粒子線照射システム及び粒子線照射方法
【課題】取り出される荷電粒子ビームの線量を一定に保つことが可能な粒子線照射システムを提供する。
【解決手段】粒子線照射システム１Ａにおいて、シンクロトロン４０を駆動制御する加速器制御部７１及びＲＦ−ＫＯ電極駆動装置８０Ａは、ＲＦ−ＫＯ電極４５の駆動を停止したまま、シンクロトロン４０を駆動し、続いて、ＲＦ−ＫＯ電極４５に対して、第一のＲＦ−ＫＯ信号をＲＦ−ＫＯ電圧として印加し、続いて、ＲＦ−ＫＯ電極４５に対して、第一のＲＦ−ＫＯ信号と、第二のＲＦ−ＫＯ信号と、をＲＦ−ＫＯ電圧として印加するとともに、シンクロトロン４０から取り出された荷電粒子ビームの線量に基づくＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を開始し、当該フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させ、続いて、ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を、当該フィードバック制御のゲインを所定値としたまま行う。
【解決手段】粒子線照射システム１Ａにおいて、シンクロトロン４０を駆動制御する加速器制御部７１及びＲＦ−ＫＯ電極駆動装置８０Ａは、ＲＦ−ＫＯ電極４５の駆動を停止したまま、シンクロトロン４０を駆動し、続いて、ＲＦ−ＫＯ電極４５に対して、第一のＲＦ−ＫＯ信号をＲＦ−ＫＯ電圧として印加し、続いて、ＲＦ−ＫＯ電極４５に対して、第一のＲＦ−ＫＯ信号と、第二のＲＦ−ＫＯ信号と、をＲＦ−ＫＯ電圧として印加するとともに、シンクロトロン４０から取り出された荷電粒子ビームの線量に基づくＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を開始し、当該フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させ、続いて、ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を、当該フィードバック制御のゲインを所定値としたまま行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線を照射する粒子線照射システム及び粒子線照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線でがんの治療を行う場合、がんの種類や進み具合によって放射線を使い分けることが必要である。重粒子線（荷電粒子線）は、Ｘ線、γ線や陽子線に比較し、この治療効果が大きい。
この炭素、ネオン等の重粒子線をがんを患う患者の患部に照射し、治療を行う場合、如何にゆらぎを小さくして一定の線量を患者に照射するかが必要とされる。
そのため、患者の患部に照射する重粒子線を線量計で測定し、この線量信号を一定に保つように、フィードバック制御が行われている。
【０００３】
特許文献１には、シンクロトロン(加速器)内に設置されているＲＦ−ＫＯ電極により、重粒子線のビームの進行方向に対して垂直方向に印加するＲＦ−ＫＯ電圧を、オン／オフすることにより、シンクロトロン(加速器)内から取り出される重粒子線のビーム（荷電粒子ビーム）をオン／オフする装置が記載されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１９８３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる従来技術においては、ＲＦ−ＫＯ電極に対してフィードバック制御が行われているが、シンクロトロンから荷電粒子ビームを取り出す機構は複雑であり、単純なフィードバック制御では、取り出される荷電粒子ビームの線量を一定に保つことは困難であった。
【０００６】
本発明は、前記事情に鑑みて創案されたものであり、取り出される荷電粒子ビームの線量を一定に保つことが可能な粒子線照射システム及び粒子線照射方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明は、加速器内で加速され当該加速器内の軌道を進む荷電粒子ビームに、当該荷電粒子ビームを挟んで配置されるＲＦ−ＫＯ電極により、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加して前記荷電粒子ビームの幅を広げて前記荷電粒子ビームの一部をデフレクタ電極を介して前記加速器内から取り出す粒子線照射システムであって、前記加速器を駆動制御する駆動制御装置は、前記ＲＦ−ＫＯ電極の駆動を停止したまま、前記加速器を駆動し、続いて、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅を増大させ、続いて、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号と、前記第一の周波数成分よりもベータトロン振幅の大きい粒子に共鳴する第二の周波数成分を有する第二のＲＦ−ＫＯ信号と、を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅をさらに増大させるとともに、前記加速器から取り出された荷電粒子ビームの線量をモニタリングする線量モニタリング装置の検出結果に基づく前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を開始し、当該フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させ、続いて、前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を、当該フィードバック制御のゲインを所定値としたまま行うことを特徴とする。
【０００８】
前記駆動制御装置は、前記第一のＲＦ−ＫＯ信号を発生する第一のＲＦ−ＫＯ信号発生部と、前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を発生する第二のＲＦ−ＫＯ信号発生部と、前記第一のＲＦ−ＫＯ信号を増幅する第一の増幅部と、前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を増幅する第二の増幅部と、増幅された前記第一のＲＦ−ＫＯ信号及び増幅された前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を加算し、増幅されて加算された前記第一のＲＦ−ＫＯ信号及び前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として前記ＲＦ−ＫＯ電極へ出力する加算部と、前記第一の増幅部及び前記第二の増幅部におけるフィードバック制御のゲインを調整するゲイン調整部と、を備える構成であってもよい。
【０００９】
また、前記課題を解決するため、本発明は、加速器内で加速され当該加速器内の軌道を進む荷電粒子ビームに、当該荷電粒子ビームを挟んで配置されるＲＦ−ＫＯ電極により、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加して前記荷電粒子ビームの幅を広げて前記荷電粒子ビームの一部をデフレクタ電極を介して前記加速器内から取り出す粒子線照射方法であって、前記加速器を駆動制御する駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電極の駆動を停止したまま、前記加速器を駆動する第一ステップと、前記駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅を増大させる第二ステップと、前記駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号と、前記第一の周波数成分よりもベータトロン振幅の大きい粒子に共鳴する第二の周波数成分を有する第二のＲＦ−ＫＯ信号と、を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅をさらに増大させるとともに、前記加速器から取り出された荷電粒子ビームの線量をモニタリングする線量モニタリング装置の検出結果に基づく前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を開始し、当該フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させる第三ステップと、前記駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を、当該フィードバック制御のゲインを所定値としたまま行う第四ステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、取り出される荷電粒子ビームの線量を一定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る荷電粒子線照射システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面概念図であり、シンクロトロン内の周回軌道を加速されて廻る取り出し前のビームと、取り出し中のビームの水平方向位置とそのビーム強度、及びデフレクタ電極との位置関係を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る制御装置及びＲＦ−ＫＯ電極駆動装置を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る粒子線照射システムの動作例を示す図であり、線量モニタリング装置によってモニタリングされた線量、フィードバック制御のゲイン、ＲＦ−ＫＯ電圧の出力、第一のＲＦ−ＫＯ電圧の出力、及び、第二のＲＦ−ＫＯ電圧の出力の経時変化を示すグラフである。
【図５】（ａ）は、第一ステップ終了時点におけるベータトロン振幅とベータトロン振動数との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、第一ステップ終了時点におけるベータトロン振幅と周回ビームの粒子密度分布との関係を示すグラフである。
【図６】（ａ）は、第四ステップにおけるベータトロン振幅とベータトロン振動数との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、第四ステップにおけるベータトロン振幅と周回ビームの粒子密度分布との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、本発明をがんを患う患者の患部(照射対象)に炭素、ネオン等の電子を除いた粒子(原子核)の放射線である荷電粒子ビームを照射するシステムに適用した場合を例にとり、添付図面を参照して説明する。
【００１３】
＜粒子線照射システム＞
図１は、本発明の実施形態に係る粒子線照射システムの全体構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係る粒子線照射システム１は、炭素等の原子から一部の電子を取り除くイオン源１０，１０と、該一部の電子が取り除かれた粒子の初段の加速を行う線形加速器２０と、該粒子の残りの電子を取り除くストリッパ３０と、当該粒子が患者の体の奥深くまで到着できるエネルギまで加速する環状のシンクロトロン４０と、輸送系５０と、加速された当該粒子を治療室（図示せず）の患者に照射するための照射系６０とを含んで構成される。
なお、イオン源１０，１０から照射系６０に至るまでの荷電粒子ビームの輸送管は、高真空に保たれている。
【００１４】
粒子線照射システム１における各装置は、制御装置７０（図３参照）で制御され、前記したように、荷電粒子ビームを患者の患部に（患者の体の奥深くまで）到達するのに必要なエネルギまで加速して、照射系６０を用いて患者の患部に照射する。
図１に示すイオン源１０，１０には、ＰＩＧ（Penning Ionization Gauge）型イオン源、あるいはＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）を利用してプラズマイオンを発生させるＥＣＲ型イオン源等、公知のイオン源を用いることができる。例えば、炭素イオンＣ6+の重粒子を生成させる場合は、まずＣＯ2等の希薄なガスに電子ビームを当て、炭素分子から電子をたたき出すことにより共有結合を切り、炭素原子又は電子が１個剥がれたＣ1+を生成させる。
【００１５】
これにより、電子とイオンが混在するプラズマが形成される。この炭素原子又は１価イオンに、引き続き電子ビームを当てＣ2+からＣ3+、Ｃ4+へと次第に多価イオンに変化させてゆく。
このプラズマにスリット付の負電極（−２０ｋＶ程度）を近づけると、Ｃ4+イオンはプラズマから引き出され、線形加速器３で加速される。加速によりエネルギーが６ＭｅＶ／核子になった時点で、Ｃ4+をストリッパ３０に通過させる。これによりＣ4+に残っている２つの電子が剥ぎとられて炭素原子核だけのＣ6+となる。
線形加速器２０で６ＭｅＶ／核子まで加速されたＣ6+は、負の高電圧が印加されているインフレクタ４１によりシンクロトロン４０の周回軌道に入射される。
【００１６】
≪シンクロトロン４０≫
図１に示すシンクロトロン４０は、加速高周波の周期を粒子回転周期に同期させることにより、炭素の原子核等の荷電粒子（重粒子）を高エネルギまで加速する環状の装置であり、「加速器」に相当するものである。
【００１７】
シンクロトロン４０は、主要構成機器として、インフレクタ４１と、シンクロトロン５内を進む荷電粒子ビームを周回軌道に保つための複数の偏向電磁石４２と、周回軌道上における荷電粒子ビームの広がりを収束又は拡散させる作用を有する複数の四極電磁石４３と、荷電粒子ビームの加速を行う高周波加速空洞４４と、荷電粒子線を治療室の照射系６０に向けて出射するときにＲＦ−ＫＯ（Radio Frequency - Knock Out）電圧を印加するＲＦ−ＫＯ電極４５と、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場により広げられた荷電粒子線をシンクロトロン４０から治療室の照射系６０へ向けて出射するデフレクタ電極４６と、ベータトロン振動の三次共鳴によって、荷電粒子ビームにおける安定周回領域と共鳴領域とを分割・生成する六極電磁石４７と、を備えている。
【００１８】
ＲＦ−ＫＯ電極４５は、シンクロトロン４０の荷電粒子ビームの周回軌道（図２に示す取り出し前ビームｂ１、取り出し中のビームｂ２が相当）を挟んで平行方向（図１の紙面方向）に配置される電極である。
なお、図２は、シンクロトロン（加速器）４０内の周回軌道を加速されて廻る照射系６０への取り出し前のビームｂ１と、照射系６０へ取り出し中のビームｂ２の水平方向位置(横軸ｘ)とそのビーム強度(縦軸ｙ)、及びデフレクタ電極４６(二点鎖線で示す)との位置関係を示す図１のＡ−Ａ線断面概念図であり、シンクロトロン４０の水平方向の中心を原点として横軸に水平方向の位置をとり、縦軸に水平方向の位置のビーム強度をとっている。
【００１９】
＜シンクロトロン４０からの荷電粒子線の取り出し＞
図１に示すシンクロトロン４０内の周回軌道を周回している多数の荷電粒子は、水平方向（図１の紙面に平行方向）又は鉛直方向（図１の紙面に垂直方向）に振動しながら周回している（図２に示す符号ｂ１参照）。この振動をベータトロン振動といい、ベータトロン振動の周回軌道一周あたりの振動数をチューンと称する。チューンは、図１に示す偏向電磁石４２、四極電磁石４３等により制御することができる。
【００２０】
このシンクロトロン４０によって加速されベータトロン振動を行っている荷電粒子ビームは、そのサイズが小さく、図２の符号ｂ１に示すように、シンクロトロン（加速器）４０の中心付近に分布している。
ビームｂ１は、例えば、１０９〜１０１０個の炭素粒子であり、この炭素粒子は、横断面が楕円状を呈してシンクロトロン（加速器）４０内の軌道を回転している。各炭素粒子に着目すると、この軌道に沿って、各炭素粒子が蛇行しながら、言い換えると、軌道に対する横断面でみると振動しながら、シンクロトロン４０内の軌道に沿って廻っている。
【００２１】
そして、荷電粒子が高周波加速空洞４４（図１参照）によって加速され最大エネルギに達した後、周回している多数の荷電粒子の一部を、荷電粒子ビームにＲＦ−ＫＯ電極４５でＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加し、デフレクタ電極４６を介して、治療室の照射系６０へ向けて出射する。
すなわち、シンクロトロン４０内の荷電粒子ビームをシンクロトロン４０の外の照射系６０に向けて取り出すためには、中心付近に分布する荷電粒子ビーム（図２の符号ｂ１参照）に、周回軌道に対して垂直に水平方向にＲＦ−ＫＯ電極４５で挟んでＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加し、荷電粒子ビームサイズを広げる（図２の符号ｂ２参照）。
この荷電粒子の出射は、シンクロトロン４０内の周回軌道を進む荷電粒子のベータトロン振動の共鳴を利用して行う。
【００２２】
具体的には、図１に示すＲＦ−ＫＯ電極４５は、照射系６０への取り出し前の周回軌道を加速されて進むビームｂ１に対して、周回軌道に垂直な方向（図１の紙面に平行方向）に、ベータトロン振動に共鳴する周波数変調及び振幅変調されたＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加し、周回軌道を進む荷電粒子ビームを、照射系６０への図２の取り出し前ビームｂ１から図２の取り出し中のビームｂ２に幅を広げることにより、荷電粒子ビームの一部ｂ３（図２参照）をデフレクタ電極４６の２枚の電極の中に入れる。デフレクタ電極４６の２枚の電極の中にビームｂ３が入ると、デフレクタ電極４６内の電場によって、荷電粒子ビームｂ３は外側に蹴りだされ、照射系６０に向けて取り出されていく。
なお、ＲＦ−ＫＯ電圧がオフのときには、この荷電粒子ビームのサイズの増加がとまるために、荷電粒子ビームがデフレクタ電極１３から取り出されなくなるので、照射を止めることが可能となる。
【００２３】
ここで、中心付近にいるベータトロン振幅の小さなビームの、ベータトロン振動数（周波数）の帯域をｆ１とすると、シンクロトロン４０には六極電磁石４７（図１参照）が存在するため、ベータトロン振幅が大きくなったビームは、帯域ｆ１よりもベータトロン振幅の大きい粒子に共鳴する周波数ｆ２で、ベータトロン振動をする。ＲＦ−ＫＯ電圧の周波数成分とこのベータトロン振動の周波数成分が一致したとき、共振がおこりベータトロン振幅は増大する。
【００２４】
つまり、ＲＦ−ＫＯ電極４５で印加するＲＦ−ＫＯ電圧の周波数成分ｆ１とこの荷電粒子ビームのベータトロン振動の周波数成分が一致したとき、共振が起こり、図２の符号ｂ１に示す状態から符号ｂ２に示す状態へと、荷電粒子ビームの軌道振幅は増大する。
さらに、ＲＦ−ＫＯ電極４５により周波数成分ｆ２をもった高周波電圧を印加することにより、符号ｂ２に示す状態の荷電粒子ビームの振動を、図２の符号ｂ３に示す状態のように、選択的にさらに増大させることができる。
【００２５】
続いて、本発明の第一の実施形態に係る粒子線照射システム１における、ＲＦ−ＫＯ電極４５を駆動制御する構成について、図３を参照して説明する。図３は、本発明の実施形態に係る制御装置及びＲＦ−ＫＯ電極駆動装置を示すブロック図である。
【００２６】
図３に示すように、本発明の実施形態に係る粒子線照射システム１は、制御装置７０と、ＲＦ−ＫＯ電極駆動装置８０と、を備える。
【００２７】
制御装置７０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory、ＲＯＭ（Read-Only Memory）及び入出力回路から構成されており、機能部として、線形加速器２０及びシンクロトロン４０を制御する加速器制御部７１と、輸送系５０を制御する輸送系制御部７２と、照射系６０を制御する照射系制御部７３と、を備える。ここで、照射系６０は、デフレクタ電極４６を介して取り出された荷電粒子ビームの線量をモニタリングする線量モニタリング装置６１を備える。線量モニタリング装置６１によってモニタリングされた線量のデータは、制御装置７０のＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａへ出力される。
【００２８】
加速器制御部７１は、シンクロトロン４０内の電磁石、電極等を制御するものであり、ＲＦ−ＫＯ電極駆動装置８０を作動させることによってＲＦ−ＫＯ電極４５の駆動を制御するＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａを備える。
【００２９】
ＲＦ−ＫＯ電極駆動装置８０は、ＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａの制御によってＲＦ−ＫＯ電圧を発生してＲＦ−ＫＯ電極に印加する装置であり、第一のＲＦ−ＫＯ信号発生器８１と、第二のＲＦ−ＫＯ信号発生器８２と、第一の増幅器８３と、第二の増幅器８４と、加算器８５と、を備える。
【００３０】
第一のＲＦ−ＫＯ信号発生器８１は、ベータトロン振幅の小さい粒子に共鳴する周波数帯域を有するＲＦ信号を発生するファンクションジェネレータと、シンクロトロンマスタトリガ信号、要求強度信号及び取り出しゲート信号を入力としてＡＭパターンを生成するＡＭパターン生成器と、当該ファンクションジェネレータ及び当該ＡＭパターン生成器からの出力信号が入力される電圧制御増幅器と、を備えて構成されている。かかる第一のＲＦ−ＫＯ信号発生器８１は、粒子密度が高く、ベータトロン振幅が小さい荷電粒子ビームに対して、ベータトロン振動を共振させて荷電粒子ビームのベータトロン振幅を増大させるための第一のＲＦ−ＫＯ信号を発生する。かかる第一のＲＦ−ＫＯ信号は、第一の周波数成分ｆ１を有する交流電圧信号であり、第一の増幅器８３へ出力される。
【００３１】
第二のＲＦ−ＫＯ信号発生器８２は、ベータトロン振幅の大きい粒子に共鳴する周波数帯域を有するＲＦ信号を発生するファンクションジェネレータと、シンクロトロンマスタトリガ信号、要求強度信号及び取り出しゲート信号を入力としてＡＭパターンを生成するＡＭパターン生成器と、当該ファンクションジェネレータ及び当該ＡＭパターン生成器からの出力信号が入力される電圧制御増幅器と、を備えて構成されている。かかる第二のＲＦ−ＫＯ信号発生器８２は、粒子密度が小さく、ベータトロン振幅が大きい荷電粒子ビームに対して、ベータトロン振動を共振させて荷電粒子ビームのベータトロン振幅を増大させるための第二のＲＦ−ＫＯ信号を発生する。かかる第二のＲＦ−ＫＯ信号は、第二の周波数成分ｆ２を有する交流電圧信号であり、第二の増幅器８４へ出力される。
【００３２】
第一の増幅器８３は、第一のＲＦ−ＫＯ信号発生器８１から入力された第一のＲＦ−ＫＯ信号を増幅する。増幅された第一のＲＦ−ＫＯ信号は、加算器８５へ出力される。
【００３３】
第二の増幅器８４は、第二のＲＦ−ＫＯ信号発生器８２から入力された第二のＲＦ−ＫＯ信号を増幅する。増幅された第二のＲＦ−ＫＯ信号は、加算器８５へ出力される。
【００３４】
加算器８５は、第一の増幅器８３から入力された第一のＲＦ−ＫＯ信号と、第二の増幅器８４から入力された第二のＲＦ−ＫＯ信号と、を加算する。加算された第一のＲＦ−ＫＯ信号及び第二のＲＦ−ＫＯ信号は、ＲＦ−ＫＯ電圧としてＲＦ−ＫＯ電極４５へ印加される。
【００３５】
前記したＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａは、第一のＲＦ−ＫＯ信号発生器８１及び第二のＲＦ−ＫＯ信号発生器８２の駆動を制御するとともに、線量モニタリング装置６１によってモニタリングされた線量のデータに基づいて、第一の増幅器８３及び第二の増幅器８４における出力である第一のＲＦ−ＫＯ信号及び第二のＲＦ−ＫＯ信号に対するフィードバック制御（例えば、ＰＩＤ（Proportional Integral Differentiate）制御）をそれぞれ行うとともに、第一の増幅器８３及び第二の増幅器８４のフィードバック制御のゲインを調整する。
【００３６】
＜動作例＞
続いて、本発明の実施形態に係る粒子線照射システム１の動作例について、図４を参照して説明する。図４は、本発明の実施形態に係る粒子線照射システムの動作例を示す図であり、線量モニタリング装置によってモニタリングされた線量、増幅器のゲイン、ＲＦ−ＫＯ電圧の出力、第一のＲＦ−ＫＯ電圧の出力、及び、第二のＲＦ−ＫＯ電圧の出力の経時変化を示すグラフである。
【００３７】
≪第一ステップ≫
まず、加速器制御部７１は、線形加速器２０の駆動を開始するとともに、シンクロトロン４０のＲＦ−ＫＯ電極４５以外の電磁石、電極等の駆動を開始する。第一ステップは、所定時間経過後に第二ステップに移行する。図５（ａ）は、第一ステップ終了時点におけるベータトロン振幅とベータトロン振動数との関係を示すグラフであり、図５（ｂ）は、第一ステップ終了時点におけるベータトロン振幅と周回ビーム（シンクロトロン内を周回する荷電粒子ビーム）の粒子密度分布との関係を示すグラフである。図５（ａ）（ｂ）に示すように、第一ステップの終了時点では、第二のＲＦ−ＫＯ信号の周波数ｆ２と共振する荷電粒子は少ない。かかる第一ステップは、荷電粒子ビームの加速後、ＲＦ−ＫＯ電極以外の電磁石、電極（デフレクタ電極４６や六極電磁石４７等）等が出射（荷電粒子ビームの取り出し）準備完了状態になるまで行われる。
【００３８】
≪第二ステップ≫
続いて、加速器制御部７１のＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａは、第一のＲＦ−ＫＯ信号発生器８１の駆動を開始し、ＲＦ−ＫＯ電極４５に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号をＲＦ−ＫＯ電圧として印加する。第二ステップにおいて第二のＲＦ−ＫＯ信号を発生せず、フィードバック制御を行わないのは、シンクロトロン４０のＲＦ−ＫＯ電圧４５にＲＦ−ＫＯ電圧が印加されても、位相空間における荷電粒子ビームの分布は定常状態とはならず過渡状態にあるため、フィードバック制御が安定しないためである。かかる第二ステップは、実験、シミュレーション等によって決められた所定時間（荷電粒子ビームの線量がおおよそ目標値に達する時間）経過後に、第三ステップに移行する。
【００３９】
≪第三ステップ≫
続いて、ＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａは、第二のＲＦ−ＫＯ信号発生器８２の駆動を開始し、ＲＦ−ＫＯ電極４５に対して、ＲＦ−ＫＯ信号に第二の周波数成分を有する第二のＲＦ−ＫＯ信号が加算された信号をＲＦ−ＫＯ電圧として印加する。同時に、ＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａは、第一の増幅部８３及び第二の増幅部８４におけるフィードバック制御を開始し、フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させる。第三ステップにおいてフィードバック制御のゲインを連続的に上昇させるのは、位相空間における荷電粒子ビームの分布は過渡状態から定常状態への遷移期にあるため、ゲインを一気に所定値まで上げるとフィードバック制御が安定しないためである。
【００４０】
≪第四ステップ≫
続いて、ＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａは、第一の増幅部８３及び第二の増幅部８４におけるフィードバック制御を、ゲインを所定値としたまま継続する。図６（ａ）は、第四ステップにおけるベータトロン振幅とベータトロン振動数との関係を示すグラフであり、図６（ｂ）は、第四ステップにおけるベータトロン振幅と荷電粒子ビームの線量との関係を示すグラフである。図６（ａ）（ｂ）に示すように、第四ステップでは、第二のＲＦ−ＫＯ信号の周波数ｆ２と共振する荷電粒子がデフレクタ電極４６によって取り出される。
【００４１】
従来の粒子線照射システムは、前記した第二ステップ及び第三ステップを行わず、第一ステップから第四ステップへと直接移行する動作を行うものであったため、フィードバック制御が安定せず、取り出される荷電粒子ビームの線量を一定に保つことが困難であった。これに対し、本発明の実施形態に係る粒子線照射システム１は、四段階に分けてシンクロトロン４０の駆動を制御することによって、取り出される荷電粒子ビームの線量を一定に保つことができる。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。例えば、本発明の粒子線照射システム及び粒子線照射方法は、医療以外の分野にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 粒子線照射システム
４０ シンクロトロン（加速器）
４５ ＲＦ−ＫＯ電極
４６ デフレクタ電極
７０ 制御装置
７１ 加速器制御部（駆動制御装置）
７１ａ ＲＦ−ＫＯ電極制御部（ゲイン調整部）
８０ ＲＦ−ＫＯ電極駆動装置（駆動制御装置）
８１ 第一のＲＦ−ＫＯ信号発生器
８２ 第二のＲＦ−ＫＯ信号発生器
８３ 第一の増幅器
８４ 第二の増幅器
８５ 加算器
８６ 増幅器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線を照射する粒子線照射システム及び粒子線照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線でがんの治療を行う場合、がんの種類や進み具合によって放射線を使い分けることが必要である。重粒子線（荷電粒子線）は、Ｘ線、γ線や陽子線に比較し、この治療効果が大きい。
この炭素、ネオン等の重粒子線をがんを患う患者の患部に照射し、治療を行う場合、如何にゆらぎを小さくして一定の線量を患者に照射するかが必要とされる。
そのため、患者の患部に照射する重粒子線を線量計で測定し、この線量信号を一定に保つように、フィードバック制御が行われている。
【０００３】
特許文献１には、シンクロトロン(加速器)内に設置されているＲＦ−ＫＯ電極により、重粒子線のビームの進行方向に対して垂直方向に印加するＲＦ−ＫＯ電圧を、オン／オフすることにより、シンクロトロン(加速器)内から取り出される重粒子線のビーム（荷電粒子ビーム）をオン／オフする装置が記載されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１９８３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる従来技術においては、ＲＦ−ＫＯ電極に対してフィードバック制御が行われているが、シンクロトロンから荷電粒子ビームを取り出す機構は複雑であり、単純なフィードバック制御では、取り出される荷電粒子ビームの線量を一定に保つことは困難であった。
【０００６】
本発明は、前記事情に鑑みて創案されたものであり、取り出される荷電粒子ビームの線量を一定に保つことが可能な粒子線照射システム及び粒子線照射方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明は、加速器内で加速され当該加速器内の軌道を進む荷電粒子ビームに、当該荷電粒子ビームを挟んで配置されるＲＦ−ＫＯ電極により、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加して前記荷電粒子ビームの幅を広げて前記荷電粒子ビームの一部をデフレクタ電極を介して前記加速器内から取り出す粒子線照射システムであって、前記加速器を駆動制御する駆動制御装置は、前記ＲＦ−ＫＯ電極の駆動を停止したまま、前記加速器を駆動し、続いて、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅を増大させ、続いて、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号と、前記第一の周波数成分よりもベータトロン振幅の大きい粒子に共鳴する第二の周波数成分を有する第二のＲＦ−ＫＯ信号と、を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅をさらに増大させるとともに、前記加速器から取り出された荷電粒子ビームの線量をモニタリングする線量モニタリング装置の検出結果に基づく前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を開始し、当該フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させ、続いて、前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を、当該フィードバック制御のゲインを所定値としたまま行うことを特徴とする。
【０００８】
前記駆動制御装置は、前記第一のＲＦ−ＫＯ信号を発生する第一のＲＦ−ＫＯ信号発生部と、前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を発生する第二のＲＦ−ＫＯ信号発生部と、前記第一のＲＦ−ＫＯ信号を増幅する第一の増幅部と、前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を増幅する第二の増幅部と、増幅された前記第一のＲＦ−ＫＯ信号及び増幅された前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を加算し、増幅されて加算された前記第一のＲＦ−ＫＯ信号及び前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として前記ＲＦ−ＫＯ電極へ出力する加算部と、前記第一の増幅部及び前記第二の増幅部におけるフィードバック制御のゲインを調整するゲイン調整部と、を備える構成であってもよい。
【０００９】
また、前記課題を解決するため、本発明は、加速器内で加速され当該加速器内の軌道を進む荷電粒子ビームに、当該荷電粒子ビームを挟んで配置されるＲＦ−ＫＯ電極により、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加して前記荷電粒子ビームの幅を広げて前記荷電粒子ビームの一部をデフレクタ電極を介して前記加速器内から取り出す粒子線照射方法であって、前記加速器を駆動制御する駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電極の駆動を停止したまま、前記加速器を駆動する第一ステップと、前記駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅を増大させる第二ステップと、前記駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号と、前記第一の周波数成分よりもベータトロン振幅の大きい粒子に共鳴する第二の周波数成分を有する第二のＲＦ−ＫＯ信号と、を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅をさらに増大させるとともに、前記加速器から取り出された荷電粒子ビームの線量をモニタリングする線量モニタリング装置の検出結果に基づく前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を開始し、当該フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させる第三ステップと、前記駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を、当該フィードバック制御のゲインを所定値としたまま行う第四ステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、取り出される荷電粒子ビームの線量を一定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る荷電粒子線照射システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面概念図であり、シンクロトロン内の周回軌道を加速されて廻る取り出し前のビームと、取り出し中のビームの水平方向位置とそのビーム強度、及びデフレクタ電極との位置関係を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る制御装置及びＲＦ−ＫＯ電極駆動装置を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る粒子線照射システムの動作例を示す図であり、線量モニタリング装置によってモニタリングされた線量、フィードバック制御のゲイン、ＲＦ−ＫＯ電圧の出力、第一のＲＦ−ＫＯ電圧の出力、及び、第二のＲＦ−ＫＯ電圧の出力の経時変化を示すグラフである。
【図５】（ａ）は、第一ステップ終了時点におけるベータトロン振幅とベータトロン振動数との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、第一ステップ終了時点におけるベータトロン振幅と周回ビームの粒子密度分布との関係を示すグラフである。
【図６】（ａ）は、第四ステップにおけるベータトロン振幅とベータトロン振動数との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、第四ステップにおけるベータトロン振幅と周回ビームの粒子密度分布との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、本発明をがんを患う患者の患部(照射対象)に炭素、ネオン等の電子を除いた粒子(原子核)の放射線である荷電粒子ビームを照射するシステムに適用した場合を例にとり、添付図面を参照して説明する。
【００１３】
＜粒子線照射システム＞
図１は、本発明の実施形態に係る粒子線照射システムの全体構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係る粒子線照射システム１は、炭素等の原子から一部の電子を取り除くイオン源１０，１０と、該一部の電子が取り除かれた粒子の初段の加速を行う線形加速器２０と、該粒子の残りの電子を取り除くストリッパ３０と、当該粒子が患者の体の奥深くまで到着できるエネルギまで加速する環状のシンクロトロン４０と、輸送系５０と、加速された当該粒子を治療室（図示せず）の患者に照射するための照射系６０とを含んで構成される。
なお、イオン源１０，１０から照射系６０に至るまでの荷電粒子ビームの輸送管は、高真空に保たれている。
【００１４】
粒子線照射システム１における各装置は、制御装置７０（図３参照）で制御され、前記したように、荷電粒子ビームを患者の患部に（患者の体の奥深くまで）到達するのに必要なエネルギまで加速して、照射系６０を用いて患者の患部に照射する。
図１に示すイオン源１０，１０には、ＰＩＧ（Penning Ionization Gauge）型イオン源、あるいはＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）を利用してプラズマイオンを発生させるＥＣＲ型イオン源等、公知のイオン源を用いることができる。例えば、炭素イオンＣ6+の重粒子を生成させる場合は、まずＣＯ2等の希薄なガスに電子ビームを当て、炭素分子から電子をたたき出すことにより共有結合を切り、炭素原子又は電子が１個剥がれたＣ1+を生成させる。
【００１５】
これにより、電子とイオンが混在するプラズマが形成される。この炭素原子又は１価イオンに、引き続き電子ビームを当てＣ2+からＣ3+、Ｃ4+へと次第に多価イオンに変化させてゆく。
このプラズマにスリット付の負電極（−２０ｋＶ程度）を近づけると、Ｃ4+イオンはプラズマから引き出され、線形加速器３で加速される。加速によりエネルギーが６ＭｅＶ／核子になった時点で、Ｃ4+をストリッパ３０に通過させる。これによりＣ4+に残っている２つの電子が剥ぎとられて炭素原子核だけのＣ6+となる。
線形加速器２０で６ＭｅＶ／核子まで加速されたＣ6+は、負の高電圧が印加されているインフレクタ４１によりシンクロトロン４０の周回軌道に入射される。
【００１６】
≪シンクロトロン４０≫
図１に示すシンクロトロン４０は、加速高周波の周期を粒子回転周期に同期させることにより、炭素の原子核等の荷電粒子（重粒子）を高エネルギまで加速する環状の装置であり、「加速器」に相当するものである。
【００１７】
シンクロトロン４０は、主要構成機器として、インフレクタ４１と、シンクロトロン５内を進む荷電粒子ビームを周回軌道に保つための複数の偏向電磁石４２と、周回軌道上における荷電粒子ビームの広がりを収束又は拡散させる作用を有する複数の四極電磁石４３と、荷電粒子ビームの加速を行う高周波加速空洞４４と、荷電粒子線を治療室の照射系６０に向けて出射するときにＲＦ−ＫＯ（Radio Frequency - Knock Out）電圧を印加するＲＦ−ＫＯ電極４５と、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場により広げられた荷電粒子線をシンクロトロン４０から治療室の照射系６０へ向けて出射するデフレクタ電極４６と、ベータトロン振動の三次共鳴によって、荷電粒子ビームにおける安定周回領域と共鳴領域とを分割・生成する六極電磁石４７と、を備えている。
【００１８】
ＲＦ−ＫＯ電極４５は、シンクロトロン４０の荷電粒子ビームの周回軌道（図２に示す取り出し前ビームｂ１、取り出し中のビームｂ２が相当）を挟んで平行方向（図１の紙面方向）に配置される電極である。
なお、図２は、シンクロトロン（加速器）４０内の周回軌道を加速されて廻る照射系６０への取り出し前のビームｂ１と、照射系６０へ取り出し中のビームｂ２の水平方向位置(横軸ｘ)とそのビーム強度(縦軸ｙ)、及びデフレクタ電極４６(二点鎖線で示す)との位置関係を示す図１のＡ−Ａ線断面概念図であり、シンクロトロン４０の水平方向の中心を原点として横軸に水平方向の位置をとり、縦軸に水平方向の位置のビーム強度をとっている。
【００１９】
＜シンクロトロン４０からの荷電粒子線の取り出し＞
図１に示すシンクロトロン４０内の周回軌道を周回している多数の荷電粒子は、水平方向（図１の紙面に平行方向）又は鉛直方向（図１の紙面に垂直方向）に振動しながら周回している（図２に示す符号ｂ１参照）。この振動をベータトロン振動といい、ベータトロン振動の周回軌道一周あたりの振動数をチューンと称する。チューンは、図１に示す偏向電磁石４２、四極電磁石４３等により制御することができる。
【００２０】
このシンクロトロン４０によって加速されベータトロン振動を行っている荷電粒子ビームは、そのサイズが小さく、図２の符号ｂ１に示すように、シンクロトロン（加速器）４０の中心付近に分布している。
ビームｂ１は、例えば、１０９〜１０１０個の炭素粒子であり、この炭素粒子は、横断面が楕円状を呈してシンクロトロン（加速器）４０内の軌道を回転している。各炭素粒子に着目すると、この軌道に沿って、各炭素粒子が蛇行しながら、言い換えると、軌道に対する横断面でみると振動しながら、シンクロトロン４０内の軌道に沿って廻っている。
【００２１】
そして、荷電粒子が高周波加速空洞４４（図１参照）によって加速され最大エネルギに達した後、周回している多数の荷電粒子の一部を、荷電粒子ビームにＲＦ−ＫＯ電極４５でＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加し、デフレクタ電極４６を介して、治療室の照射系６０へ向けて出射する。
すなわち、シンクロトロン４０内の荷電粒子ビームをシンクロトロン４０の外の照射系６０に向けて取り出すためには、中心付近に分布する荷電粒子ビーム（図２の符号ｂ１参照）に、周回軌道に対して垂直に水平方向にＲＦ−ＫＯ電極４５で挟んでＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加し、荷電粒子ビームサイズを広げる（図２の符号ｂ２参照）。
この荷電粒子の出射は、シンクロトロン４０内の周回軌道を進む荷電粒子のベータトロン振動の共鳴を利用して行う。
【００２２】
具体的には、図１に示すＲＦ−ＫＯ電極４５は、照射系６０への取り出し前の周回軌道を加速されて進むビームｂ１に対して、周回軌道に垂直な方向（図１の紙面に平行方向）に、ベータトロン振動に共鳴する周波数変調及び振幅変調されたＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加し、周回軌道を進む荷電粒子ビームを、照射系６０への図２の取り出し前ビームｂ１から図２の取り出し中のビームｂ２に幅を広げることにより、荷電粒子ビームの一部ｂ３（図２参照）をデフレクタ電極４６の２枚の電極の中に入れる。デフレクタ電極４６の２枚の電極の中にビームｂ３が入ると、デフレクタ電極４６内の電場によって、荷電粒子ビームｂ３は外側に蹴りだされ、照射系６０に向けて取り出されていく。
なお、ＲＦ−ＫＯ電圧がオフのときには、この荷電粒子ビームのサイズの増加がとまるために、荷電粒子ビームがデフレクタ電極１３から取り出されなくなるので、照射を止めることが可能となる。
【００２３】
ここで、中心付近にいるベータトロン振幅の小さなビームの、ベータトロン振動数（周波数）の帯域をｆ１とすると、シンクロトロン４０には六極電磁石４７（図１参照）が存在するため、ベータトロン振幅が大きくなったビームは、帯域ｆ１よりもベータトロン振幅の大きい粒子に共鳴する周波数ｆ２で、ベータトロン振動をする。ＲＦ−ＫＯ電圧の周波数成分とこのベータトロン振動の周波数成分が一致したとき、共振がおこりベータトロン振幅は増大する。
【００２４】
つまり、ＲＦ−ＫＯ電極４５で印加するＲＦ−ＫＯ電圧の周波数成分ｆ１とこの荷電粒子ビームのベータトロン振動の周波数成分が一致したとき、共振が起こり、図２の符号ｂ１に示す状態から符号ｂ２に示す状態へと、荷電粒子ビームの軌道振幅は増大する。
さらに、ＲＦ−ＫＯ電極４５により周波数成分ｆ２をもった高周波電圧を印加することにより、符号ｂ２に示す状態の荷電粒子ビームの振動を、図２の符号ｂ３に示す状態のように、選択的にさらに増大させることができる。
【００２５】
続いて、本発明の第一の実施形態に係る粒子線照射システム１における、ＲＦ−ＫＯ電極４５を駆動制御する構成について、図３を参照して説明する。図３は、本発明の実施形態に係る制御装置及びＲＦ−ＫＯ電極駆動装置を示すブロック図である。
【００２６】
図３に示すように、本発明の実施形態に係る粒子線照射システム１は、制御装置７０と、ＲＦ−ＫＯ電極駆動装置８０と、を備える。
【００２７】
制御装置７０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory、ＲＯＭ（Read-Only Memory）及び入出力回路から構成されており、機能部として、線形加速器２０及びシンクロトロン４０を制御する加速器制御部７１と、輸送系５０を制御する輸送系制御部７２と、照射系６０を制御する照射系制御部７３と、を備える。ここで、照射系６０は、デフレクタ電極４６を介して取り出された荷電粒子ビームの線量をモニタリングする線量モニタリング装置６１を備える。線量モニタリング装置６１によってモニタリングされた線量のデータは、制御装置７０のＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａへ出力される。
【００２８】
加速器制御部７１は、シンクロトロン４０内の電磁石、電極等を制御するものであり、ＲＦ−ＫＯ電極駆動装置８０を作動させることによってＲＦ−ＫＯ電極４５の駆動を制御するＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａを備える。
【００２９】
ＲＦ−ＫＯ電極駆動装置８０は、ＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａの制御によってＲＦ−ＫＯ電圧を発生してＲＦ−ＫＯ電極に印加する装置であり、第一のＲＦ−ＫＯ信号発生器８１と、第二のＲＦ−ＫＯ信号発生器８２と、第一の増幅器８３と、第二の増幅器８４と、加算器８５と、を備える。
【００３０】
第一のＲＦ−ＫＯ信号発生器８１は、ベータトロン振幅の小さい粒子に共鳴する周波数帯域を有するＲＦ信号を発生するファンクションジェネレータと、シンクロトロンマスタトリガ信号、要求強度信号及び取り出しゲート信号を入力としてＡＭパターンを生成するＡＭパターン生成器と、当該ファンクションジェネレータ及び当該ＡＭパターン生成器からの出力信号が入力される電圧制御増幅器と、を備えて構成されている。かかる第一のＲＦ−ＫＯ信号発生器８１は、粒子密度が高く、ベータトロン振幅が小さい荷電粒子ビームに対して、ベータトロン振動を共振させて荷電粒子ビームのベータトロン振幅を増大させるための第一のＲＦ−ＫＯ信号を発生する。かかる第一のＲＦ−ＫＯ信号は、第一の周波数成分ｆ１を有する交流電圧信号であり、第一の増幅器８３へ出力される。
【００３１】
第二のＲＦ−ＫＯ信号発生器８２は、ベータトロン振幅の大きい粒子に共鳴する周波数帯域を有するＲＦ信号を発生するファンクションジェネレータと、シンクロトロンマスタトリガ信号、要求強度信号及び取り出しゲート信号を入力としてＡＭパターンを生成するＡＭパターン生成器と、当該ファンクションジェネレータ及び当該ＡＭパターン生成器からの出力信号が入力される電圧制御増幅器と、を備えて構成されている。かかる第二のＲＦ−ＫＯ信号発生器８２は、粒子密度が小さく、ベータトロン振幅が大きい荷電粒子ビームに対して、ベータトロン振動を共振させて荷電粒子ビームのベータトロン振幅を増大させるための第二のＲＦ−ＫＯ信号を発生する。かかる第二のＲＦ−ＫＯ信号は、第二の周波数成分ｆ２を有する交流電圧信号であり、第二の増幅器８４へ出力される。
【００３２】
第一の増幅器８３は、第一のＲＦ−ＫＯ信号発生器８１から入力された第一のＲＦ−ＫＯ信号を増幅する。増幅された第一のＲＦ−ＫＯ信号は、加算器８５へ出力される。
【００３３】
第二の増幅器８４は、第二のＲＦ−ＫＯ信号発生器８２から入力された第二のＲＦ−ＫＯ信号を増幅する。増幅された第二のＲＦ−ＫＯ信号は、加算器８５へ出力される。
【００３４】
加算器８５は、第一の増幅器８３から入力された第一のＲＦ−ＫＯ信号と、第二の増幅器８４から入力された第二のＲＦ−ＫＯ信号と、を加算する。加算された第一のＲＦ−ＫＯ信号及び第二のＲＦ−ＫＯ信号は、ＲＦ−ＫＯ電圧としてＲＦ−ＫＯ電極４５へ印加される。
【００３５】
前記したＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａは、第一のＲＦ−ＫＯ信号発生器８１及び第二のＲＦ−ＫＯ信号発生器８２の駆動を制御するとともに、線量モニタリング装置６１によってモニタリングされた線量のデータに基づいて、第一の増幅器８３及び第二の増幅器８４における出力である第一のＲＦ−ＫＯ信号及び第二のＲＦ−ＫＯ信号に対するフィードバック制御（例えば、ＰＩＤ（Proportional Integral Differentiate）制御）をそれぞれ行うとともに、第一の増幅器８３及び第二の増幅器８４のフィードバック制御のゲインを調整する。
【００３６】
＜動作例＞
続いて、本発明の実施形態に係る粒子線照射システム１の動作例について、図４を参照して説明する。図４は、本発明の実施形態に係る粒子線照射システムの動作例を示す図であり、線量モニタリング装置によってモニタリングされた線量、増幅器のゲイン、ＲＦ−ＫＯ電圧の出力、第一のＲＦ−ＫＯ電圧の出力、及び、第二のＲＦ−ＫＯ電圧の出力の経時変化を示すグラフである。
【００３７】
≪第一ステップ≫
まず、加速器制御部７１は、線形加速器２０の駆動を開始するとともに、シンクロトロン４０のＲＦ−ＫＯ電極４５以外の電磁石、電極等の駆動を開始する。第一ステップは、所定時間経過後に第二ステップに移行する。図５（ａ）は、第一ステップ終了時点におけるベータトロン振幅とベータトロン振動数との関係を示すグラフであり、図５（ｂ）は、第一ステップ終了時点におけるベータトロン振幅と周回ビーム（シンクロトロン内を周回する荷電粒子ビーム）の粒子密度分布との関係を示すグラフである。図５（ａ）（ｂ）に示すように、第一ステップの終了時点では、第二のＲＦ−ＫＯ信号の周波数ｆ２と共振する荷電粒子は少ない。かかる第一ステップは、荷電粒子ビームの加速後、ＲＦ−ＫＯ電極以外の電磁石、電極（デフレクタ電極４６や六極電磁石４７等）等が出射（荷電粒子ビームの取り出し）準備完了状態になるまで行われる。
【００３８】
≪第二ステップ≫
続いて、加速器制御部７１のＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａは、第一のＲＦ−ＫＯ信号発生器８１の駆動を開始し、ＲＦ−ＫＯ電極４５に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号をＲＦ−ＫＯ電圧として印加する。第二ステップにおいて第二のＲＦ−ＫＯ信号を発生せず、フィードバック制御を行わないのは、シンクロトロン４０のＲＦ−ＫＯ電圧４５にＲＦ−ＫＯ電圧が印加されても、位相空間における荷電粒子ビームの分布は定常状態とはならず過渡状態にあるため、フィードバック制御が安定しないためである。かかる第二ステップは、実験、シミュレーション等によって決められた所定時間（荷電粒子ビームの線量がおおよそ目標値に達する時間）経過後に、第三ステップに移行する。
【００３９】
≪第三ステップ≫
続いて、ＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａは、第二のＲＦ−ＫＯ信号発生器８２の駆動を開始し、ＲＦ−ＫＯ電極４５に対して、ＲＦ−ＫＯ信号に第二の周波数成分を有する第二のＲＦ−ＫＯ信号が加算された信号をＲＦ−ＫＯ電圧として印加する。同時に、ＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａは、第一の増幅部８３及び第二の増幅部８４におけるフィードバック制御を開始し、フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させる。第三ステップにおいてフィードバック制御のゲインを連続的に上昇させるのは、位相空間における荷電粒子ビームの分布は過渡状態から定常状態への遷移期にあるため、ゲインを一気に所定値まで上げるとフィードバック制御が安定しないためである。
【００４０】
≪第四ステップ≫
続いて、ＲＦ−ＫＯ電極制御部７１ａは、第一の増幅部８３及び第二の増幅部８４におけるフィードバック制御を、ゲインを所定値としたまま継続する。図６（ａ）は、第四ステップにおけるベータトロン振幅とベータトロン振動数との関係を示すグラフであり、図６（ｂ）は、第四ステップにおけるベータトロン振幅と荷電粒子ビームの線量との関係を示すグラフである。図６（ａ）（ｂ）に示すように、第四ステップでは、第二のＲＦ−ＫＯ信号の周波数ｆ２と共振する荷電粒子がデフレクタ電極４６によって取り出される。
【００４１】
従来の粒子線照射システムは、前記した第二ステップ及び第三ステップを行わず、第一ステップから第四ステップへと直接移行する動作を行うものであったため、フィードバック制御が安定せず、取り出される荷電粒子ビームの線量を一定に保つことが困難であった。これに対し、本発明の実施形態に係る粒子線照射システム１は、四段階に分けてシンクロトロン４０の駆動を制御することによって、取り出される荷電粒子ビームの線量を一定に保つことができる。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。例えば、本発明の粒子線照射システム及び粒子線照射方法は、医療以外の分野にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 粒子線照射システム
４０ シンクロトロン（加速器）
４５ ＲＦ−ＫＯ電極
４６ デフレクタ電極
７０ 制御装置
７１ 加速器制御部（駆動制御装置）
７１ａ ＲＦ−ＫＯ電極制御部（ゲイン調整部）
８０ ＲＦ−ＫＯ電極駆動装置（駆動制御装置）
８１ 第一のＲＦ−ＫＯ信号発生器
８２ 第二のＲＦ−ＫＯ信号発生器
８３ 第一の増幅器
８４ 第二の増幅器
８５ 加算器
８６ 増幅器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器内で加速され当該加速器内の軌道を進む荷電粒子ビームに、当該荷電粒子ビームを挟んで配置されるＲＦ−ＫＯ電極により、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加して前記荷電粒子ビームの幅を広げて前記荷電粒子ビームの一部をデフレクタ電極を介して前記加速器内から取り出す粒子線照射システムであって、
前記加速器を駆動制御する駆動制御装置は、
前記ＲＦ−ＫＯ電極の駆動を停止したまま、前記加速器を駆動し、
続いて、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅を増大させ、
続いて、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号と、前記第一の周波数成分よりもベータトロン振幅の大きい粒子に共鳴する第二の周波数数成分を有する第二のＲＦ−ＫＯ信号と、を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅をさらに増大させるとともに、前記加速器から取り出された荷電粒子ビームの線量をモニタリングする線量モニタリング装置の検出結果に基づく前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を開始し、当該フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させ、
続いて、前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を、当該フィードバック制御のゲインを所定値としたまま行う
ことを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項２】
前記駆動制御装置は、
前記第一のＲＦ−ＫＯ信号を発生する第一のＲＦ−ＫＯ信号発生部と、
前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を発生する第二のＲＦ−ＫＯ信号発生部と、
前記第一のＲＦ−ＫＯ信号を増幅する第一の増幅部と、
前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を増幅する第二の増幅部と、
増幅された前記第一のＲＦ−ＫＯ信号及び増幅された前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を加算し、増幅されて加算された前記第一のＲＦ−ＫＯ信号及び前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として前記ＲＦ−ＫＯ電極へ出力する加算部と、
前記第一の増幅部及び前記第二の増幅部におけるフィードバック制御のゲインを調整するゲイン調整部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射システム。
【請求項３】
加速器内で加速され当該加速器内の軌道を進む荷電粒子ビームに、当該荷電粒子ビームを挟んで配置されるＲＦ−ＫＯ電極により、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加して前記荷電粒子ビームの幅を広げて前記荷電粒子ビームの一部をデフレクタ電極を介して前記加速器内から取り出す粒子線照射方法であって、
前記加速器を駆動制御する駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電極の駆動を停止したまま、前記加速器を駆動する第一ステップと、
前記駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅を増大させる第二ステップと、
前記駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号と、前記第一の周波数成分よりもベータトロン振幅の大きい粒子に共鳴する第二の周波数成分を有する第二のＲＦ−ＫＯ信号と、を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅をさらに増大させるとともに、前記加速器から取り出された荷電粒子ビームの線量をモニタリングする線量モニタリング装置の検出結果に基づく前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を開始し、当該フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させる第三ステップと、
前記駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を、当該フィードバック制御のゲインを所定値としたまま行う第四ステップと、
を含むことを特徴とする粒子線照射方法。
【請求項１】
加速器内で加速され当該加速器内の軌道を進む荷電粒子ビームに、当該荷電粒子ビームを挟んで配置されるＲＦ−ＫＯ電極により、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加して前記荷電粒子ビームの幅を広げて前記荷電粒子ビームの一部をデフレクタ電極を介して前記加速器内から取り出す粒子線照射システムであって、
前記加速器を駆動制御する駆動制御装置は、
前記ＲＦ−ＫＯ電極の駆動を停止したまま、前記加速器を駆動し、
続いて、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅を増大させ、
続いて、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号と、前記第一の周波数成分よりもベータトロン振幅の大きい粒子に共鳴する第二の周波数数成分を有する第二のＲＦ−ＫＯ信号と、を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅をさらに増大させるとともに、前記加速器から取り出された荷電粒子ビームの線量をモニタリングする線量モニタリング装置の検出結果に基づく前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を開始し、当該フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させ、
続いて、前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を、当該フィードバック制御のゲインを所定値としたまま行う
ことを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項２】
前記駆動制御装置は、
前記第一のＲＦ−ＫＯ信号を発生する第一のＲＦ−ＫＯ信号発生部と、
前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を発生する第二のＲＦ−ＫＯ信号発生部と、
前記第一のＲＦ−ＫＯ信号を増幅する第一の増幅部と、
前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を増幅する第二の増幅部と、
増幅された前記第一のＲＦ−ＫＯ信号及び増幅された前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を加算し、増幅されて加算された前記第一のＲＦ−ＫＯ信号及び前記第二のＲＦ−ＫＯ信号を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として前記ＲＦ−ＫＯ電極へ出力する加算部と、
前記第一の増幅部及び前記第二の増幅部におけるフィードバック制御のゲインを調整するゲイン調整部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射システム。
【請求項３】
加速器内で加速され当該加速器内の軌道を進む荷電粒子ビームに、当該荷電粒子ビームを挟んで配置されるＲＦ−ＫＯ電極により、ＲＦ−ＫＯ電圧による電場を印加して前記荷電粒子ビームの幅を広げて前記荷電粒子ビームの一部をデフレクタ電極を介して前記加速器内から取り出す粒子線照射方法であって、
前記加速器を駆動制御する駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電極の駆動を停止したまま、前記加速器を駆動する第一ステップと、
前記駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅を増大させる第二ステップと、
前記駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電極に対して、第一の周波数成分を有する第一のＲＦ−ＫＯ信号と、前記第一の周波数成分よりもベータトロン振幅の大きい粒子に共鳴する第二の周波数成分を有する第二のＲＦ−ＫＯ信号と、を前記ＲＦ−ＫＯ電圧として印加することによって、ベータトロン振動を共振させて前記荷電粒子ビームのベータトロン振幅をさらに増大させるとともに、前記加速器から取り出された荷電粒子ビームの線量をモニタリングする線量モニタリング装置の検出結果に基づく前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を開始し、当該フィードバック制御のゲインをゼロから所定値まで連続的に上昇させる第三ステップと、
前記駆動制御装置が、前記ＲＦ−ＫＯ電圧に関するフィードバック制御を、当該フィードバック制御のゲインを所定値としたまま行う第四ステップと、
を含むことを特徴とする粒子線照射方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２１２１１３（Ｐ２０１１−２１２１１３Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８１３７２（Ｐ２０１０−８１３７２）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（３０１０３２９４２）独立行政法人放射線医学総合研究所 (149)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（３０１０３２９４２）独立行政法人放射線医学総合研究所 (149)
【Ｆターム（参考）】
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