JP7319144B2 - 円形加速器および粒子線治療システム、円形加速器の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、円形加速器および粒子線治療システム、円形加速器の作動方法に関わる。

非特許文献１には小型の陽子線治療システムの一部としての小型超伝導シンクロサイクロトロンについて記載されている。

W. Kleeven, "The IBA Superconducting Synchrocyclotron Project S2C2", Proceedings of Cyclotrons 2013

荷電粒子を加速してビームを生成する円形加速器の用途の一つとして、がん治療法の一つである粒子線治療システムがあげられる。

粒子線治療システムでは、陽子や炭素イオンなどの荷電粒子ビームを患部に照射する。このような粒子線治療に用いる粒子線治療システムでは、荷電粒子ビームのエネルギーや空間的な広がりを調整し、患部形状に合わせた線量分布を形成している。

粒子線治療システムには、円形加速器の他に、ビーム輸送系や照射装置、制御装置が含まれる。粒子線治療に用いられる円形加速器には、シンクロトロンやサイクロトロン、シンクロサイクロトロンなどが挙げられる。

ここで、円形加速器の小型化によって粒子線治療システムの小型化が実現される。そのための一つの手段に、荷電粒子ビームを偏向するための電磁石として超伝導磁石を用いる方法がある。この超伝導電磁石を適用した加速器の一例として、非特許文献１に記載されたようなシンクロサイクロトロンがある。

シンクロサイクロトロンでは、超伝導コイルによって形成された静磁場中を粒子ビームが周回し、粒子ビームの周回に同期した高周波加速電場によって加速される。シンクロサイクロトロンにおいては、ビームの周回周波数が加速に伴って減少していくため、高周波加速電場の周波数を周回周波数に合わせて変調させる必要がある。シンクロサイクロトロン中のビームの水平面内軌道はエネルギー毎に同心円状となり、設計の最大エネルギーに達したビームが出射チャネルより取り出される。

非特許文献１に記載のシンクロサイクロトロンでは、設計の最大エネルギーに達したビームは、リジェネレータという磁場再生器によって出射される。このとき加速周波数の変調パターンは短い加速周期を繰り返しているため、短いパルス状のビームが間欠的に出射される。

出射ビームの時間構造や電荷量は、イオン源からの入射電荷量や高周波加速電場の時間変動による影響を受ける。

ここで、加速器から出射されたビームを患部形状に合わせた線量分布に形成する方法の一つとして、スキャニング照射法が知られている。スキャニング照射法では、走査電磁石を用いてビームを走査することで線量分布を形成する。

また、粒子線治療において用いられるスキャニング照射法では、要求される線量を患部へ過不足なく照射するため、照射スポット毎に高精度な線量制御が求められる。

このようなスキャニング照射法を非特許文献１に記載されたようなシンクロサイクロトロンからの出射ビームを用いて実施しようとしても、イオン源からの入射電荷量や高周波加速電場の時間的な変動の影響を受けるパルスビームを用いることになるため、高精度な線量制御を実施するのは困難である、との課題があることが本発明者らの鋭意検討により明らかとなった。

このように、シンクロサイクロトロン型の加速器においても、出射ビームをより高精度に制御することが望まれている。

これに対し、シンクロサイクロトロンにおいて予め入射電荷量を装置の能力に対して小さくすることによって出射ビームの電荷量を抑制し、複数パルスビームによって一つの照射スポットの線量を照射する方法も考えられる。しかしながら、時間あたりに照射可能な線量が低下するため、治療システムであれば治療時間の長大化につながることから、この手法は採用することは困難である。

本発明は上述のような課題に鑑みなされたものであって、従来に比べて出射線量を高精度に制御し、時間あたりの出射線量（線量率）の向上を可能とした、静磁場中で軌道半径を増加させながらビーム加速する円形加速器および粒子線治療システム、円形加速器の作動方法を提供することを目的とする。

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、静磁場、および周波数変調した高周波加速電場を用いてビームを加速する円形加速器であって、前記円形加速器から出射されるビームのエネルギーと前記円形加速器から出射されるビーム量とに応じて、前記円形加速器で加速するビーム量を制御することを特徴とする。

本発明によれば、静磁場中で軌道半径を増加させながらビーム加速する円形加速器において、従来に比べて出射線量を高精度に制御し、線量率の向上を実現することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１の円形加速器の外観図である。 実施例１の円形加速器の断面図である。 図２のＡ－Ａ’矢視図である。 実施例１の円形加速器のエネルギー毎の軌道を示す図である。 実施例１の円形加速器における高周波キッカの断面図である。 実施例１の円形加速器における高周波キッカの外観図である。 図２のＢ－Ｂ’矢視図である。 図５の直線ｒ上における静磁場分布を示す図である。 実施例１の円形加速器の運転パターンの一例を示す図である。 実施例１の円形加速器における必要な入射ビーム量、あるいは加速ビーム量を求めるためのパターンファイルの概要の一例を示す図である。 実施例１の円形加速器における必要な入射ビーム量、あるいは加速ビーム量を求めるための変換テーブルの概要の一例を示す図である。 実施例１の円形加速器における必要な入射ビーム量、あるいは加速ビーム量を求める流れの一例を示すフローチャートである。 本発明の実施例２の粒子線治療システムの全体構成図である。 実施例２の粒子線治療システムの他の一例の斜視図である。 実施例２の粒子線治療システムにおける照射制御フローである。

以下に本発明の円形加速器および粒子線治療システム、円形加速器の運転方法の実施例を、図面を用いて説明する。

＜実施例１＞
本発明の円形加速器および円形加速器の運転方法の実施例１について図１乃至図１２を用いて説明する。

図１に、円形加速器３０の外観図を示す。

図１に示すように、本実施例の円形加速器３０は、一定強度の主磁場中を時間的に周波数変調した高周波電場によってイオンを加速するものであり、その取出しビームのエネルギーは、例えば７０［ＭｅＶ］－２３５［ＭｅＶ］と可変となっている。

円形加速器３０は、上下方向に分割可能な主電磁石４０によってその外殻が形成されており、主電磁石４０内部のビーム加速領域は真空に保たれている。

主電磁石４０の上部にはイオン源５３が設置されており、低エネルギービーム輸送系５４を通してビームが円形加速器３０内部に入射される。イオン源５３としては、マイクロ波イオン源やＥＣＲイオン源などを適用できる。図１に示すように外部からイオンを入射する場合は、例えば静電インフレクタ５５を通じてビーム加速領域へ入射される。

なお、イオン源は、主電磁石４０内部の真空引きされたビーム加速領域内部に配置しても良く、その場合はＰＩＧ（Ｐｅｎｎｉｎｇ 又は Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｇａｕｇｅ）型イオン源などが好適である。

イオン源５３で生成されたビームは、低エネルギービーム輸送系５４を経由し、主磁極３８（図３参照）の中心付近に設けられた入射点５２（図２参照）より主電磁石４０内部のビームを加速するビーム加速領域に入射される。

また、円形加速器３０の外周部側には、入力カプラ２０と、回転コンデンサ３１と、加速高周波電源２１と、が設けられている。円形加速器３０は、この回転コンデンサ３１を用いて、高周波加速電圧を周波数変調する。

図２に円形加速器３０の中心平面による断面図を、図３に円形加速器３０の鉛直方向の断面図（図２のＡ－Ａ’矢視図）を示す。

図２および図３に示すように、主電磁石４０は、主磁極３８、ヨーク４１、メインコイル４２から構成される。

ヨーク４１は、主電磁石４０の外観を形成しており、内部におよそ円筒状の領域を構成する。

メインコイル４２は、円環状のコイルであり、ヨーク４１の内壁に沿って設置されている。メインコイル４２は超伝導コイルであり、メインコイル４２の周囲に設置されたクライオスタット６０により冷却される。

メインコイル４２の内周側には主磁極３８が上下対向して設置されている。通電したメインコイル４２および主磁極３８により形成される磁場を主磁場（静磁場）と呼称する。

ヨーク４１には貫通孔が複数設けられている。そのうち、加速されたビームを出射するためのビーム用貫通孔４６、ヨーク４１内部の種々のコイル導体を外部に引き出すためのコイル用貫通孔４８、真空引き用貫通孔４９、および高周波加速空胴１０のための高周波系用貫通孔５０がヨーク４１の接続面に設けられている。

高周波加速空胴１０はλ／２共振型空胴であり、ディー電極１２、ダミーディー電極１３、内導体１４、外導体１５、入力カプラ２０、加速高周波電源２１、回転コンデンサ３１などより成る。

ディー電極１２は、Ｄ字型の中空電極であり、内導体１４とつながっている。ダミーディー電極１３は、内導体１４を外包する外導体１５とつながる電極であり、接地電位となる。ダミーディー電極１３は、ディー電極１２との間に加速間隙１１を形成する。

このような高周波加速空胴１０では、加速高周波電源２１より入力カプラ２０に電力が供給され、入力カプラ２０を通して外部より内導体１４に対して高周波電力が供給される。これにより、ディー電極１２とダミーディー電極１３との間の加速間隙１１にビームを加速するための高周波加速電圧が印加され、高周波電場が発生する。

固定電極３３は、内導体１４上に形成されている。固定電極３３と対向する回転電極３４は外導体１５に隣り合い、外導体１５とは物理的に接続されていないが、外導体１５と静電容量を介して電気的に接続されている。なお、固定電極３３を外導体１５上に形成し、回転電極３４を内導体１４に静電結合させる構成とすることができる。

回転コンデンサ３１では、回転電極３４をモータ３２で回転させることで固定電極３３と回転電極３４との対向部の面積を変化させ、固定電極３３との間に形成される静電容量を時間的に変動させる。静電容量を時間的に変動させることで、高周波加速空胴１０の共振周波数を変え、周波数変調パターンを形成している。回転コンデンサ３１によって周波数変調された加速電圧が、ディー電極１２とダミーディー電極１３との間の加速間隙１１に発生する。

図２に示した加速間隙１１は、ハーモニクス数が１の場合、即ち周回周波数と加速周波数とが同じ場合を示している。加速間隙１１の形状は、ビームの軌道形状に応じて形成される。

ここで、円形加速器３０において入射されてから出射するまでのビーム挙動について説明する。

イオン源５３から入射されたビームは、加速間隙１１に発生した高周波電場で加速され、エネルギーを増しながら主磁場中を周回する。ビームは加速に伴って軌道の曲率半径を増し、螺旋状の軌道を形成する。ここで、ビーム加速領域内において、ビームが加速開始されて最大エネルギーになるまでに通る軌道を周回軌道と呼称する。

周回軌道のうち、最大エネルギーのビームが通過する軌道を最大エネルギー軌道８０と呼称し、円形加速器３０から出射できる最低エネルギー（例えば、７０［ＭｅＶ］）のビームが通過する軌道を最低出射エネルギー軌道８１と呼称し、周回軌道が螺旋を描く面を軌道面と呼称する。

加速領域の中心を原点とする軌道面の２次元極座標系としたときの中心からの半径外側方向の軸をｒ軸とする。主磁場は、下記の式（１）で表されるｎ値が０より大きく、かつ１未満となるビーム安定化条件を満たす。

式（１）中、ρは設計軌道の偏向半径、Ｂは磁場強度、∂Ｂ／∂ｒはｒ方向の磁場勾配である。

このとき設計軌道から径方向に微小にずれたビームは設計軌道に戻るような復元力を受ける。これと同時に、軌道面に対して鉛直な方向にずれたビームも軌道面に戻す方向に主磁場から復元力を受ける。この振動をベータトロン振動、この振動の振動数をベータトロン振動数という。

ビームは設計軌道の近傍をベータトロン振動し、ビームを安定に周回・加速できるように、主磁場の∂Ｂ／∂ｒが設計される。

また、周回一周あたりの振動数をチューンといい、周回一周あたりの軌道面外側へのビームのｒ軸上変位をターンセパレーションという。

また、周回するビームにおいては、軌道面内かつビームの軌道と直交する方向のベータトロン振動を水平方向のベータトロン振動、チューンを水平方向チューンという。

ベータトロン振動は、適切な高周波電圧を印加すると、共鳴によって振幅が増大する。また、全エネルギーのビームで、軌道面内に平行、かつ軌道と直交する方向のベータトロン振動数（水平方向チューン）νｒは１に近い値に設定される。

上述の主磁場分布は、主磁極３８、および主磁極３８の表面に設置するトリムコイルや磁極片によって形成する。これら主磁場分布を形成する構成要素は、軌道平面に対し対称に配置するため、主磁場は軌道平面上においては、軌道平面と垂直な方向の磁場成分のみを持つ。

更に、本実施例の円形加速器３０では、ビームエネルギーを７０［ＭｅＶ］から２３５［ＭｅＶ］の間で任意に変えて加速器より出射できるようにするため、ビーム軌道をビーム出射経路入口８２の側に偏芯させる、すなわち、加速するビームの入射点５２と最大エネルギー軌道の中心８０Ａとの位置が異なるように主磁場が形成される。

図２に示すように、入射点５２は回転コンデンサ３１の回転軸と加速領域の円の中心を通る線である中心線の上で、加速領域の中心よりもビーム出射経路入口８２側に配置されている。

図４に各エネルギーの軌道を示し、偏芯軌道の実現方法を説明する。

図４に示すように、回軌道は最大エネルギー２３５［ＭｅＶ］から磁気剛性率０．０４［Ｔｍ］おきに５０種類のエネルギーの軌道を実線で示している。点線は各軌道の同一の周回位相を結んだ線であり、等周回位相線と呼ぶ。等周回位相線は集約領域から周回位相π／２０ごとにプロットしている。

図２に示した、ディー電極１２と対向するダミーディー電極１３との間に形成される加速間隙１１は、等周回位相線に沿って設置される。より具体的には、ディー電極１２は同心軌道の中心付近を先端とし、半径が等周回位相線に沿う、扇形のような中空の形状をしている。また、ダミーディー電極１３は、ディー電極１２に対向する形状をしている。

本実施例の円形加速器３０では、ビームのエネルギーが低い領域では、サイクロトロン同様にイオンの入射点５２付近を中心とする同心軌道に近くなる。その後、より大きなエネルギーの軌道はビーム出射経路入口８２の付近で密に集約しており、逆に内導体１４の付近では各エネルギーの軌道が互いに離れた位置関係にある。この軌道が密に集まっている点を集約領域、離散した領域を離散領域と呼ぶ。

このような軌道配置とし、集約領域付近からビームを取出すことで、必要となるビームキック量を小さくでき、エネルギー可変のビーム出射を従来のシンクロサイクロトロンに比べて容易に行うことができる。

上記のような軌道構成と軌道周辺での安定な振動を生じさせるために、本実施例の加速器では、径方向外周側に行くにつれ主磁場が小さくなる分布を、主磁極３８の形状と、その表面に設置するトリムコイルや磁極片により形成する。また、設計軌道に沿った線上では主磁場は一定値である。よって、設計軌道は円形となる。

次にビームの出射方法について説明する。本実施例の円形加速器３０では、出射エネルギーに適したビームに対して出射用高周波電場を印加してビームを出射するための機器として、すべての出射エネルギーのビーム軌道が集約している集約領域付近に設置する高周波キッカ７０と、その両脇に配置するピーラー磁場領域４４、リジェネレータ磁場領域４５、そしてセプタムコイル４３と高エネルギービーム輸送系４７を用いる。

加速されたビームは、ビーム出射経路入口８２から、加速領域の外に出射され、高エネルギービーム輸送系４７を介して、ビームの使用先へと輸送される。

セプタムコイル４３は、このビーム出射経路入口８２に配置される。セプタムコイル４３は、ビーム進行方向に２つ以上配置してもよい。

主電磁石４０の内部から外部へ出射ビームを輸送するための高エネルギービーム輸送系４７が、セプタムコイル４３に続き、ビーム用貫通孔４６を通って、主電磁石４０の外部にかけて配置されている。

高周波キッカ７０は、通過する周回ビームに高周波電圧を印加する機器である。

図５に、高周波キッカ７０の断面構成を示す。図６に、図５中Ｃの方向より高周波キッカ７０を見た鳥瞰図を示す。

高周波キッカ７０は、接地電極７１、突起部７３、および高圧電極７２で構成される。

接地電極７１および高圧電極７２の両電極は、最大エネルギー軌道８０と最低出射エネルギー軌道８１とを挟むように配置される。

かつ、それぞれの軌道と軌道面内で直交する方向と近い向きに高周波電場が作用するように、接地電極７１と高圧電極７２との形状が定められる。すなわち、接地電極７１は最低出射エネルギー軌道８１のカーブにおおよそ平行な形状に定め、高圧電極７２は最大エネルギー軌道８０のカーブにおおよそ平行な形状に定める。

高圧電極７２は、高周波電圧が印加されることから、絶縁支持されている。

円筒状の加速領域の中で、ビームは当該円筒の高さ方向真ん中付近に軌道平面を描く。接地電極７１、および高圧電極７２は共にビームが通過する軌道平面付近に通過孔を有する。この通過孔は、ビームのベータトロン振動による拡がりを考慮して、ビーム衝突が起きない程度の広さがよい。本実施例の高周波キッカ７０は、図５に示すように端面が開いた形状であるが、ビーム通過孔を除いて端面を接地電極で閉塞し、共振器構造とすることもできる。

高周波キッカ７０は、最大エネルギー軌道８０から最低出射エネルギー軌道８１までのすべての出射エネルギーの軌道上に配置するのであればどこでもよいが、例えば図２に示すようにビーム出射経路入口８２の近辺に配置する。

突起部７３は金属製の板であり、接地電極７１に取り付けられている。この突起部７３により、接地電極７１と高圧電極７２との間に生じる高周波電場の集中を高めることができる。なお、突起部７３は省略することができる。

セプタムコイル４３は、ビームを水平方向外周側に偏向するためのコイルであり、図２のＢ－Ｂ’矢視図である図７に示すように、コイル導体４３Ａとコイル導体４３Ｂとを有する。セプタムコイル４３は、加速領域とコイル導体４３Ａを隔てて接している。

コイル導体４３Ａ，４３Ｂに電流を流すことにより、セプタムコイル４３内部には、ビームの周回軌道に対して鉛直方向の磁場が発生する。この磁場により、セプタムコイル４３内部に進行したビームは偏向され、高エネルギービーム輸送系４７へと輸送される。

なお、セプタムコイル４３は、鉄心などの磁性体コアを備えるものであってもよい。また、セプタムコイル４３は、コイルを用いずに磁性体や永久磁石のみを用いた構成で代替することもできる。

また、主電磁石４０の内部には、二極磁場や多極磁場からなる擾乱磁場であるピーラー磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とが形成される。

上述のように、ビーム出射には、高周波キッカ７０、ピーラー磁場領域４４、リジェネレータ磁場領域４５、セプタムコイル４３、および高エネルギービーム輸送系４７を用いる。

ビームが特定の出射エネルギーまで加速されると、加速間隙１１にビームを加速するための高周波加速電圧が停止され、ビームは、最大エネルギー軌道８０などの特定のエネルギーの周回軌道上を周回する。

そして、周回軌道上に設置され、高周波を印加する高周波キッカ７０にビームが入ると、高周波電圧が印加され、ビームのベータトロン振動振幅が増大する。

ベータトロン振動振幅が増大したビームは、やがて、最大エネルギー軌道８０の外周側に、最大エネルギー軌道８０からある距離を置いて設置されたピーラー磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とに到達する。

ピーラー磁場領域４４に到達したビームは軌道面の外周側にキックされ、リジェネレータ磁場領域４５に到達したビームは軌道面内周側にキックされる。

ピーラー磁場領域４４の四極磁場成分によるキックで、ビームは、さらにベータトロン振動振幅を増大させ、ターンセパレーションは増大していく。

同時に、リジェネレータ磁場領域４５の磁場により、ビームの水平方向チューンが急激に変動しないようにしておき、ビームが出射されるまでの間に、水平方向と９０度直交する垂直方向にベータトロン振動が発散してビームが失われるのを防ぐ。

十分なターンセパレーションが得られると、セプタムコイル４３にビームが入り、軌道面外側にキックされ、高エネルギービーム輸送系４７を通り、円形加速器３０の外側に出射される。

ターンセパレーションの増大幅は、高周波キッカ７０によるものより、ピーラー磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とによるもののほうがはるかに大きい。そのため、高周波キッカ７０により印加する高周波電圧を調整することで、出射エネルギーに達したビームのうち、ピーラー磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とに到達するビームの量を調整することができる。

この結果、高周波キッカ７０への高周波印加をビーム出射途中で停止することで、ピーラー磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とにビームが到達しなくなり、円形加速器３０からのビーム出射を中断できるようになる。すなわち、高周波キッカ７０に印加を再開することでビームの出射の再開も可能となる。

また、高周波キッカ７０に印加する電圧の強さや高周波の振幅、位相、周波数のいずれかを制御することで、円形加速器３０から出射するビームの強さを制御することができる。

ここで、ピーラー磁場領域４４と、リジェネレータ磁場領域４５は、ビームに作用する多極磁場が存在する領域である。この多極磁場には少なくとも４極磁場成分が含まれ、４極以上の多極磁場、あるいは２極磁場が含まれていてもよい。

ピーラー磁場領域４４では、径方向外周側に向かって主磁場を弱める方向の磁場勾配となっており、リジェネレータ磁場領域４５では逆に径方向外周側に向かって主磁場を強める方向の磁場勾配とする。

なお、ピーラー磁場領域４４としては、磁極端部の主磁場が減少する領域を利用することもできる。

ピーラー磁場領域４４と、リジェネレータ磁場領域４５は、最大エネルギー軌道８０の外周側に、ビーム出射経路入口８２を挟んである方位角領域にそれぞれ配置される。

また、高周波キッカ７０によりベータトロン振動振幅が増大される前にピーラー磁場領域４４またはリジェネレータ磁場領域４５にビームが進行しないよう、ピーラー磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とは、最大エネルギー軌道８０からベータトロン振動の共鳴前の振幅分よりも大きい幅を空けて外周側に配置されることが望ましい。

また、ビーム進行方向に対して上流側にピーラー磁場領域４４、下流側にリジェネレータ磁場領域４５が配置されることが望ましいが、その逆とすることもできる。

なお、図２では、ピーラー磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とを１つずつ設けているが、それぞれ、主磁場中に複数箇所に設けてもよい。

ピーラー磁場領域４４およびリジェネレータ磁場領域４５の近辺には、磁性体製の複数の磁極片かコイル、あるいはその両者が非磁性材にて固定配置され、所望の多極磁場を形成する。

たとえば、ピーラー磁場領域４４およびリジェネレータ磁場領域４５のそれぞれについて、複数の磁極片で多極磁場を、コイルで２極磁場を形成する。複数の磁極片とコイルは、近接配置させることも、空間的に離れた場所に配置することもできる。

図７に、図２のＢ－Ｂ’矢視図であるリジェネレータ磁場領域４５の磁極片配置例を示す。磁極片としては、リジェネレータ磁場領域４５に磁場勾配を発生させる磁場勾配用金属片３６と、磁場勾配用金属片３６が最大エネルギー軌道８０の内周側に発生させる不要磁場を打ち消すための磁場補正用金属片３７と、を用いる。

また、図５ではリジェネレータ磁場領域４５を例に説明したが、ピーラー磁場領域４４についても、ピーラー磁場領域４４も磁場勾配を発生させる磁場勾配用金属片３６と、磁場勾配用金属片３６が最大エネルギー軌道８０の内周側に発生させる不要磁場を打ち消すための磁場補正用金属片３７と、を用いる。

図８に、図５中ｒ軸上の主磁場の分布を示す。

図８に示すように、最大エネルギー軌道８０までは、磁場勾配∂Ｂ／∂ｒがわずかに下がっており、式（１）のｎ値が安定化条件を満たし、ビームが安定に周回する。その後、リジェネレータ磁場領域４５では、磁場勾配が急激に上昇しており、ビームが安定せず、軌道面内周側にキックされる。また、ピーラー磁場領域４４では、リジェネレータ磁場領域４５とは逆に、磁場勾配が急激に下降しており、ビームは安定せずに軌道面外周側にキックされる。

なお、高周波キッカ７０によるベータトロン振動振幅の増大幅は、ピーラー磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とによるベータトロン振動振幅の増大幅よりも小さいが、ピーラー磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とを設けなくても、高周波キッカ７０によるベータトロン振動振幅の増大効果により、ビームの出射は可能である。すなわち、ピーラー磁場領域４４やリジェネレータ磁場領域４５は少なくともいずれか一方は省略することができる。

図９は、ビームの出射手順について説明する図である。図９（ａ）は、高周波加速空胴１０の共振周波数ｆ_ｃａｖと高周波キッカ７０によりビームに印加される高周波電場の周波数である高周波キッカ周波数ｆ_ｅｖｔと、時刻Ｔとの関係を表すグラフである。図９（ｂ）は、加速間隙１１に発生する加速電圧Ｖ_ａｃｃと高周波キッカ７０に印加される高周波キッカ電圧Ｖ_ｅｘｔと、時刻Ｔとの関係を表すグラフである。図９（ｃ）および図９（ｄ）は、入射するビームの電流と出射するビームの電流と、時刻Ｔとの関係を表すグラフである。

１加速周期は、加速電圧Ｖ_ａｃｃの立ち上がり（時刻Ｔ１）から始まる。その後、加速電圧Ｖ_ａｃｃが十分に上がると、イオン源５３よりビームが入射される（時刻Ｔ２）。ビームが入射してから時間ｔ_１経過後にビームの高周波捕獲が終了する。捕獲されたビーム、すなわち入射されたビームのうち加速の準備が整ったビームが加速電圧Ｖ_ａｃｃにより加速され始める（時刻Ｔ３）。

加速したビームが所望のエネルギーに達したタイミングで加速高周波電圧Ｖ_ａｃｃの遮断を開始する（時刻Ｔ４）と、ビームの加速が中断され、それから時間ｔ_２が経過すると加速高周波電圧Ｖ_ａｃｃがＯＦＦ状態となる。

それと同時に、高周波キッカ７０へ高周波電圧Ｖ_ｅｘｔの印加が開始される（時刻Ｔ５）ことで、その所望のエネルギーのビームのベータトロン振動の振幅が高周波キッカ７０により増大される。やがて、そのビームがピーラー磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とに到達し、出射される。

なお、高周波キッカ７０へ高周波電圧Ｖ_ｅｘｔの印加開始（時刻Ｔ５）は、加速高周波電圧Ｖ_ａｃｃがＯＦＦ状態となるのと厳密に同時でなくてもよい。例えば、高周波電圧Ｖ_ｅｘｔの印加開始は、加速高周波の遮断開始（時刻Ｔ４）の直前や同時、直後でもよいし、加速高周波電圧Ｖ_ａｃｃがＯＦＦ状態の直前や直後とすることもできる。

高周波キッカ７０の高周波電圧は、高周波キッカ７０が共振器構造でなく、静電容量が適切な値となるように設計されていれば、数μｓｅｃの応答で素早く立ち上がる。

ここで、ベータトロン振動は、チューン又はチューンの小数部のいずれか一方とビームの周回周波数との積が、印加される高周波電圧の周波数と略同一であるとき、振幅が共鳴的に増大する性質をもつ。そこで、高周波キッカ７０に印加する高周波電圧の周波数ｆ_ｅｘｔは、出射エネルギービームの水平方向チューンνｒの小数部Δνｒと、出射エネルギービームの周回周波数ｆ_ｒｅｖとの積Δνｒ×ｆ_ｒｅｖと略同一となるようにしておく。その結果、水平方向ベータトロン振動の振幅は共鳴的に増大し続け、やがてピーラー磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５にビームが到達する（時刻Ｔ６）。

なお、周波電圧の周波数ｆ_ｅｘｔは、最大エネルギービームの水平方向チューンと、最大エネルギービームの周回周波数との積と等しくなるようにしてもよい。

ビームは、ピーラー磁場領域４４を通過すると外周側にキックされ、リジェネレータ磁場領域４５を通過すると逆に内周側にキックされる。ピーラー磁場領域４４、リジェネレータ磁場領域４５共に径方向に磁場勾配を有するので、複数回ビームが周回するうちに、キック量が次第に増えていき、ターンセパレーションが増大する。つまり、２νｒ＝２のベータトロン振動の共鳴条件を利用することで、ターンセパレーションを増大させることができる。

やがてビーム出射経路入口８２に設置されているセプタムコイル４３のうち、内周側に設置されるコイル導体４３Ａの厚みを大きく超えるターンセパレーションが得られるようになると、ビームはセプタムコイル４３内部へと導かれ、十分な偏向を受けて高エネルギービーム輸送系４７へ導かれ、出射される。

ここで、セプタムコイル４３、および高エネルギービーム輸送系４７に配置する光学パラメータ調整用のコイルは、出射するビームエネルギーに応じて励磁電流を変える必要がある。よってこれらのコイルについては、空芯構造か積層鋼板コアを用い、１ターンから数ターン程度のコイルにパルス通電する構成とすることが望ましい。また、セプタムコイル４３は、ビーム進行方向に２つ以上に分割して配置してもよい。

なお、高周波キッカ７０へ高周波電圧印加を開始した直後（時刻Ｔ５）は、可能な限り大きな高周波電圧を印加し、ビームの振幅を素早く増大させることで、ビーム出射までの時間を短縮できる。

そして、ビームがピーラー磁場領域４４またはリジェネレータ磁場領域４５に到達する直前（時刻Ｔ６）に高周波電圧を低下させ、ピーラー磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とに進行するビームの量を調整することで、ビーム出射電流を細かく制御することができる。

高周波電圧Ｖ_ｅｘｔを低下させるかわりに、高周波キッカ７０に印加する高周波の周波数をスイープする、あるいは当該高周波の位相を変えることでも、ビームの出射電流を変えることができる。これは、ビームに含まれる荷電粒子のベータトロン振動数が、ある分布をもってばらついているという性質（チューンスプレッド）を利用している。このように、高周波の周波数を変えることにより、共鳴を起こす荷電粒子の振動数の分布のどの帯域に合わせるかで、ビームの出射電流を変えることができる。また、高周波電圧Ｖ_ａｃｃを低下させるかわりに、遮断してもよい。

その後、ビームの出射開始（時刻Ｔ６）から時間ｔ_４の経過後に高周波キッカ７０へ高周波電圧Ｖ_ｅｘｔの印加を停止することで、ビームの出射を停止させる（時刻Ｔ７）。この時間ｔ_４を調整することでビームの出射時間を制御することができる。

このように、高周波キッカ７０に引加する高周波電圧を制御することで、ビーム出射電流を調整することができ、当該高周波電圧を印加停止すればビーム出射を停めることができるので、スキャニング照射で要求されるスポット線量を、１回の出射パルスビームで過不足なく照射することができ、線量率が向上する。

例えば、図９に示すようにビームの出射開始（時刻Ｔ６）から時間ｔ_４’経過後まで高周波キッカ７０への高周波電圧Ｖ_ｅｘｔの印加を続ければ、図９（ｃ）に示すように、時刻Ｔ７’までビームを出射することができる。

また、出射後に加速器内に周回するビームが残存していれば、当該高周波電圧Ｖ_ｅｘｔを再び印加することで、図９（ｃ）に示すようにビーム出射を再開でき（時刻Ｔ８）、再びビームを入射・捕獲・加速することなしに次のスポット照射に用いることができる。すなわち、１加速周期内に複数回ビームを出射することができるので、イオン源５３より入射された電荷を無駄なく使用できるため、線量率がさらに向上する。

そして、再び、加速電圧Ｖ_ａｃｃが立ち上がり始めれば、新たな加速周期が始まる（時刻Ｔ１０）。

図９（ｄ）は、時刻Ｔ８においてビームを再出射する必要がない場合の、入射ビームの電流および出射ビームの電流と、時刻Ｔとの関係を表すグラフである。

本実施例の円形加速器３０では、要求されている出射ビーム量が１加速周期で加速できるか否かを判定する。そして１加速周期中に加速されたビームを用いて要求される出射ビーム量が照射可能と予測される場合は、図９（ｄ）に示すように、予め入射するビームの電荷量を抑制する、あるいは加速するビームの電荷量を抑制することで、出射後に加速器内を周回する残存ビームを限りなく減らすことができる。この結果、加速されたビームを破棄もしくは減速するための時間が必要なくなり、線量率が向上する。

これに対し、要求されている出射ビーム量が１加速周期で加速できない量であると判定されたときは、最後の加速周期以外は図９（ｃ）に示すように最大限のビームを加速するように制御する。そのうえで、最後の加速周期は、要求されている出射ビーム量となるよう、図９（ｄ）に示すように、予め入射するビームの電荷量を抑制する、あるいは加速するビームの電荷量を抑制する。

また、要求されている出射ビームの量は、要求されている出射ビームのエネルギー毎に出射ビーム量の和を取ることで計算することが望ましい。また、加速中に失われるビームの量を考慮してエネルギー毎に必要な入射ビーム量（入射量ともいう）、あるいは加速ビーム量を計算することが望ましい。

要求されている出射ビーム量の求め方の一例について、後述する粒子線治療システムにおいてスポットスキャニング照射を実施する場合を例に説明する。図１０および図１１は必要な入射ビーム量、あるいは加速ビーム量を求めるためのファイルの概要の一例を示す図、図１２は必要な入射ビーム量、あるいは加速ビーム量を求める処理の流れの一例を示すフローチャートである。

必要な入射ビーム量、あるいは加速ビーム量を求めるためのファイルは、後述する治療制御装置９１，１９１内の記憶装置にデータとして格納され、治療制御装置９１，１９１により制御処理が実行される場合を例に説明するが、加速器制御装置９３、１９１Aや他の制御装置にデータが格納され、制御処理が実行されてもよい。

例えば、図１０は、各照射スポットごとの、照射エネルギーとｘ，ｙ座標とにより表現されたスポット３次元位置、そのスポット３次元位置に対する照射量が記憶されたパターンファイル（照射パターンデータともいう）２００である。パターンファイル２００は、治療計画プログラムによりあらかじめ作成される。図１０は、スポット３次元位置と照射量との対応関係を示しているが、これは一例であり、照射量を出射ビーム量と読み替えてもよい。

図１１は、照射エネルギーごとに、照射量とその照射量を得るのに必要な入射量との対応関係を示す変換テーブル３０２である。図１１は、照射量と入射量との対応関係を示しているが、これは一例であり、照射量を出射ビーム量と読み替えてもよく、入射量を加速ビーム量と読み替えてもよい。

図１２に示すように、治療制御装置９１，１９１は、パターンファイル２００を参照し、エネルギー毎に照射量の和を取る（ステップＳ１０２）。たとえば図１０の場合、治療制御装置９１，１９１は、エネルギーが７０の照射スポットＮｏ．１と２と３の照射量の和０．０４を取り、他のエネルギーについても同様に繰り返す。

次いで、治療制御装置９１，１９１は、変換テーブル３０２を参照し、照射量からエネルギー毎に必要な入射量を計算する（ステップＳ１０４）。たとえば、図１０の場合、エネルギーが７０［ＭｅＶ］の変換テーブル３０２を参照し、照射量０．０４に対応する入射量を求める。

なお、ステップＳ１０４で参照するものは図１１に示すような変換テーブルに限られず、照射量と必要入射・加速電荷量との関係を示した関数や入射・加速電荷量と出射電荷量の相関を示したルックアップテーブルを用いることができる。更に、出射されたビームの電流値を計測し、フィードバック制御によって入射ビーム量や加速ビーム量を抑制することもできる。

次いで、本実施例の円形加速器３０において、入射ビーム量、あるいは加速ビーム量を制御するための方法の詳細について説明する。

まず、入射ビーム量を抑制する方法としては、以下のような方法が挙げられる。しかし、これらは一例である。

入射ビーム量を制御する一つ目の方法は、時刻Ｔ３以前に、イオン源５３での荷電粒子の発生量を抑えるように制御する方法である。この方法は、より具体的には、イオン源５３中でのイオン化用の電流値を絞る、イオン源５３に供給する原料ガスの流量を調整する、などの方法である。

入射ビーム量を制御する二つ目の方法は、静電インフレクタ５５を制御する方法である。例えば、静電インフレクタ５５に印加する電圧値を制御する方法がある。この方法は、図１に示すような外部イオン源を用いる場合に好適に採用し得る。

入射ビーム量を制御する三つ目の方法は、図２に示したようなチョッパー電極５６を制御する方法である。この方法は、連続的に出力されるビームを間引くことで入射ビーム量を制御する方法であるため、上述したイオン源５３や静電インフレクタ５５を制御する方法に比べてアクティブに制御することができる。

また、加速ビーム量を抑制する方法には、上述した３つの例で示したような入射するビーム量を調整する以外に、以下のような方法が挙げられる。

例えば、高周波加速電場を制御する方法がある。具体的には、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３の間に印加する加速高周波電圧Ｖ_ａｃｃの立ち上がりを、図９（ｂ）の「Ａ」に示す通常の立ち上がりに比べ、「Ｂ」に示すように急にする方法がある。

この方法によれば、ビームのエネルギーと加速高周波電圧との位相差に関する振動（シンクロトロン振動）の安定領域である高周波バケットの面積を制御することで加速ビーム量が調整される。すなわち、ある意味でビームの加速領域に入射されるビームの量が調整される。

次に、本実施例の効果について説明する。

上述した本発明の実施例１の円形加速器３０やその運転方法は、静磁場、および周波数変調した高周波加速電場を用いてビームを加速するものであって、円形加速器３０から出射されるビームのエネルギー毎の出射ビーム量に応じて、円形加速器３０への入射ビーム量、あるいは円形加速器３０における加速ビーム量を制御し、好適には加速したビームに出射用高周波電場を印加してビームを出射する。

従来の円形加速器では、ビームは最大エネルギーに達したのち、出射電荷量の制御がなされることなく全て出射されていた。また、イオン源におけるイオン生成量の時間変動や、加速高周波電場の時間的な安定性などにより、出射するビーム電荷量がパルスごとにばらついていた。

これに対し、本実施例のように入射ビーム量、あるいは加速ビーム量を制御することによって、要求される出射ビーム量に対して過不足することなくビームを加速し、出射させることができる。このため、時間当たりの出射ビーム量を減らすことなく、出射ビームを従来のシンクロサイクロトロンに対して高精度に制御することができる。

そして、本実施例の円形加速器３０では、高周波キッカ７０での高周波印加を途中で停止することで、ピーラー磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とにビームが到達しなくなり、ビームの円形加速器３０から出射の中断ができ、高周波キッカ７０に印加を再開することで、再びビームを入射・捕獲・加速することなしにビームの出射の再開もできる。

また、高周波キッカ７０に印加する電圧の強さや高周波の振幅、位相、周波数のいずれかを制御することで、円形加速器３０から出射するビームの強さを制御することができる。さらに、高周波キッカ７０に印加する電圧を調整することで、ビームの安定性に影響する要因を吸収し、安定したビームを出射することができる。

このように、これらのビームの安定性に影響する要因を吸収し、出射ビームの電荷量を高精度に制御することができる。

また、加速するビームの入射点５２と最大エネルギー軌道の中心８０Ａとの位置が異なるため、ディグレーダ不要で可変エネルギーのビーム出射ができる。したがって、取出し時に失われるビーム電流値を最小限に留めることができ、ビーム利用効率を従来の加速器に比べて高めることができる。また、電気的に出射エネルギーを変更できるため、ディグレーダを機械的に移動する方式よりもエネルギー切替えに要する時間が短いという利点も有する。

更に、イオン源５３での発生粒子数を制御することで入射ビーム量を制御すること、あるいは静電インフレクタ５５によって入射ビーム量を制御することで、必要以上のビームが加速領域に入射されることを抑制して装置にかかる負荷を軽減しつつ、出射ビームの電荷量を高精度に制御することができる。

また、チョッパー電極５６によって入射ビーム量を制御することにより、同様に必要以上のビームを加速領域に入射することを抑制しつつ、入射ビーム量をよりアクティブに制御できるため、さらに高精度に出射ビームの電荷量を制御することができる。

更に、高周波加速電場を制御することで加速ビーム量を制御することで、必要以上のビームが加速領域で加速されることを抑制することができるため、装置にかかる負荷を軽減しつつ、出射ビームの電荷量を高精度に制御することができる。

また、出射されるビームのエネルギー毎に出射ビーム量の和を取ることで必要な入射ビーム量、あるいは加速ビーム量を計算することにより、より正確、かつ簡易に必要な出射ビーム量を計算することができ、より高精度に出射ビーム量を制御することが可能となる。

更に、加速中に失われるビームの量を考慮してエネルギー毎に必要な入射ビーム量、あるいは加速ビーム量を計算することで、より確実に過不足することなく必要な出射電荷量を出射エネルギーまで加速することができる。

また、要求されている出射ビーム量が１加速周期で加速できるか否かを判定し、要求されている出射ビーム量が１加速周期で加速できない量であると判定されたときは、最後の加速周期で要求されている出射ビーム量となるように各加速周期の出射量を制御することで、最後の周期のみ入射ビーム量あるいは加速ビーム量を調整するのみとなるため、制御が容易であり、必要な量の電荷を必要エネルギーまで安定して加速することができる。

なお、加速するビームの入射点５２と最大エネルギー軌道の中心８０Ａとの位置が異なる円形加速器について説明したが、ビーム軌道は必ずしも偏芯している必要はなく、本発明の円形加速器は、加速するビームの入射点と最大エネルギー軌道の中心との位置が同じ設計とすることができる。

＜実施例２＞
本発明の実施例２の円形加速器および粒子線治療システム、円形加速器の運転方法について図１３乃至図１５を用いて説明する。実施例１と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下の実施例においても同様とする。

図１３は、本実施例の粒子線治療システム１０００の全体構成図である。

図１３に示す粒子線治療システム１０００は、実施例１に示した円形加速器３０、高エネルギービーム輸送系４７、回転ガントリ９０、走査電磁石を含む照射装置９２、照射対象を内包する患者１００を載置する治療台１０１、およびそれらを制御する治療制御装置９１を備えている。

円形加速器３０から出射された特定エネルギーのビームは、高エネルギービーム輸送系４７および回転ガントリ９０により照射装置９２まで輸送される。輸送された特定エネルギーのイオンビームは照射装置９２での調整により患部形状に合致するように形成され、治療台１０１に横たわる患者１００の患部に対して所定量照射される。

照射装置９２は、照射線量の分布をスキャニング照射法により形成するための装置で、走査電磁石、位置モニタおよび線量モニタを内包しており、患者１００への照射スポット毎に照射された位置および線量を監視している。この線量データを元に、治療制御装置９１は各照射スポットへの要求線量を計算して、加速器制御装置９３への入力データとする。

これら円形加速器３０、高エネルギービーム輸送系４７、回転ガントリ９０、照射装置９２、治療台１０１の動作は治療制御装置９１によって実行される。

治療制御装置９１はコンピュータ等で構成されている。これらを構成するコンピュータは、ＣＰＵやメモリ、インターフェース等を備えており、各機器の動作の制御や後述する各種演算処理等が様々なプログラムに基づいて実行される。これらのプログラムは各構成内の内部記録媒体や外部記録媒体、データサーバに格納されており、ＣＰＵによって読み出され、実行される。

加速器制御装置９３は、円形加速器３０を構成する各機器の動作を制御するものであり、その詳細は治療制御装置９１と基本的に同じである。

なお、治療制御装置９１や加速器制御装置９３で実行される動作の制御処理は、１つのプログラムにまとめられていても、それぞれが複数のプログラムに分かれていても良く、更にはそれらの組み合わせでも良い。

また、プログラムの一部またはすべては専用ハードウェアで実現しても良く、モジュール化されていても良い。更には、各種プログラムは、プログラム配布サーバや外部記憶メディアによって各装置にインストールされていても良い。

更には、各々が独立した装置で有線あるいは無線のネットワークで接続されたものであっても、２つ以上が一体化していてもよい。

本発明の円形加速器３０は、上述の通り、小型化が可能であり、かつビームロスが低減されるため、線量率が向上して照射時間が短くなり、患者スループットを増加させることができる。

なお、粒子線治療システムの具体例は図１３に示すような形態に限られない。以下、他の形態について図１４を用いて説明する。図１４に本実施例の他の形態の粒子線治療システムの構成を示す。

図１４に示す粒子線治療システム１００１は、治療台２０１、治療対象の周囲を回転する回転部２１８、円形加速器３０、照射装置１９２、治療制御装置１９１とを備えている。

回転部２１８は、中央に開口を有する環状であり、筒状部材２１６と、筒状部材２１６の軸方向の両端に、周方向に沿ってそれぞれ配置された円環状のガイドレール２１２とを含む。回転部２１８は、図１４の例では、中心回転軸２１７を水平方向に向けて配置されている。円形加速器３０は、筒状部材２１６の外周面に加速器取付台２１４を介して搭載されている。

回転部２１８の下部には、回転部２１８の外周面の一部に接して、回転部２１８を支持するとともに、回転部２１８を回転駆動する支持台２１０が備えられている。回転部２１８と支持台２１０とは、回転ガントリ１９０を構成している。

支持台２１０には、回転部２１８のガイドレール２１２と接する位置に複数のホイール２１１が備えられている。ホイール２１１には、回転駆動機構、およびブレーキ・保持機構（ともに図示の都合省略）が取り付けられている。回転駆動機構は、ホイール２１１を回転駆動すると、ホイール２１１はガイドレール２１２との間の摩擦力によりガイドレール２１２と密着して回転する。これにより、筒状部材２１６は、円形加速器３０と照射装置１９２を搭載した状態で回転する。また、ブレーキ・保持機構は、ホイール２１１の回転を停止させ、その位置で保持する。これにより、ホイール２１１は、回転部２１８を任意の角度まで回転させることができるとともに、その角度で保持することもできる。このため、回転部２１８に搭載された照射装置１９２を所望の角度まで回動させながら粒子線を患者に対して照射することも可能であるし、照射装置１９２をその角度で停止させた状態で粒子線を患者に対して照射することもできる。

筒状部材２１６の中心回転軸２１７を挟んで円形加速器３０と対称の位置には、カウンターウェイト２１５が固定されている。支持台２１０は、回転部２１８が回転した場合に、円形加速器３０およびカウンターウェイト２１５と干渉しないようにその形状および配置が設計されている。

円形加速器３０は、ビーム周回軌道面の法線方向１８４、すなわち、円柱状の円形加速器３０の円柱の中心軸が、回転部２１８の中心回転軸２１７と平行になるように、回転部２１８に搭載されている。

円形加速器３０の外形は、ビーム周回軌道面の法線方向１８４の長さ（厚さ）が、ビーム周回軌道面の径方向の幅よりも小さく、扁平な形状をしているため、ビーム周回軌道面の法線方向１８４と回転部２１８の中心回転軸２１７が平行となるように搭載することにより、回転部２１８の厚さ（中心回転軸２１７方向の厚さ）を小さく設計することができる。

また、このような配置とすることにより、円形加速器３０の円柱の中心軸方向（厚み方向）のほぼ中央に配置されている粒子線の出射口となる貫通孔４６を、筒状部材２１６の中心回転軸２１７方向の厚さの中央に位置させることが可能になる。よって、照射装置１９２およびビーム輸送系１４７を筒状部材２１６の径方向に沿って配置すればよく、筒状部材２１６の厚み方向の外側にはみ出すようにビーム輸送系１４７を引き回す必要がないため、配置が容易になる。

高エネルギービーム輸送系１４７は、円形加速器３０の貫通孔４６に接続されており、出射された粒子線を照射装置１９２まで輸送する。

高エネルギービーム輸送系１４７は、加速器取付台２１４および筒状部材２１６を貫通するように配置される。本形態では、高エネルギービーム輸送系１４７は、図１４に示すように、回転部２１８の径方向に沿って配置されている。

また、回転部２１８の筒状部材２１６の開口内には、その中心回転軸２１７と同軸であって、筒状部材２１６の回転に同期して治療対象の周囲を回転する筒状の移動床２０３が配置されている。照射装置１９２は、筒状部材２１６によって支持され、照射装置１９２の照射口は、移動床２０３よりも治療台２０１側の空間に突出している。移動床２０３は、回転駆動部（図示の都合省略）により、回転部２１８と同期して回転及び停止する。これにより、照射装置１９２は、回転部２１８の回転に同期して回転し、治療台２０１上に横たわる患者の患部めがけてビームを照射することができる。

高エネルギービーム輸送系１４７の外周には、スキャニング電磁石１９４が取り付けられている。スキャニング電磁石１９４は、筒状部材２１６によって支持されている。スキャニング電磁石１９４は、高エネルギービーム輸送系１４７の中が輸送されている途中の粒子線に変調磁場を印加することにより、照射装置１９２から出射される粒子線を走査する。これにより、患者の患部に対して粒子線を走査しながら照射することができる。なお、スキャニング電磁石１９４は円形加速器３０の内部空間に設置することもできる。この内部空間に設置するセプタム電磁石に、スキャニング電磁石の機能を兼ねさせることも可能である。

また、高エネルギービーム輸送系１４７の途中に、ビーム収束用の四極電磁石を配置してもよい。その場合、高速励磁可能な四極電磁石を用いことにより、円形加速器３０の出射する粒子線のエネルギー変更が高速に行われる場合であっても、それに対応して粒子線を収束させることができる。

治療台２０１は、回転部２１８の開口内に治療対象を配置するように配置されている。

照射装置１９２は、円形加速器３０から出射されたビームを治療台２０１上の治療対象に向かって照射する照射口１９３を備えており、照射口１９３は、回転部２１８の開口内に配置されている。

治療制御装置１９１は粒子線治療システム１００１内の各機器の動作を制御するコンピュータ等で構成されており、治療制御装置９１と基本的に同じ構成である。加速器制御装置１９１Ａについても加速器制御装置９３と基本的に同じ構成である。

このように、本実施例の他の形態の粒子線治療システムは、円形加速器３０と照射装置１９２の両方を一つの環状の回転部２１８に搭載する構成である。

よって、一つの回転部の設置面積が確保できれば粒子線治療システムを設置することが可能である。また、一つの回転部を３６０度回転させることにより、ノズルと円形加速器３０を３６０度回動させることができる。これにより、設置面積が小さく、ノズルを所望の角度まで３６０度回動させて、所望の方向から患者に対して粒子線を照射可能な粒子線治療システムを提供できる。

なお、図１４の形態ではガイドレール２１２は２つとしたが、回転部２１８の支持強度を増すためにさらに多数用いても良い。また、ガイドレール２１２の内周側に、例えばトラス構造の補強部材を設置してもよい。

次に、図１３に示した粒子線治療システム１０００や図１４に示した粒子線治療システム１００１における照射制御の流れについて図１５を用いて説明する。図１５は、本実施例の粒子線治療システムの照射制御フローである。

図１５に示すように、まず、治療制御装置９１，１９１は、照射パターンデータ２００から患部の各スポットにおける照射線量を読み込むスポット線量データ読み込処理を実行する（ステップＳ２０１）。

次いで、治療制御装置９１，１９１は、照射ビームエネルギー毎の照射に必要な入射電荷量を求める（ステップＳ２０２）。

次いで、治療制御装置９１，１９１は、ステップＳ２０２で求めた電荷量が円形加速器３０の１加速周期によって十分賄えるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。賄えると判定されたときは処理をステップＳ２０４に進める。これに対し、賄えると判定されなかったとき、すなわち、複数の加速周期によって賄う必要があるときは、処理をステップＳ２０７に進める。

１加速周期によって要求線量を照射可能である場合、治療制御装置９１，１９１は、必要十分な電荷量を照射できるように入射・加速電荷量を制御し（ステップＳ２０４）、加速・出射（ステップＳ２０５）ののち、各スポットに対してビームを照射する（ステップＳ２０６）。

これに対し、複数の加速周期にわたって必要な電荷量を照射する場合は、治療制御装置９１，１９１は、最後の１加速周期で必要な入射電荷量になるように制御を行う。

具体的には、複数の加速周期のうち、最終周期以外の時は１加速器周期で加速できる最大量、最終周期の時は必要十分な電荷量を照射できるように入射・加速電荷量を制御し（ステップＳ２０７）、加速・出射（ステップＳ２０８）ののち、各スポットに対してビームを照射する（ステップＳ２０９）。

その後、１ビームエネルギーの照射が完了したか否、すなわち複数の加速周期のうち、最終周期であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。完了したと判定されたときは処理をステップＳ２１１に進め、完了したと判定されなかったときは処理をステップＳ２０７に戻して、１ビームエネルギーの照射を完了させるまで処理を繰り返す。

なお、本ステップＳ２０７－Ｓ２１０における、必要な入射電荷量を複数回に分けて加速する場合において、複数回とも同じ量のビームを加速する、すなわち複数回に均等に電荷量を割り振ることも可能である。

あるビームエネルギーでの照射が完了したのちは、次いで、治療制御装置９１，１９１は、全スポットの照射が完了したかを判定する（ステップＳ２１１）。完了したと判定されたときは処理を完了させる。

これに対し、全スポットの照射が完了したと判定されなかったときは処理をステップＳ２１２に移行してビームエネルギーを変更して（ステップＳ２１２）、処理をステップＳ２０２に戻して照射電荷量算出処理を再度行う。

以上のフローは、マニュアルなどに記載され、装置の運転時などに適宜参照される。

本発明の実施例２の粒子線治療システム１０００，１００１は、前述した実施例１の円形加速器３０と、円形加速器３０から出射されたビームを照射する照射装置９２，１９２と、を備えている。このため、出射に用いる高周波により１加速周期ごとの出射ビーム電荷を高精度に制御できるため、スキャニングに適した線量制御が可能となる。結果、線量率が増加し、照射時間を短くでき、粒子線治療システムの患者スループットを向上させることができる。

また、本発明の円形加速器３０は出射ビームの電荷量を高精度に制御することができることから、照射装置９２，１９２は、照射線量の分布をスキャニング照射法により形成する場合に非常に好適なものとなっている。

なお、粒子線治療システム１０００，１００１がビーム輸送系４７，１４７を備えている場合について説明したが、粒子線治療システムはビーム輸送系を設けずに円形加速器と回転ガントリや照射装置とを直接接続することができる。

また、治療に用いる粒子線を照射する装置として回転ガントリ９０，１９０を用いる場合について説明したが、固定された照射装置を用いることができる。また、照射装置は一つに限られず、複数設けることができる。

更に、照射方法としてスキャニング方式を用いる場合について説明したが、ワブラー法や二重散乱体法など粒子線の分布を広げた後、コリメータやボーラスを用いて標的の形状に合わせた線量分布を形成する他の照射法を用いる場合にも本発明を適用することができる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例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。

例えば、円形加速器が粒子線治療に用いられる場合について説明したが、円形加速器の用途は粒子線治療に限られず、高エネルギー実験やＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）薬剤生成等に用いるものとすることができる。

また、円形加速器で加速するビームを構成するイオンは、ハドロンや荷電粒子であればよく、例えば、陽子、中性子、各種の原子核（Ｈｅ、Ｃ、Ｎｅ、Ｓｉ、Ａｒ等）を加速することができる。

１０…高周波加速空胴
１１…加速間隙
１２…ディー電極
１３…ダミーディー電極
１４…内導体
１５…外導体
２０…入力カプラ
２１…加速高周波電源
３０…円形加速器
３１…回転コンデンサ
３２…モータ
３３…固定電極
３４…回転電極
３６…磁場勾配用金属片
３７…磁場補正用金属片
３８…主磁極
４０…主電磁石
４１…ヨーク
４２…メインコイル
４３…セプタムコイル
４３Ａ，４３Ｂ…コイル導体
４４…ピーラー磁場領域
４５…リジェネレータ磁場領域
４６…ビーム用貫通孔
４７，１４７…高エネルギービーム輸送系
４８…コイル用貫通孔
４９…真空引き用貫通孔
５０…高周波系用貫通孔
５２…入射点
５３…イオン源
５４…低エネルギービーム輸送系
５５…静電インフレクタ（静電ポテンシャル発生装置）
５６…チョッパー電極（高周波電場発生装置）
６０…クライオスタット
７０…高周波キッカ
７１…接地電極
７２…高圧電極
７３…突起部
８０…最大エネルギー軌道
８０Ａ…最大エネルギー軌道の中心
８１…最低出射エネルギー軌道
８２…ビーム出射経路入口
９０，１９０…回転ガントリ
９１，１９１…治療制御装置
９２，１９２…照射装置
９３，…加速器制御装置
１００…患者
１０１，２０１…治療台
１８４…中心軸
１９３…照射口
１９４…スキャニング電磁石
２００…照射パターンデータ
２０３…移動床
２１０…支持台
２１１…ホイール
２１２…ガイドレール
２１４…加速器取付台
２１５…カウンターウェイト
２１６…筒状部材
２１７…中心回転軸
２１８…回転部
３０２…変換テーブル
１０００，１００１…粒子線治療システム

Claims (19)

1. 静磁場、および周波数変調した高周波加速電場を用いてビームを加速する円形加速器であって、
   前記円形加速器から出射されるビームのエネルギーと前記円形加速器から出射されるビーム量とに応じて、前記円形加速器で加速するビーム量を制御する
   ことを特徴とする円形加速器。
2. 静磁場、および周波数変調した高周波加速電場を用いてビームを加速する円形加速器であって、
   前記円形加速器から出射されるビームのエネルギーごとに前記円形加速器から出射されるビーム量と、前記出射されるビーム量を得るのに必要な前記円形加速器へ入射するビーム量あるいは前記円形加速器で加速するビーム量と、の対応関係を示すデータに応じて、前記入射するビーム量、あるいは前記加速するビーム量を制御する
   ことを特徴とする円形加速器。
3. 請求項１または２に記載の円形加速器において、
   加速するビームの入射点と最大エネルギー軌道の中心との位置が異なる
   ことを特徴とする円形加速器。
4. 請求項３に記載の円形加速器において、
   加速した前記ビームに出射用高周波電場を印加して前記ビームを出射する
   ことを特徴とする円形加速器。
5. 請求項２に記載の円形加速器において、
   イオン源での発生粒子数を制御することで前記入射するビーム量を制御する
   ことを特徴とする円形加速器。
6. 請求項２に記載の円形加速器において、
   静電ポテンシャル発生装置によって前記入射するビーム量を制御する
   ことを特徴とする円形加速器。
7. 請求項２に記載の円形加速器において、
   高周波電場発生装置によって前記入射するビーム量を制御する
   ことを特徴とする円形加速器。
8. 請求項４に記載の円形加速器において、
   前記高周波加速電場を制御することで前記加速するビーム量を制御する
   ことを特徴とする円形加速器。
9. 請求項４に記載の円形加速器において、
   出射されるビームのエネルギー毎に出射されるビーム量の和を取ることで前記入射するビーム量、あるいは前記加速するビーム量を計算する
   ことを特徴とする円形加速器。
10. 請求項４に記載の円形加速器において、
    加速中に失われるビームの量を考慮して前記入射するビーム量、あるいは前記加速するビーム量を計算する
    ことを特徴とする円形加速器。
11. 請求項４に記載の円形加速器において、
    要求されている出射されるビーム量が１加速周期で加速できるか否かを判定し、要求されている出射されるビーム量が１加速周期で加速できない量であると判定されたときは、最後の加速周期で要求されている出射されるビーム量となるように各加速周期の出射されるビーム量を制御する
    ことを特徴とする円形加速器。
12. 請求項１に記載の円形加速器において、
    前記出射されるビームのエネルギーごとに、出射されるビーム量と前記出射されるビーム量を得るのに必要な加速するビーム量との対応関係を示す変換テーブル、関数、ルックアップテーブルを有する
    ことを特徴とする円形加速器。
13. 請求項２に記載の円形加速器において、
    前記対応関係を示すデータとして、変換テーブル、関数、ルックアップテーブルを有する
    ことを特徴とする円形加速器。
14. 請求項１または２に記載の円形加速器において、
    前記出射されるビームの電流値を計測し、フィードバック制御によって前記入射するビーム量、あるいは前記加速するビーム量を抑制する
    ことを特徴とする円形加速器。
15. 請求項４に記載の円形加速器と、
    前記円形加速器から出射された前記ビームを照射する照射装置と、を備えた
    ことを特徴とする粒子線治療システム。
16. 請求項１５に記載の粒子線治療システムにおいて、
    前記照射装置は、照射線量の分布をスキャニング照射法により形成する
    ことを特徴とする粒子線治療システム。
17. 静磁場、および周波数変調した高周波加速電場を用いてビームを加速する円形加速器の作動方法であって、
    前記円形加速器を構成する各機器の動作を制御する加速器制御装置が、前記円形加速器から出射されるビームのエネルギー毎の出射されるビーム量に応じて、前記円形加速器で加速するビーム量を制御する
    ことを特徴とする円形加速器の作動方法。
18. 静磁場、および周波数変調した高周波加速電場を用いてビームを加速する円形加速器の作動方法であって、
    前記円形加速器を構成する各機器の動作を制御する加速器制御装置が、前記円形加速器から出射されるビームのエネルギーごとに前記円形加速器から出射されるビーム量と、前記出射されるビーム量を得るのに必要な前記円形加速器へ入射するビーム量あるいは前記円形加速器で加速するビーム量と、の対応関係を示すデータに応じて、前記入射するビーム量、あるいは前記加速するビーム量を制御する
    ことを特徴とする円形加速器の作動方法。
19. 請求項１７または１８に記載の円形加速器の作動方法において、
    前記加速器制御装置が、出射エネルギーに適したビームに対して出射用高周波電場を印加して前記ビームを出射させる
    ことを特徴とする円形加速器の作動方法。

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