JP2014137908A

JP2014137908A - 高周波制御装置および粒子線治療システム

Info

Publication number: JP2014137908A
Application number: JP2013005932A
Authority: JP
Inventors: Masaki Nagai; 雅紀長井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2014-07-28
Anticipated expiration: 2033-01-17
Also published as: JP5875533B2

Abstract

【課題】粒子線治療システムにおいて、高周波制御装置の出力する高周波アナログ正弦波の周波数と振幅の健全性確認を目的とする。
【解決手段】正弦波の周波数と振幅を表すディジタルデータを管理するプロセッサと、プロセッサで管理されたディジタルデータを格納するメモリと、プロセッサの指示に従ってメモリからディジタルデータを取り出すロジックデバイスと、ロジックデバイスがメモリから取り出した第１のディジタルデータをもとにアナログ正弦波を生成するディジタル直接合成発振器と、ディジタル直接合成発振器で生成されたアナログ正弦波を第２のディジタルデータに変換するＡＤコンバータとを備えている高周波制御装置。ロジックデバイスは、第１のディジタルデータと第２のディジタルデータとの誤差が許容範囲から外れていると判定すると、プロセッサは異常の発生を外部に通知する。
【選択図】図１

Description

この発明は、高周波制御装置に関し、特に、粒子線治療システムにおいて使用される高周波制御装置に関するものである。

電子や陽子、あるいは重粒子などの荷電粒子を加速して高エネルギーの粒子ビームを生成し、これらの粒子ビームを癌患者などに照射して治療を行う粒子線治療システムが実用化されている。粒子線治療システムは、粒子線の加速のために使用されるシンクロトロンと、粒子線加速に使用される加速空洞と、加速空洞に高周波電圧を供給する高周波電源と、高周波電源を制御し、高周波アナログ正弦波を出力するＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）を搭載した高周波制御装置と、高周波制御装置に指令を出したり監視したりする監視制御装置とを備えている。

粒子線治療システムの健全性については、これまで様々な対策が取られてきた。例えば、特許文献１に関わる高周波加速空洞の制御装置には、高周波電源から加速空洞に供給された電圧の監視用に、ビームセンサが設けられている。同様に、特許文献２は、高周波電源から加速空洞に供給された電圧を監視し、その結果をフィードバック制御する方法を提案している。特許文献３と特許文献４では、高周波制御装置が出力する高周波アナログ正弦波の位相のずれについて考慮されている。

特開平10-233298号公報（第３頁、図２）特開2010-153205号公報（第３頁、図１）特開2007-157626号公報（第８頁、図５と図６）特開2011-146400号公報（第７頁、図５と図６）

以上のように、粒子線治療システムの健全性については以前から対策が取られてきたが、高周波制御装置が出力する高周波アナログ正弦波の周波数と振幅の状態については、健全性が確認されてこなかった。この発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、高周波制御装置の出力する高周波アナログ正弦波の周波数と振幅の健全性確認を目的とするものである。

この発明に係る高周波制御装置は、正弦波の周波数と振幅を表すディジタルデータを管理するプロセッサと、プロセッサで管理されたディジタルデータを格納するメモリと、プロセッサの指示に従ってメモリからディジタルデータを取り出すロジックデバイスと、ロジックデバイスがメモリから取り出した正弦波の周波数と振幅を表す第１のディジタルデータをもとにアナログ正弦波を生成するディジタル直接合成発振器と、ディジタル直接合成発振器で生成されたアナログ正弦波を周波数と振幅を表す第２のディジタルデータに変換するＡＤコンバータとを備えている。ロジックデバイスは、メモリから取り出した第１のディジタルデータとＡＤコンバータで変換された第２のディジタルデータとの誤差を求め、ロジックデバイスが誤差は予め設定されている許容範囲から外れていると判定すると、プロセッサは異常の発生を外部に通知するものである。

この発明によれば、高周波制御装置の出力異常を早期に検出できるようになり、粒子線治療システム全体の信頼性を上げることができる。

この発明の実施の形態１に関わる粒子線治療システムと高周波制御装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態２に関わる粒子線治療システムと高周波制御装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態３に関わる粒子線治療システムと高周波制御装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態４に関わる粒子線治療システムと高周波制御装置の構成を示す図である。

以下に本発明にかかる高周波制御装置および粒子線治療システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の既述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。本実施の形態に関わる粒子線治療システム１０は、高周波制御装置１００と、制御端末２００と、インターロックシステム７００と、タイミングシステム８００と、統括制御装置９００と、高周波電源３００と、加速空洞４００と、シンクロトロン５００を備えている。本実施の形態に関わる高周波制御装置１００は、プロセッサ１０１と、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）１０２と、ＦＰＧＡ１０２に付帯してディジタルデータを格納するメモリ１０３と、ＤＤＳ（ディジタル直接合成発振器：Direct Digital Synthesizer）１０４と、ＡＤ（Analog to Digital）コンバータ１０５などから構成されている。ＦＰＧＡ１０２は、現場でプロ
グラム可能なゲートアレイである。広義には、ＦＰＧＡは、製造後に購入者や設計者が構成を設定できるＰＬＤ（Programmable Logic Device）の一種である。ＤＤＳは、単一で固定の発振源から、任意の波形と周波数をデジタル的に生成する。

次に実施の形態１に関わる粒子線治療システムおよび高周波制御装置の動作について説明する。制御端末２００、インターロックシステム７００、タイミングシステム８００、統括制御装置９００などで構成される監視制御装置２０は、高周波制御装置１００に指令を出したり、監視したりする。高周波制御装置１００は、後からでも回路の書き換えが可能なロジックデバイスであるＦＰＧＡと高周波アナログ正弦波を出力するＤＤＳを搭載し、ＤＤＳの出力で高周波電源３００を制御する。高周波制御装置１００のプロセッサ１０１は、正弦波の周波数と振幅を表すディジタルデータを管理する。高周波電源３００は加速空洞４００に高周波電圧を供給する。加速空洞４００は、粒子線加速に使用される。シンクロトロン５００は、電子、陽子、あるいは重粒子などの荷電粒子を加速して高エネルギーの粒子ビームを生成する。高エネルギーの荷電粒子ビームは癌患者などに照射され、治療が行われる。

高周波制御装置１００のプロセッサ１０１は、監視制御装置２０が発信する指令に従って動作する。プロセッサ１０１は、制御端末２００が制御するタイミングシステム８００及び統括制御装置９００の指令に応じて、ＦＰＧＡ１０２を制御する。ＦＰＧＡ１０２はプロセッサ１０１からの制御に従い、メモリ１０３からディジタルデータの格納または取り出しを実施し、ＤＤＳ１０４に周波数及び振幅のディジタルデータを渡す。ＤＤＳ１０４はディジタルデータから、最高１０ＭＨｚ程度の周波アナログ正弦波を生成して高周波電源３００に出力する。ＡＤコンバータ１０５は、ＤＤＳ１０４の高周波アナログ正弦波を、周波数と振幅のディジタルデータに変換する。変換されたディジタルデータは、ＦＰＧＡ１０２に渡される。ＦＰＧＡ１０２はＤＤＳ１０４に渡した周波数及び振幅のディジタルデータとＡＤコンバータ１０５から渡されたディジタルデータを比較し、誤差を算出する。算出された誤差が規定の許容範囲内に収まっているかどうかでＤＤＳ１０４の出力に異常がないか判定を実施する。異常を検出した場合は、プロセッサ１０１が異常発生のログを記録し、統括制御装置９００に対して異常通知を実施する。異常通知を受けた統括制御装置９００は制御端末２００を経由し、インターロックシステム７００から出力停止指令等を高周波制御装置１００に対して発令する。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２を図２に基づいて説明する。本実施の形態に関わる粒子線治療システム１０は、高周波制御装置１００と、制御端末２００と、インターロックシステム７００と、タイミングシステム８００と、統括制御装置９００と、高周波電源３００と、加速空洞４００と、シンクロトロン５００を備えている。本実施の形態に関わる高周波制御装置１００は、プロセッサ１０１と、ＦＰＧＡ１０２と、ＦＰＧＡ１０２に付帯してディジタルデータを格納するメモリ１０３と、ＤＤＳ１０４と、ＡＤコンバータ１０５と、コンパレータ１１０と、クロックロス検出回路１１１などから構成されている。

次に実施の形態２の動作について説明する。高周波制御装置１００のプロセッサ１０１は、統括制御装置９００からの指令に応じて、ＦＰＧＡ１０２を制御する。ＦＰＧＡ１０２はプロセッサ１０１からの制御に従い、メモリ１０３からディジタルデータの格納または取り出しを実施し、ＤＤＳ１０４に周波数及び振幅のディジタルデータを渡す。ＤＤＳ１０４は、ＦＰＧＡ１０２から渡されたディジタルデータから高周波アナログ正弦波を生成して高周波電源３００に出力する。ＡＤコンバータ１０５は、ＤＤＳ１０４が出力した高周波アナログ正弦波を、周波数と振幅のディジタルデータに変換する。変換されたディジタルデータは、ＦＰＧＡ１０２に渡される。ＦＰＧＡ１０２は、ＤＤＳ１０４に渡した周波数及び振幅のディジタルデータとＡＤコンバータ１０５から渡されたディジタルデータを比較し、ＤＤＳ１０４の出力に異常がないか判定を実施する。理論上は、ＤＤＳ１０４に渡したディジタルデータとＡＤコンバータ１０５から渡されたディジタルデータは、完全に一致しているはずであるが、デジタルからアナログへの変換過程、およびアナログからデジタルへの変換過程で誤差が発生するので、異常の検出にはある程度の許容差を設けておく。

ＦＰＧＡ１０２が異常を検出した場合は、プロセッサ１０１が異常発生のログを記録し、統括制御装置９００に対して異常通知を実施する。ここで、ＡＤコンバータ１０５でのデータ変換や、ＦＰＧＡ１０２での異常判定には時間を要するため、異常の発生から異常の検出までに時間がかかりすぎることがある。本実施の形態では、異常の発生から検出までの反応速度を上げるため、コンパレータ１１０とクロックロス検出回路１１１を使用する。そもそも高周波電源３００へ出力する高周波アナログ正弦波の周波数及び振幅の値については正常範囲があらかじめ決められている。この正常範囲を逸脱する場合、ＦＰＧＡ１０２の判定を待つまでもなく異常出力であることが即座に判る。周波数の異常判定にはクロックロス検出回路１１１を応用し、異常検出とする。振幅についてはコンパレータ１１０を使用し、異常を検出する。これにより、プロセッサ１０１は異常の通知を速やかに統括制御装置９００に通知することができる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３を図３に基づいて説明する。本実施の形態に関わる粒子線治療システム１０は、高周波制御装置１００と、制御端末２００と、インターロックシステム７００と、タイミングシステム８００と、統括制御装置９００と、高周波電源３００と、加速空洞４００と、シンクロトロン５００を備えている。本実施の形態に関わる高周波制御装置１００は、プロセッサ１０１と、ＦＰＧＡ１０２と、ＦＰＧＡ１０２に付帯してディジタルデータを格納するメモリ１０３と、ＤＤＳ１０４と、ＤＤＳ１０６と、ＡＤコンバータ１０５と、セレクター１０７などから構成されている。セレクター１０７は、第１の経路と第２の経路を有し、ＦＰＧＡ１０２がメモリ１０３から取り出したディジタルデータの導入経路を第１の経路または第２の経路のどちらか一方に設定する。

次に実施の形態３の動作について説明する。高周波制御装置１００のプロセッサ１０１は、統括制御装置９００からの指令に応じて、ＦＰＧＡ１０２を制御する。ＦＰＧＡ１０２はプロセッサ１０１からの制御に従い、メモリ１０３からディジタルデータの格納または取り出しを実施する。さらに、ＦＰＧＡ１０２は、セレクター１０７を制御してＤＤＳ１０４（またはＤＤＳ１０６）に周波数及び振幅のディジタルデータを渡す。ＤＤＳ１０４（またはＤＤＳ１０６）は、ディジタルデータから高周波アナログ正弦波を生成して高周波電源３００に出力する。ＡＤコンバータ１０５は、ＤＤＳ１０４（またはＤＤＳ１０６）の出力した高周波アナログ正弦波を、周波数と振幅のディジタルデータに変換する。

ＡＤコンバータ１０５で変換されたディジタルデータは、ＦＰＧＡ１０２に渡される。ＦＰＧＡ１０２はＤＤＳ１０４（またはＤＤＳ１０６）に渡した周波数及び振幅のディジタルデータとＡＤコンバータ１０５から渡されたディジタルデータを比較し、高周波アナログ出力に異常がないか判定を実施する。異常を検出した場合は、ＦＰＧＡ１０２は、セレクター１０７の制御を切り替え、異常検出前に選択から外れたＤＤＳ１０６（またはＤＤＳ１０４）の出力に切り替える。プロセッサ１０１は異常発生のログを記録し、統括制御装置９００に対して異常通知を実施する。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４を図４に基づいて説明する。本実施の形態に関わる粒子線治療システム１０は、高周波制御装置１００と、制御端末２００と、インターロックシステム７００と、タイミングシステム８００と、統括制御装置９００と、高周波電源３００と、加速空洞４００と、シンクロトロン５００を備えている。本実施の形態に関わる高周波制御装置１００は、プロセッサ１０１と、ＦＰＧＡ１０２と、ＦＰＧＡ１０２に付帯してディジタルデータを格納するメモリ１０３と、ＤＤＳ１０４と、ＤＤＳ１０６と、ＡＤコンバータ１０５と、ＡＤコンバータ１０８と、セレクター１０９などから構成されている。セレクター１０９は、前記第１のディジタル直接合成発振器と前記第２のディジタル直接合成発振器に接続され、ＤＤＳ１０４で生成されたアナログ正弦波またはＤＤＳ１０６で生成されたアナログ正弦波のうちどちらか一方を外部に出力する。

次に実施の形態４の動作について説明する。高周波制御装置１００のプロセッサ１０１は、統括制御装置９００からの指令に応じて、ＦＰＧＡ１０２を制御する。ＦＰＧＡ１０２はプロセッサ１０１からの制御に従い、メモリ１０３からディジタルデータの格納または取り出しを実施し、ＤＤＳ１０４及びＤＤＳ１０６に周波数及び振幅のディジタルデータを同時に渡す。ＤＤＳ１０４及びＤＤＳ１０６は、それぞれディジタルデータから高周波アナログ正弦波を生成して出力する。ＡＤコンバータ１０５はＤＤＳ１０４の出力した高周波アナログ正弦波を、周波数と振幅のディジタルデータに変換する。ＡＤコンバータ１０５により変換されたディジタルデータは、ＦＰＧＡ１０２に渡される。同時に、ＡＤコンバータ１０８はＤＤＳ１０６の出力した高周波アナログ正弦波を、周波数と振幅のディジタルデータに変換する。

ＡＤコンバータ１０８により変換されたディジタルデータは、ＦＰＧＡ１０２渡される。ＦＰＧＡ１０２はＤＤＳ１０４及びＤＤＳ１０６に渡した周波数及び振幅のディジタルデータとＡＤコンバータ１０５から渡されたディジタルデータを比較する。同時に、ＦＰＧＡ１０２はＤＤＳ１０４及びＤＤＳ１０６に渡した周波数及び振幅のディジタルデータとＡＤコンバータ１０８から渡されたディジタルデータを比較する。ＦＰＧＡ１０２は、比較した結果、誤差が少なかった方を正出力として出力ができるようセレクター１０９を制御する。高周波電源３００は正出力であると判定された高周波アナログ正弦波を受信する。実施の形態４は、実施の形態３と同様に異常検出の際に出力を切り替える回路としても機能が可能である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１０粒子線治療システム、２０監視制御装置、１００高周波制御装置、１０１プロセッサ、１０２ＦＰＧＡ、１０３メモリ、１０４ＤＤＳ、１０５ＡＤコンバータ、１０６ＤＤＳ、１０７セレクター、１０８ＡＤコンバータ、１０９セレクター、１１０コンパレータ、１１１クロックロス検出回路、２００制御端末、３００
高周波電源、４００加速空洞、５００シンクロトロン、７００インターロックシステム、８００タイミングシステム、９００統括制御装置

Claims

正弦波の周波数と振幅を表すディジタルデータを管理するプロセッサと、
前記プロセッサで管理されたディジタルデータを格納するメモリと、
前記プロセッサの指示に従って前記メモリから前記ディジタルデータを取り出すロジックデバイスと、
前記ロジックデバイスが前記メモリから取り出した正弦波の周波数と振幅を表す第１のディジタルデータをもとにアナログ正弦波を生成するディジタル直接合成発振器と、
前記ディジタル直接合成発振器で生成されたアナログ正弦波を周波数と振幅を表す第２のディジタルデータに変換するＡＤコンバータとを備え、
前記ロジックデバイスは、前記メモリから取り出した第１のディジタルデータと前記ＡＤコンバータで変換された第２のディジタルデータとの誤差を求め、前記ロジックデバイスが前記誤差は予め設定されている許容範囲から外れていると判定すると、前記プロセッサは異常の発生を外部に通知する高周波制御装置。
前記ディジタル直接合成発振器で生成されたアナログ正弦波の周波数を検出する周波数検出回路と、
前記ディジタル直接合成発振器で生成されたアナログ正弦波の振幅を検出する振幅検出回路とを備え、
前記ロジックデバイスは、前記周波数検出回路で検出された周波数および前記振幅検出回路で検出された振幅を予め設定されている許容範囲と比較し、前記周波数検出回路で検出された周波数または前記振幅検出回路で検出された振幅が前記許容範囲から外れていると判定すると、前記プロセッサは異常の発生を外部に通知することを特徴とする請求項１に記載の高周波制御装置。
正弦波の周波数と振幅を表すディジタルデータを管理するプロセッサと、
前記プロセッサで管理されたディジタルデータを格納するメモリと、
前記プロセッサの指示に従って前記メモリから前記ディジタルデータを取り出すロジックデバイスと、
第１の経路と第２の経路を有し、前記ロジックデバイスが前記メモリから取り出した第１のディジタルデータの導入経路を前記第１の経路または前記第２の経路のどちらか一方に設定するセレクターと、
前記セレクターの第１の経路に接続され、前記第１の経路に導入された第１のディジタルデータをもとに第１のアナログ正弦波を生成する第１のディジタル直接合成発振器と、
前記セレクターの第２の経路に接続され、前記第２の経路に導入された第１のディジタルデータをもとに第２のアナログ正弦波を生成する第２のディジタル直接合成発振器と、
前記第１のディジタル直接合成発振器で生成された第１のアナログ正弦波または前記第２のディジタル直接合成発振器で生成された第２のアナログ正弦波を、周波数と振幅を表す第２のディジタルデータに変換するＡＤコンバータと、を備え、
前記ロジックデバイスは、前記メモリから取り出した第１のディジタルデータと前記ＡＤコンバータで変換された第２のディジタルデータとの誤差を求め、前記ロジックデバイスが前記誤差は予め設定されている許容範囲から外れていると判定すると、前記セレクターは設定されている前記第１のディジタルデータの導入経路を変更する高周波制御装置。
正弦波の周波数と振幅を表すディジタルデータを管理するプロセッサと、
前記プロセッサで管理されたディジタルデータを格納するメモリと、
前記プロセッサの指示に従って前記メモリから前記ディジタルデータを取り出すロジックデバイスと、
前記ロジックデバイスが前記メモリから取り出したディジタルデータをもとに第１のアナログ正弦波を生成する第１のディジタル直接合成発振器と、
前記第１のディジタル直接合成発振器で生成された第１のアナログ正弦波を周波数と振幅を表す第１のディジタルデータに変換する第１のＡＤコンバータと、
前記ロジックデバイスが前記メモリから取り出したディジタルデータをもとに第２のアナログ正弦波を生成する第２のディジタル直接合成発振器と、
前記第２のディジタル直接合成発振器で生成された第２のアナログ正弦波を周波数と振幅を表す第２のディジタルデータに変換する第２のＡＤコンバータと、
前記第１のディジタル直接合成発振器と前記第２のディジタル直接合成発振器に接続され、前記第１のディジタル直接合成発振器で生成された第１のアナログ正弦波または前記第２のディジタル直接合成発振器で生成された第２のアナログ正弦波のうちどちらか一方を外部に出力するセレクターとを備え、
前記ロジックデバイスは、前記メモリから取り出したディジタルデータと前記第１のディジタルデータとの第１誤差と、前記メモリから取り出したディジタルデータと前記第２のディジタルデータとの第２誤差を比較し、前記ロジックデバイスが前記第２誤差よりも前記第１誤差の方が少ないと判定すれば、前記セレクターは前記第１のアナログ正弦波を外部に出力し、前記ロジックデバイスが前記第１誤差よりも前記第２誤差の方が少ないと判定すれば、前記セレクターは前記第２のアナログ正弦波を外部に出力する高周波制御装置。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の高周波制御装置と、
前記高周波制御装置に指令を発信する監視制御装置と、
前記高周波制御装置が出力するアナログ正弦波に基づいて動作する高周波電源と、
前記高周波電源から供給される電力で動作するシンクロトロンとを備え、
前記高周波制御装置のプロセッサは、前記監視制御装置で発信された指令に従って正弦波の周波数と振幅を表すディジタルデータを管理する粒子線治療システム。