荷電粒子ビーム発生装置、荷電粒子ビーム照射装置及びそれらの運転方法
【課題】直線加速器の運転周期に対する最短周期制限を維持したまま円形加速器に対する荷電粒子ビームの入射を任意のタイミングで行うことを可能として照射時間を短縮し、治療時間を短くする荷電粒子ビーム発生装置、荷電粒子ビーム照射装置及びそれらの運転方法を提供する。
【解決手段】加速器機器制御装置２１０はビーム利用系制御装置４００からのビーム出射要求信号によりシンクロトロン２００の運転を制御する。制御装置４００はシンクロトロン２００の出射完了後に次の運転サイクルの入射タイミングを知らせるタイミング信号を発生し、直線加速器１１１の運転タイミングを変更して入射タイミングに合致させる。
【解決手段】加速器機器制御装置２１０はビーム利用系制御装置４００からのビーム出射要求信号によりシンクロトロン２００の運転を制御する。制御装置４００はシンクロトロン２００の出射完了後に次の運転サイクルの入射タイミングを知らせるタイミング信号を発生し、直線加速器１１１の運転タイミングを変更して入射タイミングに合致させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビーム発生装置、荷電粒子ビーム照射装置及びそれらの運転方法に係わり、特に円形加速器とその入射用直線加速器を備えた荷電粒子ビーム発生装置、この荷電粒子ビーム発生装置とその運転方法、荷電粒子ビーム発生装置から出射した荷電粒子ビームを腫瘍等の患部（照射対象）に照射する照射装置とを備え、荷電粒子ビームの照射により患部を治療する荷電粒子ビーム照射装置とその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シンクロトロンなどの円形加速器にはその前段として入射用の直線加速器が用いられる。直線加速器はイオン源で発生した荷電粒子を加速し所定のエネルギーまで加速し円形加速器に入射するもので、円形加速器でさらに高いエネルギーまで加速された粒子は例えばがんなどの患者の患部に荷電粒子ビームを照射する粒子線治療に用いられる。
【０００３】
粒子線治療用円形加速器の入射用直線加速器の運転は加速用に高周波の電圧を用いることが知られており、それを発生する高周波電源装置が備わっている。また荷電粒子発生用イオン源についてもイオンを発生させるための高周波が必要で、それを発生させるイオン源用の高周波電源も備わっている。したがって直線加速器の運転周期はこれら高周波電源の運転周期で定まり、その周期の最小値は0.5秒、すなわち周波数2Hz(非特許文献１ 367頁)や0.2秒、すなわち周波数5Hz(非特許文献２ 2734頁)となっている。
【０００４】
直線加速器の運転周期が固定になっている、または最短周期に制限がある理由として、高周波電源の運転周期を大きく、例えば固定周期や最短周期の３、４倍まで大きくした場合にその動作や高周波特性に定常的な動作から逸脱した不安定性が生じてビーム特性に影響を与えること、また高周波電源の周期を小さく、例えば固定周期や最短周期の数分の１まで小さくした場合に高周波電源や高周波機器の熱負荷等が大きくなり不安定性が生じてビーム特性に影響を与えることなどが知られている。運転周期を小さくした場合の熱負荷については、その熱による機器の故障もあり得るので、機器を保護するために運転間時間（運転周期）を長く取る、すなわち最短周期に制限を加えざるを得ない。
【０００５】
なお加速用高周波電源とイオン源用高周波電源を備えた直線加速器についてそれぞれがおおむね固定周期で運転されている場合に、必要なタイミングに入射器からの荷電粒子ビームを供給させる方法として、荷電粒子が不要な場合にはこれら２つのタイミングの一方に運転周期からは十分小さい遅延を加えて荷電粒子が加速されないようにし、必要な場合はその遅延を加えず加速用高周波とイオン源用高周波を一致させて、必要な場合にのみ荷電粒子ビームを加速する方法が知られている（非特許文献３ I-17，18頁）。
【０００６】
一方、円形加速器で加速された荷電粒子ビームを粒子線治療に用いる場合には、患者の呼吸や心拍などによって患部の位置が変化することがあり、患部が設定位置にあるときのみ荷電粒子ビームを出射するような円形加速器の制御がある（特許文献１）。しかしながら、特許文献１記載の通り任意のタイミングで円形加速器への入射を試みた場合、その前段加速器である入射器の運転周期が固定あるいは最短周期に制限があった場合、入射を試みたタイミングより最長でその１運転周期分に相当する待ち時間が必要となり、所望の円形加速器の運転が不可能になること、またその待ち時間分だけ照射時間が長くなり患者への負担が大きくなることが考えられる。
【０００７】
また、荷電粒子ビームを粒子線治療に用いる場合、患部を深さ方向の層状に分割しその層内を患部形状に合致させて荷電粒子ビームを走査し、層内の照射を完了後円形加速器から出射される荷電粒子ビームのエネルギーを変更しながら照射する方法がある（特許文献１及び２）。特許文献２の図８に示されている通りこの照射では円形加速器において照射対象の層を変更する場合には前段加速器へのビーム出射信号を送り荷電粒子を加速するが、前段加速器の運転周期が固定あるいは最短周期に制限があった場合、入射を試みたタイミングより最長でその１運転周期分に相当する待ち時間が必要となり、所望の円形加速器の運転が不可能になること、またその待ち時間分だけ照射時間が長くなり患者への負担が大きくなることが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許３５１８２７０号
【特許文献２】特許２８３３６０２号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Kenji SAWADA, et al. “Design, Manufacture, and Performance Test of the Injector for Hyogo Hadrontherapy Center” Proc. of The 12th Symposium on Accelerator Science and Technology, Wako Japan 1999
【非特許文献２】M.Maier et.al “Commissioning of the Linac for the Heidelberg Heavy Ion Cancer Therapy Center(HIT)” Proc. of Particle Accelerator Conference 2007
【非特許文献３】高木 昭 OHO’96 高エネルギー加速器セミナー 大型ハドロン計画の第強度陽子加速器(1996年)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の入射用直線加速器では上記のように運転周期が固定あるいは最短周期に制限があることから円形加速器からのビーム要求タイミングに対して最長でその１運転周期分に相当する待ち時間が必要となっていた。したがって、円形加速器で生成される高エネルギーの荷電粒子ビームを粒子線治療に用いる場合において患者の動きに同期した運転のため、あるいは患部を複数の層や領域に分割した照射に対する運転のための円形加速器の運転に制限が生じる、また患者に対する照射時間が長くなってしまい患者の負担が大きくなる、治療設備における単位時間当たりの治療可能患者数が減少してしまうという問題点があった。一方、入射用直線加速器において任意のタイミングでビームを利用可能とするためには、その運転周期を可変とする、特に高周波電源の運転間時間、すなわち運転周期を短縮化する必要が出てくるが、その影響で直線加速器の動作やビーム特性に不安定性が発生すること、また高周波電源や高周波機器の熱負荷等により機器が正常に動作しなくなることが予想され、その対策として高周波電源の高性能化、直線加速器の大型化が必要となるという問題点があった。
【００１１】
本発明の目的は、直線加速器の運転周期に対する最短周期制限を維持したまま円形加速器に対する荷電粒子ビームの入射を任意のタイミングで行うことを可能として照射時間を短縮し、治療時間を短くする荷電粒子ビーム発生装置、荷電粒子ビーム照射装置及びそれらの運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した目的を達成するための本発明の特徴は、円形加速器の入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期において、荷電粒子ビームの出射工程完了後に、直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう直線加速器の運転タイミングを変更して、直線加速器の運転タイミングを円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させることである。また、そのために、円形加速器の入射、加速、出射、減速工程を制御するタイミング制御に対し、出射工程完了後に直線加速器に対して事前に入射要求のタイミングを知らせるプレトリガタイミングを設けることである。
【００１３】
これにより直線加速器の運転周期に対する最短周期制限を維持したまま円形加速器に対する荷電粒子ビームの入射を任意のタイミングで行うことが可能となり、直線加速器の運転周期、すなわち直線加速器の有する高周波電源のパルス発生間の時間を短縮化することなく、円形加速器の入射要求タイミングに合わせて直線加速器からの入射ビームを得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、運転周期の最短周期に制限のある入射用直線加速器を用いた円形加速器において、任意のタイミングで円形加速器へ荷電粒子ビームを入射することが可能となり、直線加速器の運転周期を短縮化することなく、円形加速器の入射要求タイミングに合わせて直線加速器からの入射ビームを得ることが可能となる。その結果、円形加速器で加速された荷電粒子ビームを用いる荷電粒子ビーム照射装置において、患者へ照射時間を短縮して治療時間を短くし、システムの効率的な運用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の全体概略構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置のシンクロトロンの運転パターンの詳細を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の加速器制御装置の詳細を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置のシンクロトロンの運転パターンにおいて、出射時の励磁レベルによる動作の相違を示した図である。
【図６】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図１１】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作を定める判定を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第２の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の全体概略構成を表す図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の照射装置の構成を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の照射対象である患部の深さ方向の特定層に設定された線量区画及びビームの走査経路を示す図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の全体概略構成を表す図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の患部移動検出信号とビーム照射可能信号の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面を用いて説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における荷電粒子ビーム照射装置の全体構成を示す概略図である。
【００１７】
本実施の形態における荷電粒子ビーム照射装置は、荷電粒子ビームを発生してシンクロトロン（円形加速器）２００への入射に必要なエネルギーまで加速する入射器システム１００、入射器システム１００にて生成した荷電粒子ビームをシンクロトロン２００まで輸送する入射輸送系１３０、入射した荷電粒子ビームを所望のエネルギーまで加速する前記のシンクロトロン（円形加速器）２００、シンクロトロン２００で加速した荷電粒子ビームを利用するビーム利用系５００、加速器機器制御装置（制御装置又は第２制御装置）２１０及びビーム利用系制御装置（第１制御装置）４００で構成される。
【００１８】
入射器システム１００は、荷電粒子を発生させるイオン源１０１とその電源１０２、発生した荷電粒子を加速する直線加速器１１１とその加速用パルス電圧を生成する高周波電源１１２、入射器制御装置１２０から構成される。シンクロトロン２００は、偏向電磁石２０１、高周波加速空胴２０２、ビーム出射用機器２０３，２０５、入射に用いられる入射機器２０４などから構成される。入射器システム１００やシンクロトロン２００は加速器機器制御装置２１０で制御され、ビーム利用系５００の制御装置４００からのビーム出射要求信号、シンクロトロンの運転パターンの移行を要求する次パターン移行要求信号、シンクロトロンから出射されるエネルギーを変更させるエネルギー切り替え要求信号などに基づき動作する。入射器システム１００とシンクロトロン２００と加速器機器制御装置２１０は荷電粒子ビーム発生装置を構成する。
【００１９】
図２に典型的な動作のタイミングチャートを示す。図２（ａ）はビーム利用系制御装置４００から生じるビーム利用系出射要求信号を示し、ビーム利用系で必要な条件の荷電粒子ビームを要求する。図２（ｂ）はシンクロトロン２００の運転パターンである電磁石励磁パターンの代表として偏向電磁石２０１の励磁パターンを示し、入射工程、加速工程、出射工程、減速工程からなる。シンクロトロン２００はこれらの工程の各期間を含む時間を１運転周期（１運転サイクル）として動作する。
【００２０】
このシンクロトロンの電磁石励磁パターンについての詳細を図３に示す。図３において、入射タイミングは、直線加速器１１１で加速した荷電粒子ビームをシンクロトロン２００に入射するタイミングであり、この入射タイミング以降、入射工程、加速工程を経て出射工程が開始されるまでの間、及び出射工程が完了してから、減速工程を経て次サイクルの入射タイミングに至るまでの間は電磁石励磁パターンとそれに対応した高周波加速や減速の制御が同期している。入射タイミング、入射工程、加速工程、減速工程中のパターンや時間はパターン作成時に予め定めておくものである。
【００２１】
一方、直線加速器１１１の高周波運転は図２（ｃ）に示す周期（ここで運転周期をＴcycとする）で行われる。図２（ｃ）において「入射器高周波運転」は直線加速器１１１の高周波運転周期を意味する。以下の説明で「入射器高周波運転」という場合も同様である。シンクロトロン２００の運転周期がこの入射器運転周期Ｔcycと一致、もしくはＴcycの整数倍となっていれば、シンクロトロン２００の入射タイミングと直線加速器１１１からビームを供給可能なタイミング（線形加速器１１１の運転タイミング）が一致し、問題なく入射可能となるが、図２（ａ）に示した通りビーム利用系５００からの出射要求信号の時間が不定期な場合や、その時間が定期的であってもシンクロトロン２００の運転周期が入射器運転周期Ｔcycの整数倍となっていない場合は、シンクロトロン２００の運転上必要な入射タイミングに入射器運転周期が合致せず、入射工程でシンクロトロン側が待機する待ち時間が発生する。
【００２２】
しかし、本実施の形態では、シンクロトロン２００の運転中、出射完了以降の特定のタイミングに入射器システム１００に対してシンクロトロン２００の次の運転周期のビームの入射タイミングを知らせる入射プレトリガ信号を発生させ、この入射プレトリガ信号に基づいて直線加速器１１１の高周波運転タイミングを変更して入射器運転周期を一時的に大きくし、シンクロトロン２００の入射タイミングと直線加速器１１１からビームを供給可能なタイミング（直線加速器１１１の運転タイミング）を一致させる。図２（ｄ）に実際のビーム入射タイミングを示す。入射プレトリガ信号の発生タイミングは出射完了後から次の運転サイクルの入射タイミングに至るまでの間のうち、図３の減速工程終了までの間に設定する。
【００２３】
シンクロトロン２００運転中に発生させる入射プレトリガ信号から次のシンクロトロン運転周期の入射タイミングまでの時間を図２に示す通りＴpreとする。入射プレトリガ信号の発生タイミングは次のシンクロトロン運転周期の入射タイミング（既知）からＴpre前の時点に設定される。図２に示した例は直線加速器１１１の運転周期Ｔcycと入射プレトリガ信号発生から入射までの時間Ｔpreが等しい、すなわちＴpre＝Ｔcycのケースである。この場合、入射プレトリガ信号の発生時点を基準に新たな入射器高周波運転周期を開始する、すなわち入射プレトリガ信号の発生タイミングから直線加速器１１１の運転周期Ｔcyc経過後に直線加速器１１１の高周波運転タイミング信号を発生させることで、そのときの直線加速器１１１の実際の周期はＴ’cycと一時的に大きくなり、入射器運転周期を短縮することなくシンクロトロン２００の入射タイミングに合致して直線加速器１１１からビームを供給することが可能となる。
【００２４】
また、この運転方法により大きくなる運転周期Ｔ’cycはもともとの基本周期Ｔcycの２倍を超えることはない、すなわちＴ’cyc＜２・Ｔcycの関係となり、基本周期から大きく変化せず安定な運転が可能となる。
【００２５】
加速器機器制御装置２１０は、ビーム利用系５００（照射装置）から要求された期間にのみ荷電粒子ビームを出射するようシンクロトロン２００の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程においてシンクロトロン２００の出射用機器２０３，２０５を制御する第１制御装置、及び出射用機器２０３，２０５の制御によるシンクとトロン２００の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、直線加速器１１１の運転周期を一時的に大きくするよう直線加速器１１１の運転タイミングを変更して、直線加速器１１１の運転タイミングをシンクロトロン２００の次の運転周期の入射タイミングに一致させる第２制御装置を構成する。
【００２６】
図２に示した本実施例の運転方法を実現する加速器制御装置２１０の詳細を、図４を用いて説明する。加速器制御装置２１０は、図３に示したようなシンクロトロン２００の電磁石励磁パターンや、それに付随する加速や出射準備のタイミング、減速のタイミング、そして入射プレトリガ信号の発生タイミングといったタイミングを含む各種の制御パラメータを記憶する制御パターン・タイミング記憶部２１１を備える。ここで、入射プレトリガ信号の発生タイミングは、シンクロトロン運転周期の入射タイミングよりもＴpreだけ前の時間というようにＴpreを入射タイミングに関連付けて記憶される。制御パターン・タイミング記憶部２１１は電磁石電源制御部２１３に接続され、シンクロトロン２００内の機器である偏向電磁石２０１や入射機器２０４、出射機器２０５を制御する。制御パターン・タイミング記憶部２１１に記憶されているタイミングはタイミング制御装置２１２を介して他の機器を制御する。すなわち、タイミング制御装置２１２は高周波加速制御部２１４を介して高周波加速空胴２０２を、また出射機器制御部２１５を介して出射機器２０３を制御する。このタイミング制御装置２１２はビーム利用系制御装置４００に備えられたビーム要求タイミング発生部４０１から出射要求信号や次パターン移行信号、あるいはエネルギー切り替え要求を受け取り、出射要求に対しては出射機器制御部２１５を介して出射機器２０３を動作させビームを出射させる。
【００２７】
直線加速器１１１の高周波機器運転の基本周期（一定周期）Ｔcycは入射器用一定周期発生部２１６より発生させる。直線加速器１１１に対して高周波機器運転タイミングを発生させる入射用高周波機器タイミング発生部２１７は入射器用一定周期発生部２１６からの一定の基本周期をタイミング制御装置２１２から発生する入射プレトリガ信号に従い調整して入射器制御装置１２０に対し高周波機器動作タイミングとして供給する。
【００２８】
入射器制御装置１２０は図１に示した高周波電源１１２とイオン源電源１０２を高周波機器動作タイミングと同期させて立ち上げる運転を図２（ｃ）に記載の通り繰り返す。ただしこの高周波運転の全回数においてビームが必要ではないため、例えば非特許文献３に記載された方法によってビームを加速されないようにして、図２（ｄ）に記載したような入射タイミングにのみビームを加速させる。すなわち、直線加速器１１１の高周波運転は図２（ｃ）に示すようなタイミングで行われるが、その運転タイミングのうち図２（ｄ）のビーム入射タイミングに一致しないタイミングでは、イオン源１０１で発生した荷電粒子は加速されず、直線加速器１１１は空動作し、図２（ｄ）のビーム入射タイミングに一致するタイミングでは、イオン源１０１で発生した荷電粒子は加速され、シンクロトロン２００に入射される。
【００２９】
なおこの説明では入射器用一定周期発生部２１６や入射器高周波機器タイミング発生部２１７を加速器制御装置２１０の一部として記載したが、これら両方あるいはどちらか一方が入射器制御装置１２０の一部としてもこの動作は実現可能である。
【００３０】
図２では、本実施例の動作の一例として、直線加速器１１１の運転周期Ｔcycと入射プレトリガ信号の発生からシンクロトロン２００へのビームの入射までの時間Ｔpreが等しい、Ｔcyc=Ｔpreとなる場合を示したが、シンクロトロン２００で加速し出射するエネルギーの工程によってＴpreの設定可能範囲が異なりＴcyc＝Ｔpreとできない場合もありうる。例えば図５に示す通り出射時のエネルギーが異なる、すなわちパターン電磁石励磁パターンの励磁レベルが図５（ａ），（ｂ），（ｃ）のように異なり、また減速工程中の電流変化率を一定として場合、減速工程の時間がエネルギーによって異なるため、入射プレトリガ信号の取り得るタイミングが入射プレトリガ（ａ），（ｂ），（ｃ）と示したように異なり、入射プレトリガ信号の発生から入射までの時間ＴpreもＴpre（ａ）, Ｔpre（ｂ）,Ｔpre（ｃ）と異なる可能性がある。また、直線加速器１１１の運転周期Ｔcycも加速対象となる粒子の核種（例えば陽子、炭素）や加速後のエネルギーに応じて高周波電源の容量も異なるため、ＴcycとＴpreの関係は常に等しくはできない。したがってＴcyc=Ｔpreではないケースについても考慮しなくてはいけない。
【００３１】
直線加速器１１１の運転周期Ｔcycと入射プレトリガ信号の発生から入射までの時間Ｔpreの関係について、Ｔcyc＜Ｔpreとなるケースについては、可能であればＴcyc＝Ｔpreとなるタイミングを生成するか、もしくはＴcyc × Ｎ ＝Ｔpre (Ｎは整数)としておくのが望ましい（図２，図６）ため、シンクロトロンの運転パターンを作成しパターンタイミングとしてＴpreを設定する場合にはこの望ましい条件となるようにする。この場合は入射プレトリガ信号の発生後Ｔcyc経過後に新たに入射器用高周波を発生させ、その後Ｔcyc一定周期運転にしておくことで、シンクロトロン２００の入射タイミングと直線加速器１１１のビーム供給可能タイミングを合致させることができる。
【００３２】
直線加速器１１１の運転周期Ｔcycと入射プレトリガ信号の発生から入射までの時間Ｔpreの関係について、Ｔcyc＜Ｔpreとなるケースについて、Ｔcyc＝ＴpreもしくはＴcyc ×Ｎ＝ Ｔpre (Ｎは整数)とできない場合は、Ｔpre = Ｔcyc ×Ｍ + Ｔres（Ｍは整数）となるＴres、言い換えればＴpreをＴcycの整数倍で除した余り分の時間Ｔresを求めておく。入射プレトリガ信号の発生寸前の高周波運転タイミングからの経過時間とＴresとの和がＴcycより大きい場合は、入射プレトリガ信号の発生からＴres経過後に高周波運転タイミングを発生させる（図７）。入射プレトリガ信号の発生寸前の高周波運転タイミングからの経過時間とＴresとの和がＴcycより小さい場合は、プレトリガからＴres＋Ｔcyc経過後に高周波運転タイミングを発生させる（図８）。いずれの場合も新たに入射器用高周波を発生させその後Ｔcyc一定周期運転にしておくことで、シンクロトロン２００の入射タイミングと直線加速器１１１のビーム供給可能タイミングを合致させることができる。
【００３３】
直線加速器１１１の運転周期Ｔcycと入射プレトリガ信号の発生から入射までの時間Ｔpreの関係について、Ｔcyc ＞ Ｔpreとなるケースについては、入射プレトリガ信号の発生寸前の高周波運転タイミングからの経過時間とＴpreとの和がＴcycより大きい場合は、入射プレトリガ信号の発生からＴpre経過後に高周波運転タイミングを発生させる（図９）。入射プレトリガ信号の発生寸前の高周波運転タイミングからの経過時間とＴpreとの和がＴcycより小さい場合は、もとの入射器高周波運転タイミングを維持して入射タイミングを待つ（図１０）。この図１０の動作については本発明の効果がなくなるが、図９の動作と組み合わせることで待ち時間の短縮化が図れる。しかし効果は小さいため図９，１０の動作にならないように直線加速器１１１の運転周期Ｔcycとプレトリガ発生から入射までの時間Ｔpreの関係について、Ｔcyc＜ＴpreとなるようなＴcyc、Ｔpreとなるようなタイミングを設定することが望ましい。ＴcycとＴpreの最適な関係は図２に示したようなＴcyc＝Ｔpreとなる運転、あるいは図６のようなＴcyc × Ｎ＝Ｔpre (Ｎは整数)であって、これらが実現できない場合は図７のようなＴcyc＜Ｔpreの関係となる。
【００３４】
以上図２及び図６から図１０まで記載の直線加速器１１１の運転周期Ｔcycと入射プレトリガ信号の発生から入射までの時間Ｔpreの関係に関する判定について、図１１にフローチャートを示す。フローチャートの判定の流れについて制御装置２１０の構成を示す図４を用いて説明する。ビーム利用系５００で利用する荷電粒子ビーム照射の条件はビーム利用系制御装置４００から設定され（Ｓ１００）、加速器機器制御装置２１０にある制御パターン・タイミング記憶部２１１から該当パターンが選択される（Ｓ１１０）。Ｔcycは荷電粒子ビーム照射装置用入射器１３０の特性値として予めわかっているため、タイミング制御装置２１２はＴｐｒｅとＴｃｙｃの関係を把握できる。タイミング制御装置２１２はＴpre≧ＴcycでＴcyc × Ｎ＝Ｔpre かどうかの判定を行い（Ｓ１２０，Ｓ１３０）、Ｔpre≧ＴcycでＴcyc × Ｎ＝Ｔpre (Ｎは整数)となる場合にはそのまま照射を開始し、入射器高周波機器タイミング発生部２１７は入射プレトリガ信号の発生後Ｔcyc経過後に直線加速器１１１の高周波運転タイミングを発生させ、入射器高周波機器を動作させる（Ｓ１４０）。
【００３５】
ステップＳ１３０において、Ｔcyc × Ｎ＝Ｔpre (Ｎは整数)とならない場合にはＴpre= Ｔcyc × Ｍ＋Ｔres（Ｍは整数）となるＴresをタイミング制御装置２１２で予め求め（Ｓ１５０）、照射を開始する。照射開始後はタイミング制御装置２１２は、ビーム利用系４００からの出射要求信号や次パターン移行信号、あるいはエネルギー切り替え要求などに基づいて定まるそのときのシンクロトロン２００の運転パターンに応じて入射プレトリガ信号のタイミングを発生させる。入射器高周波機器タイミング発生部２１７は、シンクロトロン２００の運転サイクル毎に、入射プレトリガ信号の発生タイミングと入射器用一定周期発生部２１６から発生される基本周期（一定タイミング）との関係から、入射プレトリガ信号の発生寸前の高周波運転タイミングからの経過時間とＴresとの和がＴcycより大きかどうかの判定を行い（Ｓ１６０）、その判定結果に応じて直線加速器１１１の高周波運転タイミングを発生させ、入射器高周波機器を動作させる（Ｓ１７０，Ｓ１８０）。
【００３６】
ステップＳ１２０において、Ｔpre＜Ｔcycと判定された場合はそのまま照射を開始し、照射開始後はタイミング制御装置２１２は、ステップＳ１３０でＴcyc × Ｎ＝Ｔpre (Ｎは整数)とならなかった場合と同様入射プレトリガ信号のタイミングを発生させ、入射器高周波機器タイミング発生部２１７は、入射プレトリガ信号の発生寸前の高周波運転タイミングからの経過時間とＴresとの和がＴcycより大きかどうかの判定を行い（Ｓ１９０）、その判定結果に応じて直線加速器１１１の高周波運転タイミングを発生させ、入射器高周波機器を動作させる（Ｓ２００，Ｓ２１０）。
【００３７】
なお、図６から図１０の（ｂ）シンクロトロン電磁石励磁パターン、（ｃ）入射器高周波運転、（ｄ）ビーム入射タイミングの関係を成立させるものであれば、上述のような判定方法に限るものではなく、別の判定方法で実現してもよい。
【００３８】
本実施の形態の効果の例を具体的な数値を挙げて説明する。入射器高周波運転の周期Ｔcyc を0.5秒とし、シンクロトロン２００の運転周期を例えば2.2秒周期とし、Ｔpre=Ｔcycとなるプレトリガを設定して一定周期運転して20サイクル分運転した場合、本発明を適用しない場合は2.2秒周期でシンクロトロンを運転した後入射器の運転周期との合致を待つため0.3秒の待ち時間が発生し実質的な周期が2.5秒となり運転時間が2.5秒×20サイクル＝50秒を要するのに対し、本発明を適用すればシンクロトロンの実質運転周期が2.2秒となり2.2秒×20サイクル=44秒の運転時間となるため、12％の運転時間短縮効果が得られる。
【００３９】
以上のように本実施の形態においては、シンクロトロン２００の入射、加速、出射、減速工程を制御するタイミング制御に対し、出射工程完了後に直線加速器１１１に対して事前に入射要求のタイミングを知らせるプレトリガタイミング（入射プレトリガ信号）を設けることにより、荷電粒子ビームの出射工程完了後に、直線加速器１１１の運転周期を一時的に大きくするよう直線加速器１１１の運転タイミングを変更して直線加速器１１１の運転周期に対する最短周期制限を維持したままシンクロトロン２００に対する荷電粒子ビームの入射を任意のタイミングで行うことが可能となり、直線加速器１１１の運転周期を短縮化することなく、シンクロトロン２００の入射要求タイミングに合わせて直線加速器１１１からの入射ビームを得ることが可能となる。
【００４０】
また、本実施の形態によれば、シンクロトロン２００の入射要求タイミングに合わせて直線加速器１１１からの入射ビームを得ることが可能となるため、シンクロトロン２００で加速された荷電粒子ビームを用いる荷電粒子ビーム照射装置において、患者へ照射時間を短縮して治療時間を短くし、システムの効率的な運用が可能となる。
＜第２の実施の形態＞
次に、図１２以降を用いて本発明の第２の実施形態による荷電粒子ビーム照射システムについて説明する。本実施の形態では第１の実施形態のビーム利用系５００として癌などの患者の患部に陽子および炭素イオン等のいずれかの荷電粒子ビーム（イオンビーム）を照射する治療方法を実現する照射装置を備えたものである。
【００４１】
本実施の形態では、シンクロトロン２００より得られた荷電粒子を、ビーム輸送系３００を通じて照射装置６００へ輸送する。照射装置６００について図１３を用いて説明する。照射装置６００はビーム輸送系３００で導かれた荷電粒子ビームを水平（図中Ｘ方向）、垂直（紙面に垂直方向）に走査し、患者６１０の患部６１１の形状に合致させるためのＸ方向走査電磁石６０１ＡとＹ方向走査電磁石６０１Ｂを有する。走査電磁石６０１Ａ，６０１Ｂにより偏向された荷電粒子ビームはビーム位置計測装置６０２と照射線量計測装置６０３を通過し、患部６１１に照射される。ビーム位置計測装置６０２は荷電粒子ビームの位置及び幅（広がり）を計測し、照射線量計測装置６０３は荷電粒子ビームの照射量を計測する。
【００４２】
ここで、図１３及び図１４を用いてビーム走査法による照射について説明する。図１４は、荷電粒子ビームの上流側から患部６１１を見た説明図である。
【００４３】
図１３に示したように患者６１０の患部６１１に対して、その患部形状を３次元的な複数の深さ方向（図中Ｚ方向）の層に分割し、各層をさらに図１４に示すように２次元的に分割して複数の線量区画６１２（以下照射スポット）を設定する。深さ方向は荷電粒子ビームの到達進度に対応し、シンクロトロン２００から出射される荷電粒子ビームのエネルギー変更により変更されて各層を選択的に照射する。各層内では図３に示す例えば６１３のような経路に沿って走査電磁石６０１Ａ，６０１Ｂで荷電粒子ビームを２次元的に走査して各照射スポットに所定の線量を与える。各照射スポットに照射される荷電粒子ビームの量は照射線量計測装置６０３で計測され、位置やその広がりはビーム位置計測装置６０２で計測される。
【００４４】
本実施の形態の照射方式において、シンクロトロン２００に対して次パターンへの移行要求が発生するのは図１４に示した層内のスポットを照射中にシンクロトロン２００に蓄積された荷電粒子が枯渇した場合、或いはシンクロトロン２００で１サイクル当りに照射可能な時間が枯渇した場合である。これらの場合そのサイクル内での出射を停止し次パターンへ移行するタイミングは不定期となりうる。
【００４５】
また図１４に示した層内のスポットを全て照射し終えた場合には、図１３の６１１に示した深さ方向（Ｚ方向）の変更が必要となり、シンクロトロン２００のエネルギーを変更する。この場合についても、層内の照射時間は患部６１１の形状によって異なるためシンクロトロンの運転サイクル内で出射が完了するタイミングは不定期になりうる。
【００４６】
上述の通り本実施の形態の照射装置６００ではシンクロトロン２００の運転周期及び出射のタイミングは不定期になるため、直線加速器１１１の高周波運転の周期が固定となっている場合はシンクロトロン２００の所望の入射タイミングに荷電粒子ビームが入射できず、照射時間が延びる可能性がある。
【００４７】
本実施の形態においては、加速器制御装置２１０は、図１４に示した層内のスポットを照射中にシンクロトロン２００に蓄積された荷電粒子が枯渇した場合、或いはシンクロトロン２００で１サイクル当りに照射可能な時間が枯渇した場合に、シンクロトロン２００の運転パターンの移行を要求する次パターン移行要求信号を生成して出力する（第１制御装置）。また、照射制御装置６２０は、図１４に示した層内のスポットを全て照射し終えた場合に、シンクロトロン２００のエネルギーの変更を要求するエネルギー切り替え要求信号を出力する（第１制御装置）。加速器制御装置２１０は、それらの信号を受け取り、図２に示したような本発明の運転方法を実施し、プレトリガタイミング（入射プレトリガ信号）に基づいて直線加速器１１１の運転周期を一時的に大きくするよう直線加速器１１１の運転タイミングを変更する（制御装置、第２制御装置）。これにより入射タイミングを所望のものとできるので照射時間は延びず、治療時間を短縮化でき、システムの効率的な運用が可能となる。
【００４８】
本実施の形態の効果の例を具体的な数値を挙げて示す。照射対象を例えば１０ｃｍ四方の体積１リットルの立方体としその照射に必要な照射スポット数を１０，０００、深さ方向（Ｚ方向）の層の分割数を３０とし、その照射間に必要なシンクロトロン２００のサイクル変更、エネルギー変更回数の総数で４０回必要と仮定する。ここで層の分割数と総数が一致していないのは、層あたりに照射する荷電粒子の量が大きい場合にシンクロトロン１サイクルで出射可能な荷電粒子の量では不足し複数回のサイクルで１層を照射することを考慮したものである。入射器高周波運転の周期Ｔcyc を0.5秒とした場合、本発明を適用した場合はその周期を待つ時間は発生しないが、本発明を適用しない場合においては最大で0.5秒の待ち時間が発生する。一方で偶然待ち時間が発生しないタイミングとなる可能性もありうるので中間値を取り、１サイクル当りの入射器高周波運転時間待ち時間を0.25秒とすると、４０回のサイクル変更で合計１０秒の照射時間伸長がある。本発明を適用しない場合の照射時間を例えば１００秒程度とすれば１０秒の照射時間短縮は１０％短縮の効果となる。
＜第３の実施の形態＞
次に、図１５以降を用いて本発明の第３の実施形態による荷電粒子ビーム照射システムについて説明する。本実施の形態では第１の実施形態のビーム利用系５００として癌などの患者の患部に陽子および炭素イオン等のいずれかの荷電粒子ビーム（イオンビーム）を照射する治療方法を実現する照射装置を備え、かつ患者の呼吸に伴う患部の移動やその他の移動を検出する手段を備えたものである。
【００４９】
本実施の形態では、シンクロトロン２００より得られた荷電粒子を、ビーム輸送系３００を通じて照射装置７００へ輸送する。照射装置７００について図１３を用いて説明する。照射装置７００における照射野の形成方法については荷電粒子ビームの散乱を用いる散乱体法や上述したビーム走査法など任意の照射野形成方法でよい。患者６１０に対し患部の移動検出手段７１０を設ける。患部へのより高精度な照射を実現するために、こういった患部の移動を検出しその移動量が所望の範囲内にある場合にのみ照射する方法が提唱されており、検出手段７１０としては呼吸性移動を検出するために体表の移動を監視する方法、患者の呼吸に伴う呼気、吸気の流れを患者の口元で監視する方法、Ｘ線透視画像を用いて直接患部の位置もしくはそれを示すマーカを監視する方法などが考えられる。
【００５０】
図１６を用いて患部の移動検出とビーム照射の関係について説明する。図１６（ａ）は患部の移動を検出した信号で、その信号に対し患部が所望の位置にある、あるいは所望の位置からある範囲内にあることを担保するためのしきい値を設定する。そしてそのしきい値内に患部位置検出信号がある場合にのみビームを照射する。この場合の本実施の形態における照射装置７００で照射可能なタイミングは図１６（ｂ）のようになり、この信号は患者の移動に伴う移動であることからそのタイミングは不定期になり得る。
【００５１】
上述の通り本実施の形態の照射装置７００ではシンクロトロン２００の運転周期及び出射のタイミングは不定期になるため、直線加速器１１１の高周波運転の周期が固定となっている場合はシンクロトロン２００の所望の入射タイミングに荷電粒子ビームが入射できず、照射時間が延びる可能性がある。
【００５２】
本実施の形態においては、照射制御装置７２０は、図１６（ｂ）に示した照射対象の移動を検出して得られる信号から照射対象への照射可能な時間帯のタイミングを設定し、その時間帯の間にのみビーム出射を要求するビーム要求信号を出力する（第１制御装置）。加速器制御装置２１０は、その信号を受け取り、図２に示したような本発明の運転方法を実施し、プレトリガタイミング（入射プレトリガ信号）に基づいて直線加速器１１１の運転周期を一時的に大きくするよう直線加速器１１１の運転タイミングを変更する（制御装置、第２制御装置）。これにより入射タイミングを所望のものとできるので照射時間は延びず、治療時間を短縮化でき、システムの効率的な運用が可能となる。
【符号の説明】
【００５３】
１００ 入射器システム
１０１ イオン源
１０２ イオン源電源
１１１ 線形加速器
１１２ 入射器用高周波電源
１２０ 入射器制御装置
１３０ 入射輸送系
２００ シンクロトロン
２０１ 偏向電磁石
２０２ 高周波加速空胴
２０３ ビーム出射用機器
２０４ 入射機器
２０５ ビーム出射用機器
２１０ 加速器機器制御装置（制御装置、第１制御装置、第２制御装置）
２１１ 制御パターン・タイミング記憶部
２１２ タイミング制御装置
２１３ 電磁石電源制御部
２１４ 高周波加速制御部
２１５ 出射機器制御部
２１６ 入射器用一定周期発生部
２１７ 入射器高周波機器タイミング発生部
３００ ビーム輸送系
４００ ビーム利用系制御装置（第１制御装置）
４０１ ビーム要求タイミング発生部
５００ ビーム利用系
６００ 照射装置
６０１Ａ，６０１Ｂ 走査電磁石
６０２ ビーム位置計測装置
６０３ 照射線量計測装置
６１０ 患者
６１１ 患部
６１２ 線量区画（照射スポット）
６１３ 照射経路
６２０ 照射制御装置（第１制御装置）
７００ 制御装置
７１０ 患部移動検出手段
７２０ 照射制御装置（第１制御装置）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビーム発生装置、荷電粒子ビーム照射装置及びそれらの運転方法に係わり、特に円形加速器とその入射用直線加速器を備えた荷電粒子ビーム発生装置、この荷電粒子ビーム発生装置とその運転方法、荷電粒子ビーム発生装置から出射した荷電粒子ビームを腫瘍等の患部（照射対象）に照射する照射装置とを備え、荷電粒子ビームの照射により患部を治療する荷電粒子ビーム照射装置とその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シンクロトロンなどの円形加速器にはその前段として入射用の直線加速器が用いられる。直線加速器はイオン源で発生した荷電粒子を加速し所定のエネルギーまで加速し円形加速器に入射するもので、円形加速器でさらに高いエネルギーまで加速された粒子は例えばがんなどの患者の患部に荷電粒子ビームを照射する粒子線治療に用いられる。
【０００３】
粒子線治療用円形加速器の入射用直線加速器の運転は加速用に高周波の電圧を用いることが知られており、それを発生する高周波電源装置が備わっている。また荷電粒子発生用イオン源についてもイオンを発生させるための高周波が必要で、それを発生させるイオン源用の高周波電源も備わっている。したがって直線加速器の運転周期はこれら高周波電源の運転周期で定まり、その周期の最小値は0.5秒、すなわち周波数2Hz(非特許文献１ 367頁)や0.2秒、すなわち周波数5Hz(非特許文献２ 2734頁)となっている。
【０００４】
直線加速器の運転周期が固定になっている、または最短周期に制限がある理由として、高周波電源の運転周期を大きく、例えば固定周期や最短周期の３、４倍まで大きくした場合にその動作や高周波特性に定常的な動作から逸脱した不安定性が生じてビーム特性に影響を与えること、また高周波電源の周期を小さく、例えば固定周期や最短周期の数分の１まで小さくした場合に高周波電源や高周波機器の熱負荷等が大きくなり不安定性が生じてビーム特性に影響を与えることなどが知られている。運転周期を小さくした場合の熱負荷については、その熱による機器の故障もあり得るので、機器を保護するために運転間時間（運転周期）を長く取る、すなわち最短周期に制限を加えざるを得ない。
【０００５】
なお加速用高周波電源とイオン源用高周波電源を備えた直線加速器についてそれぞれがおおむね固定周期で運転されている場合に、必要なタイミングに入射器からの荷電粒子ビームを供給させる方法として、荷電粒子が不要な場合にはこれら２つのタイミングの一方に運転周期からは十分小さい遅延を加えて荷電粒子が加速されないようにし、必要な場合はその遅延を加えず加速用高周波とイオン源用高周波を一致させて、必要な場合にのみ荷電粒子ビームを加速する方法が知られている（非特許文献３ I-17，18頁）。
【０００６】
一方、円形加速器で加速された荷電粒子ビームを粒子線治療に用いる場合には、患者の呼吸や心拍などによって患部の位置が変化することがあり、患部が設定位置にあるときのみ荷電粒子ビームを出射するような円形加速器の制御がある（特許文献１）。しかしながら、特許文献１記載の通り任意のタイミングで円形加速器への入射を試みた場合、その前段加速器である入射器の運転周期が固定あるいは最短周期に制限があった場合、入射を試みたタイミングより最長でその１運転周期分に相当する待ち時間が必要となり、所望の円形加速器の運転が不可能になること、またその待ち時間分だけ照射時間が長くなり患者への負担が大きくなることが考えられる。
【０００７】
また、荷電粒子ビームを粒子線治療に用いる場合、患部を深さ方向の層状に分割しその層内を患部形状に合致させて荷電粒子ビームを走査し、層内の照射を完了後円形加速器から出射される荷電粒子ビームのエネルギーを変更しながら照射する方法がある（特許文献１及び２）。特許文献２の図８に示されている通りこの照射では円形加速器において照射対象の層を変更する場合には前段加速器へのビーム出射信号を送り荷電粒子を加速するが、前段加速器の運転周期が固定あるいは最短周期に制限があった場合、入射を試みたタイミングより最長でその１運転周期分に相当する待ち時間が必要となり、所望の円形加速器の運転が不可能になること、またその待ち時間分だけ照射時間が長くなり患者への負担が大きくなることが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許３５１８２７０号
【特許文献２】特許２８３３６０２号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Kenji SAWADA, et al. “Design, Manufacture, and Performance Test of the Injector for Hyogo Hadrontherapy Center” Proc. of The 12th Symposium on Accelerator Science and Technology, Wako Japan 1999
【非特許文献２】M.Maier et.al “Commissioning of the Linac for the Heidelberg Heavy Ion Cancer Therapy Center(HIT)” Proc. of Particle Accelerator Conference 2007
【非特許文献３】高木 昭 OHO’96 高エネルギー加速器セミナー 大型ハドロン計画の第強度陽子加速器(1996年)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の入射用直線加速器では上記のように運転周期が固定あるいは最短周期に制限があることから円形加速器からのビーム要求タイミングに対して最長でその１運転周期分に相当する待ち時間が必要となっていた。したがって、円形加速器で生成される高エネルギーの荷電粒子ビームを粒子線治療に用いる場合において患者の動きに同期した運転のため、あるいは患部を複数の層や領域に分割した照射に対する運転のための円形加速器の運転に制限が生じる、また患者に対する照射時間が長くなってしまい患者の負担が大きくなる、治療設備における単位時間当たりの治療可能患者数が減少してしまうという問題点があった。一方、入射用直線加速器において任意のタイミングでビームを利用可能とするためには、その運転周期を可変とする、特に高周波電源の運転間時間、すなわち運転周期を短縮化する必要が出てくるが、その影響で直線加速器の動作やビーム特性に不安定性が発生すること、また高周波電源や高周波機器の熱負荷等により機器が正常に動作しなくなることが予想され、その対策として高周波電源の高性能化、直線加速器の大型化が必要となるという問題点があった。
【００１１】
本発明の目的は、直線加速器の運転周期に対する最短周期制限を維持したまま円形加速器に対する荷電粒子ビームの入射を任意のタイミングで行うことを可能として照射時間を短縮し、治療時間を短くする荷電粒子ビーム発生装置、荷電粒子ビーム照射装置及びそれらの運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した目的を達成するための本発明の特徴は、円形加速器の入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期において、荷電粒子ビームの出射工程完了後に、直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう直線加速器の運転タイミングを変更して、直線加速器の運転タイミングを円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させることである。また、そのために、円形加速器の入射、加速、出射、減速工程を制御するタイミング制御に対し、出射工程完了後に直線加速器に対して事前に入射要求のタイミングを知らせるプレトリガタイミングを設けることである。
【００１３】
これにより直線加速器の運転周期に対する最短周期制限を維持したまま円形加速器に対する荷電粒子ビームの入射を任意のタイミングで行うことが可能となり、直線加速器の運転周期、すなわち直線加速器の有する高周波電源のパルス発生間の時間を短縮化することなく、円形加速器の入射要求タイミングに合わせて直線加速器からの入射ビームを得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、運転周期の最短周期に制限のある入射用直線加速器を用いた円形加速器において、任意のタイミングで円形加速器へ荷電粒子ビームを入射することが可能となり、直線加速器の運転周期を短縮化することなく、円形加速器の入射要求タイミングに合わせて直線加速器からの入射ビームを得ることが可能となる。その結果、円形加速器で加速された荷電粒子ビームを用いる荷電粒子ビーム照射装置において、患者へ照射時間を短縮して治療時間を短くし、システムの効率的な運用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の全体概略構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置のシンクロトロンの運転パターンの詳細を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の加速器制御装置の詳細を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置のシンクロトロンの運転パターンにおいて、出射時の励磁レベルによる動作の相違を示した図である。
【図６】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図１１】本発明の第１の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の動作を定める判定を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第２の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の全体概略構成を表す図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の照射装置の構成を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の照射対象である患部の深さ方向の特定層に設定された線量区画及びビームの走査経路を示す図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の全体概略構成を表す図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態である荷電粒子ビーム照射装置の患部移動検出信号とビーム照射可能信号の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面を用いて説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における荷電粒子ビーム照射装置の全体構成を示す概略図である。
【００１７】
本実施の形態における荷電粒子ビーム照射装置は、荷電粒子ビームを発生してシンクロトロン（円形加速器）２００への入射に必要なエネルギーまで加速する入射器システム１００、入射器システム１００にて生成した荷電粒子ビームをシンクロトロン２００まで輸送する入射輸送系１３０、入射した荷電粒子ビームを所望のエネルギーまで加速する前記のシンクロトロン（円形加速器）２００、シンクロトロン２００で加速した荷電粒子ビームを利用するビーム利用系５００、加速器機器制御装置（制御装置又は第２制御装置）２１０及びビーム利用系制御装置（第１制御装置）４００で構成される。
【００１８】
入射器システム１００は、荷電粒子を発生させるイオン源１０１とその電源１０２、発生した荷電粒子を加速する直線加速器１１１とその加速用パルス電圧を生成する高周波電源１１２、入射器制御装置１２０から構成される。シンクロトロン２００は、偏向電磁石２０１、高周波加速空胴２０２、ビーム出射用機器２０３，２０５、入射に用いられる入射機器２０４などから構成される。入射器システム１００やシンクロトロン２００は加速器機器制御装置２１０で制御され、ビーム利用系５００の制御装置４００からのビーム出射要求信号、シンクロトロンの運転パターンの移行を要求する次パターン移行要求信号、シンクロトロンから出射されるエネルギーを変更させるエネルギー切り替え要求信号などに基づき動作する。入射器システム１００とシンクロトロン２００と加速器機器制御装置２１０は荷電粒子ビーム発生装置を構成する。
【００１９】
図２に典型的な動作のタイミングチャートを示す。図２（ａ）はビーム利用系制御装置４００から生じるビーム利用系出射要求信号を示し、ビーム利用系で必要な条件の荷電粒子ビームを要求する。図２（ｂ）はシンクロトロン２００の運転パターンである電磁石励磁パターンの代表として偏向電磁石２０１の励磁パターンを示し、入射工程、加速工程、出射工程、減速工程からなる。シンクロトロン２００はこれらの工程の各期間を含む時間を１運転周期（１運転サイクル）として動作する。
【００２０】
このシンクロトロンの電磁石励磁パターンについての詳細を図３に示す。図３において、入射タイミングは、直線加速器１１１で加速した荷電粒子ビームをシンクロトロン２００に入射するタイミングであり、この入射タイミング以降、入射工程、加速工程を経て出射工程が開始されるまでの間、及び出射工程が完了してから、減速工程を経て次サイクルの入射タイミングに至るまでの間は電磁石励磁パターンとそれに対応した高周波加速や減速の制御が同期している。入射タイミング、入射工程、加速工程、減速工程中のパターンや時間はパターン作成時に予め定めておくものである。
【００２１】
一方、直線加速器１１１の高周波運転は図２（ｃ）に示す周期（ここで運転周期をＴcycとする）で行われる。図２（ｃ）において「入射器高周波運転」は直線加速器１１１の高周波運転周期を意味する。以下の説明で「入射器高周波運転」という場合も同様である。シンクロトロン２００の運転周期がこの入射器運転周期Ｔcycと一致、もしくはＴcycの整数倍となっていれば、シンクロトロン２００の入射タイミングと直線加速器１１１からビームを供給可能なタイミング（線形加速器１１１の運転タイミング）が一致し、問題なく入射可能となるが、図２（ａ）に示した通りビーム利用系５００からの出射要求信号の時間が不定期な場合や、その時間が定期的であってもシンクロトロン２００の運転周期が入射器運転周期Ｔcycの整数倍となっていない場合は、シンクロトロン２００の運転上必要な入射タイミングに入射器運転周期が合致せず、入射工程でシンクロトロン側が待機する待ち時間が発生する。
【００２２】
しかし、本実施の形態では、シンクロトロン２００の運転中、出射完了以降の特定のタイミングに入射器システム１００に対してシンクロトロン２００の次の運転周期のビームの入射タイミングを知らせる入射プレトリガ信号を発生させ、この入射プレトリガ信号に基づいて直線加速器１１１の高周波運転タイミングを変更して入射器運転周期を一時的に大きくし、シンクロトロン２００の入射タイミングと直線加速器１１１からビームを供給可能なタイミング（直線加速器１１１の運転タイミング）を一致させる。図２（ｄ）に実際のビーム入射タイミングを示す。入射プレトリガ信号の発生タイミングは出射完了後から次の運転サイクルの入射タイミングに至るまでの間のうち、図３の減速工程終了までの間に設定する。
【００２３】
シンクロトロン２００運転中に発生させる入射プレトリガ信号から次のシンクロトロン運転周期の入射タイミングまでの時間を図２に示す通りＴpreとする。入射プレトリガ信号の発生タイミングは次のシンクロトロン運転周期の入射タイミング（既知）からＴpre前の時点に設定される。図２に示した例は直線加速器１１１の運転周期Ｔcycと入射プレトリガ信号発生から入射までの時間Ｔpreが等しい、すなわちＴpre＝Ｔcycのケースである。この場合、入射プレトリガ信号の発生時点を基準に新たな入射器高周波運転周期を開始する、すなわち入射プレトリガ信号の発生タイミングから直線加速器１１１の運転周期Ｔcyc経過後に直線加速器１１１の高周波運転タイミング信号を発生させることで、そのときの直線加速器１１１の実際の周期はＴ’cycと一時的に大きくなり、入射器運転周期を短縮することなくシンクロトロン２００の入射タイミングに合致して直線加速器１１１からビームを供給することが可能となる。
【００２４】
また、この運転方法により大きくなる運転周期Ｔ’cycはもともとの基本周期Ｔcycの２倍を超えることはない、すなわちＴ’cyc＜２・Ｔcycの関係となり、基本周期から大きく変化せず安定な運転が可能となる。
【００２５】
加速器機器制御装置２１０は、ビーム利用系５００（照射装置）から要求された期間にのみ荷電粒子ビームを出射するようシンクロトロン２００の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程においてシンクロトロン２００の出射用機器２０３，２０５を制御する第１制御装置、及び出射用機器２０３，２０５の制御によるシンクとトロン２００の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、直線加速器１１１の運転周期を一時的に大きくするよう直線加速器１１１の運転タイミングを変更して、直線加速器１１１の運転タイミングをシンクロトロン２００の次の運転周期の入射タイミングに一致させる第２制御装置を構成する。
【００２６】
図２に示した本実施例の運転方法を実現する加速器制御装置２１０の詳細を、図４を用いて説明する。加速器制御装置２１０は、図３に示したようなシンクロトロン２００の電磁石励磁パターンや、それに付随する加速や出射準備のタイミング、減速のタイミング、そして入射プレトリガ信号の発生タイミングといったタイミングを含む各種の制御パラメータを記憶する制御パターン・タイミング記憶部２１１を備える。ここで、入射プレトリガ信号の発生タイミングは、シンクロトロン運転周期の入射タイミングよりもＴpreだけ前の時間というようにＴpreを入射タイミングに関連付けて記憶される。制御パターン・タイミング記憶部２１１は電磁石電源制御部２１３に接続され、シンクロトロン２００内の機器である偏向電磁石２０１や入射機器２０４、出射機器２０５を制御する。制御パターン・タイミング記憶部２１１に記憶されているタイミングはタイミング制御装置２１２を介して他の機器を制御する。すなわち、タイミング制御装置２１２は高周波加速制御部２１４を介して高周波加速空胴２０２を、また出射機器制御部２１５を介して出射機器２０３を制御する。このタイミング制御装置２１２はビーム利用系制御装置４００に備えられたビーム要求タイミング発生部４０１から出射要求信号や次パターン移行信号、あるいはエネルギー切り替え要求を受け取り、出射要求に対しては出射機器制御部２１５を介して出射機器２０３を動作させビームを出射させる。
【００２７】
直線加速器１１１の高周波機器運転の基本周期（一定周期）Ｔcycは入射器用一定周期発生部２１６より発生させる。直線加速器１１１に対して高周波機器運転タイミングを発生させる入射用高周波機器タイミング発生部２１７は入射器用一定周期発生部２１６からの一定の基本周期をタイミング制御装置２１２から発生する入射プレトリガ信号に従い調整して入射器制御装置１２０に対し高周波機器動作タイミングとして供給する。
【００２８】
入射器制御装置１２０は図１に示した高周波電源１１２とイオン源電源１０２を高周波機器動作タイミングと同期させて立ち上げる運転を図２（ｃ）に記載の通り繰り返す。ただしこの高周波運転の全回数においてビームが必要ではないため、例えば非特許文献３に記載された方法によってビームを加速されないようにして、図２（ｄ）に記載したような入射タイミングにのみビームを加速させる。すなわち、直線加速器１１１の高周波運転は図２（ｃ）に示すようなタイミングで行われるが、その運転タイミングのうち図２（ｄ）のビーム入射タイミングに一致しないタイミングでは、イオン源１０１で発生した荷電粒子は加速されず、直線加速器１１１は空動作し、図２（ｄ）のビーム入射タイミングに一致するタイミングでは、イオン源１０１で発生した荷電粒子は加速され、シンクロトロン２００に入射される。
【００２９】
なおこの説明では入射器用一定周期発生部２１６や入射器高周波機器タイミング発生部２１７を加速器制御装置２１０の一部として記載したが、これら両方あるいはどちらか一方が入射器制御装置１２０の一部としてもこの動作は実現可能である。
【００３０】
図２では、本実施例の動作の一例として、直線加速器１１１の運転周期Ｔcycと入射プレトリガ信号の発生からシンクロトロン２００へのビームの入射までの時間Ｔpreが等しい、Ｔcyc=Ｔpreとなる場合を示したが、シンクロトロン２００で加速し出射するエネルギーの工程によってＴpreの設定可能範囲が異なりＴcyc＝Ｔpreとできない場合もありうる。例えば図５に示す通り出射時のエネルギーが異なる、すなわちパターン電磁石励磁パターンの励磁レベルが図５（ａ），（ｂ），（ｃ）のように異なり、また減速工程中の電流変化率を一定として場合、減速工程の時間がエネルギーによって異なるため、入射プレトリガ信号の取り得るタイミングが入射プレトリガ（ａ），（ｂ），（ｃ）と示したように異なり、入射プレトリガ信号の発生から入射までの時間ＴpreもＴpre（ａ）, Ｔpre（ｂ）,Ｔpre（ｃ）と異なる可能性がある。また、直線加速器１１１の運転周期Ｔcycも加速対象となる粒子の核種（例えば陽子、炭素）や加速後のエネルギーに応じて高周波電源の容量も異なるため、ＴcycとＴpreの関係は常に等しくはできない。したがってＴcyc=Ｔpreではないケースについても考慮しなくてはいけない。
【００３１】
直線加速器１１１の運転周期Ｔcycと入射プレトリガ信号の発生から入射までの時間Ｔpreの関係について、Ｔcyc＜Ｔpreとなるケースについては、可能であればＴcyc＝Ｔpreとなるタイミングを生成するか、もしくはＴcyc × Ｎ ＝Ｔpre (Ｎは整数)としておくのが望ましい（図２，図６）ため、シンクロトロンの運転パターンを作成しパターンタイミングとしてＴpreを設定する場合にはこの望ましい条件となるようにする。この場合は入射プレトリガ信号の発生後Ｔcyc経過後に新たに入射器用高周波を発生させ、その後Ｔcyc一定周期運転にしておくことで、シンクロトロン２００の入射タイミングと直線加速器１１１のビーム供給可能タイミングを合致させることができる。
【００３２】
直線加速器１１１の運転周期Ｔcycと入射プレトリガ信号の発生から入射までの時間Ｔpreの関係について、Ｔcyc＜Ｔpreとなるケースについて、Ｔcyc＝ＴpreもしくはＴcyc ×Ｎ＝ Ｔpre (Ｎは整数)とできない場合は、Ｔpre = Ｔcyc ×Ｍ + Ｔres（Ｍは整数）となるＴres、言い換えればＴpreをＴcycの整数倍で除した余り分の時間Ｔresを求めておく。入射プレトリガ信号の発生寸前の高周波運転タイミングからの経過時間とＴresとの和がＴcycより大きい場合は、入射プレトリガ信号の発生からＴres経過後に高周波運転タイミングを発生させる（図７）。入射プレトリガ信号の発生寸前の高周波運転タイミングからの経過時間とＴresとの和がＴcycより小さい場合は、プレトリガからＴres＋Ｔcyc経過後に高周波運転タイミングを発生させる（図８）。いずれの場合も新たに入射器用高周波を発生させその後Ｔcyc一定周期運転にしておくことで、シンクロトロン２００の入射タイミングと直線加速器１１１のビーム供給可能タイミングを合致させることができる。
【００３３】
直線加速器１１１の運転周期Ｔcycと入射プレトリガ信号の発生から入射までの時間Ｔpreの関係について、Ｔcyc ＞ Ｔpreとなるケースについては、入射プレトリガ信号の発生寸前の高周波運転タイミングからの経過時間とＴpreとの和がＴcycより大きい場合は、入射プレトリガ信号の発生からＴpre経過後に高周波運転タイミングを発生させる（図９）。入射プレトリガ信号の発生寸前の高周波運転タイミングからの経過時間とＴpreとの和がＴcycより小さい場合は、もとの入射器高周波運転タイミングを維持して入射タイミングを待つ（図１０）。この図１０の動作については本発明の効果がなくなるが、図９の動作と組み合わせることで待ち時間の短縮化が図れる。しかし効果は小さいため図９，１０の動作にならないように直線加速器１１１の運転周期Ｔcycとプレトリガ発生から入射までの時間Ｔpreの関係について、Ｔcyc＜ＴpreとなるようなＴcyc、Ｔpreとなるようなタイミングを設定することが望ましい。ＴcycとＴpreの最適な関係は図２に示したようなＴcyc＝Ｔpreとなる運転、あるいは図６のようなＴcyc × Ｎ＝Ｔpre (Ｎは整数)であって、これらが実現できない場合は図７のようなＴcyc＜Ｔpreの関係となる。
【００３４】
以上図２及び図６から図１０まで記載の直線加速器１１１の運転周期Ｔcycと入射プレトリガ信号の発生から入射までの時間Ｔpreの関係に関する判定について、図１１にフローチャートを示す。フローチャートの判定の流れについて制御装置２１０の構成を示す図４を用いて説明する。ビーム利用系５００で利用する荷電粒子ビーム照射の条件はビーム利用系制御装置４００から設定され（Ｓ１００）、加速器機器制御装置２１０にある制御パターン・タイミング記憶部２１１から該当パターンが選択される（Ｓ１１０）。Ｔcycは荷電粒子ビーム照射装置用入射器１３０の特性値として予めわかっているため、タイミング制御装置２１２はＴｐｒｅとＴｃｙｃの関係を把握できる。タイミング制御装置２１２はＴpre≧ＴcycでＴcyc × Ｎ＝Ｔpre かどうかの判定を行い（Ｓ１２０，Ｓ１３０）、Ｔpre≧ＴcycでＴcyc × Ｎ＝Ｔpre (Ｎは整数)となる場合にはそのまま照射を開始し、入射器高周波機器タイミング発生部２１７は入射プレトリガ信号の発生後Ｔcyc経過後に直線加速器１１１の高周波運転タイミングを発生させ、入射器高周波機器を動作させる（Ｓ１４０）。
【００３５】
ステップＳ１３０において、Ｔcyc × Ｎ＝Ｔpre (Ｎは整数)とならない場合にはＴpre= Ｔcyc × Ｍ＋Ｔres（Ｍは整数）となるＴresをタイミング制御装置２１２で予め求め（Ｓ１５０）、照射を開始する。照射開始後はタイミング制御装置２１２は、ビーム利用系４００からの出射要求信号や次パターン移行信号、あるいはエネルギー切り替え要求などに基づいて定まるそのときのシンクロトロン２００の運転パターンに応じて入射プレトリガ信号のタイミングを発生させる。入射器高周波機器タイミング発生部２１７は、シンクロトロン２００の運転サイクル毎に、入射プレトリガ信号の発生タイミングと入射器用一定周期発生部２１６から発生される基本周期（一定タイミング）との関係から、入射プレトリガ信号の発生寸前の高周波運転タイミングからの経過時間とＴresとの和がＴcycより大きかどうかの判定を行い（Ｓ１６０）、その判定結果に応じて直線加速器１１１の高周波運転タイミングを発生させ、入射器高周波機器を動作させる（Ｓ１７０，Ｓ１８０）。
【００３６】
ステップＳ１２０において、Ｔpre＜Ｔcycと判定された場合はそのまま照射を開始し、照射開始後はタイミング制御装置２１２は、ステップＳ１３０でＴcyc × Ｎ＝Ｔpre (Ｎは整数)とならなかった場合と同様入射プレトリガ信号のタイミングを発生させ、入射器高周波機器タイミング発生部２１７は、入射プレトリガ信号の発生寸前の高周波運転タイミングからの経過時間とＴresとの和がＴcycより大きかどうかの判定を行い（Ｓ１９０）、その判定結果に応じて直線加速器１１１の高周波運転タイミングを発生させ、入射器高周波機器を動作させる（Ｓ２００，Ｓ２１０）。
【００３７】
なお、図６から図１０の（ｂ）シンクロトロン電磁石励磁パターン、（ｃ）入射器高周波運転、（ｄ）ビーム入射タイミングの関係を成立させるものであれば、上述のような判定方法に限るものではなく、別の判定方法で実現してもよい。
【００３８】
本実施の形態の効果の例を具体的な数値を挙げて説明する。入射器高周波運転の周期Ｔcyc を0.5秒とし、シンクロトロン２００の運転周期を例えば2.2秒周期とし、Ｔpre=Ｔcycとなるプレトリガを設定して一定周期運転して20サイクル分運転した場合、本発明を適用しない場合は2.2秒周期でシンクロトロンを運転した後入射器の運転周期との合致を待つため0.3秒の待ち時間が発生し実質的な周期が2.5秒となり運転時間が2.5秒×20サイクル＝50秒を要するのに対し、本発明を適用すればシンクロトロンの実質運転周期が2.2秒となり2.2秒×20サイクル=44秒の運転時間となるため、12％の運転時間短縮効果が得られる。
【００３９】
以上のように本実施の形態においては、シンクロトロン２００の入射、加速、出射、減速工程を制御するタイミング制御に対し、出射工程完了後に直線加速器１１１に対して事前に入射要求のタイミングを知らせるプレトリガタイミング（入射プレトリガ信号）を設けることにより、荷電粒子ビームの出射工程完了後に、直線加速器１１１の運転周期を一時的に大きくするよう直線加速器１１１の運転タイミングを変更して直線加速器１１１の運転周期に対する最短周期制限を維持したままシンクロトロン２００に対する荷電粒子ビームの入射を任意のタイミングで行うことが可能となり、直線加速器１１１の運転周期を短縮化することなく、シンクロトロン２００の入射要求タイミングに合わせて直線加速器１１１からの入射ビームを得ることが可能となる。
【００４０】
また、本実施の形態によれば、シンクロトロン２００の入射要求タイミングに合わせて直線加速器１１１からの入射ビームを得ることが可能となるため、シンクロトロン２００で加速された荷電粒子ビームを用いる荷電粒子ビーム照射装置において、患者へ照射時間を短縮して治療時間を短くし、システムの効率的な運用が可能となる。
＜第２の実施の形態＞
次に、図１２以降を用いて本発明の第２の実施形態による荷電粒子ビーム照射システムについて説明する。本実施の形態では第１の実施形態のビーム利用系５００として癌などの患者の患部に陽子および炭素イオン等のいずれかの荷電粒子ビーム（イオンビーム）を照射する治療方法を実現する照射装置を備えたものである。
【００４１】
本実施の形態では、シンクロトロン２００より得られた荷電粒子を、ビーム輸送系３００を通じて照射装置６００へ輸送する。照射装置６００について図１３を用いて説明する。照射装置６００はビーム輸送系３００で導かれた荷電粒子ビームを水平（図中Ｘ方向）、垂直（紙面に垂直方向）に走査し、患者６１０の患部６１１の形状に合致させるためのＸ方向走査電磁石６０１ＡとＹ方向走査電磁石６０１Ｂを有する。走査電磁石６０１Ａ，６０１Ｂにより偏向された荷電粒子ビームはビーム位置計測装置６０２と照射線量計測装置６０３を通過し、患部６１１に照射される。ビーム位置計測装置６０２は荷電粒子ビームの位置及び幅（広がり）を計測し、照射線量計測装置６０３は荷電粒子ビームの照射量を計測する。
【００４２】
ここで、図１３及び図１４を用いてビーム走査法による照射について説明する。図１４は、荷電粒子ビームの上流側から患部６１１を見た説明図である。
【００４３】
図１３に示したように患者６１０の患部６１１に対して、その患部形状を３次元的な複数の深さ方向（図中Ｚ方向）の層に分割し、各層をさらに図１４に示すように２次元的に分割して複数の線量区画６１２（以下照射スポット）を設定する。深さ方向は荷電粒子ビームの到達進度に対応し、シンクロトロン２００から出射される荷電粒子ビームのエネルギー変更により変更されて各層を選択的に照射する。各層内では図３に示す例えば６１３のような経路に沿って走査電磁石６０１Ａ，６０１Ｂで荷電粒子ビームを２次元的に走査して各照射スポットに所定の線量を与える。各照射スポットに照射される荷電粒子ビームの量は照射線量計測装置６０３で計測され、位置やその広がりはビーム位置計測装置６０２で計測される。
【００４４】
本実施の形態の照射方式において、シンクロトロン２００に対して次パターンへの移行要求が発生するのは図１４に示した層内のスポットを照射中にシンクロトロン２００に蓄積された荷電粒子が枯渇した場合、或いはシンクロトロン２００で１サイクル当りに照射可能な時間が枯渇した場合である。これらの場合そのサイクル内での出射を停止し次パターンへ移行するタイミングは不定期となりうる。
【００４５】
また図１４に示した層内のスポットを全て照射し終えた場合には、図１３の６１１に示した深さ方向（Ｚ方向）の変更が必要となり、シンクロトロン２００のエネルギーを変更する。この場合についても、層内の照射時間は患部６１１の形状によって異なるためシンクロトロンの運転サイクル内で出射が完了するタイミングは不定期になりうる。
【００４６】
上述の通り本実施の形態の照射装置６００ではシンクロトロン２００の運転周期及び出射のタイミングは不定期になるため、直線加速器１１１の高周波運転の周期が固定となっている場合はシンクロトロン２００の所望の入射タイミングに荷電粒子ビームが入射できず、照射時間が延びる可能性がある。
【００４７】
本実施の形態においては、加速器制御装置２１０は、図１４に示した層内のスポットを照射中にシンクロトロン２００に蓄積された荷電粒子が枯渇した場合、或いはシンクロトロン２００で１サイクル当りに照射可能な時間が枯渇した場合に、シンクロトロン２００の運転パターンの移行を要求する次パターン移行要求信号を生成して出力する（第１制御装置）。また、照射制御装置６２０は、図１４に示した層内のスポットを全て照射し終えた場合に、シンクロトロン２００のエネルギーの変更を要求するエネルギー切り替え要求信号を出力する（第１制御装置）。加速器制御装置２１０は、それらの信号を受け取り、図２に示したような本発明の運転方法を実施し、プレトリガタイミング（入射プレトリガ信号）に基づいて直線加速器１１１の運転周期を一時的に大きくするよう直線加速器１１１の運転タイミングを変更する（制御装置、第２制御装置）。これにより入射タイミングを所望のものとできるので照射時間は延びず、治療時間を短縮化でき、システムの効率的な運用が可能となる。
【００４８】
本実施の形態の効果の例を具体的な数値を挙げて示す。照射対象を例えば１０ｃｍ四方の体積１リットルの立方体としその照射に必要な照射スポット数を１０，０００、深さ方向（Ｚ方向）の層の分割数を３０とし、その照射間に必要なシンクロトロン２００のサイクル変更、エネルギー変更回数の総数で４０回必要と仮定する。ここで層の分割数と総数が一致していないのは、層あたりに照射する荷電粒子の量が大きい場合にシンクロトロン１サイクルで出射可能な荷電粒子の量では不足し複数回のサイクルで１層を照射することを考慮したものである。入射器高周波運転の周期Ｔcyc を0.5秒とした場合、本発明を適用した場合はその周期を待つ時間は発生しないが、本発明を適用しない場合においては最大で0.5秒の待ち時間が発生する。一方で偶然待ち時間が発生しないタイミングとなる可能性もありうるので中間値を取り、１サイクル当りの入射器高周波運転時間待ち時間を0.25秒とすると、４０回のサイクル変更で合計１０秒の照射時間伸長がある。本発明を適用しない場合の照射時間を例えば１００秒程度とすれば１０秒の照射時間短縮は１０％短縮の効果となる。
＜第３の実施の形態＞
次に、図１５以降を用いて本発明の第３の実施形態による荷電粒子ビーム照射システムについて説明する。本実施の形態では第１の実施形態のビーム利用系５００として癌などの患者の患部に陽子および炭素イオン等のいずれかの荷電粒子ビーム（イオンビーム）を照射する治療方法を実現する照射装置を備え、かつ患者の呼吸に伴う患部の移動やその他の移動を検出する手段を備えたものである。
【００４９】
本実施の形態では、シンクロトロン２００より得られた荷電粒子を、ビーム輸送系３００を通じて照射装置７００へ輸送する。照射装置７００について図１３を用いて説明する。照射装置７００における照射野の形成方法については荷電粒子ビームの散乱を用いる散乱体法や上述したビーム走査法など任意の照射野形成方法でよい。患者６１０に対し患部の移動検出手段７１０を設ける。患部へのより高精度な照射を実現するために、こういった患部の移動を検出しその移動量が所望の範囲内にある場合にのみ照射する方法が提唱されており、検出手段７１０としては呼吸性移動を検出するために体表の移動を監視する方法、患者の呼吸に伴う呼気、吸気の流れを患者の口元で監視する方法、Ｘ線透視画像を用いて直接患部の位置もしくはそれを示すマーカを監視する方法などが考えられる。
【００５０】
図１６を用いて患部の移動検出とビーム照射の関係について説明する。図１６（ａ）は患部の移動を検出した信号で、その信号に対し患部が所望の位置にある、あるいは所望の位置からある範囲内にあることを担保するためのしきい値を設定する。そしてそのしきい値内に患部位置検出信号がある場合にのみビームを照射する。この場合の本実施の形態における照射装置７００で照射可能なタイミングは図１６（ｂ）のようになり、この信号は患者の移動に伴う移動であることからそのタイミングは不定期になり得る。
【００５１】
上述の通り本実施の形態の照射装置７００ではシンクロトロン２００の運転周期及び出射のタイミングは不定期になるため、直線加速器１１１の高周波運転の周期が固定となっている場合はシンクロトロン２００の所望の入射タイミングに荷電粒子ビームが入射できず、照射時間が延びる可能性がある。
【００５２】
本実施の形態においては、照射制御装置７２０は、図１６（ｂ）に示した照射対象の移動を検出して得られる信号から照射対象への照射可能な時間帯のタイミングを設定し、その時間帯の間にのみビーム出射を要求するビーム要求信号を出力する（第１制御装置）。加速器制御装置２１０は、その信号を受け取り、図２に示したような本発明の運転方法を実施し、プレトリガタイミング（入射プレトリガ信号）に基づいて直線加速器１１１の運転周期を一時的に大きくするよう直線加速器１１１の運転タイミングを変更する（制御装置、第２制御装置）。これにより入射タイミングを所望のものとできるので照射時間は延びず、治療時間を短縮化でき、システムの効率的な運用が可能となる。
【符号の説明】
【００５３】
１００ 入射器システム
１０１ イオン源
１０２ イオン源電源
１１１ 線形加速器
１１２ 入射器用高周波電源
１２０ 入射器制御装置
１３０ 入射輸送系
２００ シンクロトロン
２０１ 偏向電磁石
２０２ 高周波加速空胴
２０３ ビーム出射用機器
２０４ 入射機器
２０５ ビーム出射用機器
２１０ 加速器機器制御装置（制御装置、第１制御装置、第２制御装置）
２１１ 制御パターン・タイミング記憶部
２１２ タイミング制御装置
２１３ 電磁石電源制御部
２１４ 高周波加速制御部
２１５ 出射機器制御部
２１６ 入射器用一定周期発生部
２１７ 入射器高周波機器タイミング発生部
３００ ビーム輸送系
４００ ビーム利用系制御装置（第１制御装置）
４０１ ビーム要求タイミング発生部
５００ ビーム利用系
６００ 照射装置
６０１Ａ，６０１Ｂ 走査電磁石
６０２ ビーム位置計測装置
６０３ 照射線量計測装置
６１０ 患者
６１１ 患部
６１２ 線量区画（照射スポット）
６１３ 照射経路
６２０ 照射制御装置（第１制御装置）
７００ 制御装置
７１０ 患部移動検出手段
７２０ 照射制御装置（第１制御装置）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器とを備えた荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
【請求項２】
請求項１記載の荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
前記円形加速器の運転周期における前記荷電粒子ビームの出射工程完了後に、次の運転周期の入射タイミングを知らせるタイミング信号を発生し、このタイミング信号に基づいて前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更することを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
【請求項３】
請求項２記載の荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
前記タイミング信号を、前記タイミング信号から前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングまでの時間が前記直線加速器の運転周期の整数倍となるよう設定し、前記タイミング信号の発生から前記直線加速器の１運転周期の時間経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
【請求項４】
請求項２記載の荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
前記タイミング信号を、前記タイミング信号から前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングまでの時間が前記直線加速器の運転周期の整数倍と前記直線加速器の運転周期より小さい余りの時間との和となるよう設定し、
前記タイミング信号の発生直前の前記直線加速器の運転タイミングから前記タイミング信号の発生タイミングまでの経過時間と前記余りの時間との和が前記直線加速器の１運転周期の時間よりも大きいときは、前記タイミング信号の発生から前記余りの時間の経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させ、
前記タイミング信号の発生直前の前記直線加速器の運転タイミングから前記タイミング信号の発生タイミングまでの経過時間と前記余りの時間との和が前記直線加速器の１運転周期の時間よりも大きくないときは、前記タイミング信号の発生から、前記直線加速器の１運転周期の時間と前記余りの時間の和の時間経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
【請求項５】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを利用する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置の運転方法において、
前記照射装置から要求された期間にのみ前記荷電粒子ビームを出射するよう前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程において前記円形加速器の出射用機器を制御し、
前記出射用機器の制御による前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置の運転方法。
【請求項６】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを偏向して走査する走査電磁石を有し、この査電磁石を通過した荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置の運転方法において、
前記荷電粒子ビームの照射対象を深さ方向に分割した複数の層の１つの層に対して、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し、前記１つの層の荷電粒子ビームの走査完了後に、別の層に対して前記荷電粒子ビームを走査するために前記円形加速器から出射される荷電粒子ビームのエネルギーの変更を要求するエネルギー切換要求を出力し、
前記エネルギー切換要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置の運転方法。
【請求項７】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを偏向して走査する走査電磁石を有し、この査電磁石を通過した荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置の運転方法において、
前記荷電粒子ビームの照射対象に対して、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し、前記荷電粒子ビームを走査している途中で前記円形加速器に蓄積された前記荷電粒子ビームが枯渇した場合、或いは前記荷電粒子ビームを走査している途中で前記円形加速器で１運転周期当りに照射可能な時間が枯渇した場合に、前記円形加速器のそのときの運転周期での出射工程を中止し、次の運転周期での運転パターンへの移行を要求する運転パターン移行要求を出力し、
前記運転パターン移行要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置の運転方法。
【請求項８】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを時間的あるいは空間的に成形して照射対象の形状に一致するよう照射する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置の運転方法において、
前記照射対象の移動を検出して得られる信号から前記照射対象への照射可能な時間帯のタイミングを設定し、その時間帯の間にのみビーム出射を要求するビーム要求を出力し、
前記ビーム要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置の運転方法。
【請求項９】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器とを備えた荷電粒子ビーム発生装置において、
前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させる制御装置を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
【請求項１０】
請求項９記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記制御装置は、前記円形加速器の運転周期における前記荷電粒子ビームの出射工程完了後に、次の運転周期の入射タイミングを知らせるタイミング信号を発生し、このタイミング信号に基づいて前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更することを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記制御装置は、前記タイミング信号を、前記タイミング信号から前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングまでの時間が前記直線加速器の運転周期の整数倍となるよう設定し、前記タイミング信号の発生から前記直線加速器の１運転周期の時間経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記制御装置は、前記タイミング信号を、前記タイミング信号から前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングまでの時間が前記直線加速器の運転周期の整数倍と前記直線加速器の運転周期より小さい余りの時間との和となるよう設定し、
前記タイミング信号の発生直前の前記直線加速器の運転タイミングから前記タイミング信号の発生タイミングまでの経過時間と前記余りの時間との和が前記直線加速器の１運転周期の時間よりも大きいときは、前記タイミング信号の発生から前記余りの時間の経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させ、
前記タイミング信号の発生直前の前記直線加速器の運転タイミングから前記タイミング信号の発生タイミングまでの経過時間と前記余りの時間との和が前記直線加速器の１運転周期の時間よりも大きくないときは、前記タイミング信号の発生から、前記直線加速器の１運転周期の時間と前記余りの時間の和の時間経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
【請求項１３】
請求項８記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記制御装置は、
前記円形加速器の荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速の各工程を含む運転パターンに係わる各種タイミング及び次の運転周期の入射タイミングを知らせる入射プリトリガ信号のタイミングを記憶した記憶装置と、
前記運転パターンの更新要求と前記記憶装置に記憶したタイミング情報を受け取るタイミング制御装置と、
前記直線加速器の運転基本周期を発生させる一定周期発生装置と、
前記一定周期発生装置からの前記運転基本周期を前記タイミング制御装置からの前記入射プレトリガ信号のタイミングに従い調整して前記直線加速器の運転タイミングを発生する高周波機器タイミング発生装置とを有することを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
【請求項１４】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを利用する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置において、
前記照射装置から要求された期間にのみ前記荷電粒子ビームを出射するよう前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程において前記円形加速器の出射用機器を制御する第１制御装置と、
前記出射用機器の制御による前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させる第２制御装置とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１５】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを偏向して走査する走査電磁石を有し、この査電磁石を通過した荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置において、
前記荷電粒子ビームの照射対象を深さ方向に分割した複数の層の１つの層に対して、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し、前記１つの層の荷電粒子ビームの走査完了後に、別の層に対して前記荷電粒子ビームを走査するために前記円形加速器から出射される荷電粒子ビームのエネルギーの変更を要求するエネルギー切換要求を出力する第１制御装置と、
前記エネルギー切換要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させる第２制御装置とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１６】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを偏向して走査する走査電磁石を有し、この査電磁石を通過した荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置において、
前記荷電粒子ビームの照射対象に対して、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し、前記荷電粒子ビームを走査している途中で前記円形加速器に蓄積された前記荷電粒子ビームが枯渇した場合、或いは前記荷電粒子ビームを走査している途中で前記円形加速器で１運転周期当りに照射可能な時間が枯渇した場合に、前記円形加速器のそのときの運転周期での出射工程を中止し、次の運転周期での運転パターンへの移行を要求する運転パターン移行要求を出力する第１制御装置と、
前記運転パターン移行要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させる第２制御装置とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１７】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを時間的あるいは空間的に成形して照射対象の形状に一致するよう照射する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置において、
前記照射対象の移動を検出して得られる信号から前記照射対象への照射可能な時間帯のタイミングを設定し、その時間帯の間にのみビーム出射を要求するビーム要求を出力する第１制御装置と、
前記ビーム要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させる第２制御装置とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１８】
請求項１４〜１７のいずれか１項記載の荷電粒子ビーム照射装置において、
前記第２制御装置は、前記タイミング信号を、前記タイミング信号から前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングまでの時間が前記直線加速器の運転周期の整数倍となるよう設定し、前記タイミング信号の発生から前記直線加速器の１運転周期の時間経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１９】
請求項１４〜１７のいずれか１項記載の荷電粒子ビーム照射装置において、
前記第２制御装置は、前記タイミング信号を、前記タイミング信号から前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングまでの時間が前記直線加速器の運転周期の整数倍と前記直線加速器の運転周期より小さい余りの時間との和となるよう設定し、
前記タイミング信号の発生直前の前記直線加速器の運転タイミングから前記タイミング信号の発生タイミングまでの経過時間と前記余りの時間との和が前記直線加速器の１運転周期の時間よりも大きいときは、前記タイミング信号の発生から前記余りの時間の経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させ、
前記タイミング信号の発生直前の前記直線加速器の運転タイミングから前記タイミング信号の発生タイミングまでの経過時間と前記余りの時間との和が前記直線加速器の１運転周期の時間よりも大きくないときは、前記タイミング信号の発生から、前記直線加速器の１運転周期の時間と前記余りの時間の和の時間経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器とを備えた荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
【請求項２】
請求項１記載の荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
前記円形加速器の運転周期における前記荷電粒子ビームの出射工程完了後に、次の運転周期の入射タイミングを知らせるタイミング信号を発生し、このタイミング信号に基づいて前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更することを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
【請求項３】
請求項２記載の荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
前記タイミング信号を、前記タイミング信号から前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングまでの時間が前記直線加速器の運転周期の整数倍となるよう設定し、前記タイミング信号の発生から前記直線加速器の１運転周期の時間経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
【請求項４】
請求項２記載の荷電粒子ビーム発生装置の運転方法において、
前記タイミング信号を、前記タイミング信号から前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングまでの時間が前記直線加速器の運転周期の整数倍と前記直線加速器の運転周期より小さい余りの時間との和となるよう設定し、
前記タイミング信号の発生直前の前記直線加速器の運転タイミングから前記タイミング信号の発生タイミングまでの経過時間と前記余りの時間との和が前記直線加速器の１運転周期の時間よりも大きいときは、前記タイミング信号の発生から前記余りの時間の経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させ、
前記タイミング信号の発生直前の前記直線加速器の運転タイミングから前記タイミング信号の発生タイミングまでの経過時間と前記余りの時間との和が前記直線加速器の１運転周期の時間よりも大きくないときは、前記タイミング信号の発生から、前記直線加速器の１運転周期の時間と前記余りの時間の和の時間経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置の運転方法。
【請求項５】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを利用する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置の運転方法において、
前記照射装置から要求された期間にのみ前記荷電粒子ビームを出射するよう前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程において前記円形加速器の出射用機器を制御し、
前記出射用機器の制御による前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置の運転方法。
【請求項６】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを偏向して走査する走査電磁石を有し、この査電磁石を通過した荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置の運転方法において、
前記荷電粒子ビームの照射対象を深さ方向に分割した複数の層の１つの層に対して、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し、前記１つの層の荷電粒子ビームの走査完了後に、別の層に対して前記荷電粒子ビームを走査するために前記円形加速器から出射される荷電粒子ビームのエネルギーの変更を要求するエネルギー切換要求を出力し、
前記エネルギー切換要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置の運転方法。
【請求項７】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを偏向して走査する走査電磁石を有し、この査電磁石を通過した荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置の運転方法において、
前記荷電粒子ビームの照射対象に対して、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し、前記荷電粒子ビームを走査している途中で前記円形加速器に蓄積された前記荷電粒子ビームが枯渇した場合、或いは前記荷電粒子ビームを走査している途中で前記円形加速器で１運転周期当りに照射可能な時間が枯渇した場合に、前記円形加速器のそのときの運転周期での出射工程を中止し、次の運転周期での運転パターンへの移行を要求する運転パターン移行要求を出力し、
前記運転パターン移行要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置の運転方法。
【請求項８】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを時間的あるいは空間的に成形して照射対象の形状に一致するよう照射する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置の運転方法において、
前記照射対象の移動を検出して得られる信号から前記照射対象への照射可能な時間帯のタイミングを設定し、その時間帯の間にのみビーム出射を要求するビーム要求を出力し、
前記ビーム要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置の運転方法。
【請求項９】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器とを備えた荷電粒子ビーム発生装置において、
前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させる制御装置を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
【請求項１０】
請求項９記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記制御装置は、前記円形加速器の運転周期における前記荷電粒子ビームの出射工程完了後に、次の運転周期の入射タイミングを知らせるタイミング信号を発生し、このタイミング信号に基づいて前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更することを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記制御装置は、前記タイミング信号を、前記タイミング信号から前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングまでの時間が前記直線加速器の運転周期の整数倍となるよう設定し、前記タイミング信号の発生から前記直線加速器の１運転周期の時間経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記制御装置は、前記タイミング信号を、前記タイミング信号から前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングまでの時間が前記直線加速器の運転周期の整数倍と前記直線加速器の運転周期より小さい余りの時間との和となるよう設定し、
前記タイミング信号の発生直前の前記直線加速器の運転タイミングから前記タイミング信号の発生タイミングまでの経過時間と前記余りの時間との和が前記直線加速器の１運転周期の時間よりも大きいときは、前記タイミング信号の発生から前記余りの時間の経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させ、
前記タイミング信号の発生直前の前記直線加速器の運転タイミングから前記タイミング信号の発生タイミングまでの経過時間と前記余りの時間との和が前記直線加速器の１運転周期の時間よりも大きくないときは、前記タイミング信号の発生から、前記直線加速器の１運転周期の時間と前記余りの時間の和の時間経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
【請求項１３】
請求項８記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記制御装置は、
前記円形加速器の荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速の各工程を含む運転パターンに係わる各種タイミング及び次の運転周期の入射タイミングを知らせる入射プリトリガ信号のタイミングを記憶した記憶装置と、
前記運転パターンの更新要求と前記記憶装置に記憶したタイミング情報を受け取るタイミング制御装置と、
前記直線加速器の運転基本周期を発生させる一定周期発生装置と、
前記一定周期発生装置からの前記運転基本周期を前記タイミング制御装置からの前記入射プレトリガ信号のタイミングに従い調整して前記直線加速器の運転タイミングを発生する高周波機器タイミング発生装置とを有することを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
【請求項１４】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを利用する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置において、
前記照射装置から要求された期間にのみ前記荷電粒子ビームを出射するよう前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程において前記円形加速器の出射用機器を制御する第１制御装置と、
前記出射用機器の制御による前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させる第２制御装置とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１５】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを偏向して走査する走査電磁石を有し、この査電磁石を通過した荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置において、
前記荷電粒子ビームの照射対象を深さ方向に分割した複数の層の１つの層に対して、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し、前記１つの層の荷電粒子ビームの走査完了後に、別の層に対して前記荷電粒子ビームを走査するために前記円形加速器から出射される荷電粒子ビームのエネルギーの変更を要求するエネルギー切換要求を出力する第１制御装置と、
前記エネルギー切換要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させる第２制御装置とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１６】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを偏向して走査する走査電磁石を有し、この査電磁石を通過した荷電粒子ビームを照射対象に照射する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置において、
前記荷電粒子ビームの照射対象に対して、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し、前記荷電粒子ビームを走査している途中で前記円形加速器に蓄積された前記荷電粒子ビームが枯渇した場合、或いは前記荷電粒子ビームを走査している途中で前記円形加速器で１運転周期当りに照射可能な時間が枯渇した場合に、前記円形加速器のそのときの運転周期での出射工程を中止し、次の運転周期での運転パターンへの移行を要求する運転パターン移行要求を出力する第１制御装置と、
前記運転パターン移行要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させる第２制御装置とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１７】
加速用パルス電圧を印加する高周波電源に基づいて所定の運転周期で動作し、この運転周期に基づく運転タイミングで、イオン源から出射される荷電粒子を加速して荷電粒子ビームを出射する直線加速器と、
荷電粒子ビームの入射、加速、出射、減速工程の各期間を含む運転周期で動作し、前記直線加速器で加速した前記荷電粒子ビームを予め定めたタイミングで入射し、加速後に出射する円形加速器と、
この円形加速器から出射された前記荷電粒子ビームを時間的あるいは空間的に成形して照射対象の形状に一致するよう照射する照射装置とを備えた荷電粒子ビーム照射装置において、
前記照射対象の移動を検出して得られる信号から前記照射対象への照射可能な時間帯のタイミングを設定し、その時間帯の間にのみビーム出射を要求するビーム要求を出力する第１制御装置と、
前記ビーム要求に応じて前記円形加速器の運転周期を次の運転周期に移行させるとき、前記円形加速器の運転周期における荷電粒子ビームの出射工程完了後に、前記直線加速器の運転周期を一時的に大きくするよう前記直線加速器の運転タイミングを変更して、前記直線加速器の運転タイミングを前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングに一致させる第２制御装置とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１８】
請求項１４〜１７のいずれか１項記載の荷電粒子ビーム照射装置において、
前記第２制御装置は、前記タイミング信号を、前記タイミング信号から前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングまでの時間が前記直線加速器の運転周期の整数倍となるよう設定し、前記タイミング信号の発生から前記直線加速器の１運転周期の時間経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１９】
請求項１４〜１７のいずれか１項記載の荷電粒子ビーム照射装置において、
前記第２制御装置は、前記タイミング信号を、前記タイミング信号から前記円形加速器の次の運転周期の入射タイミングまでの時間が前記直線加速器の運転周期の整数倍と前記直線加速器の運転周期より小さい余りの時間との和となるよう設定し、
前記タイミング信号の発生直前の前記直線加速器の運転タイミングから前記タイミング信号の発生タイミングまでの経過時間と前記余りの時間との和が前記直線加速器の１運転周期の時間よりも大きいときは、前記タイミング信号の発生から前記余りの時間の経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させ、
前記タイミング信号の発生直前の前記直線加速器の運転タイミングから前記タイミング信号の発生タイミングまでの経過時間と前記余りの時間との和が前記直線加速器の１運転周期の時間よりも大きくないときは、前記タイミング信号の発生から、前記直線加速器の１運転周期の時間と前記余りの時間の和の時間経過後に前記直線加速器の運転タイミングを発生させることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−２３３４７８（Ｐ２０１１−２３３４７８Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０５５２２（Ｐ２０１０−１０５５２２）
【出願日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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