を構成する各機器のパラメータを設定する。イオンビーム発生装置１を構成する各機器のパラメータは、メモリ１０１に記録された情報に基づいて、各機器の制御装置（図示せず）により設定される。

イオンビーム発生装置１は、所定のビームエネルギーのイオンビームを発生させるための装置であり、イオン源４，前段加速器５，低エネルギービーム輸送系６及びシンクロトロン２を備える。シンクロトロン２は、シンクロトロン制御装置３に接続されている。イオン源４で生成されたイオンビームは、前段加速器５でシンクロトロン２の入射エネルギーまで加速され、低エネルギービーム輸送系６を経由してシンクロトロン２に入射される。

シンクロトロン２は、図１に示すように、ビームの軌道を偏向して周回軌道を形成する偏向電磁石７，シンクロトロン中を周回するイオンビーム（周回ビーム）を収束・発散する四極電磁石８，高周波加速空洞９，出射用の高周波印加装置１０，周回ビームの電荷量（周回ビーム電荷量）を測定するモニタ１２及び出射用デフレクタ１３を備える。高周波印加装置１０は、高周波印加用の電極（図示せず）を備え、高周波印加用電極は出射用の高周波供給装置１１から高周波電圧の供給を受ける。モニタ１２はモニタ１２の制御装置１６を介して照射制御システム３００に接続されている。

シンクロトロン２へ入射されたイオンビームは、高周波加速空洞９に印加される高周波電圧により、所望のエネルギー（例えば７０〜２５０ＭｅＶ）まで加速される。加速が終了した後、高周波供給装置１１からの高周波電圧が高周波印加電極により周回ビームに印加されると、周回ビームは共鳴の安定限界を越え、出射用デフレクタ１３を介してシンクロトロン２から出射される。

高エネルギービーム輸送系１４は、シンクロトロン２と照射野形成装置２００とを連絡し、その一部は回転ガントリー１５に設置されている。シンクロトロン２から出射されたイオンビームは、高エネルギービーム輸送系１４を経由して、回転ガントリー１５に設置した照射野形成装置２００まで輸送される。回転ガントリー１５の回転角度を調節することで、患者２１６に対して所望の方向からイオンビームを照射することが可能である。

図２を用い、照射野形成装置２００の詳細について説明する。照射野形成装置２００は、イオンビーム発生装置１により生成されたイオンビームを、患者２１６の患部２１６ａの形状に合わせて整形する装置である。照射野形成装置２００は、ケーシング２０１を備え、ケーシング２０１内に、ビーム走査電磁石２０２，散乱体２０３，リッジフィルタ２０４，レンジシフタ２０５，線量モニタ２０６およびビーム位置モニタ２０７，コリメータ２０８を備える。

走査電磁石２０２は、ビームの照射位置を走査することで、患部２１６ａの横方向において一様な線量分布を形成する。走査電磁石２０２には、走査電磁石電源２２０が接続されており、走査電磁石電源２２０は、走査電磁石電源制御装置２２１に接続されている。走査電磁石２０２は、ビーム進行方向に垂直な平面内において直行する２方向にビームが走査できるよう、例えばビームを各々直交する横方向に偏向する一対の二極電磁石で構成される。走査電磁石電源２２０は、走査電磁石２０２に電流を供給して偏向磁場を発生させる。偏向磁場の強度、すなわちビームの偏向量は、走査電磁石２０２に供給する励磁電流により決定されるため、励磁電流を調整することで、横方向の任意の地点にビームを照射することができる。走査電磁石２０２には、走査電磁石電源２２０により走査電磁石電源制御装置２２１で設定された電流が供給される。走査電磁石２０２の運転パターンは、走査電磁石電源制御装置２２１が備えるメモリ２２２にあらかじめ保存されている。走査電磁石２０２の励磁電流値は、照射制御システム３００に設けられた照射制御装置３０１（図３）に送信される。

散乱体２０３は、物質によるイオンの散乱現象によりイオンビームの横方向分布を拡大するためのものである。散乱体２０３によりビームはほぼガウス分布に拡げられる。散乱体２０３は、一般に散乱量に対するエネルギー損失が少ないタングステン等の原子番号の大きい物質によって構成される。シンクロトロン２から出射されるイオンビーム（出射ビーム）の分布が横方向の線量分布を形成する上で問題とならないのであれば、散乱体２０３は省略してもよい。

リッジフィルタ２０４は、ピーク位置の異なる複数のブラッグカーブを重ね合わせることにより、イオンビームのブラッグピークを拡大するためのものである。リッジフィルタ２０４は複数の楔形構造物により構成され、横方向の位置に応じて厚みが変化する。これにより、リッジフィルタ２０４を通過するビーム粒子のエネルギーは横方向の位置に応じて変化し、それぞれのビームエネルギーに対応した、異なる深さにブラッグピークを形成する。本実施例では出射ビームのエネルギーおよびレンジシフタ２０５の厚さを変化させることによりＳＯＢＰを形成するが、リッジフィルタ２０４を併用することにより、ブラッグピークが離れていても深さ方向に一様な線量分布を形成することが可能となるため、運転条件の数が減少し、シンクロトロン２及び高エネルギービーム輸送系１４の調整（ビーム調整）に要する時間が短縮される。リッジフィルタ２０４を省略し、出射ビームのエネルギーおよびレンジシフタ２０５の厚さの変更のみでＳＯＢＰを形成する構成としてもよい。

レンジシフタ２０５は、イオンビームの飛程を調節するためのものである。レンジシフタ２０５は、横方向の位置に応じて厚さが異なる一組の板２０５ａと、レンジシフタ駆動装置２０５ｂにより構成され、レンジシフタ駆動装置２０５ｂは照射制御システム３００に接続されている。板２０５ａは、一般にエネルギー損失に対してビーム散乱量の小さい樹脂等の原子番号の小さな物質によって構成される。イオンビームがレンジシフタ２０５を通過するとエネルギーを失うので、イオンビームの飛程を減らすことができる。レンジシフタ駆動装置２０５ｂは、板２１０ａの挿入量を変化させることによりビーム軌道上の板２１０ａの厚みを変化させ、患部２１６ａ内の異なる位置にブラッグピークを形成する。レンジシフタの厚みを変化させながらイオンビームを照射することにより、深さ方向に患部２１６ａ大のＳＯＢＰが形成される。また、レンジシフタ２１０を用いず、高エネルギービーム輸送系１４を輸送する間にイオンビームのエネルギーを損失させても良い。

線量モニタ２０６は通過したビームの量を計測し、ビーム位置モニタ２０７は横方向のビーム位置を測定する。コリメータ２０８は、放射線遮蔽体によって構成され、患部２１６ａに対応する貫通孔を形成している。コリメータ２０８は、横方向に拡大されたビームのうち、その貫通孔を通過したイオンビームのみを患部２１６ａに照射する。コリメータ２０８は、通常、患部２１６ａの形状に合わせて加工され、患部２１６ａ毎に交換される。コリメータ２０８としてマルチリーフコリメータを用い、リーフを移動して患部２１６ａの横方向形状に合わせることで、加工，交換の手間を省いてもよい。

照射制御システム３００の詳細について、図３を用いて説明する。

照射制御システム３００は、所望の照射野を形成するために、横方向のビーム照射位置、シンクロトロン２からのビーム出射のタイミング及びレンジシフタ２０５の厚さを制御する。本実施例ではビームの照射位置を離散的に走査し、横方向のビーム位置は、横方向の照射領域全体を格子状に分割した際の格子点として表す。このとき、照射位置一つは走査電磁石２０２の励磁量の組み合わせ一つに対応するから、照射位置を制御することは走査電磁石２０２の励磁量を制御することと等価である。

照射制御システム３００は、照射制御装置３０１，照射制御装置メモリ３０２，カウンタ３０３，照射完了信号生成装置３０４，インターロック信号生成装置３０５及び目標値メモリ３０６を備える。照射制御装置３０１は、中央制御装置１００，加速器制御装置３，ビーム電荷量モニタ制御装置１６，高周波供給装置１１，走査電磁石電源制御装置２２１，レンジシフタ駆動装置２０５ｂ，照射完了信号生成装置３０４，インターロック信号生成装置３０５及び目標値メモリ３０６にそれぞれ接続されている。

照射完了信号生成装置３０４は、照射制御装置３０１，カウンタ３０３，目標値メモリ３０６及び高周波供給装置１１にそれぞれ接続されている。インターロック信号生成装置は、照射制御装置３０１，カウンタ３０３，目標値メモリ３０６，高周波供給装置１１及び中央制御装置１００にそれぞれ接続されている。

照射制御装置３０１は、治療計画装置１０２によって作成された走査電磁石２０２の運転パターン及びレンジシフタ２０５の厚さの設定値を中央制御装置１００から読み込み、照射制御装置が備えるメモリ３０２に登録する。走査電磁石２０２の運転パターンとは、図４に示すように、照射位置ごとに設定された照射の順番、走査電磁石２０２の励磁量、走査電磁石２０２の励磁電流の設定値のことである。レンジシフタ２０５の厚さの設定値とは、図５に示すように、所望のＳＯＢＰを形成するための照射深さの組み合わせと、対応するレンジシフタ２０５の厚さの設定値及び照射の順番のことである。

また、照射制御装置３０１は、中央制御装置１００から図６に示す情報，照射深さ及び横方向の照射位置ごとの照射線量の目標値（目標線量）とその許容範囲（許容線量）を読み込み、目標値メモリ３０５に保存する。また、メモリ３０５には、照射野全体への照射線量の目標値（目標値Ｓ）とその許容値（許容値Ｓ）が保存される。

走査電磁石電源制御装置２２１が備えるメモリ２２２には、走査電磁石２０２の運転パターンがあらかじめ登録されている。走査電磁石２０２の運転パターンは、走査電磁石電源制御装置２２１が照射制御装置３０１から読み込んでも良いし、中央制御装置１００から直接読み込んでも良い。

照射線量の目標値と許容値，走査電磁石２０２の運転パターン及びレンジシフタ２０５の厚さの設定値は、あらかじめ治療計画装置１０２が患部２１６ａの種類と形状に基づいて作成し、中央制御装置１００は治療計画装置１０２が作成したこれらの情報を読み込んでメモリ１０１に保管している。照射制御装置３０１は、治療開始前にこれらの情報を中央制御装置１００から読み込んでおく。

治療が開始すると、シンクロトロン２でイオンビームが所定のエネルギーまで加速され、加速が終了してビームを出射する準備が完了した後に、加速器制御装置３から照射制御装置３０１へ出射準備完了信号が送信される。出射準備完了信号を受けた出射制御装置３０１は、レンジシフタ２０５の厚さの始めの（順番が１の）設定値をレンジシフタ駆動装置２０５ｂへ出力し、レンジシフタの厚さを変更するよう指令を出す。指令を受けたレンジシフタ駆動装置２０５ｂは、レンジシフタ２０５の厚さを始めの設定値と一致するよう変更し、レンジシフタ２０５の厚さの変更が完了した時点でレンジシフタ２０５の調節が完了したことを示す信号（レンジシフタ調節完了信号）を照射制御装置３０１へ出力する。

レンジシフタ調節完了信号を受けた照射制御装置３０１は、走査電磁石電源制御装置２２１へ走査電磁石２０２を励磁するよう指令を出す。指令を受けた走査電磁石電源制御装置２２１は、メモリ２２２に保存された、始めに照射する位置の（順番が１の）励磁電流設定値に基づいて２台の走査電磁石２０２を励磁する。励磁電流が設定値に到達した時点で、走査電磁石電源制御装置２２１は走査電磁石２０２の励磁が完了したことを示す信号（走査電磁石励磁完了信号）を照射制御装置３０１へ出力する。

走査電磁石励磁完了信号を受けた照射制御装置３０１は、現在の励磁電流設定値に対応した照射位置を現在の照射位置としてメモリ３０２に保存し、出射開始信号（ビームＯＮ信号）を高周波供給装置１１に出力する。出射開始信号を受けた高周波供給装置１１は高周波印加装置１０に出射用の高周波電圧を印加し、シンクロトロン２からビームが出射される。

シンクロトロン２から出射されたイオンビームは、高エネルギー輸送系１４を経由して照射野形成装置２００まで輸送される。照射野形成装置２００を通過するイオンビームは、走査電磁石２０２により偏向された後、レンジシフタ２０５により飛程を調節されて治療計画で設定された位置に照射される。現在の照射深さ及び横方向照射位置は、メモリ３０２に保存されている。線量モニタ２０６はビーム照射量（照射線量）を逐次計測し、線量モニタ２０６に接続されたカウンタ３０４が現在の照射位置のビーム照射量を記録する。

照射完了信号生成装置３０４は、照射制御装置３０１から現在の照射深さ及び横方向照射位置の番号を読み込む。照射完了信号生成装置３０４は、カウンタ３０３から現在の照射位置における照射線量を読み込み、メモリ３０６に保存された現在の照射位置における目標線量と逐次比較する。照射線量が目標線量に到達していれば、照射完了信号生成装置３０４はビームＯＦＦ信号を高周波供給装置１１に出力する。ビームＯＦＦ信号を受けた高周波供給装置１１は、高周波印加装置１０への高周波電圧の印加を停止するため、シンクロトロン２からのビーム出射は停止する。照射線量が目標線量未満であれば、照射完了信号生成装置３０４はビームＯＦＦ信号の生成を行わないため、高周波印加装置７への高周波電圧の供給が継続し、ビームは続けて出射される。

照射完了信号生成装置３０４の役割は、各照射位置において照射線量が目標線量に到達するまではビームの出射を継続し、照射線量が目標線量に到達した時点でビーム出射の停止を指令することである。ビームＯＦＦ信号を出力した照射完了信号生成装置３０４は、照射制御装置３０１に現在の照射位置における照射が完了したことを示す信号を出力する。また、照射完了信号生成装置３０４は、現在の照射位置における照射線量を、照射制御装置３０１へ出力し、カウンタ３０３を次の照射位置への照射に備えてリセットする。なお、カウンタ３０３をリセットする代わりに、治療開始時点から照射完了時点までの照射線量の積算値を記録しておき、次の照射位置ではカウンタ３０３の読みと上記積算値の差分から照射線量を求めても良い。

照射制御装置３０１へ入力された照射線量は、現在の照射深さ及び横方向照射位置とともに中央制御装置１００のメモリ１０１へ記録される。照射完了信号を受けた照射制御装置３０１は、メモリ３０２に保存した走査電磁石２０２の運転パターンに基づいて横方向照射位置（励磁電流の設定値）を変更し、走査電磁石電源制御装置２２０に励磁電流の変更を指示する。走査電磁石電源制御装置２２１は、メモリ２２２に保存された運転パターンに基づいて走査電磁石２０２の励磁電流を設定し、これにより新しい横方向照射位置へイオンビームの照射が行われる。このように、走査電磁石２０２の励磁量の変更とビームの照射とを繰り返すことで、現在の照射深さにおける全ての横方向照射位置に所望の線量のビームが照射される。

現在の照射深さにおける照射が完了した時点で、照射制御装置３０１はレンジシフタ２０５の厚さの次の設定値をレンジシフタ駆動装置２０５ｂに出力し、レンジシフタ２０５の厚さの変更を指示する。このとき、シンクロトロン２からのビーム出射は停止しており、シンクロトロン２の周回ビームのエネルギーは一定に保たれている。レンジシフタ２０５の厚さの変更が完了した時点でレンジシフタ駆動装置２０５ｂはレンジシフタ調節完了信号を照射制御装置３０１に出力し、始めの照射深さと同様に新しい照射深さにおける照射が開始される。このように、レンジシフタ２０５の厚さの変更と各照射深さにおける照射を繰り返すことにより、治療計画装置１０１が設定した全ての照射深さにおける全ての横方向照射位置に対して所望の線量のビームが照射される。

表示装置３２０は、中央制御装置１００に接続され、メモリ１０１に保存された各照射深さにおける横方向照射位置ごとの照射線量を逐次表示する。メモリ１０１に保存される照射線量は、ある照射位置への照射が完了するたびに更新されるから、運転者は表示装置３２０により治療の進捗を知ることができる。また、表示装置３２０がシンクロトロン２の運転パラメータ、照射野形成装置２００のパラメータ及び治療計画に関する情報を表示することにより、運転者は粒子線治療システムの運転条件を容易に把握できる。

インターロック信号生成装置３０５は、照射制御装置３０１から現在の照射深さ及び横方向照射位置の番号を読み込む。インターロック信号生成装置３０５は、カウンタ３０３から現在の照射位置における照射線量を読み込み、メモリ３０６に保存された現在の照射位置における許容線量と逐次比較する。インターロック信号生成装置３０５は、照射線量が許容線量未満であることを確認し、万が一許容線量を超えた場合には、インターロック信号を高周波供給装置１１と中央制御装置１００に出力する。これにより、ビーム出射の停止と治療中断の手続きが行われる。また、インターロック信号生成装置３０５は、各照射位置における照射線量の合計（合計線量）を計算し、計算結果をメモリ３０５に保存された照射野全体への照射線量の許容値（許容値Ｓ）と比較する。合計線量が許容値を超えた場合、インターロック信号生成装置３０５はインターロック信号を出力し、ビームの出射が停止する。インターロック信号生成装置３０５は、照射線量とその許容値を逐次比較し、許容値を超えた場合にはインターロック信号を出力するため、万が一加速器あるいはその制御装置が想定外の動作をした場合に、患者２１６への不要なイオンビームの照射を防ぐことができる。

ある照射深さに対して照射が完了した時点における周回ビーム電荷量に基づいて、シンクロトロン２の運転パターンを変更する方法について詳しく説明する。

シンクロトロン２の運転パターンについて、図７に示したシンクロトロン２の偏向電磁石７の運転パターンを用いて説明する。図７は横軸に時間、縦軸に偏向電磁石７の励磁量を取ったグラフであり、折れ線４００が偏向電磁石７の運転パターンを表す。偏向電磁石７の運転パターン（シンクロトロン２の運転パターン）は入射期間，加速期間，出射準備期間，出射期間，減速準備期間，減速期間により構成され、ビーム入射期間開始から減速期間終了までを一周期とした周期運転を行っている。前段加速器５からのイオンビームは、入射期間にシンクロトロン２の周回軌道へ入射され、加速期間に目標のエネルギーまで加速される。出射準備期間において偏向電磁石７の励磁量は一定であるが、四極電磁石８や六極電磁石（図示せず）の励磁量が変更され、周回ビームのベータトロン振動の不安定領域（セパラトリクス）が形成される。出射期間において前述のレンジシフタ２０５の厚さの変更および各照射深さにおけるビーム走査を行い、シンクロトロン２から出射されずに残った周回ビームは減速期間においてシンクロトロン２の入射ビームと同じエネルギー（入射エネルギー）まで減速される。減速準備期間は、四極電磁石８および六極電磁石の励磁量を変更し、出射準備期間中に形成したセパラトリクスを解除する。

照射野に対して照射すべきイオンビームの全量がシンクロトロン２の周回ビーム電荷量の最大値よりも多い場合、出射期間中のいずれかの時点で周回ビームが不足し、照射の継続が困難となる。周回ビーム電荷量が極端に減少すると出射ビーム電流が減少して照射時間が増大するため、周回ビーム電荷量がある閾値（例えば周回ビーム電荷量の最大値の５％）よりも少なくなった時点で照射を停止し、出射されなかった周回ビームを減速した後に再度シンクロトロン２へビームを入射しなければならない。このような周回ビーム電荷量の閾値はあらかじめ照射制御装置メモリ３０２に記憶されており、この閾値に基づいて、照射制御装置３０１がシンクロトロン２からのイオンビームの出射停止を制御する。また、照射制御層装置３０１が、出射されずにシンクロトロン２内を周回するイオンビームを減速させた後、前段加速器５からシンクロトロン２にイオンビームを入射するように各機器を制御する。このとき、ある照射深さにおける照射が完了する前に周回ビーム電荷量が不足すると、横方向にビームを走査している途中でビーム出射が停止し、横方向の線量分布を二つの周期にわたって形成することとなる。シンクロトロン２の減速準備期間の開始から次の周期の出射期間開始までには１秒程度かかるため、患者２１６の呼吸や体動に伴う患部２１６ａの移動により横方向の線量一様度が悪化する恐れがある。

そこで本実施形態では、ある照射深さにおける照射が完了した時点における周回ビーム電荷量の測定結果に基づいてシンクロトロン２の運転パターンを変更し、横方向にビームを走査している途中で周回ビーム電荷量が不足することを防止する。

シンクロトロン２の出射期間においてある照射深さに対する照射が完了すると、照射制御システム３００の照射制御装置３０１は、加速器制御装置３及びビーム電荷量モニタ制御装置１６に現在の照射深さにおける横方向の走査及び照射が完了したことを表す信号（走査完了信号）を出力する。走査完了信号を受けた加速器制御装置３は、周回ビームのエネルギーを一定に保ち、ビーム電荷量モニタ制御装置１６は、シンクロトロン２の周回ビーム電荷量をビーム電荷量モニタ１２により測定し、測定結果を照射制御装置３０１へ出力する。本実施例では、シンクロトロン２のイオンビームの周回軌道上に周回ビーム電荷量の測定のため専用のモニタ１２を設ける構成としたが、シンクロトロン２中のビーム位置モニタ（図示せず）の信号を用いて周回ビーム電荷量を算出し、ビーム電荷量モニタ１２を省略してもよい。

照射制御装置３０１のメモリ３０２には、治療計画装置１０１から読み込んだ、各照射深さにおける照射を完了するために必要となる周回ビーム電荷量の値が保存されている。各照射深さにおける照射を完了するために必要となる周回ビーム電荷量の値は、治療計画装置１０１が各照射深さに対する照射線量の目標値に基づいて計算しておく。各照射深さにおける照射線量の目標値と、照射完了に必要となる周回ビーム電荷量の相関関係は、前もってシミュレーションあるいは実験により求めておくことが可能である。ある照射深さに対する照射を完了するために必要となる周回ビーム電荷量は、当該深さに対してビームを照射している間に出射される周回ビーム電荷量と前述の照射を継続するために必要となる周回ビーム電荷量を加算した値となる。横方向にビームを走査している途中で周回ビーム電荷量が不足することを確実に防止するため、照射完了に必要となる周回ビーム電荷量の値は、前述の値にさらにマージンを加えて求めてもよい。

照射制御装置３０１は、現在の周回ビーム電荷量と次の照射深さに対する照射を完了するために必要となる周回ビーム電荷量を比較し、現在の周回ビーム電荷量の方が多い場合は周回ビーム電荷量が次の照射深さに対する照射の完了に十分であると判定する。周回ビーム電荷量が十分であると判定された場合、照射制御装置３０１はレンジシフタ駆動装置２０５ｂからのレンジシフタ調節完了信号を待ち、シンクロトロン２の同じ運転周期中（出射期間中）に次の照射深さに対する照射を行う。周回ビーム電荷量が不十分であると判定された場合、照射制御装置３０１は加速器制御装置３に周回ビームを減速して次の周期に移るよう指示を出す。指示を受けた加速器制御装置３は、シンクロトロン２から出射されなかった周回ビームを減速し、再度前段加速器５からビームを入射して周回ビームの加速及び出射準備を行う。これにより、ある照射深さにおける照射を開始する時点では常に当該照射深さにおける照射を完了するのに十分な量のビームがシンクロトロン２を周回していることが保証されるため、横方向の照射野を形成している途中に周回ビーム電荷量が不足することがなくなる。

本実施例では、ある照射深さに対する照射が完了した直後に周回ビーム電荷量を測定するとしたが、周回ビーム電荷量を測定するタイミングは、ある照射深さに対する照射が完了してから次の照射深さに対する照射を開始するまでの間で任意に設定することができる。

本実施例では、シンクロトロン２の周回ビーム電荷量が次の照射深さにおける照射を完了するのに十分である場合のみシンクロトロン２の同じ周期内で照射深さを変更し、周回ビーム電荷量が十分でない場合にはシンクロトロン２の次の周期に移行するため、横方向にビームを走査している途中で周回ビーム電荷量が不足することがなく、横方向の線量分布がシンクロトロン２の二つの運転周期にわたって形成されることによる横方向線量一様度の悪化を防止することができる。

ある照射深さに対する照射線量の目標値がシンクロトロン２の周回ビーム電荷量の最大値よりも大きい場合、横方向の線量分布を一回の走査のみで形成しようとすると、必ず走査の途中で周回ビーム電荷量が不足し、横方向線量分布をシンクロトロン２の二つ以上の運転周期にわたって形成することとなる。患部２１６にある線量を照射するために必要なイオンビームの量は深い位置ほど多くなるため、特に深い位置において周回ビーム電荷量の不足が生じやすい。本実施例では、横方向の線量分布形成を複数回に分割し、患部２１６ａを繰り返し走査することで走査の途中に周回ビーム電荷量が不足することを防止する。具体的には、照射制御装置３００，目標値メモリ３０６に一回の走査あたりの各照射位置における照射線量の目標値を記録しておき、ビーム照射中は照射済みの線量と現在の照射位置における一回あたりの照射線量の目標値を比較する。照射済みの線量が一回あたりの目標値に到達した時点でシンクロトロン２からのビーム出射を停止して走査電磁石２０２の励磁量を変更し、横方向の照射位置を走査する。現在の照射深さにおける一回の照射が完了した時点で照射制御装置３０１は周回ビーム電荷量の測定をビーム電荷量モニタ制御装置１６に指示し、周回ビーム電荷量の測定結果が照射制御装置３０１に入力される。照射制御装置３０１は、現在の周回ビーム電荷量と、現在の照射深さにおいて一回の走査を完了するのに必要となる周回ビーム電荷量を比較し、現在の周回ビーム電荷量の方が多い場合のみ現在の照射深さにおける走査をシンクロトロン２の同じ運転周期内で繰り返す。現在の周回ビーム電荷量が一回の走査を完了するのに十分でない場合、照射制御装置３０１は次の運転周期への移行を加速器制御装置３に指示する。各照射位置における走査一回あたりの照射線量の目標値及び一回の走査を完了するために必要な周回ビーム電荷量は治療計画装置１０１によりあらかじめ計算され、照射制御装置３０１が治療計画装置１０１から読み込んでメモリ３０２に保存している。また、照射制御装置３０１は各照射深さにおける走査回数の設定値を治療計画装置１０１から読み込んでメモリ３０２に保存している。

照射制御装置３０１は現在の照射深さにおける走査回数をカウントしており、走査回数が設定値に到達した時点で現在の照射深さにおけるイオンビームの照射を完了する。照射制御装置３０１は、一回の走査が完了した場合と同様に、現在の照射深さにおける照射が完了した時点での周回ビーム電荷量を取得し、次の照射深さにおいて一回の走査を完了するのに必要な周回ビーム電荷量と比較する。次の照射深さにおける走査回数の設定値が一回の場合、一回の走査を完了するのに必要な周回ビーム電荷量は、次の照射深さにおける照射の完了に必要な周回ビーム電荷量と一致する。

シンクロトロン２の周回ビーム電荷量の最大値が、ある照射深さにおける照射の完了に十分な場合においても、当該深さにおける横方向線量分布の形成を複数回に分割し、患部２１６ａを繰り返し走査しても良い。これにより、一回の走査に要する時間が短縮されるため、患部２１６ａの移動による横方向線量分布への影響がさらに小さくなる。また、分割により一回の走査に必要な周回ビーム電荷量が減少するため、ある照射深さにおける照射が完了した時点での周回ビーム電荷量が次の照射深さにおける照射の完了に十分でなくとも、次の照射深さにおける一回の走査完了に十分であれば、シンクロトロン２の同じ運転周期内で次の照射深さにおける照射に移行することができる。これにより、周回ビームの利用効率が向上し、照射時間が短縮する。

本実施例では、シンクロトロン２の周回ビーム電荷量が横方向照射位置の走査を一回完了するのに十分である場合のみシンクロトロン２の同じ周期内で走査を開始するため、ある照射深さを繰り返し走査する場合においても、横方向の線量分布がシンクロトロン２の二つの周期にわたって形成されることによる横方向線量一様度の悪化を防止することができる。

本実施例では横方向のビーム位置を離散的に走査する構成としたが、走査電磁石２０２の励磁量をビーム照射中も変化させ、横方向のビーム照射位置を連続的に走査する構成としても良い。ビームを連続的に走査する場合、横方向の照射位置は、図８に示すように、治療計画装置１０１が設定した軌道上を連続的に移動する。図８は、患部２１６ａのある照射深さを垂直に交わる二つの方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に走査する場合の横方向照射位置を表す模式図であり、曲線５００は横方向の照射位置がたどる軌道、黒丸５０１は走査の開始位置、黒丸５０２は走査の終了位置である。走査の開始位置５０１と終了位置５０２は同じ場所としても良い。シンクロトロン２からの出射ビームの強度は時間的に一定ではないため、連続的な走査ではある照射深さに対する走査を複数回行い、出射ビーム強度の時間的な変化を平均化する。このとき、照射位置が開始位置５０１から終了位置５０２まで移動する過程を一回の走査とする。開始位置５０１と終了位置５０２が異なる場合、照射位置が終了位置５０２に到達した時点でシンクロトロン２からのビーム出射を停止し、走査電磁石２０２の励磁量を変更して照射位置を開始位置５０１まで移動してから次の回の走査を開始する。開始位置５０１と終了位置５０２が同一である場合、照射位置が終了位置５０２（開始位置５０１）に到達してもビーム出射は停止せず、即座に次の回の走査を開始する。

照射位置を離散的に走査する場合と同様、照射位置を横方向に連続的に走査する場合においても、一回の走査が完了した時点におけるシンクロトロン２の周回ビーム電荷量の測定結果に基づいてシンクロトロン２の運転パターンを変更することにより、走査の途中で周回ビーム電荷量が不足することによる横方向線量一様度の悪化を防止することが可能である。

照射制御装置３０１は、一回の照射が完了した時点における周回ビーム電荷量の測定結果を取得し、一回の走査に必要な周回ビーム電荷量と比較して周回ビーム電荷量が次回の走査の完了に十分であるか否かを判定する。周回ビーム電荷量が次回の走査の完了に十分である場合、照射制御装置３０１はシンクロトロン２の同じ運転周期内で次回の走査を開始し、周回ビーム電荷量が十分でない場合には照射制御装置３０１はシンクロトロン２の制御装置３に次の運転周期への移行を指示する。

走査の開始位置５０１と終了位置５０２が異なる場合、周回ビーム電荷量の測定及びシンクロトロン２の同じ運転周期内で次の走査に移行するか否かの判定は、横方向照射位置を終了位置５０２から開始位置５０１に移動している間、すなわちビーム出射を停止している間に行われる。開始位置５０１と終了位置５０２が同一である場合、一回の走査が終了してから即座に次回の走査を開始するため、横方向照射位置が終了位置５０２（開始位置５０１）に到達するよりも前のタイミングで周回ビーム電荷量を測定し、横方向照射位置が終了位置５０２に到達するまでには周回ビーム電荷量が次回の走査完了に十分であるか否かの判定を完了する。このとき、次回の走査の完了に必要な周回ビーム電荷量は、一回の走査の間にシンクロトロン２から出射される周回ビーム電荷量と、出射の継続に必要となる周回ビーム電荷量と、周回ビーム電荷量を測定してから横方向照射位置が終了地点５０２に到達するまでに出射される周回ビーム電荷量の合計となる。周回ビーム電荷量が十分である場合、横方向照射位置が終了地点５０２に到達してもシンクロトロン２からのビーム出射は停止せず、即座に次の回の走査が開始される。周回ビーム電荷量が十分でない場合、横方向照射位置が終了地点５０２に到達した時点でビーム出射が停止し、照射制御装置３０１が加速器制御装置３に次の運転周期へ移行するよう指示を出す。

横方向照射位置を連続的に走査する場合も、離散的に走査する場合と同様、照射領域の走査を所望の横方向線量分布が形成されるまで繰り返す。ある照射深さにおける照射が完了した時点で照射制御装置３０１はシンクロトロン２の周回ビーム電荷量の測定結果を取得し、次の照射深さにおける一回の走査の完了に十分であるか否かを判定する。周回ビーム電荷量が十分であるなら照射制御装置３０１はレンジシフタ２０５の厚さの変更を指示し、シンクロトロン２の同じ運転周期内で次の照射深さにおける走査を開始する。周回ビーム電荷量が十分でない場合は、照射制御装置３０１は加速器制御装置３に次の運転周期へ移行するよう指示を出す。レンジシフタの厚さの変更には有限の時間を要するため、開始地点５０１と終了地点５０２が同一であるか否かにかかわらず、周回ビーム電荷量の測定及びシンクロトロン２の同じ運転周期内で次の照射深さにおける走査に移行するか否かの判定は、シンクロトロン２からのビーム出射を停止した状態で行う。

（実施形態２）
本実施形態の粒子線治療装置は、実施形態１と同様、患者２１６の患部２１６ａに対してイオンビームの照射を行うものである。本実施形態の粒子線治療装置の構成を図１１に示した。本実施形態の粒子線治療装置は、図１に示した実施例１と同様の構成を有するが、レンジシフタ２０５の厚さを変更する代わりに、シンクロトロン２からの出射ビームのエネルギーを変更することにより、シンクロトロン２の運転周期内において照射深さを変更する構成を有する。本実施例の粒子線治療装置は、シンクロトロン２の出射ビームエネルギーを変更することにより照射深さを調節するため、照射野形成装置２００内のレンジシフタ２０５が省略されている。これにより、照射野形成装置２００内を通過するイオンビームがレンジシフタにより横方向に散乱されることがなくなるため、照射ビームの横方向のサイズが減少し、より精度の高い横方向線量分布を形成することが可能である。

実施形態１と同様、本実施形態においてもある照射深さにおける照射が完了した時点、あるいは横方向照射位置の一回の走査が完了した時点における周回ビーム電荷量を測定し、測定結果に基づいてシンクロトロン２の運転パターンを変更することにより、走査の途中でシンクロトロン２の周回ビーム電荷量が不足することによる横方向線量一様度の悪化を防止することができる。

ある照射深さにおいてビームを複数回走査し、走査と走査の間で照射深さの変更がない場合、実施形態１と全く同様にして走査途中の周回ビーム電荷量の不足を防止することができる。一回の走査が完了した時点における周回ビーム電荷量が次回の走査完了に十分な場合のみシンクロトロン２の同じ運転周期内で次の走査に移行するため、走査の途中で周回ビーム電荷量が不足することがなく、横方向の線量分布をシンクロトロン２の二つの周期にわたって形成することによる横方向線量一様度の悪化が防止される。

シンクロトロン２の同じ運転周期内で照射深さを変更する場合に、ビーム走査中に周回ビーム電荷量が不足することによる横方向線量一様度の悪化を防止する手法について、図１２に示したフローチャート図を用いて説明する。

ある照射深さにおける照射が完了すると、照射制御装置３０１は実施形態１と同様に照射完了時点におけるシンクロトロン２の周回ビーム電荷量を取得し、次の照射深さにおける一回の走査の完了に必要な周回ビーム電荷量と比較する。ここで、次の照射深さにおける照射が一回の走査で完了する場合、次の照射深さにおける一回の走査に必要な周回ビーム電荷量と次の照射深さにおける照射を完了するのに必要な周回ビーム電荷量は同一となる。照射制御装置３０１は、周回ビーム電荷量が次の照射深さにおける走査一回の完了に十分である場合、出射ビームエネルギーの変更を加速器制御装置３に指示し、周回ビーム電荷量が十分でない場合は周回ビームを減速して次の運転周期に移行するよう加速器制御装置３に指示を出す。出射ビームエネルギー変更の指示を受けた加速器制御装置３は、シンクロトロン２の同じ運転周期内で、周回ビームのエネルギーを次の照射深さに対応する値に変更し、変更後のエネルギーにおける出射準備が完了した時点で出射準備完了信号を照射制御装置３０１に出力する。次の運転周期へ移行するよう指示を受けた加速器制御装置３は、周回ビームをシンクロトロン２の入射エネルギーまで減速し、前段加速器５からのビームをシンクロトロン２へ入射し、周回ビームを次の照射深さに対応するエネルギーまで加速して出射準備を完了した後に出射準備完了信号を照射制御装置３０１へ出力する。

シンクロトロン２の同じ運転周期内で出射ビームのエネルギーを変更する場合、照射制御装置３０１は高エネルギービーム輸送系１４及びガントリー１５に設置された電磁石の制御装置（図示せず）に指示を出し、これら電磁石の励磁量を変更後の出射ビームのエネルギーに対応した値に変更する。

出射ビームエネルギーの変更あるいは次の運転周期への移行を指示された際のシンクロトロン２の運転パターンについて、図９を用いて説明する。図９は横軸に時間、縦軸にシンクロトロン２の偏向電磁石７の励磁量をとったグラフであり、二つの照射深さに対してイオンビームを照射する際の偏向電磁石７の運転パターンを表す。なお、各照射深さに対する照射は一回の走査で完了するものとする。折れ線４１０は同じ運転周期内における出射ビームエネルギーの変更を指示された場合の偏向電磁石７の励磁パターン、折れ線４１１は次の周期への移行を指示された場合の偏向電磁石７の励磁パターンである。黒丸４１４は周回ビーム電荷量を測定する時点表す。周回ビーム（出射ビーム）の運動量は偏向電磁石７の励磁量と比例関係にあるから、折れ線４１１が表すように、同一運転周期内に複数の出射期間を設けることにより、異なるエネルギーのビームを出射できる。

このように、第一の照射深さに対する照射が完了した時点における周回ビーム電荷量が第二の照射深さにおける走査一回の完了に十分である場合のみシンクロトロン２の同じ運転周期内で周回ビームのエネルギーを変更するため、走査の途中で周回ビーム電荷量が不足することがなく、横方向線量分布を二つの運転周期にわたって形成することによる線量一様度の悪化が防止される。図９では照射深さの数を二つとし、シンクロトロン２の周回ビームエネルギーが低い方、すなわち体表面に近い照射深さからビームを照射するとしたが、照射深さの数及びシンクロトロン２の同じ運転周期内で照射する照射深さの数は二つ以上でも構わないし、周回ビームのエネルギーが高い方、即ち体表面から遠い照射深さから順番にビームを照射しても良い。また、ヒステリシスによる影響を緩和して偏向電磁石７を始めとする電磁石の励磁量の再現性を良くするため、第一の照射深さにおける照射開始の前あるいは減速準備の前に周回ビームを最大エネルギーまで加速するようにしても良い。

本実施例では、ある照射深さに対する照射が完了した直後に周回ビーム電荷量を測定するとしたが、周回ビーム電荷量を測定するタイミングは、ある照射深さに対する照射が完了してから照射深さの変更あるいは次の運転周期への以降のために周回ビームのエネルギーの変更を開始するまでの間で任意に設定することができる。

各照射深さに対する照射を一回の走査で完了する場合、本発明にはさらに次の効果がある。図１０は図９と同様、偏向電磁石７の運転パターンを表す図であるが、折れ線４１１が第一の照射深さに対する照射が完了した時点で周回ビーム電荷量を測定し、周回ビーム電荷量が第二の照射深さに対する照射の完了に十分でないため次の運転周期に移行する場合の偏向電磁石８の運転パターン、折れ線４１２が周回ビーム電荷量を測定せずに第二の照射深さにおける照射に移行し、走査の途中で周回ビーム電荷量が不足した場合の偏向電磁石７の運転パターンであり、黒丸４１３が周回ビーム電荷量の不足が発生する時点を表す。図面から明らかなように、折れ線４１２では周回ビーム電荷量が不足した後に再度同じエネルギーまで周回ビームを加速する必要があるため、第二の照射深さにおいて出射準備と減速準備を二回行う必要がある。出射準備及び減速準備は運転周期全体の１０％以上を占めることもあるため、出射準備及び減速準備の回数が増加すると照射に要する時間が増大する。本発明は、あるエネルギーに対する照射が完了する前に周回ビーム電荷量が不足することを防止するため、各照射深さにおける出射準備及び減速準備の回数を減少させ、照射時間を短縮する効果がある。

（実施形態３）
本実施形態の粒子線治療装置は、実施形態２と同様、患者２１６の患部２１６ａに対してイオンビームの照射を行うものである。本実施形態の粒子線治療装置は、図１１に示した実施形態２と同様の構成を有し、シンクロトロン２からの出射ビームのエネルギーを変更することにより、シンクロトロン２の運転周期内において照射深さを変更する構成を有する。

ある照射深さにおいてビームを複数回走査し、走査と走査の間で照射深さの変更がない場合、実施形態２と全く同様にして走査途中の周回ビーム電荷量の不足を防止することができる。一回の走査が完了するごとにシンクロトロン２の周回ビーム電荷量を測定し、測定結果が次回の走査完了に十分な場合のみシンクロトロン２の同じ運転周期内で次の走査に移行するため、走査の途中で周回ビーム電荷量が不足することがなく、横方向の線量分布をシンクロトロン２の二つの周期にわたって形成することによる横方向線量一様度の悪化が防止される。

シンクロトロン２の同じ運転周期内で二つ以上の照射深さに対してビームを照射する場合、本実施形態ではある照射深さに対する照射が完了した後に、シンクロトロン２の周回ビームのエネルギーを次の照射深さに対応した値に変更してから周回ビーム電荷量を測定し、測定結果が変更後の照射深さにおける一回の走査に十分である場合のみ変更後の照射深さにおける照射を開始する。

ある照射深さに対する照射を完了してからシンクロトロン２の周回ビームのエネルギーを変更するにはある程度の時間（例えば１００〜３００ｍｓ）を要するため、シンクロトロン２の周回ビームはエネルギーを変更している間に真空ダクト中の残留ガスとの散乱などによりわずかではあるが失われる可能性がある。実施形態２では周回ビームのエネルギーを変更する前に周回ビーム電荷量を測定するため、エネルギー変更中に周回ビームが失われることにより次の照射深さにおいて周回ビーム電荷量が不足することが無いように、次の照射深さにおける走査一回の完了に必要となる周回ビーム電荷量を求める際にマージンを加える必要がある。本実施形態では周回ビームのエネルギー変更後に周回ビーム電荷量を測定するため、変更後の照射深さにおける走査一回の完了に必要となる周回ビーム電荷量を求める際にマージンを加える必要が無いか、マージンを実施形態２よりも小さく取ることが可能となる。これにより変更後の照射深さにおける走査一回の完了に必要な周回ビーム電荷量が減少し、周回ビーム電荷量の測定結果が走査一回の完了に十分と判断される確率が高くなるため、周回ビーム粒子の利用効率が上昇し、照射に要する時間を短縮することが可能となる。

シンクロトロン２の同じ運転周期内で二つ以上の照射深さに対してビームを照射する場合に、ビーム走査中に周回ビーム電荷量が不足することによる横方向線量一様度の悪化を防止する手法について、図１２に示したフローチャート図を用いて説明する。

ある照射深さにおける照射が完了すると、照射制御装置３０１は出射ビームエネルギーの変更を加速器制御装置３に指示する。出射ビームエネルギー変更の指示を受けた加速器制御装置３は、シンクロトロン２の同じ運転周期内で、周回ビームのエネルギーを次の照射深さに対応する値に変更し、変更後のエネルギーにおける出射準備が完了した後に出射準備完了信号を照射制御装置３０１に出力する。また、照射制御装置３０１は高エネルギービーム輸送系１４及びガントリー１５に設置された電磁石の制御装置（図示せず）に指示を出し、これら電磁石の励磁量を変更後の出射ビームのエネルギーに対応した値に変更する。出射準備完了信号を受けた照射制御装置３０１は、実施形態２と同様にシンクロトロン２の周回ビーム電荷量を取得し、変更後の照射深さ（現在の照射深さ）における一回の走査の完了に必要な周回ビーム電荷量と比較する。照射制御装置３０１は、周回ビーム電荷量が現在の照射深さにおける走査一回の完了に十分である場合、実施形態２と同様にシンクロトロン２からのビーム出射を開始し、周回ビーム電荷量が十分でない場合は周回ビームを減速して次の運転周期に移行するよう加速器制御装置３に指示を出す。本実施形態では照射制御装置が出射準備完了信号を受けてからシンクロトロン２の周回ビーム電荷量を取得するとしたが、出射準備完了信号を受けてから速やかに照射を開始するために、出射準備期間中に周回ビーム電荷量を取得して、第二の照射深さに対する照射を開始するか次の運転周期に移行するか判定しても良い。

本実施形態におけるシンクロトロン２の運転パターンについて、図１３を用いて説明する。図１３は横軸に時間、縦軸にシンクロトロン２の偏向電磁石７の励磁量をとったグラフであり、二つの照射深さに対してイオンビームを照射する際の偏向電磁石７の運転パターンを表す。実施形態２と同様、各照射深さに対する照射は一回の走査で完了するものとする。折れ線４１０はシンクロトロン２の同じ運転周期内で二つ目の照射深さに対するビームの照射を指示された場合の偏向電磁石７の励磁パターン、折れ線４２０は次の周期への移行を指示された場合の偏向電磁石７の運転パターンである。黒丸４２１は、シンクロトロン２の周回ビーム電荷量を測定する時点を表す。

本実施形態では、シンクロトロン２の周回ビームのエネルギーが第二の照射深さに対応した値に変更されてから第二の照射深さに対する照射を開始するまでの間に周回ビーム電荷量を測定し、測定結果が第二の照射深さにおける走査一回の完了に十分である場合のみシンクロトロン２の同じ運転周期内で第二の照射深さに対する照射を開始するため、走査の途中で周回ビーム電荷量が不足することがなく、横方向線量分布を二つの運転周期にわたって形成することによる線量一様度の悪化が防止される。また、本実施形態ではシンクロトロン２の周回ビームのエネルギーを第二の照射深さに対応した値に変更してから周回ビーム電荷量を測定するため、ビームの利用効率を向上し、照射の完了に要する時間を短縮することができる。図１３では照射深さの数を二つとし、シンクロトロン２の周回ビームエネルギーが低い方、すなわち体表面に近い照射深さからビームを照射するとしたが、照射深さの数及びシンクロトロン２の同じ運転周期内で照射する照射深さの数は二つ以上でも構わないし、周回ビームのエネルギーが高い方、即ち体表面から遠い照射深さから順番にビームを照射しても良い。また、ヒステリシスによる影響を緩和して偏向電磁石７を始めとする電磁石の励磁量の再現性を良くするため、第一の照射深さにおける照射開始の前あるいは減速準備の前に周回ビームを最大エネルギーまで加速するようにしても良い。

実施形態１乃至３では、イオンビームを加速し出射するシンクロトロンの運転パターンを、一回の走査が完了した時点あるいはある照射深さに対する照射が完了した時点における周回ビーム電荷量に基づいて制御する。具体的には、周回ビーム電荷量が次の一回の走査あるいは次の照射深さに対する照射の完了に十分である場合のみ、シンクロトロンの同じ運転周期内で次の回の走査あるいは次の照射深さにおける走査に移行する。周回ビーム電荷量が十分でない場合、周回ビームを減速し、シンクロトロンの次の運転周期に移行する。これにより、走査の途中で周回ビーム電荷量が不足することがなくなるため、横方向の線量分布がシンクロトロンの二つ以上の運転周期にわたって形成されることによる横方向線量一様度の悪化を防止することができる。

１ イオンビーム発生装置
２ シンクロトロン
３ 加速器制御装置
４ イオン源
５ 前段加速器
６ 低エネルギービーム輸送系
７ 偏向電磁石
８ 四極電磁石
９ 高周波加速空洞
１０ 出射用高周波印加装置
１１ 高周波供給装置
１２ ビーム電荷量モニタ
１３ 出射用デフレクタ
１４ 高エネルギービーム輸送系
１５ 回転ガントリー
１６ ビーム電荷量モニタ制御装置
１００ 中央制御装置
１０１ 中央制御装置メモリ
１０２ 治療計画装置
１０３ 治療計画装置メモリ
２００ 照射野形成装置
２０１ ケーシング
２０２ 走査電磁石
２０３ 散乱体
２０４ リッジフィルタ
２０５ レンジシフタ
２０５ａ 板
２０５ｂ レンジシフタ駆動装置
２０６ 線量モニタ
２０７ ビーム位置モニタ
２０８ コリメータ
２１６ 患者
２１６ａ 患部
２２０ 走査電磁石電源
２２１ 走査電磁石電源制御装置
２２２ 走査電磁石電源制御装置メモリ
３００ 照射制御システム
３０１ 照射制御装置
３０２ 照射制御装置メモリ
３０３ カウンタ
３０４ 照射完了信号生成装置
３０５ インターロック信号生成装置
３０６ 目標値メモリ
３２０ 表示装置
４００，４０１，４１０，４１１，４１２，４２０ 偏向電磁石の励磁パターン
４１３ 周回ビーム電荷量の不足が発生する時点
４１４，４２１ 周回ビーム電荷量を測定する時点
５００ 横方向ビーム照射位置の軌道
５０１ 横方向ビーム走査の開始地点
５０２ 横方向ビーム走査の終了地点

Claims (12)

1. 荷電粒子ビームを加速して出射するシンクロトロンと、
   前記シンクロトロンから出射された前記荷電粒子ビームをビーム進行方向と垂直な方向に走査する走査電磁石を有し、前記走査電磁石を通過した前記荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射野形成装置と、
   前記走査電磁石による前記荷電粒子ビームの照射位置の一回の走査が完了してから次の回の走査を開始するまでの期間における前記シンクロトロンの周回ビーム電荷量に基づいて、前記シンクロトロンの運転パターンを変更する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射装置であって、
   前記制御装置は、一回の走査が完了してから次の回の走査を開始するまでの期間における前記周回ビーム電荷量の測定結果と、一回の走査の完了に必要となる前記シンクロトロンの周回ビーム電荷量とを比較し、前記測定結果の方が多い場合は前記シンクロトロンの同じ運転周期内で次の回の走査を開始し、前記測定結果の方が少ない場合は前記シンクロトロンを次の運転周期に移行させるように制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
3. 請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射装置であって、
   前記走査電磁石は、前記荷電粒子ビームの横方向への照射位置を連続的に走査し、
   前記照射制御装置は、一回の走査が完了するより前の周回ビーム電荷量の周回ビーム電荷量の測定結果と、一回の走査の完了に必要となる前記シンクロトロンの周回ビーム電荷量とを比較し、前記測定結果の方が多い場合は前記シンクロトロンの同じ運転周期内で次の回の走査を開始し、前記測定結果の方が少ない場合は前記シンクロトロンを次の運転周期に移行させるように制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
4. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射装置であって、
   前記照射装置は、ある照射深さにおける照射が完了した時点における前記シンクロトロンの周回ビーム電荷量に基づいて、前記シンクロトロンの運転パターンを変更することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
5. 請求項４に記載の荷電粒子ビーム照射装置であって、
   前記照射装置は、ある深さにおける前記荷電粒子ビームの照射が完了してから前記照射深さの変更を開始するまでの期間における前記周回ビーム電荷量の測定結果と、次の照射深さにおける一回の走査の完了に必要となる前記シンクロトロンの周回ビーム電荷量とを比較し、前記測定結果の方が多い場合は前記シンクロトロンの同じ運転周期内で次の照射深さにおける照射を開始し、前記測定結果の方が少ない場合は前記シンクロトロンを次の運転周期に移行させるように制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
6. 請求項４に記載の荷電粒子ビーム照射装置であって、
   前記照射装置は、ある深さにおける前記荷電粒子ビームの照射が完了してから前記照射深さの変更を開始するまでの期間における前記周回ビーム電荷量の測定結果と、次の照射深さにおける前記荷電粒子ビームの照射の完了に必要となる前記シンクロトロンの周回ビーム電荷量とを比較し、前記測定結果の方が多い場合は前記シンクロトロンの同じ運転周期内で次の照射深さにおける照射を開始し、前記測定結果の方が少ない場合は前記シンクロトロンを次の運転周期に移行させるように制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
7. 請求項５に記載の荷電粒子ビーム照射装置であって、
   前記照射深さの変更は、前記シンクロトロンを出射してから前記照射対象に到達するまでの前記荷電粒子ビームの軌道上に設置されたレンジシフタの厚さを前記シンクロトロンの同じ運転周期内に変更することにより行うことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
8. 請求項６に記載の荷電粒子ビーム照射装置であって、
   前記照射深さの変更は、前記シンクロトロンの周回ビームのエネルギーを前記シンクロトロンの同じ運転周期内に変更することにより行うことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
9. 請求項４に記載の荷電粒子ビーム照射装置であって、
   前記照射装置は、ある深さにおける前記荷電粒子ビームの照射が完了した後に前記照射深さの変更を完了してから次の照射深さにおける照射を開始するまでの期間における前記周回ビーム電荷量の測定結果と、次の照射深さにおける一回の走査の完了に必要となる前記シンクロトロンの周回ビーム電荷量とを比較し、前記測定結果の方が多い場合は前記シンクロトロンの同じ運転周期内で次の照射深さにおける照射を開始し、前記測定結果の方が少ない場合は前記シンクロトロンを次の運転周期に移行させるように制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
10. 請求項４に記載の荷電粒子ビーム照射装置であって、
    前記照射装置は、ある深さにおける前記荷電粒子ビームの照射が完了した後に前記照射深さの変更を完了してから次の照射深さにおける照射を開始するまでの期間における前記周回ビーム電荷量の測定結果と、次の照射深さにおける前記荷電粒子ビームの照射の完了に必要となる前記シンクロトロンの周回ビーム電荷量とを比較し、前記測定結果の方が多い場合は前記シンクロトロンの同じ運転周期内で次の照射深さにおける照射を開始し、前記測定結果の方が少ない場合は前記シンクロトロンを次の運転周期に移行させるように制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
11. 請求項１０に記載の荷電粒子ビーム照射装置であって、
    前記照射深さの変更は、前記シンクロトロンの周回ビームのエネルギーを前記シンクロトロンの同じ運転周期内に変更することにより行うことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置であって、
    前記シンクロトロンの前記荷電粒子ビームの周回軌道上に、前記周回ビーム電荷量を測定するビームモニタを設置することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。

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