Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 WEP127

炭素線治療用超伝導回転ガントリーの建設
CONSTRUCTION OF A SUPERCONDUCTING ROTATING GANTRYFOR HEAVY-ION THERAPY岩田佳之#, A), 野田耕司 A), 白井敏之 A), 藤田敬 A), 古川卓司 A), 水島康太 A), 原洋介 A), 皿谷有一 A),
丹正亮平 A), 松葉俊哉 A), 森慎一郎 A), 佐藤眞二 A), 正田光一 A), 藤本哲也 B), 新井弘樹 B),
荻津透 C), 雨宮尚之 D), 長本義史 E), 折笠朝史 E), 高山茂貴 E)#, A)
Yoshiyuki Iwata , Koji NodaA), Toshiyuki ShiraiA), Takashi FujitaA), Takuji FurukawaA), Kota MizushimaA),
Yosuke HaraA), Yuichi SarayaA), Ryohei TanshoA), Shunya MatsubaA), Shinichiro MoriA), Shinji SatoA),
Koichi ShodaA), Tetsuya FujimotoB), Hiroki AraiB), Toru OgitsuC), Naoyuki AmemiyaD),
Yoshifumi NagamotoE), Tomofumi OrikasaE), Shigeki TakayamaE)
A)
National Institute of Radiological Sciences (NIRS)
B)
Accelerator Engineering Corporation (AEC)
C)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)D)
Department of Electrical Engineering, Kyoto UniversityE)
Toshiba Corporation

Abstract
A superconducting rotating gantry for heavy-ion therapy is being constructed. This isocentric rotating gantry cantransport carbon ions with the maximum energy of 430 MeV/u to an isocenter with irradiation angles of over ±180 degrees,
and is further capable of performing three-dimensional raster-scanning irradiation. The rotating gantry equips combinedfunction superconducting magnets. Since these magnets can provide both dipole and quadrupole fields, no quadrupole
magnet is required for beam focusing. Having used the combined-function superconducting magnets and optimized thelayout of the gantry as well as the beam optics, the length and radius of the gantry became approximately 13 m and 5.5m, respectively, which are comparable to those for proton gantries. We will present an overview of the gantry design aswell as present status of the construction.

1.

はじめに2.

超伝導回転ガントリーの概要

粒子線がん治療において、粒子ビームを患者に対超伝導回転ガントリーの概略図を Fig. 1 に示す。
して任意の角度から照射することを可能とさせる回 重粒子線がん治療装置（HIMAC）により得られる核転ガントリーは極めて重要な装置であり、陽子線が 子あたり最高 430 MeV の炭素ビームは回転ガントん治療装置では標準採用されるに至っている。一方、 リー本体に搭載されている超伝導電磁石により輸送
炭素線がん治療においては、回転ガントリー構造体 され、ロボットアーム治療台上に固定されている患に搭載される電磁石に必要な磁気剛性が陽子線用の 者へ照射される。
それに比べ約 3 倍高いことから、電磁石群やそれらを支える回転構造体のサイズが大型となり、総重量も膨大なものとなる。現在、炭素線治療用回転ガントリーは世界で唯一、ハイデルベルグに建設され稼働中であるが、その回転部重量は 600 トンを超えると報告されている [1] 。我々は回転ガントリーの小型・軽量化のため、超伝導回転ガントリーの開発を進めてきた [2]。この回転ガントリーでは、二極磁場と四極磁場が同時且つ、独立発生可能な機能結合型超伝導電磁石を採用している。これら超伝導電磁石の採用により、回転ガントリーの大幅な小型・軽量化が実現されている。超伝導回転ガントリー本体の製作・組み立ては完了し、現在、治療室整備等の最終工事が進められており、今秋からビーム試験を開始する予定である。本発表では超伝導回転ガント
リー開発の概要並びに、建設状況について紹介する。
Figure 1: Schematic drawing of the superconducting___________________________________________# y_iwata@nirs.go.jp
rotating gantry.

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BM06
BM05
BM07

BM04

BM08
BM09

ST02
PRN02

BM10

BM03
BM02

BM01

ISO-CENTER
13m
Figure 2: Layout of the superconducting rotating gantry. The gantry consists of ten superconducting magnets (BM01-10),
a pair of the scanning magnets (SCM-X and SCM-Y), and three pairs of beam profile-monitor and steering magnets(ST01-03 and PRN01-03).
回転ガントリービームラインを構成する超伝導電磁石等のビーム輸送・診断機器は円筒形状の回転構造体に設置・固定されている。円筒構造体の両端には、それぞれエンドリングが取り付けられており、構造体の荷重はエンドリングを介して 4 つのローラーで受けられている。回転構造体を回転させることで、患者に対して重粒子線ビームを±180 度の如何なる方向からも照射することが可能となる。
Betatron amplitude functions [m] versus distance [m]70 m

20.314 m

0.0
Dispersion functions [m] versus distance [m]3.

7m

20.314 m

0.0-7 mHorizontal

超伝導回転ガントリーを構成するビーム輸送機器のレイアウトを Fig. 2 に示す。ビーム輸送機器は主に 10 台の超伝導電磁石（BM01-10）、1 対のスキャニング電磁石（SCM-X, SCM-Y）、3 対のステアリン グ 電 磁 石 及 び プ ロ フ ァ イ ル モ ニ タ （ ST01-03,PRN01-03）により構成されている。10 台の超伝導電磁石のうち BM07 と BM08 を除く 8 台の超伝導電磁石は機能結合型超伝導電磁石であり、二極と四極磁場が同時発生可能である。また、二極コイルと四極コイルはそれぞれ個別の電源に接続されており、独立励磁可能である。これら超伝導電磁石の採用により、回転ガントリー全体の大幅な小型・軽量化が可能となった。
ガントリービームラインのベータ及びディスパージョン関数を Fig. 3 に示す。回転ガントリー入り口取り合い点でのツイス条件はβx=βy=30 m, αx=αy=0,D=0 m, D’=0 とし、またスキャニング照射において精密な線量分布形成のため、アイソセンターではβx=βy=1 m, αx=αy=0, D=0 m, D’=0 としている。

VerticalFigure 3: Beta and dispersion functions along the gantry
beam line. Values of beta and dispersion at the isocenterare designed to be βx=βy=1 m and D=0 m (D’=0),
respectively.

超伝導電磁石の開発

ビーム光学設計に基づき超伝導電磁石の要求仕様が決定し、更に要求仕様に基づき電磁場解析を含めた超伝導電磁石の設計を実施した。全 10 台の超伝導電磁石は偏向角やボアサイズに応じて 5 種類に分類され、それぞれに関して電磁場解析を行った [1]。超伝導電磁石及び、超伝導コイルはビーム軌道に沿った湾曲形状を有することから、磁場分布を求める際には 3 次元電磁場計算コード（Opera-3d）を用いて電磁場解析を行った。その一例として、26 度偏向電磁石（BM02-05）に関する計算結果を Fig.4 に示す。計算においては、3426 ターン/ポールの二極コイル- 851 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 4: Result of three-dimensional field calculations forBM02-05 using the Opera-3d code.
及び、400 ターン/ポールの四極コイルを忠実にモデ Figure 6: Rotation tests of the gantry structure at the
ル化し、所期の磁場均一度を得るため超伝導導体位 Toshiba Keihin Product Operations.
置の最適化を行った。設計では二極コイル電流回転構造体の設計・製造・輸送
I=136 A にて、要求中心二極磁場 Bmax=2.88 T を得る。 4.
また、四極磁場は二極コイル電流については、電流超伝導電磁石等のビーム輸送機器を搭載する回転
I=130 A にて、ビーム収束に必要な四極磁場勾配 構造体は東芝京浜事業所にて製造された。構造体サ
G=9.1 T/m を得る。コンダクタ位置の最適化後、 イズは、両端に取り付けられているエンドリング間様々な励磁電流に対する磁場計算を実施し、ビーム の距離で 13.9 m、エンドリング外直径は 6.5 m であが通過する有効磁場領域において磁場均一度がる。
|ΔBL/BL|≦1.0×10-4（二極）
円筒形状の回転構造体は輸送及び製造の都合から|ΔGL/GL|≦1.0×10-3（四極）8 分割構造とし、1 対のエンドリングを含めると合計であることを確認した[1]。
で10 個の大型パーツにより構成される。回転構造体
上記設計に基づき、平成 23 年度に 2 台の超伝導電はガントリー回転に伴う各超伝導電磁石の変位量が磁石（BM04, BM10）の製造を行い、磁場測定を放医研にて実施した（Fig. 5）。続いて平成 24 年度に 3 ±2 mm 以内となるよう設計されている。最終的な回台の超伝導電磁石（BM03, BM05, BM06）、更に残 転構造体の詳細な FEM 計算では、各電磁石の変位量りの 5 台の超伝導電磁石、並びにスキャニング電磁 は最大で約 1 mm 以下と見積もられた。
回転構造体の各大型パーツ製造後、東芝京浜事業石やステアリング電磁石等の製造を平成 25 年度より所内で一度組み立てられ、各種検証作業が行われた
行い、平成 26 年度末に全機器の製造を完了した。超伝導電磁石の製造後、NMR による磁場測定及び、 （Fig. 6）。工場試験においては安全を見て、超伝導ホール素子による磁場マッピングを全電磁石に対し 電磁石の替わりにダミーウェイトが搭載され、回転て実施し、所期の性能が得られていることを確認し 試験を実施した。試験では回転構造体及び、電磁石ダミーウェイトの各箇所に対してレーザートラッた[4]。
カーを用いた座標の計測を行い、各部変位量が概ね

Figure 5: Superconducting magnets of BM04 and BM10 infield measurements at NIRS.

Figure 7: One of the end ring in transportation. This picture
was taken around the main entrance of NIRS.

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Figure 10: Image of the treatment room for the rotatinggantry.
Figure 8: Installation of the gantry structure to the gantry
room in NIRS.
構造計算による予測値と一致していることを確認した。
工場試験後、放医研へ向けた輸送のため、構造体は一旦、解体された。解体された各大型部品は東芝京浜事業所から千葉港へ船便で輸送され、千葉港の倉庫にて一時保管された。その後、深夜に千葉港から放医研へ 35 トントレーラーにて 1 晩に 2 便（2パーツ）のペースで輸送が行われた（Fig. 7）。輸送された回転構造体の大型部品は翌早朝に新治療研究棟ガントリー機械室へ搬入、据え付けられた（Fig.
8）。
回転構造体各部品の搬入及び、組立作業は平成 27
年前半に完了し、その後、順次、超伝導電磁石の搬入や、回転構造体への据付、並びにアライメントが行われ、現在、回転構造体主要部品の組立工程を完了した段階にある（Fig. 9）。その後、再度、回転試験等の検証作業を実施し、現在は各種配線・配管作業を行うと共に、治療室内装の整備等を続けている（Fig. 10 は回転ガントリー治療室のイメージ図）。
また、超伝導電磁石冷却用の小型冷凍機の立ち上げを開始し、8 月の電磁石試験に向けて冷却を続けている。

5.

まとめと今後の予定

重粒子線がん治療用回転ガントリーの小型・軽量化のため、超伝導回転ガントリーの開発を行ってきた。機能結合型超伝導電磁石の採用により、既存の重粒子線回転ガントリーに比べ、大幅な小型・軽量化が実現されている。回転ガントリーの製造・組立は概ね完了し、現在、配線・配管作業や、治療室の整備を中心に作業が続けられている。これら残作業や制御系の構築を 9 月中に完了させ、平成 28 年度からの治療運用に向け、9 月からのビームコミッショニングを開始する予定である。

参考文献[1] H. Eickhoff, et al., “TESTS OF A LIGHT-ION GANTRYSECTION AS AN EXAMPLE OF PREPARATIONS FOR
THE THERAPY FACILITY IN HEIDELBERG”, inProceedings of the 8th European Particle Accelerator
Conference, Paris, 2002 (EPS-IGA and CERN, Geneva,2002), p. 2730.
[2] Y. Iwata, et al., “Design of a superconducting rotating gantry
for heavy-ion therapy”, Phys. Rev. ST Accel. Beams. 15,044701 (2012).
[3] Y. Iwata, et al., “Development of curved combined-function
superconducting magnets for a heavy-ion rotating-gantry”,
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Volume24, Issue 3, 4400505 (2014).
[4] 松葉俊哉他,「重粒子線回転ガントリー用超伝導磁石の性能評価」, THP077.

Figure 9: Picture of the superconducting rotating-gantry, as
installed in NIRS. All the magnets as well as the profile
monitors were mounted on the gantry structure.

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