(57)【要約】【課題】荷電粒子ビーム出射停止時の停止時間を短縮するとともに、荷電粒子ビームの運動量分散を抑制する。【解決手段】まず、ビーム出射開始時には加速用高周波電圧の振幅値を第１振幅値Ｖ１で保持する。ビーム出射による照射線量が規定線量に到達したら、加速空胴１５に印加する加速用高周波電圧の振幅値を第１振幅値Ｖ１から第２振幅値Ｖ２に増加させる。そして照射線量が目標線量３３１に到達した時点で第２振幅値Ｖ２に達し、このままの値で保持する。次いで次の照射が開始するまでに加速空胴１５に印加する加速用高周波電圧の振幅値を第２振幅値Ｖ２から第１振幅値Ｖ１に減少させ、ビーム出射開始時には第１振幅値Ｖ１で保持する。【選択図】  図２
2015201295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速して出射するシンクロトロンと、
このシンクロトロンから出射された前記荷電粒子ビームを照射する照射装置と、
前記荷電粒子ビームを前記シンクロトロンから前記照射装置まで導くビーム輸送系と、
前記シンクロトロン、前記ビーム輸送系および前記照射装置を制御する制御装置とを備えた荷電粒子ビーム照射システムであって、
前記シンクロトロンは、高周波加速電圧で前記荷電粒子ビームを所定のエネルギーまで加速する加速空胴を有し、
前記制御装置は、前記加速空胴に印加する高周波電圧を制御する加速用高周波制御部であって、前記荷電粒子ビームの照射線量が規定線量に到達すると前記加速空胴に印加する高周波電圧の振幅値を増加させ、この増加させた高周波電圧の振幅値を前記荷電粒子ビームの次の照射開始前までに減少させる制御を行う加速用高周波制御部を有する
こと特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記加速用高周波制御部は、目標線量に到達するまでに前記高周波電圧の振幅値を増加させるのに要する時間に基づいて前記規定線量を決定する
こと特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項３】
荷電粒子ビームを加速して出射するシンクロトロンと、このシンクロトロンから出射された前記荷電粒子ビームを照射する照射装置と、前記荷電粒子ビームを前記シンクロトロンから前記照射装置まで導くビーム輸送系と、前記シンクロトロン、前記ビーム輸送系および前記照射装置を制御する制御装置とを備えた荷電粒子ビーム照射システムの運転方法であって、
前記シンクロトロンからビームを出射する際に前記シンクロトロンの加速空胴に印加する高周波電圧の振幅値を、
照射開始時に第１振幅値に設定し、
照射線量が規定線量に到達した時点で前記第１振幅値から第２振幅値に増加させ始め、
前記荷電粒子ビームの次の照射開始前までに前記第２振幅値から前記第１振幅値に減少させる
ことを特徴とする荷電粒子ビームの照射システムの運転方法。
【請求項４】
請求項３に記載の荷電粒子ビーム照射システムの運転方法において、
目標線量に到達するまでに前記高周波電圧の振幅値を増加させるのに要する時間に基づいて前記規定線量を決定する
こと特徴とする荷電粒子ビーム照射システムの運転方法。
【請求項５】
請求項４に記載の荷電粒子ビーム照射システムの運転方法において、
前記目標線量に到達するまでに前記高周波電圧の振幅値を前記第２振幅値まで増加させる
こと特徴とする荷電粒子ビーム照射システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粒子線治療システムにおける荷電粒子照射システムおよびその運転方法に係り、特に、陽子や炭素イオン等の荷電粒子ビーム（イオンビーム）をがん患部に照射して治療するための粒子線治療システムに好適な荷電粒子照射システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、がん罹患率が増加している。それに伴い、様々ながんの治療方法が進歩しており、粒子線治療もその一つである。粒子線治療は陽子や炭素イオン等の荷電粒子ビームを加速し、がんの病巣に照射してがん細胞のＤＮＡを破壊する放射線治療の１つである。低侵襲で体に負担が少なく、治療後の生活の質を高く維持できることから、近年注目されている。
【０００３】
粒子線治療システムは、荷電粒子ビーム発生装置、高エネルギービーム輸送系および照射装置とそれらを制御する制御装置とで構成されている。
【０００４】
この粒子線治療システムでは、照射装置で患部形状に合わせて荷電粒子ビームを照射する際に、ビームを電磁石で走査して患部に照射するスキャニング照射法が注目されている。
【０００５】
スキャニング照射法では、患部となる照射対象を体表からの深さ毎にレイヤーと呼ばれる照射領域に分割し、このレイヤーの平面上をスポットと呼ぶ細かな線量管理領域に分割する。その上で、ビームの照射は、照射平面上のスポット毎に線量を管理しながら荷電粒子ビームを走査し、照射平面の変更は照射する荷電粒子ビームのエネルギーの変更により実現する。
【０００６】
具体的には、走査電磁石の電流値を設定し、目標スポットへ到達すると、設定された線量の照射を行い、照射線量が設定値に達すると次のスポットへ移動する。照射位置の移動が完了すると再び荷電粒子ビームを出射し、１つのレイヤー内の照射が終わるまで繰り返す。１つのレイヤーへの照射が完了すると、次のレイヤーのエネルギーに変更して、同様の照射を繰り返す。このように照射スポット間の移動中に照射荷電粒子ビームをＯＦＦする方法をスポットスキャニング法と称する。
【０００７】
スポットスキャニング法では、患部形状に合わせた荷電粒子ビームの照射が可能であり、従来の散乱体照射法のようにボーラスやコリメータ等の患部形状に合わせた患者固有具が不要となる。よって、荷電粒子ビーム発生装置から照射装置に供給される荷電粒子ビームを効率よく患部に照射することが可能である。
【０００８】
粒子線治療システムでの荷電粒子ビーム発生装置として、シンクロトロンが広く利用されている。このシンクロトロンから照射装置へのビーム出射法として、高周波ビーム出射法が知られている。
【０００９】
高周波ビーム出射法では、出射用高周波電圧の印加により周回荷電粒子ビームのベータトロン振動振幅を増大させて、安定限界条件を超えた振幅の大きい粒子から出射する方法である。
【００１０】
この出射法は、シンクロトロンを構成する電磁石の設定値を出射中に一定に設定できるため、出射荷電粒子ビームの軌道安定度が高く、照射荷電粒子ビームの高精度な照射位置制御を実現することができる。また、各スポットの照射終了時に出射用高周波電圧を停止（ＯＦＦ）することで、容易に荷電粒子ビームを停止することができる（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】ニュークリア  インスツルメンツ  アンド  メソッド  イン  フィジックス  リサーチ  Ａ  ４８９巻（２００２年）の第５９〜６７頁（Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａ  ４８９  （２００２）  Ｐ５９−６７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、出射用高周波電圧を停止（ＯＦＦ）してから出射荷電粒子ビームが実際に遮断されるまでには、周回荷電粒子ビームのシンクロトロン振動周期に応じた時間が掛かる。そのため、荷電粒子ビーム停止時間を短縮する方法が要求される。
【００１３】
荷電粒子ビーム停止時間はシンクロトロン振動で規定されていることから、荷電粒子ビーム停止時間を短縮するためにはシンクロトロン振動を高める必要がある。このシンクロトロン振動を高めるためには加速用高周波電圧を高める必要がある。しかし、ビーム出射の際に加速用高周波電圧を常に高めていては出射時の荷電粒子ビームの運動量分散が大きいものから出射されるため、荷電粒子ビームの飛程の変動が大きくなり、荷電粒子ビームの照射量が目標値に対してずれが生じることが懸念される、との問題がある。
【００１４】
本発明は、荷電粒子ビーム出射停止時の停止時間を短縮するとともに、荷電粒子ビームの運動量分散を抑制することが可能な荷電粒子照射システムおよび荷電粒子ビーム照射システムの運転方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、荷電粒子ビームを加速して出射するシンクロトロンと、このシンクロトロンから出射された前記荷電粒子ビームを照射する照射装置と、前記荷電粒子ビームを前記シンクロトロンから前記照射装置まで導くビーム輸送系と、前記シンクロトロン、前記ビーム輸送系および前記照射装置を制御する制御装置とを備えた荷電粒子ビーム照射システムであって、前記シンクロトロンは、高周波加速電圧で前記荷電粒子ビームを所定のエネルギーまで加速する加速空胴を有し、前記制御装置は、前記加速空胴に印加する高周波電圧を制御する加速用高周波制御部であって、前記荷電粒子ビームの照射線量が規定線量に到達すると前記加速空胴に印加する高周波電圧の振幅値を増加させ、この増加させた高周波電圧の振幅値を前記荷電粒子ビームの次の照射開始前までに減少させる制御を行う加速用高周波制御部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、荷電粒子ビーム出射停止時の停止時間を短縮するとともに、荷電粒子ビームの運動量分散を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】粒子線治療システムの構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の荷電粒子照射システムの実施形態における出射荷電粒子ビームの電流波形の一例を示す図である。
【図３】本発明の荷電粒子照射システムにおける加速用高周波電圧のタイミング制御を実施する加速用制御装置とその周辺の機器の構成の一例を示す図である。
【図４】本発明の荷電粒子照射システムの実施形態における加速用高周波電圧の振幅値増加および減少の開始タイミングの決定方法の一例を示す図である。
【図５】従来法による出射荷電粒子ビームの電流波形の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の荷電粒子照射システムおよび荷電粒子ビーム照射システムの運転方法の実施形態を、図１乃至図５を用いて説明する。
図１は粒子線治療システムの構成の一例を示す図、図２は本発明の荷電粒子照射システムの実施形態における出射荷電粒子ビームの電流波形の一例を示す図、図３は本発明の荷電粒子照射システムにおける加速用高周波電圧のタイミング制御を実施する加速用制御装置とその周辺の機器の構成の一例を示す図、図４は本発明の荷電粒子照射システムの実施形態における加速用高周波電圧の振幅値増加および減少の開始タイミングの決定方法の一例を示す図、図５は従来法による出射荷電粒子ビームの電流波形の一例を示す図である。
【００１９】
本実施形態の粒子線治療システム１は、図１に示すように、荷電粒子ビーム発生装置１１、高エネルギービーム輸送系１４、照射装置３０および制御システムを備えている。
【００２０】
荷電粒子ビーム発生装置１１は、荷電粒子源（図示せず）、入射器１２およびシンクロトロン１３を備えている。荷電粒子源は入射器１２に接続され、入射器１２はシンクロトロン１３に接続される。入射器１２は、荷電粒子源で発生した荷電粒子ビームをシンクロトロン１３に入射可能なエネルギーまで加速する。入射器１２で加速された入射荷電粒子ビーム１０ａは、シンクロトロン１３に入射される。
【００２１】
シンクロトロン１３は、周回軌道に沿って周回する荷電粒子ビーム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）１５、周回している荷電粒子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１９、荷電粒子ビームを周回軌道から取り出す出射用デフレクター１９ｂおよび偏向電磁石１６を備えている。
【００２２】
高エネルギービーム輸送系１４は、荷電粒子ビーム発生装置１１と治療室内に配置される照射装置３０とを接続しており、荷電粒子ビーム発生装置１１から出射された荷電粒子ビーム１０ｃを照射装置３０まで輸送する。
【００２３】
照射装置３０は、ビーム輸送系１４によって輸送された荷電粒子ビームを水平および垂直方向に偏向させて照射対象の断面形状に合わせて２次元的に走査する走査電磁石３２、この走査電磁石３２で走査された荷電粒子ビーム１０ｄの位置、サイズ（形状）、線量を監視する線量モニタ３１等で構成される。
【００２４】
粒子線治療システム１の制御システムは、荷電粒子ビーム発生装置１１および高エネルギービーム輸送系１４を制御する加速器制御装置４０、粒子線治療システム１全体を統括して制御する統括制御装置４１、患者への荷電粒子ビーム照射条件を計画する治療計画装置４３、この治療計画装置４３で計画した情報や荷電粒子ビーム発生装置１１および高エネルギービーム輸送系１４の制御情報等を記憶する記憶装置４２、荷電粒子ビーム発生装置１１を構成する機器の同期制御を実現するタイミング信号５１を生成・出力するタイミングシステム５０、加速用制御装置１８、出射用制御装置２１、シンクロトロン１３からビームを出射するためのビーム出射制御指令３３２を出力する照射制御装置３３、線量モニタ３１での線量値をカウントする積算線量カウンタ３４、積算線量カウンタ３４でのカウント値と目標値とを比較する比較器３５、患者の安全を担保するために統括制御装置４１とは独立のインターロックシステム（図示せず）を備えている。出射用制御装置２１は、荷電粒子ビーム発生装置１１から高エネルギービーム輸送系１４への荷電粒子ビームを出射する際に利用する高周波電圧を制御する。加速用制御装置１８は、シンクロトロン１３内を周回する荷電粒子ビームを加速するための高周波電圧を制御する。
【００２５】
上述したシンクロトロン１３では、加速用高周波信号１８１を加速用高周波増幅器１７で増幅して生成した高周波電圧を加速空胴１５に印加する。これにより、シンクロトロン１３に入射した荷電粒子ビーム１０ｂは、加速空胴１５を通過する際にエネルギーが付与されることで所望のエネルギーまで加速される。この際、シンクロトロン１３内を周回する荷電粒子ビーム１０ｂの周回軌道が一定となるように、シンクロトロン内荷電粒子ビーム１０ｂの周回エネルギーの増加に合わせて偏向電磁石１６、四極電磁石（図示せず）等の磁場強度および加速空胴１５に印加する高周波電圧の周波数を高める。
【００２６】
所望のエネルギーまで加速された荷電粒子ビーム１０ｂは、出射準備制御により、四極電磁石および六極電磁石（図示せず）の励磁量によって周回荷電粒子ビーム１０ｂが出射可能な条件（周回荷電粒子ビームの安定限界条件）を形成する。そして、出射準備制御が終了したことを確認した後に、出射用制御装置２１から出力された出射用高周波信号２１１を出射用高周波増幅器２０で増幅して出射用高周波電圧を生成する。その後、生成した出射用高周波電圧を出射用高周波電極１９に印加し、シンクロトロン１３内を周回する荷電粒子ビーム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荷電粒子ビーム１０ｂはシンクロトロン１３から高エネルギー荷電粒子ビーム輸送系１４に出射される。シンクロトロン１３からの荷電粒子ビーム出射制御は、出射用制御装置２１によって出射用高周波電極１９に印加する出射用高周波信号２１１のＯＮ／ＯＦＦ制御により実現可能である。この際、ビーム出射時に加速空胴１５に印加する加速用高周波電圧は印加した状態を維持する。すなわち、出射用高周波信号がＯＦＦの場合でも、加速用高周波電圧は印加を停止しない。
【００２７】
シンクロトロン１３から出射された荷電粒子ビーム１０ｃは、高エネルギービーム輸送系１４により照射装置３０に輸送される。照射装置３０では、患者に照射する荷電粒子ビーム１０ｄの照射線量を計測する線量モニタ３１にて照射する荷電粒子ビーム１０ｄの線量強度を逐次確認し、走査電磁石３２で患部形状に合わせて荷電粒子ビーム１０ｄを走査する。また、患部深さ方向の荷電粒子ビーム飛程変更は、シンクロトロン１３で加速する荷電粒子ビーム荷電粒子１０ｂのエネルギーを変更して出射することで、患部形状に合わせた照射野を形成する。
【００２８】
ここで、本実施形態において重要となるシンクロトロン振動の制御について述べる。
【００２９】
上述のように、シンクロトロンでの荷電粒子ビームの加速は、ビームの周回軌道上に設置された加速空胴１５によって、荷電粒子ビームがシンクロトロン内を周回する度に加速用高周波電圧を印加することで行う。この加速空胴１５によって高周波電圧を印加することで、高周波バケットと呼ばれる安定領域を形成する。
【００３０】
この高周波バケットは、加速用高周波電圧の位相に対して安定に周回可能な荷電粒子ビームの運動量幅を示したものであり、高周波バケットの高さは加速用高周波電圧の振幅値により規定される。
【００３１】
シンクロトロン内を周回する荷電粒子のうち、加速用高周波電圧の周波数と一致した周回粒子は、加速用高周波電圧が規定する運動量と一致するため、加速用高周波電圧の中心位相に分布する。また、加速用高周波電圧の周波数からずれた周回粒子は、加速用高周波電圧が規定する運動量から相対的にずれるため、高周波電圧の中心位相からずれた領域に分布し、高周波バケット内の位相空間上を周回運動する。この高周波バケット内の位相空間上の周回運動をシンクロトロン振動と呼ぶ。荷電粒子ビームはシンクロトロン振動をしながら高周波バケット内を周回するため、荷電粒子ビームが安定に周回する上で重要な運動である。
【００３２】
シンクロトロン振動周波数（ｆＳＹＮＣ）は、次式（１）で示され、加速用高周波電圧（ＶＲＦ）、周回周波数（Ω）および、同期位相（φＳ）で制御できる。
【００３３】
【数１】
2015201295.tif 000003
【００３４】
ここで、シンクロトロン振動がシンクロトロン内を周回する荷電粒子ビームに与える影響は加速時と出射時とで異なるため、式１を用いながら以下説明する。
【００３５】
荷電粒子ビームの加速時には、シンクロトロン内を周回する荷電粒子ビームの周回周波数が高まることで荷電粒子ビームのエネルギー（つまり、運動量）が増大する。このとき、シンクロトロン振動が大きいと高周波バケット内を周回する荷電粒子の振動周期が短くなるため、加速制御による運動量の増大とシンクロトロン振動による運動量の変動により、荷電粒子ビーム損失を生じる恐れがある。そのため、加速制御時には加速用高周波電圧（ＶＲＦ）と同期位相（φＳ）の変化を緩やかにし、シンクロトロン振動の急激な変化を抑える必要がある。
【００３６】
一方、荷電粒子ビームの出射時は、加速用高周波電圧（ＶＲＦ）も周回周波数（Ω）も一定で制御するため、シンクロトロン振動は一定である。また、荷電粒子ビームは出射用高周波電圧の印加によりベータトロン振動振幅を増大させることで安定限界の中から安定限界の外に出射される。このときの荷電粒子ビームの応答、すなわちビームＯＮ／ＯＦＦ応答時間はシンクロトロン振動周波数（ｆＳＹＮＣ）に依存する。
【００３７】
ここで、出射制御中に常に加速用高周波電圧（ＶＲＦ）を高めることでシンクロトロン振動周波数（ｆＳＹＮＣ）を高くし、荷電粒子ビームのＯＮ／ＯＦＦ応答時間を速くすることはできる。しかし、周回荷電粒子ビームはシンクロトロン振動により運動量の高い荷電粒子ビームから出射される傾向があるため、加速用高周波電圧（ＶＲＦ）を高めるとシンクロトロンから出射される荷電粒子ビームの運動量変化が大きくなるという課題がある。
【００３８】
そこで、本実施形態では、荷電粒子ビーム停止時間がシンクロトロン振動に規定されていることに着目し、荷電粒子ビーム停止時に加速用高周波電圧によりシンクロトロン振動を制御することで荷電粒子ビーム停止時間を短縮しつつ、シンクロトロンから出射される荷電粒子ビームの運動量変化を低減する制御を実施する。以下その詳細について、従来法と比較しながら説明する。
【００３９】
図５に従来法による高周波電圧の制御タイミングチャートを示し、図２に本発明による高周波電圧の制御タイミングチャートを示す。
【００４０】
図５において、従来法では、加速用高周波電圧は荷電粒子ビーム停止時および出射時に一定であり、出射用高周波電圧のＯＮ／ＯＦＦにより荷電粒子ビーム停止および出射を制御している。このため、従来法では、上述したように、出射用高周波電圧を停止（ＯＦＦ）してから出射荷電粒子ビームが実際に遮断されるまでには、周回荷電粒子ビームのシンクロトロン振動周期に応じた時間が掛かり、図５（ｄ）に示すような荷電粒子ビーム停止に伴う余剰な照射ビーム１０ｅ２が発生していた。
【００４１】
これに対し本発明では、図２に示すように、荷電粒子ビームの停止時に加速用高周波電圧の振幅値を高めることでシンクロトロン振動を高め、荷電粒子ビーム停止時間を短縮する。そして、ビームを再び出射する直前までに加速用高周波電圧の振幅値を元の値に戻し、荷電粒子ビーム出射時の運動量分散（飛程変動）を抑制する。
【００４２】
この制御を実施するための加速用高周波電圧の制御ブロックダイアグラムについて図３を用いて説明する。
【００４３】
図３において、加速用制御装置１８は、線量モニタ３１を通過する荷電粒子ビームが規定線量に到達したタイミングで加速用高周波電圧の振幅値を第１振幅値１８１ａ（Ｖ１）から第２振幅値１８１ｂ（Ｖ２）に増加する電圧パターンを生成するとともに、次の照射開始までに加速用高周波電圧の振幅値を第２振幅値Ｖ２から第１振幅値Ｖ１に減少させるための電圧パターンを生成するパターン生成器１８２と、加速用高周波電圧（ＶＲＦ）のパターン生成タイミングを制御するタイミング制御器１８６を有している。
【００４４】
タイミング制御器１８６は、比較器３５の出力する比較器出力信号３５１の内容と加速器制御装置４０から出力された目標線量３３１および規定線量１８７とにより、パターン生成タイミング信号１８５を生成し、パターン生成器１８２に対して出力する。
【００４５】
パターン生成器１８２は、パターン生成タイミング信号１８５の内容に応じて加速空胴１５に印加する加速用高周波電圧の振幅値をＶ１からＶ２に増加する電圧パターンを生成するとともに、振幅値をＶ２からＶ１に減少させるための電圧パターンを生成し、生成した電圧パターンを加速用高周波信号１８１として加速用高周波増幅器１７に出力する。その後、加速用高周波信号１８１は加速用高周波増幅器１７で増幅され、加速空胴１５に高周波電圧が印加される。
【００４６】
図３において、スポット照射開始時にゼロクリアされた積算線量カウンタ３４によって線量モニタ３１から出力される線量パルス１８８をカウントアップし、カウント値３４１が比較器３５に出力される。比較器３５では、加速器制御装置４０から出力され、スポット毎に予め値が設定された目標線量３３１および規定線量１８７と積算線量カウンタ３４のカウント値３４１とを比較する。そしてカウント値３４１が規定線量１８７に達したときは、加速用制御装置１８のタイミング制御器１８６に対して規定線量に到達した旨の比較器出力信号３５１を出力する。この信号の入力を受けたタイミング制御器１８６は、カウント値３４１が目標線量３３１に到達するまでに加速用高周波電圧をＶ１からＶ２に増加させる電圧パターンを生成するためのパターン生成タイミング信号１８５をパターン生成器１８２に対して出力する。パターン生成器１８２では、この信号の入力を受けて、加速用高周波電圧の振幅値をＶ１からＶ２に増加する電圧パターンを生成し、電力増幅器１７に出力する。この増加させる電圧パターンは、図２（ｅ）に示すような直線的な増加パターンに限られず、時間的に連続的に増加させるパターンや段階的に増加させるパターンとすることができる。
【００４７】
なお、規定線量１８７の決定方法の一例について、図４を参照して以下説明する。
【００４８】
図４において、シンクロトロン１３から出射され、照射装置３０にて照射される荷電粒子ビームの単位時間当たりの増加線量を線量率λと定義すると、この線量率λは出射用高周波電圧の強度で制御することができるため、線量率λは予め与えられたパラメータである。
ここで加速用高周波電圧の振幅値を第１振幅値１８１ａ（Ｖ１）から第２振幅値１８１ｂ（Ｖ２）へ上げるのに要する時間をΔＴ０、このΔＴ０の間に上昇する線量値をΔＤとすると、
ΔＴ０＝ΔＤ／λ  …（１）
と表せる。この式（１）を変形すると、
λΔＴ０＝ΔＤ＝目標線量−規定線量  …（２）
と表せる。よって、規定線量は次式（３）のように
規定線量＝目標線量−λΔＴ０  …（３）
と定義することができる。
【００４９】
ここで、加速用高周波電圧の振幅値がＶ２に必ず達するようにするため、（３）式において、時間的な余裕を見てＴｘ分の時間を追加すると、規定線量は次式（４）に示すように、
規定線量＝目標線量−λ（ΔＴ０＋Ｔｘ）  …（４）
とすることが望ましい。
【００５０】
同様に、比較器３５は、カウント値３４１が目標線量３３１に達したときは、目標線量到達タイミング信号を照射制御装置３３に対して出力し、照射制御装置３３はこの比較器３５の出力信号に基づき、ビーム出射制御指令３３２のＯＦＦ指令を出力して、出射用制御装置２１は出射用高周波電圧をＯＦＦにする。
【００５１】
ここで、常に加速用高周波電圧の振幅値を高めたままとしておくと、荷電粒子ビーム出射時の高周波バケットの高さが高くなり、周回荷電粒子ビームの運動量分散が高周波バケットの高さに沿って広がる。これに伴い、出射荷電粒子ビームの運動量分散（飛程変動）が次第に大きくなるため、この方法では所定の出射荷電粒子ビーム性能を満足することができなくなる恐れがある。
【００５２】
そこで、タイミング制御器１８６は、走査電磁石３２の電流値が次スポット照射における目標電流値に達したこと、ビーム輸送系１４内の高速ステアリング電磁石（不図示）がＯＦＦになったこと等を示す次スポット照射準備信号３３３の入力を受けると、加速用高周波電圧をＶ２からＶ１に減少させる電圧パターンを生成するためのパターン生成タイミング信号１８５をパターン生成１８２に対して出力する。パターン生成器１８２では、この信号の入力を受けて、加速用高周波電圧の振幅値をＶ２からＶ１に減少させる電圧パターンを生成し、電力増幅器１７に出力する。照射制御装置３３は、この加速用高周波電圧の振幅値がＶ１になったと判定されると、次のスポットの照射の開始を始めるよう制御する。この減少させる電圧パターンについても、図２（ｅ）に示すような直線的な減少パターンに限られず、時間的に連続的に減少させるパターンや段階的に減少させるパターンとすることができる。
【００５３】
このような加速用制御装置１８内のタイミング制御器１８６およびパターン生成器１８２によってパターンが生成され、加速用高周波増幅器１７に送られることで本発明による加速空胴１５に印加する加速用高周波電圧の振幅値の増減の制御が実施される。このタイミング制御に基づいて、荷電粒子ビーム出射時は、従来法と同様に加速用高周波電圧を印加した状態であり、スポット線量値が規定線量を超えたあたりから加速用高周波電圧の振幅値を高めていき、スポット線量が目標線量値に達したところで電圧を一定に保ち、次の照射の開始までに加速用高周波電圧の振幅値を下げ始めるよう加速用高周波電圧が制御される。これにより、図２（ｃ）に示すような余剰な照射ビーム１０ｅ１は、図４（ｄ）に示すような従来法における余剰な照射ビーム１０ｅ２に比べて大幅に減少させることができ、余剰線量を低減することが可能となる。
【００５４】
このように、シンクロトロン１３からのビーム出射制御時とビーム出射停止時で加速空胴１５に印加する高周波電圧の振幅値を切り替えることによって、ビーム出射の停止（ＯＦＦ）前に加速空胴に印加する高周波電圧の振幅値を高めることでビーム停止時のシンクロトロン振動周波数を高めることができ、荷電粒子ビーム停止時間を短縮することができる。また、ビーム出射（ＯＮ）を開始する前に加速用高周波電圧を低くすることで、ビーム出射時の運動量分散（飛程変動）を抑制することができ、荷電粒子ビームの照射量が目標値に対してずれが生じることを抑制することができる。
【００５５】
なお、本発明は上記の実施形態に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。
【符号の説明】
【００５６】
１  粒子線照射システム、
１０ａ  入射荷電粒子ビーム、
１０ｂ  加速荷電粒子ビーム、
１０ｃ  出射荷電粒子ビーム、
１０ｄ  照射荷電粒子ビーム、
１０ｅ１  本実施形態における余剰な照射ビーム、
１０ｅ２  従来法における余剰な照射ビーム、
１１  荷電粒子ビーム発生装置、
１２  入射器、
１３  シンクロトロン、
１４  ビーム輸送系、
１５  加速空胴、
１６  偏向電磁石、
１７  加速用高周波増幅器、
１８  加速用制御装置、
１８１  加速用高周波信号、
１８２  パターン生成器、
１８５  パターン生成タイミング信号、
１８６  タイミング制御器、
１８７  規定線量、
１８８  線量パルス、
１９  出射用高周波電極、
２０  出射用高周波増幅器、
２１  出射用制御装置、
２１１  出射用高周波信号、
３０  照射装置、
３１  線量モニタ、
３２  走査電磁石、
３３  照射制御装置、
３３１  目標線量、
３３２  荷電粒子ビーム出射制御指令、
３３３  次スポット照射準備信号、
３４  積算線量カウンタ、
３４１  カウント値、
３５  比較器、
３５１  比較器出力信号、
４０  加速器制御装置、
４１  統括制御装置、
４２  記憶装置、
４３  治療計画装置、
５０  タイミングシステム、
５１  タイミング信号。
【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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