JP2018023472A - 荷電粒子照射システムおよびビーム監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】安全にビームを照射するための構成を供えた荷電粒子照射システムおよびビーム監視システムを提供する。【構成】荷電粒子ビーム発生装置と、ビーム輸送系と、荷電粒子ビームの位置を求めるビーム監視システムを備えた荷電粒子照射システムであって、ビーム監視システムは、通過する荷電粒子ビームを検出して検出信号を出力するビームモニタと、検出信号に基づき第一のデジタル信号を出力する第一のＡＤ変換器と、検出信号に基づき第二のデジタル信号を出力する第二のＡＤ変換器と、第一のデジタル信号または第二のデジタル信号に基づき、荷電粒子ビームがビームモニタを通過した位置を演算する信号処理装置とを備え、信号処理装置は、第一のＡＤ変換器から第一のデジタル信号および第二のデジタル信号が入力されることで、シンプルな信号処理構成で荷電粒子ビームの位置幅を正確に検出し、より安全に荷電粒子ビームを照射するためのシステムを実現する 。【選択図】 図４

Description

本発明は粒子線治療システムにおける荷電粒子照射システムのビーム監視システムに係り、特に、陽子や炭素イオン等の荷電粒子ビームを患部に照射して治療するための粒子線治療システムに好適な荷電粒子照射システムおよびビーム監視システムに関する。

放射線治療法の１つとして、陽子や炭素イオン等の荷電粒子ビームを加速し、がんの病巣に照射してがん細胞のＤＮＡを破壊する粒子線治療法が知られている。粒子線治療法は、低侵襲で体に負担が少なく、治療後の生活の質を高く維持できることから、近年注目されている。

特許文献１には、スキャニング照射方式で荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線治療システムであって、荷電粒子ビームを走査する走査電磁石の下流側、かつ照射対象である患者の直前にビームモニタを設置する構成が開示されている。

特開２０１３−１５８５２５号公報

スキャニング照射方式では、患部の形状に合わせて荷電粒子ビームを照射するために、照射対象に照射する荷電粒子ビームの位置を監視するビーム監視システムを用いる。正確にビーム位置を検出するためには、ビームモニタに備えられたマルチワイヤの計測点を増加させることが望ましい。

しかし、従来のビーム監視システムでは、アナログ-デジタル変換器と信号処理装置との接続数に制約があったため、計測可能なチャンネル数が限られていた。

本発明は、スポットスキャニング法のスポット照射において、計測可能なチャンネル数を増加させ、より正確にビーム位置を監視することで、安全に荷電粒子ビームを照射するための構成を供えた荷電粒子照射システムおよびビーム監視システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、荷電粒子ビームを治療室へ導くビーム輸送系と、荷電粒子ビームの位置を求めるビーム監視システムとを備えた荷電粒子照射システムであって、ビーム監視システムは、通過する荷電粒子ビームを検出して検出信号を出力するビームモニタと、検出信号に基づき、第一のデジタル信号を出力する第一のＡＤ変換器と、検出信号に基づき、第二のデジタル信号を出力する第二のＡＤ変換器と、第一のデジタル信号または第二のデジタル信号に基づき、荷電粒子ビームがビームモニタを通過した位置を演算する信号処理装置とを備え、信号処理装置は、第一のＡＤ変換器から出力された第一のデジタル信号および第二のデジタル信号が入力されることを特徴とする。

本発明によれば、より安全に荷電粒子ビームを照射できる荷電粒子照射システムをシンプルな構成で実現できる。

本発明の実施形態における荷電粒子照射システムの構成を示す図である。 本発明の実施形態におけるスキャニング照射システムおよび照射制御システムを示す図である。 荷電粒子照射システムにおけるビーム監視システムの一例を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態におけるビーム監視システムを示す概略図である。 本発明の第１の実施形態における３段カスケード接続した場合の接続構成例を示す図である。 アナログ-デジタル変換器から信号処理装置へのデータの取り込みタイミングにおいて、結合型伝送方式を示す図である。 アナログ-デジタル変換器から信号処理装置へのデータの取り込みタイミングについて、本発明の第１の実施形態において適用する逐次型伝送方式を示す図である。 本発明の第２の実施形態における３段カスケードおよび２段カスケード接続した場合の接続構成例を示す図である。 アナログ-デジタル変換器から信号処理装置へのデータの取り込みタイミングにおいて、結合型伝送方式を示す図である。 アナログ-デジタル変換器から信号処理装置へのデータの取り込みタイミングについて、本発明の第２の実施形態において適用する逐次型伝送方式を示す図である。

以下に本発明の荷電粒子照射システムおよび荷電粒子照射システムの制御方法の実施形態について図面を用いて説明する。
＜第１の実施形態＞
本発明の荷電粒子照射システムおよびビーム監視システムの第１の実施形態を、図１乃至図７を用いて説明する。
なお、本実施形態において、荷電粒子照射システムとは、治療室内の治療台（ベッド装置）１０上に固定された患者の患部に対して荷電粒子ビーム１２（例えば、陽子線や炭素線等）を照射するシステムのことを意味する。

まず、本実施形態の荷電粒子照射システムの構成について、図１および図２を用いて説明する。

図１において、本実施形態の荷電粒子照射システムは、荷電粒子ビーム発生装置１、ビーム輸送系２、スキャニング照射装置３および制御システム４を備える。

荷電粒子ビーム発生装置１は、イオン源、前段加速器１５および円形加速器（シンクロトロン）１６を有する。本実施形態では、円形加速器１６としてシンクロトロンを例に説明するが、サイクロトロン等の他の加速器であってもよい。前段加速器１５の上流側にイオン源が接続され、前段加速器１５の下流側に円形加速器１６が接続される。

ビーム輸送系２は、荷電粒子ビーム発生装置１とスキャニング照射装置３を接続し、荷電粒子ビーム発生装置１で発生した荷電粒子ビーム１２を治療室まで導く。

スキャニング照射法では、患部となる照射対象を体表からの深さ毎にレイヤーと呼ばれる照射領域に分割し、このレイヤーの平面上をスポットと呼ぶ細かな線量管理領域に分割する。その上で、荷電粒子ビームの照射は、照射平面上のスポット毎に線量を管理しながら荷電粒子ビームを走査し、照射平面の変更は照射する荷電粒子ビームのエネルギーの変更により実現する。

具体的には、走査電磁石の電流値を設定し、目標スポットへ到達すると、設定された線量の照射を行い、照射線量が設定値に達すると次のスポットへ移動する。照射位置の移動が完了すると再び荷電粒子ビームを出射し、１つのレイヤー内の照射が終わるまで繰り返す。１つのレイヤーへの照射が完了すると、次のレイヤーのエネルギーに変更して、同様の照射を繰り返す。このように照射スポット間の移動中に照射荷電粒子ビームをＯＦＦする方法をスポットスキャニング法と称する。

スポットスキャニング法では、患部形状に合わせた荷電粒子ビームの照射が可能であり、従来の散乱体照射法のようにボーラスやコリメータ等の患部形状に合わせた患者固有具が不要となる。よって、荷電粒子ビーム発生装置１からスキャニング照射装置３に供給される荷電粒子ビームを効率よく患部に照射することが可能である。本実施形態ではスポットスキャニング法を例に説明するが、例えばラスタースキャニング法やラインスキャニング法のように他のスキャニング法による照射であってもよい。

図２は本実施形態におけるスキャニング照射装置および照射制御システムを示す。

スキャニング照射装置３は、荷電粒子ビーム１２を患者の患部に照射するための装置であり、図２に示すように、患者１３を載せる治療台１０、照射ノズル（ノズル装置）１１および回転ガントリ１４を備えている。

治療台１０は、治療室内に配置されており、患者１３を載せて患部の位置決めを行う。

照射ノズル１１は、荷電粒子ビームの照射野を形成する。図２に示すように、照射ノズル１１には荷電粒子ビーム１２の進行方向の上流側から順番に、上流ビーム位置モニタ（以降、上流ビームモニタと呼ぶ）１１ａ、走査電磁石１１ｂ、線量モニタ１１ｃおよび下流ビームモニタ（以降、下流ビームモニタと呼ぶ）１１ｄがビーム経路に沿って配置される。

上流ビームモニタ１１ａは、照射ノズル１１内に入射された荷電粒子ビーム１２を検出する。
走査電磁石１１ｂは、通過する荷電粒子ビームを第一の方向（例えば、Ｘ軸方向）に偏向・走査する第１走査電磁石１１ｂ１と、第一の方向と垂直な第二の方向（例えば、Ｙ軸方向）に荷電粒子ビームを偏向・走査する第二走査電磁石１１ｂ２を備えている。ここで、Ｘ軸方向とは、照射ノズル１１に入射された荷電粒子ビームの進行方向に垂直な平面内の一方向であり、Ｙ軸方向とは、当該平面内であってＸ軸と垂直な方向を示す。
線量モニタ１１ｃは、通過する荷電粒子ビームの照射線量を計測する。すなわち、線量モニタ１１ｃは、患者に照射された荷電粒子ビームの照射線量を監視するモニタである。
下流ビームモニタ１１ｄは、走査電磁石１１ｂの下流側に設置され、走査電磁石１１ｂによって走査された荷電粒子ビームを検出するモニタである。

回転ガントリ１４は、アイソセンタを中心に回転可能な構成であり、ビームの照射角度を決める。回転ガントリ１４が回転することによって、患者１０に荷電粒子ビーム１２を照射する方向を変更することができる。

図１に戻り、制御システム４について説明する。制御システム４は、中央制御装置５、加速器・輸送系制御システム７および照射制御システム８を備えている。
中央制御装置５は、治療計画装置６、加速器・輸送系制御システム７、照射制御システム８および操作端末４０に接続される。この中央制御装置５は、治療計画装置６から受信した設定データに基づいて、加速器運転に用いる偏向電磁石等の運転パラメータの設定値、照射野を形成に用いる線量モニタ等の運転パラメータの設定値、計画されるビーム位置およびビーム幅、線量の設定値を算出する機能を備えている。これらの運転パラメータおよびモニタ設定値は、中央制御装置５から加速器・輸送系制御システム７および照射制御システム８に出力される。
加速器・輸送系制御システム７は、荷電粒子ビーム発生装置１およびビーム輸送系２に接続され、荷電粒子ビーム発生装置１およびビーム輸送系２を構成する機器を制御する。
照射制御システム８は、スキャニング照射装置３に接続され、スキャニング照射装置３を構成する機器を制御する。
操作端末４０は、操作者（医者、オペレータ等の医療従事者）がデータや指示信号を入力する入力装置および表示画面を備えている。

照射制御システム８について、図２を用いて説明する。
照射制御システム８は、患者機器制御装置８ａ、モニタ監視制御装置８ｂおよび走査電磁石電源制御装置８ｃを備えている。

患者機器制御装置８ａは、回転ガントリ１４を構成する各機器を制御する回転ガントリ制御装置８ａ１、治療台１０を移動して位置決め制御する治療台制御装置８ａ２、照射ノズル１１内に配置された機器を制御するノズル内機器制御装置８ａ３を備えている。このうち、回転ガントリ制御装置８ａ１は、回転ガントリ１４の回転角度を制御することで、患者１０に照射する荷電粒子ビームの照射角度を制御する。

モニタ監視制御装置８ｂは、上流ビームモニタ１１ａを監視制御する上流ビームモニタ監視制御装置８ｂ１、下流ビームモニタ１１ｄを監視制御する下流ビームモニタ監視制御装置８ｂ２、線量モニタ１１ｃを監視制御する線量監視制御装置８ｂ３を備えている。

上流ビームモニタ監視制御装置８ｂ１は、上流ビームモニタ１１ａに検出された荷電粒子ビームのビーム位置およびビーム幅を計測する機能を有し、荷電粒子ビームの異常の有無を判定する機能を有する。

下流ビームモニタ監視制御装置８ｂ２は、走査電磁石１１ｂによって走査され、下流ビームモニタ１１ｄに検出された荷電粒子ビームのビーム位置およびビーム幅を計測する機能を有する。すなわち、走査された荷電粒子ビームのビーム位置およびビーム幅の異常の有無を判定する機能を有する。

ここで、荷電粒子ビームのビーム位置とは、例えば、ビームモニタ（上流ビームモニタ１１ａまたは下流ビームモニタ１１ｃ）を通過する荷電粒子ビームの重心位置などである。また、荷電粒子ビームのビーム幅とは、ビームモニタ（上流ビームモニタ１１ａまたは下流ビームモニタ１１ｃ）を通過した荷電粒子ビームの領域を示す。ビーム幅の求め方には、例えば、ビーム進行方向に垂直な平面上に配置されたビームモニタ（上流ビームモニタ１１ａまたは下流ビームモニタ１１ｃ）で荷電粒子ビームを検出した領域の面積を算出する方法や、このようなビームモニタでの荷電粒子ビームの検出領域の面積および当該検出領域の幅を算出する方法などがある。

上流ビームモニタ監視制御装置８ｂ１や下流ビームモニタ監視制御装置８ｂ２の機構は、具体的には以下の通りである。

上流ビームモニタ監視制御装置８ｂ１は、上流ビームモニタ１１ａで検出された検出信号に基づいて演算処理し、荷電粒子ビームが通過した位置およびビーム幅を求める。求めたビーム位置およびビーム幅が予め定められた範囲内の場合は、上流ビームモニタ監視制御装置８ｂ１はビーム正常と判定し、中央制御装置５に信号を出力する。一方、求めたビーム位置が予め定められた範囲外の場合、またはビーム幅が予め定められた範囲外の場合は、上流ビームモニタ監視制御装置８ｂ１はビーム異常と判定し、中央制御装置５に異常信号を出力する。

下流ビームモニタ監視制御装置８ｂ２は、下流ビームモニタ１１ｃで検出した検出信号に基づいて演算処理し、荷電粒子ビームが通過した位置およびビーム幅を求める。求めたビーム位置およびビーム幅が予め定められた範囲内の場合は、下流ビームモニタ監視制御装置８ｂ２はビーム正常と判定し、中央制御装置５に信号を出力する。一方、求めたビーム位置が予め定められた範囲外の場合、またはビーム幅が予め定められた範囲外の場合は、下流ビームモニタ監視制御装置８ｂ２はビーム異常と判定し、中央制御装置５に異常信号を出力する。
中央制御装置５は、上流ビームモニタ監視制御装置８ｂ１または下流ビームモニタ監視制御装置８ｂ２から異常信号が入力されると、加速器・輸送系制御装置７にビーム停止指令信号を出力し、荷電粒子ビーム発生装置１から出射する荷電粒子ビームを停止させる。
本実施形態では、荷電粒子ビーム発生装置１から出射する荷電粒子ビームを停止するように制御したが、中央制御装置５がビーム輸送系２を制御し、照射ノズル１１に入射される荷電粒子ビームを停止するように制御してもよい。 走査電磁石電源制御装置８ｃは、走査電磁石１１ｂの電源装置を制御することによって走査電磁電磁石１１ｂに励磁する励磁電流を制御し、患者１０への荷電粒子ビームの照射位置を変更する。

ビーム監視システムの一例として、図３に示すような構成がある。図３では、ビーム監視システムとして下流ビームモニタ監視システムの構成を例にして説明する。

下流ビームモニタ監視システムは、下流ビームモニタ１１ｄ、アナログ信号処理装置１９、下流ビームモニタ制御装置８ｂ２を備える。

下流ビームモニタ１１ｄは、マルチワイヤイオンチェンバ型のビームモニタであり、この下流ビームモニタ１１ｄは、荷電粒子ビームのＸ方向の通過位置を検出するＸ電極１１ｄ１、Ｙ方向の通過位置を検出するＹ電極１１ｄ２、電圧を印加する高圧電極（電圧印加電極、図示せず）を備えている。
荷電粒子ビームの進行方向の上流側からＸ電極，Ｙ電極の順番で配置された構成を例に説明するが、Ｙ電極，Ｘ電極の順番で配置される構成であっても良い。

Ｘ電極１１ｄ１およびＹ電極１１ｄ２は、ワイヤ電極（タングステンワイヤ等）が等間隔で張られた構成を有する電荷収集電極である。Ｘ電極１１ｄ１およびＹ電極１１ｄ２を構成するワイヤ電極は、荷電粒子ビームの軌道上に配置され、荷電粒子ビームを検出する。具体的には、高圧電極に電圧を印加することによって、Ｘ電極と高圧電極の間に電場を発生し、Ｙ電極と高圧電極の間に電場を発生させる。荷電粒子ビームがイオンチェンバを通過すると、高圧電極とＸ電極の間の気体および高圧電極とＹ電極の間の気体が電離し、イオンペアが生成される。生成されたイオンペアは、電場によってＸ電極およびＹ電極に移動して、ワイヤ（以降、チャンネルと呼ぶ）により回収されることで、荷電粒子ビームが検出される。また、各チャンネルの検出電荷量を計測することにより、ビーム形状を測定する。さらに、各チャンネルの検出電荷量を演算処理することにより、ビームの重心位置およびビーム幅を算出する。

各チャンネルで検出された電荷量は、アナログ信号処理装置１９内の各増幅器９にて増幅され、アナログ信号（検出信号）として、アナログ-デジタル変換器１７（以降、ＡＤ変換器、もしくはＡＤＣと呼ぶ）に入力される。

各チャンネルの検出信号を増幅器９から受け取ったＡＤＣ１７は、アナログ信号をデジタル信号に変換し、各ＡＤＣ１７からシリアル通信で信号処理装置１８へ送信する。検出信号を取得するタイミングは、信号処理装置１８から各ＡＤＣ１７へ計測トリガ信号（以降、トリガ信号とも呼ぶ）である計測開始信号または計測終了信号を同時に送信することで、検出信号の同時性を担保している。

ここで、図３のようなビーム監視システムでは、各ＡＤＣ１７と信号処理装置１８が一対一でケーブル接続されているため、信号処理装置１８の物理的な接続部の上限およびＡＤＣ１７のアナログ信号処理点数の上限によって、全チャンネルを同時タイミングで計測（同時サンプリング）可能な計測点数の上限が決まってしまうという課題があった。

例えば、信号処理装置１８の接続部が８箇所、ＡＤＣ１７の計測点が１６チャンネルの場合、１つの信号処理装置１８で同時サンプリングとして処理できる計測点の上限は、８×１６＝１２８チャンネルとなる。

次に、図４〜図７を用いて本実施形態における制御方法を説明する。本実施形態においては、図４に示すようにＡＤＣ１７をシリアル通信にて多段に接続（以降、カスケード接続と呼ぶ）することで、信号処理装置１８への接続点一点に対し送信できるＡＤＣ１７からの計測点の拡張を図ることができる。

各チャンネルで検出された電荷量の検出信号が増幅器９にて増幅され、アナログ信号としてＡＤＣ１７に入力されると、各ＡＤＣ１７は入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。各ＡＤＣ１７の計測点数分纏めた計測データとしてシリアル通信にて上位のＡＤＣ１７へ送信される。上位のＡＤＣ１７は、下位からのＡＤＣ１７よりデータを受け取ると、そのままさらに上位のＡＤＣにデータを送り、信号処理装置１８まで計測データを送信する。

信号処理装置１８では、計測に用いる全ての計測点からの検出信号が揃った段階もしくはある時間において、計測データを元にビーム位置およびビーム幅を演算し、計画した位置に対して正しくビームが照射されているか否かを監視する。

本実施形態において、例えば、信号処理装置１８の接続部が８箇所、ＡＤＣ１７の計測点が１６チャンネルの場合、ＡＤＣ１７にて８段のカスケード接続を実施すると、１つの信号処理装置１８で処理できる計測点の上限は、１６×８×８＝１０２４チャンネルとなる。１つの信号処理装置１８にて、従来構成の数倍の計測点数まで処理可能となるため、計測エリアの拡張、もしくは計測ワイヤのピッチを狭めて計測精度の向上を実現可能となる。

ただし、信号処理装置１８とＡＤＣ１７との接続点数には制限があるため、計測点数が多くなるにつれてより多くのＡＤＣ１７を多段に接続することになる。そのため、信号処理装置１８とＡＤＣ１７が接続されるラインを利用して計測トリガ信号を送信した場合、信号処理装置１８から下位のＡＤＣ１７へ送信された計測トリガ信号の到着に遅延が発生する懸念がある。

これに対して、本実施形態では、図５に示すように信号処理装置１８から各ＡＤＣ１７へ計測トリガ信号を送る別ラインを接続しておく。これにより、各ＡＤＣ１７へ計測期間を同時に知らせることができ、複数のチャンネルを所定の時間内にサンプリングできる。本実施例では、全チャンネルを同時に計測する場合を例に説明する。

図５にてＡＤＣ１７が３段カスケード接続された構成の例を示す。信号処理装置１８とＡＤＣ-１が接続され、ＡＤＣ-１とＡＤＣ-２、ＡＤＣ-２とＡＤＣ-３がカスケード接続されている。ＡＤＣ-１〜３へは計測トリガ信号である計測開始信号と計測終了信号を計測データとは別ラインで与え、ビーム照射中の電荷量の計測期間を知らせる。ＡＤＣ-１〜３は計測開始信号、計測終了信号を元に計測値をデジタル変換し、上位に接続される機器へデータを送信する。ＡＤＣ-３はＡＤＣ-２へ、ＡＤＣ−２はＡＤＣ-１へ、ＡＤＣ-１は信号処理装置１８へデータを送信する。

次に、図６と図７を用いて、信号処理装置１８におけるデータ取り込みタイミングについて説明する。上述したように、計測点数が多くなるにつれてより多くのＡＤＣ１７を多段に接続することになる。したがって、図６で説明する結合型伝送方式で計測データを送信すると、信号処理装置１８が下位のＡＤＣ１７からデータを取り込むために要する時間が長くなってしまう。

図６は、結合型伝送方式による信号処理装置１８のデータ取り込みタイミングを示す。前述した下流ビームモニタ１１ｄの計測開始信号は、円形加速器１６で加速された荷電粒子ビームを高速に偏向させる高速ステアリング電磁石のＯＦＦ完了信号を取得したタイミングで各ＡＤＣ１７に送信され、スポット毎に下流ビームモニタ１１ｄの積分を開始する。一方、計測終了信号は、照射された荷電粒子ビームのスポット満了のタイミングで各ＡＤＣに送信される。これらのトリガ信号（計測開始信号、計測終了信号）により、Ｘ電極，Ｙ電極の計測信号を全チャンネル同時サンプリングする。

信号処理装置１８のデータの取り込みタイミングが結合型伝送方式の場合、トリガ信号によってサンプリングしたＸ電極，Ｙ電極の計測データは、下位のＡＤＣ１７から上位のＡＤＣ１７へデータを集約した後、信号処理装置１８へ取り込まれる。

例えば、図６に示すＡＤＣ-３は、前述したトリガ信号によりサンプリングしたデータのうち、ある一定の容量に分割されたデータ３をＡＤＣ-２へと送信する。ＡＤＣ-２はＡＤＣ-３よりデータ３を受信したことを検知し、自身のもつデータ２と結合した後、データ２, ３としてＡＤＣ-１へとデータを送信する。ＡＤＣ-１も、同様にして、受信したデータ２, ３と、自身のもつデータ１とを結合し、データ１, ２, ３と集約したところで当該のデータを信号処理装置１８へ送信する。

ここでいうある一定の容量に分割されたデータとは、ＡＤＣ１７が取り込むことのできるＸ電極，Ｙ電極の検出信号のデータ量（例えば、１６チャンネル分）を示す。

従来の結合型伝送方式の場合、ある一定の容量に分割されたデータの伝送時間をｘ時間とすると、図６に示す例では、下位のＡＤＣ-３から上位のＡＤＣ-２、ＡＤＣ-１へデータを集約していき、信号処理装置１８に送信完了するまでに７ｘ時間を要する。

これに対して、本実施形態では、図７で説明する逐次型伝送方式によりＡＤＣ１７から信号処理装置１８に計測データを送信する。

図７に示すように、信号処理装置１８へのデータの取り込みタイミングが逐次型伝送方式である場合、前述した荷電粒子ビームのスポット満了のタイミングで出力されるトリガ信号（計測終了信号）をＡＤＣ１７が受け取ると、各ＡＤＣ１７が下位のＡＤＣ１７から計測データを取得しているか否かによらず、自身の計測データのデジタル化が完了した段階で上位のＡＤＣ１７または信号処理装置１８へデータを送信する。そのため、各ＡＤＣ１７は下位のＡＤＣ１７からの信号を待たずに並行してデータ伝送を開始できる。

図７に示すカスケード接続末端のＡＤＣ-３は、計測トリガ信号を受け取ると、自身のもつある一定の容量に分割されたデータ３を上位のＡＤＣ-２へ送信する。それと同時に、ＡＤＣ-２は自身のもつデータ２を上位のＡＤＣ-１へ、ＡＤＣ-１は自身のもつデータ１を信号処理装置１８へ送信する。すなわち、各ＡＤＣは、自身のもつデータを上位のＡＤＣへ送信するとともに、下位のＡＤＣから送信されてきたデータも受信する。そして、下位のＡＤＣから受信したデータは各ＡＤＣ-２、ＡＤＣ-１にて受信完了後に、さらに上位のＡＤＣ-１、信号処理装置１８へデータ送信を行う。これを全てのデータが信号処理装置１８に送信できるまで繰り返す。

したがって、逐次型伝送方式の場合、ある一定の容量に分割されたデータの伝送時間をｘ時間（図６と同様）とすると、全ての計測データＡＤＣ-１〜３のデータを信号処理装置１８へ送信するまでにかかる時間は、４ｘ時間となる。

まとめると、図６に示す結合型伝送方式では自身のもつデータと、下位のＡＤＣ１７から受信したデータを結合しながら、上位のＡＤＣ１７へデータを送信する。一方、図７に示す本実施形態を適用した逐次型伝送方式では、下位のＡＤＣ１７から上位のＡＤＣ１７へデータを送信することに違いはないが、ＡＤＣ１７同士で逐次的にデータを授受しながら信号処理装置１８へと送信するため、結合型伝送方式と比較して、短時間でデータ送信を実施することが可能となる。

このように、本実施形態における荷電粒子照射システムのビーム監視システムは、計測点数の多いビームモニタにおいてもシンプルなビームモニタ構成を実現できる。したがって、従来より、荷電粒子ビームのビーム位置およびビーム幅を計測する範囲の拡張、もしくは計測点数の増加によるビーム位置およびビーム幅特定の高精度化が可能なビーム監視システムを備えた荷電粒子照射システムを実現でき、より安全な荷電粒子ビームの照射を行うことができる。
＜第２の実施形態＞
本発明の荷電粒子照射システムおよびビーム監視システムの第２の実施形態を、図８乃至図１０を用いて説明する。なお、荷電粒子照射システムの全体構成は図１と同様である。

第２の実施形態の特徴は、信号処理装置１８の複数の口にＡＤＣ１７が接続されていることにある。

図８は、本実施形態におけるＡＤＣ１７および信号処理装置１８の接続構成例を示す。信号処理装置１８にはＡＤＣ−１、ＡＤＣ−４が接続される。ＡＤＣ−１には、ＡＤＣ−２、ＡＤＣ−３が順に接続されている。ＡＤＣ−４には、ＡＤＣ−５が接続されている。各チャンネルで計測された電荷量が増幅器９にて増幅され、アナログ信号としてＡＤＣ１７に入力されると、各ＡＤＣ１７の計測点数分纏めたデータとしてシリアル通信にて上位のＡＤＣ１７へ送信されるのは第１の実施形態と同じである。上位のＡＤＣ１７は、下位からのＡＤＣ１７よりデータを受け取ると、そのままさらに上位のＡＤＣにデータを送り、信号処理装置１８まで計測データを送信する。

信号処理装置１８は、ＡＤＣ−１とＡＤＣ−４から各計測点における計測信号を受け取る。信号処理装置１８は、計測に用いる全ての計測点からの計測信号が揃った段階もしくはある時間において、計測信号データを元にビームの位置およびビーム幅を演算し、計画位置に対して正しくビームが照射されているか否かを監視する。

ここで、図９を用いて、信号処理装置１８とＡＤＣ−１〜５が一対一でケーブル接続された場合の結合型伝送方式によるデータ取り込みタイミングを説明する。本実施形態では、ある一定の容量に分割されたデータの伝送時間をｘ時間とすると、図９に示す例では、下位のＡＤＣ−５から上位のＡＤＣ−１へデータを集約していき、信号処理装置１８に送信完了するまでに１６ｘ時間を要する。

図１０は、本実施形態におけるＡＤＣ１７から信号処理装置１８へのデータ取り込みタイミングを示す。本実施形態において、ＡＤＣ１７から信号処理装置１８へのデータ取り込みタイミングは、逐次型伝送方式を適用する。

図１０に示すＡＤＣ-１〜３は、図７と同様にして下位のＡＤＣ-３から上位のＡＤＣ-１へデータを集約し、信号処理装置１８に送信する。また、ＡＤＣ-１〜３とは別ラインで信号処理装置１８と接続されているカスケード接続末端のＡＤＣ−５は、トリガ信号により自身のもつある一定の容量に分割されたデータ５を上位であるＡＤＣ−４へ送信すると同時に、ＡＤＣ−４は自身のもつデータ４を信号処理装置１８へ送信する。ＡＤＣ−４は、ＡＤＣ−５からデータ５を受信した後、信号処理装置１８へデータ送信を行う。

図１０に示す逐次型伝送方式の場合、ある一定の容量に分割されたデータの伝送時間をｘ時間（図９と同様）とすると、全ての計測信号ＡＤＣ−４〜５のデータを信号処理装置１８へ送信するまでにかかる時間は、４ｘ時間となる。

以上の通り、本実施形態においては、１つの信号処理装置１８にて、従来構成の数倍の計測点数まで処理可能となるため、計測エリアの拡張、計測ワイヤのピッチを狭めて計測精度の向上を実現可能となる。

また、信号処理装置１８の複数の口にＡＤＣ１７を接続するため、ＡＤＣ−１〜５が信号処理装置１８と一対一でケーブル接続された結合型伝送方式と比較して、伝送時間をより短縮することができる。具体的には、ＡＤＣ−１〜５が信号処理装置１８と一対一でケーブル接続された結合型伝送方式の場合は、末端のＡＤＣから信号処理装置１８へデータを転送するまでに１６ｘ時間を要する。一方、本実施例では４ｘ時間でデータを転送することが可能である。

なお、本実施形態では３段カスケード接続されたＡＤＣ１７と２段カスケード接続されたＡＤＣ１７とが信号処理装置１８と接続されている例を示したが、ＡＤＣ１７が接続される信号処理装置１８の口数は２つに限られない。また、複数接続されたＡＤＣのうち、すべてのＡＤＣ１７が他のＡＤＣ１７とカスケード接続されている必要はない。例えば、５つのＡＤＣ１７を備える場合、ＡＤＣ−１、ＡＤＣ−２とが２段カスケード接続、ＡＤＣ−３とＡＤＣ−４とが２段カスケード接続されており、ＡＤＣ−５は信号処理装置１８と直接接続されているような構成であってもよい。カスケード接続の段数を小さくすることで、データの伝送時間をより小さくすることができる。
＜その他＞
本発明は上記の実施形態に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に示したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されない。

１…荷電粒子ビーム発生装置、
２…ビーム輸送系、
３…スキャニング照射装置、
４…制御システム、
５…中央制御装置、
６…治療計画装置、
７…加速器・輸送系制御システム、
８…照射制御システム、
８ａ…患者機器制御装置、
８ａ１…回転ガントリ制御装置、
８ａ２…治療台制御装置、
８ａ３…ノズル内機器制御装置、
８ｂ…モニタ監視制御装置、
８ｂ１…上流ビームモニタ監視制御装置、
８ｂ２…下流ビームモニタ監視制御装置、
８ｂ３…線量監視制御装置、
８ｃ…走査電磁石電源制御装置、
９…増幅器、
１０…治療台、
１１…照射ノズル、
１１ａ…上流ビームモニタ、
１１ｂ…走査電磁石、
１１ｃ…線量モニタ、
１１ｄ…下流ビームモニタ、
１１ｄ１…下流ビームモニタ（Ｘ電極）、
１１ｄ２…下流ビームモニタ（Ｙ電極）、
１２…荷電粒子ビーム、
１３…患者・患部、
１４…回転ガントリ、
１５…前段加速器、
１６…円形加速器、
１７…アナログ-デジタル変換器（ＡＤＣ）、
１８…信号処理装置、
１９…アナログ信号処理装置
４０…操作端末、

Claims (12)

1. 荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、
   前記荷電粒子ビームを治療室へ導くビーム輸送系と、
   前記荷電粒子ビームの位置を求めるビーム監視システムとを備えた荷電粒子照射システムであって、
   前記ビーム監視システムは、
   通過する前記荷電粒子ビームを検出して検出信号を出力するビームモニタと、
   前記検出信号に基づき、第一のデジタル信号を出力する第一のＡＤ変換器と、
   前記検出信号に基づき、第二のデジタル信号を出力する第二のＡＤ変換器と、
   前記第一のデジタル信号または前記第二のデジタル信号に基づき、前記荷電粒子ビームが前記ビームモニタを通過した位置を演算する信号処理装置とを備え、
   前記信号処理装置は、
   前記第一のＡＤ変換器から出力された前記第一のデジタル信号および前記第二のデジタル信号が入力されることを特徴とする荷電粒子照射システム。
2. 請求項１に記載の荷電粒子照射システムであって、
   前記ビーム監視システムは、前記信号処理装置から前記第一のＡＤ変換器および前記第二のＡＤ変換器に対してトリガ信号を出力する接続ラインを備え、
   前記トリガ信号は、前記第一のＡＤ変換器および前記第二のＡＤ変換器が前記検出信号を取得するタイミングを指示することを特徴とする荷電粒子照射システム。
3. 請求項２に記載の荷電粒子照射システムであって、
   前記信号処理装置は、前記第一のＡＤ変換器および前記第二のＡＤ変換器が所定の時間内に前記検出信号を取得するように前記トリガ信号を出力することを特徴とする荷電粒子照射システム。
4. 請求項１乃至３に記載の荷電粒子照射システムであって、
   前記第一のＡＤ変換器は、前記第二のデジタル信号が入力され、その入力が完了する前に、第一のデジタル信号を出力し始めることを特徴とする荷電粒子照射システム。
5. 請求項１乃至４に記載の荷電粒子照射システムであって、
   前記荷電粒子ビームの通過した位置が所定の範囲外であると判定された場合は、前記荷電粒子ビーム発生装置または前記ビーム輸送系からの前記荷電粒子ビームの出射を停止する制御装置を備えることを特徴とする荷電粒子システム。
6. 請求項１乃至５に記載の荷電粒子照射システムであって、
   前記ビーム監視システムは、複数の前記第一のＡＤ変換器を備えることを特徴とする荷電粒子照射システム。
7. 通過した荷電粒子ビームの電荷量を計測して、検出信号として出力するビームモニタと、
   前記荷電粒子ビームが前記ビームモニタを通過した位置を演算する信号処理装置と、
   前記ビームモニタから出力された第一の検出信号が入力された後、前記信号処理装置に第一のデジタル信号を出力する第一のＡＤ変換器と、
   前記ビームモニタから出力された第二の検出信号が入力された後、前記第一のＡＤ変換器に第二のデジタル信号を出力する第二のＡＤ変換器と
   を備えることを特徴とするビーム監視システム。
8. 請求項７に記載のビーム監視システムであって、
   前記信号処理装置から前記第一のＡＤ変換器および前記第二のＡＤ変換器に対してトリガ信号を出力する接続ラインを備え、
   前記トリガ信号は、前記第一のＡＤ変換器および前記第二のＡＤ変換器が前記検出信号を取得するタイミングを指示することを特徴とするビーム監視システム。
9. 請求項８に記載のビーム監視システムであって、
   前記信号処理装置は、前記第一のＡＤ変換器および前記第二のＡＤ変換器が所定の時間内に前記検出信号を取得するように前記トリガ信号を出力することを特徴とするビーム監視システム。
10. 請求項７乃至９に記載のビーム監視システムであって、
    前記第一のＡＤ変換器は、前記第二のデジタル信号が入力され、その入力が完了する前に、第一のデジタル信号を出力し始めることを特徴とするビーム監視システム。
11. 請求項７乃至１０に記載のビーム監視装置であって、
    前記信号処理装置は、求めた前記荷電粒子ビームの位置に基づいて、前記荷電粒子ビームに異常がある異常信号を出力することを特徴とするビーム監視システム。
12. 請求項７乃至１１に記載の荷電粒子照射システムであって、
    複数の前記第一のＡＤ変換器を備えることを特徴とするビーム監視システム。

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