JP6599752B2 - 加速器の制御装置及びその制御方法、粒子線治療装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、荷電粒子ビーム（以下、ビームと略称する。）を加速する加速器の制御装置及びその制御方法、粒子線治療装置に関する。

一般に、粒子加速器は、電磁石によりビームの偏向及び収束を行っている。シンクロトロンの場合は、偏向電磁石によりビームが円形軌道を周回するようにしている。このような電磁石は、電磁石電源から電流が供給されて磁場を発生する。シンクロトロンでは、低エネルギーでビームを入射させて磁場強度を増加させながら、高周波電力によりビームにエネルギーを与えてビームを加速する。

上記電磁石電源に電流基準値を出力する技術がある。この技術は、例えば目的の磁場強度を発生させる電流パターンをパターンメモリに記憶させ、このパターンメモリに記憶された電流パターンをクロック信号に同期して出力する方法である。

ところで、磁場強度が高い状態では、電磁石に使用する鉄心の磁気余効と称される事象が発生する問題がある。この磁気余効とは、磁束密度が高い電磁石では、電流を立ち上げてから一定値に移行しても磁場強度がわずかに増加又は減少する事象である。この事象は、ビーム取出し時にビームの軌道を変えていくため、好ましくない。

ビーム軌道を高精度に制御して時間をかけて徐々にビームを取り出す装置には、重粒子線を用いてがんを治療する粒子線治療装置がある。この粒子線治療装置では、できる限りビームの変動を少なくして、ビームを取り出すことが要求される。

粒子線治療装置は、治療時間の短縮のため、ビーム取出し時、すなわちクロック信号の停止により電流基準値が一定になってから、できるだけ高速に出射動作を行うことが要求される。そのため、粒子線治療装置では、電流基準値が一定の間に発生する磁気余効の影響を考慮する必要がある。

このような磁気余効によるビーム変動を抑制する従来の制御装置には、上記のパターンメモリに加え、第２のパターンメモリ（以下、補正装置という。）を設け、この補正装置により磁気余効の影響を補正するようにしている。

ビームの出射エネルギーが複数種類存在する場合は、磁気余効の影響による電流基準の補正量が出射エネルギーにより異なる。これに対応するため、上記補正装置は、補正メモリ部を出射エネルギー毎に複数備え、これらを切り替えることで、補正するようにしている。

特開２０１１−１２４１４９号公報 特開２００９−１１７１１１号公報 特開２０１５−２８８７６号公報

しかしながら、上述した磁気余効によるビーム変動を抑制する従来の制御装置では、例えば複数種類等、出射エネルギーの種別（以下、エネルギー種別という。）を複数に細分化して制御する場合、複数種類の補正パターンメモリ部を備えるのは、必要なメモリ量が増大する。

また、上記補正パターンメモリ部の補正パターンは、ビーム変動を測定しながら、変動がなくなるように、何度かデータを変更して調整していく必要がある。補正メモリ量が多い場合には、計算機から補正パターンを設定する時間も増大することから、実用上、補正パターンを調整していくことが困難である。

本実施形態が解決しようとする課題は、メモリ量を増大させることなく、補正パターンの設定時間を短縮し、磁気余効を適切に補正可能な加速器の制御装置及びその制御方法、粒子線治療装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本実施形態に係る加速器の制御装置は、電磁石に電磁石電源から電磁石電流を供給し、前記電磁石電源に電流制御のための電流パターンとして電流基準値を出力する加速器の制御装置であって、前記電流基準値を記憶して出力するパターンメモリと、前記パターンメモリに、前記電流パターンをリセットするリセットトリガー信号と、前記電流パターンの出力を更新するクロック信号とを出力し、補正開始・停止信号を出力するタイミング信号発生装置と、前記補正開始・停止信号を得て、この補正開始・停止信号がオン中に、前記電磁石による磁場強度が一定となるように、前記パターンメモリの前記電流基準値を演算にて補正し、補正後の電流基準値を出力する補正装置と、を備え、前記補正装置は、前記電流基準値に対する補正量の基本パターンが記憶された基本パターンメモリ部と、前記加速器の加速サイクルにおける最初のビーム出射の出射エネルギーに対応して前記補正量の係数が設定された係数テーブルメモリ部と、前記基本パターンメモリ部に記憶された前記基本パターンと、前記係数テーブルメモリ部から選択された係数とを乗算する乗算部と、を有することを特徴とする。
また、本実施形態に係る加速器の制御装置は、電磁石に電磁石電源から電磁石電流を供給し、前記電磁石電源に電流制御のための電流パターンとして電流基準値を出力する加速器の制御装置であって、前記電流基準値を記憶して出力するパターンメモリと、前記パターンメモリに、前記電流パターンをリセットするリセットトリガー信号と、前記電流パターンの出力を更新するクロック信号とを出力し、補正開始・停止信号を出力するタイミング信号発生装置と、前記補正開始・停止信号を得て、この補正開始・停止信号がオン中に、前記電磁石による磁場強度が一定となるように、前記パターンメモリの前記電流基準値を演算にて補正し、補正後の電流基準値を出力する補正装置と、を備え、前記補正装置は、前記電流基準値に対する補正量に近似した補正パターン近似式を作成する補正パターン近似式作成部と、前記補正パターン近似式の係数が前記加速器の加速サイクルにおける最初の出射エネルギーに対応して設定された近似式用係数テーブルメモリ部と、を有し、前記電流基準値に対する前記補正量を前記補正パターン近似式から演算することを特徴とする。

本実施形態の粒子線治療装置は、前記実施形態に記載された加速器の制御装置を備えたことを特徴とする。

本実施形態の加速器の制御方法は、電磁石に電磁石電源から電磁石電流を供給し、前記電磁石電源に電流制御のための電流パターンとして電流基準値を出力する加速器の制御装置を用いて前記加速器を制御する加速器の制御方法であって、前記電流基準値をパターンメモリが記憶して出力する工程と、タイミング信号発生装置が前記パターンメモリに、前記電流パターンをリセットするリセットトリガー信号と、前記電流パターンの出力を更新するクロック信号とを出力し、補正開始・停止信号を出力する工程と、前記補正開始・停止信号を得て、この補正開始・停止信号がオン中に、前記電磁石による磁場強度が一定となるように、補正装置が前記パターンメモリの前記電流基準値を演算にて補正し、補正後の電流基準値を出力する補正工程と、を有し、前記補正工程は、基本パターンメモリ部に記憶された前記電流基準値に対する補正量の基本パターンと、係数テーブルメモリ部に記憶された前記加速器の加速サイクルにおける最初のビーム出射の出射エネルギーに対応して設定された前記補正量の係数と、を用いて、前記基本パターンメモリ部に記憶された前記基本パターンと、前記係数テーブルメモリ部から選択された係数とを乗算する工程を有する、ことを特徴とする。
また、本実施形態の加速器の制御方法は、電磁石に電磁石電源から電磁石電流を供給し、前記電磁石電源に電流制御のための電流パターンとして電流基準値を出力する加速器の制御装置を用いて前記加速器を制御する加速器の制御方法であって、前記電流基準値をパターンメモリが記憶して出力する工程と、タイミング信号発生装置が前記パターンメモリに、前記電流パターンをリセットするリセットトリガー信号と、前記電流パターンの出力を更新するクロック信号とを出力し、補正開始・停止信号を出力する工程と、前記補正開始・停止信号を得て、この補正開始・停止信号がオン中に、前記電磁石による磁場強度が一定となるように、補正装置が前記パターンメモリの前記電流基準値を演算にて補正し、補正後の電流基準値を出力する補正工程と、を有し、前記補正工程は、補正パターン近似式作成部により作成された前記電流基準値に対する補正量に近似した補正パターン近似式と、近似式用係数テーブルメモリ部により前記加速器の加速サイクルにおける最初の出射エネルギーに対応して設定された設定された前記補正パターン近似式の係数と、を用いて、前記電流基準値に対する前記補正量を前記補正パターン近似式から演算する工程を有する、ことを特徴とする。

本実施形態によれば、メモリ量を増大させることなく、補正パターンの設定時間を短縮し、磁気余効を適切に補正することが可能になる。

第１実施形態の加速器の制御装置を示すブロック図である。 図１の補正装置の内部構成を示すブロック図である。 図２の補正開始・停止信号及び基本パターン出力信号を示す波形図である。 図２の係数テーブルメモリ部に記録された係数テーブルの一例を示す説明図である。 図１のパターンメモリの動作を示すタイミングチャートである。 図１のパターンメモリ及び補正装置の動作を示すタイミングチャートである。 第２実施形態の補正装置の内部構成を示すブロック図である。 図７の補正クロック周期、タイミング変更部が備えた周期テーブルを示す説明図である。 図７の補正クロック周期、タイミング変更部が備えた遅れ時間テーブルを示す説明図である。 第２実施形態において周期係数変更及び遅れ時間遅れ設定での補正データ信号を示す波形図である。 第３実施形態の補正装置の内部構成を示すブロック図である。 図１１の近似用係数テーブルメモリ部に記憶された近似式の計数ａのテーブルを示す説明図である。 図１１の近似用係数テーブルメモリ部に記憶された近似式の計数ｂのテーブルを示す説明図である。 図１１の補正パターン近似式作成部の出力波形図である。 第４実施形態の加速器の制御装置を示すブロック図である。 図１５の補正装置の内部構成を示すブロック図である。 第５実施形態の加速器の制御装置を示すブロック図である。 図１７の補正装置の内部構成を示すブロック図である。 第６実施形態の加速器の制御装置における補正装置の内部構成を示すブロック図である。 第７実施形態の加速器の制御装置における補正装置の内部構成を示すブロック図である。

以下、本実施形態に係る加速器の制御装置及びその制御方法について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、加速器を粒子線治療装置としての重粒子線治療装置に適用した例について説明する。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態の加速器の制御装置を示すブロック図である。図２は図１の補正装置の内部構成を示すブロック図である。図３は図２の補正開始・停止信号及び基本パターン出力信号を示す波形図である。図４は図２の係数テーブルメモリ部に記録された係数テーブルの一例を示す説明図である。図５は図１のパターンメモリの動作を示すタイミングチャートである。図６は図１のパターンメモリ及び補正装置の動作を示すタイミングチャートである。

図１に示すように、本実施形態の加速器は、シンクロトロン１、ビーム輸送機器１４、及び治療室照射装置１５を備える。

シンクロトロン１は、偏向電磁石２及び四極電磁石３等の電磁石を備える。偏向電磁石２には、電磁石電源４から電磁石電流Ａ０９が供給される。電磁石電源４は、交流電力を直流電力に変換する変換器５と、この変換器５を制御する電源制御装置６と、その他図示しない電流計測装置等と、から構成されている。電源制御装置６は、変換器５にゲート信号Ｓ１を出力する。

電源電流基準値生成部７は、パターンメモリ８及び補正装置２０を備える。このパターンメモリ８は、補正装置２０に補正前電流基準値Ａ０１を出力する。補正装置２０は、電源制御装置６に補正後電流基準値Ａ１５を出力する。タイミング信号発生装置９は、目的の磁場強度を発生させるための電流パターンをリセットするリセットトリガー信号Ｓ２と、電流パターンの出力データを更新するためのクロック信号Ｓ３をパターンメモリ８に出力する。また、タイミング信号発生装置９は、補正装置２０に補正開始・停止信号Ｓ６及びリセットトリガー信号Ｓ２を出力する。

高周波発生器１０は、高周波加速空洞１１内のビームに高周波電圧を印加し、ビームを加速する。タイミング信号発生装置９は、出射制御装置１２にビーム出射開始・停止信号Ｓ４を出力する。出射制御装置１２は、出射用機器１３に出射用電場Ａ１３を出力する。出射用機器１３は、出射用電場Ａ１３を得て、シンクロトロン１で加速されたビームを取り出す。ビーム輸送機器１４は、出射用機器１３から取り出されたビームを治療室照射装置１５まで輸送する。治療室照射装置１５では、照射対象である患者の患部にビームが照射されてがん治療が行われる。

次に、図２に基づいて補正装置２０の内部構成を説明する。

図２に示すように、補正装置２０は、エネルギー判定部２１、係数切替制御部２２を有する切替制御部２３、補正クロック発生部２４、基本パターンメモリ部２５及び係数テーブルメモリ部２６を有する補正メモリ部２７、乗算部２８、補正終了処理部２９、及び最終演算部３０を備える。

エネルギー判定部２１は、パターンメモリ８から出力された補正前電流基準値Ａ０１を得て、この補正前電流基準値Ａ０１によりエネルギー種別を判定し、エネルギー種別信号Ｓ９を切替制御部２３の係数切替制御部２２に出力する。

係数切替制御部２２は、エネルギー種別信号Ｓ９に応じて係数を選択し、この係数選択信号Ｓ１１を補正メモリ部２７の係数テーブルメモリ部２６に出力する。補正クロック発生部２４は、タイミング信号発生装置９から出力された補正開始・停止信号Ｓ６を得て、補正メモリ部２７の基本パターンメモリ部２５に補正クロック信号Ｓ８を出力する。

基本パターンメモリ部２５は、乗算部２８に基本パターン出力信号Ｓ１２を出力する。係数テーブルメモリ部２６は、乗算部２８に係数出力信号Ｓ１３を出力する。乗算部２８は、基本パターン出力信号Ｓ１２と係数出力信号Ｓ１３とを乗算し、その補正データ信号Ｓ７を最終演算部３０に出力する。補正終了処理部２９は、最終演算部３０にバンプレス制御電流補正値Ａ０３を出力する。

最終演算部３０は、バンプレス制御電流補正値Ａ０３と、補正前電流基準値Ａ０１と、補正データ信号Ｓ７とを加算し、補正後電流基準値Ａ１５を出力する。

ところで、本実施形態において、基本パターンメモリ部２５は、例えば図３に示すように１つの補正量のパターンを基本パターン出力信号Ｓ１２として図示しない計算機等から設定し、記憶しているものとする。係数テーブルメモリ部２６は、図４の係数テーブルメモリ例で示すように、前回のクロック信号Ｓ３を停止したエネルギーと、今回のクロック信号Ｓ３を停止するエネルギーのマトリクス表として表し、正負ありの浮動小数形式とする。

図４に示す係数テーブルメモリ例において、第１のエネルギーでクロック信号Ｓ３を停止し、その後再開し、第２のエネルギーをスルーし、第３のエネルギーでクロック信号Ｓ３を停止した場合と、第２のエネルギーでクロック信号Ｓ３を停止し、その後再開し、第３のエネルギーでクロック信号Ｓ３を停止した場合では、第３のエネルギーでの補正量が異なることから、これに対応するようにしている。

すなわち、これは図６に示すようにリセットトリガー信号Ｓ２から第１のエネルギーでクロック信号Ｓ３を停止した後で、第２のエネルギーでクロック信号Ｓ３を再度停止したときの磁気余効を補正するための補正メモリ量と、リセットトリガー信号Ｓ２から第１のエネルギーでクロック信号Ｓ３を停止せず、第２のエネルギーで初めてクロック信号Ｓ３を停止したときの磁気余効を補正するための補正メモリ量とでは、その補正メモリ量が異なることから、これに対応するようにしている。

なお、係数テーブルメモリ部２６の係数も図示しない計算機等から設定する。この係数テーブルメモリ部２６の係数テーブルメモリ例は、本実施形態に限定することなく、異なる形態に変更したものも全て包含されるものとする。

次に、本実施形態の動作について説明する。

まず、図５に示すような基準電流パターンＢ０１を図示しない計算機等からパターンメモリ８に設定し、かつ記憶させておく。クロック信号Ｓ３は、タイミング信号発生装置９からパターンメモリ８にあらかじめ出力しておく。

タイミング信号発生装置９は、パターンメモリ８に加速サイクルの開始タイミングであるリセットトリガー信号Ｓ２を出力する。すると、パターンメモリ８は、上記のように記憶された基準電流パターンＢ０１の最初から出力を開始する。

リセットトリガー信号Ｓ２が出力するタイミング付近では、電磁石電流Ａ０９は、ビームの入射レベルのエネルギーに相当する電流値になっている。

この状態で、図５に示す入射ビーム信号Ｓ５が出力されると、ビームがシンクロトロン１に入射する。すると、クロック信号Ｓ３に従ってパターンメモリ８の出力データが更新される。

また、ビームをシンクロトロン１から出射するときは、補正前電流基準値Ａ０１が必要な出射エネルギーの値になったところで、タイミング信号発生装置９から出力されているクロック信号Ｓ３を停止することで、図６の基準電流パターンＢ０１に示すような補正前電流基準値Ａ０１を一定にすることができる。

このクロック信号Ｓ３を停止している間にタイミング信号発生装置９から図１に示す出射制御装置１２にビーム出射開始・停止信号Ｓ４を出力する。これにより、出射制御装置１２は出射用電場Ａ１３を出力することで出射用機器１３が動作し、ビームを出射することが可能になる。

本実施形態では、図６に示すようにタイミング信号発生装置９からパターンメモリ８へのクロック信号Ｓ３を補正前電流基準値Ａ０１が目的のエネルギーに対応する値になるタイミングで停止させ、補正前電流基準値Ａ０１を一定値にさせる。このクロック信号Ｓ３を停止するタイミングで、補正装置２０への補正開始・停止信号Ｓ６をオンにする。

図２に示すように、補正クロック発生部２４では、補正開始・停止信号Ｓ６のオン信号を得て、補正クロック信号Ｓ８を出力する。そして、基本パターンメモリ部２５のメモリを開始アドレスに初期化した後、補正パターンを補正クロック信号Ｓ８に基づいて更新し、基本パターン出力信号Ｓ１２として出力する。

エネルギー判定部２１では、補正開始・停止信号Ｓ６がオンになったタイミングで、補正前電流基準値Ａ０１から出射エネルギーの高低の種別を判定し、これをエネルギー種別信号Ｓ９として係数切替制御部２２に出力する。ここで、上記エネルギー種別とは、図５及び図６に示す基準電流パターンＢ０１に示す第１のエネルギー、第２のエネルギー、及び第Ｎのエネルギーのことである。

図２に示す係数切替制御部２２は、リセットトリガー信号Ｓ２と、補正開始・停止信号Ｓ６と、エネルギー種別信号Ｓ９を入力する。係数切替制御部２２は、前回、補正開始・停止信号Ｓ６がオンになったときのエネルギー種別を記憶しており、今回、補正開始・停止信号Ｓ６がオンになったタイミングで、前回のエネルギー種別と今回のエネルギー種別の値から、係数テーブルメモリ部２６に係数選択信号Ｓ１１を出力し、係数を選択する。これにより、係数出力信号Ｓ１３には、前回と今回のエネルギーに対応する係数が出力される。

補正データ信号Ｓ７は、基本パターン出力信号Ｓ１２と係数出力信号Ｓ１３を乗算部２８で常時乗算した値を出力している。最終演算部３０では、補正前電流基準値Ａ０１と、補正データ信号Ｓ７と、バンプレス制御電流補正値Ａ０３とを加算することにより、補正後電流基準値Ａ１５を出力する。

補正終了処理部２９では、補正開始・停止信号Ｓ６と、補正前電流基準値Ａ０１と、補正後電流基準値Ａ１５を入力し、補正開始・停止信号Ｓ６がオフになるタイミングで、補正後電流基準値Ａ１５と補正前電流基準値Ａ０１とを比較し、補正後電流基準値Ａ１５が補正前電流基準値Ａ０１に滑らかに近づくように、バンプレス制御電流補正値Ａ０３を出力する。これにより、補正後電流基準値Ａ１５が突変するのを抑制しながら、補正制御を終了する。

このように本実施形態によれば、補正メモリ部２７を、補正前電流基準値Ａ０１に対する補正量の基準を規定する基本パターンメモリ部２５と、出射エネルギーに対応して補正量の係数が設定された係数テーブルメモリ部２６とに分け、前回ビーム取り出ししたエネルギー種別と今回ビーム取り出ししようとするエネルギー種別から該当する係数を係数テーブルメモリ部２６から選択し、補正量は基本パターンの出力と選択した係数とを乗算している。そのため、磁気余効の影響がなくなるように適切に補正前電流基準値Ａ０１を補正することが可能であり、かつエネルギー種別が増大した場合でも、係数分のメモリだけで対応可能なため、従来よりもメモリ量を減らすことができる。その結果、計算機からのデータ設定量も減少するため、補正パターンの設定時間を短縮することも可能である。

なお、本実施形態の電磁石電流Ａ０９は、偏向電磁石２に入力する例について説明したが、四極電磁石３も磁気余効の影響が無視できない場合には、同様の方法で制御する必要がある。

また、本実施形態では、エネルギー判定部２１にて現在のエネルギー種別を補正前電流基準値Ａ０１に基づいて判定しているが、これに限らずタイミング信号発生装置９等の装置から現在のエネルギーを補正装置２０に直接入力することも可能である。

（第２実施形態）
図７は第２実施形態の補正装置の内部構成を示すブロック図である。図８は図７の補正クロック周期、タイミング変更部が備えた周期テーブルを示す説明図である。図９は図７の補正クロック周期、タイミング変更部が備えた遅れ時間テーブルを示す説明図である。図１０は第２実施形態において周期係数変更及び遅れ時間遅れ設定での補正データ信号を示す波形図である。

なお、本実施形態は、前記第１実施形態の変形例であって、前記１実施形態と同一又は対応する部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。その他の実施形態も同様とする。

前記第１実施形態では、補正クロック信号Ｓ８は一定周期であり、補正クロック信号Ｓ８の開始タイミングも補正開始・停止信号Ｓ６と同期させているため、基本パターン出力信号Ｓ１２に対して、大きさ方向の値をエネルギー種別に応じて変更することはできても、時間軸方向の調整をすることができない。

また、前記第１実施形態であっても、磁気余効の影響は、時間依存が低いことが判っており、十分に補正することは可能であるが、さらに高精度な調整をする必要がある場合には、対応することができない。

これに対応させるため、本実施形態の補正装置２０Ａでは、図７に示すように切替制御部２３に、補正クロック周期、開始タイミング変更部３１を追加している。

補正クロック周期、開始タイミング変更部３１は、エネルギー判定部２１からのエネルギー種別信号Ｓ９と、リセットトリガー信号Ｓ２と、補正開始・停止信号Ｓ６を入力し、補正クロック発生部２４に周期指令信号Ｓ１４と、補正開始・停止信号Ｓ６がオンしてからの遅れ時間指令信号Ｓ１５を出力する。

また、補正クロック周期、タイミング変更部３１は、図８に示す周期テーブル３１ａと、図９に示す遅れ時間テーブル３１ｂとを有している。

次に、本実施形態の動作を説明する。

本実施形態では、タイミング信号発生装置９から出力された補正開始・停止信号Ｓ６がオンになると、エネルギー判定部２１は補正前電流基準値Ａ０１により、エネルギー種別信号Ｓ９を出力する。

補正クロック周期、開始タイミング変更部３１は、前回のエネルギー種別と今回のエネルギー種別に応じて、周期テーブル３１ａと遅れ時間テーブル３１ｂから周期及び遅れ時間を選択し、周期指令信号Ｓ１４又は遅れ時間指令信号Ｓ１５を補正クロック発生部２４に出力する。

補正クロック発生部２４は、上述した遅れ時間指令信号Ｓ１５に応じて、補正開始・停止信号Ｓ６からの遅れ時間指令信号Ｓ１５の遅れ時間分待機した後、補正クロック信号Ｓ８を出力する。

これにより、図３に示す基本パターン出力信号Ｓ１２と比べて、図１０に示すように時間軸方向のパターンも変更が可能となり、さらに高精度に磁気余効の影響を補正することができる。なお、図１０において、β＝１が周期係数変更前の補正データ信号を示し、β＝２が周期係数変更後の補正データ信号を示している。γ＝０が遅れ時間遅れ設定変更前の補正データ信号を示し、γ＝１が遅れ時間遅れ設定変更後の補正データ信号を示している。

このように本実施形態によれば、基本パターンメモリ部２５に記憶された基本パターン出力信号Ｓ１２に対し、基本パターンを更新するための補正クロック信号Ｓ８の補正クロック周期及び開始タイミングを出射エネルギーに応じて変更する補正クロック周期、開始タイミング変更部３１を設けたことにより、磁気余効の影響を一段と高精度に補正することができる。

（第３実施形態）
図１１は第３実施形態の補正装置の内部構成を示すブロック図である。図１２は図１１の近似用係数テーブルメモリ部に記憶された近似式の係数ａのテーブルを示す説明図である。図１３は図１１の近似用係数テーブルメモリ部に記憶された近似式の計数ｂのテーブルを示す説明図である。図１４は図１１の補正パターン近似式作成部の出力波形図である。

図２に示す前記第１実施形態の補正装置２０の基本パターンメモリ部２５と係数テーブルメモリ部２６からなる補正メモリ部２７に代えて、本実施形態の補正装置２０Ｂは、図１１に示すように補正パターン近似式作成部３３と近似式用係数テーブルメモリ部３４からなる演算処理部３２に変更したものである。

図１１に示すように、近似式用係数テーブルメモリ部３４は、係数切替制御部２２から係数選択信号Ｓ１１を入力し、補正パターン近似式作成部３３に係数出力信号Ｓ１３を出力する。補正パターン近似式作成部３３では、近似式用係数テーブルメモリ部３４の係数出力信号Ｓ１３と、補正開始・停止信号Ｓ６と、補正クロック信号Ｓ８とを入力し、補正データ信号Ｓ７を出力する。

ここで、補正パターン近似式は、例えば、ｆ（ｔ）＝ａ×ｔ^５＋ｂ×ｔ^４＋ｃ×ｔ^３＋ｄ×ｔ^２＋ｅ×ｔ＋ｆのような時間ｔの５次関数であるとする。なお、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは係数である。この数式は、一例であり、補正パターンを近似可能な数式はこれに限らない。

近似式用係数テーブルメモリ部３４には、図１２及び図１３に示すように近似式の係数ａ，ｂのそれぞれについて、前回エネルギーと今回エネルギーにより唯一に値の決まるテーブルが記憶されている。なお、近似式の係数ｃ，ｄ，ｅ，ｆも係数ａ，ｂと同様であるため、図示を省略する。

本実施形態では、補正前電流基準値Ａ０１に対する補正量を近似した補正パターン近似式を作成する補正パターン近似式作成部３３と、補正パターン近似式の係数を出射エネルギーに対応して決定する近似式用係数テーブルメモリ部３４とを備え、補正前電流基準値Ａ０１に対する補正量を補正パターン近似式の演算により算出している。

次に、本実施形態の動作を説明する。

図１１に示すエネルギー判定部２１及び係数切替制御部２２の動作は、前記第１実施形態と同様であるため省略する。

図１４に示すように、補正開始・停止信号Ｓ６がオンされると、係数切替制御部２２の係数選択信号Ｓ１１により、近似式用係数テーブルメモリ部３４から出射エネルギーに応じた係数出力信号Ｓ１３が補正パターン近似式作成部３３に出力される。これにより、補正パターン近似式作成部３３のａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆの係数が決定される。また、補正クロック発生部２４は、一定周期の補正クロック信号Ｓ８を補正パターン近似式作成部３３に出力する。

補正パターン近似式作成部３３では、補正開始・停止信号Ｓ６がオンされたタイミングで時間ｔを０にリセットし、補正クロック信号Ｓ８をカウントすることで、時間ｔの値を更新する。このようにして時間ｔと係数ａ〜ｆが決まるので、近似式の出力値が決定し、これを補正データ信号Ｓ７として出力する。

これにより、利用者はエネルギーに対する、補正パターン近似式作成部３３のａ〜ｆの係数を調整することにより、磁気余効の影響を補正することが可能となる。

このように本実施形態によれば、補正前電流基準値Ａ０１に対する補正量を近似した補正パターン近似式を作成する補正パターン近似式作成部３３と、補正パターン近似式の係数を出射エネルギーに対応して決定する近似式用係数テーブルメモリ部３４とを備え、補正前電流基準値Ａ０１に対する補正量を補正パターン近似式の演算により算出することにより、磁気余効の影響を補正することが可能となる。

（第４実施形態）
図１５は第４実施形態の加速器の制御装置を示すブロック図である。図１６は図１５の補正装置の内部構成を示すブロック図である。

図１５に示すように、本実施形態では、前記第１実施形態の構成に加え、補正装置２０Ｃの外部にシンクロトロン電磁石の磁場変化検出器３５及び信号増幅器３６を設けている。

また、図１６に示すように、本実施形態の補正装置２０Ｃは、図２の係数切替制御部２２を磁場変動量基準値切替制御部３８に変更し、図２の補正メモリ部２７をフィードバック制御部４０に変更し、補正装置２０Ｃの内部に積分器３７、差分演算処理部３９を追加したものである。

磁場変化検出器３５は、一般にサーチコイルと呼ばれるような電磁石の磁場変化に応じた信号（磁場の微分値）を出力する検出器である。この磁場変化検出器３５は、磁場変化信号Ｓ１６を信号増幅器３６に出力する。この信号増幅器３６では、磁場変化信号Ｓ１６を増幅して、磁場変化増幅信号Ｓ１７を補正装置２０Ｃに出力する。

補正装置２０Ｃの内部の積分器３７では、磁場変化増幅信号Ｓ１７を積分し、磁場の変化（磁場の微分）を磁場に変換し、磁場変動量検出値信号Ｓ１８として差分演算処理部３９に出力する。

ここで、積分器３７は、補正開始・停止信号Ｓ６のオン時に０に初期化することとし、磁場変動量検出値は、補正開始・停止信号Ｓ６オン時を０基準としたときからの磁場変動量になる。

磁気余効の影響がないとすれば、この磁場変動量検出値信号Ｓ１８は、ある一定の値で静定しているはずであるが、磁気余効の影響がある時間は、この磁場変動量検出値信号Ｓ１８は変動していることになる。

本実施形態では、この磁場変動量の変動を抑え、一定値に制御するため、磁場変動量基準値信号Ｓ１９と磁場変動量検出値信号Ｓ１８の差分を差分演算処理部３９で演算し、磁場変動量偏差信号Ｓ２０としてフィードバック制御部４０に出力する。このフィードバック制御部４０は、磁場変動量偏差信号Ｓ２０が０に近づくように、フィードバック計算を行い、補正データ信号Ｓ７として最終演算部３０に出力する。フィードバック制御部４０は、一般的なＰＩＤ制御計算方式とするため、ここでは詳しい説明を省略する。

また、磁場変動量基準値信号Ｓ１９は、前回エネルギーと今回エネルギーに依存して値が異なり、切替えが必要である。そのため、磁場変動量基準値切替制御部３８は、エネルギー種別信号Ｓ９に対応して、磁場変動量基準値切替制御部３８に設けた図示しない磁場変動量テーブルから該当の磁場変動量を選択し、磁場変動量基準値信号Ｓ１９を出力する。

前段のエネルギー判定部２１の動作説明は、前記第１実施形態と同様であり、磁場変動量テーブルは例えば、図４に示す係数メモリテーブルと同様であるため、説明を省略する。

このように本実施形態では、磁場変化検出器３５を追加して、補正開始・停止信号Ｓ６がオンの間、磁場変動量検出値が一定値になるようにフィードバック制御することで、磁気余効の影響を補正することが可能であり、前記第１実施形態〜前記第３実施形態に比べて、磁場変化検出器３５を補正装置２０Ｃの外部に設置する必要があるものの、補正量パターンや係数の調整をすることが不要になる。

（第５実施形態）
図１７は第５実施形態の加速器の制御装置を示すブロック図である。図１８は図１７の補正装置の内部構成を示すブロック図である。

図１７に示すように、本実施形態では、図１６に示す第４実施形態の磁場変化検出器３５及び信号増幅器３６を削除している。本実施形態は、対をなす２つのビーム位置信号検出器４１，４１と、位置信号増幅回路４２，４２と、位置計算回路４３と、を備える。

２つのビーム位置信号検出器４１，４１は、シンクロトロン１のビームダクト内において対向する位置に設置され、ビームダクトの断面の中心に対してビームの位置ずれ量を検出する。位置信号増幅回路４２，４２は、ビーム位置信号検出器４１，４１にそれぞれ接続されてビームが通ることで誘起される２つの電圧信号を増幅する。位置計算回路４３は、２つの電圧信号の差又は比からビームダクト中心からの位置づれ量を演算し、この位置づれ量をビーム位置検出値信号Ｓ２１として出力する。

図１８に示すように、本実施形態の補正装置２０Ｄでは、図１６に示す第４実施形態のエネルギー判定部２１、磁場変動量基準値切替制御部３８及び積分器３７を削除し、磁場変動量基準値信号Ｓ１９をビーム位置基準値信号Ｓ２２に変更し、磁場変動量検出値信号Ｓ１８をビーム位置検出値信号Ｓ２１に変更したものである。

次に、本実施形態の作用を説明する。

本実施形態では、あらかじめ設定されたビーム位置基準値信号Ｓ２２を０とし、ビーム位置検出値信号Ｓ２１との差分を差分演算処理部３９で演算し、位置偏差信号Ｓ２３として出力する。フィードバック制御部４０では、位置偏差信号Ｓ２３が０になるようにフィードバック演算を行い、その演算結果を補正データ信号Ｓ７として出力する。

フィードバック制御部４０は、一般的なＰＩＤ制御とするため、詳細な説明は省略する。但し、補正開始・停止信号Ｓ６がオン時にＰＩＤ制御の積分計算の初期化を行い、演算を開始する。

このように本実施形態によれば、磁気余効の影響により、磁場が変動することで、最終的にビームの中心位置が変動してビームが不安定になることに注目し、ビーム位置をフィードバック制御して補正することで、磁気余効の影響を補正することが可能になる。

（第６実施形態）
図１９は第６実施形態の加速器の制御装置における補正装置の内部構成を示すブロック図である。

図１９に示すように、本実施形態は、前記第１実施形態〜第５実施形態の全ての補正装置を有し、制御方式選択部４５を追加している。各補正装置２０Ａ〜２０Ｄは、上述したように補正データ信号Ｓ７を出力する。これらの補正データ信号Ｓ７は、制御方式選択部４５内で、有効又は無効の選択設定が行われる。なお、補正装置２０は、補正装置２０Ａの一部を構成し、補正装置２０Ａに含まれているものとする。

制御方式選択部４５では、各補正装置２０Ａ〜２０Ｄの出力である補正データ信号Ｓ７を加算し、最終的な補正データ信号として出力する。

このように本実施形態によれば、利用者は、各補正装置２０Ａ〜２０Ｄの補正データ信号Ｓ７を１つあるいは複数有効設定することで、補正装置２０Ａ〜２０Ｄを選択又は同時併用して補正することが可能である。その結果、磁気余効の影響を一段と高精度に補正することができる。

（第７施形態）
図２０は第７実施形態の加速器の制御装置における補正装置の内部構成を示すブロック図である。

図２０に示すように、本実施形態は、前記第６実施形態の構成に加えて、補正装置２０Ａに補正データ記憶部４６を追加して設けたものである。

補正データ記憶部４６は、最終補正データ信号Ｓ２４を入力し、補正開始・停止信号Ｓ６がオン時に記録を開始する。また、補正データ記憶部４６は、補正前電流基準値Ａ０１も同時に入力し、補正前電流基準値Ａ０１と最終補正データ信号Ｓ２４との和も同時に記録するようになっている。

次に、この補正データ記憶部４６の作用について説明する。

例えば、制御方式選択部４５が図１６に示す第４実施形態の補正装置２０Ｃを選択したとする。この場合、磁場変化検出器３５を用いた磁場変動量フィードバック制御方式で算出した補正データ信号Ｓ７により磁気余効の補正を行い、補正データ記憶部４６で、最終補正データ信号Ｓ２４を記憶しておく。

この補正データ記憶部４６で記憶した記録補正データ信号Ｓ２５を図示しない計算機で得ることで、磁気余効の影響がどの程度発生しているか等を解析することが可能になる。また、得られた記録補正データ信号Ｓ２５を図２の第１実施形態で示した基本パターンメモリ部２５にセットすることで、基本パターンメモリ部２５を調整をすることなく、基本パターンを作成することが可能になる。

図１６に示す第４実施形態のフィードバック方式では、図２に示す第１実施形態のパターン設定方式よりも比較的簡単に補正データ信号Ｓ７を演算して制御することが可能である。しかし、磁場変化検出器３５から得られる信号は微小であり、ノイズ等の影響がある場合には、磁気余効補正の再現性を確保させることができない。そのため、補正データ記憶部４６の記録補正データ信号Ｓ２５を基本パターンメモリ部２５に設定することで、補正データ信号Ｓ７を簡単に作成することができ、かつ再現性のある制御を行うことが可能となる。

このように本実施形態によれば、補正量を記録する補正データ記録部４６を備え、この補正データ記録部４６に記録された記録補正データ信号Ｓ２５を基本パターンメモリ部２５に設定することにより、補正データ信号Ｓ７を簡単に作成することができ、かつ再現性のある制御を行うことができる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

なお、上記各実施形態では、重粒子線治療装置に適用した例について説明したが、これに限定することなく、例えば陽子線を用いた粒子線治療装置にも適用可能である。

１…シンクロトロン、２…偏向電磁石、３…四極電磁石、４…電磁石電源、５…変換器、６…電源制御装置、７…電源電流基準値生成部、８…パターンメモリ、９…タイミング信号発生装置、１０…高周波発生器、１１…高周波加速空洞、１２…出射制御装置、１３…出射用機器、１４…ビーム輸送機器、１５…治療室照射装置（粒子線治療装置）、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ…補正装置、２１…エネルギー判定部、２２…係数切替制御部、２３…切替制御部、２４…補正クロック発生部、２５…基本パターンメモリ部、２６…係数テーブルメモリ部、２７…補正メモリ部、２８…乗算部、２９…補正終了処理部、３０…最終演算部、３１…補正クロック周期、開始タイミング変更部、３１ａ…周期テーブル、３１ｂ…遅れ時間テーブル、３２…演算処理部、３３…補正パターン近似式作成部、３４…近似式用係数テーブルメモリ部、３５…磁場変化検出器、３６…信号増幅器、３７…積分器、３８…磁場変動量基準値切替制御部、３９…差分演算処理部、４０…フィードバック制御部、４１…ビーム位置信号検出器、４２…位置信号増幅回路、４３…位置計算回路、４５…制御方式選択部、４６…補正データ記憶部

Claims (12)

1. 電磁石に電磁石電源から電磁石電流を供給し、前記電磁石電源に電流制御のための電流パターンとして電流基準値を出力する加速器の制御装置であって、
   前記電流基準値を記憶して出力するパターンメモリと、
   前記パターンメモリに、前記電流パターンをリセットするリセットトリガー信号と、前記電流パターンの出力を更新するクロック信号とを出力し、補正開始・停止信号を出力するタイミング信号発生装置と、
   前記補正開始・停止信号を得て、この補正開始・停止信号がオン中に、前記電磁石による磁場強度が一定となるように、前記パターンメモリの前記電流基準値を演算にて補正し、補正後の電流基準値を出力する補正装置と、
   を備え、
   前記補正装置は、
   前記電流基準値に対する補正量の基本パターンが記憶された基本パターンメモリ部と、
   前記加速器の加速サイクルにおける最初のビーム出射の出射エネルギーに対応して前記補正量の係数が設定された係数テーブルメモリ部と、
   前記基本パターンメモリ部に記憶された前記基本パターンと、前記係数テーブルメモリ部から選択された係数とを乗算する乗算部と、
   を有することを特徴とする加速器の制御装置。
2. 前記係数テーブルメモリ部は、前記加速器の加速サイクルにおける２回目以降のビーム出射の出射エネルギー及びその前回のビーム出射の出射エネルギーに対応して前記補正量の係数が設定されたことを特徴とする請求項１に記載の加速器の制御装置。
3. 前記補正装置は、前記基本パターンメモリ部に記憶された前記基本パターンに対し、前記基本パターンを更新するための補正クロック信号の補正クロック周期及び開始タイミングを前記出射エネルギーに応じて変更する補正クロック周期、開始タイミング変更部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の加速器の制御装置。
4. 電磁石に電磁石電源から電磁石電流を供給し、前記電磁石電源に電流制御のための電流パターンとして電流基準値を出力する加速器の制御装置であって、
   前記電流基準値を記憶して出力するパターンメモリと、
   前記パターンメモリに、前記電流パターンをリセットするリセットトリガー信号と、前記電流パターンの出力を更新するクロック信号とを出力し、補正開始・停止信号を出力するタイミング信号発生装置と、
   前記補正開始・停止信号を得て、この補正開始・停止信号がオン中に、前記電磁石による磁場強度が一定となるように、前記パターンメモリの前記電流基準値を演算にて補正し、補正後の電流基準値を出力する補正装置と、
   を備え、
   前記補正装置は、
   前記電流基準値に対する補正量に近似した補正パターン近似式を作成する補正パターン近似式作成部と、
   前記補正パターン近似式の係数が前記加速器の加速サイクルにおける最初のビーム出射の出射エネルギーに対応して設定された近似式用係数テーブルメモリ部と、を有し、
   前記電流基準値に対する前記補正量を前記補正パターン近似式から演算することを特徴とする加速器の制御装置。
5. 前記近似式用係数テーブルメモリ部は、前記加速器の加速サイクルにおける２回目以降のビーム出射の出射エネルギー及びその前回のビーム出射の出射エネルギーに対応して前記補正パターン近似式の係数が設定されたことを特徴とする請求項４に記載の加速器の制御装置。
6. 前記電磁石の磁場変化を検出する磁場変化検出器と、
   前記磁場変化検出器から出力された磁場変化信号を増幅する信号増幅器と、をさらに備え、
   前記補正装置は、前記補正開始・停止信号を得て、この補正開始・停止信号がオン中に、前記電磁石による磁場強度が一定となるように前記パターンメモリの前記電流基準値を補正し、
   前記信号増幅器から出力された磁場変化増幅信号を積分し、磁場変動量検出値信号として出力する積分器と、
   前記加速器の出射エネルギーに対応して決定される磁場変動量基準値信号と、前記磁場変動量検出値信号との差分を演算して磁場変動量偏差信号を出力する差分演算処理部と、
   前記磁場変動量偏差信号を得て、前記差分がなくなるように前記電流基準値に対する前記補正量を算出するフィードバック制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の加速器の制御装置。
7. 前記電磁石を通るビームの位置ずれ量を検出するビーム位置信号検出器と、
   前記位置づれ量を演算し、この位置づれ量をビーム位置検出値信号として出力する位置計算回路と、をさらに備え、
   前記補正装置は、前記補正開始・停止信号を得て、この補正開始・停止信号がオン中に、前記電磁石による磁場強度が一定となるように前記パターンメモリの前記電流基準値を補正し、
   前記位置計算回路から出力された前記ビーム位置検出値信号と、あらかじめ設定されたビーム位置基準値信号との差分を演算し、この差分がなくなるように前記電流基準値に対する前記補正量を算出するフィードバック制御部、
   を備えることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の加速器の制御装置。
8. 請求項１乃至請求項７に記載された補正装置のうちの少なくとも２つの補正装置と、
   前記少なくとも２つの補正装置から出力された補正データ信号を選択して加算する制御方式選択部と、
   を備えることを特徴とする加速器の制御装置。
9. 請求項１乃至請求項７に記載された補正装置のうちの少なくとも２つの補正装置と、
   前記少なくとも２つの補正装置から出力された補正データ信号を選択して加算する制御方式選択部と、
   前記少なくとも２つの補正装置のいずれかに設けられ、前記補正データ信号を記録する補正データ記録部と、
   を備えることを特徴とする加速器の制御装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載された加速器の制御装置を備えたことを特徴とする粒子線治療装置。
11. 電磁石に電磁石電源から電磁石電流を供給し、前記電磁石電源に電流制御のための電流パターンとして電流基準値を出力する加速器の制御装置を用いて前記加速器を制御する加速器の制御方法であって、
    前記電流基準値をパターンメモリが記憶して出力する工程と、
    タイミング信号発生装置が前記パターンメモリに、前記電流パターンをリセットするリセットトリガー信号と、前記電流パターンの出力を更新するクロック信号とを出力し、補正開始・停止信号を出力する工程と、
    前記補正開始・停止信号を得て、この補正開始・停止信号がオン中に、前記電磁石による磁場強度が一定となるように、補正装置が前記パターンメモリの前記電流基準値を演算にて補正し、補正後の電流基準値を出力する補正工程と、
    を有し、
    前記補正工程は、
    基本パターンメモリ部に記憶された前記電流基準値に対する補正量の基本パターンと、
    係数テーブルメモリ部に記憶された前記加速器の加速サイクルにおける最初のビーム出射の出射エネルギーに対応して設定された前記補正量の係数と、
    を用いて、
    前記基本パターンメモリ部に記憶された前記基本パターンと、前記係数テーブルメモリ部から選択された係数とを乗算する工程を有する、ことを特徴とする加速器の制御方法。
12. 電磁石に電磁石電源から電磁石電流を供給し、前記電磁石電源に電流制御のための電流パターンとして電流基準値を出力する加速器の制御装置を用いて前記加速器を制御する加速器の制御方法であって、
    前記電流基準値をパターンメモリが記憶して出力する工程と、
    タイミング信号発生装置が前記パターンメモリに、前記電流パターンをリセットするリセットトリガー信号と、前記電流パターンの出力を更新するクロック信号とを出力し、補正開始・停止信号を出力する工程と、
    前記補正開始・停止信号を得て、この補正開始・停止信号がオン中に、前記電磁石による磁場強度が一定となるように、補正装置が前記パターンメモリの前記電流基準値を演算にて補正し、補正後の電流基準値を出力する補正工程と、
    を有し、
    前記補正工程は、
    補正パターン近似式作成部により作成された前記電流基準値に対する補正量に近似した補正パターン近似式と、
    近似式用係数テーブルメモリ部により前記加速器の加速サイクルにおける最初のビーム出射の出射エネルギーに対応して設定された設定された前記補正パターン近似式の係数と、
    を用いて、
    前記電流基準値に対する前記補正量を前記補正パターン近似式から演算する工程を有する、ことを特徴とする加速器の制御方法。

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