WO2015145840A1

WO2015145840A1 - 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

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Publication number: WO2015145840A1
Application number: PCT/JP2014/077496
Authority: WO
Inventors: 秀晶西内; 平本　和夫
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2015-10-01
Also published as: JP2015185455A; JP6162633B2

Abstract

　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供給用高周波電圧と、安定限界を越えさせるための出射用高周波電圧で構成される高周波電圧を印加する。また、この供給用高周波電圧と、出射用高周波電圧の強度を、シンクロトロン外に出射されるイオンビーム電流の目標値およびその時間変化に応じて適宜組み合わせて制御する。

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の出射方法に関する。

　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（拡大ブラッグピーク（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強度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。また、ビームの出射に必要な高周波電圧として、単一周波数を出力する正弦波発振器の出力周波数を掃引（周波数変調）し、ベータトロン振動振幅を増大する場合には、正弦波発振器の掃引周波数（変調周波数）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。そのため、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、ビーム停止指令の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、この第１高周波電圧（供給用高周波電圧）で安定限界を超えない範囲で振動振幅を増大させた周回ビームを安定限界を越えさせてシンクロトロン外に出射するための第２高周波電圧（出射用高周波電圧）で構成される高周波電圧を印加する点にある。また、この第１高周波電圧（供給用高周波電圧）および第２高周波電圧（出射用高周波電圧）の強度を、シンクロトロン外に出射されるイオンビーム電流の目標値およびその時間変化に応じて適宜組み合わせて制御する。具体的には、第１高周波電圧（供給用高周波電圧）の強度により周回ビームの振動振幅が増大する速度、すなわち出射させるイオンビームの供給速度を制御し、第２高周波電圧（出射用高周波電圧）の強度により出射ビーム電流の強度とその時間変化、つまり、最終的にシンクロトロンから出射されるイオンビーム量を制御する。

　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第１高周波電圧（供給用高周波電圧）を構成する低い周波数成分が含まれていても、第２高周波電圧（出射用高周波電圧）で周回ビームを安定限界を越えさせてシンクロトロン外に出射させるため、出射ビーム電流に発生する電流リップルを抑制できる。また、電流リップルの発生を抑制できるため、出射制御時のビーム電流を高められ、線量率を向上できる。更に、ビーム電流の目標値と時間変化に応じて２つの高周波電圧の強度を制御してビームを出射するため、効率良いビーム出射制御および高精度なビーム出射制御を実現することができる。

　上記のような特徴を示すため、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し、第２高周波電圧（出射用高周波電圧）は第１高周波電圧とは異なる周波数範囲に設定して印加する。

　また、正弦波発振器の周波数を掃引し周波数変調された高周波電圧を用いることで第１高周波電圧（供給用高周波電圧）を生成し、複数の周波数成分で構成される帯域制限高周波電圧の周波数範囲と信号強度を、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で、単一周波数を出力する正弦波発振器の出力周波数を掃引（周波数変調）し、ベータトロン振動振幅を増大する場合においても、正弦波発振器の掃引周波数（変調周波数）に対応した周波数成分の電流リップルが生じることを抑制することができる。

　また、上記した第１高周波電圧（供給用高周波電圧）と、第２高周波電圧（出射用高周波電圧）の強度を組み合わせて出射ビーム電流を制御するが、いずれか一方だけの印加では周回ビームを出射できない特徴がある。そのため、上記した第１高周波電圧（供給用高周波電圧）と、第２高周波電圧（出射用高周波電圧）の強度の組み合わせにより、照射方式に適応したビーム電流制御が実現できる。

　例えば、出射ビーム電流を高く照射したい場合には、第１高周波電圧（供給用高周波電圧）の強度を高く印加した状態で、第２高周波電圧（出射用高周波電圧）の強度を調整することで、所望の高い出射ビーム電流となる制御が容易に実現できる。また、出射ビーム電流を低く照射したい場合には、第１高周波電圧（供給用高周波電圧）の強度を低く印加した状態で、第２高周波電圧（出射用高周波電圧）の強度を調整することで、出射ビーム電流の高精細な制御が容易に実現できる。

　また、いずれか一方の高周波電圧のみ印加した場合には周回ビームを出射できない特徴を活かし、粒子線治療システムを構成する機器に異常が生じた場合には、これら２つの高周波電圧のうち少なくともいずれか一方の高周波電圧の印加を停止することでビームを安定に停止することができ、粒子線治療システムでのビーム停止に関する安全制御系統の冗長性が増す。

　さらに、上記した第１高周波電圧（供給用高周波電圧）の強度と、第２高周波電圧（出射用高周波電圧）の強度の組み合わせにより出射ビーム電流の制御が可能なことから、前記の２つの高周波電圧の強度の両方もしくはいずれか一方に対して、高周波電圧の強度を補正することで出射ビーム電流制御フィードバック制御を適用することができる。

　例えば、周回ビームの利用効率を高めるため、第１高周波電圧（供給用高周波電圧）の強度を周回ビームの電荷量の変化に応じて補正することにより、第２高周波電圧（出射用高周波電圧）の印加により出射するビームの供給効率を高めることで、ビーム出射効率を高められる。また、第２高周波電圧（出射用高周波電圧）の強度を出射されたビーム電流量の変化に応じて補正することにより、第２高周波電圧（出射用高周波電圧）の印加により出射するビームの時間ごとの微調整を行うことができる。

　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。

　また、本発明によれば、効率良いビーム出射制御および高精度なビーム出射制御が実現できる。

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実施例の特徴である供給用高周波電圧の強度と出射用高周波電圧の強度の組み合わせによる出射ビーム電流の平均値の変化をシミュレーションにて得られた結果の一例を示す図である。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ビームエネルギーと出射制御装置の制御指令値との関係を示す図である。本発明を適用した第１実施例を実現する出射ビームエネルギーと出射ビーム電流および、出射制御装置の強度指令値と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２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２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。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の実施形態を、図面を用いて説明する。

　＜第１実施例＞　
　本発明の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の第１実施例を、図１乃至図６を用いて説明する。

　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を備えている。

　ビーム輸送装置１４は、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される。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されたイオンビーム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、本発明の特徴の１つである高周波電圧（Ｆｅｘｔ）の印加方法について、図２を用いて、従来法を示す図１０，図１１Ａ，図１１Ｂ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、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）と呼ばれ、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）式とで示される。

　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、出射用高周波電圧（Ｆｅ）のみであった。また、出射ビームの電流は、出射用高周波電圧（Ｆｅ）の強度（Ｖｅ）で制御していた。

　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に、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することはできる。しかし、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、従来の出射制御方法では、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）が変動してしまうとの問題があった。

　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高周波電圧（出射用高周波電圧）（Ｆｅ）とで構成する（Ｆｅｘｔ＝Ｆｓ＋Ｆｅ）。

　本発明では、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（図２の分布１０３）。この供給用高周波電圧（Ｆｓ）の印加により広がった周回ビーム分布１０３に対する出射用高周波電圧（Ｆｅ）の印加により、周回ビームが安定限界１５を超えるように広がり（図２の分布１０２）、シンクロトロン１３を周回するビーム１０ｂがシンクロトロン１３の外に出射される。

　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。

　また、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（Ｆｓ）のみで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強度（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。つまり、２つの高周波電圧がともに印加された状態とならないと周回するイオンビーム１０ｂが出射されない状態となるよう調整する。このような本発明の特徴を活かすことで、少なくともいずれかの高周波電圧の印加を停止することで、シンクロトロン１３からビーム輸送装置１４への出射を停止できる。このことから、荷電粒子ビーム照射システム１でのビーム停止に関する安全系インターロックの冗長性を高くできる。

　次に、出射用高周波電圧（Ｆｅ）は、その中心周波数を安定限界１５と供給用高周波電圧（Ｆｓ）の間として印加することで、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、出射用高周波電圧（Ｆｅ）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、出射用高周波電圧（Ｆｅ）の中心周波数（ｆｃｅ）に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、出射用高周波電圧の強度（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、本発明の特徴の１つである供給用高周波電圧の強度と出射用高周波電圧の強度の組み合わせによる出射ビーム電流の平均値の制御方法について説明する。図３に供給用高周波電圧の強度と出射用高周波電圧の強度の組み合わせによる出射ビーム電流の平均値の変化について、シミュレーションにて得られた結果を示す。図３において、供給用高周波電圧の強度および出射用高周波電圧の強度は、供給用高周波電圧の一番高い強度で規格化した数値で示しており、出射ビーム電流の平均値とは、図１１Ａおよび図１１Ｂにて示した電流リップル（Ｉｒｉｐ）を含む出射ビーム電流の平均値を示す。

　まず、供給用高周波電圧の強度を一定とした場合、出射用高周波電圧の強度を変化させることで出射ビーム電流の平均値を制御できることが分かる。

　例えば、図３において、供給用高周波電圧の強度（図３の横軸）を０．６とした場合、出射用高周波電圧（各プロットの条件）を１．０～８．０まで変化させると、出射ビーム電流の平均値（図３の縦軸）を０．２４～０．８４の範囲で変化・制御することができる。同様に、供給用高周波電圧の強度（図３の横軸）を０．２とした場合も、出射用高周波電圧（各プロットの条件）を１．０～８．０まで変化させると、出射ビーム電流の平均値（図３の縦軸）を０．０１～０．１８の範囲で変化・制御することができる。

　このように、供給用高周波電圧の強度を適宜選択することにより、周回ビームの振動振幅が増大する速度を制御可能、すなわち出射可能なビームの供給速度の大小を選択可能であることが分かる。

　つまり、供給用高周波電圧の強度を高めると、出射可能なビームの供給速度が高くできるため、出射用高周波電圧の印加による出射ビーム量が増加でき、しいては出射ビーム電流の平均値を高めることができる。このことは、図３において、出射用高周波電圧の値が一定として、供給用高周波電圧を高めの状態で変化させると、出射ビーム電流の平均値が大きく変化することからもわかる。

　同様に、供給用高周波電圧の強度を低く抑えると、出射用高周波電圧の印加により出射可能なビームの供給速度を低下できるため、出射用高周波電圧の印加による出射ビーム量が減少し、しいては出射ビーム電流の平均値を低く抑えることができる。このことは、図３において、出射用高周波電圧の値が一定として、供給用高周波電圧を低めの状態で変化させても、出射ビーム電流の平均値は大きくは変化しないことからもわかる。

　この際、供給用高周波電圧を高めすぎると、供給用高周波電圧のみでビームが出射されてしまう恐れがあるため、供給用高周波電圧の強度はあまり高めることはできない。そのため、ビーム出射電流の時間構造等の早い応答制御に対しては、出射用高周波電圧の強度の制御により実現できる。同様に、出射用高周波電圧を一定とした場合には、供給用高周波電圧を変化させることで出射ビーム電流の平均値を制御できることが分かる。

　このように、供給用高周波電圧と出射用高周波電圧の強度を、目標とするビーム電流の値やその時間変化に応じて適宜組み合わせることにより、出射ビーム電流を効率良く、かつ高精度に制御できることが分かる。

　また、図３によれば、供給用高周波電圧の強度により、出射ビーム電流の平均値の上限が規定されることが分かる。先に示したように、供給用高周波電圧が低い場合（例えば、図３の横軸が０．２の場合）、出射用高周波電圧の強度を高めても、供給用高周波電圧が高い場合（例えば、図３の横軸が０．６の場合）と比較して、出射ビーム電流の平均値が制限されてしまう。このことから、本実施形態では、出射用高周波電圧の強度制御に異常が起きた場合でも供給用高周波電圧の強度で規定された以上の出射ビーム電流が出力されることはない、との効果を奏する。

　次に、本発明の特徴の一つ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４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，Ｉｆｅ，Ｇｆｅ）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，２５ｆｅ，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，２５ｆｅ，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、強度変調回路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）で掃引することで得られる、周波数変調された高周波電圧を用いても良い。しかし、供給用高周波電圧（Ｆｓ）と出射用高周波電圧（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）の強度（Ｖｓ）を強度変調回路２４ｓで制御する。強度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、出射用高周波電圧（Ｆｅ）の出力回路２０２について説明する。出射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は、コントローラ２８から出射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用高周波電圧（Ｆｅ）の周波数範囲（Δｆｅ）で掃引しても良い。しかし、供給用高周波電圧（Ｆｓ）と出射用高周波電圧（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。

　なお、スポットスキャニング照射法では、今後、線量分布を高精度に制御するため、照射スポット毎に照射線量を細かく制御する強度変調照射（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｔｈｅｒａｐｙ，ＩＭＰＴ）への適用が求められる。ＩＭＰＴを実現しつつ線量率を向上可能とするため、本実施例では、出射用高周波電圧出力回路２０２内に出射用フィードバック制御部２４０ｅが設けられている。

　本実施例における出射ビーム電流フィードバック制御について図４を用いて説明する。

　出射ビーム電流フィードバック制御は、出射用フィードバック制御部２４０ｅにおいて、照射装置３０に設置されている線量モニタ３１からの線量モニタ検出電流出力３１１をコントローラ２８から設定される目標電流設定値（Ｉｆｅ）の偏差に基づき出射用高周波電圧の強度（Ｖｅ）を補正することで実現する。

　具体的なフィードバック信号処理について以下に示す。

　まず、出射用フィードバック制御部２４０ｅの偏差演算手段２４１ｅにて、入力した線量モニタ検出電流出力３１１とコントローラ２８から設定される目標電流設定値（Ｉｆｅ）の偏差を演算する。次に、フィードバック補正量演算手段２４２ｅにて、偏差演算手段２４１ｅにて演算された偏差信号とフィードバックゲイン（Ｇｆｅ）に基づき、フィードバック補正量を演算する。フィードバック補正量はビーム出射制御指令６１に基づいてフィードバック補正量の伝送を制御する高周波スイッチ２５ｆｅを経由し、フィードバック演算手段２４３ｅにて、フィードバック補正量演算手段２４２ｅより出力されるフィードバック補正量と出射用高周波電圧の強度設定データ（Ｖｅ）を加算する。フィードバック演算手段２４３ｅで演算された出射用高周波電圧の強度を強度変調回路２４ｅに設定することで、所望の出射ビーム電流を実現する。

　強度変調回路２４ｅで制御された出射用高周波電圧（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，図５Ａおよび図５Ｂを用いて説明する。

　供給用高周波電圧（Ｆｓ）および出射用高周波電圧（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）、強度（Ｖｓ，Ｖｅ）がある。これらは図５Ａおよび図５Ｂ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。

　この際、コントローラ２８のメモリ（図示せず）には、供給用高周波電圧（Ｆｓ）および出射用高周波電圧（Ｆｅ）の制御設定値は、図５Ａおよび図５Ｂに示したように、中心周波数，帯域制限信号のスペクトル幅，スペクトル間隔と強度とは分けて記憶しておく。

　供給用高周波電圧（Ｆｓ）および出射用高周波電圧（Ｆｅ）の制御設定値は、図５Ａに示したように、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）の組み合わせを保存する。

　これに対し、照射時の出射ビーム電流の目標値（ＩＥｎ）に対応した供給用高周波電圧（Ｆｓ）および出射用高周波電圧（Ｆｅ）の強度設定値（Ｖｓ，Ｖｅ）は、図５Ｂに示したように、強度設定値の時間変化情報を含めたパターンデータとして用意する。これらの強度設定値（Ｖｓ，Ｖｅ）のパターンデータの組み合わせをコントローラ２８のメモリにて記憶する。

　ここで、図５Ａおよび図５Ｂに分けて記憶する理由を説明する。図５Ａに示した高周波電圧の中心周波数（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）の組み合わせは、エネルギー（Ｅｎ）毎に最適な条件を決定することができる。これに対し、照射時の出射ビーム電流の目標値（ＩＥｎ＿ｍ）は、同一エネルギーにおいても複数種類求められるため、供給用高周波電圧（Ｆｓ）および出射用高周波電圧（Ｆｅ）の強度パターンデータ（Ｖｓ，Ｖｅ）の組み合わせは、各エネルギー（Ｅｎ）とビーム照射法を考慮して出射ビーム電流（ＩＥｎ＿ｍ）の目標値に応じて選択できるようにするためである。このことは、図３に示したシミュレーション結果からも推定できる。

　図３に示したように、ある出射ビーム電流の平均値を満足する供給用高周波電圧（Ｆｓ）および出射用高周波電圧（Ｆｅ）の強度の組み合わせ（Ｖｓ，Ｖｅ）は一意に決まらない。

　例えば、図３において、出射ビーム電流の平均値を０．６（ａ．ｕ．）としたい場合には、出射用高周波電圧（Ｆｅ）の大小にかかわらず供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度は０．５以上であることが求められる。この時の供給用高周波電圧（Ｆｓ）および出射用高周波電圧（Ｆｅ）の強度の組み合わせ（Ｖｓ，Ｖｅ）は、図３から、（０．６２，２．０）（０．５３，３．０）（０．５，４．０）（０．４５，６．０）（０．４２，８．０）のいずれかが選択可能であることが判る。

　このことからは、出射ビーム電流の平均値をある値に制御しようとした場合、供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度（Ｖｓ）が高くなるとともに、出射用高周波電圧（Ｆｅ）の強度（Ｖｅ）は低くなる関係がある。このような関係に基づくと、図３に示したシミュレーション結果においては、所望の出射ビーム電流を実現する供給用高周波電圧（Ｆｓ）と出射用高周波電圧（Ｆｅ）の強度の組み合わせ（Ｖｓ，Ｖｅ）は複数あるため、ビーム照射法に応じて選択することが効果的であることが判る。

　一例として、以下にスポットスキャニング照射法とラスタースキャニング照射法での２つの高周波電圧の強度（Ｖｓ，Ｖｅ）の選択方法を以下に示す。

　まず、スポットスキャニング照射法の場合には、強度変調照射を実施することを考慮すると、線量率を高めるために照射スポットに対する線量に応じて出射ビーム電流を変更することが考えられる。そのため、出射ビーム電流の変更幅を考慮し、出射用高周波電圧の強度（Ｖｅ）の変更による出射ビーム電流の変化が高い条件を選択する。例えば、先に示した図３の例であれば出射ビーム電流の平均値を０．６（ａ．ｕ．）としたい場合（０．５，４．０）を選択し、図５Ｂの例であればエネルギーＥ１に対応する出射ビーム電流ＩＥ１＿１を実現する（Ｖｓ，Ｖｅ）の組み合わせとして（Ｖｓ＿ＩＥ１＿１ａ，Ｖｅ＿ＩＥ１＿１ａ）を選択する（ここで、Ｖｓ＿ＩＥ１＿１ａ＞Ｖｓ＿ＩＥ１＿１ｂ＞Ｖｓ＿ＩＥ１＿１ｃ＞Ｖｓ＿ＩＥ１＿１ｄおよびＶｅ＿ＩＥ１＿１ａ＜Ｖｅ＿ＩＥ１＿１ｂ＜Ｖｅ＿ＩＥ１＿１ｃ＜Ｖｅ＿ＩＥ１＿１ｄとする）。

　また、ラスタースキャニング照射法の場合には、照射制御中の目標ビーム電流は一定で制御し、リペイント処理を想定して低い出射ビーム電流で照射する。そのため、出射ビーム電流の変更幅よりも出射用高周波電圧の変動に対する出射ビーム電流の変化量を考慮し、供給用高周波電圧の強度（Ｖｓ）が低い条件を選択する。例えば、図３の例であれば（０．２，４．０）を選択し、図５Ｂの例であれば（Ｖｓ＿ＩＥ１＿１ｄ，Ｖｅ＿ＩＥ１＿１ｄ）を選択する。

　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）およびビーム電流情報（ＩＥｎ＿ｍ）が含まれており、コントローラ２８はその出射ビームエネルギー情報（Ｅｎ）およびビーム電流情報（ＩＥｎ＿ｍ）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６に示すタイミングチャートを用いて説明する。図６はスポットスキャニング照射法を想定したビーム出射法のタイミングチャートである。本図の説明では、基本的なビーム出射に関する部分（図６の（ａ）（ｂ））を説明した後、本発明の特徴を示す部分（図６の（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ））を説明する。

　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６（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６（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６（ｃ）～（ｆ）に本発明の特徴である、スポットスキャニング照射法を想定した供給用高周波電圧（Ｆｓ）の時間変化を示す。説明を容易にするため、照射スポット毎に１～５の符号を割り振っている。

　まず、図６（ｃ）に示したように、出射ビーム電流（Ｉｅｘｔ）の目標ビーム電流（Ｉｆｅ）を照射スポット毎に設定する。

　このときの供給用高周波電圧（Ｆｓ）は、図５Ｂを用いて説明したように、所望の出射ビーム電流（Ｉｅｘｔ）を実現するような供給用高周波電圧の強度と出射用高周波電圧の強度の組み合わせ（Ｖｓ，Ｖｅ）に応じて、図６（ｄ）に示したように、照射スポット毎に強度変調回路２４ｓに設定する。

　また、出射用高周波電圧（Ｆｅ）は、図４を用いて説明したように、出射ビーム電流フィードバック制御により、出射用高周波電圧（Ｆｅ）の強度（Ｖｅ）を補正した値を照射スポット毎に強度変調回路２４ｅに設定する（図６（ｅ））。

　以上のような制御により、目標ビーム電流値（Ｉｆｅ）と一致した出射ビーム電流（Ｉｅｘｔ）の出射を実現する（図６（ｆ））。

　本実施例において、供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度（Ｖｓ）は、出射制御装置２０の運転制御を容易にするため、目標ビーム電流値（Ｉｆｅ）は図６（ｃ）に示すように３種類（Ｉｆｅ１～Ｉｆｅ３）であるのに対して、供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度（Ｖｓ）は図６（ｄ）に示すように２種類の設定値（Ｖｓ１，Ｖｓ２）で対応している。

　ここで、目標ビーム電流値（Ｉｆｅ）での出射を実現する供給用高周波電圧（Ｖｓ）の組み合わせに関して、図３を用いながら説明する。

　まず、図６における目標ビーム電流（Ｉｆｅ）の設定値は、図３においてＩｆｅ１＝０．１，Ｉｆｅ２＝０．３，Ｉｆｅ３＝０．６とする。次に、目標ビーム電流の範囲（Ｉｆｅ１～Ｉｆｅ３）を満たす供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度（Ｖｓ）は、図３より、Ｖｓ１＝０．４（Ｉｆｅ＝０．１～０．５７），Ｖｓ２＝０．５（Ｉｆｅ＝０．１～０．５７）となる。この２種類の設定値（Ｖｓ１＝０．４，Ｖｓ２＝０．５）を目標ビーム電流値の出力値に応じて切り替え、目標ビーム電流値の細かな制御を出射用高周波電圧（Ｆｅ）の強度の調整で実現する。

　具体的な動作について、図６を用いて説明する。ここでは、本発明の特徴を分かりやすく説明するため、照射スポットを示す符号（１～５）を示して説明する。

　図６において、目標ビーム電流（Ｉｆｅ）の変化を見ると、第１スポット（ｃ１）でＩｆｅ２、第２スポット（ｃ２）でＩｆｅ３と増加し、第３スポット（ｃ３）でＩｆｅ１と低くなる。その後、第４スポット（ｃ４）でＩｆｅ２、第５スポット（ｃ５）でＩｆｅ３と増加する。

　まず第１スポット（ｃ１）から第２スポット（ｃ２）に掛けてＩｆｅは増加するため、供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度（Ｖｓ）はＶｓ２を選択して、出射用高周波電圧（Ｆｅ）の強度（Ｖｅ）を変更することで対応する。第３スポットでは目標ビーム電流値がＩｆｅ１まで低下するため、第２スポット（ｃ２）から第３スポット（ｃ３）に掛けては供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度（Ｖｓ）をＶｓ２からＶｓ１に切り替える。第４スポット（ｃ４）の目標ビーム電流（Ｉｆｅ２）は、供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度（Ｖｓ）がＶｓ１でもＶｓ２でも出射用高周波電圧（Ｆｅ）の強度（Ｖｅ）により制御可能であるため、時間応答性に優れる出射用高周波電圧（Ｆｅ）の強度を上昇させる（ｅ３→ｅ４）。最後に第５スポット（ｃ５）の目標ビーム電流（Ｉｆｅ３）に対応するため、供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度（Ｖｓ）をＶｓ１からＶｓ２に切り替える。このように、供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度データ（Ｖｓ）を複数種類で切り替えて制御する場合、それぞれの供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度データ（Ｖｓ）で対応可能な目標ビーム電流値（Ｉｆｅ）が重複するように選択することで、出射用高周波電圧（Ｆｅ）の強度（Ｖｅ）の切り替え回数を削減することができる。

　以上のような制御を実施することで、図６（ｆ）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、との効果も奏する。

　さらに、照射スポット毎にビームをＯＮ／ＯＦＦしながら照射するスポットスキャニング照射法において、出射ビーム電流フィードバック制御を適用することで、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とともに、線量率を向上できる。なお、このことはラスタースキャニング照射法においても同様のことが言える。

　＜第２実施例＞　
　本発明の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の第２実施例を図７乃至図９を用いて説明する。

　図７は、本発明の好適な第２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り、図８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出射制御装置の構成を示す図である。

　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。

　本実施例の荷電粒子ビーム照射システムは、出射用高周波電圧（Ｆｅ）の強度制御、線量モニタ３１からの線量モニタ検出電流出力３１１に基づくフィードバック制御に加えて、供給用フィードバック制御部２４０ｓを設け、供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度制御に対して出射ビーム電流フィードバック制御を実施する。そのために、供給用高周波電圧（Ｆｓ）の供給用フィードバック制御部２４０ｓでは、シンクロトロン１３の周回ビーム電荷量モニタ９のモニタ出力値（Ｑｓｔｏｒｅ）に基づいたフィードバック制御を実施する。これにより、周回ビーム電荷量に応じて供給用高周波電圧を制御し、出射用高周波電圧（Ｆｅ）で出射するビームの安定な供給を実現する。

　第１実施例と同様に、出射用高周波電圧（Ｆｅ）は、供給用高周波電圧（Ｆｓ）が振動振幅を増大した周回ビームを出射する。そのため、出射用高周波電圧（Ｆｅ）における出射ビーム電流フィードバック制御は、実施例１と同様に、所望の出射ビーム電流を高精度かつ安定に制御するために適用する。これに対して、供給用高周波電圧（Ｆｓ）は、安定限界内に周回ビームの振動振幅を増大する目的で印加している。

　ここで、ビーム出射制御の経過に伴い、周回ビーム電荷量は減少するとともに、周回ビームの分布は徐々に小さくなるため、周回ビームと安定限界と距離が相対的に離れていく。そのため、供給用高周波電圧（Ｆｓ）による周回ビームの振動振幅を増大する効率が徐々に低下する。そこで、周回ビーム電荷量モニタ９によってモニタしているシンクロトロン１３内の周回ビーム電荷量のモニタ出力値（Ｑｓｔｏｒｅ）に基づいたフィードバック制御を適用する。これにより、ビーム出射制御の経過に伴う周回ビームの分布の縮小に応じて供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度を変化させて周回ビームの振動振幅を増大する効率を高められる。

　具体的には、周回ビーム電荷量に応じて供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度（Ｖｓ）を補正する。なお、出射用フィードバック制御部２４０ｅに関しては、第１実施例と同じ構成、制御である。

　供給用フィードバック制御部２４０ｓでは、偏差演算手段２４１ｓにて、入力した電荷量モニタ９の検出出力Ｑｓｔｏｒｅとコントローラ２８から設定される目標電流設定値（Ｉｆｓ）の偏差を演算する。次に、フィードバック補正量演算手段２４２ｓにて、偏差演算手段２４１ｓにて演算された偏差信号とフィードバックゲイン（Ｇｆｓ）に基づき、フィードバック補正量を演算する。フィードバック補正量はビーム出射制御指令６１に基づいてフィードバック補正量の伝送を制御する高周波スイッチ２５ｆｓを経由し、フィードバック演算手段２４３ｓにて、フィードバック補正量演算手段２４２ｓより出力されるフィードバック補正量と供給用高周波電圧の強度設定データ（Ｖｓ）を加算する。フィードバック演算手段２４３ｓで演算された供給用高周波電圧の強度を強度変調回路２４ｓに設定する。

　強度変調回路２４ｓで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、出射用高周波電圧（ｆｅ）と共に合成器２６に入力される。合成器２６は、２つの高周波電圧（Ｆｓ，Ｆｓ）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。

　このような構成による制御によっても、出射用高周波電圧（Ｆｅ）で出射するビーム供給を安定かつ効率良く実現できる。

　図９は、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しており、本実施例の特徴を分かりやすく説明するため、ラスタースキャニング照射法を想定している。

　図９において、出射制御区間において常にビームを出射（ＯＮ）し、線量満了に到達したタイミングで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）。この際、スポットスキャニング照射法のように、次の照射スポット位置へ移動する際にビーム出射を停止（ＯＦＦ）しない。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９（ｄ）にラスタースキャニング照射法での周回ビーム電荷量の時間変化を示し、図９（ｅ）に本発明の特徴である、供給用高周波電圧の強度（Ｖｓ）の時間変化を示す。

　ラスタースキャニング照射法では、出射ビーム電流（Ｉｅｘｔ）を一定に制御するため、周回ビーム電荷量は一定勾配で減少する。そのため、図９（ｅ）に示すように、供給用高周波電圧（Ｆｓ）の強度（Ｖｓ）を、周回ビーム電荷量モニタ９のモニタ出力値（Ｑｓｔｏｒｅ）の減少に応じて、徐々に高めていく。

　このような制御を適用することでも、出射するビームの供給を安定かつ効率良く実現でき、周回ビーム電荷量を効率良く利用できる。

　＜その他＞　
　なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１…荷電粒子ビーム照射システム、
９…周回ビーム電荷量モニタ、
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ…ビーム、
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、
２４０ｓ…供給用フィードバック制御部、
２４０ｅ…出射用フィードバック制御部、
２４１ｅ，２４１ｓ…偏差演算手段、
２４２ｅ，２４２ｓ…フィードバック補正量演算手段、
２４３ｅ，２４３ｓ…フィードバック演算手段、
２５ｓ，２５ｅ，２５ｆｅ，２５ｆｓ，２７１，２７２…高周波スイッチ、
２６…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、
１００…制御システム（制御装置）、
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。

Claims

　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、前記第１高周波電圧で安定限界を超えない範囲で振動振幅を増大させた周回ビームを安定限界を越えさせて前記シンクロトロン外に出射するための第２高周波電圧とで構成される高周波電圧を印加する出射制御装置を備え、
　前記出射制御装置は、前記イオンビーム電流の目標値およびこの目標値の時間変化に応じて、前記第１高周波電圧および前記第２高周波電圧の強度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。
　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。
　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、
　正弦波発振器の周波数を掃引し周波数変調された高周波電圧を用いて前記第１高周波電圧を生成し、複数の周波数成分で構成される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。
　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前記第１高周波電圧とは異なる周波数範囲に設定し、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。
　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高周波電圧の強度により、前記シンクロトロンを出射させる前記イオンビームの供給速度を制御し、
　前記第２高周波電圧の強度により、前記シンクロトロンから出射する前記イオンビーム量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。
　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高周波電圧と前記第２高周波電圧とのうち少なくともいずれか一方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。
　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、
　前記シンクロトロンから出射された出射ビーム電流を検出するビームモニタを更に備え、
　前記出射制御装置は、前記ビームモニタで検出された出射ビーム電流値に基づいて前記第２高周波電圧の強度を補正する第２高周波電圧フィードバック制御部を更に備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
　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、
　前記シンクロトロン内を周回するビーム電荷量を検出する電荷量モニタを更に備え、
　前記出射制御装置は、前記電荷量モニタで検出された前記ビーム電荷量に基づいて前記第１高周波電圧の強度を補正する第１高周波電圧フィードバック制御部を更に備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
　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、
　照射対象を複数の照射領域に分割して形成されたスポット毎に前記イオンビームを照射する際は、前記イオンビームを照射経路に沿って走査しながら照射する際に比べて前記第１高周波電圧の強度を高く印加した状態で前記第２高周波電圧の強度を調整し、
　前記イオンビームを照射経路に沿って走査しながら照射する際は、照射対象を複数の照射領域に分割して形成されたスポット毎に前記イオンビームを照射する際に比べて前記第１高周波電圧の強度を低く印加した状態で前記第２高周波電圧の強度を調整することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
　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、前記第１高周波電圧で安定限界を超えない範囲で振動振幅を増大させた周回ビームを安定限界を越えさせて前記シンクロトロン外に出射するための第２高周波電圧とで構成される高周波電圧であって、前記イオンビーム電流の目標値とこの目標値の時間変化とに応じてその強度が制御された前記第１高周波電圧および前記第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でビームを出射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。
　請求項１０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高周波電圧の強度によって前記シンクロトロンを出射させる前記イオンビームの供給速度を制御し、前記第２高周波電圧の強度によって前記シンクロトロンから出射する前記イオンビーム量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のビーム出射方法。
　請求項１０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出射された出射ビーム電流をモニタし、この出射ビーム電流のモニタ値に基づいて前記第２高周波電圧の強度を補正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。
　請求項１０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を周回するビーム電荷量をモニタし、この周回ビーム電荷量のモニタ値に基づいて前記第１高周波電圧の強度を補正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。