JP5998089B2 - 粒子線照射システムとその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、陽子や重イオンなどの荷電粒子ビーム（イオンビーム）を利用した粒子線治療に好適な粒子線照射システムに関する。

がんの放射線治療として、陽子または重イオン等のイオンビームを患者のがんの患部に照射して治療する粒子線治療が知られている。イオンビーム照射法として、非特許文献１に開示されているような、スキャニング照射法がある。

また、スキャニング照射法で要求されるビームエネルギーの変更制御をイオンビーム発生装置としてシンクロトロンを採用した場合に短時間で実現する制御法として、特許文献１、特許文献２および、非特許文献２に開示されているような、イオンシンクロトロンで一回の運転周期内で複数のエネルギーのイオンビームの照射を実現する多段出射制御運転がある。

特許第４８７３５６３号公報 特開２０１１−１２４１４９号公報

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）の第２０８４〜２０９０頁（REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME 64 NUMBER 8 (AUGUST 1993) P2074-2093） ニュークリア インスツルメンツ アンド メソッズ イン フィジックス リサーチ Ａ６２４号（２０１０年９月）の第３３〜３８頁（Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A624 (2010) 33-38）

スキャニング照射法において、患部の深さ方向の照射野（以下、レイヤーと記載）への照射制御は、照射するイオンビームのエネルギーを制御することで実現する。そのため、スキャニング照射法を適用した際の線量率を向上するためには、イオンビーム発生装置から供給するイオンビームのエネルギー変更を短時間で実現する必要がある。またスキャニング照射法では、患部の大きさに応じて照射するビームエネルギーを制御する必要があるため、照射する患者毎ないし照射する患部毎に、照射するビームのエネルギーの組合せを制御する必要がある。

イオンビーム発生装置としてシンクロトロンを採用した場合、入射・加速・出射・減速といった一連の運転を一回の運転周期として制御する。スキャニング照射法のように、イオンビームのエネルギー変更制御を繰り返し実施する際には、シンクロトロンは運転周期の更新が必要なため、エネルギーの変更時間が掛かる課題があった。この対策として特許文献１および非特許文献２に示されるような一回の運転周期内で複数のエネルギーのビームを出射する多段出射運転が示されている。非特許文献２に示されているように、シンクロトロンで照射可能な全てのエネルギー範囲を一つに纏めた運転制御データを用意し、ビームを照射するエネルギーでのみフラットトップを延長してビームを出射することで、一回の運転制御で照射する全てのエネルギーのビームを患部に照射が可能となる。さらに、一回の運転制御で全てのエネルギーのビームが照射可能となるため、シンクロトロンは常に同じ運転制御データで照射が実現でき、粒子線照射システムにおけるシンクロトロンの運転制御が簡素になる効果がある。

しかし、特許文献１および非特許文献２に示されている運転制御を効果的に実現するには、シンクロトロンの蓄積ビーム電荷量に対して、一回の運転周期で患部に照射する全てのエネルギーの照射に十分な電荷量が求められる。例えば、シンクロトロンの加速制御時に何らかの原因で治療照射に必要な蓄積ビーム電荷量が得られなかった場合、または次のレイヤーの照射に必要な電荷量が不足した場合、予め設定した照射エネルギー範囲の途中でシンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量が枯渇してしまう。シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量が枯渇した場合には、出射制御から減速制御に遷移し、シンクロトロンの運転周期を更新する必要がある。シンクロトロンの運転制御データとして、非特許文献２に示されるようなシンクロトロンで照射可能な全てのエネルギー範囲を一つに纏めた運転制御データを適用した場合、設定値の連続性を担保するため、ビーム照射中断時の当該出射エネルギーから減速制御に速やかに遷移できない。すなわち、当該出射エネルギーから減速制御に至る間のエネルギー変更制御データの更新が必要となる。このエネルギー変更制御データの更新はビーム照射の伴わない制御であり、当該出射エネルギーから減速制御へ遷移するための時間が、線量率を低下させる要因の一つに挙げられる。

また、上記の原因により運転周期内でビームの照射が中断し、全てのエネルギーのビーム照射が完了していない場合に、ビーム照射を再開する際は、シンクロトロンの運転周期を更新する必要がある。このシンクロトロンの運転周期の更新に際しても、入射エネルギーから照射再開の目標エネルギーまで速やかに遷移できない。すなわち、上記のように目標エネルギーを更新し減速制御を行った後、再び加速制御に遷移し、入射エネルギーから照射再開時の目標エネルギーまでエネルギー変更制御データの更新を行う必要がある。このエネルギー変更制御データの更新も、既にビーム照射が完了しているエネルギーを更新するだけの、ビーム照射の伴わない制御であり、この制御に要する時間も、線量率を低下させる要因の一つに挙げられる。

同様に、粒子線治療装置を構成する機器に異常が生じた場合や、照射ビームのサイズ、位置等の状態に異常が生じた場合にも、当該出射エネルギーから減速制御に速やかに遷移できない課題があった。

特許文献２では、加速器の磁場コイルに励磁するコイル電流に関して、経過時間に応じた磁束密度情報を出力する磁場基準発生部と、磁束密度情報に応じた磁場を発生させるコイル電流を求める電流基準変換部とを備えた加速器の制御装置が示されている。そして、磁場基準発生部が出力する磁束密度情報を４種類のパターン（初期上げパターン、減少パターン、増加パターン、終了パターン）を組み合わせて出力することで、一回の運転周期内で複数エネルギーのビーム出射を実現する制御方法が示されている。特許文献２によると、４種類の磁束密度パターンを組み合わせ、一回の運転周期内で複数エネルギーのイオンビームの出射が可能である。この機能に基づき、所定のＳＯＢＰを形成するために必要な照射エネルギーを選択することができるが、一方で、初期加速エネルギーと減速制御を開始するエネルギーは変更できないため、特許文献１および非特許文献２と同様に、イオンビームの照射を中断した場合など、イオンビームの照射を途中で終了した場合に、照射途中終了時の出射エネルギーから減速制御に至る間のエネルギー変更制御データの更新（ビーム照射の伴わない制御）或いは、入射エネルギーから照射再開の目標エネルギーに至る間のエネルギー変更制御データの更新（ビーム照射の伴わない制御）が必要となる。そのため、照射途中終了時の出射エネルギーから減速制御に速やかに遷移できない、或いは、ビーム照射を再開する際に、入射エネルギーから照射再開の目標エネルギーに速やかに遷移できないという課題は解決されていない。

本発明の目的は、シンクロトロンの多段出射制御運転において、イオンビームの照射を途中で終了した場合に、ビーム照射の伴わないエネルギー変更制御を極力減らし、シンクロトロンの運転効率を向上させる粒子線照射システムおよびその運転方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、シンクロトロンを構成する機器の運転制御データを、シンクロトロンから出射されるべきイオンビームのエネルギー範囲を、前記シンクロトロンから出射されるべきエネルギー範囲のエネルギー数よりも少ない所定のエネルギー数以下となるように分割した複数のエネルギー範囲のそれぞれに対応して生成した複数の運転パターンデータで構成し、かつ複数の運転パターンデータの少なくとも１つが、１つの初期加速制御データと、複数の出射制御データと、複数の出射制御データ間を接続する少なくとも１つのエネルギー変更制御データと、少なくとも１つの減速制御データとを含む構成とし、この複数の運転パターンデータに基づいて前記シンクロトロンを構成する機器を制御する。

これによりビーム照射中にどのエネルギーでビーム照射を終了（中断）したとしても、速やかに減速制御に遷移することができ、かつ、ビーム照射を再開する場合は、速やかに照射再開の目標エネルギーに遷移することができる。このためビーム照射の伴わないエネルギー変更制御を減少させ、シンクロトロンの運転効率を高めることが可能となる。

ここで、エネルギー範囲の分割方法としては、分割後のエネルギー範囲が互いに重複しないようイオンビームのエネルギー範囲を分割してもよいし、或いは分割後のエネルギー範囲が互いに重複するようイオンビームのエネルギー範囲を分割してもよい。前者の場合は、分割後のエネルギー範囲に対応した運転パターンデータ数が少なくなるため、メモリに記憶するデータ量を減らすことができる。後者の場合は、分割後のエネルギー範囲に対応した運転パターンデータ数は多くなるが、ビーム照射を再開する場合にビーム照射の伴わないエネルギー変更制御を大幅に減らすことができる。特に、シンクロトロンから出射されるべきイオンビームの全てのエネルギーに対応した初期加速制御データが含まれるようイオンビームのエネルギー範囲を分割し、この分割後のエネルギー範囲に基づいて複数の運転パターンデータを構成した場合は、照射再開時のビーム照射の伴わないエネルギー変更制御が不要となる。また、運転パターンデータが複数の出射制御データを含む場合、運転パターンデータに複数の出射制御データに対応した複数の減速制御データを含ませるのが好ましく、これによりビーム照射を途中で終了した場合に減速制御に直接遷移することができ、減速制御遷移時エネルギー変更制御が不要となる。したがって、これらの制御を適宜組み合わせることでシンクロトロンの運転効率を更に高めることができる。

また、本発明は、実施の形態で説明する種々の特徴を備えている。例えば、運転パターンデータは、イオンシンクロトロンを構成する機器の電源制御装置にそれぞれ記憶しておく。電源制御装置には、電源制御装置に記憶した各運転パターンデータに含まれる出射制御データのエネルギー範囲を把握するテーブルデータを用意し、これらの電源制御装置には、イオンシンクロトロンを構成する機器の制御タイミングを管理する制御タイミング信号が入力され、この制御タイミング信号に基づき、シンクロトロンでのビーム加速、減速制御に対応した運転パターンデータや制御データの切り替え制御を実施する。

制御タイミング信号は、タイミングシステムから出力される。タイミングシステムには運転制御データと同期した出力を可能とするタイミングデータが記憶されている。タイミングシステムには、インターロックシステムから出力される、患者へのイオンビームの照射を許可する出射許可指令と、患者に照射されたイオンビームの照射経過情報に基づき出力されるエネルギー変更指令と、粒子線治療装置を構成する機器の状態に基づき出力される減速制御指令および、照射を完了したことを示す照射完了指令が入力され、タイミングシステムは、これらの指令に基づき対応する制御タイミング信号を出力する。

電源制御装置は、入力される制御タイミング信号に基づいて機器の運転制御データを選択し、運転制御データを更新する。

また、電源制御装置に入力されるエネルギー変更を示す制御タイミング信号により、エネルギー変更を示す制御タイミング信号が入力前に制御していた出射エネルギーと連続的な制御指令値で構成されるエネルギー変更制御データを選択し更新制御することで、短時間でのエネルギー変更制御を実現する。

また、粒子線治療装置を構成する機器に異常が生じた場合にもインターロックシステムより減速制御指令が出力された場合、タイミングシステムおよび電源制御装置は、現在更新している制御データを更新した後、この更新制御終了後の到達エネルギーに対応する減速制御データを選択し、減速制御に遷移する。

また、タイミングシステムおよび電源制御装置は、全てのエネルギーの出射制御が完了していない場合は、次の目標エネルギーを記録してから減速制御に遷移し、減速制御終了後、タイミングシステムおよび電源制御装置内に記憶されている複数のタイミングデータおよび運転パターンデータの中から、記憶しておいた目標エネルギーが初期加速制御以降で最も早い段で現れるタイミングデータおよび運転パターンデータを選択することで、運転周期の更新を短時間で実現する。

本発明によれば、シンクロトロンの多段出射制御運転において、イオンビームの照射を途中で終了した場合に、ビーム照射の伴わないエネルギー変更制御が減少し、シンクロトロンの運転効率を向上することができる。

本発明の実施例における粒子線照射システムの構成を示す図である。 本発明の実施例におけるスキャニング照射装置の構成を示す図である。 本発明の実施例１における運転制御データの構成を示す図である。 本発明の実施例１における運転パターンデータの構成を示す図である。 本発明の実施例１における運転パターンデータの構成を示す図である。 本発明の実施例１における運転パターンデータの構成を示す図である。 本発明の実施例における制御装置間のデータ伝送フローを示す図である。 本発明の実施例における照射準備フローを示す図である。 本発明の実施例１における運転制御データを構成する各運転パターンデータのエネルギー照射順序および各エネルギーに対応した制御データを示す図である。 本発明の実施例における運転制御フローを示す図である。 本発明の実施例における運転パターンデータの選択フローを示す図である。 本発明の実施例１における運転制御データを用いた運転例を示す図である。 本発明の実施例１における運転制御データを用いた運転例を示す図である。 本発明の実施例１における運転制御データを用いた運転例を示す図である。 本発明の実施例２における運転制御データの構成を示す図である。 本発明の実施例２における運転パターンデータの構成を示す図である。 本発明の実施例２における運転パターンデータの構成を示す図である。 本発明の実施例２における運転パターンデータの構成を示す図である。 本発明の実施例２における運転制御データを用いた運転例を示す図である。 本発明の実施例２における運転制御データを用いた運転例を示す図である。 本発明の実施例２における運転制御データを構成する各運転パターンデータのエネルギー照射順序および各エネルギーに対応した制御データを示す図である。 従来の運転シーケンスを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の好適な一実施例（第１実施例）である粒子線照射システムの構成を示す図である。

本実施例の粒子線照射システム１は、図１に示すように、イオンビーム発生装置１１、ビーム輸送装置１４、照射野形成装置（荷電粒子ビームの照射装置、以下、照射装置という）３０を備え、ビーム輸送装置１４が、イオンビーム発生装置１１と治療室内に配置される照射装置３０を連絡する。

イオンビーム発生装置１１は、イオン源（図示せず）、前段加速器１２およびシンクロトロン１３を備える。イオン源は前段加速器１２に接続され、前段加速器１２はシンクロトロン１３に接続される。前段加速器１２は、イオン源で発生したイオンビーム１０をシンクロトロン１３に入射可能なエネルギーまで加速する。前段加速器１２で加速されたイオンビーム１０ａは、シンクロトロン１３に入射される。

シンクロトロン１３は、周回軌道に沿って周回するイオンビーム１０ｂに高周波電圧を印加して目標のエネルギーまで加速する高周波加速装置（加速空胴）１７、周回しているイオンビームのベータトロン振動振幅を増大させる出射用高周波電極２０ａ、およびイオンビームを周回軌道から取り出す出射用デフレクター２０ｂを備える。

シンクロトロン１３に入射されたビーム１０ｂは、高周波加速空胴１７に印加した加速高周波電圧によりエネルギーを付与されることで、所望のエネルギーまで加速する。この際、シンクロトロン１３内を周回するイオンビーム１０ｂの周回軌道が一定となるように、イオンビーム１０ｂの周回エネルギーの増加に合わせて偏向電磁石１８、四極電磁石１９等の磁場強度および、加速空胴１７に印加する高周波電圧の周波数を高める。

所望のエネルギーまで加速したイオンビーム１０ｂは、出射条件設定制御により、四極電磁石１９および六極電磁石（図示せず）の励磁量を制御することで周回ビーム１０ｂが出射可能な条件（周回ビームの安定限界条件）を成立させる。出射条件設定制御が終了後、出射用高周波電極２０ａに出射高周波電圧を印加し、シンクロトロン１３内を周回するビーム１０ｂのベータトロン振動振幅を増大させる。このベータトロン振動振幅の増大により、安定限界条件を超えた周回ビーム１０ｂはシンクロトロン１３からビーム輸送装置１４に出射され、照射装置３０に輸送される。シンクロトロン１３からのビーム出射制御は、出射用高周波電極２０ａに印加する高周波電圧のＯＮ／ＯＦＦ制御することで高速に実現可能である。

シンクロトロン１３からのビーム出射制御が終了後、出射条件解除制御により、四極電磁石１９および六極電磁石（図示せず）の励磁量を制御することで出射条件設定時に形成した周回ビーム１０ｂの安定限界条件を解除する。

出射条件解除制御が完了後、偏向電磁石１８、四極電磁石１９等の磁場強度および、加速空胴１７に印加する高周波電圧の周波数を下げることで、シンクロトロン１３内を周回するイオンビーム１０ｂを減速し、次の運転周期に遷移する。

照射装置３０は、上記ビーム輸送装置１４にて導かれたイオンビーム１０ｃを、患者３６の体表面からの深さおよび患部形状に合わせて制御して、治療用ベッド上の患者３６の患部３７に照射する。照射法としてスキャニング照射法（非特許文献１の２０８６頁、図４５）があり、照射装置３０はスキャニング照射法によるものである。スキャニング照射法は、直接患部３７にイオンビーム１０ｄを照射するためイオンビーム１０ｄの利用効率が高く、従来の散乱体照射法よりも患部形状に合致したイオンビーム１０ｄの照射が可能といった特徴がある。

患部の深さ方向へのビーム飛程調整は、イオンビームのエネルギーを変更することで所望の患部への照射を実現する。特にスキャニング照射法では、シンクロトロン１３内を周回するイオンビーム１０ｂのエネルギーを調整した後で出射することで、イオンビームの飛程を患部３６の深さに合わせるため、患者への照射治療中に複数回のエネルギーの変更制御が要求される。また、患部平面方向へのビーム照射方法として、スポットスキャニング照射法、ラスタースキャニング照射法などがある。スポットスキャニング照射法は、患部の照射平面上をスポットと呼ばれる線量管理領域に分割し、スポット毎に走査を停止して設定した照射線量に到達するまでビームを照射した後にビームを停止し、次の照射スポット位置に移動する。このようにスポットスキャニング照射法は、照射開始位置をスポット毎に更新する照射法である。また、ラスタースキャニング照射法は、スポットスキャニング照射法と同様に線量管理領域を設定するが、スポット毎にビーム走査を停止せず、ビームを走査経路上を走査しながら照射する。そのため、一回当たりの照射線量を低くし、複数回繰り返し照射するリペイント照射を実施することで照射線量の一様度を向上する。このようにラスタースキャニング照射法は、照射開始位置を走査経路毎に更新する照射法である。なお、スポットスキャニング法においても、ラスタースキャニング法と同様に、一つのスポット位置に対する一度の照射で与える照射線量を低く設定し、照射平面を複数回走査することによって、最終的な照射線量に到達するように制御してもよい。

図２に照射装置３０の構成を示す。照射装置３０は走査電磁石３２ａ，３２ｂを有し、患部平面上を患部形状に合わせて走査電磁石３２ａ，３２ｂでビームを走査する。また、照射装置３０は、患者に照射するビーム１０ｄの照射線量を計測する線量モニタ３１やビーム形状モニタ（図示せず）を有し、これらで照射するビーム１０ｄの線量強度やビーム形状を逐次確認する。走査電磁石３２ａ，３２ｂで走査されたビーム１０ｄは、コリメータ３４で患者３６の患部形状３７に合わせて照射野を形成する。

図１に戻り、本実施例の粒子線照射システム１は制御システム１００（制御装置）を備えている。制御システム１００は、イオンビーム発生装置１１およびビーム輸送装置１４を制御する加速器制御装置４０、粒子線照射システム１全体を統括して制御する統括制御装置４１、患者へのビーム照射条件を計画する治療計画装置４３、治療計画装置４３で計画した情報やイオンビーム発生装置であるシンクロトロン１３およびビーム輸送装置１４の制御情報等を記憶する記憶装置４２、照射装置３０を構成する機器と患部３７に照射するイオンビーム１０ｄの照射線量を制御する照射制御装置４４、シンクロトロン１３を構成する機器の同期制御を実現するタイミングシステム５０、患者３６の安全を担保するために統括制御装置４１とは独立したインターロックシステム６０、シンクロトロン１３を構成する各機器の電源４６を制御する電源制御装置４５から構成される。記憶装置４２は統括制御装置４１の一部として統括制御装置４１に備えられていてもよい。

電源４６はシンクロトロン１３を構成する複数の機器の電源の総称であり、図１には複数の機器の電源として偏向電磁石１８の電源４６Ｂ、四極電磁石１９の電源４６Ｑ、高周波加速空洞１７の電源４６Ｆが示されている。電源制御装置４５も同様に複数の機器の電源に対応する複数の電源制御装置の総称であり、図１には電源４６Ｂの制御装置４５Ｂ，電源４６Ｑの制御装置４５Ｑ，電源４６Ｆの制御装置４５Ｆが示されている。

従来のシンクロトロン１３の運転シーケンスを図１３に示す。シンクロトロン１３は、一回の運転周期で加速・出射・減速という一連の制御を実施する。出射制御の前後には、出射条件設定および出射条件解除といった、シンクロトロン内のイオンビームを出射するために必要な出射条件設定制御と、出射制御終了後の出射条件解除制御が必要である。

従来のシンクロトロン１３の運転制御では、一連の制御に合わせた制御データをパターンデータとして電源制御装置４５のメモリに用意しておき、電源制御装置４５は、シンクロトロン１３を構成する機器の制御タイミングを管理するタイミングシステム５０から出力されるタイミング信号５１に基づき、制御データを更新する。

図１３に示したように、シンクロトロン１３は一回の運転周期で、加速から減速までを制御しているため、出射するイオンビーム１０ｃのエネルギーを変更するには、出射制御終了後に減速制御に遷移し残存ビームを減速した後、運転周期を更新する。運転周期を更新し再びイオンビーム１０ｂを加速することで、所望のエネルギーへの変更制御を実現する。そのため、従来のシンクロトロン１３の運転制御ではイオンビーム１０ｂのエネルギー変更時間には、ほぼ一回の運転周期と同じ時間が掛かるため、治療時間が長くなり、線量率を向上していく上での課題であった。

特許文献１、特許文献２および非特許文献２には、一回の運転周期内で複数のエネルギーのイオンビームの出射を実現する、イオンシンクロトロンの多段出射制御運転について示されている。このような多段出射制御運転により、スキャニング照射法でのエネルギー変更時間の短縮が実現できる。しかし、イオンビームの照射を途中で終了した場合に、照射途中終了時の出射エネルギーから減速制御に至る間のエネルギー変更制御データの更新（ビーム照射の伴わない制御）或いは、入射エネルギーから照射再開の目標エネルギーに至る間のエネルギー変更制御データの更新（ビーム照射の伴わない制御）が必要となる。そのため、照射途中終了時の出射エネルギーから減速制御に速やかに遷移できない、或いは、引き続きビームの照射を再開する際に、入射エネルギーから照射再開の目標エネルギーに速やかに到達できないという課題がある。

本実施例の特徴である、多段出射運転時の運転制御データの構造と、この運転制御データを用いた運転シーケンスについて、図３Ａ〜図９Ｃを用いて説明する。

図３Ａは、シンクロトロン１３を構成する機器の運転制御データ７の構成を示す図であり、機器の制御データの代表例として、偏向電磁石１８の励磁電流を示している。本実施例では、ある患者の治療のために照射するビームのエネルギー数が１０エネルギー（Ｅａ〜Ｅｊ）であり、シンクロトロン１３が１回の運転周期内で出射可能な最大のエネルギー数が４エネルギーの場合を想定している。なお、照射するビームのエネルギー数は治療計画に基づいて決定され、１回の運転周期内で出射可能なエネルギー数はシンクロトロンの性能に基づいて決定される。また、本実施例では低いエネルギーから高いエネルギーに順次ビームを照射するような運転パターンデータを示しているが、高いエネルギーから低いエネルギーに順次ビームを照射する場合でも同様の効果が得られる。

図３Ａにおいて、シンクロトロン１３を構成する機器の運転制御データはその全体が符号７で示されている。この運転制御データ７は、シンクロトロン１３から出射されるべきイオンビームのエネルギー範囲を分割した複数のエネルギー範囲のそれぞれに対応して生成した複数の運転パターンデータで構成される。本実施例では、シンクロトロン１３から出射されるべきイオンビームのエネルギー範囲（Ｅａ〜Ｅｊ）をシンクロトロン１３が１回の運転周期内で出射可能な４エネルギー以下で構成されかつエネルギー範囲が互いに重複しない３つのエネルギー範囲（Ｅａ〜Ｅｄ），（Ｅｅ〜Ｅｈ）,（Ｅｉ，Ｅｊ）に分割し、それぞれのエネルギー範囲に対応した運転パターンデータ７０ａｄ，７０ｅｈ，７０ｉｊで運転制御データ７を構成する。

図３Ｂに示すように、運転パターンデータ７０ａｄは、初期加速制御データ７０１ａと、複数の出射制御データ７０２ａ〜７０２ｄと、複数の出射制御データ７０２ａ〜７０２ｄのそれぞれに対応した複数の減速制御データ７０６ａ〜７０６ｄと、複数の出射制御データ７０２ａ〜７０２ｄ間のそれぞれを接続する複数のエネルギー変更制御データ７０５ａｂ，７０５ｂｃ，７０５ｃｄとを含む構成とする。ここで、出射制御データは、出射条件設定データ７０３ａ〜７０３ｄと出射条件解除データ７０４ａ〜７０４ｄから構成される。これらの運転パターンデータ７０ａｄを構成する各制御データはそれぞれ時系列データで構成される。例えば、偏向電磁石１８の制御データであれば、所定の偏向磁場強度を発生する際に必要な偏向電磁石電源４５Ｂに設定する励磁電流と電圧（図示せず）の時系列データで構成される。

図３Ｃ，３Ｄにそれぞれ示す運転パターンデータ７０ｅｈ，７０ｉｊも同様に構成されている。すなわち、運転パターンデータ７０ｅｈは、初期加速制御データ７０１ｅと、複数の出射制御データ７０２ｅ〜７０２ｈと、複数の出射制御データ７０２ｅ〜７０２ｈのそれぞれに対応した複数の減速制御データ７０６ｅ〜７０６ｈと、複数の出射制御データ７０２ｅ〜７０２ｈ間のそれぞれを接続する複数のエネルギー変更制御データ７０５ｅｆ，７０５ｆｇ，７０５ｇｈとを含む構成とする。出射制御データは、それぞれ、出射条件設定データ７０３ｅ〜７０３ｈと出射条件解除データ７０４ｅ〜７０４ｈから構成される。運転パターンデータ７０ｉｊは、初期加速制御データ７０１ｉと、複数の出射制御データ７０２ｉ〜７０２ｊと、複数の出射制御データ７０２ｉ〜７０２ｊのそれぞれに対応した複数の減速制御データ７０６ｉ〜７０６ｊと、複数の出射制御データ７０２ｉ〜７０２ｊ間を接続する１つのエネルギー変更制御データ７０５ｉｊとを含む構成とする。出射制御データは、それぞれ、出射条件設定データ７０３ｉ〜７０３ｊと出射条件解除データ７０４ｉ〜７０４ｊから構成される。

以下の説明では、説明の簡略化のため、特に区別する必要が無い限りは、運転パターンデータを７０、初期加速制御データを７０１、出射制御データを７０２、変更制御データを７０５、減速制御データを７０６と表記して説明する。

なお、本実施例では、３つの運転パターンデータ７０ａｄ，７０ｅｈ，７０ｉｊの全てが複数の出射制御データ７０２により多段出射制御を行えるものとしかつ複数の出射制御データ７０２に対応した複数の減速制御データ７０６を含む構成としたが、従来技術に対して、イオンビームの照射を途中で終了した場合に、ビーム照射の伴わない制御を極力減らすという本発明の課題を達成するためには、少なくとも１つの運転パターンデータが複数の出射制御データ７０２により多段出射制御を行える構成であり、かつ最終段の出射制御データ７０２に対応した１つの減速制御データ７０６を備えていればよい。この場合、複数の運転パターンデータ７０は、その少なくとも１つが、１つの初期加速制御データ７０１と、複数の出射制御データ７０２と、前記複数の出射制御データ７０２間を接続する少なくとも１つのエネルギー変更制御データ７０５と、少なくとも１つの減速制御データ７０６とを含むものとなる。

運転パターンデータ７０は、タイミングシステム５０から出力されるタイミング信号５１に関連付けられている。本実施例のタイミング信号５１は、加速制御開始タイミング信号５１１、出射条件設定タイミング信号５１２、出射制御待機タイミング信号５１３、出射条件解除タイミング信号５１４、エネルギー変更制御タイミング信号５１５、減速制御開始タイミング信号５１６、減速制御終了タイミング信号５１７から構成されている。

図３Ｂ〜図３Ｄにおいて、電源制御装置４５にタイミング信号５１（５１１〜５１７）が入力されると、電源制御装置４５は、タイミング信号５１（５１１〜５１７）に関連付けられた制御データ７０１〜７０６を選択し、選択した制御データ７０１〜７０６を構成する時系列データの開始値からデータの更新を開始する。

タイミング信号５１（５１１〜５１７）の入力に対する運転パターンデータ７０ａｄの更新制御について、図３Ｂを用いて説明する。加速制御タイミング信号５１１の入力により、入射エネルギー（Ｅｉｎｊ）から初段の出射エネルギー（Ｅａ）までの初期加速制御データ７０１ａを更新してビームを加速する。出射制御タイミング信号５１２の入力により、出射条件設定データ７０３ａを更新する。出射制御待機タイミング信号５１３の入力により、出射条件設定データ７０３ａの更新を停止し、出射用高周波電圧を印加することでビーム出射制御を実施する。照射制御装置４４は、出射制御中の照射線量３１１を逐次計測し、計測結果に基づき線量満了信号４４２を出力し、出射用高周波電圧の印加を停止し出射制御を終了する。この後、出射条件解除タイミング信号５１４の入力により出射条件解除データ７０４ａの更新を開始する。照射制御装置４４は、出射制御終了時の蓄積ビーム電荷量と次の照射エネルギーの有無に応じて、エネルギー変更タイミング信号５１５を出力し、エネルギー変更制御に遷移するか（出射条件解除データ７０４ａからエネルギー変更制御データ７０５ａｂに遷移するか）、又は減速制御タイミング信号５１６を出力し、減速制御に遷移するか（出射条件解除データ７０４ａから減速制御データ７０６ａに遷移するか）を判断する。各制御データ７０１〜７０６を構成する時系列データの開始値と終了値は、遷移する前後の制御データが連続的に接続できるように同じ値としておく。例えば、出射条件解除データ７０４の終了値と次の照射エネルギーに遷移するエネルギー変更制御データ７０５の開始値（図３Ｂの場合、７０４ａの終了値と７０５ａｂの開始値）および、出射条件解除データ７０４の終了値と入射エネルギーまで減速する減速制御データの開始値（図３Ｂの場合、７０４ａの終了値と７０６ａの開始値）は同じ値としておく。このようにタイミング信号５１の入力に基づいて各制御データ７０１〜７０６を更新することで、運転パターンデータ７０の更新制御が容易に実現できる。

説明は省略するが、図３Ｃ及び図３Ｄにおけるタイミング信号５１（５１１〜５１７）の入力に対する運転パターンデータ７０ｅｈ及び７０ｉｊの更新制御についても同様である。

図３Ａに示したシンクロトロンを構成する機器の運転制御データ７を用いて多段出射運転を実施する際の照射準備フローについて、図４および図５を併用して説明する。図４は、本実施例の特徴である多段出射運転を実現する制御装置の構成と各装置間の情報伝送（データ伝送フロー）を示す図である。図５は、多段出射運転を開始する前の照射準備フローを示す図である。

まず、治療計画装置４３は、患者の治療に必要な照射条件等を含む治療計画情報４３１を記憶装置４２に登録する（８００）。統括制御装置４１は、照射条件の設定情報に基づき、記憶装置４２から照射条件４２１を読み込む（８０１）。

統括制御装置４１は、照射条件から照射に必要なエネルギーと各照射エネルギーの照射順序と目標照射線量および制御データを記憶装置４２から選択する（８０２）。記憶装置４２には、図３Ａ〜図３Ｄに示した初期加速制御データ７０１、出射制御データ７０２、出射条件設定データ７０３、出射条件解除データ７０４、エネルギー変更制御データ７０５、減速制御データ７０６を含めて、想定されるあらゆる患者の照射条件に対応した全てのエネルギーのビーム出射を可能とする制御データがモジュールデータとして記憶されており、統括制御装置４１は、照射条件４２１に基づいて制御データ（運転パターンデータ７０ａｄ，７０ｅｈ，７０ｉｊを構成する制御データ、タイミング信号を含む）を選択して読み込む。

統括制御装置４１は、タイミングシステム５０に対して、照射に必要なエネルギー情報と照射順序およびこのエネルギーに対応したタイミング信号データ４１１ａを伝送する（８０３）。

タイミングシステム５０は、統括制御装置４１から伝送された照射に必要なエネルギー情報と照射順序およびこのエネルギーに対応したタイミング信号データ４１１ａをメモリ内に記憶する（８０４）。

統括制御装置４１は同様に、加速器制御装置４０に対して、照射に必要なエネルギー情報と照射順序およびこのエネルギーに対応した制御データを制御データ４１１ｂとして伝送し（８０５ａ）、照射制御装置４４に対して、照射に必要なエネルギー情報と照射順序およびこのエネルギーに対応した制御データを制御データ４１１ｃとして伝送する（８０５ｂ）。このうち、照射制御装置４４に伝送する制御データ４１１ｃには、各照射エネルギーの目標照射線量が含まれる。

加速器制御装置４０は、シンクロトロン１３及びビーム輸送装置１４を構成する機器の各電源制御装置４５に対して、照射に必要なエネルギー情報と照射順序および各機器の制御データを制御データ４０１として伝送し（８０６）、電源制御装置４５は、照射に必要なエネルギー情報と照射順序および各機器の制御データをメモリ内に記憶する（８０７）。

照射制御装置４４は、各照射エネルギーの照射順序と目標照射線量をメモリ内に記憶する（８０８）。

図６は、電源制御装置４５のメモリに記憶した照射に必要なエネルギー情報と照射順序および制御データを示す図である。この図６に示すように、電源制御装置４５には、図３Ａ〜図３Ｄに示した運転パターンデータ７０が、運転パターンデータ毎にそれぞれのエネルギー情報と照射順序および制御データのテーブルデータとして用意される。

次に、図３Ａに示したシンクロトロン１３を構成する機器の運転制御データ７を用いて多段出射運転を実施する際の照射フローについて、図４および図７を用いて説明する。図７は、多段出射運転時の運転制御フローを示す図である。

統括制御装置４１に対してユーザから照射開始指令（図示せず）が入力されると、シンクロトロン１３の運転制御を開始する。統括制御装置４１はタイミングシステム５０、加速器制御装置４０、照射制御装置４４に対して、シンクロトロン１３の運転周期の開始を示す、制御開始指令４１２を出力する。タイミングシステム５０、加速器制御装置４０、照射制御装置４４は、制御開始指令４１２に基づき、目標エネルギーを設定する。設定された目標エネルギーに基づき、タイミングシステム５０は、これから出射するビームの目標エネルギー情報を設定し、加速器制御装置４０は、電源制御装置４５に目標エネルギーを設定する。照射制御装置４４は、目標エネルギーから、当該エネルギーの各線量管理領域の目標線量値を設定する（８０９）。電源制御装置４５は、後述する図８のフローにしたがって、図６に示した運転パターンデータ７０ａｄ，７０ｅｈ，７０ｉｊの中から目標エネルギーに最も早く到達できる運転パターンデータを選択し、設定する（８０９ａ）。

タイミングシステム５０は制御開始指令４１２に基づき、加速制御開始タイミング信号５１１を出力し、電源制御装置４５は、設定した運転パターンデータにおける初期加速制御データ７０１の更新を開始する（８１０）。加速制御装置４０は、初期加速制御が終了した時点で、加速終了後の到達エネルギーを確認し（８１１）、加速終了後に確認した到達エネルギーが、目標エネルギーと一致するかを判定する（８１２）。このステップ８１２の判定は、選択された運転パターンデータによっては初期加速制御終了時の到達エネルギーと目標エネルギーが異なる場合があるため、後述するエネルギー変更制御を実施するか、このままビーム出射制御に遷移するかを判断するために行う必要がある。

加速器制御装置４０は、ステップ８１２の判定結果を示すエネルギー判定信号４０２をインターロックシステム６０に出力する。インターロックシステム６０は、加速終了後の到達エネルギーと出射エネルギーが一致しない場合は、タイミングシステム５０にエネルギー変更指令６１１を出力し、タイミングシステム５０は電源制御装置４５にエネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力し、電源制御装置４５はエネルギー変更制御パターンデータ７０５の更新を実施する（８２４）。一方、加速終了後の到達エネルギーと出射エネルギーが一致する場合、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に出射制御指令６１４を出力し、タイミングシステム５０は電源制御装置４５に出射条件設定タイミング信号５１２を出力し、電源制御装置４５は出射条件設定データ７０３の更新を開始する（８１３）。

タイミングシステム５０は、出射条件設定データ７０３の更新完了に合わせて出射制御待機タイミング信号５１３を出力し、電源制御装置４５は出射条件設定データ７０３の更新を終了し最終更新値を保持する。インターロックシステム６０は電源制御装置４５から出力される機器の健全性やエネルギー確認情報といったステータス情報４５２、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量検出手段１５での蓄積ビーム量の計測値１５１に基づき照射制御装置４４から出力される出射制御許可信号４４１等により、ビームの出射制御が可能か判定する（８１４）。

ステップ８１４の判定結果が異常（ＮＧ）の場合には、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に対して減速制御指令６１３を出力し、タイミングシステム５０は電源制御装置４５に対して減速制御開始タイミング信号５１６を出力し、電源制御装置４５は減速制御データ７０６を更新する（８２２）。

一方、ステップ８１４の判定結果が正常（ＯＫ）の場合には、インターロックシステム６０は加速器制御装置４０に対して出射許可指令６１５を出力し、加速器制御装置４０は高周波電極（図示せず）に出射用高周波電圧を印加することで、ビーム出射制御を実施する（８１５）。

ビーム出射制御中は、照射装置３０に設置されている線量モニタ３１にて照射ビームの線量３１１を逐次計測し、照射制御装置４４は、各線量管理領域での積算線量を演算する。この際、照射制御装置４４は当該エネルギーの当該線量管理領域での目標線量と積算線量を比較し、積算線量が目標線量に到達（以下、積算線量が満了）したか否かを判断する（８１６）。

当該線量管理領域の積算線量が満了していない場合、シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量１５１を蓄積ビーム量検出手段１５で計測し、照射制御装置４４はビーム照射の継続に十分な蓄積ビーム量があるか判定し（８１８）、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量が照射制御に十分な量がある場合にはビーム出射制御を継続する（ステップ８１５へ戻る）。一方、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量が枯渇した場合には、照射制御装置４４はインターロックシステム６０に対して減速制御要求４４４を出力し、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に対して減速制御指令６１３を出力し、タイミングシステム５０は電源制御装置４５に対して減速制御開始タイミング信号５１６を出力し、電源制御装置４５は減速制御データ７０６を更新する（８２２）。

一方、ステップ８１６で当該線量管理領域の積算線量が満了したと判定した場合、照射制御装置４４は、当該エネルギーの照射領域つまり、当該エネルギーでの全ての線量管理領域で照射が完了しているか判定する（８１７）。

当該エネルギーでの全ての線量管理領域への照射が完了していない場合には、走査電磁石３２でまだ照射が完了していないビーム照射領域つまり、照射が完了していない線量管理領域に照射位置を更新する（８４１）。その後、ステップ８１６の線量が満了していない場合と同様に、照射制御装置４４はビーム照射の継続に十分な蓄積ビーム量があるか判定し（８１８）、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量がビーム照射の継続に十分な量である場合には、ビーム照射を実施する。シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量が枯渇した場合には、照射制御装置４４はインターロックシステム６０に対して減速制御要求４４４を出力する。一方、ステップ８１７で当該エネルギーでの全ての線量管理領域への照射が完了したと判定した場合には、照射制御装置４４は照射完了信号４４５をインターロックシステム６０に出力し、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に対して照射完了指令６１２を出力し、タイミングシステム５０は電源制御装置４５に対して出射条件解除タイミング信号５１４を出力し、電源制御装置４５は出射条件解除データ７０４の更新を開始する（８１９）。

ステップ８１９で出射条件解除データ７０４の更新制御が終了後、照射制御装置４４は、次の照射エネルギーデータが存在するか判定する（８２０）。次の照射エネルギーが存在する場合には、シンクロトロン内の蓄積ビーム電荷量１５１を蓄積ビーム量検出手段１５で計測し、照射制御装置４４は次の照射エネルギーのビーム照射に十分な蓄積ビーム量があるか判定し（８４０）、シンクロトロン１３内の蓄積ビーム量が次の照射エネルギーでのビーム照射に十分な量である場合には、照射制御装置４４は、目標エネルギーデータを次の照射エネルギーデータで更新する（８２１）。ステップ８２０で次の目標エネルギーが存在しないと判定した場合、又はステップ８４０でシンクロトロン１３内の蓄積ビーム量が枯渇したと判定した場合には、照射制御装置４４はインターロックシステム６０に対して減速制御要求４４４を出力し、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に対して減速制御指令６１３を出力し、タイミングシステム５０から電源制御装置４５に対して減速制御開始タイミング信号５１６を出力し、電源制御装置４５は減速制御データ７０６を更新する（８２２）。なお、スポットスキャニング照射法のように線量を管理する照射領域が細かく指定されている（照射領域当たりの必要線量が少ない）場合には、ステップ８１８に示したように蓄積ビーム量を逐次判定することで適切な照射が可能となるため、ステップ８４０に記載した蓄積ビーム量の判定処理は省略できる。一方、ラスタースキャニング照射のように一様連続ビームでレイヤー内の照射を実施する際には、照射線量の一様度の担保を容易にし、かつ、線量率を高めるため、照射途中にビーム枯渇が生じないように制御することが望ましい。そのため、次の照射エネルギーのビーム照射に必要な蓄積ビーム量があるか、ステップ８４０で判定した上で目標エネルギーデータを更新している。ステップ８２１で目標エネルギーデータを更新した後、現在使用している運転パターンデータ７０内に次の照射エネルギーに該当する出射制御データが含まれているか確認する（８２６）。現在使用している運転パターンデータ７０内に次に照射エネルギーに該当する出射制御データが含まれている場合、照射制御装置４４は、目標エネルギーデータを次の照射エネルギーデータで更新し（８２１）、照射制御装置４４は、インターロックシステム６０に対してエネルギー変更要求４４３を出力する。インターロックシステム６０は、タイミングシステム５０に対してエネルギー変更指令６１１を出力し、タイミングシステム５０は電源制御装置４５に対してエネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力し、電源制御装置４５はエネルギー変更制御タイミング信号５１５に基づき、エネルギー変更制御パターンデータ７０５を更新し（８２４）、ビーム照射制御を継続する（ステップ８１１に戻る）。

一方、ステップ８２６で現在使用している運転パターンデータ内の次に照射エネルギーに該当する出射制御データが含まれていないと判定した場合は、照射制御装置４４はインターロックシステム６０に対して減速制御要求４４４を出力し、インターロックシステム６０はタイミングシステム５０に対して減速制御指令６１３を出力し、タイミングシステム５０は電源制御装置４５に対して減速制御開始タイミング信号５１６を出力し、電源制御装置４５は現在の出射制御データに対応した減速制御データ７０６を更新する（８２２）。

タイミングシステム５０は、減速制御データ７０６の更新完了に合わせて、減速制御終了タイミング信号５１７を出力する。インターロックシステム６０は、減速制御終了タイミング信号５１７の入力に基づき、減速制御が終了後、全てのエネルギーでの照射を完了したか、或いはステップ８１４の判定結果が異常（ＮＧ）であったかを確認する（８２３）。全てのエネルギーの照射を完了した場合、或いはステップ８１４の判定結果が異常（ＮＧ）であった場合には、運転周期を終了する。

一方、全てのエネルギーの照射を完了していない場合（８２３）には、運転周期の開始に戻り、再び運転周期を開始する。

図８は、図７のステップ８０９ａの詳細である運転パターンデータ７０の選択フローを示す図である。前記で述べたように多段出射運転を開始する前の照射準備にて統括制御装置４１から伝送されたエネルギー情報と照射順序が、図６に示すように、出射エネルギー帯域毎に分割された運転パターンデータ７０として、電源制御装置４５のメモリ内に記憶されている。電源制御装置４５は、運転パターンデータ７０の選択にあたり、運転パターンデータにおける目標エネルギーの段を示すｎを運転パターンデータの最大エネルギー数（本実施例では４）で初期化し、先頭の運転パターンデータ（パターン１）から検索を始める（９０１）。検索対象（ｍ番目）の運転パターンデータ（パターンｍ）に目標エネルギーが含まれているかを判定する（９０２）。目標エネルギーが含まれている場合は、記憶されている段ｎより検索したパターンｍにおける目標エネルギーの段が小さいか判定する（９０３）。判定した結果が小さい場合はその段でｎを更新し（９０４）、パターンｍを記憶する（９０５）。最後の運転パターンデータ（パターンＮ）まで検索が完了すると終了となる（９０６，９０７）。このような選択フローを用いることにより、目標エネルギーに対応した出射制御データが最も早く現れる運転パターンデータを選択することができる。

図３Ａに示した運転転制御データ７を使用してシンクロトロン１３を運転制御した場合の運転例を図９Ａ〜図９Ｃを用いて説明する。図９Ａ〜図９Ｃは、制御データの代表として偏向電磁石の励磁電流値の変化を示している。なお、一般に、偏向電磁石の励磁電流値とビームエネルギーは概ね比例関係にあるため、図９Ａ〜図９Ｃは多段出射運転時のビームエネルギー変化と読むこともできる。

図９Ａは、図３Ａに示した運転制御データ７を構成する運転パターンデータ７０ａｄ，７０ｅｈ，７０ｉｊによる運転周期中にビーム枯渇が生じなかった場合の運転例を示している。

電源制御装置４５は、図８のフローにしたがって、図６に示した運転パターンデータ７０ａｄ，７０ｅｈ，７０ｉｊの中から最初の目標エネルギーＥａに最も早く到達できる運転パターンデータａｄを選択し、設定する。電源制御装置４５は、タイミングシステム５０から加速制御タイミング信号５１１が入力されると、運転パターンデータａｄにおける初期加速データ７０１ａを選択し、励磁電流データ更新制御を開始する。初期加速制御が終了すると、タイミングシステム５０から出射条件設定タイミング信号５１２が電源制御装置４５に入力される。電源制御装置４５は、初段の出射エネルギーＥａに対応した出射条件設定データ７０３ａの更新を開始する。この後、出射制御待機タイミング信号５１３の入力により、電源制御装置４５は最終更新値を保持し、出射制御を実施する。出射制御が完了すると、タイミングシステム５０から出射条件解除タイミング信号５１４が電源制御装置４５に入力され、電源制御装置４５は出射条件解除データ７０４ａの更新を開始する。

出射条件解除制御の終了とともに、シンクロトロン内の蓄積ビーム量を計測する。蓄積ビーム量が次のエネルギーのビーム出射量を満足することを確認した上で、タイミングシステム５０は、エネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力する。電源制御装置４５は、現在の出射エネルギーＥａと次の出射エネルギーＥｂとを接続するエネルギー変更制御パターンデータ７０５ａｂを選択し、制御データの更新を開始する。これ以降、最後のエネルギーＥｄの出射制御を終了するまで、上記した出射条件設定制御、出射制御、出射条件解除制御、エネルギー変更制御を繰り返す。

最後のエネルギーＥｄの出射条件解除データ７０４ｄの更新制御が終了後、タイミングシステム５０は、減速制御開始タイミング信号５１６を出力する。電源制御装置４５は、減速制御タイミング信号５１６の入力に伴い、直前の出射条件解除データ７０４ｄに対応した減速制御データ７０６ｄを選択し、減速制御データの更新を開始する。なお、本実施例の減速制御では、エネルギーを低い方から高い方にビームを出射する制御をしているため（Ｅａ＜Ｅｂ＜Ｅｃ＜Ｅｄ）、減速制御で最大エネルギー（Ｅｉｎｉｔ）まで初期化励磁している。

減速制御の終了に合わせて、全てのエネルギーの出射制御が完了しているかを確認する。全てのエネルギーの出射制御が完了していないため、引き続き、目標エネルギーがＥｅに更新された状態で運転周期を開始する。電源制御装置４５は、前記の通り、目標エネルギーＥｅに最も早く到達できる運転パターンデータｅｈを選択し、設定する。

電源制御装置４５は、加速制御タイミング信号５１１の入力により、運転パターンデータ７０ｅｈにおける初期加速制御データ７０１ｅの更新を開始する。初期加速制御が終了後、到達エネルギーと目標エネルギーを比較する。初期加速制御データ７０１ｅの到達エネルギーはＥｅであり、目標エネルギーＥｅと一致するため、その後は、上記に示した出射制御および減速制御と同じ制御を実施する。運転パターンデータ７０ｅｈのエネルギー（Ｅｅ、Ｅｆ、Ｅｇ、Ｅｈ）の出射制御が完了後、全てのエネルギーの出射制御が完了していないため、目標エネルギーがＥｉに更新された状態で運転周期を開始する。前記と同様に、電源制御装置４５は、目標エネルギーＥｉに対応した出射制御データが最も早く現れる運転パターンデータ７０ｉｊを選択する。その後は、上記に示した初期加速制御、出射制御および減速制御と同じ制御を実施する。運転パターンデータ７０ｉｊのエネルギー（Ｅｉ、Ｅｊ）の出射制御が完了後、全てのエネルギーの出射制御が完了したため、タイミングシステム５０は減速制御終了タイミング信号５１７を出力し、シンクロトロンの運転周期を終了する。

次に、図９Ｂの運転例について説明する。図９Ｂは、１回目の運転周期（運転パターンデータ７０ａｄの更新中）において、エネルギーＥｂでのイオンビームを出射した後、蓄積イオンビームが枯渇した場合の運転例を示しており、エネルギーＥｂでの照射後に蓄積イオンビームの枯渇を検出したため、エネルギーＥｂに対応した減速制御データ７０６ｂに遷移し、減速制御を実施した後に運転周期を更新し、２回目の運転周期でエネルギーＥｃからビーム出射を再開した場合の運転例を示している。なお、図９Ｂの２番目のエネルギーＥｂでの出射制御を終了するまでは、図９Ａの運転例と同様の制御となるため、ここでは、それ以降の制御について説明する。

２番目のエネルギーＥｂの出射制御の終了時点でシンクロトロン内の蓄積ビーム量を計測する。この計測結果が、ビームの枯渇等により次のビーム出射量を満足することができないと判定されたら、タイミングシステム５０は、減速制御開始タイミング信号５１６を出力する。電源制御装置４５は、減速制御開始タイミング信号５１６の入力に基づき、直前の出射条件解除データ７０４ｂに連続して接続できる減速制御データ７０６ｂの更新制御を開始する。

減速制御終了タイミング信号５１７の入力に合わせて、全てのエネルギーの出射制御が完了しているかを確認する。全てのエネルギーの出射制御が完了していないため、引き続き、目標エネルギーがＥｃに更新された状態で運転周期を開始する。前記と同様に、電源制御装置４５は、目標エネルギーＥｃに対応した出射制御データが最も早く現れる運転パターンデータ７０ａｄを選択する。電源制御装置４５は、 加速制御タイミング信号５１１の入力により、運転パターンデータ７０ａｄにおける初期加速制御データ７０１ａの更新を開始する。初期加速制御が終了後、到達エネルギーと目標エネルギーを比較する。この際、初期加速制御データ７０１ａの到達エネルギーはＥａであり、目標エネルギーはＥｃであるため、エネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力する。電源制御装置４５は、エネルギー変更制御タイミング信号５１５に基づき、エネルギー変更データ７０５ａｂを更新し、エネルギー変更制御を実施する。エネルギー変更制御終了後、再び到達エネルギーと目標エネルギーを比較する。エネルギー変更制御後の到達エネルギーはＥｂであり、目標エネルギーはＥｃであるため、引き続き、エネルギー変更制御タイミング信号５１５を出力し、エネルギー変更制御パターンデータ７０５ｂｃを更新する。このような制御を繰り返すことで、到達エネルギーを目標エネルギーと同じＥｉまで加速する。その後は、上記に示した出射制御および減速制御と同じ制御を実施する。

図９Ｃは、２回目の運転周期（運転パターンデータ７０ｅｈの更新中）において、エネルギーＥｆでのイオンビームを出射した後、蓄積イオンビームが枯渇した場合の運転例を示しており、エネルギーＥｆでの照射後に蓄積イオンビームの枯渇を検出したため、エネルギーＥｆに対応した減速制御データ７０６ｆに遷移し、減速制御を実施した後に運転周期を更新し、３回目の運転周期でエネルギーＥｇからビーム照射を再開した場合の運転例を示している。

本実施例のような運転制御を実施することで、どのエネルギーでビーム照射を中断したとしても、エネルギー変更制御を行わず減速制御に直接遷移することができ、かつ、運転周期を再開する際に、次のビーム照射の目標エネルギーに到達するためのエネルギー変更制御データの更新回数（エネルギー変更制御の回数）を分割した運転パターンデータに含まれる最大エネルギー数未満に抑えられる。このためビーム照射の伴わないエネルギー変更制御を減少させ、シンクロトロン１３の運転効率を高め、線量率を向上することができる。

また、粒子線治療装置を構成する機器に異常が生じた場合や、照射ビームのサイズ、位置等の状態に異常が生じた場合にも、異常発生時の出射エネルギーから減速制御に速やかに（直接）遷移することができる。

なお、本実施例の運転パターンデータ７０は、どのエネルギーでの出射制御からも減速制御に直接遷移できるよう全ての出射制御データのそれぞれに対応した減速制御データを運転パターンデータに含める構成としたが、最終段のエネルギー出射制御に対応した減速制御データだけを含める構成としてもよい。その場合でも、運転パターンデータ７０は、シンクロトロン１３から出射するイオンビームのエネルギー範囲（１０種類のエネルギー）を分割して生成したものである結果、ビーム照射を途中で終了してから減速制御に遷移するまでに行うエネルギー変更制御の回数を運転パターンデータに含まれる最大エネルギー数未満に抑えられるため、従来技術に比べ、ビーム照射の伴わないエネルギー変更制御を減少させ、シンクロトロン１３の運転効率を向上させることができる。

本発明の第２実施例について図８及び１０Ａ〜図１２を用いて説明する。本実施例は、機器構成は第１実施例と同一であるが、シンクロトロン１３から出射されるべきイオンビームのエネルギー範囲の分割方法が第１実施例と異なる。すなわち、本実施例では、エネルギー範囲を分割する際に分割後のエネルギー範囲が互いに重複するようイオンビームのエネルギー範囲を分割して複数の運転パターンデータ７０を構成し、かつシンクロトロン１３から出射されるべきイオンビームの全てのエネルギーに対応した初期加速制御データが含まれるように複数の運転パターンデータ７０を構成したものである。なお、本実施例において、第１実施例と同様、ある患者の治療のために照射するビームのエネルギー数は１０エネルギー（Ｅａ〜Ｅｊ）であり、シンクロトロン１３が１回の運転周期内で出射可能な最大のエネルギー数が４エネルギーである場合を想定している。

図１０Ａにおいて、本実施例の運転制御データ７Ａは、１０種類のエネルギー（Ｅａ〜Ｅｊ）に対応して１０種類の初期加速制御データを用意し、これらの初期加速制御データ毎に４つの出射エネルギー帯域毎に区分して、エネルギー変更制御によりエネルギーを高めて照射する１０個の運転パターンデータ（７０ａｄ、７０ｂｅ、７０ｃｆ、７０ｄｇ、７０ｅｈ、７０ｆｉ、７０ｇｊ、７０ｈｊ、７０ｉｊ、７０ｊ）で構成する。その結果、１０個の運転パターンデータは１エネルギーずつずれながら出射エネルギー帯域が重複するように構成されている。また、エネルギー範囲が４エネルギー未満となる初期加速エネルギーＥｈ〜Ｅｊの運転パターンデータ７０ｈｊ，７０ｉｊ，７０ｊに関しては、多段出射制御の段数が４段未満となる。

各運転パターンデータ７０の詳細はそれぞれ図１０Ｂ〜図１０Ｄに示すようである。図１０Ｂ〜図１０Ｄにおいて、運転パターンデータ７０ａｄ，７０ｅｈ，７０ｉｊは第１実施例の運転パターンデータ７０ａｄ，７０ｅｈ，７０ｉｊと同じである。その他の運転パターンデータは、出射するイオンビームのエネルギーレベルが相違する点を除いて、運転パターンデータ７０ａｄ，７０ｅｈ，７０ｉｊと実質的に同様に構成されている。また、運転パターンデータ７０とタイミング信号５１との関係も第１実施例で説明したのと同じである。

図１２は、電源制御装置４５のメモリに記憶した１０個の運転パターンデータ７０ａｄ，７０ｂｅ，７０ｃｆ，７０ｄｇ，７０ｅｈ，７０ｆｉ，７０ｇｊ，７０ｈｊ，７０ｉｊ，７０ｊ（照射に必要なエネルギー情報と照射順序および制御データ）を示す図である。実施例１と同様、運転パターンデータはテーブルデータとして用意される。

図１０Ａに示した運転制御データ７Ａを使用してシンクロトロン１３を運転制御した場合の運転例を図１１Ａおよび図１１Ｂに示す。図１１Ａは、１０種類のエネルギー（Ｅａ〜Ｅｊ）のイオンビームを３回の運転周期で出射制御した場合の偏向電磁石の励磁電流値の変化を示しており、図１１Ｂは、１回目の運転周期で２種類のエネルギー（Ｅａ、Ｅｂ）のイオンビームを出射した後、蓄積イオンビームが枯渇したため減速制御に遷移して運転周期を更新し、２回目の運転周期で３種類目のエネルギー（Ｅｃ）のイオンビームを出射する場合の偏向電磁石の励磁電流値の変化を示している。

図１１Ａに示した運転例の運転周期更新以降の動作について説明する。

運転パターンデータ７０ａｄの最後のエネルギーＥｄの出射制御が完了後、目標エネルギーがＥｅに更新された状態で運転周期を開始する。電源制御装置４５は、図８のフローにしたがって、図１２に示した運転パターンデータの中から目標エネルギーＥｅに対応した出射制御データが最も早く現れる運転パターンデータ７０ｅｈを選択する。電源制御装置４５は、加速制御タイミング信号５１１の入力により、運転パターンデータ７０ｅｈにおける初期加速制御データ７０１ｅの更新を開始する。初期加速制御が終了後、到達エネルギーと目標エネルギーを比較する。初期加速制御データ７０１ｅの到達エネルギーはＥｅと一致するため、その後は、上記に示した出射制御および減速制御と同じ制御を実施する。運転パターンデータ７０ｅｈのエネルギー（Ｅｅ、Ｅｆ、Ｅｇ、Ｅｈ）の出射制御が完了後、全てのエネルギーの出射制御が完了していないため、目標エネルギーがＥｉに更新された状態で運転周期を開始する。前記と同様に、電源制御装置４５は、目標エネルギーＥｉに対応した出射制御データが最も早く現れる運転パターンデータ７０ｉｊを選択する。その後は、上記に示した初期加速制御、出射制御および減速制御と同じ制御を実施する。

次に、図１１Ｂに示した運転例（多段出射運転時に運転周期を更新した場合）について説明する。ここでは、２種類目のエネルギー（Ｅｂ）の出射制御が終了した後の動作を説明する。

２種類目のエネルギーＥｂの出射制御が終了した時点でシンクロトロン内の蓄積ビーム量を計測する。この計測結果により、ビームの枯渇等により次のビーム出射量を満足することができないと判定されるため、タイミングシステム５０は、減速制御開始タイミング信号５１６を出力する。電源制御装置４５は、減速制御開始タイミング信号５１６の入力に基づき、直前の出射条件解除データ７０４ｂに連続して接続できる減速制御データ７０６ｂの更新を開始する。

減速制御終了タイミング信号５１７の入力に合わせて、全てのエネルギーの出射制御が完了しているかを確認する。全てのエネルギーの出射制御が完了していないため、引き続き、目標エネルギーがＥｃに更新された状態で運転周期を開始する。前記と同様に、電源制御装置４５は、目標エネルギーＥｃに対応した出射制御データが最も早く現れる運転パターンデータ７０ｃｆを選択する。電源制御装置４５は、 加速制御タイミング信号５１１の入力により、運転パターン７０データｃｆにおける初期加速制御データ７０１ｃの更新を開始する。以降、前記と同様に出射制御および減速制御とを同じ制御を実施する。

本実施例のような運転制御を実施することで、どのエネルギーでビーム照射を中断したとしても、エネルギー変更制御を行わず減速制御に直接遷移することができ、かつ、運転周期を再開する際に、初期加速制御を行うだけで次のビーム照射の目標エネルギーに到達できる。このためビーム照射の伴わないエネルギー変更制御が無くなり、シンクロトロン１３の運転効率を更に高めることが可能となる。

なお、本実施例では、運転制御データ７Ａは、照射するビームのエネルギー数と同数の運転パターンデータで構成されるため、照射するビームのエネルギー数が増えると、運転パターンデータとともに電源制御装置４５に用意するメモリ容量も増える。また、粒子線治療装置において、シンクロトロンを構成する各装置の電流値を調整することにより、粒子の粒子線エネルギー調整を実現する。そのため、複数の運転パターンデータに基づいた粒子線治療装置の運転制御を実現するためには、これら複数の運転パターンデータのそれぞれについて各装置の設定値を個別に調整する必要があり、その調整時間もかかる。そのため、照射するビームのエネルギー数と同数の運転パターンデータを用意するのが現実的でない場合は、照射するビームのエネルギーのうち初期加速で到達できるエネルギーを２種類間隔や３種類間隔に設定し、あるいは運転パターンデータ間で重複するエネルギー帯域を１エネルギーや２エネルギーに抑えることにより、運転パターンデータの数を減らしても良い。

１ 粒子線照射システム
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ ビーム
１１ イオンビーム発生装置
１２ 前段加速器
１３ シンクロトロン
１４ ビーム輸送装置
１５ 蓄積ビーム量検出手段
１５１ 蓄積ビーム量計測データ
１６ 高周波電極
１７ 高周波加速空胴
１８ 偏向電磁石
１９ 四極電磁石
３０ 照射装置
３１ 線量モニタ
３１１ 線量計測データ
３２ａ，３２ｂ 走査電磁石
３４ コリメータ
３６ 患者
３７ 患部
４０ 加速器制御装置
４１ 統括制御装置
４１１ 制御データ
４１２ 機器情報データ
４２ 記憶装置
４２１ 照射情報データ
４３ 治療計画装置
４３１ 治療計画情報
４４ 照射制御装置
４４１ 出射制御許可信号
４４２ 線量満了信号
４４３ エネルギー変更要求信号
４４４ 減速制御要求信号
４４５ 照射完了信号
４５ 電源制御装置
４５１ 電源制御指令値
４５２ ステータス情報
４６ 電源
５０ タイミングシステム
５１ タイミング信号
５１１ 加速制御開始タイミング信号
５１２ 出射条件設定タイミング信号
５１３ 出射制御待機タイミング信号
５１４ 出射条件解除タイミング信号
５１５ エネルギー変更制御タイミング信号
５１６ 減速制御開始タイミング信号
５１７ 減速制御終了タイミング信号
６０ インターロックシステム
６１１ エネルギー変更指令
６１２ 照射完了司令
６１３ 減速制御指令
６１４ 出射制御指令
６１５ 出射許可指令
７ 運転制御データ
７０ 運転パターンデータ
７０１ 初期加速制御データ
７０２ 出射制御データ
７０３ 出射条件設定データ
７０４ 出射条件解除データ
７０５ エネルギー変更制御データ
７０６ 減速制御データ

Claims (12)

1. イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、
   前記シンクロトロンから出射された前記イオンビームを照射する照射装置を備えた粒子線照射システムにおいて、
   前記シンクロトロンを構成する機器の運転制御データを、前記シンクロトロンから出射されるべきイオンビームのエネルギー範囲を、前記シンクロトロンから出射されるべきエネルギー範囲のエネルギー数よりも少ない所定のエネルギー数以下となるように分割した複数のエネルギー範囲のそれぞれに対応して生成した複数の運転パターンデータで構成し、かつ前記複数の運転パターンデータの少なくとも１つが、１つの初期加速制御データと、複数の出射制御データと、前記複数の出射制御データ間を接続する少なくとも１つのエネルギー変更制御データと、少なくとも１つの減速制御データとを含む構成とし、この複数の運転パターンデータに基づいて前記シンクロトロンを構成する機器を制御する制御装置を備えたことを特徴とする粒子線照射システム。
2. 請求項１記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記制御装置は、
   分割後のエネルギー範囲が互いに重複しないよう前記イオンビームのエネルギー範囲を分割し、この分割後のエネルギー範囲に基づいて前記複数の運転パターンデータを構成したことを特徴とする粒子線照射システム。
3. 請求項１記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記制御装置は、
   分割後のエネルギー範囲が互いに重複するよう前記イオンビームのエネルギー範囲を分割し、この分割後のエネルギー範囲に基づいて前記複数の運転パターンデータを構成したことを特徴とする粒子線照射システム。
4. 請求項３記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記シンクロトロンから出射するイオンビームの全てのエネルギーに対応した初期加速制御データが含まれるよう前記イオンビームのエネルギー範囲を分割し、この分割後のエネルギー範囲に基づいて前記複数の運転パターンデータを構成したことを特徴とする粒子線照射システム。
5. 請求項１〜４記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記所定のエネルギー数は、
   前記シンクロトロンが１回の運転周期で出射可能な最大のエネルギー数であることを特徴とする粒子線照射システム。
6. 請求項１記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記シンクロトロンを構成する機器の制御タイミングを管理する複数の制御タイミング信号を生成し、これらの制御タイミング信号に基づき、前記複数の運転パターンデータを切り換えかつ前記複数の運転パターンデータのそれぞれを構成する制御データを切り換えることを特徴とする粒子線照射システム。
7. 請求項１記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記複数の運転パターンデータの１つに基づいて前記シンクロトロンを構成する機器の運転制御中に前記運転パターンデータに含まれる全ての出射制御データを更新せずに減速制御に遷移し、運転周期の開始に戻り、再び初期加速制御を開始する場合、未更新の出射制御データのエネルギーに対応した出射制御データが最も早く現れる運転パターンデータを選択し、初期加速制御に遷移することを特徴とする粒子線照射システム。
8. 請求項１記載の粒子線照射システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記運転パターンデータが前記複数の出射制御データを含む場合、前記運転パターンデータに前記複数の出射制御データに対応した複数の減速制御データを含ませ、
   前記複数の出射制御データを含む運転パターンデータに基づいて前記シンクロトロンを構成する機器の運転制御中に前記運転パターンデータに含まれる全ての出射制御データを更新せずに減速制御に遷移する場合、現在更新している出射制御データを更新した後に、この出射制御データに対応した減速制御データを選択し、減速制御に遷移することを特徴とする粒子線照射システム。
9. イオンビームを加速して出射するシンクロトロンと、
   前記シンクロトロンから出射された前記イオンビームを照射する照射装置とを備えた粒子線照射システムの運転方法であって、
   前記シンクロトロンを構成する機器の運転制御データを、前記シンクロトロンから出射されるべきイオンビームのエネルギー範囲を、前記シンクロトロンから出射されるべきエネルギー範囲のエネルギー数よりも少ない所定のエネルギー数以下となるように分割した複数のエネルギー範囲のそれぞれに対応した複数の運転パターンデータで構成とし、かつ前記複数の運転パターンデータの少なくとも１つが、１つの初期加速制御データと、複数の出射制御データと、前記複数の出射制御データ間を接続する少なくとも１つのエネルギー変更制御データと、少なくとも１つの減速制御データとを含む構成とし、この複数の運転パターンデータに基づいて前記シンクロトロンを構成する機器を制御することを特徴とする粒子線照射システムの運転方法。
10. 請求項９記載の粒子線照射システムの運転方法であって、
    分割後のエネルギー範囲が互いに重複しないよう前記イオンビームのエネルギー範囲を分割し、この分割後のエネルギー範囲に基づいて前記複数の運転パターンデータを構成したことを特徴とする粒子線照射システムの運転方法。
11. 請求項９記載の粒子線照射システムの運転方法であって、
    分割後のエネルギー範囲が重複するよう前記イオンビームのエネルギー範囲を分割し、この分割後のエネルギー範囲に基づいて前記複数の運転パターンデータを構成したことを特徴とする粒子線照射システム。
12. 請求項１１記載の粒子線照射システムの運転方法であって、
    前記シンクロトロンから出射されるべきイオンビームの全てのエネルギーに対応した初期加速制御データが含まれるよう前記イオンビームのエネルギー範囲を分割し、この分割後のエネルギー範囲に基づいて前記複数の運転パターンデータを構成したことを特徴とする粒子線照射システムの運転方法。

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