WO2001024591A1

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

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Publication number: WO2001024591A1
Application number: PCT/JP1999/005250
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Akiyama; Hiroshi Kubo; Kazuo Hiramoto
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2001-04-05
Also published as: US6881970B2; EP1220585A4; AU755928B2; US20040069959A1; JP3580254B2; AU5760599A; US6903351B1; EP1220585A1; US6900446B2; US20030057382A1; EP1220585B1

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。