CN102548182A - 消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于消除同步加速器磁滞效应影响的加速器的运行方法。该方法用于避免由于磁铁具有磁滞效应所造成的同步加速器中重离子束流位置和强度在不同能量条件下的不一致性。磁场大循环模式的加速器运行方法主要包括以下步骤：1.确定肿瘤细胞治疗所需的同步加速器束流最高能量值。2.利用测磁参数计算控制束流轨道的二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁的电源运行曲线。3.将磁铁的运行曲线数据包上传到连接电源控制器的远程数据库中。4.远程数据库对该数据包进行分析，将数据下发到相应的控制前端。5.利用触发器触发数据输出到相关磁铁电源，控制重离子束流的轨道。

Description

消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法

技术领域

本发明涉及一种用于消除同步加速器磁滞效应影响的加速器的运行方法。

背景技术

离子束(质子和重离子)以其倒转的深度剂量分布、侧向散射小、较高的相对生物学效应(RBE)和低的氧增比(OER)等特点，使离子束治癌成为当今国际上先进、有效的放射治疗方法。用于肿瘤细胞放射性治疗的重离子贯穿人体时在其通道上损失的能量较小，形成一个相对低剂量的坪区，而在接近其射程末端时损失其大部分入射动能，形成一个高剂量的能量损失峰，称Bragg峰。通过改变重离子束流的能量来控制Bragg峰在体内的位置，进而实现不同深度的肿瘤细胞的治疗。目前能够提供粒子束的装置为粒子加速器，粒子加速器通常由粒子源、低能束流传输线、回旋加速器(或直线加速器)、同步加速器、高能束流传输线、治疗终端组成。

上述加速器的各个组成部分又由不同数量的磁铁组成，磁铁由电源供电产生磁场用于约束癌症治疗的重离子束流的注入、引出和终端治疗。由于肿瘤细胞在体内的深度与粒子束流的能量相对应，肿瘤细胞的适形治疗需要不同引出位置的束流，因此在加速器的运行过程中，为了实现不同形状、深度的肿瘤细胞的治疗，需要精确控制重离子束流的位置和能量，不同能量的重离子束流意味着需要的磁铁的磁场不同。为了治疗不同病人不同位置、大小的肿瘤，加速器需要多次改变引出束流的能量，从而伴随着整个加速器中磁铁的磁场曲线的变化，而由于通常的磁性物质都具有保留其磁性的倾向(磁滞效应)，因此造成不同能量下磁场曲线的基准值不同，最终引起重离子束流的位置、强度由于该效应的存在而不同，例如¹²C⁶⁺加速到能量200MeV和300MeV时二极磁铁电源的运行曲线如图1所示，两种能量条件下上升的最高磁场值不同，因此造成磁铁的剩磁量不一致。不同能量下束流的引出位置、强度的不同造成肿瘤病人的治疗难度加大、定位不准确，效果变差等一系列效应，本发明旨在解决上述问题。

目前同步加速器中消除磁滞效应的方法很少，可以利用不同能量下改变校正磁铁的强度实现束流的累积、引出轨道的一致，但是这种方法需进行大量的硬件改进和控制系统升级，而且对于不同的束流能量需要逐一调试，所需时间较长。

发明内容

本发明的目的是提供一种消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法。本发明旨在从加速器物理控制层改进医用同步加速器的机器运行模式，统一不同能量条件下的磁铁的磁场曲线，使得不同能量条件下束流的累积轨道一致，进而保证束流引出到治疗终端的束流的强度、位置的统一性，避免控制系统的大量升级和硬件改进，节省调节各个束流能量的时间。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法，其主要特点包括如下步骤：

1)根据用户不同肿瘤细胞的治疗需要，确定同步加速器所需要的束流的最高能量，将其设定为同步加速器运行磁场循环模式所需要的束流的最高能量值；

2)束流能量设置模块连接计算模块；所述的计算模块包括有二极磁铁参数计算模块、四极磁铁参数计算模块、六极磁铁参数计算模块；所述的计算模块还与本地数据库参数模块相连接；根据束流注入、引出能量设置和磁场循环模式的最高能量值，结合同步加速器物理模拟计算和测磁参数，计算二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁的电源运行曲线，将其写入二进制文件，暂存在本地控制计算机中；

3)本地控制计算机连接到远程Oracle数据库模块，将二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁的二进制数据包上传到Oracle数据库中数据表的BLOB字段，远程Oracle数据库包含分析模块，分析模块对所述的二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁的二进制数据包进行分析，根据二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁电源对应的IP地址信息，通过前端服务器下发运行数据包到相应的电源ARM控制器中；

4)所述的前端服务器模块通过电源ARM控制器模块连接到数字信号处理器DSP模块，所述的数字信号处理器模块连接电源模块，Oracle数据库模块将二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁电源数据包下发到数字信号处理器DSP中，利用触发事例卡发送控制事例到相关电源的数字信号处理器DSP，触发数据输出，控制电源按照计算的数据波形输出电流值。

所述的消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法，所述的计算模块中二极磁铁参数计算模块电源数据波形的计算方法如下：

根据公式

计算二极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量时的磁刚度，其中E₀为粒子的静止能量，c为光速，A为粒子的质量数，Z为粒子的电荷态数，β为粒子的无量纲速度，γ为相对论因子，其中β和γ需计算在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量条件下的数值；根据二极磁铁的测磁参数差值计算注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量时的二极磁铁电源的电流值，确定二极磁铁电源的运行曲线。

所述的消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法，所述的计算模块中四极磁铁参数计算模块电源数据波形的计算方法如下：

根据最初加速器设计时模拟的Lattice参数，确定四极磁铁的强度K值，利用公式K＝B′/Bρ，和权利2中计算得到的二极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量的磁刚度Bρ，计算每台四极磁铁的磁场梯度B′，进而根据四极磁铁的测磁参数，插值计算每台四极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量时的电流值，确定四极磁铁电源的运行曲线。

所述的消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法，所述的计算模块中六极磁铁参数计算模块电源数据波形的计算方法如下：

根据加速器引出时色品校正的需要和满足3阶共振引出条件，确定六极磁铁的强度K值，利用公式K＝B″/Bρ，和权利2中计算得到的二极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量的磁刚度Bρ，计算每台六极磁铁的磁场梯度B，进而结合六极磁铁的测磁参数，差值计算每台六极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量时的电流值，确定六极磁铁电源的运行曲线。

所述的消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法，所述的远程Oracle数据库模块包括有分析模块，所述的分析模块对二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁电源的数据包进行分析，确定其波形号、数据总量、数据格式是否正确，其中波形号用于控制肿瘤细胞治疗所需的加速器的引出能量。远程数据库根据二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁对应电源的IP地址信息，下发运行数据包到电源控制器ARM中。

所述的消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法，所述的电源控制器ARM连接到电源的信号处理器DSP(Digital Signal Processor)，下发二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁的数据包到DSP中。用户发送控制事例到DSP中，DSP对控制事例进行对比，如果正确，下发数据包到实际电源中，控制相应电源输出。

本发明的优点和产生的有益效果为：

整套发明改进易于实施，利用磁铁磁场的励磁曲线循环理论，调整加速器物理控制软件的布局，改进物理控制程序的算法，计算得到磁铁的励磁曲线，相比于其他方式节省时间。同时可以控制加速器的运行模式，既可以选择磁场大循环模式，也可以不选择该模式，使加速器运行正常的模式，便于正常模式和磁场大循环模式之间的相互切换。

产生的有益结果是无需调试不同治疗能量下的束流的累积和引出轨道，无需大量的更新校正磁铁的控制系统，节省加速器运行费用，便于加速器调试人员的操作，提供更加友好的加速器物理控制界面，最终控制不同能量的束流在治疗过程中引出到治疗终端的束流的位置、强度的一致性，适应于不同肿瘤形状、大小的治疗，进而保证治疗终端设备的稳定性。

附图说明：

本发明的具体实施结合附图进一步阐述。

图1为同步加速器束流多能量条件下无消除磁滞影响方法的二极磁铁的电源运行曲线；

图2为同步加速器二极磁铁的磁场的电源数据曲线；

图3为同步加速器四极磁铁的磁场的电源数据曲线；

图4为同步加速器六极磁铁的磁场的电源数据曲线；

图5为同步加速器的磁铁电源的运行控制数据的生成、上传、输出过程流程图；

图6为同步加速器束流多能量条件下存在消除磁滞影响方法的的二极磁铁的电源运行曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的装置由粒子加速器，粒子加速器通常由粒子源、低能束流传输线、回旋加速器(或直线加速器)、同步加速器、高能束流传输线、治疗终端组成。

实施例1：一种消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法，见图5，包括如下步骤：

1)根据用户1不同肿瘤细胞的治疗需要，确定同步加速器所需要的束流的最高能量2，将其设定为同步加速器运行磁场循环模式所需要的束流的最高能量值；

2)束流能量设置模块2连接计算模块3；所述的计算模块包括有二极磁铁参数计算模块3-1、四极磁铁参数计算模块3-2、六极磁铁参数计算模块3-3；所述的计算模块3还与本地数据库参数模块相连接10；根据束流注入、引出能量设置和磁场循环模式的最高能量值，结合同步加速器物理模拟计算和测磁参数，计算二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁的电源运行曲线，将其写入二进制文件，暂存在本地控制计算机10中；

3)本地控制计算机10连接到远程Oracle数据库模块4，将二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁的二进制数据包上传到Oracle数据库4中数据表的BLOB字段，远程Oracle数据库4包含分析模块，分析模块对所述的二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁的二进制数据包进行分析，根据二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁电源对应的IP地址信息，通过前端服务器5下发运行数据包到相应的电源ARM控制器6中；

4)所述的前端服务器模块5通过电源ARM控制器模块6连接到数字信号处理器DSP模块7，所述的数字信号处理器模块7连接电源模块8，Oracle数据库模块将二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁电源数据包下发到数字信号处理器DSP中，利用触发事例卡9发送控制事例到相关电源的数字信号处理器DSP7，触发数据输出，控制电源按照计算的数据波形输出电流值。

所述的计算模块中二极磁铁参数计算模块电源数据波形的计算方法如下：

根据公式

计算二极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量时的磁刚度，其中E₀为粒子的静止能量，c为光速，A为粒子的质量数，Z为粒子的电荷态数，β为粒子的无量纲速度，γ为相对论因子，其中β和γ需计算在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量条件下的数值；根据二极磁铁的测磁参数差值计算注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量时的二极磁铁电源的电流值，确定二极磁铁电源的运行曲线。

所述的计算模块中四极磁铁参数计算模块电源数据波形的计算方法如下：

根据最初加速器设计时模拟的Lattice参数，确定四极磁铁的强度K值，利用公式K＝B′/Bρ，和权利2中计算得到的二极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量的磁刚度Bρ，计算每台四极磁铁的磁场梯度B′，进而根据四极磁铁的测磁参数，插值计算每台四极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量时的电流值，确定四极磁铁电源的运行曲线。

所述的计算模块中六极磁铁参数计算模块电源数据波形的计算方法如下：

根据加速器引出时色品校正的需要和满足3阶共振引出条件，确定六极磁铁的强度K值，利用公式K＝B″/Bρ，和权利2中计算得到的二极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量的磁刚度Bρ，计算每台六极磁铁的磁场梯度B，进而结合六极磁铁的测磁参数，差值计算每台六极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量时的电流值，确定六极磁铁电源的运行曲线。

所述的远程Oracle数据库模块包括有分析模块，所述的分析模块对二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁电源的数据包进行分析，确定其波形号、数据总量、数据格式是否正确，其中波形号用于控制肿瘤细胞治疗所需的加速器的引出能量。远程数据库根据二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁对应电源的IP地址信息，下发运行数据包到电源控制器ARM中。

所述的电源控制器ARM连接到电源的信号处理器DSP(Digital SignalProcessor)，下发二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁的数据包到DSP中。用户发送控制事例到DSP中，DSP对控制事例进行对比，如果正确，下发数据包到实际电源中，控制相应电源输出。

实施例2：具体以该发明实施一次肿瘤细胞治疗为实施例说明本发明方法，首先假设本次肿瘤细胞治疗所需的束流能量为200MeV/u、300MeV/u、430MeV/u。

本发明的装置的运行过程描述为：

1.ECR离子源提供¹²C⁴⁺，经过扇聚焦回旋加速器SFC(能量常数K＝69)加速至能量为7.0MeV/u，并输送至冷却存储环CSR主环入口，流强为10微安。

2.采用剥离注入的方法，将¹²C⁴⁺剥离成¹²C⁶⁺注入到CSR主环中，能量为7.0MeV/u。根据肿瘤细胞治疗的需要，确定磁场循环模式的最高能量为430MeV，肿瘤治疗的能量举例为300MeV。注入能量7.0MeV/u、引出能量300MeV/u、磁场循环模式的最高能量430MeV/u，利用公式

计算对应的磁刚度为0.763T.m、5.372T.m、6.622T.m，根据CSR主环二极磁铁的测磁参数，插值计算得到三个能量条件下二极磁铁的电流值为160.412A、1123.73A、1389.47A。利用平滑的曲线将三个能量条件下的二极磁铁电源的数值进行连接，确定二极磁铁电源的数据曲线，见图2。

3.CSR主环共32块四极磁铁，算法一致，举21Q01为例。根据Lattice模拟计算得到的其注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量三个能量平台的强度K值统一为：0.445396。利用三个能量平台的磁刚度值和公式K＝B′/Bρ，计算得到三个能量平台21Q01的梯度值B′为：0.341224，、2.4077、2.95452。根据CSR主环四极磁铁21Q01的测磁参数，插值计算得到三个能量条件下21Q01的电流值为19.2502A、140.101A、172.048A。利用平滑的曲线将这三个能量条件的21Q01电源的数值进行连接，确定21Q01电源的数据曲线，见图3。

4.CSR主环共8块六极磁铁，算法一致，举21S01为例。由于六极磁铁只在引出平台起作用，因此只需计算引出能量平台的六极磁铁的电源值。根据共振、色品校正的需求，21S01的强度值为309.342mrad，根据公式K＝B″/Bρ，计算得到其二次梯度值B″为1.6617，根据21S01的测磁数据，计算得到引出能量平台的电流值为5.53A，确定21S01的电源数据曲线，图4。

5.将二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁电源的二进制文件数据包通过Oracle通信协议上传到远程Oracle数据库，存入Oracle数据库中数据表的BLOB字段，数据库程序对数据包进行分析。在此以二极磁铁为例，数据库程序分析二极磁铁的数据包，确定其数据波形数为1，数据总量为9255，根据表中存储的二极磁铁的IP地址10.10.31.73，下发二极磁铁电源的数据到控制器ARM(AT91RM9200)，ARM对数据进行插值计算，下发数据包和事例到DSP中。

6.通过事例板卡发送事例字符串到二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁电源的DSP中，DSP对事例字符进行判断，如果相符合，则将数据包下发到相关电源上，控制电源输出，整个数据计算、传输的流程如图5所示。

7.最终通过治疗终端的多丝探测器、电离室探测器等探测器测量束流的强度、位置，确定不同重离子束流能量条件下束流的位置和强度的统一性。

8.同步加速器多能量条件下(引出能量为200MeV和300MeV)存在磁场大循环模式时二极磁铁电源的运行曲线如图6所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法，其特征包括如下步骤：

1)根据用户不同肿瘤细胞的治疗需要，确定同步加速器所需要的束流的最高能量，将其设定为同步加速器运行磁场循环模式所需要的束流的最高能量值；

2)束流能量设置模块连接计算模块；所述的计算模块包括有二极磁铁参数计算模块、四极磁铁参数计算模块、六极磁铁参数计算模块；所述的计算模块还与本地数据库参数模块相连接；根据束流注入、引出能量设置和磁场循环模式的最高能量值，结合同步加速器物理模拟计算和测磁参数，计算二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁的电源运行曲线，将其写入二进制文件，暂存在本地控制计算机中；

3)本地控制计算机连接到远程Oracle数据库模块，将二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁的二进制数据包上传到Oracle数据库中数据表的BLOB字段，远程Oracle数据库包含分析模块，分析模块对所述的二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁的二进制数据包进行分析，根据二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁电源对应的IP地址信息，通过前端服务器下发运行数据包到相应的电源ARM控制器中；

4)所述的前端服务器模块通过电源ARM控制器模块连接到数字信号处理器DSP模块，所述的数字信号处理器模块连接电源模块，Oracle数据库模块将二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁电源数据包下发到数字信号处理器DSP中，利用触发事例卡发送控制事例到相关电源的数字信号处理器DSP，触发数据输出，控制电源按照计算的数据波形输出电流值。

2.如权利要求1所述的消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法，其特征是所述的计算模块中二极磁铁参数计算模块电源数据波形的计算方法如下：

根据公式

计算二极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量时的磁刚度，其中E₀为粒子的静止能量，c为光速，A为粒子的质量数，Z为粒子的电荷态数，β为粒子的无量纲速度，γ为相对论因子，其中β和γ需计算在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量条件下的数值；根据二极磁铁的测磁参数差值计算注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量时的二极磁铁电源的电流值，确定二极磁铁电源的运行曲线。

3.如权利要求1所述的消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法，其特征是所述的计算模块中四极磁铁参数计算模块电源数据波形的计算方法如下：

根据最初加速器设计时模拟的Lattice参数，确定四极磁铁的强度K值，利用公式K＝B′/Bρ，和权利2中计算得到的二极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量的磁刚度Bρ，计算每台四极磁铁的磁场梯度B′，进而根据四极磁铁的测磁参数，插值计算每台四极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量时的电流值，确定四极磁铁电源的运行曲线。

4.如权利要求1所述的消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法，其特征是所述的计算模块中六极磁铁参数计算模块电源数据波形的计算方法如下：

根据加速器引出时色品校正的需要和满足3阶共振引出条件，确定六极磁铁的强度K值，利用公式K＝B″/Bρ，和权利2中计算得到的二极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量的磁刚度Bρ，计算每台六极磁铁的磁场梯度B″，进而结合六极磁铁的测磁参数，差值计算每台六极磁铁在注入能量、引出能量、磁场循环模式的最高能量时的电流值，确定六极磁铁电源的运行曲线。

5.如权利要求1所述的消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法，其特征是所述的远程Oracle数据库模块包括有分析模块，所述的分析模块对二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁电源的数据包进行分析，确定其波形号、数据总量、数据格式是否正确，其中波形号用于控制肿瘤细胞治疗所需的加速器的引出能量。远程数据库根据二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁对应电源的IP地址信息，下发运行数据包到电源控制器ARM中。

6.如权利要求1所述的消除同步加速器磁滞效应影响的运行方法，其特征是所述的电源控制器ARM连接到电源的信号处理器DSP，下发二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁的数据包到DSP中。用户发送控制事例到DSP中，DSP对控制事例进行对比，如果正确，下发数据包到实际电源中，控制相应电源输出。

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