(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子を加速リング内に入射する入射器と、入射された荷電粒子を所定のエネルギーへ加速する加速手段と、前記荷電粒子を前記加速リング内を周回するように偏向させる偏向電磁石と、加速された前記荷電粒子を前記加速リングから利用系へ出射させる出射器とを備えた粒子加速器の入射、加速および出射にかかる各機器の動作タイミングを制御する粒子加速器のタイミング制御装置において、
前記偏向電磁石が、電磁石電源から正弦波状に変化する電流が供給され、この電流の変化に応じて磁束密度が正弦波状に変化する磁場を形成するものであって、
前記偏向電磁石の磁場の変化に対応する正弦波状信号を検出する正弦波信号検出手段と、
前記正弦波状信号を入力し、前記正弦波状信号の最低値付近でパルス状のサイクル信号を出力するサイクル信号出力手段と、
前記磁束密度がある一定量増加したときに１パルスの割合でパルスが現われる基準クロックを入力し、前記サイクル信号との同期をとって同期クロックを出力する同期手段と、
前記同期クロックに基づいて、あらかじめ設定されたカウント値に応じて前記入射、加速および出射にかかる各機器のトリガー信号を出力するトリガー信号出力手段と、
前記利用系の用途に応じて、前記トリガー信号出力手段に設定される出射用カウント値を変更する設定カウント値変更手段と
を具備することを特徴とする粒子加速器のタイミング制御装置。
【請求項２】
前記利用系の用途に応じて、前記サイクル信号出力手段から出力されるサイクル信号の数を所定サイクル数に抑制するサイクル抑制手段を具備することを特徴とする請求項１記載の粒子加速器のタイミング制御装置。
【請求項３】
前記サイクル信号出力手段から出力するサイクル信号の数と前記トリガー信号出力手段に設定される出射用カウント値の組み合わせをパターン化してあらかじめ記憶するビーム量設定値ファイルと、前記ビーム量設定値ファイルに基づいて、前記利用系の用途に応じて前記組み合わせのパターンを選択し、前記利用系に出射される荷電粒子の量およびエネルギーを制御するビーム量制御手段とを具備することを特徴とする請求項１または２記載の粒子加速器のタイミング制御装置。
【請求項４】
前記利用系の出射対象ごとに、前記組み合わせのパターンを指定する運転計画情報が登録された出射対象ファイルと、前記出射対象ファイル内の指定された出射対象の運転計画情報に従って、前記ビーム量制御手段に前記組み合わせのパターンを選択するための情報を提供する運転計画制御手段とを具備することを特徴とする請求項３記載の粒子加速器のタイミング制御装置。
【請求項５】
前記サイクル信号出力手段が、前記正弦波状信号を入力し、前記正弦波状信号がしきい値以下となったときパルス状のサイクル信号を出力するサイクル信号発生手段と、前記サイクル信号発生手段からのサイクル信号を遅延して前記正弦波状信号の最低値付近の最適値で出力するサイクル信号遅延手段とを有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の粒子加速器のタイミング制御装置。
【請求項６】
ほぼ一定のリズムで変動する照射対象部位の位置を監視し、前記照射対象部位が所定の照射位置にあるとき許可信号を発生する許可信号発生手段と、前記許可信号の発生している間だけ、前記サイクル信号出力手段からのサイクル信号の出力を許可するサイクル許可手段とを具備することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の粒子加速器のタイミング制御装置。
【請求項７】
前記許可信号の発生している間だけ、前記トリガー信号出力手段からの出射のトリガー信号を前記出射器に伝達する出射器同期手段を具備することを特徴とする請求項６記載の粒子加速器のタイミング制御装置。
【請求項８】
前記トリガー信号出力手段に設定される出射用カウント値に応じて、前記出射器からの荷電粒子を前記利用系に導くための出射系マグネットの磁場の強度を算出し、前記出射系マグネットの電源を制御する出射マグネット制御手段を具備することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の粒子加速器のタイミング制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばイオン等の荷電粒子を加速する粒子加速器の高速、高精度、高再現性で動作する必要のある制御対象機器の動作タイミングを制御するタイミング制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１８は、この種の粒子加速器の構成例を概略的に示すものである。この図において、荷電粒子例えばイオンは、入射器１から一定のエネルギーで出力され、低エネルギー粒子輸送系３を通して加速リング５に導かれる。加速リング５に導かれたイオンは加速空洞７により加速される。イオンは加速されている間、複数対の対向配置される偏向電磁石９によって作り出された磁場により加速リング５の中心方向に引っ張られて、加速リング５の中を周回し続ける。加速された結果、あるエネルギーレベルにイオンが到達すると、出射器１１により加速リング５から高エネルギー粒子輸送系１３にイオンが移動させられ、出射系マグネット１５を介して利用系１７へと導かれる。利用系１７では、加速された荷電粒子（イオン）がガンの治療等に用いられる。
【０００３】
タイミング制御装置は、入射器１、出射器１１、加速空洞７の加速パターン制御部に対して所定のタイミングで動作トリガーを出力し、イオンが効率よく低エネルギー粒子輸送系３、加速リング５、および高エネルギー粒子輸送系１３を通って利用系１７に導かれることを目的としている。もし、タイミング制御装置が合理的に動作しなければ、イオンが利用系１７に導かれる前に加速リング５の内壁に衝突する等して、消滅してしまう等の不具合が発生する。
【０００４】
従来の粒子加速器のタイミング制御装置は、入射器１、出射器１１、加速空洞７の加速パターン制御のタイミング制御と同期して偏向電磁石９の磁場強度のタイミング制御も行っていた。
【０００５】
図１９に従来の粒子加速器のタイミング制御装置のタイミング制御のタイムチャートを示す。図１９において、入射器１から加速リング５にイオンを入射させた後、加速空洞７による加速を開始させ、その加速と同期して偏向電磁石９の強度を強め始める。その後、ある所定のエネルギーレベルにイオンが到達したら、出射器１１をトリガーし、加速空洞７の加速レベルをもとの入射するときのレベルまでにリセットさせ、それに同期して偏向電磁石９の強度ももとのレベルにもどし、次の入射−加速−出射のタイミング制御に備えることとしていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、偏向電磁石９の電源として、共振電源が使用される場合がある。共振電源は、従来の電磁石用の電源と比較して、小型で安価という利点を有している。共振電源の電流値は約２０Hz程度の正弦波状に変化し、これに伴って偏向電磁石９が作り出す磁場も約２０Hz程度の正弦波状に変化する。このとき、タイミング制御装置により、偏向電磁石の動作タイミングを制御することは不可能であり、合理的なタイミング制御を実施するためにはむしろ偏向電磁石の動作に追従する必要性がある。
【０００７】
したがって、偏向電磁石９の電源として共振電源を用いた場合には、従来のタイミング制御方式では、共振電源が作り出す磁場とは非同期に入射−加速−出射のタイミング制御を行うので、粒子が加速リング５の内壁に衝突して消滅する等して非常に効率が悪くなるという問題が発生する。
【０００８】
本発明は、かかる点に対処してなされたもので、共振電源を用いた粒子加速器の制御対象機器に対して、合理的なタイミング制御を実施することができるタイミング制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１の発明は、荷電粒子を加速リング内に入射する入射器と、入射された荷電粒子を所定のエネルギーへ加速する加速手段と、前記荷電粒子を前記加速リング内を周回するように偏向させる偏向電磁石と、加速された前記荷電粒子を前記加速リングから利用系へ出射させる出射器とを備えた粒子加速器の入射、加速および出射にかかる各機器の動作タイミングを制御する粒子加速器のタイミング制御装置において、前記偏向電磁石が、電磁石電源から正弦波状に変化する電流が供給され、この電流の変化に応じて磁束密度が正弦波状に変化する磁場を形成するものであって、前記偏向電磁石の磁場の変化に対応する正弦波状信号を検出する正弦波信号検出手段と、前記正弦波状信号を入力し、前記正弦波状信号の最低値付近でパルス状のサイクル信号を出力するサイクル信号出力手段と、前記磁束密度がある一定量増加したときに１パルスの割合でパルスが現われる基準クロックを入力し、前記サイクル信号との同期をとって同期クロックを出力する同期手段と、前記同期クロックに基づいて、あらかじめ設定されたカウント値に応じて前記入射、加速および出射にかかる各機器のトリガー信号を出力するトリガー信号出力手段と、前記利用系の用途に応じて、前記トリガー信号出力手段に設定される出射用カウント値を変更する設定カウント値変更手段とを具備することを特徴とする。この発明においては、偏向電磁石の磁場の変化に合わせて同期して入射−加速−出射のタイミング制御を行うことができる。また、出射する荷電粒子のエネルギーを利用系の用途に応じて変更することができる。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１のタイミング制御装置において、前記利用系の用途に応じて、前記サイクル信号出力手段から出力されるサイクル信号の数を所定サイクル数に抑制するサイクル抑制手段を具備することを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明においては、出射する荷電粒子の量を利用系の用途に応じて変更することができる。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１または２のタイミング制御装置において、前記サイクル信号出力手段から出力するサイクル信号の数と前記トリガー信号出力手段に設定される出射用カウント値の組み合わせをパターン化してあらかじめ記憶するビーム量設定値ファイルと、前記ビーム量設定値ファイルに基づいて、前記利用系の用途に応じて前記組み合わせのパターンを選択し、前記利用系に出射される荷電粒子の量およびエネルギーを制御するビーム量制御手段とを具備することを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明においては、利用系の用途に応じてサイクル信号の数と出射用カウント値の組み合わせのパターンをあらかじめ用意しておくことにより、用途に応じて出射する荷電粒子の量とエネルギーを容易に制御することができる。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項３のタイミング制御装置において、前記利用系の出射対象ごとに、前記組み合わせのパターンを指定する運転計画情報が登録された出射対象ファイルと、前記出射対象ファイル内の指定された出射対象の運転計画情報に従って、前記ビーム量制御手段に前記組み合わせのパターンを選択するための情報を提供する運転計画制御手段とを具備することを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明においては、出射対象ごとに、出射する荷電粒子の量およびネルギーを規定するパターンを運転計画情報としてあらかじめ登録しておくことにより、この運転計画情報に従って、１つの出射対象に対して順次パターンを変えて出射するようなことも容易にできる。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項のタイミング制御装置において、前記サイクル信号出力手段が、前記正弦波状信号を入力し、前記正弦波状信号がしきい値以下となったときパルス状のサイクル信号を出力するサイクル信号発生手段と、前記サイクル信号発生手段からのサイクル信号を遅延して前記正弦波状信号の最低値付近の最適値で出力するサイクル信号遅延手段とを有することを特徴とする。
【００２１】
請求項５の発明においては、偏向電磁石の磁場の強度が最低値付近となる最適なタイミングで荷電粒子を入射させることができる。
【００２２】
請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれか１項のタイミング制御装置において、ほぼ一定のリズムで変動する照射対象部位の位置を監視し、前記照射対象部位が所定の照射位置にあるとき許可信号を発生する許可信号発生手段と、前記許可信号の発生している間だけ、前記サイクル信号出力手段からのサイクル信号の出力を許可するサイクル許可手段とを具備することを特徴とする。
【００２３】
請求項６の発明においては、照射対象部位が心臓や肺およびその周辺等の心拍や呼吸によって変動するものであっても、心拍や呼吸に同期して的確に照射対象部位に必要な荷電粒子ビームを照射させることができる。
【００２４】
請求項７の発明は、請求項６のタイミング制御装置において、前記許可信号の発生している間だけ、前記トリガー信号出力手段からの出射のトリガー信号を前記出射器に伝達する出射器同期手段を具備することを特徴とする。
【００２５】
請求項７の発明においては、出射時点で照射対象部位が照射位置からずれた場合でも、荷電粒子の出射を止めて、他の部位に照射するのを有効に防止することができる。
【００２６】
請求項８の発明は、請求項１ないし７のいずれか１項のタイミング制御装置において、前記トリガー信号出力手段に設定される出射用カウント値に応じて、前記出射器からの荷電粒子を前記利用系に導くための出射系マグネットの磁場の強度を算出し、前記出射系マグネットの電源を制御する出射マグネット制御手段を具備することを特徴とする。
【００２７】
請求項８の発明においては、荷電粒子の出射エネルギーに応じて出射マグネットの磁場を最適に調整することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００２９】
図１８において、偏向電磁石９の電源として共振電源を用いている粒子加速器の運転は、共振電源が作り出す磁束密度を基準とする必要がある。つまり、磁束密度は約２０Hzの正弦波状に変化するが、その磁束密度が最低値付近のタイミングで低エネルギー粒子輸送系３から加速リング５にイオンが入射され、最高値に達する前までイオンを加速し、加速リング５から高エネルギー粒子輸送系１３へ出射させるようなタイミング制御が必要である。そして２０Hzの正弦波の次の最低値付近のタイミングで次の周期の入射を開始する。したがって、約２０Hzの周期で、入射−加速−出射のサイクルを繰り返すことになる。
【００３０】
本発明による粒子加速器のタイミング制御装置は、上記のタイミング制御を合理的に実施するためのものである。
【００３１】
図１は、本発明の粒子加速器のタイミング制御装置の第１の実施の形態を示すものである。この図において、符号１９は粒子加速器であり、制御対象機器として、出射器１１と、出射系マグネット１５と、その他入射器１等の制御対象機器２１が示されている。そして、本実施の形態の主要部は、サイクル信号発生手段２３と、サイクル信号遅延手段２５と、同期手段２７と、遅延カウンタ２９とで構成され、それぞれ図２に示すタイミングチャートに従ってパルスを出力する。
【００３２】
図２（ａ）に示すように、サイクル信号発生手段２３は、偏向電磁石９が作り出す約２０Hzの正弦波状の磁束密度にほぼ比例した信号を入力し、図２（ｂ）に示すように、その信号の最低値付近でサイクル信号としてパルスを出力する。
【００３３】
サイクル信号遅延手段２５は、図２（ｃ）に示すように、サイクル信号発生手段２３からのサイクル信号を正弦波状信号の最低値付近の最適値に対応する位置まで所定時間ｔ1 遅延する。
【００３４】
同期手段２７は、図２（ｄ）に示すような偏向電磁石９の磁場の変化に基づいた基準クロックのパルスを入力し、サイクル信号遅延手段２５からの出力信号と同期をとった同期クロックパルスを図２（ｅ）に示すように出力する。
【００３５】
遅延カウンタ２９は、図２（ｆ）に示すように、同期手段２７からの同期クロックパルスを設定回数分カウントし、制御対象機器の動作タイミングのトリガー信号を出力する。例えば、入射用遅延カウンタ２９は、同期クロックの初回パルスを入射器１のトリガー信号として出力し、出射用遅延カウンタ２９は、設定された出射カウントに対応するパルスを出射器１１のトリガー信号として出力する。
【００３６】
本実施の形態は、上記主要部に加えて、サイクル信号発生手段２３の入力信号を生成する手段として、電流検出手段３１および磁束密度検出手段３３をいずれか選択可能に備え、電流検出手段３１と磁束密度検出手段３３のいずれを選択したかによってサイクル信号遅延手段２５の遅延設定時間ｔ1 を調整するサイクル信号遅延調整手段３５を備える。
【００３７】
さらに本実施の形態は、イオンビームの量とエネルギーを利用用途に応じて容易に変更したいという利用系１７の要求を満たすために、設定カウント値変更手段３７、サイクル抑制手段３９、ビーム量制御手段４１、ビーム量設定値ファイル４３、運転計画制御手段４５、出射対象ファイル４７、運転実績記録ファイル４９を備える。
【００３８】
設定カウント値変更手段３７は、ビーム量制御手段４１からの出射カウントに基づいて遅延カウンタ２９の設定カウント値を変更する。サイクル抑制手段３９は、ビーム量制御手段４１からのサイクル数に基づいてサイクル信号発生手段２３の出力サイクル数を抑制する。
【００３９】
ビーム量制御手段４１は、利用系１７で要求するビームの量とエネルギーレベルに合致するパターン番号を運転計画制御手段４５から得てビーム量設定値ファイル４３を参照して出射カウントおよびサイクル数を決定する。ビーム量設定値ファイル４３は、あらかじめパターン番号ごとにサイクル数と出射カウントを記憶したものである。
【００４０】
運転計画制御手段４５は、出射対象ファイル４７に基づいて、用途ごとに、ビーム量とエネルギーレベルに対応したパターン番号をビーム量制御手段４１に与え、運転実績記録ファイル４９に運転実績として記録する。出射対象ファイル４７は、あらかじめ用途ごとにパターン番号を記憶したものである。
【００４１】
高エネルギー粒子輸送系１３には様々なエネルギーレベルのビームが通過するが、これらのビームがスムーズに通過するためには出射系マグネット１５の磁場強度をビームのエネルギーレベルに応じて調整する必要がある。本実施の形態は、この課題を解決するため、出射マグネット制御手段５１と出射マグネット設定値ファイル５３を備える。
【００４２】
出射系マグネット制御手段５１は、設定カウント値変更手段３７からの出射カウントに基づいて、出射系マグネット１５の磁場強度を算出し、出射系マグネット１５の電源に設定することにより、出射系マグネット１５の磁場強度を調整する。ここで、あらかじめ出射カウントごとに出射系マグネット１５の磁場強度を記憶した出射マグネット設定ファイル５３を利用するよう構成することにより、出射系マグネット１５の磁場強度を容易に求めることができる。
【００４３】
利用系１７において、ビームをガン患者の患部に照射し、ガン細胞を破壊させるという医療用途にビームを用いる場合がある。このときガン細胞だけにビームを照射しなければならない。肺や心臓のように常に動いている臓器上にガン細胞があった場合、照射対象のガン細胞が照射ターゲット上に動いてきたときのみビームを照射する必要がある。
【００４４】
これを解決するために、本実施の形態はサイクル許可手段５５と出射器同期手段５７を備える。また、サイクル許可手段５５と出射器同期手段５７の入力信号を生成するものとして、心拍信号発生手段５９と呼吸信号発生手段６１が切替可能に設置される。
【００４５】
サイクル許可手段５５は、照射対象のガン細胞が照射ターゲット上にあるときのみＯＮになる許可信号を心拍信号発生手段５９または呼吸信号発生手段６１から入力し、この信号がＯＮ状態のときのみサイクル信号発生手段２３がサイクル信号を出力するのを許可する。
【００４６】
出射器同期手段５７も同様に許可信号を入力し、その許可信号がＯＮ状態のときのみ出射器用の遅延カウンタ２９のトリガー信号を通過させる。
【００４７】
次に、本実施の形態の作用を説明する。
サイクル信号発生手段２３は、電流検出手段３１または磁束密度検出手段３３から、偏向電磁石９が作り出す約２０Hzの正弦波状の磁束密度にほぼ比例した図２（ａ）に示すような信号を入力し、サイクル信号として図２（ｂ）に示すようなパルスを出力する。このサイクル信号は、約２０Hzの周期で繰り返される入射−加速−出射の周期を示す。
【００４８】
図３は電流検出手段３１の回路構成例を示すもので、図４は図３に示す回路の各信号ＩA 、Ｖ1B、Ｖ1Cの波形を示す。電流検出手段３１は、図３に示すように、コイル７１を使い、偏向電磁石９に対して偏向電磁石用電源９ａが供給する電流ΙA の微分値に比例した信号Ｖ1Bを検出し、ボルテージフォロワー３１ａを介して積分器３１ｂに入力する。積分器３１ｂの出力はＫ1 ＊ＩA となり、最終的に電流検出手段３１から出力される信号Ｖ1Cは、
Ｖ1C＝Ｋ1 ＊ＩA ＋Ｋ2 ＊Ｖ1b
となる。ここで、Ｋ1 、Ｋ2 は定数、Ｖ1bは可変のバイアス電圧を示し、サイクル信号発生手段２３で適切に処理できるよう、積分器３１ｂの出力にバイアス電圧Ｖ1bが加えられる。
【００４９】
偏向電磁石９に対して偏向電磁石用電源９ａが供給する電流値に雑音が混入している場合には、図１に示す電流値フィルタ７３として、図５に示すようなローパスフィルタが電流値検出用のコイル７１と電流値検出手段３１との間に挿入する構成も可能である。
【００５０】
図６は磁束密度検出手段３３の回路構成例を示すもので、図７は図６に示す回路の各信号ＢA 、Ｖ2B、Ｖ2Cの波形を示す。磁束密度検出手段３３は、図６に示すように、コイル７５を使い、偏向電磁石９によって生じる磁場の磁束密度ＢA の微分値に比例した信号Ｖ2Bを検出し、ボルテージフォロワー３３ａを介して積分器３３ｂに入力する。積分器３３ｂの出力はＫ3 ＊ＢA となり、最終出力Ｖ2Cは、
Ｖ2C＝Ｋ3 ＊ＢA ＋Ｋ4 ＊Ｖb
となる。ここで、Ｋ3 、Ｋ4 は定数、Ｖb は可変のバイアス電圧を示し、サイクル信号発生手段２３で適切に処理できるよう、積分器３３ｂの出力にバイアス電圧が加えられる。
【００５１】
偏向電磁石９によって生じる磁場の磁束密度検出値に雑音が混入している場合には、図５に示すようなローパスフィルタを磁束密度値フィルタ７７として、磁束密度値検出用のコイル７５と磁束密度検出手段３３との間に挿入する構成も可能である。
【００５２】
図８はサイクル信号発生手段２３の構成例を示すもので、図９はサイクル信号発生手段２３における信号処理プロセスを示す。図８において、サイクル信号発生手段２３は、コンパレータ２３ａとモノマルチ２３ｂとから構成される。
【００５３】
コンパレータ２３ａは、基準電圧Ｖref と電流値検出手段３１または磁束密度検出手段３３からの出力、すなわちほぼ２０Hz正弦波状の信号Ｖc を入力し、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、２０Hz正弦波信号Ｖc が基準電圧Ｖref より低いときのみＯＮ状態となるパルス信号を出力する。
【００５４】
モノマルチ２３ｂは、図９（ｃ）に示すように、このパルス信号のパルス幅を一定の幅に揃えてサイクル信号として出力する。なお、モノマルチ２３ｂの出力段にはゲートが挿入され、その開閉はサイクル抑制手段３９によって制御される。これにより、サイクル抑制手段３９は遅延カウンタ２９がトリガー信号を出力するのを抑制することができる。
【００５５】
ところで、図９（ｃ）に示すように、サイクル信号は２０Hz正弦波が最低値となるｔ2 秒前に出力される。また、サイクル信号は磁束密度の検出値から生成された場合と偏向電磁石９の電源電流の検出値から生成された場合とは若干のタイミングの違いが発生する。サイクル信号と２０Hz正弦波が最低値となるタイミングのずれおよびサイクル信号の生成元が変った場合のタイミングのずれを補正するために、サイクル信号遅延手段２５とサイクル信号遅延調整手段３５が設けられている。
【００５６】
すなわち、サイクル信号遅延手段２５は、図２（ｃ）に示すように、サイクル信号を入力してからサイクル信号遅延調整手段３５によって設定された時間ｔ1 秒後にパルスを出力する。
【００５７】
サイクル信号遅延調整手段３５は、予めサイクル信号が磁束密度の検出値から生成される場合の設定時間と偏向電磁石電源の電流検出値から生成される場合の設定時間とを記憶し、サイクル信号が何から作られるのかに応じて設定時間ｔ1 を決定してサイクル信号遅延手段２５に設定する。
【００５８】
同期手段２７は、基準クロック（図２（ｄ））を入力し、サイクル信号遅延手段２５からのサイクル信号と同期をとった同期クロックを図２（ｅ）に示すように出力する。
【００５９】
なお、基準クロックは、通常磁束密度がある一定量増加したときに１パルスの割合で出力されるもので、減少した場合にはパルスは出力されない。この基準クロックをカウントすることにより磁場の強度の変化分を検出することができる。磁場の強度の変化分は、粒子に与えられたエネルギーの増分を示すので、つまりこの基準クロックをカウントすることにより粒子に与えられたエネルギーの増分を知ることができる。
【００６０】
遅延カウンタ２９は、同期手段２７でサイクル信号と同期をとられた同期クロックを入力し、設定カウント値と同数Ｃ1 （図２（ｅ））の同期クロックを入力したら、トリガー信号を出力し、その後自分自身と同期手段２７をリセットし次のサイクルのトリガー信号出力に備える。
【００６１】
このため、遅延カウンタ２９の設定カウント値を適当に設定することにより、希望するエネルギーレべルでのイオンの入出射が可能となる。通常はイオンの入射タイミングは偏向電磁石の磁場強度が最低のときが好ましいので、同期クロックの初回パルスを入力したとき入射用トリガー信号を出力する。
【００６２】
遅延カウンタ２９に設定されるカウント値は設定カウント値変更手段３７によって設定変更される。
【００６３】
また、トリガ−信号の個数、すなわちサイクル信号のサイクル数はサイクル抑制手段３９によって制御される。すなわち、サイクル抑制手段３９によってサイクル数を適当な数に抑制することにより、利用系１７で要求している量のビームを入射−加速−出射のプロセスを経て、利用系１７に導くことができる。
【００６４】
設定カウント値変更手段３７およびサイクル抑制手段３９は、ビーム量制御手段４１から利用系１７の用途に応じた出射カウントおよびサイクル数の情報を受け取る。
【００６５】
ビーム量制御手段４１は、利用用途に応じてビーム量設定値ファイル４３を参照して、サイクル数および出射カウントを決定し、サイクル抑制手段３９および設定カウント値変更手段３７にそれぞれ出力して、サイクル抑制手段３９および設定カウント値変更手段３７を介してビームの量とエネルギーを制御する。
【００６６】
図１０はビーム量設定値ファイル４３のデータ構成例を示すもので、ビーム量設定値ファイル４３は、パターン番号ごとにサイクル数と出射カウントを記憶している。サイクル数は入射−加速−出射のサイクルの回数を示し、これにより利用系１７に導かれるビームの量を規定することができる。出射カウントは、出射器用の遅延カウンタ２９の設定カウント値を示し、これによりビームを加速するエネルギーレベルを規定することができる。したがって、ビーム量設定値ファイル４３は、様々なビーム量とビームエネルギーの組み合わせにパターン番号を付けて記憶しているのと等価である。
【００６７】
したがって、ビーム量制御手段４１は、利用用途に応じてパターン番号が与えられることにより、ビーム量設定値ファイル４３に基づいてサイクル抑制手段３９および設定カウント値変更手段３７に指示するサイクル数および出射カウントを決定することができる。
【００６８】
利用系１７においては、用途に応じてビームの量とエネルギーレベルを変更していく必要があり、また一つの用途においてもビームの量とエネルギーをシーケンシャルに変更する場合もある。これを容易に実施するために、用途ごとに、ビーム量とエネルギーレベルに対応したパターン番号を順次ビーム量制御手段４１に与える運転計画制御手段４５が設けられる。
【００６９】
ビーム量制御手段４１は、前述したように与えられたパターン番号に対応したエネルギーレベルに係る設定カウント値を設定カウント値変更手段３７に、パターン番号に対応したビーム量に係るサイクル数をサイクル抑制手段３９にローディングする。ビーム量制御手段４１はこの動作を、運転計画制御手段４５からパターン番号を与えられる度に繰り返す。
【００７０】
なお、運転計画制御手段４５は、数多くの用途に対して素早くパターン番号をビーム量制御手段４１に与えていく必要がある。この時、予め用途ごとにパターン番号の組み合わせを出射対象ファイル４７に記憶しておき、出射対象ファイル４７から順次必要なパターン番号を引き出せると便利である。
【００７１】
図１１は、出射対象ファイル４７のデータ構成例を示すもので、出射対象ファイル４７が、用途としてビームを照射する患者とその患者に対していくつのパターン数で照射し、それらがどのようなパターン番号であるかという情報から構成されていることを示している。例えば、患者Ａに対してはパターン番号の種類は３個で、パターン番号２、５、４の順で患者Ａに照射するということを示している。
【００７２】
また、運転計画を立案するうえで、利用系１７でどのようなビームが使用されたかという実績を記録しておくと便利である。そこで、運転計画制御手段４５は、図１２に示すように、運転実績を運転実績記録ファイル４９に記録する。図１２において、運転実績記録ファイル４９のデータ構成は出射対象ファイル４７の構成に照射した日付を付加したものと同等である。
【００７３】
上記構成において、運転計画制御手段４５は、出射対象ファイル４７に基づいてパターン番号をビーム量制御手段４１に送信し、ビーム量制御手段４１は受け取ったパターン番号とビーム量設定値ファイル４３に基づいて、利用系１７が要求するビーム量とビームエネルギーに対応するサイクル数および出射カウントを決定し、それぞれサイクル抑制手段３９と設定カウント値変更手段３７に通知する。
【００７４】
設定カウント値変更手段３７は、ビーム量制御手段４１から指示された出射カウントを遅延カウンタ２９にローディングし、設定カウント値を変更する。つまり、利用系１７で要求しているエネルギーレベルまで加速することになる。
【００７５】
サイクル抑制手段３９は、ビーム量制御手段４１から指示されたサイクル数に基づいてサイクル信号発生手段２３のサイクル信号の出力状況を監視し、指示されたサイクル数だけサイクル信号が発生されたなら、図８に示すサイクル信号発生手段２３内のゲートを開にしてサイクル信号の出力を抑制する。つまり、利用系１７で要求している量のビームを入射−加速−出射のプロセスを経て、利用系１７に導くことになる。
【００７６】
また、ビーム照射対象者が、肺や心臓のように常に動いている臓器上にガン細胞がある患者の場合には、照射対象のガン細胞が照射ターゲット上に動いてきたときのみビームを照射する必要がある。この場合には、サイクル信号発生手段２３は、サイクル許可手段５５によって許可されている間だけ、サイクル信号を発生する。
【００７７】
サイクル許可手段５５は、照射対象が心臓の場合には心拍信号発生手段５９から、照射対象が肺の場合には呼吸信号発生手段６１から、照射対象のガン細胞が照射ターゲット上にあるときのみＯＮになる許可信号を入力し、その許可信号がＯＮ状態のときのみサイクル信号発生手段２３がサイクル信号を出力するのを許可する。
【００７８】
また、出射器同期手段５７も同様に心拍信号発生手段５９または呼吸信号発生手段６１から照射対象のガン細胞が照射ターゲット上にあるときのみＯＮになる許可信号を入力し、その許可信号がＯＮ状態のときのみ出射器用の遅延カウンタ２９からのトリガー信号を出射器１１へ伝達する。なお、入射−加速−出射のプロセスで入射のタイミングのとき許可信号がＯＮで出射のタイミングのときＯＦＦとなった場合には、入射し加速されたイオンは、図１８において出射器１１にて高エネルギー粒子輸送系１３に出射される代わりに、図示されない排出手段により加速リング５から外部に排出される。
【００７９】
図１３は、患部が心臓の場合の許可信号のタイミングチャートを示すもので、心臓あるいはその周囲の様に心拍によって変動する部分の場合、許可信号は心拍に同期したものとする。図１３（ａ）に示すように、心拍信号は電気信号として体表面から検出することができる。心拍信号発生手段５９は体表面から検出された心拍信号を入力し、所定のしきい値以上の時に図１３（ｂ）に示すような許可信号を出力する。
【００８０】
心拍信号発生手段５９は、例えば図１４に示すような回路で構成することができる。図１４において、心拍信号発生手段５９は、コンパレータ５９ａにより心拍信号をパルス信号に変換し、患部が照射ターゲット上に存在すると考えられる時間ｔ3 （図１３（ｂ）参照）だけモノマルチ５９ｂによりパルス幅を延ばす。なお、図１３（ｃ）は、サイクル信号発生手段２３が入力する約２０Hz正弦波信号を示すもので、許可信号がＯＮの時間ｔ3 に対応するサイクル信号のみ入出射可能となることを示す。
【００８１】
図１５は、患部が肺の場合の許可信号のタイミングチャートを示すもので、肺あるいはその周辺の呼吸によって変動する部分の場合、肺が呼吸のため収縮するが、それを検出するため、胸の回りにひずみゲージを取り付ける。肺が膨らむとひずみゲージは延ばされ抵抗値が大きくなり、肺が縮んだ場合には逆に抵抗値は小さくなる。したがって、抵抗値の変化で肺の収縮を検出することができる。
【００８２】
呼吸信号発生手段６１は、例えば図１６に示すようなコンパレータで構成され、図１５（ａ）に示すように、ひずみゲージに一定電流を流して得られる抵抗線での電圧値を入力し、その電圧値が所定のしきい値以上の時に図１５（ｂ）に示すような許可信号を出力する。なお、図１５（ｃ）は、サイクル信号発生手段２３が入力する約２０Hz正弦波信号を示す
また、出射マグネット制御手段５１は、設定カウント値変更手段３７から出射器用遅延カウンタ２９にローディングされたのと同じ出射カウントを入力し、この値から、出射器１１から出射されたビームが高エネルギー粒子輸送系１３をスムーズに通過するような出射系マグネット１５の磁場強度を算出し、出射系マグネット１５の電源に設定する。これにより、出射ビームのエネルギーレベルに応じて出射系マグネット１５の磁場強度を調整することができる。
【００８３】
その際、出射マグネット制御手段５１は、図１７に示すような出射マグネット設定値ファイル５３に問い合わせ、そこに保存されている磁場強度を取り込むことにより、ビームのエネルギーレベルに応じた磁場強度を短時間で求めることができる。
【００８４】
図１７において、出射系マグネット設定値ファイル５３は、出射カウント、すなわち遅延カウンタ２９の設定値カウント値の５０カウントごとに、複数存在する出射系マグネット１５の電源に対する設定電圧値を記憶してしている。この場合、設定カウント値変更手段３７からの出射カウントが、出射系マグネット設定値ファイル５３に規定されていない場合には、その前後に規定されているデータを出射系マグネット設定値ファイル５３から取り出し、補間計算により設定電圧値を得る方法を取ることができる。
【００８５】
以上の説明からも明らかなように、本実施の形態によれば、偏向電磁石の電源に共振電源を用いた場合でも、偏向電磁石の磁場の変化サイクルに同期して最適なタイミングで粒子加速器の入射、加速および出射の動作を制御することができる。
【００８６】
また、利用用途に応じて出射する荷電粒子の量とエネルギーを容易に変更することができる。
【００８７】
さらに、照射対象が心拍や呼吸によって変動する部位のような場合でも、照射対象部位のみに的確に荷電粒子ビームを出射することができる。
【００８８】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、偏向電磁石の電源として共振電源のように供給する電流値が変化する電源を用いた場合でも、偏向電磁石の磁場の変化サイクルに同期させて粒子加速器の入射、加速および出射の動作タイミングを制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の粒子加速器のタイミング制御装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図１に示すタイミング制御装置の基本的な動作を説明するタイミングチャートである。
【図３】図１に示す電流検出手段３１の構成例を示す回路図である。
【図４】図３に示す回路の各信号ＩA 、Ｖ1B、Ｖ1Cの波形を示す図である。
【図５】図１に示す電流値フィルタまたは磁束密度値フィルタとして使用されるローパスフィルタを示す図である。
【図６】図１に示す磁束密度検出手段３３のの構成例を示す回路図である。
【図７】図６に示す回路の各信号ＢA 、Ｖ2B、Ｖ2Cの波形を示す図である。
【図８】図１に示すサイクル信号発生手段の構成例を示す回路図である。
【図９】図８に示す回路における信号処理プロセスを示す図である。
【図１０】図１に示すビーム量設定値ファイルのデータ構成例を示す図である。
【図１１】図１に示す出射対象ファイルのデータ構成例を示す図である。
【図１２】図１に示す運転実績記録ファイルのデータ構成例を示す図である。
【図１３】患部が心臓の場合の許可信号の発生を説明するタイミングチャートである。
【図１４】図１に示す心拍信号発生手段の構成例を示す回路図である。
【図１５】患部が肺の場合の許可信号の発生を示すタイミングチャートである。
【図１６】図１に示す呼吸信号発生手段の構成例を示す回路図である。
【図１７】図１に示す出射マグネット設定値ファイルのデータ構成例を示す図である。
【図１８】粒子加速器の構成を概略的に示す図である。
【図１９】従来の粒子加速器のタイミング制御を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
１１………出射器
１５………出射系マグネット
１９………粒子加速器
２３………サイクル信号発生手段
２５………サイクル信号遅延手段
２７………同期手段
２９………遅延カウンタ
３１………電流検出手段
３３………磁束密度検出手段
３５………サイクル信号遅延調整手段
３７………設定カウント値変更手段
３９………サイクル抑制手段
４１………ビーム量制御手段
４３………ビーム量設定値ファイル
４５………運転計画制御手段
４７………出射対象ファイル
４９………運転実績記録ファイル
５１………出射系マグネット制御手段
５３………出射マグネット設定ファイル
５５………サイクル許可手段
５７………出射器同期手段
５９………心拍信号発生手段
６１………呼吸信号発生手段
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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