JP5657531B2 - 粒子療法検証のための装置及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、荷電ハドロン療法、すなわち強く相互作用する粒子を使用した放射線療法の分野に関する。より具体的には、本発明は、対象物における荷電ハドロンビームのビーム領域、及び対象物における粒子線量分布を測定するための検出器及び方法に関する。
放射線療法の分野において、荷電ハドロン（すなわち、陽子、パイオン、炭素イオンなどのイオン）はＸ線またはガンマ線に対して物理的利点を有することが定着している。例えば、所定のエネルギー（すなわち、単一エネルギー陽子ビーム）の陽子は、対象物において特定の領域または侵入深さを有し、領域を超えて侵入することはなく、さらには、対象体積における放射線の最大侵入点に対応するいわゆるブラッグピークにおいてエネルギーまたは線量の最大量を蓄積する。ブラッグピーク位置は、ハドロンビームのエネルギーに依存するため、エネルギーを精密に制御及び修正することによって、腫瘍の適当な深さにブラッグピークを置き、選択された箇所に最大放射エネルギーを投与し、逆に前記箇所の周囲の健康な組織には投与しないようにすることができる。
結果として、対象腫瘍が過少摂取を受け得るのに対して、対象腫瘍付近に位置する決定組織が過量摂取を受け得るため、ブラッグピークの位置を正確に把握しなければならない。
既存の放射線治療計画ツールは「理論上の」または「計画上の」ビーム領域及びＣＴ画像に基づいた線量分布を計算するが、周囲の組織の複雑な原子組成を完全に考慮することはほぼ不可能である。結果として、不確実性の度合が粒子領域に影響を与える。従って、粒子領域を直接オンラインで、すなわちビーム発射の間に測定することが必要とされる。
ハドロンビームは、たとえ照射の間であっても治療容積内で停止するため、ハドロンビーム蓄積の投与の終わりを直接検出することは不可能である。
解決策として、粒子ビームの線量蓄積に関する定量的情報を与える二次粒子を検出する方法がある。このような方法は、非特許文献１に開示されている。この文献には、β＋活性分布を、硬光子ビームの照射と同時にオンラインで測定することが開示されている。簡潔に言うと、硬光子照射（２０ＭｅＶを超えるエネルギー）によって、（γ，ｎ）反応に起因してファントム中に陽電子放射体が生成され、対消滅及び続く２つの同時ガンマ線の放出がもたらされる。Ｍｏｃｋｅｌは、ビーム方向に直線的に移動する二つのヘッドを持ったＰＥＴカメラを使用して、これらのガンマ線を検出し、二次元活性分布を推測している。
陽子ビームでは、炭素ビームと比較した場合に、陽子ビームでＰＥＴ同位体を生成する機構が異なるため、この原理を利用することができない。陽子誘発核反応によって生成される陽電子放射体の対象物体における分布は、対象物体における空間陽子線量分布とは直接相関性はない。さらに、陽子ビームで陽電子放射体ＰＥＴ同位体を生成するための衝突断面積は、炭素ビームでＰＥＴ同位体を生成するための断面積と比較してかなり小さい。主に１１Ｃと１５Ｏである、粒子ビームによって発生した陽電子放射体は、異なる半減期を有するため、照射とオフビームＰＥＴ走査との間の遅延が線量蓄積の決定に影響を及ぼし得る。さらに、陽電子放射体の血流へのリークもまたオフビームＰＥＴ走査による線量蓄積測定に影響を及ぼし得る。
別の解決方法が非特許文献２に開示されている。この文献の著者は、１つの多層コリメータシステムが設けられたガンマ線シンチレーションカメラを使用して、照射によって発生する即発ガンマ線を測定している。しかしながら、この装置は、ビーム方向の９０°の方向に放射された即発ガンマ線しか検出することができない。ビーム方向に沿った即発ガンマ線分布を得るためには、検出器を段階ごとに異なる測定位置に移動させなければならず、この装置は実用的なオンライン測定には有用でない。
非特許文献３には、陽子ビーム領域のオンライン測定のための直線配列のシンチレーション検出器及びフォトダイオードが開示されている。この装置の１つの欠点は、コリメータ遮蔽を低減した結果バックグラウンドのレベルが増大することである。
Ｍｏｃｋｅｌ， "Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｉｏｎ−Ｂｅａｍ ａｎｄ Ｏｆｆ−ｂｅａｍ ＰＥＴ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｔ Ｈａｒｄ Ｐｈｏｔｏｎｓ"， ＩＥＥＥ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｒｅｃｏｒｄ， ２００７， ｐ．４１１３−４１１６
Ｃｈｕｌ−Ｈｅｅ Ｍｉｎ ａｎｄ Ｃｈａｎ Ｈｙｅｏｎｇ Ｋｉｍ， "Ｐｒｏｍｐｔ ｇａｍｍａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｌｏｃａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｏｓｅ ｆａｌｌｏｆｆ ｒｅｇｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｎ ｔｈｅｒａｐｙ"， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２００６， ａｒｔｉｃｌｅ １８３５１７
Ｃｈｕｌ−Ｈｅｅ Ｍｉｎ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｏｒｅａｎ Ｏｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００８年３月， Ｖｏｌ ５２， Ｎｏ．３， ｐｐ８８８−８９１
本発明の目的は、従来の検出器及び方法の欠点を克服する荷電ハドロン療法検証のための装置及び方法を提供することである。本発明の目的は特に、オンライン検出器、すなわち荷電ハドロンビームを照射された物体または体における荷電ハドロンビームの侵入深さまたは領域の実時間測定を提供することが可能な検出器を提供することである。さらには、荷電ハドロンビームを照射された物体または体における空間線量分布を決定することができる検出器を提供する。
本発明は、荷電ハドロンビームを物体または体に照射する場合に生成される即発ガンマ線を検出することによる荷電ハドロン療法検証のための装置であって、前記装置は、前記荷電ハドロンビームが前記物体または体に侵入する間に放出される前記即発ガンマ線の数を取得するように配置されたガンマ線ピンホールカメラを備える装置に関する。
好ましくは、ガンマ線ピンホールカメラは、不要な粒子の検出を防ぐための遮蔽手段を備える。
好ましくは、ガンマ線ピンホールカメラは、データ取得のための電気的手段を備える。
好ましくは、本発明による装置は、前記電気的手段に接続され、計測された前記即発ガンマ線から、前記物体または体における前記荷電ハドロンビームの測定侵入深さまたは領域を決定することが可能な演算手段をさらに備える。
好ましくは、前記演算手段は、前記測定侵入深さを理論的または予定侵入深さと比較することを可能にする。
好ましくは、前記電気的手段に接続された前記演算手段は、相対的線量蓄積を表す画像の構築を可能にする。
好ましくは、前記画像は、相対的線量蓄積の二次元または三次元表示である。
好ましくは、カメラの光軸は、ビームの方向に垂直である。
好ましくは、ピンホールの内径ｄは、最もエネルギーの高い放出された即発ガンマ線の波長の値よりも厳密に高い。
好ましくは、本発明による装置は、前記荷電ハドロンビームの時間構造に同調した前記即発ガンマ線の前記数を取得するための電気的手段をさらに備える。
好ましくは、本発明による装置は、即発ガンマ線を検出するための少なくとも２つのカメラを備える。
本発明の別の態様は、ファントムに粒子ビームを照射することによって得られる即発ガンマ線を検出することによる荷電ハドロン療法検証のための方法であって、
ファントムに荷電ハドロンビームを照射する段階と、
照射の間に放出された即発ガンマ線を検出する段階と、
検出された即発ガンマ線から前記荷電ハドロンビームの領域または侵入深さを推測する段階と、
専用の領域測定装置でファントム中の荷電ハドロンビームの領域を測定する段階と、
即発ガンマ線検出に基づく推測領域を、前記専用の領域測定装置で測定された領域と比較する段階と、を含む方法に関する。
ファントムに荷電ハドロンビームを照射する段階と、
照射の間に放出された即発ガンマ線を検出する段階と、
検出された即発ガンマ線から前記荷電ハドロンビームの領域または侵入深さを推測する段階と、
専用の領域測定装置でファントム中の荷電ハドロンビームの領域を測定する段階と、
即発ガンマ線検出に基づく推測領域を、前記専用の領域測定装置で測定された領域と比較する段階と、を含む方法に関する。
好ましくは、本発明による方法は、
前記検出された即発ガンマ線に基づいてファントムに与えられた放射線量を計算する段階をさらに含む。
前記検出された即発ガンマ線に基づいてファントムに与えられた放射線量を計算する段階をさらに含む。
好ましくは、本発明による方法は、前記照射する段階の前に、
ファントムに対して固定位置に即発ガンマ線検出器を配置する段階をさらに含む。
ファントムに対して固定位置に即発ガンマ線検出器を配置する段階をさらに含む。
好ましくは、本発明による方法において使用される即発ガンマ線検出器は、ガンマ線ピンホールカメラである。
本発明はまた、荷電ハドロンビームを物体または体に照射する場合に生成される即発ガンマ線を検出及び／または定量化することによる荷電ハドロン領域検証のためのハドロン療法装置であって、前記装置は、前記荷電ハドロンビームが前記物体または体に侵入する間に放出される前記即発ガンマ線の数を取得するように配置されたガンマ線ピンホールカメラを備える装置に関する。
好ましくは、前記ガンマ線ピンホールカメラは、即発ガンマ線以外の粒子の検出を防ぐための遮蔽手段を備える。
好ましくは、前記ガンマ線ピンホールカメラは、データ取得のための電気的手段を備える。
好ましくは、ハドロン療法装置は、前記電気的手段に接続され、計測された前記即発ガンマ線から、前記物体または体における前記荷電ハドロンビームの侵入深さまたは領域を決定するための演算ユニットをさらに備える。
好ましくは、前記演算ユニットは、前記測定侵入深さを理論的または予定侵入深さと比較する。
好ましくは、前記電気的手段に接続された前記演算ユニットは、相対的線量蓄積を表す画像を構築する。
好ましくは、前記画像は、相対的線量蓄積の二次元または三次元表示である。
好ましくは、カメラの光軸は、ビームの方向に垂直である。好ましくは、ピンホールの内径ｄは、最もエネルギーの高い放出された即発ガンマ線の波長の値よりも厳密に高い。
好ましくは、ハドロン療法装置は、前記荷電ハドロンビームの時間構造に同調した前記即発ガンマ線の前記数を取得するための電気的手段をさらに備える。
本発明の別の態様は、即発ガンマ線を検出することによる荷電ハドロン領域検証のための方法に関し、
荷電ハドロンビームを照射する段階と、
放出された即発ガンマ線を検出する段階と、
検出された即発ガンマ線から前記荷電ハドロンビームの領域または侵入深さを推測する段階と、
専用の領域測定装置で荷電ハドロンビームの領域を測定する段階と、
即発ガンマ線検出に基づく推測領域を、前記専用の領域測定装置で測定された領域と比較する段階と、を含む方法に関する。
荷電ハドロンビームを照射する段階と、
放出された即発ガンマ線を検出する段階と、
検出された即発ガンマ線から前記荷電ハドロンビームの領域または侵入深さを推測する段階と、
専用の領域測定装置で荷電ハドロンビームの領域を測定する段階と、
即発ガンマ線検出に基づく推測領域を、前記専用の領域測定装置で測定された領域と比較する段階と、を含む方法に関する。
本発明による方法は、
前記検出された即発ガンマ線に基づいて放射線量を計算する段階をさらに含む。
前記検出された即発ガンマ線に基づいて放射線量を計算する段階をさらに含む。
本発明による方法は、前記照射する段階の前に、
処理室に対して固定位置に即発ガンマ線検出器を配置する段階をさらに含む。
処理室に対して固定位置に即発ガンマ線検出器を配置する段階をさらに含む。
好ましくは、該方法において使用される即発ガンマ線検出器は、ガンマ線ピンホールカメラである。
本発明は、荷電ハドロンビーム（例えば陽子ビーム、炭素ビーム）を物体または体に照射する場合に即発ガンマ線を検出することによる荷電ハドロン療法のための装置に関するものであり、前記装置は、前記荷電ハドロンビームが前記物体または体に侵入する間に放出された前記即発ガンマ線の数を取得するように配置された計数手段を備える。
好ましくは、前記計数手段は、少なくとも１つのシンチレーション結晶と連結された複数のコリメータを備え、前記結晶は光電子増倍管及びデータ取得用電子的手段と連結されている。
さらに好ましくは、前記計数手段は、データ取得用の電子的手段を有するガンマ線ピンホールカメラを備える。
好ましくは、前記計数手段は、不要な粒子を検出しないための遮蔽手段を備える。
好ましくは、前記電子的手段と接続された計算手段によって、計測された前記即発ガンマ線から、前記物体または体における前記荷電ハドロンビームの測定された侵入深さまたは領域を決定することが可能となる。
さらに、計算手段によって、前記測定された侵入深さを理論上または計画上の侵入深さと比較することが可能となる。
好ましくは、電子的手段に接続された計算手段によって、相対的線量蓄積を表すイメージを構築することが可能となる。
好ましくは、前記イメージは相対的線量蓄積の二次元または三次元表示である。
好ましくは、カメラの光軸はビームの方向と垂直である。
さらに、本発明は、ファントムに粒子ビームを照射することによって得られる即発ガンマ線を検出することによる荷電ハドロン療法のための方法に関し、ファントムに荷電ハドロンビームを照射する段階と、照射の間に放出された即発ガンマ線を検出する段階と、検出された即発ガンマ線から前記荷電ハドロンビームの領域または侵入深さを減算する段階と、専用領域測定装置でファントム中の荷電ハドロンビームの領域を測定する段階と、即発ガンマ線検出に基づいて推定された領域を前記専用領域測定装置で測定された領域と比較する段階と、を含む。
さらには、測定された即発ガンマ線に基づいて物体に投与された線量を計算することができる。
本発明は、人体、動物体、または水ファントムなどの任意の物体に照射することによって得られる即発ガンマ線の検出に基づくものである。
陽子ビームなどの荷電ハドロンビームの照射を受けて、複数の核反応によって励起状態の核は基底状態へと戻ることができる。複数の核反応のうちのいくつかを図１に示す。図１ａに示すように、これらの反応では、ビームからの陽子との相互作用の後、即発ガンマ線の放出が直接観測される。
荷電ハドロンビームのエネルギー蓄積と即発ガンマ線の分配との間の相関関係は、ＰＨＩＴＳ（Ｐｒｏｔｏｎ ａｎｄ Ｈｅａｖｙ Ｉｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ）及びＭＣＮＰＸ２．５．０（Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ Ｎ−Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｅＸｔｅｎｄｅｄ ｖｅｒｓｉｏｎ ２．５．０）コードの両方を使用したモンテカルロシミュレーションによって理論的に評価した。
２３０ＭｅＶ単一エネルギー陽子ビームを水ファントムに照射した場合のモンテカルロシミュレーション結果を図２に示す。
深さ−線量の分布（図２ａ）は、水ファントムにおけるハドロンビームの浸入深さに応じた水ファントムにおける相対的エネルギー蓄積または線量蓄積を表す。
ブラッグピークと呼ばれる線量蓄積の最大値が、水ファントム中の約３２ｃｍの深さで観測される。
ブラッグピークの右側の線量蓄積の９０％値は、物体（例えば水ファントム、体）におけるハドロンビームの侵入深さまたは領域と呼ばれる。
ハドロンビームの領域のその他の定義がある（例えば８０％値、など）。
陽子ビームの深さ−線量分布（図２ａ）は、即発ガンマ線発生量（図２ｂ）と密接に関係する。
即発ガンマ線発生量（図２ｂ）は、水ファントムにおける荷電ハドロン浸入深さに応じた、放出された即発ガンマ線の相対数値を表す。
即発ガンマ線スペクトルのピーク（図２ｂ）は、深さ−線量分布スペクトルにおけるブラッグピーク（図２ａ）とほぼ同じ深さの位置で観測される。
これらのシミュレーションにおいて考慮された水ファントムは、直径２０ｃｍ、長さ４０ｃｍの円柱である。
人体、動物体または任意の物体に照射する間に、即発ガンマ線の放出の他に、その他の粒子が放出される。特に、図１ｂに示すように、高速中性子が生成され、即発ガンマ線計数信号に影響を及ぼすバックグラウンド源を構成する。
異なる陽子ビームエネルギーに対してＰＨＩＴＳコードを使用したモンテカルロシミュレーションでシミュレーションされた高速中性子のスペクトルを図３に示す。
高速中性子は主に前方に向かう一方で、治療室の壁上で散乱した後、信号の劣化に大きく寄与する。従って、中性子に対する検出器の適当な遮蔽が必要とされる。
制動放射によって発生するＸ線などのその他の粒子に対する遮蔽も必要である。
好ましくは、本発明による装置は、即発ガンマ線を検出するための少なくとも２つのカメラを備える。
前記カメラは、同一であっても異なるものであってもよい。
好ましくは、即発ガンマ線計測は、加速器によって提供される粒子ビームの時間構造に同調して起こる。
本発明では、「時間構造」との用語は時間に応じたビーム強度の変動に言及する。
たいていの場合、前記ビーム強度は経時変化し、粒子加速器の特性に依存する。
以降で、粒子療法に適した２種類の粒子加速器に対する時間構造の２つの例を説明する。
粒子加速器（例えば、サイクロトロン、シンクロサイクロトロン、線形加速器など）の時間構造は、高周波（ＲＦ）加速器システムによって決定される。
例えば１００ＭＨｚの一定ＲＦ周波数を使用した２３０ＭｅＶ陽子サイクロトロンは、１０ｎｓｅｃ毎に（ビームパルス繰り返し期間）ビームパルスを供給し、典型的に１ｎｓｅｃのパルス幅を有する。
粒子加速器の別の例は、時変ＲＦ周波数を使用した２５０ＭｅＶのシンクロサイクロトロンであり、粒子の相対論的質量増加の効果を考慮するために周波数が高から低へと変化する。シンクロサイクロトロンにおける粒子の加速サイクルの間に、ＲＦ周波数を例えば８６ＭＨｚから６６ＭＨｚの間で変化させることができる。その後、生成される各ビームパルスに対してこの加速サイクルを繰り返す。
加速器サイクルの典型的な繰り返し周波数（ＲＦ変調周波数に対応）は、２００から１０００Ｈｚの間である。結果として、シンクロサイクロトロンで生成された粒子ビームの時間構造は、マクロレベル及びミクロレベルの時間構造を有する。
マクロレベルの時間構造は、例えば２ｍｓ毎などの加速サイクル毎に生成されるマクロレベルのパルス（すなわち５００ＨｚのＲＦ変調周波数に対して）に対応し、数百ナノ秒（例えば０．３マイクロ秒）の典型的な幅を有する。
マクロレベルパルスは、マクロレベルパルスの周波数がＲＦ加速周波数に対応するような一連のマイクロレベルパルスを含む。
ＲＦ周波数６６ＭＨｚとは、典型的に１．５ナノ秒のパルス幅で１５．２ナノ秒毎にマイクロレベルパルスが生成することを意味する。
例えば、マクロレベルパルスは、一連の２０マイクロレベルパルスを含むことができる。
即発ガンマ線とバックグラウンド放射線との間の割合を向上させるために、有利には上述のように粒子加速器の時間構造を利用することができる。
粒子ビームの対象（人体、動物体または水ファントムなどの任意の物体）との相互作用の後、ガンマカメラによって放射現象が検出する前にかかる時間は、放射現象の種類に依存する。
光の速度で移動する即発ガンマ線は、ガンマカメラにおいて放射現象を即座に発生させる一方で、速度の遅い中性子はガンマカメラにおいてより後で放射現象を発生させる。
即発ガンマ線の生成後（粒子ビームと対象との相互作用に続いた）、ガンマカメラにおいて即発ガンマ線を検出することができる間の時間ウィンドウは小さい（例えば数ナノ秒以下程度）。
高速即発ガンマ線と比較した場合、中性子はガンマカメラとより遅い時間に相互作用するだけでなく、ビームが対象に衝突した後に（広いエネルギースペクトルを有する）中性子をガンマカメラで検出することができる間の時間ウィンドウはずっと大きく、数十ナノ秒以上（対象とガンマカメラとの配置に応じて）となり得る。
ガンマカメラにおいて放射現象を発生させる前の即発ガンマ線と中性子との間の飛行時間（ＴＯＦ）のこの差を使用してバックグラウンド放射線強度（中性子及び中性子誘導放射線）に対する即発ガンマ線信号強度を増強することができる。
例えば１０ｎｓ毎に１ｎｓのパルス幅を有するパルスを生成する上述の粒子加速器の時間構造は、信号対ガンマカメラで検出される即発ガンマ線のバックグラウンド比の最適化に適している。
粒子加速器のＲＦ加速器周波数と同時に即発ガンマ線を測定することによって、ビームが対象に衝突して即発ガンマ線が生成された後の小さな時間ウィンドウの間に即発ガンマ線のみ得られる必要がある。
バックグラウンド低減量は、ビームパルス繰り返し時間に対する即発ガンマ線を分析するために選択された時間ウィンドウに依存する。
ビームパルス繰り返し時間が１０ナノ秒であり、パルス幅が１ナノ秒であるような前述のサイクロトロンの場合、例えば１ナノ秒の即発ガンマ線時間ウィンドウを適用したとき、バックグラウンド放射は最大因子１０低減する。
例えば１．５ナノ秒の周期を有する２０ビームパルスが２ミリ秒の加速サイクル時間の各々に供給されるシンクロサイクロトロンの場合、例えば即発ガンマ線ウィンドウを１．５ナノ秒に設定したとき、バックグラウンドレベルは最大因子６６６６６低減することができる。
好ましくは、本発明による装置は、粒子加速器のＲＦ周波数と同時に即発ガンマ線の強度を測定する電気的手段を備える。
粒子加速器のＲＦ周波数と同時に即発ガンマ線を測定する電気的手段は、例えば原子核物理学において使用される従来の電子機器とすることができる。
例えば、タイミングＮＩＭモジュール（核計測モジュール）を使用することができる。
タイミング解析に使用することができる基本ＮＩＭモジュールは、開始入力信号と停止入力信号との間の時間に正比例する振幅を有する出力パルスを生成するＴＡＣモジュール（時間−アナログ変換器）である。
ＴＡＣを使用してＲＦパルス信号の開始（開始入力）からガンマカメラにおいて放射現象が検出される時（停止入力）までの間の時間を測定することができる。
即発ガンマ線が処理室で測定される設備の配置に応じて、粒子ビームの粒子が加速器から処理室へと移動するのに必要な時間を考慮に入れてＲＦ信号を遅延することができる。この遅延は、標準ＮＩＭ遅延モジュールでも実施することができる。
ＮＩＭ電子機器は、データ取得システム及びユーザインターフェースと連結される。ガンマカメラにおけるそれぞれの放射現象に対して取得される基本データは、蓄積されたエネルギー及びＴＡＣ（ＴＯＦ測定に対応）で測定された特性時間である。
得られたあらゆる放射現象は、例えばＴＡＣで決定される時間の関数としてプロットすることができ、これは飛行時間スペクトルである。
上述のように、即発ガンマ線と中性子との間の飛行時間（ＴＯＦ）の差によって、即発ガンマ線と中性子とを識別することができる。測定された放射現象のエネルギー上に追加のウィンドウを設定することによって、中性子と即発ガンマ線との識別をさらに大きくすることができる。
代わりに、上述のようなＴＯＦ測定を実施する開始信号として、ビーム線における粒子ビームの存在を検出する非妨害粒子ビーム検出器を使用することもできる。
［実施形態１］
［実施形態１］
好ましい一実施形態では、アンガーカメラ（１０）を使用して、ビーム方向に対して基本的に９０°の方向に放出された即発ガンマ線を検出する。
物体から９０°の角度で放出された即発ガンマ線を検出するために、カメラ（１０）を光軸（９）がビーム方向に垂直となるように設置する。
同一の原理を利用して、カメラをビーム方向に対して別の配置に設置して別の角度の即発ガンマ線を測定することができる。
アンガーカメラ（１０）は、中性子、Ｘ線及び不要なガンマ線に対する適当な遮蔽を備える。
図４に示されるように、カメラ（１０）は、ＰｂまたはＷなどの高原子番号材料からなる複数のコリメータ（１）を備え、その上部に少なくとも１つのシンチレーション結晶（２）が配置される。
少なくとも１つのシンチレーション結晶は、少なくとも１つの光電子増倍管（３）と光学的に連結され、それらの各々は、適当な読み出し電子機器（４）と接続される。
従って、前記カメラは、照射された体または照射された物体から放出される即発ガンマ線の計測が可能な手段を備える。
好ましくは、光電子増倍管（３）は直線配列を形成する。
さらに好ましくは、光電子増倍管（３）は二次元配列を形成する。
適当な読み出し電子機器（４）は、ＰＣ（５）などの演算手段と接続される。
コリメータ（１）は、通常２．５ｃｍから８ｃｍの厚さを有し、全て互いに平行であり、シンチレーション結晶によって画定される面に対して垂直であるような一連の高原子番号材料の厚いシートを備える。この場合、カメラは複数のコリメータを備えるため、体または物体に対していかなる移動も実施しなくても、体または物体全体から放出される即発ガンマ線を検出することができる。
少なくとも１つのシンチレーション結晶（２）は、タリウムでドープされたヨードナトリウムなどのシンチレーション材料からなる。
シンチレーション結晶の各々は、隣接する結晶間の信号の交差汚染を防ぐ遮光体である。
中性子の遮蔽は、２つの層（６，７）から構成される。外層（６）は、パラフィンまたは高密度ポリエチレンなど、高速中性子のエネルギーを低減させる材料からなり、一方で内層（７）は、Ｂ４Ｃ粉末、Ｃｄ層、またはＬｉもしくはＢでドープされたプラスチックなど、（ｎ，γ）中性子捕獲反応によって低エネルギー中性子を捕獲する材料からなる。
例えばＰｂまたはＷである第三の層（８）は、非弾性散乱反応によって発生した光子または前記（ｎ，γ）中性子捕獲反応によって発生した光子などの不要な光子に対する遮蔽を可能にする。
ＰＣ（５）などの演算手段に接続された適当な読み出し電子機器（４）は、即発ガンマ線の分布の構築を可能にする。この分布は、照射された物体または体における相対的線量分布の典型である。
分布は、物体における線量分布の一次元（１Ｄ）または二次元（２Ｄ）表示のいずれかである。
好ましくは、第１のカメラと同一の第２のカメラを使用して、即発ガンマ線を検出し、即発ガンマ線の第２分布を構築する。
これらの分布の組み合わせによって、演算手段（５）で動作する専用ソフトのおかげで即発ガンマ線の三次元（３Ｄ）分布を構築することが可能となる。
好ましくは、２Ｄ及び３Ｄ分布は、演算手段（５）で動作する画像ソフトで作成される２Ｄまたは３Ｄマップを使用して表される。
［実施形態２］
［実施形態２］
別の好ましい実施形態では、ピンホールカメラを使用して照射された体または物体から放出される即発ガンマ線を検出する。
物体から放出された即発ガンマ線を検出するために、カメラを光軸（３０）がビーム方向に垂直となるように設置する。
ピンホールカメラは、中性子、Ｘ線及び不要なガンマ線に対する遮蔽を備える。
図５に示されるように、ピンホールカメラ（２０）は、ＰｂまたはＷなどの高原子番号材料からなるピンホールコリメータ（２１）を備える。
アンガーカメラと比較した場合のピンホールカメラを使用する利点は、ピンホールカメラはバックグラウンド放射線をより遮蔽できることである。
アンガーカメラの問題点は、即発ガンマ線の分布を測定する際に高解像度を得るためには、コリメータ間の距離が小さいため（数ｍｍ、例えば２または３ｍｍ）、有効な遮蔽が減少することである。
好ましくは、ピンホールの光軸（３０）を含む面に続く部分は、円錐形（２２）を有する。この円錐形によって、ビーム方向の９０°から放出されない即発ガンマ線を検出することが可能となる。
従って、カメラは、体または物体に対していかなる移動も実施しなくても、体または物体全体から放出される即発ガンマ線を検出することができる。
好ましくは、物体または体の照射の間に、カメラは移動しない。
最終的には、物体または体の照射の間に、カメラは移動することができる。
好ましくは、ピンホールの内径ｄは、最もエネルギーの高い放出された即発ガンマ線の波長の値よりも厳密に高い。この値以下では、光子の回折が生じる。
ピンホールカメラは、少なくとも１つの光電子増倍管（２４）と光学的に連結された少なくとも１つのシンチレーション結晶（２３）を備え、それらの各々は、適当な読み出し電子機器（２５）と接続される。
従って、前記カメラは、照射された体または照射された物体から放出される即発ガンマ線の計測が可能な手段を備える。
好ましくは、光電子増倍管（２４）は直線配列を形成する。
さらに好ましくは、光電子増倍管（２４）は二次元配列を形成する。
少なくとも１つのシンチレーション結晶（２３）は、タリウムでドープされたヨードナトリウムなどのシンチレーション材料からなる。
好ましくは、シンチレーション結晶の各々は、隣接する結晶間の信号の交差汚染を防ぐ遮光体である。
好ましくは、中性子の遮蔽は、２つの層（２７，２８）から構成される。外層（２７）は、パラフィンまたは高密度ポリエチレンなど、高速中性子のエネルギーを低減させる材料からなり、一方で内層（２８）は、Ｂ４Ｃ粉末、Ｃｄ層、またはＬｉもしくはＢでドープされたプラスチック化合物など、（ｎ，γ）反応によって中性子を捕獲する材料からなる。
好ましくは、例えばＰｂまたはＷである第三の層（２９）は、非弾性散乱反応によって発生した光子、前記（ｎ，γ）中性子捕獲反応によって発生した光子などの不要な光子、及び大きな角度で生成された即発ガンマ線に対する遮蔽を可能にする。
大きな角度でされた即発ガンマ線とは、光軸（３０）に対して以下の数式で与えられる値を超える角度でピンホールを通過する即発ガンマ線を意味する：
β＝ａｒｃｔｇ（Ｒ／（２ｆ））
ここで、ｆは焦点距離、すなわちピンホールとシンチレーション材料表面との間の距離であり、Ｒはシンチレーション材料の長手方向の長さである。
β＝ａｒｃｔｇ（Ｒ／（２ｆ））
ここで、ｆは焦点距離、すなわちピンホールとシンチレーション材料表面との間の距離であり、Ｒはシンチレーション材料の長手方向の長さである。
ＰＣなどの演算手段（２６）に接続された適当な読み出し電子機器（２５）は、即発ガンマ線の二次元（２Ｄ）分布の構築を可能にする。２Ｄ分布は、照射された物体または体における相対的線量分布の典型である。
好ましくは、ピンホールカメラは、ビーム方向の周囲に設置された一連のピンホールカメラ（最低２）からなる。
ＰＣ（５）などの演算手段に接続された適当な読み出し電子機器（４）は、即発ガンマ線の分布の構築を可能にする。この分布は、照射された物体または体における相対的線量分布の典型である。
分布は、物体における線量分布の一次元（１Ｄ）または二次元（２Ｄ）表示のいずれかである。
好ましくは、第１のカメラと同一の第２のカメラを使用して、即発ガンマ線を検出し、即発ガンマ線の第２分布を構築する。
別の方法では、第１のカメラと異なる第２のカメラを使用して即発ガンマ線を検出し、即発ガンマ線の第２分布を構築する。
有利には、２つのカメラの光軸は垂直である。
各々のピンホールカメラが即発ガンマ線を検出し、即発ガンマ線の２Ｄ分布を構築する。
これらの２Ｄ分布の組み合わせによって、専用ソフトのおかげで即発ガンマ線の三次元（３Ｄ）分布を構築することが可能となる。
これらの分布の組み合わせによって、演算手段（５）で動作する専用ソフトのおかげで即発ガンマ線の三次元（３Ｄ）分布を構築することが可能となる。
好ましくは、２Ｄ及び３Ｄ分布は、演算手段（５）で動作する画像ソフトで作成される２Ｄまたは３Ｄマップを使用して表される。
本発明による装置は、ファントム（例えば水ファントム）での比較測定を実施することによって検証及び／または調整することができる。
即発ガンマ線検出に基づいて推定された領域を、専用の領域測定装置（例えば電離箱、ダイオード）を使用することによって得られた領域と比較することができる。
本発明の別の態様は、本発明の装置を検証及び／または調整する方法に関し、
ファントムに荷電ハドロンビームを照射する段階と、
照射の間に放出された即発ガンマ線を検出する段階と、
検出された即発ガンマ線から前記荷電ハドロンビームの領域または侵入深さを推測する段階と、
専用の領域測定装置でファントム中の荷電ハドロンの領域を測定する段階と、
即発ガンマ線検出に基づく推測領域を、前記専用の領域測定装置で測定された領域と比較する段階と、を含む。
ファントムに荷電ハドロンビームを照射する段階と、
照射の間に放出された即発ガンマ線を検出する段階と、
検出された即発ガンマ線から前記荷電ハドロンビームの領域または侵入深さを推測する段階と、
専用の領域測定装置でファントム中の荷電ハドロンの領域を測定する段階と、
即発ガンマ線検出に基づく推測領域を、前記専用の領域測定装置で測定された領域と比較する段階と、を含む。
本発明による装置はさらに、
患者に荷電ハドロンビームを照射する段階と、
患者の照射の間、すなわち前記ハドロンビームが患者の体に侵入する間に放出された即発ガンマ線を検出する段階と、
検出された即発ガンマ線から前記ハドロンビームの領域または侵入深さを推測する段階と、を含む方法において使用することができる。
患者に荷電ハドロンビームを照射する段階と、
患者の照射の間、すなわち前記ハドロンビームが患者の体に侵入する間に放出された即発ガンマ線を検出する段階と、
検出された即発ガンマ線から前記ハドロンビームの領域または侵入深さを推測する段階と、を含む方法において使用することができる。
さらに、本発明による装置は、
患者に荷電ハドロンビームを照射する間に放出された即発ガンマ線を検出する段階と、
検出された即発ガンマ線から、前記照射の結果得られる患者における線量分布を推測する段階と、を含む方法においても使用することができる。
患者に荷電ハドロンビームを照射する間に放出された即発ガンマ線を検出する段階と、
検出された即発ガンマ線から、前記照射の結果得られる患者における線量分布を推測する段階と、を含む方法においても使用することができる。
さらに、本発明による装置は、
患者に荷電ハドロンビームを照射する間に放出された即発ガンマ線を検出する段階と、
即発ガンマ線検出に基づいて、患者に与えられた放射線量を計算する段階と、を含む方法においても使用することができる。
患者に荷電ハドロンビームを照射する間に放出された即発ガンマ線を検出する段階と、
即発ガンマ線検出に基づいて、患者に与えられた放射線量を計算する段階と、を含む方法においても使用することができる。
１ コリメータ
２、２３ シンチレーション結晶
３、２４ 光電子増倍管
４、２５ 電子機器
５、２６ 演算手段
６、２７ 外層
７、２８ 内層
８、２９ 第三の層
９、３０ 光軸
１０ アンガーカメラ
２１ ピンホール
２、２３ シンチレーション結晶
３、２４ 光電子増倍管
４、２５ 電子機器
５、２６ 演算手段
６、２７ 外層
７、２８ 内層
８、２９ 第三の層
９、３０ 光軸
１０ アンガーカメラ
２１ ピンホール
Claims (10)
- 荷電ハドロンビームを物体または体に照射する場合に生成される即発ガンマ線を検出及び／または定量化することによる荷電ハドロン療法検証のための装置であって、前記装置は、
前記荷電ハドロンビームが前記物体または体に侵入する間に放出される前記即発ガンマ線の数を取得するように配置されたガンマ線ピンホールカメラ（２０）であって、
直線または二次元配列をなす複数の光電子増倍管（２４）と光学的に連結された少なくとも１つのシンチレーション結晶（２３）と、データ取得のための電気的手段（２５）と、を備えるガンマ線ピンホールカメラ（２０）と、
前記電気的手段（２５）に接続され、計測された前記即発ガンマ線から、前記物体または体における前記荷電ハドロンビームの測定侵入深さまたは領域を決定することが可能な演算手段（２６）と、
を備え、
前記ピンホールカメラのピンホールは、円錐形を有し、前記荷電ハドロンビームの方向に対して９０°の方向から照射されない即発ガンマ線を検出することができることを特徴とする装置。 - 前記ガンマ線ピンホールカメラが、不要な粒子の検出を防ぐための遮蔽手段（２７，２８，２９）を備える、請求項１に記載の装置。
- 前記演算手段（２６）が、前記測定侵入深さを理論的または予定侵入深さと比較することを可能にする、請求項１に記載の装置。
- 前記電気的手段（２５）に接続された前記演算手段（２６）が、相対的線量蓄積を表す画像の構築を可能にする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
- 前記画像が、相対的線量蓄積の二次元または三次元表示である、請求項４に記載の装置。
- カメラ（３０）の光軸がビームの方向に垂直である、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
- ピンホール（２１）の内径ｄが、最もエネルギーの高い放出された即発ガンマ線の波長の値よりも厳密に高い、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
- 前記荷電ハドロンビームの時間構造に同調した前記即発ガンマ線の前記数を取得するための電気的手段をさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
- ファントムに粒子ビームを照射することによって得られる即発ガンマ線を検出することによる荷電ハドロン療法検証のための方法であって、
前記ファントムに対して固定位置に即発ガンマ線検出器を配置する段階と、
ファントムに荷電ハドロンビームを照射する段階と、
照射の間に放出された即発ガンマ線を検出する段階と、
検出された即発ガンマ線から前記荷電ハドロンビームの領域または侵入深さを推測する段階と、
専用の領域測定装置でファントム中の荷電ハドロンビームの領域を測定する段階と、
即発ガンマ線検出に基づく推測領域を、前記専用の領域測定装置で測定された領域と比較する段階と、を含み、
前記即発ガンマ線検出器が、直線または二次元配列をなす複数の光電子増倍管（２４）と光学的に連結された少なくとも１つのシンチレーション結晶（２３）を備えるガンマ線ピンホールカメラであり、前記ピンホールカメラのピンホールは、円錐形を有し、前記荷電ハドロンビームの方向に対して９０°の方向から照射されない即発ガンマ線を検出することができることを特徴とする方法。 - 前記検出された即発ガンマ線に基づいてファントムに与えられた放射線量を計算する段階をさらに含む、請求項９に記載の方法。
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