JP2013165055A - Method of controlling septum electromagnet - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、円形粒子加速器または蓄積リング装置のような線源に設けられ、粒子線の供給または取り出しに用いられるセプタム電磁石の制御方法に関する。 The present invention relates to a method for controlling a septum electromagnet provided in a radiation source such as a circular particle accelerator or a storage ring device and used for supplying or taking out a particle beam.
セプタム電磁石は、粒子線の周回軌道と接線を共有するように設けられたダクト内に磁場を発生させることにより、ダクト内の粒子線を周回軌道上に移動させる、あるいは周回軌道上の粒子線をダクト内に取り込む装置である。そして、基本的なセプタム電磁石では、断面がC型で開放部を外周側にして弧状に延びたヨークの空隙内に、弧状に延びるダクトが外周側のセプタムコイルと内周側のリターンコイルとの間に挟まれるように空隙部内に配置されている。そして、セプタムコイルとリターンコイルは、周方向において逆向きで同じ大きさの電流が流れるように直列に接続される。これにより、ダクト内に粒子線の進行方向である周方向および径方向に垂直な磁場を発生させ、粒子線を径方向に偏向させることができる。 A septum electromagnet moves a particle beam in a duct onto a circular orbit by generating a magnetic field in a duct provided so as to share a tangent with the circular orbit of the particle beam. It is a device that takes in the duct. In a basic septum electromagnet, the C-shaped cross section has an open portion on the outer peripheral side, and the arc extending duct has an arc extending duct between the outer peripheral septum coil and the inner peripheral return coil. It arrange | positions in a space | gap part so that it may be pinched | interposed between them. The septum coil and the return coil are connected in series so that currents of the same magnitude flow in opposite directions in the circumferential direction. Thereby, the magnetic field perpendicular | vertical to the circumferential direction and radial direction which are the advancing direction of a particle beam can be generated in a duct, and a particle beam can be deflected to radial direction.
一方、セプタムコイルおよびリターンコイルは、コイルといっても冷却の必要性から銅パイプをつなぎ合わせてコイル状にしたものであり、一般的な巻線コイルと異なり剛性が高い。そして、セプタム電磁石では、動作中にコイルに強い力がかかるので、メンテナンスの都合上、ヨークを軸方向、つまり設置状態での鉛直方向における上部と下部に分離できるように構成する。その際、剛性の高いセプタムコイルとリターンコイルも、ヨークと共に、それぞれ上部と下部に分割できるようにする必要がある。この場合、上部セプタムコイルと上部リターンコイルは上部ヨークに対して固定し、下部セプタムコイルと下部リターンコイルは下部ヨークに対して固定するというように、上下別々にコイルの位置決めをする必要がある。そのため、上部コイルと下部コイルとの間で径方向の位置がずれると、不要な径方向の磁場(スキュー磁場)が発生することになる。 On the other hand, the septum coil and the return coil are formed by connecting copper pipes into a coil shape because of the necessity of cooling, and have high rigidity unlike a general winding coil. The septum electromagnet is configured so that a strong force is applied to the coil during operation, so that the yoke can be separated into the upper part and the lower part in the axial direction, that is, the vertical direction in the installed state, for convenience of maintenance. At that time, it is necessary that the highly rigid septum coil and return coil can be divided into the upper part and the lower part together with the yoke. In this case, the upper septum coil and the upper return coil are fixed to the upper yoke, and the lower septum coil and the lower return coil are fixed to the lower yoke. Therefore, when the radial position is shifted between the upper coil and the lower coil, an unnecessary radial magnetic field (skew magnetic field) is generated.
そこで、例えば、磁場の分布を改善させたい領域の近傍に補助コイルを設ける技術(例えば、特許文献1〜4参照。)を適用して、スキュー磁場を抑制することが考えられる。
Thus, for example, it is conceivable to suppress the skew magnetic field by applying a technique (for example, see
しかしながら、開示された技術は、粒子線の進行方向に垂直な断面のうち、所定の線上の磁場分布を改善するために、補助コイルの配置や電流の大きさを制御しているのであって、断面内の磁場分布を改善することは困難であった。そのため、断面内に広く粒子線が分布するセプタム電磁石に適用しても、不要磁場が抑制されない領域が発生し、その領域を進行する粒子線の軌道を正確に制御することができなかった。したがって、例えば粒子線治療装置のように、正確な粒子線の制御が求められる装置に対して、容易にメンテナンスでき、粒子線の軌道を正確に制御できるセプタム電磁石を用いることが困難となっていた。 However, the disclosed technique controls the arrangement of the auxiliary coil and the magnitude of the current in order to improve the magnetic field distribution on a predetermined line in the cross section perpendicular to the traveling direction of the particle beam, It was difficult to improve the magnetic field distribution in the cross section. For this reason, even when applied to a septum electromagnet having a particle beam widely distributed in the cross section, a region where the unnecessary magnetic field is not suppressed is generated, and the trajectory of the particle beam traveling in the region cannot be accurately controlled. Therefore, it has been difficult to use a septum electromagnet that can be easily maintained and can accurately control the trajectory of the particle beam, for example, a device that requires precise particle beam control such as a particle beam therapy device. .
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、容易にメンテナンスができるとともに、粒子線の軌道を正確に制御できるセプタム電磁石および粒子線治療装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a septum electromagnet and a particle beam therapy apparatus that can be easily maintained and can accurately control the trajectory of the particle beam.
本発明のセプタム電磁石の制御方法は、弧状に延びる真空ダクトを挟むようにセプタムコイルとリターンコイルが配置され、前記セプタムコイルと前記リターンコイルが、軸方向における中央部分でヨークと共に第1の部分と第2の部分に分割可能に構成されるとともに、前記セプタムコイルと前記真空ダクトとの間に、前記セプタムコイルの第1の部分と第2の部分に対応する部分で互いに周方向における逆向きの電流が流れる補助コイルが設けられているセプタム電磁石を制御する方法であって、前記真空ダクトの下流を通過する粒子線のビーム幅および位置変動の少なくともいずれかを含むビーム状態を計測するステップと、前記ビーム状態に基づいて前記真空ダクト内で発生する不要磁場の蹴り角もしくは磁場強度を計算するステップと、前記補助コイルに電流を流した際の磁場測定結果もしくは電磁界解析結果に基づき、前記計算した蹴り角もしくは磁場強度を打ち消すための前記補助コイルに流す電流値を算出するステップと、を有することを特徴とする。 In the method for controlling a septum electromagnet according to the present invention, a septum coil and a return coil are disposed so as to sandwich a vacuum duct extending in an arc shape, and the septum coil and the return coil are arranged in a central portion in the axial direction together with a yoke and a first portion. The second portion is configured to be separable, and between the septum coil and the vacuum duct, the portions corresponding to the first portion and the second portion of the septum coil are opposite to each other in the circumferential direction. A method for controlling a septum electromagnet provided with an auxiliary coil through which a current flows, measuring a beam state including at least one of a beam width and a position variation of a particle beam passing downstream of the vacuum duct; A step for calculating a kick angle or magnetic field strength of an unnecessary magnetic field generated in the vacuum duct based on the beam state. And calculating a current value to be passed through the auxiliary coil for canceling the calculated kick angle or magnetic field strength based on a magnetic field measurement result or an electromagnetic field analysis result when a current is passed through the auxiliary coil. It is characterized by that.
本発明のセプタム電磁石の制御方法によれば、セプタムコイル内のずれに伴うスキュー磁場を効率的に抑制することにより、容易にメンテナンスができるとともに粒子線の軌道を正確に制御できるセプタム電磁石および粒子線治療装置を得ることができる。 According to the method for controlling a septum electromagnet of the present invention, a septum electromagnet and a particle beam that can be easily maintained and can accurately control the trajectory of the particle beam by efficiently suppressing the skew magnetic field caused by the shift in the septum coil. A therapeutic device can be obtained.
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1にかかるセプタム電磁石、およびこれを用いた粒子線治療装置の構成および動作について説明する。図1〜図9は本発明の実施の形態1にかかるセプタム電磁石の構成と動作、およびセプタム電磁石を用いた粒子線治療装置の構成について説明するためのもので、図1(a)〜(c)は、セプタム電磁石の構成を示す側面図(a)と、側面図におけるA−A線での切断面のうち、奥行き方向の記載を省略した断面図(b)と、セプタム電磁石の主要部分のうち、メンテナンス時に分離するコイルの関係を示すための(b)に対応した部分の断面図である。図2はセプタム電磁石を構成するコイルとその駆動電源との配線図、図3は真空ダクト内での径および高さ方向に垂直、つまり粒子線の軌道に垂直な面内での磁場成分を示す断面模式図、図4(a)および(b)は、上下のセプタム電磁石にずれがあった場合の真空ダクト内での粒子線の軌道に垂直な面内での磁場分布を示すもので、(a)は補助コイルを動作させなかったとき、(b)は動作させたときを示す。そして図5は真空ダクト内での粒子線の軌道を示す周方向の断面模式図である。なお、図1(b),(c)、図3、図4においては、径方向位置、軸方向高さ、周方向位置からなる円柱座標系(r,h,c(直交座標系を周方向に移動させる移動座標系に対応))で記載し、図5においては、直交座標系(X,Y,Z(静止座標系))で記載している。
Hereinafter, the configuration and operation of the septum electromagnet according to
また、図6は本発明の実施の形態1にかかるセプタム電磁石を用いた粒子線治療装置の構成を示す図である。そして、図7〜図9は本発明の実施の形態1にかかるセプタム電磁石の制御方法として、補助コイルの電流値を調整するための第1の制御方法〜第3の制御方法をそれぞれ説明するためのフローチャートである。
Moreover, FIG. 6 is a figure which shows the structure of the particle beam therapy apparatus using the septum
はじめに、図1と図2に基づいて、本実施の形態1にかかるセプタム電磁石の構成について説明する。
セプタム電磁石10は弧状をなし、後述する円形加速器100や蓄積リングの周回軌道経路の一部をなすダクト11に対して接線を共有するように配置され、断面が略矩形で外周側に開口し周方向(c)に延伸する空隙部1sを設けることで、図1(b)に示すように延伸方向に垂直な断面(r,h面)がC型となるヨーク1と、ヨーク1の外周側に宛がわれる磁気シールド6と、空隙部1s内で、径方向(r)の外側に設置され周方向に電流が流れるセプタムコイル3と、径方向の内側にセプタムコイル3に対向するように設置され、セプタムコイル3と逆向きの電流が流れるリターンコイル4と、セプタムコイル3とリターンコイル4との間に挟まれて、周方向に延伸する真空ダクト2と、を備えるとともに、本発明の特徴的な構成として、セプタムコイル3と真空ダクト2との間に、真空ダクト2内の不要磁場(スキュー磁場)を抑制するための補助コイル5を備えたものである。
First, the configuration of the septum electromagnet according to the first embodiment will be described based on FIGS. 1 and 2.
The
セプタムコイル3およびリターンコイル4は、軸方向(h:径方向rと周方向cに垂直)、つまり設置状態における鉛直方向において、ヨーク1の矩形の開口を網羅するように高さが設定されている。そして、補助コイル5は、セプタムコイル3と同じ高さになるように寸法が設定されているが、上側半分と下側半分が周方向(c)で互いに逆向きの電流が流れるように構成している。
The height of the
そして、本実施の形態1にかかるセプタム電磁石10は、メンテナンスを容易にするため、図1(c)に示すように、ヨーク1が軸方向(h)の中心を境にしてヨーク1uと下ヨーク1dに分離できるようになっている。そして、セプタムコイル3は、上ヨーク1uに対して位置決め固定される上セプタムコイル3uと下ヨーク1dに対して位置決め固定される下セプタムコイル3dに分離できる。同様に、リターンコイル4も上ヨーク1uに対して位置決め固定される上リターンコイル4uと下ヨーク1dに対して位置決め固定される下リターンコイル4dに分離できる。一方、補助コイル5も上側に設置され、一方向に流れる上補助コイル5uと、下側に設置され、上補助コイル5uと逆向きの電流が流れる下補助コイル5dとからなるが、上補助コイル5uと下補助コイル5dは、ともに真空ダクト2に対して位置決め固定されている。
In order to facilitate maintenance, the
そして、図2に示すように、セプタムコイル3とリターンコイル4はメインコイル用の駆動電源9Mに直列接続され、補助コイル5は補助コイル用の駆動電源9Sに接続され、駆動電源9Mと駆動電源9Sはそれぞれ駆動を制御するための制御信号を出力する制御部60に接続されている。これにより、セプタムコイル3とリターンコイル4には調整された同じ電流値の電流を流すことができ、補助コイル5にも別途調整された電流値の電流を流すことができる。
As shown in FIG. 2, the
つぎに、図3〜図5を用いて動作について説明する。
駆動電源9Mを駆動すると、セプタム電磁石10の主コイルであるセプタムコイル3とリターンコイル4に周方向で逆向きの電流が流れる。このとき、例えば、セプタムコイル3に周方向(c)の負方向(紙面手前向き)、リターンコイル4に周方向(c)の正方向(紙面奥向き)の電流が流れるとすると、真空ダクト2の周方向に対して垂直な断面(r、h)面では、図3(a)に示すように、ビーム通過領域となるミッドプレーンPmと呼ばれる上下方向の中間に位置する面上には、鉛直方向で下向きの主磁場Bが発生する。これにより、真空ダクト2内を周方向(c)に沿ってc方向の正方向に移動する粒子線は、セプタムコイル3側に向かって(r方向の正方向)偏向されることにより、真空ダクト2側からダクト11側(例えば、加速器の周回軌道)へ移動する。あるいは、ダクト11内をc方向の負方向に移動する粒子線は、リターンコイル4側に向かって(r方向の負方向)偏向されることにより、ダクト11(例えば、加速器の周回軌道)側から真空ダクト2へ移動する。
Next, the operation will be described with reference to FIGS.
When the
このとき、上記のように、ヨーク1が上ヨーク1uと下ヨーク1dとに分離可能になっていると、初期設置時にとどまらず、メンテナンスによる開閉のたびに、上セプタムコイル3uと下セプタムコイル3d間で水平方向(r,c方向)での設置誤差(ミスアライメント)が発生することがある。この場合、図3(b)に示すように、ミッドプレーンPm上に、主磁場B(h方向)以外の不要な磁場成分(r方向)であるスキュー磁場を有する磁場Bwが発生する。このとき、図4(a)に示すように、コイルに近いほど磁束密度が高くなるので、図3(b)に示すように、コイルに近づくに従ってスキュー磁場成分の絶対値が増加する磁場Bwが多くなる傾向にある。
At this time, as described above, if the
しかしながら、本実施の形態1にかかるセプタム電磁石10では、補正コイル5に流す電流を調整することによって、不要な磁場成分を抑制することができる。主磁場Bを作るセプタムコイル3とリターンコイル4とは、上述したように一定間隔で同じ高さのコイルが対向するように設置されており、セプタムコイル3を流れた電流はリターンコイル4を介して電源に戻る。一方、補助コイル5は、上下で逆方向に同じ電流が流れるようになっているが、真空ダクト2に位置決め固定されるために上補助コイル5uと下補助コイル5d間での位置ずれがなく、しかも、上下合わせてセプタムコイル3と同じ高さになるように形成されている。そのため、補助コイル5により発生する磁場の方向が主磁場Bと直交する方向となる。しかも、上記のように、上下コイル5u−5d間でずれがなく、上下合わせてセプタムコイル3と同じ高さになるように構成しているので、セプタムコイル3の上下コイル3u―3d間のずれによって発生する不要磁場の空間依存性に対して、補助コイル5が作る磁場の空間依存性を近似させることできる。そのため、ミッドプレーンpm上の座標によらず、図4(b)に示すように磁場分布を上下均等に形成し、不要磁場をキャンセルすることができる。
However, in the
ここで、セプタム電磁石10の真空ダクト2内でのビーム軌道について説明する。
図5は真空ダクト2のZ軸(円柱座標におけるhに相当)に垂直な断面(XZ面:同rc面に対応)のうち、周方向(c)における4分の1に対応するZ方向300mm分の粒子線の軌道を示したものである。図中、横軸は直交座標系(X,Y,Z)におけるZ方向長さで、図1,3,4で用いた円柱座標系における周方向長さ(c)に対応し、縦軸はX方向長さで径方向長さ(r)に対応する。図に示すように、粒子線は真空ダクト2の内側(リターンコイル4側)のダクトアパーチャDPiと外側(セプタムコイル3側)のダクトアパーチャDPx間を通過することになる。その通過領域は、ダクトアパーチャの略中間部分の内側軌道Oiから、外側ダクトアパーチャDPx付近の外側軌道Oxに至るセプタムコイル3側に偏った所定幅の領域となる。
Here, the beam trajectory in the
FIG. 5 shows a Z-
つまり、真空ダクト2内の領域の内、リターンコイル4に近い領域に比べて、セプタムコイル3に近い方が不要磁場Bwによる影響が大きい。一方、セプタム電磁石10の性質上、リターンコイル4側よりもセプタムコイル3側の寸法制約の方が大きい。そのため、薄く仕上げる必要があるセプタムコイル3側よりも、厚みの制約の小さいリターンコイル4側に補助コイル5を設置する方が容易である。あるいは、真空ダクト2の上下面側に補助コイルを設けることも考えられる。しかし、図4に示すように、不要磁場の状態は、領域により変化しているので、幅を持って通過する粒子線は領域によって異なる不要磁場を受けることになる。したがって、単にミッドプレーンPmのある狭い領域に対して不要磁場を抑制しても不要磁場の影響を抑制する効果は低く、粒子線の通過領域全体で不要磁場を抑制する必要がある。
That is, the influence of the unnecessary magnetic field Bw is larger in the region close to the
そこで、本実施の形態のように、補助コイル5をセプタムコイル3と真空ダクト2の間に設けることで、少なくとも軌道に影響を及ぼす領域において補助コイル5で作る磁場の空間依存性を不要磁場の空間依存性に近づけることにより、軌道制御に影響する不要磁場Bwを効率的に抑制することが可能となる。なお、補助コイル5を薄く仕上げるためには、セプタムコイル3にように、管状(ホローコンダクタ)にして、内部に水を流して冷却することが難しい。その場合には、例えば真空ダクト2と電気的な絶縁を取った状態で密着させて熱伝導経路を形成し、冷却させるようにしてもよい。
Therefore, by providing the
上記不要磁場は、上下コイルのずれが大きければ大きいほど強くなる。例えば、上下のセプタムコイル3u、3d(リターンコイル4も同様にずれるが、上述したようにセプタムコイル3のずれが問題であるので、セプタムコイル3について記載する)の径方向(r)のずれ量が0.5mmのときは、図4に示すように、不要磁場成分はセプタムコイル3側からミッドプレーンPmの中央部分にまで分布するようになる。しかし、上述した構成の補助コイル5に、メインのコイル電流、つまり、セプタムコイル3に流す電流の1/20程度の電流を流すことにより、不要磁場の空間依存性に近い空間依存性の磁場を発生させ、不要磁場を抑制することができる。同様に、ずれ量が0.3mmなら、補助コイル5に、セプタムコイル3に流す電流の1/65程度の電流を流すことにより、不要磁場の空間依存性に近い空間依存性の磁場を発生させ、不要磁場を抑制することができる。
The unnecessary magnetic field becomes stronger as the deviation between the upper and lower coils increases. For example, the amount of deviation in the radial direction (r) of the upper and
なお、補助コイル5の位置決め対象を、セプタムコイル3やリターンコイル4と同様に、上下のヨーク1u、1dとすれば、設置状況に関わらずセプタムコイル3と補助コイル5の間隔を上下で均等に保つことができる。しかし、補助コイル5で作る磁場の空間依存性を不要磁場の空間依存性に近づけるには、上下の補助コイル5u、5d間の設置誤差を低減することの方が重要であり、本実施の形態で示したように、補助コイル5を上下に分離しない真空ダクト2を位置決め対象にすることが望ましい。
In addition, if the positioning target of the
つぎに、本発明の実施の形態1にかかるセプタム電磁石10を備えた粒子線治療装置の構成について図6を用いて説明する。
図において、粒子線治療装置は、粒子線の供給源として、シンクロトロンである円形加速器100(以降、単に加速器と称する)と、加速器100から供給された粒子線を輸送する輸送系30と、輸送系30によって運ばれた粒子線を患者Kに対して照射する照射装置40と、照射装置40を備えた治療室50とを有している。そして、セプタム電磁石10は、前段加速器20から出射された粒子線を加速器100内に取り込むための入射装置10Aと、加速器100内で加速した粒子線を輸送系30に出射するための出射装置10Bとして加速器100内に設けられている。
Next, the configuration of the particle beam therapy system including the
In the figure, the particle beam therapy system includes a circular accelerator 100 (hereinafter simply referred to as an accelerator) that is a synchrotron as a particle beam supply source, a
<加速器>
加速器100は、粒子線が周回する軌道経路となる真空ダクト11、前段加速器20から供給された粒子線を周回軌道内に入射するための入射装置10A、粒子線が真空ダクト11内の周回軌道に沿って周回するよう粒子線の軌道を偏向させるための偏向電磁石13a,13b,13c,13d(まとめて13と称する)、周回軌道上に形成された粒子線が発散しないように収束させる収束用電磁石14a,14b,14c,14d(まとめて14と称する)、周回する粒子線に同期した高周波電圧を与えて加速する高周波加速空洞15、加速器100内で加速させた粒子線を加速器100外に取りだし、輸送系30に出射するための出射装置10B、出射装置10Bから粒子線を出射させるために粒子線の周回軌道に共鳴を励起する六極電磁石17を備えている。
<Accelerator>
The
なお、セプタム電磁石10の駆動について図2で説明したのと同様に、偏向電磁石13には、偏向電磁石13の励磁電流を制御する偏向電磁石制御装置や、高周波加速空洞15には、高周波加速空洞15に高周波電圧を供給するための高周波源、高周波源を制御するための高周波制御装置というように、各部を制御するための図示しない装置が備えられており、偏向電磁石制御装置、高周波制御装置や収束用電磁石14などその他のコンポーネントを制御して加速器100全体を制御する加速器制御装置等も制御部60内に備えている。
2, the driving of the
また、前段加速器20は、図では簡略化のためにひとつの機器のように記載しているが、実際には、陽子、炭素(重粒子)等の荷電粒子(イオン)を発生させるイオン源(イオンビーム発生装置)と、発生させた荷電粒子を初期加速する線形加速器系とを備えている。そして、前段加速器20から加速器100に入射した荷電粒子は、高周波数の電界で加速され、磁石で曲げられながら、光速の約70〜80%まで加速される。
In addition, the
<輸送系>
加速器100により加速された粒子線は、HEBT(高エネルギービーム輸送:High Energy Beam Transport)系と称される輸送系30へと出射される。輸送系30は、粒子線の輸送経路となる真空ダクト31と、粒子線のビーム軌道を切替える切替装置である切替電磁石32と、粒子線を所定角度に偏向する偏向電磁石33とを備えている。そして加速器100により十分にエネルギーが与えられ、出射装置10Bから出射されて真空ダクト31内を進む粒子線を、切替電磁石32で必要に応じて輸送経路(治療室50A用輸送経路30A、同50B用輸送経路30B、・・・同50N用輸送経路30N)を変え、指定された治療室50毎に設けられた照射装置40へと導く。
<Transport system>
The particle beam accelerated by the
<照射装置>
照射装置40は、輸送系30から供給された粒子線を照射対象である患者Kの患部の大きさや深さに応じた照射野に成形して患部へ照射する装置である。照射野を成形する方法は複数あるが、例えば、粒子線を走査させて照射野を形成するスキャニング照射法では、とくに入射した際の軌道精度が形成する照射野の精度に大きく影響する。したがって、本実施の形態1にかかるセプタム電磁石10を用いることにより、不要磁場の影響を抑制して設定どおりの軌道で粒子線が供給されるので、設定通りに照射野を形成することができ、周辺組織への影響を最低限にして効果的な治療を行うことができる。
<Irradiation device>
The
<治療室>
治療室50は、患者Kに対して実際に粒子線を照射して治療を行うための部屋であり、基本的には治療室ごとに上述した照射装置を備えている。なお、図において、治療室50Aでは、偏向電磁石33部分から照射装置40A全体が患者K(治療台)を中心に回転し、患者Kへの粒子線の照射角度を自由に設定できる回転照射室(回転ガントリとも言われる)の例を示している。通常、ひとつの加速器100に対して、例えば、角度や位置を自在に設定可能な治療台に固定された患者に対して照射装置から水平方向に粒子線を照射する水平照射室や、その他タイプの異なる治療室を複数備えている。
<Treatment room>
The
<制御系>
上記のような、複数のサブシステム(加速器100、輸送系30、治療室50ごとの照射装置40等)を備えたシステムの制御系として、各サブシステムを専ら制御するサブ制御器と全体を指揮し制御するメイン制御器からなる階層型の制御系統を用いることが多い。本発明の実施の形態1にかかる粒子線治療装置の制御部60においても、このメイン制御器とサブ制御器の構成を採用している。そして、サブシステム内で制御できる動作はサブ制御器で、複数のシステムを連携して制御する動作はメイン制御器が制御するというように、制御系統内での機能を分担している。
<Control system>
As a control system of a system having a plurality of subsystems (the
一方、粒子線治療装置においては、制御部60には、ワークステーションやコンピュータを用いることが一般的である。そのため、制御部60のメイン制御器やサブ制御器といった機能は、ソフトウェア等により発現されることになり、必ずしも特定のハードウェアに収まるとは限らない。そのため、図ではそれらをまとめて制御部60として記載するが、それは、制御部60が物理的に一つのまとまったハードウェアとして存在するものであることを意味するものではない。
On the other hand, in the particle beam therapy system, it is common to use a workstation or a computer for the
このような粒子線治療装置において、上述した補助コイル5に流す電流値をどのように制御するかについて、図7〜図9に示すフローチャートを用いて説明する。
まず、セプタムコイル3のずれは、図1(a)に示すA断面、B断面、C断面において、一様ではない。しかし、セプタム電磁石10下流でのビームプロファイルの歪は各断面における不要磁場成分(スキュー磁場)を周方向で積分した積分量で決定される。そのため、補正コイル5に流す電流を以下のようにずれ量の積分値に対応した値として算出することができる。なお、これらの制御は、上述した制御部60を介して実行される。
In such a particle beam therapy system, how to control the current value flowing through the
First, the deviation of the
第1の制御例.
第1の制御例では、下流でのビームプロファイル(ビーム幅、位置変動)をモニタすることにより、補正コイル5の電流値(セプタムコイル3に流す電流値に応じた電流値。以下、同様。)を決定する。図7を用いて、第1の制御例について説明する。
はじめに、下流ビーム状態として、セプタム電磁石10の下流におけるビーム幅もしくは位置変動を計測し(ステップS10)、ビーム計算により、計測した下流ビーム状態から、スキュー磁場による蹴り角、もしくはスキュー磁場強度を計算する(ステップS20)。
First control example.
In the first control example, by monitoring the downstream beam profile (beam width, position fluctuation), the current value of the correction coil 5 (current value corresponding to the current value flowing through the
First, as the downstream beam state, the beam width or position variation downstream of the
そして、電磁界解析結果、もしくは補正コイル5に実際に電流を流した時の磁場測定結果を基に、計算した蹴り角やスキュー磁場を打ち消すための補正コイル5に流す電流値(暫定値)を算出する(ステップS30)。補正コイル5の電流値を算出した暫定値に調整する(ステップS40)。
Then, based on the electromagnetic field analysis result or the magnetic field measurement result when the current is actually passed through the
補正コイル5に暫定値に調整した電流を流した状態で、下流ビーム状態を計測する(ステップS50)。これにより、下流ビーム状態の設定値に対する変動量が基準値以下なら(ステップS60で「Y」)、暫定値を設定値として終了する。一方、下流ビーム状態の設定値に対する変動量が基準値を超えていれば(ステップS60で「N」)、ステップS20に移行して、再調整を行う。 The downstream beam state is measured with the current adjusted to the provisional value flowing through the correction coil 5 (step S50). Thereby, if the fluctuation amount with respect to the setting value of the downstream beam state is equal to or less than the reference value (“Y” in step S60), the provisional value is ended as the setting value. On the other hand, if the fluctuation amount with respect to the setting value of the downstream beam state exceeds the reference value (“N” in step S60), the process proceeds to step S20 and readjustment is performed.
第2の制御例.
第2の制御例では、磁場センサを用いてスキュー磁場成分を計測し、周方向での積分値から補正コイル5の電流値を決定する。図8を用いて、第2の制御例について説明する。
はじめに、ホール素子などの磁場センサを用いて、真空ダクト2内のスキュー磁場を周方向における数点で計測し(ステップS12)、計測したスキュー磁場から計算あるいはロングピックアップコイル等により積分値を計算する(ステップS22)。
Second control example.
In the second control example, the skew magnetic field component is measured using a magnetic field sensor, and the current value of the
First, using a magnetic field sensor such as a Hall element, the skew magnetic field in the
そして、電磁界解析結果、もしくは補正コイル5に実際に電流を流した時の磁場測定結果を基に、計算したスキュー磁場を打ち消すための補正コイル5に流す電流値(暫定値)を算出する(ステップS30)。補正コイル5の電流値を算出した暫定値に調整する(ステップS40)。
Then, based on the electromagnetic field analysis result or the magnetic field measurement result when the current is actually passed through the
補正コイル5に暫定値に調整した電流を流した状態で、スキュー磁場を計測する(ステップS52)。これにより、スキュー磁場の強度が基準値以下なら(ステップS62で「Y」)、暫定値を設定値として終了する。一方、スキュー磁場の強度が基準値を超えていれば(ステップS62で「N」)、ステップS22に移行して、再調整を行う。 A skew magnetic field is measured in a state where a current adjusted to a provisional value is supplied to the correction coil 5 (step S52). As a result, if the skew magnetic field intensity is equal to or less than the reference value (“Y” in step S62), the provisional value is set as the set value, and the process ends. On the other hand, if the intensity of the skew magnetic field exceeds the reference value (“N” in step S62), the process proceeds to step S22 and readjustment is performed.
第3の制御例.
第3の制御例では、上下のコイルのずれを計測し、ずれ量からスキュー磁場を計算して周方向での積分値から補正コイル5の電流値を決定する。図9を用いて、第3の制御例について説明する。
はじめに、レーザー変位系等の位置や寸法を測定する装置を用いて上下のコイル位置のずれ量を計測し(ステップS13)、計測したずれ量から電磁界解析によってスキュー磁場強度を計算する(ステップS23)。
Third control example.
In the third control example, the deviation of the upper and lower coils is measured, the skew magnetic field is calculated from the deviation amount, and the current value of the
First, the amount of deviation of the upper and lower coil positions is measured using a device that measures the position and dimensions of a laser displacement system or the like (step S13), and the skew magnetic field strength is calculated from the measured deviation by electromagnetic field analysis (step S23). ).
そして、電磁界解析結果、もしくは補正コイル5に実際に電流を流した時の磁場測定結果を基に、計算したスキュー磁場を打ち消すための補正コイル5に流す電流値(暫定値)を算出する(ステップS33)。補正コイル5の電流値を算出した暫定値に調整する(ステップS40)。
Then, based on the electromagnetic field analysis result or the magnetic field measurement result when the current is actually passed through the
補正コイル5に暫定値に調整した電流を流した状態で、スキュー磁場を計測する(ステップS53)。これにより、スキュー磁場の強度が基準値以下なら(ステップS63で「Y」)、暫定値を設定値として終了する。一方、スキュー磁場の強度が基準値を超えていれば(ステップS63で「N」)、ステップS33に移行して、再調整を行う。このとき、ステップS33では、調整後のスキュー磁場の強度を基に電流値の補正量を再計算する。 A skew magnetic field is measured in a state where a current adjusted to a provisional value is supplied to the correction coil 5 (step S53). Thus, if the skew magnetic field strength is equal to or lower than the reference value (“Y” in step S63), the provisional value is set as the set value, and the process ends. On the other hand, if the intensity of the skew magnetic field exceeds the reference value (“N” in step S63), the process proceeds to step S33 and readjustment is performed. At this time, in step S33, the correction amount of the current value is recalculated based on the intensity of the adjusted skew magnetic field.
なお、第3の本調整例では、ステップS53において、スキュー磁場を計測した例について説明したが、例えば、第1の調整例のステップS50、S60のように、下流ビーム状態を計測することで暫定値が適したものか否かを判断するようにしてもよい。 In the third adjustment example, the example in which the skew magnetic field is measured in step S53 has been described. However, for example, as in steps S50 and S60 in the first adjustment example, the downstream beam state is provisionally measured. It may be determined whether or not the value is suitable.
このような調整を、メンテナンスを行うごとに実施して、補正コイル5に流す電流値をセプタムコイル3に流す電流値ごとに、例えばテーブル化して制御部60に記憶させておくことで、不要磁場の影響を抑制して正確な軌道でビームを取り出すことができるようになる。
Such an adjustment is performed every time maintenance is performed, and an unnecessary magnetic field is generated by storing the current value flowing through the
以上のように、本実施の形態1にかかるセプタム電磁石10によれば、弧状をなし、外周側に開口して周方向(c)に延伸する空隙部1sを有するとともに、軸方向(h)における略中央部で分割可能に構成されたヨーク1と、空隙部1s内の径方向(r)における外側に設置され、周方向における一方向に電流が流れるセプタムコイル3と、セプタムコイル3と所定の間隔をあけて対向するように空隙部1s内の径方向における内側に設置され、セプタムコイル3と逆向きの電流が流れるリターンコイル4と、セプタムコイル3とリターンコイル4との間に設置される真空ダクト2と、を備え、セプタムコイル3は、ヨーク1の分割に対応して第1の部分である上部分3uと第2の部分である下部分3dに分離可能に形成されているとともに、セプタムコイル3と真空ダクト2との間には、セプタムコイル3の上部分3uと下部分3dに対応する部分(5u、5d)で互いに周方向における逆向きの電流が流れる補助コイル5が設けられているように構成したので、設置やメンテナンスの際に上下のセプタムコイル3u,3dに位置ずれが生じても、位置ずれに伴って生じるスキュー磁場の分布と同様の分布の磁場を補正コイル5で発生させることにより、スキュー磁場を効率的に抑制することができる。そのため、容易にメンテナンスができるとともに、粒子線の軌道を正確に制御できるセプタム電磁石および粒子線治療装置を得ることができる。
As described above, according to the
とくに、補助コイル5は、軸方向(h)における寸法がセプタムコイル3と同じになるように形成されているので、発生させる磁場をよりスキュー磁場の分布により近づけることができ、さらに効率よくスキュー磁場を抑制することができる。
In particular, since the
さらに、補助コイル5は、真空ダクト2と一体化して、真空ダクト2に対して位置決めされているので、上補助コイル5uと下補助コイル5dの位置ずれがなく、発生させる磁場をより一層スキュー磁場の分布により近づけることができ、さらに効率よくスキュー磁場を抑制することができる。
Further, since the
また、本実施の形態1にかかる粒子線治療装置は、本実施の形態1にかかるセプタム電磁石10を少なくとも粒子線の出射装置10Bに使用する加速器100と、出射装置10Bから出射された粒子線を輸送する輸送系30と、輸送系30を介して供給された粒子線を所定の照射野に形成して照射する照射装置40と、を備えたので、出射位置及び軌道が正確な粒子線を照射装置40に供給できるので、正確な照射野で照射ができる。
Further, the particle beam therapy system according to the first embodiment includes an
1:ヨーク(1u:上ヨーク、1d:下ヨーク、1s:空隙部)、
2:真空ダクト、
3:セプタムコイル(3u:上セプタムコイル(第1の部分)、3d:下セプタムコイル(第2の部分))、
4:リターンコイル(4u:上リターンコイル、4d:下リターンコイル)、
5:補助コイル(5u:上補助コイル(第1の部分に対応する部分)、5d:下補助コイル(第2の部分に対応する部分))、
6:磁気シールド、
9:駆動電源(9M:メインコイル用、9S:補助コイル用)、
10:セプタム電磁石、11:ダクト(周回軌道経路)
20:前段加速器、30:輸送系、40:照射装置、50:治療室、60:制御部、
100 加速器。
1: Yoke (1u: upper yoke, 1d: lower yoke, 1s: gap),
2: Vacuum duct,
3: Septum coil (3u: upper septum coil (first part), 3d: lower septum coil (second part)),
4: Return coil (4u: upper return coil, 4d: lower return coil),
5: auxiliary coil (5u: upper auxiliary coil (part corresponding to the first part), 5d: lower auxiliary coil (part corresponding to the second part)),
6: Magnetic shield,
9: Drive power supply (9M: for main coil, 9S: for auxiliary coil),
10: Septum electromagnet, 11: Duct (circular orbit path)
20: front accelerator, 30: transport system, 40: irradiation device, 50: treatment room, 60: control unit,
100 accelerator.
Claims (1)
前記真空ダクトの下流を通過する粒子線のビーム幅および位置変動の少なくともいずれかを含むビーム状態を計測するステップと、
前記ビーム状態に基づいて前記真空ダクト内で発生する不要磁場の蹴り角もしくは磁場強度を計算するステップと、
前記補助コイルに電流を流した際の磁場測定結果もしくは電磁界解析結果に基づき、前記計算した蹴り角もしくは磁場強度を打ち消すための前記補助コイルに流す電流値を算出するステップと、
を有することを特徴とするセプタム電磁石の制御方法。 A septum coil and a return coil are arranged so as to sandwich a vacuum duct extending in an arc shape, and the septum coil and the return coil can be divided into a first portion and a second portion together with a yoke at a central portion in the axial direction. In addition, an auxiliary coil is provided between the septum coil and the vacuum duct to allow currents in opposite directions to flow in the circumferential direction at portions corresponding to the first portion and the second portion of the septum coil. A method for controlling a septum electromagnet,
Measuring a beam state including at least one of a beam width and a position variation of a particle beam passing downstream of the vacuum duct;
Calculating a kick angle or magnetic field strength of an unnecessary magnetic field generated in the vacuum duct based on the beam state;
Calculating a current value to be passed through the auxiliary coil for canceling the calculated kick angle or magnetic field strength based on a magnetic field measurement result or electromagnetic field analysis result when a current is passed through the auxiliary coil;
A control method for a septum electromagnet, comprising:
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