(57)【要約】      （修正有）【課題】シンクロトロンの出射ビームエネルギーの変更制御を短時間で実現する多段出射制御運転において、イオンビームの照射を中断した場合に運転周期の更新を短時間で実現し、線量率を向上する粒子線照射システムおよびその運転方法を提供する。【解決手段】シンクロトロン１３を構成する機器の制御データを、初期加速制御データと、複数の出射制御データと、複数の出射制御データ間を接続する複数のエネルギー変更制御データおよび、複数の出射制御データに対応した複数の減速データで構成し、これらの制御データを組み合わせることで複数のエネルギーのビームの出射制御を行いかつ、複数のエネルギーに対応した減速制御データを有することで、どのエネルギーからも速やかに減速制御へ遷移可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、
前記シンクロトロンから出射された前記イオンビームを照射する照射装置と、を備えた粒子線照射システムにおいて、
前記シンクロトロンを構成する機器の運転制御データを、初期加速制御データと、複数のエネルギーのイオンビームを出射する複数の出射制御データと、前記複数の出射制御データ間を接続する複数のエネルギー変更制御データおよび、前記複数の出射制御データに対応した複数の減速制御データで構成し、これらの制御データを組み合わせることで複数のエネルギーのビームの出射制御を行いかつ、前記複数のエネルギーに対応した減速制御データを有することで、どのエネルギーからも速やかに減速制御へ遷移可能とする制御装置とを備えることを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項２】
請求項１記載の粒子線照射システムにおいて、
前記複数の減速制御データは、前記複数の出射制御データのそれぞれのエネルギーに対応した値を初期値とし、前記シンクロトロンの入射エネルギーに対応した値を最終値として構成されていることを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項３】
請求項１記載の粒子線照射システムにおいて、
前記制御装置は、
前記シンクロトロンを構成する機器の制御タイミングを管理する複数の制御タイミング信号を出力するタイミングシステムと、
前記シンクロトロンを構成する機器を制御する電源制御装置とを有し、
前記運転制御データを構成する前記初期加速制御データ、前記複数の出射制御データ、前記複数のエネルギー変更制御データおよび前記複数の減速制御データは、前記電源制御装置に記憶されており、
前記電源制御装置は、前記タイミングシステムから出力される前記複数の制御タイミング信号を入力し、これらの制御タイミング信号に基づき、前記初期加速制御データ、前記複数の出射制御データ、前記複数のエネルギー変更制御データおよび前記複数の減速制御データを選択して更新することを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項４】
請求項３記載の粒子線照射システムにおいて、
前記制御装置は、
前記シンクロトロンの出射条件設定制御の開始を許可する出射制御指令と、患者に照射されたイオンビームの照射経過情報に基づき出力されるエネルギー変更指令と、前記シンクロトロンおよび前記照射装置を含み粒子線照射システムを構成する機器の状態に基づき出力される減速制御指令および、照射を完了したことを示す照射完了指令を出力するインターロックシステムを更に有し、
前記タイミングシステムは、前記インターロックシステムから出力される前記出射制御指令、前記エネルギー変更指令、前記減速制御指令および前記照射完了指令に基づき、前記複数の制御タイミング信号の中から対応する制御タイミング信号を選択して出力することを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項５】
請求項３記載の粒子線照射システムにおいて、
前記制御装置は、
あるエネルギーの出射制御完了後に次の目標エネルギーが存在しない場合だけでなく、エネルギーの出射制御完了後に前記シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量が次のエネルギーのビーム照射に不足している場合にも減速制御指令を出力するインターロックシステムを更に有し、
前記タイミングシステムは、前記減速制御指令を入力したとき、前記複数の制御タイミング信号の中から減速制御開始タイミング信号を選択して出力し、
前記電源制御装置は、前記減速制御開始タイミング信号を入力したとき、前記複数の減速制御データの中から前記出射制御完了時のエネルギーに対応する減速制御データを選択し、減速制御に遷移することを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項６】
請求項５記載の粒子線照射システムにおいて、
前記インターロックシステムは、前記シンクロトロンおよび前記照射装置を含む粒子線照射システムを構成する機器に異常が生じた場合にも前記減速制御指令を出力し、
前記電源制御装置は、前記タイミングシステムから前記減速制御開始タイミング信号を入力したとき、現在の制御データを更新した後、前記複数の減速制御データの中からその更新制御終了後の到達エネルギーに対応する減速制御データを選択し、減速制御に遷移することを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項７】
請求項５記載の粒子線照射システムにおいて、
前記インターロックシステムは、あるエネルギーの出射制御完了後に次の目標エネルギーが存在する場合或いは初期加速制御終了後およびエネルギー変更制御終了後に到達したエネルギーと次の目標エネルギーが一致しない場合にエネルギー変更指令を出力し、
前記タイミングシステムは、前記エネルギー変更指令を入力したとき、前記複数の制御タイミング信号の中からエネルギー変更制御タイミング信号を選択して出力し、
前記電源制御装置は、前記エネルギー変更制御タイミング信号を入力したとき、前記複数のエネルギー変更制御データの中から前記あるエネルギーあるいは到達エネルギーに対応するエネルギー変更制御データを選択し、エネルギー変更制御に遷移することを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項８】
請求項１記載の粒子線照射システムにおいて、
前記運転制御データを構成する前記初期加速制御データ、前記複数の出射制御データ、前記複数のエネルギー変更制御データおよび前記複数の減速制御データは、前記シンクロトロンを構成する機器に直接与えられる制御量である電流／電圧の時系列データによって構成されていることを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項９】
請求項１記載の粒子線照射システムにおいて、
前記制御装置は、
前記運転制御データを構成する前記初期加速制御データ、前記複数の出射制御データ、前記複数のエネルギー変更制御データおよび前記複数の減速制御データを含めて、想定される複数の患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データをモジュールデータとして記憶した記憶装置と、
前記シンクロトロンを構成する機器を制御する電源制御装置とを有し、
前記制御装置は、照射準備に際して、特定の患者の照射条件が与えられたとき、前記記憶装置に記憶したモジュールデータの中から該当する制御データを選択して前記電源制御装置に記憶し、前記運転制御データを構成することを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項１０】
イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、
前記シンクロトロンから出射された前記イオンビームを照射する照射装置と、
想定される複数の患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データであって、複数のエネルギーのイオンビームに対応した複数の初期加速制御データ、複数の出射制御データ、複数のエネルギー変更制御データおよび複数の減速制御データを含む制御データをモジュールデータとして記憶した記憶装置と、
前記シンクロトロンを構成する機器を制御する電源制御装置、
照射準備に際して、特定の患者の照射条件が与えられたとき、前記記憶装置に記憶したモジュールデータの中から該当する制御データを選択して前記電源制御装置に記憶し、前記シンクロトロンの機器の運転制御データを構成する制御装置とを備えることを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項１１】
イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、
前記シンクロトロンから出射された前記イオンビームを照射する照射装置とを備えた粒子線照射システムの運転方法であって、
前記シンクロトロンを構成する機器の運転制御データを、初期加速制御データと、複数のエネルギーのイオンビームを出射する複数の出射制御データと、前記複数の出射制御データ間を接続する複数のエネルギー変更制御データおよび、前記複数の出射制御データに対応した複数の減速制御データで構成し、これらの制御データを組み合わせることで複数のエネルギーのビームの出射制御を行いかつ、前記複数のエネルギーに対応した減速制御データを有することで、どのエネルギーからも速やかに減速制御へ遷移可能とすることを特徴とする粒子線照射システムの運転方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の粒子線照射システムの運転方法において、
前記運転制御データを構成する前記初期加速制御データ、前記複数の出射制御データ、前記複数のエネルギー変更制御データおよび前記複数の減速制御データを含めて、想定される複数の患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データをモジュールデータとして用意しておき、
特定の患者の照射条件が与えられたとき、前記モジュールデータの中から該当する制御データを選択して前記運転制御データを構成することを特徴とする粒子線照射システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陽子や重イオンなどの荷電粒子ビーム（イオンビーム）を利用した粒子線治療に好適な粒子線照射システムに関し、ビームエネルギーの変更制御と運転周期の更新を短時間で実現可能な粒子線照射システムとその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
がんの放射線治療として、陽子または重イオン等のイオンビームを患者のがんの患部に照射して治療する粒子線治療が知られている。イオンビーム照射法として、非特許文献１に開示されているような、スキャニング照射法がある。
【０００３】
また、スキャニング照射法で要求されるビームエネルギーの変更制御をイオンビーム発生装置としてシンクロトロンを採用した場合に短時間で実現する制御法として、特許文献１、特許文献２および、非特許文献２に開示されているような、イオンシンクロトロンで一回の運転周期内で複数のエネルギーのイオンビームの照射を実現する多段出射制御運転がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８７３５６３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２４１４９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】レビュー  オブ  サイエンティフィック  インスツルメンツ  ６４巻８号（１９９３年８月）の第２０８４〜２０９０頁（REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME 64 NUMBER 8 (AUGUST 1993) P2074-2093）
【非特許文献２】ニュークリア  インスツルメンツ  アンド  メソッズ  イン  フィジックス  リサーチ  Ａ６２４号（２０１０年９月）の第３３〜３８頁（Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A624 (2010) 33-38）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
スキャニング照射法において、患部の深さ方向の照射野（以下、レイヤーと記載）への照射制御は、照射するイオンビームのエネルギーを制御することで実現する。そのため、スキャニング照射法を適用した際の線量率を向上するためには、イオンビーム発生装置から供給するイオンビームのエネルギー変更は短時間で実現する必要がある。また、スキャニング照射法では、患部の大きさ（体表面からの深さ）に応じて照射するビームエネルギーを制御する必要があるため、照射する患者毎ないし照射する患部毎に、照射するビームのエネルギー組合せを制御する必要がある。
【０００７】
イオンビーム発生装置としてシンクロトロンを採用した場合、入射・加速・出射・減速といった一連の運転を一回の運転周期として制御する。スキャニング照射法のように、イオンビームのエネルギー変更制御を繰り返し実施する際には、シンクロトロンは運転周期の更新が必要なため、エネルギーの変更時間が掛かる課題があった。この対策として特許文献１および非特許文献２に示されるような一回の運転周期内で複数のエネルギーのビームを出射する多段出射運転が示されている。例えば、非特許文献２では、シンクロトロンで照射可能な全てのエネルギー範囲を一つに纏めた運転制御データを用意し、ビームを照射するエネルギーでのみフラットトップを延長してビームを出射することで、一回の運転制御で照射する全てのエネルギーのビームを患部に照射が可能となる。さらに、一回の運転制御で全てのエネルギーのビームが照射可能となるため、シンクロトロンは常に同じ運転制御データで照射が実現できるため、粒子線治療システムにおけるシンクロトロンの運転制御が簡素になる効果がある。
【０００８】
しかし、特許文献１および非特許文献２に示されている運転制御を効果的に実現するには、シンクロトロンの蓄積ビーム電荷量に対して、一回の運転周期で患部に照射する全てのエネルギーの照射に十分な電荷量が求められる。例えば、シンクロトロンの加速制御時に何らかの原因で治療照射に必要な蓄積ビーム電荷量が得られなかった場合、予め設定した照射エネルギー範囲の途中でシンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量が枯渇してしまう。シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量が枯渇した場合には、イオンビームの照射を中断して出射制御から減速制御に遷移し、シンクロトロンの運転制御を更新する必要がある。シンクロトロンの運転制御データとして、シンクロトロンで照射可能な全てのエネルギー範囲を一つに纏めた運転制御データを適用した場合、設定値の連続性を担保するため当該出射エネルギーから減速制御に直接遷移できない。そのため、当該出射エネルギーから減速制御に至る間のエネルギー変更制御データの更新が必要となる。この当該出射エネルギーから減速制御へ遷移するための時間が、線量率を低下させ治療時間を短縮できない要因の一つに挙げられる。同様に、粒子線治療装置を構成する機器に異常が生じイオンビームの照射を中断した場合にも、当該出射エネルギーから減速制御に直接遷移できない課題があった。
【０００９】
また、シンクロトロンで照射可能な全てのエネルギー範囲を一つに纏めた運転制御データを適用した場合、患部の厚みに合わせた吸収線量範囲（拡大ブラックピーク（Ｓｐｒｅａｄ−Ｏｕｔ  Ｂｒａｇｇ  Ｐｅａｋ）以下、ＳＯＢＰと表記）が狭い照射条件では、ビームの照射時間に対して、ビーム照射に寄与しない無駄時間である、シンクロトロンの入射ビームエネルギーから照射開始エネルギーまでの制御時間および、照射終了エネルギーから減速終了エネルギーまでの制御時間の割合が多くなる傾向にあるため、所望のエネルギー範囲のビーム照射を短い運転周期で行うことができず、これも線量率を低下させ治療時間を短縮できない要因の一つに挙げられる。ＳＯＢＰは照射する患者および患部毎に異なるため、シンクロトロンの運転制御データとして所定のＳＯＢＰを形成するために必要な照射エネルギーを選択し、この選択した照射エネルギーに対応した運転制御データの更新制御が必要となる。
【００１０】
特許文献２では、加速器の磁場コイルに励磁するコイル電流に関して、経過時間に応じた磁束密度情報を出力する磁場基準発生部と、磁束密度情報に応じた磁場を発生させるコイル電流を求める電流基準変換部とを備えた加速器の制御装置が示されている。そして、磁場基準発生部が出力する磁束密度情報を４種類のパターン（初期上げパターン、減少パターン、増加パターン、終了パターン）を組み合わせて出力することで、一回の運転周期内で複数エネルギーのビーム出射を実現する制御方法が示されている。特許文献２によると、４種類の磁束密度パターンを組み合わせ、一回の運転周期内で複数エネルギーのイオンビームの出射が可能である。この機能に基づき、所定のＳＯＢＰを形成するために必要な照射エネルギーを選択することができるが、一方で、４種類のパターンを選択し出力するタイミングは予めタイミング制御装置に書き込んでおくため、特許文献１および非特許文献２と同様に、イオンビームの照射を中断した場合に当該出射エネルギーから減速制御に直接遷移できず、当該出射エネルギーから減速制御に至る間のエネルギー変更制御データを更新しなければ減速制御（特許文献２でいう終了パターン）に遷移できない課題は解決されていない。
【００１１】
本発明の目的は、シンクロトロンの出射ビームエネルギーの変更制御を短時間で実現する多段出射制御運転において、イオンビームの照射を中断した場合に運転周期の更新を短時間で実現し、線量率を向上する粒子線照射システムおよびその運転方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、シンクロトロンの出射ビームエネルギーの変更制御を短時間で実現する多段出射制御運転において、所望のエネルギー範囲のビーム照射を短い運転周期で行い、線量率を向上する粒子線照射システムおよびその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記目的を達成するために、シンクロトロンを構成する機器の運転制御データを、初期加速制御データと、複数のエネルギーのイオンビームを出射する複数の出射制御データと、複数の出射制御データ間を接続する複数のエネルギー変更制御データおよび、複数の出射制御データに対応した複数の減速制御データで構成する。そして、これらの制御データを組み合わせることで複数のエネルギーのビームの出射制御を行いかつ、複数のエネルギーに対応した減速制御データを有することで、どのエネルギーからも速やかに減速制御へ遷移可能とする。このように制御データを組み合わせて多段出射制御運転を行うことで、シンクロトロンの出射ビームエネルギーの変更制御を短時間で実現することができる。また、多段出射制御運転においてどのエネルギーからも速やかに減速制御へ遷移可能とすることで、イオンビームの照射を中断した場合に運転周期の更新を短時間で実現し、線量率を向上し治療時間を短縮することができる。
【００１４】
また、本発明は、寄り詳しくは次のような特徴を有する。
【００１５】
複数の減速制御データは、前記複数の出射制御データのそれぞれのエネルギーに対応した値を初期値とし、前記シンクロトロンの入射エネルギーに対応した値を最終値として構成されている。これによりイオンビームの照射を中断した場合に出射エネルギーから減速制御に直接遷移可能となる。
【００１６】
制御装置は、シンクロトロンを構成する機器の制御タイミングを管理する複数の制御タイミング信号を出力するタイミングシステムと、シンクロトロンを構成する機器を制御する電源制御装置とを有し、運転制御データを構成する初期加速制御データ、複数の出射制御データ、複数のエネルギー変更制御データおよび複数の減速制御データは、電源制御装置に記憶されている。電源制御装置は、タイミングシステムから出力される複数の制御タイミング信号を入力し、これらの制御タイミング信号に基づき、初期加速制御データ、複数の出射制御データ、複数のエネルギー変更制御データおよび複数の減速制御データを選択して更新する。
【００１７】
また、制御装置は、シンクロトロンの出射条件設定制御の開始を許可する出射制御指令と、患者に照射されたイオンビームの照射経過情報に基づき出力されるエネルギー変更指令と、シンクロトロンおよび照射装置を含み粒子線照射システムを構成する機器の状態に基づき出力される減速制御指令および、照射を完了したことを示す照射完了指令を出力するインターロックシステムを更に有し、タイミングシステムは、インターロックシステムから出力される出射制御指令、エネルギー変更指令、減速制御指令および照射完了指令に基づき、前記複数の制御タイミング信号の中から対応する制御タイミング信号を選択して出力する。
【００１８】
インターロックシステムは、あるエネルギーの出射制御完了後に次の目標エネルギーが存在しない場合だけでなく、エネルギーの出射制御完了後にシンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量が次のエネルギーのビーム照射に不足している場合にも減速制御指令を出力し、タイミングシステムは、その減速制御指令を入力したとき、複数の制御タイミング信号の中から減速制御開始タイミング信号を選択して出力する。電源制御装置は、その減速制御開始タイミング信号を入力したとき、複数の減速制御データの中から出射制御完了時のエネルギーに対応する減速制御データを選択し、減速制御に遷移する。
【００１９】
これによりシンクロトロン内の蓄積ビーム量が不足してイオンビームの照射を中断した場合に減速制御に直接遷移し、運転周期の更新を短時間で実現することができる。
【００２０】
更に、インターロックシステムは、シンクロトロンおよび照射装置を含む粒子線照射システムを構成する機器に異常が生じた場合にも減速制御指令を出力する。電源制御装置は、タイミングシステムから減速制御開始タイミング信号を入力したとき、現在の制御データを更新した後、複数の減速制御データの中からその更新制御終了後の到達エネルギーに対応する減速制御データを選択し、減速制御に遷移する。
【００２１】
これにより粒子線照射システムを構成する機器に異常が生じてイオンビームの照射を中断した場合にも減速制御に直接遷移し、運転周期の更新を短時間でかつ安全に実現することができる。
【００２２】
また、インターロックシステムは、あるエネルギーの出射制御完了後に次の目標エネルギーが存在する場合或いは初期加速制御終了後およびエネルギー変更制御終了後に到達したエネルギーと次の目標エネルギーが一致しない場合にエネルギー変更指令を出力し、タイミングシステムは、そのエネルギー変更指令を入力したとき、複数の制御タイミング信号の中からエネルギー変更制御タイミング信号を選択して出力する。電源制御装置は、エネルギー変更制御タイミング信号を入力したとき、複数のエネルギー変更制御データの中からあるエネルギーあるいは到達エネルギーに対応するエネルギー変更制御データを選択し、エネルギー変更制御に遷移する。これによりビーム出射を行わずにエネルギー変更を行う場合は、出射制御データの更新制御（出射条件設定制御および出射条件解除制御）を行わなくて済むため、短時間でのエネルギー変更制御を実現し線量率を向上することが可能となる。
【００２３】
ここで、運転制御データを構成する初期加速制御データ、複数の出射制御データ、複数のエネルギー変更制御データおよび複数の減速制御データは、シンクロトロンを構成する機器に直接与えられる制御量である電流／電圧の時系列データによって構成されている。これによりパラメータの変更演算が不要となり、機器構成および制御手段を単純化できる。
【００２４】
また、上記目的を達成するために、制御装置は、運転制御データを構成する初期加速制御データ、複数の出射制御データ、複数のエネルギー変更制御データおよび複数の減速制御データを含めて、想定される複数の患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データをモジュールデータとして記憶した記憶装置と、シンクロトロンを構成する機器を制御する電源制御装置とを有し、制御装置は、照射準備に際して、特定の患者の照射条件が与えられたとき、記憶装置に記憶したモジュールデータの中から該当する制御データを選択して電源制御装置に記憶し、運転制御データを構成する。
【００２５】
これによりビーム照射に寄与しない無駄時間（シンクロトロンの入射ビームエネルギーから照射開始エネルギーまでの制御時間および照射終了エネルギーから減速終了エネルギーまでの制御時間）が無くなるため、所望のエネルギー範囲のビーム照射を短い運転周期で行い、線量率を向上し治療時間を短縮することが可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、シンクロトロンの出射ビームエネルギーの変更制御を短時間で実現する多段出射制御運転において、イオンビームの照射を中断した場合に運転周期の更新を短時間で実現し、線量率を向上し治療時間を短縮することができる。
【００２７】
また、本発明によれば、所望のエネルギー範囲のビーム照射を短い運転周期で行い、線量率を向上し治療時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の好適な一実施例である粒子線照射システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施例であるスキャニング照射法による照射装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施例であるシンクロトロンを構成する複数の機器の制御データの構成を示す図である。
【図４】本発明の一実施例である多段出射運転を実現する制御システム（制御装置）の構成と各装置間の情報伝送を示す図である。
【図５】本発明の一実施例である多段出射運転を開始する前の照射準備フローを示す図である。
【図６】本発明の一実施例である多段出射運転時の制御フローを示す図である。
【図７Ａ】本発明の一実施例である、図３に示した制御データの組み合わせによる多段出射運転時の制御データの出力例を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施例である、図３に示した制御データの組み合わせによる多段出射運転時の制御データの出力例を示す図である。
【図８】従来のシンクロトロンの運転シーケンスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００３０】
図１は、本発明の好適な一実施例である粒子線照射システムの構成を示す図である。
【００３１】
本実施例の粒子線照射システム１は、図１に示すように、イオンビーム発生装置１１、ビーム輸送装置１４、照射野形成装置（荷電粒子ビームの照射装置、以下、照射装置という）３０を備え、ビーム輸送装置１４が、イオンビーム発生装置１１と治療室内に配置される照射装置３０を連絡する。
【００３２】
イオンビーム発生装置１１は、イオン源（図示せず）、前段加速器１２およびシンクロトロン１３を備える。イオン源は前段加速器１２に接続され、前段加速器１２はシンクロトロン１３に接続される。前段加速器１２は、イオン源で発生したイオンビーム１０をシンクロトロン１３に入射可能なエネルギーまで加速する。前段加速器１２で加速されたイオンビーム１０ａは、シンクロトロン１３に入射される。
【００３３】
シンクロトロン１３は、周回軌道に沿って周回するイオンビーム１０ｂに高周波電圧を印加して目標のエネルギーまで加速する高周波加速装置（加速空胴）１７、周回しているイオンビームのベータトロン振動振幅を増大させる出射用高周波電極２０ａ、およびイオンビームを周回軌道から取り出す出射用デフレクター２０ｂを備える。
【００３４】
シンクロトロン１３に入射されたビーム１０ｂは、高周波加速空胴１７に印加した加速高周波電圧によりエネルギーを付与されることで、所望のエネルギーまで加速する。この際、シンクロトロン１３内を周回するイオンビーム１０ｂの周回軌道が一定となるように、イオンビーム１０ｂの周回エネルギーの増加に合わせて偏向電磁石１８、四極電磁石１９等の磁場強度および、加速空胴１７に印加する高周波電圧の周波数を高める。
【００３５】
所望のエネルギーまで加速したイオンビーム１０ｂは、出射条件設定制御により、四極電磁石１９および六極電磁石（図示せず）の励磁量を制御することで周回ビーム１０ｂが出射可能な条件（周回ビームの安定限界条件）を成立させる。出射条件設定制御が終了後、出射用高周波電極２０ａに出射高周波電圧を印加し、シンクロトロン１３内を周回するビーム１０ｂのベータトロン振動振幅を増大させる。このベータトロン振動振幅の増大により、安定限界条件を超えた周回ビーム１０ｂはシンクロトロン１３からビーム輸送装置１４に出射され、照射装置３０に輸送される。シンクロトロン１３からのビーム出射制御は、出射用高周波電極２０ａに印加する高周波電圧のＯＮ／ＯＦＦ制御することで高速に実現可能である。
【００３６】
シンクロトロン１３からのビーム出射制御が終了後、出射条件解除制御により、四極電磁石１９および六極電磁石（図示せず）の励磁量を制御することで出射条件設定時に形成した周回ビーム１０ｂの安定限界条件を解除する。
【００３７】
出射条件解除制御が完了後、偏向電磁石１８、四極電磁石１９等の磁場強度および、加速空胴１７に印加する高周波電圧の周波数を下げることで、シンクロトロン１３内を周回するイオンビーム１０ｂを減速し、次の運転周期に遷移する。
【００３８】
照射装置３０は、上記ビーム輸送装置１４にて導かれたイオンビーム１０ｃを、患者３６の体表面からの深さおよび患部形状に合わせて制御して、治療用ベッド上の患者３６の患部３７に照射する。照射法としてスキャニング照射法（非特許文献１の２０８６頁、図４５）があり、照射装置３０はスキャニング照射法によるものである。スキャニング照射法は、直接患部３７にイオンビーム１０ｄを照射するためイオンビーム１０ｄの利用効率が高く、従来の散乱体照射法よりも患部形状に合致したイオンビーム１０ｄの照射が可能といった特徴がある。
【００３９】
患部の深さ方向へのビーム飛程調整は、イオンビームのエネルギーを変更することで所望の患部への照射を実現する。特にスキャニング照射法では、シンクロトロン１３内を周回するイオンビーム１０ｂのエネルギーを調整した後で出射することで、イオンビームの飛程を患部３６の深さに合わせるため、患者への照射治療中に複数回のエネルギーの変更制御が要求される。また、患部平面方向へのビーム照射方法として、スポットスキャニング照射法、ラスタースキャニング照射法などがある。スポットスキャニング照射法は、患部の照射平面上をスポットと呼ばれる線量管理領域に分割し、スポット毎に走査を停止して設定した照射線量に到達するまでビームを照射した後にビームを停止し、次の照射スポット位置に移動する。このようにスポットスキャニング照射法は、照射開始位置をスポット毎に更新する照射法である。また、ラスタースキャニング照射法は、スポットスキャニング照射法と同様に線量管理領域を設定するが、スポット毎にビーム走査を停止せず、ビームを走査経路上を走査しながら照射する。そのため、一回当たりの照射線量を低くし、複数回繰り返し照射するリペイント照射を実施することで照射線量の一様度を向上する。このようにラスタースキャニング照射法は、照射開始位置を走査経路毎に更新する照射法である。なお、スポットスキャニング法においても、ラスタースキャニング法と同様に、一つのスポット位置に対する一度の照射で与える照射線量を低く設定し、照射平面を複数回走査することによって、最終的な照射線量に到達するように制御してもよい。
【００４０】
図２に照射装置３０の構成を示す。  照射装置３０は走査電磁石３２ａ，３２ｂを有し、患部平面上を患部形状に合わせて走査電磁石３２ａ，３２ｂでビームを走査する。また、照射装置３０は、患者に照射するビーム１０ｄの照射線量を計測する線量モニタ３１やビーム形状モニタ（図示せず）を有し、これらで照射するビーム１０ｄの線量強度やビーム形状を逐次確認する。走査電磁石３２で走査されたビーム１０ｄは、コリメータ３４で患者３６の患部形状３７に合わせて照射野を形成する。
【００４１】
図１に戻り、本実施例の粒子線照射システム１は制御システム１００（制御装置）を備えている。制御システム１００は、イオンビーム発生装置１１およびビーム輸送装置１４を制御する加速器制御装置４０、粒子線照射システム１全体を統括して制御する統括制御装置４１、患者へのビーム照射条件を計画する治療計画装置４３、治療計画装置４３で計画した情報やイオンビーム発生装置であるシンクロトロン１３およびビーム輸送装置１４の制御情報等を記憶する記憶装置４２、照射装置３０を構成する機器と患部３７に照射するイオンビーム１０ｄの照射線量を制御する照射制御装置４４、シンクロトロン１３を構成する機器の同期制御を実現するタイミングシステム５０、患者３６の安全を担保するために統括制御装置４１とは独立したインターロックシステム６０、シンクロトロン１３を構成する各機器の電源４６を制御する電源制御装置４５から構成される。記憶装置４２は統括制御装置４１の一部として統括制御装置４１に備えられていてもよい。
【００４２】
電源４６はシンクロトロン１３を構成する複数の機器の電源の総称であり、図１には複数の機器の電源として偏向電磁石１８の電源４６Ｂ、四極電磁石１９の電源４６Ｑ、高周波加速空洞１７の電源４６Ｆが示されている。電源制御装置４５も同様に複数の機器の電源に対応する複数の電源制御装置の総称であり、図１には電源４６Ｂの制御装置４５Ｂ，電源４６Ｑの制御装置４５Ｑ，電源４６Ｆの制御装置４５Ｆが示されている。
【００４３】
ここで、各文献の記載を用いながら本発明者等が検討した事項について説明する。従来のシンクロトロン１３の運転シーケンスを図８に示す。シンクロトロン１３は、一回の運転周期で加速・出射・減速という一連の制御を実施する。出射制御の前後には、出射条件設定および出射条件解除といった、シンクロトロン内のイオンビームを出射するために必要な出射条件設定制御と、出射制御終了後の出射条件解除制御が必要である。
【００４４】
従来のシンクロトロン１３の運転制御では、一連の制御に合わせた制御データをパターンデータとして電源制御装置４５のメモリに用意しておき、電源制御装置４５は、シンクロトロン１３を構成する機器の制御タイミングを管理するタイミングシステム５０から出力されるタイミング信号５１に基づき、制御データを更新する。
【００４５】
図８に示したように、シンクロトロン１３は一回の運転周期で、加速から減速までを制御しているため、出射するイオンビーム１０ｃのエネルギーを変更するには、出射制御終了後に減速制御に遷移し残存ビームを減速した後、運転周期を更新する。運転周期を更新し再びイオンビーム１０ｂを加速することで、所望のエネルギーへの変更制御を実現する。そのため、従来のシンクロトロン１３の運転制御ではイオンビーム１０ｂのエネルギー変更時間には、ほぼ一回の運転周期と同じ時間が掛かるため、治療時間が長くなり、線量率を向上していく上での課題であった。
【００４６】
特許文献１には、一回の運転周期内で複数のエネルギーのイオンビームの出射を実現する、イオンシンクロトロンの多段出射制御運転について示されている。このような多段出射制御運転により、スキャニング照射法でのエネルギー変更時間の短縮が実現できる。
【００４７】
また、非特許文献２には、イオンシンクロトロンより出射する複数のエネルギーに対応して、エネルギー変更制御と出射制御からなる階段状の運転制御データ（非特許文献２の３４頁、図２）を予め用意しておき、出射するイオンビームエネルギーに対応した出射制御部の運転制御データの平坦部を延長する運転（非特許文献２の３５頁、図３）が示されている。
【００４８】
非特許文献２に記載されているように、複数のエネルギーの出射が可能な運転制御データをパターンデータとして予め用意する制御を適用した場合、全ての照射を完了するために必要なイオンビーム量がシンクロトロンに蓄積されている場合には、一回の運転周期で全てのエネルギーの照射が完了できる効果があるが、全ての照射を完了するために必要なイオンビーム量がシンクロトロンに蓄積されていない場合には、イオンビーム量が枯渇した時点で減速制御を実施した後に、運転周期を更新してイオンビーム１０ｂの入射と加速を再度実施する必要がある。この際、イオンビームが枯渇したエネルギーの出射制御から減速制御に遷移するには、運転制御データの連続性を考慮する必要があるため、イオンビーム１０ｂが枯渇したエネルギーよりも後段に記憶されている全てのエネルギー変更制御の運転制御データを更新する必要があり、当該運転制御データから減速制御に直接遷移できない。そのため、シンクロトロン１３の運転周期の更新には時間が掛かる課題がある。粒子線照射システム１を構成する機器に異常が生じた場合にも、同様に、当該運転制御データから減速制御に直接遷移できない課題があった。
【００４９】
特許文献２では、加速器の磁場コイルに励磁するコイル電流に関して、経過時間に応じた磁束密度情報を出力する磁場基準発生部と、磁束密度情報に応じた磁場を発生させるコイル電流を求める電流基準変換部とを備えた加速器の制御装置が示されており、このうち、磁場基準発生部が出力する磁束密度情報を４種類のパターン（初期上げパターン、減少パターン、増加パターン、終了パターン）を組み合わせて出力することで、一回の運転周期内で複数エネルギーのビーム出射を実現する制御方法が示されている。特許文献２によると、４種類の磁束密度パターンを組み合わせ、一回の運転周期内で複数エネルギーのイオンビームの出射が可能であるが、一方で、これら４種類のパターンの組合せ順序をシンクロトロンの運転制御データを選択し指令するタイミング信号を予めタイミング制御装置に書き込んでおくため、設定値の連続性を担保するため当該出射エネルギーから減速制御に直接遷移できない。このためビーム枯渇時および機器異常時に速やかに減速制御にできないため、シンクロトロンの運転周期の更新に時間が掛かる。また、電流基準変換器が逐次、偏向電磁石および四極電磁石の励磁電流を逐次演算しながら出力するため、パターンを変更する度に演算パラメータの変更が必要となり、機器構成および制御手段が複雑となる課題もある。
【００５０】
本発明は、イオンシンクロトロンにおいて一回の運転周期内で複数エネルギーのイオンビームを出射可能とする多段出射制御運転に関するものであり、本発明により、ビームエネルギーの変更制御と運転周期の更新を短時間で実現可能なイオンシンクロトロンを提供できる。以下にその詳細を説明する。
【００５１】
まず、本実施例の特徴である、多段出射運転時の制御データ構造と、この制御データを用いた運転シーケンスについて、図３から図７Ａおよび図７Ｂを用いながら説明する。
【００５２】
図３は、シンクロトロンを構成する複数の機器の制御データの構成を示す図であり、機器の制御データの代表例として、偏向電磁石１８の励磁電流を示している。実際には、非特許文献２に示されているように、照射するビームのエネルギー数に対応した段数のデータが用意されているが、本実施例では３段で説明している。また、本実施例では低いエネルギーから高いエネルギーに順次ビームを照射するような運転制御データを示しているが、高いエネルギーから低いエネルギーに順次ビームを照射する場合でも同様の効果が得られる。
【００５３】
図４は、本実施例の特徴である多段出射運転を実現する制御システム１００（制御装置）の構成と各装置間の情報伝送を示す図である。図５は、多段出射運転を開始する前の照射準備フローを示す図である。図６は、多段出射運転時の制御フローを示す図である。図７Ａおよび図７Ｂは、図３に示した制御データの組み合わせによる多段出射運転時の制御データの出力例を示している。
【００５４】
図３に示すように、シンクロトロンを構成する機器（図示の例では偏向電磁石１８）の運転制御データ７０は、初期加速制御データ７０１ａ（以下７０１で代表する）と、複数のエネルギー（図示の例では３種類のエネルギーＥａ、Ｅｂ、Ｅｃ）のイオンビームを出射するための複数の出射制御データ７０２ａ〜７０２ｃ（以下７０２で代表する）と、複数の出射制御データ７０２間を接続する複数のエネルギー変更制御データ７０５ａｂ，７０５ｂｃ（以下７０５で代表する）および、複数の出射制御データ７０２に対応した複数の減速制御データ７０６ａ〜７０６ｃ（以下７０６で代表する）とで構成されている。出射制御データ７０２は、出射条件設定データ７０３ａ〜７０３ｃ（以下７０３で代表する）と出射条件解除データ７０４ａ〜７０４ｃ（以下７０４で代表する）から構成される。これらの制御データを組み合わせることで複数のエネルギーのビームの出射制御を行いかつ、複数の出射エネルギーに対応した減速制御データ７０６を有することで、どの出射エネルギーからも速やかに減速制御へ遷移可能となっている。これらの制御データはそれぞれ対応する機器に直接与えられる制御量である電流／電圧の時系列データとして用意する。例えば、偏向電磁石１８の制御データであれば、所定の偏向磁場強度を発生する際に必要な偏向電磁石電源４６Ｂに設定する励磁電流と電圧（図示せず）の時系列データで構成される。
【００５５】
また、これらの制御データは記憶装置４２に記憶されている。記憶装置４２には、図３に示した制御データも含めて、想定されるあらゆる患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データがモジュールデータとして記憶されている。例えば、想定される複数の患者の照射条件に対応した出射エネルギー数が１００であるとした場合、１００個の初期加速制御データ７０１と、１００個の出射制御データ７０２と、９９個のエネルギー変更制御データ７０５と、１００個の減速制御データ７０６がモジュールデータとして記憶装置４２に記憶されている。照射準備に際して、特定の患者の照射条件が与えられたとき、統括制御装置４１は記憶装置４２に記憶した制御データの中から該当するものを選択し、電源制御装置４５に記憶させる。なお、全てのエネルギーのビーム出射を可能とするモジュールデータは統括制御装置４１の内部記憶装置に記憶しておいてもよい。
【００５６】
運転制御データ７０の制御データは、タイミングシステム５０から出力されるタイミング信号５１にそれぞれ関連付けられている。本実施例のタイミング信号５１は、加速制御開始タイミング信号５１１、出射条件設定タイミング信号５１２、出射制御待機タイミング信号５１３、出射条件解除タイミング信号５１４、エネルギー変更制御タイミング信号５１５、減速制御開始タイミング信号５１６、減速制御終了タイミング信号５１７から構成されている。電源制御装置４５にタイミング信号５１が入力されると、電源制御装置４５は、タイミング信号５１に関連付けられた制御データを選択し、選択した制御データの初期アドレスからデータの更新を開始する。
【００５７】
タイミング信号５１の入力に対する運転制御データ７０の更新制御について、図３を用いて説明する。電源制御装置４５は、加速制御タイミング信号５１１の入力により、入射エネルギー（Ｅｉｎｊ）から初段の出射エネルギー（Ｅａ）までの初期加速制御データ７０１を更新してビームを加速する。出射制御タイミング信号５１２の入力により、出射条件設定データ７０３ａを更新する。出射制御待機タイミング信号５１３の入力により、出射条件設定データ７０３ａの更新を停止し、加速器制御装置４０が出射用高周波電極２０ａに出射用高周波電圧を印加することでビーム出射制御を実施する。照射制御装置４４は、出射制御中の照射線量３１１を逐次計測し、計測結果に基づき線量満了信号４４２を出力し、出射用高周波電圧の印加を停止し出射制御を終了する。この後、出射条件解除タイミング信号５１４の入力により出射条件解除データ７０４ａの更新を開始する。タイミングシステム５０は、出射制御終了時の蓄積ビーム電荷量と次の照射エネルギーの有無に応じて、エネルギー変更タイミング信号５１５を出力し、エネルギー変更制御に遷移するか（出射条件解除データ７０４ａからエネルギー変更制御データ７０５ａｂに遷移するか）、減速制御タイミング信号５１６を出力し、減速制御に遷移するか（出射条件解除データ７０４ａから減速制御データ７０６ａに遷移するか）を判断する。運転制御データ７０を構成する各制御データは、出射条件解除データ７０４の終了値と次の照射エネルギーに遷移するエネルギー変更制御データ７０５の開始値（例えば、図３の７０４ａの終了値と７０５ａｂの開始値）および、出射条件解除データ７０４の終了値と入射エネルギーまで減速する減速制御データの開始値（例えば、図３の７０４ａの終了値と７０６ａの開始値）が連続的に接続できるように同じ値としておく。このようなタイミング信号５１の入力に基づく運転制御を実現することで、タイミング信号５１の入力に応じた運転制御データ７０の変更と更新が容易に実現できる。
【００５８】
また、上記多段出射運転を実施する際は、インターロックシステム６０は、加速器制御装置４０から出力されるエネルギー判定信号４０２、照射制御装置４４から出力されるエネルギー変更要求信号４４３、減速制御要求信号４４４、照射完了信号４４５および、電源制御装置４５から出力される機器の健全性を示すステータス情報４５２に基づきインターロック信号６１を出力する。このインターロック信号６１にはエネルギー変更指令６１１、出射制御指令６１４、照射完了指令６１２および減速制御指令６１３が含まれる。タイミングシステム５０は、インターロックシステム６０から出力されるエネルギー変更指令６１１に基づきエネルギー変更タイミング信号５１５を出力し、インターロックシステム６０から出力される出射制御指令６１４に基づき出射条件設定タイミング信号５１２を出力し、インターロックシステム６０から出力される照射完了指令６１２に基づき出射条件解除タイミング信号５１４を出力し、減速制御指令６１３に基づき減速制御開始タイミング信号５１６を出力する。
【００５９】
図３に示したシンクロトロンを構成する機器の制御データを用いて多段出射運転を実施する際の照射準備フローについて、図４および図５を併用しながら説明する。
【００６０】
まず、治療計画装置４３は、患者の治療に必要な照射条件等を含む治療計画情報４３１を記憶装置４２に登録する。統括制御装置４１は、照射条件の設定情報に基づき、記憶装置４２から照射条件４２１を読み込む（８０１）。統括制御装置４１は、照射条件から照射に必要なエネルギーと各照射線量と照射順序および制御データを記憶装置４２から選択する（８０２）。記憶装置４２には、前述したように、図３に示した初期加速制御データ７０１、出射制御データ７０２、出射条件設定データ７０３、出射条件解除データ７０４、エネルギー変更制御データ７０５、減速制御データ７０６を含めて、想定されるあらゆる患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データがモジュールデータとして記憶されており、統括制御装置４１は、照射条件４２１に基づいて制御データ７０１〜７０６を選択して読み込む。
【００６１】
統括制御装置４１は、タイミングシステム５０に対して、照射に必要なエネルギー情報と照射順序およびこのエネルギーに対応したタイミング信号データ４１１ａを伝送する（８０３）。
【００６２】
タイミングシステム５０は、統括制御装置４１から伝送された照射に必要なエネルギー情報と照射順序およびこのエネルギーに対応したタイミング信号データ４１１ａをメモリ内に記憶する（８０４）。統括制御装置４１は同様に、加速器制御装置４０および照射制御装置４４に対して、照射に必要なエネルギー情報と照射順序およびこのエネルギーに対応した制御データ４１１ｂ、４１１ｃを伝送する（８０５）。このうち、加速器制御装置４０に伝送する制御データ４１１ｂには、各機器の運転制御データ（制御データ７０１〜７０６）と運転制御データに対応するタイミング信号（タイミング信号５１１〜５１７）が含まれ、照射制御装置４４に伝送する制御データ４１１ｃには、各照射エネルギーの照射順序と目標照射線量が含まれる。
【００６３】
加速器制御装置４０は、シンクロトロン１３およびビーム輸送装置１４を構成する機器の各電源制御装置４５に対して、各機器の運転制御データ（制御データ７０１〜７０６）と運転制御データに対応するタイミング信号（タイミング信号５１１〜５１７）のデータ４０１を伝送し（８０６）、電源制御装置４５は、各機器の運転制御データと運転制御データに対応するタイミング信号のデータ４０１をメモリ内に記憶する（８０７）。照射制御装置４４は、各照射エネルギーの照射順序と目標照射線量をメモリ内に記憶する（８０８）。
【００６４】
次に、図３に示したシンクロトロンを構成する機器の制御データを用いて多段出射運転を実施する際の照射フローについて、図４および図６を用いて説明する。
【００６５】
統括制御装置４１に対してユーザから照射開始指令（図示せず）が入力されると、シンクロトロン１３の運転制御を開始する。統括制御装置４１はタイミングシステム５０、加速器制御装置４０、照射制御装置４４に対して、シンクロトロン１３の運転周期の開始を示す、制御開始指令４１２を出力する。タイミングシステム５０、加速器制御装置４０、照射制御装置４４は、制御開始指令４１２に基づき、目標エネルギーを設定する（８０９）。設定された目標エネルギーに基づき、タイミングシステム５０は、これから出射するビームの目標エネルギー情報を設定し、加速器制御装置４０は、各電源制御装置に目標エネルギーを設定する。照射制御装置４４は、目標エネルギーから、当該エネルギーの各線量管理領域の目標線量値を設定する。
【００６６】
タイミングシステム５０は制御開始指令に基づき、加速制御開始タイミング信号５１１を出力し、電源制御装置４５は、初期加速制御データ７０１の更新を開始する（８１０）。加速器制御装置４０は、初期加速制御が終了した時点で、加速終了後の到達エネルギーを確認し（８１１）、加速終了後に確認した到達エネルギーが、目標エネルギーと一致するかを判定する（８１２）。この判定は、後述する減速制御終了後に運転周期を更新した場合、初期加速制御終了時の到達エネルギーと次に出射する目標エネルギーが異なるため、後述するエネルギー変更制御を実施するか、このままビーム出射制御に遷移するかを判断するものである。
【００６７】
加速器制御装置４０は、エネルギーの判定結果を示すエネルギー判定信号４０２をインターロックシステム６０に出力する。インターロックシステム６０は、加速終了後の到達エネルギーと出射エネルギーが一致しない場合は、タイミングシステム５０にエネルギー変更指令６１１を出力し、タイミングシステム５０は電源制御装置４５にエネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力し、電源制御装置４５はエネルギー変更制御データ７０５の更新を実施する（８２３）。加速終了後の到達エネルギーと出射エネルギーが一致する場合、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に出射制御指令６１４を出力し、タイミングシステム５０は電源制御装置４５に出射条件設定タイミング信号５１２を出力し、電源制御装置４５は出射条件設定データ７０３の更新を開始する（８１３）。
【００６８】
タイミングシステム５０は、出射条件設定データの更新完了に合わせて出射制御待機タイミング信号５１３を出力し、電源制御装置４５での出射条件設定データ７０３の更新を終了し最終更新値を保持する。インターロックシステム６０は、各電源制御装置４５から出力される機器の健全性やエネルギー確認情報といったステータス情報４５２、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量検出手段１５での蓄積ビーム量の計測値１５１に基づき照射制御装置４４から出力される出射制御許可信号４４１等により、ビームの出射制御が可能か判定する（８１４）。
【００６９】
判定結果が異常（ＮＧ）の場合には、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に対して減速制御指令６１３を出力し、タイミングシステム５０から電源制御装置４５に減速制御開始タイミング信号５１６が出力される。電源制御装置４５は減速制御データ７０６を更新する（８２２）。
【００７０】
判定結果が正常（ＯＫ）の場合には、インターロックシステム６０は加速器制御装置４０に対して出射許可指令６１５を出力し、加速器制御装置４０は高周波電極２０ａに出射用高周波電圧を印加することで、ビーム出射制御を実施する（８１５）。
【００７１】
ビーム出射制御中は、照射装置３０に設置されている線量モニタ３１にて照射ビームの線量３１１を逐次計測し、照射制御装置４４は、各線量管理領域での積算線量を演算する。この際、照射制御装置４４は当該エネルギーの当該線量管理領域での目標線量と積算線量を比較し、積算線量が目標線量への到達（以下、線量が満了したという）を判断する（８１６）。
【００７２】
当該線量管理領域の積算線量が満了していない場合、シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量１５１を蓄積ビーム量検出手段１５で計測し、照射制御装置４４はビーム照射の継続に十分な蓄積ビーム量があるか判定し（８１８）、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量がビーム照射の継続に十分な量である場合にはビーム出射制御を継続する。一方、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量が枯渇した場合には、照射制御装置４４はインターロックシステム６０に対して減速制御要求４４４を出力する。インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に対して減速制御指令６１３を出力し、タイミングシステム５０から電源制御装置４５に減速制御開始タイミング信号５１６が出力される。電源制御装置４５は減速制御データ７０６を更新する（８２２）。
【００７３】
一方、当該線量管理領域の積算線量が満了した場合、照射制御装置４４は、当該エネルギーの照射領域つまり、当該エネルギーでの全ての線量管理領域で照射が完了しているか判定する（８１７）。
【００７４】
当該エネルギーでの全ての線量管理領域への照射が完了していない場合には、走査電磁石３２でまだ照射が完了していないビーム照射領域つまり、照射が完了していない線量管理領域に照射位置を更新する（８４１）。その後、ステップ８１６の線量が満了していない場合と同様に、照射制御装置４４はビーム照射の継続に十分な蓄積ビーム量があるか判定し（８１８）、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量がビーム照射の継続に十分な量である場合には、ビーム照射を実施する。シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量が枯渇した場合には、照射制御装置４４はインターロックシステム６０に対して減速制御要求４４４を出力する。一方、当該エネルギーでの全ての線量管理領域への照射が完了した場合には、照射制御装置４４は、照射完了信号４４５をインターロックシステム６０に出力する。インターロックシステム６０は、タイミングシステム５０に対して、照射完了指令６１２を出力する。タイミングシステム５０は、電源制御装置４５に対して出射条件解除タイミング信号５１４を出力し、電源制御装置４５は出射条件解除データ７０４の更新を開始する（８１９）。
【００７５】
出射条件解除データ７０４の更新制御が終了後、照射制御装置４４は、次の目標エネルギーデータが存在するか判断する（８２０）。次の目標エネルギーが存在する場合には、シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量１５１を蓄積ビーム量検出手段１５で計測し、照射制御装置４４は次の目標エネルギーのビーム照射に十分な蓄積ビーム量があるか判定し（８４０）、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量がビーム照射に十分な量である場合には、照射制御装置４４は、目標エネルギーデータを更新する（８２１）。一方、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量が枯渇した場合には、照射制御装置４４はインターロックシステム６０に対して減速制御要求４４４を出力する。インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に対して減速制御指令６１３を出力し、タイミングシステム５０から電源制御装置４５に減速制御開始タイミング信号５１６が出力される。電源制御装置４５は減速制御データ７０６を更新する（８２２）。なお、スポットスキャニング照射法のように線量を管理する照射領域が細かく指定されている場合には、ステップ８４０に記載した蓄積ビーム量の判定処理は省略し、ステップ８１８に示したように蓄積ビーム量を逐次判定することで適切に照射が可能である。一方、ラスタースキャニング照射のように一様連続ビームでレイヤー内の照射を実施する際には、照射線量の一様度の担保を容易にしかつ、線量率を高めるため、照射途中にビーム枯渇が生じないように制御することが望ましい。そのため図６に示したように、次の目標エネルギーのビーム照射に十分な蓄積ビーム量があるか、ステップ８４０に示した判定処理を実施した上で目標エネルギーデータを更新する処理を設けている。
【００７６】
シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量がビーム照射に十分な量である場合、照射制御装置４４は、目標エネルギーデータの更新後、インターロックシステム６０に対してエネルギー変更要求４４３を出力する。インターロックシステム６０は、タイミングシステム５０に対してエネルギー変更指令６１１を出力し、タイミングシステム５０は、電源制御装置４５に対してエネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力する。電源制御装置４５は、エネルギー変更制御タイミング信号５１５に基づき、エネルギー変更制御データ７０５を更新する（８２４）。  
一方、次の目標エネルギーデータが存在しない場合、つまり、全てのエネルギーの照射が終了した場合、照射制御装置４４はインターロックシステム６０に対して減速制御要求４４４を出力する。インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に対して減速制御指令６１３を出力し、タイミングシステム５０から電源制御装置４５に減速制御開始タイミング信号５１６が出力される。電源制御装置４５は減速制御データ７０６を更新する（８２２）。
【００７７】
タイミングシステム５０は、減速制御設定データの更新完了に合わせて、減速制御終了タイミング信号５１７を出力する。インターロックシステム６０は、減速制御終了タイミング信号５１７の入力に基づき、全てのエネルギーの照射を完了したか確認する（８２３）。全てのエネルギーの照射を完了した場合には、運転周期を終了する。
【００７８】
また、全てのエネルギーの照射を完了せずに、減速制御に遷移した場合（８２３）には、再び、運転周期の開始に戻り、再び初期加速制御を開始する。
【００７９】
運転周期の開始に戻り、再び初期加速制御を開始する場合、次の照射に必要な目標エネルギーと初期加速制御時の到達エネルギーは異なるため、到達エネルギーが目標エネルギーと一致するまで、エネルギー変更制御データの更新制御を実施する（図６の８１２→８２４→８１１→８１２のフローを繰り返す）。到達エネルギーと目標エネルギーが一致したら、出射条件設定データ７０３の更新制御（８１３）に遷移する。
【００８０】
本実施例の特徴である、多段出射運転時の制御データの出力例を図７Ａおよび図７Ｂに示す。図７Ａおよび図７Ｂでは、図３に示した運転制御データ７０を用いた出力例を示しており、一回の運転周期内で出射可能なエネルギー数はＥａ、Ｅｂ、Ｅｃの３種類である。図７Ａは、３種類（Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃ）の全てのエネルギーのイオンビームを一回の運転周期で出射制御した場合の偏向電磁石の励磁電流値の変化を示しており、図７Ｂは、はじめの運転周期で２種類（Ｅａ，Ｅｂ）のエネルギーのイオンビームを出射した後、蓄積イオンビームが枯渇したため減速制御に遷移して運転周期を更新し、次の運転周期で３種類目（Ｅｃ）のイオンビームを出射する場合の偏向電磁石の励磁電流値の変化を示している。一般に、偏向電磁石の励磁電流値とビームエネルギーは概ね比例関係にあるため、図７Ａおよび図７Ｂは多段出射運転時のビームエネルギー変化と読むこともできる。
【００８１】
図７Ａおよび図７Ｂに共通するのは、各制御データ７０１〜７０６に対応した各タイミング信号５１１〜５１７が設定されており、各タイミング信号５１１〜５１７の入力に基づき、各制御データ７０１〜７０６が更新されている。
【００８２】
まず、図７Ａを用いて多段出射制御の出力例について説明する。電源制御装置４５は、タイミングシステム５０から加速制御タイミング信号５１１が入力されると、初期加速データ７０１を選択し、励磁電流データ更新制御を開始する。初期加速制御が終了すると、タイミングシステム５０から出射条件設定タイミング信号５１２が電源制御装置４５に入力される。電源制御装置４５は、初段の出射エネルギーＥａに対応した出射条件設定データ７０３ａを出力する。この後、出射制御待機タイミング信号５１３の入力により、電源制御装置４５は最終更新値を保持し、出射制御が実施される。出射制御が完了すると、タイミングシステム５０から出射条件解除タイミング信号５１４が電源制御装置４５に出力され、電源制御装置４５は出射条件解除データ７０４ａの更新出力を開始する。
【００８３】
出射条件解除データ７０４ａの更新制御の終了とともに、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量を計測する。蓄積ビーム量が次のエネルギーのビーム出射量を満足することを確認した上で、タイミングシステム５０は、エネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力する。電源制御装置４５は、現在の出射エネルギーＥａと次の出射エネルギーＥｂとを接続するエネルギー変更制御データ７０５ａｂを選択し、制御データの更新出力を開始する。これ以降、最後のエネルギーＥｃの出射制御を終了するまで、上記した出射条件設定制御、出射制御、出射条件解除制御、エネルギー変更制御を繰り返す。
【００８４】
最後のエネルギーＥｃの出射条件解除データ７０４ｃの更新制御が終了後、タイミングシステム５０は、減速制御開始タイミング信号５１６を出力する。電源制御装置４５は、減速制御タイミング信号５１６の入力に伴い、直前の出射条件解除データ７０４ｃに対応した減速制御データ７０６ｃを選択し、減速制御データの更新出力を開始する。なお、本実施例の減速制御では、エネルギーを低い方から高い方にビームを出射する制御をしているため（Ｅａ＜Ｅｂ＜Ｅｃ）、減速制御で最大エネルギー（Ｅｉｎｉｔ）まで初期化励磁している。
【００８５】
減速制御の終了に合わせて、タイミングシステム５０は減速制御終了タイミング信号５１７を出力し、全てのエネルギーの出射制御が完了しているかを確認する。全てのエネルギーの出射制御が完了している場合、シンクロトロンの運転周期を終了する。
【００８６】
次に、図７Ｂに示したように多段出射運転時に運転周期を更新した場合について説明する。ここでは、図中の符号は図７Ａと同一であり、図７Ｂでの２番目のエネルギーＥｂの出射制御を終了以降について説明する。
【００８７】
２番目のエネルギーＥｂの出射制御が終了時点でシンクロトロン内の蓄積ビーム量を計測する。この計測結果が、ビームの枯渇等により次のビーム出射量を満足することができないと判定されたら、タイミングシステム５０は、出射制御を終了したエネルギーに対応した減速制御開始タイミング信号５１６を出力する。電源制御装置４５は、減速制御開始タイミング信号５１６の入力に基づき、直前の出射条件解除データ７０４ｂに連続して接続できる減速制御データ７０６ｂの更新制御を開始する。
【００８８】
減速制御終了タイミング信号５１７の入力に合わせて、全てのエネルギーの出射制御が完了しているかを確認する。全てのエネルギーの出射制御が完了していない場合は、引き続き、目標エネルギーをＥｂからＥｃに変更した上で、加速制御タイミング信号５１１を出力する。
【００８９】
加速制御タイミング信号５１１の入力により、初期加速制御データ７０１の更新を開始する。初期加速制御が終了後、到達エネルギーと目標エネルギーを比較する。この際、初期加速制御データ７０１の到達エネルギーはＥａであり、目標エネルギーはＥｃであるため、エネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力する。電源制御装置４５は、エネルギー変更制御タイミング信号５１５に基づき、エネルギー変更データ７０５ａｂの更新し、エネルギー変更制御を実施する。エネルギー変更制御終了後、再び到達エネルギーと目標エネルギーを比較する。エネルギー変更制御後の到達エネルギーはＥｂであり、目標エネルギーはＥｃであるため、引き続き、エネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力し、エネルギー変更制御データ７０５ｂｃを更新する。このような制御を繰り返すことで、到達エネルギーを目標エネルギーと同じＥｃまで加速する。その後は、上記に示した出射制御および減速制御と同じ制御を実施する。
【００９０】
以上のように本実施の形態では、シンクロトロンの出射ビームエネルギーの変更制御を短時間で実現する多段出射制御運転において、制御データ７０１〜７０６が複数のエネルギーに対応した減速制御データ７０６を有し、どのエネルギーからも速やかに減速制御へ遷移可能とすることで、シンクロトロン内の蓄積ビーム量が不足してイオンビームの照射を中断した場合に運転周期の更新を短時間で実現し、線量率を向上し治療時間を短縮することができる。
【００９１】
また、粒子線照射システムを構成する機器に異常が生じてイオンビームの照射を中断した場合にも、出射エネルギーから減速制御に直接遷移し、運転周期の更新を短時間でかつ安全に実現することができる。
【００９２】
また、ビームの枯渇等のビーム照射中断要因の発生による減速制御の終了後、ビーム未照射のエネルギーが存在し、運転周期を更新する場合において、初期加速制御が終了後或いはエネルギー変更制御終了後の到達エネルギーが次の目標エネルギーが一致しない場合は、出射制御データの更新制御（出射条件設定制御および出射条件解除制御）を行うことなく、直ちにエネルギー変更制御を実施して到達エネルギーを目標エネルギーまで加速するため、短時間でのエネルギー変更制御を実現し、線量率を向上し治療時間を短縮することが可能となる。
【００９３】
また、運転制御データを構成する制御データ７０１〜７０６を、シンクロトロン１３を構成する機器に直接与えられる制御量である電流／電圧の時系列データによって構成したため、パラメータの変更演算が不要となり、機器構成および制御手段を単純化できる。
【００９４】
更に、記憶装置４２に、想定されるあらゆる患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データがモジュールデータとして記憶しておき、統括制御装置４１は、照射条件４２１に基づいて制御データ７０１〜７０６を選択して電源制御装置４５に記憶し、運転制御データ７０を構成するため、ビーム照射に寄与しない無駄時間（シンクロトロン１３の入射ビームエネルギーから照射開始エネルギーまでの制御時間および照射終了エネルギーから減速終了エネルギーまでの制御時間）が無くなるため、所望のエネルギー範囲のビーム照射を短い運転周期で行い、線量率を向上し治療時間を短縮することが可能となる。
【符号の説明】
【００９５】
１  粒子線照射システム
１００  制御システム（制御装置）
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  ビーム
１１  イオンビーム発生装置
１２  前段加速器
１３  シンクロトロン
１４  ビーム輸送装置
１５  蓄積ビーム量検出手段
１５１  蓄積ビーム量計測データ
１６  高周波電極
１７  高周波加速空胴
１８  偏向電磁石
１９  四極電磁石
２０ａ  出射用高周波電極
２０ｂ  出射用デフレクター
３０  照射装置
３１  線量モニタ
３１１  線量計測データ
３２  走査電磁石
３４  コリメータ
３６  患者
４０  加速器制御装置
４０１  各機器の制御データ
４０２  エネルギー判定信号
４１  統括制御装置
４１１  制御データ
４１２  機器情報データ
４２  記憶装置
４２１  照射情報データ
４３  治療計画装置
４３１  治療計画情報
４４  照射制御装置
４４１  出射制御許可信号
４４２  線量満了信号
４４３  エネルギー変更要求信号
４４４  減速制御要求信号
４４５  照射完了信号
４５  電源制御装置
４５１  電源制御指令値
４５２  ステータス情報
４６  電源
５０  タイミングシステム
５１  タイミング信号
５１１  加速制御開始タイミング信号
５１２  出射条件設定タイミング信号
５１３  出射制御待機タイミング信号
５１４  出射条件解除タイミング信号
５１５  エネルギー変更制御タイミング信号
５１６  減速制御開始タイミング信号
５１７  減速制御終了タイミング信号
６０  インターロックシステム
６１  インターロック信号
６１１  エネルギー変更指令
６１２  照射完了指令
６１３  減速制御指令
６１４  出射制御指令
６１５  出射許可指令
７０  運転制御データ
７０１  初期加速制御データ
７０２  出射制御データ
７０３  出射条件設定データ
７０４  出射条件解除データ
７０５  エネルギー変更制御データ
７０６  減速制御データ
【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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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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