JP7589094B2 - PARTICLE BEAM THERAPY APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING PARTICLE BEAM THERAPY APPARATUS - Google Patents
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Description
本発明は、ビーム輸送用の電磁石装置に関し、特に、磁場調整機能を有する磁石構成および運転方法に関する。 The present invention relates to an electromagnet device for beam transport, and in particular to a magnet configuration and operation method with a magnetic field adjustment function.
陽子や炭素等の重粒子を加速器で加速して粒子ビームを形成し、患者の腫瘍等に照射する粒子線治療装置が知られている。粒子線治療装置は、ビームを加速器によって加速し、加速器から出射された粒子ビームを、輸送系によって必要個所において偏向させながら照射ノズルまで輸送し、照射ノズルよりビームを患者に向かって照射する。加速器や輸送系には、多数の電磁石装置が用いられ、ビームに高精度の磁場を印加する。 Particle beam therapy devices are known that accelerate heavy particles such as protons and carbon in an accelerator to form a particle beam, which is then irradiated onto a patient's tumor or other target. In particle beam therapy devices, the beam is accelerated by the accelerator, and the particle beam emitted from the accelerator is transported to an irradiation nozzle while being deflected at required locations by a transport system, and the beam is then irradiated towards the patient from the irradiation nozzle. The accelerator and transport system use numerous electromagnet devices that apply a highly precise magnetic field to the beam.
粒子線治療装置では、細く絞ったビームを腫瘍の形状に合わせてなぞるように走査する照射方法(スキャニング照射法)が普及しており、ビームを走査するために、高速で磁場を変更可能な走査電磁石が用いられる。 A commonly used irradiation method in particle beam therapy equipment is to scan a finely focused beam to trace the shape of the tumor (scanning irradiation method), and to scan the beam, a scanning electromagnet that can change the magnetic field at high speed is used.
近年、重い炭素イオン等の重粒子ビームを患者に対して360度任意の角度から照射する回転ガントリを備えた粒子線治療装置が実用化されつつある。重粒子ビームを小さな半径で曲げるためには、陽子よりも強い磁場を必要とするため、超電導偏向磁石が用いられる。 In recent years, particle beam therapy equipment equipped with a rotating gantry that irradiates a patient with a heavy particle beam, such as heavy carbon ions, from any angle of 360 degrees is beginning to be put into practical use. In order to bend a heavy particle beam in a small radius, a magnetic field stronger than that of a proton is required, so a superconducting bending magnet is used.
加速器に利用される磁場としては、ビームを曲げる2極磁場(偏向磁場)、ビームを収束・発散させる4極磁場、ビームの色収差を補正する6極磁場などがある。加速器では所定のビームの仕様を満足するように、これら偏向磁石、4極磁石等の配置が光学設計により決められ、それらの磁石は正確な磁場を発生する必要がある。例えば、ビーム輸送用の偏向磁石においては偏向磁場強度に対して誤差磁場はその1×10-4のオーダーもしくはそれ以下であることが要求される。 The magnetic fields used in accelerators include a dipole magnetic field (deflection magnetic field) that bends the beam, a quadrupole magnetic field that converges and diverges the beam, and a sextupole magnetic field that corrects the chromatic aberration of the beam. In accelerators, the arrangement of these deflection magnets, quadrupole magnets, etc. is determined by optical design to satisfy the specifications of a given beam, and these magnets must generate accurate magnetic fields. For example, in deflection magnets for beam transportation, the error magnetic field is required to be on the order of 1×10 -4 or less relative to the strength of the deflection magnetic field.
ビーム輸送用の超電導磁石装置の一例としては、例えば特許文献1に記載のものが知られている。この発明では、4個以上のフラット状の集中巻線コイルをビーム輸送用のビームダクト周辺の所定の位置に配置することによってビーム輸送に必要な低ひずみの偏向磁場分布を得ている。 One example of a superconducting magnet device for beam transport is described in Patent Document 1. In this invention, four or more flat concentrated winding coils are arranged at predetermined positions around the beam duct for beam transport, thereby obtaining a deflection magnetic field distribution with low distortion required for beam transport.
ビーム輸送用の電磁石装置には非常に精度の高い磁場が要求される。特許文献1では、フラットな集中巻線のコイルを4個以上配置して磁場を形成している。離散化された起磁力源を組み合わせた特許文献1の構成は、偏向磁場を発生するための理想的な巻線方法であるコサインシーター巻きのコイルと比べると、離散化された各コイルの巻線形状の誤差およびそれらの設置誤差(組み立て誤差)によって、誤差磁場が発生することがある。 Electromagnet devices for beam transport require a highly accurate magnetic field. In Patent Document 1, four or more coils with flat concentrated windings are arranged to form a magnetic field. The configuration of Patent Document 1, which combines discrete magnetomotive force sources, can generate an error magnetic field due to errors in the winding shape of each discrete coil and their installation errors (assembly errors) compared to a cosine theta-wound coil, which is an ideal winding method for generating a deflection magnetic field.
コイルの製作精度を高めることによってその誤差磁場は最小化されるが、ビーム輸送用の磁石においては、誤差磁場は主磁場強度の1×10-4以下に抑える必要があり、コイルの製作精度だけで、それを満足させることは困難である。 The error magnetic field can be minimized by improving the manufacturing precision of the coil; however, in a magnet for beam transport, the error magnetic field must be kept below 1×10 −4 of the main magnetic field strength, and it is difficult to meet this requirement through the manufacturing precision of the coil alone.
製作上制御できない誤差磁場に対しては、補正磁場手段を持たせることが必要となり、トリムコイル(磁場補正用電磁石)を配置することとなる。具体的には、製作誤差から発生すると予想される誤差磁場量を推測し、その誤差磁場を補償するためのトリムコイルを配置する。例えば、誤差磁場を多極成分に分解し、分解されたそれぞれの多極磁場成分を発生させるトリムコイルを設置する。 For error magnetic fields that cannot be controlled during manufacturing, it is necessary to provide a means for correcting the magnetic field, and trim coils (electromagnets for magnetic field correction) are placed. Specifically, the amount of error magnetic field that is expected to occur due to manufacturing errors is estimated, and trim coils are placed to compensate for the error magnetic field. For example, the error magnetic field is decomposed into multi-pole components, and trim coils are installed to generate each of the decomposed multi-pole magnetic field components.
しかしながら、多極磁場は起磁力源が磁場中心から遠ざかると急激にその強度が下がるため、トリムコイルは磁場中心側(主磁場磁石の内側)に配置することが望ましい。そのため、ビームダクトの周辺にトリムコイルを配置するためのスペースを確保し、その外側に主磁場磁石を配置することになる。主磁場磁石をビームダクトから遠ざけると、その分ビーム輸送に必要な磁場強度が下がるため、磁石の起磁力を大きくする必要が生じる。また、トリムコイルを運転するための電源などが必要となる。そのため、装置が大規模化するという問題が発生する。 However, since the strength of a multi-pole magnetic field drops sharply as the magnetomotive force source moves away from the center of the magnetic field, it is desirable to place the trim coil toward the center of the magnetic field (inside the main magnetic field magnet). For this reason, space is secured around the beam duct for placing the trim coil, and the main magnetic field magnet is placed outside of that. If the main magnetic field magnet is moved away from the beam duct, the magnetic field strength required for beam transport decreases accordingly, so the magnetomotive force of the magnet needs to be increased. In addition, a power source is required to operate the trim coil. This causes the problem of the device becoming larger in size.
本発明の目的は、高精度な磁場の空間分布を維持する簡素な構成のビーム輸送用電磁石装置を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a beam transport electromagnet device with a simple configuration that maintains a highly accurate spatial distribution of the magnetic field.
上記目的を達成するために、本発明の電磁石装置は、発生する磁場の少なくとも一部が重なり合うように配置された複数のコイルと、複数の電源とを有する。複数のコイルに通電する電流量を調整することにより、ビーム輸送に必要な磁場強度を保ったまま不要な誤差磁場を抑制する。 To achieve the above object, the electromagnet device of the present invention has multiple coils arranged so that at least a portion of the magnetic fields they generate overlap, and multiple power sources. By adjusting the amount of current flowing through the multiple coils, unnecessary error magnetic fields are suppressed while maintaining the magnetic field strength required for beam transport.
具体的には、本発明の電磁石装置は、ビーム経路を取り巻くように配置された4つのコイルと、コイルに電流を供給する少なくとも2つの電源と、2つの電源を制御する電源コントローラとを有する。電源コントローラは、4つのコイルの発生する磁場の重ね合わせにより、ビーム経路を所定の角度の直径方向に横切る主磁場が形成され、かつ、主磁場の方向および強度を維持しながら、主磁場に伴って発生する4極以上の多極磁場が抑制される4つのコイルへの供給電流を算出する算出部と、算出した供給電流を電源から4つのコイルに供給させる供給制御部とを備える。 Specifically, the electromagnet device of the present invention has four coils arranged to surround the beam path, at least two power supplies that supply current to the coils, and a power supply controller that controls the two power supplies. The power supply controller includes a calculation unit that calculates a supply current to the four coils that forms a main magnetic field that crosses the beam path in a diametrical direction at a predetermined angle by superimposing the magnetic fields generated by the four coils, while maintaining the direction and strength of the main magnetic field and suppressing a multipole magnetic field of four or more poles that is generated in association with the main magnetic field, and a supply control unit that causes the power supplies to supply the calculated supply current to the four coils.
本発明によれば、簡素な構成でありながら、製作誤差などで生じる誤差磁場を補償し、高精度な磁場をビームが通過する空間に発生することができる。 The present invention uses a simple configuration to compensate for error magnetic fields caused by manufacturing errors and generate a highly accurate magnetic field in the space through which the beam passes.
本発明の一実施形態について説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
<粒子線治療装置>
まず、本実施形態の電磁石装置をビーム輸送用の電磁石装置として用いる粒子線治療装置について、図面を参照しながら説明する。
An embodiment of the present invention will be described below. However, the present invention is not limited to the embodiment described here, and appropriate combinations and improvements are possible without departing from the spirit and scope of the present invention.
<Particle beam therapy equipment>
First, a particle beam therapy system using the electromagnet device of this embodiment as an electromagnet device for beam transportation will be described with reference to the drawings.
粒子線治療装置の全体構成を図1に示す。図1のように、粒子線治療装置は、粒子線を形成する加速器500と、粒子線を輸送するビーム輸送系200と、患者301に粒子線を照射する照射装置300と、患者301を搭載するベッド302と、回転ガントリ400と、制御系600とを備えて構成される。 The overall configuration of a particle beam therapy device is shown in Figure 1. As shown in Figure 1, the particle beam therapy device is composed of an accelerator 500 that forms a particle beam, a beam transport system 200 that transports the particle beam, an irradiation device 300 that irradiates a patient 301 with the particle beam, a bed 302 on which the patient 301 is placed, a rotating gantry 400, and a control system 600.
加速器500は、図1の例では、前段加速器であるライナック501と、ライナック501が形成した粒子線をさらに加速するシンクロトロン502とを備えた構成であるが、この構成に限らず、サイクロトロン等を用いることももちろん可能である。 In the example shown in FIG. 1, the accelerator 500 is configured to include a linac 501, which is a pre-stage accelerator, and a synchrotron 502, which further accelerates the particle beam formed by the linac 501, but it is not limited to this configuration and it is of course possible to use a cyclotron or the like.
ビーム輸送系200は、加速器500で形成された粒子線を輸送するダクト204と、ダクト204内の粒子線(ビームとも呼ぶ)に偏向磁場を印加する偏向磁石201、202、203と、粒子線を収束させる磁場を印加する四極磁石211と、軌道補正磁石212とを備えている。 The beam transport system 200 includes a duct 204 that transports the particle beam formed by the accelerator 500, deflection magnets 201, 202, and 203 that apply a deflection magnetic field to the particle beam (also called a beam) in the duct 204, a quadrupole magnet 211 that applies a magnetic field to focus the particle beam, and an orbit correction magnet 212.
ダクト204には、回転連結部214が設けられ、回転連結部214よりも先端側は、回転連結部214よりも加速器500寄りの固定部に対して、回転連結部214の機構によって、軸1213を中心に回転可能に構成されている。 A rotary coupling part 214 is provided in the duct 204, and the tip side of the rotary coupling part 214 is configured to be rotatable around the axis 1213 by the mechanism of the rotary coupling part 214 relative to a fixed part closer to the accelerator 500 than the rotary coupling part 214.
回転ガントリ400は、ベッド302の周囲に配置され、回転軸1213を中心に回転するリング状の構造体(回転リング)401と、回転リングを回転駆動する駆動部402を含む。 The rotating gantry 400 is arranged around the bed 302 and includes a ring-shaped structure (rotating ring) 401 that rotates around the rotation axis 1213, and a drive unit 402 that drives the rotation of the rotating ring.
回転連結部214よりも先端側のビーム輸送系200および照射装置300は、回転リング401に搭載され、回転リング401が回転するのに伴って、回転軸1213を中心に回動する。 The beam transport system 200 and the irradiation device 300, which are located further distal than the rotary connection 214, are mounted on the rotating ring 401 and rotate about the rotation axis 1213 as the rotating ring 401 rotates.
照射装置300には患部の形に合わせてビーム照射位置を移動するための走査用電磁石303が搭載されている。 The irradiation device 300 is equipped with a scanning electromagnet 303 for moving the beam irradiation position according to the shape of the affected area.
加速器500から出射されたビームは、ビーム輸送系200を通過する間に、偏向磁石201、202、203によってビーム輸送経路に沿って曲げられて移送され、4極磁石211や軌道補正磁石212によってビームの形状や位置が調整される。また、ビームは、照射装置300に設置された走査電磁石303によって、ビームの軸方向216に対して垂直な方向に振られ、これにより患部をなぞるように照射される。 The beam emitted from the accelerator 500 is bent and transported along the beam transport path by the deflection magnets 201, 202, and 203 while passing through the beam transport system 200, and the shape and position of the beam are adjusted by the quadrupole magnet 211 and the trajectory correction magnet 212. In addition, the beam is deflected in a direction perpendicular to the beam axis direction 216 by the scanning electromagnet 303 installed in the irradiation device 300, so that the affected area is irradiated in a manner that traces the area.
これらの偏向磁石201~203、四極磁石211、および、軌道補正磁石212は、ビームのエネルギーに合わせて発生磁場強度が変更される。偏向磁石203については、後で詳しく説明する。 The strength of the magnetic field generated by these deflection magnets 201-203, quadrupole magnet 211, and trajectory correction magnet 212 is changed according to the energy of the beam. The deflection magnet 203 will be explained in detail later.
なお、ビームのエネルギー変更は、加速器500において行ってもよいし、輸送系200の途中にディグレーダを配置して所望量減衰させることによりエネルギーを変更してもよい。 The energy of the beam may be changed in the accelerator 500, or a degrader may be placed along the transport system 200 to change the energy by attenuating it to the desired amount.
制御系600は、装置全体を制御する制御装置610と、電源コントローラ620とを含む。制御装置610は、加速器500の出射するビーム強度の制御や、回転ガントリ400の駆動部402の制御を行う。電源コントローラ620は、偏向磁石201-203の電源を制御する。 The control system 600 includes a control device 610 that controls the entire device, and a power supply controller 620. The control device 610 controls the intensity of the beam emitted by the accelerator 500 and the drive unit 402 of the rotating gantry 400. The power supply controller 620 controls the power supplies of the deflection magnets 201-203.
<偏向電磁石203の構成例>
以下、図2、図3および図4を用いて、偏向磁石203について説明する。偏向磁石203は、粒子線を30度偏向させる電磁石1230を、ダクト204に沿って3つ並べ、90度偏向させる構成である。なお、偏向磁石201、202も、構成する電磁石1230の個数が偏向磁石203とは異なるが、基本的な構成は同様である。
<Configuration example of bending electromagnet 203>
2, 3 and 4, the deflection magnet 203 will be described below. The deflection magnet 203 has three electromagnets 1230 arranged along the duct 204, each of which deflects a particle beam by 30 degrees, and is configured to deflect the particle beam by 90 degrees. The deflection magnets 201 and 202 also differ from the deflection magnet 203 in the number of electromagnets 1230 that constitute them, but have the same basic configuration.
図2は、偏向磁石203の側面図、図3は、図2のA-A’断面図である。図4は、偏向磁石203内の超電導コイルの配置を示す斜視図である。偏向磁石203は、断熱容器110と、冷凍機120と、断熱容器110の内部に配置された3つの電磁石1230とを備えている。3つの電磁石1230は、それぞれビーム経路(ダクト204)の周囲に配置された少なくとも4つの超電導コイル101、102、103、104と、超電導コイル101~104に電流を供給する少なくとも2以上(ここでは4つ)の電源41~44と、電源41~44を制御する電源コントローラ620を含む。 Figure 2 is a side view of the deflection magnet 203, and Figure 3 is a cross-sectional view taken along line A-A' of Figure 2. Figure 4 is a perspective view showing the arrangement of superconducting coils in the deflection magnet 203. The deflection magnet 203 comprises an insulating container 110, a refrigerator 120, and three electromagnets 1230 arranged inside the insulating container 110. Each of the three electromagnets 1230 includes at least four superconducting coils 101, 102, 103, and 104 arranged around the beam path (duct 204), at least two or more (four in this example) power supplies 41-44 that supply current to the superconducting coils 101-104, and a power supply controller 620 that controls the power supplies 41-44.
超電導コイル101~104にはそれぞれリード31a、31b、32a、32b、33a、33b、34a、34bが接続され、リード31a等を介して、電源41~44にそれぞれ接続されている。リード31a等は、断熱容器110を貫通している。 Leads 31a, 31b, 32a, 32b, 33a, 33b, 34a, and 34b are connected to the superconducting coils 101 to 104, respectively, and are connected to power sources 41 to 44 via leads 31a and the like. Leads 31a and the like pass through the insulating container 110.
図2~図4に示すように、超電導コイル101、102、103、104は、それぞれフラットコイルであり、超電導コイル103と超電導コイル104は、主平面が、ビームの軸方向216を挟んで対向するように配置されている。超電導コイル101と超電導コイル102は、側面が、ビームの軸方向216を挟んで対向するように配置されている。 As shown in Figures 2 to 4, superconducting coils 101, 102, 103, and 104 are each flat coils, and superconducting coils 103 and 104 are arranged so that their main planes face each other across the axial direction 216 of the beam. Superconducting coils 101 and 102 are arranged so that their side faces face each other across the axial direction 216 of the beam.
具体的には、超電導コイル101~104は、主平面内に長径と短径を有する扁平な形状に巻回され、長径がダクト204の軸方向(ビームの軸方向216)に沿うように配置されている。長径方向は、ダクト204の湾曲に沿うように湾曲している。超電導コイル101~104は、いずれもその主平面が、粒子線を偏向させる面内に平行になるように、ダクト204の周囲の4方向に配置されている。超電導コイル101と102は、その主平面が、ダクト204を通過するビームの軸方向216を挟んで対向するように配置され、超電導コイル103と104は、側面が、ビームの軸方向216を挟んで対向するように配置されている。 Specifically, the superconducting coils 101 to 104 are wound in a flat shape having a major axis and a minor axis in the main plane, and are arranged so that the major axis is along the axial direction of the duct 204 (axial direction of the beam 216). The major axis direction is curved so as to follow the curvature of the duct 204. The superconducting coils 101 to 104 are arranged in four directions around the duct 204 so that their main planes are parallel to the plane in which the particle beam is deflected. The superconducting coils 101 and 102 are arranged so that their main planes face each other across the axial direction 216 of the beam passing through the duct 204, and the superconducting coils 103 and 104 are arranged so that their side faces face each other across the axial direction 216 of the beam.
断熱容器110は、真空容器111とその内側に配置された輻射シールド112とを備えている。冷凍機120は、断熱容器110に搭載されている。例えば、冷凍機120は、1段目(例えば40k)が輻射シールドに熱的に接続されており、輻射シールド112を1段目の温度まで冷却する。2段目(例えば4k)は、銅のメッシュ等(不図示)により超電導コイル101~104に熱的に接続されており、伝導冷却により超電導コイル101~104を冷却する。 The insulated container 110 comprises a vacuum container 111 and a radiation shield 112 arranged inside the vacuum container 111. The refrigerator 120 is mounted on the insulated container 110. For example, the first stage (e.g., 40k) of the refrigerator 120 is thermally connected to the radiation shield and cools the radiation shield 112 to the temperature of the first stage. The second stage (e.g., 4k) is thermally connected to the superconducting coils 101-104 by a copper mesh or the like (not shown) and cools the superconducting coils 101-104 by conduction cooling.
電磁石1230を構成する超電導コイル101~104は、それぞれ断熱容器110内の他の電磁石1230を構成する対応する位置の超電導コイル101~104と電気的に直列接続されている。直列接続された4組の超電導コイルは、図3に示すように、それぞれ断熱容器110に設置された電流リード41aおよび41b、42aおよび42b、43aおよび43b、44aおよび44bの端部に接続されている。電流リード41aおよび41b、42aおよび42b、43aおよび43b、44aおよび44bの他端は、断熱容器110の内部から外部に引き出され、断熱容器110の外部に設置された電源41、42、43、44に接続されている。これにより、超電導コイル101、102、103、104は、それぞれ電源41、42、43、44から供給される電流によって運転される。 The superconducting coils 101 to 104 constituting the electromagnet 1230 are electrically connected in series with the superconducting coils 101 to 104 at the corresponding positions constituting the other electromagnets 1230 in the thermal insulation container 110. The four sets of superconducting coils connected in series are connected to the ends of the current leads 41a and 41b, 42a and 42b, 43a and 43b, and 44a and 44b installed in the thermal insulation container 110, as shown in FIG. 3. The other ends of the current leads 41a and 41b, 42a and 42b, 43a and 43b, and 44a and 44b are drawn from the inside of the thermal insulation container 110 to the outside and connected to the power sources 41, 42, 43, and 44 installed outside the thermal insulation container 110. As a result, the superconducting coils 101, 102, 103, and 104 are operated by the currents supplied from the power sources 41, 42, 43, and 44, respectively.
超電導コイル101~104は、それぞれが形成する磁場を重ね合わせて、ダクト204内を輸送される粒子線に対して所定の強度分布の主磁場213を形成して印加する。具体的には、粒子線の進行方向216を所定の角度(ここでは垂直)に横切る方向に主磁場213を印加する。これにより、磁場方向213および粒子線の進行方向216に対して直交する方向215へ粒子線を偏向させる。 The superconducting coils 101 to 104 superimpose the magnetic fields they generate to form a main magnetic field 213 with a predetermined intensity distribution, which is applied to the particle beam transported through the duct 204. Specifically, the main magnetic field 213 is applied in a direction that crosses the traveling direction 216 of the particle beam at a predetermined angle (here, perpendicular). This deflects the particle beam in a direction 215 that is perpendicular to the magnetic field direction 213 and the traveling direction 216 of the particle beam.
電源コントローラ620は、図2に示すように、4つの超電導コイル101~104への供給電流を算出する算出部621と、算出した供給電流を電源41~44から4つの超電導コイル101~104にそれぞれ供給させる供給制御部622とを備えている。4つの超電導コイル101~104の発生する磁場の重ね合わせにより、ビーム経路(ダクト204)を所定の角度の直径方向に横切る主磁場213が形成され、かつ、主磁場213の方向および強度を維持しながら、主磁場213に伴って発生する4極以上の多極磁場が抑制される供給電流を算出部621は算出するように構成されている。 2, the power supply controller 620 includes a calculation unit 621 that calculates the supply current to the four superconducting coils 101-104, and a supply control unit 622 that causes the power supplies 41-44 to supply the calculated supply current to each of the four superconducting coils 101-104. The superposition of the magnetic fields generated by the four superconducting coils 101-104 forms a main magnetic field 213 that crosses the beam path (duct 204) in the diametric direction at a predetermined angle, and the calculation unit 621 is configured to calculate a supply current that suppresses a multipole magnetic field of four or more poles that is generated by the main magnetic field 213 while maintaining the direction and strength of the main magnetic field 213.
4極以上の多極磁場は、ビーム強度の変化や、回転ガントリ400の回転により偏向磁石203と他の構成物との位置関係の変化、に伴って変化する。よって、算出部621は、ビームの強度や回転ガントリ400の回転角度に基づいて、主磁場213の方向および強度を維持しながら4極以上の多極磁場を抑制することができる超電導コイル101~104への供給電流値を算出する。ビームの強度や回転ガントリ400の回転角度は、本実施形態では電源コントローラが制御装置610から受け取る構成であるが、ビーム強度や回転角度をセンサ等により計測して、算出部621が供給電流値の算出に用いてもよい。 The four or more pole multipole magnetic field changes with changes in beam intensity and with changes in the positional relationship between the deflection magnet 203 and other components due to the rotation of the rotating gantry 400. Therefore, the calculation unit 621 calculates the supply current value to the superconducting coils 101-104 that can suppress the four or more pole multipole magnetic field while maintaining the direction and intensity of the main magnetic field 213 based on the beam intensity and the rotation angle of the rotating gantry 400. In this embodiment, the power supply controller receives the beam intensity and the rotation angle of the rotating gantry 400 from the control device 610, but the beam intensity and rotation angle may also be measured by a sensor or the like and used by the calculation unit 621 to calculate the supply current value.
具体的には、算出部621は、予め定めたおいた数式やテーブルを用いて4つのコイルへの供給電流を算出する。テーブルとしては、例えば、図5に一例を示すように、回転ガントリ400の回転角度と、ビームの強度と、超電導コイル(C1~C4)101~104への供給電流値との対応関係を示すものを用いる。テーブル内の供給電流値は、予め計算または実験により求めておく。 Specifically, the calculation unit 621 calculates the currents to be supplied to the four coils using a predetermined formula or table. As an example of the table, one that shows the correspondence between the rotation angle of the rotating gantry 400, the beam intensity, and the current values to be supplied to the superconducting coils (C1 to C4) 101 to 104, as shown in FIG. 5, is used. The current values to be supplied in the table are determined in advance by calculation or experiment.
また、算出部621が数式に基づいて、供給電流値を求める場合、回転ガントリ400の回転角度の代表的な2以上の値と、ビームの強度の代表的な2以上の値との組み合わせについて、予め計算または実験により供給電流値を求めておき、算出部621は、それらの値を用いて、補間計算や外挿計算等により、実際のビームの強度や回転ガントリ400の回転角度に対応する供給電流値を算出する構成にすることができる。 In addition, when the calculation unit 621 calculates the supply current value based on a formula, the calculation unit 621 can be configured to calculate the supply current value in advance by calculation or experiment for a combination of two or more representative values of the rotation angle of the rotating gantry 400 and two or more representative values of the beam intensity, and to use these values to calculate the supply current value corresponding to the actual beam intensity and the rotation angle of the rotating gantry 400 by interpolation calculation, extrapolation calculation, etc.
<電源コントローラ620による電源41~44の制御動作>
電源コントローラ620による偏向磁石203の制御について図6のフローを用いて説明する。
<Control operation of power supplies 41 to 44 by power supply controller 620>
The control of the deflection magnet 203 by the power supply controller 620 will be described with reference to the flow chart of FIG.
電源コントローラ620は、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)等のプロセッサーと、メモリ623とを備えたコンピュータ等によって構成することができる。メモリ623内には、テーブル624の他にプログラムが予め格納されている。CPUは、メモリ623に格納されたプログラムを読み込んで実行することにより、算出部621と供給制御部622の機能を実現する。 The power supply controller 620 can be configured by a computer or the like equipped with a processor such as a CPU (Central Processing Unit) or a GPU (Graphics Processing Unit), and a memory 623. In addition to the table 624, programs are pre-stored in the memory 623. The CPU realizes the functions of the calculation unit 621 and the supply control unit 622 by reading and executing the programs stored in the memory 623.
なお、電源コントローラ620は、その一部または全部を、ハードウエアにより構成することも可能である。例えば、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)のようなカスタムICや、FPGA(Field-Programmable Gate Array)のようなプログラマブルICを用いて、算出部621や供給部622の機能を実現するように回路設計を行えばよい。 The power supply controller 620 can be configured in whole or in part by hardware. For example, a circuit can be designed to realize the functions of the calculation unit 621 and the supply unit 622 using a custom IC such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or a programmable IC such as an FPGA (Field-Programmable Gate Array).
算出部621は、制御装置610からビーム出射を開始したことを示す信号を受け取ったならば(ステップ61)、制御装置610から現在のガントリ回転角、ビーム強度を取り込む(ステップ62)。ガントリ回転角は、制御装置610が、回転ガントリ400の駆動部402に出力している回転角を指示する制御信号を、算出部621が取り込むことにより取得する。ビーム強度は、制御装置610が加速器500へビーム強度を設定する制御信号を、算出部621が取り込むことにより取得する。 When the calculation unit 621 receives a signal from the control device 610 indicating that beam extraction has started (step 61), it acquires the current gantry rotation angle and beam intensity from the control device 610 (step 62). The calculation unit 621 acquires the gantry rotation angle by acquiring a control signal that indicates the rotation angle output by the control device 610 to the driver 402 of the rotating gantry 400. The calculation unit 621 acquires the beam intensity by acquiring a control signal that the control device 610 uses to set the beam intensity for the accelerator 500.
算出部621は、メモリ623内のテーブル624を参照し、ステップ62で取り込んだガントリ回転角、ビーム強度に対応する電流値C1,C2,C3,C4を求める(ステップ63)。算出部621は、供給制御部622に電流値C1,C2,C3,C4を設定する(ステップ64)。これにより、供給制御部622は、電源41~44の出力電流が電流値C1,C2,C3,C4になるように制御する。 The calculation unit 621 refers to table 624 in memory 623 and determines the current values C1, C2, C3, and C4 corresponding to the gantry rotation angle and beam intensity acquired in step 62 (step 63). The calculation unit 621 sets the current values C1, C2, C3, and C4 in the supply control unit 622 (step 64). As a result, the supply control unit 622 controls the output currents of the power supplies 41 to 44 to be the current values C1, C2, C3, and C4.
これにより、ビーム経路(ダクト204)を所定の角度の直径方向に横切る主磁場213が形成される。また、回転ガントリ400の回転角やビーム強度の変化に応じて、電流値C1,C2,C3,C4が変化することにより、主磁場213の方向および強度を維持しながら、主磁場213に伴って発生する4極以上の多極磁場が抑制される。 This forms a main magnetic field 213 that crosses the beam path (duct 204) in the diametric direction at a predetermined angle. In addition, the current values C1, C2, C3, and C4 change in response to changes in the rotation angle of the rotating gantry 400 and the beam intensity, thereby suppressing the four- or more-pole multipole magnetic field that is generated by the main magnetic field 213 while maintaining the direction and intensity of the main magnetic field 213.
算出部621は、制御装置610がビームの出射を終了したかどうかを判定し、出射が継続している場合は、ステップ62に戻って、電流制御を継続する。ビーム出射が終了したならば電源コントローラ610による、電源41~44の電流制御も終了する(ステップ65)。 The calculation unit 621 determines whether the control device 610 has finished beam extraction, and if extraction is continuing, returns to step 62 and continues current control. When beam extraction has ended, the power supply controller 610 also ends current control of the power supplies 41 to 44 (step 65).
<実施形態の効果>
このように、本実施形態の偏向磁石203では、粒子線の偏向に必要な磁場213を発生するコイルを超電導コイル101~104に分割し、電源41~44からそれぞれ独立に供給する電流を、電源コントローラ621が算出した電流値にコントロールして制御する。これにより、超電導コイル101~104がつくる磁場を重ね合わせてダクト204内に所望の方向の主磁場213を形成しながら、多極磁場を低減することができる。
Effects of the embodiment
In this manner, in the deflection magnet 203 of this embodiment, the coil that generates the magnetic field 213 required for deflecting the particle beam is divided into superconducting coils 101 to 104, and the currents supplied independently from the power supplies 41 to 44 are controlled to current values calculated by the power supply controller 621. This makes it possible to reduce the multipole magnetic field while forming the main magnetic field 213 in the desired direction in the duct 204 by superimposing the magnetic fields created by the superconducting coils 101 to 104.
言い換えるならば、超電導コイル101~104は、ダクト204内に特徴的な多極展開磁場を発生するような位置に配置されており、したがってそれらのコイルの起磁力を調整することによって磁場213に対して、多極磁場を混合することが可能である。すなわち、磁石の製作誤差によって発生する不要な多極磁場を起磁力調整によってキャンセルすることができる。 In other words, the superconducting coils 101-104 are positioned to generate a characteristic multi-pole expanded magnetic field within the duct 204, and therefore it is possible to mix a multi-pole magnetic field into the magnetic field 213 by adjusting the magnetomotive force of those coils. In other words, the unwanted multi-pole magnetic field generated by magnet manufacturing errors can be canceled by adjusting the magnetomotive force.
これにより、トリムコイル等の磁場補正手段を設置することなく、製作誤差や、ビーム強度の変化や、回転ガントリ400の回転によって発生する不要な多極磁場を補償することが可能なビーム輸送用の電磁石を提供することができる。 This makes it possible to provide an electromagnet for beam transport that can compensate for manufacturing errors, changes in beam intensity, and unnecessary multipole magnetic fields generated by the rotation of the rotating gantry 400, without the need to install magnetic field correction means such as trim coils.
<超電コイル101~104の電流値C1,C2,C3,C4の算出方法>
上述したように主磁場213は、ビームのエネルギーに応じて一定に保たれる必要がある。本実施形態では、4つの電源(41、42、43、44)によってそれぞれ励磁された超電導コイル101~104が発生する磁場が重ねあわされた主磁場213によってビームが偏向されることから、磁場213が所定の値となるように電源(41、42、43、44)の電流値C1,C2,C3,C4は適切に制御される。
<Calculation method of current values C1, C2, C3, C4 of superelectric coils 101 to 104>
As described above, the main magnetic field 213 needs to be kept constant according to the energy of the beam. In this embodiment, the beam is deflected by the main magnetic field 213, which is a combination of magnetic fields generated by the superconducting coils 101 to 104 excited by the four power supplies (41, 42, 43, 44), and the current values C1, C2, C3, and C4 of the power supplies (41, 42, 43, 44) are appropriately controlled so that the magnetic field 213 is at a predetermined value.
ビーム輸送用の電磁石では磁場の安定度が必要である。偏向半径2.4mに磁石において偏向磁場の強度が設計値から1×10-4だけ異なると、偏向磁石出口においてビーム位置が0.24mmずれることになる。そのため、粒子線治療装置用の回転ガントリ用の磁石では主磁場の安定度が1×10-4よりも良好であることが要求される。 Magnetic field stability is required for electromagnets used in beam transport. If the strength of the deflection magnetic field in a magnet with a deflection radius of 2.4 m differs from the design value by 1×10 −4 , the beam position at the exit of the deflection magnet will shift by 0.24 mm. For this reason, magnets for rotating gantries in particle beam therapy devices are required to have a main magnetic field stability better than 1×10 −4 .
ビーム輸送用の磁石ではビーム強度に応じて主磁場強度も変化させる必要があり、重粒子線治療装置用の磁石では、定格磁場強度に対し20%~100%の間で磁場強度を変化させる。空芯磁石では電磁力によるコイルの変形によって磁場均一性がわずかに変化し、鉄芯、磁性体シールドなど磁性体を備える磁石の場合にはさらにその磁性材料の磁化の変化によって磁場均一性は変化(多極磁場成分が発生)する。鉄製のクライオスタット(磁性体シールド)の場合には対称性により主に6極磁場成分を発生し、その強度は主磁場の積分強度に対して1×10-4のオーダーとなり補正が必要である。 In magnets used for beam transport, the strength of the main magnetic field must be changed according to the beam intensity, and in magnets for heavy ion radiotherapy devices, the magnetic field strength is changed between 20% and 100% of the rated magnetic field strength. In air-core magnets, the magnetic field uniformity changes slightly due to deformation of the coil caused by electromagnetic force, and in magnets with magnetic materials such as an iron core and magnetic shield, the magnetic field uniformity also changes (multi-pole magnetic field components are generated) due to changes in the magnetization of the magnetic material. In the case of iron cryostats (magnetic shields), due to symmetry, mainly hexapole magnetic field components are generated, and their strength is on the order of 1× 10-4 relative to the integrated strength of the main magnetic field, requiring correction.
回転ガントリの最下流にはビームを90度曲げる偏向磁石があり、この磁石は3つの超電導磁石で構成されている。超電導磁石は断熱真空容器(クライオスタット)内に断熱支持されているが、回転ガントリの回転とともに磁石自重によりわずかな位置ずれ、回転が生じる。0.1度の磁石回転によって生じる4極磁場、6極磁場は1.5×10-5程度であるが10-4の磁場精度が要求されるため無視はできない量である。 At the most downstream of the rotating gantry is a bending magnet that bends the beam by 90 degrees, which consists of three superconducting magnets. The superconducting magnets are supported insulated in an insulated vacuum vessel (cryostat), but as the rotating gantry rotates, the weight of the magnets causes slight positional deviation and rotation. The quadrupole and hexapole magnetic fields generated by a 0.1 degree magnet rotation are about 1.5 x 10-5, but since a magnetic field precision of 10-4 is required, this amount cannot be ignored.
本実施の形態の電流制御によれば、主磁場の強度をビーム偏向に必要な強度に維持しながら、4極磁場、6極磁場、8極磁場をそれぞれ1×10-5以下にできる。 According to the current control of this embodiment, the intensity of the quadrupole magnetic field, sextupole magnetic field, and octupole magnetic field can each be made 1×10 −5 or less while maintaining the intensity of the main magnetic field at the intensity required for beam deflection.
C1,C2,C3,C4の電流値は、以下のようにして算出することができる。各コイルに単位電流(密度)の電流を通電した時に、各コイルがビーム経路上につくる磁場を予め計算し多極展開をしておく。そしてその多極展開した磁場を経路に沿って積分することによって積分多極磁場のデータを得る。さらに、回転ガントリ筐体に組みつける前の単体磁石の状態で通電を行ってビームダクト内の磁場分布の計測を行う。両者の突き合わせによって、磁場補正用の各コイルに単位電流を通電した時の積分多極磁場強度のデータ(感度データ)を生成する。この感度データを用いて、観測された磁場分布またはビームスポット形状を補正するような電流配分を逆問題を解いて決定することによって、C1,C2,C3,C4の電流値が算出される。 The current values of C1, C2, C3, and C4 can be calculated as follows. When a unit current (density) is passed through each coil, the magnetic field that each coil creates on the beam path is calculated in advance and expanded into a multipole. Then, the multipole expanded magnetic field is integrated along the path to obtain integrated multipole magnetic field data. Furthermore, current is passed through the individual magnet before it is installed in the rotating gantry housing to measure the magnetic field distribution inside the beam duct. By comparing the two, data on the integrated multipole magnetic field strength when a unit current is passed through each coil used for magnetic field correction (sensitivity data) is generated. Using this sensitivity data, the current distribution that corrects the observed magnetic field distribution or beam spot shape is determined by solving an inverse problem, and the current values of C1, C2, C3, and C4 are calculated.
磁石を回転ガントリ筐体に組付け後、ある程度ビームが通るように調整を行った後、電流補正テーブルを作成する。ビームエネルギーをある値に設定し回転ガントリをある角度位置に固定した状態でビームを通し、ビームモニターによってビーム形状を観測し、形状から推定される残留誤差多極磁場を補正するように電流値の微調整を行う。代表的なガントリ角度およびビームエネルギー強度に対して、この作業を行って補正電流テーブルを構築する。中間のガントリ位置やエネルギー状態に対しては、テーブル補間処理を行って補正電流量を決定する。 After the magnets are assembled into the rotating gantry housing, adjustments are made so that the beam passes through to a certain extent, and then a current correction table is created. The beam energy is set to a certain value, the rotating gantry is fixed at a certain angular position, and the beam is passed through. The beam shape is observed with a beam monitor, and the current value is fine-tuned to correct the residual error multipole magnetic field estimated from the shape. This process is performed for representative gantry angles and beam energy intensities to build a correction current table. For intermediate gantry positions and energy states, table interpolation processing is performed to determine the correction current amount.
<多極磁場とコイル配置について>
(磁場設計について)
以下に、ビーム輸送用電磁石の設計に関し磁場の表式と磁場設計の概念について説明する。円弧状にビームを輸送する電磁石であっても、まずは、無限直線状起磁力源を用いた磁場設計を行い、それをベースにして3次元化する手法がとられる。無限直線状起磁力(電流)がつくる磁場について説明する。
<Multipole magnetic field and coil arrangement>
(Magnetic field design)
Below, we explain the magnetic field expressions and magnetic field design concepts for the design of electromagnets for beam transport. Even for electromagnets that transport beams in an arc, we first design the magnetic field using an infinite linear magnetomotive force source, and then use that as a base to create a three-dimensional design. We explain the magnetic field created by an infinite linear magnetomotive force (current).
図7は、多極成分磁場についての説明をするための座標系の取り方ついての説明図である。ここでは、図7に示すような座標系を考える。起磁力源を直線状の電流Iとし、電流は紙面に対して垂直に手前から奥に向って流れているものとする。磁場の方向をz軸方向に取る。電流の位置は、座標原点からの距離をfとし、x軸からなす角をφで与える。磁場評価点の位置は同様に、rとθで与えることとする。 Figure 7 is an explanatory diagram of how to set up a coordinate system to explain a multi-pole component magnetic field. Here, we consider a coordinate system like the one shown in Figure 7. The magnetomotive force source is a linear current I, which flows perpendicular to the paper surface from the front to the back. The direction of the magnetic field is taken to be the z-axis direction. The distance from the origin of the coordinate system to the position of the current is given by f, and the angle it makes with the x-axis is given by φ. Similarly, the position of the magnetic field evaluation point is given by r and θ.
この時、原点周辺の磁場Bz(r、θ)は、
次数nの磁場にBn(r、θ)を
Bn、nl(r、θ)とBn、sw(r、θ)は
ビーム飛行経路を一定の曲率で偏向させるためには一様な磁場が必要であり、偏向用電磁石では、基本的にn=0次の一様磁場(2極磁場)だけを残してそれ以外の次数の磁場成分(多極成分磁場ともいう)はゼロにする磁場設計を行う。 A uniform magnetic field is required to deflect the beam flight path with a constant curvature, and the deflection electromagnet is designed to have a magnetic field that basically only has a uniform magnetic field of order n=0 (a dipole magnetic field) and zeros out the magnetic field components of other orders (also called multipole component magnetic fields).
2極磁場が得られるコイル巻線方法(電流配置方法)としてはコサインシータ巻線がよく使われている。これは、図7における座標系において電流の強度(電流分布)をx軸からなす角θに対してcos(θ)状に分布させる配置方法である。 Cosine theta winding is often used as a coil winding method (current arrangement method) to obtain a two-pole magnetic field. This is an arrangement method in which the current intensity (current distribution) is distributed in a cos(θ) shape with respect to the angle θ from the x-axis in the coordinate system in Figure 7.
式3および式4において、多極展開磁場強度の電流ソースの角度位置に関する依存性はcos[(n+1)φ]およびsin[(n+1)φ]の部分であるが、電流の強度分布としてcos(φ)の分布をもたせて積分をすればn=0以外の項はゼロとなることからわかるように、コサインシータ巻線では2極磁場のみが得られる。 In Equation 3 and Equation 4, the dependence of the multipole expansion magnetic field strength on the angular position of the current source is the cos[(n+1)φ] and sin[(n+1)φ] parts, but if the current strength distribution is given a cos(φ) distribution and integrated, all terms other than n=0 become zero, which shows that only a two-pole magnetic field can be obtained with a cosine theta winding.
本発明及び/又は本実施形態では、いわゆるコサインシータ巻きの電流密度分布が連続的に変化する分布巻線コイルではなく、矩形断面のコイルが離散的に配置された体系によって偏向磁石を実現しようとしている。 In the present invention and/or this embodiment, we aim to realize a deflection magnet using a system in which coils with rectangular cross sections are discretely arranged, rather than a distributed winding coil in which the current density distribution of the so-called cosine theta winding changes continuously.
この場合であっても、コサインシータ巻線の場合と同様に、n=0以外の多極成分磁場をゼロ(又は、ゼロに近い値、無視できる値、等)とするようなコイル配置としなければならない。 Even in this case, as in the case of cosine theta winding, the coils must be arranged so that the multipole magnetic field components other than n=0 are zero (or a value close to zero, a negligible value, etc.).
本実施形態のように、2次元平面内で電流起磁力源を上下対称(x軸に対して)に配置すると、式4から分かるようにスキュー成分の磁場はすべてキャンセルされるため、ノーマル成分のみに着目して磁石の設計ができる。さらに、左右反対称(z軸に対して)に起磁力源を配置することによって、ノーマル成分の磁場のうちnが奇数次の磁場成分はキャンセルされる。ここで左右反対称とはコイル断面形状がz軸に対して対称であり、電流の向きが反対であることをいう。図8での丸の中央に点が打たれた印は電流が紙面奥から手前に向かって流れていることを示し、丸にバツの印は電流が紙面奥に向かって流れていることを示す。 When the current magnetomotive force sources are arranged symmetrically (with respect to the x-axis) in a two-dimensional plane as in this embodiment, all of the magnetic field skew components are cancelled out as can be seen from Equation 4, allowing magnets to be designed with a focus only on the normal components. Furthermore, by arranging the magnetomotive force sources antisymmetrically (with respect to the z-axis), the magnetic field components where n is an odd number among the magnetic field components of the normal components are cancelled out. Antisymmetric here means that the cross-sectional shape of the coil is symmetrical with respect to the z-axis, and the current flows in opposite directions. In Figure 8, a circle with a dot in the middle indicates that the current is flowing from the back of the paper to the front, and a circle with a cross indicates that the current is flowing toward the back of the paper.
したがって設計上考慮すべき磁場はnが偶数次の項のみであり、残すべきn=0の2極磁場以外のn=2の6極磁場、n=4の10極磁場、n=6の14極磁場、、、等をキャンセルする磁場設計を行なうこととなる。n次の磁場は次数が高いほど(r/f)のn乗でその強度は小さくなっていくため、無限に高い次数の磁場までをキャンセルする必要はなく、キャンセルすべき磁場に関しては、ビームが通過する領域において要求される磁場精度によって決定される。 Therefore, the only magnetic fields that need to be considered in the design are those where n is an even order, and the magnetic field design involves canceling out the 6-pole magnetic field where n=2, the 10-pole magnetic field where n=4, the 14-pole magnetic field where n=6, etc., other than the 2-pole magnetic field where n=0 that should be retained. The strength of the n-th order magnetic field decreases as the nth power of (r/f) the higher the order, so there is no need to cancel out magnetic fields of infinitely higher orders, and the magnetic fields that need to be canceled are determined by the magnetic field precision required in the area through which the beam passes.
(コイル配置の原理)
図9に起磁力源のノーマル磁場成分強度の角度位置依存性を示すグラフを示す。ノーマル磁場成分の角度依存性はcos[(n+1)φ]であり、n=0、2、4に対して図示した。
(Coil arrangement principle)
9 is a graph showing the angular position dependence of the normal magnetic field component strength of the magnetomotive force source. The angular dependence of the normal magnetic field component is cos[(n+1)φ], and is shown for n=0, 2, and 4.
n=0次の磁場は電流の角度位置に対してcos[φ]の依存性があるため、なるべくx軸に近づけて)電流(コイル)を配置するのが効率が良く、cos[φ]が0.5以上1以下となる領域に正の主たる起磁力を、-1以上-0.5以下となる領域に負の主たる起磁力を配置する。x>0、z>0の第一象限を考えると、偏向磁場を発生させるためにx軸から60度の範囲に正の起磁力を配置する。(すなわち、外側に配置される漏洩磁場低減用の逆向きの起磁力源考慮にいれない)。 Since the n=0th order magnetic field has a cos[φ] dependency on the angular position of the current, it is efficient to place the current (coil) as close to the x-axis as possible, and the main positive magnetomotive force is placed in the area where cos[φ] is between 0.5 and 1, and the main negative magnetomotive force is placed in the area where cos[φ] is between -1 and -0.5. Considering the first quadrant where x>0, z>0, the positive magnetomotive force is placed within a range of 60 degrees from the x-axis to generate a deflecting magnetic field. (In other words, the reverse magnetomotive force source placed on the outside to reduce leakage magnetic field is not taken into consideration.)
次にn=2次の磁場を考える。第一象限で0度から60度範囲でcos[3φ]はφ=30度のところで符号が変化する。0から60度の範囲に正の起磁力のみを配置することにするので、n=2次の磁場をキャンセルするために、このφ=30度のラインをまたぐように起磁力源を配置する。 Next, consider the n=2 order magnetic field. In the first quadrant, in the range from 0 to 60 degrees, cos[3φ] changes sign at φ=30 degrees. Since only positive magnetomotive forces are placed in the range from 0 to 60 degrees, the magnetomotive force source is placed across this φ=30 degree line to cancel the n=2 order magnetic field.
したがって、図8に示すように本実施形態のように最小個数の4つのコイルで偏向磁石を実現するためには、上下対称性、左右反対称性を考えφ=±30度および±150度のラインを境とする第一および第二の低角度領域に同じ形状の、第一と第二の高角度領域に同じ形状のコイルを配置する。 Therefore, in order to realize a deflection magnet with the minimum number of four coils as in this embodiment, as shown in Figure 8, coils of the same shape are placed in the first and second low-angle regions bounded by the lines φ = ±30 degrees and ±150 degrees, while taking into consideration top-bottom symmetry and left-right antisymmetry.
<ノーマル4極、8極磁場の調整>
n=1のノーマル4極磁場の電流ソースの角度位置に関する依存性はcos(2φ)であり、左右反対称の起磁力源(起磁力の符号が逆で位置が180度―φ)のセットは、その出力を持たないので、第一および第二の高角度領域に配置される左右反対称のコイル(103、104)の電流を調整してもノーマル4極磁場を調整することはできない。第一および第二の低角度領域に配置されるコイル(101、102)の電流量を調整することによってノーマル4極磁場を発生することができる。
<Normal 4-pole and 8-pole magnetic field adjustment>
The dependence of the current source of the normal quadrupole magnetic field of n=1 on the angular position is cos(2φ), and since a set of anti-bilaterally symmetric magnetomotive force sources (with magnetomotive force whose sign is opposite and whose position is 180 degrees-φ) does not have an output, the normal quadrupole magnetic field cannot be adjusted by adjusting the currents in the anti-bilaterally symmetric coils (103, 104) located in the first and second high angle regions. A normal quadrupole magnetic field can be generated by adjusting the amount of current in the coils (101, 102) located in the first and second low angle regions.
n=3のノーマル8極磁場の電流ソースの角度位置に関する依存性はcos(4φ)であり、左右反対称の起磁力源(起磁力の符号が逆で位置が180度―φ)のセットは、その出力を持たないので、第一および第二の高角度領域に配置される左右対称のコイル(103、104)の電流を調整してもノーマル8極磁場を調整することはできない。第一および第二の低角度領域に配置されるコイル(101、102)の電流量を調整することによってノーマル8極磁場を発生することができる。 The dependence of the current source of the normal octupole magnetic field with n=3 on the angular position is cos(4φ), and since a set of anti-symmetric magnetomotive force sources (with magnetomotive force of opposite sign and position 180 degrees -φ) does not have an output, the normal octupole magnetic field cannot be adjusted by adjusting the currents in the symmetric coils (103, 104) placed in the first and second high angle regions. A normal octupole magnetic field can be generated by adjusting the amount of current in the coils (101, 102) placed in the first and second low angle regions.
n=1とn=3の磁場成分を独立に調整するためには自由度が不足しているが、一般にビーム輸送用の電磁石装置には、ビーム形状を調整するために4極磁石が別途配置されることから、この外部に設置される4極磁石の出力を調整することによって、ノーマル4極とノーマル8極磁場についての磁場補正が可能となる。 There is insufficient degree of freedom to independently adjust the magnetic field components for n=1 and n=3, but generally, a quadrupole magnet is placed separately in the electromagnet device for beam transport to adjust the beam shape, and by adjusting the output of this external quadrupole magnet, magnetic field correction for the normal quadrupole and normal octupole magnetic fields is possible.
なお、n=5以上の磁場成分に対しては、磁石自体が発生する磁場強度が小さいため、誤差磁場の量も小さく磁場補正対象とはならないし、また、起磁力調整によってわずかに発生する磁場についてもビーム輸送に影響はないので無視できる。 For magnetic field components with n=5 or more, the magnetic field strength generated by the magnet itself is small, so the amount of error magnetic field is also small and is not subject to magnetic field correction. Furthermore, the slight magnetic field generated by magnetomotive force adjustment does not affect beam transport and can be ignored.
<ノーマル6、10極磁場の調整>
n=2のノーマル6極磁場の電流ソースの角度位置に関する依存性はcos(3φ)であり、左右反対称の起磁力源(起磁力の符号が逆で位置が180度―φ)のセットにおいてもその出力を有する。したがって、第一および第二の高角度領域(103、104)と第一および第二の低角度領域のすべてのコイル(101、102)の電流調整によりノーマル6極磁場を発生させることができる。
<Normal 6-pole and 10-pole magnetic field adjustment>
The dependence of the current source of the normal sextupole magnetic field of n=2 on the angular position is cos(3φ), and the output is also available in a set of left-right symmetric magnetomotive force sources (where the sign of the magnetomotive force is opposite and the position is 180 degrees-φ). Therefore, a normal sextupole magnetic field can be generated by adjusting the currents in all the coils (101, 102) in the first and second high angle regions (103, 104) and the first and second low angle regions.
n=4のノーマル10極磁場の電流ソースの角度位置に関する依存性はcos(5φ)であり、ノーマル6極磁場と同様に、第一および第二の高角度領域と第一および第二の低角度領域のすべてのコイル(101~104)の電流調整によりノーマル10極磁場を発生させることができる。 The dependence of the current source on the angular position of the normal 10-pole magnetic field for n=4 is cos(5φ), and similar to the normal 6-pole magnetic field, a normal 10-pole magnetic field can be generated by adjusting the currents in all coils (101-104) in the first and second high angle regions and the first and second low angle regions.
n=2とn=4の磁場成分を独立に調整するためには自由度が不足しているが、なお、n=4以上の磁場成分に対しては、磁石自体が発生する磁場強度が小さいため、誤差磁場の量も小さく磁場補正対象とはならないし、また、起磁力調整によってわずかに発生する磁場についてもビーム輸送に影響はないので無視できる。 There is insufficient degree of freedom to independently adjust the magnetic field components for n=2 and n=4, but for magnetic field components for n=4 and above, the magnetic field strength generated by the magnet itself is small, so the amount of error magnetic field is also small and is not subject to magnetic field correction, and the slight magnetic field generated by magnetomotive force adjustment does not affect beam transport and can be ignored.
<スキュー4、6、8極磁場の調整>
n=1のスキュー4極磁場の電流ソースの角度位置に関する依存性はsin(2φ)であり、上下対称の起磁力源(起磁力の符号が同じで位置が―φ度)は、その出力を持たないので、第一および第二の低角度領域に配置される赤道面に対して対称形状のコイル(101、102)の電流を調整してもスキュー4極磁場を調整することはできない。第一および第二の高角度領域に配置されるコイル(103、104)の電流量を調整することによってスキュー4極磁場を発生することができる。
<Adjustment of skewed 4-, 6-, and 8-pole magnetic fields>
The dependence of the current source of the skewed quadrupole magnetic field of n=1 on the angular position is sin(2φ), and since a magnetomotive force source symmetrical above and below (with the same sign of magnetomotive force and located at -φ degrees) does not have an output, the skewed quadrupole magnetic field cannot be adjusted by adjusting the current of the coils (101, 102) symmetrical with respect to the equatorial plane and located in the first and second low angle regions. The skewed quadrupole magnetic field can be generated by adjusting the amount of current of the coils (103, 104) located in the first and second high angle regions.
n=2のスキュー6極磁場の電流ソースの角度位置に関する依存性はsin(3φ)であり、上下対称の起磁力源(起磁力の符号が同じで位置が―φ度)は、その出力を持たないので、第一および第二の低角度領域に置される赤道面に対して対称形状のコイル(101、102)の電流を調整してもスキュー6極磁場を調整することはできない。さらに、左右反対称の起磁力源(起磁力の符号が逆で位置が180度―φ)のセットは、その出力を持たないので、第一および第二の高角度領域に配置される左右反対称のコイル(103、104)の電流を調整してもスキュー6極磁場を調整することはできない。したがって、左右反対称、上下対称の起磁力配置をもつ本実施の形態ではスキュー6極磁場を補正することはできない。 The dependence of the current source of the skewed sextupole magnetic field with n=2 on the angular position is sin(3φ), and since a vertically symmetrical magnetomotive force source (with the same sign of magnetomotive force and located at -φ degrees) does not have its output, the skewed sextupole magnetic field cannot be adjusted by adjusting the current of the coils (101, 102) that are symmetrical with respect to the equatorial plane and placed in the first and second low-angle regions. Furthermore, since a set of left-right symmetrical magnetomotive force sources (with opposite signs of magnetomotive force and located at 180 degrees -φ) does not have its output, the skewed sextupole magnetic field cannot be adjusted by adjusting the current of the left-right symmetrical coils (103, 104) that are placed in the first and second high-angle regions. Therefore, the skewed sextupole magnetic field cannot be corrected in this embodiment, which has a left-right symmetrical and vertically symmetrical magnetomotive force arrangement.
n=3のスキュー8極磁場の電流ソースの角度位置に関する依存性はsin(4φ)であり、上下対称の起磁力源(起磁力の符号が同じで位置が―φ度)は、その出力を持たないので、第一および第二の低角度領域に配置される赤道面に対して対称形状のコイル(101、102)の電流を調整してもスキュー8極磁場を調整することはできない。第一および第二の高角度領域に配置される左右反対称のコイル(103、104)はスキュー8極磁場に対しては本来出力を有するが、本実施の磁石では、第一および第二の高角度領域に配置されるコイル(103、104)は、第一象限において30度から60度の範囲に置かれたコイルの上下対称、左右反対称のコイルとなる。スキュー8極磁場はソースが45度の位置あるときにその出力はゼロとなるため、本実施の形態ではスキュー8極磁場の補正能力はほとんどない。 The dependence of the current source of the skewed 8-pole magnetic field with n=3 on the angular position is sin(4φ), and since a magnetomotive force source that is symmetrical above and below (with the same sign of magnetomotive force and located at -φ degrees) does not have an output, the skewed 8-pole magnetic field cannot be adjusted by adjusting the current of the coils (101, 102) that are symmetrical with respect to the equatorial plane and located in the first and second low-angle regions. The coils (103, 104) that are symmetrical left and right and located in the first and second high-angle regions originally have an output for the skewed 8-pole magnetic field, but in the magnet of this embodiment, the coils (103, 104) that are located in the first and second high-angle regions are symmetrical above and below and symmetrical left and right to the coils located in the range of 30 degrees to 60 degrees in the first quadrant. The output of the skewed 8-pole magnetic field is zero when the source is located at 45 degrees, so in this embodiment, there is almost no ability to correct the skewed 8-pole magnetic field.
このように、本実施の形態の磁石ではスキュー成分に関しては4極磁場以外の磁場補正能力は本質的にない。しかし、スキュー多極磁場は上下非対称の起磁力源によって発生するものであり、ペアリングをすることによって上下対称を厳しく管理して磁石を製作することにより、n=2以上のスキュー成分の誤差磁場の発生は抑制でき、問題とはならない。 As such, the magnet of this embodiment does not essentially have the ability to correct magnetic fields other than a four-pole magnetic field with respect to skew components. However, skewed multi-pole magnetic fields are generated by magnetomotive force sources that are asymmetric in the top and bottom, and by manufacturing magnets with strict control over top and bottom symmetry through pairing, the generation of error magnetic fields from skew components of n=2 or more can be suppressed and does not pose a problem.
<磁場補正まとめ>
本実施の形態では、以下の多極磁場成分の磁場補正を行うことができる。
1)ノーマル4極磁場
2)ノーマル6極磁場
3)ノーマル8極磁場
4)スキュー4極磁場
ノーマル4極磁場とノーマル8極磁場については、第一および第二の低角度領域に配置されたコイル(101、102)の起磁力に差をつけることによって補正磁場を発生できるが、自由度が不足するために外部に設置されたビーム形状を調整する4極磁石を利用しノーマル4極磁場を活用することによって、独立に調整が可能である。
<Summary of magnetic field correction>
In this embodiment, the following magnetic field correction of multipole magnetic field components can be performed.
1) Normal quadrupole magnetic field 2) Normal hexapole magnetic field 3) Normal octapole magnetic field 4) Skewed quadrupole magnetic field For the normal quadrupole magnetic field and normal octapole magnetic field, a corrective magnetic field can be generated by making a difference in the magnetomotive forces of the coils (101, 102) arranged in the first and second low-angle regions. However, due to a lack of freedom, they can be independently adjusted by utilizing an externally installed quadrupole magnet that adjusts the beam shape and the normal quadrupole magnetic field.
ノーマル6極磁場について、第一および第二の低角度領域に配置されたコイル(101、102)の起磁力総量と第一および第二の高角度領域に配置されたコイル(103、104)の起磁力総量との間に差をつけ、その際に第一および第二の高角度領域に配置されたコイルの起磁力を同じだけ変化させることによってノーマル6極磁場を単独に調整が可能である。 For a normal 6-pole magnetic field, a difference is made between the total magnetomotive force of the coils (101, 102) arranged in the first and second low angle regions and the total magnetomotive force of the coils (103, 104) arranged in the first and second high angle regions, and the magnetomotive forces of the coils arranged in the first and second high angle regions are changed by the same amount, thereby making it possible to adjust the normal 6-pole magnetic field independently.
スキュー4極磁場については、第一および第二の高角度領域に配置されたコイル(103、104)の起磁力に差をつけることによってスキュー4極磁場を単独に調整が可能である。 The skewed quadrupole magnetic field can be adjusted independently by creating a difference in the magnetomotive forces of the coils (103, 104) arranged in the first and second high angle regions.
<スキュー4極補助磁場補正手段>
4つの多極磁場成分に対しては独立に誤差磁場補正が可能であり、それぞれの多極補正磁場を発生させるために必要な電流を重ね合わせた補正電流を各コイルに追加することによって、磁場補正可能である。しかし、超電導コイルに通電しうる電流には限界があり磁場補正能力は追加できる補正電流の量によって制限される。
<Skewed quadrupole auxiliary magnetic field correction means>
The error magnetic field can be corrected independently for the four multipole magnetic field components, and the magnetic field can be corrected by adding a correction current, which is a superposition of the currents required to generate each multipole correction magnetic field, to each coil. However, there is a limit to the current that can be passed through the superconducting coils, and the magnetic field correction capability is limited by the amount of correction current that can be added.
特に、スキュー4極磁場とノーマル6極磁場の補正磁場を発生する第一と第二の高角度領域に配置されるコイル(103、104)に対しては、このコイルの負荷率は磁石設計上大きくなることから、大きな補正電流を追加することはできない。 In particular, for the coils (103, 104) located in the first and second high angle regions that generate the corrective magnetic fields of the skewed quadrupole magnetic field and normal hexapole magnetic field, the load factor of these coils is large due to the magnet design, so it is not possible to add a large correction current.
ノーマル6極磁場の補正能力を大きく保つためには、起磁力調整によるスキュー4極磁場の調整能力の割り当てを減らす必要がある。そのためには補助的なスキュー4極磁場補正手段の活用が有効である。超電導偏向磁石の外部にはビーム形状を補正するための常電導4極磁石211が設置されている。この4極磁石はノーマル4極磁場を発生するように構成されており、ノーマル4極磁場の誤差磁場の補正に対しても活用されるが、さらにこの磁石をわずかに回転させて設置することによりスキュー4極磁場を発生することが可能である。 In order to maintain a large correction capability for the normal 6-pole magnetic field, it is necessary to reduce the allocation of the adjustment capability for the skewed quadrupole magnetic field by adjusting the magnetomotive force. To achieve this, it is effective to utilize an auxiliary skewed quadrupole magnetic field correction means. A normal conducting quadrupole magnet 211 for correcting the beam shape is installed outside the superconducting bending magnet. This quadrupole magnet is configured to generate a normal quadrupole magnetic field, and is also used to correct the error magnetic field of the normal quadrupole magnetic field, but it is also possible to generate a skewed quadrupole magnetic field by slightly rotating and installing this magnet.
あらかじめ超電導偏向磁石は発生するスキュー4極磁場強度を測定しておき、この磁場を大まかにキャンセルするように4極磁石211を回転させて設置する。超電導偏向磁石の起磁力調整によって補償しないといけないスキュー4極磁場が減るため、ノーマル6極磁場補正のための追加補正電流をより多く流すことが可能となる。 The strength of the skewed quadrupole magnetic field generated by the superconducting deflection magnet is measured in advance, and the quadrupole magnet 211 is rotated and installed so as to roughly cancel this magnetic field. Since the amount of skewed quadrupole magnetic field that needs to be compensated for by adjusting the magnetomotive force of the superconducting deflection magnet is reduced, it becomes possible to flow more additional correction current to correct the normal hexapole magnetic field.
以上のように、追加の補正磁場発生手段を新たに設置することなく、偏向磁石の起磁力調整によって、製作誤差によって生じる、ノーマル4極、6極、8極磁場およびスキュー4極磁場を補償することが可能となる。 As described above, it is possible to compensate for normal 4-pole, 6-pole, 8-pole magnetic fields and skewed 4-pole magnetic fields that arise due to manufacturing errors by adjusting the magnetomotive force of the deflection magnet without installing any additional correction magnetic field generating means.
本発明の電磁石装置は、ビーム輸送用の超電導磁石であり様々なビーム輸送を必要とする装置に対して適用可能である。例えば、粒子線治療装置の電磁石として有用であり、粒子線治療装置を高性能化および小型化できる。 The electromagnet device of the present invention is a superconducting magnet for beam transport and can be applied to various devices that require beam transport. For example, it is useful as an electromagnet for a particle beam therapy device, and can improve the performance and reduce the size of the particle beam therapy device.
20、21…コイル、20m、21m…磁場、
31a、31b、32a、32b、33a、33b、34a、34b…リード、
41、42、43、44…電源(励磁電源)
101~104…コイル、110…断熱容器、120…冷凍機、200…ビーム輸送系、
201、202、203…偏向磁石、204…ダクト、211…四極磁石、212…軌道補正磁石、214…回転連結部、301…患者、300…照査装置、302…ベッド、303…走査用電磁石、400…回転ガントリ、500…加速器、501…ライナック、502…シンクロトロン、1213…回転軸、1230…電磁石
20, 21... Coil, 20m, 21m... Magnetic field,
31a, 31b, 32a, 32b, 33a, 33b, 34a, 34b...leads,
41, 42, 43, 44...Power supply (excitation power supply)
101 to 104: coil; 110: heat insulating container; 120: refrigerator; 200: beam transport system;
201, 202, 203... deflection magnet, 204... duct, 211... quadrupole magnet, 212... trajectory correction magnet, 214... rotation coupling part, 301... patient, 300... inspection device, 302... bed, 303... scanning electromagnet, 400... rotating gantry, 500... accelerator, 501... linac, 502... synchrotron, 1213... rotation axis, 1230... electromagnet
Claims (8)
前記輸送系は、前記ビームを偏向させる電磁石装置と、前記ビーム形状を調整する4極磁石を含み、
前記4極磁石は、出力を調整されてノーマル4極磁場を発生すると共にわずかに回転させて設置されてスキュー4極磁場を発生し、
前記電磁石装置は、ビーム経路の周囲に配置された少なくとも4つのコイルと、前記コイルに電流を供給する少なくとも2つの電源と、前記2つの電源を制御する電源コントローラとを有し、
前記電源コントローラは、前記4つのコイルの発生する磁場の重ね合わせにより、前記ビーム経路を所定の角度に横切る主磁場が形成され、かつ、前記主磁場の方向および強度を維持しながら、前記主磁場に伴って発生する4極以上の多極磁場が抑制される前記4つのコイルへの供給電流を算出する算出部と、算出した前記供給電流を前記電源から前記4つのコイルに供給させる供給制御部とを備えることを特徴とする粒子線治療装置。 A particle beam therapy device comprising: an accelerator that emits a particle beam; a transport system that transports the beam; an irradiation device that irradiates a subject with the beam; and a control device that controls the accelerator or the irradiation device,
the transport system includes an electromagnetic device that deflects the beam and a quadrupole magnet that adjusts the beam shape;
The quadrupole magnet has an output adjusted to generate a normal quadrupole magnetic field and is slightly rotated to generate a skew quadrupole magnetic field;
the electromagnetic device includes at least four coils arranged around a beam path, at least two power supplies that supply current to the coils, and a power supply controller that controls the two power supplies;
The power supply controller is a particle beam therapy device characterized in that it comprises: a calculation unit that calculates a supply current to the four coils such that a main magnetic field that crosses the beam path at a predetermined angle is formed by superimposing the magnetic fields generated by the four coils, and a supply control unit that causes the power supply to supply the calculated supply current to the four coils while maintaining the direction and strength of the main magnetic field and suppressing a multipole magnetic field of four or more poles that is generated in association with the main magnetic field.
前記照射装置および前記4つのコイルは、前記回転装置に搭載され、前記回転装置は、前記4つのコイルの位置関係を保ったまま、予め定めた軸を中心に回転させ、
前記算出部は、前記回転装置の回転の角度に応じて、前記供給電流を算出することを特徴とする粒子線治療装置。 2. The particle beam therapy system according to claim 1, further comprising a rotation device,
the irradiation device and the four coils are mounted on the rotation device, and the rotation device rotates the four coils about a predetermined axis while maintaining a positional relationship between the four coils;
The particle beam therapy device according to claim 1, wherein the calculation unit calculates the supply current in accordance with an angle of rotation of the rotation device.
前記照射装置および前記4つのコイルは、前記回転装置に搭載され、前記回転装置は、前記4つのコイルの位置関係を保ったまま、予め定めた軸を中心に回転させ、
前記テーブルは、前記回転装置の回転角度と、前記制御装置が前記加速器へ設定する強度と、前記供給電流の値との対応関係を示すものであることを特徴とする粒子線治療装置。 5. The particle beam therapy system according to claim 4, further comprising a rotation device,
the irradiation device and the four coils are mounted on the rotation device, and the rotation device rotates the four coils about a predetermined axis while maintaining a positional relationship between the four coils;
The particle beam therapy device according to claim 1, wherein the table indicates a correspondence relationship between the rotation angle of the rotation device, the intensity set by the control device to the accelerator , and the value of the supply current.
前記4極磁石の出力を調整しノーマル4極磁場を発生させると共にわずかに回転させて設置しスキュー4極磁場を発生させ、
前記4つのコイルの発生する磁場の重ね合わせにより、前記ビーム経路を所定の角度の直径方向に横切る主磁場が形成され、かつ、前記主磁場の方向および強度を維持しながら、前記主磁場に伴って発生する4極以上の多極磁場が抑制される前記4つのコイルへの供給電流を算出し、
前記算出した供給電流を前記電源から前記4つのコイルに供給させることを特徴とする粒子線治療装置の制御方法。 A method for controlling a particle beam therapy apparatus comprising: an accelerator for emitting a particle beam; a transport system for transporting the beam; an irradiation device for irradiating a subject with the beam; and a control device for controlling the accelerator or the irradiation device, wherein the transport system includes an electromagnet device for deflecting the beam and a quadrupole magnet for adjusting a beam shape, and the electromagnet device has at least four coils arranged around a beam path and at least two power sources for supplying current to the coils, the method comprising:
The output of the quadrupole magnet is adjusted to generate a normal quadrupole magnetic field, and a skewed quadrupole magnetic field is generated by slightly rotating the magnet.
A main magnetic field is formed by superposing the magnetic fields generated by the four coils in a diametrical direction across the beam path at a predetermined angle, and a current to be supplied to the four coils is calculated so that a multipole magnetic field having four or more poles generated in association with the main magnetic field is suppressed while maintaining the direction and strength of the main magnetic field;
A method for controlling a particle beam therapy system, comprising: supplying the calculated supply current from the power supply to the four coils.
前記算出は、前記制御装置が前記加速器へ設定する強度と、前記回転装置の回転の角度とに基づいて前記供給電流を算出することを特徴とする粒子線治療装置の制御方法。 8. A method for controlling a particle beam therapy apparatus according to claim 7, wherein the particle beam therapy apparatus further comprises a rotation device on which the irradiation device and the four coils are mounted,
A method for controlling a particle beam therapy apparatus , characterized in that the calculation calculates the supply current based on an intensity set by the control device to the accelerator and an angle of rotation of the rotation device .
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