WO2013121503A1

WO2013121503A1 - セプタム電磁石および粒子線治療装置

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Publication number: WO2013121503A1
Application number: PCT/JP2012/053240
Authority: WO
Inventors: 菅原　賢悟; 克久吉田; 利宏大谷; 真一益野; 文彦加島
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2013-08-22
Also published as: CN103370991A; CN103370991B; JP5112571B1; EP2651197A4; EP2651197A1; US8884256B2; JPWO2013121503A1; TW201609214A; TW201332603A; US20130207001A1; EP2651197B1; TWI515026B; TWI565498B

Abstract

弧状をなし、外周側に開口して周方向に延伸する空隙部(1s)を有し、軸方向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(3u)と第２の部分(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)の第１の部分(3u)と第２の部分(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。

Description

セプタム電磁石および粒子線治療装置

　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に関する。

　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。

　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。

　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。

特開昭６３－２２４２３０号公報（３頁、第１図～第３図）特開平１－２０９７００号公報（２頁、第１図、第２図）特開平６－１５１０９６号公報（００１１～００２１、図１～図６）特開２００１－４３９９８号公報（００１０～００２１、図１～図３）

　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。

　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。

　本発明のセプタム電磁石は、弧状をなし、外周側に開口して周方向に延伸する空隙部を有するとともに、軸方向における略中央部で分割可能に構成されたヨークと、前記空隙部内の径方向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と、前記セプタムコイルと所定の間隔をあけて対向するように前記空隙部内の前記径方向における内側に設置され、前記セプタムコイルと逆向きの電流が流れるリターンコイルと、前記セプタムコイルと前記リターンコイルとの間に設置される真空ダクトと、を備え、前記セプタムコイルは、前記ヨークの分割に対応して第１の部分と第２の部分に分離可能に形成されているとともに、前記セプタムコイルと前記真空ダクトとの間には、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前記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ことを特徴とする。

　本発明のセプタム電磁石によれば、セプタムコイルと真空ダクト間に、ヨークと共に分割するセプタムコイルに対応して互いに逆向きの電流が流れる補助コイルを設けるようにしたので、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。

本発明の実施の形態１にかかるセプタム電磁石の構成を説明するための平面図と断面図およびメンテナンス時に分離できるパーツを示す断面図である。本発明の実施の形態１にかかるセプタム電磁石の構成を説明するための各コイルと駆動電源との配線図である。本発明の実施の形態１にかかるセプタム電磁石の動作を説明するための、真空ダクト内の粒子線の軌道に垂直な面内における磁場成分を示す断面模式図である。本発明の実施の形態１にかかるセプタム電磁石の動作を説明するための、真空ダクト内の粒子線の軌道に垂直な面内における磁場分布を示す断面模式図である。本発明の実施の形態１にかかるセプタム電磁石の動作を説明するための、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。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。本発明の実施の形態１にかかるセプタム電磁石の第１の制御方法を説明するためのフローチャートである。本発明の実施の形態１にかかるセプタム電磁石の第２の制御方法を説明するためのフローチャートである。本発明の実施の形態１にかかるセプタム電磁石の第３の制御方法を説明するためのフローチャートである。

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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

＜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。

　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。

　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。

＜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。

＜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。

＜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。

　＜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。

　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。

　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。

　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）。

　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）。

　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。

　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）。

　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）。

　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。

　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）。

　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）。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

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。

Claims

　弧状をなし、外周側に開口して周方向に延伸する空隙部を有するとともに、軸方向における略中央部で分割可能に構成されたヨークと、
　前記空隙部内の径方向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と、
　前記セプタムコイルと所定の間隔をあけて対向するように前記空隙部内の前記径方向における内側に設置され、前記セプタムコイルと逆向きの電流が流れるリターンコイルと、
　前記セプタムコイルと前記リターンコイルとの間に設置される真空ダクトと、を備え、
　前記セプタムコイルは、前記ヨークの分割に対応して第１の部分と第２の部分に分離可能に形成されているとともに、
　前記セプタムコイルと前記真空ダクトとの間には、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前記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ことを特徴とするセプタム電磁石。
　前記補助コイルは、前記軸方向における寸法が前記セプタムコイルと同じになるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセプタム電磁石。
　前記補助コイルは、前記真空ダクトと一体化されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセプタム電磁石。
　請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセプタム電磁石を少なくとも粒子線の出射装置に使用する加速器と、
　前記出射装置から出射された粒子線を輸送する輸送系と、
　前記輸送系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と、を備えたことを特徴とする粒子線治療装置。