JP5074915B2 - 荷電粒子ビーム照射システム - Google Patents

Description

本発明は荷電粒子ビーム照射システム照射システムに係り、特に、陽子及び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粒子線治療装置に適用するのに好適な荷電粒子ビーム照射システムに関する。

がん等の患者の患部に陽子及び炭素イオン等の荷電粒子ビーム(イオンビーム)を照射する治療方法が知られている。この治療に用いる荷電粒子ビーム照射システム（粒子線出射装置或いは荷電粒子ビーム出射装置)は、荷電粒子ビーム発生装置を備え、荷電粒子ビーム発生装置で加速されたイオンビームは、第１ビーム輸送系及び回転ガントリーに設けられた第２ビーム輸送系を経て回転ガントリーに設置された照射装置に達する。イオンビームは照射装置より出射されて患者の患部に照射される。荷電粒子ビーム発生装置としては、例えば、荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回させる手段、共鳴の安定限界の外側で荷電粒子ビームのベータトロン振動を共鳴状態にする手段、及び荷電粒子ビームを周回軌道から取り出す出射用デフレクターを備えたシンクロトロン(円形加速器)が知られている(例えば、特許文献１)。

照射装置は、上記イオンビーム発生装置から導かれたイオンビームを、患者の体表面からの深さ及び患部形状に合わせて整形して、治療用ベッド上の患者の患部に照射する。照射装置では、一般に、二重散乱体法(非特許文献１の２０８１頁、図３５)、ウォブラ法(非特許文献１の２０８４頁、図４１)、ビームスキャニング法(特許文献２，非特許文献１の２０９２頁及び２０９３頁)のいずれかのビーム照射法にてイオンビームを患部に照射する。

患部は、通常、患者の体内でイオンビームの進行方向にある程度の厚みを持っている。このような患部の厚み全域にわたってイオンビームを照射するには、イオンビームの進行方向にある程度広く一様な吸収線量範囲(拡大ブラックピーク(Spread-Out Bragg Peak)以下、ＳＯＢＰと称す)を形成するように、イオンビームのエネルギーを制御しなければならない。所望のＳＯＢＰを形成するためのエネルギー制御手段として、レンジ・モジュレーション・ホイール(Range Modulation Wheel、以下、ＲＭＷと記述)を採用する照射方法が提唱されている(非特許文献１の２０７７頁、図３０)。ＲＭＷは、イオンビームが通過する領域の厚みが時間的に変化するように楔型形状のエネルギー吸収体を周方向に複数個配置した回転構造体であり、ＲＭＷの回転によりイオンビーム進行方向(ＲＭＷの軸方向)の厚みが増大または減少する構成を有する。このようなＲＭＷを用いた照射方法を、ＲＭＷ照射法という。

一方、荷電粒子照射システムにおいては、荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームのうち照射装置に輸送されない不要の荷電粒子ビームが発生する場合があり、その不要のビームを処理するため、第１ビーム輸送系にビームダンパー装置を設けることが考えられている（特許文献３）。

米国特許５，３６３，００８号 特許第２５９６２９号公報 米国特許５，２６０，５８１号明細書 レビュー オブ サイエンティフィック インスツルメンツ６４巻８号(１９９３年８月)の第２０７４〜２０９３頁(REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME ６４ NUMBER ８(AUGUST １９９３)P２０７４−２０９３） プロシーディング オブ シンポジウム オン アクセレレータ アンド リレーティット テクノロジー フォー アプリケーション ７巻(2005年６月)の第３５頁〜３６頁(Proceedings of the Symposium on Accelerator AND Related Technology for Application VOLUME ７(June,2005)P３５−３６)

シンクロトロンは、前段加速器から入射されたイオンビームを所望のエネルギーまで加速して出射する。シンクロトロンは、入射、加速、出射及び減速を一つの運転サイクルとし、この運転サイクルを繰り返して運転される。そのため、シンクロトロンへのイオンビームの供給は、サイクロトロンと異なり、一運転サイクルにおいて入射時のみである。シンクロトロンで加速されたイオンビームの蓄積量は、加速終了時を最大として出射制御の時間経過に伴い減少していく(非特許文献１)。さらに、出射用高周波電極に印加する高周波信号の振幅（電圧）とシンクロトロンから出射されるビーム強度との関係は、シンクロトロン内のイオンビームの蓄積量も影響することが知られており、所望の強度のイオンビームを出射することは容易ではない。

従来は、イオンビームに印加する出射用高周波信号によるイオンビームの拡散を考慮した出射過程をモデル化し、要求されたビーム強度信号により出射された粒子数から、シンクロトロン内を周回するイオンビームの強度を推定し、これに基づく高周波信号の振幅変調関数を決めるパターンを最適化することで、対応する強度パターンを求めて出射ビーム強度を制御する方法が提案されている(例えば、非特許文献２)。しかし、出射ビームの強度は、必ずしも、想定された強度パターンになることはなく、例えば、一様構造のビーム出射パターンを得ようとしても、一様構造とはいえない、時間構造をもった強度パターンとなっている。

また、ビーム強度を測定する線量計が、照射装置側にあり、シンクロトロンから出射されたビームを輸送系、ガントリ、照射装置を経て、線量計でビームを計測しないとビームの強度が計れなかった。

このため、装置の建設段階では、照射装置完成まで待たなければ、シンクロトロンからの出射ビームのビーム強度の調整ができなかった。さらに、装置完成後も、出射ビームの強度の不具合が発生した場合、シンクロトロンの出射ビームが不具合なのか、シンクロトロン以降の何らかの機器が不調であるのかが簡単には分からず、調査に時間がかかった。

第１ビーム輸送系にビームダンパー装置を設置したシステム（特許文献３）においては、荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームに不要のビームが発生した場合は、そのビームをビームダンパー装置に送り、処理することができる。しかし、従来のシステムでは、そのビームダンパー装置は不要のビームを捨てるだけのために用いられていた。

本発明の目的は、シンクロトロンから出射されるイオンビームの強度を、ビーム輸送系の各機器及び照射装置を動作させることなく調整することができる荷電粒子ビーム照射システムを提供することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、荷電粒子ビーム発生装置からイオンビームが出射される第１ビーム輸送系の途中にビームダンパー装置を設置し、そのビームダンパー装置に、ビームダンパーに当てる荷電粒子ビームの線量を計測する線量モニタ装置を設け、照射装置に輸送せずにイオンビームの強度を計測できるようにしたことにある。

線量モニタ装置を設けたビームダンパー装置は、好ましくは、シンクロトロンの直後に設置することで、ビームダンパー装置に到達するイオンビームがビーム輸送系の多くの機器を経由しない構成とする。

本発明によれば、シンクロトロンから出射されるイオンビームの強度を、ビーム輸送系の各機器及び照射装置を動作させることなく調整することができる。

これにより出射ビーム強度の変動要因を的確に把握した精度のよい調整が可能となる。

また、何らかの予期せぬ出射ビームの変動が発生した場合に、その変動要因がシンクロトロン側の要因によるのかまたは、ビーム輸送系、照射装置、その他の機器によるものなのかの切り分けが可能となり、変動要因対策の時間の節約及び精度の向上が期待できる。

更に、装置の建設段階では、照射装置完成まで待つことなく、シンクロトロンからの出射ビームのビーム強度の調整を実施することができ、荷電粒子ビーム照射システムの早期の立ち上げが可能となる。

以下に、本発明の実施の形態を説明する。

本発明の第１の実施の形態を図１〜図５を用いて説明する。

図１に示すように、本実施の形態の荷電粒子ビーム照射システムは、荷電粒子ビーム発生装置１、荷電粒子ビーム発生装置１の下流側に接続された第１ビーム輸送系４、この第１ビーム輸送系４から分岐するようにそれぞれ設けられた第２ビーム輸送系５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ、切替え電磁石（経路切替え装置）６Ａ，６Ｂ，６Ｃ、及び照射野形成装置である照射装置１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄを備えている。第１ビーム輸送系４は、第２ビーム輸送系５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄのそれぞれにイオンビームを導く共通のビーム輸送系である。第２ビーム輸送系５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄは照射装置１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ毎に設けられたビーム輸送系であり、照射装置１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄは治療室２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄに配置されている。本実施の形態の荷電粒子ビーム照射システムは、具体的には陽子線治療システムである。

荷電粒子ビーム発生装置１は、イオン源(図示せず)、前段加速器(例えば線形加速器)１１及び主加速器であるシンクロトロン１２を有する。シンクロトロン１２は、高周波印加装置３１及び高周波加速空胴(加速装置)３２をイオンビームの周回軌道上に設置している。高周波印加装置３１は、高周波印加用の一対の電極（図示せず）を備え、高周波印加用電極は出射用の高周波供給装置３３に接続される。高周波供給装置３３は、高周波発振器（出射用高周波電源）３４、印加電圧制御装置（出射ビーム強度制御装置）３５、インターロック用スイッチ（開閉装置）３６、照射制御用スイッチ（開閉スイッチ）３７を備える。インターロック用スイッチ（開閉装置）３６は、インターロック信号により開けられ、通常時は閉じている。照射制御用スイッチ（開閉スイッチ）３７はビーム出射開始信号により閉じられ、ビーム出射停止信号により開けられる。高周波印加装置３１は、印加電圧制御装置３５、スイッチ３５，３６を介して、高周波発振器３４から出射用の高周波電圧の供給を受ける。高周波加速空胴３２に高周波電力を印加する高周波電源（図示せず)が、別途設けられる。

イオン源で発生したイオン(例えば、陽イオン(または炭素イオン))は前段加速器１１で加速される。前段加速器１１から出射されたイオンビーム(荷電粒子ビーム)はシンクロトロン１２に入射される。荷電粒子ビーム(粒子線)であるイオンビームは、高周波電源からの高周波電力の印加によって高周波加速空胴３２内に発生する電磁場に基づいてエネルギーを与えられて加速される。シンクロトロン１２内を周回するイオンビームは、設定されたエネルギー(例えば１００〜２００ＭｅＶ)まで加速された後、出射用高周波電源である高周波発振器３４からの高周波を開閉スイッチ３７を閉じることによって、出射用高周波印加装置３１より周回しているイオンビームに印加される。このため、安定限界内で周回しているイオンビームは、安定限界外に移行し、出射用デフレクタを通って出射される。イオンビームの出射の際には、シンクロトロン１２に設けられた四極電磁石１３及び偏向電磁石１４に導かれる電流が電流設定値に保持され、安定限界もほぼ一定に保持されている。開閉スイッチ３７を開け、出射用高周波印加装置３１への高周波電力の印加を停止することによって、シンクロトロン１２からのイオンビームの出射が停止される。

シンクロトロン１２から出射されたイオンビームは、第１ビーム輸送系４より高速ステアラ装置１００（後述）を経由して、下流側へ輸送される。第１ビーム輸送系４は、ビーム経路３、ビーム経路３にビーム進行方向上流側より配置された四極電磁石１８、シャッタ８、偏向電磁石１７、四極電磁石１８、切替え電磁石６Ａ、ビーム経路６１、ビーム経路３にビーム進行方向上流側より配置された四極電磁石１９、切替え電磁石６Ｂ、四極電磁石２０、切替え電磁石６Ｃを備えている。第１ビーム輸送系４に出射されたイオンビームは切替え電磁石６Ａ，６Ｂ，６Ｃの励磁、非励磁の切り替えによる偏向作用の有無によって、第２ビーム輸送系５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄのいずれかに選択的に導入される。

第２ビーム輸送系５Ａは、第１輸送系４のビーム経路３に接続されて治療室２Ａ内に配置された照射装置１５Ａに連絡されるビーム経路６２、及びビーム経路６２にビーム進行方向上流側より配置された偏向電磁石２１Ａ、四極電磁石２２Ａ、シャッタ７Ａ、偏向電磁石２３Ａ、四極電磁石２４Ａ、偏向電磁石２５Ａ、偏向電磁石２６Ａを備える。

第２ビーム輸送系５Ｂ、第２ビーム輸送系５Ｃも第２ビーム輸送系５Ａと同様に構成されている。これら第２ビーム輸送系５Ｂ及び５Ｃにおいて、第２ビーム輸送系５Ａの構成要素と同等のものには同じ参照数字の添え字Ａに代え、添え字Ｂ，Ｃを付して示している。第４ビーム輸送系５Ｄは、第１輸送系４のビーム経路６１に接続されて治療室２Ｄ内に配置された照射装置１５Ｄに連絡されるビーム経路６５、及びビーム経路６５にビーム進行方向上流側より配置された四極電磁石２７，２８、シャッタ７Ｄを備える。

第１ビーム輸送系４を経由して第２ビーム輸送系５Ａへ導入されたイオンビームは、該当する電磁石の励磁によりビーム経路６２を通って照射装置１５Ａへと輸送される。第２ビーム輸送系５Ｂ，５Ｃ，５Ｄについても同様に、イオンビームは各ビーム経路６２或いはビーム経路６１，６５を通って照射装置１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄにそれぞれ輸送される。

照射装置１５Ａ〜１５Ｃは、治療室２Ａ〜２Ｃにそれぞれ設置された回転ガントリー（図示せず）に取り付けられている。照射装置１５Ｄは固定式である。

照射装置１５Ａ〜１５Ｃは、横方向（イオンビーム進行方向に直角な方向）に一様な線量分布を形成するため、二重散乱体法によりイオンビームを横方向に広げ、患部に照射するものである。また、照射装置１５Ａ〜１５Ｃは、所望のＳＯＢＰを形成するためのエネルギー制御手段としてレンジ・モジュレーション・ホイール(ＲＭＷ)を備えるとともに、ＲＭＷの回転中にＲＭＷを透過するイオンビームが所定の角度範囲でＯＮ／ＯＦＦ制御されるものである。このようなイオンビームのＯＮ／ＯＦＦ制御のため、照射装置１５Ａ〜１５Ｃは、ＲＭＷの回転角度を検出する手段（例えばエンコーダ）と、ＲＭＷを透過したイオンビームの線量（照射線量）を検出する線量計を有し、その角度情報と照射線量情報は加速・照射制御装置２００（後述）に出力される。

また、本実施の形態の荷電粒子ビーム照射システムは、第１ビーム輸送系４に設けられた高速ステアラ装置（ビームダンパー装置）１００を備え、高速ステアラ装置１００を制御することにより、第１輸送系４に出射されたイオンビームを後続の第２ビーム輸送系５Ｂ，５Ｃ，５Ｄに輸送したり、高速ステアラ装置１００に捨てたりすることができる。高速ステアラ装置１００は、第１ビーム輸送系４のシンクロトロン１２の直後に設置することで、高速ステアラ装置１００に到達するイオンビームがビーム輸送系の多くの機器を経由しない構成とする。

図２は高速ステアラ装置１００の構成の詳細を示す図である。

高速ステアラ装置１００は、第１ビーム輸送系４のビーム経路３の途中に設けられた高速ステアラ（ＨＳＳＴ）電磁石１０２と、この高速ステアラ電磁石１０２から分岐したビーム経路１０３に設置されたビームダンパー１０４とを有している。高速ステアラ（ＨＳＳＴ）電磁石１０２はビームを高速に曲げるステアリング電磁石であり、例えば、１００%通電時、ちょうどビームダンパー１０４にビームを当てることができる。また、０%通電時は、ビームを曲げないで、そのまま後続の輸送系にビームを通過させることができる。高速ステアラ電磁石１０２の１００%通電から０%通電への切替或いは０%通電から１０００%通電への切替は、高速ステアラ電源装置１０１により、高速に、例えば５００μ秒以内で行うことができる。このように高速ステアラ装置１００において、高速ステアラ（ＨＳＳＴ）電磁石１０２の１００%通電時にビームをビームダンパー１０４にビームを当てることによりビームを捨てることができる。

また、本発明の高速ステアラ装置１００は、ビーム経路１０３のビームダンパー１０４の手前に設置された線量計１０５と、線量計１０５からの計測信号を入力する線量計測装置１０６とを有し、線量計測装置１０６において線量計１０５からの計測信号を処理することで、ビームダンパー１０４に当たるビームの線量を計測することができる。また、線量計測装置１０６は、そのビームの線量を積算し、その増分（線量値の単位時間当たりの変化量）を演算することでビーム強度を計測することができる。線量計１０５と線量計測装置１０６は線量モニタ装置を構成する。

次に、図１に戻り、本実施の形態の荷電粒子ビーム照射システムにおける制御系を説明する。本実施の形態の荷電粒子ビーム照射システムは、制御系として、中央制御装置１５０、この中央制御装置１５０に接続された加速・照射制御装置２００、中央制御装置１５０と加速・照射制御装置２００に接続された端末制御装置３００を備える
中央制御装置１５０は、治療計画装置４００で決められる患者の患部に適切な照射野を形成するための照射条件（ビーム照射方向、ＳＯＢＰ幅、照射線量、最大照射深さ、照射野サイズ等）を読み込み、機器の種類、設置位置、設置角度、ビームエネルギー、ビーム照射量の目標値等の運転パラメータを選択するものである。また、中央制御装置１５０は、メモリを備え、治療に必要な情報（ビームエネルギー、出射用高周波の印加電圧ゲインパターン、ＲＭＷの各回転角度、目標線量、回転ガントリー角度、散乱体種類、リッジフィルタ種類、レンジシフタ挿入量等）を保存する。

加速・照射制御装置２００は、第１制御部２００ａ及び第２制御部２００ｂを含む複数の制御部を有している。

第１制御部２００ａは、中央制御装置１５０のメモリに保存された情報と、照射装置１５Ａ〜１５ＤからのＲＭＷの角度情報や照射線量情報等に基づいてビーム出射開始信号及びビーム出射停止信号を生成し、このビーム出射開始信号及びビーム出射停止信号を開閉スイッチ３７に出力する。すなわち、第１制御部２００ａは、照射装置１５Ａ〜１５ＤからのＲＭＷの角度情報と照射線量情報等に基づいて、シンクロトロン１２からのイオンビームの出射開始及び出射停止を制御する第１制御装置を構成する。このようにシンクロトロン１２からのイオンビームの出射開始及び出射停止を制御することにより、照射対象内のイオンビーム進行方向（深さ方向）における線量分布を所望の分布に制御することができる。この制御内容は特開２００６−２３９４０４号公報及び特開２００７−２２２４３３号公報に詳しい。

また、第１制御部２００ａは、中央制御装置１５０のメモリに保存された出射用高周波の印加電圧ゲインパターンを高周波供給装置３３の印加電圧制御装置３５に出力する。印加電圧制御装置３５は、その出射用高周波の印加電圧ゲインパターンを自身のメモリに保存し、出射用高周波の印加電圧ゲインパターンを設定する。更に、第１制御部２００ａは、ビーム照射時の異常を判定し、照射異常時にインターロック信号をスイッチ３６に出力する。

第２制御部２００ｂは、高速ステアラ装置１００の電源装置１０１に接続され、電源装置１０１を制御することで高速ステアラ電磁石１０２の通電量の切替を制御するとともに、高速ステアラ装置１００の線量計測装置１０６に接続され、線量計１０５及び線量計測装置１０６において計測した線量値やビーム強度を入力し、メモリに保存（記録）する。また、その保存した線量値及びビーム強度を端末制御装置３００に出力する。

加速・照射制御装置２００のその他の制御部は、中央制御装置１５０のメモリに保存されたその他の情報に基づいて、イオンビーム発生装置１を構成する高周波加速空胴３２等のその他の機器及びその制御装置のパラメータを設定しかつそれらを制御する。

端末制御装置３００は、モニタ３００ａと、モニタ３００ａに表示されるユーザインターフェースを通じて所定の入力を行うキーボードやマウス等の入力装置３００ｂとを有している。また、端末制御装置３００は、加速・照射制御装置２００の第２制御部２００ｂのメモリに保存した線量計測装置１０６からの線量値やビーム強度を入力し、モニタ２００ａに表示可能である。これにより加速・照射制御装置２００の第２制御部２００ｂと端末制御装置３００は、線量モニタ装置である線量計１０５及び線量計測装置１０６により計測したイオンビームの線量値やビーム強度を記憶し、管理する照射管理装置を構成する。

また、端末制御装置３００は、荷電粒子ビーム照射システムの実際の運転に先立って、高速ステアラ装置１００に設けた線量計１０５及び線量計測装置１０６で計測したビーム強度を第２制御部２００ｂを介して入力し表示することで、印加電圧制御装置３５に設定するための印加電圧ゲインパターンを作成するのに使用される。この目的のため、端末制御装置３００及び加速・照射制御装置２００の第２制御部２００ｂは下記の機能を有している。

（１）事前に用意した暫定的な印加電圧ゲインパターンを入力すると、その印加電圧ゲインパターンを印加電圧制御装置３５に設定する（第１手段）。

（２）シンクロトロン１２からのビーム出射開始の指示が与えられると、その暫定的な印加電圧ゲインパターンに基づいて印加電圧制御装置３５を作動させ、そのときシンクロトロン１２から出射されたイオンビームをビームダンパー１０４に当てるようステアリング電磁石１０２を制御し、イオンビームを線量計１０５及び線量計測装置１０６（線量モニタ装置）に計測させる（第２手段）。

（３）線量モニタ装置により計測したイオンビームの線量値を表示する（第３手段）。

（４）前記暫定的な印加電圧ゲインパターンに対する調整操作が入力されると、その暫定的な印加電圧ゲインパターンを調整し、調整後の印加電圧ゲインパターンを印加電圧制御装置３５に再設定する（第４手段）。

すなわち、端末制御装置３０と加速・照射制御装置２００の第２制御部２００ｂは、線量モニタ装置である線量計１０５及び線量計測装置１０６の計測値を用いて印加電圧制御装置３５に設定するための印加電圧ゲインパターンを作成する印加電圧ゲインパターン作成装置を構成する。

次に、本実施の形態の動作を説明する。

シンクロトロン１２の運転は、図３(Ａ)に示すように、イオンビームの入射・捕獲、イオンビームを設定されたエネルギーまで高める加速、目標のエネルギーになったイオンビームの出射、及び減速が繰返される。これら入射・捕獲、加速,出射、及び減速(シンクロトロン１２の一つの運転サイクル)の制御は加速するイオンビームのエネルギーに合わせて規定される。シンクロトロン１２の周回軌道を周回するイオンビームが目標のエネルギーまで加速される。その後、出射の期間で、高周波供給装置３３を起動して高周波印加装置３１を作動させ、前記の出射用高周波を印加することで、シンクロトロン１２からイオンビームを後続の第１ビーム輸送系４に出射する。これによりシンクロトロン１２は、後続の第２ビーム輸送系５Ａ〜５Ｄに接続された各治療室２Ａ〜２Ｄの照射装置１５Ａ〜１５Ｄに対して出射制御区間にイオンビームを供給できる。

シンクロトロン１２を周回するイオンビームのビーム強度（周回ビームの蓄積電荷量）は、シンクロトロン１２の運転動作（図３（Ａ））に合わせて、図３（Ｂ）に示すように変化する。シンクロトロン１２にイオンビームが入射されて捕獲されると、ビーム強度は徐々に高められる。加速制御の初期には空間電荷効果等によってイオンビームが損失されるため、ビーム強度が減衰するが、加速中期から加速後期まではほぼ一定のビーム強度となる。シンクロトロン１２では加速終了時のビーム強度が蓄積電荷量と等価であるため、イオンビームをシンクロトロン１２から出射することによって、周回ビームの強度は徐々に減衰する。本実施の形態では、イオンビームの出射及び出射停止を繰返すため、ビーム強度も階段状に変化する。これは、周回するイオンビームの強度はイオンビームの出射制御によりシンクロトロン１２外に供給されることで減衰し、出射制御を停止している際にはシンクロトロン１２外に供給されないため減衰しない。出射制御区間に出射しきれずにシンクロトロン１２内に残留したイオンビームは、その後の減速制御により、低いエネルギーまで減速されて消滅する。

シンクロトロン１２より第１ビーム輸送系３に出射されたビーム強度は、図３(Ｃ)に示すように、通常、時間構造（時間の経過と共に変化する特性）を持っている。図３(Ｃ)に示す出射ビーム強度の変化は、高周波供給装置３３の電圧制御装置３５に、図４に示すように、出射用高周波の印加電圧が一定(即ち、印加電圧のゲインが一定)となるような出射用高周波の印加電圧ゲインパターンを設定した場合のものである。すなわち、出射初期には、シンクロトロン１２で周回しているビーム強度が大きいため、シンクロトロン１２から取り出されるビーム強度も高いが、イオンビームの出射によりシンクロトロン１２で周回しているビーム強度が図３（Ｂ）のように減衰するにしたがって、出射用高周波の印加電圧が一定であると、シンクロトロン１２から取り出されるビーム強度も徐々に時間的に下がる傾向がある。

それに対して、図５のように、高周波供給装置３３の電圧制御装置３５に設定される出射用高周波の印加電圧ゲインを徐々に上げるパターンとし、出射用高周波の印加電圧を時間的に増加させることにより、出射ビームの強度を一定にすることが可能である。

従来は、出射用高周波の印加電圧ゲインパターンは、各治療室２Ａ〜２Ｄの照射装置１５Ａ〜１５Ｄに設置された線量計からの線量値を計測して、調整していた。

本発明では、シンクロトロン１２と第１ビーム輸送系３及び高速ステアラー装置１００を利用することで、シンクロトロン１２からの出射ビームの調整が可能となる。

すなわち、高速ステアラ電磁石１０２を１００%通電することで、ビームダンパー１０４にビームを当て、その手前の線量計１０５と線量計測装置１０６により出射ビームの強度を計測することにより、図５のように、高周波供給装置３３の電圧制御装置３５に設定される出射用高周波印加電圧ゲインパターンを調整することができ、これによりシンクロトロン１２からの出射ビーム強度を一定とすることができる。

本実施の形態における出射用高周波印加電圧ゲインパターンの調整手順は次のようである。

まず、事前に用意した暫定的な印加電圧ゲインパターンを端末制御装置３００のモニタ３００ａ及び入力装置３００ｂを用いて入力し、その暫定的な印加電圧ゲインパターンを加速・照射制御装置２００の第２制御部２００ｂを介して印加電圧制御装置３５に設定する。次いで、前段加速器１１からシンクロトロン１２にイオンビームを導入し、このイオンビームをシンクロトロン１２内で所望のエネルギーまで加速する。次いで、シンクロトロン１２の運転サイクルの出射制御区間において、端末制御装置３００のモニタ３００ａ及び入力装置３００ｂを用いてシンクロトロン１２からのビーム出射開始の指示を与える。加速・照射制御装置２００の第２制御部２００ｂは、その指示を受けると、暫定的な印加電圧ゲインパターンを設定した印加電圧制御装置３５を作動させると同時に、そのときシンクロトロン１２から出射されたイオンビームを高速ステアラ装置１００のビームダンパー１０４に当てるよう高速ステアラ電源装置１０１を制御し、イオンビームを線量計１０５及び線量計測装置１０６に計測させる。このとき、第２制御装置２００ｂは、線量計１０５及び線量計測装置１０６で計測した線量値やビーム強度を入力し、メモリに保存（記録）すると同時に、そのビーム強度を端末制御装置３００に出力する。端末制御装置３００はそのビーム強度データを数値或いはグラフ（例えば、図４の上図に示すように時間関数のグラフ）でモニタ３００ａに表示する。操作者は、モニタ３００ａに表示されたビーム強度データをから、印加電圧ゲインパターンの調整の要、不要を判断し、調整が必要であると判断した場合は、端末制御装置３００のモニタ３００ａ及び入力装置３００ｂを用いて、暫定的な印加電圧ゲインパターンを調整し、調整後の印加電圧ゲインパターンを加速・照射制御装置２００の第２制御部２００ｂを介して印加電圧制御装置３５に再設定する。この点順を繰り返すことで、高周波供給装置３３の電圧制御装置３５に設定される出射用高周波印加電圧ゲインパターンを所望のパターンに調整し、シンクロトロン１２からの出射ビーム強度を一定とすることができる。

このように構成した本実施の形態によれば、次の効果が得られる。

従来は、シンクロトロン１２からの出射ビーム強度の調整について、各治療室２Ａ〜２Ｄの照射装置１５Ａ〜１５Ｄに設置された線量計からの計測値を用いて調整していたため、本来のシンクロトロン１２の出射ビーム強度が不明なまま、末端の線量計により計測して、出射用高周波印加電圧ゲインパターンを調整していた。その結果、各治療室２Ａ〜２Ｄの照射装置１５Ａ〜１５Ｄまで経由する様々な機器の影響を受けた結果の出射用高周波印加電圧ゲインパターンを得ていたことになる。

本実施の形態によれば、高速ステアラー装置１００内の線量計１０５及び線量計測装置１０６の計測により出射用高周波印加電圧ゲインパターンを調整することが可能となり、出射ビーム強度の変動要因を的確に把握した精度のよい調整が可能となる。

また、何らかの予期せぬ出射ビームの変動が発生した場合に、その変動要因がシンクロトロン１２側の要因によるのかまたは、第１及び第２ビーム輸送系４，５Ａ〜５Ｄ、照射装置１５Ａ〜１５Ｄ、その他の機器によるものなのかの切り分けが可能となり、変動要因対策の時間の節約及び精度の向上が期待できる。

更に、装置の建設段階では、照射装置完成まで待つことなく、シンクロトロン１２からの出射ビームのビーム強度の調整を実施することができ、荷電粒子ビーム照射システムの早期の立ち上げが可能となる。

本発明の第２の実施の形態を図６〜図８用いて説明する。

図６は本実施の形態による荷電粒子ビーム照射システムの全体構成を示す図である。図中、図１に示した部分と同様のものには同じ符号を付している。本実施の形態は、ビームスキャニング照射、特にスポットスキャニング照射法によりイオンビームを患部に照射する方式のシステムに本発明を適用した場合のものである。

本実施の形態において、荷電粒子ビーム照射システムは走査電磁石を備えた照射装置１５Ｅ〜１５Ｈを有し、照射装置１５Ｅ〜１５Ｈは、走査電磁石電源制御装置５００によって図示しない走査電磁石電源を制御することで励磁電流が制御され、イオンビームを横方向に走査する。また、照射装置１５Ａ〜１５Ｃは、各照射位置においてイオンビームの移動（走査）を停止して照射し、照射位置における照射線量が目標値に達すると次の照射位置へ移動する。照射位置を次の位置に移動する間、シンクロトロン１２からのイオンビームの出射は停止され、照射位置の移動が完了すると、シンクロトロン１２からイオンビームが再び出射される。このような走査電磁石の制御とイオンビームのＯＮ／ＯＦＦ制御のため、照射装置１５Ａ〜１５Ｄは、イオンビームの線量（照射線量）を検出する線量計と照射位置を検出する位置検出装置を有し、その照射線量情報と位置情報を加速・照射制御装置２００Ａに出力する。

また、本実施の形態の荷電粒子ビーム照射システムは、制御系として、中央制御装置１５０Ａ、加速・照射制御装置２００Ａ、端末制御装置３００Ａ、走査電磁石電源制御装置５００を備える。

加速・照射制御装置２００Ａは、第１制御部２００ａ、第２制御部２００ｂ及び第３制御部２００ｃを含む複数の制御部を有している。

第１制御部２００ａは、中央制御装置１５０Ａのメモリに保存された情報と照射装置１５Ａ〜１５Ｄからの照射線量情報と位置情報等に基づいて、ビーム出射開始信号及びビーム出射停止信号を生成し、このビーム出射開始信号及びビーム出射停止信号を開閉スイッチ３７に出力することで、シンクロトロン１２からのイオンビームの出射開始及び出射停止を制御する（第１制御装置）。第３制御部２００ｃは、中央制御装置１５０Ａのメモリに保存された情報と照射装置１５Ａ〜１５Ｄからの照射線量情報と位置情報等に基づいて、照射位置を次の位置に移動するための走査電磁石の励磁電流を決定し、この励磁電流情報を走査電磁石電源制御装置５００に出力する。走査電磁石電源制御装置５００はその励磁電流情報に基づいて図示しない走査電磁石電源を制御し、走査電磁石の励磁電流を制御する。このようにシンクロトロン１２からのイオンビームの出射開始及び出射停止と走査電磁石の励磁電流を制御することにより、照射対象内の横方向（イオンビーム進行方向（深さ方向）に垂直な方向）にイオンビームを走査し、横方向における線量分布を所望の分布に制御することができる。この制御内容は特許第２８３３６０２号公報等に詳しい。

第１制御部２００ａのその他の機能は、第１の実施の形態における第１制御部２００ａと同じである。

第２制御部２００ｂと端末制御装置３００Ａは、第１の実施の形態における第２制御部２００ｂと端末制御装置３００と同様の機能を有している。

また、本実施の形態において、第２制御部２００ｂは下記の機能を有している。

（１）シンクロトロン１２からのイオンビームの出射開始及び出射停止に同期してステアリング電磁石１０２の励磁を制御し、イオンビームの出射停止時の漏れビーム（後述）をビームダンパー１０４に当てることで、その漏れビームを線量計１０５及び線量計測装置１０６（記線量モニタ装置）に計測させる（第２制御装置）。

（２）シンクロトロン１２の運転サイクルにおける出射制御前にシンクロトロン１２に蓄積されたイオンビームの一部を捨てビーム（後述）として出射し、かつこれと同時にステアリング電磁石１０２の励磁を制御してシンクロトロン１２から出射した捨てビームをビームダンパー１０４に当てることで、その捨てビームを線量モニタ装置に計測させる（第３制御装置）。

（３）線量モニタ装置により計測した漏れビーム又は捨てビームの線量値に基づいて印加電圧制御装置３５に設定される出射用高周波の印加電圧ゲインパターンを補正する（印加電圧ゲインパターン補正装置）。

更に、第２制御部２００ｂと端末制御装置３００Ａは、線量モニタ装置により計測した漏れビーム又は捨てビームの線量値を管理する照射管理装置として機能する。

図７は、スポットスキャニングによりイオンビームを照射する場合のシンクロトロン１２の１サイクルの運転を示す図であり、（Ａ）はシンクロトロン１２の１運転サイクルにおけるビームエネルギーの変化を示し、（Ｂ）はシンクロトロン１２の１運転サイクルにおけるシンクロトロン１２内を周回するビームの強度変化を示し、（Ｃ）は出射制御区間における制御開始前の捨てビームと、出射制御区間のスポット照射におけるイオンビームと、出射制御区間における出射停止時の漏れビームの電流値を示す。図８は、出射制御区間のスポット照射における高速ステアラ装置１００内のステアリング電磁石１０２の制御電流値と（上段）、高速ステアラ装置１００内の線量計１０５で計測される漏れビームの電流値と（中段）、照射装置内の線量計により計測されるスポット照射のビーム電流値（下段）を示す図である。

スポットスキャニングによりイオンビームを照射する場合、出射制御期間の制御開始前に、意図的にシンクロトロン１２に蓄積されたビームを出射し、ビームを照射装置１５Ｅ〜１５Ｈへ輸送せずに、高速ステアラ装置１００を用いてビームを廃棄する運転を行うことがある。

このとき、出射制御開始前に、イオンビームを捨てビームとしてシンクロトロン１２から取り出すため、その分、シンクロトロン１２の蓄積電荷が減少する。図７(Ｂ)及び図７（Ｃ）に示すように、出射制御開始前の加速終了後において、シンクロトロン１２の電荷量は、ある一定の値であるが、意図的に捨てビームを出射するため、出射制御開始前の電荷量が減る。

本実施の形態では、第２制御部２００ｂと端末制御装置３００Ａの上記第３制御装置及び照射管理装置としての機能が、その捨てビームにより減少した電荷量を高速ステアラ装置１００の線量計１０５及び線量計測装置１０６に計測させ、端末制御装置３００Ａのモニタ３００ａに表示させることにより、その電荷量を評価し、その後の出射期間での照射量を管理することが可能となる。

また、図７（Ｃ）に示すように、出射制御期間でのスポット照射において、高周波供給装置３３を制御して出射用高周波を印加し、シンクロトロン１２からビームを出射するのであるが、この出射制御期間では、出射用高周波を印加していなくても、シンクロトロン１２から僅かではあるが、漏れビームが発生する。そのとき、本実施の形態では、第２制御部２００ｂの上記第２制御装置としての機能が、図８の上段に示すように、シンクロトロン１２からのイオンビームの出射停止に同期してステアリング電磁石１０２を１００%通電し、漏れビームをビームダンパー１０４に当てることにより、不要なビームを照射を防ぐことができる。また、第２制御部２００ｂと端末制御装置３００Ａの上記第３制御装置及び照射管理装置としての機能が、その漏れビームの線量を線量計１０５で計測し、その漏れビームの線量を端末制御装置３００Ａのモニタ３００ａに表示させることにより、更に線量管理を精密に実施することができる。

スポットスキャニング照射では、スポット毎の線量管理をし、スポット位置を走査しながらイオンビームを照射する。シンクロトロン１２で照射できるスポット数は、シンクロトロン１２で加速された蓄積電荷量で決まるが、上記のように、出射制御期間前に意図的に廃棄される捨てビームの線量や、出射制御期間におけるスポット照射間で漏れビームの線量を監視することにより、スポット照射できる照射量をきめ細かく管理することが可能となる。これによりシンクロトロン１２により加速したビームを無駄なく照射できるようになり、電荷量不足を発生することなく、照射効率を向上させることができる。

また、上記のように、出射制御期間前に意図的にビームを捨てビームとして廃棄したり、出射制御期間におけるスポット照射間で漏れビームが発生した場合は、シンクロトロン１２内を周回しているイオンビームの強度がその分低下する。これは、シンクロトロン１２内を周回しているイオンビームの強度が、電圧制御装置３５に設定した出射用高周波の印加電圧ゲインパターンの作成時に予想したビーム強度からずれることを意味し、その出射用高周波の印加電圧ゲインパターンをそのまま使用して出射用高周波の印加電圧を制御したのでは、出射ビームの強度を一定に制御できなくなる。

本実施の形態では、上記のように第２制御部２００ｂの印加電圧ゲインパターン補正装置としの機能により、線量モニタ装置により計測した漏れビーム又は捨てビームの線量値に基づいて印加電圧制御装置３５に設定される出射用高周波の印加電圧ゲインパターンが自動的に補正される。これにより漏れビームや捨てビームの影響を受けず、出射ビームの強度を一定にすることができる。

本発明の第１の実施の形態による荷電粒子ビーム照射システムの全体概略構成を示す図である。 高速ステアラ装置の構成の詳細を示す図である。 シンクロトロンの１サイクルの運転を示す図であり、（Ａ）はシンクロトロンの１運転サイクルにおけるビームエネルギーの変化を示し、（Ｂ）はシンクロトロンの１運転サイクルにおけるシンクロトロン内を周回するビームの強度変化を示し、（Ｃ）は出射制御区間における出射ビーム強度の変化を示す。 出射用高周波の印加電圧が一定(即ち、印加電圧のゲインが一定)となる出射用高周波の印加電圧ゲインパターンと、それによる出射ビーム強度との関係を示す図である。 出射用高周波の印加電圧が徐々に上がる(即ち、印加電圧のゲインが徐々に上がる)出射用高周波の印加電圧ゲインパターンと、それによる出射ビーム強度との関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による荷電粒子ビーム照射システムの全体概略構成を示す図である。 スポットスキャニングによりイオンビームを照射する場合のシンクロトロンの１サイクルの運転を示す図であり、（Ａ）はシンクロトロンの１運転サイクルにおけるビームエネルギーの変化を示し、（Ｂ）はシンクロトロンの１運転サイクルにおけるシンクロトロン内を周回するビームの強度変化を示し、（Ｃ）は出射制御区間における制御開始前の捨てビームと、出射制御区間のスポット照射におけるイオンビームと、出射制御区間における出射停止時の漏れビームの電流値を示す。 出射制御区間のスポット照射における高速ステアラ装置内のステアリング電磁石の制御電流値と（上段）、高速ステアラ装置内の線量計で計測される漏れビームの電流値と（中段）、照射装置内の線量計により計測されるスポット照射のビーム電流値（下段）を示す図である。

符号の説明

１ 荷電粒子ビーム発生装置
２Ａ〜２Ｄ 治療室
４ 第１ビーム輸送系
５Ａ〜５Ｄ 第２ビーム輸送系
６Ａ〜６Ｃ 切替え電磁石
７Ａ〜７Ｄ シャッタ
１５Ａ〜１５Ｄ 照射装置
１５Ｅ〜１５Ｈ 照射装置
３１ 高周波印加装置
３２ 高周波加速空胴(加速装置)
３３ 高周波供給装置
３４ 高周波発振器（出射用高周波電源）
３５ 印加電圧制御装置（出射ビーム強度制御装置）
３６ インターロック用スイッチ（開閉装置）
３７ 照射制御用スイッチ（開閉スイッチ）
１００ 高速ステアラ装置（ビームダンパー装置）
１０１ 高速ステアラ電源装置
１０２ 高速ステアラ電磁石（ステアリング電磁石）
１０４ ビームダンパー
１０５ 線量計（線量モニタ装置）
１０６ 線量計測装置（線量モニタ装置）
１５０，１５０Ａ 中央制御装置
２００，２００Ａ 加速・照射制御装置
２００ａ 第１制御部（第１制御装置）
２００ｂ 第２制御部（照射管理装置、印加電圧ゲインパターン調整装置、第２制御装置、第３制御装置、印加電圧ゲインパターン補正装置）
２００ｃ 第３制御部
３００，３００Ａ 端末制御装置（照射管理装置、印加電圧ゲインパターン調整装置）
３００ａ モニタ
３００ｂ 入力装置
４００ 治療計画装置
５００ 走査電磁石電源制御装置

Claims (9)

1. 荷電粒子ビームを加速して出射する荷電粒子ビーム発生装置と、
   前記荷電粒子ビーム発生装置に接続され、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを輸送する第１ビーム輸送系と、
   前記荷電粒子ビームを照射する少なくとも１つの照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記第１ビーム輸送系の途中に設けられたステアリング電磁石と、このステアリング電磁石から分岐したビーム経路に設けられたビームダンパーとを有し、前記ステアリング電磁石の励磁制御により、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームのうち前記照射装置に輸送されない荷電粒子ビームを前記ビームダンパーに当てるビームダンパー装置と、
   前記ビームダンパー装置に設けられ、前記ビームダンパーに当てる荷電粒子ビームの線量を計測する線量モニタ装置とを有することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
2. 請求項１記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記線量モニタ装置により計測した荷電粒子ビームの線量値を記憶し、管理する照射管理装置を更に備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
3. 請求項１記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記荷電粒子ビーム発生装置は、シンクロトロンと、このシンクロトロンに設けられ、シンクロトロンを周回するイオンビームに出射用の高周波を印加する高周波印加装置と、この高周波印加装置に供給される出射用高周波電圧を予め設定された出射用高周波の印加電圧ゲインパターンに基づいて制御して、前記シンクロトロンから前記第１ビーム輸送系に出射される荷電粒子ビームの強度を制御する印加電圧制御装置とを有し、
   前記線量モニタ装置は、前記シンクロトロンから出射された荷電粒子ビームのうち前記照射装置に輸送されない荷電粒子ビームの線量を計測することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
4. 請求項３記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記線量モニタ装置の計測値を用いて前記印加電圧制御装置に設定するための印加電圧ゲインパターンを作成する印加電圧ゲインパターン作成装置を更に備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
5. 請求項４記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記印加電圧ゲインパターン作成装置は、
   事前に用意した暫定的な印加電圧ゲインパターンが入力されると、その印加電圧ゲインパターンを前記印加電圧制御装置に設定する第１手段と、
   前記シンクロトロンからのビーム出射開始の指示が与えられると、前記暫定的な印加電圧ゲインパターンに基づいて前記印加電圧制御装置を作動させ、そのとき前記シンクロトロンから出射された荷電粒子ビームを前記ビームダンパーに当てるよう前記ステアリング電磁石を制御し、前記荷電粒子ビームを前記線量モニタ装置に計測させる第２手段と、
   前記線量モニタ装置により計測した荷電粒子ビームの線量値を表示する第３手段と、
   前記暫定的な印加電圧ゲインパターンに対する調整操作が入力されると、その暫定的な印加電圧ゲインパターンを調整し、調整後の印加電圧ゲインパターンを前記印加電圧制御装置に再設定する第４手段とを有することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
6. 請求項３記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記シンクロトロンからの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御する第１制御装置と、
   前記シンクロトロンからの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止に同期して前記ステアリング電磁石の励磁を制御し、前記荷電粒子ビームの出射停止時の漏れビームを前記ビームダンパーに当てることで、その漏れビームを前記線量モニタ装置に計測させる第２制御装置と、
   前記線量モニタ装置により計測した前記漏れビームの線量値を管理する照射管理装置とを更に備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
7. 請求項３記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記シンクロトロンからの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御する第１制御装置と、
   前記シンクロトロンからの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止に同期して前記ステアリング電磁石の励磁を制御し、前記荷電粒子ビームの出射停止時の漏れビームを前記ビームダンパーに当てることで、その漏れビームを前記線量モニタ装置に計測させる第２制御装置と、
   前記線量モニタ装置により計測した前記漏れビームの線量値に基づいて前記印加電圧制御装置に設定される出射用高周波の印加電圧ゲインパターンを補正する印加電圧ゲインパターン補正装置とを更に備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
8. 請求項２記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記シンクロトロンの運転サイクルにおける出射制御区間における制御開始前に前記シンクロトロンに蓄積された荷電粒子ビームの一部を捨てビームとして出射し、かつこれと同時に前記ステアリング電磁石の励磁を制御して前記シンクロトロンから出射した捨てビームを前記ビームダンパーに当てることで、その捨てビームを前記線量モニタ装置に計測させる第３制御装置と、
   前記線量モニタ装置により計測した前記捨てビームの線量値を管理する照射管理装置とを更に備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
9. 請求項２記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記シンクロトロンの運転サイクルにおける出射制御区間における制御開始前に前記シンクロトロンに蓄積された荷電粒子ビームの一部を捨てビームとして出射し、かつこれと同時に前記ステアリング電磁石の励磁を制御して前記シンクロトロンから出射した捨てビームを前記ビームダンパーに当てることで、その捨てビームを前記線量モニタ装置に計測させる第３制御装置と、
   前記線量モニタ装置により計測した前記捨てビームの線量値に基づいて前記印加電圧制御装置に設定される出射用高周波の印加電圧ゲインパターンを補正する印加電圧ゲインパターン補正装置とを更に備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。

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