COMMISSIONING OF VARIABLE BEAM-ENERGYEXTRACTION SYSTEM AT HIMAC
Kota Mizushima #,A), Toshiyuki ShiraiA), Takuji FurukawaA), Shinji SatoA),
Yoshiyuki IwataA), Ken KatagiriA), Koji NodaA)
A)
National Institute of Radiological Sciences
4-9-1 Anagawa, Inage-ku, Chiba 263-8555, Japan

Abstract
Carbon-ion radiotherapy has been carried out at Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba (HIMAC) in National
Institute of Radiological Sciences (NIRS) since 1994. NIRS started three-dimensional scanning irradiation using a pairof deflection magnets and energy-degrading plates with various thicknesses from May 2011. In addition, NIRS plans toemploy a multiple-energy synchrotron operation for scanning irradiation from September 2012. This operation enables
us to change the extracted beam-energy quickly and to avoid use of thick energy degraders which broaden the beam spotsize. We have improved the existing HIMAC extraction system for the multiple-energy operation. In the commissioningof variable beam-energy extraction, we verified that the improved system meets the requirements for performing
irradiation with pencil beam scanning.

HIMAC 可変ビームエネルギー出射制御システムのコミッショニング
1.

はじめに放医研では、そのような問題を解決するため、出射ビームエネルギーを素早く変更可能なシンクロトロンの可変エネルギー運転を開発した[5]。この運転方法は、図１(b) のような短いフラットトップを複数段有し、照射したいビームエネルギーに合わせてフラットトップを任意に延長することで（図１(c)）、従来のエネルギースキャン照射で課題となっている治療照射時間の短縮を実現する。連続可変ビームエ
ネルギー出射に対応するため、HIMAC のビーム出射システムとビーム強度制御システムが改良され、2012 年 9 月から再開されるスキャニング照射治療への適用を目指し、可変ビームエネルギー・強度出射制御システムのコミッショニングを行った。

放射線医学総合研究所（放医研）は、重粒子線がん治療用加速器 HIMAC から供給される 430 ~ 140
MeV/n の炭素イオン C6+ビームを用いて炭素線がん治療を行っており[1]、1994 年の治療開始から 2012
年 7 月現在までに 6000 名以上の治療を行った。
2011 年 5 月からは、既存の HIMAC 出射ビームラインを延長して建設した新治療研究棟において[2]、より高度な照射線量制御を目的とした三次元スキャニ
ング照射による臨床試験を開始した。
放医研のスキャニング照射では、水平・垂直走査電磁石による横方向のスキャンと、レンジシフターと呼ばれる厚さの異なった複数枚の PMMA プレートを用いた深さ方向のスキャン（レンジシフタースキャン）により三次元線量分布を形成している[3]。
しかし、大きくビーム飛程を変更するために厚いレンジシフターを使用すると、多重散乱によるビームサイズの拡がりや核反応によるフラグメント粒子の増加により、正常組織への望まれない線量付与が増えてしまう。そのため、シンクロトロンを用いる他の粒子線治療施設では、図１(a)のように、シンクロトロンから出射するビームエネルギーを運転周期ごとに変更することで深さ方向のスキャン（エネルギースキャン）を行っている[4]。
エネルギースキャンを用いた照射法は、レンジシフターによる余計なビームサイズの拡がり等を防げる一方で、ビーム飛程を変える度にシンクロトロンでビームの減速、入射、加速を行わなければならず、また、シンクロトロンの運転周期に同期したタイミングでしか出射ビームエネルギーを変えられないた
図１：深さ方向スキャンのための運転パターン比
め、ビームを照射できない待機時間が長くなり、そ較。(a) FT エネルギー変更運転、(b) 可変エネルの結果、治療照射の長時間化につながる。
ギー運転、(c) フラットトップ延長運転。
___________________________________________#

mizshima@nirs.go.jp- 228 -

2.

可変エネルギー・強度出射制御

2.1

線量分布への効果ている。照射線量誤差を 1%以内に抑えるために、ビーム強度制御システムは、治療で使用する全てのビームエネルギー・強度でビームスピルリップルを20%以下に抑えることが求められる。

現在、治療照射適用のために準備している可変エネルギー運転パターンは、図１(b) に示されている
ように、3.3 秒の基本パターンの中に 40 ms のフラットトップを 11 段備えており、それぞれ 430,400, 380, 350, 320, 290, 260, 230, 200, 170, 140 MeV/nのビームエネルギーに対応している。体内飛程では、およそ 2.5 cm 間隔で 30 ~ 4 cm の幅に相当しており、エネルギー間の飛程調整はビームへの影響の少ない薄いレンジシフターのみで行うことができる。このレンジシフタースキャンとエネルギースキャンを組み合わせたハイブリッドスキャン照射により、従来と比較して、図２のようなエネルギースキャンと遜色ないシャープな線量分布を形成できることが証明
図３：呼吸性移動臓器に対する呼吸同期照射とビーされており[6]、より良好な治療効果が期待されていム強度変調制御。
る。

2.3 可変ビームエネルギー出射システム
HIMAC シンクロトロンの各電磁石電源や縦方向RF システムが可変エネルギー運転のためにパターンメモリーに持つ電流、周波数パターンは、図１(b)のような短いフラットトップだけの基本パターンである。照射するビームエネルギーに対応したフラットトップに到達した際に、タイミングシステムが各電源等に送るクロックを止めることで任意の時間幅にフラットトップを延長することができ、次のエネルギーに移行する場合には、クロックの送信を再開することで電流値、周波数の変更を実行している。
図２：ターゲット深さ中心における横方向照射線
ビームエネルギーに対応して横方向 RF 電場の周量分布の比較[6]。ターゲットは W100×H100×D200
mm3 の直方体。青線は従来のレンジシフタース波数等を変更するため、ビーム強度制御システムはキャン法（RS）、赤線はエネルギースキャン法
エネルギーID 毎のパラメーターテーブルを持つ。
（ES）、黒線はハイブリッドスキャン法（HS）をパターンメモリーを持たない静電デフレクタやセプ使用した場合。
タム電磁石などの出射用機器も、電源制御システムがエネルギーID 毎の電流値テーブルを持つことで、2.2 ビーム強度制御システム
シンクロトロンでのビームエネルギー変更に同期し高速なスキャニング照射を実現するために、照射 て出射に備えることができる。
中のビーム強度を高精度で制御する必要がある。こHIMAC シンクロトロンでは、ビームを高速遮断れまでの研究で放医研は、RF ノックアウト法によ し、出射停止中の漏れを防ぐため、ビームオフに同る遅い取り出しを用いたビーム強度フィードバック 期して高速四極電磁石を励磁することでベータトロ制御システムを開発した[7]。このビーム強度制御シ ンチューンを共鳴から離している。また、エネル
ステムは、照射ポートに設置されたビーム強度測定 ギー変更後の出射開始時には、予想外のエミッタン用電離箱からの出力電流を I/F 回路を介して計測し、 スの増加によりビームスパイクが起こる可能性があ
比例・積分フィードバック制御により横方向 RF 電 るため、図４のようなプレ出射制御を行っている。
場の振幅変調を行うことで設定ビーム強度を維持する。呼吸性移動臓器へのビーム照射では、呼吸同期照射の時間幅に合わせてエネルギースライス毎にビーム強度を変調することで、ターゲット腫瘍変動による照射位置誤差を平均化する（図３）。2013
年開始予定の呼吸同期スキャニング照射に先駆け、放医研では、2012 年 9 月からビーム強度変調照射も可変エネルギー運転とともに適用される。
放医研のスキャニング照射はラスタースキャン法を採用しており、スポット移動間に付与する線量は、 図４：エネルギー変更後のプレ出射制御のタイムチャート。
スライス毎のビーム強度を一定に保つことで制御し- 229 -図５： フラットトップ延長運転におけるビーム再入射制御。
表 1：コミッショニングのパラメーター
可変エネルギー運転においては、段階的にセパラト
12 6+
リクスを広げ、さらに、横方向 RF 電場に共鳴条件
Extraction beamC , 430-140 MeV/nに近い周波数成分を加えることで、減速後のビーム(Qx, Qz) =スパイクを防ぐ工夫をしているが[8]、わずかなビー
Betatron tune
ムスパイクも避けたいスキャニング照射では、より(3.679-3.685, 3.128)
信頼性を高めるためにプレ出射処理を導入し、非常Number ofに安定な制御を実現できている。
6 × 109
stored particles
フラットトップ延長運転を行う場合、周回ビーム残量が少なくなってきたことを的確に判断して、Beam intensity
2 × 107 – 6 × 108 pps
ビーム再入射を行う必要がある。HIMAC シンクロ
トロンでは、DCCT に下限値を設け、加えて、ビー
ム強度フィードバック制御により振幅変調される おり、共鳴条件は Qx = 11/3 である。縦方向 RF 電場
RF ノックアウト電圧の上限値を設定し、二つの閾 は、可変エネルギー運転を行うため、ビームの出射値制御により再入射タイミング信号を生成している 中も切らない。周回ビーム粒子数は、最大エネル（図５）。これにより、周回ビームがなくなる前に、 ギーに加速後で 6 × 109 個程度になるように調整さまた、ビーム強度フィードバックアンプが飽和する れ、ビーム再入射を行う閾値は全エネルギーで平均前に、ビームを補給することが可能となる。
しておよそ 1 × 109 個である。プレ出射中は、セプタム電磁石下流にある二次電子モニターを用いて3. コミッショニング
ビーム強度をフィードバック制御する。
2012 年 9 月からの治療適用に向けた可変ビーム
プレ出射時に、図４のように動作させるビーム
エネルギー・強度出射システムのコミッショニング シャッターの駆動時間はおよそ 300 ms である。
を行い、ビームエネルギー・強度毎のビームスピル シャッターが閉じてからシンクロトロンでは 200 ms
リップルとエネルギー変更にかかる所要時間を測定 かけてビームを次のエネルギーに減速する。エネルした。コミッショニングは放医研新治療研究棟で実 ギー変更後のプレ出射時間は 200 ms であるため、施し、照射ビーム強度は治療室に設置されている平 合計して約 1 秒がエネルギー変更にかかる時間とな
行平板電離箱を用いて測定した。コミッショニング る。レンジシフター駆動時間がおよそ 450 ms であにおいて、可変エネルギー・強度出射制御を行って るため、レンジシフタースキャンより全体で数秒ほいる様子を図６に示す。
ど照射時間が長くなることになる。より高速化を目
コ ミ ッ シ ョ ニ ン グ 時 の 条 件 を 表 １ に 記 す 。 指すため、100 ms で駆動可能な高速回転型のビーム
HIMAC シンクロトロンでの遅いビーム取り出しは、 シャッターを現在開発中であり、近い将来的、エネベータトロン振動の三次共鳴と六極電磁石を用いてルギー変更時間は 600 ms 前後に短縮される。

図６： 可変ビームエネルギー・強度出射制御試験。

- 230 -

ビームオフでは、横方向 RF 電場のオフと高速四極電磁石のオンを同時に行うことで、0.3 ms 以内でのビーム遮断を実現できた。また、ビームオン時には、高速四極電磁石をオフにした後、高速四極電磁石の電流値が落ち着くのを 3 ms 間待ってから横方向 RF電場をオンする。図８から、ビームオン指令を受けた t = 0 から、4 ~ 7 ms 程度で目標ビーム強度まで安定に立ち上がっていることが確認できた。

4.

結論

放医研では、世界初となるシンクロトロンの可変エネルギー運転を 2012 年 9 月から再開される炭素線の三次元スキャニング照射に適用し、レンジシフターと組み合わせた深さ方向のハイブリッドスキャンを行う予定である。可変エネルギー運転と同時に適用を開始するビーム強度変調制御と合わせ、可変ビームエネルギー・強度出射制御システムのコミッショニングを新治療研究棟で行った。コミッショニ
ング試験において、その新たなシステムは、治療で用いる全てのビームエネルギー、ビーム強度範囲に対して、照射システムから求められた 20%以下のスピルリップルでビームを供給できることを証明した。
将来的には、現在およそ 1 秒かかっているビームエネルギー変更を回転型ビームシャッターの開発により高速化することに加え、可変エネルギー運転パターンの更なる多段化によりレンジシフターレスでのエネルギースキャン照射を目指す。

図７：エネルギー毎ビームスピルリップル評価。

図７に、ビームエネルギー毎の設定ビーム強度に対するビームスピルリップルを示した。縦軸は、50kHz のサンプリングレートで取得したデータから、スポット間の移動時間とリスキャニングの効果を考慮して 1 ms 毎に平均化して求めたビーム強度の標準偏差である。各点に記した誤差棒は、リング内ビーム残量に対するリップル幅の変化等を評価している。図７から、ビームスピルリップルは、治療に用いる全てのビーム強度範囲で照射線量誤差を 1%以内に抑える上で目標となる 20%以下に抑えられていることが検証された。また、図８に示されるよう 参考文献に、多数回に及ぶビームオン・オフ切り替えの安定[1] S. Yamada, in: Proceedings of APAC’01, Beijing, China,性、再現性も確認された。スキャニング照射では、
2001, 829.
エネルギースライス変更の度にビームオフと再オン [2] K. Noda et al., Nucl. Instr. and Meth. B 269, 2924 (2011).
が必要なため、１回の照射でビームオン・オフ切り [3] T. Furukawa et al., Med. Phys. 37, 5672 (2010).
替えを数十回行う。そのため、どのような条件でも [4] J. M. Mosthaf, in: Proceedings of PCaPAC08, Ljubljana,Slovenia, 2008, 168.
ビームオン時にビームスパイクが起きないこと、そ [5] Y. Iwata et al., Nucl. Instr. and Meth. A 624, 33 (2010).
してオフ時には高速で遮断できることが求められる。 [6] T. Inaniwa et al., Med. Phys. 39, 2820 (2012).
[7] K. Mizushima et al, in: Proceedings of IPAC2011, San
Sebastian, Spain, 2011, 3592.
[8] K. Mizushima et al., Nucl. Instr. and Meth. A 606, 325(2009).

図８：ビームオン・オフ安定性評価。縦軸は目標ビーム強度で規格化されている。横軸の０点は高速四極電磁石の励磁電流変更タイミングで、ビームオン時は高速四極電磁石オフから 3 ms 後に横方向 RF 電場オン。

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