專利名稱：消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法
技術領域：
本發明涉及一種用于消除同步加速器磁滯效應影響的加速器的運行方法。
背景技術：
離子束(質子和重離子)以其倒轉的深度劑量分布、側向散射小、較高的相對生物學效應(RB^和低的氧增比(OER)等特點，使離子束治癌成為當今國際上先進、有效的放射治療方法。用于腫瘤細胞放射性治療的重離子貫穿人體時在其通道上損失的能量較小，形成ー個相對低劑量的坪區，而在接近其射程末端時損失其大部分入射動能，形成一個高劑量的能量損失峰，稱Bragg峰。通過改變重離子束流的能量來控制Bragg峰在體內的位置， 進而實現不同深度的腫瘤細胞的治療。目前能夠提供粒子束的裝置為粒子加速器，粒子加速器通常由粒子源、低能束流傳輸線、回旋加速器(或直線加速器)、同步加速器、高能束流傳輸線、治療終端組成。上述加速器的各個組成部分又由不同數量的磁鐵組成，磁鐵由電源供電產生磁場用于約束癌癥治療的重離子束流的注入、引出和終端治療。由于腫瘤細胞在體內的深度與粒子束流的能量相對應，腫瘤細胞的適形治療需要不同引出位置的束流，因此在加速器的運行過程中，為了實現不同形狀、深度的腫瘤細胞的治療，需要精確控制重離子束流的位置和能量，不同能量的重離子束流意味著需要的磁鐵的磁場不同。為了治療不同病人不同位置、大小的腫瘤，加速器需要多次改變引出束流的能量，從而伴隨著整個加速器中磁鐵的磁場曲線的變化，而由于通常的磁性物質都具有保留其磁性的傾向(磁滯效應)，因此造成不同能量下磁場曲線的基準值不同，最終引起重離子束流的位置、強度由于該效應的存在而不同，例如12C6+加速到能量200MeV和300MeV時ニ極磁鐵電源的運行曲線如圖1所示，兩種能量條件下上升的最高磁場值不同，因此造成磁鐵的剩磁量不一致。不同能量下束流的引出位置、強度的不同造成腫瘤病人的治療難度加大、定位不準確，效果變差等一系列效應， 本發明旨在解決上述問題。目前同步加速器中消除磁滯效應的方法很少，可以利用不同能量下改變校正磁鐵的強度實現束流的累積、引出軌道的一致，但是這種方法需進行大量的硬件改進和控制系統升級，而且對于不同的束流能量需要逐一調試，所需時間較長。

發明內容
本發明的目的是提供ー種消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法。本發明旨在從加速器物理控制層改進醫用同步加速器的機器運行模式，統ー不同能量條件下的磁鐵的磁場曲線，使得不同能量條件下束流的累積軌道一致，進而保證束流引出到治療終端的束流的強度、位置的統ー性，避免控制系統的大量升級和硬件改進，節省調節各個束流能量的時間。本發明的目的通過以下技術方案實現ー種消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法，其主要特點包括如下步驟
1)根據用戶不同腫瘤細胞的治療需要，確定同步加速器所需要的束流的最高能量，將其設定為同步加速器運行磁場循環模式所需要的束流的最高能量值；2)束流能量設置模塊連接計算模塊；所述的計算模塊包括有ニ極磁鐵參數計算模塊、四極磁鐵參數計算模塊、六極磁鐵參數計算模塊；所述的計算模塊還與本地數據庫參數模塊相連接；根據束流注入、引出能量設置和磁場循環模式的最高能量值，結合同步加速器物理模擬計算和測磁參數，計算ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵的電源運行曲線，將其寫入ニ進制文件，暫存在本地控制計算機中；3)本地控制計算機連接到遠程Oracle數據庫模塊，將ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵的ニ進制數據包上傳到Oracle數據庫中數據表的BLOB字段，遠程Oracle數據庫包含分析模塊，分析模塊對所述的ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵的ニ進制數據包進行分析，根據ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵電源對應的IP地址信息，通過前端服務器下發運行數據包到相應的電源ARM控制器中；4)所述的前端服務器模塊通過電源ARM控制器模塊連接到數字信號處理器DSP模塊，所述的數字信號處理器模塊連接電源模塊，Oracle數據庫模塊將ニ極磁鐵、四極磁鐵、 六極磁鐵電源數據包下發到數字信號處理器DSP中，利用觸發事例卡發送控制事例到相關電源的數字信號處理器DSP，觸發數據輸出，控制電源按照計算的數據波形輸出電流值。所述的消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法，所述的計算模塊中二極磁鐵參數計算模塊電源數據波形的計算方法如下根據公式^=IMxlO6計算ニ極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的
最高能量時的磁剛度，其中も為粒子的靜止能量，c為光速，A為粒子的質量數，Z為粒子的電荷態數，β為粒子的無量綱速度，Y為相對論因子，其中β和Y需計算在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量條件下的數值；根據ニ極磁鐵的測磁參數差值計算注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量時的ニ極磁鐵電源的電流值，確定ニ極磁鐵電源的運行曲線。所述的消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法，所述的計算模塊中四極磁鐵參數計算模塊電源數據波形的計算方法如下根據最初加速器設計時模擬的Lattice參數，確定四極磁鐵的強度K值，利用公式 K = B' /Bp，和權利2中計算得到的ニ極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量的磁剛度Bp，計算每臺四極磁鐵的磁場梯度B'，進而根據四極磁鐵的測磁參數，插值計算每臺四極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量時的電流值，確定四極磁鐵電源的運行曲線。所述的消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法，所述的計算模塊中六極磁鐵參數計算模塊電源數據波形的計算方法如下根據加速器引出時色品校正的需要和滿足3階共振引出條件，確定六極磁鐵的強度K值，利用公式K = B" /Bp，和權利2中計算得到的ニ極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量的磁剛度B P，計算每臺六極磁鐵的磁場梯度B，進而結合六極磁鐵的測磁參數，差值計算每臺六極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量時的電流值，確定六極磁鐵電源的運行曲線。
所述的消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法，所述的遠程Oracle數據庫模塊包括有分析模塊，所述的分析模塊對ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵電源的數據包進行分折，確定其波形號、數據總量、數據格式是否正確，其中波形號用于控制腫瘤細胞治療所需的加速器的引出能量。遠程數據庫根據ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵對應電源的IP地址信息，下發運行數據包到電源控制器ARM中。所述的消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法，所述的電源控制器ARM連接到電源的信號處理器DSP(Digital Signal Processor)，下發ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵的數據包到DSP中。用戶發送控制事例到DSP中，DSP對控制事例進行對比，如果正確，下發數據包到實際電源中，控制相應電源輸出。本發明的優點和產生的有益效果為整套發明改進易于實施，利用磁鐵磁場的勵磁曲線循環理論，調整加速器物理控制軟件的布局，改進物理控制程序的算法，計算得到磁鐵的勵磁曲線，相比于其他方式節省時間。同時可以控制加速器的運行模式，既可以選擇磁場大循環模式，也可以不選擇該模式，使加速器運行正常的模式，便于正常模式和磁場大循環模式之間的相互切換。產生的有益結果是無需調試不同治療能量下的束流的累積和引出軌道，無需大量的更新校正磁鐵的控制系統，節省加速器運行費用，便于加速器調試人員的操作，提供更加友好的加速器物理控制界面，最終控制不同能量的束流在治療過程中引出到治療終端的束流的位置、強度的一致性，適應于不同腫瘤形狀、大小的治療，進而保證治療終端設備的穩定性。


本發明的具體實施結合附圖進一歩闡述。圖1為同步加速器束流多能量條件下無消除磁滯影響方法的ニ極磁鐵的電源運行曲線；圖2為同步加速器ニ極磁鐵的磁場的電源數據曲線；圖3為同步加速器四極磁鐵的磁場的電源數據曲線；圖4為同步加速器六極磁鐵的磁場的電源數據曲線；圖5為同步加速器的磁鐵電源的運行控制數據的生成、上傳、輸出過程流程圖；圖6為同步加速器束流多能量條件下存在消除磁滯影響方法的的ニ極磁鐵的電源運行曲線。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。本發明的裝置由粒子加速器，粒子加速器通常由粒子源、低能束流傳輸線、回旋加速器(或直線加速器)、同步加速器、高能束流傳輸線、治療終端組成。實施例1 ー種消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法，見圖5，包括如下步驟1)根據用戶1不同腫瘤細胞的治療需要，確定同步加速器所需要的束流的最高能量2，將其設定為同步加速器運行磁場循環模式所需要的束流的最高能量值；
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2)束流能量設置模塊2連接計算模塊3 ；所述的計算模塊包括有ニ極磁鐵參數計算模塊3-1、四極磁鐵參數計算模塊3-2、六極磁鐵參數計算模塊3-3 ；所述的計算模塊3還與本地數據庫參數模塊相連接10 ；根據束流注入、引出能量設置和磁場循環模式的最高能量值，結合同步加速器物理模擬計算和測磁參數，計算ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵的電源運行曲線，將其寫入ニ進制文件，暫存在本地控制計算機10中；3)本地控制計算機10連接到遠程Oracle數據庫模塊4，將ニ極磁鐵、四極磁鐵、 六極磁鐵的ニ進制數據包上傳到Oracle數據庫4中數據表的BLOB字段，遠程Oracle數據庫4包含分析模塊，分析模塊對所述的ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵的ニ進制數據包進行分析，根據ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵電源對應的IP地址信息，通過前端服務器5下發運行數據包到相應的電源ARM控制器6中；4)所述的前端服務器模塊5通過電源ARM控制器模塊6連接到數字信號處理器 DSP模塊7，所述的數字信號處理器模塊7連接電源模塊8，Oracle數據庫模塊將ニ極磁鐵、 四極磁鐵、六極磁鐵電源數據包下發到數字信號處理器DSP中，利用觸發事例卡9發送控制事例到相關電源的數字信號處理器DSP7，觸發數據輸出，控制電源按照計算的數據波形輸出電流值。所述的計算模塊中二極磁鐵參數計算模塊電源數據波形的計算方法如下根據公式十算ニ極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的
最高能量時的磁剛度，其中も為粒子的靜止能量，c為光速，A為粒子的質量數，Z為粒子的電荷態數，β為粒子的無量綱速度，Y為相對論因子，其中β和Y需計算在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量條件下的數值；根據ニ極磁鐵的測磁參數差值計算注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量時的ニ極磁鐵電源的電流值，確定ニ極磁鐵電源的運行曲線。所述的計算模塊中四極磁鐵參數計算模塊電源數據波形的計算方法如下根據最初加速器設計時模擬的Lattice參數，確定四極磁鐵的強度K值，利用公式 K = B' /Bp，和權利2中計算得到的ニ極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量的磁剛度Bp，計算每臺四極磁鐵的磁場梯度B'，進而根據四極磁鐵的測磁參數，插值計算每臺四極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量時的電流值，確定四極磁鐵電源的運行曲線。所述的計算模塊中六極磁鐵參數計算模塊電源數據波形的計算方法如下根據加速器引出時色品校正的需要和滿足3階共振引出條件，確定六極磁鐵的強度K值，利用公式K = B" /Bp，和權利2中計算得到的ニ極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量的磁剛度B P，計算每臺六極磁鐵的磁場梯度B，進而結合六極磁鐵的測磁參數，差值計算每臺六極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量時的電流值，確定六極磁鐵電源的運行曲線。所述的遠程Oracle數據庫模塊包括有分析模塊，所述的分析模塊對ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵電源的數據包進行分析，確定其波形號、數據總量、數據格式是否正確，其中波形號用于控制腫瘤細胞治療所需的加速器的引出能量。遠程數據庫根據ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵對應電源的IP地址信息，下發運行數據包到電源控制器ARM中。
所述的電源控制器ARM連接到電源的信號處理器DSP (Digital Signal ft~OCeSSOr)，下發ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵的數據包到DSP中。用戶發送控制事例到 DSP中，DSP對控制事例進行對比，如果正確，下發數據包到實際電源中，控制相應電源輸
M I ο實施例2 具體以該發明實施一次腫瘤細胞治療為實施例說明本發明方法，首先假設本次腫瘤細胞治療所需的束流能量為200MeV/u、300MeV/u、430MeV/u。本發明的裝置的運行過程描述為1. ECR離子源提供12C4+,經過扇聚焦回旋加速器SFC (能量常數K = 69)加速至能量為7. OMeV/u,并輸送至冷卻存儲環CSR主環入ロ，流強為10微安。2.采用剝離注入的方法，將12C4+剝離成12C6+注入到CSR主環中，能量為7. OMeV/ U。根據腫瘤細胞治療的需要，確定磁場循環模式的最高能量為430MeV，腫瘤治療的能量舉例為300MeV。注入能量7. OMeV/u、引出能量300MeV/u、磁場循環模式的最高能量430MeV/
u，利用公式如=^^1XlO6計算對應的磁剛度為0. 763T. m、5. 372T. m、6. 622T. m,根據CSR
主環ニ極磁鐵的測磁參數，插值計算得到三個能量條件下ニ極磁鐵的電流值為160. 412A、 1123. 73AU389. 47A。利用平滑的曲線將三個能量條件下的ニ極磁鐵電源的數值進行連接， 確定ニ極磁鐵電源的數據曲線，見圖2。3. CSR主環共32塊四極磁鐵，算法一致，舉21Q01為例。根據Lattice模擬計算得到的其注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量三個能量平臺的強度K值統ー為 0.445396。利用三個能量平臺的磁剛度值和公式K = B' /B P，計算得到三個能量平臺 21Q01的梯度值B'為0. 341224，、2.4077、2. 95452。根據CSR主環四極磁鐵2IQOl的測磁參數，插值計算得到三個能量條件下21Q01的電流值為19. 2502AU40. 101AU72. 048A。利用平滑的曲線將這三個能量條件的21Q01電源的數值進行連接，確定21Q01電源的數據曲線，見圖3。4. CSR主環共8塊六極磁鐵，算法一致，舉21S01為例。由于六極磁鐵只在引出平臺起作用，因此只需計算引出能量平臺的六極磁鐵的電源值。根據共振、色品校正的需求，21301的強度值為309.342!111^(1，根據公式1( = 8〃 /B P，計算得到其二次梯度值B"為 1.6617，根據21S01的測磁數據，計算得到引出能量平臺的電流值為5. 53A，確定21S01的電源數據曲線，圖4。5.將ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵電源的ニ進制文件數據包通過Oracle通信協議上傳到遠程Oracle數據庫，存入Oracle數據庫中數據表的BLOB字段，數據庫程序對數據包進行分析。在此以ニ極磁鐵為例，數據庫程序分析ニ極磁鐵的數據包，確定其數據波形數為1，數據總量為9255，根據表中存儲的ニ極磁鐵的IP地址10. 10. 31. 73，下發ニ極磁鐵電源的數據到控制器ARM(AT91RM9200)，ARM對數據進行插值計算，下發數據包和事例到 DSP 中。6.通過事例板卡發送事例字符串到ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵電源的DSP中， DSP對事例字符進行判斷，如果相符合，則將數據包下發到相關電源上，控制電源輸出，整個數據計算、傳輸的流程如圖5所示。7.最終通過治療終端的多絲探測器、電離室探測器等探測器測量束流的強度、位
置，確定不同重離子束流能量條件下束流的位置和強度的統ー性。
8.同步加速器多能量條件下(引出能量為200MeV和300MeV)存在磁場大循環模式時ニ極磁鐵電源的運行曲線如圖6所示。以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.ー種消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法，其特征包括如下步驟1)根據用戶不同腫瘤細胞的治療需要，確定同步加速器所需要的束流的最高能量，將其設定為同步加速器運行磁場循環模式所需要的束流的最高能量值；2)束流能量設置模塊連接計算模塊；所述的計算模塊包括有ニ極磁鐵參數計算模塊、 四極磁鐵參數計算模塊、六極磁鐵參數計算模塊；所述的計算模塊還與本地數據庫參數模塊相連接；根據束流注入、引出能量設置和磁場循環模式的最高能量值，結合同步加速器物理模擬計算和測磁參數，計算ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵的電源運行曲線，將其寫入ニ 進制文件，暫存在本地控制計算機中；3)本地控制計算機連接到遠程Oracle數據庫模塊，將ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵的ニ進制數據包上傳到Oracle數據庫中數據表的BLOB字段，遠程Oracle數據庫包含分析模塊，分析模塊對所述的ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵的ニ進制數據包進行分析，根據ニ 極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵電源對應的IP地址信息，通過前端服務器下發運行數據包到相應的電源ARM控制器中；4)所述的前端服務器模塊通過電源ARM控制器模塊連接到數字信號處理器DSP模塊， 所述的數字信號處理器模塊連接電源模塊，Oracle數據庫模塊將ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵電源數據包下發到數字信號處理器DSP中，利用觸發事例卡發送控制事例到相關電源的數字信號處理器DSP，觸發數據輸出，控制電源按照計算的數據波形輸出電流值。
2.如權利要求1所述的消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法，其特征是所述的計算模塊中二極磁鐵參數計算模塊電源數據波形的計算方法如下根據公式~ = ^IixlO6計算ニ極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量時的磁剛度，其中も為粒子的靜止能量，c為光速，A為粒子的質量數，Z為粒子的電荷態數，β為粒子的無量綱速度，Y為相對論因子，其中β和Y需計算在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量條件下的數值；根據ニ極磁鐵的測磁參數差值計算注入能量、 引出能量、磁場循環模式的最高能量時的ニ極磁鐵電源的電流值，確定ニ極磁鐵電源的運行曲線。
3.如權利要求1所述的消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法，其特征是所述的計算模塊中四極磁鐵參數計算模塊電源數據波形的計算方法如下根據最初加速器設計時模擬的Lattice參數，確定四極磁鐵的強度K值，利用公式K = B' /Bp，和權利2中計算得到的ニ極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量的磁剛度Bp，計算每臺四極磁鐵的磁場梯度B'，進而根據四極磁鐵的測磁參數，插值計算每臺四極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量時的電流值，確定四極磁鐵電源的運行曲線。
4.如權利要求1所述的消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法，其特征是所述的計算模塊中六極磁鐵參數計算模塊電源數據波形的計算方法如下根據加速器引出時色品校正的需要和滿足3階共振引出條件，確定六極磁鐵的強度K 值，利用公式K = B" /Bp，和權利2中計算得到的ニ極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量的磁剛度Bp，計算每臺六極磁鐵的磁場梯度B"，進而結合六極磁鐵的測磁參數，差值計算每臺六極磁鐵在注入能量、引出能量、磁場循環模式的最高能量時的電流值，確定六極磁鐵電源的運行曲線。
5.如權利要求1所述的消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法，其特征是所述的遠程Oracle數據庫模塊包括有分析模塊，所述的分析模塊對ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵電源的數據包進行分析，確定其波形號、數據總量、數據格式是否正確，其中波形號用于控制腫瘤細胞治療所需的加速器的引出能量。遠程數據庫根據ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵對應電源的IP地址信息，下發運行數據包到電源控制器ARM中。
6.如權利要求1所述的消除同步加速器磁滯效應影響的運行方法，其特征是所述的電源控制器ARM連接到電源的信號處理器DSP，下發ニ極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵的數據包到DSP中。用戶發送控制事例到DSP中，DSP對控制事例進行對比，如果正確，下發數據包到實際電源中，控制相應電源輸出。
全文摘要
本發明涉及一種用于消除同步加速器磁滯效應影響的加速器的運行方法。該方法用于避免由于磁鐵具有磁滯效應所造成的同步加速器中重離子束流位置和強度在不同能量條件下的不一致性。磁場大循環模式的加速器運行方法主要包括以下步驟1.確定腫瘤細胞治療所需的同步加速器束流最高能量值。2.利用測磁參數計算控制束流軌道的二極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵的電源運行曲線。3.將磁鐵的運行曲線數據包上傳到連接電源控制器的遠程數據庫中。4.遠程數據庫對該數據包進行分析，將數據下發到相應的控制前端。5.利用觸發器觸發數據輸出到相關磁鐵電源，控制重離子束流的軌道。
文檔編號H05H13/04GK102548182SQ20121001220
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月14日 優先權日2012年1月14日
發明者原有進, 夏佳文, 李朋, 楊建成 申請人:中國科學院近代物理研究所