WO2013111292A1 - 荷電粒子加速器及び粒子線治療装置 - Google Patents

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WO2013111292A1
WO2013111292A1 PCT/JP2012/051597 JP2012051597W WO2013111292A1 WO 2013111292 A1 WO2013111292 A1 WO 2013111292A1 JP 2012051597 W JP2012051597 W JP 2012051597W WO 2013111292 A1 WO2013111292 A1 WO 2013111292A1
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charged particle
pattern
electromagnet
frequency
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PCT/JP2012/051597
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昌広 池田
来島　裕子
俊介 岡田
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三菱電機株式会社
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    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
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    • H05H2277/00—Applications of particle accelerators
    • H05H2277/10—Medical devices
    • H05H2277/11—Radiotherapy

Definitions

  • the present invention relates to a particle beam therapy apparatus used in the medical field.
  • a particle beam therapy system is connected to a beam generator for generating a charged particle beam, an accelerator for accelerating the generated charged particle beam, and a charge emitted after being accelerated to energy set by the accelerator.
  • a beam transport system that transports a particle beam, and a particle beam irradiation device that is installed downstream of the beam transport system and that irradiates a target with a charged particle beam.
  • a synchrotron is used as an accelerator for accelerating a charged particle beam.
  • a high frequency is applied to a high frequency acceleration cavity (acceleration cavity) provided in the synchrotron, a pattern operation is performed by synchronizing a deflecting electromagnet or a quadrupole electromagnet, and the charged particle beam is accelerated to a predetermined energy.
  • the orbital frequency increases as the charged particle beam accelerates. Therefore, it is necessary to increase the acceleration frequency of the acceleration voltage in accordance with the acceleration of the charged particle beam. That is, it is necessary to synchronize the magnetic field B of the deflection electromagnet and the acceleration frequency f of the acceleration voltage.
  • Patent Document 1 shows a charged particle accelerator that generates a B clock (magnetic field clock) from the magnetic field change observed in FIG. 1 and outputs an acceleration cavity pattern using this B clock to operate a high-frequency acceleration cavity.
  • the conventional charged particle accelerator uses the T clock and B clock as described above to synchronize the deflecting electromagnet and the high frequency acceleration cavity. In this operation method, since two clocks of T clock and B clock are used, the apparatus is complicated. Therefore, Patent Document 1 proposes a charged particle accelerator that operates a deflection electromagnet and a high-frequency acceleration cavity by outputting a deflection electromagnet pattern and an acceleration cavity pattern using only a T clock.
  • JP-A-8-293399 (steps 0008 to 0017, FIGS. 1 and 3)
  • the amount of pattern data handled by the charged particle accelerator as a whole becomes very large.
  • the amount of hard disk and memory for storing the data There are problems that the amount of data becomes enormous and pattern data communication takes time.
  • the pattern data amount will be described in detail below.
  • a high frequency acceleration cavity applies a high frequency of less than 10 MHz.
  • the high-frequency accelerating cavity has good follow-up to changes over time and is sensitive to beam acceleration and deceleration. Therefore, the output period of the pattern clock requires about 100 kHz, and the high-frequency accelerating cavity changes smoothly. In the case of operating with, a pattern output of about 1 MHz is required.
  • an electromagnet such as a deflecting electromagnet or a quadrupole electromagnet has a large reactance component and a large time constant due to the structure in which a coil is wound around an iron core. That is, about 1200 Hz or 1440 Hz is possible.
  • electromagnets that perform pattern operation include a converging quadrupole electromagnet, a diverging quadrupole electromagnet, a converging hexapole electromagnet, 6-pole electromagnets, start-up correction steering electromagnets (X direction / Y direction), take-out hexapole electromagnets, etc.
  • the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and charged particles that reduce the amount of pattern data for operating the acceleration cavity and the electromagnet based on the time clock and shorten the communication time of the pattern data.
  • the aim is to obtain an accelerator.
  • a charged particle accelerator includes a vacuum duct that passes a charged particle beam, an acceleration cavity that accelerates the charged particle beam that passes through the vacuum duct, a deflection electromagnet that deflects the charged particle beam that passes through the vacuum duct, and an acceleration An accelerator controller for controlling the cavity and the deflection electromagnet.
  • the accelerator control device includes an acceleration cavity clock, a clock generator that generates an electromagnetic clock that is synchronized with the acceleration cavity clock and has a frequency lower than that of the acceleration cavity clock, and an acceleration cavity stored in the first pattern memory.
  • a high-frequency control unit that controls based on the pattern and the acceleration cavity clock; and a deflection electromagnet control unit that controls the deflection electromagnet based on the deflection electromagnet pattern and the electromagnet clock stored in the second pattern memory.
  • the acceleration cavity and the deflection electromagnet are controlled using the acceleration cavity clock and the electromagnetic clock having a frequency lower than that of the acceleration cavity clock and synchronized with the acceleration cavity clock. Can reduce the amount of data compared to the acceleration cavity pattern, and can shorten the communication time of the pattern data to the accelerator.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a particle beam therapy system according to Embodiment 1 of the present invention. It is a figure which shows the structure of the particle beam irradiation apparatus of FIG.
  • FIG. 2 is a timing diagram illustrating an acceleration cavity clock and an electromagnet clock of FIG. 1. It is a figure which shows the data output example of the acceleration cavity pattern at the time of using an acceleration cavity clock. It is a figure which shows the data output example of the acceleration cavity pattern at the time of using FR clock. It is a figure which shows the structure of the charged particle accelerator by Embodiment 2 of this invention. It is a figure which shows the data output example of the acceleration cavity pattern by Embodiment 2 of this invention.
  • FIG. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a charged particle accelerator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the particle beam therapy system according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the particle beam irradiation apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • the particle beam therapy system 51 includes a beam generation device 52, a beam transport system 59, and particle beam irradiation devices 58a and 58b.
  • the beam generator 52 includes an ion source (not shown), a pre-stage accelerator 53, and a charged particle accelerator 54.
  • the particle beam irradiation device 58b is installed in a rotating gantry (not shown).
  • the particle beam irradiation device 58a is installed in a treatment room having no rotating gantry.
  • the role of the beam transport system 59 is in communication between the charged particle accelerator 54 and the particle beam irradiation devices 58a and 58b.
  • a part of the beam transport system 59 is installed in a rotating gantry (not shown), and the part has a plurality of deflection electromagnets 55a, 55b, and 55c.
  • a charged particle beam which is a particle beam such as a proton beam generated by an ion source, is accelerated by the former accelerator 53 and is incident into the charged particle accelerator 54 from the incident device 46.
  • the charged particle accelerator 54 will be described using a synchrotron as an example.
  • the charged particle beam is accelerated to a predetermined energy.
  • the charged particle beam emitted from the emission device 47 of the charged particle accelerator 54 is transported to the particle beam irradiation devices 58a and 58b through the beam transport system 59.
  • the particle beam irradiation devices 58a and 58b irradiate the irradiation target 45 (see FIG. 3) with a charged particle beam.
  • the reference numeral 58 of the particle beam irradiation apparatus is used as a whole, and 58a and 58b are used in the case of distinction.
  • the particle beam irradiation device 58 includes an X-direction scanning electromagnet 32 and a Y-direction scanning electromagnet 33 that scan the charged particle beam 31 in the X direction and the Y direction that are perpendicular to the charged particle beam 31, and a position monitor 34.
  • the irradiation management device 38 includes an irradiation control computer 39 and an irradiation control device 40.
  • the dose data converter 36 includes a trigger generation unit 42, a spot counter 43, and an inter-spot counter 44.
  • the traveling direction of the charged particle beam 31 is the ⁇ Z direction.
  • the X-direction scanning electromagnet 32 is a scanning electromagnet that scans the charged particle beam 31 in the X direction
  • the Y-direction scanning electromagnet 33 is a scanning electromagnet that scans the charged particle beam 31 in the Y direction.
  • the position monitor 34 detects beam information for calculating a passing position (center of gravity position) and a size of a beam through which the charged particle beam 31 scanned by the X direction scanning electromagnet 32 and the Y direction scanning electromagnet 33 passes.
  • the beam data processing device 41 calculates the passing position (center of gravity position) and size of the charged particle beam 31 based on beam information made up of a plurality of analog signals (beam information) detected by the position monitor 34. Further, the beam data processing device 41 generates an abnormality detection signal indicating an abnormal position or size abnormality of the charged particle beam 31 and outputs this abnormality detection signal to the irradiation management device 38.
  • the dose monitor 35 detects the dose of the charged particle beam 31.
  • the irradiation management device 38 controls the irradiation position of the charged particle beam 31 on the irradiation object 45 based on treatment plan data created by a treatment planning device (not shown), is measured by the dose monitor 35, and is measured by the dose data converter 36.
  • the dose converted into digital data reaches the target dose, the charged particle beam 31 is stopped.
  • the scanning electromagnet power source 37 sets the set currents of the X direction scanning electromagnet 32 and the Y direction scanning electromagnet 33 based on control inputs (commands) to the X direction scanning electromagnet 32 and the Y direction scanning electromagnet 33 output from the irradiation management device 38. Change.
  • the scanning irradiation method of the particle beam irradiation apparatus 58 is a raster scanning irradiation method in which the charged particle beam 31 is not stopped when the irradiation position of the charged particle beam 31 is changed, and the beam irradiation position is the same as the spot scanning irradiation method.
  • This will be described as a method of moving between spot positions one after another.
  • the spot counter 43 measures the irradiation dose while the beam irradiation position of the charged particle beam 31 is stopped.
  • the spot-to-spot counter 44 measures the irradiation dose while the beam irradiation position of the charged particle beam 31 is moving.
  • the trigger generation unit 42 generates a dose expiration signal when the dose of the charged particle beam 31 at the beam irradiation position reaches the target irradiation dose.
  • the charged particle accelerator 54 includes an acceleration ring 26, an accelerator control device 25, a high-frequency amplifier 10, and electromagnet power supplies 14 and 16.
  • the acceleration ring 26 includes a vacuum duct 24 through which the charged particle beam 31 passes, four deflection electromagnets 15a, 15b, 15c, and 15d that supply and deflect a magnetic field to the charged particle beam 31 that passes through the vacuum duct 24, and a vacuum duct.
  • Two quadrupole electromagnets 17a and 17b that supply a magnetic field to the charged particle beam 31 passing through 24 to obtain a predetermined beam size, and the acceleration cavity 11 that accelerates the charged particle beam 31 passing through the vacuum duct 24 are provided.
  • the accelerator control device 25 includes the computer 1, a clock generation unit 18, a high frequency control unit 19, a deflection electromagnet control unit 20, and a quadrupole electromagnet control unit 23.
  • the reference numerals of the deflection electromagnets are 15 as a whole, and 15a, 15b, 15c, and 15d are used when they are distinguished from each other.
  • the reference numerals of the quadrupole electromagnets are 17 as a whole, and 17a and 17b are used when they are distinguished from each other. Note that an incident device 46 for entering the charged particle beam 31 from the pre-stage accelerator 53 into the vacuum duct 24 and an emitting device 47 for emitting the charged particle beam 31 from the vacuum duct 24 to the beam transport system 59 are omitted in FIG.
  • the deflection electromagnet 15 generates a magnetic field for bending the charged particle beam 31 to circulate in the vacuum duct 24.
  • the quadrupole electromagnet 17 generates a magnetic field for diffusing and converging the beam.
  • the high frequency amplifier 10 generates a high frequency acceleration voltage based on the control signal output from the high frequency control unit 19.
  • the electromagnet power supply 14 generates a control current based on the control signal output from the deflection electromagnet control unit 20.
  • the electromagnet power supply 16 generates a control current based on the control signal output from the quadrupole electromagnet controller 23.
  • Each of the acceleration cavity 11, the deflecting electromagnet 15, and the quadrupole electromagnet 17 accelerates the charged particle beam 31 to a predetermined energy by accelerating, deflecting, diffusing and converging while maintaining a predetermined synchronization.
  • the clock generation unit 18 includes a clock oscillator 2, a frequency divider 3 that generates an acceleration cavity clock clka, and a frequency divider 4 that generates an electromagnet clock clkm.
  • the high frequency control unit 19 includes a pattern memory 5, an FR clock generator 6 that generates the FR clock clkfr, a pattern output unit 7, a synthesizer 8, and an AM modulator 9.
  • the deflection electromagnet controller 20 includes a pattern memory 12 and a pattern output unit 13.
  • the quadrupole electromagnet controller 23 includes a pattern memory 21 and a pattern output device 22.
  • the clock oscillator 2 generates a clock at a constant period, for example, 15 MHz.
  • This 15 MHz clock is a reference clock.
  • the high frequency acceleration cavity divider 3 divides the reference clock by a predetermined number to generate an acceleration cavity clock clka for the high frequency acceleration cavity. If the acceleration cavity clock clka is 150 kHz, for example, the acceleration cavity clock clka generates a 15 MHz clock by switching between the voltage H and the voltage L every 50 counts. More specifically, the 50 count period of the 15 MHz clock is the voltage H, the subsequent 50 count period of the 15 MHz clock is the voltage L, and a clock corresponding to 100 counts of the 15 MHz clock is generated.
  • the electromagnet divider 4 also divides the clock output from the clock oscillator 2 by a predetermined number to generate an electromagnet clock clkm.
  • the electromagnet clock clkm is 3 kHz, for example, the electromagnet clock clkm generates a 15 MHz clock by switching between the voltage H and the voltage L every 2500 counts. More specifically, a voltage corresponding to 5000 counts of a 15 MHz clock is generated with a voltage H during the 2500 count period of the 15 MHz clock and a voltage L during the 2500 count period of the subsequent 15 MHz clock.
  • FIG. 4 is a timing diagram illustrating an acceleration cavity clock and an electromagnet clock.
  • the accelerating cavity clock clka and the electromagnet clock clkm are generated by dividing one reference clock, and each frequency is configured to be an integral multiple of 150 kHz and 3 kHz.
  • the rising edge of the electromagnet clock clkm (change from the voltage L to the voltage H) always matches the rising edge of the acceleration cavity clock clka.
  • the fall of the electromagnet clock clkm (change from the voltage H to the voltage L) also coincides with the rise of the acceleration cavity clock clka.
  • the acceleration cavity clock clka and the electromagnet clock clkm are synchronized clocks.
  • the FR clock generator 6 of the high-frequency control unit 19 calculates the period of the acceleration cavity clock clka, and increases the frequency so as to multiply the acceleration cavity clock clka by a predetermined increase constant (integer), thereby making the pattern of the acceleration cavity 11
  • a predetermined increase constant integer
  • the increase constant is, for example, 8 times. That is, the FR clock clkfr is set to 1.2 MHz, which is eight times the acceleration cavity clock clka, for example.
  • the FR clock clkfr generates a smooth acceleration cavity control signal when the frequency is changed, and is a clock that is synchronized with the acceleration cavity clock clka for each period based on the increase constant of the FR clock clkfr.
  • the FR clock clkfr is a clock in which a pulse is formed every complementary time tr described later.
  • the FR clock clkfr is regenerated from the acceleration cavity clock clka.
  • the reason why the acceleration cavity clock clka is generated by dividing from the reference clock and the FR clock clkfr is regenerated from the acceleration cavity clock clka is that the clock oscillator 2, the frequency divider 3 for the acceleration cavity, and the frequency divider for the electromagnet 4 is configured as one unit as the clock generation unit 18, and this clock generation unit 18 may be installed at a location away from the high frequency control unit 19, in order to facilitate transmission of the FR clock clkfr that is a high frequency signal. In this way, it is configured.
  • the FR clock clkfr may be directly generated from the reference clock.
  • the acceleration cavity pattern for the acceleration cavity 11 is transmitted from the computer 1 in advance and stored.
  • the acceleration cavity pattern is a pattern for setting the frequency value of the high-frequency acceleration voltage corresponding to each cycle of the acceleration cavity clock clka. Since there is not one acceleration cavity pattern, depending on the energy used in the particle beam therapy system 51, the operation cycle, the beam intensity, etc., the pattern memory 5 is configured to have a plurality of acceleration cavity patterns. . In the scanning irradiation type particle beam therapy system 51, about 10 sets of acceleration cavity patterns and electromagnet patterns are prepared. Three accelerated cavity patterns may be used in particle beam therapy for one affected area. The acceleration cavity pattern is sequentially output in accordance with the acceleration cavity clock clka of 150 kHz.
  • the frequency data of the acceleration cavity pattern stored in the pattern memory 5 will be referred to as stored frequency data in order to distinguish it from complementary frequency data described later.
  • the pattern memory 5 sequentially outputs the storage frequency data of the acceleration cavity pattern to the pattern output unit 7.
  • the pattern output unit 7 performs complementary processing from the FR clock clkfr and the storage frequency data of the acceleration cavity pattern input from the pattern memory 5 to perform data for a predetermined acceleration cavity operation pattern (storage frequency data and complementary frequency data). Is output to a synthesizer (digital synthesizer) 8.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of data output of the acceleration cavity pattern when the acceleration cavity clock is used
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of data output of the acceleration cavity pattern when the FR clock is used.
  • FIG. 5 corresponds to the case where no complement processing is performed
  • FIG. 6 corresponds to the case where complement processing is performed.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents the set frequency of the acceleration cavity control signal.
  • the acceleration frequency pattern storage frequency data is output from the pattern output unit 7 to the synthesizer 8 without complementing the acceleration cavity pattern stored in the pattern memory 5.
  • 5 and 6 the points indicated by black circles correspond to the stored frequency data stored in the pattern memory 5.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of data output of the acceleration cavity pattern when the acceleration cavity clock is used
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of data output of the acceleration cavity pattern when the FR clock is used.
  • FIG. 5 corresponds to the case where no complement processing is performed
  • FIG. 6 corresponds to the case where
  • the pattern output unit 7 outputs data f1 from the acceleration cavity pattern stored in the pattern memory 5 when the time that is the pattern setting time reaches t1. Similarly, the pattern output unit 7 outputs data f2 at time t2, which is the next pattern setting time, and outputs data f3 at time t3, which is the next pattern setting time. In this way, the acceleration cavity pattern is output so that the frequency data is determined at a determined timing.
  • the data output example of the acceleration cavity pattern subjected to the complementary processing shown in FIG. 6 uses the same acceleration cavity pattern stored in the pattern memory 5, and therefore the frequency data at the time of pulse input of the acceleration cavity clock clka is the same. . That is, in FIG. 6, the pattern output unit 7 outputs data f ⁇ b> 1 from the acceleration cavity pattern stored in the pattern memory 5 when the time reaches time t ⁇ b> 1 which is the pattern setting time. Similarly, the pattern output unit 7 outputs data f2 at time t2 which is the pattern setting time, and outputs data f3 at time t3 which is the pattern setting time. In this way, the acceleration cavity pattern is output so that the frequency data is determined at a determined timing.
  • the complemented frequency data is output every time the FR clock clkfr is input. That is, the complementary differential frequency fr corresponds to the cycle of the FR clock clkfr.
  • the pattern memory 5 outputs the data f2 advanced one clock ahead to the pattern output unit 7 at the time t1.
  • the pattern output unit 7 calculates a complement target frequency difference ⁇ f that is a difference between the received data f2 and the previously received data f1, and calculates the complement target frequency difference ⁇ f between the acceleration cavity clock clka and the FR clock clkfr.
  • a complementary difference frequency fr is obtained by dividing by a complementary ratio k which is a ratio.
  • the complement processing shown here is called linear complement processing or ramping processing. Note that the complementing process may be performed by approximating a curve such as a quadratic curve other than the linear complementing process.
  • the pattern output unit 7 generates complementary frequency data that is changed by a predetermined complementary differential frequency fr every predetermined complementary time tr between the pattern setting times when the storage frequency data of the acceleration cavity pattern is output.
  • the stored frequency data or complementary frequency data is output each time the FR clock clkfr is input, so that the stepwise frequency change in FIG. 5 can be made smooth without increasing the pattern data stored in the pattern memory 5. Can improve to change.
  • the pattern output unit 7 receives the output from the pattern memory 5 instead of outputting the data complemented in accordance with the input of the FR clock clkfr at the times t1, t2, and t3 which are the timing of the acceleration cavity clock clka. In the case, the frequency data of the acceleration cavity pattern received last time is output. By doing so, it is possible to perform highly accurate synchronous operation utilizing the synchronism of the electromagnet clock clkm and the acceleration cavity clock clka.
  • the frequency data output from the pattern output unit 7 is input to the synthesizer 8, and a high frequency signal having a frequency indicated by the frequency data is output from the synthesizer 8 to the AM modulator 9.
  • the AM modulator 9 performs AM modulation by multiplying the output of a voltage pattern (not shown) and the high frequency signal output from the synthesizer 8, and outputs the AM modulated high frequency signal to the high frequency amplifier 10.
  • the high frequency amplifier 10 amplifies the AM modulated high frequency signal which has been AM modulated and outputs the amplified signal to the acceleration cavity 11.
  • the high-frequency acceleration voltage output from the high-frequency amplifier 10 is applied to the acceleration cavity 11, and the high-frequency acceleration voltage is applied to the charged particle beam 31 that circulates the synchrotron for acceleration.
  • the operation of the deflection electromagnet control unit 20 and the quadrupole electromagnet control unit 23 for controlling the deflection electromagnet 15 and the quadrupole electromagnet 17 will be described.
  • a deflection electromagnet pattern for the deflection electromagnet 15 is transmitted from the computer 1 and stored in advance.
  • the deflection electromagnet pattern is a pattern of a control input of the deflection electromagnet corresponding to each cycle of the electromagnet clock clkm, that is, a set current value pattern.
  • the pattern memory 12 outputs the deflection electromagnet pattern data of the deflection electromagnet 15 to the pattern output device 13 for the deflection electromagnet 15.
  • the quadrupole electromagnet pattern for the quadrupole electromagnet 17 is transmitted in advance from the computer 1 and stored in the pattern memory 21 for the quadrupole electromagnet 17 in advance.
  • the quadrupole electromagnet pattern is a control input of the quadrupole electromagnet corresponding to each cycle of the electromagnet clock clkm, that is, a set current value pattern.
  • the pattern memory 21 outputs the quadrupole electromagnet pattern data of the quadrupole electromagnet 17 to the pattern output unit 22 for the quadrupole electromagnet 17.
  • the electromagnet pattern memories 12 and 21 When the electromagnet clock clkm is input, the electromagnet pattern memories 12 and 21 output the pattern output devices 13 and 22 as they are.
  • the pattern output units 13 and 22 output data of set current values corresponding to the electromagnet power supply 14 for the deflection electromagnet and the electromagnet power supply 16 for the quadrupole electromagnet, respectively. Data of the set current value output from the pattern output units 13 and 22 is input to the electromagnet power source 14 and the electromagnet power source 16.
  • Each of the electromagnet power supply 14 and the electromagnet power supply 16 outputs a control current corresponding to the set current value data, and is energized to the deflection electromagnet 15 and the quadrupole electromagnet 17.
  • the charged particle beam 31 is controlled so that it is given a magnetic field from the deflecting electromagnet 15 and goes around a predetermined trajectory in the vacuum duct 24 and is given a magnetic field from the quadrupole electromagnet 17 to have a predetermined beam size.
  • the electromagnets such as the electromagnet power supply 14 and the electromagnet power supply 16 are coils having an iron core, these electromagnets often have a reactance component having a large time constant, and electromagnets such as a deflection electromagnet pattern and a quadrupole electromagnet pattern. Even if the data of the set current value of the pattern changes stepwise at a cycle of 3 kHz, the energization current (control current) from the electromagnet power supply 14 or the electromagnet power supply 16 to the corresponding electromagnet is abrupt like the acceleration cavity 11. It is not a change but a moderately smooth change.
  • the charged particle accelerator 54 matches the change timing of the high-frequency acceleration voltage subjected to the complementary processing with respect to the acceleration cavity 11 and the change in the energization current of the deflection electromagnet 15 and the quadrupole electromagnet 17 with high accuracy. That is, by synchronizing, stable beam acceleration can be realized.
  • the acceleration cavity clock clka is 150 kHz and the electromagnet clock clkm is 3 kHz, and 20 sets of the acceleration cavity pattern and the electromagnet pattern are transferred from the computer 1 to the high-frequency controller 19, the deflection electromagnet controller 20, and the quadrupole electromagnet controller 23.
  • the data transfer time is about 4 seconds, for example.
  • the charged particle accelerator 54 according to the first embodiment controls the acceleration cavity 11 based on the pulse input of the 1.2 MHz FR clock clkfr and the frequency data output at each output timing from the pattern memory 5.
  • the charged particle accelerator of Patent Document 1 that operates the acceleration cavity and the electromagnet only by the T clock to be compared (the charged particle accelerator to be compared)
  • the data transfer time can be estimated as follows.
  • the data transfer time in the charged particle accelerator to be compared is a long time of about 8 minutes per operating parameter.
  • the data transfer time in the charged particle accelerator to be compared is a long time of about 8 minutes per operating parameter.
  • the data transfer time in the charged particle accelerator to be compared is a long time of about 8 minutes per operating parameter.
  • the number of patients who can perform particle beam therapy per day is significantly reduced.
  • even when the method of downloading the pattern data to be used for treatment in advance is being implemented, some trouble occurs and the acceleration cavity pattern and electromagnet pattern are again displayed on the charged particle accelerator.
  • Even in the case of transfer it takes a long time of about 8 minutes per one operating parameter, and the patient is placed on the patient stand by waiting for the patient to be positioned again, so that the particle beam therapy is stagnated. A problem occurs.
  • the data transfer time in the charged particle accelerator 54 of the first embodiment is about 4 seconds, and when the patient changes or when the acceleration cavity pattern and the electromagnetic pattern due to trouble are retransferred.
  • the data transfer time is about 4 seconds, and the number of patients who can perform particle beam therapy per day does not decrease significantly, and the problem that particle beam therapy stagnates does not occur. Therefore, the particle beam therapy system 51 including the charged particle accelerator 54 according to the first embodiment can significantly shorten the data transfer time of the acceleration cavity pattern and the electromagnet pattern as compared with the prior art, and can efficiently perform the particle beam therapy. it can.
  • the charged particle accelerator 54 sets the acceleration cavity clock clka and the electromagnet clock clkm to different frequencies in synchronization with each other, thereby reducing the data amount of the electromagnet pattern such as the deflection electromagnet pattern and the quadrupole electromagnet pattern. Can be reduced. Therefore, the total data amount of the acceleration cavity pattern and the electromagnet pattern can be reduced, and the pattern data communication time from the computer 1 to the pattern memories 5, 12, 21 can be shortened.
  • the accelerating cavity clock clka and the electromagnet clock clkm are generated by dividing each of them from the reference clock. However, the accelerating cavity clock clka is generated by dividing the reference clock to generate the electromagnet.
  • the clock clkm may be generated by dividing the acceleration cavity clock clka.
  • the charged particle accelerator 54 of the first embodiment generates an FR clock clkfr having a higher frequency from the acceleration cavity clock clka, and is stored in the pattern memory 5 for the acceleration cavity 11 by the pattern output unit 7 for the acceleration cavity 11.
  • the amount of data of the acceleration cavity pattern can be reduced.
  • the charged particle accelerator 54 of the first embodiment energizes the corresponding electromagnet from the electromagnet power supply 14 or the electromagnet power supply 16 even when the data amount of the electromagnet pattern such as the deflection electromagnet pattern or the quadrupole electromagnet pattern is reduced. Since the current changes moderately smoothly, stable beam acceleration can be realized by synchronizing the change in the high-frequency acceleration voltage and the change in the energization current of the deflection electromagnet 15 and the quadrupole electromagnet 17. Further, even when the data amount of the acceleration cavity pattern is reduced, an acceleration cavity operation pattern with higher time resolution than the acceleration cavity pattern is generated, and a high frequency acceleration voltage is applied to the acceleration cavity 11 based on the acceleration cavity operation pattern. Since this is applied, the change in the high-frequency acceleration voltage can be synchronized with the change in the energization current of the deflection electromagnet 15 and the quadrupole electromagnet 17, and stable beam acceleration can be realized.
  • the charged particle accelerator 54 according to the first embodiment generates the acceleration cavity clock clka and the electromagnet clock clkm from only the T clock. This can be simplified compared to the conventional case. Further, the charged particle accelerator 54 of the first embodiment is different from the charged particle accelerator of Patent Document 1 in which the acceleration cavity and the electromagnet are operated only by the T clock, and thus the total data amount of the acceleration cavity pattern and the electromagnet pattern is reduced. The data management of the acceleration cavity pattern and the electromagnet pattern becomes easier than before, and the data communication mechanism between the computer 1 and the high frequency control unit 19, the deflection electromagnet control unit 20, and the quadrupole electromagnet control unit 23 is also easier than before. It can be simplified.
  • the vacuum duct 24 that allows the charged particle beam 31 to pass through, the acceleration cavity 11 that accelerates the charged particle beam 31 that passes through the vacuum duct 24, and the charge that passes through the vacuum duct 24.
  • a deflection electromagnet 15 that deflects the particle beam 31 and an accelerator controller 25 that controls the acceleration cavity 11 and the deflection magnet 15 are provided.
  • the accelerator controller 25 is synchronized with the acceleration cavity clock clka and the acceleration cavity clock clka.
  • a clock generator 18 that generates an electromagnetic clock clkm having a frequency lower than that of the acceleration cavity clock clka, and a high frequency that controls the acceleration cavity 11 based on the acceleration cavity pattern stored in the first pattern memory 5 and the acceleration cavity clock clka.
  • the control unit 19 and the deflecting electromagnet 15 are stored in the second pattern memory 12.
  • the deflection electromagnet controller 20 controls the deflection electromagnet pattern and the electromagnet clock clkm, so that the deflection electromagnet pattern can have a smaller amount of data than the acceleration cavity pattern, and the communication time of pattern data to the accelerator can be shortened. can do.
  • the charged particle beam 31 is generated, the charged particle beam 31 is accelerated by the charged particle accelerator 54, and the charge accelerated by the charged particle accelerator 54.
  • the charged particle accelerator 31 includes a beam transport system 59 that transports the particle beam 31 and a particle beam irradiation device 58 that irradiates the irradiation target 45 with the charged particle beam 31 transported by the beam transport system 59.
  • a vacuum duct 24 that passes through the vacuum duct 24, an acceleration cavity 11 that accelerates the charged particle beam 31 that passes through the vacuum duct 24, a deflection electromagnet 15 that deflects the charged particle beam 31 that passes through the vacuum duct 24, and the acceleration cavity 11 and the deflection electromagnet.
  • An accelerator controller 25 that controls the accelerator 15, the accelerator controller 25 includes an acceleration cavity clock clka and an acceleration sky.
  • the clock generator 18 that generates an electromagnetic clock clkm that is synchronized with the clock clka and has a frequency lower than that of the acceleration cavity clock clka, and the acceleration cavity 11 and the acceleration cavity clock clka stored in the first pattern memory 5
  • the high-frequency control unit 19 that controls based on the deflection electromagnet 15 and the deflection electromagnet control unit 20 that controls the deflection electromagnet 15 based on the deflection electromagnet pattern stored in the second pattern memory 12 and the electromagnet clock clkm.
  • the electromagnet pattern can reduce the amount of data compared to the acceleration cavity pattern, and can shorten the communication time of the pattern data to the accelerator. Therefore, the particle beam therapy system 51 including the charged particle accelerator 54 according to the first embodiment can significantly reduce the data transfer time of the acceleration cavity pattern and the electromagnet pattern as compared with the prior art, so that the particle beam therapy can be performed efficiently. Can do.
  • the FR clock generator 6 calculates the period of the acceleration cavity clock clka and generates the FR clock clkfr by increasing the frequency so as to be a predetermined increase constant (integer) times the acceleration cavity clock clka.
  • the reference clock may be divided to generate the FR clock clkfr.
  • FIG. FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a charged particle accelerator according to the second embodiment of the present invention.
  • the charged particle accelerator 54 of the second embodiment is different from the charged particle accelerator 54 of the first embodiment in that the FR clock generator 6 is deleted and the frequency of the acceleration cavity clock clka and the acceleration cavity pattern stored in the pattern memory 5 are the same.
  • the amount of frequency data is different.
  • an example in which the output frequency of the frequency data described in the first embodiment is the same will be described.
  • the pattern output unit 7 outputs the frequency data of the acceleration cavity pattern to the synthesizer 8 using the 1.2 MHz FR clock clkfr. Therefore, in the second embodiment, the frequency divider 3 generates the 1.2 MHz accelerated cavity clock clka. Specifically, in the second embodiment, a 12 MHz reference clock is generated, and the frequency divider 3 divides the 12 MHz reference clock generated by the clock oscillator 2 and is a 1/100 times 1.2 MHz acceleration cavity. A clock clka is generated. As described in the first embodiment, the acceleration cavity clock clka and the electromagnet clock clkm are both generated by dividing one reference clock, and the respective frequencies can be an integral multiple of 1.2 MHz and 3 kHz. Because of this configuration, the clock is synchronized.
  • an acceleration cavity pattern for the acceleration cavity 11 is transmitted from the computer 1 in advance and stored.
  • the acceleration cavity pattern is sequentially output in accordance with the acceleration cavity clock clka of 1.2 MHz.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of data output of the acceleration cavity pattern according to the second embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents the set frequency of the acceleration cavity control signal.
  • the points indicated by black circles correspond to the frequency data stored in the pattern memory 5.
  • the pattern output unit 7 outputs data f1 from the acceleration cavity pattern stored in the pattern memory 5 at time t1.
  • the pattern output device 7 outputs data f2, f3, f4, and f5 at t2, t3, t4, and t5, respectively.
  • the acceleration cavity pattern is output so as to obtain frequency data determined at the timing determined in this way, that is, the pulse input timing of the acceleration cavity clock clka.
  • the pattern memory 5 sequentially outputs the acceleration cavity pattern data to the pattern output unit 7.
  • the pattern output unit 7 outputs the frequency data of the acceleration cavity pattern to the synthesizer 8.
  • the synthesizer 8 outputs a high frequency signal having a frequency indicated by the frequency data to the AM modulator 9 based on the frequency data.
  • the AM modulator 9 performs AM modulation by multiplying the output of a voltage pattern (not shown) and the high frequency signal output from the synthesizer 8, and outputs the AM modulated high frequency signal to the high frequency amplifier 10.
  • the high frequency amplifier 10 amplifies the AM modulated high frequency signal which has been AM modulated and outputs the amplified signal to the acceleration cavity 11.
  • the high-frequency acceleration voltage output from the high-frequency amplifier 10 is applied to the acceleration cavity 11, and the high-frequency acceleration voltage is applied to the charged particle beam 31 that circulates the synchrotron for acceleration.
  • the operations of the deflection electromagnet control unit 20 and the quadrupole electromagnet control unit 23 that control the deflection electromagnet 15 and the quadrupole electromagnet 17 are the same as those in the first embodiment.
  • the data transfer time from the computer 1 to the high frequency control unit 19, the deflection electromagnet control unit 20, and the quadrupole electromagnet control unit 23 is compared with the charged particle accelerator 54 of the first embodiment.
  • the acceleration cavity clock clka is 150 kHz and the electromagnet clock clkm is 3 kHz, and 20 sets of the acceleration cavity pattern and the electromagnet pattern are transferred from the computer 1 to the high-frequency controller 19,
  • the data transfer time is about 4 seconds.
  • the acceleration cavity clock clka is 1.2 MHz, and the acceleration cavity clock clka is eight times that of the first embodiment.
  • the data amount of the deflection electromagnet pattern of Embodiment 1 is A
  • the data transfer time in the charged particle accelerator 54 of the second embodiment takes longer than that of the first embodiment, the data transfer time can be shortened compared to about 8 minutes of the data transfer time in the charged particle accelerator to be compared.
  • the data transfer time in the charged particle accelerator 54 of the second embodiment is about 24 seconds, which is not significantly longer than the patient positioning time.
  • the data transfer time is about 24 seconds even when the patient changes or when the accelerating cavity pattern and the electromagnetic pattern due to a trouble are retransferred.
  • the number of patients that can be performed is not significantly reduced, and the problem of stagnation of particle beam therapy does not occur. Therefore, the particle beam therapy system including the charged particle accelerator 54 according to the second embodiment can significantly reduce the data transfer time of the acceleration cavity pattern and the electromagnet pattern as compared with the prior art, and can perform the particle beam therapy efficiently. .
  • the charged particle accelerator 54 reduces the data amount of the electromagnet pattern such as the deflection electromagnet pattern and the quadrupole electromagnet pattern by setting the accelerating cavity clock clka and the electromagnet clock clkm to different frequencies. Can be reduced. Therefore, the total data amount of the acceleration cavity pattern and the electromagnet pattern can be reduced, and the pattern data communication time to the computer accelerator can be shortened.
  • the charged particle accelerator 54 can reduce the data amount of the electromagnet pattern such as the deflection electromagnet pattern and the quadrupole electromagnet pattern, and can reduce the electromagnet power supply 14 and the electromagnet. Since the energization current to the electromagnet corresponding to the power supply 16 and the like changes moderately smoothly, a stable beam can be obtained by synchronizing the change in the high-frequency acceleration voltage and the energization current in the deflection electromagnet 15 and the quadrupole electromagnet 17. Acceleration can be realized.
  • the computer 1 is described as being installed in addition to the irradiation control computer 39. However, even if the irradiation control computer 39 performs the processing of the computer 1 without providing the computer 1, Good.

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Abstract

　時間クロックに基づいて加速空洞及び電磁石を動作させるためのパターンデータ量を少なくし、パターンデータの通信時間を短縮した荷電粒子加速器を得ることを目的とする。　本発明の荷電粒子加速器(54)に備えられた加速器制御装置(25)は、加速空洞クロック及び、加速空洞クロックに同期すると共に加速空洞クロックよりも周波数の低い電磁石クロックを生成するクロック生成部(18)と、加速空洞(11)を、第１のパターンメモリ(5)に格納された加速空洞パターン及び加速空洞クロックに基づいて制御する高周波制御部(19)と、偏向電磁石(15)を、第２のパターンメモリ(12)に格納された偏向電磁石パターン及び電磁石クロックに基づいて制御する偏向電磁石制御部(20)と、を有することを特徴とする。

Description

荷電粒子加速器及び粒子線治療装置
　本発明は、医療分野に用いられる粒子線治療装置に関するものである。
　一般に粒子線治療装置は、荷電粒子ビームを発生するビーム発生装置と、ビーム発生装置につながれ、発生した荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速器で設定されたエネルギーまで加速された後に出射される荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、ビーム輸送系の下流に設置され、荷電粒子ビームを照射対象に照射するための粒子線照射装置とを備える。
　荷電粒子ビームを加速する加速器は、例えばシンクロトロンが用いられる。シンクロトロンに設けられた高周波加速空洞（加速空洞）に高周波を印加し、偏向電磁石や四極電磁石などを同期させてパターン運転を実施し、所定のエネルギーまで荷電粒子ビームの加速を行う。この際、荷電粒子ビームは同じ軌道を周回させるので、荷電粒子ビームの加速に応じて周回周波数は高くなる。したがって、荷電粒子ビームの加速に応じて加速電圧の加速周波数を高くする必要がある。すなわち、偏向電磁石の磁場Ｂと加速電圧の加速周波数ｆとを同期させておく必要がある。
　特許文献１の従来技術には、Ｔクロック（時間クロック）を用いて偏向電磁石用パターンを出力して偏向電磁石を動作させ、この偏向電磁石用パターンで動作させた基準電磁石に設けられた磁場測定器で観測した磁場変化からＢクロック（磁場クロック）を生成し、このＢクロックを用いて加速空洞用パターンを出力して高周波加速空洞を動作させる荷電粒子加速器が示されている。従来の荷電粒子加速器は、上述のようにＴクロック及びＢクロックを用いて偏向電磁石と高周波加速空洞の同期を取っていた。この動作方法では、ＴクロックとＢクロックの２つのクロックを用いるので装置が複雑になっていた。そこで、特許文献１には、Ｔクロックのみを用いて偏向電磁石用パターンと加速空洞用パターンとを出力して偏向電磁石及び高周波加速空洞を動作させる荷電粒子加速器が提案されている。
特開平８－２９３３９９号公報（０００８段～００１７段、図１、図３）
　Ｔクロックのみを用いて偏向電磁石及び高周波加速空洞を動作させる場合には、荷電粒子加速器全体で扱うパターンデータ量が非常に多くなってしまい、その結果、データを格納しておくハードディスクやメモリの量が膨大になったり、パターンデータ通信に時間がかかってしまったりする問題があった。パターンデータ量について、以下に詳しく説明する。
　一般的に、高周波加速空洞は、１０ＭＨｚ未満の高周波を印加する。高周波加速空洞は、時間的変化に対する追従性がよく、ビームの加速及び減速に対しても敏感であるため、パターンクロックの出力周期には１００ｋＨｚ程度は必要であり、更に高周波加速空洞を滑らかな変化で動作させる場合には１ＭＨｚ程度のパターン出力が必要となる。一方、偏向電磁石や四極電磁石などの電磁石は、鉄心にコイルを巻きつけている構造上、リアクタンス成分が大きく、時定数が大きいため、運転のパターンは商用電源周波数（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）の２４倍、つまり１２００Ｈｚや１４４０Ｈｚ程度でも可能である。これら時間的応答性の異なる２つの機器、すなわち高周波加速空洞及び電磁石を同一のクロックで動作させる場合、時間分解能の高い高周波加速空洞用のパターン出力にあわせる必要がある。したがって、応答の遅い電磁石も１ＭＨｚ程度の早いパターンを出力して動作させる必要があり、前述の通り、荷電粒子加速器全体で扱うパターンデータ量は非常に多くなってしまう。
　また、特許文献１の荷電粒子加速器では、電磁石の例として偏向電磁石のみ記載されているが、実際にはパターン運転を行う電磁石は収束用四極電磁石、発散用四極電磁石、収束用六極電磁石、発散用六極電磁石、起動補正用ステアリング電磁石（Ｘ方向／Ｙ方向）、取り出し用六極電磁石などがあり、その数は十数種類～二十種類程度存在する場合が多く、制御するためのパターンが異なる電磁石が増えるとそのパターン分のデータが増大するので、パターンデータ量の増大は非常に問題であり、パターンデータ量を低減することが重大な課題となる。
　本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、時間クロックに基づいて加速空洞及び電磁石を動作させるためのパターンデータ量を少なくし、パターンデータの通信時間を短縮した荷電粒子加速器を得ることを目的とする。
　本発明に係る荷電粒子加速器は、荷電粒子ビームを通過させる真空ダクトと、真空ダクトを通過する荷電粒子ビームを加速する加速空洞と、真空ダクトを通過する荷電粒子ビームを偏向する偏向電磁石と、加速空洞及び偏向電磁石を制御する加速器制御装置と、を備える。加速器制御装置は、加速空洞クロック及び、加速空洞クロックに同期すると共に加速空洞クロックよりも周波数の低い電磁石クロックを生成するクロック生成部と、加速空洞を、第１のパターンメモリに格納された加速空洞パターン及び加速空洞クロックに基づいて制御する高周波制御部と、偏向電磁石を、第２のパターンメモリに格納された偏向電磁石パターン及び電磁石クロックに基づいて制御する偏向電磁石制御部と、を有することを特徴とする。
　本発明に係る荷電粒子加速器によれば、加速空洞クロック及び、加速空洞クロックに同期すると共に加速空洞クロックよりも周波数の低い電磁石クロックを用いて、加速空洞及び偏向電磁石を制御するので、偏向電磁石パターンは加速空洞パターンよりもデータ量を少なくでき、加速器へのパターンデータの通信時間を短縮することができる。
本発明の実施の形態１による荷電粒子加速器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１による粒子線治療装置の概略構成図である。 図２の粒子線照射装置の構成を示す図である。 図１の加速空洞クロック及電磁石クロックを説明するタイミング図である。 加速空洞クロックを用いた場合の加速空洞パターンのデータ出力例を示す図である。 ＦＲクロックを用いた場合の加速空洞パターンのデータ出力例を示す図である。 本発明の実施の形態２による荷電粒子加速器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２による加速空洞パターンのデータ出力例を示す図である。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１による荷電粒子加速器の構成を示す図である。図２は本発明の実施の形態１による粒子線治療装置の概略構成図であり、図３は本発明の実施の形態１による粒子線照射装置の構成を示す図である。図２において、粒子線治療装置５１は、ビーム発生装置５２と、ビーム輸送系５９と、粒子線照射装置５８ａ、５８ｂとを備える。ビーム発生装置５２は、イオン源（図示せず）と、前段加速器５３と、荷電粒子加速器５４とを有する。粒子線照射装置５８ｂは回転ガントリ（図示せず）に設置される。粒子線照射装置５８ａは回転ガントリを有しない治療室に設置される。ビーム輸送系５９の役割は荷電粒子加速器５４と粒子線照射装置５８ａ、５８ｂの連絡にある。ビーム輸送系５９の一部は回転ガントリ（図示せず）に設置され、その部分には複数の偏向電磁石５５ａ、５５ｂ、５５ｃを有する。
　イオン源で発生した陽子線等の粒子線である荷電粒子ビームは、前段加速器５３で加速され、入射装置４６から荷電粒子加速器５４内に入射される。ここでは、荷電粒子加速器５４は、シンクロトロンを例に説明する。荷電粒子ビームは、所定のエネルギーまで加速される。荷電粒子加速器５４の出射装置４７から出射された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系５９を経て粒子線照射装置５８ａ、５８ｂに輸送される。粒子線照射装置５８ａ、５８ｂは荷電粒子ビームを照射対象４５（図３参照）に照射する。粒子線照射装置の符号は、総括的に５８を用い、区別して説明する場合に５８ａ、５８ｂを用いる。
　ビーム発生装置５２で発生され、所定のエネルギーまで加速された荷電粒子ビーム３１は、ビーム輸送系５９を経由し、粒子線照射装置５８へと導かれる。図３において、粒子線照射装置５８は、荷電粒子ビーム３１に垂直な方向であるＸ方向及びＹ方向に荷電粒子ビーム３１を走査するＸ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３と、位置モニタ３４と、線量モニタ３５と、線量データ変換器３６と、ビームデータ処理装置４１と、走査電磁石電源３７と、粒子線照射装置５８を制御する照射管理装置３８とを備える。照射管理装置３８は、照射制御計算機３９と照射制御装置４０とを備える。線量データ変換器３６は、トリガ生成部４２と、スポットカウンタ４３と、スポット間カウンタ４４とを備える。なお、荷電粒子ビーム３１の進行方向は－Ｚ方向である。
　Ｘ方向走査電磁石３２は荷電粒子ビーム３１をＸ方向に走査する走査電磁石であり、Ｙ方向走査電磁石３３は荷電粒子ビーム３１をＹ方向に走査する走査電磁石である。位置モニタ３４は、Ｘ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３で走査された荷電粒子ビーム３１が通過するビームにおける通過位置（重心位置）やサイズを演算するためのビーム情報を検出する。ビームデータ処理装置４１は、位置モニタ３４が検出した複数のアナログ信号（ビーム情報）からなるビーム情報に基づいて荷電粒子ビーム３１の通過位置（重心位置）やサイズを演算する。また、ビームデータ処理装置４１は、荷電粒子ビーム３１の位置異常やサイズ異常を示す異常検出信号を生成し、この異常検出信号を照射管理装置３８に出力する。
　線量モニタ３５は、荷電粒子ビーム３１の線量を検出する。照射管理装置３８は、図示しない治療計画装置で作成された治療計画データに基づいて、照射対象４５における荷電粒子ビーム３１の照射位置を制御し、線量モニタ３５で測定され、線量データ変換器３６でデジタルデータに変換された線量が目標線量に達すると荷電粒子ビーム３１を停止する。走査電磁石電源３７は、照射管理装置３８から出力されたＸ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３への制御入力（指令）に基づいてＸ方向走査電磁石３２及びＹ方向走査電磁石３３の設定電流を変化させる。
　ここでは、粒子線照射装置５８のスキャニング照射方式を、荷電粒子ビーム３１の照射位置を変えるときに荷電粒子ビーム３１を停止させないラスタースキャニング照射方式であり、スポットスキャニング照射方式のようにビーム照射位置がスポット位置間を次々と移動していく方式として説明する。スポットカウンタ４３は、荷電粒子ビーム３１のビーム照射位置が停留している間の照射線量を計測するものである。スポット間カウンタ４４は、荷電粒子ビーム３１のビーム照射位置が移動している間の照射線量を計測するものである。トリガ生成部４２は、ビーム照射位置における荷電粒子ビーム３１の線量が目標照射線量に達した場合に、線量満了信号を生成するものである。
　図１において、荷電粒子加速器５４は、加速リング２６と、加速器制御装置２５と、高周波アンプ１０と、電磁石電源１４、１６とを有する。加速リング２６は、荷電粒子ビーム３１が通過する真空ダクト２４と、真空ダクト２４を通過する荷電粒子ビーム３１に磁場を供給して偏向する４つの偏向電磁石１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄと、真空ダクト２４を通過する荷電粒子ビーム３１に磁場を供給して所定のビームサイズにする２つの四極電磁石１７ａ、１７ｂと、真空ダクト２４を通過する荷電粒子ビーム３１を加速する加速空洞１１とを有する。加速器制御装置２５は、計算機１と、クロック生成部１８と、高周波制御部１９と、偏向電磁石制御部２０と、四極電磁石制御部２３とを有する。偏向電磁石の符号は、総括的に１５を用い、区別して説明する場合に１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを用いる。同様に、四極電磁石の符号は、総括的に１７を用い、区別して説明する場合に１７ａ、１７ｂを用いる。なお、前段加速器５３から荷電粒子ビーム３１を真空ダクト２４に入射する入射装置４６や、真空ダクト２４からビーム輸送系５９へ荷電粒子ビーム３１を出射する出射装置４７等は図１において省略した。
　偏向電磁石１５は、荷電粒子ビーム３１を曲げて真空ダクト２４内に周回させるための磁場を生成する。四極電磁石１７は、ビームを拡散及び収束させるための磁場を生成する。高周波アンプ１０は、高周波制御部１９から出力された制御信号に基づいて高周波加速電圧を生成する。電磁石電源１４は、偏向電磁石制御部２０から出力された制御信号に基づいて制御電流を生成する。電磁石電源１６は、四極電磁石制御部２３から出力された制御信号に基づいて制御電流を生成する。加速空洞１１、偏向電磁石１５、四極電磁石１７のそれぞれは、所定の同期をとりながら荷電粒子ビーム３１を加速、偏向、拡散及び収束させことで所定のエネルギーまで加速させる。
　クロック生成部１８は、クロック発振器２と、加速空洞クロックｃｌｋａを生成する分周器３と、電磁石クロックｃｌｋｍを生成する分周器４とを有する。高周波制御部１９は、パターンメモリ５と、ＦＲクロックｃｌｋｆｒを生成するＦＲクロック生成器６と、パターン出力器７と、シンセサイザ８と、ＡＭ変調器９とを有する。偏向電磁石制御部２０は、パターンメモリ１２と、パターン出力器１３とを有する。四極電磁石制御部２３は、パターンメモリ２１と、パターン出力器２２とを有する。
　加速空洞１１、偏向電磁石１５、四極電磁石１７のそれぞれの同期をとる方法について説明する。クロック発振器２は一定の周期、例えば１５ＭＨｚでクロックを生成する。この１５ＭＨｚのクロックは基準クロックとなる。高周波加速空洞用の分周器３は基準クロックを所定の数だけ分周することにより高周波加速空洞用の加速空洞クロックｃｌｋａを生成する。ここで加速空洞クロックｃｌｋａを例えば１５０ｋＨｚとすると、加速空洞クロックｃｌｋａは、１５ＭＨｚのクロックを、５０カウントごとに電圧Ｈと電圧Ｌを切り替えて生成する。より具体的には、１５ＭＨｚクロックの５０カウント期間が電圧Ｈ、その後の１５ＭＨｚクロックの５０カウント期間が電圧Ｌであって、１周期が１５ＭＨｚクロックの１００カウントに相当するクロックを生成する。
　同様に、電磁石用の分周器４もクロック発振器２から出力されるクロックを所定の数だけ分周することにより電磁石用の電磁石クロックｃｌｋｍを生成する。ここで電磁石クロックｃｌｋｍを例えば３ｋＨｚとすると、電磁石クロックｃｌｋｍは、１５ＭＨｚのクロックを、２５００カウントごとに電圧Ｈと電圧Ｌを切り替えて生成する。より具体的には、１５ＭＨｚクロックの２５００カウント期間が電圧Ｈ、その後の１５ＭＨｚクロックの２５００カウント期間が電圧Ｌであって、１周期が１５ＭＨｚクロックの５０００カウントに相当するクロックを生成する。
　加速空洞クロックｃｌｋａと電磁石クロックｃｌｋｍとのクロックの同期について説明する。図４は、加速空洞クロック及電磁石クロックを説明するタイミング図である。前述のように加速空洞クロックｃｌｋａと電磁石クロックｃｌｋｍは一つの基準クロックを分周して生成しており、更にそれぞれの周波数は１５０ｋＨｚと３ｋＨｚという整数倍できるように構成しているため、図４に示すように電磁石クロックｃｌｋｍの立ち上がり（電圧Ｌから電圧Ｈへの変化）は、加速空洞クロックｃｌｋａの立ち上がりと必ず一致する。また、図示していないが、電磁石クロックｃｌｋｍの立ち下がり（電圧Ｈから電圧Ｌへの変化）も加速空洞クロックｃｌｋａの立ち上がりと一致する。このように、加速空洞クロックｃｌｋａと電磁石クロックｃｌｋｍとは、同期がとれたクロックになっている。
　高周波制御部１９のＦＲクロック生成器６は、加速空洞クロックｃｌｋａの周期を算出し、加速空洞クロックｃｌｋａの所定の増加定数（整数）倍にするように高周波化することにより、加速空洞１１のパターン出力用クロックであるＦＲクロックｃｌｋｆｒを、生成する。ここで増加定数は、例えば８倍とする。すなわち、ＦＲクロックｃｌｋｆｒは、例えば加速空洞クロックｃｌｋａの８倍である１．２ＭＨｚとする。このＦＲクロックｃｌｋｆｒは、周波数変更の際に滑らかな加速空洞制御信号を生成するものであり、ＦＲクロックｃｌｋｆｒの増加定数による周期毎に加速空洞クロックｃｌｋａと同期がとれたクロックである。なお、ＦＲクロックｃｌｋｆｒは、後述する補完時間ｔｒ毎にパルスが形成されたクロックである。
　実施の形態１では、加速空洞クロックｃｌｋａからＦＲクロックｃｌｋｆｒを再生成している。基準クロックから分周して加速空洞クロックｃｌｋａを生成し、更に加速空洞クロックｃｌｋａからＦＲクロックｃｌｋｆｒを再生成する理由は、クロック発振器２と加速空洞用の分周器３と電磁石用の分周器４はクロック生成部１８として一つのユニットで構成され、このクロック生成部１８が高周波制御部１９と離れた場所に設置される場合があり、高周波信号であるＦＲクロックｃｌｋｆｒの伝送を容易とするために、このように構成している。なお、クロック生成部１８と高周波制御部１９が近くに設置される場合、或いはそれらが一体化した構造とする場合には、基準クロックからＦＲクロックｃｌｋｆｒを直接生成するようにしてもよい。
　高周波制御部１９の動作を説明する。加速空洞１１用のパターンメモリ５には、計算機１から予め加速空洞１１用の加速空洞パターンが送信されて格納される。加速空洞パターンは、加速空洞クロックｃｌｋａの周期毎に対応した高周波加速電圧の周波数値を設定するパターンである。加速空洞パターンは１つではなく、粒子線治療装置５１で使用するエネルギー、運転周期、ビーム強度などに応じて複数あるので、パターンメモリ５は複数の加速空洞パターンが保有できるように構成してある。スキャニング照射方式の粒子線治療装置５１では、１０セット程度の加速空洞パターン及び電磁石パターンが用意される。１つの患部に対する粒子線治療において、３つの加速空洞パターンを使用することもある。加速空洞パターンは、加速空洞クロックｃｌｋａである１５０ｋＨｚに合わせて、順次出力される。
　パターンメモリ５に格納された加速空洞パターンの周波数データを、後述する補完周波数データと区別するために、格納周波数データと呼ぶことにする。パターンメモリ５は加速空洞クロックｃｌｋａが入力されると、加速空洞パターンの格納周波数データを順次パターン出力器７に出力する。この際、後述の補完処理を実施するため、通常のデータ出力と比べて１クロック分、先に進んだデータを出力する。パターン出力器７は、ＦＲクロックｃｌｋｆｒとパターンメモリ５から入力された加速空洞パターンの格納周波数データとから、補完処理を実施して所定の加速空洞運転パターンのデータ（格納周波数データ及び補完周波数データ）をシンセサイザ（デジタルシンセサイザ）８に出力する。
　補完処理について説明する。図５は加速空洞クロックを用いた場合の加速空洞パターンのデータ出力例を示す図であり、図６はＦＲクロックを用いた場合の加速空洞パターンのデータ出力例を示す図である。図５は補完処理をしない場合に相当し、図６は補完処理をする場合に相当する。図５及び図６において、横軸は時間であり、縦軸は加速空洞制御信号の設定周波数である。補完処理を行わない図５の場合は、パターンメモリ５に格納された加速空洞パターンを補完処理せずにパターン出力器７から加速空洞パターンの格納周波数データがシンセサイザ８に出力される場合である。図５及び図６において、黒丸で示した点はパターンメモリ５格納された格納周波数データに相当する。図５において、パターン出力器７は、パターン設定時刻である時刻がｔ１になるとパターンメモリ５に格納された加速空洞パターンからデータｆ１を出力する。同様に、パターン出力器７は、次のパターン設定時刻である時刻ｔ２になるとデータｆ２を出力し、次のパターン設定時刻である時刻ｔ３ではデータｆ３を出力する。このようにして決まったタイミングで決まった周波数データとなるように加速空洞パターンを出力していく。
　図６に示す補完処理を行った加速空洞パターンのデータ出力例は、パターンメモリ５に格納された同じ加速空洞パターンを使用するので、加速空洞クロックｃｌｋａのパルス入力の際の周波数データは同じである。すなわち、図６において、パターン出力器７は、時刻がパターン設定時刻である時刻ｔ１になるとパターンメモリ５に格納された加速空洞パターンからデータｆ１を出力する。同様に、パターン出力器７は、パターン設定時刻である時刻ｔ２になるとデータｆ２を出力し、パターン設定時刻である時刻ｔ３ではデータｆ３を出力する。このようにして決まったタイミングで決まった周波数データとなるように加速空洞パターンを出力していく。しかし、加速空洞クロックｃｌｋａのパルス入力の際以外にも、次の加速空洞クロックｃｌｋａのパルスが入力されるまでの間に補完され周波数データである補完周波数データを出力する。補完時間ｔｒ毎に補完差分周波数ｆｒを増加または減少させた補完周波数データが、パターン出力器７から出力される。
　補完された周波数データは、ＦＲクロックｃｌｋｆｒが入力される度に出力される。すなわち、補完差分周波数ｆｒは、ＦＲクロックｃｌｋｆｒの周期に相当する。前述の通り、パターンメモリ５は、時刻ｔ１のタイミングで１クロック分先に進んだデータｆ２をパターン出力器７に出力する。補完処理の場合、パターン出力器７は、受信したデータｆ２と前回受信したデータｆ１の差である補完対象周波数差Δｆを算出し、補完対象周波数差Δｆを加速空洞クロックｃｌｋａとＦＲクロックｃｌｋｆｒとの比率である補完比率ｋで除算して、補完差分周波数ｆｒを求める。ここでの例では、ＦＲクロックｃｌｋｆｒは１．２ＭＨｚとする。加速空洞クロックｃｌｋａは１５０ｋＨｚであり、ＦＲクロックｃｌｋｆｒは１．２ＭＨｚなので、補完比率ｋは８となる。したがって、パターン出力器７は、補完対象周波数差Δｆ（＝ｆ２－ｆ１）を８で除算、つまり補完対象周波数差Δｆの１／８にした補完差分周波数ｆｒだけ変化させた補完周波数データを出力する。ここで示した補完処理は、線形補完処理やランピング処理と呼ばれる。なお、補完処理は、線形補完処理以外の２次曲線などの曲線に近似するような補完を行ってもよい。
　実施の形態１のパターン出力器７は、加速空洞パターンの格納周波数データが出力されるパターン設定時刻間において、所定の補完時間ｔｒ毎に所定の補完差分周波数ｆｒだけ変化させた補完周波数データを生成し、ＦＲクロックｃｌｋｆｒが入力される度に格納周波数データまたは補完周波数データを出力していくことにより、図５の階段状の周波数変化を、パターンメモリ５に格納するパターンデータを増やすことなく滑らかな変化に改良することができる。
　パターン出力器７は、加速空洞クロックｃｌｋａのタイミングである時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３においては、ＦＲクロックｃｌｋｆｒの入力に応じて補完処理したデータを出力するのではなく、パターンメモリ５からの出力を受けた場合に、前回受信した加速空洞パターンの周波数データを出力する。こうすることにより、電磁石クロックｃｌｋｍと加速空洞クロックｃｌｋａの同期性を利用した高精度な同期運転を行うことができる。
　パターン出力器７から出力された周波数データはシンセサイザ８に入力され、シンセサイザ８から周波数データが示す周波数の高周波信号がＡＭ変調器９に出力される。ＡＭ変調器９は、図示していない電圧パターンの出力とシンセサイザ８が出力した高周波信号を乗算することによりＡＭ変調を実施して、ＡＭ変調されたＡＭ変調高周波信号を高周波アンプ１０に出力する。
　高周波アンプ１０は、ＡＭ変調されたＡＭ変調高周波信号を増幅して加速空洞１１に出力する。高周波アンプ１０から出力された高周波加速電圧は加速空洞１１に印加され、シンクロトロンを周回している荷電粒子ビーム３１に高周波加速電圧が印加され加速を行う。
　偏向電磁石１５や四極電磁石１７を制御する偏向電磁石制御部２０や四極電磁石制御部２３の動作を説明する。偏向電磁石１５用のパターンメモリ１２には、予め計算機１から偏向電磁石１５用の偏向電磁石パターンが送信されて格納される。偏向電磁石パターンは、電磁石クロックｃｌｋｍの周期毎に対応した偏向電磁石の制御入力、すなわち設定電流値のパターンである。パターンメモリ１２は、分周器４で生成された電磁石用クロックｃｌｋｍが入力されると、偏向電磁石１５の偏向電磁石パターンのデータを偏向電磁石１５用のパターン出力器１３に出力する。
　四極電磁石１７用のパターンメモリ２１にも、予め計算機１から四極電磁石１７用の四極電磁石パターンが送信されて格納される。四極電磁石パターンは、電磁石クロックｃｌｋｍの周期毎に対応した四極電磁石の制御入力、すなわち設定電流値のパターンである。パターンメモリ２１は、電磁石用クロックｃｌｋｍが入力されると、四極電磁石１７の四極電磁石パターンのデータを四極電磁石１７用のパターン出力器２２に出力する。
　電磁石用のパターンメモリ１２、２１は、電磁石用クロックｃｌｋｍが入力されると、そのままパターン出力器１３、２２に出力する。パターン出力器１３、２２は、それぞれ偏向電磁石用の電磁石電源１４や四極電磁石用の電磁石電源１６に対応する設定電流値のデータを出力する。パターン出力器１３、２２から出力された設定電流値のデータは電磁石電源１４や電磁石電源１６に入力される。電磁石電源１４及び電磁石電源１６のそれぞれは、設定電流値のデータに応じた制御電流の出力を行い、偏向電磁石１５や四極電磁石１７へ通電される。荷電粒子ビーム３１は、偏向電磁石１５から磁場を与えられて真空ダクト２４中の所定の軌道を周回し、四極電磁石１７から磁場を与えられて所定のビームサイズになるように制御される。
　前述の通り、電磁石電源１４や電磁石電源１６等の電磁石は鉄心を有したコイルであるため、これらの電磁石は時定数の大きなリアクタンス成分を有することが多く、偏向電磁石パターンや四極電磁石パターン等の電磁石パターンの設定電流値のデータが３ｋＨｚの周期でステップ状に変化しても、電磁石電源１４や電磁石電源１６等から対応する電磁石への通電電流（制御電流）は、加速空洞１１のように急激な変化とはならず、適度に滑らかな変化となる。
　実施の形態１の荷電粒子加速器５４は、加速空洞１１に対する補完処理された高周波加速電圧の変化と、偏向電磁石１５や四極電磁石１７の通電電流の変化を、高精度に変化タイミングを一致させることにより、すなわち同期させることにより、安定したビーム加速を実現することができる。
　次に、計算機１から高周波制御部１９、偏向電磁石制御部２０、四極電磁石制御部２３へデータ転送するデータ転送時間について考える。加速空洞クロックｃｌｋａが１５０ｋＨｚ、電磁石クロックｃｌｋｍが３ｋＨであり、加速空洞パターン及び電磁石パターンの２０セット分が計算機１から高周波制御部１９、偏向電磁石制御部２０、四極電磁石制御部２３へデータ転送される場合、データ転送時間は例えば４秒ぐらいである。実施の形態１の荷電粒子加速器５４は、１．２ＭＨｚのＦＲクロックｃｌｋｆｒのパルス入力とパターンメモリ５からの出力タイミング毎に出力される周波数データに基づいて加速空洞１１を制御し、加速空洞１１の制御に追随するように同期させて偏向電磁石１５や四極電磁石１７を制御するので、比較対象のＴクロックのみで加速空洞及び電磁石を動作させる特許文献１の荷電粒子加速器（比較対象の荷電粒子加速器）の場合は、データ転送時間は以下のように見積もれる。
　比較対象の荷電粒子加速器は、加速空洞パターン及び電磁石パターンを１．２ＭＨｚで転送することになるので、加速空洞パターンのデータ量は実施の形態１に比べて８（＝１．２Ｍ／１５０ｋ）倍あり、偏向電磁石パターン及び四極電磁石パターンのそれぞれのデータ量は、実施の形態１に比べて４００（＝１．２Ｍ／３ｋ）倍ある。ここで、実施の形態１の偏向電磁石パターンのデータ量をＡとすれば、実施の形態１の偏向電磁石パターン、四極電磁石パターン及び加速空洞パターンのデータ量は、それぞれＡ、Ａ及び５０Ａ（＝Ａ×（１５０ｋ／３ｋ））になる。比較対象の荷電粒子加速器における偏向電磁石パターン、四極電磁石パターン及び加速空洞パターンのデータ量は、それぞれ４００Ａ、４００Ａ、４００Ａ（＝８×５０Ａ）となる。実施の形態１の荷電粒子加速器５４の加速空洞パターン及び電磁石パターンの全データ量は、電磁石の種類を２０セットとすると、７０Ａ（＝２０Ａ＋５０Ａ）である。これに対して、比較対象の荷電粒子加速器の加速空洞パターン及び電磁石パターンの全データ量は、８４００Ａ（＝２０×４００Ａ＋４００Ａ）である。したがって、比較対象の荷電粒子加速器におけるデータ転送時間は、実施の形態１の荷電粒子加速器５４におけるデータ転送時間の８４００／７０倍、すなわち１２０倍となり、８（＝４×１２０／６０）分にも及んでしまう。
　比較対象の荷電粒子加速器におけるデータ転送時間は運転パラメータ１つ当たりで約８分という長時間であり、例えば患者が変わる場合には、その患者に合わせた加速空洞パターン及び電磁石パターンのデータ転送に時間がかかり、１日に粒子線治療を行うことができる患者数が著しく低下してしまう。また、治療で使うパターンデータを予めダウンロードしておくという方法を実施しておく方策を実施している場合であっても、何らかのトラブルが発生し、荷電粒子加速器に加速空洞パターン及び電磁石パターンを再度転送する場合にも、運転パラメータ１つ当たりで約８分という長時間が必要となり、患者を治療台から降ろして待機してもらってから再度患者の位置決めをすることになり、粒子線治療が停滞する問題が発生する。なお、治療で使用する運転パラメータは１つではなく複数個用いることが一般的であり、この場合は、実施の形態１におけるデータ転送時間と、比較対象の荷電粒子加速器におけるデータ転送時間との差はさらに広がり、問題の重大性が増す。
　比較対象の荷電粒子加速器とは異なり、実施の形態１の荷電粒子加速器５４におけるデータ転送時間は４秒程度であり、患者が変わる場合や、トラブルによる加速空洞パターン及び電磁石パターンを再転送する場合にも、データ転送時間は４秒程度であり、１日に粒子線治療を行うことができる患者数が著しく低下することはなく、粒子線治療が停滞する問題も起こらない。したがって、実施の形態１の荷電粒子加速器５４を備えた粒子線治療装置５１は、従来に比べて加速空洞パターン及び電磁石パターンのデータ転送時間が著しく短縮でき、粒子線治療を効率的に行うことができる。
　実施の形態１の荷電粒子加速器５４は、加速空洞クロックｃｌｋａと電磁石クロックｃｌｋｍとを、それぞれ同期をとった異なる周波数とすることにより、偏向電磁石パターンや四極電磁石パターン等の電磁石用パターンのデータ量を削減することができる。したがって、加速空洞パターン及び電磁石用パターンの合計データ量を削減することができ、計算機１からパターンメモリ５、１２、２１へのパターンデータ通信時間を短縮することができる。なお、実施の形態１においては、加速空洞クロックｃｌｋａと電磁石クロックｃｌｋｍを基準クロックからそれぞれ分周して生成するように構成したが、基準クロックを分周して加速空洞クロックｃｌｋａを生成し、電磁石クロックｃｌｋｍは加速空洞クロックｃｌｋａを分周して生成するように構成してもよい。
　また、実施の形態１の荷電粒子加速器５４は、加速空洞クロックｃｌｋａから更に周波数の高いＦＲクロックｃｌｋｆｒを生成し、加速空洞１１用のパターン出力器７で加速空洞１１用のパターンメモリ５に格納された加速空洞パターンより更に時間分解能の高い加速空洞運転パターンを生成してシンセサイザ８に出力することにより、加速空洞パターンのデータ量も削減することができる。
　実施の形態１の荷電粒子加速器５４は、偏向電磁石パターンや四極電磁石パターン等の電磁石用パターンのデータ量を削減した場合であっても、電磁石電源１４や電磁石電源１６等から対応する電磁石への通電電流は、適度に滑らかな変化となるので、高周波加速電圧の変化と、偏向電磁石１５や四極電磁石１７の通電電流の変化を同期させることにより、安定したビーム加速を実現することができる。更に、加速空洞パターンのデータ量を削減した場合であっても、加速空洞パターンより更に時間分解能の高い加速空洞運転パターンを生成し、この加速空洞運転パターンに基づいて加速空洞１１に高周波加速電圧を印加するので、高周波加速電圧の変化と、偏向電磁石１５や四極電磁石１７の通電電流の変化を同期させることができ、安定したビーム加速を実現することができる。
　実施の形態１の荷電粒子加速器５４は、Ｂクロック及びＴクロックを用いる荷電粒子加速器とは異なり、Ｔクロックのみから加速空洞クロックｃｌｋａ及び電磁石クロックｃｌｋｍを生成するので、荷電粒子加速器５４のシステム構成を従来に比べて簡素化することができる。また、実施の形態１の荷電粒子加速器５４は、Ｔクロックのみで加速空洞及び電磁石を動作させる特許文献１の荷電粒子加速器とは異なり、加速空洞パターン及び電磁石用パターンの合計データ量を削減したので、加速空洞パターン及び電磁石用パターンのデータ管理が従来に比べて容易になり、計算機１と高周波制御部１９、偏向電磁石制御部２０、四極電磁石制御部２３とのデータ通信の仕組みも従来に比べて簡素化することができる。
　実施の形態１の荷電粒子加速器５４によれば、荷電粒子ビーム３１を通過させる真空ダクト２４と、真空ダクト２４を通過する荷電粒子ビーム３１を加速する加速空洞１１と、真空ダクト２４を通過する荷電粒子ビーム３１を偏向する偏向電磁石１５と、加速空洞１１及び偏向電磁石１５を制御する加速器制御装置２５と、を備え、加速器制御装置２５は、加速空洞クロックｃｌｋａ及び、加速空洞クロックｃｌｋａに同期すると共に加速空洞クロックｃｌｋａよりも周波数の低い電磁石クロックｃｌｋｍを生成するクロック生成部１８と、加速空洞１１を、第１のパターンメモリ５に格納された加速空洞パターン及び加速空洞クロックｃｌｋａに基づいて制御する高周波制御部１９と、偏向電磁石１５を、第２のパターンメモリ１２に格納された偏向電磁石パターン及び電磁石クロックｃｌｋｍに基づいて制御する偏向電磁石制御部２０と、を有するので、偏向電磁石パターンは加速空洞パターンよりもデータ量を少なくでき、加速器へのパターンデータの通信時間を短縮することができる。
　実施の形態１の粒子線治療装置５１によれば、荷電粒子ビーム３１を発生させ、この荷電粒子ビーム３１を荷電粒子加速器５４で加速させるビーム発生装置５２と、荷電粒子加速器５４により加速された荷電粒子ビーム３１を輸送するビーム輸送系５９と、ビーム輸送系５９で輸送された荷電粒子ビーム３１を照射対象４５に照射する粒子線照射装置５８とを備え、荷電粒子加速器５４は、荷電粒子ビーム３１を通過させる真空ダクト２４と、真空ダクト２４を通過する荷電粒子ビーム３１を加速する加速空洞１１と、真空ダクト２４を通過する荷電粒子ビーム３１を偏向する偏向電磁石１５と、加速空洞１１及び偏向電磁石１５を制御する加速器制御装置２５と、を備え、加速器制御装置２５は、加速空洞クロックｃｌｋａ及び、加速空洞クロックｃｌｋａに同期すると共に加速空洞クロックｃｌｋａよりも周波数の低い電磁石クロックｃｌｋｍを生成するクロック生成部１８と、加速空洞１１を、第１のパターンメモリ５に格納された加速空洞パターン及び加速空洞クロックｃｌｋａに基づいて制御する高周波制御部１９と、偏向電磁石１５を、第２のパターンメモリ１２に格納された偏向電磁石パターン及び電磁石クロックｃｌｋｍに基づいて制御する偏向電磁石制御部２０と、を有するので、偏向電磁石パターンは加速空洞パターンよりもデータ量を少なくでき、加速器へのパターンデータの通信時間を短縮することができる。したがって、実施の形態１の荷電粒子加速器５４を備えた粒子線治療装置５１は、従来に比べて加速空洞パターン及び電磁石パターンのデータ転送時間が著しく短縮できるので、粒子線治療を効率的に行うことができる。
　なお、ＦＲクロック生成器６は、加速空洞クロックｃｌｋａの周期を算出し、加速空洞クロックｃｌｋａの所定の増加定数（整数）倍にするように高周波化してＦＲクロックｃｌｋｆｒを生成する例で説明したが、基準クロックを分周し、ＦＲクロックｃｌｋｆｒを生成する場合でも構わない。
実施の形態２．
　図７は、本発明の実施の形態２による荷電粒子加速器の構成を示す図である。実施の形態２の荷電粒子加速器５４は、実施の形態１の荷電粒子加速器５４とは、ＦＲクロック生成器６が削除され、加速空洞クロックｃｌｋａの周波数、パターンメモリ５に格納される加速空洞パターンの周波数データ量が異なる。ここでは、実施の形態１で説明した周波数データの出力頻度が同じ場合の例で説明する。
　実施の形態１では、パターン出力器７は１．２ＭＨｚのＦＲクロックｃｌｋｆｒを用いて加速空洞パターンの周波数データをシンセサイザ８に出力していた。そこで、実施の形態２では、分周器３は１．２ＭＨｚの加速空洞クロックｃｌｋａを生成する。具体的には、実施の形態２では１２ＭＨｚの基準クロックを生成し、分周器３は、クロック発振器２が生成した１２ＭＨｚの基準クロックを分周し、１／１００倍の１．２ＭＨｚの加速空洞クロックｃｌｋａを生成する。実施の形態１で説明したように、加速空洞クロックｃｌｋａ及び電磁石クロックｃｌｋｍは、ともに一つの基準クロックを分周して生成しており、更にそれぞれの周波数は１．２ＭＨｚと３ｋＨｚという整数倍できるように構成しているため、同期がとれたクロックになっている。
　実施の形態２の高周波制御部１９の動作を説明する。パターンメモリ５には、計算機１から予め加速空洞１１用の加速空洞パターンが送信されて格納される。パターンメモリ５に格納される加速空洞パターンの周波数データ量は、加速空洞クロックｃｌｋａの周波数が１５０ｋＨｚから１．２ＭＨｚに変更されたことに伴い、８（＝１．２Ｍ／１５０ｋ）倍に増えている。加速空洞パターンは、加速空洞クロックｃｌｋａである１．２ＭＨｚに合わせて、順次出力される。
　図８は、本発明の実施の形態２による加速空洞パターンのデータ出力例を示す図である。図８において、横軸は時間であり、縦軸は加速空洞制御信号の設定周波数である。図８において、黒丸で示した点はパターンメモリ５格納された周波数データに相当する。パターン出力器７は、時刻がｔ１になるとパターンメモリ５に格納された加速空洞パターンからデータｆ１を出力する。同様に、パターン出力器７は、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５になると、それぞれデータｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５を出力する。このようにして決まったタイミング、すなわち加速空洞クロックｃｌｋａのパルス入力のタイミングで決まった周波数データとなるように加速空洞パターンを出力していく。
　パターンメモリ５は加速空洞クロックｃｌｋａが入力されると、加速空洞パターンのデータを順次パターン出力器７に出力する。パターン出力器７は、加速空洞パターンの周波数データをシンセサイザ８に出力する。シンセサイザ８は、周波数データに基づいて周波数データが示す周波数の高周波信号がＡＭ変調器９に出力される。ＡＭ変調器９は、図示していない電圧パターンの出力とシンセサイザ８が出力した高周波信号を乗算することによりＡＭ変調を実施して、ＡＭ変調されたＡＭ変調高周波信号を高周波アンプ１０に出力する。
　高周波アンプ１０は、ＡＭ変調されたＡＭ変調高周波信号を増幅して加速空洞１１に出力する。高周波アンプ１０から出力された高周波加速電圧は加速空洞１１に印加され、シンクロトロンを周回している荷電粒子ビーム３１に高周波加速電圧が印加され加速を行う。偏向電磁石１５や四極電磁石１７を制御する偏向電磁石制御部２０や四極電磁石制御部２３の動作は、実施の形態１と同じである。
　実施の形態２の荷電粒子加速器５４において、計算機１から高周波制御部１９、偏向電磁石制御部２０、四極電磁石制御部２３へのデータ転送時間を実施の形態１の荷電粒子加速器５４と比較する。前述のように、実施の形態１の荷電粒子加速器５４では、加速空洞クロックｃｌｋａが１５０ｋＨｚ、電磁石クロックｃｌｋｍが３ｋＨであり、加速空洞パターン及び電磁石パターンの２０セット分を計算機１から高周波制御部１９、偏向電磁石制御部２０、四極電磁石制御部２３へデータ転送する場合に、データ転送時間は４秒ぐらいである。実施の形態２の荷電粒子加速器５４において、加速空洞クロックｃｌｋａが１．２ＭＨｚであり、加速空洞クロックｃｌｋａは実施の形態１に比べて８倍になっている。ここで、実施の形態１の偏向電磁石パターンのデータ量をＡとすれば、加速空洞パターンのデータ量は、４００Ａ（＝８×５０Ａ）である。したがって、実施の形態２の荷電粒子加速器５４の偏向電磁石パターン、四極電磁石パターン及び加速空洞パターンのデータ量は、４２０Ａ（＝２０×Ａ＋４００Ａ）である。
　実施の形態２の荷電粒子加速器５４におけるデータ転送時間は、実施の形態１の荷電粒子加速器５４におけるデータ転送時間の４２０／７０倍、すなわち６倍となり、約２４（＝４×６）秒になる。実施の形態２の荷電粒子加速器５４におけるデータ転送時間は、実施の形態１に比べて時間がかかるものの比較対象の荷電粒子加速器におけるデータ転送時間の約８分に比べて、短縮することができる。
　比較対象の荷電粒子加速器とは異なり、実施の形態２の荷電粒子加速器５４におけるデータ転送時間は２４秒程度であり、患者の位置決め時間と比べて著しく長いことはない。実施の形態２の荷電粒子加速器５４は、患者が変わる場合や、トラブルによる加速空洞パターン及び電磁石パターンを再転送する場合にも、データ転送時間は２４秒程度であり、１日に粒子線治療を行うことができる患者数が著しく低下することはなく、粒子線治療が停滞する問題も起こらない。したがって、実施の形態２の荷電粒子加速器５４を備えた粒子線治療装置は、従来に比べて加速空洞パターン及び電磁石パターンのデータ転送時間が著しく短縮でき、粒子線治療を効率的に行うことができる。
　実施の形態２の荷電粒子加速器５４は、加速空洞クロックｃｌｋａと電磁石クロックｃｌｋｍとを、それぞれ同期をとった異なる周波数とすることにより、偏向電磁石パターンや四極電磁石パターン等の電磁石用パターンのデータ量を削減することができる。したがって、加速空洞パターン及び電磁石用パターンの合計データ量を削減することができ、計算機加速器へのパターンデータ通信時間を短縮することができる。
　また、実施の形態２の荷電粒子加速器５４は、実施の形態１と同様に、偏向電磁石パターンや四極電磁石パターン等の電磁石用パターンのデータ量を削減した場合であっても、電磁石電源１４や電磁石電源１６等に対応する電磁石への通電電流は、適度に滑らかな変化となるので、高周波加速電圧の変化と、偏向電磁石１５や四極電磁石１７の通電電流の変化を同期させることにより、安定したビーム加速を実現することができる。
　なお、実施の形態１及び２において、計算機１は照射制御計算機３９の他に設置されている例で説明したが、計算機１を設けずに照射制御計算機３９が、計算機１の処理を行ってもよい。
２…クロック発振器、３…分周器、４…分周器、５…パターンメモリ、６…ＦＲクロック生成器、７…パターン出力器、１１…加速空洞、１２…パターンメモリ、１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ…偏向電磁石、１８…クロック生成部、１９…高周波制御部、２０…偏向電磁石制御部、２４…真空ダクト、２５…加速器制御装置、３１…荷電粒子ビーム、４５…照射対象、５１…粒子線治療装置、５２…ビーム発生装置、５４…荷電粒子加速器、５８、５８ａ、５８ｂ…粒子線照射装置、５９…ビーム輸送系、ｃｌｋａ…加速空洞クロック、ｃｌｋｍ…電磁石クロック、ｃｌｋｆｒ…ＦＲクロック。

Claims (10)

  1. 　粒子線照射装置により照射対象に照射する荷電粒子ビームを加速する荷電粒子加速器であって、
    前記荷電粒子ビームを通過させる真空ダクトと、前記真空ダクトを通過する前記荷電粒子ビームを加速する加速空洞と、前記真空ダクトを通過する前記荷電粒子ビームを偏向する偏向電磁石と、前記加速空洞及び前記偏向電磁石を制御する加速器制御装置と、を備え、
    前記加速器制御装置は、
    加速空洞クロック及び、前記加速空洞クロックに同期すると共に前記加速空洞クロックよりも周波数の低い電磁石クロックを生成するクロック生成部と、
    前記加速空洞を、第１のパターンメモリに格納された加速空洞パターン及び前記加速空洞クロックに基づいて制御する高周波制御部と、
    前記偏向電磁石を、第２のパターンメモリに格納された偏向電磁石パターン及び前記電磁石クロックに基づいて制御する偏向電磁石制御部と、を有することを特徴とする荷電粒子加速器。
  2. 　前記クロック生成部は、
    前記加速空洞クロック及び前記電磁石クロックを生成するための基準クロックを生成するクロック発振器と、
    前記基準クロックを分周し、前記加速空洞クロックを生成する第１の分周器と、
    前記基準クロックを分周し、前記電磁石クロックを生成する第２の分周器と、を有することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子加速器。
  3. 　前記クロック生成部は、前記電磁石クロックの周波数の整数倍にした周波数の前記加速空洞クロックを生成することを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子加速器。
  4. 　前記高周波制御部は、前記加速空洞パターンの格納周波数データが出力されるパターン設定時刻間において、所定の補完時間毎に所定の補完差分周波数だけ変化させた補完周波数データを生成し、前記格納周波数データ及び前記補完周波数データに基づいて前記加速空洞を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の荷電粒子加速器。
  5. 　前記高周波制御部は、連続する２つの前記パターン設定時刻における前記格納周波数データのそれぞれを、線形補完処理を実施することにより前記補完周波数データを生成することを特徴とする請求項４記載の荷電粒子加速器。
  6. 　前記高周波制御部は、
    前記加速空洞クロックに同期すると共に、前記補完時間毎にパルスが形成されたＦＲクロックを生成するＦＲクロック生成器と、
    前記ＦＲクロックが入力される度に、前記格納周波数データまたは前記補完周波数データを出力するパターン出力器と、を有することを特徴とする請求項４または５に記載の荷電粒子加速器。
  7. 　前記ＦＲクロック生成器は、前記加速空洞クロックの周期を算出し、前記加速空洞クロックを所定の増加定数により整数倍するように前記ＦＲクロックを生成することを特徴とする請求項６記載の荷電粒子加速器。
  8. 　前記ＦＲクロック生成器は、前記基準クロックまたは前記加速空洞クロックから前記ＦＲクロックを生成することを特徴とする請求項６記載の荷電粒子加速器。
  9. 　前記ＦＲクロック生成器は、前記加速空洞クロックの周波数の整数倍にした周波数の前記ＦＲクロックを生成することを特徴とする請求項８記載の荷電粒子加速器。
  10. 　荷電粒子ビームを発生させ、この荷電粒子ビームを荷電粒子加速器で加速させるビーム発生装置と、前記荷電粒子加速器により加速された荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、前記ビーム輸送系で輸送された荷電粒子ビームを照射対象に照射する粒子線照射装置とを備え、
    前記荷電粒子加速器は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の荷電粒子加速器であることを特徴とする粒子線治療装置。
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