TWI511625B

TWI511625B - 帶電粒子加速器及粒子射束治療裝置

Info

Publication number: TWI511625B
Application number: TW101134653A
Authority: TW
Inventors: Masahiro Ikeda; Yuko Kijima; Shunsuke Okada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-01-26
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2015-12-01
Also published as: CN104067698A; US8772733B2; US20130193353A1; CN104067698B; EP2809133A4; EP2809133B1; JPWO2013111292A1; WO2013111292A1; TW201332404A; EP2809133A1; JP5766304B2

Description

帶電粒子加速器及粒子射束治療裝置

本發明係關於一種用於醫療領域之粒子射束(corpuscular beam)治療裝置。

一般而言，粒子射束治療裝置係具備：射束(beam)產生裝置，係產生帶電射束；加速器，係連接於射束產生裝置，並將所產生之帶電粒子射束予以加速；射束輸送系統，將加速至以加速器所設定之能量(energy)後而射出之帶電粒子射束予以輸送；以及粒子射束照射裝置，係設置於射束輸送系統的下游，而用以將帶電粒子射束照射至照射對象。

對帶電粒子射束進行加速之加速器係例如採用同步加速器(synchrotron)。於設置在同步加速器的高頻加速空洞(加速空洞)施加高頻率，使偏向電磁鐵及四極電磁鐵等同步而實施圖樣(pattern)運轉，並進行帶電粒子射束的加速至預定的能量為止。此時，由於使帶電粒子射束以相同軌道周轉，故係因應帶電粒子的加速而周轉頻率變高。因此，必須因應帶電粒子射束的加速而提高加速電壓的加速頻率。亦即，必須使偏向電磁鐵的磁場B與加速電壓的加速頻率f同步。

於專利文獻1所揭示之先前技術中，揭示有一種帶電粒子加速器，係使用T時脈(clock)(時間時脈)輸出偏向電磁鐵用圖樣，而使偏向電磁鐵運作，並依據於該藉由偏向電磁鐵用圖樣而運作之基準電磁鐵設置之磁場測定器所觀測之磁場變化來產生B時脈(磁場時脈)，且使用該B時脈輸出加速空洞用圖樣而使高頻率加速空洞運作。以往的帶電粒子加速器係如上述使用T時脈及B時脈而取得偏向電磁鐵及高頻率加速空洞的同步。就該運作方法而言，由於係使用T時脈及B時脈之二個時脈故裝置變得複雜。因此，專利文獻1提案有一種帶電粒子加速器，係僅使用T時脈而輸出偏向電磁鐵用圖樣及加速空洞用圖樣，而使偏向電磁鐵及高頻率加速空洞運作。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特開平8-293399號公報(0008段至0017段、第1圖、第3圖)

在僅使用T時脈而使偏向電磁鐵及高頻率加速空洞運作之情形時，在帶電粒子加速器整體所處理之圖樣資料(pattern data)量會變得非常多，結果，儲存資料之硬碟(hard disk)及記憶體(memory)的量變得龐大，而在圖樣資料通訊上會有耗費較多時間之問題。針對圖樣資料量係於以下進行詳細說明。

一般而言，高頻率加速空洞係施加未達10MHz之高頻率。高頻率加速空洞係由於相對於時間性的變化之追隨性較佳，且對於射束的加速及減速亦較為敏感，故在圖樣時脈的輸出頻率上必須大致為100kHz，再者，再以滑順的變化使高頻率加速空洞運作之情形時則需要大致1MHz之圖樣輸出。另一方面，偏向電磁鐵及四極電磁鐵等電磁鐵係由於在將線圈(coil)捲繞在鐵心之構造上，電抗(reactance)成分較大，且時間常數較大，故運作的圖樣係可能達到商用電源頻率(50Hz、60Hz)的大致24倍、亦即大致1200Hz或1440Hz。在使該等時間性的回應性不同之二個機器，亦即在使高頻率加速空洞及電磁鐵以同一時脈進行運作時，必須配合時間分解能較高之高頻率加速空洞用之圖樣輸出。因此，對於回應較緩慢之電磁鐵亦必須輸出大致較快1MHz之圖樣而使其運作，而會如前述之情形，在帶電粒子加速器整體所處理之圖樣資料量會變得非常多。

再者，就專利文獻1的帶電粒子加速器而言，雖僅記載舉例偏向電磁鐵作為電磁鐵，惟在實際上進行圖樣運作之電磁鐵係有會聚用四極電磁鐵、發散用四極電磁鐵、會聚用六極電磁鐵、發散用六極電磁鐵、軌道修正用轉向(steering)電磁鐵(X方向/Y方向)、取出用六極電磁鐵等，大多情形為其數量存在有十多種類至二十多種類，且由於用於控制之圖案不同的電磁鐵一增加則其圖樣份之資料 (data)亦增加，故圖樣資料量的增大為非常大之問題，而減低圖樣資料量係成為重大之課題。

本發明係為了解決上述課題而研創者，其目的在於獲得一種帶電粒子加速器，係減少依據時間時脈使加速空洞及電磁鐵動作所需之圖樣資料量，進而縮短圖樣資料的通信時間。

本發明之帶電粒子加速器係包括：真空導管(duct)，係使帶電粒子射束通過；加速空洞，係將通過真空導管之帶電粒子射束予以加速；偏向電磁鐵，係將通過真空導管之帶電粒子射束予以偏向；以及加速器控制裝置，係控制加速空洞及偏向電磁鐵。加速控制裝置係包括：時脈產生部，係產生加速空洞時脈，以及同步於加速空洞時脈並且頻率比加速空洞時脈的頻率還低之電磁鐵時脈；高頻率控制部，係依據儲存於第一圖樣記憶體之加速空洞圖樣及加速空洞時脈來控制加速空洞；以及偏向電磁鐵控制部，係依據儲存於第二圖樣記憶體之偏向電磁鐵圖樣及電磁鐵時脈來控制偏向電磁鐵。

依據本發明之帶電粒子加速器，由於係使用加速空洞時脈及同步於加速空洞時脈並且頻率比加速空洞時脈的頻率還低之電磁鐵時脈來控制加速空洞以及偏向電磁鐵，故可使偏向電磁鐵圖樣的資料量比加速空洞時脈的資料量更少，而可縮短對於加速器之圖樣資料的通信時間。

1‧‧‧計算機

2‧‧‧時脈振盪器

3、4‧‧‧分頻器

5‧‧‧圖樣記憶部

6‧‧‧FR時脈產生器

7‧‧‧圖樣輸出器

8‧‧‧頻率合成器

9‧‧‧AM變調器

10‧‧‧高頻率放大器

11‧‧‧加速空洞

12、21‧‧‧圖樣記憶體

13、22‧‧‧圖樣輸出器

14、16‧‧‧電磁鐵電源

15a、15b、15c、15d、55a、55b、55c‧‧‧偏向電磁鐵

17a、17b‧‧‧四極電磁鐵

18‧‧‧時脈產生部

19‧‧‧高頻率控制部

20‧‧‧偏向電磁鐵控制部

23‧‧‧四極電磁鐵控制部

24‧‧‧真空導管

25‧‧‧加速控制裝置

26‧‧‧加速環

31‧‧‧帶電粒子射束

32‧‧‧X方向掃描電磁鐵

33‧‧‧Y方向掃描電磁鐵

34‧‧‧位置監視器

35‧‧‧線量監視器

36‧‧‧線量資料變換器

37‧‧‧掃描電磁鐵電源

38‧‧‧照射管理裝置

39‧‧‧照射控制計算機

40‧‧‧照射控制裝置

41‧‧‧射束資料處理裝置

42‧‧‧啟動信號產生部

43‧‧‧點計數器

44‧‧‧點間計數器

45‧‧‧照射對象

46‧‧‧射入裝置

47‧‧‧射出裝置

51‧‧‧粒子射束治療裝置

52‧‧‧射束產生裝置

53‧‧‧前段加速器

54‧‧‧帶電粒子加速器

58、58a、58b‧‧‧粒子射束照射裝置

59‧‧‧射束輸送系統

clka‧‧‧加速空洞時脈

clkm‧‧‧電磁鐵時脈

clkfr‧‧‧FR時脈

t1、t2、t3‧‧‧時刻

f1、f2、f3‧‧‧資料

tr‧‧‧補完時間

fr‧‧‧補完差分頻率

第1圖係為顯示本發明實施形態1之帶電粒子加速器的構成之圖。

第2圖係為本發明實施形態1之粒子射束治療裝置的概略構成圖。

第3圖係為顯示第2圖之粒子射束照射裝置的構成之圖。

第4圖係為說明第1圖之加速空洞時脈及電磁鐵時脈之時序(timing)圖。

第5圖係為顯示使用加速空洞時脈之情形的加速空洞圖樣的資料輸出例之圖。

第6圖係為使用FR時脈之情形的加速空洞圖樣的資料輸出例之圖。

第7圖係為顯示本發明實施形態2之帶電粒子加速器的構成之圖。

第8圖係為顯示本發明實施形態2之加速空洞圖樣的資料輸出例之圖。

實施形態1

第1圖係為顯示本發明實施形態1之帶電粒子加速器的構成之圖。第2圖係為本發明實施形態1之粒子射束治療裝置的概略構成圖，第3圖係為顯示本發明實施形態1之粒子射束照射裝置的構成之圖。於第2圖中，粒子射束治療裝置51係包括：射束產生裝置52；射束輸送系統59；以及粒子射束照射裝置58a、58b。射束產生裝置52係具有：離子(ion)源(未圖示)；前段加速器53；以及帶電粒子加速器54。粒子射束照射裝置58b係設置於旋轉起重架(gantry)(未圖示)。粒子射束照射裝置58a係設置於不具有旋轉起重架之治療室。射束輸送系統59的功能在於聯絡帶電粒子加速器54及粒子射束照射裝置58a、58b。射束輸送系統59的一部分係設置於旋轉起重架(未圖示)，該部分係具有複數個偏向電磁鐵55a、55b、55c。

由離子源所產生之屬於質子束等粒子射束之帶電粒子射束，係由前段加速器53予以加速，並從射入裝置46射入至帶電粒子加速器54內。在此，帶電粒子加速器54係以同步加速器為例進行說明。帶電粒子射束係被加速至預定的能量。從帶電粒子加速器54的射出裝置47所射出之帶電粒子射束，係經由射束輸送系統59而輸送至粒子射束照射裝置58a、58b。粒子射束照射裝置58a、58b係將帶電粒子射束照射至照射對象45(參照第3圖)。粒子射束照射裝置的符號係總括地使用58，而在區別說明時使用58a、58b。

由射束產生裝置52所產生且加速至預定的能量之帶電粒子射束31，係經由射束輸送系統59而予以引導至粒子射束照射裝置58。於第3圖中，粒子射束照射裝置58係包括：X方向掃描電磁鐵32及Y方向掃描電磁鐵33，係以屬於垂直於帶電粒子射束31的方向之X方向及Y方向來掃描帶電粒子射束31；位置監視器(monitor)34；線量監視器35；線量資料變換器36；射束資料處理裝置41；掃描電磁鐵電源37；以及照射管理裝置38，係控制粒子射束照射裝置58。照射管理裝置38係包括：照射控制計算機39；以及照射控制裝置40。線量資料變換器36係包括：啟動信號(trigger)產生部42；點計數器(spot counter)43；以及點間計數器44。另外，帶電粒子射束31的行進方向係-Z方向。

X方向掃描電磁鐵32係以X方向掃描帶電粒子射束31之掃描電磁鐵，Y方向掃描電磁鐵33係以Y方向掃描帶電粒子射束31之掃描電磁鐵。位置監視器34係用以檢測射束資訊，該射束資訊係用以演算由X方向掃描電磁鐵32及Y方向掃描電磁鐵33所掃描之帶電粒子射束31所通過之射束之通過位置(重心位置)及大小(size)者。射束資料處理裝置41係依據由位置監視器34所檢測出之由複數個類比(analog)信號(射束資訊)所構成之射束資訊，而演算帶電粒子射束31的通過位置(重心位置)及大小。再者，射束資料處理裝置41係產生顯示帶電粒子射束31的位置異常及大小異常之異常檢測信號，並將該異常檢測信號輸出至照射管理裝置38。

線量監視器35係檢測帶電粒子射束31的線量。照射管理裝置38係依據由未圖示之治療計畫裝置所作成之治療計畫資料，而控制於照射對象45之帶電粒子射束31的照射位置，並以線量監視器予以測定，且在藉由線量資料變換器36而變換為數位資料(digital data)之線量到達目標線量時停止帶電粒子射束31。掃描電磁鐵電源37係依據由照射管理裝置38所輸出之對於X方向掃描電磁鐵32及Y方向掃描電磁鐵33之控制輸入(指令)，而使X方向掃描電磁鐵32及Y方向掃描電磁鐵33的設定電流變化。

在此，粒子射束照射裝置58的掃描(scanning)照射方式，係以作為屬於在帶電粒子射束31的照射位置改變時不使帶電粒子射束31停止之逐行掃描(raster scanning)照射方式，且以點掃描照射方式之方式般的使照射位置在點位置間逐次移動之方式進行說明。點計數器43係計測帶電粒子射束31的射束照射位置為停留時之期間的照射線量。點間計數器44係計測帶電粒子射束31的射束照射位置為移動時之期間的照射線量。啟動信號產生部42係在射束照射位置之帶電粒子射束31的線量達到目標照射線量時，產生達成線量信號。

於第1圖中，帶電粒子加速器54係包括：加速環(ring)26；加速控制裝置25；高頻率放大器(high frequency amplifier)10；以及電磁鐵電源14、16。加速環26係包括：帶電粒子射束31通過之真空導管24；四個偏向電磁鐵15a、15b、15c、15d，係對通過真空導管24之帶電粒子射束31提供磁場而將其予以偏向；二個四極電磁鐵17a、17b，係對通過真空導管24之帶電粒子射束31供給磁場並使其變為預訂之射束大小；以及加速空洞11，係對通過真空導管24之帶電粒子射束31進行加速。加速器控制裝置25係包括：計算機1；時脈產生部18；高頻率控制部19；偏向電磁鐵控制部20；以及四極電磁鐵控制部23。偏向電磁鐵之符號係總括地使用15，而在區別說明時使用15a、15b、15c、15d。同樣地，四極電磁鐵之符號係總括地使用17，而在區別說明時使用17a、17b。另外，從前段加速器53將帶電粒子射束31射入真空導管24之射入裝置46，及從真空導管24朝向射束輸送系統59射出帶電粒子射束31之射出裝置47等係於第1圖中省略。

偏向電磁鐵15係產生用以彎曲帶電粒子射束31而在真空導管24內旋繞之磁場。四極電磁鐵17係產生用以使射束擴散及匯聚之磁場。高頻率放大器10係依據從高頻率控制部19輸出之控制信號而產生高頻率加速電壓。電磁鐵電源14係依據從偏向電磁鐵20輸出之控制信號產生控制電流。電磁鐵電源16係依據從四極電磁鐵23輸出之控制信號而產生控制電流。加速空洞11、偏向電磁鐵15、四極電磁鐵17係分別藉由一面取得預定的同步一面使帶電粒子射束31加速、偏向、擴散及匯聚，而使帶電粒子射束31加速至預定的能量。

時脈產生部18係包含：時脈振盪器2；產生加速空洞時脈clka之分頻器3；以及產生電磁鐵時脈clkm之分頻器4。高頻率控制部19係包括：圖樣記憶體5；產生FR時脈clkfr之FR時脈產生器6；圖樣輸出器7；頻率合成器(synthesizer)8；以及AM調變器9。偏向電磁鐵控制部20係包括：圖樣記憶體12；以及圖樣輸出器13。四極電磁鐵控制部23係包括：圖樣記憶體21；以及圖樣輸出器22

針對加速空洞11、偏向電磁鐵15、四極電磁鐵17之分別取得同步之方法進行說明。時脈振盪器2係以固定的週期，例如以15MHz來產生時脈。該15MHz之時脈係成為基準時脈。高頻率加速空洞用的分頻器3係藉由將基準時脈分頻成預定的個數，而產生高頻率加速空洞用的加速空洞時脈clka。在此若將加速空洞時脈clka設成例如150kHz，則加速空洞時脈clka係按每50計數(count)切換電壓H及電壓L而產生15MHz之時脈。更具體而言，產生15MHz時脈的50計數期間為電壓H，其後之15MHz時脈的50計數期間為電壓L，而一週期相當為15MHz時脈的100計數之時脈。

同樣地，電磁鐵用的分頻器4亦藉由將從時脈振盪器2輸出之時脈分頻成預定的個數，而產生電磁鐵用的電磁鐵時脈clkm。在此若將電磁鐵時脈clkm設成例如3kHz，則電磁鐵時脈clkm係按每2500計數切換電壓H及電壓L而產生15MHz之時脈。更具體而言，產生15MHz時脈的2500計數期間為電壓H，其後之15MHz時脈的2500計數期間為電壓L，而一週期相當為15MHz時脈的5000計數之時脈。

針對加速空洞時脈clka與電磁鐵時脈clkm的時脈之同步進行說明。第4圖係說明加速空洞時脈及電磁鐵時脈之時序圖。如前述，由於係將一個基準時脈分頻而產生加速空洞時脈clka及電磁鐵時脈clkm，並且以各自的頻率能為150kHz及3kHz之整數倍之方式而構成，故如第4圖所示，電磁鐵clkm的上升(從電壓L往電壓H之變化)係必定一致於加速空洞時脈clka的上升。再者，雖未圖示，惟電磁鐵clkm的下降(從電壓H往電壓L之變化)亦與加速空洞時脈clka的上升一致。如此，加速空洞時脈clka與電磁鐵時脈clkm係成為取得同步之時脈。

高頻率控制部19的FR時脈產生器6係藉由算出加速空洞時脈clka的頻率，且以成為加速空洞時脈clka的預定的增加常數(整數)倍數之方式進行高頻率化，而產生屬於加速空洞11的圖樣輸出用時脈之FR時脈clkfr。在此之增加常數係例如設為8倍。亦即，FR時脈clkfr係設為例如加送空洞時脈clka的8倍之1.2MHz。該FR時脈clkfr係在頻率變更時產生平滑的加速空洞控制信號者，且為按每個由FR時脈clkfr的增加常數而來之週期與加速空洞時脈clka取得同步之時脈。另外，FR時脈clkfr係按每個後述之補完時間tr而形成有脈衝(pulse)之時脈。

在實施形態1中，係從加速空洞時脈clka再度產生FR時脈clkfr。從基準時脈產生分頻加速空洞clka，並從加速空洞時脈clka再度產生FR時脈clkfr之理由，係時脈振盪器2、加速空洞用之分頻器3以及電磁鐵用之分頻器4係作為時脈產生部18而由一個單元(unit)所構成，該時脈產生部18係有設置於遠離高頻率控制部19之位置之情形，為了容易傳送屬於高頻率信號之FR時脈clkfr，故以如此之方式構成。另外，在時脈產生部18與高頻率控制部19設置在較近之距離時，或該等為一體化之構造時，係可從基準時脈直接產生FR時脈clkfr。

對高頻率控制部19的動作進行說明。於加速空洞11用之圖樣記憶體5，係預先儲存有從計算機1預先傳送而來之加速空洞11用之加速空洞圖樣。加速空洞圖樣係按每個加速空洞時脈clka的週期，而設定所對應之高頻率加速電壓的頻率數值之圖樣。由於加速空洞圖樣並非一個，係因應於在粒子射束治療裝置51所使用之能量、運作週期、射束強度等而有複數個，故圖樣記憶體5係構成為可保有複數個加速空洞圖樣。在掃描照射方式的粒子射束治療裝置51中，係準備有大致10組(set)之加速空洞圖樣及電磁鐵圖樣。在對於一個患部之粒子射束治療中，亦有使用三個加速空洞圖樣之情形。加速空洞圖樣係配合屬於加速空洞時脈clka之150kHz而依序輸出。

為了將儲存於圖樣記憶體5之加速空洞圖樣的頻率資料與後述之補完頻率資料作區別，係將其稱為儲存頻率資料。頻率記憶體5係在輸入有加速空洞時脈clka時，將加速空洞圖樣的儲存頻率資料依序輸出至圖樣輸出器7。此時，為了實施後述之補完處理，係輸出與一般的資料輸出相比更前進1時脈份之資料。圖樣輸出器7係從FR時脈clkfr及從圖樣記憶體輸入之加速空洞圖樣的儲存頻率資料實施補完處理並將預定的加速空洞運作圖樣的資料(儲存頻率資料及補完頻率資料)輸出至頻率合成器(數位頻率合成器，digital synthesizer)8。

針對補完處理進行說明。第5圖係顯示使用加速空洞時脈之情形的加速空洞圖樣的資料輸出例之圖，第6圖係顯示使用FR時脈之情形的加速空洞圖樣的資料輸出例之圖。第5圖係相當於未進行補完處理之情形，第6圖係相當於進行補完處理之情形。於第5圖及第6圖中，橫軸係時間，而縱軸係加速空洞控制信號的設定頻率。未進行補完處理之第5圖之情形，係未對儲存於圖樣記憶體5之加速空洞圖樣進行補完而從圖樣輸出器7輸出加速空洞圖樣的儲存頻率資料至頻率合成器8之情形。於第5圖及第6圖中，黑圓圈所示之點係相當於儲存於圖樣記憶體5之儲存頻率資料。於第5圖中，圖樣輸出器7係在成為屬於圖樣設定時刻之時刻t1時，從儲存於圖樣記憶體5之加速空洞圖樣輸出資料f1。同樣地，圖樣輸出器7係在成為屬於下一個圖樣設定時刻之時刻t2時，輸出資料f2，並在屬於下一個圖樣設定時刻之時刻t3時，輸出資料f3。如此，以在已決定之時序成為已決定之頻率之方式將加速空洞圖樣予以輸出。

第6圖所示之進行過補完處理之加速空洞圖樣的資料輸出例，由於係使用儲存於圖樣記憶體5之相同加速空洞圖樣，故輸入加速空洞時脈clka的脈衝時的頻率資料係相同。亦即於第6圖中，圖樣輸出器7係在時刻成為屬於圖樣設定時刻之時刻t1時，從儲存於圖樣記憶體5之加速空洞圖樣輸出資料f1。同樣地，圖樣輸出器7係在成為屬於下一個圖樣設定時刻之時刻t2時，輸出資料f2，並在屬於圖樣設定時刻之時刻t3時，輸出資料f3。如此，以在已決定之時序成為已決定之頻率之方式將加速空洞圖樣予以輸出。然而，圖樣輸出器7係除了在輸入加速空洞時脈clka的脈衝時以外，亦在至輸入下一個加速空洞時脈clka的脈衝為止之期間，輸出屬於經過補完之頻率資料的補完頻率資料。按每個補完時間tr增加或減少補完差分頻率fr之補完頻率資料係從圖樣輸出器7輸出。

經過補完之頻率資料係在每次輸入FR時脈clkfr時予以輸出。亦即，補完差分頻率fr係相當於FR脈衝clkfr的週期。如同前述，圖樣記憶體5係在時刻t1之時序將先前進了1時脈份之資料f2輸出至圖樣輸出器7。在補完處理之情形，圖樣輸出器7係算出屬於所接收之資料f2與前次接收之資料f1的差之補完對象頻率差△f，並將△f除以為加速空洞時脈clka與FR時脈clkfr的比率之補完比率k，而求取補完差分頻率fr。於此之例中，係將FR時脈clkfr設為1.2MHz。由於加速空洞時脈clka係150kHz，FR時脈clkfr係1.2MHz，故比完比率k成為8。因此，圖樣輸出器7係將補完對象頻率差△f(=f2-f1)除以8，亦即將僅變化了設為補完對象頻率差△f的1/8之補完差分頻率fr之補完頻率資料予以輸出。在此所示之補完處理係稱為線性補完處理或斜面處理。另外，補完處理係亦可進行近似於線性補完處理以外的二次曲線等曲線之補完。

實施形態1之圖樣輸出器7係於輸出加速空洞圖樣的儲存頻率資料之圖樣設定時刻間，按每個預定的補完時間tr產生僅使其變化了補完差分頻率fr之補完頻率資料，並藉由在每次輸入FR時脈clkfr時輸出儲存頻率資料或補完頻率資料，而可不增加儲存於圖樣記憶體5之圖樣資料，來將第5圖之階梯狀的頻率變化改良成平滑之變化。

圖樣輸出器7在屬於加速空洞時脈clka的時脈之時刻t1、t2、t3中，並非因應FR時脈clkfr的輸入來輸出經過補完處理之資料，而係在接收到來自圖樣記憶體5的輸出時，將前次接收之加速空洞圖樣的頻率資料予以輸出。藉由如此之方式，可進行利用了電磁鐵時脈clkm與加速空洞時脈clka的同步性之高精密度的同步運作。

從圖樣輸出器7輸出之頻率資料係輸入至頻率合成器8，且從頻率合成器8輸出為頻率資料所顯示之頻率的高頻率信號至AM調變器9。AM調變器9係藉由將未圖示之電壓圖樣的輸出乘上頻率合成器8所輸出之高頻率信號而實施AM調變，且將經過AM調變之AM調變高頻率信號輸出至高頻率放大器10。

高頻率放大器10係將經過AM調變之AM調變高頻率信號予以放大並輸出至加速空洞11。從高頻率放大器10輸出之高頻率加速電壓係施加於加速空洞11，使高頻率加速電壓施加在旋繞於同步加速器之帶電粒子射束31而進行加速。

針對控制偏向電磁鐵15及四極電磁鐵17之偏向電磁鐵控制部20及四極電磁鐵控制部23進行說明。於偏向電磁鐵15用之圖樣記憶體12係預先儲存有從計算機1預先傳送而來之偏向電磁鐵15用之偏向電磁鐵圖樣。偏向電磁鐵圖樣係對應於每個電磁鐵時脈clkm的週期之偏向電磁鐵的控制輸入，亦即為設定電流值之圖樣。圖樣記憶體12係在輸入有由分頻器4所產生之電磁鐵用時脈clkm時，將偏向電磁鐵15的偏向電磁鐵圖樣的資料輸出至偏向電磁鐵15用之圖樣輸出器13。

於四極電磁鐵17用之圖樣記憶體21亦預先儲存有從計算機1預先傳送而來之四極電磁鐵17用之四極電磁鐵圖樣。四極電磁鐵圖樣係對應於每個電磁鐵時脈clkm的週期之四極電磁鐵的控制輸入，亦即為設定電流值之圖樣。圖樣記憶體21係在輸入有電磁鐵用時脈clkm時，將四極電磁鐵17的四極電磁鐵圖樣的資料輸出至四極電磁鐵17用之圖樣輸出器22。

電磁鐵用之圖樣記憶體12、21係在輸入有電磁鐵用時脈clkm時，將偏向電磁鐵圖樣及四極電磁鐵圖樣輸出至圖樣輸出器13、22。圖樣輸出器13、22係分別輸出對應於偏向電磁鐵用之電磁鐵電源14及四極電磁鐵用之電磁鐵電源16之設定電流值的資料。從圖樣輸出器13、22輸出之設定電流值的資料係輸入至電磁鐵電源14及電磁鐵電源16。電磁鐵電源14及電磁鐵電源16係分別進行對應於設定電流值的資料之控制電流的輸出，而通電至偏向電磁鐵15及四極電磁鐵17。帶電粒子射束13係被賦予來自偏向電磁鐵15之磁場，而旋繞真空導管24中的預定軌道，且被賦予來自四極電磁鐵17之磁場而控制成預定的射束大小。

如前述，由於對應於電磁鐵電源14或電磁鐵電源16等之電磁鐵係具有鐵芯之線圈(coil)，故該等電磁鐵大多具有時間常數較大之電抗成分，而即便偏向電磁鐵圖樣及四極電磁鐵圖樣等電磁鐵圖樣的設定電流值的資料以3kHz之週期階梯(step)狀變化，來自電磁鐵電源14及電磁鐵電源16等的對於對應之電磁鐵之通電電流(控制電流)亦不會變成如加速空洞11之急遽的變化，而會成為適當地平滑之變化。

實施形態1之帶電粒子加速器54係藉由使對於加速空洞11的經過補完處理後之高頻率加速電壓的變化、與偏向電磁鐵15與四極電磁鐵17的通電電流的變化，高精密度地使其變化時序一致，亦即藉由使其同步，而可實現穩定的射束加速。

接著，考量關於從計算機1對高頻率控制部19、偏向電磁鐵控制部20、四極電磁鐵控制部23進行資料轉送之資料轉送時間。加速空洞時脈clka係150kHz，電磁鐵時脈clkm係3kHz，在將加速空洞圖樣及電磁鐵圖樣的20組份從計算機1予以資料轉送至高頻率控制部19、偏向電磁鐵控制部20、四極電磁鐵控制部23之情形，資料轉送時間係例如大致為4秒。由於實施形態1的帶電粒子加速器54係依據1.2MHz之FR時脈clkfr之脈衝輸入，及從圖樣記憶體5之按每次輸入時序輸出之頻率資料而控制加速空洞11，且採用控制偏向電磁鐵15及四極電磁鐵17使其追隨於加速空洞11的控制而同步之方式，故比較對象之僅以T 時脈使加速空洞及電磁鐵運作之專利文獻1的帶電粒子加速器(比較對象之帶電粒子加速器)之情形，係可藉由以下方式估算資料轉送時間。

由於比較對象之帶電粒子加速器係以1.2MHz來轉送加速空洞圖樣及電磁鐵圖樣，故加速空洞圖樣的資料量與實施形態1相比係有8倍，且偏向電磁鐵圖樣及四極電磁鐵圖樣之各者的資料量與實施形態1相比係有400(=1.2M/3k)倍。因此，若將實施形態1的偏向電磁鐵圖樣的資料量設為A，則實施形態1的偏向電磁鐵圖樣、四極電磁鐵圖樣及加速空洞圖樣的資料量係分別成為A、A及50A(=A×(150k/3k))。比較對象的帶電粒子加速器之偏向電磁鐵圖樣、四極電磁鐵圖樣及加速空洞圖樣的資料量係分別成為400A、400A、400A(=8×50A)。實施形態1的帶電粒子加速器54的加速空洞圖樣極電磁鐵圖樣的全部資料量係在將電磁鐵的種類設為20組時，為70A(=20A+50A)。相對於此，比較對象之帶電粒子加速器的加速空洞圖樣及電磁鐵圖樣的全部資料量係為8400A(=20×400A+400A)。因此，比較對象的帶電粒子加速器之資料轉送時間係成為實施形態1之帶電粒子加速器54之資料轉送時間的8400/70倍，亦即成為120倍，而會耗費到8分鐘(=4×120/60)。

比較對象之帶電粒子加速器之資料轉送時間係對於每個運作時間參數為大致8分鐘之較長的時間，而例如在患者變動時，在配合該患者之加速空洞圖樣及電磁鐵圖樣的資料轉送上會耗費時間，而在一天內可進行粒子射束治療之患者人數會顯著地下降。再者，即便為實施了實施預先下載(download)在治療中使用之圖樣資料之方法之對策的情形，亦會在產生任何障礙(trouble)，而對帶電粒子加速器再度轉送加速空洞圖樣及電磁鐵圖樣之情形時，需要每個運作參數大致8分鐘之長時間，且將要求患者從治療台離開並使其待機後再度進行患者的定位，而產生粒子射束治療停滯之問題。另外，在治療中所使用之運作參數一般係有複數個而並非一個，此時，實施形態1之資料轉送時間與比較對象之帶電粒子加速器之資料轉送時間之差會更加擴大，而增加問題的重大性。

與比較對象之帶電粒子加速器不同，實施形態1之帶電粒子加速器54之資料轉送時間為大致4秒，在患者變動時、或由於障礙而再度轉送加速空洞圖樣及電磁鐵圖樣之情形時，該資料轉送時間亦大致為4秒左右，在一天內能夠進行粒子射束治療之患者的數量不會明顯下降，亦不會產生粒子射束治療停滯之問題。因此，具備實施形態1的帶電粒子加速器54之粒子射束治療裝置51與以往的裝置相比，加速空洞圖樣及電磁鐵圖樣的資料轉送時間可顯著縮短，而可有效率地進行粒子射束治療。

實施形態1之帶電粒子加速器54係藉由將加速空洞時脈clka及電磁鐵時脈clkm設為分別取得同步之不同的頻率，而可刪減偏向電磁鐵圖樣及四極電磁鐵圖樣等電磁鐵用圖樣的資料量。因此，可刪減加速空洞圖樣及電磁鐵用圖樣的合計資料量，而可縮短從計算機1至圖樣記憶體5、 12、21之圖樣資料通信時間。另外，於實施形態1中，雖構成為從基準時脈分別分頻而產生加速空洞時脈clka及電磁鐵時脈clkm，惟亦可構成為將基準時脈分頻而產生加速空洞時脈clka，並將加速空洞時脈clka分頻而產生電磁鐵時脈clkm。

再者，實施形態1之帶電粒子加速器54係從加速空洞時脈clka產生更高頻率之FR時脈clkfr，並藉由加速空洞11用之圖樣輸出器7產生比起加速空洞11用之圖樣記憶體5所儲存之加速空洞圖樣其時間分解能更高之加速空洞運作圖樣，且輸出至頻率合成器8，藉此亦可刪減加速空洞圖樣的資料量。

實施形態1之帶電粒子加速器54係即便在刪減偏向電磁鐵圖樣及四極電磁鐵圖樣等電磁鐵用圖樣的資料量之情形，從電磁鐵電源14及電磁鐵電源16等至對應之電磁鐵的通電電流亦成為適當的平滑變化，因此，藉由使高頻率加速電壓的變化與偏向電磁鐵15及四極電磁鐵17的通電電流的變化同步，可實現穩定之射束加速。再者，即便在刪減加速空洞圖樣的資料量之情形，亦產生比起加速空洞圖樣其時間分解能更高之加速空洞運轉圖樣，並依據該加速空洞運轉圖樣對加速空洞11施加高頻率加速電壓，因此，可使高頻率加速電壓與偏向電磁鐵15及四極電磁鐵17的通電電流變化同步，而可實現穩定之射束加速。

實施形態1之帶電粒子加速器54與使用B時脈及T時脈之帶電粒子加速器不同，由於僅從T時脈產生加速空洞時脈clka及電磁鐵時脈clkm，故比起以往可將帶電粒子加速器54的系統構成更加簡單化。再者，實施形態1之帶電粒子加速器54與僅藉由T時脈使加速空洞及電磁鐵運作之專利文獻1之帶電粒子加速器不同，係刪減加速空洞圖樣及電磁鐵用圖樣的合計資料量，因此，加速空洞圖樣及電磁鐵用圖樣的資料管理與以往相比變得較容易，且計算機1與高頻率控制部19、偏向電磁鐵控制部20、四極電磁鐵控制部23間的資料通信的組成與以往相比亦可更加簡單化。

依據實施形態1的帶電粒子加速器54，係具備：真空導管24，係使帶電粒子射束31通過；加速空洞11，係將通過真空導管24之帶電粒子射束31予以加速；偏向電磁鐵15，係將通過真空導管24之帶電粒子射束31予以偏向；以及加速器控制裝置25，係控制加速空洞11及偏向電磁鐵15，加速控制裝置25係包括：時脈產生部18，係產生加速空洞時脈clka，以及同步於加速空洞時脈clka並且頻率比加速空洞時脈clka的頻率還低之電磁鐵時脈clkm；高頻率控制部19，係依據儲存於第一圖樣記憶體5之加速空洞圖樣及加速空洞時脈clka來控制加速空洞11；以及偏向電磁鐵控制部20，係依據儲存於第二圖樣記憶體12之偏向電磁鐵圖樣及電磁鐵時脈clkm來控制偏向電磁鐵15，因此，可使偏向電磁鐵時脈的資料量比加速空洞時脈的資料量更少，而可縮短送至加速器之圖樣資料的通信時間。

依據實施形態1之粒子射束治療裝置51，係具備：射束產生裝置51，係產生帶電粒子射束31，且藉由帶電粒子加速器54使該帶電粒子射束31加速；射束輸送系統59，係輸送由帶電粒子加速器54所加速之帶電粒子射束31；以及粒子射束照射裝置58，係將由射束輸送系統59所輸送之帶電粒子射束31照射至照射對象45，且帶電粒子加速器54係具備：真空導管24，係使帶電粒子射束31通過；加速空洞11，係將通過真空導管24之帶電粒子射束31予以加速；偏向電磁鐵15，係將通過真空導管24之帶電粒子射束31予以偏向；以及加速器控制裝置25，係控制加速空洞11及偏向電磁鐵15，加速控制裝置25係包括：時脈產生部18，係產生加速空洞時脈clka，以及同步於加速空洞時脈clka並且頻率比加速空洞時脈clka的頻率還低之電磁鐵時脈clkm；高頻率控制部19，係依據儲存於第一圖樣記憶體5之加速空洞圖樣及加速空洞時脈clka來控制加速空洞11；以及偏向電磁鐵控制部20，係依據儲存於第二圖樣記憶體12之偏向電磁鐵圖樣及電磁鐵時脈clkm來控制偏向電磁鐵15，因此，可使偏向電磁鐵時脈的資料量比加速空洞時脈的資料量更少，而可縮短送至加速器之圖樣資料的通信時間。因此，具備實施形態1之帶電粒子加速器54之粒子射束治療裝置51與以往相比係可顯著地縮短加速空洞圖樣及電磁鐵圖樣的資料轉送時間，而可有效率地進行粒子射束治療。

另外，FR時脈產生器6雖以算出加速空洞時脈clka的週期，並以成為加速空洞時脈clka的預定增加常數(整數)倍之方式進行高頻率化，而產生FR時脈clkfr之例進行了說明，惟亦可為將基準時脈分頻，而產生FR時脈clkfr之情形。

實施形態2

第7圖係顯示本發明實施形態2之帶電粒子加速器的構成之圖。實施形態2的帶電粒子加速器54與實施形態1之帶電粒子加速器54相比，係刪除FR時脈產生器6，且加速空洞時脈clka的頻率、儲存於圖樣記憶體5之加速空洞圖樣的頻率資料量不同。在此，係以在實施形態1所說明之頻率資料的輸出頻繁度為相同之例進行說明。

在實施形態1中，圖樣輸出器7係使用1.2MHz之FR時脈clkfr將加速空洞圖樣的頻率資料輸出至頻率合成器8。於此，在實施形態2中，分頻器3係產生1.2MHz之加速空洞時脈clka。具體而言，在實施形態2中係產生12MHz之基準時脈，分頻器3係將時脈振盪器2所產生之12MHz的基準時脈分頻，而產生1/100倍之1.2MHz之加速空洞時脈clka。如實施形態1所說明，由於係構成為加速空洞時脈clka及電磁鐵時脈clkm皆為將一個基準時脈予以分頻而產生，且將各自的頻率設為可成為整數倍的1.2MHz及3kHz之，故形成取得同步之時脈。

說明實施形態2之高頻率控制部19的動作。於圖樣記憶體5係儲存有預先從計算機1傳送之加速空洞11用之加速空洞圖樣。儲存於圖樣記憶體5之加速空洞圖樣的頻率資料量係隨著加速空洞時脈clka的頻率從150kHz變更至 1.2MHz，而增加為8倍(=1.2M/150k)。加速空洞圖樣係配合屬於加速空洞時脈clka之1.2MHz而依序輸出。

第8圖係顯示本發明實施形態2之加速空洞圖樣的資料輸出例之圖。於第8圖中，橫軸係時間，而縱軸係加速空洞控制信號的設定頻率。於第8圖中，以黑圓圈所示之點係相當於儲存於圖樣記憶體5之頻率資料。圖樣輸出器7係在時刻成為t1時從儲存於圖樣記憶體5之加速空洞圖樣中輸出資料f1。同樣地，圖樣輸出器7係在成為t2、t3、t4、t5時，分別輸出資料f2、f3、f4、f5。如此以決定好之時序，亦即以成為由加速空洞時脈clka的脈衝輸入的時序所決定好之頻率資料之方式將加速空洞圖樣輸出。

圖樣記憶體5係在輸入有加速空洞時脈clka時，將加速空洞圖樣的資料依序輸出至圖樣輸出器7。圖樣輸出器7係將加速空洞資料的頻率資料輸出至頻率合成器8。頻率合成器8係依據頻率資料而將頻率資料所示之頻率之高頻率信號輸出至AM調變器9。AM調變器9係藉由將未圖示之電壓圖樣的輸出乘上頻率合成器8所輸出之高頻率信號而實施AM調變，並將經過AM調變之AM調變高頻率信號輸出至高頻率放大器10。

高頻率放大器10係將經過AM調變之AM調變高頻率信號予以放大，並輸出至加速空洞11。從高頻率放大器10輸出之高頻率加速電壓係施加於加速空洞11，使高頻率加速電壓施加在旋繞於同步加速器之帶電粒子射束31而進行加速。控制偏向電磁鐵15及四極電磁鐵17之偏向電磁鐵控制部20及四極電磁鐵控制部23之動作，係與實施形態1相同。

將在實施形態2之帶電粒子加速器54中，從計算機1至高頻率控制部19、偏向電壓控制部20、四極電極控制部23之資料轉送時間與實施形態1的帶電粒子加速器進行比較。如前述，就實施形態1之帶電粒子加速器54而言，加速空洞時脈clka係150kHz，電磁鐵時脈clkm係3kH，而在將加速空洞圖樣及電磁鐵圖樣的20組份從計算機1予以資料轉送至高頻率控制部19、偏向電磁鐵控制部20、四極電磁鐵控制部23時，資料轉送時間為大致4秒。於實施形態2的帶電粒子加速器54中，加速空洞時脈clka係1.2MHz，加速空洞時脈clka與實施形態1相比係成為8倍。於此，若將實施形態1的偏向電磁鐵圖樣的資料量取為A，則加速空洞圖樣的資料量係400A(8×50A)。因此，實施形態2之帶電粒子加速器54的偏向電磁鐵圖樣、四極電磁鐵圖樣及加速空洞圖樣的資料量係成為420A(=20×A+400A)。

實施形態2之帶電粒子加速器54之資料轉送時間係實施形態1之帶電粒子加速器54之資料轉送時間的420/70倍，亦即成為6倍，成為大致24(=4×6)秒。實施形態2之帶電粒子加速器54之資料轉送時間與實施形態1相比雖較耗費時間，不過與比較對象之帶電粒子加速器之資料轉送時間的大致8分鐘相比，係可縮短時間。

與比較對象的帶電粒子加速器不同，實施形態2之帶電粒子加速器54之資料轉送時間為大致24秒，與患者的定位時間相比並未明顯較長。實施形態2之帶電粒子加速器54係即便在患者變動之情形，或在由於障礙而再度轉送加速空洞圖樣及電磁鐵圖樣之情形時，資料轉送時間亦大致為24秒，在一天內能夠進行粒子射束治療之患者的人數不會明顯下降，亦不會產生粒子射束治療停滯之問題。因此，具備實施形態2的帶電粒子加速器54之粒子射束治療裝置51與以往的裝置相比，係加速空洞圖樣及電磁鐵圖樣的資料轉送時間可顯著縮短，而可有效率地進行粒子射束治療。

實施形態2的帶電粒子加速器54係藉由將加速空洞時脈clka及電磁鐵時脈clkm設為分別取得同步之不同的頻率，而可刪減偏向電磁鐵圖樣及四極電磁鐵圖樣等電磁鐵用圖樣的資料量。因此，可刪減加速空洞圖樣及電磁鐵用圖樣的合計資料量，而可縮短從計算機送至圖樣記憶體之圖樣資料的通信時間。

再者，實施形態2之帶電粒子加速器54與實施形態1之帶電粒子加速器54同樣地，係即便在刪減偏向電磁鐵圖樣及四極電磁鐵圖樣等電磁鐵用圖樣的資料量之情形，從電磁鐵電源14及電磁鐵電源16等至對應之電磁鐵的通電電流亦成為適當的平滑變化，因此，藉由使高頻率加速電壓的變化與偏向電磁鐵15及四極電磁鐵17的通電電流的變化同步，係可實現穩定之射束加速。

另外，於實施形態1及2中，計算機1雖以除了照射控制計算機39以外另行設置之例進行了說明，惟亦可不設置計算機1而由照射控制計算機39進行計算機1之處理。