JP4179372B2

JP4179372B2 - 直線加速装置、シンクロトロン加速装置、粒子線治療装置および加速装置の制御方法

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Publication number: JP4179372B2
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Inventors: 正一中西; 久原田
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Publication date: 2008-11-12
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Description

本発明は、直線加速装置、シンクロトロン加速装置、粒子線治療装置および加速装置の制御方法に関する。

直線加速装置は、イオン源で発生したイオンを直線加速器で加速し所定エネルギーのイオンビームを出射するものである。この直線加速装置は単体でも使用されるが、医療用等、さらに高エネルギーの粒子線が必要となる場合には、この直線加速装置を、シンクロトロン加速装置の前段加速器とし使用し、前段加速器から出射されるイオンビームをさらにシンクロトロンで加速することで高エネルギーの粒子線を照射するようにしている。

なお、上記直線加速装置を医療用に利用した放射線照射方法としては、例えば特開平７−３０３７１０号公報に開示されているように、患者の呼吸状態により発生したトリガー信号に基づいてシンクロトロン制御系に出射開始信号を出力してシンクロトロンからイオンビームを出射させ、これ以外のときはシンクロトロンを待機状態にするものがある。

上記医療用に使用される場合を含めて、直線加速装置は様々な用途に利用されるため、外部状況に応じてビームの照射時期、あるいは、外部状況に応じて様々な周期のビームを照射させる必要性が高まってきている。

同一の直線加速装置から様々な周期のビームを照射させるには、直線加速器に印加する加速用パルス電圧の周期を変えなければならない。さらに、加速用パルス電圧の周期の変更に伴いイオン源に印加するイオン発生用パルス電圧の周期も変更しなければならない。

そのため、上記のように様々な周期のビームを照射させる場合には、加速用パルス電圧を発生する高周波電源装置、及びイオン発生用パルス電圧を発生するイオン源電源装置でその都度周期の異なるパルス電圧を発生するようにし、そのパルス電圧の周期に応じたエネルギーのビームを照射するようにしていた。

特開平０８−２７６０２４（段落００５７から００７２、図１）特開昭４７−０１６８９９

従来の直線加速装置は上記のように、様々な周期のビームを照射させるために、高周波電源装置、及びイオン源電源装置で周期の異なるパルス電圧を発生するようにしていた。しかしながら、高周波電源装置、及びイオン源電源装置におけるパルス発生の周期が外部の都合で決められると、これら高周波電源装置、及びイオン源電源装置の動作が不安定になる。その結果、熱負荷が変動してイオン源の動作が不安定になったり、パルス波形における時定数が変動して高周波電源装置の制御か困難になったりするという問題点があった。

本発明の上記のような問題点を解決するためになされたもので、安定して様々な周期のビームを照射可能な直線加速装置、シンクロトロン加速装置、粒子線治療装置、及び加速装置の制御方法を提供するものである。

本発明にかかる直線加速装置は、イオン源から出射されるイオンを加速してイオンビームを出射する直線加速器と、一定周期のイオン発生用パルス電圧を上記イオン源に印加するイオン源電源装置と、一定周期の加速用パルス電圧を上記直線加速器に印加する高周波電源装置と、待機状態時には、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、運転状態時には、所定周期毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を変える制御手段とを備えている。

また、制御手段が、イオン発生用パルス電圧と加速用パルス電圧の両方のパルス発生時刻を変えるようにしてもよい。

さらに、直線加速装置が設置される使用室の入退管理装置から出力される信号に基づいて、待機状態から運転状態に切り替えるようにしてもよい。

また、本発明にかかるシンクロトロン加速装置は、所定の運転周期で、入射されたイオンビームを加速し、加速されたイオンビームを出射するシンクロトロンと、イオン源から出射されるイオンを加速して上記シンクロトロンに上記イオンビームを出射する直線加速器と、一定周期のイオン発生用パルス電圧を上記イオン源に印加するイオン源電源装置と、一定周期の加速用パルス電圧を上記直線加速器に印加する高周波電源装置と、上記運転周期に基づいて待機状態から運転状態に切り替え、上記待機状態時には、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、上記運転状態時には、所定周期毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を変える制御手段とを備えている。

また、本発明にかかる粒子線治療装置は、患者の呼吸状態を検出する検出手段と、上記患者に粒子線を照射する照射手段と、入射されたイオンビームを加速し、加速されたイオンビームを上記照射手段に出射するシンクロトロンと、イオン源から出射されるイオンを加速して上記シンクロトロンに上記イオンビームを出射する直線加速器と、一定周期のイオン発生用パルス電圧を上記イオン源に印加するイオン源電源装置と、一定周期の加速用パルス電圧を上記直線加速器に印加する高周波電源装置と、上記検出手段で検出された患者の呼吸状態に基づいて待機状態から運転状態に切り替え、上記待機状態時には、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、上記運転状態時には、所定周期毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を変える制御手段とを備えている。

また、本発明にかかる加速装置の制御方法は、トリガ信号に基づいて、待機状態から運転状態に切り替え、上記待機状態時には、直線加速装置のイオン源に印加する一定周期のイオン発生用パルス電圧のパルスと上記直線加速装置の直線加速器に印加する加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、上記運転状態時には、所定周期毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を変えるものである。

本発明にかかる直線加速装置は、イオン源から出射されるイオンを加速してイオンビームを出射する直線加速器と、一定周期のイオン発生用パルス電圧を上記イオン源に印加するイオン源電源装置と、一定周期の加速用パルス電圧を上記直線加速器に印加する高周波電源装置と、待機状態時には、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、運転状態時には、所定周期毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を変える制御手段とを備えているので、様々な周期のビームを照射させる場合でも、高周波電源装置、及びイオン源電源装置で発生するパルス電圧を一定周期にすることができ、安定した運転をさせることができる。

また、制御手段が、イオン発生用パルス電圧と加速用パルス電圧の両方のパルス発生時刻を変える場合には、両パルス信号のパルスの立ち上がり位置に依存せず、任意の位置で両パルス信号のパルスを同時に発生させることができ、その結果、任意のタイミングで直線加速装置からイオンビームを出射させることができる。

さらに、直線加速装置が設置される使用室の入退管理装置から出力される信号に基づいて、待機状態から運転状態に切り替える場合には、使用室への人の入出に応じてビーム加速を遮断することができる。

また、本発明にかかるシンクロトロン加速装置は、所定の運転周期で、入射されたイオンビームを加速し、加速されたイオンビームを出射するシンクロトロンと、イオン源から出射されるイオンを加速して上記シンクロトロンに上記イオンビームを出射する直線加速器と、一定周期のイオン発生用パルス電圧を上記イオン源に印加するイオン源電源装置と、一定周期の加速用パルス電圧を上記直線加速器に印加する高周波電源装置と、上記運転周期に基づいて待機状態から運転状態に切り替え、上記待機状態時には、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、上記運転状態時には、所定周期毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を変える制御手段とを備えているので、様々な周期のビームを照射させる場合でも、高周波電源装置、及びイオン源電源装置で発生するパルス電圧を一定周期にすることができ、安定した運転をさせることができる。さらに、シンクロトロンの加速パターンが変更されても、運転周期に基づいて待機状態から運転状態に切り替えるようにしているので、加速パターンに応じて直線加速装置の運転の変更をすることができる。

また、本発明にかかる量子線治療装置は、患者の呼吸状態を検出する検出手段と、上記患者に粒子線を照射する照射手段と、入射されたイオンビームを加速し、加速されたイオンビームを上記照射手段に出射するシンクロトロンと、イオン源から出射されるイオンを加速して上記シンクロトロンに上記イオンビームを出射する直線加速器と、一定周期のイオン発生用パルス電圧を上記イオン源に印加するイオン源電源装置と、一定周期の加速用パルス電圧を上記直線加速器に印加する高周波電源装置と、上記検出手段で検出された患者の呼吸状態に基づいて待機状態から運転状態に切り替え、上記待機状態時には、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、上記運転状態時には、所定周期毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を変える制御手段とを備えているので、様々な周期のビームを照射させる場合でも、高周波電源装置、及びイオン源電源装置で発生するパルス電圧を一定周期にすることができ、安定した運転をさせることができる。さらに、待機状態時には、直線加速装置の段階でビーム加速をしないようにしているので、患者への照射精度をあげることができる。

また、本発明にかかる加速装置の制御方法は、トリガ信号に基づいて、待機状態から運転状態に切り替え、上記待機状態時には、直線加速装置のイオン源に印加する一定周期のイオン発生用パルス電圧のパルスと上記直線加速装置の直線加速器に印加する加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、上記運転状態時には、所定周期毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を変えるようにしているので、様々な周期のビームを照射させる場合でも、高周波電源装置、及びイオン源電源装置で発生するパルス電圧を一定周期にすることができ、安定した運転をさせることができる。

実施の形態１．
図１はこの実施の形態１の直線加速装置の構成を示す概略図である。図において、１はイオン源１ａで発生されるイオンを加速してイオンビーム１ｂを出射する直線加速器で、この加速器としては、例えば、ＲＦＱ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＱｕａｄｒｕｐｏｌｅ）等を用いればよい。２はイオン源１ａでイオンを発生させるために、一定周期のパルス電圧（以下、イオン発生用パルス電圧という）をイオン源１ａに印加するイオン源電源装置、３は直線加速器１でイオンを加速させるために、一定周期の高周波のパルス電圧（以下、加速用パルス電圧という）を直線加速器１に印加する高周波電源装置である。

４はイオンビーム照射の可否を制御するためのトリガ信号１１を発生するトリガ信号発生器で、このトリガ信号１１は、直線加速装置の入、切の信号や、外部から入力される信号に応じて発生するようになっている。５はイオン源電源装置２を運転させるためのイオン発生用パルス信号１２を一定周期で発生するパルス信号発生器、６は高周波電源装置３を運転させるための加速用パルス信号１３をトリガ信号１１に応じて生成するためのタイミング制御器で、この制御装置は、複数の論理素子からなる論理回路で構成されている。

そして、このタイミング制御器６の制御により、待機状態（ビーム加速がされない状態）時には、イオン発生用パルス電圧のパルスと加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、運転状態（ビーム加速がなされている状態）時には、所定周期毎に、イオン発生用パルス電圧のパルスと加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、イオン発生用パルス電圧または加速用パルス電圧のパルス発生時刻を変えるようにしている。

なお、イオン発生用パルス電圧は、イオン発生用パルス信号に応じて出力されるので、その波形はイオン発生用パルス信号と同様の波形になる。同様に、加速用パルス電圧も、加速用パルス信号に応じて出力されるので、その波形は加速用パルス信号と同様の波形になる。

次に動作について説明する。まず、周期Ｔで加速されるイオンビームを出射する場合について述べる。図２は図１に示した直線加速装置において周期Ｔで加速されるイオンビームを出射するときの各信号間のタイミングを示すタイミングチャートである。図に示すように、パルス信号発生器５で発生されるイオン発生用パルス信号１２は、待機状態、運転状態時に関係なく、一定周期Ｔのパルス信号である。

一方、トリガ信号発生器４から出力されるトリガ信号１１は、待機状態時には、閉（”１”）の状態に、逆に、運転状態時には、イオン発生用パルス信号１２の各パルスと対応した時刻、すなわち周期Ｔ毎に開”０”の状態にする。なお、加速用パルス信号１３の周期がイオン発生用パルス信号１２の周期と一致する場合には、運転状態時のトリガ信号１１を常に開の状態にしておいてもよい。

そして、タイミング制御器６では、トリガ信号１１が閉の状態では、入力されるイオン発生用パルス信号１２の位相をｄだけずらして（時間ｄだけ進めて）、加速用パルス信号１３を生成し、高周波電源装置３に出力する。逆に、トリガ信号１１が開の状態では、入力されるイオン発生用パルス信号１２をそのまま高周波電源装置３に出力する。すなわち、運転状態時には、待機状態時の加速用パルス信号１３の位相をｄだけずらした（時間ｄだけ遅延させた）信号波形になる。

このように、待機状態時には、イオン発生用パルス信号１２のパルスと加速用パルス信号１３のパルスとが同一時刻に発生しないので、イオン発生用パルス電圧により発生したイオンは、そのタイミングの違いから直線加速器１では加速されずイオンビームは出射されない。逆に、運転状態時には、トリガ信号１１を閉状態から開状態にすることで、イオン発生用パルス電圧のパルスと加速用パルス電圧のパルスとが周期Ｔ毎に同時に発生するので、この周期で生成されたイオンがタイミングよく加速されイオンビームが出射されることになる。

図２では周期Ｔで加速されるイオンビームを出射する場合について述べたが、次に、周期２Ｔで加速されるイオンビームを出射する方法を説明する。図３は図１に示した直線加速装置において周期２Ｔで加速されるイオンビームを出射するときの各信号間のタイミングを示すタイミングチャートである。周期２Ｔで加速されるイオンビームを出射する場合には、運転状態時に、イオン発生用パルス信号１２の偶数番目あるいは奇数番目のパルスに対応した時刻、すなわち周期２Ｔ毎にトリガ信号１１を開の状態にする。なお、イオン発生用パルス信号１２は周期Ｔで加速するときと同様である。

このようにすることで、イオン発生用パルス電圧のパルスと加速用パルス電圧のパルスとが周期２Ｔ毎に同時に発生するので、この周期で生成されたイオンがタイミングよく加速されイオンビームが出射されることになる。なお、周期３Ｔ、４Ｔ、・・・の運転周期にするときには同様にトリガ信号を３Ｔ、４Ｔ毎に開の状態にするようにすればよい。

この実施の形態では、タイミング制御器として論理回路を用いているが、これは特に限定するものではなく、イオン発生用パルス信号の位相をずらす（所定時間、進めたり、遅らせたりする）ことができるものであればよい。

この実施の形態では、待機状態時には、イオン発生用パルス電圧のパルスと加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、運転状態時には、所定周期毎に、イオン発生用パルス電圧のパルスと加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、イオン発生用パルス電圧または加速用パルス電圧のパルス発生時刻を変えるようにしているので、様々な周期のビームを照射させる場合でも、高周波電源装置、及びイオン源電源装置で発生するパルス電圧を一定周期のものにすることができ、安定して運転させることができる。さらに、ビーム加速時期を任意に設定しても電源を安定して運転させることができるので、安定したビームの出射をさせることができる。また、ビームは要求されるときだけに加速すればよいので下流の装置への熱負荷を軽減でき、放射化も軽減できる。

実施の形態２．
実施の形態１では、パルス信号発生器から出力されるイオン発生用パルス信号を制御して加速用パルス信号を生成するようにしているが、この実施の形態２では、パルス信号発生器から加速用パルス信号を出力し、この加速用パルス信号を制御してイオン発生用パルス信号を生成するようにしたものである。

図４はこの実施の形態２の直線加速装置の構成を示す概略図である。図において、４はイオンビーム照射の可否を制御するためのトリガ信号１１を発生するトリガ信号発生器、５は高周波電源装置３を運転させるための加速用パルス信号１３を一定周期で発生するパルス信号発生器、６はイオン原電源装置２を運転させるためのイオン発生用パルス信号１２をトリガ信号１１に応じて生成するためのタイミング制御器である。その他は図１と同様であるので説明は省略する。

なお、動作については、図５、図６に示すように、加速用パルス信号はそのままで、イオン発生用パルス信号１２をタイミング制御器６で制御することにより、イオン発生用パルス信号１２のパルス発生時刻を変える点以外は実施の形態１と同様であるので説明は省略する。なお、実施の形態１と同様の効果を奏することは言うまでもない。

また、実施の形態１、２では、１つのパルス信号発生器からイオン発生用パルス信号と加速用パルス信号とを得るようにしているが、１つのパルス信号発生器ではなく、２つのパルス信号発生器を設け、これらのパルス信号発生器からイオン発生用パルス信号と加速用パルス信号とをそれぞれ出力させるようにしてもよい。

実施の形態３．
実施の形態１、２では、イオン発生用パルス信号または加速用パルス信号のいずれかのパルス発生時刻を変えるようにしているが、この実施の形態３では、イオン発生用パルス信号と加速用パルス信号の両方のパルス発生時刻を変えるようにしたものである。

図７はこの実施の形態３の直線加速装置の構成を示す概略図である。図において、６ａは高周波電源装置３を運転させるための加速用パルス信号１３をトリガ信号１１に応じて生成するためのタイミング制御器、６ｂはイオン源電源装置２を運転させるためのイオン発生用パルス信号１２をトリガ信号１１に応じて生成するためのタイミング制御器である。その他は図１と同様であるの説明は省略する。なお、図７ではタイミング制御器６ａ、６ｂの２つを設けているが、これは特に限定するものではなく、１つの制御器にしてもよい。

そして、このタイミング制御器６の制御により、待機状態時には、イオン発生用パルス電圧のパルスと加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、運転状態時には、所定周期毎に、イオン発生用パルス電圧のパルスと加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、イオン発生用パルス電圧と加速用パルス電圧の両方のパルス発生時刻を変えるようにしている。

次に動作について説明する。まず、周期Ｔで加速されるイオンビームを出射する場合について述べる。図８は図７に示した直線加速装置において周期Ｔで加速されるイオンビームを出射するときの各信号間のタイミングを示すタイミングチャートである。図に示すように、トリガ信号発生器４から出力されるトリガ信号１１は、待機状態時には、閉の状態に、逆に、運転状態時には、周期Ｔ毎に開の状態にする。ここで実施の形態１、２のように、待機状態時のイオン発生用パルス信号あるいは加速用パルス信号の各パルスに対応した時刻ではなく、これら両パルス信号の各パルス間の地点で開の状態になるようにする。

一方、イオン発生用パルス信号１２、加速用パルス信号１３は、タイミング制御器６ａ、６ｂで制御することで、待機状態時には、一定周期Ｔのパルス信号で、かつ、互いに位相がｄだけ異なるパルス信号になるようにしている。そして、運転状態（トリガ信号１１が開の状態）時には、待機状態時のイオン発生用パルス信号１２の位相をｄ／２だけずらし（時間ｄ／２だけ遅らせ）、さらに、加速用パルス信号１３の位相をｄ／２だけずらす（時間ｄ／２だけ進める）。すなわち、運転状態時には、待機状態時のイオン発生用パルス信号、及び加速用パルス信号１３の各位相をそれぞれｄ／２だけずらすことで、両パルスが同時刻に発生するようにしている。

このように、待機状態時には、イオン発生用パルス信号１２のパルスと加速用パルス信号１３のパルスとが、同一時刻に発生しないので、イオン発生用パルス電圧により発生したイオンは、そのタイミングの違いから直線加速器では加速されずイオンビームは出射されない。そして、運転状態時には、トリガ信号１１を閉状態から開状態にすることで、イオン発生用パルス電圧のパルスと加速用パルス電圧のパルスと間の地点で周期Ｔ毎に、両パルス電圧のパルスが共に発生するので、この周期で生成されたイオンがタイミングよく加速されイオンビームが出射されることになる。

図８では周期Ｔで加速されたイオンビームを出射する場合について述べたが、周期２Ｔ、３Ｔで加速されたイオンビームを出射する方法は実施の形態１と同様にトリガ信号を３Ｔ、４Ｔ毎に開の状態にするようにすればよい。

この実施の形態では、イオン発生用パルス信号の位相と加速用パルス信号の位相の両方を変えるようにしているので、両パルス信号のパルスの立ち上がり位置に依存せず、任意の位置で両パルス信号のパルスを同時に発生させることができる。その結果、任意のタイミングで直線加速装置の加速が可能となり、任意のタイミングで直線加速装置からイオンビームを出射させることができる。

上記実施の形態１〜３では、運転状態時にパルス信号のパルスをずらしてパルス発生時刻を変えるようにしているが、所定の時刻にパルスを発生させることでパルスの発生時刻を変えるようにしてもよい。

実施の形態４．
この実施の形態４では、実施の形態１で説明した直線加速装置を、直線加速装置が設置される使用室の入退管理装置から出力される信号に基づいて、待機状態から運転状態に切り替えるようにしたものである。

図９はこの実施の形態４の直線加速装置及びこの直線加速装置が設置される使用室（入退管理装置を含む）を示す概略図である。図において、４１は直線加速装置が設置される使用室の一部を構成する遮蔽壁、４２は使用室に設けられたドア、４３は使用室への入退を管理する入退管理装置、４４は入退管理装置４３から出力される信号に基づいて直線加速装置のトリガ信号の制御をするパルス制御装置である。

次に動作について説明する。図１０は入退管理装置４３から出力される信号とトリガ信号１１との関係を示すタイミングチャートである。図に示すように、入退管理装置４３からは、使用室への入室、退室のときに信号を発生するようにしている。なお、入室、退室の判断には様々な手法があるが、従前の方法を用いればよい。また、トリガ信号１１は上記出力信号により、使用室に人が入っている状態のとき（入室信号から退室信号までの間）には、トリガ信号１１を閉状態にする。なお、その他の時には、実施の形態１と同様の動作をさせる。

この実施の形態では、入退管理装置から人の入退を示す信号を発信し、パルス制御装置で、人の入室時にはトリガ信号を閉の状態にしているので、使用室への人の入出に応じて自動的にビーム加速を遮断することができる。また、使用室へのドアの開閉によってトリガ信号を制御するようにしてもよく、この場合には、トリガ信号はドアインターロックとしても利用でき、上記と同様の効果も奏することになる。

また、図１１はこの実施の形態４の他の直線加速装置及びトリガ信号発生装置を示す概略図である。図において、４５は管理区域外に設置されたエリアモニタ放射線監視装置である。その他は図１と同様であるので説明は省略する。図に示すように、図１１では、エリアモニタ放射線監視装置４５からの警告信号をトリガ信号１１の制御信号として使用することにより、放射線監視機能を簡素化するようにしたものである。このようにすることで、低コストな放射線管理システムを提供することができる。

実施の形態５．
この実施の形態５では、実施の形態１〜４で説明した直線加速装置をシンクロトロン加速装置の前段加速装置として使用したものである。

図１２はこの実施の形態５のシンクロトロン加速装置の構成を示す概略図である。図において、５１は所定の運転周期で、直線加速装置２から入射されるイオンビームを加速空洞及び偏向磁石に通して加速し、加速されたイオンビームを出射するシンクロトロンである。その他は図１と同様であるので説明は省略する。なお、トリガ信号発生器４はシンクロトロン５１での運転周期に対応してトリガ信号１１を発生する。

図１３は図１２に示したシンクロトロン５１の加速パターンを示す図である。図において、縦軸はビームエネルギーを、横軸は時間を示している。図に示すように、シンクロトロン加速装置から出射されるビームエネルギーは、そのエネルギー値に応じて加速周期（シンクロトロンの運転周期）が変わる。例えば、実線の運転周期で運転した場合には、高いエネルギーのビームが出射され、破線の運転周期で運転した場合には、低いエネルギーのビームが出射されることになる。

図１４は加速パターンと直線加速装置における各信号との関係を示す図である。シンクロトロン加速装置では出射するビームエネルギーを変化させることで、その運転周期を変更させる必要がある。そのため、直線加速装置からシンクロトロン５１に入射するイオンビームもシンクロトロン５１の運転周期に合わせて入射する必要がある。

このようにタイミングを合わせるために、シンクロトロン５１の運転開始時刻に合わせてトリガ信号１１を開の状態に切り替えるようにする。すると、このトリガ信号１１に応じて直線加速装置が運転状態に入るので、シンクロトロン５１の運転周期に応じて直線加速装置からイオンビームが入射されることになる。

なお、実際には、直線加速装置が運転状態に入ってからイオンビームが出射されるまでに時間がかかるので、この時間分だけ前にトリガ信号１１を発生させるようにする。また、イオン発生用パルス信号１２及び加速用パルス信号１３の周期はシンクロトロン５１での運転周期の中の最も短いものと同じかそれよりも小さな周期になるようにする。

この実施の形態では、シンクロトロンの運転周期に合わせて直線加速装置のトリガ信号を制御するようにしているので、実施の形態１と同様の効果を奏するとともに、シンクロトロン運転中にシンクロトロンの加速パターンを変更しても、同時にトリガ信号の周期を変更することで、直線加速装置の運転の変更が可能である。なお、この時も、高周波電源装置およびイオン源電源装置は一定周期で運転させることができる。また、シンクロトロンにおいてビーム加速を必要としない時間帯においては直線加速器を制御してシンクロトロンへのビーム入射を中断できるので、シンクロトロンの各機器の放射化を抑えることができる。

実施の形態６．
この実施の形態６は、ビーム輸送系に設けられたビーム診断装置に、直線加速装置のトリガ信号を入力し、このトリガ信号に応じて、ビーム診断装置を動作させるようにしたものである。

図１５はこの実施の形態６のシンクロトロン加速装置を示す概略図である。図において、５１ａ、５１ｂはシンクロトロン５１のビーム輸送系や直線加速装置とシンクロトロン５１との間に設けられたビーム診断装置で、このビーム診断装置としては、高速外部トリガーシャッター機能を備えたカメラ等が挙げられる。また、トリガ信号１１はタイミング制御器６のみでなく、ビーム診断装置５１ａ、５１ｂにもそれぞれ入力するようにしている。その他は図１２と同様であるので説明は省略する。

図に示すように、ビーム診断装置５１ａ、５１ｂには、直線加速装置からのトリガ信号１１が入力されるので、このトリガ信号１１に基づいてビーム診断装置５１ａ、５１ｂの動作を制御できる。例えばビーム診断装置５１ａ、５１ｂがビームの形状を撮影する高速外部トリガーシャッター機能を備えたカメラの場合には、トリガー信号１１をカメラの外部トリガーとして用いることで加速されたビームを瞬時に、しかもタイミング良く捕らえることができる。さらに、画像処理装置にトリガ信号１１を入力することにより、常にビーム形状が解析できるシステムとすることができる。

実施の形態７．
実施の形態５、６では、直線加速装置をシンクロトロン加速装置の前段加速装置として用いる場合について述べたが、この実施の形態では、このシンクロトロン加速装置を粒子線治療装置の加速装置として用い、患者の呼吸状況に応じて前段加速器としての直線加速装置を制御するようにしたものである。

図１６はこの実施の形態７の粒子線治療装置及び患者を示す概略図である。図において、７１は患者、７２は患者７１の呼吸状態を検出する検出手段としてのセンサーで、この検出手段で検出された検出結果はトリガ信号発生器４に入力される。また、７３はシンクロトロン５１から出射されるイオンビームを所定位置まで輸送する輸送系、７４は患者７１等に粒子線を照射する照射装置である。その他は図１２と同様であるので説明は省略する。

図に示すように、トリガ信号１１を制御する信号として患者７１の呼吸等を検知するセンサー７２からの信号を利用している。患者７１の呼吸等を利用する制御方法としては従前から呼吸同期方式として知られているが、この実施の形態では、この呼吸同期方式を用いて、先に説明した直線加速装置を制御するようにしたものである。

呼吸や心拍等生理的活動を含めた患者７１の動きにより照射の対象である患部が動く場合には、高精度な照射を実現しにくくなるが、患者７１の動きを検知して、これを加速器ビーム出射の制御に利用すると、患者７１の動きと粒子線の照射タイミングが一致し精度よく照射することができる。より詳細には、患者７１の動きによりセンサーからの信号を演算処理装置に入力し、演算処理装置においてビーム加速の可否の情報をトリガー信号１１として出力し、このトリガー信号１１により、直線加速装置でのビーム加速を制御する。なお、トリガー信号１１とビーム加速の関係は実施の形態１と同様にすればよい。

この実施の形態では、シンクロトロン加速装置を粒子線治療装置の加速装置として用い、患者の呼吸状況に応じて前段加速器としての直線加速装置を制御するようにしているので、実施の形態１、５と同様の効果を奏するとともに、センサーが照射不可の信号であれば、直線加速装置の段階でビーム加速しないようにしているので、患者への照射精度をあげることができる。また、呼吸同期方式を低コストで実現することができる。

上記各実施の形態では、イオン発生用パルス信号の周期と加速用パルス信号の周期とを同じにしているが、これは特に限定するものではなく、待機状態時の同一時刻に両パルス信号のパルスが発生しないものであればよい。なお、一方のパルス信号が他方のパルス信号の整数倍の周期を有するのが好ましい。

本発明の実施の形態１の直線加速装置の構成を示す図である。図１に示した直線加速装置の各信号間のタイミングを示すタイミングチャートである。図１に示した直線加速装置の各信号間のタイミングを示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態２の直線加速装置の構成を示す図である。図４に示した直線加速装置の各信号間のタイミングを示すタイミングチャートである。図４に示した直線加速装置の各信号間のタイミングを示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態３の直線加速装置の構成を示す図である。図７に示した直線加速装置の各信号間のタイミングを示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態４の直線加速装置及びこの直線加速装置が設置される使用室を示す図である。入退管理装置から出力される信号とトリガ信号との関係を示すタイミングチャートである。本発明の実施の形態４の直線加速装置を示す図である。本発明の実施の形態５のシンクロトロン加速装置を示す図である。図１２に示したシンクロトロンの加速パターンを示す図である。加速パターンと直線加速装置における各信号との関係を示す図である。本発明の実施の形態６の直線加速装置を示す図である。本発明の実施の形態７の粒子線治療装置及び患者を示す図である。

符号の説明

１直線加速器１ａイオン源
１ｂイオンビーム２イオン源電源装置
３高周波電源装置４ゲート信号発生器
５パルス信号発生器
６、６ａ、６ｂタイミング制御器
１１ゲート信号１２イオン源電源パルス信号
１３高周波電源パルス信号
４１遮蔽壁４２ドア
４３入退管理装置４４パルス制御装置
４５エリアモニタ放射線監視装置
５１シンクロトロン５１ａ、５１ｂビーム診断装置
７１患者７２検出手段
７３輸送系７４照射装置

Claims

イオン源から出射されるイオンを加速してイオンビームを出射する直線加速器と、
第１の一定周期のイオン発生用パルス電圧を上記イオン源に印加するイオン源電源装置と、
上記第１の周期との初期位相の違いによって待機状態時には上記イオン発生用パルス電圧とは同時にパルスが発生しない第２の一定周期の加速用パルス電圧を上記直線加速器に印加する高周波電源装置と、
上記待機状態時には、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、運転状態時には、上記加速器から出射されるイオンビームが入射されるシンクロトロンの加速パターンにより定まる所定のタイミング毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を上記第１または第２の一定周期により定まる時刻から変える制御手段とを備えたことを特徴とする直線加速装置。
イオン源から出射されるイオンを加速してイオンビームを出射する直線加速器と、
第１の一定周期のイオン発生用パルス電圧を上記イオン源に印加するイオン源電源装置と、
上記第１の周期との初期位相の違いによって待機状態時には上記イオン発生用パルス電圧とは同時にパルスが発生しない第２の一定周期の加速用パルス電圧を上記直線加速器に印加する高周波電源装置と、
上記待機状態時には、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、運転状態時には、患者の呼吸状況に応じて定まる所定のタイミング毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を上記第１または第２の一定周期により定まる時刻から変える制御手段とを備えたことを特徴とする直線加速装置。
制御手段は、イオン発生用パルス電圧と加速用パルス電圧の両方のパルス発生時刻を変えることを特徴とする請求項１又は２記載の直線加速装置。
直線加速装置が設置される使用室の入退管理装置から出力される信号に基づいて、待機状態から運転状態に切り替えることを特徴とする請求項１又は２記載の直線加速装置。
所定の運転周期で、入射されたイオンビームを加速し、加速されたイオンビームを出射するシンクロトロンと、
イオン源から出射されるイオンを加速して上記シンクロトロンに上記イオンビームを出射する直線加速器と、
第１の一定周期のイオン発生用パルス電圧を上記イオン源に印加するイオン源電源装置と、
上記第１の周期との初期位相の違いによって待機状態時には上記イオン発生用パルス電圧とは同時にパルスが発生しない第２の一定周期の加速用パルス電圧を上記直線加速器に印加する高周波電源装置と、
上記運転周期に基づいて待機状態から運転状態に切り替え、上記待機状態時には、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、上記運転状態時には、上記加速器から出射されるイオンビームが入射されるシンクロトロンの加速パターンにより定まる所定のタイミング毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を上記第１または第２の一定周期により定まる時刻から変える制御手段とを備えたことを特徴とするシンクロトロン加速装置。
所定の運転周期で、入射されたイオンビームを加速し、加速されたイオンビームを出射するシンクロトロンと、
イオン源から出射されるイオンを加速して上記シンクロトロンに上記イオンビームを出射する直線加速器と、
第１の一定周期のイオン発生用パルス電圧を上記イオン源に印加するイオン源電源装置と、
上記第１の周期との初期位相の違いによって待機状態時には上記イオン発生用パルス電圧とは同時にパルスが発生しない第２の一定周期の加速用パルス電圧を上記直線加速器に印加する高周波電源装置と、
上記運転周期に基づいて待機状態から運転状態に切り替え、上記待機状態時には、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、上記運転状態時には、患者の呼吸状況に応じて定まる所定のタイミング毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を上記第１または第２の一定周期により定まる時刻から変える制御手段とを備えたことを特徴とするシンクロトロン加速装置。
患者の呼吸状態を検出する検出手段と、
上記患者に粒子線を照射する照射手段と、
入射されたイオンビームを加速し、加速されたイオンビームを上記照射手段に出射するシンクロトロンと、
イオン源から出射されるイオンを加速して上記シンクロトロンに上記イオンビームを出射する直線加速器と、
第１の一定周期のイオン発生用パルス電圧を上記イオン源に印加するイオン源電源装置と、
上記第１の周期との初期位相の違いによって待機状態時には上記イオン発生用パルス電圧とは同時にパルスが発生しない第２の一定周期の加速用パルス電圧を上記直線加速器に印加する高周波電源装置と、
上記検出手段で検出された患者の呼吸状態に基づいて待機状態から運転状態に切り替え、上記待機状態時には、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、上記運転状態時には、上記加速器から出射されるイオンビームが入射されるシンクロトロンの加速パターンにより定まる所定のタイミング毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を上記第１または第２の一定周期により定まる時刻から変える制御手段とを備えたことを特徴とする粒子線治療装置。
患者の呼吸状態を検出する検出手段と、
上記患者に粒子線を照射する照射手段と、
入射されたイオンビームを加速し、加速されたイオンビームを上記照射手段に出射するシンクロトロンと、
イオン源から出射されるイオンを加速して上記シンクロトロンに上記イオンビームを出射する直線加速器と、
第１の一定周期のイオン発生用パルス電圧を上記イオン源に印加するイオン源電源装置と、
上記第１の周期との初期位相の違いによって待機状態時には上記イオン発生用パルス電圧とは同時にパルスが発生しない第２の一定周期の加速用パルス電圧を上記直線加速器に印加する高周波電源装置と、
上記検出手段で検出された患者の呼吸状態に基づいて待機状態から運転状態に切り替え、上記待機状態時には、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、上記運転状態時には、患者の呼吸状況に応じて定まる所定のタイミング毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を上記第１または第２の一定周期により定まる時刻から変える制御手段とを備えたことを特徴とする粒子線治療装置。
トリガ信号に基づいて、待機状態から運転状態に切り替え、上記待機状態時には、直線加速装置のイオン源に印加する第１の一定周期のイオン発生用パルス電圧のパルスと上記直線加速装置の直線加速器に印加する、上記第１の周期との初期位相の違いによって上記待機状態時には上記イオン発生用パルス電圧とは同時にパルスが発生しない第２の一定周期の加速用パルス電圧のパルスとが同一時刻に発生しないように、かつ、上記運転状態時には、上記加速器から出射されるイオンビームが入射されるシンクロトロンの加速パターンにより定まる所定のタイミング毎に、上記イオン発生用パルス電圧のパルスと上記加速用パルス電圧のパルスが同時に発生するように、上記イオン発生用パルス電圧または上記加速用パルス電圧のパルス発生時刻を第１または第２の一定周期により定まる時刻から変えることを特徴とする加速装置の制御方法。