JP6230321B2 - 加速器の制御装置及び重粒子線治療装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、荷電粒子（以下、ビームという。）を加速する加速器の制御装置及びこれを用いた重粒子線治療装置に関する。

一般に、粒子加速器では、電磁石によりビームの偏向や収束を行っている。シンクロトロンの場合は、偏向電磁石によりビームが円形軌道を周回するようにしている。このような電磁石は、電磁石電源から電流が供給されて磁場を発生する。シンクロトロンでは、低エネルギーでビームを入射して磁場強度を増加させながら高周波電力によりエネルギーを与えてビームを加速する。

例えば、特許文献１〜３に記載された技術では、パターンメモリ装置が電磁石電源に電流基準値を入力している。この電流基準値は、磁場を発生させる電流の加速パターンを規定する。この加速パターンは、特許文献１〜３に記載されているように、パターンメモリ装置に記録されたデータをクロック信号の周期に同期して出力することにより発生している。

図６は従来の加速パターンを発生させる装置を示すブロック図である。図７は従来の加速パターンを発生させる装置の動作を示すタイミングチャートである。

図６に示すように、偏向電磁石５０には、電磁石電源２０から電磁石電流１００が供給される。この電磁石電源２０は、交流電力を直流電力に変換する変換器２１と、この変換器２１を制御する電源制御装置２２と、図示しない電流計測装置等から構成されている。電源制御装置２２は、変換器２１にゲート信号１０１を出力する。

制御装置３０は、パターンメモリ３１と、タイミング信号発生器３２を有する。制御装置３０は、電源制御装置２２に電流制御のための電流基準値１０２を加速パターンとして出力する。すなわち、電流基準値１０２は、パターンメモリ３１から加速パターンとして電源制御装置２２に出力される。パターンメモリ３１には、タイミング信号発生器３２からリセットトリガ信号１０４及びクロック信号１０５が出力される。タイミング信号発生器３２には、出射制御装置３５からビーム開始・停止信号１０７が出力される。

このような従来装置の動作を図７に基づいて説明する。

図７に示すように、リセットトリガ信号１０４は、タイミング信号発生器３２から加速器の加速サイクルの開始タイミング、すなわちビーム開始信号とともに出力される。これと同時に、タイミング信号発生器３２からクロック信号１０５が出力される。そのときの電磁石電流１００の値は、ビームの入射レベルのエネルギーに相当する電流値となっている。

この状態で、入射ビーム信号２００が入射してクロック信号１０５に従ってパターンメモリ３１の出力データが更新され、電流基準値１０２を加速パターンとして出力する。これにより、電磁石電流１００は、加速の電流パターンとなる。そして、電磁石電流１００が必要な出射エネルギーとなったところで、出射制御装置３５から出力されたビーム開始・停止信号１０７によりクロック信号１０５が停止し、その間にビーム出射信号２０１が出力される。

ここで、上述した電磁石電源２０の電流パターンは、偏向電磁石５０を例に説明したが、図示しない四極電磁石や六極電磁石も同様の電流パターンで動作させる必要がある。

この従来例では、ビーム出射が時間をかけて徐々に行われる場合を示すが、これはビームの利用方法によって必要となる。この従来例のようにビーム取出し期間は、磁場強度を一定値に維持させるため、クロック信号１０５を停止して一定電流値を発生させる。これにより、一定値パターンを記録するパターンメモリ３１のメモリ量を節約するとともに、ビーム出射時間が一定でない場合、すなわち予め定められた時間で規定されるパターンデータにできない場合にも対応可能となる。

ところで、磁場強度が高い状態では、電磁石に使用する鉄芯の磁気余効と称される現象によりコイル電流値を一定にしても磁場強度が一定にならず、わずかに変化する問題がある。すなわち、上記磁気余効とは、磁束密度が高いところでは、電流を立ち上げてから一定値に移行しても磁場強度がわずかに増加していく現象である。この現象は、ビーム取り出し時にビーム軌道を変えていくため、好ましくない。磁気余効の作用は、わずかであり、一般的には問題とされることは少なく、十分な研究や解明がなされていない。

しかしながら、加速器のビーム軌道を高精度に制御する必要がある場合には、上記磁気余効の作用を無視することができなくなる。そこで、特許文献４には、加速器の磁気余効の影響を回避するための運転方法が記載されている。

このようにビーム軌道を高精度に制御して時間をかけて徐々にビームを取り出す装置には、重粒子線を用いたがん治療装置がある。このがん治療装置としての用途は、近年特に注目されるものである。がん治療装置では、できる限りビームの変動を少なくして取り出すことが要求される。そのため、がん治療装置では、取出し期間中のビーム軌道の変化も抑制するため、磁気余効の影響も考慮する必要がある。

特開２０１１−１２４１４９号公報 特開２００９−１１７１１１号公報 特開２００４−３０３５５６号公報 特開２００２−２４６２００号公報

上述したようにビーム取出し期間において、ビームの開始、停止は、ビームを利用する側の都合で任意の時間となり得る。そのため、ビーム取出し期間において電流パターンの発生時間を予め決めておくことができず、利用側の要求により電流パターンに対するクロック信号１０５の停止、再開で行っている。

したがって、磁気余効の補正パターンを作成したとしても、クロック信号１０５の動作停止のため機能させることができないという不具合がある。

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、磁気余効を適切に補正し、ビーム取出し時にビーム軌道を正確に制御することのできる加速器の制御装置及び重粒子線治療装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、実施形態に係る加速器の制御装置は、電磁石に電磁石電源から電流を供給し、前記電磁石電源に電流制御のための電流基準値を出力する加速器の制御装置であって、前記電流基準値を出力する第１のパターンメモリと、前記第１のパターンメモリにタイミング信号を出力するタイミング信号発生器と、前記タイミング信号発生器から補正開始信号を入力するとともに、前記第１のパターンメモリから前記電流基準値を入力し、前記電磁石による磁場強度が一定になるように前記第１のパターンメモリの前記電流基準値を補正して前記電磁石電源に補正後の電流基準値を出力する第２のパターンメモリと、を備えることを特徴とする。

実施形態に係る重粒子線治療装置は、ビームを周回させて所定のエネルギーまで加速するシンクロトロンと、前記シンクロトロンの電磁石に電流を供給する電磁石電源と、前記電磁石電源に電流制御のための電流基準値を出力する制御装置と、前記シンクロトロンにより加速されたビームを取り出す取出し装置と、前記取出し装置により取り出されたビームを照射対象に照射する照射装置と、を備え、前記制御装置は、前記電流基準値を出力する第１のパターンメモリと、この第１のパターンメモリにタイミング信号が出力されるタイミング信号発生器と、このタイミング信号発生器から補正開始信号を入力するとともに、前記第１のパターンメモリから前記電流基準値を入力し、前記電磁石による磁場強度が一定になるように前記第１のパターンメモリの前記電流基準値を補正して前記電磁石電源に補正後の電流基準値を出力する第２のパターンメモリと、を有することを特徴とする。

実施形態によれば、磁気余効を適切に補正し、ビーム取出し時にビーム軌道を正確に制御することができる。

加速器の制御装置の第１実施形態を示すブロック図である。 図１の補正パターンメモリの詳細を示すブロック図である。 図１の補正パターンメモリの動作を示す説明図である。 加速器の制御装置の第２実施形態を示すブロック図である。 図４の補正パターンメモリの動作を示すタイミングチャートである。 従来の加速パターンを発生させる装置を示すブロック図である。 従来の加速パターンを発生させる装置の動作を示すタイミングチャートである。

以下に、加速器の制御装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
（構 成）
図１は加速器の制御装置の第１実施形態を示すブロック図である。図２は図１の補正パターンメモリの詳細を示すブロック図である。図３は図１の補正パターンメモリの動作を示す説明図である。なお、従来の構成と同一又は対応する部分には、同一の符号を付して説明する。

図１に示すように、加速器は、イオン源２と、入射用加速器４と、電磁石電源８、２０と、制御装置３０と、シンクロトロン４０と、高周波発生器４２と、ビーム輸送機器４４と、ビーム照射装置４６とを備えている。

シンクロトロン４０は、４個の偏向電磁石５０と、８個の四極電磁石５２と、入射用電磁石５４と、出射用電磁石５６と、高周波加速空洞５８とを有する。出射用電磁石５６は、本実施形態の取出し装置を構成する。なお、図１では、煩雑になるのを回避するため、電磁石電源２０から偏向電磁石５０への矢印を４本ではなく、１本のみで示している。

電磁石電源２０は、交流電力を直流電力に変換する変換器２１と、この変換器２１を制御する電源制御装置２２と、図示しない電流計測装置等から構成されている。電源制御装置２２は、変換器２１にゲート信号１０１を出力する。

ビーム照射装置４６は、ビームシャッタ６０と、線量モニタ６２とを有する。

制御装置３０は、第１のパターンメモリとしてのパターンメモリ３１と、タイミング信号発生器３２と、第２のパターンメモリとしての補正パターンメモリ３３とを有する。

本実施形態は、パターンメモリ３１の補正前電流基準値１０３を補正パターンメモリ３３に入力し、この補正パターンメモリ３３の出力を補正後電流基準値１０２Ａとする。また、補正パターンメモリ３３には、補正開始・停止信号１０６がタイミング信号発生器３２により出力される。パターンメモリ３１には、タイミング信号発生器３２からリセットトリガ信号１０４及びクロック信号１０５が出力される。タイミング信号発生器３２には、出射制御装置３５からビーム開始・停止信号１０７が出力される。

次に、本実施形態の加速器の動作について説明する。

まず、イオン源２は、ビームを生成する。入射用加速器４は、生成されたビームをシンクロトロン４０で加速可能なエネルギーレベルまで加速する。この加速されたビームは、入射用電磁石５４を経てシンクロトロン４０に入射する。

次いで、シンクロトロン４０に入射したビームは、予め設定された設定回数繰り返して周回入射される。この周回入射が終了した後には、高周波加速空洞５８の高周波発生器４２と、８個の四極電磁石５２及び４個の偏向電磁石５０の電磁石電源８，２０とを同期させてビームをがん治療に必要なエネルギーまでさらに加速する。

そして、ビームの加速終了後、取出し機器である出射用電磁石５６により出射軌道から取り出され、ビーム輸送機器４４によりビーム照射装置４６に輸送される。このビーム照射装置４６により照射対象である患者の患部に照射されてがん治療に用いられる。

次に、本実施形態の補正パターンメモリ３３の作用を図２に基づいて説明する。

補正パターンメモリ３３には、上述したように補正前電流基準値１０３及び補正開始・停止信号１０６が入力される。この補正開始・停止信号１０６により補正開始が指示されると、補正クロック発生部３３１が動作を開始して補正クロック信号３３５を出力し、これにより補正メモリ部３３２から補正データ信号３３６が補正演算部３３３に出力される。

補正演算部３３３においては、補正前電流基準値１０３に補正データ信号３３６による補正データが加算される。当然ながら、その補正データが負の数であれば、補正演算部３３３での演算は減算となる。その演算結果のデータが補正後電流基準値１０２Ａとして出力される。

次いで、補正終了時に補正終了判定部３３４において補正前電流基準値１０３と補正後電流基準値１０２Ａとが比較される。これら補正前電流基準値１０３と補正後電流基準値１０２Ａが一致するまでの間は、補正後電流基準値１０２Ａとして一定値を出力し続け、両者が一致したところで補正演算部３３３での演算は終了して補正前電流基準値１０３を補正後電流基準値１０２Ａとして出力する。

図３は、このような作用により時間変化パターンを補正前電流基準値１０３、補正後電流基準値１０２Ａ、これらにより発生される補正前磁場値１１３、補正後磁場値１１２により示している。

図３に示すように、補正前電流基準値１０３により発生する磁場強度は、補正前磁場値１１３のように磁気余効により変化する。ところが、本実施形態では、補正パターンメモリ３３の出力を補正後電流基準値１０２Ａとして補正を加えたことにより、補正後電流基準値１０２Ａにより発生する磁場強度は、補正後磁場値１１２のように一定にすることができる。

このように本実施形態によれば、磁気余効による磁場強度の変化を補正パターンメモリ３３により一定値となるように補正することができる。その結果、ビーム取出し時にビーム軌道を正確に制御することができる。

なお、本実施形態では、パターンメモリ３１と補正パターンメモリ３３を構造上別体に構成したが、これに限らず、補正パターンメモリ３３をパターンメモリ３１と構造上一体化するようにしてもよい。

このように構成することにより、本実施形態の作用、効果に加え、合理的な装置構成とすることができる。

（第２実施形態）
図４は加速器の制御装置の第２実施形態を示すブロック図である。図５は図４の補正パターンメモリの動作を示すタイミングチャートである。なお、以下の実施形態は、前記第１実施形態の変形例であり、前記第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して重複する説明は省略し、異なる構成及び作用について説明する。

図４に示すように、補正パターンメモリ３３における補正メモリ部３３２は、第１の出射エネルギーに対応する補正メモリデータＭＥＭ１と、第２の出射エネルギーに対応する補正メモリデータＭＥＭ２とから構成される。

また、本実施形態は、エネルギー変更判定部３３７を備えている。このエネルギー変更判定部３３７には、リセットトリガ信号１０４及び補正開始・停止信号１０６が入力される。エネルギー変更判定部３３７は、補正開始・停止信号１０６をカウントし、第１の出射エネルギーに対応する補正メモリデータＭＥＭ１か、第２の出射エネルギーに対応する補正メモリデータＭＥＭ２かを補正メモリ部３３２に指示する。図５は、この動作をタイミングチャートにより示している。

図５に示すように、エネルギー変更判定部３３７の信号は、第１の出射エネルギーから第２の出射エネルギーに変化しており、リセットトリガ信号１０４によりカウント値がクリアされる。

このように本実施形態によれば、出射エネルギーを変化させる場合にも補正メモリデータを適切に与えて磁気余効を補正することができる。

なお、本実施形態では、出射エネルギーが２つのレベルの場合について説明したが、これに限らず３レベル以上となる場合についても同様の構成で実現することができる。

（その他の実施形態）
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、上記各実施形態は、電磁石電源２０から電流を供給する電磁石として偏向電磁石５０を例に説明したが、これに限らず例えば四極電磁石５２等の他の電磁石であってもよい。

２…イオン源、４…入射用加速器、８…電磁石電源、２０…電磁石電源、２１…変換器、２２…電源制御装置、３０…制御装置、３１…パターンメモリ（第１のパターンメモリ）、３２…タイミング信号発生器、３３…補正パターンメモリ（第２のパターンメモリ）、３５…出射制御装置、４０…シンクロトロン、４２…高周波発生器、４４…ビーム輸送機器、４６…ビーム照射装置、５０…偏向電磁石、５２…四極電磁石、５４…入射用電磁石、５６…出射用電磁石（取出し装置）、５８…高周波加速空洞、６０…ビームシャッタ、６２…線量モニタ、１００…電磁石電流、１０１…ゲート信号、１０２…電流基準値、１０２Ａ…補正後電流基準値、１０３…補正前電流基準値、１０４…リセットトリガ信号、１０５…クロック信号、１０６…補正開始・停止信号、１０７…ビーム開始・停止信号、１１２…補正後磁場値、１１３…補正前磁場値、２００…入射ビーム信号、２０１…ビーム出射信号、３３１…補正クロック発生部、３３２…補正メモリ部、３３３…補正演算部、３３４…補正終了判定部、３３５…補正クロック信号、３３６…補正データ信号、３３７…エネルギー変更判定部

Claims (4)

1. 電磁石に電磁石電源から電流を供給し、前記電磁石電源に電流制御のための電流基準値を出力する加速器の制御装置であって、
   前記電流基準値を出力する第１のパターンメモリと、
   前記第１のパターンメモリにタイミング信号を出力するタイミング信号発生器と、
   前記タイミング信号発生器から補正開始信号を入力するとともに、前記第１のパターンメモリから前記電流基準値を入力し、前記電磁石による磁場強度が一定になるように前記第１のパターンメモリの前記電流基準値を補正して前記電磁石電源に補正後の電流基準値を出力する第２のパターンメモリと、
   を備えることを特徴とする加速器の制御装置。
2. 前記第１のパターンメモリは、前記第２のパターンメモリと一体構造としたことを特徴とする請求項１に記載の加速器の制御装置。
3. 前記第２のパターンメモリは、複数の出射エネルギーに対応して複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速器の制御装置。
4. ビームを周回させて所定のエネルギーまで加速するシンクロトロンと、
   前記シンクロトロンの電磁石に電流を供給する電磁石電源と、
   前記電磁石電源に電流制御のための電流基準値を出力する制御装置と、
   前記シンクロトロンにより加速されたビームを取り出す取出し装置と、
   前記取出し装置により取り出されたビームを照射対象に照射する照射装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記電流基準値を出力する第１のパターンメモリと、この第１のパターンメモリにタイミング信号が出力されるタイミング信号発生器と、このタイミング信号発生器から補正開始信号を入力するとともに、前記第１のパターンメモリから前記電流基準値を入力し、前記電磁石による磁場強度が一定になるように前記第１のパターンメモリの前記電流基準値を補正して前記電磁石電源に補正後の電流基準値を出力する第２のパターンメモリと、を有することを特徴とする重粒子線治療装置。

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