JP6150650B2 - 粒子線照射システムとその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、陽子や重イオンなどの荷電粒子ビーム（イオンビーム）を利用した粒子線治療に好適な粒子線照射システムに関し、特には、ビームエネルギーの変更制御と運転周期の更新を短時間で実現可能な粒子線照射システムとその運転方法に関する。

がんの放射線治療として、陽子または重イオン等のイオンビームを患者のがんの患部に照射して治療する粒子線治療が知られている。イオンビーム照射法として、スキャニング照射法がある。
このスキャニング照射法で要求されるビームエネルギーの変更制御をイオンビーム発生装置としてシンクロトロンを採用した場合に短時間で実現する制御法として、特許文献１、特許文献２および、非特許文献１に開示されているような、イオンシンクロトロンで一回の運転周期内で複数のエネルギーのイオンビームの照射を実現する多段出射制御運転がある。
また、患者の呼吸等による生理的活動により患部が時間的に移動する呼吸移動性臓器へのビーム照射法として、特許文献３および特許文献４に記載の照射法がある。

特許第４８７３５６３号公報 特開２０１１−１２４１４９号公報 特許第２９２１４３３号公報 特開２０１３−１１１４０６号公報

ニュークリア インスツルメンツ アンド メソッズ イン フィジックス リサーチ Ａ６２４号（２０１０年９月）の第３３〜３８頁（Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A624 (2010) 33-38）

スキャニング照射法において、患部の深さ方向の照射野（以下、レイヤーと記載）への照射制御は、照射するイオンビームのエネルギーを制御することで実現する。そのため、スキャニング照射法を適用した際の線量率を向上するためには、イオンビーム発生装置から供給するイオンビームのエネルギー変更は短時間で実現する必要がある。また、スキャニング照射法では、患部の大きさ（体表面からの深さ）に応じて照射するビームエネルギーを制御する必要があるため、照射する患者毎ないし照射する患部毎に、照射するビームのエネルギー組合せを制御する必要がある。

イオンビーム発生装置としてシンクロトロンを採用した場合、入射・加速・出射・減速といった一連の運転を一回の運転周期として制御する。スキャニング照射法のように、イオンビームのエネルギー変更制御を繰り返し実施する際には、シンクロトロンは運転周期の更新が必要なため、エネルギーの変更時間が掛かる課題があった。この対策として特許文献１および非特許文献１に示されるような一回の運転周期内で複数のエネルギーのビームを出射する多段出射運転が示されている。例えば、非特許文献１では、シンクロトロンで照射可能な全てのエネルギー範囲を一つに纏めた運転制御データを用意し、ビームを照射するエネルギーでのみフラットトップを延長してビームを出射することで、一回の運転制御で照射する全てのエネルギーのビームを患部に照射が可能となる。さらに、一回の運転制御で全てのエネルギーのビームが照射可能となるため、シンクロトロンは常に同じ運転制御データで照射が実現できるため、粒子線治療システムにおけるシンクロトロンの運転制御が簡素になる効果がある。

しかし、特許文献１および非特許文献１に示されている運転制御を効果的に実現するには、シンクロトロンの蓄積ビーム電荷量が、一回の運転周期で患部に照射する全てのエネルギーの照射に十分な電荷量であることが求められる。
例えば、シンクロトロンの加速制御時に何らかの原因で治療照射に必要な蓄積ビーム電荷量が得られなかった場合、予め設定した照射エネルギー範囲の途中でシンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量が枯渇してしまう。シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量が枯渇した場合には、イオンビームの照射を中断して出射制御から減速制御に遷移し、シンクロトロンの運転制御を更新する必要がある。シンクロトロンの運転制御データとして、シンクロトロンで照射可能な全てのエネルギー範囲を一つに纏めた運転制御データを適用した場合、設定値の連続性を担保するため当該出射エネルギーから減速制御に直接遷移できない。そのため、当該出射エネルギーから減速制御に至る間のエネルギー変更制御データの更新が必要となる。この当該出射エネルギーから減速制御へ遷移するための時間が、線量率を低下させ治療時間を短縮できない要因の一つに挙げられる。同様に、粒子線治療装置を構成する機器に異常が生じてイオンビームの照射を中断した場合にも、当該出射エネルギーから減速制御に直接遷移できない課題があった。

また、シンクロトロンで照射可能な全てのエネルギー範囲を一つに纏めた運転制御データを適用した場合、患部の厚みに合わせた吸収線量範囲（拡大ブラックピーク（Ｓｐｒｅａｄ−Ｏｕｔ Ｂｒａｇｇ Ｐｅａｋ）以下、ＳＯＢＰと表記）が狭い照射条件では、ビームの照射時間に対して、ビーム照射に寄与しない無駄時間である、シンクロトロンの入射ビームエネルギーから照射開始エネルギーまでの制御時間および、照射終了エネルギーから減速終了エネルギーまでの制御時間の割合が多くなる傾向にあるため、所望のエネルギー範囲のビーム照射を短い運転周期で行うことができず、これも線量率を低下させ治療時間を短縮できない要因の一つに挙げられる。ＳＯＢＰは照射する患者および患部毎に異なるため、シンクロトロンの運転制御データとして所定のＳＯＢＰを形成するために必要な照射エネルギーを選択し、この選択した照射エネルギーに対応した運転制御データの更新制御が必要となる。

特許文献２では、加速器の磁場コイルに励磁するコイル電流に関して、経過時間に応じた磁束密度情報を出力する磁場基準発生部と、磁束密度情報に応じた磁場を発生させるコイル電流を求める電流基準変換部とを備えた加速器の制御装置が示されている。そして、磁場基準発生部が出力する磁束密度情報を４種類のパターン（初期上げパターン、減少パターン、増加パターン、終了パターン）を組み合わせて出力することで、一回の運転周期内で複数エネルギーのビーム出射を実現する制御方法が示されている。特許文献２によると、４種類の磁束密度パターンを組み合わせ、一回の運転周期内で複数エネルギーのイオンビームの出射が可能である。この機能に基づき、所定のＳＯＢＰを形成するために必要な照射エネルギーを選択することができるが、一方で、４種類のパターンを選択し出力するタイミングは予めタイミング制御装置に書き込んでおくため、特許文献１および非特許文献１と同様に、イオンビームの照射を中断した場合に当該出射エネルギーから減速制御に直接遷移できず、当該出射エネルギーから減速制御に至る間のエネルギー変更制御データを更新しなければ減速制御（特許文献２でいう終了パターン）に遷移できない課題は解決されていない。

また、呼吸移動性臓器に対してスキャニング照射法を適用する際、患者の生理的活動による患部の移動を検知し、ビーム照射位置が患部の照射領域に含まれたと判定された場合に照射するような制御が要求される。この際、ビーム照射位置が患部の照射領域に含まれたことを示す出射許可制御信号が出力され、かつ、シンクロトロンの出射条件の設定が完了した状態であった場合にシンクロトロンからビーム出射制御を実施することで、呼吸移動性臓器に対してビーム照射精度が向上できる。つまり、出射許可制御信号に基づきシンクロトロンからビームを出射することで、呼吸移動性臓器に対してビーム照射精度が向上できる。

このような呼吸移動性臓器へのビーム照射制御において、シンクロトロンから出射許可制御信号に基づきビームを出射する際、特許文献３に示されているように、出射許可制御信号の出力が停止とともにシンクロトロンを減速制御に遷移し、引き続き、次の照射に必要なビームの加速及び出射条件設定を実施していた。出射許可制御信号の出力停止とともに減速制御に遷移すると、シンクロトロン内を周回するビームが残っていても減速してしまうため、シンクロトロン内に周回するビームの利用効率が低いという課題がある。

特許文献４では、特許文献３の課題であった、シンクロトロン内に周回するビームの利用効率を向上するため、出射許可制御信号の出力停止とともに減速制御に遷移せず、予め設定された待機時間の間、ビーム出射制御を停止した状態で運転制御を保持することが示されている。この待機時間の間に再度出射許可制御信号が出力されたらビーム出射制御を実施することで、シンクロトロン内を周回するビームの利用効率を向上する効果が示されている。

しかし、多段出射制御運転時に出射許可制御信号に基づきシンクロトロンからビームを出射する場合、特許文献４に示されている出射許可制御信号の出力停止によりビーム出射制御を停止し待機制御に遷移しても、所定の待機時間を超えた場合には減速制御に遷移する必要がある。そのため、多段出射制御運転で求められているエネルギー変更制御をどのように実現するか示されていない。

また、シンクロトロン内を周回しているビームが十分でなかった場合に減速制御に遷移する際には、特許文献１、特許文献２および非特許文献１と同様に、イオンビームの照射を中断した場合に、当該出射エネルギーから減速制御に直接遷移することができず、当該出射エネルギーから減速制御に至る間のエネルギー変更制御データを更新しなければ減速制御に遷移できない課題は解決されていない。

本発明の目的は、シンクロトロンの出射ビームエネルギーの変更制御を短時間で実現する多段出射制御運転において、所望のエネルギー範囲のビーム照射を短い運転周期で行い、線量率を向上する粒子線照射システムおよびその運転方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、シンクロトロンの出射ビームエネルギーの変更制御を短時間で実現する多段出射制御運転において、イオンビームの照射を中断した場合に運転周期の更新を短時間で実現し、線量率を向上する粒子線照射システムおよびその運転方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、シンクロトロンの出射ビームエネルギーの変更制御を短時間で実現する多段出射制御運転において、患者の生理的活動による患部の移動を検知し、ビーム照射位置が患部の照射領域に含まれたと判定された場合に照射する制御を実現し、線量率とともにビーム照射精度を向上する粒子線照射システムおよびその運転方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、このシンクロトロンから出射された前記イオンビームを照射する照射装置と、患者の生理的活動による患部の移動を検知する検知手段と、この検知手段からの出力値に基づき、出射許可判定信号を出力する出射許可判定手段と、前記シンクロトロンを構成する機器の運転制御データを、１以上の初期加速制御データ、複数のエネルギーのイオンビームを出射する複数の出射制御データ、前記複数の出射制御データ間を接続する複数のエネルギー変更制御データ、前記複数の出射制御データに対応した複数の減速制御データで構成し、これらの制御データを組み合わせることで複数のエネルギーのビームの出射制御を行う制御装置とを備え、前記制御装置は、前記出射許可判定手段から出力される出射許可判定信号に基づいて前記シンクロトロンからのビーム出射制御を実施することを特徴とする。
これにより、シンクロトロンから出射するビームエネルギーの変更制御を短時間で実現することができる。また、多段出射制御運転においてどのエネルギーからも速やかに減速制御へ遷移可能とすることで、イオンビームの照射を中断した場合に運転周期の更新を短時間で実現し、線量率を向上し治療時間を短縮することができる。更に、出射許可判定信号に基づいてシンクロトロンからのビーム出射制御を実施することで、呼吸移動性臓器へのビーム照射精度を高められる。

また、本発明は、より詳しくは次のような特徴を有する。

例えば、前記制御装置は、前記シンクロトロンからのビーム出射制御時に、前記出射許可判定手段から出力される出射許可判定信号に基づき、同一のエネルギーで複数回のビーム出射制御を実施する。
また、前記出射許可判定手段は、前記検知手段において、前記患部が出射許可範囲内にあるときに前記出射許可判定信号を出力し、前記患部が出射許可範囲内にないときは前記出射許可判定信号を出力しないよう制御する。
これにより、患者の生理的活動による患部の移動を検知してビーム照射が中断されても、同一エネルギーでのビーム照射が再開され、ビーム照射を効率的に実行することができる。

また、前記制御装置は、前記シンクロトロンを構成する機器の制御タイミングを管理する複数の制御タイミング信号を出力するタイミングシステムと、前記シンクロトロンを構成する機器を制御する電源制御装置とを有し、前記運転制御データを構成する前記初期加速制御データ、前記複数の出射制御データ、前記複数のエネルギー変更制御データおよび前記複数の減速制御データは、前記電源制御装置に記憶されており、前記電源制御装置は、前記タイミングシステムから出力される前記複数の制御タイミング信号を入力し、これらの制御タイミング信号に基づき、前記初期加速制御データ、前記複数の出射制御データ、前記複数のエネルギー変更制御データおよび前記複数の減速制御データを選択して更新する。

また、前記シンクロトロン内の蓄積ビーム量を検出するビーム量検出手段を更に備え、前記制御装置は、前記出射許可判定手段から出力される出射許可判定信号の入力を受け、前記シンクロトロンの運転制御が出射条件設定され、かつ出射許可判定信号が入力されたときはビーム出射制御を指令し、前記出射許可判定信号が停止された際は、前記ビーム量検出手段から入力された前記シンクロトロン内の蓄積ビーム量の検出結果と照射中のエネルギーでのビーム照射が完了したかの判定結果とに基づいて、再び出射許可判定信号が出力された際に当該エネルギーでのビーム出射が可能なように待機するか、次のエネルギーのビームが照射可能なようにエネルギー変更制御に遷移するか、減速制御に遷移するかを判定し、前記タイミングシステムに対して先に判定したそれぞれの制御に対応した制御指令を出力する。

また、前記制御装置は、前記シンクロトロンに入射したビームエネルギーを初段の出射エネルギーまでビームを加速する初期加速指令、前記シンクロトロンで初期加速ないしエネルギー変更後に出射条件を設定する照射準備開始指令、前記シンクロトロンで出射条件の設定が完了したことを示す照射待機指令、前記出射許可判定手段から出力される出射許可判定信号と前記シンクロトロンの出射条件設定状態とに基づき出力されるビーム出射指令、前記患部へのビーム照射を停止する照射停止指令、前記患者に照射されたイオンビームの照射経過情報に基づき出力されるエネルギー変更指令、前記シンクロトロンおよび前記照射装置を含んだ粒子線照射システムを構成する機器の状態に基づき出力される減速制御指令および照射を完了したことを示す照射完了指令を出力するインターロックシステムを更に有し、前記タイミングシステムは、前記インターロックシステムから出力される前記初期加速指令、前記照射準備開始指令、前記照射待機指令、前記照射停止指令、前記エネルギー変更指令および前記減速制御指令に基づいて、前記複数の制御タイミング信号の中から対応する制御タイミング信号を選択して出力する。

また、前記電源制御装置は、前記タイミングシステムから入力された前記複数のタイミング信号のうち減速制御開始タイミング信号を入力したときは、複数の減速制御データの中から出射制御完了時のエネルギーに対応する減速制御データを選択し、減速制御に遷移するよう制御する。
これによりシンクロトロン内の蓄積ビーム量が不足してイオンビームの照射を中断した場合に減速制御に直接遷移し、運転周期の更新を短時間で実現することができる。

更に、前記インターロックシステムは、前記シンクロトロンおよび前記照射装置を含む粒子線照射システムを構成する機器に異常が生じた場合にも前記減速制御指令を出力し、前記電源制御装置は、前記タイミングシステムから前記減速制御開始タイミング信号を入力したとき、現在の制御データを更新した後、前記複数の減速制御データの中からその更新制御終了後の到達エネルギーに対応する減速制御データを選択し、減速制御に遷移するよう制御する。
これにより粒子線照射システムを構成する機器に異常が生じてイオンビームの照射を中断した場合にも減速制御に直接遷移し、運転周期の更新を短時間でかつ安全に実現することができる。

また、前記インターロックシステムは、あるエネルギーの出射制御完了後に次の目標エネルギーが存在する場合或いは初期加速制御終了後およびエネルギー変更制御終了後に到達したエネルギーと次の目標エネルギーが一致しない場合にエネルギー変更指令を出力し、前記タイミングシステムは、前記エネルギー変更指令を入力したとき、前記複数の制御タイミング信号の中からエネルギー変更制御タイミング信号を選択して出力し、前記電源制御装置は、前記エネルギー変更制御タイミング信号を入力したとき、前記複数のエネルギー変更制御データの中から前記あるエネルギーあるいは到達エネルギーに対応するエネルギー変更制御データを選択し、エネルギー変更制御に遷移するよう制御する。
これによりビーム出射を行わずにエネルギー変更を行う場合は、出射制御データの更新制御（出射条件設定制御および出射条件解除制御）を行わなくて済むため、短時間でのエネルギー変更制御を実現し線量率を向上することが可能となる。

また、前記運転制御データを構成する前記初期加速制御データ、前記複数の出射制御データ、前記複数のエネルギー変更制御データおよび前記複数の減速制御データは、前記シンクロトロンを構成する機器に直接与えられる制御量である電流／電圧の時系列データによって構成されている。
これによりパラメータの変更演算が不要となり、機器構成および制御手段を単純化できる。

また、上記目的を達成するために、前記制御装置は、前記運転制御データを構成する前記初期加速制御データ、前記複数の出射制御データ、前記複数のエネルギー変更制御データおよび前記複数の減速制御データを含めて、想定される複数の患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データをモジュールデータとして記憶した記憶装置と、前記シンクロトロンを構成する機器を制御する電源制御装置とを有し、前記制御装置は、照射準備に際して、特定の患者の照射条件が与えられたとき、前記記憶装置に記憶したモジュールデータの中から該当する制御データを選択して前記電源制御装置に記憶し、前記運転制御データを構成する。
これによりビーム照射に寄与しない無駄時間（シンクロトロンの入射ビームエネルギーから照射開始エネルギーまでの制御時間および照射終了エネルギーから減速終了エネルギーまでの制御時間）が無くなるため、所望のエネルギー範囲のビーム照射を短い運転周期で行い、線量率を向上し治療時間を短縮することが可能となるとともに、患者の生理的活動による患部の移動を検知し、ビーム照射位置が患部の照射領域に含まれたと判定された場合に照射する制御を実現することができる。

本発明によれば、シンクロトロンの出射ビームエネルギーの変更制御を短時間で実現する多段出射制御運転において、所望のエネルギー範囲のビーム照射を短い運転周期で行い、線量率を向上し治療時間を短縮することができる。
また、本発明によれば、シンクロトロンの出射ビームエネルギーの変更制御を短時間で実現する多段出射制御運転において、イオンビームの照射を中断した場合に運転周期の更新を短時間で実現し、線量率を向上し、治療時間を短縮することができる。
また、本発明によれば、シンクロトロンの出射ビームエネルギーの変更制御を短時間で実現する多段出射制御運転において、患者の生理的活動による患部の移動を検知し、ビーム照射位置が患部の照射領域に含まれたと判定された場合に照射する制御を実現することで、線量率とともにビーム照射精度が向上できる。

本発明の好適な一実施例である粒子線照射システムの構成を示す図である。 本発明の一実施例であるスキャニング照射法による照射装置の構成を示す図である。 本発明の一実施例であるシンクロトロンを構成する複数の機器の制御データの構成を示す図である。 本発明の一実施例である多段出射運転を実現する制御システム（制御装置）の構成と各装置間の情報伝送を示す図である。 本発明の一実施例である多段出射運転を開始する前の照射準備フローを示す図である。 本発明の一実施例である多段出射運転時の制御フロー（状態遷移）を示す図である。 本発明の一実施例である、図３に示した制御データの組み合わせによる多段出射運転時の制御データの出力例を示す図である。 本発明の一実施例である、図３に示した制御データの組み合わせによる多段出射運転時の制御データの出力例を示す図である。 本発明の一実施例である、図３に示した制御データの組み合わせによる多段出射運転時に呼吸移動性臓器への照射を実施した際の制御データの出力例を示す図である。 従来のシンクロトロンの運転シーケンスを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明の好適な一実施例である粒子線照射システムの構成を示す図である。

本実施例の粒子線照射システム１は、図１に示すように、イオンビーム発生装置１１、ビーム輸送装置１４、照射野形成装置（荷電粒子ビームの照射装置、以下、照射装置という）３０を備えている。
ビーム輸送装置１４は、イオンビーム発生装置１１と治療室内に配置される照射装置３０を連絡する。

イオンビーム発生装置１１は、イオン源（図示せず）、前段加速器１２およびシンクロトロン１３を備える。イオン源は前段加速器１２に接続され、前段加速器１２はシンクロトロン１３に接続される。前段加速器１２は、イオン源で発生したイオンビーム１０をシンクロトロン１３に入射可能なエネルギーまで加速する。前段加速器１２で加速されたイオンビーム１０ａは、シンクロトロン１３に入射される。

シンクロトロン１３は、周回軌道に沿って周回するイオンビーム１０ｂに高周波電圧を印加して目標のエネルギーまで加速する高周波加速装置（加速空胴）１７、周回しているイオンビームのベータトロン振動振幅を増大させる出射用高周波電極２０ａ、およびイオンビームを周回軌道から取り出す出射用デフレクター２０ｂを備える。

シンクロトロン１３に入射されたビーム１０ｂは、高周波加速空胴１７に印加した加速高周波電圧によりエネルギーを付与されることで、所望のエネルギーまで加速される。この際、シンクロトロン１３内を周回するイオンビーム１０ｂの周回軌道が一定となるように、イオンビーム１０ｂの周回エネルギーの増加に合わせて偏向電磁石１８、四極電磁石１９等の磁場強度および、加速空胴１７に印加する高周波電圧の周波数を高める。

所望のエネルギーまでイオンビーム１０ｂを加速した後は、出射条件の設定制御により、四極電磁石１９および六極電磁石（図示せず）の励磁量を制御することで周回ビーム１０ｂが出射可能な条件（周回ビームの安定限界条件）を成立させる。
出射条件設定制御が終了した後は、出射用高周波電極２０ａに出射高周波電圧を印加し、シンクロトロン１３内を周回するビーム１０ｂのベータトロン振動振幅を増大させる。このベータトロン振動振幅の増大により、安定限界条件を超えた周回ビーム１０ｂはシンクロトロン１３からビーム輸送装置１４に出射され、照射装置３０に輸送される。シンクロトロン１３からのビーム出射制御は、出射用高周波電極２０ａに印加する高周波電圧を高周波スイッチ２１のＯＮ／ＯＦＦ制御により高速に実現可能である。

シンクロトロン１３からのビーム出射制御が終了後、出射条件の解除制御により、四極電磁石１９および六極電磁石（図示せず）の励磁量を制御することで出射条件設定時に形成した周回ビーム１０ｂの安定限界条件を解除する。

出射条件の解除制御が完了後、偏向電磁石１８、四極電磁石１９等の磁場強度および、加速空胴１７に印加する高周波電圧の周波数を下げることで、シンクロトロン１３内を周回するイオンビーム１０ｂを減速し、次の運転周期に遷移する。

照射装置３０は、上記ビーム輸送装置１４にて導かれたイオンビーム１０ｃを、患者３６の体表面からの深さおよび患部形状に合わせて制御して、治療用ベッド上の患者３６の患部３７に照射する。照射装置３０はスキャニング照射法によるものである。スキャニング照射法は、直接患部３７にイオンビーム１０ｄを照射するためイオンビーム１０ｄの利用効率が高く、従来の散乱体照射法よりも患部形状に合致したイオンビーム１０ｄの照射が可能といった特徴がある。

患部の深さ方向へのビーム飛程調整は、イオンビームのエネルギーを変更することで所望の患部への照射を実現する。特にスキャニング照射法では、シンクロトロン１３内を周回するイオンビーム１０ｂのエネルギーを調整した後で出射することで、イオンビームの飛程を患部３７の深さに合わせるため、患者への照射治療中に複数回のエネルギーの変更制御が要求される。
また、患部平面方向へのビーム照射方法として、スポットスキャニング照射法、ラスタースキャニング照射法などがある。
スポットスキャニング照射法は、患部の照射平面上をスポットと呼ばれる線量管理領域に分割し、スポット毎に走査を停止して設定した照射線量に到達するまでビームを照射した後にビームを停止し、次の照射スポット位置に移動する。このようにスポットスキャニング照射法は、照射開始位置をスポット毎に更新する照射法である。
また、ラスタースキャニング照射法は、スポットスキャニング照射法と同様に線量管理領域を設定するが、スポット毎にビーム走査を停止せず、ビームを走査経路上を走査しながら照射する。そのため、一回当たりの照射線量を低くし、複数回繰り返し照射するリペイント照射を実施することで照射線量の一様度を向上する。このようにラスタースキャニング照射法は、照射開始位置を走査経路毎に更新する照射法である。
なお、スポットスキャニング法においても、ラスタースキャニング法と同様に、一つのスポット位置に対する一度の照射で与える照射線量を低く設定し、照射平面を複数回走査することによって、最終的な照射線量に到達するように制御してもよい。

図２に照射装置３０の構成を示す。照射装置３０は走査電磁石３２ａ，３２ｂを有する。走査電磁石３２ａ，３２ｂは、患部平面上を患部形状に合わせてビームを走査する。また、照射装置３０は、患者に照射するビーム１０ｄの照射線量を計測する線量モニタ３１やビーム形状モニタ（図示せず）を有し、これらで照射するビーム１０ｄの線量強度やビーム形状を逐次確認する。走査電磁石３２で走査されたビーム１０ｄは、コリメータ３４で患者３６の患部３７に合わせて照射野を形成する。

また、患部３７が呼吸移動性臓器の場合には、患部３７に高精度でビームを照射するため、患部３７の移動を検出し、患部３７が所定の位置にある場合にのみ照射する制御が求められる。
そのため、図２に示すように、患部位置検出手段３５と出射許可判定手段３５４を設けてある。また、患部３７付近に患部位置を同定するマーカ３５２を設けており、このマーカ３５２を透視画像取得手段３５１で検出する。この透視画像取得手段３５１で取得した透視画像情報を出射許可判定手段３５４に入力し、透視画像情報に示されたマーカ３５２の位置がビーム照射許容範囲３５３に含まれているか否かを判定する。透視画像情報に示されたマーカ３５２の位置がビーム照射許容範囲３５３に含まれている場合は、出射許可判定手段３５４はビーム出射を許可する出射許可判定信号３５５をインターロックシステム６０に対して出力する。また、透視画像情報に示されたマーカ３５２の位置がビーム照射許容範囲３５３に含まれていない場合には、ビーム出射が許可できないため、出射許可判定手段３５４は出射許可判定信号３５５を出力しない。
このような患部位置検出手段３５と出射許可判定手段３５４を設け、出射許可判定信号３５５に基づきシンクロトロン１３からのビーム出射制御を実施することで、患部３７の位置が所定の位置にある場合にのみビームを照射する制御が実現できる。

図１に戻り、本実施例の粒子線照射システム１は、制御システム１００（制御装置）を備えている。
制御システム１００は、加速器制御装置４０、統括制御装置４１、治療計画装置４３、記憶装置４２、照射制御装置４４、タイミングシステム５０、インターロックシステム６０、電源制御装置４５、蓄積ビーム量計測手段１５１、出射許可判定手段３５４とから構成される。
加速器制御装置４０は、イオンビーム発生装置１１およびビーム輸送装置１４を制御する。統括制御装置４１は、粒子線照射システム１全体を統括して制御する。治療計画装置４３は、患者へのビーム照射条件を計画する。記憶装置４２は、治療計画装置４３で計画した情報やイオンビーム発生装置であるシンクロトロン１３およびビーム輸送装置１４の制御情報等を記憶する。照射制御装置４４は、照射装置３０を構成する機器と患部３７に照射するイオンビーム１０ｄの照射線量を制御するとともに、線量モニタ３１にて逐次計測された線量計測データ３１１から各線量管理領域での積算線量を演算し、この積算線量と患部へ照射する目標線量とから残照射線量を求める。タイミングシステム５０は、シンクロトロン１３を構成する機器の同期制御を実現する。インターロックシステム６０は、患者３６の安全を担保するために統括制御装置４１とは独立している。電源制御装置４５は、シンクロトロン１３を構成する各機器の電源４６を制御する。蓄積ビーム量計測手段１５１は、蓄積ビーム量検出手段１５を用いて計測されたシンクロトロン１３内の蓄積ビーム量に関するデータ（蓄積ビーム量計測データ１５２）を作成する。
記憶装置４２は統括制御装置４１の一部として統括制御装置４１に備えられていてもよい。

電源４６は、シンクロトロン１３を構成する複数の機器の電源の総称である。図１では、複数の機器の電源として偏向電磁石１８の電源４６Ｂ，四極電磁石１９の電源４６Ｑ，高周波加速空胴１７の電源４６Ｆおよび出射用高周波電極２０ａの電源４６Ｅが示されている。

電源制御装置４５も、電源４６と同様に、複数の機器の電源に対応する複数の電源制御装置の総称である。図１では、電源４６Ｂの制御装置４５Ｂ，電源４６Ｑの制御装置４５Ｑ，電源４６Ｆの制御装置４５Ｆおよび電源４６Ｅの制御装置４５Ｅが示されている。

ここで、各文献の記載を用いながら本発明者等が検討した事項について説明する。
従来のシンクロトロン１３の運転シーケンスを図９に示す。シンクロトロン１３は、一回の運転周期で加速・出射・減速という一連の制御を実施する。出射制御の前後には、出射条件設定および出射条件解除といった、シンクロトロン内のイオンビームを出射するために必要な出射条件設定制御と、出射制御終了後の出射条件解除制御が必要である。

従来のシンクロトロン１３の運転制御では、一連の制御に合わせた制御データをパターンデータとして電源制御装置４５のメモリに用意しておき、電源制御装置４５が、シンクロトロン１３を構成する機器の制御タイミングを管理するタイミングシステム５０から出力されるタイミング信号５１に基づき、制御データを更新している。

図９に示したように、シンクロトロン１３は一回の運転周期で、加速から減速までを制御しているため、出射するイオンビーム１０ｃのエネルギーを変更するには、出射制御終了後に減速制御に遷移して残存ビームを減速した後に、運転周期を更新する必要がある。そして、運転周期を更新した後に再びイオンビーム１０ｂを加速することで、所望のエネルギーへの変更制御を実現する。
そのため、従来のシンクロトロン１３の運転制御ではイオンビーム１０ｂのエネルギー変更時間には、ほぼ一回の運転周期と同じ時間が掛かるため、治療時間が長くなり、線量率を向上していく上での課題であった。

特許文献１には、一回の運転周期内で複数のエネルギーのイオンビームの出射を実現する、イオンシンクロトロンの多段出射制御運転について示されている。このような多段出射制御運転により、スキャニング照射法でのエネルギー変更時間の短縮が実現できる。

また、非特許文献１には、イオンシンクロトロンより出射する複数のエネルギーに対応して、エネルギー変更制御と出射制御からなる階段状の運転制御データ（非特許文献１の３４頁、図２）を予め用意しておき、出射するイオンビームエネルギーに対応した出射制御部の運転制御データの平坦部を延長する運転（非特許文献１の３５頁、図３）が示されている。

非特許文献１に記載されているように、複数のエネルギーの出射が可能な運転制御データをパターンデータとして予め用意する制御を適用した場合、全ての照射を完了するために必要なイオンビーム量がシンクロトロンに蓄積されている場合には、一回の運転周期で全てのエネルギーの照射が完了できる効果があるが、全ての照射を完了するために必要なイオンビーム量がシンクロトロンに蓄積されていない場合には、イオンビーム量が枯渇した時点で減速制御を実施した後に、運転周期を更新してイオンビーム１０ｂの入射と加速を再度実施する必要がある。この際、イオンビームが枯渇したエネルギーの出射制御から減速制御に遷移するには、運転制御データの連続性を考慮する必要があるため、イオンビーム１０ｂが枯渇したエネルギーよりも後段に記憶されている全てのエネルギー変更制御の運転制御データを更新する必要があり、当該運転制御データから減速制御に直接遷移できない。そのため、シンクロトロン１３の運転周期の更新には時間が掛かる課題がある。粒子線照射システム１を構成する機器に異常が生じた場合にも、同様に、当該運転制御データから減速制御に直接遷移できない課題があった。

また、特許文献２では、加速器の磁場コイルに励磁するコイル電流に関して、経過時間に応じた磁束密度情報を出力する磁場基準発生部と、磁束密度情報に応じた磁場を発生させるコイル電流を求める電流基準変換部とを備えた加速器の制御装置が示されており、このうち、磁場基準発生部が出力する磁束密度情報を４種類のパターン（初期上げパターン、減少パターン、増加パターン、終了パターン）を組み合わせて出力することで、一回の運転周期内で複数エネルギーのビーム出射を実現する制御方法が示されている。
特許文献２によると、４種類の磁束密度パターンを組み合わせ、一回の運転周期内で複数エネルギーのイオンビームの出射が可能であるが、一方で、これら４種類のパターンの組合せ順序をシンクロトロンの運転制御データを選択し指令するタイミング信号を予めタイミング制御装置に書き込んでおくため、設定値の連続性を担保するため当該出射エネルギーから減速制御に直接遷移できない。このためビーム枯渇時および機器異常時に速やかに減速制御にできないため、シンクロトロンの運転周期の更新に時間が掛かる。また、電流基準変換器が逐次、偏向電磁石および四極電磁石の励磁電流を逐次演算しながら出力するため、パターンを変更する度に演算パラメータの変更が必要となり、機器構成および制御手段が複雑となる課題もある。

特許文献３および特許文献４では、患部３７が呼吸移動性臓器の場合でも精度良くビームを照射するため、患部３７の生理的活動による患部３７の移動を検知した結果に基づき、シンクロトロン１３からのビーム出射制御法について記載されている。
特許文献３では、シンクロトロン１３からのビーム出射制御時に患部３７の移動を検出した場合、ビーム出射制御を停止後に減速制御に遷移し、引き続き、次の照射に必要なビームの加速及び出射条件設定を実施していた。出射許可制御信号の出力停止とともに減速制御に遷移すると、シンクロトロン内を周回するビームが残っていても減速してしまうため、本発明で目指している運転周期内での周回ビームのエネルギー変更による多段出射制御運転が実施できない課題がある。
また、特許文献４では、出射許可制御信号の出力停止とともに減速制御に遷移せず、一定期間の待機状態に遷移し待機状態のうちに再び出射許可信号が入力された場合にビーム出射を再開することで、特許文献３よりもビーム利用効率を改善できるが、この場合でも、待機時間を超えたならば減速制御に遷移してしまうため、特許文献３と同様に、運転周期内での周回ビームのエネルギー変更による多段出射制御運転を実現することができず、シンクロトロン内に周回するビームの利用効率が低いという課題は改善できない課題があった。

本発明は、イオンシンクロトロンにおいて一回の運転周期内で複数エネルギーのイオンビームを出射可能とする多段出射制御運転に関するものであり、本発明により、ビームエネルギーの変更制御と運転周期の更新および、患部３７が呼吸移動性臓器の場合でも精度良くビーム照射を実現可能なイオンシンクロトロンを提供することができるようになる。以下にその詳細を説明する。

まず、本実施例の特徴である、多段出射運転時の制御データ構造と、この制御データを用いた運転シーケンスについて、図３から図８を用いながら説明する。

図３は、シンクロトロンを構成する複数の機器の制御データの構成を示す図であり、機器の制御データの代表例として、偏向電磁石１８の励磁電流を示している。実際には、非特許文献１に示されているように、照射するビームのエネルギー数に対応した段数のデータが用意されているが、本実施例では３段で説明している。また、本実施例では低いエネルギーから高いエネルギーに順次ビームを照射するような運転制御データを示しているが、高いエネルギーから低いエネルギーに順次ビームを照射する場合でも同様の効果が得られる。

図４は本実施例の特徴である多段出射運転を実現する制御システム１００（制御装置）の構成と各装置間の情報伝送を示す図である。図５は多段出射運転を開始する前の照射準備フローを示す図である。図６は多段出射運転時の制御フロー（状態遷移）を示す図である。図７Ａおよび図７Ｂは図３に示した制御データの組み合わせによる多段出射運転時の制御データの出力例を示す図である。図８は多段出射運転時に呼吸移動性臓器への照射を実施した際の制御データの出力例を示す図である。

図３に示すように、シンクロトロンを構成する機器（図示の例では偏向電磁石１８）の運転制御データ７０は、初期加速制御データ７０１ａ（以下７０１で代表する）と、複数のエネルギー（図示の例では３種類のエネルギーＥａ、Ｅｂ、Ｅｃ）のイオンビームを出射するための複数の出射制御データ７０２ａ〜７０２ｃ（以下７０２で代表する）と、複数の出射制御データ７０２間を接続する複数のエネルギー変更制御データ７０５ａｂ，７０５ｂｃ（以下７０５で代表する）および、複数の出射制御データ７０２に対応した複数の減速制御データ７０６ａ〜７０６ｃ（以下７０６で代表する）とで構成されている。
出射制御データ７０２は、シンクロトロン１３からのビーム出射に必要な運転条件を設定するための出射条件設定データ７０３ａ〜７０３ｃ（以下７０３で代表する）と、シンクロトロン１３からのビーム出射停止後に周回ビームのエネルギー変更もしくは減速制御に遷移するため出射条件を解除するための出射条件解除データ７０４ａ〜７０４ｃ（以下７０４で代表する）とから構成される。
複数の減速制御データ７０６は、複数の出射制御データ７０２のそれぞれの出射エネルギーに対応した値を初期値とし、シンクロトロン１３の入射エネルギーに対応した値を最終値として構成されている。これによりイオンビームの照射を中断した場合に出射エネルギーから減速制御に直接遷移可能となる。
これらの制御データ７０１，７０２，７０５を組み合わせることで複数のエネルギーのビームの出射制御を行う。かつ、複数の出射エネルギーに対応した減速制御データ７０６を有することで、どの出射エネルギーからも速やかに減速制御へ遷移可能となっている。

これらの制御データ７０１，７０２，７０５，７０６は、それぞれ対応する機器に直接与えられる制御量である電流／電圧の時系列データとして用意する。
例えば、偏向電磁石１８の制御データであれば、所定の偏向磁場強度を発生する際に必要な偏向電磁石電源４６Ｂに設定する励磁電流と電圧（図示せず）の時系列データで構成される。

また、これらの制御データ７０１，７０２，７０５，７０６は記憶装置４２に記憶されている。記憶装置４２には、図３に示した制御データも含めて、想定されるあらゆる患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データがモジュールデータとして記憶されている。
例えば、想定される複数の患者の照射条件に対応した出射エネルギー数が１００であるとした場合、１００個の初期加速制御データ７０１と、１００個の出射制御データ７０２と、９９個のエネルギー変更制御データ７０５と、１００個の減速制御データ７０６がモジュールデータとして記憶装置４２に記憶されている。照射準備に際して、特定の患者の照射条件が与えられたとき、統括制御装置４１は記憶装置４２に記憶した制御データの中から該当するものを選択し、電源制御装置４５に記憶させる。
なお、全てのエネルギーのビーム出射を可能とするモジュールデータは統括制御装置４１の内部記憶装置に記憶しておいてもよい。

運転制御データ７０の制御データは、タイミングシステム５０から出力されるタイミング信号５１にそれぞれ関連付けられている。
本実施例のタイミング信号５１は、加速制御開始タイミング信号５１１、出射条件設定タイミング信号５１２、出射制御待機タイミング信号５１３、出射条件解除タイミング信号５１４、エネルギー変更制御タイミング信号５１５、減速制御開始タイミング信号５１６、減速制御終了タイミング信号５１７とから構成されている。
電源制御装置４５にタイミング信号５１が入力されると、電源制御装置４５は、タイミング信号５１に関連付けられた制御データを選択し、選択した制御データの初期アドレスからデータの更新を開始する。

タイミング信号５１の入力に対する運転制御データ７０の更新制御について、図３を用いて説明する。
電源制御装置４５は、加速制御開始タイミング信号５１１の入力により、入射エネルギー（Ｅｉｎｊ）から初段の出射エネルギー（Ｅａ）までの初期加速制御データ７０１ａを更新してビームを加速する。
出射条件設定タイミング信号５１２の入力により、出射条件設定データ７０３ａを更新する。
ビーム出射制御時には、偏向電磁石１８、四極電磁石１９、六極電磁石（図示せず）の励磁量および高周波加速空胴１７に印加する高周波電圧は一定値で制御することで安定なビーム出射を実現するため、出射制御待機タイミング信号５１３の入力により、出射条件設定データ７０３ａの更新を停止し、出射条件解除タイミング信号５１４の入力まで待機する。シンクロトロン１３からのビーム出射は、出射許可判定信号３５５の入力に基づき高周波スイッチ２１を閉じることで、出射用高周波電極２０ａに出射用高周波電圧を供給する。
ビーム出射制御の終了後に、減速ないしはエネルギー変更制御に遷移する場合には、出射条件を解除するため、出射条件解除タイミング信号５１４の入力により出射条件解除データ７０４ａの更新を開始する。
インターロックシステム６０は、出射条件解除データ７０４ａの更新終了までに、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量の検出結果１５２と、現在のエネルギーでの目標線量と照射線量の差分で示される残照射線量とに基づき、エネルギー変更タイミング信号５１５もしくは減速制御開始タイミング信号５１６のいずれを出力するかを選択する。インターロックシステム６０の選択結果により、タイミングシステム５０に対して、エネルギー変更タイミング信号５１５もしくは減速制御開始タイミング信号５１６の出力を指令する。

運転制御データ７０を構成する各制御データは、出射条件解除データ７０４の終了値と次の照射エネルギーに遷移するエネルギー変更制御データ７０５の開始値（例えば、図３の７０４ａの終了値と７０５ａｂの開始値）および、出射条件解除データ７０４の終了値と入射エネルギーまで減速する減速制御データの開始値（例えば、図３の７０４ａの終了値と７０６ａの開始値）が連続的に接続できるように同じ値としておく。
このようなタイミング信号５１の入力に基づく運転制御を実現することで、タイミング信号５１の入力に応じた運転制御データ７０の変更と更新が容易に実現できる。

また、上記多段出射運転を実施する際は、インターロックシステム６０は、加速器制御装置４０から出力されるビームエネルギー情報４０２、照射制御装置４４から出力されるエネルギー変更要求信号４４３、減速制御要求信号４４４、照射完了信号４４５、電源制御装置４５から出力される機器の健全性を示すステータス情報４５２、蓄積ビーム量検出手段１５に基づく蓄積ビーム量計測データ１５２および患部位置検出手段３５に基づく出射許可判定信号３５５により、インターロック制御指令６１を出力する。

このインターロック制御指令６１には、初期加速指令６１１、照射準備指令６１２、照射待機指令６１３、照射停止指令６１４、エネルギー変更指令６１５、減速制御指令６１６および照射完了指令６１７が含まれる。

タイミングシステム５０は、インターロックシステム６０から出力されるエネルギー変更指令６１５に基づきエネルギー変更タイミング信号５１５を出力する。また、インターロックシステム６０から出力される照射準備指令６１２に基づき出射条件設定タイミング信号５１２を出力する。また、インターロックシステム６０から出力される照射停止指令６１４に基づき出射条件解除タイミング信号５１４を出力する。また、減速制御指令６１６に基づき減速制御開始タイミング信号５１６を出力する。更に、出射許可判定手段３５４から出力される出射許可判定信号３５５に基づき、高周波スイッチ２１にビーム出射指令６２を出力し、出射用高周波電極２０ａへの出射用高周波電圧の供給を制御する。

図３に示したシンクロトロンを構成する機器の制御データを用いて多段出射運転を実施する際の照射準備フローについて、図４および図５を併用しながら説明する。

まず、治療計画装置４３は、患者の治療に必要な照射条件等を含む治療計画情報４３１を記憶装置４２に登録する。統括制御装置４１は、照射条件の設定情報に基づき、記憶装置４２から照射条件４２１を読み込む（ステップＳ８０１）。
次いで、統括制御装置４１は、照射条件から照射に必要なエネルギーと各照射線量と照射順序および制御データを記憶装置４２から選択する（ステップＳ８０２）。記憶装置４２には、前述したように、図３に示した初期加速制御データ７０１、出射制御データ７０２、出射条件設定データ７０３、出射条件解除データ７０４、エネルギー変更制御データ７０５、減速制御データ７０６を含めて、想定されるあらゆる患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データがモジュールデータとして記憶されており、統括制御装置４１は、照射条件４２１に基づいて制御データ７０１〜７０６を選択して読み込む。
次いで、統括制御装置４１は、タイミングシステム５０に対して、照射に必要なエネルギー情報と照射順序およびこのエネルギーに対応したタイミング信号データ４１１ａを伝送する（ステップＳ８０３）。
次いで、タイミングシステム５０は、統括制御装置４１から伝送された照射に必要なエネルギー情報と照射順序およびこのエネルギーに対応したタイミング信号データ４１１ａをメモリ内に記憶する（ステップＳ８０４）。統括制御装置４１は、同様に、加速器制御装置４０および照射制御装置４４に対して、照射に必要なエネルギー情報と照射順序およびこのエネルギーに対応した制御データ４１１ｂ、４１１ｃを伝送する（ステップＳ８０５）。このうち、加速器制御装置４０に伝送する制御データ４１１ｂには、各機器の運転制御データ（制御データ７０１〜７０６）と運転制御データに対応するタイミング信号（タイミング信号５１１〜５１７）が含まれ、照射制御装置４４に伝送する制御データ４１１ｃには、各照射エネルギーの照射順序と目標照射線量が含まれる。
次いで、加速器制御装置４０は、シンクロトロン１３およびビーム輸送装置１４を構成する機器の各電源制御装置４５に対して、各機器の運転制御データ（制御データ７０１〜７０６）と運転制御データに対応するタイミング信号（タイミング信号５１１〜５１７）のデータ４０１を伝送し（ステップＳ８０６）、電源制御装置４５は、各機器の運転制御データと運転制御データに対応するタイミング信号のデータ４０１をメモリ内に記憶する（ステップＳ８０７）。
その後、照射制御装置４４は、各照射エネルギーの照射順序と目標照射線量をメモリ内に記憶する（ステップＳ８０８）。

次に、図３に示したシンクロトロンを構成する機器の制御データを用いて多段出射運転を実施する際の照射フローについて、図４および図６を用いて説明する。

統括制御装置４１に対してユーザから照射開始指令（図示せず）が入力されると、シンクロトロン１３の運転制御を開始する。
まず、統括制御装置４１はタイミングシステム５０、加速器制御装置４０、照射制御装置４４に対して、シンクロトロン１３の運転周期の開始を示す、制御開始指令４１２を出力する。タイミングシステム５０、加速器制御装置４０、照射制御装置４４は、制御開始指令４１２に基づき、目標エネルギーを設定する（ステップＳ８０９）。
次いで、インターロックシステム６０は、機器の正常動作を確認した後、設定された目標エネルギーに基づき、初期加速指令６１１を出力する。また、タイミングシステム５０は、これから出射するビームの目標エネルギー情報を設定し、加速器制御装置４０は、各電源制御装置に目標エネルギーを設定する。照射制御装置４４は、目標エネルギーから、当該エネルギーの各線量管理領域の目標線量値を設定する。
なお、図６には示していないが、電源制御装置４５が電源装置４６等の機器のステータス情報４５２にて異常を検出した場合、インターロックシステム６０はビームの照射を停止し、シンクロトロン１３を減速制御に遷移させる機能を設けてある。

次いで、タイミングシステム５０は、制御開始指令４１２に基づき、加速制御開始タイミング信号５１１を出力し、電源制御装置４５は、初期加速制御データ７０１の更新を開始する（ステップＳ８１０）。
その後、加速器制御装置４０は、初期加速制御が終了した時点で、ビームエネルギー情報４０２をインターロックシステム６０に出力する。インターロックシステム６０は、加速器制御装置４０から伝送されたビームエネルギー情報４０２に基づき、加速終了後の到達エネルギーと目標エネルギーとが一致しているか否かを確認する（ステップＳ８１１）。

ステップＳ８１１において、初期加速制御終了後に目標エネルギーと到達エネルギーが一致しない場合とは、多段出射制御運転を実施した際、初期加速エネルギーから後述するエネルギー変更制御を実施後に、蓄積ビーム量の枯渇や機器の異常等により減速制御を実施後、再びエネルギー変更制御後のエネルギーでビーム照射を実施する場合等が挙げられる。このような加速終了後の到達エネルギーと目標エネルギーが一致しない場合は、タイミングシステム５０にエネルギー変更指令６１５を出力し、タイミングシステム５０は電源制御装置４５にエネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力し、電源制御装置４５はエネルギー変更制御データ７０５の更新を実施する（ステップＳ８２７）。

ステップＳ８１１において加速終了後の到達エネルギーと目標エネルギーが一致する場合、インターロックシステム６０は、蓄積ビーム量検出手段１５での蓄積ビーム量の計測値１５２から、次のスポットを照射するのに十分な蓄積ビーム量があるか、蓄積ビーム量の残量を確認する（ステップＳ８１２）。蓄積ビーム量の残量が充分であれば（Ｙｅｓの場合）、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に照射準備指令６１２を出力し、タイミングシステム５０は電源制御装置４５に出射条件設定タイミング信号５１２を出力し、電源制御装置４５は出射条件設定データ７０３の更新を開始する（ステップＳ８１３）。これに対し、ステップＳ８１２の判定において蓄積ビーム量の残量が充分ないときは、ステップＳ８１９に処理を進める。

次いで、タイミングシステム５０は、出射条件設定データの更新完了に合わせて出射制御待機タイミング信号５１３を出力し、電源制御装置４５での出射条件設定データ７０３の更新を終了し最終更新値を保持する。インターロックシステム６０は、照射待機指令６１３を出力し、各電源制御装置４５から出力される機器の健全性やエネルギー確認情報といったステータス情報４５２、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量検出手段１５での蓄積ビーム量の計測値１５２および照射制御装置４４から出力される出射制御許可信号４４１等により、ビームの出射条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ８１４）。

ビーム照射に必要なビーム量が蓄積されていない等により、ステップＳ８１４において未成立（ＮＧ）と判定された場合には、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に対して照射停止指令６１４を出力し、タイミングシステム５０から電源制御装置４５に出射条件解除タイミング信号５１４を出力する。電源制御装置４５は出射条件解除データ７０４を更新する（ステップＳ８１９）。出射条件解除データ７０４の更新が完了後、出射条件設定が異常であるか否かを判定する（ステップＳ８２０）。
今はステップＳ８１４においてビームの出射条件が成立せず、出射条件解除に遷移したために出射条件設定が異常であると判定し、インターロックシステム６０は減速制御指令６１６を出力し、タイミングシステム５０から電源制御装置４５に減速制御開始タイミング信号５１６を出力する。その後、ビームの減速を行った後、電源制御装置４５は減速制御データ７０６を更新する（ステップＳ８２１）。
次いで、タイミングシステム５０は、減速制御データの更新完了に合わせて減速制御終了タイミング信号５１７を出力し、電源制御装置４５は減速制御データ７０６の更新を終了し最終更新値を保持する。

次いで、インターロックシステム６０は、全レイヤーの照射が完了したか否かを確認し（ステップＳ８２２）、全レイヤーの照射が完了している場合には照射完了指令６１７を出力し、ビーム照射運転を終了する。これに対し、全レイヤーの照射が完了していない場合には、初期加速指令６１１を出力し、初期加速制御から運転を再開する（再びステップＳ８０９から処理を行う）。

ステップＳ８１４においてビーム出射条件が成立した場合（ＯＫの場合）には、インターロックシステム６０は、患部位置検出手段３５の検出信号に基づく出射許可判定信号３５５の入力があるか否か、すなわちビーム出射制御を実施するか否かを判定する（ステップＳ８１５）。
出射許可判定信号３５５が入力され、ビーム出射制御を実施すると判定された場合（Ｙｅｓの場合）には、インターロックシステム６０はビーム出射指令６２を出力し、高周波スイッチ２１を閉じることで高周波電極２０ａに出射用高周波電圧を印加することで、ビーム出射制御を実施する（ステップＳ８１６）。
これに対し、出射許可判定信号３５５が入力されない場合（Ｎｏの場合）には、継続して出射条件が成立しているか否かを確認する（ステップＳ８２３）。出射条件が成立している場合（ＯＫの場合）にはステップＳ８１５に処理を戻し、出射許可判定信号３５５の入力を待ち続ける。一方、出射許可判定信号３５５が入力されず、出射条件が未成立となった場合（ＮＧの場合）には、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に対して照射停止指令６１４を出力し、タイミングシステム５０から電源制御装置４５に出射条件解除タイミング信号５１４を出力する。電源制御装置４５は出射条件解除データ７０４を更新する（ステップＳ８１９）。

このように、出射条件が成立（ステップＳ８１４がＯＫの場合）し、継続して出射条件が成立している（ステップＳ８２３がＯＫの場合）場合は、出射許可判定信号の入力（ステップＳ８１５がＹｅｓの場合）に基づいてビーム出射制御を実施（ステップＳ８１６）する運転フローを採用することで、特許文献４に示されたように、出射許可判定信号の入力が停止後（ステップＳ８１５がＮｏの場合）に次の出射許可判定信号の入力待機タイマを用いずとも、簡素な制御で繰り返し同一エネルギーでのビーム出射制御が可能となる。

ステップＳ８１６におけるビーム出射制御中は、照射装置３０に設置されている線量モニタ３１にて照射ビームの線量計測データ３１１を逐次計測し、照射制御装置４４は、各線量管理領域での積算線量を演算する。本実施例では、線量管理領域をスポットと呼び、スポットへ照射された積算線量をスポット線量と表記する。
この際、照射制御装置４４はスポット線量が目標線量へ到達（以下、線量が満了したという）したか否かを判定する（ステップＳ８１７）。スポット線量が満了していない場合（Ｎｏの場合）は、ステップＳ８１５に処理を戻し、引き続きシンクロトロン１３はビーム出射制御を継続する（ステップＳ８１５，Ｓ８１６およびＳ８２３）。これに対し、スポット線量が満了した場合（Ｙｅｓの場合）は、当該エネルギーでの照射領域を構成する全てのスポット線量（以下、レイヤー内の線量）が満了となったか否かを確認する（ステップＳ８１８）。

レイヤー内の線量が満了でない場合（Ｎｏの場合）、次のスポットを照射するのに十分な蓄積ビーム量があるか、蓄積ビーム量の残量を確認する（ステップＳ８２４）。蓄積ビーム量の残量が充分であれば（Ｙｅｓの場合）、照射制御装置４４は走査電磁石３２の励磁量の変更によりビーム照射位置を変更し（ステップＳ８２５）、次のスポットに対してビーム照射を継続する。これに対し、蓄積ビーム量の残量が充分ないときは、ステップＳ８１９に処理を進め、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に対して照射停止指令６１４を出力し、タイミングシステム５０から電源制御装置４５に出射条件解除タイミング信号５１４を出力し、電源制御装置４５は出射条件解除データ７０４を更新する（ステップＳ８１９）。

ステップＳ８１７においてレイヤー内の線量が満了となった場合（Ｙｅｓの場合）は、次のレイヤーへの照射を実施するため、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に対して照射停止指令６１４を出力し、タイミングシステム５０から電源制御装置４５に出射条件解除タイミング信号５１４を出力する。電源制御装置４５は出射条件解除データ７０４を更新する（ステップＳ８１９）。また、出射条件設定が異常であるか否かを判定する（ステップＳ８２０）。今回は出射条件解除への遷移が出射条件設定異常に依るものでない（Ｎｏでない）ため、まず、インターロックシステム６０は、次の目標エネルギーデータが存在するか否かを判定する（ステップＳ８３０）。次の目標エネルギーが存在する場合には、次のスポットへの照射に必要な蓄積ビーム量があるか否かを確認する（ステップＳ８２６）。一方、ステップＳ８３０において、次の目標エネルギーデータが存在しない場合、つまり、全レイヤーの照射が完了している場合には、インターロックシステム６０は照射完了指令６１７を出力し、ビーム照射運転を終了する。なおステップＳ８３０は、ステップＳ８１９とＳ８２０との間であってもよい。

ステップＳ８２６において蓄積ビーム量が充分であれば（Ｙｅｓの場合）、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に対してエネルギー変更指令６１５を出力し、タイミングシステム５０から電源制御装置４５にエネルギー変更タイミング信号５１５を出力する。これに対し、ステップＳ８２６において蓄積ビーム量の残量が充分ない（Ｎｏの場合）ときは、インターロックシステム６０は減速制御指令６１６を出力し、ステップＳ８２１の方に処理を進める。
次いで、電源制御装置４５はエネルギー変更データ７０５を更新する（ステップＳ８２７）。
次いで、加速器制御装置４０は、エネルギー変更が終了した時点で、ビームエネルギー情報４０２をインターロックシステム６０に出力する。インターロックシステム６０は、加速器制御装置４０から伝送されたビームエネルギー情報４０２に基づき、エネルギー変更終了後の到達エネルギーと目標エネルギーとが一致しているか否かを確認する（ステップＳ８２８）。

ステップＳ８２８においてエネルギー変更終了後の到達エネルギーと目標エネルギーが一致する場合（Ｙｅｓの場合）、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に照射準備指令６１２を出力し、タイミングシステム５０は電源制御装置４５に出射条件設定タイミング信号５１２を出力し、電源制御装置４５は出射条件設定データ７０３の更新を開始する（ステップＳ８１３）。
これに対しステップＳ８２８において加速終了後の到達エネルギーと目標エネルギーが一致しない場合、インターロックシステム６０は再びタイミングシステム５０にエネルギー変更指令６１５を出力し、タイミングシステム５０は電源制御装置４５にエネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力し、電源制御装置４５はエネルギー変更制御データ７０５の更新を実施する（ステップＳ８２７）。

以上のような制御（ステップＳ８１３〜ステップＳ８２０）を繰り返した後、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に減速制御指令６１６を出力し、タイミングシステム５０は電源制御装置４５に減速制御開始タイミング信号５１６を出力し、電源制御装置４５は減速制御データ７０６の更新を開始する（ステップＳ８２１）。
次いで、減速制御データの更新が完了後、全レイヤーの照射が完了したか否かを確認する（ステップＳ８２２）。全レイヤーの照射が完了した場合（Ｙｅｓの場合）は、シンクロトロン１３の運転制御を終了する。また、未照射のレイヤーがある場合は、インターロックシステム６０は機器の正常動作を確認した後、目標エネルギーを変更し、初期加速指令６１１を出力する（再びステップＳ８０９から処理を行う）。

次に、本実施例の特徴の一つである、多段出射運転時の制御データの出力例を図７Ａおよび図７Ｂに示す。図７Ａおよび図７Ｂでは、図３に示した運転制御データ７０を用いた出力例を示しており、一回の運転周期内で出射可能なエネルギー数はＥａ，Ｅｂ，Ｅｃの３種類である。
図７Ａは、３種類（Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ）の全てのエネルギーのイオンビームを一回の運転周期で出射制御した場合の偏向電磁石の励磁電流値の変化を示している。図７Ｂは、はじめの運転周期で２種類（Ｅａ，Ｅｂ）のエネルギーのイオンビームを出射した後、蓄積イオンビームが枯渇したため減速制御に遷移して運転周期を更新し、次の運転周期で３種類目（Ｅｃ）のイオンビームを出射する場合の偏向電磁石の励磁電流値の変化を示している。
一般に、偏向電磁石の励磁電流値とビームエネルギーは概ね比例関係にあるため、図７Ａおよび図７Ｂは多段出射運転時のビームエネルギー変化と読むこともできる。

図７Ａおよび図７Ｂに共通するのは、各制御データ７０１〜７０６に対応した各タイミング信号５１１〜５１７が設定されており、各タイミング信号５１１〜５１７の入力に基づき、各制御データ７０１〜７０６が更新されている。

まず、図７Ａを用いて多段出射制御の出力例について説明する。
電源制御装置４５は、タイミングシステム５０から加速制御開始タイミング信号５１１が入力されると、初期加速データ７０１を選択し、励磁電流データ更新制御を開始する。
初期加速制御が終了すると、タイミングシステム５０から出射条件設定タイミング信号５１２が電源制御装置４５に入力される。電源制御装置４５は、初段の出射エネルギーＥａに対応した出射条件設定データ７０３ａを出力する。
この後、出射制御待機タイミング信号５１３の入力により、電源制御装置４５は最終更新値を保持し、出射制御が実施される。
出射制御が完了すると、タイミングシステム５０から出射条件解除タイミング信号５１４が電源制御装置４５に出力され、電源制御装置４５は出射条件解除データ７０４ａの更新出力を開始する。

出射条件解除データ７０４ａの更新制御の終了とともに、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量を計測する。蓄積ビーム量が次のエネルギーのビーム出射量を満足することを確認した上で、タイミングシステム５０は、エネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力する。電源制御装置４５は、現在の出射エネルギーＥａと次の出射エネルギーＥｂとを接続するエネルギー変更制御データ７０５ａｂを選択し、制御データの更新出力を開始する。
これ以降、最後のエネルギーＥｃの出射制御を終了するまで、上記した出射条件設定制御、出射制御、出射条件解除制御、エネルギー変更制御を繰り返す。

最後のエネルギーＥｃの出射条件解除データ７０４ｃの更新制御が終了後、タイミングシステム５０は、減速制御開始タイミング信号５１６を出力する。電源制御装置４５は、減速制御開始タイミング信号５１６の入力に伴い、直前の出射条件解除データ７０４ｃに対応した減速制御データ７０６ｃを選択し、減速制御データの更新出力を開始する。
なお、本実施例の減速制御では、エネルギーを低い方から高い方にビームを出射する制御をしているため（Ｅａ＜Ｅｂ＜Ｅｃ）、減速制御で最大エネルギー（Ｅｉｎｉｔ）まで初期化励磁している。

減速制御の終了に合わせて、タイミングシステム５０は減速制御終了タイミング信号５１７を出力し、全てのエネルギーの出射制御が完了しているかを確認する。全てのエネルギーの出射制御が完了している場合、シンクロトロンの運転周期を終了する。

次に、図７Ｂに示すように多段出射運転時に運転周期を更新した場合について説明する。ここでは、図中の符号は図７Ａと同一であり、図７Ｂでの２番目のエネルギーＥｂの出射制御の終了以降について説明する。

２番目のエネルギーＥｂの出射制御が終了した時点でシンクロトロン１３内の蓄積ビーム量を計測する。この計測結果で、ビームの枯渇等によりシンクロトロン１３内に蓄積されたビーム量が次のビーム出射量を満足することができないと判定されたら、タイミングシステム５０は、出射制御を終了したエネルギーに対応した減速制御開始タイミング信号５１６を出力する。電源制御装置４５は、減速制御開始タイミング信号５１６の入力に基づき、直前の出射条件解除データ７０４ｂに連続して接続できる減速制御データ７０６ｂの更新制御を開始する。

減速制御終了タイミング信号５１７の入力に合わせて、全てのエネルギーの出射制御が完了しているかを確認する。全てのエネルギーの出射制御が完了していない場合は、引き続き、目標エネルギーをＥｂからＥｃに変更した上で、再び加速制御開始タイミング信号５１１を出力する。

加速制御開始タイミング信号５１１の入力により、初期加速制御データ７０１の更新を開始する。初期加速制御が終了後、到達エネルギーと目標エネルギーを比較する。この際、初期加速制御データ７０１の到達エネルギーはＥａであり、目標エネルギーはＥｃであるため、ビームを更に加速する必要がある。このため、エネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力する。電源制御装置４５は、エネルギー変更制御タイミング信号５１５に基づき、エネルギー変更データ７０５ａｂの更新し、エネルギー変更制御を実施する。エネルギー変更制御終了後、再び到達エネルギーと目標エネルギーを比較する。エネルギー変更制御後の到達エネルギーはＥｂであり、目標エネルギーはＥｃであるため、引き続き、エネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力し、エネルギー変更制御データ７０５ｂｃを更新する。このような制御を繰り返すことで、到達エネルギーを目標エネルギーと同じＥｃまで加速する。その後は、上記に示した出射制御および減速制御と同じ制御を実施する。

なお、後述する図８（ｄ），８（ｅ）に示すのと同様に、Ｅｃまで加速する際に、入射エネルギーＥｉｎｊからＥｃまで直接加速する初期加速制御データを用いてビームを加速してもよい。これにより、加速に要する時間をより短くすることができ、更なる線量率の向上を実現でき、治療時間を更に短縮することができる。

次に、本実施例の特徴である、多段出射運転時に呼吸移動性臓器への照射を実施する際の制御データの出力例を図８に示す。図８では、図７Ａおよび図７Ｂと同様に、図３に示した運転制御データ７０を用いた出力例を示しており、図８では６種類のエネルギー（Ｅａ〜Ｅｆ）を呼吸移動性臓器へ照射する場合を想定して記載している。本実施例では、一回の運転周期内で出射可能なエネルギー数は３種類とし、Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃのエネルギーのビームを出射可能な運転制御データ７０ａｃと、Ｅｄ，Ｅｅ，Ｅｆのエネルギーのビームを出射可能な運転制御データ７０ｄｆで構成されている。

図８（ａ）は患部位置検出手段３５で観測された患部位置検出信号の時間変化を示しており、図８（ｂ）は出射許可判定信号３５５の出力を示している。図８（ｂ）の出射許可判定信号３５５は、患部位置変化が安定な領域（図８（ａ）に示した点直線よりも低い領域）に患部位置がある場合にビームを照射することで、患部３７への正確な照射を実現する。
図８（ｃ）はインターロックシステム６０から出力されるビーム出射指令６２を示している。ビーム出射指令６２は、シンクロトロン１３の出射条件の設定状態と、出射許可判定信号３５５に基づいて出力される。
図８（ｄ）はシンクロトロン１３を構成する偏向電磁石１８の運転制御データ７０ａｃと７０ｄｆを示しており、図８（ｅ）はシンクロトロンを構成する四極電磁石１９の運転制御データ７０ａｃと７０ｄｆを示している。図８（ｅ）に示した四極電磁石１９の運転制御データは、図８（ｄ）に示した偏向電磁石１８の運転制御データと異なり、シンクロトロン１３の加速制御時の運転条件から出射制御時の運転条件に遷移する必要があるため、出射条件設定７０３および出射条件解除７０４で励磁量を変更している。
ここで、シンクロトロン１３からビーム出射制御が可能な領域は、図８（ｄ）および図８（ｅ）において点線で示した区間であり、出射制御待機タイミング信号５１３から出射条件解除タイミング信号５１４の区間となる。

図８（ｃ）に示したビーム出射指令６２の出力方法について説明する。ビーム出射指令６２は、以下に示す４つの条件から決定される。
出射許可判定信号３５５がＯＮで出射制御待機タイミング信号５１３から出射条件解除タイミング信号５１４の区間に入っていない領域（９０１（９０１ａ，９０１ｂ，９０１ｃ，９０１ｄ，…））と、出射許可判定信号３５５がＯＦＦで出射制御待機タイミング信号５１３から出射条件解除タイミング信号５１４の区間に入っている領域（９０２（９０２ａ，９０２ｂ…））と、出射許可判定信号３５５がＯＦＦで出射制御待機タイミング信号５１３から出射条件解除タイミング信号５１４の区間に入っていない領域（９０３（９０３ａ，９０３ｂ，…））と、出射許可判定信号３５５がＯＮで出射制御待機タイミング信号５１３から出射条件解除タイミング信号５１４の区間に入っている領域（９０４（９０４ａ，９０４ｂ，９０４ｃ，…））とに分けられる。
このうち、ビーム出射指令６２としてビームＯＮが出力されるのは、出射許可判定信号３５５がＯＮであり、かつ出射制御待機タイミング信号５１３から出射条件解除タイミング信号５１４の区間に入っている領域（９０４）の間にあるときのみである。

ここで、図８に示したタイムチャートに従って、ビーム出射指令６２の出力について説明する。

まず、シンクロトロン１３に入射エネルギーＥｉｎｊのビームが入射され、初期加速データ７０１が更新される。初期加速データの更新によりビームエネルギーはＥａに到達し、出射条件設定データ７０３が更新される。出射条件設定データ７０３の更新が完了されるまでは、ビーム出射指令６２はＯＦＦとなる（９０１ａ）。

次に、出射条件設定データの更新が解除されると、出射許可判定信号３５５がＯＮとなっている領域でのみ、ビーム出射指令６２がＯＮとなる（９０４ａ）。この際、出射許可判定信号３５５がＯＦＦとなった場合において、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量が充分ある場合および機器が正常に動作している場合には、シンクロトロン１３からのビーム出射制御は可能なため、シンクロトロン１３の運転は待機状態となる（９０２ａ）。再び出射許可判定信号３５５がＯＮとなりビーム出射指令６２がＯＮとなる（９０４ｂ）。
このように、図６に示した制御フローに従うことで、シンクロトロン１３が出射制御待機タイミング信号５１３から出射条件解除タイミング信号５１４の区間に入っている領域で、出射許可判定信号３５５に基づく複数回のビーム出射制御が可能となる。

レイヤー線量が満了したら、次のレイヤーに対応したビームエネルギーＥｂに変更するため、出射条件解除、エネルギー変更、出射条件設定を実施する。
図８（ｅ）に示したように、出射条件解除、エネルギー変更、出射条件設定では、四極電磁石１９の励磁量を逐次変更することで、多段出射制御運転時にビーム損失を生じずに効率良く実現できる。
出射条件解除から出射条件設定の区間では、シンクロトロンからビーム出射制御は実施できないため、図８（ａ）に示すように出射許可判定信号３５５がＯＮであっても、ビーム出射指令６２はＯＦＦとなる（９０１ｂ）。

シンクロトロン１３のエネルギー変更および出射条件設定が完了後、出射許可判定信号３５５がＯＮの領域でビーム出射指令６２がＯＮとなる（９０４ｃ）。
その際、患者の生理的現象等により、患部位置検出手段３５で観測された患部位置に瞬時的な変動（図８（ａ）の３５３ａ）が生じた場合、出射許可判定信号３５５は瞬時的にＯＦＦとなる。その後に患部３７の位置がビーム照射許容範囲３５３に戻ったら出射許可判定信号３５５はＯＮとなり、ビーム出射指令６２も同期して変化する（９０２ｂ→９０４ｄ）。
このように、図６に示した制御フローに従うことで、このような患者の生理的現象等による患部位置の瞬時的な変動に対しても、安定なビーム照射を実現できる。
その後、ビームエネルギーをＥｂからＥｃへの変更制御を実施（９０３ａ）した後、再びビーム出射指令６２がＯＮとなる（９０４ｅ）。

本実施例では、９０４ｅに示したビーム出射制御により、現在の照射レイヤーの線量が満了になり、かつ、次のエネルギーのビーム照射に必要な蓄積ビーム量に満たないと判定されたと想定し、出射条件を解除し（７０４ｃ）、減速制御を実施する（７０６ｃ）。
その後、次の照射エネルギーＥｄを照射するため、入射エネルギーＥｉｎｊからＥｄまで初期加速制御でビームを加速し（７０１ｄ）、出射条件を設定する（７０３ｄ）。この間、ビーム出射指令６２の出力は常にＯＦＦとなる（９０１ｃ）。出射条件の設定完了と、出射許可判定信号３５５が入力されたタイミングで再びビーム出射指令６２がＯＮとなる（９０４ｆ）。その後、同様に、ビームエネルギーＥｅにビームエネルギーを変更した上での照射、ビームエネルギーＥｆでの照射、減速制御を行う。

なお、ビームエネルギーＥｂ，Ｅｄ，Ｅｅ，Ｅｆの間に蓄積ビーム量が必要量に満たないときも、上述のＥｃからＥｄにかけての減速と加速制御と同様の制御を行う。

また、ビームエネルギーを入射エネルギーＥｉｎｊからＥｄまで直接加速する初期加速制御データ７０１ｄを用いたが、図７Ｂに示すのと同様に、入射エネルギーＥｉｎｊからＥａまで直接加速する初期加速制御データ７０１ａとＥａ→Ｅｂ（７０５ａｂ），Ｅｂ→Ｅｃ（７０５ｂｃ），Ｅｃ→Ｅｄの組み合わせで加速してもよい。しかし、図８に示すようにビームエネルギーを入射エネルギーＥｉｎｊからＥｄまで直接加速するほうが加速に要する時間をより短くすることができる。

以上のように本実施の形態では、シンクロトロン１３を構成する機器やその制御手段（制御システム１００）として、運転制御データ７０を選択して電源４６に更新出力する手段（電源制御装置４５）と、シンクロトロン１３からのビーム出射を制御する手段（タイミングシステム５０）と、シンクロトロン１３内を周回するビーム量（蓄積ビーム量）を検出する手段（蓄積ビーム量検出手段１５，蓄積ビーム量計測手段１５１）と、患部３７へ照射した線量を検出する手段（線量モニタ３１）と、患部３７へ照射する目標線量と実際に患部３７へ照射した線量とから残照射線量を求める手段（照射制御装置４４）と、患者３６の生理的活動による患部３７の移動を検知する手段（患部位置検出手段，透視画像取得手段３５１）と、この患部３７の移動を検知する手段からの出力値に基づいて出射許可判定信号３５５を出力する手段（出射許可判定手段３５４）と、出射許可判定信号３５５，シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量の検出値，患部へ照射する残照射残量，シンクロトロン１３からビーム出射制御が可能な状態を示す出射準備完了信号４４５に基づいてシンクロトロン１３の運転制御を切り替える手段（インターロックシステム６０）とを備える。

そして、シンクロトロンの出射ビームエネルギーの変更制御を短時間で実現する多段出射制御運転において、制御データ７０１〜７０６が複数のエネルギーに対応した減速制御データ７０６を有し、どのエネルギーからも速やかに減速制御へ遷移可能とすることで、シンクロトロン内の蓄積ビーム量が不足してイオンビームの照射を中断した場合に運転周期の更新を短時間で実現し、線量率を向上し治療時間を短縮することができる。

また、粒子線照射システムを構成する機器に異常が生じてイオンビームの照射を中断した場合にも、出射エネルギーから減速制御に直接遷移し、運転周期の更新を短時間でかつ安全に実現することができる。

更に、ビームの枯渇等のビーム照射中断要因の発生による減速制御の終了後、ビーム未照射のエネルギーが存在し、運転周期を更新する場合において、初期加速制御が終了後或いはエネルギー変更制御終了後の到達エネルギーが次の目標エネルギーが一致しない場合は、出射制御データの更新制御（出射条件設定制御および出射条件解除制御）を行うことなく、直ちにエネルギー変更制御を実施して到達エネルギーを目標エネルギーまで加速するため、短時間でのエネルギー変更制御を実現し、線量率を向上し治療時間を短縮することが可能となる。

また、運転制御データを構成する制御データ７０１〜７０６を、シンクロトロン１３を構成する機器に直接与えられる制御量である電流／電圧の時系列データによって構成したため、パラメータの変更演算が不要となり、機器構成および制御手段を単純化できる。

更に、記憶装置４２に、想定されるあらゆる患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データをモジュールデータとして記憶しておき、統括制御装置４１は、照射条件４２１に基づいて制御データ７０１〜７０６を選択して電源制御装置４５に記憶し、運転制御データ７０を構成するため、ビーム照射に寄与しない無駄時間（シンクロトロン１３の入射ビームエネルギーから照射開始エネルギーまでの制御時間および照射終了エネルギーから減速終了エネルギーまでの制御時間）が無くなるため、所望のエネルギー範囲のビーム照射を短い運転周期で行い、線量率を向上し治療時間を短縮することが可能となる。

また、図６に示した制御フローに従った制御を適用することで、多段出射制御運転時に呼吸移動性臓器の移動に対応したビーム照射を安定に実現することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。

例えば、患部３７の検出方法としてマーカ３５２を検出する方法を説明したが、患部３７を検出する方法はこれに限定されず、患部３７を直接検出してもよいし、他の公知の方法を用いてもよい。

１ 粒子線照射システム
１００ 制御システム（制御装置）
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ ビーム
１１ イオンビーム発生装置
１２ 前段加速器
１３ シンクロトロン
１４ ビーム輸送装置
１５ 蓄積ビーム量検出手段
１５１ 蓄積ビーム量計測手段
１５２ 蓄積ビーム量計測データ
１６ 高周波電極
１７ 高周波加速空胴
１８ 偏向電磁石
１９ 四極電磁石
２０ａ 出射用高周波電極
２０ｂ 出射用デフレクター
２１ 高周波スイッチ
３０ 照射装置
３１ 線量モニタ
３１１ 線量計測データ
３２ 走査電磁石
３４ コリメータ
３５ 患部位置検出手段
３５１ 透視画像取得手段
３５２ マーカ
３５３ ビーム照射許容範囲
３５４ 出射許可判定手段
３５５ 出射許可判定信号
３６ 患者
３７ 患部
３７１ 患部位置検出マーカ
３８ 出射許可判定手段
３８１ 出射許可判定信号
４０ 加速器制御装置
４０１ 各機器の制御データ
４０２ 目標エネルギー到達信号
４１ 統括制御装置
４１１ 制御データ
４１２ 機器情報データ
４２ 記憶装置
４２１ 照射情報データ
４３ 治療計画装置
４３１ 治療計画情報
４４ 照射制御装置
４４１ 出射制御許可信号
４４２ 線量満了信号
４４３ エネルギー変更要求信号
４４４ 減速制御要求信号
４４５ 照射完了信号
４５ 電源制御装置
４５１ 電源制御指令値
４５２ ステータス情報
４６ 電源
５０ タイミングシステム
５１ タイミング信号
５１１ 加速制御開始タイミング信号
５１２ 出射条件設定タイミング信号
５１３ 出射制御待機タイミング信号
５１４ 出射条件解除タイミング信号
５１５ エネルギー変更制御タイミング信号
５１６ 減速制御開始タイミング信号
５１７ 減速制御終了タイミング信号
６０ インターロックシステム
６１ インターロック信号
６１１ 初期加速指令
６１２ 照射準備指令
６１３ 照射待機指令
６１４ 照射停止指令
６１５ エネルギー変更指令
６１６ 減速制御指令
６１７ 照射完了指令
６２ ビーム出射指令
７０ 運転制御データ
７０１ 初期加速制御データ
７０２ 出射制御データ
７０３ 出射条件設定データ
７０４ 出射条件解除データ
７０５ エネルギー変更制御データ
７０６ 減速制御データ

Claims (14)

1. イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、
   このシンクロトロンから出射された前記イオンビームを照射する照射装置と、
   患者の生理的活動による患部の移動を検知する検知手段と、
   この検知手段からの出力値に基づき、出射許可判定信号を出力する出射許可判定手段と、
   前記シンクロトロンを構成する機器の運転制御データを、１以上の初期加速制御データ、複数のエネルギーのイオンビームを出射する複数の出射制御データ、前記複数の出射制御データ間を接続する複数のエネルギー変更制御データ、前記複数の出射制御データに対応した複数の減速制御データで構成し、これらの制御データを組み合わせることで複数のエネルギーのビームの出射制御を行う制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記出射許可判定手段から出力される出射許可判定信号に基づいて前記シンクロトロンからのビーム出射制御を実施する
   ことを特徴とする粒子線照射システム。
2. 請求項１記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記制御装置は、前記シンクロトロンからのビーム出射制御時に、前記出射許可判定手段から出力される出射許可判定信号に基づき、同一のエネルギーで複数回のビーム出射制御を実施する
   ことを特徴とする粒子線照射システム。
3. 請求項２記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記出射許可判定手段は、前記検知手段において、前記患部が出射許可範囲内にあるときに前記出射許可判定信号を出力し、前記患部が出射許可範囲内にないときは前記出射許可判定信号を出力しない
   ことを特徴とする粒子線照射システム。
4. 請求項１記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記シンクロトロンを構成する機器の制御タイミングを管理する複数の制御タイミング信号を出力するタイミングシステムと、
   前記シンクロトロンを構成する機器を制御する電源制御装置とを有し、
   前記運転制御データを構成する前記初期加速制御データ、前記複数の出射制御データ、前記複数のエネルギー変更制御データおよび前記複数の減速制御データは、前記電源制御装置に記憶されており、
   前記電源制御装置は、前記タイミングシステムから出力される前記複数の制御タイミング信号を入力し、これらの制御タイミング信号に基づき、前記初期加速制御データ、前記複数の出射制御データ、前記複数のエネルギー変更制御データおよび前記複数の減速制御データを選択して更新する
   ことを特徴とする粒子線照射システム。
5. 請求項４記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記シンクロトロン内の蓄積ビーム量を検出するビーム量検出手段を更に備え、
   前記制御装置は、
   前記出射許可判定手段から出力される出射許可判定信号の入力を受け、前記シンクロトロンの運転制御が出射条件設定され、かつ出射許可判定信号が入力されたときはビーム出射制御を指令し、
   前記出射許可判定信号が停止された際は、前記ビーム量検出手段から入力された前記シンクロトロン内の蓄積ビーム量の検出結果と照射中のエネルギーでのビーム照射が完了したかの判定結果とに基づいて、再び出射許可判定信号が出力された際に当該エネルギーでのビーム出射が可能なように待機するか、次のエネルギーのビームが照射可能なようにエネルギー変更制御に遷移するか、減速制御に遷移するかを判定し、前記タイミングシステムに対して先に判定したそれぞれの制御に対応した制御指令を出力する
   ことを特徴とする粒子線照射システム。
6. 請求項４記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記シンクロトロンに入射したビームエネルギーを初段の出射エネルギーまでビームを加速する初期加速指令、前記シンクロトロンで初期加速ないしエネルギー変更後に出射条件を設定する照射準備開始指令、前記シンクロトロンで出射条件の設定が完了したことを示す照射待機指令、前記出射許可判定手段から出力される出射許可判定信号と前記シンクロトロンの出射条件設定状態とに基づき出力されるビーム出射指令、前記患部へのビーム照射を停止する照射停止指令、前記患者に照射されたイオンビームの照射経過情報に基づき出力されるエネルギー変更指令、前記シンクロトロンおよび前記照射装置を含んだ粒子線照射システムを構成する機器の状態に基づき出力される減速制御指令および照射を完了したことを示す照射完了指令を出力するインターロックシステムを更に有し、
   前記タイミングシステムは、前記インターロックシステムから出力される前記初期加速指令、前記照射準備開始指令、前記照射待機指令、前記照射停止指令、前記エネルギー変更指令および前記減速制御指令に基づいて、前記複数の制御タイミング信号の中から対応する制御タイミング信号を選択して出力する
   ことを特徴とする粒子線照射システム。
7. 請求項４記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記電源制御装置は、
   前記タイミングシステムから入力された前記複数のタイミング信号のうち減速制御開始タイミング信号を入力したときは、複数の減速制御データの中から出射制御完了時のエネルギーに対応する減速制御データを選択し、減速制御に遷移するよう制御する
   ことを特徴とする粒子線照射システム。
8. 請求項６記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記インターロックシステムは、前記シンクロトロンおよび前記照射装置を含む粒子線照射システムを構成する機器に異常が生じた場合にも前記減速制御指令を出力し、
   前記電源制御装置は、前記タイミングシステムから減速制御開始タイミング信号を入力したとき、現在の制御データを更新した後、前記複数の減速制御データの中からその更新制御終了後の到達エネルギーに対応する減速制御データを選択し、減速制御に遷移するよう制御する
   ことを特徴とする粒子線照射システム。
9. 請求項６記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記インターロックシステムは、あるエネルギーの出射制御完了後に次の目標エネルギーが存在する場合或いは初期加速制御終了後およびエネルギー変更制御終了後に到達したエネルギーと次の目標エネルギーが一致しない場合にエネルギー変更指令を出力し、
   前記タイミングシステムは、前記エネルギー変更指令を入力したとき、前記複数の制御タイミング信号の中からエネルギー変更制御タイミング信号を選択して出力し、
   前記電源制御装置は、前記エネルギー変更制御タイミング信号を入力したとき、前記複数のエネルギー変更制御データの中から前記あるエネルギーあるいは到達エネルギーに対応するエネルギー変更制御データを選択し、エネルギー変更制御に遷移するよう制御する
   ことを特徴とする粒子線照射システム。
10. 請求項１記載の粒子線照射システムにおいて、
    前記運転制御データを構成する前記初期加速制御データ、前記複数の出射制御データ、前記複数のエネルギー変更制御データおよび前記複数の減速制御データは、前記シンクロトロンを構成する機器に直接与えられる制御量である電流／電圧の時系列データによって構成されている
    ことを特徴とする粒子線照射システム。
11. 請求項１記載の粒子線照射システムにおいて、
    前記制御装置は、
    前記運転制御データを構成する前記初期加速制御データ、前記複数の出射制御データ、前記複数のエネルギー変更制御データおよび前記複数の減速制御データを含めて、想定される複数の患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データをモジュールデータとして記憶した記憶装置と、
    前記シンクロトロンを構成する機器を制御する電源制御装置とを有し、
    前記制御装置は、照射準備に際して、特定の患者の照射条件が与えられたとき、前記記憶装置に記憶したモジュールデータの中から該当する制御データを選択して前記電源制御装置に記憶し、前記運転制御データを構成する
    ことを特徴とする粒子線照射システム。
12. イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、
    前記シンクロトロンから出射された前記イオンビームを照射する照射装置と、
    患者の生理的活動による患部の移動を検知する検知手段と、
    この検知手段からの出力値に基づき、出射許可判定信号を出力する出射許可判定手段と、
    想定される複数の患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データであって、複数のエネルギーのイオンビームに対応した１以上の初期加速制御データ、複数の出射制御データ、複数のエネルギー変更制御データおよび複数の減速制御データを含む制御データをモジュールデータとして記憶した記憶装置と、
    前記シンクロトロンを構成する機器を制御する電源制御装置と、
    照射準備に際して、特定の患者の照射条件が与えられたとき、前記記憶装置に記憶したモジュールデータの中から該当する制御データを選択して前記電源制御装置に記憶し、前記シンクロトロンの機器の運転制御データを構成する制御装置とを備え、
    前記制御装置は、前記出射許可判定手段から出力される出射許可判定信号に基づいて前記シンクロトロンからのビーム出射制御を実施する
    ことを特徴とする粒子線照射システム。
13. イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、
    前記シンクロトロンから出射された前記イオンビームを照射する照射装置と、
    患者の生理的活動による患部の移動を検知する検知手段と、
    この検知手段からの出力値に基づき、出射許可判定信号を出力する出射許可判定手段とを備えた粒子線照射システムの運転方法であって、
    前記シンクロトロンを構成する機器の運転制御データを、初期加速制御データと、複数のエネルギーのイオンビームを出射する複数の出射制御データと、前記複数の出射制御データ間を接続する複数のエネルギー変更制御データおよび、前記複数の出射制御データに対応した複数の減速制御データで構成し、これらの制御データを組み合わせることで複数のエネルギーのビームの出射制御を行い、かつ前記複数のエネルギーに対応した減速制御データを有することで、どのエネルギーからも速やかに減速制御へ遷移可能とするとともに、前記出射許可判定手段から出力される出射許可判定信号に基づいて前記シンクロトロンからのビーム出射制御を実施する
    ことを特徴とする粒子線照射システムの運転方法。
14. 請求項１３記載の粒子線照射システムの運転方法において、
    前記運転制御データを構成する前記初期加速制御データ、前記複数の出射制御データ、前記複数のエネルギー変更制御データおよび前記複数の減速制御データを含めて、想定される複数の患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データをモジュールデータとして用意しておき、
    特定の患者の照射条件が与えられたとき、前記モジュールデータの中から該当する制御データを選択して前記運転制御データを構成する
    ことを特徴とする粒子線照射システムの運転方法。

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