JP5508553B2 - 粒子線治療装置 - Google Patents

Description

本発明は、医療用や研究用に用いられる粒子線治療装置に関し、特にスポットスキャニングやラスタースキャニングといった走査型の粒子線治療装置に関する。

一般に粒子線治療装置は、荷電粒子ビームを発生するビーム発生装置と、ビーム発生装置につながれ、発生した荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速器で設定されたエネルギーまで加速された後に出射される荷電粒子ビームを輸送するビーム輸送系と、ビーム輸送系の下流に設置され、荷電粒子ビームを患者の患部等である照射対象に照射するための粒子線照射装置とを備える。粒子線照射装置には大きく、荷電粒子ビームを散乱体で散乱拡大し、拡大した荷電粒子ビームを照射対象の形状にあわせて照射野を形成するブロード照射方式と、照射対象の形状に合わせるように、細いペンシル状のビームを走査して照射野形成するスキャニング照射方式（スポットスキャニング、ラスタースキャニング等）とがある。

ブロード照射方式は、コリメータやボーラスを用いて患部形状に合う照射野を形成する。患部形状に合う照射野を形成し、正常組織への不要な照射を防いでおり、最も汎用的に用いられている、優れた照射方式である。しかし、患者ごとにボーラスを製作したり、患部に合わせてコリメータを変形させたりする必要がある。

一方、スキャニング照射方式は、コリメータやボーラスが不要といった自由度の高い照射方式である。しかし、患部以外の正常組織への照射を防ぐこれら部品を用いないため、ブロード照射方式以上に高いビーム照射位置精度が要求される。

特許文献１には、荷電粒子ビームを走査する走査電磁石のヒステリシスの影響を低減し、高精度なビーム照射を実現することを目的とし、以下の発明が開示されている。特許文献１の発明は、荷電粒子ビームの目標照射位置座標に基づいて走査電磁石を制御する照射管理装置と、荷電粒子ビームの測定位置座標を測定する位置モニタとを備え、照射管理装置は、走査電磁石の励磁パターンが本照射の計画と同一である事前照射において位置モニタにより測定された測定位置座標及び目標照射位置座標に基づいて生成された補正データと目標照射位置座標とに基づいて走査電磁石への制御入力を出力する指令値生成器を有する。

このことにより特許文献１の発明は、走査電磁石の励磁パターンが事前照射と本照射の計画とで同一にして、事前照射で得られた結果に基づいて走査電磁石への制御入力を予め補正するので、走査電磁石のヒステリシスの影響を排除し、高精度なビーム照射を実現することができるようにしていた。

特許４５３２６０６号公報（図１、図２）

特許文献１の発明は、走査電磁石の励磁パターンが本照射の計画と同一である事前照射に基づいて予め補正を行っているので、本照射において高精度なビーム照射を実現するという格別な効果を発揮するものである。たしかに、通常に治療が実施されれば、特許文献１の発明は何ら問題を生じない。しかし、治療現場においては、荷電粒子ビームのサイズが許容範囲を超えたり、患者の具合が悪くなったりする等の不測の事態により、照射を中断しなければならない状況、すなわち粒子線治療装置の非常停止処理を行わなければならない状況が起こりうる。

この場合、非常停止処理が実行され、一旦荷電粒子ビームの照射を停止する。患部の途中まで照射が行われているので、荷電粒子ビームの照射は中断した照射位置から照射を再開し、患部全体が治療計画で計画された線量になるようにする必要がある。この際、単に中断した照射位置から照射を再開したならば、走査電磁石の励磁パターンを途中から行うことになる。この結果、走査電磁石はヒステリシスの影響を受けるので、走査電磁石の状態は照射を中断した場合としない場合とで異なってしまい、走査電磁石の状態が異なったまま本照射が再開され、中断しない場合とは違う位置に照射され、高精度にビームを照射できないという残された課題があった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、治療中に非常停止処理がされた場合でも、走査電磁石のヒステリシスの影響を排除し、中断した照射位置から高精度なビーム照射を再開することができる粒子線治療装置を得ることを目的とする。

荷電粒子ビームの目標照射位置座標に基づいて走査電磁石を制御する照射管理装置と、不測の事態が発生した際に荷電粒子ビームの照射を停止するインターロック信号を生成するインターロック情報入力器と、を備える。照射管理装置は、走査電磁石への制御入力を出力する指令値生成器と、インターロック情報入力器からインターロック信号が生成した場合に、荷電粒子ビームの照射が停止した目標照射位置座標に対応した停止ステップを記憶する停止ステップ記憶メモリと、を有する。照射管理装置は、荷電粒子ビームの照射を再開する場合に、停止ステップよりも前のステップであって、本照射の最初の目標照射位置座標に対応した起点ステップとは異なる開始ステップから、荷電粒子ビームを照射しない状態で、停止ステップまで走査電磁石を制御する空運転を実行し、停止ステップに対応した目標照射位置座標から荷電粒子ビームを照射する。

本発明に係る粒子線治療装置は、治療中に非常停止処理がされた場合に、停止ステップよりも前のステップであって、起点ステップとは異なる開始ステップから、走査電磁石への制御入力を含む照射指令データに基づいて空運転し、中断した照射位置からビーム照射を開始するので、走査電磁石のヒステリシスの影響を排除し、中断した照射位置から高精度なビーム照射を再開することができる。

本発明の実施の形態１による粒子線治療装置を示す構成図である。 図１の加速器の概略構成図である。 図１の粒子線照射装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態１による粒子線治療装置の制御ブロック図である。 指令電流の補正方法を説明する図である。 本発明の実施の形態１による粒子線治療装置における、ビーム停止及び再開手順を示すフロー図である。 基準呼吸信号及び実呼吸信号を示す図である。 本発明の実施の形態２による粒子線治療装置における、ビームパスに沿って患部にビームが走査されることを示した模式図である。 本発明の実施の形態２による粒子線治療装置の走査電磁石のヒステリシス特性を示した図である。 本発明の実施の形態２による粒子線治療装置における、ビーム停止及び再開手順を示すフロー図である。 本発明の実施の形態２による粒子線治療装置における、他のビーム停止及び再開手順を示すフロー図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１による粒子線治療装置の構成について説明する。図１は本発明の実施の形態１による粒子線治療装置を示す構成図である。図２は加速器の概略構成図であり、図３は粒子線照射装置の概略構成図である。図４は、本発明の実施の形態１における粒子線治療装置の制御ブロック図である。

はじめに、粒子線治療装置の大まかな構成について図１を用いて説明する。粒子線治療装置５１は、ビーム発生装置５２と、ビーム輸送系５９と、粒子線照射装置５８ａ、５８ｂとを備える。ビーム発生装置５２は、イオン源（図示せず）と、前段加速器５３と、シンクロトロンである円形加速器（以降、単に加速器と称する）５４とを有する。粒子線照射装置５８ｂは回転ガントリ（図示せず）に設置される。粒子線照射装置５８ａは回転ガントリを有しない治療室に設置される。ビーム輸送系５９の役割は加速器５４と粒子線照射装置５８ａ、５８ｂの連絡にある。ビーム輸送系５９の一部は回転ガントリ（図示せず）に設置され、その部分には複数の偏向電磁石５５ａ、５５ｂ、５５ｃを有する。ビーム発生装置５２、ビーム輸送系５９、粒子線照射装置５８ａ、５８ｂは、制御系により連携して制御される。

イオン源で発生した陽子線、炭素線（重粒子線）等の粒子線である荷電粒子ビーム１は、前段加速器５３で加速され、加速器５４に入射される。荷電粒子ビーム１は、所定のエネルギーまで加速される。加速器５４で高周波数の電界で加速し磁石で曲げながら、光速の約７０〜８０％まで加速される。加速器５４から出射された荷電粒子ビーム１は、ビーム輸送系５９を経て粒子線照射装置５８ａ、５８ｂに輸送される。ビーム輸送系５９では、十分にエネルギーが与えられた荷電粒子ビーム１を、真空ダクトにより作られた通路を、電磁石で必要に応じて軌道を変え、指定された治療室の粒子線照射装置５８ａ、５８ｂへと導く。粒子線照射装置５８ａ、５８ｂは、照射対象１５である患者２４の患部の大きさや深さに応じて照射野を成形し、荷電粒子ビーム１を照射対象１５（図３参照）に照射する。

さて「指定された治療室」と記載したが、粒子線治療装置は治療効率の観点から、一般的に複数の治療室を備える。すなわち、粒子線照射装置５８は、治療室の数だけ備える必要がある。このように複数のサブシステムからなる大型で複雑なシステムは、一般的に、各サブシステムを専ら制御するサブ制御器と全体を指揮し制御するメイン制御器からなることが多い。本発明の実施の形態１に示す粒子線治療装置５１についても、このメイン制御器とサブ制御器の構成を採用している場合で説明をする。簡単のため、ビーム発生装置５２及びビーム輸送系５９を有するサブシステムの全てを、ここでは加速器系６０とよぶことにする。粒子線照射装置５８、回転ガントリを「照射系」とよぶことにする。図１においては、水平照射室とガントリ照射室の２つの治療室がある場合を示した。加速器系と照射系を連携して制御する上記制御器は、粒子線治療装置の制御系である。

＜加速器＞
加速器５４について、図２を用いて説明する。加速器５４は、荷電粒子ビーム１が周回する軌道経路となる真空ダクト６１、前段加速器５３から供給された荷電粒子ビーム１を真空ダクト６１に入射するための入射装置６２、荷電粒子ビーム１が真空ダクト６１内の周回軌道に沿って周回する荷電粒子ビーム１を形成するように軌道を偏向させるための偏向電磁石６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ、周回軌道上に形成された荷電粒子ビーム１が発散しないように収束させる収束用電磁石６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄ、周回する荷電粒子に同期した高周波電圧を与えて加速する高周波加速空洞６５、加速器５４内で加速させた荷電粒子ビーム１を加速器５４外に取りだし、ビーム輸送系５９に出射するための出射装置６６、出射装置６６から荷電粒子ビーム１を出射させるために荷電粒子ビーム１の周回軌道に共鳴を励起する六極電磁石６７を備えている。

なお、偏向電磁石６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄには、偏向電磁石６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄの励磁電流を制御する偏向電磁石制御装置や、高周波加速空洞６５には、高周波加速空洞６５に高周波電圧を供給するための高周波源、高周波源を制御するための高周波制御装置というように、各部を制御するための図示しない装置が備えられており、偏向電磁石制御装置、高周波制御装置や収束用電磁石６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄなどその他のコンポーネントを制御して加速器全体を制御する加速器制御装置を制御系内に備えている。ただし、本発明の技術思想においては、加速器自体の制御を限定するものではないので、上記構成に限ることなく、安定して荷電粒子ビーム１をビーム輸送系５９に出射できるものであれば、種々の変形が許されることはいうまでもない。

＜ビーム輸送系＞
加速器５４により加速された荷電粒子ビーム１は、ＨＥＢＴ（高エネルギービーム輸送：High Energy Beam Transport）系と称されるビーム輸送系５９へと出射される。ビーム輸送系５９は、荷電粒子ビーム１の輸送経路となる真空ダクトと、荷電粒子ビーム１のビーム軌道を切替える切替装置である切替電磁石６８と、ビームを所定角度に偏向する偏向電磁石とを備えている。そして加速器５４により十分にエネルギーが与えられ、真空ダクトにより作られた輸送経路内を進む荷電粒子ビーム１を、切替電磁石６８で必要に応じて軌道を変え、指定された治療室に設けられた照射装置へと導く。

＜照射系＞
照射系は、ビーム輸送系５９から供給された荷電粒子ビーム１を照射対象１５である患者の患部の大きさや深さに応じた照射野に成形して患部へ照射する粒子線照射装置５８を備えたものである。一般的に、粒子線治療装置５１において照射野成形方法には、散乱体法、ワブラー法、スキャニング法が提案されている。照射系（粒子線照射装置）は、各照射方法に応じて、その構成を異にする。本発明においては、スポットスキャニングやラスタースキャニングに代表されるスキャニング法を採用した粒子線治療装置（「走査型の粒子線治療装置」ともいう）を対象としている。走査型の粒子線治療装置の場合、粒子線照射装置５８は、ペンシル状の荷電粒子ビーム１を照射対象１５の形状に合わせて走査するための１組の走査電磁石３及び照射位置を測定するための位置モニタ７等を備える。粒子線照射装置５８の詳しい構成は、後述する。

＜制御系＞
制御系について、機能ブロックを示した図４を用いて説明する。ところで、粒子線治療装置５１における制御器には、ワークステーションやコンピュータを用いることが一般的である。そのため、制御器を「計算機」という呼び方をする場合も多い。例えば、図４におけるメイン制御器７０は、実態は照射系共通計算機と称されることが多いコンピュータ上の機能であるが、ここではある機能を有する制御器として扱う。また、サブ制御器７１ａ、７１ｂは、機器制御計算機と称されることが多いコンピュータ上の機能であるが、ここではある機能を有する制御器として扱う。サブ制御器７１ａ、７１ｂは、患者２４を搭載するための治療台及び患部（照射対象１５）の位置を撮影するためのＸ線撮像装置など、治療室の一部の機器をひとつのサブシステムとして、当該サブシステムの制御を行う。

照射系８０は、メイン制御器７０と、照射操作室８１に配置される機器と、治療室８２ａに配置される機器と、治療室８２ｂに配置される機器とにより構成される。治療室８２ａには、粒子線照射装置５８ａの照射機器部３１ａが配置される。治療室８２ｂには、粒子線照射装置５８ｂの照射機器部３１ｂが配置される。

サブ制御器７１ａ、７１ｂに繋がれた操作卓７２ａ、７２ｂ、７３ａ、７３ｂ、７４ａ、７４ｂとは、いわゆるキーボードやディスプレイ等、若しくはコントローラボックス等の端末であり、マンマシンインターフェース部である。操作卓７２ａ、７２ｂは照射操作室８１設置され、操作卓７３ａ、７４ａは治療室Ａ（８２ａ）に設置され、操作卓７３ｂ、７４ｂは治療室Ｂ（８２ｂ）に設置される。サブ制御器７１ａ、７１ｂの下位部には、制御盤７５ａ、７５ｂが繋がれる。制御盤７５ａ、７５ｂは、具体的には、制御対象である各種機器７６ａ、７６ｂ、７７ａ、７７ｂのドライバ、アンプ及びシーケンサ等である。また、制御盤７５ａ、７５ｂは、メイン制御器７０とインターロック情報入力器８４ａ、８４ｂ、照射機器部３１ａ、３１ｂとの信号を通過させる。制御盤７５ａ、７５ｂを経由して、さらに下位部には、機器７６ａ、７６ｂ、７７ａ、７７ｂ、インターロック情報入力器８４ａ、８４ｂ及び照射機器部３１ａ、３１ｂが繋がれる。機器７６ａ、７６ｂ、７７ａ、７７ｂとは、具体的には治療台の各軸を動かすためのモータや、照射装置内のＸ線撮像装置を駆動するモータ等である。照射機器部３１ａ、３１ｂそれぞれに備えられた走査電磁石３ａ、３ｂへの励磁電流は、走査電磁石電源４から切替回路７９を経由して供給される。

さて、前記治療台用のモータやＸ線撮像装置用のモータは、ビーム照射中には動かさない。すなわち、加速器系６０で制御する加速器等の電磁石と同期して制御する必要はない。メイン制御器７０とサブ制御器７１ａ、７１ｂとのやり取りは、どの治療室の照射機器部３１ａ、３１ｂが位置決め完了して照射してよい状態かを示すＲｅａｄｙ信号や、どの治療室の照射機器部３１ａ、３１ｂにビームを照射し、照射が終了したことを知らせる信号等、互いに状態を知らせる目的のものである。簡単に言えば、シーケンシャルなイベントを行っていくイメージである。

ここで、照射系共通計算機（メイン制御器７０）と機器制御計算機（サブ制御器７１ａ、７１ｂ）との役割について説明する。各治療室８２ａ、８２ｂには、前述したとおりそれぞれ粒子線照射装置５８ａ、５８ｂの照射機器部３１ａ、３１ｂが備えられている。また、前述したとおり、走査型の粒子線治療装置の場合、照射機器部３１ａ、３１ｂには１組の走査電磁石３及び照射位置を測定するための位置モニタ７等が備わっている。ただし、図４に示すように、この走査電磁石３の制御や位置モニタ７からの信号処理は機器制御計算機で行わず、照射系共通計算機（後述する照射管理装置）が行っている。

このことは、２つの理由による。第１の理由は加速器系との同期制御の必要性であり、第２の理由は瞬時性（無駄時間をできるだけなくす必要性）である。治療計画どおりに照射を実現するには、加速器系６０と照射系８０とを同期して制御をする必要がある。たしかに、サブ制御器７１ａ、７１ｂとメイン制御器７０とは、同期信号等を用いて同時期かつ並列的に処理をすることは可能である。しかし、経由する機器が多ければ多いほど、無駄時間が生じてしまい、制御性能を劣化させてしまう。そこで、本発明による粒子線治療装置５１では、加速器系６０や走査電磁石３などビーム照射中にリアルタイムで制御する必要があるものはメイン制御器７０である照射系共通計算機（照射管理装置）が行い、一方、治療台やＸ線撮像装置など照射中に駆動する必要のないものはサブ制御器７１ａ、７１ｂである機器制御計算機が行うようにしている。

１つのメイン制御器７０によって集中管理することにより、無駄時間をできるだけなくすことができ、制御性能を劣化させないで高精度なビーム照射を実現するためである。なお、同様の瞬時性の理由により、インターロック（非常停止処理）として機能するインターロック情報入力器８４ａ、８４ｂ等の信号処理もメイン制御器７０たる照射系共通計算機（照射管理装置）が行うのがよい。また、照射系共通計算機は、どの治療室が荷電粒子ビーム１を占有するかを管理する、いわゆる「加速器取り合い」機能も備える。

次に、粒子線照射装置５８について図３を用いて説明する。粒子線照射装置５８は、照射機器部３１と、走査電磁石電源４と、インターロック情報入力器８４と、照射機器部３１やインターロック情報入力器８４の制御やデータ取集等を行う照射管理装置３２とを備える。インターロック情報入力器８４は、後述する患者センサ７８を有する。照射機器部３１は、ビーム輸送系５９から入射された荷電粒子ビーム１を輸送するビーム輸送ダクト２と、荷電粒子ビーム１に垂直な方向であるＸ方向及びＹ方向に荷電粒子ビーム１を走査する走査電磁石３ｘ、３ｙと、位置モニタ７と、位置モニタ７の信号を増幅するプレアンプ９と、位置モニタユニット８と、線量モニタ１１と、線量モニタ１１の信号を増幅するプレアンプ１３と、線量モニタユニット１２と、ビーム拡大装置１６と、ビーム拡大制御装置１７と、ベローズ１８と、真空ダクト１９と、リップルフィルタ２０と、レンジシフタ２１と、レンジシフタユニット２３とを備える。なお、図３に示したように荷電粒子ビーム１が入射する方向はＺ方向である。

走査電磁石３ｘは荷電粒子ビーム１をＸ方向に走査するＸ方向走査電磁石であり、走査電磁石３ｙは荷電粒子ビーム１をＹ方向に走査するＹ方向走査電磁石である。位置モニタ７は走査電磁石３ｘ、３ｙで偏向された荷電粒子ビーム１が通過する通過位置（重心位置）及びビームサイズを検出する。プレアンプ９は位置モニタ７で検出した通過位置及びビームサイズのアナログデータを増幅する。ここで、ビームサイズは荷電粒子ビーム１のＺ方向に垂直なＸＹ面を通過する面積である。位置モニタユニット８は、位置モニタ７で検出した通過位置及びビームサイズをプレアンプ９を介して受け取り、その通過位置及びビームサイズをデジタルデータに変換し、測定位置座標Ｐｓ及び測定ビームサイズＳｓを生成する。

線量モニタ１１は荷電粒子ビーム１の線量を検出する。プレアンプ１３は線量モニタ１１で検出した線量のアナログデータを増幅する。線量モニタユニット１２は、線量モニタ１１で検出した線量をプレアンプ１３を介して受け取り、その線量をデジタルデータに変換し、測定線量Ｄｓを生成する。

ビーム拡大装置１６は必要に応じて荷電粒子ビーム１のビームサイズを拡大する。真空ダクト１９は荷電粒子ビーム１を通過する真空領域を確保する。ベローズ１８はビーム輸送ダクト２と真空ダクト１９を伸縮自在に接続し、真空領域を照射対象１５へ延長する。リップルフィルタ２０はリッジフィルタとも呼ばれ、凸形の形状をしている。リップルフィルタ２０は、加速器５４から送られてくるほぼ単一のエネルギーを有する単色ビームである荷電粒子ビーム１にエネルギーロスをさせ、エネルギーに幅を持たせる。

照射対象１５における深さ方向（Ｚ方向）の位置座標の制御は、加速器５４の加速エネルギーを変更して荷電粒子ビーム１のエネルギーを変更すること及びレンジシフタ２１により荷電粒子ビーム１のエネルギーを変更することにより行う。レンジシフタ２１は荷電粒子ビーム１の飛程を小刻みに調整する。大幅な荷電粒子ビーム１の飛程変更は加速器５４の加速エネルギーの変更で行い、小幅な荷電粒子ビーム１の飛程変更はレンジシフタ２１の設定変更で行う。

照射管理装置３２は、治療計画装置により作成された治療計画データＦ０を読み出し、照射線量を制御するために分割された照射単位である照射スポットの照射順番に並べ変えた設定データＦｉを生成する。すなわち設定データＦｉはシーケンス化された治療計画データ（後述するシーケンシャルなデータ）である。照射管理装置３２は、設定データＦｉに基づいて各機器への指令である設定データＦｏを出力する。

設定データＦｉの要素は目標照射位置座標Ｐｉ、目標線量Ｄｉ、目標ビームサイズＳｉ、目標加速器設定Ｂｉ、レンジシフタ挿入量Ｒｉであり、設定データＦｉの各要素はそれぞれ治療計画データＦ０の要素である目標照射位置座標Ｐｉ０、目標線量Ｄｉ０、目標ビームサイズＳｉ０、目標加速器設定Ｂｉ０、レンジシフタ挿入量Ｒｉ０がシーケンス化されたデータである。設定データＦｏは、加速器設定指令Ｂｏ、レンジシフタ指令Ｒｏ、指令電流Ｉｏ（補正をしていない指令電流）、指令電流Ｉｒ（指令電流Ｉｏを補正した指令電流）、ビームサイズ指令Ｓｏ、目標線量Ｄｏである。

照射管理装置３２は、患者２４がいない状態で行う事前照射における測定位置座標Ｐｓ、測定線量Ｄｓ、測定ビームサイズＳｓ等の照射記録を受信し、照射記録の評価を行う。照射管理装置３２は、測定位置座標Ｐｓに基づいて、指令電流Ｉｏを補正した指令電流Ｉｒを生成し、走査電磁石電源４に指令電流Ｉｏまたは指令電流Ｉｒを送信する。また、照射管理装置３２は、患者２４に実際に照射した本照射における測定位置座標Ｐｓ、測定線量Ｄｓ、測定ビームサイズＳｓ等の照射記録を受信し、本照射における照射記録を患者ファイルサーバに記憶する。

照射管理装置３２は、各機器にトリガ信号、カウント開始信号、ビーム供給指令、ビーム停止指令を出力し、照射対象１５における照射スポット及び照射線量を制御する。照射スポットは、Ｚ方向に分割した層であり、荷電粒子ビーム１の運動エネルギーに応じた層であるスライスと、各スライスにおけるＸＹ方向に分割される。ここでは、スライスを変更する際に荷電粒子ビーム１を停止し、同一スライス内を照射する際には荷電粒子ビーム１を照射し続ける照射方法で説明する。照射管理装置３２は、照射対象１５を運動エネルギーに応じた層であるスライス毎に荷電粒子ビーム１を走査する。照射管理装置３２は、トリガ信号により各照射スポットに対する各機器の設定を変更し、カウント開始信号により照射スポットの照射線量の測定を開始し、測定線量Ｄｓが目標線量Ｄｏに達すると次の照射スポットに対する制御を行い、照射対象１５を複数に分割された照射区分（スライス）のそれぞれに対する照射が終了すると、加速器系６０に対してビーム停止指令を出力し、荷電粒子ビーム１を停止させる。次に、照射管理装置３２は、トリガ信号を出力し、補正された指令電流Ｉｒ、ビームサイズ指令Ｓｏ、加速器設定指令Ｂｏ、レンジシフタ指令Ｒｏを順次変更し、照射対象１５の全スライスに照射が終了するまで荷電粒子ビーム１の照射を行う。

走査電磁石電源４は照射管理装置３２から出力された走査電磁石３への制御入力である指令電流Ｉｏ（Ｉｒ）に基づいて走査電磁石３ｘ、３ｙの設定電流を変化させる。ビーム拡大制御装置１７はビーム拡大装置１６に位置モニタ７におけるビームサイズを設定するビームサイズ指令Ｓｏを出力する。レンジシフタユニット２３はレンジシフタ２１に荷電粒子ビーム１のエネルギーを変更するレンジシフタ指令Ｒｏを出力する。

患者センサ７８は、患者２４の動きを検出し、患者２４の動きを反映した患者信号を出力する。患者センサ７８は、患者の動きが所定の範囲を超えた場合に照射を停止するため、すなわち粒子線治療装置の非常停止処理を行うためのものである。患者センサ７８は、次のものが考えられる。具体的には、フローセンサによる呼気の流れを検出したり、吸気に伴う鼻腔付近の温度変化をサーミスタや赤外線カメラによる画像処理を用いて計測したり、患者の腹部の動きを腹部に取り付けたレーザ光源をポジションセンシティブディテクタ（位置センサ）で検出したり、レーザ変位計により患者の腹部の動きを信号化したりする方式が考えられる。なお、患者センサ７８は、粒子線治療装置５１の呼吸同期照射に用いられる呼吸センサを兼用してもよい。いずれも、患者２４の動きを検出する目的で使用するものであるためである。

次に、本発明の基礎となる特許文献１に記載の技術について、簡単に説明する。特許文献１に記載する発明は、加速器５４により加速され、走査電磁石３で走査された荷電粒子ビーム１を照射対象１５に照射する粒子線治療装置５１についてなされたものであって、次の特徴をもつ。（Ａ）荷電粒子ビーム１の目標照射位置座標Ｐｉに基づいて走査電磁石３を制御する照射管理装置３２を備える。（Ｂ）荷電粒子ビーム１の測定位置座標Ｐｓを測定する位置モニタ７を備える。（Ｃ）照射管理装置３２は、走査電磁石３の励磁パターンが本照射の計画と同一である事前照射において位置モニタ７により測定された測定位置座標Ｐｓ及び目標照射位置座標Ｐｉに基づいて生成された補正データＩａと目標照射位置座標Ｐｉとに基づいて走査電磁石３への制御入力Ｉｏ（Ｉｒ）を出力する指令値生成器を有する。

電流補正データＩａを生成する方法を説明する。図５は指令電流の補正方法を説明する図である。走査電磁石電源４への指令電流Ｉｏにより走査電磁石３に出力される電流Ｉに対するＢＬ積を測定する。ＢＬ積は磁場の強さＢと走査電磁石３の磁極の有効長Ｌとの積である。飽和磁束密度を通る最大ヒステリシス曲線αを描かせる。最大ヒステリシス曲線αの電流増加方向と電流減少方向の平均を取り、ヒステリシスループの中心線βを求める。

指令電流Ｉｏにより設定される電流値Ｉ（ｉｄ）は、照射予定位置である目標照射位置座標Ｐｉ、ヒステリシスループの中心線β、荷電粒子ビーム１のエネルギー、走査電磁石３の設置位置から照射位置までの距離により求まる。荷電粒子ビーム１に働くローレンツ力を考慮して、荷電粒子ビーム１の位置座標からＢＬ積の値を求めることができる。指令電流Ｉｏは、目標照射位置座標Ｐｉから算出される理想のＢＬ積の値ＢＬ（ｉｄ）とヒステリシスループの中心線βとの交点Ｐ´（図示せず）における電流Ｉ（ｉｄ）に対応する指令値である。このＢＬ（ｉｄ）は測定するＢＬ積の値の期待値ＢＬ（ｅｘ）となる。

測定された測定位置座標ＰｓからＢＬ積の値ＢＬ（ｍｅ）を算出する。図５のＰ点が実測値である。測定されたＢＬ積の値ＢＬ（ｍｅ）は期待値ＢＬ（ｅｘ）からΔＢＬだけずれが生じている場合を考える。指令電流Ｉｏを求めた交点Ｐ´における接線の傾きＫを持つ直線を用いてΔＢＬだけずらして電流を補正する。補正はＢＬ積がＢＬ（ｅｘ）となる電流値Ｉ１を求めればよい。電流値Ｉ１が求まれば、ＢＬ（ｉｄ）となる電流値Ｉ１に設定する指令電流Ｉｒを生成できる。このような方法によって、走査電磁石３のヒステリシスの影響による荷電粒子ビーム１の位置ずれを許容範囲内にすることができる。

一点鎖線の直線γは電流値Ｉ（ｉｄ）における中心線βの接線と同じ傾きＫの直線である。傾きＫは（１）式のように表わせ、補正後の電流値Ｉ１は（２）式のように表わせる。

ここでΔＢＬはＢＬ（ｍｅ）−ＢＬ（ｅｘ）である。電流補正データＩａにより設定される補正電流値ΔＩはΔＢＬ／Ｋである。

次に、粒子線治療装置５１の非常停止処理を行う場合を考える。上述したように非常停止処理は不測の事態により、照射を中断する処理である。非常停止処理を行わなければならない状況は、例えば、位置モニタ７により検出した荷電粒子ビーム１の測定位置座標Ｐｓや測定ビームサイズＳｓが許容値を超えた場合や、患者２４の具合が悪くなったりする等の不測の事態が起こった状況である。実施の形態１の粒子線照射装置５８は、図３では患者の動きを検出する患者センサ７８を備えた場合を示したが、具合が悪くなったことを患者２４自らが知らせる患者コールボタン（図示せず）や、緊急時に、医者・技師等が操作により照射を停止することができるための照射停止ボタン（図示せず）を備えている。患者センサ７８、患者コールボタン、照射停止ボタン、位置モニタ７は、不測の事態の場合にビーム照射を停止し、安全を確保するためのインターロック機能を働かせるインターロック信号を生成するためのインターロック情報入力器８４となる。インターロック情報入力器８４は、患者センサ７８、患者コールボタン、照射停止ボタン、位置モニタ７から出力された信号からインターロック信号を生成する信号生成器を有している。

前述したとおりインターロック処理（非常停止処理）は瞬時性が求められるので、この信号処理は、メイン制御器７０たる照射系共通計算機（照射管理装置３２）が行うようにするのがよい。本発明の実施の形態１によるメイン制御器７０たる照射管理装置３２は、以下の特徴を備える。

患者センサ７８で検出した信号（患者信号）から、患者２４の動きが所定の範囲を超えた場合に、照射を停止すると判断する。位置モニタ７が検出した荷電粒子ビーム１の測定位置座標Ｐｓや測定ビームサイズＳｓが所定の範囲（許容値）を超えた場合（荷電粒子ビーム１の品質が悪くなる場合に相当する）に、照射を停止すると判断する。また、緊急時に患者２４が患者コールボタンの操作によって不具合の意志を表した場合や、緊急時に医者・技師等が照射停止ボタンのボタン操作によって照射停止の意志を表した場合、同様に照射を停止すると判断する。メイン制御器７０たる照射管理装置３２は、加速器系６０（加速器５４、ビーム輸送系５９）をも制御しているため、照射の停止を判断した場合に、加速器系６０を制御し、荷電粒子ビーム１のビーム照射の停止をすることができる。なお、患者センサ７８により検出する患者２４の動きにおける所定の範囲とは、患者２４の通常の呼吸を行っている際の移動範囲に相当する検出値にマージンを追加したものである。患者２４の動きを検出し、所定の範囲を超えたか否かを判定する方法は、後述する。

実施の形態１による照射管理装置３２は、さらに以下の特徴を備える。前述のとおり照射管理装置３２は、事前照射に基づいて生成した補正データＩａと走査電磁石３への制御入力を出力する指令値生成器を有する。すなわち、照射管理装置３２は、指令値生成器により予め補正された制御入力を、シーケンシャルなデータとして保有していることになる。シーケンシャルなデータとは、ステップ（所定の時間に実行される個別処理）ごとに実行する形式のデータをいう。目標照射位置座標Ｐｉがシーケンシャルなデータとして与えられているため、その目標照射位置座標Ｐｉに対応した走査電磁石３への制御入力も、シーケンシャルなデータとして必要である。照射管理装置３２は、インターロック情報入力器により生成されたインターロック信号に基づいて、前記照射停止を判断し、照射停止をした場合、このときの目標照射位置座標Ｐｉ（すなわち停止位置座標）に対応したステップ（停止ステップ）を、内蔵する停止ステップ記憶メモリに記憶する。例えば、あるスライスにおける目標照射位置座標Ｐｉに対応した制御入力を、出力したステップ番号ｎを記憶する（停止ステップ記憶手順）。なお、停止ステップ記憶メモリは、照射管理装置３２の内部にある場合に限らず、外部にあっても構わない。

実施の形態１による照射管理装置３２は、さらに以下の特徴を備える。粒子線治療の１回の治療時間は３０分ほどであり、そのうちの照射時間も数分程度である。このような時間中、患者２４の気分が悪くなる、咳き込んでしまう、あるいは荷電粒子ビーム１の品質が悪くなる等、不測の事態がないとは言い切れない。位置モニタ７が検出した荷電粒子ビーム１の測定位置座標Ｐｓや測定ビームサイズＳｓが所定の範囲（許容値）を超えた場合は、荷電粒子ビーム１の品質が悪くなる場合に相当する。この場合、センサによるセンシングもしくはボタン等の操作により照射を停止し、治療を中断する。前記不測の事態が解消し、照射を再開する場合、照射管理装置３２は、ビームを照射しない状態で、例えば、スライスにおける最初のステップから走査電磁石３を制御する（空運転手順）。このビームを照射しないで走査電磁石３を制御することを、ここでは「空運転する」とよぶことにする。また、空運転を開始するステップを開始ステップとよぶことにする。

これは、単に中断した照射位置から照射を再開したならば、走査電磁石３の励磁パターンを途中から行うことになってしまうが、スライスにおける最初のステップから走査電磁石３を制御すれば、事前照射のときと同一の励磁パターンで制御が実施されるためである。もちろん、ここでビームを照射してしまっては、重複的な照射となってしまうため、空運転することに意味がある。このことにより、事前照射に基づいた補正が有効となり、中断がなかったときと同レベルに高精度なビーム照射が実現できるようになる。

前記空運転は、再現性の観点からスライスにおける最初のステップから行うのが望ましいが、経験的に所定のステップ前（所定のスポット数前）から行うのでも、相応の効果が得られることがわかっている。そこで、実施の形態１においては、開始ステップをスライスにおける最初のステップ又は停止位置に対応したステップよりもあらかじめ設定された所定ステップ前に選択するにしている。すなわち、スライスにおける最初のステップから空運転するか、停止位置に対応したステップよりもあらかじめ設定された所定ステップ前から空運転するか、医者・技師等の操作者が選べられるようにしている。

ここで、どのくらいの所定ステップ前がよいか、その決定方法について説明する。有効な空運転のステップ数は、もっぱら走査電磁石３の規模や性能に依存するところが大きい。そこで、実際に中断状況を意図的に再現し、実験によって異なるステップ数でその効果を確認し、決定するのがよい。場合によっては、前のスライスの途中から空運転が行われることもあり得る。このように、スライスにおける最初のステップを超えた前のステップから空運転をする場合であっても構わない。

最後に、照射管理装置３２は、中断によって未照射となった部分を照射するように粒子線照射装置５８を制御しなければならない。そこで、照射管理装置３２は、空運転が前記停止位置に対応したステップまで実行された後、停止ステップの次の再開ステップからビーム照射を開始するよう加速器系６０（加速器５４、ビーム輸送系５９）を制御して、残りのステップを実行できるようにしている（照射開始手順）。スライスを変更する際に荷電粒子ビーム１を停止し、同一スライス内を照射する際には荷電粒子ビーム１を照射し続ける照射方法の場合は、照射位置、その照射位置における照射線量もシーケンシャルな時間管理（ステップ管理）で再現できる。すなわち、中断した停止位置である照射スポットの照射線量が目標線量Ｄｏに達しいていない場合でも、途中の照射線量から再開し、その照射スポットの照射線量が目標線量Ｄｏに達してから次の照射スポットに移ることができる。

照射管理装置３２の特徴を説明したが、粒子線治療装置５１の非常停止処理の流れを、図６を用いてまとめる。図６は、実施の形態１による粒子線治療装置における、ビーム停止及び再開手順を示すフロー図である。治療中に、患者２４の気分が悪くなる、咳き込んでしまう、あるいは荷電粒子ビーム１の品質が悪くなる等、不測の事態が発生すると、照射管理装置３２は、インターロック情報入力器により生成されたインターロック信号に基づいて、前記照射停止を判断し、照射停止を行う。照射管理装置３２は、照射停止をした場合、このときの目標照射位置座標Ｐｉ（すなわち停止位置座標）に対応したステップを記憶する。例えば、あるスライスにおける目標照射位置座標Ｐｉに対応した制御入力を、出力したステップ番号ｎを記憶する（ステップＳ１、停止ステップ記憶手順）。前記不測の事態が解消し、照射を再開する場合、照射管理装置３２は、所定の開始ステップから停止ステップまでビーム照射を行わずに走査電磁石電源４を作動させ、走査電磁石３の磁場励磁のみを行う（ステップＳ２、空運転手順）。照射管理装置３２は、空運転が前記停止位置に対応したステップまで実行された後、停止ステップの次の再開ステップから加速器系６０（加速器５４、ビーム輸送系５９）を制御して、ビーム照射を再開する（ステップＳ３、照射開始手順）。

以上により、実施の形態１による粒子線治療装置５１では、患者の具合が悪くなる等の不測の事態が起きた場合でも、センサ又はボタン等の操作によって照射を中断することができ、ビームを照射しない状態でスライスにおける最初のステップ又は所定のステップ前（開始ステップ）から走査電磁石３を制御するため、走査電磁石３の励磁パターンを事前照射と同じにでき、事前照射に基づいた補正（すなわち事前照射で得た情報）を有効にでき、もって高精度なビーム照射を実現することができる。したがって、治療中に非常停止処理がされた場合でも、走査電磁石３のヒステリシスの影響を排除し、中断した照射位置から高精度なビーム照射を再開することができる。

患者２４の動きを検出し、所定の範囲を超えたか否かを判定する方法について説明する。前述した患者センサ７８により、平常時の呼吸によって生じる変化を呼吸信号として測定し、基準となる呼吸信号（基準呼吸信号）の時間変化波形である基準患者状態波形を予め取得しておく。本照射の際に患者センサ７８により測定する呼吸信号（実呼吸信号）から生成した実患者状態波形を基準患者状態波形と比較して、この実患者状態波形と基準患者状態波形との差が所定の範囲を超えた否かを判定する。基準呼吸信号を測定する際の患者センサ７８は、治療時の呼吸信号を測定する患者センサ７８と同じタイプ（測定原理が同じもの）のものを使用する。

基準呼吸信号は、きれいな三角関数であることはないが、ほぼ一定周期の信号なので、最も近い三角関数に変換してゲイン（三角関数の振幅）および位相を算出することを考える。基準呼吸信号Ｒ_ｔｊ（ｔ）を例えば、式（３）に示すようにフーリエ級数展開した場合に展開される０次項からｎ次項のうち、式（４）に示すように、その一次項に相当する対をなす三角関数の係数ａ_１、ｂ_１を算出し、算出した係数ａ_１、ｂ_１を呼吸信号の状態を示す記述関数として規定する。つまり、基準呼吸信号のうち、定数項と高周波成分をのぞいた基本波形成分を構成する余弦関数と正弦関数の係数ａ_１、ｂ_１を計算する。図７（ａ）に、基準呼吸信号Ｒ_ｔｊ（ｔ）と、式（２）で得られたａ_１、ｂ_１からなる記述関数を波形表示した。

上記のように抽出した記述関数を構成するａ_１、ｂ_１から、式（５）に示すようにゲインＧ_ｒｅｓを、式（６）に示すように位相φ_ｒｅｓを得ることができる。

図７は基準呼吸信号及び実呼吸信号を示す図である。図７（ａ）は基準呼吸信号を示す図であり、図７（ｂ）は実呼吸信号を示す図である。横軸は時間であり、縦軸は呼吸信号Ｒ（ｔ）の信号値である。基準呼吸信号Ｒ_ｔｊ（ｔ）の周期はＴ_ｒｅsであり、実呼吸信号Ｒ_ｒｌ（ｔ）の周期はＴ_ｒｅs１である。ＢＬは基準呼吸信号Ｒ_ｔｊ（ｔ）や実呼吸信号Ｒ_ｒｌ（ｔ）のベースラインである。実呼吸信号Ｒ_ｒｌ（ｔ）は、不規則な信号である。しかし、例えば、基準呼吸信号Ｒ_ｔｊ（ｔ）の周期Ｔ_ｒｅsに基づいた正弦波信号や、基準呼吸信号Ｒ_ｔｊ（ｔ）に基づいて呼吸誘導を行うと、実呼吸信号Ｒ_ｒｌ（ｔ）も基準呼吸信号Ｒ_ｔｊ（ｔ）と同じ周期を有する周期関数になる。その呼吸特性を利用することにより、実呼吸信号Ｒ_ｒｌ（ｔ）についても、基準呼吸信号Ｒ_ｔｊ（ｔ）と同様に、式（４）に示すようにフーリエ級数展開をした場合の一次項に相当する対をなす三角関数の係数ａ_１、ｂ_１からなる記述関数を計算することができる。

患者２４の動きを検出し、所定の範囲を超えたか否かを判定する場合には、実呼吸信号Ｒ_ｒｌ（ｔ）の周期Ｔ_ｒｅs１は、基準呼吸信号Ｒ_ｔｊ（ｔ）の周期Ｔ_ｒｅsにほぼ一致していればよい。ゲインＧ_ｒｅｓ及び位相φ_ｒｅｓに所定の範囲を設け、このゲインＧ_ｒｅｓや位相φ_ｒｅｓの範囲を所定の範囲とすることができる。例えば患者が咳き込んだ場合、実呼吸信号のゲインと位相は、急激に変動するので、ゲインＧ_ｒｅｓ及び位相φ_ｒｅｓが所定の範囲を超え、患者が咳き込んだ動きを検出することができる。また、患者が睡眠状態に陥ると、実呼吸信号のゲインは段々と小さくなり、また実呼吸信号の位相は基準呼吸信号の位相と相関がなくなってくる。この場合もゲインＧ_ｒｅｓ及び位相φ_ｒｅｓに適切な範囲を設けることで、患者が睡眠状態に陥ったことや、睡眠状態になろうとする兆候を検出することができる。

以上のように実施の形態１の粒子線治療装置によれば、荷電粒子ビーム１の目標照射位置座標Ｐｉに基づいて走査電磁石３を制御する照射管理装置３２と、荷電粒子ビーム１の測定位置座標Ｐｓを測定する位置モニタ７と、不測の事態が発生した際に荷電粒子ビーム１の照射を停止するインターロック信号を生成するインターロック情報入力器８４と、を備え、照射管理装置３２は、走査電磁石３の励磁パターンが本照射の計画と同一である事前照射において位置モニタ７により測定された測定位置座標Ｐｓ及び目標照射位置座標Ｐｉに基づいて生成された補正データＩａと目標照射位置座標Ｐｉとに基づいて走査電磁石３への制御入力Ｉｏ（Ｉｒ）を出力する指令値生成器と、インターロック情報入力器８４からインターロック信号が生成した場合に、荷電粒子ビーム１の照射が停止した目標照射位置座標Ｐｉに対応した停止ステップを記憶する停止ステップ記憶メモリと、を有し、照射管理装置３２は、荷電粒子ビーム１の照射を再開する場合に、停止ステップよりも前のステップであって、本照射の最初の目標照射位置座標に対応した起点ステップとは異なる開始ステップから、荷電粒子ビーム１を照射しない状態で、停止ステップまで走査電磁石３を制御する空運転を実行し、停止ステップに対応した目標照射位置座標Ｐｉから荷電粒子ビーム１を照射するので、治療中に非常停止処理がされた場合に、停止ステップよりも前のステップであって、起点ステップとは異なる開始ステップから、走査電磁石３への制御入力を含む照射指令データに基づいて空運転し、中断した照射位置からビーム照射を開始するので、走査電磁石３のヒステリシスの影響を排除し、中断した照射位置から高精度なビーム照射を再開することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、治療中断後の再開時の走査電磁石３の空運転にについて述べたが、実施の形態２では、走査電磁石３の空運転の前の電磁石の初期化方法に関して述べる。

図８は、本発明の実施の形態２による粒子線治療装置における、ビームパスに沿って患部にビームが走査されることを示した模式図である。走査電磁石３によって走査された荷電粒子ビーム１が、照射対象１５である癌等の患部の各層（スライス）に対して照射経路１４（ビームパスともいう）に沿って照射される。走査型の粒子線治療装置５１においては、各層ごとの前記ビームパス１４は治療計画装置を用いて作成される。治療計画装置では、癌患部をできるだけ最短経路でかつ、正常組織への不要な照射がないように最適な治療計画を立案する。治療計画装置には最適化を実施する計算機が組み込まれており、最適な経路は計算機によって求められる。求まった経路に対してそれが適切であるかどうかは、最終的には、治療の主体（責任者）である医師が判断する。作成されたビームパス１４に沿って荷電粒子ビーム１が走査されるよう、Ｘ方向走査電磁石３ｘとＹ方向走査電磁石３ｙは、照射管理装置３２により制御され、走査電磁石電源４（パターン電源ともいう）より駆動電流（指令電流）が供給される。

図９は、実施の形態２による粒子線治療装置の走査電磁石のヒステリシス特性を示した図である。図９（ａ）はＸ方向走査電磁石３ｘのヒステリシス特性を示し、図９（ｂ）はＹ方向走査電磁石３ｙのヒステリシス特性を示している。図９に示すように、走査電磁石の材料である磁性材料がヒステリシス特性を有している。図９において、横軸は、入力された指令電流により発生する磁場強度Ｈを表し、縦軸は磁束密度Ｂを表す。αｘはＸ方向走査電磁石３ｘの最大ヒステリシス曲線であり、αｙはＹ方向走査電磁石３ｙの最大ヒステリシス曲線である。ヒステリシス特性とは、図９に示したように、磁場強度Ｈが決まってもそれだけでは磁束密度Ｂが一意に決まらない関係をいう。走査電磁石３においては、患部毎に最適化されたビームパス１４を実現するため、患部毎に異なるパターンで励磁される。そのため、走査電磁石３がたどるＢＨ平面上のＢＨ履歴曲線は、ビームパス毎に異なる。

例えば、あるパターンで励磁した場合には、走査電磁石３は図９における細い実線２６ａ、２７ａのようなＢＨ履歴曲線をたどる。粒子線治療装置５１は、人体を対象とした治療装置であるため、不測の事態が発生した場合には、照射を停止する。照射を停止した停止位置（停止スポット）におけるヒステリシス曲線上の点は、Ｐ１ｘ、Ｐ１ｙである。その後、安全を確認した後に照射を再開する。再開した際には、停止する前の走査電磁石３の状態を再現した上で、再開を行う必要がある。走査電磁石３の状態を再現するためには、そのときの、磁束密度Ｂと、磁場強度Ｈと、磁場時間勾配ｄＨ／ｄｔを同一とする必要がある。そのため、荷電粒子ビーム１の照射を開始する前には、例えばＢ＝０、Ｈ＝０、ｄＨ／ｄｔ＝０など、走査電磁石３が常に同じ状態から照射が開始されるよう、すなわち走査電磁石３の状態をＢＨ平面で表したときに常に同じ点Ｐ１ｘ、Ｐ１ｙからＢＨ履歴曲線が開始されるよう、走査電磁石３の初期化を行うことが有効である。破線２６ｂ、２７ｂは照射を止めずに走査電磁石３を制御した場合のＢＨ履歴曲線である。走査電磁石３の初期化と実施の形態１で説明した空運転により、ＢＨ平面で表したときに常に同じ点Ｐ１ｘ、Ｐ１ｙからＢＨ履歴曲線が開始することができる。

走査電磁石３の初期化は、例えば走査電磁石３に対して、仕様の範囲内である＋Ｈ方向の最大値に励磁し、その後−Ｈ方向の最大値に励磁するなど、所定の励磁パターンを与える。このように最大値で励磁することによって、走査電磁石３の材料である磁性材料にある残留磁場をなくすことが期待できる。なお、走査電磁石３の初期化は、Ｂ＝０、Ｈ＝０、ｄＨ／ｄｔ＝０に限らず、再現性が確保できればよいので、オフセットがあってもよい。

実施の形態１では、空運転前に走査電磁石３の初期化を行わない例で説明した。実施の形態１では、まれではあるが、空運転でも走査電磁石３のヒステリシスの影響を排除が十分でない場合も起こり得る。走査電磁石３のヒステリシスの影響を排除が十分でない場合には、ビーム照射の位置精度が多少落ちる場合がある。しかし、実施の形態２では、空運転の前に走査電磁石３の初期化を行うので、走査電磁石３のヒステリシスの影響を十分に排除することができる。

なお、走査電磁石３の状態を調整する方法として、補助コイルを用いることも考えられる。走査電磁石３への指令値が０の場合、すなわち、走査電磁石電源４からの駆動電流がなく走査電磁石３が励磁されていない場合、本来磁束密度Ｂは０とならなければならない。しかし図９に示したとおりに、ヒステリシス特性によって磁束密度Ｂは０とならない場合がある。このときに、走査電磁石３内に設けた補助コイルに電流を送り制御して、残留磁場を打ち消すように磁束密度Ｂを０にすることができる。このような方法によっても、走査電磁石３の状態を、常に同じ（例えば、ＢＨ平面内における原点や、図９における停止位置Ｐ１ｘ、Ｐ１ｙ）にして、ビーム照射を開始することができる。空運転の前の走査電磁石３の初期化は、上述したしたように磁束密度Ｂを０にすることに限らず、再現性が確保できればよいので、オフセットがあってもよい。

図１０を用いてビーム停止及び再開手順を説明する。図１０は、実施の形態２による粒子線治療装置における、ビーム停止及び再開手順を示すフロー図である。実施の形態２のビーム停止及び再開手順は、実施の形態１のビーム停止及び再開手順とは、走査電磁石３を初期化する手順（ステップＳ１０）が追加され、空運転の開始点が本照射における最初のステップ、すなわち最初のスライスにおける最初のステップから走査電磁石３を制御する（ステップＳ１１、空運転手順）点で異なる。

治療中に、不測の事態が発生すると、照射管理装置３２は、インターロック情報入力器により生成されたインターロック信号に基づいて、前記照射停止を判断し、照射停止を行う。照射管理装置３２は、中断ステップを記憶する（ステップＳ１、停止ステップ記憶手順）。照射管理装置３２は、走査電磁石３の初期化を行う（ステップＳ１０、磁場初期化手順）。走査電磁石３の初期化は、上述した方法を用いることができる。磁場初期化のあとに、照射管理装置３２は、本照射における最初のステップから停止ステップまでビーム照射を行わずに走査電磁石電源４を作動させ、走査電磁石３の磁場励磁のみを行う（ステップＳ１１、空運転手順）。実施の形態１と同様に、ビーム照射を再開する（ステップＳ３、照射開始手順）。

磁場初期化のあとに空運転を行うことで、照射再開の状態（すなわちＢＨ平面におけるＢＨ履歴曲線）、Ｂ＝Ｂ_０、Ｈ＝Ｈ_０、ｄＨ／ｄｔ＝Ｈ’_０を再現できる。ただし、Ｂ_０は照射中断前の磁束密度であり、Ｈ_０は照射中断前の磁場強度であり、Ｈ’_０は照射中断前の磁場時間勾配である。

このシーケンスを採用した場合の効果は、照射の途中で中断を行ったとしても、同一のＢＨ履歴曲線をたどった同一の走査電磁石３の状態で照射を再開でき、照射スポットの位置ずれを最小限に抑えることが可能である。なお、ここでは照射中断前の状態Ｂ＝Ｂ_０、Ｈ＝Ｈ_０、ｄＨ／ｄｔ＝Ｈ‘_０を再現するための例として、最大励磁してから最小励磁する方法や補助コイルを用いる例を示したが、Ｂ＝Ｂ_０、Ｈ＝Ｈ_０、ｄＨ／ｄｔ＝Ｈ’_０を治療再開時に再現可能な走査電磁石３の初期化方法は同様に効果を持ち、本発明を限定することを意図したものではない。

以上のように実施の形態２の粒子線治療装置５１は、空運転を行う前に磁場初期化を行うので、実施の形態１よりも走査電磁石３のヒステリシスの影響を十分に排除することができる。

なお、スライスを変更する際に荷電粒子ビーム１を停止し、同一スライス内を照射する際には荷電粒子ビーム１を照射し続ける照射方法の場合は、走査電磁石３に磁場センサを設け、各スライスにおけるビーム照射前に磁場センサにより残留磁場を測定することもできる。残量磁場を測定しておけば、空運転を行う前にスライスにおける最初のステップに戻った際に、その残量磁場の測定値に基づいて走査電磁石３の初期化を行うことができる。また、空運転を行う前に、空運転を開始するスライスにおける最初のステップの残量磁場の測定値に基づいて走査電磁石３の初期化を行うことができる。また、空運転を行う前に走査電磁石３の初期化を行うことができるので、ビーム照射を中断したスライスにおける最初のステップ又は所定のステップ前から運転を行うことができる。この場合のビーム停止及び再開手順を図１１に示す。

図１１は、実施の形態２による粒子線治療装置における、他のビーム停止及び再開手順を示すフロー図である。図１１は、図１０とはステップＳ１１が実施の形態１で説明したステップＳ２に変更された点で異なる。走査電磁石３は、スライスのそれぞれにおいて、その最初の目標照射位置座標Ｐｉにおける磁場が磁場センサにより測定される。照射管理装置３２は、空運転を開始するスライスにおける最初の目標照射位置座標Ｐｉにおける磁場の測定値に基づいて、走査電磁石３の初期化処理を行う。この方法によれば、照射対象１５が大きく、照射ステップ数が多い場合に、最後の方のスライスで照射の中断が生じても、本照射の最初のステップから空運転せずに、中断したスライスにおける最初のステップから空運転を行うので、空運転の時間を短縮することができる。

実施の形態１では、空運転の開始ステップとして、再現性の観点からスライスにおける最初のステップから行うのが望ましいが、実験的に確認した所定のステップ前（所定のスポット数前）から行う場合でも、相応の効果が得られることを説明した。この方法を適用すると、スライスにおける最初の目標照射位置座標Ｐｉにおける磁場の測定値に基づいて、走査電磁石３の初期化処理を行う場合に限らず、例えばＢ＝０、Ｈ＝０、ｄＨ／ｄｔ＝０などの所定の初期化条件にて走査電磁石３の初期化処理を行う場合でも、走査電磁石３のヒステリシスの影響を十分に排除することができ、照***度を範囲内にすることができる。

なお、実施の形態１及び２では、スライスを変更する際に荷電粒子ビーム１を停止し、同一スライス内を照射する際には荷電粒子ビーム１を照射し続ける照射方法で説明したが、これに限定されることなく、照射スポット毎に荷電粒子ビーム１の停止するスポットスキャニングや、ラスタースキャニング等の他の照射方法にも適用できる。

１…荷電粒子ビーム、３、３ａ、３ｂ、３ｘ、３ｙ…走査電磁石、７…位置モニタ、１５…照射対象、２４…患者、３２…照射管理装置、５１…粒子線治療装置、５４…加速器、７８…患者センサ、８４、８４ａ、８４ｂ…インターロック情報入力器、Ｉａ…電流補正データ、Ｉｏ、Ｉｒ…指令電流、Ｐｉ…目標照射位置座標、Ｐｓ…測定位置座標。

Claims (8)

1. 加速器により加速され、走査電磁石で走査された荷電粒子ビームを患者の患部に照射する粒子線治療装置であって、
   前記荷電粒子ビームの目標照射位置座標に基づいて前記走査電磁石を制御する照射管理装置と、
   不測の事態が発生した際に前記荷電粒子ビームの照射を停止するインターロック信号を生成するインターロック情報入力器と、を備え、
   前記照射管理装置は、前記走査電磁石への制御入力を出力する指令値生成器と、
   前記インターロック情報入力器から前記インターロック信号が生成した場合に、前記荷電粒子ビームの照射が停止した前記目標照射位置座標に対応した停止ステップを記憶する停止ステップ記憶メモリと、を有し、
   前記照射管理装置は、前記荷電粒子ビームの照射を再開する場合に、前記荷電粒子ビームを照射しない状態で、前記停止ステップよりも前のステップであって、本照射の最初の前記目標照射位置座標に対応した起点ステップとは異なる開始ステップから、前記停止ステップまで前記走査電磁石を制御する空運転を実行し、前記停止ステップに対応した前記目標照射位置座標から前記荷電粒子ビームを照射することを特徴とする粒子線治療装置。
2. 前記照射管理装置は、前記患部を運動エネルギーに応じた層であるスライス毎に前記荷電粒子ビームを走査し、
   前記開始ステップは、前記荷電粒子ビームの照射が停止した前記スライスにおける最初の前記目標照射位置座標に対応したステップであることを特徴とする請求項１記載の粒子線治療装置。
3. 前記照射管理装置は、前記患部を運動エネルギーに応じた層であるスライス毎に前記荷電粒子ビームを走査し、
   前記開始ステップは、前記荷電粒子ビームの照射が停止した前記スライスにおけるステップであって、かつ前記停止ステップから所定のステップ数だけ前のステップであることを特徴とする請求項１記載の粒子線治療装置。
4. 加速器により加速され、走査電磁石で走査された荷電粒子ビームを患者の患部に照射する粒子線治療装置であって、
   前記荷電粒子ビームの目標照射位置座標に基づいて前記走査電磁石を制御する照射管理装置と、
   不測の事態が発生した際に前記荷電粒子ビームの照射を停止するインターロック信号を生成するインターロック情報入力器と、を備え、
   前記照射管理装置は、前記患部を運動エネルギーに応じた層であるスライス毎に前記荷電粒子ビームを走査し、
   前記照射管理装置は、前記走査電磁石への制御入力を出力する指令値生成器と、
   前記インターロック情報入力器から前記インターロック信号が生成した場合に、前記荷電粒子ビームの照射が停止した前記目標照射位置座標に対応した停止ステップを記憶する停止ステップ記憶メモリと、を有し、
   前記照射管理装置は、前記荷電粒子ビームの照射を再開する場合に、前記荷電粒子ビームを照射しない状態で、前記荷電粒子ビームの照射が停止した前記スライスにおける最初の前記目標照射位置座標に対応したステップである開始ステップから、前記停止ステップまで前記走査電磁石を制御する空運転を実行し、前記停止ステップに対応した前記目標照射位置座標から前記荷電粒子ビームを照射することを特徴とする粒子線治療装置。
5. 前記インターロック情報入力器は、前記患者の動きを検出する患者センサと、
   前記患者センサからの検出信号が所定の範囲を超えた場合に、前記インターロック信号を生成する信号生成器と、を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の粒子線治療装置。
6. 前記インターロック情報入力器は、不測の事態が発生した際に押される照射停止ボタンと、
   前記照射停止ボタンからの信号に基づいて、前記インターロック信号を生成する信号生成器と、を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の粒子線治療装置。
7. 前記照射管理装置は、前記荷電粒子ビームの照射を再開する場合に、前記空運転の前に前記走査電磁石の初期化処理を行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の粒子線治療装置。
8. 前記走査電磁石の磁場を測定する磁場センサを備え、
   前記照射管理装置は、前記患部を運動エネルギーに応じた層であるスライス毎に前記荷電粒子ビームを走査し、
   前記走査電磁石は、前記スライスのそれぞれにおいて、その最初の前記目標照射位置座標における磁場が前記磁場センサにより測定され、
   前記照射管理装置は、前記空運転を開始する前記スライスにおける最初の前記目標照射位置座標における磁場の測定値に基づいて、前記走査電磁石の初期化処理を行うことを特徴とする請求項７記載の粒子線治療装置。

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