JP5360914B2 - 検出器シフト型放射線治療・ｐｅｔ複合装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線や粒子線を患部に照射して行う放射線がん治療において、放射線（ビームともいう）照射によって生じる消滅放射線を検出するためのモニタリングに際して、特に、ビーム照射中は照射野から検出器を遠ざけるにもかかわらず、短寿命の核種から生じる放射線を効率よく計測することが可能な検出器シフト型放射線治療・ＰＥＴ複合装置に関する。

癌の早期診断に有効と注目されている陽電子放射断層撮像法（ＰＥＴ）は、極微量の陽電子放出核種で標識した化合物を投与し、体内から放出される消滅放射線を検出することで、糖代謝等、代謝機能を画像化し、病気の有無や程度を調べる検査法であり、これを実施するためのＰＥＴ装置が実用化されている。

ＰＥＴの原理は次のとおりである。陽電子崩壊によって陽電子放出核種から放出された陽電子が周囲の電子と対消滅し、それによって生じる一対の５１１ｋｅＶの消滅放射線を、対の放射線検出器で同時計数の原理によって測定する。これにより、核種の存在位置を、対の検出器同士を結ぶ１本の線分（同時計数線）上に特定することができる。患者の頭から足の方向に向かう軸を体軸と定義すると、体軸と垂直に交わる平面上の核種の分布は、その平面上において様々な方向から測定された同時計数線のデータから、２次元画像再構成によって求められる。

よって、初期のＰＥＴ装置は、視野とする平面上に、視野を囲むように密に検出器をリング状に配置したシングルリング型検出器から構成されていた。その後、多数のシングルリング型検出器を体軸方向に密に配置したマルチリング型検出器の登場によって、２次元の視野が３次元化された。更に１９９０年代に入ると、検出器リング間においても同時計数測定を行うことによって、感度を大幅に高めた３ＤモードのＰＥＴ装置の開発が盛んに行われ、現代に至っている。

一方、ＰＥＴ診断等で発見された癌に対する治療の役割も重要である。外科手術や薬物治療とは異なる方法として、X線やガンマ線などの放射線を患部に照射する放射線治療がある。特に、重粒子線や陽子線を癌の部位に絞って照射する粒子線治療は、優れた治療効果と鋭い患部集中照射特性を併せ持つ方法として、大きな注目を集めている。粒子線の照射方法としては、患部に形状を合わせるようにして照射するビームを広げる従来のボーラス照射に加えて、ペンシルビームを患部形状などに合わせて走査させるスポットスキャニング照射が研究されている。いずれも、別途撮影したＸ線ＣＴ画像などに基づいて綿密に計算された治療計画に従って、照射ビームの方向や線量を精密に制御して行う。

治療計画に正確に従った治療を実現するためには、患者の位置決めの精度が鍵となる。照射野の位置決めはX線画像に基づいて行われることが多いが、一般にX線画像では腫瘍と正常組織のコントラストが十分ではなく、腫瘍そのものを認識した位置あわせは困難である。このような患者セットアップ時の照射野位置ずれに加え、治療計画作成時から腫瘍の大きさが変化したり、呼吸などによって腫瘍位置が変動したりする問題も指摘されている。しかし現状は、治療計画通りの照射が行われたかどうかを正確に確認することは難しく、もし実際の照射野が治療計画からずれてしまったとしても、それを検知することは容易ではない。

上記の問題を解決するために、ＰＥＴの方法を用いて、照射野をリアルタイムに画像化する方法が注目されている。これは、ＰＥＴ薬剤を投与するのではなく、粒子線ビーム照射やＸ線照射において、入射核破砕反応、標的核破砕反応や光核反応を通して生じる消滅放射線をＰＥＴの原理を用いて画像化する方法である。消滅放射線の発生位置が、照射ビームの線量分布と強い相関性を持つため、治療モニターが可能であるとされる（W. Enghardt、他、”Charged hadron tumour therapymonitoring by means of ＰＥＴ、” Nucl. Instrum. Methods A 525、 pp. 284−288、2004。S. Janek、他、“Development of dose delivery verification by ＰＥＴ imaging of photonuclear reactions following high energy photon therapy，”Phys. Med. Biol.誌、vol. 51 (2006) pp. 5769-5783）。

通常のＰＥＴ装置ではリング状に検出器を配置するが、治療装置に併せて設置するためには、治療ビームを遮ることのないように、検出器を配置する必要がある。これまでに、平面型の２つのＰＥＴ検出器を治療装置のベッドを挟むように設置する対向ガンマカメラ型ＰＥＴ装置が検討されてきたが、検出器の隙間により、画像再構成に必要な情報が欠落するために分解能が不均一になってしまうことに加え、装置感度が低下するという決定的な問題点を有していた（Ｐ．Ｃrespo、他、“Ｏn the detector arrangement for in-beam ＰＥＴ for hadron therapy monitoring，”Ｐhys．Ｍed．Ｂiol．誌、vol．51（2006）pp．2143−2163）。

ＰＥＴ装置の感度を高めるためには、図１（ａ）に例示する如く、検出器をトンネル状に密に配置してマルチリング型検出器１０を構成し、立体角（図において感度最大エリアの中心から検出器リングの体軸方向両端を結ぶ２本の線のなす角度）を広くする必要があるが、長いトンネル状の患者ポートは、検査中の患者６の心理的ストレスを高めると共に、患者への手当ての障害にもなる。これに対して、出願人は、図１（ｂ）に例示する如く、患者６の体軸方向に複数に分割したマルチリング型検出器１１、１２を離して配置し、物理的に開放された視野領域（開放視野とも称する）を有する開放型ＰＥＴ装置を提案している。開放領域は、図２に示す如く、残存するマルチリング型検出器１１、１２間の同時計数線から、画像が再構成される。図において、８はベッドである。

これまでに、図１（ｂ）や図２に示すように、検出器を均等幅に２分割した開放型ＰＥＴ装置の設計が行なわれている（Ｔaiga Ｙamaya，Ｔaku Ｉnaniwa，Ｓhinichi Ｍinohara，Ｅiji Ｙoshida，Ｎaoko Ｉnadama，Ｆumihiko Ｎishikido，Ｋengo Ｓhibuya，Ｃhih Ｆung Ｌam and Ｈideo Ｍurayama，“Ａproposal of an open ＰＥＴ geometry，”Ｐhy．Ｍed．Ｂiol．，53，pp．757-773，2008．）。開放型ＰＥＴ装置は、検出器に干渉することなくビーム照射を行うことができるため、放射線治療のビームモニタリングに適している。

ここで、図３に示す如く、それぞれの検出器１１、１２の体軸方向寸法（幅とも称する）をＷとして、それらの間の開放領域の体軸方向寸法（隙間とも称する）をＧとすると、体軸方向視野は２Ｗ＋Ｇとなる。図３（ｃ）に示す如く、開放領域隙間ＧがＷを越えると、画像化できる領域が体軸方向に断続してしまうため、体軸方向に連続した視野を得るための開放領域隙間Ｇの上限は、図３（ｂ）に示す如く、Ｗとなる。しかし、開放領域の中央に感度が集中し、開放領域の周辺で感度が極端に低下してしまう。開放領域の両端における極端な感度低下を抑制するためには、図３（ａ）に示すように、ＧをＷより小さく設定する必要があるが、開放領域隙間及び体軸方向視野が減少してしまう（上記文献参照）。

このように、出願人が先に提案した開放型ＰＥＴ装置では、開放領域の中央に感度が集中し、開放領域の周辺で感度が極端に低下してしまう問題があるため、この局所的な感度低下を抑制するためには、Gに対して相対的にWを拡大する必要があった。また、開放領域隙間及び体軸方向視野の最大値は、それぞれＷ及び３Ｗに制限されるため、開放領域隙間や体軸方向視野を更に拡大するためにも、Ｗ自体を拡大する必要があった。しかし、いずれにおいても、１つのマルチリング型検出器を構成する検出器数の増加により、装置が高価格化、大型化、複雑化してしまうという問題点を有していた。

開放型ではない従来のＰＥＴ装置においては、限られた視野の検出器リングで、より広い視野を計測する目的で、ベッドに対しＰＥＴ装置自体を相対的に移動させながら放射線計測を行ってＰＥＴ画像化する方法が用いられている（特開２００７−２０６０９０号公報、Kitamura K, Takahashi S, Tanaka A et al: 3D continuous emission and spiral transmission scanning for high-throughput whole-body ＰＥＴ. Conf. Rec. IEEE NSS & MIC. M3-2, 2004）が、開放型ＰＥＴ装置の問題点を解決するものでは無かった。

開放型ＰＥＴ装置は、検出器に干渉することなく検出器リング間の隙間からビーム照射を行うことができるため、放射線治療のビームモニタリングに適している。しかし、ビーム照射中は、検出器の回路系がビーム自体からの影響を受けるなどして検出器の性能が低下したり故障したりする恐れがある。よって、ビーム照射中は、検出器を照射野から数十cmの安全距離以上離しておく必要がある。しかし、先に述べた通り、開放領域隙間Gを拡大するためには、検出器の体軸方向寸法W自体を拡張する必要があるが、装置を大型化することは高価格化及び設置場所の限定につながり望ましくない。立体角が減少して放射線検出感度が低下したりする点も問題である。加えて、ビーム照射中はＰＥＴの計測にとってノイズ成分となる即発性のガンマ線が多く発生することが知られており、ビーム照射中のＰＥＴ計測データは画像化に適さない条件となる場合が多い。よって、照射と計測時間帯が重ならないようにして画像再構成に有効な高Ｓ／Ｎ比の計測データを得る技術が求められる。放射線照射装置とＰＥＴ装置を離して同一レール上に並べておき、放射線照射後ベッドを放射線照射装置からＰＥＴ装置に移動させ計測することも考えられるが、ベッドを移動するのに時間を要し、放射線照射によって生成される核種の半減期は数十秒から２０分程度と非常に短いことに加え、血流などの影響によって生体内で核種が移動してしまうことから照射野に近づくのが間に合わない。そこで、他の方法により、できるだけ早く照射野に近づきＰＥＴの計測を行う技術の提供が求められる。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、放射線照射の影響による検出器の性能低下や故障を防ぐと共に、短寿命核種の分布を照射野周部まで画像化することを課題とする。

本発明は、複数の検出器リングが体軸方向に互いに対向するように配列されその貫通内部で放射線計測を行って前記検出器リング間の開放領域をＰＥＴ画像化する開放型ＰＥＴ装置と、互いに隣接する前記検出器リング間の空間から放射線照射し該空間の前記内部に照射野を形成可能な放射線照射装置とを備え、前記空間を形成する二つの空間形成検出器リングの両方が可動検出器リングで、該可動検出器リングは、放射線照射中は照射野から離れた照射による損傷を避ける待避位置にあり、照射後に待避位置より照射野側で移動しながら放射線計測してＰＥＴ画像化することで、ビーム影響による検出器の性能低下や故障を防ぐと共に、照射野に接近して放射線計測することで照射野周辺の短寿命核種の分布を画像化する点に特徴がある。

図４に、二つの検出器リングと放射線照射装置の基本的な構成を示す。図４に於いて体軸方向に移動可能な二つの可動検出器リング１１と１２が対向して設けられており、二つの検出器リングの内径内を貫通する円筒空間洞部で放射線計測を行う。放射線照射装置２４は、その二つの検出器リング１１と１２（空間形成検出器リング）に挟まれて形成される空間から、その空間部且つ体軸周辺部に設定される照射野へ放射線照射を行う。図４（Ａ）は二つの検出器リング１１と１２が共に待避位置（放射線照射の影響により損傷を受けないだけ照射野から離れた位置を意味し、斜線部の外側）にある状態を示す。図４（Ｂ）は放射線照射終了後に二つの検出器リング１１と１２が共に図４（Ａ）の待避位置から照射野方向に移動し、最も照射野に近づいた状態を示す。

図４における二つの空間形成検出器リングと放射線照射装置の作動順を図５（Ａ）に示すフローチャートで説明する。各検出器リングは待避位置と照射野近傍の間を往復移動する。すなわち、放射線照射時にあらかじめ検出器リングを待避位置へ移動させておく（Ｓ１）が、この位置では開放領域の周辺で感度が極端に低下してしまったり、立体角が減少して、照射野を正確に画像化することはできない。そこで放射線照射（Ｓ２）が終了すると直ちに検出器リングを待避位置から照射野方向に移動（Ｓ３）することで開放領域周辺での感度低下を補ってＰＥＴ画像化のための放射線計測を行い（Ｓ４）、待避位置に復帰する（Ｓ５）。ここで、ステップＳ４でのＰＥＴの計測すなわち画像再構成に有効なデータを得る放射線計測をＰＥＴ計測と呼ぶ。以下同様である。

その間の各部の作動タイミングを図５（Ｂ）に示すタイムチャートで説明する。同タイムチャートは、放射線照射のＯＮとＯＦＦ、検出器移動の方向（＋：照射野方向の往路、−：照射野と反対方向の復路、０：停止）、ＰＥＴ計測のＯＮとＯＦＦと検出器リング位置を示す。放射線照射が終了すると、待避位置にあった検出器リングが直ちに照射野方向に往路を移動始めると共にＰＥＴ計測が可能となる。そして、あらかじめ設定された最も照射野に近い位置（Ｐ４）まで到達すると移動方向を反転して待避位置方向に復路を移動し、待避位置に到達してＰＥＴ計測を終了する。次の放射線照射の開始がある場合は上記パターンを繰り返し、その繰り返しを照射計画が終了するまで行う。

以下、検出器リングの構成及び移動パターンについて詳細に説明する。

図６に、検出器リングの構成及び移動方向について、代表的なパターンを例示する。図６（ａ）は、２分割した検出器リング１１、１２の両者を可動とし、その間を開放領域とする構成である。図６（ｂ）は、２分割した検出器リング（２１、２２）、（２３、２４）を左右に配置し、外側の２つの検出器リング２１、２４を固定とし、可動とした中央の２つの検出器リング２２、２３で挟まれる空間を開放領域とする構成である。図６（ｃ）は、３分割した検出器リング（３１、３２、３３）、（３４、３５、３６）を左右に配置し、外側の４つの検出器リング３１、３２、３５、３６を固定とし、内側の２つの検出器リング３３、３４を可動とする構成である。中央の可動検出器リング３３、３４に挟まれる空間が開放領域となる。

いずれの場合にも、可動検出器リングの移動方向については、図６に示すように、両者を近づけるように移動する方法（隙間を縮小）、一定距離を保ってシフトする方法（平行）、同じ方向に移動しつつ間隙を拡大又は縮小する方法等が考えられ、それぞれ片道または往復の移動をさせることができる。

図７は、可動検出器リングの数や分割数を増やした構成例である。

ＰＥＴ計測は、連続的に移動しながら計測する方法と、移動・静止して計測する方法がある。更に、移動速度を変化させたり、移動・静止のステップを細かく繰り返しながら計測したり、ステップ幅を変化させて計測することもできる。

本発明は、ビーム照射中は照射野から検出器を遠ざけるが、ビーム照射終了直後から検出器をできるだけ早く照射野に近づいて立体角を広げてＰＥＴ計測を行い、さらに近づきながらもＰＥＴ計測を行ない、より多くのＰＥＴ計測データを収集することで、短寿命の核種から生じる放射線を効率よく高Ｓ／Ｎ比で計測することができる。

また、開放領域の局所的な感度低下が抑制されることで、開放空間の中央だけでなく周辺も含めて、開放空間全体の画質を高めることができる。

（ａ）従来の一般的なＰＥＴ装置、及び、（ｂ）出願人が先に提案した開放型ＰＥＴ装置の構成を示す斜視図及び断面図 開放型ＰＥＴ装置における画面再構成の原理を示す断面図 開放型ＰＥＴ装置の開放領域隙間と感度の関係を示す断面図及びグラフ 空間形成リングと照射野の関係を示す図 可動検出器リングの作動を示すフローチャート及びタイムチャート 本発明で用いる開放型ＰＥＴ装置の構成例を示す図 図６以外の他の構成例を示す図 本発明の構成例における（ａ）接近シフト、（ｂ）平行シフト及び（ｃ）比 較例における片側シフトの状態を示す図 接近シフトにおける（ａ）感度分布と（ｂ）開放領域隙間の縮小・拡大パターンの例を示す図 図９以外の接近シフトにおける（ａ）感度分布と（ｂ）開放領域隙間の縮小・拡大パターンの例を示す図 平行シフトにおける（ａ）感度分布と（ｂ）平行シフトのパターンの例を示す図 比較例の片側シフトにおける（ａ）感度分布と（ｂ）検出器中心の体軸上位置の座標の例を示す図 同じく（ａ）感度分布と（ｂ）検出器中心の体軸上位置の座標の他の例を示す図 本発明の第１実施形態を示す図 第１実施形態の作動を示す図 本発明の第２実施形態を示す図 本発明の第３実施形態を示す図 第２、第３実施形態の照射野と検出器の移動パターンの一例を示す図 第２、第３実施形態の照射野と検出器の移動パターンの他の例を示す図 呼吸同期制御の一例を示すタイムチャート 呼吸同期制御の他の例を示すタイムチャート 呼吸同期制御の作動を示すフローチャート 本発明の第４実施形態の作動を示すタイムチャート 本発明の第５実施形態を示す図 第５実施形態の作動を示すフローチャート 第５実施形態の作動を示すタイムチャート

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

検出器リングの構成と検出感度分布について説明する。

市販のＰＥＴ装置を基にして、直径８２７ｍｍの円周上に５７６個の検出素子（シンチレータ）が並んだ３２本の検出素子リング（幅４．８ｍｍ）から構成される検出器リング１１、１２を、図８に示す如く、左右に離して配置した計算機シミュレーションを行なった。検出器リング幅Ｗは１５３．６ｍｍである。

移動方向は、図８（ａ）に示すように本発明により開放領域隙間Ｇを縮小・拡大する場合（接近シフトと称する）と、図８（ｂ）に示すように本発明により開放領域隙間Ｇを一定に保ったまま左右の検出器リングをＳだけシフトする場合（平行シフトと称する）と、図８（ｃ）に示すように比較例として片側だけシフトする場合（片側シフトと称する）をテストした。

図９は、接近シフトを試行した結果である。図９（ａ）は、ＡからＥまでの５通りの移動方法による感度分布の結果であり、図９（ｂ）は開放領域隙間Ｇの時間変化を図示したものである。ＡはＧ＝１５３ｍｍのまま検出器リングを移動させない従来の場合であり、感度分布に極端な低下が見られる。Ｂ及びＣは、Ｇを１５３ｍｍからそれぞれ７７ｍｍ及び０ｍｍまで一定速度で縮小させた後、再び１５３ｍｍまで一定速度で拡大した場合であり、従来の場合で見られた感度低下が抑制されることが分かる。Ｅは、Ｃにおいて移動速度を２倍にすると共に、Ｇ＝０ｍｍにおける静止を追加した場合であり、検出器リングの装置中央での滞在時間を増やすことによって、感度特性が更に改善されることを示している。なおＤは、Ｃにおいて移動速度に２次曲線状の緩急をつけた例であり、Ｅと同様に感度特性が改善されると共に、検出器リングを折り返す際の機械的な負担を低減することも期待できる。

図１０は、同じく接近シフトを試行した結果であるが、開放領域隙間Ｇの初期値を３０７ｍｍとしている。図１０（ａ）は、ＡからＤまでの４通りの移動方法による感度分布の結果であり、図１０（ｂ）は開放領域隙間Ｇの時間変化を図示したものである。ＡはＧ＝３０７ｍｍのまま検出器リングを移動させない従来の場合であり、2箇所にまとまった不感領域が生じている。ＢからＤは、Ｇを３０７ｍｍからそれぞれ１５３ｍｍ、７７ｍｍ及び０ｍｍまで一定速度で縮小させた後、再び３０７ｍｍまで一定速度で拡大した場合であり、従来の場合で見られた感度低下が抑制されることが分かる。いずれの場合においても、接近シフトでは感度分布の中央のピーク値は変わらない点が特徴的である。

図１１は、開放領域隙間Ｇ＝３０７ｍｍに固定して、平行シフトを試行した結果である。図１１（ａ）は、ＡからＥまでの５通りの移動方法による感度分布の結果であり、図１１（ｂ）は平行シフトのパターンを図示したものである。一定の移動速度にて、往復で検出器リングをシフトさせている。Ａは検出器リングを移動させない従来の場合であり、感度分布の極端な低下及び感度ゼロの領域が見られる。ＢからＤは、それぞれ７７ｍｍ、１５３ｍｍ、２３０ｍｍだけシフトさせた場合であり、シフト量を増やすほど感度分布のピーク値が分散され、感度分布の一様性が高まることが分かる。Ｅは３０７ｍｍまでシフトさせた場合であるが、Ｄと比べ、むしろ感度のピークが新たに発生してしまうことがわかる。

図１２は、比較例として片側シフトを試行した結果である。図１２（ａ）は、ＡからＣまでの３通りの移動方法による感度分布の結果であり、図１２（ｂ）は左右の検出器リング（検出器１及び検出器２）の検出器中心の体軸上位置の座標を図示したものである。いずれの場合も検出器１は固定、検出器２のみ可動とし、時刻０における隙間はＧ＝１５３ｍｍである。ＡからＣは、それぞれ隙間を０ｍｍ、７７ｍｍ、１１５ｍｍまで縮めた場合であり、シフトさせた側（図の右側）の検出器２の感度ピークを分散させることで、開放領域の局所的な感度低下が抑制される。

図１３は、比較例の片側シフトにおいて、固定する検出器リングを入れ替えて試行した結果である。図１３（ａ）は、ＡからＣまでの３通りの移動方法による感度分布の結果であり、図１３（ｂ）は左右の検出器リング（検出器１及び検出器２）の検出器中心の体軸上位置の座標を図示したものである。いずれの場合も、時刻０から１０の間では検出器１を固定、検出器２を可動とし、時刻１０から時刻２０の間では検出器２を固定、検出器１を可動とした。時刻０における隙間はＧ＝１５３ｍｍとし、ＡからＣは、それぞれ最小の隙間を０ｍｍ、７７ｍｍ、１１５ｍｍとした場合である。感度ピークが分散されて局所的な感度低下が抑制されており、その効果は左右対称であり、かつシフト量が大きいほど大きいことが分かる。

２分割の検出器リングによる開放型ＰＥＴ装置では、感度分布は、中央ピークに加えて左右に半分程度のピークを持つ。接近シフトは、中央ピークを維持したまま、左右のピークを中央よりにシフトさせることで感度の溝を埋めることから、開放領域に絞って画質を高めようとする方法である。一方、平行シフトは、それぞれの感度ピークを削って感度の溝を埋める効果があることから、開放領域だけでなく体軸視野全体において画質を高める方法である。

次に、開放型ＰＥＴ装置を放射線治療のビームモニタリングに適用した本発明の実施形態について述べる。図１４に、リング状の２つの同一の検出器リング（空間形成検出器リング）１１、１２を、独立したガントリ（６０ａ、６０ｂ）として平行に配置し、検出器リング１１、１２間の空間に、放射線照射装置２４を挿入することによって、治療後直ちに同一部位をＰＥＴで確認する治療モニタリングを実現した第１実施形態の構成を示す。

具体的には、検出器リング１１、１２、それぞれを囲うガントリカバー６０ａ、６０ｂ、患者６が横たわるベッド８で構成され、それぞれのガントリには車輪６２を装着し、共通又は別々のレール６４で体軸方向に移動できる機能を持つ。

放射線照射装置２４から発生された治療ビーム２２は、検出器リング１１、１２間の空間隙間領域を通り、ＰＥＴのガントリ（６０ａ、６０ｂ）と干渉することなく、患者６の照射野に向けて照射される。

図１４に於いて、放射線照射装置２４及びＰＥＴ装置は、照射計画プログラムが入力された照射装置制御システム２６及びガントリー位置制御装置６８によって制御される。照射装置制御システム２６は、放射線の照射位置を設定する照射位置設定手段と、前記放射線の照射位置に照射ビームを照射させる放射線照射手段を含み、ガントリー位置制御装置６８は、可動検出器リング位置を設定する位置設定手段を含み、放射線照射手段の照射タイミング情報を基に位置設定手段に可動検出器リングの位置を設定する。

可動検出器リングには、図示しない、サーボモータ、ボールネジアクチュエータ、エンコーダ、前記車輪６２及びレール６４等で構成される移動手段を備え、移動手段は位置設定手段が設定した設定位置に可動検出器リングを移動させる。

そして、電磁石、コリメータ、散乱体、リッジフィルタ、スリットなどを制御する照射位置設定手段により照射野内の照射位置を設定し、X線やガンマ線を照射する放射線照射手段によりその設定位置に所定形状のビームを照射する。

ＰＥＴ装置はその照射によって患部近傍から生じる放射線を計測し、その収集データを基にＰＥＴ画像を再構成する。得られたＰＥＴ画像は、照射装置制御システム２６にフィードバックされ、照射野の位置決め、治療効果の確認や治療計画の修正に用いられる。

次に、計測データの処理方法について述べる。患者６の体内の核種７からは、ほぼ１８０°の角度をなして飛行する一対の消滅放射線７ａ、７ｂが四方八方に放出される。検出器リング１１及び１２において、一対の消滅放射線７ａ、７ｂのうちの片側の計測データであるシングルイベントデータＳＤは、それぞれ共通の同時計数回路４０に送られて、検出器リング１１と１２の間の同時計数ペアの情報であるリストモードデータＬＤに変換される。

このリストモードデータＬＤは、データ収集装置４２にて記録媒体に保存された後、画像再構成装置４４に送られて、画像再構成演算を行なった後、画像表示装置４６にて再構成画像が表示される。

検出器リング１１、１２の移動は、コンソール装置６６から指定されたガントリ位置情報に基づき、ガントリ位置制御装置６８によって制御される。ガントリ位置情報は、同時計数回路４０を通じてリストモードデータＬＤ内に含めるか、あるいは、画像再構成装置４４に直接送る等して、画像再構成演算の際に、実際の検出器の位置情報に基づいて計算が行なえるようにする。

検出器リングはビーム照射を常に計測しているが、ビーム照射中はPET計測にとってノイズ成分となる即発性のガンマ線が多く発生することが知られており、ビーム照射中の計測データは画像化に適さない。よって、データ収集システムの負荷を避けるためには、画像再構成に使うデータのみを選択するデータ選択工程を設けた後にデータ収集工程を設けることが望ましいが、データ収集システムの負荷に余裕があれば、データ収集工程の後にデータ選択工程を設けることも可能である。

次に、検出器シフト（接近シフト）を適用した本発明の実施形態について述べる。ビーム照射は、１回で十分な場合や、複数回に分けて行う場合があるが、ここでは２分間の照射を８分間の間隔を開けて実施する場合を想定する。ビーム照射によって生じる消滅放射線をＰＥＴ装置で検出する際に考慮すべき点は、前述のように以下の２点である。

（１）ビーム照射の際に回路が破壊されるなど検出器が損傷を受ける点。
（２）ビーム照射によって生成される核種の半減期は数十秒から２０分と非常に短い点。

そこで、図１５に示すように、（ａ）照射ポート５６からビーム照射中は検出器リング１１、１２を照射野から離しておき、照射が終了したら（ｂ）検出器リング１１、１２を接近させながらＰＥＴ計測を行う。照射終了直後から検出器リング１１、１２を接近させることによって早く照射野へ近づき、短寿命の核種から生じる放射線を逃さず計測することができる。図１５（ｃ）は、開放領域幅Ｇの時間変化として、（ａ）照射中は検出器リング１１、１２を４０ｃｍまで離すが、（ｂ）照射後は２０ｃｍまで接近させた例を示している。上記は、ボーラス照射だけでなく、スポットスキャニング照射においても適用できる。

次に、検出器シフト（平行シフト）を、スポットスキャニング照射に適用した本発明の第２実施形態を図１６に示す。図は、さらに照射野を検出器リングと平行な多層域に分割し、層間を順次移動し層毎にスポットビームを走査照射するスポットスキャニング照射を示す。腫瘍の中心など基準位置をｍ０とし、開放領域の中央がｍ０と重なるときの、左右の検出器リングの基準位置をそれぞれｐ０、ｑ０とする。スポットスキャニング照射では、点状の照射野で腫瘍全体が埋まるように、ペンシルビーム照射を短時間でスキャンする。照射後スポットスキャニング照射の層移動を追跡するようにして検出器リングを体軸方向に平行シフトさせることで、短寿命核種の分布を効率よく検出し、腫瘍およびその周辺を精度よく画像化することができる。具体的には、ペンシルビームの照射野の現在位置をｍ（ｍ＝ｍ０＋ｓ）とすると、左右の検出器リングをｓだけシフトさせて、現在位置がそれぞれｐ＝ｐ０＋ｓ、ｑ＝ｑ０＋ｓとなるようにする。

図１７は、照射全域を照射軸と垂直な多層域に分割し、その層間を順次移動し層毎にスポットビームを走査照射するスポットスキャニング方法を示す。スポットスキャニング照射の照射野の垂直方向の移動に合わせて、検出器リング１１、１２を照射軸方向に移動（平行シフト）する第３実施形態である。腫瘍の中心など基準垂直位置をm０とし、開放領域の中央がm０に重なるときの、検出器リング１１、１２の基準垂直位置をp０とする。照射後スポットスキャニング照射の層移動を追跡するように検出器リング１１、１２を照射軸方向に上下移動させることで、短寿命核種の分布を効率よく検出し、腫瘍およびその周辺を精度よく画像化することができる。具体的には、ペンシルビームの照射野の垂直方向の現在位置をm（m＝m０＋ｓ）とすると、検出器リング１１、１２の垂直位置をサーボモータ６５によりｓだけシフトさせて、現在位置がｐ＝ｐ０＋ｓとなるようにする。なお、第２実施形態及び第３実施形態共に、層毎の照射から一定の時間差となるように層移動を追跡するように検出器リングを制御ことがより好ましい。さらに、放射線照射が層移動する間に一旦照射を止めＰＥＴ計測を行うと、短寿命核種の分布をより効率よく検出することができる。

図１８に、図１６および図１７に示した実施形態における、照射野および検出器の移動パターンの一例を示す。図１８（ａ）は、 ６０秒間かけて照射野を移動させて約１００ｍｍ幅の患部をカバーする例である。図１８（ｂ）は、検出器の移動パターンであり、照射野の移動を追跡するように検出器（リング）を移動させ、照射と並行して計測を行う。しかし照射中は、ＰＥＴ計測にとってノイズ成分となる即発性のガンマ線が多く発生するため、実際には、照射中に周期的または非周期的に存在する短時間の照射合間の計測データからのみ、ＰＥＴ画像を生成することになる。

これに対して図１９は、一連の照射が終了した後に、照射野の移動を追跡して検出器を移動させたパターンの例である。照射終了後からＰＥＴ計測を行うことによって、即発性のガンマ線の影響を受けないデータのみが収集される。照射によって生成される核種は数十秒から数分程度の半減期を持つが、局在的な照射を時間をずらして行った場合、照射終了後の時点では、さまざまな減弱度合いの核種が混在した状態になっている。そこで、一連の照射時間に相当する一定の時間差（図１９の例では６０秒）を置いて、照射位置を追跡するように検出器を移動させることによって、照射位置に依存した減弱のばらつきを抑制する。

なお、胸部の治療などにおいては、呼吸等による患部の移動を考慮する必要がある。具体的には、例えば呼吸サイクルの呼気状態など比較的安定的な呼吸フェーズにおいて照射する治療計画を作成し、治療においては、胸部や照射部近傍に装着したマーカーなどの動きを検出する呼吸モニタリングを行い、治療計画における呼吸フェーズと一致したときのみ、照射を行う制御を行う。

図２０は、呼吸信号の呼気フェーズに応じて、照射をONにする制御を図示したものである。このとき、照射がOFFになっているタイミング（吸気フェーズ）に合わせてＰＥＴ計測を行うことによって、一連の照射の最中において効率的にＰＥＴ計測を行うことができる。

図２０は、加速器から連続的に照射ビームを取り出せるケースを想定していたが、周期的に断続して照射ビームを取り出すケースもある。図２１は後者において、呼吸同期の照射を行う場合である。呼気フェーズと照射クロックが合致したときのみ、照射を行うことができる。よって、図２０のケースよりも照射可能なタイミングが限られてしまうが、一方で、ＰＥＴ計測が可能なタイミングは増加し、より多くのＰＥＴ計測データを収集することができる。なお、治療において考慮すべき体動には、呼吸に限らず、心拍やその他の動きも含まれる。

図２２（Ａ）に示すフローチャートにおいて、まず、検出器で放射線を検出すると（Ｓ１１）、既知の技術により同時計数判定を行う（Ｓ１２）。同時に、放射線照射部近傍に設けたマーカーの動きを検出分析するなどして得ている呼吸モニタリングデータを参照し（Ｓ１３）、呼吸フェーズ以外のフェーズを選んで（Ｓ１４）、同時計数と判定したデータを収集し（Ｓ１５）、照射が終了すると（Ｓ１６）と、収集したデータを基に画像再構成をおこない（Ｓ１７）、画像を出力する（Ｓ１８）。

呼吸同期照射にＰＥＴ装置による計測を適用した例はこれまでにない。図２２（Ｂ）に示すフローチャートは、呼吸同期照射ではない通常の照射においてＰＥＴ装置による計測を行った従来の方法である。従来の技術では呼吸モニタリングデータを参照する代わりにステップＳ２３において加速器情報を参照していた。本発明に於いては呼吸モニタリングデータを直接参照しているので、より多くの情報が精度良く集取でき、照射システムに影響することなく簡便にＰＥＴ計測のための同期データを取得できるほか、呼吸フェーズ毎にＰＥＴ画像再構成を行うなどして、呼吸によるＰＥＴ画像のぶれを抑制することも可能になる。

図４及び図５（Ｂ）に示した基本的な二つの検出器リングと放射線照射装置の作動の別形態である第４実施形態を説明する。

図２３に示すタイムチャートは、図５（Ｂ）に示したタイムチャートでは検出器リングが往路を移動してあらかじめ設定された最も照射野に近い位置（Ｐ４）に到達すると直ちに復路を移動したが、到達後ＰＥＴ計測を終了するまで停止し、終了後復路を待避位置まで移動するようにしたことを示す。

次に、照射後、照射野により早く接近を可能とする図２４に示す第５実施形態を説明する。

図２５に示すフローチャートは、あらかじめ待避位置に移動させた検出器リング（Ｓ３１）を、放射線照射（Ｓ３２）が終了する前に放射線停止時間から逆算して待避位置から照射野方向に往路の移動を始めさせ（Ｓ３３）、照射が終了した後に安全限界位置（放射線が照射中であればその影響により損傷を受ける最も照射野から遠い位置）を通過させ（Ｓ３７）、照射野に最も近づいた後復路を移動して再び安全限界位置を通過して待避位置に復帰する（Ｓ４０）プログラムを示す。

安全のため、図２４に示した待避位置（Ｐ１）と安全限界位置（Ｐ３）のほぼ中間に放射線照射終了確認位置（Ｐ２）が設けられており、この放射線照射終了確認位置を検出器リングが往路で通過するときには放射線照射が終了しているようにプログラムされていて、照射終了確認位置の通過（Ｓ３４）と同時に放射線照射が終了しているかを確認し、終了していると（Ｓ３５／YES）そのまま通過させるが、終了していない場合（Ｓ３５／NO）は異常が発生したと判断し、検出器リングを安全限界位置超える前に停止させ（Ｓ４２）同時に警報（Ｓ４３）を出力する。このように放射線照射（Ｓ３２）が終了する前に待避位置から照射野方向に往路の移動を始めさせる（Ｓ３３）ことにより、図５（Ｂ）及び図２３で示したタイムチャートのプログラムより安全限界位置をより速い速度で通過できるので、より短時間で照射野に近づくことができる。

次の放射線照射が開始される場合は、検出器リングが復路で安全限界位置を超えた後に開始される。ＰＥＴ計測は、往路で放射線照射確認位置を超えて（Ｓ３６）、復路で安全限界位置を超える（Ｓ３９）前までが有効（Ｓ３８）である。照射計画が終了するまでステップＳ３２からＳ４０までのルーチンを繰り返す（Ｓ４１）。

安全限界位置は放射線照射の設定条件等により異なり、主に経験や実験により求められる位置であり、例えば放射線照射テスト時に照射野から十分離れた位置に検出器リングを位置させておき、少しずつ照射野方向に近づけながら各部の計測を行うなどして、求めることができる。

なお、ステップ３５／NOにおける異常時の対応としては、検出器リングを安全限界位置を超える前に停止させ（Ｓ４２）た後、所定時間後（例えば１秒後）に再び放射線照射が終了しているかを確認（Ｓ３５）し、所定回数の確認内に放射線照射が終了しない場合に警報（Ｓ４３）を出力するようもできる。

また、ＰＥＴ計測は、安全限界位置を超える（Ｓ３９）前に終了する（Ｓ３８）かわりに、次の照射（Ｓ３２）が始まる直前まで継続するように設定してもよい。

図２５のフローチャートにおける各部の作動タイミングを図２６のタイムチャートに示す。

産業上の利用の可能性

ビーム照射によって生じる消滅放射線を検出するための放射線治療のビームモニタリング装置で、ビーム照射中は検出器を照射野から遠ざけておくが、ビーム照射終了後に照射野に早く近付いて、あるいは近づけながら放射線計測を行なうことによって、ビーム影響による検出器の性能低下や故障を防ぐと共に、照射野周辺の短寿命核種の分布を精度よく画像化することが可能となる。

Claims (11)

1. 複数の検出器リングが体軸方向に互いに対向するように配列されその貫通内部で放射線計測を行って前記検出器リング間の開放領域をＰＥＴ画像化する開放型ＰＥＴ装置と、
   互いに隣接する前記検出器リング間の空間から放射線照射し該空間の前記内部に照射野を形成可能な放射線照射装置とを備え、
   前記空間を形成する二つの空間形成検出器リングの両方が可動検出器リングで、該可動検出器リングは、放射線照射中は照射野から離れた照射による損傷を避ける待避位置にあり、照射後に待避位置より照射野側で移動しながら放射線計測してＰＥＴ画像化することを特徴とする検出器シフト型放射線治療・ＰＥＴ複合装置。
2. 前記可動検出器リングの前記待避位置は、放射線照射中に照射による損傷を避ける照射野寄りの限界位置である安全限界位置から所定距離安全側にあり、放射線照射停止時間から逆算して照射中に待避位置から照射野方向に移動開始し、照射終了後に安全限界位置を超えることを特徴とする請求項１に記載の検出器シフト型放射線治療・ＰＥＴ複合装置。
3. 照射野を多層域に分割し、層間を順次移動し層毎にスポットビームを走査照射する照射方法において、照射の層移動を追跡するようにして検出器リングを移動させながら前記ＰＥＴ画像化のための放射線計測を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の検出器シフト型放射線治療・ＰＥＴ複合装置。
4. 一連の照射が終了した後に、照射から一定の時間差を置いて、照射の層移動を追跡するようにして検出器リングを移動させながら前記ＰＥＴ画像化のための放射線計測を行うことを特徴とする請求項３に記載の検出器シフト型放射線治療・ＰＥＴ複合装置。
5. 放射線照射が層移動する間に一旦照射を止め前記ＰＥＴ画像化のための放射線計測を行うことを特徴とする請求項３又は４に記載の検出器シフト型放射線治療・ＰＥＴ複合装置。
6. 前記可動検出器リングの移動方向が体軸方向であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の検出器シフト型放射線治療・ＰＥＴ複合装置。
7. 前記可動検出器リングの移動方向が、体軸方向に垂直な面に沿う方向であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の検出器シフト型放射線治療・ＰＥＴ複合装置。
8. 前記可動検出器リングの移動方向が放射線の照射軸方向であることを特徴とする請求項７に記載の検出器シフト型放射線治療・ＰＥＴ複合装置。
9. 前記放射線を呼吸サイクルと同期して照射する呼吸同期照射において、放射線照射の合間に合わせて前記ＰＥＴ画像化のための放射線計測を行うことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の検出器シフト型放射線治療・ＰＥＴ複合装置。
10. 一呼吸サイクル内の安定域で前記放射線照射を行い、放射線照射を行えない不安定域で前記ＰＥＴ画像化のための放射線計測を行うことを特徴とする請求項９に記載の検出器シフト型放射線治療・ＰＥＴ複合装置。
11. 放射線の照射位置を設定する照射位置設定手段と、前記放射線の照射位置に照射ビームを照射させる放射線照射手段と、可動検出器リング位置を設定する位置設定手段と、可動検出器リングを位置設定手段が設定した設定位置に移動させる移動手段と、を備え、
    放射線照射手段の照射タイミング情報を基に位置設定手段が可動検出器リングの位置を設定することを特徴とする請求項１及至１０のいずれかに記載の検出器シフト型放射線治療・ＰＥＴ複合装置。

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