JP7276984B2 - 電磁石の制御装置、その制御方法及びその制御プログラム並びに粒子線照射装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、常伝導コイルで構成される電磁石の制御技術に関する。

がん等の悪性腫瘍に対し、高い治療効果、少ない副作用、及び身体への負担軽減等の優れた特徴により、炭素や陽子等の荷電粒子線を用いた粒子線照射治療法が注目されている。この治療法によれば、加速器から出射された荷電粒子線でがん細胞を狙い撃ちし、正常細胞への影響を最小限にとどめ、がん細胞を死滅させることができる。

この治療法の一つの方式として、患部領域を三次元格子点で表し、各々の格子点に高精度で荷電粒子線を入射させるスキャニング照射方式が知られている。このスキャニング照射方式によれば、照射領域を患部領域に高精度に合致させることが可能になり、正常細胞への被曝を抑制することができる。

そして、システムに何等かの異常が発生した場合は、患者への誤照射や機器損傷等を回避するために、インターロックを発動し、粒子線照射の制御を強制終了させる措置が講じられる。

特開２０１８－０３３４８２号公報

このスキャニング照射方式において照射領域を拡張する場合、スキャニング電磁石の起磁力を増強させる方法がある。この方法はコイルの電流値や巻き数が増大するため、電磁石の発熱が大きくなる問題があった。発熱による電磁石の損傷を防ぐため、従来は、電磁石の温度が所定値を超えたときにインターロックを発動させていたが、治療照射が途中で強制終了されてしまうことになる。

スキャニング照射では、患者毎の治療計画に基づいて、治療装置の電磁石を含む多数の機器の動作を制御するためのパターンデータが構築される。このパターンデータには、例えば、スライス位置（Ｚ位置）を与える荷電粒子線の運動エネルギー情報、Ｘ－Ｙ位置を与えるＸ用電磁石やＹ用電磁石のコイル励磁電流値、線量を与える線量モニタのカウント値等が、前記した格子点毎に照射順に規定した記述が含まれる。さらに回転ガントリ方式が組み合わされる場合、これらにガントリの角度等を規定した情報が含まれる。そして、このようなパターンデータは、治療開始の直前に照射装置の制御メモリに格納され、これに基づき多数の機器の設定が行われることになる。

上述のようにインターロックにより治療照射が強制終了された場合、照射を再開するためには、電磁石のインターロックを手動で解除し、照射を再開するためのパターンデータを再構築して、多数の機器の設定をやり直す必要がある。そうすると、この治療を再開させるのに多くの時間を要し、患者や医療スタッフの負担が増えることになる。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、パターンデータによって発熱が大きくなる電磁石において、電磁石のインターロックにより治療照射が強制終了されることのない電磁石の制御技術を提供することを目的とする。

実施形態に係る電磁石の制御装置において、電磁石を含む複数の機器の制御シーケンスを記述したパターンデータに基づく制御信号を各々の前記機器に送信する照射制御部と、前記電磁石の少なくとも一つの温度検出値を受信し前記電磁石の温度検出値が第１閾値を超えた場合に前記制御シーケンスで規定された前記電磁石の電流値を一時的に下げる指令を前記照射制御部に送信し前記第１閾値を下回るいずれかの前記温度検出値が受信されたタイミングで前記電磁石の電流値を元に戻す指令を前記照射制御部に送信する温度監視部と、を備える。

本発明の実施形態により、従来よりも大きな照射領域に対して、電磁石の発熱によりインターロックが発動して治療照射が強制終了されることなく重粒子線治療を行うことが可能となる。

（Ａ）本発明の実施形態に係る電磁石の制御装置のブロック図、（Ｂ）本発明の実施形態に係る粒子線照射装置の概略図。 実施形態に係る粒子線照射装置のスキャニング照射部の分解斜視図。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）実施形態に係る電磁石の制御装置に関連するデータのプロファイル。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）比較例に係る電磁石の制御装置に関連するデータのプロファイル。 実施形態に係る電磁石の制御方法及び制御プログラムのフローチャート。

（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（Ａ）は本発明の実施形態に係る照射装置の制御システム１０のブロック図である。このように照射装置の制御システム１０は、電磁石５２（図２）を含む複数の機器の制御を記述したパターンデータ１５に基づく制御信号１６（１６ａ，１６ｂ…）を各々の機器に送信する照射制御部１７（１７ａ，１７ｂ…）と、電磁石５２の温度検出値Ｔを受信し、電磁石５２の温度検出値Ｔが第１閾値１１を超えた場合に、照射制御部１７に電磁石５２の電流値を下げる指令２１ａを送信し、第１閾値１１を下回るいずれかの検出値Ｔが受信されたタイミングで電磁石５２の電流値を元に戻す指令２１ｂを送信する温度監視部２１と、を備えている。

照射制御部１７が電流値を下げる指令２１ａを受信すると、電磁石制御部１７ａが電磁石５２の電流値を一時的に下げる指令１６ａ₁を送る。このとき、機器制御部１７ｂは照射を一時的に止める指令１６ｂ₁をビーム出射に関連する機器に送り、照射を一時的に停止する。その結果、電磁石５２の温度が下がると、温度監視部２１が電流値を元に戻す指令２１ｂを照射制御部１７に送信する。照射制御部１７が指令２１ｂを受信すると、電磁石制御部１７ａが電磁石５２の電流値を元に戻す指令１６a₂を送り、さらに、機器制御部１７ｂが照射を再開する指令１６ｂ₂をビーム出射に関連する機器に送り、照射を再開する。

図１（Ｂ）は本発明の実施形態に係る粒子線治療装置３０の概略図である。粒子線治療装置３０は、通過する荷電粒子線の外径を磁場の作用で収束させる収束電磁石３１と、通過する荷電粒子線の進行方向を磁場の作用で曲げる偏向電磁石３２と、加速器３３で生成した荷電粒子線を外部に輸送する輸送ライン３５と、この輸送ライン３５に接続し荷電粒子線３６を患者３７に照射する照射装置４３と、を備えている。

加速器３３は、シンクロトロン等であって、イオン発生源（図示略）で発生させたＣ⁶⁺等の荷電粒子を光速の７０～８０％程度まで加速して生成した荷電粒子線を、出射デフレクタ３４から輸送ライン３５に出射させる。荷電粒子線３６は、患者の体内を通過する際に運動エネルギーを失って速度を低下させるとともに、速度の二乗にほぼ反比例する抵抗を受けてある一定の速度まで低下すると急激に停止する。そして、荷電粒子線３６の停止点近傍では、ブラッグピークと呼ばれる高エネルギーが放出される。粒子線治療技術は、このブラッグピークを患者の患部に合わせることにより、正常な組織の障害を少なくしつつ治療を行うものである。

照射装置４３は、内部に治療スペース４１を有し回転軸４２を中心に回転変位し、回転軸４２に沿って進入した荷電粒子線を半径方向に進路変更させる回転輸送系４５と、この回転輸送系４５から出力された荷電粒子線３６を患者３７にスキャニング照射する照射部５０と、患者３７を載置したベッド３８と、を備えている。なお、本実施形態においてガントリ式の照射装置４３が配置された場合を例示しているが、固定式の治療装置に代えて配置することもできる。

図２は、実施形態に係る粒子線治療装置３０（図１（Ｂ））のスキャニング照射部５０の分解斜視図である。このように照射部５０は、荷電粒子線３６をＸ方向に偏向させるＸ偏向電磁石５２ｘ（５２）と、この荷電粒子線３６をＹ方向に偏向させるＹ偏向電磁石５２ｙ（５２）と、この荷電粒子線３６の線量を検出する線量検出部５３と、荷電粒子線３６の照射位置を検出するビーム位置検出部５４から構成される。

このように構成される照射部５０は、患者３７（図１（Ｂ））の患部領域６０の各スライス面６１，６２，６３に設定されたスポット（１～Ｎ）に対して、荷電粒子線３６の軌道を制御して順番に入射させる。各々の第ｎスポットは、荷電粒子線３６のブラッグピークの位置になるように設定される。

スキャニング照射部５０は、さらに電磁石５２の温度（検出値Ｔ）を検出する温度センサ５５が設けられている。温度（検出値Ｔ）が第１閾値１１（図１（Ａ））を超えた場合、温度監視部２１は電流値を下げる指令２１ａを照射制御部１７に送る。照射制御部１７は指令２１ａを受信して、機器制御部１７ｂから出射デフレクタ３４に出射を停止する指令１６ｂ₁を送り、さらに、電磁石制御部１７ａから電磁石５２の電磁石電源にパターンデータの電流値を一時的に下げる指令１６ａ₁を送る。

そして、温度監視部２１は第１閾値１１を下回るいずれかの温度（第３閾値）として検出値Ｔが受信されたタイミングで、電磁石５２の電流値を元に戻す指令２１ｂを照射制御部１７に送信する。照射制御部１７は指令２１ｂを受信して、電磁石制御部１７ａから電磁石５２の電磁石電源に電流値を元に戻す指令１６ａ₂を送り、さらに、機器制御部１７ｂから出射デフレクタ３４に出射を開始する指令１６ｂ₂を送る。なお温度監視部２１の指令２１ｂは、指令２１ａを送信後、所定の時間待って送るようにしてもよい。

上述のように、電磁石温度の検出値Ｔが第１閾値１１を超えた場合、電磁石５２の電流値が一時的に下がるのと併せて、荷電粒子線３６の照射も一時停止する。そして、電磁石５２の電流値が元に戻るのに併せて、荷電粒子線３６の照射も再開される。この荷電粒子線３６の照射の一時停止及び再開は、静電デフレクタ３４でなくとも、輸送ライン３５（図１（Ｂ））又は回転輸送系４５のいずれかに配置された機器により実施することも可能である。

また、前記温度監視部２１において前記温度検出値Ｔが第１、３閾値とは異なる第２閾値１２を超過した場合、ただちにインターロック動作をさせる指令２１ｃをインターロック機構部に送り、従来のインターロックによる強制終了を行うことも可能である。

照射制御部１７（図１）は、このようにシステムを構成する機器をそれぞれ独立に制御する制御信号１６（１６ａ，１６ｂ…）を送信する電磁石制御部１７ａ及び機器制御部１７ｂ…の集合体である。そしてパターンデータ１５は、粒子線照射装置３０を動作させるに当たり、これら複数の機器の制御シーケンスを記述したもので、主な対象は加速器３３とビーム輸送系３５と回転輸送系４５と照射部５０である。

なお実施形態において、第１閾値１１により停止／再開の制御を行う対象として、スキャニング照射部５０に組み込まれた電磁石５２を例示している。しかし、発明の実施形態への適用は、特に限定されることはなく、パターンデータ１５に基づいて制御される電磁石であれば対象となる。

図３は実施形態に係る電磁石の制御装置に関連するデータのプロファイルである。図３（Ａ）に示すように、スキャニング照射部５０（図２）に設置した温度センサ５５で検出される電磁石温度（検出値Ｔ）が上昇し、タイミングｔ１で第１閾値１１に到達したとする。すると、図３（Ｂ）に示すようにスキャン走査されていた励磁電流値もパターンデータの電流値よりも小さな値をとる。

これにより図３（Ａ）に示すように、電磁石温度Ｔも下降に転じ、第１閾値１１を下回って第３閾値に到達するか又は所定時間Ｐが経過したタイミングｔ２において、図３（Ｂ）に示すように励磁電流値のスキャンも再開される。

なお電磁石５２に対する励磁電流値の制御が一時停止するのと併せて、図３（Ｃ）に示すように、荷電粒子線３６のビーム照射も一時停止する。そして、この励磁電流値の制御の再開と併せて、ビーム照射も再開される。

なお図３（Ｄ）に示すように、温度監視部２１の指令により電磁石５２及びビーム出射制御装置３２の状態が一時的に変化しても、その他の機器の制御シーケンスはパターンデータに従って保持されている。このため、タイミングｔ２におけるビーム照射の再開を即座に行うことができる。

図４は比較例に係る電磁石の制御装置に関連するデータのプロファイルである。この比較例は、インターロック機構部２３（図１）のみが装備され、第１閾値１１による停止／再開の操作を実施しない場合を示したものである。

図４（Ａ）に示すように、スキャニング照射部５０（図２）に設置した温度センサ５５で検出される電磁石温度（検出値Ｔ）が上昇し、タイミングｔ３でインターロックの温度閾値１２に到達したとする。するとインターロック機構部２３により、図４（Ｂ）（Ｃ）に示すように電磁石５２における励磁電流値の制御及び荷電粒子線３６の治療照射が強制終了される。

さらに図４（Ｄ）に示すように、他の機器に関する制御信号１６（１６ａ，１６ｂ…）も強制終了される。その結果、電磁石温度（検出値Ｔ）が低下しても、ビーム照射の再開を即座に行うことができない。インターロックが発動した場合、ビーム照射を再開するには、インターロックで中断したところから照射シーケンスを開始するためのパターンデータ１５を再構築する必要がある。

図５のフローチャートに基づいて実施形態に係る電磁石の制御方法及び制御プログラムを説明する（適宜、図１から図４を参照）。まず患者３７（図１）を治療室に入室させた後（Ｓ１１）、この患者３７をベッド３８に載置して移動させ位置調整を行う（Ｓ１２）。さらに、複数の機器の制御を記述したパターンデータ１５の読み込みを行う（Ｓ１３）。

そして、患者３７にビーム照射を実施する上で安全を確保するのに必要な起動条件（インターロック解除条件）が成立していることの確認がなされる（Ｓ１４ Ｎｏ Ｙｅｓ）。荷電粒子線３６の照射を開始する手動ボタンが押されると（Ｓ１５）、システムを構成する各々の機器に制御信号１６（１６ａ，１６ｂ…）が送信され、同時に電磁石５２の電磁石温度（検出値Ｔ）が受信される。

この電磁石温度（検出値Ｔ）が第１閾値１１を超過すると（Ｓ１６ Ｎｏ，Ｓ１９ Ｙｅｓ）、電磁石５２の電流値が下がり照射が一時停止する（Ｓ２０）。そして、この電磁石５２が冷却されて電磁石温度（検出値Ｔ）が第１閾値１１を下回るいずれかの検出値Ｔ（第３閾値）に到達したタイミングで（Ｓ２１ Ｎｏ Ｙｅｓ）、電磁石５２の電流値が元に戻されビーム照射が再開する（Ｓ２２）。

そして、電磁石温度（検出値Ｔ）が第２閾値１２を超過しない限りにおいて（Ｓ１６ Ｎｏ）、（Ｓ１９ Ｎｏ Ｙｅｓ）～（Ｓ２２）までのフローが繰り返され（Ｓ２３ Ｎｏ）、パターンデータ１５が最後まで実行されたところで（Ｓ２３ Ｙｅｓ）、ビーム照射の一連の制御シーケンスが終了する（ＥＮＤ）。

なお、一連の制御シーケンスが終了（ＥＮＤ）する前に、第２閾値１２を超過した場合は（Ｓ１６ Ｙｅｓ）、インターロックが作動し、ビーム照射が強制終了される（Ｓ１７）。このように、インターロックが作動した場合は、インターロックで中止した後の照射シーケンスを実行するためのパターンデータ１５を再構築し（Ｓ１８）、この再構築したパターンデータ１５を再読み込みして機器を再起動するところから再開する（Ｓ１３）。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の電磁石の制御装置によれば、電磁石が発熱しても、複数の構成機器のうち電磁石の励磁電流のみパターンデータの値から下げることで、パターンデータの途中で制御シーケンスが強制的に終了されることを防止することが可能となる。

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。

以上説明した電磁石の制御装置１０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。また、電磁石の制御装置の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、電磁石の制御プログラムにより動作させることが可能である。

また電磁石の制御装置１０で実行されるプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供するようにしてもよい。

１０…電磁石の制御装置、１１…第１閾値、１２…第２閾値、１５…パターンデータ、１６（１６ａ，１６ｂ）…制御信号、１７（１７ａ，１７ｂ）…照射制御部、１８…電磁石温度受信部（受信部）、２１…温度監視部、２１ａ…電流値を下げる指令、２１ｂ…電流値を元に戻す指令、２３…インターロック機構部、３０…粒子線照射装置、３１…収束電磁石、３２…偏向電磁石、３３…加速器、３４…出射デフレクタ、３５…輸送ライン、３６…荷電粒子線、３７…患者、３８…ベッド、３９…移動調整部、４０…治療装置、４１…治療スペース、４２…回転軸、４３…ガントリ、４５…回転輸送系、５０…スキャニング照射部、５２…電磁石、５２ｙ…Ｙ偏向電磁石、５２ｘ…Ｘ偏向電磁石、５３…線量検出部、５５…温度センサ、６０…患部領域、６１…各スライス面、７１…室内管理系、７２…照射制御系、７３…室内機器制御系、７４…照射機器、７５…位置決め機器、７６…加速器制御系、７７…ガントリ制御系、７８…入射器、７９…ＭＥＢＴ（中エネルギービーム輸送器）、８０…主加速器、８１…ＨＥＢＴ（高エネルギービーム輸送器）、８２…回転ガントリＢＴ（回転ガントリビーム輸送器）。

Claims (4)

1. 電磁石を含む複数の機器の制御シーケンスを記述したパターンデータに基づく制御信号を、各々の前記機器に送信する照射制御部と、
   前記電磁石の少なくとも一つの温度検出値を受信し、前記電磁石の温度検出値が第１閾値を超えた場合に前記制御シーケンスで規定された前記電磁石の電流値を一時的に下げる指令を前記照射制御部に送信し、前記第１閾値を下回るいずれかの前記温度検出値が受信されたタイミングで前記電磁石の電流値を元に戻す指令を前記照射制御部に送信する温度監視部と、を備える電磁石の制御装置。
2. 電磁石を含む複数の機器の制御シーケンスを記述したパターンデータに基づく制御信号を、各々の前記機器に送信するステップと、
   前記電磁石の少なくとも一つの温度検出値を受信するステップと、
   前記電磁石の温度検出値が第１閾値を超えた場合に前記制御シーケンスで規定された前記電磁石の電流値を一時的に下げるステップと、
   前記第１閾値を下回るいずれかの前記温度検出値が受信されたタイミングで、前記電磁石の電流値を元に戻すステップと、を含む電磁石の制御方法。
3. コンピュータに、
   電磁石を含む複数の機器の制御シーケンスを記述したパターンデータに基づく制御信号を、各々の前記機器に送信するステップ、
   前記電磁石の少なくとも一つの温度検出値を受信するステップ、
   前記電磁石の温度検出値が第１閾値を超えた場合に前記制御シーケンスで規定された前記電磁石の電流値を一時的に下げるステップ、
   前記第１閾値を下回るいずれかの前記温度検出値が受信されたタイミングで、前記電磁石の電流値を元に戻すステップ、を実行させる電磁石の制御プログラム。
4. 請求項１に記載の電磁石の制御装置を備え、
   前記温度検出値は、荷電粒子線の軌道を制御する前記電磁石の電磁石温度であり、
   前記電磁石温度の前記温度検出値が前記第１閾値を超えた場合、前記制御シーケンスで規定された前記荷電粒子線の照射も一時停止させる粒子線照射装置。

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