(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状加速器の偏向磁界の変化を示すフラットベース期間、加速期間、フラットトップ期間及び減速期間に対応させて計算機で予め作成した複数の運転パターンに対応する加速空胴駆動用の高周波信号の周波数リファレンス信号、電圧リファレンス信号、ビーム位置リファレンス信号及び記憶領域の最終データを知らせる最終切替ビットであるビットデータ（切替ビット）列を外部クロックで読み出すように各領域毎に記憶したデータ記憶領域およびパターン情報及び各領域のデータ列のスタートアドレスを記憶した制御データ記憶領域から構成される記憶手段と、外部信号またはビットデータ内の最終切替ビットに応じて、前記記憶手段のデータ読み出しクロックの周期を異なる周期に切り替えるとともに、前記制御データ記憶領域に予め記憶されたアドレス情報をもとに読み出しデータの領域を切り替えるメモリ制御手段と、前記記憶手段より読み出した高周波信号の周波数リファレンス信号、電圧リファレンス信号、ビーム位置リファレンス信号とビーム位置、位相、電圧に対応するモニタ信号とを比較して加速空胴を駆動する高周波信号の周波数、電圧をフィードバック制御するフィードバック制御手段とを備えたことを特徴とするＲＦ制御装置。
【請求項２】
メモリ制御手段はタイミングシステムが発生する一定間隔のＴクロック、環状加速器の偏向磁界の変化に応じて出力されるＢクロックを選択的に切り替え、外部信号によるアドレスジャンプ及びクロック切替動作を、ビットデータ内の任意の切替ビットデータを基にして行うことを特徴とする請求項１に記載のＲＦ制御装置。
【請求項３】
記憶手段は、１つの運転パターンに対応しメモリ記憶領域を複数個有するとともに、それらのメモリ記憶領域を、加速器の運転用のパターンデータの作成等を行う上位計算機とデータ通信を制御する上位通信制御機能、あるいはフィードバック制御手段における演算機能へリファレンス信号の読み出しを行う機能によりアクセスできるとともに、演算機能の予め指定したデータを上記メモリ記憶領域に書込みできるメモリアクセス制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＲＦ制御装置。
【請求項４】
フィードバック制御手段は、メモリアクセス制御手段が読み出したリファレンス信号とビーム位置、位相、電圧のモニタ信号を読み込み、ビーム位置モニタ信号よりビーム位置リファレンス信号の減算、減算結果を定数に基づく比例積分演算、比例積分演算結果と定数との乗算、位相モニタ信号と定数との乗算、各乗算結果と周波数リファレンス信号への加算を行い、ディジタル周波数発振器で周波数信号を発生させるとともに、電圧モニタ信号と電圧リファレンス信号の減算、減算結果と定数との乗算を行い周波数信号の振幅を設定する周波数データ演算手段と、各定数を加速サイクル毎に書換え可能な機能とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のＲＦ制御装置。
【請求項５】
記憶手段は、演算用定数を複数個記憶する定数メモリ機能、ビットデータ内に定数を切替えるための定数切替ビットを有するメモリ機能を有し、前記定数切替ビット又は外部信号、出力周波数によって前記定数メモリ機能から定数を読み出すことを特徴とする請求項１または３に記載のＲＦ制御装置。
【請求項６】
周波数データ演算手段は、基準クロックに従って逐次更新してディジタル周波数発振器に与える周波数データ、及び周波数信号の振幅を示すデータの更新毎の変化量に上限、下限を設定する機能を備えたことを特徴とする請求項５に記載のＲＦ制御装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のＲＦ制御装置は、その構成の少なくとも一部をプログラマブル半導体デバイスの一種であるＦＰＧＡ（フィルド・プログラマブル・ゲート・アレイ）を用いて構成したことを特徴とするＲＦ制御装置。
【請求項８】
請求項１ないし６のＲＦ制御装置により加速器を駆動してビームを出射することを特徴とするＲＦ制御装置の応用システム。
【請求項９】
請求項１ないし７のＲｆ制御装置により駆動される加速器から射出されるビームを照射装置に導き、この照射装置よってビームを患部に照射するように構成したことを特徴とするＲＦ制御装置の応用システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、医療用加速器システムにおける加速空胴にビーム加速用の高周波信号を印加するＲＦ制御装置およびそのＲＦ制御装置およびその応用システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＲＦ加速装置の従来例としては例えば文献１（重粒子がん治療装置  建設総合報告書ＮＩＲＳ−Ｍ−１０９  ＨＩＭＡＣ−００９  １９９５年５月「高周波加速」金澤光隆、ｐ４４〜４９。科学技術庁  放射線医学総合研究所）に述べられている重粒子加速器ＨＩＭＡＣがある。
【０００３】
図１０に示すシンクロトロンを例に環状加速器の一般的な構成について説明する。シンクロトロンは周回軌道を形成するための電磁石１、高周波を使ってビームを加速する加速空胴２、およびビームが通過するための通路となる真空ダクト３から構成される。これ以外の機器としては、ビームを前もって加速する前段加速器６、加速されたビームを真空ダクト３に入射する入射装置５、ビームの位置等を計測するビームモニタ４、ビームをシンクロトロンからユーザ側に送り出す出射装置７などから構成される。
【０００４】
電磁石１の磁場はビームの加速に伴い定められたパターンに従って変化する。同時にビームの周回周波数も変化するため、安定に加速するためには加速空胴２に印加される高周波信号も定められたパターンによって周波数を制御する必要がある。
【０００５】
次に図１１に従い一般的な加速制御システムについて説明する。加速中にビームはシンクロトロン振動と呼ばれる現象を起こすため、そのままではビームに対してなんらかの外乱があった場合にビームの不安定性が発生する。この対策としてビームモニタ４および位相モニタ回路１４により検出されたビーム信号と加速用の高周波信号の位相差に基づき周波数のフィードバック制御を行い、シンクロトロン振動を減衰する方策が通常とられている。これが図に示す位相制御ループ２０である。
【０００６】
また加速空胴２の周波数が電磁石１の磁場で決まる最適周波数からずれた場合には、ビームの位置が理想的な中心軌道からずれるため、ビームモニタ４、および位置モニタ回路１５でこれを検出し、高周波信号の周波数をフィードバック制御することも行われる。これが図に示す位置ずれ制御ループ２１である。
【０００７】
また加速空胴２に実際印加される電圧を電圧モニタ１３にて検出し、検出信号に基づき高周波信号の振幅を制御することも行われる。これが図に示す空胴電圧制御ループ２２である。
【０００８】
加速制御システムの他の構成として、９はディジタル制御回路であり、このディジタル制御回路９は高周波信号のフィードバックのための演算を行う装置である。８はメモリモジュールであり、このメモリモジュール８は加速空胴を制御するためのデータを保存する装置であってディジタル制御回路９に逐次加速空胴運転用のパターンデータが送られる。１０はビーム加速用の高周波信号を発生するためのディジタルシンセサイザ、１１は高周波信号の振幅を制御するためのＡＭ変調器、１２は変調出力を増幅する増幅装置、１９はメモリモジュール８を制御するための計算機である。計算機１９の機能はメモリモジュールおよびタイミングシステム１６にパターンデータを伝送することである。
【０００９】
パターンデータ送信は加速器の運転開始前に行われ、計算機の高周波制御にリアルタイム性はない。１６はメモリモジュール８のデータ読み出しタイミングを制御するタイミングシステム。１８は偏向電磁石１の磁場モニタ１７に従ってメモリモジュール８にＢクロック信号を発生するＢクロック発生装置である。
【００１０】
次に図１２のタイミングチャートに基づいてシンクロトロンの加速に用いられるパターンの一般的な運転方法について説明する。このタイミングチャートには電磁石の磁場強度および運転サイクルの名称が時間Ｔ１〜Ｔ７の順に時系列的に示してある。
【００１１】
Ｔ１と示した期間はフラットボトムと呼ばれ、シンクロトロンの最低エネルギーの状態である。フラットボトムでは前段加速器６からビームを入射し、シンクロトロン内に蓄積する。次にＯＦＦ状態にあった高周波信号をＯＮとし、電圧を増加させることによりビームが高周波信号の一定の位相にあつまるように捕獲を行う。
【００１２】
次にＴ２と示した期間では電磁石の磁場変動に基づいて高周波信号の周波数と電圧を制御してビームの加速を行う。磁場の励磁速度が大部分一定の場合、加速の開始と終了部分は区別してスムージングと呼ばれている。
【００１３】
次にビームが所定のエネルギーに達した時点で加速を終了し磁場が変化しないフラットトップの状態に入る。フラットトップではビームをシンクロトロンから出射するのに適した条件を作るため、高周波信号の電圧、周波数などの微調整を行う。この期間をＴ３とする。
【００１４】
次にＴ４ではビーム利用者の要求に応じてビームをシンクロトロンの外に出射する。Ｔ４期間中は高周波信号をＯＦＦにするか、あるいはＯＮのままでもよい。次に所定の時間が経過した後、またはビームを使い切った時点でシンクロトロンの磁場を下げるための準備をする。この準備期間をＴ５とする。
【００１５】
次にＴ６の期間でシンクロトロンの磁場を最低値まで下げる。シンクロトロンは再びフラットボトムの状態となり、Ｔ７の期間で電源を初期状態に戻す。加速されたビームの内、シンクロトロンに取り残した部分はフラットトップで棄てる場合もあるが、磁場を減少する際に高周波信号をＯＮにしてビームを保持し減速してから棄てることもある。従ってフラットトップからフラットボトムまでの立ち下げ期間であるＴ６を減速と呼んでいる。上記の運転周期を加速サイクルまたはパルスと呼んでいる。
【００１６】
次にメモリモジュール８からディジタル制御回路９に送られるデータ転送を制御するクロックについて説明する。クロックはＢクロックと、Ｔクロックと呼ばれるものの２種類があり、これらのクロックによりメモリモジュール８からディジタル制御回路９にパターンデータが伝送される。Ｂクロックは電磁石１の磁場を磁場モニタ１７で検出した結果に基づいてＢクロック発生装置１８より発生する。例えば磁場が０．２ガウス変化する毎に１クロックパルスを出力するような装置である。
【００１７】
二つのクロックは上記パターン動作を決めるＴ１〜Ｔ７において従い使い分ける。運転パターン中で磁場変化が大きい部分ではＢクロックを使い、磁場の変化がゼロもしくは小さい部分ではＴクロックを用いる方法が一般的である。例えばＴ１、Ｔ３、Ｔ５およびＴ７のように磁場変化がゼロの部分ではＴクロックを使用し、その他の部分ではＢクロックを使用する。
【００１８】
磁場が増加する部分はＢ＋クロック、減少する部分ではＢ−クロックを使用する。またイベント信号としては図に示したマスタ信号、運転開始信号、メモリクロック停止、再開信号、メモリクロック切替信号がある。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の加速制御装置では制御におけるフレキシビリティが限られていることが問題であった。即ち、シンクロトロンの立ち上げ調整をする時点では最適な運転方法やパラメータが事前にわかっていないことが多く、加速器を実際に運転してみながら試行錯誤で調整を行う場合が一般的であり装置を実際に立ち上げるまで多大の労力と時間を要した。
また、従来の加速制御装置では最適なパターンを探すための機能が不足していた。
また、リアルタイムで定数を変化させるなどのフレキシビリティが不足していた。
【００２０】
また、従来の加速制御装置では、ＢクロックとＴクロックを切替えるタイミングは外部のタイミングシステムに依存していたため、タイミングシステムの分解能等の仕様による制約を受けていた。
また、切替えた際のメモリアドレス制御に処理速度による制約があり、切替えの時点はフラットトップやフラットボトムに設定できるものの、他の任意の時点での切替えに変更することは容易でなかった。
【００２１】
サイクル毎に条件を変えて運転することができれば加速器建設後のビーム調整がよりスムーズに行えるし、また癌治療装置などの応用ではサイクル毎にエネルギーを変えて運転することが望ましいが、従来の加速制御装置ではパターンや運転定数を多数記憶しておき、サイクル毎に切り替えて運転することができなかった。
【００２２】
また、従来の加速制御装置ではビームの加速中にフィードバックの定数あるいは演算方法を変化させるなどサイクル中に運転パラメータを変えることができなかった。加速器の不安定性はビームエネルギーに依存しているため、このようにフィードバック定数をリアルタイムで制御する運転が望ましいことがある。
【００２３】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、運転および運転調整時のフレキシビリティを向上させることができるＲＦ制御装置を得ることを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係るＲＦ制御装置は、環状加速器の偏向磁界の変化を示すフラットベース期間、加速期間、フラットトップ期間及び減速期間に対応させて計算機で予め作成した複数の運転パターンに対応する加速空胴駆動用の高周波信号の周波数リファレンス信号、電圧リファレンス信号、ビーム位置リファレンス信号及び記憶領域の最終データを知らせる最終切替ビットであるビットデータ（切替ビット）列を外部クロックで読み出すように各領域毎に記憶したデータ記憶領域およびパターン情報及び各領域のデータ列のスタートアドレスを記憶した制御データ記憶領域から構成される記憶手段と、外部信号またはビットデータ内の最終切替ビットに応じて、前記記憶手段のデータ読み出しクロックの周期を異なる周期に切り替えるとともに、前記制御データ記憶領域に予め記憶されたアドレス情報をもとに読み出しデータの領域を切り替えるメモリ制御手段と、前記記憶手段より読み出した高周波信号の周波数リファレンス信号、電圧リファレンス信号、ビーム位置リファレンス信号とビーム位置、位相、電圧に対応するモニタ信号とを比較して加速空胴を駆動する高周波信号の周波数、電圧をフィードバック制御するフィードバック制御手段とを備えたものである。
【００２５】
請求項２の発明に係るＲＦ制御装置のメモリ制御手段は、タイミングシステムが発生する一定間隔のＴクロック、環状加速器の偏向磁界の変化に応じて出力されるＢクロックを選択的に切り替え、外部信号によるアドレスジャンプ及びクロック切替動作を、ビットデータ内の任意の切替ビットデータを基にして行うものである。
【００２７】
請求項３の発明に係るＲＦ制御装置の記憶手段は、１つの運転パターンに対応しメモリ記憶領域を複数個有するとともに、それらのメモリ記憶領域を、加速器の運転用のパターンデータの作成等を行う上位計算機とデータ通信を制御する上位通信制御機能、あるいはフィードバック制御手段における演算機能へリファレンス信号の読み出しを行う機能によりアクセスできるとともに、演算機能の予め指定したデータを上記メモリ記憶領域に書込みできるメモリアクセス制御手段を備えたものである。
【００２８】
請求項４の発明に係るＲＦ制御装置のフィードバック制御手段は、メモリアクセス制御手段が読み出したリファレンス信号とビーム位置、位相、電圧のモニタ信号を読み込み、ビーム位置モニタ信号よりビーム位置リファレンス信号の減算、減算結果を定数に基づく比例積分演算、比例積分演算結果と定数との乗算、位相モニタ信号と定数との乗算、各乗算結果と周波数リファレンス信号への加算を行い、ディジタル周波数発振器で周波数信号を発生させるとともに、電圧モニタ信号と電圧リファレンス信号の減算、減算結果と定数との乗算を行い周波数信号の振幅を設定する周波数データ演算手段と、各定数を加速サイクル毎に書換え可能な機能を備えたものである。
【００２９】
請求項５の発明に係るＲＦ制御装置の記憶手段は、演算用定数を複数個記憶する定数メモリ機能、ビットデータ内に定数を切替えるための定数切替ビットを有するメモリ機能を有し、前記定数切替ビット又は外部信号、出力周波数によって前記定数メモリ機能から定数を読み出すものである。
【００３０】
請求項６の発明に係るＲＦ制御装置の周波数データ演算手段は、基準クロックに従って逐次更新してディジタル周波数発振器に与える周波数データ、及び高周波信号の振幅を示すデータの更新毎の変化量に上限、下限を設定する機能を備えたものである。
請求項７の発明に係るＲＦ制御装置は、その構成の少なくとも一部をプログラマブル半導体デバイスの一種であるＦＰＧＡ（フィルド・プログラマブル・ゲート・アレイ）を用いて構成したものである。
請求項８の発明に係るＲＦ制御装置の応用システムは、請求項１ないし６のＲＦ制御装置により加速器を駆動してビームを出射するものである。
請求項９の発明に係るＲＦ制御装置の応用システムは、請求項１ないし７のＲｆ制御装置により駆動される加速器から射出されるビームを照射装置に導き、この照射装置によってビームを患部に照射するようにしたものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るＲＦ制御装置の構成を示す図である。図において、５０は加速空胴を制御するためのデータを保存し、逐次フィードバック制御部５９にリファレンス信号を送るメモリモジュール、５９はフィードバックのための演算を行うフィードバック制御部、６２は周波数設定部であり、周波数発生器、ＡＭ変調器、ゲイン調整アンプなどから構成される。６３は各モニタで検出したアナログ検出信号１０３〜１０５をディジタル信号に変換するＡＤ変換部である。
【００３２】
また、５１は上位計算機との通信を制御する上位通信制御部、５２ａは加速空胴を制御するためのパターンデータを保存するメモリ記憶領域である。５７はデータ読み出し機能部であり、パターン制御方法を設定するパターン制御設定部５３、メモリクロック切替信号を設定するメモリクロック切替制御部５４、パターンデータ読み出し用のメモリクロックの制御などを行う運転パターンタイミング制御部５５、演算用のメモリ制御を行う演算用メモリ制御部５６から構成される。
【００３３】
更に、５０はメモリモジュールであり、上位通信制御部５１、メモリ記憶領域５２ａ、データ読み出し機能部５７、メモリアクセス制御部５８ａを含む。
尚、従来例で言えば、メモリモジュール８、ディジタル制御回路９、ディジタルシンセサイザ１０、ＡＭ変調器１１を合わせたものが、本発明のＲＦ制御装置に相当する。
【００３４】
また、ビーム位置モニタ信号１０３は位置ずれ制御ループ２１、ビーム位相モニタ信号１０４は位相制御ループ２０、電圧モニタ信号１０５は空胴電圧制御ループ２２を示す。Ｂクロックはタイミングシステムを介して入力され、イベント信号１０２としては、マスタ信号、運転開始信号、メモリクロック停止、再開信号、メモリクロック切替イベント、各モニタの制御を行うモニタ制御信号（各モニタ毎に独立）、Ｔクロック、Ｂ（＋）クロック、Ｂ（−）クロックを用いる。
【００３５】
ここで、メモリ記憶領域５２ａについて詳細に説明する。メモリ記憶領域５２ａは、運転パターンの種類と使用するメモリクロックを示すパターン制御データと、各データ領域の読み出し開始データの番地を示すスタートアドレスをもつ制御データ記憶領域６０、各運転期間に対応したデータ領域をもつデータ記憶領域６１から構成される。
【００３６】
データ記憶領域６１の各記憶領域にはクロック毎に読み出す順に一連のデータが格納されている。そして各一連のデータは各アドレス毎に格納され、一連のデータは、２０ｂｉｔの周波数リファレンスデータ、１２ｂｉｔの電圧リファレンスデータ、１２ｂｉｔのビーム位置リファレンスデータ、４ｂｉｔのビット制御データのパターンデータから構成される。各データ領域の最終データは、ビット制御データによって示すか、又はスタートアドレスと同様に制御データ記憶領域に最終データの番地を示してもよい。
【００３７】
尚、パターン制御設定部５３は、メモリ記憶領域５２ａの制御データ記憶領域６０の０番地から読み出されたパターン制御データ１１７に従って、クロック切替及びスタートアドレス切替の順序付けを示すパターン制御指令１２８を設定し、メモリ切替制御部５４は、上位計算機からの指令により、メモリクロック切替方法をメモリクロック切替イベント１２９及び最終切替ビット１１８を用いた切替か、理想切替ビット１１９による切替を行うかの設定し、運転パターンタイミング制御部５５にメモリクロック切替信号１２１を出力する。
【００３８】
次に本装置におけるメモリアドレス制御およびメモリクロック切替え方法について説明する。例として、通常運転で、Ｔクロックを使用し、メモリクロック切替方法は、メモリクロック切替イベント１２９と最終切替データビット１１８を用いた場合について説明する。
【００３９】
まず、メモリ記憶領域５２ａにパターンデータの書込みを行うために上位計算機は、パターンデータの書込み指令及びパターンデータを上位通信制御部５１に出力する。上位通信制御部５１からデータ転送用データ１１１とデータ転送用メモリ制御信号１１０を受けたメモリアクセス制御部５８は、データ転送用データ１１１をメモリデータ１２４とし、データ転送用メモリ制御信号１１０に従ってメモリアドレス１２３及びメモリ制御信号１２２を出力し、メモリ記憶領域５２ａに随時書込みを行う。
【００４０】
サイクル運転に関しては、まず運転パターンタイミング制御部５５は、運転開始指令１０８に従い、パターン制御データ読み出し指令１１４を出力する。演算用メモリ制御部５６は、パターン制御データが保存されている０番地を読み出すように、演算用メモリ制御信号１１５を出力する。メモリアクセス制御部５８は演算用メモリ制御信号１１５に従ってメモリアドレス１２３及びメモリ制御信号１１２を出力し、０番地のパターン制御データ１１７を読み出し、パターン制御設定部５３に出力する。
【００４１】
パターン制御データ１１７によって、運転の種類が通常運転であり、クロックがＴクロックであることが示されるため、パターン制御設定部５３は、クロック切替及びスタートアドレス切替の順序付けを示すパターン制御指令１２８を運転パターンタイミング制御部５５に出力する。また、メモリクロック切替制御部５４は、メモリクロック切替指令１０９に従い、運転パターンタイミング制御部５５にメモリクロック切替信号１２１を出力する。
【００４２】
運転パターンタイミング制御部５５は、パターン制御指令１２８に従い、イベント信号１０２である運転開始信号の立上がりで、データ領域＃１のスタートアドレスが格納されている１番地を読み出すためにスタートアドレス制御信号を出力し、演算用メモリ制御部５６は、スタートアドレス制御信号１１２に従って演算用メモリ制御信号１１５を出力する。
【００４３】
メモリアクセス制御部５８ａは、データ領域＃１のスタートアドレスを読み出し、演算用メモリ制御部５６に渡す。データ領域の読み出しは、イベント信号１０２であるＴクロックに同期したメモリクロック１１３に従って、データ領域＃１のスタートアドレスからアドレスを逐次インクリメントしながら演算用メモリ制御信号１１５を出力する。メモリアクセス制御部５８ａは、演算用メモリ制御信号１１５に従ってメモリアドレス１２３、メモリ制御信号１２４を出力してメモリデータ１２３を読み出し、周波数リファレンスデータ１２５、ビーム位置リファレンスデータ１２６、電圧リファレンスデータ１２７をフィードバック制御部５６に、また最終切替ビット１１８及び理想切替ビット１１９をメモリクロック切替制御部５４に出力する。
【００４４】
Ｔクロックをメモリクロック１１２として上記の動作を繰り返し、イベント信号１０２であるメモリクロック切替イベント１２９をメモリクロック切替信号１２１として受け取った運転パターンタイミング制御部５５は、メモリ記憶領域５２ａの２番地からデータ領域＃２のスタートアドレスを読み出すようにスタートアドレス制御信号１１２を出力し、スタートアドレス１１６の読み出しを行い、イベント信号１０２であるＢ（＋）クロックに同期してメモリクロック１１３を出力する。
【００４５】
同時に、新たに読み出したスタートアドレスからメモリクロック１１３に従いアドレスを逐次インクリメントしながら周波数リファレンスデータ１２５、ビーム位置リファレンスデータ１２６、電圧リファレンスデータ１２７、最終切替ビット１１８、理想切替ビット１１９のデータを読み出す。以下同様にデータの読み出しを行う。
【００４６】
ここで、イベント信号１０２であるメモリクロック切替イベントよりデータ記憶領域から読み出されるデータのビットデータ内の最終切替ビット１１８が先に入力された場合は最終切替ビット１１８により上記のメモリクロックの設定、スタートアドレスの読み出しが行われる。
【００４７】
メモリクロック切替方法は、理想切替ビットのみ、またはメモリクロック切替イベントと最終切替ビットのみの構成でもよい。
【００４８】
以上のようにこの発明によれば、イベント信号１０２であるメモリクロック切替イベントがノイズ等で検知されなかった場合、メモリ記憶領域５２ａの最終切替ビット１１８をリミッタとして使用することができ、支障なく運転が続けられる。
【００４９】
従来では外部のタイミングシステムにより与えられたタイミングでしかメモリクロックの切替が行えなかった。しかし、切替ビットを用いることにより、切替のタイミングを高周波系だけで独立に決めることができ、タイミングシステムとのインターフェースが削減できる。
【００５０】
また切替のタイミング精度をタイミングシステムの分解能に依存せずに決めることができる。通常、高周波系はシンクロトロンの他の機器よりも厳しい分解能が要求されるため、高周波系が分離できることでタイミングシステム全体の分解能を下げることができる。
【００５１】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、１個のバンクから構成されるメモリ記憶領域５２ａを有する場合について述べた。実施の形態２に係るＲＦ制御装置は、図２に示すように、実施の形態１と同様の機能を持つデータ読み出し機能５７、フィードバック制御部５９、周波数設定部６２、ＡＤ変換部６３、そして本実施の形態に係るバンクを複数個有するメモリ記憶領域５２ｂ、上位計算機とのデータ転送制御と、フィードバック制御部５９へのパターンデータの読み出し制御を各々制御するとともに、演算部の予め指定したデータをメモリ記憶領域５２ｂの指定したバンクに保存するための制御を行うメモリアクセス制御部５８ｂから構成される。尚、図中で周波数設定部６２、ＡＤ変換部６３は省略する。
【００５２】
次に本実施の形態に係るメモリ記憶領域５２ｂの構成に関して詳細に説明する。１つの運転パターンに対応する記憶バンクを複数個有するメモリ機能は、１個以上のバンクから構成される２つのブロック＃１，＃２から構成され、それぞれのブロックごとに独立にメモリアドレス、メモリ制御信号、メモリデータを持つ。
尚、メモリアクセス制御部５８ｂは、データ転送用、演算用の制御信号をどのブロックのどのバンクに出力するか、また、データの入出力先の設定、予め設定された演算データの保存バンクの指定及び保存のタイミング設定を行う。
【００５３】
次に本実施の形態の動作について説明する。
ブロック＃１のバンク＃１から演算用にパターンデータを読み出し、ブロック＃２のバンク＃１１に上位計算機からパターンデータを転送する場合の運転の例を示す。
【００５４】
まず、バンク＃１に上位計算機よりパターンデータは書き込まれているものとして、バンク＃１からパターンデータの読み出しを行うように上位計算機からの指令を受け取った上位通信制御部５１は、イベント信号１０２のマスタ信号に同期して、メモリアクセス制御部５８ｂに、ブロック＃１のバンク＃１からパターンデータを読み出すように制御別バンク指定１３０を出力する。
又、運転開始指令１０８を運転パターンタイミング制御部５５に出力し、実施の形態１と同様に、パターンデータの読み出しを行う。
【００５５】
一方、上位計算機はバンク＃１１にパターンデータを書き込むように上位通信制御部５１に指令とデータを送る。バンク＃１１がブロック＃２で、ブロック＃２においてメモリアクセスがされていないことを判断した上位通信制御部５１は、ブロック＃２のバンク＃１１にデータ転送を行うように、制御バンク指定１３０を出力し、予め設定された手順に従って、バンク＃１１へのデータ転送を行う。
【００５６】
メモリアクセス制御部５８ｂにデータ転送制御と演算用の読み出し制御のタイミング制御を備えることで、各々ブロックごとに独立なメモリアドレス、メモリ制御信号、メモリデータを持たなくとも、共通なものとして構成してもよい。
【００５７】
周波数設定データ、位置モニタ信号等の演算データをメモリに書き込む場合の運転方法の例を示す。
【００５８】
バンク＃１から演算用のパターンデータの読み出しを行い、バンク＃３に演算データの書込みを行う場合の運転を示す。
【００５９】
バンク＃１からパターンデータの読み出しを行い、バンク＃３に演算データの書込みを行うように上位計算機からの指令を受け取った上位通信制御部５１は、イベント信号１０２のマスタ信号に同期して、メモリアクセス制御部５８ｂに、パターンデータの読み出しをバンク＃１から行い、バンク＃３に演算データの書込みを行うように制御別バンク指定１３０を出力し、同時に運転開始指令１０８を運転パターンタイミング制御部５５に出力する。そして、上記と同様にデータの読み出しを行う。
【００６０】
フィードバック制御部５９は、読み出したパターンデータによる演算処理後、予め設定された出力周波数値、位置モニタ信号などの演算データをメモリアクセス制御部５８ｂに出力する。演算データを受け取ったメモリアクセス制御部５８ｂは、バンク＃１で読み出しを行う時に用いたアドレスをそのまま使用してバンク＃３に演算データの書込みを行う。以下同様にバンク＃１からパターンデータを読み出すごとに、バンク＃３に演算データを書き込む。
尚、演算データの書込みを行うバンクは、読み出しを行うバンクと同一ブロック内でなくてもよい。
【００６１】
以上のようにこの発明によれば、
パターンデータだけでなく、演算データも上位計算機に読み出しができる。上位計算機に読み出した演算データを予め設定された方法に従って修正し、そのパターンデータを再び指定されたメモリ記憶内のバンクに書き込み、運転することで、繰返し制御ができる。
【００６２】
また、出力周波数値、モニタ信号等の演算データを上位計算機に読み出すことで運転中のビーム状態のモニタができる。
【００６３】
また、複数個のバンクを有することでサイクル毎に切替えて運転する時、サイクル間に上位計算機から書き込みを行う必要がなく、あらかじめバンクに保存されたデータを使用するため、信頼性が向上するとともに、切替が短時間で可能となる。加速器の建設が終了した時点でのビーム調整ではあらかじめ最適なバターンデータがわかっていることは少なく、これらはビームを用いた測定から実験的に求められることが多い。このため複数のパターンデータをバンクに書き込んでおくことにより、最適なパターンデータを見つける時間を短縮化することができる。
【００６４】
実施の形態３．
実施の形態３に係るＲＦ制御装置は、図３に示すように高周波加速空胴を制御するためのデータを保存し、逐次フィードバック制御にリファレンス信号を送るメモリモジュール５０と、パターン毎に演算定数の切替ができるフィードバック制御部５９、周波数発振器、ゲイン調整アンプなどから構成される周波数設定部６２、ＡＤ変換部６３から構成される。
【００６５】
フィードバック制御部５９の構成に関して詳細に説明する。フィードバック制御部５９は、タイミングシステムからのイベント信号１０２に基づき、データの更新を行うための一定周期の演算開始クロックを生成し、メモリモジュールからのリファレンス信号、モニタ信号、出力データの更新のタイミング制御を行う演算タイミング制御部７１と、リファレンス信号、モニタ信号、定数を用いてフィードバックのための演算を行う演算機能７２、書換えを行う定数を一時的に保持し、各定数を演算機能７２に出力する定数バッファ７３ａ、リファレンス信号を保持し、演算機能７２に出力するデータバッファ７４ａから構成される。
【００６６】
尚、演算機能７２は、ＡＤ変換部６３でディジタル変換されたモニタ信号を保持するラッチ７８、加算７９、減算８０、乗算８１、比例積分８２といった演算器、周波数設定データ１０６、振幅設定データ１０７の出力タイミングをあわせるための出力制御部８３から構成される。
ここでは周波数設定部６２、ＡＤ変換部６３に関する詳細は省く。
【００６７】
次に本実施の形態に係るフィードバック制御部の動作説明を行う。
イベント信号１０２である運転開始信号を受けて、演算タイミング制御部７１は、一定周期の演算開始クロックを生成する。また、メモリモジュールよりリファレンス信号がデータバッファ７４ａに格納されると、演算開始クロックと同期してリファレンス信号を演算機能７２に出力する。
【００６８】
一方、イベント信号１０２であるモニタ制御信号を受けた演算タイミング制御部７１はモニタ信号をラッチするためのモニタイネーブル信号１４４を演算開始クロックと同期して出力する。演算機能７２は、演算開始クロックによって演算を開始し、ビーム位置リファレンス信号１２６とビーム位置モニタ信号１４１を減算し、定数ｇ３に基づき比例積分を行い、定数ｇ４との乗算を行ったデータと、ビーム位相モニタ信号１４２と定数ｇ２を乗算したデータと周波数リファレンス信号１２５を加算し、周波数設定を行う。
【００６９】
また、電圧リファレンス信号１２７と電圧モニタ信号１４３を減算し、定数ｇ１との乗算を行い、振幅設定を行う。演算終了の出力イネーブル信号１４５で周波数設定データ１０６、振幅設定データ１０７の出力を行う。周波数設定部６２は、周波数設定データ１０６、振幅設定データ１０７に基づき、周波数設定部６２などで周波数に変換し、ゲイン調整アンプで振幅を設定し、周波数１０１として出力する。演算開始クロックごとにモニタ信号は更新され、演算処理、周波数設定データ１０６、振幅設定データ１０７の更新を行う。
【００７０】
リファレンス信号は、データバッファ７４ａに格納されている場合のみ演算開始クロックと同期してデータを更新する。モニタ制御信号がＯＦＦの信号の場合、モニタ信号は入力されないため、演算処理は、モニタ信号を０として処理を行う。また、定数バッファ７３ａに、パターン運転中に上位計算機からの指令で新たな定数が格納されている場合、マスタ信号と同期して定数の更新をし、次の運転からは、新たな定数で上記と同様の運転を行う。
【００７１】
以上のようにこの発明によればサイクル運転毎にフィードバックの定数を変更することができ、加速器の調整を容易に行うことができる。
加速器の建設が終了した時点でのビーム調整ではあらかじめ最適なフィードバック定数、およびフィルタ定数などがわかっていることは少なく、これらはビームを用いた測定から実験的に求められることが多いが、本実施の形態のようにサイクル毎にこれらの定数を変化できることで定数の最適化が容易となる。
また、ディジタル演算によるフィードバック制御を行なっているため、安定で、信頼性の高い運転を行うことができる。
【００７２】
実施の形態４．
図４は、実施の形態３に記載の演算タイミング制御部７１、演算機能７２、演算機能７２に出力する各定数を保持する定数バッファ７３ａ、上記記載のパターンデータ以外に定数切替ビットデータを記憶するデータバッファ７４ｂ、定数メモリ領域より定数を読み出すための定数制御部９１、サイクル運転内で使用する複数の定数を記憶している定数メモリ領域９２から構成される実施の形態４に係るのフィードバック制御部の構成図である。尚、図中で演算機能７２からの出力は省略する。
また、実施例の形態１で示したバンク記憶領域のビット制御データの１ｂｉｔを定数切替ビットとするか、またはビット制御データを１ｂｉｔ増やした構成とする。
【００７３】
次に本実施の形態の動作について説明する。
演算開始前のマスタ信号によって、定数メモリ領域の０番地の各定数を読み出し、定数バッファ７３ｂに格納する。データバッファ７４ｂより定数切替ビットを受け取った定数制御部９１は、演算開始クロックと同期して定数メモリ領域９２にアドレスをインクリメントして１番地の各定数を読み出し、定数バッファ７３ｂの定数を更新する。定数切替ビットが入力されるごとに定数メモリ領域に出力するアドレスをインクリメントし、随時読み出しを行い、定数を更新する。
【００７４】
以上のようにこの発明によれば、サイクル運転中に任意の時点で定数を変えることができるため、想定される運転状況に応じた最適な定数を設定でき、不安定性の制御に有利である。
また、シンクロトロンの運転では、トランジションと呼ばれるあるエネルギーを境界に位相の符号が反転する。従って、加速中にこのエネルギーを通過する場合は瞬時にフィードバック回路の符号を反転させる必要がある。
【００７５】
本実施の形態によれば、符号の反転は容易であり、反転するタイミングも設定が自在となる。さらに、加速器で発生するエネルギーに依存する様々なビーム不安定性に対し、位相だけでなく、電圧制御の定数もエネルギーに応じて変化させることができる。
【００７６】
実施の形態５．
図５は、演算タイミング制御部７１、演算機能７２、定数バッファ７３ａ、データバッファ７４ｂ、定数制御部９１、定数メモリ機能９２から構成される実施の形態５に係るフィードバック制御部の構成図である。尚、図中で演算機能７２からの出力は省略する。
【００７７】
本実施の形態であＨ、定数切替ビットで行なっていた定数メモリ領域９２からの読み出しを、イベント信号１０２からの定数切替イベントで行う点が上記実施の形態４と異なる。
【００７８】
以上のように本実施の形態によれば、サイクル運転中に外部からの指令により、定数を変えることができ、例えば、ビーム擾乱をモニタし、それによってフィードバック定数を変えることにより、不安定性の制御に有利である。
【００７９】
実施の形態６．
図６は、演算タイミング制御部７１、演算機能７２、定数バッファ７３ａ、データバッファ７４ｂ、定数制御部９１、定数メモリ機能９２演算機能７２より周波数設定データ１０６を受取り、予め設定されているしきい値と比較する比較器９３から構成される実施の形態６に係るフィードバック制御部の構成図である。尚、図中で演算機能７２からの出力は省略する。
【００８０】
本実施の形態に係るフィードバック制御部は定数切替ビット１５１で又は定数切替イベント１５２で行なっていた定数メモリ領域９２からの読み出しを、比較器９３において周波数設定データと予め設定したしきい値と比較する点が実施の形態５と異なる。
【００８１】
以上のようにこの発明によれば、サイクル運転中に加速周波数に応じた最適な定数の設定ができ、不安定性を制御するのに有利である。
【００８２】
実施の形態７．
実施の形態７は、実施の形態４から６に示した２つ又は３つ定数切替方法を有する演算タイミング制御と定数切替制御機能を有する演算タイミング制御機能を備え、上位計算機からの指令によって定数切替方法を設定することができる。
【００８３】
以上のようにこの発明によれば、複数の切替方法をもつことで、多様な運転を行うことができる。
【００８４】
実施の形態８．
図７は、実施の形態３に示す出力制御部８３において、周波数設定データと振幅設定データの更新ごとの変化量に上限、下限を設定し、設定値以上に周波数と振幅が変化しないように出力の制御を行う機能を備えたものである。８３ｂは本実施の形態に係る出力制御部である。他の構成に関しては実施の形態３と同様である。
【００８５】
実施の形態３と動作の異なる出力制御部８３ｂの出力信号を制限する動作の一例を説明する。演算クロックによって更新される周波数設定データ１０６と振幅設定データ１０７をそれぞれ一つ前のデータと減算を行い、求められた変化量と予め設定されたそれぞれの変化量の上限、下限の設定値との比較を行い、変化量が設定値内の場合はそのままデータの更新を行い、変化量が設定値以上の場合は、超過分を加算または減算してデータの更新を行う。
【００８６】
以上のよう本実施の形態によれば不必要な周波数応答を抑えることができるため、安定な加速器の運転が可能となる。また、なんらかの理由でフィードバック制御に支障を生じた場合にも高周波増幅器などの保護となる。
尚、上記各実施の形態に係るＲＦ制御装置は、その構成の少なくとも一部をプログラマブル半導体デバイスの一種であるＦＰＧＡ（フィルド・プログラマブル・ゲート・アレイ）を用いて構成することもできる。
【００８７】
実施の形態９．
図８は上記ＲＦ制御装置を高周波ビーム出射装置に適用した例を示す図である。文献２（Ｐ．Ｓｔｒｏｌｉｎ  “Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ｆｒｏｍ  ｔｈｅ  ＣＥＲＮ  Ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｎｇ  Ｓｔｏｒｇａｅ  Ｒｉｎｇｓ”，  ＣＥＲＮ  ６９−６  （１９６９））に記載されてあるようにシンクロトロンからビームを出射する手段として、高周波ノックアウト電極２９とよばれる装置が用いられる。
【００８８】
このビーム出射方法では高周波ノックアウト電極２９の２つの電極間にＲＦ制御装置より出力されパワーアンプ３１で増幅された特定の周波数の高周波を印加することでシンクロトロン内を周回するビームに摂動を与え、ビームの一部の粒子に不安定性を起こさせる。
【００８９】
出射にあたっては電極に印加される高周波の振幅、および周波数のリアルタイム制御をＲＦ制御装置におけるディジタルシンセサイザー１０，ＡＭ変調器１１にて行う。また、ビーム電流波形をビーム電流モニタ２７計測し、その情報をＡＭ変調器１１にフィードバックをすることで、出射ビームの電流波形が所望の形になるようすることが一般的である。
このような装置にも上記高周波モジュールを適用すれば、上記に述べた理由によりフィードバック制御のパラメータ調整が容易となる。
【００９０】
実施の形態１０．
図９は上記高周波制御モジュールを用いた加速器と患者にビームを当てる照射装置とを組み合わせた癌治療装置の例である。照射装置は例えば文献３（三菱電機技報  Ｖｏｌ．６９  Ｎｏ２  （１９９５）  ｐ３４    上田和宏他「ＨＩＭＡＣ用治療・照射システム」）に示されているものと同じでよい。
【００９１】
尚、図中、図１０，１１と同一符号は同一または相当部分を示す。図において、６は入射ビームを加速して入射装置５に注入する前段加速器である。２４は照射装置であり、この照射装置は出射装置７より出射されたビームを患者の患部に照射する。高周波制御モジュール及び加速器の動作は図１０，図１１により説明したものと同様である。
【００９２】
【発明の効果】
この発明によれば、環状加速器の偏向磁界の変化を示すフラットベース期間、加速期間、フラットトップ期間及び減速期間に対応させて計算機で予め作成した複数の運転パターンに対応する加速空胴駆動用の高周波信号の周波数リファレンス信号、電圧リファレンス信号、ビーム位置リファレンス信号及び記憶領域の最終データを知らせる最終切替ビットであるビットデータ（切替ビット）列を外部クロックで読み出すように各領域毎に記憶したデータ記憶領域およびパターン情報及び各領域のデータ列のスタートアドレスを記憶した制御データ記憶領域から構成される記憶手段と、外部信号またはビットデータ内の最終切替ビットに応じて、前記記憶手段のデータ読み出しクロックの周期を異なる周期に切り替えるとともに、前記制御データ記憶領域に予め記憶されたアドレス情報をもとに読み出しデータの領域を切り替えるメモリ制御手段と、前記記憶手段より読み出した高周波信号の周波数リファレンス信号、電圧リファレンス信号、ビーム位置リファレンス信号とビーム位置、位相、電圧に対応するモニタ信号とを比較して加速空胴を駆動する高周波信号の周波数、電圧をフィードバック制御するフィードバック制御手段とを備えたので、繰り返し制御を行えるため加速器の立ち上げ時の調整を容易にできるという効果がある。
【００９３】
この発明によれば、メモリ制御手段はタイミングシステムが発生する一定間隔のＴクロック、環状加速器の偏向磁界の変化に応じて出力されるＢクロックを選択的に切り替えることで、ＢクロックとＴクロックの切替が容易になり加速器の運転をフレキシブルにすることができるという効果がある。
【００９４】
この発明によれば、外部信号によるアドレスジャンプ及びクロック切替動作を、ビットデータ内の任意の切替ビットデータを基にして行うことで、切り替えタイミングを高周波系だけで独立に決めることができるためタイミングシステムとのインターフェースが削減でき、タイミングシステム全体の分解能を下げることができるという効果がある。
【００９５】
この発明によれば、記憶手段は１つの運転パターンに対応しメモリ記憶領域を複数個有するとともに、それらのメモリ記憶領域を、加速器の運転用のパターンデータの作成等を行う上位計算機とデータ通信を制御する上位通信制御機能、あるいはフィードバック制御手段における演算機能へリファレンス信号の読み出しを行う機能によりアクセスできるとともに、演算機能の予め指定したデータを上記メモリ記憶領域に書込みできるメモリアクセス制御手段を備えたので、サイクル毎にパターンデータを切り替えて運転するとときに、サイクル間に上位計算機から書き込みを行う必要がなく、予めメモり領域に保存されたデータを使用することで信頼性が向上すると共に、切り替えが短時間で行えるという効果がある。
【００９６】
この発明によればフィードバック制御手段は、メモリアクセス制御手段が読み出したリファレンス信号とビーム位置、位相、電圧のモニタ信号を読み込み、ビーム位置モニタ信号よりビーム位置リファレンス信号の減算、減算結果を定数に基づく比例積分演算、比例積分演算結果と定数との乗算、位相モニタ信号と定数との乗算、各乗算結果と周波数リファレンス信号への加算を行い、ディジタル周波数発振器で周波数信号を発生させるとともに、電圧モニタ信号と電圧リファレンス信号の減算、減算結果と定数との乗算を行い周波数信号の振幅を設定する周波数データ演算手段と、各定数を加速サイクル毎に書換え可能な機能を備えたので、サイクル運転毎にフィードバックの定数を更新することができ、加速器の調整を容易に行うことができるという効果がある。
【００９７】
この発明によれば、記憶手段は演算用定数を複数個記憶する定数メモリ機能、ビットデータ内に定数を切替えるための定数切替ビットを有するメモリ機能を有し、前記定数切替ビット又は外部信号、出力周波数によって前記定数メモリ機能から定数を読み出すことで、サイクル運転中に任意の時点で定数を替えることができるため、想定される運転状況に応じた最適な定数を設定できるという効果がある。
【００９８】
この発明によれば、周波数データ演算手段は基準クロックに従って逐次更新してディジタル周波数発振器に与える周波数データ、及び周波数信号の振幅を示すデータの更新毎の変化量に上限、下限を設定する機能を備えたので、不必要な周波数応答を抑制することができるため、安定した加速器の運転が可能になるという効果がある。
【００９９】
この発明によれば、装置の立ち上げから実際のビ−ム照射による治療までの時間を短縮できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態  １に係わるＲＦ制御装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態  ２に係わるＲＦ制御装置の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態  ３に係わるＲＦ制御装置の構成図である。
【図４】本発明の実施の形態  ４に係わるフィードバック制御の構成図である。
【図５】本発明の実施の形態  ５に係わるフィードバック制御の構成図である。
【図６】本発明の実施の形態  ６に係わるフィードバック制御の構成図である。
【図７】本発明の実施の形態  ８に係わるフィードバック制御の構成図である。
【図８】本発明の実施の形態  ９に係わる高周波ビーム出射装置の構成図である。
【図９】本発明の実施の形態  １０に係わる癌治療装置の構成図である。
【図１０】従来の環状加速器の構成図である。
【図１１】一般的な加速制御システムの説明である。
【図１２】シンクロトロンの加速に用いられる一般的な運転方法の説明である。
【符号の説明】
１  偏向電磁石、２  加速空胴、３  真空ダクト、４  ビームモニタ、５  入射装置、６  前段加速器、７  出射装置、８  メモリモジュール、９  ディジタル制御回路、１０  ディジタルシンセサイザ、１１  ＡＭ変調器、１２  パワーアンプ、１３  電圧モニタ、１４  位相モニタ回路、１５  位置モニタ回路、１６  タイミングシステム、１７  磁場モニタ、１８  Ｂクロック発生装置、１９計算機、２０  位相制御ループ、２１  位置ずれ制御ループ、空胴電圧制御ループ５０  メモリモジュール、５１  上位通信制御、５２ａ、５２ｂ  メモリ記憶領域、５３  パターン制御設定部、５４  メモリクロック切替制御部、５５  運転パターンタイミング制御部、５６  演算メモリ制御部、５７  データ読み出し部、５８ａ、５８ｂ  メモリアクセス制御部、５９  フィードバック制御部、６０  制御データ記憶領域、６１  データ記憶領域、６２  周波数設定部、６３ＡＤ変換部、７１  演算タイミング制御部、７２  演算機能、７３ａ、７３ｂ定数バッファ、８３ｂ  出力制御部、９１  定数制御部、９２  定数メモリ領域、９３  比較器。
【図１】
0003574345.tif 000002
【図２】
0003574345.tif 000003
【図３】
0003574345.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003574345.tif 000008
【図８】
0003574345.tif 000009
【図９】
0003574345.tif 000010
【図１０】
0003574345.tif 000011
【図１１】
0003574345.tif 000012
【図１２】
0003574345.tif 000013