WO2001024591A1 - Apparatus for charged-particle beam irradiation, and method of control thereof - Google Patents

Description

明 細 書

荷電粒子ビーム照射装置及びその制御方法 技術分野

本発明は、 荷電粒子ビームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム照射 装置及びその制御方法に関する。 背景技術

荷電粒子ビーム （以下、 ビームという ） を照射対象に照射する荷電粒 子ビーム照射装置と しては、 癌患者の患部にビームを照射して癌治療を 行う荷電粒子ビーム照射装置が知られてお り 、 特開平 9一 223600 号公報 (以下、 第 1 従来技術という ） にはその一例と して、 患部を複数の照射 領域に分け、 各照射領域に対して順番にビームを照射する荷電粒子ピー ム照射装置が記載されている。 この第 1 従来技術に記載された荷電粒子 ビーム照射装置では、 互いに直交する方向に磁場を発生する 2 つの走査 電磁石によ リ ビームの照射位置を制御している。

なお、 上記第 1 従来技術では走査電磁石に電力を供給する電源装置の 構成について詳細には述べられていないが、 特開平 8— 88972号公報 （以 下、 第 2従来技術という ） に記載されている よ う な、 電磁石の電源装置 を用いる ことが考え られる。 この電源装置では、 電磁石に流れる励磁電 流の制御精度を向上させるために、 電源装置の出力側に脈動成分を除去 するフ ィルタ を設けている。

上述のよ う に第 1 従来技術では、 複数の照射領域に対して順番にビー ムを照射するので、 走査電磁石に流れる励磁電流は、 例えば第 5 図（ a ) に示すよ う に階段状に増加又は減少する。 なお、 時間に対して電流値が 0

一定となっている期間ではビームの照射位置が一定に保たれ、 時間に対 して電流値が変化している期間ではビームの照射位置が変更される。 第 5 図 （ a ) において、 時間に対し電流値が変化している期間、 すな わちビーム照射位置の変更に要する時間は、 できるだけ短い方が望ま し いとされている。 その理由は、 次の通り である。 例えば、 第 1 従来技術 に記載されているよう に、 ビームの照射位置を変更する際にビームの照 射を停止する場合、 ビーム照射位置の変更を行う 間はビームの照射が行 われないデッ ドタイムとな り 、 その時間が長く なればそれだけ治療時間 が長く なつて しま う 。 治療時間が長く なると、 患者への負担が増大する ため、 ビーム照射位置の変更に要する時間はできるだけ短く しなければ ならない。 一方、 ビームの照射位置を変更する際にも ビームの照射を行 う場合、 患部における照射線量と してビーム照射位置の変更中に照射さ れる照射線量も考慮しなければならず、 患部における照射線量の均一化 が難し く なる。 そのため、 ビーム照射位置の変更中に照射される照射線 量が無視できる く らい小さ く なる よ う に、 ビーム照射位置の変更に要す る時間をできるだけ短く する必要がある。 つま り 、 走査電磁石に流れる 励磁電流を短時間で変化させなければな らない。

しかしながら、 上述の第 2従来技術に記載されている電源装置では、 脈動成分を除去するためのフ ィルタ を用いているため、 出力電圧に遅れ が生じ、 走査電磁石に流れる励磁電流を短時間で変化させる こ とはでき ない。

逆に、 フ ィルタ を用いない電源装置を適用すれば、 励磁電流を短時間 で変化させる ことも可能かも しれないが、 脈動成分の影響によ リ走査電 磁石に流れる励磁電流の制御精度が低下 して しま う 。 励磁電流の制御精 度が低下すると、 ビームの照射位置が目標とする位置からずれて しまい 患部に対してビームを均一に照射することができな く なる。 発明の開示

本発明の目的は、 照射対象に対して荷電粒子ビームを均一に照射し、 かつ照射対象に対する荷電粒子ビームの照射時間を短縮する ことが可能 な荷電粒子ビーム照射装置及びその制御装置を提供する こと にある。 上記目的を達成する本発明の特徴は、 荷電粒子ビームを偏向する走査 電磁石と、 前記走査電磁石に電圧を印加する電源と を備え、 荷電粒子ビ ームを照射対象に照射する荷電粒子ビーム照射装置において、 前記電源 は、 フ ィルタ を有しない第 1 電源部及びフ ィ ルタ を有する第 2電源部を 備える こと にある。

本発明によれば、 電源がフ ィ ルタ を有しない第 1 電源部とフ ィルタ を 有する第 2電源部の 2 つの電源部を有するため、 照射対象における荷電 粒子ビームの照射位置を変更すると きには、 フ ィ ルタ を有しない、 すな わち遅れ要素を有しない第 1 電源部から走査電磁石に電圧を印加する こ とで、 走査電磁石に流れる励磁電流を短時間に変化させる こ とができる よって、 荷電粒子ビームの照射位置の変更を短時間で行う こ とができ、 照射対象に対する荷電粒子ビームの照射時間を短縮する ことが可能とな る。 一方、 荷電粒子ビームの照射位置を保持すると きには、 フ ィルタ を 有する第 2電源部によ って脈動成分を除去した電圧を走査電磁石に印加 する ことで、 走査電磁石に流れる励磁電流を精度良く 制御する こ とがで きる。 よって、 荷電粒子ビームの照射位置のずれを防ぐこ とができ、 照 射対象に対して荷電粒子ビームを均一に照射する こ とが可能となる。 こ のよ う に、 本発明によれば、 照射対象に対して荷電粒子ビームを均一に 照射し、 かつ照射対象に対する荷電粒子ビームの照射時間を短縮する こ とができる。 図面の簡単な説明

第 1 図は、 本発明の好適な一実施例である荷電粒子ビーム照射装置の うちの走査電磁石電源の構成図、 第 2図は、 本発明の好適な一実施例で ある荷電粒子ビーム照射装置の構成図、 第 3図は、 第 2図の荷電粒子ビ ーム照射装置による患部へのビーム照射方法を示す図、 第 4図は、 第 3 図の層状領域 L 9 における照射領域 A 9 1， A 9 2 , …の位置を示す図 第 5図は、 第 2図の走査電磁石 2 3， 2 4に流れる励磁電流の波形を示 す図、 第 6図は、 第 2図の走査電磁石 2 3 に印加される電圧の波形とそ の電圧によつて走査電磁石 2 3 に流れる電流の波形を示す図、 第 7図は 本発明の他の実施例である荷電粒子ビーム照射装置のうちの走査電磁石 電源の構成図を示す。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

(実施例 1 )

第 2図は、 本発明の好適な一実施例である荷電粒子ビーム照射装置を 示す。 なお、 第 2図の荷電粒子ビーム照射装置は、 シンクロ トロン 1 に おいて加速された荷電粒子ビーム（以下、 ビームという）を、 回転照射装 置 2 によって癌患者の患部に照射することによ リ、 癌治療を行うもので ある。 また、 本実施例の荷電粒子ビーム照射装置は、 第 3図に示すよう に、 患部をビームの進行方向に複数の層状領域 L 1〜 L 9に分け、 更に その層状領域 L 1〜L 9 を複数に分割してなる照射領域 A 1 1， A 1 2 …のそれぞれに対してビームを照射する。 第 2 図の荷電粒子ビーム照射装置による癌治療においては、 まず、 患 部の体表からの深さ位置、 患部の形状、 患部に照射すべき線量 （以下、 照射線量という ） 等の患者情報が、 制御装置 3 に入力される。 制御装置 3 は、 入力された患者情報に基づいてシンク ロ トロ ン 1 から出射するビ ームのエネルギー、 患部における ビームの照射位置及び患部におけるビ ームの照射線量を決定する。 なお、 ビームのエネルギーは、 各層状領域 L 1 - L 9 の体表からの深さ位置に基づいて決め られる。

本実施例では、 体表から最も深い位置にある層状領域 L 9 から最も浅 い位置にある層状領域 L 1 へと順にビームを照射する。 以下、 その手順 を説明する。

まず、 制御装置 3 から前段加速器 4 に対してビーム出射指令が出力さ れる。 前段加速器 4 は、 ビーム出射指令が入力されると ビームを出射す る。 前段加速器 4から出射されたビームは、 シンク ロ トロ ン 1 に入射さ れる。 制御装置 3 は、 前段加速器 4 にビーム出射指令を出力すると共に. 偏向電磁石 1 2 ， 四極電磁石 1 3 及び六極電磁石 1 4の各々の電源装置 (図示せず） に対して電流指令値を出力 し、 高周波加速空胴 1 5 の電源 装置 （図示せず） に対して電圧指令値を出力する。 この電流指令値及び 電圧指令値は、 ビームのエネルギーに応じて予め求めておく 。 電流指令 値が与え られた電源装置から偏向電磁石 1 2 ， 四極電磁石 1 3及ぴ六極 電磁石 1 4のそれぞれに電流が供給され、 高周波加速空胴 1 5 には電圧 が供給される。 なお、 それぞれに供給される電流は、 ビームの加速に応 じて変化するよ う に設定されている。

こ こで、 シンク ロ ト ロ ン 1 における各構成の役割を説明する。 まず、 偏向電磁石 1 2 は、 供給された電流に応 じた磁場を発生し、 ビームがシ ンク ロ トロン 1 の周回軌道に沿って周回する よ う に磁場でビームを偏向 する。 四極電磁石 1 3 は、 供給された電流に応じた磁場によ り ビームの チューン （ ビームがシンク ロ トロ ン 1 を 1 周する間の振動数） を制御す る。 高周波加速空胴 1 5 は、 供給された電圧に応じてビームに高周波の 電場を印加 し、 ビームを加速する。 すなわち、 ビームのエネルギーを上 昇させる。 六極電磁石 1 4は、 供給された電流に応じてビームに磁場を 印加する こ とによ り 、 ビームに共鳴を励起する。 この共鳴は、 ビームを シンク ロ トロ ン 1 から出射すると きに用いる。

シンク ロ トロ ン 1 においてビームが制御装置 3 によって設定されたェ ネルギ一まで加速されると、 制御装置 3 は高周波印加装置 1 1 の電源装 置 （図示せず） に電圧指令値を出力する。 この電源装置は、 入力された 値の電圧を高周波印加装置 1 1 に供給する。 高周波印加装置 1 1 は、 供 給された電圧に応じた高周波電場を発生し、 その高周波電場をビームに 印加する こと よ り 、 ビームをシンク ロ トロン 1 から出射する。 具体的に は、 安定限界を一定に保っ た状態で高周波印加装置 1 1 によ り ビームに 高周波電場を印加する。 高周波電場の印加によ り ビームのベータ トロ ン 振動振幅が増加 して安定限界を超え、 安定限界を超えたビームは、 六極 電磁石 1 4の磁場によ り共鳴を起こ し、 シンク ロ トロ ン 1 から出射され る。 シンク ロ ト ロ ン 1 から出射されたビームは、 回転照射装置 2 に導か れる。

制御装置 3 は、 シンク ロ トロ ン 1 においてビームを加速中に、 偏向電 磁石 2 1 及び四極電磁石 2 2 の電源装置 （図示せず） に電流指令値を出 力する。 電源装置は入力された値の電流を偏向電磁石 2 1 及び四極電磁 石 2 2 に供給する。 回転照射装置 2 に入力されたビームは、 偏向電磁石 2 1 及び四極電磁石 2 2 によ り予め設定された軌道に沿って走査電磁石 2 3， 2 4 に導かれる。 制御装置 3 は、 偏向電磁石 2 1 及び四極電磁石 2 2 の電源装置に電流 指令値を出力するのと共に、 走査電磁石制御装置 2 5， 2 6 に照射領域 A 1 1 ， A 1 2 …の位置データ と ビームのエネルギーの値を出力する。 走査電磁石制御装置 2 5， 2 6 は、 入力された照射領域 A 1 1 ， A 1 2 …の位置データ と ビームのエネルギーの値に基づいて、 各照射領域 A 1 1 A 1 2 …にビームと を照射するために走査電磁石 2 3， 2 4で必要とさ れる励磁電流の値を各照射領域 A 1 1 ， A 1 2 …毎に算出する。 そ して 更に、 その励磁電流値に基づいて各照射領域 A 1 1 ， A 1 2 …にビーム を照射するために走査電磁石 2 3， 2 4で必要と される電圧の値を算出 する。 求め られた電圧値のう ち、 まずは A 9 1 (層状領域 L 9 で 1 番目 に照射される照射領域） に対応する電圧値が、 走査電磁石制御装置 2 5 2 6 から走査電磁石電源 2 7， 2 8 へ電圧指令値と して出力される。 走 査電磁石電源 2 7 , 2 8 は、 与え られた電圧指令値に基づいて走査電磁 石 2 3， 2 4 に電圧を印加する。 走査電磁石 2 3， 2 4 には、 印加され た電圧に応じた励磁電流が流れ、 ま た、 その励磁電流に応じた磁場が発 生する。 そ して、 その磁場によ り 、 走査電磁石 2 3 は X方向に、 走査電 磁石 2 4は Y方向にそれぞれビームを偏向する。 なお、 走査電磁石制御 装置 2 5， 2 6及び走査電磁石電源 2 7， 2 8 の詳細については後述す る。

走査電磁石 2 3， 2 4 によ り偏向されたビームは、 線量モニタ一 2 9 を通過した後、 患部の照射領域 A 9 1 に照射される。 第 4 図は、 層状領 域 L 9 における照射領域の設定例を示す。 本実施例では、 照射領域 A 91 A 9 2 , …， A 9 m , A 9 n , …を順番に照射する。

線量モニタ一 2 9 は、 患部に照射される ビームの照射線量を計測する 線量モ二ター 2 9 において計測されたビームの照射線量の実測値は、 制 御装置 3 に入力される。 制御装置 3 は、 予め求めておいた照射線量の値 (設定値） と 、 入力された実測値と を比較し、 実測値が設定値に達した 時点でシンク 口 トロ ン 1 に対して出射停止指令を出力する。 よ リ具体的 には、 高周波印加装置 1 1 の電源装置に対して出射停止指令を出力 し、 それによ り 、 高周波印加装置 1 1 に対する電圧の供給が停止される。 従 つて、 高周波印加装置 1 1 による高周波電場の発生が停止し、 シンク ロ トロ ン 1 からのビームの出射も停止する。 なお、 実測値が設定値に達す る前にシンク ロ トロ ン 1 を周回するビームがな く なった場合には、 新た に前段加速器 4からシンク ロ ト ロ ン 1 にビームを入射し、 シンク ロ トロ ン 1 において設定されたエネルギーまで加速した後、 再度ビームを出射 すれば良い。

このよ う に して照射領域 A 9 1 に対する ビームの照射が終了 したら、 次に照射領域 A 9 2 にビームを照射する。 制御装置 3 は、 照射領域 A 91 に対するビームの照射が終了 した ら、 走査電磁石制御装置 2 5， 2 6 に 対して照射領域変更指令を出力する。 照射領域変更指令が入力された走 査電磁石制御装置 2 5， 2 6 は、 A 9 2 に対応する電圧値を走査電磁石 電源 2 7， 2 8 へ電圧指令値と して出力する。 走査電磁石電源 2 7， 2 8 は、 与え られた電圧指令値に基づいて走査電磁石 2 3， 2 4 に電圧 を印加し、 走査電磁石 2 3， 2 4 には、 印加された電圧に応じた励磁電 流が流れる。 そ して、 その励磁電流に応 じた磁場が走査電磁石 2 3， 2 4で発生する。 走査電磁石 2 3， 2 4 に印加される電圧が変更された ら、 高周波印加装置 1 1 から ビームに再び高周波電場を印加し、 シンク 口 トロ ン 1 から ビームを出射する。 シンク ロ ト ロ ン 1 から出射されたビ ームは走査電磁石 2 3 , 2 4 によ り偏向された後、 照射領域 A 9 2 に照 射される。 なお、 本実施例において、 照射領域 A 9 2 は、 第 4 図に示す よ う に照射領域 A 9 1 から X方向にずれているが、 Y方向にはずれてい ないので、 走査電磁石 2 4 に流れる励磁電流は、 照射領域 A 9 1 を照射 する場合と照射領域 A 9 2 を照射する場合とで変化させない。 つま り 、 ビームの照射位置を照射領域 A 9 1 から照射領域 A 9 2 に変更する際に は、 走査電磁石 2 3 に流れる励磁電流のみを変える。 なお、 照射領域 A 9 1 にビームを照射する場合と同様に、 照射領域 A 9 2 にビームを照 射する際にも、 線量モニタ一 2 9 によ る実測値と制御装置 3 に記憶され た設定値と を比較し、 実測値が設定値に達した時点でシンク ロ トロ ン 1 からのビームの出射を停止する。

このよ う な手順を繰り返すこ と によ リ 、 層状領域 L 9 の各照射領域 A 9 1 ， A 9 2 ， …に対して設定された照射線量のビームが照射される なお、 照射領域 A 9 1 から照射領域 A 9 2 にビームの照射位置を変更す る際には走査電磁石 2 4 に流れる励磁電流を変化させなかっ たが、 照射 領域 A 9 mから照射領域 A 9 n にビームの照射位置を変更する場合のよ う に、 ビームの照射位置を Y方向にも移動する場合には走査電磁石 2 4 に流れる励磁電流も変化させる。

層状領域 L 9 における全ての照射領域にビームを照射し終えたら、 次 に層状領域 L 8 の各照射領域にビームを照射する。 層状領域 L 8 にビー ムを照射する手順は、 ビームのエネルギーは異なるものの層状領域 L 9 の場合と同様であ り 、 制御装置 3 によ り シンク ロ トロ ン 1 及び回転照射 装置 2 を制御して層状領域 L 8 にビームを照射する。 以降、 層状領域 L 1 まで同じ手順を繰り 返すこ と によ り 患部全体にビームを照射する。 患部において、 第 4 図に示すよ う に照射領域を設定して各照射領域毎 にビームを照射する場合、 X方向にビームを偏向する走査電磁石 2 3及 び Y方向にビームを偏向する走査電磁石 2 において必要とされる励磁 電流は、 それぞれ第 5 図 （ a ) ， ( b ) に示す通り である。 第 5 図にお いて、 時間に対して励磁電流が変化していないと きには走査電磁石で発 生する磁場も変化しないため、 ビーム照射位置が一定に制御され、 逆に 時間に対して励磁電流が変化していると きには走査電磁石で発生する磁 場も変化するため、 ビーム照射位置が移動する。 第 5 図に示すよ う に、 本実施例では、 まず、 Y方向にビームを偏向する走査電磁石 2 4 の励磁 電流を一定に保っ た状態で、 X方向にビームを偏向する走査電磁石 2 3 の励磁電流を階段状に減少させる ことによ リ 、 ビームを X方向にのみ走 査して各照射領域毎にビームを照射する。 そ して、 X方向において端か ら端まで （第 4図の例では、 照射領域 A 9 1 から照射領域 A 9 mまで） 照射し終っ た時点で、 走査電磁石 2 4の励磁電流を減少させる こ とによ リ ビームを Y方向にずらすと共に、 今度は走査電磁石 2 3 の励磁電流を 階段状に増加させる こと によって X方向においてビームを逆向きに走査 してい く 。 これを繰り返すこ と によ ってビームを走査し患部全体を照射 する。

次に、 第 1 図を用いて、 走査電磁石制御装置 2 5及び走査電磁石電源 2 7 の動作を詳細に説明する。 なお、 走査電磁石制御装置 2 6及び走査 電磁石電源 2 8 も同様の構成であるので、 説明を省略する。

第 1 図に示すよ う に、 走査電磁石電源 2 7 は、 2 つの電源部 2 7 a， 2 7 b を備えてお り 、 両電源部は、 電源部 2 7 b が出力側に直流フ ィ ル タ 2 7 7 を有するのに対し、 電源部 2 7 a は直流フ ィルタ を有しない点 で異なる。 このよ う に、 電源部 2 7 aは直流フ ィ ルタ を有しないため、 電源部 2 7 aから出力される電圧に時間遅れは生じない。 よ って、 本実 施例では、 電源部 2 7 aから出力する電圧によ り 走査電磁石 2 3 に流れ る励磁電流を短時間で変化させ、 変化した後の励磁電流を電源部 2 7 b によ り 一定に制御する。 つま り 、 電源部 2 7 a と電源部 2 7 b とで、 励 磁電流を短時間で変化させる （照射領域を変更する） 機能と、 励磁電流 を一定に制御する （ ビーム照射位置を照射領域に保持する） 機能と を分 担する。

第 1 図において、 走査電磁石制御装置 2 5 には、 前述のよ う に制御装 置 3 から各照射領域の位置データが入力される。 走査電磁石制御装置 2 5 は、 入力された位置データ に基づいて、 電源部 2 7 a， 2 7 b のそ れぞれに指示する電圧指令値 V a , V b を各照射領域毎に算出する。 まず、 電源部 2 7 a に対する電圧指令値 V aの求め方について説明す る。 走査電磁石制御部 2 5 は、 入力された位置データ と ビームエネルギ 一の値から、 各照射領域にビーム位置を合わせるために走査電磁石 2 3 で必要と される励磁電流の値を、 各照射領域毎に求める。 次に、 ビーム が照射される順番が隣り合う照射領域同士で、 求め られた励磁電流値の 差、 すなわち励磁電流の変化量 Δ I を演算する。 例えば、 照射領域 A 91 にビーム照射位置を合わせるために走査電磁石 2 3 で必要と される励磁 電流を I 9 1 と し、 照射領域 A 9 1 の次に照射される照射領域 A 9 2 に ビーム照射位置を合わせるために走査電磁石 2 3 で必要とされる励磁電 流を 1 9 2 とすると、 Δ Ι = Ι 9 2 — 1 9 1 である。 つま り 、 この Δ Ι は、 照射領域を変更するのに必要と される励磁電流の変化量である。 こ こで、 走査電磁石 2 3 に印加される電圧 Vと走査電磁石 2 3 におけ る励磁電流の変化量 Δ I には、 （数 1 ) の関係が成り立つ。

V = L · Δ I t … （数 1 ) なお、 Lは走査電磁石 2 3 のイ ンダク タ ンス、 t は励磁電流を Δ Ι だ け変化させるのに要する時間である。 （数 1 ) において、 イ ンダクタ ン ス Lは走査電磁石 2 3 において固有の値、 すなわち定数であるので、 時 間 t を予め走査電磁石制御装置 2 5 に与えてやることによ り、 算出した Δ Ι を用いて電圧 Vを求めることができる。 この電圧 Vは、 走査電磁石 2 3の励磁電流を時間 t の間に△ I だけ変化させるために必要とされる 電圧値であり、 つま り、 照射領域を変更するために必要とされる電圧値 である。 よって、 走査電磁石制御装置 2 5は、 （数 1 ) に基づいて各照 射領域毎に電圧値 Vを求め、 求められた各電圧値 Vを電源部 2 7 aに与 える電圧指令値 V aと して走査電磁石制御装置 2 5内のメモリ に記憶す る。

なお、 時間 t は走査電磁石 2 3の励磁電流を Δ I 変化させるのに要す る時間、 つま り、 照射領域を変更するのに要する時間であり、 治療時間 を短く するためにできるだけ短い時間を設定する。 但し、 あま り にも短 い時間を設定すると、 電圧指令値 V aの値が大き く なリ、 その電圧を発 生するための電源部 2 7 aやその電圧が印加される走査電磁石 2 3の負 担が増大するので、 それらの装置の負担と治療時間との兼ね合いを考慮 して、 オペレータが適切な値を設定する。

次に、 電源部 2 7 bに与える電圧指令値 V bの求め方について説明す る。 前述のよう に、 電源部 2 7 bは、 励磁電流を一定に制御する、 つま リ ビーム照射位置を照射領域に保持するための電圧を走査電磁石 2 3 に 印加するためのものである。 よって、 電源部 2 7 b に与える電圧指令値 V b と しては、 各照射領域にビーム照射位置を合わせるのに必要とされ る励磁電流を走査電磁石 2 3 に流すための電圧値を求めれば良い。 この 電圧値は、 必要とされる励磁電流を I 、 走査電磁石 2 3の抵抗値を尺と すると、 （数 2 ) で求められる。

V = R · I … （数 2 ) 各照射領域にビーム照射位置を合わせるのに必要とされる励磁電流の 値 I は、 走査電磁石制御装置 2 5 において、 制御装置 3 から入力された 位置データ及びビームエネルギーの値に基づいて各照射領域毎に既に求 め られてお り 、 ま た、 走査電磁石 2 3 の抵抗値 Rは定数であるため、 電 圧値 Vは （数 2 ) を用いて各照射領域毎に求める ことができる。 求めら れた各電圧値 Vは、 各照射領域にビーム照射位置を合わせるのに必要と される電圧値、 すなわち電源部 2 7 b に与える電圧指令値 V b と して、 走査電磁石制御装置 2 5 内のメモリ に各照射領域毎に記憶される。

患部へのビームの照射にあた り 、 走査電磁石制御装置 2 5 は、 メモリ に記憶した電圧指令値 V a， V b のう ち、 ビーム照射位置を照射領域 A 9 1 に移動させるための電圧指令値 V a と、 ビーム照射位置を照射領 域 A 9 1 に保持するための電圧指令値 V b を、 それぞれ電源部 2 7 a , 2 7 b に出力する。

電源部 2 7 a において、 走査電磁石制御装置 2 5 から与え られた電圧 指令値 V a は、 交流一直流変換器 2 7 2 a に入力される。 ま た、 交流一 直流変換器 2 7 2 a には、 商用電源から変圧器 2 7 1 を介して交流電圧 が供給される。 交流一直流変換器 2 7 2 aは、 供給された交流電圧を、 電圧指令値 V aの直流電圧に変換する。 交流一直流変換器 2 7 2 a によ リ得られた直流電圧は、 平滑コ ンデンサを介してイ ンバータ 2 7 3 aの 入力端に印加される。

電源部 2 7 aのゲー ト ドライ ノ 2 7 4 a には、 交流一直流変換器 272a に対して電圧指令値 V aが出力されるのと同時に、 走查電磁石制御装置 2 5 から O N信号が与え られる。 ゲー ト ドライ ノ 2 7 4 aは、 走查電磁 石制御装置 2 5 から O N信号が与え られている間、 イ ンバ一タ 2 7 3 a のスィ ツチング素子を制御する こ と によ リ 、 イ ンバータ 2 7 3 aから直 流電圧を出力させる。 なお、 イ ンバ一タ 2 7 3 aから出力される直流電 圧の値は、 イ ンバ一タ 2 7 3 aの入力端に印加された電圧値、 すなわち 走查電磁石制御装置 2 5から出力された電圧指令値 V aである。

イ ンバータ 2 7 3 aの出力電圧は、 電源部 2 7 aの出力電圧と して走 査電磁石 2 3 に印加され、 電圧が印加された走査電磁石 2 3 には、 励磁 電流が流れる。

ま た、 走査電磁石制御装置 2 5は、 電源部 2 7 aに電圧指令値 V aを 出力するのと同時に、 電源部 2 7 b に対して電圧指令値 V b を出力する 電源部 2 7 b において、 走査電磁石制御装置 2 5 よ リ与え られた電圧指 令値 V bは、 制御部 2 7 5 に入力される。 制御部 2 7 5は、 入力された 電圧指令値 V b に基づいて PWM制御部 2 7 6 を制御すると共に、 交流 一直流変換器 2 7 2 b を制御して、 商用電源から変圧器 2 7 1 を介して 交流一直流変換器 2 7 2 b に入力された交流電圧を直流電圧に変換させ る。 交流一直流変換器 2 7 2 b によ り得られた直流電圧は、 イ ンバータ 2 7 3 bの入力端に平滑コ ンデンサを介して印加される。

PWM制御部 2 7 6は、 ゲー ト ドライ ノ 2 7 4 b に対して O N信号と O F F信号と を繰り返し出力 し、 ゲー ト ドライ ノ 2 7 4 b は、 入力され た O N信号及び O F F信号に応じてイ ンバ一タ 2 7 3 bのスイ ッチング 素子を O N ' O F F制御する。 イ ンバ一タ 2 7 3 bは、 スイ ッチング素 子の O N . O F F制御によ り 、 直流電圧を出力する。 なお、 この出力電 圧の値が電圧指令値 V b となる よ う に、 イ ンバ一タ 2 7 3 bは PWM制 御される。

イ ンバータ 2 7 3 bから出力された直流電圧は、 直流フ ィ ルタ 2 7 7 によって脈動成分が除去された後、 走査電磁石 2 3 に印加されるが、 直 流フ ィルタ 2 7 7は遅れ要素を持っため、 フ ィ ルタ 2 7 7の出力端の電 圧値が V bにはなるには しばら く 時間がかかる。 T/JP99/05250

1 5 走査電磁石制御装置 2 5 は、 電源部 2 7 aのゲー ト ドラ 2 7 4 a に O N信号を出力 してからの経過時間をカウ ン 卜 し、 カ ウ ン 卜 した時間 が予めオペレータ によ リ 設定された時間 t となっ た時点で、 ゲー ト ドラ 2 7 4 aへの O N信号の出力を停止する。 ゲー ト ドラ 2 7 4 a は、 O N信号の入力が停止すると、 イ ンバータ 2 7 3 aのスイ ッチング 素子を制御してイ ンバ一タ 2 7 3 a をショー ト状態にする。 よって、 電 源部 2 7 aのイ ンバータ 2 7 3 aからの走査電磁石 2 3 に対する電圧の 印加が停止される。 なお、 前述のよ う に、 電圧値 V a は、 走査電磁石 2 3 の励磁電流を時間 t の間に△ I 変化させるのに必要と される電圧の 値であ り 、 V aの電圧を時間 t の間印加する ことによ って、 走査電磁石 2 3 の励磁電流は厶 I だけ変化する。 つま り 、 ビーム照射位置を照射領 域 A 9 1 に移動させるために必要な励磁電流に変化する。

このよ う に して、 電源部 2 7 aから走査電磁石 2 3 への電圧の印加を 停止した時点では、 電源部 2 7 b の直流フ ィ ルタ 2 7 7 から出力される 電圧の値は、 V b となってお り 、 よ って走査電磁石 2 3 に流れる励磁電 流は、 電源部 2 7 b から印加される電圧値 V b の電圧によ り 、 ビーム照 射位置を照射領域 A 9 1 に保持するために必要な励磁電流となる。

以上のよ う に して、 走査電磁石 2 3 にビーム照射位置を照射領域 A 91 に保持するために必要な励磁電流が流れる こ と によ リ 、 ビームは患部の 照射領域 A 9 1 に照射される。 そ して、 照射領域 A 9 1 において、 設定 された照射線量のビームが照射された ら、 制御装置 3 から走査電磁石制 御装置 2 5 に対して、 照射領域変更指令が出力される。 照射領域変更指 令が入力された走査電磁石制御装置 2 5 は、 メモ リ に記憶した電圧指令 値 V a， V b のう ち、 ビーム照射位置を照射領域 A 9 2 に移動させるた めの電圧指令値 V a と、 ビーム照射位置を照射領域 A 9 2 に保持するた P T/JP99/05250

1 6 めの電圧指令値 V b を、 それぞれ電源部 2 7 a , 2 7 b に出力する。 そ の後の走査電磁石制御装置 2 5及び走査電磁石電源 2 7の動作は、 照射 領域 A 9 1 の場合と同様である。

以上、 走査電磁石制御装置 2 5及び走査電磁石電源 2 7の動作につい て説明したが、 走査電磁石制御装置 2 6及び走査電磁石電源 2 8 に関し ても同様に動作し、 それによ り ビームを照射する照射領域を変更しなが ら、 患部全体にビームが照射される。

第 6図は、 走査電磁石電源 2 7から走査電磁石 2 3 に対して印加され る印加電圧と、 その印加電圧によ り走査電磁石 2 3 に流れる励磁電流と の関係を示す。 なお、 走査電磁石電源 2 8 と走査電磁石 2 4においても 同様の関係である。 第 6図 （ a ) に示すよう に、 まず始めに、 時間 の 間に正の大電圧が印加されている。 これが電源部 2 7 aから出力される 電圧、 すなわち電圧値 V aの電圧である。 こ の電圧の印加によ り走査電 磁石 2 3 に流れる励磁電流は、 第 6図（ b )に示すよう に、 時間 t の間に 印加電圧の電圧値に応じた変化量で増加する。 そして、 電源部 2 7 aに よる電圧の印加を開始してから時間 t が経過した時点で、 電源部 2 7 a による電圧の印加は停止され、 走査電磁石 2 3 に印加される印加電圧は 電源部 2 7 bから出力される電圧値 V bの電圧となる。 それによ り、 走 査電磁石 2 3 に流れる励磁電流は、 第 6図 （ b ) に示すよう に、 一定に 制御される。

こ のよ う に、 電源部 2 7 aから印加される大電圧によ り時間 t の間に 励磁電流を必要とされる値まで強制的に変化させ、 時間 t経過した時点 で電源部 2 7 aからの電圧の印加を停止して、 電源 2 7 b による電圧の 印加によ リ励磁電流を必要とされる値に対して一定に制御する。 すなわ ち、 電源部 2 7 aから印加する電圧によ り時間 t の間にビーム照射位置 を照射すべき照射領域に移動し、 その後、 電源部 2 7 b から印加する電 圧によ り ビーム照射位置を照射すべき照射領域に保持する。 以下、 電源 部 2 7 aから出力される電圧を強制電圧、 電源部 2 7 b から出力される 電圧を一定電圧と呼ぶ。 なお、 第 6 図に示すよ う に、 走査電磁石 2 3 に 流れる励磁電流を増加させたいと きには正の強制電圧を印加し、 励磁電 流を減少させたいと きには、 負の強制電圧を印加すれば良い。 以上のよ う に、 強制電圧と一定電圧と を組み合わせて使う ことによって、 第 6 図 ( ) に示すよ う に、 励磁電流が階段状に制御される。

以上説明 したよ う に、 本実施例では、 走查電磁石電源 2 7 が、 出力側 にフ ィルタ を有しない電源部 2 7 a と出力側に直流フ ィ ルタ 2 7 7 を有 する電源部 2 7 b の 2 つの電源部を有するため、 ビーム照射位置を変更 すると きには、 遅れ要素を有しない電源部 2 7 a によって走查電磁石 2 3 に強制電圧を印加する ことで、 励磁電流を短時間に変化させる こと ができる。 よって、 ビームを照射する照射領域の変更を短時間で行う こ とができ、 治療時間を短縮する こ とが可能となる。 一方、 ビーム照射位 置を保持すると きには、 直流フ ィ ルタ を有する電源部 2 7 b によって脈 動成分が除去された電圧を走査電磁石 2 3 に印加する こ とで、 励磁電流 を一定に保持する こ とができる。 よ って、 照射領域からのビーム照射位 置のずれを防ぐことができ、 患部に対してビームを均一に照射する こと が可能となる。 このよ う に、 本実施例によれば、 患部に対してビームを 均一に照射し、 かつ治療時間を短縮する こ とができる。

なお、 本実施例では、 ビームを照射する照射領域を変更する際にビー ムの照射を停止しているが、 照射領域の変更に要する時間が照射領域に ビームを照射する時間に比べて十分に短く できる場合には、 照射領域を 変更すると きにビームの照射を停止 しな く ても良い。 これは、 照射領域 の変更に要する時間が十分に短ければ、 照射領域を変更する際に照射さ れる ビームの照射線量が無視できるためである。

上記本実施例では、 照射領域を変更するのに要する時間 t を一定値と して与えているため、 各照射領域の間隔が一定の場合、 すなわち励磁電 流の変化量 Δ I が一定の場合は、 強制電圧の値 V aの絶対値も一定とな る。 よ って、 その場合は、 強制電圧の値 V a を照射領域変更のたびに計 算する必要はな く 、 正負の符号のみ設定すれば良い。 なお、 照射領域を 変更するのに要する時間 t は必ずしも一定である必要はなく 、 状況に応 じて異なる値を設定しても構わない。 ま た、 本実施例では、 設定された 時間 t によ リ 強制電圧の値 V a を求める構成と したが、 強制電圧を予め 一定値と して設定しても良い。 その場合、 時間 t は強制電圧の値 V a と 各照射領域の間隔によって決ま る。

ま た、 本実施例では、 2 つの走査電磁石 2 3 ， 2 4 によ ってビームを 走査する構成と したが、 走査電磁石でビームを走査する代り に患者が固 定されるベッ ドを移動させても良い。 例えば、 Y方向にビームを走査す る走査電磁石 2 4 を用いずに、 Y方向に移動可能なぺッ ドを用いる こ と ができる。 その場合でも、 ビームを X方向に走査する走查電磁石 2 3 に 対して本発明は有効である。

更に、 本実施例では、 第 4図に示すよ う に、 ビームの Y方向位置を固 定した状態でビームを X方向に走査して、 X方向の走査が終わっ た ら Y 方向に走査し、 その後、 再び X方向に走査するという走査方法を用いて いるが、 本発明はこの走査方法に限られるものではな く 、 患部を複数の 照射領域に分けてその照射領域毎にビームを照射するものであれば、 円 を描く よ う に走査する方法であっても、 或いはジグザグに走査する方法 の様に X方向， Y方向を同時に走査する方法であっても、 本発明は有効 である。

なお、 本実施例において、 走査電磁石 2 3， 2 4に印加される電圧を 検出する電圧検出器と、 走査電磁石 2 3， 2 4に流れる励磁電流を検出 する電流検出器とを付加し、 その電圧検出器及び電流検出器によって検 出された電圧と電流の波形を表示する表示装置を用いれば、 走査電磁石 2 3， 2 4に印加される電圧及び走査電磁石 2 3， 2 4に流れる励磁電 流が、 所望の波形となっているか確認することが可能となる。

また、 本実施例では癌患者の患部に対してビームを照射する荷電粒子 ビーム照射装置について説明したが、 照射対象は癌患者の患部に限られ るものではなく 、 半導体， 植物の種子等にビームを走査して照射する荷 電粒子ビーム照射装置にも適用することができる。

(実施例 2 )

本発明の他の実施例である荷電粒子ビーム照射装置について、 第 7図 を用いて説明する。 本実施例の荷電粒子ビーム照射装置は、 前述の実施 例 1 と主に走査電磁石電源の構成が異なる。 以下、 実施例 1 と異なる点 について説明する。

第 7図は、 本実施例における走查電磁石電源 2 7の構成を示す。 なお 走査電磁石電源 2 8も同様の構成であるので説明は省略する。 また、 本 実施例の荷電粒子ビーム照射装置の全体構成図は、 実施例 1 と同様に、 第 2図の通りである。

第 7図において、 電源部 2 7 aは電圧検出器 2 7 8 aを有し、 電圧検 出器 2 7 8 aは、 イ ンバ一タ 2 7 3 aの出力電圧、 すなわち電源部 27 a の出力電圧を検出する。 電圧検出器 2 7 8 aによ り検出された電圧検出 値は、 比較器 2 7 9 に入力される。 比較器 2 7 9 には走査電磁石制御装 置 2 5から電圧指令値 V aも入力され、 比較器 2 7 9は、 電圧指令値か ら電圧検出値を減算し、 電圧偏差を演算する。 更に比較器 2 7 9 は、 求 め られた電圧偏差に基づいて、 イ ンバータ 2 7 3 aの出力電圧が電圧指 令値 V a になるよ うチヨ ッ ノ 2 7 1 0 を制御する。 この制御によ り 、 ィ ンバータ 2 7 3 aから出力される電圧の制御精度が向上する。

第 7 図において、 電源部 2 7 aは、 走査電磁石 2 3 に流れる励磁電流 を検出する電流検出器 2 7 1 1 a を有し、 電流検出器 2 7 1 1 aは、 検 出 した電流検出値を走査電磁石制御装置 2 5 に出力する。 走査電磁石制 御装置 2 5 は、 予め求めておいた照射領域にビーム照射位置を合わせる ために必要と される励磁電流値と入力された電流検出値と を比較し、 両 電流値が一致したと きに電源部 2 7 aのゲー ト ドライ ノ 2 7 4 a に出力 していた O N信号を停止する。 つま り 、 本実施例では、 走査電磁石 2 3 に流れる励磁電流の値が、 照射しょ う とする照射領域にビーム照射位置 を合わせるために必要とされる励磁電流値になっ た時点で、 電源部 27 a から出力される強制電圧を停止する。 これによ リ 本実施例では、 実施例 1 では必要と された走査電磁石制御装置 2 5 における時間のカウ ン トが 不要になる。

第 7 図において、 電源部 2 7 b は、 出力電流の変動成分を検出する電 流検出器 2 7 1 1 と、 出力電圧の変動成分を検出する電圧検出器 278b を有し、 各検出器によ り検出 した信号を加算器 2 7 1 2 によ り フ ィ ー ド バック し、 電流に対しては定電流制御回路 （ A C R ) 2 7 1 3 にて、 ま た、 電圧に対しては定電圧制御回路 （ A V R ) 2 7 1 4 にて制御する こ と によ リ 、 出力される電流 · 電圧の制御精度をさ らに高める こ とが可能 である。

以上説明した点以外は前述の実施例 1 と同様であ り 、 得られる作用効 果も同 じである。 なお、 上述の実施例 1及び実施例 2では、 電源部 2 7 aから出力され る電圧の値は交流一直流変換器 2 7 2 aにて制御しているが、 インバー タ 2 7 3 aを P W M制御することによ り電源部 2 7 aの出力電圧の値を 制御しても良い。 その場合は、 電源 2 7 bの制御部 2 7 5及び P W M制 御部 2 7 6 と同様の構成を、 電源 2 7 aに追加すれば良い。

また、 実施例 1及び実施例 2において、 荷電粒子ビームを加速するた めの加速器と して、 シンクロ トロン以外の加速器、 例えばサイクロ トロ ンゃライナックを用いても良い。 加えて、 シンクロ トロンからのビーム の出射方法は、 上記実施例 1 ， 2で用いた方法に限られるものではない, 更に、 実施例 1及び実施例 2では、 照射装置と して回転照射装置 2 を 用いているが、 固定照射装置を用いても構わない。

なお、 電源部 2 7 b に与える電圧指令値 V b を電流指令値とすること もできる。 産業上の利用可能性

本発明は、 癌患者の患部等の照射対象に荷電粒子ビームを照射する荷 電粒子ビーム照射装置に適用するこ とができる。 この適用によ り、 照射 対象に対する照射線量を均一化でき、 また、 照射対象に荷電粒子ビーム を照射するのに要する照射時間を短く できる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 荷電粒子ビームを偏向する走査電磁石と、 前記走査電磁石に電圧を 印加する電源とを備え、 荷電粒子ビームを照射対象に照射する荷電粒子 ビーム照射装置において、

前記電源は、 フィルタを有しない第 1電源部及びフィルタを有する第

2電源部を備えるこ とを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。

2 . 荷電粒子ビームを前記照射対象における第 1 照射領域に照射した後 前記照射対象における第 2照射領域に荷電粒子ビームを照射する場合に 荷電粒子ビームが照射される位置を前記第 1照射領域から前記第 2照射 領域に移動させるのに前記走査電磁石において必要とされる励磁電流の 変化量と、 荷電粒子ビームの照射される位置を前記第 1 照射領域から前 記第 2照射領域に移動させるのに要する移動時間とに基づいて、 前記第

1電源部に与える電圧指令値を演算すると共に、 荷電粒子ビームが照射 される位置を前記第 2照射領域に保持するのに前記走査電磁石において 必要とされる励磁電流の値と、 前記走査電磁石の抵抗値とに基づいて、 前記第 2電源部に与える電圧指令値を演算し、 演算によ リ求めた電圧指 令値を前記第 1電源部及び前記第 2電源部に出力する制御装置を有し、 前記第 1電源部及び前記第 2電源部は、 前記制御装置から出力された 電圧指令値に応じた電圧を出力することを特徴とする請求項 1 記載の荷 電粒子ビーム照射装置。

3 . 前記制御装置は、 前記第 1 電源部に電圧指令値を出力してから前記 移動時間が経過した時点で、 前記第 1電源部への電圧指令値の出力を停 止し、 前記第 1電源部は、 前記制御装置による電圧指令値の出力が停止 されたときに電圧の出力を停止することを特徴とする請求項 2記載の荷 電粒子ビーム照射装置。

4 . 荷電粒子ビームを偏向する走査電磁石と、 前記走査電磁石に電圧を 印加する電源と を備え、 荷電粒子ビームを照射対象に照射する荷電粒子 ビーム照射装置において、

前記電源は、 直流電圧を出力する第 1 イ ンバ一タ と、 前記第 1 イ ンバ —タ に直列に接続され、 かつ直流電圧を出力する第 2 イ ンバータ と、 前 記第 2 イ ンバータの出力端に並列に接続された直流フ ィ ルタ と を有し、 前記走査電磁石は、 前記第 1 イ ンバータ及び前記第 2 イ ンバ一タ と直列 に接続される こと を特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。

5 . 前記電源は、 前記第 1 イ ンバ一タの出力電圧の値を制御する第 1 制 御手段と、 前記第 2 イ ンバ一タの出力電圧の値を制御する第 2制御手段 と、 前記第 1 制御手段に対して前記第 1 ィ ンバータの出力電圧の値を指 示し、 かつ前記第 2制御手段に対して前記第 2 イ ンバータの出力電圧の 値を指示する制御装置と を有し、

荷電粒子ビームを前記照射対象における第 1 照射領域に照射した後、 前記照射対象における第 2照射領域に荷電粒子ビームを照射する場合に 前記制御装置は、 荷電粒子ビームが照射される位置を前記第 1 照射領域 から前記第 2照射領域に移動させるのに前記走査電磁石において必要と される励磁電流の変化量と、 荷電粒子ビームの照射される位置を前記第 1 照射領域から前記第 2 照射領域に移動させるのに要する移動時間とに 基づいて、 前記第 1 制御手段に指示する電圧値を演算すると共に、 荷電 粒子ビームが照射される位置を前記第 2 照射領域に保持するのに前記走 査電磁石において必要と される励磁電流の値と、 前記走査電磁石の抵抗 値とに基づいて、 前記第 2 制御手段に指示する電圧値を演算し、 演算に よ リ求めた電圧値を前記第 1 制御手段及び前記第 2 制御手段に出力 し、 前記第 1 制御手段及び前記第 2制御手段は、 前記制御装置から指示され た電圧値に応じて前記第 1 イ ンバータ及び前記第 2 イ ンバ一タの出力電 圧の値を制御する こと を特徴とする請求項 4記載の荷電粒子ビーム照射 装置。

6 . 前記制御装置は、 前記第 1 制御手段に電圧値を出力 してから前記移 動時間が経過した時点で、 前記第 1 制御手段への電圧値の出力を停止し 前記第 1 制御手段は、 前記制御装置による電圧値の出力が停止されたと きに前記第 1 ィ ンバ一タ をショー ト状態とする こと を特徴とする請求項

5記載の荷電粒子ビーム照射装置。

7 . 前記走査電磁石に流れる励磁電流を検出する電流検出器を有し、 前記制御装置は、 前記電流検出器によ リ検出された励磁電流の値と、 荷電粒子ビームが照射される位置を前記第 2照射領域に保持するのに前 記走查電磁石において必要とされる励磁電流の値と を比較して、 前記電 流検出器によ リ検出された励磁電流の値が、 荷電粒子ビームが照射され る位置を前記第 2 照射領域に保持するのに前記走査電磁石において必要 と される励磁電流の値に達したと きに、 前記第 1 制御手段への電圧値の 出力を停止し、 前記第 1 制御手段は、 前記制御装置による電圧値の出力 が停止されたと きに前記第 1 イ ンバータ をショー ト状態とする こと を特 徴とする請求項 5 記載の荷電粒子ビーム照射装置。

8 . 前記第 2制御手段は、 前記第 2 イ ンバータ を P W M制御する こ と を 特徴とする請求項 5 乃至 7 のいずれかに記載の荷電粒子ビーム照射装置

9 . 荷電粒子ビームを偏向 して照射対象における荷電粒子ビームの照射 位置を制御する走査電磁石を有する荷電粒子ビーム照射装置の制御方法 において、

荷電粒子ビームを前記照射対象における第 1 照射領域に照射した後、 荷電粒子ビームの照射を停止した状態で荷電粒子ビームの照射位置を前 記照射対象における第 2照射領域に変更し、 その後、 荷電粒子ビームを 前記第 2 照射領域に照射する場合に、 荷電粒子ビームの照射位置を第 2 照射領域に変更すると きには、 前記走査電磁石に対して、 荷電粒子ビー ムの照射位置を前記第 2照射領域に保持するのに必要とされる電圧よ り も絶対値の大きな電圧を印加する こと を特徴とする荷電粒子ビーム照射 装置の制御方法。

1 0 . 荷電粒子ビームの照射位置を前記第 2 照射領域に保持するのに必 要とされる前記電圧は、 荷電粒子ビームの照射位置を前記第 2 照射領域 に保持するのに前記走査電磁石において必要と される励磁電流の値と、 前記走査電磁石の抵抗値との積である こ と を特徴とする請求項 9 記載の 荷電粒子ビーム照射装置の制御方法。