(57)【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、
前記シンクロトロンから導かれた前記荷電粒子ビームを照射する照射装置と、
前記シンクロトロンの運転サイクルにおける出射制御区間で、前記シンクロトロンから出射する前記荷電粒子ビームのビーム強度が時間的に一定になるように制御する第１のビーム強度変調手段と、
前記運転サイクルにおける前記出射制御区間に含まれる複数の照射区間のそれぞれにおいて前記ビーム強度を制御する第２のビーム強度変調手段とを備え、
前記第１のビーム強度変調手段は、前記シンクロトロン内を周回する前記荷電粒子ビームの蓄積電荷量に基づいて、前記荷電粒子ビームのビーム強度を制御することを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項２】
前記照射装置は、回転可能で軸方向の厚みが回転方向で異なるエネルギー調整装置を有し、前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームを照射し、
前記第２のビーム強度変調手段は、前記エネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記ビーム強度を制御することを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射システム。
【請求項３】
前記照射装置は、回転可能で軸方向の厚みが回転方向で異なるエネルギー調整装置を有し、前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームを照射し、
前記第２のビーム強度変調手段は、前記荷電粒子ビームを照射している間で、前記ビーム強度が前記エネルギー調整装置の厚みに基づいて変化するように制御することを特徴とする請求項１に記載の粒子線照射システム。
【請求項４】
前記エネルギー調整装置の回転角度を検出する角度検出器と、
前記エネルギー調整装置の原点を検出する原点検出手段と、
前記エネルギー調整装置の複数の原点からの角度に対する軸方向の厚みに対応した、前記シンクロトロンから出射する前記荷電粒子ビームのビーム強度を記憶する記憶装置を備え、
前記第２のビーム強度変調手段は、前記原点検出手段からの検出信号に対する前記角度検出器からの回転角度に基づいて前記記憶装置から前記ビーム強度を選択し、選択した前記ビーム強度に基づいて前記シンクロトロンから出射する前記荷電粒子ビームのビーム強度を制御することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の粒子線照射システム。
【請求項５】
出射用の高周波印加装置を有し、荷電粒子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導かれた前記荷電粒子ビームを照射する照射装置と、
前記高周波印加装置に印加する高周波信号を生成する高周波信号生成装置と、
前記高周波信号生成装置を制御する出射制御装置とを備え、
前記高周波信号生成装置は、
前記シンクロトロンの運転サイクルにおける出射制御区間で、前記シンクロトロンから出射される前記荷電粒子ビームのビーム強度が時間的に一定になるように前記高周波信号の振幅を変調する第１の振幅変調手段と、
前記運転サイクルにおける出射制御区間に含まれる複数の照射区間のそれぞれに対応して、前記高周波信号の振幅を変調する第２の振幅変調手段を備える、
前記第１の振幅変調手段は、前記シンクロトロン内を周回する前記荷電粒子ビームの蓄積電荷量に基づいて、前記高周波信号の振幅を変調することを特徴とする粒子線照射システム。
【請求項６】
前記照射装置は、回転可能で軸方向の厚みが回転方向で異なっているエネルギー調整装置を有し、前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームを出射し、
前記第２の振幅変調手段は、前記エネルギー調整装置の回転角度に基づいて、前記高周波信号の振幅を変調することを特徴とする請求項５に記載の粒子線照射システム。
【請求項７】
前記照射装置は、回転可能で軸方向の厚みが回転方向で異なっているエネルギー調整装置を有し、前記エネルギー調整装置を透過した前記荷電粒子ビームを出射し、
前記第２の振幅変調手段は、前記荷電粒子ビームを出射している間で、前記エネルギー調整装置の厚みに応じて前記高周波信号の振幅を変調することを特徴とする請求項５に記載の粒子線照射システム。
【請求項８】
前記エネルギー調整装置の回転角度を検出する角度検出器と、
前記エネルギー調整装置の原点からの角度に対する軸方向の厚みに対応した、高周波信号の振幅を記憶する記憶装置を備え、
前記第２の振幅変調手段は、前記角度検出器からの回転角度に基づいて前記記憶装置から前記高周波信号の振幅を選択し、選択した前記高周波信号の振幅に基づいて前記高周波信号の振幅を変調することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の粒子線治療システム。
【請求項９】
前記高周波信号生成装置は、
前記高周波信号生成装置で生成した高周波信号の出力部に、高周波信号を制御指令に基づき遮断できる手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の粒子線照射システム。
【請求項１０】
前記第２の振幅変調手段は、
前記シンクロトロンから前記荷電粒子ビームを出射しているときは前記振幅を変化させ、前記シンクロトロンからの前記荷電粒子ビームの出射を停止しているときは前記振幅を一定値とすることを特徴とする請求項５ないし請求項９のいずれか１項に記載の粒子線照射システム。
【請求項１１】
前記第１の振幅変調手段は、
前記シンクロトロンから前記荷電粒子ビームを出射しているときは前記高周波信号の振幅を変化させ、
前記シンクロトロンからの前記荷電粒子ビームの出射を停止しているときは前記振幅を一定値とすることを特徴とする請求項５ないし請求項１０のいずれか１項に記載の粒子線照射システム。
【請求項１２】
前記シンクロトロンから出射した前記荷電粒子ビームのビーム強度を検出するビーム強度検出手段と、
前記ビーム強度検出手段から得られるビーム強度とビーム強度の目標値との差分に基づいて、前記第２の振幅変調手段にフィードバック演算制御を実施する手段を備えることを特徴とする請求項５ないし請求項１１のいずれか１項に記載の粒子線照射システム。
【請求項１３】
前記ビーム強度検出手段は、線量モニタであることを特徴とする請求項１２に記載の粒子線照射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線照射システムに係り、特に、陽子または重イオンなどの荷電粒子ビームを患部に照射してがんを治療する粒子線治療装置に適応するのに好適な粒子線照射システムに関する。
【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。この治療に用いる粒子線治療装置は、イオンビーム発生装置，ビーム輸送系、及び照射装置を備える。イオンビーム発生装置は、周回軌道に沿って周回するイオンビームを所望のエネルギーまで加速させるシンクロトロンやサイクロトロンを有する。
【０００３】
シンクロトロンは、周回軌道に沿って周回するイオンビーム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）、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、及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を備える（例えば、特許文献１）。出射用高周波印加電極は、目標エネルギーまで加速されたイオンビームをシンクロトロンからビーム輸送系へ出射する際、イオンビームに高周波磁場または高周波電場（以下、高周波信号）を印加し、周回しているイオンビームの固有振動であるベータトロン振動振幅を増大させる。ベータトロン振動振幅が増大したイオンビームは、安定限界外に移動し、シンクロトロンからビーム輸送系へ出射され、照射装置に輸送される。
【０００４】
また、サイクロトロンは、イオン源から供給されるイオンビームを、サイクロトロン内の一様磁場中を高周波電圧により加速させながら周外方向に周回させる。目標のエネルギーまで加速されたイオンビームは、ビーム輸送系へ出射され、照射装置に輸送される。
【０００５】
照射装置は、上記イオンビーム発生装置から導かれたイオンビームを、患者の体表面からの深さ及び患部形状に合わせて整形して、治療用ベッド上の患者の患部に照射する。照射装置では一般に、二重散乱体法（非特許文献１の２０８１頁，図３５），ウォブラ法
（非特許文献１の２０８４頁，図４１）、ビームスキャニング法（特許文献１，非特許文献１の２０９２頁及び２０９３頁）のいずれかのビーム照射法にてイオンビームを患部に照射する。
【０００６】
患部は、通常、患者の体内でイオンビームの進行方向にある程度の厚みを持っている。このような患部の厚み全域にわたってイオンビームを照射するには、イオンビームの進行方向にある程度広く一様な吸収線量範囲（拡大ブラックピーク(Spread-Out Bragg Peak)以下、ＳＯＢＰと称す）を形成するように、イオンビームのエネルギーを制御しなければならない。所望のＳＯＢＰを形成するためのエネルギー制御手段として、レンジ・モジュレーション・ホイール(Range Modulation Wheel、以下、ＲＭＷと記述)を採用する照射方法が提唱されている。ＲＭＷは、イオンビームが通過する領域の厚みが時間的に変化するように楔型形状のエネルギー吸収体を周方向に複数個配置した回転構造体であり、ＲＭＷの回転によりイオンビーム進行方向（ＲＭＷの軸方向）の厚みが増大または減少する構成を有する。このようなＲＭＷを用いた照射方法（非特許文献１の２０７７頁，図３０）を、ＲＭＷ照射法という。
【０００７】
また、患者の体表面からの深さ及び患部形状に合わせたイオンビームの整形は照射装置で実施されるが、患部に照射するビーム強度の調整はイオンビーム発生装置で実施される。イオンビーム発生装置から出射されるイオンビームの所望のビーム強度は、シンクロトロンでは、出射用高周波電極に印加する高周波信号の強度の調節によって制御される。また、サイクロトロンでは、出射したイオンビームの強度を調整する装置を備える（例えば、特許文献２）。具体的には、サイクロトロンは、実際に出射されたビームの強度を測定し、その測定結果を用いて、イオン源に供給するアーク電流を制御している。
【０００８】
【特許文献１】特許第２５９６２９２号公報
【特許文献２】特表２００４−５５２９４８３号公報
【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２０７４〜２０９３頁（REVIEW OF SCIENTIFIC        INSTRUMENTS VOLUME 64 NUMBER 8(AUGUST 1993)P2074-2093）
【非特許文献２】プロシーディング  オブ  シンポジウム  オン  アクセレレータ  アンド  リレーティット  テクノロジー  フォー  アプリケーション  ７巻（2005年６月）の第３５頁〜３６頁（Proceedings of the Symposium on Accelerator AND   Related Technology for Application VOLUME 7(June,2005)P35-36)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
シンクロトロンは、前段加速器から入射されたイオンビームを所望のエネルギーまで加速して出射する。シンクロトロンは、入射、加速及び出射を一つの運転サイクルとし、この運転サイクルを繰り返して運転される。そのため、シンクロトロンへのイオンビームの供給は、サイクロトロンと異なり、一運転サイクルにおいて入射時のみである。シンクロトロンで加速されたイオンビームの蓄積量は、加速終了時を最大として出射制御の時間経過に伴い減少していく（非特許文献１）。さらに、出射用高周波電極に印加する高周波信号の振幅とシンクロトロンから出射されるビーム強度との関係は、シンクロトロン内のイオンビームの蓄積量も影響することが知られており、所望の強度のイオンビームを出射することは容易ではない。
【００１０】
従来は、イオンビームに印加する出射用高周波信号によるイオンビームの拡散を考慮した出射過程をモデル化し、要求されたビーム強度信号により出射された粒子数からシンクロトロン内を周回するイオンビームの強度を推定し、これに基づく高周波信号の振幅変調関数を決めるパターンを最適化することで、対応する強度パターンのアドレスを求めて出射ビーム強度を制御する方法が提案されている（例えば、非特許文献２）。しかし、非特許文献２を適用した場合、出射制御により変化するシンクロトロン内の周回ビーム強度を推定する手段が必要となる。そのため、この推定結果と実際に出射されるイオンビームの強度制御の結果を一致させる調整が複雑となり、制御装置の構成も複雑となる。
【００１１】
本発明の目的は、出射されるイオンビームの強度制御を簡素な装置構成で実現できる荷電粒子ビーム出射方法及び粒子線照射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】
【００１２】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、シンクロトロンから導かれたイオンビームを出射する照射装置と、シンクロトロンの運転サイクルにおける出射制御区間で、シンクロトロンから出射するイオンビームのビーム強度を制御する第１のビーム強度変調手段と、運転サイクルにおける出射制御区間に含まれる複数の照射区間のそれぞれにおいてビーム強度を制御する第２のビーム強度変調手段とを備えたことにある。
【００１３】
好ましくは、照射装置は、回転可能で軸方向の厚みが回転方向で異なっているエネルギー調整装置を有し、エネルギー調整装置を透過したイオンビームを出射し、第２のビーム強度変調手段は、エネルギー調整装置の回転角度に基づいてビーム強度を制御する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、シンクロトロン内を周回しているイオンビームの蓄積量に応じて出射するビーム強度を精度良く制御することが可能となり、しいては照射対象に照射するイオンビームの強度を精度良く制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の好適な一実施例である粒子線治療装置を、図１及び図７を用いて説明する。本実施例の粒子線治療装置１は、図１に示すように、イオンビーム発生装置９、ビーム輸送装置３１及び照射野形成装置（荷電粒子ビーム照射装置、以下、照射装置という。）３２を備える。ビーム輸送装置３１が、イオンビーム発生装置９と治療室内に配置される照射野形成装置（以下、照射装置）３２を連絡する。
【００１７】
イオンビーム発生装置９は、イオン源（図示せず）、前段加速器２及びシンクロトロン３を備える。イオン源が前段加速器２に接続される。シンクロトロン３は、周回軌道に、入射装置５，高周波加速装置（加速空胴）７，複数の偏向電磁石８，複数の四極電磁石
（図示せず）、出射用の高周波電極（高周波印加装置）１０及び出射装置３０を設置している。前段加速器２は入射装置５に接続される。加速空胴７は、高周波電力を印加する高周波電源（図示せず）に接続される。その高周波電源は、高周波加速制御装置７１によって制御される。偏向電磁石８は、偏向電磁石電源８１に接続される。高周波電極１０は、出射用電力増幅器１９を介して出射用制御装置１１に接続される。
【００１８】
出射用制御装置１１は、出射用高周波信号処理部（高周波信号生成装置）２０，高周波スイッチ１７及び出射用制御信号処理部１８を備える。出射用高周波信号処理部２０は、高周波発振器１２，高周波ミキサ１３，振幅制御手段１８７及び高周波スイッチ１６を備える。振幅制御手段１８７は、第１強度変調装置(以下、グローバル強度変調装置という)１４及び第２強度変調装置（以下、ローカル強度変調装置という）１５を備える。高周波発振器１２から出力される高周波信号は、高周波ミキサ１３，グローバル強度変調装置
１４、ローカル強度変調装置１５及び二つの高周波スイッチ１６，１７を介して出射用電力増幅器１９に伝送される。
【００１９】
出射用制御装置１８は、図７に示すように、出射用の制御プロセッサ１８０、制御信号出力部１８１ａ，１８１ｂ，１８１ｃ，逓倍回路１８２及びＡＮＤ回路１８３を備える。逓倍回路１８２は、制御プロセッサ１８０に接続される。制御プロセッサ１８０は、高周波発振器１２、制御信号出力部１８１ａ，１８１ｂ，１８１ｃに接続される。制御信号出力部１８１ａは、高周波ミキサ１３に接続される。制御信号出力部１８１ｂは、グローバル強度変調装置１４に接続される。制御信号出力部１８１ｃは、ローカル強度変調装置
１５，制御信号出力部１８１ｂ及びＡＮＤ回路１８３に接続される。ＡＮＤ回路１８３は、高周波スイッチ１６に接続される。
【００２０】
治療計画装置４３は、図１に示すように、記憶装置４２を有する統括制御装置４１に接続される。統括制御装置４１は、加速器系制御装置４０に接続される。加速器系制御装置４０は、高周波加速制装置７１，偏向電磁石電源８１，タイミングシステム５０，安全系インターロック６０及び出射用制御装置１１に接続される。タイミングシステム５０は、出射用制御装置１１に接続される。安全系インターロック６０は、高周波スイッチ１７及びＡＮＤ回路１８３に接続される。
【００２１】
ビーム輸送装置３１は、シンクロトロン３と照射装置３２に接続される。照射装置３２は、ＲＭＷ（ビームエネルギー調整装置）３３，ＲＭＷ３３の回転角度を検出する回転検出器（本実施例では、ロータリーエンコーダ）３４、及び線量モニタ（図示せず）を備える。ロータリーエンコーダは、ＲＭＷ３３の回転が検出できるように接続され、ロータリーエンコーダ３４からの出力信号は、出射用制御信号処理部１８に設けられた逓倍回路
１８２及び制御プロセッサ１８０に伝送される。
【００２２】
ＲＭＷ３３の構造を図３（Ａ）に示す。ＲＭＷ３３は、回転軸３３５，回転軸３３５と同心円に配置された円筒部材３３６、及び回転軸３３５に取り付けられＲＭＷ３３の半径方向に伸びた複数の翼（本実施例では３つの翼）３３１を有している。これらの翼３３１は、その周方向における幅が半径方向外側に行くほど広くなるように形成されている。各翼３３１は、ＲＭＷ３３の周方向において階段状に配置された複数の平面領域３３３を有しており、ＲＭＷ軸方向におけるＲＭＷ３３の底面から各平面領域３３３までの各厚みが異なっている。１つの平面領域３３３の部分におけるその厚みを、平面領域部分の厚みという。ＲＭＷ３３の周方向における翼３３１と翼３３１の間には、それぞれ厚みの薄い翼底部３３２が形成されている。本実施例におけるＲＭＷ３３には３つの翼３３１の相互間に形成された翼底部（または開口部）３３２が３つ存在する。翼３３１は、周方向において翼３３１の両側に位置する翼底部３３２からビームの進行方向における厚みの厚い翼頂部３３４に位置する平面領域３３３に向かって各平面領域部分の厚みが増加するように形成される。円筒部材３３６には、ＲＭＷ３３の回転周期が観測できるように原点センサ
３３０が設けられている。
【００２３】
ロータリーエンコーダ３４から出力される信号について、図６及び図７を用いて説明する。ロータリーエンコーダ３４は、回転している回転軸３３５（ＲＭＷ３３）の回転角度（回転位相）を検出し、検出した回転角度に応じて、Ａ層信号３４１及びＢ層信号３４２を逓倍回路１８２に出力する（図７）。Ａ層信号３４１（図６(ａ)）及びＢ層信号３４２（図６（ｂ））は、ＲＭＷ３３の回転角度情報を有するパルス信号である。Ａ層信号３４１とＢ層信号３４２の位相差は９０度である。本実施例のロータリーエンコーダ３４は、ＲＭＷ３３の１回転当たり、１０００パルスのＡ層信号３４１及びＢ層信号３４２をそれぞれ出力する。ロータリーエンコーダ３４は、ＲＭＷ３３の回転している間、回転数に応じた周期で常にＡ層信号３４１及びＢ層信号３４２を出力する。Ａ層信号３４１及びＢ層信号３４２を入力した逓倍回路１８２は、Ａ層信号３４１及びＢ層信号３４２の立ち上がり、立ち下りをサンプリングして、４逓倍したパルス信号（以下、更新クロック信号という。）１８４（図６（ｄ））を出力する。よって、逓倍回路１８２は、ＲＭＷ３３の１回転当たり４０００パルスの更新クロック信号１８４を制御プロセッサ１８０に出力する。制御プロセッサ１８０は、更新クロック信号１８４を制御信号出力部１８１ｃに出力する。
【００２４】
また、ロータリーエンコーダ３４は、ＲＭＷ３３が一回転する間に、原点信号３４３を一回出力する（図６（ｃ））。原点信号３４３は、ＲＭＷ３３が回転している間、回転数に応じた周期で常に出力される。制御プロセッサ１８０は、原点信号３４３を制御信号出力部１８１ｃに出力する。
【００２５】
医師は、患者情報（患部の位置及び大きさ、ビームの照射方向、及び最大照射深さ）を治療計画装置４３に入力する。治療計画装置４３は、治療計画ソフトを用い、入力された患者情報に基づいて、治療に必要なＳＯＢＰ幅，照射野サイズ及び患部に対する目標線量等を算出する。さらに、治療計画装置４３は、治療計画ソフトによって、シンクロトロン３から出射するビームのエネルギー（出射エネルギー），治療ベッド３９の配置位置，ビームの出射を開始するＲＭＷ３３の回転角度及びビームの出射を停止する回転角度等の各種運転パラメータを算出すると共に、治療に適切なＲＭＷ３３を選定する。これらの治療計画情報（ＳＯＢＰ幅、照射野サイズ，目標線量，各種運転パラメータ，出射エネルギー、及び選定されたＲＭＷ３３等の情報）が、統括制御装置４１に入力され、統括制御装置４１の記憶装置４２に記憶される。
【００２６】
治療計画情報は、治療の準備を行っている治療室の制御室内に配置された表示装置（図示せず）に表示される。放射線技師は、その表示画面を確認し、表示により指定された
ＲＭＷ３３を、照射装置３２内に配置する。
【００２７】
治療ベッド制御装置（図示せず）は、統括制御装置４１からの指示により、患者が固定されている治療ベッド３９を移動し、患者の患部（照射対象）がビーム軸の延長線上に位置するように位置決めする。加速器制御システム４０は、統括制御装置４１からの治療計画情報から照射ビームエネルギーを決定し、偏向電磁石電源８１に制御指令（設定電流値情報）８０１を送信し、高周波加速制御装置７１に制御指令（設定周波数情報）７０１を送信する。偏向電磁石電源８１は、制御指令８０１に基づいて、偏向電磁石８を励磁する。高周波加速制御装置７１は、制御指令７０１に基づいて、高周波加速装置７につながる高周波電源を起動させる。高周波電源が、加速空胴７に高周波を印加する。統括制御装置４１はイオンビームの加速準備と並行して、ＲＭＷ回転制御信号を出力して、モータを駆動させる。これにより、ＲＭＷ３３が図３（Ａ）の矢印方向へ回転する。ロータリーエンコーダ３４は、ＲＭＷ３３の回転に応じた回転検出信号を出力する。
【００２８】
医師は、前述の制御室内の操作盤から照射開始信号を統括制御装置４１に出力する。照射開始指示に基づき、前段加速器２は、イオン源より発生したイオンビーム（例えば、陽子（または炭素イオンなどの重粒子））を加速し、シンクロトロン３に供給する。
【００２９】
シンクロトロン３は、前段加速器から入射したイオンビーム４ａをさらに加速する。このビーム加速制御では、高周波電源より供給した高周波電圧を加速空胴７の間隙に発生させ、シンクロトロン３内を周回するイオンビーム４ｂが空胴間隙を通過することによりエネルギーを付与されて加速される。この際、エネルギーの増加に伴い偏向磁場強度を強めるとともに、加速空胴に印加する高周波電圧の周波数を高めることで、イオンビーム４ｂはシンクロトロン２内の周回軌道上を安定に周回させながら加速することができる。イオンビーム４ｂは、目標のビームエネルギーまで加速された後、高周波電極１０から高周波が印加されることによって、シンクロトロン３から出射される。
【００３０】
シンクロトロン３から出射されたイオンビーム４ｃは、出射装置３０及びビーム輸送系３１を通過して、照射装置３２に到着する。さらに、イオンビームは、照射装置３２の軸方向（イオンビームの進行方向）に延びる、照射装置３２内のビーム経路に沿って進行し、回転するＲＭＷ３３を通過して、患者の患部に照射される。患部に照射されるイオンビームの線量は線量モニタ（図示せず）で計測する。患部への照射線量が目標線量値に到達すると、線量モニタでの測定結果が統括制御装置４１に伝送され、統括制御装置４１はシンクロトロン３からのイオンビームの出射を停止し、患者に対するイオンビーム４ｄの照射が終了する。
【００３１】
シンクロトロン３の運転は、図２（Ａ）に示すように、イオンビームの入射・捕獲，イオンビームを設定されたエネルギーまで高める加速，目標のエネルギーになったイオンビームの出射、及び減速が繰返される。これら入射・捕獲，加速，出射、及び減速（シンクロトロン３の一つの運転サイクル）の制御は加速するイオンビームのエネルギーに合わせて規定される。シンクロトロン３の周回軌道を周回するイオンビームが目標のエネルギーまで加速されると、タイミングシステム５０は、出射開始信号５０１を出力する。また、シンクロトロン３の一運転サイクルにおいてイオンビームの出射を停止する際、タイミングシステム５０は、出射制御終了信号５０２を出力する。このようにタイミングシステム５０が出射制御開始信号５０１を出力して（図４（Ａ）のＨレベルへの立ち上がり点）、出射制御終了信号５０２を出力する（図中のＨレベルへの立ち上がり点）までの区間を、出射制御区間という。シンクロトロン３は、照射装置３２に対して出射制御区間にイオンビームを供給できる。
【００３２】
シンクロトロン３を周回するイオンビームのビーム強度（周回ビームの蓄積電荷量）は、シンクロトロン３の運転動作（図２（Ａ））に合わせて、図２（Ｂ）に示すように変化する。シンクロトロン３にイオンビームが入射されて捕獲されると、ビーム強度は徐々に高められる。加速制御の初期には空間電荷効果等によってイオンビームが損失されるため、ビーム強度が減衰するが、加速中期から加速後期まではほぼ一定のビーム強度となる。シンクロトロンでは加速終了時のビーム強度が蓄積電荷量と等価であるため、イオンビームをシンクロトロン３から出射することによって、周回ビームの強度は徐々に減衰する。本実施例では、イオンビームの出射及び出射停止を繰返すため、ビーム強度も階段状に変化する。これは、周回するイオンビームの強度はイオンビームの出射制御によりシンクロトロン２外に供給されることで減衰し、出射制御を停止している際にはシンクロトロン２外に供給されないため減衰しない。出射制御区間に出射しきれずにシンクロトロン２内に残留したイオンビームは、その後の減速制御により、低いエネルギーまで減速されて消滅する。
【００３３】
本実施例では、出射用高周波信号処理部２０が高周波電極１０に出射用高周波信号133を印加することによって、シンクロトロン３からイオンビームを出射する。本実施例のこの機構を含む出射用高周波信号処理部２０の機能について、図１及び図７を用いて説明する。
【００３４】
まず、加速器制御システム４０は、図７に示すように、高周波発振器１２に設定する周波数の情報（発振器設定値情報）４０１を出射用信号処理装置１８に出力する。この周波数は、シンクロトロン３から出射するビームのエネルギーに基づいて決定される。出射用信号処理装置１８は、発振器設定情報４０１を制御プロセッサ１８０にて取り込み、発振器設定値情報４０１に基づいた高周波信号出力指令１２１を高周波発振器１２に設定することで周波数を出力する。同様に、加速器制御システム４０は、帯域制限高周波信号パターンデータ４０２を出射用信号処理装置１８に出力する。帯域制限高周波信号パターンデータ４０２は、発振器設定情報４０１と同様に、シンクロトロン３から出射するビームのエネルギーに基づいて決定される。出射用信号処理装置１８は、帯域制限高周波信号パターンデータ４０２を制御プロセッサ１８０にて取り込み、入力した帯域制限高周波信号パターンデータ４０２を制御信号出力部１８１ａに設けられた記憶装置（図示せず）に記憶する。加速制御システム４０は、グローバル強度変調信号パターンデータ４０３を出射用信号処理装置１８に出力する。このグローバル強度変調信号パターンデータ４０３は、シンクロトロン３からイオンビームを出射することに伴いシンクロトロン３内のビーム強度が時間的に変化することを考慮して決定される。具体的には、シンクロトロン３内の残存するイオンビームのビーム強度と出射用高周波電極１０に印加する出射用高周波信号の強度の関係により導出される。出射用信号処理装置１８は、グローバル強度変調信号パターンデータ４０３を制御プロセッサ１８０にて取り込み、制御信号出力部１８１ｂに設けられた記憶装置（図示せず）に記憶させる。加速制御システム４０は、ローカル変調信号パターンデータ４０４及び出射制御パターンデータ４０５を出射用信号処理装置１８に出力する。このローカル変調信号パターンデータ４０４及び出射制御パターンデータ４０５は、治療計画情報に基づいて決定される。出射用信号処理装置１８は、ローカル変調信号パターンデータ４０４及び出射制御パターンデータ４０５を制御プロセッサ１８０にて取り込み、制御信号出力部１８１ｃに設けられた記憶装置（図示せず）に記憶させる。記憶装置では、ローカル変調信号パターン４０４及び出射制御パターンデータ４０５を、図３
（Ｂ）に示すようなメモリマップにて記憶する。図３（Ｂ）に示す本実施例では、アドレスとデータを１０進数で記載している。図３（Ｂ）に示されるメモリマップにおいて、アドレスはＲＭＷ３３の回転により出力される更新クロック信号１８４に対応しており、
ＲＭＷ３３が一周すると、メモリのアドレスも最下位アドレスから最上位アドレスに更新される構造とする。ビーム出射制御パターンデータ４０５の“１”はイオンビームの照射許可を意味し、ビーム出射制御パターンデータ４０５の“０”はイオンビームの照射停止を意味する。ローカル変調信号パターンデータ４０４を“０”から“１”の範囲で表わしており、“０”が照射するイオンビームの最低強度、つまり照射停止を意味し、“１”が照射するイオンビームの最高強度を意味する。
【００３５】
加速器制御システム４０は、シンクロトロン３からイオンビームを出射する前に、粒子線治療システム１を構成する各機器の動作状態及び運転制御状態等を確認する。これらが正常な場合、加速器制御システム４０は、図７に示すように、各機器の状態が正常であることを示す信号（以下、正常信号）６０１を安全系インターロック６０に出力する。正常信号６０１を入力した安全系インターロック６０は、高周波スイッチ１７及びＡＮＤ回路１８３に出射許可信号６０２の送信を開始する。高周波スイッチ１７は、出射許可信号
６０２を入力している間、閉じられる。
【００３６】
高周波発振器１２は、設定された周波数を有する高周波基準信号１２０を高周波ミキサ１３に出力する。
【００３７】
制御信号出力部１８１ａは、記憶された帯域制限高周波信号パターンデータ４０２に基づいて帯域制限高周波信号１３１を生成し、高周波ミキサ１３に帯域制限高周波信号131を出力している。高周波ミキサ１３は、高周波基準信号１２０及び帯域制限高周波信号
１３１をミキシング（合成）し、高周波基準信号１２０を中心周波数として、その両側波帯に帯域制限高周波信号１３１が重畳された帯域高周波信号１３０を生成する。高周波ミキサ１３は、この帯域高周波信号１３０をグローバル強度変調装置１４に出力する。
【００３８】
制御信号出力部１８１ｂは、記憶装置に記憶されたグローバル強度変調信号パターンデータ４０３に基づいて、グローバル強度変調信号１４１を生成し、グローバル強度変調装置１４にこのグローバル強度変調信号１４１を出力する。グローバル強度変調信号１４１は、シンクロトロン３からのイオンビームの出射に伴って、出射ビーム強度が時間的に一定になるように制御するための信号である。グローバル強度変調装置１４は、帯域高周波信号１３０をグローバル強度変調信号１４１に基づいて変調した高周波信号１３２を出力する。ローカル強度変調装置１５には、このグローバル強度変調装置１４から出力された高周波信号１３２を出力する。
【００３９】
制御信号出力部１８１ｃは、記憶装置に記憶されたローカル変調信号パターン４０４に基づいてローカル変調信号１５１を生成し、ローカル強度変調装置１５にローカル変調信号１５１を出力する。ローカル変調信号１５１は、ＲＭＷ３３の回転角度に基づいて照射するイオンビームの強度を制御する信号である。ローカル強度変調装置１５は、高周波信号１３２をローカル変調信号１５１に基づいて変調し、出射用高周波信号１３３を生成する。出射用高周波信号１３３は、出射許可信号６０２により閉じられた高周波スイッチ
１６及び高周波スイッチ１７を介して、電力増幅器１９に出力される。電力増幅器１９は、出射用高周波信号１３３を増幅し、高周波電極１０に印加する。安定限界内で周回しているイオンビームは、高周波電極１０に出射用高周波信号１３３を印加することによって安定限界外に移行され、シンクロトロン３から出射される。
【００４０】
なお、粒子線治療システム１を構成する機器において、照射制御中に患者へのビーム照射を妨げる何らかの障害が生じた場合、加速器制御システム４０は、機器の状態が異常であることを示す信号（異常信号）６０１を安全系インターロック６０に出力する。安全系インターロック６０は、異常信号６０１をビーム出射許可信号６０２の停止指令として受信し、ビーム出射許可信号６０２の出力を即座に停止する。高周波スイッチ１７は、ビーム出射許可信号６０２の停止によって開かれる。高周波スイッチ１７が開かれることによって、高周波電極１０への出射用高周波信号１３３の印加が停止される。これにより、シンクロトロン３はイオンビームの出射を停止するインターロック制御を実現できる。
【００４１】
患者の体内に形成される一様なＳＯＢＰ幅は、イオンビームの出射開始時におけるRMW3の回転角度、及びイオンビームの出射停止時におけるＲＭＷ３３の回転角度のそれぞれを変えることによって調節される。本実施例における、ＲＭＷ３３の回転角度に基づいて高周波スイッチ１６を開閉してＳＯＢＰ幅を調整する機能について、以下に説明する。
【００４２】
まず、高周波スイッチ１６の開閉制御について説明する。図７に示すように、ＲＭＷ33の回転角度を検出するロータリーエンコーダ３４からの原点信号３４３は、出射用信号処理装置１８に入力され、制御プロセッサ１８０に伝送される。制御プロセッサ１８０は、原点信号３４３を制御信号出力部１８１ｃに出力する。原点信号３４３を入力した制御信号出力部１８１ｃは、図３（Ｂ）に示す情報を有する制御プロセッサ１８０の記憶装置
（図示せず）から、初期アドレス（本実施例では、先頭アドレス“００００“を初期アドレスとして説明する）に対応するビーム出射制御パターンデータ４０５を読み取る。読み取ったビーム出射制御パターンデータ４０５が“０”の場合、制御信号出力部１８１ｃは、イオンビームの照射停止を示すビーム出射制御信号（ＯＦＦ信号）１６０を出力し、
“１”の場合、イオンビームの照射許可を示すビーム出射制御信号（ＯＮ信号）１６０を出力する。制御信号出力部１８１ｃは、制御プロセッサ１８０からパターンデータ更新信号１８４が伝送されると、記憶装置から、次のアドレスである“０００１”に対応するビーム出射パターンデータ４０５を読み取る。読み取ったビーム出射パターンデータ４０５が“０”の場合、制御信号出力部１８１ｃは、ＯＦＦ信号であるビーム出射制御信号160を出力し、“１”の場合、ＯＮ信号であるビーム出射制御信号１６０を出力する。このように、パターンデータ更新信号１８４の入力により、記憶装置に記憶されたデータのアドレスを更新し、更新されたアドレスに格納されているデータを読み取り、データに基づいた制御信号を出力した後、次のパターンデータ更新信号１８４の入力を待機する一連の処理をデータの更新という。制御信号出力部１８１ｃは、このようなデータの更新動作を繰返す。アドレスが最終アドレス“３９９９“となると、制御信号出力部１８１ｃは、自動的に先頭アドレス“００００“に更新し、先頭アドレスに格納されているビーム出射制御パターンデータ４０５を読み取る。記憶装置に記憶する情報の構成は、このようなリング状のメモリアクセス構造とする。このような、リング状のメモリアクセス構造を採用することで、ＲＭＷの回転に同期した出力制御が実現でき、ＲＭＷ３３の原点センサ３３０と回転検出器３４から出力される原点信号（Ｚ相信号）３４３の位相がずれていた場合や、ＲＭＷ３３でのビーム通過位相と制御出力データに位相差が生じた場合、パターンメモリの初期アドレスを任意に変更することで、これらの物理的な機器の位相差をパターンデータの出力初期アドレスで補正することが可能となる。なお、ロータリーエンコーダ３４から出力される原点信号３４３の代わりに、ＲＭＷ３３に外部原点検出回路を設けて、外部原点検出回路から出力される信号を原点信号として用いてもよい。本実施例では、図３
（Ｂ）に示すように、アドレス“００００“に相当するビーム出射パターンデータ４０５が“０”であるため、原点信号３４３を入力した制御信号出力部１８１ｃは、ＯＦＦ信号であるビーム出射制御信号を出力する。制御プロセッサ１８０からのパターン更新信号
１８４を入力してデータの更新を繰り返し実施し、読み取ったビーム出射制御信号１６０を出力することで、制御信号出力部１８１ｃは、図５（ｄ）に示すようなビーム出射制御信号１６０を出力する。つまり、制御信号出力部１８１ｃは、ＲＭＷ３３の周方向において、翼底部３３２及び翼底部３３２付近の各翼３３１の厚みが比較的薄い領域（照射区間（Ｔｂ））にて照射許可を示すＯＮ信号のビーム制御信号１６０を出力し、これら以外の回転角度領域では照射停止を示すＯＦＦ信号のビーム出射制御信号１６０を出力する。
【００４３】
ＡＮＤ回路１８３は、安全インターロック６０からの出射許可信号６０２を入力している状態で、照射許可を示すＯＮ信号のビーム出射制御信号１６０を入力すると、指令信号１６１にて高周波スイッチ１６を閉じる。また、ＡＮＤ回路１８３は、安全インターロック６０からの出射許可信号６０２を入力している状態で、照射停止を示すＯＦＦ信号であるビーム出射制御信号１６０を入力すると、指令信号１６１にて高周波スイッチ１６を開く。
【００４４】
本実施例では、高周波スイッチ１６の開閉を前述のように制御することで、シンクロトロン３は、ＲＭＷ３３の周方向において、翼底部３３２及び翼底部３３２付近の各翼331の厚みが比較的薄い領域（照射区間（Ｔｂ））にてイオンビームを照射し、これら以外の回転角度領域ではイオンビームの照射を停止する。この場合、患者の体表面から深い位置にブラックピークが形成され、これに合わせて患者の体表面から深い位置にＳＯＢＰが得られる。一方、シンクロトロン３が、ＲＭＷ３３の周方向において、３６０°の全回転領域において常にビームを出射する場合には、患者の体表面近くから深い位置に至る広い
ＳＯＢＰ幅を得ることができる。このように、ＲＭＷ３３の回転角度に応じてイオンビームの出射及び出射停止を制御することによって、単一のＲＭＷ３３で複数のＳＯＢＰ幅を形成する事ができる。
【００４５】
シンクロトロン３からのイオンビームの出射ビーム強度を、シンクロトロン３の一運転サイクルでイオンビームを出射している区間、すなわち出射制御区間（図２（Ａ））で調整する制御について説明する。
【００４６】
タイミングシステム５０は、出射開始信号５０１を出射用信号処理装置１８に出力する。出射開始信号５０１は、制御プロセッサ１８０に伝送される。制御プロセッサ１８０は、その出射開始信号５０１を制御信号出力部１８１ｂに出力する。出射開始信号５０１を入力した制御信号出力部１８１ｂは、記憶装置に記憶されたグローバル変調パターンデータ４０３に基づいてグローバル強度変調信号１４１を一定周期での更新制御を実施する。つまり、出射制御区間において、グローバル強度変調信号１４１を一定周期で更新制御を実施する。
【００４７】
一方、制御信号出力部１８１ｂは、制御信号出力部１８１ｃからのビーム出射制御信号１６０も入力している。制御信号出力部１８１ｂは、出射開始信号５０１を入力した後、照射許可を示すＯＮ信号をビーム出射制御信号１６０として入力した場合、次のアドレスにあるグローバル変調パターンデータ４０３の更新制御を実施し、グローバル強度変調信号１４１を出力する。また、グローバル強度変調信号１４１が照射停止を示すＯＦＦ信号をビーム出射制御信号１６０として入力した場合、データの更新を実施せず、前回読み取ったグローバル強度変調信号１４１の出力値を保持する。このように、制御信号出力部
１８１ｂは、照射許可を示すＯＮ信号をビーム出射制御信号１６０として入力された場合には、グローバル強度変調信号４０の更新制御を実施し、照射停止を示すＯＦＦ信号をビーム出射制御信号１６０として入力された場合には、前回出力したグローバル強度変調信号１４１（最終更新のグローバル変調パターンデータに基づくグローバル強度変調信号
１４１）の出力値を保持する動作を繰り返す。つまり、制御信号出力部１８１ｂは、シンクロトロン３がＲＭＷ３３の回転角度に応じてイオンビームを出射している区間（照射区間Ｔｂ）に、シンクロトロン３内のイオンビームのビーム強度の減衰を考慮したグローバル強度変調信号１４１を出力する。シンクロトロン３からイオンビームが出射されない区間では、最終更新のグローバル変調パターンデータに基づくグローバル強度変調信号141を出力する。この結果、制御信号出力部１８１ｂは、グローバル強度変調装置１４に対して、図５（ｃ）に示すようなグローバル強度変調信号１４１を出力する。
【００４８】
本実施例では、出射用制御信号処理部１８に逓倍回路１８２を設け、この逓倍回路182が、ロータリーエンコーダ３４からのＡ層信号３４１及びＢ層信号３４２を４逓倍し、更新クロック信号１８４として出力した。逓倍回路１８２を設けることによって、更新クロック信号１８４の分解能が４倍に高められ、ＲＭＷ３３の回転に伴うイオンビームの出射をより細かい分解能で制御することができる。しかし、ＲＭＷ３３における角度制御分解能が高く要求されない場合は、上記のような逓倍回路１８２を設けず、Ａ層３４１もしくはＢ層３４２のいずれかの出力信号を更新クロック信号１８４として制御信号出力部181bまたは制御信号出力部１８１ｃに出力し、ローカル変調パターンデータ４０４や、出射制御信号パターンデータ４０５の更新信号とすることも可能である。
【００４９】
シンクロトロン３で加速するイオンビームの目標エネルギーを変更する場合は、加速器制御システム４０が制御プロセッサ１８０に設定値更新信号を出力し、制御プロセッサ
１８０がその設定値更新信号に基づいて、出射用高周波信号処理部２０を制御することも可能である。これにより、出射用高周波信号処理部２０は、変更された目標エネルギーに対応する出射用高周波信号１３１を出力する。
【００５０】
シンクロトロン３の一運転サイクルにおける出射制御区間で、シンクロトロン３から出射するイオンビームのビーム強度を制御する第１のビーム強度変調手段として、周回ビームに印加する高周波信号強度に対する出射ビーム強度の関係を求めておき、この関係より出射ビーム強度が一定になるような振幅制御データを予めパターンデータとして用意し、出射用の高周波印加装置に印加する振幅制御手段に高周波信号の変調信号として用いる。さらに、この変調信号は、シンクロトロン３からイオンビームを出射制御時のみ更新することにより、シンクロトロン３の一運転サイクルにおける出射制御区間に渡るビーム強度の制御を実現する。
【００５１】
また、シンクロトロン３の一運転サイクルにおける出射制御区間に含まれる複数の細かな照射区間に対応して制御する第２のビーム強度変調手段として、ＲＭＷ照射法の場合、ＲＭＷの回転角度に応じてビーム強度の制御が可能な手段を設ける。具体的には、ＲＭＷの回転角度を検出する手段と、ＲＭＷの回転角度の検出結果に対応したゲート信号と、
ＲＭＷの回転角度に対応した振幅制御のパターンデータ信号と、ＲＭＷの回転角度の変化に応じて、ゲート信号と振幅制御のパターンデータ信号を更新制御する手段と、ＲＭＷの回転角度の変化に応じて更新制御された振幅制御のパターンデータ信号に基づき出射用の高周波印加装置に印加する高周波信号の振幅を制御する振幅変調手段を用意し、ＲＭＷの回転角度の検出結果に応じて出射用の高周波印加装置に印加する高周波信号の振幅を制御する。
【００５２】
好ましくは、ＲＭＷの回転角度の変化に応じて出力されるゲート信号により出射用の高周波印加装置への高周波信号出力を制御する高周波スイッチを用意することで、高速なビーム遮断を可能とする。
【００５３】
好ましくは、シンクロトロン３から出射されたビーム強度をモニタする手段と、出射ビーム強度のモニタ値と出射ビーム強度の目標値との変位に基づいた出射ビーム強度のフィードバック制御機能を設けることで、照射毎のビーム強度の変動を抑制することが可能となる。
【００５４】
本実施例によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）本実施例は、シンクロトロンの一運転サイクルにおける出射制御区間でのみグローバル強度変調信号１４１の出力制御、ローカル変調信号１５１の出力制御及び、高周波スイッチ１６，１７の制御を有効とすることで、ビーム照射の安全性を高めることができる。
（２）本実施例では、ビーム出射制御信号１６０を制御信号出力部１８１ｂに入力し、このビーム出射制御信号１６０に基づいてグローバル強度変調信号１４１を更新制御する構成とした。これによってシンクロトロン３からイオンビームを出射する照射制御区間におけるＲＭＷ３３での照射区間（Ｔｂ）でのみ更新制御を実施するため、シンクロトロン３内を周回するイオンビームのビーム強度に対応した制御の精度が高められる。
（３）本実施例では、高周波スイッチ１７が、安全インターロックシステム６０からの出射許可信号６０２によって開閉制御され、高周波スイッチ１６が、安全インターロックシステム６０からの出射許可信号６０２及び制御信号出力部１８１からのビーム出射制御信号１６０によって開閉制御される。このように、二重化された高周波スイッチ１６，１７の制御により、患者への不用意な照射を防止できる。
（４）高周波スイッチ１６は、ビーム出射制御信号１６０及び出射許可信号６０２のAND回路１８３による高周波スイッチ制御信号１６１によって開閉制御する。これによって、出射制御区間におけるＲＭＷ３３の回転角度に応じたイオンビームの出射・出射停止の制御を確実に実施することができる。また、出射制御区間時のみ、出射用高周波信号処理部２０から出射用高周波信号１３３が出力されることとなる。
（５）本実施例では、イオンビームをシンクロトロン３から出射する照射区間（Ｔｂ）に合わせて、グローバル強度変調信号１４１、ビーム出射制御信号１６０及びローカル変調信号１５１を同時に制御することができるため、所望の出射ビーム波形４ｃを形成することができる。
【実施例２】
【００５５】
本発明の第２実施例である粒子線治療装置について説明する。本実施例の粒子線治療装置は、実施例１の粒子線治療装置１の照射装置３２をスキャニング照射法に用いる照射装置３２Ａに替えた構成を有する。照射装置３２Ａは、照射装置３２に備えられるＲＭＷ33
及び回転検出器３４を削除し、走査電磁石〔図示せず〕を備えた構成を有する。また、本実施例の出射用制御装置１１Ａは、図８に示すように、実施例１の出射用制御装置１１の逓倍回路１８２及びＡＮＤ回路１８３を削除し、制御ロジック装置１８５ａを備えた構成を有する。制御ロジック装置１８５ａは、出射用の制御プロセッサ１８０及び高周波スイッチ１６に接続される。
【００５６】
本実施例で示しているスキャニング照射法は、スポットスキャニング照射法と呼ばれるものである。以下にスポットスキャニング照射法の概要を説明する。スポットスキャニング照射法は、照射するビームを細く制御し、走査電磁石（図示せず）の励磁量を調整することで照射位置を定めてスポットと呼ばれる小照射部位単位で照射線量を管理しながら照射する方法である。スポットへの照射線量が所定の線量に到達したら、ビーム照射を停止し、照射位置及び照射ビームエネルギーの変更を繰り返し、ビームを照射する手法である。
【００５７】
このような制御を実施するため、図７に示したＲＭＷ照射法と異なり、高周波スイッチ１６に入力する高周波スイッチ制御信号１６１と、ローカル変調装置１５に入力するローカル変調データ１５１は、シンクロトロン運転サイクル中の出射許可信号６０２が出力されている区間において、照射制御装置（図示せず）から出力される照射開始信号３５が出力されてから、照射部位の線量が所定の線量に到達したことを示す線量満了信号３６までの区間の論理積条件が成立した際に、高周波スイッチ制御信号１６１とローカル変調データの更新信号１８５を出力する制御ロジック１８５ａを用意する。この制御ロジック185aにより、照射制御装置から要求があった照射タイミングでのビーム照射を実施する。
【００５８】
以下に、スポットスキャニング照射法による照射の具体的な制御方法を示す。まず、照射制御装置は、走査電磁石の励磁量設定が完了したことを確認後、照射開始信号３５を出力する。照射制御装置は、照射装置３２に備えられた線量モニタ（図示せず）からの線量測定信号を積分し、所定の線量に到達したら線量満了信号３６を出力する。線量満了信号３６を入力した制御ロジック１８５ａは、高周波スイッチ１６に制御信号１６１を出力し、高周波スイッチ１６を開く。高周波スイッチ１６が開かれることで高周波電極１０への出射用高周波信号１３３の出力が停止し、ビーム照射が停止する。
【００５９】
ビームの照射を停止後、照射制御装置は、走査電磁石の励磁量を変更する。変更を確認後、照射制御装置は照射開始信号３５を出力する。照射開始信号３５を入力した制御ロジック１８５ａが高周波スイッチ１６を閉じることによって、高周波電極１０に出射用高周波信号が印加され、再びビームが照射される。このような照射を繰り返し、レイヤーと呼ばれる、照射ビームエネルギーに対応するある照射深さでの照射面の照射を完了したら、照射制御装置からエネルギー更新信号３７を出力し、加速器から供給するエネルギーを切り替える。
【００６０】
シンクロトロン３におけるビーム出射制御時には、出射用高周波電極１０に印加する高周波信号の中心周波数はエネルギーにより異なる。そのため、予め出射用高周波発振器
１２に設定する周波数データは、照射するエネルギーに合わせて予め複数個メモリ181ａに用意しておく。
【００６１】
図９のタイミングチャートを見れば明らかであるが、スキャニング照射法では、ＲＭＷ照射法のように回転制御によるパターンデータ制御が不要となる一方、スポット毎の照射開始信号３５、線量満了信号３６及び、エネルギー更新信号３７，高周波スイッチ制御信号１６１とローカル変調データの更新信号１８５を出力する制御ロジック１８５ａが追加される。
【００６２】
エネルギー変更制御は、予め照射深さ毎にスポット位置が決定されているため、照射エリア内のスポット数の照射が完了した際、照射制御装置から加速器制御システム４０に対してエネルギー更新信号３７が出力される。加速器制御システム４０は、照射制御装置からのエネルギー更新信号３７に基づき、出射用制御装置１８に対して、エネルギー更新信号３７を出力する。このエネルギー更新信号３７により、出射用高周波発振器１２に設定する周波数データ１２１を更新する。また、ＲＭＷ照射法と同様に、出射制御中のビーム強度を一定に保つため、グローバル変調装置１４とローカル変調装置１５を設ける。
【００６３】
グローバル変調装置１４に設定するグローバル変調信号１４１は、ビーム出射制御に応じたパターンデータ更新信号１８５において、ビーム照射制御中にのみ更新し、ビーム照射停止中は信号保持するように制御している。ローカル変調信号１５１は常に一定値を設定することで、シンクロトロンの一運転サイクルにおける出射制御区間でのビーム強度を一定に制御する。
【００６４】
スキャニング照射法の場合、患部への照射スポットへのビーム照射線量に応じて制御されるビーム照射信号と、患部への一定強度のビームを照射可能とする高周波信号の振幅制御データ信号と、振幅制御データ信号により高周波信号の強度を制御する振幅制御手段を用意し、ビーム照射信号に基づいて出射用高周波電極に印加する高周波信号を制御する。スキャニング照射法の場合もＲＭＷ照射法と同様に、ビーム照射信号により出射用高周波電極への高周波信号の出力を制御する高周波スイッチを用意することで、高速なビーム遮断が可能となる。
【００６５】
本実施例でも、実施例１と同様の効果を得ることができる。
【実施例３】
【００６６】
本発明の第３実施例である粒子線治療装置について説明する。本実施例の粒子線治療装置は、実施例１の粒子線治療装置と同様の構成を有する。実施例１の制御信号出力部181cが、図５（ｅ）に示すように、照射区間（Ｔｂ）において時間的に変化せず一定値のローカル変調信号１５１を出力するのに対して、本実施例の制御信号出力部１８１ｃは、図
１０に示すように、照射区間（Ｔｂ）において時間的に変化するローカル変調信号１５１を出力する。ローカル変調信号１５１は、ＲＭＷ３３の回転角度に基づいてシンクロトロン３から出射するイオンビームの強度を制御する信号である。本実施例のように、ＲＭＷ３３の回転角度に基づいてローカル変調信号１５１を変化させることによって、シンクロトロン３から出射するイオンビームの強度をＲＭＷ３３の回転角度によって変化させることができる。このようなローカル変調制御により、ＲＭＷ３３で任意形状のＳＯＢＰを形成することが可能となる。
【実施例４】
【００６７】
本発明の第４実施例である粒子線治療装置について説明する。本実施例の粒子線治療装置は、実施例３と同様の構成（図７）を有する。本実施例と実施例３との違いは、ローカル変調信号１５１及びビーム出射制御信号１６０のデータ構造が、間隔的に変化していることである（図１１）。このような変調制御を実現することで、ビーム出射制御時の出射制御時間を明確に管理することが可能となり、このようなパルス制御の繰り返しにより、図６に示したような一定値によるＡＭ変調制御とは異なる、ＰＷＭ（Pulse Width
Modulation）制御が可能となる。ローカル変調信号１５１のパルス構造を適切に制御することにより、ＲＭＷ照射法での新たなＳＯＢＰ形成法を提供することができる。なお、このようなビーム強度のＰＷＭ制御を実現するためには、荷電粒子ビームの照射区間において常に一定の振幅制御が要求される。そのため本実施例では、グローバル変調装置１４に設定するグローバル変調信号１４１の更新をビーム照射時のみ更新制御することにより、照射区間に渡り一定強度のビームの照射を可能としている。
【実施例５】
【００６８】
本発明の第５実施例である粒子線治療装置について説明する。本実施例の粒子線治療装置は、実施例４と同様の構成（図７）を有する。本実施例と実施例４との違いは、ローカル変調信号１５１及びビーム出射制御信号１６０のデータ構造を間隔的でかつ、ローカル変調信号１５１の振幅値が出力設定タイミング毎にそれぞれ異なるように変化していることである（図１２）。これにより、ＲＭＷのある角度において強度を変化させることが可能となり、ＲＭＷ照射法での新たなＳＯＢＰ形成法を提供することができる。この際、グローバル変調装置１４に設定するグローバル変調信号１４１の更新をビーム照射時のみ更新制御することにより、照射区間に渡り所望の強度のビームの照射を可能としている。
【実施例６】
【００６９】
本発明の第６実施例である粒子線治療装置について説明する。本実施例の粒子線治療装置は、実施例１と同様の構成〔図７〕を有する。本実施例と第１実施例との違いは、出射ビーム強度の観測値１１１と、出射ビーム強度の目標値４０８と、観測値目標値の差分を演算する差分器１１２と、差分器１１２からの出力結果に基づく補償制御回路１１０と、補償回路１１０に設定するゲイン設定値４０７と、補償回路１１０からの出力値とローカル変調信号１５１の加算演算回路１１３からなるフィードバック演算処理回路を設けたことにある（図１３）。これにより、ＲＭＷ照射法において、出射ビーム強度のフィードバック制御を実現できる。本実施例では、出射ビーム強度の目標値４０８を一定値で設定しているが、目標値４０８はパターンデータとしてメモリ１８１ｃに保存し、ＲＭＷの回転角度に応じたパターンデータ更新信号１８４で更新するような構造するとさらに良い。また、図８に示したスキャニング照射法においても、同様のフィードバック演算処理回路を設けることにより、スキャニング照射制御時にもビーム強度のフィードバック制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の好適な一実施例である実施例１の粒子線治療装置の構成図である。
【図２】シンクロトロンの運転を示しており、（Ａ）はシンクロトロン１周期におけるビームエネルギーの変化であり、（Ｂ）はシンクロトロン１周期におけるビーム強度の変化である。
【図３】ＲＭＷの斜視図である。
【図４】ＲＭＷ照射法における、シンクロトロンの一運転サイクルにおける出射制御区間のタイミングチャートである。
【図５】ＲＭＷ照射法における、ＲＭＷ１周期でのタイミングチャートである。
【図６】ＲＭＷ照射法における、ＲＭＷ１回転でのタイミングチャートである。
【図７】ＲＭＷ照射法における、出射用制御装置の構成である。
【図８】スキャニング照射法における、出射用制御装置の構成である。
【図９】スキャニング照射法における、シンクロトロンの一運転サイクルにおける出射制御区間のタイミングチャートである。
【図１０】ＲＭＷ照射法における、ＲＭＷ１回転でのタイミングチャートの一例である。
【図１１】ＲＭＷ照射法における、ＲＭＷ１回転でのタイミングチャートの一例である。
【図１２】ＲＭＷ照射法における、ＲＭＷ１回転でのタイミングチャートの一例である。
【図１３】ＲＭＷ照射法における、ビーム強度のフィードバック制御を実現する出射用制御装置の構成である。
【符号の説明】
【００７１】
１…粒子線治療装置、３…シンクロトロン、４ａ，４ｂ，４ｃ…イオンビーム、７…高周波加速装置、８…偏向電磁石、９…イオンビーム発生装置、１０…高周波電極（高周波印加装置）、１１…出射用制御装置、１２…出射用の高周波発振器（高周波発振器）、
１３…高周波ミキサ、１４…グローバル強度変調装置、１５…ローカル強度変調装置、
１６，１７…高周波スイッチ、１８…出射用制御信号処理部、１９…電力増幅器、２０…出射用高周波信号処理部（高周波信号生成装置）、３０…出射装置、３１…ビーム輸送系、３２…照射装置、３３…ＲＭＷ、３４…回転検出器、３９…治療ベッド、４０…加速器制御システム、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、６０…安全系インターロックシステム、７１…高周波加速制御装置、８１…偏向電磁石電源、１１０…補償回路、１１２…差分器、１１３…加算器、１８０…出射用の制御プロセッサ、１８１ａ…帯域制限高周波信号制御信号出力部、１８１ｂ…グローバル変調信号出力部、１８１ｃ…ローカル変調信号出力部、１８２…逓倍回路、１８３…ＡＮＤ回路、１８７…振幅制御手段、３３１…翼、３３２…翼底部、３３３…平面領域、３３５…回転軸、３３６…円筒部材。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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