WO2014207852A1 - 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 - Google Patents

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。

Description

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

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

特許第２５９６２９２号公報 特許第３０５３１７５号公報

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

  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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

  以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

　（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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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）。

　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。

　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。

　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）。

　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）。

　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。

　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）。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　（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。

　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。

　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。

　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。

　（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。

　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。

　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。

　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。

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

Claims (10)

1.   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。
2. 　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。
3. 　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。
4. 　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。
5. 　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。
6. 　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。
7. 　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。
8. 　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。
9. 　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。
10. 　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。

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