JPWO2013030996A1 - 荷電粒子ビーム照射システムおよび荷電粒子ビーム照射システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

実照射直前に、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラックピーク、照射深度をリアルタイムで確認できる荷電粒子ビーム照射システムおよびの荷電粒子ビーム照射システムの運転方法を提供する。実照射直前に、高速ステアラ電磁石１０２を１００%通電することで、ビームダンパー１０４に意図的に確認用のビームを当て、その手前の線量計１０５、線量計測装置１０６により出射ビームの強度を計測するとともに、積層型粒子線計測装置１０７により線量分布を計測する。これにより、実照射直前に、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラックピーク、照射深度を正確かつリアルタイムで確認できる。確認の結果、ビームが所望の線量分布である場合は、継続して出射制御をおこなう。

Description

本発明は荷電粒子ビーム照射システムに係り、特に、陽子及び炭素イオン等の荷電粒子ビームを患部に照射して治療する粒子線治療装置に適用するのに好適な荷電粒子ビーム照射システムに関する。

がん等の患者の患部に陽子及び炭素イオン等の荷電粒子ビーム(イオンビーム)を照射する治療方法が知られている。この治療に用いる荷電粒子ビーム照射システム（粒子線出射装置或いは荷電粒子ビーム出射装置)は、荷電粒子ビーム発生装置を備え、荷電粒子ビーム発生装置で加速されたイオンビームは、第１ビーム輸送系及び回転ガントリに設けられた第２ビーム輸送系を経て回転ガントリに設置された照射装置に達する。イオンビームは照射装置より出射されて患者の患部に照射される。荷電粒子ビーム発生装置としては、例えば、荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回させる手段、共鳴の安定限界の外側で荷電粒子ビームのベータトロン振動を共鳴状態にする手段、及び荷電粒子ビームを周回軌道から取り出す出射用デフレクタを備えたシンクロトロン(円形加速器)が知られている(例えば、特許文献１)。

照射装置は、上記イオンビーム発生装置から導かれたイオンビームを、患者の体表面からの深さ及び患部形状に合わせて整形して、治療用ベッド上の患者の患部に照射する。照射装置では、一般に、二重散乱体法(非特許文献１の２０８１頁、図３５)、ウォブラ法(非特許文献１の２０８４頁、図４１)、ビームスキャニング法(特許文献２，非特許文献１の２０９２頁及び２０９３頁)のいずれかのビーム照射法にてイオンビームを患部に照射する。

上記ビーム照射法の中でも、正常細胞に対する影響が少なく、ノズル内蔵機器が不要であるという特徴からビームスキャニング法に注目が集まっている。ビームスキャニング法は、走査電磁石に励磁する電流量制御によるビーム進行方向に直角な方向への走査と、エネルギー変更による患部の深さ方向への走査を組み合わせて、患部の形状に合わせてビームを照射することが特徴である。

ビームスキャニング法において、照射領域を構成する各要素をスポット、患部を深さ方向に複数分割した領域をレイヤーという。走査電磁石の電流値を設定し、目標スポットへ到達すると、設定された線量の照射を行い、照射線量が設定値に達すると次のスポットへ移動する。スポットから次のスポットに移動する間、ビームの出射を停止し、照射位置の移動が完了すると、ビームを再び出射する。これを1つのレイヤー内の照射が終わるまで繰り返す。1つのレイヤーへの照射が完了すると、次のレイヤーのエネルギーに変更して、同様の照射を繰り返す。これを全てのレイヤーの照射が完了するまで繰り返すのがビームスキャニング法の概要である。

荷電粒子ビームが物質（患者体内）に入射すると、停止する直前に運動エネルギーの大部分が放出されブラッグピークと呼ばれる極大を持つ線量分布を形成する物理特性がある。荷電粒子ビームのエネルギーを調整し、ブラッグピークを患部の深部方向位置に概一致させることで、患部に集中的に線量を付与することができる。

線量分布を計測する手段の一例として、積層型粒子線計測装置がある。積層型粒子線計測装置は、イオンチェンバーを複数積層して構成される線量計測部を有し、１度の照射で積層型粒子線計測装置内部の線量分布を精度良くかつ速やかに計測することができる（特許文献３）。通常、積層型粒子線計測装置は、照射装置の下流の本来患者が配置される位置に配置される。実際の患者への照射に先立って、積層型粒子線計測装置に照射して線量分布を計測することで、所定のエネルギー、ブラックピーク、照射深度であるか否かを確認する。

ところで、ビームを効率よく患部に照射するための技術として多段出射が注目されつつある（特許文献４）。一般に荷電粒子ビーム照射システムは入射−加速−出射−減速を１サイクルとし、エネルギーを変えながら複数サイクルのビームを出射している。これに対し、多段出射は、入射−加速−出射−加速−出射・・・繰り返し・・・−出射−減速、または、入射−加速−出射−加速−出射・・・繰り返し・・・−出射−減速−出射−減速−出射・・・繰り返し・・・−出射−減速といったように、１サイクルで複数の異なるエネルギーにより照射する。多段出射によりシンクロトロンの1サイクルの運転で患部全体の照射を完了することが出来る。

一方、荷電粒子照射システムにおいては、荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームのうち照射装置に輸送されない不要の荷電粒子ビームが発生する場合があり、その不要のビームを処理するため、第１ビーム輸送系にビームダンパー装置を設けることが考えられている（特許文献５）。

米国特許５，３６３，００８号 特許第２５９６２９号公報 特開２０１０-１７５３０９号公報 特開２００８‐２２６７４０号公報 米国特許５，２６０，５８１号

レビュー オブ サイエンティフィック インスツルメンツ６４巻８号(１９９３年８月)の第２０７４〜２０９３頁(REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME ６４ NUMＢER ８(ＡUGUST １９９３)P２０７４−２０９３） プロシーディング オブ シンポジウム オン アクセレレータ アンド リレーティット テクノロジー フォー アプリケーション ７巻(2005年６月)の第３５頁〜３６頁(Proceedings of the Symposium on Ａccelerator ＡND Related Technology for Ａpplication VOLUME ７(June,2005)P３５−３６)

従来技術（特許文献３）にかかる積層型粒子線計測装置は、照射装置の下流の本来患者が配置される位置に配置される。実際に患者に照射するのに先立って、積層型粒子線計測装置に照射して線量分布を計測することで、所定のエネルギー、ブラックピーク、照射深度を確認する。

ところで、実際に照射をする操作者から、実照射直前の最終確認として、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラックピーク、照射深度をリアルタイムで確認したいと言う要望がある。

とくに、多段出射（特許文献４）では、１サイクルにおいて複数のエネルギーに変更するため、各段のエネルギー等をリアルタイムで確認することは、重要である。

しかしながら、従来技術にかかる積層型粒子線計測装置が計測する荷電粒子線ビームは調整段階のものであり、実際に患者に照射する荷電粒子ビームそのものではない。言い換えると、従来技術では、患者が配置された状態で、リアルタイムで線量分布を計測することが出来ない。

また、積層型粒子線計測装置が、照射装置側にあるため、シンクロトロンから出射されたビームを輸送系、ガントリ、照射装置を経て、積層型粒子線計測装置で計測しないと、線量分布が計れなかった。

このため、システムの建設段階では、照射装置完成まで待たなければ、線量分布計測ができなかった。さらに、システム完成後も、出射ビームの不具合が発生した場合、シンクロトロンの出射ビームが不具合なのか、シンクロトロン以降の何らかの機器が不調であるのかが簡単には分からず、調査に時間がかかった。

また、第１ビーム輸送系にビームダンパー装置を設置したシステム（特許文献５）においては、荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームに不要のビームが発生した場合は、そのビームをビームダンパー装置に送り、処理することができる。しかし、従来のシステムでは、そのビームダンパー装置は不要のビームを捨てるだけのために用いられていた。

本発明の目的は、実照射直前に、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラックピーク、照射深度をリアルタイムで確認できる荷電粒子ビーム照射システムおよびの荷電粒子ビーム照射システムの運転方法を提供することができる。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、入射・捕獲ステップ、加速ステップ、出射制御ステップ、減速ステップをシンクロトロンの１運転サイクルとする荷電粒子ビーム照射システムの運転方法において、前記出射制御ステップにおける出射開始前に、前記シンクロトロンに蓄積された荷電粒子ビームの一部を確認ビームとして出射し、これと同時に前記シンクロトロン下流の輸送系に設けられたステアリング電磁石の励磁を制御して前記シンクロトロンから出射した確認ビームを分岐させビームダンパーに当て、分岐経路に設けられた積層型粒子線計測装置により、前記ビームダンパーに当てる荷電粒子ビームの線量分布を計測し、計測した荷電粒子ビームの線量分布を記憶し、管理する。

これにより、一般的なシンクロトロンの運転サイクルにおいて、実照射直前に、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラックピーク、照射深度をリアルタイムで確認できる。

（２）上記目的を達成するために、本発明は、シンクロトロンの１運転サイクルにおいて、荷電粒子を複数回加速・減速して異なるエネルギーにし、各段で出射制御をおこなう、荷電粒子ビーム照射システムの運転方法において、前記各段の出射制御における出射開始前に、前記シンクロトロンに蓄積された荷電粒子ビームの一部を確認ビームとして出射し、これと同時に前記シンクロトロン下流の輸送系に設けられたステアリング電磁石の励磁を制御して前記シンクロトロンから出射した確認ビームを分岐させビームダンパーに当て、分岐経路に設けられた積層型粒子線計測装置により、前記ビームダンパーに当てる荷電粒子ビームの線量分布を計測し、計測した荷電粒子ビームの線量分布を記憶し、管理する。

これにより、多段出射において、各段における実照射直前に、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラックピーク、照射深度をリアルタイムで確認できる。

（３）上記目的を達成するために、本発明は、荷電粒子ビームを加速して出射する荷電粒子ビーム発生装置と、前記荷電粒子ビーム発生装置に接続され、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを輸送する第１ビーム輸送系と、前記荷電粒子ビームを照射する少なくとも１つの照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射システムにおいて、前記第１ビーム輸送系の途中に設けられたステアリング電磁石と、このステアリング電磁石から分岐したビーム経路に設けられたビームダンパーとを有し、前記ステアリング電磁石の励磁制御により、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームのうち前記照射装置に輸送されない荷電粒子ビームを前記ビームダンパーに当てるビームダンパー装置と、前記ビームダンパー装置に設けられ、前記ビームダンパーに当てる荷電粒子ビームの線量分布を計測する積層型粒子線計測装置と、前記積層型粒子線計測装置により計測した荷電粒子ビームの線量分布を記憶し、管理する照射管理装置とを備える。

これにより、荷電粒子ビーム発生装置から出射される確認ビームは、照射装置に輸送されず、分岐経路に設けられた積層型粒子線計測装置により計測できる。

（４）上記（３）において、好ましくは、前記ビームダンパー装置内で積層型粒子線計測装置の上流に設けられ、荷電粒子ビームの線量を計測する線量モニタ装置を更に備え、前記照射管理装置は、前記線量モニタ装置により計測した荷電粒子ビームの線量値を記憶し、管理する。

これにより、確認ビームをビームダンパーに当てることにより発生する課題を解決する。

（５）上記（３）および（４）において、好ましくは、前記シンクロトロンからの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御する第１制御装置と、前記シンクロトロンの運転サイクルにおける出射制御区間における出射開始前に前記シンクロトロンに蓄積された荷電粒子ビームの一部を確認ビームとして出射し、かつこれと同時に前記ステアリング電磁石の励磁を制御して前記シンクロトロンから出射した確認ビームを前記ビームダンパーに当てる第２制御装置と、を更に備える。

これにより、確認ビームをビームダンパーに当てることができる。

本発明によれば、ビームダンパー装置に設けられた積層型粒子線計測装置により、確認ビームの線量分布を計測することで、実照射直前に、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラックピーク、照射深度をリアルタイムで確認できる。

また、何らかの予期せぬ出射ビームの変動が発生した場合に、その変動要因がシンクロトロン側の要因によるのか、または、ビーム輸送系、照射装置、その他の機器によるものなのかの切り分けが可能となり、変動要因対策の時間の節約及び精度の向上が期待できる。

更に、システムの建設段階では、照射装置完成まで待つことなく、シンクロトロンからの出射ビームのビーム強度の調整を実施することができ、荷電粒子ビーム照射システムの早期の立ち上げが可能となる。

荷電粒子ビーム照射システムの全体概略構成図である。 高速ステアラ装置の構成の詳細図である。 積層型粒子線計測装置の構成図である。 積層型粒子線計測装置の可動装置である。 一般的なシンクロトロンの１サイクルの運転を示す図である。 多段出射におけるシンクロトロンの運転サイクルを示す図である。

以下に、本発明の実施の形態を説明する。

〜構成〜
図１に示すように、本実施の形態の荷電粒子ビーム照射システムは、荷電粒子ビーム発生装置１、荷電粒子ビーム発生装置１の下流側に接続された第１ビーム輸送系４、この第１ビーム輸送系４から分岐するようにそれぞれ設けられた第２ビーム輸送系５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ、切替え電磁石（経路切替え装置）６Ａ，６Ｂ，６Ｃ、及び照射野形成装置である照射装置１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄを備えている。第１ビーム輸送系４は、第２ビーム輸送系５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄのそれぞれにイオンビームを導く共通のビーム輸送系である。第２ビーム輸送系５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄは照射装置１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ毎に設けられたビーム輸送系であり、照射装置１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄは治療室２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄに配置されている。本実施の形態の荷電粒子ビーム照射システムは、具体的には陽子線治療システムである。

荷電粒子ビーム発生装置１は、イオン源(図示せず)、前段加速器(例えば線形加速器)１１及び主加速器であるシンクロトロン１２を有する。シンクロトロン１２は、高周波印加装置３１及び高周波加速空胴(加速装置)３２を荷電粒子ビームの周回軌道上に設置している。高周波印加装置３１は、高周波印加用の一対の電極（図示せず）を備え、高周波印加用電極は出射用の高周波供給装置３３に接続される。高周波供給装置３３は、高周波発振器（出射用高周波電源）３４、印加電圧制御装置（出射ビーム強度制御装置）３５、インターロック用スイッチ（開閉装置）３６、照射制御用スイッチ（開閉スイッチ）３７を備える。インターロック用スイッチ（開閉装置）３６は、インターロック信号により開けられ、通常時は閉じている。照射制御用スイッチ（開閉スイッチ）３７はビーム出射開始信号により閉じられ、ビーム出射停止信号により開けられる。高周波印加装置３１は、印加電圧制御装置３５、スイッチ３６，３７を介して、高周波発振器３４から出射用の高周波電圧の供給を受ける。高周波加速空胴３２に高周波電力を印加する高周波電源（図示せず)が、別途設けられる。

イオン源で発生したイオン(例えば、陽イオン(または炭素イオン))は前段加速器１１で加速される。前段加速器１１から出射された荷電粒子ビームはシンクロトロン１２に入射される。荷電粒子ビーム(粒子線)は、高周波電源からの高周波電力の印加によって高周波加速空胴３２内に発生する電磁場に基づいてエネルギーを与えられて加速される。シンクロトロン１２内を周回する荷電粒子ビームは、設定されたエネルギー(例えば１００〜２００ＭｅＶ)まで加速された後、出射用高周波電源である高周波発振器３４からの高周波を開閉スイッチ３７を閉じることによって、出射用高周波印加装置３１より周回している荷電粒子ビームに印加される。このため、安定限界内で周回している荷電粒子ビームは、安定限界外に移行し、出射用デフレクタを通って出射される。荷電粒子ビームの出射の際には、シンクロトロン１２に設けられた四極電磁石１３及び偏向電磁石１４に導かれる電流が電流設定値に保持され、安定限界もほぼ一定に保持されている。開閉スイッチ３７を開け、出射用高周波印加装置３１への高周波電力の印加を停止することによって、シンクロトロン１２からの荷電粒子ビームの出射が停止される。

シンクロトロン１２から出射された荷電粒子ビームは、第１ビーム輸送系４より高速ステアラ装置１００（後述）を経由して、下流側へ輸送される。第１ビーム輸送系４は、ビーム経路３、ビーム経路３にビーム進行方向上流側より配置された四極電磁石１８、シャッタ８、偏向電磁石１７、四極電磁石１８、切替え電磁石６Ａ、ビーム経路６１、ビーム経路３にビーム進行方向上流側より配置された四極電磁石１９、切替え電磁石６Ｂ、四極電磁石２０、切替え電磁石６Ｃを備えている。第１ビーム輸送系４に出射された荷電粒子ビームは切替え電磁石６Ａ，６Ｂ，６Ｃの励磁、非励磁の切り替えによる偏向作用の有無によって、第２ビーム輸送系５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄのいずれかに選択的に導入される。

第２ビーム輸送系５Ａは、第１輸送系４のビーム経路３に接続されて治療室２Ａ内に配置された照射装置１５Ａに連絡されるビーム経路６２、及びビーム経路６２にビーム進行方向上流側より配置された偏向電磁石２１Ａ、四極電磁石２２Ａ、シャッタ７Ａ、偏向電磁石２３Ａ、四極電磁石２４Ａ、偏向電磁石２５Ａ、偏向電磁石２６Ａを備える。

第２ビーム輸送系５Ｂ、第２ビーム輸送系５Ｃも第２ビーム輸送系５Ａと同様に構成されている。これら第２ビーム輸送系５Ｂ及び５Ｃにおいて、第２ビーム輸送系５Ａの構成要素と同等のものには同じ参照数字の添え字Ａに代え、添え字Ｂ，Ｃを付して示している。第４ビーム輸送系５Ｄは、第１輸送系４のビーム経路６１に接続されて治療室２Ｄ内に配置された照射装置１５Ｄに連絡されるビーム経路６５、及びビーム経路６５にビーム進行方向上流側より配置された四極電磁石２７，２８、シャッタ７Ｄを備える。

第１ビーム輸送系４を経由して第２ビーム輸送系５Ａへ導入された荷電粒子ビームは、該当する電磁石の励磁によりビーム経路６２を通って照射装置１５Ａへと輸送される。第２ビーム輸送系５Ｂ，５Ｃ，５Ｄについても同様に、荷電粒子ビームは各ビーム経路６２或いはビーム経路６１，６５を通って照射装置１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄにそれぞれ輸送される。

照射装置１５Ａ〜１５Ｃは、治療室２Ａ〜２Ｃにそれぞれ設置された回転ガントリー（図示せず）に取り付けられている。照射装置１５Ｄは固定式である。

照射装置１５Ａ〜１５Ｄはそれぞれ走査電磁石（図示省略）を備え、走査電磁石電源制御装置５００によって走査電磁石電源（図示省略）を制御することで励磁電流が制御され、荷電粒子ビームを横方向に走査する。また、照射装置１５Ａ〜１５Ｄは、各照射位置において荷電粒子ビームの移動（走査）を停止して照射し、照射位置における照射線量が目標値に達すると次の照射位置へ移動する。照射位置を次の位置に移動する間、シンクロトロン１２からの荷電粒子ビームの出射は停止され、照射位置の移動が完了すると、シンクロトロン１２から荷電粒子ビームが再び出射される。このような走査電磁石の制御と荷電粒子ビームのＯＮ／ＯＦＦ制御のため、照射装置１５Ａ〜１５Ｄは、荷電粒子ビームの線量（照射線量）を検出する線量計と照射位置を検出する位置検出装置を有し、その照射線量情報と位置情報を加速・照射制御装置２００に出力する。

また、本実施の形態の荷電粒子ビーム照射システムは、第１ビーム輸送系４に設けられた高速ステアラ装置（ビームダンパー装置）１００を備え、高速ステアラ装置１００を制御することにより、第１輸送系４に出射された荷電粒子ビームを後続の第２ビーム輸送系５Ｂ，５Ｃ，５Ｄに輸送したり、高速ステアラ装置１００に輸送したりすることができる。高速ステアラ装置１００は、第１ビーム輸送系４のシンクロトロン１２の直後に設置することで、高速ステアラ装置１００に到達する荷電粒子ビームがビーム輸送系の多くの機器を経由しない構成とする。

図２は高速ステアラ装置１００の構成の詳細を示す図である。

高速ステアラ装置１００は、第１ビーム輸送系４のビーム経路３の途中に設けられた高速ステアラ（ＨＳＳＴ）電磁石１０２と、この高速ステアラ電磁石１０２から分岐したビーム経路１０３に設置されたビームダンパー１０４とを有している。高速ステアラ（ＨＳＳＴ）電磁石１０２はビームを高速に曲げるステアリング電磁石であり、例えば、１００%通電時、ちょうどビームダンパー１０４にビームを当てることができる。また、０%通電時は、ビームを曲げないで、そのまま後続の輸送系にビームを通過させることができる。

高速ステアラ電磁石１０２の１００%通電から０%通電への切替或いは０%通電から１００%通電への切替は、高速ステアラ電源装置１０１により、高速に、例えば５００μ秒以内で行うことができる。

また、本発明の高速ステアラ装置１００は、ビーム経路１０３のビームダンパー１０４の手前に設置された線量計１０５と、線量計１０５からの計測信号を入力する線量計測装置１０６と、線量計１０５とビームダンパー１０４の間に設置された積層型粒子線計測装置１０７とを有し、線量計測装置１０６において線量計１０５からの計測信号を処理することで、ビームダンパー１０４に当たるビームの線量を計測することができる。また、線量計測装置１０６は、そのビームの線量を積算し、その増分（線量値の単位時間当たりの変化量）を演算することでビーム強度を計測することができる。

次に、積層型粒子線計測装置１０７の構造について図３、図４を用いて以下に説明する。積層型粒子線計測装置１０７は、スポットポジションモニター２０１（以下、SPM）、レンジシフタ２０２、レンジシフタ挿入機構２０３、線量計測部２０４、可動装置２０５、主制御装置２０６（後述する第４制御部２００ｄに接続）からなる。

ＳＰＭ２０１は、ＳＰＭ２０１に入射したビームの横方向における重心位置を計測する。ＳＰＭ２０１は、複数の陽極線をガス容器内部に数ｍｍの間隔で配置したイオンチェンバー又は比例計数管であり、スキャニング照射法等によって照射されたビームの重心位置と、横方向に対するビームの広がりを、線量計測部２０４と比較して精度良く計測できる。また、ＳＰＭ２０１は、積層型粒子線計測装置１０７の調整項目及び性能評価項目に応じて、脱着可能である。

レンジシフタ２０２は、調整項目及び性能評価項目に応じて縦方向の計測位置を変更する。様々な厚さの個体が用意され、これらの組み合わせによって非常に密な間隔（例えば０.１ｍｍ）で縦方向の計測範囲が変更される。ただし、使用されるレンジシフタ２０２の素材と厚みの種類は、荷電粒子線照射システムの調整及び性能評価の項目に応じて任意である。また、レンジシフタ２０２の挿入は、レンジシフタ挿入機構２０３で実現される。可動装置２０５は、可動天板Ａ２０７にＳＰＭ２０１、レンジシフタ２０２、レンジシフタ挿入機構２０３、可動天板Ｂ２０８に線量計測部２０４を配置する。

可動装置２０５は荷電粒子線照射システムの調整及び性能評価の項目に応じて縦方向１軸と横方向２軸に可動天板Ｂ２０８を走査する。可動天板Ａ２０７は、可動天板Ｂ２０８と連動して横方向２軸に可動する。また積層型粒子線計測装置１０７のアライメントのために、可動装置２０５は地面と垂直な方向を軸として可動天板Ａ２０７と可動天板Ｂ２０８を同時に回転できる。また、可動天板Ａ２０７と可動天板Ｂ２０８において機器の設置面は、縦方向と平行であるように調整される。可動装置２０５の底面部には車輪２０９が設けられ、積層型粒子線計測装置１０７を任意の場所へ移動して使用できる。ただし、積層型粒子線計測装置１０７は定位置に固定される。可動装置２０５はビーム中心をあわせる微調整のために用いる。

線量計測部２０４は、縦方向にイオンチェンバー２１０を数十層積層して構成される。イオンチェンバー２１０は、イオンチェンバー２１０とイオンチェンバー２１０の間にできるだけ隙間ができないよう積層される。イオンチェンバー２１０は１枚ずつ脱着可能であり、ある層のイオンチェンバーが故障した場合、ただちに交換できる。ただし、イオンチェンバー２１０の積層数は、荷電粒子線照射システムの調整及び性能評価の項目に応じて任意である。イオンチェンバー２１０は、ビームの線量に感度を持つセンサー部２１１と、信号処理装置２１２からなる。

次に、図１に戻り、本実施の形態の荷電粒子ビーム照射システムにおける制御系を説明する。荷電粒子ビーム照射システムは、制御系として、中央制御装置１５０、加速・照射制御装置２００、端末制御装置３００、走査電磁石電源制御装置５００を備える。

加速・照射制御装置２００は、第１制御部２００ａ、第２制御部２００ｂ、第３制御部２００ｃ、第４制御部２００ｄを含む複数の制御部を有している。

第１制御部２００ａは、中央制御装置１５０のメモリに保存された情報と照射装置１５Ａ〜１５Ｄからの照射線量情報と位置情報等に基づいて、ビーム出射開始信号及びビーム出射停止信号を生成し、このビーム出射開始信号及びビーム出射停止信号を開閉スイッチ３７に出力することで、シンクロトロン１２からの荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御する（第１制御装置）。

第３制御部２００ｃは、中央制御装置１５０のメモリに保存された情報と照射装置１５Ａ〜１５Ｄからの照射線量情報と位置情報等に基づいて、照射位置を次の位置に移動するための走査電磁石の励磁電流を決定し、この励磁電流情報を走査電磁石電源制御装置５００に出力する。走査電磁石電源制御装置５００はその励磁電流情報に基づいて図示しない走査電磁石電源を制御し、走査電磁石の励磁電流を制御する。

このようにシンクロトロン１２からの荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止と走査電磁石の励磁電流を制御することにより、照射対象内の横方向（荷電粒子ビーム進行方向（深さ方向）に垂直な方向）に荷電粒子ビームを走査し、横方向における線量分布を所望の分布に制御することができる。この制御内容は特許第２８３３６０２号公報等に詳しい。

第２制御部２００ｂは、高速ステアラ装置１００の電源装置１０１に接続され、電源装置１０１を制御することで高速ステアラ電磁石１０２の通電量の切替を制御する
第４制御部２００ｄは、高速ステアラ装置１００の線量計測装置１０６及び積層型粒子線計測装置１０７に接続され、線量計１０５、線量計測装置１０６及び積層型粒子線計測装置１０７において計測した線量値やビーム強度及び線量分布を入力し、メモリに保存（記録）する。また、その保存した線量値及びビーム強度を端末制御装置３００に出力する。

加速・照射制御装置２００のその他の制御部は、中央制御装置１５０のメモリに保存されたその他の情報に基づいて、荷電粒子ビーム発生装置１を構成する高周波加速空胴３２等のその他の機器及びその制御装置のパラメータを設定しかつそれらを制御する。

端末制御装置３００は、モニタ３００ａと、モニタ３００ａに表示されるユーザインターフェースを通じて所定の入力を行うキーボードやマウス等の入力装置３００ｂとを有している。また、端末制御装置３００は、加速・照射制御装置２００の第２制御部２００ｂのメモリに保存した線量計測装置１０６からの線量値やビーム強度を入力し、モニタ２００ａに表示可能である。これにより加速・照射制御装置２００の第４制御部２００ｄと端末制御装置３００は、線量モニタ装置である線量計１０５、線量計測装置１０６及び積層型粒子線計測装置１０７により計測した荷電粒子ビームの線量値、ビーム強度及び線量分布を記憶し、管理する照射管理装置を構成する。

〜動作〜
まず、本実施の形態の動作（第１動作）を説明する。

図５は、一般的なシンクロトロン１２の運転サイクルを示す図である。荷電粒子ビームの入射・捕獲、荷電粒子ビームを設定されたエネルギーまで高める加速、目標のエネルギーになった荷電粒子ビームの出射、及び減速を１サイクルとし、この運転サイクルが繰返される。これら入射・捕獲、加速、出射、及び減速(シンクロトロン１２の１つの運転サイクル)の制御は加速する荷電粒子ビームのエネルギーに合わせて規定される。シンクロトロン１２の周回軌道を周回する荷電粒子ビームが目標のエネルギーまで加速される。その後、出射制御区間で、高周波供給装置３３を起動して高周波印加装置３１を作動させ、出射用高周波を印加することで、シンクロトロン１２から荷電粒子ビームを後続の第１ビーム輸送系４に出射する。これによりシンクロトロン１２は、後続の第２ビーム輸送系５Ａ〜５Ｄに接続された各治療室２Ａ〜２Ｄの照射装置１５Ａ〜１５Ｄに対して出射制御区間に荷電粒子ビームを供給できる。

ビームスキャニング法は出射制御区間で、走査電磁石による平面方向のビームの走査及びビームをＯＮ/ＯＦＦ制御することによって患部を深さ方向に分割した領域（レイヤー）を照射することが出来る。患部の深さ方向を全て照射するために、エネルギーを変化させ、各レイヤーへの照射を繰り返す。

従って、実照射直前に、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラックピーク、照射深度をリアルタイムで確認することは重要である。本実施の形態の特徴的動作について説明する。

シンクロトロン１２と第１ビーム輸送系３及び高速ステアラ装置１００を利用することで、シンクロトロン１２からの出射ビームの線量分布計測が可能となる。

すなわち、実照射直前に、高速ステアラ電磁石１０２を１００%通電することで、ビームダンパー１０４に意図的に確認用のビームを当て、その手前の線量計１０５、線量計測装置１０６により出射ビームの強度を計測するとともに、積層型粒子線計測装置１０７により線量分布を計測する。これにより、実照射直前に、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラックピーク、照射深度を正確かつリアルタイムで確認できる。

確認の結果、ビームが所望の線量分布である場合は、継続して出射制御をおこなう。ビームが所望の線量分布でない場合は、ビームの加速または減速を行い、再度、確認ビームを出射し、線量分布を計測する。ビームの加速または減速による調整をおこなっても、ビームが所望の線量分布でない場合は、運転サイクルを終了し、再調整後に再び出射を行う。

次に、本実施の形態に係るシステムを多段出射に適用した場合の動作（第２動作）を説明する。

１サイクルで複数のエネルギーにより複数のレイヤーを照射できる多段出射が注目されている。多段出射では、１サイクルにおいて複数のエネルギーに変更するため、各段のエネルギーをリアルタイムで確認することが、特に重要である。

図６は、多段出射におけるシンクロトロン１２の運転サイクルを示す図である。荷電粒子ビームの入射・捕獲、荷電粒子ビームを第１段目のエネルギーまで高める加速、目標のエネルギーになった荷電粒子ビームの出射、第２段目のエネルギーまで高める加速、目標のエネルギーになった荷電粒子ビームの出射、・・・繰り返し・・・第Ｎ段目のエネルギーまで高める加速、目標のエネルギーになった荷電粒子ビームの出射、第Ｎ−１段目のエネルギーへの減速、目標のエネルギーになった荷電粒子ビームの出射・・・繰り返し・・・終了を１サイクルでおこなう。各段における出射制御区間で、走査電磁石による平面方向のビームの走査及びビームをＯＮ/ＯＦＦ制御することによって、各段に対応するレイヤーを照射することが出来る。

本実施の形態では、更に、各段における実照射直前に、高速ステアラ電磁石１０２を１００%通電することで、ビームダンパー１０４に意図的に確認用のビームを当て、その手前の線量計１０５、線量計測装置１０６により出射ビームの強度を計測するとともに、積層型粒子線計測装置１０７により線量分布を計測する。これにより、実照射直前に、各段における患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラックピーク、照射深度を正確かつリアルタイムで確認できる。確認の結果、ビームが所望の線量分布である場合は、継続して出射制御をおこなう。

〜効果〜
このように構成した本実施の形態によれば、次の効果が得られる。

従来技術にかかる積層型粒子線計測装置は、照射装置の下流の本来患者が配置される位置に配置されており、実際に患者に照射するのに先立って、積層型粒子線計測装置に照射して線量分布を計測していた。このため、患者が配置された状態で、リアルタイムで線量分布を計測することが出来なかった。

本実施の形態によれば、高速ステアラ装置１００内の積層型粒子線計測装置１０７により確認ビームの線量分布をリアルタイムで計測することができる。

また、何らかの予期せぬ出射ビームの変動が発生した場合に、その変動要因がシンクロトロン１２側の要因によるのかまたは、第１及び第２ビーム輸送系４，５Ａ〜５Ｄ、照射装置１５Ａ〜１５Ｄ、その他の機器によるものなのかの切り分けが可能となり、変動要因対策の時間の節約及び精度の向上が期待できる。

更に、システムの建設段階では、照射装置完成まで待つことなく、シンクロトロン１２からの出射ビームのビーム強度の調整を実施することができ、荷電粒子ビーム照射システムの早期の立ち上げが可能となる。

〜付随的構成とその効果〜
本実施の形態は、ビームダンパー１０４に意図的に確認ビームを当て、その線量分布を計測することを特徴とするが、これにより、以下のような課題が新たに発生する。

一般に、荷電粒子ビームの出射に伴い、シンクロトロン１２内の荷電粒子ビームの蓄積電荷量は減少し、ビーム強度が低下する。これに対し、照射装置側に設置された線量計によりビーム強度を測定し、この計測結果に基づいて出射用高周波の印加電圧ゲインパターンを演算し、出射ビームの強度を一定にしている。

しかし、本実施の形態では、ビームダンパー１０４に意図的に確認ビームを当てるため、照射装置側に設置された線量計は正確にビーム強度計測できない。

本実施の形態では、線量計１０５、線量計測装置１０６により確認ビームの強度を計測し、第４制御部２００ｄは計測結果に基づいて出射用高周波の印加電圧ゲインパターンを演算し、出射ビームの強度を一定にする。これにより確認ビーム出射の影響を受けず、出射ビームの強度を一定にすることができる。

〜変形例〜
（１）動作２において、図6に示す多段出射の運転サイクル一例を示したが、他の運転サイクルでも良い。たとえば、荷電粒子ビームの入射・捕獲、荷電粒子ビームを第１段目のエネルギーまで高める加速、目標のエネルギーになった荷電粒子ビームの出射、第２段目のエネルギーまで高める加速、目標のエネルギーになった荷電粒子ビームの出射、・・・繰り返し・・・第Ｎ段目のエネルギーまで高める加速、目標のエネルギーになった荷電粒子ビームの出射、減速、終了を１サイクルとしても良い。

（２）線量分布を計測する手段として、積層型粒子線計測装置を前提に説明したが、水ファントムを用いてもよい。

（３）ビーム照射法として、ビームスキャニング法を前提に説明したが、二重散乱体法やウォブラ法に適用しても良い。

１ 荷電粒子ビーム発生装置
２Ａ〜２Ｄ 治療室
４ 第１ビーム輸送系
５Ａ〜５Ｄ 第２ビーム輸送系
６Ａ〜６Ｃ 切替え電磁石
７Ａ〜７Ｄ シャッタ
１５Ａ〜１５Ｄ 照射装置
３１ 高周波印加装置
３２ 高周波加速空胴(加速装置)
３３ 高周波供給装置
３４ 高周波発振器（出射用高周波電源）
３５ 印加電圧制御装置（出射ビーム強度制御装置）
３６ インターロック用スイッチ（開閉装置）
３７ 照射制御用スイッチ（開閉スイッチ）
１００ 高速ステアラ装置（ビームダンパー装置）
１０１ 高速ステアラ電源装置
１０２ 高速ステアラ電磁石（ステアリング電磁石）
１０４ ビームダンパー
１０５ 線量計（線量モニタ装置）
１０６ 線量計測装置（線量モニタ装置）
１０７ 積層型粒子線計測装置
１５０ 中央制御装置
２００ 加速・照射制御装置
２００ａ 第１制御部（第１制御装置）
２００ｂ 第２制御部（第２制御装置）
２００ｃ 第３制御部
２００ｄ 第４制御部（照射管理装置）
２０１…スポットポジションモニター
２０２…レンジシフタ
２０３…レンジシフタ挿入機構
２０４…線量計測部
２０５…可動装置
２０６…主制御装置
２０７…可動天板Ａ
２０８…可動天板Ｂ
２０９…車輪
２１０…イオンチェンバー
２１１…センサー部
２１２…、信号処理装置
３００ 端末制御装置（照射管理装置）
３００ａ モニタ
３００ｂ 入力装置
４００ 治療計画装置
５００ 走査電磁石電源制御装置

線量分布を計測する手段の一例として、積層型粒子線計測装置がある。積層型粒子線計測装置は、イオンチェンバーを複数積層して構成される線量計測部を有し、１度の照射で積層型粒子線計測装置内部の線量分布を精度良くかつ速やかに計測することができる（特許文献３）。通常、積層型粒子線計測装置は、照射装置の下流の本来患者が配置される位置に配置される。実際の患者への照射に先立って、積層型粒子線計測装置に照射して線量分布を計測することで、所定のエネルギー、ブラッグピーク、照射深度であるか否かを確認する。

従来技術（特許文献３）にかかる積層型粒子線計測装置は、照射装置の下流の本来患者が配置される位置に配置される。実際に患者に照射するのに先立って、積層型粒子線計測装置に照射して線量分布を計測することで、所定のエネルギー、ブラッグピーク、照射深度を確認する。

ところで、実際に照射をする操作者から、実照射直前の最終確認として、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラッグピーク、照射深度をリアルタイムで確認したいと言う要望がある。

本発明の目的は、実照射直前に、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラッグピーク、照射深度をリアルタイムで確認できる荷電粒子ビーム照射システムおよびその荷電粒子ビーム照射システムの運転方法を提供することができる。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、入射・捕獲ステップ、加速ステップ、出射制御ステップ、減速ステップをシンクロトロンの１運転サイクルとする荷電粒子ビーム照射システムの運転方法において、前記出射制御ステップにおける出射開始前に、前記シンクロトロンに蓄積された荷電粒子ビームの一部を確認ビームとして出射し、前記シンクロトロン下流の輸送系に設けられたステアリング電磁石の励磁を制御して前記シンクロトロンから出射した確認ビームを分岐させビームダンパーに当て、分岐経路に設けられた積層型粒子線計測装置により、前記ビームダンパーに当てる荷電粒子ビームのエネルギーを計測し、計測した荷電粒子ビームのエネルギーを記憶し、管理する。

これにより、一般的なシンクロトロンの運転サイクルにおいて、実照射直前に、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラッグピーク、照射深度をリアルタイムで確認できる。

（２）上記目的を達成するために、本発明は、シンクロトロンの１運転サイクルにおいて、荷電粒子を複数回加速・減速して異なるエネルギーにし、各段で出射制御をおこなう、荷電粒子ビーム照射システムの運転方法において、前記各段の出射制御における出射開始前に、前記シンクロトロンに蓄積された荷電粒子ビームの一部を確認ビームとして出射し、前記シンクロトロン下流の輸送系に設けられたステアリング電磁石の励磁を制御して前記シンクロトロンから出射した確認ビームを分岐させビームダンパーに当て、分岐経路に設けられた積層型粒子線計測装置により、前記ビームダンパーに当てる荷電粒子ビームのエネルギーを計測し、計測した荷電粒子ビームのエネルギーを記憶し、管理する。

これにより、多段出射において、各段における実照射直前に、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラッグピーク、照射深度をリアルタイムで確認できる。

（３）上記目的を達成するために、本発明は、荷電粒子ビームを加速して出射する荷電粒子ビーム発生装置と、前記荷電粒子ビーム発生装置に接続され、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを輸送する第１ビーム輸送系と、前記荷電粒子ビームを照射する少なくとも１つの照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射システムにおいて、前記第１ビーム輸送系の途中に設けられたステアリング電磁石と、このステアリング電磁石から分岐したビーム経路に設けられたビームダンパーとを有し、前記ステアリング電磁石の励磁制御により、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームのうち前記照射装置に輸送されない荷電粒子ビームを前記ビームダンパーに当てるビームダンパー装置と、前記ビームダンパー装置に設けられ、前記ビームダンパーに当てる荷電粒子ビームのエネルギーを計測する積層型粒子線計測装置と、前記積層型粒子線計測装置により計測した荷電粒子ビームのエネルギーを記憶し、管理する照射管理装置とを備える。

（５）上記（３）および（４）において、好ましくは、前記荷電粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御する第１制御装置と、前記荷電粒子ビーム発生装置の運転サイクルにおける出射制御区間における出射開始前に前記荷電粒子ビーム発生装置に蓄積された荷電粒子ビームの一部を確認ビームとして出射し、かつ前記ステアリング電磁石の励磁を制御して前記荷電粒子ビーム発生装置から出射した確認ビームを前記ビームダンパーに当てる第２制御装置と、を更に備える。

本発明によれば、ビームダンパー装置に設けられた積層型粒子線計測装置により、確認ビームのエネルギーを計測することで、実照射直前に、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラッグピーク、照射深度をリアルタイムで確認できる。

端末制御装置３００は、モニタ３００ａと、モニタ３００ａに表示されるユーザインターフェースを通じて所定の入力を行うキーボードやマウス等の入力装置３００ｂとを有している。また、端末制御装置３００は、加速・照射制御装置２００の第４制御部２００ｄのメモリに保存した線量計測装置１０６からの線量値やビーム強度を入力し、モニタ２００ａに表示可能である。これにより加速・照射制御装置２００の第４制御部２００ｄと端末制御装置３００は、線量モニタ装置である線量計１０５、線量計測装置１０６及び積層型粒子線計測装置１０７により計測した荷電粒子ビームの線量値、ビーム強度及び線量分布を記憶し、管理する照射管理装置を構成する。

従って、実照射直前に、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラッグピーク、照射深度をリアルタイムで確認することは重要である。本実施の形態の特徴的動作について説明する。

すなわち、実照射直前に、高速ステアラ電磁石１０２を１００%通電することで、ビームダンパー１０４に意図的に確認用のビームを当て、その手前の線量計１０５、線量計測装置１０６により出射ビームの強度を計測するとともに、積層型粒子線計測装置１０７により線量分布を計測する。これにより、実照射直前に、患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラッグピーク、照射深度を正確かつリアルタイムで確認できる。

本実施の形態では、更に、各段における実照射直前に、高速ステアラ電磁石１０２を１００%通電することで、ビームダンパー１０４に意図的に確認用のビームを当て、その手前の線量計１０５、線量計測装置１０６により出射ビームの強度を計測するとともに、積層型粒子線計測装置１０７により線量分布を計測する。これにより、実照射直前に、各段における患者に照射する荷電粒子ビームのエネルギー、ブラッグピーク、照射深度を正確かつリアルタイムで確認できる。確認の結果、ビームが所望の線量分布である場合は、継続して出射制御をおこなう。

Claims (5)

1. 入射・捕獲ステップ、加速ステップ、出射制御ステップ、減速ステップをシンクロトロン（１２）の１運転サイクルとする荷電粒子ビーム照射システムの運転方法において、
   前記出射制御ステップにおける出射開始前に、前記シンクロトロンに蓄積された荷電粒子ビームの一部を確認ビームとして出射し、
   これと同時に前記シンクロトロン下流の輸送系（４）に設けられたステアリング電磁石（１０２）の励磁を制御して前記シンクロトロンから出射した確認ビームを分岐させビームダンパー（１０４）に当て、
   分岐経路（１０３）に設けられた積層型粒子線計測装置（１０７）により、前記ビームダンパーに当てる荷電粒子ビームの線量分布を計測し、
   計測した荷電粒子ビームの線量分布を記憶し、管理する
   荷電粒子ビーム照射システムの運転方法。
2. シンクロトロン（１２）の１運転サイクルにおいて、荷電粒子を複数回加速・減速して異なるエネルギーにし、各段で出射制御をおこなう、荷電粒子ビーム照射システムの運転方法において、
   前記各段の出射制御における出射開始前に、前記シンクロトロンに蓄積された荷電粒子ビームの一部を確認ビームとして出射し、
   これと同時に前記シンクロトロン下流の輸送系（４）に設けられたステアリング電磁石（１０２）の励磁を制御して前記シンクロトロンから出射した確認ビームを分岐させビームダンパー（１０４）に当て、
   分岐経路（１０３）に設けられた積層型粒子線計測装置（１０７）により、前記ビームダンパーに当てる荷電粒子ビームの線量分布を計測し、
   計測した荷電粒子ビームの線量分布を記憶し、管理する
   荷電粒子ビーム照射システムの運転方法。
3. 荷電粒子ビームを加速して出射する荷電粒子ビーム発生装置（１）と、
   前記荷電粒子ビーム発生装置に接続され、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを輸送する第１ビーム輸送系（４）と、
   前記荷電粒子ビームを照射する少なくとも１つの照射装置（１５Ａ〜１５Ｄ）と
   を備えた荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記第１ビーム輸送系の途中に設けられたステアリング電磁石（１０２）と、このステアリング電磁石から分岐したビーム経路（１０３）に設けられたビームダンパー（１０４）とを有し、前記ステアリング電磁石の励磁制御により、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームのうち前記照射装置に輸送されない荷電粒子ビームを前記ビームダンパーに当てるビームダンパー装置（１００）と、
   前記ビームダンパー装置に設けられ、前記ビームダンパーに当てる荷電粒子ビームの線量分布を計測する積層型粒子線計測装置（１０７）と、
   前記積層型粒子線計測装置により計測した荷電粒子ビームの線量分布を記憶し、管理する照射管理装置（２００ｄ，３００）と
   を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
4. 請求項３記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記ビームダンパー装置内で積層型粒子線計測装置の上流に設けられ、荷電粒子ビームの線量を計測する線量モニタ装置（１０５，１０６）
   を更に備え、
   前記照射管理装置（２００ｄ，３００）は、前記線量モニタ装置により計測した荷電粒子ビームの線量値を記憶し、管理する
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
5. 請求項３および請求項４記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
   前記シンクロトロンからの前記荷電粒子ビームの出射開始及び出射停止を制御する第１制御装置（２００ａ）と、
   前記シンクロトロンの運転サイクルにおける出射制御区間における出射開始前に前記シンクロトロンに蓄積された荷電粒子ビームの一部を確認ビームとして出射し、かつこれと同時に前記ステアリング電磁石の励磁を制御して前記シンクロトロンから出射した確認ビームを前記ビームダンパーに当てる第２制御装置（２００ｂ）と、
   を更に備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。

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