WO2022209300A1

WO2022209300A1 - 電磁石装置、電磁石装置の制御方法、および、粒子線治療装置

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Publication number: WO2022209300A1
Application number: PCT/JP2022/004630
Authority: WO
Inventors: 毅和久田
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2021-04-01
Filing date: 2022-02-07
Publication date: 2022-10-06
Also published as: JP2022158334A

Abstract

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１０１，１０２，１０３，１０４と、複数の電源４１，４２，４３，４４とを有する。電源コントローラ６２０の算出部６２１と供給制御部６２２は、複数のコイル１０１，１０２，１０３，１０４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。これにより、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。

Description

電磁石装置、電磁石装置の制御方法、および、粒子線治療装置

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

特許第６５８８８４９号公報

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

発明を解決するための手段

　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。

　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。

　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。

実施形態の粒子線治療装置の全体構成を示すブロック図。実施形態の電磁石装置を適用した重粒子線治療装置用の偏向磁石２０３の側面図。図２のＡ－Ａ’断面図。図２の偏向磁石２０３内の超電導コイル１０１，１０２，１０３，１０４の配置を示す斜視図。実施形態の電磁石装置の超電導コイル１０１，１０２，１０３，１０４に設定される電流Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を示すテーブルの一例を示す図。実施形態の電源コントローラ６２０の制御動作を示すフローチャート。実施形態の多極成分磁場の座標系の取り方を示す説明図。実施形態の超電導コイルの配置と、電流の向きを示す説明図。実施形態の電磁石装置の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。

　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。

　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。

　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。

　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４極磁石２１１と、軌道補正磁石２１２とを備えている。

　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、回転軸１２１３を中心に回転可能に構成されている。

　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。

　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。

　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。

　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に設置された走査用電磁石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。

　これらの偏向磁石２０１，２０２，２０３、４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。

　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。

　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４１，４２，４３を制御する。

　＜偏向磁石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、構成する超電導コイルの個数が偏向磁石２０３とは異なるが、基本的な構成は同様である。

　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１０１，１０２，１０３，１０４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４１，４２，４３，４４と、電源４１，４２，４３，４４を制御する電源コントローラ６２０を含む。

　超電導コイル１０１，１０２，１０３，１０４にはそれぞれ電流リード３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂが接続され、電流リード３１ａ等を介して、電源４１，４２，４３，４４にそれぞれ接続されている。電流リード３１ａ等は、断熱容器１１０を貫通している。

　図２乃至図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。

　具体的には、超電導コイル１０１，１０２，１０３，１０４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１０１，１０２，１０３，１０４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と超電導コイル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。

　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１０１，１０２，１０３，１０４に熱的に接続されており、伝導冷却により超電導コイル１０１，１０２，１０３，１０４を冷却する。

　電磁石１２３０を構成する超電導コイル１０１，１０２，１０３，１０４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１０１，１０２，１０３，１０４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３１ａ，３１ｂ、電流リード３２ａ，３２ｂ、電流リード３３ａ，３３ｂ、電流リード３４ａ，３４ｂの端部に接続されている。電流リード３１ａ，３１ｂ、電流リード３２ａ，３２ｂ、電流リード３３ａ，３３ｂ、電流リード３４ａ，３４ｂ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。

　超電導コイル１０１，１０２，１０３，１０４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、粒子線の進行方向であるビームの軸方向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、主磁場２１３の磁場方向および粒子線の進行方向であるビームの軸方向２１６に対して直交する方向２１５へ粒子線を偏向させる。

　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１０１，１０２，１０３，１０４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４１，４２，４３，４４から４つの超電導コイル１０１，１０２，１０３，１０４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１０１，１０２，１０３，１０４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。

　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１０１，１０２，１０３，１０４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。

　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１０１，１０２，１０３，１０４への供給電流値（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４）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。

　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。

　＜電源コントローラ６２０による電源４１，４２，４３，４４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。

　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。

　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や供給制御部６２２の機能を実現するように回路設計を行えばよい。

　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。

　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４１，４２，４３，４４の出力電流が電流値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４になるように制御する。

　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。

　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６２０による、電源４１，４２，４３，４４の電流制御も終了する（ステップ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主磁場２１３を発生するコイルを超電導コイル１０１，１０２，１０３，１０４に分割し、電源４１，４２，４３，４４からそれぞれ独立に供給する電流を、電源コントローラ６２０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１０１，１０２，１０３，１０４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。

　言い換えるならば、超電導コイル１０１，１０２，１０３，１０４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主磁場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。

　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。

　＜超電導コイル１０１，１０２，１０３，１０４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１０１，１０２，１０３，１０４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、主磁場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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　＜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。

　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。

　この時、原点周辺の磁場Ｂｚ（ｒ、θ）は、

と、原点からの距離ｒのべき乗で展開した表式で書くことができる。ここでｎは展開次数である。

　次数ｎの磁場にＢｎ（ｒ、θ）を

のようにＢｎ、ｎｌ（ｒ、θ）とＢｎ、ｓｗ（ｒ、θ）の２成分の和の形で表現する。

　Ｂｎ、ｎｌ（ｒ、θ）とＢｎ、ｓｗ（ｒ、θ）は

の表式で書き表され、それぞれをノーマル２（ｎ＋１）極磁場、スキュー２（ｎ＋１）極磁場と呼ぶことにする。ｎ＝０の場合にはスキュー磁場はゼロになるからノーマル磁場しか存在しない。ｎ＝０の磁場がビーム輸送に使われる偏向磁場であり、ｎ＝１のノーマル４極磁場がビームの収束・発散に利用される。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　（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。

　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）。

　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。

　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。

　＜ノーマル４極、８極磁場の調整＞
　ｎ＝１のノーマル４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。

　ｎ＝３のノーマル８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。

　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。

　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。

　ノーマル６、１０極磁場の調整
ｎ＝２のノーマル６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のすべてのコイル（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。

　ｎ＝４のノーマル１０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（１０１，１０２，１０３，１０４）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。

　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。

　＜スキュー４、６、８極磁場の調整＞
　ｎ＝１のスキュー４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。

　ｎ＝２のスキュー６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。

　ｎ＝３のスキュー８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。

　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。

　＜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。

　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。

　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。

　＜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。

　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。

　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の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。

　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。

　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。

　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。

２０，２１…コイル、２０ｍ，２１ｍ…磁場、
３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ…電流リード、
４１，４２，４３，４４…電源（励磁電源）
１０１，１０２，１０３，１０４…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…４極磁石、２１２…軌道補正磁石、２１４…回転連結部、３０１…患者、３００…照射装置、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

Claims

　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、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供給制御部とを備えることを特徴とする電磁石装置。
　請求項１に記載の電磁石装置であって、前記算出部は、前記ビームの強度に基づいて、前記供給電流を算出することを特徴とする電磁石装置。
　請求項１に記載の電磁石装置であって、前記４つのコイルは、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電磁石装置。
　請求項１に記載の電磁石装置であって、前記算出部は、予め定めておいた数式および／またはテーブルを用いて前記４つのコイルへの供給電流を算出することを特徴とする電磁石装置。
　請求項４に記載の電磁石装置であって、前記４つのコイルは、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、前記ビームの強度と、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電磁石装置。
　請求項１に記載の電磁石装置であって、前記４つのコイルは、それぞれフラットコイルであり、前記４つのコイルのうち第１および第２のコイルは、主平面が、前記ビームの軸方向を挟んで対向するように配置され、第３および第４のコイルは、側面が、前記ビームの軸方向を挟んで対向するように配置されていることを特徴とする電磁石装置。
　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つの電源とを有する電磁石装置の制御方法であって、
　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電磁石装置の制御方法。
　粒子線のビームを出射する加速器と、前記ビームを輸送する輸送系と、前記ビームを被検体に対して照射する照射装置とを有し、
　前記輸送系は、前記ビームを偏向させる電磁石装置を含み、前記電磁石装置は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電磁石装置であることを特徴とする粒子線治療装置。