JP2016007456A - Particle beam therapy system and method of initializing electromagnet - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は陽子線または炭素イオン線等の重イオン線の照射によって、がんなどの腫瘍を治療する粒子線治療システムに関する。 The present invention relates to a particle beam treatment system for treating a tumor such as cancer by irradiation with a heavy ion beam such as a proton beam or a carbon ion beam.
がん治療法の一つとして、患部に陽子あるいは炭素イオン等の重イオン線を照射する粒子線治療が知られている。陽子や炭素イオン等のイオンを高エネルギーで物質に入射すると、飛程の終端で多くのエネルギーを失う。粒子線治療では、この性質を利用し、がん細胞で多くのエネルギーを失うように、イオンビームを患者に照射する。すると、周囲の健康な組織への損傷を抑えつつ、がん細胞を破壊できる。粒子線治療ではイオンビームの空間的な広がりとエネルギーを調整し、患部の形状に合わせた線量分布を形成する。 As one of the cancer treatment methods, particle beam therapy is known in which an affected area is irradiated with heavy ion beams such as protons or carbon ions. When ions such as protons and carbon ions are incident on a material with high energy, a lot of energy is lost at the end of the range. In particle beam therapy, this property is used to irradiate the patient with an ion beam so that cancer cells lose a lot of energy. Then, cancer cells can be destroyed while suppressing damage to surrounding healthy tissues. In particle beam therapy, the spatial spread and energy of the ion beam are adjusted to form a dose distribution that matches the shape of the affected area.
イオンビームはイオン源で生成したイオンを加速器で加速することで得る。ビームは加速器から輸送装置を経て、照射装置に輸送される。照射装置は患部の形状に合わせた線量分布を形成する。線量分布の形成方法にはビームを散乱体に当て、ビーム形状を患部形状に一致させる散乱体照射法と、細く絞ったビームを電磁石で患部に沿って走査して患部に線量を付与するスキャニング照射法がある。いずれの照射法においても、加速器としてシンクロトロンやサイクロトロンを用いる場合、磁場の発生に電磁石を用いる。また輸送装置において、イオンビームを偏向するために電磁石を用いる。これら、粒子線治療に用いられる電磁石磁場の精度を確保するために、起動時には電磁石の初期化を実施する。特許文献１に記載のように、初期化では電磁石の励磁電流を最小から最大の間で励磁減磁をするパターン運転を何回か行う。 The ion beam is obtained by accelerating ions generated by an ion source with an accelerator. The beam is transported from the accelerator through the transport device to the irradiation device. The irradiation device forms a dose distribution that matches the shape of the affected area. The method of forming the dose distribution is a scatterer irradiation method in which the beam is applied to the scatterer and the beam shape matches the shape of the affected area, and scanning irradiation that scans the narrowly focused beam along the affected area with an electromagnet to give the affected area a dose. There is a law. In any irradiation method, when a synchrotron or a cyclotron is used as an accelerator, an electromagnet is used to generate a magnetic field. In the transport apparatus, an electromagnet is used to deflect the ion beam. In order to ensure the accuracy of the electromagnet magnetic field used for the particle beam therapy, the electromagnet is initialized at the time of startup. As described in Patent Document 1, in the initialization, pattern operation is performed several times to demagnetize the excitation current of the electromagnet between the minimum and maximum.
従来の粒子線治療システム用の電磁石の初期化においては、予め定めた回数のパターン運転を行っていた。しかし、決まった回数の励磁パターンを実施する初期化運転では、磁場の精度を確保するために多数回のパターン励磁が必要であり、粒子線治療システムの稼働率低下の原因となっていた。とくに、スキャニング照射法においては輸送装置の偏向電磁石の磁場のずれがイオンビームの照射位置に影響するため高精度な磁場が求められおり、定数回のパターン励磁では求める磁場精度が得られない時があり、その場合再度初期化運転を必要とするなど、さらに稼働率低下の原因となりえた。 In the initialization of an electromagnet for a conventional particle beam therapy system, a pattern operation is performed a predetermined number of times. However, in the initialization operation in which a predetermined number of excitation patterns are performed, many times of pattern excitation are necessary to ensure the accuracy of the magnetic field, which causes a reduction in the operating rate of the particle beam therapy system. In particular, in the scanning irradiation method, since the deviation of the magnetic field of the deflecting electromagnet of the transport device affects the irradiation position of the ion beam, a highly accurate magnetic field is required, and the required magnetic field accuracy cannot be obtained with constant pattern excitation. In this case, it may be necessary to perform initialization operation again, which may cause a further decline in operating rate.
上記課題を解決するために、本発明の粒子線治療システム及び電磁石の初期化方法は、電磁石の初期化運転においてパターン励磁が完了すると、電磁石への励磁電流と励起された磁場の関係が許容範囲内に入っていることを確認する。 In order to solve the above problems, the particle beam therapy system and the electromagnet initialization method of the present invention are such that when pattern excitation is completed in the electromagnet initialization operation, the relationship between the excitation current to the electromagnet and the excited magnetic field is within an allowable range. Make sure that it is inside.
さらに好ましくは、荷電粒子ビームを加速する加速器と、加速された荷電粒子ビームを照射点まで導く輸送装置を備える粒子線治療システムにおいて、加速器及び輸送装置のうち少なくともいずれか一方を構成する電磁石と、電磁石に電流を出力する電源装置と、荷電粒子ビームの照射点への照射前に、指定されたパターンの電流を出力して電磁石を初期化するように電源装置を制御する制御装置と、電磁石が励磁する磁場を測定する磁場測定手段と、電源装置の出力電流を測定する電流測定手段と、初期化中に磁場測定手段で測定した磁場及び電流測定手段で測定した電流の値があらかじめ指定した条件を満たすか否かを判定する測定データ処理装置を備え、制御装置は測定データ処理装置の判定結果によって電磁石の初期化を終了させる粒子線治療システムである。 More preferably, in a particle beam therapy system comprising an accelerator for accelerating a charged particle beam, and a transport device for guiding the accelerated charged particle beam to an irradiation point, an electromagnet constituting at least one of the accelerator and the transport device; A power supply device that outputs current to the electromagnet, a control device that controls the power supply device to output a current of a specified pattern and initialize the electromagnet before irradiation of the irradiation point of the charged particle beam, and an electromagnet Magnetic field measuring means for measuring the magnetic field to be excited, current measuring means for measuring the output current of the power supply device, the magnetic field measured by the magnetic field measuring means during initialization, and the current values measured by the current measuring means are specified in advance. A measurement data processing device that determines whether or not the condition is satisfied, and the control device ends the initialization of the electromagnet according to the determination result of the measurement data processing device It is a child-ray treatment system.
また好ましくは、加速器及び輸送装置のうち少なくともいずれか一方を構成する電磁石に対して、指定された初期化パターンの電流で初期化する電磁石の初期化方法であって、電磁石が励磁する磁場を測定する磁場測定ステップと、電磁石に出力する電源装置の電流を測定する電流測定ステップと、磁場測定ステップで測定した磁場及び電流測定ステップで測定した電流の値があらかじめ指定した条件を満たすか否かを判定する測定処理ステップと、測定処理ステップの判定結果に基づいて、電磁石の初期化の終了又は初期化の継続を判定する初期化判定ステップを備える電磁石の初期化方法である。 Preferably, the electromagnet is initialized with a current having a specified initialization pattern for an electromagnet constituting at least one of an accelerator and a transport device, and a magnetic field excited by the electromagnet is measured. The magnetic field measurement step, the current measurement step for measuring the current of the power supply device output to the electromagnet, the magnetic field measured in the magnetic field measurement step, and whether or not the current value measured in the current measurement step satisfies a predetermined condition. An electromagnet initialization method comprising a measurement processing step to be determined, and an initialization determination step for determining whether the initialization of the electromagnet is finished or continued, based on the determination result of the measurement processing step.
本発明によれば、電磁石の磁場の精度を確保するとともに少ないパターン運転回数で初期化運転を完了でき、装置の稼働率向上と磁場精度の確保を両立できる。 According to the present invention, the accuracy of the magnetic field of the electromagnet can be ensured and the initialization operation can be completed with a small number of pattern operations, so that both improvement of the operating rate of the apparatus and securing of the magnetic field accuracy can be achieved.
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しつつ本発明の第１の実施形態を説明する。本実施例は加速器としてシンクロトロンを用いた粒子線治療システムであり、粒子線として陽子ビームを用いる例について説明する。
(First embodiment)
The first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. The present embodiment is a particle beam therapy system using a synchrotron as an accelerator, and an example using a proton beam as a particle beam will be described.
図１には、本実施例の全体構成図を示す。本実施例の粒子線治療システム１００はイオン源２００、入射器３００、シンクロトロン４００、ビーム輸送装置５００、回転ガントリー６００、照射装置７００を備える。 FIG. 1 shows an overall configuration diagram of the present embodiment. The particle beam therapy system 100 of this embodiment includes an ion source 200, an injector 300, a synchrotron 400, a beam transport device 500, a rotating gantry 600, and an irradiation device 700.
イオン源２００にて治療用のビームとする陽子を発生させ、入射器３００において運動エネルギー７ＭｅＶまで予備加速される。その後にシンクロトロン４００に入射され、その後治療に用いるエネルギーまで加速される。本実施例の粒子線治療システム１００では、例えばシンクロトロン４００で加速できるビームの運動エネルギーは、最大２３０ＭｅＶである。また、２３０ＭｅＶ以下で任意に指定された運動エネルギーのビームをシンクロトロン４００から取り出すことができる。実際の治療時には患者ごとに作成された治療計画に従って、シンクロトロン４００から取り出されるビームの運動エネルギーは決定される。シンクロトロン４００から取り出されるビームは取り出し用偏向電磁石４１０を通過して輸送装置５００に導入される。 Protons to be used as a therapeutic beam are generated in the ion source 200, and pre-accelerated to a kinetic energy of 7 MeV in the injector 300. Thereafter, the light is incident on the synchrotron 400 and then accelerated to the energy used for treatment. In the particle beam therapy system 100 of the present embodiment, for example, the kinetic energy of a beam that can be accelerated by the synchrotron 400 is 230 MeV at the maximum. In addition, a beam of kinetic energy arbitrarily designated at 230 MeV or less can be extracted from the synchrotron 400. During actual treatment, the kinetic energy of the beam extracted from the synchrotron 400 is determined according to a treatment plan created for each patient. The beam extracted from the synchrotron 400 passes through the extraction deflecting magnet 410 and is introduced into the transport apparatus 500.
輸送装置５００は建屋に対して固定された固定輸送装置５１０と回転軸６１０を軸として回転可能な回転ガントリー６００に固定された回転輸送装置６２０が直列に接続されている。回転輸送装置６２０の最下流は照射点６３０であり、治療時においては照射点６３０に患部が位置するように患者をベッドに固定している。この状態でビームを照射することで、治療計画によって定められた線量が患部に付与される。粒子線治療システム１００はスキャニング照射法で照射する照射装置７００を備え、照射装置７００にはビームの軌道に対して垂直な平面内の直交する二方向に独立にビームが走査できるように二台の走査電磁石を備えている。輸送装置５００内のビーム経路５２０は、真空ポンプによって真空引きされており、経路５２０中にはビームを偏向させる偏向電磁石５１１、６１１〜６１３およびビームを収束あるいは発散させる四極電磁石５２１〜５２７、６２１〜６２６が設置されている。他に図示されていないが、ビームの位置と形状を測定するプロファイルモニタやビームの軌道を補正するステアリング電磁石などが設置されている。各電磁石はそれぞれ電源に接続されており電源から電磁石に電流を供給することで各電磁石の磁場が励起される。輸送装置５００に設置された偏向電磁石５２１と四極電磁石５２１〜５２７、６２１〜６２６については指示した直流電流を出力する直流電源が接続されている。 In the transport device 500, a fixed transport device 510 fixed to a building and a rotary transport device 620 fixed to a rotating gantry 600 that can rotate around a rotating shaft 610 are connected in series. The most downstream side of the rotary transport device 620 is an irradiation point 630, and the patient is fixed to the bed so that the affected part is located at the irradiation point 630 during treatment. By irradiating the beam in this state, the dose determined by the treatment plan is given to the affected area. The particle beam therapy system 100 includes an irradiation apparatus 700 that performs irradiation using a scanning irradiation method. The irradiation apparatus 700 includes two units so that the beam can be independently scanned in two orthogonal directions within a plane perpendicular to the beam trajectory. A scanning electromagnet is provided. The beam path 520 in the transport device 500 is evacuated by a vacuum pump. In the path 520, deflection electromagnets 511 and 611 to 613 for deflecting the beam and quadrupole electromagnets 521 to 527 and 621 for converging or diverging the beam are provided. 626 is installed. Although not shown in the drawings, a profile monitor that measures the position and shape of the beam and a steering electromagnet that corrects the trajectory of the beam are installed. Each electromagnet is connected to a power source, and the magnetic field of each electromagnet is excited by supplying a current from the power source to the electromagnet. The deflection electromagnet 521 and the quadrupole electromagnets 521 to 527 and 621 to 626 installed in the transport apparatus 500 are connected to a direct current power source that outputs a designated direct current.
粒子線治療システム１００を構成するシンクロトロン４００は、４台の偏向電磁石４１１〜４１４を持つ４回対称シンクロトロンを例に説明する。他にシンクロトロン４００は、四極電磁石４２１〜４２４、六極電磁石４３１〜４３２、高周波加速空胴４４０、ビーム位置モニタ４５０が備えられている。シンクロトロン４００の偏向電磁石４１１〜４１４、四極電磁石４２１〜４２４および六極電磁石４２１〜４２２には時間に依存したパターン電流を周期的に出力するパターン電源に接続されている。これらの電流パターンは予め取り出すビームのエネルギー毎に調整者によって決められている。偏向電磁石４１２には磁場測定装置４６０が装着されており、偏向電磁石４１２が励起される磁場測定している。磁場測定装置４６０はプローブとしてホール素子を用いた磁場測定装置であり、偏向電磁石４１２のギャップ近くに設置されたホール素子により、偏向電磁石４１２が励磁する磁場を測定する。シンクロトロン４００の偏向電磁石４１２に接続する偏向電磁石電源４６０の出力電流をＤＣＣＴによって電流測定装置４７０が測定している。これら磁場測定装置４６０と電流測定装置４７０は後に述べる初期化運転中に一定周期でそれぞれの測定結果を測定データ処理装置８００に測定結果を送信している。 The synchrotron 400 constituting the particle beam therapy system 100 will be described by taking a four-fold symmetric synchrotron having four deflecting electromagnets 411 to 414 as an example. In addition, the synchrotron 400 includes quadrupole electromagnets 421 to 424, hexapole electromagnets 431 to 432, a high-frequency acceleration cavity 440, and a beam position monitor 450. The deflection electromagnets 411 to 414, the quadrupole electromagnets 421 to 424, and the hexapole electromagnets 421 to 422 of the synchrotron 400 are connected to a pattern power source that periodically outputs a time-dependent pattern current. These current patterns are determined in advance by the adjuster for each beam energy to be extracted. The deflection electromagnet 412 is equipped with a magnetic field measuring device 460 to measure the magnetic field excited by the deflection electromagnet 412. The magnetic field measuring device 460 is a magnetic field measuring device using a Hall element as a probe, and measures a magnetic field excited by the deflecting electromagnet 412 by a Hall element installed near the gap of the deflecting electromagnet 412. The current measuring device 470 measures the output current of the deflection electromagnet power supply 460 connected to the deflection electromagnet 412 of the synchrotron 400 by DCCT. These magnetic field measuring device 460 and current measuring device 470 transmit the measurement results to the measurement data processing device 800 at regular intervals during the initialization operation described later.
シンクロトロン４００の偏向電磁石４１１〜４１４の端面はビーム軌道に対して垂直から２０度傾いている。この角度をエッジ角と称し、偏向電磁石の端面にエッジ角を付けることでビームから見て横方向に磁場分布に傾きを付けることができる。その結果、偏向面に対して垂直な方向にずれたビーム対して収束力が働く。また、偏向電磁石４１１〜４１４の内部ではほぼ一様な磁場が励起されており、一様磁場によって偏向面に平行な方向にずれたビームに対して収束力を働かせることができる。この偏向面に対して垂直方向と平行方向において収束力を働かせることで、ビームはシンクロトロン４００の内部を安定に周回できる。設計軌道からずれたビームはこの収束力によって振動し、その振動数をベータトロン振動数という。ベータトロン振動数とビームのシンクロトロン４００内の周回周波数の比をチューンという。 The end faces of the deflecting electromagnets 411 to 414 of the synchrotron 400 are inclined 20 degrees from the vertical with respect to the beam trajectory. This angle is referred to as an edge angle. By attaching an edge angle to the end face of the deflection electromagnet, the magnetic field distribution can be inclined in the lateral direction as viewed from the beam. As a result, a converging force acts on the beam shifted in the direction perpendicular to the deflection surface. In addition, a substantially uniform magnetic field is excited inside the deflection electromagnets 411 to 414, and a convergence force can be applied to a beam shifted in a direction parallel to the deflection surface by the uniform magnetic field. The beam can circulate stably inside the synchrotron 400 by applying a converging force to the deflecting surface in a direction perpendicular to the vertical direction. The beam deviated from the design trajectory vibrates due to the convergence force, and the frequency is called the betatron frequency. The ratio between the betatron frequency and the orbital frequency in the synchrotron 400 of the beam is called tune.
本システムの動作を図２に示すフローに表す。治療時は、まず患者を治療室に入室させる（ステップＳ１）。入室した患部をベッドの固定し、患者の患部が照射点位置となるように位置決めが行われる（ステップＳ２）。 The operation of this system is shown in the flow shown in FIG. At the time of treatment, the patient is first entered into the treatment room (step S1). The affected part that has entered the room is fixed to the bed, and positioning is performed so that the affected part of the patient becomes the irradiation point position (step S2).
その後、システム操作者はインターフェイス（入力装置）９１０を通じ、制御装置９２０に患者ごとに計画された治療計画を入力する（ステップＳ３）。この治療計画によって、照射するビームのエネルギー・回転ガントリー６００の回転角度によって定める照射方向・照射スポット位置・スポット毎に照射する線量が指定される。 Thereafter, the system operator inputs a treatment plan planned for each patient to the control device 920 through the interface (input device) 910 (step S3). This treatment plan specifies the irradiation direction, irradiation spot position, and dose to be irradiated for each spot determined by the energy of the beam to be irradiated and the rotation angle of the rotating gantry 600.
次に、粒子線治療システム１００は初期化運転の段階に移行する（ステップＳ４）。初期化ではシンクロトロン４００の偏向電磁石４１１〜４１４および輸送装置の偏向電磁石５１１、６１１〜６１３を、図３に示すような電流のパターン（初期化パターン）に従いパターン励磁される。初期化パターンは最小磁場（Ｂｍｉｎ）と最大磁場（Ｂｍａｘ）の間で励磁と減磁を繰り返すパターンである。パターン励磁後、後述する処理によって測定データ処理装置８００によって初期化完了の判定をする。初期化完了判定が測定データ処理装置８００によってなされると初期化運転は完了し、粒子線治療システム１００は照射指令待ちの段階に移行する（ステップＳ５）。照射指令待ちの段階では、シンクロトロン４００の各電磁石は最初に照射するビームの運動エネルギーに基づき予め調整された電流パターンによって運転され、輸送装置５００の各電磁石は予め調整された励磁量で励磁される。 Next, the particle beam therapy system 100 proceeds to the initialization operation stage (step S4). In the initialization, the deflection electromagnets 411 to 414 of the synchrotron 400 and the deflection electromagnets 511 and 611 to 613 of the transport apparatus are subjected to pattern excitation according to the current pattern (initialization pattern) as shown in FIG. The initialization pattern is a pattern in which excitation and demagnetization are repeated between the minimum magnetic field (Bmin) and the maximum magnetic field (Bmax). After the pattern excitation, the measurement data processing device 800 determines completion of initialization by a process described later. When the initialization completion determination is made by the measurement data processing device 800, the initialization operation is completed, and the particle beam therapy system 100 shifts to an irradiation command waiting stage (step S5). At the stage of waiting for the irradiation command, each electromagnet of the synchrotron 400 is operated with a current pattern adjusted in advance based on the kinetic energy of the beam to be irradiated first, and each electromagnet of the transport apparatus 500 is excited with a previously adjusted excitation amount. The
そして、操作者により照射開始の指令がなされると、前段加速器からビームが出力され、シンクロトロン４００は入射・加速・取り出し・減速を一つのサイクルとして運転される。運転中のシンクロトロン４００の偏向電磁石４１１〜４１４は、図４に示すようなパターンで運転される。運転サイクルは入射期間Ｔｉｎｊ、加速期間Ｔａｃｃ、取り出し準備期間Ｔｗ、取り出し期間Ｔｅｘｔ、減速期間Ｔｄｅｃの期間に分けられる。最初の期間は入射期間Ｔｉｎｊである。入射期間Ｔｉｎｊ中は入射器３００からのビームをシンクロトロン内に導入し周回させる。その際、偏向電磁石磁場は最小磁場（Ｂｉ）に保持されている。入射期間Ｔｉｎｊで入射器３００からのビームがシンクロトロン４００内に蓄積されると加速期間Ｔａｃｃに移る。加速器間Ｔａｃｃでは磁場を増加させるとともに、高周波加速空胴４４０に高周波電場を励起し、その周波数を加速期間中に増大させる。すると、シンクロトロン４００内を周回するビームは高周波電場でバンチ化し加速される。目標のエネルギーまで加速されると出射準備期間Ｔｗに移る。出射準備期間Ｔｗでの磁場（Ｂｅ）はエネルギー毎に決まり、期間中一定に保持される。出射準備期間Ｔｗでは四極電磁石４２１〜４２４と六極電磁石４３１、４３２の励磁量を変化させる。 When the operator gives an instruction to start irradiation, a beam is output from the pre-accelerator, and the synchrotron 400 is operated with one cycle of incident / acceleration / removal / deceleration. The bending electromagnets 411 to 414 of the operating synchrotron 400 are operated in a pattern as shown in FIG. The operation cycle is divided into an incident period Tinj, an acceleration period Tacc, an extraction preparation period Tw, an extraction period Text, and a deceleration period Tdec. The first period is the incident period Tinj. During the incident period Tinj, the beam from the injector 300 is introduced into the synchrotron and circulated. At that time, the deflection electromagnet magnetic field is kept at the minimum magnetic field (Bi). When the beam from the injector 300 is accumulated in the synchrotron 400 in the incident period Tinj, the acceleration period Tacc is started. In the inter-accelerator Tacc, the magnetic field is increased and a high-frequency electric field is excited in the high-frequency acceleration cavity 440 to increase the frequency during the acceleration period. Then, the beam that circulates in the synchrotron 400 is bunched and accelerated by a high-frequency electric field. When the target energy is accelerated, the emission preparation period Tw starts. The magnetic field (Be) in the extraction preparation period Tw is determined for each energy and is kept constant throughout the period. In the extraction preparation period Tw, the excitation amounts of the quadrupole electromagnets 421 to 424 and the hexapole electromagnets 431 and 432 are changed.
本実施例のシンクロトロン４００では取り出し方法として、横方向の高周波電場によってビームのベータトロン振動の振幅を三次共鳴条件下で増幅させ、六極電磁石４３１、４３２の励磁量で決まる安定境界の外にビームを取り出し、取り出し用偏向電磁石４１０に導く高周波取り出し法を例に説明する。出射準備期間Ｔｗで四極電磁石４２１〜４２４と六極電磁石４３１、４３２の励磁量を変化させることで、取り出しに好適なベータトロン振動数と安定領域の大きさとする。高周波取り出し法に必要な磁場が整ったら出射期間Ｔｅｘｔに移行する。出射期間Ｔｅｘｔでは横方向高周波電圧を高周波電極（図示せず）に印加することでビームに横方向キックを付与し、ベータトロン振動振幅を大きくし、安定限界から外れた粒子を取り出し用電磁石４１０よりビームを取り出す。蓄積したビームがすべて取り出された場合や、治療計画に基づくエネルギー変更が必要となった場合や、所定の時間が出射期間Ｔｅｘｔにおいて経過したなどの場合には減速期間Ｔｄｅｃに移行する。減速期間Ｔｄｅｃでは取り出しのために励磁した四極電磁石４２１〜４２４と六極電磁石４４１、４４２の励磁量をもとに戻し、偏向電磁石４１１〜４１４の磁場と高周波加速空胴４３０に印加される高周波電圧の周波数を下げる。この際、ヒステリシスによる偏向電磁石の状態を一定にするため、一度最大磁場Ｂｍａｘまで励磁した後に、最小磁場Ｂｍｉnまで減磁する。この間、シンクロトロン４００内のビームは減速されたのち、次の入射に備えて最終的に廃棄される。以上を１サイクルとしてシンクロトロン４００は運転される。 In the synchrotron 400 according to the present embodiment, as an extraction method, the amplitude of the betatron oscillation of the beam is amplified under a third-order resonance condition by a high-frequency electric field in the lateral direction, and outside the stable boundary determined by the excitation amounts of the hexapole electromagnets 431 and 432. A description will be given of an example of a high-frequency extraction method in which a beam is extracted and guided to the extraction deflection electromagnet 410. By changing the excitation amounts of the quadrupole electromagnets 421 to 424 and the hexapole electromagnets 431 and 432 in the emission preparation period Tw, the betatron frequency suitable for extraction and the size of the stable region are obtained. When the magnetic field necessary for the high-frequency extraction method is prepared, the emission period Text is started. In the emission period Text, a transverse high-frequency voltage is applied to a high-frequency electrode (not shown) to impart a transverse kick to the beam, increase the betatron oscillation amplitude, and take out particles out of the stability limit from the electromagnet 410. Take out the beam. When all the accumulated beams are taken out, when it is necessary to change the energy based on the treatment plan, or when a predetermined time elapses in the extraction period Text, the process proceeds to the deceleration period Tdec. In the deceleration period Tdec, the excitation amounts of the quadrupole electromagnets 421 to 424 and the hexapole electromagnets 441 and 442 excited for extraction are restored, and the magnetic field of the deflection electromagnets 411 to 414 and the high frequency voltage applied to the high frequency acceleration cavity 430 are restored. Reduce the frequency. At this time, in order to make the state of the deflection electromagnet due to hysteresis constant, the magnetic field is once demagnetized to the minimum magnetic field Bmin after being excited to the maximum magnetic field Bmax. During this time, the beam in the synchrotron 400 is decelerated and finally discarded for the next incident. The synchrotron 400 is operated with the above as one cycle.
ここで、本実施例の特徴である電磁石の初期化運転の原理と方法について詳細を述べる。初期化運転には電磁石の磁極を構成する強磁性体の履歴効果（ヒステリシス）による磁化のばらつきを小さくする目的がある。一般的な強磁性体の磁束密度（Ｂ）と磁場（Ｈ）はＢＨ平面で図５の点線に示すように、励磁時と減磁時で異なる経路を取る特徴がある。この性質をヒステリシスと称する。ヒステリシスにより同一の励磁電流に対して電磁石が励磁する磁場がばらつく。励磁される磁場がばらつくと、シンクロトロン４００内を周回するビームの位置がずれ、取り出されるビームのエネルギーがばらつく他、ビームの量が低下するなどの悪影響がある。さらには、偏向電磁石のエッジにおける収束力がばらつき、ビームが安定に周回できないなどの問題が生じ、ひいては治療に時間がかかってしまい、患者の負担や治療スループットの低下につながる。磁場のばらつきを抑えるため、初期化運転では所定回数減磁と励磁を繰り返し、磁極がたどるＢＨ曲線を一定の曲線に定める。 Here, the principle and method of the initialization operation of the electromagnet, which is a feature of this embodiment, will be described in detail. The initialization operation has the purpose of reducing the variation in magnetization due to the hysteresis effect (hysteresis) of the ferromagnetic material constituting the magnetic pole of the electromagnet. The magnetic flux density (B) and magnetic field (H) of a general ferromagnet are characterized by taking different paths during excitation and demagnetization as shown by the dotted line in FIG. 5 on the BH plane. This property is called hysteresis. Hysteresis varies the magnetic field excited by the electromagnet for the same excitation current. If the excited magnetic field varies, the position of the beam circulating around the synchrotron 400 is shifted, and the energy of the extracted beam varies, and the amount of the beam decreases. Furthermore, the convergence force at the edge of the deflecting electromagnet varies, causing problems such as the inability of the beam to circulate stably, and as a result, treatment takes time, leading to reduced patient burden and treatment throughput. In order to suppress variations in the magnetic field, the demagnetization and excitation are repeated a predetermined number of times in the initialization operation, and the BH curve followed by the magnetic pole is determined as a constant curve.
最終的に収束するＢＨ曲線をローカルループ（図５中の曲線a）と呼ぶ。磁極がたどるＢＨ曲線がローカルループに収束するまでに必要とする初期化パターンの励磁回数は初期化前の磁極の磁化の状態に依存する。すなわち、初期化前の磁極の磁化状態がローカルループに近ければ１〜２回程度の初期化パターンで収束する一方で、初期化前の磁極の磁化状態がローカルループから遠い場合は１０回程度必要とすることもある。 The BH curve that finally converges is called a local loop (curve a in FIG. 5). The number of times of excitation of the initialization pattern required until the BH curve followed by the magnetic pole converges to the local loop depends on the magnetization state of the magnetic pole before initialization. In other words, if the magnetization state of the magnetic pole before initialization is close to the local loop, it converges with an initialization pattern of about 1 to 2 times. On the other hand, if the magnetization state of the magnetic pole before initialization is far from the local loop, about 10 times are required. Sometimes.
従来の初期化運転ではローカルループへの収束を確実に実現するため、予め定められた回数の初期化パターンを励磁していた。この場合、初期化パターンの励磁回数は多く（例えば１０回）設定せざるを得ない。すると、初期化前の磁極の状態によっては１回の初期化パターン励磁で初期化が完了する場合においても１０回の初期化パターン励磁をすることとなり、その場合治療の前段階の初期化運転で余分な時間をかけているといえる。 In the conventional initialization operation, a predetermined number of initialization patterns are excited in order to reliably realize convergence to the local loop. In this case, the number of times of excitation of the initialization pattern must be set large (for example, 10 times). Then, depending on the state of the magnetic pole before the initialization, even when the initialization is completed by one initialization pattern excitation, the initialization pattern excitation is performed 10 times. In this case, the initialization operation before the treatment is performed. It can be said that extra time is spent.
そこで、本実施例の初期化運転では以下に述べる手法により初期化運転の効果を維持しつつ、従来手法よりも短時間で初期化運転を完了させる。本実施例の初期化運転のフロー図を図６に示す。 Therefore, in the initialization operation of this embodiment, the initialization operation is completed in a shorter time than the conventional method while maintaining the effect of the initialization operation by the method described below. FIG. 6 shows a flowchart of the initialization operation of this embodiment.
まず、初期化運転を開始したら従来と同様の図２に示す初期化パターンを１回励磁する（ステップＳ１１）。励磁中は電流測定装置４７０が電磁石電源９３０からの出力励磁電流値を測定し、磁場測定装置４６０が偏向電磁石４１２の励起磁場を測定している。１回の初期化パターン励磁が完了したら、電流測定装置４７０と磁場測定装置４６０の測定結果を測定データ処理装置８６０が解析する。測定データ処理装置８６０は電流の測定値（Ｉ）と磁場の測定値（Ｂ）から図７に示すＩＢ平面上のデータとしてＩＢ平面上にプロットしＨＭＩ９１０上に表示するとともに、予め定められた範囲内８０１に入っているか否かを判定する（ステップＳ１２）。加えて、測定データ処理装置８００は、電流の測定値（Ｉ）と磁場の測定値（Ｂ）のループが閉じていることも確認する。すなわち初期化パターンにおいて、最大磁場を励磁する前の最小磁場の値と、最大磁場まで励磁した後に減磁後到達した最小磁場の値が所定の範囲８０２で一致していることを確認する。そして、すべての測定したＩとＢの測定結果が定められた範囲８０１内に入っており、かつ励磁前と励磁後の最小磁場の値が所定の範囲内８０２で一致している場合は初期化が完了したと判定し、初期化運転を終了する（ステップＳ１３）。翻って、１つ以上の電流の測定値（Ｉ）と磁場の測定値（Ｂ）の測定結果が定められた範囲８０１内に入っていなかった場合は再度初期化パターン励磁し、ＩとＢの測定とその後の初期化終了の判定を繰り返す。初期化終了か再度初期化の判定は判定処理がなされるたびにＨＭＩ９１０を構成する表示装置の表示画面内で逐次更新され、操作者が表示画面を見ることで、現在初期化運転中か照射指示待ち中なのかわかるようになっている。 First, when the initialization operation is started, the same initialization pattern as shown in FIG. 2 is excited once (step S11). During excitation, the current measurement device 470 measures the output excitation current value from the electromagnet power source 930, and the magnetic field measurement device 460 measures the excitation magnetic field of the deflection electromagnet 412. When the initialization pattern excitation is completed once, the measurement data processing device 860 analyzes the measurement results of the current measuring device 470 and the magnetic field measuring device 460. The measurement data processor 860 plots data on the IB plane as data on the IB plane shown in FIG. 7 from the measured current value (I) and the measured magnetic field value (B), displays the data on the HMI 910, and displays a predetermined range. It is determined whether or not it is within 801 (step S12). In addition, the measurement data processing device 800 confirms that the loop of the current measurement value (I) and the magnetic field measurement value (B) is closed. That is, in the initialization pattern, it is confirmed that the value of the minimum magnetic field before exciting the maximum magnetic field and the value of the minimum magnetic field reached after demagnetizing after exciting up to the maximum magnetic field are in a predetermined range 802. If all measured I and B measurement results are within the predetermined range 801 and the value of the minimum magnetic field before and after excitation is within the predetermined range 802, initialization is performed. Is completed and the initialization operation is terminated (step S13). On the other hand, if the measurement results of one or more current measurement values (I) and magnetic field measurement values (B) are not within the defined range 801, the initialization pattern is excited again, and I and B Repeat measurement and subsequent end-of-initialization decision. Whether the initialization is completed or the initialization is again performed is updated sequentially in the display screen of the display device constituting the HMI 910 every time the determination process is performed, and the operator views the display screen to determine whether the initialization operation is currently in progress You can see if you are waiting.
この手法によれば初期化運転の目的であるローカルループへの収束が完了した時点で測定データ処理装置８００の判断により、初期化運転が完了し、従来の初期化運転で問題であった余分なパターン励磁を省くことができ、より短時間で照射指示待ちに移行することができる。 According to this method, when the convergence to the local loop, which is the purpose of the initialization operation, is completed, the initialization operation is completed by the determination of the measurement data processing device 800, and the extra operation that has been a problem in the conventional initialization operation is completed. Pattern excitation can be omitted, and it is possible to shift to waiting for an irradiation instruction in a shorter time.
本実施例による電磁石の初期化方法および粒子線治療システムでは、初期化運転においてパターン励磁が完了すると、電磁石への励磁電流と励起された磁場の関係が許容範囲内に入っていることを確認するため、電磁石の磁場の精度を確保するとともに少ないパターン運転回数で初期化運転を完了でき、装置の稼働率向上と磁場精度の確保を両立できる。初期化運転においてパターン励磁が完了するたびに電磁石への励磁電流と励起された磁場の関係が許容範囲内に入っていることを確認してもよい。 In the electromagnet initialization method and particle beam therapy system according to the present embodiment, when pattern excitation is completed in the initialization operation, it is confirmed that the relationship between the excitation current to the electromagnet and the excited magnetic field is within the allowable range. Therefore, while ensuring the accuracy of the magnetic field of the electromagnet, the initialization operation can be completed with a small number of pattern operations, and it is possible to improve both the operating rate of the apparatus and ensure the magnetic field accuracy. It may be confirmed that the relationship between the excitation current to the electromagnet and the excited magnetic field is within the allowable range every time pattern excitation is completed in the initialization operation.
なお、本実施例においては磁場測定装置８０１のプローブをホール素子としたが、ホール素子以外の磁場測定手段、例えばサーチコイルやＮＭＲ素子などを用いてもよい。電流測定装置４７０の手段もＤＣＣＴに限らず、システムの構成に合わせて必要な精度で出力電流が測定でればその具体的な手段を問わない。 In this embodiment, the probe of the magnetic field measuring device 801 is a Hall element, but magnetic field measuring means other than the Hall element, such as a search coil or an NMR element, may be used. The means of the current measuring device 470 is not limited to DCCT, and any specific means may be used as long as the output current can be measured with a required accuracy according to the system configuration.
さらに、磁場測定装置は一つの偏向電磁石に複数あってもよい。一つの偏向電磁石に複数の磁場測定装置が設置されている場合は、図８に示すようにＩＢ平面にプロットされるＩとＢの測定データが２系統できる。これら両方の測定データが指定範囲内に入っていることを以って初期化完了と判断することで、より磁場の再現性の高い初期化を実現できる。 Further, a plurality of magnetic field measuring devices may be provided in one deflection electromagnet. When a plurality of magnetic field measuring devices are installed in one deflection electromagnet, two systems of I and B measurement data plotted on the IB plane can be obtained as shown in FIG. By determining that the initialization is completed when both of these measurement data are within the specified range, initialization with higher reproducibility of the magnetic field can be realized.
さらに、複数の偏向電磁石とその電源に磁場測定装置４６０と同様の磁場測定手段と電流測定装置４７０と同様の電流測定手段を設置してもよい。この場合も前述のケースと同様にＩＢ平面上に複数系列の測定データプロットし、それぞれの系列について指定範囲内外の判定をし、すべての系列のデータが範囲内となれば初期化運転を完了すればよい。 Further, a magnetic field measuring unit similar to the magnetic field measuring device 460 and a current measuring unit similar to the current measuring device 470 may be installed in a plurality of deflection electromagnets and their power sources. In this case, as in the case described above, a plurality of series of measured data is plotted on the IB plane, the inside / outside of the specified range is determined for each series, and the initialization operation is completed when all the series data falls within the range. That's fine.
さらに、図９に示すように、一台の偏向電磁石（例えばここではシンクロトロン４００を構成する偏向電磁石４１２とする）に対して磁場測定手段が複数設置されていてもよい。複数の磁場測定手段が設置される場合、その測定位置を端部近くの設計軌道から水平方向にずれた二か所に磁場測定手段４６１と４６２を設置とすると、磁場測定手段４６１と４６２によって測定される磁場の差が端部における磁場によるビームに対する収束力に比例する。この磁場の差をΔＢとし、ΔＢについても初期化パターン励磁中の振る舞いを図１０に示すようにＩΔＢ平面上にプロットすることができる。このＩΔＢのデータについても同様に指定範囲内８０２に入っているか否かを基に初期化完了の判断基準とすることができる。特にこの場合はエッジによる収束力が初期化によって高精度に再現できるため、ビームの安定性ひいては取り出せるビームの量を高精度に再現でき、治療時間短縮に伴う患者への負担軽減と治療スループット増加につながる。 Furthermore, as shown in FIG. 9, a plurality of magnetic field measuring means may be provided for one deflection electromagnet (for example, the deflection electromagnet 412 constituting the synchrotron 400 here). When a plurality of magnetic field measuring means are installed, if the magnetic field measuring means 461 and 462 are installed at two positions whose measurement positions are shifted in the horizontal direction from the design trajectory near the end, measurement is performed by the magnetic field measuring means 461 and 462. The difference in the applied magnetic field is proportional to the convergence force on the beam by the magnetic field at the end. Assuming that the difference in magnetic field is ΔB, the behavior during initialization pattern excitation for ΔB can be plotted on the IΔB plane as shown in FIG. Similarly, the data of IΔB can be used as a criterion for determining completion based on whether or not the data is within the specified range 802. Especially in this case, the convergence force due to the edge can be reproduced with high accuracy by initialization, so that the stability of the beam and hence the amount of beam that can be extracted can be reproduced with high accuracy, reducing the burden on the patient and shortening the treatment throughput due to shortening of the treatment time. Connected.
１００ 粒子線治療システム
２００ イオン源
３００ 入射器
４００ シンクロトロン
４１０ 取り出し用偏向電磁石
４１１〜４１４ 偏向電磁石
４２１〜４２４ 四極電磁石
４３１〜４３２ 六極電磁石
４４０ 高周波加速空胴
４５０ ビーム位置モニタ
４６０〜４６２ 磁場測定装置
４７０ 電流測定装置
５００ ビーム輸送装置
５１０ 固定輸送装置
５１１ 偏向電磁石
５２０ ビーム経路
５２１〜５２７ 四極電磁石
６００ 回転ガントリー
６１０ 回転軸
６１１〜６１３ 偏向電磁石
６２０ 回転輸送装置
６２１〜６２６ 四極電磁石
６３０ 照射点
７００ 照射装置
８００ 測定データ処理装置
８０１〜８０２ 指定範囲
９１０ ＨＭＩ
９２０ 制御装置
９３０ 電磁石電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Particle beam therapy system 200 Ion source 300 Injector 400 Synchrotron 410 Extraction deflection electromagnets 411-414 Deflection electromagnets 421-424 Quadrupole electromagnets 431-432 Hexapole electromagnet 440 High frequency acceleration cavity 450 Beam position monitor 460-462 Magnetic field measurement apparatus 470 Current measuring device 500 Beam transport device 510 Fixed transport device 511 Bending electromagnet 520 Beam path 521 to 527 Quadrupole electromagnet 600 Rotating gantry 610 Rotating shaft 611 to 613 Bending electromagnet 620 Rotating transporting device 621 to 626 Quadrupole electromagnet 630 Irradiation point 700 Irradiation device 800 Measurement data processing devices 801 to 802 Specified range 910 HMI
920 Controller 930 Electromagnet power supply
Claims (9)
加速された前記荷電粒子ビームを照射点まで導く輸送装置を備える粒子線治療システムにおいて、
前記加速器及び前記輸送装置のうち少なくともいずれか一方を構成する電磁石と、
前記電磁石に電流を出力する電源装置と、
前記荷電粒子ビームの照射点への照射前に、指定されたパターンの電流を出力して前記電磁石を初期化するように前記電源装置を制御する制御装置と、
前記電磁石が励磁する磁場を測定する磁場測定手段と
前記電源装置の出力電流を測定する電流測定手段と、
前記初期化中に前記磁場測定手段で測定した磁場及び前記電流測定手段で測定した電流の値があらかじめ指定した条件を満たすか否かを判定する測定データ処理装置を備え、
前記制御装置は、
前記測定データ処理装置の判定結果によって前記電磁石の初期化を終了させることを特徴とする粒子線治療システム。 An accelerator to accelerate the charged particle beam;
In a particle beam therapy system comprising a transport device for guiding the accelerated charged particle beam to an irradiation point,
An electromagnet constituting at least one of the accelerator and the transport device;
A power supply device for outputting a current to the electromagnet;
A control device for controlling the power supply device so as to initialize the electromagnet by outputting a current of a designated pattern before the irradiation of the charged particle beam to the irradiation point;
Magnetic field measuring means for measuring the magnetic field excited by the electromagnet, current measuring means for measuring the output current of the power supply device,
A measurement data processing device for determining whether the value of the magnetic field measured by the magnetic field measurement unit and the current measured by the current measurement unit during the initialization satisfies a pre-specified condition;
The controller is
The particle beam therapy system characterized in that initialization of the electromagnet is terminated according to a determination result of the measurement data processing device.
前記制御装置は、
前記測定した磁場及び前記測定した電流が予め指定した範囲内になると前記電磁石の初期化を終了させることを特徴とする粒子線治療システム。 The particle beam therapy system according to claim 1, wherein
The controller is
The particle beam therapy system, wherein the initialization of the electromagnet is terminated when the measured magnetic field and the measured current are within a predetermined range.
前記磁場計測手段は、
初期化パターンにおいて、最大磁場を励磁する前の第１の最小磁場の値と、最大磁場まで励磁した後に減磁後到達した第２の最小磁場の値を計測し、
前記制御装置は、
前記第１の最小磁場及び前記第２の最小磁場の値が所定の範囲内になると前記磁場の初期化を終了することを特徴とする粒子線治療システム。 The particle beam therapy system according to claim 1 or 2,
The magnetic field measuring means includes
In the initialization pattern, measure the value of the first minimum magnetic field before exciting the maximum magnetic field and the value of the second minimum magnetic field reached after demagnetization after exciting to the maximum magnetic field,
The controller is
The particle beam therapy system, wherein the initialization of the magnetic field is terminated when the values of the first minimum magnetic field and the second minimum magnetic field fall within a predetermined range.
前記電磁石の初期化の終了もしくは継続を表示する表示装置を備えることを特徴とする粒子線治療システム。 The particle beam therapy system according to any one of claims 1 to 3,
A particle beam therapy system comprising a display device that displays the end or continuation of initialization of the electromagnet.
前記表示装置は、前記測定した磁場及び前記測定した電流と前記あらかじめ指定した条件との比較を表示することを特徴とする粒子線治療システム。 The particle beam therapy system according to claim 4, wherein
The particle beam therapy system, wherein the display device displays a comparison between the measured magnetic field and the measured current and the predesignated condition.
前記電磁石が励磁する磁場を測定する磁場測定ステップと、
前記電磁石に出力する電源装置の電流を測定する電流測定ステップと、
前記磁場測定ステップで測定した前記磁場及び前記電流測定ステップで測定した電流の値があらかじめ指定した条件を満たすか否かを判定する測定処理ステップと、
前記測定処理ステップの判定結果に基づいて、前記電磁石の初期化の終了又は初期化の継続を判定する初期化判定ステップを備えることを特徴とする電磁石の初期化方法。 An electromagnet initialization method that initializes an electromagnet constituting at least one of the accelerator and the transport device with a current of a specified initialization pattern,
A magnetic field measuring step for measuring a magnetic field excited by the electromagnet;
A current measuring step of measuring a current of a power supply device output to the electromagnet;
A measurement processing step for determining whether the value of the magnetic field measured in the magnetic field measurement step and the value of the current measured in the current measurement step satisfy a predetermined condition;
An initialization method for an electromagnet, comprising: an initialization determination step for determining whether the electromagnet is initialized or continued based on a determination result of the measurement processing step.
前記初期化判定ステップは、
前記測定した磁場及び前記測定した電流が予め指定した範囲内になると前記電磁石の初期化を終了させることを特徴とする電磁石の初期化方法。 The electromagnet initialization method according to claim 6,
The initialization determination step includes:
An initialization method for an electromagnet, wherein the initialization of the electromagnet is terminated when the measured magnetic field and the measured current are within a predetermined range.
前記磁場計測ステップは、
初期化パターンにおいて、最大磁場を励磁する前の第１の最小磁場の値と、最大磁場まで励磁した後に減磁後到達した第２の最小磁場の値を計測し、
前記初期化判定ステップは、
前記第１の最小磁場及び前記第２の最小磁場の値が所定の範囲内になると前記磁場の初期化を終了することを特徴とする電磁石の初期化方法。 In the initialization method of the electromagnet according to claim 6 or 7,
The magnetic field measurement step includes
In the initialization pattern, measure the value of the first minimum magnetic field before exciting the maximum magnetic field and the value of the second minimum magnetic field reached after demagnetization after exciting to the maximum magnetic field,
The initialization determination step includes:
An initialization method for an electromagnet, wherein the initialization of the magnetic field is terminated when the values of the first minimum magnetic field and the second minimum magnetic field fall within a predetermined range.
前記電磁石の初期化の終了もしくは継続を表示装置に表示する表示ステップを備えることを特徴とする電磁石の初期化方法。 In the initialization method of the electromagnet according to any one of claims 6 to 8,
An electromagnet initialization method comprising a display step of displaying on the display device the end or continuation of the electromagnet initialization.
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2014
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