JP6523929B2 - Particle beam acceleration system, particle beam acceleration control method, and particle beam therapy apparatus - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、粒子線を高エネルギーに加速する粒子線加速システム、粒子線加速制御方法、及び加速した粒子線を患部(がん)に照射して治療する粒子線治療装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a particle beam acceleration system that accelerates particle beams to high energy, a particle beam acceleration control method, and a particle beam therapy apparatus that treats accelerated particle beams by irradiating the affected area (cancer) with treatment.
粒子線(陽子あるいは炭素イオンを高エネルギーに加速した粒子、以下“ビーム”とも称する)を患者の患部に照射して治療を行う粒子線治療装置が広く知られるようになっている。 2. Description of the Related Art A particle beam therapy system for treating an affected area of a patient by irradiating a particle beam (a particle in which protons or carbon ions are accelerated to high energy, hereinafter also referred to as "beam") has become widely known.
この粒子線治療装置では、初段加速器であるライナックにおいてイオン源から引き出されたビームを線形加速器で加速させ、シンクロトロン(円形加速器)で周回加速させ所望のエネルギーまで高められたビームをがん治療に用いている。 In this particle beam therapy system, the beam extracted from the ion source is accelerated by the linear accelerator in the first stage accelerator linac, and the orbit accelerated by the synchrotron (circular accelerator) and the beam raised to a desired energy is used for cancer treatment It is used.
従来の治療のための粒子線照射は、ワブラー法と呼ばれる方法が一般的である。このワブラー法は、散乱体等を通過させることによりビームサイズを拡大し、ビーム軸を高速に所定の範囲で平面内運動させた上で、コリメータを使用してビームの照射野を形成するものである。しかし、この方法では照射野の正確な形をつくることが困難であり、またコリメータを挿入することによるビーム散乱の問題や照射ポートが大きくなるなどの問題があった。 Particle beam irradiation for conventional treatment is generally a method called the wobbler method. In this wobbler method, the beam size is expanded by passing a scatterer or the like, and the beam axis is moved in a plane within a predetermined range at a high speed, and then a collimator is used to form an irradiation field of the beam. is there. However, in this method, it is difficult to form an accurate shape of the irradiation field, and there are also problems of beam scattering due to the insertion of a collimator and an increase in the irradiation port.
近年、ワブラー法が有するこの問題を克服するスキャニング法という照射方法が新たに開発され利用が広まりつつある。この方法は、コリメータを使用せず、スキャニング電磁石の電流制御により任意のビーム照射野を形成するものである。 In recent years, a new irradiation method called a scanning method which overcomes this problem of the wobbler method has been newly developed and is in widespread use. This method does not use a collimator but forms an arbitrary beam irradiation field by current control of a scanning electromagnet.
ところで、粒子線治療においては、患者の様々な部位や患部の深さに合わせたビーム照射を行うことが必要であるため、粒子線加速システムから取り出すビームの取出時間が治療内容に応じて変化する。これに対応するため、従来では、イオン源で発生させた粒子線を加速するライナックからシンクロトロンへのビームの入射タイミングを一時的に遅らせる制御を行うことで、ライナックの運転周期とシンクロトロンの運転との同期が図られている。 By the way, in particle beam therapy, since it is necessary to perform beam irradiation according to the depth of various parts of a patient or an affected part, the extraction time of the beam taken out from a particle beam acceleration system changes according to the contents of treatment . In order to cope with this, conventionally, the operation period of the linac and the operation of the synchrotron are controlled by temporarily delaying the timing of beam incidence to the synchrotron from the linac that accelerates the particle beam generated by the ion source. Synchronization with the
しかし、ライナックの運転周期を一時的に大きくすることでシンクロトロンの運転との同期を行った場合、ライナックの運転周期が一定でなくなる。このため、シンクロトロンから出射されるビームが不安定になるという課題があった。 However, if synchronization with the operation of the synchrotron is performed by temporarily increasing the operation period of the linac, the operation period of the linac becomes unstable. Therefore, there is a problem that the beam emitted from the synchrotron becomes unstable.
特に、スキャニング照射を採用する粒子線治療装置では、加速システムからのビーム取り出しの時間が治療内容によって大きく変化するため、ライナックの運転周期が変化して、シンクロトロンから出射されるビームが不安定になるという影響はより顕著なものとなる。 In particular, in a particle beam therapy system that employs scanning radiation, the time of beam extraction from the acceleration system largely changes depending on the treatment content, so the operation cycle of the linac changes, and the beam emitted from the synchrotron becomes unstable. The effect of becoming is more pronounced.
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、ライナックにおけるイオン源の運転周期を一定に保ちつつライナックとシンクロトロンとの同期をスムーズに行うことができる粒子線加速システム、粒子線加速制御方法、及び加速した粒子線を患部の治療に用いる粒子線治療装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and it is possible to smoothly synchronize the linac with the synchrotron while keeping the operation period of the ion source in the linac constant, particle beam acceleration It is an object of the present invention to provide a control method and a particle beam therapy system using accelerated particle beam for treatment of an affected area.
本発明の実施形態に係る粒子線加速システムにおいて、イオン源を一定の周期で駆動させて発生させたイオンを線形加速させた粒子線を出力するライナックと、線形加速された前記粒子線をシンクロトロンに入射して、周回加速させて所望のエネルギーまで到達させた前記粒子線を出射させる主加速器と、出射後に前記粒子線を減速させて新たに入射させる際に、前記イオン源の駆動周期に前記粒子線の次回入射タイミングが合うように、設定された待機エネルギーで維持する待機時間を前記イオン源における駆動周期に基づき計算して、前記粒子線の減速時に計算した前記待機時間を設ける加速制御装置と、を備えることを特徴とする。 In the particle beam acceleration system according to the embodiment of the present invention, a linac for outputting a particle beam generated by linearly accelerating ions generated by driving an ion source at a constant period, and a linearly accelerated particle beam synchrotron. And the main accelerator for emitting the particle beam that has reached the desired energy by being circulated and accelerated, and when the particle beam is decelerated and then newly incident after emission, the driving cycle of the ion source is The acceleration control device which calculates the standby time maintained at the set standby energy based on the drive cycle of the ion source and provides the standby time calculated at the time of decelerating the particle beam so that the next incidence timing of the particle beam matches And.
本発明の実施形態に係る粒子線加速制御方法において、イオン源を一定の周期で駆動させて発生させたイオンを線形加速させた粒子線を出力するステップと、線形加速された前記粒子線をシンクロトロンに入射して、周回加速させて所望のエネルギーまで到達させた前記粒子線を出射させるステップと、出射後に前記粒子線を減速させて新たに入射させる際に、前記イオン源の駆動周期に前記粒子線の次回入射タイミングが合うように、設定された待機エネルギーで維持する待機時間を前記イオン源における駆動周期に基づき計算して、前記粒子線の減速時に計算した前記待機時間を設けるステップと、を含むことを特徴とする。 In the particle beam acceleration control method according to the embodiment of the present invention, a step of outputting a particle beam generated by linearly accelerating ions generated by driving an ion source at a constant period, and synchronizing the linearly accelerated particle beam. The step of causing the particle beam to enter the tron and be accelerated by rotation and emitted to the desired energy, and when the particle beam is decelerated and newly incident after the emission, the driving period of the ion source is Calculating the waiting time to be maintained at the set waiting energy based on the drive cycle of the ion source so as to match the next incidence timing of the particle beam, and providing the waiting time calculated at the time of decelerating the particle beam; It is characterized by including.
本発明の実施形態に係る粒子線治療装置において、イオン源を一定の周期で駆動させて発生させたイオンを線形加速させた粒子線を出力するライナックと、線形加速された前記粒子線をシンクロトロンに入射して、周回加速させて所望のエネルギーまで到達させた前記粒子線を出射させる主加速器と、出射後に前記粒子線を減速させて新たに入射させる際に、前記イオン源の駆動周期に前記粒子線の次回入射タイミングが合うように、設定された待機エネルギーで維持する待機時間を前記イオン源における駆動周期に基づき計算して、前記粒子線の減速時に計算した前記待機時間を設ける加速制御装置と、前記シンクロトロンから出射されたビームを治療室に案内するビーム輸送系と、前記治療室に輸送されたビームを照射対象に照射する照射装置と、を備えることを特徴とする。 In a particle beam therapy system according to an embodiment of the present invention, a linac for outputting a particle beam generated by linearly accelerating ions generated by driving an ion source at a constant cycle, and a linearly accelerated particle beam synchrotron. And the main accelerator for emitting the particle beam that has reached the desired energy by being circulated and accelerated, and when the particle beam is decelerated and then newly incident after emission, the driving cycle of the ion source is The acceleration control device which calculates the standby time maintained at the set standby energy based on the drive cycle of the ion source and provides the standby time calculated at the time of decelerating the particle beam so that the next incidence timing of the particle beam matches A beam transport system for guiding a beam emitted from the synchrotron to a treatment room, and illumination for irradiating the beam transported to the treatment room to an irradiation object Characterized in that it comprises apparatus and, a.
本発明の実施形態により、ライナックにおけるイオン源の運転周期を一定に保ちつつライナックとシンクロトロンとの同期をスムーズに行うことができる粒子線加速システム、粒子線加速制御方法、及び加速した粒子線を患部の治療に用いる粒子線治療装置が提供される。 According to an embodiment of the present invention, there is provided a particle beam acceleration system, a particle beam acceleration control method, and an accelerated particle beam, capable of smoothly performing synchronization with the linac and the synchrotron while keeping the operation cycle of the ion source in the linac constant. A particle therapy system is provided for use in treating an affected area.
(第1実施形態)
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1に示すように第1実施形態に係る粒子線加速システム10は、イオン源14を一定の周期で駆動させて発生させたイオンを線形加速させた粒子線を出力するライナック11と、線形加速された粒子線をシンクロトロン19に入射して、周回加速させて所望のエネルギーまで到達させた粒子線を出射させる主加速器12と、出射後に粒子線を減速させて新たに入射させる際に、イオン源14の駆動周期に粒子線の次回入射タイミングが合うように、設定された待機エネルギーで維持する待機時間をイオン源14における駆動周期に基づき計算して、粒子線の減速時に計算した待機時間を設ける加速制御装置13と、を備えている。なお、ここでは、加速されたビームを患者の患部の治療に用いる粒子線治療装置100に粒子線加速システム10を適用する場合について説明する。
First Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on the attached drawings.
As shown in FIG. 1, the particle
本実施形態に係る粒子線加速システム10は、イオン源14の駆動周期に粒子線の次回入射タイミングが合うように、ビームの減速時に、設定された待機エネルギーで維持する待機時間を設けることで、ライナック11におけるイオン源14の運転周期を一定に保ちつつライナック11とシンクロトロン19との同期をスムーズに行うものである。
The particle
各構成について具体的に説明する。
ライナック11は、イオン源14、線形加速器15、チョッパ16、ライナック制御装置17を備えている。
Each configuration will be specifically described.
The
イオン源14では、固体ターゲット(図示省略)に対してレーザ光を集光照射される。そして、レーザ光のエネルギーにより固体ターゲットの元素が蒸発しイオン化することでプラズマが生成される。イオン源14は、ライナック制御装置17により、一定の周期で駆動される。
In the
線形加速器15は、イオン源14から生成されたプラズマを導入してイオンを引き出して、引き出したイオンを加速させたビームの出力を行う加速器である。
The
チョッパ16は、イオン源14と線形加速器15との間に設けられており、イオン源14で発生したイオンの線形加速器15への入力を制限するものであり、線形加速器15から出力されるビームの出力タイミングの制御に用いられる。
The
チョッパ16の制御は、ライナック制御装置17により行われ、ライナック制御装置17がビーム許可の制御信号を受け付けた場合、イオン源14で発生したイオンを線形加速器15に導きビームを出力させる。一方、ビーム許可の制御信号が無い場合は、イオン源14で発生したイオンを線形加速器15の入力方向から逸らして、線形加速器15からビームの出力を実行させない。
The control of the
ライナック制御装置17は、加速制御装置13から出力される動作タイミングを規定する制御信号に基づいて駆動指令をイオン源14及びチョッパ16に出力して、イオン源14及びチョッパ16を制御する。
The
そして、線形加速器15で加速されたビームは、入射輸送系18を介して主加速器12のシンクロトロン19に入射される。
Then, the beam accelerated by the
主加速器12は、シンクロトロン19、シンクロトロン制御装置20を備えている。
シンクロトロン19は、入射輸送系18から入射されたビームを周回加速させて所望のエネルギー(治療に必要なエネルギー)まで高めるための円形加速器である。
The
The
シンクロトロン制御装置20は、加速制御装置13から出力されるビーム入射から次のビーム入射までの動作タイミングを規定する制御信号に基づいて駆動指令をシンクロトロン19に出力して、シンクロトロン19を制御する。
The
図2は、本実施形態に適用される主加速器12の構成の一例を示す構成図である(適宜、図1参照)。
FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of the
シンクロトロン19には、ビームを入射輸送系18から入射させて、ビームを安定的周回させて加速させる(または減速させる)ための入射用セプタム25、偏向電磁石26、4極電磁石27、6極電磁石28、高周波加速空洞29などの入射加速機器が、円周上に配置されている。シンクロトロン制御装置20により、これらの入射加速機器が駆動されて、ライナック11から出力されたビームはシンクロトロン19に入射される。そして、周回加速されて、入射エネルギーから所望のエネルギー(治療に必要なエネルギー)まで高められる。
The
また、シンクロトロン19には、ビームを外部に出射するための出射用電磁石30などの出射機器が配置されている。シンクロトロン制御装置20により、これらの出射機器が駆動されて、シンクロトロン19内のビームは、シンクロトロン19の外部に出射される。
Further, the
シンクロトロン19により所望のエネルギーまで高められ出射されたビームは、ビーム出射輸送系21(図1)を通って治療室22に導かれる。治療室22には照射装置23が配置され、スキャニング照射により、照射対象(患者)に任意の照射野が形成されて、患者の患部に照射される。
The beam which has been boosted to a desired energy by the
治療制御装置24は、治療時に、粒子線加速システム10の加速制御装置13に対してビーム要求を出力する。また、治療終了または一時停止時にはビーム要求の出力を停止する。
The
図3は、第1実施形態に係る粒子線加速システム10における加速制御の構成を示す構成図である(適宜、図1参照)。
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of acceleration control in the particle
加速制御装置13は、ライナックマスタトリガ出力部31、ビーム許可信号出力部32、シンクロトロンマスタトリガ出力部33、ビーム要求受付部34、出射許可信号出力部35、入射許可条件設定部36、減速制御部37を備える。
The
ライナックマスタトリガ出力部31は、ライナック11のイオン源14を一定周期で駆動するためのライナックマスタトリガ50をライナック制御装置17に出力する。ライナック制御装置17は、ライナックマスタトリガ50を受けて、イオン源動作指令51をイオン源14に与えて、イオン源14を一定周期で駆動させる。
The linac master
ビーム許可信号出力部32は、ライナック11のチョッパ16の制御に関して線形加速器15でのビーム加速を許可するためのビーム許可信号52を出力する。なお、粒子線加速システム10の動作開始時は、ライナックマスタトリガ50の出力タイミングに同期してビーム許可信号52が出力される。
The beam permission
ライナック制御装置17は、ビーム許可信号52を受けて、チョッパ動作指令53をチョッパ16に与えて、イオン源14で発生したイオンを線形加速器15に入力させてビームを加速させる。
The
シンクロトロンマスタトリガ出力部33は、ライナック11から出力されたビームをシンクロトロン19に入射し加速させるためのシンクロトロンマスタトリガ54をシンクロトロン制御装置20に出力する。なお、粒子線加速システム10の動作開始時は、ライナックマスタトリガ50の出力タイミングに同期してシンクロトロンマスタトリガ54が出力される。
The synchrotron master trigger output unit 33 outputs to the synchrotron controller 20 a
シンクロトロン制御装置20は、シンクロトロンマスタトリガ54を受けて、入射動作指令55をシンクロトロン19の入射加速機器40に与えて、ビームをシンクロトロン19に入射させて加速させる。
The
ビーム要求受付部34は、治療制御装置24からビーム要求信号56を随時受け付ける。
The beam
出射許可信号出力部35は、ビーム要求受付部34がビーム要求信号56を受け付けた場合、出射許可信号57をシンクロトロン制御装置20に出力する。シンクロトロン制御装置20は、出射許可信号57を受けた場合、シンクロトロン19内のビームの出射可否を判定した後、出射許可指令58を出射機器41に与えて、シンクロトロン19内のビームを出射させる。一方、ビーム要求信号56が停止されたときは、出射許可信号57が停止され、ビームの出射は終了する。
When the beam
入射許可条件設定部36は、ビームの出射が停止して(例えば、ビーム要求信号56が停止されたとき)再度シンクロトロン19に新しいビームを入射するため、シンクロトロン19内を周回中のビームを減速させる際に、一時的にエネルギーを維持される待機エネルギーを設定している。この待機エネルギーは、ライナック11から入射されるビームの入射エネルギーよりも高いエネルギー値が設定される。
Since the emission of the beam is stopped (for example, when the
入射許可条件設定部36は、ビーム要求信号56が停止されたとき、ライナックマスタトリガ50の出力タイミングに次回のビーム入射を合わせるために、ライナックマスタトリガ50の出力周期に基づいて待機時間を計算する。なお、待機時間の具体的な計算方法については後述する。
When the
そして、入射許可条件設定部36は、待機エネルギーまで減速するために必要な時間、待機時間、及び待機エネルギーから入射エネルギーまで減速するために必要な時間の3つの時間の和を入射許可条件として設定する。この入射許可条件は、ライナックマスタトリガ50の出力タイミングに次回のビーム入射を合わせるために必要な時間となる。
Then, the entrance permission
減速制御部37は、入射許可条件設定部36から待機エネルギー及び待機時間を入力して、これらの設定条件でビームが減速されるように減速制御信号59をシンクロトロン制御装置20に出力する。シンクロトロン制御装置20は、減速制御信号59を受けて、設定された待機エネルギー及び待機時間に基づいてシンクロトロン19内のビームを減速させる。
The
そして、ビーム許可信号出力部32は、入射許可条件設定部36で設定された入射許可条件が成立、言い換えるとビームの出射停止後に入射許可条件が経過した後、直近でのライナックマスタトリガ50の出力タイミングに合わせてビーム許可信号52をライナック制御装置17に出力する。
Then, the beam permission
このとき、シンクロトロンマスタトリガ出力部33は、入射許可条件設定部36で設定された入射許可条件が成立後、直近でのライナックマスタトリガ50の出力タイミングに合わせてシンクロトロンマスタトリガ54をライナック制御装置17に出力する。
At this time, the synchrotron master trigger output unit 33 linac controls the
このように、イオン源14を制御するライナックマスタトリガ50は一定の周期で維持されて、入射許可条件に基づいてシンクロトロン19へのビーム入射のタイミングを規定するビーム許可信号52及びシンクロトロンマスタトリガ54が出力されることで、ライナック11とシンクロトロン19との同期がとられる。
Thus, the
続いて、入射許可条件設定部36における具体的な計算方法を図4に示すタイミングチャートを用いて説明する。
Subsequently, a specific calculation method in the incident permission
図4(A)〜(E)は、ライナックマスタトリガ50、ビーム許可信号52、及びシンクロトロンマスタトリガ54、シンクロトロン19のビームエネルギー、及びビーム出射時間の各信号のタイミングチャートを示している(適宜、図1、図3参照)。
FIGS. 4A to 4E show timing charts of each signal of the
ライナックマスタトリガ50は、Tioの一定周期(例えば、1秒)で出力が繰り返される(図4(A))。
The output of the
そして、ライナックマスタトリガ50に合わせて、ビーム許可信号52、シンクロトロンマスタトリガ54が出力される(図4(B)、図4(C))。ビームがライナック11からシンクロトロン19に入射されて、ビームはTacの時間で周回加速されて所望のエネルギーに達する(図4(D))。
Then, in accordance with the
このとき、治療制御装置24からビーム要求信号56が出力されていれば、ビームがシンクロトロン19から出射されて、治療のために治療室22に供給される。ビームの出射は、出射開始からビーム要求信号56が停止されるまで時間Texの間継続される(図4(E))。
At this time, if the
入射許可条件設定部36は、ビーム要求信号56の停止後、再度新たなビームを入射する際、設定されている待機エネルギーでの待ち時間Twを次式(1)により計算する。ここで、Nは、Twがマイナスにならない最小の個数とする。なお、ビーム減速の速度は一定となるため、待機エネルギーまでの減速時間Td1、待機エネルギーからの減速時間Td2はいずれも定数となる。
The incident permission
Tw=N×Tio−(Td1+Td2+Tac+Tex) ・・・式(1)
Tw:待機エネルギーでの待ち時間(s)
Tio:ライナックマスタトリガの出力周期(s)
Td1:待機エネルギーまでの減速時間(s)
Td2:待機エネルギーからの減速時間(s)
Tac:加速時間(s)
Tex:出射時間(s)
T w = N × T io − (T d1 + T d2 + T ac + T ex ) (1)
T w : Waiting time at standby energy (s)
T io : Output period of linac master trigger (s)
T d1 : Deceleration time to standby energy (s)
T d2 : Deceleration time from standby energy (s)
T ac : Acceleration time (s)
T ex : Emission time (s)
そして、入射許可条件設定部36は、ビームの出射終了後からTd1+Td2+Twの時間を入射許可条件として設定する。
Then, the entrance permission
ビームの出射終了後、シンクロトロン19内のビームは待機エネルギーまでTd1の時間をかけて減速して、Twの時間を待機エネルギーで維持する。そして、Td2の時間をかけて入射エネルギーまで減速する(図4(D))。
After completion of beam emission, the beam in the
ビーム許可信号出力部32は、ビームの出射停止後に入射許可条件が経過した後、ライナックマスタトリガ50の出力タイミングに合わせてビーム許可信号52をライナック制御装置17に出力する(図4(B))。
The beam permission
同様に、シンクロトロンマスタトリガ出力部33は、入射許可条件が経過した後、ライナックマスタトリガ50の出力タイミングに合わせてシンクロトロンマスタトリガ54をシンクロトロン制御装置20に出力する(図4(C))。
Similarly, after the entrance permission condition has elapsed, the synchrotron master trigger output unit 33 outputs the
このように、ライナックマスタトリガ50を一定周期で出力を行い、シンクロトロン19に新たなビームを入射する場合、待機エネルギーで維持する待機時間を設けて、シンクロトロン19へのビーム入射を規定するシンクロトロンマスタトリガ54をライナック11の出力周期に合わせる。これにより、シンクロトロン19への入射のための待ち時間は最小化されて、ライナック11とシンクロトロン19の動作をスムーズに同期させることができ効率的な加速器の運転ができる。
As described above, when the
図5、図6は、本実施形態に係る粒子線加速システム10の制御手順のフローチャートを示している(適宜、図1、図3参照)。
5 and 6 show flowcharts of control procedures of the particle
ライナックマスタトリガ出力部31は、ライナックマスタトリガ50の出力開始する(S10)。これにより、イオン源14が一定周期で駆動されて、イオンが発生する(S11)。
The linac master
ライナックマスタトリガ50の出力タイミングに合わせて、ビーム許可信号52、シンクロトロンマスタトリガ54が出力されて、シンクロトロン19にビームが入射される(S12〜S14)。そして、入射されたビームは、周回加速されて所望のエネルギーまで到達される(S15)。
The
このとき、治療制御装置24からビーム要求信号56が有る場合、ビームを出射して治療室22に供給する(S16:YES、S17)。ビーム要求が無い場合は、周回加速を継続する(S16:NO)。
At this time, if there is a
その後、ビーム要求が停止された場合、入射許可条件設定部36は、設定されている待機エネルギーでの待ち時間Twをライナックマスタトリガ50の周期に基づいて計算する(S18:YES、S19)。一方、ビーム要求が継続する場合は、治療室22へのビーム供給を継続する(S18:NO)。
Thereafter, when the beam request is stopped, the incident permission
そして、入射許可条件設定部36は、ビームの出射終了後からTd1+Td2+Tw野時間を入射許可条件として設定する(S20)。Td1は待機エネルギーまでの減速時間を、Td2は待機エネルギーからの減速時間を意味する。
Then, the entrance permission
シンクロトロン制御装置20は、設定された待機エネルギーまでビームを減速させる(S21)。そして、待機時間Twの間、待機エネルギーを維持した後、さらにビームを減速させる(S22)。
The
そして、入射許可条件が成立後、ライナックマスタトリガ50の出力タイミングに合わせてビーム許可信号52、シンクロトロンマスタトリガ54が出力されて、シンクロトロン19にビームが入射される(S23:YES、S24:YES、S25、S26)。
Then, after the incident permission condition is satisfied, the
一方、入射許可条件が成立しない場合(S23:NO)、またはライナックマスタトリガ50の出力タイミングに合わない場合(S24:NO)、ビーム許可信号52及びシンクロトロンマスタトリガ54はいずれも出力されずビームはシンクロトロン19に入射されない。
On the other hand, when the incident permission condition is not satisfied (S23: NO) or when the output timing of the
そして、治療が終了するまで、S14〜S26を実行して、シンクロトロン19へのビーム入射、加速、及び出射を繰り返す。
Then, S14 to S26 are executed to repeat the beam incidence to the
このように粒子線を加速制御することにより、ライナック11におけるイオン源14の運転周期を一定に保ちつつライナック11とシンクロトロン19との同期をスムーズに行うことができる。これにより、シンクロトロン19におけるビーム出射時間が変動してもビームの新たな入射が安定かつ適切に行われる。
By accelerating and controlling the particle beam in this manner, synchronization between the
また、待機エネルギーを設定することで、シンクロトロン19全体の温度変動が小さく安定したビーム供給ができる。
Further, by setting the standby energy, stable beam supply can be performed with small temperature fluctuation of the
さらに、ライナック11からシンクロトロン19の粒子線ビームの入射時間待ちを最小化することができ、粒子線加速システム10を治療装置に適用する場合、治療時間を最小化することができる。
Furthermore, the waiting time of the particle beam of the
なお、チョッパ16を用いる代わりに、ライナック11から出力されるビームを、シンクロトロンマスタトリガ54に合わない場合にシンクロトロン19に入射されないようにシンクロトロン19の入射加速機器40(図3)を構成しても良い。
Note that, instead of using the
この場合、ライナック11のビーム運転の周期でライナック11からシンクロトロン19に対してビーム供給が行われようとする。
In this case, it is attempted to supply a beam from the
しかし、シンクロトロンマスタトリガ54のタイミングでしかビームはシンクロトロン19に入射されず、それ以外のタイミングで発生したライナック11のビームは無効となり、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。このように構成することで、シンクロトロンマスタトリガ54でビーム入射を制御できるため、ビーム許可信号出力部32などの構成を省略でき構成を単純化することができる。
However, the beam is incident on the
(第2実施形態)
次に、第2実施形態に係る粒子線加速システム10について説明する。第2実施形態については、第1実施形態の構成(図1)と同一の構成となるため図面の記載を省略する。
Second Embodiment
Next, a particle
第2実施形態では、加速制御装置13は複数の待機エネルギーと各待機エネルギーに応じて計算された減速の所用時間とを減速条件として保存して、ユーザにより選択された減速条件に基づいて粒子線を減速させる。
In the second embodiment, the
図7は、減速条件の一例を示したものであり、3つの待機エネルギーと各待機エネルギーに応じて計算された減速の所用時間(待機前の減速時間Td1、待機後の減速時間Td2)とが減速条件としてテーブルに示されている。 FIG. 7 shows an example of the deceleration condition, and the required time for deceleration calculated according to three standby energy and each standby energy (deceleration time T d1 before standby, deceleration time T d2 after standby) And are shown in the table as deceleration conditions.
加速制御装置13は、出射後に粒子線を減速させて新たに入射させる際に、減速時にユーザにより設定された減速条件でビームを減速させる。
The
このような構成とすることで、待機エネルギーを気温や冷却水温の季節変化に応じて変えることが可能となり、シンクロトロン19の温度変動が小さく、より安定な運転ができる。
With such a configuration, it is possible to change the standby energy in accordance with the seasonal change of the air temperature or the cooling water temperature, the temperature fluctuation of the
(第3実施形態)
図8は、第3実施形態に係る粒子線加速システム10の構成図を示している。なお、図8において図1と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
Third Embodiment
FIG. 8 shows a configuration diagram of a particle
第3実施形態における粒子線加速システム10が第1実施形態と異なる点は、シンクロトロン19を周回するビームのビーム量を計測するビーム量計測部42をさらに備えて、加速制御装置13は、計測されたビーム量が所定の目標値以下の場合には、粒子線を減速させて新たに入射させる点にある。
The particle
ビーム量計測部42で計測されたシンクロトロン19のビーム量が所定の判定値(安定した治療に必要なビーム量)を下回った場合、ビーム出射終了と減速の開始を行う。なお、ビーム量計測部42は、シンクロトロン19のビーム電流計測用として一般的に使用されるものを活用する。
When the beam amount of the
これにより、シンクロトロン19のビーム量に基づき適切にビーム取出し時間を管理することができ、効率的に加速器を運転することができる。
Thereby, the beam extraction time can be appropriately managed based on the beam amount of the
以上述べた各実施形態の粒子線加速システムによれば、イオン源の駆動周期に粒子線のシンクロトロンへの次回入射タイミングが合うように、設定された待機エネルギーで維持する待機時間を設けることで、ライナックにおけるイオン源の運転周期を一定に保ちつつライナックとシンクロトロンとの同期をスムーズに行うことができる。 According to the particle beam acceleration system of each embodiment described above, the standby time maintained by the set standby energy is provided so that the next incidence timing of the particle beam to the synchrotron matches the drive cycle of the ion source. The synchronization between the linac and the synchrotron can be smoothly performed while keeping the operation cycle of the ion source in the linac constant.
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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。 While certain embodiments of the present invention have been described, these embodiments have been presented by way of example only, and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and the gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
以上説明した粒子線加速シスシステムの加速制御装置は、専用のチップ、FPGA(Field Programmable Gate Array)、GPU(Graphics Processing Unit)、又はCPU(Central Processing Unit)などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)などの記憶装置と、HDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスやキーボードなどの入力装置と、通信I/Fとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。 The acceleration control device of the particle beam acceleration system described above is a control in which a processor such as a dedicated chip, a field programmable gate array (FPGA), a graphics processing unit (GPU), or a central processing unit (CPU) is highly integrated. Device, storage device such as ROM (Read Only Memory) or RAM (Random Access Memory), external storage device such as HDD (Hard Disk Drive) or SSD (Solid State Drive), display device such as display, mouse An input device such as a keyboard and the like, and a communication I / F are provided, and can be realized by a hardware configuration using a normal computer.
10…粒子線加速システム、11…ライナック、12…主加速器、13…加速制御装置、14…イオン源、15…線形加速器、16…チョッパ、17…ライナック制御装置、18…入射輸送系、19…シンクロトロン、20…シンクロトロン制御装置、21…出射輸送系、22…治療室、23…照射装置、24…治療制御装置、25…入射用セプタム、26…偏向電磁石、27…4極電磁石、28…6極電磁石、29…高周波加速空洞、30…出射用電磁石、31…ライナックマスタトリガ出力部、32…ビーム許可信号出力部、33…シンクロトロンマスタトリガ出力部、34…ビーム要求受付部、35…出射許可信号出力部、36…入射許可条件設定部、37…減速制御部、40…入射加速機器、41…出射機器、42…ビーム量計測部、50…ライナックマスタトリガ、51…イオン源動作指令、52…ビーム許可信号、53…チョッパ動作指令、54…シンクロトロンマスタトリガ、55…入射動作指令、56…ビーム要求信号、57…出射許可信号、58…出射動作指令、59…減速制御信号、100…粒子線治療装置。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
線形加速された前記粒子線をシンクロトロンに入射して、周回加速させて所望のエネルギーまで到達させた前記粒子線を出射させる主加速器と、
出射後に前記粒子線を減速させて新たに入射させる際に、前記イオン源の駆動周期に前記粒子線の次回入射タイミングが合うように、設定された待機エネルギーで維持する待機時間を前記イオン源における駆動周期に基づき計算して、前記粒子線の減速時に計算した前記待機時間を設ける加速制御装置と、を備えることを特徴とする粒子線加速システム。 A linac that outputs a particle beam in which the generated ions are linearly accelerated by driving the ion source at a constant period;
A main accelerator that injects the linearly accelerated particle beam into a synchrotron and causes the particle beam to accelerate to a desired energy level;
When the particle beam is decelerated and made to newly enter after emission, the waiting time maintained by the set waiting energy is set in the ion source so that the next incidence timing of the particle beam matches the driving cycle of the ion source. And an acceleration control device for providing the waiting time calculated at the time of decelerating the particle beam, which is calculated based on a drive cycle.
前記ライナックの前記イオン源を一定の周期で駆動させるライナックマスタトリガを出力するライナックマスタトリガ出力部と、
前記シンクロトロンに前記粒子線を入射させるシンクロトロンマスタトリガを出力するシンクロトロンマスタトリガ出力部と、
出射後に前記粒子線を減速させて新たに入射させる際に、前記待機時間を前記イオン源における駆動周期に基づき計算して、前記粒子線の次回入射タイミングを規定する入射許可条件を設定する入射許可条件設定部と、
前記待機時間及び前記待機エネルギーに基づいて主加速器内の前記粒子線を減速させる減速制御部と、を有して、
前記シンクロトロンマスタトリガ出力部は、前記入射許可条件が成立した後、前記ライナックマスタトリガの出力タイミングに合わせて前記シンクロトロンマスタトリガを出力することを特徴とする請求項1に記載の粒子線加速システム。 The acceleration control device
A linac master trigger output unit that outputs a linac master trigger that drives the ion source of the linac at a constant cycle;
A synchrotron master trigger output unit that outputs a synchrotron master trigger that causes the particle beam to be incident on the synchrotron;
When the particle beam is decelerated and made to newly enter after emission, the waiting time is calculated based on the drive cycle of the ion source, and the incidence permission condition for defining the next incidence timing of the particle beam is set. Condition setting unit,
A deceleration control unit for decelerating the particle beam in the main accelerator based on the waiting time and the waiting energy;
The particle beam acceleration according to claim 1, wherein the synchrotron master trigger output unit outputs the synchrotron master trigger according to the output timing of the linac master trigger after the incidence permission condition is satisfied. system.
前記加速制御装置は、前記粒子線を前記線形加速器への入力許可するビーム許可信号を出力するビーム許可信号出力部を有して、
ビーム許可信号出力部は、前記入射許可条件が成立した後、前記ライナックマスタトリガの出力タイミングに合わせて前記ビーム許可信号を出力することを特徴とする請求項2に記載の粒子線加速システム。 The linac comprises a chopper capable of limiting the input of the ions to a linear accelerator which linearly accelerates the beam,
The acceleration control device has a beam permission signal output unit that outputs a beam permission signal that permits the particle beam to be input to the linear accelerator.
The particle beam acceleration system according to claim 2, wherein the beam permission signal output unit outputs the beam permission signal in accordance with an output timing of the linac master trigger after the incidence permission condition is satisfied.
前記加速制御装置は、計測されたビーム量が所定の判定値以下の場合には、前記粒子線を減速させて新たに入射させることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の粒子線加速システム。 A beam amount measuring unit for measuring a beam amount of the beam traveling around the synchrotron;
The said acceleration control device decelerates the said particle beam, and makes it newly enter, when the measured beam quantity is below a predetermined judgment value. Particle beam acceleration system described in.
線形加速された前記粒子線をシンクロトロンに入射して、周回加速させて所望のエネルギーまで到達させた前記粒子線を出射させるステップと、
出射後に前記粒子線を減速させて新たに入射させる際に、前記イオン源の駆動周期に前記粒子線の次回入射タイミングが合うように、設定された待機エネルギーで維持する待機時間を前記イオン源における駆動周期に基づき計算して、前記粒子線の減速時に計算した前記待機時間を設けるステップと、を含むことを特徴とする粒子線加速制御方法。 Driving the ion source at a constant period to output a particle beam in which linearly generated ions are accelerated;
Injecting the linearly accelerated particle beam into a synchrotron, and circumferentially accelerating the particle beam to emit the particle beam having reached a desired energy;
When the particle beam is decelerated and made to newly enter after emission, the waiting time maintained by the set waiting energy is set in the ion source so that the next incidence timing of the particle beam matches the driving cycle of the ion source. And D. providing the waiting time calculated at the time of decelerating the particle beam calculated based on a drive cycle.
線形加速された前記粒子線をシンクロトロンに入射して、周回加速させて所望のエネルギーまで到達させた前記粒子線を出射させる主加速器と、
出射後に前記粒子線を減速させて新たに入射させる際に、前記イオン源の駆動周期に前記粒子線の次回入射タイミングが合うように、設定された待機エネルギーで維持する待機時間を前記イオン源における駆動周期に基づき計算して、前記粒子線の減速時に計算した前記待機時間を設ける加速制御装置と、
前記シンクロトロンから出射されたビームを治療室に案内するビーム輸送系と、
前記治療室に輸送されたビームを照射対象に照射する照射装置と、を備えることを特徴とする粒子線治療装置。 A linac that outputs a particle beam in which the generated ions are linearly accelerated by driving the ion source at a constant period;
A main accelerator that injects the linearly accelerated particle beam into a synchrotron and causes the particle beam to accelerate to a desired energy level;
When the particle beam is decelerated and made to newly enter after emission, the waiting time maintained by the set waiting energy is set in the ion source so that the next incidence timing of the particle beam matches the driving cycle of the ion source. An acceleration control device which provides the waiting time calculated at the time of deceleration of the particle beam, which is calculated based on a drive cycle;
A beam transport system for guiding a beam emitted from the synchrotron to a treatment room;
An irradiation device for irradiating the irradiation target with the beam transported to the treatment room.
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