JP2006128087A - 荷電粒子ビーム出射装置及び荷電粒子ビーム出射方法 - Google Patents

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浩二 松田
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和夫 平本
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國夫 森山
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Abstract

【課題】異なる照射方式の照射装置を有する場合であっても、照***度及び安全性を確保
する。
【解決手段】荷電粒子ビームを照射対象に対して出射する荷電粒子ビーム出射装置におい
て、
荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置１と、荷電粒子ビームを照射対象に
照射する、散乱体方式の照射装置３ｐ及びスキャニング方式の照射装置３ｓと、荷電粒子
ビーム発生装置１から出射された荷電粒子ビームを２つの照射装置３ｐ，３ｓのうちの選
択された１つの照射装置へ輸送するビーム輸送系２と、荷電粒子ビーム発生装置１の運転
条件を、選択された照射装置の照射方式に応じて変更する中央制御装置２３とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、陽子及び炭素イオン等の荷電粒子ビームを患部に照射して治療する荷電粒子
ビーム出射装置及び荷電粒子ビーム出射方法に関する。
癌などの患者の患部に陽子及び炭素イオン等の荷電粒子ビームを照射する治療方法が知
られている。この治療に用いる荷電粒子ビーム出射装置のうち大規模なものは、荷電粒子
ビーム発生装置、ビーム輸送系、及び複数の照射装置を備えている。荷電粒子ビーム発生
装置で加速された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系を経て複数の照射装置のうちの選択さ
れた１つの照射装置に達し、照射装置のノズルから治療ベッド上の患者の患部に照射され
る。一般に、このような複数の照射装置を有する荷電粒子ビーム出射装置では、１つの荷
電粒子ビーム発生装置に対して複数の照射装置が接続されており、ビーム輸送系の設定を
変えることで対象となる照射装置へとビームを輸送する（例えば、特許文献１参照。）。
照射装置の照射方式としては、散乱体によってビームを広げた後に患部形状に合わせて
切り出す照射手法（散乱体方式）や、細いビームを患部領域内に走査させる照射手法（ス
キャニング方式）が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特表平１１−５０１２３２号公報 特許第２８３３６０２号公報
一般に、スキャニング方式は散乱体方式に比べて患部形状により合致した線量分布を得
ることができるという特徴があり、近年、医療分野における実用化が進んでいる。従来、
複数の照射装置を備える荷電粒子ビーム出射装置においては、散乱体方式の照射装置を複
数備えるのが一般的であったが、上記のように近年スキャニング方式の実用化が進んでお
り、今後は例えば散乱体方式とスキャニング方式といったように異なる照射方式を含む複
数の照射装置を備えた荷電粒子ビーム出射装置が実用化されることが考えられる。
発明者らがスキャニング方式および散乱体方式を検討したところ、下記の課題が有るこ
とを発見した。すなわち、スキャニング方式は、積算照射量に対応して機器設定を変更し
つつ照射位置、エネルギーといった照射条件を順次変更する方式であるため、照射装置に
輸送されるビームのビーム電流が大き過ぎると機器設定変更が追従できなくなり、照***
度が悪化する可能性がある。また、細いビームを使用するため各瞬間のピーク線量率が高
く、治療照射における安全性の観点からもビーム電流を適度に小さくしておくのが望まし
い。さらに、細いビームを使用する方式であるため、輸送されるビームサイズについても
抑制する必要がある。
一方、散乱体方式では、ビームは散乱体によって広げられ、走査されずに照射されるた
め、照射装置に輸送されるビームのビーム電流、ビームサイズを抑制しなくとも、照***
度及び安全性に対する影響は少ない。治療時間を短くするためには、適度にビーム電流を
大きくして線量率を高めることが望ましい。したがって、例えば上記したような散乱体方
式とスキャニング方式の双方の照射装置を備えた荷電粒子ビーム出射装置において、照射
精度及び安全性を満足しつつ効率の良い治療照射を行うためには、照射装置に異なる条件
のビームを輸送することが望ましい。すなわち、荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビー
ム発生装置の設定を治療照射がどの照射装置（照射方式）で行われるかによって変更する
ことが望ましい。
しかしながら、従来の複数の照射装置を有する荷電粒子ビーム出射装置の場合には、通
常、荷電粒子ビーム発生装置はどの照射装置へビームを輸送する場合にもビーム電流、ビ
ームサイズ等について同等の条件のビームを出射していた。このため、従来の荷電粒子ビ
ーム出射装置の場合、散乱体方式とスキャニング方式といったような異なる照射方式の照
射装置を設けた場合に、それぞれの照射方式に適したビームを照射装置に供給することが
できなかった。したがって、照***度及び安全性の確保の観点で改善の余地があった。
本発明は、上記従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、異なる照射
方式の照射装置を有する場合であっても、照***度及び安全性を確保することができる荷
電粒子ビーム出射装置及び荷電粒子ビーム出射方法を提供することにある。
上記した目的を達成する本発明の特徴は、荷電粒子ビームを照射対象に対して出射する
荷電粒子ビーム出射装置において、前記荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装
置と、前記荷電粒子ビームを照射対象に照射する複数の照射装置であって、少なくとも一
部が異なる照射方式を適用している前記複数の照射装置と、前記荷電粒子ビーム発生装置
から出射された前記荷電粒子ビームを前記複数の照射装置のうちの選択された１つの照射
装置へ輸送するビーム輸送系と、前記荷電粒子ビーム発生装置の運転条件を、前記選択さ
れた照射装置の照射方式に応じて変更する制御装置とを備えたことにある。
本発明は、選択された照射装置の照射方式に応じて荷電粒子ビーム発生装置の運転条件
を変更するため、選択された照射装置の照射方式に好適な荷電粒子ビームを照射装置に輸
送することができる。これにより、照***度及び安全性を確保することができる。
好ましくは、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された前記荷電粒子ビームのビーム
状態を検出する検出装置と、前記検出されたビーム状態が正常であるかどうかを判定する
判定装置とを備え、前記判定装置の判定条件を前記選択された照射装置の照射方式に応じ
て変更することである。これにより、選択された照射装置に輸送される荷電粒子ビームが
その照射方式に好適なビームであるか、的確に判定することができる。
本発明によれば、異なる照射方式の照射装置を有する場合であっても、照***度及び安
全性を確保することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
（実施形態１）
本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム出射装置を、図１を用いて説明する。
本実施形態の荷電粒子ビーム出射装置１００は、荷電粒子ビーム発生装置１、荷電粒子
ビーム発生装置１の下流側に接続されたビーム輸送系２、及び照射野形成装置である２つ
の照射装置３ｓ，３ｐを備えている。本実施形態の荷電粒子ビーム出射装置１００は、具
体的には陽子線出射装置である。
荷電粒子ビーム発生装置１は、イオン源（図示せず）、前段加速器（例えば線形加速器
）４及び主加速器であるシンクロトロン５を有する。シンクロトロン５は、一対の電極に
よって構成された出射用高周波印加装置６及び高周波加速空胴７をイオンビームの周回軌
道上に設置している。出射用高周波印加装置６の電極には第１高周波電源（図示せず）が
接続され、高周波加速空胴７には第２高周波電源（図示せず）が別途設けられる。イオン
源で発生したイオン（例えば、陽イオン（または炭素イオン））は前段加速器４で加速さ
れる。前段加速器４から出射されたイオンビーム（荷電粒子ビーム）はシンクロトロン５
に入射される。荷電粒子ビームであるイオンビームは、第２高周波電源からの高周波電力
の印加によって高周波加速空胴７内に発生する電磁場に基づいてエネルギーを与えられて
加速される。シンクロトロン５内を周回するイオンビームは、設定されたエネルギー（例
えば１００〜２００ＭｅＶ）まで加速された後、シンクロトロン５から出射される。すな
わち、第１高周波電源からの高周波が出射用高周波印加装置６より周回しているイオンビ
ームに印加される。このため、安定限界内で周回しているイオンビームは、安定限界外に
移行し、出射用デフレクタ８を通って出射される。イオンビームの出射の際には、シンク
ロトロン５に設けられた四極電磁石（図示せず）及び偏向電磁石１０に導かれる電流が電
流設定値に保持され、安定限界もほぼ一定に保持されている。出射用高周波印加装置６へ
の高周波電力の印加を停止することによって、シンクロトロン５からのイオンビームの出
射が停止される。また、出射用高周波印加装置６に接続された第１高周波電源が、ビームエネルギーとビーム電流に対応して予め記憶した設定値に基づいて制御されることで、所望のビーム電流のイオンビームがシンクロトロン５から出射される。
２つの照射装置３ｓ，３ｐはそれぞれ異なる治療室に配置されており、ビーム輸送系２
によって荷電粒子ビーム発生装置１からのイオンビームが選択された治療室へと輸送され
る。２つの照射装置のうち、照射装置３ｐは散乱体方式の照射装置、照射装置３ｓはスキ
ャニング方式の照射装置であり、以下ではそれぞれの照射装置３ｐ，３ｓが配置された治
療室を散乱体式治療室１１ｐ、スキャニング式治療室１１ｓと呼ぶ。特に図示しないが、
これらの治療室１１ｐ，１１ｓ内には、患者を適切な位置に固定する治療ベッド、患者の
透視画像を得る為のＸ線透視装置等が配置される。
また、シンクロトロン５は、そのイオンビームの周回軌道上にスクレーパ装置１５を有
している。スクレーパ装置１５は、ビーム周回軌道からの距離を調整できる金属製のブロ
ックであるスクレーパ（図示せず）を備えており、スクレーパをビーム周回軌道に近づけ
ていくことでビームの一部を削り取り、ビームサイズを細くする。さらに、シンクロトロ
ン５は、ビームの周回周波数を計測する周波数モニタ（検出装置）１６、周回軌道位置を
計測する周回軌道位置モニタ（検出装置）１７、及びシンクロトロン偏向電磁石の磁場強
度を計測する磁場モニタ（図示せず）を有する。イオンビームの加速後のこれらモニタ１
６，１７の計測結果は、後述の加速器制御装置２４に出力され、これらの出力値と予め記
憶した設定値との偏差が許容範囲内であるか否かが判定される。このようにして、加速器
制御装置２４はシンクロトロン５を周回中のイオンビームが所望のビームエネルギーであ
るか否かを判定する。許容範囲を超える出力がある場合には、加速器制御装置２４は後述
の中央制御装置２３に異常信号を出力する。これにより、中央制御装置２３は加速器制御
装置２４を介して荷電粒子ビーム発生装置１を制御し、ビーム出射をせずにそのままビー
ムを減速させる。全ての出力が許容範囲内に入っていると判定された場合には、出射用高
周波印加装置６へ高周波電力を印加し、シンクロトロン５からのイオンビームの出射が開
始される。
シンクロトロン５から出射されたイオンビームは、ビーム輸送系２により下流側に輸送
される。ビーム輸送系２は、複数の偏向電磁石（図示せず）及び四極電磁石（図示せず）
と、２つの治療室１１ｐ，１１ｓ内にそれぞれ配置された散乱体式照射装置３ｐ、スキャ
ニング式照射装置３ｓに連絡されるビーム経路２ｐ、２ｓとを備える。ビーム輸送系２を
構成する四極電磁石及び偏向電磁石は、後述の輸送系制御装置２５からの指令に従い、シ
ンクロトロン５から出射されたイオンビームを散乱体式照射装置３ｐ又はスキャニング式
照射装置３ｓのいずれか選択された側の照射装置に輸送するように設定される。ビーム輸
送系２へ導入されたイオンビームは、ビーム経路２ｐを通って散乱体式照射装置３ｐへ、
又はビーム経路２ｓを通ってスキャニング式照射装置３ｓへと輸送される。
ビーム輸送系２は、輸送するイオンビームの位置、幅を計測するプロファイルモニタ（
検出装置）２０、及び輸送ビームの電流を計測するビーム電流モニタ（検出装置）２１を
有する。輸送系制御装置２５は、出射開始直後から一定のサンプリング時間間隔で上記プ
ロファイルモニタ２０の出力とビーム電流モニタ２１の出力を取り込み、プロファイルモ
ニタ２０の出力から計算されるビーム重心位置及びビームサイズとビーム電流モニタ２１
の出力が、予め記憶した設定値から許容範囲を超えてずれているか否かを判定する。許容
範囲を超えた出力がある場合には、中央制御装置２３に異常信号を出力し、これによりビ
ーム出射が停止される。
散乱体式治療室１１ｐに設けられた散乱体式照射装置３ｐは、特に図示して説明はしな
いが、ビームを散乱する為の散乱体、散乱されたビームの分布を計測する分布モニタ、照
射ビーム量を計測する線量モニタ、深さ方向線量分布を調整する為のエネルギー分布調整
器、ビームを必要な形状に切り出すコリメータ等を備えている。ビーム輸送系２ｐを経由
して供給されたイオンビームは、散乱体によってビーム進行方向と垂直な方向へ拡大され
、エネルギー分布調整器にて適切なエネルギー分布に調整された後、コリメータで標的と
なる患部の形状に合わせて切り出され、照射対象である患者へと照射される。照射量の積
算値が予め計画され、設定された値に達すると、後述の中央制御装置２３へ照射終了の信
号を送信し、これにより照射が終了する。
スキャニング式照射装置３ｓは、特に図示して説明はしないが、ビームを走査するため
の走査電磁石、走査されたビームの位置を計測する位置モニタ、照射ビーム量を計測する
線量モニタ等を備えている。ビーム輸送系２ｓを経由して供給されたイオンビームは、走
査電磁石によって照射位置を調整され、照射対象である患者へと照射される。イオンビー
ムの照射位置、エネルギーは、照射量の積算値に対応したパラメータリストとして予め計
画、設定されている。照射量の積算値が増していくのに対応して照射位置、エネルギーを
変更していき、予め計画され設定された積算値に達すると、後述の中央制御装置２３へ照
射終了の信号を送信し、これにより照射が終了する。
本実施形態の荷電粒子ビーム出射装置１００は、制御システム１０１を備える。この制
御システム１０１は、治療管理システム２２、中央制御装置（制御装置、第２制御装置）
２３、荷電粒子ビーム発生装置１の制御を行う加速器制御装置（判定装置）２４、ビーム
輸送系２の制御を行う輸送系制御装置（判定装置）２５、散乱体式照射装置３ｐの制御を
行う散乱体式照射制御装置２６ｐ、スキャニング式照射装置３ｓの制御を行うスキャニン
グ式照射制御装置２６ｓを有する。
治療管理システム２２は、照射条件データや照射スケジュールを管理するデータベース
機能を有する。治療管理システム２２に記憶されている照射条件データは照射方式により
異なる。散乱体方式の場合、例えばイオンビームのエネルギー、照射方向、照射範囲、照
射量等がある。スキャニング方式の場合は、イオンビームのエネルギー、ビームサイズ、
照射位置等が、積算照射量に対応したリストデータになっている。なお、治療管理システ
ム２２は、ＣＴ等診断に使う画像を取得する撮像装置（図示せず）、患者に関するデータ
を管理する患者情報管理データベース（図示せず）等に接続されている。
以上のような構成である本実施形態の荷電粒子ビーム出射装置１００による治療照射の
手順について、図２を用いて説明する。図２は治療照射までの手順を表すフローチャート
である。
まず中央制御装置２３は、治療室からのユーザー操作（ステップ３１）により、治療管
理システム２２から次の照射に必要な照射条件データを読み込む（ステップ３２）。照射
条件データは事前に治療計画装置（図示せず）により作成されて治療管理システム２２に
登録されている。この際、中央制御装置２３は、上記のユーザー操作が散乱体式治療室１
１ｐからの操作であれば散乱体式照射装置３ｐ用の照射条件データを、スキャニング式治
療室１１ｓからの操作であればスキャニング式照射装置３ｓ用の照射条件データを読み込
む。このようにして、照射条件データが散乱体式照射装置３ｐ用かスキャニング式照射装
置３ｓ用かを判別する。なお、照射条件データ自身に照射装置(或いは照射方法)に関する
情報を持たせ、その情報を基に中央制御装置２３が判別するようにしてもよい。
照射条件データの照射装置に関する情報とユーザーの操作場所とが矛盾していないかを
判定し（ステップ３３、ステップ３４又はステップ３５）、矛盾があれば（例えば散乱体
式治療室１１ｐからスキャニング式照射装置３ｓ用照射条件データが呼び出された場合。
或いはその反対の場合。）処理を中断する（ステップ３６）。
次に中央制御装置２３は、読み込んだ照射条件データを元に荷電粒子ビーム発生装置１
（シンクロトロン５）等の運転条件データを予め登録されたデータリストから選択し、各
制御装置（加速器制御装置２４、輸送系制御装置２５、及び照射制御装置２６ｓ，２６ｐ
）へ送信する（ステップ３７、ステップ３８又はステップ３９、ステップ４０）。例えば
加速器制御装置２４に着目した場合、送信されるデータリストとしては、本実施形態では
スキャニング用と散乱体用とがある。このデータリストには、各エネルギーに対応したシ
ンクロトロン５の運転パターンデータ（電磁石パターンID等）、及び出射用高周波印加装
置６に印加する高周波電力出力等の情報が含まれている（後述の図３参照）。中央制御装
置２３は、照射条件データが散乱体用であれば散乱体用データリストを、スキャニング用
であればスキャニング用データリストを使い、照射条件データにて指定されたビームエネ
ルギーから、各電磁石パターンID等の運転条件データを取得する。取得した運転条件デー
タは、加速器制御装置２４へと送信される。
各制御装置は中央制御装置２３から送信された運転条件データに基づいて各機器を設定
する。各制御装置が設定完了を確認すると、照射準備完了信号を中央制御装置２３に送信
する（ステップ４１、ステップ４２）。これにより、中央制御装置２３は照射開始操作を
有効とし、準備完了を各治療室１１ｓ，１１ｐの端末に出力する。そして、ユーザーの操
作により照射開始信号が出力されると、シンクロトロン５の運転が開始され、設定値に基
づいた治療照射が開始される。なお、各制御装置による各機器の設定が正常に終了しなか
った場合には、照射準備エラーとなり処理を中断する（ステップ４３）。
加速器制御装置２４は、中央制御装置２３から送信された高周波電力の情報（運転条件データの一種）に基づいて、第１高周波電源から出力される高周波電力が所定値になるように、第１高周波電源を設定する。このような設定により、スキャニング式照射装置３ｓが選択された場合は、散乱体式照射装置３ｐが選択された場合よりも第１高周波電源から出力される高周波電力が小さくなる。この小さな高周波電力が高周波印加装置６に印加されるため、シンクロトロン５から出射されたビーム電流の小さなイオンビームが、スキャニング式照射装置３ｓに供給される。また、加速制御装置２４は、スキャニング式照射装置３ｓが選択された場合には、中央制御装置２３から送信された運転条件データに基づいて、ビームサイズが小さくなるようにスクレーパ装置１５のスクレーパを所定の位置に設定する。
図３に、上記図２のステップ３８又はステップ４０において中央制御装置２３により選
択され加速器制御装置２４へ送信される運転条件データリストの一例を示す。本実施形態
のシンクロトロン５では、前述したように周回しているイオンビームの広がりを、出射用
高周波印加装置６による出射用高周波電力の印加によって大きくし、デフレクタ８から出
射する。このように高周波電界を使った出射方法を採用することで、位置、サイズの安定
なビームを出射できると共に、ビーム電流の調整が容易になる。出射用高周波電力が大き
いほどイオンビームが広がっていく速さが大きくなり、デフレクタ８に入る割合も増える
ために、出射ビーム電流が大きくなる。また、ビームエネルギーが低いほど出射用高周波
の影響が大きいので、出射用高周波電力が同じであれば、ビームエネルギーが低いほど出
射ビーム電流が大きい。この図３に示すように、散乱体用データリストでは、ビームエネ
ルギーが低いほど出射用高周波電力を小さくしており、エネルギーによらずほぼ一定のビ
ーム電流が出射されるように設定されている。これに対応して、ビーム電流上限設定値も
一定値となっている。一方、スキャニング用データリストでは、散乱体用に比べて出射用
高周波電力が小さく、ビームエネルギーが低いほど出射ビーム電流が少なくなるように設
定されている。これに対応してビーム電流上限値は、散乱体用に比べて全体的に小さく、
ビームエネルギーが低いほど低く設定されている。
また、図３に示すスクレーパ位置は前述したようにスクレーパのビーム周回軌道からの
距離であり、数値が大きいほどビームを削る量が小さいことを意味する。本実施形態では
、散乱体用ではビームサイズを制限しない程度の設定値に、スキャニング用ではビームを
削ってビームサイズを細くする設定値となっている。このようにして、多くのビームを必
要とする散乱体法での照射ではビームを削らず、細いビームを必要とするスキャニング法
での照射ではビームを細くする。
また、周回周波数範囲の設定値を散乱体用では大きく、スキャニング用では小さい設定
値としている。このようにして、ビームエネルギーの変化に対して照***度悪化の度合い
が少ない散乱体用ではエネルギー許容範囲を広く取り、スキャニング用ではエネルギー許
容範囲を狭めている。なお、図３には特に記載しなかったが、中央制御装置２３から輸送
系制御装置２５へ送信される運転条件データリストにおいては、ビーム位置の設定値の許
容範囲が、散乱体用では大きく、スキャニング用では小さく設定されている。
図４は、以上説明した本実施形態における加速器制御装置２４及び輸送系制御装置２５
に送信される運転条件データリストの特徴部分を、散乱体照射方式とスキャニング照射方
式との差異が分かりやすいように表した図である。この図４に示すように、加速器制御装
置２４へのビーム電流設定値、及び、ビームサイズ設定値は、散乱体式治療室１１ｐへの
照射の場合の方がスキャニング式治療室１１ｓへの照射の場合よりも大きな値となってい
る。また加速器制御装置２４へのエネルギー許容範囲及び輸送系制御装置２５へのビーム
位置許容範囲は、散乱体式治療室１１ｐの方がスキャニング式治療室１１ｓへの照射の場
合よりも大きな値となっている。
本実施形態の荷電粒子ビーム出射装置１００によれば、以下の効果が得られる。すなわ
ち、一般に散乱体照射方式では、患者へ照射されるビームの状態（広がり、エネルギー分
布）を散乱体、エネルギー分布調整器、コリメータ等照射装置に配置された機器によって
決める為、照***度は荷電粒子ビーム発生装置１からのビーム電流に大きく依存していな
い。また、ビームエネルギーの変動に対する線量分布の変化も小さい。その為、ビーム電
流を大きくした場合や、ビームエネルギーが多少揺らいだとしても照***度はほとんど悪
化しない。
これに対し、スキャニング照射方式では、積算照射量に対応して機器設定を変更しつつ
照射位置、エネルギーといった照射条件を順次変更する方式であるため、照射装置に輸送
されるビームのビーム電流が大き過ぎると機器設定変更が追従できなくなり、照***度が
悪化する可能性がある。また、細いビームを使用するため各瞬間のピーク線量率が高く、
治療照射の安全性の観点からもビーム電流を適度に小さくしておくのが望ましい。さらに
、細いビームを使用する方式であるため、輸送されるビームサイズについても抑制する必
要がある。
以上のことから、本実施形態のように散乱体方式とスキャニング方式の双方の照射装置
３ｓ，３ｐを備えた荷電粒子ビーム出射装置１００において、照***度及び安全性を満足
する治療照射を行うためには、照射装置３ｓ，３ｐに対してその照射方式に応じて異なる
条件のビームを供給する必要がある。
そこで、本実施形態の荷電粒子ビーム出射装置１００においては、以上説明してきたよ
うに、選択された照射装置３ｓ，３ｐの照射方式に応じて荷電粒子ビーム発生装置１の運
転条件を変更するため、選択された照射装置の照射方式に好適な荷電粒子ビームを照射装
置３ｓ，３ｐに対して供給することができる。これにより、照***度及び安全性を確保す
ることができる。さらに、周回周波数範囲の設定値を散乱体用では大きく、スキャニング
方式では小さい設定値とすることにより、ビームエネルギーの変化に対して照***度悪化
の度合いが少ない散乱体方式ではエネルギー許容範囲を広く取って照射効率を上げ、スキ
ャニング方式ではエネルギー許容範囲を狭めて必要な照***度を確保するよう監視するこ
とができ、照***度及び安全性を確実に確保することができる。
また本実施形態においては、前述したようにスキャニング用データリストをビームエネ
ルギーが低いほどビーム電流が低くなるように設定する。図５に散乱体用運転条件データ
リストとスキャニング用運転条件データリストにおけるビームエネルギーと出射ビーム電
流の関係を示す。このように、スキャニング用データリストをビームエネルギーが低いほ
どビーム電流が低くなるように設定することにより、細いビームを用いる為にビーム電流
を低く抑える必要のあるスキャニング方式での照射に際して、適切にビーム電流を設定、
監視することができ、照***度及び安全性をさらに確実に確保することができる。
なお、以上では、出射用高周波印加装置６により印加される出射用高周波電力に上限値
を設けなかったが、スキャニング式照射装置３ｓでの照射の場合の出射用高周波電力の上
限を、散乱体式照射装置３ｐでの照射の場合の出射用高周波電力の上限よりも小さく設定
するようにしてもよい。これにより、スキャニング方式の場合の出射電流を確実に制限す
ることができ、安全性をさらに向上させることができる。
また、以上では、出射用高周波電力によりビーム電流を、スクレーパ装置１５によりビ
ームサイズを調整するようにしたが、スクレーパを挿入してビームを削る場合、ビームが
細くなると同時にシンクロトロン５内のビーム量が減り出射ビーム電流が小さくなる。こ
れを利用して、スクレーパ装置１５によるスクレーパの挿入量でビーム電流とビームサイ
ズを同時に調整するようにしてもよい。
また図３では、各ビームエネルギーに対して１種類のビーム電流に相当する設定パラメ
ータしか記載していないが、複数のビーム電流を用意して、照射条件データの指示、或い
は、操作者の選択によってビーム電流を選択してもよい。この場合、選択されるビーム電
流に応じて出射用高周波電力を変えるが、それと同時にビーム電流上限値、スクレーパ位
置等を変更してもよい。これにより、治療照射の高度な要求に対応する自由度を得ること
が出来ると同時に、照***度及び安全性を向上させることができる。
また本実施形態では、スキャニング照射用と散乱体照射用の二種類のデータリストを持
つ例を示しているが、照射野サイズの異なる照射装置用など、より多くのデータリストを
持ってもよいし、治療室ごとに持ってもよい。これにより、異なる条件のビームを必要す
るシステムにおいても、各条件を自動且つ適切に実現すると共に精度及び安全性を向上さ
せることができる。
シンクロトロン５から出射されるイオンビームがスキャニング照射に使用できるほどに細い場合には、スキャニング式照射装置３ｓ及び散乱体式照射装置３ｐに導くイオンビームのサイズを同じくし、前者の照射装置に導くイオンビームのビーム電流を後者の照射装置に導くイオンビームのそれよりも小さくすることが可能である。具体的には、前者の照射装置に導くイオンビームのビーム電流を後者の照射装置に導くイオンビームのそれよりも小さくすることは、前述したように、加速器制御装置２４が、出力する高周波電力を小さくするように第１高周波電源を設定することによって実現される。
そのように、スキャニング式照射装置３ｓが選択された場合に、ビームサイズ及びビーム電流のうちでビーム電流だけを散乱体式照射装置３ｐが選択された場合に比べて小さくすることは、後述のサイクロトロンを用いた荷電粒子ビーム出射装置にも適用できる。
（実施形態２）
本発明の他の実施形態である荷電粒子ビーム出射装置を、図６を用いて以下に説明する
。本実施形態の荷電粒子ビーム出射装置１００Ａは、荷電粒子ビーム出射装置１００にお
ける、シンクロトロン５を有する荷電粒子ビーム発生装置１を、サイクロトロン５Ａを有
する荷電粒子ビーム発生装置１Ａに置き替え、散乱体式治療室をさらに１室付加し、制御
システム１０１を、運転状態監視装置（判定装置）４５及び付加した治療室用の散乱体式
照射制御装置付加した制御システム１０１Ａに置き替えた構成を有する。
荷電粒子ビーム出射装置１００Ａは、イオン源（図示せず）から入射されたビームを所
定のエネルギーまで加速するサイクロトロン５Ａを有する荷電粒子ビーム発生装置１Ａと
、その下流側に接続されるビーム輸送系２Ａと、スキャニング式照射装置３ｓを設置した
スキャニング式治療室１１ｓ、及び散乱体式照射装置３ｐ１，３ｐ２をそれぞれ設置した
散乱体式治療室１１ｐ１，１１ｐ２からなる３つの治療照射室とを備える。また、サイク
ロトロン５Ａは固定エネルギーのビームをほぼ直流の荷電粒子ビームとして発生するが、
そのビームを減速し、選別するエネルギー調整器（エネルギー変更装置）４６を備える。
以下、エネルギー調整器４６は荷電粒子ビーム発生装置１Ａに含まれるものとして説明す
るが、ビーム輸送系２に含まれる構成としても構わない。
サイクロトロン５Ａからデフレクタ４７を通して出射された一定エネルギーのビームは
、ディグレーダ４８でエネルギーを吸収され、照射に必要な所望のエネルギーとなる。続
いて角度アパーチャ４９で大きく散乱されたビームをカットされ、分析電磁石５０で偏向
され、エネルギーアパーチャ（アパーチャ装置）５１で所望のエネルギーからずれたビー
ムをカットされる。これらディグレーダ４８、角度アパーチャ４９、分析電磁石５０、及
びエネルギーアパーチャ５１がビームのエネルギーを選別し、ビームサイズを調整するエ
ネルギー調整器４６を構成する。エネルギーアパーチャ５１には開口の大きさの異なる複
数種類のアパーチャが切り替え可能に設けられており、加速器制御装置２４によってアパ
ーチャの切り替えが行われ、ビームサイズが制御される。分析電磁石５０には分析電磁石
磁場モニタ（図示せず）が設けられ、この分析電磁石磁場モニタによりビームのエネルギ
ーが監視される。
ビーム輸送系２Ａは、３つの治療室１１ｐ１，１１ｐ２，１１ｓ内にそれぞれ配置され
た散乱体式照射装置３ｐ１，３ｐ２、及びスキャニング式照射装置３ｓにそれぞれ連絡さ
れるビーム経路２ｐ１，２ｐ２，２ｓを備える。また、ビーム輸送系２Ａには、実施形態
１と同様にプロファイルモニタ２０及びビーム電流モニタ２１が配置され、ビームの状態
を監視する。
制御システム１０１Ａは、実施例１の制御システム構成に加えて運転状態監視装置４５
を有する。運転状態監視装置４５は、一定のサンプリング時間間隔で、分析電磁石５０に
設置された分析電磁石磁場モニタ（図示せず）出力、ビーム輸送系２Ａのプロファイルモ
ニタ２０の出力とビーム電流モニタ２１の出力を読み、磁場モニタ出力と、プロファイル
モニタ出力から計算されるビーム重心位置及びビームサイズとビーム電流モニタ出力が、
予め記憶した設定値から許容範囲を超えているか否かを判定する。許容範囲を超えた出力
がある場合には、中央制御装置２３に異常信号を出力し、これによりサイクロトロン５Ａ
からのビーム供給が停止される。
以上説明した機器以外の構成及び照射手順は、実施形態１と基本的に同様である。ただ
し、本実施形態では、荷電粒子ビーム発生装置１Ａがサイクロトロン５Ａ及びエネルギー
調整器４６を有した構成であるため、中央制御装置２３から加速器制御装置２４へ送信さ
れる運転条件データ項目が異なる。以下、この点について説明する。
中央制御装置２３は、実施形態１と同様に、読み込んだ照射条件データを元に荷電粒子
ビーム発生装置１（サイクロトロン５Ａ）等の運転条件データを予め登録されたデータリ
ストから選択し、各制御装置（加速器制御装置２４、輸送系制御装置２５、照射制御装置
２６ｓ，２６ｐ１，２６ｐ２）へ送信する。加速器制御装置２４に送信されるデータリス
トにはスキャニング用と散乱体用とがあり、このデータリストには、各エネルギーに対応
したイオン源の電流設定データ、分析電磁石５０の運転データ、及びエネルギーアパーチ
ャ５１のアパーチャの種類等の情報が含まれている。
特に図を用いて詳細には説明しないが、本実施形態では、散乱体方式ではイオン源の電
流設定データを比較的大きく、スキャニング方式ではイオン源の電流設定データを比較的
小さく設定している。また、エネルギーアパーチャ５１でのアパーチャの種類は、散乱体
方式では開口の大きいアパーチャとなる設定に、スキャニング方式ではよりビームを削っ
てビームサイズを細くするような開口の大きさのアパーチャとなる設定となっている。
これにより、散乱体方式ではエネルギー許容範囲を広く取り、スキャニング方式ではエ
ネルギー許容範囲を狭めている。また、中央制御装置２３から輸送系制御装置２５へ送信
されるデータリストにおいては、ビーム位置の設定値の許容範囲が、散乱体方式では大き
く、スキャニング方式では小さく設定されている。
以上から、実施形態１と同様に、図４に示すように、加速器制御装置２４へのビーム電
流設定値、及び、ビームサイズ設定値は、散乱体式治療室１１ｐ１，１１ｐ２への照射の
場合の方がスキャニング式治療室１１ｓへの照射の場合よりも大きな値となっている。ま
た加速器制御装置２４へのエネルギー許容範囲及び輸送系制御装置２５へのビーム位置許
容範囲は、散乱体式治療室１１ｐ１，１１ｐ２の方がスキャニング式治療室１１ｓへの照
射の場合よりも大きな値となっている。
したがって、本実施形態においても、照***度及び安全性を確保することができる。さ
らに本実施の形態によれば、エネルギー、ビーム電流、ビーム位置、幅といった運転状態
を表すパラメータを、加速器制御装置２４、輸送系制御装置２５とは別に単独で設けた運
転状態監視装置４５によって監視する。これにより、例えば加速器制御装置２４の誤動作
といった単一故障時にも所望の運転状態になっていることを監視することができ、安全性
を一層向上することができる。
なお、以上説明した２つの実施形態では、出射用高周波電力、ビーム電流上限、スクレ
ーパ位置、周波数範囲、イオン源電流設定値、アパーチャの種類について運転条件を変更
するようにしたが、これに限らず、その他の運転条件についても変更するようにしてもよ
い。その他の条件についても散乱体法とスキャニング法でそれぞれ適切な値を設定するこ
とにより、照***度及び安全性を向上させることができる。
本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム出射装置の全体構成を表す図である。 治療照射までの手順を表すフローチャートである。 図２に示すステップ３８又はステップ４０において中央制御装置により選択され加速器制御装置へ送信される運転条件データリストの一例を示す図である。 本実施形態の荷電粒子ビーム出射装置において、中央制御装置から加速器制御装置に送信される運転条件データリストの特徴を、散乱体照射方式とスキャニング照射方式との差異が分かりやすいように表した図である。 散乱体用運転条件データリストとスキャニング用運転条件データリストにおけるビームエネルギーと出射ビーム電流の関係を示す図である。 本発明の他の実施形態である荷電粒子ビーム出射装置の全体構成を表す図である。
符号の説明
１ 荷電粒子ビーム発生装置
１Ａ 荷電粒子ビーム発生装置
２ ビーム輸送系
２Ａ ビーム輸送系
３ｐ 散乱体式照射装置
３ｓ スキャニング式照射装置
５ シンクロトロン
５Ａ サイクロトロン
６ 出射用高周波印加装置
１５ スクレーパ装置
１６ 周波数モニタ（検出装置）
１７ 周回軌道位置モニタ（検出装置）
２０ プロファイルモニタ（検出装置）
２１ ビーム電流モニタ（検出装置）
２３ 中央制御装置（制御装置、第２制御装置）
２４ 加速器制御装置（判定装置）
２５ 輸送系制御装置（判定装置）
４５ 運転状態監視装置（判定装置）
４６ エネルギー調整器（エネルギー変更装置）
５１ エネルギーアパーチャ（アパーチャ装置）
１００ 荷電粒子ビーム出射装置
１００Ａ 荷電粒子ビーム出射装置

Claims (21)

  1. 荷電粒子ビームを照射対象に対して出射する荷電粒子ビーム出射装置において、
    前記荷電粒子ビームを発生する荷電粒子ビーム発生装置と、
    前記荷電粒子ビームを照射対象に照射する複数の照射装置であって、少なくとも一部が
    異なる照射方式を適用している前記複数の照射装置と、
    前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された前記荷電粒子ビームを前記複数の照射装置
    のうちの選択された１つの照射装置へ輸送するビーム輸送系と、
    前記荷電粒子ビーム発生装置の運転条件を、前記選択された照射装置の照射方式に応じ
    て変更する制御装置とを備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム出射装置。
  2. 前記選択された照射装置の照射方式に応じて前記荷電粒子ビームのビーム電流またはビ
    ームサイズが変更されるように、前記荷電粒子ビーム発生装置の運転条件を変更する前記
    制御装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム出射装置。
  3. 前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された前記荷電粒子ビームのビーム状態を検出す
    る検出装置と、前記検出されたビーム状態が正常であるかどうかを判定する判定装置と、
    前記判定装置の判定条件を前記選択された照射装置の照射方式に応じて変更する前記制御
    装置とを備えたことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子ビーム出射装置。
  4. 前記荷電粒子ビームのビームエネルギー及びビーム位置を検出する前記検出装置と、前
    記検出装置の検出結果が許容範囲内であるかどうかを判定する前記判定装置と、前記判定
    装置の許容範囲を前記選択された照射装置の照射方式に応じて変更する前記制御装置とを
    備えたことを特徴とする請求項３記載の荷電粒子ビーム出射装置。
  5. 前記複数の照射装置は、スキャニング照射方式の照射装置を含むことを特徴とする請求
    項４記載の荷電粒子ビーム出射装置。
  6. 前記スキャニング照射方式の照射装置が選択された場合における前記荷電粒子ビームの
    ビーム電流及びビームサイズが、他の照射方式の照射装置が選択された場合のビーム電流
    及びビームサイズよりも小さくなるように、前記荷電粒子ビーム発生装置の運転条件を変
    更する前記制御装置を備えたことを特徴とする請求項５記載の荷電粒子ビーム出射装置。
  7. 前記スキャニング照射方式の照射装置が選択された場合における前記判定装置のビーム
    エネルギー及びビーム位置の許容範囲が、他の照射方式の照射装置が選択された場合の許
    容範囲よりも小さくなるように、前記判定装置の判定条件を変更する前記制御装置を備え
    たことを特徴とする請求項６記載の荷電粒子ビーム出射装置。
  8. 前記荷電粒子ビーム発生装置がシンクロトロンを含んでいることを特徴とする請求項７
    記載の荷電粒子ビーム出射装置。
  9. 前記荷電粒子ビームに高周波を印加することにより出射させる高周波印加装置を有する
    前記シンクロトロンを含む前記荷電粒子ビーム発生装置と、前記スキャニング照射方式の
    照射装置が選択された場合の前記高周波印加装置に印加する電圧を、他の照射方式の照射
    装置が選択された場合の電圧よりも小さくする前記制御装置とを備えたことを特徴とする
    請求項８記載の荷電粒子ビーム出射装置。
  10. スクレーパを挿入することで前記シンクロトロンを周回中の前記荷電粒子ビームの一部
    をカットするスクレーパ装置を有する前記シンクロトロンを含む前記荷電粒子ビーム発生
    装置と、前記スキャニング照射方式の照射装置が選択された場合の前記スクレーパ装置に
    よるスクレーパ挿入量を、他の照射方式の照射装置が選択された場合のスクレーパ挿入量
    よりも大きくする前記制御装置とを備えたことを特徴とする請求項８記載の荷電粒子ビー
    ム出射装置。
  11. 前記判定装置により、前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された前記荷電粒子ビーム
    のビーム状態が正常でないと判定された場合に、前記荷電粒子ビーム発生装置からの前記
    荷電粒子ビームの出射を停止させる第２制御装置を備えたことを特徴とする請求項３記載
    の荷電粒子ビーム出射装置。
  12. 荷電粒子ビームを照射対象に対して出射する荷電粒子ビーム出射装置において、
    前記荷電粒子ビームを加速するサイクロトロンを含む荷電粒子ビーム発生装置と、
    前記荷電粒子ビームを照射対象に照射する複数の照射装置であって、少なくとも一部が
    異なる照射方式を適用している前記複数の照射装置と、
    前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された前記荷電粒子ビームを前記複数の照射装置
    のうちの選択された１つの照射装置へ輸送するビーム輸送系と、
    前記荷電粒子ビーム発生装置及び前記ビーム輸送系の運転条件を、前記選択された照射
    装置の照射方式に応じて変更する制御装置とを備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム出
    射装置。
  13. 前記サイクロトロンから出射された前記荷電粒子ビームのエネルギーを変更するエネル
    ギー変更装置と、前記荷電粒子ビーム発生装置または前記エネルギー変更装置の運転条件
    を、前記選択された照射装置の照射方式に応じて変更する前記制御装置とを備えたことを
    特徴とする請求項１２記載の荷電粒子ビーム出射装置。
  14. 前記サイクロトロンに前記荷電粒子ビームを入射するイオン源を含む前記荷電粒子ビー
    ム発生装置と、前記スキャニング照射方式の照射装置が選択された場合の前記イオン源の
    ビーム電流設定値が他の照射方式の照射装置が選択された場合の設定値よりも小さくなる
    ように、前記イオン源の設定を変更する前記制御装置を備えたことを特徴とする請求項１
    ３記載の荷電粒子ビーム出射装置。
  15. 前記サイクロトロンから出射された前記荷電粒子ビームの一部をカットする複数種類の
    アパーチャを切り替え可能に備えたアパーチャ装置を含む前記エネルギー変更装置及び前
    記ビーム輸送系のうちの一方と、前記スキャニング照射方式の照射装置が選択された場合
    のビームカット量が他の照射方式の照射装置が選択された場合のビームカット量より大き
    くなるように、前記アパーチャを切り替える前記制御装置とを備えたことを特徴とする請
    求項１３記載の荷電粒子ビーム出射装置。
  16. 荷電粒子ビーム発生装置で発生した荷電粒子ビームを、異なる照射方式を含む複数の照
    射装置のうちの選択された１つの照射装置に輸送して出射させる荷電粒子ビーム出射方法
    において、
    前記荷電粒子ビーム発生装置の運転条件を、前記選択された照射装置の照射方式に応じ
    て変更することを特徴とする荷電粒子ビーム出射方法。
  17. 前記選択された照射装置の照射方式に応じて前記荷電粒子ビームのビーム電流及びビー
    ムサイズが変更されるように、前記荷電粒子ビーム発生装置の運転条件を変更することを
    特徴とする請求項１６記載の荷電粒子ビーム出射方法。
  18. 前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された前記荷電粒子ビームのビーム状態が正常で
    あるかどうかを判定するための判定条件を、前記選択された照射装置の照射方式に応じて
    変更することを特徴とする請求項１７記載の荷電粒子ビーム出射方法。
  19. 前記荷電粒子ビームのビームエネルギー及びビーム位置が正常であるかどうかを判定す
    るための許容範囲を、前記選択された照射装置の照射方式に応じて変更することを特徴と
    する請求項１８記載の荷電粒子ビーム出射方法。
  20. サイクロトロンを含む荷電粒子ビーム発生装置で発生した荷電粒子ビームを、異なる照
    射方式を含む複数の照射装置のうちの選択された１つの照射装置に輸送して出射させる荷
    電粒子ビーム出射方法において、
    前記荷電粒子ビーム発生装置及び前記ビーム輸送系の運転条件を、前記選択された照射
    装置の照射方式に応じて変更することを特徴とする荷電粒子ビーム出射方法。
  21. 前記スキャニング照射方式の照射装置が選択された場合における前記荷電粒子ビームのビーム電流が、他の照射方式の照射装置が選択された場合のビーム電流よりも小さくなるように、前記荷電粒子ビーム発生装置の運転条件を変更する前記制御装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム出射装置。
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