JP2018160465A - 加速器制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】要求される任意のエネルギーのビームを容易に取り出す。【解決手段】実施形態によれば、加速器制御システム１００は、加速粒子の要求エネルギーレベルを設定するビーム照射制御部１１０と、クロック値に対する電流変化パターンデータを内蔵し偏向電磁石電源１２ａに電流指令信号を発する偏向電磁石電流パターン発生部１３０と、クロック値に対する周波数変化パターンデータを内蔵し高周波発生装置１４ａに周波数指令信号を発する高周波パターン発生部１４０と、要求エネルギーレベル信号と現状エネルギー相当信号とを比較して一致しない場合は電流変化パターンデータ及び周波数変化パターンデータのクロック値を一つ進める信号を出力するエネルギー判定・指令部１２０を有する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、加速器制御システムに関する。

陽子、炭素イオンなどの粒子線を利用したがん治療用加速器として、シンクロトロンなどの加速器が高エネルギー粒子線（以下、ビームとも言う）発生に使用されている。かかる加速器の制御装置においては、加速される荷電粒子の最高エネルギー（トップエネルギー）が予め定められた値となるように運転して、そのエネルギーの荷電粒子を取り出して利用できるようにしている。

図１１は、従来の粒子線治療加速器の制御システムを含めた構成を示すブロック図である。ここでは、加速器１０としてシンクロトロンの荷電粒子（例えば陽子や炭素イオン）を軌道内で周回させるための偏向磁場を発生する偏向電磁石１２を運転するための構成を示している。パターン発生装置３は、偏向電磁石１２の電流の指令値を偏向電磁石電源１２ａに対して与える。偏向電磁石電源１２ａは、偏向電磁石１２に、指令値に従った電流を供給する。パターン発生装置３は、タイミング装置２からのクロック信号により動作する。ここで、クロック信号とは、クロック値を与える信号である。

図１２は、従来の粒子線治療加速器の制御システムの運転パターンの例を示すグラフである。すなわち、偏向電磁石電源１２ａからの電流値の変化パターンにも対応する。例えば、図１２に示すように、入射ビームのエネルギーＥｉのレベルから出射ビームのエネルギーＥｄのレベルまで、荷電粒子のエネルギーを増加させ、エネルギーＥｄに到達したら、エネルギーＥｄの状態を維持し出射を行う。その後、電流値を低下させる。パターン発生装置３はこのようなパターンの波形を出力するものである。このような従来技術は、例えば特許文献１、特許文献２、および特許文献３等により知られている。

特許第５５６２６２７号公報 特開２００１−１７６７００号公報 特開２０１４−２２２２２号公報

特許文献１の技術は、ビーム出射エネルギーに応じた運転パターンを発生する制御装置に関するもので、これにより任意のエネルギーのビームを取り出して治療に使用することができる。この技術の場合は、必要とするエネルギーごとに予めパターンデータを作成しておかなければならない。

特許文献２の技術は、ビーム出射時の一定の運転パターンを発生するためにパターン発生器に供給するクロック信号を停止させる。この場合、運転パターンのフラットトップ一定時にビームを出射することが前提であり、上記の特許文献１と同様に必要とするエネルギーごとに予めパターンデータを作成しておかなければならない。

特許文献３の技術は、複数のエネルギーでのビーム出射を行うために複数の減速制御データを有することが特徴となっている。この技術では予め利用するエネルギーを固定しておく必要があり、任意のエネルギーが対象とはならない。複数の減速パターンをもたなければならないところは特許文献１の技術と同様である。

以上のように、上述した従来技術においては、出射時のビームエネルギーに対応したパターンデータを予め作成して、それらが要求したエネルギーを取り出せるよう動作することを試験して確認しておく必要がある。

近年、粒子線によるがん治療が普及しつつある。がん治療では、線状のビームをスキャニングにより平面照射する要求がある。この場合、深さ方向の変更は、ビームエネルギーを変えることにより行う。例えば、深さ方向について１ｍｍ間隔で照射しようとする場合、５０ｍｍの厚さをもつ照射対象に対しては、５０個のエネルギーのパターンを作成しておく必要がある。このパターンデータ作成とパターンデータ切替えは煩雑なものとなる。このような制御装置をどのように実現するかが課題となってきている。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、要求される任意のエネルギーのビームを容易に取り出し得ることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態は、加速粒子の通路に磁場を形成する偏向電磁石および前記加速粒子にエネルギーを付与する高周波加速空洞部を有する加速器において前記加速粒子の必要エネルギーを得るための加速器制御システムであって、前記加速粒子の要求エネルギーレベルを設定するビーム照射制御部と、クロック値に対する電流の変化パターンを規定する電流変化パターンデータを内蔵し、前記偏向電磁石の電源に電流指令信号を発する偏向電磁石電流パターン発生部と、クロック値に対する高周波の周波数変化パターンを規定する周波数変化パターンデータを内蔵し、前記高周波加速空洞部の高周波発生装置に周波数指令信号を発する高周波パターン発生部と、前記ビーム照射制御部からの要求エネルギーレベルを示す信号と、前記加速粒子の現状エネルギー相当信号とを比較して予め定められた許容差内で一致しなければ、前記偏向電磁石電流パターン発生部および前記高周波パターン発生部のそれぞれに前記クロック値による指令信号を順次出力し、予め定められた許容差内で一致すれば前記クロック値による指令信号の出力を停止するエネルギー判定・指令部と、を備え、前記電流の変化パターンの電流値および前記周波数変化パターンの周波数に対応するエネルギーレベルの変化パターンは、前記必要エネルギーよりも高いレベルのエネルギーまで上昇の後のエネルギー下降段階で順次前記必要エネルギーのレベルに到達するパターンである、ことを特徴とする。

また、本実施形態は、加速粒子の通路に磁場を形成する偏向電磁石および前記加速粒子にエネルギーを付与する高周波加速空洞部を有する加速器から、前記加速粒子の必要エネルギーを得るための加速器制御システムであって、前記加速粒子の要求エネルギーレベルを設定するビーム照射制御部と、クロック値と前記偏向電磁石へ与える電流値とを対応付けた電流変化パターンデータを内蔵し、前記偏向電磁石の電源に電流指令信号を発する偏向電磁石電流パターン発生部と、クロック値と前記高周波加速空洞部の高周波発生装置に周波数とを対応付けた周波数変化パターンデータを内蔵し、前記高周波加速空洞部の高周波発生装置に周波数指令信号を発する高周波パターン発生部と、設定された前記要求エネルギーレベルに予め定められた正のエネルギー幅を加えたエネルギーレベルと、前記加速粒子の現状のエネルギーレベルとを比較して、一致する場合は電流変化パターンデータ及び周波数変化パターンデータのクロック値を予め定められた幅進める信号を出力するエネルギー判定・指令部とを備えたことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、要求される任意のエネルギーのビームを容易に取り出すことができる。

第１の実施形態に係る加速器システムの構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る加速器制御システムの構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る加速器制御システムの偏向電磁石電流パターン発生部の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る加速器制御システムの高周波パターン発生部の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る加速器制御システムのエネルギー判定・指令部における判定・指令方法の手順を示すフロー図である。 第１の実施形態に係る加速器制御システムの動作を示すグラフである。 第２の実施形態に係る加速器制御システムのエネルギー判定・指令部の構成を示すブロック図である。 第３の実施形態に係る加速器制御システムの構成を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る加速器制御方法の手順を示すフロー図である。 第４の実施形態に係る粒子線治療加速器の制御システムの動作を示すグラフである。 従来の粒子線治療加速器の制御システムを含めた構成を示すブロック図である。 従来の粒子線治療加速器の制御システムの運転パターンの例を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る粒子線治療加速器の制御システムおよび制御方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る加速器システムの構成を示すブロック図である。加速器システム５００は、加速器１０および加速器制御システム１００を有する。加速器１０は、シンクロトロンである。加速器１０は、加速の対象とする加速粒子が周回する周回ビーム用真空容器１１、偏向電磁石１２、加速粒子とする荷電粒子の供給源からの荷電粒子の導入を行う入射用電磁石１３、高周波加速空洞部１４、加速粒子の取り出しを行う出射用電磁石１５、周回ビーム収束用四極電磁石１６、四極電磁石電源１６ａを有する。

偏向電磁石１２は、周回ビーム用真空容器１１内の加速粒子の進行平面に垂直な方向に磁場を形成する。偏向電磁石１２に囲まれた部分の周回ビーム用真空容器１１は曲率を有しており、この部分で加速粒子の方向が変更される。加速粒子の進行方向が常にこの曲率に沿うように、加速粒子のエネルギー上昇に応じて磁場の強さを増加させる。具体的には、偏向電磁石１２の図示しないコイルの電流の電源である偏向電磁石電源１２ａから供給する電流を増加させる。

高周波加速空洞部１４は、いわゆる高周波加速空洞と呼ばれる加速粒子にエネルギーを供給する部分であり、空洞部を形成する真空ダクトおよびその外側の筐体等の部材を有する。エネルギーの供給は、高周波発生装置１４ａにより高周波の周波数を上昇させることにより行う。

また、周回ビーム用真空容器１１へ加速対象の荷電粒子を供給する装置として、加速器１０は、イオン源１７ａ、イオン源１７ａからの荷電粒子を加速する入射用加速器１７ｂ、および荷電粒子の通路となる入射用真空容器１７を有する。また、加速器１０は、周回ビーム用真空容器１１から加速された粒子を取り出す装置として、ビーム出射制御部１８を有する。

加速器制御システム１００は、加速粒子の予め定められたレベルの必要エネルギーを得るために加速器１０を制御する。具体的には、加速器制御システム１００から偏向電磁石電源１２ａへの電流指令信号、高周波発生装置１４ａへの周波数指令信号、およびビーム出射制御部１８への出射可信号を出力する。加速器制御システム１００の構成については、図２を引用しながら説明する。

図２は、第１の実施形態に係る加速器制御システムの構成を示すブロック図である。加速器制御システム１００は、ビーム照射制御部１１０、エネルギー判定・指令部１２０、偏向電磁石電流パターン発生部１３０、高周波パターン発生部１４０、クロック発生器１５０、周期信号発生器１６０を有する。

ビーム照射制御部１１０は、加速粒子の要求エネルギーレベルを設定し、要求エネルギー信号を出力する。また、ビーム照射制御部１１０は、加速器１０の運転サイクルの開始時に、エネルギー判定・指令部１２０に判定開始信号を出力する。

図３は、加速器制御システムの偏向電磁石電流パターン発生部の構成を示すブロック図である。偏向電磁石電流パターン発生部１３０は、電流変化パターンデータを内蔵する。偏向電磁石電流パターン発生部１３０は、電流変化パターンデータ記憶部１３１、および読み出し回路１３２を有する。

電流変化パターンデータ記憶部１３１が記憶する電流変化パターンデータは、入力変数であるクロック値Ｃｊ（ｊ＝１，２，…，ｎ）と、出力変数である加速粒子に付与すべきエネルギーレベルに対応する偏向電磁石の電流値ｉｊ（ｊ＝１，２，…，ｎ）との対応を規定している。すなわち、電流変化パターンデータは、クロック値Ｃｊの増加に対する電流値ｉｊの変化パターンデータである。

読み出し回路１３２は、エネルギー判定・指令部１２０からのクロック信号として順次受け入れるクロック値Ｃ１、Ｃ２、・・・を受けて、電流変化パターンデータからクロック値Ｃ１、Ｃ２、・・・に対応する電流値ｉ１、ｉ２、・・・を順次読み出して、偏向電磁石電源１２ａへの電流指令信号として出力する。

図４は、加速器制御システムの高周波パターン発生部の構成を示すブロック図である。高周波パターン発生部１４０は、周波数変化パターンデータを内蔵する。高周波パターン発生部１４０は、周波数変化パターンデータ記憶部１４１、および読み出し回路１４２を有する。

周波数変化パターンデータ記憶部１４１が記憶する周波数変化パターンデータは、入力変数であるクロック値Ｃｊ（ｊ＝１，２，…，ｎ）と、出力変数である加速粒子に付与すべきエネルギーレベルに対応する高周波発生装置１４ａの発生周波数ｆｊ（ｊ＝１，２，…，ｎ）との対応を規定している。すなわち、周波数変化パターンデータは、クロック値Ｃｊの増加に対する周波数ｆｊの変化パターンデータである。

読み出し回路１４２は、エネルギー判定・指令部１２０からクロック信号として順次受け入れるクロック値Ｃ１、Ｃ２、・・・を受けて、周波数変化パターンデータからクロック値Ｃ１、Ｃ２、・・・に対応する周波数ｆ１、ｆ２、・・・を順次読み出して、高周波発生装置１４ａへの周波数指令信号として出力する。

図２のクロック発生器１５０は、クロック信号を出力する。周期信号発生器１６０は、一連の出力パターンを終了したときに、時間変化に対するエネルギーの変化パターンの最初の状態、すなわち、エネルギーの変化パターンを開始する直前の状態にリセットするリセット信号を出力する。リセット信号が出力されると、エネルギー判定・指令部１２０は、次にクロック信号を出力する場合に、出力するクロック信号はゼロからスタートとなる。

図２のエネルギー判定・指令部１２０は、ビーム照射制御部１１０から、要求エネルギーレベルを示す信号（以下、要求エネルギー信号）と判定開始信号を受け入れる。また、エネルギー判定・指令部１２０は、加速粒子の現状エネルギーに相当する信号である現状エネルギー相当信号を受け入れて、現状エネルギー相当信号のレベルが要求エネルギーレベル信号のレベルまで下降したか否かを判定する。

ここで、現状エネルギー相当信号としては、偏向電磁石電流パターン発生部１３０から偏向電磁石電源１２ａへの電流指令信号を用いて荷電粒子のエネルギーに換算した値を用いる。あるいは、現状エネルギー相当信号としては、高周波パターン発生部１４０から高周波発生装置１４ａへの周波数指令信号を用いて荷電粒子のエネルギーに換算した値を用いることでもよい。現状エネルギー相当信号として、電流指令信号あるいは周波数指令信号を用いることによって、エネルギー判定・指令部１２０と同一機器すなわち、同一の計算機、あるいはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等の内部での信号の授受により現状エネルギー相当信号を確保することができる。

エネルギー判定・指令部１２０は、また、クロック発生器１５０で発生したクロック信号と、周期信号発生器１６０で発生したリセット信号とを受け入れる。

エネルギー判定・指令部１２０は、ビーム照射制御部１１０から判定開始信号を受け入れた状態において、現状エネルギー相当信号のレベルが要求エネルギーレベル信号のレベルまで下降したと判定した場合は、受け入れたクロック信号を偏向電磁石電流パターン発生部１３０および高周波パターン発生部１４０に出力し続ける。現状エネルギー相当信号のレベルが要求エネルギーレベル信号のレベルまで下降した、すなわち、現状エネルギー相当信号のレベルと要求エネルギーレベル信号のレベルとが一致したとの判定は、現状エネルギー相当信号のレベルと要求エネルギーレベル信号との差異の絶対値が予め定められた規定値より小さいか否かで行うことでよい。以下、この状態を「予め定められた許容差内で一致した」と表現する。

なお、ビーム照射制御部１１０から判定開始信号を受け入れていない場合、あるいは、現状エネルギー相当信号のレベルが要求エネルギーレベル信号のレベルに到達したと判断した場合、エネルギー判定・指令部１２０は、クロック信号を出力しない。

また、現状エネルギー相当信号のレベルが要求エネルギーレベル信号のレベルまで下降したと判定した場合は、エネルギー判定・指令部１２０は、クロック信号を停止するとともに、その後、ビーム出射制御部１８にビーム出射可信号を出力する。

図５は、加速器制御システムのエネルギー判定・指令部における判定・指令方法の手順を示すフロー図である。スタートでは、ビーム照射制御部１１０からリセット信号が出されて、クロック信号がリセットされた状態からスタートする。まず、ビーム照射制御部１１０からエネルギー判定・指令部１２０への判定開始信号の有無を判定する（ステップＳ０１）。

判定開始信号が出されていない場合（ステップＳ０１ ＮＯ）、クロック停止中ならクロックを再開する（ステップＳ０６）。また、ビーム出射可信号の出力を停止する（ステップＳ０７）。この上で、ステップＳ０１に戻る。

ステップＳ０１での判定で、判定開始信号が出されている場合（ステップＳ０１ ＹＥＳ）には、現状エネルギー相当信号から現状エネルギーを算出する（ステップＳ０２）。この状態では、エネルギー判定・指令部１２０から偏向電磁石電流パターン発生部１３０および高周波パターン発生部１４０にクロック信号を順次出力している。

また、エネルギー判定・指令部１２０は、現状エネルギー相当信号のレベルと要求エネルギーレベル信号のレベルとの比較を行う。ここで、要求エネルギーレベル信号は、最初は、最も高いレベルの要求エネルギーＥｄ１（図６参照）から始まり、次の繰り返しの場合は、次に高いレベルの要求エネルギーＥｄ２、と順次、より低いレベルの要求エネルギーに対応した値に下がっていく。これらの要求エネルギーは、各繰り返しのサイクルにおいてその都度、ビーム照射制御部１１０から出力される。

エネルギー判定・指令部１２０は、比較により現状エネルギー相当信号のレベルと要求エネルギーレベル信号のレベルとの差異が規定値以下となったか否かを判定する（ステップＳ０３）。規定値以下でない場合（ステップＳ０３ ＮＯ）には、ステップＳ０１以下を繰り返す。

規定値以下と判定された場合（ステップＳ０３ ＹＥＳ）には、クロックを停止する（ステップＳ０４）。クロックを停止することによって、加速粒子の加速が停止される。ステップＳ０４の後に、ビーム出射制御部１８へ出射可信号を出力する（ステップＳ０５）。その後、要求エネルギーが所定レベル以下に下がった値となると、クロックを再開して、入射レベルのエネルギーまで低下して、ステップＳ０１に戻る。

図６は、加速器制御システムの動作を示すグラフである。図６の横軸は、以下に述べるサイクルについてサイクルの開始時点をゼロとしてクロックによって設定された時刻であるクロック時刻、縦軸は加速器１０のビームエネルギーを示す。まず、このサイクルの開始のクロック時刻ｔ１でリセット信号が周期信号発生器１６０から出力される。この直後は入射エネルギーＥｉの一定値レベルとなり、この間に入射用加速器１７ｂでつくられたビームが加速器１０に入射される。

加速開始のクロック時刻ｔ２において、加速器１０は偏向電磁石１２の磁場の増加、高周波加速空洞部１４での加速パワーの印加と高周波発生装置１４ａの加速周波数の増加を開始して加速粒子のエネルギーを増加させる。最大エネルギーＥｍまで加速された時刻ｔ３で加速完了となる。

加速完了のクロック時刻ｔ３から短時間を経て、減速開始のクロック時刻ｔ４となり、ビーム照射制御部１１０からエネルギー判定・指令部１２０に対して判定開始信号が出力される。また、ビーム照射制御部１１０は、併せて、最も高いレベルの要求エネルギー信号をエネルギー判定・指令部１２０に出力する。この結果、エネルギー判定・指令部１２０は、現状エネルギー相当信号と要求エネルギーレベル信号の比較、判定を開始する。

以降、クロック時刻ｔ４からクロック時刻の進行により、電流変化パターンデータにおけるクロック値に対応する電流値、および周波数変化パターンデータにおけるクロック値に対応する周波数値が下がってくる。このため、偏向電磁石１２での磁場、および高周波加速空洞部１４での加速周波数が低下し、加速粒子のビームはエネルギーを高周波発生装置１４ａに与えて減速する。

クロック時刻ｔ５で、現状エネルギー相当信号が要求エネルギーＥｄ１のレベル信号に予め定められた許容差内で一致したときに、エネルギー判定・指令部１２０は、偏向電磁石電流パターン発生部１３０および高周波パターン発生部１４０へのクロック出力を停止する。このため、偏向電磁石電流パターン発生部１３０は電流指令信号を更新しなくなり、高周波パターン発生部１４０は周波数指令信号を更新しなくなり、それぞれ一定値となる。この結果、加速粒子のエネルギーが一定となる。

現状エネルギー相当信号が要求エネルギーの中で最大の要求エネルギーＥｄ１のレベル信号に予め定められた許容差内で一致したことにより、エネルギー判定・指令部１２０は、ビーム出射制御部１８に出射可信号を出力する。これを受けて、ビーム出射制御部１８は、加速粒子を出射する。

加速粒子の出射後に、クロック時刻ｔ６から、エネルギー判定・指令部１２０は、現状エネルギー相当信号とＥｄ１の次のレベルの要求エネルギーレベルＥｄ２に対応する要求エネルギー信号との比較、判定を開始する。

クロック時刻ｔ７で、現状エネルギー相当信号が要求エネルギーＥｄ２のレベル信号に予め定められた許容差内で一致したときに、エネルギー判定・指令部１２０は、偏向電磁石電流パターン発生部１３０および高周波パターン発生部１４０へのクロック出力を停止し、加速粒子のエネルギーが一定となる。現状エネルギー相当信号が要求エネルギーＥｄ２のレベル信号に予め定められた許容差内で一致し、エネルギー判定・指令部１２０は、ビーム出射制御部１８に出射可信号を出力する。これを受けて、ビーム出射制御部１８は、加速粒子を出射する。

クロック時刻ｔ８で、再度、加速粒子のエネルギー減少を開始する。次のレベルの要求エネルギーがある場合は、同様の経緯をたどる。次のレベルの要求エネルギーがない場合は、停止状態まで加速粒子のエネルギーの減少を行い、クロック時刻ｔ９で加速粒子のエネルギーは入射レベルまで低下する。

なお、最大エネルギーＥｍは、Ｅｄ１、Ｅｄ２よりも高いエネルギーである。また、それぞれのサイクルにおける最大エネルギーＥｍは、互いに等しい値であることが望ましい。これは、偏向電磁石１２の電流に対する磁束の特性にヒステリシスがあり、最大エネルギーＥｍに対応する最大電流が異なると、偏向電磁石１２の電流に対する磁束の特性が異なってしまうことによる。この特性が異なると、エネルギーに対応する電流値にクロック値に対する関係を規定する電流変化パターンデータ、エネルギーに対応する周波数のクロック値に対する関係を規定する周波数変化パターンデータについて、パターン全体をその都度、整備する必要が出てくるためである。

なお、最大エネルギーＥｍは、互いに等しい値であることには限定されない。たとえば、最大エネルギーＥｍとして、複数のレベルがあり、それぞれについて偏向電磁石１２の電流に対する磁束の特性が既知であるような場合は、複数のレベルの最大エネルギーＥｍに対しての偏向電磁石１２の電流に対する磁束の特性は準備できるので、これらのうちのいずれかを選択しても、それに対応する電流変化パターンデータおよび周波数変化パターンデータを選択すればよい。

また、説明では、要求エネルギーが、Ｅｄ１、Ｅｄ２の２つのレベルの場合を示したが、これには限定されず、基本的には、１つでもよいし、３つ以上の場合であっても同様である。

従来の技術では、要求エネルギーのレベルが変化した場合、あるいは要求エネルギーレベルの数が変わった場合には、それぞれに対応するパターンデータを作成する必要があった。一方、以上のように構成された本実施形態によれば、このような場合でも、電流変化パターンデータおよび周波数変化パターンデータとしてそれぞれ一種類のデータを用意しておくことによって、任意の要求エネルギーでのビーム出射が可能となり、スキャニング照射のようなより高度の治療照射を実現することが容易となる。

また、がん治療などの場合、従来は、照射部分の深さが複数ある場合に、それぞれの深さに応じた必要エネルギーのそれぞれについてエネルギー上昇、照射（出射）、エネルギー降下のサイクルパターンに従った運転を順次行う必要があった。一方、本実施形態によれば、一つのサイクルパターンの中で、複数のエネルギーの加速粒子の照射を行うことができるため、全体の運転時間が短縮され、患者の負担の軽減を図ることができる。

［第２の実施形態］
図７は、第２の実施形態に係る加速器制御システムのエネルギー判定・指令部の構成を示すブロック図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態においては、エネルギー判定・指令部１２０は、比較判定回路１２１、クロックカウンタ１２２、エネルギーパターンデータ記憶部１２３、およびクロック値読み出し回路１２４を有する。

エネルギーパターンデータ記憶部１２３は、エネルギー変化パターンデータを有する。エネルギー変化パターンデータは、入力変数である加速粒子に付与すべきエネルギー値Ｅｊ（ｊ＝１，２，…，ｎ）と、出力変数であるエネルギーレベルに対応するクロック値Ｃｊ（ｊ＝１，２，…，ｎ）との対応を規定している。すなわち、エネルギー変化パターンデータは、エネルギー値Ｅｊの増加に対するクロック値Ｃｊの変化パターンデータである。すなわち、エネルギー変化パターンデータは、電流変化パターンデータあるいは周波数変化パターンデータとは、逆方向のデータであり、前記エネルギーレベルの変化パターンについてエネルギーに対するクロック値を与える逆関数データであるといえる。

クロック値読み出し回路１２４は、ビーム照射制御部１１０から順次受け入れる要求エネルギー値Ｅｄ１、Ｅｄ２を受けて、周波数変化パターンデータから要求エネルギー値Ｅｍ、Ｅｄ１、Ｅｄ２に対応するクロック値Ｃｍ、Ｃｄ１、Ｃｄ２を順次読み出して、偏向電磁石電流パターン発生部１３０および高周波パターン発生部１４０にクロック値を出力する。クロック値Ｃｍ、Ｃｄ１、Ｃｄ２は、クロック時刻ｔｍ、ｔ５、ｔ７に基づき設定する。

本第２の実施形態においては、エネルギー判定・指令部１２０が要求エネルギーのレベル信号と比較する現状エネルギー相当信号を、クロック値読み出し回路１２４の出力を使用して算出する。

すなわち、クロック値読み出し回路１２４の出力、クロック値読み出し回路１２４の出力を受けた偏向電磁石電流パターン発生部１３０の電流パターンデータのクロック値に対応する電流値、この電流値に基づく偏向電磁石電源への指令、偏向電磁石電源からの電流に基づく偏向電磁石での磁束は、一対一に対応している。

また、クロック値読み出し回路１２４の出力、クロック値読み出し回路１２４の出力を受けた高周波パターン発生部１４０の周波数パターンデータのクロック値に対応する周波数、この周波数に基づく高周波発生装置１４ａへの指令、高周波発生装置１４ａによる高周波空洞での周波数は、一対一に対応する。

この結果、加速粒子のエネルギーとも一対一に対応する。しかも、電気的な信号授受と、演算によるものなので、クロックによる変化に比べて十分に短い時間で対応関係が成立する。したがって、現状エネルギー相当信号を、クロック値読み出し回路１２４の出力を使用して算出することは妥当である。

現状エネルギー相当信号として、クロック値読み出し回路１２４の出力を使用することによって、第１の実施形態と同様に、エネルギー判定・指令部１２０と同一機器すなわち、同一の計算機、あるいはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等の内部での信号の授受により現状エネルギー相当信号を確保することができる。

以上のように、本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第３の実施形態］
図８は、第３の実施形態に係る加速器制御システムの構成を示すブロック図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第３の実施形態においては、エネルギー判定・指令部１２０で要求エネルギー信号と比較する現状エネルギー相当信号として、エネルギー測定部１８ａからのエネルギー信号を用いる。

エネルギー測定部１８ａからの信号を直接に用いることによって、実際の照射ビームの加速粒子のエネルギーとの比較が可能となり、制御精度が向上する。

［第４の実施形態］
本実施形態は、第１の実施形態の変形である。図９は、第４の実施形態に係る加速器制御方法の手順を示すフロー図である。本第４の実施形態では、現状エネルギーが要求エネルギーに予め定められた許容差内で一致するか否かの判定（ステップＳ０３）に先立って、現状エネルギーが、要求エネルギー＋ΔＥに予め定められた許容差内で一致するか否かの判定を行う（ステップＳ１１）。

現状エネルギーが、要求エネルギー＋ΔＥに予め定められた許容差内で一致すると判定されない（ステップＳ１１ ＮＯ）場合には、ステップＳ０１以降を繰り返す。現状エネルギーが、要求エネルギー＋ΔＥに予め定められた許容差内で一致すると判定された（ステップＳ１１ ＹＥＳ）場合には、次に、現状エネルギーが、要求エネルギーに一致するか否かの判定を行う（ステップＳ０３）。

現状エネルギーが、要求エネルギーに予め定められた許容差内で一致すると判定した場合（ステップＳ０３ ＹＥＳ）には、クロックを停止（ステップＳ０４）して、ビーム出射可信号を出力する（ステップＳ０５）。

現状エネルギーが、要求エネルギーに予め定められた許容差内で一致しないと判定した場合（ステップＳ０３ ＮＯ）には、クロックの周期Ｔを、ｋΔＴずつ増加させ、ステップＳ０１以下を繰り返す。なお、ｋは任意の正の実数である。すなわち、偏向電磁石電流パターン発生部１３０および高周波パターン発生部１４０のそれぞれへの指令信号であるクロック値を順次予め定められた幅で増加させる。

図１０は、第４の実施形態に係る粒子線治療加速器の制御システムの動作を示すグラフである。図１０は、ｋ＝１の場合、すなわち、クロックの周期は、ΔＴずつ増加する場合を示す。

第１の実施形態においては、図１０の「定周期動作」にて示すように、この周期で現状エネルギーのパターンは階段状に減少して要求エネルギーに到達する。要求エネルギーに到達したと判定することによってエネルギー要求は一定値となるため、図１０のＡ部として示すように、変化の傾きが不連続となる。

偏向電磁石電流パターン発生部１３０からの電流指令が出力されてから偏向電磁石１２の電流となり、偏向電磁石１２の磁力となって現れるまでには僅かな遅れ時間が存在する。高周波パターン発生部１４０からの周波数指令の出力から高周波発生装置１４ａでの周波数についても同様に僅かな遅れ時間が存在する。このため、Ａ部のような不連続な変化の傾きの存在する部分では、偏向電磁石１２の電流制御、および高周波加速空洞部１４での周波数制御の精度が低下する。これらの制御の精度が低下すると加速器１０における加速粒子のビームの一部の損失を招く。

本第４の実施形態においては、要求エネルギー＋ΔＥのエネルギーレベルから変化を円滑にすることにより、制御の精度の低下の防止を図ることができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。

さらに、これらの実施形態は、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、変更を行うことができる。

これら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。

２…タイミング装置、３…パターン発生装置、１０…加速器、１１…周回ビーム用真空容器、１２…偏向電磁石、１２ａ…偏向電磁石電源、１３…入射用電磁石、１４…高周波加速空洞部、１４ａ…高周波発生装置、１５…出射用電磁石、１６…周回ビーム収束用四極電磁石、１６ａ…四極電磁石電源、１７…入射用真空容器、１７ａ…イオン源、１７ｂ…入射用加速器、１８…ビーム出射制御部、１８ａ…エネルギー測定部、１００…加速器制御システム、１１０…ビーム照射制御部、１２０…エネルギー判定・指令部、１２１…比較判定回路、１２２…クロックカウンタ、１２３…エネルギーパターンデータ記憶部、１２４…クロック値読み出し回路、１３０…偏向電磁石電流パターン発生部、１３１…電流変化パターンデータ記憶部、１３２…読み出し回路、１４０…高周波パターン発生部、１４１…周波数変化パターンデータ記憶部、１４２…読み出し回路、１５０…クロック発生器、１６０…周期信号発生器、５００…加速器システム

Claims (3)

1. 加速粒子の通路に磁場を形成する偏向電磁石および前記加速粒子にエネルギーを付与す
   る高周波加速空洞部を有する加速器から、前記加速粒子の必要エネルギーを得るための
   加速器制御システムであって、
   前記加速粒子の要求エネルギーレベルを設定するビーム照射制御部と、
   クロック値と前記偏向電磁石へ与える電流値とを対応付けた電流変化パターンデータを内蔵し、前記偏向電磁石の電源に電流指令信号を発する偏向電磁石電流パターン発生部と、
   クロック値と前記高周波加速空洞部の高周波発生装置に周波数とを対応付けた周波数変化パターンデータを内蔵し、前記高周波加速空洞部の高周波発生装置に周波数指令信号を発する高周波パターン発生部と、
   設定された前記要求エネルギーレベルと、前記加速粒子の現状のエネルギーレベルとを比較して、一致しない場合は電流変化パターンデータ及び周波数変化パターンデータのクロック値を一つ進める信号を出力するエネルギー判定・指令部と、
   を備えたことを特徴とする加速器制御システム。
2. 加速粒子の通路に磁場を形成する偏向電磁石および前記加速粒子にエネルギーを付与する高周波加速空洞部を有する加速器から、前記加速粒子の必要エネルギーを得るための
   加速器制御システムであって、
   前記加速粒子の要求エネルギーレベルを設定するビーム照射制御部と、
   クロック値と前記偏向電磁石へ与える電流値とを対応付けた電流変化パターンデータを内蔵し、前記偏向電磁石の電源に電流指令信号を発する偏向電磁石電流パターン発生部と、
   クロック値と前記高周波加速空洞部の高周波発生装置に周波数とを対応付けた周波数変化パターンデータを内蔵し、前記高周波加速空洞部の高周波発生装置に周波数指令信号を発する高周波パターン発生部と、
   設定された前記要求エネルギーレベルに予め定められた正のエネルギー幅を加えたエネルギーレベルと、前記加速粒子の現状のエネルギーレベルとを比較して、一致する場合は電流変化パターンデータ及び周波数変化パターンデータのクロック値を予め定められた幅進める信号を出力するエネルギー判定・指令部と、
   を備えたことを特徴とする加速器制御システム。
3. 前記電流の変化パターンの電流値および前記周波数変化パターンの周波数に対応するエネルギーレベルの変化パターンは、前記必要エネルギーよりも高いレベルのエネルギーまで上昇の後のエネルギー下降段階で順次前記必要エネルギーのレベルに到達するパターンである、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の加速器制御システム。

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