JP5340483B2 - 粒子線照射装置および粒子線治療装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビームを腫瘍など患部に照射して治療を行う粒子線治療装置における、荷電粒子ビームを患部３次元形状に合わせて照射するための粒子線照射装置に関する。

粒子線による治療法では、光速の約７０％まで加速された陽子や炭素線など、高エネルギーの荷電粒子ビームが用いられる。これらの高エネルギーの荷電粒子ビームは体内に照射された際に、以下の特徴を有する。第一に、照射された荷電粒子の殆どが荷電粒子エネルギーの約1.7乗に比例した深さ位置に停止する。第二に、照射された荷電粒子が体内で停止するまでに通過する経路に与えるエネルギー密度（線量と呼ばれる）は荷電粒子の停止位置で最大値を有する。通過した経路に沿って形成した特有の深部線量分布曲線はブラッグカーブと呼ばれる。線量値が最大の位置はブラッグピークと呼ばれる。

３次元の粒子線照射システムは、このブラッグピークの位置を腫瘍の３次元形状に合わせて走査し、各走査位置におけるピーク線量を調整しながら、予め画像診断で決めた標的である腫瘍領域において、所定の３次元線量分布を形成するように工夫されている。荷電粒子ビームの走査は、荷電粒子ビームの照射方向にほぼ垂直な横方向（Ｘ、Ｙ方向）と、荷電粒子ビームの照射方向である深さ方向（Ｚ方向）における走査がある。横方向における走査は患者を荷電粒子ビームに対して移動させる方法と、電磁石などを使って荷電粒子ビームの位置を移動させる方法があり、一般的には電磁石を用いる方法が用いられている。深さ方向の走査は荷電粒子のエネルギーを変えるのが唯一の方法である。エネルギーを変える方法には、加速器で荷電粒子のエネルギーを変える方法と、荷電粒子ビームが通過する経路にエネルギー減衰体を挿入して、減衰体の減衰量を変化させる方法がある。

電磁石を用いて荷電粒子ビーム位置を移動させる（スキャニングとも呼ぶ）方法は、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１の図２示されたように、従来の粒子線治療装置の粒子線照射システムでは、ビームスポットの位置移動を行う手段として、荷電粒子ビームをビーム進行方向（Ｚ軸方向）に垂直な方向であるＸ−Ｙ方向に偏向させるスキャニングマグネット（走査電磁石）を用いている。

また、特許文献２に記載された粒子線照射装置では、最終偏向電磁石とその入射側の偏向電磁石との間に複数台のＸ方向、Ｙ方向独立の走査電磁石を配置して、該複数台の走査電磁石によるキックの重ね合わせにより平行照射野が形成されるように構成されている。

特許文献３には、回転ガントリを用いた粒子線照射装置において、偏向電磁石の上流に照射野移動用電磁石を設置し、下流に１組のＸ方向、Ｙ方向の走査電磁石を設置して、照射野移動電磁石で照射野を大きく移動し、移動した領域で、走査電磁石によりビームをＸ方向、Ｙ方向に走査する構成が開示されている。

特開２００８−１５４６２７号公報（段落「００２４」および図２） 特開２００２−２２９００号公報 特開平８−２５７１４８号公報

特許文献１の図２に記載された粒子線照射システムでは、粒子線の走査速度を高速にする場合、走査電磁石Ｘと走査電磁石Ｙのインダクタンスと走査速度に比例して、大容量の走査電磁石電源が必要であった。そのため、粒子線照射システムの電源容量が、要求される照射野サイズ（照射標的サイズに比例）および要求される走査速度と共に増加してしまう。また、特許文献２に記載された粒子線照射装置では、複数台の走査電磁石を用いて粒子線を走査するが、その構成は荷電粒子ビームが照射位置で平行に照射される平行照射野を形成することを特徴としており、照射野形成の自由度は小さい。さらに特許文献３に記載された粒子線照射装置では、上流に照射野移動用の電磁石を配置して、照射野を大きく移動させ、下流に配置した走査電磁石で荷電粒子ビームを走査する構成となっており、照射野移動用電磁石と走査電磁石は別々に動作させる思想しか開示されていない。

本発明の目的は、上記のような従来の荷電粒子ビームの走査方法に対し、複数の走査電磁石のそれぞれの能力を最大限に発揮させ、荷電粒子ビームの走査自由度を増大させて、精度が高く、低速から高速まで自由度が高い荷電粒子ビームの走査が可能な粒子線照射装置を提供することである。

本発明は、入射される荷電粒子ビームを、荷電粒子ビームの進行方向に垂直なＸ方向およびＹ方向の２方向の目標軌道に走査して、照射対象に照射する粒子線照射装置において、荷電粒子ビームを２方向に走査する走査電磁石の組を複数組備え、目標軌道は時間に対応した目標照射位置が決められた時系列目標軌道データで与えられ、時系列目標軌道データを周波数分割した複数のデータを基に、複数組の走査電磁石のそれぞれの走査電磁石の指令値を生成するようにしたものである。

本発明の粒子線照射装置にあっては、複数組の走査電磁石のそれぞれの能力を最大限に発揮させ、精度が高く、低速から高速まで自由度が高い荷電粒子ビームの走査が可能となる効果を奏する。

本発明の実施の形態１による粒子線照射装置を含む粒子線治療装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による粒子線照射装置により荷電粒子ビームが走査される様子を示す概略図である。 １組のＸ方向およびＹ方向の走査電磁石により荷電粒子ビームが走査される様子を説明するイメージ図である。 走査電磁石の指令値と荷電粒子ビームの移動量の関係を説明するブロック線図である。 本発明の実施の形態１による粒子線照射装置の周波数分離部のブロック図である。 本発明の実施の形態１による粒子線照射装置の別の周波数分離部のブロック図である。 本発明の実施の形態１による粒子線照射装置の指令値変換部のブロック図である。 本発明の実施の形態１による粒子線照射装置の別の指令値変換部のブロック図である。 本発明の実施の形態２による粒子線照射装置の周波数分離部のブロック図である。 本発明の実施の形態３による粒子線照射装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４による粒子線照射装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４による別の粒子線照射装置の概略構成を示すブロック図である。 走査電磁石の指令値と荷電粒子ビームの移動量の関係を説明する図４とは別のブロック線図である。 図４の入力および出力の例を示す表である。 図１３の入力および出力の例を示す表である。 式（３）および式（４）の各変数、係数などを示す表である。 本発明の実施の形態５による粒子線照射装置の指令値変換部の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態５による粒子線照射装置の指令値変換部の他の一例を示すブロック図である。 式（５）および式（６）の各変数、係数などを示す表である。 式（７）および式（８）の各変数、係数などを示す表である。 本発明の実施の形態６による粒子線照射装置を含む粒子線治療装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態７による粒子線照射装置を含む粒子線治療装置の概略構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による粒子線照射装置を含む粒子線治療装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、加速器１から陽子線や炭素線などの荷電粒子ビーム２が出力され、電磁石群等で構成されるビーム輸送系３で荷電粒子ビーム２をビーム照射系４に導く。ビーム照射系４には、入射される荷電粒子ビーム２を、荷電粒子ビーム２の進行方向に垂直な方向であるＸ−Ｙ方向２次元に走査する第一走査電磁石５と第二走査電磁石６の２組の走査電磁石が備えられている。第一走査電磁石５はＸ方向走査電磁石５２とＹ方向走査電磁石５１、第二走査電磁石６はＸ方向走査電磁石６２とＹ方向走査電磁石６１を有している。このように、第一走査電磁石５および第二走査電磁石６はＸ方向走査電磁石とＹ方向走査電磁石の２個の電磁石の組で構成されている。第一走査電磁石５はそれぞれの励磁コイルが第一走査電磁石電源５３で駆動され、第二走査電磁石６はそれぞれの励磁コイルが第二走査電磁石電源６３で駆動される。第一走査電磁石電源５３と第二走査電磁石電源６３は、加速器１やビーム照射系４など粒子線治療装置全体を制御する粒子線治療装置制御器９に備えられた協調制御用走査制御部７により、第一走査電磁石５と第二走査電磁石６とが協調して荷電粒子ビームを走査するよう制御される。協調制御用走査制御部７は、例えば治療計画段階にデータを作成する治療計画装置８などから、荷電粒子ビームを照射する位置の時系列データを受け取って、治療段階に（あるいは治療準備段階に）該データを周波数分離部７１で周波数分離し、指令値変換部７２で第一走査電磁石電源５３と第二走査電磁石電源６３への励磁コイルの励磁電流の指令値に変換する。第一走査電磁石５と第二走査電磁石６とで走査された荷電粒子ビーム２１は照射対象２２の所定の位置および時間に照射される。

ここで、第一走査電磁石５による荷電粒子ビームの走査領域は、第二走査電磁石６による荷電粒子ビームの走査領域よりも狭い。すなわち、第一走査電磁石５によって荷電粒子ビームを偏向させる最大偏向角度は、第二走査電磁石６による最大偏向角度よりも小さい。また、一般に、走査電磁石による偏向角度が小さいほど電磁石が発生する磁場は小さくて良く、小さい電磁石、すなわち流す電流やインダクタンスが小さい電磁石で良い。よって、第一走査電磁石５は、第二走査電磁石６に比べてインダクタンスが小さい電磁石を採用できる。例えば、第一走査電磁石５は、空芯コイルで構成できる可能性があり、第一走査電磁石５の構成が簡単になる。インダクタンスが小さい電磁石は高速に磁場を変更できるため、第一走査電磁石５は第二走査電磁石６よりも高速に磁場を変更できる。電気的な特性で表現すれば、第一走査電磁石５が第二走査電磁石に比べて、より高速で、周波数応答としてより高周波の応答特性を有する。

また、図１では、最大偏向角度がより小さい第一走査電磁石５を、最大偏向角度がより大きい第二走査電磁石６よりも、荷電粒子ビーム２の上流側に配置している。一般に、最大偏向角度が小さい電磁石の方が、形状を小さくできるため、各電磁石への荷電粒子ビームの入射開口を考慮すると、最大偏向角度がより小さい第一走査電磁石５を上流側に配置するのが、配置や電磁石形状が設計し易いため、より好ましい。ただし、最大偏向角度がより大きい第二走査電磁石６を荷電粒子ビーム２の上流側に配置することも可能である。

図２は、図１の粒子線照射装置で荷電粒子ビームが走査される様子を示す概略図であり、図２（ａ）は側面図で、Ｙ方向を示す。図２（ｂ）は正面図で、Ｘ方向を示す。図２（ｃ）は、図２（ｂ）のＡ−Ａ面における荷電粒子ビームの走査範囲などを示す図である。また、図３は１組のＸ方向およびＹ方向の走査電磁石により荷電粒子ビームが走査される様子を説明するイメージ図である。図３（Ａ）は鳥瞰図、図３（Ｂ）はこの鳥瞰図を正面図と側面図で示したものである。例えば、第一走査電磁石５は、上流側に荷電粒子ビームをＹ方向に走査するＹ方向走査電磁石５１、下流側にＸ方向に走査するＸ方向走査電磁石５２が配置されている。入射される荷電粒子ビーム２は、まず上流側のＹ方向走査電磁石５１による荷電粒子ビームの走査作用軸１００を中心にＹ方向に偏向される。偏向された荷電粒子ビームが下流側のＸ方向走査電磁石５２による荷電粒子ビームの走査作用軸２００を中心にＸ方向に偏向される。このようにして、Ｘ−Ｙの２次元に拡がった領域に荷電粒子ビームが照射される。本発明の実施の形態１では、図３で示した走査が、２段に亘って行われる。

以下、図１および図２を参照して本発明の実施の形態１による粒子線照射装置の動作を説明する。荷電粒子ビームは、まず、第一走査電磁石５および第二走査電磁石６が動作しない、すなわち荷電粒子ビームが両者の走査電磁石で偏向作用を受けない場合に、基準点であるアイソセンタＯに向けて照射されるように、構成機器がアライメントされる。このときの荷電粒子ビームのビーム軸を２０で示している。ビーム軸２０は、第一および第二走査電磁石５、６が動作しない場合の荷電粒子ビームが通過する軌跡を示す。また、荷電粒子ビーム照射位置を決定するため、座標系が設定される。例えば、図１に示すように、アイソセンタＯを原点として、ビーム軸に垂直な方向にＸ軸、Ｙ軸を、ビーム軸方向にＺ軸を設定する。なお、図２のＸ、Ｙ、Ｚは方向のみを示すものである。

入射される荷電粒子ビーム２は、第一走査電磁石５および第二走査電磁石６によりＸ−Ｙ２次元方向に走査される。ビーム照射位置のＺ方向の設定は、荷電粒子のエネルギーを調整することにより飛程を変化させ、すなわちブラッグピークの位置を変えて制御することにより行う。この場合、Ｚ方向の照射位置は、照射される線量分布の代表点、例えばブラッグピークの位置で表す。

第一走査電磁石５及び第二走査電磁石６が働かない状態で、ビーム照射位置はアイソセンタＯに設定される。ここで、第一走査電磁石５のみを働かせ、ビームを走査可能な範囲を考える。Ｙ方向走査電磁石５２により、図３で示したように、ビームはＹ軸方向の扇状に広がった範囲で走査が可能となる。Ｘ方向走査電磁石５１により、今度はＸ軸方向の扇状に広がった範囲で走査が可能となる。結果、走査可能範囲は、図２（ｃ）の２４の斜線で示す領域である第一走査電磁石５の走査エリア（デフォルト）となる。

次に、下流にある第二走査電磁石６を働かせた場合に、前記走査エリア２４がどうなるかを説明する。やはりＹ方向走査電磁石６１により、ビームはＹ軸方向の扇状に広がった範囲内で走査される。さらにＸ方向走査電磁石６２により、ビームはＸ軸方向の扇状に広がった範囲内で走査される。最終的に前記走査エリアは、図２（ｃ）の斜線で示す領域２５に移動する。また、第一走査電磁石５と第二走査電磁石６とを働かせて走査することが可能な領域は２３で示す領域になる。

第一走査電磁石５のみ働かせてある指令値を入力すると、ビーム照射位置はＯ→Ｐ_１へと移る。このときのビーム照射位置の移動量ＯＰ_１は、第一走査電磁石５のみによる移動量である。次に第二走査電磁石６を働かせてある指令値を入力すると、最終的なビーム照射位置はＰ_２となる。最終的なビーム照射位置の移動量ＯＰ_２は、次式にように表すことができる。

つまり、ビーム移動量は、第一走査電磁石５によるものと第二走査電磁石６によるものに分けることができる。

図４は、上記の説明を、ブロック線図を用いて図的に表現したものである。図４において、入力である指令値は走査電磁石の励磁コイルの励磁電流の値であり、その励磁電流の値によって走査電磁石を駆動した結果のビーム照射位置の移動量が出力となる。図４は、第一走査電磁石５の指令値（Ｉ_１ｘ、Ｉ_１ｙ）のとき、第一走査電磁石５による移動量がＯＰ_１で、さらに第二走査電磁石６の指令値（Ｉ_２ｘ、Ｉ_２ｙ）としたとき最終的なビーム照射位置の移動量がＯＰ_２（ビーム照射位置Ｐ２の座標（ｘ、ｙ））となることを表現している。このように、各走査電磁石への指令値が決まれば、ＯＰ_１（ｘ_１、ｙ_１）、ＯＰ_２（ｘ、ｙ）が唯一に決まる。これは、物理現象によって決まる、４入力４出力の写像ととらえることができる。

ところで、実際の治療にとって意味があるのは、最終的なビーム照射位置である。どの位置にどれだけの線量を照射するかは、患者毎、治療計画装置により計算される。治療計画装置の計算結果により、更に、ビーム照射位置の目標軌道が計算される。

走査電磁石が１組であれば、ビーム照射位置の目標軌道を与えるだけで十分であったが、本発明では走査電磁石が複数組のため、目標軌道を得る解がユニークではない。すなわち、或るビーム照射位置の実現に、第一走査電磁石５と第二走査電磁石６との役割分担が無限通りある。式（１）のＯＰ_２（左辺）を満たす、ＯＰ_１、Ｐ_１Ｐ_２の組合せが無限通りあるからである。

図５に本発明の実施の形態１による、協調制御用走査制御部７における周波数分離部７１のブロック図を示す。治療計画装置から送られてくる目標軌道は、時系列に、時間に対応した目標照射位置が並べられたデータである。すなわち目標軌道は、例えば図５の左側に示したような時系列データ（＝信号）である。図５に示した信号は、ひとつの座標について示したが、Ｘ座標分とＹ座標分とが存在する。この目標軌道は、所定の位置にビームを一定時間滞留させて照射した後、ビームを別の位置に移動させてその位置で一定時間滞留させて照射する、という動作を繰り返して広い領域を照射する、スポットスキャニング照射方法による目標軌道の例である。この目標軌道に対して、第一走査電磁石５と第二走査電磁石６の位置指令値を得るために、第一走査電磁石５と第二走査電磁石６の特性を考慮して以下のことを行う。周波数分離部７１の入力である図５の左側に示した目標軌道の信号を、フィルタを用いて第一走査電磁石５用と第二走査電磁石６用とに分離する。第一走査電磁石５は小型で高速であり、より高周波の応答特性を有するから、目標軌道の高周波成分を担当するようにする。第二走査電磁石６は大型で走査幅大であり、より低周波の応答特性を有するから、低周波成分を担当するようにする、等である。図５は、目標軌道の信号を、フィルタを用いて分離することを示したものである。ここで、最終的に得られる目標軌道は、当初の計画されたものにならなければいけない。したがって、図５に示したように、ここで用いるフィルタは、相補的（Ｆ（ｓ）＋Ｇ（ｓ）＝１）なものを用いる。

図５におけるＦ（ｓ）は第二走査電磁石６用のフィルタでありローパスフィルタ７３、Ｇ（ｓ）（＝１−Ｆ（ｓ））は第一走査電磁石５用のフィルタでありハイパスフィルタ７４である。これらのフィルタで分離された目標軌道の信号（位置指令値）が図５の右側に示す２つの信号である。また、図６に示すように、ローパスフィルタ７３のみを設けて、ハイパスフィルタを設けずに、演算器７６により入力信号である目標軌道の信号からローパスフィルタ７３で分離した低周波成分の信号を差し引くことで高周波成分を得るようにしても良い。逆に、ハイパスフィルタのみを設けて、ローパスフィルタを設けずに、入力信号である目標軌道の信号からハイパスフィルタで分離した高周波成分の信号を差し引くことにより低周波成分を得るようにしても良い。

指令値変換部７２では、それぞれの走査電磁石によるビーム位置がそれぞれの位置指令値になるように、それぞれの走査電磁石の励磁電流を指令値として出力し、第一走査電磁石電源５３および第二走査電磁石電源６３を制御する。図７は、最も簡単な指令値変換部７２の構成を表したものである。目標照射座標と走査電磁石の励磁電流指令値との関係を、直線近似して得るものであり、指令値演算部７２１〜７２４においてそれぞれの電磁石へ指令値の推定値を演算する。例えば、第一走査電磁石のＸ方向の電磁石の指令値の推定値を演算する指令値演算部７２１は、指令値の推定値を、

ただし、ｋ_１ｘは比例定数であり、直線近似した直線の傾きである
によって求める。

また、図８は、指令値変換部７２の別の例を示すブロック図である。７２５〜７２８は、目標照射座標と走査電磁石の励磁電流指令値との関係をテーブルで保持する、ルックアップテーブル（早見換算表）である。目標照射座標と走査電磁石の励磁電流指令値との関係を直線近似では十分な精度が得られない場合、折れ線近似をして、変換結果をルックアップテーブルにより得られるようにしたものである。これらの指令値変換（生成）方法は一般的な方法だが、位置精度上、改善の余地がある。好適な指令値変換（生成）方法は、実施の形態５に後述する。

ここでは、目標軌道としてスポットスキャニング照射法の例を示したが、本発明の実施の形態１の粒子線照射装置は、スポットスキャニング照射法に限らず、種々の目標軌道に適用が可能である。したがって、実施の形態１の粒子線照射装置によれば、２組の走査電磁石によって種々の目標軌道を実現するための各電磁石への指令値を、目標軌道の信号を周波数分離するだけの単純な構成で作成することができ、低速から高速まで自由度の高い荷電粒子ビームの走査が可能となる。また、この粒子線照射装置を粒子線治療装置に適用すれば、患者毎に適切な目標軌道を形成でき、各組の走査電磁石の特性を考慮した走査ができるため、走査時間の短縮が図れる。

実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２による粒子線照射装置の協調制御用走査制御器７における周波数分離部７１の構成を示すブロック図である。実施の形態１では、２組の走査電磁石を用いたが、本実施の形態２では、図１のビーム照射系４に荷電粒子ビームの上流から下流に向けて、第一走査電磁石、第二走査電磁石、第三走査電磁石３組の走査電磁石を配置する。例えば、第一走査電磁石は最大偏向角度が小さいが高速で磁場変更できる電磁石、第三走査電磁石は、最大偏向角度が大きく広い領域を走査できるが、磁場の変更は低速でしかできない電磁石、第二走査電磁石は、最大偏向角度や磁場の変更速度が、第一走査電磁石と第三走査電磁石との中間の特性を有する電磁石である。よって、それぞれの走査電磁石のインダクタンスは、第一走査電磁石、第二走査電磁石、第三走査電磁石の順に大きくなり、それぞれの電磁石の周波数応答特性も異なったものとなっている。

これら３組の走査電磁石を用いて荷電粒子ビームを走査する場合、協調制御用走査制御部７における周波数分離部７１は、治療計画装置８から受け取った目標軌道の信号を、３組の走査電磁石の位置指令信号に分離する。その場合、図９に示すように、３つのフィルタを用いて目標軌道の信号を分割する。図９において、Ｆ（ｓ）は第三走査電磁石用のフィルタでありローパスフィルタ７３、Ｈ（ｓ）は第二走査電磁石用のフィルタでありバンドパスフィルタ７５、Ｇ（ｓ）（＝１−Ｆ（ｓ）−Ｈ（ｓ））は第一走査電磁石用のフィルタでありハイパスフィルタ７４である。指令値変換部７２では、これらのフィルタで分離された目標軌道の信号（位置指令値）になるように、それぞれの走査電磁石の励磁電流を指令値として出力し、それぞれの走査電磁石電源を制御する。

なお、実施の形態１で説明したのと同様に、ローパスフィルタ７３、バンドパスフィルタ７５、ハイパスフィルタ７４のいずれか一つは無くても、目標軌道の信号から他の２つのフィルタで分離された信号を差し引くことにより、無くしたフィルタで分離するのと同じ信号が得られる。

以上のように、本実施の形態２では、３組の走査電磁石を用いた場合を説明したが、さらに多くの組の走査電磁石を用いることもできる。このように、本発明は、複数組の走査電磁石を用いた場合に適用でき、複数組の走査電磁石によって種々の目標軌道を実現するための各電磁石への指令値を単純な構成で作成することができ、低速から高速まで自由度の高い荷電粒子ビームの走査が可能となる。

実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３による粒子線照射装置の概略構成を示すブロック図である。図１０において、図１と同一符号は、同一または相当する部分を示す。実施の形態１では、治療計画装置８から出力される目標軌道信号を一旦粒子線治療装置制御器９に転送・保存し、治療段階において、前記粒子線治療装置制御器９に備えた協調制御用走査制御部７においてフィルタにより周波数分割して、第一走査電磁石５の位置指令値および第二走査電磁石６の位置指令値をリアルタイムで作成した。本実施の形態３では、治療計画装置８０の内部に第一走査電磁石電源５３および第二走査電磁石電源６３への指令値を作成する機能を有する協調制御用走査制御部７を設けた。協調制御用走査制御部７は、治療計画装置８０の内部にある治療計画部８１から、目標軌道信号を受け取って、周波数分離部７１のフィルタにより周波数分割して、第一走査電磁石５の位置指令値および第二走査電磁石６の位置指令値を作成し、指令値変換部７２において、これらの位置指令値をそれぞれの走査電磁石電源への指令値に変換する。すなわち、治療計画装置８０が、治療計画段階に、あらかじめ第一走査電磁石５および第二走査電磁石６の各指令値を生成しておく。

このように、治療計画によって作成される目標軌道信号をフィルタで周波数分割し走査電磁石各々の指令値を生成するのはどの部分で行っても良く、従来粒子線照射装置に備えられている計算機内部に、実施の形態１や２で説明した周波数分離部７１を備えるようにしても良い。

実施の形態４．
実施の形態４は、本発明が、呼吸等にともない患部が動いたり変形したりする場合にも適用できることを説明する。図１１及び図１２は、本発明の実施の形態４による粒子線治療装置の概略構成を示すブロック図である。図１１及び図１２において、図１と同一符号は、同一または相当する部分を示す。粒子線治療装置を用いた治療においては、照射対象である患部が、患者の呼吸等生理的な活動に伴い動いたり変形したりすることがある。このため、「呼吸同期照射」や「患部トラッキング照射」など、効果的かつ安全な治療を行うためのさまざまな工夫が提案されている。

図１１は、患者の体表面の動きを監視するカメラ３０を備えた粒子線治療装置の構成を示した図である。なお、図１１では、監視カメラを１組のみ示したが、患部の３次元位置情報を得ることが目的なので、２組若しくはそれ以上用いるのが通常である。患者の体表面には、あらかじめ複数のマーキングを行い、このマークをいわゆるランドマークとして、画像処理装置３１により３次元位置情報が求められる。協調制御用走査制御部７は、画像処理装置３１により求めたランドマークの３次元位置情報より、患部の位置・姿勢を推測し、目標照射位置を修正する。協調制御用走査制御部７により修正された目標照射位置も、周波数分離部７１により周波数分離されるため、第一走査電磁石と第二走査電磁石とが協調してビーム位置の制御をすることができる。

図１２は、図１１と同じ目的で構成された粒子線治療装置の構成を示した図である。図１２では、Ｘ線管３２、ＦＰＤ（Fat Panel Detector）３３、および画像処理機能を含むＸ線制御装置３４などで構成されるＸ線撮像装置を用いる。なお、図１２では、Ｘ線撮像装置を１組のみ示したが、患部の３次元位置情報を得ることが目的なので、２組もしくはそれ以上用いるのが通常である。Ｘ線撮像装置を用いれば、患部を含めた周辺部の透視画像が得られる。したがって、この場合は、骨の特徴的な形状を有する部分等がランドマークとなる。この後の、Ｘ線制御装置３４がランドマークの３次元位置情報を求める以降の
フローは、前述した図１１の場合と同様である。

本実施の形態４による粒子線治療装置においては、以上のように照射対象である患部の動きを検出し、この動きに応じて目標照射位置を補正する、すなわちフィードバック補償を行うような構成にしたので、より高精度な照射が実現できる。

実施の形態５．
実施の形態１〜４では、複数組の走査電磁石からなるビーム照射系に対して、それぞれの走査電磁石への指令値を生成するための、各走査電磁石の目標走査量の決定の仕方を説明した。具体的には、それぞれの走査電磁石が分担するビーム走査量を、最終的に与えられた目標軌道を達成するように、フィルタを用いて生成するものである。一見、それぞれの走査電磁石に対して分担するビーム走査量が決まれば、それぞれの走査電磁石への指令値を生成することは容易であると思われる。しかし、ビーム走査量が決まっても、そのビーム走査量を達成する走査電磁石への指令値（励磁電流の値）を正確に求めることは、実は容易ではない。特に、下流に設置された走査電磁石は上流の走査電磁石の影響を受けるため、その指令値の生成に工夫を要する。そこで、本実施の形態５では、目標軌道を達成するための指令値が容易に求められない課題について詳しく説明し、さらにその課題を解決する手段について説明する。

実施の形態１で説明した図４に基づいて、目標軌道を達成するための、走査電磁石への指令値が容易に求められない技術的課題について説明する。図４の左側は、指令値が各走査電磁石へ入力されていることを示す（要因）。図４の右側は、その結果、ビームが走査され（照射位置が移動され）、一意に決まる照射位置が出力されることを示す（結果）。
この物理現象は、全体として４入力４出力の「写像」と捉えることができる。

また、要因があって結果が生じるという考え方、すなわち「因果律」の順序そのものであることから、特に「順方向の写像」又は「順写像」とよぶ。ただし、ここで「指令値」とは、以下のものを言う。走査電磁石を駆動させるための制御量は、一般的に電流である。したがって、ここで指令値とは、制御量の目標値であり、一般的には電流の単位で与える。

この物理現象は、図４の他に、図１３のように解釈することもできる。図４において、順写像の入力と出力は、図１４に示す表１のようにおいた。表１のように、４つの入力から４つの出力が得られるので、４入力４出力の写像となる。ところで出力１と出力２は、第一走査電磁石にのみ依存して決まるので、すなわち入力１と入力２のみによって決まるので、部分的には２入力２出力である。しかし、全体として見た場合、４入力４出力ととらえることができる。ここで、式（１）により、ＯＰ_１、ＯＰ_２、Ｐ_１Ｐ_２は３ベクトルのうち、いずれか２つのベクトルがわかれば残りの１ベクトルを計算することができる。図４に示した順写像においては、出力をＯＰ_１、ＯＰ_２の２ベクトルとしたが、図１３のように順写像の出力を、ＯＰ_１、Ｐ_１Ｐ_２の２ベクトルとして考えてもよい。図１５に示す表２は、図１３に示した写像の入出力を表す。

ここで、技術的課題を説明する簡単な例１を示す。ある走査量でビームが走査され、ある照射位置にビームが照射されていると仮定する。これに対し、下流の走査電磁石を用いて、照射位置を例えばＸ方向に＋１ｃｍ移動させることを考える。このとき、上流の走査電磁石がビームをどこに走査しているかによって、達成するための下流の走査電磁石の制御量は異なる。すなわち、上流の走査電磁石が働いてなく原点にあるビームの照射位置をＸ方向に＋１ｃｍ移動させるための指令値と、上流の走査電磁石が働いていて例えばＸ方向に１０ｃｍの位置にあるビームの照射位置をさらにＸ方向に＋１ｃｍ（＝１１ｃｍ）に移動させるための指令値は、同じではない。経験的に、上記のような指令値のずれが生じる現象がわかっている。

技術的課題を説明する、別の簡単な例２を示す。下流の走査電磁石が働いていない状態で、原点にあるビームの照射位置をＸ座標が２ｃｍの位置に移動させるための上流のＸ方向走査電磁石への制御量は２[A]であったとする。また、上流の走査電磁石が働いていない状態で、原点にあるビームの照射位置をＸ座標が２ｃｍの位置に移動させるための下流のＸ方向走査電磁石への制御量は２[A]であったとする。このとき、上流のＸ方向走査電磁石への制御量を２[A]与え、下流のＸ方向走査電磁石への制御量を２[A]与えた場合、ビームの照射位置のＸ座標が４ｃｍの位置になるとは限らない。むしろ、一般的には４ｃｍとならない。経験的に、上記のようなビーム照射位置のずれが生じる現象がわかっている。

このように、物理現象の要因である制御量（電流）と、物理現象の結果であるビーム位置とは、概念を常に明確にし、区別しておく必要がある。上記の例１は、結果（ビーム位置）における加算法則は、対応する要因（制御量）で成立しないことを示した例である。例２は、要因（制御量）における加算法則は、対応する結果（ビーム位置）で成立しないことを示した例である。これは、物理現象を示す順写像が、線形でないために生じる。

厳密な指令値を生成する難しさを示すものとして、以下の点も考慮に入れる必要がある。走査電磁石は、ビーム軸と直交したＸ方向及びＹ方向にそれぞれビームを走査するように取り付ける。理想的には、ビーム位置のＸ座標成分は純粋にＸ方向用の走査電磁石により、ビーム位置のＹ座標成分は純粋にＹ方向用の走査電磁石により実現できることが望ましい。しかし、現実にはビーム照射位置のＸ座標成分とＹ座標成分を完全に独立して制御することは難しい。例えば、Ｙ方向用走査電磁石でビーム位置のＹ座標が３ｃｍとなるようビームを走査した状態で、Ｘ方向用走査電磁石でビームを走査していくと、ビーム照射位置の軌跡は純粋にＸ軸と平行とはならず、Ｙ座標が３ｃｍからずれていくことが経験的にわかっている。この原因のひとつには、走査電磁石の取り付け誤差等が考えられるが、これに限らない。このように、単一の走査電磁石によってビーム位置の制御を、Ｘ座標成分とＹ座標成分とに独立して単一に行えないことを、「ＸとＹとの干渉項がある」、「ＸとＹとのクロスタームがある」等と表現する。

ＸとＹとの干渉項の問題は、１組の走査電磁石によりビームを走査する場合に既に生じる。本発明におけるビーム照射系４では、上流の第一走査電磁石５と下流の第二走査電磁石６と、少なくとも２組の走査電磁石を用いる。したがって、ＸとＹとの干渉項の問題は、本発明においては更に複雑になる。走査電磁石が２組以上の場合を考える前に、まずはＸ方向とＹ方向の走査電磁石１組の場合について述べる。

上記のように、１組の走査電磁石の場合のＸとＹとの干渉項の問題を課題として見出した。課題解決のため指令値変換部７２において、荷電粒子ビームの目標照射位置座標から、その照射を実現するＸ方向走査電磁石のＸ方向指令値とＹ方向走査電磁石のＹ方向指令値とをそれぞれ生成する、Ｘ方向とＹ方向逆写像数式モデルを有するようにする。また、当該Ｘ方向とＹ方向逆写像数式モデルは、それぞれ、荷電粒子ビームの照射位置平面における目標照射位置座標を２変数で表示したときの２変数のいずれも含んでいるようにする。

１組の走査電磁石を仮定した逆写像数式モデルと、２組の走査電磁石を仮定した逆写像数式モデルとが、どのように対応しているかについて説明する。前述したように、第一走査電磁石５によるビーム移動量ＯＰ_１は、第一走査電磁石５のみに依存する。そのため、図４及び図１３いずれの写像の考え方においても、ＯＰ_１部分は２入力２出力である。すなわち、第一走査電磁石５への指令値が、第一走査電磁石５へ入力されてＯＰ_１を出力する部分は、２組の走査電磁石によるビーム照射系においても、１組の走査電磁石によるビーム照射系の物理現象を表す順写像と同等であると考えてよい。

一方、第一の走査電磁石５の下流にある第二の走査電磁石６によるビーム移動量Ｐ_１Ｐ_２（図１３の写像の出力）及び最終的なビーム移動量ＯＰ_２（図４の写像の出力）は、第一走査電磁石５と第二走査電磁石６との両方に依存する。したがって、第二走査電磁石６によるビーム移動量Ｐ_１Ｐ_２を出力する写像は、部分的に４入力２出力であるといえる（図１３、表２：入力１、入力２、入力３、入力４⇒出力３、出力４）。または、最終的なビーム移動量ＯＰ_２を出力する写像は、部分的に４入力２出力であるといえる（図４、表１：入力１、入力２、入力３、入力４⇒出力３、出力４）。ここの部分が、２組の走査電磁石を用いるビーム照射系に特有の性質であるといえる。全体として、ＯＰ_１とＰ_１Ｐ_２、若しくはＯＰ_１とＯＰ_２を出力する２組の走査電磁石のビーム照射系の物理現象を表す順写像は、全体として４入力４出力であるといえる。

「順写像」である物理現象は、走査電磁石への指令値を決めて与えれば、ビーム照射位置が唯一に決まるというものであり、図４及び図１３では、矢印によりその順序を示している。しかし、実際に装置の機能として必要とされるのは、先に目標ビーム照射位置が与えられ、それに対しその目標ビーム照射位置を実現する走査電磁石の指令値を求めることである。すなわち、物理現象とは逆のアプローチである。

１組の走査電磁石を有するビーム照射系の場合においても、同様に逆のアプローチが必要である。この物理現象とは逆のアプローチを達成するため、指令値変換部７２に逆写像数式モデルを備えるようにする。逆写像数式モデルには、例えば、以下のような多項式構造のものが考えられる。

ただし、各変数、係数などは図１６に示す表３の通り。

なお、式（３）及び式（４）は、最高次数＝２の多項式を示したが、最高次数をいくつまでとるか、またどのような項を採用するかは写像の非線形度合い等によって適宜決めてよい。本明細書の趣旨は、指令値変換部７２に用いる逆写像を、式（３）又は式（４）に限定するものではない。

さて、式（３）又は式（４）を用いて指令値の推定値を求めるには、未知パラメータ（多項式の係数）が事前に求まっている必要がある。例えば、あらかじめ患者のいない状態で試し照射を行い、実測したデータから最小二乗法又は重み付き最小二乗法によりこの未知パラメータを求めることができる。また、このような作業をキャリブレーションとよぶ。

図１７及び図１８は、２組の走査電磁石を用いるビーム照射系の場合において、この物理現象とは逆のアプローチを指令値変換部７２で達成する「逆写像」を、ブロック線図で表したものである。図１７は、図４に示した順写像に対応した逆写像のブロック線図である。また、図１８は、図１３に示した順写像に対応した逆写像のブロック線図である。本発明における粒子線照射装置における指令値変換部７２は、図１７又は図１８に示す逆写像の数式モデルを備える。

図１７又は図１８に示すように、第二走査電磁石６（下流の走査電磁石）の指令値の推定値を求める逆写像２は、いずれも４入力２出力になっていることがわかる。すなわち、式（３）や式（４）で示した２入力２出力のものとは異なる数式モデルが必要である。そこで、本発明の実施の形態５においては、以下に示す数式モデルを使用する。

図１７に対応した逆写像の数式モデルは、例えば、以下の式（５）、式（６）のようである。

ただし、各変数、係数などは図１９に示す表４の通り。

図１８に対応した逆写像の数式モデルは、例えば、以下の式（７）、式（８）のようである。

ただし、各変数、係数などは図２０に示す表５の通り。

なお、式（５）乃至（８）では、最高次数＝２の多項式を示したが、最高次数をいくつまでとるか、またどのような項を採用するかは写像の非線形度合い等によって適宜決めてよい。本発明の趣旨は、指令値変換部７２に用いる逆写像を、式（５）乃至（８）に限定するものではない。

式（５）乃至（８）を用いて指令値の推定値を求める場合にも、未知パラメータ（多項式の係数）が事前に求まっている必要がある。当該未知パラメータは、あらかじめ患者のいない状態で試し照射を行い、実測したデータから最小二乗法又は重み付き最小二乗法により求めればよい。なお、この試し照射と区別するため、患者の治療を行うための照射は「本照射」とよぶ。未知パラメータを求めるための作業（試し照射を含む）は、キャリブレーションとよぶ。

本実施の形態５においては、このように協調制御用走査制御部は、２つの走査電磁石を連ねた照射系の順写像を仮定したその逆写像モデルを有し、キャリブレーション時の試し照射の実データから逆写像モデルの未知パラメータを求めるようにしているため、走査電磁石の指令値を求める際の、物理現象（順写像）の非線形性により生じる加算法則が出来ない問題を解決し、またＸとＹとの干渉項の問題を解決することができる。さらに、逆写像の数式モデルに多項式モデルを採用すれば、足し算と掛け算のみですむので高速に指令値の推定値を演算ができる、という格別な効果を発揮する。

実施の形態６．
図２１は、本発明の実施の形態６による粒子線照射装置の構成を示すブロック図である。図２１において、図１と同一符号は同一または相当する部分、または部品を示す。本実施の形態６では、粒子線２をＸ方向に偏向して走査する走査電磁石はＸ方向走査電磁石６２０一つのみ設けている。また、粒子線２をＹ方向に偏向して走査する走査電磁石はＹ方向走査電磁石６１０一つのみ設けている。Ｘ方向走査電磁石６２０の励磁コイルは一つのみであるが、この一つの励磁コイルを第一Ｘ方向走査電磁石電源５３５と第二Ｘ方向走査電磁石電源６３５の２つの電源により駆動するようにしている。同様に、Ｙ方向走査電磁石６１０の励磁コイルは一つのみであるが、この一つの励磁コイルを第一Ｙ方向走査電磁石電源５３６と第二Ｙ方向走査電磁石電源６３６の２つの電源により駆動するようにしている。また、Ｘ方向走査電磁石６２０は実施の形態１における第二走査電磁石６のＸ方向走査電磁石６２と同様、粒子線２を標的の最大幅まで偏向できる能力を有している。第二Ｘ方向走査電磁石電源６３５は大電流を出力することができるが、低電圧であり、Ｘ方向走査電磁石６２０の励磁コイルのインダクタンスの値が大きいため電流を高速に変化させることができない電源、すなわち低電圧大電流電源である。また、第一Ｘ方向走査電磁石電源５３５は出力できる電流値は小さいが、高電圧が出力でき、Ｘ方向走査電磁石６２０の励磁コイルのインダクタンスの値が大きくても電流を高速に変化できる高電圧小電流電源である。Ｘ方向走査電磁石６２０の励磁コイルには、第一Ｘ方向走査電磁石電源５３５および第二Ｘ方向走査電磁石電源６３５の両方の電源からの電流が重畳して流れるように構成されている。

同様に、Ｙ方向走査電磁石６１０の励磁コイルは一つのみであるが、この一つの励磁コイルを第一Ｙ方向走査電磁石電源５３６と第二Ｙ方向走査電磁石電源６３６の２つの電源により駆動するようにしている。また、Ｙ方向走査電磁石６１０は実施の形態１における第二走査電磁石６のＹ方向走査電磁石６１と同様、粒子線２を標的の最大幅まで偏向できる能力を有している。第二Ｙ方向走査電磁石電源６３６は大電流を出力することができるが、低電圧であり、Ｙ方向走査電磁石６１０の励磁コイルのインダクタンスの値が大きいため電流を高速に変化させることができない電源、すなわち低電圧大電流電源である。また、第一Ｙ方向走査電磁石電源５３６は出力できる電流値は小さいが、高電圧が出力でき、Ｙ方向走査電磁石６１０の励磁コイルのインダクタンスの値が大きくても電流を高速に変化できる高電圧小電流電源である。Ｙ方向走査電磁石６１０の励磁コイルには、第一Ｙ方向走査電磁石電源５３６および第二Ｙ方向走査電磁石電源６３６の両方の電源からの電流が重畳して流れるように構成されている。

本実施の形態６による粒子線照射装置では、第一Ｘ方向走査電磁石電源５３５とＸ方向走査電磁石６２０とで、実施の形態１で説明した第一走査電磁石電源５３と第一走査電磁石５のＸ方向走査電磁石５２に相当する動作を行い、第二Ｘ方向走査電磁石電源６３５とＸ方向走査電磁石６２０とで、実施の形態１で説明した第二走査電磁石電源６３と第二走査電磁石６のＸ方向走査電磁石６２に相当する動作を行う。同様に、第一Ｙ方向走査電磁石電源５３６とＹ方向走査電磁石６１０とで、実施の形態１で説明した第一走査電磁石電源５３と第一走査電磁石５のＹ方向走査電磁石５１に相当する動作を行い、第二Ｙ方向走査電磁石電源６３６とＹ方向走査電磁石６１０とで、実施の形態１で説明した第二走査電磁石電源６３と第二走査電磁石６のＹ方向走査電磁石６１に相当する動作を行う。すなわち、実施の形態１で説明したように、目標軌道の信号から周波数分離部７１で分離した高周波成分により、指令値変換部７２において、第一Ｘ方向走査電磁石電源５３５および第一Ｙ方向走査電磁石電源５３６に対する指令値を求める。同様に、目標軌道の信号から周波数分離部７１で分離した低周波成分により、指令値変換部７２において、第二Ｘ方向走査電磁石電源６３５および第二Ｙ方向走査電磁石電源６３６に対する指令値を求める。

以上のように、実施の形態６による粒子線照射装置によれば、Ｘ方向およびＹ方向、それぞれ一つの走査電磁石に対して、それぞれ高速および低速の応答速度が異なる２個の走査電磁石電源への指令値を、目標軌道の信号を周波数分離するだけの単純な構成で作成することができ、低速から高速まで自由度の高い荷電粒子ビームの走査が可能となる。また、この粒子線照射装置を粒子線治療装置に適用すれば、患者毎に適切な目標軌道を形成でき、各組の走査電磁石の特性を考慮した走査ができるため、走査時間の短縮が図れる。

なお、実施の形態２で説明したのと同じ技術思想を、本実施の形態６に適用しても良い。すなわち、Ｘ方向およびＹ方向、それぞれ一つの走査電磁石に対して、それぞれ高速、中速および低速の３個の電源、あるいは応答速度が異なる４個以上の電源を設けた構成にしても良い。また、指令値の作成などについては、実施の形態１のみならず実施の形態３、実施の形態４、および実施の形態５を本実施の形態６に適用できるのは言うまでもない。

実施の形態７．
図２２は、本発明の実施の形態７による粒子線照射装置の構成を示すブロック図である。図２２において、図１および図２１と同一符号は同一または相当する部分、部品を示す。本実施の形態７では、粒子線２をＸ方向に偏向させて走査する走査電磁石はＸ方向走査電磁石６２１一つのみ設けている。ただし、Ｘ方向走査電磁石６２１は、同一の鉄心に第一Ｘ方向励磁コイル６２５および第二Ｘ方向励磁コイル６２６の２つの励磁コイルが巻かれたものとなっている。ここで、第二Ｘ方向励磁コイル６２６は第一Ｘ方向励磁コイル６２５よりもコイルの巻数が多く、大きなインダクタンスを有し、第一Ｘ方向励磁コイル６２５のインダクタンスは小さい。第一Ｘ方向励磁コイル６２５は応答速度が速い第一Ｘ方向走査電磁石電源５３５により駆動され、第二Ｘ方向励磁コイル６２６は第一Ｘ方向走査電磁石電源５３５よりも応答速度が遅い第二Ｘ方向走査電磁石電源６３５により駆動される。

第一Ｘ方向励磁コイル６２５が第一Ｘ方向走査電磁石電源５３５により駆動されてＸ方向走査電磁石６２１を励磁して粒子線２を偏向させて走査できる範囲は、実施の形態１における第一走査電磁石５のＸ方向走査電磁石５２で走査できる範囲と同様である。また、第二Ｘ方向励磁コイル６２６が第二Ｘ方向走査電磁石電源６３５により駆動されてＸ方向走査電磁石６２１を励磁して粒子線２を偏向させて走査できる範囲は、実施の形態１における第二走査電磁石６のＸ方向走査電磁石６２で走査できる範囲と同様である。すなわち、第二Ｘ方向走査電磁石電源６３５で駆動する第二Ｘ方向励磁コイル６２６では粒子線２を大きく偏向して走査できるが、高速には走査できない。第一Ｘ方向走査電磁石電源５３５で駆動する第一Ｘ方向励磁コイル６２５では粒子線２を高速に走査できるが、大きく走査できない。

同様に、Ｙ方向走査電磁石６１１は、同一の鉄心に第一Ｙ方向励磁コイル６１５および第二Ｙ方向励磁コイル６１６の２つの励磁コイルが巻かれたものとなっている。ここで、第二Ｙ方向励磁コイル６１６は第一Ｙ方向励磁コイル６１５よりもコイルの巻数が多く、大きなインダクタンスを有し、第一Ｙ方向励磁コイル６１５のインダクタンスは小さい。第一Ｙ方向励磁コイル６１５は応答速度が速い第一Ｙ方向走査電磁石電源５３６により駆動され、第二Ｙ方向励磁コイル６１６は第一Ｙ方向走査電磁石電源５３６よりも応答速度が遅い第二Ｙ方向走査電磁石電源６３６により駆動される。

第一Ｙ方向励磁コイル６１５が第一Ｙ方向走査電磁石電源５３６により駆動されてＹ方向走査電磁石６１１を励磁して粒子線２を偏向させて走査できる範囲は、実施の形態１における第一走査電磁石５のＹ方向走査電磁石５１で走査できる範囲と同様である。また、第二Ｙ方向励磁コイル６１６が第二Ｙ方向走査電磁石電源６３６により駆動されてＹ方向走査電磁石６１１を励磁して粒子線２を偏向させて走査できる範囲は、実施の形態１における第二走査電磁石６のＹ方向走査電磁石６１で走査できる範囲と同様である。すなわち、第二Ｙ方向走査電磁石電源６３６で駆動する第二Ｙ方向励磁コイル６１６では粒子線２を大きく偏向して走査できるが、高速には走査できない。第一Ｙ方向走査電磁石電源５３６で駆動する第一Ｙ方向励磁コイル６１５では粒子線２を高速に走査できるが、大きく走査できない。

本実施の形態７による粒子線照射装置では、第一Ｘ方向走査電磁石電源５３５とＸ方向走査電磁石６２１の第一Ｘ方向励磁コイル６２５とで、実施の形態１で説明した第一走査電磁石電源５３と第一走査電磁石５のＸ方向走査電磁石５２に相当する動作を行い、第二Ｘ方向走査電磁石電源６３５とＸ方向走査電磁石６２１の第二Ｘ方向励磁コイル６２６とで、実施の形態１で説明した第二走査電磁石電源６３と第二走査電磁石６のＸ方向走査電磁石６２に相当する動作を行う。同様に、第一Ｙ方向走査電磁石電源５３６とＹ方向走査電磁石６１１の第一Ｙ方向励磁コイル６１５とで、実施の形態１で説明した第一走査電磁石電源５３と第一走査電磁石５のＹ方向走査電磁石５１に相当する動作を行い、第二Ｙ方向走査電磁石電源６３６とＹ方向走査電磁石６１１の第二Ｙ方向励磁コイル６１６とで、実施の形態１で説明した第二走査電磁石電源６３と第二走査電磁石６のＹ方向走査電磁石６１に相当する動作を行う。すなわち、実施の形態１で説明したように、目標軌道の信号から周波数分離部７１で分離した高周波成分により、指令値変換部７２において、第一Ｘ方向走査電磁石電源５３５および第一Ｙ方向走査電磁石電源５３６に対する指令値を求める。同様に、目標軌道の信号から周波数分離部７１で分離した低周波成分により、指令値変換部７２において、第二Ｘ方向走査電磁石電源６３５および第二Ｙ方向走査電磁石電源６３６に対する指令値を求める。

以上のように、実施の形態７による粒子線照射装置によれば、Ｘ方向およびＹ方向、それぞれ一つの走査電磁石に対して、それぞれ小さいインダクタンスおよび大きいインダクタンスの２個の励磁コイルを巻き、それぞれの走査電磁石電源への指令値を、目標軌道の信号を周波数分離するだけの単純な構成で作成することができ、低速から高速まで自由度の高い荷電粒子ビームの走査が可能となる。また、この粒子線照射装置を粒子線治療装置に適用すれば、患者毎に適切な目標軌道を形成でき、各走査電磁石電源と各励磁コイルの特性を考慮した走査ができるため、走査時間の短縮が図れる。

なお、実施の形態２で説明したのと同じ技術思想を、本実施の形態７に適用しても良い。すなわち、Ｘ方向およびＹ方向、それぞれ一つの走査電磁石に対して、それぞれ小さいインダクタンス、大きいインダクタンス、それらの中間のインダクタンスの３個の励磁コイルを設け、あるいはインダクタンスの異なる４個以上の励磁コイルを設けた構成にしても良い。また、指令値の作成などについては、実施の形態１のみならず実施の形態３、実施の形態４、および実施の形態５を本実施の形態７に適用できるのは言うまでもない。

１：加速器 ２：荷電粒子ビーム
３：ビーム輸送系 ４：ビーム照射系
５：第一走査電磁石 ６：第二走査電磁石
７：協調制御用走査制御部 ８、８０：治療計画装置
２０：ビーム軸
２１：走査された荷電粒子ビーム
２２：照射対象
２３：ビーム照射系全体による走査エリア
２４：第一走査電磁石による走査エリア（デフォルト）
５１、６１、６１０、６１１：Ｙ方向走査電磁石
５２、６２、６２０、６２１：Ｘ方向走査電磁石
５３５：第一Ｘ方向走査電磁石電源
５３６：第一Ｙ方向走査電磁石電源
６１５：第一Ｙ方向励磁コイル ６１６：第二Ｙ方向励磁コイル
６２５：第一Ｘ方向励磁コイル ６１６：第二Ｘ方向励磁コイル
６３５：第一Ｘ方向走査電磁石電源
６３６：第一Ｙ方向走査電磁石電源
７１：周波数分離部 ７２：指令値変換部
７３：ローパスフィルタ ７４：ハイパスフィルタ
Ｏ：アイソセンタ

Claims (9)

1. 入射される荷電粒子ビームを、上記荷電粒子ビームの進行方向に垂直なＸ方向およびＹ方向の２方向の目標軌道に走査して、照射対象に照射する粒子線照射装置において、
   上記荷電粒子ビームを上記２方向に走査する走査電磁石の組を複数組備え、
   上記目標軌道は時間に対応した目標照射位置が決められた時系列目標軌道データで与えられ、
   上記時系列目標軌道データを周波数分割した複数のデータを基に、上記複数組の走査電磁石のそれぞれの走査電磁石の指令値を生成する
   ことを特徴とする粒子線照射装置。
2. 異なる組の走査電磁石の電気的な周波数応答特性が異なることを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射装置。
3. 走査電磁石の組数が２であることを特徴とする請求項２に記載の粒子線照射装置。
4. 荷電粒子ビームに対し上流側に配置された走査電磁石の組の周波数応答特性が、下流側に配置された走査電磁石の組の周波数応答特性よりも高周波の応答特性を有することを特徴とする請求項３に記載の粒子線照射装置。
5. 時系列目標軌道データを周波数分割した複数のデータを基に、逆写像数式モデルにより、複数組の走査電磁石のそれぞれの走査電磁石の指令値を生成することを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射装置。
6. 入射される荷電粒子ビームを、上記荷電粒子ビームの進行方向に垂直なＸ方向およびＹ方向の２方向の目標軌道に走査して、照射対象に照射する粒子線照射装置において、
   上記荷電粒子ビームを上記Ｘ方向に走査するＸ方向走査電磁石と、このＸ方向走査電磁石を励磁するための応答速度が異なる複数のＸ方向走査電磁石電源と、
   上記荷電粒子ビームを上記Ｙ方向に走査するＹ方向走査電磁石と、このＹ方向走査電磁石を励磁するための応答速度が異なる複数のＹ方向走査電磁石電源とを備え、
   上記目標軌道は時間に対応した目標照射位置が決められた時系列目標軌道データで与えられ、
   上記時系列目標軌道データを周波数分割した複数のデータを基に、上記複数のＸ方向走査電磁石電源、および上記複数のＹ方向走査電磁石電源の指令値を生成する
   ことを特徴とする粒子線照射装置。
7. 上記Ｘ方向走査電磁石を励磁するための一つの励磁コイルに対して、上記複数のＸ方向走査電磁石電源からの電流が重畳して流れ、上記Ｙ方向走査電磁石を励磁するための一つの励磁コイルに対して、上記複数のＹ方向走査電磁石電源からの電流が重畳して流れることを特徴とする請求項６に記載の粒子線照射装置。
8. 上記Ｘ方向走査電磁石を励磁するための、インダクタンスが異なる複数のＸ方向励磁コイルと、上記Ｙ方向走査電磁石を励磁するための、インダクタンスが異なる複数のＹ方向励磁コイルとを備え、
   上記複数のＸ方向走査電磁石電源のそれぞれは、上記複数のＸ方向励磁コイルのそれぞれに電流を供給し、
   上記複数のＹ方向走査電磁石電源のそれぞれは、上記複数のＹ方向励磁コイルのそれぞれに電流を供給することを特徴とする請求項６に記載の粒子線照射装置。
9. 請求項１または請求項６に記載の粒子線照射装置と、上記目標軌道を生成する治療計画装置とを備えたことを特徴とする粒子線治療装置。

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