JP6316173B2 - 荷電粒子ビーム発生装置、荷電粒子ビーム照射装置、粒子線治療システムおよび荷電粒子ビーム発生装置の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビーム発生装置、荷電粒子ビーム照射装置、粒子線治療システムおよび荷電粒子ビーム発生装置の運転方法に関する。

直線加速器の運転周期に対する最短周期制限を維持したまま円形加速器に対する荷電粒子ビームの入射を任意のタイミングで行うことを可能として照射時間を短縮し、治療時間を短くするために、特許文献１では、加速器制御装置はビーム利用系制御装置からのビーム出射要求信号によりシンクロトロンの運転を制御し、制御装置はシンクロトロンの出射完了後に次の運転サイクルの入射タイミングを知らせるタイミング信号を発生し、直線加速器の運転タイミングを変更して入射タイミングに合致させる発明が記載されている。

特許５４５６５６２号

シンクロトロンなどのリング状の円形加速器には、その前段として荷電粒子の加速・入射用の直線加速器（ＬＩＮＡＣ：Ｌｉｎｅａｒ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）が用いられる。直線加速器は、イオン源で発生した荷電粒子を加速し、所定のエネルギーまで加速した後に円形加速器に入射するものである。円形加速器でさらに高いエネルギーまで加速された粒子は例えばがんなどの患者の患部に荷電粒子ビームを照射する粒子線治療に用いられる。

粒子線治療用の円形加速器への荷電粒子入射用の直線加速器の運転は、加速用に高周波の電圧を用いることが知られており、それを発生する高周波電源装置が備わっている。

したがって直線加速器の運転周期はこれら高周波電源の運転周期で定まり、その周期の最小値は例えば、０．５秒（周波数２Ｈｚ）や、０．２秒（周波数５Ｈｚ）、０．０３３秒（周波数３０Ｈｚ）となっている。

直線加速器の運転周期が固定になっている、または最短周期に制限がある理由は以下のとおりである。

高周波電源の運転周期を大きく、例えば固定周期や最短周期の３、４倍まで大きくすると、その動作や高周波特性に定常的な動作から逸脱した不安定性が生じてビーム特性に影響を与える。

また、高周波電源の周期を小さく、例えば固定周期や最短周期の数分の１まで小さくすると、高周波電源や高周波機器の熱負荷等が大きくなり不安定性が生じてビーム特性に影響を与えることなどが知られている。運転周期を小さくした場合の熱負荷については、その熱による機器の故障もあり得るので、機器を保護するために運転間時間（運転周期）を長く取る、すなわち最短周期に制限を加えざるを得ない。また、運転周期は小さければ小さいほど装置の寿命が短くなる傾向がある。

一方、円形加速器で加速された荷電粒子ビームを粒子線治療に用いる場合には、患者の呼吸や心拍などによって患部の位置が変化することがあり、患部が設定位置にあるときのみ荷電粒子ビームを出射するような円形加速器の制御がある。

しかしながら、このような任意のタイミングで円形加速器への入射を試みた場合、その前段加速器である入射器の運転周期が固定あるいは最短周期に制限があるため、入射を試みたタイミングより最長でその１運転周期分に相当する待ち時間が必要となり、所望の円形加速器の運転が不可能になること、またその待ち時間分だけ照射時間が長くなり患者への負担が大きくなることが考えられる。

また、荷電粒子ビームを粒子線治療に用いる場合、患部を深さ方向の層状に分割し、その層内を患部形状に合致させて荷電粒子ビームを走査し、層内の照射の完了後に円形加速器から出射される荷電粒子ビームのエネルギーを変更しながら照射する方法がある。

このような照射では、円形加速器において照射対象の層を変更する場合には前段加速器へのビーム出射信号を送り荷電粒子を加速するが、前段加速器の運転周期が固定あるいは最短周期に制限があった場合、入射を試みたタイミングより最長でその１運転周期分に相当する待ち時間が必要となり、所望の円形加速器の運転が不可能になること、またその待ち時間分だけ照射時間が長くなり患者への負担が大きくなることが考えられる。

従来の入射用直線加速器では上記のように運転周期が固定あるいは最短周期に制限があることから、円形加速器からのビーム要求タイミングに対して最長でその１運転周期分に相当する待ち時間が必要となっていた。したがって、円形加速器で生成される高エネルギーの荷電粒子ビームを粒子線治療に用いる場合において、患者の動きに同期した運転のため、あるいは患部を複数の層や領域に分割した照射に対する運転のための円形加速器の運転に制限が生じる、また患者に対する照射時間が長くなってしまい患者の負担が大きくなる、治療設備における単位時間当たりの治療可能患者数が減少してしまうという問題点があった。

一方、入射用直線加速器において任意のタイミングでビームを利用可能とするためには、その運転周期を可変とする、特に高周波電源の運転間時間、すなわち運転周期を短縮化する必要が出てくる。しかし、その影響で直線加速器の動作やビーム特性に不安定性が発生すること、また高周波電源や高周波機器の熱負荷等により機器が正常に動作しなくなることが予想され、その対策として高周波電源の高性能化、直線加速器の大型化が必要となるという問題点があった。

更に、特許文献１に記載のような技術では、直線加速器の運転周期が次の運転サイクルの入射タイミングを知らせるタイミング信号発生から入射までの時間より長い場合、もとの入射器高周波運転タイミングを維持しながらシンクロトロン側で入射タイミングを待つことになる。そのため、直線加速器の運転周期を可能な限り短くしておかなければ、例えば次のような状況が頻発する恐れがある。次の運転サイクルの入射タイミングを知らせるタイミング信号が直線加速器の運転周期における前回のパルスの直後であった場合に、リサンプルした後の直線加速器の運転周期における次のパルスが到達する前にビームリクエスト（シンクロトロンのビーム要求）が到達してしまい、ビーム供給が間に合わずに待ち時間が発生してしまうとの問題点があった。

本発明は、直線加速器の通常の運転周期をできるだけ最短周期より大きく取ると同時にビームの安定性を確保し、円形加速器に対する荷電粒子ビームの入射を任意のタイミングで行うことが可能な荷電粒子ビーム発生装置、荷電粒子ビーム照射装置、粒子線治療システムおよび荷電粒子ビーム発生装置の運転方法を提供することを目的とする。

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、所定の運転周期で動作し、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速された前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射するリング状の円形加速器と、この円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、出射工程完了後タイミング信号を発生し、この出射工程完了後タイミング信号に基づいて前記直線加速器を停止させ、次の運転の開始タイミングを知らせるシンクロトロンパターン開始信号を発生し、このシンクロトロンパターン開始信号に基づいて前記直線加速器の所定の運転周期の動作および前記直線加速器の動作を開始させる制御装置とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、直線加速器の円形加速器に対する荷電粒子ビームの入射を任意のタイミングで行うことができ、ビームを安定させ、装置寿命を延長し、照射時間を短縮し、若しくは、治療時間を短くすることができる。

本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の全体概略構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置のシンクロトロンの運転パターンの詳細を示す図である。 本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作の他の例を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置のシンクロトロンの運転パターンにおいて、出射時の励磁レベルによる動作の相違を示した図である。 本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の加速器制御装置の詳細を示す図である。 本発明の第２の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の全体概略構成を表す図である。 本発明の第２の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の照射装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の照射対象である患部の深さ方向の特定層に設定された線量区画およびビームの走査経路を示す図である。 本発明の第３の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の全体概略構成を表す図である。 本発明の第３の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の患部移動検出信号とビーム照射可能信号の関係を示した図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面を用いて説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における荷電粒子ビーム発生装置を備えた荷電粒子ビーム照射装置の全体構成を示す概略図である。

本実施形態における荷電粒子ビーム照射装置は、荷電粒子ビームを発生してシンクロトロン（リング状の円形加速器）２００への入射に必要なエネルギーまで加速する入射器システム１００、入射器システム１００にて生成した荷電粒子ビームをシンクロトロン２００まで輸送する入射輸送系１３０、入射した荷電粒子ビームを所望のエネルギーまで加速する上述のシンクロトロン２００、シンクロトロン２００で加速した荷電粒子ビームを利用するビーム利用系５００、加速器制御装置（制御装置又は第２制御装置）２１０およびビーム利用系制御装置（第１制御装置）４００で構成される。

入射器システム１００は、荷電粒子を発生させるイオン源１０１とその電源１０２、発生した荷電粒子を加速する直線加速器１１１とその加速用パルス電圧を生成する高周波電源１１２、入射器制御装置１２０から構成される。

シンクロトロン２００は、偏向電磁石２０１、高周波加速空胴２０２、ビーム出射機器２０３，２０５、入射に用いられる入射機器２０４などから構成される。

入射器システム１００やシンクロトロン２００は加速器制御装置２１０により制御され、ビーム利用系５００の制御装置４００からのビーム出射要求信号、シンクロトロンの運転パターンの移行を要求する次パターン移行要求信号、シンクロトロンから出射されるエネルギーを変更させるエネルギー切り替え要求信号などに基づき動作する。

入射器システム１００とシンクロトロン２００と加速器制御装置２１０は荷電粒子ビーム発生装置を構成する。

図２に典型的な動作のタイミングチャートを示す。図２（ａ）はビーム利用系制御装置４００から生じるビーム利用系出射要求信号を示し、ビーム利用系で必要な条件の荷電粒子ビームを要求する。図２（ｂ）はシンクロトロン２００の運転パターンである電磁石励磁パターンの代表として偏向電磁石２０１の励磁パターンを示し、入射工程、加速工程、出射工程、減速工程からなる。シンクロトロン２００はこれらの工程の各期間を含む時間を１運転周期（１運転サイクル）として動作する。

このシンクロトロンの電磁石励磁パターンについての詳細を図３に示す。図３において、入射タイミングは、直線加速器１１１で加速した荷電粒子ビームをシンクロトロン２００に入射するタイミングであり、この入射タイミング以降、入射工程、加速工程を経て出射工程が開始されるまでの間、および出射工程が完了してから、減速工程を経てシンクロトロンパターン完了の後に次サイクルの入射タイミングに至るまでの間は電磁石励磁パターンとそれに対応した高周波加速や減速の制御が同期している。入射タイミング、入射工程、加速工程、減速工程中のパターンや時間はパターン作成時に予め定めておく。

一方、直線加速器１１１の高周波運転は図２（ｃ）に示す周期（ここで運転周期をＴ_{ＬＩＮＡＣ}とする）で行われる。図２（ｃ）において「入射器高周波運転」は直線加速器１１１の高周波運転周期を意味する。以下の説明で「入射器高周波運転」という場合も同様である。

図２において、シンクロトロン２００の運転周期がこの入射器運転周期Ｔ_{ＬＩＮＡＣ}と一致、もしくはＴ_{ＬＩＮＡＣ}の整数倍となっていれば、シンクロトロン２００の入射タイミングと直線加速器１１１からビームを供給可能なタイミング（直線加速器１１１の運転タイミング）が一致し、問題なく入射可能となる。

しかし、図２（ａ）に示したようなビーム利用系５００からの出射要求信号の時間が不定期な場合や、その時間が定期的であってもシンクロトロン２００の運転周期が入射器運転周期Ｔ_{ＬＩＮＡＣ}の整数倍となっていない場合は、シンクロトロン２００の運転上必要な入射タイミングに入射器運転周期が合致せず、入射工程でシンクロトロン側が待機する待ち時間が発生する。

そこで、本実施形態では、シンクロトロン２００の運転中、出射完了以降のタイミングで出射工程完了後タイミング信号を発生させ、この出射工程完了後タイミング信号に基づいて直線加速器１１１の高周波運転を停止する。そしてマスタ信号（シンクロトロンパターン開始信号）の入力を受けたら直線加速器１１１の高周波運転を開始し、シンクロトロン２００の入射タイミングと直線加速器１１１からビームを供給可能なタイミング（直線加速器１１１の運転タイミング）を一致させる。図２（ｄ）に実際のビーム入射タイミングを示す。

ここで、図２に示す通り、シンクロトロン２００運転中に発生させる出射工程完了後タイミング信号から次のシンクロトロン運転周期の入射タイミングまでの時間をＴ’_{ＬＩＮＡＣ}とする。また、Ｔ”_{ＬＩＮＡＣ}は、出射工程完了後タイミング信号直前の運転パルス（エージングパルス含む）から、次の入射タイミングまでの時間を示す。

出射工程完了後タイミング信号の発生タイミングは、出射完了後から次の運転サイクルの入射タイミングに至るまでの間のうち、直前のエージングパルスから次のマスタ信号との間の時間が許容できる最大周期と最短周期の間に収まるタイミングを適宜選択し設定することができる。また、出射ＯＦＦタイミング信号や減速開始タイミング信号、減速完了タイミング信号等の既存のタイミング信号を利用してもよい。例えば、図２に示した例は、出射工程完了後タイミング信号の発生タイミングは減速開始タイミング信号と一致したタイミングのケースであり、直線加速器１１１の運転周期Ｔ”_{ＬＩＮＡＣ}は出射工程完了後タイミング信号の発生直前のエージングパルスからマスタ信号発生までの時間が長くなっている。

この出射工程完了後タイミング信号の発生タイミングは、炭素等の陽子より重い重粒子線の発生装置の場合は減速開始のタイミング（出射工程完了後タイミング信号は減速開始タイミング信号を用いることが好都合である）、陽子線の発生装置の場合は減速完了のタイミング、等に設定することが望ましい。しかし、荷電粒子ビーム発生装置やビーム利用系５００の条件や照射条件に合わせて、例えばスポット線量満了、１スピル終了、減速開始、減速中、減速完了等の任意のタイミングで適宜選択し、設定すればよい。なお、１スピルとは、走査経路を複数回走査（マルチペイント）するビームの走査方法において、ビームの１回のビーム取出し時間のことをいう。

マスタ信号（シンクロトロンパターン開始信号）の発生タイミングは、減速開始タイミングの所定時間経過後や、減速完了後の所定時間経過後、加速制御開始タイミング信号の所定時間前、ビーム利用系出射要求信号の所定時間前、等、荷電粒子ビーム発生装置の構成に応じて適宜設定される。また、次の運転の開始タイミングを知らせる既存のタイミング信号を利用してもよい。

なお、本実施形態の運転制御の方法では、直線加速器１１１の運転停止後から次の運転開始までの運転周期Ｔ’_{ＬＩＮＡＣ}は、もともとの直線加速器１１１の基本周期Ｔ_{ＬＩＮＡＣ}に比べて大きくなる場合と短くなる場合がある。以下図４を参照してより具体的に説明する。

なお、上述のように、直線加速器１１１の運転周期を短くすると直線加速器１１１は安定するが消耗が早くなる。また、運転周期を長くすると直線加速器１１１は不安定になるが消耗が遅くなる。この間で許容可能な運転周期のことを運転可能周期と称する。この運転可能周期は、直線加速器１１１の構成に依存する値となっており、例えば、直線加速器１１１の基本周期（運転可能周期）は０．０５〜５ｅｃの間とする。また、シンクロトロン２００の運転周期は２〜６０ｓｅｃの間とする。

図４（ａ）に示すように、図４（ａ）における太線で示すシンクロトロンからのビーム出射中であっても、患部が移動するなどの理由で、図４（ａ）における細線に示すようにシンクロトロンからのビーム出射を止めることがある。

また、直線加速器１１１の運転周期Ｔ_{ＬＩＮＡＣ}も、加速対象となる粒子の核種（例えば陽子、炭素）や加速後のエネルギーに応じて高周波電源の容量や高周波周波数も異なるため、シンクロトロン２００の運転周期と入射器運転周期Ｔ_{ＬＩＮＡＣ}との関係は固定できない。

例えば、図５に示す通り、出射時のエネルギーが異なる、すなわちパターン電磁石励磁パターンの励磁レベルが図５（ａ），（ｂ），（ｃ）のように異なり、また減速工程中の電流変化率を一定とした場合、減速工程の時間がエネルギーによって異なるため、出射工程完了後タイミング信号を減速開始タイミング信号に一致させるとしても、取り得るタイミングが各々タイミング（ａ），タイミング（ｂ），タイミング（ｃ）と示したように異なり、出射工程完了後タイミング信号の発生から入射までの時間ＴもＴａ１，Ｔｂ１，Ｔｃ１と異なる。

同様に、出射時のエネルギーが異なり、また加速工程中の電流変化率を一定とした場合にも、加速工程の時間がエネルギーによって異なるため、出射タイミングが異なり、マスタ信号の発生から出射開始までの時間も異なる。

そのため、シンクロトロン２００の運転上必要な入射タイミングに入射器運転周期が合致せず、何も対策を施さなければ入射工程でシンクロトロン側が待機する待ち時間が発生することとなる。

このような場合も、上述のように出射工程完了後タイミング信号に基づいて直線加速器１１１の高周波運転を停止し、マスタ信号の入力を受けたら直線加速器１１１の高周波運転を開始し、シンクロトロン２００の入射タイミングと直線加速器１１１からビームを供給可能なタイミングを一致させる。

このような場合に、図４（ｂ）に示すように直線加速器１１１のパルス運転基本周期Ｔを３ｓｅｃとした場合、出射工程完了後タイミング信号の発生タイミングによってＴ”_{ＬＩＮＡＣ}は短くなったり長くなったりする。これに対し、図４（ｃ）に示すような直線加速器１１１のパルス運転基本周期Ｔを１．５ｓｅｃとした場合や、図４（ｄ）に示すような直線加速器１１１のパルス運転基本周期Ｔを１ｓｅｃとした場合、図４（ｅ）に示すような直線加速器１１１のパルス運転基本周期Ｔを０．５ｓｅｃとした場合のように、パルス運転基本周期Ｔ_{ＬＩＮＡＣ}の設定によってはＴ”_{ＬＩＮＡＣ}が長くなる場合のみのこともある。このように直線加速器１１１の運転停止後から次の運転開始までの運転周期Ｔ”_{ＬＩＮＡＣ}が変動することにより、シンクロトロン２００の入射タイミングに合致して直線加速器１１１からビームを供給することが可能となる。また、運転周期の変動も一部分であり、大部分は基本運転周期で運転できるため、直線加速器１１１からのビームの安定性を維持することができる。

また、本実施例の制御方法を採用することで、図４（ｂ）のように基本周期Ｔ_{ＬＩＮＡＣ}を長めに設定し、直線加速器１１１の装置寿命を延長することができると同時に、治療時間を短縮するためのシンクロトロンへのビーム供給応答性を維持することができる。

なお、図２および図４において、マスタ信号で発生させたシンクロトロン２００へのビーム入射に用いる直線加速器１１１の運転パルス以外の運転パルスは、直線加速器１１１のコンディションを整えるために発生させるエージング用パルスである。

本実施形態では、加速器制御装置２１０は、ビーム利用系５００（照射装置）から要求された期間にのみ荷電粒子ビームを出射するようシンクロトロン２００の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程においてシンクロトロン２００の出射機器２０３，２０５を制御する第１制御装置、および出射機器２０３，２０５の制御によるシンクロトロン２００の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に出射工程完了後タイミング信号を発生させ、この出射工程完了後タイミング信号に基づいて直線加速器１１１の高周波運転を停止し、マスタ信号に基づき直線加速器１１１の高周波運転を開始し、シンクロトロン２００の入射タイミングと直線加速器１１１からビームを供給可能なタイミングを一致させる第２制御装置を構成する。

次に、図２に示した本実施例の運転制御の方法を実現する加速器制御装置２１０の詳細を、図６を用いて説明する。

加速器制御装置２１０は、図３に示したようなシンクロトロン２００の電磁石励磁パターンや、それに付随する加速や出射準備のタイミング、減速のタイミング、マスタ信号の発生タイミング、そして出射工程完了後タイミング信号の発生タイミングといったタイミングを含む各種の制御パラメータを記憶する制御パターン・タイミング記憶部２１１を備える。ここで、出射工程完了後タイミング信号の発生タイミングは、出射完了後から次の運転サイクルの入射タイミングに至るまでの間のうち、直前のエージングパルスから次のマスタ信号との間の時間が許容できる最大周期と最短周期の間に収まる時点として、他のタイミング信号に関連付けて記憶される。

制御パターン・タイミング記憶部２１１は電磁石電源制御部２１３に接続され、シンクロトロン２００内の機器である偏向電磁石２０１や入射機器２０４、出射機器２０５を制御する。制御パターン・タイミング記憶部２１１に記憶されているタイミングはタイミング制御装置２１２を介して他の機器を制御する。すなわち、タイミング制御装置２１２は高周波加速制御部２１４を介して高周波加速空胴２０２を、また出射機器制御部２１５を介して出射機器２０３を制御する。このタイミング制御装置２１２は、ビーム利用系制御装置４００に備えられたビーム要求タイミング発生部４０１から出射要求信号や次パターン移行信号、あるいはエネルギー切り替え要求を受け取り、出射要求に対しては出射機器制御部２１５を介して出射機器２０３を動作させビームを出射させる。

直線加速器１１１の高周波機器運転の基本周期（一定周期）Ｔ_{ＬＩＮＡＣ}は入射器用一定周期発生部２１６より発生させる。この基本周期Ｔ_{ＬＩＮＡＣ}は、予め設定しておく。

直線加速器１１１に対して高周波機器運転タイミングを発生させる入射器高周波機器タイミング発生部２１７は、タイミング制御装置２１２から発生する出射工程完了後タイミング信号やマスタ信号に従い入射器用一定周期発生部２１６からの一定の基本周期を調整して入射器制御装置１２０に対し高周波機器動作タイミングとして供給する。

入射器制御装置１２０は、図１に示した高周波電源１１２を高周波機器動作タイミングと同期させて立ち上げる運転を図２（ｃ）や図４（ｂ）〜（ｅ）に記載の通り繰り返す。ただし、この高周波運転の全回数においてビームが必要ではないため、ビームを加速されないようにして、図２（ｄ）に記載したような入射タイミングにのみビームを加速させる。すなわち、直線加速器１１１の高周波運転は図２（ｃ）や図４（ｂ）〜（ｅ）に示すような運転周期で行われるが、その運転タイミングのうち図２（ｄ）のビーム入射タイミングに一致しないタイミングでは、イオン源１０１から荷電粒子が供給されないよう制御され、直線加速器１１１は空動作し（前述のエージング用パルス）、図２（ｄ）のビーム入射タイミングに一致するタイミングでは、イオン源１０１で発生した荷電粒子は加速され、シンクロトロン２００に入射される。直線加速器を空動作させる方法としては、イオン源と直線加速器の間に荷電粒子の移動を阻害するような手段を設けてもよいし、直線加速器のエージング用パルスのタイミングにおいてはイオン源が動作しないように制御することもできる。

上述したように、本実施形態では、シンクロトロン２００の入射、加速、出射、減速工程を制御するタイミング制御に対し、出射工程完了後に、直線加速器１１１は、シンクロトロン２００の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に発生する出射工程完了後タイミング信号により繰り返し運転を停止して待機状態にし、マスタ信号（シンクロトロンパターン開始信号）により一定周期での繰り返し運転を開始する。また、シンクロトロン２００は、マスタ信号をもとに直線加速器１１１からビーム入射され、加速、出射、減速工程の各期間を含む一定周期あるいは不定周期のパターンを開始する。

これによって、シンクロトロン２００に対する荷電粒子ビームの入射をビームを必要とする任意のタイミングで行うことが可能となり、シンクロトロン２００の入射要求タイミングに合わせて直線加速器１１１からの入射ビームを得ることが可能となる。従って、シンクロトロン２００の待ち時間を無くすことができる。

また、本実施形態によれば、シンクロトロン２００の入射要求タイミングに合わせて直線加速器１１１からの入射ビームを得ることが可能となるため、シンクロトロン２００で加速された荷電粒子ビームを用いる荷電粒子ビーム照射装置において、患者へ照射時間を短縮して治療時間を短くし、システムの効率的な運用が可能となる。

なお、入射器用一定周期発生部２１６や入射器高周波機器タイミング発生部２１７を加速器制御装置２１０の一部として説明したが、これら両方あるいはどちらか一方が入射器制御装置１２０の一部としても上述の制御動作は実現可能である。

また、シンクロトロンの運転パターンは、図２や図４のような入射−加速−出射−減速を１サイクルとし、エネルギーを変えながら複数サイクルのビームを出射するパターンに限られず、入射−加速−出射−加速−出射・・・繰り返し・・・−出射−減速、または、入射−加速−出射−加速−出射・・・繰り返し・・・−出射−減速−出射−減速−出射・・・繰り返し・・・−出射−減速といったように、１サイクルで複数の異なるエネルギーにより照射する、いわゆる多段出射としてもよい。

＜第２の実施形態＞
次に、図７以降を用いて本発明の第２の実施形態による荷電粒子ビーム照射システムについて説明する。第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下の実施形態においても同様とする。

本実施形態は、第１の実施形態でのビーム利用系５００として、癌などの患者の患部に陽子や炭素イオン等の荷電粒子ビーム（イオンビーム）を照射する治療方法を実現する照射装置を備えたものであり、粒子線治療システムの一例である。

本実施形態では、シンクロトロン２００より得られた荷電粒子を、ビーム輸送系３００を通じて照射装置６００へ輸送する。照射装置６００について図８を用いて説明する。

図８において、照射装置６００は、ビーム輸送系３００で導かれた荷電粒子ビームを水平（図中Ｘ方向）および垂直（図中Ｙ方向）方向に走査し、患者６１０の患部６１１の形状に合致させるためのＸ方向走査電磁石６０１ＡとＹ方向走査電磁石６０１Ｂを有する。走査電磁石６０１Ａ，６０１Ｂにより偏向された荷電粒子ビームはビーム位置計測装置６０２と照射線量計測装置６０３を通過し、患部６１１に照射される。ビーム位置計測装置６０２は荷電粒子ビームの位置および幅（広がり）を計測し、照射線量計測装置６０３は荷電粒子ビームの照射量を計測する。

ここで、図８および図９を用いてビーム走査法による照射について説明する。図９は、荷電粒子ビームの上流側から患部６１１を見た説明図である。

図８に示したように患者６１０の患部６１１に対して、その患部形状を３次元的な複数の深さ方向（図中Ｚ方向）の層に分割し、各層をさらに図９に示すように２次元的に分割して複数の線量区画６１２（以下照射スポット）を設定する。深さ方向は荷電粒子ビームの到達深度に対応し、シンクロトロン２００から出射される荷電粒子ビームのエネルギー変更により各層を選択的に照射される。各層内では図９に示す例えば経路６１３に沿って走査電磁石６０１Ａ，６０１Ｂで荷電粒子ビームを２次元的に走査して各照射スポットに所定の線量を与える。各照射スポットに照射される荷電粒子ビームの量は照射線量計測装置６０３で計測され、位置やその広がりはビーム位置計測装置６０２で計測される。

なお、図４（a）のシンクロトロン運転パターンは、図の左寄りは出射するビームのエネルギーが高い状態であり、右に向かうに従ってエネルギーが低くなるように制御されている。これは、ビーム利用系５００の適用対象が本実施形態のように、癌などの患者の患部に陽子や炭素イオン等の荷電粒子ビーム（イオンビーム）を照射する用途については、ビームのブラッグピークを腫瘍における所定の走査レイヤーに合わせ、深いレイヤーから順に照射するための制御である。この場合、シンクロトロンはビーム出射停止後の減速工程において、電磁石の履歴をリセットするための動作を行うが、直前に出射していたビームのエネルギーが高ければ高いほどリセット動作は短時間で済む。そのため、直前のビームエネルギーが高いほどＴ’_{ＬＩＮＡＣ}は短くなり、通常の制御では待ち時間が発生しやすく、本実施例の制御適用効果は大きい。更に、照射するビームのエネルギーが最大の場合のＴ’_{ＬＩＮＡＣ}が、直線加速器についての最短の運転可能周期より大きくなる装置構成を採用すると、本実施例の制御方法による上述の効果をより大きく享受できる。

本実施形態の照射方式において、シンクロトロン２００に対して次パターンへの移行要求が発生するのは、図９に示した層内のスポットを照射中にシンクロトロン２００に蓄積された荷電粒子が枯渇した場合、或いはシンクロトロン２００で１サイクル当りに照射可能な時間が枯渇した場合である。これらの場合、そのサイクル内での出射を停止し、次パターンへ移行するタイミングは不定期となりうる。

また、図９に示した層内のスポットを全て照射し終えた場合には、図８の６１１に示した深さ方向（Ｚ方向）の変更が必要となり、シンクロトロン２００から出射されるエネルギーを変更する。この場合についても、層内の照射時間は患部６１１の形状によって異なるためシンクロトロンの運転サイクル内で出射が完了するタイミングは不定期になりうる。

このように、本実施形態の照射装置６００ではシンクロトロン２００の運転周期および出射のタイミングは不定期になるため、直線加速器１１１の高周波運転の周期が固定となっている場合はシンクロトロン２００の所望の入射タイミングに荷電粒子ビームが入射できず、照射時間が延びる可能性がある。

そこで、本実施形態においては、加速器制御装置２１０は、図９に示した層内のスポットを照射中にシンクロトロン２００に蓄積された荷電粒子が枯渇した場合、或いはシンクロトロン２００で１サイクル当りに照射可能な時間が枯渇した場合に、シンクロトロン２００の運転パターンの移行を要求する次パターン移行要求信号を生成して出力する（第１制御装置）。

また、照射制御装置６２０は、図９に示した層内のスポットを全て照射し終えた場合に、シンクロトロン２００から出射されるエネルギーの変更を要求するエネルギー切り替え要求信号を出力する（第１制御装置）。

加速器制御装置２１０は、それらの信号の何れかが入力された際には、図２や図４に示したような本発明の運転方法を実施する。すなわち、出射工程完了後タイミング信号に基づいて直線加速器１１１の高周波運転を停止し、マスタ信号に基づき直線加速器１１１の高周波運転を開始し、シンクロトロン２００の入射タイミングと直線加速器１１１からビームを供給可能なタイミングを一致させる（制御装置、第２制御装置）。

これにより、本実施形態においても、前述した第１の実施形態とほぼ同様に、入射タイミングを所望のものとできるので照射時間は延びず、治療時間を短縮化でき、システムの効率的な運用が可能な粒子線治療システムを実現できる。

なお、荷電粒子ビームの照射方法におけるビーム走査法は、照射スポットを設定するいわゆるスポットスキャニング照射に限られず、ラスター走査、ジグザグ走査、らせん走査、ライン走査、単円走査等の走査法であってもよい。また、荷電粒子ビームの照射方法はビーム走査法に限られず、積層原体照射等の散乱体法を採用するシステムに本発明は適用することができる。

＜第３の実施形態＞
次に、図１０以降を用いて本発明の第３の実施形態による荷電粒子ビーム照射システムについて説明する。

本実施形態は、第１の実施形態でのビーム利用系５００として、癌などの患者の患部に陽子や炭素イオン等の荷電粒子ビーム（イオンビーム）を照射する治療方法を実現する照射装置を備え、かつ患者の呼吸に伴う患部の移動やその他の移動を検出する機器を備えたものである。

本実施形態では、シンクロトロン２００より得られた荷電粒子を、ビーム輸送系３００を通じて照射装置７００へ輸送する。照射装置７００について図１０を用いて説明する。

図１０において、照射装置７００における照射野の形成方法については荷電粒子ビームの散乱を用いる散乱体法や上述したビーム走査法など任意の照射野形成方法でよい。散乱体法では、例えば、患部を層に分割して層毎の照射量を規定して満了したら次の層の照射を行うと同時に各層の照射野形状にマルチリーフコリメータ開口を合わせて照射を行う積層原体照射が挙げられる。ビーム走査法では、第２の実施形態で示したようなスポットスキャニング法の他に、ラスター走査、ジグザグ走査、らせん走査，ライン走査、単円走査等の走査法が挙げられる。

本実施形態では、図１０に示すように、患者６１０に対し患部の移動検出機器７１０を設ける。患部へのより高精度な照射を実現するために、このような患部の移動を検出し、その移動量が所望の範囲内にある場合にのみ照射する方法が提唱されている。例えば、移動検出機器７１０としては呼吸性移動を検出するために体表の移動を監視する方法、患者の呼吸に伴う呼気、吸気の流れを患者の口元で監視する方法、Ｘ線透視画像を用いて直接患部の位置もしくはそれを示すマーカを監視する方法などが考えられる。

図１１を用いて患部の移動検出とビーム照射の関係について説明する。図１１（ａ）は患部の移動を検出した信号で、その信号に対し患部が所望の位置にある、あるいは所望の位置からある範囲内にあることを担保するためのしきい値を設定する。そしてそのしきい値内に患部位置検出信号がある場合にのみビームを照射する。この場合の本実施形態における照射装置７００で照射可能なタイミングは図１１（ｂ）のようになり、この信号は患者の移動に伴う移動であることから、そのタイミングは不定期になり得る。

このように、本実施形態の照射装置７００ではシンクロトロン２００の運転周期および出射のタイミングは不定期になるため、直線加速器１１１の高周波運転の周期が固定となっている場合はシンクロトロン２００の所望の入射タイミングに荷電粒子ビームが入射できず、照射時間が延びる可能性がある。

そこで、本実施形態においては、シンクロトロン２００で１サイクル当りに照射可能な時間が枯渇した場合に、シンクロトロン２００の運転パターンの移行を要求する次パターン移行要求信号を生成して出力する（第１制御装置）。

加速器制御装置２１０は、その信号を受け取り、図２や図４に示したような本発明の運転方法を実施する。すなわち、出射工程完了後タイミング信号に基づいて直線加速器１１１の高周波運転を停止し、マスタ信号に基づき直線加速器１１１の高周波運転を開始し、シンクロトロン２００の入射タイミングと直線加速器１１１からビームを供給可能なタイミングを一致させる（制御装置、第２制御装置）。

これにより、本実施形態においても、前述した第１の実施形態とほぼ同様に、入射タイミングを所望のものとできるので照射時間は延びず、治療時間を短縮化でき、システムの効率的な運用が可能との効果が得られる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の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るものではない。本発明は、荷電粒子ビームの出射方法や荷電粒子ビームの照射方法に寄らず、リング状の円形加速器の運転周期が変わりうる運転を行うシステムに適用することができる。

また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

１００…入射器システム、
１０１…イオン源、
１０２…イオン源電源、
１１１…直線加速器、
１１２…入射器用高周波電源、
１２０…入射器制御装置、
１３０…入射輸送系、
２００…シンクロトロン、
２０１…偏向電磁石、
２０２…高周波加速空胴、
２０３…ビーム出射機器、
２０４…入射機器、
２０５…ビーム出射機器、
２１０…加速器制御装置（制御装置、第１制御装置、第２制御装置）、
２１１…制御パターン・タイミング記憶部、
２１２…タイミング制御装置、
２１３…電磁石電源制御部、
２１４…高周波加速制御部、
２１５…出射機器制御部、
２１６…入射器用一定周期発生部、
２１７…入射器高周波機器タイミング発生部、
３００…ビーム輸送系、
４００…ビーム利用系制御装置（第１制御装置）、
４０１…ビーム要求タイミング発生部、
５００…ビーム利用系、
６００…照射装置、
６０１Ａ，６０１Ｂ…走査電磁石、
６０２…ビーム位置計測装置、
６０３…照射線量計測装置、
６１０…患者、
６１１…患部、
６１２…線量区画（照射スポット）、
６１３…照射経路、
６２０…照射制御装置（第１制御装置）、
７００…照射装置、
７１０…患部移動検出機器、
７２０…照射制御装置（第１制御装置）。

Claims (11)

1. 所定の運転周期で動作し、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
   荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速された前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射するリング状の円形加速器と、
   この円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、出射工程完了後タイミング信号を発生し、この出射工程完了後タイミング信号に基づいて前記直線加速器を停止させ、次の運転の開始タイミングを知らせるシンクロトロンパターン開始信号を発生し、このシンクロトロンパターン開始信号に基づいて前記直線加速器の所定の運転周期の動作および前記直線加速器の動作を開始させる制御装置とを備えた
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
2. 請求項１記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
   前記制御装置は、前記出射工程完了後タイミング信号を、荷電粒子ビームの出射完了、減速開始、減速中、減速完了のいずれかのタイミングとなるよう設定する
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
3. 請求項１記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
   前記制御装置は、
   前記円形加速器の荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速の各工程を含む運転パターンに係わる各種タイミング、前記シンクロトロンパターン開始信号のタイミングおよび前記出射工程完了後タイミング信号のタイミングを記憶した記憶装置と、
   前記運転パターンの更新要求と前記記憶装置に記憶したタイミング情報を受け取るタイミング制御装置と、
   前記直線加速器の運転基本周期を発生させる一定周期発生装置と、
   前記一定周期発生装置からの前記運転基本周期を、前記タイミング制御装置からの前記出射工程完了後タイミング信号のタイミングに従い停止し、前記シンクロトロンパターン開始信号のタイミングに従い開始して、前記直線加速器の運転タイミングを発生するタイミング発生装置とを有する
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
4. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
   前記リング状の円形加速器が出射するビームのエネルギーが最大の場合における前記直線加速器の運転停止後から次の運転開始までの運転周期Ｔ’_{ＬＩＮＡＣ}が、前記直線加速器についての最短の運転可能周期より大きい
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
5. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム発生装置と、
   前記円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを利用する照射装置と、
   前記照射装置から要求された期間にのみ前記荷電粒子ビームを出射するよう前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程において前記円形加速器の出射機器を制御する第１制御装置と、
   前記出射機器の制御による前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、出射工程完了後タイミング信号を発生し、この出射工程完了後タイミング信号に基づいて前記直線加速器を停止させ、次の運転の開始タイミングを知らせるシンクロトロンパターン開始信号を発生し、このシンクロトロンパターン開始信号に基づいて前記直線加速器の所定の運転周期の動作および前記直線加速器の動作を開始させる第２制御装置とを備えた
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
6. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム発生装置と、
   前記円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを偏向して走査する走査電磁石を有し、この走査電磁石を通過した荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置と、
   前記荷電粒子ビームの照射対象を深さ方向に分割した複数の層の１つの層に対して、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し、前記１つの層の荷電粒子ビームの走査完了後に、別の層に対して前記荷電粒子ビームを走査するために前記円形加速器から出射される荷電粒子ビームのエネルギーの変更を要求するエネルギー切換要求を出力する第１制御装置と、
   前記エネルギー切換要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、出射工程完了後タイミング信号を発生し、この出射工程完了後タイミング信号に基づいて前記直線加速器を停止させ、次の運転の開始タイミングを知らせるシンクロトロンパターン開始信号を発生し、このシンクロトロンパターン開始信号に基づいて前記直線加速器の所定の運転周期の動作および前記直線加速器の動作を開始させる第２制御装置とを備えた
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
7. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム発生装置と、
   前記円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを偏向して走査する走査電磁石を有し、この走査電磁石を通過した荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置と、
   前記荷電粒子ビームの照射対象に対して、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し、前記荷電粒子ビームを走査している途中で前記円形加速器に蓄積された前記荷電粒子ビームが枯渇した場合、或いは前記荷電粒子ビームを走査している途中で前記円形加速器で１運転周期当りに照射可能な時間が枯渇した場合に、前記円形加速器のそのときの運転周期での出射工程を中止し、次の運転周期での運転パターンへの移行を要求する運転パターン移行要求を出力する第１制御装置と、
   前記運転パターン移行要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、出射工程完了後タイミング信号を発生し、この出射工程完了後タイミング信号に基づいて前記直線加速器を停止させ、次の運転の開始タイミングを知らせるシンクロトロンパターン開始信号を発生し、このシンクロトロンパターン開始信号に基づいて前記直線加速器の所定の運転周期の動作および前記直線加速器の動作を開始させる第２制御装置とを備えた
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
8. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム発生装置と、
   前記円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを時間的あるいは空間的に成形して照射対象の形状に一致するよう照射する照射装置と、
   前記照射対象の移動を検出して得られる信号から前記照射対象への照射可能な時間帯のタイミングを設定し、その時間帯の間にのみビーム出射を要求するビーム要求を出力する第１制御装置と、
   前記ビーム要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、出射工程完了後タイミング信号を発生し、この出射工程完了後タイミング信号に基づいて前記直線加速器を停止させ、次の運転の開始タイミングを知らせるシンクロトロンパターン開始信号を発生し、このシンクロトロンパターン開始信号に基づいて前記直線加速器の所定の運転周期の動作および前記直線加速器の動作を開始させる第２制御装置とを備えた
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
9. 患者の患部に荷電粒子ビームを照射する粒子線治療システムであって、
   所定の運転周期で動作し、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
   荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速された前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射するリング状の円形加速器と、
   この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを照射点まで輸送するビーム輸送装置と、
   このビーム輸送装置によって輸送された荷電粒子ビームを前記患部に照射する照射装置と、
   前記円形加速器、前記ビーム輸送装置および前記照射装置を制御する制御部と、
   前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、出射工程完了後タイミング信号を発生し、この出射工程完了後タイミング信号に基づいて前記直線加速器を停止させ、次の運転の開始タイミングを知らせるシンクロトロンパターン開始信号を発生し、このシンクロトロンパターン開始信号に基づいて前記直線加速器の所定の運転周期の動作および前記直線加速器の動作を開始させる直線加速器制御装置と、を備えた
   ことを特徴とする粒子線治療システム。
10. 所定の運転周期で動作し、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速された前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器とを備えた荷電粒子ビーム発生装置の運転方法であって、
    円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、出射工程完了後タイミング信号を発生し、この出射工程完了後タイミング信号に基づいて前記直線加速器を停止させ、次の運転の開始タイミングを知らせるシンクロトロンパターン開始信号を発生し、このシンクロトロンパターン開始信号に基づいて前記直線加速器の所定の運転周期の動作および前記直線加速器の動作を開始させる
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
11. 請求項１０に記載の荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
    前記出射工程完了後タイミング信号を、荷電粒子ビームの出射完了、減速開始、減速中、減速完了のシンクロトロンパターン完了以前のいずれかのタイミングとなるよう設定する
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。

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