JP6937420B2 - 回転照射装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、照射対象に対して周方向の任意の角度から荷電粒子ビームを照射する回転照射装置の制御方法に関する。

一般に、回転照射治療装置は、患者の周りを回転することにより、シンクロトロン等の加速器で高エネルギーまで加速された荷電粒子ビームを患者に対して周方向の任意の角度から照射する装置である。そのため、回転照射治療装置は、患者の周りを回転可能な回転フレーム（以下、回転ガントリと記す。）を備えている。

上記シンクロトロン等の加速器で高エネルギーまで加速された荷電粒子ビームは、この回転ガントリの回転中心方向に導かれる。この回転中心方向に導かれた荷電粒子ビームは、超電導電磁石が設けられたビーム輸送装置により回転ガントリの外周方向へ一旦曲げられた後、再びその内周方向へ曲げられて治療室へ導かれる。治療室へ導かれた荷電粒子ビームは、照射部から照射対象である患者の患部に照射される。

また、回転照射治療装置は、患者に対して荷電粒子ビームの照射角を変えるため、回転ガントリの回転角度を変えている。従来、照射角を変えて荷電粒子ビームを照射する際は、超伝導電磁石を無励磁状態で回転ガントリを回転させて所望の角度に停止させる。その後、超伝導電磁石を励磁し、荷電粒子ビームを照射している。

特開平１１−４７２８７号公報 特開平９−１９２２４４号公報

しかしながら、上述した従来の回転照射治療装置の運用方法では、超伝導電磁石を無励磁状態で回転ガントリを回転させていることから、回転ガントリの回転時に加わる重力方向の力によって、超伝導電磁石内の構成部材が微妙にずれることがある。これにより、超伝導電磁石は、回転停止後の励磁の際にメカニカルにクエンチする問題がある。その結果、回転照射治療装置としてスムーズな治療を妨げる要因となっている。以下、クエンチする理由を具体的に説明する。

すなわち、超伝導電磁石は、主に磁場を発生するコイルと、電磁力を支える電磁力支持部材により構成されている。通常、回転ガントリを回転させる際は、荷電粒子ビームが超伝導電磁石を通過しないため、無励磁状態で回転を行う。このように無励磁状態では、コイルに電磁力が生じていないため、電磁力支持部材とコイルとの間には摩擦力が生じていないか、もしくは摩擦力が少ない状態となっている。

この状態で回転ガントリの回転に伴う加速度及び振動が加わると、超伝導電磁石内においてコイルと電磁力支持部材との間で僅かなずれ、歪が生じてしまうことがある。このずれ、歪が原因となり超伝導電磁石を再励磁した際にずれ、歪が解消することによる機械的擾乱により発熱し、クエンチを誘発してしまうことがある。

超伝導電磁石がクエンチすると、発熱するため回転照射治療装置の運転を停止し、超伝導電磁石の再冷却を待って再起動する必要がある。これにより、回転照射治療装置による治療を停止せざるを得ず、治療時間が長くなるという問題がある。

本実施形態が解決しようとする課題は、回転ガントリの回転に伴う超伝導電磁石内の構成部材のずれ、歪を防止可能な回転照射装置の制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本実施形態に係る回転照射装置の制御方法は、回転ガントリに設置され、かつ荷電粒子ビームの軌道を偏向する偏向磁場と、前記荷電粒子ビームを収束する収束磁場の少なくとも一方を形成する超伝導電磁石で前記荷電粒子ビームを照射対象に導く回転照射装置の制御方法であって、制御装置が前記超伝導電磁石を励磁するように制御する工程と、前記制御装置が、所定のタイミングで前記荷電粒子ビームの出射を行うように制御する工程と、前記超伝導電磁石が励磁されている状態で、かつ前記荷電粒子ビームが出射されていないときに、前記制御装置が、前記回転ガントリを回転させて停止させるように回転ガントリ駆動部を制御する工程と、を備えていることを特徴とする。

本実施形態によれば、回転ガントリの回転に伴う超伝導電磁石内の構成部材のずれ、歪を防止することが可能になる。

一実施形態に係る回転照射治療装置を示す縦断面図である。 図１の複合型超伝導電磁石を示す縦断面図である。 一実施形態に係る回転照射治療装置のシステム構成を示すブロック図である。 図３の制御装置の制御順序を示すフローチャートである。 図３の制御順序によるビーム生成部の照射、複合型超伝導電磁石の励磁、及び回転ガントリの回転動作の各タイミングを示すタイミングチャートである。 図２の複合型超伝導電磁石におけるコイルに作用する電磁力を縦断面で示す説明図である。 図３の複合型超伝導電磁石の他の接続形態を示すブロック図である。 一実施形態の制御装置の他の制御順序を示すフローチャートである。 図８の制御順序によるビーム生成部の照射、複合型超伝導電磁石の励磁、及び回転ガントリの回転動作の各タイミングを示すタイミングチャートである。 一実施形態の制御装置のさらに他の制御順序を示すフローチャートである。 図１０の制御順序によるビーム生成部の照射、複合型超伝導電磁石の励磁、及び回転ガントリの回転動作のさらに他の各タイミングを示すタイミングチャートである。

以下、本実施形態に係る回転照射治療装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、回転照射装置を回転照射治療装置に適用した例について説明する。

（回転照射治療装置の全体構成）
図１は一実施形態に係る回転照射治療装置を示す縦断面図である。図２は図１の複合型超伝導電磁石を示す縦断面図である。

まず、図１により、本実施形態における回転照射治療装置１の全体構成について説明する。

図１に示す回転照射治療装置１は、建屋２内に設置されている。回転照射治療装置１は、シンクロトロン等の加速器（図示せず）、回転ガントリ３、ビームパイプ（真空ダクト）４、及び複合型超伝導電磁石５を主要な構成要素としている。

回転ガントリ３は、ビーム輸送路の終端となり荷電粒子ビームの出口となる照射部６を保持しながら回転する。回転ガントリ３は、回転軸３ａの周りを任意の角度で回転可能な構造となっている。これにより、治療時に照射部６に位置する照射対象としての患者の患部に対して任意の方向から照射することが可能である。

ビームパイプ４は、その内部が真空に維持されており、上記加速器で加速された荷電粒子ビームを患者の患部へと導くビーム輸送路である。

複合型超伝導電磁石５は、図２に示すようにビームパイプ４の外周側に荷電粒子ビームを偏光させるビーム偏向用の２極コイル１２と、荷電粒子ビームを収束させるビーム収束用の４極コイル１３が同心状に配置されている。すなわち、複合型超伝導電磁石５は、荷電粒子ビームのビーム軌道を制御する磁場として、偏向磁場（２極磁場）と収束磁場（４極磁場）の２つの磁場を重畳的な合成磁場として同時に形成している。

偏向磁場とともに形成される収束磁場は、ビームパイプ４を通過する荷電粒子ビームの軌道中心（ビーム進行方向）から遠ざかる発散成分を強制的に抑え、荷電粒子ビームが回転ガントリ３に入射して照射部６から出射されるまでにその指向性が高まるように調節されている。このような偏向磁場の調節は、複合型超伝導電磁石５の配置によっても行われている。

本実施形態の複合型超伝導電磁石５は、回転ガントリ３の内部においてあらかじめ設定された間隔をあけて３体設けられている。複合型超伝導電磁石５は、２極コイル１２と４極コイル１３の外側側にスペーサ１４を介して鉄ヨークを兼用する電磁力支持部材１５が同心状に配置されている。さらに、この電磁力支持部材１５の外周側には、真空容器１６が同心状に配置されている。

複合型超伝導電磁石５は、アクティブシールドコイルを有し、漏れ磁場を少なくする構成となっている。複合型超伝導電磁石５は、回転ガントリ３の構造物や、図示しないモニター等の測定機器に磁場の影響を与えることがなく、かつ照射部６に対する漏れ磁場も少なくなっている。複合型超伝導電磁石５は、患者や治療のための装置に対して磁場の影響を与えることがない構造になっている。

（回転照射治療装置の作用）
シンクロトロン等の加速器（図示せず）によって炭素イオンや陽子等の荷電粒子ビームが数百ＭｅＶの高エネルギーまで加速され、ビームラインを通して回転照射治療装置１に導入される。この荷電粒子ビームは、重粒子線や陽子線等の荷電粒子線からなり、真空状態が維持されたビームパイプ４内を通過し、その軌道が複合型超伝導電磁石５の偏向磁場（２極磁場）により３回曲げられた後、照射部６から出射されて、照射対象である患者の患部（照射点）に対して垂直方向から照射される。

ここで、複合型超伝導電磁石５の４極磁場は、上述したように荷電粒子ビームの拡散を防ぎ、照射部６に高精度の荷電粒子ビームを供給することが可能としている。

（システムの構成）
図３は一実施形態に係る回転照射治療装置のシステム構成を示すブロック図である。

図３に示すように、制御装置２０は、例えばマイクロコンピュータ等のコンピュータ資源によって構成され、図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）、又はハードディスク装置等の記録媒体に記憶された処理プログラム及び各種データ等をＣＰＵ（Central Processing Unit）が読み出してメインメモリに展開し、この展開した処理プログラムを順次ＣＰＵが実行する。このプログラムの実行により、プログラムに対応する方法が実行される。なお、制御装置２０を構成するマイクロコンピュータの数は１つでも複数でもよい。

制御装置２０は、ＣＰＵが処理プログラムを実行することで実現される機能の構成として、回転ガントリ駆動制御部２１と、電磁石電源制御部２２と、照射制御部２３とを備えている。なお、制御装置２０を構成するこれらの要素を実現する手法はソフトウェアに限るものではなく、その一部又は全部の要素を、論理回路やアナログ回路等を組み合わせたハードウェアを用いて実現してもよい。

回転ガントリ駆動制御部２１は、回転ガントリ３を駆動する回転ガントリ駆動部２４に接続されている。回転ガントリ駆動制御部２１は、回転ガントリ駆動部２４を制御することで、回転ガントリ３のオン、オフ動作の各タイミング等を制御する。これにより、照射対象である患者の患部に対する照射部６の位置及び方向が制御される。

電磁石電源制御部２２は、電磁石電源２５と信号線を介して接続されている。この電磁石電源２５は、複合型超伝導電磁石５と信号線を介して接続されている。電磁石電源制御部２２は、電磁石電源２５を制御することにより、複合型超伝導電磁石５のオン、オフを制御するとともに、その励磁量（励磁電流）及びその励磁量による励磁タイミングを制御する。

なお、本実施形態において、電磁石電源制御部２２、電磁石電源２５、及び複合型超伝導電磁石５は、それぞれ別々に構成したが、これに限らずこれらの全てを一体に構成してもよく、また電磁石電源制御部２２及び電磁石電源２５を一体に構成するか、あるいは電磁石電源２５及び複合型超伝導電磁石５を一体に構成するようにしてもよい。

照射制御部２３は、ビーム生成部２６に接続されている。ビーム生成部２６は、炭素イオンや陽子等の粒子を生成するとともに、シンクロトロン等の加速器によってこれらの粒子を患部の奥深く到達できるエネルギーまで加速して荷電粒子ビームを生成している。

照射制御部２３は、ビーム生成部２６により生成された荷電粒子ビームの出射のオン、オフ制御を行っている。具体的には、制御装置２０は、例えば図示しない線量モニターからの線量満了信号を得て、ビーム出射許可信号を出力する。この線量モニターは、患部に照射する線量をモニターするものである。照射制御部２３は、このビーム出射許可信号に基づいて荷電粒子ビームの出射のオン、オフを制御する。

治療計画データ記憶部（データ記憶部）３０は、例えばハードディスク装置等の記録媒体から構成されている。治療計画データ記憶部３０には、荷電粒子ビームの照射タイミング、複合型超伝導電磁石５の励磁量及び励磁タイミング、回転ガントリ３の回転オン、オフ動作のタイミング等に必要となる各諸元が例えばパターンファイルと呼ばれるデータファイルに処理順に記憶され、治療照射の開始前に制御装置２０に出力される。

制御装置２０は、入力されたデータに基づいて回転ガントリ駆動制御部２１、電磁石電源制御部２２、及び照射制御部２３を制御する。

（システムの作用）
図４は図３の制御装置の制御順序を示すフローチャートである。図５は図３の制御順序によるビーム生成部の照射、複合型超伝導電磁石の励磁、及び回転ガントリの回転動作の各タイミングを示すタイミングチャートである。

ここで、治療照射の開始前に制御装置２０に対し、治療計画データ記憶部３０から荷電粒子ビームの照射タイミング、複合型超伝導電磁石５の励磁量及び励磁タイミング、回転ガントリ３の回転オン、オフ動作のタイミング等の各種データがあらかじめ出力されている。

まず、図４及び図５に示すように、電磁石電源制御部２２は、電磁石電源２５を制御して励磁量ｎで複合型超伝導電磁石５を励磁する（ステップＳ１）。次いで、複合型超伝導電磁石５を消磁せず、回転ガントリ駆動制御部２１は、回転ガントリ駆動部２４のオン、オフ動作の各タイミングを制御して回転ガントリ３を別の照射位置であるｍ＋１照射位置に回転駆動させる（ステップＳ２）。

そして、照射制御部２３は、荷電粒子ビームの出射のオン、オフを制御してビーム生成部２６から電磁石電源２５の励磁量ｎで荷電粒子ビームの出射を開始する（ステップＳ３）。この励磁状態を維持した状態で、回転ガントリ駆動制御部２１は、回転ガントリ駆動部２４のオン、オフ動作の各タイミングを制御して回転ガントリ３をさらに別の照射位置であるｍ＋２照射位置に回転駆動させる（ステップＳ４）。

さらに、電磁石電源２５を制御してステップＳ１の励磁量より高い次の励磁量である励磁量ｎ＋１で複合型超伝導電磁石５を励磁する（ステップＳ５）。照射制御部２３は、荷電粒子ビームの出射のオン、オフを制御してビーム生成部２６から電磁石電源２５の励磁量ｎ＋１で荷電粒子ビームを出射する（ステップＳ６）。

図６は図２の複合型超伝導電磁石におけるコイルに作用する電磁力を縦断面で示す説明図である。

本実施形態では、図４及び図５に示すように複合型超伝導電磁石５を励磁してから回転ガントリ３を回転させるように制御している。そのため、図６に示すように、磁束線１７が２極コイル１２及び４極コイル１３に電磁力として作用する。その結果、２極コイル１２及び４極コイル１３には、矢印で示すようなコイル電磁力が作用する。

このコイル電磁力は、スペーサ１４を介して電磁力支持部材１５に伝達され、２極コイル１２及び４極コイル１３と電磁力支持部材１５との間に摩擦力が生ずる。そのため、この状態で回転ガントリ３を回転させても、２極コイル１２及び４極コイル１３と、電磁力支持部材１５は摩擦力により固定されて、互いにずれたり、あるいは歪むことがないため、クエンチを生じることがなくなる。

したがって、本実施形態では、回転ガントリ３の回転前に複合型超伝導電磁石５を励磁することにより、発生する電磁力によって複合型超伝導電磁石５の内部の構成部材を拘束することで、複合型超伝導電磁石５内の構成部材のずれを防ぎ、回転ガントリ３の回転に伴いメカニカルにクエンチする問題を防止することができる。

なお、本実施形態において、２極コイル１２と４極コイル１３は、接着により一体化されており、その配置態様はどちらが内周側、外周側に配置されていてもよい。

また、本実施形態において、複合型超伝導電磁石５の励磁量は、２極コイル１２及び４極コイル１３と、電磁力支持部材１５との間に摩擦力が生じて固定される励磁量であればよい。

このように本実施形態によれば、複合型超伝導電磁石５を励磁してから回転ガントリ３を回転させるように制御したことから、回転ガントリ３の回転に伴う複合型超伝導電磁石５内の構成部材のずれ、歪の発生を防止することができる。その結果、回転ガントリ３の回転に伴い複合型超伝導電磁石５がメカニカルにクエンチするのを未然に防止することが可能になる。これにより、回転照射治療装置１による治療を停止させることなく、治療時間の短縮化が図れる。

また、本実施形態では、複合型超伝導電磁石５の励磁量を２段階に切替可能としたことにより、照射対象である患者の患部に適正な線量の荷電粒子ビームを短時間で照射することができる。なお、本実施形態では、複合型超伝導電磁石５の励磁量を２段階に切替可能としたが、それ以上の段階数に切替可能としてもよい。これにより、適正な線量の荷電粒子ビームを一段と短時間で照射することができる。

さらに、本実施形態では、回転ガントリ３の回転時に複合型超伝導電磁石５の励磁量を次の照射時の励磁量に制御することにより、照射時に励磁量を設定する手間を省くことができる。

（複合型超伝導電磁石の他の接続形態）
図７は図３の複合型超伝導電磁石の他の接続形態を示すブロック図である。

図３に示す実施形態では、電磁石電源制御部２２に電磁石電源２５及び複合型超伝導電磁石５を１組接続した例について説明したが、図７では、電磁石電源制御部２２に電磁石電源２５及び複合型超伝導電磁石５を２組接続している。

これにより、図３に示す実施形態と比べて電磁石電源制御部２２の数を削減し、構成を簡素化することができる。

なお、図７では、電磁石電源２５及び複合型超伝導電磁石５を２組接続した例について説明したが、これに限らず電磁石電源制御部２２に電磁石電源２５及び複合型超伝導電磁石５を３組以上接続するようにしてもよい。

また、図７では、電磁石電源２５及び複合型超伝導電磁石５を別々に構成した例について説明したが、これに限らず前記実施形態のように一体に構成するようにしてもよい。

（制御装置の他の制御順序）
図８は一実施形態の制御装置の他の制御順序を示すフローチャートである。図９は図８の制御順序によるビーム生成部の照射、複合型超伝導電磁石の励磁、及び回転ガントリの回転動作の他の各タイミングを示すタイミングチャートである。なお、この制御順序でも、前記実施形態と同様に、治療照射の開始前に治療計画データ記憶部３０から制御装置２０に対して各種データがあらかじめ出力されている。その他の制御順序でも同様である。

まず、図８及び図９に示すように、電磁石電源制御部２２は、電磁石電源２５を制御して励磁量ｎ＋１で複合型超伝導電磁石５を励磁する（ステップＳ１１）。次いで、複合型超伝導電磁石５を消磁せず、回転ガントリ駆動制御部２１は、回転ガントリ駆動部２４のオン、オフ動作の各タイミングを制御して回転ガントリ３を別の照射位置であるｍ＋１照射位置に回転駆動させる（ステップＳ１２）。

そして、照射制御部２３は、荷電粒子ビームの出射のオン、オフ制御してビーム生成部２６から電磁石電源２５の励磁量ｎ＋１で荷電粒子ビームを出射する（ステップＳ１３）。この励磁状態を維持した状態で、回転ガントリ駆動制御部２１は、回転ガントリ駆動部２４のオン、オフ動作の各タイミングを制御して回転ガントリ３をさらに別の照射位置であるｍ＋２照射位置に回転駆動させる（ステップＳ１４）。

さらに、電磁石電源２５を制御してステップＳ１１の励磁量より低い次の励磁量である励磁量ｎで複合型超伝導電磁石５を励磁する（ステップＳ１５）。照射制御部２３は、荷電粒子ビームの出射のオン、オフ制御してビーム生成部２６から電磁石電源２５の励磁量ｎで荷電粒子ビームを出射する（ステップＳ１６）。

図８及び図９に示すように荷電粒子ビームの照射タイミング、複合型超伝導電磁石５の励磁タイミング及び励磁量、回転ガントリ３の回転オン、オフ動作のタイミングを制御しても前記実施形態と同様の効果が得られる。

（制御装置のさらに他の制御順序）
図１０は一実施形態の制御装置のさらに他の制御順序を示すフローチャートである。図１１は図１０の制御順序によるビーム生成部の照射、複合型超伝導電磁石の励磁、及び回転ガントリの回転動作のさらに他の各タイミングを示すタイミングチャートである。

まず、図１０及び図１１に示すように、電磁石電源制御部２２は、電磁石電源２５を制御して励磁量ｎで複合型超伝導電磁石５を励磁する（ステップＳ３１）。次いで、複合型超伝導電磁石５を消磁せず、回転ガントリ駆動制御部２１は、回転ガントリ駆動部２４のオン、オフ動作の各タイミングを制御して回転ガントリ３を別の照射位置であるｍ＋１照射位置に回転駆動させる（ステップＳ３２）。

そして、照射制御部２３は、荷電粒子ビームの出射のオン、オフ制御してビーム生成部２６から電磁石電源２５の励磁量ｎで荷電粒子ビームを出射する（ステップＳ３３）。この励磁状態を維持した状態で、回転ガントリ駆動制御部２１は、回転ガントリ駆動部２４のオン、オフ動作の各タイミングを制御して回転ガントリ３をさらに別の照射位置であるｍ＋２照射位置を回転駆動させる（ステップＳ３４）。

さらに、上記電磁石電源２５の励磁量ｎを維持した状態で、照射制御部２３は、荷電粒子ビームの出射のオン、オフを制御してビーム生成部２６から電磁石電源２５の励磁量ｎで荷電粒子ビームを出射する（ステップＳ３５）。

図１０及び図１１に示すように複合型超伝導電磁石５の励磁量を一定に制御した場合でも、前記実施形態と同様の効果が得られる。

このように本実施形態では、複合型超伝導電磁石５を励磁してから回転ガントリ３を回転させるように制御する。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この実施形態は、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。この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。

なお、上記実施形態では、回転照射治療装置１に適用した例について説明したが、これに限らず照射対象に対して周方向の任意の角度から荷電粒子ビームを照射する回転照射装置であれば、例えば物理学実験等のように様々な用途に適用可能である。

また、上記実施形態では、２極コイル１２と、４極コイル１３の双方を設置した例について説明したが、これに限定されることなく、２極コイル１２又は４極コイル１３のいずれか一方のみ単独で構成される超伝導電磁石の場合においても同様の効果が得られる。また、２極コイル１２、４極コイル１３が６極以上の多極で構成される場合についても同様である。

１…回転照射治療装置（回転照射装置）、２…建屋、３…回転ガントリ、３ａ…回転軸、４…ビームパイプ（真空ダクト）、５…複合型超伝導電磁石（超伝導電磁石）、６…照射部、１２…２極コイル、１３…４極コイル、１４…スペーサ、１５…電磁力支持部材、１６…真空容器、１７…磁束線、２０…制御装置、２１…回転ガントリ駆動制御部、２２…電磁石電源制御部、２３…照射制御部、２４…回転ガントリ駆動部、２５…電磁石電源、２６…ビーム生成部、３０…治療計画データ記憶部（データ記憶部）

Claims (2)

1. 回転ガントリに設置され、かつ荷電粒子ビームの軌道を偏向する偏向磁場と、前記荷電粒子ビームを収束する収束磁場の少なくとも一方を形成する超伝導電磁石で前記荷電粒子ビームを照射対象に導く回転照射装置の制御方法であって、
   制御装置が前記超伝導電磁石を励磁するように制御する工程と、
   前記制御装置が、所定のタイミングで前記荷電粒子ビームの出射を行うように制御する工程と、
   前記超伝導電磁石が励磁されている状態で、かつ前記荷電粒子ビームが出射されていないときに、前記制御装置が、前記回転ガントリを回転させて停止させるように回転ガントリ駆動部を制御する工程と、
   を備えていることを特徴とする回転照射装置の制御方法。
2. 前記制御装置はビーム出射許可信号を出力することで、前記荷電粒子ビームの出射の射出を制御する請求項１に記載の回転照射装置の制御方法。

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