JP5622223B2 - 粒子線照射システム及び粒子線照射システムの制御方法 - Google Patents
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Description
この炭素、ネオン等の重粒子線をがんを患う患者の患部に照射し、治療を行う場合、如何にゆらぎを小さくして一定の線量を患者に照射するかが必要とされる。
そのため、患者の患部に照射する重粒子線を線量計で測定し、この線量信号を一定に保つように、フィードバック制御が行われている。
図1は、本発明の実施形態に係る粒子線照射システムの全体構成を示す模式図である。図1に示すように、本発明の第一の実施形態に係る粒子線照射システム1は、炭素等の原子から一部の電子を取り除くイオン源10,10と、該一部の電子が取り除かれた粒子の初段の加速を行う線形加速器20と、該粒子の残りの電子を取り除くストリッパ30と、当該粒子が患者の体の奥深くまで到着できるエネルギまで加速する環状のシンクロトロン40と、輸送系50と、加速された当該粒子を治療室(図示せず)の患者に照射するための照射系60とを含んで構成される。
なお、イオン源10,10から照射系60に至るまでの荷電粒子ビームの輸送管は、高真空に保たれている。
図1に示すイオン源10,10には、PIG(Penning Ionization Gauge)型イオン源、あるいはECR(Electron Cyclotron Resonance)を利用してプラズマイオンを発生させるECR型イオン源等、公知のイオン源を用いることができる。例えば、炭素イオンC6+の重粒子を生成させる場合は、まずCO2等の希薄なガスに電子ビームを当て、炭素分子から電子をたたき出すことにより共有結合を切り、炭素原子又は電子が1個剥がれたC1+を生成させる。
このプラズマにスリット付の負電極(−20kV程度)を近づけると、C4+イオンはプラズマから引き出され、線形加速器3で加速される。加速によりエネルギーが6MeV/核子になった時点で、C4+をストリッパ30に通過させる。これによりC4+に残っている2つの電子が剥ぎとられて炭素原子核だけのC6+となる。
線形加速器20で6MeV/核子まで加速されたC6+は、負の高電圧が印加されているインフレクタ41によりシンクロトロン40の周回軌道に入射される。
図1に示すシンクロトロン40は、加速高周波の周期を粒子回転周期に同期させることにより、炭素の原子核等の荷電粒子(重粒子)を高エネルギまで加速する環状の装置であり、「加速器」に相当するものである。
なお、図2は、シンクロトロン(加速器)40内の周回軌道を加速されて廻る照射系60への取り出し前のビームb1と、照射系60へ取り出し中のビームb2の水平方向位置(横軸x)とそのビーム強度(縦軸y)、及びデフレクタ電極46(二点鎖線で示す)との位置関係を示す図1のA−A線断面概念図であり、シンクロトロン40の水平方向の中心を原点として横軸に水平方向の位置をとり、縦軸に水平方向の位置のビーム強度をとっている。
図1に示すシンクロトロン40内の周回軌道を周回している多数の荷電粒子は、水平方向(図1の紙面に平行方向)又は鉛直方向(図1の紙面に垂直方向)に振動しながら周回している(図2に示す符号b1参照)。この振動をベータトロン振動といい、ベータトロン振動の周回軌道一周あたりの振動数をチューンと称する。チューンは、図1に示す偏向電磁石42、四極電磁石43等により制御することができる。
ビームb1は、例えば、109〜1010個の炭素粒子であり、この炭素粒子は、横断面が楕円状を呈してシンクロトロン(加速器)40内の軌道を回転している。各炭素粒子に着目すると、この軌道に沿って、各炭素粒子が蛇行しながら、言い換えると、軌道に対する横断面でみると振動しながら、シンクロトロン40内の軌道に沿って廻っている。
すなわち、シンクロトロン40内の荷電粒子ビームをシンクロトロン40の外の照射系60に向けて取り出すためには、中心付近に分布する荷電粒子ビーム(図2の符号b1参照)に、周回軌道に対して垂直に水平方向にRF−KO電極45で挟んでRF−KO電圧による電場を印加し、荷電粒子ビームサイズを広げる(図2の符号b2参照)。
この荷電粒子の出射は、シンクロトロン40内の周回軌道を進む荷電粒子のベータトロン振動の共鳴を利用して行う。
なお、RF−KO電圧がオフのときには、この荷電粒子ビームのサイズの増加がとまるために、荷電粒子ビームがデフレクタ電極13から取り出されなくなるので、照射を止めることが可能となる。
さらに、RF−KO電極45により周波数成分f2をもった高周波電圧を印加することにより、符号b2に示す状態の荷電粒子ビームの振動を、図2の符号b3に示す状態のように、選択的にさらに増大させることができる。
続いて、本発明の実施形態に係る粒子線照射システム1の動作例について、図4を参照して説明する。図4は、本発明の実施形態に係る粒子線照射システムの動作例を示す図であり、線量モニタリング装置によってモニタリングされた線量、増幅器のゲイン、RF−KO電圧の出力、第一のRF−KO電圧の出力、及び、第二のRF−KO電圧の出力の経時変化を示すグラフである。
まず、加速器制御部71は、線形加速器20の駆動を開始するとともに、シンクロトロン40のRF−KO電極45以外の電磁石、電極等の駆動を開始する。第一ステップは、所定時間経過後に第二ステップに移行する。図5(a)は、第一ステップ終了時点におけるベータトロン振幅とベータトロン振動数との関係を示すグラフであり、図5(b)は、第一ステップ終了時点におけるベータトロン振幅と周回ビーム(シンクロトロン内を周回する荷電粒子ビーム)の粒子密度分布との関係を示すグラフである。図5(a)(b)に示すように、第一ステップの終了時点では、第二のRF−KO信号の周波数f2と共振する荷電粒子は少ない。かかる第一ステップは、荷電粒子ビームの加速後、RF−KO電極以外の電磁石、電極(デフレクタ電極46や六極電磁石47等)等が出射(荷電粒子ビームの取り出し)準備完了状態になるまで行われる。
続いて、加速器制御部71のRF−KO電極制御部71aは、第一のRF−KO信号発生器81の駆動を開始し、RF−KO電極45に対して、第一の周波数成分を有する第一のRF−KO信号をRF−KO電圧として印加する。第二ステップにおいて第二のRF−KO信号を発生せず、フィードバック制御を行わないのは、シンクロトロン40のRF−KO電圧45にRF−KO電圧が印加されても、位相空間における荷電粒子ビームの分布は定常状態とはならず過渡状態にあるため、フィードバック制御が安定しないためである。かかる第二ステップは、実験、シミュレーション等によって決められた所定時間(荷電粒子ビームの線量がおおよそ目標値に達する時間)経過後に、第三ステップに移行する。
続いて、RF−KO電極制御部71aは、第二のRF−KO信号発生器82の駆動を開始し、RF−KO電極45に対して、RF−KO信号に第二の周波数成分を有する第二のRF−KO信号が加算された信号をRF−KO電圧として印加する。同時に、RF−KO電極制御部71aは、第一の増幅部83及び第二の増幅部84におけるフィードバック制御を開始し、フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させる。第三ステップにおいてフィードバック制御のゲインを連続的に上昇させるのは、位相空間における荷電粒子ビームの分布は過渡状態から定常状態への遷移期にあるため、ゲインを一気に所定値まで上げるとフィードバック制御が安定しないためである。
続いて、RF−KO電極制御部71aは、第一の増幅部83及び第二の増幅部84におけるフィードバック制御を、ゲインを所定値としたまま継続する。図6(a)は、第四ステップにおけるベータトロン振幅とベータトロン振動数との関係を示すグラフであり、図6(b)は、第四ステップにおけるベータトロン振幅と荷電粒子ビームの線量との関係を示すグラフである。図6(a)(b)に示すように、第四ステップでは、第二のRF−KO信号の周波数f2と共振する荷電粒子がデフレクタ電極46によって取り出される。
40 シンクロトロン(加速器)
45 RF−KO電極
46 デフレクタ電極
70 制御装置
71 加速器制御部(駆動制御装置)
71a RF−KO電極制御部(ゲイン調整部)
80 RF−KO電極駆動装置(駆動制御装置)
81 第一のRF−KO信号発生器
82 第二のRF−KO信号発生器
83 第一の増幅器
84 第二の増幅器
85 加算器
86 増幅器
Claims (3)
- 加速器内で加速され当該加速器内の軌道を進む荷電粒子ビームに、当該荷電粒子ビームを挟んで配置されるRF−KO電極により、RF−KO電圧による電場を印加して前記荷電粒子ビームの幅を広げて前記荷電粒子ビームの一部をデフレクタ電極を介して前記加速器内から取り出す粒子線照射システムであって、
前記加速器を駆動制御する駆動制御装置は、
前記RF−KO電極の駆動を停止したまま、前記加速器を駆動し、
続いて、前記加速器から取り出された荷電粒子ビームの線量をモニタリングする線量モニタリング装置の検出結果に基づく前記RF−KO電圧に関するフィードバック制御のゲインをゼロとした状態で、前記RF−KO電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のRF−KO信号を前記RF−KO電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅を増大させ、
続いて、前記第一のRF−KO信号の印加を開始してから所定時間経過後に、前記RF−KO電極に対して、前記第一のRF−KO信号と、前記第一の周波数成分よりもベータトロン振幅の大きい粒子に共鳴する第二の周波数数成分を有する第二のRF−KO信号と、を前記RF−KO電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅をさらに増大させるとともに、前記RF−KO電極に対して前記第一のRF−KO信号と前記第二RF−KO信号とを前記RF−KO電圧として印加し始めた時点で、前記フィードバック制御のゲインの上昇を開始して当該フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させ、
続いて、前記RF−KO電極に対して前記第一のRF−KO信号と前記第二RF−KO信号とを前記RF−KO電圧として印加するとともに、前記フィードバック制御を、当該フィードバック制御のゲインを所定値としたまま行う
ことを特徴とする粒子線照射システム。 - 前記駆動制御装置は、
前記第一のRF−KO信号を発生する第一のRF−KO信号発生部と、
前記第二のRF−KO信号を発生する第二のRF−KO信号発生部と、
前記第一のRF−KO信号を増幅する第一の増幅部と、
前記第二のRF−KO信号を増幅する第二の増幅部と、
増幅された前記第一のRF−KO信号及び増幅された前記第二のRF−KO信号を加算し、増幅されて加算された前記第一のRF−KO信号及び前記第二のRF−KO信号を前記RF−KO電圧として前記RF−KO電極へ出力する加算部と、
前記第一の増幅部及び前記第二の増幅部における前記フィードバック制御のゲインを調整するゲイン調整部と、
を備え、
前記ゲイン調整部は、
前記RF−KO電極に対して前記第一のRF−KO信号を前記RF−KO電圧として印加しているときには、前記第一の増幅部及び前記第二の増幅部における前記フィードバック制御のゲインをそれぞれゼロとし、
前記RF−KO電極に対して前記第一のRF−KO信号と前記第二のRF−KO信号とを前記RF−KO電圧として印加し始めた時点で、前記第一の増幅部及び前記第二の増幅部における前記フィードバック制御のゲインの上昇を開始する
ことを特徴とする請求項1に記載の粒子線照射システム。 - 加速器内で加速され当該加速器内の軌道を進む荷電粒子ビームに、当該荷電粒子ビームを挟んで配置されるRF−KO電極により、RF−KO電圧による電場を印加して前記荷電粒子ビームの幅を広げて前記荷電粒子ビームの一部をデフレクタ電極を介して前記加速器内から取り出す粒子線照射システムの制御方法であって、
前記加速器を駆動制御する駆動制御装置が、前記RF−KO電極の駆動を停止したまま、前記加速器を駆動する第一ステップと、
前記駆動制御装置が、前記加速器から取り出された荷電粒子ビームの線量をモニタリングする線量モニタリング装置の検出結果に基づく前記RF−KO電圧に関するフィードバック制御のゲインをゼロとした状態で、前記RF−KO電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のRF−KO信号を前記RF−KO電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅を増大させる第二ステップと、
前記第一のRF−KO信号の印加を開始してから所定時間経過後に、前記駆動制御装置が、前記RF−KO電極に対して、前記第一のRF−KO信号と、前記第一の周波数成分よりもベータトロン振幅の大きい粒子に共鳴する第二の周波数成分を有する第二のRF−KO信号と、を前記RF−KO電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅をさらに増大させるとともに、前記RF−KO電極に対して前記第一のRF−KO信号と前記第二RF−KO信号とを前記RF−KO電圧として印加し始めた時点で、前記フィードバック制御のゲインの上昇を開始して当該フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させる第三ステップと、
前記駆動制御装置が、前記RF−KO電極に対して前記第一のRF−KO信号と前記第二RF−KO信号とを前記RF−KO電圧として印加するとともに、前記フィードバック制御を、当該フィードバック制御のゲインを所定値としたまま行う第四ステップと、
を含むことを特徴とする粒子線照射システムの制御方法。
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