JP5788100B2 - 走査電磁石用制御装置および粒子線治療装置 - Google Patents

Description

本発明は、がん治療等に用いられる粒子線治療装置において、とくにスキャニング照射型の粒子線治療装置に用いる走査電磁石用の制御装置およびこれを用いた粒子線治療装置に関する。

粒子線治療は、治療対象となる患部に荷電粒子のビーム（粒子線）を照射して、患部組織に損傷を与えることにより治療を行うものである。その際、周辺組織にダメージを与えず、患部組織に十分な線量を与えるため、照射線量や照射範囲（照射野）を適切に制御することが求められている。照射野を制御する方式としては、従来から用いられている物理的な制限器を通すことで照射野を形成するブロードビーム照射型と、最近注目されるようになった、走査によって、照射野を直接形成するスキャニング照射型（例えば、特許文献１ないし３参照。）がある。とくに、スキャニング照射型では面内における線量分布も自在に制御でき、患部状態に応じた線量付与が可能となる。

いずれの場合でも、粒子線の軌道や照射範囲を制御するために、少なくとも電磁石を制御するための制御器が中性子等が多く発生する環境の中に配置されるので、故障が生じやすくなる。そこで、特許文献４ないし７に示されるように、制御器の系統を冗長化させて故障を検出することが考えられる。

特開平１１−１１４０７８号公報（段落００２６〜００３９、図１〜図４） 特開２００１−２１２２５３号公報（段落００５２〜００５５、図１） 特開２００５−２９６１６２号公報（段落００２３〜００３８、図１〜図４、段落００３９〜００４５、図５） 特開平５−９４３８１号公報（段落０００７、図１） 特開平８−２４１２１７号公報（段落００２５〜００２６、図１） 特開２００３−３１６５９９号公報（段落００１５〜００１９、図１） 特開２００８−２９９７６７号公報（段落０００８〜００１６、図１、図２）

しかしながら、上記文献には、粒子線治療装置に対して、具体的にどのような系統を冗長化させるべきかは記載されていない。一方、粒子線治療装置のシステムは巨大で、中性子等が発生する環境下にあるものだけでも、多くの制御器を必要とするので、それら全ての制御器を冗長化させようとするのは現実的ではない。そこで、本発明者は、粒子線治療装置における、故障の影響について検討した。その結果、とくに、スキャニング照射型の粒子線治療装置における指令値の処理を行う系統が故障対策をすべき最優先対象であることが分かった。

例えば、ブロードビーム照射型では、粒子線を走査する電磁石（ワブラー電磁石）は、物理的な制限器の透過形状を網羅するために、照射範囲を拡大するために用いられるもので、その下流には、粒子線を拡散させるための散乱体が設置されている。そのため、ワブラー電磁石を制御する系統に故障が生じて、粒子線の制御が不能になっても、下流の散乱体によって拡散される。したがって、線量の集中度合いが低く、故障が生じた場合のｏｖｅｒ ｄｏｓｅ（過剰線量）による患者への影響は、それほど深刻なものとはならない。

一方、スキャニング照射型では、粒子線を走査する電磁石（走査電磁石）は、ペンシルビームと称される細い粒子線を走査することにより、直接照射野を形成する。そのため、走査電磁石を制御する系統に故障が生じて、制御不能となった粒子線は、直接患者に向けて照射されてしまう。このため、ブロードビーム照射型に比べてスキャニング照射型は、照射系電磁石の制御器が故障したときの過剰線量による患者への影響が深刻である。

しかも、スキャニング照射型では、仮に指令値通りに走査電磁石を制御していたとしても、指令値自体に誤りが生じると、電磁石が故障したときと同様に深刻な影響が生じてしまう。そのため、例えば特許文献７に記載されたように、粒子線の位置を計測するモニターを設けて、指令値と実際の粒子線の位置とのずれを検知できるようにしても、過剰線量による患者への影響を回避することはできない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、過剰線量による影響を抑制し、適切な線量付与が可能な粒子線治療ができることを目的とする。

本発明の走査電磁石用制御装置は、加速器から供給された粒子線を治療計画に応じた照射野に成形するスキャニング照射用の走査電磁石の制御に用いられ、中性子を発生する環境の中に配置される走査電磁石用制御装置であって、前記治療計画に基づいて前記走査電磁石を駆動するための指令値を生成し、生成した指令値を前記加速器と同期させて出力する指令値処理部と、前記指令値処理部での処理の誤りを検出する誤り検出部と、を備え、前記指令値処理部の少なくとも一部の回路は冗長化されており、前記誤り検出部は、前記冗長化された回路からの出力が一致しないときに、前記処理の誤りが生じたことを検出することを特徴とする。

本発明の走査電磁石用制御装置およびこれを用いた粒子線治療装置によれば、スキャニングを行うための指令値の処理の誤りを迅速に検出できるので、線量集中による過剰線量を抑制し、適切な線量付与が可能な粒子線治療を行うことができる。

本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置における照射装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置における走査電磁石用制御装置の構成を説明するためのブロック図である。 本発明の実施の形態２にかかる粒子線治療装置における走査電磁石用制御装置を説明するためのブロック図である。 本発明の実施の形態３にかかる粒子線治療装置における走査電磁石用制御装置を説明するためのブロック図である。 本発明の実施の形態４にかかる粒子線治療装置における走査電磁石用制御装置を説明するためのブロック図である。 本発明の実施の形態４にかかる粒子線治療装置におけるスライス毎のスキャニング照射について説明するための模式図である。 スキャニング照射における、スポット位置がずれた場合の線量分布について説明するための図である。 本発明の実施の形態４にかかる粒子線治療装置における動作を説明するための波形図である。 本発明の実施の形態４にかかる粒子線治療装置における動作を説明するためのフローチャートである。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置の構成について説明する。図１〜図３は、本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置の構成について説明するためのもので、図１は粒子線治療装置の全体構成を説明するための図、図２は粒子線治療装置における照射装置の構成を示す図、図３は走査電磁石用を制御する制御器（制御部）の構成を示すブロック図である。

本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置１の特徴は、スキャニング照射を行うための走査電磁石を制御する制御装置の構成にある。具体的には、走査電磁石を駆動するための指令値の処理系統を冗長化させ、冗長化させた複数の処理系統からの出力を比較して、出力が一致しているか否かで故障を検知するものである。しかし、その故障を検知する構成及び動作の説明に先んじて、粒子線治療装置１の大まかな構成について図１を用いて説明する。

図において、粒子線治療装置１は、粒子線の供給源として、シンクロトロンである円形加速器１０（以降、単に加速器と称する）と、治療室７毎に設けられた照射装置３と、加速器１０と照射装置３とをつなぎ、加速器１０から各治療室７の照射装置３に粒子線を輸送する輸送系２と、これら各系統を制御する制御系統とを備えている。なお、図では、簡略化のため複数ある治療室や照射装置の内、ひとつの治療室７と照射装置３のみを示している。また、制御系統としては、粒子線治療装置１全体を制御する主制御器と、各系統ごとに設けられた複数の局所制御器を備えているが、それらのうち、加速器１０用の局所制御器である制御部５と、照射装置３用の局所制御器である制御部４と、粒子線治療装置１全体を連携して制御する主制御器である主制御部６のみを示している。つぎに、各構成の説明に移る。

加速器１０は、荷電粒子を周回させるための軌道経路となる真空ダクト１１、前段加速器８から供給された荷電粒子を真空ダクト１１に入射するための入射装置１２、荷電粒子が真空ダクト１１内の周回軌道に沿って周回するよう、荷電粒子の軌道を偏向させるための偏向電磁石１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ（まとめて１３と称する）、周回軌道上の荷電粒子を発散しないように収束させる収束用電磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ（まとめて１４と称する）、周回する荷電粒子に同期した高周波電圧を与えて加速する高周波加速空洞１５、加速器１０内で加速させた荷電粒子を、所定エネルギーを有する粒子線として加速器１０外に取り出し、輸送系２に出射するための出射装置１６、出射装置１６から粒子線を出射させるために周回軌道内で共鳴を励起する六極電磁石１７を備えている。

なお、偏向電磁石１３には、偏向電磁石１３の励磁電流を制御する偏向電磁石制御装置や、高周波加速空洞１５には、高周波加速空洞１５に高周波電圧を供給するための高周波源、高周波源を制御するための高周波制御装置というように、各部を制御するための図示しない装置が備えられており、偏向電磁石制御装置、高周波制御装置や収束用電磁石１４などその他のコンポーネントを制御して加速器１０全体を制御する制御器等も制御部５内に備えている。

また、前段加速器８は、図では簡略化のためにひとつの機器のように記載しているが、実際には、陽子、炭素（重粒子）等の荷電粒子（イオン）を発生させるイオン源（イオンビーム発生装置）と、発生させた荷電粒子を初期加速する線形加速器系とを備えている。そして、前段加速器８から加速器１０に入射した荷電粒子は、高周波数の電界で加速され、磁石で曲げられながら、光速の約７０〜８０％まで加速される。

加速器１０により加速されて出射された粒子線は、ＨＥＢＴ（高エネルギービーム輸送：High Energy Beam Transport）系と称される輸送系２へと出射される。輸送系２は、粒子線の輸送経路となる真空ダクトと、粒子線のビーム軌道を切替える切替装置である切替電磁石と、粒子線を所定角度に偏向する偏向電磁石とを備えている。なお、上述したように、図では、ひとつの照射装置のみを示し、切替電磁石等は記載していないが、切替電磁石で必要に応じて軌道を切替えることで、ひとつの加速器１０から出射された粒子線を、任意の治療室の照射装置へ供給することができる。

照射装置３は、輸送系２から供給された粒子線を照射対象の大きさや深さに応じた照射野に成形して患部へ照射するものである。図２に示すように、照射装置３は、加速器１０から輸送系２を経て供給されたいわゆるペンシル状の粒子線をビーム軸Ｘ_Ｂに対して略垂直な面内の任意の方向に向けて偏向させる走査電磁石３１と、照射対象Ｔの厚さに応じて、ブラッグピークの幅を拡大させるためのリッジフィルタ３３と、照射対象の深さ（照射深さ）に応じて、粒子線のエネルギー（飛程）を変えるためのレンジシフタ３４と、を備えている。

走査電磁石３１は、ビーム軸Ｘ_Ｂに垂直な面（ｘｙ）内で１次元内での走査を行う単方向走査電磁石３１ａと単方向走査電磁石３１ｂを互いに偏向方向が異なる（例えば、図では、直交するｘ方向とｙ方向）よう、ビーム軸Ｘ_Ｂに沿って配置したものである。各単方向走査電磁石３１ａ、３１ｂでの励磁量を調整することにより、照射対象である患部Ｔのｘｙ面内での所定位置に向かって粒子線が出射するように、入射した粒子線をビーム軸Ｘ_Ｂに対して所定の方向に偏向させることができる。

リッジフィルタ３３は、例えば錐状体や断面が三角形の板を面内に多数並べたように形成したもので、例えば、粒子線が通過する面を多数の小領域に分割したとすると、小領域毎に多様な厚みを通過する粒子線が存在するようになっている。図では、理解しやすいように円錐を面内に並べたように記載している。これにより、ブラッグピークの幅が拡大され、いわゆるＳＯＢＰ（Spread-Out Bragg Peak）を有する粒子線となる。すなわち、リッジフィルタ３３により、線量付与できる深さ方向の幅を広げることになる。レンジシフタ３４は、入射した粒子線のエネルギーを所定量減衰させるためのもので、例えば、所定厚みを持った樹脂の板材を複数備え、その板材の組み合わせ（総厚み）により、減衰量を規定することができる。

つまり、スキャニング照射法により患部Ｔを照射する場合、患部Ｔのビーム軸Ｘ_Ｂに平行な方向、つまり深さ（ｚ）方向の形状に対応した照射野は、上述したリッジフィルタ３３やレンジシフタ３４によって形成される。そして、患部Ｔのビーム軸Ｘ_Ｂに垂直な面（ｘｙ）平行における形状に対応した照射野は、走査電磁石３１によって形成される。その際、基本的には、深さ方向の照射野を定めた状態で、２つの単方向走査電磁石３１ａ、３１ｂの偏向角度の組み合わせを変化させ、面（ｘｙ）方向での２次元の照射野を形成する。

この偏向角度は、それぞれ走査電磁石（３１ａ、３１ｂ）に流れる電流に応じて生じる磁場の強さによって決まる。そして、それぞれの電流は、各単方向走査電磁石３１ａ、３１ｂに対応して設けられた駆動電源３２（実際には３１ａ用の駆動電源３２ａ、３１ｂ用の駆動電源３２ｂがあるが、まとめて３２と表記）に出力された指令値によって定まる。そして、指令値は、治療計画装置に保存された照射対象の座標データを基に計算する。

そして、本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置１は、スキャニング照射型の照射装置３の局所制御器のうち、スキャニングを行う走査電磁石３１用の制御器である制御部４に特徴がある。つまり、照射対象の座標データからの指令値への変換（生成）、生成した指令値を加速器１０と同期して出力するような出力タイミングの調整等の指令値処理を行う制御部４内の回路のうち、少なくとも一部を冗長化させ、冗長化させた回路からのそれぞれの出力が一致するか否かで処理に誤りがあるか否かを判断するようにした。以下、詳細について説明する。

図３に示すように、制御部４は、治療計画装置２０で作成した治療計画データを受信するデータ受信部として機能するインタフェース４１と、インタフェース４１が受信した治療計画データを保存するためのメモリ４２とを有する。そして、メモリ４２から出力された治療計画データ（次元は照射位置とその位置における照射線量）を、走査電磁石３１（の駆動電源３２）への指令値（次元は電流と時間）へ変換するための演算を行う演算回路４３を、同じ演算（処理）を実行する第１演算回路４３Ａと第２演算回路４３Ｂとが冗長化するように構成している。

冗長化させた第１演算回路４３Ａと第２演算回路４３Ｂで算出された指令値は、それぞれ比較部４５に出力される。比較部４５は、第１演算回路４３Ａから出力された演算結果（指令値）と第２演算回路４３Ｂから出力された演算結果（指令値）とを比較する。そして、比較したそれぞれの演算結果（指令値）が一致する場合は指令値を、演算結果（指令値）が一致しない場合はその旨を示す信号（エラー発生トリガ信号）を指令値送信部として機能するインタフェース４６に出力する。つまり、比較部４５は、冗長化させた指令値処理系統のいずれかでエラーが発生したかどうかを検知する誤り検出部として機能する。

インタフェース４６に指令値が出力されると、インタフェース４６は指令値を加速器１０（の制御部５）と同期して、駆動電源３２に出力し、駆動電源３２は出力された指令値に基づいて走査電磁石３１を駆動する。一方、インタフェース４６にエラー発生トリガ信号が出力されると、インタフェース４６はエラー発生トリガ信号を主制御部６に出力する。つまり、インタフェース４６は、指令値を加速器１０と同期して出力するタイミング調整部、および指令値を処理する系統でエラーが発生した際に、エラーの発生を他の制御器等に通知するエラー通知部として機能する。

主制御部６にエラー発生トリガ信号が出力されると、主制御部６は、エラーの発生を示すアラーム表示を各系統に表示させるための信号、若しくは粒子線を停止するための信号を対応する制御器（例えば、制御部４，５等）に出力する。

照射装置３系の制御器として、上記のような構成の制御部４を用いれば、冗長化された演算回路４３Ａ、４３Ｂのどちらかにエラーが発生した場合に、リアルタイムでエラーを検出できるので、粒子線を即座に停止して過剰線量を防止することが可能となる。このとき、特許文献７に記載されたように、粒子線の照射位置の指令値からのずれを検出するようにしていても、指令値自体にエラーが生じたことを検出することはできない。そのため、例えば、指令値が一つの値で止まったままになれば、ペンシルビームと呼ばれる細い粒子線が一点に集中して照射されることにより深刻な過剰線量が発生する。これは、指令値が０の場合でも同様である。

一般的な制御の場合、故障時に指令値を０にすることで、安全が保つことができ、フェイルセーフとなることが多い。しかし、スキャニング照射型の粒子線治療装置に適用すると、故障時に粒子線がアイソセンタと呼ばれる標的中心に照射され続けることになり、安全側に機能するどころか、むしろ、重大な事態を招いてしまう。しかし、本実施の形態にかかる粒子線治療装置１では、走査電磁石３１の駆動電源３２の指令値の処理系統を冗長化させるだけで、指令値の処理にエラーが発生しているか否かをすぐに検出できる。そのため、装置を複雑化することなく、過剰線量による影響を抑制し、最適な線量付与が可能になる。

なお、走査電磁石３１は上述したようにｘ方向用の単方向走査電磁石３１ａとｙ方向用の単方向走査電磁石３１ｂの２つの単方向走査電磁石で構成され、指令値は各単方向走査電磁石３１ａ、３１ｂごとに計算される。そのため、上記冗長化は、ｘ方向用単方向走査電磁石３１ａの駆動電源３２ａの指令値を演算する回路、ｙ方向用単方向走査電磁石３１ｂの駆動電源３２ｂの指令値を演算する回路それぞれに対して行うことが望ましい。しかし、少なくとも一方の回路側を冗長化させることでも効果は生じる。このとき、例えば、一方の指令値が継続的、他方の指令値が断続的に変化するように指令値のパターンが判っている場合、継続的に指令値が変化する側の回路を優先的に冗長化させることが望ましい。

また、図１、図３に示すように、制御部４は、粒子線を加速・輸送する加速器１０系の制御部５と同期して照射装置３系の制御を行う機能を有する。照射装置３系の制御器と加速器１０系の制御器をひとつの制御器で行うことも考えられるが、分散協調制御することが一般的である。この場合、複数のサブシステム（加速器１０、輸送系２、治療室ごとの照射装置３等）を備えたシステムの制御系として、各サブシステムを専ら制御する局所制御器と全体を指揮し制御する主制御器からなる階層型の制御系統を用いることが多い。本発明の実施の形態１にかかる粒子線治療装置においても、この主制御器と局所制御器の構成を採用している。そして、サブシステム内で制御できる動作は局所制御器内で、複数のシステムを連携して制御する動作は主制御器が制御するというように、制御系統内での機能を分担している。

一方、粒子線治療装置においては、制御系統には、ワークステーションやコンピュータを用いることが一般的である。そのため、主制御器や局所制御器といった機能は、ソフトウェア等により発現されることになり、必ずしも特定のハードウェアに収まるとは限らない。例えば、上述した図１や後述するブロック図では、制御部４と５と６があたかも別個のハードウェアーであるかのように記載しているが、これは、説明の都合上、そのように記載しているだけであって、実態を反映したものではない。ただし、後述する実施の形態（とくに実施の形態３）によっては、例えば、配置によるノイズの影響等を考慮して、制御器（または回路部分）の物理的な配置を区別する場合もある。

以上のように、本実施の形態１にかかる走査電磁石用制御装置（制御部４）によれば、加速器１０から供給された粒子線を治療計画に応じた照射野に成形するスキャニング照射用の走査電磁石３１の制御に用いられる走査電磁石用制御装置（制御部４）であって、治療計画（のデータ）に基づいて走査電磁石３１を駆動するための指令値を生成し、生成した指令値を加速器１０と同期するようにタイミングを調整して出力する指令値処理部として機能するメモリ４２、演算回路４３、インタフェース４６と、指令値処理部での処理の誤りを検出する誤り検出部（比較部４５）と、を備え、指令値処理部の少なくとも一部の回路（演算回路４３）は冗長化（演算回路４３Ａ、４３Ｂ）されており、誤り検出部（比較部４５）は、冗長化された回路からの出力が一致しないときに、処理の誤りが生じたことを検出するように構成したので、指令値の処理に誤りが生じた場合に、迅速に検出することができる。これにより、照射位置が留まることによる線量集中、あるいは、照射してはならない部位への誤照射などによる過剰線量が生じることを抑制し、最適な線量付与が可能な粒子線治療を行うことができる。

とくに、冗長化された回路は、治療計画データを指令値に変換する演算回路４３Ａ、４３Ｂであるので、指令値の生成処理における誤りを迅速に検出することができる。

また、本実施の形態１にかかる粒子線治療装置１によれば、粒子線を供給する加速器１０と、スキャニング照射用の走査電磁石３１を有し、加速器１０から供給された粒子線を用いて患部形状に応じたスキャニング照射を行う照射装置３と、走査電磁石３１を制御する上述した走査電磁石用制御装置（制御部４）と、加速器１０と照射装置３とを連携して制御する連携制御装置（制御部６）と、を備え、走査電磁石用制御装置（制御部４）は、誤り検出部（比較部４５）が処理の誤りを検出したときに、処理の誤りが生じたことを示すエラー発生信号を連携制御装置（制御部６）に出力し、連携制御装置（制御部６）は、エラー発生信号が出力されると、加速器１０による粒子線の供給および照射装置３による粒子線の照射のうち、少なくともいずれかを停止させるように構成したので、照射位置が留まることによる線量集中、あるいは、照射してはならない部位への誤照射などによる過剰線量が生じることを抑制し、最適な線量付与が可能な粒子線治療を行うことができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、外部の治療計画装置が計算した治療計画データから走査電磁石（の駆動電源）への指令値への変換を、照射装置系の制御器の中の冗長化した指令値処理部で行う態様を示している。これは、治療計画データからの指令値への変換が、個々の電磁石の特性に依存しており、電磁石と対となる制御器において行わせることが自然であるためである。ただし、この変換を照射装置系の制御器以外の装置（例えば治療計画装置）によって行えないわけではない。本実施の形態２では、この指令値への変換を外部の装置で行う態様を示す。

図４は、本発明の実施の形態２にかかる粒子線治療装置における走査電磁石用の制御器（制御部）の構成を示すブロック図である。図４に示すように、治療計画装置２２０に、治療計画データを指令値へ変換するための演算を行う演算回路２４３を有している。そして、照射装置３用の制御部２０４は、インタフェース４１は、治療計画データの代わりに指令値を受信し、メモリは、インタフェース４１が受信した指令値を保存する。ここで、本実施の形態２においては、メモリ４２もメモリ４２Ａとメモリ４２Ｂと２つのメモリを冗長化させて２系統に配置している。そして、それぞれの系統において、メモリに保存された指令値をタイミングを調整（加速器系制御部５と同期）しながら出力するタイミング調整部として機能するタイミング調整回路４７も冗長化（４７Ａ、４７Ｂ）させて設けている。つまり、指令値処理系統のうち、メモリとタイミング調整回路を冗長化させたことになる。そして、冗長化させた指令値処理系統のそれぞれから出力された指令値は、比較部４５に出力され、以降、実施の形態１と同様の構成と動作が行われる。

つまり、実施の形態１との違いとしては、まず、治療計画データからの指令値への変換を、制御部２０４以外の装置（図に示すように、例えば、治療計画装置２２０）によって行っている。したがって、制御部２０４内の指令値処理系統では、指令値への変換の計算は行わず、加速器系の制御部５と同期して信号を出力する機能のみにとどまる。さらに、実施の形態１との他の相違点は、メモリも２系統備えている点にある。これは、照射装置系の制御器の故障がもっぱら計算や出力のタイミングを取る部分よりも、メモリにおいて生じることが多いことがわかったため。メモリも２系統備えるようにした。なお、指令値への演算は、物理的には治療計画装置２２０で実行されているが、走査電磁石３１用の制御部２０４の機能の一部が治療計画装置２２０内に設置されているとみなしてもよい。

以上のように、本実施の形態２にかかる走査電磁石用制御装置（制御部２０４）によれば、加速器１０から供給された粒子線を治療計画に応じた照射野に成形するスキャニング照射用の走査電磁石３１の制御に用いられる走査電磁石用制御装置（制御部２０４）であって、治療計画（のデータ）に基づいて走査電磁石３１を駆動するための指令値を生成し、生成した指令値を加速器１０と同期させて出力する指令値処理部として機能する演算回路２４３、メモリ４２、タイミング調整回路４７と、指令値処理部での処理の誤りを検出する誤り検出部（比較部４５）と、を備え、指令値処理部の少なくとも一部の回路（メモリ４２とタイミング調整回路４７）は冗長化（メモリ４２Ａ、４２Ｂ、およびタイミング調整回路４７Ａ、４７Ｂ）されており、誤り検出部（比較部４５）は、冗長化された回路からの出力が一致しないときに、処理の誤りが生じたことを検出するように構成したので、指令値の処理に誤りが生じた場合に、迅速に検出することができる。これにより、照射位置が留まることによる線量集中、あるいは、照射してはならない部位への誤照射などによる過剰線量が生じることを抑制し、最適な線量付与が可能な粒子線治療を行うことができる。

とくに、冗長化された回路は、生成された指令値を保持するメモリ４２Ａ、４２Ｂであるので、影響を受けやすいメモリの不具合による指令値の生成処理における誤りを迅速に検出することができる。

また、冗長化された回路は、生成された指令値の出力を加速器１０と同期させて出力するタイミング調整回路４７Ａ、４７Ｂであるので、指令値出力の停滞やタイミング誤り等の処理誤りを迅速に検出することができる。

また、本実施の形態２にかかる粒子線治療装置１によれば、粒子線を供給する加速器１０と、スキャニングを行う走査電磁石３１を有し、加速器１０から供給された粒子線を用いて患部形状に応じたスキャニング照射を行う照射装置３と、走査電磁石３１を制御する上述した走査電磁石用制御装置（制御部２０４）と、加速器１０と照射装置３とを連携して制御する連携制御装置（制御部６）と、を備え、走査電磁石用制御装置（制御部２０４）は、誤り検出部（比較部４５）が処理の誤りを検出したときに、処理の誤りが生じたことを示すエラー発生信号を連携制御装置（制御部６）に出力し、連携制御装置（制御部６）は、エラー発生信号が出力されると、加速器１０による粒子線の供給および照射装置３による粒子線の照射のうち、少なくともいずれかを停止させるように構成したので、照射位置が留まることによる線量集中、あるいは、照射してはならない部位への誤照射などによる過剰線量が生じることを抑制し、最適な線量付与が可能な粒子線治療を行うことができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１や２では、誤り検出部（比較部４５）やエラー通知手段（インタフェース４６）が、いずれも、照射装置用の制御器（制御部４、２０４）に内包されていた。この場合、指令値を制御部４から走査電磁石３１（駆動電源３２）へ送る信号線にノイズ等がのることによって生じる不都合までは対処することができない。状況によっては、指令値処理の比較をできる限り末端で行いたい要求がある。そこで、本実施の形態３に係る粒子線治療装置では、エラー検出手段とエラー通知手段を照射装置用の制御器以外の部分として走査電磁石用の駆動電源内に配置するようにした。

図５は、本発明の実施の形態３にかかる粒子線治療装置における照射装置を制御する制御器（制御部）の構成を示すブロック図である。図５に示すように、エラー検知手段として機能する比較部３４５やエラー通知手段として機能するエラー出力部３２６を、走査電磁石３１の駆動電源３３２内に設置するようにした。

図５に示すように、制御部３０４は、インタフェース４１と、メモリ４２と、冗長化させた第１演算回路４３Ａと第２演算回路４３Ｂの構成は、実施の形態１の図３で説明したのと同様の構成である。しかし、比較部４５を内部に有しておらず、インタフェース３４６はエラー通知手段としての機能を有しない。そのため、第１演算回路４３Ａと第２演算回路４３Ｂで演算した指令値は、インタフェース３４６を介して、そのまま駆動電源３３２に出力される。

比較部３４５とエラー出力部３２６は、駆動電源３３２内に設けている。そして、駆動電源３３２にインタフェース３４６を介して出力された第１演算回路４３Ａからの指令値と第２演算回路４３Ｂからの指令値は、それぞれ比較部３４５に出力される。比較部３４５は、実施の形態１あるいは２における比較部４５と同様に、両指令値を比較する。そして、比較した両指令値が一致する場合は指令値を走査電磁石３１に出力し、両指令値が一致しない場合はエラー発生トリガ信号をエラー出力部３２６に出力する。エラー発生トリガ信号が出力されると、エラー出力部３２６は、エラー発生トリガ信号を主制御部６に出力する。

このように構成することにより、指令値を送る信号線の内、制御部３０４から駆動電源３３２に至るまでの範囲にノイズ等がのった場合でも、指令値に関するエラーを検知して停止等の対策を行うことができるという効果を発揮することができる。

以上のように、本実施の形態３にかかる走査電磁石用制御装置（制御部３０４、駆動電源３３２内の比較部３４５）によれば、誤り検出部（比較部３４５）が、走査電磁石３１を駆動する駆動電源３３２に設置されているように構成したので、制御部３０４から駆動電源３３２に至るまでの範囲にノイズ等がのった場合でも、指令値に関するエラーを検知して停止等の対策を行うことができる。

また、本実施の形態３にかかる粒子線治療装置１によれば、粒子線を供給する加速器１０と、スキャニングを行う走査電磁石３１を有し、加速器１０から供給された粒子線を用いて患部形状に応じたスキャニング照射を行う照射装置３と、走査電磁石３１を制御する上述した走査電磁石用制御装置（制御部３０４、駆動電源３３２内の比較部３４５）と、加速器１０と照射装置３とを連携して制御する連携制御装置（制御部６）と、を備え、走査電磁石用制御装置（制御部３０４、駆動電源３３２内の比較部３４５とエラー出力部３２６）は、誤り検出部（比較部３４５）が処理の誤りを検出したときに、処理の誤りが生じたことを示すエラー発生信号を連携制御装置（制御部６）に出力し、連携制御装置（制御部６）は、エラー発生信号が出力されると、加速器１０による粒子線の供給および照射装置３による粒子線の照射のうち、少なくともいずれかを停止させるように構成したので、照射位置が留まることによる線量集中、あるいは、照射してはならない部位への誤照射などによる過剰線量が生じることを抑制し、最適な線量付与が可能な粒子線治療を行うことができる。

実施の形態４．
上記各実施の形態では、冗長化させた指令値の処理系統に発生したエラーを検知する構成として、最も単純な２つの系統を冗長化させたものについて記載した。しかし、冗長化の数については、２に制限する必要はなく、３つ以上にしてもよい。そしてその場合は例えば、特許文献６または７に開示されたような多数決を採用するようにしてもよい。本実施の形態４においては、冗長化の数を３以上として、上述した多数決を採用するものであるが、さらに、粒子線治療装置特有の現象に着目して、エラーを検知した時の動作を規定したものである。

図６〜図１０は本発明の実施の形態４にかかる粒子線治療装置の構成および動作について説明するためのもので、図６は粒子線治療装置の照射装置用の制御部の構成を示すブロック図、そして、図７はスキャニング照射を用いた積層原体照射について説明するための模式図で、積層原体照射のイメージ(図７（ａ)）とスライスにおける走査を示す模式図（図７（ｂ））である。図８はスキャニング照射でスポット位置がずれた場合の線量分布について説明するためのもので、一次元における、各スポット単独、およびそれらを重ね合わせた線量分布を示す図である。そして、図９は本発明の実施の形態４にかかる粒子線治療装置における動作を説明するための波形図、図１０は本発明の実施の形態４にかかる粒子線治療装置における動作を説明するためのフローチャートである。

なお、本実施の形態４にかかかる粒子線治療装置１は、図６に示すように、走査電磁石３１用の制御部４０４は、治療計画データを走査電磁石３１（の駆動電源３２）への指令値に変換するための演算を行う演算回路４３を、同じ演算を実行する第１演算回路４３Ａと第２演算回路４３Ｂと第３演算回路４３Ｃの３つの回路を冗長化させている。

冗長化させた第１演算回路４３Ａと第２演算回路４３Ｂと、第３演算回路４３Ｃで算出された指令値は、それぞれ比較部４４５に出力される。比較部４４５は、３つの演算回路（指令値処理系統）から出力された指令値を比較する。そして、比較した３つの指令値が一致する場合は指令値をインタフェース４４６に出力する。一方、異なる指令値が存在する場合、指令値が一致する数によって、対応するエラー発生トリガを出力する。一つの指令値が異なっていても一致する指令値がある（同じ指令値が２つ以上ある）場合は、一致する指令値と、軽度のエラーを示す信号としてエラー発生トリガＡをインタフェース４４６に出力する。一方、一致する指令値が一つも無い場合は、重度のエラーを示す信号としてエラー発生トリガＢをインタフェース４４６に出力する。つまり、本実施の形態４にかかるエラー検知手段（比較部４４５）は、冗長化させた指令値処理系統のいずれかでエラーが発生したかどうかだけでなく、発生したエラーの程度（深刻度）も評価する。

インタフェース４４６に指令値が出力されると、インタフェース４４６は指令値を駆動電源３２に出力し、駆動電源３２は出力された指令値に基づいて走査電磁石３１を駆動する。一方、インタフェース４４６にエラー発生トリガ信号Ａと指令値が出力されると、インタフェース４４６はエラー発生トリガ信号Ａを主制御部６に出力する。あるいは、インタフェース４４６にエラー発生トリガ信号Ｂが出力されると、インタフェース４４６はエラー発生トリガ信号Ｂを主制御部６に出力する。

そして、主制御部６は、出力された信号が重度のエラーを示すエラー発生トリガＢの場合、上記各実施の形態のようにエラーを表示して、粒子線を停止するように、対応する制御器（例えば、制御部４０４，５等）に出力する。しかし、軽度のエラーを示すエラー発生トリガＡが出力された場合、以下に示すように、そのスライスの照射を終えてから粒子線を停止するように対応する制御器（例えば、制御部４０４，５等）を制御する。以下、このような構成を採用した背景と動作の詳細について説明する。

はじめに、積層原体照射について説明する。
積層原体照射法では、まず患部Ｔの立体形状を体表面からの深さ方向において、図７（ａ）に示すように、所定厚みを有する複数の層（スライスＳＳ_１、ＳＳ_２、・・・ＳＳ_Ｎ）に分割する。そして、分割したスライス毎に、面方向（ｘｙ）の形状を網羅するように照射する。このとき、スキャニング照射で面方向の照射野を形成する場合、スライスの面方向での領域を網羅するように、微小なスポットを走査していく。例えば、図７（ｂ）では、スポットＳｐ_１から開始してジグザグに走査することで、スライスＳＳ_ｉの面方向の領域を網羅する例を示している。なお、スキャニング照射における走査の経路は図に示したようなジグザグに限りことはなく、渦巻き状やその他多様な形態が可能である。

図７のような例では、各スライスＳＳの深さに合わせたＳＯＢＰが得られるようにリッジフィルタ３３の仕様が調整される。そして、照射開始時には最深部のスライスＳＳ_１の深さに対応する飛程になるよう、照射装置３へ供給される粒子線のエネルギーやレンジシフタ３４の仕様が調整され、スライスＳＳ_１に対してスキャニング照射が実行される。そして、最深部のスライスＳＳ_１の照射が終了すると、自動的にＳＯＢＰに相当した深さ分浅い位置（照射装置３から見た手前側）に、レンジシフタ３４によって飛程が調整され、次のスライスＳＳ_２に対してスキャニング照射が実行される。以降、同様にレンジシフタ３４により飛程が調整され、最終スライススＳＳ_Ｎまで照射を終えると、全体として患部Ｔの立体形状に対応した空間ＶＴに線量が付与される。

このとき、各スライスＳＳｉでの面内の線量付与は、ペンシルビームのような細い粒子線を走査させて得るのであるが、ひとつのスポットにおける線量分布はスポット径の中で平坦ではなく、図８に示すようにガウス分布を持っている。したがって、各スポット（Ｓｐ_Ｘ−２、Ｓｐ_Ｘ−１、Ｓｐ_Ｘ、Ｓｐ_Ｘ＋１）の位置を計算された間隔で配置することにより、全体として面内に平坦な線量分布ＤＮを得ることができる。ここで、例えば、スポットＳｐ_Ｘの位置がＳｐ_Ｅにずれた場合、スポットＳｐ_Ｘ−１、Ｓｐ_ｅ間では、間隔が想定より広くなったため、線量が計画より低くなるコールドポイントＣＰが生じ、スポットＳｐ_ｅ、Ｓｐ_Ｘ＋１間では、間隔が想定より狭くなったため、線量が計画より高くなるホットポイントＨＰが生じてしまう。つまり、面内で偏りをもった線量分布ＤＥになる。

このようなホットポイントやコールドポイントは、程度によって、治療上許容できるものとできないものがあるが、一般的に許容できるとされるのは、スポットの位置精度を、粒子線分布における標準偏差σの５％以内に収めた場合である。ここで、例えば、スキャニング照射における粒子線の線量分布のσが３ｍｍ程度であるとすると、必要とされる位置精度は０．１５ｍｍ以内になる。一方、患者の治療台等への位置決め精度の目標は±０．３ｍｍとされており、現実の位置決め精度は、スポットの位置精度よりも粗くなる。

なお、この位置決め精度は、患部位置と照射範囲を合わせるためのものであり、治療開始時にその精度内に入っていれば治療計画通りに線量付与することに支障はない。しかし、ひとつのスライスの照射途中で患者の位置が変わってしまった場合、その精度内に合わせても、許容範囲を超えるホットポイントまたはコールドポイントが生じることになる。つまり、一度スライスの照射を始めた場合、そのスライスの照射を途中のスポットで中止してしまうと、仕切り直してそのスポットから照射を開始しても、治療計画通りに線量付与を行うことが困難であることがわかる。

そこで、本実施の形態４にかかる粒子線治療装置では、指令値にエラーが発生した場合でも、冗長化させた指令値処理系統のうち、少なくとも複数の系統で指令値が一致している場合、そのスライスの照射が完了するまで照射を継続するようにした。これにより、致命的なエラー（すべての指令値が不一致）が生じない限り、そのスライスにおいて均一に線量付与することが可能になる。ただし、これは、平坦な分布が最適という意味ではなく、説明が簡単な治療計画で平坦な分布が設定された場合に、その設定通りに分布させることを意味するものである。したがって、本実施の形態にかかる粒子線治療装置を用いれば、治療計画上、偏った線量分布が設定されているならば、設定された分布通りに線量付与できることになる。

つぎに、図９の波形図と図１０のフローチャートを用いて動作について説明する。
図９では、図７を用いて説明した積層原体照射における、ある４つの連続するスライス（ＳＳ_ｉ−２、ＳＳ_ｉ−１、ＳＳ_ｉ、ＳＳ_ｉ＋１）の照射期間での波形を示したものである。そして、各スライスＳＳでｘ方向でジグザグに走査しながらｙ方向で一方向に走査して領域を網羅し、スライスＳＳ_ｉの照射途中でエラーを検出した場合を想定している。図中（Ａ１）と（Ａ２）は、それぞれ単方向走査電磁石３１ａと３１ｂに設定された偏向角（指令値通りの電流が流れたときに通過した粒子線を偏向する角度）、（Ｂ）は照射中止指令信号、（Ｃ）はエラー発生トリガＡ、（Ｄ）はスポット、（Ｅ）はスライスを示す。

照射を開始してから、スライスＳＳ_ｉ−２、ＳＳ_ｉ−１においては、エラーは発生しておらず（ステップＳ１０で「Ｎ」）、走査電磁石３１の単方向走査電磁石３１ａ、３１ｂには、それぞれ設定された指令値に応じた電流が流れ、時間に応じて粒子線の偏向角度を変更することで、スキャニング照射を実行している。そしてスライスＳＳｉでも、スポットＳｐｅまでは、エラーは発生しておらず、スキャニング照射を実行している。

ここで、スポットＳｐ_Ｅの照射中に、比較部４４５が３つの指令値処理系統から出力された指令値のうち、少なくとも一つの指令値が異なっていた場合、エラーが発生したことを検知する（ステップＳ１０で「Ｙ」）。すると、ステップＳ２０に移行し、同じ指令値を出力する系統があるか否かを判断（ステップＳ２０）し、同じ指令値を出力する系統があれば、その系統は正常であり、正常な系統が複数あると判断する（ステップＳ２０で「Ｙ」）。

この場合、比較部４４５は、正常と判断した指令値とともに、インタフェース４４６にエラー発生トリガＡを発信する。インタフェース４４６は駆動電源３２に指令値を出力するとともに、主制御部６にエラー発生トリガＡを出力する。すると、主制御部６は、エラーが発生した時点のスポットが、そのスライスの最終スポットでない（ステップＳ３０で「Ｎ」）場合、エラーの発生に伴う照射中止の予告表示を実行するように対応する制御器に指令を出すにとどめる。そして、そのスライスの最終スポットになったステップＳ３０で「Ｙ」）ときに、粒子線の照射を中止（ステップＳ５０）するとともに、中止表示（ステップＳ６０）を行うよう、対応する制御器に照射中止指令信号を出す。

これにより、スライスＳＳ_ｉまでの照射を完了し、照射を中止する。なお、照射中止指令は必ずしも、そのスライスの最終スポットになったタイミングで出力する必要はなく、そのスライスの最終スポットになった時点で粒子線の出射が遅滞なく停止できるタイミングで出力すればよい。

一方、ステップＳ２０において、同じ指令値を出力する系統が一つも無い場合。比較部４４５は、インタフェース４４６にエラー発生トリガＢを発信し、エラー発生トリガＢを受信したインタフェース４４６は、主制御部６にエラー発生トリガＢを出力する。すると、主制御部６は、遅滞なく、粒子線の照射を中止（ステップＳ５０）するとともに、中止表示（ステップＳ６０）を行うよう、対応する制御器に照射中止指令信号を出す。

なお、ステップＳ２０で「Ｙ」と判定され、そのスライスの最終まで照射を継続するシーケンスに入っていた場合であっても、残りの２系統の指令値も異なるような事態になった場合は、即時停止動作に移行する。

なお、３つ以上冗長化させる対象や、回路の物理的な配置変更等については、当然のことながら、上記各実施の形態に掲載された例を組み合わせて適用することができる。

以上のように、本実施の形態４にかかる走査電磁石用制御装置（制御部４０４）によれば、加速器１０から供給された粒子線を治療計画に応じた照射野に成形するスキャニング照射用の走査電磁石３１の制御に用いられる走査電磁石用制御装置（制御部４０４）であって、治療計画（のデータ）に基づいて走査電磁石３１を駆動するための指令値を生成し、生成した指令値を加速器１０と同期させて出力する指令値処理部として機能するメモリ４２、演算回路４３、インタフェース４４６と、指令値処理部での処理の誤りを検出する誤り検出部（比較部４４５）と、を備え、指令値処理部の少なくとも一部の回路（演算回路４３）は３つ以上の回路（演算回路４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ）を有し、誤り検出部（比較部４４５）は、冗長化された回路からの出力が一致しないときに、処理の誤りが生じたことを検出するとともに、処理の誤りが生じたことを検出した際、３つ以上の回路のうち、出力が一致する回路の数によって、生じた誤りの程度を判定するように構成したので、指令値の処理に誤りが生じた場合に、迅速に検出することができるとともに、誤りの程度のよって適した処理を行うことができる。これにより、照射位置が留まることによる線量集中、あるいは、照射してはならない部位への誤照射などによる過剰線量が生じることを抑制するとともに、例えば、照射の中断等による弊害を最小限に抑え、最適な線量付与が可能な粒子線治療を行うことができる。

また、本実施の形態４にかかる粒子線治療装置１によれば、粒子線を供給する加速器１０と、粒子線の飛程を調整する飛程調整装置として機能するレンジシフタ３４、リッジフィルタ３３と、スキャニング照射用の走査電磁石３１とを有し、加速器１０から供給された粒子線を用いて、スライスＳＳ毎のスキャニング照射によって患部の立体形状に応じた照射（積層原体照射）を行う照射装置３と、走査電磁石３１を制御する上述した走査電磁石用制御装置（制御部４０４）と、加速器１０と照射装置３とを連携して制御する連携制御装置（制御部６）と、を備え、走査電磁石用制御装置（制御部４０４）は、誤り検出部（比較部４４５）が処理の誤りを検出したときに、処理の誤りが生じたこと、および生じた誤りの程度を示すエラー発生信号を連携制御装置（制御部６）に出力し、連携制御装置（制御部６）は、出力されたエラー発生信号が、誤りの程度が高いことを示す場合（エラー発生トリガＢ）は、加速器１０による粒子線の供給および照射装置３による粒子線の照射のうち、少なくともいずれかを即時停止させ、誤りの程度が高くないことを示す場合（エラー発生トリガＡ）は、誤りが生じた時点でのスライスＳＳの照射が完了してから、加速器１０による粒子線の供給および照射装置３による粒子線の照射のうち、少なくともいずれかを停止させるように構成したので、照射位置が留まることによる線量集中、あるいは、照射してはならない部位への誤照射などによる過剰線量が生じることを抑制するとともに、例えば、スライス内での照射の中断による患者位置設定ずれによるホットスポットやコールドスポットの発生といった弊害を最小限に抑え、最適な線量付与が可能な粒子線治療を行うことができる。

１：粒子線治療装置、
３：照射装置、
４：局所制御部（走査電磁石用制御装置）、
５：局所制御部（加速器用制御装置）、
６：主制御部（連携制御部）、
１０：加速器、
３１：走査電磁石、
３２：駆動電源、
４１：インタフェース、
４２：メモリ、
４３：演算回路、
４５：比較部（誤り検出部）、
４７、３２６：タイミング調整回路、
百位の数字は実施形態による変形例を示す。

Claims (8)

1. 加速器から供給された粒子線を治療計画に応じた照射野に成形するスキャニング照射用の走査電磁石の制御に用いられ、中性子を発生する環境の中に配置される走査電磁石用制御装置であって、
   前記治療計画に基づいて前記走査電磁石を駆動するための指令値を生成し、生成した指令値を前記加速器と同期させて出力する指令値処理部と、
   前記指令値処理部での処理の誤りを検出する誤り検出部と、を備え、
   前記指令値処理部の少なくとも一部の回路は冗長化されており、前記誤り検出部は、前記冗長化された回路からの出力が一致しないときに、前記処理の誤りが生じたことを検出することを特徴とする走査電磁石用制御装置。
2. 前記冗長化された回路は、前記治療計画のデータを前記指令値に変換する演算回路であることを特徴とする請求項１に記載の走査電磁石用制御装置。
3. 前記冗長化された回路は、前記生成された指令値を保持するメモリであることを特徴とする請求項１または２に記載の走査電磁石用制御装置。
4. 前記冗長化された回路は、前記生成された指令値の出力を前記加速器と同期させて出力するタイミング調整回路であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の走査電磁石用制御装置。
5. 前記誤り検出部が、前記走査電磁石を駆動する駆動電源に設置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の走査電磁石用制御装置。
6. 前記冗長化された回路は、３つ以上の回路を有し、
   前記誤り検出部は、前記処理の誤りが生じたことを検出した際、前記３つ以上の回路のうち、出力が一致する回路の数によって、生じた誤りの程度を判定することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の走査電磁石用制御装置。
7. 粒子線を供給する加速器と、
   スキャニング照射用の走査電磁石を有し、前記加速器から供給された粒子線を用いて患部形状に応じたスキャニング照射を行う照射装置と、
   前記走査電磁石を制御する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の走査電磁石用制御装置と、
   前記加速器と前記照射装置とを連携して制御する連携制御装置と、を備え、
   前記走査電磁石用制御装置は、前記誤り検出部が前記処理の誤りを検出したときに、前記処理の誤りが生じたことを示すエラー発生信号を前記連携制御装置に出力し、
   前記連携制御装置は、前記エラー発生信号が出力されると、前記加速器による粒子線の供給および前記照射装置による粒子線の照射のうち、少なくともいずれかを停止させることを特徴とする粒子線治療装置。
8. 粒子線を供給する加速器と、
   前記粒子線の飛程を調整する飛程調整装置と、スキャニング照射用の走査電磁石とを有し、前記加速器から供給された粒子線を用いてスライス毎のスキャニング照射によって、患部の立体形状に応じた照射を行う照射装置と、
   前記走査電磁石を制御する請求項６に記載の走査電磁石用制御装置と、
   前記加速器と前記照射装置とを連携して制御する連携制御装置と、を備え、
   前記走査電磁石用制御装置は、前記誤り検出部が前記処理の誤りを検出したときに、前記処理の誤りが生じたこと、および生じた誤りの程度を示すエラー発生信号を前記連携制御装置に出力し、
   前記連携制御装置は、前記出力されたエラー発生信号が、誤りの程度が高いことを示す場合は、前記加速器による粒子線の供給および前記照射装置による粒子線の照射のうち、少なくともいずれかを即時停止させ、
   前記誤りの程度が高くないことを示す場合は、前記誤りが生じた時点でのスライスの照射が完了してから、前記加速器による粒子線の供給および前記照射装置による粒子線の照射のうち、少なくともいずれかを停止させることを特徴とする粒子線治療装置。

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