WO2016104040A1 - 粒子線照射装置および粒子線照射装置の制御方法 - Google Patents

粒子線照射装置および粒子線照射装置の制御方法 Download PDF

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WO2016104040A1
WO2016104040A1 PCT/JP2015/083307 JP2015083307W WO2016104040A1 WO 2016104040 A1 WO2016104040 A1 WO 2016104040A1 JP 2015083307 W JP2015083307 W JP 2015083307W WO 2016104040 A1 WO2016104040 A1 WO 2016104040A1
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WO
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particle beam
irradiation
irradiation apparatus
accelerator
charged particle
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PCT/JP2015/083307
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English (en)
French (fr)
Inventor
亮介 品川
松田　浩二
田所　昌宏
博行 関川
Original Assignee
株式会社日立製作所
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K5/00—Irradiation devices
    • G21K5/04—Irradiation devices with beam-forming means
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/04—Synchrotrons

Definitions

  • the present invention relates to a particle beam irradiation apparatus and a method for controlling the particle beam irradiation apparatus.
  • Patent Document 1 includes a charged particle beam accelerator, and this charged particle beam accelerator.
  • the charged particle beam irradiation system in which the charged particle beam emitted from the irradiation object is transported to the installation position of the irradiated object, and the transported charged particle beam is irradiated to a specific irradiation site of the irradiated object, at least 1
  • An invention in which the emission beam intensity of the charged particle beam emitted from the charged particle beam accelerator is changed in two or more stages within one irradiation corresponding to the irradiation of the planned dose set in advance for the irradiation site of Are listed.
  • the particle beam irradiation apparatus used for this treatment includes a charged particle beam generation apparatus, a beam transport system, and an irradiation apparatus.
  • a scatterer method in which a beam is expanded by a scatterer and then cut out in accordance with the shape of the affected area, or a scanning method in which a fine beam is scanned in the affected area is known.
  • the charged particle beam accelerated by the accelerator of the charged particle beam generation apparatus reaches the irradiation apparatus through the beam transport system, and is scanned by the scanning electromagnet provided in the irradiation apparatus. Thereafter, the affected area of the patient is irradiated from the irradiation device.
  • This scanning method includes a spot scanning method and a raster scanning method.
  • the spot scanning method divides the irradiation plane of the affected area into dose management areas called spots, stops scanning for each spot, irradiates the beam until it reaches the set irradiation dose, stops the beam, and then performs the next irradiation Move to the spot position.
  • the spot scanning method is an irradiation method in which the irradiation start position is updated for each spot.
  • the raster scanning method In the raster scanning method, a dose management area is set in the same manner as the spot scanning method, but the beam is irradiated while scanning the scanning path without stopping the beam scanning for each spot. Therefore, the uniformity of the irradiation dose is improved by lowering the irradiation dose per time and performing repaint irradiation that repeatedly irradiates a plurality of times.
  • the raster scanning method is an irradiation method in which the irradiation start position is updated for each scanning path.
  • the irradiation dose error for each spot is required to be 1% or less, and the particle beam irradiation apparatus is constructed on the premise of this. Naturally, even in a particle beam irradiation apparatus using a raster scanning method or a scatterer method, it is required to reduce an irradiation dose error as much as possible.
  • the beam blocking time considering the entire system is finite.
  • the time to stop the charged particle beam may be about 1 ms, which is longer than the time for irradiating the spot. In this case, there is a problem that the beam stop is long, which affects the dose count to the next layer.
  • an emitted beam of a charged particle beam emitted from a charged particle beam accelerator within one irradiation corresponding to irradiation of a predetermined planned dose for at least one irradiation site is required.
  • the present invention has been made to solve such problems, and provides a particle beam irradiation apparatus and a method for controlling the particle beam irradiation apparatus that can reduce an irradiation dose error by simple means.
  • the purpose is to provide.
  • the present invention includes a plurality of means for solving the above problems.
  • an accelerator for accelerating and emitting a charged particle beam and a charged particle beam emitted from the accelerator are irradiated to an irradiation target.
  • the irradiation dose error can be reduced by simple means.
  • the particle beam irradiation apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
  • a heavy particle beam irradiation system such as carbon ions will be described as an example of the particle beam irradiation device.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a heavy particle beam irradiation system which is a particle beam irradiation apparatus of the present embodiment
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a scanning irradiation apparatus constituting the particle beam irradiation apparatus of the present embodiment.
  • a heavy particle beam irradiation system performs treatment by irradiating an affected area 31 of a patient 30 fixed to a treatment bed in a treatment room with a charged particle beam (heavy particle beam).
  • a beam transport system 4 connected to the downstream side of the charged particle beam generator 1
  • a scanning irradiation device 15 connected to the transport system 4 to irradiate the affected part 31 of the patient 30, and these charged particles
  • a control system 90 is provided for controlling the beam generator, the beam transport system, and the scanning irradiation device 15 based on the treatment plan.
  • the charged particle beam generator 1 includes an ion source (not shown), a pre-stage charged particle beam generator (linac) 11 and a synchrotron (accelerator) 12.
  • the synchrotron 12 has a high-frequency application device 9 and an acceleration device 10.
  • the high-frequency applying device 9 is configured by connecting a high-frequency applying electrode 93 and a high-frequency power source 91 arranged on the orbit of the synchrotron 12 by an open / close switch 92.
  • the acceleration device (charged particle beam energy changing device) 10 includes a high-frequency accelerating cavity (not shown) arranged in its orbit and a high-frequency power source (not shown) for applying high-frequency power to the high-frequency accelerating cavity. .
  • the heavy particle ions generated in the ion source are accelerated by the pre-stage charged particle beam generator 11 (for example, a linear charged particle beam generator).
  • the pre-stage charged particle beam generator 11 for example, a linear charged particle beam generator.
  • the ion beam (heavy particle ion beam) emitted from the pre-stage charged particle beam generator 11 is incident on the synchrotron 12.
  • the ion beam which is a charged particle beam, is accelerated by the synchrotron 12 by being given energy by a high frequency power applied to the ion beam from a high frequency power source through a high frequency acceleration cavity.
  • a high frequency for emission from the high frequency power supply 91 is applied to the high frequency via the closed open / close switch 92. It reaches the electrode 93 and is applied to the ion beam from the high-frequency applying electrode 93.
  • the ion beam orbiting within the stability limit moves outside the stability limit by the application of this high frequency, and is emitted from the synchrotron 12 through the extraction deflector 8.
  • the current guided to the quadrupole electromagnet 13 and the deflection electromagnet 14 provided in the synchrotron 12 is held at the current set value, and the stability limit is also kept almost constant.
  • the ion beam emission from the synchrotron 12 is stopped by opening the open / close switch 92 and stopping the application of the high frequency power to the high frequency application electrode 93.
  • the ion beam emitted from the synchrotron 12 is transported downstream from the beam transport system 4.
  • the beam transport system 4 includes a quadrupole electromagnet 21, a quadrupole electromagnet 22, a quadrupole electromagnet 21, a quadrupole electromagnet 22, a quadrupole electromagnet 21, a quadrupole electromagnet 22, and a quadrupole electromagnet 22, A deflection electromagnet 23 and a deflection electromagnet 24 are provided.
  • the ion beam introduced into the beam transport system 4 is transported to the scanning irradiation device 15 through the beam path 62.
  • a rotating gantry (not shown) is installed inside the treatment room, and the scanning irradiation device 15 is installed on a substantially cylindrical rotating drum (not shown) of the rotating gantry together with a part of the beam transport system. Yes.
  • the rotating drum can be rotated by a motor (not shown), and a treatment gauge (not shown) is formed in the rotating drum.
  • an incident position monitor (FIG. 1) detects the incident position of the beam from the upstream side in the beam traveling direction (the lower direction in FIGS. 1 and 2 and the Z direction in FIG. 2).
  • Scanning electromagnets 5A and 5B for scanning the beam a beam position monitor 6A for detecting the beam scanning position, a dose monitor 6B for detecting the irradiation dose at the beam scanning position, and the like are installed.
  • the scanning electromagnets 5A and 5B are for deflecting the beam in directions orthogonal to each other (X direction, Y direction) on a plane perpendicular to the beam axis, for example, and moving the irradiation position in the X direction and the Y direction.
  • these scanning electromagnets 5A and 5B are connected to scanning electromagnet power supplies 7A and 7B, and power supply control for controlling the current supplied from the scanning electromagnet power supplies 7A and 7B to the scanning electromagnets 5A and 5B.
  • a device 42 is provided.
  • the power supply control device 42 controls the supply current to the scanning electromagnets 5A and 5B according to the control signal from the scanning controller 41, and controls the excitation magnetic fields of the scanning electromagnets 5A and 5B, respectively.
  • the charged particle beams are deflected by the excitation magnetic fields of the scanning electromagnets 5A and 5B controlled in this way.
  • the beam position monitor 6A detects whether or not the beam scanning position by the scanning electromagnets 5A and 5B is at the control position (set value), and the detection signal is output to the scanning position measuring device 11A to determine the beam scanning position.
  • the calculation data is output to the scanning controller 41.
  • the dose monitor 6B detects the irradiation dose of the beam scanned by the beam position monitor 6A, the detection signal is output to the dose measuring device 11B, the dose value is calculated, and the calculated data is sent to the scanning controller 41. It is output.
  • the scanning controller 41 compares the calculation data input from the dose monitor 6B with the set dose value in the treatment plan information stored in the memory, and outputs the high frequency signal for extraction so that the difference becomes zero. 91, so-called feedback control is performed.
  • the treatment bed 29 is moved by a bed driving device (not shown) and inserted into the treatment gauge before irradiating the ion beam from the scanning irradiation device 15, and is also attached to the scanning irradiation device 15. Positioning for irradiation is performed.
  • the rotating drum is rotated by controlling the rotation of the motor by a gantry controller (not shown), so that the beam axis of the scanning irradiation device 15 faces the affected part 31 of the patient 30.
  • the ion beam introduced into the scanning irradiation device 15 from the inverted U-shaped beam transport device via the beam path 62 is sequentially scanned at the irradiation position by the scanning electromagnets (charged particle beam scanning devices) 5A and 5B.
  • the affected part (for example, cancer or tumor occurrence site) 31 is irradiated.
  • the irradiated ion beam releases its energy at the affected area 31 to form a high dose region.
  • the control system 90 includes a database 110 that stores treatment plan data created by the treatment plan device 140, and an accelerator / transport system controller 40 (hereinafter referred to as an accelerator controller 40) that controls the charged electron particle beam generator 1 and the beam transport system 4. ), A scanning controller 41 that controls the scanning irradiation device 15, and a central controller 100 that controls the accelerator controller 40 and the scanning controller 41 based on the treatment plan data read from the database 110.
  • an accelerator controller 40 an accelerator / transport system controller 40
  • a scanning controller 41 that controls the scanning irradiation device
  • a central controller 100 that controls the accelerator controller 40 and the scanning controller 41 based on the treatment plan data read from the database 110.
  • the treatment plan information (patient information) for each patient stored in the database is not particularly shown, but data such as patient ID number, dose (per dose), irradiation energy, irradiation direction, irradiation position, etc. Contains.
  • the central control device 100 reads the above treatment plan information related to the patient 30 to be treated from the database 110 in accordance with patient identification information input from an input device such as a keyboard or a mouse.
  • the control pattern for supplying excitation power to each electromagnet already described is determined based on the irradiation energy value in the patient-specific treatment plan information.
  • a power supply control table is stored in advance in the memory in the central controller 100, and charging including the synchrotron 12 is performed according to various values (70, 80, 90,... [Mev], etc.) of irradiation energy.
  • a supply excitation power value or a pattern for the quadrupole electromagnet 13 and the deflection electromagnet 14 in the particle beam generator 1, the quadrupole electromagnet 18 in the beam transport system 4, the deflection electromagnet 17, the quadrupole electromagnets 21 and 22, and the deflection electromagnets 23 and 24 are set in advance. ing.
  • the CPU in the central controller 100 uses the treatment plan information and the power supply control table, and the charged particle beam generator 1 related to the patient who is about to receive treatment and the electromagnets arranged in each beam path.
  • Control command data (control command information) for controlling the control is created.
  • the control command data created in this way is output to the scanning controller 41 and the accelerator controller 40.
  • the central control device 100 based on the treatment plan information created by the treatment plan device 140, the central control device 100, the scanning controller 41, and the accelerator controller 40 perform control in cooperation with each other. These controls will be described.
  • the target is an ion beam irradiation target region including the affected part 31 and is somewhat larger than the affected part 31.
  • FIG. 3 shows an example of the relationship between the depth inside the body and the dose due to the ion beam.
  • the charged particle beam imparts extremely large energy to the surroundings when it loses energy and stops, so it has a dose peak at its depth of arrival. This dose peak is called the Bragg peak.
  • the target is irradiated with an ion beam at the position of the Bragg peak.
  • the position of the Bragg peak changes depending on the energy of the ion beam. Therefore, the target is divided into a plurality of layers (slices) in the depth direction (the direction in which the ion beam travels in the body), and the ion beam energy is changed in accordance with the depth (each layer), thereby increasing the thickness in the depth direction. It is possible to irradiate the ion beam uniformly over the entire target (target region) having Based on such a viewpoint, the treatment planning apparatus 140 determines the number of layers that divide the target region in the depth direction.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the layers determined as described above.
  • the affected part 31 is divided into four layers of layers 1, 2, 3, 4 from the lowermost layer toward the body surface of the patient 30.
  • Each layer is an example having a spread of 20 cm in the X direction and 10 cm in the Y direction.
  • the dose distribution in FIG. 3 is a dose distribution in the depth direction in the section AA ′ in FIG.
  • the treatment planning apparatus 140 determines the number of spots (irradiation positions) to be divided in the direction perpendicular to the depth direction within each layer (target cross section).
  • one spot may be divided and irradiated several times, and even if the variation in irradiation dose for each spot is within a certain range, the dose distribution is almost uniform throughout the target.
  • the number of irradiations and the irradiation amount per target are determined.
  • the central control device 100 reads out the treatment plan information planned as described above and stored in the database 110 and stores it in the memory. Based on the treatment plan information stored in the memory, the CPU of the central control device 100 provides information related to ion beam irradiation (number of layers, number of irradiation positions (number of spots), irradiation position in each layer, and irradiation position in each irradiation position.
  • Target irradiation amount set irradiation amount
  • beam intensity at that time beam size (size adjustment (whether scatterers are present)
  • information such as current values of scanning electromagnets 5A and 5B regarding all spots of each layer
  • FIG. 1 A part of the treatment plan information to be transmitted is shown in FIG.
  • Information on the X-direction position (X position) and Y-direction position (Y position) of the irradiation position (spot) for each irradiation position in the layer, the target irradiation amount (set dose) at each irradiation position, and a layer change flag Information is included and spot numbers are assigned in the order of irradiation.
  • irradiation is performed in order from the deepest layer from the body surface.
  • the target dose (set dose) at each irradiation position is an integrated dose (integrated dose) starting from the first irradiation start on the affected area 31, and the central controller 100 determines the target dose for each irradiation position.
  • Information on the target dose to be transmitted to the scanning controller 41 is generated by sequentially integrating the set individual doses.
  • the scanning controller 41 stores these treatment plan information in a memory.
  • FIG. 5 shows an example of the case where the divided irradiation is not performed.
  • the X-direction position (X position) and the Y-direction position (Y position) of the irradiation position (spot) are further increased by the number of the divided irradiation.
  • target irradiation dose (set dose) at each irradiation position are necessary, and the treatment plan information in FIG. 5 includes such information.
  • the CPU of the central control device 100 transmits all the acceleration parameters of the synchrotron 12 related to all layers in the treatment plan information to the accelerator controller 40. These acceleration parameter data transmitted here are classified in advance into a plurality of acceleration patterns.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the positional relationship between an irradiation target and an important organ on a slice having CT data.
  • the affected part 31 is adjacent to an important organ 32 such as a spine. Since the important organ 32 is a region where the irradiation dose should be suppressed as much as possible, it is required to sufficiently irradiate the affected part 31 located on both sides of the important organ 32 while reducing the exposure of the important organ 32. In such a case, it is necessary to move to a remote spot after the irradiation of the spot adjacent to the important organ 32 is completed.
  • the position of the important organ is also stored in the memory.
  • FIG. 7 is a time chart for controlling the feedback current target value of the charged particle beam according to this embodiment.
  • the scanning controller 41 monitors the calculation data of the irradiation dose of the beam input from the dose monitor 6B, and reaches several MU units before a predetermined timing to reach the control point stored as the treatment plan information.
  • the frequency reaches the feedback target value for outputting the high-frequency signal for extraction to the high-frequency power supply 91, the difference from the calculation data input from the dose monitor 6B becomes zero. Feedback control is performed.
  • the number MU for starting the beam intensity reduction control is determined from the intensity of the charged particle beam current and the time required to stop the beam.
  • the central controller 90 can pre-calculate and set the number of spots before the expiration of the dose of the control point that is set before the feedback target value is lowered.
  • the determination timing that the number of MUs has been reached may be any of the timing of starting irradiation of the spot before the number MU, during irradiation, and at the end of irradiation, and can be arbitrarily set.
  • FIG. 8 shows an example of a control flow for executing each control.
  • the central control device 100 when an irradiation start instructing device (not shown) in the treatment room is operated, the central control device 100 accordingly sets the operation i representing the layer number and the operator j representing the spot number to 1 in step 201. , And output them to the accelerator controller 40.
  • step 203 these setting parameters are output to the synchrotron 12 and the beam transport system 4, and the power supply is controlled so that each electromagnet power supply is excited with a set predetermined current.
  • a high frequency power source that applies high frequency power to the high frequency acceleration cavity is controlled to increase the high frequency power and frequency to a predetermined value.
  • the accelerator controller 40 proceeds to step 204 and scans via the central controller 100.
  • An output preparation command is output to the controller 41.
  • the scanning controller 41 determines in step 205 the current value data stored in the memory (data shown in the columns “X position” and “Y position” in FIG. 5) and the target irradiation amount.
  • the scanning controller 41 controls the corresponding power supply so that the scanning electromagnets 5A and 5B are excited with the current value of the j-th spot.
  • the scanning controller 41 outputs a beam extraction start signal to the accelerator controller 40 (third control device) via the central control device 100 in step 206. To do.
  • the accelerator controller 40 controls the high-frequency applying device 9 to emit an ion beam from the synchrotron 12 in step 207. That is, the open / close switch 92 is closed by the beam extraction start signal from the accelerator controller 40 and a high frequency is applied to the ion beam from the high frequency application electrode 93, so that the ion beam is emitted from the synchrotron 12.
  • the scanning electromagnets 5A and 5B are excited so that the ion beam reaches the position of the j-th spot, the ion beam is irradiated to the j-th spot of the corresponding layer from the scanning irradiation device 15 in step 208A. Is done.
  • the j-th spot (irradiation position) is detected by the beam position monitor 6A, and the beam scanning position is calculated by the scanning position measuring device 11A.
  • the irradiation dose to the j-th spot is detected by the dose monitor 6B, the dose value is calculated by the dose measuring device 11B, and the calculation result is input to the scanning controller 41.
  • step 208B the scanning controller 41 compares the set target irradiation amount with the input calculation result, and the number of control points whose current irradiation spot is an event flag such as a layer change or movement to a remote spot.
  • step 208C the scanning controller 41 goes through the central controller 100 and the accelerator controller 40 (third controller) to set the feedback beam intensity to 1/10 times. ) To output a beam emission intensity decrease start signal.
  • step 208D the accelerator controller 40 controls the high frequency applying device 9 to reduce the intensity of the ion beam emitted from the synchrotron 12 to 1/10 and continues the emission.
  • step 209 the scanning controller 41 continues to compare the set target irradiation amount with the input calculation result.
  • step 210 is performed.
  • a beam extraction stop command is output to the accelerator controller 40 via the central controller 100.
  • step 211 the open / close switch 92 is opened via the accelerator controller 40, and the extraction of the ion beam is stopped.
  • step 212A it is determined whether or not the spot is adjacent to the important organ 32. If the determination is “Yes”, the process proceeds to step 213. 1 is added to the number (ie, the irradiation position is moved to the next spot (remote spot)). If the determination is “No”, the process proceeds to step 212B, and then in step 212B, it is determined whether or not the spot is the last spot in the layer. Since the determination is “No”, the process proceeds to step 213, and the spot number is set to 1. Added (ie, the irradiation position is moved to the next spot).
  • steps 205 to 213 are repeated. That is, the scanning electromagnets 5A and 5B sequentially move the ion beam to adjacent spots until the irradiation of all the spots of the first layer is completed (while the irradiation of the ion beam is stopped during the movement). Then, ion beam irradiation is performed (spot scanning irradiation).
  • step 212B the scanning controller 41 outputs a layer change command to the accelerator controller 40 via the central controller 100.
  • step 21B when performing divided irradiation, the following process is performed before outputting a layer change command in step 21B. That is, when the operator j representing the spot number is initially set to 1, it is determined whether the operator n representing the number of times of divided irradiation has reached a preset number of divisions, and the determination is “No” 1 is added to the number of times of irradiation n (that is, the divided irradiation is changed to the next number of times of irradiation), the processing of steps 205 to 213 is repeated, and the number of irradiation times n of the divided irradiation is set in advance. When the number is reached, a layer change command is output to the accelerator controller 40 in step 212.
  • the accelerator controller 40 receives it and adds 1 to the layer number i in step 214 (that is, the irradiation position is changed to the second layer). In step 215, a beam deceleration command is output to the synchrotron 12.
  • the accelerator controller 40 controls the power source of each electromagnet of the synchrotron 12 according to the output of the beam deceleration command to gradually reduce the excitation current of each electromagnet. Finally, a predetermined value such as the next ion beam is used. Use an excitation current suitable for incidence. As a result, the ion beam circulating in the synchrotron 12 is decelerated.
  • step 216 the process returns to step 202 and the processing of steps 203 to 215 is repeated for the second layer. Done.
  • step 216 is “Yes”, and the predetermined irradiation to all spots in all layers in the affected area of the patient 30 is completed. To do.
  • the accelerator controller 40 outputs an irradiation end signal to the CPU in step 217 to the central controller 100.
  • FIG. 9 is a time chart of control of a feedback current target value of a comparative charged particle beam.
  • a predetermined timing to reach a control point that is an arbitrarily planned beam stop timing such as a layer change or a spot immediately before moving to a remote spot. Control is performed to reduce the beam intensity from the point of time before reaching several MU units.
  • the beam intensity can be reduced with a sufficient margin, and thus the absolute value of the beam intensity emitted during the finite stop time can be reduced. And the error of the irradiation dose can be reduced.
  • the beam intensity can be reduced at an arbitrary timing. Therefore, it is possible to flexibly cope with a case where it is desired to reduce the irradiation dose or change of the layer, and it is possible to further improve the irradiation accuracy and shorten the irradiation time by speeding up the change of the setting parameter.
  • the spot scanning method for stopping the emission of the particle beam for each spot has been described as an example.
  • the present invention can also be applied to a raster scanning method or a line scanning method that does not stop the emission of the particle beam.
  • the ion beam is moved by the scanning electromagnets 5A and 5B without stopping the ion beam irradiation until the irradiation of all the spots of the first layer is completed. While irradiating with an ion beam.
  • the ion beam irradiation is performed while moving the ion beam by the scanning electromagnets 5A and 5B without stopping the ion beam irradiation on any of the XY planes, and the irradiation is stopped on the other side. .
  • the beam diameter is enlarged with a scatterer, and then the periphery is shaved with a collimator to shape the beam It can also be applied to the scatterer method.
  • control is performed to reduce the feedback beam intensity to 1/10 when reaching the number MU before the control point
  • the beam intensity setting value is decreased in the treatment planning stage. It can be a control.
  • the beam intensity reduction rate may be set arbitrarily.
  • the feedback control can be performed by any controller in the central control apparatus 100, and the feedback control may not be performed in the first place.
  • the beam extraction device is not limited to the high frequency application electrode, and an extraction quadrupole electromagnet, a betatron core, or the like may be used.
  • the synchrotron is shown as an example of a heavy particle beam accelerator, but the accelerator may be a cyclotron or a linear accelerator.
  • the heavy particle beam irradiation system that irradiates heavy particle ions such as carbon is shown as an example, but the charged particle beam irradiated to the irradiation target is not limited to heavy particle ions, protons that are lighter than heavy particles, or protons other than carbon It can be applied to heavier particles and neutrons.
  • Control system control device
  • 91 High frequency power supply
  • 92 Open / close switch
  • 93 High frequency application electrode (betatron vibration amplitude increasing device)
  • Central control unit Treatment planning device.

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Abstract

　簡便な手段により、照射線量誤差を小さくすることを可能とした粒子線照射装置および粒子線照射装置の制御方法を提供する。　陽子や炭素などの荷電粒子ビームを照射対象へ照射するための粒子線照射装置において、制御装置によってレイヤ（層）変更、遠隔スポットへ移動する直前のスポット等、任意に計画されたビーム停止タイミングであるコントロールポイントに到達する所定タイミング前の数ＭＵ単位の前に達した時点からビーム強度を減少させる制御を行う。

Description

粒子線照射装置および粒子線照射装置の制御方法
　本発明は、粒子線照射装置および粒子線照射装置の制御方法に関する。
　照射線量制御システムのコストを低減し、かつ照射線量誤差を小さくすることができる荷電粒子ビーム加速器のビーム出射制御方法として、例えば特許文献１には、荷電粒子ビーム加速器を備え、この荷電粒子ビーム加速器から出射された荷電粒子ビームを被照射体の設置位置まで輸送し、この輸送された荷電粒子ビームを前記被照射体の特定の照射部位に照射するようにした荷電粒子ビーム照射システムにおいて、少なくとも１の照射部位に対して予め設定された計画線量の照射に対応した１回の照射内で荷電粒子ビーム加速器から出射される荷電粒子ビームの出射ビーム強度を２段階以上に変化させるようにした発明が記載されている。
特開２００７－３１１１２５号公報
　がん等の患者の患部に陽子や炭素イオン等の荷電粒子ビーム（イオンビーム、粒子線ともいう）を照射する治療方法が知られている。この治療に用いる粒子線照射装置は、荷電粒子ビーム発生装置、ビーム輸送系、および照射装置を備えている。
　照射装置の照射方式としては、散乱体によってビームを広げた後に患部形状に合わせて切り出す散乱体方式や、細かいビームを患部領域内に走査させるスキャニング方式が知られている。
　スキャニング方式を用いた粒子線照射装置において、荷電粒子ビーム発生装置の加速器で加速された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系を経て照射装置に達し、照射装置に備えられた走査用電磁石で走査された後、照射装置から患者の患部に照射される。
　このスキャニング方式には、スポットスキャニング方式や、ラスタースキャニング方式などがある。
　スポットスキャニング方式は、患部の照射平面上をスポットと呼ばれる線量管理領域に分割し、スポット毎に走査を停止して設定した照射線量に到達するまでビームを照射した後にビームを停止し、次の照射スポット位置に移動する。このようにスポットスキャニング方式は、照射開始位置をスポット毎に更新する照射法である。
　また、ラスタースキャニング方式は、スポットスキャニング方式と同様に線量管理領域を設定するが、スポット毎にビーム走査を停止せず、ビームを走査経路上を走査しながら照射する。そのため、一回当たりの照射線量を低くし、複数回繰り返し照射するリペイント照射を実施することで照射線量の一様度を向上する。このようにラスタースキャニング方式は、照射開始位置を走査経路毎に更新する照射法である。
　荷電粒子ビーム加速器を用いたスポットスキャニング照射では、スポット毎の照射線量誤差を１％以下にすることが求められており、粒子線照射装置はこれを前提に構築されている。当然、ラスタースキャニング方式や散乱体方式を用いた粒子線照射装置においても、照射線量誤差を極力低くすることが求められている。
　荷電粒子ビームの加速器としてシンクロトロンを用いる場合は、ビーム出射を高速に制御する方式が用いられる。ここで、システム全体を考慮したビーム遮断時間は有限である。例えばシンクロトロンによっては荷電粒子ビームの停止までの時間が１ｍｓ程度とスポットに照射する時間よりも長くなる場合がある。この場合、ビーム停止が長くなることで、次のレイヤ（層）への線量カウントに影響してしまうとの問題がある。
　また、特許文献１に記載のように、少なくとも１の照射部位に対して予め設定された計画線量の照射に対応した１回の照射内で荷電粒子ビーム加速器から出射される荷電粒子ビームの出射ビーム強度を２段階以上に変化させる場合、変化させるタイミングは計画線量に依存するため、非常に細かい制御が必要となる。
　例えば、特許文献１に記載の技術で、スポットスキャニング方式を採用する場合、各スポットごとの計画線量に応じてビーム強度を変化させる必要があり、非常に細かい制御が必要となるが、このような非常に細かい制御は実現が非常に困難である。
　本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、簡便な手段により、照射線量誤差を小さくすることを可能とした粒子線照射装置および粒子線照射装置の制御方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
  本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、荷電粒子ビームを加速・出射する加速器と、この加速器から出射された荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置と、前記加速器および前記照射装置を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、任意に計画されたビーム停止タイミングであるコントロールポイントに到達する所定タイミング前に到達したら前記荷電粒子ビームの強度を減少させる制御を行うことを特徴とする。
　本発明によれば、簡便な手段により、照射線量誤差を小さくすることができる。
本発明の粒子線照射装置の一実施形態である重粒子線照射システムの全体構成を示す概念図である。 本発明の粒子線照射装置の一実施形態である重粒子線照射システムのスキャニング照射装置の詳細を表す概念図である。 患部領域における線量分布の一様性を確保するために各層で照射する線量分布の一例を表す概念図である。 図１に示した粒子線照射装置の照射対象である患部領域の層分けの一例を表す図である。 図１に示した治療計画装置で計画した治療計画情報の一部であって、照射時における各層のスキャニング照射を実施する指令信号の内容の一例を示す図である。 図１に示した粒子線照射装置の照射対象である患部領域の一例を表す図である。 本発明の粒子線照射装置の一実施形態の荷電粒子ビームのフィードバック電流目標値の制御のタイムチャート図である。 本発明の粒子線照射装置の一実施形態の制御の一例を示したフローチャート図である。 比較の荷電粒子ビームのフィードバック電流目標値の制御のタイムチャート図である。
　本発明の実施形態である粒子線照射装置について、図面を用いて詳細に説明する。本実施形態では、粒子線照射装置として、炭素イオン等の重粒子線照射システムを例にして説明する。
　図１は、本実施形態の粒子線照射装置である重粒子線照射システムの概略図であり、図２は、本実施形態の粒子線照射装置を構成するスキャニング照射装置の概略図である。
　図１において、重粒子線照射システムは、治療室内の治療ベッドに固定された患者３０の患部３１に荷電粒子ビーム（重粒子線）を照射して治療を施すものであり、荷電粒子ビーム発生装置１と、荷電粒子ビーム発生装置１の下流側に接続されたビーム輸送系４と、この輸送系４に接続され、荷電粒子を患者３０の患部３１に照射するスキャニング照射装置１５と、これら荷電粒子ビーム発生装置、ビーム輸送系、およびスキャニング照射装置１５を治療計画に基づいて制御する制御システム９０を備えている。
　荷電粒子ビーム発生装置１は、イオン源（図示せず）、前段荷電粒子ビーム発生装置（ライナック）１１およびシンクロトロン（加速器）１２を有する。シンクロトロン１２は、高周波印加装置９および加速装置１０を有する。高周波印加装置９は、シンクロトロン１２の周回軌道に配置された高周波印加電極９３と高周波電源９１とを開閉スイッチ９２にて接続して構成される。
　加速装置（荷電粒子ビームエネルギー変更装置）１０は、その周回軌道に配置された高周波加速空胴（図示せず）、および高周波加速空胴に高周波電力を印加する高周波電源（図示せず）を備える。
　イオン源で発生した重粒子イオンは前段荷電粒子ビーム発生装置１１（例えば直線荷電粒子ビーム発生装置）で加速される。
　前段荷電粒子ビーム発生装置１１から出射されたイオンビーム（重粒子イオンのビーム）はシンクロトロン１２に入射される。
　荷電粒子ビームであるそのイオンビームは、シンクロトロン１２で、高周波電源から高周波加速空胴を経てイオンビームに印加される高周波電力によってエネルギーを与えられて加速される。
　シンクロトロン１２内を周回するイオンビームのエネルギーが設定されたエネルギー（例えば１００～２００ＭｅＶ）までに高められた後、高周波電源９１からの出射用の高周波が、閉じられた開閉スイッチ９２を経て高周波印加電極９３に達し、高周波印加電極９３よりイオンビームに印加される。
　安定限界内で周回しているイオンビームは、この高周波の印加によって安定限界外に移行し、出射用デフレクタ８を通ってシンクロトロン１２から出射される。イオンビームの出射の際には、シンクロトロン１２に設けられた四極電磁石１３および偏向電磁石１４に導かれる電流が電流設定値に保持され、安定限界もほぼ一定に保持されている。
　開閉スイッチ９２を開いて高周波印加電極９３への高周波電力の印加を停止することによって、シンクロトロン１２からのイオンビームの出射が停止される。
　シンクロトロン１２から出射されたイオンビームは、ビーム輸送系４より下流側へ輸送される。ビーム輸送系４は、四極電磁石１８および偏向電磁石１７と、治療室内に配置されたスキャニング照射装置１５に連絡されるビーム経路６２にビーム進行方向上流側より配置された四極電磁石２１、四極電磁石２２、偏向電磁石２３、偏向電磁石２４とを備える。ビーム輸送系４へ導入されたイオンビームは、ビーム経路６２を通ってスキャニング照射装置１５へと輸送される。
　治療室の内部には回転ガントリー（図示せず）が設置され、スキャニング照射装置１５は、ビーム輸送系の一部とともに、この回転ガントリーの略筒状の回転胴（図示せず）に設置されている。回転胴はモータ（図示せず）により回転可能であり、回転胴内には治療ゲージ（図示せず）が形成される。
　スキャニング照射装置１５のケーシング（図示せず）内には、ビーム進行方向（図１および図２中下方向、図２中Ｚ方向）上流側から、ビームの入射位置を検出する入射位置モニタ（図示せず）、ビームを走査するための走査電磁石５Ａ，５Ｂ、およびビーム走査位置を検出するビーム位置モニタ６Ａ、ビーム走査位置での照射線量を検出する線量モニタ６Ｂ等が設置される。
　走査電磁石５Ａ，５Ｂは、例えばビーム軸と垂直な平面上において互いに直交する方向（Ｘ方向，Ｙ方向）にビームを偏向し照射位置をＸ方向およびＹ方向に動かすためのものである。
　図２に示すように、これらの走査電磁石５Ａ，５Ｂは、走査電磁石電源７Ａ，７Ｂに接続されており、この走査電磁石電源７Ａ，７Ｂから走査電磁石５Ａ，５Ｂへの供給電流を制御する電源制御装置４２が設けられている。電源制御装置４２は、スキャニングコントローラ４１からの制御信号に応じて走査電磁石５Ａ，５Ｂへの供給電流を制御し、走査電磁石５Ａ，５Ｂの励磁磁場をそれぞれ制御する。このように制御された走査電磁石５Ａ，５Ｂの励磁磁場により、それぞれ荷電粒子ビームを偏向するようになっている。
　ビーム位置モニタ６Ａは、走査電磁石５Ａ，５Ｂによるビーム走査位置が制御位置（設定値）にあるかどうかを検出するものであり、その検出信号が走査位置計測装置１１Ａに出力されてビーム走査位置が演算され、その演算データがスキャニングコントローラ４１に出力されるようになっている。
　線量モニタ６Ｂは、ビーム位置モニタ６Ａにより走査されたビームの照射線量を検出するものであり、その検出信号が線量計測装置１１Ｂに出力されて線量値が演算され、その演算データがスキャニングコントローラ４１に出力されるようになっている。スキャニングコントローラ４１は、線量モニタ６Ｂから入力された演算データとメモリに記憶された治療計画情報中の設定線量値とを比較し、その差がゼロになるように、出射用の高周波信号を高周波電源９１に対して出力する、いわゆるフィードバック制御を行う。
　図１に戻り、治療用ベッド２９は、スキャニング照射装置１５からイオンビームを照射する前に、ベッド駆動装置（図示せず）によって移動され上記治療ゲージ内に挿入されるとともに、スキャニング照射装置１５に対する照射にあたっての位置決めが行われる。回転胴はガントリーコントローラ（図示せず）によってモータの回転を制御することによって回転され、スキャニング照射装置１５のビーム軸が患者３０の患部３１を向くようになる。
　ビーム経路６２を経て逆Ｕ字状のビーム輸送装置からスキャニング照射装置１５内へ導入されたイオンビームは、走査電磁石（荷電粒子ビーム走査装置）５Ａ，５Ｂによって順次照射位置を走査され、患者３０の患部（例えば癌や腫瘍の発生部位）３１に照射される。照射されたイオンビームは、患部３１においてそのエネルギーを放出し、高線量領域を形成する。
　次に、本実施形態の粒子線照射装置が備えている制御システム９０を、図１および図２を用いて説明する。
　制御システム９０は、治療計画装置１４０で作成した治療計画データを格納するデータベース１１０と、荷電子粒子ビーム発生装置１およびビーム輸送系４を制御する加速器・輸送系コントローラ４０（以下、加速器コントローラ４０という）、スキャニング照射装置１５を制御するスキャニングコントローラ４１と、データベース１１０から読み込んだ治療計画データに基づき、加速器コントローラ４０およびスキャニングコントローラ４１をそれぞれ制御する中央制御装置１００とを有する。
　データベースに記憶されている患者毎の上記治療計画情報（患者情報）は、特に図示を行わないが、患者ＩＤナンバー、照射量（一回当たり）、照射エネルギー、照射方向、照射位置等のデータを含んでいる。
　中央制御装置１００は、例えばキーボードやマウス等の入力装置から入力された患者識別情報に応じて、データベース１１０から、これから治療を行う患者３０に関する上記の治療計画情報を読み込む。この患者別治療計画情報内の照射エネルギー値によって、既に述べた各電磁石への励磁電力供給の制御パターンが決定する。
　中央制御装置１００内のメモリには、予め電力供給制御テーブルが記憶されており、照射エネルギーの各種の値（７０，８０，９０，…［Ｍｅｖ］等）に応じて、シンクロトロン１２を含む荷電粒子ビーム発生装置１における四極電磁石１３および偏向電磁石１４、ビーム輸送系４の四極電磁石１８、偏向電磁石１７、四極電磁石２１，２２、偏向電磁石２３，２４に対する供給励磁電力値またはそのパターンが予め設定されている。
　また、中央制御装置１００内のＣＰＵでは、上記治療計画情報と上記電力供給制御テーブルとを用いて、これから治療を受けようとする患者に関する荷電粒子ビーム発生装置１や各ビーム経路に配置された電磁石を制御するための制御指令データ（制御指令情報）が作成される。このようにして作成された制御指令データは、スキャニングコントローラ４１および加速器コントローラ４０へ出力される。
　本実施形態の重粒子線照射システムでは、治療計画装置１４０により作成した治療計画情報に基づき、中央制御装置１００、スキャニングコントローラ４１、加速器コントローラ４０が互いに連携して制御を行う。これらの制御について説明する。
　まず、標的の深さとイオンビームのエネルギーとの関係を説明する。標的は、患部３１を含むイオンビームの照射対象領域であり、患部３１よりもいくらか大きくなる。図３に体内の深さとイオンビームによる線量の関係の例を示す。荷電粒子ビームは、エネルギーを失って止まる際に周囲に極めて大きなエネルギーを付与するため、その到達深度で線量ピークを有する。この線量のピークをブラッグピークと呼ぶ。
　標的へのイオンビームの照射はブラッグピークの位置で行われる。ブラッグピークの位置は、イオンビームのエネルギーにより変化する。従って、標的を深さ方向（体内でのイオンビームの進行方向）において複数の層（スライス）に分割し、イオンビームのエネルギーを深さ（各層）に応じて変えることによって、深さ方向に厚みを持つ標的（標的領域）の全域に一様にイオンビームを照射することができる。治療計画装置１４０は、このような観点に基づき、標的領域を深さ方向に分割する層の数を決定する。
　図４は、上記のようにして決定した層の一例を表す図である。この例では、患部３１が最下層より患者３０の体表面に向かって層１，２，３，４の４つの層に分割されている。各層はＸ方向に２０ｃｍＹ方向に１０ｃｍの広がりをもっている例である。図３の線量分布は、図４のＡ－Ａ′断面での深さ方向の線量分布である。
　以上のようにして、層数が決定した後、治療計画装置１４０は、各層（標的断面）内で深さ方向と直角方向に分割するスポット（照射位置）数を決定する。
　なお、全てのスポットにおいて、１つのスポットを複数回分割照射する場合もあり、各スポットに対する照射線量のばらつきをある範囲内におさえ、標的全域で線量分布がほぼ一様となるよう、各スポットでの照射回数と１回当たりの照射量（目標照射量）が決定する。
　上記のようにして計画され、データベース１１０に格納された治療計画情報を、中央制御装置１００が読み出しメモリに格納する。中央制御装置１００のＣＰＵは、メモリに格納した治療計画情報に基づき、イオンビームの照射に関する情報（層数、照射位置の数（スポットの数）、各層内での照射位置、各照射位置での目標照射量（設定照射量）やそのときのビーム強度、ビームサイズ（サイズ調整（散乱体等の有無））、および各層の全スポットに関する走査電磁石５Ａ，５Ｂの電流値等の情報）を生成し、スキャニングコントローラ４１へ送信する。
　送信される治療計画情報の一部を図５に示す。層内の各照射位置に対する、照射位置（スポット）のＸ方向位置（Ｘ位置）およびＹ方向位置（Ｙ位置）の情報、および各照射位置での目標照射量（設定線量）、更に層変更フラグ情報が含まれ、照射する順番にスポット番号が割り付けられる。本実施形態では、体表面から一番深い層から順に照射が行なわれる。なお、各照射位置での目標照射量（設定線量）は、患部３１への最初の照射開始を起点とする積算照射量（積算線量）としており、中央制御装置１００は、各照射位置に対して設定された個々の照射量を順次積算することによって、スキャニングコントローラ４１へ送信する目標照射量の情報を生成している。スキャニングコントローラ４１は、これらの治療計画情報をメモリに記憶する。
　なお、図５は分割照射をしない場合の例であり、分割照射をする場合は、更に、分割照射の回数だけ、照射位置（スポット）のＸ方向位置（Ｘ位置）およびＹ方向位置（Ｙ位置）および各照射位置での目標照射量（設定線量）の情報が必要であり、図５の治療計画情報にはそれらの情報も含まれる。
　更に、中央制御装置１００のＣＰＵは、治療計画情報の内、全ての層に関するシンクロトロン１２の加速パラメータの全てを、加速器コントローラ４０に送信する。ここで送信されるこれらの加速パラメータのデータは、予め複数の加速パターンに分類されている。
　図６はＣＴデータのあるスライス上で照射対象および重要臓器の位置関係の一例を示した図である。図６に示すように、例えば、患部３１が脊椎等の重要臓器３２に隣接するケースがある。重要臓器３２は照射線量を極力抑えるべき領域であることから、重要臓器３２の被爆を低減しつつ重要臓器３２の両側に位置する患部３１に対しては照射を十分に行うことが求められる。そのような場合、重要臓器３２に隣接するスポットの照射終了後は遠隔スポットへ移動する必要がある。重要臓器３２が患部３１に隣接する場合、それら重要臓器の位置もメモリに記憶する。
　このような遠隔スポットへ移動する直前のスポットの照射を通常と同様のビーム強度で照射を行うと、ビーム停止には時間がかかるため、ビームを照射したくないスポットにビームが照射されることを抑制するためにはビーム停止を確認するまで走査電磁石を走査できない等の問題が生じ、照射時間の更なる短縮化の妨げとなる恐れがある。
　また、層の変更では、層の最終スポットの照射が終了した時点からビーム強度を減少させると、ビーム停止前に漏れて出射されるビームが次の層の線量カウントでカウントされてしまい、正確な線量カウントが困難となる恐れがあった。
　そこで、本実施形態では、まず、治療計画装置１４０において、レイヤ（層）変更、遠隔スポットへ移動する直前のスポット等、任意に計画されたビーム停止タイミングであるコントロールポイント（ＣＰ）を新たに定義し、治療計画情報の一部としてメモリに記憶する。また、図７に示すように、このコントロールポイントに到達する所定タイミング前の数ＭＵ（ｍｏｎｉｔｏｒ　ｕｎｉｔ）単位の前に達した時点からビーム強度を減少させる、例えば計画値の１／１０の強度にする制御を行う。なお、図７は、本実施形態の荷電粒子ビームのフィードバック電流目標値の制御のタイムチャート図である。
　より具体的には、スキャニングコントローラ４１は、線量モニタ６Ｂから入力されたビームの照射線量の演算データを監視し、治療計画情報として記憶されたコントロールポイントに到達する所定タイミング前の数ＭＵ単位の前に達したことを確認すると、出射用の高周波信号を高周波電源９１に対して出力するフィードバック目標値を１／１０倍として出力し、線量モニタ６Ｂから入力される演算データとの差がゼロになるようにフィードバック制御を行う。
　なお、荷電粒子ビームの停止にかかる時間Ｔｄは概ね一定（～１ｍｓ）であるので、ビーム強度の減少制御を開始するこの数ＭＵは、荷電粒子ビーム電流の強度とビーム停止にかかる時間から、計画されたコントロールポイントの線量満了の何スポット前にフィードバック目標値を下げるかを中央制御装置９０にて予め計算し、設定することができる。また数ＭＵに到達したとの判定タイミングは、この数ＭＵ前のスポットの照射開始のタイミング、照射中、照射終了の何れであってもよく、任意に設定することができる。
　次に、本実施形態においてスポットスキャニング照射を行う際の中央制御装置１００、スキャニングコントローラ４１および加速器コントローラ４０の各制御を、図８を用いて説明する。図８は、それらの各制御を実行する制御フローの一例を示したものである。
　まず、治療室内にある照射開始指示装置（図示なし）が操作されると、それに応じ、中央制御装置１００は、ステップ２０１にて、層番号を表す演算ｉおよびスポット番号を表す演算子ｊを１に初期設定し、それらを加速器コントローラ４０に出力する。
　加速器コントローラ４０は、それに応じて初期設定を行う。初期設定完了後に、ステップ２０２にて、メモリに格納した複数パターンの加速パラメータの中から、ｉ番目の層（この時点では、ｉ＝１）に対する加速器パラメータを読み出し設定する。
　ステップ２０３にて、これら設定パラメータをシンクロトロン１２およびビーム輸送系４に出力し、各電磁石電源が設定された所定の電流で励磁されるよう電源を制御する。また、高周波加速空胴に高周波電力を印加する高周波電源を制御して、その高周波電力と周波数を所定の値まで増加させる。
　以上により、シンクロトロン１２内を周回するイオンビームのエネルギーが治療計画で定められた値まで増大された時点で、加速器コントローラ４０は、ステップ２０４に移行し、中央制御装置１００を経由して、スキャニングコントローラ４１に対し、出射準備指令を出力する。
　この出射準備指令を受けて、スキャニングコントローラ４１は、ステップ２０５にて、メモリに格納した電流値データ（図５の「Ｘ位置」、「Ｙ位置」の欄に示されたデータ）および目標照射量データ（図５の「目標照射量」の欄に示されたデータ）から、ｊ番目のスポット（この時点ではｊ＝１）の電流値データおよび目標照射量データを読み出して設定する。ここで、スキャニングコントローラ４１は、走査電磁石５Ａ，５Ｂがｊ番目スポットの電流値で励磁されるように該当する電源を制御する。
　以上により、当該スポットへの照射準備が完了した後、スキャニングコントローラ４１は、ステップ２０６にて、中央制御装置１００を経由し、加速器コントローラ４０（第３制御装置）に対してビーム出射開始信号を出力する。
　これにより、加速器コントローラ４０は、ステップ２０７にて、高周波印加装置９を制御してシンクロトロン１２からイオンビームを出射させる。すなわち、加速器コントローラ４０からのビーム出射開始信号によって、開閉スイッチ９２が閉じられ、高周波が高周波印加電極９３よりイオンビームに印加されるため、イオンビームがシンクロトロン１２から出射される。
　走査電磁石５Ａ，５Ｂはｊ番目のスポットの位置にイオンビームが達するように励磁されているため、そのイオンビームは、ステップ２０８Ａにて、スキャニング照射装置１５より該当する層のｊ番目のスポットに照射される。
　ｊ番目のスポット（照射位置）はビーム位置モニタ６Ａにより検出され、走査位置計測装置１１Ａにてビーム走査位置が演算される。またｊ番目のスポットへの照射線量は、線量モニタ６Ｂにより検出され、線量計測装置１１Ｂにて線量値が演算され、それらの演算結果がスキャニングコントローラ４１に入力される。
　スキャニングコントローラ４１は、ステップ２０８Ｂにて、設定された目標照射量と入力された演算結果を比較し、現在の照射スポットが層の変更や遠隔スポットへの移動等のイベントフラグであるコントロールポイントの数ＭＵ前に到達したことを確認すると、ステップ２０８Ｃにて、スキャニングコントローラ４１は、フィードバックビーム強度を１／１０倍に設定するために、中央制御装置１００を経由し、加速器コントローラ４０（第３制御装置）に対してビーム出射強度減少開始信号を出力する。
　これにより、加速器コントローラ４０は、ステップ２０８Ｄにて、高周波印加装置９を制御してシンクロトロン１２から出射されるイオンビームの強度を１／１０に減少させて出射を継続する。
　その後、スキャニングコントローラ４１は、ステップ２０９にて、設定された目標照射量と入力された演算結果を比較を継続し、ｊ番目のスポットへの照射線量が目標照射量に達した時点で、ステップ２１０に移行し、中央制御装置１００を経由し、加速器コントローラ４０に対して、ビーム出射停止指令を出力する。
　これにより、ステップ２１１にて、加速器コントローラ４０を経由して開閉スイッチ９２が開き、イオンビームの出射が停止される。
　以上により、最初のスポットに対する照射が終了すると、ステップ２１２Ａにて、そのスポットが重要臓器３２に隣接するスポットか否かの判定を行い、判定が「Ｙｅｓ」であるときはステップ２１３に移り、スポット番号に１が加えられる（すなわち、照射位置が次のスポット（遠隔スポット）に移動される）。判定が「Ｎｏ」であるときはステップ２１２Ｂに移り、次いでステップ２１２Ｂにて層内最終スポットかどうかの判定が行われ、判定が「Ｎｏ」であるため、ステップ２１３に移り、スポット番号に１が加えられる（すなわち、照射位置が次のスポットに移動される）。
　そして、ステップ２０５～２１３の処理が繰り返し行われる。すなわち、１番目の層の全スポットへの照射が終了するまで、走査電磁石５Ａ，５Ｂにより、イオンビームを隣接するスポットへと次々に移動させながら（移動中はイオンビームの照射を停止させつつ）、イオンビームの照射が行われる（スポットスキャニング照射）。
　１番目の層の全スポットに対する照射が終了すると、ステップ２１２Ｂにて、判定が「Ｙｅｓ」となり、スキャニングコントローラ４１は、中央制御装置１００を経由し、加速器コントローラ４０に対し、層変更指令を出力する。
　なお、分割照射を行う場合は、ステップ２１Ｂにて層変更指令を出力する前に、次の処理が行われる。すなわち、スポット番号を表す演算子ｊを１に初期設定し、分割照射の照射回数を表す演算子ｎが予め設定された分割数に達したかどうかを判定し、判定が「Ｎｏ」である場合は、照射回数番号ｎに１が加えられ（すなわち、分割照射が次の照射回数に変更され）、ステップ２０５～２１３の処理が繰り返し行われ、分割照射の照射回数番号ｎが予め設定された分割数に達した時点で、ステップ２１２にて、加速器コントローラ４０に対し層変更指令を出力する。
　スキャニングコントローラ４１から層変更指令が出力されると、それを受け、加速器コントローラ４０は、ステップ２１４にて、層番号ｉに１を加え（すなわち、照射位置が２番目の層に変更される。）、ステップ２１５にて、シンクロトロン１２へビーム減速指令を出力する。
　加速器コントローラ４０は、ビーム減速指令の出力により、シンクロトロン１２の各電磁石の電源を制御して各電磁石の励磁電流を徐々に低減させ、最後には予め決められた値、例えば、次のイオンビーム入射に適した励磁電流にする。これにより、シンクロトロン１２内を周回するイオンビームが減速される。
　この時点では、１番目の層に対する照射が終了しただけであり、ステップ２１６の判定が「Ｎｏ」であるため、ステップ２０２に戻り、２番目の層に対して、ステップ２０３～２１５の処理が繰り返し行われる。
　同様に、全ての層に対して、ステップ２０２～２１５の処理が実行された後、ステップ２１６の判定が「Ｙｅｓ」となり、患者３０の患部における全層内の全スポットへの所定の照射が完了する。これにより、加速器コントローラ４０は、ステップ２１７にて、中央制御装置１００にＣＰＵに対し照射終了信号を出力する。
　以上により、患者３０の患部に対する一連の照射処理が終了となる。
　次に、本実施形態の効果について、図７および図９を参照して説明する。図９は、比較の荷電粒子ビームのフィードバック電流目標値の制御のタイムチャート図である。
　図９に示すように、特許文献１に記載のように少なくとも１の照射部位に対して予め設定された計画線量の照射に対応した１回の照射内で荷電粒子ビーム加速器から出射される荷電粒子ビームの出射ビーム強度を２段階以上に変化させる場合、特許文献１の（００２３）段落にあるように、本発明でいうコントロールポイントに到達する最終スポットに相当するスポットの照射に限られないが、コントロールポイントに到達する最終スポットの照射の計画線量に対する照射線量の割合が所定値に達した時点でビーム強度を減少させる制御を行うことになる。しかし、上述のようにビーム遮断時間は有限である。また、特許文献１に記載のようなセパラトリクスを狭める制御では、ビーム強度の細かな制御は非常に困難である。例えば、必要以上にセパラトリクスが狭まってビーム電流が大幅に減少してしまったり、ほとんど狭まらずにビーム電流がほとんど変化しなかったりといった問題がある。このため、設定どおりにビーム強度が減少しなかったり、必要以上にビーム強度が減少してしまったり、安定した制御を行うことが非常に困難であった。そのため、ビームの停止を確認するまでレイヤ（層）変更や遠隔スポットへ移動することができず、照射時間の短縮化が困難であるとともに、次スポットへの線量カウントへの影響の発生を抑制することも困難であった。そもそも、セパラトリクスの制御自体に時間がかかり（数百μ秒オーダー）、照射時間の短縮化は困難であった。
　これに対し、本実施形態では、図７に示すように、レイヤ（層）変更、遠隔スポットへ移動する直前のスポット等、任意に計画されたビーム停止タイミングであるコントロールポイントに到達する所定タイミング前の数ＭＵ単位の前に達した時点からビーム強度を減少させる制御を行う。
　これによって、荷電粒子ビームの停止時間が有限であっても、十分に余裕をもってビーム強度を減少させることができ、このため有限である停止時間中に出射されるビーム強度の絶対値を低減することができ、照射線量の誤差を低減することができる。
　また、任意に計画されたビーム停止タイミングであるコントロールポイントを定義し、このコントロールポイントの数ＭＵ前にビーム強度を低減することで、任意のタイミングでビーム強度を減少させることができ、重要臓器への照射線量を低減したい場合や層の変更等に柔軟に対応することができるようになり、照射精度の更なる向上および設定パラメータの変更の高速化による照射時間の短縮化が可能となる。
　＜他の実施形態＞
　上述の実施形態ではスポット毎に粒子線の出射を停止するスポットスキャニング方式を例に説明したが、粒子線の出射を停止しないラスタースキャニング方式やラインスキャニング方式にも適用することができる。
　例えばラスタースキャニング方式では、スポットスキャニング方式とは異なり、１番目の層の全スポットへの照射が終了するまで、イオンビームの照射を停止せずに、走査電磁石５Ａ，５Ｂにより、イオンビームを移動させながらイオンビームの照射を行う。またラインスキャニング方式では、ＸＹ平面のうちいずれかではイオンビームの照射を停止せずに、走査電磁石５Ａ，５Ｂにより、イオンビームを移動させながらイオンビームの照射を行い、もう一方では照射を停止する。
　その他の構成、制御は上述の実施形態と略同じであるため、説明は省略する。
　また、上述したスポットスキャニング方式やラスタースキャニング方式等に限られず、照射装置で患部の形状に合わせてビームを照射する際に散乱体でビーム径を拡大したのちコリメータで周辺部を削ってビームを整形する散乱体方式にも適用することができる。
　＜その他＞
　なお、本発明は上記の実施形態に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施形態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ない。
　例えば、上述の実施形態では、コントロールポイントの数ＭＵ前に到達した時点でフィードバックビーム強度を１／１０にする制御を行う場合を例に説明したが、治療計画段階でビーム強度設定値を減少させる制御とすることができる。
　また、ビーム強度の減少率は任意に設定すればよい。
　更に、スキャニングコントローラ４１によってフィードバック制御を行う場合について説明したが、フィードバック制御は中央制御装置１００内の何れかのコントローラによって行うことができ、そもそもフィードバック制御を行わなくてもよい。
　また、ビームの取り出し装置として高周波印加電極を用いる場合を例に説明したが、ビーム取り出し装置は高周波印加電極に限定されず、出射用四極電磁石やベータトロンコアなどを用いてもよい。
　更に、重粒子線の加速装置としてシンクロトロンを例に示したが、加速装置はサイクロトロンや直線加速器であってもよい。
　また、炭素等の重粒子イオンを照射する重粒子線照射システムを例に示したが、照射対象に照射する荷電粒子ビームは重粒子イオンに限られず、重粒子より軽い陽子や、炭素以外の陽子より質量の重い粒子、中性子にも適用できる。
１…荷電粒子ビーム発生装置、
４…ビーム輸送系、
５Ａ，５Ｂ…走査電磁石（荷電粒子ビーム走査装置）、
６Ａ…走査位置モニタ（照射量検出装置）、
６Ｂ…線量モニタ（照射量検出装置）、
７Ａ…走査電磁石電源（Ｘ方向）、
７Ｂ…走査電磁石電源（Ｙ方向）、
８…走査電磁石電源制御装置、
９…高周波印加装置（ベータトロン振動振幅増加機器）、
１１Ａ，１１Ｂ…走査位置計測装置、
１２…シンクロトロン（加速器）、
１５…スキャニング照射装置、
４０…加速器・輸送系コントローラ、
４１…スキャニングコントローラ、
４２…電源制御装置、
９０…制御システム（制御装置）、
９１…高周波電源、
９２…開閉スイッチ、
９３…高周波印加電極（ベータトロン振動振幅増加機器）、
１００…中央制御装置、
１４０…治療計画装置。

Claims (10)

  1. 　荷電粒子ビームを加速・出射する加速器と、
    　この加速器から出射された荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置と、
    　前記加速器および前記照射装置を制御する制御装置とを備え、
    　前記制御装置は、任意に計画されたビーム停止タイミングであるコントロールポイントに到達する所定タイミング前に到達したら前記荷電粒子ビームの強度を減少させる制御を行う
    　ことを特徴とする粒子線照射装置。
  2. 　請求項１に記載の粒子線照射装置において、
    　前記荷電粒子ビームを照射するための計画を作成する計画装置を更に備え、
    　この計画装置によって、計画されたビーム停止の線量と予め設定した時間とから前記コントロールポイントを計画する
    　ことを特徴とする粒子線照射装置。
  3. 　請求項１に記載の粒子線照射装置において、
    　前記荷電粒子ビームを照射するための計画を作成する計画装置を更に備え、
    　この計画装置によって、計画されたビーム停止の線量と、予め設定した時間と、計画されたビーム強度とから前記コントロールポイントを計画する
    　ことを特徴とする粒子線照射装置。
  4. 　請求項１に記載の粒子線照射装置において、
    　前記加速器は、ベータトロン振動振幅増加機器を有し、
    　前記制御装置は、このベータトロン振動振幅増加機器の出力を制御することで前記所定タイミング前に前記荷電粒子ビームの強度を減少させる
    　ことを特徴とする粒子線照射装置。
  5. 　請求項１に記載の粒子線照射装置において、
    　前記照射装置は、加速器から出射された荷電粒子ビームの強度を測定するビームモニタを備え、
    　前記制御装置は、このビームモニタで測定された前記荷電粒子ビームの強度があらかじめ定めた目標ビーム強度に近づくようフィードバック制御を行い、かつ前記所定タイミング前に前記目標ビーム強度を減少させることで前記荷電粒子ビームの強度を減少させる
    　ことを特徴とする粒子線照射装置。
  6. 　請求項１に記載の粒子線照射装置において、
    　前記粒子線照射装置は、前記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荷電粒子ビームを照射する粒子線照射装置であって、
    　前記コントロールポイントは、遠隔スポットへ移動する直前のスポットである
    　ことを特徴とする粒子線照射装置。
  7. 　請求項１に記載の粒子線照射装置において、
    　前記コントロールポイントは、前記加速器で出射する荷電粒子ビームのエネルギーを変更する直前である
    　ことを特徴とする粒子線照射装置。
  8. 　請求項１に記載の粒子線照射装置において、
    　前記制御装置は、前記コントロールポイント到達後に、前記加速器と前記照射装置のうち少なくとも一つの設定パラメータを変更する
    　ことを特徴とする粒子線照射装置。
  9. 　請求項８に記載の粒子線照射装置において、
    　前記制御装置は、前記コントロールポイント到達後に変更する前記設定パラメータは、ビームエネルギー、ビーム強度、ビームサイズ変更用散乱体の何れかである
    　ことを特徴とする粒子線照射装置。
  10. 　荷電粒子ビームを加速・出射する加速器と、この加速器から出射された荷電粒子ビームを照射対象の照射スポットに照射する照射装置と、前記加速器および前記照射装置を制御する制御装置とを備えた粒子線照射装置の制御方法であって、
    　任意に計画されたビーム停止タイミングであるコントロールポイントに到達する所定タイミング前に到達したら前記荷電粒子ビームの強度を減少させる
    　ことを特徴とする粒子線照射装置の制御方法。
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