Study of Scanning Beam Nozzle Design for FLASH Proton Therapy

Abstract

In this paper, we describe the design of magnets for a scanning nozzle and the development of a beam monitoring device for FLASH pencil beam scanning proton therapy (over 40 Gy/s). This research involved designing the scanning nozzle to fit the experimental beamline of the National Cancer Center Korea's proton therapy machine, Proteus C-235. The designed nozzle scans a maximum single layer of 16 cm × 16 cm at a speed of 85.3 m/s with a 1 cm beam size and a proton beam energy of 230 MeV. While the specifications of the designed magnets, such as their size and magnetic field strength, are similar to those used in conventional proton therapy, the power supply specifications are significantly higher, with the transverse scanning magnets requiring approximately 213.5 kW, about three times the power of the 70 kW magnets for conventional beam nozzle. For beam monitoring at the nozzle, we designed and produced a beam monitor. This profile monitor consists of a vacuum chamber, scintillator screen, camera, and a control system based on Raspberry Pi. It offers high spatial resolution for monitoring the beam. Additionally, with a simple perspective transformation, it can map images in pixel space to real space. We also introduced the non-local means denoising algorithm, which effectively reduces high-frequency noise better than the commonly used median filter. To validate this diagnostic device, we measured the transverse emittance of the beam using a raster magnet scanning method, and the results showed emittances of 2.715 ± 0.017 and 4.619 ± 0.018 π mm mrad for the x and y axes, respectively.|이 논문에서는 40 Gy/s 이상의 초 고선량률 양성자 빔으로 펜슬 빔 스캐닝 치료를 하기 위한 노즐의 자석 설계와 빔 모니터링 장치 개발에 대해 설명한다. 이 연구는 스캐닝 노즐을 국립암센터의 양성자 치료기 Proteus C-235의 실험용 빔 라인에 맞게 설계했다. 설계한 노즐은 1 cm의 빔 크기를 갖는 운동에너지 230 MeV의 양성자 빔으로 최대 16 cm × 16 cm의 단일 층을 85.3 m/s의 속도로 스캐닝 한다. 설계한 자석들의 크기, 자기장의 세기와 같은 사양들은 모두 통상적인 양성자 치료에서 사용하는 자석들과 상이하지 않으나, 고속 스캐닝을 요구하기 때문에 파워 서플라이의 사양은 횡방향 스캐닝 자석의 경우 213.5 kW로 현재 양성자 치료에 사용되는 70 kW급의 자석에 비해 약 3배 정도 큰 전력이 요구된다. 노즐에서 빔 모니터링을 위해 빔 모니터를 설계 및 제작했다. 이 프로파일 모니터는 진공관과 섬광체 스크린, 카메라와 라즈베리 파이 기반의 제어 장치로 이루어져 있고 높은 공간 분해능으로 빔을 모니터링 할 수 있다. 그리고 간단한 원근 변환을 통해 픽셀 공간의 이미지를 실제 공간으로 매핑할 수 있다. 추가적으로 non-local means denoising algorithm을 도입해 통상적으로 많이 사용하는 median filter에 비해 더 좋은 고 주파수 영역의 노이즈를 줄였다. 이 진단장치의 검증으로 사극자석 스캐닝 방법을 통해 빔의 횡방향 에미턴스를 측정했고 결과는 x, y 축 각각 2.715 ± 0.017 and 4.619 ± 0.018 π mm mrad이다.