JPH10270200A - 出射ビーム強度制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シンクロサイクロトロンの高周波電源に振幅
変調機能を持たせ、その変調波形の時間幅を変えること
により出射ビーム量を制御する。 【解決手段】 出射ビーム強度制御装置は、振幅変調が
可能な高周波電源を用いて粒子ビームを加速するシンク
ロサイクロトロンと、前記シンクロサイクロトロンによ
り加速され取り出された粒子ビームを被照射体に適切に
照射するための照射装置と、前記被照射体に照射された
粒子ビームの照射線量を計測する線量モニタと、前記線
量モニタの信号処理回路とを備える。前記線量モニタに
より計測された照射線量が必要な第１集積線量Ｄ０より
も低い第２集積線量Ｄ１に達した時点で、高周波電源の
振幅変調波形の時間幅を変えることにより出射ビーム強
度を減らし、前記計測照射線量が前記第１集積線量Ｄ０
に達した時点でビーム出射を停止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、陽子線などの粒
子線を高エネルギーに加速して人体に照射してガン組織
等を破壊する粒子線照射装置、特に出射ビームの強度を
最適に制御することができる出射ビーム強度制御装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１３は、例えば'「Ｔｈｅ ２００−
ＭｅＶ ｐｒｏｔｏｎ ｔｈｅｒａｐｙ ｐｒｏｊｅｃ
ｔ ａｔ ｔｈｅ Ｐａｕｌ ＳｃｈｅｒｒｅｒＩｎｓ
ｔｉｔｕｔｅ： Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｄｅｓｉｇｎ
ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌｒｅａｌｉｚａｔｉｏ
ｎ， Ｍｅｄ． Ｐｈｙｓ． ２２（１），Ｊａｎｕａ
ｒｙ １９９５’」に示されたサイクロトロンを用いた
粒子線照射装置の一例を示すブロック図であり、図１４
はスキャニング照射法の原理図であり、図１５はサイク
ロトロン或いはシンクロサイクロトロンの原理図であ
る。図１３において、符号１は粒子ビームを高エネルギ
ーに加速するサイクロトロン、２は高速でビームの進行
方向を変えるキッカ電磁石、３はその電源、４はビーム
ストッパ、５は偏向電磁石、６は例えばビームの広がり
やエネルギーを患部等の被照射部の大きさ等に応じて変
更するための照射装置、８は患部に照射されるビーム量
を測定する線量モニタ、７はその信号処理回路、９は被
照射体としての患者である。

【０００３】また、図１４において、２０はビームのエ
ネルギーを変えるエネルギーデグレーダ、２１は患部全
体に照射できるようにビームを高速に偏向するスキャニ
ング電磁石、２２は患部を表す。２０と２１は図１３の
照射装置６に含まれる場合もあるし含まれない場合もあ
る。また、図１５において、３０は陽子等のイオンを発
生するイオン源、３１はイオンを回転運動させる磁場を
発生する電磁石のヨーク、３２はコイル、３３はイオン
を加速する電極、３４はその高周波電源、３５は加速さ
れたイオンを取り出すためのデフレクタ、３６は真空チ
ェンバーである。

【０００４】次に、この従来例の動作について説明す
る。サイクロトロン１はイオンを加速する装置であり、
その原理を以下に簡単に述べる。サイクロトロン１の主
要素は円形の電磁石であり、その中心にイオン源があ
り、イオン源から取り出されたイオンビームは回転運動
を始めるが、磁場中に設けられた高周波電極を通過する
度に加速されてエネルギーが増加し、それに伴い回転半
径は大きくなっていく。最外周にはビームを逆方向に偏
向するデフレクタ３５が配置されており、最外周まで達
したビームはデフレクタ３５を通って外部に取り出され
る。従って、サイクロトロン１では、ビームは連続的に
取り出される。但し、高周波加速であるためビームは団
子状にバンチしており、そのバンチ間隔は高周波装置の
周波数によるが、例えば１００ＭＨｚで運転される装置
の場合、バンチ間隔は１０ｎｓである。

【０００５】次にスキャニング照射方法について説明す
る。イオンは患者の体内に入射された後、体内の電子や
原子核と相互作用しながらエネルギーを徐々に失ってい
き停止するが、停止する直前に多くのエネルギーを失
う。エネルギー損失が大きいほど細胞を殺す効果が大き
いため、がん細胞の位置で停止するようにエネルギーを
選べば、正常細胞への影響を少なくして効果的にがん細
胞を殺すことができる。

【０００６】エネルギーは物質を通過させれば減衰する
ため、必要なエネルギーに応じて物質の厚みを変えれば
よい。それが図１４のエネルギーデグレーダ２０であ
る。エネルギーデグレーダ２０としては様々な方式があ
るが、ここで挙げた方式は、断面が三角形の物質を上下
させることにより、ビーム通過位置での物質の厚みを変
えてエネルギーを変える方式である。

【０００７】次に患部の大きさに合わせてビームを偏向
させる装置がスキャニング電磁石２１である。これも様
々な方式があるが、従来例に挙げた文献で行われている
方法は、ある点を任意の時間照射した後、スキャニング
電磁石２１の磁場を変えて次の点にビームを移動して照
射するという方法である。この場合、ある点から次の点
に移動する間はビームを照射しない。そのビームのオン
／オフは図１３のキッカ電磁石２で行う。キッカ電磁石
２がオフの時には、ビームはキッカ電磁石２を直進して
患者に照射され、キッカ電磁石２をオンにすると、ビー
ムは曲げられてビームストッパ４で吸収され、患者には
照射されない（一般的な従来例では逆）。スキャニング
電磁石２１によるビーム移動方向に対して直角方向に
は、患者を乗せたベッドを移動する。また、ビームの照
射深さの調節は上述したエネルギーデグレーダ２０でエ
ネルギーを変えることにより行う。

【０００８】ここで、エネルギーデグレーダ２０とスキ
ャニング電磁石２１の位置関係は一般的な従来例では逆
であり、スキャニング電磁石２１は偏向電磁石５の上流
側にあり、スキャニング電磁石２１は照射装置６の中に
ある。

【０００９】照射点の数は、最大１０ｃｍ×１０ｃｍ×
１０ｃｍの大きさの患部を照射することを考え、点の間
隔は５ｍｍとしている。従って、全照射点は２１点の３
乗であり、９２６１点である。ビームは広がりがあるた
めに、この間隔で照射しても全体的に一様なビーム照射
が実現できる。全照射時間は２分と制限しているため、
１点当たりの照射時間は約１２ｍｓとなる。照射線量の
誤差は１％以下と制限しているため、１点当たりの照射
時間の誤差は１２０μｓ以下にする必要がある。つま
り、線量モニタ７で照射線量を測定し、所定の線量に達
してからキッカ電源３をオフしてビームが患者まで達し
ないようになるまでの時間を１２０μｓ以下にしなけれ
ばならない。従って、キッカ電磁石２は高速で磁場のオ
ン／オフができなければならない。

【００１０】次に、サイクロトロンの替わりにシンクロ
サイクロトロンを用いた場合を考える。先ず、シンクロ
サイクロトロンについて簡単に説明する。この加速器は
サイクロトロンのエネルギー限界を上げるために開発さ
れたもので、１９４６年に発明された。基本構成はサイ
クロトロンと同じで、原理図は図１５に示した。サイク
ロトロンでは、イオンのエネルギーが増加し速度が早く
なっても軌道が外側にずれるため、周回周期は一定であ
るという原理に基づき、加速周波数一定でビームを加速
する。しかし、エネルギーが上がり相対論的効果による
質量増加が無視できなくなる領域までビームを加速しよ
うとすると、ビームの周回周期がずれていき、一定周波
数では加速できなくなる。このため、半径方向に磁場を
強くするなどの方法が取られるが、それほど高いエネル
ギーまでは加速できない。

【００１１】そこで、エネルギー増加による周回周期の
変化に合わせて加速周波数を変化させる方式が考案され
た。これがシンクロサイクロトロンである。この方式で
は、周波数変化に同期したビームしか加速できないた
め、出射ビームはパルス的になる。一例として、加速周
波数１００ＭＨｚ、加速時間が２００μｓ、取り出しビ
ーム幅１５μｓ、取り出しビーム幅内のバンチ間隔１０
ｎｓのシンクロサイクロトロンが挙げられる。最小の繰
り返し周期は加速時間に等しい２００μｓであり、それ
以上の値では任意に選べる。

【００１２】しかし、この装置を使って上述したスキャ
ニング照射を行おうとすると、照射線量誤差が大きくな
る。従来例で要求される１点あたりの照射時間は１２ｍ
ｓであり、繰り返し周期を２００μｓとすると１２ｍｓ
の間のショット数は６０回となる。もちろん、６０回で
必要な線量が得られるように、シンクロサイクロトロン
からのビーム強度は予めイオン源等の調整で最適化され
ている。必要な照射線量に達した時点で照射停止手続き
が取られるため、例えば１ショットの最初で必要線量に
達した場合、照射停止まで１５μｓ以上かかれば、ほぼ
１ショット分多く照射したことになる（図７）。この時
の誤差は１／６０＝１．７％である。１ショット当たり
のビーム強度を減らしてショット数を６０以上にすれば
誤差は小さくなるが、照射時間が長くなるという問題点
がある。１５μｓ以下で照射停止手続きが完了できれば
問題ないが、線量モニタの応答速度等の問題で難しいと
考えられる。また、イオン源のパラメータを変えること
により引き出し電流を制御する方式では、１５μｓより
も遥かに長時間を要する。

【００１３】ここで、照射方式としては、スキャニング
照射だけでなく様々な方式があり、それにより照射装置
６の構成は大きく異なる。しかし、本発明は照射方式に
は無関係であるため、ここで詳述はしない。また、線量
モニタ７も照射装置６の中に組み込まれていることが多
い。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
シンクロサイクロトロンを用いて粒子線照射を実施する
と、出射ビーム量の制御が精度よくできないため、照射
線量誤差が大きくなるという問題点がある。

【００１５】この発明は、上記問題点を解決するために
なされたものであり、シンクロサイクロトロンの高周波
電源に振幅変調機能を持たせ、その変調波形の時間幅を
変えることにより出射ビーム量を制御できるようにした
出射ビーム強度制御装置及び制御方法を提供することを
目的とするものである。更に、本発明の他の目的は、線
量モニタの信号処理回路との組み合わせにより、必要線
量に近づいてから高周波電源の変調波形の時間幅を変え
て１ショット当たりのビーム量を減らすことにより照射
線量誤差を小さくすることができる出射ビーム強度制御
装置及び制御方法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る出
射ビーム強度制御方法は、振幅変調が可能な高周波電源
を用いたシンクロサイクロトロンにおいて、振幅変調波
形の時間幅を変えることにより出射ビーム強度を制御す
るものである。

【００１７】請求項２の発明に係る出射ビーム強度制御
方法は、振幅変調が可能な高周波電源を用いたシンクロ
サイクロトロンにより加速された粒子ビームを被照射体
に適切に照射する過程と、前記被照射体に照射された照
射線量を計測する過程と、計測された照射線量が必要な
第１集積線量Ｄ０よりも低い第２集積線量Ｄ１に達した
時点で、高周波電源の振幅変調波形の時間幅を変えるこ
とにより出射ビーム強度を減らす過程と、前記計測照射
線量が前記第１集積線量Ｄ０に達した時点でビーム出射
を停止する過程とを備えるものである。

【００１８】請求項３の発明に係る出射ビーム強度制御
方法は、前記第１集積線量値Ｄ０と前記第２集積線量Ｄ
１との差を、前記シンクロサイクロトロンから周期的に
出射される粒子ビームの１ショットの照射による線量の
約半分としたものである。

【００１９】請求項４の発明に係る出射ビーム強度制御
方法は、１ショットの照射で、計測された照射線量が前
記第２集積線量Ｄ１と前記第１集積線量Ｄ０の両方に達
した場合は、次の周期では、ビーム出射ができないよう
に前記高周波電源の振幅変調波形の時間幅を変えるもの
である。

【００２０】請求項５の発明に係る出射ビーム強度制御
方法は、振幅変調が可能な高周波電源を用いたシンクロ
サイクロトロンにより加速され粒子ビームを被照射体に
適切に照射する過程と、前記被照射体に照射された照射
線量を計測する過程と、計測された照射線量が必要な第
１集積線量Ｄ０よりも低い第２集積線量Ｄ１に達した時
点で、前記計測照射線量と前記第１集積線量Ｄ０との差
を計算し、その差分を照射するように前記高周波電源の
振幅変調波形の時間幅を変えて出射ビーム強度を減らす
過程と、前記計測照射線量が前記第１集積線量Ｄ０に達
した時点でビーム出射を停止する過程とを備えるもので
ある。

【００２１】請求項６の発明に係る出射ビーム強度制御
方法は、前記第１集積線量Ｄ０と前記第２集積線量Ｄ１
との差を前記シンクロサイクロトロンから周期的に出射
される粒子ビームの１ショットの照射による線量分以下
としたものである。

【００２２】請求項７の発明に係る出射ビーム強度制御
方法は、１ショットの照射で、前記計測照射線量が前記
第２集積線量Ｄ１と前記第１集積線量Ｄ０の両方に達し
た場合は、次の周期では、ビーム出射ができないように
前記高周波電源の振幅変調波形の時間幅を変えるもので
ある。

【００２３】請求項８の発明に係る出射ビーム強度制御
方法は、振幅変調が可能な高周波電源を用いて粒子ビー
ムを加速するシンクロサイクロトロンと、前記シンクロ
サイクロトロンにより加速され取り出された粒子ビーム
を被照射体に適切に照射するための照射装置と、前記被
照射体に照射された粒子ビームの照射線量を計測する線
量モニタと、前記線量モニタの信号処理回路とを備え、
前記線量モニタにより計測された照射線量が必要な第１
集積線量Ｄ０よりも低い第２集積線量Ｄ１に達した時点
で、高周波電源の振幅変調波形の時間幅を変えることに
より出射ビーム強度を減らし、前記計測照射線量が前記
第１集積線量Ｄ０に達した時点でビーム出射を停止する
ものである。

【００２４】請求項９の発明に係る出射ビーム強度制御
方法は、前記第１集積線量値Ｄ０と第２集積線量Ｄ１と
の差を前記シンクロサイクロトロンから周期的に出射さ
れる粒子ビームの１ショットの照射による線量の約半分
としたものである。

【００２５】請求項１０の発明に係る出射ビーム強度制
御方法は、１ショットの照射で、前記線量モニタにより
計測された照射線量が前記第２集積線量Ｄ１と前記第１
集積線量Ｄ０の両方に達した場合は、次の周期では、ビ
ーム出射ができないように前記高周波電源の振幅変調波
形の時間幅を変えるものである。

【００２６】請求項１１の発明に係る出射ビーム強度制
御方法は、振幅変調が可能な高周波電源を用いて粒子ビ
ームを加速するシンクロサイクロトロンと、前記シンク
ロサイクロトロンにより加速され取り出された粒子ビー
ムを被照射体に適切に照射するための照射装置と、前記
被照射体に照射された粒子ビームの照射線量を計測する
線量モニタと、前記線量モニタの信号処理回路と、メモ
リー及び演算機能を備えた演算モジュールとを備え、前
記線量モニタにより計測された照射線量が必要な第１集
積線量Ｄ０よりも低い第２集積線量Ｄ１に達した時点
で、前記計測照射線量と前記第１集積線量Ｄ０との差を
前記演算モジュールにより計算し、その差分を照射する
ように前記高周波電源の振幅変調波形の時間幅を変えて
出射ビーム強度を減らし、前記計測照射線量が前記第１
集積線量Ｄ０に達した時点でビーム出射を停止するもの
である。

【００２７】請求項１２の発明に係る出射ビーム強度制
御方法は、前記第１集積線量Ｄ０と前記第２集積線量Ｄ
１との差を前記シンクロサイクロトロンから周期的に出
射される粒子ビームの１ショットの照射による線量分以
下としたものである。

【００２８】請求項１３の発明に係る出射ビーム強度制
御方法は、１ショットの照射で、前記線量モニタにより
計測された照射線量が前記第２集積線量Ｄ１と前記第１
集積線量Ｄ０の両方に達した場合は、次の周期では、ビ
ーム出射ができないように前記高周波電源の振幅変調波
形の時間幅を変えるものである。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を添
付図面について説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１による粒
子線照射装置を示すブロック図であり、図２は高周波電
源の制御系の一例を詳述したブロック図であり、図３〜
図７は出射ビーム強度の制御方法を表す図である。

【００３０】図１及び図１１において、５０はシンクロ
サイクロトロン、５１はその高周波電源（ＲＦ電源）、
５２はその振幅変調波形調整器、５３は線量モニタ７か
らの信号を適当に処理する信号処理回路、５４は振幅変
調波形が記憶されたメモリーモジュール、５５はトリガ
発生モジュール、５６はディレーモジュールである。

【００３１】次に、この実施の形態１の動作について説
明する。シンクロサイクロトロン５０は、上記従来例で
述べた通りであり、パラメータも従来例同様とする。即
ち、加速周波数１００ＭＨｚ、加速時間が２００μｓ、
取り出しビーム幅１５μｓ、取り出しビーム幅内のバン
チ間隔１０ｎｓであり、最小の繰り返し周期は加速時間
に等しい２００μｓである。

【００３２】高周波電源５１は周波数変調及び振幅変調
が可能な電源である。周波数は、ビームが加速される時
間２００μｓの間にビームの周回周期の変化に応じて変
える。この変化のさせ方は、ビーム軌道上の磁場測定に
より予め決めることができ、ビーム加速調整において微
調整して最適化する。

【００３３】振幅波形は装置により異なるが、本発明で
は２００μｓの間の波形を問題にしているものではな
く、２００μｓの時間幅を変えることを特徴にしてい
る。即ち、ビームは加速時間２００μｓの最後の１５μ
ｓの間取り出されるため、振幅波形の時間幅を例えば５
μｓ短くすると（つまり電源出力が５μｓ早く零になる
ようにすると）、取り出しビーム幅は１０μｓとなり一
回で取り出されるビーム強度（１ショットのビーム強
度）を下げることができる。

【００３４】但し、従来のシンクロサイクロトロンには
この方式は適用できない。その理由は、通常の高いＱ値
の加速空洞を使った場合、電源出力を零にしても加速空
洞に蓄えられたエネルギーのために、電極電圧はすぐに
は下がらないためである。この電圧降下はよく知られて
いるように指数関数的に減衰するが、その減衰時定数
（１／ｅになる時間）は加速空洞のＱ値との間に次の関
係がある。 τ＝Ｑ／πｆ 従って、例えばｆ＝２０ＭＨｚでＱ値が１０００程度の
低い加速空洞でも、τ＝１６μｓとなり、１５μｓとい
うような短い時間幅の取り出しビームを精度よく制御で
きない。ここで、通常のシンクロサイクロトロンの加速
空洞は共振空洞型であり、周波数変調に合わせて共振周
波数を変えるために可変コンデンサを付加する。また、
ｆ＝２０ＭＨｚとしたのは、従来のシンクロサイクロト
ロンで用いられた周波数領域であり、従来例で上げた１
００ＭＨｚにするとτは更に大きくなる。

【００３５】これに対して、可変コンデンサを用いた加
速空洞の替わりに、超低Ｑ値の加速空洞を用いて周波数
可変に対応する方式がある。この場合、Ｑ値を７０程度
に低減することが可能であり、その場合、減衰時定数は
運転周波数を１００ＭＨｚとしてτ＝０．２μｓとな
り、１５μｓ幅の取り出しビームに対しても十分に精度
よく取り出しビーム幅を変えることが可能である。従っ
て、この装置では振幅変調波形幅を変えることにより１
ショットのビーム量を十分精度よく制御できる。

【００３６】図１は装置構成の一例を示している。信号
処理回路５３は線量モニタ７からの信号を積算する機能
を備えており、予め設定した第２集積線量Ｄ１と第１集
積線量Ｄ０に達した時点で２つの出力端子から信号を発
生する。ここで、第２集積線量Ｄ１は第１集積線量Ｄ０
よりも小さいとする。また、１ショットで与えられる線
量の半分の値とする。信号はパルスでもよいし、電圧レ
ベルの変化としてもよい。高周波電源５１は振幅変調波
形調整器５２からの信号に比例した高周波を出力する。
振幅変調波形調整器は第２集積線量Ｄ１を表す信号を受
けると、次の周期からは予め設定した時間だけ振幅波形
の時間幅を短くして出力し、第１集積線量Ｄ０を受ける
と出力を停止する。次の照射では、これらは全てリセッ
トされ、再度照射が開始される。

【００３７】振幅変調波形調整器５２は高周波電源５１
に組み込まれていても効果は同じである。振幅変調波形
調整器５２及び信号処理回路５３は計算機で制御できる
ものとすれば、より効果的な装置となる。ここでは、周
波数変調に関する部分は省略した。

【００３８】図２は、振幅変調波形調整器５２の１実施
の形態を詳述したものである。振幅波形はメモリーモジ
ュール５４に記憶しておき、クロックによりメモリーが
順次出力され、アナログ化された信号が高周波電源５１
に入力され、所定の値に増幅されてシンクロサイクロト
ロンの加速空洞に入力される。メモリーモジュールはス
タートトリガでメモリーの最初の値から出力を開始し、
ストップトリガで出力を零にする。スタートトリガは周
期的にトリガ発生モジュール５５から出力されており、
ディレーモジュール５６にも入力される。ディレーモジ
ュール５６からは予め設定された時間遅れでストップト
リガを出力する。

【００３９】この時間遅れは、第２集積線量Ｄ１に達す
るまでの通常の運転では、２００μｓ（加速したビーム
が全て取り出される時間）であり、第２集積線量Ｄ１の
信号を受けると予め設定された時間だけ時間遅れを短く
して（２００μｓ以下）、取り出しビームの時間幅を短
くする。トリガ発生モジュール５５は信号処理回路５３
からの第１集積線量Ｄ０の信号を受けてスタートトリガ
を停止する。つまり、Ｄ０信号によりメモリーモジュー
ルの出力は停止し、高周波電源出力も停止する。次の照
射ではこれらは全てリセットされ、再度照射が開始され
る。

【００４０】次にこのシンクロサイクロトロンをスキャ
ニング照射に適用した場合を考える。ここで、スキャニ
ング照射パラメータは従来例で説明したものと同じとす
る。図３に示すように、（ｎ−１）回目の照射で照射線
量が第２集積線量Ｄ１に達した時点で次の周期の振幅変
調波形の時間幅を短くして、例えば出射ビーム強度が半
分になるようにする。この場合、次のｎ回目の照射で第
１集積線量Ｄ０に達し、Ｄ０の信号で振幅変調波形調整
器５２の出力が停止することにより高周波電源５１の出
力も停止する。図３において、Ｄ０信号発生の矢印の先
にあるスタートトリガが破線で描かれているが、これは
本来この位置で発生するスタートトリガが発生しなくな
ることを意味する。

【００４１】（ｎ−１）回目の照射で線量が第１集積線
量Ｄ０よりも僅かに下回る場合が最も照射線量誤差は大
きくなるが、ｎ回目のビーム強度は半分になっているた
め線量誤差は半分になる。即ち、６０ショット照射を１
２０ショット照射にした場合と同等の誤差となる。ここ
で、１ショットの出射ビーム時間波形はその中心に対し
て対称な形をしていないと思われるため、振幅変調波形
の短縮幅とビーム強度の関係は予め測定しておく。第２
集積線量Ｄ１に達した状態では、次のショットで必ず第
１集積線量Ｄ０に達するため（ショット毎の強度が一定
と仮定）、ショット数は増えたとしても６０ショットに
対して１ショット程度であり、それによる照射時間の増
加は無視できる。

【００４２】実施の形態２．なお、実施の形態１では、
Ｄ０信号を受けて高周波電源５１の出力を停止したが、
ビームが完全に出射できないように振幅波形を短縮する
ようにしても同様の効果が得られる。例えば、図２に示
した例では、スタートトリガは常に発生するようにし
て、ディレーモジュール５６でＤ０及びＤ１信号を受け
るようにし、Ｄ０信号によりストップトリガのタイミン
グを変えて、振幅波形の時間幅をビームが出射できない
ように十分に短くする。これにより、高周波空洞での消
費電力の変化を小さくでき、高周波空洞の温度変化が小
さくなることにより安定したビーム加速が可能となる。

【００４３】実施の形態３．なお、実施の形態１では、
Ｄ０信号が発生した直後のスタートトリガを停止させた
が、線量モニタ７及び信号処理回路５３の応答速度が遅
くスタートトリガが停止できない場合、図４に示すよう
に、実施の形態２に示したような方法で次の振幅波形の
時間幅を十分に短くしても同様の効果が得られる。図４
の例ではスタートトリガはその後は停止し、高周波電源
出力も停止する。

【００４４】実施の形態４．なお、上記実施の形態では
第２集積線量Ｄ１の発生後の１ショットのビーム強度を
半分になるようにしたが、半分に限定しなくても同様の
効果が得られる。例えば、図５にビーム強度を１／４に
する例を示すが、この場合はＤ１発生後２ショットで第
１集積線量Ｄ０に達する。照射時間は長くなるが、最大
照射線量誤差は１／４に減少できるという効果が得られ
る。

【００４５】実施の形態５．なお、上記例では第２集積
線量Ｄ１に達した後に第１集積線量Ｄ０に達する場合を
考えたが、１ショットでＤ１とＤ０の両方に達する場合
もあり（図６）、この場合はその時点で振幅変調波形調
整器出力を停止する。

【００４６】実施の形態６．なお、上記実施の形態では
第２集積線量Ｄ１に達した後、予め設定された時間幅だ
け振幅変調波形を短縮したが、計算機を使えば、照射線
量誤差を零に近づけることができる。つまり、第２集積
線量Ｄ１に達した時点で必要な残りの線量が計算できる
ため、その線量を与えるビームが出射できるように振幅
変調波形の時間幅を短くすればよい。

【００４７】図８はその実施の形態６を示す機器構成図
であり、５７は演算機能を持つ演算モジュールである。
図９はその振幅変調波形調整器５２の一実施例であり、
実施の形態１の図２で説明したものと同様である。

【００４８】次にこの実施の形態６の動作について説明
する。信号処理回路５３からは、ある線量（第２集積線
量Ｄ１及び第１集積線量Ｄ０）に達した時点で、それぞ
れの端子からＤ１信号及びＤ０信号が発生する。また、
別の端子からは、線量モニタ７からの信号を積分した値
（集積線量）が演算モジュール５７に出力される。演算
モジュール５７には、振幅波形の時間幅に対するビーム
強度及び第１集積線量Ｄ０の値が記憶されている。演算
モジュールはＤ１信号を受けると（Ｄ０−集積線量）を
計算し、それに相当する振幅波形の時間幅を計算して振
幅変調波形調整器５２にその情報を送る。振幅変調波形
調整器５２はその情報から振幅波形の時間幅を決めて高
周波電源５１に出力する。これにより、次のショットで
は第１集積線量Ｄ０に達し、信号処理回路５３からのＤ
０信号により振幅変調波形調整器の出力は停止し、高周
波電源５１の出力も停止する（図１０）。次の照射では
これらは全てリセットされ、再度照射が開始される。

【００４９】図９は振幅変調波形調整器５２の一例を示
したものであるが、基本的には、実施の形態１で説明し
た図２のものと同じである。Ｄ１信号が発生すると、演
算モジュール５７で（Ｄ０−集積線量）が計算され、そ
の値に必要な振幅波形の時間幅が計算される。その結果
から決まるストップトリガの遅延時間がディレーモジュ
ール５６に送られ、メモリーモジュール５４から（Ｄ０
−集積線量）の線量に相当するビーム強度が得られる振
幅波形が高周波電源５１に出力される。

【００５０】実施の形態７．なお、図１１に示すよう
に、実施の形態２、３及び５は実施の形態６の場合にも
適用でき、同様の効果が得られる。

【００５１】実施の形態８．なお、上述した全ての実施
の形態では、ビーム強度が常に一定という仮定であった
が、実際にはショット毎の変動が予想される。この場
合、図１２に示すように、第２集積線量Ｄ１の発生後の
次のショットで第１集積線量Ｄ０に達しない場合もある
が、その場合は、再度同様の計算がなされて、より少な
いビームが照射される。

【００５２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、振幅変調
が可能な高周波電源を用いたシンクロサイクロトロンに
おいて、振幅変調波形の時間幅を変えることにより出射
ビーム強度を制御することにより、高精度でビーム強度
調整が可能になり、照射線量を精度よく調整できるとい
う効果がある。また、線量モニタの信号処理回路との組
み合わせにより、必要線量に近づいてから高周波電源の
変調波形の時間幅を変えて１ショット当たりのビーム量
を減らすことにより、照射線量誤差を小さくすることが
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１によるシステム構成
図である。

【図２】 図１に示した実施の形態１の振幅変調波形調
整器の一例を詳述した構成図である。

【図３】 この発明の実施の形態１のタイムチャートで
ある。

【図４】 この発明の実施の形態３のタイムチャートで
ある。

【図５】 この発明の実施の形態４のタイムチャートで
ある。

【図６】 この発明の実施の形態５のタイムチャートで
ある。

【図７】 この発明によるシンクロサイクロトロンから
のショット毎の集積線量の増加の様子を表した図であ
る。

【図８】 この発明の実施の形態６によるシステム構成
図である。

【図９】 図８に示した実施の形態６の振幅変調波形調
整器の一例を詳述した構成図である。

【図１０】 この発明の実施の形態６のタイムチャート
である。

【図１１】 この発明の実施の形態７のタイムチャート
である。

【図１２】 この発明の実施の形態８のタイムチャート
である。

【図１３】 従来の粒子線照射装置のシステム構成図で
ある。

【図１４】 従来のスポットスキャニング照射方式の原
理図である。

【図１５】 従来のサイクロトロン又はシンクロサイク
ロトロンの原理図である。

【符号の説明】

１ サイクロトロン、２ キッカ電磁石、３ キッカ電
源、４ ビームストッパ、５ 偏向電磁石、６ 照射装
置、７ 線量モニタ、８ 信号処理回路、９患者（被照
射体）、２０ エネルギーデグレーダ、２１ スキャニ
ング電磁石、２２ 照射領域、３０ イオン源、３１
ヨーク、３２ コイル、３３ 電極、３４ 高周波電
源、３５ デフレクタ、３６ 真空チェンバー、５０
シンクロサイクロトロン、５１ 高周波電源、５２ 振
幅変調波形調整器、５３ 信号処理回路、５４ メモリ
ーモジュール、５５ トリガ発生モジュール、５６ デ
ィレーモジュール、５７ 演算モジュール。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振幅変調が可能な高周波電源を用いたシ
   ンクロサイクロトロンにおいて、振幅変調波形の時間幅
   を変えることにより出射ビーム強度を制御することを特
   徴とする出射ビーム強度制御方法。
2. 【請求項２】 振幅変調が可能な高周波電源を用いたシ
   ンクロサイクロトロンにより加速された粒子ビームを被
   照射体に適切に照射する過程と、 前記被照射体に照射された照射線量を計測する過程と、 計測された照射線量が必要な第１集積線量Ｄ０よりも低
   い第２集積線量Ｄ１に達した時点で、高周波電源の振幅
   変調波形の時間幅を変えることにより出射ビーム強度を
   減らす過程と、 前記計測照射線量が前記第１集積線量Ｄ０に達した時点
   でビーム出射を停止する過程と、 を備えることを特徴とする出射ビーム強度制御方法。
3. 【請求項３】 前記第１集積線量値Ｄ０と前記第２集積
   線量Ｄ１との差は前記シンクロサイクロトロンから周期
   的に出射される粒子ビームの１ショットの照射による線
   量の約半分としたことを特徴とする請求項２の出射ビー
   ム強度制御方法。
4. 【請求項４】 １ショットの照射で、計測された照射線
   量が前記第２集積線量Ｄ１と前記第１集積線量Ｄ０の両
   方に達した場合は、次の周期では、ビーム出射ができな
   いように前記高周波電源の振幅変調波形の時間幅を変え
   ることを特徴とする請求項２又は３の出射ビーム強度制
   御方法。
5. 【請求項５】 振幅変調が可能な高周波電源を用いたシ
   ンクロサイクロトロンにより加速され粒子ビームを被照
   射体に適切に照射する過程と、 前記被照射体に照射された照射線量を計測する過程と、 計測された照射線量が必要な第１集積線量Ｄ０よりも低
   い第２集積線量Ｄ１に達した時点で、前記計測照射線量
   と前記第１集積線量Ｄ０との差を計算し、その差分を照
   射するように前記高周波電源の振幅変調波形の時間幅を
   変えて出射ビーム強度を減らす過程と、 前記計測照射線量が前記第１集積線量Ｄ０に達した時点
   でビーム出射を停止する過程と、 を備えることを特徴とする出射ビーム強度制御方法。
6. 【請求項６】 前記第１集積線量Ｄ０と前記第２集積線
   量Ｄ１との差は前記シンクロサイクロトロンから周期的
   に出射される粒子ビームの１ショットの照射による線量
   分以下としたことを特徴とする請求項５の出射ビーム強
   度制御方法。
7. 【請求項７】 １ショットの照射で、前記計測照射線量
   が前記第２集積線量Ｄ１と前記第１集積線量Ｄ０の両方
   に達した場合は、次の周期では、ビーム出射ができない
   ように前記高周波電源の振幅変調波形の時間幅を変える
   ことを特徴とする請求項５又は６の出射ビーム強度制御
   方法。
8. 【請求項８】 振幅変調が可能な高周波電源を用いて粒
   子ビームを加速するシンクロサイクロトロンと、 前記シンクロサイクロトロンにより加速され取り出され
   た粒子ビームを被照射体に適切に照射するための照射装
   置と、 前記被照射体に照射された粒子ビームの照射線量を計測
   する線量モニタと、 前記線量モニタの信号処理回路と、を備え、 前記線量モニタにより計測された照射線量が必要な第１
   集積線量Ｄ０よりも低い第２集積線量Ｄ１に達した時点
   で、高周波電源の振幅変調波形の時間幅を変えることに
   より出射ビーム強度を減らし、前記計測照射線量が前記
   第１集積線量Ｄ０に達した時点でビーム出射を停止する
   ことを特徴とする出射ビーム強度制御装置。
9. 【請求項９】 前記第１集積線量値Ｄ０と第２集積線量
   Ｄ１との差は前記シンクロサイクロトロンから周期的に
   出射される粒子ビームの１ショットの照射による線量の
   約半分としたことを特徴とする請求項８の出射ビーム強
   度制御装置。
10. 【請求項１０】 １ショットの照射で、前記線量モニタ
    により計測された照射線量が前記第２集積線量Ｄ１と前
    記第１集積線量Ｄ０の両方に達した場合は、次の周期で
    は、ビーム出射ができないように前記高周波電源の振幅
    変調波形の時間幅を変えることを特徴とする請求項８又
    は９の出射ビーム強度制御装置。
11. 【請求項１１】 振幅変調が可能な高周波電源を用いて
    粒子ビームを加速するシンクロサイクロトロンと、 前記シンクロサイクロトロンにより加速され取り出され
    た粒子ビームを被照射体に適切に照射するための照射装
    置と、 前記被照射体に照射された粒子ビームの照射線量を計測
    する線量モニタと、 前記線量モニタの信号処理回路と、 メモリー及び演算機能を備えた演算モジュールと、を備
    え、 前記線量モニタにより計測された照射線量が必要な第１
    集積線量Ｄ０よりも低い第２集積線量Ｄ１に達した時点
    で、前記計測照射線量と前記第１集積線量Ｄ０との差を
    前記演算モジュールにより計算し、その差分を照射する
    ように前記高周波電源の振幅変調波形の時間幅を変えて
    出射ビーム強度を減らし、前記計測照射線量が前記第１
    集積線量Ｄ０に達した時点でビーム出射を停止すること
    を特徴とする出射ビーム強度制御装置。
12. 【請求項１２】 前記第１集積線量Ｄ０と前記第２集積
    線量Ｄ１との差は前記シンクロサイクロトロンから周期
    的に出射される粒子ビームの１ショットの照射による線
    量分以下としたことを特徴とする請求項１１の出射ビー
    ム強度制御装置。
13. 【請求項１３】 １ショットの照射で、前記線量モニタ
    により計測された照射線量が前記第２集積線量Ｄ１と前
    記第１集積線量Ｄ０の両方に達した場合は、次の周期で
    は、ビーム出射ができないように前記高周波電源の振幅
    変調波形の時間幅を変えることを特徴とする請求項１１
    又は１２の出射ビーム強度制御装置。