(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビーム照射装置から照射されるイオンビームの強度を制御するビーム強度制御装置と、
前記イオンビームの強度を測定し、測定強度に対応する線量信号を出力する線量測定部と、
前記線量信号の出力を受け、該線量信号と治療計画によりスケジュールされ記憶されているビームの強度値とのビーム強度の差分値を求めて出力する差動増幅部と、
前記差分値の出力を受け、前記差分値が０をまたぐ所定範囲内になるように、前記差分値の大小に応じて前記ビーム強度制御装置の電極間電圧を増減する電極コントローラと、
を備えたイオンビーム照射装置のフィードバックシステムにおいて、
前記線量信号の出力を受け、該線量信号を前記測定線量値に対応する周波数に変換した周波数信号を出力する周波数変換部と、
前記周波数信号の出力を受け、該周波数信号の、あらかじめ設定されている所定時間あたりの周波数を前記所定時間間隔でカウントし、該カウント値を前記線量信号として前記差動増幅部に出力するカウンタ部と、
を備えることにより、
前記差動増幅部へ周波数に変換された線量信号が入力されることで線量信号の伝達精度を高めたことを特徴とするイオンビーム照射装置のフィードバックシステム。
【請求項２】
前記周波数信号の波形は、パルス波であることを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム照射装置のフィードバックシステム。
【請求項３】
前記カウンタ部は、あらかじめ設けた閾値よりビーム強度が小さいことを示すカウント値をカウントした場合に、連続カウントした二以上の前記カウント値の平均カウント値を算出し、前記算出値を前記線量信号として前記差動増幅部に出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオンビーム照射装置のフィードバックシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンビーム照射装置のフィードバックシステムに関し、特に、照射するイオンビームを治療計画によって決められたビーム強度に制御するためのＲＦ−ＫＯ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ＫｎｏｃｋＯｕｔ）電極等のビーム強度制御装置の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオンビーム照射装置を用いた癌治療において、下記特許文献１に開示されるように、ラスタースキャニング照射方式の照射時間の短縮化を図るためには、スポット移動軌跡中の線量を予測して、治療計画に組み込むため、照射するイオンビームを治療計画に決められたビーム強度（単位時間当たりのイオンビームの線量）に制御する必要がある。
【０００３】
また、呼吸性変動をする照射対象に対して、下記特許文献２に開示されるように、スキャニング照射を可能とする、ＰＣＲ法（Ｐｈａｓｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｒｅｓｃａｎｎｉｎｇ）においても、照射するイオンビームを、治療計画に決められたビーム強度に制御することが求められる。
【０００４】
しかしながら、イオンビーム照射装置の一部をなす、シンクロトロンからのビーム取り出しにおいては、イオンビームがもつ空間的・エネルギー的分布に由来したビーム強度の時間的な変動は避けられないものである。
また、イオンビーム照射装置を構成する電源の時間的な変動も、ビーム強度の時間的な変動を誘起する。
また、加速器の制御部は、イオンビームを制御する磁界を作り出すために使用されている大電力の電源が放出するノイズ信号の影響を受けやすい環境にある。
これらの理由により、イオンビーム照射装置のビーム強度は、時間的に変動するため、ビーム強度を制御するフィードバックシステムが必要となる（下記特許文献３の請求項４、段落００２０参照）。
【０００５】
ここで、照射するイオンビームのビーム強度が一定に保たれているか否かについては、線量計を用いて通過するイオンビームの線量を測定し、その測定された線量値が一定値を保持しているか否かをもって判断することができる。そして、この線量計によって測定された線量値のデータを利用して、照射するイオンビームのビーム強度を制御する制御システムとして、図３に示す従来技術におけるイオンビーム照射装置２０１のフィードバックシステム２００があげられる。
【０００６】
具体的に、図３に示すイオンビーム照射装置２０１のフィードバックシステム２００は、イオンビーム照射装置２０１から照射されるイオンビームの線量を測定し、その測定値に対応する信号を出力する線量計２１０と、その信号を受けて、測定値に比例する電圧値が入力されたアナログ信号を出力するＩ−Ｖ変換器２２０と、そのアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２３０と、ディジタル信号となったイオンビームのビーム強度値と、治療計画によりスケジュールされ記憶されているビームの強度値（指令値）とを比較して差分値を求め、その差分値を強度制御装置であるＲＦ−ＫＯ電極コントローラ２５０に出力する差動増幅器２４０とから構成されている。
【０００７】
そして、差分値が入力されたＲＦ−ＫＯ電極コントローラ２５０が、入力された差分値に基づいて、イオンビーム照射装置２０１内に設置されるＲＦ−ＫＯ電極間に印加する電圧を制御して、治療計画により決められたビーム強度となるようにイオンビームを照射していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１３６５２３号公報
【特許文献２】特開２００８−１５４６２７号公報
【特許文献３】特開２００２−３３４８２１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】T.Furukawa et al.,”Global spill control in RF-knockout slow extracution”,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research SectionA 522-3,(2004)pp.194-204.
【非特許文献２】H.Nakagawa et al.,”Slow Extraction Control Using The Digital Feedback System”,Proceedings of EPAC2000,Vienna,(2000)p.1921.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記したフィ−ドバックシステム２００の構成において、通常は線量計２１０とＩ−Ｖ変換器２２０は、ノイズの侵入を防ぐために、近接させるが、Ｉ−Ｖ変換器２２０とＡ／Ｄ変換器２３０の距離は離れていることが多い。この場合、Ｉ−Ｖ変換器２２０から出力される信号は通常１０Ｖ以下と低いアナログ信号であるので、ノイズが発生している環境下においては、そのアナログ信号にノイズが入力され、アナログ信号の波形が崩れるおそれがあった。
したがって、差動増幅器２４０には、線量計２１０が測定した測定値ではなく、ノイズが入った値が入力されて、治療計画により決められたビーム強度値との正確な差分値を得ることができず、ＲＦ−ＫＯ電極コントローラ２５０がイオンビームを治療計画により決められたビーム強度に制御することができないという問題があった。
【００１１】
一方で、Ｉ−Ｖ変換器２２０とＡ／Ｄ変換器２３０の距離を近接させて、ノイズの侵入を防ぐ方法も考えられるものの、Ａ／Ｄ変換器２３０をＩ−Ｖ変換器２２０に近接させた分、Ａ／Ｄ変換器２３０と差動増幅器２４０と距離を遠くなる。つまり、デジタルデータをＡ／Ｄ変換器２３０から差動増幅器２４０へ転送に、多数の長距離ケーブルが必要になるという問題がある。
【００１２】
その他、測定した線量の値が低い場合には、Ｉ−Ｖ変換器２２０から出力されたアナログ信号が小さくなりすぎるため、Ａ／Ｄ変換器２３０において、デジタルデータに変換した数値の精度が悪化するという問題がある。
【００１３】
そこで、本発明は、信号にノイズが入力された場合、測定した線量値が変化して差動増幅器が治療計画により決められたビーム強度値との正確な差分値を出力することができないという問題を解消できるイオンビーム照射装置のフィードバックシステム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】
【００１４】
前記課題を解決するために、本発明に係るイオンビーム照射装置のフィードバックシステムは、イオンビーム照射装置から照射されるイオンビームの強度を制御するビーム強度制御装置と、前記イオンビームの強度を測定し、測定強度に対応する線量信号を出力する線量測定部と、前記線量信号の出力を受け、該線量信号と治療計画によりスケジュールされ記憶されているビームの強度値とのビーム強度の差分値を求めて出力する差動増幅部と、前記差分値の出力を受け、前記差分値が０をまたぐ所定範囲内になるように、前記差分値の大小に応じて前記ビーム強度制御装置の電極間電圧を増減する電極コントローラと、を備えたイオンビーム照射装置のフィードバックシステムにおいて、前記線量信号の出力を受け、該線量信号を前記測定線量値に対応する周波数に変換した周波数信号を出力する周波数変換部と、前記周波数信号の出力を受け、該周波数信号の、あらかじめ設定されている所定時間あたりの周波数を前記所定時間間隔でカウントし、該カウント値を前記線量信号として前記差動増幅部に出力するカウンタ部と、を備えることにより、前記差動増幅部へ周波数に変換された線量信号が入力されることで線量信号の伝達精度を高めたことを特徴とする。
【００１５】
前記構成によれば、周波数変換部は、線量測定部が測定したイオンビームの線量値を、信号上において周波数に変換して出力しているため、ノイズが信号に入力されてとしても、信号上の波形が変化するだけで、信号の周波数は変化しない。
また、カウンタ部は、所定時間あたりの周波数をカウントすることによって、ビーム強度をカウント値として導出することができる。
そして、差動増幅部は、測定された線量値から導出されたカウント値（ビーム強度）と治療計画によりスケジュールされ記憶されているビームの強度値との正確な差分を得ることができ、その正確な差分を電極コントローラに出力することができる。
よって、本発明によれば、電極コントローラが正確な差分に基づいて、電極間に電圧を印加するか否かを決定することができ、治療計画に適ったビーム強度のイオンビームを照射することが可能となる。
【００１６】
また、請求項２に記載の構成は、前記周波数変換部から出力される信号の波形は、パルス波であることを特徴とする。前記構成によれば、ノイズによる影響が少ないため、測定された線量値が変化するおそれが少なく、正確な測定値をカウンタ部に入力することができる。
【００１７】
また、請求項３に記載の構成は、前記カウンタ部は、カウントした二以上の前記カウント値から平均値である平均カウント値を算出し、その算出された前記平均カウント値を前記ビーム強度値として前記差動増幅部に出力することを特徴とする。
【００１８】
前記構成によれば、前後するカウント値から平均値である平均カウント値を算出し、測定値に近似した平均カウント値を差動増幅部に入力することができ、測定した線量の値が低いために生じるカウンタ部の計測不良を回避することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上、本発明によれば、信号にノイズが入力された場合であっても、測定値が変化することなくカウンタ部に入力される。よって、電極コントローラは、照射するイオンビームを治療計画により決められたビーム強度に制御可能な、イオンビーム照射装置のフィードバックシステムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態におけるイオンビーム照射装置とそのフィードバックシステムとの構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）が、カウンタ部に入力された信号における周波数（パルス）を示し、図２（ｂ）は、そのパルスをカウントする実施形態のカウンタ部の時間幅を表す図で、図２（ｃ）は、変更例のカウンタ部の時間幅を表す図である。
【図３】従来技術におけるイオンビーム照射装置とそのフィードバックシステムとの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明の一実施形態におけるイオンビーム照射装置のフィードバックシステムについて、図面を参照して説明する。
【００２２】
（イオンビーム照射装置１００）
図１に図示される本実施形態のイオンビーム照射装置１００は、イオンを生成するイオン源１０１、初段の加速を行う線形加速器１０２、イオンを高エネルギーまで加速される環状のシンクロトロン１０３、ＲＦ−ＫＯ電極１０４、ならびに治療用の照射装置１０５と、を含んで構成されている。また、イオンビーム照射装置１００は、ＲＦ−ＫＯ電極１０４の印加電圧を制御するＲＦ−ＫＯ電極コントローラ１０６と、ＲＦ−ＫＯ電極１０４以外の装置は図示しない制御装置とで制御され、イオンビームを治療に必要なエネルギーまで加速して標的に照射する。
【００２３】
ＲＦ−ＫＯ電極１０４は、イオンビームの進行方向と垂直方向又は水平方向に電圧を印加することを可能とする装置である。そして、ＲＦ−ＫＯ電極１０４がイオンビームの進行方向と垂直方向又は水平方向に電圧を印加することによって、シンクロトロン１０３内からイオンビームを取り出されて、照射装置１０５からイオンビームが照射される。なお、ＲＦ−ＫＯ電極１０４が電圧を印加するか否かは、後記するＲＦ−ＫＯ電極コントローラ１０６から送信される制御信号に基づいて行われる。
【００２４】
また、ＲＦ−ＫＯ電極コントローラ１０６は、ＲＦ−ＫＯ電極１０４に電圧を印加するか否かの判断を行う制御部であり、後記する差動増幅部４０から差分値が入力された場合には、その差分値を基に、ＲＦ−ＫＯ電極１０４間に電圧の印加、又は電圧の印加の停止すべき制御信号をＲＦ−ＫＯ電極１０４に送信する。これによって、イオンビームを取り出す量が治療計画によりスケジュールされ記憶されているビームの強度とすることが可能となる。
【００２５】
（フィードバックシステム１）
本実施形態のフィードバックシステム１は、イオンビームの線量を測定する線量測定部１０と、測定された線量値を周波数に変換するＩ―Ｆ変換部２０と、所定時間あたりの周波数をカウントするカウンタ部３０と、ならびに入力された二つのデータの差分を算出する差動増幅部４０とを含んで構成される。
【００２６】
（線量測定部１０）
線量測定部１０は、照射されるイオンビームの線量の測定を行うものであって、電離作用を利用して線量を測定する電離箱や、イオンビームが生成する２次電子を捕集して線量を測定する２次電子モニターが挙げられる。また、これに限られず、リアルタイムに、線量を計測できる線量計であれば、他の機器であってもよい。
【００２７】
（Ｉ―Ｆ変換部２０）
Ｉ―Ｆ変換部２０は、線量測定部１０から入力される、例えば、電流値などのアナログ信号を受けて、そのアナログ信号の電流値に比例した数の周波数を生成し信号として出力を行う周波数変換部である。また、本実施形態におけるＩ―Ｆ変換部２０が生成し出力する信号の波形は、パルス波とするが、本発明は、このパルス波に限るものではない。たとえば、ノイズによる影響が少ない矩形波など急峻な変化を示す波形であってもよい。なお、Ｉ―Ｆ変換部２０は、特許請求の範囲に記載される「周波数変換部」に相当するものである。
【００２８】
（カウンタ部３０）
カウンタ部３０は、Ｉ―Ｆ変換部２０より出力された信号（パルス）に入力される所定時間あたりの周波数をカウントし、そのカウントされた周波数の数値（カウント値）の出力を行う。ここで、所定時間は、特に限定されるものでないが、本実施形態においては１００μ秒と設定されているとする。よって、カウンタ部３０はこの１００μ秒を１ブロックとして周波数のカウントを行う。
よって、図２に示すように、カウンタ部３０に、図２（ａ）に示すようなパルスが入力された信号が入力された場合、上記した実施形態のカウンタ部３０は、図２（ｂ）に示すように、１００μ秒間隔でブロック毎に計測し、その各ブロックにおける計測されたカウント値であるＮ１〜Ｎ６を、そのまま後記する差動増幅部４０に送信を行う。
【００２９】
カウンタ部３０は、イオンビーム量が少なく、ビーム強度値が小さい場合に、周波数の計測にばらつきが生じるおそれがある。この場合に備え、あらかじめ閾値を設けておき、その値よりカウント値が下回った場合は、カウンタ部３０は、連続したブロックでカウントした二以上のカウント値からそれらの平均値である平均カウント値を算出し、その平均カウント値をビーム強度値として、差動増幅部４０に出力するとしてもよい。
具体的に、カウンタ部３０は、図２（ｃ）に示すように、各ブロックにおいて計測されたカウント値であるＮ１〜Ｎ３の平均カウント値（（Ｎ１＋Ｎ２＋Ｎ３）／３）を算出し、その平均カウント値（（Ｎ１＋Ｎ２＋Ｎ３）／３）をビーム強度として、差動増幅部４０に送信するとしてもよい。この変形例によれば、カウンタ部３０に周波数の計測不備が生じても、測定値に近似する値をカウント値として出力することができる。
【００３０】
（差動増幅部４０）
差動増幅部４０は、カウンタ部３０から入力されるカウント値から、指令値を減算して差分値を求めて、その差分値をＲＦ−ＫＯ電極コントローラ１０６に出力する装置である。ここで、差動増幅部４０に入力される指令値とは、治療計画によりスケジュールされあらかじめメモリーに書き込まれた標的に照射すべきビーム強度の値（請求項に記載の「治療計画によりスケジュールされ記憶されているビームの強度値」に相当。）であって、具体的には、１ブロック単位（１００μ秒）当りに照射されるべきイオンビームの線量の値である。
【００３１】
（使用方法）
つぎに、実施形態に係るイオンビーム照射装置１００におけるフィードバックシステム１の使用方法について説明する。
【００３２】
まず、ＲＦ−ＫＯ電極コントローラ１０６は、イオンビーム照射装置１００から照射されるイオンビームが、治療計画に基づいた照射すべきビーム強度となるようにＲＦ−ＫＯ電極１０４間の電圧を印加し、患者等にイオンビームが照射される。
【００３３】
つぎに、線量測定部１０は、電離箱を通過するイオンビームの線量の測定を行い、測定した線量値に対応する大きさとなる電流を信号として、Ｉ―Ｆ変換部２０に出力する。
【００３４】
Ｉ―Ｆ変換部２０は、入力された信号の電流値に比例する周波数を生成して出力する。また、Ｉ―Ｆ変換部２０は生成する信号の波形は、パルスであるために、図２（ａ）に示すような信号がカウンタ部３０に送信されることとなる。そして、カウンタ部３０は、１ブロック単位（１００μ秒）毎の入力された信号の周波数（パルスの個数）をカウントし、そのカウント値を差動増幅器に出力する。ここで、カウンタ部３０によってカウントされたカウント値は、１００μ秒間における線量の値、つまり、測定されたイオンビームの１００μ秒あたりのビーム強度値である。
【００３５】
そして、差動増幅部４０は、カウンタ部３０によって導出されたビーム強度値を指令値として入力された治療計画によりスケジュールされ記憶されているビームの強度値で減算して差分値を算出し、その差分値をＲＦ−ＫＯ電極コントローラ１０６に出力する。
【００３６】
そして、ＲＦ−ＫＯ電極コントローラ１０６は、入力された差分値が０をまたぐ所定範囲内の場合に、照射するイオンビームのビーム強度は治療計画に決められたビーム強度と同一であると判断する。そして、ＲＦ−ＫＯ電極コントローラ１０６は、ＲＦ−ＫＯ電極１０４に、印加する電圧値を変えずにそのまま継続して印加するように制御信号を送信する。したがって、イオンビーム照射装置１００からは、継続して治療計画に決められたイオンビーム強度のイオンビームが照射されることとなる。
【００３７】
また、入力された差分値が所定の範囲よりもプラス方向に大きい場合には、ＲＦ−ＫＯ電極コントローラ１０６は、照射するイオンビームのビーム強度が治療計画に決められたビーム強度よりも高いと判断する。そして、ＲＦ−ＫＯ電極コントローラ１０６は、ＲＦ−ＫＯ電極１０４に印加する電圧値をその高い分だけ下げて印加するように制御信号を送信する。
【００３８】
一方で、入力された差分値が所定の範囲よりもマイナス方向に大きい場合には、ＲＦ−ＫＯ電極コントローラ１０６は、照射するイオンビームのビーム強度が治療計画に決められたビーム強度よりも低いと判断し、ＲＦ−ＫＯ電極１０４に印加する電圧値をその低い分だけ上げて印加するように制御信号を送信する。
以上より、イオンビーム照射装置１００は、ＲＦ−ＫＯ電極コントローラ１０６が差分値に基づいてＲＦ−ＫＯ電極１０４の印加電圧を制御することによって、治療計画に決められたイオンビーム強度のイオンビームを照射することが可能となる。
【００３９】
以上、本実施形態におけるイオンビーム照射装置のフィードバックシステムについて説明したが、本実施形態によれば、線量測定部１０によって測定された測定データ（線量値）は、Ｉ―Ｆ変換部２０によって周波数に変換されるため、たとえノイズが入力されたとしても、信号の波形が変化するだけであって、その周波数が増減するおそれはない。
つまり、本実施形態のイオンビーム照射装置のフィードバックシステムによれば、測定された正確なビーム強度値を差動増幅器に入力することが可能となる。
したがって、本実施形態によれば、ＲＦ―ＫＯ電極コントローラは、導出されたビーム強度値と治療計画によりスケジュールされ記憶されているビームの強度値との正確な差分値を得て、ＲＦ−ＫＯ電極間に印加する電圧を制御することができ、治療計画により決められたビーム強度のイオンビームを照射することが可能となる。
【００４０】
なお、本発明は実施形態に示すものに限るものでない。例えば、実施形態においては、ＲＦ−ＫＯ電極１０４を用いていたが、このＲＦ−ＫＯ電極１０４以外にも、ビーム強度制御装置として、四重極電磁石励磁電流変更によるベータトロンチューン制御手法を用いたビーム強度制御装置、及びビームエネルギー変更によるベータトロンチューン制御手法を用いたビーム強度制御装置であってもよい。このビームエネルギー変更は、誘導加速装置または高周波加速装置などのビーム加速装置を用いて行なうものである。
【００４１】
また、四重極電磁石励磁電流変更によるベータトロンチューン制御手法を用いたビーム強度制御装置において、四重極電磁石の電源を制御することで、励磁電流を変化させてもよい。四重極電磁石は、一般にシンクロトロン中に複数設けられているが、少なくともその一つを制御することでも効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１      フィードバックシステム
１０    線量測定部
２０    Ｉ−Ｆ変換部
３０    カウンタ部
４０    差動増幅部
１００  イオンビーム照射装置
１０１  イオン源
１０２  線形加速器
１０３  シンクロトロン
１０４  ＲＦ−ＫＯ電極
１０５  照射装置
１０６  ＲＦ−ＫＯ電極コントローラ
【図１】
0005614679.tif 000002
【図２】
0005614679.tif 000003
【図３】
0005614679.tif 000004