JP2019141245A - 粒子線照射システム、粒子線照射システムの制御装置、及び粒子線照射システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粒子線の照射中にビーム輸送系の途中における粒子線を測定可能な粒子線照射システムを提供する。【解決手段】本実施形態による粒子線照射システムは、粒子線を加速する加速装置と、加速された粒子線を輸送するビーム輸送系と、ビーム輸送系を介して輸送された粒子線を患者に照射する照射装置と、ビーム輸送系に設けられ、粒子線の照射装置への輸送を停止可能である粒子線遮断装置と、加速装置のビーム輸送系への出射口と粒子線遮断装置との間のビーム輸送系に設けられ、粒子線の線量、位置、及びサイズの少なくともいずれかを測定する粒子線モニタと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、粒子線照射システム、粒子線照射システムの制御装置、及び粒子線照射システムの制御方法に関する。

加速した粒子線をビーム輸送系により粒子線照射装置まで輸送する粒子線照射システムが知られている。この粒子線照射システムでは、輸送中の粒子線のサイズ、線量等を確認するための粒子線モニタが設けられている。この粒子線モニタにより、照射対象への照射を開始する前に、粒子線の特性がテストされ、安全に粒子線の照射が行えることを担保している。一方で、粒子線モニタは、粒子線の特性に影響を与えてしまう恐れがあるので、照射対象への照射中にはビーム軸上から退避させられる。このような粒子線モニタの使用方法では、照射中の粒子線の状態を確認できないため、何らかの要因で粒子線の特性が変化した場合に対応できなくなってしまう。

このため、粒子線への影響を抑制するために、照射対象の直前におけるビーム輸送系内の位置に粒子線モニタを設け、照射中にも退避させずに測定を継続させることも行われている。この場合、照射中のビーム状態に変化があると、粒子線の軌道を偏向する電磁石によりビーム輸送系の途中から粒子線をビームダンプが配置される分岐経路に向けて分岐させ、分岐経路内の粒子線モニタにより粒子線の特性を測定する技術が知られている。ところが、粒子線の照射中にはビーム輸送系の途中までの粒子線の測定を行うことができず、粒子線の照射中におけるビーム輸送系の途中までの粒子線の状態を確認することが困難となってしまう。また、分岐経路内の粒子線モニタによる測定では、偏向電磁石による偏向の影響を受けた粒子線の特性が測定され、粒子線の特性が変更されてしまう恐れがある。

特許第５０７４９１５号公報

発明が解決しようとする課題は、粒子線の照射中にビーム輸送系の途中における粒子線を測定可能な粒子線照射システムを提供することである。

本実施形態による粒子線照射システムは、
粒子線を加速する加速装置と、
前記加速された粒子線を輸送するビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系を介して輸送された粒子線を患者に照射する照射装置と、
前記ビーム輸送系に設けられ、前記粒子線の前記照射装置への輸送を停止可能である粒子線遮断装置と、
前記加速装置の前記ビーム輸送系への出射口と前記粒子線遮断装置との間のビーム輸送系に設けられ、前記粒子線の線量、位置、及びサイズの少なくともいずれかを測定する粒子線モニタと、
を備える。

本実施形態による粒子線照射システムの制御装置は、
粒子線を加速する加速装置と、前記加速された粒子線を輸送するビーム輸送系と、前記ビーム輸送系を介して輸送された粒子線を患者に照射する照射装置と、前記ビーム輸送系に設けられ、前記粒子線の前記照射装置への輸送を遮断可能である粒子線遮断装置と、前記加速装置の前記ビーム輸送系への出射口と前記粒子線遮断装置との間のビーム輸送系に設けられ、前記粒子線の線量、位置、及びサイズの少なくともいずれかを測定する粒子線モニタと、を備える粒子線照射システムの制御装置であって、
制御装置は、前記モニタの測定値が所定の範囲内である場合に、前記粒子線遮断装置に前記照射装置へビームを輸送する側に前記粒子線を偏向させる粒子線遮断装置制御部を有する。

本実施形態による粒子線照射システムの制御方法は、
粒子線を加速する加速装置と、前記加速された粒子線を輸送するビーム輸送系と、前記ビーム輸送系を介して輸送された粒子線を患者に照射する照射装置と、前記ビーム輸送系に設けられ、前記粒子線の前記照射装置への輸送を遮断可能である粒子線遮断装置と、前記加速装置の前記ビーム輸送系への出射口と前記粒子線遮断装置との間のビーム輸送系に設けられ、前記粒子線の線量、位置、及びサイズの少なくともいずれかを測定する粒子線モニタと、を備える粒子線照射システムの制御方法であって、
前記モニタの測定値が所定の範囲内である場合に、前記粒子線遮断装置に前記照射装置へビームを輸送する側に前記粒子線を偏向させる工程を有する。

本実施形態による粒子線照射システムは、
粒子線を加速する加速装置と、
前記加速された粒子線を輸送するビーム輸送系と、
前記ビーム輸送系を介して輸送された粒子線を患者に照射する照射装置と、
前記ビーム輸送系に設けられ、前記粒子線の前記照射装置への輸送を遮断可能である粒子線遮断装置と、を備え、
前記粒子線遮断装置は、励磁電流が供給される場合に前記ビーム輸送系側に前記粒子線を偏向させ、前記励磁電流が供給されない場合にビームダンプを有する分岐経路側に前記粒子線を輸送させる電磁石を有する。

粒子線の照射中にビーム輸送系の途中における粒子線を測定可能な粒子線照射システムを提供することができる。

第１実施形態に係る粒子線照射システムの全体構成を示す図。 照射装置の詳細な構成を示す図。 ラスタースキャニング方式によるスライス上の走査パターンの一例を示す図。 準非破壊型の粒子線モニタの詳細な構成を示す図。 非破壊型の粒子線モニタの詳細な構成を示す図。 粒子線遮断装置の詳細な構成を示す図。 粒子線モニタの測定値と正線量モニタの測定値とを表示装置に表示させている図。 第２実施形態に係る粒子線照射システムの構成を示す構成図。 薄膜の構成例を示す図。 電極の構成例を示す図。 判定部の判定処理による制御例を示すフローチャート。 判定部の判定処理例を説明する図。 第３実施形態に係る粒子線遮断装置の構成を示す構成図。 照射装置の照射を開始する前の電磁石のＯＮとＯＦＦを示す図。 通常の動作時における粒子線の経路を示す図。 照射装置の照射中における電磁石のＯＮとＯＦＦを示す図。

以下、本発明の実施形態に係る粒子線照射システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る粒子線照射システム１の概略的な全体構成を示す図である。この図１に示すように粒子線照射システム１は、炭素イオン等の粒子線を患者９００の患部に照射して治療を行うシステムである。より具体的には、この粒子線照射システム１は、加速装置１００と、ビーム輸送系２００と、照射装置３００と、回転ガントリ４００と、粒子線モニタ５００と、信号処理回路５５０と、粒子線遮断装置６００と、制御装置７００と、中央制御装置８００とを、備えて構成されている。図１は更に、患者９００と、移動床１０００とを示している。

加速装置１００は、粒子線を加速する。この加速装置１００は、イオン発生源１０２と、加速器（シンクロトロン）１０４と、を備えて構成されている。このイオン発生源１０２は、加速器１０４に接続されており、生成した炭素イオンや、陽子等の荷電粒子を初期速度まで加速して、加速器１０４に供給する。イオン発生源１０２と加速器１０４との間に前段加速器を備えてもよい。

加速器１０４は、例えばシンクロトロンであって、イオン発生源１０２で生成させた荷電粒子を加速させ、粒子線を生成する。すなわち、加速器１０４は、高周波加速空洞１０６と、複数の偏向電磁石１０８と、複数の四極電磁石１１０と、出射用偏向器１１２と、を備えて構成されている。

高周波加速空洞１０６は、高周波加速空洞１０６内に高周波電圧を印加し、加速器１０４内を周回する粒子線を加速する。偏向電磁石１０８は、粒子線の速度に応じた強度を有する磁場を生成し、粒子線を加速器１０４内の所定軌道に沿って周回させる。また、四極電磁石１１０が生成する磁場は、加速器１０４内を周回する粒子線を収束させるように作用する。

出射用偏向器１１２は、加速器１０４が加速した粒子線をビーム輸送系２００へと出射する。

ビーム輸送系２００は、ダクト２０２と、複数の偏向電磁石２０４と、複数の四極電磁石２０６とを備えて構成されている。ダクト２０２は、真空に保たれた輸送管である。ダクト２０２は、加速器１０４のダクトと接続され、加速装置１００の出射口である２０２ａから照射装置３００の照射口２０２ｂの間に配置されている。偏向電磁石２０４は、粒子線の速度に応じた強度を有する磁場を生成し、粒子線をダクト２０２内の所定軌道に沿って進行させる。また、四極電磁石２０６が生成する磁場は、ダクト２０２内を進行する粒子線を収束させるように作用する。

ダクト２０２の出口部には、照射装置３００が接続されている。これにより、ビーム輸送系２００は、加速装置１００により加速された粒子線を照射装置３００へと輸送する。

照射装置３００は、回転ガントリ４００に設けられており、ビーム輸送系２００により輸送された粒子線を患者９００に照射する。粒子線は、患者９００の体内を通過する際に運動エネルギーを失って停止するが、特に停止位置の近傍にブラッグピークを形成して多くのエネルギーを失う。このため、粒子線の停止位置を患者９００の患部に合わせることで、正常な組織への損傷を抑制しつつ、患部細胞、例えば癌細胞にダメージを与えることが可能となる。なお、照射装置３００の詳細な構成は後述する。

回転ガントリ４００は、例えば全周回転ガントリであり、回転駆動部の回転によって回転軸の周りを回転する。回転ガントリ４００が照射装置３００とともに回転軸の周りを回転することにより、照射装置３００のビーム軸の方向を変えることができる。

粒子線モニタ５００は、ビーム輸送系２００における加速装置１００のダクト２０２への出射口２０２ａと粒子線遮断装置６００との間に設けられ、ビーム輸送系内を進行する粒子線の線量、位置、及びサイズの少なくともいずれかを測定する。なお、粒子線の線量は強度と呼ばれる場合もある。また、粒子線モニタ５００をビーム輸送系２００内の複数の箇所に設けてもよい。粒子線モニタ５００の詳細な構成は後述する。

信号処理回路５５０は、例えばＡＤ変換器を有する処理回路であり、粒子線モニタ５００から得られたアナログ信号をデジタル信号に変換する。

粒子線遮断装置６００は、ビーム輸送系２００に設けられ、粒子線の照射装置３００への輸送を遮断可能である。粒子線遮断装置６００は、後述する制御装置７００の制御により、粒子線の照射装置３００への輸送を遮断したり、遮断を解放したりする。なお、粒子線遮断装置６００の詳細な構成は後述する。また、粒子線遮断装置６００をビーム輸送系２０内の複数の箇所に設けてもよい。

本実施形態に係る制御装置７００は、加速装置１００、ビーム輸送系２００、照射装置３００、回転ガントリ４００、及び粒子線遮断装置６００を制御する。また、制御装置７００は、ネットワークを介して中央制御装置８００と接続されている。すなわち、この制御装置７００は、加速装置制御部７０２と、輸送装置制御部７０４と、照射装置制御部７０６と、粒子線遮断装置制御部７０８と、記憶部７１０と、表示装置７１２と、操作装置７１４とを備えて構成されている。前述の制御部の１つに中央制御装置の役割を合わせて担わせてもよい。なお、制御装置７００の詳細な構成も後述する。

中央制御装置８００は、例えばサーバであり、ネットワーク８を介して粒子線照射システム１の全体を制御可能であるとともに、患者９００の治療計画情報を制御装置７００に送信する。

移動床１０００は、回転ガントリ４００の内部空間に設けられ、回転ガントリ４００の回転とは無関係に水平でフラットな床面を維持する。この移動床１０００を利用して、治療の前後で技師や看護師が患者９００にアクセスしたり、緊急時に患者９００が治療台から降りたりする。

図２は、照射装置３００の詳細な構成を示す図である。この図２に示すように、照射装置３００は、例えばラスタースキャニング方式、スポットスキャニング方式により患者９００の患部を３次元的に照射可能な装置である。すなわち、この照射装置３００は、Ｘ用電磁石３０２と、Ｙ用電磁石３０４と、正線量モニタ３０６と、副線量モニタ３０８と、位置モニタ３１０と、リッジフィルタ３１２と、レンジシフタ３１４とを備えて構成されている。なお、本実施形態に係る照射方式はラスタースキャニング方式、及びスポットスキャニング方式のうちのいずれかであるが、これらに限定されずワブラー方式などの他の照射方式を用いてもよい。ワブラー方式では、均一に広げた粒子線をボーラス、及びコリメータを用いて、腫瘍の形状に合わせて照射する。また、加速装置１００側で粒子線のエネルギーを調整する場合には、レンジシフタ３１４は設け無くともよい。

より具体的には、照射装置３００は、患者９００の患部９０２を粒子線の軸と垂直方向（Ｚ軸と垂直方向）にスライスと呼ばれる平板状の単位で分割し、分割したスライスＺｉ、スライスＺｉ＋１、スライスＺｉ＋２等の各スライス上の２次元格子点を順次走査する。上述のように、本実施形態では照射装置３００のビーム軸方向をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する方向をＸ軸とし、Ｚ軸及びＸ軸に直交する方向をＹ軸とする。

図３は、ラスタースキャニング方式によるスライス上の走査パターンの一例を示す図である。図３に示すように、点がスライス（図２）上の２次元格子点を示している。左上の格子点から右下の格子点に到る軌跡パターンに沿って粒子線が走査される。ラスタースキャニング方式では、粒子線は連続的に照射されるが、照射スポット毎に線量の管理がされる。また、ラスタースキャニング方式では、スライス間の移動時には、粒子線の出射を停止する。

一方で、スポットスキャニング方式は、照射スポット毎に粒子線がＯＮ／ＯＦＦされる。すなわち、照射スポット毎に線量の管理がされ、照射スポット間の移動時には、粒子線の出射が停止されている。

図２に示すように、Ｘ用電磁石３０２は、ビーム輸送系２００（図１）から導入された粒子線をＸ方向に偏向させる。Ｙ用電磁石３０４は、ビーム輸送系２００から導入された粒子線をＹ方向に偏向させる。これにより、粒子線は、例えば図３で示した軌跡に沿って、照射方向が切り替えられ、スライス面上を２次元状に走査される。

正線量モニタ３０６は、例えば粒子線による気体との電離作用によって生じた電荷を平行電極で収集する電離箱を有しており、照射する粒子線の線量を計測して、粒子線における線量の情報を有する電気信号を出力する。副線量モニタ３０８は、正線量モニタ３０６と同等の構成であり、照射する粒子線の線量を計測して、粒子線の線量の情報を有する電気信号を出力する。

位置モニタ３１０は、粒子線の照射位置を計測する。より具体的には、位置モニタ３１０は、例えばＸ方向及びＹ方向に夫々並列に配列された線状電極を有し、線状電極が出力する電気信号に基づき、粒子線の重心の位置情報を含む信号を出力する。

リッジフィルタ３１２は、ブラッグピークをビーム軸方向に拡散させるために設けられている。例えば、リッジフィルタ３１２は、断面が略２等辺三角形のアルミニウム棒状部材を複数並べて構成されている。

レンジシフタ３１４は、粒子線のエネルギーを調整し、粒子線がＺ軸方向に停止する位置、すなわちスライスの位置を制御する。レンジシフタ３１４は、例えば複数の厚さのアクリル板から構成されており、これらのアクリル板を組み合わせることによってレンジシフタ３１４を通過する粒子線のエネルギーが調整される。なお、レンジシフタ３１４は、加速装置１００で粒子線のエネルギーを調整する場合には、設けなくともよい。

図４及び図５に基づき、粒子線モニタ５００の詳細な構成例を説明する。

図４は、準非破壊型の粒子線モニタ５００の詳細な構成を示す図である。ここで、非破壊型の粒子線モニタ５００とは、粒子線の測定により粒子線の性状（線量、位置、サイズ、エネルギーなど）に影響を与えない粒子線モニタを意味する。一方で、準非破壊型の粒子線モニタ５００とは、測定による粒子線への影響が限定的である粒子線モニタを意味する。例えば準非破壊型の粒子線モニタ５００では、粒子線の一部が粒子線モニタ５００の有感部と作用することで粒子線の測定が行われるが、この作用に寄与する粒子線は粒子線線量のごく一部であるため、粒子線の測定を行わない場合と同等の粒子線を照射可能となる。

この図４に示すように、準非破壊型の粒子線モニタ５００は、薄膜５０４と、電源５０６と、電極５０８と、電流増幅器５１０とを備えて構成されている。薄膜５０４は、例えば９９．９％以上の粒子線を透過する薄膜である。この薄膜５０４を構成する原子に粒子線が衝突すると、粒子線が薄膜で失ったエネルギーに比例した量の二次電子が放出される。

電源５０６は、電極５０８に正電圧を印加する。電極５０８は、薄膜５０４が放出した二次電子に比例する電流を電流増幅器５１０に供給する。或いは、電流増幅器５１０を薄膜５０４に接続して。放出した二次電子に相当する電流を測定してもよい。

電流増幅器５１０は、供給された電流を増幅し信号処理回路５５０に供給する。このように、準非破壊型の粒子線モニタ５００によれば、粒子線への影響を抑制した状態で、粒子線の線量を測定可能となる。このため、照射装置３００の照射中においてもビーム輸送系２００内の粒子線の測定が可能となる。

図５は、非破壊型の粒子線モニタ５００の詳細な構成を示す図である。この図５に示すように、粒子線モニタ５００は、粒子線の線量を維持させる非破壊型であり、磁気コア５１２と、定電流源５１４と、ホール素子５１６と、増幅器５１８とを備えて構成されている。磁気コア５１２は、電荷を帯びた粒子線に応じた磁束を生成する。

ホール素子５１６は、磁気コア５１２内の空隙部に配置された磁電変換素子である。このホール素子５１６は、電荷を帯びた粒子線により発生した空隙部の磁束密度を検出する。すなわち、このホール素子５１６のホール電圧が磁束密度の２乗に比例する。増幅器５１８は、ホール素子５１６のホール電圧を増幅する。

このように、非破壊型の粒子線モニタ５００によれば、ホール素子５１６のホール電圧を測定することにより、粒子線へ影響を与えずに、粒子線の線量を測定可能となる。このため、照射装置３００の照射中においても粒子線の測定が可能となる。

図６は、粒子線遮断装置６００の詳細な構成を示す図である。この図６に示すように、粒子線遮断装置６００は、偏向電磁石６０２と、ビームダンプ６０４とを備えて構成されている。また、この図６は、更に分岐経路２０８を図示している。

偏向電磁石６０２は、制御装置の制御に基づき、偏向磁界を生成する。これにより、粒子線は偏向され、分岐経路２０８側を進行する。ビームダンプ６０４は、粒子線のエネルギーを吸収し、粒子線を遮断する。このように、粒子線遮断装置６００は、照射装置３００へ輸送される前の粒子線を遮断できる。

図１に基づき制御装置７００の詳細な構成を説明する。加速装置制御部７０２は、加速装置１００の制御を行う制御部であり、イオン発生源１０２における粒子の生成の開始、粒子の生成量、及び粒子の生成の停止と、加速器１０４の高周波加速空洞１０６における粒子線の加速と、出射用偏向器１１２を通して出射される粒子線の出射及び停止とを制御する。これにより、加速装置制御部７０２は、加速装置１００からビーム輸送系２００に出射される粒子線のエネルギー、出射の開始タイミング、及び出射の停止タイミングを制御することが可能となる。

輸送装置制御部７０４は、ビーム輸送系２００の制御を行う。より具体的には、輸送装置制御部７０４は、ビーム輸送系２００が有する偏向電磁石２０４及び四極電磁石２０６に流す励磁電流を制御し、加速装置１００から出射された粒子線を照射装置３００に輸送させる。

照射装置制御部７０６は、Ｘ用電磁石３０２及びＹ用電磁石３０４（図２）の励磁制御を行い、例えば図３に示す走査パターンに従う照射を照射装置３００に行わせる。また、照射装置制御部７０６は、正線量モニタ３０６、副線量モニタ３０８、及び位置モニタ３１０の出力信号に基づき、停止信号を出力する。例えば、照射装置制御部７０６は、正線量モニタ３０６の測定値と治療計画に基づく線量との差分が所定値よりも大きい場合、正線量モニタ３０６の測定値と、副線量モニタ３０８の測定値との差分が所定値よりも大きい場合、位置モニタ３１０により計測された粒子線の照射位置と治療計画に基づく照射位置との差分が所定値よりも大きい場合などに、停止信号を出力する。

粒子線遮断装置制御部７０８は、粒子線遮断装置６００の制御を行う。より具体的には、粒子線遮断装置制御部７０８は、粒子線の遮断を行う場合に、粒子線遮断装置６００の偏向電磁石６０２の励磁制御を行い、粒子線を分岐経路２０８側に進行させる。

記憶部７１０は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、ハードディスク、光ディスク等により実現される。記憶部７１０は、制御装置７００により実行されるプログラムと、中央処理装置８００から供給された患者９００の治療計画などを記憶している。

表示装置７１２は、例えばモニタであり、各種の情報を表示する。この表示装置７１２は、制御装置７００の表示信号に基づき、粒子線の線量値、位置、サイズなどの情報を画像として表示する。

操作装置７１４は、操作者からの各種の入力操作を受け付け、受け付けた入力操作を電気信号に変換して制御装置７００に出力する。例えば、操作装置７１４は、粒子線遮断装置６００に粒子線を遮断させる遮断指示信号や、粒子線遮断装置６００に遮断させる遮断条件等を操作者から受け付ける。例えば、操作装置７１４は、マウスやキーボード、トラックボール、スイッチ、ボタン、ジョイスティック等により実現される。

図７は、粒子線モニタ５００の測定値と正線量モニタ３０６とを表示装置７１２に並べて表示している例を示す図である。上側の図は粒子線モニタ５００の測定値を示す図であり、下側の図は正線量モニタ３０６の測定値を示す図である。上側の図の縦軸は粒子線モニタ５００の測定値を示し、下側の図の縦軸は正線量モニタ３０６の測定値を示し、横軸はそれぞれ時間を示している。

この図７に示すように、技師などの操作者は、表示装置７１２に表示される粒子線モニタ５００の測定信号、照射装置３００の正線量モニタ３０６、副線量モニタ３０８、及び位置モニタ３１０からの測定信号を監視している。また、操作者は、粒子線モニタ５００の測定信号と、正線量モニタ３０６、副線量モニタ３０８、及び位置モニタ３１０からの測定信号とを比較することにより、粒子線の異常状態を容易に把握することが可能となる。例えば操作者は、粒子線モニタ５００の測定値と正線量モニタ３０６の測定値との差が大きくなっている場合などに、操作装置７１４を介して粒子線遮断装置制御部７０８に遮断信号を入力する。

これにより、粒子線遮断装置制御部７０８は、粒子線遮断装置６００の偏向電磁石６０２の励磁制御を行い、粒子線を分岐経路２０８側に進行させ、粒子線を遮断させる。このように、操作者の操作によっても、粒子線遮断装置６００に粒子性の遮断を行わせることが可能であり、無効照射を回避させることができる。ここでの無効照射とは、治療計画に基づき定められた粒子線の照射線量と実際に照射された照射線量との差分が所定値よりも大きくなることを意味する。或いは、治療計画に基づき定められた粒子線の照射位置と実際に照射された照射位置との差分が所定値よりも大きくなることを意味する。

なお、本実施形態に係る制御装置７００は、例えば、プロセッサにより構成される。ここで、プロセッサという文言は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、或いは、特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ： ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ： ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ： ＣＰＬＤ）、及び、フィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ： ＦＰＧＡ）等の回路を意味する。プロセッサは、記憶部７１０に保存されたプログラムを読み出して実行することにより機能を実現する。なお、記憶部７１０にプログラムを保存する代わりに、プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むよう構成して構わない。また、複数の独立したプロセッサを組み合わせて制御装置７００を構成し、各プロセッサがプログラムを実行することにより機能を実現するものとしても構わない。

以上説明したように、本実施形態によれば、粒子線モニタ５００をビーム輸送系２００における加速装置１００のダクト２０２への出射口２０２ａと粒子線遮断装置６００との間に設けたので、照射装置３００の照射中も継続してビーム輸送系の途中における粒子線の測定を行うことが可能となる。この場合、照射装置３００のＸ用電磁石３０２及びＹ用電磁石３０４の偏向を受ける前の粒子線の測定が可能となり、Ｘ用電磁石３０２及びＹ用電磁石３０４の影響を除いた粒子線の測定値を得ることができる。また、粒子線遮断装置６００により粒子線を遮断した場合にも、遮断する前の粒子線と遮断後の粒子線を同一の粒子線モニタ５００により測定が可能であり、遮断前と遮断後の粒子線の測定を連続して行うことができる。さらにまた、粒子線モニタ５００を準非破壊型、又は非破壊型とすることにより、粒子線の測定による粒子線への影響を抑制できる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る粒子線照射システムは、粒子線モニタの測定値に基づき、粒子線遮断装置に遮断させるか否かを判定する判定部を更に設けた点で第１実施形態と相違する。以下では、第１実施形態と相違する点について説明する。

図８は、第２実施形態に係る粒子線照射システム１の構成を示す構成図である。図８に示すように、制御装置７００は、判定部７１６を備えることで第１態に係る粒子線照射システム１と相違する。判定部７１６は、粒子線モニタ５００の測定値に基づき、粒子線遮断装置６００に粒子線の遮断を行わすか否かを判定する。

図９Ａ及び図９Ｂは、第２実施形態に係る粒子線モニタ５００の構成例を示す図である。図９Ａは、モニタ５２０、５２２薄膜５０４の構成例を示す図であり、（a)は、分割薄膜を水平配置したモニタ５２０の構成例を示す図であり、（ｂ)は、分割薄膜を垂直配置したモニタ５２２の構成例を示す図であり、（ｃ)は、モニタ５２０、５２２を重ねた状態例を示す図である。

図９Ｂは、モニタ５２０、５２２と二次電子収集膜（薄膜）５２４との構成例を示す図である。（a)は、モニタ５２２とカレントアンプ、信号処理回路５０の接続例を示す図であり、（ｂ)は、モニタ５２０、５２２と二次電子収集膜（薄膜）５２４の配置例を示す図である。

図９Ａの(a)図に示すように、モニタ５２０は、複数の分割薄膜５２０Ａを配置している。複数の分割薄膜５２０Ａのそれぞれが絶縁されている。図９Ａの(ｂ)図に示すように、モニタ５２２もモニタ５２０と同等の構成であり、複数の分割薄膜５２２Ａを配置している。複数の分割薄膜５２２Ａのそれぞれが絶縁されている。図９Ａの(ｃ)図に示すように、モニタ５２０、５２２を重ねた状態例では、複数の分割薄膜５２０Ａと複数の分割薄膜５２２Ａとが格子状に配置される。

図９Ｂの（a)に示すように、モニタ５２２の複数の分割薄膜５２２Ａのそれぞれの出力電流は、カレントアンプ５１０により増幅され、信号処理回路５５０で信号処理される。これから分かるように、信号処理回路５５０の出力信号により、粒子線が通過したＸ方向の位置及び通過した粒子線量を検出可能である。同様にモニタ５２０の複数の分割薄膜５２０Ａ（図９Ａ）のそれぞれの出力電流は、カレントアンプ５１０により増幅され、信号処理回路５５０で信号処理される。これにより、信号処理回路５５０の出力信号により、粒子線が通過したＹ方向の位置及び通過した粒子線量を検出可能である。図９Ｂの（ｂ)に示すように、モニタ５２０、５２２を構成する薄膜５２０Ａ、５２２Ａを構成する原子に粒子線が衝突すると、粒子線が薄膜で失ったエネルギーに比例した量の二次電子が放出される。これらの二次電子は、複数の二次電子収集膜（薄膜）５２４のいずれかに収集される。このように、本実施形態に係る粒子線モニタ５００は、粒子線が通過したＸ及びＹ方向の位置及び通過した粒子線量を検出できる。ここで、Ｘ方向は水平方向で有り、Ｙ方向は水平方向と直交する重力方向である。

図１０は、判定部７１６の判定処理による制御例を示すフローチャートである。図１１は、判定部７１６の判定処理例を説明する図である。図１１の上図は、粒子線モニタの５００の各電極５０８ａの信号が信号処理回路５５０により加算され、測定信号としてデジタル信号に変換された例を示す図である。横軸は時間を示し、縦軸は出力信号の値を示している。下図は、判定部７１６が出力信号の値が規定値を超えている場合に停止信号を出力している例を示す図である。横軸は時間を示し、縦軸は停止信号の値を示している。

この図１０に示すように、まず、加速装置１００により生成された粒子線がビーム輸送系２００へと出射され、照射装置３００からの照射が開始される（ステップＳ１００）。粒子線モニタの５００の各電極５０８ａの信号が信号回路によりデジタル信号に変換され、測定信号として判定部７１６に出力される（ステップＳ１０２）。

判定部７１６は、図１１に示すように、測定信号が規定値内か否かを判定する（ステップＳ１０４）。判定部７１６は、測定信号の値が規定値内である場合（ステップＳ１０４のＹＥＳ）、測定信号の監視を継続する。一方で、判定部７１６は、測定信号の値が規定値を超えると（ステップＳ１０４のＮＯ）、遮断信号を粒子線遮断装置６００に出力する。これにより、粒子線遮断装置６００は、分岐経路２０８（図６）側に粒子線を進行させ、粒子線をビームダンパ６０４により遮断する（ステップＳ１０６）。

次に、判定部７１６は、粒子線遮断装置６００に粒子線の遮断を維持させた状態で、照射継続が必要か否かを判定する（ステップＳ１０８）。判定部７１６は、照射継続が不要の場合（ステップＳ１０８のＹＥＳ）、全体処理を終了する。一方で、判定部７１６は、照射継続が必要である場合（ステップＳ１０８のＮＯ）、測定信号が規定値内か否かの判定を継続する（ステップＳ１１０）。判定部７１６は、測定信号の値が規定値内である場合（ステップＳ１１０のＹＥＳ）、判定部７１６は、遮断信号の粒子線遮断装置６００への出力を停止する。これにより、粒子線遮断装置６００は、ダクト２０２（図６）側に粒子線を進行させ、粒子線の遮断を解除する（ステップＳ１１２）。一方で、測定信号の値が規定値を超えていると（ステップＳ１１０のＮＯ）、ステップＳ１０６からの処理を繰り返す。このように制御装置７００は、粒子線モニタ５００の測定値が所定の範囲内である場合に、粒子線をダクト２０２に進行させる電磁石６０２（図６）の励磁制御を行う。第２実施形態のその他の動作は、第１実施形態と同様である。したがって、第２実施形態は、第１実施形態の効果をも得ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、判定部７１６は、測定信号の値が規定値内である場合に、ダクト２０２側に粒子線を進行させ、照射装置３００の照射を継続させる。一方で、判定部７１６は、測定信号の値が規定値を超えた場合に、粒子線遮断装置６００の分岐経路２０８側に粒子線を進行させ、照射装置３００の照射を停止させる。これにより、照射装置３００の照射中に、粒子線遮断装置６００の上流側における粒子線の特性が所定の範囲を超える場合に、粒子線の患者９００への照射を停止できる。この場合、照射装置３００のＸ用電磁石３０２及びＹ用電磁石３０４の偏向を受ける前の粒子線の特性が測定可能であるので、より高精度に粒子線遮断装置６００の制御が可能となる。このため、患者への無効照射をより高精度に抑制できる。また、粒子線遮断装置６００の上流側において粒子線の特性が所定の範囲に戻ると、患者９００への照射を再開するので、患者９００の負担を低減できる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る粒子線照射システムは、フェ−ルセーフ機能を設けた点で第２実施形態と相違する。以下では、第２実施形態と相違する点について説明する。

図１２Ａは、第３実施形態に係る粒子線遮断装置６００の構成を示す構成図である。第２実施形態に係る粒子線遮断装置６００と同等の構成には同一の番号を付して説明を省略する。図１２Ａに示すように、粒子線遮断装置６００は、偏向電磁石６０６と、偏向電磁石６０８と、４極電磁石６１０と、偏向電磁石６１２とを備えて構成されている。図１２Ｂは、照射装置３００の照射を開始する前の偏向電磁石６０６、偏向電磁石６０８、４極電磁石６１０、及び偏向電磁石６１２の励磁電流のＯＮとＯＦＦを示す図である。これら図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、偏向電磁石６０８に何らかの要因により励磁電流が供給されない場合には、粒子線はビームダンプ６０４側へ進行するように構成されている。例えば、偏向電磁石６０８の電源を商用の電力系統にすると、電力系統に停電が生じた場合に、照射装置３００の照射が停止される。これにより、照射装置３００の照射が停止され、電力系統の停電時などの場合には、即時に被検体への照射が回避される。

図１３Ａは、通常の動作時における粒子線の経路を示す図である。図１３Ｂは、照射装置３００の照射中における偏向電磁石６０６、偏向電磁石６０８、４極電磁石６１０、及び偏向電磁石６１２の励磁電流のＯＮとＯＦＦを示している。これら図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、偏向電磁石６０６、偏向電磁石６０８、４極電磁石６１０、及び偏向電磁石６１２に励磁電流が供給されると、粒子線はダクト２０２側へ進行するように構成されている。このように、粒子線遮断装置６００内の全ての電磁石に励磁電流が供給された場合に、照射装置３００の照射が行われる。これにより、偏向電磁石６０６、偏向電磁石６０８、４極電磁石６１０、及び偏向電磁石６１２への励磁電流の供給源に何らかのトラブルが生じた場合に照射装置３００の照射が停止され、被検体への照射が回避される。このように、本実施形態に係る粒子線照射システム１は、フェ−ルセーフ機能により、何らかのトラブルが生じた場合には、照射装置３００への粒子線の輸送を遮断させるように構成されている。第３実施形態のその他の動作は、第２実施形態と同様である。したがって、第３実施形態は、第２実施形態の効果をも得ることができる。なお、偏向電磁石６０６が無くとも粒子線をビームダンプ６０４側へ進行させるように構成してもよい。この場合、偏向電磁石６０６を設けなくともよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、粒子線遮断装置６００内の全ての電磁石に励磁電流が供給された場合に、照射装置３００側のダクト２０２に粒子線を進行させ、偏向電磁石６０８に何らかの要因により励磁電流が供給されない場合に、ビームダンプ６０４側へ粒子線を進行させるように構成した。これにより、停電などの何らかのトラブルが生じた場合には、照射装置３００への粒子線の輸送を遮断させ、被検体への照射が回避される。

上述した実施形態で説明した制御装置７００の少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、制御装置７００の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。

また、制御装置７００の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。

以上、本発明の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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施す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、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

１：粒子線粒子線照射システム、８：ネットワーク、１００：加速装置、２００：ビーム輸送系、２０２：ダクト、２０８：分岐経路、３００：照射装置、５００：粒子線モニタ、５０４：薄膜、５０８：電極、６００：粒子線遮断装置、７００：制御装置

Claims (13)

1. 粒子線を加速する加速装置と、
   前記加速された粒子線を輸送するビーム輸送系と、
   前記ビーム輸送系を介して輸送された粒子線を患者に照射する照射装置と、
   前記ビーム輸送系に設けられ、前記粒子線の前記照射装置への輸送を遮断可能である粒子線遮断装置と、
   前記加速装置の前記ビーム輸送系への出射口と前記粒子線遮断装置との間の前記ビーム輸送系に設けられ、前記粒子線の線量、位置、及びサイズの少なくともいずれかを測定する粒子線モニタと、
   を備える、粒子線照射システム。
2. 前記粒子線モニタの測定値に基づき、前記粒子線遮断装置の制御を行う制御装置を更に備える、請求項１に記載の粒子線照射システム。
3. 前記制御装置は、前記粒子線モニタの測定値が所定の範囲を超えた場合に、前記粒子線遮断装置に前記粒子線を遮断させる、請求項２に記載の粒子線照射システム。
4. 前記制御装置は、前記粒子線の測定値が所定の範囲内になった場合に、前記粒子線遮断装置に前記粒子線の遮断を解除させる、請求項３に記載の粒子線照射システム。
5. 前記照射装置は、前記ビーム輸送系内の粒子線の線量を測定する線量モニタを有しており、
   前記制御装置は、前記粒子線モニタの測定値と、前記線量モニタの測定値とを並べて表示装置に表示させる、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の粒子線照射システム。
6. 前記ビーム輸送系には、前記ビーム輸送系の途中から分岐する分岐経路が設けられており、
   前記粒子線遮断装置は、前記ビーム輸送系及び前記分岐経路の少なくとも一方に前記粒子線を偏向する電磁石と、前記分岐経路に設けられたビームダンプと、を有しており、
   前記制御装置は、前記電磁石の励磁制御を行う、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の粒子線照射システム。
7. 前記制御装置は、前記電磁石が生成する磁界の強度が所定値より小さい場合に、前記粒子線を前記分岐経路側に輸送させる、請求項６に記載の粒子線照射システム。
8. 前記制御装置は、前記粒子線モニタの測定値が所定の範囲内である場合に、前記粒子線を前記ビーム輸送系に輸送させる前記電磁石の励磁制御を行う、請求項６に記載の粒子線照射システム。
9. 前記粒子線モニタは、前記粒子線の透過率が所定値より大きな薄膜と、薄膜から放出された電子が流入する電極とを有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の粒子線照射システム。
10. 前記粒子線モニタは、前記粒子線の線量を維持させる非破壊型である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の粒子線照射システム。
11. 粒子線を加速する加速装置と、前記加速された粒子線を輸送するビーム輸送系と、前記ビーム輸送系を介して輸送された粒子線を患者に照射する照射装置と、前記ビーム輸送系に設けられ、前記粒子線の前記照射装置への輸送を遮断可能である粒子線遮断装置と、前記加速装置の前記ビーム輸送系への出射口と前記粒子線遮断装置との間の前記ビーム輸送系に設けられ、前記粒子線の線量、位置、及びサイズの少なくともいずれかを測定する粒子線モニタと、を備える粒子線照射システムの制御装置であって、
    制御装置は、前記粒子線モニタの測定値が所定の範囲内である場合に、前記照射装置へビームを輸送する側に前記粒子線を偏向させる粒子線遮断装置制御部を有する、粒子線照射システムの制御装置。
12. 粒子線を加速する加速装置と、前記加速された粒子線を輸送するビーム輸送系と、前記ビーム輸送系を介して輸送された粒子線を患者に照射する照射装置と、前記ビーム輸送系に設けられ、前記粒子線の前記照射装置への輸送を遮断可能である粒子線遮断装置と、前記加速装置の前記ビーム輸送系への出射口と前記粒子線遮断装置との間のビーム輸送系に設けられ、前記粒子線の線量、位置、及びサイズの少なくともいずれかを測定する粒子線モニタと、を備える粒子線照射システムの制御方法であって、
    前記粒子線モニタの測定値が所定の範囲内である場合に、前記粒子線遮断装置に前記照射装置へビームを輸送する側に前記粒子線を偏向させる工程を有する、粒子線照射システムの制御方法。
13. 粒子線を加速する加速装置と、
    前記加速された粒子線を輸送するビーム輸送系と、
    前記ビーム輸送系を介して輸送された粒子線を患者に照射する照射装置と、
    前記ビーム輸送系に設けられ、前記粒子線の前記照射装置への輸送を遮断可能である粒子線遮断装置と、を備え、
    前記粒子線遮断装置は、励磁電流が供給される場合に前記照射装置へ前記粒子線を輸送する側に前記粒子線を偏向させる電磁石を有する、粒子線照射システム。

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