JP6266092B2

JP6266092B2 - 粒子線治療装置

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Inventors: 菅原　賢悟; 賢悟菅原; 周平小田原; 和浩西
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Description

この発明は、粒子線を患者の患部に照射して、がんなどを治療するための粒子線治療装置に関する。

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さ方向の位置を調整することができ、患部の三次元形状に応じた線量付与が可能となる。所定のエネルギーの粒子線を発生させるために加速器が用いられる。

加速器は、周回軌道を形成するための偏向電磁石、高周波電界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、予め設計およびビーム調整の結果を反映して定められた運転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運転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。これらの運転パターンは、出射する粒子線のエネルギーに対応して変更する必要がある。また、加速され所定のエネルギーに達した粒子線を加速器から出射させるための機器として、出射用電極および出射用電磁石が備えられている。出射用電極は、所定のエネルギーに達した粒子線を電界の作用により周回軌道から出射軌道に軌道変化させるもので、出射用電磁石は出射軌道の粒子線を偏向させて加速器外部に出射させるためのものである。これら出射用電極や出射用電磁石は、出射させる粒子線のエネルギーに応じて、その設定を変更する必要がある。

加速器から出射された粒子線は、輸送系を通って、患者に照射するための粒子線照射装置まで導かれる。輸送系には、粒子線の軌道を輸送系に沿って曲げるための偏向電磁石や、粒子線の発散や収束を制御するための電磁石などの機器が備えられている。また、粒子線照射装置にも電磁石やリッジフィルタといった機器が備えられている。これらの機器も出射用電極や出射用電磁石と同じく、出射される粒子線のエネルギーに応じて、その設定を変更する必要がある。

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スキャニング照射法とがある。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、スキャニング照射法の場合は、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運転パターンを変えることにより行われる。したがって、スキャニング照射法の場合、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。

加速器の各機器の運転パラメータをまとめたファイルをオペレーションファイル(これ以降ＯＰＦ)と呼ぶ。加速器はＯＰＦを読み込むとその運転パターンを繰り返し行う。スキャニング照射法では、毎パルス(スピル毎に)、ＯＰＦを切替ながら運転を行う。これをパルストゥパルス運転（Ｐ to Ｐ運転と表記する）と呼ぶ。

Ｐ to Ｐ運転について、運転のパターンやタイミングなどを開示する文献として、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３などがある。

特開２００１−１７６７００号公報特開２００１−４３９９９号公報特開平８−２９８２００号公報

Ｐ to Ｐで運転を行う場合には、各判定タイミングにおいて、各機器が準備を完了したかどうかを判定する必要がある。例えば，電極の電圧であれば電極の電圧が静定したことを確認して次のステップに進む必要がある。仮に静定がその判定タイミングまでに間に合わない場合には、次の判定タイミングまで待機して、静定してから次のステップに進む。しかし、次の判定タイミングまで待機することは、治療時間短縮化の観点から極力短くすることが望まれる。

一方、線量制御照射（ドーズドリブン）と呼ばれる線量を管理しながら照射線量を管理する方式では、治療計画から決まるある一定線量を照射したあとに次のステップに進む。ドーズドリブンの場合には、シンクロトロンで加速したのち、次の加速が必要になるタイミングで次のＯＰＦに切り替える必要があるかどうかは、そのドーズドリブンの満了信号が来るまで判定ができない。

出射用電極や出射用電磁石などの出射機器は高い電圧や大きな励磁電流を必要とし、電圧などの印加、変更を開始してから設定が完了するまでに時間を要する。あるいは、時間を短くするためには非常に大きな電源が必要となるなど、装置およびコストが増大する。また、ＯＰＦを切り替えた場合、切替える前後の状態によって設定が完了するまでの時間が異なる。特許文献１〜３には、このような、設定まで時間を要する機器に着目したＯＰＦの切り替えタイミングなどは記載が無い。

本発明は、設定まで比較的時間を要する遅い出射機器に着目し、出射機器の設定時間を多く確保でき、ひいては治療に要する時間を短くできる粒子線治療装置を提供することを目的とする。

本発明に係る粒子線治療装置は、入射された粒子線を周回軌道に沿って周回させながら加速して設定エネルギーの粒子線を得る運転サイクルとして、加速運転から出射運転を経て減速運転までの運転パターンで運転する加速機器群と、加速機器群が出射運転しているときに設定エネルギーの粒子線を出射軌道に導き出射させる出射機器とを備えた加速器と、加速器から出射された粒子線を輸送する粒子線輸送部と、加速機器群の各機器と、出射機器と粒子線輸送部の機器とを含む出射機器群の各機器とを制御する機器制御器と、加速器の運転開始時点を与えるマスタークロックを発生するマスタークロック発生器と、照射対象に照射する粒子線の線量を測定する線量モニタを備え、粒子線輸送部により輸送された粒子線を照射対象に照射する粒子線照射装置と、を備えた粒子線治療装置において、機器制御器は、マスタークロックを受信した時点で加速機器群の運転準備が完了していることを確認して、設定エネルギーに対応した運転パターンで運転するように指令を出力し、粒子線が設定エネルギーに達したことを示す信号である出射可信号がオンになり、出射機器群の設定エネルギーに対する設定が完了していることを示す信号である出射機器群設定状態信号がオンのときに、加速機器群に対し出射運転するように指令を出力するようにしたものである。

この発明によれば、加速機器群のＯＰＦの切り替え判定タイミングと、出射機器群の設定完了判定タイミングを異なるタイミングとしたので、出射機器の設定時間を多く確保でき、治療に要する時間を短くできる粒子線治療装置が得られる。

本発明による粒子線治療装置の概略構成を示すブロック図である。スキャニング照射法を説明する模式図である。加速機器群および出射機器群の動作を説明するためのタイムチャートである。本発明の実施の形態１による粒子線治療装置の動作を示すタイムチャートである。比較例による粒子線治療装置の動作を示すタイムチャートである。本発明の粒子線治療装置の機器設定値メモリのデータの一例を示す図である。本発明による粒子線治療装置の信号およびデータの流れを示すブロック図である。本発明による粒子線治療装置の機器制御器のメモリの構成の一例を示すブロック図である。本発明の実施の形態２による粒子線治療装置の動作を示すタイムチャートである。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による粒子線治療装置を示すブロック図である。入射器１００のイオン源で発生したイオン（例えば水素イオン（陽子）、炭素イオン）の集合である粒子線は、入射器１００の前段直線加速器によって予備加速を受け、所定の運動エネルギーにまで加速される。予備加速を受けた粒子線は入射器１００から出射され、各種の電磁石によって偏向、収束と発散、軌道補正を受けながらシンクロトロンなどの主加速器１０へと導かれる。主加速器１０（以降、単に加速器１０と称する）は粒子線が加速器１０内で周回軌道を周回するように偏向電磁石１２、軌道補正用電磁石、収束または発散用四極電磁石などの各種の電磁石を備えており、高周波加速空洞１１が形成する加速電界を繰り返し受ける。粒子線は高周波加速空洞１１の加速電界によって繰り返し加速され、その運動エネルギーが加速と共に高くなる。運動エネルギーが高くなるにつれ、粒子線の偏向などに必要な磁場強度が変化するため、加速器１０を構成する各種の電磁石や高周波加速空洞１１に加速電界を与えるための高周波源などは時間によって運転パラメータを変化させて運転、すなわちパターン運転させる必要がある。これらパターン運転させる機器を加速機器群１と称することにする。

加速器１０中の粒子線が設定エネルギーにまで到達し、粒子線の取り出しが可能となったタイミングで、加速機器群１を出射運転パターンで運転することにより、出射用電極２ａによって粒子線は出射軌道へと導かれる。出射軌道の粒子線は出射用電磁石２ｂで偏向され、加速器外の粒子線輸送部２０へと送り出される。ここで、出射させる粒子線を出射軌道に導く出射用電極２ａおよび出射軌道から粒子線輸送部２０に向けて偏向させる出射用電磁石２ｂを出射機器と称することにする。この出射機器と粒子線輸送部２０の各機器を含めて出射機器群２とする。これらの出射機器群２は、加速機器群１の各機器とは異なり、パターン運転するのではなく、出射させる粒子線のエネルギーに対応した設定値に設定される。加速機器群１の運転パターンや出射機器群２の設定値などのデータは、例えば粒子線のエネルギーに対応させて機器設定値メモリ７に格納されている。機器制御器４が、スキャニング計算機３と協働し、機器設定値メモリ７に格納されているデータを用いて加速機器群１の運転や出射機器群２の設定などを制御する。

粒子線輸送部２０に導かれた粒子線は、偏向電磁石２２などにより治療室の粒子線照射装置５０へ誘導される。粒子線輸送部２０が回転ガントリーを有する場合、回転ガントリーが所定の角度に設定され、粒子線が輸送される。粒子線輸送部２０の偏向電磁石２２などの各機器は、粒子線のエネルギーによって粒子線が輸送できるように、出射機器と同様、設定エネルギーに対応した設定にする必要がある。したがって前述のように粒子線輸送部２０の各機器も含めて出射機器群２とする。粒子線照射装置５０は、本願発明に関連する機器として粒子線の線量を計測する線量モニタ５を備えている。粒子線照射装置５０は、スキャニング照射法の場合、走査器５１を備えている。さらに、散乱体、リッジフィルタ、多葉コリメータ、ボーラスなどを備えることもある。粒子線照射装置５０に輸送された粒子線は、粒子線照射装置５０に備えられた各機器の作用による粒子線の進行軸に垂直な方向への走査、散乱、運動量の分散、コリメーション、補償などのプロセスを経て、患者台に固定された患者６０の患部形状と一致する様に照射され、患者への線量投与に至る。患者へ投与される粒子線の量は線量モニタ５によって測定、測定値をスキャニング計算機３で処理し、投与線量が規定の線量値に到達するまで粒子線照射が行われる。

ここで、スキャニング照射法の動作を図２により簡単に説明する。図２において、粒子線照射装置５０に備えられて、粒子線を偏向して走査する走査器５１により粒子線を照射対象である患者の患部６１に照射する。走査器５１は粒子線を進行方向Ｚに垂直な２方向であるＸＹの２次元に走査できるように構成されている。深さ方向の照射位置は、粒子線のエネルギーによって決まる。よって、あるエネルギーの粒子線を走査器５１により走査して照射することにより、そのエネルギーに対応した深さの患部の層状の位置に線量分布を形成することができる。照射対象の層状に線量分布が形成される部分を、ここではスライスと称する。図２においてスライスのイメージをスライスＮＯ．１、スライスＮＯ．２、スライスＮＯ．３として示している。各スライスにおいて、走査器５１により粒子線を移動と停留を繰り返しながら、各停留ごとに、線量モニタ５で計測される線量が、治療計画で決定したその照射位置における線量に達したら、粒子線を次の照射位置に移動させる。当該スライスの全ての照射位置に計画された線量を照射した後、次のスライスに対応したエネルギーの照射条件で同様の照射を行う。全てのスライスを照射することにより、患部６１に治療計画で計画した線量分布を与えることができる。

以上の照射法は、スポットスキャニング照射法などと呼ばれている。本発明は、スポットスキャニング照射法のみならず、粒子線を停留させずに走査して照射するラスタースキャニング照射法あるいはラインスキャニング照射法と呼ばれている照射法や、例えば各スライスにおいて粒子線をワブラー電磁石によりＸＹ２次元を回転移動させながら照射する積層原体照射法あるいはレイヤースキャニング照射法と呼ばれている照射法などにも適用できる。すなわち、本発明は、粒子線の設定エネルギーに対応した深さの患部の層状の照射部分であるスライス（レイヤーと呼ばれる場合もある）に線量分布を形成し、当該スライスにおける照射線量が計画線量に達したら、粒子線の設定エネルギーを次の設定エネルギーに変えて、次のスライスを照射する照射方法全般に適用できる。

次に、加速機器群１および出射機器群２の動作を、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、加速機器群１の運転パターンのイメージを示す線図である。加速器１０の動作の期間として、大きく、入射された粒子線を加速する加速運転をする加速運転期間Ａ、加速された荷電粒子が設定エネルギーに達し出射可能な出射可期間Ｂ、出射可期間Ｂが終了し加速器中の粒子線を減速させる減速運転をする減速運転期間Ｃがある。加速器１０の加速運転から減速運転までの運転を運転サイクルと呼ぶことにする。出射可期間Ｂには図３（ｂ）に示すように、例えばスキャニング計算機３から出射可信号が出力される。出射可信号が出力されている間に、出射機器群２の設定が当該設定エネルギーの粒子線を出射できる設定になっているとき、加速機器群１を、出射運転パターンに従って出射運転させることで、出射機器群２の作用により粒子線が粒子線輸送部２０に出射される。この出射される粒子線の出力強度を図３（ｃ）の出射スピルとして示している。出射中に、当該設定エネルギーに対応するスライスの全ての照射位置において、線量モニタ５によって測定された線量が満了した場合、例えばスキャニング計算機３から線量満了信号を出力し、加速機器群１の出射運転を終了させる。出射させる期間を図３（ｃ）においてＢ１で示しており、この間、加速機器群１を出射運転パターンに従って出射運転させることになる。出射が終了すると、図３（ｄ）に示すように、出射機器群２の設定値を、次の設定エネルギーに対応した設定値に向けて設定する。出射機器群２の機器は、例えば電磁石を励磁する電磁石電源のように、設定値に設定が完了するまでに時間を要する。

スキャニング照射法など、スライスを順次照射する照射法においては、図３で示した加速器の運転サイクルの設定エネルギーを、各スライスにおける照射線量が満了するごとに順次変更して運転する。図２に示すスライスＮＯ．１から順番に各スライスを照射する様子を図４に示す。まず時刻ｔ０でマスタークロックが発生すると、機器制御器４は、加速機器群１の準備状態を示す図４（ｇ）の加速機器群準備状態信号を確認してＯＮの場合、加速機器群１に対して、スライスＮＯ．１を照射するための粒子線の設定エネルギーに対応した運転パターンで運転するよう指示を出力する。設定エネルギーに到達後、時刻ｔ１で出射可能となり、図４（ｈ）で示す出射可信号がＯＮとなる。時刻ｔ１で、出射機器群の設定が完了している場合ＯＮに設定される信号である出射機器群設定状態信号（図４（ｄ））がＯＮであれば、加速機器群１が出射運転パターンに従って出射運転するよう機器制御器４が指令を出力する。加速機器群１が出射運転する間、出射機器群２の設定は、このときの設定エネルギーの粒子線を出射軌道から粒子線輸送部２０へ出射できる設定となっているため、粒子線は出射軌道から粒子線輸送部２０へ出射され、図４（ｅ）に示す時刻ｔ１〜ｔ２の間のような出射スピルで出射される。

時刻ｔ２でスライスＮＯ．１における照射線量が満了に達し、例えばスキャニング計算機３から機器制御器４に線量満了信号が出力され、加速機器群１の出射運転を終了する。これとともに、次のスライスＮＯ．２を照射するための粒子線のエネルギーに対応した設定に向けて、出射機器群２の設定を開始する。出射機器群２の設定を開始すると、出射機器群設定状態信号は出射機器群２の設定が完了する時刻ｔ４までＯＦＦとなる。出射機器群２の設定が完了した時刻ｔ４に出射機器群設定状態信号はＯＮとなる。

時刻ｔ４より前の時刻ｔ３にマスタークロックが発生すると、機器制御器４は加速機器群１の準備状態を示す図４（ｇ）の加速機器群準備状態信号を確認し、ＯＮの場合、加速機器群１に対して、次の運転サイクルにおいて、次のスライスＮＯ．２を照射するための粒子線の設定エネルギーに対応した運転パターンで運転するように指示を出力する。設定エネルギーに到達後、時刻ｔ５で出射可能となり出射可信号がＯＮとなる。時刻ｔ５で、機器制御器４は出射機器群設定状態信号を確認し、ＯＮであるので、加速機器群１が出射運転パターンに従って運転するよう指令を出す。加速機器群１が出射運転する間、出射機器群２の設定は、このときの設定エネルギーの粒子線を出射軌道から粒子線輸送部２０へ出射できる設定となっているため、粒子線は出射軌道から粒子線輸送部２０へ、図４（ｅ）に示す時刻ｔ５〜ｔ６の間のような出射スピルで出射される。ここでは、出射可の間、粒子線を出射し続け、スライスＮＯ．２の領域を照射しても、線量満了まで照射できなかった。加速器１０はそのまま減速運転に入り、その運転サイクルの運転を終了する。線量満了まで達しなかったため、さらにスライスＮＯ．２を照射するためのエネルギーの粒子線を照射する必要がある。よって、出射機器群２の設定は変更しない。また、出射機器群設定状態信号もＯＮのままである。

次に時刻ｔ７でマスタークロックが発生すると、加速機器群準備状態信号がＯＮの場合、加速機器群１に対して、次の運転サイクルにおいて、引き続きスライスＮＯ．２を照射するための粒子線の設定エネルギーに対応した運転パターンで運転するように機器制御器４が指示を出力する。加速機器群１によってその運転サイクルの運転が開始され、設定エネルギーに到達後、時刻ｔ８で出射可能となり出射可信号がＯＮとなる。時刻ｔ８で、機器制御器４は出射機器群設定状態信号を確認し、ＯＮであるので、加速機器群１が出射運転パターンに従って出射運転するよう指令する。加速機器群１が出射運転する間、出射機器群２の設定は、このときの設定エネルギーの粒子線を出射軌道から粒子線輸送部２０へ出射できる設定となっているため、粒子線は出射軌道から粒子線輸送部２０へ、図４（ｅ）に示す時刻ｔ８〜ｔ９の間のような出射スピルで出射される。時刻ｔ９でスライスＮＯ．２における照射線量が満了に達し、線量満了信号が受信され、加速機器群１の出射運転を終了する。これとともに、次のスライスＮＯ．３を照射するための粒子線のエネルギーに対応した設定に向けて、出射機器群２の設定を開始する。出射機器群２の設定を開始すると、出射機器群設定状態信号は出射機器群２の設定が完了する時刻ｔ１１までＯＦＦとなる。時刻ｔ１１に出射機器群設定状態信号はＯＮとなる。

時刻ｔ１０にマスタークロックが発生すると、加速機器群準備状態信号がＯＮの場合、加速機器群１に対して、次のスライスＮＯ．３を照射するための粒子線の設定エネルギーに対応した運転パターンで運転するように機器制御器４が指令を出力する。設定エネルギーに到達後、時刻ｔ１２で出射可能となり出射可信号がＯＮとなる。時刻ｔ１２で、機器制御器４は出射機器群設定状態信号を確認し、ＯＮであるので、加速機器群１が出射運転パターンに従って出射運転するよう指令を出す。加速機器群１が出射運転する間、出射機器群２の設定は、このときの設定エネルギーの粒子線を出射軌道から粒子線輸送部２０へ出射できる設定となっているため、粒子線は出射軌道から粒子線輸送部２０へ、図４（ｅ）の時刻ｔ１２〜ｔ１３の間のような出射スピルで出射される。時刻ｔ１３でスライスＮＯ．３における照射線量が満了に達し、線量満了信号が受信され、加速機器群１の出射運転を終了する。これとともに、次のスライスＮＯ．４を照射するための粒子線のエネルギーに対応した設定に向けて、出射機器群２の設定を開始する。出射機器群２の設定を開始すると、出射機器群設定状態信号は出射機器群２の設定が完了する時刻までＯＦＦとなる。

以上のような運転を繰り返して、全てのスライスに対応した粒子線の各設定エネルギーでの照射を、各スライスの照射線量満了まで行うことで、患部の全領域の照射を完了できる。なお、マスタークロックが発生した時点、例えば時刻ｔ３において、加速機器群１の準備が完了せず、加速機器群準備状態信号がＯＦＦの場合、次のマスタークロック発生時点であるｔ７まで加速機器群１の運転は止まることになる。また、出射可信号がＯＮになった時点で、出射機器群２の設定が完了しておらず、出射機器群設定状態信号がＯＦＦの状態である時は、加速機器群１の出射運転は行わない。従ってその場合は加速器１０から粒子線は出射させないことになる。

以上のように、本発明の実施の形態１による粒子線治療装置の加速器においては、加速機器群１の設定エネルギーに向けての運転開始は、マスタークロック発生時点で加速機器群１の準備が完了しているかどうかで判断し、出射可になった時点で、出射機器群２の設定が完了しているかどうかで、粒子線を加速器から出射させるかどうかを判断するという、２段階で判断するようにした。この判断を、全てマスタークロック発生時点で行うと、出射機器群２の設定が、マスタークロック発生時点で完了していなければ、出射可時点で完了していても出射させないことになり、運転サイクル１回分、無駄時間が発生する。

図５に、比較例として無駄時間が発生する動作を示す。スライスＮＯ．１の照射が線量満了信号により時刻ｔ２で終了した後、出射機器群２を、次のスライスＮＯ．２の粒子線の設定エネルギーに対応した設定値に設定開始する。設定が完了する前の時刻ｔ３にマスタークロックが発生すると、この時点で、加速機器群１の準備状態と出射機器群２の設定状態を判定する。出射機器群２の設定が完了していないため、加速可信号がＯＦＦとなり、次のマスタークロック発生時点である時刻ｔ７まで、加速器１０は加速運転を行わない、あるいは加速動作を行っても、この運転サイクルでは出射を行わないことになる。このように、加速機器群１の準備状態および出射機器群２の設定状態をマスタークロック発生時点のみで判定すると、この時点で出射機器群２の設定が完了していない場合、運転サイクル１回分、無駄時間が発生する。これに対して、図４で説明した本発明の実施の形態１による粒子線治療装置では、無駄時間の発生が低減される。ひいては、治療時間が短縮されることになる。

以上の本発明による粒子線治療装置の運転を行うための動作、特に機器制御器４の動作の例を中心により具体的に説明する。各機器の運転パラメータなどが、例えばスライス毎に機器設定値メモリ７に格納されている。機器設定値メモリ７に格納されているデータの例を図６に示す。格納されるデータとしては、スライス毎に、エネルギー、加速機器群１の各機器のパターン運転の運転パラメータ、出射機器群２の各機器の設定値、そのスライスにおける各照射位置の線量などである。スライスＮＯ．１は、例えば図２の最下層のスライスであり、このスライスＮＯ．１を照射するための運転パラメータなどが、図６の最上段に例示されている。スライスＮＯ．１を照射する粒子線のエネルギーが２３３ＭｅＶであり、このエネルギーの粒子線を加速器で加速するための加速機器群１の各機器Ａ₁、
Ａ₂、Ａ₃……の運転パラメータをＡ₁１、Ａ₂１、Ａ₃１……、このエネルギーの粒子線を
出射、輸送するための出射機器群の各機器Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃……の設定値をＢ₁１、Ｂ₂１、
Ｂ₃１……として示している。加速機器群１の各機器の運転パラメータは、加速器の加速
運転から減速運転までの運転パターンに応じたパターンのデータとなっている。また出射機器群２の各機器の設定値のデータとしては、出射用電極２ａの電圧設定値、出射用電磁石２ｂの励磁電流値、粒子線輸送部２０の偏向電磁石２２の励磁電流値などになっている。

次に、機器制御器４が加速機器群１および出射機器群２にどのようにして指示するかを説明する。図７は、主にスキャニング計算機３および機器制御器４の間の信号の流れを含むブロック図であり、図８は機器制御器４が備えるメモリを示すブロック図である。図８に示すように、機器制御器４は、加速機器群１の運転メモリとして、加速機器群第一運転メモリ４１と加速機器群第二運転メモリ４２の二つの運転メモリ、および出射機器群の設定値メモリとして、出射機器群設定値スタンバイメモリ４３を備えている。加速機器群第一運転メモリ４１と加速機器群第二運転メモリ４２は、一方が現在の運転サイクルの加速機器群１の運転パラメータを格納、すなわち現在運転メモリとなり、他方が次の運転サイクルの加速機器群１の運転パラメータを格納、すなわち次運転メモリとなるように動作させる。なお、加速機器群の準備状態を示す加速機器群準備状態信号および出射機器群の設定完了状態を示す出射機器群設定状態信号は、機器制御器４自身が発生しても良く、スキャニング計算機３が発生しても良い。これらの信号は、機器制御器４が確認できるようになっていればどの部分で発生するようにしても良い。

以下図４に示したのと同じ動作で、スライスＮＯ．１から照射を始める場合を具体的に説明する。初期値として、加速機器群第一運転メモリ４１および加速機器群第二運転メモリ４２にはスライスＮＯ．１の運転パラメータであるＡ_１１、Ａ_２１、Ａ_３１……を格納しておく。一方、出射機器群２は各機器の初期設定としてＢ_１１、Ｂ_２１、Ｂ_３１……に設定されている。また出射機器群設定値スタンバイメモリ４３には、次のスライスＮＯ．２に対応した各設定値Ｂ_１２、Ｂ_２２、Ｂ_３２……を格納しておく。マスタークロック発生器６からマスタークロックが出力され、マスタークロック割り込みが発生する。マスタークロック割り込みが発生した時刻ｔ０で、加速機器群第一運転メモリ４１に格納されている運転パラメータで加速機器群１の運転を開始する。すなわち、この時点では、加速機器群第一運転メモリ４１が現在運転メモリとなり、加速機器群第二運転メモリ４２が次運転メモリとなっている。

加速器内の粒子線のエネルギーが設定エネルギーに達し、出射準備ができた時刻ｔ１でスキャニング計算機３から出射可信号ＯＮが出力され、この時点で、機器制御器４が出射機器群設定状態信号を確認し、この信号がＯＮとなっているため、加速機器群１を出射運転パターンに従って出射運転させる。この出射運転と出射機器群２の作用により設定エネルギーの粒子線が粒子線輸送部２０から粒子線照射装置５０に輸送され患者の患部のスライスＮＯ．１の層部分に照射される。スライスＮＯ．１の照射線量が満了するとスキャニング計算機３から線量満了信号が出力されて線量満了信号による割り込みが発生する。線量満了信号による割り込みが発生した時刻ｔ２において、加速機器群１が出射運転動作を止めるよう機器制御器４が指令を出す。機器制御器４は、これと同時に、出射機器群設定値スタンバイメモリ４３に格納されている設定値を出射機器群２に送り、出射機器群２のスライスＮＯ．２に対応した設定を開始する。また、機器設定値メモリ７からその次に照射するスライスＮＯ．３の出射機器群２の設定値データを取得して、出射機器群設定値スタンバイメモリ４３のデータを更新する。さらにこれと同時に出射機器群設定状態信号をＯＦＦに設定する。出射機器群２の設定が完了した時刻ｔ４に出射機器群設定状態信号はＯＮに設定する。また、線量満了信号による割り込みが発生した時刻ｔ２において、加速機器群第二運転メモリ４２に次のスライスＮＯ．２の運転パラメータであるＡ₁２、Ａ₂２、Ａ₃２……を格納する。この時点で、次運転メモリには次のスライスＮＯ．２に対応したエネルギーの運転パラメータが格納されていることになる。

次にマスタークロック割り込みが発生した時刻ｔ３で、機器制御器４は、加速機器群準備状態信号がＯＮであるかどうかを確認し、ＯＮであるので、加速機器群第二運転メモリ４２、すなわち次運転メモリに格納されているスライスＮＯ．２の運転パラメータで加速機器群１の運転を開始させる。同時に、加速機器群第一運転メモリ４１には、加速機器群第二運転メモリ４２に格納されているのと同じスライスＮＯ．２の運転パラメータを格納する。この時点で、加速機器群第二運転メモリ４２が現在運転メモリとなり、加速機器群第一運転メモリ４１が次運転メモリとなる。

この運転サイクルにおいては、出射可信号がＯＮの時刻ｔ５からｔ６の間粒子線を出射させ、患部のスライスＮＯ．２の領域に照射をしたが、計画された線量まで満了しなかったため線量満了信号による割り込みが発生しなかった。このため、出射機器群２の設定値は変更させずに運転サイクルを終了する。すなわち、加速器の運転が減速運転まで終了して、時刻ｔ７で次のマスタークロック割り込みが発生する。機器制御器４は、この時刻ｔ７で、加速機器群準備状態信号を確認し、ＯＮであるので、加速機器群第一運転メモリ４１、すなわち次運転メモリに格納されているスライスＮＯ．２の運転パラメータで加速機器群１の運転を開始させる。マスタークロック割り込みが発生した時刻ｔ７で次運転メモリであった加速機器群第一運転メモリ４１が現在運転メモリとなり、これまでの現在運転メモリであった加速機器群第二運転メモリ４２が次運転メモリとなる。次運転メモリとなった加速機器群第二運転メモリ４２のデータを、現在運転メモリとなった加速機器群第一運転メモリ４１のデータに合わせる。この場合は、加速機器群第二運転メモリ４２に格納されているデータはスライスＮＯ．２のデータであるため、変化させなくても加速機器群第一運転メモリ４１に格納されているのと同じ運転パターンデータが格納されていることになる。

加速器内の粒子線のエネルギーが設定エネルギーに達し、出射準備ができた時刻ｔ８で出射可信号がＯＮに設定され、この時点で、機器制御器４が出射機器群設定状態信号を確認する。機器制御器４は、出射機器群設定状態信号がＯＮとなっているため、加速機器群１を出射運転パターンに従って出射運転さる。出射機器群２の作用により設定エネルギーの粒子線が出射され、引き続き患者の患部のスライスＮＯ．２の層部分に照射される。スライスＮＯ．２の照射線量が満了するとスキャニング計算機３から線量満了信号が出力されて線量満了信号による割り込みが発生する。機器制御器４は、線量満了信号による割り込みが発生した時刻ｔ９において、加速機器群１が出射運転動作を止めるよう指示する。機器制御器４は、これと同時に、出射機器群設定値スタンバイメモリ４３に格納されている設定値を出射機器群２に送り、出射機器群２のスライスＮＯ．３に対応した設定を開始する。さらにこれと同時に出射機器群設定状態信号をＯＦＦに設定する。出射機器群２の設定が完了した時刻ｔ１１に出射機器群設定状態信号はＯＮに設定する。また、線量満了信号による割り込みが発生した時刻ｔ９において、加速機器群第二運転メモリ４２に次のスライスＮＯ．４の加速機器群１の運転パラメータを格納する。加速機器群第二運転メモリ４２へのデータの格納が完了した時点で、準備完了をスキャニング計算機３に連絡する。この時点で、次運転メモリには次のスライスＮＯ．４に対応したエネルギーの運転パラメータが格納されていることになる。

以上のような運転を順次実行し、全てのスライスを照射することにより、患部６１に治療計画で計画した線量分布を与えることができる。

以上の機器制御器４のシーケンスをまとめると、マスタークロック割り込みが発生した時点で、それまで加速機器群の次運転メモリであった運転メモリを現在運転メモリに役割を交代させ、この運転メモリに格納されている運転パターンデータにより加速機器群のパターン運転を開始させる。それとともに、次運転メモリとなった運転メモリのデータを現在運転メモリとなった運転メモリのデータと同じにする。すなわち、マスタークロック割り込みが発生する前、加速機器群第一運転メモリ４１が現在運転メモリ、加速機器群第二運転メモリ４２が次運転メモリであった場合は、マスタークロック割り込み発生後は加速機器群第二運転メモリが現在運転メモリ、加速機器群第一運転メモリ４１が次運転メモリとなり、現在運転メモリに格納されている運転パターンデータに従って加速機器群１を運転する。この時点で次運転メモリである加速機器群第一運転メモリ４１の格納データは現在運転メモリである加速機器群第二運転メモリ４２の格納データと同じにする。出射機器群２は、マスタークロック割り込みが発生した時点では設定変更しない。

次に、加速器内の粒子線のエネルギーが設定エネルギーに達し、出射準備ができた時点で出射可信号がＯＮに設定され、この時点で、機器制御器４が出射機器群設定状態信号を確認する。出射機器群設定状態信号がＯＮとなっているとき、加速機器群１を出射運転パターンに従って運転させることにより出射機器群２の作用によって設定エネルギーの粒子線が粒子線輸送部２０から粒子線照射装置５０に輸送され、設定エネルギーに対応した患者の患部のスライスの層部分に照射される。照射中に照射線量が当該スライスの計画線量に達したら、スキャニング計算機３から線量満了信号が出力される。もし、この運転サイクル中に当該スライスの計画線量に達しなかったら、その運転サイクルは終了し、次のマスタークロックの発生を待つ。

もし出射可信号がＯＮに設定された時点で出射機器群設定状態信号がＯＦＦの場合は、加速機器群１を出射運転パターン運転させず、減速運転までパターン運転を継続し、その運転サイクルを終了する。

線量満了信号による割り込みが発生した場合、加速機器群１が出射運転動作を止めるよう機器制御器４が指令を出す。機器制御器４は、これと同時に、出射機器群設定値スタンバイメモリ４３に格納されている設定値を出射機器群２に送り、次に照射するスライスに対応した設定エネルギーの粒子線を出射するための出射機器群２の設定を開始する。また、機器設定値メモリ７からその次に照射するスライスの出射機器群２の設定値データを取得して、出射機器群設定値スタンバイメモリ４３のデータを更新する。さらにこれと同時に出射機器群設定状態信号をＯＦＦに設定する。出射機器群設定状態信号は、出射機器群２の設定が完了した時刻にＯＮに設定する。線量満了信号による割り込みが発生した場合、また、機器設定値メモリ７から次のスライスの加速機器群の運転パターンデータを取得して加速機器群第一運転メモリまたは加速機器群第二運転メモリのうち次運転メモリに設定されている運転メモリに格納する。この時点では、加速器の当該運転サイクルの運転は終了していないため、加速機器群１は現在運転メモリの運転パラメータでパターン運転を継続することになる。

以上のように動作させることで、前のスライスの照射が線量満了信号により完了した後出射機器群の各機器の設定を開始し、加速器が次のスライスの照射のための粒子線の設定エネルギーに達するまでの間に設定が完了すれば良く、設定に時間を要する出射機器群の機器の設定時間を長く確保できる。

なお、以上のメモリの構成などは一例であり、機器制御器４が、設定エネルギーに対応した加速機器群１の運転パターンのデータおよび出射機器群２の設定値データを所定の時点で取得できる構成であれば、どのような構成でも良い。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２による粒子線治療装置の動作を示すタイムチャートである。実施の形態１による粒子線治療装置では、加速器内の粒子線のエネルギーが設定エネルギーに達し、出射準備ができた時点で出射可信号がＯＮに設定され、この時点で、機器制御器４が出射機器群設定状態信号を参照し、この信号がＯＮとなっているとき、加速機器群１を出射運転パターンに従って運転させ、出射機器群２の作用により設定エネルギーの粒子線を出射させるようにした。本実施の形態２による粒子線治療装置では、出射可信号がオンになった時点では出射機器群の設定が完了していなくても、出射可信号がオンの間に出射機器群の設定が完了すると、粒子線を出射させるようにする。

図９の時刻ｔ９までは、図４と同じ動作であるので説明を省略する。時刻ｔ９でスライスＮＯ．２における照射線量が満了に達し、線量満了信号が受信され、加速機器群１の出射運転を終了する。これとともに、次のスライスＮＯ．３を照射するための粒子線のエネルギーに対応した設定に向けて、出射機器群２の設定を開始する。出射機器群２の設定を開始すると、出射機器群設定状態信号は出射機器群２の設定が完了する時刻ｔ１２までＯＦＦとなり、時刻ｔ１２でＯＮとなる。

時刻ｔ１０にマスタークロックが発生すると、加速機器群準備状態信号がＯＮの場合、加速機器群１に対して、次のスライスＮＯ．３を照射するための粒子線の設定エネルギーに対応した運転パターンで運転するように機器制御器４が指令を出力する。設定エネルギーに到達後、時刻ｔ１１で出射可能となり出射可信号がＯＮとなる。しかし、時刻ｔ１１の時点では出射機器群設定状態信号がＯＦＦであるので、加速器から粒子線を出射させることができない。このため、出射機器群設定状態信号がＯＮになるのを待って、ＯＮになった時点で、加速機器群１に対し出射運転パターンで運転するように指令を出し、加速機器群１が出射運転パターンに従って出射運転する。出射運転の間、出射機器群２の設定は、このときの設定エネルギーの粒子線を出射軌道から粒子線輸送部２０へ出射できる設定となっているため、粒子線は出射軌道から粒子線輸送部２０へ、図９（ｅ）の時刻ｔ１２〜ｔ１３の間のような出射スピルで出射される。時刻ｔ１３でスライスＮＯ．３における照射線量が満了に達し、線量満了信号が受信され、加速機器群１の出射運転パターンを終了する。これとともに、次のスライスＮＯ．４を照射するための粒子線のエネルギーに対応した設定に向けて、出射機器群２の設定を開始する。出射機器群２の設定を開始すると、出射機器群設定状態信号は出射機器群２の設定が完了する時刻までＯＦＦとなる。

以上のように、出射可信号がＯＮになった時点では出射機器群２の設定が完了していなくても、出射可信号がＯＮの間に出射機器群２の設定が完了した場合、それ以後、出射可信号がＯＮの間、粒子線を加速器から出射させるようにしてもよい。

本実施の形態２による粒子線治療装置の動作によれば、出射機器群の各機器の設定時間が実施の形態１よりもさらに長く確保できることになる。

１加速機器群、２出射機器群、３スキャニング計算機、
４機器制御器、５線量モニタ、６マスタークロック発生器、
７機器設定値メモリ、１０加速器、２０粒子線輸送部、
５０粒子線照射装置、５１走査器、６１照射対象（患者の患部）

Claims

入射された粒子線を周回軌道に沿って周回させながら加速して設定エネルギーの粒子線を得る運転サイクルとして、加速運転から出射運転を経て減速運転までの運転パターンで運転する加速機器群と、前記加速機器群が前記出射運転しているときに前記設定エネルギーの粒子線を出射軌道に導き出射させる出射機器とを備えた加速器と、
前記加速器から出射された前記粒子線を輸送する粒子線輸送部と、
前記加速機器群の各機器と、前記出射機器と前記粒子線輸送部の機器とを含む出射機器群の各機器とを制御する機器制御器と、
前記加速器の運転開始時点を与えるマスタークロックを発生するマスタークロック発生器と、
照射対象に照射する粒子線の線量を測定する線量モニタを備え、前記粒子線輸送部により輸送された前記粒子線を前記照射対象に照射する粒子線照射装置と、
を備えた粒子線治療装置において、
前記機器制御器は、前記マスタークロックを受信した時点で前記加速機器群の運転準備が完了していることを確認して、前記設定エネルギーに対応した前記運転パターンで運転するように指令を出力し、前記粒子線が設定エネルギーに達したことを示す信号である出射可信号がオンになり、前記出射機器群の前記設定エネルギーに対する設定が完了していることを示す信号である出射機器群設定状態信号がオンのときに、前記加速機器群に対し前記出射運転するように指令を出力することを特徴とする粒子線治療装置。
前記粒子線照射装置により前記粒子線を前記照射対象に照射することにより前記粒子線のエネルギーに対応した前記照射対象の深さ位置の層状の照射部分であるスライスに線量分布を形成し、前記線量モニタにより測定された、一つの前記スライスに対する照射線量が計画された線量に達した時点で前記機器制御器に対して線量満了信号を出力するスキャニング計算機を備え、
前記機器制御器は、前記線量満了信号を受信した時点で、前記加速機器群に対して前記出射運転を止める指令を出力するとともに、前記出射機器群に対して、次に照射するスライスに線量分布を形成するエネルギーを前記設定エネルギーとして前記粒子線を出射させるための設定値に設定する指令を出力し、前記線量満了信号を受信した後にマスタークロックを受信した時点で、前記加速機器群の前記運転パターンを、次に照射するスライスに線量分布を形成するエネルギーを前記設定エネルギーとした前記粒子線を得る運転パターンに設定して前記加速機器群を運転することにより、前記粒子線の前記設定エネルギーを順次変更して、順次前記照射対象の異なる深さに前記スライスを形成することを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。