WO2015151275A1 - 粒子線治療装置 - Google Patents

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WO2015151275A1
WO2015151275A1 PCT/JP2014/059976 JP2014059976W WO2015151275A1 WO 2015151275 A1 WO2015151275 A1 WO 2015151275A1 JP 2014059976 W JP2014059976 W JP 2014059976W WO 2015151275 A1 WO2015151275 A1 WO 2015151275A1
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particle beam
emission
dose
acceleration
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菅原　賢悟
周平 小田原
和浩 西
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三菱電機株式会社
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    • H05H2277/11—Radiotherapy

Definitions

  • This invention relates to a particle beam treatment apparatus for irradiating an affected area of a patient with a particle beam to treat cancer or the like.
  • ⁇ Particle radiotherapy is treatment by irradiating the affected tissue with a particle beam and damaging it, and is one of the broader types of radiotherapy.
  • particle beams such as proton beams and heavy ion beams can adjust the position in the depth direction of dose application by the energy of the particle beam, so that the three-dimensional shape of the affected area It is possible to give a dose according to the condition.
  • An accelerator is used to generate a particle beam of a predetermined energy.
  • the accelerator is composed of a deflecting electromagnet for forming a circular orbit, an acceleration cavity for accelerating the particle beam using a high-frequency electric field, a vacuum duct serving as a passage for the particle beam to pass through, and the like.
  • the magnetic field of the deflecting electromagnet changes according to the operation pattern determined in advance by reflecting the result of the design and beam adjustment as the particle beam accelerates (energy increases).
  • the circulating frequency of the particle beam also changes. Therefore, in order to accelerate stably, it is necessary to control the frequency and amplitude (intensity) of the high-frequency signal applied to the acceleration cavity described above according to the determined operation pattern.
  • These operation patterns need to be changed according to the energy of the emitted particle beam.
  • an extraction electrode and an extraction electromagnet are provided as devices for emitting particle beams that have been accelerated and have reached a predetermined energy from the accelerator.
  • the exit electrode changes the trajectory of the particle beam that has reached a predetermined energy from the circular trajectory to the exit trajectory by the action of an electric field, and the exit electromagnet deflects the particle beam on the exit trajectory and emits it outside the accelerator. Is.
  • These emission electrodes and emission electromagnets need to be changed depending on the energy of the particle beam to be emitted.
  • the particle beam emitted from the accelerator is guided to the particle beam irradiation device for irradiating the patient through the transport system.
  • the transport system is equipped with devices such as a deflection electromagnet for bending the trajectory of the particle beam along the transport system and an electromagnet for controlling the divergence and convergence of the particle beam.
  • the particle beam irradiation apparatus is also equipped with devices such as an electromagnet and a ridge filter. These devices need to be changed in setting according to the energy of the emitted particle beam, like the output electrode and the output electromagnet.
  • the irradiation method of particle beam therapy is broadly divided into a broad irradiation method that irradiates the entire affected area of the patient to be irradiated all at once, and a scanning irradiation method that scans and irradiates the particle beam.
  • the particle beam to be irradiated is a particle beam having a certain energy.
  • the scanning irradiation method a method of irradiating a wide range in the depth direction by changing the energy of the particle beam is employed. The energy of the particle beam is changed by changing the accelerator magnetic field and high-frequency operation pattern. Therefore, in the case of the scanning irradiation method, it is necessary to set the operation pattern of the accelerator corresponding to energy and intensity for each energy and intensity.
  • OPF operation file
  • P to P operation pulse-to-pulse operation
  • Patent Document 1 Patent Document 2, Patent Document 3 and the like as documents that disclose driving patterns and timings.
  • each device When operating with P to P, it is necessary to determine whether or not each device has completed preparation at each determination timing. For example, if it is an electrode voltage, it is necessary to confirm that the electrode voltage has settled and proceed to the next step. If the settling is not completed in time for the determination timing, the process waits until the next determination timing, and settles before proceeding to the next step. However, it is desirable to wait for the next determination timing as much as possible from the viewpoint of shortening the treatment time.
  • dose-controlled irradiation it proceeds to the next step after irradiating a certain dose determined from the treatment plan.
  • dose-driven it is impossible to determine whether or not it is necessary to switch to the next OPF at the timing when the next acceleration is required after accelerating with the synchrotron until the dose-driven expiration signal is received.
  • Output devices such as output electrodes and output electromagnets require a high voltage and a large excitation current, and it takes time from the start of application or change of voltage to the completion of setting. Alternatively, the apparatus and cost increase, for example, a very large power source is required to shorten the time. Further, when the OPF is switched, the time until the setting is completed differs depending on the state before and after the switching. In Patent Documents 1 to 3, there is no description of the OPF switching timing and the like focusing on such devices that require time until setting.
  • the present invention aims at providing a particle beam therapy system capable of securing a large setting time of the emission device and thus shortening the time required for the treatment, focusing on a slow emission device that requires a relatively long time for setting.
  • the particle beam therapy system has a series of operation patterns from acceleration operation to deceleration operation as an operation cycle in which an incident particle beam is accelerated while rotating around a circular orbit to obtain a particle beam of set energy.
  • Accelerators that are operated, and an accelerator including an emission device group that guides and emits a particle beam having a set energy to the emission trajectory when the acceleration device group is in an emission operation, and each device of the acceleration device group and the emission device group
  • a device controller that controls each of the devices, a master clock generator that generates a master clock that gives the start time of operation of the accelerator, a particle beam transport unit that transports particle beams emitted from the accelerator, and an irradiation target
  • a particle beam therapy apparatus comprising: a dose monitor for measuring a dose of a particle beam; and a particle beam irradiation apparatus that irradiates an irradiation target with a particle beam transported by a particle beam transport unit
  • the equipment controller confirms that the acceleration equipment group is ready for operation when the master clock
  • the output ready signal which is a signal indicating that the line has reached the set energy
  • the output device group setting state signal which is a signal indicating that the setting for the set energy of the output device group is completed, is on
  • a command is output so as to perform an extraction operation with respect to the acceleration device group.
  • the OPF switching determination timing of the acceleration device group and the setting completion determination timing of the emission device group are set to different timings, so that a large amount of setting time of the emission device can be secured and the time required for treatment can be shortened A line therapy device is obtained.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a particle beam therapy system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a particle beam which is a set of ions (for example, hydrogen ions (protons) and carbon ions) generated by the ion source of the injector 100, is subjected to preliminary acceleration by the front linear accelerator of the injector 100, and is accelerated to a predetermined kinetic energy.
  • the particle beam subjected to the preliminary acceleration is emitted from the injector 100 and guided to the main accelerator 10 such as a synchrotron while being subjected to deflection, convergence and divergence, and orbit correction by various electromagnets.
  • the main accelerator 10 (hereinafter simply referred to as the accelerator 10) includes various electromagnets such as a deflecting electromagnet 12, an orbit correcting electromagnet, and a converging or diverging quadrupole electromagnet so that the particle beam orbits around the orbit in the accelerator 10.
  • the high frequency acceleration cavity 11 repeatedly receives the acceleration electric field.
  • the particle beam is repeatedly accelerated by the accelerating electric field of the high-frequency accelerating cavity 11 and its kinetic energy increases with acceleration.
  • the magnetic field intensity required for the deflection of the particle beam and the like changes. Therefore, various electromagnets constituting the accelerator 10 and a high-frequency source for applying an accelerating electric field to the high-frequency accelerating cavity 11 are operating parameters depending on time. It is necessary to drive with a change, ie, pattern operation.
  • These devices that are operated in a pattern are referred to as an acceleration device group 1.
  • the accelerator device group 1 When the particle beam in the accelerator 10 reaches the set energy and the particle beam can be extracted, the accelerator device group 1 is operated in the extraction operation pattern, so that the particle beam is emitted from the emission trajectory by the extraction electrode 2a. Led to. The particle beam on the exit track is deflected by the output electromagnet 2b and sent to the particle beam transport unit 20 outside the accelerator.
  • the emission electrode 2a that guides the particle beam to be emitted to the emission trajectory and the emission electromagnet 2b that deflects the emission beam from the emission trajectory toward the particle beam transport unit 20 are referred to as an emission device group 2.
  • these emission device groups 2 are set to set values corresponding to the energy of the particle beam to be emitted, instead of pattern operation.
  • Data such as the operation pattern of the acceleration device group 1 and the setting values of the emission device group 2 are stored in the device setting value memory 7 in correspondence with the energy of the particle beam, for example.
  • the device controller 4 cooperates with the scanning computer 3 to control the operation of the acceleration device group 1 and the setting of the emission device group 2 using data stored in the device setting value memory 7.
  • the particle beam guided to the particle beam transport unit 20 is guided to the particle beam irradiation apparatus 50 in the treatment room by the deflection electromagnet 22 or the like.
  • the particle beam transport unit 20 has a rotating gantry, the rotating gantry is set at a predetermined angle, and the particle beam is transported.
  • Each device such as the deflecting electromagnet 22 of the particle beam transport unit 20 needs to be set in accordance with the set energy so that the particle beam can be transported by the energy of the particle beam, like the emission device group 2.
  • the emission device group 2 includes the devices of the particle beam transport unit 20.
  • the particle beam irradiation apparatus 50 includes a dose monitor 5 that measures the dose of particle beams as a device related to the present invention.
  • the particle beam irradiation apparatus 50 includes a scanner 51. Furthermore, a scatterer, a ridge filter, a multileaf collimator, a bolus, etc. may be provided.
  • the particle beam transported to the particle beam irradiation apparatus 50 is scanned, scattered, dispersed in momentum, collimation, compensation, etc. in the direction perpendicular to the traveling axis of the particle beam by the action of each device provided in the particle beam irradiation apparatus 50.
  • irradiation is performed so as to coincide with the shape of the affected area of the patient 60 fixed to the patient table, and the dose is administered to the patient.
  • the amount of the particle beam administered to the patient is measured by the dose monitor 5, the measured value is processed by the scanning computer 3, and the particle beam irradiation is performed until the administration dose reaches a prescribed dose value.
  • the particle beam irradiation apparatus 50 irradiates the affected part 61 of the patient to be irradiated with the particle beam by a scanner 51 that deflects and scans the particle beam.
  • the scanner 51 is configured to scan the particle beam in two dimensions XY which are two directions perpendicular to the traveling direction Z.
  • the irradiation position in the depth direction is determined by the energy of the particle beam. Therefore, by irradiating a particle beam of a certain energy by scanning with the scanner 51, a dose distribution can be formed at the layered position of the affected part having a depth corresponding to the energy.
  • a portion where a dose distribution is formed in a layered form to be irradiated is referred to as a slice here.
  • slice NO. 2 slice NO. It is shown as 3.
  • the particle beam is Move to the next irradiation position.
  • the same irradiation is performed under the irradiation condition of energy corresponding to the next slice.
  • the above irradiation methods are called spot scanning irradiation methods.
  • the present invention is not limited to a spot scanning irradiation method, but an irradiation method called a scanning scanning irradiation method or a line scanning irradiation method for scanning and irradiating a particle beam without suspending the particle beam, for example, a particle beam in each slice.
  • the present invention can also be applied to an irradiation method called a layered body irradiation method or a layer scanning irradiation method in which irradiation is performed while rotating in the XY two dimensions by an electromagnet.
  • a dose distribution is formed in a slice (sometimes referred to as a layer) that is a layered irradiation portion of an affected area having a depth corresponding to the set energy of the particle beam, and the irradiation dose in the slice becomes the planned dose.
  • the setting energy of the particle beam can be changed to the next setting energy and applied to all irradiation methods for irradiating the next slice.
  • FIG. 3A is a diagram showing an image of an operation pattern of the acceleration device group 1.
  • an operation period of the accelerator 10 there are a large acceleration operation period A in which an acceleration operation is performed to accelerate an incident particle beam, an extraction period B in which the accelerated charged particles reach a set energy and can be extracted, and an extraction period B.
  • the operation from the acceleration operation to the deceleration operation of the accelerator 10 is referred to as an operation cycle.
  • an emission ready signal is output from the scanning computer 3 during the emission ready period B.
  • the emission enable signal is output, when the setting of the emission device group 2 is set so that the particle beam of the set energy can be emitted, by causing the acceleration device group 1 to perform the emission operation according to the emission operation pattern, The particle beam is emitted to the particle beam transport unit 20 by the action of the emission device group 2.
  • the output intensity of the emitted particle beam is shown as an emission spill in FIG.
  • a dose expiration signal is output from the scanning computer 3 and the acceleration operation of the acceleration device group 1 is performed. End. A period of emission is indicated by B1 in FIG.
  • the acceleration device group 1 is made to perform an emission operation according to the emission operation pattern.
  • the set value of the emission device group 2 is set toward the set value corresponding to the next set energy.
  • the devices in the emission device group 2 require time until the setting of the set value is completed, such as an electromagnet power source that excites an electromagnet.
  • FIG. 4 shows a state in which each slice is irradiated in order from 1.
  • the device controller 4 confirms the acceleration device group preparation state signal in FIG.
  • slice NO. An instruction is output so as to operate with an operation pattern corresponding to the set energy of the particle beam for irradiating 1. After reaching the set energy, emission is possible at time t1, and the emission enable signal shown in FIG. 4 (h) is turned ON.
  • the acceleration device group 1 is in the emission operation pattern.
  • the device controller 4 outputs a command to perform the extraction operation according to the above. While the accelerating device group 1 is in the emission operation, the setting of the emission device group 2 is set so that the particle beam having the set energy at this time can be emitted from the emission trajectory to the particle beam transport unit 20, and thus the particle beam is emitted from the emission trajectory. To the particle beam transport unit 20 and is emitted by an emission spill between time t1 and time t2 shown in FIG. 4 (e).
  • the irradiation dose in 1 reaches the expiration, for example, a dose expiration signal is output from the scanning computer 3 to the device controller 4, and the extraction operation of the acceleration device group 1 is terminated.
  • the next slice NO. The setting of the emission device group 2 is started toward the setting corresponding to the energy of the particle beam for irradiating 2.
  • the emission device group setting state signal is turned OFF until time t4 when the setting of the emission device group 2 is completed.
  • the emission device group setting state signal is turned ON.
  • the device controller 4 When the master clock is generated at time t3 before time t4, the device controller 4 confirms the acceleration device group preparation state signal of FIG. 4 (g) indicating the preparation state of the acceleration device group 1, and if ON, the acceleration device For group 1, in the next operation cycle, the next slice NO. An instruction is output so as to operate with an operation pattern corresponding to the set energy of the particle beam for irradiating 2. After reaching the set energy, emission is possible at time t5, and the emission enable signal is turned on. At time t5, the device controller 4 confirms the emission device group setting state signal, and since it is ON, issues a command for the acceleration device group 1 to operate according to the emission operation pattern.
  • the setting of the emission device group 2 is set so that the particle beam having the set energy at this time can be emitted from the emission trajectory to the particle beam transport unit 20, so the particle beam is emitted from the emission trajectory.
  • the particle beam continues to be emitted while the emission is possible, and the slice NO. Even if the area 2 was irradiated, irradiation could not be performed until the dose expired.
  • the accelerator 10 enters the deceleration operation as it is, and ends the operation of the operation cycle. Since the dose was not reached, slice NO. It is necessary to irradiate a particle beam of energy for irradiating 2. Therefore, the setting of the emission device group 2 is not changed. Also, the emission device group setting state signal remains ON.
  • the device controller 4 outputs an instruction to operate with an operation pattern corresponding to the set energy of the particle beam for irradiating 2. Operation of the operation cycle is started by the acceleration device group 1, and after reaching the set energy, extraction is possible at time t8, and the extraction enable signal is turned on. At time t8, the device controller 4 confirms the emission device group setting state signal and, since it is ON, instructs the acceleration device group 1 to perform the emission operation according to the emission operation pattern.
  • the setting of the emission device group 2 is set so that the particle beam having the set energy at this time can be emitted from the emission trajectory to the particle beam transport unit 20, so the particle beam is emitted from the emission trajectory.
  • the irradiation dose in 2 reaches expiration, a dose expiration signal is received, and the extraction operation of the acceleration device group 1 is terminated.
  • the setting of the emission device group 2 is started toward the setting corresponding to the energy of the particle beam for irradiating 3.
  • the emission device group setting state signal is turned OFF until time t11 when the setting of the emission device group 2 is completed.
  • the emission device group setting state signal is turned ON.
  • the device controller 4 When the master clock is generated at time t10, when the acceleration device group preparation state signal is ON, the next slice No.
  • the device controller 4 outputs a command so as to operate with an operation pattern corresponding to the set energy of the particle beam for irradiating 3. After reaching the set energy, emission is possible at time t12, and the emission enable signal is turned ON. At time t12, the device controller 4 confirms the emission device group setting state signal, and since it is ON, issues a command for the acceleration device group 1 to perform the emission operation according to the emission operation pattern.
  • the setting of the emission device group 2 is set so that the particle beam having the set energy at this time can be emitted from the emission trajectory to the particle beam transport unit 20, and thus the particle beam is emitted from the emission trajectory.
  • slice NO. The irradiation dose in 3 reaches the expiration, a dose expiration signal is received, and the extraction operation of the acceleration device group 1 is terminated.
  • the setting of the emission device group 2 is started toward the setting corresponding to the energy of the particle beam for irradiating 4.
  • the emission device group setting state signal is turned OFF until the time when the setting of the emission device group 2 is completed.
  • the irradiation of the entire region of the affected area can be completed.
  • the master clock is generated, for example, at time t3, the preparation of the acceleration device group 1 is not completed and the acceleration device group preparation state signal is OFF, the acceleration device group 1 until the next master clock generation time t7. Will stop driving.
  • the extraction device group 2 is not completely set when the extraction enable signal is turned ON and the emission device group setting state signal is OFF, the extraction operation of the acceleration device group 1 is performed. Absent. Therefore, in that case, the particle beam is not emitted from the accelerator 10.
  • the start of operation toward the set energy of the acceleration device group 1 is completed when the acceleration device group 1 is prepared at the time of generation of the master clock. It is determined whether or not the particle beam is emitted from the accelerator depending on whether or not the setting of the emission device group 2 is completed when the emission is enabled. I made it. If this determination is all made when the master clock is generated, if the setting of the emission device group 2 is not completed when the master clock is generated, it is not emitted even if it is completed when the emission is possible. Batch and waste time occur.
  • FIG. 5 shows an operation in which dead time occurs as a comparative example.
  • Slice NO. 1 is terminated at time t2 by the dose expiration signal, the emission device group 2 is connected to the next slice NO.
  • the setting is started to the set value corresponding to the set energy of the particle beam No. 2.
  • the master clock is generated at time t3 before the setting is completed, the preparation state of the acceleration device group 1 and the setting state of the emission device group 2 are determined at this point. Since the setting of the emission device group 2 has not been completed, the acceleration enable signal is turned OFF, and the accelerator 10 does not perform an acceleration operation or performs an acceleration operation until time t7 which is the next master clock generation time. In the operation cycle, emission is not performed.
  • the operation parameters of each device are stored in the device setting value memory 7 for each slice, for example.
  • An example of data stored in the device setting value memory 7 is shown in FIG.
  • the stored data includes, for each slice, energy, operation parameters for pattern operation of each device in the acceleration device group 1, set values for each device in the emission device group 2, doses at each irradiation position in the slice, and the like.
  • Slice NO. 1 is, for example, the lowermost slice in FIG.
  • the operation parameters for irradiating 1 are illustrated in the uppermost part of FIG. Slice NO.
  • the energy of the particle beam irradiating 1 is 233 MeV
  • the operation parameters of the devices A 1 , A 2 , A 3 ... Of the acceleration device group 1 for accelerating the particle beam of this energy with an accelerator are A 1 1, A 2 1, A 3 1...
  • the set values of the devices B 1 , B 2 , B 3 ... In the emission device group for emitting and transporting the particle beam of this energy are B 1 1, B 2 1, Shown as B 3 1.
  • the operation parameters of each device of the acceleration device group 1 are pattern data corresponding to the operation pattern from the acceleration operation to the deceleration operation of the accelerator.
  • the set value data of each device in the output device group 2 includes the voltage set value of the output electrode 2a, the excitation current value of the output electromagnet 2b, the excitation current value of the deflection electromagnet 22 of the particle beam transport unit 20, and the like. ing.
  • FIG. 7 is a block diagram mainly including a signal flow between the scanning computer 3 and the device controller 4
  • FIG. 8 is a block diagram showing a memory included in the device controller 4.
  • the device controller 4 includes two operation memories, that is, an acceleration device group first operation memory 41 and an acceleration device group second operation memory 42 as an operation memory of the acceleration device group 1, and an emission device group.
  • an emission device group set value standby memory 43 is provided as a set value memory.
  • One of the acceleration device group first operation memory 41 and the acceleration device group second operation memory 42 stores the operation parameters of the acceleration device group 1 of the current operation cycle, that is, the current operation memory, and the other is the acceleration of the next operation cycle.
  • the operation parameters of the device group 1 are stored, that is, operated so as to become the next operation memory.
  • the acceleration device group preparation state signal indicating the preparation state of the acceleration device group and the emission device group setting state signal indicating the setting completion state of the emission device group may be generated by the device controller 4 itself, and the scanning computer 3 It may occur. These signals may be generated at any portion as long as the device controller 4 can confirm the signals.
  • the acceleration device group first operation memory 41 and the acceleration device group second operation memory 42 have slice NO. A 1 , A 2 1, A 3 1, etc., which are 1 operation parameters, are stored.
  • the emission device group 2 is set to B 1 1, B 2 1, B 3 1... As an initial setting of each device.
  • the emission device group set value standby memory 43 stores the next slice number.
  • Each set value B 1 2, B 2 2, B 3 2... Corresponding to 2 is stored.
  • a master clock is output from the master clock generator 6 and a master clock interrupt is generated.
  • the operation of the acceleration device group 1 is started with the operation parameters stored in the acceleration device group first operation memory 41. That is, at this time, the acceleration device group first operation memory 41 is the current operation memory, and the acceleration device group second operation memory 42 is the next operation memory.
  • the scanning computer 3 outputs an extraction enable signal ON.
  • the device controller 4 confirms the emission device group setting state signal. Since this signal is ON, the acceleration device group 1 is made to perform an emission operation according to the emission operation pattern.
  • the particle beam having the set energy is transported from the particle beam transport unit 20 to the particle beam irradiation device 50 by the operation of the extraction operation and the output device group 2, and the slice NO. 1 layer portion is irradiated. Slice NO.
  • a dose expiration signal is output from the scanning computer 3 and an interruption due to the dose expiration signal occurs.
  • the device controller 4 issues a command so that the acceleration device group 1 stops the extraction operation. At the same time, the device controller 4 sends the set value stored in the output device group set value standby memory 43 to the output device group 2, and sets the slice No. of the output device group 2. The setting corresponding to 2 is started. Further, the slice NO. The setting value data of the three emission device groups 2 is acquired, and the data of the emission device group setting value standby memory 43 is updated. At the same time, the emission device group setting state signal is set to OFF. At time t4 when the setting of the emission device group 2 is completed, the emission device group setting state signal is set to ON.
  • the operation parameter of energy corresponding to 2 is stored.
  • the device controller 4 checks whether or not the acceleration device group preparation state signal is ON, and since it is ON, the acceleration device group second operation memory 42, that is, the next time. Slice No. stored in the operation memory.
  • the operation of the acceleration device group 1 is started with the operation parameter of 2.
  • the acceleration device group first operation memory 41 has the same slice No. stored in the acceleration device group second operation memory 42. 2 operation parameters are stored.
  • the acceleration device group second operation memory 42 becomes the current operation memory, and the acceleration device group first operation memory 41 becomes the next operation memory.
  • the particle beam is emitted from the time t5 to t6 when the emission ready signal is ON, and the slice NO.
  • the area 2 was irradiated, but because the planned dose did not expire, no interruption due to the dose expiration signal occurred. For this reason, an operation cycle is complete
  • the device controller 4 confirms the acceleration device group preparation state signal at time t7 and is ON, so that the slice number stored in the acceleration device group first operation memory 41, that is, the next operation memory, is determined.
  • the operation of the acceleration device group 1 is started with the operation parameter of 2.
  • the acceleration device group first operation memory 41 that was the next operation memory becomes the current operation memory
  • the acceleration device group second operation memory 42 that was the current operation memory so far becomes the next operation memory. It becomes.
  • the data in the acceleration device group second operation memory 42 that has become the next operation memory is matched with the data in the acceleration device group first operation memory 41 that has become the current operation memory.
  • the data stored in the acceleration device group second operation memory 42 is the slice NO. Therefore, the same operation pattern data as that stored in the acceleration device group first operation memory 41 is stored without being changed.
  • the extraction ready signal is set to ON.
  • the device controller 4 confirms the extraction device group setting state signal. Since the emission device group setting state signal is ON, the device controller 4 performs the emission operation of the acceleration device group 1 according to the emission operation pattern.
  • the particle beam of the set energy is emitted by the action of the emission device group 2, and the slice NO.
  • the two layer portions are irradiated. Slice NO.
  • the device controller 4 instructs the acceleration device group 1 to stop the extraction operation at time t9 when the interruption due to the dose expiration signal occurs.
  • the device controller 4 sends the set value stored in the output device group set value standby memory 43 to the output device group 2, and sets the slice No. of the output device group 2.
  • the setting corresponding to 3 is started.
  • the emission device group setting state signal is set to OFF.
  • the emission device group setting state signal is set to ON.
  • the next slice NO the operation parameters of the acceleration device group 1 of 4 are stored.
  • the preparation completion is notified to the scanning computer 3.
  • the next slice number is stored in the next operation memory.
  • the operation parameter of energy corresponding to 4 is stored.
  • the dose distribution planned in the treatment plan can be given to the affected part 61.
  • the operation memory that was the next operation memory of the acceleration device group is changed to the current operation memory and stored in this operation memory.
  • the pattern operation of the accelerating device group is started based on the operation pattern data.
  • the data in the operation memory that becomes the next operation memory is made the same as the data in the operation memory that becomes the current operation memory. That is, if the acceleration device group first operation memory 41 is the current operation memory and the acceleration device group second operation memory 42 is the next operation memory before the master clock interrupt is generated, the acceleration device group is generated after the master clock interrupt is generated.
  • the second operation memory is the current operation memory and the acceleration device group first operation memory 41 is the next operation memory, and the acceleration device group 1 is operated according to the operation pattern data stored in the current operation memory. At this time, the stored data of the acceleration device group first operation memory 41 as the next operation memory is made the same as the storage data of the acceleration device group second operation memory 42 as the current operation memory.
  • the emission device group 2 does not change the setting when the master clock interrupt occurs.
  • the extraction ready signal is set to ON, and at this point, the device controller 4 confirms the emission device group setting state signal.
  • the emission device group setting state signal is ON, the acceleration energy group 1 is operated according to the emission operation pattern, so that the particle beam of the set energy is transferred from the particle beam transport unit 20 to the particle beam irradiation device by the action of the emission device group 2. 50, and the layer portion of the slice of the affected part of the patient corresponding to the set energy is irradiated.
  • a dose expiration signal is output from the scanning computer 3. If the planned dose for the slice is not reached during this operation cycle, the operation cycle ends and the next master clock is awaited.
  • the acceleration device group 1 is not operated in the extraction operation pattern, and the pattern operation is continued until the deceleration operation, and the operation cycle is completed. To do.
  • the device controller 4 issues a command so that the acceleration device group 1 stops the extraction operation.
  • the device controller 4 sends the setting value stored in the emission device group set value standby memory 43 to the emission device group 2 and emits the particle beam having the set energy corresponding to the slice to be irradiated next.
  • the setting of the emission device group 2 is started. Further, the setting value data of the emission device group 2 of the slice to be irradiated next is acquired from the device setting value memory 7, and the data of the emission device group setting value standby memory 43 is updated.
  • the emission device group setting state signal is set to OFF.
  • the emission device group setting state signal is set to ON at the time when the setting of the emission device group 2 is completed.
  • the operation pattern data of the acceleration device group of the next slice is acquired from the device setting value memory 7 and the acceleration device group first operation memory or the acceleration device group second operation memory Store in the operation memory set in the next operation memory.
  • the acceleration device group 1 continues the pattern operation with the operation parameters of the current operation memory.
  • the setting of each device of the emission device group is started, and the accelerator sets the energy of the particle beam for irradiation of the next slice. It suffices if the setting is completed before the time is reached, and it is possible to ensure a long setting time for the devices in the emission device group that requires time for setting.
  • the device controller 4 can acquire the operation pattern data of the acceleration device group 1 and the set value data of the emission device group 2 corresponding to the set energy at a predetermined time point. Any configuration can be used.
  • FIG. FIG. 9 is a time chart showing the operation of the particle beam therapy system according to the second embodiment of the present invention.
  • the extraction enable signal is set to ON.
  • the device controller 4 outputs Referring to the device group setting state signal, when this signal is ON, the acceleration device group 1 is operated according to the emission operation pattern, and the particle beam of the set energy is emitted by the action of the emission device group 2.
  • the setting of the emission device group is completed while the emission enable signal is on even if the setting of the emission device group is not completed when the emission enable signal is turned on. Then, the particle beam is emitted.
  • the device controller 4 When the master clock is generated at time t10, when the acceleration device group preparation state signal is ON, the next slice No.
  • the device controller 4 outputs a command so as to operate with an operation pattern corresponding to the set energy of the particle beam for irradiating 3. After reaching the set energy, emission is possible at time t11, and the emission enable signal is turned on. However, since the emission device group setting state signal is OFF at time t11, the particle beam cannot be emitted from the accelerator. Therefore, it waits for the emission device group setting state signal to be turned ON, and when it is turned ON, it issues a command to the acceleration device group 1 to operate in the extraction operation pattern, and the acceleration device group 1 performs the emission operation. The emission operation is performed according to the pattern.
  • the setting of the emission device group 2 is set so that the particle beam having the set energy at this time can be emitted from the emission trajectory to the particle beam transport unit 20. 20 is emitted by an emission spill between time t12 and time t13 in FIG.
  • the irradiation dose in 3 reaches the expiration, a dose expiration signal is received, and the extraction operation pattern of the acceleration device group 1 is terminated.
  • the setting of the emission device group 2 is started toward the setting corresponding to the energy of the particle beam for irradiating 4.
  • the emission device group setting state signal is turned OFF until the time when the setting of the emission device group 2 is completed.
  • the setting of the emission device group 2 is completed while the emission enable signal is ON.
  • the particle beam may be emitted from the accelerator while the emission enable signal is ON.
  • the set time of each device in the emission device group can be secured longer than in the first embodiment.

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Abstract

　粒子線を加速して出射する加速器の、加速機器群と出射機器群を制御する機器制御器が、マスタークロックを受信した時点で加速機器群の運転準備が完了していることを確認して、加速機器群に対し、粒子線の設定エネルギーに対応した加速機器群の運転パターンで運転するように指令を出力し、粒子線が設定エネルギーに達したことを示す信号である出射可信号がオンになり、出射機器群の設定エネルギーに対する設定の完了を示す信号である出射機器群設定状態信号がオンのときに、加速機器群に対し出射運転パターンで運転するように指令を出力するようにした。

Description

粒子線治療装置
　この発明は、粒子線を患者の患部に照射して、がんなどを治療するための粒子線治療装置に関する。
　粒子線治療は、患部組織に粒子線を照射してダメージを与えることで治療を行うものであり、広義の放射線治療のひとつである。陽子線や重イオン線等の粒子線は、γ線、Ｘ線といった他の放射線と異なり、粒子線のエネルギーによって線量付与の深さ方向の位置を調整することができ、患部の三次元形状に応じた線量付与が可能となる。所定のエネルギーの粒子線を発生させるために加速器が用いられる。
　加速器は、周回軌道を形成するための偏向電磁石、高周波電界を使って粒子線を加速する加速空洞、および粒子線が通過するための通路となる真空ダクトなどから構成される。偏向電磁石の磁場は粒子線の加速（エネルギー増大）に伴い、予め設計およびビーム調整の結果を反映して定められた運転パターンに従って変化する。同時に粒子線の周回周波数も変化するため、安定に加速するためには上述した加速空洞に印加される高周波信号も定められた運転パターンによって周波数や振幅（強度）を制御する必要がある。これらの運転パターンは、出射する粒子線のエネルギーに対応して変更する必要がある。また、加速され所定のエネルギーに達した粒子線を加速器から出射させるための機器として、出射用電極および出射用電磁石が備えられている。出射用電極は、所定のエネルギーに達した粒子線を電界の作用により周回軌道から出射軌道に軌道変化させるもので、出射用電磁石は出射軌道の粒子線を偏向させて加速器外部に出射させるためのものである。これら出射用電極や出射用電磁石は、出射させる粒子線のエネルギーに応じて、その設定を変更する必要がある。
　加速器から出射された粒子線は、輸送系を通って、患者に照射するための粒子線照射装置まで導かれる。輸送系には、粒子線の軌道を輸送系に沿って曲げるための偏向電磁石や、粒子線の発散や収束を制御するための電磁石などの機器が備えられている。また、粒子線照射装置にも電磁石やリッジフィルタといった機器が備えられている。これらの機器も出射用電極や出射用電磁石と同じく、出射される粒子線のエネルギーに応じて、その設定を変更する必要がある。
　一方、粒子線治療の照射方式には、大きく分けて、照射対象である患者の患部全体に対して粒子線を一斉に照射するブロード照射法と、粒子線を走査して照射するスキャニング照射法とがある。ブロード照射法の場合は、照射する粒子線は一定のエネルギーを有する粒子線である。これに対し、スキャニング照射法の場合は、粒子線のエネルギーを変化させて深さ方向の広い範囲を照射する方法がとられる。粒子線のエネルギーを変えるのは、加速器の磁場および高周波の運転パターンを変えることにより行われる。したがって、スキャニング照射法の場合、エネルギーおよび強度毎に、エネルギーと強度に対応した加速器の運転パターンを設定する必要がある。
　加速器の各機器の運転パラメータをまとめたファイルをオペレーションファイル(これ以降ＯＰＦ)と呼ぶ。加速器はＯＰＦを読み込むとその運転パターンを繰り返し行う。スキャニング照射法では、毎パルス(スピル毎に)、ＯＰＦを切替ながら運転を行う。これをパルストゥパルス運転（Ｐ　to　Ｐ運転と表記する）と呼ぶ。
　Ｐ　to　Ｐ運転について、運転のパターンやタイミングなどを開示する文献として、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３などがある。
特開２００１－１７６７００号公報 特開２００１－４３９９９号公報 特開平８－２９８２００号公報
　Ｐ　to　Ｐで運転を行う場合には、各判定タイミングにおいて、各機器が準備を完了したかどうかを判定する必要がある。例えば，電極の電圧であれば電極の電圧が静定したことを確認して次のステップに進む必要がある。仮に静定がその判定タイミングまでに間に合わない場合には、次の判定タイミングまで待機して、静定してから次のステップに進む。しかし、次の判定タイミングまで待機することは、治療時間短縮化の観点から極力短くすることが望まれる。
　一方、線量制御照射（ドーズドリブン）と呼ばれる線量を管理しながら照射線量を管理する方式では、治療計画から決まるある一定線量を照射したあとに次のステップに進む。ドーズドリブンの場合には、シンクロトロンで加速したのち、次の加速が必要になるタイミングで次のＯＰＦに切り替える必要があるかどうかは、そのドーズドリブンの満了信号が来るまで判定ができない。
　出射用電極や出射用電磁石などの出射機器は高い電圧や大きな励磁電流を必要とし、電圧などの印加、変更を開始してから設定が完了するまでに時間を要する。あるいは、時間を短くするためには非常に大きな電源が必要となるなど、装置およびコストが増大する。また、ＯＰＦを切り替えた場合、切替える前後の状態によって設定が完了するまでの時間が異なる。特許文献１～３には、このような、設定まで時間を要する機器に着目したＯＰＦの切り替えタイミングなどは記載が無い。
　本発明は、設定まで比較的時間を要する遅い出射機器に着目し、出射機器の設定時間を多く確保でき、ひいては治療に要する時間を短くできる粒子線治療装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る粒子線治療装置は、入射された粒子線を周回軌道に沿って周回させながら加速して設定エネルギーの粒子線を得る運転サイクルとして、加速運転から減速運転までの一連の運転パターンで運転する加速機器群と、加速機器群が出射運転しているときに設定エネルギーの粒子線を出射軌道に導き出射させる出射機器群とを備えた加速器と、加速機器群の各機器および出射機器群の各機器を制御する機器制御器と、加速器の運転開始時点を与えるマスタークロックを発生するマスタークロック発生器と、加速器から出射された粒子線を輸送する粒子線輸送部と、照射対象に照射する粒子線の線量を測定する線量モニタを備え、粒子線輸送部により輸送された粒子線を照射対象に照射する粒子線照射装置と、を備えた粒子線治療装置において、機器制御器は、マスタークロックを受信した時点で加速機器群の運転準備が完了していることを確認して、設定エネルギーに対応した運転パターンで運転するように指令を出力し、粒子線が設定エネルギーに達したことを示す信号である出射可信号がオンになり、出射機器群の設定エネルギーに対する設定が完了していることを示す信号である出射機器群設定状態信号がオンのときに、加速機器群に対し出射運転するように指令を出力するようにしたものである。
　この発明によれば、加速機器群のＯＰＦの切り替え判定タイミングと、出射機器群の設定完了判定タイミングを異なるタイミングとしたので、出射機器の設定時間を多く確保でき、治療に要する時間を短くできる粒子線治療装置が得られる。
本発明による粒子線治療装置の概略構成を示すブロック図である。 スキャニング照射法を説明する模式図である。 加速機器群および出射機器群の動作を説明するためのタイムチャートである。 本発明の実施の形態１による粒子線治療装置の動作を示すタイムチャートである。 比較例による粒子線治療装置の動作を示すタイムチャートである。 本発明の粒子線治療装置の機器設定値メモリのデータの一例を示す図である。 本発明による粒子線治療装置の信号およびデータの流れを示すブロック図である。 本発明による粒子線治療装置の機器制御器のメモリの構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２による粒子線治療装置の動作を示すタイムチャートである。
実施の形態１．
　図１は本発明の実施の形態１による粒子線治療装置を示すブロック図である。入射器１００のイオン源で発生したイオン（例えば水素イオン（陽子）、炭素イオン）の集合である粒子線は、入射器１００の前段直線加速器によって予備加速を受け、所定の運動エネルギーにまで加速される。予備加速を受けた粒子線は入射器１００から出射され、各種の電磁石によって偏向、収束と発散、軌道補正を受けながらシンクロトロンなどの主加速器１０へと導かれる。主加速器１０（以降、単に加速器１０と称する）は粒子線が加速器１０内で周回軌道を周回するように偏向電磁石１２、軌道補正用電磁石、収束または発散用四極電磁石などの各種の電磁石を備えており、高周波加速空洞１１が形成する加速電界を繰り返し受ける。粒子線は高周波加速空洞１１の加速電界によって繰り返し加速され、その運動エネルギーが加速と共に高くなる。運動エネルギーが高くなるにつれ、粒子線の偏向などに必要な磁場強度が変化するため、加速器１０を構成する各種の電磁石や高周波加速空洞１１に加速電界を与えるための高周波源などは時間によって運転パラメータを変化させて運転、すなわちパターン運転させる必要がある。これらパターン運転させる機器を加速機器群１と称することにする。
　加速器１０中の粒子線が設定エネルギーにまで到達し、粒子線の取り出しが可能となったタイミングで、加速機器群１を出射運転パターンで運転することにより、出射用電極２ａによって粒子線は出射軌道へと導かれる。出射軌道の粒子線は出射用電磁石２ｂで偏向され、加速器外の粒子線輸送部２０へと送り出される。ここで、出射させる粒子線を出射軌道に導く出射用電極２ａおよび出射軌道から粒子線輸送部２０に向けて偏向させる出射用電磁石２ｂを出射機器群２と称することにする。これらの出射機器群２は、加速機器群１の各機器とは異なり、パターン運転するのではなく、出射させる粒子線のエネルギーに対応した設定値に設定される。加速機器群１の運転パターンや出射機器群２の設定値などのデータは、例えば粒子線のエネルギーに対応させて機器設定値メモリ７に格納されている。機器制御器４が、スキャニング計算機３と協働し、機器設定値メモリ７に格納されているデータを用いて加速機器群１の運転や出射機器群２の設定などを制御する。
　粒子線輸送部２０に導かれた粒子線は、偏向電磁石２２などにより治療室の粒子線照射装置５０へ誘導される。粒子線輸送部２０が回転ガントリーを有する場合、回転ガントリーが所定の角度に設定され、粒子線が輸送される。粒子線輸送部２０の偏向電磁石２２などの各機器は、粒子線のエネルギーによって粒子線が輸送できるように、出射機器群２と同様、設定エネルギーに対応した設定にする必要がある。粒子線輸送部２０の各機器も含めて出射機器群２とする。粒子線照射装置５０は、本願発明に関連する機器として粒子線の線量を計測する線量モニタ５を備えている。粒子線照射装置５０は、スキャニング照射法の場合、走査器５１を備えている。さらに、散乱体、リッジフィルタ、多葉コリメータ、ボーラスなどを備えることもある。粒子線照射装置５０に輸送された粒子線は、粒子線照射装置５０に備えられた各機器の作用による粒子線の進行軸に垂直な方向への走査、散乱、運動量の分散、コリメーション、補償などのプロセスを経て、患者台に固定された患者６０の患部形状と一致する様に照射され、患者への線量投与に至る。患者へ投与される粒子線の量は線量モニタ５によって測定、測定値をスキャニング計算機３で処理し、投与線量が規定の線量値に到達するまで粒子線照射が行われる。
　ここで、スキャニング照射法の動作を図２により簡単に説明する。図２において、粒子線照射装置５０に備えられて、粒子線を偏向して走査する走査器５１により粒子線を照射対象である患者の患部６１に照射する。走査器５１は粒子線を進行方向Ｚに垂直な２方向であるＸＹの２次元に走査できるように構成されている。深さ方向の照射位置は、粒子線のエネルギーによって決まる。よって、あるエネルギーの粒子線を走査器５１により走査して照射することにより、そのエネルギーに対応した深さの患部の層状の位置に線量分布を形成することができる。照射対象の層状に線量分布が形成される部分を、ここではスライスと称する。図２においてスライスのイメージをスライスＮＯ．１、スライスＮＯ．２、スライスＮＯ．３として示している。各スライスにおいて、走査器５１により粒子線を移動と停留を繰り返しながら、各停留ごとに、線量モニタ５で計測される線量が、治療計画で決定したその照射位置における線量に達したら、粒子線を次の照射位置に移動させる。当該スライスの全ての照射位置に計画された線量を照射した後、次のスライスに対応したエネルギーの照射条件で同様の照射を行う。全てのスライスを照射することにより、患部６１に治療計画で計画した線量分布を与えることができる。
　以上の照射法は、スポットスキャニング照射法などと呼ばれている。本発明は、スポットスキャニング照射法のみならず、粒子線を停留させずに走査して照射するラスタースキャニング照射法あるいはラインスキャニング照射法と呼ばれている照射法や、例えば各スライスにおいて粒子線をワブラー電磁石によりＸＹ２次元を回転移動させながら照射する積層原体照射法あるいはレイヤースキャニング照射法と呼ばれている照射法などにも適用できる。すなわち、本発明は、粒子線の設定エネルギーに対応した深さの患部の層状の照射部分であるスライス（レイヤーと呼ばれる場合もある）に線量分布を形成し、当該スライスにおける照射線量が計画線量に達したら、粒子線の設定エネルギーを次の設定エネルギーに変えて、次のスライスを照射する照射方法全般に適用できる。
　次に、加速機器群１および出射機器群２の動作を、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、加速機器群１の運転パターンのイメージを示す線図である。加速器１０の動作の期間として、大きく、入射された粒子線を加速する加速運転をする加速運転期間Ａ、加速された荷電粒子が設定エネルギーに達し出射可能な出射可期間Ｂ、出射可期間Ｂが終了し加速器中の粒子線を減速させる減速運転をする減速運転期間Ｃがある。加速器１０の加速運転から減速運転までの運転を運転サイクルと呼ぶことにする。出射可期間Ｂには図３（ｂ）に示すように、例えばスキャニング計算機３から出射可信号が出力される。出射可信号が出力されている間に、出射機器群２の設定が当該設定エネルギーの粒子線を出射できる設定になっているとき、加速機器群１を、出射運転パターンに従って出射運転させることで、出射機器群２の作用により粒子線が粒子線輸送部２０に出射される。この出射される粒子線の出力強度を図３（ｃ）の出射スピルとして示している。出射中に、当該設定エネルギーに対応するスライスの全ての照射位置において、線量モニタ５によって測定された線量が満了した場合、例えばスキャニング計算機３から線量満了信号を出力し、加速機器群１の出射運転を終了させる。出射させる期間を図３（ｃ）においてＢ１で示しており、この間、加速機器群１を出射運転パターンに従って出射運転させることになる。出射が終了すると、図３（ｄ）に示すように、出射機器群２の設定値を、次の設定エネルギーに対応した設定値に向けて設定する。出射機器群２の機器は、例えば電磁石を励磁する電磁石電源のように、設定値に設定が完了するまでに時間を要する。
　スキャニング照射法など、スライスを順次照射する照射法においては、図３で示した加速器の運転サイクルの設定エネルギーを、各スライスにおける照射線量が満了するごとに順次変更して運転する。図２に示すスライスＮＯ．１から順番に各スライスを照射する様子を図４に示す。まず時刻ｔ０でマスタークロックが発生すると、機器制御器４は、加速機器群１の準備状態を示す図４（ｇ）の加速機器群準備状態信号を確認してＯＮの場合、加速機器群１に対して、スライスＮＯ．１を照射するための粒子線の設定エネルギーに対応した運転パターンで運転するよう指示を出力する。設定エネルギーに到達後、時刻ｔ１で出射可能となり、図４（ｈ）で示す出射可信号がＯＮとなる。時刻ｔ１で、出射機器群の設定が完了している場合ＯＮに設定される信号である出射機器群設定状態信号（図４（ｄ））がＯＮであれば、加速機器群１が出射運転パターンに従って出射運転するよう機器制御器４が指令を出力する。加速機器群１が出射運転する間、出射機器群２の設定は、このときの設定エネルギーの粒子線を出射軌道から粒子線輸送部２０へ出射できる設定となっているため、粒子線は出射軌道から粒子線輸送部２０へ出射され、図４（ｅ）に示す時刻ｔ１～ｔ２の間のような出射スピルで出射される。
　時刻ｔ２でスライスＮＯ．１における照射線量が満了に達し、例えばスキャニング計算機３から機器制御器４に線量満了信号が出力され、加速機器群１の出射運転を終了する。これとともに、次のスライスＮＯ．２を照射するための粒子線のエネルギーに対応した設定に向けて、出射機器群２の設定を開始する。出射機器群２の設定を開始すると、出射機器群設定状態信号は出射機器群２の設定が完了する時刻ｔ４までＯＦＦとなる。出射機器群２の設定が完了した時刻ｔ４に出射機器群設定状態信号はＯＮとなる。
　時刻ｔ４より前の時刻ｔ３にマスタークロックが発生すると、機器制御器４は加速機器群１の準備状態を示す図４（ｇ）の加速機器群準備状態信号を確認し、ＯＮの場合、加速機器群１に対して、次の運転サイクルにおいて、次のスライスＮＯ．２を照射するための粒子線の設定エネルギーに対応した運転パターンで運転するように指示を出力する。設定エネルギーに到達後、時刻ｔ５で出射可能となり出射可信号がＯＮとなる。時刻ｔ５で、機器制御器４は出射機器群設定状態信号を確認し、ＯＮであるので、加速機器群１が出射運転パターンに従って運転するよう指令を出す。加速機器群１が出射運転する間、出射機器群２の設定は、このときの設定エネルギーの粒子線を出射軌道から粒子線輸送部２０へ出射できる設定となっているため、粒子線は出射軌道から粒子線輸送部２０へ、図４（ｅ）に示す時刻ｔ５～ｔ６の間のような出射スピルで出射される。ここでは、出射可の間、粒子線を出射し続け、スライスＮＯ．２の領域を照射しても、線量満了まで照射できなかった。加速器１０はそのまま減速運転に入り、その運転サイクルの運転を終了する。線量満了まで達しなかったため、さらにスライスＮＯ．２を照射するためのエネルギーの粒子線を照射する必要がある。よって、出射機器群２の設定は変更しない。また、出射機器群設定状態信号もＯＮのままである。
　次に時刻ｔ７でマスタークロックが発生すると、加速機器群準備状態信号がＯＮの場合、加速機器群１に対して、次の運転サイクルにおいて、引き続きスライスＮＯ．２を照射するための粒子線の設定エネルギーに対応した運転パターンで運転するように機器制御器４が指示を出力する。加速機器群１によってその運転サイクルの運転が開始され、設定エネルギーに到達後、時刻ｔ８で出射可能となり出射可信号がＯＮとなる。時刻ｔ８で、機器制御器４は出射機器群設定状態信号を確認し、ＯＮであるので、加速機器群１が出射運転パターンに従って出射運転するよう指令する。加速機器群１が出射運転する間、出射機器群２の設定は、このときの設定エネルギーの粒子線を出射軌道から粒子線輸送部２０へ出射できる設定となっているため、粒子線は出射軌道から粒子線輸送部２０へ、図４（ｅ）に示す時刻ｔ８～ｔ９の間のような出射スピルで出射される。時刻ｔ９でスライスＮＯ．２における照射線量が満了に達し、線量満了信号が受信され、加速機器群１の出射運転を終了する。これとともに、次のスライスＮＯ．３を照射するための粒子線のエネルギーに対応した設定に向けて、出射機器群２の設定を開始する。出射機器群２の設定を開始すると、出射機器群設定状態信号は出射機器群２の設定が完了する時刻ｔ１１までＯＦＦとなる。時刻ｔ１１に出射機器群設定状態信号はＯＮとなる。
　時刻ｔ１０にマスタークロックが発生すると、加速機器群準備状態信号がＯＮの場合、加速機器群１に対して、次のスライスＮＯ．３を照射するための粒子線の設定エネルギーに対応した運転パターンで運転するように機器制御器４が指令を出力する。設定エネルギーに到達後、時刻ｔ１２で出射可能となり出射可信号がＯＮとなる。時刻ｔ１２で、機器制御器４は出射機器群設定状態信号を確認し、ＯＮであるので、加速機器群１が出射運転パターンに従って出射運転するよう指令を出す。加速機器群１が出射運転する間、出射機器群２の設定は、このときの設定エネルギーの粒子線を出射軌道から粒子線輸送部２０へ出射できる設定となっているため、粒子線は出射軌道から粒子線輸送部２０へ、図４（ｅ）の時刻ｔ１２～ｔ１３の間のような出射スピルで出射される。時刻ｔ１３でスライスＮＯ．３における照射線量が満了に達し、線量満了信号が受信され、加速機器群１の出射運転を終了する。これとともに、次のスライスＮＯ．４を照射するための粒子線のエネルギーに対応した設定に向けて、出射機器群２の設定を開始する。出射機器群２の設定を開始すると、出射機器群設定状態信号は出射機器群２の設定が完了する時刻までＯＦＦとなる。
　以上のような運転を繰り返して、全てのスライスに対応した粒子線の各設定エネルギーでの照射を、各スライスの照射線量満了まで行うことで、患部の全領域の照射を完了できる。なお、マスタークロックが発生した時点、例えば時刻ｔ３において、加速機器群１の準備が完了せず、加速機器群準備状態信号がＯＦＦの場合、次のマスタークロック発生時点であるｔ７まで加速機器群１の運転は止まることになる。また、出射可信号がＯＮになった時点で、出射機器群２の設定が完了しておらず、出射機器群設定状態信号がＯＦＦの状態である時は、加速機器群１の出射運転は行わない。従ってその場合は加速器１０から粒子線は出射させないことになる。
　以上のように、本発明の実施の形態１による粒子線治療装置の加速器においては、加速機器群１の設定エネルギーに向けての運転開始は、マスタークロック発生時点で加速機器群１の準備が完了しているかどうかで判断し、出射可になった時点で、出射機器群２の設定が完了しているかどうかで、粒子線を加速器から出射させるかどうかを判断するという、２段階で判断するようにした。この判断を、全てマスタークロック発生時点で行うと、出射機器群２の設定が、マスタークロック発生時点で完了していなければ、出射可時点で完了していても出射させないことになり、運転サイクル１回分、無駄時間が発生する。
　図５に、比較例として無駄時間が発生する動作を示す。スライスＮＯ．１の照射が線量満了信号により時刻ｔ２で終了した後、出射機器群２を、次のスライスＮＯ．２の粒子線の設定エネルギーに対応した設定値に設定開始する。設定が完了する前の時刻ｔ３にマスタークロックが発生すると、この時点で、加速機器群１の準備状態と出射機器群２の設定状態を判定する。出射機器群２の設定が完了していないため、加速可信号がＯＦＦとなり、次のマスタークロック発生時点である時刻ｔ７まで、加速器１０は加速運転を行わない、あるいは加速動作を行っても、この運転サイクルでは出射を行わないことになる。このように、加速機器群１の準備状態および出射機器群２の設定状態をマスタークロック発生時点のみで判定すると、この時点で出射機器群２の設定が完了していない場合、運転サイクル１回分、無駄時間が発生する。これに対して、図４で説明した本発明の実施の形態１による粒子線治療装置では、無駄時間の発生が低減される。ひいては、治療時間が短縮されることになる。
　以上の本発明による粒子線治療装置の運転を行うための動作、特に機器制御器４の動作の例を中心により具体的に説明する。各機器の運転パラメータなどが、例えばスライス毎に機器設定値メモリ７に格納されている。機器設定値メモリ７に格納されているデータの例を図６に示す。格納されるデータとしては、スライス毎に、エネルギー、加速機器群１の各機器のパターン運転の運転パラメータ、出射機器群２の各機器の設定値、そのスライスにおける各照射位置の線量などである。スライスＮＯ．１は、例えば図２の最下層のスライスであり、このスライスＮＯ．１を照射するための運転パラメータなどが、図５の最上段に例示されている。スライスＮＯ．１を照射する粒子線のエネルギーが２３３ＭｅＶであり、このエネルギーの粒子線を加速器で加速するための加速機器群１の各機器Ａ１、Ａ２、Ａ３……の運転パラメータをＡ１１、Ａ２１、Ａ３１……、このエネルギーの粒子線を出射、輸送するための出射機器群の各機器Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３……の設定値をＢ１１、Ｂ２１、Ｂ３１……として示している。加速機器群１の各機器の運転パラメータは、加速器の加速運転から減速運転までの運転パターンに応じたパターンのデータとなっている。また出射機器群２の各機器の設定値のデータとしては、出射用電極２ａの電圧設定値、出射用電磁石２ｂの励磁電流値、粒子線輸送部２０の偏向電磁石２２の励磁電流値などになっている。
　次に、機器制御器４が加速機器群１および出射機器群２にどのようにして指示するかを説明する。図７は、主にスキャニング計算機３および機器制御器４の間の信号の流れを含むブロック図であり、図８は機器制御器４が備えるメモリを示すブロック図である。図８に示すように、機器制御器４は、加速機器群１の運転メモリとして、加速機器群第一運転メモリ４１と加速機器群第二運転メモリ４２の二つの運転メモリ、および出射機器群の設定値メモリとして、出射機器群設定値スタンバイメモリ４３を備えている。加速機器群第一運転メモリ４１と加速機器群第二運転メモリ４２は、一方が現在の運転サイクルの加速機器群１の運転パラメータを格納、すなわち現在運転メモリとなり、他方が次の運転サイクルの加速機器群１の運転パラメータを格納、すなわち次運転メモリとなるように動作させる。なお、加速機器群の準備状態を示す加速機器群準備状態信号および出射機器群の設定完了状態を示す出射機器群設定状態信号は、機器制御器４自身が発生しても良く、スキャニング計算機３が発生しても良い。これらの信号は、機器制御器４が確認できるようになっていればどの部分で発生するようにしても良い。
　以下図４に示したのと同じ動作で、スライスＮＯ．１から照射を始める場合を具体的に説明する。初期値として、加速機器群第一運転メモリ４１および加速機器群第二運転メモリ４２にはスライスＮＯ．１の運転パラメータであるＡ１１、Ａ２１、Ａ３１……を格納しておく。一方、出射機器群２は各機器の初期設定としてＢ１１、Ｂ２１、Ｂ３１……に設定されている。また出射機器群設定値スタンバイメモリ４３には、次のスライスＮＯ．２に対応した各設定値Ｂ１２、Ｂ２２、Ｂ３２……を格納しておく。マスタークロック発生器６からマスタークロックが出力され、マスタークロック割り込みが発生する。マスタークロック割り込みが発生した時刻ｔ０で、加速機器群第一運転メモリ４１に格納されている運転パラメータで加速機器群１の運転を開始する。すなわち、この時点では、加速機器群第一運転メモリ４１が現在運転メモリとなり、加速機器群第二運転メモリ４２が次運転メモリとなっている。
　加速器内の粒子線のエネルギーが設定エネルギーに達し、出射準備ができた時刻ｔ１でスキャニング計算機３から出射可信号ＯＮが出力され、この時点で、機器制御器４が出射機器群設定状態信号を確認し、この信号がＯＮとなっているため、加速機器群１を出射運転パターンに従って出射運転させる。この出射運転と出射機器群２の作用により設定エネルギーの粒子線が粒子線輸送部２０から粒子線照射装置５０に輸送され患者の患部のスライスＮＯ．１の層部分に照射される。スライスＮＯ．１の照射線量が満了するとスキャニング計算機３から線量満了信号が出力されて線量満了信号による割り込みが発生する。線量満了信号による割り込みが発生した時刻ｔ２において、加速機器群１が出射運転動作を止めるよう機器制御器４が指令を出す。機器制御器４は、これと同時に、出射機器群設定値スタンバイメモリ４３に格納されている設定値を出射機器群２に送り、出射機器群２のスライスＮＯ．２に対応した設定を開始する。また、機器設定値メモリ７からその次に照射するスライスＮＯ．３の出射機器群２の設定値データを取得して、出射機器群設定値スタンバイメモリ４３のデータを更新する。さらにこれと同時に出射機器群設定状態信号をＯＦＦに設定する。出射機器群２の設定が完了した時刻ｔ４に出射機器群設定状態信号はＯＮに設定する。また、線量満了信号による割り込みが発生した時刻ｔ３において、加速機器群第二運転メモリ４２に次のスライスＮＯ．２の運転パラメータであるＡ１２、Ａ２２、Ａ３２……を格納する。この時点で、次運転メモリには次のスライスＮＯ．２に対応したエネルギーの運転パラメータが格納されていることになる。
　次にマスタークロック割り込みが発生した時刻ｔ３で、機器制御器４は、加速機器群準備状態信号がＯＮであるかどうかを確認し、ＯＮであるので、加速機器群第二運転メモリ４２、すなわち次運転メモリに格納されているスライスＮＯ．２の運転パラメータで加速機器群１の運転を開始させる。同時に、加速機器群第一運転メモリ４１には、加速機器群第二運転メモリ４２に格納されているのと同じスライスＮＯ．２の運転パラメータを格納する。この時点で、加速機器群第二運転メモリ４２が現在運転メモリとなり、加速機器群第一運転メモリ４１が次運転メモリとなる。
　この運転サイクルにおいては、出射可信号がＯＮの時刻ｔ５からｔ６の間粒子線を出射させ、患部のスライスＮＯ．２の領域に照射をしたが、計画された線量まで満了しなかったため線量満了信号による割り込みが発生しなかった。このため、出射機器群２の設定値は変更させずに運転サイクルを終了する。すなわち、加速器の運転が減速運転まで終了して、時刻ｔ７で次のマスタークロック割り込みが発生する。機器制御器４は、この時刻ｔ７で、加速機器群準備状態信号を確認し、ＯＮであるので、加速機器群第一運転メモリ４１、すなわち次運転メモリに格納されているスライスＮＯ．２の運転パラメータで加速機器群１の運転を開始させる。マスタークロック割り込みが発生した時刻ｔ７で次運転メモリであった加速機器群第一運転メモリ４１が現在運転メモリとなり、これまでの現在運転メモリであった加速機器群第二運転メモリ４２が次運転メモリとなる。次運転メモリとなった加速機器群第二運転メモリ４２のデータを、現在運転メモリとなった加速機器群第一運転メモリ４１のデータに合わせる。この場合は、加速機器群第二運転メモリ４２に格納されているデータはスライスＮＯ．２のデータであるため、変化させなくても加速機器群第一運転メモリ４１に格納されているのと同じ運転パターンデータが格納されていることになる。
　加速器内の粒子線のエネルギーが設定エネルギーに達し、出射準備ができた時刻ｔ８で出射可信号がＯＮに設定され、この時点で、機器制御器４が出射機器群設定状態信号を確認する。機器制御器４は、出射機器群設定状態信号がＯＮとなっているため、加速機器群１を出射運転パターンに従って出射運転さる。出射機器群２の作用により設定エネルギーの粒子線が出射され、引き続き患者の患部のスライスＮＯ．２の層部分に照射される。スライスＮＯ．２の照射線量が満了するとスキャニング計算機３から線量満了信号が出力されて線量満了信号による割り込みが発生する。機器制御器４は、線量満了信号による割り込みが発生した時刻ｔ９において、加速機器群１が出射運転動作を止めるよう指示する。機器制御器４は、これと同時に、出射機器群設定値スタンバイメモリ４３に格納されている設定値を出射機器群２に送り、出射機器群２のスライスＮＯ．３に対応した設定を開始する。さらにこれと同時に出射機器群設定状態信号をＯＦＦに設定する。出射機器群２の設定が完了した時刻ｔ４に出射機器群設定状態信号はＯＮに設定する。また、線量満了信号による割り込みが発生した時刻ｔ９において、加速機器群第二運転メモリ４２に次のスライスＮＯ．４の加速機器群１の運転パラメータを格納する。加速機器群第二運転メモリ４２へのデータの格納が完了した時点で、準備完了をスキャニング計算機３に連絡する。この時点で、次運転メモリには次のスライスＮＯ．４に対応したエネルギーの運転パラメータが格納されていることになる。
　以上のような運転を順次実行し、全てのスライスを照射することにより、患部６１に治療計画で計画した線量分布を与えることができる。
　以上の機器制御器４のシーケンスをまとめると、マスタークロック割り込みが発生した時点で、それまで加速機器群の次運転メモリであった運転メモリを現在運転メモリに役割を交代させ、この運転メモリに格納されている運転パターンデータにより加速機器群のパターン運転を開始させる。それとともに、次運転メモリとなった運転メモリのデータを現在運転メモリとなった運転メモリのデータと同じにする。すなわち、マスタークロック割り込みが発生する前、加速機器群第一運転メモリ４１が現在運転メモリ、加速機器群第二運転メモリ４２が次運転メモリであった場合は、マスタークロック割り込み発生後は加速機器群第二運転メモリが現在運転メモリ、加速機器群第一運転メモリ４１が次運転メモリとなり、現在運転メモリに格納されている運転パターンデータに従って加速機器群１を運転する。この時点で次運転メモリである加速機器群第一運転メモリ４１の格納データは現在運転メモリである加速機器群第二運転メモリ４２の格納データと同じにする。出射機器群２は、マスタークロック割り込みが発生した時点では設定変更しない。
　次に、加速器内の粒子線のエネルギーが設定エネルギーに達し、出射準備ができた時点で出射可信号がＯＮに設定され、この時点で、機器制御器４が出射機器群設定状態信号を確認する。出射機器群設定状態信号がＯＮとなっているとき、加速機器群１を出射運転パターンに従って運転させることにより出射機器群２の作用によって設定エネルギーの粒子線が粒子線輸送部２０から粒子線照射装置５０に輸送され、設定エネルギーに対応した患者の患部のスライスの層部分に照射される。照射中に照射線量が当該スライスの計画線量に達したら、スキャニング計算機３から線量満了信号が出力される。もし、この運転サイクル中に当該スライスの計画線量に達しなかったら、その運転サイクルは終了し、次のマスタークロックの発生を待つ。
　もし出射可信号がＯＮに設定された時点で出射機器群設定状態信号がＯＦＦの場合は、加速機器群１を出射運転パターン運転させず、減速運転までパターン運転を継続し、その運転サイクルを終了する。
　線量満了信号による割り込みが発生した場合、加速機器群１が出射運転動作を止めるよう機器制御器４が指令を出す。機器制御器４は、これと同時に、出射機器群設定値スタンバイメモリ４３に格納されている設定値を出射機器群２に送り、次に照射するスライスに対応した設定エネルギーの粒子線を出射するための出射機器群２の設定を開始する。また、機器設定値メモリ７からその次に照射するスライスの出射機器群２の設定値データを取得して、出射機器群設定値スタンバイメモリ４３のデータを更新する。さらにこれと同時に出射機器群設定状態信号をＯＦＦに設定する。出射機器群設定状態信号は、出射機器群２の設定が完了した時刻にＯＮに設定する。線量満了信号による割り込みが発生した場合、また、機器設定値メモリ７から次のスライスの加速機器群の運転パターンデータを取得して加速機器群第一運転メモリまたは加速機器群第二運転メモリのうち次運転メモリに設定されている運転メモリに格納する。この時点では、加速器の当該運転サイクルの運転は終了していないため、加速機器群１は現在運転メモリの運転パラメータでパターン運転を継続することになる。
　以上のように動作させることで、前のスライスの照射が線量満了信号により完了した後出射機器群の各機器の設定を開始し、加速器が次のスライスの照射のための粒子線の設定エネルギーに達するまでの間に設定が完了すれば良く、設定に時間を要する出射機器群の機器の設定時間を長く確保できる。
　なお、以上のメモリの構成などは一例であり、機器制御器４が、設定エネルギーに対応した加速機器群１の運転パターンのデータおよび出射機器群２の設定値データを所定の時点で取得できる構成であれば、どのような構成でも良い。
実施の形態２．　
　図９は、本発明の実施の形態２による粒子線治療装置の動作を示すタイムチャートである。実施の形態１による粒子線治療装置では、加速器内の粒子線のエネルギーが設定エネルギーに達し、出射準備ができた時点で出射可信号がＯＮに設定され、この時点で、機器制御器４が出射機器群設定状態信号を参照し、この信号がＯＮとなっているとき、加速機器群１を出射運転パターンに従って運転させ、出射機器群２の作用により設定エネルギーの粒子線を出射させるようにした。本実施の形態２による粒子線治療装置では、出射可信号がオンになった時点では出射機器群の設定が完了していなくても、出射可信号がオンの間に出射機器群の設定が完了すると、粒子線を出射させるようにする。
　図９の時刻ｔ９までは、図４と同じ動作であるので説明を省略する。時刻ｔ９でスライスＮＯ．２における照射線量が満了に達し、線量満了信号が受信され、加速機器群１の出射運転を終了する。これとともに、次のスライスＮＯ．３を照射するための粒子線のエネルギーに対応した設定に向けて、出射機器群２の設定を開始する。出射機器群２の設定を開始すると、出射機器群設定状態信号は出射機器群２の設定が完了する時刻ｔ１２までＯＦＦとなり、時刻ｔ１２でＯＮとなる。
　時刻ｔ１０にマスタークロックが発生すると、加速機器群準備状態信号がＯＮの場合、加速機器群１に対して、次のスライスＮＯ．３を照射するための粒子線の設定エネルギーに対応した運転パターンで運転するように機器制御器４が指令を出力する。設定エネルギーに到達後、時刻ｔ１１で出射可能となり出射可信号がＯＮとなる。しかし、時刻ｔ１１の時点では出射機器群設定状態信号がＯＦＦであるので、加速器から粒子線を出射させることができない。このため、出射機器群設定状態信号がＯＮになるのを待って、ＯＮになった時点で、加速機器群１に対し出射運転パターンで運転するように指令を出し、加速機器群１が出射運転パターンに従って出射運転する。出射運転の間、出射機器群２の設定は、このときの設定エネルギーの粒子線を出射軌道から粒子線輸送部２０へ出射できる設定となっているため、粒子線は出射軌道から粒子線輸送部２０へ、図９（ｅ）の時刻ｔ１２～ｔ１３の間のような出射スピルで出射される。時刻ｔ１３でスライスＮＯ．３における照射線量が満了に達し、線量満了信号が受信され、加速機器群１の出射運転パターンを終了する。これとともに、次のスライスＮＯ．４を照射するための粒子線のエネルギーに対応した設定に向けて、出射機器群２の設定を開始する。出射機器群２の設定を開始すると、出射機器群設定状態信号は出射機器群２の設定が完了する時刻までＯＦＦとなる。
　以上のように、出射可信号がＯＮになった時点では出射機器群２の設定が完了していなくても、出射可信号がＯＮの間に出射機器群２の設定が完了した場合、それ以後、出射可信号がＯＮの間、粒子線を加速器から出射させるようにしてもよい。
　本実施の形態２による粒子線治療装置の動作によれば、出射機器群の各機器の設定時間が実施の形態１よりもさらに長く確保できることになる。
１　加速機器群、２　出射機器群、３　スキャニング計算機、
４　機器制御器、５　線量モニタ、６　マスタークロック発生器、
７　機器設定値メモリ、１０　加速器、２０　粒子線輸送部、
５０　粒子線照射装置、５１　走査器、６１　照射対象（患者の患部）

Claims (2)

  1. 　入射された粒子線を周回軌道に沿って周回させながら加速して設定エネルギーの粒子線を得る運転サイクルとして、加速運転から減速運転までの一連の運転パターンで運転する加速機器群と、前記加速機器群が出射運転しているときに前記設定エネルギーの粒子線を出射軌道に導き出射させる出射機器群とを備えた加速器と、
    前記加速機器群の各機器および前記出射機器群の各機器を制御する機器制御器と、
    前記加速器の運転開始時点を与えるマスタークロックを発生するマスタークロック発生器と、
    前記加速器から出射された前記粒子線を輸送する粒子線輸送部と、
    照射対象に照射する粒子線の線量を測定する線量モニタを備え、前記粒子線輸送部により輸送された前記粒子線を前記照射対象に照射する粒子線照射装置と、
    を備えた粒子線治療装置において、
    前記機器制御器は、前記マスタークロックを受信した時点で前記加速機器群の運転準備が完了していることを確認して、前記設定エネルギーに対応した前記運転パターンで運転するように指令を出力し、前記粒子線が設定エネルギーに達したことを示す信号である出射可信号がオンになり、前記出射機器群の前記設定エネルギーに対する設定が完了していることを示す信号である出射機器群設定状態信号がオンのときに、前記加速機器群に対し前記出射運転するように指令を出力することを特徴とする粒子線治療装置。
  2. 　前記粒子線照射装置により前記粒子線を前記照射対象に照射することにより前記粒子線のエネルギーに対応した前記照射対象の深さ位置の層状の照射部分であるスライスに線量分布を形成し、前記線量モニタにより測定された、一つの前記スライスに対する照射線量が計画された線量に達した時点で前記機器制御器に対して線量満了信号を出力するスキャニング計算機を備え、
    前記機器制御器は、前記線量満了信号を受信した時点で、前記加速機器群に対して前記出射運転を止める指令を出力するとともに、前記出射機器群に対して、次に照射するスライスに線量分布を形成するエネルギーを前記設定エネルギーとして前記粒子線を出射させるための設定値に設定する指令を出力し、前記線量満了信号を受信した後にマスタークロックを受信した時点で、前記加速機器群の前記運転パターンを、次に照射するスライスに線量分布を形成するエネルギーを前記設定エネルギーとした前記粒子線を得る運転パターンに設定して前記加速機器群を運転することにより、前記粒子線の前記設定エネルギーを順次変更して、順次前記照射対象の異なる深さに前記スライスを形成することを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療装置。
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