JPWO2014207852A1 - Charged particle beam irradiation system and beam extraction method thereof - Google Patents

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Abstract

シンクロトロンからイオンビームの出射制御を実施する際、周回しているイオンビームのベータトロン振動振幅を増大させる出射用高周波電極に印加する高周波電圧に起因する出射ビームの電流リップルの発生を抑制し、線量率を向上するため、出射制御装置20は、出射用高周波電極16aに印加する高周波電圧として、シンクロトロン13内を周回するビームをシンクロトロン外に出射されないように、安定限界を超えない範囲で振動振幅を増大させるための第1高周波電圧Fsと、シンクロトロンからビームを出射させるための第2高周波電圧Feとで構成される高周波電圧を印加する。When performing ion beam extraction control from the synchrotron, suppress the generation of the output beam current ripple caused by the high frequency voltage applied to the extraction high frequency electrode that increases the betatron oscillation amplitude of the circulating ion beam, In order to improve the dose rate, the emission control device 20 does not exceed the stability limit so that the beam that circulates inside the synchrotron 13 is not emitted outside the synchrotron as a high-frequency voltage applied to the high-frequency electrode 16a for emission. A high frequency voltage composed of a first high frequency voltage Fs for increasing the vibration amplitude and a second high frequency voltage Fe for emitting a beam from the synchrotron is applied.

Description

本発明は、荷電粒子ビーム照射システムおよび荷電粒子ビーム出射方法に係り、特に、陽子または重イオンなどの荷電粒子ビーム(イオンビーム)を患部に照射してがんを治療する粒子線治療装置に適応するのに好適な荷電粒子ビーム照射システムおよび荷電粒子ビーム出射方法に関する。   The present invention relates to a charged particle beam irradiation system and a charged particle beam extraction method, and more particularly, to a particle beam therapy apparatus that treats cancer by irradiating an affected area with a charged particle beam (ion beam) such as protons or heavy ions. The present invention relates to a charged particle beam irradiation system and a charged particle beam extraction method suitable for the above.

がんの放射線治療として、陽子または重イオン等のイオンビームを患者のがんの患部に照射して治療する粒子線治療が知られている。この治療に用いる粒子線治療装置は、イオンビーム発生装置、ビーム輸送系、および照射装置を備える。イオンビーム発生装置は、周回軌道に沿って周回するイオンビームを所望のエネルギーまで加速させるシンクロトロンやサイクロトロンを有する。   As radiotherapy for cancer, particle beam therapy is known in which an ion beam of protons or heavy ions is irradiated to a cancerous part of a patient to treat it. The particle beam therapy apparatus used for this treatment includes an ion beam generator, a beam transport system, and an irradiation device. The ion beam generator includes a synchrotron and a cyclotron that accelerates an ion beam that circulates along a circular orbit to a desired energy.

シンクロトロンは、周回軌道に沿って周回するイオンビームに高周波電圧を印加して目標のエネルギーまで加速する高周波加速装置(加速空胴)、周回しているイオンビームのベータトロン振動振幅を増大させる出射用高周波電極、およびイオンビームを周回軌道から取り出す出射用デフレクターを備える(例えば、特許文献1)。目標エネルギーまで加速されたイオンビームをシンクロトロンからビーム輸送系へ出射する際、出射用高周波電極に高周波磁場または高周波電場(以下、高周波電圧と表記)を印加し、周回しているイオンビームの固有振動であるベータトロン振動振幅を増大させる(特許文献1)。ベータトロン振動振幅を効率良く増大させる高周波電圧として、複数の線スペクトル信号で構成される帯域制限高周波電圧が挙げられる(特許文献2)。ベータトロン振動振幅が増大したイオンビームは、安定限界外に移動し、シンクロトロンからビーム輸送系へ出射され、照射装置に輸送される。   A synchrotron is a high-frequency accelerator (acceleration cavity) that accelerates to a target energy by applying a high-frequency voltage to an ion beam that circulates along a circular orbit, and an emission that increases the betatron oscillation amplitude of the circulating ion beam. A high-frequency electrode for extraction, and a deflector for extraction that extracts the ion beam from the circular orbit (for example, Patent Document 1). When an ion beam accelerated to the target energy is emitted from the synchrotron to the beam transport system, a high-frequency magnetic field or a high-frequency electric field (hereinafter referred to as a high-frequency voltage) is applied to the extraction high-frequency electrode, and the characteristic of the circulating ion beam The betatron vibration amplitude which is vibration is increased (Patent Document 1). An example of a high-frequency voltage that efficiently increases the betatron oscillation amplitude is a band-limited high-frequency voltage composed of a plurality of line spectrum signals (Patent Document 2). The ion beam having an increased betatron oscillation amplitude moves outside the stability limit, is emitted from the synchrotron to the beam transport system, and is transported to the irradiation device.

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、患部形状に合わせてビームを走査し照射するビームスキャニング法が注目されている。ビームスキャニング法には、スポットスキャニング照射法やラスタースキャニング照射法がある。   The irradiation device shapes the ion beam guided from the ion beam generator according to the depth from the patient's body surface and the shape of the affected part, and irradiates the affected part of the patient on the treatment bed. In the irradiation apparatus, attention is focused on a beam scanning method in which a beam is scanned and irradiated in accordance with the shape of an affected part. The beam scanning method includes a spot scanning irradiation method and a raster scanning irradiation method.

スポットスキャニング照射法では、患部をスポットと呼ばれる領域に分割し、治療計画によりスポット毎に付与する照射線量を設定する。スポットに照射される線量は、線量モニタにて逐次計測する。線量モニタで計測した照射線量が所定線量に到達すると、イオンビームの照射を停止する。イオンビームの照射停止後、走査電磁石の励磁量を次のスポット位置に対応した励磁量に変更し、イオンビームを照射する。このような走査と照射の繰り返しにより、患部平面方向の照射を実施する。また、患部平面方向の照射を完了したら、照射面の深さ方向を変更する。患部深さ方向の照射は、イオンビームの飛程を変更することで制御する。具体的には、照射装置に供給するイオンビームのエネルギーを変更することで実現できる。   In the spot scanning irradiation method, the affected area is divided into areas called spots, and an irradiation dose to be given to each spot is set according to a treatment plan. The dose irradiated to the spot is sequentially measured with a dose monitor. When the irradiation dose measured by the dose monitor reaches a predetermined dose, the ion beam irradiation is stopped. After stopping the ion beam irradiation, the excitation amount of the scanning magnet is changed to an excitation amount corresponding to the next spot position, and the ion beam is irradiated. By repeating such scanning and irradiation, irradiation in the plane of the affected area is performed. Further, when the irradiation in the affected area plane direction is completed, the depth direction of the irradiation surface is changed. Irradiation in the affected area depth direction is controlled by changing the range of the ion beam. Specifically, it can be realized by changing the energy of the ion beam supplied to the irradiation apparatus.

また、ラスタースキャニング照射法では、スポットスキャニング照射法とは異なり、照射経路に沿ってイオンビームを走査しながら照射する。このため、ラスタースキャニング照射法では、出射ビーム電流の時間構造を考慮してイオンビームの電流を低く設定し、患部平面方向に対して複数回に分けて走査し照射(以下、リペイント)することで、所定の線量一様度を担保しつつ、照射線量を満了させる。
このように、ビームスキャニング法では、患部形状に合わせたイオンビームを照射するため、従来の散乱体照射法のように、患部形状に合わせた一様な吸収線量範囲(拡大ブラックピーク(Spread-Out Bragg Peak)以下、SOBPと表記)を形成するための散乱体(SOBPフィルタ)や、ボーラス、コリメータ等の患部形状に合わせた患者固有具が不要となり、イオンビーム発生装置から照射装置に供給されるイオンビームを効率よく患部に照射することが可能である。
In contrast to the spot scanning irradiation method, the raster scanning irradiation method performs irradiation while scanning the ion beam along the irradiation path. For this reason, in the raster scanning irradiation method, the ion beam current is set low in consideration of the time structure of the output beam current, and scanning is performed in multiple times in the plane of the affected area (hereinafter referred to as repainting). The irradiation dose is expired while ensuring a predetermined dose uniformity.
In this way, the beam scanning method irradiates an ion beam that matches the shape of the affected area. Therefore, as in the conventional scatterer irradiation method, the uniform absorbed dose range (expanded black peak (Spread-Out) Bragg Peak) (hereinafter referred to as “SOBP”) and a patient-specific device such as a bolus and a collimator that match the shape of the affected part are not required and are supplied from the ion beam generator to the irradiation device. It is possible to efficiently irradiate the affected area with an ion beam.

イオンビーム発生装置としてシンクロトロンを利用する場合、照射装置に供給するイオンビームのエネルギーは、加速空胴に供給する高周波電圧の周波数と偏向電磁石の磁場強度により制御可能である。また、シンクロトロンから照射装置に供給するイオンビームの電流は、出射用高周波電圧の振幅値により制御可能である。スキャニングビーム走査法で要求されるスポット毎のイオンビームの照射制御は、出射用高周波電圧の印加および印加停止制御により実現できる。特に、スポットに対する照射線量が所定線量に到達した際にイオンビームの照射を停止する際には、シンクロトロンから出射するイオンビームを素早く停止させることで、照射線量の精度を高める必要がある。   When using a synchrotron as the ion beam generator, the energy of the ion beam supplied to the irradiation device can be controlled by the frequency of the high-frequency voltage supplied to the acceleration cavity and the magnetic field strength of the deflection electromagnet. In addition, the current of the ion beam supplied from the synchrotron to the irradiation device can be controlled by the amplitude value of the extraction high-frequency voltage. The irradiation control of the ion beam for each spot required in the scanning beam scanning method can be realized by applying and stopping application of the high frequency voltage for extraction. In particular, when the irradiation of the ion beam is stopped when the irradiation dose to the spot reaches a predetermined dose, it is necessary to increase the accuracy of the irradiation dose by quickly stopping the ion beam emitted from the synchrotron.

特許第2596292号公報Japanese Patent No. 2596292 特許第3053175号公報Japanese Patent No. 3053175

しかし、上記従来技術には次のような問題があった。ビームスキャニング法では、照射線量を高精度に制御するため、シンクロトロンから出射するビーム電流を高精度に制御する必要があるが、この際、出射ビーム電流には数100Hzから数kHzの低い周波数成分が電流リップルとして重畳されている。この低い周波数成分の電流リップルは、出射用高周波電極に印加する高周波電圧に含まれる周波数成分に起因するものであることが分かっている。例えば、特許文献2に記載されているように、ビームの出射に必要な高周波電圧として、複数の線スペクトルデータで構成された帯域制限高周波電圧を用いると、線スペクトルの間隔に対応した周波数成分の電流リップルが生じる。   However, the above prior art has the following problems. In the beam scanning method, in order to control the irradiation dose with high accuracy, it is necessary to control the beam current emitted from the synchrotron with high accuracy. At this time, the emitted beam current has a low frequency component of several hundred Hz to several kHz. Is superimposed as a current ripple. It has been found that this low frequency component current ripple is caused by the frequency component contained in the high frequency voltage applied to the output high frequency electrode. For example, as described in Patent Document 2, when a band-limited high-frequency voltage composed of a plurality of line spectrum data is used as a high-frequency voltage necessary for beam emission, a frequency component corresponding to the interval between line spectra is used. Current ripple occurs.

この電流リップルは、出射用高周波電極に印加する高周波電圧の線スペクトル間隔に応じて、数100μsから数msの時間構造として現れる。スポットスキャニング照射法でのスポット照射時間は数ms前後であり、ラスタースキャニング照射法での患部平面の1回あたりのビーム走査時間は数10msであるため、数100μsから数msの時間構造を有する電流リップルは無視できない。また電流リップルの強度は、出射用高周波電極に印加する高周波電圧の強度に応じて変化するため、従来のビーム出射制御法では電流リップル成分のみを抑制するのは困難である。   This current ripple appears as a time structure of several hundreds μs to several ms depending on the line spectrum interval of the high frequency voltage applied to the high frequency electrode for emission. The spot irradiation time in the spot scanning irradiation method is around several ms, and the beam scanning time per one time on the affected plane in the raster scanning irradiation method is several tens of ms. Therefore, a current having a time structure of several hundred μs to several ms. Ripple cannot be ignored. Further, since the intensity of the current ripple changes according to the intensity of the high-frequency voltage applied to the high-frequency electrode for emission, it is difficult to suppress only the current ripple component with the conventional beam emission control method.

このような低い周波数成分の電流リップルが重畳された場合、以下に示す二つの課題がある。一つ目は、低い線量を照射する場合、出射ビーム電流に重畳した電流リップルを独立に制御できないため、電流リップルに起因して照射される線量の制御が困難である。そのため、低い線量を照射する場合には、シンクロトロンから出射するビーム電流を予め低く設定し、電流リップルに起因して照射される線量を低く抑える必要がある。そのため、患部平面内の照射時間が掛かり、線量率が低下する課題が挙げられる。特に、ビームを走査しながら照射するラスタースキャニング照射法においては、出射ビーム電流に生ずる電流リップルの時間構造は、走査領域の線量分布に直接影響を及ぼすため、出射ビーム電流を低く設定し、数10〜数100回のリペイントを実施する必要があり、線量率を向上する妨げとなる。   When such a low-frequency component current ripple is superimposed, there are the following two problems. First, when a low dose is irradiated, the current ripple superimposed on the output beam current cannot be controlled independently, so that it is difficult to control the dose irradiated due to the current ripple. Therefore, when irradiating a low dose, it is necessary to set the beam current emitted from the synchrotron low in advance and to keep the dose irradiated due to the current ripple low. Therefore, the irradiation time in an affected part plane takes time, and the subject that a dose rate falls is mentioned. In particular, in the raster scanning irradiation method in which irradiation is performed while scanning the beam, the time structure of the current ripple generated in the output beam current directly affects the dose distribution in the scanning region. It is necessary to perform repainting of several hundred times, which hinders improvement of the dose rate.

二つ目は、ビーム照射を停止する場合、ビーム停止指令に基づき出射用高周波電極への高周波電圧の印加を停止するが、ビーム停止指令が入力後から実際にビーム停止するまでの時間(以下、ビーム停止時間)は、高周波電圧の印加を停止したタイミングでの出射ビーム電流値に依存する。そのため、高周波電圧の印加を停止したタイミングでの出射ビーム電流が電流リップルのピーク値やボトム値に重なった場合、ビーム停止時間が変動する恐れがある。特にスポット毎に照射線量を管理しながら照射するスポットスキャニング照射法では、照射スポット毎にビームの出射、停止を繰り返すため、ビーム停止時間の変動によるスポット線量のばらつきは、線量分布の形成に影響する。そのため、出射ビーム電流を低く設定し、電流リップルの時間構造が生じた場合でもスポット線量のばらつきを抑制する必要があり、線量率を向上する妨げとなる。   Second, when stopping the beam irradiation, the application of the high-frequency voltage to the extraction high-frequency electrode is stopped based on the beam stop command, but the time until the beam is actually stopped after the beam stop command is input (hereinafter, The beam stop time depends on the output beam current value at the timing when the application of the high-frequency voltage is stopped. Therefore, when the outgoing beam current at the timing when the application of the high-frequency voltage is stopped overlaps the peak value or the bottom value of the current ripple, the beam stop time may vary. In particular, in the spot scanning irradiation method in which irradiation is performed while managing the irradiation dose for each spot, the beam emission and stop are repeated for each irradiation spot, so the variation in spot dose due to fluctuations in beam stop time affects the formation of the dose distribution. . For this reason, it is necessary to suppress the variation of the spot dose even when the outgoing beam current is set low and the time structure of the current ripple occurs, which hinders the improvement of the dose rate.

本発明の目的は、シンクロトロンからイオンビームの出射制御を実施する際、周回しているイオンビームのベータトロン振動振幅を増大させる出射用高周波電極に印加する高周波電圧に起因する出射ビームの電流リップルの発生を抑制し、線量率を向上できる荷電粒子ビーム照射システムおよびそのビーム出射方法を提供することにある。   It is an object of the present invention to provide an output beam current ripple caused by a high-frequency voltage applied to an extraction high-frequency electrode that increases the betatron oscillation amplitude of the circulating ion beam when performing ion beam extraction control from a synchrotron. It is an object of the present invention to provide a charged particle beam irradiation system and its beam extraction method that can suppress the occurrence of the above and improve the dose rate.

上記の目的を実現する本発明の特徴は、シンクロトロンに設けられた出射用高周波電極に印加する高周波電圧として、シンクロトロン内を周回するビームをシンクロトロン外に出射されないように、安定限界を超えない範囲で振動振幅を増大させるための第1高周波電圧(供給用高周波電圧)と、シンクロトロンからビームを出射させるための第2高周波電圧(出射制御用高周波電圧)とで構成される高周波電圧を印加する点にある。第2高周波電圧は、ビーム出射制御指令に基づきビーム出射(第2高周波電圧の印加)およびビーム停止(第2高周波電圧の停止)を実施するよう印加する。第1高周波電圧は、第2高周波電圧と同様、ビーム出射制御指令に基づき印加してもよいが、ビーム出射制御指令に係わらず、ビーム出射制御区間中に印加した状態としてもよい。   A feature of the present invention that realizes the above object is that the high-frequency voltage applied to the high-frequency electrode for emission provided in the synchrotron exceeds the stability limit so that the beam circulating in the synchrotron is not emitted outside the synchrotron. A high-frequency voltage composed of a first high-frequency voltage (supply high-frequency voltage) for increasing the vibration amplitude within a range and a second high-frequency voltage (extraction control high-frequency voltage) for emitting a beam from the synchrotron. It is in the point to apply. The second high-frequency voltage is applied so as to perform beam extraction (application of the second high-frequency voltage) and beam stop (stop of the second high-frequency voltage) based on the beam extraction control command. Similar to the second high-frequency voltage, the first high-frequency voltage may be applied based on the beam extraction control command, but may be applied during the beam extraction control period regardless of the beam extraction control command.

このように出射用高周波電極に印加する高周波電圧を、シンクロトロン内を周回するビームをシンクロトロン外に出射されないように、安定限界を超えない範囲で振動振幅を増大させる第1高周波電圧(供給用高周波電圧)と、シンクロトロンからビームを出射させるための第2高周波電圧(出射制御用高周波電圧)とに機能を分けて印加することで、高周波電圧に電流リップルの原因となる低い周波数成分が含まれていても、出射ビーム電流の電流リップルの発生を抑制できる。また、電流リップルの発生を抑制できるため、出射ビーム電流を高め、線量率を向上できる。   As described above, the high-frequency voltage applied to the emission high-frequency electrode is the first high-frequency voltage (for supply) that increases the vibration amplitude within a range not exceeding the stability limit so that the beam circulating in the synchrotron is not emitted outside the synchrotron. High frequency voltage and low frequency components that cause current ripple are included in the high frequency voltage by applying the function separately to the second high frequency voltage (radiation control high frequency voltage) for emitting the beam from the synchrotron. Even if it is, generation | occurrence | production of the current ripple of an emitted beam current can be suppressed. Moreover, since generation | occurrence | production of a current ripple can be suppressed, an emitted beam current can be raised and a dose rate can be improved.

具体的には、第1高周波電圧(供給用高周波電圧)は、複数の周波数成分で構成される帯域制限高周波電圧を用いて生成され、第1高周波電圧(供給用高周波電圧)の周波数範囲と強度は、周回ビームが安定限界を超えない(つまり、出射されない)ように設定する。また、第2高周波電圧(出射制御用高周波電圧)の周波数は、安定限界と第1高周波電圧の中心周波数との間に設定し、第2高周波電圧の強度は、求められる出射ビーム電流に応じて制御する。   Specifically, the first high-frequency voltage (supply high-frequency voltage) is generated using a band-limited high-frequency voltage composed of a plurality of frequency components, and the frequency range and intensity of the first high-frequency voltage (supply high-frequency voltage). Is set so that the circular beam does not exceed the stability limit (that is, is not emitted). The frequency of the second high-frequency voltage (extraction control high-frequency voltage) is set between the stability limit and the center frequency of the first high-frequency voltage, and the intensity of the second high-frequency voltage depends on the required output beam current. Control.

また、出射用高周波電極に印加する高周波電圧のうち、第1高周波電圧(供給用高周波電圧)は、ビーム出射制御の開始前から事前に印加し、第2高周波電圧(出射制御用高周波電圧)は、第1高周波電圧の事前印加制御を実施後に印加する。これにより出射制御用高周波電圧である第2高周波電圧の印加に対応した素早いビーム電流制御が実現できる。   Of the high-frequency voltages applied to the extraction high-frequency electrode, the first high-frequency voltage (supply high-frequency voltage) is applied in advance before the start of beam extraction control, and the second high-frequency voltage (extraction control high-frequency voltage) is The first high-frequency voltage is applied after the pre-application control. Thereby, quick beam current control corresponding to application of the second high-frequency voltage, which is a high-frequency voltage for emission control, can be realized.

さらに、シンクロトロン内を周回するビームに対して、上記の第1高周波電圧および第2高周波電圧を印加するとともに、安定限界近傍の1つの周波数成分で構成される第3高周波電圧(単一高周波電圧)を第2高周波電圧に重畳してビーム出射制御指令に基づき印加する。このようにシンクロトロンからビームを出射するために印加するための高周波電圧として、安定限界近傍の粒子を優先的に出射する第3高周波電圧(単一高周波電圧)を第2高周波電圧に重畳したものを用いることで、安定限界近傍に分布する周回ビームの拡散速度(ビーム出射速度)を更に高めることができ、ビーム制御応答性、つまり、ビーム出射制御指令に基づくビーム出射時およびビーム停止時の応答速度を更に高めることができる。   Further, the first high-frequency voltage and the second high-frequency voltage are applied to the beam circulating in the synchrotron, and a third high-frequency voltage (single high-frequency voltage) composed of one frequency component near the stability limit is applied. ) Is superimposed on the second high-frequency voltage and applied based on the beam extraction control command. As described above, the third high-frequency voltage (single high-frequency voltage) that preferentially emits particles near the stability limit is superimposed on the second high-frequency voltage as the high-frequency voltage to be applied to emit the beam from the synchrotron. By using, the diffusion speed (beam emission speed) of the circulating beam distributed near the stability limit can be further increased, and beam control response, that is, the response at the time of beam extraction and beam stop based on the beam extraction control command. The speed can be further increased.

本発明によれば、シンクロトロンからイオンビームの出射制御を実施する際、周回しているイオンビームのベータトロン振動振幅を増大させる出射用高周波電極に印加する高周波電圧に起因する出射ビームの電流リップルの発生を抑制し、線量率を向上させることができる。   According to the present invention, when performing extraction control of an ion beam from a synchrotron, the current ripple of the output beam caused by the high-frequency voltage applied to the output high-frequency electrode that increases the betatron oscillation amplitude of the circulating ion beam Can be suppressed and the dose rate can be improved.

本発明を適用した第1実施例の荷電粒子ビーム照射システムの構成の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a structure of the charged particle beam irradiation system of 1st Example to which this invention is applied. 本発明を適用した第1実施例の特徴である出射用高周波電極に印加する高周波電圧の印加方法を示す図である。It is a figure which shows the application method of the high frequency voltage applied to the radiation | emission high frequency electrode which is the characteristics of 1st Example to which this invention is applied. 本発明を適用した第1実施例を実現する出射制御装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the radiation | emission control apparatus which implement | achieves 1st Example to which this invention is applied. 本発明を適用した第1実施例を実現する出射制御装置の制御指令値と出射ビームエネルギーの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the control command value of the radiation | emission control apparatus which implement | achieves 1st Example to which this invention is applied, and radiation | emission beam energy. 本発明を適用した第1実施例のビーム出射制御時のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart at the time of the beam emission control of 1st Example to which this invention is applied. 本発明を適用した第1実施例の変形例におけるビーム出射制御時のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart at the time of the beam emission control in the modification of 1st Example to which this invention is applied. 本発明を適用した第2実施例のビーム出射制御時のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart at the time of the beam emission control of 2nd Example to which this invention is applied. 本発明を適用した第3実施例の特徴である出射用高周波電極に印加する高周波電圧の印加方法を示す図である。It is a figure which shows the application method of the high frequency voltage applied to the radiation | emission high frequency electrode which is the characteristics of 3rd Example to which this invention is applied. 本発明を適用した第3実施例を実現する出射制御装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the radiation | emission control apparatus which implement | achieves 3rd Example to which this invention is applied. 本発明を適用した第3実施例のビーム出射制御時のタイミングチャートを示す図である。It is a figure which shows the timing chart at the time of the beam emission control of 3rd Example to which this invention is applied. 従来の出射用高周波電極に印加する高周波電圧の印加方法を示す図である。It is a figure which shows the application method of the high frequency voltage applied to the conventional radiation | emission high frequency electrode. 従来法での出射ビーム停止時のビーム電流を示す図である。It is a figure which shows the beam current at the time of the outgoing beam stop by a conventional method. 従来法での出射ビーム停止時のビーム電流を示す図である。It is a figure which shows the beam current at the time of the outgoing beam stop by a conventional method.

以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施例1)
図1は、本発明の好適な一実施例である荷電粒子ビーム照射システムの構成を示す図である。本実施例の荷電粒子ビーム照射システム1は、図1に示すように、イオンビーム発生装置11、ビーム輸送装置14、照射装置30を備え、ビーム輸送装置14が、イオンビーム発生装置11と治療室内に配置される照射装置30を連絡する。
Example 1
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a charged particle beam irradiation system according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the charged particle beam irradiation system 1 of the present embodiment includes an ion beam generator 11, a beam transport device 14, and an irradiation device 30, and the beam transport device 14 includes the ion beam generator 11 and a treatment room. The irradiating device 30 arranged in the is communicated.

イオンビーム発生装置11は、イオン源(図示せず)、前段加速器12およびシンクロトロン13を備える。イオン源は前段加速器12に接続され、前段加速器12はシンクロトロン13に接続される。前段加速器12は、イオン源で発生したイオンビーム10をシンクロトロン13に入射可能なエネルギーまで加速する。前段加速器12で加速されたイオンビーム10aは、シンクロトロン13に入射される。   The ion beam generator 11 includes an ion source (not shown), a pre-accelerator 12 and a synchrotron 13. The ion source is connected to the front stage accelerator 12, and the front stage accelerator 12 is connected to the synchrotron 13. The front-stage accelerator 12 accelerates the ion beam 10 generated by the ion source to energy that can be incident on the synchrotron 13. The ion beam 10 a accelerated by the front stage accelerator 12 is incident on the synchrotron 13.

シンクロトロン13は、周回軌道に沿って周回するイオンビーム10bに高周波電圧を印加して目標のエネルギーまで加速する高周波加速装置(加速空胴)19、周回しているイオンビームのベータトロン振動振幅を増大させる出射用高周波電極16a、およびイオンビームを周回軌道から取り出す出射用デフレクター16bを備える。   The synchrotron 13 is a high-frequency accelerator 19 (acceleration cavity) that applies a high-frequency voltage to the ion beam 10b that circulates along a circular orbit and accelerates to a target energy, and a betatron oscillation amplitude of the circulating ion beam. The output high-frequency electrode 16a to be increased and the output deflector 16b for extracting the ion beam from the circular orbit are provided.

シンクロトロン13に入射されたビーム10bは、高周波加速空胴19に印加した加速高周波電圧によりエネルギーを付与されることで、所望のエネルギーまで加速する。この際、シンクロトロン13内を周回するイオンビーム10bの周回軌道が一定となるように、イオンビーム10bの周回エネルギーの増加に合わせて偏向電磁石18a、四極電磁石18b等の磁場強度および、加速空胴19に印加する高周波電圧の周波数を高める。   The beam 10 b incident on the synchrotron 13 is accelerated to a desired energy by being given energy by an acceleration high-frequency voltage applied to the high-frequency acceleration cavity 19. At this time, the intensity of the magnetic field of the deflecting electromagnet 18a, the quadrupole electromagnet 18b, etc. and the acceleration cavity are increased in accordance with the increase of the orbital energy of the ion beam 10b so that the orbit of the ion beam 10b orbiting around the synchrotron 13 is constant. The frequency of the high frequency voltage applied to 19 is increased.

所望のエネルギーまで加速したイオンビーム10bは、出射準備制御により、四極電磁石18bおよび六極電磁石(図示せず)の励磁量により周回ビーム10bが出射可能な条件(周回ビームの安定限界15)を成立させる。出射準備制御が終了後、出射制御装置20から高周波電圧(Fext)を高周波増幅器17で増幅した後に、出射用高周波電極16aに印加し、シンクロトロン13内を周回するビーム10bのベータトロン振動振幅を増大させる。このベータトロン振動振幅の増大により、安定限界15(図2)を超えた周回ビーム10bはシンクロトロン13から高エネルギービーム輸送系14に出射される。シンクロトロン13からのビーム出射制御は、出射制御装置20によって出射用高周波電極16aに印加する高周波電圧により、ビーム出射(高周波電圧(Fext)の印加)および、ビーム停止(高周波電圧(Fext)の停止)を制御することで行う。   The ion beam 10b accelerated to a desired energy satisfies the condition (the orbital beam stability limit 15) that the orbiting beam 10b can be emitted by the excitation amount of the quadrupole electromagnet 18b and the hexapole electromagnet (not shown) by the extraction preparation control. Let After the exit preparation control is finished, a high frequency voltage (Fext) is amplified from the exit control device 20 by the high frequency amplifier 17 and then applied to the exit high frequency electrode 16a, and the betatron oscillation amplitude of the beam 10b circulating around the synchrotron 13 is set. Increase. Due to the increase of the betatron oscillation amplitude, the circular beam 10b exceeding the stability limit 15 (FIG. 2) is emitted from the synchrotron 13 to the high energy beam transport system 14. Beam emission control from the synchrotron 13 is performed by beam emission (application of a high-frequency voltage (Fext)) and beam stop (stop of a high-frequency voltage (Fext)) by a high-frequency voltage applied to the emission high-frequency electrode 16a by the emission control device 20. ) By controlling.

シンクロトロン13から出射されたビーム10cは、高エネルギービーム輸送系14により照射装置30に輸送される。照射装置30では、患者に照射するビーム10dの照射線量を計測する線量モニタ31にて、照射するビーム10dの線量強度を逐次確認し、走査電磁石32で患部形状に合わせてビーム10dを走査する。また、患部深さ方向のビーム飛程変更は、シンクロトロン13で加速するビーム10bのエネルギーを変更して出射することで、患部形状に合わせた照射野を形成する。   The beam 10 c emitted from the synchrotron 13 is transported to the irradiation device 30 by the high energy beam transport system 14. In the irradiation apparatus 30, the dose monitor 31 that measures the irradiation dose of the beam 10 d irradiated to the patient sequentially confirms the dose intensity of the beam 10 d to be irradiated, and the scanning electromagnet 32 scans the beam 10 d according to the shape of the affected area. Further, the beam range in the affected area depth direction is changed by changing the energy of the beam 10b accelerated by the synchrotron 13 and emitted, thereby forming an irradiation field that matches the shape of the affected area.

次に、本発明の特徴である高周波電圧(Fext)の印加方法について、図2および図10、図11Aおよび図11Bを用いて従来法と比較しながら説明する。図2は、本実施例の特徴である出射用高周波電極に印加する高周波電圧の印加方法を示す図である。図10は、従来の出射用高周波電極に印加する高周波電圧の印加方法を示す図である。   Next, a method of applying a high-frequency voltage (Fext), which is a feature of the present invention, will be described with reference to FIGS. 2 and 10 and FIGS. FIG. 2 is a diagram showing a method of applying a high-frequency voltage applied to the emission high-frequency electrode, which is a feature of this embodiment. FIG. 10 is a diagram illustrating a method of applying a high frequency voltage applied to a conventional high frequency electrode for emission.

シンクロトロン13内のビーム10bは、設計軌道の周囲をベータトロン振動しながら周回している。シンクロトロン13一周当たりのベータトロン振動数はチューン(ν)呼ばれ、ビームのチューン(νbeam)は集群化したイオンビーム10bの運動量幅に応じて幅(Δν)を持つ。図10に示すように、従来のビーム出射制御法では、チューンの幅Δνに対応した周波数範囲(Δf)の出射用高周波電圧(Fe)を印加することで、周回するイオンビーム10bの振動振幅を増大し、安定限界15を超えさせることでビームを出射していた。この際の出射用高周波電極16aに印加する高周波電圧の中心周波数(fc)および周波数幅(Δf)は、それぞれ、下記の(1)式と(2)式で示される。   The beam 10b in the synchrotron 13 circulates around the design trajectory with betatron oscillation. The betatron frequency per revolution of the synchrotron 13 is called tune (ν), and the beam tune (νbeam) has a width (Δν) according to the momentum width of the clustered ion beam 10b. As shown in FIG. 10, in the conventional beam extraction control method, the oscillation amplitude of the circulating ion beam 10b is adjusted by applying an extraction high-frequency voltage (Fe) in a frequency range (Δf) corresponding to the tune width Δν. The beam was emitted by increasing and exceeding the stability limit 15. The center frequency (fc) and frequency width (Δf) of the high-frequency voltage applied to the emission high-frequency electrode 16a at this time are expressed by the following equations (1) and (2), respectively.

Figure 2014207852
Figure 2014207852

Figure 2014207852
Figure 2014207852

ここで、frevはイオンビーム10bの周回周波数であり、νmax、νminはそれぞれ、チューンの幅(Δν)の最大値と最小値を示している。ここで、出射用高周波電極16aに印加する高周波電圧(Fext)は、出射制御用高周波電圧(Fe)のみである。また、出射ビームの電流は、出射制御用高周波電圧(Fe)の振幅値(Ve)で制御する。   Here, frev is the circulation frequency of the ion beam 10b, and νmax and νmin respectively indicate the maximum value and the minimum value of the tune width (Δν). Here, the high frequency voltage (Fext) applied to the high frequency electrode 16a for emission is only the high frequency voltage (Fe) for emission control. The current of the outgoing beam is controlled by the amplitude value (Ve) of the high frequency voltage (Fe) for outgoing control.

図11Aおよび図11Bは、従来法での出射ビーム停止時のビーム電流を示す図である。前述したように、ビームスキャニング法では、照射線量を高精度に制御するため、シンクロトロンから出射するビーム電流を高精度に制御する必要があるが、出射用高周波電極に印加する高周波電圧に含まれる周波数成分に起因して、出射ビーム電流には数100Hzから数kHzの低い周波数成分が電流リップル(Irip)として重畳されている。   11A and 11B are diagrams showing beam currents when the outgoing beam is stopped in the conventional method. As described above, in the beam scanning method, in order to control the irradiation dose with high accuracy, it is necessary to control the beam current emitted from the synchrotron with high accuracy, but this is included in the high frequency voltage applied to the high frequency electrode for emission. Due to the frequency component, a low frequency component of several hundred Hz to several kHz is superimposed on the outgoing beam current as a current ripple (Irip).

上述したように、従来法では、出射用高周波電極16aに印加する高周波電圧(Fext)の印加停止によりビーム出射を高速に停止できるが、この際、図11Aに示したように、ビーム出射停止指令時の出射ビーム電流(Ioff)が電流リップル(Irip)のピークにあった場合には、ビーム停止後に出射される線量(Qoff)が多くなる。同様に、図11Bに示したように、ビーム出射停止時に出射ビーム電流(Ioff)が電流リップル(Irip)のボトムにあった場合には、ビーム停止後に出射される線量(Qoff)が少なくなる。このように、ビーム停止時の出射ビーム電流(Ioff)が電流リップル(Irip)のピークとボトムの違いによって、ビーム停止指令後の線量(Qoff)が変動してしまう。   As described above, in the conventional method, the beam emission can be stopped at a high speed by stopping the application of the high-frequency voltage (Fext) applied to the emission high-frequency electrode 16a. At this time, as shown in FIG. When the outgoing beam current (Ioff) at the time is at the peak of the current ripple (Irip), the dose (Qoff) emitted after the beam is stopped increases. Similarly, as shown in FIG. 11B, when the emission beam current (Ioff) is at the bottom of the current ripple (Irip) when the beam emission is stopped, the dose (Qoff) emitted after the beam is stopped decreases. As described above, the dose (Qoff) after the beam stop command varies depending on the difference between the peak and bottom of the current ripple (Irip) of the output beam current (Ioff) when the beam is stopped.

一方、本発明では、図2に示すように、出射用高周波電極16aに印加する高周波電圧(Fext)として、シンクロトロン内を周回するビームをシンクロトロン外に出射されないように、安定限界を超えない範囲で振動振幅を増大するように印加する高周波電圧(供給用高周波電圧)(Fs)と、供給用高周波電圧(Fs)により安定限界15近傍まで拡散された周回ビームをシンクロトロン13からビームを出射するために印加する出射制御用高周波電圧(Fe)で構成する(Fext=Fs+Fe)。   On the other hand, in the present invention, as shown in FIG. 2, the high-frequency voltage (Fext) applied to the emission high-frequency electrode 16a does not exceed the stability limit so that the beam circulating in the synchrotron is not emitted outside the synchrotron. A high-frequency voltage (supply high-frequency voltage) (Fs) applied so as to increase the vibration amplitude in the range and a circular beam diffused to the vicinity of the stability limit 15 by the supply high-frequency voltage (Fs) are emitted from the synchrotron 13 In order to achieve this, it is constituted by a high frequency voltage (Fe) for emission control applied (Fext = Fs + Fe).

高周波電圧印加前の周回ビーム分布101に対して、供給用高周波電圧(Fs)を印加することにより、安定限界15を超えない範囲で周回ビーム分布を広げる(103)。供給用高周波電圧(Fs)の印加により広がった周回ビーム分布103に対し、出射制御用高周波電圧(Fe)の印加により、周回ビームが安定限界15を超えるように広げ(102)、シンクロトロン13を周回するビーム10bをシンクロトロン13の外に出射する。   By applying the supply high-frequency voltage (Fs) to the circulating beam distribution 101 before the application of the high-frequency voltage, the circulating beam distribution is expanded within a range not exceeding the stability limit 15 (103). With respect to the circulating beam distribution 103 spread by the application of the supply high-frequency voltage (Fs), the application of the emission control high-frequency voltage (Fe) widens the circulating beam to exceed the stability limit 15 (102), and the synchrotron 13 is The circulating beam 10 b is emitted out of the synchrotron 13.

ここで、供給用高周波電圧(Fs)は、ビーム10bをシンクロトロン13外に出射するために印加するのではなく、出射制御用高周波電圧(Fe)により出射するビームを供給するために印加する。そのため、従来のビーム出射制御法と異なり、供給用高周波電圧(Fs)として印加する高周波電圧に電流リップル(Irip)の原因となる周波数成分が含まれていても、出射ビーム電流に直接影響を及ぼさない。つまり、出射用高周波電極16aに印加する高周波電圧を、供給用高周波電圧(Fs)と出射制御用高周波電圧(Fe)に機能を分離して印加することで、高周波電圧に電流リップル(Irip)の原因となる低い周波数成分が含まれていても、出射ビーム電流の時間構造に影響を及ぼすことはない。これにより、従来の出射制御法で課題となっていた出射ビーム電流の電流リップルの発生を抑制でき、出射ビーム電流を高められることにより線量率を向上できる。   Here, the supply high-frequency voltage (Fs) is not applied to emit the beam 10b out of the synchrotron 13, but is applied to supply a beam emitted by the emission control high-frequency voltage (Fe). Therefore, unlike the conventional beam extraction control method, even if the high frequency voltage applied as the supply high frequency voltage (Fs) includes a frequency component that causes current ripple (Irip), the output beam current is directly affected. Absent. That is, by applying the high-frequency voltage applied to the high-frequency electrode for extraction 16a to the high-frequency voltage for supply (Fs) and the high-frequency voltage for output control (Fe) separately, the current ripple (Irip) is applied to the high-frequency voltage. Even if a low-frequency component that is a cause is included, the temporal structure of the outgoing beam current is not affected. Thereby, generation | occurrence | production of the current ripple of the outgoing beam current which was a subject by the conventional outgoing control method can be suppressed, and the dose rate can be improved by increasing the outgoing beam current.

供給用高周波電圧(Fs)は周回するイオンビーム10bのチューン(νbeam)の中心周波数νs近傍に印加し、安定限界15を超えさせない範囲でベータトロン振動振幅を増大させる。つまり、周回するイオンビーム10bのチューンの幅(Δν)に対して狭い範囲(Δνs<Δν)に印加する。本実施例では、供給用高周波電圧の中心周波数(fcs)は、イオンビーム10bの周回周波数(frev)と周回するイオンビーム10bのチューン(νbeam)の中心周波数νsを乗じたものとした(下記(3)式参照)。   The supply high-frequency voltage (Fs) is applied in the vicinity of the center frequency νs of the tune (νbeam) of the circulating ion beam 10b, and the betatron oscillation amplitude is increased within a range not exceeding the stability limit 15. That is, it is applied in a narrow range (Δνs <Δν) with respect to the tune width (Δν) of the circulating ion beam 10b. In the present embodiment, the center frequency (fcs) of the supply high-frequency voltage is obtained by multiplying the circulation frequency (frev) of the ion beam 10b and the center frequency νs of the tune (νbeam) of the ion beam 10b that circulates (the following ( 3) Refer to equation).

Figure 2014207852
Figure 2014207852

また、供給用高周波電圧の周波数幅(Δfs)は、供給用高周波電圧によりビームが出射されないように、(2)式に示されるΔνよりも狭い範囲(Δνs<Δν)とする(下記(4)式参照)。   Further, the frequency width (Δfs) of the supply high-frequency voltage is set to a range (Δνs <Δν) narrower than Δν shown in the equation (2) so that the beam is not emitted by the supply high-frequency voltage ((4) below). See formula).

Figure 2014207852
Figure 2014207852

供給用高周波電圧の振幅値(Vs)は、供給用高周波電圧(Fs)のみ印加した際、周回するイオンビーム10bが出射されず、出射制御用高周波電圧(Fe)を印加した際に出射されるように調整する。   The amplitude value (Vs) of the supply high-frequency voltage is not emitted when the supply high-frequency voltage (Fs) is applied, but is emitted when the extraction control high-frequency voltage (Fe) is applied. Adjust as follows.

次に、出射制御用高周波電圧(Fe)は、安定限界15と供給用高周波電圧(Fs)の間に印加することで、安定限界15からシンクロトロン13外にビームを出射する。この際、出射制御用高周波電圧(Fe)は、供給用高周波電圧(Fs)の印加により振動振幅が増大された周回ビーム10bの拡散速度(ビーム出射速度)を速めることで、ビーム停止区間内にビームが出射されることを低減する。そのため、出射制御用高周波電圧(Fe)の中心周波数(fce)は、安定限界15(νres)と供給用高周波電圧(Fs)の間(νres<νe<νs)に設定する(下記(5)式参照)。   Next, by applying the emission control high-frequency voltage (Fe) between the stability limit 15 and the supply high-frequency voltage (Fs), the beam is emitted from the stability limit 15 to the outside of the synchrotron 13. At this time, the emission control high-frequency voltage (Fe) is increased within the beam stop period by increasing the diffusion speed (beam emission speed) of the circular beam 10b whose vibration amplitude is increased by applying the supply high-frequency voltage (Fs). Reduce the emission of the beam. Therefore, the center frequency (fce) of the emission control high-frequency voltage (Fe) is set between the stability limit 15 (νres) and the supply high-frequency voltage (Fs) (νres <νe <νs) (formula (5) below) reference).

Figure 2014207852
Figure 2014207852

また、出射制御用高周波電圧の周波数幅(Δfe)は、ビーム出射時間内および、ビーム停止区間内に出射されてしまうビーム量を考慮しながら、出射制御用高周波電圧(Fe)の中心周波数(fce)と合わせて適切に調整する。   In addition, the frequency width (Δfe) of the extraction control high-frequency voltage is set to the center frequency (fce) of the extraction control high-frequency voltage (Fe) in consideration of the amount of beam that is emitted within the beam extraction time and the beam stop period. ) And adjust appropriately.

この際、シンクロトロン13から出射されたビーム10cに出射用高周波電極16aに印加した高周波電圧の周波数成分に起因する電流リップルを生じないようにするには、出射制御用高周波電圧(Fe)の印加範囲となる周波数幅(Δfe)を供給用高周波電圧(Fs)の印加範囲となる周波数幅(Δfs)から分離することが望ましい。また、出射制御用高周波電圧の振幅値(Ve)は、出射ビーム電流(Iext)の制御パラメータとして働くため、求められる出射ビーム電流に応じて制御する。   At this time, in order to prevent the current ripple caused by the frequency component of the high frequency voltage applied to the output high-frequency electrode 16a in the beam 10c emitted from the synchrotron 13, the application of the output control high-frequency voltage (Fe). It is desirable to separate the frequency width (Δfe) serving as the range from the frequency width (Δfs) serving as the application range of the supply high-frequency voltage (Fs). Further, the amplitude value (Ve) of the emission control high-frequency voltage functions as a control parameter for the emission beam current (Iext), and is therefore controlled according to the required emission beam current.

次に、本発明の特徴である出射用高周波電極16aに印加する高周波電圧(Fext)の制御方法について説明する。図3に出射制御装置の構成を示す。出射制御装置20は、供給用高周波電圧(Fs)の出力回路201と、出射制御用高周波電圧(Fe)の出力回路202と、これら二つの高周波電圧を合成する合成器26と、合成器26から出力される高周波電圧の高周波増幅器17への伝送を制御する高周波スイッチ271、272および、これらの高周波電圧の出力回路201,202の制御指令値を制御するコントローラ28から構成される。コントローラ28には、上位制御システム40から出射ビームエネルギー情報Enと高周波電圧の制御設定値(fcs,fws,fdivs,Vs,fce,fwe,fdive,Ve)が伝送される。   Next, a method for controlling the high frequency voltage (Fext) applied to the emission high frequency electrode 16a, which is a feature of the present invention, will be described. FIG. 3 shows the configuration of the emission control device. The output control device 20 includes a supply high-frequency voltage (Fs) output circuit 201, an output control high-frequency voltage (Fe) output circuit 202, a combiner 26 that combines these two high-frequency voltages, and a combiner 26. The high-frequency switches 271 and 272 that control the transmission of the output high-frequency voltage to the high-frequency amplifier 17 and the controller 28 that controls the control command values of the output circuits 201 and 202 for these high-frequency voltages. The controller 28 receives outgoing beam energy information En and high-frequency voltage control setting values (fcs, fws, fdivs, Vs, fce, fwe, fdiv, Ve) from the host control system 40.

出射制御装置20を構成する高周波スイッチ25s、25e、271、272には、タイミングシステム50およびインターロックシステム60から制御信号が伝送される。タイミングシステム50からは、ビーム出射制御区間を示すタイミング信号51が出射制御装置20の高周波スイッチ271に伝送される。インターロックシステム60からは、粒子線治療システム1を構成する制御機器の健全性を確認した上でビーム出射制御指令61が出射制御装置20の高周波スイッチ25s、25e、272に伝送される。   Control signals are transmitted from the timing system 50 and the interlock system 60 to the high-frequency switches 25 s, 25 e, 271, and 272 constituting the emission control device 20. From the timing system 50, a timing signal 51 indicating a beam extraction control section is transmitted to the high frequency switch 271 of the extraction control device 20. From the interlock system 60, the beam extraction control command 61 is transmitted to the high-frequency switches 25s, 25e, and 272 of the extraction control device 20 after confirming the soundness of the control equipment constituting the particle beam therapy system 1.

出射用高周波電極16aに印加する高周波電圧(Fext)は、供給用高周波電圧(Fs)および出射制御用高周波電圧(Fe)をそれぞれの出力回路201、202で生成し、生成した二つの高周波電圧(FsおよびFe)を合成器26で合成した後、高周波増幅器17で増幅したものである。   The high frequency voltage (Fext) applied to the output high-frequency electrode 16a generates a supply high-frequency voltage (Fs) and an output control high-frequency voltage (Fe) by the output circuits 201 and 202, and generates two high-frequency voltages ( Fs and Fe) are synthesized by the synthesizer 26 and then amplified by the high-frequency amplifier 17.

供給用高周波電圧(Fs)および出射制御用高周波電圧(Fe)の出力回路201、202についてそれぞれ説明する。供給用高周波電圧の出力回路201は、供給用高周波電圧(Fs)の中心周波数(fcs)を出力する発振器21sと、供給用高周波電圧(Fs)の周波数範囲(Δfs)に基づく帯域制限信号を出力する帯域制限信号発生器22sと、乗算器23と、振幅変調回路24s、および、高周波スイッチ25sで構成される。発振器21sからは、コントローラ28から設定される中心周波数(fcs)となる正弦波信号を出力する。帯域制限信号発生器22sは、コントローラ28から設定されるスペクトル幅(fws)およびスペクトル間隔(fdivs)の設定値に基づき、複数の線スペクトル信号で構成される帯域制限信号を出力する。これら二つの出力信号を乗算器23sに入力する。   The supply high-frequency voltage (Fs) and the output control high-frequency voltage (Fe) output circuits 201 and 202 will be described. The supply high-frequency voltage output circuit 201 outputs an oscillator 21s that outputs the center frequency (fcs) of the supply high-frequency voltage (Fs) and a band-limited signal based on the frequency range (Δfs) of the supply high-frequency voltage (Fs). The band limiting signal generator 22s, the multiplier 23, the amplitude modulation circuit 24s, and the high frequency switch 25s are configured. A sine wave signal having a center frequency (fcs) set by the controller 28 is output from the oscillator 21s. The band limit signal generator 22s outputs a band limit signal composed of a plurality of line spectrum signals based on the set values of the spectrum width (fws) and the spectrum interval (fdivs) set from the controller 28. These two output signals are input to the multiplier 23s.

乗算器23sからは、中心周波数がfcs、スペクトル幅が2fwsの帯域制限高周波電圧が出力される。この際、帯域制限高周波発振器22sから出力する高周波電圧の周波数幅は、乗算器23sでの演算により二倍となる(fcs±fws)。そのため、帯域制限高周波発振器22sのスペクトル幅(fws)は、供給用高周波電圧(Fs)の周波数幅(Δfs)の1/2となるように設定する。本実施例では、複数の線スペクトラムで構成される帯域制限信号を用いているが、ホワイトノイズ発生装置(図示せず)の出力信号を供給用高周波電圧(Fs)の周波数範囲(Δfs)のみ出力するバンドパスフィルタ(図示せず)を用いて生成しても良いし、帯域制限高周波発生器22sおよび乗算器23sを用いずに、正弦波発振器21sの出力周波数を供給用高周波電圧(Fs)の周波数範囲(Δfs)で掃引しても良いが、供給用高周波電圧(Fs)と出射制御用高周波電圧(Fe)の機能を分離する上では、帯域制限信号の側波帯が広がらない、複数の線スペクトラムで構成される帯域制限信号が好適である。   The multiplier 23s outputs a band-limited high-frequency voltage having a center frequency of fcs and a spectrum width of 2fws. At this time, the frequency width of the high-frequency voltage output from the band-limited high-frequency oscillator 22s is doubled (fcs ± fws) by the calculation in the multiplier 23s. Therefore, the spectrum width (fws) of the band limited high-frequency oscillator 22s is set to be 1/2 of the frequency width (Δfs) of the supply high-frequency voltage (Fs). In this embodiment, a band-limited signal composed of a plurality of line spectra is used, but an output signal of a white noise generator (not shown) is output only in the frequency range (Δfs) of the supply high-frequency voltage (Fs). The output frequency of the sine wave oscillator 21s may be the frequency of the supply high-frequency voltage (Fs) without using the band-limited high-frequency generator 22s and the multiplier 23s. Sweeping may be performed in the frequency range (Δfs), but in separating the functions of the supply high-frequency voltage (Fs) and the emission control high-frequency voltage (Fe), the sideband of the band-limited signal does not widen, A band limited signal composed of a line spectrum is preferred.

以上の供給用高周波電圧(Fs)の周波数演算結果に対して、コントローラ28から設定される供給用高周波電圧(Fs)の振幅値(Vs)を振幅変調回路24sで制御する。振幅値が制御された供給用高周波電圧(Fs)は高周波スイッチ25sに送られ、インターロックシステム60から出力されるビーム出射制御指令61に基づき、高周波スイッチ25sを制御する。ビーム出射時にはRF信号を印加するため、高周波スイッチ25sを閉じる。ビーム停止時にはRF信号の印加を停止するため、高周波スイッチ25sを開く。高周波スイッチ25sを経て出力される供給用高周波電圧(Fs)は、合成器26に入力される。   The amplitude value (Vs) of the supply high-frequency voltage (Fs) set by the controller 28 is controlled by the amplitude modulation circuit 24s with respect to the frequency calculation result of the supply high-frequency voltage (Fs). The supply high-frequency voltage (Fs) whose amplitude value is controlled is sent to the high-frequency switch 25 s, and the high-frequency switch 25 s is controlled based on the beam extraction control command 61 output from the interlock system 60. In order to apply an RF signal when the beam is emitted, the high frequency switch 25s is closed. In order to stop the application of the RF signal when the beam is stopped, the high frequency switch 25s is opened. The supply high-frequency voltage (Fs) output through the high-frequency switch 25 s is input to the synthesizer 26.

同様に、出射制御用高周波電圧(Fe)の出力回路202について説明する。出射制御用高周波電圧出力回路202の構成は供給用高周波電圧出力回路201とほぼ同じであるため、供給用高周波電圧出力回路201と異なる点について説明する。   Similarly, the output control high-frequency voltage (Fe) output circuit 202 will be described. Since the configuration of the output control high-frequency voltage output circuit 202 is substantially the same as that of the supply high-frequency voltage output circuit 201, differences from the supply high-frequency voltage output circuit 201 will be described.

正弦波発振器21eには、コントローラ28から出射制御用高周波電圧の中心周波数(fce)を設定し、帯域制限信号発生器22eは、コントローラ28から設定されるスペクトル幅(fwe)およびスペクトル間隔(fdive)の設定値に基づき、複数の線スペクトル信号で構成される帯域制限信号を出力する。この際、出射制御用高周波電圧(Fe)を1つの周波数の高周波電圧を用いる場合には、帯域制限信号発生器22eから乗算器23eまでの伝送線路上に用意したスイッチ231を開く。このスイッチ231により乗算器23eへの帯域制限信号の入力を制御可能とし、出射制御用高周波電圧の周波数幅を一つの周波数の高周波信号と帯域制限高周波信号に容易に切り替えられる。   The center frequency (fce) of the emission control high-frequency voltage is set from the controller 28 to the sine wave oscillator 21e, and the band limit signal generator 22e is set to the spectrum width (fwe) and spectrum interval (fdiv) set from the controller 28. Based on the set value, a band-limited signal composed of a plurality of line spectrum signals is output. At this time, when a high frequency voltage of one frequency is used as the emission control high frequency voltage (Fe), the switch 231 prepared on the transmission line from the band limit signal generator 22e to the multiplier 23e is opened. This switch 231 makes it possible to control the input of the band limiting signal to the multiplier 23e, and the frequency width of the emission control high frequency voltage can be easily switched between a high frequency signal of one frequency and a band limited high frequency signal.

本実施例では、供給用高周波電圧(Fs)と同様に、複数の線スペクトラムで構成される帯域制限信号を用いているが、ホワイトノイズ発生装置(図示せず)の出力信号を出射制御用高周波電圧(Fe)の周波数範囲(Δfe)のみ出力するバンドパスフィルタ(図示せず)を用いて生成しても良いし、帯域制限高周波発生器22eおよび乗算器23eを用いずに、正弦波発振器21eの出力周波数を出射制御用高周波電圧(Fe)の周波数範囲(Δfe)で掃引しても良いが、供給用高周波電圧(Fs)と出射制御用高周波電圧(Fe)の機能を分離する上では、帯域制限信号の側波帯が広がらない、複数の線スペクトラムで構成される帯域制限信号が好適である。   In the present embodiment, a band limiting signal composed of a plurality of line spectra is used as in the case of the supply high-frequency voltage (Fs), but the output signal of a white noise generator (not shown) is used as the emission control high-frequency. It may be generated using a bandpass filter (not shown) that outputs only the frequency range (Δfe) of the voltage (Fe), or without using the band-limited high-frequency generator 22e and the multiplier 23e, the sine wave oscillator 21e. The output frequency may be swept within the frequency range (Δfe) of the extraction control high-frequency voltage (Fe), but in separating the functions of the supply high-frequency voltage (Fs) and the extraction control high-frequency voltage (Fe), A band-limited signal composed of a plurality of line spectrums in which the sideband of the band-limited signal does not spread is preferable.

以上の出射制御用高周波電圧(Fe)の周波数演算結果に対して、出射制御用高周波電圧(Fe)の振幅値(Ve)を振幅変調回路24eで制御する。この振幅変調制御された出射制御用高周波電圧(Fe)は高周波スイッチ25eに送られ、インターロックシステム60から出力されるビーム出射制御指令61に基づき、高周波スイッチ25eを制御する。ビーム出射時にはRF信号を印加するため、高周波スイッチ25eを閉じる。ビーム停止時にはRF信号の印加を停止するため、高周波スイッチ25eを開く。高周波スイッチ25eを経て出力される出射制御用高周波電圧(Fe)は、合成器26に入力される。   The amplitude value (Ve) of the emission control high-frequency voltage (Fe) is controlled by the amplitude modulation circuit 24e with respect to the frequency calculation result of the emission control high-frequency voltage (Fe). The amplitude control-controlled emission control high-frequency voltage (Fe) is sent to the high-frequency switch 25e, and the high-frequency switch 25e is controlled based on a beam emission control command 61 output from the interlock system 60. Since the RF signal is applied when the beam is emitted, the high frequency switch 25e is closed. In order to stop the application of the RF signal when the beam is stopped, the high frequency switch 25e is opened. The emission control high-frequency voltage (Fe) output via the high-frequency switch 25e is input to the combiner 26.

合成器26は、2つの高周波電圧(Fs、Fe)を合成する。合成された信号は、二つの高周波スイッチ271、272を経て高周波増幅器17に出力される。   The synthesizer 26 synthesizes two high frequency voltages (Fs, Fe). The synthesized signal is output to the high frequency amplifier 17 through the two high frequency switches 271 and 272.

出射制御装置20のコントローラ28から各制御回路への制御設定値の管理方法について図3、図4を用いて説明する。   A method for managing control set values from the controller 28 of the emission control device 20 to each control circuit will be described with reference to FIGS.

供給用高周波電圧(Fs)および出射制御用高周波電圧(Fe)の制御設定値には、それぞれ正弦波発振器21の中心周波数(fcs、fce)、帯域制限信号のスペクトル幅(fws、fwe)、スペクトル間隔(fdivs、fdive)、振幅値(Vs、Ve)がある。これらは図4に示したように、シンクロトロン13から出射するビームエネルギー情報(En)に関連付けられた状態で、コントローラ28のメモリ(図示せず)に予め記憶しておく。治療計画情報431は、治療計画装置43において患者毎に作成されたものが記憶装置(データベース)42に保存されている。照射治療運転の開始時に統括制御装置41は治療計画情報431を記憶装置42から取り出して上位制御システム40に伝送し、上位制御システム40はその治療計画情報431をコントローラ28に伝送する。治療計画情報431には出射ビームエネルギー情報(En)が含まれ、コントローラ28はその出射ビームエネルギー情報(En)に基づき、コントローラ28のメモリ内に記憶した制御設定値(fcs,fws,fdivs,Vs,fce,fwe,fdive,Ve)を読み出し、各制御回路へ制御設定値を出力する。   Control set values of the supply high-frequency voltage (Fs) and the emission control high-frequency voltage (Fe) include the center frequency (fcs, fce) of the sine wave oscillator 21, the spectrum width (fws, fwe), and spectrum of the band-limited signal, respectively. There are intervals (fdivs, fdiv) and amplitude values (Vs, Ve). These are stored in advance in a memory (not shown) of the controller 28 in a state associated with the beam energy information (En) emitted from the synchrotron 13 as shown in FIG. The treatment plan information 431 created for each patient in the treatment plan device 43 is stored in the storage device (database) 42. At the start of irradiation treatment operation, the overall control device 41 extracts the treatment plan information 431 from the storage device 42 and transmits it to the host control system 40, and the host control system 40 transmits the treatment plan information 431 to the controller 28. The treatment plan information 431 includes outgoing beam energy information (En), and the controller 28 controls the control setting values (fcs, fws, fdivs, Vs) stored in the memory of the controller 28 based on the outgoing beam energy information (En). , fce, fwe, fdiv, Ve), and outputs a control set value to each control circuit.

次に出射制御時の制御タイミングを図5Aに示すタイミングチャートを用いて説明する。シンクロトロン13の出射制御区間は、加速制御の終了後、四極電磁石や六極電磁石の励磁量を調整し、出射条件を設定完了後からビーム出射制御を終了し、出射条件を解除するまでの区間であり、タイミングシステム50から出力されるタイミング信号51で規定される。図5Aの(a)に出射制御区間を示しており、タイミング信号51は出射制御区間でON、出射停止区間でOFFを出力する。図5Aの(b)に照射スポットへビームを照射するビーム出射制御指令61を示している。出射制御区間において、各照射スポットへの線量が満了するまでビームを出射(ON)し、線量満了に到達したタイミングでビーム照射を停止(OFF)する。照射装置30はビーム停止を確認した後、次の照射スポット位置へ走査電磁石32を走査する(図示せず)。走査電磁石32の走査が完了後、再び照射スポットの線量が満了するまでビームを照射する。このような制御を繰り返すことで、照射エリアの照射スポットを順次満了させる。   Next, the control timing during the emission control will be described with reference to the timing chart shown in FIG. 5A. The extraction control section of the synchrotron 13 is the section from the end of acceleration control to the adjustment of the excitation amount of the quadrupole electromagnet or the hexapole electromagnet until the completion of beam extraction control after the completion of setting the extraction conditions and the cancellation of the extraction conditions. And is defined by a timing signal 51 output from the timing system 50. FIG. 5A (a) shows an emission control interval, and the timing signal 51 outputs ON in the emission control interval and OFF in the emission stop interval. FIG. 5A (b) shows a beam extraction control command 61 for irradiating the irradiation spot with a beam. In the emission control section, the beam is emitted (ON) until the dose to each irradiation spot expires, and the beam irradiation is stopped (OFF) at the timing when the dose has expired. After confirming the beam stop, the irradiation device 30 scans the scanning electromagnet 32 to the next irradiation spot position (not shown). After the scanning electromagnet 32 is scanned, the beam is irradiated again until the irradiation spot dose expires. By repeating such control, irradiation spots in the irradiation area are sequentially expired.

図5Aの(c)に本発明の特徴である、供給用高周波電圧(Fs)の時間変化を示す。供給用高周波電圧(Fs)は、図5Aの(b)に示される照射スポットへビームを照射するビーム出射制御指令61(ON/OFF指令)に基づき、振幅制御データ(Vs)の振幅値(Vs)を更新出力する。すなわち、照射スポットへビームを照射するとき(ビーム出射制御指令61がONであるとき)は、供給用高周波電圧(Fs)を出力し、照射スポットへのビーム照射を停止するとき(ビーム出射制御指令61がOFFであるとき)は、供給用高周波電圧(Fs)の出力を停止する。このとき、本実施例では、出射制御区間において供給用高周波電圧(Fs)の振幅値(Vs)は、常に一定値で制御する場合を示しているが、ビーム出射制御の経過に伴い、周回ビームの粒子数が減少すると出射効率が低下するため、供給用高周波電圧(Fs)の振幅値(Vs)はビーム出射制御の経過に応じて徐々に高める制御(図示せず)を適用してもよい。   FIG. 5A (c) shows the time change of the supply high-frequency voltage (Fs), which is a feature of the present invention. The supply high-frequency voltage (Fs) is based on the amplitude value (Vs) of the amplitude control data (Vs) based on the beam emission control command 61 (ON / OFF command) for irradiating the beam to the irradiation spot shown in FIG. ) Is updated and output. That is, when irradiating a beam to the irradiation spot (when the beam extraction control command 61 is ON), the supply high-frequency voltage (Fs) is output and when the beam irradiation to the irradiation spot is stopped (beam extraction control command). When 61 is OFF), the output of the supply high-frequency voltage (Fs) is stopped. At this time, the present embodiment shows a case where the amplitude value (Vs) of the supply high-frequency voltage (Fs) is always controlled at a constant value in the emission control section. As the number of particles decreases, the extraction efficiency decreases. Therefore, a control (not shown) for gradually increasing the amplitude value (Vs) of the supply high-frequency voltage (Fs) with the progress of the beam extraction control may be applied. .

以上のような制御を実施することで、図5Aの(e)に示したように、出射ビーム電流を高速に停止し、かつ出射ビーム電流の電流リップルの発生を抑制することができる。また、出射開始時のスパイク電流波形の発生を抑制することができる。   By performing the control as described above, as shown in FIG. 5A (e), the exit beam current can be stopped at a high speed and the generation of the current ripple of the exit beam current can be suppressed. In addition, the generation of spike current waveforms at the start of extraction can be suppressed.

なお、供給用高周波電圧(Fs)はタイミング信号51に基づいてビーム出射制御区間中に印加した状態としてもよい。図5Bはそのような変形例を示す図である。図5Bの(c)に示されるように、供給用高周波電圧(Fs)は、図5Bの(a)に示される出射制御区間を示すタイミング信号51に基づき、供給用高周波電圧(Fs)の振幅値(Vs)を更新出力する。これにより安定限界近傍へのビームを確実に分布させ、ビーム制御応答性、つまり、ビーム出射制御指令に基づくビーム出射時およびビーム停止時の応答速度を更に高めることができる。この実施例においても、ビーム出射制御の経過に伴う周回ビームの粒子数の減少による出射効率の低下を補償するため、出射制御区間において供給用高周波電圧(Fs)の振幅値(Vs)はビーム出射制御の経過に応じて徐々に高める制御を適用してもよい。   The supply high-frequency voltage (Fs) may be applied during the beam extraction control section based on the timing signal 51. FIG. 5B is a diagram showing such a modification. As shown in (c) of FIG. 5B, the supply high-frequency voltage (Fs) is based on the timing signal 51 indicating the emission control section shown in (a) of FIG. 5B, and the amplitude of the supply high-frequency voltage (Fs). The value (Vs) is updated and output. As a result, the beam near the stability limit can be reliably distributed, and the beam control response, that is, the response speed at the time of beam extraction and beam stop based on the beam extraction control command can be further increased. In this embodiment as well, the amplitude value (Vs) of the supply high-frequency voltage (Fs) is set to the beam emission in the emission control section in order to compensate for the reduction in the emission efficiency due to the decrease in the number of particles of the circulating beam with the beam emission control. You may apply control which raises gradually according to progress of control.

本実施例によれば、シンクロトロン13からイオンビームの出射制御を実施する際、周回しているイオンビームのベータトロン振動振幅を増大させる出射用高周波電極に印加する高周波電圧に起因する出射ビームの電流リップルの発生を抑制し、線量率を向上させることができる。   According to the present embodiment, when the extraction control of the ion beam from the synchrotron 13 is performed, the emission beam caused by the high-frequency voltage applied to the extraction high-frequency electrode that increases the betatron oscillation amplitude of the circulating ion beam. Generation of current ripple can be suppressed and the dose rate can be improved.

(実施例2)
図6は、本発明の第2実施例であるビーム出射制御法を実現する制御タイミングチャートを示す。本実施例を示す構成は実施例1とほぼ同じであるため、実施例1と異なる点について説明する。
(Example 2)
FIG. 6 shows a control timing chart for realizing the beam emission control method according to the second embodiment of the present invention. Since the configuration of the present embodiment is almost the same as that of the first embodiment, differences from the first embodiment will be described.

図5Aに示した実施例1の制御タイミングチャートでは、ビーム出射開始とともに、出射制御用高周波電圧(Fe)と供給用高周波電圧(Fs)を印加している。この際、ビーム出射開始直後に高い出射ビーム電流(Iext)が要求された場合、シンクロトロン13内を周回するイオンビーム10bは、供給用高周波電圧(Fs)の印加によるベータトロン振動振幅の増大に時間が掛かる(拡散速度が遅い)ため、出射制御用高周波電圧(Fe)を印加しても所望のビーム電流が素早く得られない恐れがある。同様のことは、出射ビーム電流を照射スポット毎に制御する場合にも懸念される。   In the control timing chart of the first embodiment shown in FIG. 5A, the emission control high-frequency voltage (Fe) and the supply high-frequency voltage (Fs) are applied as the beam emission starts. At this time, when a high emission beam current (Iext) is required immediately after the start of beam extraction, the ion beam 10b that circulates in the synchrotron 13 increases the betatron oscillation amplitude by applying the supply high-frequency voltage (Fs). Since it takes time (diffusion speed is slow), there is a possibility that a desired beam current cannot be obtained quickly even when an emission control high-frequency voltage (Fe) is applied. The same thing is also concerned when the outgoing beam current is controlled for each irradiation spot.

そのため本実施例では、図6に示したように、ビーム出射開始直後のスポット(図6に示した、スポット番号:#1)を照射する際には、供給用高周波電圧(Fs)の事前印加区間62を設け、事前印加区間62の処理が終了後に出射制御用高周波電圧(Fe)を印加する。このように事前に出射制御用高周波電圧(Fe)の印加により出射されるビームを供給用高周波電圧(Fs)により事前に供給することで、出射制御開始直後から所望の出射ビーム電流制御が実現できる。   For this reason, in this embodiment, as shown in FIG. 6, when a spot immediately after the start of beam extraction (spot number: # 1 shown in FIG. 6) is irradiated, a supply high-frequency voltage (Fs) is applied in advance. A section 62 is provided, and a high frequency voltage (Fe) for emission control is applied after the processing of the pre-application section 62 is completed. In this way, desired beam current control can be realized immediately after the start of the extraction control by supplying the beam emitted by the application of the extraction control high-frequency voltage (Fe) in advance by the supply high-frequency voltage (Fs) in advance. .

なお、図示はしないが、ビーム出射制御が進行中においても、高いビーム電流でビームを出射した後に事前印加区間62と同様の区間を設けることで、同様の効果を得られる。   Although not shown, even when beam emission control is in progress, the same effect can be obtained by providing a section similar to the pre-applied section 62 after emitting a beam with a high beam current.

(実施例3)
本発明の第3実施例であるビーム出射制御法を実現する高周波電圧の印加方法について、図7から図9を用いて説明する。本実施例を示す構成は実施例1とほぼ同じであるため、実施例1と異なる点について説明する。
(Example 3)
A high-frequency voltage application method for realizing the beam emission control method according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Since the configuration of the present embodiment is almost the same as that of the first embodiment, differences from the first embodiment will be described.

本実施例では、図7に示したように、出射用高周波電極16aに印加する高周波電圧(Fext)として、実施例1に示した供給用高周波電圧(Fs)、出射制御用高周波電圧(Fe)とともに、安定限界15近傍の粒子分布を優先して出射する高周波電圧(単一高周波電圧)(Fm)を重畳して印加する(Fext=Fs+Fe+Fm)。この単一高周波電圧(Fm)は、出射制御用高周波電圧(Fe)の印加範囲(Δνe)よりも安定限界15(νres)に近い領域(νm)に印加することで、シンクロトロン振動による安定限界の変動範囲15aのビーム分布104をより高速に出射することが可能となる。この際、単一高周波電圧(Fm)は、出射制御用高周波電圧(Fe)と同期して印加することで、ビーム出射制御指令に基づくビーム出射時およびビーム停止時の応答速度を更に高めることができる。   In this embodiment, as shown in FIG. 7, as the high-frequency voltage (Fext) applied to the emission high-frequency electrode 16a, the supply high-frequency voltage (Fs) and the emission control high-frequency voltage (Fe) shown in the first embodiment. At the same time, a high-frequency voltage (single high-frequency voltage) (Fm) emitted with priority given to the particle distribution near the stability limit 15 is superimposed and applied (Fext = Fs + Fe + Fm). This single high-frequency voltage (Fm) is applied to a region (νm) closer to the stability limit 15 (νres) than the application range (Δνe) of the emission control high-frequency voltage (Fe). The beam distribution 104 in the fluctuation range 15a can be emitted at a higher speed. At this time, the single high frequency voltage (Fm) is applied in synchronization with the extraction control high frequency voltage (Fe) to further increase the response speed at the time of beam extraction and beam stop based on the beam extraction control command. it can.

図7に示したような高周波電圧(Fext)を実現する出射制御装置の構成を図8に示す。図3に示した第1実施例での出射制御装置とは、出射制御用高周波電圧出力回路202に単一高周波電圧(Fm)を発生する正弦波発振器21mと、単一高周波電圧(Fm)の振幅値を制御する振幅変調器24mと、出射制御用高周波電圧(Fe)と単一高周波電圧(Fm)を合成する合成器261が追加されている点が異なる。   FIG. 8 shows the configuration of the emission control device that realizes the high-frequency voltage (Fext) as shown in FIG. The emission control device in the first embodiment shown in FIG. 3 includes a sinusoidal oscillator 21m that generates a single high frequency voltage (Fm) in the emission control high frequency voltage output circuit 202, and a single high frequency voltage (Fm). The difference is that an amplitude modulator 24m for controlling the amplitude value and a synthesizer 261 for synthesizing the emission control high-frequency voltage (Fe) and the single high-frequency voltage (Fm) are added.

単一高周波電圧(Fm)の振幅値(Vm)は、安定限界15近傍の粒子分布を優先的に出射するため一定値で印加すれば良く、図9に示したように、出射制御用高周波電圧(Fe)の振幅値(Ve)と独立に制御する。このような制御を適用することで、実施例1に示したビーム出射制御法よりも安定限界15近傍のビーム分布を更に低減することが可能となり、ビーム出射制御指令に基づくビーム出射時およびビーム停止時の応答速度を更に高めることができる。   The amplitude value (Vm) of the single high frequency voltage (Fm) may be applied at a constant value in order to preferentially emit the particle distribution in the vicinity of the stability limit 15, and as shown in FIG. It is controlled independently of the amplitude value (Ve) of (Fe). By applying such control, it becomes possible to further reduce the beam distribution in the vicinity of the stability limit 15 as compared with the beam extraction control method shown in the first embodiment, and at the time of beam extraction and beam stop based on the beam extraction control command. The response speed at the time can be further increased.

1 荷電粒子ビーム照射システム
100 制御システム(制御装置)
10a、10b、10c、10d ビーム
101 高周波電圧印加前の周回ビーム分布
102 供給用高周波電圧印加時の周回ビーム分布
103 出射制御用高周波電圧印加時の周回ビーム分布
104 単一高周波電圧印加時の周回ビーム分布
11 イオンビーム発生装置
12 前段加速器
13 シンクロトロン
14 ビーム輸送装置
15 安定限界
15a シンクロトロン振動による安定限界の変動範囲
16a 出射用高周波電極
16b 出射用デフレクター
17 高周波増幅器
18 偏向電磁石
19 四極電磁石
20 出射制御装置
201 供給用高周波電圧出力回路
202 出射制御用高周波電圧出力回路
21s、21e、21m 正弦波発振器
22s、22e 帯域制限信号発生器
23s、23e 乗算器
231 スイッチ
24s、24e、24m 振幅変調器
25s、25e 高周波スイッチ
26、261 合成器
271、272 高周波スイッチ
28 コントローラ
30 照射装置
31 線量モニタ
311 線量計測データ
32 走査電磁石
34 コリメータ
36 患者
40 加速器制御装置
41 統括制御装置
42 記憶装置
43 治療計画装置
431 治療計画情報
50 タイミングシステム
51 タイミング信号
60 インターロックシステム
61 ビーム出射制御指令
62 供給用高周波電圧の事前印加区間
1 charged particle beam irradiation system 100 control system (control device)
10a, 10b, 10c, 10d Beam 101 Circulating beam distribution 102 before applying high-frequency voltage Circulating beam distribution 103 when applying high-frequency voltage for supply 103 Circulating beam distribution when applying high-frequency voltage for emission control 104 Circulating beam when applying a single high-frequency voltage Distribution 11 Ion beam generator 12 Pre-accelerator 13 Synchrotron 14 Beam transport device 15 Stability limit 15a Stability limit fluctuation range 16a due to synchrotron vibrations High-frequency electrode 16b for output Deflector 17 for output High-frequency amplifier 18 Deflection electromagnet 19 Quadrupole electromagnet 20 Output control Device 201 Supply high-frequency voltage output circuit 202 Output control high-frequency voltage output circuit 21s, 21e, 21m Sine wave oscillator 22s, 22e Band-limited signal generator 23s, 23e Multiplier 231 Switch 24s, 24e, 24m Amplitude modulator 25s 25e High-frequency switch 26, 261 Synthesizer 271, 272 High-frequency switch 28 Controller 30 Irradiation device 31 Dose monitor 311 Dose measurement data 32 Scanning magnet 34 Collimator 36 Patient 40 Accelerator control device 41 Overall control device 42 Storage device 43 Treatment planning device 431 Treatment plan Information 50 Timing system 51 Timing signal 60 Interlock system 61 Beam extraction control command 62 Pre-application period of high frequency voltage for supply

Claims (10)

イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、前記シンクロトロンから出射された前記イオンビームを照射する照射装置とを有する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に設けられた出射用高周波電極に印加する高周波電圧として、前記シンクロトロン内を周回するビームが前記シンクロトロン外に出射されないように、安定限界を超えない範囲で振動振幅を増大させるための第1高周波電圧と、前記シンクロトロンからビームを出射させるための第2高周波電圧とで構成される高周波電圧を印加する出射制御装置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。
In a charged particle beam irradiation system having a synchrotron that accelerates and emits an ion beam, and an irradiation device that irradiates the ion beam emitted from the synchrotron,
To increase the vibration amplitude within a range that does not exceed the stability limit so that the beam that circulates inside the synchrotron is not emitted outside the synchrotron as a high-frequency voltage applied to the emission high-frequency electrode provided in the synchrotron A charged particle beam irradiation system comprising: an emission control device that applies a high-frequency voltage composed of the first high-frequency voltage and a second high-frequency voltage for emitting a beam from the synchrotron.
請求項1に記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記出射制御装置は、
複数の周波数成分で構成される帯域制限高周波電圧を用いて前記第1高周波電圧を生成し、前記帯域制限高周波電圧の周波数範囲と信号強度を、前記シンクロトロン内を周回するビームが安定限界を超えないように設定することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
The charged particle beam irradiation system according to claim 1,
The emission control device includes:
The first high-frequency voltage is generated using a band-limited high-frequency voltage composed of a plurality of frequency components, and the frequency of the band-limited high-frequency voltage and the signal intensity exceed the stability limit. A charged particle beam irradiation system characterized in that it is set so as not to exist.
請求項1に記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記出射制御装置は、
1つ以上の周波数成分で構成される高周波電圧を用いて前記第2高周波電圧を生成し、この高周波電圧の周波数範囲を安定限界と前記第1高周波電圧の中心周波数との間に設定し、前記高周波電圧の強度を、求められる出射ビーム電流に応じて制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
The charged particle beam irradiation system according to claim 1,
The emission control device includes:
Generating the second high-frequency voltage using a high-frequency voltage composed of one or more frequency components, setting a frequency range of the high-frequency voltage between a stability limit and a center frequency of the first high-frequency voltage; A charged particle beam irradiation system that controls the intensity of a high-frequency voltage according to a required outgoing beam current.
請求項1に記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記出射制御装置は、
前記第1高周波電圧をビーム出射制御の開始前から事前に印加し、前記第1高周波電圧の事前印加制御を実施後に、前記第2高周波電圧を印加することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
The charged particle beam irradiation system according to claim 1,
The emission control device includes:
The charged particle beam irradiation system, wherein the first high-frequency voltage is applied in advance before the start of beam extraction control, and the second high-frequency voltage is applied after the pre-application control of the first high-frequency voltage.
請求項1に記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記出射制御装置は、
前記シンクロトロンからビームを出射するために印加する高周波電圧として、前記第2高周波電圧を生成するとともに、安定限界近傍の1つの周波数成分で構成される第3高周波電圧を生成して前記第2高周波電圧に重畳させ、これら二つの高周波電圧をビーム出射制御指令に基づき印加することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
The charged particle beam irradiation system according to claim 1,
The emission control device includes:
The second high-frequency voltage is generated as a high-frequency voltage applied to emit a beam from the synchrotron, and a third high-frequency voltage composed of one frequency component near the stability limit is generated to generate the second high-frequency voltage. A charged particle beam irradiation system in which these two high-frequency voltages are superimposed on a voltage and applied based on a beam extraction control command.
請求項1に記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記出射制御装置は、
ビーム出射制御指令に基づきビーム出射およびビーム停止を実施するよう前記第1及び第2高周波電圧の印加と停止を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
The charged particle beam irradiation system according to claim 1,
The emission control device includes:
A charged particle beam irradiation system that controls application and stop of the first and second high-frequency voltages so as to execute beam extraction and beam stop based on a beam extraction control command.
請求項1に記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記出射制御装置は、
ビーム出射制御指令に係わらずビーム出射制御区間中に印加した状態となるよう前記第1高周波電圧の印加を制御し、ビーム出射制御指令に基づきビーム出射およびビーム停止を実施するよう前記第2高周波電圧の印加と停止を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
The charged particle beam irradiation system according to claim 1,
The emission control device includes:
Regardless of the beam extraction control command, the application of the first high-frequency voltage is controlled so that it is applied during the beam extraction control period, and the second high-frequency voltage is set so as to execute beam extraction and beam stop based on the beam extraction control command. A charged particle beam irradiation system characterized by controlling application and stop of the laser beam.
イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、前記シンクロトロンから出射された前記イオンビームを照射する照射装置とを有する荷電粒子ビーム照射システムのビーム出射方法において、
前記シンクロトロンに設けられた出射用高周波電極に印加する高周波電圧として、前記シンクロトロン内を周回するビームが前記シンクロトロン外に出射されないように、安定限界を超えない範囲で振動振幅を増大させるための第1高周波電圧と、前記シンクロトロンからビームを出射するための第2高周波電圧とで構成される高周波電圧を印加することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システムのビーム出射方法。
In a beam extraction method of a charged particle beam irradiation system having a synchrotron that accelerates and emits an ion beam, and an irradiation device that irradiates the ion beam emitted from the synchrotron,
To increase the vibration amplitude within a range that does not exceed the stability limit so that the beam that circulates inside the synchrotron is not emitted outside the synchrotron as a high-frequency voltage applied to the emission high-frequency electrode provided in the synchrotron A beam emitting method for a charged particle beam irradiation system, wherein a high frequency voltage composed of the first high frequency voltage and a second high frequency voltage for emitting a beam from the synchrotron is applied.
請求項7に記載の荷電粒子ビーム照射システムのビーム出射方法において、
前記第1高周波電圧をビーム出射制御の開始前から事前に印加し、前記第1高周波電圧の事前印加制御を実施後に、前記第2高周波電圧を印加することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システムのビーム出射方法。
In the beam extraction method of the charged particle beam irradiation system according to claim 7,
The charged particle beam irradiation system characterized in that the first high-frequency voltage is applied in advance from the start of beam extraction control, and the second high-frequency voltage is applied after the pre-application control of the first high-frequency voltage. Beam extraction method.
請求項7に記載の荷電粒子ビーム照射システムのビーム出射方法において、
前記シンクロトロンからビームを出射するために印加する高周波電圧として、前記第2高周波電圧を生成するとともに、安定限界近傍の1つの周波数成分で構成される第3高周波電圧を生成して前記第2高周波電圧に重畳させ、これら二つの高周波電圧をビーム出射制御指令に基づき印加することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システムのビーム出射方法。
In the beam extraction method of the charged particle beam irradiation system according to claim 7,
The second high-frequency voltage is generated as a high-frequency voltage applied to emit a beam from the synchrotron, and a third high-frequency voltage composed of one frequency component near the stability limit is generated to generate the second high-frequency voltage. A beam extraction method for a charged particle beam irradiation system, wherein the two high-frequency voltages are superimposed on a voltage and applied based on a beam extraction control command.
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