JP2015069890A - 加速器制御装置、加速器制御方法および加速器制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】制御装置および加速器のオンライン状態を維持して荷電粒子線の制御パタンを調整する加速器制御技術を提供する。【解決手段】重粒子線１３の通過断面における通過位置１４を確認して通過位置１４を補正する制御装置１０において、重粒子線１３を偏向する磁場電源３２の電流値Ｉを規定する電流指令値１５のそれぞれにアドレス１７を割り当てて電流指令値１５を保持する指令値保持部１６と、順番に指令値保持部１６の電流指令値１５を呼び出して電流値Ｉをする呼出部１９と、電流値Ｉに基づいて偏向された重粒子線１３の通過位置１４に基づいて入力される補正量Ｈを受け付ける操作部２３と、操作部２３から送られる補正量Ｈで出力を調整して補正量Ｈの確定値ＨＤを確定する補正部２４と、確定した補正量Ｈの確定値ＨＤを記憶する記憶部２６と、を備え、補正部２４は、次回以降の運転において記憶部２６に記憶された確定値ＨＤで磁場電源３２へ出力する。【選択図】図２

Description

本発明は、加速器の磁場電源に対して制御パタンの初期調整を実施する加速器制御技術に関する。

加速器は、放射光利用のための電子加速器、素粒子などの物理研究のための陽子加速器またはがん治療用の粒子線加速器などとして、種々の用途がある。

以下にその応用の一例として、重粒子線がん治療システムの加速器について示す。
重粒子線がん治療システムにおいては、がん治療のために患者の患部のがん細胞に照射される重粒子線を加速する。
重粒子線がん治療システムでは、まず、例えば炭素イオンなどの重粒子線がイオン源から発生される。

発生した重粒子線は、線形加速器で加速され、さらに主加速器で数十倍のエネルギーにまで加速されてビーム輸送経路から治療室へ入射される。
治療室に入射された重粒子線を患者のがん細胞に照射することで、がん治療を行う。

加速器を構成する線形加速器および主加速器では、高周波加速制御装置（以下、「電場電源」という）で電場を発生させて重粒子線を加速する。
重粒子線を加速させる際、主加速器に沿ってその内部を周回させるため、磁場電源に電流を流し、発生した磁場で重粒子線を偏向する。

この磁場電源の磁場の出力は、加速器制御装置（以下、単に「制御装置」という）によって電場電源と高精度に同期されながら高速（１［クロック／μ秒］以上）で制御される必要がある。
よって、磁場電源へ出力する電流値の経時的な制御パタンを電流指令値として予め作成し、電流指令値１５を高速に呼び出して制御パタンを再現する必要がある（例えば、特許文献１参照）。

ところで、加速器には設置された環境や機器ごとに精度・性能に微小な差異がある。
このため、新たな加速器の運転を開始する際などは、設置環境に合わせて制御パタンの初期調整をする必要がある。
従来では、予め作成されて制御装置に保持された電流指令値１５を書き換えながら制御パタンの調整を行っていた。

特開２００８−４７４３８号公報

しかしながら、上述の従来の技術では、電流指令値を書き換える調整を行うたびに、加速器および制御装置を停止しなければならない。
そして、書き換えの後に制御装置を再起動し、加速器の運転を再開させ、荷電粒子線の加速状況を確認する手順を繰り返す必要があり、時間や手間がかかるという課題がある。

本実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、制御装置および加速器のオンライン状態を維持して荷電粒子線の制御パタンを調整することを可能とする加速器制御装置、加速器制御方法および加速器制御プログラムを提供することを目的とする。

本実施形態にかかる加速器制御装置は、加速器で加速されている荷電粒子線の通過断面における通過位置を確認して前記通過位置を補正する加速器制御装置において、前記荷電粒子線を偏向する磁場電源の電流値を規定する電流指令値のそれぞれにアドレスを割り当てて前記電流指令値を保持する指令値保持部と、前記アドレスに基づいて決められた順番に前記指令値保持部の前記電流指令値を呼び出して前記電流値の出力をする呼出部と、前記電流値に基づいて偏向された前記荷電粒子線の前記通過位置に基づいて入力される補正量を受け付ける操作部と、前記操作部から送られる前記補正量で前記出力を調整して前記補正量の確定値を確定する補正部と、前記確定した前記補正量の前記確定値を記憶する記憶部と、を備え、前記補正部は、次回以降の運転において前記記憶部に記憶された前記確定値で前記磁場電源への出力を補正することを特徴とする。

本発明により、制御装置および加速器のオンライン状態を維持して荷電粒子線の制御パタンを調整することを可能とする加速器制御装置、加速器制御方法および加速器制御プログラムが提供される。

本実施形態にかかる加速器制御装置が適用される加速器の概略図。 第１実施形態にかかる加速器制御装置の構成図。 第１実施形態にかかる加速器制御装置の制御部および操作部の変形例を示す図。 第２実施形態にかかる加速器制御装置の制御部および操作部を示す図。 第２実施形態にかかる加速器制御装置の変形例の操作部を示す図。 第１実施形態にかかる加速器制御装置の初期調整の動作手順を示すフローチャート。

以下、実施形態を添付図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる加速器制御装置１０（以下、単に「制御装置１０」という）が適用される加速器２０の概略図である。

加速器２０は、図１に示されるように、線形加速器１１および主加速器１２から構成される。
そして、制御装置１０で制御される数〜数十の制御機器群３０が少なくとも主加速器１２に設置され、この制御機器群３０で加速器２０の重粒子線１３の加速が制御される。
制御機器群３０は、例えば、検出部３１、磁場電源３２および電場電源３３（図２）などからなる。

図２は、第１実施形態にかかる制御装置１０の構成図である。
図２に示すように、磁場電源３２および電場電源３３は、それぞれ重粒子線１３を偏向する磁場Ｂおよび進行方向に加速する電場Ｅをクロック信号Ｃで同期されている。
イオン源３４から出射された重粒子線１３は、このように制御されて加速され、例えば、加速器２０の終端に接続された治療室３５（図１）に入射されて医療に利用される。

図１および図２に示されるように、第１実施形態では、加速器２０で加速されている重粒子線１３の通過断面における通過位置１４を確認して通過位置１４を調整する加速器制御装置１０において、重粒子線１３を偏向する磁場電源３２の電流値Ｉを規定する電流指令値１５のそれぞれにアドレス１７を割り当てて電流指令値１５を保持する指令値保持部１６と、アドレス１７に基づいて決められた順番に指令値保持部１６の電流指令値１５を呼び出して電流値Ｉの出力をする呼出部１９と、電流値Ｉに基づいて偏向された重粒子線１３の通過位置１４に基づいて入力される補正量Ｈを受け付ける操作部２３と、操作部２３から送られる補正量Ｈで出力を調整して補正量Ｈの確定値Ｈ_Ｄを確定する補正部２４と、確定した補正量Ｈの確定値Ｈ_Ｄを記憶する記憶部２６と、を備え、補正部２４は、次回以降の運転において記憶部２６に記憶された確定値Ｈ_Ｄで磁場電源３２への出力を補正する。

なお、制御装置１０は、制御パタンの初期調整の後に電流値Ｉの補正を継続する制御部３９と、初期調整の後に取外しが可能な操作部２３を主な構成とする。
制御部３９は、上述の指令値保持部１６、呼出部１９、補正部２４および記憶部２６から構成される。

制御部３９に保持される電流指令値１５または補正量Ｈの確定値Ｈ_Ｄなどは、磁場電源３２ごとに区別されて保持されている。
例えば図２は、複数ある磁場電源３２のうちの１つの磁場電源３２ａ（３２）（図１）に関する例を示している。

指令値保持部１６は、図２に示されるように、重粒子線１３を偏向する磁場電源３２の電流値Ｉを規定する電流指令値１５のそれぞれにアドレス１７を割り当てて電流指令値１５を保持する。

加速器２０で加速されている重粒子線１３を偏向する磁場電源３２の電流値Ｉを規定する電流指令値１５を保持する。
電流指令値１５は、例えば、１［Ａ］、１［Ａ］、４［Ａ］、…など、磁場電源３２に出力される電流値Ｉが出力される順にアドレス１７（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）が割り当てられて保持される。
指令値保持部１６は、例えば不揮発性メモリまたは不揮発性メモリに揮発性メモリを組み合わせたものなどであり、高速な読出しが可能なものである。

呼出部１９は、クロック信号Ｃに合わせ、アドレス１７に基づいて決められた順番に電流指令値１５を呼び出し、この電流指令値１５に基づいて電流値Ｉの出力をする。
クロック信号Ｃは、運転指令Ｆで同期部２７から発信が開始され、電場電源３３が出力する電場Ｅと磁場電源３２が出力する磁場Ｂとを同期させる。
制御装置１０は、この同期されて出力された電場Ｅおよび磁場Ｂにより、重粒子線１３の加速を制御している。

補正量Ｈによる補正がされない場合、この電流値Ｉがそのまま磁場電源３２に出力される。
そして、電流値Ｉで制御された磁場Ｂによって重粒子線１３が偏向される。
なお、外部からのリセット信号Ｒを受信すると、呼出部１９は読出し位置を先頭アドレスにリセットして、次の運転に備える。

なお、偏向された重粒子線１３の通過断面における通過位置１４は、モニタ２８の通過断面領域２１に表示される。
重粒子線１３の通過位置１４は、加速器２０に複数設置された検出部３１で検出する。
モニタ２８は、各々の検出部３１に対する通過断面を複数並べてまたは画面切り替えによって表示する。

磁場電源３２に出力される電流値Ｉが強すぎる場合、重粒子線１３は過度に偏向されて加速器２０の内壁に吸収され、加速した重粒子線１３を得ることができなくなる。
この場合、次の検出部３１の通過断面領域２１に重粒子線１３が検出されなくなる。

なお、各々の通過断面ごとに通過位置１４の位置するべき規定位置（図示せず）または規定範囲３７がわかっている場合は、これらを同時に表示するのが好ましい。
ただし、規定範囲３７などがわかっていなくとも、制御装置１０はオンライン状態を維持して調整をすることができるので、試行錯誤して決定していくことも容易である。

操作部２３は、制御部３９に接続され、電流値Ｉに基づいて偏向された重粒子線１３の通過位置１４に基づいて入力された補正量Ｈを受け付ける。
作業員は、表示部２５およびモニタ２８で通過位置１４をモニタリングしながら補正量Ｈを加減ボタン２２から入力していく。

電流値Ｉまたは補正量Ｈで調整された補正電流値Ｉ_Ｈおよびその調整の様子は、表示部２５に例えばグラフなどで可視化され、作業員は調整の様子を確認することができる。
ただし、作業員はモニタ２８の通過位置１４のみを確認することで調整の結果を把握することもできる。
なお、上述したモニタ２８は、操作部２３と一体になって制御装置１０の一部にされてもよい。

補正部２４は、操作部２３および呼出部１９に接続され、操作部２３から送られる補正量Ｈで電流値Ｉのゲインまたはゲイン比率を調整して補正量Ｈの確定値Ｈ_Ｄを確定する。
すなわち、電流値Ｉのゲインを補正する場合、補正がされた補正電流値Ｉ_Ｈは、電流値Ｉおよび補正量Ｈを用いて次式（１）で補正される。
Ｉ_Ｈ＝Ｉ＋Ｈ （１）

また、電流値Ｉのゲイン比率を補正する場合、補正電流値Ｉ_Ｈは次式（２）のように補正される。
Ｉ_Ｈ＝Ｉ×Ｈ （２）
これら補正量Ｈは作業員の入力により操作部２３で繰り返し加減され、加減された補正量Ｈの差分量が補正部２４に送られる。
補正部２４は、この差分量を補正量Ｈに加算して補正電流値Ｉ_Ｈに反映させてその確定値Ｈ_Ｄを確定させる。

記憶部２６は、各々の磁場電源３２における電流指令値１５ごとの確定した補正量Ｈの確定値Ｈ_Ｄを記憶する。
この確定値Ｈ_Ｄが記憶部２６に記憶されれば、制御パタンの初期調整は完了する。
次回以降の運転では、出力のたびに補正部２４が記憶部２６を参照して確定値Ｈ_Ｄで電流値Ｉを補正することで、補正電流値Ｉ_Ｈの出力がされる。
なお、次回以降の補正には、例えばＡＳＩＣの加算器などを使用して高速に処理できることから、性能を低下させずに容易に補正することができる。

ところで、図３は、第１実施形態にかかる制御装置１０の制御部３９および操作部２３の変形例を示す図である。
図３に示される変形例では、電流指令値１５をオフセット値１５ａ（１５）（図３では０［Ａ］、０［Ａ］、３［Ａ］）とベース保持部２９に保持されるベース値１５ｂ（１５）（図３では１［Ａ］）に分割する。

オフセット値１５ａは、電流指令値１５のベース値１５ｂからの差分である。
オフセット値１５ａおよびベース値１５ｂは加算されて１［Ａ］、１［Ａ］、４［Ａ］となって呼び出される。

電流指令値１５を分割することで、オフセット値１５ａのみに式（２）の調整をした後、ベース値１５ｂと加算して補正電流値Ｉ_Ｈとすることで、ベース値１５ｂの数値を変更しない補正ができる。
つまり、図３に示されるように、ボトム４３の高さを変更せずにトップ４２のみを変更することができる。

このように、電流指令値１５の設定方法は、補正部２４で補正しやすいように適宜工夫される。

次に、第１実施形態にかかる制御装置１０の初期調整の動作手順を図６のフローチャートを用いて説明する。
まず、指令値保持部１６に、電流指令値１５を設定して保持させる（ステップＳ１１）。
上述のように、この電流指令値１５の設定には、オフセット値１５ａおよびベース値１５ｂに分割するなどの工夫ができる。

そして、電場電源３３で重粒子線１３を加速する（ステップＳ１２）。
次に、呼出部１９が、クロック信号Ｃに合わせて先頭アドレスから順番にアドレス１７ａ、アドレス１７ｂ、アドレス１７ｃ、…とアドレス１７を読み出す。
そして、それぞれのアドレス１７に対応する電流指令値１５を呼び出して電流値Ｉの出力をする（ステップＳ１３）。

次に、検出部３１で重粒子線１３の通過位置１４を検出する（ステップＳ１４）。
そして、モニタ２８で、検出された通過位置１４を通過断面領域２１に表示する（ステップＳ１５）。

重粒子線１３の位置が規定範囲３７にない場合（ステップＳ１６；ＮＯ）、操作部２３から補正量Ｈが入力される。
そして、補正部２４において操作部２３から送られてくる補正量Ｈで電流値Ｉが調整される（ステップＳ１７）。
通過位置１４が規定範囲３７となるまで電流値Ｉの調整を繰り返す（ステップＳ１６；ＮＯ；ステップＳ１７、ステップＳ１４へ）。

なお、各々の磁場電源３２に対する補正量Ｈの確定値Ｈ_Ｄは、加速器２０の全体の重粒子線１３の軌道およびエネルギー変換効率などを考慮して決定される。
つまり、必ずしも検出されるすべての通過断面の通過位置１４が規定範囲３７にある必要はない。

重粒子線１３の位置が規定範囲３７である場合（ステップＳ１６；ＹＥＳ）、加算された補正量Ｈを確定値Ｈ_Ｄとして記憶部２６に記憶する（ステップＳ１８）。
なお、記憶部２６は次回以降の運転で補正部２４に参照され、記憶された確定値Ｈ_Ｄで電流値Ｉが補正されて補正電流値Ｉ_Ｈとなる。
つまり、初期調整に必要な操作部２３などの機器は、初期調整の後に取外されるものであってもよい。

従来では、制御パタンの初期調整で出力を微調整するたびに、この電流指令値１５を書き換えていた。
電流指令値１５を書き換えるには、書き換えの都度、加速器２０および制御装置１０を停止しなければならなかった。

一方、本実施形態にかかる制御装置１０では、電流指令値１５は、初期調整の最初に設定されて保持された後は書き換える必要がない。
つまり、第１実施形態にかかる制御装置１０によれば、呼び出された電流値Ｉを補正量Ｈで補正して補正電流値Ｉ_Ｈとすることで、重粒子線１３の通過位置１４をモニタリングしたまま制御装置１０および加速器２０のオンライン状態を維持して重粒子線１３の制御パタンを調整することができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態にかかる制御装置１０の制御部３９および操作部２３を示す図である。

第２実施形態にかかる制御装置１０は、図４に示されるように、補正部２４は、アドレス１７の読出し位置を補正する。
加速器２０の設置環境や構造などの微小な差異によって、電流値Ｉの磁場電源３２への出力のタイミングを補正する必要がある場合がある。
そこで、補正部２４は、例えば呼出部１９に接続され、呼出部１９が内部に備える読出し位置保持部３６に保持される読出し位置を補正する。

一般に、呼出部１９にはプログラムカウンタなどの読出し位置保持部３６が備えられ、呼出部１９はこの読出し位置保持部３６を参照して読み出すアドレス１７を決定する。
そして、アドレス１７が最後まで読み出されると、リセット信号Ｒが発信され、読出し位置はベースレジスタまたはプログラムカウンタなどに保持される先頭アドレスにリセットされる。
例えば、補正部２４は、最初にクロック信号Ｃを受信したときに読み出されるこの先頭アドレスを補正する。

確定した新たな先頭アドレスは、第１実施形態と同様に、補正量Ｈの確定値Ｈ_Ｄとして記憶部２６に保持される。
呼出部１９はリセット信号Ｒの受信のたびに、この新たな先頭アドレスからアドレス１７を順番に読み出す。
先頭アドレスに対する補正量Ｈは、操作部２３の平行移動ボタン４４からの入力で時間軸方向に平行移動されて調整される。

また、図５は、第２実施形態にかかる制御装置１０の変形例の操作部２３を示す図である。
補正部２４は、例えば特定のアドレス１７ｄ（１７）（図４）を読み出す順番を変更する又は特定のアドレス１７ｄの読み出しを維持するクロック数を増減させることもできる。

呼出部１９が読み出す順番やクロック数を増減させることで、トップ４２の継続時間や電流値Ｉの増加または減少の速度を調整することができる。
作業員は、操作部２３に設けられた時間調整ボタン４５で補正量Ｈを入力し、トップ４２の継続時間などを決定する。

なお、アドレス１７の読出し位置が補正されること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように、第２実施形態にかかる制御装置１０によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、第２実施形態では、指令値保持部１６で割り当てられたアドレス１７は変更せず、読出し位置または読み出し方式を変更することで、電流値Ｉの出力のタイミングを補正することができる。

以上のべた少なくとも一つの実施形態の制御装置１０によれば、電流指令値１５を変更せずに補正量Ｈの確定値Ｈ_Ｄで電流値Ｉを補正することにより、重粒子線１３の通過位置１４をモニタリングしたまま制御装置１０および加速器２０のオンライン状態を維持して重粒子線１３の制御パタンを補正することが可能となる。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
例えば、実施形態では加速器２０で加速される粒子を重粒子に限定したが、粒子は、陽子などの医療で用いられる粒子線であってもよい。
さらに、医療の用途に限定されず、物理研究などで用いられる荷電粒子線であって同様の効果で適用できる。

これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…加速器制御装置（制御装置）、１１…線形加速器、１２…主加速器、１３…重粒子線、１４…通過位置、１５（１５ａ、１５ｂ）…電流指令値（オフセット値、ベース値）、１６…指令値保持部、１７（１７ａ〜１７ｄ）…アドレス、１９…呼出部、２０…加速器、２１…通過断面領域、２２…加減ボタン、２３…操作部、２４…補正部、２５…表示部、２６…記憶部、２７…同期部、２８…モニタ、２９…ベース保持部、３０…制御機器群、３１…検出部、３２（３２ａ）…磁場電源、３３…電場電源、３４…イオン源、３５…治療室、３６…読出し位置保持部、３７…規定範囲、３９…制御部、４２…トップ、４３…ボトム、４４…平行移動ボタン、４５…時間調整ボタン、Ｂ…磁場、Ｃ…クロック信号、Ｅ…電場、Ｆ…運転指令、Ｈ…補正量、Ｈ_Ｄ…補正量の確定値、Ｉ…電流値、Ｉ_Ｈ…補正電流値、Ｒ…リセット信号。

Claims (6)

1. 加速器で加速されている荷電粒子線の通過断面における通過位置を確認して前記通過位置を補正する加速器制御装置において、
   前記荷電粒子線を偏向する磁場電源の電流値を規定する電流指令値のそれぞれにアドレスを割り当てて前記電流指令値を保持する指令値保持部と、
   前記アドレスに基づいて決められた順番に前記指令値保持部の前記電流指令値を呼び出して前記電流値の出力をする呼出部と、
   前記電流値に基づいて偏向された前記荷電粒子線の前記通過位置に基づいて入力される補正量を受け付ける操作部と、
   前記操作部から送られる前記補正量で前記出力を調整して前記補正量の確定値を確定する補正部と、
   前記確定した前記補正量の前記確定値を記憶する記憶部と、を備え、
   前記補正部は、次回以降の運転において前記記憶部に記憶された前記確定値で前記磁場電源への出力を補正することを特徴とする加速器制御装置。
2. 前記補正部は、
   少なくとも前記電流値のゲインおよびゲイン比率のいずれかを補正することを特徴する請求項１に記載の加速器制御装置。
3. 前記補正部は、
   前記アドレスの読出し位置および読出し方法の少なくとも一方を補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加速器制御装置。
4. 前記電流値を補正する様子を表示する表示部を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の加速器制御装置。
5. 加速器で加速されている荷電粒子線の通過断面における通過位置を確認して前記通過位置を補正する加速器制御方法において、
   前記荷電粒子線を偏向する磁場電源の電流値を規定する電流指令値のそれぞれにアドレスを割り当てて前記電流指令値を保持するステップと、
   前記アドレスに基づいて決められた順番に前記電流指令値を呼び出して前記電流値の出力をするステップと、
   前記電流値に基づいて偏向された前記荷電粒子線の前記通過位置に基づいて入力される補正量を受け付けるステップと、
   前記補正量で前記出力を調整して前記補正量の確定値を確定するステップと、
   前記確定した前記補正量の前記確定値を記憶するステップと、
   次回以降の運転において、記憶された前記確定値で前記磁場電源への出力を補正するステップと、を含むことを特徴とする加速器制御方法。
6. 加速器で加速されている荷電粒子線の通過断面における通過位置を確認して前記通過位置を補正する加速器制御プログラムにおいて、
   コンピュータに、
   前記荷電粒子線を偏向する磁場電源の電流値を規定する電流指令値のそれぞれにアドレスを割り当てて前記電流指令値を保持するステップ、
   前記アドレスに基づいて決められた順番に前記電流指令値を呼び出して前記電流値の出力をするステップ、
   前記電流値に基づいて偏向された前記荷電粒子線の前記通過位置に基づいて入力される補正量を受け付けるステップ、
   前記補正量で前記出力を調整して前記補正量の確定値を確定するステップ、
   前記確定した前記補正量の前記確定値を記憶するステップ、
   次回以降の運転において、記憶された前記確定値で前記磁場電源への出力を補正するステップ、を実行させることを特徴とする加速器制御プログラム。

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