(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを設定されたエネルギーまで加速する加速器と、加速された前記イオンビームを照射対象に照射する照射装置と、前記加速器から出射した前記イオンビームを前記照射装置に輸送するビーム輸送系とを備えた粒子線治療システムにおいて、
前記加速器が、出射する前記イオンビームのエネルギーを段階的に増加させる、または段階的に減少させるように変更する運転をする期間において、
出射する前記イオンビームのエネルギーと、前記イオンビームのエネルギーに至るまでに前記エネルギーを段階的に変更した回数とに基づき、前記加速器又は前記ビーム輸送系に設置された電磁石の励磁電流値を、段階的に増加させる、または段階的に減少させるように制御する照射制御装置を備えたことを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項２】
請求項１に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記照射制御装置は、前記エネルギーを段階的に変更した回数と対応する補償量割合と、前記イオンビームのエネルギーと対応する前記電磁石の基準電磁石励磁電流値及び基本補償値に基づき、前記基準電磁石励磁電流値に対する補償値を算出し、前記電磁石に対する励磁電流値を算出することを特徴とする粒子線治療システム。
【請求項３】
請求項２に記載の粒子線治療システムにおいて、
前記照射制御装置は、前記基準電磁石励磁電流値を記録した第一データテーブルと、前記補償量割合を記録した第二データテーブルと、前記基本補償値を記録した第三データテーブルとを有し、前記第一データテーブルから基準電磁石励磁電流値を取得し、前記第二データテーブル及び前記第三データテーブルから前記基準電磁石励磁電流値に対する補償値を算出し、前記基準電磁石励磁電流値と前記補償値とから前記電磁石に対する励磁電流値を算出することを特徴とする粒子線治療システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は陽子線または炭素イオン線等の重イオン線の照射によって、がんなどの腫瘍を治療する粒子線治療システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
がん治療法の一つとして、患部に陽子あるいは炭素イオン等のイオンビームを照射する粒子線治療が知られている。陽子や炭素イオン等のイオンビームを高エネルギーで物質に入射すると、飛程の終端で多くのエネルギーを失う。粒子線治療では、この性質を利用し、がん細胞で多くのエネルギーを失うようにイオンビームを患者に照射する。粒子線治療ではイオンビームの空間的な広がりとエネルギーを調整し、患部の形状に合わせた線量分布を形成する。
【０００３】
粒子線治療に用いる粒子線治療システムは、イオン源、イオン源で発生したイオンを加速する加速器、加速器から出射したイオンビームを輸送するビーム輸送装置、所望の線量分布で患部にビームを照射する照射装置からなる。
【０００４】
粒子線治療システムで用いられる加速器には、シンクロトロンやサイクロトロン等が挙げられる。どちらの加速器も入射したイオンを所定のエネルギーまで加速し、イオンビームとして出射する機能は共通である。
【０００５】
加速器から出射されたイオンビームはビーム輸送装置によって照射装置まで輸送される。ビーム輸送装置にはイオンビームの進行方向を変える偏向電磁石と、ビームの進行方向を微調整するステアリング電磁石、イオンビームに収束、発散の作用を与える四極電磁石が備えられており、これらの電磁石の励磁量を適切に調整することで照射装置に適切なサイズ、位置のビームが輸送される。
【０００６】
患部に複数方向からビームを照射するために、回転ガントリーに、ビーム輸送装置と照射装置を設置することもある。回転ガントリーを持つ粒子線治療システムのビーム輸送装置は回転ガントリーに設置される回転ビーム輸送装置と、建屋に設置・固定される固定ビーム輸送装置に大別できる。
【０００７】
照射装置では、患部形状に合わせたイオンビームの照射野を形成する。照射野の形成は、散乱体照射法とスキャニング照射法の2種類があげられるが、技術的進歩に伴い、主流は高精度照射が可能なスキャニング照射法に移行しつつある。スキャニング照射法の照射装置にはビームを走査する走査電磁石が２台備えられている。患部のみにビームが照射されるように、これらの走査電磁石で照射装置内にビームをビームの進行方向に対して垂直な平面内で走査する。また、加速器から出射されるビームのエネルギーを順次変更することでビームの到達深さが変化し、患部形状に合わせた照射野を形成できる。
【０００８】
また、通常、粒子線治療では、ビーム照射の位置精度を高く維持するために、電磁石の初期化動作を行なうことによって、ビーム照射の位置再現性を高めている。
【０００９】
ビーム照射の位置再現性を高め、照射位置の精度をあげるために、特許文献１には、患部の形状に合わせた照射野を形成するために加速器から出射されるビームのエネルギーを順次変更すること、走査電磁石のヒステリシスの影響を回避するため、走査電磁石の設定電流値とビーム位置モニタにより検出したビーム位置データとの変換テーブルを記憶装置に記憶し、この記憶された変換テーブルを用い、治療計画データに基づくビーム位置データに応じて走査電磁石の電流値を設定することが記載されている。
【００１０】
特許文献２には、イオンビームのエネルギーを順次変更する運転において、エネルギー切替毎にシンクロトロン電磁石の残留磁化を揃えるため、各エネルギーの出射完了後に直ちにビームの減速に移行せずに励磁電流値を初期化用の電流値まで一旦増加（再励磁）させ、その後減磁するという初期化動作を、出射用ビーム輸送系の電磁石に対しても、シンクロトロン電磁石と同様にさせることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２９６１６２号公報
【特許文献２】特開平８−２９８２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したようにスキャニング照射法では、患部の形状に合わせた照射野を形成するために加速器から出射されるビームのエネルギーを順次変更する。このエネルギーを順次変更する運転において、ビーム照射の位置精度が高い治療照射を行なうためには、エネルギー切替毎にシンクロトロン（加速器）電磁石及び輸送系電磁石の初期化動作を行うことが好ましい。
【００１３】
特許文献１記載の従来技術は、１つのレイヤー内でビームを走査する場合の走査電磁石のヒステリシスの影響を回避するための提案であり、エネルギー変更毎の加速器電磁石及び輸送系電磁石の残留磁化の変化を補正する技術ではない。
【００１４】
特許文献２記載の従来技術は、シンクロトロン（加速器）電磁石だけでなく、輸送系電磁石に対しても励磁電流値を初期化用の電流値まで一旦増加（再励磁）させた後に減磁することで、エネルギー切替毎にシンクロトロン（加速器）電磁石及び輸送系電磁石の初期化動作を行っている。
【００１５】
ここで、一般的に、シンクロトロン電磁石はパターン電源で動作し、エネルギーレベル毎に入射、加速、出射、減速の順序で磁場強度を増減するパターン運転を行なう。一方、輸送系電磁石は直流電源で動作し、一定の励磁電流値をエネルギーに合わせて設定し、エネルギーの変更に合わせて励磁電流値を段階的に変更する運転を行なう。
【００１６】
このように直流電源で動作する輸送系電磁石に対して、特許文献２記載の考えに基づいて、エネルギー切替毎に励磁電流値を初期化用の電流値まで一旦増加（再励磁）させた後に低下（減磁）する運転（初期化動作）を行う場合は、直流電源の応答性はパターン電源に比べて３〜４倍遅いため、エネルギー切替時の時間が増加し、照射条件によっては治療照射時間が倍程度長くなってしまう。一方、輸送系電磁石にパターン電源を導入すれば、直流電源を利用した場合と異なり、治療照射時間の増加を防げるが、その場合には電源コストの増大につながる。
【００１７】
そこで本発明の目的は、加速器から出射されるビームのエネルギーを順次変更するスキャニング照射方式を実施するときに、電磁石の初期化動作によって治療時間が延長することを抑制できる粒子線治療システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するための手段として、本発明の粒子線治療システムでは、出射するイオンビームのエネルギーを段階的に変更させた回数と、出射するイオンビームのエネルギーとに基づき、前記加速器又は前記ビーム輸送系に設置された電磁石の励磁電流値を、段階的に増加させる、または段階的に減少させるように制御する照射制御装置を備えたことを特徴とする。より詳しくは、照射制御装置は、荷電粒子ビームのエネルギーレベルに応じて定めた基準電流値と、イオンビームのエネルギーレベルとエネルギーレベルの変更回数に応じて定めた補正電流値を記憶しておき、この基準電流値と補正電流値を用いて前記電磁石の励磁電流値を演算する。これにより直流電源で動作する電磁石、特に、輸送系の偏向電磁石に対してイオンビームのエネルギーレベルとエネルギーレベルの変更回数の影響を回避した励磁電流値が設定され、治療時間および電源コストを増加させることなく、高いビーム照射位置精度で治療照射制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、加速器から出射されるビームのエネルギーを順次変更するスキャニング照射方式を実施するときに、電磁石の初期化動作によって治療時間が延長することを抑制できる粒子線治療システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施の形態に係わる粒子線治療システムの全体を示す図である。
【図２】患部を層に分割し、各層を走査電磁石により粒子ビームを横方向に走査して照射していくことにより患部を一様な線量で照射するスキャニング照射法を示す図である。
【図３】スキャニング照射運転時におけるシンクロトロン電磁石および輸送系電磁石の励磁電流パターンを示す図である。
【図４】電磁石励磁電流制御のための電流供給制御テーブル１を示す図である。
【図５】電磁石励磁電流制御のための電流供給補償値テーブル１を示す図である。
【図６】電磁石励磁電流制御のための電流供給補償値テーブル２を示す図である。
【図７】エネルギースキャン運転を実施した際に発生する輸送系偏向電磁石の磁場ヒステリシスにより生じる照射位置でのビーム位置偏差を示すグラフである。
【図８】エネルギースキャン運転を異なるエネルギー領域で実施した場合の照射位置でのビーム位置偏差を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【００２２】
図１は本発明の一実施の形態に係わる粒子線治療システムの全体を示す図である。本実施形態において、粒子線治療システムは次のように構成される。
【００２３】
本実施の形態の粒子線治療システムは、図１に示すように、イオンビーム発生装置（粒子線発生装置）１と、イオンビーム発生装置１の下流側に接続された高エネルギービーム輸送系２と、ガントリービーム輸送系３を持つ回転ガントリー４を有している。
【００２４】
イオンビーム発生装置１は、イオン源を備えた直線加速器５及びシンクロトロン６を有し、シンクロトロン６は、出射用高周波印加装置７と加速用高周波印加装置８を有している。高周波印加装置７は、シンクロトロン６の周回軌道に配置された高周波印加電極９と高周波電源１０とを開閉スイッチ１１にて接続して構成される。直線加速器５はイオン源で発生したイオン（例えば、陽子イオン，炭素イオン等）を加速してイオンビーム（粒子線）を生成し、このイオンビームをシンクロトロン６に入射する。イオンビームであるそのイオンビームはシンクロトロン６内を周回し、加速用高周波印加装置８に発生する加速電圧により必要なエネルギーが与えられると、予め設定されたエネルギーまで加速される。イオンビームのエネルギーは、ビームの照射方向から見た場合の患者体内における患部の体表面からの深さ(照射深さ)に合わせて決定される。シンクロトロン６内を周回するイオンビームに必要なエネルギーが与えられると、高周波電源１０からの出射用の高周波が、閉じられた開閉スイッチ１１を経て高周波印加電極９に達し、高周波印加電極９よりイオンビームに印加される。安定限界内で周回しているイオンビームは、この高周波の印加によって安定限界外に移行し、出射用デフレクタ１２を通ってシンクロトロン６をから出射される。イオンビームの出射の際には、シンクロトロン６に設けられた四極電磁石１３及び偏向電磁石１４に導かれる電流が電流設定値に保持され、安定限界もほぼ一定に保持されている。開閉スイッチ１１を開いて高周波印加電極９への高周波電力の印加を停止することによって、シンクロトロン６からのイオンビームの出射が停止される。
【００２５】
シンクロトロン６から出射されたイオンビーム（以下、ビームという）は、高エネルギービーム輸送系２により下流側（照射ノズル２１側）へと輸送される。高エネルギービーム輸送系２は、偏向電磁石１５、四極電磁石１６、及びステアリング電磁石１７を有する。高エネルギービーム輸送系２に導入されたビームは、偏向電磁石１５を経由してガントリービーム輸送系３に導入される。ガントリービーム輸送系３は回転ガントリー４に取り付けられており、四極電磁石１８，ステアリング電磁石１９，偏向電磁石２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを有している。  ガントリービーム輸送系３に導入されたビームはこれらの電磁石を経由して回転ガントリー４の回転胴に設置されたスキャニング照射方式の照射ノズル（照射装置）２１へと輸送される。照射ノズル２１内には、プロファイルモニタ２２，走査電磁石２３，線量モニタ２４，スポット位置モニタ２５が設置されている。照射ノズル２１に入射したビームは、ビーム軌道上に設置されたプロファイルモニタ２２を通過後、２台の走査電磁石２３により偏向され、線量モニタ２４およびスポット位置モニタ２５を通り、患者３０体内の患部に照射される。
【００２６】
また、本実施形態の粒子線照射装置は制御を行うための照射制御装置３５を備えている。この照射制御装置３５は、図１に示すとおり、中央制御装置５０，ノズル制御装置５１，加速器制御装置５２，輸送系制御装置５３を備える。中央制御装置５０は、ノズル制御装置５１，加速器制御装置５２及び輸送系制御装置５３に接続される。また、中央制御装置５０が治療計画装置４０に接続され、治療計画装置４０から送信される治療計画データを受信する。ノズル制御装置５１は、プロファイルモニタ２２，走査電磁石２３，線量モニタ２４，スポット位置モニタ２５を制御する。加速器制御装置５２は、シンクロトロン６を構成する各機器を制御する。輸送系制御装置５３は、高エネルギービーム輸送系及びガントリービーム輸送系を構成する各機器を制御する。また、ヒューマンインターフェイス端末（ＨＭＩ端末）３１が中央制御装置５０に接続される。
【００２７】
中央制御装置５０は、これから治療を行なう患者に関する上記の治療計画データを治療計画装置４０から読み込む。前述したように、照射深さとビームのエネルギーに対応している。そしてエネルギーと、シンクロトロン６および高エネルギービーム輸送系２、ガントリービーム輸送系３の各電磁石への励磁電流供給の制御パターンとは対応している。すなわち、中央制御装置５０には、電力供給制御テーブルが予め記憶されており、例えば、エネルギーの各種の値（150, 145, 140, [MeV]等）に応じて、シンクロトロン６を含むイオンビーム発生装置１における四極電磁石１３及び偏向電磁石１４、ビーム輸送系２、３の四極電磁石１６、１８、ステアリング電磁石１７、１９、偏向電磁石１５、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに対する供給励磁電力値またはそのパターンが予め設定されている。
【００２８】
次に、本実施例の粒子線治療システムにおけるビームの照射法について図２を用いて説明する。患部を図２の１，２，３，４に示すように層状の領域に分割する。このとき各層は同一のエネルギーのビームで照射可能である。層１がビーム進行方向から見て一番深い場所に位置し、以降層２，３，４につれて順に浅い場所に位置していく。各層は、２台の走査電磁石２３を用いて塗りつぶすように照射される。中央制御装置５０は、治療計画装置４０によって定められた照射パターンをノズル制御装置５１に送信する。ノズル制御装置５１は、そのデータ通りにビームを走査し、決められた照射量を照射するように照射ノズルを制御する。ある層の照射が終了すると、ノズル制御装置５１は中央制御装置５０に該当の層の照射完了信号を送る。中央制御装置５０はその信号を受けて、加速器制御装置５２ならびに輸送系制御装置５３にビームのエネルギー変更信号を送る。加速器制御装置５２とビーム輸送系制御装置５３は次のエネルギーに対応する電磁石励磁電流設定値を各電磁石の電源装置に設定し、次のエネルギーのビーム出射準備が完了する。出射準備が完了すると、中央制御装置５０は出射準備完了信号をノズル制御装置５１に送る。ノズル制御装置５１は次の層の照射を開始する。このように、横方向には走査電磁石、深さ方向にはビームのエネルギーを順次変更することで３次元的にビームを走査する。以上の照射方法は、スキャニング照射法と呼ばれる照射方法であり、患部にのみ線量を付与し、周辺の正常組織への照射を低減することが可能な照射方法である。なお、このようにエネルギーを順次変更する運転、より詳しくは、加速器から出射するイオンビームのエネルギーを段階的に増加、または減少させる運転をエネルギースキャン運転という。
【００２９】
次に、本実施例の特徴であるエネルギースキャン運転時における照射制御装置３５の動作を説明する。
【００３０】
中央制御装置５０は、これから治療を行なう患者に関する処方箋データを治療計画装置から受信する。この処方箋データには、治療室や回転ガントリーの角度、照射するビームエネルギー、ビーム走査範囲、照射量などの情報が含まれる。中央制御装置５０は処方箋データに基づき、イオンビーム発生装置１やビーム輸送系２，３の各ビーム経路に配置された電磁石を制御するための制御指令データ（制御指令情報）を作成する。制御指令データはエネルギー毎に電磁石励磁量を設定したテーブルを用いて作成され、各電磁石の電源装置に出力される。これらの電源装置のうち、シンクロトロン６の各電磁石（以下シンクロトロン電磁石という）の電源装置には応答速度の速いパターン電源が用いられ、高エネルギービーム輸送系２とガントリービーム輸送系３の各電磁石（以下輸送系電磁石という）の電源装置には安価な直流電源が用いられている。
【００３１】
ここで、本実施例のエネルギースキャン運転時におけるシンクロトロン電磁石および輸送系電磁石への励磁電流供給の制御について説明する。図３は、出射するイオンビームのエネルギーを段階的に減少させるエネルギースキャン運転時におけるシンクロトロン電磁石および輸送系電磁石の励磁電流パターンを示す図である。
【００３２】
本実施例の粒子線治療では、まず最初に、高いビーム位置再現性でビームを照射するために、図３の１００Ａ，１００Ｂで示すように電磁石の初期化運転を行なう。この初期化運転によって、ビーム径路上に設置された電磁石の磁化を揃えることができるため、磁化のばらつきが抑制され、ビーム照射の位置再現性を高くすることができる。次いで、パターン電源で動作するシンクロトロン電磁石は、初期化運転後も、図３の１０１Ａで示すように磁場強度を増減するパターン運転を行い、イオンビームの出射期間におけるシンクロトロン電磁石の励磁電流値は、出射するイオンビームのエネルギーに応じてステップ状かつ段階的に減少するよう制御されている。一方、直流電源で動作する輸送系電磁石は、初期化運転後において、図３の１０１Ｂで示すように、出射するイオンビームのエネルギーに合わせて一定の励磁電流値が設定され、エネルギーの変更に合わせて励磁電流値が段階的に変更される。なお、エネルギー変更に要する時間は、照射条件によるが、シンクロトロンの１運転周期に相当する1~10秒程度が一般的である。
【００３３】
また、本実施例のエネルギースキャン運転時においては、位置精度が高い治療照射を行なうために、エネルギー切替毎に図３の１０２Ａで示すようにシンクロトロン電磁石に対して初期化動作を実施する。なお、この初期化動作は、各エネルギーの出射完了後にすぐに減速に移行せずに励磁電流値を初期化用の電流値（最大電流）まで一旦増加（再励磁）させ、その後に減磁する運転であって、１００Ａと１００Ｂに示した初期化運転とは別の運転とする。
【００３４】
一方、直流電源で動作する輸送系電磁石に対しても、シンクロトロン電磁石と同様にエネルギー切替毎に励磁電流値を初期化用の電流値まで一旦増加（再励磁）させた後に減磁する運転（初期化動作）を行うことが考えられる。しかし、直流電源の応答性はパターン電源に比べて３〜４倍遅いため、直流電源を用いて初期化動作を行うとエネルギー切替時の時間が増加し、照射条件によっては治療照射時間が倍程度長くなってしまう。また、輸送系電磁石にパターン電源を導入すれば治療照射時間の増加を防げるが、その場合には電源コストの増大につながる。
【００３５】
そこで本実施例では、輸送系電磁石、特にビーム照射の位置精度に対する影響が最も大きい輸送系の偏向電磁石１５，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに対して、従来通りの直流電源を用いつつ、輸送系電磁石の初期化動作を省略した治療照射を行なうことを可能とするための励磁電流制御を行う。この励磁電流制御の概略は、出射するビームのエネルギー(エネルギーレベル)に応じて定めた基準電流値と、そのエネルギーレベルに至るまでにエネルギーレベルを変更した回数に応じて定めた補正値を用いて電磁石の励磁電流値を演算し、電磁石を制御するというものである。以下にその詳細を説明する。
【００３６】
図４は、輸送系の電磁石励磁電流制御のための電流供給制御テーブル１（第一データテーブル１）を示し、図５は電磁石励磁電流制御のための電流供給補償値テーブル１（第二データ２）を示し、図６は電磁石励磁電流制御のための電流供給補償値テーブル２（第三データテーブル）を示す。各エネルギーの電磁石励磁量、言い換えると、あるエネルギーのビームを照射する際に、各電磁石に対して供給される励磁電流の値は、これらの３つのデータテーブル１，２，３を用いて演算する。
【００３７】
電流供給制御テーブル１は、基準電磁石励磁電流値、すなわち電磁石に対して供給する励磁電流の基準となるもので、残留磁化を考慮せずに、あるエネルギーレベルのビームを照射する場合、すなわち単一エネルギー運転時に（エネルギースキャン運転を実施しない場合に）各電磁石に対して供給される励磁電流値を格納したテーブルである。本テーブルは単一エネルギー運転時にビームを適切に偏向するような偏向電磁石励磁量を実現する上で必要な励磁電流値が登録されたテーブルであり、ビームコミッショニング時に決定される。
【００３８】
電流供給補償値テーブル１，２は、電流供給制御テーブル１の制御指令データを微調整するためのテーブルであり、すなわち、エネルギースキャン運転により発生するヒステリシス現象による磁場の変化分(残留磁化)を補償するための電流設定値が登録されているテーブルである。
【００３９】
電流供給補償値テーブル１，２について更に説明する。
【００４０】
図７は、エネルギースキャン運転を実施した際に発生する輸送系偏向電磁石の磁場ヒステリシスにより生じる照射位置でのビーム位置偏差を示すグラフである。白抜き丸のグラフは225MeVを照射開始エネルギーとして5MeV置きに照射した条件、四角のグラフは225MeVを照射開始エネルギーとして15MeV置きに照射した条件である。また、図中の＃はエネルギースキャン回数を示している。ビーム位置偏差はエネルギースキャン回数に応じて変化しており、同一エネルギーの照射であっても、そのエネルギーに到達するまでに実施されたエネルギースキャンの回数によってビーム位置偏差が異なることがわかる。
【００４１】
図８は、エネルギースキャン運転を異なるエネルギー領域で実施した場合、具体的には、200〜230MeVの範囲と、170〜200MeVの範囲において、ビームのエネルギーを６回下げる照射した場合における照射位置でのビーム位置偏差を示すグラフである。このグラフから、エネルギースキャン回数が同じであっても、エネルギースキャン運転をしているエネルギーの範囲が異なっていると、ビーム位置偏差も異なることがわかる。
【００４２】
このようにエネルギースキャン運転によって発生する磁場の変化量は、対象のエネルギーレベル、およびそのエネルギーレベルに到達するまでに実行したエネルギースキャンの段数によって決まる。そこで、エネルギースキャンする順番(エネルギーの変更回数)に対してその補償値割合を記載したテーブルを電流供給補償値テーブル１とし、また補償の際に各エネルギーの基準となるテーブルを電流供給補償値テーブル２として、エネルギースキャンにより発生するヒステリシス現象による磁場の変化分を補償する。このように磁場の変化分を補償することによって、輸送系電磁石の初期化動作を省略することが可能となるため、出射するイオンビームのエネルギーを変更して照射を行う場合であっても、エネルギーの切替に要する時間が短縮され、治療時間を従来よりも短縮することができる。なお、電流供給補償値テーブル１，２は、ビームコミッショニング時に実際にビームを用いて学習して求める。
【００４３】
本実施例による励磁電流の補償は、エネルギーの変化が、増加又は減少のいずれか一方向に変更する場合に有効である。これは言い換えると、シンクロトロンが初期化運転を行なった後に、出射するイオンビームのエネルギーを段階的に減少させる照射、もしくは出射するエネルギーを段階的に増加させる照射運転において有効ということになる。なお、出射するエネルギーを段階的に変化させるということは、一定値刻みに変化させる場合だけでなく、後述するように照射の条件に対応して、任意の幅でエネルギーを変化させることを含む。
【００４４】
次に、本実施例における励磁電流値の補償について具体的に説明する。以下、出射するイオンビームのエネルギーを、220MeV、 215MeV、 210MeV、 200MeV,の順に４段階で減少させるエネルギースキャン運転した場合における、ビーム輸送系の偏向電磁石２０Ａの励磁電流値について説明する。
【００４５】
まず、最初のエネルギーレベルの220MeVの電磁石励磁電流について説明する。偏向電磁石２０Ａにおける220MeVの基準電磁石励磁電流値は、電磁石電流供給制御テーブル１により410Aとなる。エネルギースキャン運転１段目なので補償量割合は、電流供給補償値テーブル１より0%となる。220MeVの電磁石励磁電流量の基本補償値は、電磁石電流供給補償値テーブル２より、-2.4Aであるが、補償量割合が0%なので、補償量は0Aとなる。よって、励磁電流値は410A+0Aで410Aとなる。次に、エネルギースキャン２段目の215MeVの電磁石励磁電流について説明する。215MeVの基準の励磁電流値は、電流供給制御テーブル１により405Aである。エネルギースキャン運転の段数は２段目となるので、電流供給補償量割合は、電流供給補償値テーブル１より10%となる。また、215MeVの基本補償値は、電磁石電流供給補償値テーブル２より、-2.0Aとなるので、補償値は-0.2Aとなる。よって、励磁電流値は、405A-0.2Aで404.8Aとなる。次に、エネルギースキャン３段目の210MeVの電磁石励磁電流について説明する。210MeVの基準の励磁電流値は、電流供給制御テーブル１により400Aである。また、エネルギースキャン運転の段数は３段目となるので電流供給補償量割合は、電流供給補償値テーブル１より20%となる。210MeVの基本補償値は、電磁石電流供給補償値テーブル２より、-2.0Aとなるので、補償値は-0.4Aとなる。よって、励磁電流値は、400A-0.4Aで399.6Aとなる。最後に、エネルギースキャン４段目の200MeVの電磁石励磁電流について説明する。200MeVの基準の励磁電流値は、電流供給制御テーブル１により390Aである。また、エネルギースキャン運転の段数は４段目となるので電流供給補償量割合は、電流供給補償値テーブル１より30%となる。また、200MeVの基本補償値は、電磁石電流供給補償値テーブル２より、-1.5Aとなるので、補償値は-0.45Aとなる。よって、励磁電流値は、390A-0.45Aで389.55Aとなる。このとき、200MeVはエネルギーレベル的にはスタートの220MeVから数えて５段目のエネルギーレベルであるが、エネルギースキャンの段数としては４段目であるため、電流供給補償値テーブル１では４段目の値を参照する。このように、励磁電流値の基準となる電流供給制御テーブル１と補償電流値を定める２つの電流供給補償値テーブル１，２を使って、電磁石に設定する励磁電流値を算出する。また、一般的に、ビームを偏向させるために利用される電磁石の励磁電流値は、偏向しようとするビームのエネルギーが高ければ大きな値となり、ビームのエネルギーが低ければそれに応じて小さな値となる。したがって本実施例によると、上記でも説明したように、出射するイオンビームのエネルギーを段階的に増加させる、または段階的に減少させる運転を加速器にさせる場合、ビームの偏向に関わる電磁石の励磁電流値も、段階的に増加、または段階的に減少させることが可能となり、初期化動作を省略することが可能なため、電磁石の初期化動作による治療時間の延長を抑制できる。
【００４６】
輸送系の他の偏向電磁石１５，２０Ｂ，２０Ｃについても、これらの電磁石に対して同様に作成した電流供給制御テーブル１及び電流供給補償値テーブル１，２を用いて励磁電流値を算出する。なお、本実施例の比較例として、輸送系電磁石に供給される励磁電流の補償量を、全ての出射するエネルギーと変更回数との組み合わせに関して予め算出しておき、メモリに記憶させることも考えられる。しかし、全ての電流値データを保持するとなると、２のエネルギー乗程度の値を保持する必要が生じ、例えば炭素線治療では、エネルギーの総数が300に対して、２の３００乗個、つまり１０の９０乗個もの値を保持できるメモリを準備する必要が生じるため、機器側の負担が非常に大きなものとなる。これに対して本実施例ように、三つのデータテーブルから補償量を算出する制御であれば、メモリに保持するデータは小さくなり、機器側への負担も軽減できる。
【００４７】
このように演算され作成された制御指令データは、他の電磁石の制御指令データとともに、最初のエネルギーレベルについてはまず加速器制御装置５２および輸送系制御装置５３に出力され、残りについては中央制御装置内５０のメモリに一旦保持される。
【００４８】
ビーム照射が開始され、最深部の層における横方向の照射が終了したところで、次のエネルギー照射のため、加速器制御装置５２および輸送系制御装置５３、ノズル制御装置５１への設定パターンが切り替わる。そこで、中央制御装置５０は自身のメモリに保持されている次のエネルギーレベルのデータを加速器制御装置５２および輸送系制御装置５３に出力し、最深部からひとつ体表方向の深さに対して照射を開始する。例えば上記の例では、輸送系の偏向電磁石２０Ａには、2番目のエネルギーレベルの設定値である404.8Aが設定される。
【００４９】
このような運転を繰り返し実施することで、輸送系のビーム経路に配置された偏向電磁石１５，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに対して設定される励磁電流値は、上りか下りのいずれか一方に向かう階段状になるよう値が設定され、かつどのエネルギーレベルにおいてもエネルギースキャン運転による磁場のズレを補正するような設定で、輸送系のビーム経路に配置された偏向電磁石１５，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを制御することができる。
【００５０】
また、このような運転により、スキャニング照射方式に必要なエネルギースキャン運転において必要な位置精度を保ったビーム照射が可能となる。また、偏向電磁石１５，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの電源として安価な直流電源を用い、パターン運転を行わずに適切な励磁電流値を設定するので、治療時間および電源コストを増加させることなく高いビーム照射位置性能で治療照射制御することが可能となる。
【００５１】
なお、シンクロトロン運転周期中にエネルギーを順次変更する照射方式、すなわち、加速、出射、減速からなるシンクロトロンの一運転周期中にエネルギーを段階的に上昇させる、または減少させることによって、複数のエネルギーレベルでビームを出射させるような照射方式においても、同様の運転方式を適用することで高いビーム照射の位置精度を実現し、かつ治療時間の延長を抑制するビーム制御が可能となる。また、上記実施例では、本発明を輸送系のビーム経路に配置された偏向電磁石１５，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに適用したが、同様の考えをシンクロトロン電磁石或いは輸送系の偏向電磁石外の電磁石に適用して電磁石制御を行ってもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１  イオンビーム発生装置
２  高エネルギービーム輸送系
３  ガントリービーム輸送系
４  回転ガントリー
５  直線加速器
６  シンクロトロン
７  高周波印加装置
８  加速用高周波印加装置
９  高周波印加電極
１０  高周波電源
１１  開閉スイッチ
１２  出射用デフレクタ
１３, １６, １８  四極電磁石
１４，１５，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ  偏向電磁石
１７, １９  ステアリング電磁石
２１  照射ノズル
２２  プロファイルモニタ
２３  走査電磁石
２４  線量モニタ
２５  スポット位置モニタ
３０  患者
３１  ＨＭＩ端末（ヒューマンマシンインターフェイス端末）
３５  照射制御装置
４０  治療計画装置
５０  中央制御装置
５１  ノズル制御装置
５２  加速器制御装置
５３  輸送系制御装置
【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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【図８】
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