(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを第１方向に走査する第１走査電磁石と、荷電粒子ビームを前記第１方向と直交する第２方向に走査する第２走査電磁石と、前記第１走査電磁石に電圧を印加する第１電源と、前記第２走査電磁石に電圧を印加する第２電源とを備え、荷電粒子ビームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム照射装置において、
前記第１電源及び前記第２電源は、それぞれ、脈動成分を除去するフィルタを有しない第１電源部及び脈動成分を除去するフィルタを有する第２電源部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２】
前記第１電源の前記第１電源部、及び前記第１電源の前記第２電源部への電圧指令値をそれぞれ出力する第１制御装置と、前記第２電源の前記第１電源部、及び前記第２電源の前記第２電源部への電圧指令値をそれぞれ出力する第２制御装置とを有し、
前記第１電源の前記第１電源部及び前記第２電源部は前記第１制御装置から出力された前記電圧指令に基づいた電圧を、前記第２電源の前記第１電源部及び前記第２電源部は前記第２制御装置から出力された前記電圧指令に基づいた電圧を、それぞれ出力することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項３】
荷電粒子ビームを前記照射対象における第１照射領域に照射した後、前記照射対象内の前記第１方向における第２照射領域に荷電粒子ビームを照射する場合に、荷電粒子ビームが照射される位置を前記第１照射領域から前記第２照射領域に移動させるのに前記第１走査電磁石において必要とされる励磁電流の変化量と、荷電粒子ビームの照射される位置を前記第１照射領域から前記第２照射領域に移動させるのに要する移動時間とに基づいて、前記第１電源の前記第１電源部に与える電圧指令値を演算すると共に、荷電粒子ビームが照射される位置を前記第２照射領域に保持するのに前記第１走査電磁石において必要とされる励磁電流の値と、前記第１走査電磁石の抵抗値とに基づいて、前記第１電源の前記第２電源部に与える電圧指令値を演算し、演算により求めた電圧指令値を前記第１電源の前記第１電源部及び前記第２電源部に出力する第１制御装置を有し、
前記第１電源の前記第１電源部及び前記第２電源部は、前記第１制御装置から出力された電圧指令値に基づいた電圧を出力することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項４】
前記第１制御装置は、前記第１電源の前記第１電源部に電圧指令値を出力してから前記移動時間が経過した時点で、前記第１電源の前記第１電源部への電圧指令値の出力を停止し、前記第１電源の前記第１電源部は、前記第１制御装置による電圧指令値の出力が停止されたときに電圧の出力を停止することを特徴とする請求項３記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項５】
荷電粒子ビームを第１方向に偏向する第１走査電磁石と、荷電粒子ビームを前記第１方向と直交する第２方向に偏向する第２走査電磁石と、前記第１走査電磁石に電圧を印加する第１電源と、前記第２走査電磁石に電圧を印加する第２電源とを備え、荷電粒子ビームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム照射装置において、
前記第１電源及び第２電源は、それぞれ、脈動成分を除去するフィルタがなく直流電圧を出力する第１インバータと、直流電圧を出力する第２インバータと、前記第２インバータの出力端に直列に接続された脈動成分を除去するフィルタとを有し、
前記第１走査電磁石は、前記第１電源の前記第１インバータ及び前記脈動成分を除去するフィルタに接続され、
前記第２走査電磁石は、前記第２電源の前記第１インバータ及び前記脈動成分を除去するフィルタに接続されることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項６】
前記第１電源は、前記第１電源の前記第１インバータの出力電圧の値を制御する第１制御手段と、前記第１電源の前記第２インバータの出力電圧の値を制御する第２制御手段とを有し、
前記第１制御手段に対して前記第１電源の前記第１インバータの出力電圧の値を指示し、かつ前記第２制御手段に対して前記第１電源の前記第２インバータの出力電圧の値を指示する第１走査電磁石制御装置を備え、
前記第２電源は、前記第２電源の前記第１インバータの出力電圧の値を制御する第３制御手段と、前記第２電源の前記第２インバータの出力電圧の値を制御する第４制御手段とを有し、
前記第３制御手段に対して前記第２電源の前記第１インバータの出力電圧の値を指示し、かつ前記第４制御手段に対して前記第１電源の前記第２インバータの出力電圧の値を指示する第２走査電磁石制御装置を備えたことを特徴とする請求項５記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項７】
荷電粒子ビームを前記照射対象における第１照射領域に照射した後、前記照射対象内の前記第１方向における第２照射領域に荷電粒子ビームを照射する場合に、前記第１走査電磁石制御装置は、荷電粒子ビームが照射される位置を前記第１照射領域から前記第２照射領域に移動させるのに前記第１走査電磁石において必要とされる励磁電流の変化量と、荷電粒子ビームの照射される位置を前記第１照射領域から前記第２照射領域に移動させるのに要する移動時間とに基づいて、前記第１制御手段に指示する電圧値を演算すると共に、荷電粒子ビームが照射される位置を前記第２照射領域に保持するのに前記第１走査電磁石において必要とされる励磁電流の値と、前記第１走査電磁石の抵抗値とに基づいて、前記第２制御手段に指示する電圧値を演算し、演算により求めた電圧値を前記第１制御手段及び前記第２制御手段に出力し、前記第１制御手段及び前記第２制御手段は、前記第１走査電磁石制御装置から指示された電圧値に応じて前記第１電源の前記第１インバータ及び前記第２インバータの出力電圧の値を制御することを特徴とする請求項６記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項８】
前記第１走査電磁石制御装置は、前記第１制御手段に電圧値を出力してから前記移動時間が経過した時点で、前記第１制御手段への電圧値の出力を停止し、前記第１制御手段は、前記第１走査電磁石制御装置による電圧値の出力が停止されたときに前記第１電源の前記第１インバータをショート状態とすることを特徴とする請求項７記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項９】
前記第１走査電磁石に流れる励磁電流を検出する電流検出器を有し、
前記第１走査電磁石制御装置は、前記電流検出器により検出された励磁電流の値と、荷電粒子ビームが照射される位置を前記第２照射領域に保持するのに前記第１走査電磁石において必要とされる励磁電流の値とを比較して、前記電流検出器により検出された励磁電流の値が、荷電粒子ビームが照射される位置を前記第２照射領域に保持するのに前記第１走査電磁石において必要とされる励磁電流の値に達したときに、前記第１制御手段への電圧値の出力を停止し、前記第１制御手段は、前記第１走査電磁石制御装置による電圧値の出力が停止されたときに前記第１電源の前記第１インバータをショート状態とすることを特徴とする請求項７記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１０】
前記第２制御手段は、前記第１電源の前記第２インバータをＰＷＭ制御することを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１１】
荷電粒子ビームを前記照射対象における第３照射領域に照射した後、前記照射対象内の前記第２方向における第４照射領域に荷電粒子ビームを照射する場合に、荷電粒子ビームが照射される位置を前記第３照射領域から前記第４照射領域に移動させるのに前記第２走査電磁石において必要とされる励磁電流の変化量と、荷電粒子ビームの照射される位置を前記第３照射領域から前記第４照射領域に移動させるのに要する移動時間とに基づいて、前記第２電源の前記第１電源部に与える電圧指令値を演算すると共に、荷電粒子ビームが照射される位置を前記第４照射領域に保持するのに前記第２走査電磁石において必要とされる励磁電流の値と、前記第２走査電磁石の抵抗値とに基づいて、前記第２電源の前記第２電源部に与える電圧指令値を演算し、演算により求めた電圧指令値を前記第２電源の前記第１電源部及び前記第２電源部に出力する第２制御装置を有し、
前記第２電源内の前記第１電源部及び前記第２電源部は、前記第２制御装置から出力された電圧指令値に応じた電圧を出力することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１２】
前記第２制御装置は、前記第２電源の前記第１電源部に電圧指令値を出力してから前記移動時間が経過した時点で、前記第２電源の前記第１電源部への電圧指令値の出力を停止し、前記第２電源の前記第１電源部は、前記第２制御装置による電圧指令値の出力が停止されたときに電圧の出力を停止することを特徴とする請求項１１記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１３】
荷電粒子ビームを前記照射対象内の前記第２方向における第３照射領域に照射した後、前記照射対象における第４照射領域に荷電粒子ビームを照射する場合に、前記第２走査電磁石制御装置は、荷電粒子ビームが照射される位置を前記第３照射領域から前記第４照射領域に移動させるのに前記第２走査電磁石において必要とされる励磁電流の変化量と、荷電粒子ビームの照射される位置を前記第３照射領域から前記第４照射領域に移動させるのに要する移動時間とに基づいて、前記第３制御装置に指示する電圧値を演算すると共に、荷電粒子ビームが照射される位置を前記第４照射領域に保持するのに前記第２走査電磁石において必要とされる励磁電流の値と、前記第２走査電磁石の抵抗値とに基づいて、前記第４制御手段に指示する電圧値を演算し、演算により求めた電圧値を前記第３制御手段及び前記第４制御手段に出力し、前記第３制御手段及び前記第４制御手段は、前記第２走査電磁石制御装置から指示された電圧値に応じて前記第２電源内の前記第１インバータ及び前記第２インバータの出力電圧の値を制御することを特徴とする請求項６記載の荷電粒子ビーム照射装置。
【請求項１４】
荷電粒子ビームを第１方向に走査する第１走査電磁石と、荷電粒子ビームを前記第１方向と直交する第２方向に走査する第２走査電磁石と、前記第１走査電磁石に電圧を印加する第１電源と、前記第２走査電磁石に電圧を印加する第２電源とを備え、前記第１電源及び前記第２電源は、それぞれ、脈動成分を除去するフィルタを有しない第１電源部及び脈動成分を除去するフィルタを有する第２電源部を備える荷電粒子ビーム照射装置の制御方法であって、
荷電粒子ビームを前記照射対象内における第１照射領域に照射した後、荷電粒子ビームの照射を停止した状態で荷電粒子ビームの照射位置を前記第１照射領域から前記照射対象内の、前記第１方向における第２照射領域に変更するときに、前記第１走査電磁石に対して、荷電粒子ビームの照射位置を前記第１照射領域に保持するのに必要とされる、前記第２電源部から印加される電圧よりも、絶対値の大きな電圧を前記第１電源部から印加することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置の制御方法。
【請求項１５】
前記照射対象内における第３照射領域に照射した後、荷電粒子ビームの照射を停止した状態で荷電粒子ビームの照射位置を前記第３照射領域から前記照射対象内の、前記第２方向における第４照射領域に変更するときに、前記第２走査電磁石に対して、荷電粒子ビームの照射位置を前記第３照射領域に保持するのに必要とされる、前記第４電源部から印加される電圧よりも、絶対値の大きな電圧を前記第３電源部から印加する請求項１４記載の荷電粒子ビーム照射装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、荷電粒子ビームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム照射装置及びその制御方法に関する。
背景技術
荷電粒子ビーム（以下、ビームという）を照射対象に照射する荷電粒子ビーム照射装置としては、癌患者の患部にビームを照射して癌治療を行う荷電粒子ビーム照射装置が知られており、特開平９−２２３６００号公報(以下、第１従来技術という)にはその一例として、患部を複数の照射領域に分け、各照射領域に対して順番にビームを照射する荷電粒子ビーム照射装置が記載されている。この第１従来技術に記載された荷電粒子ビーム照射装置では、互いに直交する方向に磁場を発生する２つの走査電磁石によりビームの照射位置を制御している。
なお、上記第１従来技術では走査電磁石に電力を供給する電源装置の構成について詳細には述べられていないが、特開平８−８８９７２号公報（以下、第２従来技術という）に記載されているような、電磁石の電源装置を用いることが考えられる。この電源装置では、電磁石に流れる励磁電流の制御精度を向上させるために、電源装置の出力側に脈動成分を除去するフィルタを設けている。
上述のように第１従来技術では、複数の照射領域に対して順番にビームを照射するので、走査電磁石に流れる励磁電流は、例えば第５図（ａ）に示すように段階上に増加又は減少する。なお、時間に対して電流値が一定となっている期間ではビームの照射位置が一定に保たれ、時間に対して電流値が変化している期間ではビームの照射位置が変更される。
第５図（ａ）において、時間に対し電流値が変化している期間、すなわちビーム照射位置の変更に要する時間は、できるだけ短い方が望ましいとされている。その理由は、次の通りである。例えば、第１従来技術に記載されているように、ビームの照射位置を変更する際にビームの照射を停止する場合、ビーム照射位置の変更を行う間はビームの照射が行われないデッドタイムとなり、その時間が長くなればそれだけ治療時間が長くなってします。治療時間が長くなると、患者への負担が増大するため、ビーム照射位置の変更に要する時間はできるだけ短くしなければならない。一方、ビームの照射位置を変更する際にもビームの照射を行う場合、患部における照射線量としてビーム照射位置の変更中に照射される照射線量も考慮しなければならず、患部における照射線量の均一化が難しくなる。そのため、ビーム照射位置の変更中に照射される照射線量が無視できるくらい小さくなるように、ビーム照射位置の変更に要する時間をできるだけ短くする必要がある。つまり、走査電磁石に流れる励磁電流を短時間で変化させなければならない。
しかしながら、上述の第２従来技術に記載されている電源装置では、脈動成分を除去するためのフィルタを用いているため、出力電圧に遅れが生じ、走査電磁石に流れる励磁電流を短時間で変化させることはできない。
逆に、フィルタを用いない電源装置を適用すれば、励磁電流を短時間で変化させることも可能かもしれないが、脈動成分の影響により走査電磁石に流れる励磁電流の制御精度が低下してしまう。励磁電流の制御精度が低下すると、ビームの照射位置が目標とする位置からずれてしまい、患部に対してビームを均一に照射することができなくなる。
発明の開示
本発明の目的は、照射対象に対して荷電粒子ビームを均一に照射し、かつ照射対象に対する荷電粒子ビームの照射時間を短縮することが可能な荷電粒子ビーム照射装置及びその制御装置を提供することにある。
上記目的を達成する本発明の特徴は、荷電粒子ビームを偏向する走査電磁石と、前記走査電磁石に電圧を印加する電源とを備え、荷電粒子ビームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム照射装置において、前記電源は、フィルタを有しない第１電源部及びフィルタを有する第２電源部を備えることにある。
本発明によれば、電源がフィルタを有しない第１電源部とフィルタを有する第２電源部の２つの電源部を有するため、照射対象における荷電粒子ビームの照射位置を変更するときには、フィルタを有しない、すなわち遅れ要素を有しない第１電源部から走査電磁石に電圧を印加することで、走査電磁石に流れる励磁電流を短時間に変化させることができる。よって、荷電粒子ビームの照射位置の変更を短時間で行うことができ、照射対象に対する荷電粒子ビームの照射時間を短縮することが可能となる。一方、荷電粒子ビームの照射位置を保持するときには、フィルタを有する第２電源部によって脈動成分を除去した電圧を走査電磁石に印加することで、走査電磁石に流れる励磁電流を精度良く制御することができる。よって、荷電粒子ビームの照射位置のずれを防ぐことができ、照射対象に対して荷電粒子ビームを均一に照射することが可能となる。このように、本発明によれば、照射対象に対して荷電粒子ビームを均一に照射し、かつ照射対象に対する荷電粒子ビームの照射時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の好適な一実施例である荷電粒子ビーム照射装置のうちの走査電磁石電源の構成図、第２図は、本発明の好適な一実施例である荷電粒子ビーム照射装置の構成図、第３図は、第２図の荷電粒子ビーム照射装置による患部へのビーム照射方法を示す図、第４図は、第３図の層状領域Ｌ９における照射領域Ａ９１，Ａ９２，…の位置を示す図、第５図は、第２図の走査電磁石２３，２４に流れる励磁電流の波形を示す図、第６図は、第２図の走査電磁石２３に印加される電圧の波形とその電圧によって走査電磁石２３に流れる電流の波形を示す図、第７図は、本発明の他の実施例である荷電粒子ビーム照射装置のうちの走査電磁石電源の構成図を示す。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
第２図は、本発明の好適な一実施例である荷電粒子ビーム照射装置を示す。なお、第２図の荷電粒子ビーム照射装置は、シンクロトロン１において加速された荷電粒子ビーム（以下、ビームという）を、回転照射装置２によって癌患者の患部に照射することにより、癌治療を行うものである。また、本実施例の荷電粒子ビーム照射装置は、第３図に示すように、患部をビームの進行方向に複数の層状領域Ｌ１〜Ｌ９に分け、更にその層状領域Ｌ１〜Ｌ９を複数に分割してなる照射領域Ａ１１，Ａ１２，…のそれぞれに対してビームを照射する。
第２図の荷電粒子ビーム照射装置による癌治療においては、まず、患部の体表からの深さ位置、患部の形状、患部に照射すべき線量（以下、照射線量という）等の患者情報が、制御装置３に入力される。制御装置３は、入力された患者情報に基づいてシンクロトロン１から出射するビームのエネルギー、患部におけるビームの照射位置及び患部におけるビームの照射線量を決定する。なお、ビームのエネルギーは、各層状領域Ｌ１〜Ｌ９の体表からの深さ位置に基づいて決められる。
本実施例では、体表から最も深い位置にある層状領域Ｌ９から最も浅い位置にある層状領域Ｌ１へと順にビームを照射する。以下、その手順を説明する。
まず、制御装置３から前段加速器４に対してビーム出射指令が出力される。前段加速器４は、ビーム出射指令が入力されるとビームを出射する。前段加速器４から出射されたビームは、シンクロトロン１に入射される。制御装置３は、前段加速器４にビーム出射指令を出力すると共に、偏向電磁石１２，四極電磁石１３及び六極電磁石１４の各々の電源装置（図示せず）に対して電流指令値を出力し、高周波加速空胴１５の電源装置（図示せず）に対して電圧指令値を出力する。この電流指令値及び電圧指令値は、ビームのエネルギーに応じて予め求めておく。電流指令値が与えられた電源装置から偏向電磁石１２，四極電磁石１３及び六極電磁石１４のそれぞれに電流が供給され、高周波加速空胴１５には電圧が供給される。なお、それぞれに供給される電流は、ビームの加速に応じて変化するように設定されている。
ここで、シンクロトロン１における各構成の役割を説明する。まず、偏向電磁石１２は、供給された電流に応じた磁場を発生し、ビームがシンクロトロン１の周回軌道に沿って周回するように磁場でビームを偏向する。四極電磁石１３は、供給された電流に応じた磁場によりビームのチューン（ビームがシンクロトロン１を１周する間の振動数）を制御する。高周波加速空胴１５は、供給された電圧に応じてビームに高周波の電場を印加し、ビームを加速する。すなわち、ビームのエネルギーを上昇させる。六極電磁石１４は、供給された電流に応じてビームに磁場を印加することにより、ビームに共鳴を励起する。この共鳴は、ビームをシンクロトロン１から出射するときに用いる。
シンクロトロン１においてビームが制御装置３によって設定されたエネルギーまで加速されると、制御装置３は高周波印加装置１１の電流装置（図示せず）に電圧指令値を出力する。この電源装置は、入力された値の電圧を高周波印加装置１１に供給する。高周波印加装置１１は、供給された電圧に応じた高周波電場を発生し、その高周波電場をビームに印加することにより、ビームをシンクロトロン１から出射する。具体的には、安定限界を一定に保った状態で高周波印加装置１１によりビームに高周波電場を印加する。高周波電場の印加によりビームのベータトロン振動振幅が増加して安定限界を超え、安定限界を超えたビームは、六極電磁石１４の磁場により共鳴を起こし、シンクロトロン１から出射される。シンクロトロン１から出射されたビームは、回転照射装置２に導かれる。
制御装置３は、シンクロトロン１においてビームを加速中に、偏向電磁石２１及び四極電磁石２２の電源装置（図示せず）に電流指令値を出力する。電源装置は入力された値の電流を偏向電磁石２１及び四極電磁石２２に供給する。回転照射装置２に入力されたビームは、偏向電磁石２１及び四極電磁石２２により予め設定された軌道に沿って走査電磁石２３，２４に導かれる。
制御装置３は、偏向電磁石２１及び四極電磁石２２の電源装置に電流指令値を出力するのと共に、走査電磁石制御装置２５，２６に照射領域Ａ１１，Ａ１２…の位置データとビームのエネルギーの値を出力する。走査電磁石制御装置２５，２６は、入力された照射領域Ａ１１，Ａ１２…の位置データとビームのエネルギーの値に基づいて、各照射領域Ａ１１，Ａ１２…にビームとを照射するために走査電磁石２３，２４で必要とされる励磁電流の値を各照射領域Ａ１１，Ａ１２…毎に算出する。そして、更に、その励磁電流値に基づいて各照射領域Ａ１１，Ａ１２…にビームを照射するために走査電磁石２３，２４で必要とされる電圧の値を算出する。求められた電圧値のうち、まずはＡ９１（層状領域Ｌ９で１番目に照射される照射領域）に対応する電圧値が、走査電磁石制御装置２５，２６から走査電磁石電極２７，２８へ電圧指令値として出力される。走査電磁石電源２７，２８は、与えられた電圧指令値に基づいて走査電磁石２３，２４に電圧を印加する。走査電磁石２３，２４には、印加された電圧に応じた励磁電流が流れ、また、その励磁電流に応じた磁場が発生する。そして、その磁場により、走査電磁石２３はＸ方向に、走査電磁石２４はＹ方向にそれぞれビームを偏向する。なお、走査電磁石制御装置２５，２６及び走査電磁石電源２７，２８の詳細については後述する。
走査電磁石２３，２４により偏向されたビームは、線量モニター２９を通過した後、患部の照射領域Ａ９１に照射される。第４図は、層状領域Ｌ９における照射領域の設定例を示す。本実施例では、照射領域Ａ９１，Ａ９２，…，Ａ９ｍ，Ａ９ｎ，…を順番に照射する。
線量モニター２９は、患部に照射されるビームの照射線量を計測する。線量モニター２９において計測されたビームの照射線量の実測値は、制御装置３に入力される。制御装置３は、予め求めておいた照射線量の値（設定値）と、入力された実測値とを比較し、実測値が設定値に達した時点でシンクロトロン１に対して出射停止指令を出力する。より具体的には、高周波印加装置１１の電源装置に対して出射停止指令を出力し、それにより、高周波印加装置１１に対する電圧の供給が停止される。従って、高周波印加装置１１による高周波電場の発生が停止し、シンクロトロン１からのビームの出射も停止する。なお、実測値が設定値に達する前にシンクロトロン１を周回するビームがなくなった場合には、新たに前段加速器４からシンクロトロン１にビームを入射し、シンクロトロン１において設定されたエネルギーまで加速した後、再度ビームを出射すれば良い。
このようにして照射領域Ａ９１に対するビームの照射が終了したら、次に照射領域Ａ９２にビームを照射する。制御装置３は、照射領域Ａ９１に対するビームの照射が終了したら、走査電磁石制御装置２５，２６に対して照射領域変更指令を出力する。照射領域変更指令が入力された走査電磁石制御装置２５，２６は、Ａ９２に対応する電圧値を走査電磁石電源２７，２８へ電圧指令値として出力する。走査電磁石電源２７，２８は、与えられた電圧指令値に基づいて走査電磁石２３，２４に電圧を印加し、走査電磁石２３，２４には、印加された電圧に応じた励磁電流が流れる。そして、その励磁電流に応じた磁場が走査電磁石２３，２４で発生する。走査電磁石２３，２４に印加される電圧が変更されたら、高周波印加装置１１からビームに再び高周波電場を印加し、シンクロトロン１からビームを出射する。シンクロトロン１から出射されたビームは走査電磁石２３，２４により偏向された後、照射領域Ａ９２に照射される。なお、本実施例において、照射領域Ａ９２は、第４図に示すように照射領域Ａ９１からＸ方向にずれているが、Ｙ方向にはずれていないので、走査電磁石２４に流れる励磁電流は、照射領域Ａ９１を照射する場合と照射領域Ａ９２を照射する場合とで変化させない。つまり、ビームの照射位置を照射領域Ａ９１から照射領域Ａ９２に変更する際には、走査電磁石２３に流れる励磁電流のみを変える。なお、照射領域Ａ９１にビームを照射する場合と同様に、照射領域Ａ９２にビームを照射する際にも、線量モニター２９による実測値と制御装置３に記憶された設定値とを比較し、実測値が設定値に達した時点でシンクロトロン１からのビームの出射を停止する。
このような手順を繰り返すことにより、層状領域Ｌ９の各照射領域Ａ９１，Ａ９２，…に対して設定された照射線量のビームが照射される。なお、照射領域Ａ９１から照射領域Ａ９２にビームの照射位置を変更する際には走査電磁石２４に流れる励磁電流を変化させなかったが、照射領域Ａ９ｍから照射領域Ａ９ｎにビームの照射位置を変更する場合のように、ビームの照射位置をＹ方向にも移動する場合には走査電磁石２４に流れる励磁電流も変化させる。
層状領域Ｌ９における全ての照射領域にビームを照射し終えたら、次に層状領域Ｌ８の各照射領域にビームを照射する。層状領域Ｌ８にビームを照射する手順は、ビームのエネルギーは異なるものの層状領域Ｌ９の場合と同様であり、制御装置３によりシンクロトロン１及び回転照射装置２を制御して層状領域Ｌ８にビームを照射する。以降、層状領域Ｌ１まで同じ手順を繰り返すことにより患部全体にビームを照射する。
患部において、第４図に示すように照射領域を設定して各照射領域毎にビームを照射する場合、Ｘ方向にビームを偏向する走査電磁石２３及びＹ方向にビームを偏向する走査電磁石２４において必要とされる励磁電流は、それぞれ第５図（ａ），（ｂ）に示す通りである。第５図において、時間に対して励磁電流が変化していないときには走査電磁石で発生する磁場も変化しないため、ビーム照射位置が一定に制御され、逆に、時間に対して励磁電流が変化しているときには走査電磁石で発生する磁場も変化するため、ビーム照射位置が移動する。第５図に示すように、本実施例では、まず、Ｙ方向にビームを偏向する走査電磁石２４の励磁電流を一定に保った状態で、Ｘ方向にビームを偏向する走査電磁石２３の励磁電流を階段状に減少させることにより、ビームをＸ方向にのみ走査して各照射領域毎にビームを照射する。そして、Ｘ方向において端から端まで（第４図の例では、照射領域Ａ９１から照射領域Ａ９ｍまで）照射し終った時点で、走査電磁石２４の励磁電流を減少させることによりビームをＹ方向にずらすと共に、今度は走査電磁石２３の励磁電流を階段状に増加させることによってＸ方向においてビームを逆向きに走査していく。これを繰り返すことによってビームを走査し患部全体を照射する。
次に、第１図を用いて、走査電磁石制御装置２５及び走査電磁石電源２７の動作を詳細に説明する。なお、走査電磁石制御装置２６及び走査電磁石電源２８も同様の構成であるので、説明を省略する。
第１図に示すように、走査電磁石電源２７は、２つの電源部２７ａ，２７ｂを備えており、両電源部は、電源部２７ｂが出力側に直流フィルタ２７７を有するのに対し、電源部２７ａは直流フィルタを有しない点で異なる。このように、電源部２７ａは直流フィルタを有しないため、電源部２７ａから出力される電圧に時間遅れは生じない。よって、本実施例では、電源部２７ａから出力する電圧により走査電磁石２３に流れる励磁電流を短時間で変化させ、変化した後の励磁電流を電源部２７ｂにより一定に制御する。つまり、電源部２７ａと電源部２７ｂとで、励磁電流を短時間で変化させる（照射領域を変更する）機能と、励磁電流を一定に制御する（ビーム照射位置を照射領域に保持する）機能とを分担する。
第１図において、走査電磁石制御装置２５には、前述のように制御装置３から各照射領域の位置データが入力される。走査電磁石制御装置２５は、入力された位置データに基づいて、電源部２７ａ，２７ｂのそれぞれに指示する電圧指令値Ｖａ，Ｖｂを各照射領域毎に算出する。
まず、電源部２７ａに対する電圧指令値Ｖａの求め方について説明する。走査電磁石制御部２５は、入力された位置データとビームエネルギーの値から、各照射領域にビーム位置を合わせるために走査電磁石２３で必要とされる励磁電流の値を、各照射領域毎に求める。次に、ビームが照射される順番が隣り合う照射領域同士で、求められた励磁電流値の差、すなわち励磁電流の変化量ΔＩを演算する。例えば、照射領域Ａ９１にビーム照射位置を合わせるために走査電磁石２３で必要とされる励磁電流をＩ９１とし、照射領域Ａ９１の次に照射される照射領域Ａ９２にビーム照射位置を合わせるために走査電磁石２３で必要とされる励磁電流をＩ９２とすると、ΔＩ＝Ｉ９２−Ｉ９１である。つまり、このΔＩは、照射領域を変更するのに必要とされる励磁電流の変化量である。
ここで、走査電磁石２３に印加される電圧Ｖと走査電磁石２３における励磁電流の変化量ΔＩには、（数１）の関係が成り立つ。
Ｖ＝Ｌ・ΔＩ／ｔ                                …（数１）
なお、Ｌは走査電磁石２３のインダクタンス、ｔは励磁電流をΔＩだけ変化させるのに要する時間である。（数１）において、インダクタンスＬは走査電磁石２３において固有の値、すなわち定数であるので、時間ｔを予め走査電磁石制御装置２５に与えてやることにより、算出したΔＩを用いて電圧Ｖを求めることができる。この電圧Ｖは、走査電磁石２３の励磁電流を時間ｔの間にΔＩだけ変化させるために必要とされる電圧値であり、つまり、照射領域を変更するために必要とされる電圧値である。よって、走査電磁石制御装置２５は、（数１）に基づいて各照射領域毎に電圧値Ｖを求め、求められた各電圧値Ｖを電源部２７ａに与える電圧指令値Ｖａとして走査電磁石制御装置２５内のメモリに記憶する。
なお、時間ｔは走査電磁石２３の励磁電流をΔＩ変化させるのに要する時間、つまり、照射領域を変更するのに要する時間であり、治療時間を短くするためにできるだけ短い時間を設定する。但し、あまりにも短い時間を設定すると、電圧指令値Ｖａの値が大きくなり、その電圧を発生するための電源部２７ａやその電圧が印加される走査電磁石２３の負担が増大するので、それらの装置の負担と治療時間との兼ね合いを考慮して、オペレータが適切な値を設定する。
次に、電源部２７ｂに与える電圧指令値Ｖｂの求め方について説明する。前述のように、電源部２７ｂは、励磁電流を一定に制御する、つまりビーム照射位置を照射領域に保持するために電圧を走査電磁石２３に印加するためのものである。よって、電源部２７ｂに与える電圧指令値Ｖｂとしては、各照射領域にビーム照射位置を合わせるのに必要とされる励磁電流を走査電磁石２３に渡すための電圧値を求めれば良い。この電圧値は、必要とされる励磁電流をＩ、走査電磁石２３の抵抗値をＲとすると、（数２）で求められる。
Ｖ＝Ｒ・Ｉ                                      …（数２）
各照射領域にビーム照射位置を合わせるのに必要とされる励磁電流の値Ｉは、走査電磁石制御装置２５において、制御装置３から入力された位置データ及びビームエネルギーの値に基づいて各照射領域毎に既に求められており、また、走査電磁石２３の抵抗値Ｒは定数であるため、電圧値Ｖは（数２）を用いて各照射領域毎に求めることができる。求められた各電圧値Ｖは、各照射領域にビーム照射位置を合わせるのに必要とされる電圧値、すなわち電源部２７ｂに与える電圧指令値Ｖｂとして、走査電磁石制御装置２５内のメモリに各照射領域毎に記憶される。
患部へのビームの照射にあり、走査電磁石制御装置２５は、メモリに記憶した電圧指令値Ｖａ，Ｖｂのうち、ビーム照射位置を照射領域Ａ９１に移動させるための電圧指令値Ｖａと、ビーム照射位置を照射領域Ａ９１に保持するための電圧指令値Ｖｂを、それぞれ電源部２７ａ，２７ｂに出力する。
電源部２７ａにおいて、走査電磁石制御装置２５から与えられた電圧指令値Ｖａは、交流−直流変換器２７２ａに入力される。また、交流−直流変換器２７２ａには、商用電源から変圧器２７１を介して交流電圧が供給される。交流−直流変換器２７２ａは、供給された交流電圧を、電圧指令値Ｖａの直流電圧に変換する。交流−直流変換器２７２ａにより得られた直流電圧は、平滑コンデンサを介してインバータ２７３ａの入力端に印加される。
電源部２７ａのゲートドライバ２７４ａには、交流−直流変換器272aに対して電圧指令値Ｖａが出力されるのと同時に、走査電磁石制御装置２５からＯＮ信号が与えられる。ゲートドライバ２７４ａは、走査電磁石制御装置２５からＯＮ信号が与えられている間、インバータ２７３ａのスイッチング素子を制御することにより、インバータ２７３ａから直流電圧を出力させる。なお、インバータ２７３ａから出力される直流電圧の値は、インバータ２７３ａの入力端に印加された電圧値、すなわち走査電磁石制御装置２５から出力された電圧指令値Ｖａである。
インバータ２７３ａの出力電圧は、電源部２７ａの出力電圧として走査電磁石２３に印加され、電圧が印加された走査電磁石２３には、励磁電流が流れる。
また、走査電磁石制御装置２５は、電源部２７ａに電圧指令値Ｖａを出力するのと同時に、電源部２７ｂに対して電圧指令値Ｖｂを出力する。電源部２７ｂにおいて、走査電磁石制御装置２５より与えられた電圧指令値Ｖｂは、制御部２７５に入力される。制御部２７５は、入力された電圧指令値Ｖｂに基づいてＰＷＭ制御部２７６を制御すると共に、交流−直流変換器２７２ｂを制御して、商用電源から変圧器２７１を介して交流−直流変換器２７２ｂに入力された交流電圧を直流電圧に変換させる。交流−直流変換器２７２ｂにより得られた直流電圧は、インバータ２７３ｂの入力端に平滑コンデンサを介して印加される。
ＰＷＭ制御部２７６は、ゲートドライバ２７４ｂに対してＯＮ信号とＯＦＦ信号とを繰り返し出力し、ゲートドライバ２７４ｂは、入力されたＯＮ信号及びＯＦＦ信号に応じてインバータ２７３ｂのスイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦ制御する。インバータ２７３ｂは、スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ制御により、直流電圧を出力する。なお、この出力電圧の値が電圧指令値Ｖｂとなるように、インバータ２７３ｂはＰＷＭ制御される。
インバータ２７３ｂから出力された直流電圧は、直流フィルタ２７７によって脈動成分が除去された後、走査電磁石２３に印加されるが、直流フィルタ２７７は遅れ要素を持つため、フィルタ２７７の出力端の電圧値がＶｂにはなるにはしばらく時間がかかる。
走査電磁石制御装置２５は、電源部２７ａのゲートドライバ２７４ａにＯＮ信号を出力してからの経過時間をカウントし、カウントした時間が予めオペレータにより設定された時間ｔとなった時点で、ゲートドライバ２７４ａへのＯＮ信号の出力を停止する。ゲートドライバ２７４ａは、ＯＮ信号の入力が停止すると、インバータ２７３ａのスイッチング素子を制御してインバータ２７３ａをショート状態にする。よって、電源部２７ａのインバータ２７３ａからの走査電磁石２３に対する電圧の印加が停止される。なお、前述のように、電圧値Ｖａは、走査電磁石２３の励磁電流を時間ｔの間にΔＩ変化させるのに必要とされる電圧の値であり、Ｖａの電圧を時間ｔの間印加することによって、走査電磁石２３の励磁電流はΔＩだけ変化する。つまり、ビーム照射位置を照射領域Ａ９１に移動させるために必要な励磁電流に変化する。
このようにして、電源部２７ａから走査電磁石２３への電圧の印加を停止した時点では、電源部２７ｂの直流フィルタ２７７から出力される電圧の値は、Ｖｂとなっており、よって走査電磁石２３に流れる励磁電流は、電源部２７ｂから印加される電圧値Ｖｂの電圧により、ビーム照射位置を照射領域Ａ９１に保持するために必要な励磁電流となる。
以上のようにして、走査電磁石２３にビーム照射位置を照射領域Ａ９１の保持するために必要な励磁電流が流れることにより、ビームは患部の照射領域Ａ９１に照射される。そして、照射領域Ａ９１において、設定された照射線量のビームが照射されたら、制御装置３から走査電磁石制御装置２５に対して、照射領域変更指令が出力される。照射領域変更指令が入力された走査電磁石制御装置２５は、メモリに記憶した電圧指令値Ｖａ，Ｖｂのうち、ビーム照射位置を照射領域Ａ９２に移動させるための電圧指令値Ｖａと、ビーム照射位置を照射領域Ａ９２に保持するための電圧指令値Ｖｂを、それぞれ電源部２７ａ，２７ｂに出力する。その後の走査電磁石制御装置２５及び走査電磁石電源２７の動作は、照射領域Ａ９１の場合と同様である。
以上、走査電磁石制御装置２５及び走査電磁石電源２７の動作について説明したが、走査電磁石制御装置２６及び走査電磁石電源２８に関しても同様に動作し、それによりビームを照射する照射領域を変更しながら、患部全体にビームが照射される。
第６図は、走査電磁石電源２７から走査電磁石２３に対して印加される印加電圧と、その印加電圧により走査電磁石２３に流れる励磁電流との関係を示す。なお、走査電磁石電源２８と走査電磁石２４においても、同様の関係である。第６図（ａ）に示すように、まず始めに、時間ｔの間に正の大電圧が印加されている。これが電源部２７ａから出力される電圧、すなわち電圧値Ｖａの電圧である。この電圧の印加により走査電磁石２３に流れる励磁電流は、第６図（ｂ）に示すように、時間ｔの間に印加電圧の電圧値に応じた変化量で増加する。そして、電源部２７ａによる電圧の印加を開始してから時間ｔが経過した時点で、電源部２７ａによる電圧の印加は停止され、走査電磁石２３に印加される印加電圧は、電源部２７ｂから出力される電圧値Ｖｂの電圧となる。それにより、走査電磁石２３に流れる励磁電流は、第６図（ｂ）に示すように、一定に制御される。
このように、電源部２７ａから印加される大電圧により時間ｔの間に励磁電流を必要とされる値まで強制的に変化させ、時間ｔ経過した時点で電源部２７ａからの電圧の印加を停止して、電源２７ｂによる電圧の印加により励磁電流を必要とされる値に対して一定に制御する。すなわち、電源部２７ａから印加する電圧により時間ｔの間にビーム照射位置を照射すべき照射領域に移動し、その後、電源部２７ｂから印加する電圧によりビーム照射位置を照射すべき照射領域に保持する。以下、電源部２７ａから出力される電圧を強制電圧、電源部２７ｂから出力される電圧を一定電圧と呼ぶ。なお、第６図に示すように、走査電磁石２３に流れる励磁電流を増加させたいときには正の強制電圧を印加し、励磁電流を減少させたいときには、負の強制電圧を印加すれば良い。以上のように、強制電圧と一定電圧とを組み合わせて使うことによって、第６図（ｂ）に示すように、励磁電流が階段状に制御される。
以上説明したように、本実施例では、走査電磁石電源２７が、出力側にフィルタを有しない電源部２７ａと出力側に直流フィルタ２７７を有する電源部２７ｂの２つの電源部を有するため、ビーム照射位置を変更するときには、遅れ要素を有しない電源部２７ａによって走査電磁石２３に強制電圧を印加することで、励磁電流を短時間に変化させることができる。よって、ビームを照射する照射領域の変更を短時間で行うことができ、治療時間を短縮することが可能となる。一方、ビーム照射位置を保持するときには、直流フィルタを有する電源部２７ｂによって脈動成分が除去された電圧を走査電磁石２３に印加することで、励磁電流を一定に保持することができる。よって、照射領域からのビーム照射位置のずれを防ぐことができ、患部に対してビームを均一に照射することが可能となる。このように、本実施例によれば、患部に対してビームを均一に照射し、かつ治療時間を短縮することができる。
なお、本実施例では、ビームを照射する照射領域を変更する際にビームの照射を停止しているが、照射領域の変更に要する時間が照射領域にビームを照射する時間に比べて十分に短くできる場合には、照射領域を変更するときにビームの照射を停止しなくても良い。これは、照射領域の変更に要する時間が十分に短ければ、照射領域を変更する際に照射されるビームの照射線量が無視できるためである。
上記本実施例では、照射領域を変更するのに要する時間ｔを一定値として与えているため、各照射領域の間隔が一定の場合、すなわち励磁電流の変化量ΔＩが一定の場合は、強制電圧の値Ｖａの絶対値も一定となる。よって、その場合は、強制電圧の値Ｖａを照射領域変更のたびに計算する必要はなく、正負の符号のみ設定すれば良い。なお、照射領域を変更するのに要する時間ｔは必ずしも一定である必要はなく、状況に応じて異なる値を設定しても構わない。また、本実施例では、設定された時間ｔにより強制電圧の値Ｖａを求める構成としたが、強制電圧を予め一定値として設定しても良い。その場合、時間ｔは強制電圧の値Ｖａと各照射領域の間隔によって決まる。
また、本実施例では、２つの走査電磁石２３，２４によってビームを走査する構成としたが、走査電磁石でビームを走査する代りに患者が固定されるベッドを移動させても良い。例えば、Ｙ方向にビームを走査する走査電磁石２４を用いずに、Ｙ方向に移動可能なベッドを用いることができる。その場合でも、ビームをＸ方向に走査する走査電磁石２３に対して本発明は有効である。
更に、本実施例では、第４図に示すように、ビームのＹ方向位置を固定した状態でビームをＸ方向に走査して、Ｘ方向の走査が終わったらＹ方向に走査し、その後、再びＸ方向に走査するという走査方法を用いているが、本発明はこの走査方法に限られるものではなく、患部を複数の照射領域に分けてその照射領域毎にビームを照射するものであれば、円を描くように走査する方法であっても、或いはジグザグに走査する方法の様にＸ方向，Ｙ方向を同時に走査する方法であっても、本発明は有効である。
なお、本実施例において、走査電磁石２３，２４に印加される電圧を検出する電圧検出器と、走査電磁石２３，２４に流れる励磁電流を検出する電流検出器とを付加し、その電圧検出器及び電流検出器によって検出された電圧と電流の波形を表示する表示装置を用いれば、走査電磁石２３，２４に印加される電圧及び走査電磁石２３，２４に流れる励磁電流が、所望の波形となっているか確認することが可能となる。
また、本実施例では癌患者の患部に対してビームを照射する荷電粒子ビーム照射装置について説明したが、照射対象は癌患者の患部に限られるものではなく、半導体，植物の種子等にビームを走査して照射する荷電粒子ビーム照射装置にも適用することができる。
（実施例２）
本発明の他の実施例である荷電粒子ビーム照射装置について、第７図を用いて説明する。本実施例の荷電粒子ビーム照射装置は、前述の実施例１と主に走査電磁石電源の構成が異なる。以下、実施例１と異なる点について説明する。
第７図は、本実施例における走査電磁石電源２７の構成を示す。なお、走査電磁石電源２８も同様の構成であるので説明は省略する。また、本実施例の荷電粒子ビーム照射装置の全体構成図は、実施例１と同様に、第２図の通りである。
第７図において、電源部２７ａは電圧検出器２７８ａを有し、電圧検出器２７８ａは、インバータ２７３ａの出力電圧、すなわち電源部27ａの出力電圧を検出する。電圧検出器２７８ａにより検出された電圧検出値は、比較器２７９に入力される。比較器２７９には走査電磁石制御装置２５から電圧指令値Ｖａも入力され、比較器２７９は、電圧指令値から電圧検出値を減算し、電圧偏差を演算する。更に比較器２７９は、求められた電圧偏差に基づいて、インバータ２７３ａの出力電圧が電圧指令値Ｖａになるようチョッパ２７１０を制御する。この制御により、インバータ２７３ａから出力される電圧の制御精度が向上する。
第７図において、電源部２７ａは、走査電磁石２３に流れる励磁電流を検出する電流検出器２７１１ａを有し、電流検出器２７１１ａは、検出した電流検出値を走査電磁石制御装置２５に出力する。走査電磁石制御装置２５は、予め求めておいた照射領域にビーム照射位置を合わせるために必要とされる励磁電流値と入力された電流検出値とを比較し、両電流値が一致したときに電源部２７ａのゲートドライバ２７４ａに出力していたＯＮ信号を停止する。つまり、本実施例では、走査電磁石２３に流れる励磁電流の値が、照射しようとする照射領域にビーム照射位置を合わせるために必要とされる励磁電流値になった時点で、電源部27ａから出力される強制電圧を停止する。これにより本実施例では、実施例１では必要とされた走査電磁石制御装置２５における時間のカウントが不要になる。
第７図において、電源部２７ｂは、出力電流の変動成分を検出する電流検出器２７１１ｂと、出力電圧の変動成分を検出する電圧検出器278bを有し、各検出器により検出した信号を加算器２７１２によりフィードバックし、電流に対しては定電流制御回路（ＡＣＲ）２７１３にて、また、電圧に対しては定電圧制御回路（ＡＶＲ）２７１４にて制御することにより、出力される電流・電圧の制御精度をさらに高めることが可能である。
以上説明した点以外は前述の実施例１と同様であり、得られる作用効果も同じである。
なお、上述の実施例１及び実施例２では、電源部２７ａから出力される電圧の値は交流−直流変換器２７２ａにて制御しているが、インバータ２７３ａをＰＷＭ制御することにより電源部２７ａの出力電圧の値を制御しても良い。その場合は、電源２７ｂの制御部２７５及びＰＷＭ制御部２７６と同様の構成を、電源２７ａに追加すれば良い。
また、実施例１及び実施例２において、荷電粒子ビームを加速するための加速器として、シンクロトロン以外の加速器、例えばサイクロトロンやライナックを用いても良い。加えて、シンクロトロンからのビームの出射方法は、上記実施例１，２で用いた方法に限られるものではない。
更に、実施例１及び実施例２では、照射装置として回転照射装置２を用いているが、固定照射装置を用いても構わない。
なお、電源部２７ｂに与える電圧指令値Ｖｂを電流指令値とすることもできる。
産業上の利用可能性
本発明は、癌患者の患部等の照射対象に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射装置に適用することができる。この適用により、照射対象に対する照射線量を均一化でき、また、照射対象に荷電粒子ビームを照射するのに要する照射時間を短くできる。
【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７】
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