(57)【要約】【課題】荷電粒子ビームエネルギーの安定性を確保しつつ、治療実施時以外の電力消費を少なくし、トータルの運転コストを低くすることができる粒子線治療装置及び治療方法を提供する。【解決手段】荷電粒子源５で発生した荷電粒子を加速器３に入射させる入射装置２と、加速空洞６及び複数の電磁石８を有し前記入射装置２から入射された荷電粒子ビームを加速する加速器３と、前記加速空洞６及び複数の電磁石８を駆動制御する電源と、前記加速器３から出射された荷電粒子ビームを照射室７へ輸送するビーム輸送系４と、を備え、前記加速器は治療実施時及び待機運転時に一定周期のパターン運転が行われる粒子線治療装置１において、前記待機運転時の運転パターンの加速時間及び減速時間が治療実施時の運転パターンの加速時間及び減速時間よりも長くすることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源で発生した荷電粒子を加速器に入射させる入射装置と、加速空洞及び複数の電磁石を有し前記入射装置から入射された荷電粒子ビームを加速する加速器と、前記加速空洞及び複数の電磁石を駆動制御する電源と、前記加速器から出射された荷電粒子ビームを照射室へ輸送するビーム輸送系と、を備え、前記加速器は治療実施時及び待機運転時に一定周期のパターン運転が行われる粒子線治療装置において、
前記待機運転時の運転パターンの加速時間及び減速時間が治療実施時の運転パターンの加速時間及び減速時間よりも長いことを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項２】
前記待機運転時の運転パターンの周期が前記治療実施時の運転パターンの周期よりも長いことを特徴とする請求項１記載の粒子線治療装置。
【請求項３】
前記待機運転時の運転パターンのトップフラット部の電流値が、前記治療実施時の運転パターンのトップフラット部の電流値よりも低いことを特徴とする請求項２記載の粒子線治療装置。
【請求項４】
前記加速空洞及び電磁石に温度保持装置を備えたことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の粒子線治療装置。
【請求項５】
荷電粒子源で発生した荷電粒子を加速器に入射し、前記入射装置から入射された荷電粒子ビームを加速器により加速し、前記加速器から出射された荷電粒子ビームをビーム輸送系により照射室へ輸送し粒子線治療を行うとともに、前記加速器は治療実施時及び待機運転時に一定周期のパターン運転が行われる粒子線治療方法において、
前記待機運転時の運転パターンの加速時間及び減速時間が治療実施時の運転パターンの加速時間及び減速時間よりも長いことを特徴とする粒子線治療方法。
【請求項６】
前記待機運転時の運転パターンの周期が前記治療実施時の運転パターンの周期よりも長いことを特徴とする請求項５記載の粒子線治療方法。
【請求項７】
前記待機運転時の運転パターンのトップフラット部の電流値が、前記治療実施時の運転パターンのトップフラット部の電流値よりも低いことを特徴とする請求項６記載の粒子線治療方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加速器としてシンクロトロン等を用いてパターン運転を行う粒子線治療装置及び治療方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療装置では荷電粒子の加速にシンクロトロン等の加速器が用いられている。図３は、シンクロトロン加速器を用いた粒子線治療装置１の全体構成図である。粒子線治療装置１は、荷電粒子源５で発生した荷電粒子を加速器３に入射させる入射装置２と、入射装置２から入射された荷電粒子ビームを所定のエネルギーとなるまで加速する加速器３と、この加速器３から出射された荷電粒子ビームを複数の照射室７へ輸送するビーム輸送系４とから構成されている。また、加速器３は荷電粒子ビームを偏向加速するための加速空洞６及び複数の電磁石８を有し、また、入射装置２及びビーム輸送系４も荷電粒子ビームを偏向させるための複数の電磁石９を有している。また、加速器３の加速空洞６及び電磁石８は、図４に示すように、それぞれ加速空洞電源、電磁石電源及び制御装置に接続されている。
【０００３】
このように構成された粒子線治療装置１の運転において、加速器は、図５に示すように、「入射→ 加速→ 出射→ 減速」を１サイクルとして、複数回このサイクルを繰り返して運転し、このサイクルにしたがって設定された電磁石の励磁パターンにより電磁石を励磁するパターン運転が行われている。電磁石電源の出力電流は、「入射→ 加速→ 出射→ 減速」に応じて、フラットボトム部１０、加速部１１、フラットトップ部１２、及び減速部１３を形成している（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−１８５４００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の粒子線治療装置では、シンクロトロン加速器から取り出される荷電粒子ビームを治療に使う時間は極く短時間であるが、荷電粒子ビームエネルギーの安定性を確保するため、治療時間以外でも、図５に示す治療実施時と同じ周期のパターンで電磁石電源および加速空洞電源を運転して待機しており、その間の電力消費は非常に大きなものであった。
【０００５】
特に、電磁石電源は、待機運転時も、治療実施時の条件と同じ速い繰返し周期でパターン運転されるため、パターン運転の加速部および減速部では電磁石のインダクタンス成分の影響による無効電力が発生し、大量の電力を消費していた。
【０００６】
一方、この治療時間以外の電力消費をなくすために、治療時間以外は加速器のパターン運転を停止することも考えられるが、治療実施時に合わせて運転を開始すると、電磁石の温度変化が大きくなり、それによる寸法変化のため電磁石の作動が不安定となり、安定した治療が行えないという問題があった。
【０００７】
これらの背景により粒子線治療装置の消費電力の削減は困難で、そのため運転コストが非常に大きなものとなっていた。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、荷電粒子ビームエネルギーの安定性を確保しつつ、治療実施時以外の電力消費を少なくし、トータルの運転コストを低くすることができる粒子線治療装置及び治療方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本件発明に係る粒子線治療装置は、荷電粒子源で発生した荷電粒子を加速器に入射させる入射装置と、加速空洞及び複数の電磁石を有し前記入射装置から入射された荷電粒子ビームを加速する加速器と、前記加速空洞及び複数の電磁石を駆動制御する電源と、前記加速器から出射された荷電粒子ビームを照射室へ輸送するビーム輸送系と、を備え、前記加速器は治療実施時及び待機運転時に一定周期のパターン運転が行われる粒子線治療装置において、前記待機運転時の運転パターンの加速時間及び減速時間が治療実施時の運転パターンの加速時間及び減速時間よりも長いことを特徴とする。
【００１０】
また、本件発明に係る粒子線治療方法は、荷電粒子源で発生した荷電粒子を加速器に入射し、前記入射装置から入射された荷電粒子ビームを加速器により加速し、前記加速器から出射された荷電粒子ビームをビーム輸送系により照射室へ輸送し粒子線治療を行うとともに、前記加速器は治療実施時及び待機運転時に一定周期のパターン運転が行われる粒子線治療方法において、前記待機運転時の運転パターンの加速時間及び減速時間が治療実施時の運転パターンの加速時間及び減速時間よりも長いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、待機運転時の運転パターンの加速時間及び減速時間を治療実施時のときよりも長くすることにより、荷電粒子ビームエネルギーの安定性を確保しつつ、待機運転時の電力消費を大幅に減少させることができるので、低コストで安定した治療を行うことができる粒子線治療装置及び治療方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の粒子線治療装置及び治療方法の実施形態について図面を参照して説明する。  
（第１の実施形態）
本発明の第1の実施形態に係る粒子線治療装置及び治療方法を、図１を用いて説明する。  
図１は本発明の第１の実施形態に係る待機運転時の運転パターンＡと治療実施時の運転パターンＢを重ねて表示した図である。
【００１３】
図４に示すように、各電磁石８に対して励磁電流を出力する電磁石電源および加速空洞６に対して電力を入力する加速空洞電源は、制御装置からの指示に従って運転される。シンクロトロン加速器のように荷電粒子の入射時のエネルギーと出射時のエネルギーが異なる加速器の電磁石電源の出力電流は、治療実施時では、図１に示すような台形波の運転パターンＢにしたがって制御される。
【００１４】
この運転パターンＢでは、出力電流一定のフラットボトム部１０において荷電粒子が入射され、出力電流が立ち上がる加速部１１において荷電粒子は加速されてエネルギーが増大し、出力電流一定のフラットトップ部１２において荷電粒子が取り出され、出力電流が立ち下がる減速部１３において荷電粒子は減速されてエネルギーが減少する。この加速部１１と減速部１３において、電磁石の持つ大きなインダクタンス成分により電圧が発生し、大量の無効電力を生じる。従来の待機運転時の運転パターンは、治療実施時の運転パターンＢと同じ運転パターンで運転していることから、上述したように大きな無効電力が発生していた。
【００１５】
これに対して、本第1の実施形態では、待機運転中の運転パターンを図１のＡのように、フラットトップ部１２ａの出力電流値は治療実施時の出力電流値とほぼ同等であるが、加速部１１ａや減速部１３ａの立ち上がり及び立ち下がりの勾配を、治療実施時の運転パターンＢの立ち上がり及び立ち下がりの勾配よりも緩やかに設定している。いいかえれば、待機運転時の運転パターンの加速時間及び減速時間を、治療実施時の運転パターンの加速時間及び減速時間よりも長く設定している。
【００１６】
一般に、電磁石のインダクタンス成分による電力損失は、この勾配（変化率）の大きさに比例する。したがって、待機運転パターンの立ち上がり及び立ち下がりの勾配を緩やかにすることにより、電磁石のインダクタンス成分による電力損失を低く抑えることができる。
【００１７】
また、待機運転中の運転パターンＡの加速部１１ａや減速部１３ａの立ち上がり及び立ち下がりの勾配を治療実施時のパターンよりも緩やかに設定したことにより、すなわち、待機運転時の運転パターンの加速時間及び減速時間を、治療実施時の運転パターンよりも長く設定したことにより、待機運転時の運転パターンＡの周期が長くなることになり、その結果、待機運転期間中のサイクル数も減少し、待機運転中の電磁石の電力損失を大幅に小さくすることができる。
【００１８】
ところで、電磁石が発生する磁場の安定性に影響を与える要因として、温度変化による電磁石の寸法変化があげられる。そのため、治療実施時及び待機運転時において電磁石の温度変化が生じないように、待機運転時の運転パターンＡを調整する。具体的には、待機運転時の運転パターンＡの加速部１１ａや減速部１３ａの立ち上がり及び立ち下がりの勾配及びフラットトップ部１２ａの持続時間を適宜調整し、治療実施時及び待機運転時に電磁石に発生する熱負荷がほぼ同等になるように設定する。これにより、待機運転中及び治療実施時の電磁石の温度をほぼ一定に維持することができるので、電磁石の作動が安定となり、安定した治療を行うことができる。
【００１９】
本第１の実施形態によれば、待機運転時の運転パターンの加速時間及び減速時間を治療実施時の運転パターンよりも長くするとともに、待機運転時の運転サイクル数を少なくすることにより、荷電粒子ビームエネルギーの安定性を確保しつつ、電力消費を大幅に減少させることができるので、低コストで安定した治療を行うことができる粒子線治療装置を提供することができる。
【００２０】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る粒子線治療装置及び治療方法を、図２を用いて説明する。  
図２は本発明の第２の実施形態に係る待機運転時の運転パターンＣと治療実施時の運転パターンＢを重ねて表示した図である。
【００２１】
本第２の実施形態では、待機運転時の運転パターンＣのトップフラット部１２ｃが治療実施時のパターンのトップフラット部１２よりも大幅に長く設定されているとともに、その出力電流値も低く設定されている。また、待機運転時の運転パターンＣの加速部１１ｃや減速部１３ｃの立ち上がり及び立ち下がりの勾配は、上記第１の実施形態と同様に、治療実施時の運転パターンＡの立ち上がり及び立ち下がりの勾配よりも緩やかに設定されている。
【００２２】
また、待機運転時の運転パターンＣの加速部１１ｃや減速部１３ｃの立ち上がり及び立ち下がりの勾配及びフラットトップ部１２ｃの時間及び出力電流値を適宜調整し、治療実施時及び待機運転時に電磁石に発生する熱負荷がほぼ同等となるように設定する。これにより、待機運転中及び治療実施時の電磁石の温度をほぼ一定に維持することができるので、電磁石の作動が安定となり、安定した治療を行うことができる。
これにより、待機運転時の運転サイクル数を、最低１サイクルまで大幅に少なくすることができる。
【００２３】
本第２の実施形態によれば、待機運転時に使用される出力電流を小さくし、かつ、待機運転時の運転サイクル数を大幅に少なくすることにより、荷電粒子ビームエネルギーの安定性を確保しつつ、電力消費を大幅に減少させることができるので、低コストで安定した治療を行うことができる粒子線治療装置を提供することができる。
【００２４】
また、上記第１及び第２の実施形態において、加速空洞及び電磁石の温度を制御するために、加速空洞及び電磁石に温度保持装置を設けてもよい（図示せず）。温度保持装置としては、温水又は電気ヒーター等による通常の加熱制御手段を用いることができる。この加熱保持手段を併用することにより、治療実施時及び待機運転時に電磁石に発生する熱負荷が同等となるように確実に制御することができる。
【００２５】
なお、パターン運転の加速部および減速部で電磁石のインダクタンス成分の影響によって発生した無効電力を再生器（図示せず）に回収・蓄積し、無効電力が発生していない時の電源出力時に電力供給を行ってもよい。これにより電磁石の安定な運転を妨げることなく無効電力を有効に再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る待機運転時の運転パターン図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る待機運転時の運転パターン図。
【図３】本発明に係る粒子線治療装置の全体構成図。
【図４】本発明に係る粒子線治療装置の電源系統の模式図。
【図５】治療実施時の運転パターン図。
【符号の説明】
【００２７】
１…粒子線治療装置、２…入射装置、３…加速器、４…ビーム輸送系、５…荷電粒子源、６…加速空洞、７…照射室、８，９…電磁石、１０…フラットボトム部、１１，１１ａ，１１ｃ…加速部、１２，１２ａ，１２ｃ…フラットトップ部、１３，１３ａ，１３ｃ…減速部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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