JP5885844B2 - 加速器の高周波制御装置および粒子線治療装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子線治療装置の線源であるシンクロトロンのような加速器用の高周波制御装置および粒子線治療装置に関するものである。

粒子線治療は、患部組織に粒子線を照射してダメージを与えることで治療を行うものであり、広義の放射線治療のひとつである。陽子線や重イオン線等の粒子線は、γ線、Ｘ線といった他の放射線と異なり、粒子線のエネルギーによって線量付与の深度範囲を調整することができ、患部の立体形状に応じた線量付与が可能となる。そのため、とくに、粒子線治療装置用の加速器には、正確なエネルギーや軌道で粒子線を供給することが求められている。

加速器は、周回軌道を形成するための偏向電磁石、高周波を使って粒子線を加速する加速空洞、および粒子線が通過するための通路となる真空ダクトなどから構成される。偏向電磁石の磁場は粒子線の加速（エネルギー増大）に伴い、定められたパターンに従って変化する。同時に粒子線の周回周波数も変化するため、安定に加速するためには上述した加速空洞に印加される高周波信号も定められたパターンによって周波数や振幅（強度）を制御する必要がある。

このような制御を単純化するため、例えば、計算機であらかじめ作成した高周波信号の周波数リファレンス信号を記憶しておき、運転中に順次読みだして制御するＲＦ制御装置（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。しかし、このような方式では、データ量が膨大となり、データ調整が容易でなくなるとともに、構成要素も多大となる。そこで制御に使用する波形データを、加速器の運転パターンを平坦な安定領域と平坦な加速部分を持つ領域とに分け、領域ごとのデータを用いて制御するようにした高周波加速制御装置（例えば、特許文献２参照。）が提案されている。

一方、粒子線治療の照射方式には、大きく分けて、照射対象である患者の患部全体に対して粒子線を一斉に照射するブロード照射法と、粒子線を走査して照射する走査式照射法とがある。ブロード照射法の場合は、照射する粒子線は一定のエネルギーを有する粒子線である。これに対し、走査式照射法の場合は、粒子線のエネルギーを変化させて深さ方向の広い範囲を照射する方法がとられる。粒子線のエネルギーを変えるのは、加速器の磁場および高周波のパターンを変えることにより行われる。したがって、走査式照射法の場合、エネルギーおよび強度毎に、エネルギーと強度に対応した加速器の運転パターンを設定する必要があるため、ブロード照射法に比べてより多くの運転パターンを記憶しておく必要がある。

特開２０００−２３２０００号公報（段落００３１〜００５０、図１） 特開２０１０−３５３８号公報（段落００１８〜００２４、図２〜図５）

走査式照射法において、高周波制御装置が高速にパターンを切り替えるには、データを高速読み出しができるローカルメモリに展開しておく必要がある。しかし、一方で、大量のデータを格納しておく必要があるため、ローカルメモリを大容量確保しておく必要があるが、高速読みだしが可能なメモリは同容量を確保できるＨＤＤ（ハードディスクドライブ）メモリに比べて、高価となる問題があった。さらに、ローカルメモリとしてＲＡＭ（Random
Access Memory）などの揮発性メモリを使用した場合、トラブル等による電源のＯＦＦにより、メモリのデータが失われた場合、データの再ダウンロード・復旧に長時間要する問題があった。また、誤照射防止の為、高速で且つ誤りなくパターンを切り替える必要があるが、従来通り上位計算機等を経由した場合、その分、処理時間が増す為、走査式照射法に適用できない問題があった。

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、より少ないローカルメモリ容量で、走査式照射法を実行できる高周波制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、高周波によって荷電粒子を加速し、粒子線治療に用いる粒子線を発生する加速器の加速空洞に印加する高周波を制御する、加速器の高周波制御装置において、発生する粒子線のエネルギーと強度の組み合わせ毎の、印加する高周波のパターンデータを記憶するハードディスクドライブメモリと、粒子線のエネルギーと強度を順次変えて照射対象である患者の患部に粒子線を照射することにより、患者の患部の深さ方向に層状の粒子線照射領域を順次形成する走査式照射法を実行するため、ハードディスクドライブメモリから患者毎に高周波の複数のパターンデータを、エネルギーと強度を変える順番とともに読み込んで記憶する、ハードディスクドライブメモリよりもデータの読み出し速度が速いローカルメモリと、粒子線のエネルギーと強度を変える毎に、照射対象である患部に照射するための粒子線照射装置を制御する照射系制御装置からの指令値と、ローカルメモリから送出されるパターンデータとが一致するかどうかを確認する指令値確認部とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の高周波制御装置によれば、より少ないローカルメモリ容量で、走査式照射法を実行できる高周波制御装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１にかかる高周波制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１にかかる高周波制御装置の制御における加速サイクルでの高周波の制御パターンを説明するための図である。 粒子線治療における走査式照射法を説明するための図である。 粒子線治療における走査式照射法の照射手順を説明するための図である。 本発明の実施の形態１にかかる高周波制御装置による運転を説明するためのフロー図である。 本発明の実施の形態１にかかる高周波制御装置のローカルメモリに保存されるデータ構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２および実施の形態３にかかる高周波制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２にかかる高周波制御装置による運転を説明するためのフロー図である。 本発明の実施の形態３にかかる高周波制御装置による運転を説明するためのフロー図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１にかかる高周波制御装置の構成について説明する。図１〜図５は、本発明の実施の形態１にかかる高周波制御装置について説明するための図である。図１は、高周波制御装置の要部構成と、加速器および粒子線照射装置を含めた粒子線治療装置全体の概要を示すブロック図、図２は加速器の加速サイクルを説明するための図である。

高周波制御装置１は、図１に示すように、シンクロトロンのような環状加速器６（以下、単に加速器６と称する。）における主構成要素である加速空洞６２に印加する高周波の周波数や出力を制御するための装置である。高周波制御装置１は、高周波発生部４の制御のためのデータを保存するために、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）メモリ３１と、ＲＡＭなどＨＤＤメモリよりも高速読みだしが可能なローカルメモリ３２を備えている。

まず、加速器としてシンクロトロンを例にして加速器６の概要を説明する。加速器６は、周回軌道を形成するための偏向電磁石６１、高周波を使って粒子線を加速する加速空洞６２、および粒子線が通過するための通路となる真空ダクト６３が設けられている。これ以外の機器としては、荷電粒子を前もって加速する前段加速器６６、前段加速器６６により加速された荷電粒子を加速器６に入射する入射装置６５、荷電粒子がビーム状となった粒子線の位置等を計測するビームモニタ６４、粒子線を加速器６から輸送系偏向電磁石７１や真空ダクト７２などで構成される粒子線輸送系７に送り出す出射装置６７などから構成される。粒子線輸送系７により輸送された粒子線は粒子線照射装置８から照射対象である、治療台１１上の患者１０の患部に照射される。粒子線照射装置８の動作と、加速器６の動作は連係する必要があり、連携させる制御信号は例えば、照射系制御装置３により粒子線照射装置８と高周波制御装置１に出力される。

粒子線は加速器６内で所定のエネルギーまで加速される。所定のエネルギーまで加速するためには、加速器６の偏向電磁石６１の磁場強度を変化させながら加速空洞６２に印加する高周波の周波数および振幅を変化させる必要がある。図２にこれらの変化の様子の一例を示す。図２の最上段に示すように、加速器６の偏向電磁石６１の磁場、すなわち偏向磁界を、一定のパターンに従って変化させる。このとき、粒子線の周回周波数が変化するため、安定に加速するためには加速空洞６２に印加される高周波信号も、図２の２段目および３段目に示すように、定められたパターンによって周波数および振幅を制御する必要がある。

加速から出射までの加速器の動作の概要を以下で説明する。まず、フラットボトムと呼ばれる、シンクロトロンの最低エネルギーの状態がある。フラットボトムでは前段加速器６６からビームを入射し、シンクロトロン内に蓄積する。次にＯＦＦ状態にあった高周波信号をＯＮとし、電圧を増加させることによりビームが高周波信号の一定の位相にあつまるように捕獲を行う。

次に加速期間では電磁石の磁場変化に基づいて高周波信号の周波数と振幅を制御してビームの加速を行う。磁場の励磁変化速度が大部分一定の場合、加速の開始と終了部分は区別してスムージングと呼ばれている。

次にビームが所定のエネルギーに達した時点で加速を終了し磁場が変化しないフラットトップの状態に入る。フラットトップではビームをシンクロトロンから出射するのに適した条件を作るため、高周波信号の振幅、周波数などの微調整を行う。フラットトップの期間中に、ビーム利用者の要求に応じてビームをシンクロトロンの外に出射する。次に所定の時間が経過した後、またはビームを使い切った時点でシンクロトロンの磁場を下げるための準備をする。

次が減速期間で、この期間にシンクロトロンの磁場を最低値まで下げる。シンクロトロンは再びフラットボトムの状態となり、電源を初期状態に戻す。上記の運転パターンの周期を加速サイクルと呼んでいる。

加速器６の偏向磁界の変化を示すフラットボトム期間、加速期間、フラットトップ期間及び減速期間に対応して、加速空洞６２に印加する高周波の周波数と振幅を図２の２段目および３段目に示すように変化させる。偏向磁界および高周波の変化のパターンは、エネルギーや強度の組み合わせにより決定される。

エネルギーや強度のあらゆる組み合わせにおける運転パターンの高周波信号制御のためのパターンデータはＨＤＤメモリ３１に記憶される。走査式照射法の場合、例えば、エネルギーが６０種類、それぞれのエネルギーに対して強度が８種類、全部で６０Ｘ８＝４８０種類の運転パターンがある。それぞれの運転パターンについて、フラットボトム期間、加速期間、フラットトップ期間及び減速期間に対応する加速空洞６２を駆動するための高周波信号の制御データをパターンデータとして記憶しておく必要がある。これらのパターンデータが、例えばエネルギー４００ＭｅＶ、強度１がパターンデータ１、エネルギー４００ＭｅＶ、強度２がパターンデータ２のように、エネルギーと強度の組み合わせ毎にＨＤＤメモリ３１に記憶されている。

ここで、患者１０の患部１００に、走査式照射法により粒子線を照射するイメージを図３に示す。細いペンシル状の粒子線ＰＢを、粒子線照射装置８により横方向に走査しながら患部１００に照射する。このとき、粒子線ＰＢの進行方向、すなわち深さ方向は、粒子線のエネルギーによって決まるブラッグピーク（Bragg
Peak）と呼ばれる粒子線の最大吸収深さの部分が照射される。したがって、粒子線のエネルギーを変えることで、深さ方向の照射位置を変えることができる。すなわち、あるエネルギーの粒子線を横方向に走査することで、そのエネルギーに対応した深さ方向の部分が照射される。よって、あるエネルギーの粒子線を走査して照射することにより層状の部分が照射されることになる。次に、エネルギーを変えて、粒子線ＰＢを横方向に走査することで、深さの異なる層状の部分を照射することができる。

粒子線のエネルギーが高いと、ブラッグピークは深い部分に生じる。まず所定の高いエネルギーの粒子線ＰＢを横方向に走査することで、図３のＳ１の層状領域を照射する。次に粒子線のエネルギーを下げて、Ｓ２の層状領域を照射する。さらに粒子線のエネルギーを下げることにより、Ｓ３の層状領域を照射することができる。このようにして、エネルギーを変える毎に深さが異なる層状の領域を照射することができるので、エネルギーの変化と、横方向の走査の組み合わせで３次元の患部領域に粒子線を照射することができる。

患者毎に、どのような照射をするのか、すなわち照射手順が治療計画により決定される。この照射手順は、治療計画装置２から、加速器系制御計算機２１および照射系制御計算機２２へ送付され、各計算機が保存した後、それぞれ高周波制御装置１および照射系制御装置３へ送付される。照射手順の情報には、照射する粒子線のエネルギーや強度も含まれる。図４に、照射順毎のエネルギー、強度の組の例を示す。１番目にエネルギー４００ＭｅＶ、強度３の粒子線で照射する。すなわちエネルギー４００ＭｅＶに相当する深さの部分を層状に照射する。２番目にエネルギー３８０ＭｅＶ、強度３の粒子線で照射する。すなわち、１番目より浅い部分を層状に照射する。このようにして、順次粒子線のエネルギーを下げることで、照射部分を順次浅くしてゆき、患部全体を照射する。

以上の照射を実行するフローを、図５のフロー図にしたがって説明する。前段階として、まずあらゆるエネルギーと強度の組に対応した全パターンデータを加速器系制御計算機２１からＨＤＤメモリ３１に送付して保存しておく（ＳＴ１）。患者に照射する前に、ＨＤＤメモリ３１から、その患者の治療計画に従った照射手順に基づいて、必要な複数のパターンデータを照射順（運転順）とともにローカルメモリ３２に読み込む（ＳＴ２）。読み込んだパターンデータの構成の一例を示すイメージを図６に示す。ローカルメモリ３２には、運転順にパターンデータ、すなわち高周波制御情報が保存される。

以上で照射の準備が完了する。照射時には、照射系制御装置３から照射のための制御信号が高周波制御装置１や粒子線照射装置８に送られる。まず照射系制御装置３から照射開始の信号が送出されると、ローカルメモリ３２に保存されている運転順１のパターンデータにしたがって高周波発生部４が高周波の発生を開始し、加速器６により粒子線が加速される（ＳＴ３）。所定のエネルギーに達した時点、すなわち図２のフラットトップ期間の所定のタイミングから粒子線の出射が開始され、それと同期して粒子線照射装置８により粒子線が横方向に走査される。運転順１によるエネルギーの照射が終了した後、運転順２の照射を行うため、加速器６は次の加速の準備を行う。照射系制御装置３から運転順２の照射開始の信号が出されると、ローカルメモリ３２に保存されている運転順２のパターンデータにしたがって高周波発生部４が高周波の発生を開始し、加速器６により粒子線が加速される（ＳＴ４）。所定のエネルギーに達した時点、すなわち図２のフラットトップ期間の所定のタイミングから粒子線の出射が開始され、それと同期して粒子線照射装置８により粒子線が横方向に走査される。このようにして、運転順毎にエネルギーおよび強度を、治療計画にしたがって変化させて、エネルギー毎に患部における層状の領域を照射してゆき、患部全体の照射を行う。

以上のように、実施の形態１の高周波制御装置によれば、ＨＤＤメモリ３１に保存された大量のパターンデータから、患者ごとに治療計画に従った運転順のパターンンデータを高速読みだし可能なローカルメモリ３２に取り込み保存する。照射系制御装置３からの制御信号にしたがって、ローカルメモリ３２に保存されたパターンデータにより高周波発生部４を制御して高周波を発生させるようにしたため、ＨＤＤメモリ３１から運転ごとにローカルメモリ３２にパターンデータを取り込んで運転するよりも、高速に制御できる。また、ＨＤＤメモリを備えず、大量のパターンデータをローカルメモリに保存する場合に比較して、必要なローカルメモリは小容量のメモリで良く、構成が単純になる。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２による高周波制御装置を含む、加速器を含めたブロック図である。図７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２では、実施の形態１に加えて指令値確認部３３を設けた。本発明では、患者毎にＨＤＤメモリ３１からローカルメモリ３２にパターンデータを取り込み保存する。照射時には、ローカルメモリ３２から保存したパターンデータを、照射系制御装置３からの指令にしたがって、順次高周波発生部４にパターンデータ、すなわち高周波制御情報を送出する。指令値確認部３３では、送出するデータが正しいかどうかを確認する。

指令値確認部３３における確認手順を図８のフロー図にしたがって説明する。例えば運転順ｉの運転が終了した時点（ＳＴ１０）で、照射系制御装置３から、次の運転順ｉ＋１の運転情報、すなわちエネルギーと強度の組み合わせが、指令値確認部に送られてくる（ＳＴ１１）。この運転情報と、ローカルメモリ３２内に保存されている運転順ｉ＋１の運転情報（エネルギーと強度）が一致しているかどうかを確認する（ＳＴ１２）。一致している場合（ＳＴ１２ ＹＥＳ）は、ローカルメモリ３２内に保存されている運転順ｉ＋１のパターンデータにしたがって運転順ｉ＋１の運転を開始する（ＳＴ１４）。一致しない場合（ＳＴ１２ ＮＯ）は、運転順ｉ＋１の運転を開始せずに、例えばＨＤＤメモリ３１から再度運転順ｉ＋１のパターンデータを取得する（ＳＴ１３）。その後、再度ＳＴ１２の確認手順を実施する。もし、再度一致しない場合は、加速器系制御計算機２１から直接、運転順ｉ＋１のパターンデータを取得する（ＳＴ１３）。このようにして、照射系制御装置３から取得した運転情報とローカルメモリ３２内の運転情報が一致するまでデータ取得を試みる。

以上のように、実施の形態２では、指令値確認部３３を設け、指令値とローカルメモリ３２内のデータが一致しているかどうか確認することで、誤ったデータにしたがって運転することを防止できる。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３による高周波制御装置の動作手順を示すフロー図である。高周波制御装置１の構成は図７と同様である。指令値確認部３３において、高周波制御装置１が送出するデータが正しいかどうかを確認する。ステップＳＴ１２において照射系制御装置３から取得した運転順ｉ＋１の運転情報と、ローカルメモリ３２内に保存されている運転順ｉ＋１の運転情報とが一致しない場合（ＳＴ１２ ＮＯ）、まずその次の運転順ｉ＋２の運転情報を照射系制御装置から取得し（ＳＴ１５）、ローカルメモリ３２内に保存されている運転順ｉ＋２の運転情報と比較する（ＳＴ１６）。両者が一致する場合（ＳＴ１６ ＹＥＳ）は、運転順ｉ＋１の運転を飛ばして運転順ｉ＋２の運転を実行する（ＳＴ１７）。一方、運転順ｉ＋１のデータは、運転順ｉ＋２の運転実行中にＨＤＤメモリ３１から再取得する（ＳＴ１９）。ローカルメモリ内の運転順ｉ＋１のデータと照射系制御装置からのデータが一致したことを確認できたら（ＳＴ２０ ＹＥＳ）、運転順ｉ＋２の運転終了後に運転順ｉ＋１の運転を実行する（ＳＴ２１）。

ＳＴ１６においてデータが一致しない場合（ＳＴ１６ ＮＯ）は、運転順ｉ＋２の運転を開始せずに、例えばＨＤＤメモリ３１から再度運転順ｉ＋２のパターンデータを取得する（ＳＴ１８）。この場合、同時に運転順ｉ＋３のデータを確認し、運転順ｉ＋３のデータが正しいと確認できたら運転順ｉ＋１および運転順ｉ＋２のデータ再取得を行っている間に運転順ｉ＋３の運転を行うようにしても良い。

このように、運転順を変更しても、粒子線治療には差し支えない。粒子線治療では、各照射部位における積算照射線量が計画値になるように照射すればよい。したがって、図３のＳ１、Ｓ２、Ｓ３で示す各照射層を、どの順番で照射するかは自由である。すなわち、Ｓ１層を照射後、Ｓ３層を照射し、最後にＳ２層を照射するようにしても良い。よって、走査式照射法において、治療計画で計画したエネルギー順に照射せず、順番を変えて照射しても良い。メモリ内データの確認に時間がかかる場合、上述のように、他の運転順の運転を実行している間にメモリ内のデータが正しいデータになるような手順を実施すれば、全体の照射時間を増加することなく、治療計画通りの積算照射線量を照射部位、すなわち患部に照射することができる。

１：高周波制御装置 ２：治療計画装置
３：照射系制御装置 ４：高周波発生部
６：環状加速器（加速器） ７：粒子線輸送系
８：粒子線照射装置 １０：患者
２１：加速器系制御計算機 ２２：照射系制御計算機
６１：偏向電磁石 ６２：加速空洞
６３：真空ダクト ６４：ビームモニタ
６５：入射装置 ６６：前段加速器
６７：出射装置 ７１：輸送系偏向電磁石
１００：患部

Claims (3)

1. 高周波によって荷電粒子を加速し、粒子線治療に用いる粒子線を発生する加速器の加速空洞に印加する高周波を制御する、加速器の高周波制御装置において、
   前記発生する粒子線のエネルギーと強度の組み合わせ毎の、前記印加する高周波のパターンデータを記憶するハードディスクドライブメモリと、
   前記粒子線のエネルギーと強度を順次変えて照射対象である患者の患部に前記粒子線を照射することにより、前記患者の患部の深さ方向に層状の粒子線照射領域を順次形成する走査式照射法を実行するため、前記ハードディスクドライブメモリから患者毎に前記高周波の複数のパターンデータを、エネルギーと強度を変える順番とともに読み込んで記憶する、前記ハードディスクドライブメモリよりもデータの読み出し速度が速いローカルメモリと、
   前記粒子線のエネルギーと強度を変える毎に、前記照射対象である患部に照射するための粒子線照射装置を制御する照射系制御装置からの指令値と、前記ローカルメモリから送出されるパターンデータとが一致するかどうかを確認する指令値確認部と
   を備えたことを特徴とする加速器の高周波制御装置。
2. 前記指令値確認部が、前記照射系制御装置からの指令値と前記ローカルメモリから送出されるパターンデータとが一致しないと判断した場合、次のエネルギーと強度のパターンデータにより前記加速器を運転し、この運転の間に前記指令値と一致しない前記パターンデータが一致するまで前記ローカルメモリ内のデータを再読み込みすることを特徴とする請求項１に記載の加速器の高周波制御装置。
3. 前記加速器と、前記加速器から出射される粒子線を輸送する粒子線輸送系と、輸送された粒子線を前記照射対象に照射するための粒子線照射装置とを備え、請求項１または２に記載の加速器の高周波制御装置により前記加速器の加速空洞に印加する高周波を制御することを特徴とする粒子線治療装置。

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