帶電粒子加速器及粒子射線治療裝置製造方法

2023-10-10 00:10:39

帶電粒子加速器及粒子射線治療裝置製造方法
【專利摘要】本發明的目的在於獲得一種帶電粒子加速器，該帶電粒子加速器基於時間時鐘來減少用於使加速腔及電磁鐵工作的模式數據量，並縮短模式數據的通信時間。其特徵在於，本發明的帶電粒子加速器(54)所具備的加速器控制裝置(25)具有：時鐘生成部(18)，該時鐘生成部(18)生成加速腔時鐘以及電磁鐵時鐘，該電磁鐵時鐘與加速腔時鐘同步並且其頻率低於加速腔時鐘；高頻控制部(19)，該高頻控制部(19)基於保存於第1模式存儲器(5)中的加速腔模式以及加速腔時鐘來控制加速腔(11)；以及偏轉電磁鐵控制部(20)，該偏轉電磁鐵控制部(20)基於保存於第2模式存儲器(12)中的偏轉電磁鐵模式以及電磁鐵時鐘來控制偏轉電磁鐵(15)。
【專利說明】帶電粒子加速器及粒子射線治療裝置

【技術領域】
[0001] 本發明涉及用於醫療領域的粒子射線治療裝置。

【背景技術】
[0002] -般而言，粒子射線治療裝置包括：射束產生裝置，該射束產生裝置產生帶電粒 子束；加速器，該加速器與射束產生裝置相連接，且對所產生的帶電粒子束進行加速；射束 輸送系統，該射束輸送系統輸送加速到在加速器中所設定的能量為止之後射出的帶電粒子 束；以及粒子射線照射裝置，該粒子射線照射裝置設置在射束輸送系統的下遊，且用於將帶 電粒子束射向照射對象。
[0003] 加速帶電粒子束的加速器例如使用同步加速器。對設置於同步加速器的高頻加速 腔（加速腔）施加高頻，使偏轉電磁鐵、四極電磁鐵等同步地實施模式運行，並將帶電粒子 束加速至規定能量為止。此時，帶電粒子束繞相同軌道旋轉，因此旋轉頻率根據帶電粒子束 的加速而升高。因此，需要根據帶電粒子束的加速提高加速電壓的加速頻率。也就是說，需 要預先使偏轉電磁鐵的磁場B與加速電壓的加速頻率f同步。
[0004] 專利文獻1的現有技術中示出了一種帶電粒子加速器，該帶電粒子加速器利用T 時鐘（時間時鐘）輸出偏轉電磁鐵用模式來使偏轉電磁鐵工作，根據由設置於以該偏轉電 磁鐵用模式來工作的基準電磁鐵處的磁場測定器所觀測到的磁場變化來生成B時鐘（磁場 時鐘），利用該B時鐘輸出加速腔用模式來使高頻加速腔工作。現有的帶電粒子加速器如上 述那樣利用T時鐘及B時鐘來實現偏轉電磁鐵與高頻加速腔的同步。該工作方法中，由於 使用T時鐘及B時鐘這兩個時鐘，因此裝置變得複雜。因此，在專利文獻1中，提出了一種 帶電粒子加速器，該帶電粒子加速器僅使用T時鐘來輸出偏轉電磁鐵用模式以及加速腔用 模式，使偏轉電磁鐵與高頻加速腔工作。 現有技術文獻 專利文獻
[0005] 專利文獻1 :日本專利特開8 - 293399號公報（0008段?0017段，圖1、圖3)


【發明內容】
發明所要解決的技術問題
[0006] 在僅使用T時鐘來使偏轉電磁鐵及高頻加速腔工作的情況下，整個帶電粒子加速 器所處理的模式數據量變得非常多，其結果是，預先保存數據的硬碟或存儲器的量變得龐 大，或者模式數據通信所需的時間變長，從而產生問題。以下對模式數據量進行詳細說明。
[0007] 一般來說，高頻加速腔施加小於10MHz的高頻。高頻加速腔對於時間變化的跟隨 性較好，而對於射束的加速及減速則較為敏感，因此在模式時鐘的輸出周期需要100kHz左 右，進一步在使高頻加速腔以平滑的變化進行工作的情況下，需要1MHz左右的模式輸出。 另一方面，偏轉電磁鐵或四極電磁鐵等電磁鐵在鐵芯卷繞有線圈的結構下、電抗分量較大， 時間常數較大，因此，運行模式可以是商用電源頻率（50Hz、60Hz)的24倍，S卩1200Hz或 1440Hz左右。在使上述時間響應性不同的兩個設備、即高頻加速腔以及電磁鐵在同一時鐘 下工作的情況下，需要與時間解析度較高的用於高頻加速腔的模式輸出相配合。因此，響應 較慢的電磁鐵也需要輸出1MHz左右的較快的模式，來進行工作，如上所述，整個帶電粒子 加速器所處理的模式數據量變得非常多。
[0008] 另外，在專利文獻1的帶電粒子加速器中，作為電磁鐵的示例僅記載了偏轉電磁 鐵，但實際上進行模式運行的電磁鐵具有收束用四極電磁鐵、發散用四極電磁鐵、收束用六 極電磁鐵、發散用六極電磁鐵、啟動修正用轉向電磁鐵（X方向/Y方向）、取出用六極電磁鐵 等，大多情況下其數量有十幾種?二十種左右，若用於控制的模式不同的電磁鐵增多則與 其模式相應的數據增多，因此模式數據量的增大是較大的問題，降低模式數據量成為重大 問題。
[0009] 本發明用於解決上述問題而得以完成，其目的在於獲得一種帶電粒子加速腔，減 少用於基於時間時鐘使加速腔及電磁鐵工作的模式數據量，並縮短模式數據的通信時間。 解決技術問題所採用的技術方案
[0010] 本發明所涉及的帶電粒子加速器包括：使帶電粒子束通過的真空管道、將通過真 空管道的帶電粒子束進行加速的加速腔、使通過真空管道的帶電粒子束偏轉的偏轉電磁 鐵、以及控制加速腔及偏轉電磁鐵的加速器控制裝置。加速器控制裝置的特徵在於，具有： 時鐘生成部，該時鐘生成部生成加速腔時鐘以及電磁鐵時鐘，該電磁鐵時鐘與加速腔時鐘 同步並且其頻率低於加速腔時鐘；高頻控制部，該高頻控制部基於保存於第1模式存儲器 中的加速腔模式以及加速腔時鐘來控制加速腔；以及偏轉電磁鐵控制部，該偏轉電磁鐵控 制部基於保存於第2模式存儲器中的偏轉電磁鐵模式以及電磁鐵時鐘來控制偏轉電磁鐵。 發明效果
[0011] 根據本發明所涉及的帶電粒子加速器，利用加速腔時鐘以及與加速腔時鐘同步並 且其頻率低於加速腔時鐘的電磁鐵時鐘，對加速腔及偏轉電磁鐵進行控制，因此偏轉電磁 鐵模式的數據量能少於加速腔模式，並能縮短發給加速器的模式數據的通信時間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1是表示本發明實施方式1所涉及的帶電粒子加速器的結構的圖。 圖2是本發明的實施方式1所涉及的粒子射線治療裝置的簡要結構圖。 圖3是表示圖2的粒子射線照射裝置的結構的圖。 圖4是說明圖1的加速腔時鐘及電磁鐵時鐘的時序圖。 圖5是表示使用加速腔時鐘時的加速腔模式的數據輸出例的圖。 圖6是表示使用FR時鐘時的加速腔模式的數據輸出例的圖。 圖7是表示本發明實施方式2所涉及的帶電粒子加速器的結構的圖。 圖8是表示本發明的實施方式2所涉及的加速腔模式的數據輸出例的圖。

【具體實施方式】
[0013] 實施方式1 圖1是表示本發明實施方式1所涉及的帶電粒子加速器的結構的圖。圖2是本發明的 實施方式1所涉及的粒子射線治療裝置的簡要結構圖，圖3是表示本發明的實施方式1所 涉及的粒子射線治療裝置的結構的圖。圖2中，粒子射線治療裝置51具備射束產生裝置52、 射束輸送系統59、粒子射線照射裝置58a、58b。射束產生裝置52具有離子源（未圖示）、前 級加速器53、帶電粒子加速器54。粒子射線照射裝置58b設置於旋轉臺架（未圖示）。粒 子射線照射裝置58a設置於不具有旋轉臺架的治療室。射束輸送系統59的作用在於連接 帶電粒子加速器54與粒子射線照射裝置58a、58b。射束輸送系統59的一部分設置於旋轉 臺架（未圖示），在該部分具有多個偏轉電磁鐵55a、55b、55c。
[0014] 由離子源產生的質子射線等粒子射線即帶電粒子束由前級加速器53進行加速， 並從入射裝置46入射到帶電粒子加速器54中。這裡，帶電粒子加速器54以同步加速器為 例進行說明。帶電粒子束被加速到規定的能量。從帶電粒子加速器54的射出裝置47射出 的帶電粒子束經過射束輸送系統59而輸送給粒子射線照射裝置58a、58b。粒子射線照射裝 置58a、58b將帶電粒子束照射到照射對象45(參照圖3)上。粒子射線照射裝置的標號統 一使用58,在進行區別說明時使用58a、58b。
[0015] 由射束產生裝置52產生的、被加速至規定能量的帶電粒子束31經過射束輸送系 統59,被引導至粒子射線照射裝置58。圖3中，粒子射線照射裝置58包括在與帶電粒子束 31垂直的方向即X方向以及Y方向上對帶電粒子束31進行掃描的X方向掃描電磁鐵32及 Y方向掃描電磁鐵33、位置監視器34、劑量監視器35、劑量數據轉換器36、射束數據處理裝 置41、掃描電磁鐵電源37、控制粒子射線照射裝置58的照射管理裝置38。照射管理裝置 38包括照射控制計算機39和照射控制裝置40。劑量數據轉換器36包括觸發生成部42、點 計數器43、點間計數器44。此外，帶電粒子束31的前進方向是-Z方向。
[0016] X方向掃描電磁鐵32是沿X方向對帶電粒子束31進行掃描的電磁鐵，Y方向掃描 電磁鐵33是沿Y方向對帶電粒子束31進行掃描的電磁鐵。位置監視器34檢測出射束信 息，該射束信息用於計算經過X方向掃描電磁鐵32及Y方向掃描電磁鐵33掃描後的帶電 粒子束31所通過的射束中的通過位置（重心位置）、尺寸。射束數據處理裝置41基於由位 置監視器34所檢測出的多個模擬信號（射束信息）構成的射束信息來計算帶電粒子束31 的通過位置（重心位置）或尺寸。另外，射束數據處理裝置41生成表示帶電粒子束31的 位置異常或尺寸異常的異常檢測信號，並將該異常檢測信號輸出至照射管理裝置38。
[0017] 劑量監視器35檢測帶電粒子束31的劑量。照射管理裝置38基於利用未圖示的 治療計劃裝置所生成的治療計劃數據，來控制照射對象45中帶電粒子束31的照射位置，若 由劑量監視器35測定的、被劑量數據轉換器36轉換為數字數據的劑量達到目標劑量，則使 帶電粒子束31停止。掃描電磁鐵電源37基於照射管理裝置38輸出到X方向掃描電磁鐵 32及Y方向掃描電磁鐵33的控制輸入（指令），來改變X方向掃描電磁鐵32及Y方向掃 描電磁鐵33的設定電流。
[0018] 這裡，將粒子射線照射裝置58的掃描照射方式作為像點掃描照射方式那樣，射束 照射位置在點位置之間依次移動的方式來進行說明，該粒子射線照射裝置58的掃描照射 方式為改變帶電粒子束31的照射位置時不使帶電粒子束31停止的光柵掃描照射方式。點 計數器43是測量帶電粒子束31的射束照射位置停留期間內的照射劑量的裝置。點間計數 器44是測量帶電粒子束31的射束照射位置移動期間內的照射劑量的裝置。觸發器生成部 42是在射束照射位置上的帶電粒子束31的劑量達到目標照射劑量的情況下，生成劑量已 滿信號的裝置。
[0019] 圖1中，帶電粒子加速器54具有加速環26、加速器控制裝置25、高頻放大器10、電 磁鐵電源14、16。加速環26具有：供帶電粒子束31通過的真空管道24 ;將磁場提供至通過 真空管道24的帶電粒子束31並使其偏轉的四個偏轉電磁鐵15a、15b、15c、15d ;將磁場提 供至通過真空管道24的帶電粒子束31使其成為規定的射束尺寸的兩個四極電磁鐵17a、 17b ;以及對通過真空管道24的帶電粒子束31進行加速的加速腔11。加速器控制裝置25 具有計算機1、時鐘生成部18、高頻控制部19、偏轉電磁鐵控制部20、四極電磁鐵控制部23。 偏轉電磁鐵的標號統一使用15,在區別說明時使用15a、15b、15c、15d。同樣，四極電磁鐵的 標號統一使用17,在區別說明時使用17a、17b。此外，圖1中省略了從前級加速器53將帶 電粒子束31射入真空管道24的入射裝置46、從真空管24將帶電粒子束31射出至射束輸 送系統59的射出裝置47等。
[0020] 偏轉電磁鐵15生成用於使帶電粒子束31彎曲、並使帶電粒子束31在真空管道24 內旋轉的磁場。四極電磁鐵17生成用於使射束髮散及收束的磁場。高頻信號放大器10基 於從高頻控制部19輸出的控制信號來生成高頻加速電壓。電磁鐵電源14基於從偏轉電磁 鐵控制部20輸出的控制信號來生成控制電流。電磁鐵電源16基於從四極電磁鐵控制部23 輸出的控制信號來生成控制電流。加速腔11、偏轉電磁鐵15、四極電磁鐵17分別在取得規 定的同步的同時，使帶電粒子束31加速、偏轉、發散以及收束，從而使帶電粒子束31加速至 規定的能量。
[0021] 時鐘生成部18具有時鐘振蕩器2、生成加速腔時鐘clka的分頻器3、以及生成電 磁鐵時鐘clkm的分頻器4。高頻控制部19具有模式存儲器5、生成FR時鐘clkfr的FR時 鍾生成器6、模式輸出器7、合成器8、AM調製器9。偏轉電磁鐵控制部20具有模式存儲器 12、模式輸出器13。四極電磁鐵控制部23具有模式存儲器21、模式輸出器22。
[0022] 對加速腔11、偏轉電磁鐵15、四極電磁鐵17各自取得同步的方法進行說明。時鐘 振蕩器2以一定周期、例如15MHz生成時鐘。該15MHz的時鐘成為基準時鐘。高頻加速腔用 的分頻器3通過將基準時鐘分頻成規定個數，從而生成高頻加速腔用的加速腔時鐘clka。 此處，若將加速腔時鐘clka例如設為150kHz，則加速腔時鐘clka每計數50次就對電壓Η 和電壓L進行切換，從而生成15MHz的時鐘。更具體而言，在15MHz時鐘的50次計數期間 內電壓為H，此後的15MHz時鐘的50次計數期間內電壓為L，從而生成相當於1個周期為 15MHz時鐘的100次計數的時鐘。
[0023] 同樣，電磁鐵用的分頻器4也通過將從時鐘振蕩器2輸出的時鐘分頻成規定個數， 從而生成電磁鐵用的電磁鐵時鐘clkm。此處，若將電磁鐵時鐘clkm例如設為3kHz，則電磁 鐵時鐘clkm每計數2500次就對電壓Η和電壓L進行切換，從而生成15MHz的時鐘。更具 體而言，在15MHz時鐘的2500次計數期間內電壓為H，此後的15MHz時鐘的2500次計數期 間內電壓為L，從而生成相當於1個周期為15MHz時鐘的5000次計數的時鐘。
[0024] 對加速腔時鐘c 1 ka與電磁鐵時鐘c 1 km的時鐘間的同步進行說明。圖4是說明加 速腔時鐘及電磁鐵時鐘的時序圖。如上所述，加速腔時鐘clka與電磁鐵時鐘clkm是對同 一基準時鐘進行分頻而生成的，此外，構成為其各自的頻率能成為150kHz與3kHz這樣的整 數倍，因此，如圖4所示，電磁鐵時鐘clkm的上升沿（從電壓L向電壓Η的變化）必定與加 速腔時鐘clka的上升沿一致。另外，雖然未圖示，但電磁鐵時鐘clkm的下降沿（從電壓Η 向電壓L的變化）也與加速腔時鐘clka的上升沿一致。由此，加速腔時鐘clka與電磁鐵 時鐘clkm成為同步的時鐘。
[0025] 高頻控制部19的FR時鐘生成器6計算加速腔時鐘clka的周期，通過進行高頻化 以使得成為加速腔時鐘clka的規定增加常數（整數）倍，從而生成加速腔11的模式輸出 用時鐘、即FR時鐘clkfr。此處，增加常數例如為8倍。也就是說，FR時鐘clkfr例如是 加速腔時鐘clka的8倍、S卩1. 2MHz。該FR時鐘clkfr是在改變頻率時生成平滑的加速腔 控制信號的時鐘，是在因 FR時鐘clkfr的增加常數而不同的在每個周期內均與加速腔時鐘 clka同步的時鐘。此外，FR時鐘clkfr是在後述的補全時間tr的每一個時間內形成有脈 衝的時鐘。
[0026] 實施方式1中，根據加速腔時鐘clka再次生成FR時鐘clkfr。從基準時鐘進行分 頻來生成加速腔時鐘clka,然後從加速腔時鐘clka再次生成FR時鐘clkfr的理由在於，時 鍾振蕩器2、加速腔用的分頻器3與電磁鐵用的分頻器4以一個單元構成為時鐘生成部18， 該時鐘生成部18有時設置於遠離高頻控制部19的位置，而為了易於傳輸作為高頻信號的 FR時鐘clkfr，如上述那樣構成。此外，在時鐘生成部18與高頻控制部19靠近設置的情況 下，或者採用時鐘生成部18與高頻控制部19形成為一體的結構的情況下，也可以從基準時 鍾直接生成FR時鐘clkfr。
[0027] 對高頻控制部19的動作進行說明。加速腔11用的模式存儲器5中保存有從計算 機1預先發送來的加速腔11用的加速腔模式。加速腔模式是對與加速腔時鐘clka的每個 周期相對應的高頻加速電壓的頻率值進行設定的模式。加速腔模式不是一個，而是與粒子 射線治療裝置51所使用的能量、運行周期、射束強度等相對應地有多個，因此模式存儲器5 構成為能保存多個加速腔模式。在採用掃描照射方式的粒子射線治療裝置51中，準備10 組左右的加速腔模式以及電磁鐵模式。在對於一處患部的粒子射線治療過程中，有時也使 用三個加速腔模式。加速腔模式與加速腔時鐘clka、即150kHz相配合地依次輸出。
[0028] 為了使保存於模式存儲器5中的加速腔模式的頻率數據與後述的補全頻率數據 區別開，將其稱為保存頻率數據。若輸入加速腔時鐘clka，則模式存儲器5依次將加速腔模 式的保存頻率數據輸出至模式輸出器7。此時，為了實施後述的補全處理，輸出比通常的數 據輸出領先一個時鐘的數據。模式輸出器7根據FR時鐘clkfr以及從模式存儲器5輸入 的加速腔模式的保存頻率數據，實施補全處理，將規定的加速腔運行模式的數據（保存頻 率數據以及補全頻率數據）輸出至合成器（數字合成器）8。
[0029] 對補全處理進行說明。圖5是表示使用加速腔時鐘時的加速腔模式的數據輸出例 的圖，圖6是表示使用FR時鐘時的加速腔模式的數據輸出例的圖。圖5相當於未進行補全 處理的情況，圖6相當於進行補全處理的情況。在圖5及圖6中，橫軸是時間，縱軸是加速 腔控制信號的設定頻率。未進行補全處理的圖5的情況是不對保存在模式存儲器5中的加 速腔模式進行補全處理而從模式輸出器7將加速腔模式的保存頻率數據輸出至合成器8的 情況。圖5及圖6中，用黑色圓形表示的點相當於保存在模式存儲器5中的保存頻率數據。 圖5中，模式輸出器7在時刻變為模式設定時刻即時刻tl的情況下，從保存於模式存儲器 5中的加速腔模式中輸出數據fl。同樣，模式輸出器7在時刻變為下一個模式設定時刻即 時刻t2的情況下，輸出數據f2,在下一個模式設定時刻即時刻t3,輸出數據f3。由此對加 速腔模式進行輸出，使得在已定的時刻變為已定的頻率數據。
[0030] 圖6所示的進行了補全處理的加速腔模式的數據輸出例使用保存於模式存儲器5 中的相同的加速腔模式，因此加速腔時鐘clka的脈衝輸入時的頻率數據相同。也就是說， 圖6中，模式輸出器7在時刻變為模式設定時刻即時刻tl的情況下，從保存於模式存儲器 5中的加速腔模式中輸出數據Π 。同樣，模式輸出器7在時刻變為模式設定時刻即時刻t2 的情況下，輸出數據f2,在模式設定時刻即時刻t3時，輸出數據f3。由此對加速腔模式進 行輸出，使得在已定的時刻變為已定的頻率數據。然而，在加速腔時鐘clka的脈衝輸入以 外的期間，直到輸入下一個加速腔時鐘clka的脈衝為止的期間進行補全，並輸出作為頻率 數據的補全頻率數據。從模式輸出器7輸出對於每個補全時間tr使補全差分頻率fr增加 或減少的補全頻率數據。
[0031] 在每次輸入FR時鐘clkfr時輸出經過補全的頻率數據。也就是說，補全差分頻率 fr相當於FR時鐘clkfr的周期。如上所述，模式存儲器5在時刻tl時對模式輸出器7輸 出領先一個時鐘的數據f2。在進行補全處理的情況下，模式輸出器7計算接收到的數據f2 與上次接收到的數據Π 的差即補全對象頻率差Af，將補全對象頻率差Af除以加速腔時 鍾clka與FR時鐘clkfr的比率即補全比率k，求出補全差分頻率fr。此處的示例中，FR時 鍾clkfr設為1. 2MHz。由於加速腔時鐘clka為150kHz，FR時鐘clkfr為1. 2MHz，因此補 全比率k為8。因此，模式輸出器7將補全對象頻率差Af( = f2 - Π )除以8,也就是輸 出變化了補全差分頻率fr的補全頻率數據，且該補全差分頻率fr為補全對象頻率差Λ f 的1/8。此處所示的補全處理被稱為線性補全處理或斜坡處理。此外，補全處理也可以進行 線性補全處理以外的近似於2次曲線等曲線的補全。
[0032] 實施方式1的模式輸出器7在輸出加速腔模式的保存頻率數據的模式設定時刻之 間，對於每個規定的補全時間tr生成變化了規定補全差分頻率fr的補全頻率數據，並在每 次輸入FR時鐘clkfr時輸出保存頻率數據或補全頻率數據，從而能將圖5的階梯狀頻率變 化改良得較平滑，而不會增加保存在模式存儲器5中的模式數據。
[0033] 模式輸出器7在加速腔時鐘clka的時刻、即時刻11、t2、t3，若接收到來自模式存 儲器5的輸出，則輸出上次接收到的加速腔模式的頻率數據，而不會輸出根據FR時鐘clkfr 的輸入經過補全處理的數據。由此，能進行使用了電磁鐵時鐘clkm與加速腔時鐘clka的 同步性的1?精度的同步運行。
[0034] 從模式輸出器7輸出的頻率數據輸入至合成器8,頻率數據所示的頻率的高頻信 號從合成器8輸出至AM調製器9。AM調製器9通過將未圖示的電壓模式的輸出與合成器 8所輸出的高頻信號相乘來實施AM調製，將經過AM調製的AM調製高頻信號輸出至高頻放 大器10。
[0035] 高頻放大器10將經過AM調製的AM調製高頻信號放大並輸出至加速腔11。從高 頻放大器10輸出的高頻加速電壓被施加至加速腔11，對同步加速器中旋轉的帶電粒子束 31施加高頻加速電壓，使其加速。
[0036] 對控制偏轉電磁鐵15、四極電磁鐵17的偏轉電磁鐵控制部20、四極電磁鐵控制部 23的動作進行說明。偏轉電磁鐵15用的模式存儲器12中保存有從計算機1預先發送來 的偏轉電磁鐵15用的偏轉電磁鐵模式。偏轉電磁鐵模式是對與電磁鐵時鐘clkm的每個周 期相對應的偏轉電磁鐵的控制輸入、即設定電流值的模式。模式存儲器12在輸入有由分頻 器4生成的電磁鐵用時鐘clkm的情況下，將偏轉電磁鐵15的偏轉電磁鐵模式的數據輸出 至偏轉電磁鐵15用的模式輸出器13。
[0037] 四極電磁鐵17用的模式存儲器21中也保存有從計算機1預先發送來的四極電磁 鐵17用的四極電磁鐵模式。四極電磁鐵模式是對與電磁鐵時鐘clkm的每個周期相對應的 四極電磁鐵的控制輸入、即設定電流值的模式。模式存儲器21在輸入有電磁鐵用時鐘c 1 km 的情況下，將四極電磁鐵17的四極電磁鐵模式的數據輸出至四極電磁鐵17用的模式輸出 器22。
[0038] 電磁鐵用的模式存儲器12、21在輸入有電磁鐵用時鐘clkm的情況下，直接將其 輸出至模式輸出器13、22。模式輸出器13、22輸出分別與偏轉電磁鐵用的電磁鐵電源14、 四極電磁鐵用的電磁鐵電源16相對應的設定電流值的數據。從模式輸出器13、22輸出的 設定電流值的數據被輸入至電磁鐵電源14、電磁鐵電源16。電磁鐵電源14及電磁鐵電源 16分別輸出與設定電流值的數據相對應的控制電流，並向偏轉電磁鐵15、四極電磁鐵17通 電。帶電粒子束31被控制成從偏轉電磁鐵15獲得磁場，並在真空管道24中的規定軌道旋 轉，並從四極電磁鐵15獲得磁場，變成規定的射束尺寸。
[0039] 如上所述，電磁鐵電源14、電磁鐵電源16等電磁鐵是具有鐵芯的線圈，因此這些 電磁鐵大多具有時間常數較大的電抗分量，即使偏轉電磁鐵模式、四極電磁鐵模式等電磁 鐵模式的設定電流值的數據以3kHz的周期呈階梯狀變化，從電磁鐵電源14、電磁鐵電源16 等通電至所對應的電磁鐵的通電電流（控制電流）適度平滑地進行變化，而不會像加速腔 11那樣激烈地變化。
[0040] 實施方式1的帶電粒子加速器54通過高精度地使經過補全處理後的高頻加速電 壓相對於加速腔11的變化時刻、與偏轉電磁鐵15、四極電磁鐵17的通電電流的變化時刻一 致，即、通過使其同步，從而能實現穩定的射束加速。
[0041] 接下來，考慮從計算機1向高頻控制部19、偏轉電磁鐵控制部20、四極電磁鐵控制 部23傳送數據的數據傳送時間。加速腔時鐘clka為150kHz、電磁鐵時鐘clkm為3kH，在 20組的加速腔模式與電磁鐵模式從計算機1傳送至高頻控制部19、偏轉電磁鐵控制部20、 四極電磁鐵控制部23的情況下，數據傳送時間例如為4秒左右。實施方式1的帶電粒子加 速器54基於1. 2MHz的FR時鐘clkfr的脈衝輸入以及來自模式存儲器5的在每個輸出時 刻輸出的頻率數據來控制加速腔11，並使其同步以跟隨加速腔11的控制，從而對偏轉電磁 鐵15、四極電磁鐵17進行控制，因此在比較對象的僅利用T時鐘來使加速腔及電磁鐵工作 的專利文獻1的帶電粒子加速器（比較對象的帶電粒子加速器）的情況下，能預期數據傳 送時間如下所示那樣。
[0042] 比較對象的帶電粒子加速器以1. 2MHz來傳送加速腔模式以及電磁鐵模式，因此 加速腔模式的數據量是實施方式1的8( = 1. 2M/150k)倍，偏轉電磁鐵模式以及四極電磁 鐵模式各自的數據量是實施方式1的400 ( = 1. 2M/3k)倍。此處，若將實施方式1的偏轉 電磁鐵模式的數據量設作A，則實施方式1的偏轉電磁鐵模式、四極電磁鐵模式以及加速 腔模式的數據量分別為A、A以及50A( = AX (150k/3k))。比較對象的帶電粒子加速器中 的偏轉電磁鐵模式、四極電磁鐵模式以及加速腔模式的數據量分別為400A、400A、400A(= 8 X 50A)。若電磁鐵的種類為20組，則實施方式1的帶電粒子加速器54的加速腔模式以及 電磁鐵模式的總數據量為70A( = 20A+50A)。與此相對，比較對象的帶電粒子加速器的加 速腔模式以及電磁鐵模式的總數據量為8400A( = 20X400A+400A)。因此，比較對象的帶 電粒子加速器中的數據傳送時間為實施方式1的帶電粒子加速器54中的數據傳送時間的 8400/70 倍，S卩 120 倍，接近於 8( = 4X120/60)分鐘。
[0043] 比較對象的帶電粒子加速器中的數據傳送時間為每一個運行參數花費約8分鐘 的較長時間，例如在患者發生變化的情況下，與該患者相匹配的加速腔模式以及電磁鐵模 式的數據傳送較花費時間，一天所能進行粒子射線治療的患者數明顯減少。另外，即使在實 施預先將治療中使用的模式數據下載的方法來應對的情況下，若發生某種故障，再次將加 速腔模式以及電磁鐵模式傳送給帶電粒子加速器，則也需要每個運行參數花費約8分鐘這 樣較長的時間，在將患者從治療臺上放下並等待之後，再次對患者進行定位，從而產生粒子 射線治療停滯的問題。此外，一般來說，治療中使用的運行參數不是一個而使用多個，在該 情況下，實施方式1中的數據傳送時間與比較對象的帶電粒子加速器中的數據傳送時間之 差進一步擴大，問題更大。
[0044] 與比較對象的帶電粒子加速器不同，實施方式1的帶電粒子加速器54中的數據傳 送時間為4秒左右，在患者變化的情況、或因故障而再次傳送加速腔模式以及電磁鐵模式 的情況下，數據傳送時間也為4秒左右，不會發生粒子射線治療停滯的問題，一天所能進行 粒子射線治療的患者數不會明顯減少。因此，具備實施方式1的帶電粒子加速器54的粒子 射線治療裝置51與以往相比，能明顯縮短加速腔模式以及電磁鐵模式的數據傳送時間，並 能有效地進行粒子射線治療。
[0045] 實施方式1的帶電粒子加速器54通過將加速腔時鐘clka與電磁鐵時鐘clkm分 別設為同步且互不相同的頻率，從而能減少偏轉電磁鐵模式、四極電磁鐵模式等電磁鐵用 模式的數據量。因此，能減少加速腔模式以及電磁鐵用模式的總數據量，並能縮短從計算機 1到模式存儲器5、12、21的模式數據通信時間。此外，在實施方式1中，構成為根據基準時 鍾進行分頻來分別生成加速腔時鐘clka與電磁鐵時鐘clkm，但也可以構成為對基準時鐘 進行分頻來生成加速腔時鐘clka，對加速腔時鐘clka進行分頻來生成電磁鐵時鐘clkm。
[0046] 另外，實施方式1的帶電粒子加速器54根據加速腔時鐘clka生成頻率更高的FR 時鐘clkfr，由加速腔11用的模式輸出器7生成時間解析度比保存在加速腔11用的模式存 儲器5中的加速腔模式更高的加速腔運行模式，並輸出至合成器8,由此也能減少加速腔模 式的數據量。
[0047] 在偏轉電磁鐵模式或四極電磁鐵模式等的電磁鐵用模式的數據量減少的情況下， 由於電磁鐵電源14或電磁鐵電源16等輸出至對應電磁鐵的通電電流適度平滑地發生變 化，因此實施方式1的帶電粒子加速器54使高頻加速電壓的變化與偏轉電磁鐵15、四極電 磁鐵17的通電電流的變化相同步，從而能實現穩定的射束加速。此外，即使在加速空腔模 式的數據量減少的情況下，仍生成時間解析度比加速腔模式更高的加速腔運行模式，並基 於該加速腔運行模式來將高頻加速電壓施加至加速腔11，因此能使高頻加速電壓的變化與 偏轉電磁鐵15、四極電磁鐵17的通電電流的變化相同步，能實現穩定的射束加速。
[0048] 實施方式1的帶電粒子加速器54與使用B時鐘及T時鐘的帶電粒子加速器不同， 僅根據T時鐘來生成加速腔時鐘clka以及電磁鐵時鐘clkm，因此與以往相比，能簡化帶電 粒子加速器54的系統結構。另外，實施方式1的帶電粒子加速器54與僅根據T時鐘來使 加速腔及電磁鐵工作的專利文獻1的帶電粒子加速器不同，減少了加速腔模式以及電磁鐵 用模式的總數據量，因此與以往相比，易於加速腔模式以及電磁鐵用模式的數據管理，並且 與以往相比，也能簡化計算機1與高頻控制部19、偏轉電磁鐵控制部20、四極電磁鐵控制部 23的數據通信結構。
[0049] 根據實施方式1的帶電粒子加速器54,包括：供帶電粒子束31通過的真空管道 24、將通過真空管道24的帶電粒子束31進行加速的加速腔11、使通過真空管道24的帶電 粒子束31偏轉的偏轉電磁鐵15、控制加速腔11以及偏轉電磁鐵15的加速器控制裝置25， 加速腔控制裝置25具有：時鐘生成部18,該時鐘生成部18生成加速腔時鐘clka以及加速 腔時鐘clkm，該加速腔時鐘clkm與加速腔時鐘clka同步並且頻率低於加速腔時鐘clka ; 高頻控制部19,該高頻控制部19基於保存於第1模式存儲器5中的加速腔模式以及加速腔 時鐘clka來控制加速腔11 ;以及偏轉電磁鐵控制部20,該偏轉電磁鐵控制部20基於保存 在第2模式存儲器12中的偏轉電磁鐵模式以及電磁鐵時鐘clkm來控制偏轉電磁鐵15,因 此，偏轉電磁鐵模式的數據量能少於加速腔模式，從而能縮短與加速腔的模式數據的通信 時間。
[0050] 根據實施方式1的帶電粒子加速器51，包括：射束產生裝置52,該射束產生裝置 52產生帶電粒子束31，並利用帶電粒子加速器54使該帶電粒子束31加速；射束輸送系統 59,該射束輸送系統59輸送經過帶電粒子加速器54加速的帶電粒子束31 ;以及粒子射線 照射裝置58,該粒子射線照射裝置58將由射束輸送系統59輸送的帶電離子束31照射至照 射對象45,帶電粒子加速器54包括：供帶電粒子束31通過的真空管道24、將通過真空管道 24的帶電粒子束31進行加速的加速腔11、使通過真空管道24的帶電粒子束31偏轉的偏 轉電磁鐵15、控制加速腔11以及偏轉電磁鐵15的加速器控制裝置25,加速腔控制裝置25 具有：時鐘生成部18,該時鐘生成部18生成加速腔時鐘clka以及加速腔時鐘clkm，該加速 腔時鐘clkm與加速腔時鐘clka同步並且頻率低於加速腔時鐘clka ;高頻控制部19,該高 頻控制部19基於保存於第1模式存儲器5中的加速腔模式以及加速腔時鐘clka來控制加 速腔11 ;以及偏轉電磁鐵控制部20,該偏轉電磁鐵控制部20基於保存在第2模式存儲器12 中的偏轉電磁鐵模式以及電磁鐵時鐘clkm來控制偏轉電磁鐵15,因此，偏轉電磁鐵模式的 數據量能少於加速腔模式，從而能縮短與加速腔的模式數據的通信時間。因此，具備實施方 式1的帶電粒子加速器54的粒子射線治療裝置51與以往相比，能明顯縮短加速腔模式以 及電磁鐵模式的數據傳送時間，因此能有效地進行粒子射線治療。
[0051] 此外,FR時鐘生成器6計算出加速腔時鐘clka的周期，進行高頻化以使得成為加 速腔時鐘clka的規定增加常數（整數）倍，從而生成FR時鐘clkfr，以上以此為例進行了 說明，但也可以對基準時鐘進行分頻，生成FR時鐘clkfr。
[0052] 實施方式2 圖7是表示本發明的實施方式2的帶電粒子加速器的結構的圖。實施方式2的帶電粒 子加速器54與實施方式1的帶電粒子加速器54的不同之處在於，省去FR時鐘生成器6,加 速腔時鐘clka的頻率、保存在模式存儲器5中的加速腔模式的頻率數據量不同。此處，以 與實施方式1中說明的頻率數據的輸出頻率相同的情況為例進行說明。
[0053] 實施方式1中，模式輸出器7利用1. 2MHz的FR時鐘clkfr將加速腔模式的頻率 數據輸出至合成器8。因此，實施方式2中，分頻器3生成1.2MHz的加速腔時鐘clka。具 體而言，實施方式2中生成12MHz的基準時鐘，分頻器3對時鐘振蕩器2所生成的12MHz的 基準時鐘進行分頻，生成1/100倍的1. 2MHz的加速腔時鐘clka。如實施方式1中所說明的 那樣，加速腔時鐘clka及電磁鐵時鐘clkm都是對同一基準時鐘進行分頻而得以生成，並且 其各自的頻率能成為1. 2MHz及3kHz這樣的整數倍，因此成為能獲得同步的時鐘。
[0054] 對實施方式2的高頻控制部19的動作進行說明。模式存儲器5中保存有預先從 計算機1發送來的加速腔11用的加速腔模式。伴隨著加速腔時鐘clka的頻率從150kHz 變成1. 2MHz，保存在模式存儲器5中的加速腔模式的頻率數據量增加成8( = 1. 2M/150k) 倍。加速腔模式根據加速腔時鐘clka即1. 2MHz依次輸出。
[0055] 圖8是表示本發明的實施方式2的加速腔模式的數據輸出例的圖。圖8中，橫軸 為時間，縱軸為加速腔控制信號的設定頻率。圖8中，由黑色圓形表示的點相當於保存模式 存儲器5中的頻率數據。模式輸出器7在時刻變為tl的情況下，根據保存在模式存儲器5 中的加速腔模式輸出數據fl。同樣，在變為t2、t3、t4、t5的情況下，模式輸出器7分別輸 出數據f2、f3、f4、f5。由此輸出加速腔模式，以使得在已定時刻、S卩加速腔時鐘clka的脈 衝輸入的時刻變為已定的頻率數據。
[0056] 模式存儲器5在輸入有加速腔時鐘clka的情況下，依次將加速腔模式的數據輸出 至模式輸出器7。模式輸出器7將加速腔模式的頻率數據輸出至合成器8。合成器8基於 頻率數據將頻率數據所示頻率的高頻信號輸出至AM調製器9。AM調製器9通過將未圖示 的電壓模式的輸出與合成器8所輸出的高頻信號相乘來實施AM調製，並將經過AM調製的 AM調製高頻信號輸出至高頻放大器10。
[0057] 高頻放大器10放大經過AM調製的AM調製高頻信號，並輸出至加速腔11。從高頻 放大器10輸出的高頻加速電壓施加至加速腔11，對在同步加速器中旋轉的帶電粒子束31 施加高頻加速電壓來進行加速。控制偏轉電磁鐵15、四極電磁鐵17的偏轉電磁鐵控制部 20、四極電磁鐵控制部23的動作與實施方式1相同。
[0058] 將實施方式2的帶電粒子加速器54中的、從計算機1到高頻控制部19、偏轉電磁 鐵控制部20、四極電磁鐵控制部23的數據傳送時間和實施方式1的帶電粒子加速器54相 比較。如上所述，在實施方式1的帶電粒子加速器54中，加速腔時鐘clka為150kHz，電磁 鐵時鐘clkm為3kH，在從計算機1向高頻控制部19、偏轉電磁鐵控制部20、四極電磁鐵控 制部23傳送20組加速腔模式及電磁鐵模式的數據量的情況下，數據傳送時間為4秒左右。 在實施方式2的帶電粒子加速器54中，加速腔時鐘clka為1. 2MHz，加速腔時鐘clka是實 施方式1的8倍。此處，若將實施方式1的偏轉電磁鐵模式的數據量設為A，則加速腔模式 的數據量為400A( = 8X50A)。因此，實施方式2的帶電粒子加速器54的偏轉電磁鐵模式、 四極電磁鐵模式以及加速腔模式的數據量為420A( = 20XA+400A)。
[0059] 實施方式2的帶電粒子加速器54中的數據傳送時間成為實施方式1的帶電粒子 加速器54中的數據傳送時間的420/70倍、即6倍，約24( = 4X6)秒。實施方式2的帶電 粒子加速器54中的數據傳送時間與實施方式1相比更花時間，但與比較對象的帶電粒子加 速腔中的數據傳送時間的約8分鐘相比，該數據傳送時間能有所縮短。
[0060] 與比較對象的帶電粒子加速器不同，實施方式2的帶電粒子加速器54中的數據傳 送時間為24秒左右，與患者的定位時間相比，沒有明顯變長。在患者變化的情況、或因故障 而再次傳送加速腔模式以及電磁鐵模式的情況下，實施方式2的帶電粒子加速器54的數據 傳送時間也為24秒左右，不會發生粒子射線治療停滯的問題，一天所能進行粒子射線治療 的患者數不會明顯減少。因此，具備實施方式2的帶電粒子加速器54的粒子射線治療裝置 51與以往相比，能明顯縮短加速腔模式以及電磁鐵模式的數據傳送時間，並能有效地進行 粒子射線治療。
[0061] 實施方式2的帶電粒子加速器54通過將加速腔時鐘clka與電磁鐵時鐘clkm分 別設為同步且互不相同的頻率，從而能減少偏轉電磁鐵模式、四極電磁鐵模式等電磁鐵用 模式的數據量。因此，能減少加速腔模式以及電磁鐵用模式的總數據量，並能縮短向計算機 加速器的模式數據通信時間。
[0062] 另外，實施方式2的帶電粒子加速器54與實施方式1相同，即使在偏轉電磁鐵模 式或四極電磁鐵模式等的電磁鐵用模式的數據量有所減少的情況下，由於輸出至與電磁鐵 電源14或電磁鐵電源16等對應的電磁鐵的通電電流適度平滑地發生變化，因此通過使高 頻加速電壓的變化與偏轉電磁鐵15、四極電磁鐵17的通電電流的變化相同步，從而也能實 現穩定的射束加速。
[0063] 此外，在實施方式1及2中，以除了照射控制計算機39以外還設置有計算機1的 例子進行了說明，但也可以不設置計算機1，而由照射控制計算機39進行計算機1的處理。 標號說明
[0064] 2…時鐘振蕩器、3…分頻器、4…分頻器、5…模式存儲器、6…FR時鐘生成器、7…模 式輸出器、11···加速腔、12···模式存儲器、15、15a、15b、15c、15d···偏轉電磁鐵、18···時鐘生 成部、19···高頻控制部、20···偏轉電磁鐵控制部、24···真空管道、25···加速器控制裝置、31··· 帶電粒子束、45…照射對象、51···粒子射線治療裝置、52…射束產生裝置、54…帶電粒子加 速器、58、58&、5813*"粒子射線照射裝置、59*"射束輸送系統、〇11^"加速腔時鐘、〇11^"電 磁鐵時鐘、clkfr…FR時鐘。
【權利要求】
1. 一種帶電粒子加速器，對利用粒子射線照射裝置照射至照射對象的帶電粒子束進行 加速，其特徵在於， 包括：使所述帶電粒子束通過的真空管道、將通過所述真空管道的所述帶電粒子束進 行加速的加速腔、使通過所述真空管道的所述帶電粒子束偏轉的偏轉電磁鐵、以及控制所 述加速腔及所述偏轉電磁鐵的加速器控制裝置， 所述加速器控制裝置具有： 時鐘生成部，該時鐘生成部生成加速腔時鐘以及電磁鐵時鐘，該電磁鐵時鐘與所述加 速腔時鐘同步並且其頻率低於所述加速腔時鐘； 高頻控制部，該高頻控制部基於保存於第1模式存儲器中的加速腔模式以及所述加速 腔時鐘來控制所述加速腔；以及 偏轉電磁鐵控制部，該偏轉電磁鐵控制部基於保存於第2模式存儲器中的偏轉電磁鐵 模式以及所述電磁鐵時鐘來控制所述偏轉電磁鐵。
2. 如權利要求1所述的帶電粒子加速器，其特徵在於， 所述時鐘生成部具有： 時鐘振蕩器，該時鐘振蕩器生成用於生成所述加速腔時鐘以及所述電磁鐵時鐘的基準 時鐘； 第1分頻器，該第1分頻器對所述基準時鐘進行分頻，生成所述加速腔時鐘；以及 第2分頻器，該第2分頻器對所述基準時鐘進行分頻，生成所述電磁鐵時鐘。
3. 如權利要求1或2所述的帶電粒子加速器，其特徵在於， 所述時鐘生成部生成頻率為所述電磁鐵時鐘的頻率的整數倍的所述加速腔時鐘。
4. 如權利要求1至3中任一項所述的帶電粒子加速器，其特徵在於， 所述高頻控制部在輸出所述加速腔模式的保存頻率數據的模式設定時刻之間，對於每 個規定的補全時間生成變化了規定的補全差分頻率的補全頻率數據，並基於所述保存頻率 數據以及所述補全頻率數據來控制所述加速腔。
5. 如權利要求4所述的帶電粒子加速器，其特徵在於， 所述高頻控制部通過分別對連續的兩個所述模式設定時刻中的所述保存頻率數據實 施線性補全處理，來生成所述補全頻率數據。
6. 如權利要求4或5所述的帶電粒子加速器，其特徵在於， 所述1?頻控制郃具有： FR時鐘生成器，該FR時鐘生成器生成與所述加速腔時鐘同步、並且對於每個所述補全 時間形成有脈衝的FR時鐘；以及 模式輸出器，該模式輸出器在每次輸入有所述FR時鐘時，輸出所述保存頻率數據或所 述補全頻率數據。
7. 如權利要求6所述的帶電粒子加速器，其特徵在於， 所述FR時鐘生成器計算出所述加速腔時鐘的周期，並生成所述FR時鐘，以使得所述FR 時鐘成為所述加速腔時鐘的整數倍，其倍數為規定增加常數。
8. 如權利要求6所述的帶電粒子加速器，其特徵在於， 所述FR時鐘生成器根據所述基準時鐘或所述加速腔時鐘來生成所述FR時鐘。
9. 如權利要求8所述的帶電粒子加速器，其特徵在於， 所述FR時鐘生成部生成頻率為所述加速腔時鐘的頻率的整數倍的所述FR時鐘。
10. -種粒子射線治療裝置，其特徵在於， 包括：射束產生裝置，該射束產生裝置產生帶電粒子束，利用帶電粒子加速器使該帶電 粒子束加速；射束輸送系統，該射束輸送系統輸送經過所述帶電粒子加速器加速的帶電粒 子束；以及粒子射線照射裝置，該粒子射線照射裝置將由所述射束輸送系統輸送的帶電粒 子束照射至照射對象， 所述帶電粒子加速器是權利要求1至9中任一項所述的帶電粒子加速器。
【文檔編號】H05H13/04GK104067698SQ201280068168
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2012年1月26日 優先權日:2012年1月26日
【發明者】池田昌廣, 來島裕子, 岡田俊介 申請人:三菱電機株式會社