JP4395460B2 - 高周波周波数同調装置、電子加速装置、放射線治療装置及び高周波周波数同調方法 - Google Patents

高周波周波数同調装置、電子加速装置、放射線治療装置及び高周波周波数同調方法 Download PDF

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Description

本発明は、高周波が共振空洞で共振するように周波数を同調させる装置に関する。
高周波を空洞で共振させ、その高周波によって電子を加速させる装置が知られている。加速された電子は、例えば金属ターゲットに照射されてX線を生成するために用いられる。生成されたX線は、例えば放射線治療装置において人体の患部に照射される。
高周波を空洞で共振させるためには、高周波の周波数を空洞の共振周波数に高い精度で一致させる必要がある。共振周波数は、環境の条件や、高周波を空洞に導入することによる温度の変化などによって変化するため、共振周波数の変化を考慮に含めて周波数を調節することが求められる。
非特許文献1の102〜104ページには、加速空洞においてマイクロ波が共振するように自動的に周波数を制御する技術が開示されている。この従来技術においては、加速空洞への進行波の位相とその加速空洞からの反射波の位相の位相差が、−90°〜90°の狭い範囲にある場合は制御可能であるが、それを超える場合は制御できない。更に、特にQ値が高い加速空洞に対しては、−90°〜90°の位相差の範囲内に入る高周波の周波数が非常に狭い範囲となる為、−90°〜90°の制御可能な位相差を実現することが困難であった。
Carzmark,C.J.,Craig S.Nunan and Eiji Tanabe,1993.Medical Electron Accelerators.McGraw−Hill.
本発明の目的は、Q値の高い空洞において高周波が共振するように周波数を調節することを容易にする高周波周波数同調装置を提供することである。
本発明の他の目的は、Q値の高い空洞において高周波が共振するように周波数を調節することを高速にする高周波周波数同調装置を提供することである。
本発明の更に他の目的は、共振空洞における高周波の周波数の調節を電気的なノイズに対してロバストな制御によって行う高周波周波数同調装置を提供することである。
以下に、[発明を実施するための最良の形態]で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
本発明による高周波周波数同調装置は、パルス状高周波を生成する高周波発振部(22)と、高周波が導入される空洞を有する共振空洞部(30)と、空洞において高周波の進行波の位相と反射波の位相との位相差の符号を示す符号データを生成する位相検波部(46)と、符号データを用いてパルス毎に位相差が小さくなるように高周波の周波数を制御する制御部(45)とを備える。
本発明による高周波周波数同調装置において、位相検波部(46)は、位相差の絶対値が所定値よりも小さいときに位相差がゼロであることを示す符号データを生成する。
本発明による高周波周波数同調装置は、第1刻み値(p1)を格納する記憶部(38)を備える。制御部(45)は、パルス毎に符号データに示される符号が反転するまで高周波の周波数を第1刻み値(p1)を単位として繰り返し変更する第1制御動作を行う。
本発明による高周波周波数同調装置において、記憶部(38)は更に、第1刻み値(p1)よりも小さい第2刻み値(p2)を格納する。制御部(45)は、第1制御動作の後に、符号データに示される符号が反転するまで高周波の周波数を第2刻み値(p2)を単位としてパルス毎に繰り返し変更する。
本発明による電子加速装置(3)は、電子線を発生する電子供給部(26)と、電子線を高周波によって加速する加速部(3)とを備える。加速部(3)は、高周波を生成する高周波発振部(22)と、高周波が導入される空洞を有する共振空洞部(30)と、空洞において高周波の進行波の位相と反射波の位相との位相差の符号を示す符号データを生成する位相検波部(46)と、符号データを用いて位相差が小さくなるように高周波の周波数を制御する制御部(45)とを備える。
本発明による放射線治療装置(1)は、電子線を発生する電子供給部(26)と、電子線を高周波によって加速する加速部(3)と、加速部(3)によって加速された電子線が照射されることによりX線を発生する金属ターゲット部(34)とを備える。加速部(3)は、高周波を生成する高周波発振部(22)と、高周波が導入され電子線の加速を行う空洞を有する共振空洞部(30)と、空洞において高周波の進行波の位相と反射波の位相との位相差の符号を示す符号データを生成する位相検波部(46)と、符号データを用いて位相差が小さくなるように高周波の周波数を制御する制御部(45)とを備える。
本発明による高周波周波数同調方法は、高周波を空洞に導入するステップ(S4)と、空洞において高周波の進行波と反射波との位相差の符号を示す符号データを生成するステップ(S8)と、符号データを用いて位相差が小さくなるように高周波の周波数を制御するステップ(S16)とを備える。
本発明によれば、Q値の高い空洞において高周波が共振するように周波数を調節することを容易にする高周波周波数同調装置が提供される。
更に本発明によれば、Q値の高い空洞において高周波が共振するように周波数を調節することを高速にする高周波周波数同調装置が提供される。
更に本発明によれば、共振空洞における高周波の周波数の調節を電気的なノイズに対してロバストな制御によって行う高周波周波数同調装置が提供される。
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
図1は、本実施の形態における放射線治療装置を示す。放射線治療装置1は、中空のリング4を備えている。リング4は、水平もしくは垂直等の概ねリングの直径を貫く回転軸11の周りに回転可能である。リング4には周回軌道15が設けられている。リング4には放射線発生装置2を搭載したジンバル機構5が取り付けられている。この放射線発生装置2はQ値の高い小型Cバンド定在波型電子加速器である。ジンバル機構5は、周回軌道15に沿って移動する。ジンバル機構5は、放射線発生装置2が放射線を照射する方向Aを、図にU軸(周回軌道15に垂直な方向)、V軸(周回軌道15に沿った方向)で示される2軸に沿って変える首振り運動をする。リング4の中心付近には、放射線が集中して照射されるアイソセンタ10がある。放射線治療装置1は、患者Pが横たえられる治療台9を備えている。治療台9に横たえられた患者Pの身体の患部は、アイソセンタ10に位置する。
図2には、放射線発生装置2の構成が示されている。放射線発生装置2は、電子供給部26、加速部3及び金属ターゲット部34を備えている。電子供給部26は電子を発生し加速部3に供給する。加速部3は供給された電子を加速する。金属ターゲット部34は、加速部3が出力する電子線32を受けてX線36を発する。
加速部3は、高周波発振部22を備える。高周波発振部22は、300MHz〜300GHz程度の高周波(あるいはマイクロ波)を発生する。発生する高周波は、例えばSバンド(2856MHz帯域)、Cバンド(5712帯域)等である。加速部3は更に、高周波発振部22が発生した高周波が導入される空洞を有する共振空洞部30、記憶部38、制御部45及び位相検波部46を備える。
記憶部38は、第1刻み値p1、第2刻み値p2、第3刻み値p3及び第4刻み値p4を記憶する。次の関係が成り立つ:p1>p2>p3>p4。p1〜p4は、周波数を調節するときに変更するピッチを示す。例えば、p1=400KHz、p2=200KHz、p3=100KHz、p4=50KHzである。
位相検波部46は高周波発振部22から共振空洞部30に供給される高周波の進行波と共振空洞部30から高周波発振部22の方に戻る高周波の反射波との位相差を検出する。位相検波部46は更に、比較器を備える。比較器は、検出された位相差の符号に応じて異なる信号を出力する。あるいは比較器は、位相差の絶対値が所定値よりも小さいときは合致を示す信号を出力し、そうでないときは位相差の符号に応じて進相を示す信号あるいは遅相を示す信号を出力する。
制御部45は位相検波部46が出力した3値化された位相差と記憶部38に記憶されている刻み値とを用いて高周波発振部22が発生する高周波の周波数を調節する。最近の高周波供給装置では、原発振器にPLL制御(Phase Locked Loop)のシンセサイザ方式を用いるものが多く、周波数を刻み値ごとに変化させる調節は容易である。
図3(a)は、共振空洞部30の共振周波数が5712MHzの場合において、高周波発振部22が供給する高周波24の周波数(横軸)と、進行波の位相φと反射波の位相φとの位相差φ−φ(縦軸)との関係を示している。位相差φ−φは周波数に対して単調に減少する。共振周波数よりも周波数が小さい領域では、位相差φ−φは正である。共振周波数よりも周波数が大きい領域では、位相差φ−φは負である。
周波数の単位量の変化に対する位相差の変化は、共振周波数の付近で大きく、共振周波数から離れるほど小さい。共振空洞部30の共振空洞のQ値が高いと、共振周波数の付近の領域での位相差の変化が急峻であり、共振周波数から少し離れた領域では位相差が+180度あるいは−180度の付近でほとんど一定である。放射線治療装置で用いられる粒子加速器などにおいてはQ値は非常に高い。
図3(b)は、位相差φ−φ(縦軸)と、位相検波部46が検出するFBsin(φ−φ)(横軸)との関係を示す。FBは所定の係数である。図3(b)によれば、一つのFBsin(φ−φ)に対して、二つのφ−φの値が対応している。そのため、高周波24の周波数が共振周波数からある程度以上大きくずれている可能性があると、位相検波部46が検出する値FBsin(φ−φ)から位相差φ−φを一意的に知ることはできない。そのため、高周波24を共振周波数にするために位相差φ−φを用いたフィードバック制御をすることができない。
更に、高周波が共振周波数から離れるほど、周波数の単位量の変化に対する位相差の変化が小さくなるため、FBsin(φ−φ)の変化も小さくなる。そのため、高周波の周波数が共振周波数付近でないときは、FBsin(φ−φ)の測定値に基づいて共振周波数からのずれを計算することが困難である。特にQ値が高い場合には、高周波が共振周波数の付近のごく狭い領域に入っていなければ、FBsin(φ−φ)の測定値に基づいたフィードバック制御をすることは困難である。
図3(c)は、位相差φ−φと、位相検波部46が出力する3値化された位相差(横軸のComparator出力)との関係を示す。位相検波部46は、位相差φ−φの絶対値が所定値よりも小さいとき、進行波と反射波の位相が合致していることを示す信号(図の“Zero”)を出力する。この所定値は、共振空洞のQ値が高いほど小さい値に設定される。
位相検波部46は、位相差φ−φが正で、かつ絶対値が所定値よりも大きいとき、進相であることを示す信号(図の“High”)を出力する。位相検波部46は、位相差φ−φが負で、かつ絶対値が所定値よりも大きいとき、遅相であることを示す信号(図の“Low”)を出力する。位相波検波部46の出力する信号によって、高周波の周波数を共振周波数に近づけるためには周波数をいずれの方向に調節したらよいかを判断することができる。
次に、本実施の形態における放射線治療装置の動作について説明する。まず、患者Pが治療台9の上に配置される。回転軸11の周りのリングの回転、周回軌道15に沿った放射線発生装置2の移動、ジンバル機構5の首振り運動、治療台9の移動などにより、放射線治療装置2から発せられる放射線の中心軸Aが患者Pの患部に向くように調節される。
次に、高周波24が周波数を調節されながら共振空洞部30に供給される。この調節は、以下のようになされる。高周波発振部22からあるパルスが入力されたときに位相検波部46が「進相」であると判定したら、周波数を1刻み加算する。供給周波数が共振周波数より低い場合には位相検波部46の出力は常に「進相」であり、共振周波数を超えるまで周波数の加算が続く。逆に、供給周波数が共振周波数よりも高い場合には位相検波部46の出力は常に「遅相」であり、共振周波数より小さくなるまで周波数の減算が続く。位相差の判定結果が進相から遅相へ、または遅相から進相へ変化したら、刻み値をより小さいものに切り換えて同様の処理を行う。
なお、これらの動作において、最小の刻み値が十分小さい時、合致を判断するための所定値の絶対値を0(零)とし、進相と遅相の2値化された符号のみで周波数を制御することも可能である。
こうした周波数同調の動作は、図4に詳細に示されている。以下の動作は、記憶部38に記憶されているプログラムの手順に従って、制御部45が備えるコンピュータが実行する。
まず、選択されるべき刻み値を指定する変数nが1に設定される(ステップS2)。高周波発振部22が発生する高周波24が共振空洞部30の空洞に導入される(ステップS4)。位相検波部46は、高周波発振部22から共振空洞部30に向かう進行波の位相と共振空洞部30から高周波発振部22に返ってくる反射波の位相との位相差を検出する。検出される量は、図3(b)のFBsin(φ−φ)に相当する量である(ステップS6)。
位相検波部46は、検出された位相差に対応する図3(c)のComparator出力の信号を出力する(ステップS8)。ステップS6における位相差の検出が2回目以降であるとき、ステップS8で3値化された位相差が前回と今回とで反転(すなわち、進相から遅相へ、または遅相から進相へ変化)しているか否かが判定される。位相差が反転していなかったとき、処理はステップS16に移行する(ステップS10NO)。位相差が反転していたとき、処理はステップS12に移行する(ステップS10YES)。
記憶部38に第n+1刻み値が記憶されているか否かが判定される。記憶されていないとき、すなわち、今の例ではn=4であって記憶部38に第5刻み値が記憶されていないとき、処理はステップS16に移行する(ステップS12NO)。記憶部38に第n+1刻み値が記憶されているとき、例えばn=1であって記憶部38に第2刻み値42が記憶されているとき(ステップS12YES)、nに1が加えられて(ステップS14)、処理はステップS16に移行する。
ステップS8において3値化された位相差に基づいて、位相差が小さくなる方向に、第n刻み値のピッチで、高周波24の周波数が調節される(ステップS16)。例えばn=1で進相であるときには、周波数が第1刻み値p1=400KHzだけ増やされる。n=2で遅相であるときには、周波数が第2刻み値p2=200KHzだけ減らされる。位相差が合致であったときは、周波数の変更は行われない。この処理が行われた後、処理はステップS6に移行する。
以上のように調節された高周波は、共振空洞部30において共振する。電子供給部26において発生した電子は、共振空洞部30において高周波によって加速され、金属ターゲット部34に供給される。電子線32を受け取った金属ターゲット部34からはX線36が放射される。X線36は患者Pの患部に照射される。
患者Pに対してX線36の照射が行われている間、図4を参照して説明された周波数を調節する動作は、一旦周波数の同調が行われてからも継続的に行われる。
こうした方法による周波数の同調制御の速度は、高周波発振部22が発生する高周波のパルスの繰り返し周波数と、目標とする同調精度に依存する。例えば、2.856GHzの電子リニアックで目標とする同調精度が50KHzである場合、周波数の加算及び減算は50KHz刻みとする必要がある。加算、減算の刻みを50KHzで一定であるとして、パルス繰り返し周波数が100PPS(Pulse per Second)であれば、5MHz離調した周波数から開始した場合、1秒で同調状態に至る。加算、減算の刻み値として50KHz、100KHz、200KHz及び400KHzの4種類を切り換えて使用した場合、15〜20パルス、すなわち0.15〜0.2秒で同調状態に至り、極めて高速の同調制御が可能となる。
この方法により、空洞への進行波の位相とその空洞からの反射波の位相の位相差が、−180°〜180°の広い範囲にある場合、つまりどのような位相においても、高速に最適な周波数同調制御が可能になる。
また、本実施の形態の場合のように高周波の共振空間を粒子加速器等に用いる場合、大電力の高周波パルスを供給することになり、電気的なノイズや放電等の突発現象が発生する。その場合、位相差φ−φに基づく比例制御などの通常のフィードバック制御を行うと、擾乱を受けてロバスト性に欠ける。これを是正するためにフィードバック制御ループに大きな時定数を持たせると、応答性に欠ける問題が生じる。
本実施の形態に示された周波数の調節方法によれば、あるパルスで放電等の突発事象が発生したとしても、突発事象がそのパルスで終息すれば、1刻み分の周波数制御でエラーが出るのみであり、次のパルスからは正常な制御に戻るため、極めてロバストな制御が可能である。通常、粒子加速器等では、突発事象は1パルス以内程度の短時間で終息するのが通常であるため、本実施の形態における周波数の調節方法は粒子加速器等の周波数同調装置に適した方法である。
図1は、放射線治療装置の構成を示す。 図2は、放射線発生装置の構成を示す。 図3は、位相検波部が出力する信号を説明するための図である。 図4は、制御部の動作を示すフローチャートである。
符号の説明
1…放射線治療装置
2…放射線発生装置
3…加速部
4…リング
5…ジンバル機構
9…治療台
10…アイソセンタ
15…周回軌道
22…高周波発振部
24…高周波
26…電子供給部
28…電子
30…共振空洞部
32…電子線
34…金属ターゲット部
36…X線
38…記憶部
45…制御部
46…位相検波部
p1…第1刻み値
p2…第2刻み値
p3…第3刻み値
p4…第4刻み値

Claims (7)

  1. 高周波を生成する高周波発振部と、
    前記高周波が導入される空洞を有する共振空洞部と、
    前記高周波の進行波の位相と反射波の位相との位相差の符号を示す符号データを生成する位相検波部と、
    前記符号データを用いて前記位相差が小さくなるように前記高周波の周波数を制御する制御部と、
    第1刻み値を格納する記憶部とを具備し、
    前記制御部は、前記符号データに示される符号が反転するまで前記高周波の周波数を前記第1刻み値を単位として繰り返し変更する第1制御動作を行う
    高周波周波数同調装置。
  2. 請求項1に記載された高周波周波数同調装置であって、
    前記位相検波部は、前記位相差の絶対値が所定値よりも小さいときに前記位相差がゼロであることを示す前記符号データを生成する
    高周波周波数同調装置。
  3. 請求項1又は2に記載された高周波周波数同調装置であって、
    前記制御部は、前記位相差の値を用いずに前記符号データに示される符号に基づいて前記第1制御動作を行う
    高周波周波数同調装置。
  4. 請求項3に記載された高周波周波数同調装置であって、
    前記記憶部は更に、前記第1刻み値よりも小さい第2刻み値を格納し、
    前記制御部は、前記第1制御動作の後に、前記符号データに示される符号が反転するまで前記高周波の周波数を前記第2刻み値を単位として繰り返し変更する
    高周波周波数同調装置。
  5. 電子線を発生する電子供給部と、
    前記電子線を高周波によって加速する加速部
    とを具備し、
    前記加速部は、
    前記高周波を生成する高周波発振部と、
    前記高周波が導入される空洞を有する共振空洞部と、
    前記空洞において前記高周波の進行波の位相と反射波の位相との位相差の符号を示す符号データを生成する位相検波部と、
    前記符号データを用いて前記位相差が小さくなるように前記高周波の周波数を制御する制御部と、
    第1刻み値を格納する記憶部とを具備し、
    前記制御部は、前記符号データに示される符号が反転するまで前記高周波の周波数を前記第1刻み値を単位として繰り返し変更する第1制御動作を行う
    電子加速装置。
  6. 電子線を発生する電子供給部と、
    前記電子線を高周波によって加速する加速部と、
    前記加速部によって加速された前記電子線が照射されることによりX線を発生する金属ターゲット部
    とを具備し、
    前記加速部は、
    前記高周波を生成する高周波発振部と、
    前記高周波が導入される空洞を有する共振空洞部と、
    前記空洞において前記高周波の進行波の位相と反射波の位相との位相差の符号を示す符号データを生成する位相検波部と、
    前記符号データを用いて前記位相差が小さくなるように前記高周波の周波数を制御する制御部と、
    第1刻み値を格納する記憶部とを具備し、
    前記制御部は、前記符号データに示される符号が反転するまで前記高周波の周波数を前記第1刻み値を単位として繰り返し変更する第1制御動作を行う
    放射線治療装置。
  7. 高周波を空洞に導入するステップと、
    前記空洞において前記高周波の進行波と反射波との位相差の符号を示す符号データを生成するステップと、
    前記符号データを用いて前記位相差が小さくなるように前記高周波の周波数を制御するステップと、
    前記符号データに示される符号が反転するまで前記高周波の周波数を記憶部に格納された第1刻み値を単位として繰り返し変更するステップ
    とを具備する
    高周波周波数同調方法。
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