JP2006341069A - 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

Abstract

【課題】治療照射中にイオンビームの出射をＯＮ／ＯＦＦ制御する場合において、治療の安全性を向上する。
【解決手段】シンクロトロン４を有する荷電粒子ビーム発生装置１と、この荷電粒子ビーム発生装置１から出射されたイオンビームのブラッグピーク幅を形成するＲＭＷと、このＲＭＷの回転角度に基づいて荷電粒子ビーム発生装置１からの荷電粒子ビームの出射及び出射停止を制御するゲート信号生成装置３７と、このゲート信号生成装置３７による荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われているかどうかを判定する照射制御・判定部６６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（イオンビーム）を照射する治療方法が知られている。この治療に用いる粒子線出射装置（荷電粒子ビーム出射装置）は、荷電粒子ビーム発生装置、ビーム輸送系、及び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イオンビームは、第１ビーム輸送系及び回転ガントリーに設けられた第２ビーム輸送系を経て回転ガントリーに設置された照射装置に達する。イオンビームは照射装置より出射されて患者の患部に照射される。荷電粒子ビーム発生装置としては、例えば、荷電粒子ビームを周回軌道に沿って周回させる手段、共鳴の安定限界の外側で荷電粒子ビームのベータトロン振動を共鳴状態にする手段、及び荷電粒子ビームを周回軌道から取り出す出射用デフレクタを備えたシンクロトロン（円形加速器）が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

イオンビームを用いた治療、例えば陽子ビームの患部への照射では、陽子ビームのエネルギーの大部分が、陽子が停止するときに放出される、すなわちブラッグピークが形成されるという特性を利用し、陽子ビームの入射エネルギーの選択により陽子を患部近傍で停止させてエネルギー（吸収線量)の大部分を患部の細胞にのみ与えるようにする。

通常、患部は、患者の体表面からの深さ方向（イオンビームの進行方向でもあり、以下、単に深さ方向という）にある程度の厚みをもっている。その深さ方向における患部の厚み全域にわたってイオンビームを効果的に照射するためには、深さ方向においてある程度広いフラットな吸収線量範囲（拡大ブラッグピーク幅(spread-out Bragg peak)。以下、ＳＯＢＰ幅という。）を形成するように、イオンビームのエネルギーを調節しなければならない。

このような観点から、従来、周方向に段階的に厚みが変化している複数の羽根部を回転軸の周囲に配置したレンジモジュレーション回転体（レンジモジュレーションホイール。以下、ＲＭＷという。）が既に提唱されている（例えば、非特許文献１の２０７７頁、図３０参照。）。このＲＭＷは、複数の羽根部が回転軸に取り付けられ、隣り合う羽根部の相互間に貫通する開口を有している。例えば、開口をイオンビームの経路（ビーム経路という）に位置させてＲＭＷを回転させる。開口及び羽根部が交互にビーム経路を横切る。イオンビームが開口を通過したときはビームエネルギーが減衰しないため、ブラッグピークが体内の最も深い位置に生じる。イオンビームが羽根部を通過する際には、羽根部の厚みが厚い部分を通過するほど、このイオンビームのエネルギーの減衰度合いが大きくなり、患部の体表面に近い部分にブラックピークが形成される。ＲＭＷの回転によって、このようなブラッグピークが形成される深さ方向の位置が周期的に変動する結果、時間積分で見ると、患部の深さ方向において比較的広くフラットなブラッグピーク幅を得ることができる。また、ＳＯＢＰ幅の形成は、リッジフィルタを用いても可能であることが知られている（非特許文献１の２０７８頁、図３１）。

USP5,363,008号 レビュー オブ サイエンティフィック インスツルメンツ６４巻８号（１９９３年８月）のページ２０７４〜２０８４、図３０〜図３２(REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME 64 NUMBER 8 (AUGUST 1993) P2074-2084 FIG.30-32)

本願の３名の発明者のうちの１名が関与してなされた発明、すなわち、ＲＭＷが回転しているときに、シンクロトロンからのイオンビームの出射をＯＮ／ＯＦＦ制御する荷電粒子ビーム出射装置の発明が出願されている。その発明では、ＲＭＷを回転させつつ、例えば比較的長い時間、すなわちＲＭＷの広い回転角度の範囲にわたってイオンビームを通過させるようにすればイオンビームの減衰度合いが大きく変動することからＳＯＢＰ幅は広くなり、比較的短い時間すなわちＲＭＷの狭い回転角度の範囲にイオンビームを通過させるようにすればイオンビームの減衰度合いがあまり変動しないためＳＯＢＰ幅は狭くなる。このように、ＲＭＷの回転時にイオンビームの出射をＯＮ／ＯＦＦ制御することで、１つのＲＭＷで多様なＳＯＢＰ幅を得られるので、ＲＭＷの交換頻度を低減でき、多数の患者に対し、円滑に治療を行うことができる。

しかしながら、本願発明者等によるその発明のその後の検討によれば、上記発明には以下のような更なる改善の余地があることが分かった。
すなわち、その発明によれば、各患者ごとにビーム出射のＯＮ／ＯＦＦを制御することによりその患者の患部に応じたＳＯＢＰ幅を得ることができるものの、ビームのＯＮ／ＯＦＦが所望のタイミングで行われているかどうかをビーム照射中にリアルタイムに確認する手法が確立されてはいなかった。このため、治療の安全性の向上の観点において更なる改善の余地があった。

本発明の目的は、治療照射中にイオンビームの出射をＯＮ／ＯＦＦ制御する場合において、安全性を向上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、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進行方向における厚みが変化し、通過する前記荷電粒子ビームのエネルギーを変えて前記照射対象内に拡大ブラッグピーク幅を形成させる回転体の回転角度に基づいて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及び出射停止を制御する第１制御装置と、前記第１制御装置により前記荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われているかどうかを判定する判定装置とを備えたことにある。

本発明は、治療照射中に行われる荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われているかどうかを判定するため、治療照射の安全性を向上することができる。

好ましくは、荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われていないと判定したときに、荷電粒子ビームの出射を停止するように制御する。これにより、照射対象に対する荷電粒子ビームを用いた治療の安全性を確実に向上することができる。

本発明によれば、照射対象に対する荷電粒子ビームを用いた治療の安全性を向上することができる。

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２４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照射装置１６を備えている。本実施形態の荷電粒子ビーム出射装置２４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）３及び主加速器であるシンクロトロン４を有する。シンクロトロン４は、一対の電極によって構成された高周波印加装置５及び高周波加速空胴６をイオンビームの周回軌道上に設置している。第１高周波電源８が開閉スイッチ９、１０を介して高周波印加装置５の電極に接続される。高周波加速空胴６に高周波電力を印加する第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３で加速される。前段加速器３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４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６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４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、開閉スイッチ９を閉じることによってシンクロトロン４から出射される。すなわち、第１高周波電源８からの高周波が、開閉スイッチ９を閉じることによって、閉じられている開閉スイッチ１０、及び開閉スイッチ９を通して高周波印加装置５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１１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４に設けられた四極電磁石１２及び偏向電磁石１３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。開閉スイッチ９（または開閉スイッチ１０）を開いて高周波印加装置５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４からのイオンビームの出射が停止される。

シンクロトロン４から出射されたイオンビームは、ビーム輸送系２により下流側のビーム経路１７に輸送される。ビーム輸送系２は、四極電磁石１４及び偏向電磁石１５を備え、照射装置１６に連絡されるビーム経路１７に連絡される。照射装置１６及びビーム経路１７は、治療室(図示せず)内に設置された回転ガントリー(図示せず)に取り付けられている。四極電磁石１８、偏向電磁石１９及び偏向電磁石２０がこの順にビーム経路１７に設けられる。ビーム経路１７内のイオンビームは、照射装置１６へと輸送される。患者２２が、回転ガントリー内に形成された治療ケージ（図示せず）内で位置決めされた治療用ベッド２１に横たわっている。照射装置１６から出射されたイオンビームは、その患者２２の癌の患部Ｋ（後述の図２参照）に照射される。四極電磁石１８等の電磁石を備えたビーム経路１７はビーム輸送系であるとも言える。また、ビーム輸送系２の上流側にはビームシャッタ３８が設けられている。このビームシャッタ３８は通常開いているが、異常時には後述のインターロック装置７２により閉じられ、シンクロトロン４からのイオンビームの出射を遮断する（詳細は後述）。

照射装置１６の構造を、図２を用いて説明する。この図２に示すように、照射装置１６は、回転ガントリーに取り付けられ、ビーム経路１７に接続されるケーシング２５を有する。照射装置１６は、ケーシング２５内に、イオンビーム進行方向の上流側より順次、ビームプロファイルモニタ２６，線量モニタ２７，ＲＭＷ装置２８，第２散乱体装置２９，飛程調整装置（例えば、レンジシフタ）３０，線量モニタ３１，平坦度モニタ３２，ブロックコリメータ３３，患者コリメータ３４、及びボーラス３５を、ケーシング２５内のビーム経路（ビーム軸）ｍ上に配置している。

ビームプロファイルモニタ２６は、ビーム輸送系２から照射装置１６に入射されたイオンビームがビーム軸ｍ上に位置しているかどうかを確認するモニタである。線量モニタ２７は照射装置１６に入射されたイオンビームの線量を検出するモニタである。これらビームプロファイルモニタ２６及び線量モニタ２７は、ケーシング２５に取り付けられた支持テーブル３９上に設置される。

ＲＭＷ装置２８は、ＲＭＷ（回転体）４０、ＲＭＷ４０を回転させる回転装置（例えばモータ）４２、及びＲＭＷ４０の回転角度を検出する角度計５１を有する。ＲＭＷ４０、回転装置４２及び角度計５１は、ケーシング２５に設置された支持部材５０によって保持される。図３に示すように、ＲＭＷ４０は、回転軸４３、回転軸４３と同心円状に配置された円筒部材４４、及び回転軸４３に取り付けられてＲＭＷ４０の半径方向に伸び、他端が円筒部材４４に取り付けられた複数の羽根部４５（本実施例では羽根部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃの３枚）を有している。これらの羽根部４５の周方向における幅は回転軸４３側の端部よりも円筒部材４４側の端部で広くなっている。ＲＭＷ４０の周方向における羽根部４５の相互間には、それぞれ開口４６が形成されている。これら開口４６の周方向における幅も円筒部材４４の内面に近づくほど広くなるように形成されている。

各羽根部４５は、ＲＭＷ４０の周方向において階段状に配置された複数の平面領域（段部）４７を有しており、回転軸４３の軸方向（ビーム軸ｍの方向）におけるＲＭＷ４０の底面から各平面領域４７までの各厚みが異なっている。すなわち、ＲＭＷ４０の底面から各平面領域４７までのレベルが異なる。ここでは、１つの平面領域４７に対するその厚みを、平面領域部分の厚みという。すなわち、羽根部４５は、周方向において羽根部４５の両側に位置する開口４６からビーム軸ｍの方向における最も厚みの厚い頂部３６に位置する平面領域４７に向かって各平面領域部分の厚みが階段状に増加している。各平面領域４７は回転軸４３から円筒部材４４に向かって延びており、その周方向における幅も円筒部材４４に近づくほど広くなっている。

本来、ＲＭＷの羽根の厚みは連続的に変化するのが理想的な形状である。しかしながら、実際のＲＭＷは、上記のように羽根部の厚みを階段状に変化するように、一般的に製作される。この理由は、ＳＯＢＰ生成特性と工作容易性との兼ね合いという観点によるものである。すなわち、羽根部の厚みを階段状に変化させることにより、理想的な形状に比較して若干のＳＯＢＰ生成特性の低下と引き換えに、工作容易性（工作精度の確認容易性）を飛躍的に向上させることができる。

図２に戻り、ケーシング２５に設置される支持部材５０は、ビーム軸ｍの方向に対向する支持部５０Ａ，５０Ｂを有し、更に支持部５０Ｂの下流側に支持部５０Ｃを有する。これら支持部５０Ａ，５０Ｂはそれぞれ回転軸４８，４９を回転可能に支持している。ＲＭＷ４０は支持部５０Ａ，５０Ｂの間に挿入され、ＲＭＷ４０の回転軸４３が回転軸４８，４９に挟まれるように支持される。すなわち、回転軸４３は回転軸４８，４９に着脱可能に取り付けられ、ＲＭＷ４０が交換可能となる。回転軸４８，４９のそれぞれの端部が回転軸４３に設けられた貫通孔内に挿入されている。なお、支持部５０Ａ，５０Ｂはケーシング２５内のビーム経路をさえぎらないように配置される。回転軸４３，４８，４９もそのビーム経路からずれた位置に配置される。

支持部５０Ｃに設置された回転装置４２が回転軸４９に連結されている。ＲＭＷ４０の回転角度（回転位相）を検出する角度計５１が、回転軸４８に連結されて支持部５０Ａに取り付けられている。角度計５１で検出されたＲＭＷ４０の回転角度の測定値は、後述するゲート信号生成装置３７に出力される。

なお、本実施形態は、図２及び図３に図示していないが、ＲＭＷ装置２８と第２散乱体装置２９との間で、ビーム軸ｍ上に第１散乱体が設置されている。この第１散乱体も、ケーシング２５に設置される。第１散乱体は、ＲＭＷ４０を通過したイオンビームをビーム軸ｍと直交する方向に広げる機能を有する。

第２散乱体装置２９は、複数の第２散乱体５５，回転テーブル５６及びモータ５７を有している。モータ５７は、ケーシング２５に取り付けられる支持部材５８に設置されている。イオンビームを散乱する度合いが異なる複数の第２散乱体５５は回転テーブル５６上に周方向に並んで設置される。回転テーブル５６がモータ５７により回転されることによって、所定の第２散乱体５５がビーム軸ｍ上に配置される。モータ５７の駆動は駆動制御部６８によって制御される。

飛程調整装置３０は、厚みの異なる複数の吸収体６０（本実施の形態では４つ）、及び各吸収体６０ごとに設けられた吸収体操作装置６１を有する。この吸収体操作装置６１としては、例えば圧縮空気により駆動するエアシリンダ等が用いられる。各吸収体操作装置６１は吸収体駆動装置６２によって駆動され、この吸収体駆動装置６２は駆動制御部６８によって制御される。

線量モニタ３１は、照射装置１６に入射され、ＲＭＷ装置２８，第１散乱体、第２散乱体装置２９及び飛程調整装置３０を通過したイオンビームの線量を検出する。また、平坦度モニタ３２は第１散乱体及び第２散乱体５５によって散乱されたイオンビームのビーム軸ｍと垂直な方向における平坦度（線量一様度）を確認するモニタである。線量モニタ３１及び平坦度モニタ３２は支持テーブル６３上に設けられている。

ブロックコリメータ３３は、イオンビームをビーム軸ｍと垂直な平面方向に整形してイオンビームの照射野を粗くコリメートする。ブロックコリメータ３３の開口径は駆動制御部６８によって可変に制御される。患者コリメータ３４はイオンビームを患者２２の患部Ｋの形状に合わせてさらに細かくコリメートするためのものである。ボーラス３５は、治療患者２２の患部Ｋ（例えば癌や腫瘍の発生部位）の最大深さに合わせてイオンビームの到達深度を調整するものであり、ビーム軸ｍに垂直な平面上の各位置における飛程を、照射目標である患部Ｋの深さ形状に合わせて調整するものである。

荷電粒子ビーム出射装置２４は、ゲート信号生成装置（第１制御装置）３７と、照射制御装置６４とを備える。照射制御装置６４は、照射制御・判定部（判定装置、第３制御装置）６６、駆動制御部６８及びメモリ６９を有する。

ゲート信号生成装置３７は、角度計５１から入力されたＲＭＷ４０の回転角度に応じて、ゲート信号（第１制御信号）を生成し出力する。具体的には、角度計５１が有しＲＭＷ４０と同期して回転する図示しないエンコーダが出力する出力パルスを入力してカウントし、その出力パルスのカウント値が、ゲート信号生成装置３７内の図示しないメモリ等に予め記憶されたゲート信号の出力がＯＮ又はＯＦＦするタイミングに相当するエンコーダ出力パルスのカウント目標値に一致すると、ゲート信号の出力をＯＮ又はＯＦＦする。また、ゲート信号生成装置３７は、ＲＭＷ４０が１回転するごとに上記ゲート信号の出力タイミングの基準となる基準信号（パルス信号）を出力する。すなわち、上記ゲート信号の場合と同様に、ゲート信号生成装置３７には予め基準信号の出力タイミングに相当するエンコーダ出力パルスのカウント目標値が記憶されており、出力パルスのカウント値が当該カウント目標値に一致すると基準信号を出力する。なお、この図２ではゲート信号生成装置３７を照射制御装置６４とは別個に設けたように図示しているが、例えば照射制御装置６４の一機能としてもよい。

照射制御・判定部６６は、上記ゲート信号生成装置３７から出力されるゲート信号を入力し、そのゲート信号出力のＯＮ又はＯＦＦが所望のタイミングで行われているかどうかの判定を行う。正常であると判定した場合には、ゲート信号に基づいてＳＯＢＰ幅を形成するための荷電粒子ビーム発生装置１からのイオンビームの出射のＯＮ・ＯＦＦ制御を行う。異常であると判定した場合には、荷電粒子ビーム発生装置１からのイオンビームの出射を停止すると共に、インターロック装置７２を介してビームシャッタ３８を閉じるように制御する。駆動制御部６８は、第２散乱体装置２９のモータ５７、飛程調整装置３０の吸収体駆動装置６２、及びブロックコリメータ３３のそれぞれの駆動を制御する。メモリ６９は、後述するゲート信号の出力ＯＮ／ＯＦＦのタイミング判定を行うための各種目標値や、中央制御装置７０から出力された照射条件情報を記憶する。更に、荷電粒子ビーム出射装置２４はインターロック装置７２（図１参照）を備える。

以上の構成を有する荷電粒子ビーム出射装置２４は、ＲＭＷ４０の回転角度に応じて荷電粒子ビーム発生装置１からのイオンビームの出射ＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、複数のＳＯＢＰ幅を生成することができる。以下、この原理を、図４、図５及び図６を用いて説明する。

イオンビームがＲＭＷ４０の開口４６を通過したときは、ビームエネルギーは減衰しないためブラッグピークが体表面から深い第１の位置に形成される。羽根部４５のうち最も厚みが厚くなる頂部３６に位置する平面領域４７をイオンビームが通過したときは、ビームエネルギーが最も大きく減衰されてブラックピークが体表面近くの浅い第２の位置に形成される。イオンビームが開口４６と頂部３６の間に位置する平面領域４７を通過したときは、その平面領域４７が位置する部分の厚みに応じてビームエネルギーが減衰するため、ブラッグピークは第１位置と第２位置の間に存在する第３の位置に形成される。したがって、図４及び図５におけるケースａのように、ＲＭＷ４０の周方向において、３６０°の全回転角度領域において常にビームＯＮである場合には、ＲＭＷ４０の回転によりブラッグピークは第１位置と第２位置との間で周期的に変動する。この結果、ケースａは、時間積分で見ると、図６に示す深さ方向の線量分布ａのように体表面近くから深い位置に至る比較的広いＳＯＢＰ幅を得ることができる。「ビームＯＮ」は、イオンビームがシンクロトロン４から出射されてＲＭＷ４０を通過し照射装置１６から出射される状態を意味する。これに対し、「ビームＯＦＦ」は、イオンビームがシンクロトロン４から出射されず照射装置１６から出射されない状態を意味する。

図４及び図５におけるケースｂは、ＲＭＷ４０の周方向において、各羽根部４５の比較的厚い領域（頂部３６付近）ではビームＯＦＦとし、これ以外の回転角度領域ではビームＯＮとする。ケースｂは、体表面近くの浅い部分で生じるブラッグピークがなくなるため、図６に示す深さ方向の線量分布ｂのように線量分布ａよりもフラット部分が狭くなったＳＯＢＰ幅が形成される。

図４及び図５におけるケースｃは、ＲＭＷ４０の周方向において、開口４６及び開口４６付近の各羽根部４５の厚みが比較的薄い領域にてビームＯＮとし、これら以外の回転角度領域ではビームＯＦＦとする。ケースｃは、全体にビームエネルギーの減衰量が少ないため、体表面から深い位置にブラッグピークが形成される。このため、ケースｃは、図６に示す深さ方向の線量分布ｃのように線量分布ｂよりもフラット部分が狭くなったＳＯＢＰ幅が形成される。

荷電粒子ビーム出射装置２４は、以上のようにＲＭＷ４０の回転角度に応じてイオンビームの出射ＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことにより、１つのＲＭＷで複数の異なるＳＯＢＰ幅を形成することができる。

ＲＭＷ４０の回転時にイオンビームの出射ＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことにより種々のＳＯＢＰ幅を形成できることは、後述するように、非常にメリットがある。しかしながら、イオンビームの出射のＯＮ／ＯＦＦ制御が実際に所望のタイミングで行われているかどうかを確認できることは、イオンビームを用いた治療の安全性を高めるためにも、荷電粒子ビーム出射装置に要求される重要な要件の１つである。発明者らは、この課題を解決するために種々の検討を行った。この発明者らの検討結果を、以下に説明する。

図７はＲＭＷ４０の回転とゲート信号の関係を示す図である。なお、図５までの説明においてＲＭＷの羽根部の厚みは階段状に変化しているが、これは先に述べたように容易に工作精度を確保することからの制約によるものである。図７以降の説明においては、ＲＭＷの羽根部は、厚みが理想的に直線状に変化する山形の断面形状になっているとして説明する。羽根部の断面が山形であることと前述のように厚みが階段状に変化することは、説明上、本質的な差異は生じない。ＲＭＷ４０は先の図３において説明したように３つの羽根部４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃの３枚を有しており、その断面は図７に示すように周方向に略３つの山形を有する形状となる。図の例では３つの山（羽根部で最も厚みが厚い部分）と谷（厚みがゼロの部分（図４で開口４６の部分））がある。ゲート信号は先の図４において説明したケースｂのように谷を中心に一定の範囲でＯＮとなるように制御されるものとする。ゲート信号生成装置３７から入力されるゲート信号がＯＮである場合、後述する判定に異常がなければ照射制御・判定部６６は開閉スイッチ９に出射開始信号を出力し、開閉スイッチ９を閉じて第１高周波電源８からの高周波を高周波印加装置５より周回しているイオンビームに印加させる。また、ゲート信号生成装置３７から入力されるゲート信号がＯＦＦである場合、照射制御・判定部６６は開閉スイッチ９に出射停止信号を出力し、開閉スイッチ９を開き第１高周波電源８からの高周波が高周波印加装置５よりイオンビームに印加されるのを停止する。

次に、照射制御・判定部６６で行われるゲート信号のＯＮ／ＯＦＦタイミング（以下、単にゲートタイミングという。）の判定機能について図８を用いて説明する。図８は照射制御・判定部６６の判定機能を表す機能ブロック図である。この図８に示すように、照射制御・判定部６６には、ゲート信号生成装置３７からゲート信号（図８中（１））及び基準信号（図８中（２））が入力される。ゲート信号生成装置３７から入力された基準信号は位相判定回路８３に入力され、これにより位相判定回路８３は図示しないタイマ（タイマー装置）を起動する。一方、入力されたゲート信号は、入力処理回路８１によりゲート信号の立ち下がり又は立ち上がりが検出される。立ち下がりが検出された場合（ここでは否定(Not)を経由して立ち上がりが検出された場合）には、入力処理回路８１からゲートパルス１信号（図８中（３））がホールド回路８２を介して上記の位相判定回路８３に入力され、時間Tpの判定が行われる。時間Tpとは基準信号からゲート信号の最初の立ち下がりまでの時間である（図７参照）。すなわち、位相判定回路８３では、基準信号からゲート信号の最初の立ち下がりまでの時間Tpを目標値と比較することにより、ゲート信号全体とＲＭＷ４０の回転との位相差の判定が行われる。具体的には次式(i)を満たせば正常と判定される。

Tp判定：Tp = Tp limit ± Etp ・・・（i）
ここで、Tp limitはTpの目標値、EtpはTpの許容値であり、例えば照射制御装置６４のメモリ６９に予め記憶された値である。なお、ホールド回路８２は基準信号でリセットされるまで状態を保つため、Tp判定はＲＭＷ４０の１周に１回だけ、基準信号直後のゲートパルス１に対してのみ行われる。

また、入力処理回路８１からのゲートパルス１信号（図８中（３））はゲート判定１回路８４にも入力される。その後、立ち上がりが検出された場合には、入力処理回路８１からゲートパルス２信号（図８中（４））がゲート判定１回路８４に入力され、時間T1の判定が行われる。時間T1とはゲートパルス１信号からゲートパルス２信号までの時間（すなわちゲート信号の出力がＯＦＦの時間）である（図７参照）。すなわち、ゲート判定１回路８４では、ゲートパルス１信号からゲートパルス２信号までの時間T1を目標値と比較することにより、ゲート信号がＯＦＦとなるべき時間T1を判定する。具体的には次式(ii)を満たせば正常と判定される。

T1判定：T1 = T1 limit ± Et1 ・・・(ii)
ここで、T1 limitはT1の目標値、Et1はT1の許容値であり、例えば照射制御装置６４のメモリ６９に予め記憶された値である。ＲＭＷ４０の羽根部４５の構造は回転対称であるので、ＲＭＷ４０が１周する間、羽根部４５ごとに繰り返して判定を行う。

また、入力処理回路８１からのゲートパルス２信号（図８中（４））はゲート判定２回路８５にも入力される。その後、立ち下がりが検出された場合には、入力処理回路８１からゲートパルス１信号（図８中（３））がゲート判定２回路８５に入力され、時間T2の判定が行われる。時間T2とはゲートパルス２信号からゲートパルス１信号までの時間（すなわちゲート信号がＯＮの時間）である（図７参照）。すなわち、ゲート判定２回路８５では、ゲートパルス２信号からゲートパルス１信号までの時間T2を目標値と比較することにより、ゲート信号がＯＮとなるべき時間T2を判定する。具体的には次式(iii)を満たせば正常と判定される。

T2判定：T2 = T2 limit ± Et2 ・・・(iii)
ここで、T2 limitはT2の目標値、Et2はT2の許容値であり、例えば照射制御装置６４のメモリ６９に予め記憶された値である。ＲＭＷ４０の羽根部４５の構造は回転対称であるので、ＲＭＷ４０が１周する間、羽根部４５ごとに繰り返して判定を行う。

以上の各判定回路８３，８４，８５のいずれかで判定が満たされなかった場合には、異常信号がOR回路８６で合成され、ゲート位相・ゲートタイミング異常検出信号が生成される。本信号は否定(Not)を経由して後段のAND回路８７に入る。このAND回路８７により、ゲートタイミングが正常であるときのみゲート信号生成装置３７からのゲート信号をビーム出射開始信号又はビーム出射停止信号として開閉スイッチ９に与え、ビーム出射のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことができる。一方、各判定回路８３，８４，８５のいずれかでゲートタイミングに異常が検出された場合、開閉スイッチ９にゲート信号は出力されない（すなわちビーム出射停止信号が出力される）。これにより、開閉スイッチ９が開き、シンクロトロン４からのビーム出射が停止する。同時に、インターロック装置７２に対してインターロック信号が出力され、これによりインターロック装置７２がビームシャッタ３８を閉じてビームが照射装置１６側に輸送されることを防止する。

荷電粒子ビーム出射装置２４による治療開始前に、医者は、Ｘ線ＣＴ装置（図示せず）によって得られた患者２２の患部Ｋ付近の断層像を用いて診断を行い、患部Ｋの位置及びサイズを把握すると共に、イオンビームの照射方向、最大照射深さ等の情報を治療計画装置７１に入力する。治療計画装置７１は、治療計画ソフトによって、入力されたイオンビームの照射方向、最大照射深さ等に基づき、ＳＯＢＰ幅、照射野径及び患部Ｋに対する目標線量等を算出する。さらに、治療計画装置７１は、各種運転パラメータ（シンクロトロン４から出射されるイオンビームのエネルギー（照射装置１６への入射エネルギー）、回転ガントリー角度、及びイオンビームの出射ＯＮ／ＯＦＦ時におけるＲＭＷ４０の各回転角度）を算出すると共に、治療に適切なＲＭＷ４０を選定する。回転角度及び目標線量、さらに、図９に示された照射野径、飛程、入射エネルギー（入射Ｅｇ）、第１散乱体の厚み（ＳＣ１厚）、ＳＯＢＰ幅、第２散乱体５５の種類（ＳＣ２種類）、飛程調整装置３０におけるビーム経路に位置させる吸収体６０の厚み（ＲＳ厚）及びブロックコリメータ３３の開口径（ＢＣ開口径）等の上記した治療計画情報が、荷電粒子ビーム出射装置２４の中央制御装置７０に入力され、中央制御装置７０の記憶装置（図示せず）に記憶される。以上に述べた各治療計画情報は、中央制御装置７０から照射制御装置６４のメモリ６９に記憶される。

ガントリー制御装置（図示せず）は、メモリ６９より入力した回転ガントリー角度情報に基づいて、照射装置１６のビーム経路がその角度で患者２２を向くように、回転ガントリーを回転させる。患者が横たわっている治療用ベッド２１を移動させて患部Ｋが照射装置１６のビーム経路の延長線上に位置するように、治療用ベッド２１の位置決めがなされる。

照射制御装置６４の駆動制御部６８は、メモリ６９に記憶された照射野径、飛程及び入射エネルギーの各情報を用いて、メモリ６９に予め記憶されている図９に例示したような照射条件情報から、第１散乱体の厚み、ＳＯＢＰ幅、第２散乱体の種類、吸収体の厚み、及びブロックコリメータ開口径を選定する。駆動制御部６８は、第１散乱体の厚みの情報に基づいて、ビーム軸ｍ上に位置するようにその厚みの第１散乱体を移動させる。駆動制御部６８は、選定された第２散乱体５５がビーム軸ｍ上に位置するようにモータ５７を駆動して回転テーブル５６を回転させる。また、駆動制御部６８は、選定された吸収体６０がビーム軸ｍ上に位置するように吸収体駆動装置６２を介して吸収体操作装置６１を操作する。駆動制御部６８は、選定されたブロックコリメータ３３の開口径情報に基づき、図示しない駆動装置を制御し、ブロックコリメータ３３の各ブロックを駆動し、その開口径を所定の径にする。

各種の治療計画情報は、荷電粒子ビーム出射装置２４の制御室内に設置された表示装置に表示される。治療を受ける患者２２に対するＲＭＷ４０、ボーラス３５及び患者コリメータ３４が、作業員によって、照射装置１６のケーシング２５内に図２に示すように設置される。

照射制御装置６４の照射制御・判定部６６は、治療する患者２２に対する、ケーシング２５内に設置したＲＭＷ４０の回転角度情報（例えば、後述のα１〜α６）、目標線量、及び前述したTp判定、T1判定、T2判定で用いる目標値Tp limit, T1 limit, T2 limit及び許容値Etp, Et1, Et2等をメモリ６９から読み出す。

荷電粒子ビーム出射装置２４を用いた患部Ｋの治療について、以下に説明する。シンクロトロン４は、前段加速器３からのイオンビームの入射、イオンビームの加速、イオンビームの出射、及び減速を繰り返して運転される。設定エネルギーである出射エネルギーまでイオンビームが加速されると、イオンビームの加速が終了し、イオンビームがシンクロトロン４から出射可能な状態（イオンビームの出射可能な状態）になる。イオンビームの加速終了情報は、シンクロトロン４の電磁石等の状態をセンサ（図示せず）で監視している電磁石電源制御装置から中央制御装置７０に伝えられる。

荷電粒子ビーム出射装置２４における前述したＳＯＢＰ幅形成のためのイオンビームの出射ＯＮ／ＯＦＦに係る制御を、図１、図２、図４及び図１０を用いて説明する。以下におけるイオンビームの出射ＯＮ／ＯＦＦに係る制御は、図５におけるケースｂの一例に基づいて説明する。このケースｂの一例では、黒丸の点５２Ａ、５２Ｂ及び５２Ｃがイオンビームの出射ＯＮ（出射開始）時点であり、白丸の点５３Ａ、５３Ｂ及び５３Ｃがイオンビームの出射ＯＦＦ（出射停止）時点である。照射制御・判定部６６は、ケースｂの制御を行うに際して、回転角度の設定値である回転角度α１〜α６（α３〜α６は図示せず）を、メモリ６９から入力する。回転角度α１は基準線４１から点５２Ａまでの角度であり、回転角度α２は基準線４１から点５３Ａまでの角度であり、回転角度α３は基準線４１から点５２Ｂまでの角度であり、回転角度α４は基準線４１から点５３Ｂまでの角度であり、回転角度α５は基準線４１から点５２Ｃまでの角度であり、回転角度α６は基準線４１から点５３Ｃまでの角度である。回転角度α１〜α６は、基準線４１がビーム軸ｍに位置するときを基準にした角度を示している。図４において、黒丸の位置がイオンビームの出射を開始する位置であり、白丸の位置がイオンビームの出射を停止する位置である。

照射制御・判定部６６は、図１０に示す制御フローに基づいてイオンビームの出射ＯＮ／ＯＦＦに係る制御を実行する。まず、加速器（シンクロトロン４）の加速終了信号（イオンビームが出射可能な状態になったことを示す信号）を入力する（ステップ７３）。この加速終了信号は中央制御装置７０から入力される。回転装置４２に回転開始信号を出力する（ステップ７４）。回転装置４２は回転開始信号に基づいて回転される。回転装置４２の回転力は回転軸４９を介して回転軸４３に伝えられ、ＲＭＷ４０が回転される。ＲＭＷ４０の回転数は１秒間当り１００〜２００回転の範囲内の回転数に設定される。回転角度の計測値が回転角度の第１設定値と一致するかが判定される（ステップ７５）。角度計５１で計測されたＲＭＷ４０の回転角度の計測値は、ゲート信号生成装置３７に入力される。この計測値が出射開始信号を出力するための回転角度の第１設定値（回転角度α１、α３及びα５のいずれか）と一致するかが判定される。回転角度の計測値が第１設定値と一致した場合は、ゲート信号生成装置３７から照射制御・判定部６６にゲート信号が出力され、前述したTp判定、T1判定、T2判定によりゲートタイミングが正常であると判定された場合には、照射制御・判定部６６から出射開始信号が出力される（ステップ７６）。この出射開始信号によって、開閉スイッチ９が閉じられる。開閉スイッチ１０は閉じている。第１高周波電源８から出力された高周波が高周波印加装置５より周回しているイオンビームに印加されるため、イオンビームがシンクロトロン４から出射される。このイオンビームは、照射装置１６に輸送される。

このイオンビームは、照射装置１６内でビーム軸ｍに沿って進行する。イオンビームは、ビームプロファイルモニタ２６、線量モニタ２７を通過する。そして、回転しているＲＭＷ４０を通過したイオンビームは、第１散乱体によりビーム軸ｍに直交する方向に拡大される。その後、イオンビームは、第２散乱体５５により上記直交する方向で線量分布が平坦化され、飛程調整装置３０の吸収体６０を通過してエネルギーを減少されて患者２２の体内における飛程が調整される。吸収体６０を通過したイオンビームは、線量モニタ３１で線量を計測され、平坦度モニタ３２でビーム軸ｍ方向に垂直な方向における平坦度が確認される。イオンビームは、さらに、ブロックコリメータ３３、患者コリメータ３４及びボーラス３５を通過して、患部Ｋに照射される。

患部Ｋに照射された線量が目標線量に到達したかが判定される（ステップ７７）。また、回転角度の計測値が回転角度の第２設定値と一致するかが判定される（ステップ７８）。線量モニタ３１によって測定された患部Ｋに照射される線量は、常に照射制御・判定部６６に入力されている。ステップ７７においては、線量モニタ３１によって測定された線量計測値の累積値が目標線量になったかが判定される。この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップ７８の処理に優先してステップ８２の処理が実行され、照射制御・判定部６６から開閉スイッチ９に出射停止信号が出力される。このビーム出射停止信号によって、開閉スイッチ９が開き、高周波印加装置５への高周波の供給が停止される。このため、シンクロトロン４からのイオンビームの出射が停止される。治療用ベッド２１上の患者２２に対するイオンビームの照射が終了する。回転装置４２に停止信号を出力する（ステップ８３）。回転装置４２の回転が停止し、ＲＭＷ４０の回転も停止する。

ステップ７７の判定が「ＮＯ」である場合には、ステップ７８の処理が実行される。ステップ７８において、ゲート信号生成装置３７により回転角度の計測値が出射停止信号を出力するための回転角度の第２設定値（回転角度α２、α４及びα６のいずれか）と一致したと判定された場合には、ゲート信号生成装置３７から照射制御・判定部６６に出力されるゲート信号がＯＦＦとなる。これにより、照射制御・判定部６６から出射停止信号が出力される（ステップ７９）。出射停止信号の出力により、上記したように開閉スイッチ９が開き、シンクロトロン４からのイオンビームの出射が停止される。ステップ７６の出射開始信号の出力からステップ７９の出射停止信号の出力までの期間は、例えば、羽根部４５Ａの平面領域４７Ａから羽根部４５Ｂの平面領域４７Ｂが、イオンビームが通るビーム軸ｍを横切る期間であって、実質的にビームＯＮの期間である。開閉スイッチ９が閉じてシンクロトロン４からイオンビームが出射されるまでに要する時間は１／１０００秒以下であり、逆に開閉スイッチ９が開いてイオンビームの出射が停止されるまでに要する時間も１／１０００秒以下である。

ステップ８０で、再度、線量モニタ３１からの検出信号を基に得られた患部Ｋに照射された線量が目標線量に到達したかが判定される。この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップ８１の処理が実行される。すなわち、上記したビームＯＮの期間が終了した後、シンクロトロン４内にイオンビームが十分に存在するかを判定する。このイオンビームの存在量（イオンビームの電流密度）は、電磁石電源制御装置がシンクロトロン４に設けられたセンサ（図示せず）の計測値を基に監視している。イオンビームの電流密度の計測値は、中央制御装置７０を介して照射制御・判定部６６に入力されている。ステップ８１の判定は、電流密度の計測値を用いて行われる。判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップ７５〜８０の処理が実行される。この繰り返し処理における、ステップ７６の出射開始信号の出力からステップ７９の出射停止信号の出力までの期間は、例えば、羽根部４５Ｂの平面領域４７Ｃから羽根部４５Ｃの平面領域４７Ｄがビーム軸ｍを横切る期間であって、実質的にビームＯＮの期間である。次のステップ７５〜８０の繰り返し処理における、羽根部４５Ｃの平面領域４７Ｅから羽根部４５Ａの平面領域４７Ｆがビーム軸ｍを横切る期間も、実質的にビームＯＮの期間である。２つのビームＯＮの期間の間には、図５に示すようにビームＯＦＦの期間が存在する。ステップ７５〜８０の繰り返し処理時に、ステップ７７または８０で、線量計測値の累積値が目標線量になったと判定されると、ステップ８３の処理が行われて患者２２へのイオンビームの照射は終了する。

ステップ８１の判定が「ＮＯ」の場合には、ステップ７３からの処理が実行される。すなわち、シンクロトロン４内を周回しているイオンビームの電流密度が低下してイオンビームの出射が不可能な場合には、シンクロトロン４を減速させる。電磁石電源制御装置がシンクロトロン４及びビーム輸送系２等に設けられた電磁石に供給する電流値を低下させる。それらの電磁石に供給される電流値がイオンビームの入射状態に保持される。イオンビームが前段加速器３からシンクロトロン４に入射される。このイオンビームは前述のように出射エネルギーになるまで加速される。イオンビームの加速終了後にステップ７３からの処理が、照射制御部６６で実行される。

ステップ７６とステップ７８の間でステップ７７の判定を行うため、イオンビームが回転しているＲＭＷ４０を通過している間に、線量計測値の累積値が目標線量になったとき、イオンビームの出射を停止することができる。したがって、患部Ｋにイオンビームが過大に照射されることを防止できる。例えば、図４において、羽根部４５Ａと羽根部４５Ｂとの間に位置する開口４６がビーム軸ｍの位置に存在するときにステップ７７で「ＹＥＳ」と判定された場合には、イオンビームの出射を停止できる。このため、その開口４６がビーム軸ｍに位置してから回転角度の第２設定値に対する点５３Ａがビーム軸ｍに位置するまでの間におけるイオンビームの患部Ｋへの照射を停止できる。

上記したケースｂの一例においては、点５２Ａから点５３Ａまでの領域、点５２Ｂから点５３Ｂまでの領域及び点５２Ｃから点５３Ｃまでの領域はＲＭＷ４０におけるイオンビーム通過領域である。点５３Ａから点５２Ｂまでの領域、点５３Ｂから点５２Ｃまでの領域及び点５３Ｃから点５２Ａまでの領域はＲＭＷ４０におけるイオンビームの通過しない領域（イオンビーム非通過領域）である。ケースｂの一例について説明したが、１つのＲＭＷ４０に対して、出射開始信号を出力するための回転角度の第１設定値、及び出射停止信号を出力するための回転角度の第２設定値を変えることにより種々のＳＯＢＰ幅を形成することができる。図５に示す各「ビームＯＮ」は開口４６をイオンビームが通過しているが、イオンビームが開口４６を通過せず頂部３６を通過させるように制御することも可能である。照射制御・判定部６６は、例えば、図４において、点５３Ｃがビーム軸ｍに到達したときに出射開始信号を出力し、点５２Ａがビーム軸ｍに到達したときに出射停止信号を出力する。

以上に述べた照射制御・判定部６６によるイオンビームの出射ＯＮ／ＯＦＦ制御により、治療計画で定めた、患者２２に対する所望のＳＯＢＰ幅を患部Ｋに形成することができる。

イオンビームを照射装置１６から出射している間、駆動制御部６８は、第２散乱体装置２９，飛程調整装置３０、及びブロックコリメータ３３の機器状態情報をそれぞれリアルタイムに（又は例えば一定周期おきに）入力する。それらの機器状態情報は、それらの機器に設置したセンサ（図示せず）で検出される。駆動制御部６８はこれらの機器状態情報がメモリ６９から読み出し第２散乱体の種類、吸収体の厚み、及びブロックコリメータ開口径の情報のうち該当する情報と一致するかを判定する。一致しない機器状態情報がある場合、すなわちその判定が「ＮＯ」である場合には、駆動制御部６８はインターロック装置７２にインターロック信号を出力する。インターロック装置７２は、そのインターロック信号に基づいて開閉スイッチ１０を開く。このため、開閉スイッチ９が閉じた状態であっても、第１高周波電源８からの高周波の高周波印加装置５への供給が停止され、シンクロトロン４からのイオンビームの出射が停止される。なお、その判定が「ＹＥＳ」である場合には、インターロック装置７２は開閉スイッチ１０を開かないため、開閉スイッチ９が閉じられていると、シンクロトロン４からのイオンビームの出射が継続される。

照射制御・判定部６６は、ゲート信号生成装置３７から出力されるゲート信号のＯＮ／ＯＦＦのタイミングが所望のタイミングであるかどうかを判定する。この詳細について以下に説明する。照射制御・判定部６６には、ゲート信号生成装置３７から出力される基準信号及びゲート信号が入力される。これら基準信号及びゲート信号は、イオンビームを患者２２に照射している間、リアルタイムに（又は例えば一定周期おきに）照射制御装置６４の照射制御・判定部６６に入力される。照射制御・判定部６６の位相判定回路８３、ゲート判定１回路８４及びゲート判定２回路８５は、入力した基準信号及びゲート信号に基づいてそれぞれタイマを起動し、カウントした時間Tp（ゲート信号全体とＲＭＷ４０の回転との位相差に相当する時間）、T1（ゲート信号がＯＦＦである時間）、T2（ゲート信号がＯＮである時間）とメモリ６９に記憶されているそれぞれの目標値（許容範囲を含む）Tp limit ± Etp， T1 limit ± Et1, T2 limit ± Et2とを比較する。時間Tp，T1，T2のうち１つでも許容範囲に入っていない場合には、所望のタイミングでゲート信号がＯＮ／ＯＦＦされていないとみなし、照射制御・判定部６６はビーム出射停止信号を開閉スイッチ９に出力する。この出射停止信号の出力により、開閉スイッチ９が開き、シンクロトロン４からのイオンビームの出射が停止される。また照射制御・判定部６６はインターロック信号（ゲート位相・タイミング異常信号）をインターロック装置７２に出力し、ビームシャッタ３８を閉じる。これにより、シンクロトロン４からのイオンビームの出射を確実に停止することができる。

一方、時間Tp，T1，T2が全て許容範囲に入っている場合には、所望のタイミングでゲート信号がＯＮ／ＯＦＦされているとみなし、照射制御・判定部６６はゲート信号をそのまま開閉スイッチ９に出力する（すなわち出射開始信号及び出射停止信号を通常通り出力する）。これにより、患者２２へのイオンビームの照射が継続される。このイオンビームの照射は、前述したように線量モニタ３１の検出信号を基に得られた線量が目標線量に達するまで行われる。なお、照射制御・判定部６６から出力されたゲート位相・タイミング異常信号は、表示装置５４に表示される。但し、正常な場合にもその旨を表示するようにしてもよい。

本実施形態の荷電粒子ビーム出射装置２４によれば、ＲＭＷ４０を回転させた状態でイオンビームをＯＮ／ＯＦＦ制御するため、回転方向において、ＲＭＷ４０内でイオンビームが通過する領域を、ＲＭＷ４０の回転方向において、変化させることができる。このため、１つのＲＭＷ４０で、患者２２の体表面からの深さ方向で異なる幅を有する複数のＳＯＢＰ幅を形成することができ、１つのＲＭＷ４０を複数の患者に使用することができる。すなわち、１つのＲＭＷ４０を用いて治療できる患者数が増加する。また、１つのＲＭＷ４０を用いて、複数のＳＯＢＰ幅を形成することができるため、荷電粒子ビーム出射装置２４を有するがん治療センタで準備するＲＭＷの個数が低減できる。１つのＲＭＷ４０で複数のＳＯＢＰ幅を形成できることは、照射装置１６に設置されたＲＭＷの交換回数が減少する。これは、治療の準備に要する時間が短縮されることになり、荷電粒子ビーム出射装置２４における患者の治療人数が増加できる。特に、本実施形態は、イオンビームのＯＮ／ＯＦＦ制御をＲＭＷ４０の回転角度（具体的には回転角度の計測値及び設定値）に基づいて行っているため、特定のＳＯＢＰ幅を精度良く形成することができる。ビームのＯＮ／ＯＦＦ制御を行うＲＭＷの回転角度を変えることによって、種々のＳＯＢＰ幅を形成することができる。

シンクロトロン４では、加速されるイオンの数が同じであるため、ビームＯＮの期間を短縮しても、第１高周波電源８から高周波印加装置５に供給する出射用の高周波のパワーを増加することによって、ビームＯＮの期間中にシンクロトロン４から出射されるイオンビームの電流密度を増大できる。このため、ビームＯＮの期間が短くても患者に照射される線量率（単位時間当りで単位体積当りに照射される放射線量）を増大できる。厚さの薄い患部Ｋ、または体積が小さい患部Ｋを有する患者２２に対しては、電流密度が増大されたイオンビームを照射することによってイオンビームの照射時間を短縮できる。この照射時間の短縮は、患者２２の負担を軽減でき、１年間当りの治療人数を増加できる。ビームＯＮの期間を短縮する場合でも、出射用の高周波のパワーを前述のように増大することによって、周回する全てのイオンビームを実質的にシンクロトロン４から出射させることができるため、シンクロトロン４等の機器の放射化の度合いが低下する。

加速器としてシンクロトロンの代りにサイクロトロンを用い、サイクロトロンから出射されたイオンビームを照射装置１６に導くことが考えられる。しかしながら、サイクロトロンは、シンクロトロンのように減速工程がなく、イオンビームの入射、加速及び出射の各工程を連続して行うため、「ビームＯＮ」の期間を短くすると、単位時間当りに照射装置１６から出射されるイオンの数が減少する。しかしながら、患部Ｋに対する線量率は変わらない。これは、ＳＯＢＰ幅を減少させる、つまり、照射体積を減らしていることと等価である。この結果、「ビームＯＮ」の期間を短くしても、厚さの薄い患部Ｋ、または体積が小さい患部Ｋを有する患者２２に対しては、イオンビームの照射時間が変わらない。サイクロトロンにおいて「ビームＯＦＦ」をイオンビームの加速過程または加速後に行えば、捨てられるイオンビーム量が多くなり、サイクロトロン等の機器の放射化が増加する。

本実施形態の荷電粒子ビーム出射装置２４によれば、ゲート信号生成装置３７からのゲート信号のＯＮ／ＯＦＦ、すなわちシンクロトロン４からのビーム出射のＯＮ／ＯＦＦが所望のタイミングで行われているかどうかを、イオンビームの照射中にリアルタイムに確認することができる。そして、ゲート信号のＯＮ／ＯＦＦが所望のタイミングで行われていない場合には、イオンビームの出射を停止できるので、治療計画で設定したＳＯＢＰ幅と異なる異常なＳＯＢＰ幅が患者２２内で形成されることを避けることができる。このため、イオンビームによる治療の安全性が著しく向上する。さらに本実施形態によれば、ゲート信号のＯＮ／ＯＦＦが所望のタイミングで行われていない場合には、イオンビームの出射を停止すると共にビームシャッタ３８を閉じる。これにより、シンクロトロン４からのビームの出射を確実に停止することができる。このように、本実施形態では異常発生時のビーム停止手段を２重に設けているため、患者への誤照射が確実に避けられ、高い安全性が得られる。

また本実施形態では、前述したように、検出された、第１散乱体、第２散乱体装置２９、飛程調整装置３０の機器状態情報に異常がなければ、ゲート信号のＯＮ／ＯＦＦ、すなわちシンクロトロン４からのビーム出射のＯＮ／ＯＦＦが所望のタイミングで行われている場合には、所望のＳＯＢＰ幅が形成されていることになる。したがって、上記機器状態が正常である場合には、本実施形態により、ＲＭＷ４０に対するビームＯＮ／ＯＦＦ制御により形成された実ＳＯＢＰ幅が、所望のＳＯＢＰ幅設定値であるか否かをイオンビームの照射中にリアルタイムに確認することができる。

さらに本実施形態によれば、照射制御・判定部６６から出力されたゲート位相・タイミング異常信号が表示装置５４に表示されるため、医者（または放射線技師）はビームＯＮ／ＯＦＦのタイミングの異常（すなわち患者２２内で形成されているＳＯＢＰ幅の異常）を確認できる。このため、万が一、表示装置５４にゲート位相・タイミング異常が表示されているにも拘わらず、インターロック装置７２等の異常により、シンクロトロン４からのイオンビームの出射が停止されない場合には、医者（または放射線技師）は制御室内のオペレータコンソール（図示せず）に設けられたビーム出射停止ボタンを押すことにより、開閉スイッチ１０を開くことができる。すなわち、手動でシンクロトロン４からのイオンビームの出射を停止できる。

（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１１及び図１２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は、前述の実施形態１の照射制御装置６４における時間Tp，T1，T2をタイマで計測する照射制御・判定部６６を、内部クロック又は外部クロックを備え、時間Tp，T1，T2をそれらクロックをカウントすることにより計測する照射制御・判定部（判定装置、第３制御装置）６６Ａに置き替えた構成を有する。

図１１は本実施形態におけるＲＭＷ４０の回転とゲート信号の関係を示す図であり、図１２は照射制御・判定部６６Ａの判定機能を表す機能ブロック図である。これら図１１及び図１２において、前述の図７及び図８と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。

これら図１１及び図１２において、本実施形態では、ゲート位相やゲート時間判定のために内部クロックまたは角度クロックを用いる。いずれも判定をする際に時間単位を与えるものであるが、内部クロックは照射制御装置６４Ａ自身が有するクロック発生装置（例えば水晶発振器等）から発生するクロックである。一方、角度クロックは例えば照射装置１６に設けられＲＭＷ４０の回転に同期して発するパルス信号のことである。当然ながら、角度クロックを用いずに、内部クロックをカウントすることにより判定を行うことも可能であり、この場合は角度クロックは不要である。しかしながら、角度クロックを使用するメリットは、万一、ＲＭＷ４０の回転数が変化した場合であっても、ＲＭＷ４０の回転と同期したクロックでゲート信号を判定できるため、ＲＭＷ４０の回転数変化に影響されずに正しい判定ができるということにある。したがって、ここでは角度クロック発生装置（クロック発生装置。例えばエンコーダ等）８９を設け、角度クロックを用いる場合を考える。

図１２に示すように、照射制御・判定部６６Ａには、ゲート信号生成装置３７からゲート信号（図１２中（１））及び基準信号（図１２中（２））が入力される。ゲート信号生成装置３７から入力された基準信号は前述の実施形態１と同様に位相判定回路８３に入力され、これにより位相判定回路８３は図示しないカウンタ（カウント装置）を起動し、角度クロック発生装置８９から入力される角度クロック（図１２中（５））のカウントを開始する。一方、入力されたゲート信号は、前述の実施形態１と同様に入力処理回路８１によりゲート信号の立ち下がり又は立ち上がりが検出され、立ち下がりが検出された場合には、入力処理回路８１からゲートパルス１信号（図１２中（３））がホールド回路８２を介して上記の位相判定回路８３に入力され、前述の(i)式に示した判定内容と同様のTp判定が行われる。

また、入力処理回路８１からのゲートパルス１信号（図１２中（３））はゲート判定３回路８８にも入力される。これによりゲート判定３回路８８は図示しないカウンタを起動し、角度クロック発生装置８９から入力される角度クロック（図１２中（５））のカウントを開始する。その後、立ち上がりが検出された場合には、入力処理回路８１からゲートパルス２信号（図１２中（４））がゲート判定３回路８８に入力され、前述の(ii)式に示した判定内容と同様のT1判定が行われる。その後、引き続きカウンタを積算し、再度立ち下がりが検出された場合には、入力処理回路８１からゲートパルス１信号（図１２中（３））がゲート判定３回路８８に入力され、前述の(iii)式に示したT2判定が行われる。すなわち、ゲート判定３回路８８は、ゲート信号がＯＦＦの時間T1及びゲート信号がＯＦＦ及びＯＮの時間T2を目標値と比較して判定する（図１１も参照）。

以上の判定回路８３，８８のいずれかで判定が満たされなかった場合には、前述の実施形態１と同様に異常信号がOR回路８６で合成され、ゲート位相・ゲートタイミング異常検出信号が生成される。本信号は否定(Not)を経由して後段のAND回路８７に入る。このAND回路８７により、ゲートタイミングが正常なときのみビーム出射開始信号又はビーム出射停止信号を開閉スイッチ９に与え、ビーム出射のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことができる。一方、判定回路８３，８８のいずれかでゲートタイミング異常検出がなされた場合、開閉スイッチ９へのゲート信号の出力がＯＦＦとなり（開閉スイッチ９にビーム出射停止信号が出力されて）開閉スイッチ９が開き、シンクロトロン４からのビーム出射が停止する。またインターロック装置７２に対してインターロック信号が出力され、これによりインターロック装置７２がシャッタ３８を閉じてビームが照射装置１６側に輸送されることを防止する。

本実施形態によれば、ＲＭＷ４０の回転に同期した角度クロックをゲートタイミングの位相・時間判定に使用するため、万一ＲＭＷ４０の回転数が変化した場合であっても補正等が不要で正しく判定が行える。さらに、本実施形態では、ゲート判定３回路８８においてクロックを連続的に積算することにより１羽根分のゲート時間判定を１個のカウンタによりカウントし、ゲートパルス位置を比較するため、判定に必要なカウンタの個数を少なくすることができる。その結果、通常の個数（実施形態１におけるタイマと同等の個数）のカウンタを設けた場合には、本実施形態のように２個のゲートパルスを扱う場合より多数のゲートパルスを扱うことが可能となるため、より緻密な判定を行うことが可能となる。

（実施形態３）
本発明のさらに他の実施形態である荷電粒子ビーム出射装置を、図１３乃至図１５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は、前述の実施形態１及び２の照射制御装置６４，６４Ａにおける時間Tp，T1，T2をタイマ又はカウンタで計測し目標値と比較することにより判定を行う照射制御・判定部６６，６６Ａを、アドレスを更新可能なメモリデータを用いて比較判定を行う照射制御・判定部（判定装置、第３制御装置）６６Ｂに置き替え、ゲート信号生成装置をさらにもう１つ付加した構成を有する。

図１３は本実施形態の荷電粒子ビーム出射装置の照射装置の構造を表す縦断面図である。この図１３において、前述の図２と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。

この図１３に示すように、本実施形態の荷電粒子ビーム出射装置は、ゲート信号生成装置３７に加えてもう１つのゲート信号生成装置（第２制御装置）９６を備えている。このゲート信号生成装置９６は、ゲート信号生成装置３７と同様に角度計５１から入力されたＲＭＷ４０の回転角度に応じて基準信号を生成し出力すると共に、角度計５１の図示しないエンコーダが出力するエンコーダ出力パルスを角度クロックとして照射制御・判定部６６Ｂに出力する。

図１４は本実施形態におけるＲＭＷ４０の回転とゲート信号の関係を示す図であり、図１５は照射制御・判定部６６Ｂの判定機能を表す機能ブロック図である。これら図１４及び図１５において、前述の図７及び図８又は図１１及び図１２と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。

図１４に示すように、本実施形態では、上記したようにゲート信号の判定をタイマやカウンタで行うのではなく、照射制御・判定部６６Ｂが有するゲートメモリと呼ぶメモリデータを用いてゲート信号の比較を行う。ゲートメモリのアドレス更新は、内部クロック又は角度クロックに同期して行えば足りる。ここでは、上記したゲート信号生成装置９６から入力される角度クロックを用いる。ゲートメモリにはゲート信号のＯＮ／ＯＦＦに対応したデータが書き込まれる。例えば、本実施形態ではゲート信号がＯＮであるべき期間は「１」、ＯＦＦであるべき期間は「０」が書き込まれる。アドレスはＲＭＷ４０が１周するごとに発生する基準信号によりリセットされる。

図１５において、アドレスカウンタ９０はゲート信号生成装置９６から入力される角度クロック（図１５中（３））をカウントし、ゲートメモリ（記憶装置）９１のアドレスを指定する。また、アドレスカウンタ９０は、基準信号（図１５中（２））によりリセットされるので、ＲＭＷ４０が１周するごとに動作を繰り返す。ゲートメモリ９１のデータは処理ロジック９２に入力される。一方、ゲート信号発生装置３７から出力されるゲート信号（図１５中（１））も処理ロジック９２に入力される。この処理ロジック９２では、ゲート信号発生装置３７からのゲート信号とゲートメモリ９１の読出データとの排他的論理和(XOR)が取られる。XOR処理の結果であるT12（図１４参照）は両者のズレに相当する。判定回路９３は本信号の大きさを判定するもので、ズレの大きさが制限値(T12 limit)を超えた場合（T12 > T12 limit）、異常と判定されインターロック信号がインターロック装置７２に対して出力される。この場合、開閉スイッチ９にはビーム出射停止信号が出力されるのでシンクロトロン４からのビーム出射が停止する。さらに、インターロック装置７２がシャッタ３８を閉じてビームが照射装置１６側に輸送されることを防止する。

本実施形態ではゲート信号発生装置９６のゲート信号を使うことなく、本来の（ゲート信号発生装置３７の）ゲート信号の健全性を判定することができるため、例えばレゾルバや磁気エンコーダから構成される一般に複雑なゲート信号発生装置の数を増やすことなく、装置の安全性を高めることができる。

（実施形態４）
本発明のさらに他の実施形態である荷電粒子ビーム出射装置を、図１６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は、上述した実施形態３と同様にゲート信号生成装置をさらにもう１つ付加すると共に、前述の実施形態１の照射制御装置６４における照射制御・判定部６６を、２つのゲート信号生成装置からのゲート信号をそのまま比較することにより判定を行う照射制御・判定部（判定装置、第３制御装置）６６Ｃに置き替えた構成を有する。

図１６は本実施形態における照射制御・判定部６６Ｃの判定機能を表す機能ブロック図である。この図１６において前述の図１５等と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。

この図１６に示すように、本実施形態ではゲート信号発生装置３７から出力されるゲート信号とゲート信号発生装置９６から出力されるゲート信号（第２制御信号）とをそのまま処理ロジック９４に入力し、排他的論理和をとる。これにより２つのゲート信号のズレｄTが検出される。そして、判定回路９５によりズレｄTが判定許容値ｄT limitを超過する（ｄT > ｄT limit）かどうかを判定する。ズレｄTが判定許容値ｄT limitを超過し異常と判定された場合、インターロック信号がインターロック装置７２に対して出力される。この場合、開閉スイッチ９にはビーム出射停止信号が出力されるのでシンクロトロン４からのビーム出射が停止する。さらに、インターロック装置７２がシャッタ３８を閉じてビームが照射装置１６側に輸送されることを防止する。

本実施形態によれば、２つのゲート信号の各々についてゲートタイミングを計測し判定を行う必要がなく、両者のズレのみによってＲＭＷ４０の羽根部ごとに判定することができるため、判定手法を簡潔にすることができる。

なお、以上では、角度計５１とゲート信号生成装置３７，９６とによるゲート信号の生成手法として、角度計５１のＲＭＷ４０と同期して回転するエンコーダが出力するエンコーダ出力パルスをカウントし、出力パルスカウント値が予め記憶されたゲートＯＮ及びＯＦＦするタイミングに相当するカウント目標値に一致したときにゲート信号をＯＮ又はＯＦＦするようにしたが、これに限らない。すなわち、例えばエンコーダの代わりにレゾルバを適用する方式でもよい。レゾルバはステータコイルと回転コイルからなり、基準正弦波に対して、回転により位相のずれた正弦波出力を得るものである。このレゾルバを角度計５１に内蔵し（又はＲＭＷ４０近傍に設け）ておき、この出力を用いてゲート信号を発生させるようにしてもよい。また、ＲＭＷ４０又は回転軸４８，４９等の外周を磁気的、機械的または光学的に周期的な変化を与えるように加工し、適宜の検出器により回転パルスの形で回転情報を得るようにして、この回転パルスをカウントすることによりゲート信号を発生させるようにしてもよい。

本発明の第１実施形態の荷電粒子ビーム出射装置の全体構成図である。 図１に示す照射装置の詳細構成を表す縦断面図である。 図１に示すＲＭＷの斜視図である。 図３に示したＲＭＷの平面図であり、イオンビームの出射のケースａ〜ｃを例として示したものである。 図４に示すケースａ〜ｃにおけるそれぞれのビームＯＮ及びビームＯＦＦを時系列で示した図である。 図４に示すケースａ〜ｃのそれぞれに対する深さ方向の線量分布及びＳＯＢＰ幅を示す図である。 図３に示したＲＭＷの回転とゲート信号の関係を示す図である。 図１に示した照射制御・判定部の判定機能を表す機能ブロック図である。 図２に示す照射制御装置のメモリに記憶された治療計画情報の一例を示す説明図である。 図１に示す照射制御・判定部で実行される制御ステップに係るフローチャートである。 本発明の第２実施形態におけるＲＭＷの回転とゲート信号の関係を示す図である。 本発明の第２実施形態における照射制御・判定部の判定機能を表す機能ブロック図である。 本発明の第３実施形態における照射装置の詳細構成を表す縦断面図である。 本発明の第３実施形態におけるＲＭＷの回転とゲート信号及びゲートメモリの関係を示す図である。 図１３に示す照射制御・判定部の判定機能を表す機能ブロック図である。 本発明の第４実施形態における照射制御・判定部の判定機能を表す機能ブロック図である。

符号の説明

１ 荷電粒子ビーム発生装置
４ シンクロトロン
５ 高周波印加装置
１６ 照射装置
２４ 荷電粒子ビーム出射装置
３７ ゲート信号生成装置（第１制御装置）
４０ ＲＭＷ（回転体）
６６ 照射制御・判定部（判定装置、第３制御装置）
６６Ａ 照射制御・判定部（判定装置、第３制御装置）
６６Ｂ 照射制御・判定部（判定装置、第３制御装置）
６６Ｃ 照射制御・判定部（判定装置、第３制御装置）
８９ 角度クロック発生装置（クロック発生装置）
９１ ゲートメモリ（記憶装置）
９６ ゲート信号生成装置（第２制御装置）

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発生装置から出射された前記荷電粒子ビームの進行方向における厚みが変化し、通過する前記荷電粒子ビームのエネルギーを変えて前記照射対象内に拡大ブラッグピーク幅を形成させる回転体を有し、前記回転体を通過した前記荷電粒子ビームを前記照射対象に対して出射する照射装置と、
   前記回転体の回転角度に基づいて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及び出射停止を制御する第１制御装置と、
   前記第１制御装置により前記荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われているかどうかを判定する判定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. 前記回転体の回転角度に基づいて第１制御信号の出力をＯＮ／ＯＦＦすることにより、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及び出射停止を制御する前記第１制御装置を備えた請求項１記載の荷電粒子ビーム出射装置。
3. 前記第１制御信号の出力のＯＮ／ＯＦＦのタイミングとこれらタイミングの目標値とを比較することにより、前記第１制御装置による前記荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われているかどうかを判定する前記判定装置を備えた請求項２記載の荷電粒子ビーム出射装置。
4. 前記回転体の回転角度に基づいて第２制御信号の出力をＯＮ／ＯＦＦする第２制御装置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。
5. 前記第１制御信号と前記第２制御信号とを比較することにより、前記荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われているかどうかを判定する前記判定装置を備えた請求項４記載の荷電粒子ビーム出射装置。
6. 前記第２制御信号のＯＮ／ＯＦＦによりアドレスを更新する記憶装置と、前記記憶装置のアドレスと前記第１制御信号とを比較することにより、前記荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われているかどうかを判定する前記判定装置とを備えた請求項４記載の荷電粒子ビーム出射装置。
7. 前記判定装置により前記荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われていないと判定されたとき、前記荷電粒子ビームの出射を停止するように前記荷電粒子ビーム発生装置を制御する第３制御装置を備えた請求項３，５又は６記載の荷電粒子ビーム出射装置。
8. 前記第１制御信号の出力のＯＮ／ＯＦＦタイミングを計測するタイマー装置を備えた請求項３記載の荷電粒子ビーム出射装置。
9. クロックを発生するクロック発生装置と、前記第１制御信号の出力のＯＮ／ＯＦＦタイミングを前記クロック発生装置で発生したクロックをカウントすることにより計測するカウント装置とを備えた請求項３記載の荷電粒子ビーム出射装置。
10. 前記判定装置に設けられ、所定の時間周期でクロックを発生する前記クロック発生装置を備えた請求項９記載の荷電粒子ビーム出射装置。
11. 前記回転体の回転に同期してクロックを発生する前記クロック発生装置を備えた請求項９記載の荷電粒子ビーム出射装置。
12. 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請求項１記載の荷電粒子ビーム出射装置。
13. 高周波印加装置を有するシンクロトロンを含む前記荷電粒子ビーム発生装置と、前記判定装置により前記荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われていないと判定されたとき、前記シンクロトロンからの前記荷電粒子ビームの出射を停止するために、前記高周波印加装置への高周波の印加を停止させる前記第３制御装置を備えた請求項７記載の荷電粒子ビーム出射装置。
14. 前記高周波印加装置への高周波の供給及び供給停止をすることにより、前記荷電粒子ビームの出射及び出射停止を制御する前記第１制御装置を備えた請求項１３記載の荷電粒子ビーム出射装置。
15. 荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを、前記荷電粒子ビームの進行方向における厚みが変化し、通過する前記荷電粒子ビームのエネルギーを変えて前記照射対象内に拡大ブラッグピーク幅を形成させる回転体を有する照射装置より出射させる荷電粒子ビーム出射方法において、
    前記回転体の回転角度に基づいて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及び出射停止を制御し、
    前記荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われているかどうかを判定することを特徴とする荷電粒子ビーム出射方法。
16. 前記回転体の回転角度に基づいて第１制御信号の出力をＯＮ／ＯＦＦすることにより、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及び出射停止を制御する請求項１５記載の荷電粒子ビーム出射方法。
17. 前記第１制御信号の出力のＯＮ／ＯＦＦのタイミングとこれらタイミングの目標値とを比較することにより、前記荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われているかどうかを判定する請求項１６記載の荷電粒子ビーム出射方法。
18. 前記回転体の回転角度に基づいて第２制御信号の出力をＯＮ／ＯＦＦ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。
19. 前記第１制御信号と前記第２制御信号とを比較することにより、前記荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われているかどうかを判定する請求項１８記載の荷電粒子ビーム出射方法。
20. 前記第２制御信号のＯＮ／ＯＦＦにより更新されるアドレスと前記第１制御信号とを比較することにより、前記荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われているかどうかを判定する請求項１８記載の荷電粒子ビーム出射方法。
21. 前記荷電粒子ビームの出射及び出射停止の制御が所望のタイミングで行われていないと判定されたとき、前記荷電粒子ビームの出射を停止する請求項１７，１９又は２０記載の荷電粒子ビーム出射方法。

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